JP4803990B2 - 下水汚泥由来のメタン濃縮方法及びメタン貯蔵装置 - Google Patents

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Description

本発明は、下水汚泥から発生する消化ガス中のメタンを濃縮する方法及びメタン貯蔵装置に関するものである。
下水処理場で行われる下水汚泥の消化工程においては、多量の可燃性の消化ガスが発生する。この消化ガスの主成分はメタンと炭酸ガスであり、その比率は概ね６：４であることが知られている。そこで特許文献１に示されるように、消化ガスを脱硫したうえガス分離膜に通して炭酸ガスを分離し、メタンを濃縮する装置が提案されている。
ところがこの特許文献１の装置では、その段落００１６に記載のようにガス分離膜として主として有機膜が用いられている。消化ガス中には多量の水分が含有されているが、一般に有機質のガス分離膜は耐水性に乏しいため、消化ガスを流した場合には長期間の連続使用により、膜の性能が低下するといった問題がある。このため特許文献１には記載されていないが、膜の交換を頻繁に行う必要があり、設備コスト及び運転コストが高くなるという問題がある。
また一般に有機膜は強度が低いため、消化ガスの圧力をあまり高くすることができない。特許文献１によれば好ましい圧力は２〜１０kg/cm２（≒０．２〜１ＭＰａ）であるが、圧力が低いと膜の炭酸ガス透過量が少ないため、メタンが十分に濃縮されない。
特開２００１−９４９号公報
本発明は上記した従来の問題点を解決し、消化ガス中に含まれるメタンを、従来のような多くの設備コストや運転コストを要することなく濃縮することができる下水汚泥由来のメタン濃縮方法及びメタン貯蔵装置を提供することを目的としてなされたものである。
上記の課題を解決するためになされた本発明の下水汚泥由来のメタン濃縮方法は、下水汚泥より発生するメタンを含む消化ガスを１．０〜３．５ＭＰａに加圧したうえ、ＤＤＲ型ゼオライト膜にクロスフロー方式で供給し、消化ガス中の炭酸ガスを分離除去してメタンガスを濃縮し、濃縮したメタンガスを再昇圧することなくメタン吸着貯蔵槽に投入し、メタンを吸着貯蔵させることを特徴とするものである。濃縮したメタンガスを再昇圧することなくメタン吸着貯蔵槽に投入し、メタンを吸着貯蔵させるようにすれば、貯蔵設備の小型化に寄与することができる。
また上記の課題を解決するためになされた本発明の下水汚泥由来のメタン貯蔵装置は、下水汚泥より発生するメタンを含む消化ガスを１．０〜３．５ＭＰａに加圧する加圧装置と、加圧された消化ガス中の炭酸ガスをクロスフロー方式で分離除去しメタンを濃縮するＤＤＲ型ゼオライト膜と、このＤＤＲ型ゼオライト膜により得られた高濃度メタンを再昇圧することなく吸着剤により吸着させ貯蔵するメタン吸着貯蔵槽とからなることを特徴とするものである。
本発明によれば、ＤＤＲ型ゼオライト膜により消化ガス中の炭酸ガスを分離除去する。ＤＤＲ型ゼオライトは結晶中に細孔構造を有し、その細孔径が炭酸ガスの分離に適しているうえ、耐水性に優れているので、下水汚泥から発生する消化ガス中に含まれている水分により劣化することがなく、長期の使用に耐える。また、ＤＤＲ型ゼオライト膜は炭酸ガス選択透過性能に優れるため、透過ガス中の炭酸ガス濃度が高く、またメタン回収口からのメタンの回収率が高い。
またＤＤＲ型ゼオライト膜は強度が高いため、消化ガスを加圧装置により１．０〜３．５ＭＰａに加圧してガス分離を行わせることができる。そしてそのまま再昇圧することなくメタン吸着貯蔵槽に投入することによって、貯蔵設備の小型化を図ることができる。圧力が１．０ＭＰａ未満では膜の分離能力が低く、逆に３．５ＭＰａを越えると，圧縮貯蔵との貯蔵効率の比が小さく、吸着貯蔵の利点が生かせないばかりでなく、設備の耐圧化のコストが高額となるため、経済性の観点からも好ましくない。本発明では最初に消化ガスを加圧しておけば、その圧力をメタンの濃縮にもメタンの貯蔵にも利用することができる。
以下に本発明の好ましい実施形態を示す。
図１は本発明を利用した消化ガスの高度利用システムの全体図である。１は下水処理を行う消化槽であり、消化ガスが連続的に排出される。消化ガスは前記したようにメタンと炭酸ガスをほぼ６：４の比率で含有し、その他に水分、硫黄酸化物などの不純物をも含有している。消化ガスは先ず業界において周知の脱硫装置２により硫黄分を除去されたうえ、加圧装置３によって１．０〜３．５ＭＰａに加圧される。場合によっては、消化ガスを加圧した後、脱硫装置２により硫黄分を除去してもよい。
加圧された消化ガスは、次にガス分離モジュール４に送られる。ガス分離モジュール４は圧力容器の内部にＤＤＲ型ゼオライト膜５を設けたものである。この実施形態において用いたＤＤＲ型ゼオライト膜５は、基体となるアルミナ多孔質体の表面に形成されたものである。ＤＤＲ型ゼオライトは主成分がシリカからなる結晶であり、結晶中に細孔構造を有している。その細孔は酸素８員環からなる多角形によって形成され、細孔径は４．４×３．６オングストロームである。このため分子径がこれよりも小さい炭酸ガスは容易に通過するが、分子径の大きいメタンは通過しにくく、この性質を利用して分子篩として用いることができる。なおＤＤＲ型ゼオライト膜の製造方法については、本出願人の特開２００３−１５９５１８号公報に詳細に説明されている。
図１に示すように、加圧された消化ガスはガス分離モジュール４にクロスフロー方式で供給される。クロスフロー方式によれば大量の消化ガスを連続的に処理することが可能となる。消化ガス中の炭酸ガスはＤＤＲ型ゼオライト膜５を容易に通過して透過ガス出口６から放出され、炭酸ガスが分離除去されることにより濃縮されたメタンがメタン回収口７から取り出される。ガス分離モジュール４の内圧を１．０〜３．５ＭＰａの範囲内の所定圧力に維持する。このように消化ガスを加圧することによって炭酸ガスの分離除去を速やかに行うことが可能となり、小型のガス分離モジュール４によって効率よくメタンの濃縮が行える。なお、消化ガスの流量及び圧力がモジュール出口メタン濃度、メタン回収率に及ぼす影響については、後記する実施例において詳細に説明する。
ガス分離モジュール４により濃縮されたメタンは濃縮時の加圧下、すなわち１．０〜３．５ＭＰａの範囲内の所定圧力で再昇圧することなくメタン吸着貯蔵槽９に投入され、メタンを吸着貯蔵させる。メタン吸着貯蔵槽９としては、例えば活性炭を吸着剤としたものを実用的に用いることができる。このようにして貯蔵された高濃度メタンは、ガスタービン１０や燃料電池１１などの発電システムにおいて電力に変換され、またボイラ１２により熱エネルギに変換される。この熱エネルギ及び発電システムから生じる排熱は、図１に示すように消化槽１の加温のために利用することができる。
図２はメタンガスの圧力と貯蔵能力との関係を示すグラフである。縦軸は貯蔵タンクの単位容積に対する貯蔵できるメタンガスの１気圧における容積を示している。実線は単なる圧縮貯蔵を行った場合の値であるが、吸着貯蔵を行うことにより多量のメタンを貯蔵できることが分かる。貯蔵能力は圧力の増加とともに次第に上昇しているが、圧力が３．５ＭＰａを越えると圧縮貯蔵との貯蔵効率の比が小さく、吸着貯蔵の利点が生かせないばかりでなく、設備の耐圧化のコストが高額となるため、経済性、実用性の観点から３．５ＭＰａ以下の範囲が好ましいと考えられる。
このように本発明では消化ガスを加圧したうえ、ＤＤＲ型ゼオライト膜５により炭酸ガスを分離除去してメタンガスを濃縮し、貯蔵する。ＤＤＲ型ゼオライト膜５による炭酸ガスの分離性能については、以下に示す実験により確認した。
図３に示したガス分離モジュールを作成し、消化ガス中のメタン濃縮の実験を行った。このガス分離モジュールは、圧力容器２０の内部に円柱状のアルミナ柱２１を封入したものである。アルミナ柱２１はガスが自由に通過できる連通孔を有する多孔質体であり、その円周面にガス分離膜であるＤＤＲ型ゼオライト膜２２が２μｍの厚さに形成されている。その膜面積は６８．４ｃｍ２である。圧力容器２０にはガス導入口２３、ガス排出口２４、透過ガス回収口２５，２６が形成されているが、透過ガス回収口２６は目封じされている。２７は消化ガスが透過ガス回収口２５に洩れることを防止するためのＯリングであり、予備実験により十分なシール性を持つことを確認した。
実験に使用した消化ガスはメタン５０．９％、炭酸ガス４９．１％の組成のもので、室温条件（２４〜２６℃）下において１ＭＰａまで圧力を変えて実験を行った。ガス導入口２３から供給された消化ガスはＤＤＲ型ゼオライト膜２２の側方を通過してガス排出口２４から取り出されるが、この間に消化ガス中の炭酸ガスはＤＤＲ型ゼオライト膜２２の膜面を通過してアルミナ柱２１の内部に入り、その端面から透過ガス回収口２５に流れて排出される。ガス導入口２３、ガス排出口２４、透過ガス回収口２５にそれぞれ流量計を取付け、流量を測定した。またガス排出口２４、透過ガス回収口２５から排出されるガスの組成をガスクロマトグラフィーにより分析した。
図４は、消化ガスの供給圧力及び流量がガス排出口２４から排出されるメタン濃度に与える影響を示したグラフであり、流量を減少させるほど、また供給圧力を高くするほど出口メタン濃度が高くなることを示している。例えば出口メタン濃度を７０％まで濃縮したい場合、供給圧力が０．４ＭＰａでは４Ｎｍ３/（ｍ２・ｈ）までしか処理できないのに対して、供給圧力が１ＭＰａの場合には約２３Ｎｍ３/（ｍ２・ｈ）まで処理できる。このようにＤＤＲ型ゼオライト膜２２によるメタン濃縮には供給圧力が高い方が好ましい。
図５は、消化ガスの供給圧力及び流量とメタン回収率との関係を示すグラフである。ＤＤＲ型ゼオライト膜２２は炭酸ガス／メタンの分離性能が高く透過側にメタンはほとんど透過しないため、図示のように優れたメタン回収率が得られる。
上記の実験結果から、ＤＤＲ型ゼオライト膜２２を用いて消化ガス中のメタンの濃縮が可能であることが確認できた。またメタン濃縮には供給圧力が高い方が好ましいことが確認できた。本発明によれば、消化ガス中に含まれるメタンを、多くの設備コストや運転コストを要することなく経済的に濃縮することができる。
本発明を利用した消化ガスの高度利用システムの全体図である。 メタンガスの圧力と貯蔵能力との関係を示すグラフである。 実施例で用いたガス分離モジュールの断面図である。 消化ガスの供給圧力及び流量とメタン濃度との関係を示すグラフである。 消化ガスの供給圧力及び流量とメタン回収率との関係を示すグラフである。
１ 消化槽
２ 脱硫装置
３ 加圧装置
４ ガス分離モジュール
５ ＤＤＲ型ゼオライト膜
６ 透過ガス出口
７ メタン回収口
９ メタン吸着貯蔵槽
１０ ガスタービン
１１ 燃料電池
１２ ボイラ
２０ 圧力容器
２１ アルミナ柱
２２ ＤＤＲ型ゼオライト膜
２３ ガス導入口
２４ ガス排出口
２５ 透過ガス回収口
２６ 透過ガス回収口
２７ Ｏリング

Claims (2)

  1. 下水汚泥より発生するメタンを含む消化ガスを１．０〜３．５ＭＰａに加圧したうえ、ＤＤＲ型ゼオライト膜にクロスフロー方式で供給し、消化ガス中の炭酸ガスを分離除去してメタンガスを濃縮し、濃縮したメタンガスを再昇圧することなくメタン吸着貯蔵槽に投入し、メタンを吸着貯蔵させることを特徴とする下水汚泥由来のメタン濃縮方法。
  2. 下水汚泥より発生するメタンを含む消化ガスを１．０〜３．５ＭＰａに加圧する加圧装置と、加圧された消化ガス中の炭酸ガスをクロスフロー方式で分離除去しメタンを濃縮するＤＤＲ型ゼオライト膜と、このＤＤＲ型ゼオライト膜により得られた高濃度メタンを再昇圧することなく吸着剤により吸着させ貯蔵するメタン吸着貯蔵槽とからなることを特徴とする下水汚泥由来のメタン貯蔵装置。
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