JP2014091766A - バイオガス利用システムおよびバイオガス除湿方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー効率良く除湿を行うことが可能なバイオガス利用システム等を提供する。
【解決手段】本発明の一形態のバイオガス利用システムは、バイオガスを昇圧する圧縮手段と、昇圧したバイオガスを除湿するための分離膜式除湿装置と、その分離膜式除湿装置で発生した乾燥バイオガスを利用する少なくとも１つのガス利用設備とを備える。このバイオガス利用システムは、（ａ）前記圧縮手段で昇圧したバイオガスを、圧力の増減操作なしに前記ガス利用設備に供給し、（ｂ）前記分離膜式除湿装置でバイオガスの露点（加圧露点）を５℃以上低下させることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイオガス利用システムおよびバイオガス除湿方法に関し、特には、エネルギー効率良く除湿を行うことが可能なバイオガス利用システムおよびバイオガス除湿方法に関する。

近年、環境保全の観点等から、バイオガスを例えば燃料として活用することが種々提案されている。バイオガスは、有機質肥料、生物の排泄物、生分解性物質などの発酵により発生するガスであって、主な成分はメタン（約６０％）と二酸化炭素（約４０％）である。

例えば特許文献１には、バイオガスをガスタービンやマイクロガスタービン等で消費するシステムにおいて、除湿装置を用いてバイオガス中の水分を取り除くことが開示されている。

特許３９３９５０９号

しかしながら、特許文献１では具体的にどのような除湿装置を用い、どのような条件で除湿を行うかについては詳細に開示されていない。一方、ガスの除湿方法としては、「加圧−減圧法」とよばれる方式、ＰＳＡに代表される吸着法、またはガス分離膜を利用する方式等が知られている。

ここで、加圧−減圧法（すなわち、実際に必要とされる圧力を超える程度にまで一旦ガスを昇圧して除湿を行い、その後、該ガスを減圧する方式）では、ガス昇圧時に過剰なエネルギーが必要となる。他方、吸着法では、吸着した水分を脱着するために加温するエネルギーが別途必要であったり、乾燥ガスでの排気をするために有用なガスのロスが生じたりすることから、エネルギー効率の点で改善の余地が残されている。

そこで本発明の目的は、エネルギー効率良く除湿を行うことが可能なバイオガス利用システムおよびバイオガス除湿方法を提供することにある。

本出願は、下記の発明を開示する：
１．バイオガスを昇圧する圧縮手段と、
昇圧したバイオガスを除湿するための分離膜式除湿装置と、
その分離膜式除湿装置で発生した乾燥バイオガスを利用する少なくとも１つのガス利用手段と、
を備えるバイオガス利用システムであって、
（ａ）前記圧縮手段で昇圧したバイオガスを、圧力の増減操作なしに前記ガス利用手段に供給し、
（ｂ）前記分離膜式除湿装置でバイオガスの露点（加圧露点）を５℃以上低下させる
ことを特徴とするバイオガス利用システム。

２．前記分離膜式除湿装置において、バイオガス中のメタンロスが１％以下である
ことを特徴とする上記記載のバイオガス利用システム。

３．前記分離膜式除湿装置の透過側圧力が、大気圧以下に減圧される
ことを特徴とする上記記載のバイオガス利用システム。

４．さらに、前記乾燥バイオガスの露点を計測する露点計測手段と、制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記露点計測手段の検出結果に基づき、乾燥バイオガス量および／または透過側の圧力を制御可能である
ことを特徴とする上記記載のバイオガス利用システム。

５．前記分離膜式除湿装置の後段に二酸化炭素除去装置を設置し、バイオガスを精製して前記ガス利用手段に送ることを特徴とする、上記記載のバイオガス利用システム。

６．前記分離膜式除湿装置からのラインが分岐しており、
一方のラインを通じて、前記乾燥バイオガスが第１の前記ガス利用手段に供給され、
他方のラインには二酸化炭素除去装置を設置し、該装置により精製したバイオガスを第２の前記ガス利用手段に供給する
ことを特徴とする上記記載のバイオガス利用システム。

７．さらに、
前記分離膜式除湿装置の前段に、硫化水素除去装置、シロキサン除去装置、および二酸化炭素除去装置のうち少なくとも１つが設置されている
ことを特徴とする上記記載のバイオガス利用システム。

８．バイオガスを除湿する方法であって、
（ａ）バイオガスを昇圧するステップと、
（ｂ）昇圧したバイオガスを分離膜式除湿装置で除湿するステップと、
（ｃ）前記（ｂ）のステップにより発生した乾燥バイオガスを少なくとも１つのガス利用手段に供給するステップと、
を含み、
少なくとも前記（ｂ）、（ｃ）のステップでは、
（ｉ）昇圧したバイオガスを、圧力の増減操作なしに前記ガス利用手段に供給し、
（ｉｉ）前記分離膜式除湿装置でバイオガスの露点（加圧露点）を５℃以上低下させる
ことを特徴とするバイオガス除湿方法。

第１の実施形態のバイオガス利用システムの一例を示す図である。 第２の実施形態のバイオガス利用システムの一例を示す図である。 第３の実施形態のバイオガス利用システムの一例を示す図である。 第４の実施形態のバイオガス利用システムの一例を示す図である。 第５の実施形態のバイオガス利用システムの他の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
図１のバイオガス利用システム２０１Ａは、バイオガス発生源２０３からのバイオガス中の硫化水素やシロキサン等の有害物質を除去する除害装置２０５と、ライン２４１を介してその除害装置２０５に接続されたガス分離膜モジュール２１１と、ライン２４３を介してガス分離膜モジュール２１１に接続されたバイオガス利用設備２３０とを備えている。

なお、以下の説明では、バイオガス発生源側を「上流（側）」、バイオガス利用設備側を「下流（側）」と表現することがある。「ライン」とは、基本的にはガス流路と同義である。

バイオガス発生源２０３としては、限定されるものではないが、食品工場、ビール製造工場、下水処理場などの有機性廃棄物からバイオガスを発生させるものが挙げられる。また、下水汚泥等を嫌気性消化（メタン発酵）させて得た消化ガスや、ごみ埋立処分場から発生するランドフィルガス（Ｌａｎｄｆｉｌｌ Ｇａｓ）等も利用可能である。

除害装置２０５は、この種のバイオガス利用システムにおいて一般に備えられる従来公知のものを利用可能であり、硫化水素除去装置またはシロキサン除去装置などが挙げられる。これらの装置のうち１つが設けられていてもよいし、または複数が設けられていてもよい。

ライン２４１上には、バイオガスを昇圧する圧縮機２１３と、バイオガスを冷却するクーラ２１５と、バイオガス中の余分な水分であるドレンを分離し排除するためのドレンセパレータ２１７とが設けられている。

圧縮機２１３は、バイオガスを、バイオガス利用設備２３０で必要とされる圧力（例えば５０ｋＰａＧ〜１０００ｋＰａＧの範囲、好ましくは５０ｋＰａＧ〜６００ｋＰａＧの範囲）以上に昇圧する性能を有するものであれば、どのようなものであっても構わない。クーラ２１５およびドレンセパレータ２１７についても、特に限定されるものではなく、従来公知のものを利用可能である。

ガス分離膜モジュール２１１としては、例えば、数百本から数十万本の中空糸膜からなる中空糸束が容器内に収容されたものを利用することができる。中空糸膜は、水分を効率よく選択的に透過できればいずれかの材料に限定されるものではないが、例えば、芳香族ポリイミド、芳香族ポリアミド、ポリスルホン、フッ素樹脂などで形成されたものが耐久性や機械的強度が優れるので好適である。また、ガス分離膜としては、バイオガス中のメタンロスを１％以下（メタン回収率が９９％以上）にできるようなものが好ましい。

水蒸気を含有するバイオガスを、ガス分離膜モジュール２１１の中空糸膜の内側または外側に接する空間へ供給することにより、水蒸気が選択的に膜の透過側へと透過し、これにより除湿されたバイオガス（「乾燥バイオガス」という）が非透過ガスとして得られる。乾燥バイオガスは、ライン２４３経由でバイオガス利用設備２３０に供給される。

バイオガス利用設備２３０としては、限定されるものではないが、ガスエンジンや、ガスタービンやマイクロガスタービン等の発電装置が挙げられる。

本実施形態のバイオガス利用システム２０１Ａでは、
（ｉ）圧縮機２１３で昇圧したバイオガスを、圧力の増減操作なしにバイオガス利用設備２３０へと供給し、かつ、
（ｉｉ）ガス分離膜モジュール２１１では、バイオガスの露点（加圧露点）を５℃以上低下させる除湿を行う。

「圧力の増減操作なしに」とは、圧縮機によって昇圧したバイオガスの圧力を、その後ガス利用設備に供給するまでの間に、他の昇圧手段または減圧手段を用いて昇圧したり減圧したりしないことをいう。

以上説明したような本実施形態のバイオガス利用システム２０１Ａは、ガス分離膜モジュール２１１を用いてバイオガスの除湿を行うものであって、しかも、一旦昇圧したバイオガスをその後の工程で一定圧力まで低下させる等の運転を行うものではない。したがって、加圧−減圧法と比較してエネルギー効率のよい除湿を行うことができる（実施例も参照）。また、バイオガスの加圧露点を５℃以上低下させるものであるので、凝縮水によってバイオガス利用設備２３０等が損傷することも防止される。

また、吸着法と比較しても効率のよい除湿が可能となる。この理由は、吸着法の場合（ｉ）吸着材の再生のための、バイオガス（特に有用なメタン）のロスが発生し、また（ｉｉ）吸着・再生には電気制御や熱を必要とするため、昇圧以外にも相当量のエネルギー消費が必要であるためである。加えて、吸着法では大型の装置が必要であるので、除湿装置のコンパクト化の観点からは、分離膜式が有利である。

除湿効率を上げるために、ガス分離膜モジュール２１１の透過側を大気圧以下に減圧するようにしてもよい。このために、ガス分離膜モジュール２１１の透過側に真空ポンプなどの減圧手段が配置されていてもよい。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態のバイオガス利用システムの一例を示す図である。バイオガス利用システム２０１Ｂでは、ガス分離膜モジュール２１１からの非透過ガスをバイオガス利用設備２３０に供給するためのライン２４３上に、乾燥バイオガスの露点を検出する露点検出器２２６と、ライン２４３を流れるガス流量を調整するための調整弁２２５とが配置されている。露点検出器２２６と調整弁２２５には制御部２２０が接続されており、この制御部２２０は、露点検出器２２６の検出結果に基いて、調整弁２２５の開度を変更してガス流量を調整する。

具体的には、乾燥バイオガスの露点が一定値以上の場合には、露点が下がるようにガス流量を減少させ、露点が一定値未満の場合には増加させる。

非透過ガスの露点（加圧露点）は、バイオガス利用設備への供給圧力における飽和温度よりも３℃以上、好ましくは５℃以上低いことが好適である。

他にも、ガス分離膜モジュール２１１の透過側に減圧手段が設けられている場合、制御部２２０は、露点検出器２２６の検出結果に基いて、その減圧手段の動作を変更して透過側ガスの減圧度を調整する制御を行ってもよい。例えば、露点が所定の基準値を超えており下げる必要があると判定した場合には、減圧度を高める制御を行う。

上記したバイオガス流量の調整、および透過側の減圧度の調整は、それらの全て実施されてもよいし、一部のみが実施されてもよい。

（第３の実施形態）
図３は、第３の実施形態のバイオガス利用システムの一例を示す図である。このバイオガス利用システム２０１Ｃでは、ガス分離膜モジュール２１１の後段に、乾燥バイオガスから二酸化炭素を除去する二酸化炭素除去装置２１２が設けられている。このような構成によれば、ガス分離膜モジュール２１１で除湿されたバイオガスに対して、二酸化炭素除去装置２１２で二酸化炭素の除去を行い、精製したバイオガスをバイオガス利用設備２３０に供給することができる。

なお、二酸化炭素除去装置２１２としては、分離膜式のものであってもよいしＰＳＡ方式のものであってもよい。分離膜式の場合、二酸化炭素を選択的に透過する中空糸膜を有するガス分離膜モジュール等を利用可能である。

（第４の実施形態）
図４は、第４の実施形態のバイオガス利用システムの一例を示す図である。このバイオガスシステム２０１Ｄでは、ガス分離膜モジュール２１１からのライン２４３が途中で分岐した構成となっている。一方のライン２４３−１が第１のバイオガス利用設備２３０にバイオガスを供給し、他方のライン２４３−２が第２のバイオガス利用設備２３１にバイオガスを供給する。

本実施形態では、一方のライン２４３−１には二酸化炭素除去装置２１２が設けられている。これにより、ライン２４３−１側においては、二酸化炭素除去装置２１２で二酸化炭素が除去されたバイオガスを第１のバイオガス利用設備２３０に供給することができる。また、ライン２４３−２側においては、ガス分離膜モジュール２１１からの乾燥バイオガスをそのまま第２のガス利用設備２３１に供給することができる。

このように、ガス分離膜モジュール２１１からのライン２４３が途中で分岐した構成
の場合、さらに、図５のような構成としてもよい。図５のバイオガス利用システム２０１Ｅは、基本的には図４のシステムと同様の構成であるが、分岐したライン２４３−１上に昇圧装置２１９が配置されている点で異なっている。このような構成によれば、ガス分離膜モジュール２１１の運転圧力よりも二酸化炭素除去装置２１２の運転圧力を高くして、乾燥バイオガスからの二酸化炭素の除去を行うことができる。

なお、以上、図１〜図５を参照して幾つかの実施形態について説明したが、本発明は上記に説明したものに限定されるものではなく、種々変更可能である。例えば、除外装置２０５は圧縮機２１３の上流側に限らず、下流側に配置してもよい。

実施例および比較例について以下説明する。

（実施例）
実施例として、宇部興産社製の除湿用のガス分離膜モジュール（ＵＭＭ−ＢＤ２）を２本用意し、これを除湿装置として用いた。原料のバイオガスを０．６ＭＰａＧ、４０℃でガス分離膜モジュールに供給し、露点を３５℃以下とするように除湿を行った。

（ａ）表１に示すように、ガス分離膜モジュールに対し５０Ｎｍ^３／ｈでバイオガスを供給したところ、非透過ガスとして得られた乾燥バイオガスは４８Ｎｍ^３／ｈであった。
（ｂ）乾燥バイオガスは、二酸化炭素の濃度が４０ｍｏｌ％から３７．５ｍｏｌ％に低下し、一方、メタン濃度は６０％から６２．５％に上昇していた。
（ｃ）加圧露点は４０℃から３５℃以下である３４．５℃に低下していた。
（ｄ）メタンの回収率は９９．７％であった。
（ｅ）供給ガスを０．６ＭＰａＧまで昇圧するのに必要な動力は７．５ｋＷであった。

（比較例）
表２は、加圧−減圧法と呼ばれる方法を用いてバイオガスの加圧露点を４０℃から３５℃まで低下させた比較例である。具体的には、原料ガスを０．８ＭＰａＧに圧縮し４０℃に冷却して発生した水滴を除去し、その後に０．６ＭＰａＧに減圧したものである。

（ａ）５０Ｎｍ^３／ｈのバイオガスを０．８ＭＰａＧまで昇圧するのに必要な動力は１１ｋＷであった。一方、上記の通り、ガス分離膜モジュールでの除湿では７．５ｋＷである。

したがって、ガス分離膜モジュールでの除湿と加圧−減圧法による除湿とを対比すると、３０％以上の省エネルギー化が実現されることが確認された。また、ガス分離膜モジュールによる除湿では、除湿と同時にメタンの濃縮も行うことができるという利点もある。

２０１Ａ〜２０１Ｅ バイオガス利用システム
２０３ バイオガス発生源
２０５ 除害装置
２１１ ガス分離膜モジュール
２１２ 二酸化炭素除去装置
２１３ 圧縮機
２１５ クーラ
２１７ ドレンセパレータ
２１９ 昇圧装置
２２０ 制御部
２２５ 調整弁
２２６ 検出器
２３０、２３１ バイオガス利用設備
２４１、２４３、２４３−１、２４３−２ ライン

Claims (8)

1. バイオガスを昇圧する圧縮手段と、
   昇圧したバイオガスを除湿するための分離膜式除湿装置と、
   その分離膜式除湿装置で発生した乾燥バイオガスを利用する少なくとも１つのガス利用手段と、
   を備えるバイオガス利用システムであって、
   （ａ）前記圧縮手段で昇圧したバイオガスを、圧力の増減操作なしに前記ガス利用手段に供給し、
   （ｂ）前記分離膜式除湿装置でバイオガスの露点（加圧露点）を５℃以上低下させる
   ことを特徴とするバイオガス利用システム。
2. 前記分離膜式除湿装置において、バイオガス中のメタンロスが１％以下である
   ことを特徴とする請求項１に記載のバイオガス利用システム。
3. 前記分離膜式除湿装置の透過側圧力が、大気圧以下に減圧される
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のバイオガス利用システム。
4. さらに、前記乾燥バイオガスの露点を計測する露点計測手段と、制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、
   前記露点計測手段の検出結果に基づき、乾燥バイオガス量および／または透過側の圧力を制御可能である
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のバイオガス利用システム。
5. 前記分離膜式除湿装置の後段に二酸化炭素除去装置を設置し、バイオガスを精製して前記ガス利用手段に送ることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のバイオガス利用システム。
6. 前記分離膜式除湿装置からのラインが分岐しており、
   一方のラインを通じて、前記乾燥バイオガスが第１の前記ガス利用手段に供給され、
   他方のラインには二酸化炭素除去装置を設置し、該装置により精製したバイオガスを第２の前記ガス利用手段に供給する
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のバイオガス利用システム。
7. さらに、
   前記分離膜式除湿装置の前段に、硫化水素除去装置、シロキサン除去装置、および二酸化炭素除去装置のうち少なくとも１つが設置されている
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のバイオガス利用システム。
8. バイオガスを除湿する方法であって、
   （ａ）バイオガスを昇圧するステップと、
   （ｂ）昇圧したバイオガスを分離膜式除湿装置で除湿するステップと、
   （ｃ）前記（ｂ）のステップにより発生した乾燥バイオガスを少なくとも１つのガス利用手段に供給するステップと、
   を含み、
   少なくとも前記（ｂ）、（ｃ）のステップでは、
   （ｉ）昇圧したバイオガスを、圧力の増減操作なしに前記ガス利用手段に供給し、
   （ｉｉ）前記分離膜式除湿装置でバイオガスの露点（加圧露点）を５℃以上低下させる
   ことを特徴とするバイオガス除湿方法。

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