(57)【要約】【課題】過剰に除湿する必要がなく、除湿に要するコストを低減できる吸着式バイオガス貯蔵装置を提供する。【解決手段】生物学的処理に際して発生する水分含有バイオガスを吸着貯蔵する容器であって、温度２５℃で相対湿度４０％の状態における水分の吸着量が飽和吸着量の１／５以下である活性炭を、吸着材として充填した吸着式バイオガス貯蔵容器；ならびに、該吸着式バイオガス貯蔵容器および該吸着式バイオガス貯蔵容器に導入するバイオガスを除湿する除湿機を有し、該貯蔵容器の内部温度を監視する手段および該内部温度に応じてバイオガス中の水分量を調節する除湿機の制御手段を設けた吸着式バイオガス貯蔵装置。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
生物学的処理に際して発生する水分含有バイオガスを吸着貯蔵する容器であって、温度２５℃で相対湿度４０％の状態における水分の吸着量が飽和吸着量の１／５以下である活性炭を、吸着材として充填した吸着式バイオガス貯蔵容器。
【請求項２】
活性炭の比表面積が５００ｍ2／ｇ以上で、細孔容積が０．２ｃｍ3／ｇ以上で、平均細孔径が７〜２０Åであることを特徴とする請求項１に記載の吸着式バイオガス貯蔵容器。
【請求項３】
ガス受け入れ口とガス払い出し口とを容器の同側面に設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の吸着式バイオガス貯蔵容器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の吸着式バイオガス貯蔵容器および該貯蔵容器に導入するバイオガスを除湿する除湿機を有し、該貯蔵容器の内部温度を監視する手段および該内部温度に応じてバイオガス中の水分量を調節する除湿機の制御手段を設けた吸着式バイオガス貯蔵装置。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれかに記載の吸着式バイオガス貯蔵容器および該貯蔵容器に導入するバイオガスを除湿する冷却式除湿機を有し、該貯蔵容器の内部温度を測定する手段、ならびに該冷却式除湿機の冷却温度が該貯蔵容器の吸着前の内部温度よりも２〜１５℃低くなるように該冷却式除湿機の運転を制御する手段を設けた吸着式バイオガス貯蔵装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生物学的処理に際して発生する水分含有バイオガスをエネルギー源として有効に利用するための、バイオガスの貯蔵装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下水処理場、食品工場、ビール製造工場、家畜の飼育場等で生じる有機性廃棄物を生物学的に処理すると、メタン、二酸化炭素、硫化水素等からなるバイオガスが発生する。近年、かかるバイオガスをエネルギー源として有効利用するために、例えば、バイオガスを吸着貯蔵する方法等が研究されている。
【０００３】
バイオガスは水分を含有しているので、バイオガスを吸着貯蔵する場合、バイオガス中の水分も吸着され、繰り返し吸脱着を行うと吸着材の性能低下が起こるという問題点を有する。この問題点を解決するために、バイオガスを吸着貯蔵する前に、吸着材等によりバイオガス中の水分を吸着除去する方法または冷凍機等により機械的に除湿する方法が提案されている（特許文献１、特許文献２参照）。しかしながら、いずれの場合も必要以上に除湿を行うために、設備コスト、運転コスト面において問題を有する。
【特許文献１】特開２００１−２５４８９６号公報
【特許文献２】特開２００２−３７２１９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、過剰に除湿する必要がなく、除湿に要するコストを低減できる吸着式バイオガス貯蔵装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は、鋭意検討した結果、特定の水分吸着特性を有する活性炭を吸着材として用いることにより、バイオガスの繰り返し吸脱着を行っても吸着性能の低下を防ぐことができることを見出した。さらに、特定の水分吸着特性を有する活性炭を吸着材として用いることにより、バイオガスを過剰に除湿する必要がないことを見出した。本発明は、これらの知見に基づき完成された。
【０００６】
すなわち、本発明は、下記に示すとおりの吸着式バイオガス貯蔵容器および吸着式バイオガス貯蔵装置を提供するものである。
項１．  生物学的処理に際して発生する水分含有バイオガスを吸着貯蔵する容器であって、温度２５℃で相対湿度４０％の状態における水分の吸着量が飽和吸着量の１／５以下である活性炭を、吸着材として充填した吸着式バイオガス貯蔵容器。
項２．  活性炭の比表面積が５００ｍ2／ｇ以上で、細孔容積が０．２ｃｍ3／ｇ以上で、平均細孔径が７〜２０Åであることを特徴とする項１に記載の吸着式バイオガス貯蔵容器。
項３．  ガス受け入れ口とガス払い出し口とを容器の同側面に設けたことを特徴とする項１または２に記載の吸着式バイオガス貯蔵容器。
項４．  項１〜３のいずれかに記載の吸着式バイオガス貯蔵容器および該貯蔵容器に導入するバイオガスを除湿する除湿機を有し、該貯蔵容器の内部温度を監視する手段および該内部温度に応じてバイオガス中の水分量を調節する除湿機の制御手段を設けた吸着式バイオガス貯蔵装置。
項５．  項１〜３のいずれかに記載の吸着式バイオガス貯蔵容器および該貯蔵容器に導入するバイオガスを除湿する冷却式除湿機を有し、該貯蔵容器の内部温度を測定する手段、ならびに該冷却式除湿機の冷却温度が該貯蔵容器の吸着前の内部温度よりも２〜１５℃低くなるように該冷却式除湿機の運転を制御する手段を設けた吸着式バイオガス貯蔵装置。
【０００７】
以下、本発明を詳細に説明する。
【０００８】
本発明の吸着式バイオガス貯蔵容器を用いたバイオガスの貯蔵形態としては、消化槽等から発生するバイオガスに脱硫処理等を施した後に、必要に応じて除湿機、または圧縮する場合には圧縮機および必要に応じて除湿機を通して、本発明の吸着式バイオガス貯蔵容器に貯蔵する。
【０００９】
バイオガスの脱硫処理は、一般的に行われているものでよく、例えば、バイオガスを脱硫用の吸着材が充填されている吸着塔（分離手段）に通し、硫化水素等の硫化物を吸着・除去する。吸着材としては、従来から脱硫剤として使用されている活性炭、ゼオライト、金属酸化物（酸化銅、酸化亜鉛、酸化鉄など）が例示される。吸着時の温度および圧力は、バイオガスの発生状態そのままでも良く、特に制限されないが、温度は、常温〜１００℃程度が好ましく、常温〜６０℃程度がより好ましい。圧力は、常圧〜１ＭＰａＧ程度が好ましい。脱硫処理は、バッチ方式で行っても良く、或いは２塔以上を使用して、脱硫操作と脱硫剤（脱硫用吸着材）の再生操作とを交互に行う連続再生処理方式で行っても良い。脱硫用吸着材の再生は、吸着塔に加熱水蒸気を吹き込んで、硫化水素を分離することにより行われる。また、バイオガスの脱硫処理としては、一般的に使用されている微生物による処理も可能である。
【００１０】
本発明の吸着式バイオガス貯蔵容器に吸着材として充填する活性炭の水分吸着特性（性能）は、温度２５℃で相対湿度４０％（相対圧０．４）の状態の雰囲気下での水分の吸着量が、飽和吸着量の１／５以下であり、好ましくは飽和吸着量の１／２０〜１／５であり、より好ましくは飽和吸着量の１／１５〜１／８である。水分吸着量の測定方法としては、２００℃で１０時間真空乾燥した吸着材（活性炭）に対して、一般的な測定法である容量法により、相対湿度０〜９９％における水分吸着量を測定する。なお、飽和吸着量としては、相対湿度９９％における水分吸着量の測定値を用いる。温度２５℃で相対湿度４０％の状態の雰囲気下での水分の吸着量が飽和吸着量の１／５を超える活性炭を用いると、バイオガス中に存在する水分を吸着して吸着性能の低下を引きおこす。
【００１１】
本発明の吸着式バイオガス貯蔵容器に吸着材として充填する活性炭は、比表面積が５００〜２４００ｍ2／ｇのものが好ましく、６００〜１８００ｍ2／ｇのものがより好ましい。比表面積が５００ｍ2／ｇ未満のものであると、単位重量当たりの吸着量が小さくなる傾向がある。一方、２４００ｍ2／ｇを超えるものであると、充填密度が低くなり、単位体積当たりの吸着量が小さくなる傾向がある。また、細孔容積に関しても同じ理由から、０．２〜１．５ｃｍ3／ｇのものが好ましく、０．３〜１．０ｃｍ3／ｇのものがより好ましい。平均細孔径に関しては、７〜２０Åのものが好ましく、８〜１５Åのものがより好ましい。７Å未満のものであると、バイオガス中の二酸化炭素が脱着し難く、吸脱着を繰り返した後の性能低下が大きくなる傾向がある。一方、２０Åを超えるものであると、メタンの吸着量が非常に小さくなる傾向がある。
【００１２】
本発明の吸着式バイオガス貯蔵容器に吸着材として充填する活性炭は、例えば、特開２００１−２６９５７０号公報に示されるように、炭化物を破砕または成形した炭素質材料を、水蒸気１０〜２０容量％、二酸化炭素１５〜２５容量％および残余が窒素である雰囲気中で、６００〜１２００℃の温度で賦活することにより製造することができる。炭素質材料としては、椰子殻、パーム椰子などの植物系原料、石炭系原料、フェノール樹脂、塩化ビニル樹脂、塩化ビニリデン樹脂、イオン交換樹脂などの合成系原料を炭化した炭化物を破砕または成形して得られる。賦活に用いる炭素質材料の形状、サイズは特に限定されないが、０．１〜１０ｍｍ程度の破砕状物、顆粒状または円柱状の成形物が一般的である。この炭素質材料を賦活して活性炭とするには、水蒸気１０〜２０容量％、二酸化炭素１５〜２５容量％の酸化性ガスおよび窒素ガスを用いて、６００〜１２００℃の温度で賦活する。賦活時間は特に限定されないが、平均粒径３ｍｍ以上の炭素質材料については１時間以上が好ましく、通常は最長でも５０時間までである。
【００１３】
活性炭の形状は、充填層に充填する際の飛散防止のため、粒状、成形状あるいはペレット状であるのが実用上好ましい。しかしながら、これに限らず、フィルター等を併設すると粉末状のものも使用可能である。
【００１４】
上述したように、本発明の吸着式バイオガス貯蔵容器には水分吸着特性（性能）の低い活性炭を吸着材として充填しているので、本発明の吸着式バイオガス貯蔵容器に水分含有バイオガスを吸着貯蔵する際には、バイオガス中に存在する水分の大半は、活性炭に吸着されずに充填空隙にとどまる。そして、バイオガスを脱着する際には、充填空隙にとどまっていた水分および少量の吸着水分は、脱着されたバイオガスに同伴して貯蔵容器外に払い出される。
【００１５】
しかしながら、バイオガス中に水分が飽和状態で含まれている場合には、バイオガス中の水分が活性炭に吸着され、活性炭の吸着性能の低下を引きおこす場合がある。その吸着性能の低下を抑制するために、バイオガスを吸着貯蔵する容器において、ガス受け入れ口（ガス導入口）とガス払い出し口（ガス排出口）とを容器の同側面（容器の同じ側）に設けることが好ましい。ガス受け入れ口とガス払い出し口とを容器の同側面に設けるとは、容器が円筒形の場合には、その円筒形容器の上部の鏡部または下部の鏡部の一方にガスの受け入れ口とガスの払い出し口とを併設することであり、容器が球形の場合には、その球形容器の最上部または最下部の一方にガスの受け入れ口とガスの払い出し口とを併設することである。ガスの受け入れ口とガスの払い出し口とを容器の同じ側に設けると、払い出し（脱着）時に、払い出し口付近（すなわち、受け入れ口付近）の活性炭に優先的に吸着されていた水分が、それ以外の部分の活性炭に吸着されていた水分濃度の非常に低いガスの脱着に伴って、この脱着ガスに同伴されて脱着して払い出されることにより、ほぼ完全に吸着水が脱着するので、活性炭の吸着性能の低下が抑制される。
【００１６】
さらに、同じ水分飽和状態のガスであっても、飽和の温度が高くて含有する水分量が多い場合やバイオガスの貯蔵温度が低くてガス同伴による吸着水の脱着効果があまり望めない場合には、吸着式バイオガス貯蔵容器にバイオガスを導入する前に、除湿機によって特定の程度まで除湿しておくことが好ましい。除湿機としては、一般的な冷却式除湿機、吸着式除湿機を用いることができる。また、バイオガス中に水分が飽和状態で含まれ、吸着式バイオガス貯蔵容器においてガス受け入れ口とガス払い出し口とが容器の同側面に設けられていない場合には、上記除湿機よりも除湿性能の高い除湿機を用いて除湿することにより、活性炭の吸着性能を低下させることなくバイオガスを貯蔵することができる。
【００１７】
同側面にガスの受け入れ口とガスの払い出し口を設けていない容器を使用した場合、除湿機による除湿の程度は、バイオガスの圧力および吸着式バイオガス貯蔵容器内の温度に依存し、以下のように設定するのが好ましい。
【００１８】
バイオガスの除湿の程度は、大気圧下では、吸着前の貯蔵容器内の温度におけるバイオガスの相対湿度が５〜４０％となるのが好ましく、１０〜３５％となるのがより好ましい。また、バイオガスを圧縮機により圧縮した場合には、圧縮後のバイオガスの圧力が０．３ＭＰａＧ以上の場合は、吸着前の貯蔵容器内の温度におけるバイオガスの相対湿度が２０〜９７％となるのが好ましく、２０〜９０％となるのがより好ましい。圧縮後のバイオガスの圧力が０．１ＭＰａＧ以上０．３ＭＰａＧ未満の場合は、吸着前の貯蔵容器内の温度におけるバイオガスの相対湿度が２０〜９０％となるのが好ましく、２０〜８０％となるのがより好ましい。圧縮後のバイオガスの圧力が０．０５ＭＰａＧ以上０．１ＭＰａＧ未満の場合は、吸着前の貯蔵容器内の温度におけるバイオガスの相対湿度が２０〜７０％となるのが好ましく、２０〜６０％となるのがより好ましい。圧縮後のバイオガスの圧力が０ＭＰａＧを超えて０．０５ＭＰａＧ未満の場合は、吸着前の貯蔵容器内の温度におけるバイオガスの相対湿度が２０〜５０％となるのが好ましく、２０〜４０％となるのがより好ましい。
【００１９】
また、バイオガスの除湿の程度は、大気圧下では、吸着前のバイオガスの露点が吸着前の貯蔵容器内の温度より２〜１５℃低くなるのが好ましく、５〜１５℃低くなるのがより好ましい。また、バイオガスを圧縮機により圧縮した場合には、圧縮後のバイオガスの圧力が０．３ＭＰａＧ以上の場合は、そのバイオガスの露点が吸着前の貯蔵容器内の温度より１〜１５℃低くなるのが好ましく、２〜１５℃低くなるのがより好ましい。圧縮後のバイオガスの圧力が０．１ＭＰａＧ以上０．３ＭＰａＧ未満の場合は、そのバイオガスの露点が吸着前の貯蔵容器内の温度より２〜１５℃低くなるのが好ましく、３〜１５℃低くなるのがより好ましい。圧縮後のバイオガスの圧力が０ＭＰａＧを超えて０．１ＭＰａＧ未満の場合は、そのバイオガスの露点が吸着前の貯蔵容器内の温度より２〜１５℃低くなるのが好ましく、４〜１５℃低くなるのがより好ましい。
【００２０】
同側面にガスの受け入れ口とガスの払い出し口を設けた容器を使用した場合、吸着前のバイオガスの露点を吸着前の貯蔵容器内の温度よりも高くすることが可能である。具体的には、吸着前のバイオガスの露点は吸着前の貯蔵容器内の温度より２０℃まで高くでき、好ましくは１５℃まで高くできる。
【００２１】
上述した除湿の程度となるように、本発明の吸着式バイオガス貯蔵装置においては、除湿機の制御手段を設けて、吸着式バイオガス貯蔵容器に導入するバイオガス中の水分量を調節している。すなわち、貯蔵容器内の温度の変化に応じて、上述した条件を満たすように除湿機が制御される。本発明の吸着式バイオガス貯蔵装置は、例えば、吸着式バイオガス貯蔵容器、および該貯蔵容器の上流側に該貯蔵容器に導入する前にバイオガスを除湿する除湿機を有し、さらに、該貯蔵容器の内部温度を監視する手段、および該内部温度に応じてバイオガス中の水分量を調節するための除湿機の制御手段を設けてなる。
【００２２】
また、例えば、除湿機として一般的な冷却式除湿機を用いる場合には、吸着式バイオガス貯蔵容器の内部温度を測定する手段を設け、該冷却式除湿機の冷却温度が該貯蔵容器の吸着前の内部温度よりも低くなるようにしてバイオガスを除湿すればよい。ただし、過剰に冷却除湿する必要はなく、上述した除湿の程度となるようにすればよい。すなわち、吸着式バイオガス貯蔵装置において、吸着式バイオガス貯蔵容器の内部温度を測定する手段を設け、さらに該冷却式除湿機の冷却温度が該貯蔵容器の吸着前の内部温度よりも２〜１５℃低くなるように該冷却式除湿機の運転を制御する手段を設ければよい。このように制御することにより、吸着前のバイオガスの露点が該貯蔵容器の吸着前の内部温度よりも２〜１５℃低くなる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の吸着式バイオガス貯蔵容器には、水分吸着特性（性能）の低い活性炭を吸着材として充填しているので、水分含有バイオガスの繰り返し吸脱着を行っても吸着性能の低下を防ぐことができる。
【００２４】
本発明の吸着式バイオガス貯蔵装置によれば、水分含有バイオガスを過剰に除湿しないので、除湿に要するコストを低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
次に、実施例および比較例によって本発明をより詳細に説明する。
【００２６】
実施例１
ガス受け入れ口とガス払い出し口とを容器上部に設けた６０ｍｌの円筒形吸着容器に、比表面積が１２０７ｍ2／ｇで、細孔容積が０．５４１ｃｍ3／ｇで、平均細孔径が９Åで、粒径が０．２１２〜４．７５ｍｍ（メディアン径１．１５ｍｍ）で、且つ温度２５℃で相対湿度４０％の状態における水分の吸着量が飽和吸着量の１／１０の椰子殻活性炭を充填した。吸着容器を室温にて真空乾燥し、２５℃に容器を保ちながら、バイオガスの模擬ガスとして、０．６ＭＰａＧに加圧され露点が２３℃（２５℃における相対湿度９０％）の、メタン６５％と二酸化炭素３５％の混合ガスを、吸着容器内の圧力が０．６ＭＰａＧとなるまで吸着容器に導入した。吸着貯蔵後に、吸着容器内の圧力が０ＭＰａＧになるまでガスの脱着を行った。この際、流量計を用いて脱着量を測定した。これらの吸脱着操作を繰り返し行い、繰り返し性能評価を行った。そのガス貯蔵量と繰り返し回数の関係を、図１に示す。図１から明らかなように、ガスの吸脱着を繰り返し行っても、水分の吸着による貯蔵性能の低下は見られなかった。
【００２７】
比較例１
ガス受け入れ口とガス払い出し口とを容器上部に設けた６０ｍｌの円筒形吸着容器に、比表面積が１３５２ｍ2／ｇで、細孔容積が０．５９ｃｍ3／ｇで、平均細孔径が９Åで、粒径が０．２１２〜４．７５ｍｍ（メディアン径１．１５ｍｍ）で、且つ温度２５℃で相対湿度４０％の状態における水分の吸着量が飽和吸着量の１／４の椰子殻活性炭を充填した以外は、実施例１と同様にして吸脱着操作を繰り返し行い、繰り返し性能評価を行った。そのガス貯蔵量と繰り返し回数の関係を、図１に示す。図１から明らかなように、ガスの吸脱着を繰り返し行うと、水分の吸着による貯蔵性能の低下が見られた。
【００２８】
実施例２
バイオガスの模擬ガスとして、１０ｋＰａＧに加圧され相対湿度が３０％の混合ガスを、吸着容器内の圧力が１０ｋＰａＧとなるまで３００ｍｌの円筒形吸着容器に導入した以外は、実施例１と同様にして、吸脱着操作を繰り返し行い、繰り返し性能評価を行った。そのガス貯蔵量と繰り返し回数の関係を、図２に示す。図２から明らかなように、ガスの吸脱着を繰り返し行っても、水分の吸着による貯蔵性能の低下は見られなかった。
【００２９】
実施例３
ガス受け入れ口とガス払い出し口とを容器上部に設けた６０ｍｌの円筒形吸着容器に、比表面積が１２０７ｍ2／ｇで、細孔容積が０．５４１ｃｍ3／ｇで、平均細孔径が９Åで、粒径が０．２１２〜４．７５ｍｍ（メディアン径１．１５ｍｍ）で、且つ温度２５℃で相対湿度４０％の状態における水分の吸着量が飽和吸着量の１／１０の椰子殻活性炭を充填した。吸着容器を室温にて真空乾燥し、１５℃に容器を保ちながら、バイオガスの模擬ガスとして、０．６ＭＰａＧに加圧され露点が２５℃（１５℃における相対湿度１００％）の、メタン６５％と二酸化炭素３５％の混合ガスを、流量２Ｌ／分にて、吸着容器内の圧力が０．６ＭＰａＧとなるまで吸着容器に導入した。吸着時は、容器内温度が導入ガスの露点より低いために吸着容器内では水分が結露する状態であった。吸着貯蔵後に、吸着容器内の圧力が０ＭＰａＧになるまでガスの脱着を行った。この際、流量計を用いて脱着量を測定し、湿度・露点計を用いて導入ガス中および脱着ガス中の水分濃度を測定した。これらの吸脱着操作を繰り返し行い、繰り返し性能評価を行った。そのガス貯蔵量と繰り返し回数の関係を、図３に示す。図３から明らかなように、ガスの吸脱着を繰り返し行っても、水分の吸着による貯蔵性能の低下は見られなかった。また、脱着ガスの水分濃度は導入ガスの水分濃度とほぼ同じであったので、吸着容器に導入された水分が全てガス同伴による吸着水の脱着効果により排出されたことがわかる。
【００３０】
参考例１
水分を含まない（大気圧における露点−６０℃）メタン６５％と二酸化炭素３５％の混合ガスを用いた以外は、実施例３と同様にして吸脱着操作を繰り返し行い、繰り返し性能評価を行った。そのガス貯蔵量と繰り返し回数の関係を、図３に示す。
【００３１】
上記の結果から明らかなように、本発明によれば、バイオガスの水分を除去しなくても、ガス受け入れ口とガス払い出し口とを容器の同側面に設けることにより、繰り返し貯蔵性能の低下を抑えることができる。
【００３２】
実施例４
水分が３５℃にて飽和状態で含まれている実際のバイオガスを用いて、冷凍式の除湿機を吸着容器の上流側に設置し、吸着容器内の温度をモニターしながら、その温度に応じて除湿機の冷却温度を制御することにより、実施例１と同様な操作にて、バイオガスの吸脱着操作を繰り返し行った。
【００３３】
すなわち、除湿機の運転を、圧縮後のバイオガスの露点が吸着容器の吸着前の内部温度よりも２℃低くなるように制御した（除湿機の冷却温度を吸着容器の吸着前の内部温度よりも２℃低くなるように制御した）状態で、実施例１と同様にして、バイオガスの吸脱着操作を繰り返し行った。その結果、ガスの吸脱着を繰り返し行っても、貯蔵性能の低下は見られなかった。
【００３４】
上記の結果から明らかなように、本発明によれば、バイオガスの水分を完全に除去しなくても、ある程度の除湿を行うことにより、繰り返し貯蔵性能の低下を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施例１および比較例１におけるガス貯蔵量と繰り返し回数の関係を示す図である。
【図２】実施例２におけるガス貯蔵量と繰り返し回数の関係を示す図である。
【図３】実施例３および参考例１におけるガス貯蔵量と繰り返し回数の関係を示す図である。
【図１】
2005133939.tif 000002
【図２】
2005133939.tif 000003
【図３】
2005133939.tif 000004