JP2011523671A - メタン抽出のためのバイオガス精製方法およびシステム - Google Patents

Abstract

本発明は、バイオガス中に含まれる成分（例えば、二酸化炭素、硫黄化合物およびアンモニアゴム）が複数の異なるプロセス工程において分離される、メタン抽出のためのバイオガス精製方法、およびこの方法の実施に適したシステムに関する。低エネルギー消費と少なくとも１０％のメタン含有率の上昇を可能にすることとを特徴とするメタン抽出のためのバイオガス精製方法を提供するという目的が、以下の特徴により達成される。第１精製工程において、未精製ガス中に含まれる二酸化炭素、硫化水素、アンモニアゴム、および他の水溶性有機物質が、真水により標準圧力または６バールまでの過剰圧力で洗浄カラムＫ１において除去され、少なくとも６５％のメタン含有率を有するメタンガスがこの洗浄カラムＫ１の塔頂から抜き出される。この洗浄水に溶解したメタンおよび二酸化炭素が、順次、第１ストリッピングカラムＫ２において、続いて第２ストリッピングカラムＫ３において、標準圧力下でストリッピング空気を加えることにより、洗浄段階Ｋ１から排出された汚染洗浄水から分離される。燃料ガス品質を有する酸素含有ストリッピングガスが、第１ストリッピング段階Ｋ１で生ずる。第２ストリッピング段階で生じた精製洗浄水は、洗浄段階Ｋ１に戻される。

Description

本発明は、バイオガス中に含まれる成分（例えば、二酸化炭素、硫黄化合物およびアンモニア）が複数の異なるプロセス工程において分離させる、メタン抽出のためのバイオガス精製方法、および上記方法の実施に適したシステムに関する。

バイオガスは、有機物の嫌気性（無酸素）消化により形成され、再生可能エネルギー源として用いられる。生成されたガスは、それぞれの用いられた原料（例えば、下水汚泥、スラリー、有機質肥料、植物または動物起源の廃棄物、および生物材料）によって、下水ガス、消化槽ガス、埋立地ガス、およびバイオガスとして分類される。

以下、上記のガスを全てバイオガスと呼ぶ。

バイオガスの主成分はメタンおよび二酸化炭素であり、他に窒素、硫黄化合物、酸素、水素およびアンモニアを含む微量成分が含まれる。

したがって、バイオガス中に含まれるメタンを利用するためには、多段階プロセスでバイオガスを処理して不要な成分を除去する必要がある。

概してそれぞれ別個に行われる通常のプロセス工程自体には、脱湿（水分除去）、脱硫、ならびに二酸化炭素およびアンモニアの除去が含まれる。

（微生物を用いる）生物学的吸着方法および化学的吸着による脱硫方法が知られており、硫化水素が異なる方法で硫黄元素に転化される。

少量の硫化水素ばかりでなく二酸化炭素もまた、物理的または化学的手段、例えば、圧力水スクラビング、膜プロセス、セレックズゾール法（Ｓｅｌｅｘｏｌ ｐｒｏｃｅｓｓ）（高圧下）、圧力スイング吸着法またはアミンスクラビングにより除去される。

これらの方法のなかには、水またはアンモニアをも除去するものもある。

上で名前を挙げた方法のほとんどが、エネルギー集約的であり、メタン損失をもたらす。

圧力水スクラビングおよび圧力スイング吸着方法を用いると、相対的に大きなメタン損失が生じ、その損失はバイオガス中に含まれるメタンの約２〜５％に上る。さらに、除去された二酸化炭素中に含まれるこのメタンは、非常に低い濃度で存在するため、補助燃焼システムによってしか燃料として用いられ得ない。また、圧力スイング吸着システムの動作方法のせいで、大幅なメタン排出量の変動が生じ、平滑化を必要とする。さらに、未精製ガスは極めて低い濃度のＨ_２Ｓしか含んでいないものであり、多くの時間および費用を要する使用済み活性炭の処理が必要となる。

スクラビング溶液を用いるスクラビング（例えば、アミンスクラビング）は、汚染スクラビング溶液が再生される場合にのみ、経済的に正当化され得る。

独国特許出願公告第１０ ２００ ０５１ ９５２（Ｂ３）号明細書により、精油所ガスおよび／またはバイオガスからメタンおよび液体二酸化炭素を生成するためのプロセスが知られている。未精製ガスは事前段階（不純物（例えば、ＮＨ_３、Ｈ_２ＳＯ_４、Ｈ_２Ｓ、ＳＯ_２およびＣＯＳ）の除去）において精製され、続いて吸収カラムに供給され、そこで、未精製ガス中に含まれる二酸化炭素は、アミン含有スクラビング溶液を用い、好ましくは５〜３０バールの圧力にてスクラビング溶液中に束縛される。生じた精製ガスは約９８容量％のメタンを含んでおり、他の目的に直接利用され得る。汚染スクラビング溶液は、ストリッピングカラムにおいて、加圧下で高温（１８０〜２３０℃）にて再生処理される。

圧力を用いた方法は、装置への高水準の支出を必要とする。

加圧せずに二酸化炭素を除去することを可能にし、９９．５％を超える純度のメタンガスを生ずる、バイオガスからメタンおよび二酸化炭素を取り出す方法が、国際公開第２００８／０３４４７３（Ａ１）号パンフレットにより知られている。

あらゆるアミンスクラビングの場合と同様に、０．５〜０．８ｋＷ時／Ｎｍ^３バイオガスに達する比較的大きなエネルギー量が、スクラビング溶液を再生するために消費される。

本発明の目的は、低エネルギー消費を特徴とし、低メタン損失でメタン含有率を少なくとも１０％上昇させることを可能にするメタン抽出のためのバイオガス精製方法を考案することである。また、この方法の実施に適したシステムが考案されることになる。

上記目的は、本発明によれば、請求項１に規定された特徴により解決される。本方法の有利な実施形態は、請求項２〜１１の主題である。本方法の実施に適したシステムの特徴は、請求項１２に規定されている。本システムの有利な発展は、請求項１２〜１８の主題である。

精製プロセスは、提案された方法によれば、少なくとも３つの精製工程において行われる。それらの工程は、回路内に導かれる無添加の真水を用い、次々と間断なく連続して行われる。地域供給網から引き出された水または井戸水または用意された雨水が、真水として用いられ得る。用いられる水は添加剤を全く含んでいない。実施することが絶対的に不可欠な３つの精製工程は以下の通りである。

バイオガスプラントまたは他のプラント（例えば、消化槽ガス、下水ガスまたは埋立地ガスを生成するためのプラント）から放出された精製されることになるバイオガス（未精製ガス）は、標準圧力下でまたは６バールまでの過剰圧力で供給真水と向流して、充填層を有するスクラビングカラムを通って流れる。本処理において、未精製ガス中に含まれる二酸化炭素、硫化水素、アンモニアおよび他の有機水溶性物質が、真水中に束縛される。少なくとも６５％のメタン含有率を有するメタンガスが、スクラビングカラムの塔頂から抜き出される。

このガススクラビングは、概して標準圧力下で行われる。しかしながら例外的な場合に、本システムは、最大６バールを条件として３ないし４バールまでの過剰圧力を用いても稼働させ得る。より高い圧力では、より多くの二酸化炭素がスクラビング溶液に溶解し、３バールでは３倍にもなり得る。したがって、必要とされるスクラビング溶液の量は３分の１に減少し、ガス容積が小さくなるためスクラビングカラムを規模の小さいものにし得る。従来の圧縮ガススクラビング方法はすべて、９６容量％を超えるメタン濃度を経済的に生成するために６バールを超える圧力を必要とする。しかしながら、圧力を高くすることは、その後システムを再び減圧しなければならないため、エネルギー消費の著しい増加に繋がる。さらに、メタン損失が大きくなる。

ストリッピングカラムによって行われる以下に述べる２つの精製工程は、本方法が成功裏に実施されることを確実にするために不可欠である。スクラビング段階から排出される汚染スクラビング溶液は、充填層または充填物を有する第１ストリッピングカラムにおいて、標準圧力下、向流原理で６０℃までの温度にて供給される、バイオガス（未精製ガス）量に基づき０．１〜１０％のストリッピング空気またはストリッピング空気および酸素を加えることにより精製され、スクラビング溶液に溶解していたメタンがそのスクラビング溶液からほぼ完全に（少なくとも９０％）除去される。燃料ガス品質の酸素含有ストリッピングガスがこの処理において排気ガスとして形成され、このガスは、バイオガスプラントの消化槽に戻されるか、スクラビング段階から取り出されたメタンガス流にメタン含有率を高めるために供給されるか、または燃料ガスとして利用され得る。

第１ストリッピングカラムはまた、好ましくは、酸素が第１段階で供給され、ストリッピング空気が第２段階で供給されるか、またはその逆である二段階カラムとして構築され得る。これは、異なる酸素含有率の２つの異なる燃料ガスが生成されることを可能にする。酸素含有率の高い燃料ガスは、例えば、消化槽内部または外部のいずれかでバイオガスの生物脱硫の酸素源として用いられ得る。

第１ストリッピングカラムから排出される汚染スクラビング溶液は、充填層または充填物を有する第２ストリッピングカラムにおいて、標準圧力下、向流原理で供給バイオガス（未精製ガス）量に基づき少なくとも２５％のストリッピング空気を加えることにより精製され、スクラビング溶液に溶解していた二酸化炭素が少なくとも残留含有量２００ｍｇ／Ｌ未満にまで除去される。精製されたスクラビング溶液はガススクラバーのスクラビング段階に戻され、排気ガスは周囲に放出されるかまたは他の目的に利用される。

提案された方法は、０．０５％未満という比較的小さいメタン損失という結果をもたらす。本システムを標準圧力下で稼働させる場合、３つの精製工程のエネルギー消費量は０．０３ｋＷ時／Ｎｍ^３バイオガス未満であり、本システムを非常に経済的に稼働させることを可能にしている。また、第１ストリッピング段階において生じ、燃料ガス品質を有する排気ガスは、エネルギー生産に用いられ得る。これは、天然ガス網に供給するためまたは燃料を生成するためにバイオガスが用いられることになる場合に特に重要である。そのような場合は、発電からの排熱が利用され得ない。バイオメタン圧縮からの排熱は、消化槽を温めるのに十分ではない。その場合、補足的に化石燃料が供給されなければならない。副産物として生成される燃料ガスは、消化槽を温めるために有効に利用され得る。

あるいは、消化槽中のメタン濃度およびバイオガス貯蔵能力を上昇させるためにスクラビングカラムから抜き出された精製バイオガスが、バイオガスプラントの消化槽に直接導入され得る。

このように本発明に従う方法をバイオガスプラントと連結することにより、メタン含有率が著しく高まったバイオガスが消化槽において生成され得、バイオガスの貯蔵能力が大きく引き伸ばされ得る。メタン濃度が上昇した消化槽から抜き出されたバイオガスは、次いでさらなる処理を行うことなく商業的利用に直接用いられ得る。

スクラビング段階から抜き出された精製バイオガス（メタンガス）は、既に、直接のさらなる（例えば、天然ガス網に供給するため、または熱電併給プラントを稼働させるための）使用に十分なほど純粋である。より純度の高い天然ガスが要求される場合は、現在のメタンガスが、アミンスクラビングによるさらなる処理または精製により要求される純度に調節され得る。このメタンガスは、単独で、または第１ストリッピングカラムから排出されるストリッピングガス（燃料ガス）と共に、メタン含有率を上昇させるためにさらなる処理段階に供給され得る。その後のアミンスクラビングおよびスクラビング溶液の再生は、不純物の大半が既にバイオガスから除去されているため、極めて少ないエネルギー消費で且つ極めて小さいメタン損失で行われ得る。

次に、第１精製段階（スクラビングカラム）に、６５℃までの、好ましくは２０℃より低い温度にて真水が供給される。１０〜１５℃の温度の地下水が、真水として用いられ得る。

スクラビング溶液の温度が低いほど、二酸化炭素を分離する能力は高くなる。したがって、暖かい室温を用いる場合は、スクラビング溶液は、ガススクラバーに導入される前に冷却されることが望ましい。スクラビング溶液に溶解した二酸化炭素を分離する能力は、スクラビング溶液量／時間およびスクラビングカラム内のスクラビング溶液温度というパラメータを通して調整され得る。より多くのスクラビング溶液量およびより低いスクラビング溶液温度が、より高い分離能力に繋がる。

２つのストリッピングカラムに供給されることになるストリッピング空気量に関し、第１ストリッピングカラムにはごく少量のストリッピング空気しかスクラビング溶液からメタンを分離するために供給されず、第２ストリッピングカラムにはそれよりも著しく多い量がＣＯ_２を除去するために供給されることに留意されたい。

それらの割合は、ストリッピングカラムの寸法決定（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｉｎｇ）およびバイオガス（未精製ガス）中のメタン含有率に依存する。

したがって、第１ストリッピング段階におけるストリッピング空気量とバイオガス（未精製ガス）量の比率は、１：５０〜１：１０００、好ましくは１：１００となることが望ましい。小さい比率の１：５０である場合、より大きな比率の場合よりも高いメタン濃度がストリッピングガス（排気ガス）中に達成される。同時に、メタンスリップ（ｍｅｔｈａｎｅ ｓｌｉｐ）が生じ得ることに留意されたい。第二ストリッピング段階におけるストリッピング空気量とバイオガス（未精製ガス）量の比率は、１：０．３〜１：１０、好ましくは１：２であることが望ましい。

この比率が大きいほど、精製スクラビング溶液中の溶解ＣＯ_２残留含有量は多くなる。第１ストリッピング段階におけるストリッピング空気量と第２ストリッピング段階におけるストリッピング空気量の比率は、１：２００〜１：３０００であることが望ましい。酸素および窒素は共に、単独でまたは混合物として好適であるが、好ましくは、普通の空気がストリッピング空気として用いられることが望ましい。

供給されたバイオガスは、スクラビング段階またはガススクラバーに導入される前に、硫黄含有率が＜５ｐｐｍとなるように調整されることが望ましい。これは、消化槽においてそれ自体は公知の脱硫ユニットにより行われるか、または別個の事前脱硫ユニットによって行われ得る。スクラビング段階の汚染スクラビング溶液中の硫黄含有率があまりにも高い（例えば、３０ｐｐｍを超える）場合には、回路に導かれたスクラビング溶液を、真水と部分的にまたは完全に取り換える必要があり得る。これを回避するために、第２ストリッピングカラムの塔底から抜き出されたスクラビング溶液の一部を回路から取り出し、硫化水素と結合する反応物（例えば、塩化鉄（ＩＩＩ)または酸化鉄（ＩＩＩ））を前記スクラビング溶液に加えることにより溶解硫化水素を化学的に結合させ、二硫化鉄（ＩＩ)の沈殿後にこのスクラビング溶液を回路に戻し得る。バイオガス中の硫化水素濃度が３０ｐｐｍを超える場合は、ガススクラビングが外部脱硫のために同時に用いられ得、その場合は好適な脱硫ユニット（例えば、バイオフィルターによる）が、第２ストリッピング段階からのストリッピングガスの下流に置かれることになる。

本発明の方法を実施するためのこの提案されたシステムは、簡単且つ安価に構築されるものであり、下記により詳細に説明される。

図面は以下の詳細を示す。

図１は、本発明の方法を実施するためのシステムの最初の実施形態の変形例を、単純化した図で示している。 図２は、精製ユニットＡの別の実施形態の変形例を、単純化した図で示している。

図１に示されるシステムは、バイオガスからメタンを抽出するための本発明に従う精製ユニットＡと、それ自体は公知の方法でその後のアミンスクラビングのために必要に応じて連結され得るアッセンブリーＢとを含む。このアミンスクラビングのためのアッセンブリーＢの主要な構成要素は、精製ユニットＡで予め精製されたバイオガスから二酸化炭素をさらに除去するための吸収ユニットＡＥと、回路に導かれたアミンを含有する生じた汚染スクラビング溶液を再生するための再生ユニットＲＥとを含む。

精製ユニットＡは、直列に連結された３つのスクラビングカラムを含み、それらはスクラビングカラム（ガススクラバー）Ｋ１、第１ストリッピングカラムＫ２および第２ストリッピングカラムＫ３であり、バイオガス（未精製ガス）中に含まれる成分（例えば、二酸化炭素、硫黄化合物、アンモニアおよび他の水溶性物質）がスクラビングカラムＫ１において除去される。スクラビングカラムＫ１は、要求されるＣＯ_２除去の程度に応じて表面積が２００〜８５０ｍ^２／ｍ^３であり層高さが２〜１６ｍであるポリエチレン粒子でできた充填層または充填物Ｆ１を有するスクラビング塔を含む。第１ストリッピングカラムＫ２および第２ストリッピングカラムＫ３は、各々、ポリエチレン粒子でできた充填層Ｆ２またはＦ３を有する塔を含む。第１ストリッピングカラムＫ２は、表面積が２５０〜９００ｍ^２／ｍ^３、好ましくは３００〜７９０ｍ^２／ｍ^３であり、層高さが２〜４ｍであるポリエチレン粒子を含む。第２ストリッピングカラムＫ３において、表面積が１００〜４８０ｍ^２／ｍ^３のポリエチレン粒子が充填物として用いられ、その層高さは２〜８ｍである。スクラビングカラムＫ１、Ｋ２およびＫ３は、循環ライン０４、０５、０６により相互に連結されており、ポンプＰ１がライン０４に組み込まれている。ポンプＰ１は、井戸または地域供給網または雨水採取からから汲み出されて供給されたスクラビング溶液を循環させる。

精製されることになるバイオガスは、充填層Ｆ１の下にあるライン０１によりスクラビングカラムＫ１に導入される。スクラビング溶液は、ライン０４によりスクラビングカラムＫ１の塔頂から供給され、供給されたバイオガスと向流して充填層または充填物Ｆ１を通って流れる。精製バイオガス（メタンガス）は、ライン０２によりスクラビングカラムＫ１の塔頂から抜き出される。汚染スクラビング溶液は、ライン０５によりスクラビングカラムＫ１の塔底から抜き出され、第１ストリッピングカラムＫ２にその塔頂から導入される。第１ストリッピング空気流は、ライン０９を通って前記ストリッピングカラムの充填層Ｆ２の下方でストリッピングカラムＫ２に入る。形成されたストリッピングガス（排気ガス）は、ライン１０によりストリッピングカラムＫ２の塔頂から抜き出される。ストリッピングカラムＫ２の塔底から生ずる汚染スクラビング溶液はライン０６により抜き出され、第２ストリッピングカラムＫ３にその塔頂から導入される。第２ストリッピング空気流は、ライン０７により第２ストリッピングカラムＫ３の充填層Ｆ３の下方に供給される。生ずるストリッピングガス（排気ガス）は、ライン０８によりストリッピングカラムＫ３の塔頂から抜き出される。このストリッピングカラムＫ３の塔底から生ずる精製スクラビング溶液は、ポンプで汲み上げられてライン０４により最初のスクラビングカラムＫ１の塔頂に供給される。スクラビングカラムＫ２およびＫ３におけるストリッピングガスとスクラビング溶液との間の接触は、向流により行われる。メタンを含有するストリッピングガスは、ライン０１と繋がれた分流ライン１１によりライン０２に供給され得る。ストリッピング処理は、標準圧力下で行われる。

操作者がライン０２により抜き出されたメタンガスのさらなるメタン富化を必要とする場合、このガスは下流のアミンスクラビング（構成部分Ｂ）に供給され得る。アミンスクラビング後に、高純度メタンガスがライン０３により吸収ユニットＡＥの塔頂から抜き出される。精製ユニットＡは、その後のアミンスクラビングがなくても稼働させ得る。図２に示される精製ユニットＡと図１に示されるスクラビングユニットＡとの間の唯一の違いは、前者のユニットにおける個々の精製工程Ｋ１〜Ｋ３が単一の段塔内に配置され、ストリッピングカラムＫ２が上方のカラム部Ｋ２Ａと下方のカラム部Ｋ２Ｂとに分けられる２つの部分で構成されており、その各々が充填層Ｆ２ＡまたはＦ２Ｂを有することである。

酸素がライン０９ｂによりカラム部Ｋ２Ａに供給され、空気がライン０９ａによりストリッピング媒体としてカラム部Ｋ２Ｂに供給される。

例えば僅か０．５Ｎｍ^３／時間の酸素がカラム部Ｋ２Ａに供給される場合、４Ｎｍ^３／時間の溶解メタンがスクラビング溶液から取り出される。バイオガス（未精製ガス）の生物脱硫の酸素源といて用いられる酸素含有率の高いメタンガスが、ライン１０ｂにより抜き出される。

汚染スクラビング溶液に依然として含まれる残留メタンは、下流のカラム部Ｋ２Ｂにおいて前記スクラビング溶液から空気により取り出される。ライン１０ａにより放出される燃料ガスは、熱利用システムに供給される。

生じた汚染スクラビング溶液は、４つの排水路１１の各々を通じて、スクラビングカラムＫ１から第１ストリッピングカラムＫ２に、そしてこの第１ストリッピングカラムＫ２から第２ストリッピングカラムＫ３に導入される。

個々のカラムの間に配置される分離板は、気体装入物については厳密に漏れを防ぎ、液体装入物については完全に浸透させ得るように構築される。また、スクラビング溶液を冷却するための熱交換器Ｗ１が、ポンプＰ１の下流の循環ライン０４に組み込まれている。

これらのシステムの動作の態様を、以下に述べる実施例により説明する。

実施例１
バイオガスプラントの消化槽から生じ、消化槽において既に脱硫された、空気または酸素を加えていないバイオガスは、以下の組成を有する。

３８〜４５℃の温度のバイオガス（５００Ｎｍ^３／時間）が、スクラビングカラムＫ１の消化槽から直接供給され、充填層（高さ６ｍ）を通って流れ、その過程において、地域供給網から汲み出され、回路に導かれ、向流方向で供給されるスクラビング溶液と接触する。スクラビング処理は、標準圧力（−１０〜＋２０ミリバール）下で行われ、供給されるバイオガスの量に基づき４００ｍ^３／時間の水が供給される。短時間の稼働後、スクラビング溶液は約５０ｍｇ／Ｌの残留負荷量のＣＯ_２を含んでいる。

無加圧ガススクラビングの間にＣＯ_２、Ｈ_２ＳおよびＮＨ_３がバイオガスから除去され、スクラビング溶液に溶解する。除去されるＣＯ_２の割合は約８０％に上る。以下の組成を有する３３３Ｎｍ^３／時間の精製バイオガス（メタンガス）が、スクラビングカラムＫ１の塔頂から抜き出される。

スクラビング溶液に溶解した同伴メタン（いわゆるメタンスリップ）を含むスクラビングカラムＫ１の塔底から生ずる汚染スクラビング溶液は、第１ストリッピングカラムＫ２による次の第２精製工程に直接導かれ、この第２精製工程において、ストリッピング空気を加えることにより向流中のメタンの一部が汚染スクラビング溶液から取り出される。

少量の供給ストリッピング空気（５Ｎｍ^３／時間）があれば、第１ストリッピングカラム（充填層の表面積７９０ｍ^２／ｍ^３；層高さ２ｍ）を構築したため、汚染スクラビン溶液に溶解した約６．８Ｎｍ^３／時間のメタンの９８％より多くがストリッピング空気によって前記溶液から確実に取り出される。第１ストリッピングカラムＫ２の塔頂から抜き出されるストリッピングガス（排気ガス）は、ＣＯ_２（約４Ｎｍ^３／時間）を依然として含む。生じたストリッピングガス（排気ガス）は４３容量％のメタン含有率を有しており、発熱量７４．５ｋＷの歴とした燃料と同様の品質を有する。

これは、スクラビングカラムＫ１から抜き出されたメタンガス流を富化するために用いられ得るか、またはエネルギー源として燃料もしくは加熱ガスとして用いられ得る。したがって、第２精製工程は、バイオガス中に含まれるメタンの全損失が比較的低いレベルに保たれ、０．５％の値を超えないことを確実にする。第１ストリッピング段階Ｋ２において生ずるメタン非含有の汚染スクラビング溶液が、さらなる精製工程である第２ストリッピング段階Ｋ３に直接供給され、この精製工程において、向流方向に供給されるストリッピング空気により、ＣＯ_２がスクラビング溶液から除去される。第１ストリッピング段階Ｋ２におけるよりもはるかに多いストリッピング空気が、第２ストリッピング段階Ｋ３において用いられる。

スクラビング溶液中に束縛されている二酸化炭素を吸収する３００Ｎｍ^３／時間の暖かいストリッピング空気（２５℃）が、ストリッピングカラムＫ３（充填層の表面積４８０ｍ^２／ｍ^３；層高さ４ｍ）に供給される。これらの条件下では、スクラビング溶液中の二酸化炭素負荷量は、９１５ｇ／Ｌから５０ｍｇ／Ｌに減少する。ストリッピングカラムＫ３の塔底に生じた精製スクラビング溶液は、ライン０４を通ってポンプＰ１によりスクラビングカラムＫ１に供給される。

ストリッピングカラムＫ３から出る排気ガスは、さらなる処理なく直接周囲に排出され得る。

僅か１２．５ｋＷの電気エネルギーが精製工程Ｋ１、Ｋ２およびＫ３のプロセス制御全体に必要とされるに過ぎず、このことは、本方法を経済的に実施する上で非常に重要である。この低いエネルギー消費量は、バイオガス投入量（５００Ｎｍ^３／時間）に基づく比消費量が０．０２５ｋＷ時／Ｎｍ^３であることを意味している。

スクラビングカラムＫ１の塔頂から抜き出された精製バイオガス（メタン含有率７６．８容量％）が直ちにさらなる商業的利用に利用可能であり、必要ならば、さらに精製してそのメタン含有率を上昇させ得る。

さらなる精製は、例えば、例えば公開文献である独国特許出願公告第１０ ２００ ０５１ ９５２（Ｂ３）号明細書および国際公開第２００８／０３４４７３（Ａ１）号パンフレットに記載されるように、それ自体は公知のアミンスクラビングにより実施され得る。スクラビングカラムＫ１の塔頂から抜き出されたメタンガスがアミン含有スクラビング剤を用いたアミンスクラビングにより精製された後には、以下の組成を有する精製バイオガス（メタンガス）が生成されている。

バイオガス中に依然として含まれている水分を下流の脱湿段階において除去し、精製バイオガスを露点２℃に調整した後、このバイオガスは以下の組成を有する。

さらなる冷却、および残留水分含有量の除去、および／または窒素含有量の低減により、メタン含有率をなおさらに上昇させ得る。しかしながら、精製バイオガス（メタンガス）を利用するほとんどの技術分野はこれを必要としない。アミンスクラビング（スクラビング溶液再生を伴う）は、その他の場合にバイオガスを未精製ガスとして精製するのに必要であるよりもかなり少ないエネルギー消費で実施され得る。これは、バイオガスが精製工程Ｋ１〜Ｋ３において既に精製されているので、その後のアミンスクラビングにおいてはほんの僅かな不純物だけが依然として除去されずに残っているためである。

その結果、アミンを含有するスクラビング溶液を精製するのに必要とされる熱エネルギーは、２５０ｋＷから７２ｋＷに削減される。したがって、バイオガス量に基づく比必要熱量は、０．５から０．１４４ｋＷ時／Ｎｍ^３に削減され得る。さらなる利点は、従来のアミンスクラビング（０．１％）と比較して小さいメタン損失（０．０３％）である。アミンスクラビングに用いられる７２ｋＷのうち、約８５％の熱エネルギーが、排熱回収によりさらなる利用のために再び利用可能にされ得る。これは、消化槽を５８℃の温度に温めるために用いられ得る。

実施例２
下水プラントの消化塔から得られた以下の組成を有する下水ガスを、実施例１と同様に処理する。

投入量：５００Ｎｍ^３／時間、温度３８〜４５℃；
ガススクラビング−スクラビングカラムＫ１
−充填層の表面積：７４０ｍ^２／ｍ^３
−標準圧力；スクラビング溶液量：３５０ｍ^３／時間；
−スクラビングカラムＫ１の塔頂から３３３Ｎｍ^３／時間の量で抜き出された精製バイオガス（メタンガス）の組成：

ストリッピングカラムＫ２
−充填層の表面積：８４０ｍ^２／ｍ^３
−供給されるストリッピング空気の量：６Ｎｍ^３／時間；
−４．９Ｎｍ^３／時間の溶解メタン（＝９９．７％）が汚染スクラビング溶液から取り出される。
−抜き出されるストリッピングガス（排気ガス）は４Ｎｍ^３／時間のＣＯ_２および飽和と一致する水蒸気を含んでいる；
−ストリッピングガス（燃料ガス）のメタン含有率：３２．２容量％；
−ストリッピングガス（燃料ガス）の発熱量：５４ｋＷ
ストリッピングカラムＫ３
−充填層の表面積：２２０ｍ^２／ｍ^３
−供給されるストリッピング空気の量：５７０Ｎｍ^３／時間；
−ＣＯ_２負荷量は８４５ｇ／Ｌから５０ｍｇ／Ｌに減少
カラムの充填層高さの比率：Ｋ１：Ｋ２：Ｋ３は３：１：２である。
Ｋ１〜Ｋ３のエネルギー消費量
電気エネルギー：１０．５ｋＷ
比エネルギー消費量：０．０２１ｋＷ時／Ｎｍ^３
メタン損失は僅か０．３％となる。

Claims (18)

1. バイオガス中に含まれる成分（例えば、二酸化炭素、硫黄化合物、アンモニアおよび他の水溶性物質）が多段階精製プロセスにおいて除去される、メタン抽出のためのバイオガス精製方法であって、前記精製プロセスは、回路に導かれる無添加の真水を用い、次々と間断なく連続して行われる少なくとも３つの精製工程において実施され、前記回路において：
   ａ）第１精製工程として、バイオガスプラントから抜き出された精製されることになるバイオガス（未精製ガス）が、供給される真水と向流して標準圧力または６バールまでの過剰圧力で充填層を有するスクラビングカラム（Ｋ１）を通って流れ、前記未精製ガス中に含まれる二酸化炭素、硫化水素、アンモニアおよび他の有機水溶性物質は前記真水中に束縛され、少なくとも６５％のメタン含有率を有するメタンガスがスクラビングカラム（Ｋ１）の塔頂から抜き出され、
   ｂ）前記スクラビング段階（Ｋ１）から排出される汚染スクラビング溶液に溶解したメタンが、充填層または充填物を有する第１ストリッピングカラム（Ｋ２）において、標準圧力下で向流方向に６０℃までの温度で供給される、バイオガス（未精製ガス）量に基づき０．５〜１０％のストリッピング空気またはストリッピング空気および酸素を加えることにより、前記スクラビング溶液からほぼ完全に（少なくとも９０％）取り出され、その過程において燃料ガス品質の酸素含有ストリッピングガスが生成され、
   ｃ）前記第１ストリッピングカラム（Ｋ２）から排出される前記汚染スクラビング溶液に溶解した前記二酸化炭素が、充填体または充填物を有する第２ストリッピングカラム（Ｋ３）において２００ｍｇ／Ｌ未満の残留含有量となるように、標準圧力下で向流方向に供給される、バイオガス（未精製ガス）量に基づき少なくとも２５％のストリッピング空気を加えることにより除去され、精製されたスクラビング溶液はスクラビング段階（Ｋ１）に供給され、排気ガスは放出される
   ことを特徴とする方法。
2. 前記回路に導かれる前記真水が６５℃までの温度を有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１ストリッピングカラム（Ｋ２）から抜き出された前記ストリッピングガス（排気ガス）が、前記バイオガスプラントの消化槽に戻されるか、前記第１スクラビング段階において取り出された前記メタンガス流に供給されるか、または燃料ガスとして用いられる、請求項１または２のいずれか１項に記載の方法。
4. 前記汚染スクラビング溶液からメタンを取り出すための前記第１ストリッピングカラム（Ｋ２）が２段階で構成され、酸素が第１段階で供給され、ストリッピング空気が第２段階で供給されるか、またはその逆であり、異なる酸素含有率を有する２つの異なる燃料ガスが生成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 酸素含有率の高い前記燃料ガスが、前記バイオガスの生物脱硫の酸素供給源として用いられる、請求項４に記載の方法。
6. 前記ストリッピングカラム（Ｋ１）から抜き出された前記メタンガスが、メタン含有率を上昇させるために、前記第１ストリッピングカラム（Ｋ２）から抜き出された前記ストリッピングガスと別個または一緒にさらなる処理段階に供給される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 供給される前記バイオガスが、前記スクラビング段階（Ｋ１）に導入される前に、＜５ｐｐｍの硫黄含有率に調整される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. スクラビング段階（Ｋ１）から抜き出される前記汚染スクラビング溶液中の硫黄含有率が５０ｐｐｍを超える場合は、前記回路において循環する前記スクラビング溶液が、特定の稼働時間後に部分的または完全に真水と取り換えられる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記第２ストリッピングカラム（Ｋ３）の塔底から抜き出された部分量のスクラビング溶液が前記回路から取り出され、硫化水素と結合する反応物が前記溶液に加えられ、そして二硫化鉄（ＩＩ）の沈殿後に前記スクラビング溶液が前記回路に戻される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記スクラビング溶液に溶解した前記二酸化炭素を分離する能力が、前記スクラビングカラム（Ｋ１）中のスクラビング溶液量／時間およびスクラビング溶液温度というパラメータにより調節可能であり、より多くのスクラビング溶液量およびより低いスクラビング溶液温度がより高い分離能力に繋がる、請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記消化槽中のメタン濃度およびバイオガス貯蔵能力を上昇させるために、前記スクラビングカラム（Ｋ１）から抜き出された精製された前記バイオガスが、前記バイオガスプラントの前記消化槽に直接導入される、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. バイオガス中に含まれる成分（例えば、二酸化炭素、硫黄化合物、アンモニアおよび他の水溶性物質）をスクラビング溶液により除去するためのガススクラバーとして構成されるスクラビングカラム（Ｋ１）と、汚染された前記スクラビング溶液に溶解したメタンを取り出すための第１ストリッピングカラム（Ｋ２）と、前記第１ストリッピングカラムの塔底から生ずる汚染された前記スクラビング溶液から二酸化炭素を除去するための第２ストリッピングカラム（Ｋ３）とを含む請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法を実施するためのシステムであって、前記スクラビングカラムおよび２つの前記ストリッピングカラムは直列に連結されており、前記スクラビングカラム（Ｋ１）は表面積が３００〜９００ｍｍ^２／ｍ^３であり層高さが２〜１６ｍである充填層または充填物を有し、前記第１ストリッピングカラム（Ｋ２）は表面積が３５０〜９００ｍｍ^２／ｍ^３であり層高さが１〜４ｍである充填層または充填物を有し、前記第２ストリッピングカラム（Ｋ３）は表面積が１００〜３００ｍｍ^２／ｍ^３であり層高さが１〜１０ｍである充填層または充填物を有しており、前記第２ストリッピングカラム（Ｋ２）の塔底は前記スクラビング溶液を運ぶライン（０４）により前記スクラビングカラム（Ｋ１）の塔頂に連結され、ポンプ（Ｐ１）が前記循環ラインに組み込まれている、システム。
13. 熱交換器（Ｗ１）が前記スクラビング溶液を冷却するために前記循環ライン（０４）に組み込まれている、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記スクラビングカラム（Ｋ１）および２つの前記ストリッピングカラム（Ｋ２、Ｋ３）は同じカラム径を有し、精製工程（Ｋ１）の層高さ：第１ストリッピングカラム（Ｋ２）の層高さ：第２ストリッピングカラム（Ｋ３）の層高さの比率が３：１：２〜３：０．５：１となる異なる充填層高さを有する、請求項１２または１３のいずれか１項に記載のシステム。
15. 前記第１ストリッピングカラム（Ｋ２）の充填層の表面積：前記第２ストリッピングカラム（Ｋ３）の充填層の表面積の比率が、１：０．２〜１：０．８であり、好ましくは１：０．５である、請求項１２〜１４のいずれか１項に記載のシステム。
16. 前記第１ストリッピングカラム（Ｋ１）が２つのカラム部（Ｋ２Ａ、Ｋ２Ｂ）に分けられており、各カラム部（Ｋ２Ａ、Ｋ２Ｂ）には充填層または充填物が備え付けられ、上方の前記カラム部（Ｋ２Ａ）は酸素を供給するライン（０９ｂ）に連結され、下方の前記カラム部（Ｋ２Ｂ）は空気を供給するライン（０９ａ）に連結されている、請求項１２〜１５のいずれか１項に記載のシステム。
17. 前記スクラビングカラム（Ｋ１）および２つの前記ストリッピングカラム（Ｋ２、Ｋ３）が１つの塔内に配置されている、請求項１２〜１６のいずれか１項に記載のシステム。
18. 前記スクラビングカラム（Ｋ１）および前記ストリッピングカラム（Ｋ２、Ｋ３）の分離板が、気体装入物については厳密に漏れを防ぎ、液体装入物については完全に浸透させ得るように構築されている、請求項１２〜１７のいずれか１項に記載のシステム。

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