(57)【要約】【課題】有機性廃棄物からの発酵メタンガスを用いて、ジメチルエーテルを効率的に製造することができる有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造装置及び方法を提供する。【解決手段】有機系廃棄物１１を発酵させて発酵メタンガス（ＣＨ４）１２を製造するメタン発酵装置１３と、発酵メタンガス１２中の不純物を除去する除去手段１５と、不純物を除去した不純物除去メタンガス１４を改質する改質器１６と、改質された合成ガス１７を用いてメタノール（ＣＨ３ＯＨ）１８を合成するメタノール合成装置１９と、合成したメタノール１９からジメチルエーテル（ＤＭＥ）２０を合成するジメチルエーテル合成装置２１とを具備する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機系廃棄物を発酵させて発酵メタンガスを製造するメタン発酵装置と、
発酵メタンガス中の不純物を除去する除去手段と、
不純物を除去したメタンガスを改質する改質器と、
改質されたガスを用いてメタノールを合成するメタノール合成装置と、
合成したメタノールからジメチルエーテルを合成するジメチルエーテル合成装置とを具備することを特徴とする有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造装置。
【請求項２】
有機系廃棄物を発酵させて発酵メタンガスを製造するメタン発酵装置と、
発酵メタンガス中の不純物を除去する除去手段と、
不純物を除去した発酵メタンガスに天然ガスを混合する混合手段と、
発酵メタンガスと天然ガスとの混合メタンガスを改質する改質器と、
改質されたガスを用いてメタノールを合成するメタノール合成装置と、
合成したメタノールからジメチルエーテルを合成するジメチルエーテル合成装置とを具備することを特徴とする有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造装置。
【請求項３】
有機系廃棄物を発酵させて発酵メタンガスを製造するメタン発酵装置と、
発酵メタンガスに天然ガスを混合する混合手段と、
混合メタンガス中の不純物を除去する除去手段と、
不純物を除去したメタンガスを改質する改質器と、
改質されたガスを用いてメタノールを合成するメタノール合成装置と、
合成したメタノールからジメチルエーテルを合成するジメチルエーテル合成装置とを具備することを特徴とする有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造装置。
【請求項４】
請求項２又は３において、
天然ガスが都市ガスであり、都市ガスの付香物を除去する付香物除去装置を具備することを特徴とする有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造装置。
【請求項５】
請求項２乃至４のいずれか一つにおいて、
天然ガスのガス供給量を制御する制御手段を具備することを特徴とする有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造装置。
【請求項６】
請求項５において、
制御手段が、発酵メタンガスの流量を計測する計測手段を有し、発酵メタンガスの発酵量の変動に応じて天然ガスの供給を制御することを特徴とする有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造装置。
【請求項７】
有機系廃棄物を発酵させて発酵メタンガスとし、発酵メタンガス中の不純物を除去した後メタンガスを改質してメタノールを合成し、その後得られたメタノールからジメチルエーテルを合成することを特徴とする有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造方法。
【請求項８】
請求項７において、
発酵メタンガスのガス量に応じて天然ガスを供給することを特徴とする有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造方法。
【請求項９】
請求項８において、
天然ガスが都市ガスであり、硫化水素を除去した後、発酵メタンガスに供給することを特徴とする有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造方法。
【請求項１０】
請求項８又は９において、
発酵メタンガスの流量を計測し、発酵メタンガスの発酵量の変動に応じて天然ガスの供給することを特徴とする有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機系廃棄物からジメチルエーテルを一貫して効率よく製造することができる有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、生ごみ等の有機系廃棄物は、例えば焼却処理、埋立て処理、コンポスト（堆肥化）処理等の種々の処理方法が行われている。しかし、焼却処理は例えばダイオキシン等の汚染物質の発生があり、埋立て処理は地盤沈下や浸出水等の被害が発生し、コンポスト処理は安定した供給先が必要となるなど各々問題を含んでいる。
【０００３】
このため、有機系廃棄物の有効利用として、嫌気性微生物を利用したメタン発酵処理が種々提案されている。この技術は、有機系廃棄物を例えば粉砕機等で粉砕したのち水を加えてスラリー状とし、メタン発酵菌等の嫌気性微生物によりメタンガスを発酵させるものである（特許文献１）。
【０００４】
一方、天然ガスなどのメタンを主成分とした炭化水素ガスを水蒸気改質し、ＣＯ、Ｈ２  を主成分とする合成ガスに転換してから，メタノール合成触媒上で、メタノールに転換する技術が種々提案されている（特許文献２）。
【０００５】
また、液体メタノールを用い、触媒上でジメチルエーテルに転換する技術が種々提案されている（特許文献３）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１６７５２３号公報
【特許文献２】
特開２００１−９７９０５号公報
【特許文献３】
特開２００３−７３３２０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した技術は各々単独での事業化が推進されているが、これらを一貫して行う処理システムについての提案は現在ない。
これは、メタン発酵により得られた発酵メタンガスは気体であるため貯蔵，搬送が困難であり、装置周囲での利用に制限される、という問題がある。
【０００８】
また、天然ガスからのメタノールを合成する技術は、化石燃料である天然ガスを原料とするため、設備の建設は天然ガスの産出地域に限定される、という問題がある。
【０００９】
また、ジメチルエーテルを合成する技術は、液体メタノールを原料とするため、メタノールを多量に産出する地域、工場付近に限定される、あるいは工業用メタノールを運搬して使用するため運搬コストがかかるという問題がある。
【００１０】
また、メタン発酵により得られた発酵メタンガスには、水蒸気改質触媒やメタノール合成触媒を被毒させる不純物が含有されているので、不純物を除去することが必要である。
【００１１】
さらに、メタン発酵はその供給される有機性廃棄物の内容により、発酵メタンガスの製造量が安定しないため、この発酵メタンガスを用いて一貫してジメチルエーテルを製造するには、問題がある。すなわち、メタンを改質する場合に、発酵メタンガスを所定の圧力に圧縮する場合に、ガス量が一定でない場合には、ガスタンク等の一次貯留手段を設ける必要があり、常圧発酵ガスの場合には、大容量のタンクが必要となるという、問題がある。
【００１２】
本発明は、前記問題に鑑み、有機性廃棄物からの発酵メタンガスを用いて、ジメチルエーテルを効率的に製造することができる有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造装置及び方法を提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前述した課題を解決する第１の発明は、有機系廃棄物を発酵させて発酵メタンガスを製造するメタン発酵装置と、発酵メタンガス中の不純物を除去する除去手段と、不純物を除去したメタンガスを改質する改質器と、改質されたガスを用いてメタノールを合成するメタノール合成装置と、合成したメタノールからジメチルエーテルを合成するジメチルエーテル合成装置とを具備することを特徴とする有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造装置にある。
この発明によれば、発酵メタンガス中の不純物を除去装置で除去することで、メタンを改質する改質器及びメタノールやジメチルエーテルを合成する合成装置の触媒被毒を防止することができ、長期間に亙って安定して一貫合成することができる。
【００１４】
第２の発明は、有機系廃棄物を発酵させて発酵メタンガスを製造するメタン発酵装置と、発酵メタンガス中の不純物を除去する除去手段と、不純物を除去した発酵メタンガスに天然ガスを混合する混合手段と、発酵メタンガスと天然ガスとの混合メタンガスを改質する改質器と、改質されたガスを用いてメタノールを合成するメタノール合成装置と、合成したメタノールからジメチルエーテルを合成するジメチルエーテル合成装置とを具備することを特徴とする有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造装置にある。
この発明によれば、不純物を除去した発酵メタンガスに天然ガスを供給するので、発酵メタンガスの発酵量に変動等があっても、常に一定のガス量を改質器に供給することができる。
【００１５】
第３の発明は、有機系廃棄物を発酵させて発酵メタンガスを製造するメタン発酵装置と、発酵メタンガスに天然ガスを混合する混合手段と、混合メタンガス中の不純物を除去する除去手段と、不純物を除去したメタンガスを改質する改質器と、改質されたガスを用いてメタノールを合成するメタノール合成装置と、合成したメタノールからジメチルエーテルを合成するジメチルエーテル合成装置とを具備することを特徴とする有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造装置にある。
この発明によれば、発酵メタンガス及び天然ガス中の触媒被毒成分である不純物を除去するので、長期間に亙って安定して一貫合成することができる。
【００１６】
第４の発明は、第２の発明において、天然ガスが都市ガスであり、都市ガスの付香物を除去する付香物除去装置を具備することを特徴とする有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造装置にある。
この発明によれば、天然ガスが都市ガスの場合に、付香物を除去するので、付香物である例えば硫化水素を除去し、触媒被毒を防止することができる。
【００１７】
第５の発明は、第２乃至４のいずれか一つの発明において、天然ガスのガス供給量を制御する制御手段を具備することを特徴とする有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造装置にある。
この発明によれば、発酵メタンガスの発酵量に応じて天然ガスの供給量を制御することができる。
【００１８】
第６の発明は、第５の発明において、制御手段が、発酵メタンガスの流量を計測する計測手段を有し、発酵メタンガスの発酵量の変動に応じて天然ガスの供給を制御することを特徴とする有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造装置にある。
この発明によれば、発酵メタンガスの発酵量の変動に応じて天然ガスの供給を制御するので、発酵メタンガスの変動量に応じて天然ガスの供給量を制御することができる。
【００１９】
第７の発明は、有機系廃棄物を発酵させて発酵メタンガスとし、発酵メタンガス中の不純物を除去した後メタンガスを改質してメタノールを合成し、その後得られたメタノールからジメチルエーテルを合成することを特徴とする有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造方法にある。
【００２０】
第８の発明は、第７の発明において、発酵メタンガスのガス量に応じて天然ガスを供給することを特徴とする有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造方法にある。
この発明によれば、発酵メタンガスの発酵量に応じてメタンが豊富な天然ガスを供給するので、安定したメタンの供給量を制御することができる。
【００２１】
第９の発明は、第８の発明において、天然ガスが都市ガスであり、硫化水素を除去した後、発酵メタンガスに供給することを特徴とする有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造方法にある。
この発明によれば、天然ガスが都市ガスの場合に、付香物を除去するので、付香物である例えば硫化水素を除去し、触媒被毒を防止することができる。
【００２２】
第１０の発明は、第８又は９の発明において、発酵メタンガスの流量を計測し、発酵メタンガスの発酵量の変動に応じて天然ガスの供給することを特徴とする有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造方法にある。
この発明によれば、発酵メタンガスの発酵量の変動に応じて天然ガスの供給を制御するので、発酵メタンガスの変動量に応じて天然ガスの供給量を制御することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の形態を以下に説明するが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
【００２４】
［第１の実施の形態］
図１を参照して本実施の形態にかかる装置について説明する。
図１に示すように、本実施の形態にかかる有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造装置は、有機系廃棄物１１を発酵させて発酵メタンガス（ＣＨ４）１２を製造するメタン発酵装置１３と、発酵メタンガス１２中の不純物を除去する除去手段１５と、不純物を除去した不純物除去メタンガス１４を改質する改質器１６と、改質された合成ガス１７を用いてメタノール（ＣＨ３ＯＨ）１８を合成するメタノール合成装置１９と、合成したメタノール１８からジメチルエーテル（ＤＭＥ）２０を合成するジメチルエーテル合成装置２１とを具備するものである。
【００２５】
また、本実施の形態では、改質器１６に供給する不純物除去メタンガス１４を所定の圧力に圧縮する圧縮器２２を改質器１６の上流側に設けると共に、メタノール合成装置１９供給する合成ガス１７を所定の圧力（例えば５０〜１５０気圧）に圧縮する圧縮器２３をメタノール合成装置１９の上流側に設けている。
【００２６】
また、改質器１６には、加熱手段を有する改質用反応管１６ａが設けられており、該反応管１６ａ内には例えばニッケル系触媒等の改質触媒が充填されている。また、圧縮器２２により圧縮されたガス中には、水蒸気改質反応のために、外部より所定の水蒸気２４を供給している。
【００２７】
また、改質器１６により改質された合成ガス１７中の熱を有効利用するために、熱交換器２５が改質器１６と合成ガス圧縮器２３との間に介装されている。
【００２８】
ここで、有機系廃棄物１１としては、例えば下水の生汚泥、活性汚泥処理の余剰汚泥、汲み取りし尿、畜産廃棄物、パルプ工場廃水、各種食品工業（パン酵母製造、果実加工、製糖、デンプン製造、ワイン、ビール等のアルコール類製造等）の排水、発酵工業水など、あらゆるものが含まれる。
【００２９】
上記メタン発酵装置１３では、嫌気性発酵により、メタンを発生させるものであり、公知の嫌気性微生物の代謝活性を利用して、有機廃棄物を処理するようにしている。
【００３０】
上記メタン発酵装置１３により得られた発酵メタンガス１２中の触媒被毒物質である例えばＳ成分等の不純物を除去する除去手段１５としては、乾式法による除去手段及び湿式法による除去手段を挙げることができる。乾式法による除去手段としては、例えば活性炭等の吸着材を用いた除去手段を挙げることができる。一方、湿式法による除去手段としては、例えばアミン吸着液等の吸着液を用いた除去手段を挙げることができる。また、両者の手段を組み合わせるようにしてもよい。
【００３１】
不純物を除去された不純物除去メタンガス１４は圧縮器２２により所定圧に圧縮され、その後水蒸気２４が供給された後、改質器１６に導入される。不純物除去メタンガス１４は、改質器１６の反応管１６ａ内で十分に高い温度（例えば８５０〜９００℃）に加熱される。ここで不純物除去メタンガス１４を加熱するのは、前記改質器１６での改質反応が吸熱反応であるためである。
【００３２】
改質器１６の反応管１６ａに供給された不純物除去メタンガス１４は、その反応管１６ａ内の触媒の存在下でメタンが主に水蒸気改質され、下記「化１」に示す式（１）、（２）に従って水素、一酸化炭素および二酸化炭素を含む合成ガスが生成される。
【００３３】
［化１］
ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ２      ・・・（１）
ＣＯ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋Ｈ２      ・・・（２）
【００３４】
前記改質反応の式（１），（２）において、メタン１モルと水蒸気２モルの反応で水素４モル、二酸化炭素１モルが生成される。ただし、実際の反応系では反応管の出口の温度、圧力から決まる化学反応平衡組成に近い組成が得られる。
【００３５】
前記改質器１６で生成された高温合成ガス１７は、流路に介装された熱交換器２５において例えばボイラ水を加熱し、高圧の水蒸気を発生させるようにしている。
【００３６】
前記熱交換器２５で熱交換された合成ガス１７は、合成ガス圧縮器２３により所定圧（例えば５０〜１５０気圧）に圧縮され、その後メタノール合成用装置１９に至る。
【００３７】
前記メタノール合成装置１９では、銅，亜鉛等のメタノール合成触媒の存在下で下記「化２」に示す式（３），（４）に示す反応により合成されたメタノール１８を含む生成物が得られる。
【００３８】
［化２］
ＣＯ＋２Ｈ２→ＣＨ３ＯＨ      ・・・（３）
ＣＯ２＋３Ｈ２→ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ      ・・・（４）
【００３９】
合成されたメタノールはジメチルエーテル合成装置２１において、アルミナ等の脱水触媒の存在下で、下記「化３」に示す式（５）に示す反応によりジメチルエーテル２０を含む生成物となる。
【００４０】
［化３］
２ＣＨ３ＯＨ→ＣＨ３ＯＣＨ３＋Ｈ２Ｏ        ・・・（５）
【００４１】
上述したような構成により、メタン発酵装置１３において発生した発酵メタンガス１２中の不純物（例えばＳ成分等）を除去手段１５により、除去することにより、触媒被毒が解消され、長期間安定して有機系廃棄物１１からメタノール（ＣＨ３ＯＨ）１８を経由してジメチルエーテル（ＤＭＥ）２０を合成することができる。
【００４２】
［第２の実施の形態］
本実施の形態では、第１の実施の形態において、天然ガスを供給するようにしたものである。図２に本実施の形態にかかる有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造装置の概略を示す。なお、図１に示した第１の実施の形態にかかる装置と重複する部材については、同一番号を付してその説明は省略する。
先ず、本実施の形態では、メタン発酵装置１３により発生した発酵メタンガス１２のガス量は投入するゴミ等の種類は発酵条件により変動するような場合があるので、この変動に応じて、メタンガスが多量に含まれる天然ガスを供給するようにしたものである。
この天然ガスとしては、例えば組成が一定の都市ガスを例示することができ、特に都市部において廃棄物処理によるメタン発酵設備があるような場所では、簡便に天然ガスを得ることができる。
【００４３】
図２は、第１の実施の形態の装置において、都市ガス３１を供給する場合を示し、都市ガス３１に付香されている付香物を除去する付香物除去手段３２が設けられている。そして、付香物を除去した都市ガスを、発酵メタンガス中の不純物を除去したメタンガス１４のガス流路３４に供給し、その混合部３５において両者を混合している。
【００４４】
これにより、メタン発酵装置１３において、発酵メタンガス量に変動があった場合でも、都市ガス等の天然ガスを供給することで、常に所定量のガスを圧縮器２２に供給することができる。
【００４５】
また、従来のように、発酵ガスを一時的に貯留するための大型の発酵ガスタンク等を設けることがないので、装置全体のコンパクト化を図ることができる。
なお、天然ガスのガス供給量の供給は、発酵ガスの不足分に応じて天然ガスの供給量を制御する図示しない制御手段により行うようにすればよい。
【００４６】
［第３の実施の形態］
本実施の形態では、第２実施の形態において、都市ガス３１を発酵メタンガス１２に予め混合し、その後発酵メタンガス中の不純物と都市ガス中の付香物とを除去手段により、除去するようにしたものである。図３に本実施の形態にかかる有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造装置の概略を示す。なお、図１に示した第１の実施の形態にかかる装置と重複する部材については、同一番号を付してその説明は省略する。
【００４７】
図３は、第２の実施の形態の装置において、都市ガス３１を発酵メタンガスに予め混合する場合を示し、組成が一定の都市ガス３１を発酵メタンガス１２のガス流路４２に供給し、混合部４３において両者を混合して混合ガス４０を得ている。
【００４８】
また、本実施の形態では、発酵メタンガス１２のガス量と都市ガス３１の供給ガス量とを計測する計測手段である流量計Ｆ１、Ｆ２をガス流路４２、４４に設置し、発酵ガス量の変化に応じて都市ガスのガス供給量を調整する。
【００４９】
これにより、発酵メタンガスの発酵量を流量計Ｆ１で確認しつつ、常に最適なメタン量となるように、流量計Ｆ２でメタンガス供給量を調整するので、圧縮器２２に常に所定量を供給することになり、圧縮器の能力を最適化することができ、安定した圧縮ガス量を改質器１６に供給することができる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、有機系廃棄物から得られた発酵メタンガス中の触媒被毒成分を除去し、安定した合成ガスを生成することができ、さらにはメタノールからジメチルエーテルの合成においても触媒被毒がなく安定して合成することができ、有機系廃棄物からジメチルエーテルまでを一貫して製造することができることとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態にかかる有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造装置を示す図である。
【図２】第２の実施の形態にかかる有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造装置を示す図である。
【図３】第３の実施の形態にかかる有機系廃棄物からのジメチルエーテル製造装置を示す図である。
【符号の説明】
１１  有機系廃棄物
１２  発酵メタンガス
１３  メタン発酵装置
１４  不純物除去メタンガス
１５  不純物除去手段
１６  改質器
１７  合成ガス
１８  メタノール
１９  メタノール合成装置
２０  ジメチルエーテル
２１  ジメチルエーテル合成装置
【図１】
2005023043.tif 000003
【図２】
2005023043.tif 000004
【図３】
2005023043.tif 000005