(57)【要約】【目的】高濃度の二酸化炭素を含有するバイオガスからメタンを高効率に分離精製可能なメタン分離方法、それを用いたメタン分離装置、及びメタン利用システムを提供することを目的とする。【構成】エジェクター等からなる混合器５でバイオガスと吸収液を気液混相状態に混合し、この混合液から第１気液分離器７によりメタンをほぼ完全に分離回収した後、膜モジュール１０にＣＯ２吸収液を供給して二酸化炭素を分離し、二酸化炭素分離後の吸収液を吸収液貯留槽１９に回収するので、吸収液の循環過程で効率的にメタンと二酸化炭素の分離を行い、高濃度の二酸化炭素を含有するバイオガスからメタンを高効率に分離精製でき、しかも低分離コストでバイオガス分離・濃縮を行うことができる。【選択図】図１
2007297605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
成分としてメタンと二酸化炭素を含むバイオガスからメタンを分離するメタン分離方法であって、二酸化炭素を吸収する吸収液と前記バイオガスとを混合器により気液混相状態の混合液を生成する工程と、前記混合液を第１気液分離器に導入して、メタンと、二酸化炭素を吸収したＣＯ２吸収液に気液分離する工程と、前記第１気液分離器において分離したメタンを回収する工程と、複数の中空糸状透過膜を容器内に組み込んだ膜モジュールの供給口より前記透過膜の内側に前記ＣＯ２吸収液を供給して前記透過膜を透過させ、前記透過膜の外側の圧力を前記透過膜の内側より低圧にすることにより、前記ＣＯ２吸収液に吸収された二酸化炭素を前記透過膜の外側に放散させて二酸化炭素を分離し、かつ二酸化炭素分離後の吸収液を回収する工程を少なくとも有することを特徴とするメタン分離方法。
【請求項２】
前記膜モジュールの排出口に導出された過剰の前記ＣＯ２吸収液を第２気液分離器に導入して、微量のメタンと過剰ＣＯ２吸収液に気液分離する工程と、前記第２気液分離器において分離したメタンを回収する工程と、前記過剰ＣＯ２吸収液を回収する工程を設ける請求項１に記載のメタン分離方法。
【請求項３】
前記膜モジュールにおける透過膜の充填密度が３０％以下である請求項１又は２に記載のメタン分離方法。
【請求項４】
前記膜モジュール中の透過膜が小束状に分割されて配置され、各々の小束は密集しない空間を保って配置され全体としての充填密度が３０％以下である請求項３に記載のメタン分離方法。
【請求項５】
前記混合器は、前記第１気液分離器の導入口に連通する流通路に設けられたエジェクターから少なくとも構成され、前記流通路内に前記吸収液の流れを形成することにより負圧を発生させ、前記バイオガスを前記吸収液に吸引させて前記混合液を生成し、前記吸収液に二酸化炭素を効率的に吸収させる請求項１又は２に記載のメタン分離方法。
【請求項６】
前記エジェクターで生成した前記混合液を充填気泡塔に供給して、二酸化炭素の前記混合液への吸収をさらに促進させる請求項５に記載のメタン分離方法。
【請求項７】
前記吸収液はジ・エタノールアミンの水溶液であり、その濃度は０．１〜６ｍｏｌ／Ｌである請求項１〜６のいずれかに記載のメタン分離方法。
【請求項８】
前記膜モジュールは、前記透過膜を透過する前記ＣＯ２吸収液の透過流量が膜面積あたり５〜５０Ｌ／ｍ２・ｍｉｎである請求項１〜７のいずれかに記載のメタン分離方法。
【請求項９】
前記透過膜がポリチレンからなる請求項１〜８のいずれかに記載のメタン分離方法。
【請求項１０】
前記透過膜の膜外面に親水性処理を施した請求項１〜９に記載のメタン分離方法。
【請求項１１】
成分としてメタンと二酸化炭素を含むバイオガスからメタンを分離するメタン分離装置であって、二酸化炭素を吸収する吸収液と前記バイオガスとを混合して気液混相状態の混合液を生成する混合器と、前記混合液を導入して、メタンと、二酸化炭素を吸収したＣＯ２吸収液に気液分離する第１気液分離器と、容器内に組み込んだ複数の中空糸状透過膜からなり、供給口より前記透過膜の内側に前記ＣＯ２吸収液を供給して前記透過膜を透過させ、前記透過膜の外側の圧力を前記透過膜の内側より低圧にすることにより、前記ＣＯ２吸収液に吸収された二酸化炭素を前記透過膜の外側に放散させて二酸化炭素を分離する膜モジュールを備え、前記膜モジュールにより二酸化炭素分離した後の吸収液を回収する第１分離手段を少なくとも有することを特徴とするメタン分離装置。
【請求項１２】
前記膜モジュールの排出口に導出された過剰の前記ＣＯ２吸収液を導入して、微量のメタンと過剰ＣＯ２吸収液とに気液分離する第２気液分離器と、前記過剰ＣＯ２吸収液を回収する第２分離手段とを有し、前記第１気液分離器及び前記第２気液分離器により分離したメタンを回収するようにした請求項１１に記載のメタン分離装置。
【請求項１３】
前記膜モジュールにおける透過膜の充填密度が３０％以下である請求項１１又は１２に記載のメタン分離装置。
【請求項１４】
前記混合器は、前記第１気液分離器の導入口に連通する流通路に設けられた少なくともエジェクターと、前記吸収液を導入する手段と、前記バイオガスを導入する手段を有し、前記流通路内に前記吸収液の流れを形成することにより負圧を発生させ、前記バイオガスを前記吸収液に吸引させて前記混合液を生成し、前記吸収液に二酸化炭素を効率的に吸収させる請求項１１又は１２に記載のメタン分離装置。
【請求項１５】
前記吸収液はジ・エタノールアミンの水溶液であり、その濃度は０．１〜６ｍｏｌ／Ｌである請求項１１〜１４のいずれかに記載のメタン分離装置。
【請求項１６】
前記膜モジュールは、前記透過膜を透過する前記ＣＯ２吸収液の透過流量が膜面積あたり５〜５０Ｌ／ｍ２・ｍｉｎである請求項１１〜１５のいずれかに記載のメタン分離装置。
【請求項１７】
前記透過膜がポリチレンからなる請求項１１〜１６のいずれかに記載のメタン分離装置。
【請求項１８】
請求項１〜１０のいずれかのメタン分離方法を用いて、メタンを主成分とする地中から産する生物の嫌気性発酵由来により生成した天然ガス、産業用ならびに家庭用廃棄物の地中埋蔵により自然と嫌気性発酵し産出する地中発酵ガス、又は人工的に発生させた嫌気性発酵プロセスから排出される人工発酵ガスを前記バイオガスとして用いて二酸化炭素を除去することにより、メタンを精製して貯留し、その貯留メタンを燃料として供給可能にしたことを特徴とするメタン利用システム。
【請求項１９】
前記貯留メタンを燃料として発電する発電設備と、季節、稼動期間あるいは時間帯に応じて精製メタンの貯留量を調整する貯留制御手段とを備え、前記発電設備によって発生される電力を外部に供給可能にした請求項１８に記載のメタン利用システム。
【請求項２０】
前記メタン利用システムにおける前記メタン精製の際に同時に分離される二酸化炭素をハイブリッド供給可能にした二酸化炭素供給設備を備えた請求項１８又は１９に記載のメタン利用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタンを主成分とする地中から産する生物の嫌気性発酵由来により生成した天然ガス、産業用ならびに家庭用廃棄物の地中埋蔵により自然と嫌気性発酵し産出する地中発酵ガス、又は人工的に発生させた嫌気性発酵プロセスから排出される人工発酵ガス等のバイオガスからメタンを分離するメタン分離方法、それを用いたメタン分離装置、及びそのメタンをエネルギー市場に供給できるメタン利用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
地中より産する生物の嫌気性発酵由来により生成した天然ガス、産業用並びに家庭用廃棄物の地中埋蔵により自然と嫌気性発酵し産出するガス、又は人工的に発生させた嫌気性発酵プロセスから排出されるガス、コークス製造時に発生するＣＯＧガス等のような、メタンを主成分として構成されているガスにおいて、熱エネルギー源とならない多量の二酸化炭素、水分を含む場合がある。これらのガスを良質な熱エネルギー源並びに燃料とするためには混合ガス中に含まれる燃料となりえない二酸化炭素や水分などを取り除きメタンの純度を上げる必要がある。
【０００３】
これらの混合ガスから特定ガス成分の純度を上げるための手法として、混合ガスを低温条件下で蒸留分離する深冷分離法、化学吸収法、ガス分離膜による乾式膜分離法、ＰＳＡ法（圧力スイング吸着法）、膜・吸収ハイブリッド法等が知られている。深冷分離法においては分離プロセスに熱の出入りを伴い、効率的に純度の高いメタンを得ようとすると装置が複雑かつ大型化することになり経済的に好ましくない。
【０００４】
また、従来の化学吸収法では、吸収液に分離対象ガスを吸収する吸収塔と吸収液から分離成分ガスを放散する再生塔を備え、吸収液は吸収塔と再生塔の間で循環して連続的に分離対象ガスを分離するため、吸収液と対象ガスを効率良く接触させるための吸収塔、放散のための大きな加熱エネルギーによりガス分離の初期コストと運転コストが高くなる問題があった。また、水に二酸化炭素が溶ける作用を利用した高圧水による炭酸吸収法なるものもあるが、バイオガスを精製するためには大量の水を必要とする問題があった。
【０００５】
一方、乾式膜分離法やＰＳＡ法では、その分離プロセスに熱の出入りを伴わず、低エネルギーで分離でき、また常温操作が可能であるほか、構成がシンプルで装置の小型化が可能である利点がある。前者の乾式膜分離法においては膜中の透過速度の差を利用するため、純度の高いメタンを得るためには膜モジュールの段数を増やす必要があり、コスト高になる問題があった。後者のＰＳＡ法は、特許文献１及び２に示されているように、活性炭、天然ないし合成ゼオライト、シリカゲル及び活性アルミナ、ＭＳＣ(モレキュラーシービングカーボン)等を、二酸化炭素を吸着し易い吸着剤として用いて吸着量が圧力及び温度により差があることを利用している。
【０００６】
しかし、ＰＳＡ法においては、純度の高いメタンを得るためには、運転圧力範囲を−９０ＫＰａＧ〜０．７ＭＰａＧと広い範囲に取らなければならず、動力費が高くなる問題点がある、加えて純度の高いメタンを得るためには回収率を犠牲にする必要があり、それに伴ってメタンを含む排気ガスが多く発生し、可燃性であるメタンを安全に処理するために燃焼設備等が必要となり分離コストが高くなる要因となる。また、メタンを安全に大気中に放出できたとしても、地球温暖化係数の高いメタンを大気放出することは、昨今の地球環境問題における関心の高まりの中で大きな障害となる。
【０００７】
そこで、最近、膜分離法と化学吸収法が同時に混在した形態で相乗効果を狙った膜・吸収ハイブリッド法が注目され、研究されている（特許文献３及び非特許文献１参照）。この方法では、膜の一方に二酸化炭素（ＣＯ２）を含むガスと吸収液を供給して二酸化炭素を吸収液に吸収させて膜中を通し、他方を減圧することにより膜通過した吸収液から二酸化炭素が放散される。
【０００８】
このため、不要な二酸化炭素のみを吸収液に選択的に分離するため可燃成分から分離することが可能となり、燃料成分であるメタンの回収率を向上させることができ、排気ガス中に可燃成分がないことにより、排気ガス処理用に燃焼設備等を設ける必要が無く、極めて低コストで排気ガスを処理できる利点がある。しかも、この方法によれば、二酸化炭素が吸収する反応が発熱反応であり、二酸化炭素を放散するのが吸熱反応であることより、膜の内部と外部で熱の移動がうまく起こることで吸収と放散のプロセスを熱収支のバランスをとりながら極めて効率よく二酸化炭素を分離することが可能となる。更に、吸収液を循環させて再利用することによって連続的なメタンの分離を行える。従って、膜・吸収ハイブリッド法をバイオガスに適用することにより、従来の吸収法、乾式膜法、ＰＳＡ法よりも低運転コストで純度の高いメタンをバイオガスから分離することが可能となる。
【０００９】
【特許文献１】特開２００１−２９３３４０
【特許文献２】特開２００３−２０４８５３
【特許文献３】特開２００５−２７０８１４
【非特許文献１】Ｍasaaki  Ｔeramoto、Ｎobuaki  Ｏhnishi、Ｎao  Ｔakeuchi、Ｓatoru  Ｋitada、Ｈideto  Ｍatsuyama、Ｎorifumi  Ｍatsumiya、Ｈiroshi  Ｍano：“Separation  and  enrichment  of  carbon  dioxide  by  capillary  membrance  module  with  permeation  of  carrier  solution”；Ｓeparation  and  Ｐurification  Ｔechnology  ３０（２００３）215-227
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
従来の膜・吸収ハイブリッド法をバイオガスに適用する場合においては、例えば膜モジュールに、吸収液とともに、二酸化炭素とメタン等の分離ガスとを含む被分離対象ガスとを供給するので、透過膜内にて吸収液に溶解しないメタンと吸収液の気液混合状態になることでメタン分離効率が低下するといった問題があった。また、バイオガスに高濃度の二酸化炭素が含有されているため、膜モジュールの透過膜を透過した吸収液に吸収された二酸化炭素の放散が十分でなく吸収液の再生が不十分な状態で吸収液循環系に戻ってしまいメタン分離精製効率が低下するといった問題もあった。
【００１１】
従って、本発明の目的は、主成分がメタンで、高濃度の二酸化炭素を含有するバイオガスからメタンを高効率に分離精製可能なメタン分離方法、それを用いたメタン分離装置、及び既存の石油等の化石燃料と同様に、メタンをエネルギー市場に供給可能なメタン利用システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明に係るメタン分離方法及びメタン分離装置においては、成分としてメタンと二酸化炭素を含むバイオガスからメタンを下記の工程により分離することを特徴とする。即ち、本発明の第１の形態は、二酸化炭素を吸収する吸収液と前記バイオガスとを混合器により気液混相状態の混合液を生成する工程と、前記混合液を第１気液分離器に導入して、メタンと、二酸化炭素を吸収したＣＯ２吸収液に気液分離する工程と、前記第１気液分離器において分離したメタンを回収する工程と、複数の中空糸状透過膜を容器内に組み込んだ膜モジュールの供給口より前記透過膜の内側に前記ＣＯ２吸収液を供給して前記透過膜を透過させ、前記透過膜の外側の圧力を前記透過膜の内側より低圧にすることにより、前記ＣＯ２吸収液に吸収された二酸化炭素を前記透過膜の外側に放散させて二酸化炭素を分離し、かつ二酸化炭素分離後の吸収液を回収する工程を少なくとも有したメタン分離方法、及び前記分離方法を用いたメタン分離装置である。本形態において、膜モジュールの排出口に導出させる過剰ＣＯ２吸収液流量は極限までゼロに近づけることが好ましい。
【００１３】
本発明の第２の形態は、前記膜モジュールの排出口に導出された過剰のＣＯ２吸収液を第２気液分離器に導入して、微量のメタンと過剰ＣＯ２吸収液に気液分離する工程と、前記第２気液分離器において分離したメタンを回収する工程と、前記過剰ＣＯ２吸収液を回収する工程とからなるメタン分離方法、及び前記分離方法を用いたメタン分離装置である。第１形態の第１気液分離器で殆んどのメタンが分離されるが、微量のメタンがＣＯ２吸収液に残留する場合には、前記膜モジュールの排出口から排出される過剰のＣＯ２吸収液を第２気液分離器に導入し、第２気液分離器によりメタンを分離・回収するとともに、過剰ＣＯ２吸収液を回収する構成である。
【００１４】
本発明の第３の形態は、前記膜モジュールにおける透過膜の充填密度が３０％以下であるメタン分離方法及びメタン分離装置である。本形態において、好ましくは前記充填密度が２０％以下である。なお、本発明で膜モジュールにおける透過膜の充填密度とは、膜モジュールの断面における透過膜、例えば中空糸状多孔膜の面積占有率のことであり、中空糸状透過膜の中空部分も占有面積に含まれる。
【００１５】
本発明の第４の形態は、前記膜モジュール中の透過膜が小束状に分割されて配置され、各々の小束は密集しない空間を保って配置され全体としての充填密度が３０％以下であるメタン分離方法及びメタン分離装置である。
【００１６】
本発明の第５の形態は、前記混合器が、前記第１気液分離器の導入口に連通する流通路に設けられたエジェクターから少なくとも構成され、前記流通路内に前記吸収液の流れを形成することにより負圧を発生させ、前記バイオガスを前記吸収液に吸引させて前記混合液を生成し、前記吸収液に二酸化炭素を効率的に吸収させるメタン分離方法及びメタン分離装置である。エジェクターにより吸収液中にバイオガスを強力に微細分散でき、二酸化炭素を効率的に吸収液に吸収させることができる。
【００１７】
本発明の第６の形態は、前記混合器が、前記エジェクターで生成した前記混合液を充填気泡塔に供給して、二酸化炭素の前記混合液への吸収をさらに促進させるメタン分離方法及びメタン分離装置である。充填気泡塔を直列させることにより一層にＣＯ２吸収を強化できる。
【００１８】
本発明の第７の形態は、前記吸収液がジ・エタノールアミンの水溶液であり、その濃度は０．１〜６ｍｏｌ／Ｌであるメタン分離方法及びメタン分離装置である。本形態において、好ましくはジ・エタノールアミンの水溶液濃度が２〜４ｍｏｌ／Ｌである。
【００１９】
本発明の第８の形態は、前記膜モジュールが、前記透過膜を透過する前記ＣＯ２吸収液の透過流量が膜面積あたり５〜５０Ｌ／ｍ２・ｍｉｎであるメタン分離方法及びメタン分離装置である。本形態において、好ましくは、前記ＣＯ２吸収液の透過流量が膜面積あたり２０〜４０Ｌ／ｍ２・ｍｉｎである。
【００２０】
本発明の第９の形態は、前記透過膜がポリチレンからなり、また本発明の第１０の形態は、前記透過膜の膜外面に親水性処理を施したメタン分離方法及びメタン分離装置である。
【００２１】
本発明の第１１の形態は、本発明に係るメタン分離方法を用いて、メタンを主成分とする地中から産する生物の嫌気性発酵由来により生成した天然ガス、産業用ならびに家庭用廃棄物の地中埋蔵により自然と嫌気性発酵し産出する地中発酵ガス、又は人工的に発生させた嫌気性発酵プロセスから排出される人工発酵ガスを前記バイオガスとして用いて二酸化炭素を除去することにより、メタンを精製して貯留し、その貯留メタンを燃料として供給可能にしたメタン利用システムである。また、第１２の形態は、前記貯留メタンを燃料として発電する発電設備と、季節、稼動期間あるいは時間帯に応じて精製メタンの貯留量を調整する貯留制御手段とを備え、前記発電設備によって発生される電力を外部に供給可能にしたメタン利用システムである。更に、第１３の形態は、前記メタン精製の際に同時に分離される二酸化炭素をハイブリッド供給可能にした二酸化炭素供給設備を備えたメタン利用システムである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の第１の形態によれば、混合器で生成した気液混相状態の混合液を第１気液分離器に導入して、分離したメタンを回収した後、膜モジュールの内側にＣＯ２吸収液を供給して透過膜の外側の圧力を内側より低圧にすることにより二酸化炭素の分離が促進的に働くので、高濃度の二酸化炭素を含有するバイオガスからメタンを高効率に分離精製することができる。従って、本発明は、ＰＳＡ法、乾式膜分離法、化学吸収法等の既存装置と比較して、膜・吸収ハイブリッド法によって、動力負荷や膜モジュールコストの低減が可能となり、低分離コストでバイオガス分離・濃縮を行うことができる。第１気液分離器だけでバイオガス中に含まれるメタンを殆んど回収できるから、メタン分離装置の装置構成の簡易化と価格低減が可能になる。また、膜モジュール排出口から溢れ出る過剰ＣＯ２吸収液流量を必要最小限まで少なくすれば、動力負荷を削減できる。前記混合器としては、バイオガスを吸収液中に微細気泡分散できる性能を有した各種の混合器が利用でき、具体的には、エジェクター、ミキサー、曝気装置、充填材を充填した気液接触塔である気液並流の充填気泡塔などの単体混合器、又はそれらを二つ以上組合せた組合せ混合器が使用できる。
【００２３】
本発明の第２の形態によれば、前記膜モジュールの排出口から導出された過剰の前記ＣＯ２吸収液を第２気液分離器に導入して、残留した微量メタンの再分離・回収を行うから、更にメタン分離の向上が実現できる。  
【００２４】
本発明の第３及び第４の形態は、メタン分離性能の向上に寄与する。本発明者らの検証により、吸収液再生段階の二酸化炭素等の放散時に膜モジュールの過密が放散を妨げることが分かった。即ち、膜モジュールにおける二酸化炭素の放散性能は透過膜の充填密度が影響する。市販の膜モジュールにおける中空糸状透過膜の充填密度は３０〜７０％で隣接する透過膜との間隔が密着しすぎているため液流量が多くなると膜間が液膜で覆われ、中心側ほど減圧による二酸化炭素の放散効率が悪くなり、結果的に多くの膜面積が必要になり、コスト高の要因になる。
一方、本発明の第３の形態によれば、透過膜の充填密度が３０％以下（好ましくは２０％以下）の疎密度であるため、二酸化炭素の放散性を高め、メタンを高効率に分離することができる。また、本発明の第４の形態によれば、膜モジュール中の透過膜が小束状に分割されて配置され、各々の小束は密集しない空間を保って配置され全体としての充填密度が３０％以下であるため、透過膜の充填密度を疎密して、二酸化炭素の放散性を高め、メタンを高効率に分離することができる。
【００２５】
本発明の第５の形態によれば、前記混合器として、少なくともエジェクターが使用されるから、吸収液の急速絞りにより高速流化して強度の負圧が発生し、この負圧によりバイオガスを動力無しで自動的に吸収液に吸引することができ、しかも吸収液の内部で瞬時に微細な気泡が形成され、気液混相状態の混合液が効率的に生成される。その結果、気液接触表面積が大きくなり、従来と比較して短い接触時間と少ない吸収液量でバイオガス中の二酸化炭素を多量に吸収液に吸収することができる。従って、最適な気液混相状態の混合液を生成して気液分離させることができ、バイオガスに含有されている高濃度の二酸化炭素を必要最小限の吸収液で吸収することができるので、吸収液を過剰に透過膜に流通させなくてすみ、メタン分離を高効率で行える。前記混合器をエジェクターだけで構成した場合には、装置構成の簡単化と価格低減・動力コスト低減を実現できる。勿論、エジェクターに他の混合手段を付加することで、より効率的な混合・吸収を実現することができる。
【００２６】
本発明の第６の形態によれば、前記エジェクターの後流側に、充填材を充填した気液接触塔である気液並流の充填気泡塔を直列に接続した２段構成にするから、エジェクターで効率的に気液二相流を形成し、更に充填気泡塔により気液二相化を一層に促進できるから、二酸化炭素を吸収液にほぼ完全に吸収してメタンとの気体分離を確実化でき、第１気液分離器だけでメタンをほぼ完全に分離回収することが可能になる。
【００２７】
本発明の第７の形態によれば、吸収液がジ・エタノールアミンの水溶液であり、その濃度は０．１〜６ｍｏｌ／Ｌ（好ましくは２〜４ｍｏｌ／Ｌ）であるので、二酸化炭素の吸収性及び放散性がよく、バイオガスから高効率にメタンを分離精製することができる。
【００２８】
本発明の第８の形態はメタン濃度の向上に寄与する。本発明者らの検証によれば、透過膜を透過するＣＯ２吸収液の透過流量が所定値以上でなければ二酸化炭素の放散効率が良くならないのでメタン濃度が高くならないことが分かった。即ち、本形態によれば、膜モジュールにおいて、透過膜を透過するＣＯ２吸収液の透過流量が膜面積あたり５〜５０Ｌ／ｍ２・ｍｉｎ（好ましくは、ＣＯ２吸収液の透過流量が膜面積あたり２０〜４０Ｌ／ｍ２・ｍｉｎ）とすることによって二酸化炭素の放散性が良くなるので、精製メタン濃度を向上させることができる。
【００２９】
本発明の第９の形態によれば、透過膜がポリチレンからなるので、メタン分離精製の高効率処理が可能となる。即ち、透過膜として疎水性のＰＥ（ポリエチレン）膜を用いることにより、従来の透過膜と比較して、分離選択性、透過速度及び長期安定性が向上し、例えば吸収液としてのジ・エタノールアミンに対する耐性、必要な吸収液の実質的な透過量及び経済性を格段に向上させることができる。また、ＰＥ膜は疎水性であるために、装置停止時において膜モジュールを吸収液で充たして停止しなければ、装置立ち上げ時に透過膜外面の吸収液のぬれが悪く、分離効率が落ちるおそれがあるが、本発明の第１０の形態によれば、疎水性透過膜の外表面のみに化学的に親水性の処理を施したり、物理的処理によって吸収液との親和力を高める処理を行うことにより装置起動時の分離効率の低下を解消することができる。
【００３０】
本発明の第１１の形態に係るメタン利用システムによれば、本発明の高効率メタン分離方法に基づきメタンを精製して貯留し、その貯留メタンを燃料として供給可能にしたので、経済的に高濃度に分離されたメタンを供給できるメタン利用システムを実現することができる。また、第１２の形態によれば、精製メタンの貯留量を効率的に調整して、発電設備によって発生される電力を外部に安定供給可能にしたメタン利用システムを実現できる。更に、第１３の形態によれば、メタンの分離精製の際に副生物として生成される二酸化炭素を供給できるメタン利用システムを実現することができる。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下に、本発明に係るメタン分離方法及びそれを用いたメタン分離装置の実施形態を図面に従って詳細に説明する。
【００３２】
図１は、膜・吸収ハイブリッド法を用いた１段気液分離方式の実施形態であるメタン分離装置の概略構成を示す。このメタン分離装置は、成分としてメタンと二酸化炭素を含むバイオガスを供給し、二酸化炭素を吸収する吸収液とを混合して気液混相状態の混合液を生成する混合器５と、混合液を導入して、メタンと、二酸化炭素を吸収したＣＯ２吸収液に気液分離する第１気液分離器７と、容器内に組み込んだ複数の中空糸状透過膜１１からなり、供給口２８より透過膜の内側にＣＯ２吸収液を供給して透過膜１１を透過させ、透過膜１１の外側の圧力を透過膜の内側より低圧にすることにより、ＣＯ２吸収液に吸収された二酸化炭素を透過膜１１の外側に放散させて二酸化炭素を分離する膜モジュール１０有する。
【００３３】
このメタン分離装置において、排気路２１、開閉バルブ２２及び排気ポンプ２３により二酸化炭素が二酸化炭素回収部２７へと回収される。二酸化炭素を放散した吸収液は膜モジュール１０から排出され、回収路２４を通じて吸収液貯留槽１９に回収され貯留される。また、膜モジュール排出口２９より排出される吸収液は、排出路１３、開閉バルブ１３ａ及び回収路１８を通じて吸収液貯留槽１９に回収貯留される。膜モジュール１０及び吸収液貯留槽１９により、本発明における二酸化炭素を分離した後の吸収液を回収する第１分離手段が構成されている。
【００３４】
バイオガスは供給路３を通じて混合器５に供給される。また、吸収液貯留槽１９に回収された吸収液は導入ポンプ３０により供給路２０、３１を通じて混合器５に循環的に供給され、全体として吸収液循環システムが構成されている。
【００３５】
図２は混合器５の概略構成を示す。（２Ａ）では、エジェクター５ａと充填気泡塔５ｂを直列して混合器５が構成される。バイオガス供給路３から供給されるバイオガスと、供給路３１から供給される吸収液がエジェクター５ａで混合され、バイオガスが吸収液に無数の微細気泡状態で混合した気液混相混合液が送出路６ａから充填気泡塔５ｂに送出される。充填気泡塔５ｂでより一層に気液混相攪拌が行われ、この２段操作でバイオガス中の二酸化炭素が吸収液中に溶解し、二酸化炭素が気体状態のメタンと分離した後、混合液は流通路６から送出される。特に、エジェクター５ａのガス混合合流部の後流側に、前述した充填気泡塔を配設した装置構成では、バイオガス中の二酸化炭素をより高い割合で吸収液に吸収させることができ、更に高効率にメタンを分離できる。（２Ｂ）では、エジェクター５ａだけから混合器５が構成される。エジェクター５ａによる気液混相作用でも十分に吸収液中への二酸化炭素の溶解が行われ、メタン分離の効率化が達成できることが本発明で明らかになった。この場合には、送出路６ａから混合液が流通路６に送出される。
【００３６】
図２の（２Ｃ）・（２Ｄ）は、２種類のエジェクター５ａの断面図である。本発明では、他の構造のエジェクター５ａを使用してもよいことは云うまでもない。以下に、エジェクター５ａによる気液混相作用の詳細を説明する。エジェクター５ａの内部には急激に絞られたノズル３２が形成されている。導入ポンプ３０により吸収液が供給路３１からエジェクター５ａに供給され、吸収液がノズル３２より高速で噴射され、その高速流の形成により負圧をバイオガス供給路３内に発生させる。前記高速流の流速が大きいほど負圧作用は増大し、大気圧より少し高い供給圧で供給されるバイオガスが吸収液に吸引され瞬時に微細な気泡状態となるため、混合液の生成を簡易に行うことができる。無数の微細気泡化により吸収液との気液接触表面積は激増し、微細気泡中の二酸化炭素は吸収液中に急速に溶解し、二酸化炭素がガス状態のメタンから気体分離され、前記微細気泡はメタンの微細気泡となり、送出路６ａからはメタン微細気泡と二酸化炭素を溶解した吸収液の気液二相流が送出される。なお、図２では１本の吸収液供給路３１を示しているが、複数の吸収液供給路３１を併設してもよい。
また、混合器５には、図２のエジェクター方式のガス混合合流部に限らず、同等の性能を有する他の流体合流機構を用いてもよい。混合器５として図２に示すエジェクター方式を採用した場合、流体力学的にバイオガス供給路３内に自動的に負圧を発生させる。この負圧の作用によりバイオガスが吸収液に吸引されるため、通常バイオガス供給路に設置されるバイオガス送風機（図示せず）は不要となるので、さらに装置動力低減が可能となる。
【００３７】
混合器５において生成された混合液は、流通路６を介して第１気液分離器７に導入される。第１気液分離器７は、メタンと、二酸化炭素を吸収したＣＯ２吸収液に気液分離して貯留する。このとき分離されたメタンは回収路８を通じて排気ポンプ（図示せず）により排気され、メタン回収部２６に回収される。第１気液分離器７に貯留されたＣＯ２吸収液は、第１気液分離器７と膜モジュール１０との高低差による自重作用あるいは供給ポンプ駆動（図示せず）により、供給路９を通じて膜モジュール１０に移送される。吸収液の移送量は供給路９に設けた開閉バルブ１２によって調整可能にされている。
【００３８】
第１気液分離器７からのＣＯ２吸収液は透過膜の内側に導入して透過膜１１を透過する。膜モジュール１０の内部を、排気路２１及び開閉バルブ２２を通じて、低圧化用排気ポンプ２３により排気して、透過膜１１の外側の圧力を透過膜の内側より低圧にすることにより、ＣＯ２吸収液に吸収された二酸化炭素を透過膜１１の外側に放散させて二酸化炭素を分離する。分離された二酸化炭素は排気路２１を通じて二酸化炭素回収部２７に回収され、二酸化炭素が分離された吸収液は回収路２４を通じて吸収液貯留槽１９に回収され、吸収液貯留槽１９より再び混合器５に供給され、循環使用される。膜モジュール１０の排出口２９に導出された過剰のＣＯ２吸収液は、排出路１３、開閉バルブ１３ａ及び回収路１８を介して吸収液貯留槽１９に回収される。吸収液貯留槽１９において放散する二酸化炭素は、回収路２５を通じて二酸化炭素回収部２７に回収される。なお、開閉バルブ１３ａは、透過膜１１を液封状態に保つようにするために設けるもので、配管径を絞る方式、たとえば制限オリフィスなどを用いてもよい。
【００３９】
上記のようにして、本実施形態では、第１気液分離器７において分離したメタンを回収した後、膜モジュール１０にＣＯ２吸収液を供給して二酸化炭素を分離し、更に膜モジュール１０より導出された過剰のＣＯ２吸収液を吸収液貯留槽１９に回収して二酸化炭素を放散させて吸収液と分離するので、吸収液の循環過程で効率的にメタンと二酸化炭素の分離を行い、高濃度の二酸化炭素を含有するバイオガスからメタンを高効率に分離精製することができる。従って、動力負荷や膜モジュールコストの低減が可能となり、低分離コストでバイオガス分離・濃縮を行うことができるメタン分離システムを実現することができる。
【００４０】
本実施形態には、吸収液として、二酸化炭素の吸収性に優れたジ・エタノールアミン（ＤＥＡ）の水溶液を用いている。ＤＥＡ濃度は０．１〜６ｍｏｌ／Ｌ（好ましくは２〜４ｍｏｌ／Ｌ）で使用することができる。このＤＥＡ濃度では二酸化炭素の吸収性及び放散性がよく、バイオガスから高効率にメタンを分離精製することができる。
【００４１】
本発明者らの検証によれば、透過膜を透過するＣＯ２吸収液の透過流量が所定値以上でなければバイオガス処理流量あたりの二酸化炭素の放散効率が良くならないのでメタン濃度が高くならず、また膜面積あたりの液透過流量が少ない場合には過剰の膜モジュール（面積）を使用しないとメタン濃度が高くならないことが分かったので、透過膜１１を透過するＣＯ２吸収液の透過流量が膜面積あたり５〜５０Ｌ／ｍ２・ｍｉｎ（好ましくは、ＣＯ２吸収液の透過流量が膜面積あたり２０〜４０Ｌ／ｍ２・ｍｉｎ）とすることができる膜モジュール１０を使用することによって、二酸化炭素の放散性が良くなり精製メタン濃度の向上を実現した。
【００４２】
なお、ＣＯ２吸収液流量が低下し膜モジュール上部で液膜が薄くなる、所謂液切れ状態になると、気液混合導入（メタンと吸収液を同時導入）の場合はガス透過によるメタン収率低下（顕著になると製品ガス供給不能）につながるおそれがあるので十分に配慮する必要がある。また、気液分離（吸収液のみ膜モジュールに導入）の場合には、膜を有効に使用しない状態では、例えば膜の吸収液側が製品ガスラインとつながっているシステム等においては、製品ガス吸入（逆流）によるメタン収率低下の可能性があるので、注意が必要である。
【００４３】
また、本発明者らの検証によれば、吸収液再生における二酸化炭素等の放散時に膜モジュールの過密が放散を妨げることが分かった。即ち、膜モジュールにおける二酸化炭素の放散性能は透過膜の充填密度が影響する。市販の膜モジュールにおける透過膜の充填密度は３０〜７０％で隣接する透過膜との間隔が密着しすぎているため液流量が多くなると膜間が液膜で覆われ、中心側ほど減圧による二酸化炭素の放散効率が悪くなり、結果的に多くの膜面積が必要になり、コスト高の要因になる。そこで、本実施形態においては、透過膜の充填密度が３０％以下（好ましくは２０％以下）の疎密度である膜モジュール１０を使用して、二酸化炭素の放散性を高め、メタンの高効率分離を実現させた。また膜モジュール中の中空糸状膜が小束状に分割され配置され、各々の小束は密着しない空間を保って配置され全体としての充填密度が３０％以下であるものが好ましく、二酸化炭素の放散性をより高め、メタンを高効率に分離することができる。
【００４４】
図３は、本発明に係る３種類の方式により二酸化炭素を吸収させた吸収液からメタン分離を実施して得られた濃縮メタン濃度の比較図である。この比較試験は図１に示された１段分離方式のメタン分離装置により実施された。縦軸は分離されたメタンの濃縮ＣＨ４濃度（％）である。横軸は必要膜面積（ｍ２／（Ｎｌ／ｍｉｎ））で、処理するバイオガス単位流量当たりの透過膜表面積を表す。更に詳細には、必要膜面積＝膜モジュールに設置されている透過膜の表面積[ｍ２]／バイオガス処理流量[Ｎｌ／ｍｉｎ]で定義され、必要膜面積の値が小さいほど、吸収液の二酸化炭素吸収性能がよい、即ちメタン分離性能がよいことを意味する。
３種類の吸収方式とは、混合器によるバイオガスの吸収液への吸収方式を意味し、充填気泡塔のみによる方式（●二点鎖線、○一点鎖線）、エジェクターと充填気泡塔の直列方式（◇実線）、及びエジェクターのみによる方式（□破線）である。実線、破線、一点鎖線はＤＥＡ流量＝１．５（Ｌ／ｍｉｎ）で得られた結果であり、二点鎖線はＤＥＡ流量＝２．５（Ｌ／ｍｉｎ）で得られた結果である。混合器で二酸化炭素を吸収させる方法の違いによって、同じメタン濃度の製品を得るために必要とする膜モジュールの面積が違うことを表している。
【００４５】
図３から明らかなように、エジェクターと充填気泡塔の直列方式（◇実線）が、最も吸収液の二酸化炭素吸収性能が良いので、その後流の気液分離器でメタンが高純度、高収率で回収できることがわかる。しかしながら、この方式では装置が大きくなり装置価格が高くなるのでメリットは少なくなる。また、充填気泡塔単体（●二点鎖線）とエジェクター単体（□破線）では、ほとんど同じ二酸化炭素吸収性能に見えるが、次の点でエジェクターの方が優位であると判断できる。充填気泡塔単体方式は、吸収液の供給量をエジェクター単体方式よりも１．５倍以上にしないと必要なメタン濃度が得られないことが分かる。つまり、充填気泡塔単体による二点鎖線（●）はＤＥＡ流量＝２．５（Ｌ／ｍｉｎ）で得られた結果であり、他方エジェクター単体による破線（□）はＤＥＡ流量＝１．５（Ｌ／ｍｉｎ）で得られた結果である。従って、エジェクター単体方式が充填気泡塔単体方式よりも、二酸化炭素吸収性能が良く、メタン分離が効率よく実施できることが分かった。エジェクター単体の気液混相化は流体力学的効果により自然に実現できるから、動力費を削減できる点でも一層効果が高いと判断できる。従って、エジェクター単体方式は、大掛かりな充填気泡塔が不要となり、コスト削減できる点でも優れたメタン分離装置を提供できる。尚、ＤＥＡ流量＝１．５（Ｌ／ｍｉｎ）の充填気泡塔単体（○一点鎖線）では、高純度のメタンが得られなかった。また、このグラフは、メタン分離装置の仕様（例えば、処理すべきバイオガス流量、含有不純物濃度や回収するメタン流量、濃度など）が確定すれば装置の概要（膜モジュールに必要な透過膜の面積）を算出するのに使用できる。
【００４６】
図４に、上記メタン分離装置を用いた実施例が示されている。（４Ａ）、（４Ｂ）、（４Ｃ）、（４Ｄ）は実施例１、２、３、４の各実施条件データの詳細である。まず、（４Ａ）・（４Ｂ）は、必要膜面積が０．０９ｍ２/(ＮＬ/min-バイオガス)で膜材質がＰＥ（ポリエチレン）における、中空糸状透過膜の膜透過液流量を変えた場合の、分離メタン濃度とメタン収率の変化を示している。膜透過液流量は、それぞれ４０．６［Ｌ/ｍ２・ｍｉｎ］、２８．４［Ｌ／ｍ２・ｍｉｎ］で実施した結果で、メタン収率はほぼ１００％であり、メタン濃度も、９８．４％、９８．２％であった。（４Ｃ）、（４Ｄ）は、必要膜面積が０．１ｍ２/(ＮＬ/min-バイオガス)で膜材質がＰＥＳ（ポリエーテルスルホン）における、透過膜の膜透過液流量を変えた場合の、分離メタン濃度とメタン収率の変化を示している。膜透過液流量の増加に従い、メタン濃縮濃度が高くなる結果が得られている。吸収液が吸収した二酸化炭素を高い効率で放散させるためには、膜面積あたりの透過液流量を増加させ、減圧操作による吸収液再生効率を上げることが効果的であることを示唆している。
（４Ｃ）・（４Ｄ）の実施例では、メタン回収率がいずれの条件においても９９．７〜９９．９％であるが、メタン濃度は９３．０％〜９８．２％の範囲にあり、条件により高濃度とはいえない場合がある。一方、（４Ａ）・（４Ｂ）の実施例では、メタン回収率がいずれの条件においても９９．５〜９９．８％であり、メタン濃度は９８．２％〜９８．４％の範囲で推移し、本実施形態に係るメタン分離装置が高濃度メタンの高効率回収性能を具備することを示す。
【００４７】
図５は、図４の条件で実施した結果を膜透過液流量と、メタン収率及びメタン濃度との関係で示したものである。図５より膜透過液流量が５［Ｌ/ｍ２・ｍｉｎ］以上であれば、メタン収率及びメタン濃度ともに性能を満足することが分かる。
【００４８】
透過膜１１の素材には、ポリチレンが好ましく、特に膜外面に親水性処理を施したから、メタン分離精製の高効率処理が可能となる。膜材質については、ポリスルホン（ＰＳ：メーカーにより膜密度調整対応不可）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレン（ＰＥ）などの膜材質を試した結果、ＰＥＳとＰＥで良い結果が得られたが、ＰＥＳは吸収液のジ・エタノールアミン（ＤＥＡ）との接触により経時的に膨潤し、透過液流量の減少を伴い、バイオガス分離性能が低下する現象が認められ、実用上、ポリエチレンを選択するのが好ましい。即ち、透過膜として疎水性のポリエチレン膜を用いることにより、従来の透過膜と比較して、分離選択性、透過速度及び長期安定性が向上し、例えば吸収液としてのジ・エタノールアミンに対する耐性、必要な吸収液の実質的な透過量及び経済性を格段に向上させることができる。しかし、ポリエチレン膜は疎水性であるために、装置停止時において膜モジュールを吸収液で充たして停止しなければ、装置立ち上げ時に透過膜外面の吸収液のぬれが悪く、分離効率が落ちるおそれがあるが、本発明では透過膜外表面のみに化学的に親水性の表面処理を施したり、物理的処理によって吸収液との親和力を高める微細凹凸等の処理を行うことにより装置起動時の分離効率の低下防止を図ることができた。
【００４９】
図６は、本実施形態に係るメタン分離装置によるガス分離性、精製コスト等の面で、従来のメタン精製方式の装置と比較した表である。この表では、原料バイオガスの組成がメタン（６０ｖｏｌ％）、二酸化炭素（４０ｖｏｌ％）、原料ガス流量  １００ｍ３／ｈｒの条件下で各メタン精製方式を比較している。
【００５０】
図７は、膜透過液流量と、メタン分離コスト（従来比）と、吸収液ポンプ動力（ｋＷ）との関係を示すグラフである。膜透過液流量の増加により吸収液ポンプ動力（ｋＷ）が増大するが、本発明の膜・吸収ハイブリッドメタン分離方法によれば、従来の分離方法に比べて膜透過液流量が１５〜６０［Ｌ／ｍ２・ｍｉｎ］の場合に分離コストが低減化されている。なお、性能的には図５より膜透過液流量が５［Ｌ/ｍ２・ｍｉｎ］以上で高効率にメタンを分離することができるので、実施可能で有効な膜透過液流量は５〜６０［Ｌ/ｍ２・ｍｉｎ］となる。また、図７から２０〜４０［Ｌ／ｍ２・ｍｉｎ］では、より顕著な分離コストの低減化が示されている。
【００５１】
図６及び図７から、高濃度の二酸化炭素を含むバイオガスの分離において、本発明の膜・吸収ハイブリッドメタン分離方法及びそれを用いたメタン分離装置が低コストで高効率にメタンをバイオガスから分離精製できるといえる。
【００５２】
次に、本発明によるメタン利用システムの実施形態を説明する。
図８は、本発明に係るメタン分離装置を組み入れたメタン利用システム１００の概略構成を示す。この利用システムは、メタンを燃料にして発電する発電機５２、６１及び６３を備え、発電機による発生電力はユーザ向けに売電供給可能になっている。メタンはバイオガス発酵槽５１から供給されるバイオガスから、上記実施形態と同様のメタン分離装置である膜・吸収ハイブリッド装置５０を用いて分離精製される。発電機５２による発生電力はシステムの各構成要素の駆動にも使用される。膜・吸収ハイブリッド装置５０から得られた精製メタンは供給ポンプ６６を通じてカロリー調整器６７と供給路６４を介して発電機６１、６３に供給される。また、精製メタンは供給路６５を介して液化器５６に供給され、液化メタンが液化メタン貯留槽５７に貯留される。液化メタンは外部供給路５９を通じて外部供給可能になっている。また、液化メタンは発電機６１、６３にも供給可能になっている。各供給路には流量調整器５４、５５、５８、６０、６２が設けられている。膜・吸収ハイブリッド装置５０には温度調整用の温水供給機構（図示せず）が設けられており、該温水供給機構による温水供給は、発電機５２によりヒータ加熱制御される貯湯槽５３により行われる。
上記構成のメタン利用システムにおいて、本発明に係るメタン分離装置によって、高効率に分離精製させたメタンを燃料として、発電機５２、６１及び６３により電力を発生させて、発生電力を中継器８１、８２と電力線８０を通じてユーザに供給される。
【００５３】
上記メタン利用システム１００における運用例として、流量調整器５４、５５、５８、６０、６２の流量制御により液化メタン貯留槽５７の貯留レベル調整を、売電価格（例えば、昼  ８：００〜２０：００  ９円/kＷ、夜  ２０：００〜翌  ８：００  ４円/kW）を勘案して発電機５２、６１、６３の稼働率を最適化することができる。更に以下に具体的稼動例を示す。
【００５４】
（１）売電価格変動による発電機の稼働率制御例
発電機５２は常時稼動、昼間の８：００〜２０：００は発電機６０，６２を稼動して貯留速度を極力落とす。夜間の２０：００〜翌  ８：００は発電機６０，６２を停止して貯留分を最大稼動する。
（２）バイオガス発生量の季節変動の吸収制御例
バイオガス発生量は平均気温の変動により少なからず発生量が変動する。例えば夏発生量が多く、冬発生量は少ないため夏貯留量を多く制御し、冬に夏の貯留分を利用できるよう制御を行えばよい。
（３）バイオガスカロリーの変動吸収制御例
メタン排出側に設けたガス濃度計６８を用いてメタン濃度を計測し、ガスカロリーを演算する。その演算結果に応じてＬＰＧ（液化石油ガス）タンク６９からのＬＰＧガスをカロリー調整器６７に供給して精製メタンへ添加し、その添加量制御を行うことにより燃料品質の安定化を図ることができる。
【００５５】
以上のように、本発明の高効率メタン分離方法に基づきメタンを精製して貯留し、その貯留メタンを燃料として供給可能にしたメタン利用システムを構築でき、また、精製メタンの貯留量を、季節、日時の時間帯等において効率的に調整して、発電設備によって発生される電力を外部に安定供給可能にした、メタン燃料による電力供給システムを実現することができる。
【００５６】
上記メタン利用システム１００には、メタンの分離精製の際に副生物として生成される二酸化炭素を利用する二酸化炭素利用システム１０１が併設されている。図８において、膜・吸収ハイブリッド装置５０から得られた回収二酸化炭素が回収路８３を介して、供給ポンプ７０を通じて液化器７２に供給され、二酸化炭素の液化が行われる。液化二酸化炭素は液化二酸化炭素貯留槽７３に貯留される。また、液化二酸化炭素は液化二酸化炭素貯留槽７３より、ユーザのハウス栽培用施設７７、７９に供給可能になっている。また、液化二酸化炭素は外部供給路７５を通じて外部供給可能になっている。各供給路には流量調整器７１、７４、７６、７８が設けられている。流量調整器７１、７４、７６、７８の調整制御により、液化二酸化炭素貯留槽７３の残量を監視しながら、光合成の活発な昼間にはハウス栽培の植物に対して二酸化炭素を、液化二酸化炭素貯留槽７３及び膜・吸収ハイブリッド装置５０から直接供給し、夜間はハウス栽培に対する供給を停止して液化二酸化炭素貯留槽７３に備蓄する制御を行うことにより、二酸化炭素の安定供給が可能となる。
【００５７】
以上の二酸化炭素供給システムにより、副産物としての二酸化炭素の有効利用を図ることができる。なお、産業用気体として二酸化炭素供給設備を介して別々の供給先に供給可能とした複合ガス供給システムの構築も可能となる。
【００５８】
図９は、膜・吸収ハイブリッド法を用いた２段気液分離方式の実施形態であるメタン分離装置の概略構成を示す。このメタン分離装置は、図１に示されるメタン分離装置に、第２気液分離器１４を追加している点で異なっている。排出路１３は第２気液分離器１４に接続され、過剰ＣＯ２吸収液に微量含まれるメタンが分離されて回収路１５を介してメタン回収部２６に回収される。微量メタンが分離された過剰ＣＯ２吸収液は、回収路１８を通して吸収液貯留槽１９に回収される。その他、図１に示される構成部材については同一符号で示し、この同一符号で示された構成部材の作用・効果は図１と全く同様であるから、その詳細説明を省略し、要点のみを説明する。
【００５９】
本実施形態では、第１気液分離器７において分離したメタンを回収した後、膜モジュール１０にＣＯ２吸収液を供給して二酸化炭素を分離し、更に膜モジュール１０より導出された過剰のＣＯ２吸収液を第２気液分離器１４に導入して、分離メタンを回収し、過剰ＣＯ２吸収液を吸収液貯留槽１９に回収して二酸化炭素を放散させて吸収液と分離するので、吸収液の循環過程で効率的にメタンと二酸化炭素の分離を行い、高濃度の二酸化炭素を含有するバイオガスからメタンを高効率に分離精製することができる。従って、動力負荷や膜モジュールコストの低減が可能となり、低分離コストでバイオガス分離・濃縮を行うことができるメタン分離システムを実現することができる。
【００６０】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲における種々の変形例、設計変更などをその技術的範囲内に包含するものであることは云うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明によれば、膜・吸収ハイブリッド法において、主成分がメタンで高濃度の二酸化炭素を含むバイオガスのメタン精製処理を高効率でかつ低分離コストで行え、高純度の精製メタンをエネルギー源として供給できるメタン利用設備及びメタン利用システムを実現することできる。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明に係る１段気液分離方式のメタン分離装置の概略構成図である。
【図２】混合器５の概略構成図である。
【図３】３種類の方式により二酸化炭素を吸収させた吸収液からメタン分離を実施して得られた濃縮メタン濃度の比較図である。
【図４】透過膜材質を替えた実施例の各実施条件データ表である。
【図５】実施例１〜４における膜透過液流量と、メタン（ＣＨ４）の収率及び分離濃度との関係を調べた結果を示すグラフである。
【図６】本実施形態に係るメタン分離装置と従来装置との性能比較表である。
【図７】本実施形態に係るメタン分離装置における膜透過液流量と、メタン分離コストと、吸収液ポンプ動力との関係を示すグラフである。
【図８】別の実施形態であるバイオガス利用システムの概略構成図である。
【図９】本発明に係る２段気液分離方式のメタン分離装置の概略構成図である。
【符号の説明】
【００６３】
３，９，２０，３１，６４，６５：供給路、５：混合器、
５ａ：エジェクター、５ｂ：充填気泡塔、６ａ：送出路
６：流通路、１３：排出路、７：第１気液分離器、
８，１５，１８，２４，２５，８３：回収路、１０：膜モジュール、
１１：透過膜、１２，１３ａ，２２：開閉バルブ、１４：第２気液分離器、
１９：吸収液貯留槽、２１：排気路、２３：排気ポンプ、
２６：メタン回収部、２７：二酸化炭素回収部、２８：供給口、
２９：排出口、３０：導入ポンプ、３２：ノズル、
５０：膜・吸収ハイブリッド装置、５１：バイオガス発酵槽、
５２，６１，６３：発電機、５３：貯湯槽、
５４，５５，５８，６０，６２，７１，７４，７６，７８：流量調整器、
５６，７２：液化器、５７：液化メタン貯留槽、
５９，７５：外部供給路、６６，７０：供給ポンプ、
６７：カロリー調整器、６８：ガス濃度計、６９：ＬＰＧタンク、
７３：液化二酸化炭素貯留槽、７７，７９：ハウス栽培用施設、
８０：電力線、８１，８２：中継器
【図１】
2007297605.tif 000003
【図２】
2007297605.tif 000004
【図３】
2007297605.tif 000005
【図４】
2007297605.tif 000006
【図５】
2007297605.tif 000007
【図６】
2007297605.tif 000008
【図７】
2007297605.tif 000009
【図８】
2007297605.tif 000010
【図９】
2007297605.tif 000011