JP2019127524A - バイオガス精製システム及びバイオガス精製方法 - Google Patents

バイオガス精製システム及びバイオガス精製方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 簡易な構成で精製ガスのメタン濃度又はメタン量を一定に保つことが可能なバイオガス精製システムを提供する。【解決手段】 一実施形態に係るバイオガス精製システムは、バイオガスから二酸化炭素を分離して精製ガスを出力する精製装置と、前記精製ガスのウォッベ指数を計測するウォッベ計と、前記ウォッベ指数に基づいて、前記精製ガスのメタン濃度又はメタン量が一定になるように前記精製装置の精製条件を制御する制御装置と、を備える。【選択図】 図7

Description

本発明は、バイオガス精製システム及びバイオガス精製方法に関する。
近年、再生可能エネルギーの利用拡大が期待されており、バイオマスから発生するバイオガスを有効活用しようとする取り組みが活発化している。バイオガスは、約60%のメタンと約40%の二酸化炭素、その他に硫化水素やシロキサン等の微量不純物を含む。このため、バイオガスをそのまま利用するにはバイオガス専用機器を用いる必要があるが、バイオガス専用機器は種類が少なく高価であるという問題がある。
そこで、バイオガスをバイオガス専用機器ではないガスエンジンや燃料電池システム等の消費機器において利用可能にするために様々な技術が提案されている。例えば、バイオガスに補助燃料ガス及び空気を混合し、上記したような消費機器で利用可能な混合ガスを調製する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2002−226878号公報
しかしながら、特許文献1に記載されている技術では、バイオガスの発生量や組成等に応じて補助燃料ガスや空気の混合量を調整して混合ガスの熱量一定にするために、バイオガス中の二酸化炭素濃度を検出する二酸化炭素濃度計や、混合ガスの熱量を検出するカロリーメータ等を設ける必要があり、装置構成が複雑化且つ大型化する可能性がある。
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で精製ガスのメタン濃度又はメタン量を一定に保つことが可能なバイオガス精製システムを提供することを目的とする。
一実施形態に係るバイオガス精製システムは、バイオガスから二酸化炭素を分離して精製ガスを出力する精製装置と、前記精製ガスのウォッベ指数を計測するウォッベ計と、前記ウォッベ指数に基づいて、前記精製ガスのメタン濃度又はメタン量が一定になるように前記精製装置の精製条件を制御する制御装置と、を備える。
本発明の一実施形態によれば、簡易な構成で精製ガスのメタン濃度又はメタン量を一定に保つことが可能なバイオガス精製システムが提供される。
一実施形態におけるバイオガス精製システムの構成を例示する図である。 一実施形態における精製装置の構成を例示する図である。 精製ガスのメタン濃度とウォッベ指数WIとの関係を例示する図である。 精製装置におけるガス流量と精製ガスのメタン濃度との関係を例示する図である。 一実施形態におけるバイオガス精製処理のフローチャートを例示する図である。 一実施形態におけるバイオガス精製システムの構成を例示する図である。 一実施形態におけるバイオガス精製システムの構成を例示する図である。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
図1は、一実施形態におけるバイオガス精製システム1の構成を例示する図である。
図1に示されるように、バイオガス精製システム1は、精製装置10、ウォッベ計20、及び制御装置30を備える。
精製装置10は、メタン及び二酸化炭素により略構成されたバイオガスから二酸化炭素を分離して、高濃度メタンガスを精製する。精製装置10は、バイオガスから精製した精製ガスを出力し、接続されている消費機器50に供給する。
図2は、一実施形態における精製装置10の構成を例示する図である。
図2に示されるように、精製装置10は、圧力調整部としての圧縮機110、複数の分離膜120a〜120f、開閉部としての開閉弁130a〜130c、及び流量調整部としての流量制御弁140を備える。精製装置10に供給されるバイオガスは、圧縮機110、複数の分離膜120a〜120f、開閉弁130a〜130c、及び流量制御弁140を通り、二酸化炭素が分離されてメタン濃度が高められた精製ガスとして消費機器50に供給される。なお、以下の説明では、複数の分離膜120a〜120fを、単に「分離膜120」という場合がある。また、開閉弁130a〜130cを、単に「開閉弁130」という場合がある。
圧縮機110は、制御装置30に制御されて精製装置10に供給されるバイオガスを圧縮し、精製装置10に供給するバイオガスの圧力を調整する。なお、圧縮機110とは異なる手段で分離膜120に供給するバイオガスの圧力を調整してもよい。
分離膜120は、それぞれバイオガスから二酸化炭素を分離して高濃度メタンガスを取り出すことができる。分離膜120によって取り出された高濃度メタンガスは、精製ガスとして流量制御弁140を通って消費機器50に供給される。また、分離膜120によってバイオガスから分離された高濃度二酸化炭素ガスは、精製装置10の外部に排出される。
本実施形態における精製装置10には、図2に示されるように、6本の分離膜120a〜120fが設けられている。分離膜120a,120b,120cは、並列接続されて圧縮機110を通過したバイオガスが供給される。分離膜120dは、開閉弁130aを介して分離膜120aに接続され、開閉弁130aが開弁されると分離膜120aを通過したガスが供給される。分離膜120eは、開閉弁130bを介して分離膜120bに接続され、開閉弁130bが開弁されると分離膜120bを通過したガスが供給される。また、分離膜120fは、開閉弁130cを介して分離膜120cに接続され、開閉弁130cが開弁されると分離膜120cを通過したガスが供給される。
開閉弁130は、例えば電磁弁であり、制御装置30に制御されて開弁又は閉弁することで、分離膜120d,120e,120fへのガス供給経路を開放又は遮断する。開閉弁130を開弁又は閉弁させることで、バイオガスから高濃度メタンガスを精製する分離膜120の数(バイオガスが供給される分離膜120の数)を、例えば3本から6本の間で変更することができる。
なお、精製装置10における分離膜120の数や配列、開閉弁130の配置等は、本実施形態において例示した構成に限られるものではない。分離膜120及び開閉弁130の構成は、バイオガスから二酸化炭素を分離して高濃度メタンガスを精製可能であり、バイオガスから高濃度メタンガスを精製する分離膜120の数を変更可能であれば、本実施形態とは異なる構成であってもよい。
流量制御弁140は、制御装置30に制御されて消費機器50に供給する精製ガスの流量を調整することで、精製装置10におけるバイオガスの流量(分離膜120に供給されるバイオガスの流量)を制御する。
本実施形態における精製装置10は、図1に示されるように、上記した構成によりバイオガスから二酸化炭素を分離した高濃度メタンガスを精製ガスとして消費機器50に供給する。消費機器50は、例えばガスエンジン、燃料電池システム等であり、精製装置10から供給される精製ガスを燃焼して熱や電気等のエネルギーを得る。
ウォッベ計20は、精製装置10が出力した精製ガス(精製装置10から消費機器50に供給される精製ガス)のウォッベ指数WIを計測する。ウォッベ指数WIとは、ガスの燃焼性指標の1つであり、WI=H/S1/2で求められる。Hは、ガスの単位体積当たりの熱量であり、Sは、空気を基準としたガスの比重である。ウォッベ計20は、精製装置10から消費機器50へのガス供給経路に設けられ、計測したウォッベ指数WIを制御装置30に入力する。ウォッベ計20は、精製ガスのウォッベ指数WIを計測可能であれば、その計測方法は限定されない。また、ウォッベ計20は、精製装置10又は消費機器50に組み込まれていてもよい。
制御装置30は、精製装置10及びウォッベ計20に接続され、ウォッベ計20から入力される精製ガスのウォッベ指数WIに基づいて、精製装置10の精製条件を制御する。
制御装置30は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、及びメインメモリ等を含んで構成される。制御装置30の各種機能は、ROM等に記録されたプログラムがメインメモリに読み出されてCPUにより実行されることで実現される。なお、制御装置30の一部又は全部は、ハードウェアのみにより実現されてもよい。また、制御装置30は、物理的に複数の装置等により構成されてもよい。
制御装置30が制御する精製装置10の精製条件は、バイオガスの圧力、バイオガスから二酸化炭素を分離する分離膜120の数、及びバイオガスの流量である。本実施形態における制御装置30は、精製装置10に設けられている圧縮機110、開閉弁130、及び流量制御弁140によって上記した精製装置10の精製条件を制御する。例えば、制御装置30は、圧縮機110によってバイオガスの圧力を制御し、開閉弁130を開閉させることで分離膜120の数を制御し、流量制御弁140によってバイオガスの流量を制御する。
制御装置30は、精製装置10から消費機器50に供給される精製ガスのメタン濃度が一定になるように、ウォッベ計20から入力される精製ガスのウォッベ指数WIに基づいて、精製装置10の精製条件を制御する。
ここで、精製装置10に供給されるバイオガスは、例えば季節によって組成が変化する場合がある。また、経年劣化により、分離膜120の性能(例えば、二酸化炭素の分離性能やガスの透過性能)が低下する場合もある。このようにバイオガスの組成や分離膜120の性能が変化した場合にも、精製装置10が変化前と同じ精製条件でバイオガスを精製すると、精製ガスのメタン濃度が低下する場合がある。このように精製ガスのメタン濃度が低下すると、精製ガスの熱量が減少し、精製ガスのウォッベ指数WIが低下する。
図3は、精製ガスのメタン濃度とウォッベ指数WIとの関係を例示する図である。
図3に示されるように、精製ガスのメタン濃度が低下すると、ウォッベ指数WIが低くなり、精製ガスのメタン濃度が上昇すると、ウォッベ指数WIが高くなる。そこで、制御装置30は、ウォッベ計20から入力されるウォッベ指数WIが基準値よりも低くなった場合には、精製装置10による精製ガスのメタン濃度が高くなるように精製条件を変更し、基準値よりも高くなった場合には、精製装置10による精製ガスのメタン濃度が低くなるように精製条件を変更する。
精製装置10では、バイオガスの圧力を上げる、バイオガスの流量を減らす、又はバイオガスが供給される分離膜120の数を増やすことで、精製ガスのメタン濃度が高くなる。一方、精製装置10では、バイオガスの圧力を下げる、バイオガスの流量を増やす、又はバイオガスが供給される分離膜120の数を減らすことで、精製ガスのメタン濃度が低くなる。
図4は、精製装置10におけるガス流量と精製ガスのメタン濃度との関係を例示する図である。
精製装置10において、例えば図4(A)に示されるようなバイオガスのガス流量と精製ガスのメタン濃度との関係が得られていたとする。制御装置30は、このような関係に基づいて、精製ガスのメタン濃度が目標メタン濃度(例えば98%)となるように、精製装置10の流量制御弁140を制御してバイオガスの流量をF1に設定する。
しかし、精製装置10に供給されるバイオガスの組成や分離膜120の性能が変化し、例えば図4(B)において実線で示されるように、バイオガスの流量F1における精製ガスのメタン濃度が目標メタン濃度98%から85%に下がったとする。このような場合には、図3に示されるように、精製ガスのメタン濃度が下がったことにより精製ガスのウォッベ指数WIが低下する。そこで、制御装置30は、精製ガスのメタン濃度が設定されている目標メタン濃度まで上昇し、ウォッベ計20から入力されるウォッベ指数WIが基準値まで上昇するように、流量制御弁140を制御してバイオガスの流量をF1からF2まで下げる。ウォッベ指数WIの基準値は、例えば図3に示される関係から、精製ガスの目標メタン濃度に基づいて設定される。
制御装置30は、例えば上記したように、ウォッベ計20から入力されるウォッベ指数WIに基づいてバイオガスの流量を制御することで、精製装置10による精製ガスのメタン濃度を目標メタン濃度に保つことができる。
なお、制御装置30は、精製装置10による精製ガスのメタン濃度が目標メタン濃度となるように、精製装置10の圧縮機110によってバイオガスの圧力を制御してもよく、精製装置10の開閉弁130によって精製に使用する分離膜120の数を制御してもよい。制御装置30は、精製装置10の圧縮機110、開閉弁130、及び流量制御弁140のうち少なくとも1つを制御し、精製装置10による精製ガスのメタン濃度が目標メタン濃度に保たれるように精製条件を制御する。
図5は、一実施形態におけるバイオガス精製処理のフローチャートを例示する図である。
本実施形態におけるバイオガス精製処理では、まずステップS101にて、精製装置10による精製ガスの目標メタン濃度が決定される。次にステップS102にて、精製ガスのウォッベ指数WIの基準値が決定される。
ウォッベ指数WIの基準値は、精製装置10から出力される精製ガスのメタン濃度とウォッベ指数WIとの関係に基づいて決定される。例えば、図3に示される関係が得られた場合において、精製ガスの目標メタン濃度が98%の場合には、精製ガスのウォッベ指数WIの基準値は50MJ/mに決定される。
ステップS103では、制御装置30が、精製ガスの目標メタン濃度に基づいて、精製装置10における精製条件を設定する。制御装置30は、設定した精製条件に基づいて、精製装置10の圧縮機110、開閉弁130、及び流量制御弁140によって、バイオガスの圧力及び流量、分離膜の数を制御する。
次にステップS104にて、精製装置10が、バイオガスの精製を開始し、精製ガスを消費機器50に供給する。消費機器50は、精製装置10から供給される精製ガスを燃焼して熱や電気等のエネルギーを得る。
このように消費機器50において精製装置10から供給される精製ガスが燃焼されている状態で、ステップS105にて、ウォッベ計20が消費機器50に供給されている精製ガスのウォッベ指数WIを計測する。ウォッベ計20は、計測したウォッベ指数WIを制御装置30に入力する。
次にステップS106にて、制御装置30が、ウォッベ計20から入力されたウォッベ指数WIと、ステップS102において決定されたウォッベ指数WIの基準値とを比較する。ウォッベ計20から入力されたウォッベ指数WIが基準値と等しい場合(ステップS106:YES)には、ステップS108に進む。一方、ウォッベ計20から入力されたウォッベ指数WIが基準値と等しくない場合(ステップS106:NO)には、ステップS107に進む。なお、制御装置30は、ウォッベ指数WIと基準値とが一致した場合に、ウォッベ指数WIと基準値とが等しいと判定してもよいし、ウォッベ指数WIが基準値を含む所定の範囲内である場合に、ウォッベ指数WIと基準値とが等しいと判定してもよい。
ウォッベ指数WIが基準値より低い場合、ステップS107では、制御装置30が、精製装置10による精製ガスのメタン濃度が上がり、精製ガスのウォッベ指数WIが上昇するように、精製装置10の精製条件を変更する。制御装置30は、精製装置10の圧縮機110を制御してバイオガスの圧力を上げてもよいし、流量制御弁140を制御してバイオガスの流量を下げてもよいし、精製装置10の開閉弁130を制御して精製に使用する分離膜120の数を増やしてもよい。
一方、ウォッベ指数WIが基準値より高い場合、ステップS107では、制御装置30が、精製装置10による精製ガスのメタン濃度が下がり、精製ガスのウォッベ指数WIが低下するように、精製装置10の精製条件を変更する。制御装置30は、精製装置10の圧縮機110を制御してバイオガスの圧力を下げてもよいし、流量制御弁140を制御してバイオガスの流量を上げてもよいし、精製装置10の開閉弁130を制御して精製に使用する分離膜120の数を減らしてもよい。
なお、制御装置30は、上記のように、バイオガスの圧力、バイオガスの流量、及び精製に使用する分離膜120の数いずれか1つを変化させてもよいし、2つ以上を同時に変化させてもよい。また、制御装置30は、バイオガスの圧力、バイオガスの流量、及び精製に使用する分離膜120の数を、所定の順番で変化させてもよい。
具体的には、ウォッベ指数WIが基準値より低い場合、制御装置30は、まず、バイオガスの圧力を上げ、それでもウォッベ指数WIが基準値より低い場合にバイオガスの流量を下げ、それでもウォッベ指数WIが基準値より低い場合に分離膜の数120を増やすのが好ましい。すなわち、バイオガスの圧力、バイオガスの流量、分離膜120の数の順で変化させるのが好ましい。これは、ウォッベ指数WIが基準値より高い場合についても同様である。
バイオガスの圧力を1番目に変化させることにより、消費機器50の出力を安定させつつ、ウォッベ指数WIを微調整することができる。これは、バイオガスの圧力は、微調整が容易であり、かつ、変化させても消費機器50に供給される精製ガスの流量が変化しないためである。また、バイオガスの流量を2番目に変化させることにより、ウォッベ指数WIを微調整することができる。これは、バイオガスの流量は、微調整が容易なためである。また、分離膜120の数を3番目に変化させることにより、バイオガスの圧力及び流量の変更だけではウォッベ指数WIに一致しない場合であっても、ウォッベ指数WIを更に変化させることができる。
なお、ウォッベ指数WIが基準値より低い(高い)場合に、バイオガスの圧力、バイオガスの流量、及び分離膜120の数を変更した結果、ウォッベ指数WIが基準値より高く(低く)なった場合には、バイオガスの流量を優先的に変更するのが好ましい。これにより、消費機器50に供給される精製ガスの流量を元に戻し、消費機器50の出力を安定させることができる。
精製条件の変更後、制御装置30は、精製装置10におけるバイオガスの精製を終了するか確認する(ステップS108)。バイオガスの精製を終了しない場合(ステップS108:NO)、処理はステップS105に戻る。以降、バイオガスの精製を終了するまで、ステップS105〜S107の処理が繰り返し実行される。精製装置10におけるバイオガスの精製を終了する場合(ステップS108:YES)には、バイオガス精製処理を終了する。
以上で説明したように、本実施形態におけるバイオガス精製システム1では、制御装置30が精製ガスのウォッベ指数WIに基づいて精製装置10の精製条件を制御する。したがって、精製装置10に供給されるバイオガスの組成や分離膜120の性能が変化した場合であっても、精製装置10から消費機器50に供給する精製ガスのメタン濃度を目標メタン濃度に保つことができる。
また、バイオガスの組成や分離膜120の性能が変化に応じて、迅速に精製条件を制御することができる。したがって、バイオガスを不適切な精製条件で精製した場合に、消費機器50で発生する一酸化炭素(CO)や窒素酸化物(NOx)を削減することができる。
なお、本実施形態におけるバイオガス精製システム1は、図6に示されるように、精製装置10による精製ガスと都市ガスとを混合したガスを消費機器50に供給してもよい。
また、図7に示されるように、バイオガス精製システム1に、精製装置10による精製ガスの熱量を調整する(大きくする)熱量調整設備70と、熱量を調整した精製ガスに臭気を付与する付臭装置40と、を接続し、付臭装置40により付臭した精製ガスを都市ガス等の導管60に注入するように構成してもよい。
また、以上では、制御装置30が、精製装置10から消費機器50に供給される精製ガスのメタン濃度が一定になるように精製装置10の精製条件を制御する場合について説明したが、制御装置30は、精製装置10から消費機器50に供給される精製ガスのメタン量が一定になるように精製装置10の精製条件を制御してもよい。これにより、消費機器50の出力を安定させることができる。なお、精製ガスのメタン量は、消費機器50に供給される精製ガスの流量とメタン濃度との積に相当する。したがって、制御装置30は、メタン量を一定にするために、ウォッベ指数WIとバイオガスの流量との積が一定になるように、精製装置10の精製条件を制御すればよい。
例えば、ウォッベ指数WIが基準値より低い場合、ステップS107では、制御装置30が、流量制御弁140を制御してバイオガスの流量を増やす。これにより、ウォッベ指数WIとバイオガスの流量との積を大きくし、消費機器50に供給されるメタン量を一定にすることができる。この際、バイオガスの流量の増加により、ウォッベ指数WIが低下する可能性があるため、制御装置30は、ウォッベ指数WIが上昇するように、精製装置10の圧縮機110を制御してバイオガスの圧力を上げる、又は精製装置10の開閉弁130を制御して精製に使用する分離膜120の数を増やすのが好ましい。
一方、ウォッベ指数WIが基準値より高い場合、ステップS107では、制御装置30が、流量制御弁140を制御してバイオガスの流量を減らす。これにより、ウォッベ指数WIとバイオガスの流量との積を小さくし、消費機器50に供給されるメタン量を一定にすることができる。この際、バイオガスの流量の減少により、ウォッベ指数WIが上昇する可能性があるため、制御装置30は、ウォッベ指数WIが低下するように、精製装置10の圧縮機110を制御してバイオガスの圧力を下げる、又は精製装置10の開閉弁130を制御して精製に使用する分離膜120の数を減らすのが好ましい。
以上、一実施形態に係るバイオガス精製システム及びバイオガス精製方法について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。
1 バイオガス精製システム
10 精製装置
20 ウォッベ計
30 制御装置
50 消費機器
110 圧縮機(圧力調整部)
120 分離膜
130 開閉弁(開閉部)
140 流量制御弁(流量調整部)

Claims (8)

  1. バイオガスから二酸化炭素を分離して精製ガスを出力する精製装置と、
    前記精製ガスのウォッベ指数を計測するウォッベ計と、
    前記ウォッベ指数に基づいて、前記精製ガスのメタン濃度又はメタン量が一定になるように前記精製装置の精製条件を制御する制御装置と、
    を備えるバイオガス精製システム。
  2. 前記精製装置は、前記バイオガスから二酸化炭素を分離する複数の分離膜を備える
    請求項1に記載のバイオガス精製システム。
  3. 前記精製装置は、前記複数の分離膜への前記バイオガスの供給経路を開放又は遮断する開閉部を有し、
    前記制御装置は、前記ウォッベ指数に基づいて、前記開閉部を制御して前記バイオガスが供給される分離膜の数を変更する
    請求項2に記載のバイオガス精製システム。
  4. 前記精製装置は、前記複数の分離膜に供給する前記バイオガスの圧力を調整する圧力調整部を備え、
    前記制御装置は、前記ウォッベ指数に基づいて、前記圧力調整部を制御して前記バイオガスの圧力を変更する
    請求項2又は請求項3に記載のバイオガス精製システム。
  5. 前記精製装置は、前記複数の分離膜に供給する前記バイオガスの流量を調整する流量調整部を備え、
    前記制御装置は、前記ウォッベ指数に基づいて、前記流量調整部を制御して前記バイオガスの流量を変更する
    請求項2から請求項4までのいずれか1項に記載のバイオガス精製システム。
  6. 前記制御装置は、前記精製ガスのメタン濃度が一定になるように前記精製条件を制御する場合、前記ウォッベ指数が低いほど、前記バイオガスの圧力を上げる、前記バイオガスの流量を減らす、又は前記バイオガスが供給される分離膜の数を増やす
    請求項2から請求項5までのいずれか1項に記載のバイオガス精製システム。
  7. 前記制御装置は、前記精製ガスのメタン量が一定になるように前記精製条件を制御する場合、前記ウォッベ指数が低いほど、前記バイオガスの圧力を上げる、前記バイオガスの流量を増やす、又は前記バイオガスが供給される分離膜の数を増やす
    請求項2から請求項5までのいずれか1項に記載のバイオガス精製システム。
  8. バイオガスから二酸化炭素を分離して精製ガスを出力する精製ステップと、
    前記精製ガスのウォッベ指数を計測する計測ステップと、
    前記ウォッベ指数に基づいて、前記精製ガスのメタン濃度又はメタン量が一定になるように前記精製ステップの精製条件を制御する制御ステップと、
    を備えるバイオガス精製方法。
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