バイオガスのメタン濃縮方法及びメタン濃縮装置
【課題】バイオガスからメタンを高濃縮すると共に、バイオガスに含まれるメタンをより一層有効に利用すること。
【解決手段】バイオガスを供給管4と第１圧縮機5を介し１段目分離膜モジュール1へ加圧供給し、そのモジュール1を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを透過ガス管7を介して第２圧縮機9で圧縮し、冷却器10で冷却することで二酸化炭素を液化して回収し、残った透過ガスをガスエンジン26へ供給して利用する。１段目分離膜モジュール1を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスを残圧により非透過ガス管8を介して２段目分離膜モジュール2へ供給し、同モジュール2を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを再循環管11と供給管4を介して１段目分離膜モジュール1へ再循環させ、２段目分離膜モジュール2を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスをメタン濃縮ガスとして回収管12にて回収する。
【解決手段】バイオガスを供給管4と第１圧縮機5を介し１段目分離膜モジュール1へ加圧供給し、そのモジュール1を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを透過ガス管7を介して第２圧縮機9で圧縮し、冷却器10で冷却することで二酸化炭素を液化して回収し、残った透過ガスをガスエンジン26へ供給して利用する。１段目分離膜モジュール1を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスを残圧により非透過ガス管8を介して２段目分離膜モジュール2へ供給し、同モジュール2を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを再循環管11と供給管4を介して１段目分離膜モジュール1へ再循環させ、２段目分離膜モジュール2を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスをメタン濃縮ガスとして回収管12にて回収する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、メタンと二酸化炭素を主成分とするバイオガスからメタンを濃縮して回収するためのバイオガスのメタン濃縮方法及びメタン濃縮装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオガスの組成は、メタン（ＣＨ4）約６０％と、二酸化炭素（ＣＯ2）約４０％と、その他、硫化水素（Ｈ2Ｓ）１０００ｐｐｍ、微量の酸素（０2）、窒素（Ｎ2）及び水素（Ｈ2）とを含み、その発熱量は都市ガス（１３Ａ）の約半分である。このバイオガスを、例えば、天然ガス自動車（ＮＧＶ）の燃料として利用するためには、発熱量を高める必要がある。そのため、バイオガスを精製処理し、メタン以外の物質を除去してメタンの濃度を高める必要がある。
【０００３】
ここで、硫化水素は、脱硫剤により除去することができ、酸素は、酸化触媒により水素と燃焼させて除去することができる。一方、二酸化炭素の除去方法としては、主として、高圧水吸収法、ＰＳＡ法、膜分離法が挙げられる。膜分離処理においては、一段式の膜分離処理（分離膜を１度通過させるだけの処理）を行うだけでは、メタンの回収率は低くなってしまう。バイオガス中の二酸化炭素を、一段だけの分離膜に透過させて分離させるため、分離時間を長くする必要があり、その過程で二酸化炭素と同時に一部のメタンも透過してしまい、メタンの回収率が低くなってしまうためである。
【０００４】
そこで、下記の特許文献１には、二段式の膜分離処理を行う技術が記載されている。図２に示す装置は、直列に配置された前後２段の分離膜モジュール５１，５２を備える。分離膜を有する１段目の分離膜モジュール５１の入口には、バイオガスが供給される供給ガス管５３が接続され、この供給ガス管５３には、コンプレッサ５４が設けられる。この１段目の分離膜モジュール５１の透過側出口には、排気管５５が接続され、この排気管５５には、真空ポンプ等の減圧ポンプ５６が設けられる。１段目の分離膜モジュール５１の非透過側出口には、非透過ガス管５７の一端が接続される。この非透過ガス管５７の他端は、分離膜を有する２段目の分離膜モジュール５２の入口に接続される。この２段目の分離膜モジュール５２の透過側出口には、リサイクル管５８の一端が接続される。このリサイクル管５８の他端は、コンプレッサ５４よりも上流の供給ガス管５３に接続される。２段目の分離膜モジュール５２の非透過側出口には、製品ガス管５９が接続される。
【０００５】
上記装置において、供給ガス管５３には、たとえばメタン濃度６０％のバイオガス（脱硫後）が供給される。このガスは、リサイクル管５８から合流するガスと共にコンプレッサ５４により加圧されて１段目の分離膜モジュール５１に供給される。この１段目の分離膜モジュール５１では、透過側が減圧ポンプ５６により減圧されるため、二酸化炭素が効率的に除去され、排気される。１段目の分離膜モジュール５１の非透過側で、メタンが濃縮されたガスが、非透過ガス管５７を介して２段目の分離膜モジュール５２に供給され、その非透過側においてさらにメタンが濃縮される。２段目の分離膜モジュール５２の透過側は、好ましくは大気圧とされるが、２段目の分離膜モジュール５２への供給ガス量の２０〜４０％がリサイクル管５８を介して供給ガス管５３へリサイクルされる。すなわち、この２段目の分離膜モジュール５２のリサイクルオフガス（透過ガス）に残存するメタンがそのまま排気されることなく、再濃縮のためにリサイクルされる。その結果、１段目の分離膜モジュール５１の非透過側出口におけるメタン濃度は７５〜８５％となり、２段目の分離膜モジュール５２の非透過側出口における製品ガスのメタン濃度は９０％以上となる。また、メタン回収率は、８５％以上となる。
【０００６】
すなわち、上記装置の構成によれば、１段目の分離膜モジュール５１により、短時間で二酸化炭素を分離させ、２段目の分離膜モジュール５２により、残りの二酸化炭素を分離させることで、メタンの透過ロスを少なくしている。さらに、２段目の分離膜モジュール５２により、分離した透過ガス（メタンが数１０％含まれる）をリサイクルすることで、メタンの回収率を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−１２４５１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、特許文献１に記載の装置では、１段目の分離膜モジュール５１における廃棄オフガス（透過ガス）については、二酸化炭素の濃度が高く、リサイクル（プロセス内再循環）するとメタンの回収率が極端に低下してしまう。そのため、１段目の分離膜モジュール５１では、２段目の分離膜モジュール５２におけるリサイクルオフガス（透過ガス）のようにはリサイクルせずに廃棄している。その結果、１段目の分離膜モジュール５１を透過した透過ガスの中に含まれるメタン（全体のメタンの「１５％」程度）が無駄に廃棄されることとなる。このため、バイオガスに含まれるメタンを更に有効利用することが求められている。
【０００９】
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、バイオガスからメタンを高濃縮すると共に、バイオガスに含まれるメタンをより一層有効利用することを可能としたバイオガスのメタン濃縮方法及びメタン濃縮装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、分離膜を使用してバイオガスからメタンを濃縮して回収するバイオガスのメタン濃縮方法であって、バイオガスを１段目の分離膜へ加圧供給し、１段目の分離膜を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを圧縮し、冷却することにより、透過ガス中の二酸化炭素を液化して回収し、残った透過ガスをガス利用機器へ供給して利用し、１段目の分離膜を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスを残圧により２段目の分離膜へ供給し、２段目の分離膜を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを１段目の分離膜へ再循環させ、２段目の分離膜を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスをメタン濃縮ガスとして回収することを趣旨とする。
【００１１】
上記発明の構成によれば、バイオガスが１段目の分離膜へ加圧供給されることにより、その分離膜でバイオガスの中の成分が分離される。そして、１段目の分離膜を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスが圧縮され、冷却されることにより、透過ガス中の二酸化炭素が液化して回収される。また、メタンを含む残った透過ガスは、ガス利用機器へ供給されて利用される。一方、１段目の分離膜を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスは、その残圧により２段目の分離膜へ供給されることにより、その分離膜で非透過ガスの中の成分が更に分離される。そして、２段目の分離膜を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスは、１段目の分離膜へ再循環される。また、２段目の分離膜を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスは、メタン濃縮ガスとして回収される。従って、１段目の分離膜を透過した透過ガスの中の二酸化炭素が圧縮と冷却により液化回収されるので、残った透過ガスの中の二酸化炭素濃度が低下し、メタンを多く含むガスとしてガス利用機器により利用される。これにより、メタン濃縮ガスが有効に得られると共に、従来は捨てていた１段目の分離膜を透過した透過ガスがガス利用機器により有効に利用される。
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、ガス利用機器は、残った透過ガスからエネルギーを発生させるエネルギー発生機器であり、エネルギー発生機器により発生したエネルギーを、バイオガスを生成するための設備のエネルギー源として利用することを趣旨とする。
【００１３】
上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、残った透過ガスからエネルギー発生機器により発生したエネルギーを、バイオガスを生成するための設備のエネルギー源として利用するので、バイオガスを生成するために透過ガスに含まれるメタンが有効に利用される。
【００１４】
上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、残った透過ガスをガス利用機器に供給して利用するときに、透過ガスに都市ガスを混合することを趣旨とする。
【００１５】
上記発明の構成によれば、請求項１又は２に記載の発明の作用に加え、透過ガスに都市ガスを混合するので、透過ガスがより効率的に利用される。
【００１６】
上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の発明であって、１段目の分離膜を透過した透過ガスを冷却する前に除湿することを趣旨とする。
【００１７】
上記発明の構成によれば、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の作用に加え、１段目の分離膜を透過した透過ガスが、冷却される前に除湿されるので、透過ガスから水分が除去され、水分を含まない透過ガスが冷却に供される。
【００１８】
上記目的を達成するために、請求項５に記載の発明は、分離膜を使用してバイオガスからメタンを濃縮して回収するバイオガスのメタン濃縮装置であって、バイオガスが供給される供給管と、供給管に接続された１段目の分離膜モジュールと、供給管に設けられた第１の圧縮機と、１段目の分離膜モジュールを透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを外部へ導く透過ガス管と、透過ガス管から外部へ導かれる透過ガスを利用するためのガス利用機器と、１段目の分離膜モジュールを透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスが流れる非透過ガス管と、透過ガス管に上流側から順次直列に設けられた第２の圧縮機及び冷却器と、非透過ガス管に接続された２段目の分離膜モジュールと、２段目の分離膜モジュールを透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを供給管へ再循環させる再循環管と、２段目の分離膜モジュールを透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスをメタン濃縮ガスとして回収する回収管とを備えたことを趣旨とする。
【００１９】
上記発明の構成によれば、バイオガスが供給管に供給され、そのバイオガスが第１の圧縮機により圧縮されることにより、１段目の分離膜モジュールへは、加圧されたバイオガスが供給される。第１の分離膜モジュールでは、供給されたバイオガスの中の成分が分離される。そして、１段目の分離膜モジュールを透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスは透過ガス管へと流れ、１段目の分離膜モジュールを透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスは非透過ガス管へと流れる。透過ガス管へ流れた透過ガスは、第２の圧縮機により圧縮され、冷却器により冷却されることにより、透過ガス中の二酸化炭素が液化して回収される。また、メタンを含む残った透過ガスは、透過ガス管を更に流れて外部へ導かれ、ガス利用機器により利用される。一方、１段目の分離膜モジュールを透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスは、その残圧により非透過ガス管を介して２段目の分離膜モジュールへ供給される。２段目の分離膜モジュールでは、非透過ガスの中の成分が更に分離される。そして、２段目の分離膜モジュールを透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスは、再循環管を介して供給管へ再循環され、再び１段目の分離膜モジュールへ供給される。一方、２段目の分離膜モジュールを透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスは、回収管へ流れ、メタン濃縮ガスとして回収される。従って、１段目の分離膜モジュールを透過した透過ガスの中の二酸化炭素が圧縮と冷却により液化回収されるので、残った透過ガスの中の二酸化炭素濃度が低下し、メタンを多く含む透過ガスとしてガス利用機器に利用される。これにより、メタン濃縮ガスが有効に得られると共に、従来は捨てていた１段目の分離膜モジュールを透過した透過ガスがガス利用機器により有効に利用される。
【００２０】
上記目的を達成するために、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、ガス利用機器は、外部へ導かれた透過ガスからエネルギーを発生させるエネルギー発生機器であり、エネルギー発生機器により発生したエネルギーを、バイオガスを生成するための設備のエネルギー源として利用することを趣旨とする。
【００２１】
上記発明の構成によれば、請求項５に記載の発明の作用に加え、残った透過ガスからエネルギー発生機器により発生したエネルギーを、バイオガスを生成するための設備のエネルギー源として利用するので、バイオガスを生成するために透過ガスに含まれるメタンが有効に利用される。
【００２２】
上記目的を達成するために、請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の発明において、透過ガスをガス利用機器により利用するときに、透過ガスに都市ガスを混合することを趣旨とする。
【００２３】
上記発明の構成によれば、請求項５又は６に記載の発明の作用に加え、透過ガスに都市ガスを混合するので、透過ガスがより効率的に利用される。
【００２４】
上記目的を達成するために、請求項８に記載の発明は、請求項５乃至７の何れかに記載の発明であって、１段目の分離膜モジュールと第２の圧縮機との間にて透過ガス管に除湿処理器を設けたことを趣旨とする。
【００２５】
上記発明の構成によれば、請求項５乃至７の何れかに記載の発明の作用に加え、１段目の分離膜モジュールを透過した透過ガスが、透過ガス管にて、冷却器により冷却される前に除湿処理器により除湿されるので、透過ガスから水分が除去され、水分を含まない透過ガスが冷却器での冷却に供される。
【発明の効果】
【００２６】
請求項１に記載の発明によれば、バイオガスからメタンを高濃縮することができると共に、バイオガスに含まれるメタンをより一層有効に利用することができる。
【００２７】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、バイオガスに含まれるメタンをバイオガスを生成するために有効に利用することができる。
【００２８】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の発明の効果に加え、透過ガスにつきより効率的にエネルギーを利用することができる。
【００２９】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の効果に加え、冷却器による冷却時に透過ガスの中の水分が氷結することを防止することができ、メタン濃縮のための阻害要因を排除することができる。
【００３０】
請求項５に記載の発明によれば、バイオガスからメタンを高濃縮することができると共に、バイオガスに含まれるメタンをより一層有効に利用することができる。
【００３１】
請求項６に記載の発明によれば、請求項５に記載の発明の効果に加え、バイオガスに含まれるメタンをバイオガスを生成するために有効に利用することができる。
【００３２】
請求項７に記載の発明によれば、請求項５又は６に記載の発明の効果に加え、透過ガスにつきより効率的にエネルギーを利用することができる。
【００３３】
請求項８に記載の発明によれば、請求項５乃至７の何れかに記載の発明の効果に加え、冷却器による冷却時に透過ガスの中の水分が氷結することを防止することができ、メタン濃縮のための阻害要因を排除することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】一実施形態に係り、メタン濃縮装置を示す概略構成図。
【図２】従来技術に係り、メタン濃縮装置を示す概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明におけるバイオガスのメタン濃縮方法及びメタン濃縮装置を具体化した一実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
【００３６】
図１に、この実施形態のメタン濃縮装置を概略構成図により示す。図１に示すように、このメタン濃縮装置は、分離膜を使用してバイオガスからメタン（ＣＨ4）を濃縮して回収するものであり、直列に配置された前後２段の分離膜モジュール１，２を備える。１段目の分離膜モジュール１と２段目の分離膜モジュール２は、それぞれケースの内部に分離膜３を収容して構成される。分離膜３として、例えば、ポリアミド、ポリイミド、ゼオライト等、メタンを透過し難く、二酸化炭素を透過し易い分離膜であれば、種類を限定することなく、いずれであっても使用することができる。分離膜３は、それにバイオガスを透過させることにより、二酸化炭素（ＣＯ2）を多く含む透過ガスと、分離膜を透過しなかったメタン（ＣＨ4）を多く含む非透過ガスとに分離することができる。
【００３７】
１段目の分離膜モジュール１の入口側には、バイオガスが供給される供給管４が接続される。この供給管４の上流部には、メタン発酵槽２１、脱硫塔２２及びガスホルダー２３が順次直列に設けられる。メタン発酵槽２１は、各種のバイオマス（例えば、食品系廃棄物）を投入することにより、メタンを発酵させると共に二酸化炭素等を発生させるようになっている。そして、メタンと二酸化炭素塔を含むバイオガスがメタン発酵槽２１から供給管４へ流れる。供給管４に流れたバイオガスは、脱硫塔２２を通る過程で硫化成分が除去される。硫化成分が除去されたバイオガスは、ガスホルダー２３に一旦溜められ、ガスホルダー２３から供給管４の下流部へ流れるようになっている。上記したメタン発酵槽２１は、本発明のバイオガスを発生するための設備に相当し、所定の撹拌機、送液ポンプ及び熱交換器等の各種機器（図示略）を備える。これら撹拌機及び送液ポンプ等は電気の供給を受けて作動し、熱交換器は熱の供給を受けて機能する。
【００３８】
一方、供給管４の下流部には、第１の圧縮機５が設けられる。１段目の分離膜モジュール１の出口側には、透過ガス管７が接続される。また、１段目の分離膜モジュール１の出口側には、その分離膜モジュール１を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスが流れる非透過ガス管８が接続される。透過ガス管７は、１段目の分離膜モジュール１を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガス（オフガス）を外部へ導くようになっている。この透過ガス管７の一端は、外部に設けられたガスエンジン２６に接続される。ガスエンジン２６は、透過ガス管７から外部へ導かれる透過ガスを利用する本発明のガス利用機器に相当すると共に、透過ガスからエネルギーを発生させるエネルギー発生機器に相当する。ガスエンジン２６は、供給される透過ガスをガスエンジン２６で燃料として利用するときに、その透過ガスに都市ガスを補助的に混合するように構成される。ガスエンジン２６は、混合された透過ガスと都市ガスを燃料として燃焼させることにより作動し、エネルギーである電気と熱を発生させるようになっている。これら電気と熱は、メタン発酵槽２１に設けられた各種機器へエネルギー源として供給されるようになっている。
【００３９】
ここで、ガスエンジン２６については、より効率的なエネルギー利用の観点から、透過ガスに都市ガスを混合して利用しているが、透過ガスを単独で利用することもできる。この実施形態では、上記したように透過ガスをガスエンジン２６で電気と熱のエネルギーに変換してバイオガス発酵に利用することにより、メタン発酵プロセスからバイオガス分離プロセスに至る全体において高いエネルギー利用効率を達成することができる。
【００４０】
透過ガス管７には、二酸化炭素を回収するために、上流側から順次直列に第２の圧縮機９及び冷却器１０が設けられる。１段目の分離膜モジュール１と第２の圧縮機９との間にて、透過ガス管７には、除湿処理器１３が設けられる。また、冷却器１０より下流の透過ガス管７には、透過ガスを減圧するための減圧弁１６が設けられる。また、非透過ガス管８の一端は、２段目の分離膜モジュール２の入口側に接続される。２段目の分離膜モジュール２の出口側には、再循環管１１が接続される。この再循環管１１は、２段目の分離膜モジュール２を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを供給管４へ再循環させるようになっている。この再循環管１１の一端は、第１の圧縮機５の上流側にて供給管４に接続される。２段目の分離膜モジュール２の出口側には、その分離膜モジュール２を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスをメタン濃縮ガス（精製メタン）として回収する回収管１２が接続される。
【００４１】
この実施形態で、第１の圧縮機５によるガスの供給圧力は、好ましくは「０.５〜０.９８（ＭＰａ）」に設定される。第２の圧縮機９によるガスの供給圧力は、好ましくは「０.９〜３（ＭＰａ）」に設定される。冷却器１０の冷却温度は、好ましくは「−
２０〜−５０（℃）」に設定される。
【００４２】
次に、上記したメタン濃縮装置を使用して行われるメタン濃縮方法の一例について説明する。この実施形態では、供給管４に脱硫と脱水がなされたバイオガスが「３０（Ｎｍ3／ｈ）」ほど供給されるようになっている。
【００４３】
この実施形態では、分離膜３を有する１段目及び２段目の分離膜モジュール１，２を使用してバイオガスからメタンを濃縮して回収するバイオガスのメタン濃縮方法を実施している。具体的には、バイオガスを１段目の分離膜モジュール１へ加圧供給し、１段目の分離膜モジュール１を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを圧縮し、冷却することにより、透過ガス中の二酸化炭素を液化して回収し、残った透過ガスをガスエンジン２６へ燃料として供給し利用する。１段目の分離膜モジュール１を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスを残圧により２段目の分離膜モジュール２へ供給し、２段目の分離膜モジュール２を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを１段目の分離膜モジュール１へ再循環させ、２段目の分離膜モジュール２を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスをメタン濃縮ガスとして回収するようにしている。
【００４４】
すなわち、図１の（ａ）に示す位置では、供給管４に「３０（Ｎｍ3／ｈ）」のバイオガスを供給する。このバイオガスを、第１の圧縮機５により「０.５〜０.９８（ＭＰａ）」程度まで圧縮して１段目の分離膜モジュール１へ供給する。そして、１段目の分離膜モジュール１にバイオガスを透過させることにより、バイオガスの中の成分を分離させる。
【００４５】
ここで、図１の（ｃ）に示す位置では、透過ガス管７に、１段目の分離膜モジュール１を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスが流れる。この透過ガスは、二酸化炭素が「８０（％）」以上を占め、残りは大部分がメタンであり、その他に微量の水素（Ｈ2）、酸素（０2）及び窒素（Ｎ2）を含む。一方、図１の（ｄ）に示す位置では、非透過ガス管８に、１段目の分離膜モジュール１を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスが流れる。この非透過ガスの性状は、メタンが「７０（％）」以上を占め、残りは大部分が二酸化炭素で、その他に微量の水素、酸素及び窒素を含む。
【００４６】
図１の（ｃ）に示す位置では、透過ガスが二酸化炭素を「８０（％）」以上含むため、燃料として利用し難く、また、そのまま１段目の分離膜モジュール１へ戻してリサイクルしようとすると、１段目の分離膜モジュール１の分離効率が極端に低下してしまう。そのため、従来技術では、透過ガスを廃棄していた。
【００４７】
そこで、この実施形態では、１段目の分離膜モジュール１を透過した透過ガスを第２の圧縮機９により再び圧縮し、冷却器１０により冷却することで、図１の（ｈ）に示す位置で、二酸化炭素を液化して回収するようにしている。これにより、図１の（ｉ）に示す位置では、透過ガス管７に、液化後の残りのガスが流れる。このガスの性状は、二酸化炭素が「４０〜６０（％）」を占め、メタンが「４０〜６０（％）」となる。このように、透過ガス中の二酸化炭素の濃度を「８０（％）」以上から「４０〜６０（％）」へ低下させることにより、１段目の分離膜モジュール１の分離効率を低下させることなく、１段目の分離膜モジュール１を透過した透過ガスをガスエンジン２６へ供給して燃料として利用することができる。更に、利用される透過ガスの圧力は、第２の圧縮機９により、第１の圧縮機５の圧力と同等以上に加圧される。そのため、この実施形態では、透過ガス管７に設けられた減圧弁１６により透過ガスを減圧した上でガスエンジン２６へ供給することができる。
【００４８】
ここで、二酸化炭素を液化して回収するとき、図１の（ｃ）に示す位置にて、透過ガスに水分が含まれる。この水分が、透過ガスの冷却温度の露点以上の割合で含まれると、冷却器１０による冷却時に透過ガスの中の水分が氷結して阻害要因となるおそれがある。そこで、この実施形態では、透過ガス管７を流れる透過ガスを冷却器１０により冷却する前に、除湿処理器１３により水分を除去するようにしている。
【００４９】
１段目の分離膜モジュール１を透過しなかった非透過ガスは、図１の（ｄ）に示す位置にて、非透過ガス管８に流れ、２段目の分離膜モジュール２へ供給される。そして、２段目の分離膜モジュール２では、１段目の分離膜モジュール１と同様、透過ガスと非透過ガスとに分けられる。このときの非透過ガスは、図１の（ｇ）に示す位置で、回収管１２に流れ、高濃縮された高純度のメタン濃縮ガス（製品ガス（精製メタン））として回収される。一方、２段目の分離膜モジュール２を透過した透過ガスは、図１の（ｆ）に示す位置で、再循環管１１に流れ、供給管４へ再循環する。この透過ガスの性状は、メタンが「約６０（％）」、二酸化炭素が「約４０（％）」となる。このため、１段目の分離膜モジュール１の分離効率を低下させることなく、透過ガスをリサイクルすることができる。この透過ガスは、大気圧状態となっているので、第１の圧縮機５の前段の供給管４へ戻すようにしている。
【００５０】
上記したように、この実施形態では、従来技術では廃棄していた１段目の分離膜モジュール１を透過した透過ガスを、ガスエンジン２６の燃料として利用することができる。また、回収管１２で回収されるメタン濃縮ガス（精製メタン）につき、メタンを「９８（％）」以上とすることができ、最終的なメタン回収率を向上させることができる。加えて、二酸化炭素を液化して回収できるので、バイオガス精製プロセスからの二酸化炭素の発生量を大幅に削減することができる。
【００５１】
以上説明したこの実施形態におけるバイオガスのメタン濃縮方法及びメタン濃縮装置によれば、バイオガスが供給管４に供給され、そのバイオガスが第１の圧縮機５により圧縮されることにより、１段目の分離膜モジュール１へは、加圧されたバイオガスが供給される。第１の分離膜モジュール１では、供給されたバイオガスの中の成分が分離される。そして、１段目の分離膜モジュール１を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスは、透過ガス管７へ流れ、１段目の分離膜モジュール１を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスは非透過ガス管８へと流れる。
【００５２】
透過ガス管７へ流れた透過ガスは、第２の圧縮機９により圧縮され、冷却器１０により冷却されることにより、透過ガス中の二酸化炭素が液化して回収される。また、メタンを含む残った透過ガスは、透過ガス管７及び減圧弁１６を介して減圧された状態でガスエンジン２６へ燃料として供給されて利用される。一方、１段目の分離膜モジュール１を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスは、その残圧により非透過ガス管８を介して２段目の分離膜モジュール２へ供給される。
【００５３】
２段目の分離膜モジュール２では、非透過ガスの中の成分が更に分離される。そして、２段目の分離膜モジュール２を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスは、再循環管１１を介して供給管４へ再循環され、再び１段目の分離膜モジュール１へ供給される。一方、２段目の分離膜モジュール２を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスは、回収管１２へ流れ、高濃縮された高純度のメタン濃縮ガス（製品ガス（精製メタン））として回収される。
【００５４】
従って、１段目の分離膜モジュール１を透過した透過ガスの中の二酸化炭素が、圧縮と冷却により液化回収されるので、残った透過ガスの中の二酸化炭素濃度が低下し、メタンを多く含むガスとしてガスエンジン２６へ供給されて燃料として利用される。これにより、メタン濃縮ガスが有効に得られると共に、従来は捨てていた１段目の分離膜モジュール１を透過した透過ガスがガスエンジン２６により有効に利用される。このため、バイオガスからメタンを高濃縮することができると共に、バイオガスに含まれるメタンをより一層有効に利用することができる。
【００５５】
この実施形態では、透過ガスに都市ガスを混合してガスエンジン２６で燃料として利用するようにしている。従って、透過ガスがより効率的に利用される。このため、透過ガスにつきより効率的にエネルギーを利用することができる。ここで、都市ガスの流量は一般にバルブ等により簡単に調整することができることから、透過ガスの発生量が不安定になった場合でも、都市ガスの流量を調整することで、ガスエンジン２６を安定的に動作させることができる。
【００５６】
この実施形態では、１段目の分離膜モジュール１による透過ガスの発生量は、例えば「約３.８（ｍ3／ｈ）」となり、都市ガスを、例えば「約５.６（ｍ3／ｈ）」だけ混合して利用することにより、「２５（ｋＷ）」のガスエンジン２６（発電効率：３０％、熱回収効率：５０％）を作動させることができる。そして、ガスエンジン２６で得られるエネルギー（電気、熱）で、メタン発酵槽２１等の設備で必要な電力量の「約５０％」以上と、熱量の全てを補うことができる計算となり、エネルギーバランスとしても釣り合いの取れたシステムとなる。
【００５７】
この実施形態では、１段目の分離膜モジュール１で残った透過ガスからガスエンジン２６により発生した電気や熱のエネルギーを、バイオガスを生成するためのメタン発酵槽２１等の設備のエネルギー源として利用する。従って、バイオガスを生成するために透過ガスに含まれるメタンが有効に利用される。このため、バイオガスに含まれるメタンをバイオガスを生成するために有効に利用することができる。換言すると、メタン発酵プロセスからバイオガス分離プロセスに至る全システムにおいて、高いエネルギー利用効率を達成することができる。
【００５８】
また、この実施形態では、１段目の分離膜モジュール１を透過した透過ガスが、透過ガス管７にて、冷却器１０により冷却される前に除湿処理器１３により除湿されるので、透過ガスから水分が除去され、水分を含まない透過ガスが冷却器１０での冷却に供される。このため、冷却器１０による冷却時に透過ガスの中の水分が氷結することを防止することができ、メタン濃縮のための阻害要因を排除することができる。
【００５９】
なお、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜に変更して実施することもできる。
【００６０】
例えば、前記実施形態では、除湿処理器１３を設けたが、場合によってはこれを省略することもできる。
【００６１】
前記実施形態では、本発明のガス利用機器としてガスエンジン２６を設けたが、ガスエンジン２６の代わりに、燃料電池やガスボイラー等の機器を設けることもできる。
【００６２】
前記実施形態では、透過ガスに都市ガスを混合してガスエンジン２６に供給して利用したが、透過ガスはそれ自体で比較的熱量があるため、そのままでも燃料として利用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
この発明は、バイオガスからメタンを濃縮して回収することによりメタンを有効利用するバイオガスシステムに利用することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１ １段目の分離膜モジュール
２ ２段目の分離膜モジュール
３ 分離膜
４ 供給管
５ 第１の圧縮機
７ 透過ガス管
８ 非透過ガス管
９ 第２の圧縮機
１０ 冷却器
１１ 再循環管
１２ 回収管
１３ 除湿処理器
２１ メタン発酵槽（バイオガスを生成するための設備）
２６ ガスエンジン（ガス利用機器、エネルギー発生機器）
【技術分野】
【０００１】
この発明は、メタンと二酸化炭素を主成分とするバイオガスからメタンを濃縮して回収するためのバイオガスのメタン濃縮方法及びメタン濃縮装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオガスの組成は、メタン（ＣＨ4）約６０％と、二酸化炭素（ＣＯ2）約４０％と、その他、硫化水素（Ｈ2Ｓ）１０００ｐｐｍ、微量の酸素（０2）、窒素（Ｎ2）及び水素（Ｈ2）とを含み、その発熱量は都市ガス（１３Ａ）の約半分である。このバイオガスを、例えば、天然ガス自動車（ＮＧＶ）の燃料として利用するためには、発熱量を高める必要がある。そのため、バイオガスを精製処理し、メタン以外の物質を除去してメタンの濃度を高める必要がある。
【０００３】
ここで、硫化水素は、脱硫剤により除去することができ、酸素は、酸化触媒により水素と燃焼させて除去することができる。一方、二酸化炭素の除去方法としては、主として、高圧水吸収法、ＰＳＡ法、膜分離法が挙げられる。膜分離処理においては、一段式の膜分離処理（分離膜を１度通過させるだけの処理）を行うだけでは、メタンの回収率は低くなってしまう。バイオガス中の二酸化炭素を、一段だけの分離膜に透過させて分離させるため、分離時間を長くする必要があり、その過程で二酸化炭素と同時に一部のメタンも透過してしまい、メタンの回収率が低くなってしまうためである。
【０００４】
そこで、下記の特許文献１には、二段式の膜分離処理を行う技術が記載されている。図２に示す装置は、直列に配置された前後２段の分離膜モジュール５１，５２を備える。分離膜を有する１段目の分離膜モジュール５１の入口には、バイオガスが供給される供給ガス管５３が接続され、この供給ガス管５３には、コンプレッサ５４が設けられる。この１段目の分離膜モジュール５１の透過側出口には、排気管５５が接続され、この排気管５５には、真空ポンプ等の減圧ポンプ５６が設けられる。１段目の分離膜モジュール５１の非透過側出口には、非透過ガス管５７の一端が接続される。この非透過ガス管５７の他端は、分離膜を有する２段目の分離膜モジュール５２の入口に接続される。この２段目の分離膜モジュール５２の透過側出口には、リサイクル管５８の一端が接続される。このリサイクル管５８の他端は、コンプレッサ５４よりも上流の供給ガス管５３に接続される。２段目の分離膜モジュール５２の非透過側出口には、製品ガス管５９が接続される。
【０００５】
上記装置において、供給ガス管５３には、たとえばメタン濃度６０％のバイオガス（脱硫後）が供給される。このガスは、リサイクル管５８から合流するガスと共にコンプレッサ５４により加圧されて１段目の分離膜モジュール５１に供給される。この１段目の分離膜モジュール５１では、透過側が減圧ポンプ５６により減圧されるため、二酸化炭素が効率的に除去され、排気される。１段目の分離膜モジュール５１の非透過側で、メタンが濃縮されたガスが、非透過ガス管５７を介して２段目の分離膜モジュール５２に供給され、その非透過側においてさらにメタンが濃縮される。２段目の分離膜モジュール５２の透過側は、好ましくは大気圧とされるが、２段目の分離膜モジュール５２への供給ガス量の２０〜４０％がリサイクル管５８を介して供給ガス管５３へリサイクルされる。すなわち、この２段目の分離膜モジュール５２のリサイクルオフガス（透過ガス）に残存するメタンがそのまま排気されることなく、再濃縮のためにリサイクルされる。その結果、１段目の分離膜モジュール５１の非透過側出口におけるメタン濃度は７５〜８５％となり、２段目の分離膜モジュール５２の非透過側出口における製品ガスのメタン濃度は９０％以上となる。また、メタン回収率は、８５％以上となる。
【０００６】
すなわち、上記装置の構成によれば、１段目の分離膜モジュール５１により、短時間で二酸化炭素を分離させ、２段目の分離膜モジュール５２により、残りの二酸化炭素を分離させることで、メタンの透過ロスを少なくしている。さらに、２段目の分離膜モジュール５２により、分離した透過ガス（メタンが数１０％含まれる）をリサイクルすることで、メタンの回収率を向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−１２４５１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、特許文献１に記載の装置では、１段目の分離膜モジュール５１における廃棄オフガス（透過ガス）については、二酸化炭素の濃度が高く、リサイクル（プロセス内再循環）するとメタンの回収率が極端に低下してしまう。そのため、１段目の分離膜モジュール５１では、２段目の分離膜モジュール５２におけるリサイクルオフガス（透過ガス）のようにはリサイクルせずに廃棄している。その結果、１段目の分離膜モジュール５１を透過した透過ガスの中に含まれるメタン（全体のメタンの「１５％」程度）が無駄に廃棄されることとなる。このため、バイオガスに含まれるメタンを更に有効利用することが求められている。
【０００９】
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、バイオガスからメタンを高濃縮すると共に、バイオガスに含まれるメタンをより一層有効利用することを可能としたバイオガスのメタン濃縮方法及びメタン濃縮装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、分離膜を使用してバイオガスからメタンを濃縮して回収するバイオガスのメタン濃縮方法であって、バイオガスを１段目の分離膜へ加圧供給し、１段目の分離膜を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを圧縮し、冷却することにより、透過ガス中の二酸化炭素を液化して回収し、残った透過ガスをガス利用機器へ供給して利用し、１段目の分離膜を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスを残圧により２段目の分離膜へ供給し、２段目の分離膜を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを１段目の分離膜へ再循環させ、２段目の分離膜を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスをメタン濃縮ガスとして回収することを趣旨とする。
【００１１】
上記発明の構成によれば、バイオガスが１段目の分離膜へ加圧供給されることにより、その分離膜でバイオガスの中の成分が分離される。そして、１段目の分離膜を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスが圧縮され、冷却されることにより、透過ガス中の二酸化炭素が液化して回収される。また、メタンを含む残った透過ガスは、ガス利用機器へ供給されて利用される。一方、１段目の分離膜を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスは、その残圧により２段目の分離膜へ供給されることにより、その分離膜で非透過ガスの中の成分が更に分離される。そして、２段目の分離膜を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスは、１段目の分離膜へ再循環される。また、２段目の分離膜を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスは、メタン濃縮ガスとして回収される。従って、１段目の分離膜を透過した透過ガスの中の二酸化炭素が圧縮と冷却により液化回収されるので、残った透過ガスの中の二酸化炭素濃度が低下し、メタンを多く含むガスとしてガス利用機器により利用される。これにより、メタン濃縮ガスが有効に得られると共に、従来は捨てていた１段目の分離膜を透過した透過ガスがガス利用機器により有効に利用される。
【００１２】
上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、ガス利用機器は、残った透過ガスからエネルギーを発生させるエネルギー発生機器であり、エネルギー発生機器により発生したエネルギーを、バイオガスを生成するための設備のエネルギー源として利用することを趣旨とする。
【００１３】
上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、残った透過ガスからエネルギー発生機器により発生したエネルギーを、バイオガスを生成するための設備のエネルギー源として利用するので、バイオガスを生成するために透過ガスに含まれるメタンが有効に利用される。
【００１４】
上記目的を達成するために、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、残った透過ガスをガス利用機器に供給して利用するときに、透過ガスに都市ガスを混合することを趣旨とする。
【００１５】
上記発明の構成によれば、請求項１又は２に記載の発明の作用に加え、透過ガスに都市ガスを混合するので、透過ガスがより効率的に利用される。
【００１６】
上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の発明であって、１段目の分離膜を透過した透過ガスを冷却する前に除湿することを趣旨とする。
【００１７】
上記発明の構成によれば、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の作用に加え、１段目の分離膜を透過した透過ガスが、冷却される前に除湿されるので、透過ガスから水分が除去され、水分を含まない透過ガスが冷却に供される。
【００１８】
上記目的を達成するために、請求項５に記載の発明は、分離膜を使用してバイオガスからメタンを濃縮して回収するバイオガスのメタン濃縮装置であって、バイオガスが供給される供給管と、供給管に接続された１段目の分離膜モジュールと、供給管に設けられた第１の圧縮機と、１段目の分離膜モジュールを透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを外部へ導く透過ガス管と、透過ガス管から外部へ導かれる透過ガスを利用するためのガス利用機器と、１段目の分離膜モジュールを透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスが流れる非透過ガス管と、透過ガス管に上流側から順次直列に設けられた第２の圧縮機及び冷却器と、非透過ガス管に接続された２段目の分離膜モジュールと、２段目の分離膜モジュールを透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを供給管へ再循環させる再循環管と、２段目の分離膜モジュールを透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスをメタン濃縮ガスとして回収する回収管とを備えたことを趣旨とする。
【００１９】
上記発明の構成によれば、バイオガスが供給管に供給され、そのバイオガスが第１の圧縮機により圧縮されることにより、１段目の分離膜モジュールへは、加圧されたバイオガスが供給される。第１の分離膜モジュールでは、供給されたバイオガスの中の成分が分離される。そして、１段目の分離膜モジュールを透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスは透過ガス管へと流れ、１段目の分離膜モジュールを透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスは非透過ガス管へと流れる。透過ガス管へ流れた透過ガスは、第２の圧縮機により圧縮され、冷却器により冷却されることにより、透過ガス中の二酸化炭素が液化して回収される。また、メタンを含む残った透過ガスは、透過ガス管を更に流れて外部へ導かれ、ガス利用機器により利用される。一方、１段目の分離膜モジュールを透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスは、その残圧により非透過ガス管を介して２段目の分離膜モジュールへ供給される。２段目の分離膜モジュールでは、非透過ガスの中の成分が更に分離される。そして、２段目の分離膜モジュールを透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスは、再循環管を介して供給管へ再循環され、再び１段目の分離膜モジュールへ供給される。一方、２段目の分離膜モジュールを透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスは、回収管へ流れ、メタン濃縮ガスとして回収される。従って、１段目の分離膜モジュールを透過した透過ガスの中の二酸化炭素が圧縮と冷却により液化回収されるので、残った透過ガスの中の二酸化炭素濃度が低下し、メタンを多く含む透過ガスとしてガス利用機器に利用される。これにより、メタン濃縮ガスが有効に得られると共に、従来は捨てていた１段目の分離膜モジュールを透過した透過ガスがガス利用機器により有効に利用される。
【００２０】
上記目的を達成するために、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、ガス利用機器は、外部へ導かれた透過ガスからエネルギーを発生させるエネルギー発生機器であり、エネルギー発生機器により発生したエネルギーを、バイオガスを生成するための設備のエネルギー源として利用することを趣旨とする。
【００２１】
上記発明の構成によれば、請求項５に記載の発明の作用に加え、残った透過ガスからエネルギー発生機器により発生したエネルギーを、バイオガスを生成するための設備のエネルギー源として利用するので、バイオガスを生成するために透過ガスに含まれるメタンが有効に利用される。
【００２２】
上記目的を達成するために、請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の発明において、透過ガスをガス利用機器により利用するときに、透過ガスに都市ガスを混合することを趣旨とする。
【００２３】
上記発明の構成によれば、請求項５又は６に記載の発明の作用に加え、透過ガスに都市ガスを混合するので、透過ガスがより効率的に利用される。
【００２４】
上記目的を達成するために、請求項８に記載の発明は、請求項５乃至７の何れかに記載の発明であって、１段目の分離膜モジュールと第２の圧縮機との間にて透過ガス管に除湿処理器を設けたことを趣旨とする。
【００２５】
上記発明の構成によれば、請求項５乃至７の何れかに記載の発明の作用に加え、１段目の分離膜モジュールを透過した透過ガスが、透過ガス管にて、冷却器により冷却される前に除湿処理器により除湿されるので、透過ガスから水分が除去され、水分を含まない透過ガスが冷却器での冷却に供される。
【発明の効果】
【００２６】
請求項１に記載の発明によれば、バイオガスからメタンを高濃縮することができると共に、バイオガスに含まれるメタンをより一層有効に利用することができる。
【００２７】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、バイオガスに含まれるメタンをバイオガスを生成するために有効に利用することができる。
【００２８】
請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の発明の効果に加え、透過ガスにつきより効率的にエネルギーを利用することができる。
【００２９】
請求項４に記載の発明によれば、請求項１乃至３の何れかに記載の発明の効果に加え、冷却器による冷却時に透過ガスの中の水分が氷結することを防止することができ、メタン濃縮のための阻害要因を排除することができる。
【００３０】
請求項５に記載の発明によれば、バイオガスからメタンを高濃縮することができると共に、バイオガスに含まれるメタンをより一層有効に利用することができる。
【００３１】
請求項６に記載の発明によれば、請求項５に記載の発明の効果に加え、バイオガスに含まれるメタンをバイオガスを生成するために有効に利用することができる。
【００３２】
請求項７に記載の発明によれば、請求項５又は６に記載の発明の効果に加え、透過ガスにつきより効率的にエネルギーを利用することができる。
【００３３】
請求項８に記載の発明によれば、請求項５乃至７の何れかに記載の発明の効果に加え、冷却器による冷却時に透過ガスの中の水分が氷結することを防止することができ、メタン濃縮のための阻害要因を排除することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】一実施形態に係り、メタン濃縮装置を示す概略構成図。
【図２】従来技術に係り、メタン濃縮装置を示す概略構成図。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
以下、本発明におけるバイオガスのメタン濃縮方法及びメタン濃縮装置を具体化した一実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
【００３６】
図１に、この実施形態のメタン濃縮装置を概略構成図により示す。図１に示すように、このメタン濃縮装置は、分離膜を使用してバイオガスからメタン（ＣＨ4）を濃縮して回収するものであり、直列に配置された前後２段の分離膜モジュール１，２を備える。１段目の分離膜モジュール１と２段目の分離膜モジュール２は、それぞれケースの内部に分離膜３を収容して構成される。分離膜３として、例えば、ポリアミド、ポリイミド、ゼオライト等、メタンを透過し難く、二酸化炭素を透過し易い分離膜であれば、種類を限定することなく、いずれであっても使用することができる。分離膜３は、それにバイオガスを透過させることにより、二酸化炭素（ＣＯ2）を多く含む透過ガスと、分離膜を透過しなかったメタン（ＣＨ4）を多く含む非透過ガスとに分離することができる。
【００３７】
１段目の分離膜モジュール１の入口側には、バイオガスが供給される供給管４が接続される。この供給管４の上流部には、メタン発酵槽２１、脱硫塔２２及びガスホルダー２３が順次直列に設けられる。メタン発酵槽２１は、各種のバイオマス（例えば、食品系廃棄物）を投入することにより、メタンを発酵させると共に二酸化炭素等を発生させるようになっている。そして、メタンと二酸化炭素塔を含むバイオガスがメタン発酵槽２１から供給管４へ流れる。供給管４に流れたバイオガスは、脱硫塔２２を通る過程で硫化成分が除去される。硫化成分が除去されたバイオガスは、ガスホルダー２３に一旦溜められ、ガスホルダー２３から供給管４の下流部へ流れるようになっている。上記したメタン発酵槽２１は、本発明のバイオガスを発生するための設備に相当し、所定の撹拌機、送液ポンプ及び熱交換器等の各種機器（図示略）を備える。これら撹拌機及び送液ポンプ等は電気の供給を受けて作動し、熱交換器は熱の供給を受けて機能する。
【００３８】
一方、供給管４の下流部には、第１の圧縮機５が設けられる。１段目の分離膜モジュール１の出口側には、透過ガス管７が接続される。また、１段目の分離膜モジュール１の出口側には、その分離膜モジュール１を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスが流れる非透過ガス管８が接続される。透過ガス管７は、１段目の分離膜モジュール１を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガス（オフガス）を外部へ導くようになっている。この透過ガス管７の一端は、外部に設けられたガスエンジン２６に接続される。ガスエンジン２６は、透過ガス管７から外部へ導かれる透過ガスを利用する本発明のガス利用機器に相当すると共に、透過ガスからエネルギーを発生させるエネルギー発生機器に相当する。ガスエンジン２６は、供給される透過ガスをガスエンジン２６で燃料として利用するときに、その透過ガスに都市ガスを補助的に混合するように構成される。ガスエンジン２６は、混合された透過ガスと都市ガスを燃料として燃焼させることにより作動し、エネルギーである電気と熱を発生させるようになっている。これら電気と熱は、メタン発酵槽２１に設けられた各種機器へエネルギー源として供給されるようになっている。
【００３９】
ここで、ガスエンジン２６については、より効率的なエネルギー利用の観点から、透過ガスに都市ガスを混合して利用しているが、透過ガスを単独で利用することもできる。この実施形態では、上記したように透過ガスをガスエンジン２６で電気と熱のエネルギーに変換してバイオガス発酵に利用することにより、メタン発酵プロセスからバイオガス分離プロセスに至る全体において高いエネルギー利用効率を達成することができる。
【００４０】
透過ガス管７には、二酸化炭素を回収するために、上流側から順次直列に第２の圧縮機９及び冷却器１０が設けられる。１段目の分離膜モジュール１と第２の圧縮機９との間にて、透過ガス管７には、除湿処理器１３が設けられる。また、冷却器１０より下流の透過ガス管７には、透過ガスを減圧するための減圧弁１６が設けられる。また、非透過ガス管８の一端は、２段目の分離膜モジュール２の入口側に接続される。２段目の分離膜モジュール２の出口側には、再循環管１１が接続される。この再循環管１１は、２段目の分離膜モジュール２を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを供給管４へ再循環させるようになっている。この再循環管１１の一端は、第１の圧縮機５の上流側にて供給管４に接続される。２段目の分離膜モジュール２の出口側には、その分離膜モジュール２を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスをメタン濃縮ガス（精製メタン）として回収する回収管１２が接続される。
【００４１】
この実施形態で、第１の圧縮機５によるガスの供給圧力は、好ましくは「０.５〜０.９８（ＭＰａ）」に設定される。第２の圧縮機９によるガスの供給圧力は、好ましくは「０.９〜３（ＭＰａ）」に設定される。冷却器１０の冷却温度は、好ましくは「−
２０〜−５０（℃）」に設定される。
【００４２】
次に、上記したメタン濃縮装置を使用して行われるメタン濃縮方法の一例について説明する。この実施形態では、供給管４に脱硫と脱水がなされたバイオガスが「３０（Ｎｍ3／ｈ）」ほど供給されるようになっている。
【００４３】
この実施形態では、分離膜３を有する１段目及び２段目の分離膜モジュール１，２を使用してバイオガスからメタンを濃縮して回収するバイオガスのメタン濃縮方法を実施している。具体的には、バイオガスを１段目の分離膜モジュール１へ加圧供給し、１段目の分離膜モジュール１を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを圧縮し、冷却することにより、透過ガス中の二酸化炭素を液化して回収し、残った透過ガスをガスエンジン２６へ燃料として供給し利用する。１段目の分離膜モジュール１を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスを残圧により２段目の分離膜モジュール２へ供給し、２段目の分離膜モジュール２を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを１段目の分離膜モジュール１へ再循環させ、２段目の分離膜モジュール２を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスをメタン濃縮ガスとして回収するようにしている。
【００４４】
すなわち、図１の（ａ）に示す位置では、供給管４に「３０（Ｎｍ3／ｈ）」のバイオガスを供給する。このバイオガスを、第１の圧縮機５により「０.５〜０.９８（ＭＰａ）」程度まで圧縮して１段目の分離膜モジュール１へ供給する。そして、１段目の分離膜モジュール１にバイオガスを透過させることにより、バイオガスの中の成分を分離させる。
【００４５】
ここで、図１の（ｃ）に示す位置では、透過ガス管７に、１段目の分離膜モジュール１を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスが流れる。この透過ガスは、二酸化炭素が「８０（％）」以上を占め、残りは大部分がメタンであり、その他に微量の水素（Ｈ2）、酸素（０2）及び窒素（Ｎ2）を含む。一方、図１の（ｄ）に示す位置では、非透過ガス管８に、１段目の分離膜モジュール１を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスが流れる。この非透過ガスの性状は、メタンが「７０（％）」以上を占め、残りは大部分が二酸化炭素で、その他に微量の水素、酸素及び窒素を含む。
【００４６】
図１の（ｃ）に示す位置では、透過ガスが二酸化炭素を「８０（％）」以上含むため、燃料として利用し難く、また、そのまま１段目の分離膜モジュール１へ戻してリサイクルしようとすると、１段目の分離膜モジュール１の分離効率が極端に低下してしまう。そのため、従来技術では、透過ガスを廃棄していた。
【００４７】
そこで、この実施形態では、１段目の分離膜モジュール１を透過した透過ガスを第２の圧縮機９により再び圧縮し、冷却器１０により冷却することで、図１の（ｈ）に示す位置で、二酸化炭素を液化して回収するようにしている。これにより、図１の（ｉ）に示す位置では、透過ガス管７に、液化後の残りのガスが流れる。このガスの性状は、二酸化炭素が「４０〜６０（％）」を占め、メタンが「４０〜６０（％）」となる。このように、透過ガス中の二酸化炭素の濃度を「８０（％）」以上から「４０〜６０（％）」へ低下させることにより、１段目の分離膜モジュール１の分離効率を低下させることなく、１段目の分離膜モジュール１を透過した透過ガスをガスエンジン２６へ供給して燃料として利用することができる。更に、利用される透過ガスの圧力は、第２の圧縮機９により、第１の圧縮機５の圧力と同等以上に加圧される。そのため、この実施形態では、透過ガス管７に設けられた減圧弁１６により透過ガスを減圧した上でガスエンジン２６へ供給することができる。
【００４８】
ここで、二酸化炭素を液化して回収するとき、図１の（ｃ）に示す位置にて、透過ガスに水分が含まれる。この水分が、透過ガスの冷却温度の露点以上の割合で含まれると、冷却器１０による冷却時に透過ガスの中の水分が氷結して阻害要因となるおそれがある。そこで、この実施形態では、透過ガス管７を流れる透過ガスを冷却器１０により冷却する前に、除湿処理器１３により水分を除去するようにしている。
【００４９】
１段目の分離膜モジュール１を透過しなかった非透過ガスは、図１の（ｄ）に示す位置にて、非透過ガス管８に流れ、２段目の分離膜モジュール２へ供給される。そして、２段目の分離膜モジュール２では、１段目の分離膜モジュール１と同様、透過ガスと非透過ガスとに分けられる。このときの非透過ガスは、図１の（ｇ）に示す位置で、回収管１２に流れ、高濃縮された高純度のメタン濃縮ガス（製品ガス（精製メタン））として回収される。一方、２段目の分離膜モジュール２を透過した透過ガスは、図１の（ｆ）に示す位置で、再循環管１１に流れ、供給管４へ再循環する。この透過ガスの性状は、メタンが「約６０（％）」、二酸化炭素が「約４０（％）」となる。このため、１段目の分離膜モジュール１の分離効率を低下させることなく、透過ガスをリサイクルすることができる。この透過ガスは、大気圧状態となっているので、第１の圧縮機５の前段の供給管４へ戻すようにしている。
【００５０】
上記したように、この実施形態では、従来技術では廃棄していた１段目の分離膜モジュール１を透過した透過ガスを、ガスエンジン２６の燃料として利用することができる。また、回収管１２で回収されるメタン濃縮ガス（精製メタン）につき、メタンを「９８（％）」以上とすることができ、最終的なメタン回収率を向上させることができる。加えて、二酸化炭素を液化して回収できるので、バイオガス精製プロセスからの二酸化炭素の発生量を大幅に削減することができる。
【００５１】
以上説明したこの実施形態におけるバイオガスのメタン濃縮方法及びメタン濃縮装置によれば、バイオガスが供給管４に供給され、そのバイオガスが第１の圧縮機５により圧縮されることにより、１段目の分離膜モジュール１へは、加圧されたバイオガスが供給される。第１の分離膜モジュール１では、供給されたバイオガスの中の成分が分離される。そして、１段目の分離膜モジュール１を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスは、透過ガス管７へ流れ、１段目の分離膜モジュール１を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスは非透過ガス管８へと流れる。
【００５２】
透過ガス管７へ流れた透過ガスは、第２の圧縮機９により圧縮され、冷却器１０により冷却されることにより、透過ガス中の二酸化炭素が液化して回収される。また、メタンを含む残った透過ガスは、透過ガス管７及び減圧弁１６を介して減圧された状態でガスエンジン２６へ燃料として供給されて利用される。一方、１段目の分離膜モジュール１を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスは、その残圧により非透過ガス管８を介して２段目の分離膜モジュール２へ供給される。
【００５３】
２段目の分離膜モジュール２では、非透過ガスの中の成分が更に分離される。そして、２段目の分離膜モジュール２を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスは、再循環管１１を介して供給管４へ再循環され、再び１段目の分離膜モジュール１へ供給される。一方、２段目の分離膜モジュール２を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスは、回収管１２へ流れ、高濃縮された高純度のメタン濃縮ガス（製品ガス（精製メタン））として回収される。
【００５４】
従って、１段目の分離膜モジュール１を透過した透過ガスの中の二酸化炭素が、圧縮と冷却により液化回収されるので、残った透過ガスの中の二酸化炭素濃度が低下し、メタンを多く含むガスとしてガスエンジン２６へ供給されて燃料として利用される。これにより、メタン濃縮ガスが有効に得られると共に、従来は捨てていた１段目の分離膜モジュール１を透過した透過ガスがガスエンジン２６により有効に利用される。このため、バイオガスからメタンを高濃縮することができると共に、バイオガスに含まれるメタンをより一層有効に利用することができる。
【００５５】
この実施形態では、透過ガスに都市ガスを混合してガスエンジン２６で燃料として利用するようにしている。従って、透過ガスがより効率的に利用される。このため、透過ガスにつきより効率的にエネルギーを利用することができる。ここで、都市ガスの流量は一般にバルブ等により簡単に調整することができることから、透過ガスの発生量が不安定になった場合でも、都市ガスの流量を調整することで、ガスエンジン２６を安定的に動作させることができる。
【００５６】
この実施形態では、１段目の分離膜モジュール１による透過ガスの発生量は、例えば「約３.８（ｍ3／ｈ）」となり、都市ガスを、例えば「約５.６（ｍ3／ｈ）」だけ混合して利用することにより、「２５（ｋＷ）」のガスエンジン２６（発電効率：３０％、熱回収効率：５０％）を作動させることができる。そして、ガスエンジン２６で得られるエネルギー（電気、熱）で、メタン発酵槽２１等の設備で必要な電力量の「約５０％」以上と、熱量の全てを補うことができる計算となり、エネルギーバランスとしても釣り合いの取れたシステムとなる。
【００５７】
この実施形態では、１段目の分離膜モジュール１で残った透過ガスからガスエンジン２６により発生した電気や熱のエネルギーを、バイオガスを生成するためのメタン発酵槽２１等の設備のエネルギー源として利用する。従って、バイオガスを生成するために透過ガスに含まれるメタンが有効に利用される。このため、バイオガスに含まれるメタンをバイオガスを生成するために有効に利用することができる。換言すると、メタン発酵プロセスからバイオガス分離プロセスに至る全システムにおいて、高いエネルギー利用効率を達成することができる。
【００５８】
また、この実施形態では、１段目の分離膜モジュール１を透過した透過ガスが、透過ガス管７にて、冷却器１０により冷却される前に除湿処理器１３により除湿されるので、透過ガスから水分が除去され、水分を含まない透過ガスが冷却器１０での冷却に供される。このため、冷却器１０による冷却時に透過ガスの中の水分が氷結することを防止することができ、メタン濃縮のための阻害要因を排除することができる。
【００５９】
なお、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜に変更して実施することもできる。
【００６０】
例えば、前記実施形態では、除湿処理器１３を設けたが、場合によってはこれを省略することもできる。
【００６１】
前記実施形態では、本発明のガス利用機器としてガスエンジン２６を設けたが、ガスエンジン２６の代わりに、燃料電池やガスボイラー等の機器を設けることもできる。
【００６２】
前記実施形態では、透過ガスに都市ガスを混合してガスエンジン２６に供給して利用したが、透過ガスはそれ自体で比較的熱量があるため、そのままでも燃料として利用することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
この発明は、バイオガスからメタンを濃縮して回収することによりメタンを有効利用するバイオガスシステムに利用することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１ １段目の分離膜モジュール
２ ２段目の分離膜モジュール
３ 分離膜
４ 供給管
５ 第１の圧縮機
７ 透過ガス管
８ 非透過ガス管
９ 第２の圧縮機
１０ 冷却器
１１ 再循環管
１２ 回収管
１３ 除湿処理器
２１ メタン発酵槽（バイオガスを生成するための設備）
２６ ガスエンジン（ガス利用機器、エネルギー発生機器）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分離膜を使用してバイオガスからメタンを濃縮して回収するバイオガスのメタン濃縮方法であって、
前記バイオガスを１段目の分離膜へ加圧供給し、
前記１段目の分離膜を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを圧縮し、冷却することにより、前記透過ガス中の二酸化炭素を液化して回収し、残った透過ガスをガス利用機器へ供給して利用し、
前記１段目の分離膜を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスを残圧により２段目の分離膜へ供給し、
前記２段目の分離膜を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを前記１段目の分離膜へ再循環させ、
前記２段目の分離膜を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスをメタン濃縮ガスとして回収することを特徴とするバイオガスのメタン濃縮方法。
【請求項２】
前記ガス利用機器は、前記残った透過ガスからエネルギーを発生させるエネルギー発生機器であり、前記エネルギー発生機器により発生したエネルギーを、前記バイオガスを生成するための設備のエネルギー源として利用することを特徴とする請求項１に記載のバイオガスのメタン濃縮方法。
【請求項３】
前記残った透過ガスを前記ガス利用機器に供給して利用するときに、前記透過ガスに都市ガスを混合することを特徴とする請求項１又は２に記載のバイオガスのメタン濃縮方法。
【請求項４】
前記１段目の分離膜を透過した透過ガスを冷却する前に除湿することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のバイオガスのメタン濃縮方法。
【請求項５】
分離膜を使用してバイオガスからメタンを濃縮して回収するバイオガスのメタン濃縮装置であって、
バイオガスが供給される供給管と、
前記供給管に接続された１段目の分離膜モジュールと、
前記供給管に設けられた第１の圧縮機と、
前記１段目の分離膜モジュールを透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを外部へ導く透過ガス管と、
前記透過ガス管から外部へ導かれる透過ガスを利用するためのガス利用機器と、
前記１段目の分離膜モジュールを透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスが流れる非透過ガス管と、
前記透過ガス管に上流側から順次直列に設けられた第２の圧縮機及び冷却器と、
前記非透過ガス管に接続された２段目の分離膜モジュールと、
前記２段目の分離膜モジュールを透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを前記供給管へ再循環させる再循環管と、
前記２段目の分離膜モジュールを透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスをメタン濃縮ガスとして回収する回収管と
を備えたことを特徴とするバイオガスのメタン濃縮装置。
【請求項６】
前記ガス利用機器は、前記外部へ導かれた透過ガスからエネルギーを発生させるエネルギー発生機器であり、前記エネルギー発生機器により発生したエネルギーを、前記バイオガスを生成するための設備のエネルギー源として利用することを特徴とする請求項４に記載のバイオガスのメタン濃縮装置。
【請求項７】
前記透過ガスを前記ガス利用機器により利用するときに、前記透過ガスに都市ガスを混合することを特徴とする請求項５又は６に記載のバイオガスのメタン濃縮装置。
【請求項８】
前記１段目の分離膜モジュールと前記第２の圧縮機との間にて前記透過ガス管に除湿処理器を設けたことを特徴とする請求項５乃至７の何れかに記載のバイオガスのメタン濃縮装置。
【請求項１】
分離膜を使用してバイオガスからメタンを濃縮して回収するバイオガスのメタン濃縮方法であって、
前記バイオガスを１段目の分離膜へ加圧供給し、
前記１段目の分離膜を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを圧縮し、冷却することにより、前記透過ガス中の二酸化炭素を液化して回収し、残った透過ガスをガス利用機器へ供給して利用し、
前記１段目の分離膜を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスを残圧により２段目の分離膜へ供給し、
前記２段目の分離膜を透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを前記１段目の分離膜へ再循環させ、
前記２段目の分離膜を透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスをメタン濃縮ガスとして回収することを特徴とするバイオガスのメタン濃縮方法。
【請求項２】
前記ガス利用機器は、前記残った透過ガスからエネルギーを発生させるエネルギー発生機器であり、前記エネルギー発生機器により発生したエネルギーを、前記バイオガスを生成するための設備のエネルギー源として利用することを特徴とする請求項１に記載のバイオガスのメタン濃縮方法。
【請求項３】
前記残った透過ガスを前記ガス利用機器に供給して利用するときに、前記透過ガスに都市ガスを混合することを特徴とする請求項１又は２に記載のバイオガスのメタン濃縮方法。
【請求項４】
前記１段目の分離膜を透過した透過ガスを冷却する前に除湿することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のバイオガスのメタン濃縮方法。
【請求項５】
分離膜を使用してバイオガスからメタンを濃縮して回収するバイオガスのメタン濃縮装置であって、
バイオガスが供給される供給管と、
前記供給管に接続された１段目の分離膜モジュールと、
前記供給管に設けられた第１の圧縮機と、
前記１段目の分離膜モジュールを透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを外部へ導く透過ガス管と、
前記透過ガス管から外部へ導かれる透過ガスを利用するためのガス利用機器と、
前記１段目の分離膜モジュールを透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスが流れる非透過ガス管と、
前記透過ガス管に上流側から順次直列に設けられた第２の圧縮機及び冷却器と、
前記非透過ガス管に接続された２段目の分離膜モジュールと、
前記２段目の分離膜モジュールを透過した二酸化炭素を多く含む透過ガスを前記供給管へ再循環させる再循環管と、
前記２段目の分離膜モジュールを透過しなかったメタンを多く含む非透過ガスをメタン濃縮ガスとして回収する回収管と
を備えたことを特徴とするバイオガスのメタン濃縮装置。
【請求項６】
前記ガス利用機器は、前記外部へ導かれた透過ガスからエネルギーを発生させるエネルギー発生機器であり、前記エネルギー発生機器により発生したエネルギーを、前記バイオガスを生成するための設備のエネルギー源として利用することを特徴とする請求項４に記載のバイオガスのメタン濃縮装置。
【請求項７】
前記透過ガスを前記ガス利用機器により利用するときに、前記透過ガスに都市ガスを混合することを特徴とする請求項５又は６に記載のバイオガスのメタン濃縮装置。
【請求項８】
前記１段目の分離膜モジュールと前記第２の圧縮機との間にて前記透過ガス管に除湿処理器を設けたことを特徴とする請求項５乃至７の何れかに記載のバイオガスのメタン濃縮装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１３−９５７２７（Ｐ２０１３−９５７２７Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４１７５８（Ｐ２０１１−２４１７５８）
【出願日】平成２３年１１月３日（２０１１．１１．３）
【出願人】（０００２２１８３４）東邦瓦斯株式会社 (440)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月３日（２０１１．１１．３）
【出願人】（０００２２１８３４）東邦瓦斯株式会社 (440)
【Ｆターム（参考）】
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