(57)【要約】【課題】バイオガス中のメタンガスの濃度に対応して製品メタンガスの濃度の変動を抑えることができ、製品メタンガスの濃度を高濃度から低濃度まで容易に変えることができるなど実用上有用なバイオガスからのメタンガスの分離回収方法を得る。【解決手段】バイオガスからメタンガスを分離回収する方法であって、バイオガスを中空チューブ状の分離膜に供給し、該中空チューブ状分離膜の膜にバイオガス中の炭酸ガスを選択的に透過させて分離し、メタンガスを回収することを特徴とするバイオガスからのメタンガスの分離回収方法。該中空チューブ状分離膜は好ましくは複数の中空チューブ状分離膜を束にした分離膜モジュールとして構成する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオガスからメタンガスを分離回収する方法であって、バイオガスを中空チューブ状の分離膜に供給し、該中空チューブ状分離膜の膜にバイオガス中の炭酸ガスを選択的に透過させて分離し、メタンガスを回収することを特徴とするバイオガスからのメタンガスの分離回収方法。
【請求項２】
バイオガスからメタンガスを分離回収する方法であって、バイオガスを順次、ガス圧縮機、ガスヒーター、中空チューブ状分離膜に通して、該中空チューブ状分離膜の膜にバイオガス中の炭酸ガスを選択的に透過させて分離し、メタンガスを回収することを特徴とするバイオガスからのメタンガスの分離回収方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載のバイオガスからのメタンガスの分離回収方法において、前記中空チューブ状分離膜からの回収ガスの流量を制御することにより、分離回収するメタンガスの濃度を調節することを特徴とするバイオガスからのメタンガスの分離回収方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のバイオガスからのメタンガスの分離回収方法において、前記中空チューブ状分離膜が複数の中空チューブ状分離膜を束にした分離膜モジュールとして構成してなることを特徴とするバイオガスからのメタンガスの分離回収方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のバイオガスからのメタンガスの分離回収方法において、前記中空チューブ状分離膜がポリスルホン製、酢酸セルローズ製またはポリアミド製の分離膜であることを特徴とするバイオガスからのメタンガスの分離回収方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、バイオガスからのメタンガスの分離回収方法、すなわちメタンガス及び炭酸ガスを含むバイオガスからメタンガスを分離回収する方法に関する。
【従来の技術】
【０００２】
廃物処理及びその資源の有効利用の観点から、家庭や食堂、あるいはレストランやホテルなどからの生ごみ、牧場や豚舎などからの家畜の糞尿、あるいは食品工場からの食品残渣などの廃物から、そのメタン発酵によりメタンガスを含むバイオガスを発生させて有効に利用するための技術が研究されている。
【０００３】
それら廃物のメタン発酵により発生するバイオガスは、それら廃物中の有機物が嫌気性微生物によって分解されることで発生するもので、その成分の大半がメタンガスと炭酸ガスからなり、またその発酵雰囲気に起因して水分が含まれている。メタンガスと炭酸ガスの比率は、廃物の種類や発酵条件等の如何によって左右されるが、その一例として、メタンの割合が６０％程度（％は容量％、以下同じ）であり、残余の４０％程度が炭酸ガスである。このため、バイオガスからメタンを主成分とするガスとするには炭酸ガスを除去して精製する必要がある。
【０００４】
バイオガスからのメタンガスの分離回収には圧力スイング吸着法（ＰＳＡ法：Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｗｉｎｇ  Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄ）が考えられ検討されている。ＰＳＡ法では複数の吸着塔が用いられる。図１は、ＰＳＡ法のうちでも最も単純な２塔式のＰＳＡ装置を示す図である。吸着塔には吸着剤が充填され、吸着剤へのメタンガスの吸着速度と炭酸ガスの吸着速度の差によりメタンガスが分離される。しかし、ＰＳＡ装置では吸着、放出、再生を繰り返して運転するため、図１のとおり、それに対応する数多くの配管や弁類が必要である。このため、設備スペースが必然的に大きくなり、設備コストや設備メンテナンスコストも大きくなってしまう。
【０００５】
特に、ＰＳＡ法をバイオガスからのメタンガスの分離回収に適用する場合、メタンガスの回収率、つまりその歩留まりが低いだけでなく、バイオガス中のメタンガスの濃度が変化した場合に、精製ガスとしてのメタンガスの濃度が変化する。このように、現実に、バイオガスからのメタンガスの精製分離にＰＳＡ法を適用するのはなかなか難しい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、以上の事実に鑑み、バイオガスからメタンガスを分離回収する方法について各種実験、検討を行ったところ、バイオガスからメタンガスを分離回収するに際して中空チューブ状の分離膜を用いることにより、メタンガスを高濃度できわめて有効に分離できることを見い出した。すなわち、本発明は、中空チューブ状分離膜を用いることにより、メタンガス及び炭酸ガス、さらに水分を含むバイオガスからメタンガスを高濃度で分離回収する方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、バイオガスからメタンガスを分離回収する方法であって、バイオガスを中空チューブ状の分離膜に供給し、該中空チューブ状分離膜の膜にバイオガス中の炭酸ガスを選択的に透過させて分離し、メタンガスを回収することを特徴とするバイオガスからのメタンガスの分離回収方法を提供する。
【０００８】
また、本発明は、バイオガスからメタンガスを分離回収する方法であって、バイオガスを順次、ガス圧縮機、ガスヒーター、中空チューブ状分離膜に通して、該中空チューブ状分離膜の膜にバイオガス中の炭酸ガスを選択的に透過させて分離し、メタンガスを回収することを特徴とするバイオガスからのメタンガスの分離回収方法を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、メタンガス及び炭酸ガス、さらには水分を含むバイオガスからメタンガスを分離回収する方法であり、バイオガスを中空チューブ状分離膜に供給し、中空チューブ状分離膜の膜にバイオガス中の炭酸ガス及び水蒸気を選択的に透過させて分離し、メタンガスを回収することを特徴とする。ここで分離膜は、中空チューブ状の膜で、その構成材料としてはポリスルホン、酢酸セルローズまたはポリアミドが用いられるが、特に好ましくはポリスルホンが用いられる。図２は本中空チューブ状分離膜の基本的構成及びその使用態様を説明する図である。
【００１０】
図２（ａ）のとおり、分離膜は細長の中空チューブ状に構成される。その寸法については特に限定はないが、好ましくはチューブ外径０．４〜０．９ｍｍの範囲、チューブ内径０．２〜０．６ｍｍの範囲、膜厚０．２〜０．３ｍｍの範囲である。本分離膜は、炭酸ガスの膜透過速度が大きく、メタンの膜透過速度は小さいので、その違いを利用してメタンを有効に分離するものである。炭酸ガスのほか、水蒸気も膜透過速度が大きいので炭酸ガスと併せて分離される。
【００１１】
本中空チューブ状分離膜の使用態様としては、図２（ｂ）のとおり、中空チューブ状分離膜を円筒状ケーシング内に配置する。そして中空チューブ状分離膜の一方の端部からその中空部に被処理ガスすなわちバイオガスを導入する。すると、炭酸ガスが中空チューブ状分離膜の膜を透過してケーシングの内壁と中空チューブ状分離膜の外壁間の空間から排出導管を経て放散ガスとして排出される。その際、中空チューブ状分離膜は、炭酸ガスと併せて水蒸気も透過するので、排出導管からは炭酸ガスとともに、それらのガスを含む放散ガスとして排出される。
【００１２】
一方、メタンガスは、中空チューブ状分離膜に対する膜透過速度が小さく、中空チューブ状分離膜の膜を僅かしか透過しないので、中空チューブ状分離膜の他方の端部から排出され、メタンガスとして分離回収される。このように、本中空チューブ状分離膜は、細長の中空チューブ状に形成されているので、その複数個を束にした分離膜モジュールとして構成し、使用するのが好ましい。
【００１３】
図３は、ケーシングに分離膜モジュールを配置した分離膜装置を用い、バイオガスからメタンガスを分離回収する態様例を示す図である。メタン発酵プラント▲１▼において、ホテルその他から回収された生ゴミをメタン発酵させてバイオガスを生成する。バイオガス▲２▼は、ガス圧縮機▲３▼で昇圧し、ガスヒーター▲４▼で適温に加熱して分離膜装置▲５▼に導入され、ここで炭酸ガスが分離され、メタンガスが回収ガスとして分離される。この場合、バイオガスにはメタン発酵プラントでの発酵環境に起因して水分が含まれているが、分離膜モジュールは水蒸気も透過するので、炭酸ガスとともに放散ガスとして分離される。
【００１４】
上記のとおり、バイオガス▲２▼は、ガス圧縮機▲３▼で昇圧した後、ガスヒーター▲４▼で適温に加熱するが、その加熱温度は４０〜６０℃の範囲であるのが好ましい。これにより、膜内での水蒸気の結露を防止して分離膜の濡れを防止し、これに起因する分離能低下を防ぐことができる。すなわち、中空チューブ状分離膜の膜は水蒸気はよく透過するが、水分は透過せず、また分離膜に水分が結露すると、分離膜としての有効面積が減少し、分離能低下を来たすことになるので、ガスヒーター▲４▼により加熱してこれらの問題を回避するものである。
【００１５】
また、本分離膜装置によれば、分離膜装置からの回収ガス流量を調節することにより、回収ガス中のメタン濃度を制御することができる。図３に示す濃度調節弁▲６▼が当該流量を調節する機構で、当該弁▲６▼を絞って回収ガスの流量を少なくすると、その分バイオガスの中空チューブ状分離膜中での滞留時間が長くなる。これにより、分離膜を透過する炭酸ガス量が多くなり、相対的に回収ガス中のメタンガス量が増え、高濃度のメタンガスが得られる。
【００１６】
より具体的には、メタン濃度計▲７▼により、分離膜装置から得られる回収ガス中のメタン濃度を計測し、その結果を基に濃度調節弁▲６▼を制御することにより、所望濃度のメタンを回収することができる。すなわち、計測される回収ガス中のメタン濃度が低ければ濃度調節弁▲６▼を絞ることでメタン濃度を上げ、そのメタン濃度が高ければ濃度調節弁▲６▼を開方向に制御することでメタン濃度を下げることができる。このように、本発明によれば、原料バイオガス中のメタン濃度に対応して簡便な方法で回収メタン濃度の変動を抑えて所定濃度のメタンガスを得ることができるだけでなく、回収メタン濃度を高濃度から低濃度まで容易に変えることができる。
【００１７】
この場合、炭酸ガスとメタンガスの透過速度の差に対応して、僅かではあるが、メタンガスも中空チューブ状分離膜を透過するので、その分メタン回収率つまりメタンガスの歩留まりは少なくなる。しかし、中空チューブ状分離膜でのメタンガスの透過速度は炭酸ガスよりも格段に小さいので、本分離膜装置による一度の処理で所望高濃度のメタンガスが得られる。
【００１８】
このため、本発明の方法で分離回収したメタンガスは、天然ガス自動車の燃料やボイラー等の燃料として使用することができる。一例として天然ガス自動車では、その燃料として例えばメタン濃度９５％程度のメタンガスが用いられるが、本発明の分離回収方法によれば中空チューブ状分離膜による一度の処理でバイオガスからそのような高濃度のメタンガスを得ることができるので、そのまま天然ガス自動車用の燃料として利用することができる。
【００１９】
本発明によれば、以下（１）〜（７）のとおりの各種有用な効果が得られる。
（１）設備コストが安価である（例えばＰＳＡ法に比べて１／１０程度である）。（２）メタン回収率が高い（例えば回収メタン濃度９８％でメタン回収率約８５％である）。（３）設備設置スペースが小さい（例えばＰＳＡ法に比べて容積比で１／１０程度である）。（４）稼動部分がないため、メンテナンスがきわめて少ない（例えばＰＳＡ法では必要な稼動部分の整備や吸着剤の交換が不要である）。（５）回収メタン濃度を高濃度から低濃度まで容易に変えることができる。（６）炭酸ガスとともに水分も除去されるので、回収メタン中の含水率が低い。（７）バイオガス発生量の増減に対して容易に設備対応ができる。
【００２０】
【実施例】
以下、実施例に基づき本発明をさらに詳しく説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないことはもちろんである。
【００２１】
図４は本実施例で使用した分離膜システムを示す図である。図４（ａ）は本分離膜システムで用いた分離膜モジュールを示す図、図４（ｂ）は、図４（ａ）中、Ａ−Ａ線断面図である。分離膜モジュールは中空チューブ状分離膜約２００本を束にし、図４（ａ）中ヘッダー部として示すように、その長手方向左右端部で各チューブ間をエポキシ樹脂接合剤でシールし且つ固定して作製したものである。各中空チューブ状分離膜は外径約０．５ｍｍ、内径約０．３ｍｍ、長さ約６０ｍｍのポリスルホン製チューブである。
【００２２】
この分離膜モジュールを断面円筒状のケーシングに収容し、図４（ｃ）中シール部として示すように、分離膜モジュールの左右のヘッダー部とケーシングの内壁面間をエポキシ樹脂接合剤でシール且つ固定して分離膜装置を構成し、ガス圧縮機等とともに、図４（ｃ）のようにセットして分離膜システムを構成した。製品ガス導管には流量計１を配置し、放散ガス導管には流量計２が配置されている。
【００２３】
バイオガスすなわち供給ガスは、ガス圧縮機で所定圧に圧縮、昇圧した後、分離膜装置に供給される。供給ガスは、分離膜装置の供給ガスバッファ部の空間を介して分離膜モジュールの各中空チューブ状分離膜内に導入される。供給ガスは各中空チューブ状分離膜内を流通しながら、その中の炭酸ガスが各中空チューブ状分離膜の膜を選択的に透過し、放散ガスとして排出される。一方、供給ガス中のメタンガスは各中空チューブ状分離膜内を流通した後、分離膜装置の製品ガスバッファ部を経て製品ガスとして排出される。
【００２４】
〈実施例１〉
以上の分離膜システムを使用し、供給ガスとして各種バイオガス（乾燥済み、すなわちドライガス）を用いて分離操作を実施した。表１にその操作条件及び結果を示している。表１中、製品ガス流量は流量計１で計測した流量（Ｌ／ｍｉｎ＝Ｌｉｔｅｒ  ｐｅｒ  ｍｉｎｕｔｅ、以下同じ）、放散ガス流量は流量計２で計測した流量（Ｌ／ｍｉｎ）、供給ガス流量は、分離膜装置への供給ガス流量（ＮＬ／ｍｉｎ）で、製品ガス流量と放散ガス流量の和に相当している。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
表１のとおり、バイオガス中のメタンガスは分離膜装置により有効に分離回収され、特に分離膜装置への供給ガス圧の如何により製品ガス中のメタン濃度を確実に上げ得ることを示している。例えば、実験Ｎｏ．４では、供給ガス濃度はＣＨ４＝５６％、ＣＯ２＝４３％（残り１％は窒素、酸素等、表１中他の実験Ｎｏ．での残り成分についても同じ）、供給ガス圧２．０ｋｇ／ｃｍ２Ｇで、製品ガス中のメタンは８２％まで濃縮されている。また、実験Ｎｏ．６では、供給ガス濃度は同じであるが、供給ガス圧を３．０ｋｇ／ｃｍ２Ｇとすることにより、製品ガス中のメタンは９８％まで濃縮されている。さらに、実験Ｎｏ．７では、供給ガス濃度は同じであるが、供給ガス圧を６．０ｋｇ／ｃｍ２Ｇとすることにより、製品ガス中のメタンは１００％乃至ほぼ１００％まで濃縮されている。
【００２７】
次に、供給ガスからのガス回収率、すなわち供給ガス量に対する製品ガス量の割合（％）についてみると、実験Ｎｏ．４では５７％、実験Ｎｏ．６では３７％、実験Ｎｏ．７では３６％であるが、供給ガスからのＣＨ４回収率、すなわち供給ガス量に対する製品ガス中のメタン量の割合（％）についてみると、実験Ｎｏ．４では８４％、実験Ｎｏ．６では６４％、実験Ｎｏ．７では６４％の値を示している。以上の事実からして、製品ガス濃度とガス回収率、ＣＨ４回収率とは相関関係があることが分かる。
【００２８】
〈実施例２〉
実施例１と同様にして、製品ガス濃度とガス回収率、ＣＨ４回収率との関係について試験した。図５及び図６は、それぞれ、ガス回収率及びＣＨ４回収率についての結果である。まず、図５のとおり、ガス回収率と製品メタン濃度の関係については、供給ガス圧０．６ＭＰａの場合、ガス回収率３６％強で製品メタン濃度１００％、ガス回収率４３％強で製品メタン濃度９９％、ガス回収率４８％で製品メタン濃度９８％であり、両者は強い相関関係にあることが分かる。また、供給ガス圧０．３ＭＰａの場合、製品メタン濃度は、供給ガス圧０．６ＭＰａの場合に比べて相対的に低いが、供給圧０．６ＭＰａの場合とほぼ同様の傾向を示している。
【００２９】
次に、図６のとおり、メタン回収率と製品ガス濃度の関係については、供給圧０．６ＭＰａの場合、メタン回収率６４％で製品メタン濃度１００％、メタン回収率７７％で製品メタン濃度９９％、メタン回収率８６％で製品メタン濃度９８％であり、両者は強い相関関係にあることが分かる。また、供給圧０．３ＭＰａの場合、製品メタン濃度は供給ガス圧０．６ＭＰａの場合に比べて相対的に低いが、供給圧０．６ＭＰａの場合とほぼ同様の傾向を示している。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の分離回収方法によれば、バイオガスから一度の処理でメタンガスを高濃度で分離回収することができる。また、本発明によれば、稼動部分がないためメンテナンスがきわめて少なく、バイオガス中のメタン濃度に対応して簡便な方法で回収メタン濃度の変動を抑えることができ、回収メタン濃度を高濃度から低濃度まで容易に変えることができるなど各種有用な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＰＳＡ法のうちでも最も単純な２塔式ＰＳＡ装置を示す図
【図２】中空チューブ状分離膜の基本的構成及びその使用態様を説明する図
【図３】分離膜モジュールを配置した分離膜装置を用い、バイオガスからメタンを分離回収する態様例を示す図
【図４】実施例で使用した分離システムを示す図
【図５】実施例２の結果を示す図
【図６】実施例２の結果を示す図
【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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【図６】
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