JP4280135B2

JP4280135B2 - 堆肥発酵熱発電方法及び堆肥発酵熱発電装置

Info

Publication number: JP4280135B2
Application number: JP2003318879A
Authority: JP
Inventors: 聡小保方
Original assignee: ヤマト設計株式会社; 聡小保方
Priority date: 2003-09-10
Filing date: 2003-09-10
Publication date: 2009-06-17
Anticipated expiration: 2023-09-10
Also published as: JP2005083324A

Description

本発明は、堆肥の発酵により発生する熱を用いて発電する堆肥発酵熱発電方法及び堆肥発酵熱発電装置に関する。

従来の家畜の排泄物等を用いた発電は、例えば、バイオマス方式と称して、嫌気性処理によるメタンガス発酵から得られるメタンを燃焼することによって行っていた。
メタンを燃焼したことで発生する二酸化炭素等は、施設で栽培されている植物に吸収させて環境を汚染しないような配慮がなされていた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２３８８７号公報（段落００１２〜００２２、図１）

しかしながら、メタンを燃焼することで発生する二酸化炭素の排出量は、植物が吸収する二酸化炭素の吸収量より上回る恐れがあるため、環境汚染の危険性があった。
一方、植物の二酸化炭素の吸収量に合わせてメタンを燃焼すると、発電効率が悪くなるという問題もあった。
さらに、メタンを用いて発電する場合、メタンが発電装置から漏れ出ると、メタンによって温室効果が生じて、環境負荷を大きくしてしまうという恐れがあった。

そこで、本発明は、前記した問題を解決し、環境に優しい堆肥発酵熱発電方法及び堆肥発酵熱発電装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、本発明では、貯留庫に貯留されている堆肥から発生する発酵熱によって、前記貯留庫に設けられる吸熱交換部を通流するアンモニア液をアンモニアガスとなるように気化させて、前記吸熱交換部内の気圧を上昇させ、前記アンモニアガスの気圧によって前記吸熱交換部と接続されている発電手段のタービンを駆動させて、前記発電手段により発電することを特徴とする。

このように、貯留庫に貯留されている堆肥は、発酵により発熱しており、本発明の堆肥発酵熱発電方法は、この発酵による熱（以下、「発酵熱」という。）を利用するものである。すなわち、貯留庫に設けられる吸熱交換部でアンモニア液をアンモニアガスに気化させることで、吸熱交換部の気圧を上昇させ、この上昇したアンモニアガスの圧力（気圧）で発電手段のタービンを駆動させるものである。

これにより、堆肥による発酵熱を用いることでアンモニア液を容易にアンモニアガスに気化させることができ、アンモニア液がアンモニアガスに気化することで発電手段のタービンを駆動させることができるので発電効率がよく、二酸化炭素を排出することがないので環境に優しい発電を行うことができる。

また、本発明は、気圧で駆動するタービンを有する発電手段と、アンモニア液をアンモニアガスとなるように気化させる吸熱交換部と、前記アンモニアガスを前記タービンに供給するガスチェンバーと、発電手段のタービンを通過した前記アンモニアガスをアンモニア液となるように冷却及び加圧して液化する液化手段と、前記アンモニアガスから液化された前記アンモニア液を前記吸熱交換部に供給する供給手段と、を備えた堆肥発酵熱発電装置であって、前記吸熱交換部が、堆肥が貯留された貯留庫に設けられて構成されることを特徴とする。

このようにすると、吸熱交換部でアンモニア液が気化してアンモニアガスとなり、吸熱交換部内の気圧が上昇する。ガスチェンバーは、圧力が上昇したアンモニアガスを蓄えるとともに、所定の圧力に調整したうえで、気圧で駆動するタービンを有する発電手段にアンモニアガスを供給する。発電手段はタービンが駆動することにより発電を行い、タービンを通過したアンモニアガスは、液化手段によって冷却及び加圧されてアンモニア液となる。液化手段によって液化したアンモニア液は、供給手段によって、再び吸熱交換部に供給される。

これにより、アンモニアは、その状態を液体からガス、ガスから液体と変えながら、吸熱交換部、ガスチェンバー、発電手段のタービン、液化手段、供給手段、吸熱交換部と循環するため、発電手段のタービンを駆動させてもアンモニアが消費されることはない。

また、アンモニアは、アンモニア液の状態で貯留庫に貯留されている堆肥による発酵熱で熱せられた吸熱交換部に供給されるため、容易にアンモニアガスの状態に変える（気化する）ことができる。これにより、吸熱交換部内の気圧が上昇してガスチェンバーに圧力のかかったアンモニアガスを蓄えて、所定の圧力でタービンに給することができるので、発電手段による安定した発電を行うことができる。

アンモニア液を堆肥の発酵熱によってアンモニアガスに気化させ、このアンモニアガスを利用して発電手段のタービンを駆動させることができるので発電効率がよく、しかも、二酸化炭素を排出することがないので環境に優しい発電を行うことができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。

本発明の堆肥発酵熱発電装置１００は、図１に示すように、家畜の排泄物から生成される堆肥Ｔを用いて発電する装置であって、供給手段１０、アンモニア液２０、貯留庫３０、吸熱交換部４０、ガスチェンバー５０、発電手段６０、液化手段７０、とから構成されている。

まず、堆肥発酵熱発電装置１００の各構成の接続について説明すると、吸熱交換部４０は、堆肥Ｔを貯留する貯留庫３０の内部において、貯留庫３０の側壁部に沿って水平に配置される。この吸熱交換部４０の一方の端部は、第１接続管ＤＳ１を介してガスチェンバー５０に接続されている。ガスチェンバー５０は、第２接続管ＤＳ２を介して発電手段６０と接続されており、さらに発電手段６０が第３接続管ＤＳ３を介して液化手段７０と接続されている。そして、液化手段７０は、第４接続管ＤＳ４を介して供給手段１０と接続されており、供給手段１０が吸熱交換部４０の他方の端部に第５接続管ＤＳ５を介して接続されている。

アンモニアは、このように接続された熱交換部４０、ガスチェンバー５０、発電手段６０、液化手段７０、供給手段１０、を循環するように通流する。
ここで、アンモニアは、アンモニア液２０として後述する供給手段１０のアンモニア液貯留タンク１２に貯留されており、吸熱交換部４０で気化してアンモニアガス２０Ａとなった後、後述する液化手段７０で液化してアンモニア液２０となり、このような状態変化を繰り返しながら堆肥発酵熱発電装置１００を循環する。

堆肥Ｔは、家畜の排泄物を脱水処理することで生成される。したがって、家畜が生存し続ける限り堆肥Ｔが生成されることとなる。
このようにして生成された堆肥Ｔは、貯留庫３０に貯留されて微生物等で発酵される。このとき、堆肥Ｔは、発酵することによって、例えば、４０度から６０度の発酵熱を発生し、発酵が続く限りこの温度帯を維持するようになっている。

貯留庫３０は、堆肥Ｔを貯留した状態となると、堆肥Ｔの臭いが外部に漏れ出ないように密封状態にされる。この貯留庫３０は、平面視において矩形形状であって、図２に示すように、底部がＶ字形状に形成されている。そして、側壁部が高く設定されており、多量の堆肥Ｔを貯留できるようになっている。また、この貯留庫３０は、堆肥Ｔの発酵によって発生する発酵熱で熱せられる。

ここで、堆肥Ｔの発酵を促進するために、貯留庫３０には、図２に示すように、堆肥攪拌オーガーＴＫが設けられており、堆肥Ｔの発酵が終了するまで攪拌が行われる。そして、発酵が終了した堆肥Ｔは、オーガーコンベアＯＣで貯留庫３０外に搬出され（図１参照）、肥料として用いられるようになっている。

供給手段１０は、圧送ポンプ１１と、アンモニア液貯留タンク１２と、供給ポンプ１３とから構成されており、液化手段７０からの液化されたアンモニア液２０をアンモニア液貯留タンク１２に貯留する役割と、吸熱交換部４０にアンモニア液２０を供給する役割を果たす。

供給ポンプ１３は、液化手段７０から送られる液化されたアンモニア液２０をアンモニア液貯留タンク１２に供給する役割を果たす。

アンモニア液貯留タンク１２は、アンモニア液２０を貯留する役割を果たす。
圧送ポンプ１１は、アンモニア液貯留タンク１２に貯留されているアンモニア液２０を吸熱交換部４０に供給するために圧送する役割を果たす。

なお、圧送ポンプ１１から吸熱交換部４０へアンモニア液２０を供給するために圧送する場合、圧送ポンプ１１と吸熱交換部４０とを接続する第５接続管ＤＳ５には、図示しないアンモニア液供給バルブが設けられており、図示しない制御手段によりバルブの開閉を行うことで吸熱交換部４０へアンモニア液２０を供給する。これにより、アンモニア液２０を吸熱交換部４０内で気化させることができる。

吸熱交換部４０は、前述のとおり、堆肥Ｔを貯留する貯留庫３０の内部において、貯留庫３０の側壁部に沿って、その両側の側壁部に片側３本づつの中空の管材が水平に配置されている。この管材の内部でアンモニア液２０が気化してアンモニアガス２０Ａとなり、アンモニアガス２０Ａは、気化したことによる体積膨張で管材の内部の気圧が上昇し、この気圧により吸熱交換部４０から排出される。

ここで、吸熱交換部４０は、貯留庫３０の内部に設けられていることにより、堆肥Ｔが発生している発酵熱を直接受けるため、吸熱交換部４０の内部の温度が、アンモニア液２０の沸点をはるかに超える温度となっている。
一方、第５接続管ＤＳ５は、沸点よりも低い温度に保たれているため、アンモニア液２０が、内部が沸点をはるかに超える温度となっている吸熱交換部４０に供給されると、勢い良く気化する。すなわち、アンモニア液２０が気化して吸熱交換部４０で急激に体積膨張をするので、吸熱交換部４０の内部の気圧が上昇することとなる。
吸熱交換部４０から排出されたアンモニアガス２０Ａは、第１接続管ＤＳ１を通流してガスチェンバー５０に供給される。

ガスチェンバー５０は、アンモニアガスタンク５１と、定圧供給バルブ５２と、から構成されており、吸熱交換部４０から排出されたアンモニアガス２０Ａを貯留して、所定の圧力で発電手段６０に供給する役割を果たす。
アンモニアガスタンク５１は、吸熱交換部４０から排出されたアンモニアガス２０Ａを貯留する役割を果たす。
定圧供給バルブ５２は、アンモニアガスタンク５１に蓄えられたアンモニアガス２０Ａを所定の圧力を一定に保持して、第２接続管ＤＳ２を介して発電手段６０へ供給する役割を果たす。
この定圧供給バルブ５２は、図示しない制御手段によりバルブの開閉が行われ、所定の圧力を維持して、発電手段６０にアンモニアガス２０Ａを供給することができるようになっている。

発電手段６０は、気圧で駆動するタービン６１を備えており、ガスチェンバー５０から供給された所定の圧力のアンモニアガス２０Ａでタービンが駆動されることで発電を行う役割を果たす。このアンモニアガス２０Ａは、タービン６１を通流し、第３接続管ＤＳ３を介して図示しない圧送ポンプにより液化手段７０へ供給される。

液化手段７０は、貯留タンク７１と、冷却手段７２と、加圧手段７３と、排出ポンプ７４と、から構成されており、アンモニアガス２０Ａをアンモニア液２０に液化する役割を果たす。

貯留タンク７１は、発電手段６０のタービン６１を通流したアンモニアガス２０Ａを貯留する役割を果たす。アンモニアガス２０Ａを貯留タンク７１に貯留するために、図示しない圧送ポンプを第３接続管ＤＳ３に設けておき、この圧送ポンプによりアンモニアガス２０Ａを貯留タンク７１に貯留させることができるようになっている。

冷却手段７２は、貯留タンク７１内のアンモニアガス２０Ａを冷却する役割を果たし、例えば、冷却手段７２は、貯留タンク７１を覆う冷却タンク（図示せず）に地下から汲み上げた水温１０度程度の地下水を満たすことで、貯留タンク７１を冷却する。
なお、冷却手段７２に冷凍機等を用いても良い。

加圧手段７３は、貯留タンク７１内のアンモニアガス２０Ａに圧力をかける役割を果たす。例えば、加圧手段７３は、貯留タンク７１内の容積を変更可能に可動する可動壁を制御して、アンモニアガス２０Ａが貯留された貯留タンク７１内の容積が小さくなるようにこの可動壁を稼動させることで、アンモニアガス２０Ａを加圧する。

したがって、アンモニアガス２０Ａは、図示しない圧送ポンプにより貯留タンク７１に供給されると、冷却手段７２と加圧手段７３とにより、同時に冷却されつつ加圧されて貯留タンク７１内で液化してアンモニア液２０となる。

排出ポンプ７４は、貯留タンク７１内でアンモニアガス２０Ａがアンモニア液２０となると、アンモニア液２０を貯留タンク７１内から排出する役割を果たす。
排出されたアンモニア液２０は、第４接続管ＤＳ４を介して、供給手段１０の供給ポンプ１３により、アンモニア液貯留タンク１２へ供給される。

このように堆肥発酵熱発電装置１００を構成したことにより、アンモニア液２０を気化させて吸熱交換部４０の内部の気圧を上昇させることで、発電手段６０のタービン６１を駆動させることができるので、発電効率がよい発電を行うことができる。また、堆肥Ｔの発酵熱でアンモニア液２０を気化させて発電を行うことにより、アンモニア液２０を消費することなく、また、二酸化炭素を発生することがないので環境に優しい発電を行うことができる。

次に、本発明の堆肥発酵熱発電方法について説明する。

本発明の堆肥発酵熱発電方法は、（１）貯留庫３０に貯留されている堆肥Ｔから発生する発酵熱によって、貯留庫３０に設けられる吸熱交換部４０を通流するアンモニア液２０をアンモニアガス２０Ａとなるように気化させて、アンモニア液２０がアンモニアガス２０Ａとなることにより吸熱交換部４０内の気圧を上昇させ、（２）アンモニアガス２０Ａの気圧によって吸熱交換部４０と接続されている発電手段６０のタービン６１を駆動させて、発電手段６０により発電する方法である。

（１）
まず、供給手段１０において、アンモニア液貯留タンク１２に貯留されているアンモニア液２０を圧送ポンプ１１により第５接続管ＤＳ５を介して接続されている吸熱交換部４０へ供給する。このとき、第５接続管ＤＳ５には図示しないアンモニア液供給バルブが設けられており、図示しない制御手段によりバルブの開閉を行うことにより吸熱交換部４０へアンモニア液２０を供給する。

ここで、吸熱交換部４０は、貯留庫３０の内部に設けられていることで堆肥Ｔが発生している発酵熱を直接受ける。したがって、吸熱交換部４０の温度が第５接続管ＤＳ５の内部の温度よりも高くなっているため、アンモニア液２０は、内部が沸点をはるかに超える温度となっている吸熱交換部４０に供給されると勢い良く気化してアンモニアガス２０Ａとなる。つまり、アンモニア液２０が勢い良くアンモニアガス２０Ａになることにより急激に体積膨張が起こり、吸熱交換部４０の内部の気圧を上昇させる。
すると、アンモニアガス２０Ａは、気化したことによる体積膨張で吸熱交換部４０の内部の気圧を上昇させて、この気圧により吸熱交換部４０から排出される。

（２）
ガスチェンバー５０は、吸熱交換部４０から排出されたアンモニアガス２０Ａをアンモニアガスタンク５１に蓄えるとともに、定圧供給バルブ５２により所定の圧力でアンモニアガス２０Ａを第２接続管ＤＳ２を介して発電手段６０に供給し、発電手段６０が備えるタービン６１を駆動させる。発電手段６０は、タービン６１が駆動することにより発電を行う。

（その他）
タービン６１を通流したアンモニアガス２０Ａは、第３接続管ＤＳ３を介して図示しない圧送ポンプにより液化手段７０の貯留タンク７１へ供給され、液化手段７０において、冷却手段７２と加圧手段７３とによりアンモニアガス２０Ａが冷却及び加圧されてアンモニア液２０へと液化される。貯留タンク７１内でアンモニアガス２０Ａがアンモニア液２０となると、そのアンモニア液２０は、液化手段７０の排出ポンプ７４により、貯留タンク７１内から排出され、第４接続管ＤＳ４を介して、供給手段１０の供給ポンプ１３により、アンモニア液貯留タンク１２へ供給される。

これにより、堆肥Ｔによる発酵熱を用いることでアンモニア液２０を容易にアンモニアガス２０Ａに気化させることができ、アンモニア液２０がアンモニアガス２０Ａに気化することで発電手段６０のタービン６１を駆動させることができるので発電効率がよく、二酸化炭素を排出することがないので環境に優しい発電を行うことができる。

以上、本発明について、好適な実施形態の一例を説明した。しかし、本発明は、前記実施形態に限られず、前記の各構成要素については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜設計変更が可能である。

例えば、貯留庫３０の側壁部の内部に吸熱交換部を設け、貯留庫３０が堆肥Ｔの発酵熱により熱せられるとともに吸熱交換部も熱せられるようにすることもできる。
これは、貯留庫３０の側壁部が吸熱交換部に堆肥Ｔの発酵熱を伝達することによりなされる。

また、吸熱交換部は、貯留庫３０内に複数設けてもよい。このようにすることにより、熱交換効率を向上させることができる。
また、吸熱交換部は、貯留庫３０内で水平に設けるほかに、屈曲させたり蛇行させて設けても良い。このようにしても熱交換効率を向上させることができる。

貯留庫の形状は、円筒形状に形成してもよい。この円筒形状の貯留庫は、円筒部の軸線方向が鉛直方向となるように設置される。このように貯留庫を形成しても、堆肥を発酵させて発酵熱を発生させることができる。

また、吸熱交換部は、パネル状に形成しても良い。このパネル状の吸熱交換部は、パネルの内部にアンモニア液を供給できるアンモニア液の気化空間が設けられており、気化空間の一方の端部に第５接続管ＤＳ５が接続され、他方の端部に第１接続管が接続された状態となっており、アンモニア液を第５接続管ＤＳ５からパネル状の吸熱交換部の気化空間へ供給されると、気化空間でアンモニア液は気化してアンモニアガスとなり、気化空間から排出されて第１接続管を通流することができるようになっている。
これにより、吸熱交換部がパネル状に形成されていても、アンモニア液を勢い良くアンモニアガスへと気化させることができる。

本発明の実施の形態に係る堆肥発酵熱発電装置の一例を示すブロック図である。図１のＡ−Ａ断面図である。

符号の説明

１００堆肥発酵熱発電装置
１０供給手段
２０アンモニア液
２０Ａアンモニアガス
３０貯留庫
４０吸熱交換部
５０ガスチェンバー
６０発電手段
６１タービン
７０液化手段
Ｔ堆肥

Claims

貯留庫に貯留されている堆肥から発生する発酵熱によって、前記貯留庫に設けられる吸熱交換部を通流するアンモニア液をアンモニアガスとなるように気化させて、前記吸熱交換部内の気圧を上昇させ、
前記アンモニアガスの気圧によって前記吸熱交換部と接続されている発電手段のタービンを駆動させて、
前記発電手段により発電することを特徴とする堆肥発酵熱発電方法。
気圧で駆動するタービンを有する発電手段と、
アンモニア液をアンモニアガスとなるように気化させる吸熱交換部と、
前記アンモニアガスを前記タービンに供給するガスチェンバーと、
発電手段のタービンを通過した前記アンモニアガスをアンモニア液となるように冷却及び加圧して液化する液化手段と、
前記アンモニアガスから液化された前記アンモニア液を前記吸熱交換部に供給する供給手段と、
を備えた堆肥発酵熱発電装置であって、
前記吸熱交換部が、堆肥が貯留された貯留庫に設けられて構成されることを特徴とする堆肥発酵熱発電装置。