(57)【要約】【課題】脱硫設備で結露を生じることなく、バイオガス中の硫化水素濃度を１ｐｐｍ以下まで除去することが可能なバイオガス脱硫設備を提供する。【解決手段】バイオガスを燃料とする燃料電池２及び排熱供給設備３と、発酵槽で発生したバイオガスを供給するバイオガス供給経路Ｌ１と、燃料電池２にバイオガスを供給する第１供給経路Ｌ２と、排熱供給設備３にバイオガスを供給する第２供給経路Ｌ３と、バイオガス供給経路Ｌ１に設けられた第１脱硫設備４と、第１供給経路Ｌ２に設けられ、二次側のバイオガス中の硫化水素濃度を１ｐｐｍ以下とする第２脱硫設備５と、第２脱硫設備５の一次側で、バイオガスと、燃料電池２及び排熱供給設備３の少なくとも一方からの排熱と、を熱交換させて、バイオガスを加熱する熱交換器６を備える、バイオガス脱硫設備１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】
バイオガスを燃料とする燃料電池及び排熱供給設備を備えたバイオガス脱硫設備であって、
発酵槽で発生したバイオガスを供給するバイオガス供給経路と、
前記バイオガス供給経路から分岐して、前記燃料電池に前記バイオガスを供給する第１供給経路と、
前記バイオガス供給経路から分岐して、前記排熱供給設備に前記バイオガスを供給する第２供給経路と、
前記バイオガス供給経路に設けられた第１脱硫設備と、
前記第１供給経路に設けられ、二次側の前記バイオガス中の硫化水素濃度を１ｐｐｍ以下とする第２脱硫設備と、
前記第１供給経路に設けられ、前記第２脱硫設備の一次側で、前記バイオガスと、前記燃料電池及び前記排熱供給設備の一方又は両方からの排熱と、を熱交換させて、当該バイオガスを加熱する熱交換器を備える、バイオガス脱硫設備。
【請求項２】
前記燃料電池で生じる温水又は排ガスを、当該燃料電池と前記熱交換器との間で循環させる第１循環経路を備える、請求項１に記載のバイオガス脱硫設備。
【請求項３】
前記排熱供給設備で生じる温水又は排ガスを、当該排熱供給設備と前記熱交換器との間で循環させる第２循環経路を備える、請求項１又は２に記載のバイオガス脱硫設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオガス脱硫設備に関する。
【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、バイオガスには数百ｐｐｍオーダーの硫化水素が含まれているため、バイオガスをボイラーなどの発電設備の燃料として使用するためには、脱硫設備を設けてバイオガス中から硫黄成分を除去する必要があった。
【０００４】
一般的に、脱硫設備では、バイオガス中の硫化水素を除去するために、酸化鉄系の除去剤を用いている。しかしながら、酸化鉄系の除去剤では、硫化水素の破過除去性能は１０ｐｐｍ程度が限界であり、さらに除去性能を上げるためには除去剤の充填量を多くするなど、イニシャルコストや除去剤の交換費用がかかるため、経済的ではないという問題があった。
【０００５】
一方、近年、バイオガスからの発電設備として発電機などの排熱供給設備や燃料電池への利用が増加傾向であるが、特に燃料電池に利用するためには硫化水素などの硫黄成分をバイオガス中から除去することは必須であった。特に、燃料電池の劣化を防ぐには、バイオガス中の硫化水素濃度を１ｐｐｍ以下まで除去することが必要であるため、より高性能の脱硫剤が必要であった。
【０００６】
しかしながら、一般的な鉄系脱硫剤や高性能な脱硫剤では、バイオガス中の水分がこれを充填した塔内において結露すると、いずれも著しい性能低下や、さらには脱硫剤が脆くなって粉化するといった問題があった。
【０００７】
そこで、バイオガス中に含まれる水分の結露対策としては、例えば、特許文献１が知られている。この特許文献１には、バイオガスを発生する発酵槽からバイオガスを供給する供給経路に脱硫剤が充填された脱硫塔を設け、脱硫後のバイオガスを燃料電池と発電機とに燃料としてそれぞれ供給するバイオガス発電装置において、脱硫塔の側面及び脱硫塔の一次側の配管を燃料電池の排熱によって加熱する構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−１４７０４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載のバイオバス発電装置では、結露対策として燃料電池の排熱を広範囲に引き回す必要があるため、設備費の増加や電気代などのランニングコストの増加が問題であった。また、バイオガスを燃料電池の燃料として供給するためにはバイオガス中の硫化水素濃度を１ｐｐｍ以下まで除去する必要があるが、大量の脱硫剤が必要であるとともに交換頻度も高くなるという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、脱硫設備で結露を生じることなく、バイオガス中の硫化水素濃度を１ｐｐｍ以下まで除去することが可能なバイオガス脱硫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】
【００１１】
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、バイオガスを燃料とする燃料電池及び排熱供給設備を備えたバイオガス脱硫設備であって、発酵槽で発生したバイオガスを供給するバイオガス供給経路と、前記バイオガス供給経路から分岐して、前記燃料電池に前記バイオガスを供給する第１供給経路と、前記バイオガス供給経路から分岐して、前記排熱供給設備に前記バイオガスを供給する第２供給経路と、前記バイオガス供給経路に設けられた第１脱硫設備と、前記第１供給経路に設けられ、二次側の前記バイオガス中の硫化水素濃度を１ｐｐｍ以下とする第２脱硫設備と、前記第１供給経路に設けられ、前記第２脱硫設備の一次側で、前記バイオガスと、前記燃料電池及び前記排熱供給設備の一方又は両方からの排熱と、を熱交換させて、当該バイオガスを加熱する熱交換器を備える、バイオガス脱硫設備である。
【００１２】
請求項２に係る発明は、前記燃料電池で生じる温水又は排ガスを、当該燃料電池と前記熱交換器との間で循環させる第１循環経路を備える、請求項１に記載のバイオガス脱硫設備である。
【００１３】
請求項３に係る発明は、前記排熱供給設備で生じる温水又は排ガスを、当該発排熱供給設備と前記熱交換器との間で循環させる第２循環経路を備える、請求項１又は２に記載のバイオガス脱硫設備である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のバイオガス脱硫設備は、発酵槽内で発生したバイオガスを供給するバイオガス供給経路を第１脱硫設備の後段で分岐させ、燃料電池にバイオガスを供給する第１供給経路にのみ第２脱硫設備を設けるとともに、第１供給経路の第２脱硫設備の一次側に熱交換器を設ける構成となっているため、精密脱硫が可能な第２脱硫設備で結露を生じることなく、燃料電池に供給するバイオガス中の硫化水素濃度を１ｐｐｍ以下まで除去することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明を適用した一実施形態であるバイオガス脱硫設備を示す系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を適用した一実施形態であるバイオガス脱硫設備について、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。
【００１７】
先ず、本発明を適用した一実施形態であるバイオガス脱硫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脱硫設備１は、燃料電池２及び排熱供給設備３と、発酵槽で発生したバイオガスを供給するバイオガス供給経路Ｌ１と、燃料電池２にバイオガスを供給する第１供給経路Ｌ２と、排熱供給設備３にバイオガスを供給する第２供給経路Ｌ３と、バイオガス供給経路に設けられた粗脱硫装置（第１脱硫設備）４と、第１供給経路Ｌ２に設けられた精密脱硫装置（第２脱硫設備）５と、精密脱硫装置５の一次側に設けられた熱交換器６と、燃料電池２と熱交換器６との間に設けられた第１循環経路Ｌ４と、排熱供給設備３と熱交換器６との間に設けられた第２循環経路Ｌ５と、を備えて、概略構成されている。このバイオガス脱硫設備１は、発酵槽で発生したバイオガスを燃料電池２及び排熱供給設備３へ供給して、それぞれ発電を行う設備である。
【００１８】
燃料電池２は、バイオガスを燃料として発電を行う設備である。なお、バイオガスを燃料電池２に利用するためには硫化水素などの硫黄成分をバイオガス中から除去する必要がある。具体的には、例えば、燃料電池の劣化を防ぐために、バイオガス中の硫化水素濃度は１ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００１９】
排熱供給設備３は、バイオガスを燃料として発電を行う設備である。なお、バイオガスを排熱供給設備３に利用するためには、排熱供給設備３の保護のため、バイオガス中の硫化水素濃度は１０ｐｐｍ以下であることが好ましい。
【００２０】
バイオガス供給経路Ｌ１は、発酵槽で発生したバイオガスを供給するための供給管である。このバイオガス供給経路Ｌ１には、粗脱硫装置４が設けられている。また、バイオガス供給経路Ｌ１は、分岐点Ｐにおいて第１供給経路Ｌ２と第２供給経路Ｌ２とに分岐する。
【００２１】
粗脱硫装置４は、発酵槽内で発生したバイオガス中から硫黄成分、特に硫化水素を除去するために設けられた設備である。粗脱硫装置４としては、特に限定されるものではないが、具体的には、例えば、脱硫剤として酸化鉄が反応器に充填された乾式脱硫塔を用いることができる。脱硫剤として酸化鉄を用いた場合の反応式を下記に示す。
【００２２】
Ｆｅ２Ｏ３＋３Ｈ２Ｓ→Ｆｅ２Ｓ３＋３Ｈ２Ｏ−６２．８ｋＪ／ｍｏｌ（発熱反応）
【００２３】
ところで、発酵槽内で発生したバイオガス中には、一般的に数百〜数千ｐｐｍの硫化水素が含まれている。本実施形態では、粗脱硫装置４により、バイオガス中の硫化水素濃度を約１０ｐｐｍ程度まで低減することができる。すなわち、バイオガス供給経路Ｌ１の粗脱硫装置４の二次側には、硫化水素濃度が１０ｐｐｍ程度のバイオガスが供給される。
【００２４】
第１供給経路Ｌ２は、燃料電池２にバイオガスを供給するための供給管である。この第１供給経路Ｌ２には、一次側から順に、熱交換器６と、精密脱硫装置５と、が設けられている。
【００２５】
第２供給経路Ｌ３は、排熱供給設備３にバイオガスを供給するための供給管である。この第２供給経路Ｌ３によって、排熱供給設備３には粗脱硫装置４による処理後のバイオガス、すなわち、硫化水素濃度が１０ｐｐｍ程度のバイオガスが供給される。
【００２６】
精密脱硫装置５は、粗脱硫装置４によって処理された後のバイオガス中から、さらに硫化水素を除去するために設けられた設備である。精密脱硫装置５としては、脱硫剤が反応器に充填された乾式脱硫塔を用いることができる。
【００２７】
精密脱硫が可能な脱硫剤としては、特に限定されるものではない。このような脱硫剤としては、具体的には、例えば、活性炭の表面に金属酸化物を担持させたものが挙げられる。また、金属としては、例えば、銅、クロム等が挙げられる。この脱硫剤は、化学吸着により硫化銅、硫化クロムとなり、脱硫するものである。
【００２８】
本実施形態では、精密脱硫装置５により、バイオガス中の硫化水素濃度を１ｐｐｍ以下まで低減することができる。すなわち、燃料電池２には、硫化水素濃度が１ｐｐｍ以下のバイオガスが供給される。
【００２９】
熱交換器６は、精密脱硫装置５に供給するバイオガスが結露することがないように、上記精密脱硫装置５の一次側で、第２供給経路Ｌ３内のバイオガスと、燃料電池２及び排熱供給設備３の少なくとも一方からの排熱と、を熱交換させて当該バイオガスを加熱するための設備である。この熱交換器６を精密脱硫装置５の一次側に設けることにより、加熱エリアを限定して効率的にバイオガスの結露を抑制することができる。
【００３０】
第１循環経路Ｌ４は、燃料電池２と熱交換器６との間に亘って設けられている。この第１循環経路Ｌ４内に、燃料電池２の運転の際に生じた温水又は排ガスを供給することにより、燃料電池２の排熱を第２供給経路Ｌ３内のバイオガスの加熱に利用することができる。
【００３１】
第２循環経路Ｌ５は、排熱供給設備３と熱交換器６との間に亘って設けられている。この第２循環経路Ｌ５内に、排熱供給設備３の運転の際に生じた温水又は排ガスを供給することにより、排熱供給設備３の排熱を第２供給経路Ｌ３内のバイオガスの加熱に利用することができる。
【００３２】
次に、本実施形態のバイオガス脱硫設備１の運転方法について説明する。
先ず、発酵槽で発生するバイオガスを粗脱硫装置４に供給する。これにより、バイオガス中の硫化水素濃度を数百〜数千ｐｐｍから約１０ｐｐｍ程度となるまで低減する。次いで、硫化水素濃度が約１０ｐｐｍ程度に低減されたバイオガスを、バイオガス供給経路Ｌ１から第１供給経路Ｌ２及び第２供給経路Ｌ３にそれぞれ供給する。
【００３３】
次に、第２供給経路Ｌ３から排熱供給設備３に硫化水素濃度が約１０ｐｐｍ程度のバイオガスを供給して、排熱供給設備３を起動する。
【００３４】
一方、第１供給経路Ｌ２では、硫化水素濃度が約１０ｐｐｍ程度のバイオガスを熱交換器６によって加熱した後、精密脱硫装置５に供給する。これにより、バイオガス中の硫化水素濃度を１ｐｐｍ以下となるまで低減した後、燃料電池２に供給して起動する。
【００３５】
ところで、燃料電池２を起動する際には燃料電池２からの排熱がない。したがって、燃料電池２を起動する際には、一時的に排熱供給設備３を構成する既設のボイラーの排熱を第２循環経路Ｌ５によって熱交換器６に供給する。これにより、熱交換器６においてバイオガスを加熱することができるため、精密脱硫装置５を結露から保護することができる。
【００３６】
燃料電池２が起動した後は、第１循環経路Ｌ４によって燃料電池２の排熱を利用することで、燃料電池２の機器保全を実現することができる。
【００３７】
以上説明したように、本実施形態のバイオガス脱硫設備１によれば、発酵槽内で発生したバイオガスを供給するバイオガス供給経路Ｌ１を粗脱硫装置４の後段で分岐させ、燃料電池２にバイオガスを供給する第１供給経路Ｌ２にのみ精密脱硫装置５を設けるとともに、この精密脱硫装置５の一次側に熱交換器６を設ける構成となっているため、精密脱硫装置５で結露を生じることなく、燃料電池２に供給するバイオガス中の硫化水素濃度を１ｐｐｍ以下まで除去することができる。したがって、従来の粗脱硫装置４によってバイオガス中の硫化水素濃度を１ｐｐｍ以下となるまで低減する場合と比較して、脱硫剤の使用量及び交換頻度を低減でき、設備全体を小型化することができるため、省スペース低コスト化を実現することができる。
【００３８】
また、本実施形態のバイオガス脱硫設備１によれば、燃料電池２と熱交換器６との間に亘って第１循環経路Ｌ４を設けるとともに、排熱供給設備３と熱交換器６との間に亘って第２循環経路Ｌ５を設ける構成であるため、熱交換器６において、燃料電池２及び排熱供給設備３からの排熱を用いて第１供給経路Ｌ２内のバイオガスを加熱することができる。したがって、低コスト化を実現することができる。
【００３９】
また、本実施形態のバイオガス脱硫設備１によれば、燃料電池２を起動する際、一時的に排熱供給設備３を構成する既設のボイラーの排熱を第２循環経路Ｌ５によって熱交換器６に供給することができる。これにより、熱交換器６においてバイオガスを加熱することができるため、精密脱硫装置５を結露から保護することができる。したがって、燃料電池２の機器保全を実現することができる。
【００４０】
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。
【符号の説明】
【００４１】
１…バイオガス脱硫設備、２…燃料電池、３…排熱供給設備、４…粗脱硫装置（第１脱硫設備）、５…精密脱硫装置（第２脱硫設備）、６…熱交換器、Ｌ１…バイオガス供給経路、Ｌ２…第１供給経路、Ｌ３…第２供給経路、Ｌ４…第１循環経路、Ｌ５…第２循環経路、Ｐ…分岐点
【図１】
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