JP6798389B2 - バイオガス利用方法及びバイオガス利用システム - Google Patents

Description

本発明は、メタン発酵ガスを効率的に利用するバイオガス利用方法、バイオガス利用システム、及びこれらに利用されるバイオガスに関する。

生ごみや家畜排泄物等をメタン発酵させて得られるメタン発酵ガスは、メタンを５５〜７５体積％程度、及び二酸化炭素を２５〜４５体積％程度含んでおり、一般に、発電やボイラ等の燃料ガスとして利用されている。
しかしながら、メタン発酵ガスは、二酸化炭素を多く含むため、メタンのみを燃料ガスとして用いる場合と比べて、単位重量当たりの発熱量が１／３以下と低く、一般的な石炭燃料に比べても低い。このため、メタン発酵ガスは、二酸化炭素を分離精製して用いられている。

一方で、メタン発酵ガスは、カーボンニュートラルであり、該ガスに含まれる二酸化炭素は、メタン発酵により増加したものとはみなされない。しかしながら、メタン発酵ガスから分離された二酸化炭素は、その後の取り扱い次第では、そのまま大気中に排出されることとなり、それでは環境に対する負荷を軽減することにはならない。

これに対しては、メタン発酵ガスに含まれる二酸化炭素の大気中への排出量を低減させるための種々の取り組みがなされている。
例えば、特許文献１には、メタン発酵ガスにアルカリ水溶液を接触させて、該メタン発酵ガスに含まれる二酸化炭素と反応させ、二酸化炭素を炭酸塩又は炭酸水素塩の固形物質として分離回収することが記載されている。
また、特許文献２には、メタン発酵ガスを水と接触させて、二酸化炭素を水に溶解させることによりメタンを精製するとともに、二酸化炭素が溶解した水を藻類の培養に用いることが記載されている。

特開２０１１−２４０２３８号公報 特開２０１０−８８３６８号公報

上記特許文献１及び２に記載されている方法は、いずれも、メタン発酵ガス中のメタンを精製するために、該メタン発酵ガスに含まれる二酸化炭素を分離して、固定化又は吸収させるものである。したがって、メタン発酵ガスから精製されたメタンが、燃料ガスとして利用に供される。

本発明者は、このようにメタン発酵ガスから燃料ガスとして有用なメタンのみを分離精製するのではなく、メタン発酵ガスに多く含まれる二酸化炭素も有効に利用すべく検討を重ねたところ、二酸化炭素の分離手段を用いることなく、メタン発酵ガスを効率的に利用することができる方法を見出した。
すなわち、本発明は、メタン発酵ガスを効率的に燃料ガスとして利用することができるバイオガス利用方法、及び、この利用方法を実施するためのバイオガス利用システム、並びにこれらに利用されるバイオガスを提供することを目的とする。

本発明は、二酸化炭素を多く含むメタン発酵ガスから、二酸化炭素を分離することなく、効率的に燃料ガスとして利用することができる方法を見出したことに基づくものである。

すなわち、本発明は、次の［１］〜［１２］を提供する。
［１］メタン発酵により生成する一次バイオガスを藻類の培養槽内に供給して、前記藻類を培養する工程を有し、前記培養槽から発生する二次バイオガスを燃料ガスとして利用する、バイオガス利用方法。
［２］前記二次バイオガスは、濃度４５体積％未満の酸素を含む、上記［１］に記載のバイオガス利用方法。
［３］前記メタン発酵における消化液を前記培養槽内に供給する、上記［１］又は［２］に記載のバイオガス利用方法。
［４］前記メタン発酵における消化液を培養土の配合成分として利用する、上記［１］〜［３］のいずれかに記載のバイオガス利用方法。
［５］前記藻類が微細藻類である、上記［１］〜［４］のいずれかに記載のバイオガス利用方法。
［６］ 前記藻類が海藻である、上記［１］〜［５］のいずれかに記載のバイオガス利用方法。
［７］前記藻類を培養する工程で培養された藻類を、セメント製造プラントのプレヒータの仮焼炉及びセメントキルンのうちのいずれか１ヶ所以上に投入して、燃料として利用する、上記［１］〜［６］のいずれかに記載のバイオガス利用方法。
［８］前記二次バイオガスが、セメント製造プラントのプレヒータの仮焼炉及びセメントキルンのうちのいずれか１ヶ所以上で利用される、上記［１］〜［７］のいずれかに記載のバイオガス利用方法。
［９］前記二次バイオガスが、発電及びボイラのうちの少なくともいずれかに利用される、上記［１］〜［６］のいずれかに記載のバイオガス利用方法。

［１０］メタン発酵により一次バイオガスを生成させる一次バイオガス生成装置と、藻類の培養槽を有し、前記一次バイオガスを前記培養槽内に供給して前記藻類を培養し、前記藻類の光合成により二次バイオガスを生成させる二次バイオガス生成装置と、前記二次バイオガスを燃料ガスとして利用する燃料ガス利用装置とを備える、バイオガス利用システム。

［１１］メタン発酵ガス中の二酸化炭素の一部が酸素に置換されており、濃度４５体積％未満の酸素を含む、バイオガス。
［１２］濃度５５〜７５体積％のメタン、及び濃度４５体積％以下の二酸化炭素を含む、上記［１１］に記載のバイオガス。

本発明のバイオガス利用方法によれば、メタン発酵ガスから二酸化炭素を分離する手間を省くことができ、メタン発酵ガスを効率的に利用することができる。また、本発明の方法においては、ガス成分以外の副生物も種々の用途に有効利用することができるという利点も有している。
また、本発明によれば、前記バイオガス利用方法を実施するためのバイオガス利用システム、さらに、これらに利用される燃焼効率の高いバイオガスも提供される。
しかも、本発明によれば、メタン発酵ガスの効率的な利用のみならず、メタン発酵ガスに含まれる二酸化炭素の排出量の抑制による環境負荷の軽減化にも寄与することができる。

本発明のバイオガス利用方法及びバイオガス利用システムを説明するための概略フロー図である。

以下、本発明のバイオガス利用方法、バイオガス利用システム及びバイオガスについて、図面を参照して詳細に説明する。

［バイオガス利用方法］
本発明のバイオガス利用方法は、メタン発酵により生成する一次バイオガスを藻類の培養槽内に供給して、前記藻類を培養する工程を有しており、前記培養槽から発生する二次バイオガスを燃料ガスとして利用するものである。
図１に、本発明のバイオガス利用方法における生成ガスその他の生成物等のフローの概略を示す。図１に示すように、本発明においては、メタン発酵ガスから二酸化炭素を分離する工程を経ることなく、メタン発酵ガス（一次バイオガス）をそのまま利用する藻類培養によって、該メタン発酵ガスを二次バイオガスに変換する。
なお、本発明において、一次バイオガスとは、メタン発酵により直接得られるガスを指す。また、二次バイオガスとは、一次バイオガスを用いて藻類培養した後に培養槽から得られるガスを指す。

＜メタン発酵＞
メタン発酵とは、有機性廃棄物中の有機物を嫌気性細菌により分解し、メタンを生成させる方法である。本発明においては、メタン発酵を行う装置は、特に限定されるものではなく、公知のものを適用して行うことができる。
メタン発酵の原料である有機性廃棄物としては、生ごみ、食品残渣、汚泥、家畜排泄物等が挙げられ、これらは各家庭等から生じる一般廃棄物、又は産業廃棄物のいずれであるかは問わない。
メタン発酵は、生ごみ等の焼却処理や埋め立て処理の代替となり得る処理方法である。上述したように、メタン発酵ガスはカーボンニュートラルであるため、収集された生ごみ等を焼却処理する場合よりも、二酸化炭素の発生量を抑制することができるため、環境に対する負荷が低いと言える。また、前記有機性廃棄物を原料として利用するメタン発酵は、循環型社会の実現にも寄与し得るものである。

（一次バイオガス）
メタン発酵により生成する一次バイオガス中には、上述したように、通常、メタンが５５〜７５体積％程度、及び二酸化炭素が２５〜４５体積％程度含まれている。
本発明においては、この一次バイオガスからメタンを精製することなく、一次バイオガスをそのまま藻類の培養槽内に供給する。

（消化液）
メタン発酵においては、ガス成分以外に、原料中に含まれていた窒素やリン、カリウム等の成分を含む消化液も生成される。消化液は、これらの成分を含むことから、良質な肥料として利用することができるものであり、農地等に散布する肥料とすることができることはもちろん、本発明において、藻類の培養槽内に供給し、藻類の培養のための肥料として利用することもできる。前記消化液中の窒素やリン等は、水中の藻類に吸収されやすい無機物であるため、藻類の養分として好適である。
また、前記消化液は、窒素やリン等の成分を豊富に含む培養土を調製するための配合成分として好適であり、土壌改良剤等としても利用することができる。

なお、メタン発酵においては、ガス成分及び前記消化液以外に固形物状の残渣が得られる。この残渣は、固形状燃料として利用することができる。

＜藻類培養＞
藻類の培養は、一次バイオガスが供給される培養槽内で行われる。前記培養においては、藻類が、一次バイオガス中の二酸化炭素を消費して光合成を行うことにより、生育し、増殖する。

一次バイオガス中には、二酸化炭素が２５〜４５体積％程度と高濃度で含まれており、このガスを藻類の培養槽に供給することにより、一次バイオガス中の二酸化炭素を藻類の光合成による培養に有効利用することができる。
一方、一次バイオガス中のメタンは、藻類の生育には特に影響せず、藻類の培養によるメタンの濃度の変動は見られない。このため、本発明においては、一次バイオガスから二酸化炭素を分離する手間を省いて、そのまま、培養槽内に供給する。
本発明においては、一次バイオガス中のメタンを二次バイオガスにおいても留まらせるため、水にはほとんど溶解しないメタンが藻類を培養する系内から逃げないように、培養液及び空間部を含む培養系は、できる限り密閉系とすることが好ましい。ただし、藻類が光合成を行うのに十分な自然光又は人工光の照射がなされる系とする必要がある。
なお、藻類の培養液のｐＨや温度等の好適な条件は、培養する藻類によって異なるため、必要に応じて適宜調整される。

一次バイオガスには、メタン及び二酸化炭素のほか、アンモニアや硫化水素、シロキサン、メチルメルカプタン等の微量成分が不純物として含まれている。
これらの不純物は、金属を腐食させやすいため、これらを含んだままのバイオガスを燃料ガスとして発電装置やボイラ装置等に用いることは好ましくなく、この場合には不純物を除去するための精製が必要となる。
これに対して、藻類の培養においては、前記不純物が含まれる一次バイオガスが供給される培養槽内であっても、藻類の生育には特に影響しないため、一次バイオガス中から二酸化炭素のみを分離したり、精製を要することなく、一次バイオガスをそのまま藻類培養に適用することができる。また、前記不純物は、培養液中に吸収されたり、また、機構は明らかではないが、藻類培養によって何らかの形で希釈又は変性されることによって、二次バイオガス中での濃度は低減するため、用途によっては、精製することなく、二次バイオガスを利用し得る。

本発明において用いられる藻類は、微細藻類であることが好ましい。微細藻類は、光合成による大気中の二酸化炭素の固定能力が高く、しかも、オイル生産能力が高いため、優れたバイオ燃料となり得る。また、微細藻類は、生育において温度等の環境変動を比較的受けにくく、通年での安定的な培養が可能であるという利点も有している。
前記微細藻類としては、光合成による生育及び増殖が速いものが好ましく、例えば、緑藻網、珪藻網、渦鞭藻網、褐色鞭毛藻網、黄藻網、ハプト藻網、プラシノ藻網、ラフィド藻網、真正眼点藻網、単細胞真核藻類、紅藻網等が挙げられる。これらは、１種単独で用いても、２種以上を併用してもよい。具体的には、増殖速度や培養のしやすさ等の観点から、ボトリオコッカス、ナンノクロロプシス、ネオクロリス、ユーグレナ、オーランチオキトリウム、シュードコリシスチス等が好適に用いられる。なお、前記微細藻類は、淡水系、海水系又は汽水系であるかは問わない。

また、前記藻類は、培養液として海水を利用できる海藻が好ましい。培養液が海水であれば、調達費用を抑制することができ、また、大量の培養液を容易に確保することができる。海藻の場合には、前記培養槽とは、海を区画した一部である海域であってもよい。また、本発明で言う「海藻」には、種子植物である「海草」も含むものとする。
前記海藻としては、光合成による生育及び増殖が速いものが好ましく、例えば、アマモ、ガラモ、アラメ、ホンダワラ、コンブ等が挙げられる。これらの海藻は、培養槽内で培養した後、海中の藻場礁や浅瀬等に移設し、さらに養殖してもよく、魚類の保育場の形成や、食用のものは養殖漁業等に供することもできる。

培養された藻類は、寿命後又は増殖に伴う一部除去等のために収集される場合、培養液中から回収して廃棄されるが、この廃棄される藻類は、燃料として用いることができる。特に、オイル生産能力が高い微細藻類は、乾燥後又は湿潤状態であっても、良質のバイオ燃料として利用することができる。
特に、セメント製造プラントにおいて、微細藻類は精製や粉砕等の処理を要することなく、従来、石炭燃料が投入されている箇所に、固形状の状態で投入することにより、石炭燃料の一部又は全部を代替する燃料として利用することができる。投入箇所は、具体的には、プレヒータの仮焼炉や、セメントキルン等が挙げられ、これらのうちの１ヶ所のみでも、２ヶ所以上であってもよい。好ましくは、藻類中の水分による燃焼効率の低下の影響が少ない、仮焼炉又はセメントキルンの窯尻である。

培養槽は、藻類の培養速度を考慮し、複数の培養槽を準備して、時期をずらして培養を開始することが好ましい。このように、藻類の生育及び増殖状況に応じて、複数の培養槽を切り換えながら繰り返し使用することにより、二次バイオガスを安定的に得ることが可能となる。

（二次バイオガス）
藻類を培養する培養槽から発生する二次バイオガスは、一次バイオガスとして生成されたメタン、藻類の光合成により生成された酸素、及び光合成において消費されなかった二酸化炭素を含むものである。すなわち、一次バイオガスにおける二酸化炭素の一部が、藻類の光合成により、酸素に置換されたものである。このため、二次バイオガスは、一次バイオガスに含まれていない酸素を含んでいる。
酸素は、助燃性を有するため、二次バイオガスの燃焼効率を高める役割を果たすものであり、二次バイオガスの燃料ガスとしての利用価値を高めることができる。
二次バイオガスがメタン、二酸化炭素及び酸素のみの混合ガスであると仮定した場合、爆発限界酸素濃度は１４．６％程度と考えられる。メタン及び酸素の混合時の爆発限界上限濃度は５９．２％程度であり、一次バイオガス中の二酸化炭素がすべて酸素に置換した二次バイオガスとなってもほとんど爆発範囲に入らない。このため、二次バイオガス中の酸素濃度は４５体積％未満であることが好ましく、より好ましくは４０体積％以下であり、取り扱い時のさらなる安全性の観点から、さらに好ましくは２５体積％以下である。二次バイオガス中に残存する二酸化炭素が、不活性ガスとして爆発範囲を狭める役割を果たし、取り扱い時の安全性を確保することができる。
なお、二次バイオガス中のメタン、二酸化炭素及び酸素の各ガス濃度は、一般的なガス濃度計にて測定することができる。

＜二次バイオガス利用＞
上記のようにして得られた二次バイオガスは、従来のメタン発酵ガスである一次バイオガスよりも燃焼効率の高いバイオガスであり、良質な燃料ガスである。
二次バイオガスの利用用途は特に限定されるものではないが、例えば、セメント製造プラントの、通常、石炭燃料が供給される、プレヒータの仮焼炉やセメントキルンにおいて、石炭燃料の一部又は全部を代替する燃料として好適に利用することができる。これらの箇所のうちの１ヶ所のみでも、２ヶ所以上であってもよい。
また、二次バイオガスは、発電やボイラにおける燃料ガスとしても好適に利用することができる。発電及びボイラは、いずれかのみに利用されても、両方ともに利用されてもよい。

［バイオガス利用システム］
本発明のバイオガス利用システムは、上述したバイオガス利用方法を実施するためのシステムであり、一次バイオガス生成装置と、二次バイオガス生成装置と、燃料ガス利用装置とを備えている。
一次バイオガス生成装置は、メタン発酵により一次バイオガスを生成させる装置である。
二次バイオガス生成装置は、藻類の培養槽を有し、前記一次バイオガスを前記培養槽内に供給して前記藻類を培養し、前記藻類の光合成により二次バイオガスを生成させる装置である。
燃料ガス利用装置は、前記二次バイオガスを燃料ガスとして利用する装置である。例えば、上述した、セメント製造プラントのプレヒータの仮焼炉や、セメントキルン、また、発電装置やボイラ装置等が挙げられる。

［バイオガス］
本発明のバイオガスは、メタン発酵ガス中の二酸化炭素の一部が酸素に置換されており、濃度が４５体積％未満の酸素を含むものである。好ましくは、濃度５５〜７５体積％のメタン、及び濃度４５体積％以下の二酸化炭素を含む。すなわち、ここで言うバイオガスの成分は、上述した二次バイオガスの成分に相当する。メタン濃度は、より好ましくは６５体積％以上、さらに好ましくは７０体積％以上である。
このようなバイオガスは、メタンを主成分とし、かつ、助燃性を有する酸素を含むため、燃焼効率の高い燃料ガスとして、特に、セメント製造プラントのプレヒータの仮焼炉や、セメントキルン、また、発電やボイラにおける燃料ガスとして好適に適用することができる。
前記バイオガスにおける酸素濃度は、爆発範囲を考慮すると、４０体積％以下とすることが好ましく、取り扱い時のさらなる安全性の観点から、より好ましくは２５体積％以下である。

Claims (7)

1. メタン発酵により生成する一次バイオガスを藻類の培養槽内に供給して、前記藻類を培養する工程を有し、前記培養槽から発生する二次バイオガスを、セメント製造プラントのプレヒータの仮焼炉及びセメントキルンのうちのいずれか１ヶ所以上で燃料ガスとして利用するとともに、
   前記藻類を培養する工程で培養された藻類を、湿潤状態で、前記仮焼炉及び前記セメントキルンのうちのいずれか１ヶ所以上に投入して、前記藻類を燃料として利用する、バイオガス利用方法。
2. 前記二次バイオガスは、濃度４５体積％未満の酸素を含む、請求項１に記載のバイオガス利用方法。
3. 前記メタン発酵における消化液を前記培養槽内に供給する、請求項１又は２に記載のバイオガス利用方法。
4. 前記メタン発酵における消化液を培養土の配合成分として利用する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のバイオガス利用方法。
5. 前記藻類が微細藻類である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のバイオガス利用方法。
6. 前記藻類が海藻である、請求項１〜５のいずれか１項に記載のバイオガス利用方法。
7. メタン発酵により一次バイオガスを生成させる一次バイオガス生成装置と、
   藻類の培養槽を有し、前記一次バイオガスを前記培養槽内に供給して前記藻類を培養し、前記藻類の光合成により二次バイオガスを生成させる二次バイオガス生成装置と、
   前記二次バイオガスを燃料ガスとして利用する燃料ガス利用装置と
   を備え、
   前記燃料ガス利用装置が、セメント製造プラントのプレヒータの仮焼炉及びセメントキルンのうちのいずれか１つ以上であり、
   前記培養槽から回収された、湿潤状態の前記藻類を、前記仮焼炉及び前記セメントキルンのうちいずれか１ヶ所以上に投入して、燃料として利用する、バイオガス利用システム。