JP2011188827A

JP2011188827A - 脱硫試験装置

Info

Publication number: JP2011188827A
Application number: JP2010058539A
Authority: JP
Inventors: Eriko Tanaka; 江梨子田中; Hideki Toki; 秀樹時
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2010-03-15
Filing date: 2010-03-15
Publication date: 2011-09-29

Abstract

【課題】生物脱硫装置を設計するために必要な設計値を精度良く求めることができる脱硫試験装置を提供する。
【解決手段】硫化水素を含む模擬バイオガスを供給する第一・第二ガスボンベ３・４と、第一・第二ガスボンベ３・４によって供給された模擬バイオガスに含まれる硫化水素を微生物４２によって脱硫する生物脱硫装置２と、を備える脱硫試験装置１において、生物脱硫装置２は、模擬バイオガスが流れる生物脱硫反応管４０を備え、生物脱硫反応管４０の管内周面には、微生物４２が固定されるものである。
【選択図】図２

Description

本発明は、脱硫試験装置に関し、特に、生物脱硫装置を設計するために必要な設計値を精度良く求める技術に関する。

従来より、バイオガスに含まれる硫化水素を微生物（硫黄酸化細菌等）によって脱硫する生物脱硫装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。図４（ａ）に示すように、このような生物脱硫装置２Ａは、充填槽３５を備え、この充填槽３５内には、微生物が固定された充填材３６・３６・・・が、ランダムに充填される。充填槽３５内において充填材３６・３６・・・同士の間には、バイオガスが流れるガス通路３７・３７・・・が形成される。このガス通路３７・３７・・・は、充填槽３５内にランダムに張り巡らされる。

このような構成により、生物脱硫装置２Ａでは、充填材３６・３６・・・が充填された充填槽３５内をバイオガスが通過することにより、バイオガスに含まれる硫化水素が脱硫される。つまり、ガス通路３７・３７・・・を流れるバイオガスが、充填槽３５内を回流して充填槽３５内に一定時間滞留し、充填材３６・３６・・・の微生物と十分に接触することにより、バイオガスに含まれる硫化水素が脱硫される。

ところで、生物脱硫装置の設計には、目標とする脱硫率を達成するために必要な滞留時間（以下「必要滞留時間」という。）や接触面積（以下「必要接触面積」という。）等の設計値が必要となる。ここで、「脱硫率」は、（脱硫前のバイオガス中の硫化水素濃度−脱硫後のバイオガス中の硫化水素濃度）／脱硫前のバイオガス中の硫化水素濃度×１００（％）によって算出される。「滞留時間」は、バイオガスが充填槽内に滞留する時間である。「接触面積」は、充填槽内に充填される全ての充填材の表面積の総和である。

そこで、従来より、試験用の生物脱硫装置を備える脱硫試験装置による試験で、前記設計値が求められている。この試験用の生物脱硫装置は、実物の生物脱硫装置がスケールダウンされてモデル化されたものである。

特開２００３−３０５３２８号公報

しかしながら、前記従来の脱硫試験装置では、前記設計値を精度良く求めることが困難である、という問題があった。

すなわち、図４（ｂ）に示すように、従来の試験用の生物脱硫装置２Ｂにおいて、試験用の充填槽３８は、実物の充填槽３５（図４（ａ）参照）がスケールダウンされてモデル化されたものであるところ、試験用の充填槽３８内に充填される充填材３６・３６・・・は、実物と同様のものである。つまり、試験用の生物脱硫装置２Ｂにおいて、試験用の充填槽３８内に充填される充填材３６・３６・・・は、試験用の充填槽３８に適した大きさのものではない（試験用の充填槽３８には大きすぎる）。

このため、試験用の充填槽３８内に充填材３６・３６・・・がランダムに充填されると、試験用の充填槽３８内の空隙（ガス通路３９・３９・・・）が、実物の充填槽３５内の空隙（ガス通路３７・３７・・・）よりも大きくなり易い。つまり、試験用の充填槽３８内のガス通路３９・３９・・・は、実物の充填槽３５内のガス通路３７・３７・・・が正確にモデル化されたものとなっていない。

従って、試験用の生物脱硫装置２Ｂでは、充填槽３８内を回流しないバイオガス（充填材３６・３６・・・の微生物と十分に接触しないバイオガス）、例えば、充填槽３８内周面に沿って短絡的に流れるバイオガスや、充填材３６・３６・・・同士の間を短絡的に流れるバイオガスが発生し易い。このため、試験用の生物脱硫装置２Ｂでは、バイオガスが充填材３６・３６・・・の微生物と十分に接触せずに充填槽３８を通過してしまうことから、バイオガスに含まれる硫化水素が十分に脱硫されないため、必要滞留時間や必要接触面積の値が必要以上に大きくなり易い。そして、必要以上に値の大きな必要滞留時間や必要接触面積に基づいて設計された生物脱硫装置は、過大な仕様（充填槽の容量、充填槽に充填する充填材の数等）となり易く、製造コスト増加の一因となる。

本発明は以上の如き状況に鑑みてなされたものであり、生物脱硫装置を設計するために必要な設計値を精度良く求めることができる脱硫試験装置を提供する。

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

すなわち、請求項１においては、硫化水素を含むバイオガスを供給するガス供給装置と、該ガス供給装置によって供給されたバイオガスに含まれる硫化水素を微生物によって脱硫する生物脱硫装置と、を備える脱硫試験装置において、該生物脱硫装置は、バイオガスが流れる管状部材を備え、該管状部材の管内周面には、前記微生物が固定されるものである。

請求項２においては、前記脱硫試験装置は、前記管状部材内に水を供給する給水ポンプを備え、前記管状部材は、該給水ポンプからの水が流れる方向に向かって、水平方向に対して下り勾配に所定の角度で傾斜して配置されるものである。

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、バイオガスが管状部材内を確実に流れ、管状部材の管内周面に固定された微生物と十分に接触するため、バイオガスに含まれる硫化水素が十分に脱硫される。従って、試験用の生物脱硫装置によって実際の生物脱硫装置を正確にモデル化でき、生物脱硫装置を設計するために必要な設計値である必要滞留時間や必要接触面積を精度良く求めることができる。

請求項２においては、給水ポンプからの水によって管状部材内が湿潤状態に保たれるため、管状部材の管内周面に固定された微生物が活性化し、バイオガスに含まれる硫化水素が十分に脱硫される。また、傾斜する管状部材に沿って給水ポンプからの水が円滑に流れるため、管状部材内が満水になってバイオガスが流れなくなることがない。従って、試験用の生物脱硫装置によって実際の生物脱硫装置を正確にモデル化でき、生物脱硫装置を設計するために必要な設計値である必要滞留時間や必要接触面積を精度良く求めることができる。

本発明の一実施形態に係る脱硫試験装置を示す図。生物脱硫反応管を示す斜視図。生物脱硫反応管が傾斜して配置された状態を示す側面図。（ａ）実物の生物脱硫装置を模式的に示す断面図。（ｂ）従来の試験用の生物脱硫装置を模式的に示す断面図。

以下、本発明を実施するための形態について図面に基づき説明する。

先ず、本発明の一実施形態に係る脱硫試験装置１の全体構成について、図１により説明する。

脱硫試験装置１は、生物脱硫装置を設計するために必要な設計値（必要滞留時間、必要接触面積等）を求めるための試験装置である。脱硫試験装置１は、生物脱硫装置２、ガス供給装置としての第一・第二ガスボンベ３・４、水封槽５及び乾式脱硫槽６を備え、これらがガス通路を介して連通するように構成される。このガス通路は、第一主管７、第二主管８、第三主管９、第四主管１０、第五主管１１等で構成される。

第一ガスボンベ３には、二酸化炭素及び硫化水素が封入され、第二ガスボンベ４には、メタンが封入される。第一ガスボンベ３内の二酸化炭素及び硫化水素と第二ガスボンベ４内のメタンとが混合されることにより、硫化水素を含むバイオガス（模擬バイオガス）が生成される。生成された模擬バイオガスは、前記ガス通路を介して第一・第二ガスボンベ３・４側から生物脱硫装置２、水封槽５、乾式脱硫槽６を順に流れて外部に排出される。なお、脱硫試験装置１において、第一・第二ガスボンベ３・４側を「上流側」、乾式脱硫槽６側を「下流側」として、以下に述べる各部材の位置や方向等を説明する。

脱硫試験装置１において生物脱硫装置２の上流側には、第一・第二ガスボンベ３・４が配置される。第一ガスボンベ３は、第一主管７を介して生物脱硫装置２の上流側（生物脱硫装置２のガス入口部）に接続される。第二ガスボンベ４は、第二主管８を介して第一主管７の途中（図１に示す接続箇所Ｃ）に接続される。

そして、第一主管７には、第一減圧弁２２及び第一ガス流量計２３が設けられる。第一減圧弁２２及び第一ガス流量計２３は、第一主管７において第二主管８が接続される箇所（図１に示す接続箇所Ｃ）よりも上流側に配置される。第一減圧弁２２の開度を変更することにより、第一ガスボンベ３からの二酸化炭素及び硫化水素の流量を変更することができる。第一ガス流量計２３は、第一減圧弁２２を通過した第一ガスボンベ３からの二酸化炭素及び硫化水素の流量を検出する。

また、第二主管８には、第二減圧弁２４及び第二ガス流量計２５が設けられる。第二減圧弁２４の開度を変更することにより、第二ガスボンベ４からのメタンの流量を変更することができる。第二ガス流量計２５は、第二減圧弁２４を通過した第二ガスボンベ４からのメタンの流量を検出する。

そして、第一主管７の下流側端部には、第一枝管１７を介して給水ポンプ１８が接続されると共に、第二枝管２０を介してエアーポンプ２１が接続される。給水ポンプ１８は、補給水槽１９内に貯溜される水を生物脱硫装置２側（下流側）に送水する。エアーポンプ２１は、第一主管７内を流れる模擬バイオガスに第二枝管２０を介して空気を混合する。第二枝管２０には、空気流量計２６が設けられ、エアーポンプ２１からの空気の流量が、空気流量計２６によって検出される。また、第一主管７の下流側端部（生物脱硫装置２のガス入口部近傍）には、弁付きのガスサンプリング口２７が設けられる。

このような構成により、第一主管７内を流れる第一ガスボンベ３からの二酸化炭素及び硫化水素に、第二主管８内を流れる第二ガスボンベ４からのメタンが、接続箇所Ｃにて合流して、二酸化炭素及び硫化水素とメタンとが混合され、模擬バイオガスが生成される。そして、生成された模擬バイオガスは、第一主管７内を流れて生物脱硫装置２内に流れ込む。

さて、脱硫試験装置１において生物脱硫装置２の下流側には、水封槽５及び乾式脱硫槽６が配置される。水封槽５内には、第三主管９の下流側端部が挿入され、この第三主管９の上流側端部は、生物脱硫装置２の下流側（生物脱硫装置２のガス出口部）に接続される。第三主管９の上流側端部（生物脱硫装置２のガス出口部近傍）には、弁付きのガスサンプリング口２８が設けられる。また、第三主管９において、ガスサンプリング口２８の下流側には、弁付きのドレンサンプリング口２９が設けられると共に、ドレンサンプリング口２９の下流側には、弁３０が設けられる。

そして、水封槽５内には、第四主管１０の上流側端部が挿入され、この第四主管１０の下流側端部は、乾式脱硫槽６内に挿入される。また、乾式脱硫槽６内には、第五主管１１の上流側端部が挿入され、この第五主管１１の下流側端部は、大気に開放される。第五主管１１には、弁付きのガスサンプリング口３１が設けられる。

水封槽５は、模擬バイオガスが漏れないように蓋付きの容器で構成される。水封槽５内には、所定の水位まで水が貯溜される。水封槽５内において、第三主管９の下流側端部は、水中に配置され、第四主管１０の上流側端部は、水面上に配置される。

そして、水封槽５は、水位調整槽１３と連通管１２を介して連通する。水位調整槽１３内の水が外部に排出されると、水位調整槽１３内の水位が低下し、連通管１２を介して水封槽５内の水位も低下する。一方、水位調整槽１３内に水が供給されると、水位調整槽１３内の水位が上昇し、連通管１２を介して水封槽５内の水位も上昇する。なお、水位調整槽１３内の水は、ストレーナ１５を介して外部に排出される。

乾式脱硫槽６は、模擬バイオガスが漏れないように蓋付きの容器で構成される。乾式脱硫槽６内の上下中程には、模擬バイオガスに含まれる硫化水素を脱硫（乾式脱硫）するための脱硫剤１６が充填される。脱硫剤１６は、鉄粉や粘土等を原材料としてペレット状に成形される。

そして、乾式脱硫槽６内には、脱硫剤１６の充填層を挟んで上側の室６ａと下側の室６ｂとが形成される。乾式脱硫槽６内において、第四主管１０の下流側端部は、下側の室６ｂに配置され、第五主管１１の上流側端部は、上側の室６ａに配置される。乾式脱硫槽６の下側の室６ｂには、弁付きの排出口３２が設けられる。

このような構成により、生物脱硫装置２を通過した模擬バイオガスは、排水（生物脱硫装置２を通過した給水ポンプ１８からの水）と共に、第三主管９内を流れて弁３０を通過し、水封槽５内に流れ込む。なお、ドレンサンプリング口２９からは、前記排水をサンプリングすることができる。そして、水封槽５内に流れ込んだ模擬バイオガス及び排水のうち、排水は、水封槽５内に貯溜される一方、模擬バイオガスは、水封槽５内の水中から浮上して第四主管１０内に流れ込み、第四主管１０内を流れて乾式脱硫槽６内に流れ込む。

そして、乾式脱硫槽６内では、模擬バイオガスが下側の室６ｂから脱硫剤１６を通過して上側の室６ａに流れ込む。こうして、模擬バイオガスが脱硫剤１６を通過することにより、模擬バイオガスに含まれる硫化水素が脱硫剤１６によって脱硫される。そして、脱硫剤１６によって脱硫された後の模擬バイオガスは、上側の室６ａから第五主管１１内に流れ込み、第五主管１１内を流れて外部に排出される。なお、ガスサンプリング口３１からは、脱硫後（乾式脱硫槽６で脱硫された後）の模擬バイオガスをサンプリングすることができる。

次に、生物脱硫装置２について、図１から図３により説明する。

生物脱硫装置２は、中空の円形断面を有する生物脱硫反応管４０を備える。生物脱硫反応管４０の途中には、弁付きのガスサンプリング口３３が設けられる。生物脱硫反応管４０は、硫化水素を含むガスが透過しない性質の材料、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ：Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）を材料として製造されるものである。生物脱硫反応管４０の比表面積（＝管内周面の表面積／管内の体積）は、実物の生物脱硫装置の比表面積（＝充填槽内周面の表面積／充填槽内の体積）と同等に設定される。

そして、生物脱硫反応管４０内は、模擬バイオガスが流れるガス通路４１とされ、生物脱硫反応管４０の管内周面には、模擬バイオガスに含まれる硫化水素を脱硫（生物脱硫）するための微生物４２が固定される。微生物４２は、実物の生物脱硫装置に使用される微生物（硫黄酸化細菌等）であり、例えば、活性汚泥、嫌気性汚泥、生物処理水等（以下「活性汚泥等」という。）に含まれる好気性のものである。微生物４２を固定する方法は、先ず弁３０を閉じて生物脱硫反応管４０内を活性汚泥等で満たし、次にこの状態で所定時間放置し、最後に弁３０を開いて活性汚泥等を排出するものである。

また、生物脱硫反応管４０内には、給水ポンプ１８によって水が供給され、この給水ポンプ１８からの水によって微生物４２が活性化する。給水ポンプ１８が供給する水（補給水槽１９内に貯溜される水）は、実物の生物脱硫装置に使用される水であり、例えば、生物処理水、水道水等である。

そして、生物脱硫反応管４０は、給水ポンプ１８からの水が流れる方向（下流側）に向かって下り勾配に所定の角度αで傾斜して配置される。角度αは、給水ポンプ１８からの水によって生物脱硫反応管４０内が湿潤状態に保たれ、かつ傾斜する生物脱硫反応管４０に沿って給水ポンプ１８からの水が円滑に流れる（生物脱硫反応管４０内が満水とならない）角度に設定される。角度αは本実施形態においては２度である。

次に、生物脱硫装置２を備える脱硫試験装置１による試験方法（必要滞留時間及び必要接触面積の求め方）について、図１により説明する。

生物脱硫装置２において、生物脱硫反応管４０内に流れ込んだ模擬バイオガスは、一定時間かけて生物脱硫反応管４０を通過することにより、模擬バイオガスに含まれる硫化水素が脱硫される。つまり、ガス通路４１を流れる模擬バイオガスが、生物脱硫反応管４０内に一定時間滞留し、生物脱硫反応管４０の管内周面に固定された微生物４２と十分に接触することにより、模擬バイオガスに含まれる硫化水素が脱硫される。また、ガス通路４１を流れる模擬バイオガスに、エアーポンプ２１からの空気が混合されることにより、好気性の微生物４２に対して酸素が供給されて、生物脱硫反応管４０内での脱硫が促進される。

そして、ガスサンプリング口２７・２８から模擬バイオガスをサンプリングして、バイオガス中の硫化水素濃度を測定する。ガスサンプリング口２７からサンプリングされた模擬バイオガスの硫化水素濃度は、脱硫前（生物脱硫装置２で脱硫される前）のバイオガス中の硫化水素濃度である。ガスサンプリング口２８からサンプリングされた模擬バイオガスの硫化水素濃度は、脱硫後（生物脱硫装置２で脱硫された後）のバイオガス中の硫化水素濃度である。そして、測定された各硫化水素濃度を数１に代入すると、「脱硫率」が算出される。

こうして、滞留時間と脱硫率との関係、及び接触面積と脱硫率との関係を把握することにより、目標とする脱硫率を達成し得る滞留時間（必要滞留時間）及び接触面積（必要接触面積）を求めることができる。

ここで、「滞留時間」は、模擬バイオガスが生物脱硫反応管４０内に滞留する時間である。第一減圧弁２２の開度及び第二減圧弁２４の開度を変更して、第一ガスボンベ３からの二酸化炭素及び硫化水素の流量、並びに第二ガスボンベ４からのメタンの流量を変更することにより、「滞留時間」を調節することができる。また、「接触面積」は、生物脱硫反応管４０の管内周面の表面積である。生物脱硫反応管４０の内径や長さを変更することにより、「接触面積」を調節することができる。

なお、ガスサンプリング口３３から模擬バイオガスをサンプリングして、バイオガス中の硫化水素濃度を測定することもできる。ガスサンプリング口３３からサンプリングされた模擬バイオガスの硫化水素濃度は、脱硫中のバイオガス中の硫化水素濃度である。

以上のように、本発明の一実施形態に係る脱硫試験装置１は、硫化水素を含む模擬バイオガスを供給する第一・第二ガスボンベ３・４と、第一・第二ガスボンベ３・４によって供給された模擬バイオガスに含まれる硫化水素を微生物４２によって脱硫する生物脱硫装置２と、を備える脱硫試験装置１において、生物脱硫装置２は、模擬バイオガスが流れる生物脱硫反応管４０を備え、生物脱硫反応管４０の管内周面には、微生物４２が固定される。

このような構成により、模擬バイオガスが生物脱硫反応管４０内を確実に流れ、生物脱硫反応管４０の管内周面に固定された微生物と十分に接触するため、模擬バイオガスに含まれる硫化水素が十分に脱硫される。従って、試験用の生物脱硫装置２によって実際の生物脱硫装置を正確にモデル化でき、生物脱硫装置を設計するために必要な設計値である必要滞留時間や必要接触面積を精度良く求めることができる。

そして、脱硫試験装置１は、生物脱硫反応管４０内に水を供給する給水ポンプ１８を備え、生物脱硫反応管４０は、給水ポンプ１８からの水が流れる方向に向かって、水平方向に対して下り勾配に角度αで傾斜して配置される。

このような構成により、給水ポンプ１８からの水によって生物脱硫反応管４０内が湿潤状態に保たれるため、生物脱硫反応管４０の管内周面に固定された微生物４２が活性化し、模擬バイオガスに含まれる硫化水素が十分に脱硫される。また、傾斜する生物脱硫反応管４０に沿って給水ポンプ１８からの水が円滑に流れるため、生物脱硫反応管４０内が満水になって模擬バイオガスが流れなくなることがない。従って、試験用の生物脱硫装置２によって実際の生物脱硫装置を正確にモデル化でき、生物脱硫装置を設計するために必要な設計値である必要滞留時間や必要接触面積を精度良く求めることができる。

１脱硫試験装置
２生物脱硫装置
３第一ガスボンベ（ガス供給装置）
４第二ガスボンベ（ガス供給装置）
１８給水ポンプ
４０生物脱硫反応管（管状部材）
４２微生物
α 角度（所定の角度）

Claims

硫化水素を含むバイオガスを供給するガス供給装置と、該ガス供給装置によって供給されたバイオガスに含まれる硫化水素を微生物によって脱硫する生物脱硫装置と、を備える脱硫試験装置において、該生物脱硫装置は、バイオガスが流れる管状部材を備え、該管状部材の管内周面には、前記微生物が固定されることを特徴とする脱硫試験装置。
前記脱硫試験装置は、前記管状部材内に水を供給する給水ポンプを備え、前記管状部材は、該給水ポンプからの水が流れる方向に向かって、水平方向に対して下り勾配に所定の角度で傾斜して配置されることを特徴とする請求項１に記載の脱硫試験装置。