JP2017155155A - バイオガス精製システム及びバイオガス精製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で精製ガスの熱量を一定に保つことが可能なバイオガス精製システムを提供すること。【解決手段】バイオガスから二酸化炭素を分離して精製ガスを得る精製装置と、前記精製ガスを燃焼する消費機器から排出される排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度計と、前記排ガス中の酸素濃度に基づいて、前記精製ガスが目標メタン濃度に保たれるように前記精製装置の精製条件を制御する制御装置と、を有するバイオガス精製システム。【選択図】図１

Description

本発明は、バイオガス精製システム及びバイオガス精製方法に関する。

再生可能エネルギーの利用拡大が期待されており、バイオマスから発生するバイオガスを有効活用しようとする取り組みが活発化している。バイオガスは、約６０％のメタンと約４０％の二酸化炭素、その他に硫化水素やシロキサン等の微量不純物を含む。このため、バイオガスをそのまま利用するにはバイオガス専用機器を用いる必要があるが、バイオガス専用機器は種類が少なく高価であるという問題がある。

そこで、バイオガスをバイオガス専用機器ではないガスエンジンや燃料電池システム等の消費機器において利用可能にするために様々な技術が提案されている。例えば、バイオガスに補助燃料ガス及び空気を混合し、上記したような消費機器で利用可能な混合ガスを調製する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２２６８７８号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている技術では、バイオガスの発生量や組成等に応じて補助燃料ガスや空気の混合量を調整して混合ガスの熱量を一定にするために、バイオガス中のＣＯ_２濃度を検出するＣＯ_２濃度計や、混合ガスの熱量を検出するカロリーメータ等を設ける必要があり、装置構成が複雑化且つ大型化する可能性がある。

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で精製ガスの熱量を一定に保つことが可能なバイオガス精製システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様のバイオガス精製システムによれば、バイオガスから二酸化炭素を分離して精製ガスを得る精製装置と、前記精製ガスを燃焼する消費機器から排出される排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度計と、前記排ガス中の酸素濃度に基づいて、前記精製ガスが目標メタン濃度に保たれるように前記精製装置の精製条件を制御する制御装置と、を有する。

本発明の実施形態によれば、簡易な構成で精製ガスの熱量を一定に保つことが可能なバイオガス精製システムが提供される。

実施形態におけるバイオガス精製システムの構成を例示する図である。 実施形態における精製装置の構成を例示する図である。 精製ガスのメタン濃度と排ガス中の酸素濃度との関係を例示する図である。 精製装置におけるガス流量と精製ガスのメタン濃度との関係を例示する図である。 実施形態におけるバイオガス精製処理のフローチャートを例示する図である。 実施形態におけるバイオガス精製システムの構成を例示する図である。 実施形態におけるバイオガス精製システムの構成を例示する図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

図１は、実施形態におけるバイオガス精製システム１の構成を例示する図である。

図１に示されるように、バイオガス精製システム１は、精製装置１０、酸素濃度計２０、制御装置３０を有する。

精製装置１０は、バイオガスから二酸化炭素を分離して高濃度メタンガスを精製する。精製装置１０は、バイオガスから精製した精製ガスを、接続されている消費機器５０に供給する。

図２は、実施形態における精製装置１０の構成を例示する図である。

図２に示されるように、精製装置１０は、圧力調整部としての圧縮機１１０、複数の分離膜１２０ａ〜１２０ｆ、開閉部としての開閉弁１３０ａ〜１３０ｃ、流量調整部としての流量制御弁１４０を有する。精製装置１０に供給されるバイオガスは、圧縮機１１０、複数の分離膜１２０ａ〜１２０ｆ、開閉弁１３０ａ〜１３０ｃ、及び流量制御弁１４０を通り、二酸化炭素が分離されてメタン濃度が高められた精製ガスとして消費機器５０に供給される。なお、以下の説明では、複数の分離膜１２０ａ〜１２０ｆを、単に「分離膜１２０」という場合がある。また、開閉弁１３０ａ〜１３０ｃを、単に「開閉弁１３０」という場合がある。

圧縮機１１０は、制御装置３０に制御されて精製装置１０に供給されるバイオガスを圧縮し、精製装置１０に供給するバイオガスの圧力を調整する。なお、圧縮機１１０とは異なる手段で分離膜１２０に供給するバイオガスの圧力を調整してもよい。

分離膜１２０は、それぞれバイオガスから二酸化炭素を分離して高濃度メタンガスを取り出すことができる。分離膜１２０によって取り出された高濃度メタンガスは、精製ガスとして流量制御弁１４０を通って消費機器５０に供給される。また、分離膜１２０によってバイオガスから分離された高濃度二酸化炭素ガスは、精製装置１０の外部に排出される。

本実施形態における精製装置１０には、図２に示されるように、６本の分離膜１２０ａ〜１２０ｆが設けられている。分離膜１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃは、並列接続されて圧縮機１１０を通過したバイオガスが供給される。分離膜１２０ｄは、開閉弁１３０ａを介して分離膜１２０ａに接続され、開閉弁１３０ａが開弁されると分離膜１２０ａを通過したガスが供給される。分離膜１２０ｅは、開閉弁１３０ｂを介して分離膜１２０ｂに接続され、開閉弁１３０ｂが開弁されると分離膜１２０ｂを通過したガスが供給される。また、分離膜１２０ｆは、開閉弁１３０ｃを介して分離膜１２０ｃに接続され、開閉弁１３０ｃが開弁されると分離膜１２０ｃを通過したガスが供給される。

開閉弁１３０は、例えば電磁弁であり、制御装置３０に制御されて開弁又は閉弁することで、分離膜１２０ｄ，１２０ｅ，１２０ｆへのガス供給経路を開放又は遮断する。開閉弁１３０を開弁又は閉弁させることで、バイオガスから高濃度メタンガスを精製する分離膜１２０の数を、例えば３本から６本の間で変更することができる。

なお、精製装置１０における分離膜１２０の数や配列、開閉弁１３０の配置等は、本実施形態において例示した構成に限られるものではない。分離膜１２０及び開閉弁１３０の構成は、バイオガスから二酸化炭素を分離して高濃度メタンガスを精製可能であり、バイオガスから高濃度メタンガスを精製する分離膜１２０の数を変更可能であれば、本実施形態とは異なる構成であってもよい。

流量制御弁１４０は、制御装置３０に制御されて消費機器５０に供給する精製ガスの流量を調整することで、精製装置１０におけるバイオガスの流量を制御する。

本実施形態における精製装置１０は、図１に示されるように、上記した構成によりバイオガスから二酸化炭素を分離した高濃度メタンガスを精製ガスとして消費機器５０に供給する。消費機器５０は、例えばガスエンジン、燃料電池システム等であり、精製装置１０から供給される精製ガスを燃焼して熱や電気等のエネルギーを得る。

酸素濃度計２０は、精製装置１０から供給される精製ガスを燃焼する消費機器５０から排出される排ガス中の酸素濃度を計測する。酸素濃度計２０は、消費機器５０の排気経路に設けられ、計測した酸素濃度を制御装置３０に出力する。酸素濃度計２０は、排ガス中の酸素濃度を計測可能であれば、その計測方法は限定されない。また、酸素濃度計２０は、消費機器５０に組み込まれていてもよい。

制御装置３０は、精製装置１０及び酸素濃度計２０に接続され、酸素濃度計２０から出力される消費機器５０の排ガス中の酸素濃度に基づいて、精製装置１０の精製条件を制御する。

制御装置３０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、メインメモリ等を含んで構成される。制御装置３０の各種機能は、ＲＯＭ等に記録されたプログラムがメインメモリに読み出されてＣＰＵにより実行されることで実現される。なお、制御装置３０の一部又は全部は、ハードウェアのみにより実現されてもよい。また、制御装置３０は、物理的に複数の装置等により構成されてもよい。

制御装置３０が制御する精製装置１０の精製条件は、例えば、バイオガスの圧力及び流量、バイオガスから二酸化炭素を分離する分離膜の数等である。本実施形態における制御装置３０は、精製装置１０に設けられている圧縮機１１０、開閉弁１３０、及び流量制御弁１４０によって上記した精製装置１０の精製条件を制御する。例えば、制御装置３０は、圧縮機１１０によってバイオガスの圧力を制御し、流量制御弁１４０によってバイオガスの流量を制御できる。また、制御装置３０は、開閉弁１３０を開閉させることで分離膜の数を制御できる。

制御装置３０は、精製装置１０から一定のメタン濃度の精製ガスが消費機器５０に供給されるように、酸素濃度計２０から出力される排ガス中の酸素濃度に基づいて、精製装置１０の精製条件を制御する。

ここで、精製装置１０に供給されるバイオガスは、例えば季節によって組成が変化する場合がある。このように組成が変化した場合にも、精製装置１０が変化前と同じ精製条件で精製すると精製ガスのメタン濃度が低下する場合がある。このように精製ガスのメタン濃度が低下すると、消費機器５０の排ガスには未燃焼分の過剰空気が多く残留して酸素濃度が高くなる。

図３は、精製ガスのメタン濃度と消費機器５０の排ガス中の酸素濃度との関係を例示する図である。

図３に示されるように、精製ガスのメタン濃度が低下すると、設定された空気比で精製ガスを燃焼する消費機器５０から排出される排ガス中の酸素濃度が高くなる。そこで、制御装置３０は、例えば、酸素濃度計２０から出力される排ガス中の酸素濃度が基準値よりも高くなった場合には、精製装置１０による精製ガスのメタン濃度が高くなるように精製条件を変更する。

精製装置１０では、例えばバイオガスの圧力が上がるか、バイオガスの流量が下がることで、精製ガスのメタン濃度が高くなる。また、精製装置１０では、例えば精製に使用される分離膜１２０の数が増えることで、精製ガスのメタン濃度が高くなる。

図４は、精製装置１０におけるガス流量と精製ガスのメタン濃度との関係を例示する図である。

精製装置１０において、例えば図４（Ａ）に示されるようなバイオガスのガス流量と精製ガスのメタン濃度との関係が得られていたとする。制御装置３０は、このような関係に基づいて、精製ガスが目標メタン濃度（例えば９８％）となるように、精製装置１０の流量制御弁１４０を制御してバイオガスの流量をＦ１に設定する。

しかし、精製装置１０に供給されるバイオガスの組成が変動し、例えば図４（Ｂ）において実線で示されるように、バイオガスの流量Ｆ１における精製ガスのメタン濃度が目標メタン濃度９８％から８５％に下がったとする。このような場合には、図３に示されるように、精製ガスのメタン濃度が下がったことにより消費機器５０における排ガス中の酸素濃度が上昇する。そこで、制御装置３０は、精製ガスのメタン濃度が設定されている目標メタン濃度まで上昇し、酸素濃度計２０から出力される排ガス中の酸素濃度が基準値まで低下するように、流量制御弁１４０を制御してバイオガスの流量をＦ１からＦ２まで下げる。排ガス中の酸素濃度の基準値は、例えば図３に示される関係から、精製ガスの目標メタン濃度に基づいて設定される。

制御装置３０は、例えば上記したように、酸素濃度計２０から出力される排ガス中の酸素濃度に基づいてバイオガスの流量を制御することで、精製装置１０による精製ガスのメタン濃度を目標メタン濃度に保つことができる。

なお、制御装置３０は、精製装置１０による精製ガスが目標メタン濃度となるように、精製装置１０の圧縮機１１０によってバイオガスの圧力を制御してもよく、精製装置１０の開閉弁１３０によって精製に使用する分離膜１２０の数を制御してもよい。制御装置３０は、精製装置１０の圧縮機１１０、開閉弁１３０、及び流量制御弁１４０のうち１つ以上を制御し、精製装置１０による精製ガスが目標メタン濃度に保たれるように精製条件を制御する。

図５は、実施形態におけるバイオガス精製処理のフローチャートを例示する図である。

本実施形態におけるバイオガス精製処理では、まずステップＳ１０１にて、精製装置１０による精製ガスの目標メタン濃度が決定される。次にステップＳ１０２にて、消費機器５０の排ガス中の酸素濃度の基準値が決定される。

排ガス中の酸素濃度の基準値は、消費機器５０が設定されている空気比で精製ガスを燃焼したときの精製ガスのメタン濃度と排ガス中の酸素濃度との関係に基づいて決定される。例えば、消費機器５０の空気比が１．２に設定されて図３に示される関係が得られた場合において、精製ガスの目標メタン濃度が９８％の場合には、排ガス中の酸素濃度の基準値を３．２％に決定する。

ステップＳ１０３では、制御装置３０が、精製ガスの目標メタン濃度に基づいて、精製装置１０における精製条件を設定する。制御装置３０は、設定した精製条件に基づいて、精製装置１０の圧縮機１１０、開閉弁１３０、及び流量制御弁１４０によって、バイオガスの圧力及び流量、分離膜の数を制御する。

次にステップＳ１０４にて、精製装置１０が、バイオガスの精製を開始し、精製ガスを消費機器５０に供給する。消費機器５０は、精製装置１０から供給される精製ガスを燃焼して熱や電気等のエネルギーを得る。

このように消費機器５０において精製装置１０から供給される精製ガスが燃焼されている状態で、ステップＳ１０５にて、酸素濃度計２０が消費機器５０の排ガス中の酸素濃度を計測する。酸素濃度計２０は、計測した排ガス中の酸素濃度を制御装置３０に出力する。

次にステップＳ１０６にて、制御装置３０が、酸素濃度計２０から出力された排ガス中の酸素濃度と、ステップＳ１０２において決定された酸素濃度の基準値とを比較する。酸素濃度計２０から出力された排ガス中の酸素濃度が基準値よりも大きい場合（ステップＳ１０６：ＹＥＳ）には、ステップＳ１０７に進む。

ステップＳ１０７では、制御装置３０が、精製装置１０による精製ガスのメタン濃度が上がり、消費機器５０の排ガス中の酸素濃度が低下して基準値以下となるように、精製装置１０の精製条件を変更する。制御装置３０は、例えば、精製装置１０の圧縮機１１０を制御してバイオガスの圧力を上げたり、や流量制御弁１４０を制御してバイオガスの流量を下げたりする。また、制御装置３０は、例えば、精製装置１０の開閉弁１３０を制御して精製に使用する分離膜１２０の数を増やす。

消費機器５０の排ガス中の酸素濃度が基準値以下となるまで（ステップＳ１０９：ＹＥＳ）、ステップＳ１０７及びステップＳ１０８の処理が繰り返し実行される。消費機器５０の排ガス中の酸素濃度が基準値以下となり（ステップＳ１０９：ＹＥＳ）、バイオガスの精製を継続する場合（ステップＳ１１０：ＮＯ）には、ステップＳ１０５以降の処理を繰り返し実行する。精製装置１０におけるバイオガスの精製を終了する場合（ステップＳ１１０：ＹＥＳ）には、バイオガス精製処理を終了する。

以上で説明したように、本実施形態におけるバイオガス精製システム１では、制御装置３０が消費機器５０の排ガス中の酸素濃度に基づいて精製装置１０の精製条件を制御する。したがって、精製装置１０に供給されるバイオガスの組成が変動した場合であっても、精製装置１０から消費機器５０に供給する精製ガスのメタン濃度を目標メタン濃度に保つことができる。

なお、本実施形態におけるバイオガス精製システム１は、図６に示されるように、精製装置１０による精製ガスと都市ガスとを混合したガスを消費機器５０に供給してもよい。

また、図７に示されるように、バイオガス精製システム１に精製装置１０による精製ガスに臭気を付与する付臭装置４０を設け、付臭した精製ガスを都市ガス等の導管６０に注入するように構成してもよい。

以上、実施形態に係るバイオガス精製システム及びバイオガス精製方法について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。

１ バイオガス精製システム
１０ 精製装置
２０ 酸素濃度計
３０ 制御装置
５０ 消費機器
１１０ 圧縮機（圧力調整部）
１２０ 分離膜
１３０ 開閉弁（開閉部）
１４０ 流量制御弁（流量調整部）

Claims (6)

1. バイオガスから二酸化炭素を分離して精製ガスを得る精製装置と、
   前記精製ガスを燃焼する消費機器から排出される排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度計と、
   前記排ガス中の酸素濃度に基づいて、前記精製ガスが目標メタン濃度に保たれるように前記精製装置の精製条件を制御する制御装置と、を有する
   ことを特徴とするバイオガス精製システム。
2. 前記精製装置は、前記バイオガスから二酸化炭素を分離する複数の分離膜を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載のバイオガス精製システム。
3. 前記精製装置は、前記複数の分離膜への前記バイオガスの供給経路を開放又は遮断する開閉部を有し、
   前記制御装置は、前記排ガス中の酸素濃度に基づいて、前記開閉部を制御して前記バイオガスを供給する分離膜の数を変更する
   ことを特徴とする請求項２に記載のバイオガス精製システム。
4. 前記精製装置は、前記複数の分離膜に供給する前記バイオガスの圧力を調整する圧力調整部を有し、
   前記制御装置は、前記排ガス中の酸素濃度に基づいて、前記圧力調整部を制御して前記バイオガスの圧力を変更する
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載のバイオガス精製システム。
5. 前記精製装置は、前記複数の分離膜に供給する前記バイオガスの流量を調整する流量調整部を有し、
   前記制御装置は、前記排ガス中の酸素濃度に基づいて、前記流量調整部を制御して前記バイオガスの流量を変更する
   ことを特徴とする請求項２から４の何れか一項に記載のバイオガス精製システム。
6. バイオガスから二酸化炭素を分離して精製ガスを得る精製ステップと、
   前記精製ステップにより精製された精製ガスを燃焼する消費機器から排出される排ガス中の酸素濃度を計測する酸素濃度計測ステップと、
   前記排ガス中の酸素濃度に基づいて、前記精製ガスが目標メタン濃度に保たれるように前記精製ステップの精製条件を制御する制御ステップと、を有する
   ことを特徴とするバイオガス精製方法。
   

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