JP2008138095A - 生物脱硫装置及び生物脱硫方法 - Google Patents

Abstract

【課題】メタンガスや高濃度の硫化水素等を含有するバイオガスを生物脱硫塔に安全に供給できる生物脱硫装置及び生物脱硫方法を提供すること。
【解決手段】内部に硫黄酸化細菌を担持した充填材１０を備え、下部に被処理ガス導入管１１を備えた生物脱硫塔１に、前記被処理ガスと酸素含有ガスを導入して生物学的に前記硫化水素を酸化して生物脱硫を行う生物脱硫装置において、前記被処理ガスに含まれる硫化水素濃度が０．５％（体積）以上であり、該硫化水素の酸化に必要な化学量論的必要量以上で且つ化学量論的必要量の３倍以下の前記酸素含有ガスを分割して注入するための複数の注入部を該被処理ガス導入管１１に設けたこと、前記酸素含有ガスを注入部の数に応じて分割して注入することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は生物脱硫装置及び生物脱硫方法に関し、詳しくはメタンガスや高濃度の硫化水素等を含有するバイオガスを生物脱硫塔に安全に供給できる生物脱硫装置及び生物脱硫方法に関する。

畜産し尿などの有機性廃棄物のメタン発酵処理で得られるメタンガスは、電気や熱を回収するのに優れた燃料であるが、メタン発酵で発生したバイオガス中には硫化水素濃度が高濃度に含まれる場合があり、燃料等へ利用する場合には脱硫する必要がある。

特許文献１、２、３には、メタン発酵槽から発生したバイオガスを導入し、硫黄酸化細菌による硫化水素の酸化反応（Ｈ_２Ｓ＋２Ｏ_２＝Ｈ_２ＳＯ_４）によって脱硫する生物脱硫方法が開示されている。

特許文献１、２、３のいずれの技術においても、空気量は、硫化水素の酸化反応に必要な理論量以上必要であるが、硫化水素を高濃度に含有する場合には多量の空気を注入する必要があり、空気とバイオガスとが混合する過程において安全性に問題が生じる場合がある。
特開２００６−１４３７７９号公報 特開２００６−１４３７８０号公報 特開２００６−１４３７８１号公報 特開２００３−０７３６８０号公報

特許文献４では、空気の量を制限しているが、空気の量的な制限のみでは安全性は十分に確保できない問題がある。

そこで、本発明の課題は、メタンガスや高濃度の硫化水素等を含有するバイオガスを生物脱硫塔に安全に供給できる生物脱硫装置及び生物脱硫方法を提供することにある。

また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。

上記課題は、以下の各発明によって解決される。

（請求項１）
内部に好気性の硫黄酸化細菌を担持した充填材を備え、下部にメタンガスと硫化水素を少なくとも含む被処理ガスを導入する被処理ガス導入配管を備えた生物脱硫塔に、前記被処理ガスと酸素含有ガスを導入して生物学的に前記硫化水素を酸化して生物脱硫を行う生物脱硫装置において、
前記被処理ガスに含まれる硫化水素濃度が０．５％（体積）以上であり、該硫化水素の酸化に必要な化学量論的必要量以上で且つ化学量論的必要量の３倍以下の前記酸素含有ガスを分割して注入するための複数の注入部を該被処理ガス導入配管に設けたことを特徴とする生物脱硫装置。

（請求項２）
前記注入部が、前記被処理ガスの流路断面方向に複数設けられ、前記注入部の間隔が、前記被処理ガスの流路断面の直径、長径又は対角線長の１／２以内であることを特徴とする請求項１記載の生物脱硫装置。

（請求項３）
前記注入部が、前記被処理ガスの流路方向に複数設けられ、前記注入部の間隔が、前記被処理ガスの流路断面の直径、長径又は対角線長の１／２以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の生物脱硫装置。

（請求項４）
内部に好気性の硫黄酸化細菌を担持した充填材を備え、下部にメタンガスと硫化水素を少なくとも含む被処理ガスを導入する被処理ガス導入配管を備えた生物脱硫塔に、前記被処理ガスと酸素含有ガスを導入して生物学的に前記硫化水素を酸化して生物脱硫を行う生物脱硫方法において、
前記被処理ガスに含まれる硫化水素濃度が０．５％（体積）以上であり、該被処理ガス導入配管に設けられた複数の注入部から前記硫化水素濃度に対する酸化に必要な化学量論的必要量以上で且つ化学量論的必要量の３倍以下の前記酸素含有ガスを注入部の数に応じて分割して注入することを特徴とする生物脱硫方法。

（請求項５）
前記注入部が、前記被処理ガスの流路断面方向に複数設けられ、前記注入部の間隔が、前記被処理ガスの流路断面の直径、長径又は対角線長の１／２以内であることを特徴とする請求項４記載の生物脱硫方法。

（請求項６）
前記注入部が、前記被処理ガスの流路方向に複数設けられ、前記注入部の間隔が、前記被処理ガスの流路断面の直径、長径又は対角線長の１／２以上であることを特徴とする請求項４又は５記載の生物脱硫方法。

本発明によれば、メタンガスや高濃度の硫化水素等を含有するバイオガスを生物脱硫塔に安全に供給できる生物脱硫装置及び生物脱硫方法を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明に係る生物脱硫方法を実施するための生物脱硫装置の一例を示す概略断面図である。

同図において、１は好気性の硫黄酸化細菌を担持した充填材１０を備えた生物脱硫塔であり、１１はメタンガスと還元性の硫黄化合物を少なくとも含む被処理ガス導入配管であり、該導入配管１１内に被処理ガスの流路１１０が形成される。

充填材１０は、硫黄酸化細菌を担持する担体として機能し、例えば磁製又は樹脂製の気液接触用充填材のほか、多孔質軟質樹脂、活性炭、木炭、ゼオライト、セラミックスなどの多孔体粒子などを用いることができる。多孔性の活性炭としては、繊維状、粉末又は粒体のいずれでもよいが、硫黄酸化細菌を担持する上では炭素繊維フェルトが好ましい。木炭としては、湿潤した木炭が酸化速度を速める上で好ましい。また多孔性の素材を用いる場合には、窒素吸着によるＢＥＴ比表面積が１０ｃｍ^２／（見かけの体積ｃｍ^３）以上のものを用いることが好ましい。

生物脱硫塔１に導入される被処理ガスとしては、メタンガスと硫化水素を少なくとも含み、硫化水素以外に、メルカプタン類（例えばメチルメルカプタンなど）または硫化アルキル類（たとえば硫化カルボニルなど）などが含まれることもある。

被処理ガスは、例えば、焼酎製造工程で排出される焼酎粕、でんぷん工場などから排出されるでんぷん廃棄物、生ごみ、その他各種加工プロセス残渣や食品残渣、牛糞尿などの家畜糞尿などからなる有機性化合物からなるバイオマス原料をメタン発酵槽で嫌気発酵されて得られるバイオガスなどが挙げられる。以下、被処理ガスをバイオガスと称する場合がある。

本発明において、硫化水素は、被処理ガス中に０．５％（体積）以上の高濃度で含有されており、かかる高濃度の硫化水素を含む被処理ガスの生物脱硫においては、硫化水素の酸化に際して多量の酸素含有ガスを必要とする。

酸素含有ガスとしては、通常の空気、酸素富化膜などによって酸素濃度を上げた空気などを用いることができる。以下、酸素含有ガスは必要により空気と称する場合がある。

１２は精製されたバイオガスを排出する排出部であり、１３は充填材１０の上部から循環液を供給する供給管であり、１４は循環液の排出管で、１５は循環液タンクであり、１６は循環ポンプである。

生物脱硫塔１内において、導入されたバイオガスと循環液とは向流もしくはともに下降流となる気液接触構造になっている。

バイオガスは、生物脱硫塔１に送られると、硫黄酸化細菌によって硫化水素は硫酸イオンに酸化され、循環液によって洗浄・除去される。

本発明では、被処理ガス導入配管１１内に酸素含有ガスを注入する注入部を複数設けている。複数の注入部から注入された酸素含有ガスは、被処理ガス導入配管１１内の流路１１０を生物脱硫塔１に向かって流れる。

本発明において、注入部を複数設ける態様は、被処理ガスの流路方向に複数設ける態様と、注入部を被処理ガスの流路の断面方向に複数設ける態様がある。

はじめに、被処理ガスの流路方向に複数設ける態様について説明する。

図１には、注入部を被処理ガスの流路方向に複数設ける態様が示されている。

空気を注入する注入部１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃは分岐管１７０、１７１、１７２に各々接続されており、各々の分岐管１７０、１７１、１７２は酸素含有ガス導入配管１７３に接続されている。

注入部の詳細を図２に基づいて説明する。分岐管１７０、１７１、１７２は被処理ガス導入配管１１内部に挿通しており、先端が流路１１０に平行に下流側に向かってＬ字状に曲げられている。その先端が注入部１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃである。

注入部の間隔Ｌ１、Ｌ２は、流路１１０の断面の直径、長径又は対角線長の１／２以上であり、好ましくは２／３以上であり、より好ましくは１以上である。

ここで、流路１１０の断面の直径は、図３の（Ａ）に示すように流路断面が円形である場合のその直径ｘである。また流路１１０の断面の長径は、図３の（Ｂ）に示すように流路断面が楕円形である場合のその長径ｘである。更に流路１１０の断面の対角線長は、図３の（Ｃ）に示すように流路断面が方形状である場合のその対角線長ｘである。

例えば、流路断面が円形である場合、流路の直径が１００ｍｍφとすると、注入部の間隔Ｌ１、Ｌ２は、５０ｍｍ以上であり、好ましくは６５〜７０ｍｍ以上であり、より好ましくは１００ｍｍ以上である。

本発明では、複数の注入部から硫化水素濃度に対する酸化に必要な化学量論的必要量以上で且つ化学量論的必要量の３倍以下の前記酸素含有ガスを注入部の数に応じて分割して注入する。

空気の供給は、硫黄酸化細菌による硫化水素の酸化反応（Ｈ_２Ｓ＋２Ｏ_２＝Ｈ_２ＳＯ_４）を行うためであり、酸素含有ガスの化学量論的必要量は上記反応式から算出される。本発明では、かかる化学量論的必要量以上で且つ化学量論的必要量の３倍以下の量まで供給可能であるが、かかる酸素含有ガス量を複数の注入部から均等に分割して注入することが好ましい。

図４に示すように、注入部１７Ｄを１箇所しか設けなかった場合には、注入管１７Ｅから注入された酸素含有ガスは、図４に示すような酸素濃度分布を示し、かなり長く且つ広い分布を示し、危険ゾーン（斜線部）Ｐに入るようになる。ここで危険ゾーンＰというのは、メタンガス５％以上１５．３％以下（explosion limit）である。

図５には、本発明の作用効果を説明した図が示されており、注入部の間隔Ｌ１、Ｌ２が、流路１１０の断面の直径ｘの１／２以上であり、しかも所定量の酸素含有ガス量を注入部１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃに分けて注入したため、酸素濃度分布は危険ゾーンＰまで広がらないため、爆発の危険性を解消できる。

次に、注入部を被処理ガスの流路の断面方向に複数設ける態様について説明する。

図６には、注入部を被処理ガスの流路１１０の流れ方向に直交する断面方向に複数設ける態様が例示されており、同図に示すように、注入部１７Ｆ、１７Ｇは被処理ガスの流路１１０の断面方向に設けられている。空気は導入配管１７７からヘッダー１７６に送られ、ヘッダー１７６から注入管１７４、１７５に分岐され注入部１７Ｆ、１７Ｇから被処理ガス導入配管１１内に送られるように構成されている。断面方向に設ける態様は図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に例示されている。

図７（Ａ）は断面円形の流路１１０に２つの注入部１７Ｆ、１７Ｇを設けた態様である。この態様での流路１１０の断面の直径はｘで示される。注入部１７Ｆ、１７Ｇの間隔は、流路断面の直径の１／２以内（ｘ／２以内）であることが好ましい。

図７（Ｂ）は断面楕円形の流路１１０に２つの注入部１７Ｆ、１７Ｇを設けた態様である。この態様での流路１１０の断面の長径はｘで示される。注入部１７Ｆ、１７Ｇの間隔は、流路断面の長径の１／２以内（ｘ／２以内）であることが好ましい。

図７（Ｃ）は断面方形状の流路１１０に２つの注入部１７Ｆ、１７Ｇを設けた態様である。この態様での流路１１０の断面の対角線長はｘで示される。注入部１７Ｆ、１７Ｇの間隔は、流路断面の対角線長の１／２以内（ｘ／２以内）であることが好ましい。

このように注入部を被処理ガスの流路の断面方向に複数設けることにより、更にしかも所定量の酸素含有ガス量を注入部１７Ｆ、１７Ｇに分けて注入したため、図６に示すように酸素濃度分布は断面方向に分散していくが、危険ゾーンＰまで届くことはないので、爆発の危険性はない。

以上、本発明の好ましい実施の形態を説明したが、以下の態様でもよい。即ち、図１では生物脱硫塔１に接続される流路１１０が１本であったが、複数本であってもよい。複数の流路を有する場合挿入方向は限定されない。

また空気注入孔近傍の流路１１０内面に帯電防止層を形成することも好ましい。帯電防止層を形成するには、通常の帯電防止剤を混入した塗布剤を塗布したり、浸漬処理することにより形成できる。

以下、実施例により本発明の効果を例証する。

比較例１
図８に示すように、配管径（内径）約１００ｍｍφのガス配管にメタン濃度約６０％（体積）、硫化水素濃度約５，５００ｐｐｍの被処理ガス（バイオガス）を約１００Ｌ／分で流通させて、生物脱硫塔に送り脱硫を行った。

生物脱硫塔で脱硫を行うために、ガス配管に、酸素含有ガスとして空気を注入した。

空気の場合、化学量論的に必要な空気注入量は、Ｈ_２Ｓ＋２Ｏ_２→Ｈ_２ＳＯ_４の反応から、１００Ｌ／分×５．５×１０^-3×２×１／０．２＝５．５Ｌ／分である。

注入部より約１００ｍｍ下流側にガスサンプリングノズルを設けて、バイオガスと空気の混合後のガスを採取し、ガスクロマトグラフによってメタン、空気比を測定した。

図８のように、１本の注入管（注入部は１箇所）で空気を約５．５Ｌ／分注入した場合、採取ガスのメタン濃度１２．５％、空気含有量７９％の濃度領域が形成された。

これはメタンの対空気発火限界組成５．０〜１５．３％の領域に入っていた。

実施例１
比較例１とは異なって、図９のように、ヘッダーから分岐された２本の注入管で空気を約５．５Ｌ／分注入した。１本の注入管当りの注入量は２．７５Ｌ／分とした。２つの注入部の位置は図７（Ａ）のようにした。注入部の間隔は約５０ｍｍとした。

これによってガスサンプリングノズルが配管内断面（上下）方向、どの位置においてもメタン濃度は２０％以上となり、メタンの対空気発火限界領域から外れていた。

比較例２
実施例１と同じ条件で、ガス注入管間隔を実施例１の約５０ｍｍ（ｘ／２）から約６０ｍｍにすると一部でメタン濃度１５．０％になる領域が発生した。

実施例２
メタン濃度約６０％、硫化水素濃度約２０，０００ｐｐｍ（２％）のバイオガスに対して、酸素富化膜を用いて酸素濃度を４５％に上げた空気を用いて脱硫を行った。

図１０に示すように酸素富化空気を約１５ｍｍ間隔にした５本の注入管から合計約９Ｌ／分の流量で注入した。この注入法によって採取ガスのメタン濃度を常時２０％以上に維持することができた。

比較例３
図１１に示すように、被処理ガス（バイオガス）導入配管に設けた１つの注入孔から空気を注入した。

バイオガスのメタン濃度約６０％、硫化水素濃度約５，５００ｐｐｍ、ガス量約１００Ｌ／分、空気注入量約５．５Ｌ／分とした。

この場合も比較例１と同じく、サンプリングしたガスのメタン濃度が１０〜１５％になる領域が発生した。

実施例３
図１２に示すように、５０ｍｍの間隔をおいて４本の酸素含有ガス注入孔をもつバイオガス導入配管を用いて混合試験を実施した。その結果、表１に示す結果が得られた。

比較例４
実施例３の実験ＮＯ（１）において、酸素含有ガス注入間隔を４０ｍｍとした場合、採取ガスのメタン濃度はノズル１で１２％、ノズル２で１５％であった。

本発明に係る生物脱硫方法を実施するための生物脱硫装置の一例を示す概略断面図 注入部の詳細を示す図 流路の断面形状の例を示す図 注入部を１箇所しか設けなかった場合の危険性を説明する図 本発明の作用効果を説明した図 注入部を被処理ガスの流路の断面方向に複数設ける態様を示す図 注入部を断面方向に設ける態様を示す図 実験例の説明図 実験例の説明図 実験例の説明図 実験例の説明図 実験例の説明図

符号の説明

１：生物脱硫塔
１０：充填材
１１：被処理ガスの導入配管
１１０：流路
１２：排出部
１３：供給管
１４：排出管
１５：循環液タンク
１６：循環ポンプ
１７、１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄ、１７Ｆ、１７Ｇ：注入部
１７Ｅ：注入管
１７０、１７１、１７２：分岐管
１７３：酸素含有ガス（空気）導入配管
１７４、１７５：注入管
１７６：ヘッダー
１７７：導入配管

Claims (6)

1. 内部に好気性の硫黄酸化細菌を担持した充填材を備え、下部にメタンガスと硫化水素を少なくとも含む被処理ガスを導入する被処理ガス導入配管を備えた生物脱硫塔に、前記被処理ガスと酸素含有ガスを導入して生物学的に前記硫化水素を酸化して生物脱硫を行う生物脱硫装置において、
   前記被処理ガスに含まれる硫化水素濃度が０．５％（体積）以上であり、該硫化水素の酸化に必要な化学量論的必要量以上で且つ化学量論的必要量の３倍以下の前記酸素含有ガスを分割して注入するための複数の注入部を該被処理ガス導入配管に設けたことを特徴とする生物脱硫装置。
2. 前記注入部が、前記被処理ガスの流路断面方向に複数設けられ、前記注入部の間隔が、前記被処理ガスの流路断面の直径、長径又は対角線長の１／２以内であることを特徴とする請求項１記載の生物脱硫装置。
3. 前記注入部が、前記被処理ガスの流路方向に複数設けられ、前記注入部の間隔が、前記被処理ガスの流路断面の直径、長径又は対角線長の１／２以上であることを特徴とする請求項１又は２記載の生物脱硫装置。
4. 内部に好気性の硫黄酸化細菌を担持した充填材を備え、下部にメタンガスと硫化水素を少なくとも含む被処理ガスを導入する被処理ガス導入配管を備えた生物脱硫塔に、前記被処理ガスと酸素含有ガスを導入して生物学的に前記硫化水素を酸化して生物脱硫を行う生物脱硫方法において、
   前記被処理ガスに含まれる硫化水素濃度が０．５％（体積）以上であり、該被処理ガス導入配管に設けられた複数の注入部から前記硫化水素濃度に対する酸化に必要な化学量論的必要量以上で且つ化学量論的必要量の３倍以下の前記酸素含有ガスを注入部の数に応じて分割して注入することを特徴とする生物脱硫方法。
5. 前記注入部が、前記被処理ガスの流路断面方向に複数設けられ、前記注入部の間隔が、前記被処理ガスの流路断面の直径、長径又は対角線長の１／２以内であることを特徴とする請求項４記載の生物脱硫方法。
6. 前記注入部が、前記被処理ガスの流路方向に複数設けられ、前記注入部の間隔が、前記被処理ガスの流路断面の直径、長径又は対角線長の１／２以上であることを特徴とする請求項４又は５記載の生物脱硫方法。