特許 6013864 メタン発酵ガスの精製方法および精製システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6013864

(24)【登録日】2016年9月30日

(45)【発行日】2016年10月25日

(54)【発明の名称】メタン発酵ガスの精製方法および精製システム

(51)【国際特許分類】

   C10L 3/10 20060101AFI20161011BHJP

   B01D 53/047 20060101ALI20161011BHJP

【ＦＩ】

   C10L3/10

   B01D53/047

【請求項の数】4

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2012-225394(P2012-225394)

(22)【出願日】2012年10月10日

(65)【公開番号】特開2014-77060(P2014-77060A)

(43)【公開日】2014年5月1日

【審査請求日】2015年6月15日

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】507214083

【氏名又は名称】メタウォーター株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】100150360

【弁理士】

【氏名又は名称】寺嶋 勇太

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 統一郎

(72)【発明者】

【氏名】太田 琢磨

【審査官】 森 健一

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１１／１５５０５８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００４−３０００３５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ０１Ｄ ５３／０４７

Ｃ１０Ｌ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

有機性廃棄物をメタン発酵処理してメタンガスと炭酸ガスとを含むメタン発酵ガスを得るメタン発酵ガス生成工程と、
前記メタン発酵ガス生成工程で得られたメタン発酵ガスを精製してメタンガスが富化された精製ガスを得る精製工程と、
を含むメタン発酵ガスの精製方法であって、
前記精製工程は、圧力スイング吸着法を用いてメタン発酵ガスから炭酸ガスを分離する圧力スイング吸着工程を少なくとも含み、
前記精製工程で精製されるメタン発酵ガスの圧力が、前記メタン発酵ガス生成工程で得られるメタン発酵ガスの圧力以下であり、且つ、前記精製工程で得られる精製ガスの圧力が、前記精製工程で精製されるメタン発酵ガスの圧力以下であり、
前記圧力スイング吸着工程では、
吸着剤を充填した２基以上の吸着塔を備える精製装置を使用し、
各吸着塔では、吸着塔に前記メタン発酵ガスを供給して前記精製ガスを得る吸着工程と、前記吸着工程において前記吸着剤に吸着されたガスを減圧下で脱着させて前記吸着剤を再生する脱着工程とを繰り返し実施し、
前記精製装置では、
少なくとも一つの吸着塔で吸着工程を実施している間に残りの吸着塔のうちの少なくとも一つで脱着工程を実施すると共に、前記脱着工程を実施中の吸着塔から排出される脱着ガスの少なくとも一部をリサイクルガスとして前記吸着工程を実施中の吸着塔に流通させ、
前記少なくとも一つの吸着塔における吸着工程の終了時に前記精製ガス中の、メタンガスの濃度および／または炭酸ガスの濃度を測定し、
測定した前記精製ガス中のメタンガスの濃度および／または前記精製ガス中の炭酸ガスの濃度を用いて、前記少なくとも一つの吸着塔において次の吸着工程を実施する際に前記リサイクルガスを当該吸着塔に流通し得る最大時間を決定し、
前記測定した前記精製ガス中のメタンガスの濃度が所定の濃度超の場合および／または前記精製ガス中の炭酸ガスの濃度が所定の濃度未満の場合には、前記最大時間を前記吸着工程において前記少なくとも一つの吸着塔に前記リサイクルガスを流通した時間よりも長くし、前記測定した前記精製ガス中のメタンガスの濃度が所定の濃度未満の場合および／または前記精製ガス中の炭酸ガスの濃度が所定の濃度超の場合には、前記最大時間を前記吸着工程において前記少なくとも一つの吸着塔に前記リサイクルガスを流通した時間よりも短くし、前記測定した前記精製ガス中のメタンガスの濃度が所定の濃度の場合および／または前記精製ガス中の炭酸ガスの濃度が所定の濃度の場合には、前記最大時間を前記吸着工程において前記少なくとも一つの吸着塔に前記リサイクルガスを流通した時間以下とする、
ことを特徴とする、メタン発酵ガスの精製方法。

【請求項2】

前記脱着ガス中のメタンガスの濃度および／または炭酸ガスの濃度を測定し、
前記次の吸着工程を実施する際に、当該次の吸着工程を実施中の吸着塔へ流通させる前記リサイクルガス中の前記メタンガスの濃度が所定の濃度以上となるように、次の吸着工程を実施中の吸着塔への前記リサイクルガスの流通を停止するタイミングを決定することを特徴とする、請求項１に記載のメタン発酵ガスの精製方法。

【請求項3】

有機性廃棄物をメタン発酵処理してメタンガスと炭酸ガスとを含むメタン発酵ガスを得るメタン発酵ガス生成機構と、
前記メタン発酵ガス生成機構で生成したメタン発酵ガスを精製してメタンガスが富化された精製ガスを得る精製機構と、
を含むメタン発酵ガスの精製システムであって、
前記精製機構は、圧力スイング吸着法を用いてメタン発酵ガスから炭酸ガスを分離する精製装置を少なくとも備え、
前記精製機構で精製されるメタン発酵ガスの圧力が、前記メタン発酵ガス生成機構で得られるメタン発酵ガスの圧力以下となり、且つ、前記精製機構で得られる精製ガスの圧力が、前記精製機構で精製されるメタン発酵ガスの圧力以下となるように構成されており、
前記精製装置が、
吸着剤を充填した２基以上の吸着塔を備え、
各吸着塔では、吸着塔に前記メタン発酵ガスを供給して前記精製ガスを得る吸着工程と、前記吸着工程において前記吸着剤に吸着されたガスを減圧下で脱着させて前記吸着剤を再生する脱着工程とを繰り返し実施し、
少なくとも一つの吸着塔に前記メタン発酵ガスを供給して精製ガスを製造している間に残りの吸着塔のうちの少なくとも一つで吸着塔内を減圧して前記吸着剤に吸着されたガスを脱着させるように構成され、
前記残りの吸着塔のうちの少なくとも一つから排出される脱着ガスの少なくとも一部をリサイクルガスとして前記少なくとも一つの吸着塔に供給するリサイクルガス供給ラインと、
前記リサイクルガス供給ラインを介した前記少なくとも一つの吸着塔へのリサイクルガスの供給を遮断する供給遮断機構と、
前記精製ガス中のメタンガスの濃度および／または炭酸ガスの濃度を測定する精製ガス濃度計と、
前記供給遮断機構の動作を制御して、前記リサイクルガスを前記少なくとも一つの吸着塔に流通する時間を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
測定した前記精製ガス中のメタンガスの濃度および／または前記精製ガス中の炭酸ガスの濃度を用いて、前記少なくとも一つの吸着塔において次の吸着工程を実施する際に前記リサイクルガスを当該吸着塔に流通し得る最大時間を決定し、
前記少なくとも一つの吸着塔における前記吸着工程の終了時に前記精製ガス濃度計で測定した前記精製ガス中のメタンガスの濃度が所定の濃度超の場合および／または前記精製ガス中の炭酸ガスの濃度が所定の濃度未満の場合には、前記最大時間が前記吸着工程において前記少なくとも一つの吸着塔に前記リサイクルガスを流通した時間よりも長くなるように前記供給遮断機構の動作を制御し、
前記少なくとも一つの吸着塔における前記吸着工程の終了時に前記精製ガス濃度計で測定した前記精製ガス中のメタンガスの濃度が所定の濃度未満の場合および／または前記精製ガス中の炭酸ガスの濃度が所定の濃度超の場合には、前記最大時間が前記吸着工程において前記少なくとも一つの吸着塔に前記リサイクルガスを流通した時間よりも短くなるように前記供給遮断機構の動作を制御し、
前記少なくとも一つの吸着塔における前記吸着工程の終了時に前記精製ガス濃度計で測定した前記精製ガス中のメタンガスの濃度が所定の濃度の場合および／または前記精製ガス中の炭酸ガスの濃度が所定の濃度の場合には、前記最大時間が前記吸着工程において前記少なくとも一つの吸着塔に前記リサイクルガスを流通した時間以下となるように前記供給遮断機構の動作を制御する、
ことを特徴とする、メタン発酵ガスの精製システム。

【請求項4】

前記脱着ガス中のメタンガスの濃度および／または炭酸ガスの濃度を測定する脱着ガス濃度計を更に備え、
前記制御装置が、前記脱着ガス濃度計で測定した前記脱着ガス中のメタンガスの濃度および／または前記脱着ガス中の炭酸ガスの濃度を用いて前記供給遮断機構の動作を制御し、
前記次の吸着工程を実施する際に、前記少なくとも一つの吸着塔へ流通させる前記リサイクルガス中の前記メタンガスの濃度が所定の濃度以上となるように、前記少なくとも一つの吸着塔へのリサイクルガスの供給を遮断することを特徴とする、請求項３に記載のメタン発酵ガスの精製システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、有機性廃棄物のメタン発酵処理により得られるメタン発酵ガスの精製方法および精製システムに関し、特に、圧力スイング吸着法（ＰＳＡ法）を用いてメタン発酵ガスを精製する方法およびシステムに関するものである。

【背景技術】

【0002】

近年、余剰汚泥、生ゴミおよび有機性排水等の有機性廃棄物をメタン発酵処理して得られるメタン発酵ガスが、カーボンニュートラルで環境負荷の低い次世代エネルギー源として着目されている。メタン発酵ガスは、バイオガスとも称され、主成分は二酸化炭素（ＣＯ_２）およびメタン（ＣＨ_４）である。そして、メタン発酵ガスは、通常、精製により所望の濃度のメタンを含む精製ガスにしてから、都市ガス原料や自動車燃料等として使用される。

【0003】

ここで、従来、メタン発酵ガスの精製システムでは、メタン発酵処理装置で得られたメタン発酵ガスを０．５〜１．０ＭＰａ（ゲージ圧）まで加圧した後に、高圧水吸収法や圧力スイング吸着法（ＰＳＡ法）を使用してメタン発酵ガスから炭酸ガスを除去している（例えば、特許文献１，２参照）。なお、「高圧水吸収法」とは、高圧のメタン発酵ガスを水と接触させて炭酸ガスを水に溶解させることにより、メタン発酵ガスから炭酸ガスを除去する方法である。また、「圧力スイング吸着法」とは、吸着剤に対するガスの吸着量がガス種およびガスの分圧によって異なることを利用したガス分離方法であり、吸着剤を充填した吸着塔にメタン発酵ガスを加圧下で供給してメタンガスが富化された精製ガスを得る吸着工程と、吸着剤に吸着されたガスを吸着工程よりも低い圧力下で脱着させて吸着剤を再生する脱着工程とを交互に繰り返して実施することにより精製ガスを得る方法である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第４０８８６３２号公報

【特許文献2】特開平８−１０５５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかし、上記従来のメタン発酵ガスの精製システムのメタン発酵処理装置で得られるメタン発酵ガスの圧力は、例えば３ｋＰａ（ゲージ圧）程度と比較的低圧である。従って、メタン発酵処理装置で得られたメタン発酵ガスを０．５〜１．０ＭＰａ（ゲージ圧）まで加圧した後に精製している上記従来のメタン発酵ガスの精製システムでは、ガスの昇圧に要するエネルギーが大きかった。
そのため、上記従来のメタン発酵ガスの精製システムには、メタン発酵ガスの精製に要するエネルギーが大きいという点において改善の余地があった。

【0006】

そこで、本発明は、メタン発酵ガスの精製に必要なエネルギーを低減したメタン発酵ガスの精製方法および精製システム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】

【0007】

この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明のメタン発酵ガスの精製方法は、有機性廃棄物をメタン発酵処理してメタンガスと炭酸ガスとを含むメタン発酵ガスを得るメタン発酵ガス生成工程と、前記メタン発酵ガス生成工程で得られたメタン発酵ガスを精製してメタンガスが富化された精製ガスを得る精製工程とを含むメタン発酵ガスの精製方法であって、前記精製工程は、圧力スイング吸着法を用いてメタン発酵ガスから炭酸ガスを分離する圧力スイング吸着工程を少なくとも含み、前記精製工程で精製されるメタン発酵ガスの圧力が、前記メタン発酵ガス生成工程で得られるメタン発酵ガスの圧力以下であり、且つ、前記精製工程で得られる精製ガスの圧力が、前記精製工程で精製されるメタン発酵ガスの圧力以下であり、前記圧力スイング吸着工程では、吸着剤を充填した２基以上の吸着塔を備える精製装置を使用し、各吸着塔では、吸着塔に前記メタン発酵ガスを供給して前記精製ガスを得る吸着工程と、前記吸着工程において前記吸着剤に吸着されたガスを減圧下で脱着させて前記吸着剤を再生する脱着工程とを繰り返し実施し、前記精製装置では、少なくとも一つの吸着塔で吸着工程を実施している間に残りの吸着塔のうちの少なくとも一つで脱着工程を実施すると共に、前記脱着工程を実施中の吸着塔から排出される脱着ガスの少なくとも一部をリサイクルガスとして前記吸着工程を実施中の吸着塔に流通させ、前記少なくとも一つの吸着塔における吸着工程の終了時に前記精製ガス中の、メタンガスの濃度および／または炭酸ガスの濃度を測定し、測定した前記精製ガス中のメタンガスの濃度および／または前記精製ガス中の炭酸ガスの濃度を用いて、前記少なくとも一つの吸着塔において次の吸着工程を実施する際に前記リサイクルガスを当該吸着塔に流通し得る最大時間を決定し、前記測定した前記精製ガス中のメタンガスの濃度が所定の濃度超の場合および／または前記精製ガス中の炭酸ガスの濃度が所定の濃度未満の場合には、前記最大時間を前記吸着工程において前記少なくとも一つの吸着塔に前記リサイクルガスを流通した時間よりも長くし、前記測定した前記精製ガス中のメタンガスの濃度が所定の濃度未満の場合および／または前記精製ガス中の炭酸ガスの濃度が所定の濃度超の場合には、前記最大時間を前記吸着工程において前記少なくとも一つの吸着塔に前記リサイクルガスを流通した時間よりも短くし、前記測定した前記精製ガス中のメタンガスの濃度が所定の濃度の場合および／または前記精製ガス中の炭酸ガスの濃度が所定の濃度の場合には、前記最大時間を前記吸着工程において前記少なくとも一つの吸着塔に前記リサイクルガスを流通した時間以下とすることを特徴とする。このように、精製工程で精製されるメタン発酵ガスの圧力をメタン発酵ガス生成工程で得られるメタン発酵ガスの圧力以下とし、且つ、精製工程で得られる精製ガスの圧力を精製工程で精製されるメタン発酵ガスの圧力以下として、メタン発酵ガスを加圧することなく精製すれば、メタン発酵ガスの昇圧に要するエネルギーを無くすことができる。よって、メタン発酵ガスの精製に要するエネルギーを低減することができる。また、メタン発酵ガスを加圧することなく、圧力スイング吸着工程において低圧のメタン発酵ガスから炭酸ガスを分離した場合、メタン発酵ガスからのメタンガスの回収率（＝（得られた精製ガス中のメタンガスの量／供給したメタン発酵ガス中のメタンガスの量）×１００％）が低下し易い。しかし、脱着工程を実施中の吸着塔から排出される脱着ガスの少なくとも一部をリサイクルガスとして吸着工程を実施中の吸着塔に流通させれば、脱着ガス中に含まれているメタンガスを回収し、メタン発酵ガスからのメタンガスの回収率を向上させることができる。更に、精製ガス中のメタンガスの濃度および／または炭酸ガスの濃度を使用し、少なくとも一つの吸着塔において次の吸着工程を実施する際にリサイクルガスを吸着塔に流通し得る最大時間を決定すれば、脱着ガス中に含まれているメタンガスを十分に回収してメタン発酵ガスからのメタンガスの回収率を向上させつつ、精製ガス中のメタンガスの濃度が所望の濃度よりも低くなるのを抑制することができる。

【0008】

なお、本発明において、「所定の濃度」は、使用する吸着剤の性能や、求められるメタンガスの回収率や、精製ガス中のメタンガスの濃度低下の許容範囲に応じて予め定めることができる。また、「精製ガス中のメタンガスの所望の濃度」とは、精製ガスの用途に応じて予め定められる濃度である。

【0009】

そして、本発明のメタン発酵ガスの精製方法は、前記脱着ガス中のメタンガスの濃度および／または炭酸ガスの濃度を測定し、前記次の吸着工程を実施する際に、当該次の吸着工程を実施中の吸着塔へ流通させる前記リサイクルガス中の前記メタンガスの濃度が所定の濃度以上となるように、次の吸着工程を実施中の吸着塔への前記リサイクルガスの流通を停止するタイミングを決定することが好ましい。脱着ガス中のメタンガスの濃度および／または炭酸ガスの濃度も用いて、リサイクルガス中のメタンガスの濃度が所定の濃度以上となるようにリサイクルガスの流通を停止するタイミングを決定すれば、メタンガスの濃度が低い脱着ガスがリサイクルガスとして吸着塔へ流通するのを抑制して、メタン発酵ガスからのメタンガスの回収率を効果的に向上させることができるからである。
なお、本発明において、「リサイクルガス中のメタンガスの所定の濃度」は、使用する吸着剤の性能や、求められるメタンガスの回収率や、精製ガス中のメタンガスの濃度低下の許容範囲に応じて適宜設定することができる。

【0010】

また、この発明は、上記課題を有利に解決することを目的とするものであり、本発明のメタン発酵ガスの精製システムは、有機性廃棄物をメタン発酵処理してメタンガスと炭酸ガスとを含むメタン発酵ガスを得るメタン発酵ガス生成機構と、前記メタン発酵ガス生成機構で生成したメタン発酵ガスを精製してメタンガスが富化された精製ガスを得る精製機構とを含むメタン発酵ガスの精製システムであって、前記精製機構は、圧力スイング吸着法を用いてメタン発酵ガスから炭酸ガスを分離する精製装置を少なくとも備え、前記精製機構で精製されるメタン発酵ガスの圧力が、前記メタン発酵ガス生成機構で得られるメタン発酵ガスの圧力以下となり、且つ、前記精製機構で得られる精製ガスの圧力が、前記精製機構で精製されるメタン発酵ガスの圧力以下となるように構成されており、前記精製装置が、吸着剤を充填した２基以上の吸着塔を備え、各吸着塔では、吸着塔に前記メタン発酵ガスを供給して前記精製ガスを得る吸着工程と、前記吸着工程において前記吸着剤に吸着されたガスを減圧下で脱着させて前記吸着剤を再生する脱着工程とを繰り返し実施し、少なくとも一つの吸着塔に前記メタン発酵ガスを供給して精製ガスを製造している間に残りの吸着塔のうちの少なくとも一つで吸着塔内を減圧して前記吸着剤に吸着されたガスを脱着させるように構成され、前記残りの吸着塔のうちの少なくとも一つから排出される脱着ガスの少なくとも一部をリサイクルガスとして前記少なくとも一つの吸着塔に供給するリサイクルガス供給ラインと、前記リサイクルガス供給ラインを介した前記少なくとも一つの吸着塔へのリサイクルガスの供給を遮断する供給遮断機構と、前記精製ガス中のメタンガスの濃度および／または炭酸ガスの濃度を測定する精製ガス濃度計と、前記供給遮断機構の動作を制御して、前記リサイクルガスを前記少なくとも一つの吸着塔に流通する時間を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、測定した前記精製ガス中のメタンガスの濃度および／または前記精製ガス中の炭酸ガスの濃度を用いて、前記少なくとも一つの吸着塔において次の吸着工程を実施する際に前記リサイクルガスを当該吸着塔に流通し得る最大時間を決定し、前記少なくとも一つの吸着塔における前記吸着工程の終了時に前記精製ガス濃度計で測定した前記精製ガス中のメタンガスの濃度が所定の濃度超の場合および／または前記精製ガス中の炭酸ガスの濃度が所定の濃度未満の場合には、前記最大時間が前記吸着工程において前記少なくとも一つの吸着塔に前記リサイクルガスを流通した時間よりも長くなるように前記供給遮断機構の動作を制御し、前記少なくとも一つの吸着塔における前記吸着工程の終了時に前記精製ガス濃度計で測定した前記精製ガス中のメタンガスの濃度が所定の濃度未満の場合および／または前記精製ガス中の炭酸ガスの濃度が所定の濃度超の場合には、前記最大時間が前記吸着工程において前記少なくとも一つの吸着塔に前記リサイクルガスを流通した時間よりも短くなるように前記供給遮断機構の動作を制御し、前記少なくとも一つの吸着塔における前記吸着工程の終了時に前記精製ガス濃度計で測定した前記精製ガス中のメタンガスの濃度が所定の濃度の場合および／または前記精製ガス中の炭酸ガスの濃度が所定の濃度の場合には、前記最大時間が前記吸着工程において前記少なくとも一つの吸着塔に前記リサイクルガスを流通した時間以下となるように前記供給遮断機構の動作を制御することを特徴とする。このように、精製機構で精製されるメタン発酵ガスの圧力がメタン発酵ガス生成機構で得られるメタン発酵ガスの圧力以下となり、且つ、精製機構で得られる精製ガスの圧力が精製機構で精製されるメタン発酵ガスの圧力以下となるように構成して、メタン発酵ガスを加圧することなく精製すれば、メタン発酵ガスの昇圧に要するエネルギーを無くすことができる。よって、メタン発酵ガスの加圧装置を不要として、メタン発酵ガスの精製に要するエネルギーを低減することができる。また、メタン発酵ガスの加圧装置を設けることなく、精製装置において低圧のメタン発酵ガスから炭酸ガスを分離した場合、メタン発酵ガスからのメタンガスの回収率が低下し易い。しかしリサイクルガス供給ラインを設ければ、脱着ガスの少なくとも一部をリサイクルガスとして吸着塔に流通させ、脱着ガス中に含まれているメタンガスを回収し、メタン発酵ガスからのメタンガスの回収率を向上させることができる。更に、制御装置が、吸着工程の終了時に精製ガス濃度計で測定した測定値を使用し、少なくとも一つの吸着塔において次の吸着工程を実施する際にリサイクルガスを吸着塔に流通し得る最大時間を決定すれば、脱着ガス中に含まれているメタンガスを十分に回収してメタン発酵ガスからのメタンガスの回収率を向上させつつ、精製ガス中のメタンガスの濃度が所望の濃度よりも低くなるのを抑制することができる。

【0011】

なお、本発明において、「所定の濃度」は、使用する吸着剤の性能や、求められるメタンガスの回収率や、精製ガス中のメタンガスの濃度低下の許容範囲に応じて予め定めることができる。また、「精製ガス中のメタンガスの所望の濃度」とは、精製ガスの用途に応じて予め定められる濃度である。

【0012】

そして、本発明のメタン発酵ガスの精製システムは、前記脱着ガス中のメタンガスの濃度および／または炭酸ガスの濃度を測定する脱着ガス濃度計を更に備え、前記制御装置が、前記脱着ガス濃度計で測定した前記脱着ガス中のメタンガスの濃度および／または前記脱着ガス中の炭酸ガスの濃度を用いて前記供給遮断機構の動作を制御し、前記次の吸着工程を実施する際に、前記少なくとも一つの吸着塔へ流通させる前記リサイクルガス中の前記メタンガスの濃度が所定の濃度以上となるように、前記少なくとも一つの吸着塔へのリサイクルガスの供給を遮断することが好ましい。制御装置が、脱着ガス濃度計で測定した脱着ガス中のメタンガスの濃度および／または炭酸ガスの濃度も用いて、リサイクルガス中のメタンガスの濃度が所定の濃度以上となるように供給遮断機構の動作を制御すれば、メタンガスの濃度が低い脱着ガスがリサイクルガスとして吸着塔へ供給されるのを抑制して、メタン発酵ガスからのメタンガスの回収率を効果的に向上させることができるからである。
なお、本発明において、「リサイクルガス中のメタンガスの所定の濃度」は、使用する吸着剤の性能や、求められるメタンガスの回収率や、精製ガス中のメタンガスの濃度低下の許容範囲に応じて適宜設定することができる。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、メタン発酵ガスの精製に必要なエネルギーを低減したメタン発酵ガスの精製方法および精製システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明に従う代表的なメタン発酵ガスの精製システムの構成を示すブロック図である。

【図2】図１に示すメタン発酵ガスの精製システムの精製機構で使用し得る精製装置の概略構成を示す図である。

【図3】（ａ）は、図２に示す精製装置の運転工程表を示し、（ｂ）は、変形例の精製装置の運転工程表を示す。

【図4A】図３（ａ）に示す運転工程表のステージ１の工程１におけるガスの流れを示す図である。

【図4B】図３（ａ）に示す運転工程表のステージ１の工程２におけるガスの流れを示す図である。

【図4C】図３（ａ）に示す運転工程表のステージ１の工程３におけるガスの流れを示す図である。

【図4D】図３（ａ）に示す運転工程表のステージ１の工程４におけるガスの流れを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施の形態を、図面に基づき詳細に説明する。なお、各図において同一の符号を付したものは、同一の構成要素を示すものとする。

【0016】

ここで、本発明のメタン発酵ガスの精製システムは、余剰汚泥や、生ゴミや、有機性排水等の有機性廃棄物をメタン発酵処理して得られるメタン発酵ガスを精製して精製ガスを製造する際に用いることができる。なお、精製ガスは、都市ガス原料や自動車燃料等として用いることができる。そして、精製ガスは、その用途に応じた性状（例えば、メタンガス濃度や圧力）を有している必要がある。

【0017】

図１に示すメタン発酵ガスの精製システム１は、有機性廃棄物をメタン発酵処理してメタンガスと炭酸ガスとを含むメタン発酵ガスを得るメタン発酵ガス生成機構としてのメタン発酵処理装置２と、メタン発酵処理装置２で生成したメタン発酵ガスを精製して精製ガスを得る精製機構４とを備えている。なお、精製システム１は、メタン発酵処理装置２と精製機構４との間にメタン発酵ガスを貯留するメタン発酵ガスタンク３を備えている。また、精製システム１は、ガスの流れ方向に見て精製機構４の後段側（メタン発酵ガスタンク３側とは反対側）に背圧弁５を備えている。

【0018】

メタン発酵処理装置２は、嫌気性微生物を用いて有機性廃棄物をメタン発酵処理する装置である。ここで、メタン発酵処理装置２では、メタンガスと、炭酸ガスと、その他の不純物（例えば、硫化水素やシロキサン等）とを含み、圧力Ｐ１が例えば３〜１００ｋＰａ（ゲージ圧）のメタン発酵ガスが生成される。
なお、メタン発酵処理装置２としては、特に限定されることなく、例えば特開２００９−６６５１３号公報に記載のメタン発酵槽を用いることができる。具体的には、メタン発酵処理装置２としては、温度が３０〜６０℃のメタン発酵槽を用いてメタン発酵処理を行う装置であって、メタン発酵槽内を強制的に加圧することなく、発酵によって生じる自然発酵圧によってメタン発酵ガスの圧力を所望の圧力Ｐ１とする装置を用いることができる。

【0019】

メタン発酵ガスタンク３は、メタン発酵処理装置２で得られたメタン発酵ガスを圧力Ｐ１のまま（即ち、強制的に加圧することなく）、一度貯留するためのものである。

【0020】

精製機構４は、メタン発酵処理装置２で得たメタン発酵ガス（メタンガスと炭酸ガスとを含む混合ガス）を精製してメタンガスが富化された精製ガスを得るための機構である。そして、この一例の精製システム１の精製機構４は、圧力スイング吸着法を使用してメタン発酵ガスから炭酸ガスを分離する精製装置を有している。
なお、精製機構４は、メタン発酵ガスから余分な水分を除去するミストセパレータ（図示せず）や、メタン発酵ガスから硫化水素を除去する硫化水素除去装置（図示せず）や、メタン発酵ガスからシロキサンを除去するシロキサン除去装置（図示せず）を有していてもよい。因みに、ミストセパレータ、硫化水素除去装置およびシロキサン除去装置としては、特に限定されることなく、既知のミストセパレータ、硫化水素除去装置およびシロキサン除去装置を用いることができる。また、ミストセパレータ、硫化水素除去装置およびシロキサン除去装置は、精製機構４内の任意の位置、例えば、精製装置よりもメタン発酵ガスタンク３側に設けることができる。

【0021】

精製機構４の精製装置は、活性炭や、分子ふるい炭や、ゼオライト等の吸着剤を充填した吸着塔を有している。そして、精製装置では、吸着剤を充填した吸着塔にメタン発酵ガスを供給し、メタン発酵ガス中の炭酸ガスを吸着剤に吸着させることにより、メタンガスが富化された精製ガスが製造される。また、精製装置では、吸着剤に吸着したガスの量が飽和吸着量に近づくと、吸着剤に吸着されたガスを減圧下（吸着時の圧力よりも低い圧力下）で脱着させて吸着剤を再生させる。
即ち、精製装置の吸着塔では、吸着塔にメタン発酵ガスを供給して精製ガスを得る吸着工程と、吸着工程において吸着剤に吸着されたガスを減圧下（吸着工程よりも低い圧力下）で脱着させて吸着剤を再生する脱着工程とが交互に繰り返して実施される。

【0022】

ここで、精製装置としては、精製ガスの用途に応じたメタンガス濃度の精製ガスが得られる任意の精製装置を用いることができる。なお、メタン発酵ガスからのメタンガスの回収率を高める観点からは、精製機構の精製装置としては、後に詳細に説明する精製装置１００を用いることが好ましい。

【0023】

背圧弁５は、精製システム１内のガスの圧力を一定に保つための圧力調整機構として機能する。そして、背圧弁５により、精製システム１内のガスの圧力、即ち、メタン発酵ガスおよび精製ガスの圧力は、圧力Ｐ１に保たれている。
なお、本発明のメタン発酵ガスの精製システムでは、背圧弁を設けなくてもよい。そして、本発明のメタン発酵ガスの精製システムでは、ガスを加圧する加圧装置を設けることなく、精製機構で精製されるメタン発酵ガスの圧力がメタン発酵ガス生成機構で得られるメタン発酵ガスの圧力以下となり、且つ、精製機構で得られる精製ガスの圧力が精製機構で精製されるメタン発酵ガスの圧力以下となればよい。因みに、「精製機構で精製されるメタン発酵ガスの圧力がメタン発酵ガス生成機構で得られるメタン発酵ガスの圧力以下となる」および「精製機構で得られる精製ガスの圧力が精製機構で精製されるメタン発酵ガスの圧力以下となる」には、配管などの圧力損失によりガスの圧力が低下した場合も含まれる。

【0024】

そして、上記一例のメタン発酵ガスの精製システム１では、メタン発酵処理装置２において、有機性廃棄物をメタン発酵処理してメタンガスと炭酸ガスとを含むメタン発酵ガスを得るメタン発酵ガス生成工程が実施される。また、メタン発酵処理装置２で生成された圧力Ｐ１のメタン発酵ガスは、そのまま（加圧されることなく）、精製機構４に供給される。そして、精製機構４では、メタン発酵ガス生成工程で得られたメタン発酵ガスを精製してメタンガスが富化された精製ガスを得る精製工程が実施され、圧力Ｐ１の精製ガスが生成する。具体的には、精製工程では、精製装置において圧力スイング吸着法を用いてメタン発酵ガスから炭酸ガスを分離する圧力スイング吸着工程を少なくとも実施する。なお、精製工程では、任意に、メタン発酵ガスから余分な水分を除去する水分除去工程と、メタン発酵ガスから硫化水素を除去する硫化水素除去工程と、メタン発酵ガスからシロキサンを除去するシロキサン除去工程とを実施してもよい。

【0025】

そして、上記一例の精製システム１では、メタン発酵処理装置２において生成したメタン発酵ガスを加圧することなく精製機構４の精製装置において精製しているので、メタン発酵ガスの昇圧に要するエネルギーを無くすことができる。よって、メタン発酵ガスの精製に要するエネルギーを低減することができる。
また、上記一例の精製システム１では、背圧弁５を設けているので、用途に応じた圧力の精製ガスを製造することができる。

【0026】

以上、一例を用いて本発明のメタン発酵ガスの精製システムおよび精製方法について説明したが、本発明の精製システムおよび精製方法は、上記一例に限定されることはなく、本発明の精製システムおよび精製方法には、適宜変更を加えることができる。
具体的には、上記一例の精製システム１では、圧力Ｐ１の低圧のメタン発酵ガスから炭酸ガスを分離するため、精製装置で実施する圧力スイング吸着工程においてメタン発酵ガスからのメタンガスの回収率（＝（得られた精製ガス中のメタンガスの量／供給したメタン発酵ガス中のメタンガスの量）×１００％）が低下し易い。そこで、本発明のメタン発酵ガスの精製システムでは、例えば、以下に詳細に説明するような精製装置１００を用いて圧力スイング吸着工程を実施してもよい。

【0027】

＜精製装置＞
図２に示す精製装置１００は、吸着剤を充填した２基以上（図示例では３基）の吸着塔１０，２０，３０を備えている。そして、精製装置１００では、メタンガスと、炭酸ガスとを含むメタン発酵ガスが圧力スイング吸着法を用いて精製され、メタンガスが富化された精製ガスが製造される。具体的には、精製装置１００では、メタン発酵ガスを吸着塔に供給し、吸着塔内の吸着剤で炭酸ガスの大部分とメタンガスの一部とを吸着することにより、メタンガスが富化された精製ガスが製造される。なお、炭酸ガスとメタンガスとを吸着した吸着剤は、適宜、吸着剤に吸着されたガスを減圧下（吸着時の圧力よりも低い圧力下）で脱着させることにより再生される。

【0028】

ここで、図２に示すように、精製装置１００は、互いに並列に接続された第１吸着塔１０と、第２吸着塔２０と、第３吸着塔３０とを備えている。なお、各吸着塔１０，２０，３０内には、圧力スイング吸着法を用いたメタン発酵ガスの精製に利用可能な既知の吸着剤、例えば、活性炭や、分子ふるい炭や、ゼオライト等が充填されている。

【0029】

また、精製装置１００は、装置外からメタン発酵ガスが流入する共通メタン発酵ガスライン４０と、共通メタン発酵ガスライン４０と第１吸着塔１０とを接続する第１メタン発酵ガスライン１１と、共通メタン発酵ガスライン４０と第２吸着塔２０とを接続する第２メタン発酵ガスライン２１と、共通メタン発酵ガスライン４０と第３吸着塔３０とを接続する第３メタン発酵ガスライン３１とを備えている。
なお、第１メタン発酵ガスライン１１には第１メタン発酵ガス弁１２が設けられており、第２メタン発酵ガスライン２１には第２メタン発酵ガス弁２２が設けられており、第３メタン発酵ガスライン３１には第３メタン発酵ガス弁３２が設けられている。

【0030】

更に、精製装置１００は、各吸着塔から流出した精製ガスを装置外へと流す共通精製ガスライン５０と、第１吸着塔１０と共通精製ガスライン５０とを接続する第１精製ガスライン１３と、第２吸着塔２０と共通精製ガスライン５０とを接続する第２精製ガスライン２３と、第３吸着塔３０と共通精製ガスライン５０とを接続する第３精製ガスライン３３とを備えている。そして、共通精製ガスライン５０には、精製装置１００から流出する精製ガス中の炭酸ガス濃度を測定する精製ガス濃度計としての第１炭酸ガスセンサ５１が設けられている。
なお、第１精製ガスライン１３には第１精製ガス弁１４が設けられており、第２精製ガスライン２３には第２精製ガス弁２４が設けられており、第３精製ガスライン３３には第３精製ガス弁３４が設けられている。

【0031】

また、精製装置１００は、第１精製ガスライン１３から分岐して延びる第１均圧化ライン１５と、第２精製ガスライン２３から分岐して延びる第２均圧化ライン２５と、第３精製ガスライン３３から分岐して延びる第３均圧化ライン３５とを備えている。そして、それら第１均圧化ライン１５、第２均圧化ライン２５および第３均圧化ライン３５は、共通均圧化ライン６０を介して互いに接続されている。
なお、第１均圧化ライン１５は、第１吸着塔１０と第１精製ガス弁１４との間で第１精製ガスライン１３から分岐しており、第２均圧化ライン２５は、第２吸着塔２０と第２精製ガス弁２４との間で第２精製ガスライン２３から分岐しており、第３均圧化ライン３５は、第３吸着塔３０と第３精製ガス弁３４との間で第３精製ガスライン３３から分岐している。そして、第１均圧化ライン１５には、第１均圧化弁１６が設けられており、第２均圧化ライン２５には、第２均圧化弁２６が設けられており、第３均圧化ライン３５には、第３均圧化弁３６が設けられている。

【0032】

更に、精製装置１００は、各吸着塔内の吸着剤に吸着されたガスを減圧下で脱着させて吸着剤を再生させた際に生じる脱着ガスを装置外へと流す共通脱着ガスライン７０を有している。そして、共通脱着ガスライン７０は、第１メタン発酵ガスライン１１から分岐して延びる第１脱着ガスライン１７、第２メタン発酵ガスライン２１から分岐して延びる第２脱着ガスライン２７および第３メタン発酵ガスライン３１から分岐して延びる第３脱着ガスライン３７と接続されている。
なお、第１脱着ガスライン１７は、第１メタン発酵ガス弁１２と第１吸着塔１０との間で第１メタン発酵ガスライン１１から分岐しており、第２脱着ガスライン２７は、第２メタン発酵ガス弁２２と第２吸着塔２０との間で第２メタン発酵ガスライン２１から分岐しており、第３脱着ガスライン３７は、第３メタン発酵ガス弁３２と第３吸着塔３０との間で第３メタン発酵ガスライン３１から分岐している。そして、第１脱着ガスライン１７には、第１脱着ガス弁１８が設けられており、第２脱着ガスライン２７には、第２脱着ガス弁２８が設けられており、第３脱着ガスライン３７には、第３脱着ガス弁３８が設けられている。

【0033】

ここで、共通脱着ガスライン７０には、第３脱着ガスライン３７との接続部側から装置外側へ向かって、各吸着塔内の減圧に用いられる減圧装置としての真空ポンプ７１と、脱着ガス中の炭酸ガス濃度を測定する脱着ガス濃度計としての第２炭酸ガスセンサ７２と、共通脱着ガス弁７３とが順次配設されている。

【0034】

また、精製装置１００は、一端が共通メタン発酵ガスライン４０に接続され、他端が共通脱着ガスライン７０に接続されたリサイクルガスライン８０を有している。
ここで、リサイクルガスライン８０の一端は、精製装置１００へのメタン発酵ガスの流入口と、共通メタン発酵ガスライン４０と第１メタン発酵ガスライン１１との接続部との間で共通メタン発酵ガスライン４０に接続している。また、リサイクルガスライン８０の他端は、第２炭酸ガスセンサ７２と、共通脱着ガス弁７３との間で共通脱着ガスライン７０に接続している。
そして、リサイクルガスライン８０には、他端側から一端側に向かって、リサイクルガスの流通を遮断する供給遮断機構としてのリサイクルガス弁８１と、リサイクルガスを加圧して送出するリサイクルガスポンプ８２とが順次配設されている。

【0035】

そして、上述した構成を有する精製装置１００では、共通メタン発酵ガスライン４０と、第１メタン発酵ガスライン１１、第２メタン発酵ガスライン２１および第３メタン発酵ガスライン３１とが、各吸着塔１０，２０，３０内にメタン発酵ガスを供給するメタン発酵ガス供給ラインとして機能し得る。
また、第１精製ガスライン１３、第２精製ガスライン２３および第３精製ガスライン３３と、共通精製ガスライン５０とが、各吸着塔１０，２０，３０から流出した精製ガスを装置外へと流す精製ガスラインとして機能し得る。
更に、第１精製ガスライン１３の一部（第１吸着塔１０から第１均圧化ライン１５が分岐する部分まで）と、第１均圧化ライン１５と、第２精製ガスライン２３の一部（第２吸着塔２０から第２均圧化ライン２５が分岐する部分まで）と、第２均圧化ライン２５と、第３精製ガスライン３３の一部（第３吸着塔３０から第３均圧化ライン３５が分岐する部分まで）と、第３均圧化ライン３５と、共通均圧化ライン６０とが、各吸着塔同士を連通して吸着塔内の圧力を均一化する均圧化ラインとして機能し得る。
また、第１メタン発酵ガスライン１１の一部（第１吸着塔１０から第１脱着ガスライン１７が分岐する部分まで）および第１脱着ガスライン１７、第２メタン発酵ガスライン２１の一部（第２吸着塔２０から第２脱着ガスライン２７が分岐する部分まで）および第２脱着ガスライン２７、並びに、第３メタン発酵ガスライン３１の一部（第３吸着塔３０から第３脱着ガスライン３７が分岐する部分まで）および第３脱着ガスライン３７と、共通脱着ガスライン７０とが、各吸着塔１０，２０，３０から流出した脱着ガスを装置外へと流す脱着ガスラインとして機能し得る。
更に、リサイクルガスライン８０と、共通メタン発酵ガスライン４０と、第１メタン発酵ガスライン１１、第２メタン発酵ガスライン２１および第３メタン発酵ガスライン３１とが、吸着剤を再生中の吸着塔から流出した脱着ガスの少なくとも一部をリサイクルガスとして他の吸着塔へと供給するリサイクルガス供給ラインとして機能し得る。なお、この精製装置１００のリサイクルガス供給ラインでは、リサイクルガスはメタン発酵ガスと混合した状態で各吸着塔１０，２０，３０へと供給されるが、精製装置１００では、リサイクルガスは各吸着塔に直接供給されてもよい。

【0036】

なお、精製装置１００は、少なくとも一つの吸着塔にメタン発酵ガスを供給して精製ガスを製造している間に残りの吸着塔のうちの少なくとも一つで吸着塔内を減圧して吸着剤に吸着されたガスを脱着するように運転される。なお、精製装置１００の運転は、手動で行ってもよいし、図示しない制御盤等を用いて自動でおこなってもよい。

【0037】

そして、この精製装置１００では、前記残りの吸着塔のうちの少なくとも一つから排出される脱着ガスの少なくとも一部が、リサイクルガスとして前記少なくとも一つの吸着塔に供給される。因みに、脱着ガスをリサイクルガスとして吸着塔に供給する量は、共通脱着ガス弁７３、リサイクルガス弁８１およびリサイクルガスポンプ８２の動作を制御する制御装置９０を用いて制御することができる。ここで、精製装置１００の制御装置９０は、第１炭酸ガスセンサ５１で測定した精製ガス中の炭酸ガスの濃度と、第２炭酸ガスセンサ７２で測定した脱着ガス中の炭酸ガス濃度とを使用し、後に詳細に説明するようにして共通脱着ガス弁７３、リサイクルガス弁８１およびリサイクルガスポンプ８２の動作を制御する装置である。

【0038】

＜圧力スイング吸着工程＞
図２に示す精製装置１００を用いたメタン発酵ガスの精製は、図３（ａ）に示すような運転工程表に従って行うことができる。具体的には、精製装置１００では、図３（ａ）に示すステージ１〜３を順次繰り返して実施することにより、メタン発酵ガスを連続的に精製し、高濃度のメタンガスを含有する精製ガスを得ることができる。
なお、精製ガス中のメタンガスの濃度は所望の濃度以上であることが好ましい。ここで、「所望の濃度」とは、精製ガスの用途に応じて予め定まる濃度であり、例えば、精製ガスを都市ガス原料として使用する場合には９９．５体積％であり、精製ガスを自動車燃料として使用する場合には９５体積％である。精製ガス中のメタンガスの濃度が所望の濃度よりも低い場合、所望の濃度以上のメタンガスを含む別の精製ガスと混合したり、精製ガスを再び精製したりしてメタンガスの濃度を所望の濃度以上に高めてから、都市ガス原料や自動車燃料等として使用する必要があるからである。

【0039】

ここで、図３（ａ）に示すように、この一例のメタン発酵ガスの精製方法では、第１吸着塔１０、第２吸着塔２０および第３吸着塔３０のそれぞれにおいて、吸着塔にメタン発酵ガスを供給して精製ガスを得る吸着工程と、吸着工程において吸着剤に吸着されたガスを減圧下（吸着工程よりも低い圧力下）で脱着させて吸着剤を再生する脱着工程とが繰り返して実施される。そして、この一例の精製方法では、図３（ａ）に示すように、一つの吸着塔で吸着工程を実施している間に残りの吸着塔のうちの一つで脱着工程を実施する。

【0040】

なお、図３（ａ）からも明らかなように、この一例の精製方法では、ステージ毎に吸着工程を実施する吸着塔を順次切り替えることによりメタン発酵ガスを連続的に精製している。従って、当業者であれば、ステージ２およびステージ３は、ステージ１と同様にして実施し得ることを理解することができる。そこで、以下では、図４Ａ〜図４Ｄを用いて、メタン発酵ガスの精製開始から２回目以降（即ち、ステージ１〜３を少なくとも１回以上実施した後）のステージ１における精製装置１００の運転内容について説明し、ステージ２および３における精製装置１００の運転内容については説明を省略する。なお、図４Ａ〜図４Ｄでは、太線矢印を用いてガスの流れを表示している。

【0041】

ここで、メタン発酵ガスの精製開始から２回目以降のステージ１の開始時には、各吸着塔１０，２０，３０は、ステージ３の工程４が終了した状態にある。従って、図３（ａ）から明らかなように、第３吸着塔３０は、吸着剤に炭酸ガス等が吸着された状態にある。
そして、ステージ１では、下記の工程１〜４が順次実施される。

【0042】

（工程１）
図４Ａに示すように、ステージ１の工程１では、第１メタン発酵ガス弁１２、第１精製ガス弁１４、第２均圧化弁２６および第３均圧化弁３６のみを開き、他の弁は閉じると共に、真空ポンプ７１およびリサイクルガスポンプ８２を停止させた状態とする。

【0043】

そして、ステージ１の工程１では、共通メタン発酵ガスライン４０の一部および第１メタン発酵ガスライン１１を介して第１吸着塔１０にメタン発酵ガスを供給する。ここで、第１吸着塔１０では、供給されたメタン発酵ガスに含まれている炭酸ガスの大部分と、メタンガスの一部とが吸着剤に吸着される。その結果、第１吸着塔１０からはメタンガスが富化された精製ガスが流出し、第１吸着塔１０から流出した精製ガスは、第１精製ガスライン１３および共通精製ガスライン５０を通って装置外へと流出する。

【0044】

なお、メタン発酵ガスは、比較的低い圧力Ｐ１：３〜１００ｋＰａ（ゲージ圧）で第１吸着塔１０に供給される。そのため、炭酸ガスを吸着剤に十分に吸着させる観点からは、吸着塔に充填する吸着剤の量を増やし、空間速度ＳＶを少なくすることにより、炭酸ガスを吸着剤に十分に吸着させることができる。具体的には、分子ふるい炭を吸着剤として使用した場合には、空間速度ＳＶを３００ｈ^−１以下とすることにより、炭酸ガスを吸着剤に十分に吸着させることができる。ここで、空間速度ＳＶは、下記式（１）を用いて算出することができる。
ＳＶ＝（メタン発酵ガスの供給速度［ｍ^３／ｈ］／吸着剤体積［ｍ^３］） ・・・（１）

【0045】

また、ステージ１の工程１では、第２均圧化ライン２５、共通均圧化ライン６０および第３均圧化ライン３５を介して第２吸着塔２０と第３吸着塔３０とを連通する。そして、第２吸着塔２０内の圧力と、第３吸着塔３０内の圧力とを均一化することにより、後の工程において第２吸着塔内の圧力を増加させたり、第３吸着塔内の圧力を低下させたりする際に必要となるエネルギーを削減する。

【0046】

即ち、ステージ１の工程１では、第１吸着塔１０において、吸着塔にメタン発酵ガスを供給して精製ガスを得る吸着工程を実施し、第２吸着塔２０および第３吸着塔３０において、吸着塔間の圧力を均一化する均圧化工程を実施する。
なお、工程１の実施時間は、第２吸着塔２０および第３吸着塔３０の圧力を均一化するのに十分な時間とすることができる。

【0047】

（工程２）
工程１の後に実施する工程２では、図４Ｂに示すように、第１メタン発酵ガス弁１２および第１精製ガス弁１４は開いた状態を維持する一方で、第２均圧化弁２６および第３均圧化弁３６は閉じる。また、工程２では、第３脱着ガス弁３８およびリサイクルガス弁８１を開くと共に、真空ポンプ７１およびリサイクルガスポンプ８２を運転させる。なお、その他の弁は閉じた状態を維持する。

【0048】

ここで、ステージ１の工程２では、真空ポンプ７１を用いて第３吸着塔３０内を減圧し、第３吸着塔内の吸着剤に吸着されていたガスを脱着させて吸着剤を再生する。また、第３吸着塔３０から流出した脱着ガスを、リサイクルガスポンプ８２を使用し、第３メタン発酵ガスライン３１の一部、第３脱着ガスライン３７、共通脱着ガスライン７０の一部およびリサイクルガスライン８０を介して共通メタン発酵ガスライン４０へと流入させる。即ち、工程２では、第３吸着塔３０から流出した脱着ガスをリサイクルガスとしてメタン発酵ガスと共に第１吸着塔１０へと供給する。

【0049】

そして、ステージ１の工程２では、共通メタン発酵ガスライン４０の一部および第１メタン発酵ガスライン１１を介して第１吸着塔１０に供給された、メタン発酵ガスとリサイクルガスとの混合ガスが、第１吸着塔１０内で精製される。即ち、第１吸着塔１０では、メタン発酵ガスとリサイクルガスとの混合ガスに含まれている炭酸ガスの大部分と、メタンガスの一部とが吸着剤に吸着され、メタンガスが富化された精製ガスが流出する。なお、第１吸着塔１０から流出した精製ガスは、第１精製ガスライン１３および共通精製ガスライン５０を通って装置外へと流出する。

【0050】

即ち、ステージ１の工程２では、第１吸着塔１０において、吸着塔にメタン発酵ガスおよびリサイクルガスを供給して精製ガスを得る吸着工程を実施する。また、第３吸着塔３０において、吸着剤に吸着されていたガスを脱着させて吸着剤を再生する脱着工程を実施すると共に、脱着工程において発生した脱着ガスを、吸着工程を実施している第１吸着塔１０にリサイクルガスとして供給するリサイクル工程を実施する。なお、第２吸着塔２０では、工程１終了後の状態を維持する保持工程を実施する。

【0051】

ここで、吸着工程では、メタン発酵ガスに含まれている炭酸ガスの大部分と、メタンガスの一部とが吸着剤に吸着される。また、吸着工程の終了時には、高濃度のメタンガスを含む精製ガスが吸着塔内の空隙部に残留している。従って、脱着工程において吸着塔から排出されるガス（脱着ガス）中には、炭酸ガスと、メタンガスとの双方が含まれている。そのため、脱着ガスをリサイクルガスとして第１吸着塔１０に供給した場合、脱着ガス中のメタンガスを精製ガスとして有効に回収することができるので、脱着ガスの全量を装置外へ排気する場合と比較し、メタンガスの回収率を向上させることができる。

【0052】

しかしここで、脱着ガス中に含まれているメタンガスの濃度は低濃度（例えば、最大で２０体積％程度）であり、脱着ガスは、比較的高い濃度の炭酸ガスを含んでいる。
また、圧力スイング吸着法で用いる吸着剤は、通常、メタンガスよりも炭酸ガスを吸着し易い一方で、炭酸ガスよりもメタンガスを脱着し易い。更に、吸着工程の終了時に吸着塔内に残留している精製ガスは脱着工程の開始直後に排出される。従って、脱着ガス中に含まれているメタンガスの濃度は、脱着工程の開始直後に最大となり、その後次第に減少する。
そのため、脱着ガスをリサイクルガスとして第１吸着塔１０に供給し続けた場合、第１吸着塔１０に流入する炭酸ガスの量が増加する。そして、第１吸着塔１０に流入する炭酸ガスの量が増加すると、吸着剤に吸着されたガスの量が飽和吸着量に近づき、吸着工程の実施中、特に吸着工程の終了間際に精製ガス中の炭酸ガスの濃度が増加する（即ち、メタンガスの濃度が低下する）虞がある。そして、精製ガス中の炭酸ガスの濃度が増加した場合、メタンガスの濃度が所望の濃度以上の精製ガスを得ることができなくなる。

【0053】

そこで、精製装置１００では、以下のようにして、工程２を終了し、リサイクルガスの第１吸着塔１０への供給を停止する。
即ち、精製装置１００では、現在実施中のステージ１（以下「今回のステージ１」と称することがある。）の一回前に実施したステージ１（以下「前回のステージ１」と称することがある。）の吸着工程の終了時（即ち、工程４の終了時）に第１炭酸ガスセンサ５１を用いて測定した精製ガス中の炭酸ガス濃度を利用して、今回のステージ１の工程２を実施し得る最大時間を決定し、工程２の開始から当該最大時間が経過するまでの間に工程２を終了する。具体的には、精製装置１００では、工程２の開始から所定の最大時間が経過した際に、制御装置９０がリサイクルガス弁８１を閉じると共にリサイクルガスポンプ８２の運転を停止させて、第１吸着塔１０へのリサイクルガスの供給を遮断し、工程２を終了させる。

【0054】

ここで、工程２を実施し得る最大時間は、前回のステージ１の工程４の終了時に第１炭酸ガスセンサ５１で測定した精製ガス中の炭酸ガスの濃度を用いて、以下の（Ｉ）〜（ＩＩＩ）のようにして定めることができる。
（Ｉ）第１炭酸ガスセンサ５１で測定した精製ガス中の炭酸ガスの濃度が所定の濃度未満の場合には、前回のステージ１の吸着工程において第１吸着塔１０にリサイクルガスを流通した時間（即ち、前回の工程２の実施時間）よりも長い時間とする。
（ＩＩ）第１炭酸ガスセンサ５１で測定した精製ガス中の炭酸ガスの濃度が所定の濃度超の場合には、前回のステージ１の吸着工程において第１吸着塔１０にリサイクルガスを流通した時間（即ち、前回の工程２の実施時間）よりも短い時間とする。
（ＩＩＩ）第１炭酸ガスセンサ５１で測定した精製ガス中の炭酸ガスの濃度が所定の濃度と等しい場合には、前回のステージ１の吸着工程において第１吸着塔１０にリサイクルガスを流通した時間（即ち、前回の工程２の実施時間）以下の時間、好ましくは前回の工程２の実施時間と同じ時間とする。

【0055】

ここで、工程２を実施し得る最大時間を決定する際の「所定の濃度」は、使用する吸着剤の性能や、求められるメタンガスの回収率や、精製ガス中のメタンガスの濃度低下の許容範囲に応じて定められる濃度である。具体的には、「所定の濃度」は、例えば、ステージ１が終了するまでの間に精製ガス中のメタンガスの濃度が所望の濃度未満にならない範囲内で実験的に定めることができる。なお、メタン発酵ガスの精製においては、各ガス中のメタンガス濃度と炭酸ガス濃度との合計は１００体積％と近似することができる。そのため、「所定の濃度」は、より具体的には、例えば、精製ガス中のメタンガスの濃度が所望の濃度のときの炭酸ガスの濃度（以下「限界炭酸ガス濃度」と称する。）よりも０．２〜２．０体積％低い濃度とすることができる。所定の濃度を限界炭酸ガス濃度よりも０．２体積％以上低くすれば、最大時間を前回の工程２の実施時間よりも長くした際に精製ガス中のメタンガスの濃度が所望の濃度未満になるのを十分に抑制することができるからである。また、所定の濃度を限界炭酸ガス濃度よりも２．０体積％以下の範囲内で低くすれば、最大時間が前回の工程２の実施時間よりも短く設定される確率を低減して、メタンガスの回収率が低下するのを抑制することができるからである。
なお、前回の工程２の実施時間に対して最大時間をどの程度長く（或いは、短く）するかについては、比例制御、微分制御、積分制御、ＰＩＤ制御などの既知の手法を用いて決定することができる。具体的には、過去の工程２の実施時間と工程４の終了時の炭酸ガス濃度とのデータを蓄積しておき、ＰＩＤ制御などを用いて最大時間をどの程度長く（或いは、短く）するか決定することができる。

【0056】

ここで、前述したように、脱着ガス中に含まれているメタンガスの濃度は、脱着工程の開始直後に最大となり、その後次第に減少する。そのため、前回のステージ１の工程４の終了時の精製ガス中の炭酸ガス濃度を利用して決定した最大時間の経過時に工程２を終了させる場合には、特に工程２の後半に、メタンガスの濃度が非常に低い脱着ガスもリサイクルガスとして第１吸着塔１０へと供給することとなる可能性がある。
そこで、この精製装置１００では、メタンガスが殆ど含まれていない脱着ガスをリサイクルガスとして第１吸着塔１０へと供給するのを抑制する観点から、脱着ガス中に含まれている炭酸ガスの濃度も使用して、今回のステージ１の工程２を終了させるタイミングを決定することが好ましい。
即ち、精製装置１００では、今回のステージ１の工程２において第２炭酸ガスセンサ７２を用いて脱着ガス中の炭酸ガス濃度を連続的に測定し、測定した脱着ガス中の炭酸ガス濃度を利用して、工程２を終了するタイミングを決定することが好ましい。具体的には、工程２を実施中に脱着ガス中の炭酸ガス濃度を連続的に測定し、メタンガスの濃度が所定の濃度以上の脱着ガスのみをリサイクルガスとして第１吸着塔１０へ供給するように、工程２を終了するタイミングを決定することが好ましい。

【0057】

より具体的には、精製装置１００では、最大時間が経過する前であっても、第２炭酸ガスセンサ７２で測定した脱着ガス中の炭酸ガスの濃度が所定値以上となった場合には、制御装置９０がリサイクルガス弁８１を閉じると共にリサイクルガスポンプ８２の運転を停止させて、第１吸着塔１０へのリサイクルガスの供給を遮断し、工程２を終了させることが好ましい。なお、最大時間が経過するまでの間に脱着ガス中の炭酸ガスの濃度が所定値以上にならなかった場合には、最大時間の経過時に工程２を終了させる。

【0058】

ここで、工程２を終了させる「脱着ガス中の炭酸ガスの濃度の所定値」は、使用する吸着剤の性能や、求められるメタンガスの回収率に応じて適宜設定することができる。
具体的には、「脱着ガス中の炭酸ガスの濃度の所定値」は、例えば、４０体積％以上８０体積％以下の範囲内で設定することができる。所定値を４０体積％以上とすれば、メタンガスの回収率を十分に高めることができるからである。また、所定値を８０体積％以下とすれば、メタンガスの回収率を十分に高めつつ、メタンガスが殆ど含まれていない脱着ガスをリサイクルガスとして第１吸着塔１０へと供給するのを抑制することができるからである。

【0059】

なお、上記一例では、工程２の開始から最大時間が経過した場合、または、脱着ガス中の炭酸ガスの濃度が所定値以上となった場合に工程２を終了させたが、工程２を終了させるタイミングは、上記一例以外の方法で決定してもよい。
具体的には、工程２を終了させるタイミングは、工程２の開始から最大時間が経過した際と、脱着ガス中の炭酸ガスの濃度が所定の値となってから所定時間が経過した際との何れか早いタイミングとしてもよい。なお、「所定時間」は、予め実験を行って定めることができる。

【0060】

（工程３）
工程２の後に実施する工程３では、図４Ｃに示すように、第１メタン発酵ガス弁１２、第１精製ガス弁１４および第３脱着ガス弁３８は開いた状態を維持し、真空ポンプ７１は運転を継続する。一方で、制御装置９０がリサイクルガス弁８１を閉じる。また、工程３では、制御装置９０が、共通脱着ガス弁７３を開くと共に、リサイクルガスポンプ８２の運転を停止させる。なお、その他の弁は閉じた状態を維持する。

【0061】

ここで、ステージ１の工程３では、真空ポンプ７１を用いた第３吸着塔３０内の減圧が継続される。そして、第３吸着塔内では、吸着剤に吸着されていたガスが脱着されて吸着剤が再生される。一方、吸着剤から脱着されて第３吸着塔３０から流出した脱着ガスは、リサイクルガスとして第１吸着塔１０へと供給されることなく、第３メタン発酵ガスライン３１の一部、第３脱着ガスライン３７および共通脱着ガスライン７０の一部を介して装置外へと排出される。

【0062】

そして、ステージ１の工程３では、工程１と同様に、共通メタン発酵ガスライン４０の一部および第１メタン発酵ガスライン１１を介して第１吸着塔１０に供給されたメタン発酵ガスが、第１吸着塔１０内で精製される。なお、第１吸着塔１０から流出した精製ガスは、第１精製ガスライン１３および共通精製ガスライン５０を通って装置外へと流出する。

【0063】

即ち、ステージ１の工程３では、第１吸着塔１０において、吸着塔にメタン発酵ガスを供給して精製ガスを得る吸着工程を実施する。また、第３吸着塔３０において、吸着剤に吸着されていたガスを脱着させて吸着剤を再生する脱着工程を実施すると共に、脱着工程において発生した脱着ガスを装置外へと排出する排気工程を実施する。なお、第２吸着塔２０では、引き続き保持工程を実施する。
なお、工程３を終了するタイミングは、第３吸着塔３０内の吸着剤からガスが十分に脱着される（即ち、吸着剤が十分に再生する）タイミングとすることができる。具体的には、第３吸着塔３０内の圧力が例えば−８０ｋＰａ（ゲージ圧）となるタイミングとすることができる。

【0064】

（工程４）
工程３の後に実施する工程４では、図４Ｄに示すように、第１メタン発酵ガス弁１２、第１精製ガス弁１４および第３脱着ガス弁３８は開いた状態を維持し、真空ポンプ７１は運転を継続する。一方で、共通脱着ガス弁７３を閉じる。また、工程４では、第２精製ガス弁２４、第３精製ガス弁３４およびリサイクルガス弁８１を開くと共に、リサイクルガスポンプ８２を運転させる。なお、その他の弁は閉じた状態を維持する。

【0065】

ここで、ステージ１の工程４では、第１吸着塔１０から流出した精製ガスの一部を、第２精製ガスライン２３を介して第２吸着塔２０へと供給し、第２吸着塔２０内を加圧する。そして、第２吸着塔２０内の圧力を精製ガスの圧力と略等しい圧力まで高めて、ステージ２の工程１における第２吸着塔２０での吸着工程の実施に備える。

【0066】

また、ステージ１の工程４では、第１吸着塔１０から流出した精製ガスの一部を、第３精製ガスライン３３を介して第３吸着塔３０へと供給し、第３吸着塔３０内の雰囲気を精製ガスで置換すると共に、第３吸着塔３０内に残存している脱着ガスを第３吸着塔３０外へと流出させる。なお、第３吸着塔３０から流出するガス（以下「置換ガス」と称する。）は、精製ガスと殆ど同じ組成を有しており、メタンガスを高濃度で含む。そのため、置換ガスは、排気することなく、第３メタン発酵ガスライン３１の一部、第３脱着ガスライン３７、共通脱着ガスライン７０の一部およびリサイクルガスライン８０を介して共通メタン発酵ガスライン４０へと流入させ、第１吸着塔１０へと供給する。

【0067】

そして、ステージ１の工程４では、共通メタン発酵ガスライン４０の一部および第１メタン発酵ガスライン１１を介して第１吸着塔１０に供給されたメタン発酵ガスと置換ガスとの混合ガスが、第１吸着塔１０内で精製される。即ち、第１吸着塔１０では、メタン発酵ガスと置換ガスとの混合ガスに含まれている炭酸ガスの大部分と、メタンガスの一部とが吸着剤に吸着され、メタンガスが富化された精製ガスが流出する。

【0068】

即ち、ステージ１の工程４では、第１吸着塔１０において、吸着塔にメタン発酵ガスおよび置換ガスを供給して精製ガスを得る吸着工程を実施する。また、第２吸着塔２０において、吸着塔内を予め加圧することにより次に実施する吸着工程に備える加圧工程を実施する。更に、第３吸着塔３０において、吸着塔内を精製ガスで置換し、吸着剤を十分に再生させる置換工程を実施する。
なお、工程４を終了するタイミング、即ちステージ１を終了するタイミングは、ステージ１の開始から予め定めておいた所定時間が経過したタイミングとすることができる。
因みに、工程４の終了時には、第１炭酸ガスセンサ５１で精製ガス中の炭酸ガスの濃度を測定する。そして、測定した炭酸ガスの濃度は、次のステージ１（即ち、ステージ２，３を実施した後のステージ１）において工程２を実施し得る最大時間の決定に用いられる。

【0069】

そして、精製装置１００を用いた上記一例の精製方法によれば、各ステージの工程２において、脱着工程を実施中の吸着塔から排出される脱着ガスの少なくとも一部をリサイクルガスとして吸着工程を実施中の吸着塔に流通させるので、脱着ガス中に含まれているメタンガスを精製ガスとして回収することができる。従って、低圧のメタン発酵ガスを使用した場合でも、メタン発酵ガスからのメタンガスの回収率を向上させることができる。

【0070】

また、上記一例の精製方法では、各ステージの工程２を実施し得る最大時間を、前回のステージの工程４の終了時に第１炭酸ガスセンサ５１で測定した精製ガス中の炭酸ガスの濃度を用いて決定している。従って、脱着ガス中に含まれているメタンガスを十分に回収してメタン発酵ガスからのメタンガスの回収率を向上させつつ、精製ガス中のメタンガスの濃度が所望の濃度よりも低くなるのを抑制することができる。
具体的には、第１炭酸ガスセンサ５１で測定した精製ガス中の炭酸ガスの濃度が所定の濃度未満の場合、即ち、前回の工程４の終了時に吸着塔に炭酸ガスを吸着する余裕が十分に残っていた場合には、最大時間を前回の工程２の実施時間よりも長い時間として、メタンガスの回収率を更に向上させることができる。
また、第１炭酸ガスセンサ５１で測定した精製ガス中の炭酸ガスの濃度が所定の濃度超の場合、即ち、前回の工程４の終了時に吸着塔に炭酸ガスを吸着する余裕が十分に無かった場合には、最大時間を前回の工程２の実施時間よりも短い時間として、精製ガス中のメタンガスの濃度が所望の濃度よりも低くなるのを抑制することができる。
更に、第１炭酸ガスセンサ５１で測定した精製ガス中の炭酸ガスの濃度が所定の濃度の場合には、最大時間を前回の工程２の実施時間以下として、メタンガスの回収率を向上させつつ、精製ガス中のメタンガスの濃度が所望の濃度よりも低くなるのを抑制することができる。

【0071】

なお、上記一例の精製方法では、脱着ガス中の炭酸ガスの濃度も利用してリサイクルガスの流通を停止すれば、メタンガスの濃度が低い脱着ガスがリサイクルガスとして吸着塔へ流通するのを抑制して、メタン発酵ガスからのメタンガスの回収率を効果的に向上させることができる

【0072】

なお、上記一例では、炭酸ガスセンサを設け、メタンガス濃度よりも測定が容易な炭酸ガス濃度を測定することにより制御を行ったが、精製装置１００では、炭酸ガスセンサに変えて（或いは、加えて）メタンガスセンサを設け、炭酸ガス濃度に変えて（或いは、加えて）メタンガス濃度を測定することにより制御を行ってもよい。より具体的には、上記一例の工程２を実施し得る最大時間は、前回のステージの工程４において精製ガス中のメタンガスの濃度を測定し、測定したメタンガス濃度を用いて決定してもよい。なお、工程４において測定した精製ガス中のメタンガス濃度を用いる場合には、以下の（ＩＶ）〜（ＶＩ）のようにして最大時間を決定することができる。
（ＩＶ）メタンガスセンサで測定した精製ガス中のメタンガスの濃度が所定の濃度超の場合には、前回のステージの吸着工程において吸着塔にリサイクルガスを流通した時間（即ち、前回の工程２の実施時間）よりも長い時間とする。
（Ｖ）メタンガスセンサで測定した精製ガス中のメタンガスの濃度が所定の濃度未満の場合には、前回のステージの吸着工程において吸着塔にリサイクルガスを流通した時間（即ち、前回の工程２の実施時間）よりも短い時間とする。
（ＶＩ）メタンガスセンサで測定した精製ガス中のメタンガスの濃度が所定の濃度と等しい場合には、前回のステージの吸着工程において吸着塔にリサイクルガスを流通した時間（即ち、前回の工程２の実施時間）以下の時間、好ましくは前回の工程２の実施時間と同じ時間とする。
また、上記一例の工程２は、工程２において脱着ガス中のメタンガスの濃度を測定し、脱着ガス中のメタンガスの濃度が所定値以下となった場合に終了させてもよい。なお、上記一例ではメタンガス濃度と炭酸ガス濃度との合計は１００体積％と近似することができるので、メタンガス濃度を使用して制御を行う場合には、上記近似を用いて「精製ガス中のメタンガスの所定の濃度」や「脱着ガス中のメタンガスの濃度の所定値」を決定することができる。
また、上記一例の運転工程表の工程１および工程３は実施しなくてもよい。
更に、精製装置１００では、工程１の実施時間、工程２および工程３の合計の実施時間、工程４の実施時間を予め定めておき、工程２の実施時間を前記工程２および工程３の合計の実施時間の範囲内で変化させてもよい。
更に、２基の吸着塔を用いて精製を行う場合には、例えば図３（ｂ）に示すような運転工程表に従って精製を行うことができる。

【産業上の利用可能性】

【0073】

本発明によれば、メタン発酵ガスの精製に必要なエネルギーを低減したメタン発酵ガスの精製方法および精製システムを提供することができる。

【符号の説明】

【0074】

１ メタン発酵ガスの精製システム
２ メタン発酵処理装置
３ メタン発酵ガスタンク
４ 精製機構
５ 背圧弁
１０ 第１吸着塔
１１ 第１メタン発酵ガスライン
１２ 第１メタン発酵ガス弁
１３ 第１精製ガスライン
１４ 第１精製ガス弁
１５ 第１均圧化ライン
１６ 第１均圧化弁
１７ 第１脱着ガスライン
１８ 第１脱着ガス弁
２０ 第２吸着塔
２１ 第２メタン発酵ガスライン
２２ 第２メタン発酵ガス弁
２３ 第２精製ガスライン
２４ 第２精製ガス弁
２５ 第２均圧化ライン
２６ 第２均圧化弁
２７ 第２脱着ガスライン
２８第２脱着ガス弁
３０ 第３吸着塔
３１ 第３メタン発酵ガスライン
３２ 第３メタン発酵ガス弁
３３ 第３精製ガスライン
３４ 第３精製ガス弁
３５ 第３均圧化ライン
３６ 第３均圧化弁
３７ 第３脱着ガスライン
３８ 第３脱着ガス弁
４０ 共通メタン発酵ガスライン
５０ 共通精製ガスライン
５１ 第１炭酸ガスセンサ
６０ 共通均圧化ライン
７０ 共通脱着ガスライン
７１ 真空ポンプ
７２ 第２炭酸ガスセンサ
７３ 共通脱着ガス弁
８０ リサイクルガスライン
８１ リサイクルガス弁
８２ リサイクルガスポンプ
９０ 制御装置
１００ 精製装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図4D】