特開 2024-73874 気体供給システム及び発電システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024073874

(43)【公開日】2024-05-30

(54)【発明の名称】気体供給システム及び発電システム

(51)【国際特許分類】

   C02F 11/04 20060101AFI20240523BHJP

   B01D 53/22 20060101ALI20240523BHJP

【ＦＩ】

C02F11/04 A ZAB

B01D53/22

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022184836

(22)【出願日】2022-11-18

(71)【出願人】

【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】110003421

【氏名又は名称】弁理士法人フィールズ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】西澤 ▲祥▼太

【テーマコード（参考）】

4D006

4D059

【Ｆターム（参考）】

4D006GA41

4D006KA01

4D006KB30

4D006PA02

4D006PB20

4D006PB68

4D059AA04

4D059AA05

4D059BA12

4D059BA56

4D059BJ00

(57)【要約】

【課題】混合気体の圧縮を効率的に行うことを可能とする消化システム気体供給システム及び発電システムを提供する。
【解決手段】可燃性気体を含む混合気体を圧縮する圧縮装置と、圧縮装置から供給された混合気体から可燃性気体を分離する分離装置と、を備え、圧縮装置は、分離された可燃性気体を燃焼させて生じる熱エネルギーによって発電する発電装置から排出される流体が有する熱エネルギーによって混合気体を圧縮する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

可燃性気体を含む混合気体を圧縮する圧縮装置と、
前記圧縮装置から供給された前記混合気体から前記可燃性気体を分離する分離装置と、を備え、
前記圧縮装置は、分離された前記可燃性気体を燃焼させて生じる熱エネルギーによって発電する発電装置から排出される流体が有する熱エネルギーによって前記混合気体を圧縮する、気体供給システム。

【請求項2】

さらに、前記流体が有する熱エネルギーを前記圧縮装置の駆動エネルギーに変換する変換装置を有し、
前記圧縮装置は、前記駆動エネルギーによって前記混合気体を圧縮する、請求項１に記載の気体供給システム。

【請求項3】

前記変換装置は、前記流体が有する熱エネルギーによって回転するタービンであり、
前記圧縮装置は、前記タービンの回転に伴って駆動する、請求項２に記載の気体供給システム。

【請求項4】

前記変換装置は、前記流体が有する熱エネルギーによって発電する他の発電装置であり、
前記圧縮装置は、前記他の発電装置が発電した電力によって駆動する、請求項２に記載の気体供給システム。

【請求項5】

可燃性気体を含む混合気体を圧縮する圧縮装置と、
前記圧縮装置から供給された前記混合気体から前記可燃性気体を分離する分離装置と、
前記圧縮装置から供給された前記混合気体の前記可燃性気体を燃焼させて生じる熱エネルギーによって発電する発電装置と、を備え、
前記圧縮装置は、前記発電装置から排出される流体が有する熱エネルギーによって前記混合気体を圧縮する、発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、気体供給システム及び発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

有機性成分を含む処理対象（例えば、汚泥を含む廃水）を処理する設備では、例えば、この処理に伴って発生する気体（例えば、汚泥の消化に伴って発生する消化ガス）を用いた発電が行われる（特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１８－１１０５６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記のような処理に伴って発生する気体は、例えば、発電に用いられる可燃性気体（以下、単に可燃性気体とも呼ぶ）を含む混合気体（以下、単に混合気体とも呼ぶ）である。ここで、混合気体中に含まれる可燃性気体（例えば、メタン）と二酸化炭素とをそれぞれ別の用途で有効利用するための前処理技術として、例えば、膜分離がある。具体的に、メタンは、例えば、発電や都市ガス代替燃料等として利用される。また、二酸化炭素は、例えば、農業利用、ドライアイス原料、メタノールやメタン等の化学物質の原料、及び、炭酸飲料の原料等として利用される。しかしながら、膜分離には、例えば、混合気体を予め圧縮する必要があり、混合気体の圧縮には、多くの電力を要する。そのため、このような圧縮では、電力を削減することが望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示における気体供給システムは、可燃性気体を含む混合気体を圧縮する圧縮装置と、前記圧縮装置から供給された前記混合気体から前記可燃性気体を分離する分離装置と、を備え、前記圧縮装置は、分離された前記可燃性気体を燃焼させて生じる熱エネルギーによって発電する発電装置から排出される流体が有する熱エネルギーによって前記混合気体を圧縮する。

【発明の効果】

【0006】

本開示における気体供給システムによれば、混合気体の圧縮に要する電力を削減することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１は、比較例における発電システム８００の構成について説明する図である。

【図2】図２は、第１の実施の形態における発電システム１００の構成について説明する図である。

【図3】図３は、第１の実施の形態における発電方法について説明するフローチャート図である。

【図4】図４は、変換装置１９の第１の具体例について説明する図である。

【図5】図５は、変換装置１９の第２の具体例について説明する図である。

【図6】図６は、変換装置１９の第２の具体例について説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

【0009】

［比較例における発電システム８００］
初めに、比較例における発電システム８００について説明を行う。図１は、比較例における発電システム８００の構成について説明する図である。

【0010】

本比較例における発電システム８００は、図１に示すように、例えば、濃縮装置８１と、消化槽８４と、脱水装置８５と、圧縮装置８６と、膜分離装置８７と、発電装置８８とを有する。以下、消化槽８４と脱水装置８５とを総称して消化システム８３とも呼ぶ。以下、消化システム８３における処理対象が汚泥であるものとして説明を行う。また、以下、混合気体がメタンと二酸化炭素とを含む消化ガスであり、可燃性ガスがメタンであるものとして説明を行う。

【0011】

濃縮装置８１は、例えば、下水等の被処理液体を処理する水処理システムにおける最初沈殿池（図示せず）から排出された初沈汚泥や最終沈殿池（図示せず）から排出された余剰汚泥を濃縮する。以下、初沈汚泥や余剰汚泥を総称して単に汚泥とも呼ぶ。そして、濃縮が行われた汚泥は、例えば、ポンプ（図示しない）等によって濃縮装置８１から消化槽８４に供給される。また、濃縮によって汚泥から分離した液体は、例えば、ポンプ（図示しない）等によって濃縮装置８１から最初沈殿池等に返送される。

【0012】

消化槽８４は、例えば、攪拌機能を有し、槽内の液体を撹拌する。消化槽８４内においては、例えば、濃縮装置８１から供給された汚泥に含まれる有機物が、消化槽８４内の嫌気性細菌によって嫌気性消化（分解）される。そして、この消化の過程において消化ガスが生成される。そして、消化槽８４において消化された汚泥を含む液体（以下、消化液とも呼ぶ）は、例えば、ポンプ（図示しない）等によって消化槽８４から脱水装置８５に供給される。また、消化槽８４において発生した消化ガスは、例えば、ブロワ（図示しない）等によって消化槽８４から圧縮装置８６に供給される。なお、消化ガスは、例えば、約６０％がメタンであり、約４０％が二酸化炭素であるガスである。また、消化槽８４内の汚泥の温度は、嫌気性細菌による嫌気性消化を効率的に進めて汚泥の消化率を向上させるために、例えば、３５℃から４０℃までの間の温度（以下、適温とも呼ぶ）に維持される。

【0013】

脱水装置８５は、例えば、消化槽８４からの消化液に含まれる汚泥を脱水する。そして、脱水された汚泥は、例えば、ポンプ（図示しない）等によって脱水装置８５から焼却炉（図示しない）等の後段設備に供給される。また、汚泥から脱水された液体（以下、脱水ろ液とも呼ぶ）は、例えば、ポンプ（図示しない）等によって脱水装置８５から最初沈殿池等に返送される。

【0014】

また、消化システム８３では、例えば、消化槽８４と脱水装置８５とを連通する配管において、固形物を凝集させてフロックを形成するための凝集剤（以下、単に凝集剤とも呼ぶ）を消化液に添加してもよい。これにより、脱水装置８５は、含有される固形物がフロックとなった消化液を脱水することが可能になる。

【0015】

圧縮装置８６は、例えば、消化槽８４において発生した消化ガスを圧縮する。そして、圧縮装置８６は、例えば、圧縮した消化ガスを膜分離装置８７に供給する。

【0016】

膜分離装置８７は、例えば、圧縮装置８６から供給された消化ガスをメタンと二酸化炭素とに分離する膜（図示せず）を有する装置である。

【0017】

すなわち、膜分離装置８７において消化ガスの膜分離を行うためには、例えば、圧縮された状態の消化ガスを膜分離装置８７に供給する必要がある。そのため、発電システム８００では、例えば、消化槽８４において発生した消化ガスを圧縮してから膜分離装置８７に供給する。

【0018】

発電装置８８は、例えば、ガスエンジンやガスタービン等の発電装置であり、膜分離装置８７において消化ガスから分離したメタンを燃焼させることによって発電を行う。

【0019】

これにより、発電システム８００では、例えば、消化システム８３において発生した消化ガスから電力を得ることが可能になる。

【0020】

ここで、本比較例における発電システム８００では、上記のように、例えば、圧縮装置８６において消化ガスの圧縮を行う必要がある。そのため、発電システム８００では、例えば、圧縮装置８６を駆動させるための電力が必要になる。

【0021】

この点、発電システム８００では、例えば、発電装置８８において得られた電力の一部を用いることによって、圧縮装置８６を駆動させることが可能である。しかしながら、この場合、発電システム８００では、他の用途に活用することができる電力量が減少することになる。そのため、発電システム８００では、例えば、発電装置８８において得られた電力を用いることなく圧縮装置８６を駆動させることが望まれている。

【0022】

そこで、第１の実施の形態における発電システム１００は、例えば、発電に伴って発生した流体（例えば、メタンを燃焼させることによって発生した蒸気）が有する熱エネルギーを用いることにより、消化ガスの圧縮を行う。以下、第１の実施の形態における発電システム１００について説明を行う。

【0023】

［第１の実施の形態における発電システム１００］
図２は、第１の実施の形態における発電システム１００の構成について説明する図である。また、図３は、第１の実施の形態における発電方法について説明するフローチャート図である。

【0024】

本実施の形態における発電システム１００は、図２に示すように、例えば、濃縮装置１１と、消化槽１４と、脱水装置１５と、圧縮装置１６と、分離装置１７と、発電装置１８と、変換装置１９とを有する。以下、消化槽１４と脱水装置１５とを総称して消化システム１３とも呼ぶ。また、以下、消化システム１３における処理対象が汚泥であるものとして説明を行う。さらに、以下、圧縮装置１６と分離装置１７とを総称して気体供給システム１０とも呼ぶ。

【0025】

濃縮装置１１は、図１で説明した濃縮装置８１と同様に、例えば、最初沈殿池等から排出された汚泥を濃縮する。そして、濃縮が行われた汚泥は、例えば、ポンプ（図示しない）等によって濃縮装置１１から消化槽１４に供給される。また、濃縮によって汚泥から分離した液体は、例えば、ポンプ（図示しない）等によって濃縮装置１１から最初沈殿池等に返送される。

【0026】

消化槽１４は、図１で説明した消化槽８４と同様に、例えば、攪拌機能を有する。消化槽１４内においては、例えば、濃縮装置１１から供給された汚泥に含まれる有機物が、消化槽１４内の嫌気性細菌によって嫌気性消化される。この消化の過程において消化ガスが生成される。そして、消化槽１４において消化された汚泥を含む液体（消化液）は、例えば、ポンプ（図示しない）等によって消化槽１４から脱水装置１５に供給される。また、消化槽１４において発生した消化ガスは、例えば、ブロワ（図示しない）等によって消化槽１４から圧縮装置１６に供給される。

【0027】

脱水装置１５は、図１で説明した脱水装置８５と同様に、例えば、消化槽１４からの消化液に含まれる汚泥を脱水する。そして、脱水された汚泥は、例えば、ポンプ（図示しない）等によって脱水装置１５から焼却炉（図示せず）等の後段設備に供給される。また、脱水装置１５から脱水された脱水ろ液は、例えば、ポンプ（図示しない）等によって脱水装置１５から最初沈殿池等に返送される。

【0028】

また、消化システム１３では、図１で説明した消化システム８３と同様に、例えば、消化槽１４と脱水装置１５とを連通する配管において凝集剤を消化液に添加してもよい。

【0029】

圧縮装置１６は、図１で説明した圧縮装置８６と同様に、例えば、消化槽１４において発生した消化ガスを圧縮する。そして、圧縮装置１６は、例えば、圧縮した消化ガスを分離装置１７に供給する。

【0030】

分離装置１７は、図１で説明した膜分離装置８７と同様に、例えば、圧縮装置１６から供給された消化ガスの膜分離を行うことによって、消化ガスをメタンと二酸化炭素とに分離する。

【0031】

発電装置１８は、図１で説明した発電装置８８と同様に、例えば、ガスエンジンやガスタービン等の発電装置であり、分離装置１７において消化ガスから分離したメタンを燃焼させることによって発電を行う。

【0032】

変換装置１９は、例えば、発電装置１８から供給された流体（発電装置１８における発電に伴って発生した温水または蒸気）が有する熱エネルギー（廃熱の熱エネルギー）を圧縮装置１６の駆動エネルギーに変換する。そして、変換装置１９は、例えば、熱エネルギーから変換した駆動エネルギーを圧縮装置１６に供給する。その後、圧縮装置１６は、例えば、変換装置１９から供給された駆動エネルギーを用いて駆動することによって、消化槽１４から供給された消化ガスを圧縮する。

【0033】

このように、本実施の形態における気体供給システム１０は、例えば、メタン（可燃性気体）を含む消化ガス（混合気体）を圧縮する圧縮装置１６と、圧縮装置１６から供給された消化ガスからメタンを分離する分離装置１７と、を備え、圧縮装置１６は、分離されたメタンを燃焼させて生じる熱エネルギーによって発電する発電装置１８から排出される流体が有する熱エネルギーによって消化ガスを圧縮する。

【0034】

また、本実施の形態における発電システム１００は、例えば、メタンを含む消化ガスを圧縮する圧縮装置１６と、圧縮装置１６から供給された消化ガスからメタンを分離する分離装置１７と、分離させたメタンを燃焼させて生じる熱エネルギーによって発電する発電装置１８と、を備え、圧縮装置１６は、発電装置１８から排出される流体が有する熱エネルギーによって消化ガスを圧縮する。

【0035】

具体的に、気体供給システム１０は、例えば、発電装置１８から排出される流体が有する熱エネルギーを圧縮装置１６の駆動エネルギーに変換する変換装置１９を有し、圧縮装置１６は、この変換装置によって変換された駆動エネルギーによって消化ガスを圧縮する。

【0036】

すなわち、本実施の形態における気体供給システム１０（発電システム１００）は、例えば、発電装置１８における発電に伴って発生した温水または蒸気が有する熱エネルギーを用いることによって、圧縮装置１６を駆動させる。

【0037】

これにより、本実施の形態における気体供給システム１０（発電システム１００）は、例えば、圧縮装置１６における消化ガスの圧縮においてエネルギーを有効利用することが可能になる。具体的に、気体供給システム１０（発電システム１００）は、例えば、発電装置１８において得られた電力を用いることによって圧縮装置１６を駆動させる必要がなくなり、他の用途に活用することができる電力量の減少を抑制することが可能になる。換言すれば、混合気体の圧縮に必要な電力を削減することができる。

【0038】

なお、分離装置１７において消化ガスから分離されたメタンは、発電装置１８における発電の他、例えば、都市ガスの代替燃料や自動車の燃料等として用いられるものであってもよい。

【0039】

また、分離装置１７において消化ガスから分離された二酸化炭素は、例えば、メタネーションの原料等として用いられるものであってもよい。そして、メタネーションによって生成されたメタンは、例えば、発電装置１８に供給されて発電に用いられるものであってもよい。すなわち、メタネーションによって生成されたメタンは、例えば、分離装置１７において消化ガスから分離されたメタンとともに発電に用いられるものであってよい。

【0040】

［第１の実施の形態における発電方法］
次に、第１の実施の形態における発電方法について説明を行う。

【0041】

圧縮装置１６は、例えば、消化システム１３において発生した消化ガス（混合気体）を圧縮する（図３のステップＳ１）。具体的に、圧縮装置１６は、例えば、後述するステップＳ３における発電に伴って排出された蒸気（流体）が有する熱エネルギーによって消化ガスを圧縮する。さらに具体的に、圧縮装置１６は、例えば、変換装置１９が熱エネルギーから変換した駆動エネルギーを用いることによって消化ガスを圧縮する。

【0042】

そして、分離装置１７は、例えば、ステップＳ１で圧縮した消化ガスからメタン（可燃性気体）を分離する（図３のステップＳ２）。

【0043】

その後、発電装置１８は、例えば、ステップＳ２で分離したメタンを燃焼させて生じる熱エネルギーによって発電する（図３のステップＳ３）。以下、変換装置１９の具体例について説明を行う。

【0044】

［変換装置１９の具体例（１）］
図４は、変換装置１９の第１の具体例について説明する図である。

【0045】

変換装置１９は、図４に示すように、例えば、圧縮装置１６と回転軸１６ａを介して連結されたタービン３９（以下、タービン１９ａとも呼ぶ）であってもよい。

【0046】

具体的に、タービン１９ａは、この場合、例えば、発電装置１８から供給された蒸気が有する熱エネルギー（発電による廃熱の熱エネルギー）を利用して回転軸１６ａを回転させる。そして、圧縮装置１６は、例えば、タービン１９ａによる回転軸１６ａの回転に伴って駆動することにより、消化槽１４から供給された消化ガスを圧縮し、圧縮した消化ガスを分離装置１７に供給する。

【0047】

このように、本実施の形態における変換装置１９は、例えば、発電装置１８から排出される流体が有する熱エネルギーによって回転するタービン１９ａであり、圧縮装置１６は、タービン１９ａの回転に伴って駆動するものであってもよい。

【0048】

これにより、本実施の形態における気体供給システム１０は、例えば、タービン１９ａの回転に伴って発生した駆動エネルギーを活用することで、発電装置１８において得られた電力の使用量を低減し消化ガスの圧縮を行うことが可能になる。

【0049】

［変換装置１９の具体例（２）］
次に、変換装置１９の第２の具体例について説明する図である。図５及び図６は、変換装置１９の第２の具体例について説明する図である。

【0050】

変換装置１９は、図５に示すように、例えば、発電装置１８から供給された蒸気が有する熱エネルギーを利用して発電を行う発電装置３９（以下、廃熱発電装置１９ｂとも呼ぶ）であってもよい。

【0051】

廃熱発電装置１９ｂは、図６に示すように、例えば、発電装置１８から供給された蒸気が有する熱エネルギーを回収して電力に変換する機能を有し、例えば、蒸発器５１と、タービン５２と、発電機５３（以下、他の発電機５３とも呼ぶ）と、再生器５４と、凝縮器５５と、ポンプＰとを有するものであってよい。そして、蒸発器５１、タービン５２、再生器５４、凝縮器５５及びポンプＰは、例えば、作動媒体Ｌを循環させるランキンサイクルやカリーナサイクル等の熱サイクル（以下、単にサイクルとも呼ぶ）を形成するものであってよい。この場合、作動媒体Ｌは、例えば、水より低沸点のフロン、代替フロン、アンモニアまたはアンモニアと水との混合流体等の低沸点媒体であってよい。

【0052】

ポンプＰは、例えば、蒸発器５１、蒸気タービン５２、再生器５４、凝縮器５５、再生器５４及び蒸発器５１から構成されるサイクル内において作動媒体Ｌを循環させるポンプである。

【0053】

蒸発器５１は、例えば、発電装置１８から供給された蒸気または温水が有する熱エネルギーによって作動媒体Ｌを蒸発させる。

【0054】

タービン５２は、例えば、蒸気タービンであり、蒸発器５１によって生成された作動媒体Ｌの蒸気によって回転する。そして、蒸気タービン５２の回転軸に接続された発電機５３は、例えば、蒸気タービン５２の回転によって発電を行う。

【0055】

凝縮器５５は、例えば、ポンプ（図示しない）によって供給された冷却水によって、タービン５２から出力された作動媒体Ｌの蒸気を凝縮する。そして、凝縮器５５は、例えば、凝縮した作動媒体ＬをポンプＰによって再生器５４を経由して蒸発器５１に供給する。具体的に、再生器５４は、この場合、例えば、タービン５２から出力された作動媒体Ｌの蒸気と、凝縮器５５によって凝縮済の作動媒体Ｌとの熱交換を行うことによって、タービン５２から出力された作動媒体Ｌの蒸気を冷却してから凝縮器５５に供給する。そして、凝縮器５５は、例えば、ポンプ（図示しない）によって供給された冷却水によって、再生器５４から供給された作動媒体Ｌの蒸気を凝縮する。

【0056】

このように、本実施の形態における変換装置１９は、例えば、発電装置１８から排出される流体が有する熱エネルギーによって発電する廃熱発電装置１９ｂ（以下、他の発電装置３９ｂとも呼ぶ）であり、圧縮装置１６は、廃熱発電装置１９ｂが発電した電力によって駆動するものであってもよい。

【0057】

これにより、本実施の形態における気体供給システム１０は、例えば、廃熱発電装置１９ｂにおいて発電された電力を活用することで、発電装置１８において得られた電力の使用量を低減し消化ガスの圧縮を行うことが可能になる。

【符号の説明】

【0058】

１０：気体供給システム １１：濃縮装置
１３：消化システム １４：消化槽
１５：脱水装置 １６：圧縮装置
１６ａ：回転軸 １７：分離装置
１８：発電装置 １９：変換装置
１９ａ：タービン １９ｂ：廃熱発電装置
５１：蒸発器 ５２：タービン
５３：発電機 ５４：凝縮器
５５：再生器 １００：発電システム
Ｌ：作動媒体 Ｐ：ポンプ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】