JP2008188538A - バイオマス固体発酵方法及び発酵装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】外気を導入して酸素濃度0.01〜5.0%に維持した酸発酵帯域に、ペレット状に成形した固体バイオマス原料を、通性嫌気又は半好気条件下、酸発酵を行わせ、次いで上記の固体バイオマス原料ペレットを、圧縮緻密化して、その中の粒子間に存在する酸素を除去したのち、メタン発酵帯域に移し、嫌気的条件下でメタン発酵させ、バイオガスを生成させる。
【選択図】図1
Description
しかしながら、このような湿式メタン発酵法においては、原料バイオマス1体積当り、約15〜20倍体積の発酵槽を必要とするため、装置が大型化するのを免れず、設備コストが高くなるという欠点がある。
、有機性廃棄物のC/N比が20〜250になるように調整する方法(特許文献2参照)、有機性廃棄物に無機多孔体を混合し、メタン発酵槽に導入する方法(特許文献3参照)、有機性廃棄物に炭化物を混合し、これをメタン発酵させる方法(特許文献4参照)などが知られている。
しかしながら、これらの方法は、いずれもバイオマス原料に別の副資材を混合し、発酵条件の調整を行う方法であるため、副資材の入手費用や混合工程の付加によりコスト高になるのを免れない上に、メタン発酵に先立って行われる酸発酵の通性嫌気条件又は半好気条件の制御や、メタン発酵時の絶対嫌気条件の制御を完全に行うことは困難であった。
上記の酸発酵帯域において、通性嫌気又は半好気条件下でペレット状に成形した固体バイオマス原料を用いるのは、ここで酸素分圧を調整して、過度の酸発酵が起り、温度が高くならないように適正化するためである。
図1は、本発明方法の1例の工程図であって、この方法は粗粉砕工程(イ)、ペレット化工程(ロ)、酸発酵工程(ハ)、メタン発酵工程(ニ)、発酵残渣回収工程(ホ)、二次ペレット化工程(ヘ)及びエネルギー化工程(ト)から成っている。バイオマス原料(A)は、(イ)工程に供給され、それぞれの工程を経て処理され、最後に燃焼残渣(D)となって排出されるが、この間に(ニ)工程においては、バイオガス(B)が生成し、(ヘ)工程において、ペレット固体燃料(C)が得られる。
なお、バイオマス原料については、それを粉砕するに先立ってその中に混入している金属類例えば包丁の破片やホーク、スプーンなどの食器類を超永久磁石などを用いて除去するのが好ましい。
ここで、「湿量基準%」とは、室温、常圧下におけるバイオマス原料に含まれている固形分の乾燥質量と水分量の和に対する水分量の百分比(%)を意味する。
また、この工程で生じた残渣は、(ト)工程において焼却される。
この図において、固体バイオマス原料は、搬入ピット1から粉砕機2により粗粉砕され、下方向押込みスクリューコンベア3により駆動装置5で駆動されるエクストルーダー4に押込まれ、ペレット化したのち、調製室6を経て、ダイス20を通ってペレット化され、酸発酵槽7に供給される。ペレットは、熱媒体貯留室8の角度αで傾斜している上面に沿って上方へ押し上げられメタン発酵槽11に送り込まれる。酸発酵槽7とメタン発酵槽11との間は、角度制御アクチュエータ10により制御される可動弁9を備えた隔壁により分離されている。メタン発酵槽11の上面には、気密維持室13により、外気と遮断された圧密用ヘッド12が備えられ、酸発酵槽7から送られてくる原料ペレットは、ここで圧縮緻密化され、微量の酸素を含む気体が除去される。
メタン発酵残渣は、直立スクリューコンベア14及び平行スクリューコンベア15により、乾燥装置17に送られ、ブロアー21から吹き出される乾燥空気により乾燥後、取出口23から取り出される。
また、メタン発酵槽11で生成したバイオガスは、排気孔22から排出される。
一方、メタン発酵槽11の角度βで傾斜した底面に、捕集されたスラリ状生成物は、スラリ溜め19を経て循環ポンプ16により環流され散布ノズル18、…から酸発酵槽7及びメタン発酵槽11に環流される。
取出口23から取り出される残渣乾燥物は、ペレット化されたのち、固体燃料として利用される。24は、酸発酵槽7の内部温度をトレースするための放射温度計である。
生ごみを粉砕脱水した固形分(水分40湿量基準%)に、消石灰0.01質量%(乾燥質量基準)を加え、直径7mm、長さ20mmのペレットに成形し、見掛け密度650kg/m3、800kg/m3、900kg/m3の3種の試料を調製した。
図2に示す構造をもつ200リットル容2相式メタン固体発酵装置に、上記のペレットを0.5kg/日の速度で供給し、酸発酵槽に5日目の水分が70湿量基準%になるように計算した量の水を2日間に分けて噴霧した。この状態でペレットを酸発酵槽に加水せずに5日間滞留させた。さらに、メタン発酵槽での計算上の加水量を求め、水分85湿量基準%に調整した。この間のメタン発酵槽の温度は25±5℃に維持した。
このようにして得た3種の試料について試験した結果を、発生したバイオガスの累積体積を投入した生ごみの質量基準に換算し、経日変化を示すグラフとして図3に示す。なお、このときの酸発酵槽におけるペレットの5日目の表面温度を、放射温度計で観測したところ40±5℃であった。
生ごみを粉砕脱水した固形分(水分40湿量基準%)に、消石灰0.01質量%(乾燥質量基準)を加え、直径7mm、長さ20mmのペレットに成形した。
図2に示す構造をもつ200リットル容2相式メタン固体発酵装置に、上記のペレットを0.5kg/日の速度で供給し、酸発酵槽に5日目の水分が70湿量基準%になるように計算した量の水を2日間に分けて噴霧した。この状態でペレットを酸発酵槽に加水せずに5日間滞留させた。さらに、メタン発酵槽での計算上の加水量を求め、水分70〜75湿量基準%に調整した。この間のメタン発酵槽の温度は25±5℃に維持した。このようにして、見掛け密度650kg/m3、800kg/m3、900kg/m3の3種の試料を調製した。
このようにして得た3種の試料について試験した結果を、発生したバイオガスの累積体積を投入した生ごみの質量基準に換算し、経日変化を示すグラフとして図4に示す。なお、このときの酸発酵槽におけるペレットの5日目の表面温度を、放射温度計で観測したところ40±5℃であった。
尿を除いた牛糞を自然乾燥して水分80〜85湿量基準%としたものと水分70〜75湿量基準%としたものについて、それぞれ見掛け密度が800kg/日になるようにペレット化したもの(7mmφ×15mm)を、1000リットル体積の2相式メタン固体発酵槽に、3.0kg/日の割合で供給した。このようにして得たバイオガス累積発生量とメタン濃度の関係を求め、グラフとして図5に示す。
この例においては、加水を行わず、投入口で水分の調整を行ったままでペレット化し、酸発酵槽及びメタン発酵槽に送入した。また、酸発酵槽とメタン発酵槽の間に設けた可動弁は手動で操作した。
この装置としては、圧密装置及び乾燥装置を備えないものを用いた。酸発酵槽での水分70〜75湿量基準%のペレット温度は、酵素濃度をPSAで2%に制御することによって40〜45℃、80〜85湿量基準%のペレット温度は30℃付近で、温度上昇は認められなかった。両方の水分におけるメタン濃度の変化はほとんど認められなかった。
また、参考例3より、メタン発酵槽の固体材料の通常時間としては、最低200日を必要とすることが分る。
それ以外は、参考例1と同様に処理したところ、各試料におけるバイオガスの累積体積は、図3に比べ、いずれも20〜30%増大することが分った。
このようにして得たペレットに水を噴霧して水分を70湿量基準%付近に調節して、酸素濃度を1%付近に制御し、総体積1000リットルの2相式メタン固体発酵装置に供給し、連続運転したところ、5日目に原料温度は50℃に達し、この状態は10日目まで続いた。
次いで、この状態を維持したまま、メタン発酵槽の底面から得られた滲出水をメタン発酵槽に散水し、水分を80湿量基準%に保ちながら原料温度25〜35℃で実験を続行したところ、35日経過後にバイオガスが発生し、発生量は180日後に定常状態になった。
次に、この際得られたメタン発酵残渣を熱風乾燥して水分25湿量基準%まで乾燥した後、ダイス孔7mmのペレット製造機によりペレットに成形したところ、このペレット温度は80℃付近まで上昇するとともに、水分15〜18湿量基準%の固体燃料が得られた。また上記の乾燥工程中に発生した蒸気は、アンモニア臭を有していたが、これをバイオガスで燃焼したところ、排気ガスは無臭となった。
この際に得られたメタン固体発酵残渣を実施例1と同様にしてペレット化し、水分12湿量基準%のペレット(7mmφ×20mm)からなる固体燃料を製造した。このものは約4000kcal/kgの低位発熱量を有していた。
これをスターリングエンジン社のST−5スターリングエンジンを最大出力5000kcal/hrのバーナーを用いて炉内温度を650±50℃で運転したところ、毎時6.5kgのメタン発酵残渣ペレットの燃料消費で3.0〜3.2kwの電力出力を得た。電力変換効率は約10%であり、廃熱温度が450℃にもなるので、空気−空気又は水−空気の熱交換によって排気空気温度を250℃に低下させると、温熱を50〜60%回収できることが分った。
2 粉砕機
3 下方向押込みスクリューコンベア
4 エクストルーダー
5 駆動装置
6 調製室
7 酸発酵槽
8 熱媒体貯留室
9 可動弁
10 角度制御アクチュエータ
11 メタン発酵槽
12 圧密用ヘッド
13 気密維持室
14 直立スクリューコンベア
15 平行スクリューコンベア
16 循環ポンプ
17 乾燥装置
18 散布ノズル
19 スラリ溜め
20 ダイス
21 ブロアー
22 排気孔
23 取出口
24 放射温度計
Claims (11)
- 外気を導入して酸素濃度0.01〜5.0%に維持した酸発酵帯域に、ペレット状に成形した固体バイオマス原料を、通性嫌気又は半好気条件下、酸発酵を行わせ、次いで上記の固体バイオマス原料ペレットを、圧縮緻密化して、その中の粒子間に存在する酸素を除去したのち、メタン発酵帯域に移し、嫌気的条件下でメタン発酵させ、バイオガスを生成させることを特徴とするバイオマス固体発酵方法。
- (イ)固体状のバイオマス原料を粗砕化して100mm以下のサイズにする工程、
(ロ)粗砕化されたバイオマス原料をダイスから押出してペレットを形成する工程、
(ハ)上記のペレットを通性嫌気又は半好気条件下で酸発酵させる工程、及び
(ニ)酸発酵させたバイオマス原料ペレットを圧縮緻密化して、その中の粒子間に存在する酸素を除去したのち、嫌気性条件下でメタン発酵させ、バイオガスを発生させる工程
を含む請求項1記載のバイオマス固体発酵方法。 - (ロ)工程のペレット形成を0.5MPa以上の高い圧力で7〜100mmの径のダイスに圧入して行う請求項2記載のバイオマス固体発酵方法。
- ペレット形成に際し、バイオマス原料に対し、その質量に基づき0.001〜5質量%の消石灰又は生石灰を混合する請求項3記載のバイオマス固体発酵方法。
- (ニ)工程におけるバイオマス原料ペレットの水分を80〜85湿量基準%に調整する請求項2ないし4のいずれかに記載のバイオマス固体発酵方法。
- (ニ)工程に続けて、メタン発酵後の残渣を回収し、乾燥後、ペレット化し、固体燃料とする(ホ)工程を行う請求項2ないし5のいずれかに記載のバイオマス固体発酵方法。
- (ホ)工程で得た固体燃料を過熱水蒸気によって加熱し、さらに(ニ)工程で得たバイオガスにより800℃以上に加熱して熱分解ガスを得る請求項6記載のバイオマス固体発酵方法。
- ペレット成形手段及び可動弁付き空気導入口を備えた酸発酵槽と、隔離用可動弁を介して酸発酵槽と連結したペレット圧縮手段付きメタン発酵槽とを含むことを特徴とするバイオマス固体発酵装置。
- スクリューコンベアに接続したバイオマス原料供給口をもち、先端をダイスに形成した圧入機と、そのダイスを介して圧入機に連結している、上方向け傾斜底面を有する酸発酵槽と、この酸発酵槽と角度制御アクチュエータにより開閉される可動弁を介して連結している、天井面に圧密用ヘッドを備え、かつ底面をスラリー溜めに向けて下方傾斜面に形成したメタン発酵槽と、スラリー溜めに捕集されたスラリーをメタン発酵槽に返送するための環流機構とから構成されている請求項8記載のバイオマス固体発酵装置。
- 前処理用として、金属除去機構を付設した請求項8又は9記載のバイオマス固体発酵装置。
- メタン発酵槽の発酵残渣取出口に連結して乾燥炉を備えた請求項9又は10記載のバイオマス固体発酵装置。
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