JP2005040671A - バイオマス資源を有効利用するための処理方法及び処理システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の処理システム1は、バイオマス資源を30〜50℃で加熱し、メタンガスを含む生成ガスおよび残渣を生成し、生成ガスを分離回収するメタン発酵装置2と、メタン発酵装置2で生成した残渣を100〜200℃で加熱し、水蒸気を分離回収する乾燥装置3と、乾燥装置3からの残渣を200〜400℃で加熱し、炭化物、木酢液(タールを含む。)及びメタンガスを含む生成ガスを生成し、木酢液(タールを含む。)及びメタンガスを含む生成ガスを分離回収する低温炭化装置4と、低温炭化装置4で生成した炭化物含有残渣を500〜600℃で加熱し、炭化物含有残渣の全部又は大部分を炭化物および水素ガスに変換し、炭化物及び水素ガスを分離回収する高温炭化装置5とを具えることを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を段階的に処理し、個々の装置で処理することによって生成する排熱、廃液、排ガス、残渣等を他の装置での処理にカスケード利用して、残渣等が全く生じない、いわゆるゼロエミッションを達成できる、バイオマス資源を有効利用するための処理方法及び処理システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、バイオマス資源からメタン(CH4)ガスを発生させて回収する手段としては、例えば特許文献1に記載されている。
【0003】
【特許文献1】
特開2001−170695号公報
【0004】
しかしながら、特許文献1に記載されたメタンガス精製設備は、メタンガスを精製した後の残渣の処理については何ら示されてなく、かかる残渣を処理する方法が重大な問題となっている。
【0005】
すなわち、現在の残渣処理方法としては、ストーカー炉やロータリーキルン流動床炉などの処理施設で溶融処理をしているが、エネルギーを無駄にしてしまい、効率よくエネルギーを回収できるものではなく、加えて、設備も大型化する必要があった。
【0006】
加えて、メタン発酵装置のみの稼動であると、メタン発酵が生じる温度に加熱・保持するための熱源として、高コストである灯油、重油、天然ガスあるいは電気などを用いる必要があった。
【0007】
また、バイオマス資源を有効利用するための他の手段としては、例えば、特許文献2に記載されているように、高温高圧の亜臨界水にて水熱処理して可溶化させ、この可溶化処理液を石炭粉砕物に添加して生成した燃料スラリをボイラの燃料とする処理方法が挙げられる。
【0008】
【特許文献2】
特開2003−94011号公報
【0009】
しかしながら、特許文献2に記載された処理方法は、可溶化処理液中に含まれる可燃性成分をボイラで燃焼させるだけで、残りの成分を含む残渣については有効利用が図られてなく、かかる残渣をさらに処理する必要があった。
【0010】
このように、バイオマス資源を有効利用するための従来の手段では、いずれも残渣が生じるため、残渣等が全く生じない、いわゆるゼロエミッションを達成することは困難であった。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を段階的に処理し、個々の装置で処理することによって生成する排熱、廃液、排ガス、残渣等を他の装置での処理にカスケード利用して、残渣等が全く生じない、いわゆるゼロエミッションを達成できる、バイオマス資源を有効利用するための処理方法及び処理システムを提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のバイオマス資源を有効利用するための処理方法は、植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を30〜50℃に加熱し、メタンガスを含む生成ガス及び残渣を生成し、生成ガスを分離回収するメタン発酵工程と、メタン発酵工程で生成した残渣を100〜200℃に加熱し、水蒸気を分離回収する乾燥工程と、乾燥工程からの残渣を200〜400℃に加熱し、炭化物、木酢液(タールを含む。)及びメタンガスを含む生成ガスを生成し、木酢液(タールを含む。)及びメタンガスを含む生成ガスを分離回収する低温炭化工程と、低温炭化工程で生成した炭化物含有残渣を500〜600℃に加熱し、炭化物含有残渣の全部又は大部分を炭化物及び水素ガスに変換し、炭化物及び水素ガスを分離回収する高温炭化工程とを具えることにある。
【0013】
また、本発明のバイオマス資源を有効利用するための処理システムは、植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を30〜50℃で加熱し、メタンガスを含む生成ガスおよび残渣を生成し、生成ガスを分離回収するメタン発酵装置と、メタン発酵装置で生成した残渣を100〜200℃で加熱し、水蒸気を分離回収する乾燥装置と、乾燥装置からの残渣を200〜400℃で加熱し、炭化物、木酢液(タールを含む。)、メタンガスを含む生成ガスを生成し、木酢液(タールを含む。)及びメタンガスを含む生成ガスを分離回収するする低温炭化装置と、低温炭化装置で生成した炭化物含有残渣を500〜600℃で加熱し、炭化物含有残渣の全部又は大部分を炭化物および水素ガスに変換し、炭化物及び水素ガスを分離回収する高温炭化装置とを具えることにある。
【0014】
また、上記処理システムでは、前記バイオマス資源を高温高圧の亜臨界水にて水熱処理して水溶液と油の二相分離状態にする亜臨界装置をさらに具えることが好ましく、加えて、亜臨界装置で生成した油を燃料油として用いて発電するボイラ発電装置をさらに具えること、及び/又は、亜臨界装置で生成した水溶液をメタン発酵装置の原料として用いることがより好適である。
【0015】
さらに、上記処理システムでは、高温炭化装置で生成した炭化物を処理し、スポンジ状の活性炭を生成する賦活装置をさらに具えること、及び/又は、高温炭化装置で生成した高濃度水素ガスを利用する水素燃料電池をさらに具えることが好ましい。加えて、高温炭化装置で生成した高濃度水素ガスをボイラ発電装置の燃料ガスとして用いてもよい。
【0016】
さらにまた、上記処理システムでは、メタン発酵装置や低温炭化装置で生成される生成ガス中に含まれるアンモニアおよび硫化水素を熱分解して水素ガスを回収するガス改質装置をさらに具えること、メタン発酵装置や低温炭化装置で生成されるメタンガスを燃料ガスとして用いるガス発電装置をさらに具えること、ボイラ発電装置で使用する水又は水素燃料電池で生成する水を過熱水蒸気化して、メタン発酵装置、乾燥装置、低温炭化装置、高温炭化装置、ガス改質装置及び/又は賦活装置に供給する過熱水蒸気発生装置をさらに具えること、メタン発酵装置や低温炭化装置で生成されるメタンガスを触媒と反応させて、ナノカーボンファイバを生成する触媒反応装置をさらに具えること、及び/又は、高温炭化装置で生成した炭化物を粉炭にする微粉砕装置をさらに具えることが好ましく、加えて、メタン発酵装置や低温炭化装置で生成されるメタンガスと、微粉砕装置で生成した粉炭とを瞬爆反応させてナノカーボンファイバを生成する瞬爆装置をさらに具えることがより好適である。尚、高温炭化装置で生成した炭化物は、ボイラ発電装置や溶融炉の燃料として用いてもよい。
【0017】
また、上記処理システムでは、高温炭化装置で残渣が生成される場合には、この残渣を高温溶融して無害化する溶融炉をさらに具えることが好ましく、加えて、各装置及び/又は溶融炉からの排熱や排ガスを、他の装置の熱源やガス燃料として利用することがより好適である。
【0018】
さらに、上記処理システムでは、バイオマス資源が、果物の果実及びその皮と、果物の剪定枝等の木材と、魚のアラとを含み、これらの分離が可能である場合には、果物の果実及びその皮はメタン発酵装置の原料として用い、木材は低温炭化装置の原料として用い、そして、魚のアラは、亜臨界装置の原料として用いることがより好適である。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明に従うバイオマス資源を有効利用するための処理システムを図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の代表的な処理システムのフローチャートを示したものである。
【0020】
本発明の処理システム1は、主にメタン発酵装置2と、乾燥装置3と、低温炭化装置4と、高温炭化装置5とを具えている。
【0021】
メタン発酵装置2は、植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を利用し、このバイオマス資源を30〜50℃に加熱し、メタンガスを含む生成ガス及び残渣を生成し、生成ガスを分離回収する装置である。メタン発酵装置2で生成されるメタンガスを含む生成ガスは、投入したバイオマス資源全体の5%程度であり、回収されてガスホルダ6に送られ、残りの95%は残渣であり、かかる残渣は、後工程の乾燥装置3を経てから低温炭化装置4のバイオマス資源(原料)として使用するため、メタン発酵装置2の処理では、残渣は全く生じない。
【0022】
ガスホルダ6に送られた生成ガスは、ガス改質装置7で、メタン(CH4)ガスと、アンモニア(NH3)ガスおよび硫化水素(H2S)ガスとを分離した上で、メタンガスは、例えば、ガス発電装置8の燃料ガスとして利用し、かかるガス発電装置8の発電で得られる電力を、低温炭化装置4や高温炭化装置5の他、後述する他の全ての装置のそれぞれに供給すれば、大幅なエネルギーコストの削減が期待できる。
【0023】
また、ガス改質装置7で分離されたアンモニア(NH3)ガスおよび硫化水素(H2S)ガスについては、その後、図示しない方法で、アンモニアは184℃以上に加熱することによって窒素ガスと水素ガスに熱分解して無害化し、硫化水素は、1100℃以上に加熱することによって、硫黄(粉末)と水素ガスに熱分解して無害化し、熱分解した水素ガスは、例えば、図1に示すようなガスホルダ9を介して、ボイラ発電装置10や水素燃料電池11に供給し、ボイラ発電装置10の燃料ガスや水素燃料電池11の原料として有効利用することができ、また、硫黄は、例えば鉄や非鉄の精錬中のS成分の調整に利用することができる。
【0024】
乾燥装置3は、メタン発酵装置2で生成した残渣を100〜200℃で加熱し、水蒸気を分離回収する装置である。分離回収した水蒸気は、例えば、ボイラ発電装置10に使用すればよい。
【0025】
低温炭化装置4は、乾燥装置3からの残渣を200〜400℃で加熱し、炭化物、木酢液(タールを含む。)及びメタンガスを含む生成ガスを生成し、木酢液(タールを含む。)及びメタンガスを含む生成ガスを分離回収する装置である。
【0026】
低温炭化装置3で生成されるメタンガスを含む生成ガスは、回収されてガスホルダ6に送られ、ガスホルダ6に送られた生成ガスは、800〜1000℃の高温雰囲気のガス改質装置7で、メタン(CH4)ガスと、アンモニア(NH3)ガスおよび硫化水素(H2S)ガスとを分離した上で、メタンガスは、例えば、ガス発電装置8の燃料ガスとして利用し、かかるガス発電装置8の発電で得られる電力を、低温炭化装置4や高温炭化装置5の他、後述する他の全ての装置のそれぞれに供給すれば、大幅なエネルギーコストの削減が期待できる。
【0027】
加えて、ガス改質装置7で分離されたアンモニア(NH3)ガスおよび硫化水素(H2S)ガスについては、上述したガス改質装置7と同様に処理することができる。
【0028】
なお、低温炭化装置4で炭化しきれなかったバイオマス資源は、残渣となるが、この発明では、この残渣をさらに高温炭化装置4のバイオマス資源(原料)として使用するため、低温炭化装置3の処理では、残渣は全く生じない。
【0029】
高温炭化装置4は、低温炭化装置3で生成した炭化物含有残渣を500〜600℃で加熱し、炭化物含有残渣の全部又は大部分を炭化物および水素ガス(具体的には40%以上の水素ガス)に変換し、炭化物及び水素ガスを分離回収する装置であり、残渣はほとんど生じない。しかしながら、高温炭化装置で残渣が生成される場合には、図示しない溶融炉、例えば残渣を1000℃以上で高温溶融させる還元ガス化溶融炉をさらに設けて、この残渣を高温溶融して無害化することが好ましく、このように構成すれば、高温炭化装置で残渣が生成したとしても、この残渣を溶融炉で完全無害化できるので、システムとしては残渣が全く生じないことになる。
【0030】
生成した水素ガスは、ガス改質装置12を経てガスホルダ9に送られた後、例えば、図1に示すようなボイラ発電装置10の燃料や水素燃料電池11の原料として有効利用すればよい。
【0031】
加えて、高温炭化装置5、低温炭化装置4及び乾燥装置3を含む各装置及び/又は溶融炉からの排熱や排ガスを、他の装置の熱源やガス燃料として有効利用することが、エネルギーコストを削減する点で好ましい。
【0032】
また、上記処理システム1は、バイオマス資源を高温高圧の亜臨界水にて水熱処理して水溶液と油の二相分離状態にする亜臨界装置13をさらに具えれば、亜臨界装置13で生成した油をボイラ発電装置10の燃料油として用いることができ、これは、バイオマス資源を有効利用する点で好ましい。
【0033】
加えて、亜臨界装置13で生成した水溶液は、メタン発酵装置2の原料として用いることができ、これによって、亜臨界装置13での処理によって残渣は全く生じない。
尚、ここでいう「水熱処理」とは、水の存在下で水の亜臨界条件となる200〜250℃で8〜10MPaとなるように加熱する処理をいう。
【0034】
また、上記処理システム1では、高温炭化装置5で生成した炭化物に水蒸気を吹きかけて炭化物をポーラス状に処理し、スポンジ状の活性炭を生成する賦活装置14をさらに具えることもできる。
【0035】
さらに、上記処理システム1は、ボイラ発電装置10で使用する水又は水素燃料電池11で生成する水を過熱水蒸気化して、メタン発酵装置2、乾燥装置3、低温炭化装置4、高温炭化装置5、ガス改質装置7及び/又は賦活装置14に供給する過熱水蒸気発生装置15をさらに具えることもでき、このように構成すれば、バイオマス資源をより一層有効利用することができる。
【0036】
さらにまた、上記処理システム1は、メタン発酵装置2や低温炭化装置4で生成されるメタンガスを、触媒、例えば鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)又はこれらの合金等で50nm以下の金属超微粒子からなる触媒と反応させて、ナノカーボンファイバを生成する触媒反応装置16をさらに具えることもでき、このように構成すれば、バイオマス資源をより一層有効利用することができる。
【0037】
さらにまた、上記処理システム1は、高温炭化装置5で生成した炭化物を粉炭にする微粉砕装置17をさらに具えることもでき、この場合には、メタン発酵装置2や低温炭化装置4で生成されるメタンガスと、微粉砕装置17で生成した粉炭とを瞬爆反応させて、ナノカーボンファイバを生成する瞬爆装置をさらに具えるように構成することが、バイオマス資源をより一層有効利用する点で有利である。
【0038】
加えて、高温炭化装置5で生成した炭化物は、ボイラ発電装置10や溶融炉(図示せず)の燃料として用いることもできる。
【0039】
また、上記処理システムにおいて、バイオマス資源が、果物(例えばりんご)の果実及びその皮と、果物(例えばりんご)の剪定枝等の木材と、魚のアラとを含み、これらの分離が可能である場合には、果物の果実及びその皮はメタン発酵装置の原料として用い、木材は低温炭化装置の原料として用い、そして、魚のアラは、亜臨界装置の原料として用いれば、バイオマス資源を効率良く処理することができる。
【0040】
上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。
【0041】
【発明の効果】
この発明によれば、植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を段階的に処理し、個々の装置で処理することによって生成する排熱、廃液、排ガス、残渣等を他の装置での処理にカスケード利用して、残渣等が全く生じない、いわゆるゼロエミッションを達成できる、バイオマス資源を有効利用するための処理方法及び処理システムの提供が可能になった。
【0042】
しかも、この発明では、バイオマス資源を段階的に適正に処理することにより、小規模設備でエネルギー(資源)を高効率で回収することができ、エネルギー(資源)を各装置内で有効利用することによって、低コストでのバイオマス資源の処理を行うことができるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に従う代表的なバイオマス資源を有効利用するための処理システムのフローチャートを示したものである。
【符号の説明】
1 処理システム
2 メタン発酵装置
3 乾燥装置
4 低温炭化装置
5 高温炭化装置
6、9 ガスホルダ
7、12 ガス改質装置
8 ガス発電装置
10 ボイラ発電装置
11 水素燃料電池
13 亜臨界装置
14 賦活装置
15 過熱水蒸気発生装置
16 触媒反応装置
17 微粉砕装置
Claims (18)
- 植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を30〜50℃に加熱し、メタンガスを含む生成ガス及び残渣を生成し、生成ガスを分離回収するメタン発酵工程と、
メタン発酵工程で生成した残渣を100〜200℃に加熱し、水蒸気を分離回収する乾燥工程と、
乾燥工程からの残渣を200〜400℃に加熱し、炭化物、木酢液(タールを含む。)及びメタンガスを含む生成ガスを生成し、木酢液(タールを含む。)及びメタンガスを含む生成ガスを分離回収する低温炭化工程と、
低温炭化工程で生成した炭化物含有残渣を500〜600℃に加熱し、炭化物含有残渣の全部又は大部分を炭化物及び水素ガスに変換し、炭化物及び水素ガスを分離回収する高温炭化工程と、
を具えることを特徴とするバイオマス資源を有効利用するための処理方法。 - 植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を30〜50℃で加熱し、メタンガスを含む生成ガスおよび残渣を生成し、生成ガスを分離回収するメタン発酵装置と、
メタン発酵装置で生成した残渣を100〜200℃で加熱し、水蒸気を分離回収する乾燥装置と、
乾燥装置からの残渣を200〜400℃で加熱し、炭化物、木酢液(タールを含む。)及びメタンガスを含む生成ガスを生成し、木酢液(タールを含む。)及びメタンガスを含む生成ガスを分離回収する低温炭化装置と、
低温炭化装置で生成した炭化物含有残渣を500〜600℃で加熱し、炭化物含有残渣の全部又は大部分を炭化物および水素ガスに変換し、炭化物及び水素ガスを分離回収する高温炭化装置と、
を具えることを特徴とするバイオマス資源を有効利用するための処理システム。 - 請求項2記載の処理システムにおいて、
前記バイオマス資源を高温高圧の亜臨界水にて水熱処理して水溶液と油の二相分離状態にする亜臨界装置をさらに具える、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。 - 請求項3記載の処理システムにおいて、
亜臨界装置で生成した油を燃料油として用いて発電するボイラ発電装置をさらに具える、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。 - 請求項3又は4記載の処理システムにおいて、
亜臨界装置で生成した水溶液をメタン発酵装置の原料として用いる、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。 - 請求項2〜5のいずれか1項記載の処理システムにおいて、
高温炭化装置で生成した炭化物を処理し、スポンジ状の活性炭を生成する賦活装置をさらに具える、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。 - 請求項2〜6のいずれか1項記載の処理システムにおいて、
高温炭化装置で生成した高濃度水素ガスを利用する水素燃料電池をさらに具える、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。 - 請求項2〜7のいずれか1項記載の処理システムにおいて、
高温炭化装置で生成した高濃度水素ガスをボイラ発電装置の燃料ガスとして用いる、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。 - 請求項2〜8のいずれか1項記載の処理システムにおいて、
メタン発酵装置や低温炭化装置で生成される生成ガス中に含まれるアンモニアおよび硫化水素を熱分解して水素ガスを回収するガス改質装置をさらに具える、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。 - 請求項2〜9のいずれか1項記載の処理システムにおいて、
メタン発酵装置や低温炭化装置で生成されるメタンガスを燃料ガスとして用いるガス発電装置をさらに具える、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。 - 請求項2〜10のいずれか1項記載の処理システムにおいて、
ボイラ発電装置で使用する水又は水素燃料電池で生成する水を過熱水蒸気化して、メタン発酵装置、乾燥装置、低温炭化装置、高温炭化装置、ガス改質装置及び/又は賦活装置に供給する過熱水蒸気発生装置をさらに具える、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。 - 請求項2〜11のいずれか1項記載の処理システムにおいて、
メタン発酵装置や低温炭化装置で生成されるメタンガスを触媒と反応させて、ナノカーボンファイバを生成する触媒反応装置をさらに具える、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。 - 請求項2〜12のいずれか1項記載の処理システムにおいて、
高温炭化装置で生成した炭化物を粉炭にする微粉砕装置をさらに具える、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。 - 請求項13記載の処理システムにおいて、
メタン発酵装置や低温炭化装置で生成されるメタンガスと、微粉砕装置で生成した粉炭とを瞬爆反応させてナノカーボンファイバを生成する瞬爆装置をさらに具える、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。 - 請求項2〜14のいずれか1項記載の処理システムにおいて、
高温炭化装置で生成した炭化物は、ボイラ発電装置や溶融炉の燃料として用いる、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。 - 請求項2〜15のいずれか1項記載の処理システムにおいて、
高温炭化装置で残渣が生成される場合には、この残渣を高温溶融して無害化する溶融炉をさらに具える、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。 - 請求項2〜16のいずれか1項記載の処理システムにおいて、
各装置及び/又は溶融炉からの排熱や排ガスを、他の装置の熱源やガス燃料として利用する、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。 - 請求項2〜17のいずれか1項記載の処理システムにおいて、
バイオマス資源が、果物の果実及びその皮と、果物の剪定枝等の木材と、魚のアラとを含み、これらの分離が可能である場合には、果物の果実及びその皮はメタン発酵装置の原料として用い、木材は低温炭化装置の原料として用い、そして、魚のアラは、亜臨界装置の原料として用いる、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。
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