JP2016120472A - Mixed gas purifier - Google Patents
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Description
本発明は、バイオガスなどの炭酸ガスを含む混合ガスを精製する混合ガス精製装置に関するものである。 The present invention relates to a mixed gas purification apparatus for purifying a mixed gas containing carbon dioxide such as biogas.
バイオガスは、再生可能エネルギーの一つであり、エネルギー需要の一部を担う可能性がある資源として注目されている。廃物のメタン発酵により発生するバイオガスは、廃物中の有機物が嫌気性微生物によって分解されることで発生するもので、その成分の大半がメタンガスと炭酸ガスからなり、また、その発酵雰囲気に起因して水分が含まれる。バイオガスの成分比率は、廃物の種類や発酵条件などによって異なるが、その一例を示すと、メタンの割合が60%(容量%)程度であり、残余の40%程度が炭酸ガスになる。このため、バイオガスを燃料ガスとして利用するには、バイオガスから炭酸ガスなどを除去してメタンを主成分とするガスに精製することが必要になる。 Biogas is one of the renewable energies, and has attracted attention as a resource that may be part of energy demand. Biogas generated by methane fermentation of waste is generated when organic substances in the waste are decomposed by anaerobic microorganisms. Contains water. The component ratio of biogas varies depending on the type of waste and the fermentation conditions. For example, the ratio of methane is about 60% (volume%), and the remaining 40% is carbon dioxide. For this reason, in order to use biogas as a fuel gas, it is necessary to remove carbon dioxide from the biogas and refine it to a gas mainly composed of methane.
従来、バイオガスなどの混合ガスの精製には、分離膜の利用やPSA法による吸着を利用した分離装置が用いられる。このような分離装置は、装置内で結露があると分離性能が低下することが一般に知られている。特に、分離膜を利用する場合には、膜表面で結露が生じると水滴が分離膜表面を覆うことで分離性能が大きく低下する。 Conventionally, a separation apparatus using a separation membrane or adsorption by a PSA method is used for purifying a mixed gas such as biogas. It is generally known that such a separation apparatus has a reduced separation performance when condensation occurs in the apparatus. In particular, when a separation membrane is used, if dew condensation occurs on the membrane surface, water droplets cover the separation membrane surface, resulting in a significant reduction in separation performance.
このため、従来の混合ガス精製方法は、分離装置に精製対象の混合ガスを供給する前に、混合ガスの相対湿度を下げる工程が付加されている(例えば、下記特許文献1参照)。図1は、このような従来の混合ガス精製方法の一例を示している。この従来例では、混合ガスをガス圧縮機J1で圧縮し、その後冷却器J2で冷却してコンデンサJ3で水分(水蒸気)をドレン除去し、その後加熱ヒーターJ4で加熱することで、分離装置J5に供給する混合ガスの相対湿度を下げている。 For this reason, in the conventional mixed gas purification method, a process of lowering the relative humidity of the mixed gas is added before supplying the mixed gas to be purified to the separation device (see, for example, Patent Document 1 below). FIG. 1 shows an example of such a conventional mixed gas purification method. In this conventional example, the mixed gas is compressed by a gas compressor J1, then cooled by a cooler J2, drained of moisture (water vapor) by a condenser J3, and then heated by a heater J4, whereby a separation device J5 is obtained. The relative humidity of the supplied gas mixture is lowered.
前述した従来例は、相対湿度の低い混合ガスを分離装置に供給することで、メタンリッチな精製ガスと炭酸ガスリッチなオフガスを分離する良好な分離性能が期待できる。しかしながら、分離装置に供給する前の工程で加熱や冷却に多くのエネルギーを使うので、エネルギー需要の一部を担うバイオガスの精製にエネルギーを消費することになり、エネルギーの利用効率を考えると改善の余地がある。特に、ガス圧縮機による断熱圧縮によって混合ガスはかなりの高温になるが、その熱を系外に放熱して、その後に加熱ヒーターによって系外から熱を加えているので、効率的な熱利用がなされていない問題がある。 The above-described conventional example can be expected to have a good separation performance for separating a methane-rich purified gas and a carbon dioxide-rich off-gas by supplying a mixed gas having a low relative humidity to the separation device. However, since a lot of energy is used for heating and cooling in the process before supplying to the separation device, energy is consumed for refining biogas that bears a part of energy demand, which is an improvement when considering the efficiency of energy use. There is room for. In particular, the mixed gas becomes considerably hot due to adiabatic compression by a gas compressor, but the heat is dissipated outside the system, and then heat is applied from outside the system by a heater, so efficient heat utilization is possible. There is a problem that has not been done.
また、分離装置として分離膜を用いる場合には、高分子材料からなる分離膜は熱に弱く、分離装置の使用温度が制限されている。これに対して、従来技術は、分離装置の直ぐ上流側で加熱ヒーターによって混合ガスを加熱するので、分離装置に供給する混合ガスの相対湿度を優先すると、混合ガスを加熱しすぎて分離装置の使用温度の限度を超える虞があり、分離装置の使用温度の限度を優先して加熱温度を低くすると、混合ガスの相対湿度が高めになって分離性能に悪影響を及ぼすことになる。このため、前述した従来例は、分離装置の使用温度と混合ガスの相対湿度の両方を考慮した混合ガスの温度管理がなされていない問題があった。 When a separation membrane is used as the separation device, the separation membrane made of a polymer material is vulnerable to heat, and the use temperature of the separation device is limited. On the other hand, in the prior art, the mixed gas is heated by the heater immediately upstream of the separation device. Therefore, if priority is given to the relative humidity of the mixed gas supplied to the separation device, the mixed gas is overheated and the separation device is heated. There is a possibility that the operating temperature limit will be exceeded, and if the heating temperature is lowered with priority given to the operating temperature limit of the separation device, the relative humidity of the mixed gas will be increased, and the separation performance will be adversely affected. For this reason, the above-described conventional example has a problem that the temperature management of the mixed gas is not performed in consideration of both the operating temperature of the separator and the relative humidity of the mixed gas.
本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、混合ガスの相対湿度を下げるためのガス圧縮で生じる熱を有効利用することで、エネルギーの利用効率が高い混合ガス精製装置を実現すること、また、分離装置に供給する混合ガスの相対湿度を下げながら、分離装置を適正な温度範囲で使用することで、良好な分離性能を確保すること、などが本発明の目的である。 This invention makes it an example of a subject to cope with such a problem. In other words, by effectively using the heat generated by gas compression to lower the relative humidity of the mixed gas, it is possible to realize a mixed gas purification device with high energy use efficiency, and also the relative humidity of the mixed gas supplied to the separation device It is an object of the present invention to ensure good separation performance by using the separation device in an appropriate temperature range while lowering the temperature.
このような目的を達成するために、本発明による混合ガス精製装置は、以下の構成を具備するものである。
精製対象の炭酸ガスを含む混合ガスを断熱圧縮するガス圧縮機と、前記ガス圧縮機で断熱圧縮された混合ガスの熱を回収する熱交換器と、前記熱交換器で熱回収された混合ガスを冷却する冷却器と、前記冷却器で冷却された混合ガスの水分をドレン除去するコンデンサと、前記コンデンサを経由した混合ガスを精製ガスに分離する分離装置とを備え、前記コンデンサを経由した混合ガスが前記熱交換器で回収された熱で加熱されて前記分離装置に供給されることを特徴とする混合ガス精製装置。
In order to achieve such an object, the mixed gas purifier according to the present invention has the following configuration.
A gas compressor that adiabatically compresses a mixed gas containing carbon dioxide gas to be purified, a heat exchanger that recovers heat of the mixed gas that is adiabatically compressed by the gas compressor, and a mixed gas that is heat-recovered by the heat exchanger A condenser for cooling the mixed gas cooled by the cooler, and a separation device for separating the mixed gas that has passed through the condenser into purified gas, and mixing via the condenser. A mixed gas purification apparatus, wherein a gas is heated by heat recovered by the heat exchanger and supplied to the separation apparatus.
このような特徴を有する混合ガス精製装置は、ガス圧縮で生じる熱を有効利用することで、エネルギーの利用効率が高い混合ガス精製装置を実現することができ、また、分離装置に供給する混合ガスの相対湿度を下げながら、分離装置を適正な温度範囲で使用することで、良好な分離性能を確保することができる。
なお、本発明が対象とする混合ガスは、バイオガスのほかに、天然ガス井戸元、ランドフィルガスなど、炭酸ガスを含む混合ガスを精製対象としている。
The mixed gas purification apparatus having such a feature can realize a mixed gas purification apparatus with high energy use efficiency by effectively using heat generated by gas compression, and can also supply a mixed gas to the separation apparatus. Good separation performance can be secured by using the separation device in an appropriate temperature range while lowering the relative humidity.
In addition, the mixed gas which this invention makes object the mixed gas containing carbon dioxide gas, such as a natural gas well origin and landfill gas, in addition to biogas.
以下、図2〜図5を参照して本発明の実施形態を説明する。図2に示すように、本発明の実施形態に係る混合ガス精製装置1は、ガス圧縮機2,熱交換器(第1熱交換器)3,冷却器(第2熱交換器)4,コンデンサ5,分離装置6を備えている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 2, the mixed gas purification apparatus 1 according to the embodiment of the present invention includes a
ガス圧縮機2は、精製対象となるバイオガスなどの混合ガス(以下、被精製ガスという)を断熱圧縮するものであり、この圧縮によって、被精製ガスは、圧力上昇と共に温度が上昇する。熱交換器3は、ガス圧縮機2で断熱圧縮された被精製ガスの熱を回収するもので、熱交換によって被精製ガスを一段階冷却し、ここで回収した熱で分離装置6に供給する被精製ガスを加熱する。
The
冷却器4とコンデンサ5は、熱交換器3で一段階冷却された被精製ガスを更に冷却して水分を除去するものであり、コンデンサ5は、冷却された被精製ガスの飽和水蒸気を結露させてドレン除去する気液分離器である。
The
コンデンサ5を経由した被精製ガスは、熱交換流路10を介して前述した熱交換器3に導かれ、熱交換器3でガス圧縮機2により断熱圧縮されて温度上昇した被精製ガスからの熱で加熱され、加熱されることで相対湿度が低下した被精製ガスが分離装置6に供給される。
The gas to be purified that has passed through the
分離装置6は、被精製ガスからメタンリッチの精製ガスを得るものであり、例えば、バイオガスから炭酸ガスを選択透過する分離膜を採用することができる。分離膜の一例としては、中空チューブ状の膜で、その構成材料として、ポリイミド、ポリスルホン、酢酸セルロース、またはポリアミドなどが用いられる。ここでの分離膜は、炭酸ガスの膜透過速度が大きく、メタンの膜透過速度が小さいものが用いられており、その透過速度の違いを利用してメタンリッチな精製ガスと炭酸ガスリッチなオフガスを有効に分離する。なお、分離装置6は、分離膜によるものに限らず、炭酸ガスを吸着除去するものなどであってもよい。
The
このような混合ガス精製装置1は、ガス圧縮機2で断熱圧縮する際に、被精製ガスが温度上昇することで発生する熱を、その後の被精製ガスの加熱に再利用しており、熱の利用効率を高めることで、混合ガス精製装置1の稼働で消費するエネルギーを削減している。これによって、エネルギーの利用効率を改善した混合ガス精製装置1を実現することができる。
Such a mixed gas purification apparatus 1 recycles the heat generated when the gas to be purified rises in temperature when it is adiabatically compressed by the
図3には、本発明の他の形態例を示している。前述した説明と同一部位には同一符号を付して重複説明を省略する。この混合ガス精製装置1Aは、コンデンサ5を経由した被精製ガスを分離装置6に供給する供給流路11を備えており、供給流路11には圧力調整弁7を設けている。そして、供給流路11の圧力調整弁7より上流側で熱交換流路10が分岐し、この熱交換流路10は熱交換器3を経由して供給流路11の圧力調整弁7より下流側で合流している。
FIG. 3 shows another embodiment of the present invention. The same parts as those described above are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. This mixed
このような混合ガス精製装置1Aによると、圧力調整弁7を絞ると、コンデンサ5から熱交換流路10を介して分離装置6に供給される被精製ガスの流量が多くなり、圧力調整弁7を開放すると、逆に、コンデンサ5から供給流路11を介して分離装置6に供給される精製ガスの流量が多くなる。これにより、圧力調整弁7の調整によって、分離装置6に供給される被精製ガスの温度を調整することができる。
According to such a mixed
この混合ガス精製装置1Aによると、前述した形態例のように、エネルギーの利用効率を改善することができると共に、分離装置6に供給する被精製ガスの相対湿度を下げながら、分離装置6を適正な温度範囲で使用することができるので、良好な分離性能を確保することができる。
According to this mixed
図4には、本発明の他の形態例を示している。前述した説明と同一部位には同一符号を付して重複説明を省略する。この混合ガス精製装置1Bは、熱交換流路10の合流箇所より下流側の供給流路11に、被精製ガスのガス温度を検出する温度検出器8を設け、温度検出器8が検出するガス温度によって圧力調整弁7を調整している。また、それに加えて、分離装置6で分離されたオフガスを再びガス圧縮機2で断熱圧縮する被精製ガスに合流させる帰還流路12を備えている。
FIG. 4 shows another embodiment of the present invention. The same parts as those described above are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In this mixed gas purification apparatus 1B, a temperature detector 8 that detects the gas temperature of the gas to be purified is provided in the
この混合ガス精製装置1Bによると、分離装置6に供給される被精製ガスのガス温度を温度検出器8で検出して圧力調整弁7を調整することで、常に、分離装置6にとって最適な温度と相対湿度の状態で被精製ガスを分離装置6に供給することができる。これにより、分離装置6の分離性能を良好に維持することができる。それに加えて、分離装置6で分離されたオフガスを帰還流路12で帰還させて再精製するので、精製ガスのメタン回収率を更に向上させることができる。
According to this mixed gas purification device 1B, the temperature of the gas to be purified supplied to the
図5には、本発明の具体的な実施例を示している。前述した説明と同一部位には同一符号を付して重複説明を省略する。この実施例に係る混合ガス精製装置1Cは、入口弁20を備える入口流路21に原料の混合ガスが流入され、ガス圧縮機2で断熱圧縮された被精製ガスが被冷却流路22を介してコンデンサ(気液分離器)5に流入する。被冷却流路22には、熱交換器(第1熱交換器)3と冷却器(第2熱交換器)4が設けられ、それらで第1段階の冷却(熱回収)と第2段階の冷却が行われる。
FIG. 5 shows a specific embodiment of the present invention. The same parts as those described above are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In the mixed gas purification apparatus 1 </ b> C according to this embodiment, a raw material mixed gas is introduced into an
コンデンサ5を経由した被精製ガスは、圧力調整弁7とミキサー13とフィルタ9が設けられた供給流路11を介して分離装置6に供給される。この例では、フィルタ9として、塵芥フィルタ9Aとミスト(オイル)フィルタ9Bが連設されている。分離装置6には、精製ガスを取り出す出口流路23が接続されており、出口流路23には出口弁25を設けている。この例では、分離装置6が、一次分離膜と二次分離膜を備えており、一次分離膜で分離された炭酸ガスが放散流路24を介して大気放散され、二次分離膜で分離されたオフガスは帰還流路12を介して入口流路21に合流する。
The gas to be purified that has passed through the
熱交換器(第1熱交換器)3は、前述したように、圧力調整弁7の開閉程度によって流量が制御されている熱交換流路10を介した熱交換が行われ、熱交換器3で回収した熱で分離装置6に供給する被精製ガスの温度調整がなされる。また、冷却器(第2熱交換器)4は、例えば、クーリングタワー40からの冷媒を送る冷媒流路41を介した熱交換が行われる。
As described above, the heat exchanger (first heat exchanger) 3 performs heat exchange through the heat
この混合ガス精製装置1Cは、その稼働状態を制御する制御部14を備えている。制御部14は、先ず、供給流路11に設けた温度検出器8の検出値によって圧力調整弁7の開閉を制御することで、前述したように分離装置6に供給される被精製ガスの温度と相対湿度を適正な状態に保っている。
The mixed
また、制御部14は、入口流路21,帰還流路12,放散流路24,出口流路23にそれぞれ設けられる流量計F1,F2,F3,F4の計測値に基づいて、入口弁20の開度と冷媒流路41に設けたポンプ42の出力を制御することで、稼働負荷状況に応じて冷却性能を制御している。更に、制御部14は、ガス圧縮機2の出力側圧力を検出する圧力計P1の計測値に応じて、ガス圧縮機2に対してバイパス流路となる圧力調整流路31に設けた圧力調整弁30の開閉を制御することで、ガス圧縮機2の圧縮状態を適正に制御している。
Further, the
以上説明したように、本発明の実施形態又は実施例に係る混合ガス精製装置1,1A,1B,1Cは、ガス圧縮で生じる熱を有効利用することで、エネルギーの利用効率が高い混合ガス精製装置を実現することができる。また、分離装置6に供給する混合ガスの相対湿度を下げながら、分離装置6を適正な温度範囲で使用することで、良好な分離性能を確保することができる。
As described above, the mixed
以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。 As described above, the embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to these embodiments, and the design can be changed without departing from the scope of the present invention. Is included in the present invention. In addition, the above-described embodiments can be combined by utilizing each other's technology as long as there is no particular contradiction or problem in the purpose and configuration.
1,1A,1B,1C:混合ガス精製装置,2:ガス圧縮機,
3:熱交換器(第1熱交換器),
4:冷却器(第2熱交換器),40:クーリングタワー,
41:冷媒流路,42:ポンプ,
5:コンデンサ,6:分離装置,7:圧力調整弁,8:温度検出器,
9:フィルタ,9A:塵芥フィルタ,9B:ミスト(オイル)フィルタ,
10:熱交換流路,11:供給流路,12:帰還流路,13:ミキサー,
14:制御部,20:入口弁,21:入口流路,22:被冷却流路,
23:出口流路,24:放散流路,25:出口弁,30:圧力調整弁,
31:圧力調整流路,F1,F2,F3,F4:流量計,P1:圧力計
1, 1A, 1B, 1C: mixed gas purifier, 2: gas compressor,
3: Heat exchanger (first heat exchanger),
4: Cooler (second heat exchanger), 40: Cooling tower,
41: refrigerant flow path, 42: pump,
5: capacitor, 6: separation device, 7: pressure regulating valve, 8: temperature detector,
9: filter, 9A: dust filter, 9B: mist (oil) filter,
10: heat exchange channel, 11: supply channel, 12: return channel, 13: mixer,
14: Control unit, 20: Inlet valve, 21: Inlet channel, 22: Cooled channel,
23: outlet channel, 24: diffusion channel, 25: outlet valve, 30: pressure regulating valve,
31: Pressure adjusting flow path, F1, F2, F3, F4: Flow meter, P1: Pressure gauge
Claims (5)
前記ガス圧縮機で断熱圧縮された混合ガスの熱を回収する熱交換器と、
前記熱交換器で熱回収された混合ガスを冷却する冷却器と、
前記冷却器で冷却された混合ガスの水分をドレン除去するコンデンサと、
前記コンデンサを経由した混合ガスを精製ガスに分離する分離装置とを備え、
前記コンデンサを経由した混合ガスが前記熱交換器で回収された熱で加熱されて前記分離装置に供給されることを特徴とする混合ガス精製装置。 A gas compressor that adiabatically compresses a mixed gas containing carbon dioxide gas to be purified;
A heat exchanger that recovers heat of the mixed gas adiabatically compressed by the gas compressor;
A cooler for cooling the mixed gas recovered by heat in the heat exchanger;
A condenser for removing drainage of the mixed gas cooled by the cooler;
A separation device for separating the mixed gas via the condenser into purified gas,
The mixed gas purification apparatus, wherein the mixed gas passing through the condenser is heated by the heat recovered by the heat exchanger and supplied to the separation apparatus.
該供給流路には圧力調整弁が設けられ、
前記供給流路の前記圧力調整弁より上流側で分岐し、前記熱交換器を経由して前記供給流路の前記圧力調整弁より下流側で合流する熱交換流路を備えることを特徴とする請求項1記載の混合ガス精製装置。 A supply flow path for supplying mixed gas via the condenser to the separation device;
The supply channel is provided with a pressure regulating valve,
A heat exchange flow path is provided that branches upstream of the pressure regulation valve of the supply flow path and joins downstream of the pressure regulation valve of the supply flow path via the heat exchanger. The mixed gas purification apparatus according to claim 1.
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