JP2022182561A - バイオガス生成システム - Google Patents

Abstract

【課題】バイオガスの加温及び除湿を効率よく行うことができるバイオガス生成システムを提供する。
【解決手段】バイオガス生成システム１０は、発酵槽１１と、貯留槽１３と、ヒートポンプ２０と、を備える。発酵槽１１はバイオマス原料を発酵させることによってバイオガスを生成する。貯留槽１３は発酵槽１１で生成されるバイオガスを貯留する。ヒートポンプ２０は、発酵槽１１で生成されたバイオガスの少なくとも一部を作動媒体として、作動媒体の圧縮及び膨張と熱交換とによって、発酵槽１１の加温及びバイオガスの冷却を行う。ヒートポンプ２０は、バイオガスを圧縮して発酵槽１１に向かって排出する圧縮部２１と、バイオガスを膨張させて貯留槽１３に向かって排出する膨張部２３と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、バイオガス生成システムに関する。

従来、例えば、バイオマス原料の発酵によってバイオガスを発生させる発酵槽と、ヒートポンプとを備え、バイオマス原料をヒートポンプの温熱によって加熱し、発酵槽から供給される消化液をヒートポンプの冷熱によって凍結濃縮するバイオマスシステムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５－０００７９１号公報

ところで、上記したような従来技術のバイオマスシステムでは、発酵槽で発生するバイオガスは加温されているので、気相中に含まれる水蒸気が増大している場合があり、バイオガスの配管及びバイオガスを燃焼させる機器等にて詰まり及び腐食等の不具合が生じるおそれがある。

本発明は、バイオガスの加温及び除湿を効率よく行うことができるバイオガス生成システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決して係る目的を達成するために、本発明は以下の態様を採用した。
（１）本発明の一態様に係るバイオガス生成システム（例えば、実施形態でのバイオガス生成システム１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ）は、バイオマス原料を発酵させることによってバイオガスを生成する発酵槽（例えば、実施形態での発酵槽１１）と、前記発酵槽で生成される前記バイオガスを貯留する貯留槽（例えば、実施形態での貯留槽１３）と、作動媒体の圧縮及び膨張によって前記発酵槽を加温及び前記バイオガスを冷却するヒートポンプ（例えば、実施形態でのヒートポンプ２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｅ）と、を備える。

（２）上記（１）に記載のバイオガス生成システムでは、前記ヒートポンプは、前記発酵槽及び前記バイオガスの少なくともいずれか１つと前記作動媒体との間で熱交換する少なくとも１つの熱交換器（例えば、実施形態での放熱部２５，２５Ａ、吸熱部２７，２７Ａ，２７Ｂ）を備えてもよい。

（３）上記（２）に記載のバイオガス生成システムでは、前記熱交換器は、熱媒体を介して前記作動媒体と前記発酵槽又は前記バイオガスとの間で熱交換してもよい。

（４）上記（２）又は（３）に記載のバイオガス生成システムでは、前記貯留槽から供給される前記バイオガスを燃焼させる燃焼機関（例えば、実施形態での燃焼機関１５）を備え、前記熱交換器は、前記発酵槽と前記貯留槽との間、前記貯留槽又は前記貯留槽と前記燃焼機関との間で前記バイオガスを冷却してもよい。

（５）上記（２）から（４）のいずれか１つに記載のバイオガス生成システムでは、前記ヒートポンプは、前記発酵槽及び前記バイオガスを貯留する部位（例えば、実施形態での第１ガス配管１９ａ、貯留槽１３及び第２ガス配管１９ｂ）の少なくともいずれか１つを迂回して設けられる少なくとも１つの迂回熱交換器（例えば、実施形態での迂回放熱部３１、迂回吸熱部３３）と、前記作動媒体の流路を前記迂回熱交換器に切り換える切換部（例えば、実施形態での第１切換弁３５ａ、第２切換弁３５ｂ）と、を備えてもよい。

上記（１）によれば、発酵槽を加温及びバイオガスを冷却するヒートポンプを備えることによって、バイオガスの加温及び除湿を効率よく行うことができる。

上記（２）の場合、発酵槽の加温及びバイオガスの冷却の各々を必要に応じて効率よく行うことができる。

上記（３）の場合、ヒートポンプと発酵槽及びバイオガスの流路とを分離して設けることによって、システムの保守容易性を向上させることができる。熱交換器の配置及び構成の多様性を向上させることができる。

上記（４）の場合、バイオガスを冷却する熱交換器の配置位置の規制を抑制することができる。

上記（５）の場合、発酵槽の加温及びバイオガスの冷却の各々を必要に応じて選択的に実行することができ、より詳細に温度の制御を行うことができる。

本発明の実施形態でのバイオガス生成システムの構成図。 本発明の実施形態の第１変形例でのバイオガス生成システムの構成図。 本発明の実施形態の第２変形例でのバイオガス生成システムの構成図。 本発明の実施形態の第３変形例でのバイオガス生成システムの構成図。 本発明の実施形態の第４変形例でのバイオガス生成システムの構成図。 本発明の実施形態の第５変形例でのバイオガス生成システムの構成図。

以下、本発明の実施形態に係るバイオガス生成システム１０について、添付図面を参照しながら説明する。
図１は、実施形態でのバイオガス生成システム１０の構成図である。
図１に示すように、実施形態によるバイオガス生成システム１０は、例えば、発酵槽１１と、貯留槽１３と、燃焼機関１５と、ヒートポンプ２０を構成する圧縮部２１、膨張部２３、放熱部２５及び吸熱部２７と、を備える。

発酵槽１１は、例えば有機性の廃棄物等のバイオマス原料を含む発酵液を微生物の存在下で貯蔵する。発酵槽１１は、バイオマス原料をメタン発酵させることによってメタンガスを主成分とするバイオガスを生成する。発酵槽１１は、例えば、第１ガス配管１９ａによって貯留槽１３に接続されている。発酵槽１１で生成されたバイオガスは貯留槽１３に向かって排出され、バイオマス原料からバイオガスを発生させた後に生じる発酵残渣（例えば、消化液及び残留固形物等）は外部の処理設備等に向かって排出される。
発酵槽１１と貯留槽１３との間には、例えば、バイオガスからケイ素化合物及び硫黄化合物等の不要な物質を除去する精製装置が配置されてもよい。

貯留槽１３は、発酵槽１１で生成されたバイオガスを貯留する。貯留槽１３は、例えば、バイオガスを貯蔵するガスバック又はガスホルダー等を備える。発酵槽１１は、例えば、第２ガス配管１９ｂによって燃焼機関１５に接続される。貯留槽１３は、バイオガスを燃料として燃焼機関１５に供給する。

燃焼機関１５は、例えば、ガスエンジン又はガスタービン等の内燃機関を備える。燃焼機関１５は、例えば、１つ以上の内燃機関を備えるとともに、内燃機関と同数の発電機に接続されている。発電機は内燃機関の動力で回転駆動されることによって発電する。

ヒートポンプ２０は、作動媒体の圧縮及び膨張と熱交換とによって、発酵槽１１の加温及びバイオガスの冷却を行う。作動媒体は、例えば、ヘリウム、水素又は窒素等である。ヒートポンプ２０は、例えば、作動媒体の循環量、凝縮温度及び蒸発温度等に応じて温度が制御される。
ヒートポンプ２０は、例えば、圧縮部２１と、膨張部２３と、放熱部２５と、吸熱部２７と、を備える。圧縮部２１、膨張部２３、放熱部２５及び吸熱部２７は、例えば、作動媒体が流通する媒体配管２９によって接続されている。

圧縮部２１は、例えば、適宜の原動機によって駆動される圧縮機を備える。圧縮部２１は、後述する吸熱部２７から媒体配管２９を介して供給された作動媒体を圧縮する。圧縮部２１は、圧縮により昇温した作動媒体を後述する放熱部２５に向かって排出する。圧縮部２１から放熱部２５に供給される高温の作動媒体は発酵槽１１を加温する。
膨張部２３は、例えば、温度自動膨張弁、電子膨張弁又はキャピラリーチューブ等の膨張弁を備える。膨張部２３は、後述する放熱部２５から媒体配管２９を介して供給された作動媒体を膨張させる。膨張部２３は、膨張により降温した作動媒体を後述する吸熱部２７に向かって排出する。膨張部２３から吸熱部２７に供給される低温の作動媒体は、発酵槽１１から排出されるバイオガスを冷却する。

放熱部２５及び吸熱部２７の各々は、熱交換器である。
放熱部２５は、例えば、発酵槽１１の内部に配置又は発酵槽１１の外部に隣接して配置されている。放熱部２５は、圧縮部２１から供給される高温の作動媒体によって発酵槽１１を加温する。
吸熱部２７は、例えば、貯留槽１３の内部に配置又は貯留槽１３の外部に隣接して配置されている。吸熱部２７は、膨張部２３から供給される低温の作動媒体によって貯留槽１３のバイオガスを冷却する。貯留槽１３は、バイオガスの冷却に伴い、バイオガス中の水蒸気の凝縮によって生成される水を、発酵槽１１又は外部の処理設備等に排出する。

上述したように、実施形態のバイオガス生成システム１０は、発酵槽１１を加温及びバイオガスを冷却するヒートポンプ２０を備えることによって、バイオガスの加温及び除湿を効率よく行うことができる。
ヒートポンプ２０は、放熱部２５及び吸熱部２７の熱交換器によってバイオガスの加温及び除湿を直接に行うので、バイオガス生成システム１０の構成が複雑になることを抑制しながら、コンパクトなシステムを構成することができる。

（変形例）
以下、実施形態の変形例について説明する。なお、上述した実施形態と同一部分については、同一符号を付して説明を省略又は簡略化する。

上述した実施形態では、吸熱部２７は貯留槽１３に配置されるとしたが、これに限定されない。
図２は、実施形態の第１変形例でのバイオガス生成システム１０Ａの構成図である。
図２に示すように、第１変形例のバイオガス生成システム１０Ａのヒートポンプ２０Ａでは、吸熱部２７は発酵槽１１から燃焼機関１５までの間の適宜の部位に内蔵又は隣接して配置されている。適宜の部位は、例えば、発酵槽１１でのバイオガスの排出部、発酵槽１１と貯留槽１３との間のバイオガスの配管（第１ガス配管１９ａ）又は貯留槽１３と燃焼機関１５との間のバイオガスの配管（第２ガス配管１９ｂ）等である。吸熱部２７によって熱交換が行われる適宜に部位は、バイオガスの冷却に伴い、バイオガス中の水蒸気の凝縮によって生成される水を発酵槽１１又は外部の処理設備等に排出する。
なお、第１変形例の放熱部２５は、例えば、発酵槽１１の外部に隣接して配置されている。
第１変形例によれば、吸熱部３７の配置位置の規制を抑制することができる。

上述した実施形態では、ヒートポンプ２０は作動媒体によって発酵槽１１を加温及びバイオガスを冷却するとしたが、これに限定されない。例えば、発酵槽１１の加温及びバイオガスの冷却の各々の有無は必要に応じて切り替えられてもよい。
図３は、実施形態の第２変形例でのバイオガス生成システム１０Ｂの構成図である。
図３に示すように、第２変形例のバイオガス生成システム１０Ｂのヒートポンプ２０Ｂは、上述した実施形態のヒートポンプ２０の構成に加えて、迂回放熱部３１と、迂回吸熱部３３と、第１切換弁３５ａ及び第２切換弁３５ｂと、第１迂回配管３７ａ及び第２迂回配管３７ｂと、を備える。

迂回放熱部３１及び迂回吸熱部３３の各々は、熱交換器である。
迂回放熱部３１は、後述する第１迂回配管３７ａによって発酵槽１１を迂回して配置されている。迂回放熱部３１は、圧縮部２１から供給される高温の作動媒体を放熱させる。
迂回吸熱部３３は、後述する第２迂回配管３７ｂによって貯留槽１３を迂回して配置されている。迂回吸熱部３３は、膨張部２３から供給される低温の作動媒体を吸熱させる。
迂回放熱部３１及び迂回吸熱部３３は、例えば、互いに隣接して配置されていることによって相互に熱交換を行う。

第１切換弁３５ａ及び第２切換弁３５ｂの各々は、例えば、電磁弁、電動弁又は空気式弁等であって、制御装置（図示略）によって流通路の切り換えが制御される３方弁である。なお、第１切換弁３５ａ及び第２切換弁３５ｂの各々は、操作者によって操作される手動バルブであってもよい。
第１切換弁３５ａは、媒体配管２９での圧縮部２１と放熱部２５との間に配置され、第１迂回配管３７ａに接続されている。第１切換弁３５ａは、媒体配管２９での圧縮部２１側（つまり相対的な上流側）を、放熱部２５側（つまり相対的な下流側）又は第１迂回配管３７ａでの迂回放熱部３１側に切り換えて通じさせる。
第２切換弁３５ｂは、媒体配管２９での膨張部２３と吸熱部２７との間に配置され、第２迂回配管３７ｂに接続されている。第２切換弁３５ｂは、媒体配管２９での膨張部２３側（つまり相対的な上流側）を、吸熱部２７側（つまり相対的な下流側）又は第２迂回配管３７ｂでの迂回吸熱部３３側に切り換えて通じさせる。

第１切換弁３５ａは、例えば、発酵槽１１の加温が必要である場合に圧縮部２１と放熱部２５とを通じさせ、発酵槽１１の加温が不要である場合に圧縮部２１と迂回放熱部３１とを通じさせる。
第２切換弁３５ｂは、例えば、バイオガスの冷却が必要である場合に膨張部２３と吸熱部２７とを通じさせ、バイオガスの冷却が不要である場合に膨張部２３と迂回吸熱部３３とを通じさせる。

第１迂回配管３７ａは、媒体配管２９での圧縮部２１と放熱部２５との間の第１切換弁３５ａと、膨張部２３とを、迂回放熱部３１を介して接続する。
第２迂回配管３７ｂは、媒体配管２９での膨張部２３と吸熱部２７との間の第２切換弁３５ｂと、圧縮部２１とを、迂回吸熱部３３を介して接続する。

第２変形例のヒートポンプ２０Ｂは、迂回放熱部３１及び迂回吸熱部３３を備えることによって、発酵槽１１の加温及びバイオガスの冷却の各々を必要に応じて選択的に実行することができ、より詳細に温度の制御を行うことができる。

上述した実施形態では、ヒートポンプ２０は発酵槽１１及びバイオガスを放熱部２５及び吸熱部２７によって直接に加温及び冷却するとしたが、これに限定されない。例えば、発酵槽１１及びバイオガスの少なくともいずれか１つと作動媒体とは熱媒体を介して熱交換してもよい。
図４は、実施形態の第３変形例でのバイオガス生成システム１０Ｃの構成図である。
図４に示すように、第３変形例でのバイオガス生成システム１０Ｃのヒートポンプ２０Ｃは、発酵槽１１及びバイオガスを貯留する部位（例えば、第１ガス配管１９ａ、貯留槽１３及び第２ガス配管１９ｂ等）と分離されて配置される放熱部２５Ａ及び吸熱部２７Ａを備える。

第３変形例のヒートポンプ２０Ｃは、上述した実施形態のヒートポンプ２０の放熱部２５及び吸熱部２７の代わりに設けられる放熱部２５Ａ及び吸熱部２７Ａに加えて、第１熱交換部４１及び第２熱交換部４３を備える。
第１熱交換部４１及び第２熱交換部４３の各々は、例えば、水等の熱媒体を介して、作動媒体と発酵槽１１及びバイオガスの各々との熱交換を行う。
第１熱交換部４１及び第２熱交換部４３の各々は、例えば、熱媒体が流通する配管４５と、配管４５内で熱媒体を流通させるポンプ４７と、を備える。

第３変形例によれば、ヒートポンプ２０Ｃと発酵槽１１及びバイオガスの流路（例えば、第１ガス配管１９ａ、貯留槽１３及び第２ガス配管１９ｂ等）とを分離して設けることによって、バイオガス生成システム１０Ｃの保守容易性を向上させることができる。例えば、ヒートポンプ２０Ｃの異常時等には、他の熱源及び冷却源を用いて容易に発酵槽１１の加温及びバイオガスの冷却を行うことができる。
放熱部２５Ａ及び吸熱部２７Ａの配置及び構成の多様性を向上させることができるとともに、ポンプ４７の流量並びにオン及びオフ等に応じて、より詳細に温度を制御することができる。

上述した実施形態では、バイオガスの冷却を行うヒートポンプ２０を備えるとしたが、これに限定されず、例えば、バイオガスの冷却を行うヒートポンプ２０に加えて、発酵残渣の処理に適用されるヒートポンプを備えてもよい。
図５は、実施形態の第４変形例でのバイオガス生成システム１０Ｄの構成図である。
図５に示すように、第４変形例でのバイオガス生成システム１０Ｄは、上述した実施形態でのヒートポンプ２０を備えるバイオガス生成システム１０の構成に加えて、残渣貯留槽５１と、残渣処理用ヒートポンプ５３と、を備える。

残渣貯留槽５１は、発酵槽１１で発生する発酵残渣（例えば、消化液等）を貯留する。
残渣処理用ヒートポンプ５３は、作動媒体の圧縮及び膨張と熱交換とによって、発酵槽１１の加温及び残渣貯留槽５１での発酵残渣の冷却又は発酵残渣からの吸熱を行う。
第４変形例によれば、発酵残渣からの吸熱によって発酵槽１１の加温に要する熱エネルギーを低減することができ、システムのエネルギー効率を向上させることができる。

上述した実施形態では、バイオガスの冷却を行うヒートポンプ２０を備えるとしたが、これに限定されず、例えば、バイオガスの冷却に加えて、相対的に低温の排熱又は熱源等から熱エネルギーを回収するヒートポンプを備えてもよい。
図６は、実施形態の第５変形例でのバイオガス生成システム１０Ｅの構成図である。
図６に示すように、第５変形例でのバイオガス生成システム１０Ｅのヒートポンプ２０Ｅは、上述した実施形態のヒートポンプ２０の吸熱部２７の代わりに設けられる吸熱部２７Ｂを備える。

第５変形例の吸熱部２７Ｂは、膨張部２３から供給される低温の作動媒体によってバイオガスを冷却するとともに、例えば、工場排水、太陽熱温水器及び太陽光発電パネル等の相対的に低温の排熱又は熱源から熱媒体を介して熱エネルギーを回収する媒体流路６１を備える。
第５変形例によれば、発酵槽１１の加温に要する熱エネルギーを低減することができ、システムのエネルギー効率を向上させることができる。

上述した実施形態では、ヒートポンプ２０は、例えば逆スターリングサイクルによるスターリング冷凍機等であってもよい。この場合、ヒートポンプ２０の機構が複雑になることを抑制することができる。
上述した実施形態では、発酵槽１１の加温は、ヒートポンプ２０に限定されず、他の熱源、例えば、ボイラー及び排熱等を併用されてもよい。

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ…バイオガス生成システム、１１…発酵槽、１３…貯留槽、１５…燃焼機関、２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ，２０Ｅ…ヒートポンプ、２１…圧縮部、２３…膨張部、２１…圧縮部、２３…膨張部、２５，２５Ａ…放熱部（熱交換器）、２７，２７Ａ，２７Ｂ…吸熱部（熱交換器）、３１…迂回放熱部（迂回熱交換器）、３３…迂回吸熱部（迂回熱交換器）、３５ａ…第１切換弁（切換部）、３５ｂ…第２切換弁（切換部）。

Claims (5)

1. バイオマス原料を発酵させることによってバイオガスを生成する発酵槽と、
   前記発酵槽で生成される前記バイオガスを貯留する貯留槽と、
   作動媒体の圧縮及び膨張によって前記発酵槽を加温及び前記バイオガスを冷却するヒートポンプと、
   を備える、
   ことを特徴とするバイオガス生成システム。
2. 前記ヒートポンプは、前記発酵槽及び前記バイオガスの少なくともいずれか１つと前記作動媒体との間で熱交換する少なくとも１つの熱交換器を備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載のバイオガス生成システム。
3. 前記熱交換器は、熱媒体を介して前記作動媒体と前記発酵槽又は前記バイオガスとの間で熱交換する、
   ことを特徴とする請求項２に記載のバイオガス生成システム。
4. 前記貯留槽から供給される前記バイオガスを燃焼させる燃焼機関を備え、
   前記熱交換器は、前記発酵槽と前記貯留槽との間、前記貯留槽又は前記貯留槽と前記燃焼機関との間で前記バイオガスを冷却する、
   ことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載のバイオガス生成システム。
5. 前記ヒートポンプは、
   前記発酵槽及び前記バイオガスを貯留する部位の少なくともいずれか１つを迂回して設けられる少なくとも１つの迂回熱交換器と、
   前記作動媒体の流路を前記迂回熱交換器に切り換える切換部と、
   を備える、
   ことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載のバイオガス生成システム。

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