JP2012211213A - Method for refining biogas - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はバイオガスの精製方法に係り、特に、精製バイオガスを都市ガス導管に注入する場合に好適なバイオガスの精製方法に関する。 The present invention relates to a biogas purification method, and more particularly to a biogas purification method suitable for injecting purified biogas into a city gas conduit.
近年、再生可能な新エネルギーとして、下水汚泥等のバイオマスを嫌気性微生物により発酵させて、生成するバイオガスの精製により得られるメタンを発電やボイラー燃料として利用する技術が注目されている。さらに、バイオガスを都市ガス導管に注入して供給する技術も提案されている(例えば特許文献1、2)。
都市ガス導管に注入する場合には、メタン以外の不純物成分について供給上許容される濃度以下に抑えることが必要となる。特許文献1のバイオガス供給システム100は、図4に示すように天然ガス導管104から分岐、導入する供給ガスを、精製装置101、熱量調整装置102において精製・熱調したバイオガスと混合させてミキシングタンク103に一旦貯蔵し、導管104に注入するものである。精製後バイオガスの不純物濃度に対応して、バルブ105により導入供給ガスと精製バイオガスの混合比を調整して、注入ガスの不純物濃度を所定基準値以下となるように制御する。
2. Description of the Related Art In recent years, as a new renewable energy, attention has been paid to a technique of fermenting biomass such as sewage sludge with anaerobic microorganisms and using methane obtained by refining the produced biogas as power generation or boiler fuel. Furthermore, techniques for injecting and supplying biogas into city gas conduits have also been proposed (for example, Patent Documents 1 and 2).
When injecting into city gas conduits, it is necessary to keep the impurity components other than methane below the allowable concentration for supply. In the
バイオガスは、一般にメタン以外に二酸化炭素を主成分とし、不純物として微量の硫化水素、シロキサン、酸素等が含まれるため、不純物のうち、二酸化炭素は化学吸収、PSA、高圧水吸収等により除去する。また、硫化水素は、活性炭や酸化鉄を用いて除去可能である。シロキサンは、特に下水汚泥メタン由来のバイオガスに含まれており、活性炭や高圧水吸収により除去可能である。
酸素は、高圧水吸収による精製過程における溶存酸素や配管等からの漏入に由来するものであり、系外から水素を添加して触媒燃焼反応により除去する方法が開示されている(例えば特許文献2)。
Biogas generally contains carbon dioxide as a main component in addition to methane, and contains trace amounts of hydrogen sulfide, siloxane, oxygen, etc., so carbon dioxide is removed by chemical absorption, PSA, high-pressure water absorption, etc. . Hydrogen sulfide can be removed using activated carbon or iron oxide. Siloxane is particularly contained in biogas derived from sewage sludge methane, and can be removed by activated carbon or high-pressure water absorption.
Oxygen is derived from dissolved oxygen in the purification process by high-pressure water absorption or leakage from pipes, etc., and a method of adding hydrogen from outside the system and removing it by catalytic combustion reaction is disclosed (for example, patent document) 2).
なお、バイオガス生成における水素発酵工程に関しては、食品廃棄物を水素発酵処理及びメタン発酵処理を2段階で進めることにより、水素・酸生成、メタン生成を効率的に進行させ、有機物のガス化効率を向上させる方法が提案されている(特許文献3)。 Regarding the hydrogen fermentation process in biogas production, the hydrogen fermentation process and methane fermentation process of food waste are promoted in two stages, so that hydrogen / acid production and methane production are efficiently advanced, and the gasification efficiency of organic matter is improved. Has been proposed (Patent Document 3).
しかしながら、系外からの水素添加については、水素供給装置や水電解装置等の水素供給設備を必要とし、設備コスト及びランニングコストが課題となる。
また、特許文献3の技術は系内で水素生成を伴うものであるが、生成水素をボイラー燃料、燃料電池用燃料等に用いることを目的とするものであり、バイオガス中に含まれる不純物酸素除去を目的とするものではない。
However, hydrogen addition from outside the system requires a hydrogen supply facility such as a hydrogen supply device or a water electrolysis device, and the facility cost and running cost become problems.
Moreover, although the technique of
本発明は、バイオマスの水素発酵で発生する水素を酸素除去に用いることにより、効率的かつ低コストのバイオガス精製技術を提供するものである。
本発明は、以下の内容を要旨とする。すなわち、本発明に係るバイオガスの精製方法は、
(1)バイオガスの精製方法であって、原料バイオマスを水素発酵させて、水素ガス及び二酸化炭素を主成分とするガスを生成させる水素発酵工程と、水素発酵工程を経たバイオマスをメタン発酵させて、メタン及び二酸化炭素を主成分とするバイオガスを生成するメタン発酵工程と、メタン発酵工程を経たバイオガスに水素発酵工程を経た水素ガスを含むガスを添加する水素ガス添加工程と、水素ガス添加工程を経たバイオガスから二酸化炭素及びその他の不純物を除去する不純物除去工程と、不純物除去工程を経たバイオガス中の水素と酸素を反応させて、不純物である酸素を除去する酸素除去工程と、を含むことを特徴とする。
The present invention provides an efficient and low-cost biogas purification technique by using hydrogen generated by hydrogen fermentation of biomass for oxygen removal.
The gist of the present invention is as follows. That is, the biogas purification method according to the present invention comprises:
(1) A method for purifying biogas, in which raw material biomass is fermented with hydrogen to produce a gas mainly composed of hydrogen gas and carbon dioxide, and biomass that has undergone the hydrogen fermentation process is fermented with methane. , A methane fermentation process for producing biogas mainly composed of methane and carbon dioxide, a hydrogen gas addition process for adding a gas containing hydrogen gas that has undergone a hydrogen fermentation process to a biogas that has undergone a methane fermentation process, and hydrogen gas addition An impurity removal step of removing carbon dioxide and other impurities from the biogas that has undergone the process, and an oxygen removal step of removing oxygen, which is an impurity, by reacting hydrogen and oxygen in the biogas that has undergone the impurity removal step. It is characterized by including.
(2)前記メタン発酵工程を経たバイオガスの発生量に対応して、前記水素発酵工程の滞留時間を制御することを特徴とする。 (2) The residence time of the hydrogen fermentation process is controlled corresponding to the amount of biogas generated through the methane fermentation process.
(3)前記酸素除去工程において、除去後の精製バイオガス中の酸素残留濃度が所定の基準値を超えるときは、前記水素発酵工程により得られる水素ガスに加えて、さらに系外からの水素ガスを添加することを特徴とする。 (3) In the oxygen removal step, when the residual oxygen concentration in the purified biogas after removal exceeds a predetermined reference value, in addition to the hydrogen gas obtained by the hydrogen fermentation step, further hydrogen gas from outside the system Is added.
本発明によれば、バイオガス中の酸素除去において、外部からの水素供給を不要又は最小限に抑えることができ、設備コスト及びランニングコストの低減化が可能という効果がある。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, in the oxygen removal in biogas, the hydrogen supply from the outside can be made unnecessary or minimized, and there exists an effect that an installation cost and a running cost can be reduced.
以下、本発明の実施形態について、図1乃至3を参照してさらに詳細に説明する。なお、本発明の範囲は特許請求の範囲記載のものであって、以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to FIGS. Needless to say, the scope of the present invention is described in the claims and is not limited to the following embodiments.
<第一の実施形態>
図1は、本発明の一実施形態に係るバイオガス精製システム1の構成を示す図である。
バイオガス精製システム1の精製系統は、前処理槽2と、水素発酵槽3と、メタン発酵槽4と、精製装置5と、酸素除去装置6と、熱量調整装置7と、貯留タンク3a、貯留タンク9と、を主要構成として備えている。各装置間は配管L1−L8で接続されている。さらに、水素発酵槽3において生成した水素ガスをメタン発酵槽4出ガスと混合させるための配管L8と、精製ガスを都市ガス導管L0に注入するための配管L8と、を備えている。
また、制御系統は、メタン発酵槽出ガスの流量を計測する流量計S1と、水素発酵槽3における液状又はスラリー状の発酵残渣をメタン発酵槽4に送入するための送入装置10(例えばスラリーポンプ等)と、流量計S1の計測値に基づいて送入装置10に稼働指令して、水素発酵槽3における滞留時間を制御する制御部8と、を主要構成として備えている。
<First embodiment>
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a biogas purification system 1 according to an embodiment of the present invention.
The purification system of the biogas purification system 1 includes a
In addition, the control system includes a flow meter S1 that measures the flow rate of the methane fermentation tank output gas, and a feeding device 10 (for example, for feeding the liquid or slurry fermentation residue in the
前処理装置2において物理化学的処理(異物除去、加熱、破砕、場合によって酸処理、アルカリ処理等)を施したバイオマスを、水素発酵槽3に導入する。水素発酵槽3において、原料バイオマスは槽内の嫌気性微生物の存在下で分解され、水素と二酸化炭素を主成分とするガスが生成する。生成ガスは一旦、貯留タンク3aに貯留される。
原料供給は回分式もしくは連続式により行う。水素発酵条件としては、温度は30℃−65℃、圧力は常圧、pHは4−8の範囲が好ましい。
生成ガス中の水素、二酸化炭素の発生ガス量は原料の槽内滞留時間により定まり、滞留時間が長いほど発生する水素ガス量が多くなる。滞留時間は、後述するようにメタン発酵槽出ガスの流量に対応して定められる。
Biomass that has been subjected to physicochemical treatment (foreign matter removal, heating, crushing, acid treatment, alkali treatment, etc. in the pretreatment device 2) is introduced into the
The raw material is supplied batchwise or continuously. As hydrogen fermentation conditions, the temperature is preferably 30 ° C. to 65 ° C., the pressure is normal pressure, and the pH is preferably in the range of 4-8.
The amount of hydrogen and carbon dioxide generated in the product gas is determined by the residence time of the raw material in the tank, and the longer the residence time, the more hydrogen gas is generated. The residence time is determined according to the flow rate of the methane fermentation tank output gas, as will be described later.
水素発酵槽3の水素発酵残渣は、有機酸(酢酸、ギ酸、酪酸等)、未反応有機物等を含み、これらは送入装置10の稼働によりメタン発酵槽4に送入される。水素発酵残渣は、メタン発酵槽4内において嫌気性微生物により分解され、メタン及び二酸化炭素を主成分とするガスが生成する。発酵残渣は処理槽(図示せず)に集められ、処理されて肥料等に利用される。メタン発酵条件としては、温度は35℃−60℃、pH6−8の間が望ましい。
The hydrogen fermentation residue in the
メタン発酵槽4出ガスは貯留タンク9に一旦蓄えられた後、貯留タンク3a出の水素を含むガスと混合され、精製装置5に導入される。導入されるガスはメタン、二酸化炭素及び水素を主成分とし、不純物として微量の硫化水素、シロキサン、酸素等を含む。
精製装置5において、混合ガスは昇圧器(図示せず)により所定の圧力に昇圧され、高圧状態で吸収塔(図示せず)上部から噴霧される水と向流接触する。吸収塔内の混合ガスは、水に対する溶解度の相違により分離される。すなわち、二酸化炭素及び硫黄系不純物(H2S等)は水に吸収され、メタン、水素、酸素は吸収されることなく気体のまま精製装置5を出る。また、シロキサン化合物は高圧状態で凝縮して、高圧水に随伴して吸収塔底部に溜り除去される。
The gas output from the methane fermentation tank 4 is temporarily stored in the storage tank 9 and then mixed with the gas containing hydrogen output from the
In the
メタン、水素及び微量酸素を含む精製装置5出のバイオガスは、酸素除去装置6に導入される。ここで、水素と酸素は反応器(図示せず)内で触媒燃焼して除去される。使用する触媒としては、Pt、Pd、Ru、Rh、Agを支持体に担持させたものを用いることができる。メタン以外の不純物成分について許容濃度以下になったバイオガスが、熱量調整装置7に導入される。ここで、都市ガス供給規定による熱量調整が行われる。熱量調整されたガスは圧力調整されたのちガス導管L0に注入され、導管内の供給ガスの一部として使用に供される。
Biogas from the
次に、図2をも参照して、制御部8の指令により実行される水素発酵槽3における滞留時間制御の具体的内容について説明する。初期状態において、滞留時間Tsはデフォルト値(Td)に設定されている(S101)。発酵処理中は、メタン発酵槽出ガスの流量Fmが計測されている(S102)。
Fmが上限、下限閾値範囲内(Fmax≧Fm≧Fmin)にある場合には(S103においてYES)、現状滞留時間が維持される(S105)。Fm>Fmaxの場合にはメタン生成量が過大であるため、水素発酵ガスの発生量を増大させて、発生したメタンと水素のエネルギー比率(熱量ベース)で表すメタン生成比率を減少させるべく、滞留時間を1段階延長させる(S104)。またFm<Fminの場合には、メタン生成量が過小であるため、水素発酵ガスの発生量を減少させてメタン生成比率を増大させるべく、滞留時間を1段階短縮させる(S106)。
通常、精製装置5出ガスの酸素濃度は0.2−1.0%であるから、以上の制御を所定の時間ごとに繰返し行うことにより、酸素濃度に対応して水素添加量を増減することができ、ガス導管L0に注入するバイオガスの残留酸素濃度を供給上許容される値以下に制御することができる。
Next, the specific contents of the residence time control in the
If Fm is within the upper and lower threshold ranges (Fmax ≧ Fm ≧ Fmin) (YES in S103), the current residence time is maintained (S105). When Fm> Fmax, the amount of methane produced is excessive, so that the amount of hydrogen fermentation gas generated is increased, and the methane production ratio expressed by the energy ratio (calorie base) of the generated methane and hydrogen is reduced. The time is extended by one step (S104). When Fm <Fmin, the amount of methane produced is too small, so the residence time is shortened by one step in order to reduce the amount of hydrogen fermentation gas produced and increase the methane production ratio (S106).
Usually, since the oxygen concentration of the purified
なお、本実施形態においては精製装置5において混合ガス中の二酸化炭素、硫黄系不純物及びシロキサン化合物の除去を高圧水吸収により行う例を示したが、それぞれ個別に除去する態様、例えば硫黄系不純物については活性炭又は酸化鉄による除去と、その後にシロキサン化合物については活性炭による除去と、その後に二酸化炭素についてはPSA又は吸収液による除去、によることも可能である。
In the present embodiment, the example in which the carbon dioxide, the sulfur-based impurities and the siloxane compound in the mixed gas are removed by high-pressure water absorption in the
また、本実施形態においては水素発酵槽3の滞留時間を、メタン発酵槽4出ガスの流量に基づき制御する例を示したが、酸素除去装置6出ガスの残留酸素濃度に基づき水素発酵槽3の滞留時間を制御する態様としてもよい。
Moreover, in this embodiment, although the example which controls the residence time of the
また、水素発酵槽3出ガスを貯留タンク3aに一旦貯留する例を示したが、貯留することなく直接、メタン発酵槽4出ガスと混合させる態様としてもよい。
Moreover, although the example which once stores the
<第二の実施形態>
次に、図3を参照して本発明の他の実施形態について説明する。本実施形態に係るバイオガス精製システム20の構成が上述のバイオガス精製システム1と異なる点は、酸素除去装置の構成である。すなわち、本実施形態の酸素除去装置21は、酸化触媒反応器22の上流側に水素ボンベ23a、流量制御装置23bを含む水素ガス添加装置23を備えており、触媒反応器22に導入されるガスに水素が添加されることである。さらに、触媒反応器22の下流側に酸素濃度計S2を備えており、触媒反応器22出ガスの残留酸素濃度を測定可能に構成されていることである。その他の構成についてはバイオガス精製システム1と同様であるので、重複説明を省略する。
以上の構成によりバイオガス精製システム20においては、酸素濃度計S2の計測値に基づき、触媒反応器22出ガスの酸素濃度を所定の許容濃度以下に制御する。すなわち、触媒反応器22出ガスの酸素濃度が所定の閾値以上のときは、水素ガス添加装置23からの水素を添加して触媒反応器22における酸化反応促進を図る。これにより、ガス導管L0に注入するバイオガスの残留酸素濃度を許容基準値以下に制御することができる。
<Second Embodiment>
Next, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The configuration of the
With the above configuration, in the
以下、水素発酵槽の原料滞留時間を変化させたときの、生成バイオガスの成分比及びエネルギー回収効率を測定した。試験条件は以下の通りである。
各滞留時間条件についての、全バイオガス発生量に対する水素及びメタン発生割合を表2に示す。ここに、回収効率とは、原料のエネルギー(熱量ベース)に対する回収ガス(水素、メタン)のエネルギーの比率である。
以上の結果から、水素発酵槽の滞留時間を変化させることにより、水素とメタンの回収効率の比を変更することが可能であることが分かった。 From the above results, it was found that the ratio of the recovery efficiency of hydrogen and methane can be changed by changing the residence time of the hydrogen fermenter.
本発明は、下水汚泥のみならず、生ゴミ、食品廃棄物、廃材、木材チップ等、種々のバイオマスを原料としたバイオガス精製システムに広く適用可能である。 The present invention can be widely applied not only to sewage sludge but also to biogas purification systems using various biomass as raw materials such as raw garbage, food waste, waste materials, and wood chips.
1、20・・・・バイオガス精製システム
2・・・・前処理槽
3・・・・水素発酵槽
4・・・・メタン発酵槽
5・・・・精製装置
6、21・・・・酸素除去装置
7・・・・熱量調整装置
8・・・・制御部
9・・・・貯留タンク
10・・・・送入装置
22・・・・酸化触媒反応器
23・・・・水素ガス添加装置
L0・・・・ガス導管
S1・・・流量計
S2・・・酸素濃度計
DESCRIPTION OF
Claims (3)
原料バイオマスを水素発酵させて、水素ガス及び二酸化炭素を主成分とするガスを生成させる水素発酵工程と、
水素発酵工程を経たバイオマスをメタン発酵させて、メタン及び二酸化炭素を主成分とするバイオガスを生成するメタン発酵工程と、
メタン発酵工程を経たバイオガスに、水素発酵工程を経た水素ガスを含むガスを添加する水素ガス添加工程と、
水素ガス添加工程を経たバイオガスから、二酸化炭素及びその他の不純物を除去する不純物除去工程と、
不純物除去工程を経たバイオガス中の水素と酸素を反応させて、不純物である酸素を除去する酸素除去工程と、
を含むことを特徴とするバイオガスの精製方法。 A method for purifying biogas,
A hydrogen fermentation process in which raw material biomass is fermented with hydrogen to generate a gas mainly composed of hydrogen gas and carbon dioxide;
A methane fermentation process in which biomass that has undergone a hydrogen fermentation process is subjected to methane fermentation to produce biogas mainly composed of methane and carbon dioxide;
A hydrogen gas addition process for adding a gas containing hydrogen gas that has undergone a hydrogen fermentation process to biogas that has undergone a methane fermentation process;
Impurity removal process for removing carbon dioxide and other impurities from the biogas that has undergone the hydrogen gas addition process,
Oxygen removal step of reacting hydrogen and oxygen in biogas that has undergone the impurity removal step to remove oxygen as an impurity;
A method for purifying biogas, comprising:
In the oxygen removal step, when the residual oxygen concentration in the purified biogas after removal exceeds a predetermined reference value, hydrogen gas from outside the system is further added in addition to the hydrogen gas obtained by the hydrogen fermentation step. The method for purifying biogas according to claim 1 or 2, wherein
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