JP6725148B2 - 燃料製造方法および燃料製造装置 - Google Patents
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Description
しかしながら、燃料とする廃棄物が生ゴミや下水道汚泥等のように高湿潤な資材である場合、含水率が80%以上と高いために非常に熱分解させ難く、熱分解ガスを十分に発生させられないという問題があった。
この特許文献2記載された燃料の製造方法によれば、前記燃料を発酵させることにより、発電に利用できるメタンガスを得ることができる。
しかしながら、燃料とする廃棄物が家畜糞尿の場合、生ゴミや下水道汚泥等の場合と異なる技術的課題があった。
即ち、燃料とする廃棄物が家畜糞尿の場合、含水率が高く、燃料を固形物化することは困難であり、固形化するためのエネルギーを必要とするため、不経済である。また、糞尿から生じるアンモニアによって発酵が阻害され、円滑にメタンガスを得ることができないという課題があった。
そのため、家畜糞尿を燃料として、メタン発酵を行うには商業的に困難であるという技術的課題があった。
その結果、投入した家畜糞尿が低分子化、糖化、アミノ化、イオン積の変化を起こし、また発酵阻害物質であるアンモニアが減少することを知見した。また、家畜糞尿の低分子化、糖化、アミノ化と、発酵阻害物質であるアンモニアの減少によって、メタン発酵速度の上昇、発生ガス量の増大が図られることを知見した。
このように、特定量の水および特定圧の飽和水蒸気を注入し、下部温度が特定温度になるまで、攪拌することにより、アンモニアが除去されると共に、前記糞尿に含まれる有機物の結合分子が分離され、微細化される。即ち、糞尿を原料とする燃料から発酵阻害物質であるアンモニアが除去されると共に、燃料の低分子化、糖化、アミノ化、イオン積変化を図ることができる。
その結果、前記燃料を用いて、発酵槽において迅速なメタン発酵を行うことができ、メタン発酵速度の上昇と発生ガス量の増大を図ることができる。
尚、家畜糞尿とは、鶏糞、豚糞尿、牛糞尿、馬糞尿、羊糞尿等をいう。
即ち、家畜糞尿の投入量の5倍未満の場合には、COD数値に対する有機物濃度(TOC)が高く、発酵速度が遅くなり好ましくない。一方、特定量の水が家畜糞尿の投入量の20倍を越える場合には、有機物濃度(TOC)が低く、発酵速度が遅なり、経済性が失われるため、好ましくない。
このように、125℃まで上昇した時点で、既に家畜糞尿の低分子化、アミノ化、糖化が終了するため、攪拌を終了する。
このように、反応容器内の下部温度を基準としたのは、糞尿を含む液体において、反応
容器内の下部に位置する領域の温度が低く、その温度を測定することにより、液体中の全
有機物の温度が100℃以上であることを確認することができるためである。
また、反応容器内の下部温度が100℃に達した時点で、攪拌を開始するのは、糞尿に
含まれる有機物の結合分子を分離し、微細化する(撹拌を開始しその羽根に衝突させ分子
運動を高める)ためである。
前記家畜糞尿が鶏糞の場合には、水の投入量が鶏糞の投入量の5倍以上10倍以下、反応容器内に投入される飽和水蒸気の圧力が0.69MPa以上0.84MPa以下、攪拌終了が反応容器内の下部温度が135℃〜140℃の温度まで上昇した時点とするのが、好ましい。
前記家畜糞尿が豚糞尿の場合には、水の投入量が鶏糞の投入量の10倍以上12倍以下、反応容器内に投入される飽和水蒸気の圧力が0.76MPa以上0.85MPa、攪拌終了が反応容器内の下部温度が135℃〜140℃の温度まで上昇した時点とするのが、好ましい。
本発明に係る燃料製造方法は、図1に示すように、まず、収集した家畜糞尿(S1)を水熱反応処理する(S2)。
この燃料製造方法は、この水熱反応処理を特定の条件下で行う点に特徴がある。即ち、特定量の水および特定圧の飽和水蒸気を注入し、反応容器内の下部温度が特定温度になるまで、攪拌することにより、家畜糞尿におけるアンモニア生成を抑制すると共に、前記家畜糞尿に含まれる有機物の結合分子を分離することにより微細化し、低分子化、アミノ化、糖化した燃料を得る点に特徴がある。尚、水熱反応処理の条件については、後に詳しく述べる。
この固液分離機は、公知の機械を用いることができる。分離された有機物含有液体は、発酵槽に移送され(S4)、発酵槽に収容される。この有機物含有液体の移送についても、公知の移送機械を用いることができる。
そして、前記有機物含有液体は、発酵槽は所定温度に維持され、メタン菌による発酵処理(メタンガス化)がなされる。この発酵処理も従来と同様に行うことができる。
図2に示すように、本実施形態の燃料製造装置1は、家畜糞尿を収容して処理するための反応容器2と、前記反応容器2に家畜糞尿と、水(水道水)を投入するための投入口2aと、この反応容器2に投入された、家畜糞尿と水(水道水)を混合した液体を攪拌するための攪拌手段3とを備えている。
また、燃料製造装置1は、反応容器2内の家畜糞尿と水(水道水)を混合した液体に対して高圧水蒸気を注入するための水蒸気注入手段4と、反応容器2内の圧力を調節するための圧力調節手段5と、前記攪拌手段3、前記水蒸気注入手段4および前記圧力調節手段5を制御するための制御手段6とを備えている。
前記反応容器2は、耐圧性を備えた第一種圧力容器により構成されており、その内部で家畜糞尿と水(水道水)を混合した液体を処理するものである。
この反応容器2の上部には投入口2aが設けられるとともに、下部には水熱処理をした低分子有機物を含有する液体を外部に導出する導出口2bが設けられている。
これら投入口2aおよび導出口2bは、前記液体を処理する際に反応容器2内の高温高圧に耐えられるパッキンが使用された密閉構造を備えている。
尚、投入口2aおよび導出口2bは、安全性を考慮して、反応容器2内の圧力が0.015MPa以下に達しない限り、開閉操作が反応しないシステム制御を備えている。
特に、温度センサ7が反応容器2の内部下部に設けられているため、反応容器2の内部下部に位置する、温度が低くなる下層の有機物含有液体の温度を測定することができる。
即ち、反応容器2下部に位置するか液体下層の温度を検出することによって、有機物含有液体全体の温度が、温度センサ7で検出した温度以上であることを確認することができる。
また水平回動軸3aには駆動モータ3cが連結され、前記撹拌羽根3bを駆動モータ3cによって回転駆動するように構成されている。
前記ボイラー4aで発生する水蒸気(飽和水蒸気)の圧力は一定値に保持されており、反応容器2内の圧力は、高圧水蒸気(高圧飽和水蒸気)の注入量で調節される。
この高圧水蒸気(高圧飽和水蒸気)の圧力によって反応容器内の温度が定まり、反応容器2内は高温に保持される。
また、前記送気管4bは、反応容器2に対して水平回動軸3aよりも上方位置であって略水平方向に連結されている。
そして、反応容器2内の圧力が所定値を越えると圧力調整バルブ5aを開放し、反応容器2内の圧力を抜いて所定の圧力に保持するようになっている。
また、排気管5bにはサイレンサー9を介して冷却装置10が連結されており、反応容器2からの水蒸気を冷却して液化し、排水処理設備11に供給されるように構成されている。さらに、サイレンサー9により、騒音防止条例の規制値をクリアして市街地などに設置できるよう設計されている。
具体的には、反応容器2内の温度や圧力が所定の温度、圧力から低下した場合には、前記制御手段6によって、水蒸気注入手段4からの高圧水蒸気の注入量を増加させて温度および圧力を上昇させるように制御する。逆に、反応容器2内の温度や圧力が所定の温度、圧力以上に上昇した場合には、前記制御手段6によって、圧力調節手段5の圧力調整バルブ51を開放して高圧水蒸気を排気し温度および圧力を低下させるように制御する。
まず、家畜糞尿を投入口2aから反応容器2内に投入する。また、投入した家畜糞尿量に応じた、特定量の水(水道水)を反応容器内に注入する。
この特定量の水が家畜糞尿の投入量の5倍未満の場合には、COD数値に対する有機物濃度(TOC)が高く、発酵速度が遅くなり好ましくない。
一方、特定量の水が家畜糞尿の投入量の20倍を越える場合には、有機物濃度(TOC)が低く、メタン菌の世代交代に必要な栄養素が不足し、発酵速度が遅なり、経済性が失われるため、好ましくない。また、多量の水により、家畜糞尿に含まれる有機物の結合分子の分離が阻害され、低分子化、アミノ化、糖化を困難するため、好ましくない。
そのため、反応容器内に家畜糞尿を投入する際、家畜糞尿の投入量の5倍以上20倍以下の水を反応容器内に注入するのが望ましい。
また、前記家畜糞尿が豚糞尿の場合も、豚糞尿の投入量の5倍以上20倍以下の水を反応容器内に注入するのが望ましいが、特に、豚糞尿の投入量の10倍以上12倍以下の水を注入するのが望ましい。
この場合、設定される反応容器内圧力は、家畜糞尿がガス化発電用燃料に適した性状に変換するのに必要な圧力である。
鶏糞の場合も、反応容器内の圧力を0.62MPa以上1.9MPa以下になすのが望ましいが、特に0.69MPa以上0.84MPa以下になすのが好ましい。
また豚糞尿の場合も、反応容器内の圧力を0.62MPa以上1.9MPa以下になすのが望ましいが、特に0.76MPa以上0.85MPa以下になすのが好ましい。
このように、100℃に達した時点で攪拌を開始するは、液体に含有される有機物まで100℃の温度が伝達され、更に分子レベルの分解を容易にするため、撹拌を開始し、攪拌羽根に有機物を衝突させ分子運動を激しく高めるためである。
また、125℃まで上昇した時点で攪拌を終了するは、投入された液体に含有される有機物は、既に、糖化、アミノ化、低分子化されているためである。
そして、低分子有機物を含有する液体は導出口2bから導出され、固液分離機12を介して発酵槽に供給され、メタンガス化処理(発酵処理)がなされ、メタンガスが抽出される。
尚、固液分離機12を介することなく、発酵槽に供給し、メタンガス化処理をなしても良いが、固液分離機12を用いることにより、ビニール、小石等の異物を除去できるため、固液分離機12を用いた方が好ましい。
実施例1では、鶏糞を処理し、アンモニア臭気、メタンガス量を検証した。
まず、鶏糞750Kgを反応容器内に投入すると共に、鶏糞投入量の6倍にあたる水道水4550Kgを反応容器に投入した。そして、表1の実験1〜9に示すように、反応容器2内の液体温度、反応容器内の圧力、攪拌回転数を変化させて、水熱処理を行った。
そして、水熱処理後のCODcr、PH,アンモニア臭気を測定すると共に、水熱処理を行った液体を発酵槽に供給し、発生したメタンガス量を測定した。その結果を表1に示す。尚、実験1〜9において、発酵槽温度(使用した発酵槽の発酵条件温度)は30〜44℃とした。
表1の評価では、アンモニア臭気が有る場合には×を記し、アンモニア臭気が減少し、ガス発生量が多い場合に△を記し、アンモニア臭気が無く、ガス発生量が多い場合に◎を記した。尚、実験6〜9は、アンモニア臭気が無く、ガス発生量が多いが、水蒸気を多量に使用することから経済性を考慮して、○を記した。
特に、反応容器2内の液体温度が135℃以上、反応容器内の圧力が0.76Mpa以上である場合に、PHが5.6〜7以下であり、アンモニア臭気が無く、発生したメタンガス量が102m3/日以上であり、好ましいことが確認された。
ここで、反応容器2内の液体温度が160℃以上の場合にも、アンモニア臭気がなく、発生したメタンガス量が102m3/日以上であり、好ましいが、水蒸気を多量に使用するため、不経済である。またPH5.6と酸性を呈する場合もあり、この場合には、中和処理が必要となる。
実施例2では、鶏糞の投入量に対して、水(希釈水)の投入量を変えて、アンモニア臭気、メタンガス量を検証した。
鶏糞750Kgを反応容器2内に投入すると共に、表2の実験10〜18に示すように、鶏糞投入量の4倍〜20倍にあたる水道水(希釈水)を反応容器に投入した。
そして、反応容器2内の液体温度112℃〜180℃、反応容器内の圧力0.38〜1.5Mpa、攪拌回転数3〜6rpmとして、水熱処理を行った。
そして、実施例1の実験1〜9と同様に、水熱処理後のCODcr、PH,アンモニア臭気を測定すると共に、水熱処理を行った液体を発酵槽に供給し、発生したメタンガス量を測定した。その結果を表2に示す。尚、実験10〜18において、実験1〜9と同様に、発酵槽温度(使用した発酵槽の発酵条件温度)は30〜44℃とした。
実施例3では、豚糞尿を処理し、アンモニア臭気、メタンガス量を検証した。
表3の実験19〜25に示すように、反応容器2内の液体温度、反応容器内の圧力、希釈液量、攪拌回転数を変化させて、水熱処理を行った。
そして、水熱処理後のCODcr、PH,アンモニア臭気を測定すると共に、水熱処理を行った液体を発酵槽に供給し、発生したメタンガス量を測定した。その結果を表3に示す。尚、実験19〜25において、実験1〜9と同様に、発酵槽温度(使用した発酵槽の発酵条件温度)は30〜44℃とした。
特に、反応容器内の圧力が0.76MPa以上0.85MPa以下、PHが6.8〜7.5であり、アンモニア臭気がなく(アンモニア臭気が減少し)、発生したメタンガス量が99m3/日以上であり、好反応容器内の下部温度が135℃〜140℃が好ましいことが確認された。尚、反応容器2内の液体温度が160℃以上の場合にも、アンモニア臭気がなく好ましいが、水蒸気を多量に使用するため、不経済である。
2 反応容器
2a 投入口
2b 導出口
3 攪拌手段
3a 水平回動軸
3b 撹拌羽根
3c 駆動モータ
4 水蒸気注入手段
4a ボイラー
4b 送気管
5 圧力調節手段
5a 圧力調整バルブ
5b 排気管
6 制御手段
7 温度センサ
8 圧力センサ
9 サイレンサー
10 冷却装置
11 排水処理設備
12 固液分離機
Claims (7)
- 反応容器内に家畜糞尿を投入すると共に、前記家畜糞尿の投入量の5倍以上20倍以下
の水を反応容器内に注入する工程と、
前記家畜糞尿及び水の投入後、前記反応容器内の家畜糞尿に対して高圧飽和水蒸気を注入し、前記反応容器内の圧力を0.62MPa以上1.9MPa以下とする工程と、
前記水蒸気注入を続けた状態で、反応容器内の攪拌を開始し、アンモニアを除去すると共に、前記家畜糞尿に含まれる有機物の結合分子を分離することにより微細化する工程と、
前記反応容器内の下部温度が、前記高圧飽和水蒸気の注入によって、125℃以上まで上昇した時点で攪拌を終了する工程と、
を含むことを特徴とする燃料の製造方法。 - 前記攪拌は、反応容器内の下部温度が前記高圧飽和水蒸気の注入によって100℃に達した時点で開始されることを特徴とする請求項1記載の燃料の製造方法。
- 前記家畜糞尿が鶏糞であって、
反応容器内に鶏糞を投入すると共に、前記鶏糞の投入量の5倍以上10倍以下の水を反応容器内に注入する工程と、
前記鶏糞及び水の投入後、前記反応容器内の鶏糞に対して高圧飽和蒸気を注入し、前記反応容器内の圧力を0.69MPa以上0.84MPa以下とする工程と、
前記水蒸気注入を続けた状態で、反応容器内の攪拌を開始し、アンモニアを除去すると共に、前記家畜糞尿に含まれる有機物の結合分子を分離することにより微細化する工程と、
前記反応容器内の下部温度が、前記高圧飽和水蒸気の注入によって、135℃〜140℃の温度まで上昇した時点で攪拌を終了する工程と、
を含むことを特徴とする請求項1または請求項2記載の燃料の製造方法。 - 前記家畜糞尿が豚糞尿であって、
反応容器内に豚糞尿を投入すると共に、前記豚糞尿の投入量の10倍以上12倍以下の
水を反応容器内に注入する工程と、
前記豚糞尿及び水の投入後、前記反応容器内の豚糞尿に対して高圧飽和水蒸気を注入し、前記反応器内の圧力を0.76MPa以上0.85MPa以下とする工程と、
前記水蒸気注入を続けた状態で、反応容器内の攪拌を開始し、アンモニアを除去すると共に、前記豚糞尿に含まれる有機物の結合分子を分離することにより微細化する工程と、
前記反応容器内の下部温度が、前記高圧飽和水蒸気の注入によって、135℃〜140℃の温度まで上昇した時点で攪拌を終了する工程と、
を含むことを特徴とする請求項1または請求項2記載の燃料の製造方法。 - 前記請求項1乃至請求項2に記載された燃料の製造方法に用いられる燃料製造装置であって、
攪拌手段を備えた反応容器と、
前記反応容器内に投入された家畜糞尿に対して高圧飽和水蒸気を注入する水蒸気注入手段と、
前記反応容器内の下部温度を測定する温度センサと、
前記水蒸気注入手段による飽和水蒸気の注入を制御し、前記反応容器内の圧力が0.62MPa以上1.9MPa以下になすと共に、反応容器内の下部温度が100℃を通過した時点で攪拌手段の動作を開始し、前記下部温度が125℃以上まで上昇した時点で攪拌を終了するように制御する制御手段と、
を有することを特徴とする燃料製造装置。 - 前記家畜糞尿が鶏糞であって、
前記水蒸気注入手段による飽和水蒸気の注入を制御し、前記反応容器内の圧力が0.69MPa以上0.84MPa以下になすと共に、反応容器内の下部温度が100℃を通過した時点で攪拌手段の動作を開始し、前記下部温度が135℃〜140℃の温度まで上昇した時点で攪拌を終了するように制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項5記載の燃料製造装置。 - 前記家畜糞尿が豚糞尿であって、
前記水蒸気注入手段による飽和水蒸気の注入を制御し、前記反応容器内の圧力が0.76MPa以上0.85MPa以下になすと共に、反応容器内の下部温度が100℃を通過した時点で攪拌手段の動作を開始し、前記下部温度が135℃〜140℃の温度まで上昇した時点で攪拌を終了するように制御する制御手段を備えることを特徴とする請求項5記載の燃料製造装置。
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