JP2010215735A

JP2010215735A - 脱硫装置

Info

Publication number: JP2010215735A
Application number: JP2009062085A
Authority: JP
Inventors: Hideki Toki; 秀樹時; Keito Itakura; 啓人板倉; Eriko Tanaka; 江梨子田中
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2009-03-13
Publication date: 2010-09-30

Abstract

【課題】上水を大量に使用せず、安定して硫化水素を除去することができるバイオガスの脱硫装置を提供する。
【解決手段】脱硫装置１は、メタン発酵槽２と、生物脱硫反応槽３と、ガス通路１１と、排出ガス通路１２と、空気注入ファン２１と、ガス通路１１に設けた硫化水素の含有量を検出するための硫化水素センサ３１と、排出ガス通路１２に設けた酸素の含有量を検出するための酸素センサ３２と、前記硫化水素センサ３１及び酸素センサ３２と接続し、空気注入ファン２１を制御するための制御装置４１とを具備するバイオガスの脱硫装置１であって、前記制御装置４１は、硫化水素センサ３１の検知した硫化水素の含有量及び酸素センサ３２の検知した酸素の含有量から、前記空気注入ファン２１の空気注入量を決定するように制御した。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイオガスに含まれる硫化水素等の不純物を微生物の働きにより除去するバイオガスの脱硫装置の技術に関する。

従来、食品工場やその他の工場から排出される有機性廃水その他の廃水、またはその他の有機性廃棄物をメタン発酵させてバイオガスを発生させるバイオガス発生装置の技術が公知となっている。前記バイオガス発生装置は、有機性廃水等のメタン発酵を行うメタン発酵槽を具備する。前記バイオガス発生装置で発生したバイオガスは、例えば、発電用のガスエンジン、ガスタービン、燃料電池等の燃料ガスとして利用される。しかし、前記バイオガスは、硫化水素を含んでおり、硫化水素を含んだバイオガスを燃料ガスとして利用した場合、硫化水素がエンジン等の機械部分を腐蝕し、また、燃焼の結果、硫黄酸化物を含んだ排気ガスが発生することで、環境に負担をかける。

そこで、前記バイオガスに含まれる硫化水素を低減するバイオガスの脱硫装置が公知となっている。例えば、メタン発酵槽中に空気を導入して前記バイオガスと混合させることにより、硫化水素を除去する技術が公知となっている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、前記脱硫装置では、メタン発酵槽内での空気とバイオガスとの接触が少ないため、硫化水素の除去率が安定しなかった。
また、メタン発酵槽で発生したバイオガスをスクラバーに導入することにより硫化水素を除去する技術が公知となっている（例えば、特許文献２参照）。前記スクラバーは、微生物が付着する充填材を充填した反応塔と、バイオガスに水を散布するスプレーノズルを具備している。そして、前記反応塔内へ、バイオガスを、空気を添加してから導入し、前記スプレーノズルから上水及びスクラバー内を通過した循環水を反応塔内に常時噴射してバイオガスが含有する硫化水素を洗浄、除去するものである。

しかし、前記脱硫装置では、大量の上水を必要とするため、ランニングコスト、及びイニシャルコスト共に大きかった。また、循環水は酸性となることから、アルカリ性の中和剤を大量に投入する必要があった、さらに、硫化物が含まれた廃水の処理が必要なため、ランニングコスト及びイニシャルコストが共に大きかった。

特開２００６−３２５５７７号公報特開２００６−１４３７８０号公報

そこで、本発明は係る課題に鑑み、上水を大量に使用せず、安定して硫化水素を除去することができるバイオガスの脱硫装置を提供する。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、メタン発酵槽と、生物脱硫反応槽と、前記メタン発酵槽から発生したバイオガスを生物脱硫反応槽へと送るためのガス通路と、脱硫されたバイオガスを排出する排出ガス通路と、前記生物脱硫反応槽の入口へ空気を注入するための空気注入装置と、前記ガス通路に設けた硫化水素の含有量を検出するための硫化水素センサと、前記排出ガス通路に設けた酸素の含有量を検出するための酸素センサと、前記硫化水素センサ及び酸素センサと接続し、空気注入装置を制御するための制御装置と、を具備するバイオガスの脱硫装置であって、前記制御装置は、硫化水素センサの検知した硫化水素の含有量及び酸素センサの検知した酸素の含有量から、前記空気注入装置の空気注入量を決定するように制御するものである。

請求項２においては、前記生物脱硫反応槽は、バイオガスを通過させる配管から構成されており、前記配管には、充填材を設けるものである。

請求項３においては、前記配管内部に、定期的にメタン発酵槽から排出される排水を通水し、定期的に上水を通水するものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１においては、上水を大量に使用せず、安定して硫化水素を除去することができる。

請求項２においては、配管内壁に微生物が付着し、配管内で硫化水素の酸化を効率よく行うことができる。

請求項３においては、充填材表面に微生物の層（バイオフィルム）が形成されることとなり、バイオガスと微生物とが接触する面積が増加するので、硫化水素の酸化を効率よく行うことができる。

本実施例に係る脱硫装置のブロック図。本実施例に係る生物脱硫反応槽を示す正面断面図。

まず、本発明の実施例である脱硫装置１の全体構成について図１を用いて説明する。
脱硫装置１は、メタン発酵槽２と、生物脱硫反応槽３と、メタン発酵槽２から発生したバイオガスを生物脱硫反応槽３へと送るためのガス通路１１と、脱硫されたバイオガスを排出する排出ガス通路１２と、ドレン水を排出するドレン管１４と、生物脱硫反応槽３の入口へ空気を注入するための空気注入装置である空気注入ファン２１と、ガス通路１１に設けた硫化水素の含有量を検出するための硫化水素センサ３１と、排出ガス通路１２に設けた酸素の含有量を検出するための酸素センサ３２と、硫化水素センサ３１及び酸素センサ３２と接続し、空気注入ファン２１を制御するための制御装置４１と、を具備する。

メタン発酵槽２は、例えば、ＵＡＳＢ型の反応槽で、その底部には有機性廃水をメタン発酵槽２の下部に供給する廃水供給部が配設されている。また、メタン発酵槽２にはメタン発酵菌の集合体であるグラニュール菌体が投入されており、該グラニュール菌体により有機性廃水内の酢酸がメタンと炭酸ガスに分解され、メタン発酵が進行し、バイオガスが発生する。
また、メタン発酵槽２において、メタン発酵を終えた後の排水は排水管１３を通って一部は生物脱硫反応槽３へ送られ、残りは排出される。

生物脱硫反応槽３は、微生物によりバイオガス内の硫化水素と空気中の酸素とを使用して硫化水素を酸化させ、硫酸を生成させる反応槽である。メタン発酵槽２で発生したバイオガス内の硫化水素は、バイオガスを利用するエンジンや燃焼装置を腐蝕させるため、生物脱硫反応槽３において脱硫を行うものである。生物脱硫反応槽３の詳しい構成については後述する。

ガス通路１１は、メタン発酵槽２から発生したバイオガスを生物脱硫反応槽３へと送るための通路であり、メタン発酵槽２に設けた気体排出口２ａ及び生物脱硫反応槽３に設けた気体導入口３ａと連結している。
排出ガス通路１２は、生物脱硫反応槽３から脱硫されたバイオガスを排出するための通路である。また、空気注入ファン２１でバイオガスに空気を注入した場合には、バイオガスと空気との混合気体を排出する。
ドレン管１４は、生物脱硫反応槽３を通過したドレン水を排出するための管であり、その中途部に開閉可能のドレン管用弁６１が設けられている。

空気注入ファン２１は、生物脱硫反応槽３の入口へ空気を注入するためのものである。空気注入ファン２１は回転速度を調節することや送風側バルブ６４の開度調整をすることにより、生物脱硫反応槽３内へ注入する空気注入量を調節することができる。なお、本実施例においては、空気注入装置を空気注入ファン２１で構成したが、これに限定するものではなく、ポンプやコンプレッサによって構成することができる。

硫化水素センサ３１は、ガス通路１１に設けられており、脱硫前のバイオガス中における硫化水素の含有量を検出する。このように構成することにより、脱硫前のバイオガス中における硫化水素の含有量を検出して、硫化水素の含有量に対して注入する酸素の量を算出するフィードフォワード制御をすることができる。

酸素センサ３２は、排出ガス通路１２に設けられており、脱硫後のバイオガス中における酸素の含有量を検出する。このように構成することにより、脱硫後のバイオガス中における酸素の含有量を検出して、注入する酸素の量を算出するフィードバック制御をすることができる。

制御装置４１は、入力側に硫化水素センサ３１及び酸素センサ３２を接続しており、出力側に空気注入ファン２１を接続している。前記制御装置４１は、ＲＡＭやＲＯＭ等で構成された記憶部とＣＰＵ等で構成された演算部とから構成されている。

次に生物脱硫反応槽３の構成について図１及び図２を用いて説明する。
生物脱硫反応槽３は、図２に示すように、ケース５０と該ケース５０内に収納されてバイオガスを通過させる配管５１から構成されている。
配管５１は、一端のケース５０への導入口５２と他端のケース５０からの排出口５３を具備しており、導入口５２はガス通路１１に、排出口５３は排出ガス通路１２にそれぞれ連結されている。
なお、生物脱硫反応槽３は、ケース５０を設けず、配管５１のみで構成することもできる。
また、配管５１は、断面視円状の管で構成されており、生物脱硫反応槽３の上部から下部へと螺旋状に巻かれている。配管５１の内面には硫化水素を酸化させる微生物が付着している。導入口５２は螺旋の上端に設けられており、排出口５３は螺旋の下端に儲けられている。

配管５１内には、より多くの微生物を付着させるための充填材５５が収納されている。充填材５５には、例えばセラミック、プラスチック、または金属等によって構成された多数の円筒状の充填物が充填されており、個々の充填物周面に微生物を付着させることができるよう構成されている。また、充填材５５に充填された充填物は遊動可能に設けているので、配管５１内にバイオガスを通過させたときに、効率よく微生物による硫化水素の酸化を行わせることができる。このように構成することにより、配管５１内壁及び充填材５５に微生物が付着し、配管５１内で硫化水素の酸化を効率良く行うことができる。なお、充填材５５に充填する充填物は、円筒状に限られず様々な形状とすることも可能である。また、充填材５５の位置は限定されるものではなく、配管５１内全部に設けることも可能であるし、配管５１内の一部に設けることも可能であるし、複数箇所に設けることも可能である。

また、配管５１は、上水を通水することも可能となっている。前記上水は上水管１５を通して配管５１へ通水され、図１に示す上水用弁６２を開閉することにより、通水・断水を切り替えることが可能となっている。また、前記上水は、配管５１の導入口５２より、例えば一日に一回所定量のみ配管５１へ通水される。前記上水は配管５１内部を通過し排出口５３からドレン管１４（図１参照）を通してドレン水として排出される。
前記上水は、配管５１内部を通過する際に配管５１内壁及び充填材５５へ水分を与えるのみならず、配管５１内壁及び充填材５５にこびりついた硫酸等の硫黄酸化物を洗い流す。これによって、少ない上水で生物脱硫反応槽３に設けた配管５１内の洗浄を行うことができる。従来のスクラバーで構成した脱硫装置においては、大量の上水が必要であり、また、大量の上水を排出するため排水処理が必要であったが、上水を所定量のみ通水することにより、大量の上水が不要となる。また、排出されるドレン水に含まれる硫黄酸化物は少量であり、メタン発酵槽２から排出される排水に流入させて処理することができるため、廃水処理が不要となる。

また、配管５１は、メタン発酵槽２でメタン発酵をし終えて排出される排水を通水することも可能となっている。前記排水は、排水管１３を通して通水され、図１に示す排水用弁６３を開閉することにより、通水・断水を切り替えることが可能となっている。また前記排水は、配管５１の導入口５２より、例えば、一日に一回所定量を通水される。前記排水は、配管５１内部を通過し排出口５３からドレン管１４（図１参照）を通してドレン水として排出される。そして、前記排水は配管５１内部を通過する際に配管５１内壁及び充填材５５へ水分を与えるだけでなく、配管５１内壁及び充填材５５に前記排水内に生息する微生物を付着させることができる。このように構成することにより、配管５１内壁及び充填材５５の表面に微生物の層（バイオフィルム）が形成されることとなり、バイオガスと微生物とが接触する面積が増加するので、硫化水素の酸化を効率よく行うことができる。また、上水と同様に配管５１内の洗浄を行うことができるので、使用する上水を削減することができる。

次に、制御装置４１による空気注入ファン２１の空気注入量の制御について説明する。
まず、ガス通路１１に設けた硫化水素センサ３１によって、ガス通路１１中を流れるバイオガスの硫化水素の含有量を検出する。
そして、硫化水素の含有量から算出した硫化水素の物質量に対して二倍の物質量となる酸素を含んだ空気の量を算出し、空気注入ファン２１の空気注入量を出力する。例えば、１ｍｏｌの硫化水素が検出された場合には、２ｍｏｌの酸素を含む空気を注入するものである。硫化水素が微生物によって硫酸へと酸化される際の化学式は、
Ｈ_２Ｓ＋２Ｏ_２→Ｈ_２ＳＯ_４
で表される。

すなわち、硫化水素を酸化させるためには硫化水素の量に対して二倍の量の酸素が必要となるため、前記制御を行うものである。
そして、前記バイオガス中の硫化水素が減少し、発生した硫酸は上水、排水、またはバイオガスの凝縮水に含まれることとなり、ドレン水として排出口５３より排出される。
このように脱硫前の硫化水素の含有量から空気注入量を制御するため、安定して硫化水素を除去することができる。

また、排出ガス通路１２に設けた酸素センサ３２によって、排出ガス通路１２中を流れるバイオガスと空気との混合気体中の酸素の含有量を検出する。
そして、酸素の含有量が一定値以上であった場合には、空気注入ファン２１の空気注入量を減少させる。
このように構成することにより、余剰空気が生物脱硫反応槽３内へ入るのを防止することができる。すなわち、硫化水素の酸化に必要な酸素を含む空気のみを注入することにより、バイオガスが希釈されることを防ぎ、高カロリーを有するガスを得ることができる。

以上のように、脱硫装置１は、メタン発酵槽２と、生物脱硫反応槽３と、前記メタン発酵槽２から発生したバイオガスを生物脱硫反応槽３へと送るためのガス通路１１と、脱硫されたバイオガスを排出する排出ガス通路１２と、生物脱硫反応槽３の入口へ空気を注入するための空気注入ファン２１と、ガス通路１１に設けた硫化水素の含有量を検出するための硫化水素センサ３１と、排出ガス通路１２に設けた酸素の含有量を検出するための酸素センサ３２と、前記硫化水素センサ３１及び酸素センサ３２と接続し、空気注入ファン２１を制御するための制御装置４１とを具備するバイオガスの脱硫装置１であって、前記制御装置４１は、硫化水素センサ３１の検知した硫化水素の含有量及び酸素センサ３２の検知した酸素の含有量から、前記空気注入ファン２１の空気注入量を決定するように制御したものである。このように構成することにより、上水を大量に使用せず、安定して硫化水素を除去することができる。

また、生物脱硫反応槽３は、バイオガスを通過させる配管５１から構成されており、配管５１の内壁には、充填材５５を固設するものである。このように構成することにより、配管５１内壁に微生物が付着し、配管５１内で硫化水素の酸化を効率よく行うことができる。

また、配管５１内部に、定期的にメタン発酵槽２から排出される排水を通水し、定期的に上水を通水するものである。このように構成することにより、充填材５５表面に微生物の層（バイオフィルム）が形成されることとなり、バイオガスと微生物とが接触する面積が増加するので、硫化水素の酸化を効率よく行うことができる。

１脱硫装置
２メタン発酵槽
３生物脱硫反応槽
１１ガス通路
１２排出ガス通路
２１空気注入ファン
３１硫化水素センサ
３２酸素センサ
４１制御装置
５１配管

Claims

メタン発酵槽と、生物脱硫反応槽と、
前記メタン発酵槽から発生したバイオガスを生物脱硫反応槽へと送るためのガス通路と、
脱硫されたバイオガスを排出する排出ガス通路と、
前記生物脱硫反応槽の入口へ空気を注入するための空気注入装置と、
前記ガス通路に設けた硫化水素の含有量を検出するための硫化水素センサと、
前記排出ガス通路に設けた酸素の含有量を検出するための酸素センサと、
前記硫化水素センサ及び酸素センサと接続し、空気注入装置を制御するための制御装置と、
を具備するバイオガスの脱硫装置であって、
前記制御装置は、
硫化水素センサの検知した硫化水素の含有量及び酸素センサの検知した酸素の含有量から、前記空気注入装置の空気注入量を決定するように制御する、
ことを特徴とするバイオガスの脱硫装置。
前記生物脱硫反応槽は、バイオガスを通過させる配管から構成されており、
前記配管には、充填材を設ける、
ことを特徴とする請求項１に記載のバイオガスの脱硫装置。
前記配管内部に、定期的にメタン発酵槽から排出される排水を通水し、定期的に上水を通水する、
ことを特徴とする請求項２に記載のバイオガスの脱硫装置。