JP2013209497A - メタン発酵ガス精製システム及びメタン発酵ガス精製方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】有機性廃棄物から得られるメタンガスを全て再利用してシステム全体の効率を向上させること。
【解決手段】このメタン発酵ガス精製システム１では、ボイラ８が、バイパス流路１３ａ〜１３ｃを介して供給される排気ガス中に含まれるメタンガスを燃料として水を加熱し、温水や蒸気によって消化槽２を加温する。これにより、メタン発酵ガスの精製過程で排出されるガス中に含まれる微量のメタンガスが消化槽２の加温に利用されるので、有機性廃棄物から得られるメタンガスを全て再利用してシステム全体の効率を向上できる。また、制御装置９は、消化槽２の加温に必要な熱量及び排気ガス中に含まれるメタンガスの濃度に基づいて、消化槽２の加温に必要な熱量が得られるようにガス精製部７へのメタン発酵ガスの供給量を制御するので、消化槽２を常に最適な運転状態に制御することができる。
【選択図】図１
【解決手段】このメタン発酵ガス精製システム１では、ボイラ８が、バイパス流路１３ａ〜１３ｃを介して供給される排気ガス中に含まれるメタンガスを燃料として水を加熱し、温水や蒸気によって消化槽２を加温する。これにより、メタン発酵ガスの精製過程で排出されるガス中に含まれる微量のメタンガスが消化槽２の加温に利用されるので、有機性廃棄物から得られるメタンガスを全て再利用してシステム全体の効率を向上できる。また、制御装置９は、消化槽２の加温に必要な熱量及び排気ガス中に含まれるメタンガスの濃度に基づいて、消化槽２の加温に必要な熱量が得られるようにガス精製部７へのメタン発酵ガスの供給量を制御するので、消化槽２を常に最適な運転状態に制御することができる。
【選択図】図１
Description
本発明は、有機性廃棄物から得られるメタン発酵ガスを精製するメタン発酵ガス精製システム及びメタン発酵ガス精製方法に関する。
有機性廃棄物は、メタン菌等の嫌気性微生物による作用によって嫌気性雰囲気下で処理することにより、水とメタン発酵ガス（消化ガス又はバイオガスとも言う）とに分解する。メタン発酵ガス中には、約６０％のメタン（ＣＨ４）と、約４０％の二酸化炭素（ＣＯ２）と、微量の酸素、窒素、硫黄系不純物（例えばＨ２Ｓ）、及びシロキサンとが含まれている。このため、メタン発酵ガスを精製することによって高純度のメタンガスを回収するメタン発酵ガス精製システムが提案されている（特許文献１参照）。このシステムによれば、メタン発酵ガスに含まれるメタンガスを都市ガスの原料等のエネルギー源として利用できるので、省エネルギー化を実現できる。
従来のメタン発酵ガス精製システムは、メタン発酵ガスに含まれる二酸化炭素を分離、排出することにより、メタン発酵ガスに含まれるメタンガスを回収していた。しかしながら、従来のメタン発酵ガス精製システムでは、メタン発酵ガスに含まれるメタンガスを全て回収することはできず、メタン発酵ガスの精製過程で排出されるガス中には微量のメタンガスが含まれている。このため、従来のメタン発酵ガス回収システムによれば、有機性廃棄物から得られる全てのメタンガスが再利用されておらず、システム全体から見て効率を改善する余地があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、有機性廃棄物から得られるメタンガスを全て再利用してシステム全体の効率を向上可能なメタン発酵ガス精製システム及びメタン発酵ガス精製方法を提供することにある。
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るメタン発酵ガス精製システムは、有機性廃棄物を水とメタン発酵ガスとに分解する消化槽と、前記メタン発酵ガス中に含まれる二酸化炭素を除去することにより、前記メタン発酵ガスを精製するガス精製部と、前記メタン発酵ガスの精製過程において得られる排気ガス中に含まれるメタンガスを燃料として利用して前記消化槽を加温する加温手段と、を備えることを特徴とする。
本発明に係るメタン発酵ガス精製システムは、上記発明において、前記消化槽の加温に必要な熱量が得られるように、前記ガス精製部へのメタン発酵ガスの供給量を制御することにより、前記加温部へのメタンガスの供給量を制御する制御装置を備えることを特徴とする。
本発明に係るメタン発酵ガス精製システムは、上記発明において、前記加温部は、前記排気ガスに含まれるメタンガスを燃料として水を加熱し、温水又は蒸気によって前記消化槽を加温するボイラであることを特徴とする。
本発明に係るメタン発酵ガス精製システムは、上記発明において、前記加温部は、前記排気ガスに含まれるメタンガスを燃料として発電し、発電時の排熱によって前記消化槽を加温する発電機であることを特徴とする。
本発明に係るメタン発酵ガス精製システムは、上記発明において、前記ガス精製部は、前記発電機の発電電力を利用して動作することを特徴とする。
本発明に係るメタン発酵ガス精製システムは、上記発明において、前記発電機の発電量が前記ガス精製部の電力需要量以上になるように、前記ガス精製部へのメタン発酵ガスの供給量を制御することにより、前記発電機へのメタンガスの供給量を制御する制御装置を備えることを特徴とする。
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るメタン発酵ガス精製方法は、有機性廃棄物を水とメタン発酵ガスとに分解する消化ステップと、前記メタン発酵ガス中に含まれる二酸化炭素を除去することにより、前記メタン発酵ガスを精製するガス精製ステップと、前記メタン発酵ガスの精製過程において得られる排気ガス中に含まれるメタンガスを燃料として利用して前記消化槽を加温する加温ステップと、を含むことを特徴とする。
本発明に係るメタン発酵ガス精製システム及びメタン発酵ガス精製方法によれば、有機性廃棄物から得られるメタンガスを全て再利用してシステム全体の効率を向上させることができる。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態であるメタン発酵ガス精製システムの構成について説明する。
図１は、本発明の一実施形態であるメタン発酵ガス精製システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、本発明の一実施形態であるメタン発酵ガス精製システム１は、消化槽２、ガスタンク３、脱硫器４、活性炭塔５、圧縮機６、ガス精製部７、ボイラ８、及び制御装置９を主な構成要素として備えている。
消化槽２は、メタン菌等の嫌気性微生物による作用によって嫌気性雰囲気下で有機性廃棄物を処理することにより、有機性廃棄物を水とメタン発酵ガスとに分解する。消化槽２内の温度は、制御装置９によって有機性廃棄物の処理に適した温度に保持されている。この段階のメタン発酵ガス中には、約６０％のメタンと、約４０％の二酸化炭素と、微量の酸素、窒素、硫黄系不純物、及びシロキサンとが含まれている。
ガスタンク３は、消化槽２内で生成されたメタン発酵ガスを一時的に貯留する。脱硫器４は、ガスタンク３から排出されたメタン発酵ガス中に含まれる硫黄系不純物を除去する。活性炭塔５は、脱硫器４から排出されたメタン発酵ガス中に含まれるシロキサンを除去する。圧縮機６は、活性炭塔５から排出されたメタン発酵ガスの圧力をガス精製部７における処理に適した圧力まで昇圧する。
ガス精製部７は、複数の炭素系吸着剤（例えばカーボンモレキュラーシーブ）１０ａ，１０ｂ，１０ｃを備えている。複数の炭素系吸着剤１０ａ〜１０ｃは、加圧条件下でメタン発酵ガス中に含まれる二酸化炭素を選択的に吸着し、減圧条件下で吸着した二酸化炭素を脱着する。複数の炭素系吸着剤１０ａ〜１０ｃのガス流入路１１ａ，１１ｂ，１１ｃにはそれぞれ、複数の炭素系吸着剤１０ａ〜１０ｃへのメタン発酵ガスの流入量を調整するためのメタン発酵ガス流量調整弁１２ａ，１２ｂ，１２ｃが設けられている。
各炭素系吸着剤とメタン発酵ガス流量調整弁１２ａ〜１２ｃとの間のガス流入路１１ａ〜１１ｃにはそれぞれ、各炭素系吸着剤から脱着させた二酸化炭素を含む排気ガスをボイラ８に供給するバイパス流路１３ａ，１３ｂ，１３ｃが接続されている。バイパス流路１３ａ〜１３ｃにはそれぞれ、ボイラ８への排気ガスの流入量を調整するための排気ガス流量調整弁１４ａ，１４ｂ，１４ｃが設けられている。また、バイパス流路１３ａ，１３ｂ，１３ｃには、炭素系吸着剤を減圧雰囲気にするための真空ポンプ１５が接続されている。複数の炭素系吸着剤１０ａ〜１０ｃのガス流出路１６ａ，１６ｂ，１６ｃにはそれぞれ、複数の炭素系吸着剤１０ａ〜１０ｃからのメタンガスの流出量を調整するためのメタンガス流量調整弁１７ａ，１７ｂ，１７ｃが設けられている。
メタン発酵ガスから二酸化炭素を除去する際には、ガス精製部７は、メタン発酵ガスを導入する炭素系吸着剤に対応するメタン発酵ガス流量調整弁及びメタンガス流調調整弁を開き、炭素系吸着剤にメタン発酵ガスを流通させる。これにより、メタン発酵ガス中に含まれる二酸化炭素は炭素系吸着剤に吸着し、炭素系吸着剤からは高純度のメタンガスが排出される。なお、この処理の際、ガス精製部７は、メタン発酵ガスを導入する炭素系吸着剤に対応する排気ガス流量調整弁は全閉状態とする。
一方、炭素系吸着剤の二酸化炭素の吸着能が飽和した際には、ガス精製部７は、二酸化炭素の吸着能が飽和した炭素系吸着剤に対応する排気ガス流量調整弁を開き、真空ポンプ１５を駆動することによって、炭素系吸着剤を減圧雰囲気にする。これにより、炭素系吸着剤に吸着されている二酸化炭素は脱着し、微量のメタンガスを含む高濃度の二酸化炭素が排気ガス流量調整弁を介してボイラ８に排出される。なお、この処理の際、ガス精製部７は、二酸化炭素の吸着能が飽和した炭素系吸着剤に対応するメタン発酵ガス流量調整弁及びメタンガス流量調整弁を全閉状態とする。
ボイラ８は、バイパス流路１３ａ〜１３ｃを介して供給される排気ガスに含まれるメタンガスを燃料として水を加熱し、温水や蒸気によって消化槽２を加温する。ボイラ８は、本発明に係る加温部として機能する。制御装置９は、マイクロコンピュータ等の演算処理装置によって構成されている。制御装置９には、消化槽２の温度を検出する温度センサ１８と、ボイラ８に供給される排気ガス中のメタンガスの濃度を検出する濃度センサ１９及び排気ガスの流量を検出する流量センサ２４とが接続されている。制御装置９は、メタン発酵ガス精製システム１全体の動作を制御する。
このように構成されたメタン発酵ガス精製システムでは、制御装置９が以下に示すように動作することによって有機性廃棄物から得られたメタンガスを全て再利用してシステム全体の効率を向上させる。すなわち、始めに、制御装置９は、温度センサ１８を介して消化槽２内の温度を検出し、検出結果に基づいて消化槽２内の温度を有機性廃棄物の処理に適した温度にするために必要な熱量を加温熱量として算出する。
次に、制御装置９は、濃度センサ１９及び流量センサ２４を介してボイラ８に供給される排気ガス中のメタンガスの量を検出し、検出結果に基づいて現状の排気ガスでボイラ８から加温熱量を供給できるか否かを判別する。そして、判別の結果、現状の排気ガスでボイラ８から加温熱量を供給できる場合、制御装置９は、メタン発酵ガス精製システム１の運転状態を現在の状態に維持する。
一方、現状の排気ガスでボイラ８から加温熱量を供給できない場合、制御装置９は、メタン発酵ガス流量調整弁１２ａ，１２ｂ，１２ｃや排気ガス流量調整弁１４ａ，１４ｂ，１４ｃの開度を制御することによって、炭素系吸着剤に供給されるメタン発酵ガスの流量を減少させて排気ガス中に含まれるメタンガスの濃度を増加させる。なお、制御装置９は、ガス精製部７の運転方法（例えば稼働させる炭素系吸着剤の数、炭素系吸着剤の稼働時間や稼働間隔等）を制御することによって、ガス精製部７へのメタン発酵ガスの供給量を制御して排気ガス中に含まれるメタンガスの濃度を増加させてもよい。
以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態であるメタン発酵ガス精製システム１では、ボイラ８が、バイパス流路１３ａ〜１３ｃを介して供給される排気ガス中に含まれるメタンガスを燃料として水を加熱し、温水や蒸気によって消化槽３を加温する。このような構成によれば、メタン発酵ガスの精製過程で排出されるガス中に含まれる微量のメタンガスが消化槽２の加温に利用されるので、有機性廃棄物から得られるメタンガスを全て再利用してシステム全体の効率を向上できる。
また、本発明の一実施形態であるメタン発酵ガス精製システムでは、制御装置９が、消化槽２の加温に必要な熱量及び排気ガス中に含まれるメタンガスの濃度に基づいて、消化槽２の加温に必要な熱量が得られるようにガス精製部７へのメタン発酵ガスの供給量を制御するので、消化槽２を常に最適な運転状態に制御することができる。
なお、本実施形態では、消化槽２の加温に必要な熱量をボイラ８から供給することとしたが、ボイラ８と共に排気ガスを利用して発電するガスエンジンやマイクロガスタービン等の発電機を設け、発電機の排熱を消化槽２の加温に利用してもよい。具体的には、この場合、図２に示すように、ガス排出路２１に三方弁２２を設け、この三方弁２２にボイラ８と発電機２３とを接続する。そして、制御装置９は、発電機２３の発電量が圧縮機６、ガス精製部７、及び真空ポンプ１５の電力需要量以上になるように、ガス精製部７へのメタン発酵ガスの供給量を調整することによって発電機２３に供給されるメタンガスの量を制御する。また、制御装置９は、消化槽２の加温に必要な熱量と発電機２３の排熱量とからボイラ８で必要となるメタンガスの量を算出し、算出結果に基づいてガス精製部７へのメタン発酵ガスの供給量を調整する。
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
１ メタン発酵ガス精製システム
２ 消化槽
３ ガスタンク
４ 脱硫器
５ 活性炭塔
６ 圧縮機
７ ガス精製部
８ ボイラ
９ 制御装置
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 炭素系吸着剤
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ ガス流入路
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ メタン発酵ガス流量調整弁
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ バイパス流路
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ 排気ガス流量調整弁
１５ 真空ポンプ
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ ガス流出路
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ メタンガス流量調整弁
１８ 温度センサ
１９ 濃度センサ
２１ ガス排出路
２２ 三方弁
２３ 発電機
２４ 流量センサ
２ 消化槽
３ ガスタンク
４ 脱硫器
５ 活性炭塔
６ 圧縮機
７ ガス精製部
８ ボイラ
９ 制御装置
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 炭素系吸着剤
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ ガス流入路
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ メタン発酵ガス流量調整弁
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ バイパス流路
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ 排気ガス流量調整弁
１５ 真空ポンプ
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ ガス流出路
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ メタンガス流量調整弁
１８ 温度センサ
１９ 濃度センサ
２１ ガス排出路
２２ 三方弁
２３ 発電機
２４ 流量センサ
Claims (7)
- 有機性廃棄物を水とメタン発酵ガスとに分解する消化槽と、
前記メタン発酵ガス中に含まれる二酸化炭素を除去することにより、前記メタン発酵ガスを精製するガス精製部と、
前記メタン発酵ガスの精製過程において得られる排気ガス中に含まれるメタンガスを燃料として利用して前記消化槽を加温する加温手段と、
を備えることを特徴とするメタン発酵ガス精製システム。 - 前記消化槽の加温に必要な熱量が得られるように、前記ガス精製部へのメタン発酵ガスの供給量を制御することにより、前記加温部へのメタンガスの供給量を制御する制御装置を備えることを特徴とする請求項１に記載のメタン発酵ガス精製システム。
- 前記加温部は、前記排気ガスに含まれるメタンガスを燃料として水を加熱し、温水又は蒸気によって前記消化槽を加温するボイラであることを特徴とする請求項１又は２に記載のメタン発酵ガス精製システム。
- 前記加温部は、前記排気ガスに含まれるメタンガスを燃料として発電し、発電時の排熱によって前記消化槽を加温する発電機であることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか１項に記載のメタン発酵ガス精製システム。
- 前記ガス精製部は、前記発電機の発電電力を利用して動作することを特徴とする請求項４に記載のメタン発酵ガス精製システム。
- 前記発電機の発電量が前記ガス精製部の電力需要量以上になるように、前記ガス精製部へのメタン発酵ガスの供給量を制御することにより、前記発電機へのメタンガスの供給量を制御する制御装置を備えることを特徴とする請求項５に記載のメタン発酵ガス精製システム。
- 有機性廃棄物を水とメタン発酵ガスとに分解する消化ステップと、
前記メタン発酵ガス中に含まれる二酸化炭素を除去することにより、前記メタン発酵ガスを精製するガス精製ステップと、
前記メタン発酵ガスの精製過程において得られる排気ガス中に含まれるメタンガスを燃料として利用して前記消化槽を加温する加温ステップと、
を含むことを特徴とするメタン発酵ガス精製方法。
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- 2012-03-30 JP JP2012080181A patent/JP5893990B2/ja active Active
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