バイオガス精製装置の種類と選び方　脱硫・CO₂除去装置

バイオガスプラントの精製装置は、硫化水素（H₂S）やCO₂を除去し、ガス品質を利用用途に応じたレベルに高めるための設備です。

発電利用であれば脱硫装置が中心になりますが、都市ガス導管への注入やバイオメタン製造には、CO₂除去装置（アップグレーディング装置）の導入が必要になります。

この記事では、バイオガスプラントで使用される脱硫装置・CO₂除去装置・除湿装置を、仕様・コスト・メンテナンス面から比較し、プラントの規模や原料・用途に応じた選定ポイントを解説します。

バイオガス精製の原理やプロセスの詳細は「バイオガス精製技術　脱硫・CO₂除去・バイオメタン化の方法」をご参照ください。

バイオガス精製装置とは　ガスクリーニングとアップグレーディング

バイオガス精製装置は、メタン発酵で生成されたバイオガスから不純物を除去するための設備群で、精製装置は大きく2つの工程に分けられます。

• ガスクリーニング装置（脱硫・除湿・シロキサン除去）：H₂Sや水分、シロキサンなどの有害成分を除去する装置です。ガスエンジン発電やボイラー利用など、ほとんどのバイオガス利用で設置が必須となります。
• アップグレーディング装置（CO₂除去装置）：バイオガス中のCO₂を除去してメタン濃度を95%以上に高め、天然ガスと同等品質の「バイオメタン」を製造する装置です。都市ガス導管注入や車両燃料（bio-CNG/LNG）利用時に必要となります。

これらの装置構成はプラントの利用用途によって異なるため、計画段階での適切な選定がプラントの収益性と安定運用に直結します。

バイオガス精製装置の用途別構成

バイオガス精製装置は、メタン発酵槽とエネルギー利用設備（CHP、ガス導管注入設備など）の間に設置され、一般的なフローは以下のような流れとなります。

1. 一次脱硫 → 除湿（ガス冷却・ドレン除去）
2. 二次脱硫（精密脱硫）
3. 脱炭酸（バイオメタン化の場合）
4. 品質調整・加圧

設備構成はプラントの利用目的により大きく異なり、CHP利用は一次脱硫＋除湿で十分ですが、都市ガス導管注入やRNG（再生可能天然ガス）向けは、脱炭酸装置を含むフルスペックの精製ラインが必要です。

ガスエンジンメーカーによって許容H₂S濃度は異なり、同一のエンジンでも入口のH₂S濃度によって、オイル交換頻度やメンテナンスコストが変動します。

脱硫装置の種類と仕様比較

脱硫装置はバイオガスプラントにおける最も基本的な精製設備で、H₂Sの除去は発電設備の保護と、プラントの安定運用に不可欠です。

乾式脱硫装置（酸化鉄・活性炭吸着塔）

円筒形の脱硫塔に酸化鉄（Fe₂O₃）ペレットや活性炭を充填し、バイオガスを通過させて硫化水素を化学吸着する装置です。

小規模のバイオガスプラント（50Nm³/h以下）や、精密脱硫の最終段として広く使われています。

乾式脱硫装置の主な仕様

• 処理ガス流量：数十～数千 Nm³/h に対応可能
• 入口H₂S濃度：数百ppm以下の低～中濃度が適正範囲
• 出口H₂S濃度：数ppm～数十ppm（活性炭添着型では1ppm以下も可能）
• 装置形式：縦型円筒タンク（1塔式または2塔切替式）
• 設置面積：小～中（コンパクト設計が可能）

吸着剤の交換サイクルは通常6〜12か月で、定期的な交換が必要です。また、使用済み吸着剤は硫化水素を含むため、産業廃棄物として適切に処理する必要があります。

2塔切替式を採用すれば、一方を運転しながらもう一方の吸着剤を交換でき、連続運転が可能になります。H₂S濃度が高い場合は、前段に生物脱硫を設置する多段構成が一般的です。

生物脱硫装置（微生物脱硫塔）

硫黄酸化細菌が付着した充填材を内蔵した塔型装置で、バイオガスと少量の空気を送り込み、硫化水素(H₂S)を酸化分解します。発酵槽上部に設置するインサイチュ方式と、独立したスクラバー塔方式があります。

ガスホルダーと一体化したタイプ（ガスホルダー内壁に微生物を定着させる方式）もあり、独立装置を設置するスペースがない場合にも導入可能です。

生物脱硫装置の主な仕様

• 処理ガス流量：数百～数万 Nm³/h（大流量に対応しやすい）
• 入口H₂S濃度：数千ppm以上の高濃度にも対応
• 出口H₂S濃度：100～500ppm程度（単独での精密脱硫は困難）
• 装置形式：充填塔型、ガスホルダー一体型
• 設置面積：中～大

吸着剤が不要でランニングコストが低い点が最大のメリットです。装置寿命は15〜20年と長く、年1回程度の充填材洗浄で、長期的に安定した処理効果が得られます。

ただし、微生物の培養（特にプラント起動時の立ち上げ）にはノウハウが必要で、温度・pH・酸素供給量の適正管理が求められます。空気によるバイオガスへのN₂混入（0.5～3%程度）にも留意が必要です。

実務上は、生物脱硫装置で大半のH₂Sを除去（一次脱硫）し、乾式脱硫装置で仕上げる（二次脱硫）組み合わせが多くのプラントで採用されています。

この構成により、乾式吸着剤の消費量と交換頻度を削減でき、トータルの維持管理コストを最適化できます。

湿式脱硫装置（スクラバー方式）と槽内脱硫

湿式脱硫装置

苛性ソーダ（NaOH）水溶液や、キレート鉄溶液を循環させる洗浄塔（スクラバー）で、硫化水素を化学吸収する装置です。H₂S濃度が数万ppmに達する超高濃度ガスの処理に有効です。

薬品補充と排水処理の負担が大きく、国内のバイオガスプラントではあまり採用されていません。装置には耐腐食性の高い素材（SUS316L、FRP等）が使用されます。

槽内脱硫（発酵槽内空気導入方式）

メタン発酵槽のヘッドスペースに微量の空気を導入し、槽内に自然発生する硫黄酸化細菌の作用でH₂Sを分解する方式です。

追加の装置設置が不要なため、極めて低コストですが、空気導入量の精密制御が必要で、単独での脱硫は不十分です。補助的な一次脱硫として、他の脱硫装置と併用するのが一般的です。

脱硫装置の仕様比較

CO₂除去装置（アップグレーディング装置）の種類と仕様比較

バイオメタン製造が目的の場合、バイオガス中のおよそ30～50%を占めるCO₂を除去し、メタン濃度を95%以上に高めるCO₂除去装置（アップグレーディング装置）が必要です。

欧州のバイオメタンプラントでは、膜分離法の採用率がおよそ半分を占めており、近年はPSA/VPSA装置やアミン洗浄装置の採用も増加しています。

膜分離装置

ポリイミドやセルロースアセテートなどの高分子膜モジュールを用い、ガス透過速度の差を利用してCO₂とメタンを分離する装置です。CO₂は膜を透過しやすく、メタンは透過しにくい性質を利用します。

膜分離装置の仕様と特性

• メタン純度：95～99%（多段構成で高純度化）
• メタンロス：1～5%（段数・構成による）
• エネルギー消費：約0.2～0.3 kWh/Nm³
• 前処理要件：H₂S除去・除湿が必須（膜の劣化防止）

可動部が少なくメンテナンスが容易で、モジュール構成のため増設・交換が柔軟にできます。

膜分離技術では、欧州のAir LiquideやProdeval（仏）などが世界的なシェアを持ちます。北海道鹿追町では、膜分離法とPSA法を組み合わせたハイブリッド方式が稼働しています。

PSA(Pressure Swing Adsorption)・VPSA装置

ゼオライトやカーボンモレキュラーシーブなど、吸着剤を充填した複数の吸着塔を用い、加圧吸着と減圧脱着のサイクルを繰り返してCO₂を選択的に除去する装置です。

VPSA（Vacuum Pressure Swing Adsorption）は、真空ポンプを併用して再生効率を高めています。

PSA・VPSA装置の仕様と特性

• メタン純度：95～99%
• メタンロス：1～3%（VPSA方式では1%以下も可能）
• エネルギー消費：約0.2～0.3 kWh/Nm³
• 前処理要件：H₂S除去・除湿が必須（吸着剤の劣化防止）

小規模から大規模まで柔軟に対応でき、薬液が不要なため比較的クリーンな運転が可能です。

旭化成が岡山県倉敷市の児島下水処理場で実証したPVSA方式では、メタン純度97%以上・回収率99.5%以上を達成しています

参考記事：旭化成が高純度バイオメタン精製の実証試験に成功

アミン洗浄装置（アミンスクラビング）

MDEA（メチルジエタノールアミン）などのアミン溶液でCO₂を化学吸収し、加熱再生で脱離・回収する装置です。

アミン洗浄装置の仕様と特性

• メタン純度：97～99.5%
• メタンロス：0.1～0.5%（全方式中最小）
• エネルギー消費：約0.12～0.17 kWh/Nm³（電力）＋ 約0.5～0.8 kWh/Nm³（熱エネルギー）
• 前処理要件：事前のH₂S除去を推奨

メタンロスが極めて小さく、ガス販売収入の面で有利です。ただし、溶液再生に多量の熱が必要なため、コージェネレーション（CHP）の排熱が利用できる環境に適しています。

アミン溶液は経年劣化するため、補充・交換コストと溶液管理が必要です。

水洗式精製装置（水スクラビング・PWS）

バイオガスを7～10barに加圧し、吸収塔内で高圧水と向流接触させて、CO₂を水に溶解・分離する装置です。CO₂を吸収した水はフラッシュタンクと脱気塔で再生し、循環利用します。

水洗式精製装置の仕様と特性

• メタン純度：95～98%
• メタンロス：2～4%（水への溶解損失）
• エネルギー消費：約0.25～0.3 kWh/Nm³
• 水使用量：大量（排水処理が必要な場合あり）
• 前処理要件：事前のH₂S除去が必須

世界的に最も実績が豊富で、運転安定性も高いですが、装置が大型化する傾向があり、メタンロスが比較的大きい点が課題です。下水処理場など水資源が豊富な立地では有利です。

CO₂除去装置（アップグレーディング）の仕様比較表

除湿装置・シロキサン除去装置

除湿装置

メタン発酵槽から排出されるバイオガスは、水蒸気で飽和しています。配管内での凝縮水の発生は腐食や閉塞の原因となるため、ガスクーラー（冷却式凝縮器）やデミスター（液滴分離器）で水分を除去します。

PSA装置や膜分離装置を後段に設置する場合、前処理としての除湿は装置保護のために必須です。

シロキサン除去装置

シロキサンは主に下水汚泥由来のバイオガスに含まれるシリコン化合物です。燃焼時に二酸化ケイ素（SiO₂）に変化し、ガスエンジン内部に硬質な堆積物を形成して、エンジン寿命を著しく縮めます。

活性炭吸着塔による除去が一般的で、専用のシロキサン除去装置も市販されています。家畜ふん尿や食品残さを原料とするプラントではシロキサン濃度が低いため、除去装置が不要な場合も多いです。

バイオガス精製装置の選定ポイントと導入コスト

バイオガス精製装置の選定は、プラントの事業収支と長期的な運用効率を左右する重要な要素です。

プラント規模・原料別の推奨装置構成

小規模農業系プラント（ガス量～200 Nm³/h、発電利用）

乾式脱硫装置のみ、または槽内脱硫＋乾式脱硫の組み合わせで十分な場合が多く、H₂S濃度が低い原料（家畜ふん尿主体）であれば、装置構成をシンプルに保ち、CAPEXを抑制できます。

中規模プラント（200～1,000 Nm³/h、発電利用）

生物脱硫装置（一次脱硫）＋乾式脱硫装置（二次脱硫）の組み合わせが標準的で、H₂S濃度が高い原料（下水汚泥・食品残さ）では、この組み合わせによるランニングコスト削減効果が大きくなります。

バイオメタン製造プラント（都市ガス注入・車両燃料用）

バイオメタンは品質に厳しい制約があるため、脱硫装置に加えてCO₂除去装置の導入が必要になります。

コスト面で見ると、小規模であれば膜分離装置かPSA/VPSA装置、大規模であればアミン洗浄装置か水洗式装置の導入が有利となる傾向があります。

コジェネレーションシステム（CHP）の排熱が利用可能な場合は、アミン洗浄装置のOPEXが削減できます。

導入コストの目安（CAPEX・OPEX）

バイオガス精製装置のコストはガス処理量や要求仕様によって大きく変動するため、以下はあくまで一般的な目安となります。

正確なコスト見積もりには、原料組成の分析結果、利用先の品質要求仕様、設置場所の条件などを踏まえた個別のFS（フィージビリティスタディ）が必要です。

バイオガス精製装置の運転管理とメンテナンス

精製装置を長期にわたって安定稼働させるためには、日常の運転管理と定期メンテナンスが不可欠です。

• 防食対策：ガス接触部にはSUS316Lやガラスライニング鋼板、FRPなどの耐腐食材料を使用し、配管の勾配設計でドレン排出を確保します。
• ガスのモニタリング体制：精製前後のH₂S濃度、CO₂濃度、水分含有量をリアルタイムで計測し、装置の性能劣化を早期に検知できるセンサーシステムを導入します。
• 予備品の交換管理：吸着剤、フィルターエレメント、膜モジュールなどの消耗品は、供給リードタイムを考慮して適切なタイミングで交換します。
• 安全設計：精製装置周辺にはH₂S検知器と換気設備を設置し、作業者の安全を確保します。特に活性炭塔の交換作業時には、密閉空間作業の安全手順を徹底する必要があります。
• 微生物管理（生物脱硫）：空気導入量、循環水のpH・温度を適正範囲に維持します。微生物の活性が低下すると脱硫性能が急落するため、定期的なモニタリングが重要です。
• ガス品質の連続記録：都市ガス注入やRNG販売を行う場合、ガス事業法に基づく品質記録の保管と報告が義務付けられています。自動記録システムの導入が望ましいです。

バイオガス精製装置（アップグレーディング装置）メーカー

日本でバイオガス精製装置を手掛ける主なメーカー・サプライヤーを紹介します。

• 荏原実業：生物脱硫装置（THIOPAQ®技術ベース）
• フソウ：バイオガス用生物脱硫装置
• カナデビア（旧：日立造船）：ガス精製・RNGアップグレーディング装置
• 神鋼環境ソリューション：ガス精製装置・RNG設備
• エア・ウォーター：ガス精製装置・バイオメタン設備
• Daigas G&P Solution：ガス精製装置・吸着貯蔵システム
• 吸着技術工業株式会社：PSA方式バイオガス精製装置

日本のバイオガス関連メーカー：日本の主要バイオガスプラントメーカー・プロバイダー

海外のRNG精製装置（アップグレーディング装置）メーカー・プロバイダー

バイオメタン生産が盛んなヨーロッパやアメリカでは、RNGアップグレーディング装置の専業メーカーや技術プロバイダが存在しています。

また、統合プラント設備の製造や、プラントの設計・建設・運転保守（EPC）まで手掛けるメーカーもあり、独自のアップグレーディング技術を保有しています。

ヨーロッパのメーカー：RNGアップグレーディング・プラント設備メーカー・技術プロバイダー

アメリカ・カナダのメーカー：プラント建設(EPC)・RNGアップグレーディングメーカー・プロバイダー

バイオガス精製装置選定の実務的な判断基準

精製装置の選定は、プラントの事業性を左右する重要な投資判断です。CHP利用が主目的の場合は、生物脱硫＋活性炭精密脱硫の多段構成が費用対効果に優れています。

バイオメタン化まで見据える場合は、膜分離装置またはPSA装置を中心に、処理量と求められるメタン純度に応じて選定します。

装置選定にあたっては、メーカーのパイロット試験データや既存プラントの運転実績を参考にし、自プラントの原料特性やガス組成に合った装置仕様を詰めていくことが重要です。

また、精製装置はプラント全体の設備フローの中で設計されるべきで、発酵槽、ガスホルダー、CHPなどの上下流設備との連携を考慮した一体的な設計が求められます。

バイオガス精製装置　参照データ・出典・関連記事

環境省：メタンガス化施設整備マニュアル

国土交通省：下水汚泥エネルギー化技術ガイドライン

参考記事：日本のバイオガス・バイオメタン業界団体・技術資料・統計情報

関連記事：バイオガスプラントの仕組み 基礎知識やメリット・建設コストを解説

関連記事：バイオガス精製技術　脱硫・CO₂除去・バイオメタン化の方法

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