(57)【要約】【課題】バイオガス以外の他の燃料を使用することなく、バイオガスの組成変動による発電出力の制約を受けないバイオガス発電設備を提供する。【解決手段】発酵槽２と、発電機３と、発酵槽２から発電機３にバイオガスを供給する主経路Ｌ１と、主経路Ｌ１から分岐し、主経路Ｌ１からバイオガスの一部を分取するとともに、主経路Ｌ１に合流し、濃縮された当該バイオガスを主経路Ｌ１に返送する副経路Ｌ２と、副経路Ｌ２に設けられた、バイオガス中の成分を濃縮する濃縮装置４と、を備える、バイオガス発電設備を選択する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオガスを発生させる発酵槽と、
前記バイオガスを燃料として発電を行う発電機と、
前記発酵槽から前記発電機に前記バイオガスを供給する主経路と、
前記主経路から分岐し、前記主経路から前記バイオガスの一部を分取するとともに、前記主経路に合流し、濃縮された当該バイオガスを前記主経路に返送する副経路と、
前記副経路に設けられた、前記バイオガス中の成分を濃縮する濃縮装置と、を備える、バイオガス発電設備。
【請求項２】
前記主経路に設けられた濃度測定手段をさらに備える、請求項１に記載のバイオガス発電設備。
【請求項３】
前記主経路の、前記副経路との分岐点と前記副経路との合流点との間に設けられた第１流量調節手段と、
前記副経路の、前記濃縮装置の二次側に設けられた第２流量調節手段と、をさらに備える、請求項１又は２に記載のバイオガス発電設備。
【請求項４】
前記濃度測定手段と、前記濃縮装置と、前記第１流量調節手段と、前記第２流量調節手段と、電気信号を送受信する電気通信回線によって結ばれるバイオガス濃度制御手段を備える、請求項３に記載のバイオガス発電設備。
【請求項５】
前記主経路の、前記分岐点と前記第１流量調節手段との間に設けられた第１圧縮機と、
前記副経路の、前記濃縮装置の一次側に設けられた第２圧縮機と、をさらに備える、請求項３又は４に記載のバイオガス発電設備。
【請求項６】
前記合流点に混合手段が設けられている、請求項３乃至５のいずれか一項に記載のバイオガス発電設備。
【請求項７】
前記主経路の、前記発電機の一次側に、バッファータンクが設けられている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のバイオガス発電設備。
【請求項８】
前記濃縮装置が、圧力変動吸着方式、膜分離方式、高圧水吸収方式、及びアミン吸収方式のうち、いずれか一つである、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のバイオガス発電設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオガス発電設備に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化石燃料の燃焼によって発生する二酸化炭素が地球温暖化の要因の一つとして問題となっており、また、これに関連してエネルギー問題が重要視されつつある。そこで、下水汚泥や屎尿、畜糞、農業廃棄物、食品廃棄物等の有機性廃棄物を嫌気性菌により発酵させた際に発生する消化ガス（以下、「バイオガス」という）を発電用ガスタービン駆動用ガスに高度利用するバイオガス発電設備が注目されている。
【０００３】
ところで、典型的なバイオガスは、６０体積％のメタンと、４０体積％の二酸化炭素とを主成分とし、さらに窒素や酸素、硫化水素、水蒸気などをそれぞれ微量に含んでいる。しかしながら、所定以外の廃棄物の投入、発酵槽の温度管理のトラブル、廃棄物の投入頻度や季節による廃棄物の温度の違いなどにより、バイオガスの発生量及び組成は日常的に変動するという問題があった。
【０００４】
すなわち、従来のバイオガス発電設備では、バイオガスの日常的な組成変動によって発電装置の運転が不安定となるため、発電出力に制約が生じるという課題があった。
【０００５】
このような課題を解決する方法としては、例えば、特許文献１が知られている。この特許文献１には、バイオガスを燃料とするガスタービン発電装置として、発電出力を安定させるために、燃料となるバイオガスに高カロリーの燃料（液化天然ガス、液化石油ガス、灯油、あるいは重油等）を補助的に供給するバイオガス発電設備の構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−０６５０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載のバイオバス発電設備では、バイオガス以外に化石燃料の使用を必要とするため、環境に負荷の低減が不十分であるという課題があった。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、バイオガス以外の他の燃料を使用することなく、バイオガスの組成変動による発電出力の制約を受けないバイオガス発電設備を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かかる課題を解決するため、本発明は以下の構成を有する。
すなわち、請求項１に係る発明は、バイオガスを発生させる発酵槽と、前記バイオガスを燃料として発電を行う発電機と、前記発酵槽から前記発電機に前記バイオガスを供給する主経路と、前記主経路から分岐し、前記主経路から前記バイオガスの一部を分取するとともに、前記主経路に合流し、濃縮された当該バイオガスを前記主経路に返送する副経路と、前記副経路に設けられた、前記バイオガス中の成分を濃縮する濃縮装置と、を備える、バイオガス発電設備である。
【００１０】
請求項２に係る発明は、前記主経路に設けられた濃度測定手段をさらに備える、請求項１に記載のバイオガス発電設備である。
【００１１】
請求項３に係る発明は、前記主経路の、前記副経路との分岐点と前記副経路との合流点との間に設けられた第１流量調節手段と、前記副経路の、前記濃縮装置の二次側に設けられた第２流量調節手段と、をさらに備える、請求項１又は２に記載のバイオガス発電設備である。
【００１２】
請求項４に係る発明は、前記濃度測定手段と、前記濃縮装置と、前記第１流量調節手段と、前記第２流量調節手段と、電気信号を送受信する電気通信経路によって結ばれるバイオガス濃度制御手段を備える、請求項３に記載のバイオガス発電設備である。
【００１３】
請求項５に係る発明は、前記主経路の、前記分岐点と前記第１流量調節手段との間に設けられた第１圧縮機と、前記副経路の、前記濃縮装置の一次側に設けられた第２圧縮機と、をさらに備える、請求項３又は４に記載のバイオガス発電設備である。
【００１４】
請求項６に係る発明は、前記合流点に混合手段が設けられている、請求項３乃至５のいずれか一項に記載のバイオガス発電設備である。
【００１５】
請求項７に係る発明は、前記主経路の、前記発電機の一次側に、バッファータンクが設けられている、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のバイオガス発電設備である。
【００１６】
請求項８に係る発明は、前記濃縮装置が、圧力変動吸着方式、膜分離方式、高圧水吸収方式、及びアミン吸収方式のうち、いずれか一つである、請求項１乃至７のいずれか一項に記載のバイオガス発電設備である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のバイオガス発電設備は、発酵槽から発電機にバイオガスを供給する主経路から分岐する副経路に濃縮装置が設けられており、濃縮されたバイオガスを副経路から主経路に返送する構成となっているため、バイオガス以外の他の燃料を使用することなく、バイオガスの組成変動による発電出力の制約を受けることがない。したがって、バイオガス発電設備を安定して運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明を適用した一実施形態であるバイオガス発電設備を示す系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明を適用した一実施形態であるバイオガス発電設備について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００２０】
先ず、本発明を適用した一実施形態であるバイオガス発電設備の構成について説明する。
図１は、本発明を適用した一実施形態であるバイオガス発電を示す系統図である。図１に示すように、本実施形態のバイオガス発電設備１は、発酵槽２と、発電機３と、発酵槽２から発電機３にバイオガスを供給する主経路Ｌ１と、主経路Ｌ１の分岐点Ｐ１から分岐するとともに主経路Ｌ１に合流点Ｐ２で合流する副経路Ｌ２と、副経路Ｌ２に設けられた濃縮装置４と、を備えて概略構成されている。このバイオガス発電設備１は、発酵槽２で発生したバイオガスを発電機３へ供給して発電を行う設備である。
【００２１】
発酵槽２は、バイオガスを発生させるための設備である。具体的には、例えば、下水汚泥、食品廃棄物、及び家畜糞尿などを嫌気性発酵することでバイオガスが発生する。この発酵槽２では、所定以外の廃棄物の投入、発酵槽の温度変化、又は発酵槽周辺の気温変動等により、バイオガスの発生量及び組成は変化するのが一般的である。ここで、バイオガスの組成は、一般的にメタンガス（ＣＨ４）濃度が６０体積％程度であり、二酸化炭素（ＣＯ２）濃度が４０体積％程度である。
【００２２】
発電機３は、バイオガスを燃料として発電を行う設備である。この発電機３は、具体的には、例えば、図示略の圧縮機、燃焼器、ガスタービン及び発電機等から構成されている。
【００２３】
主経路Ｌ１は、発酵槽２から発電機３にバイオガスを供給するために、発酵槽２と発電機３との間に設けられたバイオガスの供給管である。また、主経路Ｌ１は、分岐点Ｐ１において副経路Ｌ２と分岐するとともに、上記分岐点Ｐ１の二次側の合流点Ｐ２において再び副経路Ｌ２と合流する。この主経路Ｌ１には、一次側（すなわち、発酵槽２側）から順に、濃度計（濃度測定手段）５と、主経路圧縮機（第１圧縮機）６と、主経路流量調節弁（第１流量調節手段）７と、混合設備（混合手段）８と、バッファータンク９と、混合ガス流量調節弁１０と、が設けられている。
【００２４】
濃度計５は、バイオガスの組成（すなわち、上述したメタンガス濃度及び二酸化炭素濃度）を計測するために、分岐点Ｐ１の一次側に設けられている。濃度計５は、バイオガスの組成を測定できる機能を有していれば、特に限定されるものではない。このような濃度計としては、具体的には、例えば、赤外線吸収法、ガスクロマトグラフ法等が挙げられる。
【００２５】
主経路圧縮機６は、発酵槽２から供給されるバイオガスを昇圧するために、分岐点Ｐ１の二次側に設けられている。主経路圧縮機６としては、気体を圧送できる圧縮機であれば、特に限定されるものではない。このような圧縮機としては、具体的には、例えば、ロータの回転運動、又はピストンの往復運動により気体を圧縮するもので、コンプレッサーやロータリーポンプ等を用いることができる。
【００２６】
一般的に、発酵槽２で発生したバイオガスは、低圧（例えば、０．００２ＭＰａＧ（ゲージ圧、以下同じ）程度）であるため、発電機３に直接供給することができない。そこで、主経路Ｌ１に主経路圧縮機６を設け、例えば、０．０１ＭＰａＧ程度にまで昇圧した後に発電機３に供給する。
【００２７】
主経路流量調節弁７は、主経路圧縮機６によって昇圧されたバイオガスを所定流量で発電機３に供給するために、主経路Ｌ１の主経路圧縮機６と合流点Ｐ２との間に設けられている。主経路流量調節弁７としては、主経路圧縮機６によって昇圧されたバイオガスの流量を制御する機能を有するものであれば、特に限定されるものではない。具体的には、例えば、マスフローコントローラーやニードルバルブ等を使用することができる。
【００２８】
この主経路流量調節弁７を主経路圧縮機６の二次側に設けて、主経路Ｌ１から供給されるバイオガスの流量を所定流量に制御することにより、後段の混合設備８に効率よくバイオガスを供給することができる。
【００２９】
副経路Ｌ２は、分岐点Ｐ１において主経路Ｌ１から分岐し、主経路Ｌ１からバイオガスの一部を分取するとともに、合流点Ｐ２において主経路Ｌ１に合流し、濃縮されたバイオガス（以下、「濃縮ガス」ということがある）を主経路Ｌ１に返送するための供給管である。この副経路Ｌ２には、一次側（すなわち、分岐点Ｐ１側）から順に、副経路圧縮機（第２圧縮機）１１と、濃縮装置４と、副経路流量調節弁（第２流量調節手段）１２と、を備えている。
【００３０】
副経路圧縮機１１は、主経路Ｌ１から分取したバイオガスを昇圧するために、分岐点Ｐ１の二次側に設けられている。副経路圧縮機１１としては、気体を圧送できる圧縮機であれば、特に限定されるものではない。このような圧縮機としては、上述した主経路圧縮機６と同じものを用いることができる。
【００３１】
この副経路圧縮機１１により、副経路Ｌ２内のバイオガスの圧力を、例えば、０．１ＭＰａＧ程度にまで昇圧することができる。
また、主経路Ｌ１と副経路Ｌ２とに、それぞれ圧縮機６，１１を設けることにより、分岐した経路内のバイオガスの圧力を独立して制御することができる。
【００３２】
濃縮装置４は、副経路圧縮機１１によって昇圧されたバイオガス中の成分を濃縮するための設備である。濃縮装置４としては、バイオガス中の二酸化炭素成分を除去することにより、メタンガス（ＣＨ４）濃度を濃縮することができるものであれば、特に限定されるものではない。バイオガス中の二酸化炭素を除去可能な設備としては、具体的には、例えば、圧力変動吸着方式、膜分離方式、高圧水吸収方式、及びアミン吸収方式の濃縮設備を用いることができる。
【００３３】
この濃縮装置４によれば、メタンガス（ＣＨ４）濃度が、例えば、９０〜９８体積％程度であり、二酸化炭素（ＣＯ２）濃度が、例えば、２〜１０体積％程度の組成を有する濃縮ガスを生成し、二次側に供給することができる。
【００３４】
副経路流量調節弁１２は、濃縮装置４によって濃縮されたバイオガス（すなわち、濃縮ガス）を所定流量で混合設備８に供給するために、合流点Ｐ２の一次側に設けられている。副経路流量調節弁１２としては、主経路流量調節弁７と同様のものを用いることができる。この副経路流量調節弁１２を濃縮装置４の二次側に設けて、濃縮ガスの流量を所定流量に制御することにより、後段の混合設備８に効率よく濃縮ガスを供給することができる。
【００３５】
混合設備８は、主経路Ｌ１からのバイオガスと、副経路Ｌ２からの濃縮ガスとを混合するために、主経路Ｌ１と副経路Ｌ２との合流点Ｐ２に設けられた設備である。混合設備８としては、成分の異なる気体同士を混合できるものであれば、特に限定されるものではない。具体的には、例えば、スタティックミキサー等を用いることができる。
【００３６】
この混合設備８により、主経路Ｌ１から供給されるバイオガスの成分が変動した場合であっても、副経路Ｌ２から供給される濃縮ガスを適宜混合して組成を調整することができるため、燃焼（運転）に適した組成に混合したバイオガス（以下、「混合ガス」ということもある）を安定して発電機３に供給することができる。
【００３７】
バッファータンク９は、混合設備８から供給された混合ガスを一時的に貯留するために、混合設備８の２次側であって発電機３の一次側に設けられた貯留設備である。このバッファータンク９としては、気体を貯留することができる設備であれば、特に限定されるものではない。また、バッファータンク９の容量は、特に限定されるものではなく、バイオガス発電設備１の規模や、発電機３の出力等に応じて適宜選択することができる。
【００３８】
主経路Ｌ１にバッファータンク９を設けることにより、混合設備８によって所定の組成に調整された混合ガスを一定量貯留することができるため、発酵槽２内で発生したバイオガスの発生量及び組成が変動した場合であっても、所定の組成の混合ガスを安定的に発電機３に供給することができる。
【００３９】
混合ガス流量調節弁１０は、発電機３に供給する燃料ガス、すなわち、成分調整された混合ガスの供給量を制御するため、発電機３の一次側に設けられている。この混合ガス流量調節弁１０としては、特に限定されるものではなく、上述した主経路流量調節弁７と同様のものを用いることができる。
【００４０】
本実施形態のバイオガス発電設備１は、濃度制御部（バイオガス濃度制御手段）１３を備えている。この濃度制御部１３は、コンピュータ（ＣＰＵ）、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）等から構成されており、上述した濃縮装置４、濃度計５、主経路流量調節弁７及び副経路流量調節弁１２と、電気信号を送受信する有線方式又は無線方式の電気通信回線によって電気的に接続されている。
【００４１】
この濃度制御部１３では、発酵槽２内で発生したバイオガスの濃度を、濃度計５の測定値として取得することができる。また、濃度制御部１３では、濃縮装置４によって生成された濃縮ガスの組成値を取得することができる。これにより、濃度制御部１３によれば、バイオガスの濃度の測定値と濃縮ガスの組成値とを用い、内部に記録された制御プログラムに従って、上述した発電機３内に供給する燃料ガスの組成を最適化するための、バイオガスと濃縮ガスとの混合割合を算出することができる。さらに、濃度制御部１３では、上記算出結果に基づき、主経路流量調節弁７及び副経路流量調節弁１２に開度や開放時間等の制御信号を送信することができる。
【００４２】
すなわち、本実施形態のバイオガス発電設備１によれば、濃度制御部１３が、濃縮装置４、濃度計５、主経路流量調節弁７及び副経路流量調節弁１２と電気的に接続された構成を用いて、発酵槽２内で発生したバイオガスの濃度をリアルタイムに測定しながら、主経路流量調節弁７及び副経路流量調節弁１２の制御を行うことで、バイオガスの成分が変動した場合であっても、所要の組成の混合ガスを自動的に安定して発電機３に供給することができる。
【００４３】
次に、本実施形態のバイオガス発電設備１の運転方法について説明する。
ここで、発酵槽２内で発生するバイオガス中のメタンガス（ＣＨ４）濃度が所定濃度の範囲内（例えば、５５体積％以上）である場合、先ず、主経路Ｌ１では、濃度計５によってバイオガス中のメタンガス濃度を測定する。濃度計５によるメタンガス濃度の測定値が、例えば、５５体積％以上であれば、主経路圧縮機６によってバイオガスを圧送し、主経路流量調節弁７によってバイオガスの流量を調整する。その後、ガス混合設備８、バッファータンク９及び混合ガス流量調節弁１０を介して発電機３に燃料ガス（すなわち、未調整のバイオガス）が供給される。なお、この場合、副経路Ｌ２は起動しない。
【００４４】
これに対して、発酵槽２内で発生するバイオガス中のメタンガス（ＣＨ４）濃度が所定濃度の範囲外（例えば、５５体積％未満）である場合、先ず、濃度計５によって発酵槽２内で発生するバイオガスの濃度変動の経時変化を確認する。このとき、上記経時変化から、バイオガスの濃度が所定濃度未満となることを濃度制御部１３が予想した場合、濃度計５の実際の測定値が所定濃度に到達する前に副経路圧縮機１１及び濃縮装置４を起動する。
【００４５】
次に、濃度計５の測定値が所定濃度（例えば、５５体積％未満）に到達したことを確認した際に、濃度制御部１３から主経路流量調節弁７及び副経路流量調節弁１２に対して制御信号が送信される。これにより、主経路Ｌ１からのバイオガスの流量と副経路Ｌ２からの濃縮ガスの流量とが調整されてガス混合設備８に供給される。このガス混合設備８において、所定の成分となるように自動的に調整される。そして、調整された混合ガスは、バッファータンク８及び混合ガス流量調節弁１０を介して発電機３に燃料ガスとして供給される。
【００４６】
次に、濃度計５によって発酵槽２内で発生するバイオガス中のメタンガス（ＣＨ４）濃度が６０％まで上昇したことを検知した際、濃度制御部１３によって主経路流量調節弁７を発電機３に必要な所定の流量設定値に戻し、副経路流量調節弁１２は閉止するとともに副経路圧縮機１１及び濃縮装置４の運転を停止する。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態のバイオガス発電設備１によれば、発酵槽２から発電機３にバイオガスを供給する主経路Ｌ１から分岐する副経路Ｌ２に濃縮装置４が設けられており、濃縮されたバイオガス（濃縮ガス）を副経路Ｌ２から主経路Ｌ１に返送する構成となっている。このため、バイオガス以外の他の燃料を使用することなく、バイオガスの組成変動による発電出力の制約を受けることがない。したがって、バイオガス発電設備１を安定して運転することができる。
【００４８】
また、本実施形態のバイオガス発電設備１によれば、主経路Ｌ１の分岐点Ｐ１の一次側に設けられた濃度計５と、濃縮装置４と、主経路Ｌ１に設けられた主経路流量調節弁７と、副経路Ｌ２に設けられた副経路流量調節弁１２とが、濃度制御部１３と電気的に接続された構成となっている。このため、発酵槽２内で発生したバイオガスの濃度をリアルタイムに測定しながら、主経路流量調節弁７及び副経路流量調節弁１２の制御を行うことができる。したがって、発酵槽２内で発生するバイオガスの成分が変動した場合であっても、所要の組成の混合ガスを自動的に安定して発電機３に供給することができる。
【００４９】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上述した実施形態のバイオガス発電設備１では、濃度計５が主経路Ｌ１の分岐点Ｐ１の一次側に設けられた構成を一例として説明したが、混合設備８やバッファータンク９に設ける構成としてもよい。また、上述した位置に、濃度計を複数設ける構成であってもよい。
【００５０】
また、上述した実施形態のバイオガス発電設備１では、濃縮装置４によって生成した濃縮ガスを直接混合設備８に供給する構成を一例として説明したが、副経路Ｌ２の、濃縮装置４と副経路流量調節弁１２との間に、濃縮ガスを貯留するためのバッファータンクを設ける構成としてもよい。これにより、発酵槽２内で発生するバイオガスの成分が変動した場合に直ちに濃縮ガスを主経路Ｌ１に供給することができるため、応答速度を向上することができる。
【００５１】
以下に、具体例を示す。
本発明のバイオガス発電設備として、図１に示す構成の設備を用いた。
【００５２】
（実施例１）
本発明のバイオガス発電設備を運転した。先ず、濃度計によって発酵槽内で発生したバイオガスの組成を測定したところ、バイオガス中のメタンガス濃度が５５体積％であり、二酸化炭素濃度が４５体積％であった。
【００５３】
次に、主経路では、主経路圧縮機を運転して０．０１ＭＰａＧまで昇圧するとともに、主経路流量調節弁によって、バイオガスを１２８ｍ３／ｈの流量で混合設備に供給した。
【００５４】
一方、主経路から副経路に４０ｍ３／ｈの流量でバイオガスを分取し、副経路圧縮機によって０．１ＭＰａＧまで昇圧した後、濃縮装置に供給した。この濃縮装置により、メタンガス濃度が９０体積％であり、二酸化炭素濃度が１０体積％である濃縮ガスが得られた。
【００５５】
次に、副経路流量調節弁によって、得られた濃縮ガスを２２ｍ３／ｈの流量で混合設備に供給した。
【００５６】
次に、混合設備において、主経路からのメタンガスと副経路からの濃縮ガスとを混合した。その結果、メタンガス濃度が６０．１体積％であり、二酸化炭素濃度が３９．９体積％である混合ガスが、１５０ｍ３／ｈの流量で得られた。
【符号の説明】
【００５７】
１…バイオガス発電設備、２…発酵槽、３…発電機、４…濃縮装置、５…濃度計（濃度測定手段）、６…主経路圧縮機（第１圧縮機）、７…主経路流量調節弁（第１流量調節手段）、８…混合設備（混合手段）、９…バッファータンク、１０…混合ガス流量調節弁、１１…副経路圧縮機（第２圧縮機）、１２…副経路流量調節弁（第２流量調節手段）、１３…濃度制御部（バイオガス濃度制御手段）、Ｌ１…主経路、Ｌ２…副経路、Ｐ１…分岐点、Ｐ２…合流点
【図１】
2016186286.tif 000003