JP4573519B2 - バイオガス発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、有機性廃棄物をメタン発酵させることにより発生したバイオガスを燃料とするバイオガス発電装置に関し、特には、バイオガス中に含まれている水分が乾式脱硫塔内で凝縮してしまうのを抑制しつつ、乾式脱硫塔内において硫化第二鉄と酸素とを良好に再生反応させることができるバイオガス発電装置に関する。

詳細には、本発明は、有機性廃棄物をメタン発酵させることにより発生せしめられたバイオガスが、酸化鉄を脱硫剤とする乾式脱硫塔において脱硫された後に、発電に用いられるバイオガス発電装置に関する。

有機性廃棄物をメタン発酵させることにより発生したバイオガス中には、数百〜数千ｐｐｍの硫化水素が含まれている。そのため、バイオガスを燃料とするバイオガス発電装置では、この硫化水素による機器の被毒を防止するために、酸化鉄の脱硫剤を用いて硫化水素を予め吸着除去することが多い。この方法は乾式法と呼ばれ、その反応式は下式の通りである。

Ｆｅ₂Ｏ₃＋３Ｈ₂Ｓ→Ｆｅ₂Ｓ₃＋３Ｈ₂Ｏ−６２．８ｋＪ／ｍｏｌ（発熱反応）

酸化鉄の脱硫剤は、反応器に充填され、一般的には、乾式脱硫塔または前処理装置として燃料電池装置の上流側に設置される。反応温度は、常温〜１７０℃程度と範囲が広いため、冷却、熱回収を行わずに、放熱によってバランスする温度で使用するのが一般的である。

一方、メタン発酵槽から出たバイオガスは、飽和しており、水分を含んでいる。バイオガスの露点は、中温発酵の場合に３０〜４０℃となり、高温発酵の場合には５０〜６０℃となる。

従来においては、バイオガスに含まれる水分が乾式脱硫塔内で凝縮すると、脱硫剤の細孔が詰まり、脱硫性能が低下してしまうおそれがある点に鑑み、バイオガスを放熱するか、あるいは、強制的に冷却することにより、バイオガスに含まれる水分の一部を予め凝縮させることによって、バイオガスに含まれる水分が乾式脱硫塔内で凝縮してしまうことを回避していた。

図２は従来のバイオガス発電装置の概略構成図である。詳細には、図２は従来のバイオガス発電装置におけるメタン発酵槽から発電装置までのバイオガスの流れを模式的に表したものである。図２において、１はメタン発酵槽、２はメタン発酵槽１において発生せしめられたバイオガスを脱硫するための乾式脱硫塔、３はメタン発酵槽１において発生せしめられたバイオガスと発電に供されるバイオガスとの流量差を調節するためのガスホルダーである。詳細には、ガスホルダー３は、そのガス保有量を変化させることによってバイオガスの流量差を調節する。４はガスホルダー３から供給されたバイオガスを燃料として発電するための燃料電池発電装置、５はガスホルダー３から供給されたバイオガスを燃料として発電するためのガスエンジン発電装置である。６はメタン発酵槽１と乾式脱硫塔２との間、乾式脱硫塔２とガスホルダー３との間、ガスホルダー３と燃料電池発電装置４との間、および、ガスホルダー３とガスエンジン発電装置５との間を接続する接続配管である。７は燃料電池発電装置４において発生した排熱を回収するための排熱回収用熱交換器、８はバイオガスが乾式脱硫塔２に供給される前にバイオガスに含まれる水分の一部を予め凝縮させて除去するためのバイオガス冷却器である。

図２に示すように、従来のバイオガス発電装置では、メタン発酵槽１において発生せしめられたバイオガスは、まず、酸化鉄が充填された乾式脱硫塔２を介してガスホルダー３に供給され、次いで、燃料電池発電装置４およびガスエンジン発電装置５に供給されて、発電に供される。

燃料電池発電装置４およびガスエンジン発電装置５は発電に伴って発熱するため、エネルギー有効利用の観点から、例えば図２に示す従来のバイオガス発電装置では、燃料電池発電装置４の排熱が有効利用される。詳細には、排熱回収用熱交換器７により取り出された温水が給湯等に用いられる。あるいは、燃料電池発電装置４またはガスエンジン発電装置５の高温の排熱は、吸収式冷温水機に供給され、空気調和機などにおいて用いられる。

図２に示すように、従来のバイオガス発電装置では、バイオガス中に飽和で含有されている水分が乾式脱硫塔２内で凝縮するのに伴って乾式脱硫塔２の脱硫性能が低下してしまうのを回避するために、メタン発酵槽１の出口にバイオガス冷却器８が配置されている。詳細には、バイオガス冷却器８において、バイオガスを冷却することによってバイオガスに含まれている水分の一部が凝縮せしめられて、バイオガスから除去される。次いで、水分の一部が除去されたバイオガスが、乾式脱硫塔２に供給されている。

特開２００３−２７７７７９号公報

本発明者等の鋭意研究により、メタンガスの脱硫反応において、メタンガス中の水分が脱硫性能にかなりの影響を与えることがわかった。詳細には、メタンガス中の水分が多くても少なくても脱硫性能が低下してしまうことが、本発明者等の研究結果によってわかった。この理由としては、水分が多くなるとベーパーロックの障害現象以外に、硫化水素の吸収反応が水の境膜抵抗をより多く受ける一方、中間反応である硫化水素と水酸化鉄との反応では、水の存在は必ずしも必要ではなく、反応は気相、固相の異相反応で進行することで、水分は少ないほど良いことになるが、次に、硫化第二鉄と酸素との再生反応では、水の共存が必要であることから、水分が適当にあった方が良いためと考えられる。従って、バイオガス中の水分管理は、脱硫性能にとって非常に重要であることがわかった。

ところが、図２に示した従来のバイオガス発電装置では、外気温の変化等の外的要因に左右されてバイオガス冷却能力、すなわち水分除去能力が変化することによってバイオガス中の水分の含有量が変化してしまい、それにより、脱硫性能が安定しなかった。

詳細には、図２に示した従来のバイオガス発電装置では、乾式脱硫塔に供給されるバイオガス中に含まれる水分が多すぎる場合には、その水分が乾式脱硫塔内で凝縮してしまい、脱硫性能が低下してしまった。一方、乾式脱硫塔に供給されるバイオガス中に含まれる水分が少なすぎる場合には、硫化第二鉄と酸素との再生反応が不十分になってしまい、脱硫性能が低下してしまった。

また従来、有機性廃棄物をメタン発酵させることにより発生したバイオガスを脱硫するための乾式脱硫装置が知られている。この種の乾式脱硫装置の例としては、例えば特開２００３−２７７７７９号公報に記載されたものがある。特開２００３−２７７７７９号公報の図４に記載された乾式脱硫装置の上流側には加温設備が配置され、その加温設備によって、乾式脱硫装置に供給されるバイオガスが加温せしめられている。

ところが、特開２００３−２７７７７９号公報の図４に記載された加温設備は、バイオガスと循環水素とを混合せしめ、硫黄分に含まれている硫化メチルおよびメチルメルカプタンを硫化水素に還元せしめるために設けられている。すなわち、特開２００３−２７７７７９号公報の図４に記載された加温設備は、バイオガス中の水分量を調節するためのものでない。そのため、特開２００３−２７７７７９号公報の図４に記載された加温設備によっては、バイオガス中に含まれている水分が乾式脱硫装置内で凝縮してしまうのを抑制しつつ、乾式脱硫装置内において硫化第二鉄と酸素とを良好に再生反応させることができない。

前記問題点に鑑み、本発明は、バイオガス中に含まれている水分が乾式脱硫塔内で凝縮してしまうのを抑制することができるバイオガス発電装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明によれば、バイオガス発電装置が、有機性廃棄物をメタン発酵させてバイオガスを発生させるメタン発酵槽と、乾式脱硫塔と、前記メタン発酵槽から前記乾式脱硫塔へ前記バイオガスを供給する接続配管と、前記乾式脱硫塔の下流に接続された前記バイオガスを燃料として発電する発電装置と、前記発電装置の排熱を回収した温水が流れる加熱用配管とを備え、前記加熱用配管は、前記加熱用配管の一部が前記接続配管に沿って配置され、前記接続配管を加熱するものとする。

請求項２に記載の発明によれば、さらに、前記乾式脱硫塔に供給されるバイオガスの温度が、バイオガスの露点以上、脱硫触媒の反応上限温度以下の温度になるように前記加熱が行われるものとする。

本発明のバイオガス発電装置では、上述の構成により、水分を適度に安定して含むバイオガスが乾式脱硫塔に供給でき、かつ、バイオガス中の水分が乾式脱硫塔の上流側や、乾式脱硫塔内で凝縮してしまうことを抑制することができる。

図１は本発明のバイオガス発電装置の第１の実施形態の概略構成図である。詳細には、図１は第１の実施形態のバイオガス発電装置におけるメタン発酵槽から発電装置までのバイオガスの流れを模式的に表したものである。図１において、図２に示した参照番号と同一の参照番号は、図２に示した部品と同一の部品を示している。９は、排熱回収用熱交換器７によって回収された排熱を利用して、メタン発酵槽１から乾式脱硫塔２まで延びている接続配管６、および乾式脱硫塔２などを加熱するための加温用配管である。

図１に示すように、第１の実施形態のバイオガス発電装置では、メタン発酵槽１において発生せしめられたバイオガスは、まず、酸化鉄が充填された乾式脱硫塔２を介してガスホルダー３に供給され、次いで、燃料電池発電装置４およびガスエンジン発電装置５に供給されて、発電に供される。

エネルギー有効利用の観点から、第１の実施形態のバイオガス発電装置では、例えば燃料電池発電装置４の排熱が有効利用される。詳細には、排熱回収用熱交換器７により取り出された温水が給湯等に用いられる。あるいは、燃料電池発電装置４またはガスエンジン発電装置５の高温の排熱は、吸収式冷温水機に供給され、空気調和機などにおいて用いられる。

更に、第１の実施形態のバイオガス発電装置では、排熱回収用熱交換器７により取り出された温水が、加温用配管９に供給され、メタン発酵槽１から乾式脱硫塔２まで延びている接続配管６、および乾式脱硫塔２などを加熱するために用いられる。

図１に示すように、第１の実施形態のバイオガス発電装置では、バイオガス中に飽和で含有されている水分が乾式脱硫塔２内で凝縮するのに伴って乾式脱硫塔２の脱硫性能が低下してしまうのを回避するために、排熱回収用熱交換器７により取り出された温水によって、乾式脱硫塔２に供給されるバイオガスが加熱される。

このような構成により、第１の実施形態のバイオガス発電装置では、乾式脱硫塔２および接続配管６が、燃料電池発電装置４において一定温度に制御された温水によって一定の温度に加熱されるため、常に安定した量の水分を含んだバイオガスを乾式脱硫塔２に供給することができる。

第１の実施形態のバイオガス発電装置によれば、メタン発酵槽１において発生せしめられたバイオガスが流れる乾式脱硫塔２、接続配管６等のラインが、燃料電池発電装置４において一定温度に制御された温水によって一定の温度に加熱されるため、常に安定した量の水分を含んだバイオガスを乾式脱硫塔２に供給することができる。その結果、バイオガス中に含まれる数百〜数千ｐｐｍの硫化水素を酸化鉄の脱硫剤を用いて除去する乾式脱硫反応を安定して行うことができ、脱硫性能を安定させることができ、乾式脱硫塔２を長寿命にすることができ、乾式脱硫塔２の寿命を予想可能にすることができる。

以下、本発明のバイオガス発電装置の第２の実施形態について説明する。第２の実施形態のバイオガス発電装置は、図１に示した第１の実施形態のバイオガス発電装置と同様に構成されている。従って、第２の実施形態のバイオガス発電装置によれば、上述した第１の実施形態のバイオガス発電装置とほぼ同様の効果を奏することができる。

第２の実施形態のバイオガス発電装置では、乾式脱硫塔２に供給されるバイオガスの温度が、バイオガスの露点以上、脱硫触媒の反応上限温度以下の温度になるように、乾式脱硫塔２に供給されるバイオガスが加熱される。

本発明のバイオガス発電装置の第１の実施形態の概略構成図である。 従来のバイオガス発電装置の概略構成図である。

１ メタン発酵槽
２ 乾式脱硫塔
３ ガスホルダー
４ 燃料電池発電装置
５ ガスエンジン発電装置
６ 接続配管
７ 排熱回収用熱交換器
９ 加温用配管

Claims (2)

1. 有機性廃棄物をメタン発酵させてバイオガスを発生させるメタン発酵槽と、
   乾式脱硫塔と、
   前記メタン発酵槽から前記乾式脱硫塔へ前記バイオガスを供給する接続配管と、
   前記乾式脱硫塔の下流に接続された前記バイオガスを燃料として発電する発電装置と、
   前記発電装置の排熱を回収した温水が流れる加熱用配管とを備え、
   前記加熱用配管は、一部が前記接続配管に沿って配置され、前記接続配管を加熱することを特徴とするバイオガス発電装置。
2. 前記乾式脱硫塔に供給されるバイオガスの温度が、バイオガスの露点以上、脱硫触媒の反応上限温度以下の温度になるように前記加熱が行われることを特徴とする請求項１に記載のバイオガス発電装置。

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