WO2014208503A1 - メタンガス分解装置およびメタンガス分解装置を含むバイオマス処理システム - Google Patents

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WO2014208503A1
WO2014208503A1 PCT/JP2014/066577 JP2014066577W WO2014208503A1 WO 2014208503 A1 WO2014208503 A1 WO 2014208503A1 JP 2014066577 W JP2014066577 W JP 2014066577W WO 2014208503 A1 WO2014208503 A1 WO 2014208503A1
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WO
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unit
gas
methane gas
carbon
reaction tube
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PCT/JP2014/066577
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English (en)
French (fr)
Inventor
増尾　一
晴夫 佐藤
拓三 石川
柄穂 吾妻
Original Assignee
Ｓａｉｓｅｉ合同会社
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Filing date
Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/22—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds
    • C01B3/24—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds of hydrocarbons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0266—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a decomposition step
    • C01B2203/0272—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a decomposition step containing a non-catalytic decomposition step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0405—Purification by membrane separation

Definitions

  • the present invention relates to a methane gas decomposition apparatus that generates carbon and hydrogen by decomposing methane gas and a biomass processing system including the methane gas decomposition apparatus.
  • the conventional methane gas decomposition apparatus has a problem that the decomposition efficiency of the raw material gas between the discharge electrodes is reduced by including water vapor in the raw material gas.
  • the raw material gas does not contain water vapor, but in this case, the carbon produced together with the hydrogen gas cannot be removed, and in particular, it accumulates on the electrode portion and discharges, and thus decomposes the methane gas. There was a problem that could not be.
  • the present invention provides a methane gas decomposing apparatus and a biomass processing system including the methane gas decomposing apparatus capable of efficiently and continuously decomposing methane gas by preventing the adhesion of carbon without containing water vapor in the raw material gas.
  • the purpose is to provide.
  • a methane gas decomposition apparatus is a methane gas decomposition apparatus that continuously generates a reaction gas containing carbon and hydrogen by decomposing methane gas, A methane gas supply unit for supplying the methane gas; A gas decomposition unit that decomposes the methane gas supplied from the methane gas supply unit into hydrogen and carbon; A carbon separation unit for separating carbon from a mixed gas of hydrogen and carbon obtained by decomposing methane gas by the gas decomposition unit and methane gas that has passed through the gas decomposition unit without being decomposed; A hydrogen separator that separates hydrogen from the mixed gas from which carbon has been removed by the carbon separator; An unreacted gas supply unit that supplies methane gas after hydrogen is removed from the mixed gas by the hydrogen separation unit to the gas decomposition unit;
  • the gas decomposition unit is A first reaction tube connected to the methane gas supply unit and having a discharge electrode that discharges when energized; A second reaction tube that is connected to the unreacted
  • the first reaction tube and the upstream side of the second reaction tube are connected to each other by a connection tube.
  • a circulation pump is provided between the carbon separation unit and the hydrogen separation unit to supply the mixed gas from which carbon has been removed by the carbon separation unit to the hydrogen separation unit at a desired pressure
  • the discharge electrodes of the first reaction tube and the second reaction tube each have a pair of discharge electrodes and a disk-shaped rotating electrode provided between the discharge electrodes, and the pair of discharge electrodes and the rotating electrode Are arranged in the first reaction tube and the second reaction tube, respectively, so that the traveling direction of the methane gas is a tangential direction of the rotating electrode.
  • the methane gas decomposition apparatus of the first invention since the gas decomposition part is composed of two reaction tubes, the first reaction tube and the second reaction tube, the methane gas can be decomposed in parallel, and the decomposition efficiency of methane gas Can be increased.
  • the gas decomposition unit when the gas decomposition unit is divided into two reaction tubes, a first reaction tube and a second reaction tube, the gas pressure of the supplied methane gas decreases, and carbon generated by decomposition of methane gas in the reaction tube
  • methane gas supplied from the methane gas supply unit and unreacted gas supply unit were provided by providing a connection pipe connecting them to the upstream side of the first reaction tube and the second reaction tube.
  • the methane gas can compensate for the decrease in gas pressure. Therefore, even when the gas decomposition unit is divided into two reaction tubes, the first reaction tube and the second reaction tube, the gas pressure of the supplied methane gas is suppressed from decreasing, and generated in the reaction tube by decomposition of methane gas The attached carbon can be prevented from adhering.
  • the rotation action direction of the rotating electrode and the methane gas are arranged by arranging the pair of discharge electrodes and the rotating electrode so that the traveling direction of the methane gas is the tangential direction of the rotating electrode. Therefore, it is possible to reliably prevent carbon generated in the electrode portion from adhering to the electrode portion.
  • the methane gas decomposition apparatus of the first invention it is possible to efficiently and continuously decompose methane gas by preventing carbon from adhering to the electrode portion.
  • the methane gas decomposition apparatus is the first invention,
  • the methane gas supply unit includes a check valve for preventing a backflow of gas upstream and downstream of the connection pipe,
  • the unreacted gas supply unit includes a check valve for preventing a backflow of gas upstream and downstream of the connection pipe.
  • a connecting pipe connecting these is provided upstream of the first reaction pipe and the second reaction pipe, and the methane gas supplied from the methane gas supply unit and the unreacted gas supply unit
  • the supply unit having a low gas pressure is used. Methane gas may flow backward.
  • the gas decomposition part is divided into two reaction tubes, a first reaction tube and a second reaction tube, so that methane gas can be efficiently decomposed even at low pressure, the amount of gas exceeding the decomposition in the gas decomposition unit
  • methane gas can flow back to the supply unit having a low gas pressure, but the upstream side of the connecting pipe of the methane gas supply unit and the unreacted gas supply unit
  • the first reaction tube and the second reaction tube are made by supplementing the methane gas supplied from the methane gas supply unit and the methane gas supplied from the unreacted gas supply unit while preventing a back flow by providing a check valve in Can be decomposed efficiently.
  • the decomposition of methane gas can be more stably and efficiently decomposed continuously.
  • a methane gas decomposition apparatus is the first or second aspect,
  • the carbon separation unit includes a first carbon separation unit connected to a downstream side of the first reaction tube and a second carbon separation unit connected to a downstream side of the second reaction tube. .
  • the methane gas decomposition apparatus of the third aspect of the present invention it is necessary to connect the downstream sides of the first reaction tube and the second reaction tube to each other by providing individual carbon separation portions in the first reaction tube and the second reaction tube, respectively. Therefore, clogging of carbon between the gas decomposition part and the carbon separation part can be prevented.
  • the methane gas generated in the first reaction tube and the second reaction tube can be directly separated from the mixed gas by the first carbon separation unit and the second carbon separation unit. It is possible to prevent carbon from adhering and to decompose methane gas efficiently and continuously.
  • a biomass processing system of a fourth invention includes the methane gas decomposition apparatus according to any one of the first to third inventions, wherein the biomass processing system generates methane-containing generated gas by subjecting biomass to methane fermentation, wherein the biomass is A first unit having at least a hydrolysis tank for hydrolysis; A fermentation tank connected to the hydrolysis tank of the first unit and fermenting the hydrolyzed biomass; and a desulfurization apparatus connected to the fermentation tank and desulfurizing the generated gas generated in the fermentation tank.
  • a second unit A third unit having the methane gas decomposition apparatus for decomposing the generated gas supplied through the desulfurization apparatus of the second unit,
  • the first unit and the second unit are connected and arranged adjacent to each other in a straight line in accordance with the biomass processing step, and the third unit is independent of the first unit and the second unit, And it is comprised so that correspondence with several this 1st unit and this 2nd unit is possible.
  • the biomass processing system of the fourth invention in the biomass plant that generates the generated gas containing methane by subjecting the biomass to methane fermentation, the raw material gas contains water vapor even in such a biomass plant where the amount of methane generated is small. Therefore, methane gas can be decomposed efficiently and continuously by preventing the adhesion of carbon.
  • the biomass processing system since the biomass processing system has the first to third unit configurations, the system can be provided with a plurality of integrated first and second units while ensuring flexibility in design and arrangement. The whole can be enlarged according to the fermentation processing amount of biomass.
  • the degree of freedom in designing and arranging the entire system can be increased, and the raw material gas does not contain water vapor, thereby preventing the adhesion of carbon, and methane gas.
  • disassemble efficiently and continuously can be concretely implement
  • Explanatory drawing which shows the structure of the discharge electrode of the reaction tube of this embodiment.
  • Explanatory drawing which shows the structure of the non-return valve of this embodiment.
  • the perspective view which shows the whole structure of the biomass processing system of this embodiment.
  • the system block diagram which shows the whole structure of the biomass processing system of FIG.
  • Explanatory drawing which shows the specific structure of the 1st unit of FIG. 4, and a 2nd unit.
  • the methane gas decomposition apparatus of the present embodiment is an apparatus that continuously generates carbon and hydrogen by decomposing methane gas, and includes a methane gas supply unit 1 to which methane gas is supplied, and methane gas.
  • a gas decomposition unit 2 for decomposing a carbon separation unit 3 for separating carbon produced by the decomposition of methane gas from the gas, a hydrogen separation unit 4 for separating hydrogen produced by the decomposition of methane gas from the gas, and an unreacted gas
  • an unreacted gas supply unit 5 that circulates and supplies the gas decomposition unit 2 again.
  • the methane gas supply unit 1 is a gas supply pipe having one end connected to a supply source (not shown) of methane gas such as natural gas or biogas, and the other end is connected to the gas decomposition unit 2.
  • the methane gas supply unit 1 includes a gate valve 1a capable of switching the supply of the methane gas to the gas decomposition unit 2 by opening and closing, a flow meter 1b for measuring the flow rate of the supplied methane gas, and a reverse for preventing the reverse flow of the gas.
  • a stop valve 1c is provided.
  • the gas decomposition unit 2 is composed of two reaction tubes arranged in parallel. Specifically, the gas decomposition unit 2 is connected to the methane gas supply unit 1 and connected to the first reaction tube 21 having a discharge electrode that discharges by energization and the unreacted gas supply unit 5 to discharge by energization. And a second reaction tube 22 having therein a discharge electrode.
  • upstream sides of the first reaction tube 21 and the second reaction tube 22 are connected to each other by a connection tube 23.
  • a check valve 21 a that prevents backflow of gas
  • a gate valve that can switch the supply of methane gas to the first reaction pipe 21 by opening and closing.
  • 21b Between the connection pipe 23 and the second reaction pipe 22, there is a check valve 22a for preventing a back flow of gas, and a gate valve 22b capable of switching the supply of methane gas to the second reaction pipe 22 by opening and closing. Is provided.
  • the carbon separation unit 3 includes a first carbon separation unit 31 connected to the downstream side of the first reaction tube 21 and a second carbon separation unit 32 connected to the downstream side of the second reaction tube 22.
  • the first carbon separation unit 31 and the second carbon separation unit 32 have the same configuration.
  • the carbon separation filter is built in, and the carbon separated by the carbon separation filter is the first and second carbon separation units. 31 and 32 are accumulated at the bottom.
  • the carbon separation filter may be provided with a plurality of filters such as the inlet side and the outlet side of the first and second carbon separation portions 31 and 32.
  • filters such as the inlet side and the outlet side of the first and second carbon separation portions 31 and 32.
  • various configurations other than the filter system can be adopted for carbon separation.
  • a water tank 7 and a circulation pump 8 are provided between the carbon separation unit 3 and the hydrogen separation unit 4.
  • the water tank 7 discharges the gas from which the carbon has been removed by the carbon separation unit 3 in water, and completely removes the remaining carbon components. Between the water tank 7 and the 1st carbon separation part 31 and the 2nd carbon separation part 32, the check valve 31a and the check valve 32a which prevent the backflow of gas are provided, respectively.
  • the water tank 7 can flow in and out of the water via the gate valves 7a and 7b so that the water in the tank can be exchanged regularly or continuously.
  • the circulation pump 8 is a push-type pump that supplies gas to the hydrogen separator 4 at a desired pressure.
  • the hydrogen separator 4 is constituted by a hydrogen permeable membrane.
  • This hydrogen permeable membrane is, for example, a Pd membrane, in which hydrogen molecules are adsorbed on the surface of the Pd membrane, the adsorbed hydrogen molecules are separated into hydrogen atoms, and Pd takes electrons from the separated hydrogen atoms and becomes protons. To spread. Thereby, protons and electrons recombine on the opposite surface of the Pd film to form hydrogen molecules, and only hydrogen gas passes through the Pd film.
  • nitrogen can flow into the hydrogen separator 4 via the gate valve 4a.
  • the hydrogen gas that has passed through the hydrogen permeable membrane is stored in a hydrogen cylinder 9.
  • a check valve 4b for preventing the backflow of gas
  • a gate valve 4c capable of switching the supply of gas by opening and closing.
  • a similar gate valve 9 a and a flow meter 9 b for measuring the flow rate of methane gas supplied from the hydrogen cylinder 9 are provided.
  • the hydrogen cylinder 9 is provided with a pressure gauge 9c for measuring and displaying the pressure in the cylinder.
  • unreacted methane gas that cannot pass through the hydrogen permeable membrane is supplied to the unreacted gas supply unit 5 and then supplied to the gas decomposition unit 2 again. That is, the unreacted gas supply unit 5 forms a circulation path for unreacted methane gas.
  • the unreacted gas supply unit 5 is connected to the connecting pipe 23, a safety valve 5a that is released when the pressure in the pipe is abnormally increased, a gate valve 5b that can switch the gas supply by opening and closing, and a backflow of gas. And a check valve 5c is provided.
  • both the first reaction tube 21 and the second reaction tube 22 have the same configuration, and a pair of discharge electrodes 20a and 20b and a space between these discharge electrodes 20a and 20b. And a disk-shaped rotating electrode 20c provided.
  • One of the pair of discharge electrodes 20a and 20b is a positive electrode and the other is a negative electrode, and is connected to a power supply device (not shown) outside the insulating case 20f via connection terminals 20d and 20e, respectively.
  • the rotating electrode 20c has a pair of discharge electrodes 20a such that the traveling direction of the methane gas (the arrow in the drawing is the traveling direction) is the tangential direction of the rotating electrode in the insulating case 20f. , 20b and is rotatable by a motor (not shown).
  • the rotating action direction of the rotating electrode coincides with the flow direction of the methane gas, and it is possible to reliably prevent carbon generated in the electrode portion from adhering to the electrode portion.
  • the traveling direction of the supplied methane gas is perpendicular to the discharge direction of the electrodes, so that the carbon generated between the electrodes 20a-20c and 20b-20c can be efficiently pulverized with the next supplied methane gas.
  • the generated carbon can be crushed and scattered more reliably by providing a throttle in advance and increasing the gas flow rate.
  • check valve 1c Used in the methane gas decomposition apparatus of the present embodiment will be described with reference to FIG.
  • the check valve 1c will be described as a representative.
  • the check valve 1c includes a cylindrical main body 10, a valve seat portion 10a whose inside is protruded to a small diameter, a valve body 11 seated on the valve seat portion 10a, and the valve body 11 on the valve seat portion 10a side. And a coil spring 12 to be energized.
  • the valve body 11 is slide-guided by a shaft body 14 supported by a support body 13 on the valve seat portion 10a side.
  • the other end side of the coil spring 12 is supported by a spring support 15.
  • valve body 11 With this configuration, the valve body 11 is held in the seated state on the valve seat portion 10 a by the biasing force of the coil spring 12. At this time, since the sealing member 11a such as an O-ring is provided on the contact surface with the valve seat portion 10a, the valve body 11 can maintain airtightness in the seated state.
  • the gas when the gas is supplied from the forward direction indicated by the arrow in the figure, the gas acts on the valve body 11 through the through holes 13a that radiately penetrate the support body 13 (through the gap of the valve seat portion 10a). To do.
  • valve body 11 When a pressure exceeding the urging force of the coil spring 12 is applied, the valve body 11 is lifted from the valve seat portion 10a, is changed from the valve closed state to the valve open state, and is formed radially on the spring support 15 from between the coil springs 12. It is discharged through the through hole 15a.
  • valve body 11 is seated again on the valve seat portion 10a and changes from the open state to the closed state.
  • the methane gas supplied through the methane gas supply unit 1 is supplied through the connecting pipe 23 before being mixed with the methane gas circulating through the unreacted gas supply unit 5 without being decomposed by the gas decomposition unit 2.
  • the first reaction tube 21 and the second reaction tube 22 are supplied.
  • methane gas can be decomposed
  • the gas decomposition unit 2 is divided into two reaction tubes, the first reaction tube 21 and the second reaction tube 22, the gas pressure of the supplied methane gas decreases, and the decomposition of the methane gas into the reaction tube Although the generated carbon can adhere, by providing a connecting pipe 23 connecting them to the upstream side of the first reaction pipe 21 and the second reaction pipe 22, methane gas supplied from the methane gas supply unit 1 and unreacted The methane gas supplied from the gas supply unit 5 can compensate for a decrease in gas pressure.
  • the gas decomposition unit 2 is divided into two reaction tubes, the first reaction tube 21 and the second reaction tube 22, it is possible to suppress the gas pressure of the supplied methane gas from decreasing, and the reaction tubes 21, 22 It is possible to prevent carbon generated by decomposition of methane gas from adhering to the inside.
  • the gas decomposition unit 2 is divided into two reaction tubes, a first reaction tube 21 and a second reaction tube 22, and methane gas can be efficiently decomposed even at a low pressure, decomposition in the gas decomposition unit 2
  • the methane gas can flow back to the supply unit having a low gas pressure, but the methane gas supply unit 1 and the unreacted gas
  • the methane gas supplied from the methane gas supply unit 1 and the methane gas supplied from the unreacted gas supply unit 5 while preventing the back flow by providing the check valves 1c and 5c on the upstream side of the connection pipe 23 of the supply unit 5 Can be efficiently decomposed in the first reaction tube 21 and the second reaction tube 22.
  • the check valves 1c and 5c are provided upstream of the connection pipe 23 of the methane gas supply unit 1 and the unreacted gas supply unit 5, the gas upstream of the first reaction tube 21 and the second reaction tube 22 is provided.
  • the pressure can be stabilized, but when the gas pressure on the upstream side of the first reaction tube 21 and the second reaction tube 22 as a whole decreases, the mixed gas flows into the first reaction tube 21 and the second reaction tube 22.
  • the backflow can be prevented by providing the check valves 21 a and 22 a on the downstream side of the connecting pipe 23.
  • the first reaction tube 21 and the first reaction tube 21 are closed by closing one of the two gate valves 21b and 22b.
  • the methane gas can be decomposed in any of the two reaction tubes 22, and the gas pressure can be prevented from being lowered and the carbon being prevented from adhering to the gas decomposition unit 2. Even when one of the first reaction tube 21 and the second reaction tube 22 is stopped by maintenance or the like, the use of the corresponding reaction tube is stopped by closing the gate valves 21b and 22b. Can do.
  • the first carbon in which water, carbon, and unreacted methane gas obtained by directly decomposing methane gas are connected to the first reaction tube 21 and the second reaction tube 22 by the first reaction tube 21 and the second reaction tube 22. It is supplied to the separation unit 31 and the second carbon separation unit 32. From the gas supplied to the first carbon separation unit 31 and the second carbon separation unit 32, the carbon in the gas is separated. Thereby, the gas after passing through the carbon separation part 3 is hydrogen and unreacted methane gas.
  • the gas supplied to the circulation pump through the water tank is separated from the hydrogen in the gas by the hydrogen permeable membrane of the hydrogen separator 4.
  • the separated hydrogen is supplied to the hydrogen cylinder 9, and hydrogen can be supplied from the hydrogen cylinder 9 to, for example, a fuel cell.
  • unreacted methane gas that cannot pass through the hydrogen permeable membrane is introduced into the unreacted gas supply unit 5, and is again supplied to the first reaction tube 21 and the second reaction tube 22 of the gas decomposition unit 2 together with the newly supplied methane gas. Supplied.
  • the above is the operation of the methane gas decomposition apparatus of the present embodiment. According to such a methane gas decomposition apparatus, it is possible to efficiently and continuously decompose methane gas by preventing the adhesion of carbon.
  • a discharge electrode As the discharge electrodes of the reaction tubes 21 and 22, a pair of discharge electrodes 20a and 20b as shown in FIG. 2 and a disk-shaped rotating electrode provided between the discharge electrodes 20a and 20b.
  • a discharge electrode is not limited to this, You may abbreviate
  • the carbon separation part is made into the 1st carbon separation part 31 and the 2nd carbon separation part 32, it is not limited to this,
  • the 1st carbon separation part 31 and the 2nd carbon separation part 32 May be provided on the downstream side of the first reaction tube 21 and the second reaction tube 22, and the carbon generated in these reaction tubes 21 and 22 may be separated together. .
  • the biomass processing system of the present embodiment is a system that generates generated gas containing methane by subjecting biomass to methane fermentation, and includes a pretreatment unit 100, a first unit 110, a second unit 120, and a third unit. 130 and a fourth unit 140.
  • the pretreatment unit 100 includes, for example, a crushing device 1000 that crushes food residues such as leftovers and garbage, and generates a biomass raw material by crushing food residues such as leftovers and food waste using the crushing device 1000.
  • the preprocessing unit is provided in the first unit 110 to the fourth unit 140, but the preprocessing unit 100 is configured independently of the first unit 110 to the fourth unit 140.
  • the first unit 110 to the fourth unit 140 may be installed in different places.
  • a waste disposal contractor who has collected food residues is disposed of as a waste by setting up a pretreatment unit 100 in the food residue accumulation site, so that the disposal site and the intermediate treatment facility become a food residue accumulation site.
  • a large amount of biomass as a raw material for methane fermentation can be generated from the food residue.
  • the first unit 110 includes a rainwater tank 1110, a raw water tank 1120, a hydrolysis tank 1130, a solar water hot panel 11400 and a solar power generation panel 1150 installed on the roof of the casing 1100. Prepare. Part of the solar power generation panel 1150 is installed on the roof of the casing 1200 of the second unit 120 (the solar power generation panel 1150 is not shown in FIG. 2).
  • the rainwater tank 1110 is a tank that collects rainwater that has fallen on the roofs of the first unit 110 and the second unit 120.
  • the rainwater in the rainwater tank 1110 is sent to the solar hot water panel 1140 and heated, and then the raw water. It is supplied to the tank 1120.
  • raw water tank 1120 raw water obtained by mixing and adjusting the biomass generated by the pretreatment unit 100 and the hot water heated by the solar hot water panel 1140 is stored.
  • raw water mixed and adjusted in advance in the raw water tank 1120 is supplied into the tank by the pump P.
  • the temperature of the raw water is adjusted to an appropriate temperature by hot water heated by the solar hot water panel 1140, a heater (not shown), or the like. Further, the raw water tank 1120 and the hydrolysis tank 1130 are provided with a stirrer N driven by an electric motor M, and the raw water is appropriately stirred and mixed by the stirrer N.
  • the second unit 120 includes a fermenter 1210 and a desulfurization device 1220 accommodated in a housing 1200.
  • the casing 1100 of the first unit 110 and the casing 1200 of the second unit 120 are connected and arranged adjacent to each other on a straight line so that the biomass processing steps are continued.
  • the first unit 110 and the second unit 120 are integrally formed as a pair, and the first unit 110 and the second unit 120 are configured to be capable of being loaded on a trailer integrally or separately.
  • a plurality of the first unit 110 and the second unit 120 that are integrated can be provided as appropriate according to the amount of biomass fermentation treatment, and the entire system can be increased in size.
  • the biomass hydrolyzed in the hydrolysis tank 1130 is supplied from the hydrolysis tank 1130 by the pump P, and the supplied biomass is subjected to methane fermentation.
  • the fermenter 1210 includes a PH sensor PH, a temperature sensor t, and a heater H attached to the side wall, and is managed so that the pH and temperature are suitable for methane fermentation.
  • a stirrer N driven by an electric motor M is provided, and the stirrer N performs stirring and mixing so that PH and temperature are uniform.
  • the desulfurization apparatus 1220 includes a plurality of desulfurization towers and removes hydrogen sulfide.
  • the desulfurization apparatus 1220 is connected to an exhaust valve provided in an upper part of the fermenter 1210, and a generated gas containing methane generated as the methane fermentation of biomass in the fermenter 1210 progresses. Furthermore, by operating a plurality of valves provided in front of the desulfurization tower in accordance with the supply amount of the generated gas, the supply path of the generated gas can be changed, and the plurality of desulfurization towers are supplied with the generated gas. It can be used in a form suitable for the quantity.
  • the third unit 130 includes a gas decomposition apparatus 1310 (corresponding to the methane gas decomposition apparatus of the present invention) housed in the housing 1300, a regenerator 1320 provided adjacent to the gas decomposition apparatus 1310, and a gas decomposition apparatus. 1310 and a generated gas tank 1330 provided between the desulfurization device 1220 of the second unit 120.
  • a gas decomposition apparatus 1310 (corresponding to the methane gas decomposition apparatus of the present invention) housed in the housing 1300, a regenerator 1320 provided adjacent to the gas decomposition apparatus 1310, and a gas decomposition apparatus. 1310 and a generated gas tank 1330 provided between the desulfurization device 1220 of the second unit 120.
  • the gas decomposition apparatus 1310 continuously generates a decomposition gas containing carbon and hydrogen by decomposing methane, for example, by supplying methane gas between the discharge electrodes.
  • the regenerator 1320 is various devices that use cracked gas as a recyclable resource.
  • the regenerator 1320 stores a hydrogen in the cracked gas 1320a, a fuel cell 1320b using the same, an engine 1320c that burns the cracked gas, and thereby This corresponds to the generator 1320d that generates power, the compressor 1320e that compresses the carbon component in the cracked gas, and the filling material 1320f that is filled with carbon.
  • the generated gas tank 1330 is supplied with a generated gas containing methane generated along with the progress of methane fermentation of biomass in the fermenter 1210 of the second unit 120 via the desulfurization device 1220, and the generated gas is temporarily stored. The Therefore, even when the first unit 110 and the second unit 120 are provided in parallel, the generated gas tank 1330 functions as a buffer without the generated gas supplied from these being directly supplied to the gas decomposition apparatus 1310. With a simple configuration, the plurality of first units 110 and the second units 120 can be configured.
  • the capacity of the generated gas tank 1330 is increased accordingly. It is possible to cope with this by making it unnecessary to change the facilities of the entire three units 130.
  • the fourth unit 140 includes a dehydrating device 1410 accommodated in the housing 1400, a solidifying device 1420 provided adjacent to the dehydrating device 1410, and the fermenter 1210 of the dehydrating device 1410 and the second unit 120. And a digestive fluid tank 1430 provided.
  • the dehydrator 1410 dehydrates the digestive juice that is a residue after methane fermentation in the fermenter 1210.
  • various existing techniques can be employed. Further, the water obtained by dehydrating the digested liquid is filtered and then returned to the rainwater tank 1110 of the first unit 110.
  • the solidification device 1420 solidifies the digestive juice residue dehydrated by the dehydration device 1410.
  • various existing techniques such as compression and drying can be adopted.
  • the digestive juice tank 1430 is supplied with the digestive juice that is the residue after methane fermentation in the fermenter 1210 of the second unit 120 via the pump P of the fermenter 1210, and temporarily stores the digested juice. Therefore, even when a plurality of the first units 110 and the second units 120 are provided in parallel, the digestive juice tank 1430 functions as a buffer without supplying the digestive juice supplied from these units to the dehydrator 1410, so that With such a configuration, the first unit 110 and the second unit 120 can be configured to be compatible.
  • the capacity of the digestive fluid tank 1430 is increased accordingly. It is possible to cope with this by making it unnecessary to change the equipment of the entire fourth unit.
  • the first unit 110 and the second unit 120 are integrally configured on a straight line, and a plurality of these units are provided side by side. The whole can be enlarged according to the fermentation processing amount of biomass.
  • the third unit 130 and the fourth unit 140 are configured to be capable of supporting a plurality of first units 110 and second units 120 that are integrated, a plurality of first units 110 and second units 120 are provided. Even when the entire system is enlarged, the third unit 130 and the fourth unit 140 are shared, so that the apparatus configuration is not complicated.
  • the generated gas tank 1330 is not housed in the housing 1300 of the third unit 130, but may be configured to be housed in the housing 1300.
  • the digestive juice tank 1430 is not accommodated in the casing 1400 of the fourth unit 140, but may be configured to be accommodated in the casing 1400.
  • Hydrolysis tank 1210 ... Fermenter, 1220 Desulfurization unit, 1310 ... Gas decomposition unit (methane gas decomposition unit), 1320 ... Regeneration unit, 1330 ... Generated gas tank, 1410 ... Dehydration unit, 1420 ... Solidification unit, 1430 ... Digestion Tank.

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Abstract

　カーボンの付着を防止して、メタンガスを効率的かつ連続的に分解することができるメタンガス分解装置を提供する。 メタンガス分解装置は、メタンガス供給部１と、メタンガスを水素およびカーボンに分解するガス分解部２と、メタンガスが分解された水素およびカーボンと、分解されずに該ガス分解部２を通過したメタンガスとの混合ガスから、カーボンを分離するカーボン分離部３と、水素を分離する水素分離部４と、水素が除去された後のメタンガスをガス分解部２に供給する未反応ガス供給部５とを備える。ガス分解部２は、第１反応管２１と第２反応管２２とを有し、第１反応管２１および第２反応管２２の上流側が互いに接続管２３により接続されている。

Description

メタンガス分解装置およびメタンガス分解装置を含むバイオマス処理システム
　本発明は、メタンガスを分解することによりカーボンと水素を生成するメタンガス分解装置およびメタンガス分解装置を含むバイオマス処理システムに関する。
　従来、この種のメタンガス分解装置としては、対向配置された一対の放電電極間の放電ギャップに、原料ガスが集中するように供給することで、水素ガスを効率的に発生させる装置が知られている。かかるメタンガス分解装置では、原料ガスに水蒸気を含ませることにより、水素ガスと共に生成されるカーボンを一酸化炭素または二酸化炭素とする（下記特許文献１ ［００１１］～［００１４］、［図１］参照）。
特開２００３－２１２５０２号公報
　しかしながら、従来のメタンガス分解装置では、原料ガスに水蒸気を含ませることにより、放電電極間の原料ガスの分解効率が低下するという問題がある。
　また、水素ガスと共に生成されるカーボンは、その一部が一酸化炭素または二酸化炭素とならずにカーボンのまま存在するため、メタンガスを連続的に分解させた場合には、未反応のカーボンが水蒸気により電極部分や管路内により付着し易くなるという問題があった。
　一方で、原料ガスに水蒸気を含ませないことも考えられるが、この場合には、水素ガスと共に生成されるカーボンを除去することができず、特に電極部分に堆積して放電、ひいてはメタンガスの分解ができなくなるという問題があった。
　そこで、本発明は、原料ガスに水蒸気を含ませずに、カーボンの付着を防止して、メタンガスを効率的かつ連続的に分解することができるメタンガス分解装置およびメタンガス分解装置を含むバイオマス処理システムを提供することを目的とする。
　第１発明のメタンガス分解装置は、メタンガスを分解することによりカーボンと水素とを含む反応ガスを連続的に生成するメタンガス分解装置であって、
　前記メタンガスを供給するメタンガス供給部と、
　前記メタンガス供給部から供給されたメタンガスを水素およびカーボンに分解するガス分解部と、
　前記ガス分解部によりメタンガスが分解された水素およびカーボンと、分解されずに該ガス分解部を通過したメタンガスとの混合ガスから、カーボンを分離するカーボン分離部と、
　前記カーボン分離部によりカーボンが除去された前記混合ガスから、水素を分離する水素分離部と、
　前記水素分離部により前記混合ガスから水素が除去された後のメタンガスを前記ガス分解部に供給する未反応ガス供給部と
を備え、
　前記ガス分解部は、
　前記メタンガス供給部に接続されて、通電により放電する放電電極を内部に有する第１反応管と、
　前記未反応ガス供給部に接続されて、通電により放電する放電電極を内部に有する第２反応管と
を有し、前記第１反応管および前記第２反応管の上流側が互いに接続管により接続され、
　前記カーボン分離部と前記水素分離部との間に、該カーボン分離部によりカーボンが除去された前記混合ガスを該水素分離部に所望の圧力で供給する循環ポンプが設けられ、
　前記第１反応管および前記第２反応管の放電電極は、それぞれ一対の放電電極と該放電電極の間に設けられた円盤状の回転電極とを有し、該一対の放電電極と該回転電極とが、前記メタンガスの進行方向が該回転電極の接線方向となるように、前記第１反応管および前記第２反応管内にそれぞれ配置されることを特徴とする。
　第１発明のメタンガス分解装置によれば、ガス分解部が第１反応管および第２反応管の２つの反応管により構成されるため、メタンガスを同時並行に分解することができ、メタンガスの分解効率を高めることができる。
　ここで、ガス分解部を第１反応管および第２反応管の２つの反応管に分けた場合には、供給されたメタンガスのガス圧が低下して、反応管内にメタンガスの分解により発生したカーボンが付着し得るが、第１反応管および第２反応管の上流側にこれらを互いに接続した接続管を設けることで、メタンガス供給部から供給されたメタンガスと、未反応ガス供給部から供給されたメタンガスとで互いにガス圧が低下することを補い合うことができる。そのため、ガス分解部を第１反応管および第２反応管の２つの反応管に分けた場合でも、供給されたメタンガスのガス圧が低下することを抑制して、反応管内にメタンガスの分解により発生したカーボンが付着することを防止することができる。
　また、第１発明のメタンガス分解装置によれば、メタンガスの進行方向が回転電極の接線方向となるように一対の放電電極と回転電極とを配置することで、回転電極の回動作用方向とメタンガスの流動方向とが一致し、電極部分で発生したカーボンが電極部分に付着することを確実に防止することができる。
　このように、第１発明のメタンガス分解装置によれば、電極部分へのカーボンの付着を防止して、メタンガスを効率的かつ連続的に分解することができる。
　第２発明のメタンガス分解装置は、第１発明において、
前記メタンガス供給部は、前記接続管の上流側および下流側にガスの逆流を防止する逆止弁を備え、
　前記未反応ガス供給部は、前記接続管の上流側および下流側にガスの逆流を防止する逆止弁を備えることを特徴とする。
　第２発明のメタンガス分解装置によれば、第１反応管および第２反応管の上流側にこれらを互いに接続した接続管を設け、メタンガス供給部から供給されたメタンガスと、未反応ガス供給部から供給されたメタンガスとで互いにガス圧が低下することを補い合わせた場合には、メタンガス供給部と未反応ガス供給部とのいずれかのメタンガスのガス圧が高い場合は、ガス圧の低い供給部にメタンガスが逆流し得る。
　特に、ガス分解部を第１反応管および第２反応管の２つの反応管に分けて、低圧でもメタンガスを効率的に分解可能とした場合には、ガス分解部での分解を上回るガス量がメタンガス供給部と未反応ガス供給部とのいずれかから供給された場合には、ガス圧の低い供給部にメタンガスが逆流し得るが、メタンガス供給部および未反応ガス供給部の接続管の上流側に逆止弁を設けることで逆流を防止しつつ、メタンガス供給部から供給されたメタンガスと、未反応ガス供給部から供給されたメタンガスとを互いに補い合わせて、第１反応管および第２反応管で効率よく分解させることができる。
　一方、メタンガス供給部および未反応ガス供給部の接続管の上流側に逆止弁を設けた場合には、第１反応管および第２反応管の上流側のガス圧を安定させることができるが、全体として第１反応管および第２反応管の上流側のガス圧が低下した場合には、混合ガスが第１反応管および第２反応管に逆流することが懸念されるが、メタンガス供給部および未反応ガス供給部の接続管の下流側にも逆止弁を設けることでかかる逆流を防止することができる。
　ここで、第１反応管および第２反応管の下流側にそれぞれ逆止弁を設けることも考えられるが、第１反応管および第２反応管の下流側には、メタンガスの分解に伴うカーボンが存在するため、逆止弁は目詰りを起こしてしまう。そのため、メタンガス供給部および未反応ガス供給部の接続管の下流側に逆止弁を設けることで、かかる目詰まりを防止しつつ、逆流を防止することができる。
　このように、第２発明のメタンガス分解装置によれば、メタンガスの分解をより安定的に効率よく連続的に分解することができる。
　第３発明のメタンガス分解装置は、第１または第２発明において、
前記カーボン分離部は、前記第１反応管の下流側に接続された第１カーボン分離部と、前記第２反応管の下流側に接続された第２カーボン分離部とを備えることを特徴とする。
　第３発明のメタンガス分解装置によれば、第１反応管および第２反応管のそれぞれに個別のカーボン分離部を設けることで、第１反応管および第２反応管の下流側を互いに接続する必要がなくなり、ガス分解部とカーボン分離部との間でのカーボンの目詰まりを防止することができる。
　このように、第３発明のメタンガス分解装置によれば、第１反応管および第２反応管で生じたメタンガスをダイレクトに第１カーボン分離部および第２カーボン分離部で混合ガスから分離することができ、カーボンの付着を防止して、メタンガスを効率的かつ連続的に分解することができる。
　第４発明のバイオマス処理システムは、第１～第３発明のいずれかのメタンガス分解装置を含み、バイオマスをメタン発酵させることによりメタンを含む発生ガスを発生させるバイオマス処理システムであって、　前記バイオマスを加水分解する加水分解槽を少なくとも有する第１ユニットと、
　前記第１ユニットの加水分解槽に接続され、加水分解された前記バイオマスを発酵させる発酵槽と、該発酵槽に接続されて該発酵槽で発生した前記発生ガスの脱硫を行う脱硫装置とを有する第２ユニットと、
　前記第２ユニットの脱硫装置を介して供給される前記発生ガスを分解する前記メタンガス分解装置を有する第３ユニットと
を備え、
　前記第１ユニットと前記第２ユニットとが、前記バイオマスの処理工程に合わせて直線上に隣接して連結配列されると共に、前記第３ユニットが、該第１ユニットおよび該第２ユニットと独立、かつ、複数の該第１ユニットおよび該第２ユニットに対応可能に構成されることを特徴とする。
　第４発明のバイオマス処理システムによれば、バイオマスをメタン発酵させることによりメタンを含む発生ガスを発生させるバイオマスプラントでは、メタンの発生量が少ないところ、かかるバイオマスプラントにおいても、原料ガスに水蒸気を含ませずに、カーボンの付着を防止して、メタンガスを効率的かつ連続的に分解することができる。　加えて、バイオマス処理システムを第１～第３ユニット構成とすることで、設計および配置の自由度を担保しつつ、一体を成す第１ユニットおよび第２ユニットを複数併設可能とすることで、システム全体をバイオマスの発酵処理量に応じて大型化することができる。
　このように、第４発明のバイオマス処理システムによれば、システム全体の設計および配置の自由度を高めることができると共に、原料ガスに水蒸気を含ませずに、カーボンの付着を防止して、メタンガスを効率的かつ連続的に分解することができるバイオマス処理システムを具体的に実現することができる。
本実施形態のメタンガス分解装置の全体構成を示す構成図。 本実施形態の反応管の放電電極の構造を示す説明図。 本実施形態の逆止弁の構造を示す説明図。 本実施形態のバイオマス処理システムの全体構成を示す斜視図。 図４のバイオマス処理システムの全体構成を示すシステム構成図。 図４の第１ユニットおよび第２ユニットの具体的構成を示す説明図。
　図１に示すように、本実施形態のメタンガス分解装置は、メタンガスを分解することによりカーボンと水素とを連続的に生成する装置であって、メタンガスが供給されるメタンガス供給部１と、メタンガスを分解するガス分解部２と、メタンガスの分解により生成されたカーボンをガスから分離するカーボン分離部３と、メタンガスの分解により生成された水素をガスから分離する水素分離部４と、未反応ガスを再度ガス分解部２に循環供給する未反応ガス供給部５とを備える。
　メタンガス供給部１は、天然ガスやバイオガス等のメタンガスの供給源（図示省略）に一端が接続されたガス供給管であって、他端がガス分解部２に接続される。
　メタンガス供給部１には、メタンガスのガス分解部２への供給を開栓・閉栓により切替可能な仕切弁１ａと、供給するメタンガスの流量を計測する流量計１ｂと、ガスの逆流を防止する逆止弁１ｃとが設けられている。
　ガス分解部２は、２つの反応管が並列に設けられてなる。具体的に、ガス分解部２は、メタンガス供給部１に接続されて、通電により放電する放電電極を内部に有する第１反応管２１と、未反応ガス供給部５に接続されて、通電により放電する放電電極を内部に有する第２反応管２２とを備える。
　また、ガス分解部２は、第１反応管２１および第２反応管２２の上流側が互いに接続管２３により接続されている。そして、接続管２３と第１反応管２１との間には、ガスの逆流を防止する逆止弁２１ａと、第１反応管２１へのメタンガスの供給を開栓・閉栓により切替可能な仕切弁２１ｂとが設けられている。接続管２３と第２反応管２２との間には、ガスの逆流を防止する逆止弁２２ａと、第２反応管２２へのメタンガスの供給を開栓・閉栓により切替可能な仕切弁２２ｂとが設けられている。
　なお、第１反応管２１および第２反応管２２の構成の詳細は、図２を参照して後述する。
　カーボン分離部３は、第１反応管２１の下流側に接続された第１カーボン分離部３１と、第２反応管２２の下流側に接続された第２カーボン分離部３２とを備える。
　第１カーボン分離部３１および第２カーボン分離部３２は、いずれも同様の構成であり、例えば、カーボン分離フィルタを内蔵し、カーボン分離フィルタにより分離されたカーボンは、第１および第２カーボン分離部３１，３２の底部に蓄積されるようになっている。
　なお、カーボン分離フィルタは、第１および第２カーボン分離部３１，３２の入口側および出口側のように複数フィルタを設けるようにしてもよい。また、カーボンの分離は、フィルタ方式以外の種々の構成が採用可能である。
　カーボン分離部３と水素分離部４との間には、水タンク７および循環ポンプ８が設けられている。
　水タンク７は、カーボン分離部３によりカーボンが除去されたガスを水中放出し、残存するカーボン成分を完全に除去するものである。水タンク７と第１カーボン分離部３１および第２カーボン分離部３２との間には、それぞれガスの逆流を防止する逆止弁３１ａおよび逆止弁３２ａが設けられている。
　また、水タンク７は、定期的または連続的にタンク内の水が交換可能なように、仕切弁７ａ，７ｂを介して、水の流入出が可能となっている。
　循環ポンプ８は、水素分離部４に所望の圧力でガスを供給する押込型のポンプである。
　水素分離部４は、水素透過膜により構成される。この水素透過膜は、例えば、Ｐｄ膜であって、Ｐｄ膜表面に水素分子が吸着され、吸着された水素分子が水素原子に分離し、分離した水素原子からＰｄが電子を奪い陽子となりＰｄ中に拡散する。これにより、Ｐｄ膜の反対面で陽子と電子が再結合して水素分子となり、水素ガスのみがＰｄ膜を通過する。
　なお、水素ガスに窒素を含ませる場合のために、水素分離部４には、仕切弁４ａを介して、窒素の流入が可能となっている。
　そして、水素透過膜を通過した水素ガスは、水素ボンベ９に貯蔵される。水素分離部４と水素ボンベ９との間には、ガスの逆流を防止する逆止弁４ｂと、ガスの供給を開栓・閉栓により切替可能な仕切弁４ｃとが設けられており、水素ボンベ９の下流側には、同様の仕切弁９ａと、水素ボンベ９から供給されるメタンガスの流量を計測する流量計９ｂとが設けられている。なお、水素ボンベ９には、ボンベ内の圧力を計測表示する圧力計９ｃが取付けられている。
　一方、水素透過膜を通過できない未反応のメタンガスは、未反応ガス供給部５に供給されて、再び、ガス分解部２に供給される。すなわち、未反応ガス供給部５は、未反応のメタンガスの循環路を形成している。
　未反応ガス供給部５は、接続管２３との間に、管内の圧力の異常上昇時に解放される安全弁５ａと、ガスの供給を開栓・閉栓により切替可能な仕切弁５ｂと、ガスの逆流を防止する逆止弁５ｃとが設けられている。
　以上が、本実施形態のメタンガス分解装置の全体構成である。
　次に、図２を参照して、説明を後回しにした第１反応管２１および第２反応管２２の構成について説明する。
　図２（ａ）に示すように、第１反応管２１および第２反応管２２は、いずれも同様の構成であり、一対の放電電極２０ａ，２０ｂと、これらの放電電極２０ａ，２０ｂの間に設けられた円盤状の回転電極２０ｃとを備える。
　一対の放電電極２０ａ，２０ｂは、いずれか一方が正極で他方が負極となっており、それぞれ接続端子２０ｄ，２０ｅを介して絶縁ケース２０ｆ外の電源装置（図示省略）に接続されている。
　図２（ｂ）に示すように、回転電極２０ｃは、絶縁ケース２０ｆ内においてメタンガスの進行方向（図中の矢印が進行方向）が該回転電極の接線方向となるように、一対の放電電極２０ａ，２０ｂの間に配置され、モータ（図示省略）により回動可能となっている。
　そのため、回転電極の回動作用方向とメタンガスの流動方向とが一致し、電極部分で発生したカーボンが電極部分に付着することを確実に防止することができる。
　また、供給されたメタンガスの進行方向と電極の放電方向とが垂直となり、電極間２０ａ－２０ｃ，２０ｂ－２０ｃに生成されたカーボンを次に供給されたメタンガスで効率よく粉砕することができる。
　さらに、ガスを電極間２０ａ－２０ｃ，２０ｂ－２０ｃに供給する際に、予め絞りを設けてガスの流速を上げることで、より確実に生成したカーボンを粉砕して飛散させることができる。
　次に、図３を参照して、本実施形態のメタンガス分解装置に用いられる逆止弁１ｃ，５ｃ，２１ａ，２２ａ，３１ａ，３２ａ・・などの構成について説明する。以下、代表して逆止弁１ｃで説明する。
　逆止弁１ｃは、筒状の本体１０と、その内部を小径に突出させた弁座部１０ａと、弁座部１０ａに着座する弁体１１と、弁体１１を弁座部１０ａ側に付勢するコイルバネ１２とを備える。
　弁体１１は、弁座部１０ａ側の支持体１３により支持された軸体１４により、スライドガイドされている。また、コイルバネ１２の他端側は、バネ支持体１５により支持されている。
　かかる構成により、弁体１１は、コイルバネ１２の付勢力により弁座部１０ａに着座状態に保持される。このとき、弁体１１は、Ｏリング等のシール部材１１ａが弁座部１０ａとの当接面に設けられているため、着座状態における気密性を保つことができる。
　ここで、図中に矢印で示す順方向からガスが供給されると、ガスは、支持体１３を放射状に貫通する貫通孔１３ａを通して、（さらに弁座部１０ａの間隙を通して）弁体１１に作用する。
　そして、コイルバネ１２の付勢力を超える圧力が作用すると、弁体１１が弁座部１０ａから浮き上がり、閉弁状態から開弁状態となり、コイルバネ１２の間から、バネ支持体１５に放射状に形成された貫通孔１５ａを介して放出される。
　一方、ガスの圧力が低下すると（コイルバネ１２の付勢力を超える圧力が作用しなくなると）、弁体１１が再び弁座部１０ａに着座し、開弁状態から閉弁状態となる。
　次に、以上のように構成されたメタンガス分解装置の作動について、図１を参照して説明する。
　まず、メタンガス供給部１を介して供給されるメタンガスは、接続管２３を介して、それ以前に供給され、ガス分解部２で分解されずに未反応ガス供給部５を循環するメタンガスと混合され、第１反応管２１および第２反応管２２へと供給される。
　このように、第１反応管２１および第２反応管２２の２つの反応管によりガス分解部２を構成することで、メタンガスを同時並行に分解することができ、メタンガスの分解効率を高めることができる。
　ここで、ガス分解部２を第１反応管２１および第２反応管２２の２つの反応管に分けた場合には、供給されたメタンガスのガス圧が低下して、反応管内にメタンガスの分解により発生したカーボンが付着し得るが、第１反応管２１および第２反応管２２の上流側にこれらを互いに接続した接続管２３を設けることで、メタンガス供給部１から供給されたメタンガスと、未反応ガス供給部５から供給されたメタンガスとで互いにガス圧が低下することを補い合うことができる。
　そのため、ガス分解部２を第１反応管２１および第２反応管２２の２つの反応管に分けた場合でも、供給されたメタンガスのガス圧が低下することを抑制して、反応管２１，２２内にメタンガスの分解により発生したカーボンが付着することを防止することができる。
　このとき、ガス分解部２を第１反応管２１および第２反応管２２の２つの反応管に分けて、低圧でもメタンガスを効率的に分解可能とした場合には、ガス分解部２での分解を上回るガス量がメタンガス供給部１と未反応ガス供給部５とのいずれかから供給された場合には、ガス圧の低い供給部にメタンガスが逆流し得るが、メタンガス供給部１および未反応ガス供給部５の接続管２３の上流側に逆止弁１ｃ，５ｃを設けることで逆流を防止しつつ、メタンガス供給部１から供給されたメタンガスと、未反応ガス供給部５から供給されたメタンガスとを互いに補い合わせて、第１反応管２１および第２反応管２２で効率よく分解させることができる。
　また、メタンガス供給部１および未反応ガス供給部５の接続管２３の上流側に逆止弁１ｃ，５ｃを設けた場合には、第１反応管２１および第２反応管２２の上流側のガス圧を安定させることができるが、全体として第１反応管２１および第２反応管２２の上流側のガス圧が低下した場合には、混合ガスが第１反応管２１および第２反応管２２に逆流することが懸念されるが、接続管２３の下流側にも逆止弁２１ａ，２２ａを設けることでかかる逆流を防止することができる。
　全体として第１反応管２１および第２反応管２２の上流側のガス圧がさらに低下した場合には、２つの仕切弁２１ｂ，２２ｂのいずれかを閉栓することで、第１反応管２１と第２反応管２２とのいずれかでメタンガスを分解することができ、ガス圧が低下してガス分解部２にカーボンが付着することを防止することができる。なお、第１反応管２１と第２反応管２２とのいずれか一方をメンテンス等で使用を停止する場合にも、仕切弁２１ｂ，２２ｂを閉栓することで対応する反応管の使用を停止することができる。
　次いで、第１反応管２１および第２反応管２２により、メタンガスが直接分解された水とカーボンと未反応のメタンガスとが、第１反応管２１および第２反応管２２に接続された第１カーボン分離部３１および第２カーボン分離部３２に供給される。第１カーボン分離部３１および第２カーボン分離部３２に供給されたガスは、ガス中のカーボンが分離される。これにより、カーボン分離部３を経た後のガスは、水素と未反応のメタンガスとなっている。
　ここで、第１反応管２１および第２反応管２２のそれぞれに個別のカーボン分離部３１，３２を設けることで、第１反応管２１および第２反応管２２の下流側を互いに接続する必要がなくなり、ガス分解部２とカーボン分離部３との間でのカーボンの目詰まりを防止することができる。
　次いで、水タンクを通過して循環ポンプに供給されたガスは、水素分離部４の水素透過膜によりガス中の水素が分離される。分離された水素は、水素ボンベ９に供給され、水素ボンベ９から、例えば燃料電池等に水素が供給可能となっている。一方、水素透過膜を通過できない未反応のメタンガスは、未反応ガス供給部５へ導入され、新たに供給されたメタンガスと共に、再びガス分解部２の第１反応管２１および第２反応管２２に供給される。
　以上が、本実施形態のメタンガス分解装置の作動である。かかるメタンガス分解装置によれば、カーボンの付着を防止して、メタンガスを効率的かつ連続的に分解することができる。
　なお、本実施形態において、反応管２１，２２の放電電極として、図２に示すような一対の放電電極２０ａ，２０ｂと、これらの放電電極２０ａ，２０ｂの間に設けられた円盤状の回転電極２０ｃとを備える構成について説明したが、放電電極はこれに限定されるものではなく、回転電極を省略して、一対の放電電極のみで構成してもよい。
　また、本実施形態では、カーボン分離部を第１カーボン分離部３１および第２カーボン分離部３２としているが、これに限定されるものではなく、第１カーボン分離部３１と第２カーボン分離部３２とを統合した１つのカーボン分離部を、第１反応管２１および第２反応管２２の下流側に設け、これらの反応管２１，２２で発生したカーボンを一括して分離するようにしてもよい。
　次に、図４乃至図６を参照して、本実施形態のメタンガス分解装置を組み込んだバイオマス処理システムについて説明する。
　本実施形態のバイオマス処理システムは、バイオマスをメタン発酵させることによりメタンを含む発生ガスを発生させるシステムであって、前処理ユニット１００と、第１ユニット１１０と、第２ユニット１２０と、第３ユニット１３０と、第４ユニット１４０とを備える。　前処理ユニット１００は、例えば、残飯や生ゴミなどの食品残渣を破砕する破砕装置１０００を備え、破砕装置１０００により残飯や生ゴミなどの食品残渣を破砕することによりバイオマスの原料を生成する。
　図１において、前処理ユニットは、第１ユニット１１０～第４ユニット１４０に併設されているが、前処理ユニット１００は、第１ユニット１１０～第４ユニット１４０とは独立に構成されるものであり、第１ユニット１１０～第４ユニット１４０とは異なる場所に設置されてもよい。
　例えば、食品残渣を回収した廃棄物処理業者は、食品残渣の集積場に前処理ユニット１００を設けることで、処分場や中間処理施設を食品残渣の集積場として、従来、廃棄物として廃棄処分されていた食品残渣からメタン発酵の原料となるバイオマスを大量に生成することができる。
　第１ユニット１１０は、筐体１１００内に収容された雨水タンク１１１０と原水タンク１１２０と加水分解槽１１３０と、筐体１１００の屋上に設置された太陽光温水パネル１１４００と太陽光発電パネル１１５０とを備える。なお、太陽光発電パネル１１５０は、その一部が第２ユニット１２０の筐体１２００の屋上に設置されている（図２においては、太陽光発電パネル１１５０の図示を省略している。）。
　雨水タンク１１１０は、第１ユニット１１０および第２ユニット１２０の屋上に降った雨水を回収したタンクであって、雨水タンク１１１０の雨水は太陽光温水パネル１１４０に送水されて加熱された上で、原水タンク１１２０に供給される。
　原水タンク１１２０では、前処理ユニット１００により生成されたバイオマスと、太陽光温水パネル１１４０で加熱した温水とを混合調整した原水を貯留する。
　加水分解槽１１３０は、原水タンク１１２０で予め混合調整された原水がポンプＰにより槽内に供給される。
　なお、原水タンク１１２０および加水分解槽１１３０では、太陽光温水パネル１１４０で加熱された温水および加熱ヒータ（図示省略）等により、原水が適温に温度調整される。また、原水タンク１１２０および加水分解槽１１３０には、電動モータＭにより駆動する攪拌機Ｎが設けられており、攪拌機Ｎにより原水が適宜攪拌混合される。
　第２ユニット１２０は、筐体１２００内に収容された発酵槽１２１０と脱硫装置１２２０とを備える。
　ここで、第１ユニット１１０の筐体１１００と第２ユニット１２０の筐体１２００とが、バイオマスの処理工程が連続するように、直線上に隣接して連結配列されている。このように、第１ユニット１１０と第２ユニット１２０とは一対で一体を成し、第１ユニット１１０および第２ユニット１２０とは一体または各々分割してトレーラに積載可能に構成される。さらに、一体を成す第１ユニット１１０および第２ユニット１２０は、バイオマスの発酵処理量に応じて適宜複数併設することができ、システム全体の大型化が対応可能となっている。
　発酵槽１２１０は、加水分解槽１１３０で加水分解処理されたバイオマスが、加水分解槽１１３０からポンプＰにより供給され、供給されたバイオマスをメタン発酵させる。
　発酵槽１２１０は、ＰＨセンサＰＨと、温度センサtと、側壁に取り付けられたヒータＨとを備え、メタン発酵に適したＰＨ、温度となるように管理される。また、電動モータＭにより駆動する攪拌機Ｎが設けられており、攪拌機ＮによりＰＨおよび温度が均一となるように攪拌混合される。
　脱硫装置１２２０は、複数の脱硫塔からなり硫化水素を除去処理する。脱硫装置１２２０は、発酵槽１２１０の上部に設けられた排気バルブに接続されており、発酵槽１２１０におけるバイオマスのメタン発酵の進行に伴って生成されるメタンを含む発生ガスが供給される。さらに、発生ガスの供給量に応じて、脱硫塔の手前に設けられた複数のバルブを操作することで、発生ガスの供給路が変更可能となっており、複数の脱硫塔を発生ガスの供給量に適した形で使用することができる。
　第３ユニット１３０は、筐体１３００内に収容されたガス分解装置１３１０（本発明のメタンガス分解装置に相当する）と、ガス分解装置１３１０に隣接して設けられた再生装置１３２０と、ガス分解装置１３１０と第２ユニット１２０の脱硫装置１２２０との間に設けられた発生ガスタンク１３３０とを備える。
　ガス分解装置１３１０は、例えば、放電電極間にメタンガスを供給することで、メタンを分解してカーボンと水素とを含む分解ガスを連続的に生成する。
　再生装置１３２０は、分解ガスを再生資源にする各種装置であって、例えば、分解ガス中の水素を吸蔵する吸蔵装置１３２０ａ並びにこれを用いた燃料電池１３２０ｂ、分解ガスを燃焼させるエンジン１３２０ｃ並びにこれにより発電を行う発電機１３２０ｄ、および分解ガス中の炭素成分を圧縮する圧縮機１３２０ｅ並びにこれにより炭素充填を行なった充填物質１３２０ｆが該当する。
　発生ガスタンク１３３０は、第２ユニット１２０の発酵槽１２１０におけるバイオマスのメタン発酵の進行に伴って生成されるメタンを含む発生ガスが脱硫装置１２２０を介して供給され、かかる発生ガスが一時的に貯留される。そのため、第１ユニット１１０および第２ユニット１２０を複数並列に併設した場合でも、これらから供給される発生ガスが直接ガス分解装置１３１０に供給されることなく、発生ガスタンク１３３０がバッファとして機能するため、簡易な構成で、複数の第１ユニット１１０および第２ユニット１２０に対応可能に構成することができる。
　ここで、発生ガスタンク１３３０を筐体１３００内に設けないことで、第１ユニット１１０および第２ユニット１２０を後日さらに複数併設した場合でも、発生ガスタンク１３３０の容量をそれに合せて大きくすることで、第３ユニット１３０全体の設備の変更を不要として、これに対応することが可能となっている。
　第４ユニット１４０は、筐体１４００内に収容された脱水装置１４１０と、脱水装置１４１０に隣接して設けられた固化装置１４２０と、脱水装置１４１０と第２ユニット１２０の発酵槽１２１０との間に設けられた消化液タンク１４３０とを備える。
　脱水装置１４１０は、発酵槽１２１０のメタン発酵後の残渣である消化液を脱水する。脱水の手法としては、既存の種々の手法が採用され得る。さらに、消化液を脱水することにより得られた水分はろ過された後、第１ユニット１１０の雨水タンク１１１０へと戻される。
　固化装置１４２０は、脱水装置１４１０により脱水された消化液の残渣を固化させる。固化の手法としては、圧縮および乾燥等の既存の種々の手法が採用され得る。
　消化液タンク１４３０は、第２ユニット１２０の発酵槽１２１０におけるメタン発酵後の残渣である消化液が発酵槽１２１０のポンプＰを介して供給され、かかる消化液が一時的に貯留される。そのため、第１ユニット１１０および第２ユニット１２０を複数並列に併設した場合でも、これらから供給される消化液が脱水装置１４１０に供給されることなく、消化液タンク１４３０がバッファとして機能するため、簡易な構成で、複数の第１ユニット１１０および第２ユニット１２０に対応可能に構成することができる。
　ここで、消化液タンク１４３０を筐体１４００内に設けないことで、第１ユニット１１０および第２ユニット１２０を後日さらに複数併設した場合でも、消化液タンク１４３０の容量をそれに合せて大きくすることで、第４ユニット全体の設備の変更を不要として、これに対応することが可能となっている。
　以上が、本実施形態のバイオマス処理システムの構成であり、かかるバイオマス処理システムによれば、第１ユニット１１０および第２ユニット１２０を直線上に一体に構成し、これを複数併設することで、システム全体をバイオマスの発酵処理量に応じて大型化することができる。
　さらに、第３ユニット１３０および第４ユニット１４０は、一体を成す複数の第１ユニット１１０および第２ユニット１２０に対応可能に構成されることから、第１ユニット１１０および第２ユニット１２０を複数併設してシステム全体を大型化した場合でも、第３ユニット１３０および第４ユニット１４０が共通化されるため装置構成が複雑化することもない。
　このように、本実施形態のバイオマス処理システムによれば、簡易な構成でシステム全体の大型化に対応することができる。
　なお、本実施形態において、発生ガスタンク１３３０は、第３ユニット１３０の筐体１３００内に収容されていないが、筐体１３００内に収容されるように構成してもよい。同様に、消化液タンク１４３０は、第４ユニット１４０の筐体１４００内に収容されていないが、筐体１４００内に収容されるように構成してもよい。
１…メタンガス供給部、１ｃ，５ｃ，２１ａ，２２ａ…逆止弁、２…ガス分解部、３…カーボン分離部、４…水素分離部、５…未反応ガス供給部、２０ａ，２０ｂ…一対の放電電極、２０ｃ…回転電極、２１…第１反応管、２２…第２反応管、２３…接続管、３１…第１カーボン分離部、３２…第２カーボン分離部、１００…前処理ユニット、１１０…第１ユニット、１２０…第２ユニット、１３０…第３ユニット、１４０…第４ユニット、１０００…破砕装置、１１１０…雨水タンク、１１２０…原水タンク、１１３０…加水分解槽、１２１０…発酵槽、１２２０…脱硫装置、１３１０…ガス分解装置（メタンガス分解装置）、１３２０…再生装置、１３３０…発生ガスタンク、１４１０…脱水装置、１４２０…固化装置、１４３０…消化液タンク。

Claims (4)

  1. 　メタンガスを分解することによりカーボンと水素とを含む反応ガスを連続的に生成するメタンガス分解装置であって、
    　前記メタンガスを供給するメタンガス供給部と、
    　前記メタンガス供給部から供給されたメタンガスを水素およびカーボンに分解するガス分解部と、
    　前記ガス分解部によりメタンガスが分解された水素およびカーボンと、分解されずに該ガス分解部を通過したメタンガスとの混合ガスから、カーボンを分離するカーボン分離部と、
    　前記カーボン分離部によりカーボンが除去された前記混合ガスから、水素を分離する水素分離部と、
    　前記水素分離部により前記混合ガスから水素が除去された後のメタンガスを前記ガス分解部に供給する未反応ガス供給部と
    を備え、
    　前記ガス分解部は、
    　前記メタンガス供給部に接続されて、通電により放電する放電電極を内部に有する第１反応管と、
    　前記未反応ガス供給部に接続されて、通電により放電する放電電極を内部に有する第２反応管と
    を有し、前記第１反応管および前記第２反応管の上流側が互いに接続管により接続され、
    　前記カーボン分離部と前記水素分離部との間に、該カーボン分離部によりカーボンが除去された前記混合ガスを該水素分離部に所望の圧力で供給する循環ポンプが設けられ、
    　前記第１反応管および前記第２反応管の放電電極は、それぞれ一対の放電電極と該放電電極の間に設けられた円盤状の回転電極とを有し、該一対の放電電極と該回転電極とが、前記メタンガスの進行方向が該回転電極の接線方向となるように、前記第１反応管および前記第２反応管内にそれぞれ配置されることを特徴とするメタンガス分解装置。
  2. 　請求項１記載のメタンガス分解装置において、
    　前記メタンガス供給部は、前記接続管の上流側および下流側にガスの逆流を防止する逆止弁を備え、
    　前記未反応ガス供給部は、前記接続管の上流側および下流側にガスの逆流を防止する逆止弁を備えることを特徴とするメタンガス分解装置。
  3. 　請求項１または２記載のメタンガス分解装置において、
    　前記カーボン分離部は、前記第１反応管の下流側に接続された第１カーボン分離部と、前記第２反応管の下流側に接続された第２カーボン分離部とを備えることを特徴とするメタンガス分解装置。
  4. 請求項１～３のいずれか１項記載のメタンガス分解装置を含み、バイオマスをメタン発酵させることによりメタンを含む発生ガスを発生させるバイオマス処理システムであって、
    　前記バイオマスを加水分解する加水分解槽を少なくとも有する第１ユニットと、
    　前記第１ユニットの加水分解槽に接続され、加水分解された前記バイオマスを発酵させる発酵槽と、該発酵槽に接続されて該発酵槽で発生した前記発生ガスの脱硫を行う脱硫装置とを有する第２ユニットと、
    　前記第２ユニットの脱硫装置を介して供給される前記発生ガスを分解する前記メタンガス分解装置を有する第３ユニットと
    を備え、
    　前記第１ユニットと前記第２ユニットとが、前記バイオマスの処理工程に合わせて直線上に隣接して連結配列されると共に、前記第３ユニットが、該第１ユニットおよび該第２ユニットと独立、かつ、複数の該第１ユニットおよび該第２ユニットに対応可能に構成されることを特徴とするバイオマス処理システム。
     
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