JP2005087940A

JP2005087940A - 資源利用統合システム

Info

Publication number: JP2005087940A
Application number: JP2003327424A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Yoshimoto; 正洋吉本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2005-04-07

Abstract

【課題】一般廃棄物や産業廃棄物等の処理からバイオマス等の未利用資源の有効利用処理に至るまでを総合的なシステムとして構築可能で、しかも、その総合システム内で発生したエネルギーを該総合システム内において有効に利用し、全体としてコスト面で採算の採れる効率のよい総合システムとすることができる資源利用統合システムを提供する。
【解決手段】高炉処理手段における廃熱自体および／または廃熱を利用した発電により得られた電力を、リグニンを含有するバイオマスを、リグニンの分解除去処理を行った後、メタン発酵させてメタンガスを得るメタンガス生成手段で使用される熱エネルギーおよび／または電気エネルギーや、高蛋白質廃棄物を乾燥・微細化して肥料を生成する肥料化処理手段で使用される熱エネルギーおよび／または電気エネルギーとして有効利用できるようにした、総合システムとしての資源利用統合システム。
【選択図】図４

Description

本発明は、資源利用統合システムに関し、とくに、一般廃棄物や産業廃棄物等の処理からバイオマス等の未利用資源の有効利用処理に至るまでを、一部の処理で発生したエネルギーを他の処理に有効に活用することにより、全体としてコスト面で採算の採れる効率のよい総合システムとして構築した資源利用統合システムに関する。

従来から、一般廃棄物や産業廃棄物等の焼却処理や、バイオマス等の未利用資源の有効利用処理に関する技術は、多数提案されているが、それらのほとんどは個別処理に関するものである。しかし、個別処理では、とくに処理に要するエネルギー費が高い場合、コスト的に採算を採ることが困難となる場合が多い。これは、各個別処理に以下のような問題が存在することによる。

たとえば、先に本発明者により、発酵を阻害するリグニンを含有するバイオマスから、リグニンを分解除去し、リグニンを除去したバイオマスをメタン発酵させてメタンガスを生成する方法が提案されており、リグニンの分解除去は、白色腐朽菌処理（たとえば、菌床栽培の廃棄物である廃菌床を使用した処理）や、乾燥・微細化したバイオマスをオゾン反応させる処理（オゾンリアクターでの処理）によって可能であることが提案されている（たとえば、特許文献１、特許文献２）。白色腐朽菌処理においては、菌処理による時間が比較的長くかかるという問題とともに、とくに、所定の温度に管理することが要求されるため、空調に比較的大きなエネルギーを消費することになり、そのために大きなエネルギー費が必要になる。また、オゾン反応を伴う処理においては、比較的短時間の処理が可能になるが、オゾン発生器に比較的大きなエネルギーを消費する必要がある。また、乾燥・微細化にもエネルギーを消費し、全体としてのエネルギー費が大きくなる。

また、メタン発酵工程では、たとえば５５℃程度に保温することとなるが、その保温に比較的大きなエネルギー費が必要となる。また、生ごみ等からメタン発酵によりメタンガスを生成することも可能であるが、この場合、たとえば高蛋白質資源によるメタン発酵阻害を回避するために、このようなメタン発酵阻害物質を予め取り除くべく、メタン発酵処理に際して、投入される生ごみの弁別が必要になり、その弁別費用がかかることになる。さらに、発酵工程で生成されたガスを、使用に好適な濃度に精製、分離するために、たとえば膜分離や吸着等を利用した分離処理を行うことが好ましいが、このような分離処理にも電力コストを伴う。さらにまた、運搬や使用に便利な形態とするためは、生成ガスの高圧化が考えられるが、これにも大きな電力が要求される。

また、たとえば上記のような高蛋白質資源（高蛋白質廃棄物）の処理としては、乾燥・微細化して、たとえば肥料を生成することが考えられるが、乾燥や微細化のために、やはり比較的大きな乾燥熱エネルギーや駆動エネルギーが要求され、大きなエネルギー費が必要になる。

また、一般廃棄物や各種産業廃棄物を高炉（たとえば、ミニサイズの高炉〔以下、ミニ高炉と呼ぶこともある。〕）で還元溶融等の処理を行うことにより、生成物を肥料等に有効利用できるようにすることが可能になると考えられるが、このような高炉処理においては、コークス等の燃料コストがかかるのは勿論のこと、高温のガス等が再利用されることなく排出されているのが実情であり、熱エネルギー的に、かつ、コスト的に効率の悪い個別処理となっている。高温ガスを用いて、たとえば発電を行う場合にあっても、その電力は工場の他のプラント運転や売電を目的としている場合がほとんどであり、得られた電力を大きな同一システム内において利用する、たとえば他の廃棄物処理や資源を有効利用可能な生成物への変換処理に使用するエネルギーとして利用するような、エネルギー循環型の利用方式は見当たらない。

さらに、家庭や工場からの一般廃棄物を処理するためには、通常、処理のコストや効率を考慮して、相当多岐にわたる細かな弁別が強いられているが、その弁別、弁別収集に多大なコストが要求されることとなっている。このように、従来の個別処理では、とくに処理に要するエネルギー費が高い場合、各個別処理ごとにコスト的に採算を採ることは困難な状況となっている。
特願２００２−３３７０３３号特願２００３−３１９７０３号

そこで本発明の課題は、上記のような実情に鑑み、一般廃棄物や産業廃棄物等の処理からバイオマス等の未利用資源の有効利用処理に至るまでを総合的なシステムとして構築可能で、しかも、その総合システム内で発生したエネルギーを該総合システム内において有効に利用し、全体としてコスト面で採算の採れる効率のよい総合システムとして構築できる資源利用統合システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る資源利用統合システムは、リグニンを含有するバイオマスを、リグニンの分解除去処理を行った後、メタン発酵させてメタンガスを得るメタンガス生成手段と、所定の廃棄物Ａを高炉で処理する高炉処理手段と、該高炉処理手段における廃熱自体および／または廃熱を利用した発電により得られた電力を、前記メタンガス生成手段で使用される熱エネルギーおよび／または電気エネルギーとして利用可能に供給するエネルギー利用・供給手段とを有することを特徴とするものからなる。

また、本発明に係る資源利用統合システムは、高蛋白質廃棄物を乾燥・微細化して肥料を生成する肥料化処理手段と、所定の廃棄物Ａを高炉で処理する高炉処理手段と、該高炉処理手段における廃熱自体および／または廃熱を利用した発電により得られた電力を、前記肥料化処理手段で使用される熱エネルギーおよび／または電気エネルギーとして利用可能に供給するエネルギー利用・供給手段とを有することを特徴とするものからなる。

さらに、上記２つのシステムを組み合わせることができる。すなわち、本発明に係る資源利用統合システムは、リグニンを含有するバイオマスを、リグニンの分解除去処理を行った後、メタン発酵させてメタンガスを得るメタンガス生成手段と、高蛋白質廃棄物を乾燥・微細化して肥料を生成する肥料化処理手段と、所定の廃棄物Ａを高炉で処理する高炉処理手段と、該高炉処理手段における廃熱自体および／または廃熱を利用した発電により得られた電力を、前記メタンガス生成手段および肥料化処理手段で使用される熱エネルギーおよび／または電気エネルギーとして利用可能に供給するエネルギー利用・供給手段とを有することを特徴とするものからなる。

このような本発明に係る資源利用統合システムにおいては、前記所定の廃棄物Ａとして、廃棄物資源から、弁別により、紙類、一般生ごみおよび高蛋白質廃棄物を生ごみ類、および、瓶類および缶類等のリサイクル可能な廃棄物類を除いた廃棄物を用いることができる。つまり、紙類、生ごみ類、瓶類および缶類等のリサイクル可能な廃棄物類、その他の廃棄物としての廃棄物Ａの簡単な弁別で済む。この廃棄物Ａとしては、より具体的には、たとえば工場から排出される汚泥や家庭ごみ、下水汚泥、廃プラスチック資源等を挙げることができる。

また、前記メタンガス生成手段としては、前記リグニンを含有するバイオマス以外に、紙類、一般生ごみからもメタン発酵可能な手段に構成することが可能である。メタンガス生成手段としては、たとえば、菌床栽培の廃棄物である廃菌床を使用して前記バイオマスに含有されているリグニンを分解する手段（前記特許文献１で提案した手段）、または、前記バイオマスを乾燥・微細化するとともにオゾン反応によりリグニンを分解する手段（前記特許文献２で提案した手段）を有するものに構成できる。

本発明においては、システム全体としてエネルギーを有効に利用し、システム全体としての使用エネルギー費を採算の採れるものにすることに、最大の利点がある。この観点から、本発明に係る資源利用統合システムにおいては、前記高炉処理手段における廃熱自体および／または廃熱を利用した発電により得られた電力を、他の処理手段で使用される熱エネルギーおよび／または電気エネルギーとして利用可能に供給するに際し、システム全体としてのエネルギーコストが最も安価になるエネルギー供給モデルを演算する演算手段を有することが好ましい。また、この演算手段は、各処理手段への原料投入の量と順序も演算できることが好ましい。つまり、システム内で発生した熱と発電できた電力とをシステム内で有効に利用し、システム全体としてのエネルギーコストが最も安価になる最適な運転モデルを出力するとともに、予測される最終生成物の需要等に基づき、原料投入の量と順序を演算し、最適な作業工程表や運転制御動作表等を出力できるようにしておくことが好ましい。

本発明に係る資源利用統合システムによれば、各種の廃棄物の処理からバイオマス等の未利用資源の有効利用処理に至るまでを総合的なシステムとして構築しつつ、その総合システム内のとくに高炉処理手段で発生したエネルギーを該総合システム内の他の処理手段で有効に利用することにより、全体としてコスト面で採算の採れる効率のよい総合システムとして構築できる。このような資源利用統合システムは、たとえば地域毎、あるいは事業所毎に、自己完結型の、しかも採算面で極めて有利なシステムとなるので、企業や自治体等にとって事業として容易に採用可能なものとなり、これを推進することにより、生成メタンガスによる安価なエネルギー源の供給や、各種廃棄物の適切な処理による周辺環境の改善に寄与することができる。また、廃棄物の弁別も簡単になることから、この面での作業や費用も低減できる。

以下に、本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る資源利用統合システム１の概要の例を示している。すなわち、本システムにおいては、利用可能な資源として、一般廃棄物、産業廃棄物等と、バイオマス、とくにリグニンを含有したバイオマスであるリグノセルロース系資源を収集し、これらの資源を後述の如く弁別（分別）する。弁別された資源のうち、たとえばリグノセルロース系資源は、たとえば後述の如きオゾン反応によるリグニン分解除去処理を経たのち、メタン発酵処理によりメタンガスを生成するとともに、残渣を堆肥として利用する。また、弁別された資源のうち、高蛋白質廃棄物資源は、乾燥・微細化処理により、堆肥化する処理を行う。一般廃棄物資源のうち、メタン発酵処理や堆肥化処理ができないものに対しては、ミニ高炉により高温還元溶融処理を行い、それによって発生した熱エネルギーをたとえば温水の形態で有効利用するとともに、発生した熱エネルギーにより発電を行い、電気エネルギーの形態で各種処理用に有効利用し、スラグ（残渣）については、利用可能なものは再利用し、再利用が困難なものは埋め立て処理等を行う。本発明では、このように資源利用統合システム１を総合システムとして構築し、とくに、高炉処理で得られた熱エネルギーや、発電による電気エネルギーを、システム内の各種処理の熱エネルギー源矢動力源として利用することを特徴としている。

上記のような資源利用統合システム１を、各種処理を含めて、より具体的に示すと、たとえば図２に示すようになる。図２において、リグノセルロース系資源については、たとえば、菌床栽培の廃棄物である廃菌床２により、バイオマスとしてのリグノセルロース系資源に含有されているリグニンを分解除去するか、あるいは、該バイオマスを乾燥・微細化するとともにオゾン反応によりリグニンを分解除去する手段としてのオゾンリアクター３による処理を行った後、メタン発酵工程（たとえば、乾式メタン発酵工程）に供し、メタンガスを生成する。オゾンリアクター３は、たとえば、乾燥・微細化手段として複数段の攪拌槽４と、オゾン発生器５から供給されるオゾンと反応させる複数段の攪拌槽４とを備えており、オゾンリアクター３によるリグニン分解除去処理済の材料６がメタン発酵工程に供される。

また、廃棄物資源は、図２に示すように、大きく分けて、上記のようなリグニン分解除去処理によりメタン発酵が可能な紙類と、生ごみ類と、瓶類および缶類等のリサイクル可能なリサイクル資源と、高炉処理が必要な汚泥等のその他の資源の、４つの資源分類に弁別される。このような４分類で済むため、従来の弁別に比べ、分離数が大幅に低減され、収集コスト、弁別コストともに大幅な削減が可能になる。

上記のように弁別された資源のうち、生ごみ類は、さらに一般生ごみと高蛋白質廃棄物とに弁別すると、一般生ごみ（後述のような、リグニン分解除去処理なしでメタン発酵可能なもの）はメタン発酵に供することが可能になるとともに、高蛋白質廃棄物は乾燥・微細化処理により肥料に変換することが可能になるので、より好ましい。高蛋白質廃棄物の乾燥・微細化処理には、上述したオゾンリアクターと同様の構成を有する（ただし、オゾン発生器５は不要）、複数段の攪拌槽を備えた多段乾燥装置７を用いることができる。乾燥・微細化処理された高蛋白質廃棄物は肥料８として再利用が可能である。

上記のように弁別された資源のうち、汚泥やその他の廃棄物資源は、ミニ高炉９で高温還元溶融される。このミニ高炉処理における廃熱自体と、廃熱を利用した発電により得られた電力が、上記のようなメタン発酵へと至る各種処理や、高蛋白質廃棄物の乾燥・微細化処理等において使用される熱エネルギーや電気エネルギーとして、利用可能に供給される。

本発明に係る資源利用統合システム１における処理対象資源としては、概念的には、たとえば図３に示すように、生産資源と、現状未利用または廃資源としても分類できる。図３に示すように、コスト的に採算さえ採れれば、多数の資源が利用可能である。これらの資源には、リグニン分解除去処理の前処理無しでメタン発酵処理できるもの、リグニン分解除去処理の前処理済みの状態でメタン発酵処理するもの、乾燥・微細化処理により肥料等に変換するもの、ミニ高炉処理に供するものがある。

さて、前述したような資源利用統合システム１においては、図４に示すように、とくに、その他の廃棄物をミニ高炉９で高温還元溶融処理する際に発生する廃熱自体と、廃熱を利用した発電により得られた電力を、リグノセルロース系資源の処理や高蛋白質廃棄物の処理に有効利用できる。たとえば、廃熱による熱エネルギーは、高蛋白質廃棄物の乾燥エネルギー、リグノセルロース系資源のリグニン分解除去処理のための乾燥エネルギー、メタン発酵処理における保温エネルギー、さらには堆肥舎発酵処理における保温エネルギーとして利用できる。また、ミニ高炉９での廃熱を利用した発電により得られた電力は、たとえば、リグノセルロース系資源（たとえば、木質バイオマス）をリグニン分解除去処理に供する前にチップ化する処理の動力源として、高蛋白質廃棄物の微細化のための攪拌翼等の動力源、リグノセルロース系資源のリグニン分解除去処理のための微細化動力源、リグニン分解除去処理のために使用されるオゾン発生器５の電力源、メタン発酵処理における工程内移送や制御のための電力源として、利用できる。さらに、乾燥・微細化後にオゾン反応のために冷却あるいは低温制御を行う場合には、その温度コントロールのための電力源として利用できる。また、リグノセルロース系資源を白色腐朽菌処理によりリグニンを分解除去する場合には、長期間の温度管理が必要になるため、そのための建屋空調電力源として利用できる。

さらに、図４には図示を省略したが、上記のようなミニ高炉９の廃熱を利用して得られたエネルギー、とくに電気エネルギーは、本資源利用統合システム１内における各種使用エネルギーとして利用できる。たとえば、メタン発酵工程で得られたガスをより精製するために膜分離等に供する場合には、その電気エネルギーとして利用でき、高圧化が要求される場合にも、その電気エネルギーとして利用できる。また、システム内において各種資源や生成物を移送する必要がある場合には、その移送用エネルギー源として利用できる。さらには、各種制御のための電気エネルギーとしても利用できる。このように、資源利用統合システム１内で得られた熱エネルギー、電気エネルギーが、該総合システム内で有効に利用されることにより、総合システム全体としての効率が大幅に高められ、全体としての運転コストを、十分に採算の採れるレベルまで削減することが可能になる。

このようにエネルギーの有効利用が可能な総合システムとしての資源利用統合システム１においては、各処理手段部を有機的に結び付け、システム全体としてのエネルギーコストが最も安価になるようなエネルギー供給モデルを演算することが可能である。たとえば、構成されているシステム全体について、日々の投入可能資源原料から、そのシステム全体として最もエネルギーコストが削減される最適運転モデルを演算するようにすることができる。また、予測される最終生成物の需要に基づき、投入資源原料の量と順序を演算し、作業工程表や運転制御表を出力させるようにすることもできる。

さらに、システム全体を効率よく運転するとともに、各処理部を適切に制御するために、たとえば、各処理部において個別に設置されたＣＰＵで予め組み込まれたプログラムソフトにしたがって適切な運転が行えるようにし、個別に設置されたＣＰＵモジュールをネットワーク化し、サーバーにデータが転送されるようにしておき、サーバーで必要なかつ複雑な演算を行わせるとともに、予め演算された工程表を自動的に修正するようにすることもできる。すなわち、システム全体として最も効率のよい運転を行いつつ、個別の処理部でも全体の工程に応じた効率のよい処理動作を適切に行わせるようにするのである。

なお、前述のリグノセルロース系資源からのメタン発酵処理のフローは、たとえば図５に示すようなフローを使用できる。廃材、間伐材、残材、樹木等の木質バイオマス、さらには竹や笹等のバイオマスが採取現場でチップ化され、チップ化されたバイオマスが、廃菌床を用いたリグニン分解除去処理に供されるか、あるいは、オゾン分解リアクターに投入され、乾燥・微細化されるとともにオゾン反応により含有リグニンが分解除去処理される。リグニンが除去されたバイオマスが、たとえば乾式メタン発酵され、メタン発酵工程で生成されたバイオガスから、必要に応じてメタンガスが濃縮された状態で抽出され、メタンガスを必要とする用途に適当な貯留形態（タンクやボンベ）にて供給される。残渣は、たとえば堆肥として使用可能である。

本発明に係る資源利用統合システムは、一般廃棄物や産業廃棄物等の処理からバイオマス等の未利用資源の有効利用処理に至るまでを総合処理システムとして構築でき、従来の個別処理に代わって、とくにエネルギー費用として採算が重要視される、各種事業所や各地域の自治体等、あらゆる廃棄物処理要求部署に、極めて有効に適用、展開できる。

本発明の一実施態様に係る資源利用統合システムの概要の例を示すブロック図である。図１のシステム１のより具体的な各処理形態を示す概略構成図である。本発明に係る資源利用統合システムで処理可能な処理対象資源の分類例を示す説明図である。本発明における高炉処理により発生したエネルギーの有効利用形態例を示す概略構成図である。リグノセルロース系資源の処理工程例を示すフロー図である。

符号の説明

１資源利用統合システム
２廃菌床
３オゾンリアクター
４攪拌槽
５オゾン発生器
６リグニン分解除去処理済材料
７多段乾燥装置
８肥料
９ミニ高炉

Claims

リグニンを含有するバイオマスを、リグニンの分解除去処理を行った後、メタン発酵させてメタンガスを得るメタンガス生成手段と、所定の廃棄物Ａを高炉で処理する高炉処理手段と、該高炉処理手段における廃熱自体および／または廃熱を利用した発電により得られた電力を、前記メタンガス生成手段で使用される熱エネルギーおよび／または電気エネルギーとして利用可能に供給するエネルギー利用・供給手段とを有することを特徴とする資源利用統合システム。
高蛋白質廃棄物を乾燥・微細化して肥料を生成する肥料化処理手段と、所定の廃棄物Ａを高炉で処理する高炉処理手段と、該高炉処理手段における廃熱自体および／または廃熱を利用した発電により得られた電力を、前記肥料化処理手段で使用される熱エネルギーおよび／または電気エネルギーとして利用可能に供給するエネルギー利用・供給手段とを有することを特徴とする資源利用統合システム。
リグニンを含有するバイオマスを、リグニンの分解除去処理を行った後、メタン発酵させてメタンガスを得るメタンガス生成手段と、高蛋白質廃棄物を乾燥・微細化して肥料を生成する肥料化処理手段と、所定の廃棄物Ａを高炉で処理する高炉処理手段と、該高炉処理手段における廃熱自体および／または廃熱を利用した発電により得られた電力を、前記メタンガス生成手段および肥料化処理手段で使用される熱エネルギーおよび／または電気エネルギーとして利用可能に供給するエネルギー利用・供給手段とを有することを特徴とする資源利用統合システム。
前記所定の廃棄物Ａが、廃棄物資源から、弁別により、紙類、一般生ごみおよび高蛋白質廃棄物を生ごみ類、および、瓶類および缶類等のリサイクル可能な廃棄物類を除いた廃棄物からなる、請求項１〜３のいずれかに記載の資源利用統合システム。
前記メタンガス生成手段が、前記リグニンを含有するバイオマス以外に、紙類、一般生ごみからもメタン発酵可能な手段に構成されている、請求項１、３、４のいずれかに記載の資源利用統合システム。
前記メタンガス生成手段が、菌床栽培の廃棄物である廃菌床を使用して前記バイオマスに含有されているリグニンを分解する手段、または、前記バイオマスを乾燥・微細化するとともにオゾン反応によりリグニンを分解する手段を有する、請求項１、３、４、５のいずれかに記載の資源利用統合システム。
前記高炉処理手段における廃熱自体および／または廃熱を利用した発電により得られた電力を、他の処理手段で使用される熱エネルギーおよび／または電気エネルギーとして利用可能に供給するに際し、システム全体としてのエネルギーコストが最も安価になるエネルギー供給モデルを演算する演算手段を有する、請求項１〜６のいずれかに記載の資源利用統合システム。
前記演算手段が、各処理手段への原料投入の量と順序も演算する、請求項７の資源利用統合システム。