JP4088632B2 - ガス精製方法 - Google Patents
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Description
本発明は、下水汚泥の嫌気性消化処理から発生する下水汚泥消化ガスのように、メタン、二酸化炭素及びシロキサン化合物を含有するガスを精製して、メタンを高濃度化した精製ガスを得るようにしたガス精製方法に関するものである。
例えば、下水処理場において下水汚泥の安定化・無害化、減量化（減容化）のために消化タンクにて下水汚泥にメタン生成菌等の作用を利用した嫌気性消化処理を施すことにより、下水汚泥消化ガスが発生する。この下水汚泥消化ガスは、メタン（ＣＨ４）及び二酸化炭素（ＣＯ２）を主成分とし（メタン：約６０容量％前後、二酸化炭素：約４０容量％前後）、微量の不純物として、硫黄系不純物（Ｈ２Ｓ等）、シロキサン化合物等を含むものである。このように、下水汚泥消化ガスは、メタンが主成分で可燃性のガスであることから、燃料としての有効利用が可能であり、従来からボイラ燃料として利用されて、嫌気性消化処理を行う消化タンクの加温用に用いられている。この場合、消化タンクの加温用に消費される下水汚泥消化ガスは、発生ガス量の５０％以下であり、残りの消化ガス余剰分は、メタンが二酸化炭素の２５倍もの温室効果を持つガスであるため、通常、大気放出することなく、燃焼処分されている。
そこで、近年、環境負荷低減のため、下水汚泥消化ガスの燃料としてのさらなる有効利用が注目されている。この場合、ガスエンジンなどの機器への悪影響を防止するために、発生する下水汚泥消化ガスに含まれる不純物であるシロキサン化合物を除去することが必要となる。
シロキサン化合物は、毒性が全くなく、撥水性、粘着性（柔軟性）、色彩分散性などの製品特性を改善するので、シャンプー、リンス、デオドラント（制汗剤）、化粧品などに添加物として利用されている。シロキサン化合物の多くは速やかに大気中に蒸散し、最終的に二酸化炭素、シリカ（ＳｉＯ２）及び水に分解されてしまうが、その一部は洗い流したり、捨てたりした化粧品等とともに下水に流れ込む。そして、シロキサン化合物は、水に不溶であるため下水処理場において汚泥に吸着した形で下水汚泥に移行し、消化タンクにおいてその嫌気性消化処理の過程で下水汚泥から下水汚泥消化ガスに気体状態で移行する。
シロキサン化合物は、周知のように、シロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）を基本骨格とした鎖状又は環状構造の化合物である。消化タンクにおいて発生する下水汚泥消化ガスには、ヘキサメチルシクロトリシロキサン（略称：Ｄ３）、オクタメチルシクロテトラシロキサン（略称：Ｄ４）、デカメチルシクロペンタシロキサン（略称：Ｄ５）及びおよびドデカメチルシクロヘキサシロキサン（略称：Ｄ６）などの環状構造のシロキサン化合物が支配的に含まれることが知られている。
そして、前述したように環境負荷低減のため、下水汚泥消化ガスを燃料化して、例えばガスエンジン発電設備や、天然ガス自動車などに供給する場合、そのガス中にシロキサン化合物が存在すると、シロキサン化合物は、エンジンの燃焼室内にて固体であるシリカ（ＳｉＯ２）に酸化し、燃焼室の内面全体に付着する。このシリカは、エンジン摺動面へ研磨剤として作用してシリンダーヘッドなどの部品の早期劣化や、スパークプラグへ堆積して燃焼を不安定にするなどの不具合を引き起こすことになる。そのため、下水汚泥消化ガスからシロキサン化合物を分離除去することが必要となる。
従来、下水汚泥消化ガスを燃料として有効利用する例として、バイオガスの都市ガス化利用方法の製造設備が提案されている（特開２００４−３００２０６号公報）。このバイオガスの都市ガス化設備は、図３に示すように、第１段階の工程において、有機性廃棄物を発酵させて得られる低熱量のバイオガスに含まれるＨ２Ｓを除去する脱硫器５１と、該Ｈ２Ｓを除去したバイオガスを加圧するガス昇圧機５２と、ガス昇圧機５２からのガスを加圧・冷却処理する脱湿器５３と、該脱湿処理したガスを脱炭酸ガス器５４にて炭酸ガス除去処理した後に、熱量調整及び付臭処理する増熱・付臭装置６１と、該熱量調整及び付臭処理したガスを貯蔵するガスホルダー５５とを備えている。さらに、この都市ガス化設備は、第２段階の工程において、ガスホルダー５５からの貯蔵ガスを加圧するガス昇圧機５６と、ガス昇圧機５６からのガスを加圧・吸着処理する脱湿器５７と、脱湿器５７からのガスに対して不純ガス成分のシロキサンを除去するシロキサン除去器５８と、該脱湿、シロキサン除去後のガスを高圧にして蓄圧した後に、高圧ガスボンベに充填するボンベ充填装置６０とを備えており、バイオガスを精製して高濃度のメタンでなる燃料ガスを得るようにしたものである。
しかし前記のバイオガスの都市ガス化設備では、バイオガス中の二酸化炭素を脱炭酸ガス器５４によって膜分離して除去し、しかる後、シロキサン除去器５８によってバイオガス中のシロキサン化合物を除去するようにしたものであるから、1つの工程で同時に二酸化炭素とシロキサン化合物の除去が行えず、工程が複雑であるという欠点がある。
なお、燃料ガスとして利用するための付臭剤添加による付臭処理を行ってから、付臭処理されたガス中に含まれるシロキサン化合物をシロキサン除去器５８によって除去するようにしている。このため、付臭剤として代表的な、ＴＢＭ（ターシャリーブチルメルカプタン）や、ＤＭＳ（ジメチルサルファイド）などを使用すると、シロキサン除去器５８に用いられる吸着材（例えば、活性炭、ゼオライト等の多孔性材料）は、このような付臭剤成分を吸着してしまう。このため、燃料ガスとして利用する際に、ガス漏れを感知できるだけの十分な濃度の臭気成分を付与するために、付臭剤が多く必要となるという欠点もある。
特開２００４−３００２０６号公報（第２頁、図１）
そこで本発明の課題は、下水汚泥消化ガスのような原ガス中に含まれる二酸化炭素、シロキサン化合物を、簡単な方法により該原ガスから同時に分離除去して、メタンを高濃度化した精製ガスを得ることができるガス精製方法を提供することにある。
前記の課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。
請求項１の発明は、メタン、二酸化炭素及びシロキサン化合物を含有する原ガスと、水とを０．５５〜２．０ＭＰａの範囲を満たす高圧状態で接触させることにより、前記二酸化炭素を高圧水に溶解させて前記原ガスから分離するとともに、前記シロキサン化合物を凝縮させて前記原ガスから分離して、前記メタンを高濃度化した精製ガスを得ることを特徴とするガス精製方法である。
請求項２の発明は、請求項１記載のガス精製方法において、前記原ガスと水とを０．７〜１．５ＭＰａの範囲を満たす高圧状態で接触させることを特徴とするものである。
請求項３の発明は、請求項１又は２記載のガス精製方法において、前記原ガスが下水汚泥消化ガスであることを特徴とするものである。
本発明のガス精製方法は、原ガスと水とを０．５５〜２．０ＭＰａ（ゲージ圧力）の範囲を満たす高圧状態で接触させることにより、前記原ガス中の二酸化炭素、シロキサン化合物を該原ガスから同時に分離除去して、前記原ガスに含まれるメタンを高濃度化した精製ガスを得ることができる。したがって、従来とは違って、二酸化炭素を除去した後に専用にシロキサン化合物を除去する工程を備えなくて済み、専用のシロキサン化合物除去装置を不要とすることができる。
本発明のガス精製方法では、吸収塔内において原ガスと水とを大気圧より高い所定の高圧状態で接触させると、原ガス中に気体状態で含まれていた二酸化炭素は、高圧水に溶解して吸収されることにより原ガスから分離除去される一方、気体状態のメタンは、高圧水にほとんど溶解することなく、吸収塔頂部から取り出される。また同時に、原ガス中に含まれていたシロキサン化合物は、高圧状態のため気体状態から凝縮して液滴状態となり、この液滴状態にて、吸収塔内部を流下する水と衝突し、水とともに吸収塔底部から排出されることにより、原ガスから分離除去される。
本発明のガス精製方法では、メタン、二酸化炭素及びシロキサン化合物を含有する原ガスと水とを０．５５〜２．０ＭＰａ（ゲージ圧力）の範囲を満たす高圧状態で接触させることが必要である。この範囲より低圧力雰囲気では、二酸化炭素、シロキサン化合物が十分に分離除去されず、また、この範囲より高圧力雰囲気にしても二酸化炭素、シロキサン化合物の除去率がそれほど向上せず、運転コストや、高圧化仕様による装置コストの増加などの点から好ましくない。なお、このときの吸収塔内の温度は、２〜３５℃程度である。本発明のガス精製方法では、特にシロキサン化合物除去の点から、原ガスと水とを０．７〜１．５ＭＰａの範囲を満たす高圧状態で接触させることがより好ましい。さらに、運転コストと装置コストの点から、１．０ＭＰａ未満とすることが特に好ましい。
また、本発明のガス精製方法では、原ガスに硫化水素（Ｈ２Ｓ）等の硫黄系不純物が含まれている場合でも、該原ガスと水とを０．５５〜２．０ＭＰａの範囲を満たす高圧状態で接触させることで、原ガス中に気体状態で含まれていた硫黄系不純物は、高圧水に溶解して吸収されることにより原ガスから分離除去される。
図１は本発明の一実施形態によるガス精製方法を実施するガス精製装置の構成説明図である。
図１において、１はミストセパレータ、２ａ，２ｂはガス圧縮機、３は吸収塔、４は給水ポンプ、５は減圧タンク、６は除湿器をそれぞれ示す。
このように構成されるガス精製装置において、原ガスは、ミストセパレータ１によってガス中のミスト（水分）、ダストが除去され、しかる後、直列接続されたガス圧縮機２ａ，２ｂによって大気圧より高い所定の圧力まで昇圧される。ガス圧縮機２ａ，２ｂによって昇圧された原ガスは、図示しない冷却器によって圧縮熱が除去された後、吸収塔３の下部に導入される。なお、前記冷却に伴って発生する結露水は、原ガスからフィルターなどによって分離され、排水処理設備へ送られるようになっている。吸収塔３には、その上部から水が給水ポンプ４によって昇圧された状態で供給されるようになっている。このとき用いられる水としては、水道水、あるいは井水が挙げられ、また、下水等の排水を処理して得られる処理水を利用することも可能である。
このように、ガス圧縮機２ａ，２ｂにより原ガスを昇圧して吸収塔３内へその下部より送り込むとともに、給水ポンプ４により水を昇圧して吸収塔３内へその上部より送り込むことにより、吸収塔３内を０．５５〜２．０ＭＰａの範囲を満たす高圧状態に保持し、吸収塔３内において原ガスと水とを前記圧力範囲を満たす高圧状態で接触させるようにしている。なお、吸収塔３内には、原ガスと水とを十分に接触させるためにラシヒリング等の充填物が充填されている。
吸収塔３内において原ガスと水とを０．５５〜２．０ＭＰａの範囲を満たす高圧状態で接触させることにより、原ガス中に気体状態で含まれていた二酸化炭素及び硫黄系不純物（Ｈ２Ｓ等）は、高圧の水に溶解して吸収される一方、メタンは、高圧の水にほとんど溶解することなく、吸収塔３の頂部から取り出される。また同時に、原ガス中に含まれていたシロキサン化合物は、高圧状態のため気体状態から凝縮して液滴状態となり、この液滴状態にて、吸収塔内部を流下する高圧の水と衝突し、水とともに吸収塔３の底部に溜まることになる。
分離除去された炭酸ガス及び硫黄系不純物（Ｈ２Ｓ等）が溶解するとともに、分離除去されたシロキサン化合物を含む水は、吸収塔３の底部から抜き出されて、弁Ｖ１を介して減圧タンク５に導入される。この減圧タンク５内の圧力は、吸収塔３内に比べて減圧されている。例えば、吸収塔３内の圧力が０．９ＭＰａのとき、減圧タンク５内の圧力は０．４ＭＰａである。そして、メタン回収率を高める目的で、吸収塔３の底部からの水にわずかに溶解しているメタンは、ガスとして分離されて減圧タンク５の頂部から弁Ｖ２を介して、この実施形態ではガス圧縮機２ａ，２ｂの中間段に戻されてガス圧縮機２ａからの原ガスに合流されるようになっている。このメタンが分離回収された後の、二酸化炭素及び硫黄系不純物（Ｈ２Ｓ等）が溶解するとともにシロキサン化合物を含む水は、減圧タンク５の底部から弁Ｖ３を介して排水処理設備へ送られるようになっている。
一方、吸収塔３の頂部から取り出された高濃度のメタンを有する精製ガスは、フィルター等によってガス中の水滴が除去された後、除湿器６に送られる。この実施形態の除湿器６は、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ法）により水分を吸着除去する除湿器であり、合成ゼオライト等を吸着剤とするものである。除湿器６による除湿の目的は、精製ガスを燃料として使用（利用）するときの圧力においても結露することがないようにするためである。吸収塔３から取り出された精製ガスの圧力は、例えば０．９ＭＰａであり（吸収塔３内の圧力が０．９ＭＰａの場合）、この精製ガスに対して、例えば天然ガス自動車の燃料として使用するときの圧力１９．６ＭＰａにおいても結露することがないように、大気圧における露点に換算して露点が−６０℃以下、より好ましくは−７０℃以下、特に好ましくは−８０℃以下となるように、除湿器６による除湿が施される。このように、燃料として使用するときの圧力においても結露することがないように除湿器６によって除湿された精製ガスが、次工程に送られるようになっている。例えば、精製ガスは、付臭剤が添加された後、ガスホルダー等に一旦貯蔵され、しかる後、各機器の燃料として利用されることとなる。
前記図１に示す構成のガス精製装置を用いて、消化タンクからの下水汚泥消化ガスを精製して、メタンを高濃度化した精製ガスの抽出試験を行った。運転条件及び下水汚泥消化ガス組成を表１に示す。なお、表１と後述の表２において、シロキサン化合物の濃度は、前述の略称がＤ３〜Ｄ６のシロキサンについての合計値である。
その結果、吸収塔３の出口（吸収塔３頂部のすぐ下流地点）における測定において、９７〜９８容積％の高濃度化されたメタンを含有する精製ガスを得られており、この精製ガス中の炭酸ガス及びＨ２Ｓの含有量は、それぞれ、２容積％未満、０．１ｐｐｍ未満であった。
表２及び図２に、吸収塔でのシロキサン化合物除去の結果を示す。吸収塔３において下水汚泥消化ガスと水とを高圧状態で接触させることにより、９８％程度の高いシロキサン化合物除去率を得ることができた。
なお、メタン、二酸化炭素及びシロキサン化合物を含有する原ガスとして下水汚泥消化ガスを精製する例について述べたが、本発明は、下水汚泥消化ガスに限らず、例えば、埋立処分場において過去に埋立てられたごみが分解して発生する埋立地ガス（ランドフィルガス）についても適用可能である。
１…ミストセパレータ
２ａ，２ｂ…ガス圧縮機
３…吸収塔
４…給水ポンプ
５…減圧タンク
６…除湿器
２ａ，２ｂ…ガス圧縮機
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Claims (3)
- メタン、二酸化炭素及びシロキサン化合物を含有する原ガスと、水とを０．５５〜２．０ＭＰａの範囲を満たす高圧状態で接触させることにより、前記二酸化炭素を高圧水に溶解させて前記原ガスから分離するとともに、前記シロキサン化合物を凝縮させて前記原ガスから分離して、前記メタンを高濃度化した精製ガスを得ることを特徴とするガス精製方法。
- 前記原ガスと水とを０．７〜１．５ＭＰａの範囲を満たす高圧状態で接触させることを特徴とする請求項１記載のガス精製方法。
- 前記原ガスが下水汚泥消化ガスであることを特徴とする請求項１又は２記載のガス精製方法。
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