JP4535861B2

JP4535861B2 - バイオガスとゼットガスを用いた発電方法及び発電システム

Info

Publication number: JP4535861B2
Application number: JP2004368149A
Authority: JP
Inventors: 修山田
Original assignee: 株式会社Ｚ・Ｅ・Ｔ; 茨木智; 土屋忠史; 藤森保夫; 鷲澤文治; 横沢志郎
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2010-09-01
Anticipated expiration: 2024-12-20
Also published as: JP2006177161A

Description

この発明は、バイオガスと、ゼットガスと、加圧温水とを反応炉に噴射して高温高圧蒸気を生成し、これを蒸気タービンに噴射してタービンを高速回転させ、これにより発電機を回転して発電することを目的としたバイオガスと、ゼットガスを用いた発電方法及び発電システムに関する。

従来、高圧・高温蒸気を用いて蒸気タービンを回転させる発電は火力発電として知られている。また、水素と酸素の燃焼反応によって、過熱蒸気を発生させ、これによってごみ、廃棄物を加熱処理し、さらには余剰の熱エネルギーを発電に利用する技術が開示されている。

更に、ブラウンガスを用いて廃棄物を焼却する発明も提案されている。
特開２００３−１６４８３１特開２００３−２０２１０５

従来の加熱処理は、酸化反応によるものであり、この結果二酸化炭素を生成する。また水素は、熱処理によって発生する炭素に結合して炭化水素を生成し、或いは空気中の酸に再結合して水蒸気となる。前記炭化水素又は水蒸気は有効に利用されない問題点があった。

またブラウンガス利用の生ごみ処理にしても、焼却処理の一種として用いられ、有効成分の積極的利用（例えば水素を分離して貯蔵する思想）は考えられていない。

この発明は、バイオガスと温水とを加圧して反応炉内へ噴射すると共に、ゼットガス炎で燃焼させることにより高温高圧蒸気を生成し、これによりタービンを高速回転させて発電し、かつ排気を処理して水を回収することにより前記従来の問題点を解決したのである。

即ち方法の発明は、生廃棄物を微生物処理して得たバイオガスを反応炉内に高圧噴射すると共に、水を電気分解して得たゼットガスを反応炉内に噴射し燃焼させて、高温高圧蒸気を生成し、これを蒸気タービンに噴射して該蒸気タービンを高速回転させ、前記蒸気タービンにより発電機を回転させて発電することを特徴としたバイオガスとゼットガスを用いた発電方法であり、生廃棄物を微生物処理して得たバイオガスを反応炉内に高圧噴射すると共に、太陽熱温水器で加熱した水を反応炉内に高圧噴射し、該反応炉内に、水を電気分解して得たゼットガスを反応炉内に噴射し燃焼させて、高温高圧蒸気を生成し、これを蒸気タービンに噴射して該蒸気タービンを高速回転させ、前記蒸気タービンにより発電機を回転させて発電することを特徴としたバイオガスとゼットガスを用いた発電方法である。また、蒸気タービンは、高速タービン、中速タービン、低速タービンの多段よりなり、高温高圧蒸気を高速タービンに給送し、その排気を中速タービンに給送し、その排気を低速タービンに給送するものであり、請求項１又は２記載の発電後、その排気を処理して高純度水素を回収すると共に、熱交換により得た温湯を太陽熱温水槽に戻すことを特徴としたものである。

次にシステムの発明は、生廃棄物と発酵槽よりなるバイオガス生成装置と、バイオガスを高圧噴射する圧縮機と、ゼットガス発生器と、太陽熱温水槽と、温水を加圧して反応炉へ高圧噴射する圧縮機と、前記バイオガス及び高圧蒸気を加熱させる反応炉と、反応炉からの高圧高温蒸気で回転させる蒸気タービン及びこれに連結した発電機を組み合せたことを特徴とするバイオガスとゼットガスを用いた発電システムであり、生廃棄物と発酵槽よりなるバイオガス生成装置と、バイオガスを高圧噴射する圧縮機と、ゼットガス発生器と、太陽熱温水槽と、温水を加圧して反応炉へ送入する圧縮機と、前記バイオガス及び高圧蒸気を加熱させる反応炉と、反応炉からの高圧高温蒸気で回転させる蒸気タービン及びこれに連結した発電機と、排気処理装置及び水素貯蔵器を組み合せたことを特徴とするバイオガスとゼットガスを用いた発電システムである。

また、生廃棄物と発酵槽よりなるバイオガス生成装置と、バイオガスを高圧噴射する圧縮機と、ゼットガス発生器と、太陽熱温水槽と、温水を加圧して反応炉へ送入する圧縮機と、前記バイオガス及び高圧蒸気を加熱させる反応炉と、反応炉からの高圧高温蒸気で回転させる蒸気タービン及びこれに連結した発電機と、排気処理装置、飽和蒸気貯蔵器及び水素貯蔵器を組み合せたことを特徴とするバイオガスとゼットガスを用いた発電システムであり、排気処理装置は、熱交換器、排気の高純度化とＣＯ２の回収器としたものであり、生廃棄物を、家庭の生ごみ、食料品残滓、及び茶がら、ビール絞り粕、コーヒー、紅茶などを製造する際に生じる産業の生廃棄物としたものである。

前記発明におけるバイオガスは、メタン、二酸化炭素及び水蒸気を含むものである。

前記発明におけるゼットガスは、水を電気分解して生じた水素ガスと、酸素ガスの混合ガスである。このゼットガスの燃焼は、気体から液体への相変化であって、通常の爆発現象（Ｅｘｐｌｏｓｉｏｎ）は発生せず、擬爆現象（Ｉｍｐｌｏｓｉｏｎ）を生じる。この擬爆現象では、熱源の周囲に真空を生じ、エネルギーが外部へ拡散しない特性がある。

またゼットガスは、水素ガスと酸素ガスの混合ガスであるから、空中へ漏出しても、環境への悪影響は皆無で、空気中へ漏出した場合にも自動拡散し、燃焼しない。またゼットガスを燃焼しても、水ができるのみであって、燃焼による有害物生成の余地はない。

次にゼットガスを燃焼させると、２０００℃〜４０００℃の超高温になり、対象物を瞬時に溶解あるいは熱分解し、前記擬爆現象によって、目的物以外に熱の拡散はない。更に水素と酸素の混合気体の燃焼であるから、燃焼の為に酸素を供給する必要がない。

この発明で使用するゼットガスには、表１のような特性がある。

表１に示すように、燃焼スピードが著しく速いのが、従来知られているガス燃料と異なり、超高温が可能となる理由と考えられている。

この発明においては、反応炉内へ高圧バイオガス及び高圧水が噴射されると共に、ゼットガス炎で高温加熱（例えば２０００℃以上）されるので、前記高圧水は瞬時に蒸気化し、全気体は瞬時に膨張するが、閉鎖されているので、唯一開放されている蒸気タービンに向けて高温高圧高速流となって吹き出される。この場合の温度は８００℃以上、圧力は４０ＭＰａ以上となり、現に使用されている火力発電所の蒸気よりも温度、圧力の何れよりも大きいと考えられる。

そこで現在使用されているタービン翼の強度を勘案し、前記温度、圧力、流速は制御される。前記における気体の成分は、ゼットガスが水素ガス（Ｈ_２）と、酸素ガス（Ｏ_２）で、混合ガスはＨ_２＋１／２Ｏ_２である。

またバイオガスは、炭酸ガス（ＣＯ_２）、炭化水素（ＣＨ_４）と水（Ｈ_２Ｏ）の混合ガスであり、これに太陽熱温水槽からの水（Ｈ_２Ｏ）が加えられて、燃焼すると、混合気体は、２ＣＯ_２＋４Ｈ_２となる。

前記混合気体が、数段の蒸気タービンを経て排気されると、排気温度は４００℃程度となるが、成分は不変であるから、これを熱交換によって２００℃以下に冷却すると共に、分離筒内で半透膜を利用し、水素を回収し、残余の炭酸ガスを固定回収し、水蒸気を外界に放出する。また、前記熱交換により得た温水は、加圧噴射水として利用する。

前記熱交換で得た飽和蒸気は、アキュームレーターに貯蔵して、適量宛バイオガスと混合使用し、水素は貯蔵して他の用途に使用する。

前記において、バイオガスと、高圧噴射水とをゼットガス炎により加熱して高温高圧高流速の気体を得ることができるが、この場合には、バイオガスに適宜量の飽和蒸気を加入すれば、一層良好な結果が期待できる。

前記バイオガスは、メタン、二酸化炭素及び水蒸気の混合ガスである。また、太陽熱温水槽から生じる８０℃以上の温水を加圧噴射し、蒸気として反応炉中へ吹き込むので、バイオガスと混合し、ゼットガスにより均一かつ高温に加熱され、高温高圧蒸気を生成することになる。

前記におけるゼットガス発生器は、水を電気分解して得られるが、従来知られている水の電気分解装置を利用することができる。水の電気分解装置については、幾多の発明が知られているが、当然のこと乍ら、分解効率の高い装置が要求される。当然のこと乍ら、水の電気分解に必要な電気量と、この発明により発電する電気量との差が、産業上利用されることになるからである。

この発明は、連続的かつ多量に発生する生ごみ（廃棄物）を微生物処理して、多量のバイオガスを生成させるので、処理困難とされて焼却されていた生ごみを一挙にかつ連続的に有効処理できる効果がある。

また前記バイオガスの生成によって、有機物は全部処理されるので、残渣は無機物のみとなり、１０％以下の容量となるので、残渣の処理費用が著しく軽減される。

前記バイオガスと、水蒸気とを、ゼットガス炎で加熱するので、超高温高圧高速の気体を生成し、蒸気タービンを効率よく回転させて発電できる効果がある。

前記排気から水素を分離し、炭酸ガスから炭酸を回収するので、外界へは無害の水蒸気のみが排出されることになり、環境汚染のおそれがない効果がある。

従来生ごみの焼却においては、環境汚染が問題となり、これを改善する為に、多大の費用を必要としたが、この発明によれば、前記環境汚染のおそれがないのみならず、電気を生成し、かつ水素を生産することができる。

この発明は、生廃棄物（生ごみ）を微生物処理してバイオガスとし、水を電気分解してゼットガスとし、水を太陽熱温水器で加温する（太陽熱温水槽は加温水を貯水する）。前記バイオガスと、水を加圧して反応炉に吹き込み、混合気体とし、かつ前記ゼットガス炎で前記反応炉内の混合気体を高温加熱することにより、瞬時に高温高圧高速気体流を生成し、これを蒸気タービンに供給してタービンを高速回転し、これにより発電機を回転して発電する。

またタービンからの排気は熱交換により、生じた温水は使用し、排気からは、水素を分離すると共に、炭酸ガスを回収した後、水蒸気（無害）を放出する。

前記のように、生ごみを有効利用し、発電すると共に、有用物（水素）を生成する。

この発明の実施例を図１に基づいて説明すると、生ごみをスラリー状に加工して発酵槽に入れると共に、微生物も入れてメタンガス、二酸化炭素、水蒸気を発生させ、この混合物を圧縮して反応炉に吹き込む一方、太陽熱温水器を利用して加熱した温水を太陽熱温水槽に貯蔵し、これを圧縮機にかけて燃焼炉内へ加圧噴出させると共に、ゼットガスバーナーによるゼットガス炎により、前記燃焼炉内の混合ガスを１０００℃以上まで加熱すると、バイオガス及び水蒸気は急速に膨張し、高温高圧高速蒸気流となるので、これを蒸気タービンに送入して、蒸気タービンを高速回転し、これにより発電機を回転して発電する。

また前記蒸気タービンの排気は熱交換し、低温（例えば２００℃）となった気体から水素ガスと炭酸ガスを分離し、水素ガスは貯留して適宜使用するようにし、炭酸ガスから炭酸を固定し、残余の水蒸気を排気し、前記飽和水蒸気の一部は、バイオガスの圧縮機に送って圧縮し、熱交換により生じた温水は太陽熱温水槽へ供給する。

前記のようにして、生ごみは有害物を生成することなく、殆んど消滅する（１０％以下の無機物と、若干の蒸気が出る）。

前記蒸気タービンは、高速タービン、中速タービン、低速タービンに分れており、高速タービンの排気を中速タービンに使用し、中速タービンの排気を低速タービンに使用することは、従来の蒸気タービンを使用した発電と同様である。

この発明においては、低速タービンから排出された排気を熱交換し、温水は太陽熱温水槽に給送し、排気は水素を分離すると共に、ＣＯ_２を除去した後、外界に放出する点が従来装置と異なる。

また蒸気タービンの発電による電気の一部は、水の電気分解に使用され、大部分の電気は産業などに使用される。従って排気の有効利用により、効率を著しく向上させると共に、電気は自分の発電を使用する自立型システムである。

この発明のシステムの実施例を図２、３に基づいて説明すると、容器２の生ごみをスラリー状として発酵槽３に入れ、発酵槽３へ、微生物を投入して発酵させ、生成したバイオガス４を圧縮機５で圧縮して、反応炉１へ吹き込む。

また太陽熱温水器６ａで加熱した水を太陽熱温水槽６に入れて貯蔵し、その温水を適量宛圧縮機７により加圧し、これを反応炉１内へ吹き込む。

次にゼットガス発生器８で水素ガスと、酸素ガスを生成し、これを混合したゼットガスを分配器９に導き、この分配器により分配したゼットガスをゼットガスバーナー１０から噴射し、これを燃焼させて得たゼットガス炎を、前記反応炉１へ吹き込み、前記圧縮して吹き込まれたバイオガス及び水蒸気を急速加熱し、瞬時に高温（８００℃以上）、高圧（４０ＭＰａ）の過熱蒸気流となって、蒸気タービン１１の翼に衝突し、蒸気タービン１１を超高速（例えば１００００回／分）で回転させるので、これに連結した発電機１２により発電する。

前記は高速蒸気タービン１１について説明したが、通常高速タービン、中速タービン、低速タービンの各タービンを経て排気する。この排気温は４００℃位であるが、熱交換器１３で熱交換し、分離器１４で水素と、炭酸ガスに分離し、炭酸ガス中の炭酸を固定すれば、水蒸気のみが残るので、外界に矢示１６の如く放出する。前記水素ガスは、貯蔵槽１５に貯蔵する。また熱交換器１３で生成した飽和蒸気は、アキュームレーター１７に貯蔵し、適宜取り出して、バイオガスの圧縮機５に供給する。前記熱交換器により温水を生成した場合には、この温水を太陽熱温水槽に送入する。

次に前記ゼットガス発生器８の一例を図３に基づいて説明すると、電解槽１８内に、多数の電極板１９、１９を近接して縦に並列設置し、各電極板１９、１９は、導板２０、２０ａにより、＋電極と、−電極を対向させる。前記電解槽１８の下部には、送水パイプ２１の一端が連結され、送水パイプ２１の他端は電解水槽２２の下部に連結してあり、中間にポンプ２３が介装してある。

また電解槽１８の上部には、排水パイプ２４の基端が連結され、排水パイプ２４の先端部は、電解水槽２２の上部の分離匣２５に連結され、電解水槽２２の上部に排出パイプ２６が連結されている。

前記において、各電極板１９、１９に通電すると共に、ポンプ２３を駆動して電解水を、矢示３７、２７、２８のように給送すると、水が電気分解されて、水素ガスと酸素ガスが上昇するが、電解槽１８内の電解水と共に矢示２７、２８の方向へ流動する。そこで、前記水素ガスと、酸素ガスは、排水と共に矢示３６のように移動し、分離匣２５で分離され、水は電解水槽２２の水内へ戻され、水素ガスと酸素ガスの混合ガスは、矢示２９のように排出パイプ２６から、分配器９へ移動する。

図中３０は電解水槽２２への給水パイプ、３１は水面レベル計室、３２はセンサー、３３はコントローラー、３４は電磁弁、３５は排気パイプ、３８は連通孔である。

この発明のシステムを示すブロック図。同じくシステムを示す各装置の配置を示す模式図。（ａ）同じくゼットガス発生器の一例を示す説明図、（ｂ）同じく電極板の支持状態を示す一部斜視図。

符号の説明

１反応炉
２容器
３発酵槽
４バイオガス
５、７圧縮機
６太陽熱温水槽
８ゼットガス発生器
９分配器
１０ゼットガスバーナー
１１蒸気タービン
１２発電機
１３熱交換器
１４分離器
１５水素ガス貯蔵器

Claims

生廃棄物を微生物処理して得たバイオガスを反応炉内に高圧噴射すると共に、太陽熱温水器で加熱した水を反応炉内に高圧噴射し、該反応炉内に、水を電気分解して得た水素ガスと酸素ガスの混合ガスであるゼットガスを前記反応炉内に噴射し燃焼させて、高温高圧蒸気を生成し、これを蒸気タービンに噴射して該蒸気タービンを高速回転させ、前記蒸気タービンにより発電機を回転させて発電することを特徴としたバイオガスとゼットガスを用いた発電方法。
生廃棄物と発酵槽よりなるバイオガス生成装置と、
バイオガスを高圧噴射する圧縮機と、
水を電気分解して得られる水素ガスと酸素ガスの混合ガスであるゼットガスを発生するゼットガス発生器と、
太陽熱温水槽と、
温水を加圧して反応炉へ高圧噴射する圧縮機と、
前記バイオガス及び高圧蒸気を加熱させる前記反応炉と、
前記反応炉からの高圧高温蒸気で回転させる蒸気タービン及びこれに連結した発電機と、
を組み合せたことを特徴とするバイオガスとゼットガスを用いた発電システム。
生廃棄物と発酵槽よりなるバイオガス生成装置と、
バイオガスを高圧噴射する圧縮機と、
水を電気分解して得られる水素ガスと酸素ガスの混合ガスであるゼットガスを発生するゼットガス発生器と、
太陽熱温水槽と、
温水を加圧して反応炉へ送入する圧縮機と、
前記バイオガス及び高圧蒸気を加熱させる前記反応炉と、
前記反応炉からの高圧高温蒸気で回転させる蒸気タービン及びこれに連結した発電機と、
排気処理装置及び水素貯蔵器と、
を組み合せたことを特徴とするバイオガスとゼットガスを用いた発電システム。
生廃棄物と発酵槽よりなるバイオガス生成装置と、
バイオガスを高圧噴射する圧縮機と、
水を電気分解して得られる水素ガスと酸素ガスの混合ガスであるゼットガスを発生するゼットガス発生器と、
太陽熱温水槽と、
温水を加圧して反応炉へ送入する圧縮機と、
前記バイオガス及び高圧蒸気を加熱させる前記反応炉と、
前記反応炉からの高圧高温蒸気で回転させる蒸気タービン及びこれに連結した発電機と、
排気処理装置、飽和蒸気貯蔵器及び水素貯蔵器と、
を組み合せたことを特徴とするバイオガスとゼットガスを用いた発電システム。
前記排気処理装置は、熱交換器、排気の高純度化とＣＯ_２の回収器としたことを特徴とする請求項３または４に記載のバイオガスとゼットガスを用いた発電システム。