JP5248352B2 - ガス精製装置 - Google Patents
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Description
本発明は、メタンと二酸化炭素を主成分とするガスを精製し濃縮メタンを得るガス精製装置に関する。
この種のガス精製装置としては、メタンと二酸化炭素を主成分とする原料ガス（メタン５０〜６５％、二酸化炭素３５〜５０％、若干の硫化水素を含む混合ガス）と水とを加圧し高圧状態で接触させることによって二酸化炭素を高圧水に溶解させ、これにより、原料ガスから二酸化炭素を分離して濃縮メタンを得るものが知られている。（例えば、特許文献１参照）。この濃縮メタンは、天然ガス自動車の燃料としたり、ガス会社に販売されるため、９７％程度以上の濃度が要求される。
ここで、上記装置にあっては、メタン濃度が９７％程度迄高まるものの、水及びガスを加圧する必要があることから、運転動力が極めて大きくなってしまう。
また、加圧によって二酸化炭素の溶解度は高まるが、これと同時にメタンの溶解度も高まってしまい、水中に溶解したメタンが圧力開放により大気に放出されるため、温室効果ガス排出の観点からも好ましくない。
本発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、運転動力を低減し且つ温室効果ガスを削減しつつ、高いメタン回収率で高濃度のメタンを得ることができるガス精製装置を提供することを目的とする。
本発明によるガス精製装置は、メタンと二酸化炭素を主成分とするガスを、常圧で洗浄する洗浄手段と、洗浄手段で洗浄されたガスの水分を除去する水分除去手段と、水分除去手段で水分が除去されたガスの湿度を低減させる湿度低減手段と、湿度低減手段で湿度が低減されたガスを、メタンを主成分とする精製ガスとオフガスとに分離する分離膜と、分離膜で分離されたオフガスを洗浄手段又は洗浄手段より上流側に戻すオフガス戻しラインと、を具備したことを特徴としている。
このようなガス精製装置によれば、メタンと二酸化炭素を主成分とするガスは、洗浄手段により常圧で洗浄され、加圧動力を用いること無く二酸化炭素が洗浄水に溶解しメタン濃度９０％程度迄高くされたメタンを含むガスとされる。このガスは、その水分が水分除去手段により除去され、この水分が除去されたガスは、その湿度が湿度低減手段により低減され、水分が除去されると共に湿度が低減されたガスは、分離膜において結露して目詰まりを起こさせること無くこの目詰まりが防止され本来の機能を十分に発揮する分離膜により、メタンを主成分とする精製ガスとオフガスとに効果的に分離され、例えばコンプレッサ等、膜分離の際に必要とされる少ない圧縮用の運転動力のみで、前段の洗浄手段により９０％程度迄高められたメタン濃度が９８％程度迄高められると共に、オフガスは、オフガス戻しラインにより洗浄手段又は洗浄手段より上流側に戻され、メタン回収率も９５％程度迄高められ温室効果ガスが削減される。すなわち、運転動力を低減し且つ温室効果ガスを削減しつつ、高いメタン回収率で高濃度のメタンを得ることができる。
なお、本発明者は、鋭意研究の結果、メタンと二酸化炭素を主成分とするガスを洗浄し、この洗浄ガスを分離膜に通すと、分離膜において結露により目詰まりが生じて分離膜が十分に機能しなくなり、所望のメタン濃度の精製ガスが得られないことを見出すと共に、この洗浄ガスから水分除去手段により水分を除去し、この水分を除去したガスの湿度を湿度低減手段により低減すれば、分離膜において結露による目詰まりを防止できることを見出し、これらを見出したことにより本発明に至っている。
ここで、上記作用を効果的に奏する構成としては、具体的には、水分除去手段は、洗浄手段で洗浄されたガスを冷却する冷却器と、冷却器で冷却されることにより生じた凝縮水を、ガスから分離して取り除く水取器と、を備える構成が挙げられる。
また、上記作用を効果的に奏する構成としては、具体的には、湿度低減手段を、加温により湿度を低減させる加温器とすることができる。
また、排水を導入し浄化処理する排水処理装置を備え、処理水を、洗浄手段で用いる洗浄水として供給する洗浄水供給ラインを有していると、排水処理装置の処理水が有効に利用される。
このように本発明によるガス精製装置によれば、運転動力を低減し且つ温室効果ガスを削減しつつ、高いメタン回収率で高濃度のメタンを得ることができるガス精製装置を提供することができる。
以下、本発明によるガス精製装置の好適な実施形態について図１を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るガス精製装置を示すブロック構成図である。
図１に示すように、ガス精製装置１００は、バイオガスを生成し所定の処理を施すことで精製し濃縮メタンを得るガス処理装置４０と、このガス処理装置４０に対して付設された排水処理装置５０とを具備している。
ガス処理装置４０は、メタン発酵槽１、ガスホルダ２、脱硫塔（脱硫手段）３、洗浄塔（洗浄手段）４、コンプレッサ５、冷却器６及び水取器７を有する水分除去手段８、加温器（湿度低減手段）９、分離膜１０をこの順に接続して備えている。このガス処理装置４０は、分離膜１０とメタン発酵槽１とを接続するオフガス戻しラインＬ１を備えると共に、このオフガス戻しラインＬ１に、分離膜１０側から、バッファタンク１１、ブロワ１２をこの順に備え、さらに、メタン発酵槽１に対して脱水機１６を接続して備えている。
排水処理装置５０は、脱窒槽１３、硝化槽１４、沈殿槽（固液分離手段）１５をこの順に接続して備えると共に、沈殿槽１５と脱窒槽１３とを接続する汚泥戻しラインＬ２、硝化槽１４と脱窒槽１３とを接続する汚泥混合液戻しラインＬ３を備えている。
さらに、ガス処理装置４０と排水処理装置５０とに跨って、沈殿槽１５と洗浄塔４とを接続する洗浄水供給ラインＬ４、洗浄塔４と硝化槽１４とを接続する洗浄排水戻しラインＬ５、水取器７と脱窒槽１３とを接続するラインＬ６、脱水機１６と脱窒槽１３とを接続するラインＬ７を有している。
先ず、ガス処理装置４０について説明する。
メタン発酵槽１は、導入する有機汚泥、有機廃棄物、有機排水等を嫌気性微生物によりメタン発酵するためのものであり、メタンと二酸化炭素を主成分とし若干の硫化水素を含むバイオガスを生成する。
ガスホルダ２は、メタン発酵槽１からのバイオガスを一旦貯蔵するためのものである。
脱硫塔３は、ガスホルダ２からのバイオガスを脱硫するためのものである。この脱硫塔３としては、湿式又は乾式又は例えば活性炭等による吸着式又はこれらの組み合わせが採用される。なお、この脱硫塔３は、バイオガス中の硫黄分が少ない場合には不要とされる。また、脱硫塔３を湿式とした場合には、バイオガス中の二酸化炭素が水側に溶解して低減するという効果も得られる。
洗浄塔４は、脱硫塔３からのガスを洗浄水により洗浄し、ガス中の二酸化炭素を洗浄水に溶解させるためのものである。この洗浄塔４は、ガスを塔下部から導入し塔上部から排出する一方で、常圧の洗浄水を塔上部から導入し塔下部から排出する所謂向流洗浄式が採用されている。
洗浄塔４と硝化槽１４とを接続する洗浄排水戻しラインＬ５は、洗浄塔４の洗浄排水を硝化槽１４に送るためのものである。
コンプレッサ５は、洗浄塔４からのガスを圧縮して後段に供するためのものであり、後段の分離膜１０によるガス分離を良好に行うための運転動力（圧縮のための動力）とされる。
水分除去手段８を構成する前段の冷却器６は、洗浄塔４からのガスを冷却してガス中の水分を凝縮させ凝縮水を生成するものである。
水分除去手段８を構成する後段の水取器７は、冷却器６からのガスから凝縮水を分離して取り除くためのものである。
水取器７と脱窒槽１３とを接続するラインＬ６は、水取器７で取り除かれた凝縮水を脱窒槽１３に送るためのものである。
加温器９は、水取器９からのガスを加温し湿度を低減させるためのものである。
分離膜１０は、加温器９からのガスを、ガスの透過のしやすさの違いを利用して膜により、メタンを主成分とする精製ガスとオフガスとに分離するためのものである。
分離膜１０とメタン発酵槽１とを接続するオフガス戻しラインＬ１は、分離膜１０からのオフガスをメタン発酵槽１に送るためのものである。
オフガス戻しラインＬ１のバッファタンク１１は、分離膜１０からのオフガスを一旦貯蔵するためのものである。
オフガス戻しラインＬ１のブロワ１２は、バッファタンク１１からのオフガスを加圧しメタン発酵槽１に供するためのものである。
脱水機１６は、メタン発酵槽１の残渣である消化汚泥を脱水するためのものであり、メタン発酵槽１に導入される固形物濃度が高い原料の場合に用いられる。
脱水機１６と脱窒槽１３とを接続するラインＬ７は、脱水機１６で汚泥から脱水した脱水分離液を脱窒槽１３に送るためのものである。
なお、メタン発酵槽１に導入される固形物濃度が低くＵＡＳＢやＥＧＳＢ法と呼ばれる方式でメタン発酵させる有機性排水の場合には、消化汚泥は脱水機１６を介さずに排水処理装置５０の脱窒槽１３に直接送られる。
次いで、排水処理装置５０について説明する。
脱窒槽１３は、導入する排水、及び、ラインＬ７からの脱水分離液、ラインＬ６からの凝縮水を生物学的脱窒するためのものである。
硝化槽１４は、脱窒槽１３からの汚泥混合液、洗浄排水戻しラインＬ５からの洗浄排水を生物学的硝化するためのものである。
沈殿槽１５は、硝化槽１４からの汚泥混合液を沈降汚泥と上澄みの処理水とに固液分離するものである。
沈殿槽１５と洗浄塔４とを接続する洗浄水供給ラインＬ４は、沈殿槽１５の処理水を洗浄水として洗浄塔４に送るためのものであり、沈殿槽１５と脱窒槽１３とを接続する汚泥戻しラインＬ２は、沈殿槽１５の沈降汚泥を脱窒槽１３に送るためのものであり、硝化槽１４と脱窒槽１３とを接続する汚泥混合液戻しラインＬ３は、硝化槽１４からの汚泥混合液を脱窒槽１３に送るためのものである。
次に、このように構成されたガス精製装置１００の作用について説明する。
メタン発酵槽１に導入された有機物は当該メタン発酵槽１でメタン発酵されてバイオガスが生成される。ここでは、バイオガスは、５０〜６５％のメタンと３５〜５０％の二酸化炭素を主成分とし若干の硫化水素を含む混合ガスである。このバイオガスは、ガスホルダ２で一旦貯蔵されてから、脱硫塔３で脱硫され、この脱硫されたガスは、洗浄塔４において、排水処理装置５０からの処理水を洗浄水として常圧で洗浄され、これにより、ガス中の二酸化炭素が洗浄水に溶解する。
ここで、洗浄塔４による二酸化炭素の除去率は、ガス成分や、洗浄水／ガス比によって異なるが、例えばメタン濃度を６０％、洗浄水／ガス比を１．５とすることで、洗浄後のガスのメタン濃度は９０％程度迄高められる。
洗浄塔４で洗浄されたガスは、コンプレッサ５により、分離膜１０で良好に分離を行うべく０．５ＭＰａ前後に圧縮され、この圧縮されたガスは、冷却器６で冷却されガス中の水分が凝縮して凝縮水が生成され、次いで、水取器７で凝縮水がガスから分離されて取り除かれ、当該凝縮水は脱窒槽１３に送られ排水処理装置５０による排水処理に供される。
一方、凝縮水が取り除かれたガスは、加温器９で加温されることで湿度が低減され、この水分が除去されると共に湿度が低減されたガスは、分離膜１０において結露して目詰まりを起こさせること無くこの目詰まりが防止され本来の機能を十分に発揮する分離膜１０により、メタンを主成分とする精製ガスとオフガスとに効果的に分離される。
ここで、メタン濃度は前段の洗浄塔４により９０％程度迄高められていることもあって、分離膜１０により分離され濃縮された精製ガスのメタン濃度は９８％程度迄高められる。そして、この精製ガスは、ガス導管に導かれてガス会社に販売されたり、天然ガス自動車の燃料として利用される。
一方、分離膜１０により分離されたオフガスはバッファタンク１１に送られ、バッファタンク１１からブロワ１２で加圧されてメタン発酵槽１に戻され、このオフガスによりメタン発酵槽１内が撹拌されると共に、上記一連の処理に再度供される。この再処理によりメタン回収率が９５％程度に高められる。
なお、オフガスは、点線のラインで示すように、ブロワ１２を設けること無くメタン発酵槽１より低圧のガスホルダ２に直接戻すようにしても良く、要は、オフガスは、洗浄塔４又は洗浄塔４より上流側に戻せれば良く、これによりメタン回収率が高められる。
一方、排水処理装置５０にあっては、脱窒槽１３に排水、脱水分離液、凝縮水が導入され、当該脱窒槽１３では、硝酸性窒素が窒素ガスへと還元されると共にＢＯＤ成分の一部が分解され、硝化槽１４では、アンモニア性窒素が亜硝酸塩又は硝酸塩へと酸化されると共にＢＯＤ成分の殆どが分解される。この硝化槽１４の汚泥混合液は、脱窒槽１３へと戻されて循環することにより、硝酸性窒素とアンモニア性窒素の両方が窒素ガスへと分解されて除去され、循環を繰り返すことで窒素分が十分に除去された汚泥混合液は、沈殿槽１５により沈降汚泥と処理水とに分離され、沈降汚泥は、脱窒槽１３に戻されて同様な処理に供される一方で、処理水は、前述したように、洗浄塔４の洗浄水として供給される。このように、排水処理装置５０での浄化処理水が洗浄塔４の洗浄水とされているため、排水処理装置５０の処理水が有効に利用されている。
ここで、硝化槽１４にあっては、硝酸により酸が増えるためｐＨが下がってしまい、硝化槽１４の汚泥混合液が戻される脱窒槽１３にあっては、硝酸性窒素の窒素ガスへの還元が十分に行われなくなるが、ここでは、洗浄塔４の洗浄排水が硝化槽１４に戻される構成とされているため、二酸化炭素が溶解し重炭酸イオン（アルカリ度）が増大した洗浄排水によって、硝化槽１４におけるｐＨ低下が防止され、これによって、排水処理装置５０における硝化脱窒処理が安定して行われるようになっている。
このように、本実施形態においては、メタンと二酸化炭素を主成分とするガスが、洗浄塔４により常圧で洗浄され、加圧動力を用いること無く二酸化炭素が洗浄水に溶解しメタン濃度９０％程度迄高くされたメタンを含むガスとされ、このガスは、その水分が水分除去手段８により除去され、この水分が除去されたガスは、その湿度が加温器９により低減され、水分が除去されると共に湿度が低減されたガスは、分離膜１０において結露して目詰まりを起こさせること無くこの目詰まりが防止され本来の機能を十分に発揮する分離膜１０により、メタンを主成分とする精製ガスとオフガスとに効果的に分離され、コンプレッサ５のように膜分離の際に必要とされる少ない圧縮用の運転動力のみで、前段の洗浄塔４により９０％程度迄高められたメタン濃度が９８％程度迄高められると共に、オフガスは、洗浄塔４又は洗浄塔４より上流側に戻され、メタン回収率も９５％程度迄高められ温室効果ガスが削減される。すなわち、本実施形態によれば、運転動力を低減し且つ温室効果ガスを削減しつつ、高いメタン回収率で高濃度のメタンを得ることができる。
以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、上記実施形態においては、水分除去手段８を冷却器６と水取器７にしているが、例えばアルミナ等を用いて水分を除去するようにしても良い。また、排水処理装置５０にあっては、沈殿槽１５に代えて、例えば膜分離装置等の固液分離手段を用いるようにしても良い。
以下、上記効果を確認すべく本発明者が実施した実施例について述べる。
上記実施形態のガス精製装置１００を用いた物質収支を図２に示す。図２に示すように、６０．０ｍ３Ｎ、濃度６０．０％のメタン、４０．０ｍ３Ｎ、濃度４０．０％の二酸化炭素を含むバイオガスが、洗浄塔で常圧で洗浄されて、６３．０ｍ３Ｎ、濃度９０．０％のメタン、７．０ｍ３Ｎ、濃度１０．０％の二酸化炭素を含むガスとされ、この洗浄されたガスが分離膜でメタンと二酸化炭素に分離されて、６．３ｍ３Ｎ、濃度５２．１％のメタン、５．８ｍ３Ｎ、濃度４７．９％の二酸化炭素を含むオフガスが洗浄塔に戻されて、バイオガスに混合される結果、５６．７ｍ３Ｎ、濃度９８．０％のメタン、１．２ｍ３Ｎ、濃度２．０％の二酸化炭素を含む精製ガスが得られた。このように、（５６．７ｍ３Ｎ／６０．０ｍ３Ｎ）＝９４．５％という高いメタン回収率で、９８％という高い濃度のメタンが得られた。
４…洗浄塔（洗浄手段）、６…冷却器、７…水取器、８…水分除去手段、９…加温器（湿度低減手段）、１０…分離膜、１３…脱窒槽、１４…硝化槽、１５…沈殿槽（固液分離手段）、５０…排水処理装置、１００…ガス精製装置、Ｌ１…オフガス戻しライン、Ｌ２…汚泥戻しライン、Ｌ３…汚泥混合液戻しライン、Ｌ４…洗浄水供給ライン、Ｌ５…洗浄排水戻しライン。
Claims (4)
- メタンと二酸化炭素を主成分とするガスを、常圧で洗浄する洗浄手段と、
前記洗浄手段で洗浄されたガスの水分を除去する水分除去手段と、
前記水分除去手段で水分が除去されたガスの湿度を低減させる湿度低減手段と、
前記湿度低減手段で湿度が低減されたガスを、メタンを主成分とする精製ガスとオフガスとに分離する分離膜と、
前記分離膜で分離されたオフガスを前記洗浄手段又は前記洗浄手段より上流側に戻すオフガス戻しラインと、を具備したことを特徴とするガス精製装置。 - 前記水分除去手段は、
前記洗浄手段で洗浄されたガスを冷却する冷却器と、
前記冷却器で冷却されることにより生じた凝縮水を、ガスから分離して取り除く水取器と、を備えることを特徴とする請求項１記載のガス精製装置。 - 前記湿度低減手段は、加温により湿度を低減させる加温器であることを特徴とする請求項１又は２記載のガス精製装置。
- 排水を導入し浄化処理する排水処理装置を備え、
処理水を、前記洗浄手段で用いる洗浄水として供給する洗浄水供給ラインを有することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載のガス精製装置。
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