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JP2006016439A - ガス精製装置 - Google Patents

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JP2006016439A
JP2006016439A JP2004193281A JP2004193281A JP2006016439A JP 2006016439 A JP2006016439 A JP 2006016439A JP 2004193281 A JP2004193281 A JP 2004193281A JP 2004193281 A JP2004193281 A JP 2004193281A JP 2006016439 A JP2006016439 A JP 2006016439A
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carbon dioxide
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Jun Sato
佐藤　　淳
Hiroki Honda
裕姫 本多
Yoshinori Terasawa
良則 寺澤
Koji Horizoe
浩司 堀添
Sueo Yoshida
季男 吉田
Akihiro Hamada
章裕 浜田
Mikiro Kumagai
幹郎 熊谷
Jun Izumi
順 泉
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Foundation for Biomedical Research and Innovation at Kobe
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  • Processing Of Solid Wastes (AREA)
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Abstract

【課題】 硫黄系不純物及び有機珪素系不純物を含有する原ガスを低コストでコンパクトに精製することができるガス精製装置を提供する。
【解決手段】 吸着塔１１と、吸着塔１１の下方側から上方側へ原ガス１を流通させるブロア１６、バルブ１８ａ〜１８ｃ等と、吸着塔１１を減圧排気するブロア１６、バルブ１９ａ，１９ｂ等と、吸着塔１１内の下方側と上方側とを仕切るように吸着塔１１内に配設され、有機珪素系不純物１ａを吸着する有機珪素系不純物吸着剤１２と、吸着塔１１内の下方側と上方側とを仕切るように吸着塔１１内に配設され、硫黄系不純物１ｂを吸着する硫黄系不純物吸着剤１３とを備えてガス精製装置１０を構成し、有機珪素系不純物吸着剤１２を、ＭＣＭ−４１、ＵＳＹ、ＭＣＭ−４８、ＵＳＭのうちのいずれかとし、硫黄系不純物吸着剤１３をシリカライトとした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガス精製装置に関し、特に、下水消化ガスや生ごみ発酵メタンガス等のバイオガスや、ごみなどの廃棄物を熱分解して生成した廃棄物熱分解ガス等のように、硫黄系不純物や有機珪素系不純物を含有するガスを精製する場合に適用すると有効なものである。
下水消化ガスや生ごみ発酵メタンガス等のバイオガスや、ごみなどの廃棄物を熱分解して生成した廃棄物熱分解ガス等でガスエンジンやマイクロガスタービン等を駆動して発電等に有効利用する場合には、当該ガス中に含まれている硫黄系不純物（例えば、硫化水素、チオカルボニル、チオフェン、メルカプタン等）や有機珪素系不純物（例えば、シロキサン等）等のような有害物質を予め除去して当該ガスを精製しておく必要がある。このため、従来は、上記バイオガスや上記廃棄物熱分解ガス等の原ガス中の硫黄系不純物を、水酸化ナトリウム水溶液等により化学的に吸収除去したり（タカハックス法）、酸化鉄等により物理的に吸着除去したり（ダライ粉層法）、上記原ガス中の有機珪素系不純物を活性炭等により物理的に吸着除去することにより、上記原ガスを精製するようにしていた。
特開平７−０９６１２８号公報 特開平９−２３９２２６号公報 特開２００２−１５３７２０号公報 特許第２６２７７０８号公報 特許第３１７２６４６号公報 特許第３１９７４３６号公報 特許第３３２５１６７号公報
しかしながら、前述したようにして前記原ガスを精製すると、以下のような問題があった。
（１）水酸化ナトリウム水溶液等により、上記原ガス中の硫黄系不純物を化学的に吸収除去する場合には、その設備にかかるコストが高くなってしまうと共に、設置スペースが大きくなってしまう。
（２）酸化鉄や活性炭等により、上記原ガス中の硫黄系不純物や有機珪素系不純物を物理的に吸着除去する場合には、上記酸化鉄や活性炭等を定期的に交換しなければならないため、ランニングコストが高くなってしまう。
このような問題は、上述したバイオガスや廃棄物熱分解ガスのような原ガスを精製する場合に限らず、硫黄系不純物及び有機珪素系不純物を含有する原ガスを精製する場合であれば、上述と同様にして起こり得ることである。
このようなことから、本発明は、硫黄系不純物及び有機珪素系不純物を含有する原ガスを低コストでコンパクトに精製することができるガス精製装置を提供することを目的とする。
前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係るガス精製装置は、硫黄系不純物及び有機珪素系不純物を含有する原ガスを精製するガス精製装置であって、第一の処理槽と、前記第一の処理槽の一方側から他方側へ前記原ガスを流通させる第一のガス送給手段と、前記第一の処理槽内を減圧排気する第一の減圧排気手段と、前記第一の処理槽内の一方側と他方側とを仕切るように当該第一の処理槽内に配設され、前記有機珪素系不純物を吸着する有機珪素系不純物吸着剤と、前記第一の処理槽内の一方側と他方側とを仕切るように当該第一の処理槽内に配設され、前記硫黄系不純物を吸着する硫黄系不純物吸着剤とを備え、前記有機珪素系不純物吸着剤が、ＭＣＭ−４１、ＵＳＹ、ＭＣＭ−４８、ＵＳＭのうちのいずれかであり、前記硫黄系不純物吸着剤が、シリカライトであることを特徴とする。
第二番目の発明に係るガス精製装置は、第一番目の発明において、前記第一の処理槽内の一方側と他方側とを仕切るように当該第一の処理槽内に配設され、二酸化炭素を吸着する二酸化炭素吸着剤を備え、前記二酸化炭素吸着剤が、Ｌｉ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｍｇ，Ｎａのうちのいずれかを交換カチオンとしたＸ型ゼオライトであることを特徴とする。
第三番目の発明に係るガス精製装置は、第一番目の発明において、第二の処理槽と、前記第一の処理槽の一方側から他方側へ流通したガスを前記第二の処理槽の一方側から他方側へ流通させる第二のガス送給手段と、前記第二の処理槽内を減圧排気する第二の減圧排気手段と、前記第二の処理槽内の一方側と他方側とを仕切るように当該第二の処理槽内に配設され、二酸化炭素を吸着する二酸化炭素吸着剤とを備え、前記二酸化炭素吸着剤が、Ｌｉ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｍｇ，Ｎａのうちのいずれかを交換カチオンとしたＸ型ゼオライトであることを特徴とする。
第四番目の発明に係るガス精製装置は、第二番目又は第三番目の発明において、前記二酸化炭素吸着剤が、シリカ／アルミナ比を２〜２．５としたＸ型ゼオライトであることを特徴とする。
第五番目の発明に係るガス精製装置は、第一番目又は第二番目の発明において、前記第一の処理槽が複数設けられて並列に連結されていることを特徴とする。
第六番目の発明に係るガス精製装置は、第三番目の発明において、前記第一の処理槽が複数設けられて並列に連結されていると共に、前記第二の処理槽が複数設けられて並列に連結されていることを特徴とする。
第七番目の発明に係るガス精製装置は、第五番目の発明において、排気された前記第一の処理槽内のガスを当該第一の処理槽の一方側から他方側へ再び流通させる排気再送給手段と、前記排気再送給手段で前記第一の処理槽内を流通した前記ガスを精製ガス又は原ガスと合流させる切換手段とを備えていることを特徴とする。
第八番目の発明に係るガス精製装置は、第六番目の発明において、排気された前記第二の処理槽内のガスを当該第二の処理槽の一方側から他方側へ再び流通させる排気再送給手段と、前記排気再送給手段で前記第二の処理槽内を流通した前記ガスを精製ガス又は前記第一の処理槽の一方側から他方側へ流通したガスと合流させる切換手段とを備えていることを特徴とする。
第九番目の発明に係るガス精製装置は、第八番目の発明において、前記排気再送給手段が、排気された前記第二の処理槽内のガスをさらに前記第一の処理槽の他方側から一方側へ再び流通させるものであることを特徴とする。
第十番目の発明に係るガス精製装置は、第一番目から第九番目の発明のいずれかにおいて、前記有機珪素系不純物吸着剤が、ガスの流通方向において前記硫黄系不純物吸着剤よりも上流側に配設されていることを特徴とする。
第十一番目の発明に係るガス精製装置は、第二番目の発明において、前記二酸化炭素吸着剤が、ガスの流通方向において前記有機珪素系不純物吸着剤及び前記硫黄系不純物吸着剤よりも上流側に配設されていることを特徴とする。
第十二番目の発明に係るガス精製装置は、第一番目から第十一番目の発明のいずれかにおいて、前記吸着剤が、ハニカム形状をなしていることを特徴とする。
第十三番目の発明に係るガス精製装置は、第一番目から第十二番目の発明のいずれかにおいて、前記原ガスが、バイオガス又は廃棄物熱分解ガスであることを特徴とする。
また、第十四番目の発明に係る下水浄化処理設備は、下水を浄化処理する下水浄化処理設備であって、前記下水の汚泥から生成する消化ガスを原ガスとして、メタンを精製ガスとして得る第一番目から第十二番目の発明のいずれかのガス精製装置を備え、前記ガス精製装置で前記原ガスから分離した前記精製ガスを焼却設備の燃料に使用し、前記ガス精製装置で前記原ガスから分離した前記有機珪素系不純物及び前記硫黄系不純物を前記焼却設備で焼却処理することを特徴とする。
第十五番目の発明に係る下水浄化処理設備は、下水を浄化処理する下水浄化処理設備であって、前記下水の汚泥から生成する消化ガスを原ガスとして、メタンを精製ガスとして得る第一番目から第十二番目の発明のいずれかのガス精製装置を備え、前記ガス精製装置で前記原ガスから分離した前記有機珪素系不純物及び前記硫黄系不純物を前記汚泥中に戻すことを特徴とする。
第一番目の発明に係るガス精製装置によれば、原ガスから有機珪素系不純物及び硫黄系不純物を除去して精製することが低コストでコンパクトに実施することができる。
第二番目の発明に係るガス精製装置によれば、原ガスから二酸化炭素を除去して、カロリ及び純度の高い精製ガスを得ることが低コストで簡単にできる。
第三番目の発明に係るガス精製装置によれば、原ガスから二酸化炭素を除去して、カロリ及び純度の高い精製ガスを得ることが低コストで簡単にできると共に、原ガス中から回収した二酸化炭素を各種原料に有効利用することができる。
第四番目の発明に係るガス精製装置によれば、原ガスから二酸化炭素を除去することを効率よく行うことができる。
第五番目の発明に係るガス精製装置によれば、原ガスの精製処理を連続して行うことができるので、処理効率の向上を図ることができる。
第六番目の発明に係るガス精製装置によれば、原ガスの精製処理を連続して行うことができるので、処理効率の向上を図ることができる。
第七番目の発明に係るガス精製装置によれば、精製ガスの収率の向上を図ることができる。
第八番目の発明に係るガス精製装置によれば、精製ガスの収率の向上を図ることができる。
第九番目の発明に係るガス精製装置によれば、有機珪素系不純物吸着剤及び硫黄系不純物吸着剤を効率よく再生することができる。
第十番目の発明に係るガス精製装置によれば、有機珪素系不純物による硫黄系不純物吸着剤の劣化を抑制することができる。
第十一番目の発明に係るガス精製装置によれば、有機珪素系不純物や硫黄系不純物による二酸化炭素吸着剤の劣化を抑制することができる。
第十二番目の発明に係るガス精製装置によれば、粒状をなす吸着剤よりも、原ガスを流通させるに際しての圧力損失を低減させることができ、比較的小型なブロアを利用することができる。その結果、イニシャルコストやランニングコストをさらに抑制することができると同時に、さらに小さな設置スペースで済ますことができる。
第十三番目の発明に係るガス精製装置によれば、上述した効果を最も効果的に得ることができる。
また、第十四番目の発明に係る下水浄化処理設備によれば、消化ガスから精製回収したメタンガスを有効に利用することができると共に、消化ガスから分離した有機珪素系不純物及び硫黄系不純物を簡単に処理することができる。
第十五番目の発明に係る下水浄化処理設備によれば、消化ガスから分離した有機珪素系不純物及び硫黄系不純物を簡単に処理することができる。
本発明に係るガス精製装置の実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
［第一番目の実施形態］
本発明に係るガス精製装置の第一番目の実施形態を図１に基づいて説明する。図１は、ガス精製装置の概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態に係るガス精製装置は、下水消化ガスや生ごみ発酵メタンガス等のバイオガスや、ごみなどの廃棄物を熱分解して生成した廃棄物熱分解ガス等のような、有機珪素系不純物（例えば、シロキサン等）１ａ（含有量：５０ｍｇ／Ｎｍ3程度）及び硫黄系不純物（例えば、硫化水素、チオカルボニル、チオフェン、メルカプタン等）１ｂ（含有量：１０００ｐｐｍ程度）を含有する原ガス１を精製するガス精製装置１０であって、第一の処理槽である吸着塔１１と、吸着塔１１の下方側（一方側）から上方側（他方側）へ前記原ガス１を流通させる第一のガス送給手段であるブロア１６、バルブ１８ａ〜１８ｃ等と、吸着塔１１を減圧排気する第一の減圧排気手段であるブロア１６、バルブ１９ａ，１９ｂ等と、吸着塔１１内の下方側（一方側）と上方側（他方側）とを仕切るように当該吸着塔１１内に配設され、上記有機珪素系不純物１ａを吸着するハニカム形状の高シリカゼオライトからなる有機珪素系不純物吸着剤１２と、吸着塔１１内の下方側（一方側）と上方側（他方側）とを仕切るように当該吸着塔１１内に配設され、上記硫黄系不純物１ｂを吸着するハニカム形状の高シリカゼオライトからなる硫黄系不純物吸着剤１３とを備えると共に、上記有機珪素系不純物吸着剤１２が、原ガス１の流通方向において上記硫黄系不純物吸着剤１３よりも上流側に配設されているものである。
前記有機珪素系不純物吸着剤１２を構成する高シリカゼオライトとしては、ＭＣＭ−４１、ＵＳＹ、ＭＣＭ−４８、ＵＳＭが挙げられ、特に、ＭＣＭ−４１、ＵＳＹであると好ましく、さらに、ＵＳＹであると最も好ましい。
また、前記硫黄系不純物吸着剤１３を構成する高シリカゼオライトとしては、シリカライトが挙げられる。
なお、上記高シリカゼオライトは、疎水性を有し、水分共存下でも吸着量の低下が少ないものである。
このような本実施形態に係るガス精製装置１０においては、バルブ１８ａ〜１８ｃを開放すると共に、バルブ１９ａ，１９ｂを閉鎖し、ブロア１６を作動させると、前記原ガス１は、吸着塔１１内に下方から送給され（送給圧：１ａｔａ前後）、有機珪素系不純物吸着剤１２内を流通して有機珪素系不純物１ａが吸着除去された後、硫黄系不純物吸着剤１３内を流通して硫黄系不純物１ｂが吸着除去される。これにより、上記原ガス１は、精製ガス１ｄ（メタン６４vol.％程度，二酸化炭素３５vol.％程度）となって吸着塔１１の上方から送出され、ガスエンジンやマイクロガスタービン等に供給されて、発電用の燃料等として利用される。
このようにして原ガス１を精製していくと、吸着塔１１内の前記吸着剤１２，１３の吸着能力が飽和状態に次第に近づいてくる。このため、原ガス１の上記精製を所定量行ったら、前記バルブ１８ａ〜１８ｃを閉鎖すると共に、前記バルブ１９ａ，１９ｂを開放すると、吸着塔１１内が排気減圧され（０．１ａｔａ程度）、前記吸着剤１２，１３に吸着除去された前記不純物１ａ、１ｂが当該吸着剤１２，１３から離脱して、吸着塔１１内から排出されて回収される。これにより、吸着塔１１内の前記吸着剤１２，１３は、再生されて吸着能力が回復する。
以下、上述した操作を繰り返して、原ガス１の精製を繰り返し行うことができる。
つまり、従来は、水酸化ナトリウム水溶液等又は酸化鉄や活性炭等により、上記原ガス１中の上記不純物１ａ，１ｂを除去するようにしていたが、本実施形態では、上述した有機珪素系不純物吸着剤１２及び硫黄系不純物吸着剤１３を用いて圧力スイング吸着（Pressure Swing Adsorption:PSA）により、上記原ガス１中の上記不純物１ａ，１ｂを除去するようにしたのである。
このため、従来は、イニシャルコストやランニングコストが高くなってしまうばかりか、大きな設置スペースを要してしまっていたものの、本実施形態においては、イニシャルコストやランニングコストを抑制することができると同時に、比較的小さな設置スペースで済ますことができる。
したがって、本実施形態によれば、有機珪素系不純物１ａ及び硫黄系不純物１ｂを含有する原ガス１を低コストでコンパクトに精製することができる。
また、前記吸着剤１２，１３がハニカム形状をなしていることから、粒状をなす場合よりも前記原ガス１を流通させるに際しての圧力損失を低減させることができるので、比較的小型なブロア１６を利用することができる。その結果、イニシャルコストやランニングコストをさらに抑制することができると同時に、さらに小さな設置スペースで済ますことができる。
また、有機珪素系不純物吸着剤１２が、原ガス１の流通方向において硫黄系不純物吸着剤１３よりも上流側に配設されているので、有機珪素系不純物１ａによる硫黄系不純物吸着剤１３の劣化を抑制することができる。
［第二番目の実施形態］
本発明に係るガス精製装置の第二番目の実施形態を図２に基づいて説明する。図２は、ガス精製装置の概略構成図である。ただし、前述した第一番目の実施形態の場合と同様な部分については、前述した第一番目の実施形態の説明で用いた符号と同一の符号を用いることにより、前述した第一番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。
図２に示すように、本実施形態に係るガス精製装置は、有機珪素系不純物１ａ及び硫黄系不純物１ｂを含有する原ガス１を精製するガス精製装置２０であって、吸着塔１１と、吸着塔１１の下方側（一方側）から上方側（他方側）へ前記原ガス１を流通させる第一のガス送給手段であるブロア１６、バルブ１８ａ〜１８ｃ等と、吸着塔１１を減圧排気する第一の減圧排気手段であるブロア１６、バルブ１９ａ，１９ｂ等と、吸着塔１１内の下方側（一方側）と上方側（他方側）とを仕切るように当該吸着塔１１内に配設され、上記有機珪素系不純物１ａを吸着するハニカム形状の高シリカゼオライトからなる有機珪素系不純物吸着剤１２と、吸着塔１１内の下方側（一方側）と上方側（他方側）とを仕切るように当該吸着塔１１内に配設され、上記硫黄系不純物１ｂを吸着するハニカム形状の高シリカゼオライトからなる硫黄系不純物吸着剤１３と、吸着塔１１内の下方側（一方側）と上方側（他方側）とを仕切るように当該吸着塔１１内に配設され、二酸化炭素１ｃを吸着するハニカム形状のＸ型ゼオライトからなる二酸化炭素吸着剤２４とを備えると共に、上記有機珪素系不純物吸着剤１２が、原ガス１の流通方向において上記硫黄系不純物吸着剤１３よりも上流側に配設され、上記二酸化炭素吸着剤２４が、原ガス１の流通方向において上記有機珪素系不純物吸着剤１２及び上記硫黄系不純物吸着剤１３よりも下流側に配設されているものである。
すなわち、本実施形態に係るガス精製装置２０は、前述した第一番目の実施形態に係るガス精製装置１０において、前記吸着塔１１内の上記有機珪素系不純物吸着剤１２及び上記硫黄系不純物吸着剤１３よりも上方側に二酸化炭素吸着剤２４を設けたのである。
前記二酸化炭素吸着剤２４を構成するＸ型ゼオライトとしては、Ｌｉ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｍｇ，Ｎａのうちのいずれかを交換カチオンとしたＸ型ゼオライト（Ｌｉ−Ｘ，Ｃａ−Ｘ，Ｓｒ−Ｘ，Ｍｇ−Ｘ，Ｎａ−Ｘ）が挙げられ、シリカ／アルミナ比が２〜２．５であると好ましく、特に、Ｌｉ又はＮａを交換カチオンとしたＸ型ゼオライト（Ｌｉ−Ｘ又はＮａ−Ｘ）であるとより好ましく、さらに、シリカ／アルミナ比が２であると最も好ましい。
このような本実施形態に係るガス精製装置２０においては、前述した第一番目の実施形態に係るガス精製装置１０の場合と同様に操作して、原ガス１を吸着塔１１内に送給すると、原ガス１は、前記吸着剤１２，１３内を流通して前記不純物１ａ，１ｂが吸着除去された後に、二酸化炭素吸着剤２４内を流通して二酸化炭素１ｃが吸着除去される。これにより、上記原ガス１は、精製ガス１ｅ（メタン約９９vol.％）となって吸着塔１１の上方から送出され、ガスエンジンやマイクロガスタービン等に供給されて、発電用の燃料等として利用される。
また、原ガス１の上記精製を所定量行ったら、前述した第一番目の実施形態に係るガス精製装置１０の場合と同様に操作して、吸着塔１１内を排気減圧すると、前記吸着剤１２，１３，２４に吸着除去された前記不純物１ａ、１ｂ及び二酸化炭素１ｃが当該吸着剤１２，１３，２４から離脱して、吸着塔１１内から排出されて回収される。
つまり、本実施形態に係るガス精製装置２０においては、原ガス１中から二酸化炭素１ｃもさらに除去するようにしたのである。
このため、本実施形態に係るガス精製装置２０では、メタン濃度の高い（約９９vol.％）精製ガス１ｅを低コストで簡単に得ることができる。
したがって、本実施形態に係るガス精製装置２０によれば、前述した第一番目の実施形態に係るガス精製装置１０と同様な効果を得ることができるのはもちろんのこと、カロリ及び純度の高い精製ガス１ｅを得ることが低コストで簡単にできる。
また、二酸化炭素吸着剤２４が、原ガス１の流通方向において有機珪素系不純物吸着剤１２及び硫黄系不純物吸着剤１３よりも下流側に配設されているので、有機珪素系不純物１ａ及び硫黄系不純物１ｂによる二酸化炭素吸着剤２４の劣化を抑制することができる。
ここで、例えば、消化ガス（メタン６４vol.％、二酸化炭素３５vol.％、硫化水素１０００ｐｐｍ、シロキサン５０ｍｇ／Ｎｍ3、発熱量２３ＭＪ／Ｎｍ3）を一日あたり３４７７６Ｎｍ3（一時間あたり１４５０Ｎｍ3）で処理する場合において、従来の手段（タカハックス法による硫黄系不純物除去及び活性炭による有機珪素系不純物除去）を適用した場合と、本実施形態に係る手段を適用した場合とを比較すると、下記の表１の通りとなる。
Figure 2006016439
上記表１からわかるように、本実施形態に係る手段によれば、カロリ及び純度の高い精製ガス１ｅを低コストで簡単に得られるといえる。
［第三番目の実施形態］
本発明に係るガス精製装置の第三番目の実施形態を図３に基づいて説明する。図３は、ガス精製装置の概略構成図である。ただし、前述した第一、二番目の実施形態の場合と同様な部分については、前述した第一、二番目の実施形態の説明で用いた符号と同一の符号を用いることにより、前述した第一、二番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。
図３に示すように、本実施形態に係るガス精製装置は、有機珪素系不純物１ａ及び硫黄系不純物１ｂを含有する原ガス１を精製するガス精製装置３０であって、吸着塔１１と、吸着塔１１の下方側（一方側）から上方側（他方側）へ前記原ガス１を流通させる第一のガス送給手段であるブロア１６、バルブ１８ａ〜１８ｃ等と、吸着塔１１を減圧排気する第一の減圧排気手段であるブロア１６、バルブ１９ａ，１９ｂ等と、吸着塔１１内の下方側（一方側）と上方側（他方側）とを仕切るように当該吸着塔１１内に配設され、上記有機珪素系不純物１ａを吸着するハニカム形状の高シリカゼオライトからなる有機珪素系不純物吸着剤１２と、吸着塔１１内の下方側（一方側）と上方側（他方側）とを仕切るように当該吸着塔１１内に配設され、上記硫黄系不純物１ｂを吸着するハニカム形状の高シリカゼオライトからなる硫黄系不純物吸着剤１３と、第二の処理槽である吸着塔３１と、吸着塔１１の下方側（一方側）から上方側（他方側）へ流通した精製ガス１ｄを前記吸着塔３１の下方側（一方側）から上方側（他方側）へ流通させる第二のガス送給手段であるブロア３６、バルブ３８ｂ，３８ｃ等と、吸着塔３１内を減圧排気する第二の減圧排気手段であるブロア３６、バルブ３９ａ，３９ｂ等と、吸着塔３１内の下方側（一方側）と上方側（他方側）とを仕切るように当該吸着塔３１内に配設され、二酸化炭素１ｃを吸着するハニカム形状のＸ型ゼオライトからなる二酸化炭素吸着剤２４とを備えると共に、上記有機珪素系不純物吸着剤１２が、原ガス１の流通方向において上記硫黄系不純物吸着剤１３よりも上流側に配設されているものである。
すなわち、前述した第二番目の実施形態に係るガス精製装置２０では、前記吸着剤１２，１３を配設した吸着塔１１内に前記吸着剤２４を配設するようにしたが、本実施形態に係るガス精製装置３０は、前記吸着剤１２，１３を配設した吸着塔１１とは別の新たな吸着塔３１内に前記吸着剤２４を配設するようにしたのである。
このような本実施形態に係るガス精製装置３０においては、前述した第一番目の実施形態に係るガス精製装置１０の場合と同様に操作すると同時に、バルブ３８ｂ，３８ｃを開放すると共に、バルブ３９ａ，３９ｂを閉鎖し、ブロア３６を作動させると、原ガス１は、吸着塔１１内に送給され、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記吸着剤１２，１３内を流通して前記不純物１ａ，１ｂが吸着除去されて精製ガス１ｄとなる。この精製ガス１ｄは、吸着塔１１の上方から送出され、ブロア３６により、吸着塔３１の下方から内部に送給され、前記吸着剤２４内を流通して二酸化炭素１ｃが吸着除去されて精製ガス１ｅとなる。この精製ガス１ｅは、吸着塔３１の上方から送出され、ガスエンジンやマイクロガスタービン等に供給されて、発電用の燃料等として利用される。
また、原ガス１の上記精製を所定量行ったら、前述した第一番目の実施形態に係るガス精製装置１０の場合と同様に操作し、吸着塔１１内を排気減圧して前記吸着剤１２，１３に吸着除去された前記不純物１ａ、１ｂを当該吸着剤１２，１３から離脱させて吸着塔１１内から回収する一方、バルブ３８ｂ，３８ｃを閉鎖すると共に、バルブ３９ａ，３９ｂを開放すると、吸着塔３１内が排気減圧され、前記吸着剤２４に吸着除去された二酸化炭素１ｃが当該吸着剤２４から離脱し、吸着塔３１内から排出されて回収される。
つまり、前述した第二番目の実施形態に係るガス精製装置２０においては、前記不純物１ａ，１ｂと二酸化炭素１ｃとを混在させた状態で回収するようにしていたが、本実施形態に係るガス精製装置３０においては、前記不純物１ａ，１ｂと二酸化炭素１ｃとを分けて回収できるようにしたのである。
このため、本実施形態に係るガス精製装置３０においては、原ガス１中の二酸化炭素１ｃを精製した状態で回収することができる。
したがって、本実施形態に係るガス精製装置３０によれば、前述した第二番目の実施形態に係るガス精製装置２０と同様な効果を得ることができるのはもちろんのこと、原ガス１中から回収した二酸化炭素１ｃを各種工業用原料に有効利用することができる。
［第四番目の実施形態］
本発明に係るガス精製装置の第四番目の実施形態を図４に基づいて説明する。図４は、ガス精製装置の概略構成図である。ただし、前述した第一〜三番目の実施形態の場合と同様な部分については、前述した第一〜三番目の実施形態の説明で用いた符号と同一の符号を用いることにより、前述した第一〜三番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。
図４に示すように、本実施形態に係るガス精製装置は、有機珪素系不純物１ａ及び硫黄系不純物１ｂを含有する原ガス１を精製するガス精製装置４０であって、複数（本実施形態では３つ）設けられて並列に連結されている吸着塔１１と、これら吸着塔１１の下方側（一方側）から上方側（他方側）へ前記原ガス１を流通させる第一のガス送給手段であるブロア１６、バルブ１８ｂ，１８ｃ等と、これら吸着塔１１を減圧排気する第一の減圧排気手段である真空ポンプ４６、サージタンク４７、バルブ１９ａ，４９ｂ等と、これら吸着塔１１内の下方側（一方側）と上方側（他方側）とを仕切るように当該吸着塔１１内にそれぞれ配設され、上記有機珪素系不純物１ａを吸着するハニカム形状の高シリカゼオライトからなる有機珪素系不純物吸着剤１２と、これら吸着塔１１内の下方側（一方側）と上方側（他方側）とを仕切るように当該吸着塔１１内にそれぞれ配設され、上記硫黄系不純物１ｂを吸着するハニカム形状の高シリカゼオライトからなる硫黄系不純物吸着剤１３と、これら吸着塔１１内の下方側（一方側）と上方側（他方側）とを仕切るように当該吸着塔１１内にそれぞれ配設され、二酸化炭素１ｃを吸着するハニカム形状のＸ型ゼオライトからなる二酸化炭素吸着剤２４と、排気された吸着塔１１内のガスを当該吸着塔１１の一方側から他方側へ再び流通させる排気再送給手段であるサージタンク４７、バルブ４９ａ等と、前記排気再送給手段で前記吸着塔１１内を流通した前記ガスを精製ガス１ｄ又は原ガス１と合流させる切換手段であるバルブ４９ｃ，４９ｄ等とを備えると共に、上記有機珪素系不純物吸着剤１２が、原ガス１の流通方向において上記硫黄系不純物吸着剤１３よりも上流側に配設され、上記二酸化炭素吸着剤２４が、原ガス１の流通方向において上記有機珪素系不純物吸着剤１２及び上記硫黄系不純物吸着剤１３よりも下流側に配設されているものである。
すなわち、本実施形態に係るガス精製装置４０は、前述した第二番目の実施形態に係るガス精製装置２０において、前記吸着塔１１を複数（本実施形態では３つ）設けて並列に連結すると共に、排気された吸着塔１１内のガスを当該吸着塔１１の一方側から他方側へ再び流通させて、精製ガス１ｅ又は原ガス１と合流させることができるようにしたものなのである。
このような本実施形態に係るガス精製装置４０においては、まず、１つの吸着塔１１（例えば、図４中、左側）において、前述した第二番目の実施形態に係るガス精製装置２０の場合と同様に操作することにより前記原ガス１を精製ガス１ｅに精製して、ガスエンジンやマイクロガスタービン等で発電用の燃料等として利用することができる。
上記吸着塔１１で原ガス１の上記精製を所定量行ったら、バルブ１８ｂ，１８ｃを閉鎖して、当該吸着塔１１での精製を一旦停止すると共に、他の吸着塔１１の一方（例えば、図４中、中央）において、バルブ１８ｂ，１８ｃを開放して、当該吸着塔１１での原ガス１の精製を開始することにより、原ガス１を精製する吸着塔１１を切り換える。
次に、原ガス１の精製を一旦停止した前記吸着塔１１において、バルブ１９ａを開放し（バルブ１８ｂ，１８ｃは閉鎖）、真空ポンプ４６を作動させることにより、当該吸着塔１１内を排気減圧し、当該吸着塔１１内の前記吸着剤１２，１３，２４に吸着除去された前記不純物１ａ、１ｂ及び二酸化炭素１ｃを当該吸着剤１２，１３，２４から離脱させて、当該吸着塔１１内からサージタンク４７内に回収する。
このとき、当該吸着塔１１内の上方に残っている精製ガス１ｅ（メタン）により、精製ガス１ｅの回収率が低くなってしまうことから、前記不純物１ａ、１ｂ及び二酸化炭素１ｃを当該吸着塔１１内からサージタンク４７内に回収したら、当該吸着塔１１において、バルブ１９ａを閉鎖すると共に、真空ポンプ４６の作動を停止する一方、バルブ４９ａ、４９ｃを開放すると（バルブ４９ｂは閉鎖）、サージタンク４７内の二酸化炭素１ｃ等が減圧下の当該吸着塔１１内に下方から再び流入し、当該吸着塔１１内の前記吸着剤２４等に再び吸着され、これに伴って、当該吸着剤２４等に吸着された精製ガス１ｅ（メタン）が当該吸着剤２４等から離出し、当該吸着塔１１の上方から送出され、当該吸着塔１１内に残っていた精製ガス１ｅ（メタン）が回収される。
このようにして上記吸着塔１１内に残った精製ガス１ｅ（メタン）をほとんど回収したら、当該吸着塔１１において、バルブ４９ｃを閉鎖すると共に、バルブ４９ｄを開放すると、当該吸着塔１１の上方から送出されるガス（わずかに精製ガス１ｅを含んでいる）は、前記ブロア１６からの原ガス１と共に、他の吸着塔１１の一方（例えば、図４中、中央）に供給されて、当該原ガス１と共に再び精製処理される。これにより、吸着塔１１内に残留するメタンがほぼすべて回収される。
また、他の吸着塔１１の一方（例えば、図４中、中央）で原ガス１の上記精製を所定量行ったら、バルブ１８ｂ，１８ｃを閉鎖して、当該吸着塔１１での精製を一旦停止すると共に、他の吸着塔１１の他方（例えば、図４中、右側）において、バルブ１８ｂ，１８ｃを開放して、当該吸着塔１１での原ガス１の精製を開始することにより、原ガス１を精製する吸着塔１１を切り換える。
以下、上述した手順を繰り返して、原ガス１を精製する吸着塔１１と、前記吸着剤１２，１３，２４に吸着されている前記不純物１ａ，１ｂ及び二酸化炭素１ｃの回収を行われる吸着塔１１とを順次切り換えることにより、原ガス１の精製を連続して行うことができる（通常、２つの吸着塔１１で精製処理を行い、残りの１つの吸着塔１１の再生処理を行う。）。
つまり、前述した第一〜三番目の実施形態に係るガス精製装置１０，２０，３０においては、原ガス１の精製をバッチ的に行うようにしたが、本実施形態に係るガス精製装置４０においては、原ガス１の精製を連続的に行うと共に、吸着塔１１内に残留する精製ガス１ｅをほぼすべて回収できるようにしたのである。
したがって、本実施形態に係るガス精製装置４０によれば、前述した第二番目の実施形態に係るガス精製装置２０と同様な効果を得ることができるのはもちろんのこと、原ガス１の精製処理の効率及び精製ガス１ｅの収率の向上を図ることができる。
［第五番目の実施形態］
本発明に係るガス精製装置の第五番目の実施形態を図５に基づいて説明する。図５は、ガス精製装置の概略構成図である。ただし、前述した第一〜四番目の実施形態の場合と同様な部分については、前述した第一〜四番目の実施形態の説明で用いた符号と同一の符号を用いることにより、前述した第一〜四番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。
図５に示すように、本実施形態に係るガス精製装置は、有機珪素系不純物１ａ及び硫黄系不純物１ｂを含有する原ガス１を精製するガス精製装置５０であって、複数（本実施形態では２つ）設けられて並列に連結されている吸着塔１１と、これら吸着塔１１の下方側（一方側）から上方側（他方側）へ前記原ガス１を流通させる第一のガス送給手段であるブロア１６、バルブ１８ｂ，１８ｃ等と、これら吸着塔１１を減圧排気する第一の減圧排気手段である真空ポンプ４６、バルブ１９ａ等と、これら吸着塔１１内の下方側（一方側）と上方側（他方側）とを仕切るように当該吸着塔１１内にそれぞれ配設され、上記有機珪素系不純物１ａを吸着するハニカム形状の高シリカゼオライトからなる有機珪素系不純物吸着剤１２と、これら吸着塔１１内の下方側（一方側）と上方側（他方側）とを仕切るように当該吸着塔１１内にそれぞれ配設され、上記硫黄系不純物１ｂを吸着するハニカム形状の高シリカゼオライトからなる硫黄系不純物吸着剤１３と、複数（本実施形態では３つ）設けられて並列に連結されている吸着塔３１と、前記吸着塔１１の下方側（一方側）から上方側（他方側）へ流通した精製ガス１ｄを前記吸着塔３１の下方側（一方側）から上方側（他方側）へ流通させる第二のガス送給手段であるブロア３６、バルブ５８ｂ，５８ｃ等と、これら吸着塔３１内を減圧排気する第二の減圧排気手段である真空ポンプ５６、バルブ４９ａ，４９ｂ等と、これら吸着塔３１内の下方側（一方側）と上方側（他方側）とを仕切るように当該吸着塔３１内にそれぞれ配設され、二酸化炭素１ｃを吸着するハニカム形状のＸ型ゼオライトからなる二酸化炭素吸着剤２４と、排気された吸着塔３１内のガスを当該吸着塔３１の一方側から他方側へ再び流通させると共に、さらに前記吸着塔１１の他方側から一方側へ再び流通させる排気再送給手段であるサージタンク４７、バルブ４９ａ，５９ｂ，５９ｃ等と、前記排気再送給手段で前記吸着塔３１内を流通した前記ガスを精製ガス１ｅ又は前記吸着塔１１の一方側から他方側へ流通した精製ガス１ｄと合流させる切換手段であるバルブ４９ｃ，４９ｄ等とを備えると共に、上記有機珪素系不純物吸着剤１２が、原ガス１の流通方向において上記硫黄系不純物吸着剤１３よりも上流側に配設され、上記二酸化炭素吸着剤２４が、原ガス１の流通方向において上記有機珪素系不純物吸着剤１２及び上記硫黄系不純物吸着剤１３よりも下流側に配設されているものである。
すなわち、本実施形態に係るガス精製装置５０は、前述した第三番目の実施形態に係るガス精製装置３０において、前記吸着塔１１を複数（本実施形態では２つ）設けて並列に連結すると共に、前記吸着塔３１を複数（本実施形態では３つ）設けて並列に連結し、排気された吸着塔３１内のガスを当該吸着塔３１の一方側から他方側へ再び流通させて、精製ガス１ｅ又は精製ガス１ｄと合流させることができるようにすると共に、排気された吸着塔３１内のガスをさらに吸着塔１１の他方側から一方側へ再び流通させるようにしたものなのである。
このような本実施形態に係るガス精製装置５０においては、まず、１つの吸着塔１１（例えば、図５中、左側）において、前述した第三番目の実施形態に係るガス精製装置３０の場合と同様に操作することにより、前記原ガス１を精製ガス１ｄに精製して、当該精製ガス１ｄを１つの吸着塔３１に送給することにより精製ガス１ｅに精製して、ガスエンジンやマイクロガスタービン等で発電用の燃料等として利用することができる。
前記吸着塔３１で精製ガス１ｄを精製ガス１ｅに所定量精製したら、前述した第四番目の実施形態に係るガス精製装置３０の場合と同様に操作することにより、精製ガス１ｄを精製ガス１ｅに精製する吸着塔３１を切り換えると共に、再生処理を行う。
他方、前記吸着塔１１で原ガス１を精製ガス１ｄに所定量精製したら、バルブ１８ｂ，１８ｃを閉鎖して、当該吸着塔１１での精製を一旦停止すると共に、他の吸着塔１１の一方（例えば、図５中、右側）において、バルブ１８ｂ，１８ｃを開放して、当該吸着塔１１での原ガス１の精製を開始することにより、原ガス１を精製する吸着塔１１を切り換える。
次に、原ガス１の精製を一旦停止した前記吸着塔１１において、前述した第二番目の実施形態に係るガス精製装置２０の場合と同様に操作することにより、バルブ１９ａを開放し、真空ポンプ４６を作動させることにより、当該吸着塔１１内を減圧排気し、当該吸着塔１１内の前記吸着剤１２，１３に吸着除去された前記不純物１ａ，１ｂを当該吸着剤１２，１３から離脱させて外部へ排出回収する。
ここで、前記吸着剤１２，１３に吸着している前記不純物１ａ，１ｂをできるだけ離脱させるため、当該吸着塔１１内をある程度まで減圧排気したら、当該吸着塔１１のバルブ５９ｃを開放すると共に、前記バルブ５９ｂを開放し、サージタンク４７内の二酸化炭素１ｃを減圧下の当該吸着塔１１内に上方から流入させることにより、当該吸着塔１１内の前記吸着剤１２，１３に吸着されている前記不純物１ａ，１ｂの当該吸着剤１２，１３からの離脱の容易化を図る。
以下、上述した手順を繰り返して、原ガス１を精製する吸着塔１１と、前記吸着剤１２，１３に吸着されている前記不純物１ａ，１ｂの回収を行われる吸着塔１１とを順次切り換えることにより、原ガス１の精製を連続して行うことができる。
つまり、前述した第四番目の実施形態に係るガス精製装置４０は、前述した第二番目の実施形態に係るガス精製装置２０を連続的に処理できるようにしたものであったが、本実施形態に係るガス精製装置５０は、前述した第三番目の実施形態に係るガス精製装置３０を連続的に処理できるようにしたものなのである。
したがって、本実施形態に係るガス精製装置５０によれば、前述した第三番目の実施形態に係るガス精製装置３０と同様な効果を得ることができると共に、前述した第四番目の実施形態に係るガス精製装置４０と同様な効果を得ることができる。
また、前記吸着塔１１内を減圧排気することにより、前記吸着剤１２，１３に吸着した前記不純物１ａ，１ｂを当該吸着剤１２，１３から離脱させる際に、前記吸着塔３１から回収した二酸化炭素１ｃを上記吸着塔１１の他方側から一方側へ再び流通させるようにしたので、当該吸着剤１２，１３からの前記不純物１ａ，１ｂの離脱の容易化を図ることができる。
［第六番目の実施形態］
本発明に係るガス精製装置を下水浄化処理設備に適用した場合の第六番目の実施形態を図６に基づいて説明する。図６は、下水浄化処理設備の概略構成図である。ただし、前述した第一〜五番目の実施形態の場合と同様な部分については、前述した第一〜五番目の実施形態の説明で用いた符号と同一の符号を用いることにより、前述した第一〜五番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。
図６に示すように、沈砂池１１１は、下水１００が送給され、砂利や砂等の沈降物１０１を沈降分離することができるようになっている。最初沈殿池１１２は、沈降物１０１を分離された下水１００ａが送給され、汚泥１０２を沈降分離することができるようになっている。曝気槽１１３は、汚泥１０２を分離された下水１００ｂが送給されると共に活性汚泥１０３が供給され、空気２のバブリングにより、当該下水１００ｂを微生物処理することができるようになっている。最終沈殿池１１４は、曝気されて活性汚泥１０３を含む下水１００ｃが送給され、当該活性汚泥１０３を沈降分離して、曝気槽１１３に戻して再利用することができるようになっている。分離された活性汚泥１０３は、消毒槽１１５は、活性汚泥１０３を分離された下水１００ｄが送給され、次亜塩素酸ナトリウム等の消毒剤３の添加により、当該下水１００ｄを消毒して、浄化排水１００ｅとして外部に放流することができるようになっている。
濃縮設備１１６は、前記最初沈殿池１１２で分離された汚泥１０２及び前記最終沈殿池１１４で分離された活性汚泥１０３の一部が送給され、遠心分離等により濃縮して、分離した水分１００ｆを沈砂池１１１に戻すことができるようになっている。発酵槽１１７は、濃縮されたスラリ状の汚泥１０２ａ（固形分約４％、水分約９６％）が送給され、当該汚泥１０２ａを発酵処理して消化ガス（原ガス１）を発生させることができるようになっている。脱水設備１１８は、発酵処理された汚泥１０２ｂが送給され、遠心分離等により脱水して、分離した水分１００ｇを沈砂池１１１に戻すことができるようになっている。乾燥設備１１９は、脱水された汚泥１０２ｃ（固形分約２０〜３０％、水分約７０〜８０％）が送給され、熱風等により乾燥して、分離した水分１００ｈを沈砂池１１１に戻すことができるようになっている。焼却設備１２０は、乾燥された汚泥１０２ｄ（固形分約７０％、水分約３０％）が送給され、当該汚泥１０２ｄを焼却処理して、焼却灰１０４とすることができるようになっている。
また、前記発酵槽１１７で発生した前記原ガス１（消化ガス）は、例えば前述した第五番目の実施形態に係るガス精製装置５０へ送給され、前述したように処理されることにより、有機珪素系不純物１ａ及び硫黄系不純物１ｂと、二酸化炭素１ｃと、精製ガス１ｅ（メタン）とに分離される。精製ガス１ｅは、前記焼却設備１２０へ送給されて燃料として利用されると共に、余剰分が回収されて他の用途に利用される。有機珪素系不純物１ａ及び硫黄系不純物１ｂは、前記焼却設備１２０へ送給されて前記汚泥１０２ｄと共に焼却処理される。二酸化炭素１ｃは、回収されて工業用等の各種用途に利用される。なお、焼却処理により硫黄系不純物１ｂから生成する酸化硫黄は、焼却設備１２０に備えられた排ガス処理装置により無害化される。
つまり、本実施形態に係る下水浄化処理設備１１０は、下水１００の汚泥１０２ａから生成する消化ガスを原ガス１としてメタンを精製ガス１ｅとして得るガス精製装置５０を備え、ガス精製装置５０で原ガス１から分離した精製ガス１ｅ（メタン）を焼却設備１２０の燃料に使用すると共に、ガス精製装置５０で原ガス１から分離した有機珪素系不純物１ａ及び硫黄系不純物１ｂを汚泥１０２ｄと共に焼却設備１２０で焼却処理できるようにしたものなのである。
したがって、本実施形態に係る下水浄化処理設備１１０によれば、消化ガスから精製回収したメタンガスを有効に利用することができるのはもちろんのこと、消化ガスから分離した有機珪素系不純物及び硫黄系不純物を簡単に処理することができる。
［第七番目の実施形態］
本発明に係るガス精製装置を下水浄化処理設備に適用した場合の第七番目の実施形態を図７に基づいて説明する。図７は、下水浄化処理設備の概略構成図である。ただし、前述した第一〜六番目の実施形態の場合と同様な部分については、前述した第一〜六番目の実施形態の説明で用いた符号と同一の符号を用いることにより、前述した第一〜六番目の実施形態での説明と重複する説明を省略する。
図７に示すように、曝気槽２１１は、発酵槽１１７で発酵処理された汚泥１０２ｂが送給され、例えば前述した第五番目の実施形態に係るガス精製装置５０で分離回収された有機珪素系不純物１ａ及び硫黄系不純物１ｂを当該汚泥１０２ｂ中に供給（曝気）することができるようになっている。
前記曝気槽２１１で曝気された汚泥１０２ｅは、前記脱水槽１１８に送給されて脱水され、分離した水分１００ｉが沈砂池１１１に戻される。この脱水された汚泥１０２ｆは、前記乾燥設備１１９に送給されて乾燥され、分離した水分１００ｊが沈砂池１１１に戻される。この乾燥された汚泥１０２ｇは、焼却処理されることなく廃棄処分される。
つまり、前述した第六番目の実施形態に係る下水浄化処理設備１１０は、汚泥１０２ｄを焼却処理する焼却設備１２０に有機珪素系不純物１ａ及び硫黄系不純物１ｂを供給して当該汚泥１０２ｄと共に焼却処理するようにしたが、本実施形態に係る下水浄化処理設備１１０は、消化ガスを発生した後の汚泥１０２ｂに有機珪素系不純物１ａ及び硫黄系不純物１ｂを戻すようにしたのである。
このため、本実施形態においては、焼却設備１２０が不要な比較的小規模の下水浄化処理設備２１０であっても、消化ガスからメタンを回収して有効利用することができると共に、分離回収した前記不純物１ａ，１ｂの後処理を行うことができる。
したがって、本実施形態に係る下水浄化処理設備２１０によれば、前述した第六番目の実施形態に係る下水浄化処理設備１１０の場合と同様な効果を得ることができる。
［他の実施形態］
なお、前述した第五番目の実施形態に係るガス精製装置５０においては、吸着塔１１の上流側に配設したブロア１６により、原ガス１を吸着塔１１内に送給するようにしたが、他の実施形態として、例えば、上記ブロア１６を省略して、図８に示すように、吸着塔１１と吸着塔３１との間に配設された前記ブロア３６により、原ガス１を吸引して吸着塔１１内に送給するようにしたガス精製装置６０を適用すれば、原ガス１中に含まれている硫黄系不純物１ｂによる腐食を防止するために高価な腐食性材料を用いるブロア１６を使用しなくても済み、低コスト化を図ることができる。さらに他の実施形態として、例えば、図９に示すように、吸着塔３１の下流側に前記ブロア３６を配設するようしたガス精製装置７０を適用すれば、二酸化炭素１ｃを除去された精製ガス１ｅを流通させるだけで済むようになるので、ブロア３６の吐出能力が小さくて済み、低コスト化をさらに図ることができる。
また、前述した第七番目の実施形態に係る下水浄化処理設備２１０においては、発酵槽１１７で発酵処理された汚泥１０２ｂを曝気槽２１１に送給して、当該曝気槽２１１内で有機珪素系不純物１ａ及び硫黄系不純物１ｂを曝気するようにしたが、他の実施形態として、例えば、図１０に示すように、前記曝気槽２１１を省略し、発酵槽１１７内で有機珪素系不純物１ａ及び硫黄系不純物１ｂを曝気するようにした下水浄化処理設備３１０を適用すれば、焼却設備のない小規模な既設の下水浄化処理設備に前述したようなガス精製装置５０を設置するだけでも済ますことができるので、低コスト化をさらに図ることができる。
また、前述した第六，七番目の実施形態に係る下水浄化処理設備１１０，２１０においては、第五番目の実施形態に係るガス精製装置５０を適用した場合について説明したが、第二〜四番目の実施形態に係るガス精製装置２０，３０，４０を下水浄化処理設備に適用することももちろん可能である。
また、前述した第一〜五番目の実施形態に係るガス精製装置１０，２０，３０，４０，５０において、吸着塔１１内の前記有機珪素系不純物吸着剤１２の原ガス１の流通方向上流側に水分を吸着除去する一般的なシリカゲル等の水分吸着剤を配設することも可能である。
また、前述した第一〜五番目の実施形態に係るガス精製装置１０，２０，３０，４０，５０では、原ガス１として、下水消化ガスや生ごみ発酵メタンガス等のバイオガスや、ごみなどの廃棄物を熱分解して生成した廃棄物熱分解ガス等を用いた場合について説明したが、有機珪素系不純物及び硫黄系不純物を含有するガスを精製する場合であれば、前述した第一〜五番目の実施形態の場合と同様にして適用することができる。
また、前述した第二〜五番目の実施形態に係るガス精製装置２０，３０，４０，５０は、単独での使用や、下水浄化処理設備に適用することができるのはもちろんのこと、前記バイオガスや前記熱分解ガス等が発生する各種の設備の後流側に連結して連続的に精製処理できるシステムとすることも可能である。
また、前述した第二〜五番目の実施形態に係るガス精製装置２０，３０，４０，５０では、精製ガス１ｅをガスエンジンやマイクロガスタービン等に供給して、発電用の燃料等として利用するようにしたが、例えば、燃料電池の燃料ガスに利用したり、各種化合物の原料（例えばジメチルエーテル等）に利用したりすることも可能である。
また、前述した第一〜五番目の実施形態に係るガス精製装置１０，２０，３０，４０，５０では、圧力スイング吸着（Pressure Swing Adsorption:PSA）により、上記原ガス１中の上記不純物１ａ，１ｂを除去するようにしたが、例えば、温度スイング吸着（Temperature Swing Adsorption:TSA）にも適用可能である。
本発明に係るガス精製装置の効果を確認するために以下のような試験を行った。
［Ａ．有機珪素系不純物吸着剤の効果確認試験］
図１１に示す小型カラム試験装置を用いて有機珪素系不純物吸着剤の効果確認試験を次のようにして行った。
窒素ガスボンベ５１１のバルブ５１１ａで吸着圧力を調整すると共に、シロキサン発生器５１２から発生した有機珪素系不純物１ａ（シロキサン）のガス及び窒素ガス４をマスフローコントローラ５１３ａ，５１３ｂで流量調整しながら濃度を調整し、開閉弁５１９ａ，５１９ｂを開放することにより、有機珪素系不純物吸着剤１２を充填したカラム５１４に供給し、当該カラム５１４内を流通したガス中のシロキサン濃度をＧＣ−ＭＳ等の分析計５１５で計測する（１回目）。
所定時間経過したら、開閉弁５１９ａ，５１９ｂを閉鎖して開閉弁５１９ｃ，５１９ｄを開放し、ヘリウムガスボンベ５１６のバルブ５１６ａを調整して、上記ガスと逆方向にヘリウムガス５をパージガスとしてカラム５１４内に供給することにより、上記吸着剤１２に吸着された上記不純物１ａ（シロキサン）のうち、分圧に対して可逆な濃度分をほとんど除去する（逆洗）。上記吸着剤１２から可逆分の上記不純物１ａ（シロキサン）をほとんど除去したら、開閉弁５１９ｃ，５１９ｄを閉鎖して開閉弁５１９ａ，５１９ｂを開放し、上記不純物１ａ（シロキサン）のガスをカラム５１４内に再び供給して、カラム５１４内を流通したガス中のシロキサン濃度を分析計５１５で計測する（２回目）。
このようにしてシロキサン濃度を計測することにより、１回目において、上記吸着剤１２の上記不純物１ａに対する総吸着量を求め、２回目において、上記吸着剤１２の上記不純物１ａに対する可逆吸着量を求め、１回目と２回目との差分を求めることにより、上記吸着剤１２の上記不純物１ａに対する不可逆吸着量を求めた。
このときの試験条件を下記に示し、その結果（不可逆吸着量）を図１２に示す。
＜有機珪素系不純物＞
ヘキサメチルジシロキサン（ＨＭＤＳ）、デカメチルテトラシロキサン（ＤＭＴＳ）の二種類
＜有機珪素系不純物吸着剤＞
ＭＣＭ−４１、ＵＳＹ、シリカライト、ＭＣＭ−４８、ＵＳＭの五種類
＜不純物濃度＞
・ＨＭＤＳの場合：７００ｐｐｍ
・ＤＭＴＳの場合：９０ｐｐｍ
＜吸着剤充填量＞
０．９ｇ
＜吸着温度＞
２５℃
＜吸着圧力＞
１２０ｋＰａ
＜吸着時間＞
３０〜４２０秒
＜逆洗時間＞
６００秒
図１２からわかるように、ＭＣＭ−４１、ＵＳＹ、ＭＣＭ−４８、ＵＳＭは、ＨＭＤＳ及びＤＭＴＳの両者に対して、高い可逆吸着性能を示した。特に、ＭＣＭ−４１、ＵＳＹは、ＨＭＤＳ及びＤＭＴＳの両者に対して、非常に高い可逆吸着性能を示し、なかでも、ＵＳＹは、ＨＭＤＳ及びＤＭＴＳの両者に対して、最も高い可逆吸着性能を示した。
［Ｂ．硫黄系不純物吸着剤の効果確認試験］
図１３に示す小型カラム試験装置を用いて硫黄系不純物吸着剤の効果確認試験を次のようにして行った。
窒素ガスボンベ５１１のバルブ５１１ａ及びメルカプタンガスボンベ５２２のバルブ５２２ａで吸着圧力を調整すると共に、窒素ガス４及び硫黄系不純物１ｂのガスをマスフローコントローラ５１３ａ，５１３ｂで流量調整しながら濃度を調整し、開閉弁５１９ａ，５１９ｂを開放することにより、硫黄系不純物吸着剤１３を充填したカラム５１４に供給し、当該カラム５１４内を流通したガス中のメルカプタン濃度をＧＣ−ＭＳ等の分析計５１５で計測する（１回目）。
所定時間経過したら、開閉弁５１９ａ，５１９ｂを閉鎖して開閉弁５１９ｃ，５１９ｄを開放し、ヘリウムガスボンベ５１６のバルブ５１６ａを調整して、上記ガスと逆方向にヘリウムガス５をパージガスとしてカラム５１４内に供給することにより、上記吸着剤１３に吸着された上記不純物１ｂ（メルカプタン）のうち、分圧に対して可逆な濃度分をほとんど除去する（逆洗）。上記吸着剤１３から可逆分の上記不純物１ｂ（メルカプタン）をほとんど除去したら、開閉弁５１９ｃ，５１９ｄを閉鎖して開閉弁５１９ａ，５１９ｂを開放し、上記不純物１ｂ（メルカプタン）のガスをカラム５１４内に再び供給して、カラム５１４内を流通したガス中のメルカプタン濃度を分析計５１５で計測する（２回目）。
このようにしてメルカプタン濃度を計測することにより、１回目において、上記吸着剤１３の上記不純物１ｂに対する総吸着量を求め、２回目において、上記吸着剤１３の上記不純物１ｂに対する可逆吸着量を求め、１回目と２回目との差分を求めることにより、上記吸着剤１３の上記不純物１ｂに対する不可逆吸着量を求めた。
このときの試験条件を下記に示し、その結果（不可逆吸着量）を図１４に示す。
＜硫黄系不純物＞
メチルメルカプタン
＜有機珪素系不純物吸着剤＞
ＭＣＭ−４１、ＵＳＹ、シリカライト、石英ビーズの四種類
＜不純物濃度＞
１００ｐｐｍ
＜吸着剤充填量＞
４〜６ｇ
＜吸着温度＞
２５℃
＜吸着圧力＞
１２０ｋＰａ
＜吸着時間＞
１０〜６０秒
＜逆洗時間＞
５〜７０秒
図１４からわかるように、シリカライトは、メチルメルカプタンに対して、非常に高い可逆吸着性能を示した。
［Ｃ．二酸化炭素吸着剤の効果確認試験］
図１５に示す小型カラム試験装置を用いて二酸化炭素吸着剤の効果確認試験を次のようにして行った。
メタンガスボンベ５３１のバルブ５２１ａ及び二酸化炭素ガスボンベ５３２のバルブ５３２ａで吸着圧力を調整すると共に、メタンガス６及び二酸化炭素１ｃをマスフローコントローラ５１３ａ，５１３ｂで流量調整しながら濃度を調整し、開閉弁５１９ａ，５１９ｂを開放することにより、二酸化炭素吸着剤２４を充填したカラム５１４に供給し、当該カラム５１４内を流通したガス中の二酸化炭素濃度及びメタン濃度をＧＣ−ＭＳ等の分析計５１５で計測する（１回目）。
所定時間経過したら、開閉弁５１９ａ，５１９ｂを閉鎖して開閉弁５１９ｃ，５１９ｄを開放し、ヘリウムガスボンベ５１６のバルブ５１６ａを調整して、上記ガスと逆方向にヘリウムガス５をパージガスとしてカラム５１４内に供給することにより、上記吸着剤２４に吸着された二酸化炭素１ｃ及びメタン６のうち、分圧に対して可逆な濃度分をほとんど除去する（逆洗）。上記吸着剤２４から可逆分の二酸化炭素１ｃ及びメタン６をほとんど除去したら、開閉弁５１９ｃ，５１９ｄを閉鎖して開閉弁５１９ａ，５１９ｂを開放し、二酸化炭素１ｃ及びメタンガス５をカラム５１４内に再び供給して、カラム５１４内を流通したガス中の二酸化炭素濃度及びメタン濃度を分析計５１５で計測する（２回目）。
このようにして二酸化炭素濃度及びメタン濃度を計測することにより、１回目において、上記吸着剤２４の二酸化炭素１ｃ及びメタン６に対する総吸着量をそれぞれ求め、２回目において、上記吸着剤２４の二酸化炭素１ｃ及びメタン６に対する可逆吸着量をそれぞれ求め、１回目と２回目との差分を求めることにより、上記吸着剤２４の二酸化炭素１ｃ及びメタン６に対する不可逆吸着量をそれぞれ求めると共に、上記吸着剤２４の二酸化炭素１ｃとメタン６との分離係数を求めた。
このときの試験条件を下記に示し、その結果（不可逆吸着量及び分離係数）を図１６に示す。
＜ガス組成＞
二酸化炭素：約３３vol.％、メタン：約６２vol.％、その他（窒素等）：約５vol.％
＜二酸化炭素吸着剤＞
Ｘ型ゼオライト
・交換カチオン：Ｎａ，Ｃａ，Ｌｉ，Ｓｒ，Ｍｇの五種類
（Ｎａ−Ｘ，Ｃａ−Ｘ，Ｌｉ−Ｘ，Ｓｒ−Ｘ，Ｍｇ−Ｘの五種類のゼオライト）
・シリカ／アルミナ比：２、２．３、２．５、３、５の五種類
＜吸着剤充填量＞
１０〜１５ｇ
＜吸着温度＞
２５℃
＜吸着圧力＞
１２０ｋＰａ
＜吸着時間＞
３０〜４２０秒
＜逆洗時間＞
６００秒
なお、分離係数αは、下記の式（１）で定義され、二酸化炭素とメタンとの可逆的吸着量の比を表わす値であり、その値が大きいほど、二酸化炭素をより選択的に吸着することを示す。
α=（ｑCO2／ＰCO2）／（ｑCH4／ＰCH4） （１）
ただし、ＰCO2は二酸化炭素の分圧、ＰCH4はメタンの分圧、ｑCO2は二酸化炭素の平衡吸着量、ｑCH4はメタンの平衡吸着量である。
図１６からわかるように、すべての種類の二酸化炭素吸着剤において、シリカ／アルミナ比が２〜２．５であると、二酸化炭素及びメタンの可逆的吸着量及び二酸化炭素とメタンとの分離係数αが高く、特に、シリカ／アルミナ比が２であると、二酸化炭素及びメタンの可逆的吸着量及び二酸化炭素とメタンとの分離係数αが最も高いことが明らかとなった。
また、シリカ／アルミナ比が２の場合、二酸化炭素の可逆的吸着量は、Ｎａ−Ｘ（８５．４ｍｌ／ｇ）、Ｍｇ−Ｘ（１０１．１ｍｌ／ｇ）、Ｃａ−Ｘ（１１２．３ｍｌ／ｇ）、Ｓｒ−Ｘ（１２３．５ｍｌ／ｇ）、Ｌｉ−Ｘ（１５７．２ｍｌ/ｇ）の順に大きくなる一方、二酸化炭素とメタンとの分離係数αは、Ｃａ−Ｘ（６．５）、Ｌｉ−Ｘ（７．９）、Ｍｇ−Ｘ（８．３）、Ｓｒ−Ｘ（８．４）、Ｎａ−Ｘ（１１．０）の順に大きくなることが明らかとなった。
よって、二酸化炭素の可逆的吸着性能を優先する場合には、二酸化炭素吸着剤２４としてＬｉを交換カチオンとしたＸ型ゼオライト（Ｌｉ−Ｘ）を適用すると最も好ましく、二酸化炭素とメタンとの分離性能を優先する場合には、二酸化炭素吸着剤２４としてＮａを交換カチオンとしたＸ型ゼオライト（Ｎａ−Ｘ）を適用すると最も好ましい。
本発明に係るガス精製装置は、例えば、下水浄化処理設備に適用することにより、高純度なメタンガスを得ることができ、これを焼却設備の燃料に利用することができるだけではなく、ガスエンジンやマイクロガスタービン等に供給して、発電用の燃料として利用したり、燃料電池の燃料ガスや、各種化合物の原料（例えばジメチルエーテル等）に利用したりすることもできるため、産業上、極めて有益に利用することができる。
本発明に係るガス精製装置の第一番目の実施形態の概略構成図である。 本発明に係るガス精製装置の第二番目の実施形態の概略構成図である。 本発明に係るガス精製装置の第三番目の実施形態の概略構成図である。 本発明に係るガス精製装置の第四番目の実施形態の概略構成図である。 本発明に係るガス精製装置の第五番目の実施形態の概略構成図である。 本発明に係るガス精製装置を下水浄化処理設備に適用した場合の第六番目の実施形態の概略構成図である。 本発明に係るガス精製装置を下水浄化処理設備に適用した場合の第七番目の実施形態の概略構成図である。 本発明に係るガス精製装置の他の実施形態の概略構成図である。 本発明に係るガス精製装置のさらに他の実施形態の概略構成図である。 本発明に係るガス精製装置を下水浄化処理設備に適用した場合の他の実施形態の概略構成図である。 有機珪素系不純物吸着剤の効果確認試験に用いた小型カラム試験装置の概略構成図である。 有機珪素系不純物吸着剤の効果確認試験の試験結果を表すグラフである。 硫黄系不純物吸着剤の効果確認試験に用いた小型カラム試験装置の概略構成図である。 硫黄系不純物吸着剤の効果確認試験の試験結果を表すグラフである。 二酸化炭素吸着剤の効果確認試験に用いた小型カラム試験装置の概略構成図である。 二酸化炭素吸着剤の効果確認試験の試験結果を表すグラフである。
符号の説明
１ 原ガス
１ａ 有機珪素系不純物
１ｂ 硫黄系不純物
１ｃ 二酸化炭素
１ｄ，１ｅ 精製ガス
２ 空気
３ 消毒剤
４ 窒素ガス
５ ヘリウムガス
６ メタンガス
１０ ガス精製装置
１１ 吸着塔
１２ 有機珪素系不純物吸着剤
１３ 硫黄系不純物吸着剤
１６ ブロア
１８ａ〜１８ｃ，１９ａ，１９ｂ バルブ
２０ ガス精製装置
２４ 二酸化炭素吸着剤
３０ ガス精製装置
３１ 吸着塔
３６ ブロア
３８ｂ，３８ｃ，３９ａ，３９ｂ バルブ
４０ ガス精製装置
４６ 真空ポンプ
４７ サージタンク
４９ａ〜４９ｄ バルブ
５６ 真空ポンプ
５８ｂ，５８ｃ，５９ａ〜５９ｃ バルブ
６０，７０ ガス精製装置
１００ 下水
１００ａ〜１００ｄ 処理途中の下水
１００ｅ 浄化排水
１００ｆ〜１００ｊ 処理途中の水分
１０２ 汚泥
１０２ａ〜１０２ｆ 処理途中の汚泥
１０２ｇ 処理済の汚泥
１０３ 活性汚泥
１１０ 下水浄化処理設備
１１１ 沈砂池
１１２ 最初沈殿池
１１３ 曝気槽
１１４ 最終沈殿池
１１５ 消毒槽
１１６ 濃縮設備
１１７ 発酵槽
１１８ 脱水設備
１１９ 乾燥設備
１２０ 焼却設備
２１０ 下水浄化処理設備
２１１ 曝気槽
３１０ 下水浄化処理設備
５１１ 窒素ガスボンベ
５１１ａ バルブ
５１２ シロキサン発生器
５１３ａ，５１３ｂ マスフローコントローラ
５１４ カラム
５１５ 分析計
５１６ ヘリウムガスボンベ
５１６ａ バルブ
５１７ａ，５１７ｂ 圧力計
５１８ａ，５１８ｂ 流量計
５１９ａ〜５１９ｄ 開閉弁
５２２ メルカプタンガスボンベ
５２２ａ バルブ
５３１ メタンガスボンベ
５３１ａ バルブ
５３２ 二酸化炭素ボンベ
５３２ａ バルブ

Claims (15)

  1. 硫黄系不純物及び有機珪素系不純物を含有する原ガスを精製するガス精製装置であって、
    第一の処理槽と、
    前記第一の処理槽の一方側から他方側へ前記原ガスを流通させる第一のガス送給手段と、
    前記第一の処理槽内を減圧排気する第一の減圧排気手段と、
    前記第一の処理槽内の一方側と他方側とを仕切るように当該第一の処理槽内に配設され、前記有機珪素系不純物を吸着する有機珪素系不純物吸着剤と、
    前記第一の処理槽内の一方側と他方側とを仕切るように当該第一の処理槽内に配設され、前記硫黄系不純物を吸着する硫黄系不純物吸着剤と
    を備え、
    前記有機珪素系不純物吸着剤が、ＭＣＭ−４１、ＵＳＹ、ＭＣＭ−４８、ＵＳＭのうちのいずれかであり、
    前記硫黄系不純物吸着剤が、シリカライトである
    ことを特徴とするガス精製装置。
  2. 請求項１において、
    前記第一の処理槽内の一方側と他方側とを仕切るように当該第一の処理槽内に配設され、二酸化炭素を吸着する二酸化炭素吸着剤を備え、
    前記二酸化炭素吸着剤が、Ｌｉ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｍｇ，Ｎａのうちのいずれかを交換カチオンとしたＸ型ゼオライトである
    ことを特徴とするガス精製装置。
  3. 請求項１において、
    第二の処理槽と、
    前記第一の処理槽の一方側から他方側へ流通したガスを前記第二の処理槽の一方側から他方側へ流通させる第二のガス送給手段と、
    前記第二の処理槽内を減圧排気する第二の減圧排気手段と、
    前記第二の処理槽内の一方側と他方側とを仕切るように当該第二の処理槽内に配設され、二酸化炭素を吸着する二酸化炭素吸着剤と
    を備え、
    前記二酸化炭素吸着剤が、Ｌｉ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｍｇ，Ｎａのうちのいずれかを交換カチオンとしたＸ型ゼオライトである
    ことを特徴とするガス精製装置。
  4. 請求項２又は請求項３において、
    前記二酸化炭素吸着剤が、シリカ／アルミナ比を２〜２．５としたＸ型ゼオライトである
    ことを特徴とするガス精製装置。
  5. 請求項１又は請求項２において、
    前記第一の処理槽が複数設けられて並列に連結されている
    ことを特徴とするガス精製装置。
  6. 請求項３において、
    前記第一の処理槽が複数設けられて並列に連結されていると共に、
    前記第二の処理槽が複数設けられて並列に連結されている
    ことを特徴とするガス精製装置。
  7. 請求項５において、
    排気された前記第一の処理槽内のガスを当該第一の処理槽の一方側から他方側へ再び流通させる排気再送給手段と、
    前記排気再送給手段で前記第一の処理槽内を流通した前記ガスを精製ガス又は原ガスと合流させる切換手段と
    を備えていることを特徴とするガス精製装置。
  8. 請求項６において、
    排気された前記第二の処理槽内のガスを当該第二の処理槽の一方側から他方側へ再び流通させる排気再送給手段と、
    前記排気再送給手段で前記第二の処理槽内を流通した前記ガスを精製ガス又は前記第一の処理槽の一方側から他方側へ流通したガスと合流させる切換手段と
    を備えていることを特徴とするガス精製装置。
  9. 請求項８において、
    前記排気再送給手段が、排気された前記第二の処理槽内のガスをさらに前記第一の処理槽の他方側から一方側へ再び流通させるものである
    ことを特徴とするガス精製装置。
  10. 請求項１から請求項９のいずれかにおいて、
    前記有機珪素系不純物吸着剤が、ガスの流通方向において前記硫黄系不純物吸着剤よりも上流側に配設されている
    ことを特徴とするガス精製装置。
  11. 請求項２において、
    前記二酸化炭素吸着剤が、ガスの流通方向において前記有機珪素系不純物吸着剤及び前記硫黄系不純物吸着剤よりも下流側に配設されている
    ことを特徴とするガス精製装置。
  12. 請求項１から請求項１１のいずれかにおいて、
    前記吸着剤が、ハニカム形状をなしている
    ことを特徴とするガス精製装置。
  13. 請求項１から請求項１２のいずれかにおいて、
    前記原ガスが、バイオガス又は廃棄物熱分解ガスである
    ことを特徴とするガス精製装置。
  14. 下水を浄化処理する下水浄化処理設備であって、
    前記下水の汚泥から生成する消化ガスを原ガスとして、メタンを精製ガスとして得る請求項１から請求項１２のいずれかのガス精製装置を備え、
    前記ガス精製装置で前記原ガスから分離した前記精製ガスを焼却設備の燃料に使用し、 前記ガス精製装置で前記原ガスから分離した前記有機珪素系不純物及び前記硫黄系不純物を前記焼却設備で焼却処理する
    ことを特徴とする下水浄化処理設備。
  15. 下水を浄化処理する下水浄化処理設備であって、
    前記下水の汚泥から生成する消化ガスを原ガスとして、メタンを精製ガスとして得る請求項１から請求項１２のいずれかのガス精製装置を備え、
    前記ガス精製装置で前記原ガスから分離した前記有機珪素系不純物及び前記硫黄系不純物を前記汚泥中に戻す
    ことを特徴とする下水浄化処理設備。
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