JP2018001059A - バイオガス発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来のバイオガス発電システムでは、可溶化槽を温水で加温しながら、攪拌機で攪拌していたので、発電効率が向上しなかった。【解決手段】投入された原料を可溶化処理し処理原料とする可溶化槽と、前記処理原料が投入されるメタン発酵槽と、前記メタン発酵槽から得たメタンガスを燃焼し電力を生むバイオガス発電機と、前記バイオガス発電機から発生した排ガスをさらに燃焼する排ガスボイラーと、前記排ガスボイラーからの排気ガスと空気との間で熱交換を行い、加熱空気を生成する熱交換器と、前記可溶化槽内に配置され、前記加熱空気で前記可溶化槽内を曝気する曝気装置を有することを特徴とするバイオガス発電システムは、加熱空気で曝気をおこなうので、加熱と攪拌を同時に行い、発電効率が高くなる。【選択図】図１

Description

本発明は、廃棄処理される有機物からバイオガスを発生させ、そのバイオガスによって発電するバイオガス発電システムに関する。

カーボンニュートラルの観点から、家畜糞尿や下水汚泥、食品由来の廃棄物（いわゆる「生ごみ」）といった有機物を原料とし、メタン発酵することで、バイオガスを得て、エネルギー利用しようという提案がされている。メタン発酵はメタン菌によって原料を分解し、メタンガスを発生する工程である。したがって、メタン菌を効率よく活動させる環境を与えることが、バイオガス発電システムのポイントとなる。

メタン菌は古細菌であり、古くから生存し、ほぼどこにでも生息している。しかし、効率よくメタン菌を活動させるためには、環境条件を整える必要がある。例えば、メタン菌は偏性嫌気性であり、酸素の存在する環境では活動できないし、増殖もしない。したがって、処理槽中はもとより、メタン菌に与える原料からも酸素を除去しておく必要がある。また、活動できるｐＨも６〜８とほぼ中性のｐＨが必要とされる。

メタン菌は有機物を最終段階まで分解するため、アンモニア性窒素を発生する場合が多い。アンモニア性窒素は、たんぱく質を分解することによって発生するからである。過剰のアンモニアは、ｐＨを大きくアルカリ側にすることがあり、メタン菌にとっては、毒となる。これはアンモニア阻害と呼ばれ、メタン発酵では避けて通れない問題である。

従来は、原料を水で希釈し原料中の窒素含有量を低減させる方法が用いられてきた。また、加熱やｐＨ調整によるアンモニアのガス化除去といった方法もある。また、予め微生物を使って原料をアンモニア発酵させ、そこでアンモニアを抜くといった発明も知られている。

特許文献１では、メタン発酵の前処理として可溶化処理を高温で行い、アンモニアをガスとして予め飛ばすことで、アンモニア阻害を回避する技術が記載されている。

ここでは、超高温可溶化槽とメタン発酵槽を用意し、超高温可溶化槽で原料を水に溶解可能な程度の低分子まで分解する。そして同時にアンモニアもガスとして飛ばしてしまう。このようにアンモニアストリッピングされた原料をメタン発酵槽に供給し、メタンガスを得る。

また、超高温可溶化槽の温度を維持するために、メタン発酵槽から得たガスをガスボイラーで加熱し、その熱で温水を作り超高温可溶化槽を温めるとしている。

特開２０１１−０８３７６１号公報

可溶化槽では、加熱しながら高温好気性微生物が含まれた原料を攪拌し処理を行う。原料中に十分な酸素を混入させるためである。しかし、加温のために温水循環システムと、攪拌用のモータを駆動させる電力を常時供給する必要があった。したがって、発電システムとしての効率性が低下するという課題があった。

本発明は上記の課題に鑑みて想到されたものであり、加熱と攪拌を同時に行い発電システムとしての効率を高めるバイオガス発電システムを提供するものである。

より具体的に本発明に係るバイオガス発電システムは、
投入された原料を可溶化処理し処理原料とする可溶化槽と、
前記処理原料が投入されるメタン発酵槽と、
前記メタン発酵槽から得たメタンガスを燃焼し電力を生むバイオガス発電機と、
前記バイオガス発電機から発生した排ガスをさらに燃焼する排ガスボイラーと、
前記排ガスボイラーからの排気ガスと空気との間で熱交換を行い、加熱空気を生成する熱交換器と、
前記可溶化槽内に配置され、前記加熱空気で前記可溶化槽内を曝気する曝気装置を有することを特徴とする。

本発明に係るバイオガス発電システムは、原料から発生させたバイオガスを燃焼させたときに得る熱で空気を加熱し、高温の空気で可溶化槽中の原料を曝気するので、加熱と攪拌を同時に行うことができる。したがって、発電システムとしての効率はより高くなる。

本発明に係るバイオガス発電システムの構成を表す図である。 メタン発酵槽の加熱手段を示す図である。 バイオガス発電システムの立ち上げ時の温水の流路を示す図である。

以下に本発明に係るバイオガス発電システムについて図面および実施例を示し説明を行う。なお、以下の説明は、本発明の一実施形態および一実施例を例示するものであり、本発明が以下の説明に限定されるものではない。以下の説明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で改変することができる。

図１に本発明に係るバイオガス発電システムの構成を示す。本発明に係るバイオガス発電システム１には、可溶化槽１０とメタン発酵槽１４と、バイオガス発電機２２と、排ガスボイラー２４と、熱交換器２６と、曝気装置４８を含む。また、可溶化槽１０とメタン発酵槽１４の間には冷却槽１２が、メタン発酵槽１４の後段にはガス貯留タンク１８が設けられていてもよい。

また、可溶化槽１０と、メタン発酵槽１４内に循環配置された熱交換パイプ７２と、熱交換パイプ７２に水を循環させる循環水タンク４０および循環ポンプ４２と、水をガス貯留タンク１８からのメタンガス１１２を燃焼して加熱する循環水ボイラー３０を有していてもよい。

また、可溶化槽１０中の気体１３０からアンモニアを除去するアンモニア除去装置３２と、アンモニア除去装置３２から発生するアンモニア成分１３２を分解する汚水処理装置３４をさらに有していてもよい。

バイオガス発電システム１で使用される原料１００は、家畜糞尿や下水汚泥、食品由来の廃棄物（いわゆる「生ごみ」）といった有機物を利用することができる。メタン菌は、活発な活動と増殖のために、存在環境もさることながら、与えられる資質も重要であり、微量ながら各種金属元素が必要とされている。生物由来の有機物には、各種の金属元素も含まれているので好適である。

なかでも鶏糞は望ましい。鶏は、飼育されている数が多く、原料１００として豊富に入手できる。また、窒素やリン、カリウムといった元素の割合が多いので、使用後に液肥や堆肥として有用だからである。

可溶化槽１０は、原料１００をおよそ８０℃に保持しながら攪拌するための容器である。密閉性が担保されている必要がある。後段のメタン発酵槽１４に原料を移送させる際に、酸素が混入しないためである。

可溶化槽１０中には、曝気装置４８が設けられている。曝気装置４８は、後述する熱交換器２６によって加熱された空気が噴き出すパイプで構成される。原料１００を加熱空気７４で曝気することで、攪拌と高温の維持と酸素の供給が同時に行われる。

なお、可溶化槽１０には電動の攪拌機１０ｍが備えられていてもよい。原料１００をメタン発酵槽１４に移送させる前に、原料１００中の酸素を好気性細菌によって消化さるために加熱空気７４による曝気を停止する必要がある。その際に原料１００を攪拌させるためである。また、加熱空気７４による曝気ができない場合のためでもある。

可溶化槽１０に原料１００とともに投入される高温好気性細菌は、Ｂａｃｉｌｌｕｓ種などの細菌が好適に利用できる。このような細菌は別途培養しておく。

冷却槽１２は、可溶化槽１０とメタン発酵槽１４との間に設置されてもよい。本発明に係るバイオガス発電システム１では、可溶化槽１０は８０℃前後で運転されるのに対して、メタン発酵槽１４は５５℃前後と低い温度で運転されるからである。したがって、可溶化槽１０からメタン発酵槽１４に処理原料１０２を移送する際には、冷却する必要があるからである。

冷却槽１２は、密閉性が担保され、温度計と移送のためのポンプおよび攪拌機（これらは図示せず。）が備えられているだけでも良い。しかし、冷却手段（図示せず）が備わっていればより望ましい。大量の処理原料１０２は短時間では温度が下がらないからである。冷却手段としては、特に限定されないが、加熱されていない空気や水を通すパイプが冷却槽１２の外面や内面に配置されている構成が例として考えられる。

メタン発酵槽１４は冷却槽１２（若しくは可溶化槽１０）から処理原料１０２が投入される。メタン発酵槽１４は、密閉性と加熱手段が備えられる。攪拌機１４ｍが備えられていてもよい。メタン発酵は嫌気性反応であるため、外部からの酸素の供給は必要ない。しかし、本発明に係るバイオガス発電システム１では、メタン発酵槽１４は５５℃程度の高温で行うため、温度の維持が必要になるからである。

加熱手段は熱交換パイプ７２の一部（７２ｄ）をメタン発酵槽１４内部に連通させることで実現することができる。この熱交換パイプ７２中を流れる温水は、結果としてメタン発酵槽１４で発生させたメタンガス１１２を燃焼させた熱で作られる。

高温嫌気性のメタン菌は、メタン発酵槽１４中で増殖する。したがって、メタン発酵槽１４中の汚泥の量を管理し、必ず一定量の汚泥が常にメタン発酵槽１４中に残存していれば、新たなメタン菌を補充する必要はない。

メタン発酵槽１４の後段には、脱硫装置１６とガス貯留タンク１８が配置される。脱硫装置１６は、メタン発酵槽１４で生成されるバイオガス中に含まれる硫化水素を除去するためのものである。またガス貯留タンク１８は、生成したバイオガス中のメタンガス１１２を貯留し、必要に応じて各所にガスを移送するための拠点となる。

バイオガス発電機２２は、ガス貯留タンク１８に貯留されたメタンガス１１２で発電する装置である。原理的にはディーゼルエンジンと同じで、公知の発電機が利用できる。

排ガスボイラー２４は、バイオガス発電機２２の排ガス１２０を燃料として再燃焼させるボイラーである。バイオガス発電機２２ではメタン発酵槽１４で生成したメタンガス１１２を燃料とするが、メタンガス１１２の全てを燃焼できない。そこで、排ガス１２０中に残留したメタンガスを再度燃焼させるものである。

排ガスボイラー２４では水を加熱するために使用され、９０℃から９５℃程度の熱水が作られる。この熱水は温水で発電を行うＯＲＣ（バイナリー発電装置）２８で発電に使用されてもよい。また、これ以外に温水として利用することもできる。なお、この熱水を循環させるための熱水循環パイプ７０と熱水タンク３６および熱水ポンプ４４が設けられていてもよい。

熱交換器２６は、排ガスボイラー２４の排ガス１２２と空気の間で熱交換する。排ガスボイラー２４の排ガス１２２はまだ高温であるので、この熱量をさらに利用するためである。なお、熱交換器２６に空気を送るブロア４６が備えられている。

熱交換器２６で排ガスボイラー２４の排ガス１２２から熱を受けた空気を「加熱空気７４」と呼ぶ。加熱空気７４は約２００℃程度の温度になる。加熱空気７４は、可溶化槽１０中に配置された曝気装置４８に送られる。

可溶化槽１０とメタン発酵槽１４には、熱交換パイプ７２が配置されている。この熱交換パイプ７２は、可溶化槽１０とメタン発酵槽１４内の温度を所定の温度に維持するために使用される。熱交換パイプ７２は、循環水タンク４０に接続されている。循環水タンク４０には循環ポンプ４２が備えられている。この熱交換パイプ７２には、循環水ボイラー３０が接続されている。なお、排ガスボイラー２４で作られた熱水と熱交換パイプ７２中の循環水との間で熱交換できる循環水用熱交換器３８が設けられていてもよい。

また、可溶化槽１０には、可溶化槽１０中の気体１３０を抜き出し、気体１３０中のアンモニアを除去するアンモニア除去装置３２が備えられていてもよい。可溶化槽１０では、タンパク質が好気性細菌によって分解される。その際に窒素分解物としてアンモニアが発生する。特に可溶化槽１０中は高温に維持されているので、アンモニアは蒸発し気体状態になっている。そこで、気体１３０中のアンモニアを可溶化槽１０から追い出すことで、後段のメタン発酵槽１４中でアンモニアの残留量を低下する。

アンモニア除去装置３２は、気体１３０中からアンモニア成分１３２を除去する。アンモニア成分１３２を除去した気体は大気に放出する。また、アンモニア成分１３２は汚水処理装置３４に送られる。

汚水処理装置３４は、アンモニア除去装置３２で分離されたアンモニア成分１３２をさらに分解するための装置である。ここでは、硝化反応と脱窒反応を経ることで、水と窒素に分解する。

以上の構成を有するバイオガス発電システム１の動作について説明する。原料１００は、粉砕機などで細かく粉砕される。原料１００には水が所定量加えられ、可溶化槽１０に投入される。可溶化槽１０中では、加熱空気７４で曝気され、８０℃程度の高温状態の下で、高温好気性細菌によってタンパク質や脂肪などが、水に可溶な程度の低分子有機物に分解される。この分解は、４８時間程度行われる。

可溶化槽１０での最終段階では、加熱空気７４での曝気は停止される。原料１００中の酸素成分を好気性細菌に使わせてなくすためである。後段のメタン発酵槽１４には酸素を含まない原料を送るためである。なお、好気性細菌による反応は発熱反応であるので、可溶化槽１０を加熱しなくても反応は進む。なお、原料１００中の酸素がなくなってくると、分解反応が低下するので、原料１００の温度が下がる場合がある。その際は、熱交換パイプ７２を通じて温水を可溶化槽１０に流し、可溶化槽１０の温度を維持するようにしてもよい。

可溶化槽１０で可溶化処理が終了した原料１００を「処理原料１０２」と呼ぶ。処理原料１０２は、ほぼ酸素を含まず、低分子量の有機酸と水を含む。処理原料１０２は、冷却槽１２に送られる。冷却槽１２で処理原料１０２はおよそ６０℃程度に冷却される。なお、冷却槽１２は、所定の長さの移送パイプで代用してもよい。

冷却槽１２の容量が大きくなると、冷却槽１２中の処理原料１０２の温度は低下しにくい。したがって、冷却手段（図示せず）を用いてもよい。冷却手段としては、熱交換器２６に送風するブロア４６からの空気のうち、熱交換器２６を通らない一部の空気（「常温空気」と呼ぶ。）を使って冷却してもよい。

なお、常温空気を使うとしても、処理原料１０２中に常温空気を直接吹き込むことはしない。処理原料１０２は、酸素がほぼない状態に維持されているからである。なお、図では、熱交換器２６から冷却槽１２までの常温空気の移送経路は省略した。

６０℃程度に冷却された処理原料１０２は、メタン発酵槽１４に移送される。メタン発酵槽１４では、メタン菌によってメタン発酵が行われる。メタン菌は嫌気性の細菌であるので、メタン発酵は酸素のない環境で行われる。

また、メタン発酵は発熱反応ではないので、温度は外部から制御する必要がある。本発明に係るバイオガス発電システム１では、メタン発酵は、高温域と呼ばれる５５℃程度の温度で行われる。この温度は熱交換パイプ７２中に温水を通すことで維持される。

図２には、メタン発酵槽１４を加熱する加熱手段について示す。メタン発酵槽１４の加熱手段は、熱交換パイプ７２ａ、７２ｆ、７２ｃ、７２ｄ、７２ｅ、循環水タンク４０、循環ポンプ４２、循環水用熱交換器３８で構成されている。該当する熱交換パイプを太線矢印で示した。

この循環水路を流れる水は、循環水用熱交換器３８からの熱を受け、およそ８０〜９０℃の温度になっている。メタン発酵槽１４内には、熱交換パイプ７２ｄが設けられており、この熱交換パイプ７２ｄからの熱量でメタン発酵槽１４内は、５５℃程度の高温環境に維持される。

再び図１を参照する。メタン発酵槽１４で発生する気体１１０は、脱硫装置１６を経てメタンガス１１２となり、ガス貯留タンク１８で貯留される。メタン発酵槽１４での反応ではメタンガス以外に硫化水素ガスも発生する。したがって、硫化水素ガスを除去するための脱硫装置１６をガス貯留タンク１８の前段に配置するのが好ましい。

ガス貯留タンク１８に貯留されたメタンガス１１２は、バイオガス発電機２２に送られ、発電に使用される。なお、ガス貯留タンク１８からバイオガス発電機２２に移送する際には、移送のためのポンプやフィルタを含むガス供給ユニット２０などが配置されてもよい。

バイオガス発電機２２で燃焼された排ガス１２０は、排ガスボイラー２４に送られる。この排ガス１２０中にはまだ未燃焼のメタンが含まれている。したがって、排ガス１２０の再燃焼によってさらにバイオガス発電システム１自体の効率を高めるためである。

排ガスボイラー２４では、熱水が作られる。この熱水はＯＲＣ２８に送られ、さらに発電がおこなわれる。より一層バイオガス発電システム１の効率を高めるためである。またこの熱水の熱量の一部は、熱交換パイプ７２中の水へ循環水用熱交換器３８によって与えられる。

排ガスボイラー２４の排ガス１２２もまだ高い温度を有している。ブロア４６は常温空気を送風し、熱交換器２６が常温空気と排ガス１２２との間で熱交換を行う。常温空気は加熱空気７４に変換される。加熱空気７４は、可溶化槽１０に送られ、曝気に利用される。

次にバイオガス発電システム１の立ち上げ時の動作について説明する。バイオガス発電システム１は、一度稼働を始めれば定常的に運転が続けられる。しかし、最初の立ち上がり時や、メタン発酵槽１４内でのメタン菌の減少といった理由で、再度立ち上げ直す必要に迫られる場合がある。

その際には、バイオガス発電機２２や排ガスボイラー２４が停止しているので、メタン発酵槽１４の加熱手段や、可溶化槽１０の立ち上げのための熱量が必要になる。

図３には、立ち上げ時の温水の流路を示す。立ち上げ時には、循環水ボイラー３０、熱交換パイプ７２ｈ、７２ａ、７２ｂ、バルブ５６、熱交換パイプ７２ｃ、７２ｄ、７２ｅ、循環水タンク４０、循環ポンプ４２、バルブ５０、熱交換パイプ７２ｇの流路で温水が供給される。

循環水ボイラー３０は、ガス貯留タンク１８中のメタンガス１１２を燃焼する。なお、図には、ガス貯留タンク１８と循環水ボイラー３０との間のメタンガス１１２の移送パイプは省略している。循環水ボイラー３０で加熱された水は、およそ９０℃程度になり、可溶化槽１０中に送られる。そして可溶化槽１０内の加温に寄与する。

立ち上げ時には、排ガスボイラー２４が運転していないので、加熱空気７４による曝気が行えない。したがって、可溶化槽１０は、熱交換パイプ７２ｂからの熱で加温し、攪拌機１０ｍによって攪拌しながら、反応を進める。また、この温水はメタン発酵槽１４に送られ、メタン発酵槽１４内の温度維持に用いられる。

再び図１を参照する。メタン発酵槽１４中でメタン発酵が終了した汚泥１４０は、好気性細菌の餌ともなりえる。したがって、メタン発酵槽１４で生成した汚泥１４０の一部は、可溶化槽１０に戻してもよい。また、この汚泥１４０は、液肥として使用できる。

また、この汚泥１４０は汚水処理装置３４で固液分離し、堆肥とすることができる。固液分離の結果生成した液体にはアンモニアが残留している。そこで、アンモニア除去装置３２から生成したアンモニア成分１３２とともに、アンモニアを分解して窒素と浄化水として自然に戻す。

以上のように、本発明に係るバイオガス発電システムでは、原料から発生させたバイオガスを燃焼させたときに得る熱で空気を加熱し、高温の空気で可溶化槽中の原料を曝気するので、加熱と攪拌を同時に行うことができる。したがって、発電システムとしての効率はより高くなる。また、発生した熱は温水として、ＯＲＣ（バイナリー発電装置）や、メタン発酵槽での温度維持にも用いることができるため、より高い効率で運転することができる。

本発明に係るバイオガス発電システムは、廃棄される有機物からエネルギーを得る際に好適に利用することができる。

１ バイオガス発電システム
１０ 可溶化槽
１０ｍ 攪拌機
１２ 冷却槽
１４ メタン発酵槽
１４ｍ 攪拌機
１６ 脱硫装置
１８ ガス貯留タンク
２０ ガス供給ユニット
２２ バイオガス発電機
２４ 排ガスボイラー
２６ 熱交換器
２８ ＯＲＣ（バイナリー発電装置）
３０ 循環水ボイラー
３２ アンモニア除去装置
３４ 汚水処理装置
３６ 熱水タンク
３８ 循環水用熱交換器
４０ 循環水タンク
４２ 循環ポンプ
４４ 熱水ポンプ
４６ ブロア
４８ 曝気装置
５０ バルブ
７０ 熱水循環パイプ
７２ 熱交換パイプ
７４ 加熱空気
１００ 原料
１０２ 処理原料
１１０ 気体
１１２ メタンガス
１２０ 排ガス
１２２ 排ガス
１３０ 気体
１３２ アンモニア成分
１４０ 汚泥

Claims (3)

1. 投入された原料を可溶化処理し処理原料とする可溶化槽と、
   前記処理原料が投入されるメタン発酵槽と、
   前記メタン発酵槽から得たメタンガスを燃焼し電力を生むバイオガス発電機と、
   前記バイオガス発電機から発生した排ガスをさらに燃焼する排ガスボイラーと、
   前記排ガスボイラーからの排気ガスと空気との間で熱交換を行い、加熱空気を生成する熱交換器と、
   前記可溶化槽内に配置され、前記加熱空気で前記可溶化槽内を曝気する曝気装置を有することを特徴とするバイオガス発電システム。
2. 前記メタン発酵槽から得た前記メタンガスを貯留するガス貯留タンクをさらに有し、
   前記可溶化槽と、前記メタン発酵槽内に循環配置された熱交換パイプと、
   前記熱交換パイプに水を循環させる循環水タンクおよび循環ポンプと、
   前記水を前記ガス貯留タンクからの前記メタンガスを燃焼して加熱する循環水ボイラーを有することを特徴とする請求項１に記載されたバイオガス発電システム。
3. 前記可溶化槽中の気体からアンモニアを除去するアンモニア除去装置と、
   前記アンモニア除去装置から発生するアンモニア成分を分解する汚水処理装置をさらに備えることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載されたバイオガス発電システム。