JP2022182233A - 生産システムおよび生産システムの運用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生産設備で生じた有機廃棄物をメタンに変換するプロセスにおいて、副生成物として生成される酸素を生産設備や周辺設備で利用して、化石燃料の使用量を効率的に削減する生産システムおよび生産システムの運用方法を提供する。【解決手段】生産システム１００は、生産設備１０１と、生産設備１０１で発生した有機廃棄物を用いてメタン発酵を行うメタン発酵槽１０２と、生産設備１０１またはメタン発酵槽１０２に蒸気を供給する燃焼設備１０５と、生産設備１０１から排出された排水を処理する排水処理装置１０３と、生産設備１０１またはメタン発酵槽１０２で発生したＣＯ２をメタンに変換して燃焼設備１０５に供給するＣＯ２メタン化設備１０４と、ＣＯ２メタン化設備１０４で生じた酸素、または、酸素からオゾン発生器により変換されたオゾンを排水処理装置１０３または生産設備１０１に供給する供給手段を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、生産設備で製品を製造すると共に生産設備で発生した有機廃棄物をメタンに変換して利用する生産システムおよび生産システムの運用方法に関する。

近年、各国政府による２０５０年までのカーボンニュートラルに向けて、ＣＯ_２排出規制が進められており、ＥＳＧ投資（Environment・Social・Governanceに基づく投資）の拡大や、消費者の行動変容などが望まれている。化石燃料の使用量の削減は、生産システムを構築する際の重要課題として位置付けられている。化石燃料の使用量の削減策としては、高効率化、電化、ガス化、バイオマス活用等がある。

産業部門の生産現場では、加熱、蒸留、乾燥、調理、滅菌、洗浄等の用途で熱源が必要とされる。従来、熱源としては、主に化石燃料が使用されている。食品、飲料、化学品、一般消耗品等のバイオマス原料から製品を製造する分野では、化石燃料の使用量の有力な削減策として、生産プロセスで発生した有機廃棄物の燃料としての利用がある。例えば、有機廃棄物のメタン発酵によってバイオガスが生産されている。

バイオガスは、メタンが６割、ＣＯ_２が４割の組成となることが一般的である。メタンは、都市ガス等を燃料とする既設のガス燃焼設備で利用できる。そのため、製品を製造する生産設備に対して、メタン発酵プロセスの導入が増えている。バイオガスをガス燃料として利用する場合は、バイオガスを精製して高純度メタンとしてから、ガス燃焼設備に供給している。

バイオガスは、精製することなく、都市ガス等の化石燃料ガスと混合して利用することも可能である。しかし、バイオガスには、不燃性のＣＯ_２が含まれるため、化石燃料ガスに対する混合率に上限が存在する。いずれの方法でも、バイオガス中のＣＯ_２は利用されることなく大気中に排出される。そのため、有機廃棄物の有効利用や炭素循環の観点から、メタン発酵で生成されるＣＯ_２の有効活用が望まれる。

特許文献１では、バイオガスに含まれるＣＯ_２のメタン化および燃料としての利用が提案されている。バイオガスに含まれるＣＯ_２はバイオマス由来であるため、メタンとして燃焼させる場合であっても、環境中に排出されるＣＯ_２としてカウントされず、カーボンニュートラルな燃料として扱うことができる。また、ＣＯ_２をメタンに変換することで、化石燃料ガスへの混合率の制限によらず燃焼が可能になる。

特許文献１では、水電解装置で製造した水素を用いてＣＯ_２をメタン化している。水電解の副生成物である酸素については、燃焼設備に供給して、燃焼設備から排出されるＣＯ_２の高濃度化を図っている。燃焼設備から排出されたＣＯ_２を回収して、再度メタン化してから、燃料として再利用している。

特開２０１９－０９００８４号公報

有機物、バイオマス等の有機系の原料から製品を生産する一般的な生産設備では、原料由来の炭素を、生産プロセスで生じた有機廃棄物や排水に含まれる状態で回収できる場合が多い。このような生産設備では、高濃度のＣＯ_２の確保が容易である。そのため、特許文献１のように、副生成物として生成された酸素を燃焼に用いて、燃焼設備から排出されるＣＯ_２の高濃度化を図る手法では、メリットが得られ難い。水の電気分解によって生成される酸素については、燃料以外の用途で有効活用することが望まれる。

有機物、バイオマス等の有機系の原料から製品を生産する生産プロセスにおいて、化石燃料の使用量を削減して、環境へのＣＯ_２排出量を減らすためには、ＣＯ_２のメタン化に加え、水の電気分解によって生成される副生成物である酸素をエネルギ消費量の削減に活用するプロセスを構築することが重要である。

そこで、本発明は、生産設備で生じた有機廃棄物をメタンに変換するプロセスにおいて、副生成物として生成される酸素を生産設備や周辺設備で利用して、化石燃料の使用量を効率的に削減する生産システムおよび生産システムの運用方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の構成は、例えば以下のとおりである。
生産設備と、
前記生産設備で発生した有機廃棄物を用いてメタン発酵を行うメタン発酵槽と、
前記生産設備または前記メタン発酵槽に蒸気を供給する燃焼設備と、
前記生産設備から排出された排水を処理する排水処理装置と、
前記生産設備および前記メタン発酵槽のうちの一以上で発生したＣＯ_２をメタンに変換して前記燃焼設備に供給するＣＯ_２メタン化設備と、
前記ＣＯ_２メタン化設備で生じた酸素、または、前記酸素からオゾン発生器により変換されたオゾンを前記排水処理装置に供給する供給手段を備えることを特徴とする生産システム。

本発明によれば、生産設備で生じた有機廃棄物をメタンに変換するプロセスにおいて、副生成物として生成される酸素を生産設備や周辺設備で利用して、化石燃料の使用量を効率的に削減する生産システムおよび生産システムの運用方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係る生産システムの構成を示す図である。 ＣＯ_２をメタンに変換するＣＯ_２メタン化設備の構成例を示す図である。 ＣＯ_２をメタンに変換するＣＯ_２メタン化設備の構成例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態に係る生産システムおよび生産システムの運用方法について、図を参照しながら説明する。なお、以下の各図において共通する構成については同一の符号を付して重複した説明を省略する。

＜生産システム＞
図１は、本発明の実施形態に係る生産システムの構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態に係る生産システム１００は、生産設備１０１と、生産設備１０１で発生した有機廃棄物を用いてメタン発酵を行うメタン発酵槽１０２と、生産設備１０１またはメタン発酵槽１０２に蒸気を供給する燃焼設備１０５と、生産設備１０１から排出された排水を処理する排水処理装置１０３と、生産設備１０１およびメタン発酵槽１０２のうちの一以上で発生したＣＯ_２をメタンに変換して燃焼設備１０５に供給するＣＯ_２メタン化設備１０４と、を備えている。

また、生産システム１００は、ＣＯ_２メタン化設備１０４で生じた酸素、または、ＣＯ_２メタン化設備１０４で生じた酸素からオゾン発生器２０３により変換されたオゾンを、排水処理装置１０３に供給する排水処理ガス供給ライン（第１供給手段）１１０と、ＣＯ_２メタン化設備１０４で生じた酸素からオゾン発生器２０３により変換されたオゾンを生産設備１０１に供給する生産設備ガス供給ライン（第２供給手段）１２０と、を備えている。排水処理ガス供給ライン１１０や生産設備ガス供給ライン１２０は、配管や、ポンプ、バルブ、タンク等の配管機器によって構成される。

生産システム１００は、ＣＯ_２メタン化設備１０４に再生可能エネルギにより発電された電力を供給する不図示の電力供給手段を備えることが好ましい。電力供給手段は、再生可能エネルギを利用する発電設備や、再生可能エネルギを利用する発電設備または発電施設から送電網を通じて送電を受ける受電設備や、変電設備や、配電設備等によって構成される。再生可能エネルギとしては、太陽光、風力、地熱、水力、バイオマス等が挙げられる。

生産システム１００は、生産設備１０１と排水処理装置１０３に系統電力を供給する不図示の系統電力供給手段を備えることが好ましい。系統電力供給手段は、原子力、火力等の非再生可能エネルギを利用する発電設備または再生可能エネルギを利用する発電設備から送電網を通じて送電を受ける受電設備や、変電設備や、配電設備等によって構成される。

生産システム１００は、燃焼設備１０５に化石燃料ガスを供給する不図示の燃料供給手段を備えることが好ましい。燃料供給手段は、化石燃料であるガス燃料や液体燃料を貯蔵する貯蔵設備や、化石燃料であるガス燃料や液体燃料を貯蔵する貯蔵施設から供給ラインやタンクローリを介して化石燃料の供給を受ける燃料分配設備や、このような設備の配管や、ポンプ、バルブ、タンク等の配管機器によって構成される。

生産システム１００は、周辺設備へのエネルギ供給量を管理する制御装置１０６を備えることが好ましい。制御装置１０６は、所定のプログラムで動作するＰＬＣ等のコントローラや、システム全体を制御するコンピュータ等によって構成される。

図１に示すように、生産システム１００は、生産設備１０１と、生産設備１０１に対して配置上・機能上で付随した周辺設備と、によって構成されている。周辺設備としては、燃焼設備１０５、排水処理装置１０３、メタン発酵槽１０２、ＣＯ_２メタン化設備１０４、制御装置１０６等が備えられている。

生産設備１０１は、原料から所定の製品を生産する設備である。生産設備１０１では、有機物、バイオマス等の有機系の原料を、各種の処理、加工等の生産プロセスに供して製品を生産する。生産設備１０１では、生産プロセスの過程で、各種の有機廃棄物を生じる。また、生産プロセスの過程で、有機物、無機物等の汚濁物質を含む排水や、ＣＯ_２を含む排ガスを生じることがある。生産システム１００では、このような有機廃棄物や、排水や、排ガスを周辺設備で熱的・化学的に利用する。

生産設備１０１の具体例としては、例えば、食品、飲料等を生産する生産設備や、油脂類等の可食性バイオマス、木本系バイオマス、草本系バイオマス等の非可食性バイオマス等を原料として化学品を生産する生産設備等が挙げられる。有機廃棄物としては、生産プロセスの過程で、原料の余剰、副生成物、加工残渣等が生じ得る。例えば、飲食品の生産設備では、野菜かす、醸造かす、発酵かす、魚のあら等が、有機廃棄物として生じる。

生産設備１０１で発生した有機廃棄物は、メタン発酵槽１０２に送られる。また、生産設備１０１で発生した排水は、排水処理装置１０３に送られる。生産設備１０１と排水処理装置１０３とは、排水を移送する配管ラインで互いに接続される。また、生産設備１０１で発生した排ガスは、ＣＯ_２メタン化設備１０４に送ることができる。生産設備１０１とＣＯ_２メタン化設備１０４とは、排ガスを移送する配管ラインで互いに接続することができる。

メタン発酵槽１０２は、有機廃棄物を基質としてメタン発酵を行い、メタンおよびＣＯ_２を含むバイオガスを生成する。一般的なバイオガスは、メタンを約５０～６０体積％、ＣＯ_２を約４０～５０体積％で含む混合ガスである。メタン発酵では、メタン生成菌等を用いた嫌気性発酵によって、生産設備１０１から排出された有機廃棄物中の炭水化物、脂質、タンパク質等から、メタンとＣＯ_２が生成される。

メタン発酵槽１０２で生成されたバイオガスは、ＣＯ_２メタン化設備１０４に送られる。メタン発酵槽１０２とＣＯ_２メタン化設備１０４とは、バイオガスを移送する配管ラインで互いに接続することができる。また、配管ラインによる移送に代えて、タンクローリ等でバイオガスを輸送することもできる。

排水処理装置１０３は、生産設備１０１で発生した排水を排水処理して浄化水に変える装置である。排水処理装置１０３では、有機物、無機物等の汚濁物質を含む排水を、生物学的・物理化学的に処理して浄化水を生成する。浄化水は、生産システム１００の外部に放流してもよいし、ＣＯ_２メタン化設備１０４に供給して水の電気分解で用いてもよい。

浄化処理の方法としては、例えば、活性汚泥による好気性処理や、活性炭等による汚濁物質の吸着処理や、汚濁物質のオゾン処理や、活性汚泥と分離膜を用いた活性汚泥膜分離処理や、浮遊物質に対する浮上分離処理や、これらの組み合わせ等を用いることができる。浄化処理の方法としては、高濃度の酸素やオゾンが要求される方法が好ましい。

ＣＯ_２メタン化設備１０４は、ＣＯ_２をメタンに変換するメタン化プロセスと、水の電気分解とを行う。メタン化プロセスでは、二酸化炭素（ＣＯ_２）と水素（Ｈ_２）から、メタン（ＣＨ_４）と水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。水の電気分解では、水（Ｈ_２Ｏ）から、水素（Ｈ_２）と酸素（Ｏ_２）が生成される。水の電気分解で生成された酸素（Ｏ_２）からは、オゾン（Ｏ_３）が生成されてもよい。

メタン化プロセスでは、メタン発酵槽１０２から排出されたバイオガスに含まれるＣＯ_２と、水の電気分解で生成された水素とを反応させて、ＣＯ_２をメタンに変換する。バイオガスに含まれるメタンは、メタン化プロセスの前に、分離してもよいし、分離しなくてもよい。メタン化プロセスでは、生産設備１０１から排出された排ガスに含まれるＣＯ_２がメタンに変換されてもよい。

メタン化プロセスとしては、例えば、逆シフト反応とフィッシャー・トロプシュ反応（ＦＴ反応）との組み合わせや、これらの反応と同様の変換を行う触媒反応を用いることができる。逆シフト反応は、次の反応式（１）で表される。ＦＴ反応は、次の反応式（２）で表される。
ＣＯ_２＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋Ｏ_２・・・（１）
（２ｎ＋１）Ｈ_２＋ｎＣＯ→Ｃ_ｎＨ_２ｎ＋２＋ｎＨ_２Ｏ・・・（２）

水の電気分解では、メタン化プロセスで生成された水を電気分解することができる。但し、水は、炭素収支に直接的な影響がなく、また、低エネルギコストで外部から供給できる。そのため、メタン化プロセスへの水の供給法や、水の電気分解で生成した水の処分法は、特に限定されない。水の電気分解では、上水、工水等や、排水処理装置１０３で造水された浄化水等を電気分解することもできる。排水処理装置１０３とＣＯ_２メタン化設備１０４とは、浄化水を移送する配管ラインで互いに接続することができる。

従来のバイオガスを利用するプロセスでは、メタン発酵で生成されたバイオガスを、そのまま、都市ガス等の化石燃料ガスと混合して燃焼機関の燃料としている。しかし、バイオガスは、高濃度のＣＯ_２を含むため、着火性、発熱量、燃焼効率等が悪い点に課題がある。これに対し、ＣＯ_２メタン化設備１０４を設けると、バイオガス中のＣＯ_２がメタンに変換されるため、ガス燃料の燃焼特性を向上させて、システム全体としてのエネルギ効率やＣＯ_２排出量の問題を改善できる。

図２は、ＣＯ_２をメタンに変換するＣＯ_２メタン化設備の構成例を示す図である。
図２に示すように、ＣＯ_２メタン化設備１０４は、ＣＯ_２と水素を触媒反応によってメタンと水に変換するメタン化反応器２０１と、水の電気分解によって水素と酸素を生成する電気分解装置２０２と、によって構成することができる。

図３は、ＣＯ_２をメタンに変換するＣＯ_２メタン化設備の構成例を示す図である。
図３に示すように、ＣＯ_２メタン化設備１０４は、ＣＯ_２と水素を触媒反応によってメタンと水に変換するメタン化反応器２０１と、水の電気分解によって水素と酸素を生成する電気分解装置２０２と、水の電気分解で生成された酸素からオゾンを発生させるオゾン発生器２０３と、によって構成することもできる。

メタン化反応器２０１と電気分解装置２０２とは、配管等を介して互いに接続される。メタン化反応器２０１では、反応条件に応じて、触媒によって実質的に一段の反応で、ＣＯ_２と水素からメタンと水を生成することができる。電気分解装置２０２における水の電気分解で生成された水素は、メタン化反応器２０１に供給される。

メタン化プロセスにおいて、電気分解装置２０２から供給された水素の全部がメタンに変換されてもよいし、水素の一部がメタンに変換されてもよい。すなわち、メタン化反応器２０１への水素の供給量は、メタン化反応の化学量論比と同等であってもよいし、メタン化反応の化学量論比に対して過剰量であってもよい。メタン化反応器２０１で未反応であった水素や、バイオガスに含まれていたメタンは、メタン化反応によって生成されたメタンと共に、ガス燃料として使用可能な混合ガスを形成する。

オゾン発生器２０３は、電気分解式、放電式、紫外線式等の適宜の方式でオゾンを発生させることができる。オゾンを発生させる方式としては、これらのうち、一種を用いてもよいし、複数種を組み合わせて用いてもよい。オゾン発生器２０３では、空気中の酸素ではなく、水の電気分解で分離・濃縮された酸素ガスをオゾンに変換する。そのため、空気を用いる場合と比較して、高濃度のオゾンガスを発生させることができる。

オゾン発生器２０３が放電式、紫外線式等である場合、電気分解装置２０２から酸素を排出する経路に、オゾンを発生させる反応槽、反応管等を設けることができる。オゾン発生器を備えた反応槽、反応管等に酸素ガスを導入して、プラズマ、紫外線等を印加・照射することができる。

オゾン発生器２０３が電気分解式である場合、電気分解装置２０２にオゾンを発生させる機能を持たせることができる。電気分解装置２０２に備えられるアノードの酸素極をオゾン発生用電極に変更したり、電気分解装置２０２の電解液として酸素の生成が抑制される電解液を用いたりすると、電気分解中に高濃度のオゾンを発生させることができる。

ＣＯ_２メタン化設備１０４のメタン化プロセスで生成されたメタンガスや、メタンガスを含む混合ガスは、燃焼設備１０５に送られる。ＣＯ_２メタン化設備１０４と燃焼設備１０５とは、メタンガスや混合ガスを移送する配管ラインで互いに接続することができる。また、配管ラインによる移送に代えて、タンクローリ等でメタンガスや混合ガスを輸送することもできる。

ＣＯ_２メタン化設備１０４の水の電気分解で生成された酸素は、排水処理装置１０３に送られる。また、オゾン発生器によって生成されたオゾンは、排水処理装置１０３や生産設備１０１に送られる。ＣＯ_２メタン化設備１０４と排水処理装置１０３とは、酸素を移送する排水処理ガス供給ライン１１０や、オゾンを移送する排水処理ガス供給ライン１２０で互いに接続することができる。また、ＣＯ_２メタン化設備１０４と生産設備１０１とは、オゾンを移送する生産設備ガス供給ライン１２０で互いに接続することができる。

なお、図１において、生産システム１００には、排水処理ガス供給ライン１１０および生産設備ガス供給ライン１２０の両方が備えられているが、いずれか一方が備えられる限り、他方は備えられなくてもよい。排水処理ガス供給ライン１２０としては、酸素を移送する配管ライン、オゾンを移送する配管ライン、または、これらの両方を備えることができる。

燃焼設備１０５は、燃料を燃焼させて熱エネルギを利用可能にするための設備である。燃焼設備１０５としては、メタンガスや、メタンを主成分とする混合ガスを利用可能な設備が好ましい。燃焼設備１０５は、メタンガスや混合ガスを燃焼可能である限り、液化天然ガス（Liquefied Natural Gas：ＬＮＧ）や、ＬＮＧを含む都市ガスや、液化石油ガス（Liquefied Petroleum Gas：ＬＰＧ）や、バイオガスや、これらを混合した混合ガスを利用可能な設備であってもよい。

燃焼設備１０５としては、例えば、ガス燃焼ボイラ、ガスエンジンや、これらを備えたコジェネレーションシステム等を用いることができる。コジェネレーションシステムは、発電した電力と共に燃料の燃焼による廃熱を利用するシステムである。コジェネレーションシステムは、廃熱で加熱された熱媒体を利用先に供給するための熱媒体供給ライン網を備える。

燃焼設備１０５では、ＣＯ_２メタン化設備１０４から排出されたメタンガスや、メタンを主成分とする混合ガスを燃焼させて、熱媒体としての蒸気を生成する。混合ガスには、水の電気分解で生成された後にメタン化プロセスで未反応であった水素が含まれていてもよい。水素は、メタンと比較して、発熱量が小さいが燃焼速度が速い等の燃焼特性を持つため、メタンガスや混合ガスを燃焼させることができる。

燃焼設備１０５には、ＣＯ_２メタン化設備１０４から排出されたメタンガスや混合ガスに加え、化石燃料ガスを供給することができる。化石燃料ガスは、燃焼設備１０５に付随する貯蔵設備や、外部の貯蔵施設から供給することができる。燃焼設備１０５と貯蔵設備や貯蔵施設とは、化石燃料のガス燃料や液体燃料を移送する配管ラインで互いに接続することができる。また、配管ラインによる移送に代えて、タンクローリ等で化石燃料のガス燃料や液体燃料を輸送することもできる。

化石燃料ガスとしては、液化天然ガス（ＬＮＧ）、都市ガス、液化石油ガス（ＬＰＧ）や、これらを混合した混合燃料ガス等が挙げられる。化石燃料ガスをメタンガスやメタンを主成分とする混合ガスに混合すると、メタンガスや混合ガスの着火性、発熱量、燃焼効率等の燃焼特性を向上させることができる。

燃焼設備１０５で生成された蒸気は、生産設備１０１や、メタン発酵槽１０２や、これらの両方に送られる。燃焼設備１０５と生産設備１０１やメタン発酵槽１０２とは、蒸気を移送する蒸気供給ライン１３０で互いに接続することができる。

燃焼設備１０５で生成された蒸気は、生産設備１０１の生産プロセス用の配管ラインの殺菌プロセス、滅菌プロセス、洗浄プロセス等や、メタン発酵槽１０２の発酵温度の加温や、メタン発酵槽１０２の使用後の殺菌プロセス、滅菌プロセス、洗浄プロセス等に用いることができる。

配管ラインは、殺菌、滅菌、洗浄等の対象として、配管や、ポンプ、バルブ、タンク、シーリング等の配管機器・部品を備えている。高温・高圧の蒸気を用いると、微生物、ウイルス等を効率的に殺菌、滅菌ないし不活化することができる。また、有機物、無機物等の汚濁物質を効率的に分解ないし除去することができる。

制御装置１０６は、周辺設備へのエネルギ供給量を管理すると共に、周辺設備の動作等を制御する装置である。制御装置１０６と各周辺設備とは、有線または無線による制御線１０７によって互いに電気的に接続されている。制御装置１０６は、生産設備１０１、燃焼設備１０５、排水処理装置１０３およびＣＯ_２メタン化設備１０４へのエネルギ供給量を、生産システム１００の全体として小さくなるように制御する。

＜周辺設備の運用＞
次に、前記の生産設備１０１に付随した周辺設備の具体的な運用について説明する。

バイオガスを利用する一般的なガス利用システムでは、システム全体としてのエネルギ効率や、環境へのＣＯ_２排出量の削減の観点から、プロセス中で生成される副生成物を広く有効利用することが望まれる。一般的なエネルギ源としては、化石燃料が多用されているため、システムのエネルギ効率を向上させると、全体として化石燃料の使用量を削減できる。

そこで、生産システム１００では、有機廃棄物を原料としてメタンを生成して利用するにあたり、バイオガス中のＣＯ_２をメタンに変換するメタン化プロセスと水の電気分解とを行うだけでなく、水の電気分解によって副生成物として生成される酸素を非燃料用途で利用する。

ＣＯ_２メタン化設備１０４において生成された酸素やオゾンは、排水処理ガス供給ライン（第１供給手段）１１０によって排水処理装置１０３に供給して、これらを用いた排水処理や設備滅菌処理や設備洗浄処理に用いることができる。酸素は、排水処理装置１０３の曝気プロセスの散気ガスとして用いることができる。オゾンは、有機物、無機物等の汚濁物質の分解処理や、排水処理装置１０３の配管、タンク、吸着材、分離膜等を対象とした殺菌プロセス、滅菌プロセスまたは洗浄プロセスに用いることができる。

一般的な排水処理では、好気性処理を行う場合に、排水の溶存酸素濃度を高めるために、空気による曝気を行っている。しかし、空気は、酸素を２０％程度しか含まないため、空気による曝気では、酸素以外の窒素等を送風・散気するのに余計なエネルギを消費している。これに対し、ＣＯ_２メタン化設備１０４において生成された酸素を散気ガスとして用いると、空気を用いた曝気と比較して送風量を減らすことができる。そのため、曝気に必要な電力量を削減することができる。

また、排水処理では、排水中の有機物や無機物の酸化分解、活性汚泥の活性化、排水の脱臭等を行う場合に、オゾンが用いられることがある。ＣＯ_２メタン化設備１０４で生成されたオゾンを排水処理装置１０３に供給すると、オゾンを個別に発生させて供給することなく、排水処理や設備滅菌処理や設備洗浄処理を効率的に行うことができる。また、好気性処理を行う場合に、オゾンを用いた前処理を行うと、活性汚泥への負荷が低減し、曝気ガスの送風量を減らすことができる。そのため、曝気に必要な電力量を削減することができる。

排水処理装置１０３では、ＣＯ_２メタン化設備１０４において生成された酸素、その酸素からオゾン発生器により変換されたオゾン、または、これらの両方を用いることができる。排水中に含まれる汚濁物質の種類や、汚濁物質の量は、生産設備１０１で用いられる生産プロセスによって異なる。生産プロセスに応じたガスを供給すると、排水処理装置１０３で消費される電力量を更に削減することができる。

ＣＯ_２メタン化設備１０４において生成されたオゾンは、排水処理装置１０３に供給すると共に、生産設備ガス供給ライン（第２供給手段）１２０によって生産設備１０１に供給して、生産プロセスの配管ラインや容器前処理ラインで用いることができる。オゾンは、生産設備１０１の配管ラインの殺菌プロセス、滅菌プロセスまたは洗浄プロセスに用いることができる。また、生産設備１０１の容器前処理ラインの殺菌プロセス、滅菌プロセスまたは洗浄プロセスに用いることができる。

生産設備１０１の配管ラインは、原材料や中間材料を通流させる配管や、ポンプ、バルブ、タンク、シーリング等の配管機器・部品を備えている。容器前処理ラインは、容器を搬送するコンベヤ等の搬送路を備えており、製造物を包装するための容器や、製造物を容器に包装した製品等を取り扱う。これらは、殺菌プロセス、滅菌プロセスまたは洗浄プロセスの処理対象となる。

配管ラインの殺菌や、滅菌や、洗浄にオゾン水を利用する手法は、従来の食品分野、飲料分野等の生産設備にも導入されている。オゾンを発生させる方法としては、空気に紫外線を照射する方法や、空気から分離濃縮した酸素に紫外線を照射する方法や、空気から分離濃縮した酸素中で放電を起こす方法が用いられている。しかし、空気は酸素を２０％程度しか含まないため、これらの方法では、高濃度のオゾンを発生させることが難しく、酸素を分離するのに余計なエネルギを消費している。また、酸素を分離するために特殊な設備を要している。これに対し、ＣＯ_２メタン化設備１０４において生成されたオゾンを用いると、低エネルギコストで効率的に殺菌、滅菌、洗浄等を行うことができる。ＣＯ_２メタン化設備１０４の電気分解装置２０２によって高純度な酸素が生成されるため、各種の方法によって高濃度のオゾンを発生させて、殺菌、滅菌、洗浄等の高い効果を得ることができる。

従来の食品分野、飲料分野等では、殺菌洗浄の効果が継続的に必要なプロセスには、塩素系薬剤が用いられている。殺菌洗浄の効果が継続的に必要でないプロセスには、高温・高圧の蒸気が用いられている。このような蒸気を用いるプロセスは、オゾンへの転換が容易である。生産設備１０１で蒸気を用いるプロセスをオゾンへ転換すると、蒸気の使用量が少なくなるため、燃焼設備１０５で蒸気を製造するために必要な出力も小さくなる。燃焼設備１０５における燃料の消費量が少なくなるため、各設備へのエネルギ供給量を制御する制御装置１０６によって化石燃料ガスの使用率を削減することができる。

ＣＯ_２メタン化設備１０４の電気分解装置２０２で生成された酸素をオゾンに変換する割合は、生産システム１００の規模や、生産設備１０１で用いるプロセスや、生産設備１０１で生産する製品等に応じて、最適な割合が異なる。そのため、酸素をオゾンに変換する割合は、生産システム１００における消費エネルギが最小化されるように、必要に応じて、制御装置１０６によって制御することができる。

ＣＯ_２メタン化設備１０４において生成された酸素は、少なくとも生産設備１０１や排水処理装置１０３において非燃料用途で利用する。しかし、酸素の一部については、燃焼設備１０５で利用することもできる。ＣＯ_２メタン化設備１０４において生成された酸素は、ＣＯ_２メタン化設備１０４で生成されたメタンガスや、メタンを主成分とする混合ガスに混合して、燃焼設備１０５に供給して燃焼させることができる。

ＣＯ_２メタン化設備１０４における水の電気分解では、再生可能エネルギにより発電された電力を利用して水素と酸素を生成することが好ましい。水の電気分解は、大電力を要するが、需要期が限定され難いためである。ＣＯ_２メタン化設備１０４の電気分解装置２０２には、再生可能エネルギにより発電された電力を供給する電力供給手段から、水の電気分解のための電力を供給することができる。

生産設備１０１および排水処理装置１０３では、通常、一般的な発電施設で発電された系統電力を利用する。系統電力とは、一般的な電力系統によって送電される電力を意味する。一般的な電力系統は、商用電力等の送電に用いられており、発電施設、変電施設、送電設備等によって構成されている。系統電力は、石油、天然ガス等の化石燃料に大きく依存している。そのため、再生可能エネルギを利用して系統電力の使用量を削減すると、化石燃料の使用量を削減できる。

ＣＯ_２メタン化設備１０４におけるメタン化プロセスでは、水素を任意の混合率で含む混合ガスを生成させることができる。水素の混合率は、ＣＯ_２メタン化設備１０４の電気分解装置２０２からメタン化反応器２０１への水素の供給量に基づいて調整することができる。水素の混合率は、燃焼設備１０５において燃焼可能である限り、特に制限されるものではないが、２０体積％以下であることが好ましい。水素の混合率が２０体積％以下であると、一般的な燃焼機関を用いた場合であっても、異常燃焼を抑制して継続的に燃焼させることができる。

但し、水素とメタンとでは、発熱量が大きく異なる。そのため、混合ガスの水素の混合率、すなわち、燃焼設備１０５への水素の供給量は、燃焼設備１０５への燃料供給ライン上等でセンシングすることが好ましい。混合ガスの水素の混合率は、必要な熱量を確保できるように、メタン化反応器２０１への水素の供給量を制御装置１０６で制御して調整できる。

ＣＯ_２メタン化設備１０４におけるメタン化プロセスでは、メタン発酵槽１０２から排出されたバイオガスに加え、生産設備１０１から排出された排ガスに含まれるＣＯ_２を基質として用いることが好ましい。生産設備１０１における生産プロセスの過程で生じたＣＯ_２をメタンに変換すると、環境へのＣＯ_２排出量を削減することができる。生産設備１０１における生産プロセスで、有機廃棄物よりも排ガスに炭素が含まれ易い場合に有効となる。

生産設備１０１において排ガスを発生させる生産プロセスは、特に限定されるものではない。排ガスを発生させる生産プロセスとしては、飲食品等の分野で用いられる発酵プロセスや、有機系の原料や中間材料等に対する加熱プロセス、乾燥プロセス等が挙げられる。発酵プロセスとしては、アルコール発酵、乳酸菌発酵、アミノ酸発酵等が挙げられる。排ガスを発生させる生産プロセスとしては、メタン化の要求が高い高濃度のＣＯ_２が排出される点で、嫌気性発酵プロセスが好ましい。

燃焼設備１０５で燃焼させるガス燃料としては、ＣＯ_２メタン化設備１０４で生成されたメタンガスまたはメタンを主成分とする混合ガスのみを用いてもよいし、メタンガスまたは混合ガスと化石燃料ガスとを混合した混合ガス燃料を用いてもよい。化石燃料ガスの混合率は、燃焼を維持できる最小の割合となるように、燃焼設備１０５への化石燃料ガスの供給量を制御装置１０６によって制御して調整できる。

ＣＯ_２メタン化設備１０４において生成されたメタンは、一時的に貯蔵することもできる。メタンは、例えば、加圧によって圧縮・液化させた状態で貯蔵設備に貯蔵することができる。ＣＯ_２メタン化設備１０４とメタン貯蔵設備とは、メタンを移送する配管ラインで互いに接続することができる。また、配管ラインによる移送に代えて、タンクローリ等でメタンを輸送してもよい。

従来のバイオガスを利用する一般的なガス利用システムでは、ＣＯ_２メタン化設備１０４を備えていないため、バイオガスを貯蔵しようとする場合に、バイオガスに含まれるＣＯ_２分の液化・貯蔵コストが余計にかかる。これに対し、ＣＯ_２メタン化設備１０４を設け、バイオガスに含まれるＣＯ_２をメタンに変換すると、低コストで液化・貯蔵することができる。一時的に貯蔵したメタンを、ＣＯ_２メタン化設備１０４で生成されたメタンと共に燃焼設備１０５に供給すると、化石燃料ガスの使用量を抑制できる。

制御装置１０６は、ＣＯ_２メタン化設備１０４のメタンの生成量と、燃焼設備１０５のメタンの消費量とに応じて、燃焼設備１０５への化石燃料ガスの供給量を制御することが好ましい。化石燃料ガスの供給量は、メタンの消費量が多くなる一方で、生産システム１００における消費エネルギが少なくなるように、制御装置１０６によって制御することができる。このような制御によると、化石燃料ガスの使用量を抑制できる。

制御装置１０６は、ＣＯ_２メタン化設備１０４の酸素若しくはオゾンの生成量、または、ＣＯ_２メタン化設備１０４から排水処理装置１０３への酸素若しくはオゾンの供給量と、排水処理装置１０３の排水の処理量とに応じて、排水処理装置１０３への酸素またはオゾンの供給に必要な消費電力を調整することが好ましい。排水処理ガス供給ライン（第１供給手段）１１０を稼働させるための電力は、排水処理に必要な酸素量やオゾン量が確保される一方で、生産システム１００における消費エネルギが少なくなるように、制御装置１０６によって制御することができる。このような制御によると、化石燃料ガスの使用量を抑制できる。

制御装置１０６は、ＣＯ_２メタン化設備１０４のオゾンの生成量、または、ＣＯ_２メタン化設備１０４から生産設備１０１へのオゾンの供給量と、生産設備１０１の殺菌プロセス、滅菌プロセス、または、洗浄プロセスの処理量とに応じて、燃焼設備１０５の出力を調整し、燃焼設備１０５への化石燃料ガスの供給量を制御することが好ましい。生産設備ガス供給ライン（第２供給手段）１２０を稼働させるための電力は、各プロセスに必要なオゾン量が確保される一方で、生産システム１００における消費エネルギが少なくなるように、制御装置１０６によって制御することができる。このような制御によると、化石燃料ガスの使用量を抑制できる。

以上の生産システム１００、および、その運用方法によると、生産設備で生じた有機廃棄物をメタンに変換するプロセスにおいて、メタンへの変換に利用されない副生成物として生成される酸素を生産設備や周辺設備で利用して、化石燃料の使用量を効率的に削減することができる。ＣＯ_２のメタン化による燃料供給と、酸素またはオゾンの排水処理への利用による消費電力削減と、オゾンの生産設備での利用による蒸気需要低減が可能となる。そのため、生産システム１００全体として化石燃料の削減に貢献できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記の実施形態に限定されるものではなく、技術的範囲を逸脱しない限り、様々な変形例が含まれる。例えば、前記の実施形態は、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、或る実施形態の構成の一部を他の構成に置き換えたり、或る実施形態の構成に他の構成を加えたりすることが可能である。また、或る実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、構成の削除、構成の置換をすることも可能である。

１００ 生産システム
１０１ 生産設備
１０２ メタン発酵槽
１０３ 排水処理装置
１０４ ＣＯ_２メタン化設備
１０５ 燃焼設備
１０６ 制御装置
１１０ 排水処理ガス供給ライン（第１供給手段）
１２０ 生産設備ガス供給ライン（第２供給手段）
１３０ 蒸気供給ライン
２０１ メタン化反応器
２０２ 電気分解装置
２０３ オゾン発生器

Claims (14)

1. 生産設備と、
   前記生産設備で発生した有機廃棄物を用いてメタン発酵を行うメタン発酵槽と、
   前記生産設備または前記メタン発酵槽に蒸気を供給する燃焼設備と、
   前記生産設備から排出された排水を処理する排水処理装置と、
   前記生産設備および前記メタン発酵槽のうちの一以上で発生したＣＯ_２をメタンに変換して前記燃焼設備に供給するＣＯ_２メタン化設備と、
   前記ＣＯ_２メタン化設備で生成された酸素、または、前記酸素からオゾン発生器により変換されたオゾンを前記排水処理装置に供給する供給手段と、を備えることを特徴とする生産システム。
2. 生産設備と、
   前記生産設備で発生した有機廃棄物を用いてメタン発酵を行うメタン発酵槽と、
   前記生産設備または前記メタン発酵槽に蒸気を供給する燃焼設備と、
   前記生産設備および前記メタン発酵槽のうちの一以上で発生したＣＯ_２をメタンに変換して前記燃焼設備に供給するＣＯ_２メタン化設備と、
   前記酸素からオゾン発生器により変換されたオゾンを前記生産設備に供給する供給手段と、を備えることを特徴とする生産システム。
3. 生産設備と、
   前記生産設備で発生した有機廃棄物を用いてメタン発酵を行うメタン発酵槽と、
   前記生産設備または前記メタン発酵槽に蒸気を供給する燃焼設備と、
   前記生産設備から排出された排水を処理する排水処理装置と、
   前記生産設備および前記メタン発酵槽のうちの一以上で発生したＣＯ_２をメタンに変換して前記燃焼設備に供給するＣＯ_２メタン化設備と、
   前記ＣＯ_２メタン化設備で生成された酸素、または、前記酸素からオゾン発生器により変換されたオゾンを前記排水処理装置に供給する第１供給手段と、
   前記酸素からオゾン発生器により変換されたオゾンを前記生産設備に供給する第２供給手段と、を備えることを特徴とする生産システム。
4. 請求項３に記載の生産システムであって、
   前記ＣＯ_２メタン化設備に再生可能エネルギにより発電された電力を供給する電力供給手段を、さらに備え、
   前記ＣＯ_２メタン化設備は、再生可能エネルギによりＣＯ_２をメタンに変換することを特徴とする生産システム。
5. 請求項３に記載の生産システムであって、
   前記生産設備および前記排水処理装置に系統電力を供給する系統電力供給手段と、
   前記燃焼設備に化石燃料を供給する燃料供給手段と、
   前記生産整備、前記燃焼設備、前記排水処理装置および前記ＣＯ_２メタン化設備へのエネルギ供給量を制御する制御装置と、をさらに備えることを特徴とする生産システム。
6. 請求項３に記載の生産システムであって、
   前記ＣＯ_２メタン化設備は、水を電気分解する電気分解装置と、前記ＣＯ_２と前記電気分解によって生じた水素とから触媒反応によってメタンを生成するメタン化反応器と、を備えることを特徴とする生産システム。
7. 請求項３に記載の生産システムであって、
   前記第１供給手段によって供給される前記酸素または前記オゾンは、前記排水処理装置の曝気プロセスに用いられることを特徴とする生産システム。
8. 請求項３に記載の生産システムであって、
   前記第２供給手段によって供給される前記オゾンは、前記生産設備の配管ラインの殺菌プロセス、滅菌プロセス、または、洗浄プロセスに用いられることを特徴とする生産システム。
9. 請求項３に記載の生産システムであって、
   前記第２供給手段によって供給される前記オゾンは、前記生産設備の容器前処理ラインの殺菌プロセス、滅菌プロセス、または、洗浄プロセスに用いられることを特徴とする生産システム。
10. 請求項５に記載の生産システムであって、
    前記制御装置は、前記ＣＯ_２メタン化設備のメタンの生成量と、前記燃焼設備のメタンの消費量とに応じて、前記燃焼設備への化石燃料ガスの供給量を制御することを特徴とする生産システム。
11. 請求項５に記載の生産システムであって、
    前記制御装置は、前記ＣＯ_２メタン化設備の酸素若しくはオゾンの生成量、または、前記ＣＯ_２メタン化設備から前記排水処理装置への酸素若しくはオゾンの供給量と、前記排水処理装置の排水の処理量とに応じて、排水処理装置への酸素またはオゾンの供給に必要な消費電力を調整することを特徴とする生産システム。
12. 請求項１０または請求項１１に記載の生産システムであって、
    前記制御装置は、前記ＣＯ_２メタン化設備のオゾンの生成量、または、前記ＣＯ_２メタン化設備から前記生産設備へのオゾンの供給量と、前記生産設備の殺菌プロセス、滅菌プロセス、または、洗浄プロセスの処理量とに応じて、前記燃焼設備の出力を調整し、前記燃焼設備への化石燃料ガスの供給量を制御することを特徴とする生産システム。
13. 生産システムの運用方法であって、
    生産設備と、
    前記生産設備で発生した有機廃棄物を用いてメタン発酵を行うメタン発酵槽と、
    前記生産設備または前記メタン発酵槽に蒸気を供給する燃焼設備と、
    前記生産設備から排出された排水を処理する排水処理装置と、
    前記生産設備および前記メタン発酵槽のうちの一以上で発生したＣＯ_２をメタンに変換して前記燃焼設備に供給するＣＯ_２メタン化設備と、を備える生産システムにおいて、
    前記ＣＯ_２メタン化設備で水を電気分解して酸素と水素を生成し、
    前記ＣＯ_２メタン化設備で生成された酸素、または、前記酸素からオゾン発生器により変換されたオゾンを前記排水処理装置に供給し、
    前記排水処理装置で前記酸素または前記オゾンを用いた排水処理を行うことを特徴とする生産システムの運用方法。
14. 生産システムの運用方法であって、
    生産設備と、
    前記生産設備で発生した有機廃棄物を用いてメタン発酵を行うメタン発酵槽と、
    前記生産設備または前記メタン発酵槽に蒸気を供給する燃焼設備と、
    前記生産設備および前記メタン発酵槽のうちの一以上で発生したＣＯ_２をメタンに変換して前記燃焼設備に供給するＣＯ_２メタン化設備と、を備える生産システムにおいて、
    前記ＣＯ_２メタン化設備で水を電気分解して酸素と水素を生成し、
    前記ＣＯ_２メタン化設備で生成された酸素からオゾン発生器により変換されたオゾンを前記生産設備に供給し、
    前記生産設備で前記オゾンを用いた殺菌、滅菌または洗浄を行うことを特徴とする生産システムの運用方法。

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