CO2 利用のためのバイオガス精製技術の開発
資源エネルギー循環研究室 12329589
修士 2 年 南條 公平
指導教員 姫野 修司 小松 俊哉
1.背景

低濃度にすることが必須である。CH4 の燃焼(爆発)濃度下水汚泥や家畜糞尿といった有機性廃棄物の嫌気性の範囲は 5～15%であることから、本システムでの CH4 濃

消化で発生するバイオガスは、主にメタン(以下 CH4)約度は、2%以下に抑えることとし、同時に CO2 濃度は 98%と60%と二酸化炭素(以下 CO2)約 40%からなる。一般的な気設定した。

体分離技術には、溶液吸収法、深冷分離法、吸着法、膜3.2.膜分離プロセスの構築

分離法などが挙げられ、その中でも、下水処理場の様なCO2 のためのバイオガス利用のため、CO2 を効率的に小規模施設では、吸着法と膜分離法が装置の規模から適回収することのできるシステムを構築する必要がある。またしている。膜分離法は相変化を伴わないため吸着法に比農業利用を視野に入れるため、低コストで簡易システムがべ省エネルギーであり、簡易な装置で構成できることが特望まれる。そこで、本研究では安価で汎用的な有機膜を徴である。回収 CO2 を植物に添加し、成長促進を効率的用いたシステムの構築を考えた。に行う管理型農業に着目し、CO2 の効率的回収システム

また、バイオガス利用においては、CH4 中の CO2 が入の開発が求められている。バイオガスは、可燃性であるっていても可能なこと、一方で CO2 が利用されていないこ

CH4 を含むため、回収 CO2 濃度は高める必要がある。とを背景に、バイオガス発電機の前段に膜を導入すること2.目的を想定した。よって、バイオガスから CO2 は高純度に回収

本研究では、高濃度 CO2 回収することを目的としており、し、CH4 はほぼ損失無く発電機に送ることで、バイオガスCH4 濃度については考えないものとする。よって、省エネ全体の利用率の向上を見込めると考えた。そこで、本シスルギー・小規模化することができ、低コストシステムが可能

テムでは CH4 の高純度化をせず、CO2 の高純度・高効率であると考えた。CO2 の効率的な回収システムを開発し、回収システムの構築を行う。また、CO2 のみに着目するこ植物や藻類への利用を検討する。とでより CH4・CO2 同時回収技術よりも簡易システムで省エ3.1.目標精製濃度の設定ネルギー・小規模化が図れると考えた。

本研究におけるバイオガスを用いた分離プロセスは、膜分離プロセスでは精製 CO2 濃度を高めるために、単CH4 の精製をほとんど行わず、CO2 のみを高濃度に精製位膜面積あたりの供給流量を大きく、精製 CH4 濃度を高することを目的としている。CO2 と CH4 を同時に回収する

めるには単位膜面積あたりの流量を小さく設計する必要必要がないため、用いる膜や処理量に余裕ができ、簡易があり、その両者はトレードオフの関係にある。それらを高システムで低コスト分離プロセスを構築できると考えた。

い濃度で両立させるためには、高い分離係数が必要とな

バイオガスから精製 CO2 を利用する場合、用途により要るが、CO2 濃度のみを高濃度化させるため、透過側ガスを求される CO2 濃度は異なるが、植物や藻類利用に要求さ2 回分離するシステムに着目した。図 1 のシステムは、CO2れる濃度は ppm オーダーであるため、バイオガスの CO2濃度を高めて再分離できるため、分離係数が約 50 程度濃度 40%でも十分利用可能である。さらに高濃度化させるの膜でも CO2 高濃度化が可能であると考えた。低コスト化

ことで、供給するときのガス量が減ることで環境制御が用を図るためにコンプレッサを用いず、各膜に対して背圧弁意になることや機械設備等を縮小することができるなどのによる圧力分配を行うことを考えた。コンプレッサを１台に利点があげられる。しかしながら、バイオガスの 60%は CH4することで、小規模化につながることや所要エネルギーのであり、可燃性ガスであるため、閉鎖型の植物工場などに削減が期待できることが大きなメリットであると考えた。得ら供給する場合、事故を引き起こす危険性がある。よって、れる CO2 回収量は低いが、大きな供給流量を必要とせず、低コストで小規模な分離システムの構築が可能であるとし、本システムを採用した。
実証実験は、長岡浄化センターで発生する乾式脱硫塔通気後のバイオガスの分岐供給を受けて、実証施設に導入し、圧縮機で昇圧、シロキサン・硫化水素・水分の除去用の前処理を行った上で、分離膜に供給する。

Fig.2 The influence of the Feed flow rate

膜面積当たりの流量を統一した非透過側２段システムとの比較を行った。結果を fig.3 に示す。透過側２段システム
Fig.1 Permeation 2-stage process

3.3.膜分離プロセスの比較

は、非透過側 2 段システムと比較し、CO2 を高濃度化させることに適しており、本研究の目標濃度である CO2 濃度2 段分離の対称系として、膜分離プロセス 2 つのシステ98%を達成することができた。流量と回収率は濃度とのトレムを構築し、比較を行った。実験条件は、供給流量ードオフ関係になっている。有機膜の分離性能は低いた

40L/min、総圧力:0.9MPa、1 段目圧力:0.8MPa、2 段目圧め、CO2 濃度 98%を達成しながら高い回収率を得ることは力:0.1MPaｍ、分離係数α=58、54 とした。

難しい。また、下水処理場から発生するガスから得られる有機膜単段システムにおいて、透過側 2 段システムと供CO2 量は、植物を栽培するためには過剰であると考えら

給 流量 と圧 力 を統 一 し分離 を行 った場 合 、 CO2 濃度れる。よって同様の膜面積当たりの流量の場合、透過流85.7%となった。透過側 2 段システムと比較すると、膜面積量は少なく回収率は低いが、目標濃度を達成している透あたりの供給流量は 2 倍となっているが、目標濃度には到過側２段システムの方が植物供給、膜規模の点から優位

達 し な か っ た 。 さ ら に 、 流 量 を 可 変 さ せ 、 25L/min 、性があると考えられる。

45L/min、55L/min の 3 条件に振り、供給圧力による影響

One-step separationの確認をした。結果を Fig.4-4-1 に示す。結果より、CO2が一番高濃度になった条件は、55L/min であり、92.9%となった。得られる CO2 量は、CO2 濃度と CO2 回収率を乗じた値になる。本実験では、各流量の濃度差がそれぞれ、88.4%、91.5%、92.9%となっているのに対し、CO2 回収率が81.7%、73.2%、61.7%と違いが大きいため、回収率が一番高い 25L/min が一番多く CO2 を得ることができる条件であった。CO2 は供給流量に比例し濃度が増加し、CO2 回収率はトレードオフの関係であるため、流量の増加とともに減少した。したがって、膜単段で CO2 を高濃度にするためには、高い分離係数の分離膜と大容量のコンプレッサを用いることで可能となるが、本システムで採用している分

CH4:87.3%
26.8L/min

CO2:85.7%
14.5L/minFeed pressure: 0.9MPa
CO2 recovery:79.0%
CH4 recovery:91.9%

Retentate two-step separation
CH4:62.0%
CO2:38.0%
41.0L/minCompressor

Feed pressure: 0.9MPa
CO2 recovery:97%
CH4 recovery:92.4%

Polyimide
membrane

Polyimide
membrane

CO2:85.8%
14.9L/min

CH4:92.4%
22.0L/min

CO2:60.7%
4.3L/min

Permeate two-step separation

離係数 50 程度の膜では、難しく、透過側 2 段システムの方が容易に目標濃度 98%に到達できることが明らかになっ

Polyimide
membraneCompressor
CH4:62.1%
CO2:37.9%
41.3L/minPolyimide
membrane

CH4:61.0%
CO2:39.0%
43.0L/min

た。

Compressor
TP: 0.9MPa
ΔP1:0.8MPa
ΔP2:0.1MPa
CO2 recovery:37.5%
CH4 recovery:98.8%

CH4:88.4%
31.9L/minPolyimide
membrane

CO2:84.7%
15.3L/min

CH4:70.6%
36.7L/min

CH4:27.7%
6.7L/minCO2:98.7%
6.4L/minFig3.Comparison of the separation system

3.4.透過側 2 段システムの実証

3.5.CO2 分離システムの立ち上がり特性

供給流量は約 40L/min、圧力は TP:0.5～0.9MPa、Δ

CO2 供給システムを構築するための CO2 分離システム

P1:0.3～0.85MPa、ΔP2:0.05、0.1、0.2MPa の範囲で可は植物の要求する CO2 量の変動に対応が可能であること変させ、圧力による影響を実証した。

が望ましい。そこで、膜単体と実設備について、立ち上が圧力分配による CO2 濃度と回収率の影響を確認するたりの分離特性の確認を行った。膜単体は 2 秒から分離がめΔP2 を固定し、TP を可変させた実験を行った。TP の上始まり 10 秒の時点で限界に達し、即時応答性を確認した。

昇により、CO2 濃度と回収率の増加を確認した。まず、図

一方で、実設備は 3 分で 98%に到達した。原因は起動時

3 より、ΔP2:0.1MPa 及び 0.05MPa の条件では、目標濃のコンプレッサや配管により、圧力上昇に時間を要したた度に到達しており、すでに限界に達している。一方でΔP2めで配管長の変更や小規模のバッファタンクを設置するこが 0.2MPa の条件は 88%から 96.6%までしか分離せず、目とで改善でき膜分離の即時応答性は可能と考えられた。

標 濃 度 に 到 達 し な か っ た 。 さ ら に 、 図 4 よ り 、 Δ P2
0.05MPa よりも 0.1MPa の条件の方が約 18%高い CO2 回収率だった。したがって、本条件下では、0.1MPa の条件が圧力分配の最適範囲であると言える。また、0.2MPa においては、供給流量を増加させることで、0.05MPa においては、供給流量を減少させることで、圧力分配における効率的な分離が行えることが示唆された。

Fig.6 Separation time of the membrane

4.2. CO2 供給システムの検討
植物及び藻類への CO2 供給システムを検討する。処理人口 10 万人よりバイオガス量は 5000 ㎥/day[2]、供給時間は 12 時間とする。Case1 は貯留設備を持たず、植物が要求する CO2 量を追従し供給する。Case2 は、24 時間分離し、貯留タンクから 12 時間一定供給する。Case1 の回収可能 CO2 量は約 350 ㎥/day となり、栽培面積は約 6800 ㎡
Fig.4 Relatioonship of the total pressure andCO2concentration(The Feed flow rate 40[L/min])をまかなうことが可能である。即時応答性があるため、CO2濃度制御に優れており季節・日変動や植物の種類に応じた供給ができる。一方で、Case2 は、24 時間分離し続けるため、回収 CO2 量が Case2 と比較し 2 倍である約 700 ㎥/day となり、栽培面積は約 13600 ㎡をまかなうことが可能である。CO2 量の増加により CO21kg あたりのコストが安くなり、さらに供給量は 2 倍であるため事業性が高くなると考えられる。しかし、設備コストが高いため農業事業規模大きくなり CO2 供給装置としては Case1 が安価・小型となる。
Case1
BiogasAnaerobic
digestion

Desulfurization

Preprocessing

Compressor

Membrane

BiogasHigh purity CH4gas
High purity CO2gas

CH460%<

CO298%<

Generator

Plant

Case2

Fig.5 Relatioonship of the total pressure and CO 2

BiogasAnaerobic
digestion

recovery rate (The Feed flow rate 40[L/min])

Desulfurization

Preprocessing

Compressor

Membrane

Adsorptive
storage

Fig.7

CH460%<

CO298%<

Generator

Plant

The configuration of the CO2 supply device

5.藻類への供給
藻類の屋内培養実験を 1 月中旬から開始しており、土木研究所内にて行っている。培養はバイオガスから回収した CO2 と CO2 ボンベで行っている。SS の経時変化をFig.10 に、クロロフィル a を Fig.11 に示す。
立ち上がりからＳＳ、クロロフィル a ともに同様の傾向で上昇し、1 月下旬あたりに藻類が安定し始めた。CO2 による差は今のところ見られず、良好に培養実験が行われている。したがって、バイオガスから回収した CO2 を供給し藻類を培養することは可能であると考えられる。微量なアンモニア成分が培養に悪影響を及ぼす可能性が考えら

Fig.8 Cost comparison of Case1 and Case2

4.3 他の CO2 供給システムとの比較れたが、影響は現れなかった。

バイオガスから回収した CO2 を供給するシステムと市販
250

CO2 供給装置、CO2 ボンベとの比較を行った。分離システ

200

設備の４つ、維持費については、消費電力と前処理材の２つを検討した[3][4]。バイオガス中の CO2 は未利用であるため 0 円とした。市販 CO2 供給装置は農業用に製造されSS[mg/L]

ムの設備費は、前処理設備、コンプレッサ、分離膜、貯留

150
100
500ており、燃料のプロパンガスを燃焼させることによって CO21/13を発生させている。市販 CO2 供給装置は単価と性能から算出し、燃料のプロパンは 13,500 円/50kg、CO2 ボンベは1/15

1/17

1/19

CO2 recobery of biogas

1/21

1/23

1/25

1/27

1/29

CO2 standard gas

Fig.10 Changes in suspended solids by indoor experiment

あたりのコストに換算し、式１から得た値を図 7 に示す。
維持費×年数+設備費各年数の CO2 製造コスト =

式(1)

年数

バイオガスから回収した CO2 供給システム Case1、Case2 はそれぞれ 5 年目と 3 年目から市販 CO2 供給シス
テムのコストより安価になることが明らかになった。市販

Chlorophylα[μg Chl a/L]

5,100 円/30kg と設定した。上記から算出した値を CO21kg
2,500
2,000
1,500
1,000500

CO2 発生装置は、化石燃料から CO2 を製造している。一

Cost per CO2 1kg[yen/kg-CO2]

1/17

1/19

1/21

1/23

1/25

1/27

1/29

CO2 standard gas

Fig.11 Changes in Chlorophyll a by indoor experiment

バイオガスから高濃度 CO2 を回収する低コスト分離シス

250250テムを構築した。透過側 2 段システムは、CO2 濃度 98%以Case1200200

上に高濃度化でき、CO2 回収率は低いが、同様の膜設備

CO2ボンベ

170yen150150Commercial CO2
supply equipment

94yen

505035yen

Case225yen
11223344556677Period[year]88と比較し、CO2 利用に優位性があることを確認した。また、膜の応答性を確認し、植物に必要な間欠運転が可能であ

100
100

01/15

5.まとめ

300
35001/13

CO2 recobery of biogas

方バイオガスはカーボンニュートラルであるため、経済性だけでなく、環境性からも優位性があると考えられる。

0991010Fig.9 Cost comparison of per CO 2 1kgることが確認できた。バイオガスから CO2 分離回収を導入した供給システムを検討した。他の供給システムと CO2 あたりのコストで比較すると安価に CO2 供給することが可能であると明らかとなった。
6.参考文献[1]酒井清孝、膜分離プロセスの理論と設計(1993)[2]日本下水道協会、下水道統計(2015)[3] 国土交通省 下水道汚泥エネルギー化技術ガイドライン(2015)[4]日本下水道協会、下水道施設計画・設計指針と解説(2004)