JP3938223B2

JP3938223B2 - 消化ガス利用燃料電池設備

Info

Publication number: JP3938223B2
Application number: JP16490497A
Authority: JP
Inventors: 彰小渕; 浩之谷口
Original assignee: Mitsubishi Kakoki Kaisha Ltd
Current assignee: Mitsubishi Kakoki Kaisha Ltd
Priority date: 1997-06-09
Filing date: 1997-06-09
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2017-06-09
Also published as: JPH113723A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機性廃棄物を嫌気性消化処理して得られた消化ガスを燃料電池の燃料ガスとして利用した燃料電池設備に関する。尚、本願では、有機性廃棄物とは有機性廃水、有機性汚泥や流動性の有機性固形物などをいう。
【０００２】
【従来の技術】
従来、下水汚泥、し尿、食品排水、又は厨芥などの有機性廃棄物を嫌気性微生物で消化処理して、有機物を分解浄化処理すると共に、メタンを多量に含有する消化ガスを発生させ、発生した消化ガスを消化槽の加熱用燃料やガスエンジン発電用燃料などとして利用する装置が古くから数多く実施されている。
【０００３】
一方、天然ガス、ＬＰＧ、メタノールなどの炭化水素燃料を改質して得られた水素と空気中の酸素などの酸化剤との反応で生じる化学エネルギ−を、電気化学的に直接電気エネルギ−に変換する燃料電池設備が、発電効率や熱回収効率などを含めたエネルギ−効率の高さから近年急速に普及してきており、また、更に効率の高い設備が開発されている。
【０００４】
また、前記消化槽から得られた消化ガス中にはメタンが多量に含まれているため、燃料電池設備用の燃料ガスとして利用する技術の開発も行われており、本願出願人が先に特開平９−９７６２２号で、消化ガス中のメタンをガス分離膜で濃縮して燃料電池の燃料ガスとして供給する設備を開示した。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の特開平９−９７６２２号で開示した燃料電池設備にあっては、消化ガス中のメタン濃度を燃料電池設備に適した濃度に容易に濃縮することができ、低廉な燃料ガスとして燃料電池設備用に利用することができるため、燃料電池設備の経済的効果を向上させたが、消化ガスから得られるメタンの回収率の更なる向上が望まれていた。
【０００６】
従って、本発明は、前記要求に鑑みて成されたものであり、消化ガス中のメタンをガス分離膜で濃縮して燃料電池設備に供給する従来の設備を改良し、メタンの回収率を高めると共に燃料電池用に供給する燃料ガス量を増加させ、燃料電池設備の経済的効果を向上させることを目的として成されたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための本発明の要旨は、請求項１においては、有機性廃棄物を、嫌気性微生物を用いてメタン発酵処理する消化槽と、消化槽で発生した消化ガスを、透過側に二酸化炭素濃縮ガスと非透過側に高濃度メタンガスとに分離する第１段ガス分離膜装置と、第１段ガス分離膜装置の透過側の二酸化炭素濃縮ガスを、透過側に高濃度二酸化炭素ガスと非透過側にメタン濃縮ガスとに分離する第２段ガス分離膜装置とを設け、第２段ガス分離膜装置の非透過側のメタン濃縮ガスを第１段ガス分離膜装置の前段の消化ガスに循環し、さらに第２段ガス分離膜装置の透過側の高濃度二酸化炭素ガスの一部を消化槽に循環し、第１段ガス分離膜装置の非透過側の高濃度メタンガスを燃料ガスとする燃料電池を備えたことを特徴とする消化ガス利用燃料電池設備である。
【０００８】
また、請求項２では、第１段ガス分離膜装置の前段に硫化水素を除去する脱硫装置を設けたことを特徴とする請求項１に記載の消化ガス利用燃料電池設備である。
【０００９】
前記構成の燃料電池設備においては、有機性廃棄物を消化槽でメタン菌などの嫌気性微生物により生物的に分解処理することにより、メタンを多量に含有する消化ガスが発生する。発生した消化ガスを第１段ガス分離膜装置に供給して処理することにより、主に二酸化炭素がガス分離膜を透過し、透過側に二酸化炭素濃縮ガスと非透過側に高濃度メタンガスとが得られる。
【００１０】
第１段ガス分離膜装置の透過側に得られた二酸化炭素濃縮ガスを、第２段ガス分離膜装置に供給して処理することにより、主に二酸化炭素がガス分離膜を透過し、透過側に更に二酸化炭素が濃縮された高濃度二酸化炭素ガスと非透過側に第１段ガス分離膜装置でガス分離膜を透過した一部のメタンが濃縮したメタン濃縮ガスが得られる。更に、第２段ガス分離膜装置の非透過側のメタン濃縮ガスを第１段ガス分離膜装置の前段の消化ガスに循環することにより、残存するメタンが余剰ガスとして廃棄されることなく第１段ガス分離膜装置で回収することができる。
【００１１】
前記の第１段ガス分離膜装置の非透過側に得られた高濃度メタンガスはメタンが充分に濃縮されているため、効率的な燃料ガスとして燃料電池設備に供給して利用される。尚、第２段ガス分離膜装置の透過側に得られた高濃度二酸化炭素ガスの一部を消化槽に循環することにより、消化槽内の二酸化炭素濃度を容易に調整でき、メタン発酵を促進させてメタン生成量をより多くすることが可能となり、メタンの回収量を向上させることができる。
【００１２】
また、消化ガス中には硫化水素が含有されているため、燃料電池設備に供給される高濃度メタンガスは脱硫する必要があるが、第１段ガス分離膜装置において硫化水素が透過側に分離し、また燃料電池設備に脱硫装置が組み込まれているため、特に第１段ガス分離膜装置の前段に脱硫装置を設ける必要はないが、僅かではあるがガス分離膜の劣化などを防止する上から、また、燃料電池設備の脱硫装置の負荷を軽減するため、第１段ガス分離膜装置の前段に脱硫装置を設けるのが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は本発明の一実施の形態の系統図、図２は従来設備の系統図である。尚、両図において、相当する部材については、同一の符号を用いた。
【００１４】
１は有機性廃棄物を嫌気性雰囲気でメタン菌などの嫌気性微生物を用いて有機物を分解処理すると共に、メタンを高濃度に含有する消化ガスを発生させる消化槽であり、円筒槽、矩形槽及び卵形槽などの形状が用いられており、内部には発生した消化ガスを循環し、エアリフト効果により攪拌するガス攪拌装置１１が設けられているが、本攪拌装置１１は、攪拌羽による機械攪拌装置であってもよく、また、本実施の形態では消化槽１が１段であるが、前段に通性嫌気性菌により蛋白質などの高分子有機物を、有機酸などの低分子有機物に分解する酸発酵槽や油脂分などを高温で分解して溶解する可溶化槽などを設けてもよいことは言うまでもない。
【００１５】
２は消化槽で発生した消化ガスを透過側２ｂに二酸化炭素濃縮ガスと非透過側２ａに高濃度メタンガスとに分離する第１段ガス分離膜装置であり、また、３は第１段ガス分離膜装置の透過側２ｂの二酸化炭素濃縮ガスを透過側３ｂに高濃度二酸化炭素ガスと非透過側３ａにメタン濃縮ガスとに分離する第２段ガス分離膜装置である。
【００１６】
前記第１段及び第２段ガス分離膜装置２、３に用いられるガス分離膜としては、主に、ポリイミド膜、ポリスルホン膜、三酢酸セルロ−ス膜、ポリテトラフルオロエチレン膜、ポリエ−テルスルホン膜などの高分子気体分離膜やカ−ボン膜、微多孔質ガラス複合膜などが用いられるが、ポリイミド膜がメタンと二酸化炭素との分離係数が高く、耐硫化水素性もあるため好ましい。
【００１７】
４は第１段ガス分離膜装置２の非透過側２ａに得られた高濃度メタンガスを燃料ガスとする燃料電池設備であり、燃料電池本体の前段に硫化水素の脱硫器、メタンを改質して水素を製造する改質器などが設けられ、また必要により燃料電池本体で生成した水を処理する水処理装置が設けられ、それらが一体化されて組み立てられている。
【００１８】
前記脱硫装置としては酸化亜鉛や酸化ニッケルなどを脱硫剤とした乾式脱硫装置を用いるのが好ましく、また、改質器としては、ニッケル触媒などを触媒とした装置を用いるのが好ましいが、一般的に都市ガスを燃料とした燃料電池設備で用いられる脱硫器や改質器が用いられる。また、燃料電池本体は、開発も進み数多く実用化されているリン酸型燃料電池が用いられるが、開発途上にある溶融炭酸塩型燃料電池や固体電解質型燃料電池でも使用が可能である。
【００１９】
５は第１段ガス分離膜装置２の前段に設けられ、消化ガス中の硫化水素を除去する脱硫装置であり、アルカリ溶液で吸収する湿式脱硫装置や活性炭を用いて吸着除去、酸化鉄粒子を用いて反応除去する乾式脱硫装置などが用いられる。６は消化ガスを加圧して第１段ガス分離膜装置２に供給するコンプレッサ−である。また、７は第２段ガス分離膜装置３の透過側３ｂを減圧し、透過した高濃度二酸化炭素ガスを取り出す減圧ポンプである。
【００２０】
次に有機性汚泥を消化処理し、得られた消化ガスを燃料電池用の燃料ガスとして利用する作用について述べる。有機性汚泥は汚泥／汚泥熱交換器１２で消化処理されて排出される消化汚泥と熱交換して加熱され、消化槽１に供給される。消化槽１に供給された有機性汚泥はガス攪拌装置１１での消化ガスの循環により均一攪拌されながら、嫌気性菌の生物作用で有機物が分解される。
【００２１】
有機物が生物作用で分解されることにより、メタンが６０〜７０％、二酸化炭素が３０〜４０％含有した消化ガスが発生する。尚、硫黄化合物を含有する有機物にあっては硫化水素が生成して一部が消化ガス中に混入し、また、窒素化合物を含有する場合にはアンモニアが生成するが、アンモニアは水に対する溶解度が高く、他の溶解イオンと化合しやすいため、消化液中に溶解して存在する。
【００２２】
生物作用で消化処理して増殖した嫌気性菌などの固形分は、消化液と共に消化汚泥として系外に排出され、図示しない汚泥処理装置で処理される。また、消化槽１での消化処理は、一般的に消化槽温度が３０〜６０℃の範囲で行われ、温度が高い程消化効率が高くなるため、温度の低い時期などには加熱する必要があり、その熱源としては、燃料電池設備４から排出される高温ガスの熱量を後記の回収設備で回収した熱が用いられ、汚泥／温水熱交換器１３で熱交換により供給される。
【００２３】
消化槽１で発生した消化ガスは、脱硫器５で硫化水素が除去され、コンプレッサ−６で加圧されて第１段ガス分離膜装置２に供給される。尚、消化ガスの加圧圧力は、２〜１０Ｋｇ／ｃｍ²Ｇに調整されるのが好ましい。
【００２４】
第１段ガス分離膜装置２に供給された消化ガスは、主に二酸化炭素がガス分離膜を透過し、透過側２ｂに二酸化炭素濃縮ガスが得られ、非透過側２ａに高濃度メタンガスが得られる。尚、透過側２ｂに得られる二酸化炭素濃縮ガスは、二酸化炭素が７０〜８０％、メタンが２０〜３０％含有され、非透過側２ａに得られる高濃度メタンガスは、メタンが８５〜９５％、二酸化炭素が５〜１５％含有されている。
【００２５】
第１段ガス分離膜装置２の透過側２ｂに得られた二酸化炭素濃縮ガスを第２段ガス分離膜装置３に供給して透過側３ｂを減圧ポンプ７で減圧することにより、第１段ガス分離膜装置２と同様に二酸化炭素がガス分離膜を透過し、透過側３ｂに更に二酸化炭素が濃縮された高濃度二酸化炭素ガスが得られ、非透過側３ａに第１段ガス分離膜装置２でガス分離膜を透過した一部のメタンが濃縮したメタン濃縮ガスが得られる。前記第２段ガス分離膜装置３の透過側３ｂは、減圧ポンプ７で１００〜３００Torrに減圧されるのが好ましい。尚、得られる高濃度二酸化炭素ガスは、二酸化炭素が９０〜９９％、メタンが１〜１０％含有され、非透過側３ａに得られるメタン濃縮ガスは、メタンが５５〜７０％、二酸化炭素が３０〜４５％含有されている。
【００２６】
前記において、第２段ガス分離膜装置３の透過側３ｂを減圧する他に、第２段ガス分離膜装置３に供給される二酸化炭素濃縮ガスを２〜１０Ｋｇ／ｃｍ²Ｇに加圧して供給し、透過側３ｂに更に二酸化炭素が濃縮された高濃度二酸化炭素ガスを得るようにしてもよく、また、前記減圧と加圧とを併用してもよい。
【００２７】
前記作用により、第２段ガス分離膜装置３の非透過側３ａのメタン濃縮ガスを第１段ガス分離膜装置２の前段の消化ガスに循環することにより、残存するメタンを余剰ガスとして廃棄することなく第１段ガス分離膜装置２で回収することができメタンの回収率を向上させることができる。
【００２８】
前記第１段ガス分離膜装置２の非透過側２ａに得られた高濃度メタンガスはメタンが充分に濃縮されているため、一旦高濃度メタンガスタンク１８に貯蔵された後、供給流量を制御されて、効率的な燃料ガスとして燃料電池設備４に供給され、供給された高濃度メタンガスは、燃料電池本体の前段に設けられた脱硫器で微量に含有されている硫化水素が吸着分離され、改質器で高濃度メタンガス中のメタンを水素に改質し、燃料電池本体に供給される。
【００２９】
前記第２段ガス分離膜装置３の透過側３ｂに得られた高濃度二酸化炭素ガスは、一旦高濃度二酸化炭素ガスタンク１９に貯蔵されたのち、余剰ガスとして余剰ガス燃焼装置２０で燃焼して大気中に排出されるが、一部を消化槽１に循環して消化槽１内の二酸化炭素濃度を調整でき、メタン発酵を促進させメタン生成量をより多くすることが可能となり、メタンの回収量の向上が図られる。
【００３０】
燃料電池設備４から排出される排ガスは温度が高いため、次の熱回収設備で熱回収が図られる。熱回収設備は、低温水槽１７からの低温水と燃料電池設備４からの排ガスとをガス／液熱交換器１４で熱交換させることにより、排ガスの熱量が温水で回収される。加熱された温水は温水ボイラ１５で更に加熱され、高温水槽１６に供給される。
【００３１】
高温水槽１６の高温温水と消化槽１内の消化汚泥とを汚泥／温水熱交換器１３で熱交換することにより、消化槽汚泥を所定の温度に加熱し、温度の低下した熱交換後の高温温水は、低温水槽１７に循環されて、熱回収循環が行われる。
【００３２】
【実施例】
次に、下水汚泥を消化処理して得られた消化ガスを、本発明の設備を用いて実施した実施例と特開平９−９７６２２号に記載された従来の設備を用いて実施した比較例により、本発明を更に説明する。
【００３３】
（実施例１）
第２段ガス分離膜装置の透過側に得られた高濃度二酸化炭素ガスを消化槽に循環しない設備を用いた。使用した消化ガスは、流量：９３８６Ｎｍ³／Ｄ、ＣＨ₄：６３．０％、ＣＯ₂：３７．０％であった。結果、燃料電池設備に供給される第１段ガス分離膜装置の非透過側に得られた高濃度メタンガスは、流量：６４３２Ｎｍ³／Ｄ、ＣＨ₄：９０．０％、ＣＯ₂：１０．０％であり、メタンの回収率は９７．９％であった。
【００３４】
（実施例２）
第２段ガス分離膜装置の透過側に得られた高濃度二酸化炭素ガスの一部を消化槽に循環する設備を用いた。使用した消化ガスは、流量：１０１４７Ｎｍ³／Ｄ、ＣＨ₄：６０．０％、ＣＯ₂：４０．０％であった。結果、燃料電池設備に供給される第１段ガス分離膜装置の非透過側に得られた高濃度メタンガスは、流量：６６１６Ｎｍ³／Ｄ、ＣＨ₄：９０．０％、ＣＯ₂：１０．０％であり、メタンの回収率は９７．８％であった。
【００３５】
（比較例１）
ガス分離膜装置を１段で行う設備を用いた。使用した消化ガスは、流量：９３８６Ｎｍ³／Ｄ、ＣＨ₄：６３．０％、ＣＯ₂：３７．０％であった。結果、燃料電池設備に供給される第１段ガス分離膜装置の非透過側に得られた高濃度メタンガスは、流量：５４７２Ｎｍ³／Ｄ、ＣＨ₄：９０．０％、ＣＯ₂：１０．０％であり、メタンの回収率は８３．３％であった。
【００３６】
（比較例２）
ガス分離膜装置を２段で行い、１段目の透過側に得られた二酸化炭素濃縮ガスの一部を消化槽に循環する設備を用いた。使用した消化ガスは、流量：１２５６６Ｎｍ³／Ｄ、ＣＨ₄：５１．３％、ＣＯ₂：４８．７％であった。結果、燃料電池設備に供給される第１段ガス分離膜装置の非透過側に得られた高濃度メタンガスは、流量：５５７５Ｎｍ³／Ｄ、ＣＨ₄：９０．０％、ＣＯ₂：１０．０％であり、メタンの回収率は７７．９％であった。
【００３７】
（比較例３）
ガス分離膜装置を２段で行い、２段目の透過側に得られた希薄メタンガスの一部を消化槽に循環する設備を用いた。使用した消化ガスは、流量：１１５０７Ｎｍ³／Ｄ、ＣＨ₄：５８．９％、ＣＯ₂：４１．１％であった。結果、燃料電池設備に供給される第１段ガス分離膜装置の非透過側に得られた高濃度メタンガスは、流量：６００６Ｎｍ³／Ｄ、ＣＨ₄：９０．０％、ＣＯ₂：１０．０％であり、メタンの回収率は９１．４％であった。
【００３８】
前記の結果から明確なように、本発明に設備と比較例の設備とを比較すると、本発明の設備ではメタンの回収率が格段に向上し、また、燃料電池設備に供給される燃料ガスの高濃度メタンガス量も多くなることが判る。尚、燃料電池設備に供給される高濃度メタンガス中のメタン濃度は、８５〜９５％あれば効率的な性能を発揮することができるが、本発明の設備で得られる９５％以上の濃度では、より一層効率的な性能を発揮することができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明は、消化ガス中のメタンをガス分離膜で濃縮して燃料電池設備に供給する従来の設備を改良することによって、メタンの回収率を高めると共に燃料電池用に供給される燃料ガス量を増加することができ、燃料電池設備の経済的効果を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の系統図
【図２】従来設備の系統図
【符号の説明】
１：消化槽
２：第１段ガス分離膜装置
３：第２段ガス分離膜装置
４：燃料電池設備
５：脱硫装置
６：コンプレッサ−
７：減圧ポンプ
１１：ガス攪拌装置
１２：汚泥／汚泥熱交換器
１３：汚泥／温水熱交換器
１４：ガス／液熱交換器
１５：温水ボイラ
１６：高温水槽
１７：低温水槽
１８：高濃度メタンガスタンク
１９：高濃度二酸化炭素ガスタンク
２０：余剰ガス燃焼装置

Claims

有機性廃棄物を、嫌気性微生物を用いてメタン発酵処理する消化槽と、消化槽で発生した消化ガスを、透過側に二酸化炭素濃縮ガスと非透過側に高濃度メタンガスとに分離する第１段ガス分離膜装置と、第１段ガス分離膜装置の透過側の二酸化炭素濃縮ガスを、透過側に高濃度二酸化炭素ガスと非透過側にメタン濃縮ガスとに分離する第２段ガス分離膜装置とを設け、第２段ガス分離膜装置の非透過側のメタン濃縮ガスを第１段ガス分離膜装置の前段の消化ガスに循環し、さらに第２段ガス分離膜装置の透過側の高濃度二酸化炭素ガスの一部を消化槽に循環し、第１段ガス分離膜装置の非透過側の高濃度メタンガスを燃料ガスとする燃料電池を備えたことを特徴とする消化ガス利用燃料電池設備。
第１段ガス分離膜装置の前段に硫化水素を除去する脱硫装置を設けたことを特徴とする請求項１に記載の消化ガス利用燃料電池設備。