JP2004237238A - ガスホルダ一体型メタン発酵槽における加温及び撹拌方式 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスホルダ一体型メタン発酵槽についてランニングコストのコストダウンを行える加温及び撹拌方式を提供する。
【解決手段】上部が開放したメタン発酵槽の外側に温水槽を周設し、メタン発酵槽の開放上部を浮屋根式ガスホルダにて覆い、ガスホルダの側壁を温水槽の加温水中に上下に浮動可能に挿入した、有機性廃棄物よりメタンガスを発生させるガスホルダ一体型メタン発酵槽において、メタン発酵槽で得られるメタンガスをガスエンジン発電ユニットに供給して電力を得るとともに、温水槽の水をガスエンジン発電ユニットの熱交換器に通し、温度が上昇した循環水を温水槽に戻すことにより、同槽の温度を上昇させてメタン発酵槽の加温に利用するガスホルダ一体型メタン発酵槽。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、し尿、厨芥、家畜糞尿等の有機性廃棄物に、メタン菌群類などの細菌を作用させ、メタン発酵を促進し、恒常的に連続して高い効率でメタンガスを発生させる際の、ガスホルダ一体型メタン発酵槽における加温及び撹拌方式に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、有機性廃棄物より回収したメタンガスは、都市ガス、ＬＰＧと共に高熱量のエネルギー源として周知であり、且つ注目されている。
そして、近年、省エネルギー対策の一環として、家畜の排泄物である糞尿をメタン発酵槽内で発酵させてメタンガスを発生せしめ、これを熱エネルギー源として各種用途に利用することが行われている。
【０００３】
従来、上記の糞尿などの有機性廃棄物からメタンガスを発生させ、これを例えば燃料として使用してボイラーを稼動し、そこからの蒸気や温水を加熱を要する場所に送ることにより利用している。
また、有機性廃棄物の嫌気性消化処理法において、メタン発酵槽とガスホルダは個別に設け、メタン発酵槽加温方式は、蒸気注入又は熱交換器を槽内に設けることにより、加温をしている。撹拌方式は、水中撹拌機を槽底に設けることにより、撹拌する方式を採用していた。
【０００４】
しかし、従来の装置は、メタン発酵槽、ガスホルダを夫々別個に独立して製作し、それぞれを配管で連結し、保温材を用いて各部材はもとより配管までも保温処理して構成しているので、その製作に可成りの時間と費用を要し、高価となるだけでなく、各槽を平面的に配置しているので、設置面積が大きくなって、所要床面積が大きくなっていた。また、メタン発酵槽からの放熱が大きいので、メタン発酵菌が活動する最適温度（約３５℃）に槽内温度を保持するため、槽内にヒータを配設して外部から補給熱エネルギーを与えて加熱しなければならず、特に寒冷期には補給熱エネルギー量が多くなる等の問題があった。
【０００５】
そこで、メタン発酵槽の外側に水槽を周設し、該水槽に水を入れて液封されるガスホルダをメタン発酵槽の上部に昇降自在なるように設けた、ガスホルダ一体型メタン発酵槽が提案された。このメタン発酵槽はガスホルダが一体であるため、設置面積が小さくてすむという利点がある。この形式のメタン発酵槽について幾つか提案されており、メタン発酵槽では槽の下部に攪拌機が設けられ、槽の周囲を保温材で囲んだ構造のものを使用している。しかし、このメタン発酵槽でも、設置面積が小さく、配管の工事が簡単であるなどの利点はあるが、それ以外の問題は解消していない。
【０００６】
また、家畜糞尿において、それを固液分離を行わずにそのまま高温で改質しつつ又は高温で改質処理した後に、圧搾して夾雑物を分離し、生じた搾汁液を生物学的に可溶化し、次いで中液温でメタン発酵させることにより、家畜糞尿を嫌気性消化処理する方法が提案されている（特許文献１）。この処理においてそのメタン発酵で発生するバイオガスを発電機に供給し、生じる発電機の排ガスを加熱源として、その家畜糞尿の高温改質処理に利用すれば、６０℃程度の高温改質処理を有効に行うことができるとされている。さらに、生ごみを嫌気性消化させる際に、嫌気性消化槽の流出水から浮遊固形物を除いた分離水を有機性廃水とともに生物学的硝化脱窒素処理して得た処理水で生ごみを希釈して、その固形物含有量を調整する生物学的処理法も提案されている（特許文献２）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１０−２３５３１７号公報
【特許文献２】
特開平１１−５７６６１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたものであり、メタン発酵槽の加温に別の熱エネルギーを必要とすることなく、かつ製作費の低減とランニングコストのコストダウンを行える、メタン発酵槽の加温及び撹拌方式を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明は以下の構成からなるものである。
（１） 有機性廃棄物の圧搾設備からの圧搾液の流入管と消化液流出管と撹拌設備とを備え、上部が開放したメタン発酵槽の外側に同心状に温水槽を周設し、該メタン発酵槽の開放上部を頂壁と側壁とよりなる浮屋根式ガスホルダにて覆うとともに、該ガスホルダの側壁を前記温水槽の加温水中に上下に浮動可能に挿入してなる、有機性廃棄物よりメタンガスを発生せしるガスホルダ一体型メタン発酵槽において、メタン発酵槽で得られるメタンガスをガスエンジン発電ユニットに供給して電力を得るとともに、前記温水槽の水を前記ガスエンジン発電ユニットの熱交換器に通して、温度が上昇した循環水を前記温水槽に戻すことにより、同槽の温度を上昇せしめて前記メタン発酵槽の加温に利用することを特徴とするガスホルダ一体型メタン発酵槽。
（２）撹拌機を浮屋根式ガスホルダ頂壁より下方に保持せしめて、該浮屋根式ガスホルダの上下方向の浮動により、撹拌機を上下に移動させることによって撹拌効率を向上することを特徴とする、請求項１記載のガスホルダ一体型メタン発酵槽。
【００１０】
本発明の骨子としては、下記の３ポイントが挙げられる。
ａ）メタン発酵槽とガスホルダを一体化することにより省スペース化を図ったメタン発酵槽。
ｂ）メタン発酵槽を温水槽で囲った上で、温水を循環させることにより、メタン発酵槽側面を熱交換器と兼用した加温方式。
ｃ）ガスホルダのメタンガスをガスエンジン発電ユニットに供給して電力を得るとともに、前記温水槽の水を前記ガスエンジン発電ユニットの熱交換器に通して温度が上昇した循環水を前記温水槽に戻す。
ｄ）ガスホルダと撹拌機を一体化することにより、撹拌機がガスホルダの上下運動に追随して移動し、撹拌効率が上昇する撹拌方式。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明はこれらの実施形態により何等制限を受けるものではない。
図１は、本発明に係るメタン発酵槽を含む発電システムの全体の説明図であり、図２は、該メタン発酵槽の縦断面図である。
【００１２】
先ず、図１について、メタン発酵槽５で発生したメタンガス１１を熱源として利用するガスエンジン発電ユニット１３のシステムについて説明する。
家畜の糞尿等の有機廃棄物１を圧搾設備２で圧搾した圧搾液４は、メタン発酵槽投入ポンプ３により圧搾液流入管４ａよりメタン発酵槽５の底部付近へ流入され、メタン発酵菌群類により発酵させられガスホルダ７内にメタンガス１１が貯留されるとともに、消化液１０はメタン発酵槽５の圧搾液流入管４の反対側から消化液流出管１０ａにより槽５外へ排出させられる。
【００１３】
ガスホルダ７とメタン発酵槽５の水面の間の空間に貯留されたメタンガス１１は、メタンガス流出管１１ａを経て脱硫装置１２により脱硫された後、ガスエンジン発電ユニット１３に熱エネルギー源として供給されて電気１４を発生する。なお、メタンガス１１の一部は、場合によっては、脱硫装置１３で脱硫後、メタンガス流出管１１ａからバイパスを経て余剰ガス燃焼装置１８により燃焼処分されることもある。
【００１４】
一方、メタン発酵槽５の外側に同心円状に周設した温水槽６内の加温水１９は、温水循環ポンプ１７により循環水送水管１５ａを通ってガスエンジン発電ユニット１３中へ送水され、ガスエンジン発電ユニット１３内熱交換器にて温水となり、温水返送管１６ａを通って温水槽６内へ返送され、メタン発酵槽５内の温度を中温発酵に必要な３５℃に上昇し、維持するように作用する。
【００１５】
次に、メタン発酵槽５の構造及び作用機構を、図２について詳細に説明する。図２において、５は上部が開放されているメタン発酵槽であり、有機廃棄物の圧搾設備からの圧搾液の流入管４ａと消化液流出管１０ａとを対称的位置に備えている。消化液流出管１０ａレベルによって、メタン発酵槽５内の消化液２０の水位を任意の一定水位に保つようになっている。メタン発酵槽５は、ヒータなどの特別の熱発生機を必要とせず、ガスエンジン発電ユニット１３との間の循環水送水管１５ａと温水返送管１６ａを付設した、槽５の外側に同心円状に周設した温水槽６中の加温水１９により加温されるように構成されている。その際、循環水はガスエンジン発電ユニット１３からの排ガスを通す熱交換器に通してその排熱を回収するようにすることができる。
【００１６】
加温水１９の水位は、メタン発酵槽５内の消化液２０の水位とほぼ同水位になるように、温水返送管１６ａに設置した定水位弁（図示省略）によって、調節するようになっている。７は浮屋根式ガスホルダであって、メタン発酵槽５の開放状態の上部を覆う円錐状頂壁２１と温水槽６内の加温水１９中に上下方向に自在に浮動可能に挿入された側壁２２とから構成されている。２３はガス溜め室であって、メタン発酵槽５内の消化液２０の液面と温水槽６の加温水１９の水面とガスホルダ７との間に形成されている。１１ａはメタンガス流出管であり、２４はワイヤロープ用ガイドであって、ガスホルダ７に均等に４ケ所取り付けてあり、ガスホルダ７の上下方向の浮動を円滑にするような作用を有する。
【００１７】
以上のように、メタン発酵槽５の開放状態の上部をガスホルダ７と加温水１９によって密封してあることによって、嫌気性メタン発酵槽が形成され、さらにガスホルダ７の側壁２２を温水槽６内の加温水１９中に、ワイヤロープ用ガイド２４及びワイヤロープ２６により上下方向に自在に浮動可能に挿入してあることによって、嫌気性メタン発酵槽がガスホルダ一体型メタン発酵槽を形成している。しかも、浮屋根式ガスホルダ７の頂壁２１からは撹拌機８が懸架保持されていて、ガスホルダ７の上下方向の浮動に伴って、撹拌位置も上下動し、撹拌効果を高めるようになっている。さらに、メタン発酵槽５は、少なくとも側壁部が鋼板製とすることにより、温水槽６の加温水の熱が、そのままメタン発酵槽５内の消化液２０に伝わり、外部電熱源を必要とするヒータが不要で、化石燃料を必要としないので省エネ効果を生じるだけでなく、熱交換器を別に設けなくてもよく、設備費も低減化できる。
１例として、直径６４５０ｍｍ、液深３７００ｍｍのメタン発酵槽を挙げると、その中の消化液の液量は約１２０ｍ^３で、比重を１とするなら約１２０トンになる。
【００１８】
図３は、本発明と対比するために、メタンガスを燃焼させて蒸気を発生させ、その蒸気でメタン発酵槽を所定温度に保持する方式を説明するためのものであって、ガスホルダとメタン発酵槽を別々に設置したボイラー加温システムのブロック図を示している。このシステムでは、有機性廃棄物１は脱水機投入ポンプ３１により夾雑物脱水機３２に送られて脱水され、圧搾液４は圧搾液貯留タンク３４に入り、夾雑物３３は場外に排出される。圧搾液４は圧搾液投入ポンプ３５によりメタン発酵槽５に送られ、メタン発酵処理され、発生したメタンガス１１は脱硫装置１２で脱硫された後、ガスホルダ３６に貯められる。そのメタンガス１１は蒸気ボイラー３８で燃焼されて蒸気４０を発生し、その蒸気４０はメタン発酵槽５に送られて同槽の加温に使用される。残りのメタンガス１１は余剰ガス燃焼装置１８に送られて燃焼処分させる。
【００１９】
【実施例】
以下実施例により本発明を具体的に説明する。ただし、本発明はこの実施例のみに限定されるものではない。
【００２０】
実施例１
図１に示す方式の装置を用いて、乳牛糞尿（含水率８８．５％）６トン／日を処理する。乳牛糞尿を糞尿受入ピット（容積１１ｍ^３）に入れ、そこからポンプで夾雑物脱水機へ送って脱水し、圧搾液を圧搾液貯留槽に入れ、夾雑物は場外へ排出する。圧搾液貯留槽から圧搾液をメタン発酵槽投入ポンプでメタン発酵槽へ入れてメタン発酵を行わせた。メタン発酵槽での滞留日数は２０日である。
【００２１】
用いた各装置の仕様等は次の通りである。
メタン発酵槽；直径：６４５０ｍｍ
高さ：４２００ｍｍ
液高：３７００ｍｍ
攪拌機内蔵、液温：３７℃
外周温水槽； 直径：８０００ｍｍ
高さ：４０００ｍｍ
液高：３７００ｍｍ
【００２２】
バイオガス発生量：１０５．１Ｎｍ^３／日
メタンガスの発生量：６８．１Ｎｍ^３／日（ガスエンジン発電ユニットへ送る）
ガスエンジン発電ユニットへの循環水送水量：２０リットル／分
循環水温度：３０℃
温水温度 ：４０℃
発生したメタンガスにより発電出力６．０ｋＷのガスエンジン発電ユニットを動かすことができた。
発電機の発電効率：２６．５％
総合熱効率 ：８６．０％
【００２３】
極く大雑把に、これを１℃昇温させるには１２０，０００ｋｃａｌ、発酵に好適であるといわれる３５℃の中温発酵では、常温を２０℃としたときにこの１５倍量を必要とするが、ガスエンジン発電ユニットの発熱量は発電量にもよるが、これを大幅に上まわる発熱量を発生するので、ガスエンジン発電ユニットからの温水の熱だけで中温発酵は十分まかなえる。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、ガスエンジン発電ユニットの循環水の熱量だけでメタン発酵に、特に中温発酵に必要な熱量をまかなうことができ、省エネ的効果を生じる。メタン発酵槽の側壁が鋼板製であるので、熱交換器も不要である。さらに、ガスホルダの上下動に伴ってメタン発酵槽内の撹拌機の位置も上下に移動し、メタン発酵槽内の撹拌も効率が向上するという効果も生じる。
また、メタン発酵槽の開放状態の上部を、頂壁と側壁とより構成された浮屋根式ガスホルダによって覆うとともに、該ガスホルダの側壁を前記メタン発酵槽の外側に同心円状に形成した温水槽内の温水中に上下方向に自在に浮動可能に挿入したガスホルダ一体型メタン発酵槽に構成することによって、従来、別個に設置されていたメタン発酵槽とガスホルダを一体化できるので、設置面積が少なくてすみ、配管工事等も簡単になるので、設備費及び維持管理費が低廉化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガスホルダ一体型メタン発酵槽を組み込んだガスエンジン発電ユニットシステムのブロック図である。
【図２】本発明のガスホルダ一体型メタン発酵槽の要部説明用断面図である。
【図３】ガスホルダとメタン発酵槽を別々に設置したボイラー加温システムのブロック図である。
【符号の説明】
１ 有機性廃棄物
２ 圧搾設備
３ メタン発酵槽投入ポンプ
４ 圧搾液
４ａ 圧搾液流入管
５ メタン発酵槽
６ 温水槽
７ ガスホルダ
８ 撹拌機
１０ 消化液
１０ａ 消化液流出管
１１ メタンガス
１１ａ メタンガス流出管
１２ 脱硫装置
１３ ガスエンジン発電ユニット
１４ 電気
１５ 循環水
１５ａ 循環水送水管
１６ 温水
１６ａ 温水返送管
１７ 温水循環ポンプ
１８ 余剰ガス燃焼装置
１９ 加温水
２０ 消化液
２１ 円錐状頂壁
２２ ガスホルダ側壁
２３ ガス溜め室
２４ ワイヤロープ用ガイド
２５ 温水槽用コンクリートパネル
２６ ワイヤロープ
３１ 脱水機投入ポンプ
３２ 夾雑物脱水機
３３ 夾雑物
３４ 圧搾液貯留タンク
３５ 圧搾液投入ポンプ
３６ ガスホルダ
３７ ガスホルダ空気ファン
３８ 蒸気ボイラー
３９ 蒸気

Claims (2)

1. 有機性廃棄物の圧搾設備からの圧搾液の流入管と消化液流出管と撹拌設備とを備え、上部が開放したメタン発酵槽の外側に同心状に温水槽を周設し、該メタン発酵槽の開放上部を頂壁と側壁とよりなる浮屋根式ガスホルダにて覆うとともに、該ガスホルダの側壁を前記温水槽の加温水中に上下に浮動可能に挿入してなる、有機性廃棄物よりメタンガスを発生せしめるガスホルダ一体型メタン発酵槽において、メタン発酵槽で得られるメタンガスをガスエンジン発電ユニットに供給して電力を得るとともに、前記温水槽の水を前記ガスエンジン発電ユニットの熱交換器に通して、温度が上昇した循環水を前記温水槽に戻すことにより、同槽の温度を上昇せしめて前記メタン発酵槽の加温に利用することを特徴とするガスホルダ一体型メタン発酵槽。
2. 撹拌機を浮屋根式ガスホルダ頂壁より下方に保持せしめて、該浮屋根式ガスホルダの上下方向の浮動により、撹拌機を上下に移動させることによって撹拌効率を向上することを特徴とする、請求項１記載のガスホルダ一体型メタン発酵槽。

Images