高収率低コストのバイオガス脱炭浄化技術－四川鴻鵠科技集団

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高収率・低コストのバイオガス脱炭精製技術　王斌、黄家鹄（四川鴻鵠科技集団有限公司、四川省成都市610036）
要旨：バイオガスの精製技術の現状について紹介し、分析比較を通じて、99％という高い回収率を持つ変圧吸着式脱炭技術を用いることで、バイオガスの精製コストを大幅に削減し、生産性や利益率を向上させるとともに、温室効果ガスの排出を減らすことができる。これは、バイオガスを高度に活用するための適切な選択肢である。キーワード：バイオガス、精製、脱炭素、圧力変化吸着、高回収率、低コスト 1. 序論 エネルギーは、経済や社会の発展における重要な物質的基盤である。水力エネルギーに次いで、バイオマスエネルギーは最も広く利用されている再生可能エネルギーであり、バイオガスはその中でも重点的に開発が進められている分野です。2020年までに、中国のバイオガスの年間利用量は440億立方メートルに達する見込みです。経済的・技術的な要因により、現在では国内において小規模なメタンガスや低級な用途が大きな割合を占めている。しかし、メタンガスの生産を高度化し、つまり大規模化や高級な用途へと転換することは、産業発展の必然的な傾向である。バイオガスの成分は複雑で、使用する原料や発酵工程によってガスの組成が異なります。主成分であるCH4は全体積の約50％～70％を占め、CO2は約25％～40％です。その他のガスとして、N2、O2、H2S、H2O、CO、H2、NH3、ハロゲン化炭化水素、シロキサンなどが約5％を占めています【1】。その中の不純ガスは、バイオガスの利用過程で多かれ少なかれ悪影響を及ぼすため、バイオガスは浄化処理を行わない限り、高度な総合利用が困難である。CO2が不純ガスの大部分を占めているため、脱炭コストがバイオガスの浄化コストを大きく左右し、ここではバイオガスの脱炭技術について重点的に検討する。2. 低含有量バイオガス不純物除去技術の概要 2.1 脱水バイオガスに含まれる飽和水蒸気は、凝縮法、吸着法、または吸湿性物質を用いて除去することができる【2】。2.2 硫黄除去後のバイオガスに含まれる硫化物は危険性が高く、H2Sは毒性があり、H2Oと反応すると機器を腐食させ、燃焼時に発生するSOXは大気を汚染する。バイオガスの脱硫技術は、インサイト脱硫とバイオガス脱硫の2つに分類される。バイオガスの量が多いか硫黄含有量が高い場合は、湿式の粗脱硫を用いる必要がある。この方法は工程が複雑で運用コストが高く、一般的には有機硫黄を除去できない【2】。乾式は、バイオガスの量が少ないか硫黄含有量が低い場合に適しており、操作が簡単で設備投資も少なく、複数の有機硫黄をppmレベルまで同時に除去することができる。さらに、膜分離、圧力変化吸着、生物脱硫などの新しい脱硫方法もある。2.3 その他の不純物の除去 その他の不純物の含有量は少なく、通常は既存の浄化または精製ユニットで除去することができる【2】。ガスタービンなど、特定の業界で特別な要求がある場合、そこに含まれるシロキサンは炭化水素系混合溶液によって吸収することができ、ハロゲン化炭化水素は専用の活性炭を用いた温度変化型吸着によって除去することができる【3】。3. CO2除去技術の概要　バイオガスの脱炭技術は主に化学工業分野から生まれており、物理吸収、化学吸収、変圧吸着、膜分離などが含まれる。バイオガスの処理量が少ないため、小型化や省エネ化に一層重点を置くべきである。物理吸着では、酸性ガスが溶液中でCH4よりも高い溶解度を持つ性質を利用してCO2を除去する。溶液は減圧、フラッシュ蒸発、ガス抽出などの方法で再生される。よく用いられるのは高圧水洗法である【2,3】。化学吸収は、溶液中の化学物質や酸性ガスと可逆反応を起こす原理を利用してCO2を除去するものです。溶液は低温で吸収され、高温で再生され、その典型的な例がアルコールアミン法である【1,2】。バイオガスの製造過程では蒸気が副生せず、溶液の再生のためだけに蒸気を調製するため、手間がかかる上にバイオガスも消費され、生産量が低下する。膜分離は、各気体成分が高分子ポリマー中での溶解拡散速度が異なるという性質を利用し、膜の両側の分圧差によって繊維膜壁を透過する速度が異なることでそれらを分離する【2】。膜分離法には、高圧気相分離法と低圧気液相吸収膜分離法の2種類がある。変圧吸着は、吸着剤の表面がバイオガスの各成分を異なる程度で吸着する性質を利用してCO2を除去する方法です。この方法は自動化度が高く、安定して動作し、装置の寿命も長く、浄化コストも低い【1,2,4】。しかし、従来の変圧吸着装置ではCH4の損失が大きい。CH4濃度が90％～95％の場合、回収率は最高で90％に達するのみであり【8,10,11】、低い場合は60％未満となる【9】。この欠点が、バイオガス浄化分野における変圧吸着の応用を制限している。CH4回収率を高めるための鍵は、効率的な吸着剤にあり、その目的はCH4/CO2混合ガスの分離係数を向上させ、CO2の吸着容量を増大させることである。国内外の最新技術【6,7】を取り入れることにより、鴻鵠科技が開発したバイオガス精製用吸着剤は、CH4の回収率を99％にまで高め、排気ガス中のCH4含有量を1％未満に抑えることができ、生成ガスの純度は97％～99％（調整可能）に達します。この吸着剤は吸着容量が大きく、分離係数も高いため、装置の規模を効果的に縮小し、総投資額を削減し、運用コストを低減します。4. バイオガスの脱炭・浄化技術の比較 4.1 原料ガスの指標 各種技術の比較における原料ガスとして、表1に記載された指標を持つバイオガスを使用する。表1 原料ガスの指標 項目 流量（Nm3/d） 圧力（kPaG） 温度（℃） CH4（V%） CO2（V%） その他の成分（V%） 指標 20000 5 40 57 41 2 4.2 投資額 鴻鵠科技のバイオガス脱炭精製装置の投資額は、従来の変圧吸着法よりも低く、MDEAや膜分離法よりも同様に低いが、高圧水洗法よりはわずかに高い【1,2,3,4,5,8,9】。4.3 メタン回収率 file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.png 鴻鵠科技のバイオガス脱炭精製装置におけるメタン回収率は99％に達し、他の精製装置よりも高い【1,2,3,4,5,8,9】。4.4 操作費用 file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.png 注：製品ガスの出口圧力は一律0.8MPaとする。ホンフー科技のバイオガス脱炭精製装置の運用コストは、他の技術に比べて明らかに低い【1】。5. 結論　四川鴻鵠科技集団有限公司が開発した変圧吸着式バイオガス脱炭精製技術は、自動化度が高く、操作が簡単で、安全かつ環境に優しいだけでなく、投資額が少なく、運用コストも低く、CH4の回収率が99％という点で、国際的・国内的な水準を上回る顕著な利点を有している。 参考文献：郝伟.沼気から天然ガス（CNG）を製造する技術とその経済性. 江皓他.沼気の浄化・精製によるバイオメタンの製造技術とその応用.中国沼気,2012.30（2）：6-11. 宋灿辉他.沼気浄化技術の現状.中国沼気,2007.25（4）：23-27. 甄峰他.沼気の高付加価値化利用および浄化・精製技術.環境科学と技術,2012.11：103-108. 李東他.中国における沼気資源の現状と今後の展望.現代化学工業,2009.4：1-5. 余新江他.テンプレート法を用いた多孔質炭の製造とCH4/N2/CO2の吸着分離.石油化学工業,2016.2：221-226. 李通他.活性炭の改質とそのCO2/CH4吸着性能に関する研究.石炭学報,2011.12：2012-2017. 陈祥他.沼気の浄化・精製によるバイオメタンの製造技術の現状.農業工学,2012.7：30-34. 李胜他.高純度のバイオマスメタンを製造するための沼気浄化技術の進展.現代化学工業,2014.11：19-23.四川亜連科技有限責任会社.沼気中のメタンを抽出する方法.中国特許:CN200910060286,2010-9-1.四川亜連高科技有限責任会社.ごみ埋立地からメタンを回収する方法.中国特許:CN200810045223,2008-7-16.