JP5119370B1

JP5119370B1 - 都市ガス導管へのバイオガス注入設備

Info

Publication number: JP5119370B1
Application number: JP2012126121A
Authority: JP
Inventors: 暢大中村; 智裕丸山; 勝生松本; 博司宮本; 博之向; 誠棚橋
Original assignee: Kobelco Eco Solutions Co Ltd
Current assignee: Shinko Pantec Co Ltd
Priority date: 2012-06-01
Filing date: 2012-06-01
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2032-06-01
Also published as: JP2013249405A

Abstract

【課題】精製ガスの熱量と付臭濃度の調整が容易となる構成を備えた都市ガス導管へのバイオガス注入設備を提供すること。
【解決手段】消化ガスを精製することで得られる精製ガスに残存する少なくとも二酸化炭素を除去する微量成分除去装置９１と、微量成分除去装置９１を通過した精製ガスにＬＰＧを注入して当該精製ガスの熱量を調整する熱量調整装置９２と、ＬＰＧが注入された精製ガスに付臭剤を添加する付臭装置２３と、を備える都市ガス導管へのバイオガス注入設備１００である。微量成分除去装置９１とＬＰＧが注入される位置Ｐとの間の精製ガス管７０部に、ガス流量計２４、およびガス流量計２４からの流量信号に基づいて当該精製ガス管７０部を流れるガス流量を調整する精製ガス管流量調整弁２５を設けている。
【選択図】図１

Description

本発明は、都市ガス導管へのバイオガス注入設備に関する。

バイオガスとは、生物の排泄物、有機質肥料、生分解性物質、汚水、生ごみなどの発酵、嫌気性消化により発生するガスのことをいう（主成分は、メタンである）。また、都市ガスとは、メタンを主成分とする（天然ガスを原料とする）燃料用ガスのことをいう。

ここで、下水汚泥や生ごみといった有機性廃棄物や食品工場排水などの有機性排水などのバイオマスをメタン発酵させることにより得られるバイオガスが、新しいエネルギーとして注目されている。このメタン発酵処理させて得られたバイオガスは、通常「消化ガス」と呼ばれ、この消化ガス中の成分は、メタンが約６０容量％、二酸化炭素が約４０容量％である。近年、この消化ガスを精製し、得られた精製ガスが、都市ガスのように各家庭に供給されること、すなわち、精製された消化ガスが、都市ガスとして利用されることが待ち望まれている。

消化ガスを精製し、都市ガスとして利用するための技術としては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。特許文献１には、消化ガスを精製したメタンガス中に残存する酸素を除去するのに有効な技術が記載されている。

特開２０１０−２２９２４８号公報

一方、精製した消化ガス（精製ガス）を、都市ガスとして利用するためには、精製ガスの熱量、付臭濃度などを、都市ガスとして要求（規定）される範囲内に調整する必要がある。また、既設の都市ガス導管に精製ガスを供給する場合、消化ガスの発生量に変動があるなどの理由で、精製ガスの供給量（流量）を調整できるようにしておく必要がある。

都市ガス導管への精製ガスの供給量（流量）を調整する、という目的では、都市ガス導管に接続する位置のすぐ手前の精製ガス管部に流量調整弁を設けてガス流量を調整できるようにしておくことが合理的であると考えられる。

しかしながら、本発明者らは、精製ガスの熱量を調整するための高カロリーガスの注入点で精製ガスの流量安定性が低いと、精製ガスの熱量を都市ガスとして要求（規定）される範囲内に調整することが難しいことを見出した。また精製ガスの付臭濃度を調整するための付臭剤の注入点で精製ガスの流量安定性が低いと、精製ガスの付臭濃度を都市ガスとして要求（規定）される範囲内に調整することが難しいことを見出した。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、精製ガスの熱量と付臭濃度の調整が容易となる構成を備えた都市ガス導管へのバイオガス注入設備を提供することである。

本発明は、バイオガスに含まれる二酸化炭素および硫黄系不純物を除去することで得られる精製ガスに残存する少なくとも二酸化炭素を除去する微量成分除去装置と、前記微量成分除去装置を通過した前記精製ガスにメタンガスよりも熱量の大きい高カロリーガスを注入して当該精製ガスの熱量を調整する熱量調整装置と、前記高カロリーガスが注入された前記精製ガスに付臭剤を添加する付臭装置と、を備える都市ガス導管へのバイオガス注入設備であって、前記微量成分除去装置と前記高カロリーガスが注入される位置との間の精製ガス管部に、ガス流量計、および当該ガス流量計からの流量信号に基づいて当該精製ガス管部を流れるガス流量を調整する精製ガス管流量調整弁を設けている。

本発明によると、高カロリーガスの注入点で精製ガスの流量が安定し、その結果、精製ガスの熱量と付臭濃度の調整が容易となる。

本発明の一実施形態に係る都市ガス導管へのバイオガス注入設備を示すブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明では、下水汚泥をメタン発酵させることにより得られる消化ガス（バイオガス）を都市ガス導管へ供給するための精製対象としているが、本発明は、下水汚泥をメタン発酵させることにより得られる消化ガス以外のバイオガスにも適用することができる。

（バイオガス注入設備の構成）
図１に示したように、消化タンク１で発生した消化ガスは、バイオガス精製装置２に送られ、バイオガス精製装置２にて消化ガスに含まれる二酸化炭素および硫黄系不純物が除去される。二酸化炭素および硫黄系不純物が除去されることで得られた精製ガスは、中圧ガスホルダー３に貯留される。その後、精製ガスは、バイオガス注入設備１００（都市ガス導管へのバイオガス注入設備）を経て、都市ガスが流れる都市ガス導管２８へ供給される。

（消化タンク）
消化タンク１には、図示を省略する下水処理設備から下水を処理することにより発生する濃縮汚泥が送られてくる。消化タンク１は、投入された濃縮汚泥を嫌気性消化させるものであり、これにより消化ガスが発生する。消化ガスの主成分は、メタン、二酸化炭素であり、メタンが約６０容量％、二酸化炭素が約４０容量％である。

（バイオガス精製装置）
バイオガス精製装置２は、消化ガスに含まれる二酸化炭素および硫黄系不純物（例えば、Ｈ_２Ｓ）を除去することで消化ガスを精製するための装置である。例えば、消化ガスと水とを接触させることにより、消化ガスに含まれる二酸化炭素および硫黄系不純物を水に溶解させて、消化ガスから二酸化炭素および硫黄系不純物を分離除去する。下水処理場においては、例えば、砂ろ過水を消化ガス精製用の水として用いる。

（中圧ガスホルダー）
中圧ガスホルダー３は、バイオガス精製装置２にて消化ガスを精製することで得られた精製ガスを一旦貯留するためのタンクである。中圧ガスホルダー３内の圧力は、圧力計４にて計測され、例えば、０．４ＭＰａ〜１．０ＭＰａの範囲の圧力とされる。

（バイオガス注入設備）
バイオガス注入設備１００を構成する主要装置は、微量成分除去装置９１と、熱量調整装置９２と、付臭装置２３と、である。なお、中圧ガスホルダー３と都市ガス導管２８との間は、精製ガス管７０で結ばれている。また、中圧ガスホルダー３と微量成分除去装置９１との間の精製ガス管７０部から精製ガス管７１が分岐されている。この精製ガス管７１は、精製ガスを他の用途に用いるための移送管である。他の用途としては、例えば、天然ガス自動車の燃料ガス、下水処理設備のうち消化設備を構成する温水ボイラーの燃料ガス、などの用途が挙げられる。

（微量成分除去装置）
微量成分除去装置９１は、バイオガス精製装置２にて精製された精製ガスに残存する酸素および二酸化炭素を除去するための装置である。なお、都市ガスとして要求（規定）される酸素濃度は、例えば、０．０１容量％以下であり、二酸化炭素濃度は、例えば、０．５容量％以下である。

微量成分除去装置９１のうち精製ガスに残存する酸素を除去するための主要機器は、水素供給手段としての水電解装置である水電解式高純度水素酸素発生１３と、水素流量制御装置１５と、酸素除去触媒塔２０と、である。酸素除去触媒塔２０には、例えば、パラジウム（Ｐｄ）が充填されている。

圧力計４と酸素除去触媒塔２０との間の精製ガス管７０部にはガス流量計１１が設けられ、ガス流量計１１と水素が注入される位置との間の精製ガス管７０部を流れる精製ガスの酸素濃度は、酸素濃度計１２で測定される。水電解式高純度水素酸素発生１３で発生した水素を精製ガス管７０に注入するための水素供給管には、水素流量計１４および水素流量調整弁１６が設けられている。

また、酸素除去触媒塔２０の下流側の精製ガス管７０部には、ガス冷却器２１および除湿器２２が設けられている。下水処理場においては、例えば、砂ろ過水を冷却用の水としてガス冷却器２１に供給する。

ここで、水素流量制御装置１５には、ガス流量計１１、酸素濃度計１２、水素流量計１４、および付臭装置２３の下流側の精製ガス管７０部を流れる精製ガスの酸素濃度を測定する酸素濃度計４０からの信号が入力される。水素流量制御装置１５は、これらの信号をもとに必要な水素量を求め、水素流量調整弁１６を制御して、精製ガス管７０に注入する水素量を調整する。

精製ガス管７０に注入された水素と精製ガスに残存する酸素とは、酸素除去触媒塔２０内にて触媒反応し水となる。触媒反応熱はガス冷却器２１にて取り去られ、触媒反応により生成した水（水分）は除湿器２２にて除去される。

次に、酸素除去触媒塔２０とガス冷却器２１との間の精製ガス管７０部には二酸化炭素除去器１０が設けられている。二酸化炭素除去器１０は、吸着剤が充填された少なくとも２つの並列配置された吸着塔を備えている。ここで、２つの吸着塔を備える二酸化炭素除去器１０について、吸着剤に吸着した二酸化炭素の除去運転について説明する。吸着した二酸化炭素を除去する際、除去する方の吸着塔の入側および出側の弁を閉じ、吸着塔内を真空引きすることで二酸化炭素を除去する。このとき、並列配置された他方の吸着塔には精製ガスを流している。二酸化炭素の除去が完了すると、２つの吸着塔内の圧力を一定に戻した後（均圧工程）、二酸化炭素の吸着を再開する。二酸化炭素除去器１０に精製ガスを流し続けるため、２つの吸着塔内の吸着剤に吸着した二酸化炭素を同時除去することはできず、このように、吸着塔を切り替えて二酸化炭素を除去する。なお、精製ガスに残存する二酸化炭素を除去するための手段は、吸着剤が充填された少なくとも２つの並列配置された吸着塔を備える形式の二酸化炭素除去器１０に限定されない。

（熱量調整装置）
熱量調整装置９２は、微量成分除去装置９１を通過した精製ガスにメタンガスよりも熱量の大きい高カロリーガスであるＬＰＧを注入して精製ガスの熱量を調整するための装置である。なお、精製ガスに注入する高カロリーガスはＬＰＧに限定されない。

熱量調整装置９２は、ＬＰＧ供給装置３０と、ＬＰＧ流量制御装置３２とを備えている。ＬＰＧを精製ガス管７０に注入するためのＬＰＧ供給管には、ＬＰＧ流量計３１およびＬＰＧ流量調整弁３３が設けられている。精製ガス管７０へのＬＰＧ注入点Ｐ（注入位置）は、微量成分除去装置９１よりも下流側の精製ガス管７０部とされている。

ここで、ＬＰＧ流量制御装置３２には、ＬＰＧ流量計３１、および後述するガス流量計２４からの信号が入力される。ＬＰＧ流量制御装置３２は、これらの信号をもとに必要なＬＰＧ量を求め、ＬＰＧ流量調整弁３３を制御して、精製ガス管７０に注入するＬＰＧ量を調整する。

（付臭装置）
付臭装置２３は、ＬＰＧが注入された精製ガスに付臭剤（ＴＢＭ＋ＤＭＳ）を添加するための装置である。付臭装置２３は、ＬＰＧ注入点Ｐよりも下流側の精製ガス管７０部に設けられている。
（ガス流量計および精製ガス管流量調整弁）
ここで、微量成分除去装置９１とＬＰＧ注入点Ｐとの間の精製ガス管７０部には、当該精製ガス管７０部を流れる精製ガスの流量を測定するガス流量計２４、およびガス流量計２４からの流量信号に基づいて当該精製ガス管７０部を流れるガス流量を調整する精製ガス管流量調２５整弁が設けられている。より具体的には、本実施形態では、除湿器２２とＬＰＧ注入点Ｐとの間の精製ガス管７０部に、ガス流量計２４および精製ガス管流量調整弁２５が設けられている。

さらには、ガス流量計２４は、精製ガス管流量調整弁２５とＬＰＧ注入点Ｐとの間に設けられている。

なお、精製ガス管流量調整弁２５とガス流量計２４との間隔は、ガス流量計２４の測定値に影響がでない範囲でできるだけ小さいほうが好ましい。すなわち、ガス流量計２４の測定値に影響がでない範囲で、ガス流量計２４の直近に精製ガス管流量調整弁２５を設けることが好ましい。また、精製ガス管流量調整弁２５は、除湿器２２（微量成分除去装置９１）とＬＰＧ注入点Ｐとの間の真ん中よりもＬＰＧ注入点Ｐ側、さらには、ガス流量計２４の測定値に影響がでない範囲で、できるだけＬＰＧ注入点Ｐ近くに設けられることが好ましい。

なお、精製ガス管流量調整弁２５とガス流量計２４との順序は逆であってもよい。すなわち、微量成分除去装置９１を構成する機器である除湿器２２と精製ガス管流量調整弁２５との間にガス流量計２４を設けてもよい。

精製ガス管流量調整弁２５は、空気作動弁であってもよいし、電動弁であってもよい（他の調整弁についても同様）。

精製ガス流量制御装置６０には、圧力計４、およびガス流量計２４からの信号が入力される。精製ガス流量制御装置６０は、これらの信号をもとに精製ガス管流量調整弁２５を制御して精製ガス管７０を流れる精製ガスの流量が所定の値となるようにガス流量を調整する。なお、圧力計４からの信号は用いず、ガス流量計２４からの信号のみをもとに精製ガス管流量調整弁２５を制御してガス流量を調整してもよい。精製ガスの流量の調整範囲は、例えば、２７〜１６７Ｎｍ^３／ｈｒである。

（バイオガス注入設備を構成するその他の機器）
バイオガス注入設備１００には、上記した機器以外に、分析計４１、遮断弁２６・５０、減圧弁２７、ガス燃焼装置５２が設けられている。

（作用・効果）
消化ガス（バイオガス）の発生量は変動するため、それを精製した精製ガスの流量は変動する。また、都市ガス用途以外に用いる精製ガス量が変動することによっても都市ガスとして用いる精製ガスの流量は変動する。中圧ガスホルダー３に精製ガスを一旦貯留することで、精製ガスの流量の変動をある程度抑えることはできるが十分ではない。また、前記したように、二酸化炭素除去器１０には、吸着塔の切り替え、均圧工程などがあり、これらによっても精製ガス管７０を流れる精製ガスの流量は変動する。

一方、精製ガスを都市ガスとして利用するためには、精製ガスの熱量を、都市ガスとして要求（規定）される範囲内に調整する必要があるが、精製ガスの熱量を調整するための高カロリーガスの注入点で精製ガスの流量安定性が低いと、精製ガスの熱量を都市ガスとして要求（規定）される範囲内に調整することが難しい。また精製ガスの付臭濃度を調整するための付臭剤の注入点で精製ガスの流量安定性が低いと、精製ガスの付臭濃度を都市ガスとして要求（規定）される範囲内に調整することが難しい。

しかしながら、微量成分除去装置９１と高カロリーガスが注入される注入点Ｐとの間の精製ガス管７０部に、ガス流量計２４および精製ガス管流量調整弁２５を設け、このガス流量計２４からの流量信号に基づいて精製ガス管流量調整弁２５により精製ガスの流量を調整することで、注入点Ｐでの精製ガスの流量が従来よりも安定する（変動が小さくなる）。その結果、精製ガスの熱量の調整が容易となる。また、付臭装置２３は、注入点Ｐよりも下流側に設けられているので、注入点Ｐでの精製ガスの流量が従来よりも安定することで、それよりも下流側に位置する付臭剤の注入点での精製ガスの流量も従来よりも安定し、精製ガスの付臭濃度の調整も容易となる。

また、精製ガス管流量調整弁２５とＬＰＧ注入点Ｐとの間、すなわち、精製ガス管流量調整弁２５の二次側（下流側）にガス流量計２４を設けることで、注入点Ｐにより近い位置のガス流量に基づいて精製ガスの流量を調整することになり、注入点Ｐでの精製ガスの流量がより安定する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。

１：消化タンク
２：バイオガス精製装置
３：中圧ガスホルダー
２３：付臭装置
２４：ガス流量計
２５：精製ガス管流量調整弁
２８：都市ガス導管
７０：精製ガス管
９１：微量成分除去装置
９２：熱量調整装置
１００：都市ガス導管へのバイオガス注入設備
Ｐ：ＬＰＧ（高カロリーガス）が注入される位置

Claims

バイオガスに含まれる二酸化炭素および硫黄系不純物を除去することで得られる精製ガスに残存する少なくとも二酸化炭素を除去する微量成分除去装置と、
前記微量成分除去装置を通過した前記精製ガスにメタンガスよりも熱量の大きい高カロリーガスを注入して当該精製ガスの熱量を調整する熱量調整装置と、
前記高カロリーガスが注入された前記精製ガスに付臭剤を添加する付臭装置と、
を備える都市ガス導管へのバイオガス注入設備において、
前記微量成分除去装置と前記高カロリーガスが注入される位置との間の精製ガス管部に、ガス流量計、および当該ガス流量計からの流量信号に基づいて当該精製ガス管部を流れるガス流量を調整する精製ガス管流量調整弁が設けられており、
前記精製ガス管流量調整弁は、前記微量成分除去装置と、前記高カロリーガスが注入される位置との間の真ん中よりも、前記高カロリーガスが注入される位置側に設けられていることを特徴とする、都市ガス導管へのバイオガス注入設備。
請求項１に記載の都市ガス導管へのバイオガス注入設備において、
前記ガス流量計は、前記精製ガス管流量調整弁と前記高カロリーガスが注入される位置との間に設けられていることを特徴とする、都市ガス導管へのバイオガス注入設備。