(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機性廃棄物を水とメタン発酵ガスとに分解する消化槽と、
前記メタン発酵ガス中に含まれる二酸化炭素を除去することにより、精製ガスを生成するガス精製部と、
前記精製ガスの生成過程において得られる排気ガス中に含まれるメタンガスを燃料として利用して前記消化槽を加温する加温手段と、
前記消化槽から前記ガス精製部への前記メタン発酵ガスの流入量を調整するメタン発酵ガス流量調整弁と、
前記ガス精製部から前記加温手段への前記排気ガスの流入量を調整する排気ガス流量調整弁と、
前記排気ガス流量調整弁及び前記発酵ガス流量調整弁の開度を調整して前記排気ガス中のメタンガス濃度を調整する制御装置と、
を備えることを特徴とするメタン発酵ガス精製システム。
【請求項２】
前記制御装置は、前記加温手段に前記排気ガスを排出する際に、前記排気ガス流量調整弁を開き、現状の前記排気ガス中のメタンガス濃度で前記消化槽の加温に必要な熱量が得られる場合、前記排気ガス流量調整弁及び前記発酵ガス流量調整弁の開度を現在の状態に維持し、現状の前記排気ガス中のメタンガス濃度で前記消化槽の加温に必要な熱量が得られない場合、前記発酵ガス流量調整弁の開度を調整してメタンガス濃度を増加させる
請求項１に記載のメタン発酵ガス精製システム。
【請求項３】
前記制御装置は、前記精製ガスの生成時には、前記発酵ガス流量調整弁を開き、前記排気ガス流量調整弁を閉じる、請求項２に記載のメタン発酵ガス精製システム。
【請求項４】
前記制御装置は、前記消化槽の加温に必要な熱量が得られるように、前記ガス精製部へのメタン発酵ガスの供給量を制御することにより、前記加温部へのメタンガスの供給量を制御する、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のメタン発酵ガス精製システム。
【請求項５】
前記加温部は、前記排気ガスに含まれるメタンガスを燃料として水を加熱し、温水又は蒸気によって前記消化槽を加温するボイラであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のメタン発酵ガス精製システム。
【請求項６】
前記加温部は、前記排気ガスに含まれるメタンガスを燃料として発電し、発電時の排熱によって前記消化槽を加温する発電機であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のメタン発酵ガス精製システム。
【請求項７】
前記ガス精製部は、前記発電機の発電電力を利用して動作することを特徴とする請求項６に記載のメタン発酵ガス精製システム。
【請求項８】
前記発電機の発電量が前記ガス精製部の電力需要量以上になるように、前記ガス精製部へのメタン発酵ガスの供給量を制御することにより、前記発電機へのメタンガスの供給量を制御する制御装置を備えることを特徴とする請求項７に記載のメタン発酵ガス精製システム。
【請求項９】
消化槽において有機性廃棄物を水とメタン発酵ガスとに分解する消化ステップと、
ガス精製部において前記メタン発酵ガス中に含まれる二酸化炭素を除去することにより、精製ガスを生成するガス精製ステップと、
加熱手段において、前記精製ガスの生成過程において得られる排気ガス中に含まれるメタンガスを燃料として利用して前記消化槽を加温する加温ステップと、
前記ガス精製部から前記加温手段への前記排気ガスの流入量を調整する排気ガス流量調整弁と、前記消化槽から前記ガス精製部への前記メタン発酵ガスの流入量を調整するメタン発酵ガス流量調整弁との開度を調整して、前記排気ガス中のメタンガス濃度を調整する制御ステップと、
を含むことを特徴とするメタン発酵ガス精製方法。
【請求項１０】
前記制御ステップは、前記加熱手段に前記排気ガスを排出する際に、前記排気ガス流量調整弁を開き、現状の前記排気ガス中のメタンガス濃度で前記消化槽の加温に必要な熱量が得られる場合、前記排気ガス流量調整弁及び前記発酵ガス流量調整弁の開度を現在の状態に維持し、現状の前記排気ガス中のメタンガス濃度で前記消化槽の加温に必要な熱量が得られない場合、前記発酵ガス流量調整弁の開度を調整してメタンガス濃度を増加させる、請求項９に記載のメタン発酵ガス精製方法。
【請求項１１】
前記制御ステップは、前記精製ガスの生成時には、前記発酵ガス流量調整弁を開き、前記排気ガス流量調整弁を閉じる、請求項１０に記載のメタン発酵ガス精製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機性廃棄物から得られるメタン発酵ガスを精製するメタン発酵ガス精製システム及びメタン発酵ガス精製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
有機性廃棄物は、メタン菌等の嫌気性微生物による作用によって嫌気性雰囲気下で処理することにより、水とメタン発酵ガス（消化ガス又はバイオガスとも言う）とに分解する。メタン発酵ガス中には、約６０％のメタン（ＣＨ４）と、約４０％の二酸化炭素（ＣＯ２）と、微量の酸素、窒素、硫黄系不純物（例えばＨ２Ｓ）、及びシロキサンとが含まれている。このため、メタン発酵ガスを精製することによって高純度のメタンガスを回収するメタン発酵ガス精製システムが提案されている（特許文献１参照）。このシステムによれば、メタン発酵ガスに含まれるメタンガスを都市ガスの原料等のエネルギー源として利用できるので、省エネルギー化を実現できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４０８８６３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のメタン発酵ガス精製システムは、メタン発酵ガスに含まれる二酸化炭素を分離、排出することにより、メタン発酵ガスに含まれるメタンガスを回収していた。しかしながら、従来のメタン発酵ガス精製システムでは、メタン発酵ガスに含まれるメタンガスを全て回収することはできず、メタン発酵ガスの精製過程で排出されるガス中には微量のメタンガスが含まれている。このため、従来のメタン発酵ガス回収システムによれば、有機性廃棄物から得られる全てのメタンガスが再利用されておらず、システム全体から見て効率を改善する余地があった。
【０００５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、有機性廃棄物から得られるメタンガスを全て再利用してシステム全体の効率を向上可能なメタン発酵ガス精製システム及びメタン発酵ガス精製方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るメタン発酵ガス精製システムは、有機性廃棄物を水とメタン発酵ガスとに分解する消化槽と、前記メタン発酵ガス中に含まれる二酸化炭素を除去することにより、前記メタン発酵ガスを精製するガス精製部と、前記メタン発酵ガスの精製過程において得られる排気ガス中に含まれるメタンガスを燃料として利用して前記消化槽を加温する加温手段と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
本発明に係るメタン発酵ガス精製システムは、上記発明において、前記消化槽の加温に必要な熱量が得られるように、前記ガス精製部へのメタン発酵ガスの供給量を制御することにより、前記加温部へのメタンガスの供給量を制御する制御装置を備えることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係るメタン発酵ガス精製システムは、上記発明において、前記加温部は、前記排気ガスに含まれるメタンガスを燃料として水を加熱し、温水又は蒸気によって前記消化槽を加温するボイラであることを特徴とする。
【０００９】
本発明に係るメタン発酵ガス精製システムは、上記発明において、前記加温部は、前記排気ガスに含まれるメタンガスを燃料として発電し、発電時の排熱によって前記消化槽を加温する発電機であることを特徴とする。
【００１０】
本発明に係るメタン発酵ガス精製システムは、上記発明において、前記ガス精製部は、前記発電機の発電電力を利用して動作することを特徴とする。
【００１１】
本発明に係るメタン発酵ガス精製システムは、上記発明において、前記発電機の発電量が前記ガス精製部の電力需要量以上になるように、前記ガス精製部へのメタン発酵ガスの供給量を制御することにより、前記発電機へのメタンガスの供給量を制御する制御装置を備えることを特徴とする。
【００１２】
上記課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るメタン発酵ガス精製方法は、有機性廃棄物を水とメタン発酵ガスとに分解する消化ステップと、前記メタン発酵ガス中に含まれる二酸化炭素を除去することにより、前記メタン発酵ガスを精製するガス精製ステップと、前記メタン発酵ガスの精製過程において得られる排気ガス中に含まれるメタンガスを燃料として利用して前記消化槽を加温する加温ステップと、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るメタン発酵ガス精製システム及びメタン発酵ガス精製方法によれば、有機性廃棄物から得られるメタンガスを全て再利用してシステム全体の効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明の一実施形態であるメタン発酵ガス精製システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、図１に示すメタン発酵ガス精製システムの変形例の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態であるメタン発酵ガス精製システムの構成について説明する。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態であるメタン発酵ガス精製システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、本発明の一実施形態であるメタン発酵ガス精製システム１は、消化槽２、ガスタンク３、脱硫器４、活性炭塔５、圧縮機６、ガス精製部７、ボイラ８、及び制御装置９を主な構成要素として備えている。
【００１７】
消化槽２は、メタン菌等の嫌気性微生物による作用によって嫌気性雰囲気下で有機性廃棄物を処理することにより、有機性廃棄物を水とメタン発酵ガスとに分解する。消化槽２内の温度は、制御装置９によって有機性廃棄物の処理に適した温度に保持されている。この段階のメタン発酵ガス中には、約６０％のメタンと、約４０％の二酸化炭素と、微量の酸素、窒素、硫黄系不純物、及びシロキサンとが含まれている。
【００１８】
ガスタンク３は、消化槽２内で生成されたメタン発酵ガスを一時的に貯留する。脱硫器４は、ガスタンク３から排出されたメタン発酵ガス中に含まれる硫黄系不純物を除去する。活性炭塔５は、脱硫器４から排出されたメタン発酵ガス中に含まれるシロキサンを除去する。圧縮機６は、活性炭塔５から排出されたメタン発酵ガスの圧力をガス精製部７における処理に適した圧力まで昇圧する。
【００１９】
ガス精製部７は、複数の炭素系吸着剤（例えばカーボンモレキュラーシーブ）１０ａ，１０ｂ，１０ｃを備えている。複数の炭素系吸着剤１０ａ〜１０ｃは、加圧条件下でメタン発酵ガス中に含まれる二酸化炭素を選択的に吸着し、減圧条件下で吸着した二酸化炭素を脱着する。複数の炭素系吸着剤１０ａ〜１０ｃのガス流入路１１ａ，１１ｂ，１１ｃにはそれぞれ、複数の炭素系吸着剤１０ａ〜１０ｃへのメタン発酵ガスの流入量を調整するためのメタン発酵ガス流量調整弁１２ａ，１２ｂ，１２ｃが設けられている。
【００２０】
各炭素系吸着剤とメタン発酵ガス流量調整弁１２ａ〜１２ｃとの間のガス流入路１１ａ〜１１ｃにはそれぞれ、各炭素系吸着剤から脱着させた二酸化炭素を含む排気ガスをボイラ８に供給するバイパス流路１３ａ，１３ｂ，１３ｃが接続されている。バイパス流路１３ａ〜１３ｃにはそれぞれ、ボイラ８への排気ガスの流入量を調整するための排気ガス流量調整弁１４ａ，１４ｂ，１４ｃが設けられている。また、バイパス流路１３ａ，１３ｂ，１３ｃには、炭素系吸着剤を減圧雰囲気にするための真空ポンプ１５が接続されている。複数の炭素系吸着剤１０ａ〜１０ｃのガス流出路１６ａ，１６ｂ，１６ｃにはそれぞれ、複数の炭素系吸着剤１０ａ〜１０ｃからのメタンガスの流出量を調整するためのメタンガス流量調整弁１７ａ，１７ｂ，１７ｃが設けられている。
【００２１】
メタン発酵ガスから二酸化炭素を除去する際には、ガス精製部７は、メタン発酵ガスを導入する炭素系吸着剤に対応するメタン発酵ガス流量調整弁及びメタンガス流調調整弁を開き、炭素系吸着剤にメタン発酵ガスを流通させる。これにより、メタン発酵ガス中に含まれる二酸化炭素は炭素系吸着剤に吸着し、炭素系吸着剤からは高純度のメタンガスが排出される。なお、この処理の際、ガス精製部７は、メタン発酵ガスを導入する炭素系吸着剤に対応する排気ガス流量調整弁は全閉状態とする。
【００２２】
一方、炭素系吸着剤の二酸化炭素の吸着能が飽和した際には、ガス精製部７は、二酸化炭素の吸着能が飽和した炭素系吸着剤に対応する排気ガス流量調整弁を開き、真空ポンプ１５を駆動することによって、炭素系吸着剤を減圧雰囲気にする。これにより、炭素系吸着剤に吸着されている二酸化炭素は脱着し、微量のメタンガスを含む高濃度の二酸化炭素が排気ガス流量調整弁を介してボイラ８に排出される。なお、この処理の際、ガス精製部７は、二酸化炭素の吸着能が飽和した炭素系吸着剤に対応するメタン発酵ガス流量調整弁及びメタンガス流量調整弁を全閉状態とする。
【００２３】
ボイラ８は、バイパス流路１３ａ〜１３ｃを介して供給される排気ガスに含まれるメタンガスを燃料として水を加熱し、温水や蒸気によって消化槽２を加温する。ボイラ８は、本発明に係る加温部として機能する。制御装置９は、マイクロコンピュータ等の演算処理装置によって構成されている。制御装置９には、消化槽２の温度を検出する温度センサ１８と、ボイラ８に供給される排気ガス中のメタンガスの濃度を検出する濃度センサ１９及び排気ガスの流量を検出する流量センサ２４とが接続されている。制御装置９は、メタン発酵ガス精製システム１全体の動作を制御する。
【００２４】
このように構成されたメタン発酵ガス精製システムでは、制御装置９が以下に示すように動作することによって有機性廃棄物から得られたメタンガスを全て再利用してシステム全体の効率を向上させる。すなわち、始めに、制御装置９は、温度センサ１８を介して消化槽２内の温度を検出し、検出結果に基づいて消化槽２内の温度を有機性廃棄物の処理に適した温度にするために必要な熱量を加温熱量として算出する。
【００２５】
次に、制御装置９は、濃度センサ１９及び流量センサ２４を介してボイラ８に供給される排気ガス中のメタンガスの量を検出し、検出結果に基づいて現状の排気ガスでボイラ８から加温熱量を供給できるか否かを判別する。そして、判別の結果、現状の排気ガスでボイラ８から加温熱量を供給できる場合、制御装置９は、メタン発酵ガス精製システム１の運転状態を現在の状態に維持する。
【００２６】
一方、現状の排気ガスでボイラ８から加温熱量を供給できない場合、制御装置９は、メタン発酵ガス流量調整弁１２ａ，１２ｂ，１２ｃや排気ガス流量調整弁１４ａ，１４ｂ，１４ｃの開度を制御することによって、炭素系吸着剤に供給されるメタン発酵ガスの流量を減少させて排気ガス中に含まれるメタンガスの濃度を増加させる。なお、制御装置９は、ガス精製部７の運転方法（例えば稼働させる炭素系吸着剤の数、炭素系吸着剤の稼働時間や稼働間隔等）を制御することによって、ガス精製部７へのメタン発酵ガスの供給量を制御して排気ガス中に含まれるメタンガスの濃度を増加させてもよい。
【００２７】
以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態であるメタン発酵ガス精製システム１では、ボイラ８が、バイパス流路１３ａ〜１３ｃを介して供給される排気ガス中に含まれるメタンガスを燃料として水を加熱し、温水や蒸気によって消化槽３を加温する。このような構成によれば、メタン発酵ガスの精製過程で排出されるガス中に含まれる微量のメタンガスが消化槽２の加温に利用されるので、有機性廃棄物から得られるメタンガスを全て再利用してシステム全体の効率を向上できる。
【００２８】
また、本発明の一実施形態であるメタン発酵ガス精製システムでは、制御装置９が、消化槽２の加温に必要な熱量及び排気ガス中に含まれるメタンガスの濃度に基づいて、消化槽２の加温に必要な熱量が得られるようにガス精製部７へのメタン発酵ガスの供給量を制御するので、消化槽２を常に最適な運転状態に制御することができる。
【００２９】
なお、本実施形態では、消化槽２の加温に必要な熱量をボイラ８から供給することとしたが、ボイラ８と共に排気ガスを利用して発電するガスエンジンやマイクロガスタービン等の発電機を設け、発電機の排熱を消化槽２の加温に利用してもよい。具体的には、この場合、図２に示すように、ガス排出路２１に三方弁２２を設け、この三方弁２２にボイラ８と発電機２３とを接続する。そして、制御装置９は、発電機２３の発電量が圧縮機６、ガス精製部７、及び真空ポンプ１５の電力需要量以上になるように、ガス精製部７へのメタン発酵ガスの供給量を調整することによって発電機２３に供給されるメタンガスの量を制御する。また、制御装置９は、消化槽２の加温に必要な熱量と発電機２３の排熱量とからボイラ８で必要となるメタンガスの量を算出し、算出結果に基づいてガス精製部７へのメタン発酵ガスの供給量を調整する。
【００３０】
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。
【符号の説明】
【００３１】
１  メタン発酵ガス精製システム
２  消化槽
３  ガスタンク
４  脱硫器
５  活性炭塔
６  圧縮機
７  ガス精製部
８  ボイラ
９  制御装置
１０ａ，１０ｂ，１０ｃ  炭素系吸着剤
１１ａ，１１ｂ，１１ｃ  ガス流入路
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ  メタン発酵ガス流量調整弁
１３ａ，１３ｂ，１３ｃ  バイパス流路
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ  排気ガス流量調整弁
１５  真空ポンプ
１６ａ，１６ｂ，１６ｃ  ガス流出路
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ  メタンガス流量調整弁
１８  温度センサ
１９  濃度センサ
２１  ガス排出路
２２  三方弁
２３  発電機
２４  流量センサ
【図１】
0005893990.tif 000002
【図２】
0005893990.tif 000003