JP5771099B2 - 発酵処理装置および発酵処理で可燃性ガスを生成する方法 - Google Patents
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Description
前記第1発酵槽に設けられた上部流出部と接続された上部流入部を有し、当該上部流出部から当該上部流入部へ流れた前記旋回上向流の被発酵液の流れによって、上から下方向に被発酵液の旋回下向流を形成可能な第2発酵槽と、
前記第2発酵槽に設けられた中間流出部と前記第1発酵槽の下段に設けられた下部流入部とを接続し、当該第2発酵槽から被発酵液を当該第1発酵槽へ供給する循環部と、を備える発酵処理装置である。
前記第2発酵槽の前記上部流入部は、当該上部流入部における被発酵液の流入方向が、断面視で当該第2発酵槽の中心軸へ向かう方向と異なるように設けられている。さらに、前記第2発酵槽の前記中間流出部は、当該中間流出部における被発酵液の流出方向が、断面視で当該第2発酵槽の中心軸へ向かう方向と異なるように設けられていることが好ましい。また、前記中部流入部は、当該中部流入部における循環媒体(例えば、被発酵液)の流入方向が、断面視で当該第1発酵槽の中心軸へ向かう方向と異なるように設けられている(下部流入部と同様の構成が好ましい)。
前記第2発酵槽の前記回収口部から回収された発酵残渣を前記第1発酵槽へ供給するための残渣循環ラインをさらに備える。
前記第1発酵槽内の被発酵液を下から上へ向かう旋回上向流を形成する旋回上向流形成ステップと、
前記第1発酵槽の上部流出部から前記第2発酵槽の上部流入部へ流れた前記旋回上向流の被発酵液の流れによって、上から下へ向かう被発酵液の旋回下向流を形成する旋回下向流形成ステップと、
前記第2発酵槽の中間流出部から前記第1発酵槽の下段に設けられた下部流入部へ被発酵液を循環する循環ステップと、を含む。
実施形態1の発酵処理装置を図1を参照しながら説明する。図1(a)は、第1発酵槽10と第2発酵槽20と循環部2(循環ライン)を有している。第1発酵槽10は、下から上方向に被発酵液の旋回上向流101を形成可能な形状であり、縦長の円筒形状(断面円)である。第2発酵槽20は、上から下方向に被発酵液の旋回下向流201を形成可能な形状であり、縦長の円筒形状(断面円)である。第1発酵槽10の上部に設けられた上部流出部12と第2発酵槽20の上部に設けられた上部流入部21とは、配管3で接続され、被処理液が第1発酵槽10から第2発酵槽20へ流入する。また、第2発酵槽2の中間部に設けられた中間流出部22と第1発酵槽10の下部に設けられた流入部11とは、循環部2を介して接続され、循環部2にはポンプP2が設置されており、第2発酵槽20から第1発酵槽10へ被発酵液を送り込む。この循環部2(ポンプP2)が被処理液を第1発酵槽10から第2発酵槽20へと循環する機能を担っている。循環部2は配管を有して構成できる。旋回上向流101は旋回下向流201より強度、流速が大きく、図1において矢印の太さでそれを表現している。
実施形態2の発酵処理装置を図2を参照しながら説明する。以下では、実施形態1と同じ構成、符号等は同じ機能であるため、説明を簡単にあるいは省略し、異なる構成を中心にして説明する。図2において、第2発酵槽20の回収口部23から回収された発酵残渣を第1発酵槽10へ供給するための残渣循環ライン41が設けられている。発酵残渣を回収できるとともに、残渣循環ライン41のポンプP3によって発酵残渣を第1発酵槽10に再投入させることができる。残渣循環ライン41の一方端を回収口部23に接続し、他方端を循環部2のポンプP2の下流側に接続して、被発酵液の循環の流れにのって発酵残渣を供給する。
実施形態3の発酵処理装置を図3を参照しながら説明する。以下では、実施形態2と同じ構成、符号等は同じ機能であるため、説明を簡単にあるいは省略し、異なる構成を中心にして説明する。図3において、残渣循環ライン42に固液分離装置43が設けられている。固液分離装置43で発酵残渣中の液体分と固体分を分離させた後に、固体分の残渣(水分率が、例えば75〜97%)を第1発酵槽10に再投入させることができる。残渣循環ライン42は、固液分離装置43の下流側にろ液を排出する経路421と残渣を戻す経路422を有し、残渣を戻す経路422にポンプP4を設置して、循環部2のポンプP2の下流側に残渣を送る。
実施形態4の発酵処理装置を図4を参照しながら説明する。以下では、実施形態1と同じ構成、符号等は同じ機能であるため、説明を簡単にあるいは省略し、異なる構成を中心にして説明する。図4において、第1発酵槽10と第2発酵槽20で生成されたバイオガスを、ボイラ50で燃焼させて蒸気を発生させる。この蒸気を第2発酵槽20内に下降流として送り込む。これによって、スカム除去、加温(発酵促進用)を同時に行わせることができる。図4の蒸気供給ライン7は、第2発酵槽20の内部に配管を投入させることで、蒸気を送り込んでいる。
実施形態5の発酵処理装置を図5を参照しながら説明する。以下では、実施形態1と同じ構成、符号等は同じ機能であるため、説明を簡単にあるいは省略し、異なる構成を中心にして説明する。図5において、第1発酵槽10と第2発酵槽20で生成されたバイオガスを、ボイラ50で燃焼させて蒸気を発生させる。この蒸気を第1発酵槽10内の被発酵液の加温(発酵促進用)に利用する。この蒸気供給ライン8は、第1発酵槽10内に配管を投入させて旋回上向流101になるように蒸気を送り込む。蒸気供給ライン8から第1発酵槽10へ蒸気が流入される流入方向は、上記下部流入部の流入方向(構成)と同様にして、旋回上向流を発生するようにする。
実施形態6の発酵処理装置を図6を参照しながら説明する。実施形態6は実施形態1の各構成を有し、さらに、中部流入部111を有している。以下では、実施形態1と同じ構成、符号等は同じ機能であるため、説明を簡単にあるいは省略し、異なる構成を中心にして説明する。図6において、第1発酵槽10には、槽下段の下部流入部11と槽中段の中部流入部111が設けられている。循環部2(循環ライン)が途中で2ラインに分岐され、第1分岐ラインL1と下部流入部11とが接続され、第2分岐ラインL2と中部流入部111とが接続される。下部流入部11および中部流入部111によって、旋回上向流の旋回速度を中段位置で加速できるようにし、旋回上向流の旋回速度が減衰しないように維持できる。
実施形態7の発酵処理装置を図7を参照しながら説明する。実施形態7は、実施形態2の各構成を有し、さらに中部流入部111を有している。図7に示すように、第1発酵槽10には、槽下段の下部流入部11と槽中段の中部流入部111が設けられている。残渣循環ライン41が接続されている循環部2(循環ライン)が途中で2ラインに分岐され、第1分岐ラインL1と下部流入部11とが接続され、第2分岐ラインL2と中部流入部111とが接続される。中部流入部111は上記実施形態6と同様の構成を有している。
実施形態8の発酵処理装置を図8を参照しながら説明する。実施形態8は、実施形態3の各構成を有し、さらに中部流入部111を有している。図8に示すように、第1発酵槽10には、槽下段の下部流入部11と槽中段の中部流入部111が設けられている。固液分離装置43を介して残渣を戻す経路422が接続されている循環部2(循環ライン)が途中で2ラインに分岐され、第1分岐ラインL1と下部流入部11とが接続され、第2分岐ラインL2と中部流入部111とが接続される。中部流入部111は上記実施形態6と同様の構成を有している。
実施形態9の発酵処理装置を図9を参照しながら説明する。実施形態9は、実施形態4の各構成を有し、さらに中部流入部111を有している。図9に示すように、第1発酵槽10には、槽下段の下部流入部11と槽中段の中部流入部111が設けられている。循環部2(循環ライン)が途中で2ラインに分岐され、第1分岐ラインL1と下部流入部11とが接続され、第2分岐ラインL2と中部流入部111とが接続される。中部流入部111は上記実施形態6と同様の構成を有している。
実施形態10の発酵処理装置を図10を参照しながら説明する。実施形態10は、実施形態2の各構成を有し、さらに中部流入部111を有している。図10に示すように、第1発酵槽10には、槽下段の下部流入部11と槽中段の中部流入部111が設けられている。中部流入部111と、残渣循環ライン41が直接に接続されており、発酵残渣が中部流入部111から第1発酵槽10へ流入される構成である。中部流入部111は上記実施形態6と同様の構成を有している。
実施形態11の発酵処理装置を図11を参照しながら説明する。実施形態11は、実施形態3の各構成を有し、さらに中部流入部111を有している。図11に示すように、第1発酵槽10には、槽下段の下部流入部11と槽中段の中部流入部111が設けられている。中部流入部111と、残渣を戻す経路422が直接に接続されており、固液分離処理後の発酵残渣が中部流入部111から第1発酵槽10へ流入される構成である。中部流入部111は上記実施形態6と同様の構成を有している。
また、本発明は、第1発酵槽10と第2発酵槽20との間で被発酵液を循環させながら発酵処理を行い可燃性ガスを生成する方法である。上記発酵処理装置の実施形態1〜11のいずれをも用いることができる。
上記実施形態1および6の発酵処理装置の構成において、第1発酵槽の旋回上向流についてシミュレーション実験を行った。第1、第2発酵槽として、内径3.5m、水深10.4m(水深/直径=2.97)の100m3タンクとした。循環させる液体は水とした。実験例1、2は、実施形態1の構成において、循環量をそれぞれ33m3/h、25m3/hに設定したものである。実験例3〜7は、実施形態6の構成において、循環量を25m3/hに設定し、中部流入部111の高さ位置(タンク底部からの距離)を変え、かつ下部流入部11および中部流入部111の流入量を変えたものである。下部流入部の流入量と中部流入部の流入量の合計が循環量になる。表1に各条件と実験結果を示す。上部流出部12のノズル高さ位置は、10.15m、下部流入部11のノズル高さ位置は0.15mである。各部分での流速分布(%)は、全断面積に対する0.1m/sec以上(タンク底部で汚泥が沈降しない速度、かつタンク表層でスカム等が移動するための速度)の流速を持つ分布の割合を示す。各断面における速度をシミュレーションによって計算し、分布(速度等高線図など)を求め上記割合を求める。図12に速度等高線図を示す。
3 配管
4 発酵残渣の回収ライン
10 第1発酵槽
11 下部流入部
12 上部流出部
20 第2発酵槽
21 上部流入部
22 中間流出部
23 回収口部
41 酵残渣循環ライン
43 固液分離装置
111 中部流入部
L1 第1分岐ライン
L2 第2分岐ライン
Claims (16)
- 下段に設けられた下部流入部と、上部流出部とが設けられた第1発酵槽であって、下から上方向に被発酵液の旋回上向流が槽内部に形成される第1発酵槽と、
前記第1発酵槽に設けられた前記上部流出部と接続された上部流入部を有し、当該上部流出部から当該上部流入部へ流れた前記旋回上向流の被発酵液の流れによって、上から下方向に被発酵液の旋回下向流が槽内部に形成される第2発酵槽と、
前記第2発酵槽に設けられた中間流出部と前記第1発酵槽の下段に設けられた前記下部流入部とを接続し、当該第2発酵槽から被発酵液を当該第1発酵槽へ供給する循環部と、を備え、
前記第1発酵槽の前記下部流入部および前記上部流出部は、当該下部流入部における被発酵液の流入方向および当該上部流出部における被発酵液の流出方向が、断面視で当該第1発酵槽の中心軸へ向かう方向と異なるように設けられ、
前記第2発酵槽の前記上部流入部は、当該上部流入部における被発酵液の流入方向が、断面視で当該第2発酵槽の中心軸へ向かう方向と異なるように設けられている、発酵処理装置。 - 前記第1発酵槽の中段であって、前記下部流入部より上方に中部流入部がさらに設けられている、請求項1に記載の発酵処理装置。
- 前記被発酵液の原料を、前記循環部のポンプ部の下流に投入するための原料供給用ポンプ部を配置した原料供給ラインをさらに備える請求項1または2に記載の発酵処理装置。
- 前記第2発酵槽の前記中間流出部は、当該中間流出部における被発酵液の流出方向が、断面視で当該第2発酵槽の中心軸へ向かう方向と異なるように設けられている、請求項1に記載の発酵処理装置。
- 前記第2発酵槽は、前記中間流出部より下部に発酵残渣を回収するための回収口部を有し、
前記第2発酵槽の前記回収口部から回収された発酵残渣を前記第1発酵槽へ供給するための残渣循環ラインをさらに備える請求項1〜4のいずれか1項に記載の発酵処理装置。 - 前記残渣循環ラインは、固液分離装置を備える請求項5に記載の発酵処理装置。
- 前記第1、第2発酵槽で生じた可燃性ガスを燃焼させて得られた蒸気を、当該第2発酵槽内に送り込む蒸気供給ラインをさらに備える請求項1〜6のいずれか1項に記載の発酵処理装置。
- 前記第1、第2発酵槽で生じた可燃性ガスを燃焼させて得られた蒸気を、前記被発酵液を加温するために当該第1発酵槽に供給する加温用蒸気供給ラインをさらに備える請求項1〜7のいずれか1項に記載の発酵処理装置。
- 前記第1、第2発酵槽は、縦長の筒形状である請求項1〜8のいずれか1項に記載の発酵処理装置。
- 前記第1、第2発酵槽で処理される発酵は、水素発酵、メタン発酵、アルコール発酵、乳酸発酵、酪酸型発酵、ブタノール−アセトン型発酵、硝酸塩発酵または酢酸発酵である請求項1から9のいずれか1項に記載の発酵処理装置。
- 請求項1〜10のいずれか1項に記載の発酵処理装置を用いて、第1発酵槽と第2発酵槽との間で被発酵液を循環させながら発酵処理を行い可燃性ガスを生成する方法であって、
前記第1発酵槽内の被発酵液を下から上へ向かう旋回上向流を形成する旋回上向流形成ステップと、
前記第1発酵槽の上部流出部から前記第2発酵槽の上部流入部へ流れた前記旋回上向流の被発酵液の流れによって、上から下へ向かう被発酵液の旋回下向流を形成する旋回下向流形成ステップと、
前記第2発酵槽の中間流出部から前記第1発酵槽の下段に設けられた下部流入部へ被発酵液を循環する循環ステップと、を含む方法。 - 前記第1発酵槽の中段であって、前記下部流入部より上方に設けられた中部流入部へ循環媒体を供給する第2循環ステップをさらに含む、請求項11に記載の方法。
- 前記被発酵液の原料を前記循環ステップで用いられる循環用ポンプ部の下流側に投入する原料供給ステップをさらに含む請求項11に記載の方法。
- 前記第2発酵槽の槽下部から発酵残渣を回収する回収ステップと、
回収ステップで回収された発酵残渣を前記第1発酵槽へ供給する残渣循環ステップと、をさらに含む請求項11または13に記載の方法。 - 前記第1、第2発酵槽で生じた可燃性ガスを燃焼させて得られた蒸気を、当該第2発酵槽内に送り込む蒸気供給ステップをさらに含む請求項11〜14のいずれか1項に記載の方法。
- 前記第1、第2発酵槽で生じた可燃性ガスを燃焼させて得られた蒸気を、前記被発酵液を加温するために当該第1発酵槽に供給する加温用蒸気供給ステップをさらに含む請求項11〜15のいずれか1項に記載の方法。
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