JP2005334806A - Gas refining apparatus, power generating system and power generating method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガス精製装置、発電システム及び発電方法に関し、特に吸収装置と再生装置を使用し、塩基性の吸収液を循環使用して消化ガス等に含まれる炭酸ガス等の酸性ガスを除去するガス精製装置、そのガス精製装置を用いた発電システム及び発電方法に関する。 The present invention relates to a gas purification device, a power generation system, and a power generation method, and in particular, an absorption device and a regeneration device are used, and acidic gas such as carbon dioxide contained in digestion gas is removed by using a basic absorption liquid. The present invention relates to a gas purification device, a power generation system and a power generation method using the gas purification device.
図１１に従来のガス精製製装置２１０を示す。原料ガス１を吸収塔７へ導入し、吸収液をスプレーノズル５から流下させ、原料ガス１と充填材で構成する対向流部６で気液接触させ炭酸ガスを吸収させる。炭酸ガスを吸収した吸収液は吸収塔７の底部に位置する液溜３に貯留し、液溜３に溜めた吸収液４は、ポンプ１０により吸収液熱交換器１１と出口配管１４を経由して再生塔２２の上部へ液送される。この吸収液熱交換器１１は温水１２を温水配管１５に通すことにより吸収液を加熱するように構成されている。再生ガス３１を、ガスブロワ３２を挿入した配管３３を介して再生塔２２へ導入し、吸収液をスプレーノズル１６から流下させ、再生ガス３１と充填材で構成する対向流部１９で気液接触させ炭酸ガスを放出させる。液溜２１に溜めた吸収液を、ポンプ２４により液配管２３、２５、２７、及び熱交換器２６を経由して吸収塔７の上部へ液送し、循環させて再使用するように構成されている。この熱交換器２６は冷却水２８を冷却水配管２９、３０に通すことにより吸収液を冷却するように構成されている。
FIG. 11 shows a conventional
このようなガス精製装置２１０は、吸収液の再生処理を行うが、これは吸熱反応であり化学平衡論的に吸収液の温度が高いほど再生効率が向上するため、温水１２若しくは水蒸気を吸収液熱交換器１１に供給し、吸収液温度を上昇させている。例えば、吸収液熱交換器１１の出口配管１４の吸収液温度は通常７０℃から１２０℃に調整されている。
Such a
一方、原料ガス１の精製処理は、発熱反応であり吸収液温度が低いほど吸収効率が向上するため、吸収塔７へ液送する吸収液は熱交換器２６に供給される冷却水２８により冷却される。例えば、熱交換器２６の出口配管２７の吸収液温度は通常３０℃から４０℃に調整されている。
On the other hand, the purification treatment of the
ガス精製装置２１０は、上述したように吸収液を吸収塔７と再生塔２２との間で循環させるために２台のポンプ１０、２４が必要であり、吸収塔７と再生塔２２の双方に溜める吸収液の液位制御に複雑なコントロールを要していた。
As described above, the
そこで、発明者達は、吸収液を循環させる揚水装置の台数を減少でき、吸収液の液位制御の安定性に優れたガス精製装置、及びそのガス精製装置を用いた発電システムを提案した（特許文献１参照）。 Therefore, the inventors have proposed a gas purification device that can reduce the number of pumping devices that circulate the absorption liquid and that is excellent in the stability of liquid level control of the absorption liquid, and a power generation system using the gas purification apparatus ( Patent Document 1).
上記提案発明によれば、ガス精製装置（図１参照）は、吸収塔では、塩基性の吸収液Ｓ１を流下させて、流下する吸収液Ｓ１に対して原料ガスＭ１を流し、吸収液Ｓ１に酸性ガスを吸収させ、吸収塔７から流出する吸収液を水頭差により再生塔４０に流入させ、再生塔４０では、吸収塔７から流入する吸収液を溜め、溜められた吸収液４４に再生ガス３１を吹き込み、酸性ガスを吸収した吸収液を再生し、再生塔４０から吸収塔７へポンプ２４などで液送して、吸収液を循環させる。
According to the proposed invention, the gas purifier (see FIG. 1) is configured to cause the basic absorption liquid S1 to flow down in the absorption tower, and the raw material gas M1 to flow into the flowing-down absorption liquid S1 to the absorption liquid S1. The acidic gas is absorbed, and the absorption liquid flowing out from the
このように構成すると、吸収塔７から流出する吸収液４を、水頭差６０により再生塔４０へ自然流入させることができるので、吸収液の揚水装置の個数を減少させ、吸収液の液位制御の安定性に優れたガス精製装置を提供することが可能となる。
しかしながら、第１に、上記提案発明だけでなく図１１の従来例においても、ガス精製装置とガス消費設備としての燃料電池とを組み合わせた発電システムにおいて、燃料電池のガス消費量はその運転状態に応じて頻繁に増減する場合があり、消化ガス供給ブロワの出力を一定として運転を行い、消化ガス精製装置と燃料電池とを直結した場合、その運転状態に応じて燃料電池への精製ガスの圧力が変動することがある。更に燃料電池が急に運転停止に至った場合、供給ブロワの停止に至るまでに精製ガスの圧力が急増することがある。 However, first, not only in the proposed invention but also in the conventional example of FIG. 11, in a power generation system that combines a gas purification device and a fuel cell as a gas consuming facility, the fuel cell gas consumption is in its operating state. Depending on the operating conditions, the pressure of the refined gas to the fuel cell may be increased or decreased frequently. May fluctuate. Furthermore, if the fuel cell suddenly stops operating, the pressure of the purified gas may increase rapidly before the supply blower stops.
第２に、上記提案発明は、吸収塔から再生塔への返流に自然流下方式を採用する。また、装置の構成上、吸収塔に吸収液による液封がなければ、吸収塔に導入された消化ガスは再生塔へと流れていき、そのまま再生塔の排気系統を通って外部へと流出してしまう。図１１の従来の方式では吸収塔と再生塔の間に手動弁（図示しない）を設けて、吸収塔に液封が確保できるよう調整していた。しかしながら、提案発明の方式では、精製ガスの圧力変動や再生塔の液位変動などの影響により、吸収塔側と再生塔側の圧力バランスが崩れてしまい、長時間運転時などに液封が保てなる場合や液面が上昇しすぎる場合が生じ得る。 Secondly, the proposed invention employs a natural flow-down system for returning from the absorption tower to the regeneration tower. In addition, if the absorption tower is not liquid-sealed with the absorption liquid due to the structure of the apparatus, the digestion gas introduced into the absorption tower flows to the regeneration tower and flows out to the outside through the exhaust system of the regeneration tower as it is. End up. In the conventional system shown in FIG. 11, a manual valve (not shown) is provided between the absorption tower and the regeneration tower so as to ensure a liquid seal in the absorption tower. However, in the method of the proposed invention, the pressure balance between the absorption tower side and the regeneration tower side is lost due to the effect of fluctuations in the pressure of the purified gas and the liquid level in the regeneration tower, and the liquid seal is maintained during long-time operation. Or the liquid level may rise too much.
第３に、上記提案発明だけでなく図１１の従来の運転方法においても、再生塔に起動用ヒータを具備し、燃料電池を起動する前に再生塔内の吸収液を所定の温度まで加熱しておき、燃料電池の起動初期の段階から吸収液の吸収性能を高くする運転制御を実施していた。このため、特に、吸収液としてジエタノールアミン水溶液を用いる場合、燃料電池起動時で燃料消費が少ない段階においてガス精製装置の見かけ上の精製性能が良くなり、起動時における精製メタン濃度が計画値よりも高くなっていた。 Third, not only the above-described proposed invention but also the conventional operation method of FIG. 11 is provided with a starter heater in the regeneration tower, and the absorbent in the regeneration tower is heated to a predetermined temperature before starting the fuel cell. In addition, the operation control for increasing the absorption performance of the absorbing liquid has been performed from the early stage of starting the fuel cell. For this reason, especially when an aqueous solution of diethanolamine is used as the absorbing solution, the apparent purification performance of the gas purification device is improved at the stage where fuel consumption is low at the start of the fuel cell, and the concentration of purified methane at startup is higher than the planned value. It was.
本発明は、第１に、燃料電池などのガス消費設備のガス消費量の変動にともなう精製ガスの供給ガス圧の変動幅を小さくし、ガス精製装置及びガス消費設備の安定した運転やガス消費設備の安定した起動を可能とする、第２に、精製ガスの供給ガス圧変動や再生塔の液位変動などの影響により、吸収塔側と再生塔側の圧力バランスが崩れた場合でも、吸収塔の液封を保つことができる、第３に、燃料電池起動時及び起動後において、メタン濃度の変動が少なく、安定した発熱量をもった精製ガスを供給できるようにすることを目的とする。 The present invention firstly reduces the fluctuation range of the supply gas pressure of the purified gas accompanying the fluctuation of the gas consumption amount of the gas consuming equipment such as the fuel cell, so that the stable operation and gas consumption of the gas purifying apparatus and the gas consuming equipment are achieved. Secondly, it enables stable start-up of equipment. Second, even if the pressure balance between the absorption tower side and the regeneration tower side is lost due to fluctuations in the supply gas pressure of the refined gas and the liquid level fluctuation in the regeneration tower, absorption is performed. Thirdly, it is possible to keep the liquid seal of the tower. Thirdly, the purpose is to supply purified gas having a stable calorific value with little fluctuation in methane concentration at and after the start of the fuel cell. .
上記目的を達成するために、請求項１に係る発明によるガス精製装置は、例えば図１及び図４に示すように、原料ガス１中に含まれる酸性ガスを除去して精製ガス９を得るガス精製装置２００において、流下する塩基性の吸収液Ｓ１に対して原料ガスＭ１を流すことにより、吸収液に酸性ガスを吸収させ、酸性ガスを吸収した吸収液を流出させる吸収塔７と、吸収塔７から流出する吸収液を溜め、溜められた吸収液４４に再生ガス３１を吹き込むことにより、酸性ガスを吸収した吸収液を再生する再生塔４０と、吸収塔７と再生塔４０との間で吸収液を循環させる循環経路２３，２４，２５，４２と、精製ガス９の吸収塔７からガス消費設備１０３への出口配管８と、原料ガス１を吸収塔７に送風するガスブロワ２を途中に挿入した入口配管１０４と、精製ガス９のガス消費設備１０３への供給圧力を検知するガス圧検知手段１０７と、ガス圧検知手段１０７の出力信号に基きガスブロワ２の出力を制御する供給ガス圧制御手段１０８とを備える。
In order to achieve the above object, the gas purification apparatus according to the first aspect of the present invention is a gas for obtaining a purified
このように構成すると、燃料電池などのガス消費設備１０３のガス消費量の変動にともなう精製ガス９の供給ガス圧の変動幅を小さくでき、ガス精製装置２００及びガス消費設備１０３の安定した運転やガス消費設備１０３の安定した起動が可能となる。また、精製ガス９の供給圧力は吸収塔７内の吸収液の液位に影響するので、吸収塔７内の吸収液の液位の安定した制御が可能となる。
If comprised in this way, the fluctuation | variation range of the supply gas pressure of the refined
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載のガス精製装置において、例えば図４に示すように、出口配管８から分岐して取り出した精製ガスを入口配管１０４に戻すバイパス配管１０５と、バイパス配管１０５の途中に開閉弁１０６を設け、ガス圧検知手段１０７が精製ガス９のガス消費設備１０３への供給圧力の急増を検知した場合に、供給ガス圧制御手段１０８は開閉弁１０６を開く。
Further, the invention according to
このように構成すると、燃料電池１０３などのガス消費設備の停止時等に生じ得る、精製ガス供給圧力の急激な増加を抑制でき、ガス配管系に使用する機器の劣化を防止できる。
If comprised in this way, the rapid increase of refined gas supply pressure which may arise at the time of the stop of gas consumption facilities, such as the
また、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載のガス精製装置において、例えば図１に示すように、循環経路は、吸収塔７から流出する吸収液を、水頭差により再生塔４０に流入させる水頭差流路４６を有する。
Further, the invention according to
ここにおいて、水頭差には水溶液の液位差に限られず、液体間の液位差を含むものとするこのように構成すると、吸収工程を経た吸収液を再生塔へ自然流下させ、吸収液を循環させる揚水装置の台数を減少させて、簡易で且つ高効率のガス精製装置を提供できる。 Here, the water head difference is not limited to the liquid level difference of the aqueous solution, and includes the liquid level difference between the liquids. When configured in this way, the absorption liquid that has undergone the absorption process is allowed to flow naturally down to the regeneration tower and the absorption liquid is circulated. A simple and highly efficient gas purification device can be provided by reducing the number of pumping devices.
上記目的を達成するために、請求項４に係る発明によるガス精製装置は、例えば図１及び図６に示すように、原料ガス１中に含まれる酸性ガスを除去して精製ガス９を得るガス精製装置２００において、流下する塩基性の吸収液Ｓ１に対して原料ガスＭ１を流すことにより、吸収液Ｓ１に酸性ガスを吸収させ、酸性ガスを吸収した吸収液を流出させる吸収塔７と、吸収塔７から流入する吸収液を溜め、溜められた吸収液４４に再生ガス３１を吹き込むことにより、酸性ガスを吸収した吸収液を再生する再生塔４０と、吸収塔７と再生塔４０との間で吸収液を循環させる循環経路２３，２４，２５，４２とを備え、循環経路４２に、吸収塔７に溜められた吸収液４の液位を検出する液位検出器１１１と、吸収塔７から再生塔４０へ流下する返流路４２にバイパス返流路１１４を設け、バイパス返流路１１４に、液位検出器１１１の信号に基いて返流流量を調整する自動開閉弁１１６を設ける。
In order to achieve the above object, the gas purifier according to the invention of
このように構成すると、精製ガスの供給ガス圧変動や再生塔の液位変動などの影響により、吸収塔側と再生塔側の圧力バランスが崩れた場合でも、吸収液の返流流量を調整することにより吸収塔の液封を保つことができる。また、自動開閉弁１１６の取り付け位置をバイパス返流路１１４としたことにより、頻繁な開／閉を防止する事ができ自動開閉弁１１６の寿命を延ばすことができる。
With this configuration, the return flow rate of the absorbing liquid is adjusted even when the pressure balance between the absorption tower side and the regeneration tower side is disrupted due to fluctuations in the supply gas pressure of the purified gas and the liquid level fluctuation in the regeneration tower. Thus, the liquid seal of the absorption tower can be maintained. Further, since the attachment position of the automatic opening / closing valve 116 is the bypass
また、請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のガス精製装置において、例えば図１に示すように、循環経路２３，２４，２５，４２は、再生塔４０で再生された吸収液４４をそのまま吸収塔７に供給する。
Further, the invention according to
ここで、吸収液４４をそのままとは、再生塔４０と吸収塔７との間に例えば水冷熱交換器のような積極的に温度を変動させる装置を設置せずに、吸収液４４を再生塔４０から吸収塔７へ直接的に液送する態様をいう。吸収液温度が大気温度より高い場合には、循環経路２３，２４，２５，４２の中で液送される吸収液４４が液配管内で自然放熱するような態様をいう。
Here, the
このように構成すると、循環経路２３，２４，２５，４２に吸収液４４を冷却する冷却源を追加する必要がなく、システム構成を簡易化できる。
With this configuration, it is not necessary to add a cooling source for cooling the absorbent 44 to the
上記目的を達成するために、請求項６に係る発明による発電システムは、例えば図４に示すように、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のガス精製装置２００と、ガス精製装置２００で精製された精製ガス９を燃料とし、燃料と酸化剤との電気化学的反応により発電する燃料電池１０３とを備える。
In order to achieve the above object, a power generation system according to a sixth aspect of the present invention includes, for example, a
このように構成すると、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のガス精製装置で精製された精製ガス９をを利用した発電が可能となる。また、燃料電池１０３はガス精製装置で精製されたガスを脱炭酸処理を施す手間が省け、高効率の燃料電池発電ができる。さらに、燃料電池１０３で発生した排熱で吸収液４４を加熱する熱交換器を備えれば、排熱を回収し有効利用することができる。
If comprised in this way, the electric power generation using the refined
上記目的を達成するために、請求項７に係る発明による発電システムは、例えば図１、図４及び図８に示すように、原料ガス１中に含まれる酸性ガスを除去して精製ガス９を得るガス精製装置２００と、ガス精製装置２００で精製された精製ガス９を燃料とし、燃料と酸化剤との電気化学的反応により発電する燃料電池１０３とを備える発電システム１００であって、ガス精製装置２００は、流下する塩基性の吸収液Ｓ１としてのジエタノールアミン（以下、ＤＥＡという。）水溶液に対して原料ガスＭ１を流すことにより、吸収液Ｓ１に酸性ガスを吸収させ、酸性ガスを吸収した吸収液を流出させる吸収塔７と、吸収塔７から流入する吸収液を溜め、溜められた吸収液４４に再生ガス３１を吹き込むことにより、酸性ガスを吸収した吸収液を再生する再生塔４０と、吸収塔７と再生塔４０との間で吸収液を循環させる循環経路２３，２４，２５，４２と、燃料電池１０３の起動時には、再生塔４０内の吸収液４４を常温に保持し、燃料電池１０３の発電に伴って生じる排熱を利用して吸収液４４の加熱を行ない、精製ガス９のメタン濃度をほぼ一定に制御するメタン濃度制御手段とを備える。
In order to achieve the above object, the power generation system according to the invention according to
このように構成すると、起動用の電気ヒータを省略することができ、ガス精製装置を小型化でき、運転コストを低減化ができる。また、燃料電池起動時において、メタン濃度の変動が少なく、安定した発熱量をもった消化ガスを供給できる。また、燃料電池起動後は燃料電池の排熱を利用して再生塔の温度を維持でき、エネルギー消費が少なく、運転コストも低減できる。 If comprised in this way, the electric heater for starting can be abbreviate | omitted, a gas purification apparatus can be reduced in size, and an operating cost can be reduced. Further, when the fuel cell is started, the digestion gas having a stable calorific value with little fluctuation in the methane concentration can be supplied. In addition, after the fuel cell is started, the temperature of the regeneration tower can be maintained by using the exhaust heat of the fuel cell, energy consumption is reduced, and the operation cost can be reduced.
また、請求項８に係る発明は、請求項６又は請求項７に記載の発電システムにおいて、前記燃料電池が固体高分子型燃料電池である。 According to an eighth aspect of the present invention, in the power generation system according to the sixth or seventh aspect, the fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell.
このように構成すると、固体高分子型燃料電池は、室温から１００℃近くまでの比較的低い温度で作動し、また、高い出力密度が得られるので、起動性に優れ、小型化が可能である。また、幅広い応用が期待される。 When configured in this manner, the polymer electrolyte fuel cell operates at a relatively low temperature from room temperature to nearly 100 ° C., and can obtain a high output density, so that it has excellent startability and can be miniaturized. . A wide range of applications is also expected.
上記目的を達成するために、請求項９に係る発明による発電方法は、例えば図３及び図９に示すように、原料ガス１中に含まれる酸性ガスを除去して精製ガス９を得るガス精製工程と、前記ガス精製工程で精製された精製ガス９を燃料とし、燃料と酸化剤との電気化学的反応により燃料電池１０３にて発電する発電工程とを備える発電方法において、ガス精製工程は、吸収液としてＤＥＡ水溶液を用い、流下する塩基性の吸収液Ｓ１に対して原料ガスＭ１を流し、吸収液Ｓ１に酸性ガスを吸収させる吸収工程と、酸性ガスを吸収した吸収液に再生ガス３１を吹き込み、吸収液を再生する再生工程と、吸収工程と再生工程との間で、吸収液を循環させる循環工程とを備え、発電工程は、燃料電池１０３の起動時には、再生塔４０内の吸収液４４を常温に保持し（ステップＳ３０１）、燃料電池１０３の発電に伴って生じる排熱を利用して吸収液４４の加熱を行ない（ステップＳ３０２、ステップＳ３０３）、精製ガス９のメタン濃度をほぼ一定に制御する（ステップＳ３０４）工程を備える。
In order to achieve the above object, the power generation method according to the invention according to
このように構成すると、起動用の電気ヒータを省略することができ、ガス精製装置を小型化でき、運転コストを低減化できる。また、燃料電池起動時において、メタン濃度の変動が少なく、安定した発熱量をもった消化ガスを供給できる。また、燃料電池起動後は燃料電池の排熱を利用して再生塔の温度を維持でき、エネルギー消費が少なく、運転コストも低減できる。 If comprised in this way, the electric heater for starting can be abbreviate | omitted, a gas purification apparatus can be reduced in size, and operating cost can be reduced. Further, when the fuel cell is started, the digestion gas having a stable calorific value with little fluctuation in the methane concentration can be supplied. In addition, after the fuel cell is started, the temperature of the regeneration tower can be maintained by using the exhaust heat of the fuel cell, energy consumption is reduced, and the operation cost can be reduced.
以上のように本発明によれば、第１に、燃料電池などのガス消費設備のガス消費量の変動にともなう精製ガスの供給ガス圧の変動幅を小さくでき、ガス精製装置及びガス消費設備の安定した運転やガス消費設備の安定した起動が可能になる。 As described above, according to the present invention, firstly, the fluctuation range of the supply gas pressure of the purified gas accompanying the fluctuation of the gas consumption of the gas consuming equipment such as the fuel cell can be reduced. Stable operation and stable startup of gas consuming equipment are possible.
第２に、精製ガスの供給ガス圧変動や再生塔の液位変動などの影響により、吸収塔側と再生塔側の圧力バランスが崩れた場合でも、吸収塔の液封を保つことができる。 Second, even when the pressure balance between the absorption tower side and the regeneration tower side is lost due to fluctuations in the supply gas pressure of the purified gas and the liquid level fluctuation in the regeneration tower, the liquid sealing of the absorption tower can be maintained.
第３に、燃料電池起動時及び起動後において、メタン濃度の変動が少なく、安定した発熱量をもった精製ガスを供給できるようになる。 Thirdly, the purified gas having a stable calorific value can be supplied with little fluctuation in the methane concentration at and after the start of the fuel cell.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、各図において互いに同一あるいは相当する部材には同一符号または類似符号を付し、重複した説明は省略する。以下の実施の形態では、精製対象の被処理ガスに消化ガスを用い、循環経路に水頭差流路を用い、発電は精製ガスを燃料とする燃料電池を用いる例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol or a similar code | symbol is attached | subjected to the mutually same or equivalent member, and the overlapping description is abbreviate | omitted. In the following embodiment, an example will be described in which a digestion gas is used as a gas to be purified, a head differential flow path is used as a circulation path, and a fuel cell using purified gas as fuel is used for power generation.
図１にガス精製装置２００の主要部の構成例を示す。図１を参照して、本発明による第１の実施の形態であるガス精製装置としての消化ガス精製装置２００を説明する。図１には主要部として、吸収塔７、再生塔４０、循環経路２３，２４，２５，４２を示す。
FIG. 1 shows a configuration example of a main part of the
消化ガス精製装置２００は、消化ガス源から酸性ガスとしての炭酸ガス等を含む消化ガスの供給を受ける。消化ガスとは、バイオマスや有機性廃棄物等の発酵によって得られるメタンガス等を主成分とするガスである。バイオマスとは、藻類、稲がら、砂糖きび粕、アルコール発酵粕等であり、有機性廃棄物とは、食品製造廃液、畜産排水や下水処理等で発生する余剰汚泥等である。
The digestion
有機物のメタン発酵によって得られる消化ガスは、有機物の種類やメタン発酵条件によって異なるが、一般に主成分としてメタンが５０〜７０％、二酸化炭素が３０〜５０％、水素が０〜２％、窒素が０〜２％含まれ、また、微量成分として硫化水素及び塩化水素が数十〜数百ｐｐｍの範囲において含まれている。一方、例えば水素製造工程に供給する精製ガス９としては、硫化水素や炭酸ガス等の酸性ガスの濃度を低くすることが要求される。特に炭酸ガスは所定の濃度以下とすることが要求される。
Digestion gas obtained by methane fermentation of organic matter varies depending on the kind of organic matter and methane fermentation conditions, but generally 50 to 70% methane, 30 to 50% carbon dioxide, 0 to 2% hydrogen, and 0 to 2% nitrogen as main components 0 to 2% is contained, and hydrogen sulfide and hydrogen chloride are contained in the range of several tens to several hundred ppm as trace components. On the other hand, for example, the purified
消化ガス精製装置２００は、ガスブロワ２を挿入配置する原料ガス配管で消化ガス源と接続された吸収装置としての吸収塔７を備える。吸収塔７は円筒状の容器として構成された塔であり、地上に円筒の中心軸を鉛直方向にして設置されている。円筒状の容器の上下方向中央部には気液接触層６が設けられ、その上方の空間には、塩基性の吸収液Ｓ１を気液接触層６の上部に散布するスプレーノズル５が設置され、吸収液Ｓ１は気液接触層６を流下して、気液接触層６の下部から上昇する原料ガスとしての原料消化ガスＭ１と接触する。また吸収塔７の円筒状容器の底部は、塩基性吸収液４を溜める液溜としてのタンク３となっている。
The digestion
なお吸収装置は、図示のようなスプレーノズル５と気液接触層６を備える吸収塔７に限らず、タンク３内の底部に設けられた不図示のガス吹き込みノズルを備えるものであってもよい。この場合は、ノズルから原料ガス１を吸収液４に吹き込むことにより、原料ガス１が吸収液４内を泡状に上昇する間に、酸性ガスが吸収液４に吸収される。
The absorption device is not limited to the
消化ガス精製装置２００は、吸収塔７に隣接して低位置に設置された再生塔４０を備える。再生塔４０は、円筒状の容器として構成されたタンクであり、地上に円筒の中心軸を鉛直方向にして設置されており、円筒状のタンクに吸収液４４を溜めて、その上方には、再生ガス３１と炭酸ガスを収容する空間４８を有する。また再生塔４０の円筒状タンクの下部から再生ガス３１を噴射する再生ガス噴射管６１が設置され、バブル状の再生ガス６２を噴出させている。
The digestion
ここで吸収液は、吸収塔７内を流下する液Ｓ１を酸性ガス吸収前の吸収液と呼び、液溜のタンク３に溜まった液を便宜上、酸性ガスを吸収した吸収液と呼ぶ、この呼び方によれば、スプレーノズル５で散布される液は酸性ガス吸収前の吸収液であり、液溜のタンク３中の液は酸性ガスを吸収した吸収液ということになる。再生塔４０に溜める液は酸性ガスを吸収した吸収液と炭酸ガス吸収率を回復した吸収液との混合吸収液である。これらを区別する必要のないときは、総称して吸収液と呼ぶ。
Here, as the absorbing liquid, the liquid S1 flowing down in the
図中では、吸収液４は、液溜のタンク３に溜まった液を示している。気液接触層６上部の、未だ酸性ガスを吸収する前の吸収液Ｓ１は、タンク３内の吸収液よりも酸性ガスの吸収能力が高く、再生塔４０に溜まっている吸収液４４と同程度の濃度である。
In the figure, the absorbing
再生塔４０についても同様であり、図中では、吸収液４４とは、再生塔４０に溜まった液を示しているが、配管４２を自然流下して吸収塔７から再生塔４０に供給される液は、未だ再生される前の酸性ガスを吸収した吸収液であり、再生塔４０中の吸収液４４は再生処理中又は再生処理後の吸収液で、スプレーノズル５で散布される吸収液と同程度の濃度ということになる。
The same applies to the
吸収塔７の液溜のタンク３と再生塔４０の水頭差流路４６は、液配管４２で構成されている。液配管４２には、吸収塔７側の液溜のタンク３に溜まった吸収液４の液面と再生塔４０内の吸収液の液面の水頭差６０により、吸収液４が自然流下する。従って、液配管４２の系統にはポンプによる液送機構が不要である。
The
再生塔４０と吸収塔７のスプレーノズル５とは、液配管２３と液配管２５との間に挿入配置されたポンプ２４で構成される循環経路で接続されている。ポンプ２４は不図示の電動機で駆動される。該電動機は例えばインバータから供給される周波数の調節された電源により駆動される。インバータは、制御装置からの信号に基いて周波数を調節する。周波数の調節により、ポンプ２４の回転速度を調節し、液配管２３と液配管２５を流れる吸収液の流量（循環量）を調節する。
The
液配管２５に不図示の液流量検出器を挿入配置し、吸収塔７と再生塔４０との間の吸収液循環量を検出して再生塔４０の出力側のポンプ２４を制御してもよい。
A liquid flow rate detector (not shown) may be inserted into the
また、吸収塔７の気液接触層６上方の部分には、精製ガスの出口配管８が接続されており、気液接触層６上方の空間から精製ガス９を送出するように構成されている。精製ガスとしてのメタン濃縮ガス９は、消化ガス源と吸収塔７との間の原料ガス１の入口配管に挿入配置したガスブロワ２による吹き込み圧力により吸収塔７から送出される。
In addition, a purified
さらに吸収塔７頂部のガス配管８に、不図示の酸性ガス濃度検出器を設置してメタン濃縮度を検出する。但し、酸性ガス濃度検出器の設置位置は、ここに限らず濃度検出に適した位置であれば、吸収塔７の気液接触層６上方の空間であってもよい。但し、出口配管８に設ければ、滞留部分と違って均一化された濃度を検出できる利点がある。
Further, an acid gas concentration detector (not shown) is installed in the
吸収塔７の気液接触層６に充填材を装填してもよく、充填材の材料の種類としては、十分な耐食性及び耐熱性、そして高い接触効率を有するものであれば何でもよい。構造としては、吸収液Ｓ１を流下させながら、上昇する原料ガスＭ１と向流接触させやすい構造であればよく、例えば、金属又は合成樹脂製の繊維を充填材充填構造とすることができる。
The gas-
再生塔４０中に配置された再生ガス噴射管６１から細かい気泡状の再生ガス６２を吹き込み、吹き込まれた再生ガス６２は微細な気泡状態で吸収液４４中を上昇し、さらに吸収液面から再生塔４０の上方空間４８に滞留し、その後、頂部出口配管１７から再生ガスと酸性ガスとの混合ガス１８として排出される。
A fine bubble-
さらに再生塔４０底部に鉛直方向に設置された隔壁５０は、再生ガス噴射管６１から放出される再生ガス６２の気泡と吸収液４４を分離して循環経路２３内への気泡混入を防止する。また、水頭差流路４６も再生ガスの気泡が混入しないように、先端部を吸収液面方向に配向するように設置している。
Further, the
消化ガス精製装置２００は、さらに再生塔４０から吸収塔７に供給する液の流量を制御する不図示の制御装置を備えることができ、制御装置は、ポンプ２４を制御して循環経路２３に流れる吸収液の流量をコントロールする。制御装置は、例えば、酸性ガス濃度検出器からの濃度信号、液流量検出器からの流量信号、液温度検出器からの温度信号を受信して、制御信号をインバータに送信することにより液流量をコントロールする。
The digestion
図２に第１の実施の形態によるガス精製装置の変形例２０１の主要部の構成例を示す。この変形例２０１では、図１における再生塔４０の上下中間位置に充填材６８を装填したものである。充填材６８の材料の種類としては、十分な耐食性及び耐熱性、そして高い接触効率を有するものであれば何でもよい。
FIG. 2 shows a configuration example of a main part of a
構造としては、再生ガス噴射管６１から噴射する微細気泡の浮上を制限する繊維構造であって、微細気泡と吸収液４４との気液接触時間を増大させる通路を提供し、複数の微細気泡が結合し粒度を増大しようとする気泡を分断して吸収液４４中を浮上する再生ガス６２の微細気泡を維持する充填材構造であればよく、例えば、金属又は合成樹脂製の繊維を充填材充填構造とすることができる。充填材の繊維により浮上通路が狭くなり、再生ガス６２の吸収液４４液面に達するまでの到達時間を延長させる。
The structure is a fiber structure that restricts the floating of fine bubbles injected from the regeneration
再生塔４０中に配置された再生ガス噴射管６１から細かい気泡状の再生ガス６２を吹き込み、吹き込まれた再生ガス６２は微細な気泡状態で吸収液４４中を上昇し、充填材６８を通過し、充填材上方の吸収液中に放出される。ガスはさらに吸収液面から再生塔４０の上方空間４８に滞留し、その後、頂部出口配管１７から再生ガスと酸性ガスとの混合ガス１８として排出される。
A fine bubble-
また、再生ガス噴射管から放出した複数の再生ガス６２の微細気泡は、吸収液を浮上中に相互に結合して徐々に粒度が大きくなり、吸収液４４と再生ガス６２との気液接触が低下するが、図２に示した充填材６８により気泡を分断し、気泡の粒度増大を阻止すると共に、吸収液４４の液面に達するまで微細気泡状態を維持するため、良好な気液接触状態を形成することができる。充填材６８は、金属若しくは合成樹脂の繊維を再生ガスの気泡が通過する程度の密度で織り込んで円筒状に構成し、再生塔の容器内壁に密着するように装填する。
Further, the fine bubbles of the plurality of
再度図１に戻り、第１の実施の形態について説明する。小規模の燃料電池に適用する消化ガス精製装置について、本願発明者は、吸収液の吸収能力及び再生能力を試験研究した結果、吸収液温度を４０℃から５５℃の範囲に設定し循環使用させることで吸収塔７及び再生塔４０がバランス良く、それぞれ吸収作用と再生作用を行うことを見出した。
Returning to FIG. 1 again, the first embodiment will be described. The inventor of the present application conducted a study on the absorption capacity and regeneration capacity of the absorption liquid for a digestion gas purification apparatus applied to a small-scale fuel cell. As a result, the absorption liquid temperature was set in the range of 40 ° C. to 55 ° C. and used in circulation. Thus, it has been found that the
吸収液が４０℃以下の場合には、気液平衡の温度依存性から炭酸ガス吸収能力が高いが、４０℃以下の液温では再生塔４０内の再生反応が十分に進行しないため、再生処理中の吸収液４４中の炭酸ガス分圧が高く、このまま吸収塔７へ吸収液４４を循環させると酸性ガス吸収前の吸収液としての良好な炭酸ガス等の吸収反応が期待できず、吸収塔７の炭酸ガス吸収性能が低下する。
When the absorption liquid is 40 ° C. or lower, the carbon dioxide absorption capacity is high due to the temperature dependence of gas-liquid equilibrium. However, the regeneration reaction in the
これに対して、吸収液温度を上昇させると再生能力は向上するが、炭酸ガス等の吸収能力が低下し液温が５５℃を超える吸収液では吸収塔７内の吸収反応が十分に進行しないため、炭酸ガス吸収性能が著しく低下し、燃料電池が要求する燃料としてのメタン濃縮度を満たすことが困難となる。また、再生塔４０の再生温度を上昇させると、システム全体の所要熱量の増大を招くため、エネルギー効率の点からも好ましくない。そこで、循環使用する吸収液温度を４０℃から５５℃の範囲に制御して、吸収液の炭酸ガス等の吸収と吸収液の再生を両立させることが望ましい。
On the other hand, when the absorption liquid temperature is raised, the regeneration capacity is improved, but the absorption capacity of carbon dioxide gas or the like is decreased, and the absorption reaction in the
再生塔４０から吸収塔７へ液送される処理液は、大気温度との差から循環経路内で自然冷却されるが、略４０℃以上の吸収液を吸収塔７へ供給する。ここで、吸収液温度は、例えば再生塔４０側では大気温度より高い約５５℃の吸収液温度に設定し、液配管２３、ポンプ２４、液配管２５で構成される循環経路を流れる間に自然冷却されるが、吸収塔７のスプレーノズル５から散布される吸収液の温度は約４５℃で供給される。従って、吸収塔７と再生塔４０の双方の吸収液温度は４０℃から５５℃の温度範囲に制御され、吸収作用と再生作用を行うことができる。
The processing liquid fed from the
図３に本実施の形態におけるガス精製工程のフロー例を示す。流下する塩基性の吸収液Ｓ１に対して原料ガスＭ１を流し、吸収液Ｓ１に酸性ガスを吸収させる吸収工程（ステップＳ００１）と、酸性ガスを吸収した吸収液に再生ガス３１を吹き込み、吸収液を再生する再生工程（ステップＳ００３）と、吸収工程と再生工程との間で、吸収液を循環させる循環工程（ステップＳ００２及びステップＳ００４）とを備える。ガス精製工程でこれらの工程（ステップＳ００１〜ステップＳ００４）が繰り返される。 FIG. 3 shows a flow example of the gas purification process in the present embodiment. An absorption step (step S001) in which the raw material gas M1 is flowed to the flowing down basic absorption liquid S1 to absorb the acidic gas in the absorption liquid S1, and the regeneration gas 31 is blown into the absorption liquid that has absorbed the acidic gas. A regeneration process (step S003), and a circulation process (step S002 and step S004) for circulating the absorbent between the absorption process and the regeneration process. These steps (steps S001 to S004) are repeated in the gas purification step.
図４に消化ガス精製装置２００を用いた発電システム１００の構成例を示す。図４を参照して、発電システムを説明する。発電システム１００は、ガス精製装置２００と、ガス精製装置２００に原料ガスとしての消化ガス１を供給する原料ガス供給装置としてのメタン発酵処理設備１０２と、ガス精製装置２００で精製されたメタン濃縮ガス９を燃料とし、燃料と酸化剤との電気化学的反応により発電する燃料電池１０３とを備える。
FIG. 4 shows a configuration example of the
このように構成すると、酸性ガスを除去されたガスを燃料電池１０３に供給することができ、ガス精製装置で精製されたガスを燃料とし、燃料と酸化剤との電気化学的反応により発電する燃料電池１０３を備えるので、ガスを利用した発電が可能となり、燃料電池１０３で発生した排熱で吸収液を加熱する熱交換器１０９を備えるので、排熱を回収し有効利用することができる。燃料電池１０３はガス精製装置２００で精製されたガスを脱炭酸処理する手間が省け、高効率の燃料電池発電ができる。排熱は別の熱利用にも供される。
With this configuration, the gas from which the acid gas has been removed can be supplied to the
発電システム１００では、燃料電池１０３からの直流の電力を昇圧器に入力して所定の直流電圧に昇圧し、昇圧された直流電力を直流交流変換器に入力して固定周波数の交流電力に変換し、変換された交流電力は系統電力線を介して電力グリッドに供給され又は負荷に供給される。例えば、昇圧器、直流交流変換器及び燃料電池１０３はコントローラとしてのマイクロコンピュータを使用して制御される。
In the
精製消化ガスとしてのメタン濃縮ガス９の出口配管８と原料消化ガス１の入口配管１０４との間にバイパス配管１０５と自動開閉弁１０６を設ける。出口配管８にはガス圧検知手段としての圧力センサ１０７を設けて、精製消化ガス９のガス圧をモニタして、供給ガス圧制御手段１０８に送信し、供給ガス圧制御手段１０８は自動開閉弁１０６及びガスブロワ２を制御する。
A
燃料電池１０３のガス消費量が減った場合、供給ガス圧制御手段１０８は、精製消化ガス９の供給ガス圧を所定の圧力に調整しようとして、ガスブロワ２の出力を下げるように制御するが、それでもなお精製消化ガス９の供給ガス圧が所定の圧力以上になると、バイパス配管１０５に設置した自動開閉弁１０６を開けて精製消化ガス９の圧力を逃がし、ガスブロワ２の出力を下げすぎることなく、供給ガス圧を所定の圧力に調整する。
When the gas consumption of the
また、燃料電池１０３のガス消費量が増えた場合、供給ガス圧制御手段１０８は、精製消化ガス９の供給ガス圧を所定の圧力に調整しようとして、ガスブロワ２の出力を上げるように制御するが、それでもなお精製消化ガス９の供給ガス圧が所定の圧力以下になると、バイパス配管１０５に設置した自動開閉弁１０６を閉じて精製消化ガスの圧力を逃がさないようにし、ガスブロワ２の出力を上げすぎることなく、供給ガス圧を所定の圧力範囲に調整する。
When the gas consumption of the
また、燃料電池１０３が急停止した場合にも、供給ガス圧制御手段１０８は、自動開閉弁１０６を開けることにより、精製消化ガス９の配管８に圧力がこもらないように調整する。
Even when the
本実施の形態では、吸収液としてＤＥＡ水溶液１１０を用い、循環経路２５に分岐を設けて、ＤＥＡ水溶液１１０の一部を熱交換器１０９に導き、燃料電池１０３の排熱温水でＤＥＡ水溶液１１０を加熱し、再生塔４０に戻し、再生塔４０内のＤＥＡ水溶液４４を昇温させている。この場合、燃料電池１０３の起動時には再生塔４０内のＤＥＡ水溶液４４は常温であり、燃料電池１０３に精製消化ガス９が供給されて、排熱量が増加するにつれてＤＥＡ水溶液４４の温度が上昇し、燃料電池１０３の運転が安定した状態で、精製消化ガス９の供給量、燃料電池１０３からの排熱量が安定し、ＤＥＡ水溶液４４の温度が一定になる。これにより、後述するように燃料電池１０３の起動時から安定運転状態まで精製消化ガス９のメタン濃度がほぼ一定になる。
In the present embodiment, the DEA aqueous solution 110 is used as the absorbing liquid, a branch is provided in the
燃料電池１０３へ供給するメタン濃縮ガス９中の炭酸ガス濃度が許容範囲となるように、吸収液温度を選択する。即ち、熱交換器１０９により再生塔４０内の再生処理中又は再生処理後の吸収液４４の温度を約４０℃から５５℃の範囲に設定し、気泡状の再生ガス６２と気液接触させて炭酸ガス等を放出させ再生処理を施す。
The absorbent temperature is selected so that the concentration of carbon dioxide in the methane enriched
この再生処理中又は再生処理後の吸収液４４を循環経路の液配管２３を経由して吸収塔７内のスプレーノズル５から散布し、塔内を上昇する原料ガスＭ１と気液接触させ炭酸ガス等の吸収処理を施し、メタン濃縮ガス９を生成する。約４０℃から５５℃の範囲に設定された吸収液Ｓ１は、燃料電池１０３の燃料としてのメタン濃度を満足する程度に原料消化ガス１から炭酸ガス等を除去して、燃料電池１０３に精製消化ガス９を供給ことができる。
The
図５に本実施の形態における供給ガス圧制御工程のフロー例を示す。ガス圧検知手段１０７で精製ガス９のガス消費設備としての燃料電池１０３への供給ガス圧を検知する供給ガス圧検知工程（ステップＳ１０１）と、ガス圧検知手段１０７の出力信号に基きガス消費設備１０３への供給ガス圧が一定となるように制御する供給ガス圧制御工程（ステップＳ１０２、ステップＳ１０３）とを備える。供給ガス圧制御工程は、精製ガスのガス消費設備１０３への供給ガス圧を検知するガス圧検知手段１０７の出力信号（ガス圧）に基き、吸収塔７に送風するガスブロワ２の出力を制御する（ステップＳ１０２）とともに、吸収塔７からガス消費設備１０３への出口配管８から分岐して取り出した精製ガスを吸収塔７への入口配管１０４に戻すバイパス配管１０５の途中に開閉弁１０６を設け、精製ガスのガス消費設備１０３への供給ガス圧の急増を検知した場合に、開閉弁１０６を開いて、精製ガス９の一部を原料ガス１に戻す（ステップＳ１０３）。
FIG. 5 shows a flow example of the supply gas pressure control step in the present embodiment. Supply gas pressure detection step (step S101) in which the gas pressure detection means 107 detects the supply gas pressure to the
図６に吸収塔の液位制御系の構成例を示す。吸収塔７の円筒状容器の底部は、液溜としての角柱状のタンク３となっている。吸収塔７の外部には、液溜３の液位を検出する液位検出器としての液位センサー１１１と、検出された液位検出器１１１の信号に基いて液位を所定の液位設定値に制御する液位調節器１１２とを設置する。なお、液位調節器１１２は前述の吸収液の流量をコントロールする制御装置に組み込んでも良い。
FIG. 6 shows a configuration example of the liquid level control system of the absorption tower. The bottom of the cylindrical container of the
また、原料消化ガス１又は精製消化ガス９の圧力変動や再生塔４０の液位変動などの影響により、吸収塔７側と再生塔４０側の圧力バランスが崩れてしまい液封を保てなくなる欠点を解消するために、吸収塔７から再生塔４０へ返流する配管（返流路）４２に手動弁１１３を設け、さらにバイパス返流管（バイパス返流路）１１４と、バイパス返流管１１４に手動弁１１５及び自動開閉弁としての電磁弁１１６を設けて、通常は手動弁１１３、１１５を開にしておき、液位検出器１１１により液位Ｈ以上を検知したときに、液位調節器１１２は自動開閉弁１１６を開とすることによってバイパス返流路１１４を開き、液位検出器１１１により液位Ｌ以下を検知したときに、液位調節器１１２は自動開閉弁１１６を閉とすることによってバイパス返流路１１４を閉じ、バイパス返流管１１４を流れる吸収液の流量を調整することにより、常に液封を保つことができる。
Further, the pressure balance between the
また、本実施の形態では自動開閉弁１１６の頻繁な開／閉を防ぐために自動開閉弁１１６の取り付け位置を返流路の本管４２ではなく、バイパス配管１１４を増設してそこに取り付けるようにした。これにより自動開閉弁１１６が閉まっている場合でも本管４２から所定量の吸収液（ＤＥＡ水溶液）が再生塔４０へ返送される為、レベルＨに達する間隔を長くする事ができる。
Further, in the present embodiment, in order to prevent frequent opening / closing of the automatic opening / closing valve 116, the attachment position of the automatic opening / closing valve 116 is not the
自動開閉弁を配管４２に直接設置しオンオフ制御とした場合、自動開閉弁が閉のときは再生塔４０への返流がストップしてしまい、タンク３内の水位はすぐにレベルＨに達してしまう。また、自動開閉弁を開とすると、今度はタンク３内の水位は急激に低下しレベルＬに達する。バイパス１１４を設けない場合はこのように自動開閉弁は頻繁なオンオフを繰り返すことになる。バイパス１１４を設け、そこに自動開閉弁１１６を設置することにより、常時配管４２から再生塔４０への返流を実施し、配管４２に設けた手動弁１１３は自動開閉弁が閉となっているときにタンク３内の水位が徐々に上昇するように調整する。また、水位がレベルＨに達したときに自動開閉弁１１６を開とし、タンク３の水位が徐々に下降するように調整することで、水位の上昇、下降のスピードを大幅に抑えることができ、自動開閉弁１１６の開閉の回数を抑えることができる。なお、自動開閉弁１１６を電磁弁とした場合、組み合わせる液位センサー１１１は電極式のセンサーで良い。
When the automatic open / close valve is directly installed in the
図７に本実施の形態における吸収塔７の液位調整工程のフロー例を示す。液位調整工程は、吸収塔７から流出する吸収液を、水頭差により再生塔４０に流入させる循環工程（ステップＳ００２）において行なわれ、液位検出器１１１で吸収塔７に溜められた吸収液の液位を検出し（ステップＳ２０１）、液位検出器１１１が所定の液位高さ以上を検出した場合に自動開閉弁１１６を開き、液位検出器１１１が所定の液位高さ以下を検出した場合に自動開閉弁１１６を閉じ、吸収塔７に溜められた吸収液の液位を一定範囲内に維持する（ステップＳ２０２）。
FIG. 7 shows a flow example of the liquid level adjustment process of the
図８に本実施の形態及び従来例における精製ガスのメタン濃度の経時変化例を比較して示す。図８（ａ）は、本実施の形態における例であり、図８（ｂ）は従来例である。説明の符号については図４を参照されたい。 FIG. 8 shows a comparison of changes over time in the methane concentration of purified gas in the present embodiment and the conventional example. FIG. 8A is an example in the present embodiment, and FIG. 8B is a conventional example. Refer to FIG. 4 for the reference numerals.
吸収液としてＤＥＡ水溶液１１０を用いる。燃料電池１０３に精製ガス９を供給し始めるときには燃料電池１０３からの排熱がないため、ＤＥＡ水溶液４４の温度が常温であり、吸収には有利となるものの再生には不利な状況にある。しかしながら発明者達は燃料電池１０３の起動時の燃料消費量変化を検討した結果、燃料電池１０３起動時の燃料消費量であれば、常温のＤＥＡ水溶液であってもその二酸化炭素吸収に対する能力は十分なレベルであることに着目し、且つ燃料電池１０３が発電運転に移行し、燃料消費量が増加しても、そこに至るまでの運転によってＤＥＡ水溶液は十分に再生されるため、その温度が常温に近い状態であっでも二酸化炭素を吸収できることに想到し、実験を行い本発明を案出した。
The DEA aqueous solution 110 is used as the absorbing solution. Since there is no exhaust heat from the
燃料電池１０３は起動開始時から次第に燃料消費量が増加し、最高出力運転等の安定運転に到達した後は燃料消費量が一定になる。この燃料消費量の一部は排熱温水として熱交換器を介して再生塔４０に供給され、吸収液としてのＤＥＡ水溶液４４を加熱する。従来は、図８（ｂ）に示すように、燃料電池の起動開始時からＤＥＡ水溶液４４を加熱し、二酸化炭素吸収能力を増加させていたので、燃料電池１０３の起動開始時から最高出力運転に到達するまでの間は、精製消化ガス９の実際のメタン濃度は、計画値をかなり上回っていた。
The fuel consumption of the
これに対し、本実施の形態では図８（ａ）に示すように、起動用ヒータを取り外し、燃料電池起動前はＤＥＡ水溶液１１０を常温で循環させ、その二酸化炭素吸収性能を抑えて、燃料電池１０３が起動し発電運転がはじまり燃料消費量が増加してからは、燃料電池１０３からの排熱温水を利用してＤＥＡ水溶液を４４加熱し、次第に温度を上げて、その二酸化炭素吸収能力を次第に向上させることにより、精製消化ガス９中のメタン濃度を計画値近傍となるように維持できる。
On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 8A, the starting heater is removed, and the DEA aqueous solution 110 is circulated at room temperature before starting the fuel cell to suppress its carbon dioxide absorption performance. After the start of the power generation operation and the fuel consumption increase, the DEA
典型的には、燃料電池１０３への精製消化ガス９の供給量の増加に比例して、燃料電池１０３からの排熱量が増加し、排熱量の増加に比例して再生塔４０内のＤＥＡ水溶液４４の温度が上昇する。そして、燃料電池１０３の運転が安定した状態で、精製消化ガス９の供給量、燃料電池１０３からの排熱量が安定し、ＤＥＡ水溶液４４の温度が一定になる。これにより、精製消化ガス９のメタン濃度は、燃料電池１０３の起動時から安定運転状態を通してほぼ一定に制御される。なお、液温度検出器、酸性ガス濃度検出器を設けて、吸収液の温度及び精製消化ガス９のメタン濃度をモニタし、前述の制御装置で精密制御しても良い。
Typically, the amount of exhaust heat from the
また、本実施の形態における発電システムは、燃料電池１０３の起動時には、再生塔４０内のＤＥＡ水溶液４４を常温に保持し、燃料電池１０３の発電に伴って生じる排熱を利用してＤＥＡ水溶液４４の加熱を行ない、精製ガス９のメタン濃度をほぼ一定に制御するメタン濃度制御手段を備える。メタン濃度制御手段は、排熱温水を利用してＤＥＡ水溶液４４の加熱を行なう熱交換器１０９又は後述する熱交換チューブ５４と、排熱温水の供給量や温度、精製ガスのメタン濃度を制御する制御系（液温度検出器、酸性ガス濃度検出器、後述する温度コントローラ５３やバルブ５５など）が該当する。ただし、再生塔４０内のＤＥＡ水溶液４４を常温から加熱できるように構成されていることが肝要であり、また、制御系は必ずしも必要ではない。
Further, in the power generation system according to the present embodiment, when the
図９に本実施の形態における精製ガスのメタン濃度制御工程のフロー例を示す。メタン濃度制御工程は、前記燃料と酸化剤との電気化学的反応により燃料電池にて発電する発電工程において行なわれ、発電工程は、吸収液としてＤＥＡ水溶液１１０を用い、燃料電池１０３の起動時には、再生塔４０内のＤＥＡ水溶液４４を常温に保持し（ステップＳ３０１）、燃料電池１０３の発電に伴って生じる排熱を利用してＤＥＡ水溶液４４の加熱を行ない（ステップＳ３０２、ステップＳ３０３）、精製ガス９のメタン濃度をほぼ一定に制御する（ステップＳ３０４）工程を備える。ＤＥＡ水溶液４４の加熱ステップは、燃料電池１０３起動後に、燃料電池１０３への精製消化ガス９の供給量の増加に比例して、燃料電池１０３からの排熱量が増加し、排熱量の増加に比例して再生塔４０内のＤＥＡ水溶液４４の温度が上昇する第１段階（ステップＳ３０２）と、燃料電池１０３の運転が安定した状態で、精製消化ガス９の供給量、燃料電池１０３からの排熱量が安定し、ＤＥＡ水溶液４４の温度が一定になる第２段階（ステップＳ３０３）を備える。
FIG. 9 shows a flow example of the process for controlling the methane concentration of purified gas in the present embodiment. The methane concentration control step is performed in a power generation step in which power is generated in the fuel cell by an electrochemical reaction between the fuel and the oxidant. The power generation step uses the DEA aqueous solution 110 as an absorbing solution, and when the
図１０に本発明の第２の実施の形態による消化ガス精製装置２０２の主要部の構成を示す。図１とは、液配管２５から吸収塔７の間にラジエータ５８と液配管２７が付設配置されている点、及び再生塔４０内の吸収液４４を加熱するために、熱交換器１０９に代えて再生塔４０内に配設された熱交換チューブ５４及びコントローラ５３を備え、さらにまた、熱交換チューブ５４へ供給する燃料電池１０３からの排熱温水５２は、コントローラ５３に接続されたバルブ５５により流量が制御される点が異なる。
FIG. 10 shows the configuration of the main part of a digestion
液配管２７と液配管２５の間には、ラジエータ５８が付設配置されている。ラジエータ５８は、空冷又は水冷方式を用いることができるが、望ましくは、設備を小型にするため自然空冷若しくはファンによる強制空冷方式を用いるとよい。このラジエータ５８により液配管２５内の吸収液は所定の温度勾配をもって徐々に冷却される。
A
温度コントローラ５３により、吸収液温度を制御する。温度コントローラ５３は、吸収液温度検出器を再生塔４０内部に挿入して吸収液４４の液温を検出し、検出した液温情報に基づき排熱温水５２の流入量をバルブ５５で制御して、４０℃から５５℃の温度範囲で任意に吸収液４４の液温をコントロールする。
The
またポンプ２４系統に接続され、ラジエータ５８の下流に位置する液配管２７に、不図示の温度検出器としての吸収液温度検出器を設置し、上述した温度コントローラ５３へ吸収液温度信号を出力し、吸収液の酸性ガス吸収能力が高い温度、例えば、液配管２７中の吸収液を４０℃から５０℃の液温に設定するように構成しても良い。この場合、冷却された吸収液の検出液温に基づき、熱交換チューブ５４へ供給する排熱温水５２等の流量を制御して、再生塔４０内の吸収液温度を５０℃より高い液温にコントロールするとよい。なお、温度コントローラ５３は前述の制御装置に組み込んでも良い。
In addition, an absorption liquid temperature detector (not shown) is installed in the
第２の実施の形態に対しても、図４〜図９で説明した、発電システムの構成、供給精製消化ガス圧の制御、再生塔の液位レベルの調整、燃料電池起動時の常温ＤＥＡ水溶液を用いる精製消化ガスのメタン濃度のコントロールを適用できる。 Also for the second embodiment, the configuration of the power generation system, the control of the feed refined digestion gas pressure, the adjustment of the liquid level of the regeneration tower, the room temperature DEA aqueous solution at the start of the fuel cell, as described in FIGS. The control of the methane concentration of purified digestion gas using can be applied.
１ 原料ガス
２ ガスブロワ
３ 液溜
４ 吸収液
５ スプレーノズル
６ 対向流部（気液接触層）
７ 吸収塔
８ 出口配管
９ 精製ガス（メタン濃縮ガス）
１０ ポンプ
１１ 吸収液熱交換器
１２ 温水
１４ 出口配管
１５ 温水配管
１６ スプレーノズル
１７ 頂部出口配管
１８ 混合ガス
１９ 対向流部（気液接触層）
２１ 液溜
２２ 再生塔
２３ 液配管
２４ ポンプ
２５ 液配管
２６ 熱交換器
２７ 液配管
２８ 冷却水
２９、３０ 冷却水配管
３１ 再生ガス
３２ ガスブロワ
３３ 配管
４０ 再生塔
４２ 液配管
４４ 吸収液
４６ 水頭差流路
４８ 空間
５２ 排熱温水
５３ 温度コントローラ
５４ 熱交換チューブ
５５ バルブ
５８ ラジエータ
６０ 水頭差
６１ 再生ガス噴射管
６２ 再生ガス
６８ 充填材
１００ 発電システム
１０２ メタン発酵処理設備
１０３ 燃料電池
１０４ 入口配管
１０５ バイパス配管
１０６ 自動開閉弁
１０７ ガス圧検知手段
１０８ 供給ガス圧制御手段
１０９ 熱交換器
１１０ ＤＥＡ水溶液
１１１ 液位検出器
１１２ 液位調節器
１１３ 手動弁
１１４ バイパス返流管
１１５ 手動弁
１１６ 自動開閉弁
２００〜２０２、２１０ ガス精製装置
Ｍ１ 原料ガス
Ｓ１ 吸収液
1
7
DESCRIPTION OF
21
Claims (9)
流下する塩基性の吸収液に対して前記原料ガスを流すことにより、前記吸収液に前記酸性ガスを吸収させ、前記酸性ガスを吸収した吸収液を流出させる吸収塔と；
前記吸収塔から流入する吸収液を溜め、溜められた吸収液に再生ガスを吹き込むことにより、前記酸性ガスを吸収した吸収液を再生する再生塔と；
前記吸収塔と前記再生塔との間で前記吸収液を循環させる循環経路と；
前記精製ガスの前記吸収塔からガス消費設備への出口配管と；
前記原料ガスを前記吸収塔に送風するガスブロワを途中に挿入した入口配管と；
前記精製ガスの前記ガス消費設備への供給ガス圧を検知するガス圧検知手段と；
前記ガス圧検知手段の出力信号に基き前記ガスブロワの出力を制御する供給ガス圧制御手段とを備える；
ガス精製装置。 In a gas purification apparatus that removes acidic gas contained in a raw material gas to obtain a purified gas;
An absorption tower for causing the absorption liquid to absorb the acidic gas and causing the absorption liquid that has absorbed the acidic gas to flow out by flowing the raw material gas against the flowing basic absorption liquid;
A regenerating tower for regenerating the absorbing liquid that has absorbed the acidic gas by storing the absorbing liquid flowing in from the absorbing tower and blowing the regenerating gas into the stored absorbing liquid;
A circulation path for circulating the absorption liquid between the absorption tower and the regeneration tower;
An outlet pipe of the purified gas from the absorption tower to a gas consuming facility;
An inlet pipe into which a gas blower for blowing the source gas to the absorption tower is inserted;
A gas pressure detecting means for detecting a supply gas pressure of the purified gas to the gas consuming equipment;
Supply gas pressure control means for controlling the output of the gas blower based on the output signal of the gas pressure detection means;
Gas purification device.
前記バイパス配管の途中に開閉弁を設け；
前記ガス圧検知手段が前記精製ガスの前記ガス消費設備への供給圧力の急増を検知した場合に、前記供給ガス圧制御手段は前記開閉弁を開く；
請求項１に記載のガス精製装置。 A bypass pipe that returns the purified gas branched off from the outlet pipe to the inlet pipe;
An on-off valve is provided in the middle of the bypass pipe;
The supply gas pressure control means opens the on-off valve when the gas pressure detection means detects a sudden increase in supply pressure of the purified gas to the gas consuming equipment;
The gas purification apparatus according to claim 1.
請求項１又は請求項２に記載のガス精製装置。 The circulation path has a head differential flow path for allowing the absorption liquid flowing out from the absorption tower to flow into the regeneration tower by a head differential;
The gas purification apparatus according to claim 1 or 2.
流下する塩基性の吸収液に対して前記原料ガスを流すことにより、前記吸収液に前記酸性ガスを吸収させ、前記酸性ガスを吸収した吸収液を流出させる吸収塔と；
前記吸収塔から流入する吸収液を溜め、溜められた吸収液に再生ガスを吹き込むことにより、前記酸性ガスを吸収した吸収液を再生する再生塔と；
前記吸収塔と前記再生塔との間で前記吸収液を循環させる循環経路とを備え；
前記循環経路に、前記吸収塔に溜められた吸収液の液位を検出する液位検出器と、
前記吸収塔から前記再生塔へ流下する返流路にバイパス返流路を設け、；
前記バイパス返流路に、前記液位検出器の信号に基いて返流流量を調整する自動開閉弁を設ける；
ガス精製装置。 In a gas purification apparatus that removes acidic gas contained in a raw material gas to obtain a purified gas;
An absorption tower for causing the absorption liquid to absorb the acidic gas and causing the absorption liquid that has absorbed the acidic gas to flow out by flowing the raw material gas against the flowing basic absorption liquid;
A regenerating tower for regenerating the absorbing liquid that has absorbed the acidic gas by storing the absorbing liquid flowing in from the absorbing tower and blowing the regenerating gas into the stored absorbing liquid;
A circulation path for circulating the absorption liquid between the absorption tower and the regeneration tower;
A liquid level detector for detecting the liquid level of the absorbent stored in the absorption tower in the circulation path;
Providing a bypass return channel in the return channel flowing down from the absorption tower to the regeneration tower;
An automatic opening / closing valve for adjusting a return flow rate based on a signal of the liquid level detector is provided in the bypass return flow path;
Gas purification device.
請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のガス精製装置。 The circulation path supplies the absorption liquid regenerated in the regeneration tower as it is to the absorption tower;
The gas purification apparatus according to any one of claims 1 to 4.
前記ガス精製装置で精製された精製ガスを燃料とし、前記燃料と酸化剤との電気化学的反応により発電する燃料電池とを備える；
発電システム。 A gas purifier according to any one of claims 1 to 5;
A fuel cell that uses the purified gas purified by the gas purifier as a fuel and generates electricity by an electrochemical reaction between the fuel and an oxidant;
Power generation system.
前記ガス精製装置で精製された精製ガスを燃料とし、前記燃料と酸化剤との電気化学的反応により発電する燃料電池と、
を備える発電システムであって；
前記ガス精製装置は、
流下する塩基性の吸収液としてのジエタノールアミン水溶液に対して前記原料ガスを流すことにより、前記吸収液に前記酸性ガスを吸収させ、前記酸性ガスを吸収した吸収液を流出させる吸収塔と、
前記吸収塔から流入する吸収液を溜め、溜められた吸収液に再生ガスを吹き込むことにより、前記酸性ガスを吸収した吸収液を再生する再生塔と、
前記吸収塔と前記再生塔との間で前記吸収液を循環させる循環経路と、
前記燃料電池の起動時には、前記再生塔内の吸収液を常温に保持し、前記燃料電池の発電に伴って生じる排熱を利用して前記吸収液の加熱を行ない、前記精製ガスのメタン濃度をほぼ一定に制御するメタン濃度制御手段とを備える；
発電システム。 A gas purifier that removes the acidic gas contained in the raw material gas and obtains a purified gas;
A fuel cell that uses the purified gas purified by the gas purifier as a fuel, and generates electricity by an electrochemical reaction between the fuel and an oxidant;
A power generation system comprising:
The gas purification device is
An absorption tower for causing the absorption liquid to absorb the acidic gas and causing the absorption liquid that has absorbed the acidic gas to flow out by flowing the raw material gas against a diethanolamine aqueous solution as a basic absorption liquid flowing down;
Regenerating tower for regenerating the absorbing liquid that has absorbed the acidic gas by storing the absorbing liquid flowing in from the absorbing tower and blowing the regenerating gas into the stored absorbing liquid;
A circulation path for circulating the absorption liquid between the absorption tower and the regeneration tower;
At the start of the fuel cell, the absorption liquid in the regeneration tower is kept at room temperature, and the absorption liquid is heated using exhaust heat generated by the power generation of the fuel cell, and the methane concentration of the purified gas is increased. A methane concentration control means for controlling the pressure substantially constant;
Power generation system.
請求項６又は請求項７に記載の発電システム。 The fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell;
The power generation system according to claim 6 or 7.
前記ガス精製工程で精製された精製ガスを燃料とし、前記燃料と酸化剤との電気化学的反応により燃料電池にて発電する発電工程とを備える発電方法において；
前記ガス精製工程は、
吸収液としてジエタノールアミン水溶液を用い、
流下する塩基性の前記吸収液に対して前記原料ガスを流し、前記吸収液に前記酸性ガスを吸収させる吸収工程と、
前記酸性ガスを吸収した吸収液に再生ガスを吹き込み、前記吸収液を再生する再生工程と、
前記吸収工程と前記再生工程との間で、前記吸収液を循環させる循環工程とを備え；
前記発電工程は、
前記燃料電池の起動時には、前記再生塔内の吸収液を常温に保持し、前記燃料電池の発電に伴って生じる排熱を利用して前記吸収液の加熱を行ない、前記精製ガスのメタン濃度をほぼ一定に制御する工程を備える；
発電方法。
A gas purification step for obtaining a purified gas by removing the acid gas contained in the raw material gas;
In a power generation method comprising: a power generation step of generating power in a fuel cell by an electrochemical reaction between the fuel and an oxidant using the purified gas purified in the gas purification step as a fuel;
The gas purification step includes
Using an aqueous diethanolamine solution as the absorbing solution,
An absorption step of flowing the raw material gas with respect to the basic absorption liquid flowing down, and allowing the absorption liquid to absorb the acidic gas;
A regeneration step of regenerating the absorbent by blowing a regeneration gas into the absorbent that has absorbed the acid gas;
A circulation step of circulating the absorption liquid between the absorption step and the regeneration step;
The power generation process includes
At the start of the fuel cell, the absorption liquid in the regeneration tower is kept at room temperature, and the absorption liquid is heated using exhaust heat generated by power generation of the fuel cell, and the methane concentration of the purified gas is increased. Providing a substantially constant process;
Power generation method.
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- 2004-05-28 JP JP2004159226A patent/JP2005334806A/en not_active Withdrawn
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