(57)【要約】【課題】放熱利用のための発電装置を有さず、水素発酵装置及びメタン発酵装置を用いた、熱効率のよい水素ガス回収システムを提供する。【解決手段】水素ガス回収システム１は、水素ガス２６と酢酸含有物質２５とを生成する水素発酵槽２０と、メタン発酵ガス３７を生成するメタン発酵装置３０と、水素ガス４２を含む改質ガスを生成する改質器４０と、改質器４０を加熱する改質器加熱装置５０と、水素発酵槽２０に供給する有機物含有物質６４とを熱交換する熱交換器６０と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機物含有物質中の有機物を水素発酵により分解して水素ガスと酢酸含有物質とを生成する水素発酵槽と、
前記水素発酵槽で得られた酢酸含有物質をメタン発酵させることにより、メタンを含むメタン発酵ガスを生成するメタン発酵装置と、
前記メタン発酵ガスの一部を改質用ガスとし、この改質用ガスを改質して水素ガスと二酸化炭素とを含む改質ガスを生成する改質器と、
前記メタン発酵ガスの残部を燃焼用ガスとし、この燃焼用ガスを燃焼させて前記改質器を加熱しかつ二酸化炭素を含む燃焼ガスを生成する改質器加熱装置と、
前記改質ガスから水素ガスを除去して得られる水素除去ガスを含む二酸化炭素含有ガスの一部である戻り二酸化炭素含有ガスと、前記水素発酵槽に供給する有機物含有物質とを熱交換する熱交換器と、
を備えることを特徴とする水素ガス回収システム。
【請求項２】
前記改質用ガスと前記燃焼用ガスとの合計モル数に対する改質用ガスのモル数の比率である改質率が、７０〜９０％であることを特徴とする請求項１に記載の水素ガス回収システム。
【請求項３】
前記水素発酵の効率が５０〜７０％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の水素ガス回収システム。
【請求項４】
前記メタン発酵の効率が７０〜９０％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の水素ガス回収システム。
【請求項５】
前記有機物含有物質中の有機物がグルコースを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の水素ガス回収システム。
【請求項６】
前記酢酸含有物質がグルコースを含むことを特徴とする請求項５に記載の水素ガス回収システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、水素ガス回収システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＩＣリアクタ等のメタン発酵装置を用い、食品排水等に含まれる有機物を処理するとともにメタンガスを取り出す技術が知られている。また、メタンガスを改質することにより水素ガスを取り出す技術も知られている。さらに、水素発酵装置を用い、有機物を処理するとともに水素ガスを取り出す技術も知られている。回収された水素ガスは、例えば、燃料電池等に用いることができる。
【０００３】
なお、上記メタン発酵装置でのメタン発酵及び水素発酵装置での水素発酵は、通常、数十℃の加熱下で行われる。このため、メタン発酵装置又は水素発酵装置では、システム全体での熱効率が高いことが好ましい。
【０００４】
これに対し、特許文献１には、ガスタービン発電機の排ガス熱でメタン発酵槽の加温を行う有機性廃棄物処理装置が開示されている。特許文献２には、メタン発酵槽とＶＰＳＡ（真空圧力スイング吸着法）装置と改質炉とを備える廃棄物複合ガス化処理システムが開示されている。特許文献３には、メタン発酵槽と改質器とを備え、改質ガス凝縮水をメタン発酵槽に戻すバイオガス水素ガス製造装置が開示されている。
【０００５】
特許文献４には、水素ガス資化性メタン生産菌培養タンクで生成したメタンの一部を、水蒸気発生の熱源として熱分解装置に戻すバイオマス熱分解生成ガス処理装置が開示されている。特許文献５には、水素発酵装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−２７６７７２号公報
【特許文献２】特許第４６６２３３８号公報
【特許文献３】特許第４４５３３３７号公報
【特許文献４】特開２０００−１４０６２１号公報
【特許文献５】特許第５３７４０４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載された装置は、ガスタービン等の発電装置の設備が不要なシステムに用いることができない。特許文献２に記載された装置は、改質炉の廃熱が再利用されず、熱利用が十分でない。特許文献３に記載された装置は、改質ガス凝縮水をメタン発酵槽１に戻すため、改質ガスの熱利用が十分でない。特許文献４に記載された装置は、メタンガスを改質するシステムに用いることができない。特許文献５に記載された装置は、メタン発酵装置を有するシステムに用いることができない。
【０００８】
本開示は、このような従来技術が有する課題に鑑みてなされたものである。本開示の目的は、放熱利用のための発電装置を有さず、水素発酵装置及びメタン発酵装置を用いた、熱効率のよい水素ガス回収システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本開示の第１の態様に係る水素ガス回収システムは、有機物含有物質中の有機物を水素発酵により分解して水素ガスと酢酸含有物質とを生成する水素発酵槽と、前記水素発酵槽で得られた酢酸含有物質をメタン発酵させることにより、メタンを含むメタン発酵ガスを生成するメタン発酵装置と、前記メタン発酵ガスの一部を改質用ガスとし、この改質用ガスを改質して水素ガスと二酸化炭素とを含む改質ガスを生成する改質器と、前記メタン発酵ガスの残部を燃焼用ガスとし、この燃焼用ガスを燃焼させて前記改質器を加熱しかつ二酸化炭素を含む燃焼ガスを生成する改質器加熱装置と、前記改質ガスから水素ガスを除去して得られる水素除去ガスを含む二酸化炭素含有ガスの一部である戻り二酸化炭素含有ガスと、前記水素発酵槽に供給する有機物含有物質とを熱交換する熱交換器と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
本開示の第２の態様に係る水素ガス回収システムは、第１の態様に係る水素ガス回収システムにおいて、前記改質用ガスと前記燃焼用ガスとの合計モル数に対する改質用ガスのモル数の比率である改質率が、７０〜９０％であることを特徴とする。
【００１１】
本開示の第３の態様に係る水素ガス回収システムは、第１又は第２の態様に係る水素ガス回収システムにおいて、前記水素発酵の効率が５０〜７０％であることを特徴とする。
【００１２】
本開示の第４の態様に係る水素ガス回収システムは、第１〜第３のいずれかの態様に係る水素ガス回収システムにおいて、前記メタン発酵の効率が７０〜９０％であることを特徴とする。
【００１３】
本開示の第５の態様に係る水素ガス回収システムは、第１〜第４のいずれかの態様に係る水素ガス回収システムにおいて、前記有機物含有物質中の有機物がグルコースを含むことを特徴とする。
【００１４】
本開示の第６の態様に係る水素ガス回収システムは、第１〜第５のいずれかの態様に係る水素ガス回収システムにおいて、前記酢酸含有物質がグルコースを含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本開示によれば、放熱利用のための発電装置を有さず、水素発酵装置及びメタン発酵装置を用いた、熱効率のよい水素ガス回収システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】実施形態に係る水素ガス回収システムを示す図である。
【図２】実施形態に係る水素ガス回収システムの、水素発酵効率Ｘ１、メタン発酵効率Ｘ２の場合の水素ガス発生量を示すグラフである。
【図３】水素ガス回収量の違いを示すグラフである。
【図４】改質放熱の再利用があるときの必要エネルギー量の違いを示すグラフである。
【図５】改質放熱の再利用がないときの必要エネルギー量の違いを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を用いて実施形態に係る水素ガス回収システムについて詳細に説明する。
【００１８】
図１は、実施形態に係る水素ガス回収システムを示す図である。
【００１９】
図１に示すように、水素ガス回収システム１は、水素発酵槽２０と、メタン発酵装置３０と、改質器４０と、改質器加熱装置５０と、熱交換器６０とを備える。水素ガス回収システム１は、有機物含有物質６４を原料とし、水素発酵槽２０で水素ガス２６を取り出すとともに、メタン発酵装置３０で取り出したメタン発酵ガス３７を改質器４０で改質することで水素ガス４２をさらに取り出すシステムである。
【００２０】
水素ガス回収システム１において、水素発酵槽２０での水素発酵及びメタン発酵装置３０でのメタン発酵は、通常、数十℃の加熱下で行われる。一方、改質器加熱装置５０で加熱された改質器４０での改質は、例えば、５００〜７００℃程度の加熱下で行われる。水素ガス回収システム１は、改質器４０の有する熱を有効利用して水素発酵槽２０に導入する有機物含有物質６４を加熱して水素ガス回収システム１全体の熱効率を高くするシステムである。以下、水素ガス回収システム１について詳細に説明する。
【００２１】
（有機物投入部）
水素ガス回収システム１は、原料である有機物含有物質６４を水素ガス回収システム１内に投入する有機物投入部１０を備える。有機物投入部１０中の有機物含有物質６４は、熱交換器６０を介して水素発酵槽２０に移送される。
【００２２】
ここで、有機物含有物質６４とは、有機物を含む物質である。有機物含有物質６４は、例えば、有機物と、水分とを含む。有機物含有物質６４に含まれる有機物としては、例えば、グルコースＣ６Ｈ１２Ｏ６、ラクトースＣ12Ｈ2２Ｏ11等の糖類が用いられる。このうち、グルコースは、水素発酵槽２０での水素発酵の効率がよいため好ましい。以下においてはグルコースでの例を示すが，これに限定されず，ラクトースでも同様に考えられ，他の有機化合物でもよい。グルコースの水素発酵を、下記式（Ｈ１）に示す。
【００２３】
［化１］
水素発酵（グルコース由来）：
Ｃ６Ｈ１２Ｏ６＋２Ｈ２Ｏ→２ＣＯ２＋２ＣＨ３ＣＯＯＨ＋４Ｈ２      （Ｈ１）
【００２４】
有機物含有物質６４は、少なくともグルコース等の糖類を含むことが好ましい。有機物含有物質６４がグルコースを含む場合、有機物含有物質６４は、全有機物中のグルコースの含有量が、好ましくは７０質量％〜１００質量％、より好ましくは８０質量％〜１００質量％である。また、有機物含有物質６４は、全有機物中のグルコースの含有量が、さらに好ましくは９０質量％〜１００質量％、特に好ましくは９５質量％〜１００質量％である。ここで、全有機物とは、有機物含有物質６４から無機化合物を除いた残部を意味する。例えば、有機物含有物質６４が有機物と水と無機固形物質とからなる場合、全有機物は、有機物含有物質６４から水と無機固形物質とを除いた残部を意味する。
【００２５】
なお、有機物含有物質６４は、流動性を付与するために、水等を含んでいてもよい。有機物含有物質６４が水を含む場合、全有機物の濃度は、ＣＯＤが、通常数千ｍｇ／Ｌ〜数万ｍｇ／Ｌである。全有機物の濃度が上記範囲内にあると、水素発酵槽２０での水素発酵の効率がよいため好ましい。
【００２６】
（熱交換器）
水素ガス回収システム１では、有機物投入部１０中の有機物含有物質６４が、熱交換器６０を介して水素発酵槽２０に移送される。熱交換器６０では、低温の有機物含有物質６４と高温の戻り二酸化炭素含有ガス４８との間で熱交換することにより、低温の有機物含有物質６４が加熱されて高温の有機物含有物質６５が得られるようになっている。
【００２７】
熱交換器６０の熱交換の態様としては、特に限定されない。有機物含有物質６４と戻り二酸化炭素含有ガス４８とが非接触で熱交換してもよいし、有機物含有物質６４と戻り二酸化炭素含有ガス４８とが接触して熱交換してもよい。有機物含有物質６４と戻り二酸化炭素含有ガス４８とが接触して熱交換する態様としては、例えば、有機物含有物質６４と戻り二酸化炭素含有ガス４８とを混合する態様が用いられる。
【００２８】
戻り二酸化炭素含有ガス４８は、改質器４０から排出された二酸化炭素含有ガス４７から分岐された、少なくとも二酸化炭素ＣＯ２を含む高温のガスであり、場合により水を含む。戻り二酸化炭素含有ガス４８に含まれる二酸化炭素ＣＯ２は、濃度が高いと式（Ｈ１）で表されるグルコースの水素発酵を阻害する可能性があるが、濃度が低い場合はグルコースの水素発酵を実質的に阻害しない。このため、熱交換器６０の熱交換は、有機物含有物質６４と戻り二酸化炭素含有ガス４８とが非接触で熱交換する態様であってもよいし接触して熱交換する態様であってもよい。
【００２９】
水素ガス回収システム１は、改質ガスから水素ガス４２を除去して得られる水素除去ガスを含む二酸化炭素含有ガス４７の一部である戻り二酸化炭素含有ガス４８と、水素発酵槽２０に供給する有機物含有物質６４と、を熱交換する熱交換器６０を備える。ここで、水素除去ガスとは、改質器４０で生成される改質ガスから水素ガス４２を除去して得られるガスであり、二酸化炭素を含む。また、二酸化炭素含有ガス４７とは、水素除去ガスを少なくとも含むガスである。二酸化炭素含有ガス４７は、水素除去ガス以外の成分、例えば、改質器加熱装置５０で生成される燃焼ガスを含んでいてもよい。改質器加熱装置５０で生成される燃焼ガスは、改質器４０で生成される改質ガスと同様に二酸化炭素を含むため、改質ガスと燃焼ガスとの混合ガスも、通常、十分な濃度の二酸化炭素を含むガスとなる。
【００３０】
高温の戻り二酸化炭素含有ガス４８の温度は、例えば、１００〜８００℃である。水素発酵槽２０での水素発酵は、通常、数十℃の加熱下で行われるため、熱交換器６０で低温の有機物含有物質６４が加熱されると、加熱されない場合に比較して、水素ガス回収システム１の熱効率が向上する。
【００３１】
水素ガス回収システム１では、有機物投入部１０と熱交換器６０との間に熱交換器導入ライン６２が設けられており、有機物投入部１０中の有機物含有物質６４が熱交換器導入ライン６２を介して熱交換器６０に導入されるようになっている。また、熱交換器６０と水素発酵槽２０との間には熱交換器排出ライン６３が設けられており、有機物含有物質６４が熱交換器６０で加熱されて得られる有機物含有物質６５が熱交換器排出ライン６３を介して水素発酵槽２０に導入されるようになっている。なお、有機物含有物質６５と有機物含有物質６４との差異は有機物含有物質６５が有機物含有物質６４よりも高温であることにあり、両者の組成は実質的に同一である。
【００３２】
（水素発酵槽）
水素ガス回収システム１では、水素発酵槽２０に移送された有機物含有物質６５中の有機物が水素発酵により分解されて水素ガス２６と酢酸含有物質２５とが生成される。具体的には、水素ガス回収システム１は、有機物含有物質６４、６５中の有機物を水素発酵により分解して水素ガス２６と酢酸含有物質２５とを生成する水素発酵槽２０を備える。有機物含有物質６４、６５中の有機物がグルコースを含む場合、水素発酵槽２０でのグルコースの水素発酵は下記式（Ｈ１）のとおりである。
【００３３】
［化２］
水素発酵（グルコース由来）：
Ｃ６Ｈ１２Ｏ６＋２Ｈ２Ｏ→２ＣＯ２＋２ＣＨ３ＣＯＯＨ＋４Ｈ２      （Ｈ１）
【００３４】
水素発酵槽２０には、有機物含有物質６５を水素発酵槽２０に導入するための熱交換器排出ライン６３が設けられる。また、水素発酵槽２０には、水素発酵槽２０で生成した酢酸含有物質２５を排出するための水素発酵槽排出ライン２３と、水素発酵槽２０で生成した水素ガス２６を取り出すための水素発酵槽水素ガス取り出しライン２４と、が設けられる。
【００３５】
ここで、水素ガス２６とは、水素発酵槽２０での水素発酵により上記式（Ｈ１）の反応で生成された水素ガスである。水素ガス２６は水素発酵槽水素ガス取り出しライン２４を介して回収される。
【００３６】
また、酢酸含有物質２５とは、水素発酵槽２０での水素発酵により上記式（Ｈ１）の反応で生成された酢酸ＣＨ３ＣＯＯＨを含む物質である。なお、水素ガス回収システム１では、通常、水素発酵槽２０での水素発酵の効率を１００％とはせず、１００％未満、例えば５０〜７０％とする。このため、酢酸含有物質２５は、式（Ｈ１）の生成物である酢酸に加えて、式（Ｈ１）の原料であるグルコースＣ６Ｈ１２Ｏ６等の有機物も含む。酢酸含有物質２５はメタン発酵のために水素発酵槽排出ライン２３を介してメタン発酵装置３０に移送される。
【００３７】
（メタン発酵装置）
水素ガス回収システム１では、メタン発酵装置３０に移送された酢酸含有物質２５中の酢酸及び有機物がメタン発酵により分解されてメタン発酵ガス３７と処理後有機物３８とが生成される。具体的には、水素ガス回収システム１は、水素発酵槽２０で得られた酢酸含有物質２５をメタン発酵させることによりメタンを含むメタン発酵ガス３７を生成するメタン発酵装置３０を備える。メタン発酵装置３０としては、例えば、ＩＣリアクタが用いられる。
【００３８】
酢酸含有物質２５中に含まれる酢酸及び有機物のうち、有機物がグルコースを含む場合、メタン発酵装置３０での酢酸及びグルコースのメタン発酵は、それぞれ下記式（Ｍ１）及び（Ｍ２）のとおりである。
【００３９】
［化３］
メタン発酵（酢酸由来）：
ＣＨ３ＣＯＯＨ→ＣＨ４＋ＣＯ２                                （Ｍ１）
【００４０】
［化４］
メタン発酵（グルコース由来）：
Ｃ６Ｈ１２Ｏ６→３ＣＨ４＋３ＣＯ２                              （Ｍ２）
【００４１】
メタン発酵装置３０には、酢酸含有物質２５をメタン発酵装置３０に導入するための水素発酵槽排出ライン２３が設けられる。また、メタン発酵装置３０には、メタン発酵装置３０で生成したメタン発酵ガス３７を取り出すためのメタン発酵ガス取り出しライン３３と、メタン発酵装置３０で生成した処理後有機物３８を排出するための処理後有機物排出ライン３４とが設けられる。
【００４２】
ここで、メタン発酵ガス３７とは、メタン発酵装置３０での上記式（Ｍ１）及び（Ｍ２）のメタン発酵反応で生成された、メタンＣＨ４と二酸化炭素含有ガスＣＯ２とを含むガスである。なお、メタン発酵ガス３７はガスであるため、固体状又は液状の処理後有機物３８と分離されている。メタン発酵ガス３７はメタン発酵ガス取り出しライン３３を介してメタン発酵装置３０から取り出される。
【００４３】
なお、水素ガス回収システム１では、通常、メタン発酵装置３０でのメタン発酵の効率を１００％とはせず、１００％未満、例えば７０〜９０％とする。このため、メタン発酵装置３０では、式（Ｍ１）及び（Ｍ２）の生成物であるメタン発酵ガス３７に加え、式（Ｍ１）及び（Ｍ２）の原料を含む処理後有機物３８が生じる。処理後有機物３８は、通常、酢酸含有物質２５と同様に、酢酸、及びグルコース等の有機物を含む。ただし、処理後有機物３８中の酢酸及び有機物の濃度は、通常、酢酸含有物質２５よりも小さくなる。処理後有機物３８は処理後有機物排出ライン３４を介してメタン発酵装置３０から取り出される。
【００４４】
なお、処理後有機物３８は固体状又は液状であり、ガス状のメタン発酵ガス３７と分離された後に取り出される。処理後有機物３８中の酢酸及び有機物の濃度は、酢酸含有物質２５に比べて小さいため、取り出された処理後有機物３８は、例えば、好気処理等で処理可能である。
【００４５】
メタン発酵装置３０に設けられたメタン発酵ガス取り出しライン３３は、メタン発酵ガス分岐部３１で、改質用ガス導入ライン３５と燃焼用ガス導入ライン５５とに分岐される。改質用ガス導入ライン３５は改質器４０に接続され、燃焼用ガス導入ライン５５は改質器加熱装置５０に接続される。具体的には、水素ガス回収システム１は、メタン発酵ガス３７の一部を改質用ガス３９とし、かつメタン発酵ガス３７の残部を燃焼用ガス５９とするメタン発酵ガス分岐部３１を備える。
【００４６】
メタン発酵装置３０から排出されたメタン発酵ガス３７は、メタン発酵ガス分岐部３１で、改質器４０に導入される改質用ガス３９と、改質器加熱装置５０に導入される燃焼用ガス５９とに分岐される。なお、改質用ガス３９及び燃焼用ガス５９の組成は、メタン発酵ガス３７と同一である。改質用ガス３９及び燃焼用ガス５９は、メタンＣＨ４と二酸化炭素含有ガスＣＯ２とを含むガスである。
【００４７】
（改質器）
水素ガス回収システム１では、改質器４０に移送された改質用ガス３９中のメタンＣＨ４が改質されることにより、水素ガス４２と二酸化炭素とを含む改質ガスが生成される。具体的には、水素ガス回収システム１は、メタン発酵ガス３７の一部を改質用ガス３９とし、この改質用ガス３９を改質して水素ガス４２と二酸化炭素とを含む改質ガスを生成する改質器４０を備える。改質器４０での改質反応は下記式（Ｒ１）のとおりである。
【００４８】
［化５］
改質：
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２                                （Ｒ１）
【００４９】
改質器４０では、式（Ｒ１）に示すように、改質用ガス３９中のメタンＣＨ４が改質されることにより、水素ガス４２と二酸化炭素ＣＯ２とを含む改質ガスが生成される。水素ガス４２は改質器水素ガス取り出しライン４３を介して回収される。
【００５０】
改質ガスは、水素ガス４２が除去されると二酸化炭素を含むガスである水素除去ガスが得られる。すなわち、改質ガスから水素ガス４２を除去して得られるガスが水素除去ガスである。水素除去ガスは、水素ガス４２を実質的に含まず、かつ二酸化炭素を含む高温のガスになっている。改質ガス、水素ガス４２及び水素除去ガスは、水分を含むことがある。
【００５１】
改質器４０には、改質用ガス３９を改質器４０に導入するための改質用ガス導入ライン３５が設けられる。また、改質器４０には、改質器４０で生成された改質ガス中の水素ガス４２を外部に取り出すための改質器水素ガス取り出しライン４３が設けられる。さらに、改質器４０には、改質ガスから水素ガス４２を除去して得られる水素除去ガスを排出するための二酸化炭素含有ガス排出ライン４４が設けられる。
【００５２】
二酸化炭素含有ガス排出ライン４４に排出された水素除去ガスは、そのまま用いること、又は必要により改質器加熱装置５０で生成した燃焼ガスと混合されることにより、二酸化炭素含有ガス４７となる。
【００５３】
（改質器加熱装置）
水素ガス回収システム１において、改質器４０での式（Ｒ１）の改質反応は、通常５００〜７００℃の加熱下で行われる。このため、水素ガス回収システム１では、改質器４０を加熱するための改質器加熱装置５０が設けられる。具体的には、水素ガス回収システム１は、メタン発酵ガス３７の残部を燃焼用ガス５９とし、この燃焼用ガス５９を燃焼させて改質器４０を加熱しかつ二酸化炭素を含む燃焼ガスを生成する改質器加熱装置５０を備える。改質器加熱装置５０としては、例えば、バーナーが用いられる。改質器加熱装置５０での燃焼の主反応は下記式（Ｂ１）のとおりである。
【００５４】
［化６］
燃焼：
ＣＨ４＋Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ                                  （Ｂ１）
【００５５】
改質器加熱装置５０には、燃焼用ガス５９を改質器加熱装置５０に導入するための燃焼用ガス導入ライン５５が設けられる。
【００５６】
改質器加熱装置５０では、式（Ｂ１）に示すように、燃焼用ガス５９中のメタンＣＨ４が燃焼することにより、二酸化炭素ＣＯ２と水とを含む燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは、二酸化炭素ＣＯ２を含む高温のガスである。燃焼ガスは、このまま大気中に放出してもよいが、必要により、水素除去ガスと混合して二酸化炭素含有ガス４７を生成してもよい。
【００５７】
燃焼ガスは、二酸化炭素ＣＯ２を含む高温のガスであるという点で、改質器４０で得られる水素除去ガスと同様である。このため、必要により、水素除去ガスに燃焼ガスを混合することにより、燃焼ガスの有する熱量を有効活用した高温の二酸化炭素含有ガス４７を生成し、熱交換器６０での熱交換用の戻り二酸化炭素含有ガス４８として有効利用することができる。例えば、改質器４０内の水素除去ガスと、改質器加熱装置５０から改質器４０内に導入した燃焼ガスとを混合することにより、二酸化炭素含有ガス４７を生成することができる。また、二酸化炭素含有ガス排出ライン４４に排出された水素除去ガスと、改質器加熱装置５０から二酸化炭素含有ガス排出ライン４４内に導入した燃焼ガスとを混合することにより、二酸化炭素含有ガス４７を生成することができる。
【００５８】
（二酸化炭素含有ガス戻りライン）
改質器４０に設けられた二酸化炭素含有ガス排出ライン４４は、二酸化炭素含有ガス分岐部４１で、二酸化炭素含有ガス取り出しライン４５と二酸化炭素含有ガス戻りライン４６とに分岐される。二酸化炭素含有ガス取り出しライン４５は、二酸化炭素含有ガス４７と同成分の二酸化炭素含有ガス４９を取り出すラインである。二酸化炭素含有ガス戻りライン４６は、二酸化炭素含有ガス４７と同成分の戻り二酸化炭素含有ガス４８を熱交換器６０に導入するラインである。
【００５９】
水素ガス回収システム１では、戻り二酸化炭素含有ガス４８の有する熱を熱交換器６０を用いて有機物含有物質６４に付与することで、有機物含有物質６４を加熱し、高温の有機物含有物質６５が得られるようになっている。
【００６０】
（作用）
＜熱交換工程＞
水素ガス回収システム１では、はじめに、有機物含有物質６４を有機物投入部１０から投入し、有機物含有物質６４は熱交換器６０を介して水素発酵槽２０に移送される。有機物含有物質６４は熱交換器６０を通過する際、有機物含有物質６４より高温の戻り二酸化炭素含有ガス４８と熱交換を行い有機物含有物質６４よりも高温の有機物含有物質６５となる。ここで、有機物含有物質６５の温度は、例えば３０〜７０℃、好ましくは４０〜６５℃、より好ましくは５０〜６０℃である。有機物含有物質６５の温度が上記範囲内にあると、水素発酵槽２０での式（Ｈ１）で表される水素発酵反応が効率よく進行やすい。
【００６１】
水素ガス回収システム１では、有機物含有物質６４、６５中の有機物がグルコースを含むと、式（Ｈ１）で表される水素発酵反応、及び式（Ｍ１）及び（Ｍ２）で表されるメタン発酵反応がスムーズに進行するため好ましい。
【００６２】
また、水素ガス回収システム１では、有機物含有物質６４、６５に含まれる有機物中のグルコースの含有量が、通常６０〜１００質量％、好ましくは７０〜１００質量％、より好ましくは８０〜１００質量％、さらに好ましくは９０〜１００質量％である。有機物中のグルコースの含有量が上記範囲内にあると、式（Ｈ１）で表される水素発酵反応、及び式（Ｍ１）及び（Ｍ２）で表されるメタン発酵反応がスムーズに進行する。
【００６３】
＜水素発酵工程＞
水素ガス回収システム１では、次に、水素発酵槽２０に移送された有機物含有物質６５中の有機物が式（Ｈ１）の水素発酵反応により分解されて、水素ガス２６と酢酸含有物質２５とが生成される。
【００６４】
［化７］
水素発酵（グルコース由来）：
Ｃ６Ｈ１２Ｏ６＋２Ｈ２Ｏ→２ＣＯ２＋２ＣＨ３ＣＯＯＨ＋４Ｈ２      （Ｈ１）
【００６５】
水素ガス２６は、水素発酵槽水素ガス取り出しライン２４を介して回収される。酢酸含有物質２５はメタン発酵のために水素発酵槽排出ライン２３を介してメタン発酵装置３０に移送される。
【００６６】
なお、水素ガス回収システム１では、水素発酵槽２０での水素発酵の効率が、通常１００％未満であり、好ましくは５０〜７０％、より好ましくは５５〜６５％、さらに好ましくは５８〜６２％とする。水素発酵槽２０での水素発酵の効率が上記範囲内にあると、水素ガス回収システム１全体として、エネルギー効率が高くなる。
【００６７】
水素発酵槽２０での水素発酵の効率が１００％未満の場合、水素発酵反応により得られる酢酸含有物質２５は、式（Ｈ１）の生成物である酢酸に加えて、式（Ｈ１）の原料であるグルコース等の有機物も含む。
【００６８】
水素ガス回収システム１では、酢酸含有物質がグルコースを含むと、式（Ｍ１）及び（Ｍ２）で表されるメタン発酵反応がスムーズに進行するため好ましい。
【００６９】
＜メタン発酵工程＞
水素ガス回収システム１では、さらに、メタン発酵装置３０に移送された酢酸含有物質２５中の酢酸及び有機物が式（Ｍ１）及び（Ｍ２）のメタン発酵により分解されてメタン発酵ガス３７と処理後有機物３８とが生成される。
【００７０】
［化８］
メタン発酵（酢酸由来）：
ＣＨ３ＣＯＯＨ→ＣＨ４＋ＣＯ２                                （Ｍ１）
【００７１】
［化９］
メタン発酵（グルコース由来）：
Ｃ６Ｈ１２Ｏ６→３ＣＨ４＋３ＣＯ２                              （Ｍ２）
【００７２】
処理後有機物３８は処理後有機物排出ライン３４を介してメタン発酵装置３０から取り出される。取り出された処理後有機物３８は、例えば、好気処理等で処理される。メタン発酵ガス３７はメタン発酵ガス取り出しライン３３を介してメタン発酵装置３０から取り出される。
【００７３】
メタン発酵ガス取り出しライン３３を介してメタン発酵装置３０から取り出されたメタン発酵ガス３７は、メタン発酵ガス分岐部３１で、改質用ガス導入ライン３５と燃焼用ガス導入ライン５５とに分岐される。
【００７４】
なお、メタン発酵装置３０でのメタン発酵の効率は、好ましくは７０〜９０％、より好ましくは７５〜８５％、さらに好ましくは７８〜８２％である。メタン発酵装置３０でのメタン発酵の効率が上記範囲内にあると、水素ガス回収システム１全体として、エネルギー効率が高くなる。
【００７５】
改質用ガス導入ライン３５に導入されたメタン発酵ガス３７は改質器４０に導入され改質に供される。改質用ガス導入ライン３５に導入されたメタン発酵ガス３７を改質用ガス３９という。一方、燃焼用ガス導入ライン５５に導入されたメタン発酵ガス３７は改質器加熱装置５０に導入され燃焼に供される。燃焼用ガス導入ライン５５に導入されたメタン発酵ガス３７を燃焼用ガス５９という。
【００７６】
本実施形態において、改質用ガス３９と燃焼用ガス５９との合計モル数、すなわちメタン発酵ガス３７のモル数、に対する改質用ガス３９のモル数の比率を改質率と規定する。改質率は、通常７０〜９０％、好ましくは７５〜８５％、より好ましくは７８〜８２％である。改質率が上記範囲内にあると、改質器４０が改質器加熱装置５０からの熱で効率的に加熱されやすい。
【００７７】
＜改質工程＞
水素ガス回収システム１では、次に、改質器４０に移送された改質用ガス３９中のメタンＣＨ４が式（Ｒ１）の改質反応により改質され、水素ガス４２と二酸化炭素とを含む改質ガスが生成される。
【００７８】
［化１０］
改質：
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２                                （Ｒ１）
【００７９】
改質器４０での式（Ｒ１）の改質反応は、通常５００〜７００℃の加熱下で行われる。この加熱には、改質器加熱装置５０で発生する熱が用いられる。
【００８０】
改質ガスから水素ガス４２が除去されると二酸化炭素を含むガスである水素除去ガスが得られる。水素除去ガスは、水素ガス４２を実質的に含まず、かつ二酸化炭素を含む高温のガスになっている。改質ガスから分離された水素ガス４２は改質器水素ガス取り出しライン４３を介して回収される。
【００８１】
二酸化炭素含有ガス排出ライン４４に排出された水素除去ガスは、そのまま用いること、又は必要により改質器加熱装置５０で生成した燃焼ガスと混合されることにより、二酸化炭素含有ガス４７となる。二酸化炭素含有ガス排出ライン４４に排出された二酸化炭素含有ガス４７は、二酸化炭素含有ガス分岐部４１で、二酸化炭素含有ガス取り出しライン４５と二酸化炭素含有ガス戻りライン４６とに分岐される。
【００８２】
二酸化炭素含有ガス取り出しライン４５に導入された二酸化炭素含有ガス４８（４７）は、系外に取り出される。二酸化炭素含有ガス戻りライン４６に導入された戻り二酸化炭素含有ガス４９（二酸化炭素含有ガス４７）は、熱交換器６０に導入され、有機物含有物質６４を加熱する。
【００８３】
＜改質器加熱工程＞
上記のように、改質器４０での式（Ｒ１）の改質反応は、通常５００〜７００℃の加熱下で行われる。水素ガス回収システム１では、改質器４０は改質器加熱装置５０により加熱される。改質器加熱装置５０では、燃焼用ガス５９中のメタンＣＨ４が式（Ｂ１）に示す燃焼の主反応を生じ、発熱する。
【００８４】
［化１１］
燃焼：
ＣＨ４＋Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ                                  （Ｂ１）
【００８５】
式（Ｂ１）に示すように、燃焼用ガス５９中のメタンＣＨ４が燃焼すると、改質器加熱装置５０において二酸化炭素ＣＯ２と水とを含む燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは、二酸化炭素ＣＯ２を含む高温のガスである。燃焼ガスは、このまま大気中に放出してもよいが、必要により、水素除去ガスと混合して二酸化炭素含有ガス４７を生成してもよい。
【００８６】
燃焼ガスは、二酸化炭素ＣＯ２を含む高温のガスであるという点で、改質器４０で得られる水素除去ガスと同様である。このため、必要により、水素除去ガスに燃焼ガスを混合することにより、燃焼ガスの有する熱量を有効活用した高温の二酸化炭素含有ガス４７を生成し、熱交換用の戻り二酸化炭素含有ガス４８として有効利用することができる。
【００８７】
＜戻り二酸化炭素含有ガスの利用＞
二酸化炭素含有ガス排出ライン４４に排出された二酸化炭素含有ガス４７の一部は、二酸化炭素含有ガス分岐部４１で二酸化炭素含有ガス戻りライン４６に導入され、戻り二酸化炭素含有ガス４９となる。戻り二酸化炭素含有ガス４９の組成は二酸化炭素含有ガス４７と同一である。二酸化炭素含有ガス戻りライン４６に導入された戻り二酸化炭素含有ガス４９は、熱交換器６０に導入され、有機物含有物質６４を加熱する。
【００８８】
（水素発生量及び必要電力の計算の一例）
以下、水素ガス回収システム１での水素発生量及び必要電力の計算の一例を説明する。なお、以下において、有機物含有物質６４、６５中の有機物は全量がグルコースであり、水素発酵槽２０の水素発酵の効率をＸ１、メタン発酵装置（ＩＣリアクタ）３０のメタン発酵（ＩＣリアクタ）の効率をＸ２、改質率を８０％と仮定した。
【００８９】
＜１．グルコース１ｍｏｌ当たりの水素ガス発生量の計算＞
［１−１．水素発酵での水素ガス発生量］
水素発酵槽２０でのグルコースの水素発酵は式（Ｈ１）のとおりである。
【００９０】
［化１２］
水素発酵（グルコース由来）：
Ｃ６Ｈ１２Ｏ６＋２Ｈ２Ｏ→２ＣＯ２＋２ＣＨ３ＣＯＯＨ＋４Ｈ２      （Ｈ１）
【００９１】
式（Ｈ１）より、水素発酵の効率が１（１００％）のとき、グルコースＣ６Ｈ１２Ｏ６１ｍｏｌから酢酸ＣＨ３ＣＯＯＨが２ｍｏｌ、Ｈ２が４ｍｏｌ生成する。このため、水素発酵の効率がＸ１のとき、原料のグルコース１ｍｏｌから酢酸が２Ｘ１ｍｏｌ、Ｈ２ガスが４Ｘ１ｍｏｌ生成し、グルコースが（１−Ｘ１）ｍｏｌ残留する。
Ｈ２ガス４Ｘ１ｍｏｌは水素発酵槽水素ガス取り出しライン２４を介して回収される。酢酸２Ｘ１ｍｏｌ及びグルコース（１−Ｘ１）ｍｏｌは、酢酸含有物質２５に含まれて、メタン発酵装置（ＩＣリアクタ）３０に移送される。
【００９２】
なお、後述のメタン発酵装置（ＩＣリアクタ）３０での、酢酸含有物質２５中の酢酸及びグルコースのメタン発酵は下記式（Ｍ１）及び（Ｍ２）のとおりであるから、酢酸１ｍｏｌのメタン発酵はグルコース１／３ｍｏｌのメタン発酵に等しい。
【００９３】
以下、計算の便宜のため、メタン発酵に供する酢酸１ｍｏｌをグルコース１／３ｍｏｌに換算して計算する。以下、酢酸とグルコースとの合計量をグルコースに換算した量を「グルコース換算量」という。なお、以下の説明では、グルコース換算量を、単に「グルコース」と表記することがある。
【００９４】
上記の酢酸含有物質２５中に酢酸２Ｘ１ｍｏｌ及びグルコース（１−Ｘ１）ｍｏｌが含まれることは、酢酸含有物質２５中にグルコース換算量（２／３）Ｘ１＋（１−Ｘ１）ｍｏｌが含まれることに相当する。水素発酵工程で原料であるグルコース１ｍｏｌを効率Ｘ１で水素発酵させると、Ｈ２ガスが４Ｘ１ｍｏｌ、水素ガス２６として回収される。また、上記水素発酵が行われると、グルコース換算量が（２／３）Ｘ１＋（１−Ｘ１）＝１−（Ｘ１／３）ｍｏｌの酢酸含有物質２５がメタン発酵装置（ＩＣリアクタ）３０に移送される。
【００９５】
［１−２．メタン発酵でのメタン発生量］
メタン発酵装置（ＩＣリアクタ）３０での酢酸及びグルコースのメタン発酵は式（Ｍ１）及び（Ｍ２）のとおりである。
【００９６】
［化１３］
メタン発酵（酢酸由来）：
ＣＨ３ＣＯＯＨ→ＣＨ４＋ＣＯ２                                （Ｍ１）
【００９７】
［化１４］
メタン発酵（グルコース由来）：
Ｃ６Ｈ１２Ｏ６→３ＣＨ４＋３ＣＯ２                              （Ｍ２）
【００９８】
一方、上記［１−１．水素発酵での水素ガス発生量］で生成した、グルコース換算量は１−（Ｘ１／３）ｍｏｌである。
【００９９】
式（Ｍ２）より、メタン発酵の効率が１００％のとき、グルコース換算量１−（Ｘ１／３）ｍｏｌから、メタンＣＨ４が３｛１−（Ｘ１／３）｝ｍｏｌ、二酸化炭素ＣＯ２が４｛１−（Ｘ１／３）｝ｍｏｌ生成する。このため、メタン発酵の効率がＸ２のとき、グルコース換算量１−（Ｘ１／３）ｍｏｌから、メタンＣＨ４が３Ｘ２｛１−（Ｘ１／３）｝ｍｏｌ、二酸化炭素ＣＯ２が４Ｘ２｛１−（Ｘ１／３）｝ｍｏｌ生成する。これらのメタンＣＨ４及び二酸化炭素ＣＯ２はメタン発酵ガス３７を構成する成分であり、メタン発酵装置（ＩＣリアクタ）３０からメタン発酵ガス３７として取り出される。
【０１００】
メタン発酵ガス３７は、メタン発酵ガス分岐部３１で改質用ガス３９と燃焼用ガス５９とに分岐される。本計算例では改質率が８０％のため、生成したメタン発酵ガス３７の８０質量％が改質用ガス３９、メタン発酵ガス３７の２０質量％が燃焼用ガス５９として用いられる。
【０１０１】
［１−３．改質での水素ガス発生量］
改質器４０での改質用ガス３９中のメタンの改質は式（Ｒ１）のとおりである。
【０１０２】
［化１５］
改質：
ＣＨ４＋２Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋４Ｈ２                                （Ｒ１）
【０１０３】
上記［１−２．メタン発酵でのメタン発生量］で生成したメタン発酵ガス３７中のメタンＣＨ４は３Ｘ２｛１−（Ｘ１／３）｝ｍｏｌである。また、改質率８０％より改質用ガス３９中のメタンＣＨ４は０．８×３Ｘ２｛１−（Ｘ１／３）｝ｍｏｌである。
【０１０４】
式（Ｒ１）より、メタン発酵の効率が１００％のとき、メタン０．８×３Ｘ２｛１−（Ｘ１／３）｝ｍｏｌから、Ｈ２ガスが４×０．８×３Ｘ２｛１−（Ｘ１／３）｝ｍｏｌ＝９．６Ｘ２｛１−（Ｘ１／３）｝ｍｏｌ生成することが分かる。Ｈ２ガスは、水素ガス４２として回収される。
【０１０５】
［１−４．水素発酵、メタン発酵及び改質全体の水素ガス発生量］
水素ガス回収システム１全体の水素ガス発生量は、上記水素ガス２６の４Ｘ１ｍｏｌと水素ガス４２の９．６Ｘ２｛１−（Ｘ１／３）｝ｍｏｌとの合計量である４Ｘ１−３．２Ｘ１Ｘ２＋９．６Ｘ２ｍｏｌとなる。
【０１０６】
図２は、実施形態に係る水素ガス回収システム１の、水素発酵効率Ｘ１、メタン発酵効率Ｘ２の場合の水素ガス発生量を示すグラフである。具体的には、図２は、上記水素ガス発生量４Ｘ１−３．２Ｘ１Ｘ２＋９．６Ｘ２ｍｏｌに、水素発酵効率Ｘ１及びメタン発酵効率Ｘ２を代入して算出したグラフである。
【０１０７】
＜２．排水量当たりの水素ガス発生量の試算＞
上記＜１．グルコース１ｍｏｌ当たりの水素ガス発生量の計算＞で算出した４Ｘ１−３．２Ｘ１Ｘ２＋９．６Ｘ２ｍｏｌを用い、有機物含有物質６４の組成を４．５ｋｇ−グルコース／ｍ３＝２５ｍｏｌ−グルコース／ｍ３と仮定して、水素ガス発生量を試算した。
【０１０８】
上記４Ｘ１−３．２Ｘ１Ｘ２＋９．６Ｘ２ｍｏｌは、有機物含有物質６４中にグルコースが１ｍｏｌ含まれるときの水素ガス発生量である。２５ｍｏｌ−グルコース／ｍ３のときの水素ガス発生量（回収量）は（４Ｘ１−３．２Ｘ１Ｘ２＋９．６Ｘ２）×２５×２／１０００＝０．０５（４Ｘ１−３．２Ｘ１Ｘ２＋９．６Ｘ２）（ｋｇ−Ｈ２／ｍ３−排水）となる。
【０１０９】
水素ガス発生量（回収量）０．０５（４Ｘ１−３．２Ｘ１Ｘ２＋９．６Ｘ２）（ｋｇ−Ｈ２／ｍ３−排水）の計算例を表１に示す。
【０１１０】
【表１】
2020097497.tif 000003
【０１１１】
＜３．水素ガス回収システムにおける電力の計算＞
［３−１．条件］
水素ガス回収システム１を以下の条件で稼働させたときの電力を計算した。有機物含有物質６４の組成を４．５ｋｇ−グルコース／ｍ３＝２５ｍｏｌ−グルコース／ｍ３、有機物含有物質６４の処理量を４０００ｍ３／日とした。また、水素発酵槽２０として、直径６．５ｍ、高さ２４ｍ、外表面積５２３ｍ３、容量８００ｍ３の水素発酵槽を２基設けると仮定した。各水素発酵槽２０での滞留時間を９．６時間と仮定した。
【０１１２】
メタン発酵装置（ＩＣリアクタ）３０として総括熱伝達係数１２（Ｗ／ｍ２／Ｋ）の金属板を用いた。大気温度２０℃、メタン発酵装置（ＩＣリアクタ）３０の表面温度２５℃と仮定した。保温材としてグラスウールを用い、その熱伝導率を３８×１０−３Ｗ／ｍ／Ｋと仮定した。
【０１１３】
改質器４０として、大阪ガス株式会社製ＨＹＳＥＲＶＥ−３００を用いた。ＨＹＳＥＲＶＥ−３００の特性を表２に示す。なお、表２の特性では改質率７９％と記載されているが、本計算例では改質率８０％として計算した。すなわち、メタン発酵ガス３７の８０モル％が改質用ガス３９、メタン発酵ガス３７の２０モル％が燃焼用ガス５９であるとして計算した。また、表２に示すように、ＣＨ４使用量１０８Ｎｍ３／ｈ、ＣＨ４使用熱量１１９１ｋＷ、補機動力９９ｋＷ、熱効率８９．３％とした。
【０１１４】
【表２】
2020097497.tif 000004
【０１１５】
［３−２．水素発酵槽の保温に必要なエネルギー］
水素発酵槽２０の保温に必要なエネルギーを算出した。水素発酵槽２０の放熱量（ｋＷｔｈ）は、外表面積５２３ｍ３×（表面温度℃−大気温度℃）×総括熱伝達係数Ｗ／ｍ２／Ｋ／１０００×２塔である。表面温度を２５℃、大気温度を２０℃と仮定すると、水素発酵槽２０の放熱量（ｋＷｔｈ）は、５２３×（２５−２０）×１２／１０００×２＝６２．８ｋＷｔｈとなる。
【０１１６】
［３−３．改質工程に必要なエネルギー］
改質器４０は、メタンＣＨ４使用量１０８Ｎｍ３／ｈのとき、補機動力として９９ｋＷ使用するものと仮定した。表２に改質の条件を示す。
一方、上記［１−２．メタン発酵でのメタン発生量］で生成したメタン発酵ガス３７中のメタンＣＨ４は３Ｘ２｛１−（Ｘ１／３）｝ｍｏｌ、有機物含有物質６４の組成が２５ｍｏｌ−グルコース／ｍ３、有機物含有物質６４の処理量は４０００ｍ３／日である。このため、改質するＣＨ４の量は、３Ｘ２｛１−（Ｘ１／３）｝×２５×４０００×２２．４／１０００／２４［Ｎｍ３／ｈ］である。
改質に必要な電力は、補機動力９９ｋＷ、ＣＨ４使用量１０８Ｎｍ３／ｈより、３Ｘ２(１−Ｘ１／３)×２５×４０００×２２．４／１０００／２４×９９／１０８≒２５６．７Ｘ２（１−Ｘ１／３）［ｋＷｈ］である。
【０１１７】
例えば、Ｘ１＝０．６、Ｘ２＝０．８のときは、２５６．７Ｘ２（１−Ｘ１／３）＝２５６．７×０．８×（１−０．６／３）＝１６４．３［ｋＷｈ］となる。
【０１１８】
［３−４．改質工程での放熱］
表２に示すように、改質器４０におけるメタンＣＨ４使用熱量は、熱効率８９．３％, Ｈ２ガス発生量が３００Ｎｍ３／ｈの場合、１１９１ｋＷｈである。
有機物含有物質６４中のグルコースが１ｍｏｌのとき、水素ガス回収システム１での水素ガス４２のＨ２ガス発生量は上記［１−３．改質での水素ガス発生量］より９．６Ｘ２｛１−（Ｘ１／３）｝ｍｏｌである。また、本計算例では、有機物含有物質６４の組成が２５ｍｏｌ−グルコース／ｍ３、有機物含有物質６４の処理量は４０００ｍ３／日である。このため、改質からのＨ２ガス発生量は、９．６Ｘ２｛１−（Ｘ１／３）｝×２５×４０００×２２．４／１０００／２４＝８９６Ｘ２（１−Ｘ１／３）［Ｎｍ３／ｈ］となる。
改質工程での放熱量は、８９６Ｘ２（１−Ｘ１／３）×１１９１／３００×（１−０．８９３）≒３８０．６Ｘ２（１−Ｘ１／３）［ｋＷｈ］となる。
【０１１９】
例えば、Ｘ１＝０．６、Ｘ２＝０．８のとき、改質工程での放熱量は、３８０．６Ｘ２（１−Ｘ１／３）＝３８０．６×０．８×（１−０．６／３）＝２４３．６［ｋＷｈ］となる。
【０１２０】
改質工程での放熱量３８０．６Ｘ２（１−Ｘ１／３）の計算例を表３に示す。
【０１２１】
【表３】
2020097497.tif 000005
【０１２２】
上記［３−２．水素発酵槽の保温に必要なエネルギー］より、水素発酵槽２０の放熱量（ｋＷｔｈ）は６２．８ｋＷｔｈである。表３に示す改質工程での放熱量３８０．６Ｘ２（１−Ｘ１／３）の計算例は１７７．６ｋＷｈ以上であるため、改質工程での放熱量で水素発酵槽２０の保温を賄うことが可能であることが分かる。
【実施例】
【０１２３】
以下、本実施形態を実施例、参考例及び比較例によりさらに詳細に説明するが、本実施形態はこれら実施例に限定されるものではない。
【０１２４】
なお、以下の実施例、参考例及び比較例に用いた水素ガス回収システム１の構成及び稼働条件は以下のとおりである。
【０１２５】
有機物投入部１０に投入する有機物含有物質６４の組成を４．５ｋｇ−グルコース／ｍ３＝２５ｍｏｌ−グルコース／ｍ３、有機物含有物質６４の処理量を４０００ｍ３／日とした。
【０１２６】
水素発酵槽２０として、直径６．５ｍ、高さ２４ｍ、外表面積５２３ｍ３、容量８００ｍ３の水素発酵槽を２基設けた。水素発酵を行う場合、水素発酵槽２０での滞留時間を９．６時間、水素発酵時の温度を６０℃、水素発酵の効率をＸ１とした。
【０１２７】
メタン発酵装置（ＩＣリアクタ）３０として、ＩＣリアクタ本体の容量を７６８ｍ３、ＩＣリアクタ循環水槽の容量を７６．８ｍ３のＩＣリアクタを用意した。ＩＣリアクタ３０は金属製であり、総括熱伝達係数１２（Ｗ／ｍ２／Ｋ）であった。また、ＩＣリアクタ３０の表面を保温材であるグラスウール（熱伝導率３８×１０−３Ｗ／ｍ／Ｋ）で被覆した。
メタン発酵を行う場合、ＩＣリアクタ３０でのメタン発酵時のメタン発酵槽の表面温度を２５℃、ＩＣリアクタ３０の表面の大気温度を２０℃、ＩＣリアクタ３０の内部の温度を３０℃、メタン発酵の効率をＸ２とした。
【０１２８】
改質器４０として、大阪ガス株式会社製ＨＹＳＥＲＶＥ−３００を用いた。ＨＹＳＥＲＶＥ−３００の特性を表２に示す。なお、改質率、すなわち、メタン発酵ガス３７のモル数に対する改質用ガス３９のモル数の比率は、表２に示される７９％に代えて８０％として計算した。
【０１２９】
改質器４０で生成された改質ガスから水素ガス４２を除去して得られる水素除去ガスと、改質器加熱装置５０で生成された燃焼ガスと、の混合ガスを、二酸化炭素含有ガス４７として用いた。
【０１３０】
［比較例１］（実験例略称：ＨＦ１００％）
（水素ガス回収量）
水素ガス回収システム１において、水素発酵槽２０での効率Ｘ１を１００％とし、メタン発酵装置（ＩＣリアクタ）３０でのメタン発酵を行わないときの、水素発酵槽２０からの水素ガス２６の回収量を計算した。
【０１３１】
水素ガス２６の回収量は０．２０ｋｇ／ｍ３であった。
結果を表４及び図３に示す。
【０１３２】
【表４】
2020097497.tif 000006
【０１３３】
（水素ガス回収システムの必要電力）
上記稼働状況の水素ガス回収システム１の必要電力を算出した。
なお、水素発酵槽２０での放熱（ｋＷｔｈ）は、下記のとおり６２．８ｋＷｔｈである。
外表面積ｍ２×（表面温度℃−大気温度℃）×総括熱伝達係数Ｗ／ｍ２／Ｋ／１０００×２塔＝５２３×（２５−２０）×１２／１０００×２＝６２．８ｋＷｔｈ
また、水素発酵槽２０での保温材必要厚さ（ｃｍ）は、下記のとおり２．２ｃｍである。
保温材熱伝導率Ｗ／ｍ／Ｋ×（リアクタ内温度℃−表面温度℃）/｛放熱ｋＷｔｈ×１０００／（外表面積ｍ２×２塔）｝=３８×１０−３×（６０−２５）／｛６２．８×１０００／（５２３×２）｝＝０．０２２ｍ＝２．２ｃｍ
【０１３４】
＜水素発酵槽での保温に必要なエネルギーの算出＞
水素発酵槽２０の保温に必要なエネルギーは、上記のとおり６２．８ｋＷである。
【０１３５】
すなわち、水素ガス回収システム１の必要電力は、６２．８ｋＷであった。
結果を表４、図４及び図５に示す。
【０１３６】
［比較例２］（実験例略称：ＩＣ１００％）
（水素ガス回収量）
水素ガス回収システム１において、水素発酵槽２０での水素発酵を行わず、メタン発酵装置（ＩＣリアクタ）３０での効率Ｘ２を１００％としたときの、改質器４０からの水素ガス４２の回収量を計算した。
【０１３７】
水素ガス４２の回収量は０．４８ｋｇ／ｍ３であった。
結果を表４及び図３に示す。
【０１３８】
（水素ガス回収システムの必要電力）
上記稼働状況の水素ガス回収システム１の必要電力を算出した。
【０１３９】
＜改質器での改質に必要なエネルギーの算出＞
下記のようにして改質器４０での改質に必要なエネルギーを算出した。
２５６．７Ｘ２（１−Ｘ１／３）＝２５６．７×１．０×（１−０／３）＝２５６．７
改質器４０での改質に必要なエネルギーは２５６．７ｋＷであった。
【０１４０】
すなわち、水素ガス回収システム１の必要電力は、２５６．７ｋＷであった。
結果を表４、図４及び図５に示す。
【０１４１】
［参考例１］（実験例略称：ＨＦ１００％＋ＩＣ１００％）
（水素ガス回収量）
水素ガス回収システム１において、水素発酵槽２０での効率Ｘ１を１００％、メタン発酵装置（ＩＣリアクタ）３０での効率Ｘ２を１００％としたときの、水素発酵槽２０からの水素ガス２６及び改質器４０からの水素ガス４２の回収量を計算した。
【０１４２】
水素ガス２６の回収量は０．２０ｋｇ／ｍ３であった。
水素ガス４２の回収量は０．３２ｋｇ／ｍ３であった。
このため、水素ガス２６＋水素ガス４２の回収量は０．５２ｋｇ／ｍ３であった。
結果を表４及び図３に示す。
【０１４３】
（水素ガス回収システムの必要電力）
上記稼働状況の水素ガス回収システム１の必要電力を算出した。
【０１４４】
＜水素発酵槽での保温に必要なエネルギーの算出＞
水素発酵槽２０の保温に必要なエネルギーは、比較例１と同じ６２．８ｋＷである。
【０１４５】
＜改質器での改質に必要なエネルギーの算出＞
下記のようにして改質器４０での改質に必要なエネルギーを算出した。
２５６．７Ｘ２（１−Ｘ１／３）＝２５６．７×１．０×（１−１．０／３）＝１７１
改質器４０での改質に必要なエネルギーは１７１ｋＷであった。
【０１４６】
［改質放熱の再利用がない場合］
改質器４０での改質放熱を水素発酵槽２０での保温に再利用しない場合、水素ガス回収システム１の必要電力は、６２．８＋１７１ｋＷ＝２３３．８ｋＷであった。
結果を表４及び図５に示す。
【０１４７】
［改質放熱の再利用がある場合］
水素発酵槽２０の保温に必要なエネルギーは、上記のとおり６２．８ｋＷである。
一方、改質器４０からの改質放熱は、以下のように計算した結果、２５３．７ｋＷであった。
３８０．６×Ｘ２×（１−Ｘ１／３）＝３８０．６×１×（１−１／３）＝２５３．７
このため、水素発酵槽２０の保温に必要なエネルギー６２．８ｋＷは、改質器４０からの改質放熱２５３．７ｋＷで賄うことができる。
したがって、改質器４０での改質放熱を水素発酵槽２０での保温に再利用する場合、水素ガス回収システム１の必要電力は、１７１ｋＷのみであった。
結果を表４及び図４に示す。
【０１４８】
［比較例３］（実験例略称：ＩＣ８０％）
（水素ガス回収量）
水素ガス回収システム１において、水素発酵槽２０での水素発酵を行わず、メタン発酵装置（ＩＣリアクタ）３０での効率Ｘ２を８０％としたときの、改質器４０からの水素ガス４２の回収量を計算した。
【０１４９】
水素ガス４２の回収量は０．３８ｋｇ／ｍ３であった。
結果を表４及び図３に示す。
【０１５０】
（水素ガス回収システムの必要電力）
上記稼働状況の水素ガス回収システム１の必要電力を算出した。
【０１５１】
＜改質器での改質に必要なエネルギーの算出＞
下記のようにして改質器４０での改質に必要なエネルギーを算出した。
２５６．７Ｘ２（１−Ｘ１／３）＝２５６．７×０．８×（１−０／３）＝２０５．４
改質器４０での改質に必要なエネルギーは２０５．４ｋＷであった。
【０１５２】
すなわち、水素ガス回収システム１の必要電力は、２０５．４ｋＷであった。
結果を表４及び図５に示す。
【０１５３】
［実施例１］（実験例略称：ＨＦ６０％＋ＩＣ８０％）
（水素ガス回収量）
水素ガス回収システム１において、水素発酵槽２０での効率Ｘ１を６０％、メタン発酵装置（ＩＣリアクタ）３０での効率Ｘ２を８０％としたときの、水素発酵槽２０からの水素ガス２６及び改質器４０からの水素ガス４２の回収量を計算した。
【０１５４】
水素ガス２６の回収量は０．１２ｋｇ／ｍ３であった。
水素ガス４２の回収量は０．３０ｋｇ／ｍ３であった。
このため、水素ガス２６＋水素ガス４２の回収量は０．４２ｋｇ／ｍ３であった。
結果を表４及び図３に示す。
【０１５５】
（水素ガス回収システムの必要電力）
上記稼働状況の水素ガス回収システム１の必要電力を算出した。
【０１５６】
＜水素発酵槽での保温に必要なエネルギーの算出＞
水素発酵槽２０の保温に必要なエネルギーは、上記のとおり６２．８ｋＷである。
【０１５７】
＜改質器での改質に必要なエネルギーの算出＞
下記のようにして改質器４０での改質に必要なエネルギーを算出した。
２５６．７Ｘ２（１−Ｘ１／３）＝２５６．７×０．８×（１−０．６／３）＝１６４．３
改質器４０での改質に必要なエネルギーは１６４．３ｋＷであった。
【０１５８】
［改質放熱の再利用がない場合］
改質器４０での改質放熱を水素発酵槽２０での保温に再利用しない場合、水素ガス回収システム１の必要電力は、６２．８＋１６４．３ｋＷ＝２２７．１ｋＷであった。
結果を表４及び図５に示す。
【０１５９】
［改質放熱の再利用がある場合］
水素発酵槽２０の保温に必要なエネルギーは、上記のとおり６２．８ｋＷである。
一方、改質器４０からの改質放熱は、以下のように計算した結果、２４３．６ｋＷであった。
３８０．６×Ｘ２×（１−Ｘ１／３）＝３８０．６×０．８×（１−０．６／３）＝２４３．６
このため、水素発酵槽２０の保温に必要なエネルギー６２．８ｋＷは、改質器４０からの改質放熱２４３．６ｋＷで賄うことができる。
したがって、改質器４０での改質放熱を水素発酵槽２０での保温に再利用する場合、水素ガス回収システム１の必要電力は、１６４．３ｋＷのみであった。
結果を表４及び図４に示す。
【０１６０】
以上、実施例に沿って本実施形態の内容を説明したが、本実施形態はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。
【符号の説明】
【０１６１】
１  水素ガス回収システム
１０  有機物投入部
２０  水素発酵槽
２３  水素発酵槽排出ライン
２４  水素発酵槽水素ガス取り出しライン
２５  酢酸含有物質
２６  Ｈ２（水素ガス）
３０  メタン発酵装置（ＩＣリアクタ）
３１  メタン発酵ガス分岐部
３３  メタン発酵ガス取り出しライン
３４  処理後有機物排出ライン
３５  改質用ガス導入ライン
３７  メタン発酵ガス
３８  処理後有機物
３９  改質用ガス（メタン発酵ガス）
４０  改質器
４１  二酸化炭素含有ガス分岐部
４２  Ｈ２（水素ガス）
４３  改質器水素ガス取り出しライン
４４  二酸化炭素含有ガス排出ライン
４５  二酸化炭素含有ガス取り出しライン
４６  二酸化炭素含有ガス戻りライン
４７、４９  二酸化炭素含有ガス
４８  戻り二酸化炭素含有ガス（二酸化炭素含有ガス）
５０  改質器加熱装置
５５  燃焼用ガス導入ライン
５９  燃焼用ガス（メタン発酵ガス）
６０  熱交換器
６２  熱交換器導入ライン
６３  熱交換器排出ライン
６４、６５  有機物含有物質
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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