JP2009242773A - Methane gas concentration device, method therefor, fuel gas production device and method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、メタンガスと二酸化炭素を含む混合ガスから二酸化炭素を分離してメタンガスを濃縮するメタンガス濃縮装置および方法、ならびにメタンガスと熱量調節用の高熱量ガスとを含む燃料ガスの製造装置および方法に関するものである。 The present invention relates to a methane gas concentrating apparatus and method for concentrating methane gas by separating carbon dioxide from a mixed gas containing methane gas and carbon dioxide, and a fuel gas production apparatus and method including methane gas and a high calorific gas for heat quantity adjustment. Is.
従来から、し尿、浄化水汚泥、下水処理汚泥、家畜糞尿、生ゴミ等の有機性廃棄物をメタン発酵菌により嫌気性発酵処理することにより、有機性廃棄物を分解して主としてメタンガスと二酸化炭素を含むバイオガスを発生させ、このバイオガスをエネルギーとして有効活用する技術が開発されている。 Conventionally, organic waste such as human waste, purified water sludge, sewage treatment sludge, livestock manure, and garbage is subjected to anaerobic fermentation treatment with methane fermentation bacteria to decompose organic waste mainly to produce methane gas and carbon dioxide. A technology has been developed to generate biogas containing methane and effectively use this biogas as energy.
一方、発生させたバイオガスから高濃度のメタンや二酸化炭素を分離する回収技術も種々のものが開発されている。特に、小型〜中型の設備に利用できるものとして膜分離法があげられる。 On the other hand, various recovery techniques for separating high-concentration methane and carbon dioxide from the generated biogas have been developed. In particular, a membrane separation method can be cited as a method that can be used for small to medium-sized facilities.
このような膜分離法は、高分子膜等を用いてガス成分の透過速度の差によって成分分離を行なうものであり、加圧ガスを膜に通過させるだけでガス成分の分離が可能で、対象ガスの種類や処理ガス量等に合わせて分離膜を選択し、必要に応じて複数の分離膜を並列に組み合わせて使用したり(下記の特許文献1〜3)、直列に組み合わせて使用したりすることが行なわれている(下記の特許文献4)。
しかしながら、複数の分離膜を単に並列に使用したのでは、回収率はある程度あげることができるものの、高濃度のメタンガスを得るには限界がある。一方、複数の分離膜を単に直列に使用したのでは、ある程度高濃度のメタンガスを得ることができるものの、回収率を上げるのには限界がある。このように、高回収率で高濃度のメタンガスを得ることができるメタンガスの濃縮装置は得られていなかったのが実情である。また、二酸化炭素とメタンを主として含むバイオガスを原料として燃料ガスを得ようとすると、メタンガスだけでは十分な熱量が得られない場合があるという問題があった。 However, if a plurality of separation membranes are simply used in parallel, the recovery rate can be increased to some extent, but there is a limit to obtaining a high concentration of methane gas. On the other hand, if a plurality of separation membranes are simply used in series, methane gas with a somewhat high concentration can be obtained, but there is a limit to increasing the recovery rate. Thus, the actual situation is that a methane gas concentrator capable of obtaining a high concentration methane gas with a high recovery rate has not been obtained. Further, when a fuel gas is obtained using a biogas mainly containing carbon dioxide and methane as a raw material, there is a problem that a sufficient amount of heat may not be obtained only with methane gas.
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、高回収率で高濃度のメタンガスを得ることができるメタンガス濃縮装置および方法ならびに燃料ガスの製造装置および方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such a problem, and provides a methane gas concentrating device and method and a fuel gas manufacturing device and method capable of obtaining a high concentration methane gas with a high recovery rate. Objective.
上記目的を達成するため、本発明のメタンガス濃縮装置は、少なくともメタンガスと二酸化炭素を含む混合ガスから二酸化炭素を分離してメタンガスを濃縮するメタンガス濃縮装置であって、
上記混合ガスから二酸化炭素を優先的に透過させる分離膜によりメタンガスを濃縮する第1濃縮装置と、
上記第1濃縮装置の非透過ガスから二酸化炭素を優先的に透過させる分離膜によりメタンガスをさらに濃縮する第2濃縮装置と、
上記第1濃縮装置の透過ガスからさらに二酸化炭素を優先的に透過させる分離膜によりメタンガスを回収する回収装置とを備えたことを要旨とする。
In order to achieve the above object, the methane gas concentrator of the present invention is a methane gas concentrator that separates carbon dioxide from a mixed gas containing at least methane gas and carbon dioxide to concentrate the methane gas,
A first concentrator for concentrating methane gas by a separation membrane that preferentially permeates carbon dioxide from the mixed gas;
A second concentrator that further concentrates methane gas by a separation membrane that preferentially permeates carbon dioxide from the non-permeate gas of the first concentrator;
The gist of the present invention is to provide a recovery device that recovers methane gas by a separation membrane that preferentially permeates carbon dioxide from the permeate gas of the first concentrator.
また、上記目的を達成するため、本発明のメタンガス濃縮方法は、少なくともメタンガスと二酸化炭素を含む混合ガスから二酸化炭素を分離してメタンガスを濃縮するメタンガス濃縮方法であって、
上記混合ガスから二酸化炭素を優先的に透過させる分離膜によりメタンガスを濃縮する第1濃縮工程と、
上記第1濃縮工程の非透過ガスから二酸化炭素を優先的に透過させる分離膜によりメタンガスをさらに濃縮する第2濃縮工程と、
上記第1濃縮工程の透過ガスからさらに二酸化炭素を優先的に透過させる分離膜によりメタンガスを回収する回収工程とを備えたことを要旨とする。
Further, in order to achieve the above object, the methane gas concentration method of the present invention is a methane gas concentration method for concentrating methane gas by separating carbon dioxide from a mixed gas containing at least methane gas and carbon dioxide,
A first concentration step of concentrating methane gas by a separation membrane that preferentially permeates carbon dioxide from the mixed gas;
A second concentration step in which methane gas is further concentrated by a separation membrane that preferentially permeates carbon dioxide from the non-permeate gas in the first concentration step;
The present invention includes a recovery step of recovering methane gas by a separation membrane that preferentially permeates carbon dioxide from the permeate gas of the first concentration step.
また、上記目的を達成するため、本発明の燃料ガスの製造装置は、メタンガスと熱量調節用の高熱量ガスとを含む燃料ガスの製造装置であって、
有機物を分解して得られたバイオガスに対して高熱量ガスを添加してバイオガスと高熱量ガスとの混合ガスとする高熱量ガス添加手段と、
上記混合ガスから二酸化炭素を優先的に透過させる分離膜によりメタンガスおよび高熱量ガスを濃縮する第1濃縮装置と、
上記第1濃縮装置の透過ガスからさらに二酸化炭素を優先的に透過させる分離膜によりメタンガスおよび高熱量ガスを回収する回収装置とを備えたことを要旨とする。
In order to achieve the above object, a fuel gas production apparatus of the present invention is a fuel gas production apparatus containing methane gas and a high calorific gas for calorie adjustment,
A high calorific gas addition means for adding a high calorific gas to a biogas obtained by decomposing an organic substance to form a mixed gas of the biogas and the high calorific gas;
A first concentrator for concentrating methane gas and high calorific gas with a separation membrane that preferentially permeates carbon dioxide from the mixed gas;
The gist of the present invention is to provide a recovery device that recovers methane gas and high calorific gas by a separation membrane that preferentially permeates carbon dioxide from the permeate gas of the first concentrator.
また、上記目的を達成するため、本発明の燃料ガスの製造方法は、メタンガスと熱量調節用の高熱量ガスとを含む燃料ガスの製造方法であって、
有機物を分解して得られたバイオガスに対して高熱量ガスを添加してバイオガスと高熱量ガスとの混合ガスとする高熱量ガス添加工程と、
上記混合ガスから二酸化炭素を優先的に透過させる分離膜によりメタンガスおよび高熱量ガスを濃縮する第1濃縮工程と、
上記第1濃縮工程の透過ガスからさらに二酸化炭素を優先的に透過させる分離膜によりメタンガスおよび高熱量ガスを回収する回収工程とを備えたことを要旨とする。
In order to achieve the above object, a method for producing a fuel gas of the present invention is a method for producing a fuel gas containing methane gas and a high calorific gas for adjusting the calorific value,
A high calorific gas addition step of adding a high calorific gas to the biogas obtained by decomposing organic matter to make a mixed gas of the biogas and the high calorific gas,
A first concentration step of concentrating methane gas and high calorific gas with a separation membrane that preferentially permeates carbon dioxide from the mixed gas;
The present invention includes a recovery step of recovering methane gas and high calorific gas by a separation membrane that preferentially permeates carbon dioxide from the permeate gas of the first concentration step.
本発明のメタンガス濃縮装置および方法は、分離膜による第1段階と第2段階の2段階の濃縮により二酸化炭素を除去してメタンガスを濃縮するため、高濃度の濃縮メタンガスを得ることができる。また、第1段階の濃縮の透過ガスをさらに分離膜によって二酸化炭素を分離してメタンガスを回収することから、メタンガスの回収率を飛躍的に向上することができる。このように、高回収率で高濃度のメタンガスを得ることができ、例えば、メタンガスの含有率が60%未満の混合ガスや、混合ガス中に空気等の不純ガスが混入するような環境であっても高回収率で高濃度のメタンガスを得ることができる。また、メタンガスを高回収率で回収した後の排ガスとして高濃度の二酸化炭素ガスを得ることができ、二酸化炭素回収装置としての機能も同時に発揮する。 The methane gas concentrating apparatus and method of the present invention removes carbon dioxide and concentrates the methane gas by two-stage concentration of the first stage and the second stage by the separation membrane, so that highly concentrated methane gas can be obtained. Further, since the permeated gas concentrated in the first stage is further separated into carbon dioxide by a separation membrane to recover methane gas, the recovery rate of methane gas can be dramatically improved. In this way, it is possible to obtain methane gas with a high recovery rate and high concentration. For example, the environment is such that a mixed gas having a methane gas content of less than 60% or an impurity gas such as air is mixed in the mixed gas. Even with this, it is possible to obtain a high concentration of methane gas with a high recovery rate. In addition, high-concentration carbon dioxide gas can be obtained as exhaust gas after recovering methane gas at a high recovery rate, and the function as a carbon dioxide recovery device is also exhibited at the same time.
本発明のメタンガス濃縮装置および方法において、上記第2濃縮装置または工程の透過ガスおよび回収装置の非透過ガスを第1濃縮装置または工程の導入側に還流させる場合には、第2濃縮装置または工程において透過した二酸化炭素およびメタンガスを第1濃縮装置または工程に再び導入するとともに、回収装置で透過しなかったメタンガスを第1濃縮装置または工程に再び導入し、メタンガスの濃縮濃度および回収率を向上することができる。 In the methane gas concentrating apparatus and method of the present invention, when the permeate gas of the second concentrator or process and the non-permeate gas of the recovery apparatus are refluxed to the introduction side of the first concentrator or process, the second concentrator or process is used. The carbon dioxide and methane gas permeated in step 1 are reintroduced into the first concentrator or process, and methane gas that has not permeated through the recovery unit is reintroduced into the first concentrator or process, thereby improving the concentration and recovery rate of methane gas. be able to.
本発明のメタンガス濃縮装置および方法において、上記第1濃縮装置または工程と第2濃縮装置または工程の分離膜の面積が略等しい場合には、上記第1濃縮装置または工程と第2濃縮装置または工程の分離膜の面積を略等しくすることにより、第1濃縮装置と第2濃縮装置に同じ分離膜の濃縮装置を用いることができて設備効率面で有利である。また、第1濃縮装置または工程の導入圧と第2濃縮装置または工程の導入圧との差が少ないため、分離膜の面積を略等しくすることで第1濃縮装置または工程も第2濃縮装置または工程も略同等の濃縮性能が発揮され、メタンガスの濃縮濃度および回収率を向上することができる。 In the methane gas concentrating device and method of the present invention, when the areas of the separation membranes of the first concentrating device or step and the second concentrating device or step are substantially equal, the first concentrating device or step and the second concentrating device or step. By making the separation membranes substantially equal in area, it is possible to use the same separation membrane concentrator for the first concentrator and the second concentrator, which is advantageous in terms of equipment efficiency. In addition, since the difference between the introduction pressure of the first concentrator or the process and the introduction pressure of the second concentrator or the process is small, the first concentrator or the process is also the second concentrator or the process by making the area of the separation membrane substantially equal. In the process, substantially the same concentration performance is exhibited, and the concentration of methane gas and the recovery rate can be improved.
本発明のメタンガス濃縮装置および方法において、上記回収装置または工程の分離膜の面積を第1濃縮装置または工程の分離膜の面積よりも小さくした場合には、回収装置または工程の分離膜をメタンガスがより透過し難くなり、メタンガスの回収効率を向上することができる。 In the methane gas concentrating device and method of the present invention, when the area of the separation membrane of the recovery device or process is smaller than the area of the separation membrane of the first concentration device or process, methane gas is used as the separation membrane of the recovery device or process. It becomes difficult to permeate, and the recovery efficiency of methane gas can be improved.
本発明のメタンガス濃縮装置および方法において、上記回収装置または工程における分離膜の透過前後の差圧を0.1MPa以下とした場合には、回収装置または工程の分離膜をメタンガスがより透過し難くなり、メタンガスの回収効率を向上することができる。 In the methane gas concentrating device and method of the present invention, when the differential pressure before and after permeation of the separation membrane in the recovery device or process is 0.1 MPa or less, methane gas is more difficult to permeate the separation membrane of the recovery device or process. The methane gas recovery efficiency can be improved.
本発明の燃料ガスの製造装置および方法は、あらかじめバイオガスに対して高熱量ガスを添加してバイオガスと高熱量ガスとの混合ガスとし、この混合ガスから二酸化炭素を分離してメタンガスと高熱量ガスを濃縮する。このようにすることにより、あらかじめバイオガスに対する混合比率を定めて高熱量ガスを添加することにより、メタンガスと高熱量ガスが所定比率で混合された所定熱量の燃料ガスを得ることができ、このように、バイオガスを原料として十分な熱量で安定した品質の燃料ガスを簡単な制御で得ることができる。 The fuel gas production apparatus and method of the present invention add a high calorific gas to a biogas in advance to obtain a mixed gas of the biogas and the high calorific gas, and separate carbon dioxide from the mixed gas to obtain a methane gas and a high gas. Concentrate the calorific gas. In this way, a fuel gas having a predetermined calorific value in which methane gas and high calorific gas are mixed at a predetermined ratio can be obtained by preliminarily setting a mixing ratio with respect to biogas and adding a high calorific gas. In addition, a stable quality fuel gas can be obtained with a simple control with a sufficient amount of heat using biogas as a raw material.
本発明の燃料ガスの製造装置および方法において、上記添加手段は、第1濃縮装置または工程に導入するガスを昇圧する昇圧手段の上流においてバイオガスに対して高熱量ガスを添加する場合には、低圧なバイオガスに対して高熱量ガスを添加できて高熱量ガスの液化を防ぐ。これにより、分離膜透過後のメタンガスと高熱量ガスの混合比率の変動を防止し、安定した品質の燃料ガスを簡単な制御で得ることができる。 In the fuel gas production apparatus and method of the present invention, when the addition means adds a high calorific value gas to the biogas upstream of the boosting means for boosting the gas introduced into the first concentrator or the process, High calorific gas can be added to low pressure biogas to prevent liquefaction of high calorific gas. Thereby, the fluctuation | variation of the mixing ratio of methane gas and high calorie | heat amount gas after permeation | transmission of a separation membrane can be prevented, and stable quality fuel gas can be obtained by simple control.
本発明の燃料ガスの製造装置および方法において、上記回収装置または工程の分離膜の面積を第1濃縮装置または工程の分離膜の面積よりも小さくした場合には、回収装置または工程の分離膜をメタンガスがより透過し難くなり、メタンガスの回収効率を向上することができる。 In the fuel gas production apparatus and method of the present invention, when the area of the separation membrane of the recovery device or process is smaller than the area of the separation membrane of the first concentration device or process, the separation membrane of the recovery device or process is used. It becomes difficult for methane gas to permeate, and the recovery efficiency of methane gas can be improved.
つぎに、本発明を実施するための最良の形態を説明する。 Next, the best mode for carrying out the present invention will be described.
図1は、本発明が適用される燃料ガス製造装置の一例を示す構成図である。 FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of a fuel gas production apparatus to which the present invention is applied.
この燃料ガス製造装置は、少なくともメタンガスと二酸化炭素を含む混合ガスから二酸化炭素を分離してメタンガスを濃縮するメタンガス濃縮装置1を備え、メタンガスと熱量調節用の高熱量ガスとを含む燃料ガスを製造するものである。 This fuel gas production apparatus includes a methane gas concentrator 1 that separates carbon dioxide from a mixed gas containing at least methane gas and carbon dioxide to concentrate the methane gas, and produces a fuel gas containing methane gas and a high calorific gas for heat quantity adjustment. To do.
上記燃料ガス製造装置は、原料ガスとして有機物を分解して得られたバイオガスを使用する。上記バイオガスは、有機性廃棄物を嫌気性雰囲気でメタン菌などの嫌気性微生物を用いて有機物を分解処理する消化槽(図示せず)等により発生させ、メタンを高濃度に含有するとともに二酸化炭素を含有するガスである。 The fuel gas production apparatus uses biogas obtained by decomposing organic substances as a raw material gas. The biogas is generated in a digestion tank (not shown) that decomposes organic waste using anaerobic microorganisms such as methane bacteria in an anaerobic atmosphere. It is a gas containing carbon.
上記消化槽は、例えば、円筒槽、矩形槽及び卵形槽などの形状が用いられる。また、上記消化槽としては、発生した消化ガスを循環するとともに攪拌する攪拌装置が設けられた1段構造のものを用いることもできるし、通性嫌気性菌により蛋白質などの高分子有機物を有機酸などの低分子有機物に分解する酸発酵槽や、油脂分などを高温で分解して溶解する可溶化槽などを前段に設けて2段構造のものを用いることもできる。 For example, a cylindrical tank, a rectangular tank, an egg-shaped tank, or the like is used as the digestion tank. In addition, as the digester, a one-stage structure provided with a stirring device for circulating and stirring the generated digestion gas can be used, or a high-molecular organic substance such as a protein is organically treated by facultative anaerobic bacteria. It is also possible to use an acid fermentation tank that decomposes into low-molecular organic substances such as acids, a solubilization tank that decomposes and dissolves oils and fats at a high temperature, and the like in a two-stage structure.
上記原料ガスをメタンガス濃縮装置1に導入する原料ガス導入路3には、LPGボンベ4に連通するプロパンガス添加路5が接続され、有機物を分解して得られたバイオガスに対して高熱量ガスとしてプロパンガスを添加してバイオガスとプロパンガスとの混合ガスとする。LPGボンベ4およびプロパンガス添加路5が本発明の高熱量ガス添加手段として機能する。なお、プロパンガス添加路5に変えて図示において鎖線で示すプロパンガス添加路5aを設け、高熱量ガスを圧縮機6の下流側において添加するようにすることもできる。
A propane
高熱量ガスとしては、プロパンガスだけでなく、エタンガスやブタンガスを用いることもでき、これらは単独でもしくは併せて用いることができる。 As the high calorific gas, not only propane gas but also ethane gas or butane gas can be used, and these can be used alone or in combination.
このように、メタンガスと二酸化炭素を含むバイオガスに対して、熱量調節用の高熱量ガスを所定の割合で添加して混合ガスとする。そして、この混合ガスから二酸化炭素を分離することにより、メタンガスに対して所定割合以上で高熱量ガスが添加された燃料用ガスを得ることができる。ここでの高熱量ガスの添加割合は、最終的に得られる燃料ガスの熱量を例えば都市ガス等の規格に合わせるように設定することが行なわれる。 In this way, a high calorific gas for calorie adjustment is added to the biogas containing methane gas and carbon dioxide at a predetermined ratio to obtain a mixed gas. And by separating carbon dioxide from this mixed gas, it is possible to obtain a fuel gas to which a high calorific gas is added at a predetermined ratio or more with respect to methane gas. Here, the addition ratio of the high calorific gas is set so that the calorific value of the finally obtained fuel gas matches the standard of, for example, city gas.
バイオガスに対して所定割合でプロパンガスが添加された混合ガスは、圧縮機6で0.5〜0.9MPa(ゲージ圧力)程度の所定圧力に昇圧されてメタンガス濃縮装置1に導入される。したがって、本実施形態では、高熱量ガスの添加手段は、後述する第1濃縮装置11に導入するガスを昇圧する昇圧手段としての圧縮機6の上流においてバイオガスに対して高熱量ガスを添加するようになっている。
The mixed gas in which propane gas is added at a predetermined ratio with respect to the biogas is boosted to a predetermined pressure of about 0.5 to 0.9 MPa (gauge pressure) by the
上記メタンガス濃縮装置1は、メタンガスと二酸化炭素の混合ガスから二酸化炭素を分離してメタンガスを濃縮するものであるが、本実施形態の混合ガスは、メタンガスと二酸化炭素に加えて高熱量ガスとしてのプロパンガスも添加されており、この混合ガスから二酸化炭素を分離してメタンガスと高熱量ガスを濃縮する。また、上記混合ガスは、メタンガス、高熱量ガス、二酸化炭素以外に、空気等の他のガスが混入されている場合もある。 The methane gas concentrator 1 separates carbon dioxide from a mixed gas of methane gas and carbon dioxide and concentrates the methane gas. However, the mixed gas of the present embodiment is used as a high calorific gas in addition to methane gas and carbon dioxide. Propane gas is also added, and carbon dioxide is separated from this mixed gas to concentrate methane gas and high calorific gas. The mixed gas may contain other gases such as air in addition to methane gas, high calorific gas, and carbon dioxide.
上記メタンガス濃縮装置1は、それぞれ分離膜を備えた第1濃縮装置11、第2濃縮装置12ならびに回収装置13とを備えて構成されている。
The methane gas concentrating device 1 includes a first concentrating
第1濃縮装置11は、分離膜により上記混合ガスから二酸化炭素を優先的に透過させてメタンガスおよび高熱量ガスを濃縮する。第1濃縮装置11への混合ガスの導入圧力は、0.5〜0.9MPa(ゲージ圧力)程度に設定される。第1濃縮装置11における分離膜の透過ガスは、分離膜を透過した二酸化炭素に分離膜を透過してしまったメタンガスや高熱量ガスが含まれたガスであり、回収装置13に導入される。第1濃縮装置11における分離膜の非透過ガスは、メタンガスおよび高熱量ガスに分離膜を透過しなかった多少の二酸化炭素が含まれたガスであり、第2濃縮装置12に導入される。
The
第2濃縮装置12は、上記第1濃縮装置11の非透過ガスから二酸化炭素を優先的に透過させる分離膜によりメタンガスおよび高熱量ガスをさらに濃縮する。第2濃縮装置12への混合ガスの導入圧力は、流量調節を行なわない限り、第1濃縮装置11への導入圧力から0.005〜0.05MPa下がる程度で、第1濃縮装置11への導入圧力とほぼ同程度となる。第2濃縮装置12における分離膜の透過ガスは、分離膜を透過した二酸化炭素にメタンガス等が含まれたガスであり、第1濃縮装置11の導入側すなわち圧縮機6の上流側に還流されて再び第1濃縮装置11に導入される。また、第2濃縮装置12における分離膜の非透過ガスは、メタンガスおよび高熱量ガスが所定比率で混合された混合ガスであり、製品ガスとして後工程に送られる。
The
この例では、上記第1濃縮装置11と第2濃縮装置12の分離膜の面積が略等しくなるよう設定されている。このようにすることにより、第1濃縮装置11と第2濃縮装置12は同じ分離膜装置を兼用することができて設備効率がよい。
In this example, the separation membrane areas of the
上記回収装置13は、上記第1濃縮装置11の透過ガスからさらに二酸化炭素を優先的に透過させる分離膜によりメタンガスおよび高熱量ガスを回収する。すなわち、回収装置13への導入ガスは、上述したように第1濃縮装置11の分離膜を透過した二酸化炭素およびメタンガスや高熱量ガスが含まれたガスであり、このガスからさらに二酸化炭素を優先的に透過させて分離し、メタンガスおよび高熱量ガスを回収する。
The
上記回収装置13における分離膜の非透過ガスは、回収されたメタンガスおよび高熱量ガスを含むガスであり、第1濃縮装置11の導入側すなわち圧縮機6の上流側に還流されて再び第1濃縮装置11に導入される。上記回収装置13における分離膜の透過ガスは、高濃度の二酸化炭素を主とするガスであり、排出路14から排出するか、あるいは製品二酸化炭素として二酸化炭素タンク15に貯留される。
The non-permeate gas of the separation membrane in the
上記回収装置13に導入されるガスの導入圧は、上記第1濃縮装置11の透過ガスの圧力であり、0.1MPa(ゲージ圧力)以下程度となる。また、上記回収装置13における分離膜の透過前後の差圧は0.1MPa以下程度に設定するのが好ましい。
The introduction pressure of the gas introduced into the
上記回収装置13の分離膜の面積は、第1濃縮装置11の分離膜の面積と同じにすることができる。このようにすることにより、回収装置13と第2濃縮装置12は同じ分離膜装置を兼用することができて設備効率がよい。
The area of the separation membrane of the
また、上記回収装置13の分離膜の面積を第1濃縮装置11の分離膜の面積よりも小さく設定するようにしてもよい。このようにすることにより、回収装置13の分離膜をメタンガスがより透過し難くなり、回収装置13でのメタンガスの回収効率を向上することができる。
Further, the area of the separation membrane of the
上記第1濃縮装置11、第2濃縮装置12および回収装置13に用いられる分離膜としては、主としてポリイミド膜、ポリスルホン膜、三酢酸セルロース膜、ポリテトラフルオロエチレン膜、ポリエーテルスルホン膜などの高分子気体分離膜や、カーボン膜、微多孔質ガラス複合膜などを用ることができるが、これらのなかでも、ポリイミド膜がメタンガスと二酸化炭素との分離係数が高く、しかも耐硫化水素性もあるために好ましい。
Separation membranes used in the first concentrating
このようにして、第2濃縮装置12の非透過ガスとして、メタンガスおよび高熱量ガスが所定比率で混合された混合ガスである燃料ガスが精製され、製品ガス導出路16から導出される。
In this way, as the non-permeate gas of the
上述したように、メタンガスと二酸化炭素を含むバイオガスに対して高熱量ガスを所定割合で添加した混合ガスから二酸化炭素を分離することにより、メタンガスに対して所定割合で高熱量ガスが添加された燃料用ガスを得る。製品ガスである燃料ガス中のメタンガスと高熱量ガスの比率は、最初にバイオガスに対して添加する高熱量ガスの添加比率により決定され、この添加比率は、プロパンガス添加路5に設けられた流量調節器26により調節する。
As described above, by separating carbon dioxide from a mixed gas obtained by adding a high calorific gas to a biogas containing methane gas and carbon dioxide at a predetermined ratio, the high calorific gas was added at a predetermined ratio to the methane gas. Obtain fuel gas. The ratio of the methane gas and the high calorific gas in the fuel gas, which is the product gas, is determined by the addition ratio of the high calorific gas that is initially added to the biogas, and this addition ratio is provided in the propane
ここで、上記原料ガス導入路3には、原料ガスであるバイオガス中のメタンガス濃度を検知する濃度検知器17が設けられ、原料ガス中のメタンガス濃度が一定比率以下に低下したときに、原料ガス導入路3の原料弁18およびプロパンガス添加路5のプロパン弁19を閉じて、メタンガス濃縮装置1への混合ガスの導入を停止する。再び原料ガス中のメタンガス濃度が一定比率以上になったときに、原料弁18およびプロパン弁19を開けてメタンガス濃縮装置1への混合ガスの導入を再開する。これにより、製品ガスである燃料ガス中のメタンガスに対する高熱量ガスの比率を一定以上に保つようになっている。
Here, the raw material
ここで、濃度検知器17を原料ガス導入路3に設けるのに代えて、メタンガス濃縮装置1下流の製品ガス導出路16に濃度検知器17aを設けるようにすることもできる。この場合、製品ガス中のメタンガス濃度が所定の範囲を外れたときには、原料ガス導入路3の原料弁18およびプロパンガス添加路5のプロパン弁19を閉じてメタンガス濃縮装置1への混合ガスの導入を停止し、熱量が適正範囲を外れた製品ガスを高圧タンク7へ充填してしまうことを防止するようになっている。
Here, instead of providing the
製品ガス導出路16には、精製ガスの流量を調節する流量調節器27が設けられるとともに、精製された燃料ガスに対して付臭ガスを添加するための付臭ガスボンベ20および付臭ガス添加路21が接続されるとともに、付臭ガスが添加された製品ガスを一時的に貯留するバッファタンク22が接続されている。また、上記バッファタンク22に貯留された製品ガスは、圧縮機23で圧縮されて高圧ガスタンクユニット24の各高圧タンク7に貯留される。
The product
そして、上記各高圧タンク7に貯留された燃料ガスは、燃料ボンベ8に個別充填されて所定の燃料として使用される場所に運ばれたり、あるいは、供給ノズル9から内燃機関付きの車両に燃料として供給される。
The fuel gas stored in each of the high-
以上のように、本実施形態のメタンガス濃縮装置1および方法は、分離膜による第1段階と第2段階の2段階の濃縮により二酸化炭素を除去してメタンガスを濃縮するため、高濃度の濃縮メタンガスを得ることができる。また、第1段階の濃縮の透過ガスをさらに分離膜によって二酸化炭素を分離してメタンガスを回収することから、メタンガスの回収率を飛躍的に向上することができる。このように、高回収率で高濃度のメタンガスを得ることができ、例えば、メタンガスの含有率が60%未満の混合ガスや、混合ガス中に空気等の不純ガスが混入するような環境であっても高回収率で高濃度のメタンガスを得ることができる。また、メタンガスを高回収率で回収した後の排ガスとして高濃度の二酸化炭素ガスを得ることができ、二酸化炭素回収装置としての機能も同時に発揮する。 As described above, the methane gas concentrating apparatus 1 and the method of the present embodiment concentrates methane gas by removing carbon dioxide by two-stage concentration of the first stage and the second stage by the separation membrane. Can be obtained. Further, since the permeated gas concentrated in the first stage is further separated into carbon dioxide by a separation membrane to recover methane gas, the recovery rate of methane gas can be dramatically improved. In this way, it is possible to obtain methane gas with a high recovery rate and high concentration. For example, the environment is such that a mixed gas having a methane gas content of less than 60% or an impurity gas such as air is mixed in the mixed gas. Even with this, it is possible to obtain a high concentration of methane gas with a high recovery rate. In addition, high-concentration carbon dioxide gas can be obtained as exhaust gas after recovering methane gas at a high recovery rate, and the function as a carbon dioxide recovery device is also exhibited at the same time.
また、本実施形態の燃料ガスの製造装置および方法は、あらかじめバイオガスに対して高熱量ガスを添加してバイオガスと高熱量ガスとの混合ガスとし、この混合ガスから二酸化炭素を分離してメタンガスと高熱量ガスを濃縮する。このようにすることにより、あらかじめバイオガスに対する混合比率を定めて高熱量ガスを添加することにより、メタンガスと高熱量ガスが所定比率で混合された所定熱量の燃料ガスを得ることができ、このように、バイオガスを原料として十分な熱量で安定した品質の燃料ガスを簡単な制御で得ることができる。 In addition, the fuel gas production apparatus and method of the present embodiment add a high calorific gas to the biogas in advance to obtain a mixed gas of the biogas and the high caloric gas, and separate carbon dioxide from the mixed gas. Concentrate methane gas and high calorific gas. In this way, a fuel gas having a predetermined calorific value in which methane gas and high calorific gas are mixed at a predetermined ratio can be obtained by preliminarily setting a mixing ratio with respect to biogas and adding a high calorific gas. In addition, a stable quality fuel gas can be obtained with a simple control with a sufficient amount of heat using biogas as a raw material.
また、上記第2濃縮装置12または工程の透過ガスおよび回収装置13の非透過ガスを第1濃縮装置11または工程の導入側に還流させる場合には、第2濃縮装置12または工程において透過した二酸化炭素およびメタンガスを第1濃縮装置11または工程に再び導入するとともに、回収装置13で透過しなかったメタンガスを第1濃縮装置11または工程に再び導入し、メタンガスの濃縮濃度および回収率を向上することができる。
Further, when the permeate gas of the
また、上記第1濃縮装置11または工程と第2濃縮装置12または工程の分離膜の面積が略等しい場合には、上記第1濃縮装置11または工程と第2濃縮装置12または工程の分離膜の面積を略等しくすることにより、第1濃縮装置11と第2濃縮装置12に同じ分離膜の濃縮装置を用いることができて設備効率面で有利である。また、第1濃縮装置11または工程の導入圧と第2濃縮装置12または工程の導入圧との差が少ないため、分離膜の面積を略等しくすることで第1濃縮装置11または工程も第2濃縮装置12または工程も略同等の濃縮性能が発揮され、メタンガスの濃縮濃度および回収率を向上することができる。
Further, when the area of the separation membrane of the
また、上記回収装置13または工程の分離膜の面積を第1濃縮装置11または工程の分離膜の面積よりも小さくした場合には、回収装置13または工程の分離膜をメタンガスがより透過し難くなり、メタンガスの回収効率を向上することができる。
Further, when the area of the separation membrane of the
また、上記回収装置13または工程における分離膜の透過前後の差圧を0.1MPa以下とした場合には、回収装置13または工程の分離膜をメタンガスがより透過し難くなり、メタンガスの回収効率を向上することができる。
Further, when the differential pressure before and after the permeation of the separation membrane in the
また、上記添加手段は、第1濃縮装置11または工程に導入するガスを昇圧する昇圧手段である圧縮機6の上流においてバイオガスに対して高熱量ガスを添加する場合には、低圧なバイオガスに対して高熱量ガスを添加できて高熱量ガスの液化を防ぐ。これにより、分離膜透過後のメタンガスと高熱量ガスの混合比率の変動を防止し、安定した品質の燃料ガスを簡単な制御で得ることができる。
In addition, when the high-calorific gas is added to the biogas upstream of the
上記燃料ガス製造装置を用い、メタンガス55〜60%、窒素ガス5%、残り二酸化炭素の混合ガスからメタンガスの濃縮を行なった。実施例として上述したメタンガス濃縮装置1を使用して濃縮した例を示し、比較例1として第1濃縮装置11だけで濃縮した例、比較例2として第1濃縮装置11および第2濃縮装置12で濃縮した例を示す。なお、それぞれ混合ガスの導入圧力を0.6MPa,0.65MPa,0.7MPaと変化させ、さらにそれぞれ精製ガスの流量を4m3/Hr,5m3/Hr,6m3/Hrと変化させた。それぞれのときのメタンガスの回収率を下記の表1に示す。なお、流量は、製品ガス導出路16に設けた図示しないバルブの開閉により調節し、導入圧力は、各流量のときの圧縮機6の回転数によって調節を行った。
Using the fuel gas production apparatus, methane gas was concentrated from a mixed gas of 55 to 60% methane gas, 5% nitrogen gas, and the remaining carbon dioxide. The example which concentrated using the methane gas concentration apparatus 1 mentioned above as an Example is shown, the example concentrated only by the
上記表1からわかるように、実施例の回収率はいずれも99%以上と比較例1,2よりも高い値を示した。 As can be seen from Table 1 above, the recovery rate of the examples was 99% or more, which was higher than those of Comparative Examples 1 and 2.
また、上記実施例について、混合ガスの導入圧力を0.6MPa,0.65MPa,0.7MPaと変化させ、さらにそれぞれ精製ガスの流量を4m3/Hr,5m3/Hr,6m3/Hrと変化させたときの濃縮ガスのメタンガス濃度の測定結果を下記表2に示す。
Further, for the above example, 0.6 MPa the introduction pressure of a gas mixture, 0.65 MPa, 0.7 MPa and changing, further flow of 4m 3 / Hr, respectively the purified gas, 5
上記表2は、バイオガスプラントから発生するガスを原料に用いており、メタンと二酸化炭素以外に空気が含まれているため、生成ガス中に窒素ガスが混入し、実測値としては90%以下程度の値をとる。そこで、空気に起因する窒素ガスを考慮しないメタンガス濃度を算出した。 In Table 2 above, gas generated from a biogas plant is used as a raw material, and air is contained in addition to methane and carbon dioxide. Therefore, nitrogen gas is mixed in the produced gas, and the measured value is 90% or less. Take a value of degree. Therefore, the methane gas concentration was calculated without considering the nitrogen gas caused by air.
まず、混合ガスの導入圧力を0.6MPaで、精製ガスの流量を1m3/Hrと6m3/Hrのときの精製ガスの組成を測定した。その結果を下記の表3に示す。表3には原料ガスの組成の測定結果も示している。 First, the composition of the purified gas was measured when the introduction pressure of the mixed gas was 0.6 MPa and the flow rates of the purified gas were 1 m 3 / Hr and 6 m 3 / Hr. The results are shown in Table 3 below. Table 3 also shows the measurement results of the composition of the raw material gas.
上記表3によれば、混合ガスの導入圧力を0.6MPaにおいて、精製ガス流量が1m3/Hrのときは、メタン濃度95.29%、窒素濃度4.71%であり、精製ガス流量が6m3/Hrのときは、メタン濃度82.72%、窒素濃度11.65%であった。 According to Table 3 above, when the introduction pressure of the mixed gas is 0.6 MPa and the purified gas flow rate is 1 m 3 / Hr, the methane concentration is 95.29%, the nitrogen concentration is 4.71%, and the purified gas flow rate is At 6 m 3 / Hr, the methane concentration was 82.72% and the nitrogen concentration was 11.65%.
この結果に基づいて、精製ガス流量を変化させたときの分離膜の分離性能としてメタン濃度と残留窒素濃度との関係をプロットしたのが図2の線図であり、この直線から、メタン濃度と残留窒素濃度の間に下記の式(1)の関係が成り立つことがわかる。
y(残留窒素濃度)=−0.5521x(メタン濃度)+57.32・・・(1)
Based on this result, the relationship between the methane concentration and the residual nitrogen concentration is plotted as the separation performance of the separation membrane when the purified gas flow rate is changed. It can be seen that the following equation (1) holds between the residual nitrogen concentrations.
y (residual nitrogen concentration) = − 0.5521x (methane concentration) +57.32 (1)
そして、上記式(1)に上記表2の実測値を当てはめてそれぞれの精製ガスにおける残留窒素濃度および残留二酸化炭素濃度を算出した値を下記の表4に示す。なお、透過ガス成分の透過速度は下記の式(2)で表されることから、透過ガス成分の分圧差が変われば分離性能も変わることとなる。しかしながら、分離膜のガスの透過係数はガス成分に応じた固有値であることから、精製ガスのメタン濃度が同一であれば、混合ガスの導入圧力が変化しても、分離膜の分離性能に対する影響は極めて小さいと考えられる。したがって、導入圧力0.65MPaおよび0.7MPaの実測値にも上記式(1)を適用した。
F={P・(P1−P2)}/L・・・(2)
F:ガス成分の透過速度
P:ガス成分の透過係数
P1−P2:透過ガス成分の分圧差
L:分離膜の厚み
Table 4 below shows values obtained by applying the actual measurement values in Table 2 to the above formula (1) and calculating the residual nitrogen concentration and residual carbon dioxide concentration in each purified gas. In addition, since the permeation | transmission speed | rate of permeate gas component is represented by following formula (2), if the partial pressure difference of permeate gas component changes, separation performance will also change. However, since the gas permeability coefficient of the separation membrane is an eigenvalue corresponding to the gas component, even if the introduction pressure of the mixed gas changes if the methane concentration of the purified gas is the same, the effect on the separation performance of the separation membrane Is considered extremely small. Therefore, the above formula (1) was also applied to the actually measured values of the introduction pressures of 0.65 MPa and 0.7 MPa.
F = {P · (P1-P2)} / L (2)
F: Permeation rate of gas component P: Permeation coefficient of gas component P1-P2: Partial pressure difference of permeate gas component L: Thickness of separation membrane
さらに、上記表4の結果から、残留窒素を考慮しないメタンガス濃度を算出した結果を下記の表5に示す。 Furthermore, Table 5 below shows the result of calculating the methane gas concentration without considering residual nitrogen from the results of Table 4 above.
上記表5の結果からわかるとおり、実施例のメタンガスの精製能力として、空気を含まない原料ガスであれば、94%以上のメタンガス濃度になるまでメタンを濃縮することが可能であることがわかる。このように、実施例の燃料ガス製造装置によれば、充分なメタンガス分離性能を確保しながら、99%以上の高い回収率でメタンガスを回収することができる。 As can be seen from the results in Table 5, it can be seen that the methane gas can be concentrated until the methane gas concentration becomes 94% or more as long as the raw material gas does not contain air as the purification ability of the methane gas in the examples. Thus, according to the fuel gas production apparatus of the embodiment, methane gas can be recovered at a high recovery rate of 99% or more while ensuring sufficient methane gas separation performance.
1:メタンガス濃縮装置
3:原料ガス導入路
4:LPGボンベ
5:プロパンガス添加路
5a:プロパンガス添加路
6:圧縮機
7:高圧タンク
8:燃料ボンベ
9:供給ノズル
11:第1濃縮装置
12:第2濃縮装置
13:回収装置
14:排出路
15:二酸化炭素タンク
16:製品ガス導出路
17:濃度検知器
17a:濃度検知器
18:原料弁
19:プロパン弁
20:付臭ガスボンベ
21:付臭ガス添加路
22:バッファタンク
23:圧縮機
24:高圧ガスタンクユニット
26:流量調節器
27:流量調節器
1: Methane gas concentrator 3: Raw material gas introduction path 4: LPG cylinder 5: Propane
Claims (9)
上記混合ガスから二酸化炭素を優先的に透過させる分離膜によりメタンガスを濃縮する第1濃縮装置と、
上記第1濃縮装置の非透過ガスから二酸化炭素を優先的に透過させる分離膜によりメタンガスをさらに濃縮する第2濃縮装置と、
上記第1濃縮装置の透過ガスからさらに二酸化炭素を優先的に透過させる分離膜によりメタンガスを回収する回収装置とを備えたことを特徴とするメタンガス濃縮装置。 A methane gas concentrator that separates carbon dioxide from a mixed gas containing at least methane gas and carbon dioxide to concentrate the methane gas,
A first concentrator for concentrating methane gas by a separation membrane that preferentially permeates carbon dioxide from the mixed gas;
A second concentrator that further concentrates methane gas by a separation membrane that preferentially permeates carbon dioxide from the non-permeate gas of the first concentrator;
A methane gas concentrating device comprising: a recovery device that recovers methane gas by a separation membrane that preferentially permeates carbon dioxide from the permeated gas of the first concentrating device.
上記混合ガスから二酸化炭素を優先的に透過させる分離膜によりメタンガスを濃縮する第1濃縮工程と、
上記第1濃縮工程の非透過ガスから二酸化炭素を優先的に透過させる分離膜によりメタンガスをさらに濃縮する第2濃縮工程と、
上記第1濃縮工程の透過ガスからさらに二酸化炭素を優先的に透過させる分離膜によりメタンガスを回収する回収工程とを備えたことを特徴とするメタンガス濃縮方法。 A methane gas enrichment method for concentrating methane gas by separating carbon dioxide from a mixed gas containing at least methane gas and carbon dioxide,
A first concentration step of concentrating methane gas by a separation membrane that preferentially permeates carbon dioxide from the mixed gas;
A second concentration step in which methane gas is further concentrated by a separation membrane that preferentially permeates carbon dioxide from the non-permeate gas in the first concentration step;
And a recovery step of recovering the methane gas by a separation membrane that preferentially permeates carbon dioxide from the permeate gas of the first concentration step.
有機物を分解して得られたバイオガスに対して高熱量ガスを添加してバイオガスと高熱量ガスとの混合ガスとする高熱量ガス添加手段と、
上記混合ガスから二酸化炭素を優先的に透過させる分離膜によりメタンガスおよび高熱量ガスを濃縮する第1濃縮装置と、
上記第1濃縮装置の透過ガスからさらに二酸化炭素を優先的に透過させる分離膜によりメタンガスおよび高熱量ガスを回収する回収装置とを備えたことを特徴とする燃料ガスの製造装置。 An apparatus for producing a fuel gas containing methane gas and a high calorific gas for adjusting the calorific value,
A high calorific gas addition means for adding a high calorific gas to a biogas obtained by decomposing an organic substance to form a mixed gas of the biogas and the high calorific gas;
A first concentrator for concentrating methane gas and high calorific gas with a separation membrane that preferentially permeates carbon dioxide from the mixed gas;
An apparatus for producing fuel gas, comprising: a recovery device for recovering methane gas and high calorific gas by a separation membrane that preferentially permeates carbon dioxide from the permeate gas of the first concentrator.
有機物を分解して得られたバイオガスに対して高熱量ガスを添加してバイオガスと高熱量ガスとの混合ガスとする高熱量ガス添加工程と、
上記混合ガスから二酸化炭素を優先的に透過させる分離膜によりメタンガスおよび高熱量ガスを濃縮する第1濃縮工程と、
上記第1濃縮工程の透過ガスからさらに二酸化炭素を優先的に透過させる分離膜によりメタンガスおよび高熱量ガスを回収する回収工程とを備えたことを特徴とする燃料ガスの製造方法。 A method for producing a fuel gas containing methane gas and a high calorie gas for heat quantity adjustment,
A high calorific gas addition step of adding a high calorific gas to the biogas obtained by decomposing organic matter to make a mixed gas of the biogas and the high calorific gas,
A first concentration step of concentrating methane gas and high calorific gas with a separation membrane that preferentially permeates carbon dioxide from the mixed gas;
A fuel gas production method comprising: a recovery step of recovering methane gas and high calorific gas with a separation membrane that preferentially permeates carbon dioxide from the permeate gas of the first concentration step.
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