JP6415972B2 - 混合ガス精製装置 - Google Patents

Description

本発明は、バイオガスなどの炭酸ガスを含む混合ガスを精製する混合ガス精製装置に関するものである。

バイオガスは、再生可能エネルギーの一つであり、エネルギー需要の一部を担う可能性がある資源として注目されている。廃物のメタン発酵により発生するバイオガスは、廃物中の有機物が嫌気性微生物によって分解されることで発生するもので、その成分の大半がメタンガスと炭酸ガスからなり、また、その発酵雰囲気に起因して水分が含まれる。バイオガスの成分比率は、廃物の種類や発酵条件などによって異なるが、その一例を示すと、メタンの割合が６０％（容量％）程度であり、残余の４０％程度が炭酸ガスになる。このため、バイオガスを燃料ガスとして利用するには、バイオガスから炭酸ガスなどを除去してメタンを主成分とするガスに精製することが必要になる。

従来、バイオガスなどの混合ガスの精製には、分離膜の利用やＰＳＡ法による吸着を利用した分離装置が用いられる。このような分離装置は、装置内で結露があると分離性能が低下することが一般に知られている。特に、分離膜を利用する場合には、膜表面で結露が生じると水滴が分離膜表面を覆うことで分離性能が大きく低下する。

このため、従来の混合ガス精製方法は、分離装置に精製対象の混合ガスを供給する前に、混合ガスの相対湿度を下げる工程が付加されている（例えば、下記特許文献１参照）。図１は、このような従来の混合ガス精製方法の一例を示している。この従来例では、混合ガスをガス圧縮機Ｊ１で圧縮し、その後冷却器Ｊ２で冷却してコンデンサＪ３で水分（水蒸気）をドレン除去し、その後加熱ヒーターＪ４で加熱することで、分離装置Ｊ５に供給する混合ガスの相対湿度を下げている。

特開２００５−２３２１１号公報

前述した従来例は、相対湿度の低い混合ガスを分離装置に供給することで、メタンリッチな精製ガスと炭酸ガスリッチなオフガスを分離する良好な分離性能が期待できる。しかしながら、分離装置に供給する前の工程で加熱や冷却に多くのエネルギーを使うので、エネルギー需要の一部を担うバイオガスの精製にエネルギーを消費することになり、エネルギーの利用効率を考えると改善の余地がある。特に、ガス圧縮機による断熱圧縮によって混合ガスはかなりの高温になるが、その熱を系外に放熱して、その後に加熱ヒーターによって系外から熱を加えているので、効率的な熱利用がなされていない問題がある。

また、分離装置として分離膜を用いる場合には、高分子材料からなる分離膜は熱に弱く、分離装置の使用温度が制限されている。これに対して、従来技術は、分離装置の直ぐ上流側で加熱ヒーターによって混合ガスを加熱するので、分離装置に供給する混合ガスの相対湿度を優先すると、混合ガスを加熱しすぎて分離装置の使用温度の限度を超える虞があり、分離装置の使用温度の限度を優先して加熱温度を低くすると、混合ガスの相対湿度が高めになって分離性能に悪影響を及ぼすことになる。このため、前述した従来例は、分離装置の使用温度と混合ガスの相対湿度の両方を考慮した混合ガスの温度管理がなされていない問題があった。

本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、混合ガスの相対湿度を下げるためのガス圧縮で生じる熱を有効利用することで、エネルギーの利用効率が高い混合ガス精製装置を実現すること、また、分離装置に供給する混合ガスの相対湿度を下げながら、分離装置を適正な温度範囲で使用することで、良好な分離性能を確保すること、などが本発明の目的である。

このような目的を達成するために、本発明による混合ガス精製装置は、以下の構成を具備するものである。
精製対象の炭酸ガスを含む混合ガスを断熱圧縮するガス圧縮機と、前記ガス圧縮機で断熱圧縮された混合ガスの熱を回収する熱交換器と、前記熱交換器で熱回収された混合ガスを冷却する冷却器と、前記冷却器で冷却された混合ガスの水分をドレン除去するコンデンサと、前記コンデンサを経由した混合ガスを精製ガスに分離する分離装置とを備え、前記コンデンサを経由した混合ガスが前記熱交換器で回収された熱で加熱されて前記分離装置に供給されるものであり、前記コンデンサを経由した混合ガスを前記分離装置に供給する供給流路を備え、該供給流路には圧力調整弁が設けられ、前記供給流路の前記圧力調整弁より上流側で分岐し、前記熱交換器を経由して前記供給流路の前記圧力調整弁より下流側で合流する熱交換流路を備えることを特徴とする混合ガス精製装置。

このような特徴を有する混合ガス精製装置は、ガス圧縮で生じる熱を有効利用することで、エネルギーの利用効率が高い混合ガス精製装置を実現することができ、また、分離装置に供給する混合ガスの相対湿度を下げながら、分離装置を適正な温度範囲で使用することで、良好な分離性能を確保することができる。
なお、本発明が対象とする混合ガスは、バイオガスのほかに、天然ガス井戸元、ランドフィルガスなど、炭酸ガスを含む混合ガスを精製対象としている。

従来技術の説明図である。 本発明の実施形態に係る混合ガス精製装置を示した説明図である。 本発明の実施形態に係る混合ガス精製装置を示した説明図である。 本発明の実施形態に係る混合ガス精製装置を示した説明図である。 本発明の混合ガス精製装置の実施例を示した説明図である。

以下、図２〜図５を参照して本発明の実施形態を説明する。図２に示すように、本発明の実施形態に係る混合ガス精製装置１は、ガス圧縮機２，熱交換器（第１熱交換器）３，冷却器（第２熱交換器）４，コンデンサ５，分離装置６を備えている。

ガス圧縮機２は、精製対象となるバイオガスなどの混合ガス（以下、被精製ガスという）を断熱圧縮するものであり、この圧縮によって、被精製ガスは、圧力上昇と共に温度が上昇する。熱交換器３は、ガス圧縮機２で断熱圧縮された被精製ガスの熱を回収するもので、熱交換によって被精製ガスを一段階冷却し、ここで回収した熱で分離装置６に供給する被精製ガスを加熱する。

冷却器４とコンデンサ５は、熱交換器３で一段階冷却された被精製ガスを更に冷却して水分を除去するものであり、コンデンサ５は、冷却された被精製ガスの飽和水蒸気を結露させてドレン除去する気液分離器である。

コンデンサ５を経由した被精製ガスは、熱交換流路１０を介して前述した熱交換器３に導かれ、熱交換器３でガス圧縮機２により断熱圧縮されて温度上昇した被精製ガスからの熱で加熱され、加熱されることで相対湿度が低下した被精製ガスが分離装置６に供給される。

分離装置６は、被精製ガスからメタンリッチの精製ガスを得るものであり、例えば、バイオガスから炭酸ガスを選択透過する分離膜を採用することができる。分離膜の一例としては、中空チューブ状の膜で、その構成材料として、ポリイミド、ポリスルホン、酢酸セルロース、またはポリアミドなどが用いられる。ここでの分離膜は、炭酸ガスの膜透過速度が大きく、メタンの膜透過速度が小さいものが用いられており、その透過速度の違いを利用してメタンリッチな精製ガスと炭酸ガスリッチなオフガスを有効に分離する。なお、分離装置６は、分離膜によるものに限らず、炭酸ガスを吸着除去するものなどであってもよい。

このような混合ガス精製装置１は、ガス圧縮機２で断熱圧縮する際に、被精製ガスが温度上昇することで発生する熱を、その後の被精製ガスの加熱に再利用しており、熱の利用効率を高めることで、混合ガス精製装置１の稼働で消費するエネルギーを削減している。これによって、エネルギーの利用効率を改善した混合ガス精製装置１を実現することができる。

図３には、本発明の他の形態例を示している。前述した説明と同一部位には同一符号を付して重複説明を省略する。この混合ガス精製装置１Ａは、コンデンサ５を経由した被精製ガスを分離装置６に供給する供給流路１１を備えており、供給流路１１には圧力調整弁７を設けている。そして、供給流路１１の圧力調整弁７より上流側で熱交換流路１０が分岐し、この熱交換流路１０は熱交換器３を経由して供給流路１１の圧力調整弁７より下流側で合流している。

このような混合ガス精製装置１Ａによると、圧力調整弁７を絞ると、コンデンサ５から熱交換流路１０を介して分離装置６に供給される被精製ガスの流量が多くなり、圧力調整弁７を開放すると、逆に、コンデンサ５から供給流路１１を介して分離装置６に供給される精製ガスの流量が多くなる。これにより、圧力調整弁７の調整によって、分離装置６に供給される被精製ガスの温度を調整することができる。

この混合ガス精製装置１Ａによると、前述した形態例のように、エネルギーの利用効率を改善することができると共に、分離装置６に供給する被精製ガスの相対湿度を下げながら、分離装置６を適正な温度範囲で使用することができるので、良好な分離性能を確保することができる。

図４には、本発明の他の形態例を示している。前述した説明と同一部位には同一符号を付して重複説明を省略する。この混合ガス精製装置１Ｂは、熱交換流路１０の合流箇所より下流側の供給流路１１に、被精製ガスのガス温度を検出する温度検出器８を設け、温度検出器８が検出するガス温度によって圧力調整弁７を調整している。また、それに加えて、分離装置６で分離されたオフガスを再びガス圧縮機２で断熱圧縮する被精製ガスに合流させる帰還流路１２を備えている。

この混合ガス精製装置１Ｂによると、分離装置６に供給される被精製ガスのガス温度を温度検出器８で検出して圧力調整弁７を調整することで、常に、分離装置６にとって最適な温度と相対湿度の状態で被精製ガスを分離装置６に供給することができる。これにより、分離装置６の分離性能を良好に維持することができる。それに加えて、分離装置６で分離されたオフガスを帰還流路１２で帰還させて再精製するので、精製ガスのメタン回収率を更に向上させることができる。

図５には、本発明の具体的な実施例を示している。前述した説明と同一部位には同一符号を付して重複説明を省略する。この実施例に係る混合ガス精製装置１Ｃは、入口弁２０を備える入口流路２１に原料の混合ガスが流入され、ガス圧縮機２で断熱圧縮された被精製ガスが被冷却流路２２を介してコンデンサ（気液分離器）５に流入する。被冷却流路２２には、熱交換器（第１熱交換器）３と冷却器（第２熱交換器）４が設けられ、それらで第１段階の冷却（熱回収）と第２段階の冷却が行われる。

コンデンサ５を経由した被精製ガスは、圧力調整弁７とミキサー１３とフィルタ９が設けられた供給流路１１を介して分離装置６に供給される。この例では、フィルタ９として、塵芥フィルタ９Ａとミスト（オイル）フィルタ９Ｂが連設されている。分離装置６には、精製ガスを取り出す出口流路２３が接続されており、出口流路２３には出口弁２５を設けている。この例では、分離装置６が、一次分離膜と二次分離膜を備えており、一次分離膜で分離された炭酸ガスが放散流路２４を介して大気放散され、二次分離膜で分離されたオフガスは帰還流路１２を介して入口流路２１に合流する。

熱交換器（第１熱交換器）３は、前述したように、圧力調整弁７の開閉程度によって流量が制御されている熱交換流路１０を介した熱交換が行われ、熱交換器３で回収した熱で分離装置６に供給する被精製ガスの温度調整がなされる。また、冷却器（第２熱交換器）４は、例えば、クーリングタワー４０からの冷媒を送る冷媒流路４１を介した熱交換が行われる。

この混合ガス精製装置１Ｃは、その稼働状態を制御する制御部１４を備えている。制御部１４は、先ず、供給流路１１に設けた温度検出器８の検出値によって圧力調整弁７の開閉を制御することで、前述したように分離装置６に供給される被精製ガスの温度と相対湿度を適正な状態に保っている。

また、制御部１４は、入口流路２１，帰還流路１２，放散流路２４，出口流路２３にそれぞれ設けられる流量計Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４の計測値に基づいて、入口弁２０の開度と冷媒流路４１に設けたポンプ４２の出力を制御することで、稼働負荷状況に応じて冷却性能を制御している。更に、制御部１４は、ガス圧縮機２の出力側圧力を検出する圧力計Ｐ１の計測値に応じて、ガス圧縮機２に対してバイパス流路となる圧力調整流路３１に設けた圧力調整弁３０の開閉を制御することで、ガス圧縮機２の圧縮状態を適正に制御している。

以上説明したように、本発明の実施形態又は実施例に係る混合ガス精製装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃは、ガス圧縮で生じる熱を有効利用することで、エネルギーの利用効率が高い混合ガス精製装置を実現することができる。また、分離装置６に供給する混合ガスの相対湿度を下げながら、分離装置６を適正な温度範囲で使用することで、良好な分離性能を確保することができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ：混合ガス精製装置，２：ガス圧縮機，
３：熱交換器（第１熱交換器），
４：冷却器（第２熱交換器），４０：クーリングタワー，
４１：冷媒流路，４２：ポンプ，
５：コンデンサ，６：分離装置，７：圧力調整弁，８：温度検出器，
９：フィルタ，９Ａ：塵芥フィルタ，９Ｂ：ミスト（オイル）フィルタ，
１０：熱交換流路，１１：供給流路，１２：帰還流路，１３：ミキサー，
１４：制御部，２０：入口弁，２１：入口流路，２２：被冷却流路，
２３：出口流路，２４：放散流路，２５：出口弁，３０：圧力調整弁，
３１：圧力調整流路，Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４：流量計，Ｐ１：圧力計

Claims (4)

1. 精製対象の炭酸ガスを含む混合ガスを断熱圧縮するガス圧縮機と、
   前記ガス圧縮機で断熱圧縮された混合ガスの熱を回収する熱交換器と、
   前記熱交換器で熱回収された混合ガスを冷却する冷却器と、
   前記冷却器で冷却された混合ガスの水分をドレン除去するコンデンサと、
   前記コンデンサを経由した混合ガスを精製ガスに分離する分離装置とを備え、
   前記コンデンサを経由した混合ガスが前記熱交換器で回収された熱で加熱されて前記分離装置に供給されるものであり、
   前記コンデンサを経由した混合ガスを前記分離装置に供給する供給流路を備え、
   該供給流路には圧力調整弁が設けられ、
   前記供給流路の前記圧力調整弁より上流側で分岐し、前記熱交換器を経由して前記供給流路の前記圧力調整弁より下流側で合流する熱交換流路を備えることを特徴とする混合ガス精製装置。
2. 前記熱交換流路の合流箇所より下流側の前記供給流路に、混合ガスのガス温度を検出する温度検出器を設け、該温度検出器が検出するガス温度によって前記圧力調整弁を調整することを特徴とする請求項１記載の混合ガス精製装置。
3. 前記供給流路は、混合ガス中の夾雑物を除去するフィルタを備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の混合ガス精製装置。
4. 前記分離装置は、混合ガスから炭酸ガスを選択透過する分離膜を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載された混合ガス精製装置。

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