メタンガス精製装置
【課題】バイオガスから高濃度の濃縮メタンを得ることができるメタンガス精製装置を提供することを課題とする。
【解決手段】バイオガス中に含まれるメタンガスを精製するメタンガス精製装置であって、バイオガスを冷却部３に通すことで冷却し、バイオガス中の二酸化炭素を始めとする不純物を殆ど固化させ、次いで、この冷却部３からのバイオガス中の固化不純物を固気分離膜４に捕集して確実に除去し、バイオガスから高濃度の濃縮メタンを得ることができるメタンガス精製装置１００を提供する。
【解決手段】バイオガス中に含まれるメタンガスを精製するメタンガス精製装置であって、バイオガスを冷却部３に通すことで冷却し、バイオガス中の二酸化炭素を始めとする不純物を殆ど固化させ、次いで、この冷却部３からのバイオガス中の固化不純物を固気分離膜４に捕集して確実に除去し、バイオガスから高濃度の濃縮メタンを得ることができるメタンガス精製装置１００を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオガス中に含まれるメタンガスを精製するメタンガス精製装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、バイオマスエネルギーとしてバイオガスが注目されている。このバイオガスの一般的な組成は、メタンが約６０％、二酸化炭素が約４０％、水素、窒素、酸素等がそれぞれ１％程度であり、その他、シロキサン、硫化水素、炭化水素等を微量含んでいる。ここで、バイオガスを使用する上での問題点として以下の点が挙げられる。すなわち、（１）ガス組成が安定しない、（２）メタン濃度が低いため、天然ガスやプロパンガスに比して発熱量が低く、汎用性に乏しい、（３）シロキサン等の有害物質を含む、等である。このような問題点を解決するためには、メタン以外の不純物を除去することによって、より安定した品質で熱量の高いガスを作ることが必要である。
【０００３】
ここで、バイオガスを精製する方法としては、吸着法、吸収法、膜分離法等の技術が単独又は組み合わされて用いられている。しかしながら、吸着法にあっては、吸着剤の交換が必要となるため、手間とコストがかかり、吸収法にあっては、多量の水を使うため、排水処理にコストがかかり、膜分離法にあっては、膜の交換が必要となるため、手間とコストがかかると共に、オフガスが発生するため、メタンガスの回収率が悪い。
【０００４】
そこで、以下の特許文献１には、バイオガスを加圧し冷却することによって、不純物ガスを凝縮させ液化させて除去し精製メタンを得る方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００９−５０４８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、液化二酸化炭素として除去する除去率が然程高くなく、従って、メタンを最大９０モル％まで含むメタンガスしか得ることができず、ガス会社等へ売却するにあっては低いメタン精製率である。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、バイオガスから高濃度の濃縮メタンを得ることができるメタンガス精製装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によるメタンガス精製装置は、バイオガス中に含まれるメタンガスを精製するメタンガス精製装置において、バイオガスを冷却し不純物を固化する冷却部と、冷却部からのバイオガスから固形分を除去する固気分離膜と、を備えたことを特徴としている。
【０００９】
このようなメタンガス精製装置によれば、バイオガスが冷却部により冷却され、バイオガス中の二酸化炭素を始めとする不純物が殆ど固化され、この冷却部からのバイオガス中の固化不純物が固気分離膜に捕集されて確実に除去される。従って、バイオガスから高濃度の濃縮メタンを得ることができる。
【００１０】
ここで、冷却部と固気分離膜の組が２組直列に接続され、上流側の第１の冷却部の温度は、不純物であるシロキサンを固化する温度に設定され、下流側の第２の冷却部の温度は、不純物である二酸化炭素を固化する温度に設定されているのが好ましい。
【００１１】
このような構成を採用した場合、冷却部の温度を、シロキサンを固化する温度より低温である二酸化炭素を固化する温度に設定し、１個の冷却部のみでシロキサン及び二酸化炭素の両方を固化し下流の固気分離膜で除去する場合に比して、効率良く各不純物を除去することができる。
【００１２】
ここで、精製処理を行うに連れて、不純物が固化した固化物、特に二酸化炭素が固化したドライアイスが、冷却部のバイオガスが流れる流路に付着し、伝熱不足が生じる。従って、冷却部においてバイオガスが流れる流路に付着した固化物を気化させ当該流路内をクリーニングするクリーニング手段を備えるのが好ましい。このような構成を採用した場合、冷却部の流路に付着した固化物が気化し、当該流路内がクリーニングされるため、伝熱不足が解消される。
【００１３】
また、第１の冷却部、これより下流側の第１の固気分離膜、第２の冷却部、これより下流側の第２の固気分離膜が直列に並ぶ組を並列に備え、精製処理を行う組が切り替え可能とされ、何れか一方の組で精製処理を行うにあたって、他方の精製処理を行わない組においてクリーニング手段によるクリーニングを行う構成であると、精製処理を行う組で高濃度の濃縮メタンを生成しつつ、精製処理を行わない組の冷却部の流路内をクリーニング手段によりクリーニングできる。
【００１４】
ここで、固化物の付着が特に問題となるのは、第２の冷却部の流路において二酸化炭素が固化し付着するドライアイスである。従って、クリーニング手段は、精製処理を行わない組において第２の冷却部の流路に熱媒体を流すのが好ましい。このような構成を採用した場合、精製処理を行う組で高濃度の濃縮メタンを生成しつつ、精製処理を行わない組において第２の冷却部の流路内に付着したドライアイスが熱媒体により気化されて二酸化炭素となり、当該流路内をクリーニングできる。
【００１５】
また、精製処理を行わない組において第２の冷却部の流路に流れた熱媒体を、精製処理を行う組において第１の冷却部の補助冷却に用いる構成とすると、冷却コストを低減できる。
【００１６】
また、第１の冷却部、これより下流側の第１の固気分離膜、第２の冷却部、これより下流側の第２の固気分離膜の順にバイオガスが流れる順方向流路と、第１の冷却部及び第２の冷却部を共通に使用し、第２の冷却部、第１の冷却部の順にバイオガスが流れる逆方向流路と、逆方向流路に設けられ、第２の冷却部より下流側の第３の固気分離膜及び第１の冷却部より下流側の第４の固気分離膜と、を具備し、精製処理を行う流路が切り替え可能とされ、クリーニング手段は、逆方向流路で精製処理を行う場合に、第１の冷却部の温度と第２の冷却部の温度を入れ替える構成であると、二酸化炭素を固化する温度に設定され流路内にドライアイスが付着して伝熱不足が生じた冷却部が、今度は、シロキサンを固化する温度（二酸化炭素を固化する温度より高い温度）に設定されるため、当該冷却部の流路内に付着したドライアイスが気化されて二酸化炭素となる。従って、精製処理を行う流路で高濃度の濃縮メタンを生成しつつ、精製処理を行わない流路の冷却部の流路内をクリーニングでき、また、このとき、該当する冷却部において精製処理を行わない流路で生じる気化熱は、当該冷却部において精製処理を行う流路の冷却に利用することができる。
【発明の効果】
【００１７】
このように本発明によるメタンガス精製装置によれば、バイオガスから高濃度の濃縮メタンを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るメタンガス精製装置を示す概略構成図である。
【図２】図１中の冷却部の具体的な構成を示す一部破断斜視図である。
【図３】二酸化酸素濃度と温度の関係を示す線図である。
【図４】シロキサン濃度と温度の関係をフィルタの有無で比較して示す線図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係るメタンガス精製装置を示す概略構成図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係るメタンガス精製装置を示す概略構成図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係るメタンガス精製装置を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明によるメタンガス精製装置の好適な実施形態について図１〜図７を参照しながら説明する。なお、各図において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１〜図４は、本発明の第１実施形態を、図５〜図７は、本発明の第２〜第４実施形態をそれぞれ示すものであり、先ず、図１〜図４に示す第１実施形態を説明する。
【００２０】
図１は、本発明の第１実施形態に係るメタンガス精製装置を示す概略構成図である。
【００２１】
図１に示すように、メタンガス精製装置１００は、メタン発酵槽１、ポンプ２、冷却部３、フィルタ４をこの順に備える。
【００２２】
メタン発酵槽１は、例えば、生ごみ、食品廃棄物、脱水汚泥等の有機物を導入し、嫌気性微生物によりメタン発酵して、メタンガスと二酸化炭素を主成分としたバイオガスを生成するものである。
【００２３】
ポンプ２は、メタン発酵槽１で生成したバイオガスを吸引し下流に移送するためのものである。
【００２４】
冷却部３は、ポンプ２からのバイオガスを冷却するためのものであり、ここでは熱交換器が用いられている。この冷却部３には、内部流路を流れるバイオガスを所定の温度に冷却するための冷凍機５が付設されている。
【００２５】
図２は、図１中の冷却部３の具体的な構成を示す一部破断斜視図である。図２に示すように、冷却部３には、その内部にバイオガスが流れる流路が形成され、この流路を流れるバイオガスの流れ方向Ａに直交し横切るように銅パイプ５ａが多数並設され、この銅パイプ５ａを冷凍機５により冷却することで、冷却部３内に形成された流路を流れるバイオガスを冷却する構成とされている。ここで、バイオガス中には、硫化水素等の腐食性ガスが混じっているため、バイオガスと接触する部分は、ステンレス等の耐腐食性金属で覆うことが好ましい。そして、冷却部３の温度は、バイオガス中の不純物である二酸化炭素を固化するための温度、具体的には、１４５Ｋ程度に設定されている。なお、ここでは、冷却部３に対して、設定温度になるように制御するための温度調節計６が付設されている。
【００２６】
図１に示すフィルタ４は、冷却部３により冷却されたバイオガスから固形分を除去し気体分を通過させる固気分離膜として機能するものであり、冷却部３からのバイオガスが流れる流路に対面するように設けられている。
【００２７】
このように構成されたメタンガス精製装置１００によれば、メタン発酵槽１で生成されたバイオガスは、ポンプ２の駆動に従い下流に移送され、冷却部３を通過する際に１４５Ｋ程度に冷却され、バイオガス中の二酸化炭素は殆ど固化されドライアイスになると共に、水分やシロキサンも固化される。
【００２８】
図３は、二酸化酸素濃度と温度の関係を示す線図である。図３に示すように、大気圧下で１４５Ｋ程度にまで冷却すると、二酸化炭素は０．５％程度まで除去できる。
【００２９】
そして、ドライアイスを始めとした水分やシロキサン等の固化不純物及びメタンガスを含むバイオガスは、フィルタ４に達し当該フィルタ４を通過する際に、上記固化不純物がフィルタ４に捕集されバイオガスから除去される。
【００３０】
図４は、シロキサン濃度と温度の関係をフィルタの有無で比較して示す線図であり、本発明者による実験値である。丸印はフィルタが有る場合を示し、四角印はフィルタが無い場合を示している。図４に示すように、フィルタが無い場合に比してフィルタが有る場合の方が、大幅にシロキサン濃度を低下できる。
【００３１】
このように、本実施形態においては、バイオガスが冷却部３により冷却され、バイオガス中の二酸化炭素を始めとする不純物が殆ど固化され、この冷却部３からのバイオガス中の固化不純物がフィルタ４に捕集されて確実に除去されるため、バイオガスから高濃度の濃縮メタンを得ることができる。また、上記固化不純物の除去を、フィルタ４という簡易な構成で低コストにて行うことができる。
【００３２】
なお、ここでは述べていないが、脱硫装置を設けてバイオガス中の硫化水素を除去するようにしても良い。
【００３３】
図５は、本発明の第２実施形態に係るメタンガス精製装置を示す概略構成図である。
【００３４】
この第２実施形態のメタンガス精製装置２００が第１実施形態のメタンガス精製装置１００と違う第１の点は、第１実施形態の冷却部３とフィルタ４の組を２組直列に接続し、上流側の冷却部を第１の冷却部１３、上流側のフィルタを第１のフィルタ１５、下流側の冷却部を第２の冷却部１４、下流側のフィルタを第２のフィルタ１６とした点である。
【００３５】
また、第２実施形態のメタンガス精製装置２００が第１実施形態のメタンガス精製装置１００と違う第２の点は、第１の冷却部１３を冷却する第１の冷凍機１７により第１の冷却部１３の温度を、不純物であるシロキサンを固化する温度である２００Ｋ程度に設定し、第２の冷却部１４を冷却する第２の冷凍機１８により第２の冷却部１４の温度を、不純物である二酸化炭素を固化する温度である１４５Ｋ程度に設定した点である。
【００３６】
このように構成されたメタンガス精製装置２００によれば、メタン発酵槽１からのバイオガスは、第１の冷却部１３を通過する際に２００Ｋ程度に冷却され、バイオガス中のシロキサン及び水分が固化され、この第１の冷却部１３からのバイオガス中の固化シロキサン及び氷が第１のフィルタ１５に捕集されて確実に除去され、第１のフィルタ１５からのバイオガスは、第２の冷却部１４を通過する際に１４５Ｋ程度に冷却され、バイオガス中の二酸化炭素が固化され、この第２の冷却部１４からのバイオガス中のドライアイスが第２のフィルタ１６に捕集されて確実に除去される。
【００３７】
このように、第２実施形態においては、固化温度が違うシロキサン、二酸化炭素を順を追って別々に固化して除去していくため、１個の冷却部３のみでシロキサン及び二酸化炭素の両方を固化し下流のフィルタ４で除去する第１実施形態に比して、効率良く各不純物を除去することができる。
【００３８】
ところで、精製処理を行うに連れて、不純物が固化した固化物、特に二酸化炭素が固化したドライアイスが、冷却部のバイオガスが流れる流路に付着し、伝熱不足が生じる。そこで、以降の実施形態では、これをクリーニング手段によりクリーニングすることで解決する。
【００３９】
図６は、本発明の第３実施形態に係るメタンガス精製装置を示す概略構成図である。この第３実施形態のメタンガス精製装置３００にあっては、第２実施形態の冷却部とフィルタが直列に並ぶ組を並列に備えている。
【００４０】
具体的には、第２実施形態の第１の冷却部１３、第１のフィルタ１５、第２の冷却部１４、第２のフィルタ１６の直列組の経路Ｌ１の他に、これと並列に、第１の冷却部２３、第１のフィルタ２５、第２の冷却部２４、第２のフィルタ２６の直列組の経路Ｌ２を備えている。
【００４１】
第１の冷却部１３，２３は、第２実施形態と同様な第１の冷凍機１７によりシロキサンを固化する温度に冷却され、第２の冷却部１４，２４は、第２実施形態と同様な第２の冷凍機１８により二酸化炭素を固化する温度に冷却される。
【００４２】
また、これらの並列組にあっては、精製処理を行う組が切り替え可能とされている。
【００４３】
そして、ポンプ２と第１の冷却部１３との間にはバルブＶ１が、第１の冷却部１３と第１のフィルタ１５との間にはバルブＶ２が、第１のフィルタ１５と第２の冷却部１４との間にはバルブＶ３が、第２の冷却部１４と第２のフィルタ１６との間にはバルブＶ４が、第２のフィルタ１６の下流側にはバルブＶ５がそれぞれ設けられ、ポンプ２と第１の冷却部２３との間にはバルブＶ６が、第１の冷却部２３と第１のフィルタ２５との間にはバルブＶ７が、第１のフィルタ２５と第２の冷却部２４との間にはバルブＶ８が、第２の冷却部２４と第２のフィルタ２６との間にはバルブＶ９が、第２のフィルタ２６の下流側にはバルブＶ１０がそれぞれ設けられている。
【００４４】
また、メタンガス精製装置３００にあっては、冷却部の流路内をクリーニングするための熱媒体の流路が２系統設けられている。ここで用いられる熱媒体は、例えばＮ２やＨｅ等である。
【００４５】
一方の熱媒体流路Ｌ３は、図示上側の第２の冷却部１４の流路をクリーニングするためのもので、熱媒体の供給側に接続されると共に第２の冷却部１４の流路（バイオガスが流れる流路）に接続されて当該第２の冷却部１４の流路を共通に使用し、図示下側の第１の冷却部２３内を通って排出される流路であり、第２の冷却部１４の上流側にはバルブＶ１５が、第２の冷却部１４の下流側にはバルブＶ１６が、第１の冷却部２３の上流側にはバルブＶ１７が、第１の冷却部２３の下流側にはバルブＶ１８がそれぞれ設けられている。
【００４６】
また、他方の熱媒体流路Ｌ４は、図示下側の第２の冷却部２４の流路をクリーニングするためのもので、熱媒体の供給側に接続されると共に第２の冷却部２４の流路（バイオガスが流れる流路）に接続されて当該第２の冷却部２４の流路を共通に使用し、図示上側の第１の冷却部１３内を通って排出される流路であり、第２の冷却部２４の上流側にはバルブＶ１１が、第２の冷却部２４の下流側にはバルブＶ１２が、第１の冷却部１３の上流側にはバルブＶ１３が、第１の冷却部１３の下流側にはバルブＶ１４がそれぞれ設けられている。
【００４７】
そして、各フィルタ１５，１６，２５，２６には、捕集した固化不純物を排出するためのラインがそれぞれ接続され、各ラインには、バルブＶ１９〜Ｖ２２がそれぞれ設けられている。
【００４８】
このように構成されたメタンガス精製装置３００によれば、一方の経路で精製処理を行うべく例えば先ず図示上側の経路Ｌ１が選択され、このとき、バルブＶ１〜Ｖ５が開とされ、他の全てのバルブＶ６〜Ｖ２２が閉とされる。この状態でのバイオガスの精製処理は第２実施形態と同様である。
【００４９】
そして、精製処理を行うに連れて、不純物が固化した固化物、特に二酸化炭素が固化したドライアイスが、第２の冷却部１４のバイオガスが流れる流路に付着し、伝熱不足が生じる。
【００５０】
このような状態となったら、バルブＶ１〜Ｖ５が閉とされて図示上側の経路Ｌ１での精製処理が止められると共に、バルブＶ１５〜Ｖ１８が開とされる。これにより、熱媒体が、第２の冷却部１４のバイオガスが流れる流路に流れ、流路内に付着したドライアイスが熱媒体により気化されて二酸化炭素となり、当該流路内がクリーニングされる。
【００５１】
この熱媒体は、さらに第１の冷却部２３内を通って流れるため、精製処理を行う図示下側の経路Ｌ２において第１の冷却部２３の補助冷却に用いられる。
【００５２】
そして、バルブＶ６〜Ｖ１０が開とされ図示下側の経路Ｌ２に切り替えられて当該経路Ｌ２で精製処理が行われる。バルブＶ１５〜Ｖ１８は、第２の冷却部１４でのドライアイスの気化に従い適宜閉とされる。
【００５３】
また、精製処理を行うに連れて、ドライアイスが第２の冷却部２４のバイオガスが流れる流路に付着し伝熱不足が生じたら、バルブＶ６〜Ｖ１０が閉とされて図示下側の経路Ｌ２での精製処理が止められる共に、バルブＶ１１〜Ｖ１４が開とされ、熱媒体が、第２の冷却部２４のバイオガスが流れる流路に流れ、流路内に付着したドライアイスが熱媒体により気化されて二酸化炭素となり、当該流路内がクリーニングされる。この熱媒体は、さらに第１の冷却部１３内を通って流れ、精製処理を行う図示上側の経路Ｌ１において第１の冷却部１３の補助冷却に用いられる。そして、バルブＶ１〜Ｖ５が開とされて図示上側の経路Ｌ１に切り替えられて当該経路Ｌ１で精製処理が行われる。バルブＶ１１〜Ｖ１４は、第２の冷却部２４でのドライアイスの気化に従い適宜閉とされる。
【００５４】
そして、精製処理を行うに連れて、ドライアイスが第２の冷却部１４のバイオガスが流れる流路に付着し伝熱不足が生じたら、最初のプロセスに戻り、これを繰り返す。
【００５５】
なお、バルブＶ１９〜Ｖ２２は、各フィルタ１５，１６，２５，２６のクリーニングを行う場合に適宜開閉される。
【００５６】
このように、第３実施形態においては、クリーニング手段によって、冷却部の流路に付着した固化物が気化し、当該流路内がクリーニングされるため、伝熱不足が解消される。伝熱不足を検知する指標としては、冷却部に対して設置した温度調節計の指示値、冷却後のバイオガス濃度、冷却後の二酸化炭素濃度（若しくはシロキサン濃度）等が挙げられる。これらの指標が基準値よりも高い場合に伝熱不足と判定する。
【００５７】
また、第１の冷却部、第１のフィルタ、第２の冷却部、第２のフィルタが直列に並ぶ組を並列に備え、精製処理を行う組が切り替え可能とされ、何れか一方の組で精製処理を行うにあたって、他方の精製処理を行わない組においてクリーニング手段によるクリーニングを行う構成のため、精製処理を行う組で高濃度の濃縮メタンを生成しつつ、精製処理を行わない組の冷却部の流路内をクリーニング手段によりクリーニングできる。
【００５８】
また、特に付着が問題となるのはドライアイスのため第２の冷却部１４，２４に着目し、クリーニング手段により、精製処理を行わない組において第２の冷却部の流路に熱媒体を流すようにしているため、精製処理を行う組で高濃度の濃縮メタンを生成しつつ、精製処理を行わない組において第２の冷却部の流路内に付着したドライアイスが熱媒体により気化して二酸化炭素となり、当該流路内をクリーニングできる。
【００５９】
また、精製処理を行わない組において第２の冷却部の流路に流れた熱媒体を、精製処理を行う組において第１の冷却部の補助冷却に用いるため、冷却コストを低減できる。
【００６０】
図７は、本発明の第４実施形態に係るメタンガス精製装置を示す概略構成図である。この第４実施形態のメタンガス精製装置４００にあっては、第２実施形態の第１の冷却部１３、第１のフィルタ１５、第２の冷却部１４、第２のフィルタ１６及びバルブＶ１〜Ｖ５を直列に有する経路Ｌ１が用いられ、当該経路Ｌ１が、バイオガスが順方向に流れる順方向流路とされ、さらに、第１の冷却部１３及び第２の冷却部１４を共通に使用し、第２の冷却部１４、第１の冷却部１３の順にバイオガスが流れる逆方向流路Ｌ５が設けられている。そして、この逆方向流路Ｌ５においては、第２の冷却部１４より下流側に第３のフィルタ３５が、第１の冷却部１３より下流側に第４のフィルタ３６がそれぞれ設けられている。
【００６１】
また、逆方向流路Ｌ５にあっては、第２の冷却部２４の上流側にバルブＶ３１が、第２の冷却部２４の下流側にバルブＶ３２が、第３のフィルタ３５の下流側にバルブＶ３３が、第１の冷却部１３の下流側にバルブＶ３４が、第４のフィルタ３６の下流側にバルブＶ３５がそれぞれ設けられている。
【００６２】
これらの流路Ｌ１、Ｌ５にあっては、精製処理を行う流路が切り替え可能とされている。
【００６３】
また、逆方向流路Ｌ５で精製処理を行う場合には、第１の冷却部１３の温度と第２の冷却部１４の温度を入れ替える構成となっている。
【００６４】
そして、各フィルタ１５，１６，３５，３６には、捕集した固化不純物を排出するためのラインがそれぞれ接続され、各ラインには、バルブＶ１９，Ｖ２０，Ｖ３６，Ｖ３７がそれぞれ設けられている。
【００６５】
このように構成されたメタンガス精製装置４００によれば、精製処理を行うべく例えば順方向流路Ｌ１が選択されると、バルブＶ１〜Ｖ５が開とされ、他の全てのバルブが閉とされる。この状態でのバイオガスの精製処理は第２実施形態と同様である。
【００６６】
そして、精製処理を行うに連れて、不純物が固化した固化物、特に二酸化炭素が固化したドライアイスが、順方向流路Ｌ１での第２の冷却部１４のバイオガスが流れる流路に付着し、伝熱不足が生じると、バルブＶ１〜Ｖ５が閉とされて順方向流路Ｌ１での精製処理が止められると共に、バルブＶ３１〜Ｖ３５が開とされバイオガスの流路が切り替えられて、バイオガスは逆方向流路Ｌ５を流れる。
【００６７】
このとき、第１の冷却部１３の温度と第２の冷却部１４の温度が入れ替えられ、具体的には、第２の冷却部１４が、第２の冷凍機１８により、シロキサンを固化する温度である２００Ｋ程度に設定され、第１の冷却部１３が、二酸化炭素を固化する温度である１４５Ｋ程度に設定されるため、順方向流路Ｌ１での第２の冷却部１４の流路内に付着したドライアイスは気化されて二酸化炭素となり、当該流路内がクリーニングされる。このとき、逆方向流路Ｌ５にあっては、バイオガスの精製処理が第２実施形態と同様にして行われる。また、このとき、第２の冷却部１４において順方向流路（精製処理を行わない流路）Ｌ１で生じる気化熱は、当該第２の冷却部１４において逆方向流路（精製処理を行う流路）Ｌ５の冷却に利用される。
【００６８】
そして、逆方向流路Ｌ５で精製処理を行うに連れて、ドライアイスが逆方向流路Ｌ５での第１の冷却部１３のバイオガスが流れる流路に付着し伝熱不足が生じたら、バルブＶ３１〜Ｖ３５が閉とされてと逆方向流路Ｌ５での精製処理が止められると共に、バルブＶ１〜Ｖ５が開とされバイオガスの流路が切り替えられて、バイオガスは順方向流路Ｌ１を流れる。
【００６９】
このとき、第１の冷却部１３の温度と第２の冷却部１４の温度が入れ替えられ、具体的には、第１の冷却部１３が、第１の冷凍機１７により、シロキサンを固化する温度である２００Ｋ程度に設定され、第２の冷却部１４が、二酸化炭素を固化する温度である１４５Ｋ程度に設定されるため、逆方向流路Ｌ５での第１の冷却部１３の流路内に付着したドライアイスは気化されて二酸化炭素となり、当該流路内がクリーニングされる。このとき、順方向流路Ｌ１にあっては、バイオガスの精製処理が行われる。また、このとき、第１の冷却部１３において逆方向流路（精製処理を行わない流路）Ｌ５で生じる気化熱は、当該第１の冷却部１３において順方向流路（精製処理を行う流路）Ｌ１の冷却に利用される。
【００７０】
そして、精製処理を行うに連れて、ドライアイスが順方向流路Ｌ１での第２の冷却部１４のバイオガスが流れる流路に付着し伝熱不足が生じたら、最初のプロセスに戻り、これを繰り返す。
【００７１】
なお、バルブＶ１９，Ｖ２０，Ｖ３６，Ｖ３７は、各フィルタ１５，１６，３５，３６のクリーニングを行う場合に適宜開閉される。
【００７２】
このように、第４実施形態においては、第１の冷却部１３、第１のフィルタ１５、第２の冷却部１４、第２のフィルタ１６の順にバイオガスが流れる順方向流路Ｌ１と、第１の冷却部１３及び第２の冷却部１４を共通に使用し、第２の冷却部１４、第１の冷却部１３の順にバイオガスが流れる逆方向流路Ｌ５と、逆方向流路Ｌ５に設けられ、第２の冷却部１４より下流側の第３のフィルタ３５及び第１の冷却部１３より下流側の第４のフィルタ３６と、を具備し、精製処理を行う流路が切り替え可能とされ、クリーニング手段は、逆方向流路Ｌ５で精製処理を行う場合に、第１の冷却部１３の温度と第２の冷却部１４の温度を入れ替える構成のため、二酸化炭素を固化する温度に設定され流路内にドライアイスが付着して伝熱不足が生じた冷却部が、今度は、シロキサンを固化する温度（二酸化炭素を固化する温度より高い温度）に設定され、当該冷却部の流路内に付着したドライアイスが気化されて二酸化炭素となり、従って、精製処理を行う流路で高濃度の濃縮メタンを生成しつつ、精製処理を行わない流路の冷却部の流路内をクリーニングでき、また、このとき、該当する冷却部において精製処理を行わない流路で生じる気化熱が、当該冷却部において精製処理を行う流路の冷却に利用することができる。
【００７３】
以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記第３実施形態にあって、第１の冷却部１３，２３において、バイオガスが流れる流路と熱媒体が流れる流路とを二重管の内管、外管にそれぞれ流す構成とすれば、補助冷却を効率的に行うことができる。
【００７４】
また、上記第４実施形態にあって、第１、第２の冷却部１３，１４において、順方向流路Ｌ１と逆方向流路Ｌ５とを二重管の内管、外管で構成すれば、気化熱利用を効率的に行うことができる。
【符号の説明】
【００７５】
３，１３，１４，２３，２４…熱交換器（冷却部）、４，１５，１６，２５，２６，３５，３６…フィルタ（固気分離膜）、５，１７，１８…冷凍機、１００，２００，３００，４００…メタンガス精製装置、Ｌ１…順方向流路、Ｌ３…一方の熱媒体流路、Ｌ４…他方の熱媒体流路、Ｌ５…逆方向流路。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオガス中に含まれるメタンガスを精製するメタンガス精製装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、バイオマスエネルギーとしてバイオガスが注目されている。このバイオガスの一般的な組成は、メタンが約６０％、二酸化炭素が約４０％、水素、窒素、酸素等がそれぞれ１％程度であり、その他、シロキサン、硫化水素、炭化水素等を微量含んでいる。ここで、バイオガスを使用する上での問題点として以下の点が挙げられる。すなわち、（１）ガス組成が安定しない、（２）メタン濃度が低いため、天然ガスやプロパンガスに比して発熱量が低く、汎用性に乏しい、（３）シロキサン等の有害物質を含む、等である。このような問題点を解決するためには、メタン以外の不純物を除去することによって、より安定した品質で熱量の高いガスを作ることが必要である。
【０００３】
ここで、バイオガスを精製する方法としては、吸着法、吸収法、膜分離法等の技術が単独又は組み合わされて用いられている。しかしながら、吸着法にあっては、吸着剤の交換が必要となるため、手間とコストがかかり、吸収法にあっては、多量の水を使うため、排水処理にコストがかかり、膜分離法にあっては、膜の交換が必要となるため、手間とコストがかかると共に、オフガスが発生するため、メタンガスの回収率が悪い。
【０００４】
そこで、以下の特許文献１には、バイオガスを加圧し冷却することによって、不純物ガスを凝縮させ液化させて除去し精製メタンを得る方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００９−５０４８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、液化二酸化炭素として除去する除去率が然程高くなく、従って、メタンを最大９０モル％まで含むメタンガスしか得ることができず、ガス会社等へ売却するにあっては低いメタン精製率である。
【０００７】
本発明は、このような課題を解決するために成されたものであり、バイオガスから高濃度の濃縮メタンを得ることができるメタンガス精製装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によるメタンガス精製装置は、バイオガス中に含まれるメタンガスを精製するメタンガス精製装置において、バイオガスを冷却し不純物を固化する冷却部と、冷却部からのバイオガスから固形分を除去する固気分離膜と、を備えたことを特徴としている。
【０００９】
このようなメタンガス精製装置によれば、バイオガスが冷却部により冷却され、バイオガス中の二酸化炭素を始めとする不純物が殆ど固化され、この冷却部からのバイオガス中の固化不純物が固気分離膜に捕集されて確実に除去される。従って、バイオガスから高濃度の濃縮メタンを得ることができる。
【００１０】
ここで、冷却部と固気分離膜の組が２組直列に接続され、上流側の第１の冷却部の温度は、不純物であるシロキサンを固化する温度に設定され、下流側の第２の冷却部の温度は、不純物である二酸化炭素を固化する温度に設定されているのが好ましい。
【００１１】
このような構成を採用した場合、冷却部の温度を、シロキサンを固化する温度より低温である二酸化炭素を固化する温度に設定し、１個の冷却部のみでシロキサン及び二酸化炭素の両方を固化し下流の固気分離膜で除去する場合に比して、効率良く各不純物を除去することができる。
【００１２】
ここで、精製処理を行うに連れて、不純物が固化した固化物、特に二酸化炭素が固化したドライアイスが、冷却部のバイオガスが流れる流路に付着し、伝熱不足が生じる。従って、冷却部においてバイオガスが流れる流路に付着した固化物を気化させ当該流路内をクリーニングするクリーニング手段を備えるのが好ましい。このような構成を採用した場合、冷却部の流路に付着した固化物が気化し、当該流路内がクリーニングされるため、伝熱不足が解消される。
【００１３】
また、第１の冷却部、これより下流側の第１の固気分離膜、第２の冷却部、これより下流側の第２の固気分離膜が直列に並ぶ組を並列に備え、精製処理を行う組が切り替え可能とされ、何れか一方の組で精製処理を行うにあたって、他方の精製処理を行わない組においてクリーニング手段によるクリーニングを行う構成であると、精製処理を行う組で高濃度の濃縮メタンを生成しつつ、精製処理を行わない組の冷却部の流路内をクリーニング手段によりクリーニングできる。
【００１４】
ここで、固化物の付着が特に問題となるのは、第２の冷却部の流路において二酸化炭素が固化し付着するドライアイスである。従って、クリーニング手段は、精製処理を行わない組において第２の冷却部の流路に熱媒体を流すのが好ましい。このような構成を採用した場合、精製処理を行う組で高濃度の濃縮メタンを生成しつつ、精製処理を行わない組において第２の冷却部の流路内に付着したドライアイスが熱媒体により気化されて二酸化炭素となり、当該流路内をクリーニングできる。
【００１５】
また、精製処理を行わない組において第２の冷却部の流路に流れた熱媒体を、精製処理を行う組において第１の冷却部の補助冷却に用いる構成とすると、冷却コストを低減できる。
【００１６】
また、第１の冷却部、これより下流側の第１の固気分離膜、第２の冷却部、これより下流側の第２の固気分離膜の順にバイオガスが流れる順方向流路と、第１の冷却部及び第２の冷却部を共通に使用し、第２の冷却部、第１の冷却部の順にバイオガスが流れる逆方向流路と、逆方向流路に設けられ、第２の冷却部より下流側の第３の固気分離膜及び第１の冷却部より下流側の第４の固気分離膜と、を具備し、精製処理を行う流路が切り替え可能とされ、クリーニング手段は、逆方向流路で精製処理を行う場合に、第１の冷却部の温度と第２の冷却部の温度を入れ替える構成であると、二酸化炭素を固化する温度に設定され流路内にドライアイスが付着して伝熱不足が生じた冷却部が、今度は、シロキサンを固化する温度（二酸化炭素を固化する温度より高い温度）に設定されるため、当該冷却部の流路内に付着したドライアイスが気化されて二酸化炭素となる。従って、精製処理を行う流路で高濃度の濃縮メタンを生成しつつ、精製処理を行わない流路の冷却部の流路内をクリーニングでき、また、このとき、該当する冷却部において精製処理を行わない流路で生じる気化熱は、当該冷却部において精製処理を行う流路の冷却に利用することができる。
【発明の効果】
【００１７】
このように本発明によるメタンガス精製装置によれば、バイオガスから高濃度の濃縮メタンを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係るメタンガス精製装置を示す概略構成図である。
【図２】図１中の冷却部の具体的な構成を示す一部破断斜視図である。
【図３】二酸化酸素濃度と温度の関係を示す線図である。
【図４】シロキサン濃度と温度の関係をフィルタの有無で比較して示す線図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係るメタンガス精製装置を示す概略構成図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係るメタンガス精製装置を示す概略構成図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係るメタンガス精製装置を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明によるメタンガス精製装置の好適な実施形態について図１〜図７を参照しながら説明する。なお、各図において、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図１〜図４は、本発明の第１実施形態を、図５〜図７は、本発明の第２〜第４実施形態をそれぞれ示すものであり、先ず、図１〜図４に示す第１実施形態を説明する。
【００２０】
図１は、本発明の第１実施形態に係るメタンガス精製装置を示す概略構成図である。
【００２１】
図１に示すように、メタンガス精製装置１００は、メタン発酵槽１、ポンプ２、冷却部３、フィルタ４をこの順に備える。
【００２２】
メタン発酵槽１は、例えば、生ごみ、食品廃棄物、脱水汚泥等の有機物を導入し、嫌気性微生物によりメタン発酵して、メタンガスと二酸化炭素を主成分としたバイオガスを生成するものである。
【００２３】
ポンプ２は、メタン発酵槽１で生成したバイオガスを吸引し下流に移送するためのものである。
【００２４】
冷却部３は、ポンプ２からのバイオガスを冷却するためのものであり、ここでは熱交換器が用いられている。この冷却部３には、内部流路を流れるバイオガスを所定の温度に冷却するための冷凍機５が付設されている。
【００２５】
図２は、図１中の冷却部３の具体的な構成を示す一部破断斜視図である。図２に示すように、冷却部３には、その内部にバイオガスが流れる流路が形成され、この流路を流れるバイオガスの流れ方向Ａに直交し横切るように銅パイプ５ａが多数並設され、この銅パイプ５ａを冷凍機５により冷却することで、冷却部３内に形成された流路を流れるバイオガスを冷却する構成とされている。ここで、バイオガス中には、硫化水素等の腐食性ガスが混じっているため、バイオガスと接触する部分は、ステンレス等の耐腐食性金属で覆うことが好ましい。そして、冷却部３の温度は、バイオガス中の不純物である二酸化炭素を固化するための温度、具体的には、１４５Ｋ程度に設定されている。なお、ここでは、冷却部３に対して、設定温度になるように制御するための温度調節計６が付設されている。
【００２６】
図１に示すフィルタ４は、冷却部３により冷却されたバイオガスから固形分を除去し気体分を通過させる固気分離膜として機能するものであり、冷却部３からのバイオガスが流れる流路に対面するように設けられている。
【００２７】
このように構成されたメタンガス精製装置１００によれば、メタン発酵槽１で生成されたバイオガスは、ポンプ２の駆動に従い下流に移送され、冷却部３を通過する際に１４５Ｋ程度に冷却され、バイオガス中の二酸化炭素は殆ど固化されドライアイスになると共に、水分やシロキサンも固化される。
【００２８】
図３は、二酸化酸素濃度と温度の関係を示す線図である。図３に示すように、大気圧下で１４５Ｋ程度にまで冷却すると、二酸化炭素は０．５％程度まで除去できる。
【００２９】
そして、ドライアイスを始めとした水分やシロキサン等の固化不純物及びメタンガスを含むバイオガスは、フィルタ４に達し当該フィルタ４を通過する際に、上記固化不純物がフィルタ４に捕集されバイオガスから除去される。
【００３０】
図４は、シロキサン濃度と温度の関係をフィルタの有無で比較して示す線図であり、本発明者による実験値である。丸印はフィルタが有る場合を示し、四角印はフィルタが無い場合を示している。図４に示すように、フィルタが無い場合に比してフィルタが有る場合の方が、大幅にシロキサン濃度を低下できる。
【００３１】
このように、本実施形態においては、バイオガスが冷却部３により冷却され、バイオガス中の二酸化炭素を始めとする不純物が殆ど固化され、この冷却部３からのバイオガス中の固化不純物がフィルタ４に捕集されて確実に除去されるため、バイオガスから高濃度の濃縮メタンを得ることができる。また、上記固化不純物の除去を、フィルタ４という簡易な構成で低コストにて行うことができる。
【００３２】
なお、ここでは述べていないが、脱硫装置を設けてバイオガス中の硫化水素を除去するようにしても良い。
【００３３】
図５は、本発明の第２実施形態に係るメタンガス精製装置を示す概略構成図である。
【００３４】
この第２実施形態のメタンガス精製装置２００が第１実施形態のメタンガス精製装置１００と違う第１の点は、第１実施形態の冷却部３とフィルタ４の組を２組直列に接続し、上流側の冷却部を第１の冷却部１３、上流側のフィルタを第１のフィルタ１５、下流側の冷却部を第２の冷却部１４、下流側のフィルタを第２のフィルタ１６とした点である。
【００３５】
また、第２実施形態のメタンガス精製装置２００が第１実施形態のメタンガス精製装置１００と違う第２の点は、第１の冷却部１３を冷却する第１の冷凍機１７により第１の冷却部１３の温度を、不純物であるシロキサンを固化する温度である２００Ｋ程度に設定し、第２の冷却部１４を冷却する第２の冷凍機１８により第２の冷却部１４の温度を、不純物である二酸化炭素を固化する温度である１４５Ｋ程度に設定した点である。
【００３６】
このように構成されたメタンガス精製装置２００によれば、メタン発酵槽１からのバイオガスは、第１の冷却部１３を通過する際に２００Ｋ程度に冷却され、バイオガス中のシロキサン及び水分が固化され、この第１の冷却部１３からのバイオガス中の固化シロキサン及び氷が第１のフィルタ１５に捕集されて確実に除去され、第１のフィルタ１５からのバイオガスは、第２の冷却部１４を通過する際に１４５Ｋ程度に冷却され、バイオガス中の二酸化炭素が固化され、この第２の冷却部１４からのバイオガス中のドライアイスが第２のフィルタ１６に捕集されて確実に除去される。
【００３７】
このように、第２実施形態においては、固化温度が違うシロキサン、二酸化炭素を順を追って別々に固化して除去していくため、１個の冷却部３のみでシロキサン及び二酸化炭素の両方を固化し下流のフィルタ４で除去する第１実施形態に比して、効率良く各不純物を除去することができる。
【００３８】
ところで、精製処理を行うに連れて、不純物が固化した固化物、特に二酸化炭素が固化したドライアイスが、冷却部のバイオガスが流れる流路に付着し、伝熱不足が生じる。そこで、以降の実施形態では、これをクリーニング手段によりクリーニングすることで解決する。
【００３９】
図６は、本発明の第３実施形態に係るメタンガス精製装置を示す概略構成図である。この第３実施形態のメタンガス精製装置３００にあっては、第２実施形態の冷却部とフィルタが直列に並ぶ組を並列に備えている。
【００４０】
具体的には、第２実施形態の第１の冷却部１３、第１のフィルタ１５、第２の冷却部１４、第２のフィルタ１６の直列組の経路Ｌ１の他に、これと並列に、第１の冷却部２３、第１のフィルタ２５、第２の冷却部２４、第２のフィルタ２６の直列組の経路Ｌ２を備えている。
【００４１】
第１の冷却部１３，２３は、第２実施形態と同様な第１の冷凍機１７によりシロキサンを固化する温度に冷却され、第２の冷却部１４，２４は、第２実施形態と同様な第２の冷凍機１８により二酸化炭素を固化する温度に冷却される。
【００４２】
また、これらの並列組にあっては、精製処理を行う組が切り替え可能とされている。
【００４３】
そして、ポンプ２と第１の冷却部１３との間にはバルブＶ１が、第１の冷却部１３と第１のフィルタ１５との間にはバルブＶ２が、第１のフィルタ１５と第２の冷却部１４との間にはバルブＶ３が、第２の冷却部１４と第２のフィルタ１６との間にはバルブＶ４が、第２のフィルタ１６の下流側にはバルブＶ５がそれぞれ設けられ、ポンプ２と第１の冷却部２３との間にはバルブＶ６が、第１の冷却部２３と第１のフィルタ２５との間にはバルブＶ７が、第１のフィルタ２５と第２の冷却部２４との間にはバルブＶ８が、第２の冷却部２４と第２のフィルタ２６との間にはバルブＶ９が、第２のフィルタ２６の下流側にはバルブＶ１０がそれぞれ設けられている。
【００４４】
また、メタンガス精製装置３００にあっては、冷却部の流路内をクリーニングするための熱媒体の流路が２系統設けられている。ここで用いられる熱媒体は、例えばＮ２やＨｅ等である。
【００４５】
一方の熱媒体流路Ｌ３は、図示上側の第２の冷却部１４の流路をクリーニングするためのもので、熱媒体の供給側に接続されると共に第２の冷却部１４の流路（バイオガスが流れる流路）に接続されて当該第２の冷却部１４の流路を共通に使用し、図示下側の第１の冷却部２３内を通って排出される流路であり、第２の冷却部１４の上流側にはバルブＶ１５が、第２の冷却部１４の下流側にはバルブＶ１６が、第１の冷却部２３の上流側にはバルブＶ１７が、第１の冷却部２３の下流側にはバルブＶ１８がそれぞれ設けられている。
【００４６】
また、他方の熱媒体流路Ｌ４は、図示下側の第２の冷却部２４の流路をクリーニングするためのもので、熱媒体の供給側に接続されると共に第２の冷却部２４の流路（バイオガスが流れる流路）に接続されて当該第２の冷却部２４の流路を共通に使用し、図示上側の第１の冷却部１３内を通って排出される流路であり、第２の冷却部２４の上流側にはバルブＶ１１が、第２の冷却部２４の下流側にはバルブＶ１２が、第１の冷却部１３の上流側にはバルブＶ１３が、第１の冷却部１３の下流側にはバルブＶ１４がそれぞれ設けられている。
【００４７】
そして、各フィルタ１５，１６，２５，２６には、捕集した固化不純物を排出するためのラインがそれぞれ接続され、各ラインには、バルブＶ１９〜Ｖ２２がそれぞれ設けられている。
【００４８】
このように構成されたメタンガス精製装置３００によれば、一方の経路で精製処理を行うべく例えば先ず図示上側の経路Ｌ１が選択され、このとき、バルブＶ１〜Ｖ５が開とされ、他の全てのバルブＶ６〜Ｖ２２が閉とされる。この状態でのバイオガスの精製処理は第２実施形態と同様である。
【００４９】
そして、精製処理を行うに連れて、不純物が固化した固化物、特に二酸化炭素が固化したドライアイスが、第２の冷却部１４のバイオガスが流れる流路に付着し、伝熱不足が生じる。
【００５０】
このような状態となったら、バルブＶ１〜Ｖ５が閉とされて図示上側の経路Ｌ１での精製処理が止められると共に、バルブＶ１５〜Ｖ１８が開とされる。これにより、熱媒体が、第２の冷却部１４のバイオガスが流れる流路に流れ、流路内に付着したドライアイスが熱媒体により気化されて二酸化炭素となり、当該流路内がクリーニングされる。
【００５１】
この熱媒体は、さらに第１の冷却部２３内を通って流れるため、精製処理を行う図示下側の経路Ｌ２において第１の冷却部２３の補助冷却に用いられる。
【００５２】
そして、バルブＶ６〜Ｖ１０が開とされ図示下側の経路Ｌ２に切り替えられて当該経路Ｌ２で精製処理が行われる。バルブＶ１５〜Ｖ１８は、第２の冷却部１４でのドライアイスの気化に従い適宜閉とされる。
【００５３】
また、精製処理を行うに連れて、ドライアイスが第２の冷却部２４のバイオガスが流れる流路に付着し伝熱不足が生じたら、バルブＶ６〜Ｖ１０が閉とされて図示下側の経路Ｌ２での精製処理が止められる共に、バルブＶ１１〜Ｖ１４が開とされ、熱媒体が、第２の冷却部２４のバイオガスが流れる流路に流れ、流路内に付着したドライアイスが熱媒体により気化されて二酸化炭素となり、当該流路内がクリーニングされる。この熱媒体は、さらに第１の冷却部１３内を通って流れ、精製処理を行う図示上側の経路Ｌ１において第１の冷却部１３の補助冷却に用いられる。そして、バルブＶ１〜Ｖ５が開とされて図示上側の経路Ｌ１に切り替えられて当該経路Ｌ１で精製処理が行われる。バルブＶ１１〜Ｖ１４は、第２の冷却部２４でのドライアイスの気化に従い適宜閉とされる。
【００５４】
そして、精製処理を行うに連れて、ドライアイスが第２の冷却部１４のバイオガスが流れる流路に付着し伝熱不足が生じたら、最初のプロセスに戻り、これを繰り返す。
【００５５】
なお、バルブＶ１９〜Ｖ２２は、各フィルタ１５，１６，２５，２６のクリーニングを行う場合に適宜開閉される。
【００５６】
このように、第３実施形態においては、クリーニング手段によって、冷却部の流路に付着した固化物が気化し、当該流路内がクリーニングされるため、伝熱不足が解消される。伝熱不足を検知する指標としては、冷却部に対して設置した温度調節計の指示値、冷却後のバイオガス濃度、冷却後の二酸化炭素濃度（若しくはシロキサン濃度）等が挙げられる。これらの指標が基準値よりも高い場合に伝熱不足と判定する。
【００５７】
また、第１の冷却部、第１のフィルタ、第２の冷却部、第２のフィルタが直列に並ぶ組を並列に備え、精製処理を行う組が切り替え可能とされ、何れか一方の組で精製処理を行うにあたって、他方の精製処理を行わない組においてクリーニング手段によるクリーニングを行う構成のため、精製処理を行う組で高濃度の濃縮メタンを生成しつつ、精製処理を行わない組の冷却部の流路内をクリーニング手段によりクリーニングできる。
【００５８】
また、特に付着が問題となるのはドライアイスのため第２の冷却部１４，２４に着目し、クリーニング手段により、精製処理を行わない組において第２の冷却部の流路に熱媒体を流すようにしているため、精製処理を行う組で高濃度の濃縮メタンを生成しつつ、精製処理を行わない組において第２の冷却部の流路内に付着したドライアイスが熱媒体により気化して二酸化炭素となり、当該流路内をクリーニングできる。
【００５９】
また、精製処理を行わない組において第２の冷却部の流路に流れた熱媒体を、精製処理を行う組において第１の冷却部の補助冷却に用いるため、冷却コストを低減できる。
【００６０】
図７は、本発明の第４実施形態に係るメタンガス精製装置を示す概略構成図である。この第４実施形態のメタンガス精製装置４００にあっては、第２実施形態の第１の冷却部１３、第１のフィルタ１５、第２の冷却部１４、第２のフィルタ１６及びバルブＶ１〜Ｖ５を直列に有する経路Ｌ１が用いられ、当該経路Ｌ１が、バイオガスが順方向に流れる順方向流路とされ、さらに、第１の冷却部１３及び第２の冷却部１４を共通に使用し、第２の冷却部１４、第１の冷却部１３の順にバイオガスが流れる逆方向流路Ｌ５が設けられている。そして、この逆方向流路Ｌ５においては、第２の冷却部１４より下流側に第３のフィルタ３５が、第１の冷却部１３より下流側に第４のフィルタ３６がそれぞれ設けられている。
【００６１】
また、逆方向流路Ｌ５にあっては、第２の冷却部２４の上流側にバルブＶ３１が、第２の冷却部２４の下流側にバルブＶ３２が、第３のフィルタ３５の下流側にバルブＶ３３が、第１の冷却部１３の下流側にバルブＶ３４が、第４のフィルタ３６の下流側にバルブＶ３５がそれぞれ設けられている。
【００６２】
これらの流路Ｌ１、Ｌ５にあっては、精製処理を行う流路が切り替え可能とされている。
【００６３】
また、逆方向流路Ｌ５で精製処理を行う場合には、第１の冷却部１３の温度と第２の冷却部１４の温度を入れ替える構成となっている。
【００６４】
そして、各フィルタ１５，１６，３５，３６には、捕集した固化不純物を排出するためのラインがそれぞれ接続され、各ラインには、バルブＶ１９，Ｖ２０，Ｖ３６，Ｖ３７がそれぞれ設けられている。
【００６５】
このように構成されたメタンガス精製装置４００によれば、精製処理を行うべく例えば順方向流路Ｌ１が選択されると、バルブＶ１〜Ｖ５が開とされ、他の全てのバルブが閉とされる。この状態でのバイオガスの精製処理は第２実施形態と同様である。
【００６６】
そして、精製処理を行うに連れて、不純物が固化した固化物、特に二酸化炭素が固化したドライアイスが、順方向流路Ｌ１での第２の冷却部１４のバイオガスが流れる流路に付着し、伝熱不足が生じると、バルブＶ１〜Ｖ５が閉とされて順方向流路Ｌ１での精製処理が止められると共に、バルブＶ３１〜Ｖ３５が開とされバイオガスの流路が切り替えられて、バイオガスは逆方向流路Ｌ５を流れる。
【００６７】
このとき、第１の冷却部１３の温度と第２の冷却部１４の温度が入れ替えられ、具体的には、第２の冷却部１４が、第２の冷凍機１８により、シロキサンを固化する温度である２００Ｋ程度に設定され、第１の冷却部１３が、二酸化炭素を固化する温度である１４５Ｋ程度に設定されるため、順方向流路Ｌ１での第２の冷却部１４の流路内に付着したドライアイスは気化されて二酸化炭素となり、当該流路内がクリーニングされる。このとき、逆方向流路Ｌ５にあっては、バイオガスの精製処理が第２実施形態と同様にして行われる。また、このとき、第２の冷却部１４において順方向流路（精製処理を行わない流路）Ｌ１で生じる気化熱は、当該第２の冷却部１４において逆方向流路（精製処理を行う流路）Ｌ５の冷却に利用される。
【００６８】
そして、逆方向流路Ｌ５で精製処理を行うに連れて、ドライアイスが逆方向流路Ｌ５での第１の冷却部１３のバイオガスが流れる流路に付着し伝熱不足が生じたら、バルブＶ３１〜Ｖ３５が閉とされてと逆方向流路Ｌ５での精製処理が止められると共に、バルブＶ１〜Ｖ５が開とされバイオガスの流路が切り替えられて、バイオガスは順方向流路Ｌ１を流れる。
【００６９】
このとき、第１の冷却部１３の温度と第２の冷却部１４の温度が入れ替えられ、具体的には、第１の冷却部１３が、第１の冷凍機１７により、シロキサンを固化する温度である２００Ｋ程度に設定され、第２の冷却部１４が、二酸化炭素を固化する温度である１４５Ｋ程度に設定されるため、逆方向流路Ｌ５での第１の冷却部１３の流路内に付着したドライアイスは気化されて二酸化炭素となり、当該流路内がクリーニングされる。このとき、順方向流路Ｌ１にあっては、バイオガスの精製処理が行われる。また、このとき、第１の冷却部１３において逆方向流路（精製処理を行わない流路）Ｌ５で生じる気化熱は、当該第１の冷却部１３において順方向流路（精製処理を行う流路）Ｌ１の冷却に利用される。
【００７０】
そして、精製処理を行うに連れて、ドライアイスが順方向流路Ｌ１での第２の冷却部１４のバイオガスが流れる流路に付着し伝熱不足が生じたら、最初のプロセスに戻り、これを繰り返す。
【００７１】
なお、バルブＶ１９，Ｖ２０，Ｖ３６，Ｖ３７は、各フィルタ１５，１６，３５，３６のクリーニングを行う場合に適宜開閉される。
【００７２】
このように、第４実施形態においては、第１の冷却部１３、第１のフィルタ１５、第２の冷却部１４、第２のフィルタ１６の順にバイオガスが流れる順方向流路Ｌ１と、第１の冷却部１３及び第２の冷却部１４を共通に使用し、第２の冷却部１４、第１の冷却部１３の順にバイオガスが流れる逆方向流路Ｌ５と、逆方向流路Ｌ５に設けられ、第２の冷却部１４より下流側の第３のフィルタ３５及び第１の冷却部１３より下流側の第４のフィルタ３６と、を具備し、精製処理を行う流路が切り替え可能とされ、クリーニング手段は、逆方向流路Ｌ５で精製処理を行う場合に、第１の冷却部１３の温度と第２の冷却部１４の温度を入れ替える構成のため、二酸化炭素を固化する温度に設定され流路内にドライアイスが付着して伝熱不足が生じた冷却部が、今度は、シロキサンを固化する温度（二酸化炭素を固化する温度より高い温度）に設定され、当該冷却部の流路内に付着したドライアイスが気化されて二酸化炭素となり、従って、精製処理を行う流路で高濃度の濃縮メタンを生成しつつ、精製処理を行わない流路の冷却部の流路内をクリーニングでき、また、このとき、該当する冷却部において精製処理を行わない流路で生じる気化熱が、当該冷却部において精製処理を行う流路の冷却に利用することができる。
【００７３】
以上、本発明をその実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記第３実施形態にあって、第１の冷却部１３，２３において、バイオガスが流れる流路と熱媒体が流れる流路とを二重管の内管、外管にそれぞれ流す構成とすれば、補助冷却を効率的に行うことができる。
【００７４】
また、上記第４実施形態にあって、第１、第２の冷却部１３，１４において、順方向流路Ｌ１と逆方向流路Ｌ５とを二重管の内管、外管で構成すれば、気化熱利用を効率的に行うことができる。
【符号の説明】
【００７５】
３，１３，１４，２３，２４…熱交換器（冷却部）、４，１５，１６，２５，２６，３５，３６…フィルタ（固気分離膜）、５，１７，１８…冷凍機、１００，２００，３００，４００…メタンガス精製装置、Ｌ１…順方向流路、Ｌ３…一方の熱媒体流路、Ｌ４…他方の熱媒体流路、Ｌ５…逆方向流路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオガス中に含まれるメタンガスを精製するメタンガス精製装置において、
前記バイオガスを冷却し不純物を固化する冷却部と、
前記冷却部からのバイオガスから固形分を除去する固気分離膜と、を備えたことを特徴とするメタンガス精製装置。
【請求項２】
前記冷却部と前記固気分離膜の組が２組直列に接続され、
上流側の第１の冷却部の温度は、前記不純物であるシロキサンを固化する温度に設定され、
下流側の第２の冷却部の温度は、前記不純物である二酸化炭素を固化する温度に設定されていることを特徴とする請求項１記載のメタンガス精製装置。
【請求項３】
前記冷却部において前記バイオガスが流れる流路に付着した固化物を気化させ当該流路内をクリーニングするクリーニング手段を備えることを特徴とする請求項２記載のメタンガス精製装置。
【請求項４】
前記第１の冷却部、これより下流側の第１の固気分離膜、前記第２の冷却部、これより下流側の第２の固気分離膜が直列に並ぶ組を並列に備え、
精製処理を行う組が切り替え可能とされ、
何れか一方の組で精製処理を行うにあたって、他方の精製処理を行わない組において前記クリーニング手段によるクリーニングを行うことを特徴とする請求項３記載のメタンガス精製装置。
【請求項５】
前記クリーニング手段は、精製処理を行わない組において第２の冷却部の流路に熱媒体を流すことを特徴とする請求項４記載のメタンガス精製装置。
【請求項６】
前記精製処理を行わない組において第２の冷却部の流路に流れた熱媒体を、精製処理を行う組において第１の冷却部の補助冷却に用いることを特徴とする請求項５記載のメタンガス精製装置。
【請求項７】
前記第１の冷却部、これより下流側の第１の固気分離膜、前記第２の冷却部、これより下流側の第２の固気分離膜の順に前記バイオガスが流れる順方向流路と、
前記第１の冷却部及び前記第２の冷却部を共通に使用し、前記第２の冷却部、前記第１の冷却部の順に前記バイオガスが流れる逆方向流路と、
前記逆方向流路に設けられ、前記第２の冷却部より下流側の第３の固気分離膜及び前記第１の冷却部より下流側の第４の固気分離膜と、を具備し、
精製処理を行う流路が切り替え可能とされ、
前記クリーニング手段は、前記逆方向流路で精製処理を行う場合に、前記第１の冷却部の温度と前記第２の冷却部の温度を入れ替えることを特徴とする請求項３記載のメタンガス精製装置。
【請求項１】
バイオガス中に含まれるメタンガスを精製するメタンガス精製装置において、
前記バイオガスを冷却し不純物を固化する冷却部と、
前記冷却部からのバイオガスから固形分を除去する固気分離膜と、を備えたことを特徴とするメタンガス精製装置。
【請求項２】
前記冷却部と前記固気分離膜の組が２組直列に接続され、
上流側の第１の冷却部の温度は、前記不純物であるシロキサンを固化する温度に設定され、
下流側の第２の冷却部の温度は、前記不純物である二酸化炭素を固化する温度に設定されていることを特徴とする請求項１記載のメタンガス精製装置。
【請求項３】
前記冷却部において前記バイオガスが流れる流路に付着した固化物を気化させ当該流路内をクリーニングするクリーニング手段を備えることを特徴とする請求項２記載のメタンガス精製装置。
【請求項４】
前記第１の冷却部、これより下流側の第１の固気分離膜、前記第２の冷却部、これより下流側の第２の固気分離膜が直列に並ぶ組を並列に備え、
精製処理を行う組が切り替え可能とされ、
何れか一方の組で精製処理を行うにあたって、他方の精製処理を行わない組において前記クリーニング手段によるクリーニングを行うことを特徴とする請求項３記載のメタンガス精製装置。
【請求項５】
前記クリーニング手段は、精製処理を行わない組において第２の冷却部の流路に熱媒体を流すことを特徴とする請求項４記載のメタンガス精製装置。
【請求項６】
前記精製処理を行わない組において第２の冷却部の流路に流れた熱媒体を、精製処理を行う組において第１の冷却部の補助冷却に用いることを特徴とする請求項５記載のメタンガス精製装置。
【請求項７】
前記第１の冷却部、これより下流側の第１の固気分離膜、前記第２の冷却部、これより下流側の第２の固気分離膜の順に前記バイオガスが流れる順方向流路と、
前記第１の冷却部及び前記第２の冷却部を共通に使用し、前記第２の冷却部、前記第１の冷却部の順に前記バイオガスが流れる逆方向流路と、
前記逆方向流路に設けられ、前記第２の冷却部より下流側の第３の固気分離膜及び前記第１の冷却部より下流側の第４の固気分離膜と、を具備し、
精製処理を行う流路が切り替え可能とされ、
前記クリーニング手段は、前記逆方向流路で精製処理を行う場合に、前記第１の冷却部の温度と前記第２の冷却部の温度を入れ替えることを特徴とする請求項３記載のメタンガス精製装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−２３１１８１（Ｐ２０１１−２３１１８１Ａ）
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１００９９２（Ｐ２０１０−１００９９２）
【出願日】平成２２年４月２６日（２０１０．４．２６）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年４月２６日（２０１０．４．２６）
【出願人】（０００００２１０７）住友重機械工業株式会社 (2,241)
【Ｆターム（参考）】
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