JP7089998B2

JP7089998B2 - バイオガス発電装置の排ガス利用システム

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Publication number: JP7089998B2
Application number: JP2018177899A
Authority: JP
Inventors: 謙三久保田; 繁人井上; 貴之久保田
Original assignee: Daiwa House Industry Co Ltd
Current assignee: Daiwa House Industry Co Ltd
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2022-06-23
Anticipated expiration: 2038-09-21
Also published as: JP2020049392A

Description

この発明は、バイオガス発電装置の排ガス利用システムに関する。

従来より、有機性廃棄物などのバイオマス原料（生物資源）から、種々の発酵技術によって、バイオガスを生成させることが広く行われている。たとえば、有機性廃棄物などのバイオマス原料から種々の発酵技術によって、メタンを生成させる場合、二相四段階の発酵プロセス、すなわち、酸生成相（液化、加水分解および酸生成）と、メタン生成相（水素生成、酢酸生成およびメタン生成）とによって、メタン発酵が行われる。

有機性廃棄物などのバイオマス原料には、糖質、タンパク質、脂肪などが含まれており、これらを液化、加水分解などによって低分子化、酸生成し、低級脂肪酸およびアルコールを生成させる。そして、水素生成、酢酸生成によって、水素＋二酸化炭素、又は酢酸を、微生物（メタン生成菌）を用いて発酵させることで、メタンが生成される。このようにして生成されたバイオガス（メタン）を回収するようになっている。

回収されたバイオガスは、コジェネレーションシステム（ＣＨＰ（ＣｏｍｂｉｎｅｄＨｅａｔ＆Ｐｏｗｅｒ））で電気および熱を発生させるために利用される。ＣＨＰで発生した電気は、たとえば売電され、有効に利用される。しかし、ＣＨＰで発生した熱、および、ＣＨＰに導かれたバイオガス中の二酸化炭素（ＣＯ_２）は、利用されずに大気中に放出され、排ガスとなる。

また、一般的にメタン発酵でバイオガスを生成した後の消化液は、廃棄物として排水される。このような消化液を微細藻類の培養に利用する方法として、特許文献１（特開２０１１－２３４６７６号公報）が知られている。

特許文献１には、メタン発酵槽から排出される消化液の液体成分を微細藻類の培養槽に供給し、液体成分に含まれる無機塩類などを微細藻類の栄養源として利用する方法が開示されている。

特開２０１１－２３４６７６号公報

特許文献１の方法を用いることで、メタン発酵槽から排出される消化液を微細藻類の培養槽で有効利用できる。しかし、ＣＨＰ（バイオガス発電装置）で発生した熱およびＣＯ_２などの排ガスについては有効利用できていない。

この課題を解決するため、本発明はバイオガス発電装置から排出される排ガスを有効利用することのできるバイオガス発電装置の排ガス利用システムを提供することを目的とする。

本発明のある局面によるバイオガス発電装置の排ガス利用システムは、有機性廃棄物を発酵させてバイオガスを生成するためのメタン発酵槽と、メタン発酵槽で生成したバイオガスを利用して発電するバイオガス発電装置と、メタン発酵槽から供給される消化液を利用して、藻類を培養する藻類培養装置と、藻類培養装置から排出される培養液をメタン発酵槽へ送り込む培養液戻し流路と、バイオガス発電装置から排出される排ガスを藻類培養装置内の培養液中に導入する第１排ガス案内路と、バイオガス発電装置から排出される排ガスを培養液戻し流路内の培養液中に導入する第２排ガス案内路とを備える。

好ましくは、藻類培養装置は、藻類培養槽と、藻類培養槽から培養液を取り出し、この取り出した培養液を藻類培養槽へ戻す培養液循環ラインとを含み、第１排ガス案内路は、培養液循環ラインの培養液中に排ガスを導入する。

好ましくは、培養液循環ラインは、その途中位置に、培養液を噴霧し、回収する培養液噴霧室を含み、第１排ガス案内路は、培養液噴霧室中に排ガスを導入する。

好ましくは、バイオガス発電装置の排ガス利用システムは、バイオガス発電装置から排出される排ガスをメタン発酵槽の加温に利用する第３排ガス案内路をさらに備える。

好ましくは、バイオガス発電装置の排ガス利用システムは、第１排ガス案内路、第２排ガス案内路および第３排ガス案内路の切換えを行う切換え弁をさらに備える。

本発明のバイオガス発電装置の排ガス利用システムによれば、バイオガス発電装置から排出される排ガスを有効利用することができる。

本実施の形態に係るバイオガス発電装置の排ガス利用システムの全体的な流れを示す図である。本実施の形態における培養液噴霧室を示す模式図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

図１を参照して、本発明の実施の形態に係るバイオガス発電装置１３の排ガス利用システム１（以下の説明において、「排ガス利用システム」という）の全体的な流れについて説明する。図１は、排ガス利用システム１の全体的な流れを示す図である。

本実施の形態に係る排ガス利用システム１は、バイオガス発電装置１３から排出される排ガス（熱およびＣＯ_２）を藻類やメタン生成菌の培養に利用する。

本実施の形態に係る排ガス利用システム１は、有機性廃棄物２９を発酵させてバイオガスを生成するためのメタン発酵槽１１と、メタン発酵槽１１で生成したバイオガスを利用して発電するバイオガス発電装置１３とを備える。

メタン発酵槽１１は、バイオガスの生成を主目的とする湿式メタン発酵槽であり、メタン生成菌を含むメタン発酵液が既に貯留する。メタン発酵槽１１の内壁面には攪拌機が設けられており、メタン発酵槽１１に貯留するメタン発酵液と、供給される有機性廃棄物２９とを攪拌する。メタン発酵槽１１内部は、メタン発酵の温度域（３５～４２℃）に維持される。なお、有機性廃棄物２９は、食品などの製造工程で生じる野菜かすなどの食品系廃棄物や、家畜牛糞などの生物系廃棄物から選択される。

所定の条件に保持されるメタン発酵槽１１内部でメタン生成菌などの嫌気性細菌が活動することにより、有機性廃棄物２９は分解され、バイオガスが発生する。メタン発酵槽１１は、ガス供給通路２８を介してバイオガス発電装置１３と接続しており、バイオガス発電装置１３にバイオガスを供給する。なお、嫌気性細菌は、生育に酸素（Ｏ_２）を必要としない細菌である。

バイオガス発電装置１３は、ガス供給通路２８より供給されるバイオガスを利用して発電する。バイオガス発電装置１３は、たとえば発電機、ボイラーなどにより電気と熱を生成する装置である。バイオガス発電装置１３で生成された電気は、回収され、売電される。一方で、回収しきれなかった熱やＣＯ_２は排ガスとなり、第１～４排ガス案内路２１～２４へ導かれて、有効利用される。なお、図１において、第１～４排ガス案内路２１～２４を太線で示している。

メタン発酵槽１１においてバイオガスを生成した後に残る消化液は、消化液供給通路２７を介して藻類培養装置１２に導入される。一般的に、消化液は、有効利用されることなく廃棄されるが、本実施の形態では、消化液は廃棄されることなく利用される。なお、消化液供給通路２７には、消化液の排出量や固形分量を調節する調節部が設けられていてもよい。

藻類培養装置１２は、メタン発酵槽１１から供給される消化液を利用して、藻類を培養する。具体的には、藻類培養装置１２は、藻類培養槽１７と、藻類培養槽１７から培養液を取り出し、この取り出した培養液を藻類培養槽１７へ戻す培養液循環ライン２５とを含む。

藻類培養槽１７は、藻類を培養する培養槽である。藻類培養槽１７は、既に貯留する水などの液体および藻類と、メタン発酵槽１１から供給される消化液とを含む培養液を培養する。藻類は、酸素発生型光合成を行う生物のうち、コケ植物、シダ植物、種子植物などの陸上植物を除いた植物であり、具体的には、微細藻類である。藻類は、光合成を行い、培養液中に含まれるＣＯ_２をＯ_２にし、消化液を栄養分とする。藻類培養槽１７は、藻類の生育に最適な温度、すなわち２０～３０℃の範囲に保たれる。また、藻類培養槽１７では、培養液中のＣＯ_２濃度および培養液中の温度をモニタリングすることが好ましい。なお、藻類培養槽１７は、藻類を含む培養液を攪拌する攪拌機が設けられていてもよく、その配置や形状は限定されない。

培養液循環ライン２５は、その途中位置に、培養液を噴霧し、回収する培養液噴霧室１５を含む。具体的には、培養液循環ライン２５は、藻類培養槽１７から取り出した培養液を培養液噴霧室１５へと送り込み、培養液噴霧室１５から回収された培養液を再び藻類培養槽１７へ導く。培養液循環ライン２５は、たとえば配管などで構成されていてもよい。

図２は、培養液噴霧室１５を示す模式図である。図２を参照して、培養液噴霧室１５は、本体部１６と、本体部１６の上流側に位置する噴霧部１８と、本体部１６の下流側に位置する回収部１９とを有する。培養液噴霧室１５は、噴霧部１８より培養液を霧状に噴霧し、回収部１９より噴霧された培養液を回収する。本体部１６には、第１排ガス案内路２１が連結されている。

第１排ガス案内路２１は、バイオガス発電装置１３から排出される排ガスを培養液噴霧室１５内の培養液中に導入する。図１に示すように、第１排ガス案内路２１は、バイオガス発電装置１３と培養液噴霧室１５との間に設けられ、バイオガス発電装置１３から排出される排ガスを培養液噴霧室１５内の培養液中に導く。

本実施の形態の培養液噴霧室１５は、密閉構造である。上述のように、本体部１６には、第１排ガス案内路２１が連結されており、第１排ガス案内路２１から排ガスが供給され、培養液噴霧室１５の本体部１６で、霧状の培養液にＣＯ_２が溶け込み、加温される。噴霧部１８により、培養液を霧状に噴霧して表面積を大きくするとともに、本体部１６の内部を陽圧とすることで、培養液中にＣＯ_２を溶け込みやすくしている。これにより、培養液中の溶存ＣＯ_２濃度をさらに高め、培養液を加温することができる。

なお、藻類培養槽１７のＣＯ_２濃度および温度をモニタリングしている場合、溶存ＣＯ_２濃度が、飽和濃度の９０％未満である場合に、第１排ガス案内路２１からＣＯ_２が供給される。この場合、藻類培養装置１２の温度（２０～３０℃）の範囲に加え、培養液噴霧室１５から藻類培養槽１７へ戻るまでの間に低下する温度を考慮して加温するよう、排ガスと培養液との接触時間を調節する。また、霧状の培養液にＣＯ_２を効率よく溶け込ませるために、培養液噴霧室１５内で、排ガスを培養液の流路の下流方向から導入し、上流方向から空気弁などにより排気してもよい。

このように、第１排ガス案内路２１は、藻類培養装置１２の培養液中に排ガスのＣＯ_２を導入するため、藻類培養装置１２の培養液中のＣＯ_２濃度を高くすることができ、藻類の光合成を促進することができる。さらに、第１排ガス案内路２１は、藻類培養装置１２の培養液中に、排ガスの熱を導入するため、藻類培養装置１２の培養液の温度を藻類の生育に最適な温度に保つことができる。

なお、培養液循環ライン２５は、藻類培養槽１７から取り出した培養液の一部を培養液噴霧室１５に導かずに、そのまま藻類培養槽１７へ戻す種菌返送ライン２６が設けられていてもよい。藻類培養槽１７へ戻す培養液は、取り出した培養液全体の５～１０％であることが好ましい。種菌返送ライン２６を設けることによって、第１排ガス案内路２１から導入される排ガスが高温であった場合に、熱ショックによって藻類が全滅することを防ぐことができる。

本実施の形態に係る排ガス利用システム１は、藻類培養装置１２から排出される培養液をメタン発酵槽１１へ送り込む培養液戻し流路１４を備える。培養液戻し流路１４は、藻類培養槽１７とメタン発酵槽１１との間に設けられ、藻類培養槽１７から排出される培養液をメタン発酵槽１１内へ導く。培養液戻し流路１４を流れる培養液は、液体だけでもよいし、藻類を含んでいてもよい。培養液が液体だけの場合は、培養液はメタン発酵槽１１内の有機性廃棄物２９の希釈水として使用される。また、培養液中に藻類が含まれる場合は、培養液は、有機性廃棄物２９の希釈水に加えて、メタン生成菌の栄養源として使用される。培養液戻し流路１４は、たとえば配管などで構成されていてもよい。なお、培養液戻し流路１４には、メタン発酵槽１１へ戻す培養液量を調節する調節部が設けられていてもよい。

培養液戻し流路１４を設けることにより、メタン発酵槽１１から供給された消化液に含まれる栄養分を藻類培養装置１２で消費し、メタン発酵槽１１へ戻すことができるため、消化液を廃棄することなく再利用することができる。

培養液戻し流路１４の途中位置には、第２排ガス案内路２２を介してバイオガス発電装置１３と連結される排ガス導入部３１が設けられる。第２排ガス案内路２２は、バイオガス発電装置１３から排出される排ガスを排ガス導入部３１内の培養液中に導入する。排ガス導入部３１は、藻類培養装置１２とメタン発酵槽１１との間に設けられている。排ガス導入部３１は、培養液中でバブリングさせることで、培養液中に排ガスのＣＯ_２を導入する。バブリングとは、培養液中に直接ＣＯ_２を吹き込んで、ＣＯ_２を培養液中に溶け込ませ、既に培養液中に含まれていたＯ_２を培養液の外へ追い出すことをいう。

このように、排ガス導入部３１は、排ガスのＣＯ_２を培養液戻し流路１４内に導入するため、培養液中に含まれるＯ_２を効率よく追い出すことができる。すなわち、藻類培養槽１７内で藻類が光合成を行うことで生成されるＯ_２は、培養液戻し流路１４内で第２排ガス案内路２２から導入される排ガスのＣＯ_２をバブリングすることで追い出すことができる。このため、メタン発酵槽１１に送り込まれる培養液中のＣＯ_２濃度を高くすることができ、メタン発酵槽１１内の嫌気性の維持を容易にすることが可能となる。

また、藻類培養槽１７は、２０～３０℃が適温であり、メタン発酵槽１１は、３５～４２℃が適温である。藻類培養槽１７は、メタン発酵槽よりも適温が低いため、藻類培養槽１７からメタン発酵槽１１へ送り込む培養液を加温する必要がある。そのため、第２排ガス案内路２２から導入される排ガスの熱を利用して、藻類の培養に適した温度（２０～３０℃）からメタン発酵に適した温度（３５～４２℃）へと加温する。この場合、培養液戻し流路１４を流れる過程で失われる温度を考慮して加温する。これにより、メタン発酵槽１１内の温度ムラを防止することができるとともに、温度低下によるメタン発酵槽１１内の反応効率の低下を防止することができる。

本実施の形態に係る排ガス利用システム１は、バイオガス発電装置１３から排出される排ガスをメタン発酵槽１１の加温に利用する第３排ガス案内路２３を備える。第３排ガス案内路２３は、たとえばメタン発酵槽１１の外周に取り付けられた配管であり、排ガスにより加温された温水が循環する。第３排ガス案内路２３は、メタン発酵槽１１の外周に巻き付くように設けられていることが好ましい。なお、第３排ガス案内路２３は、この形状に限定されず、メタン発酵槽１１内部に直接設けられていてもよい。

第３排ガス案内路２３により、排ガスに含まれる熱を利用してメタン発酵槽１１を適切に加温することができる。すなわち、メタン発酵槽１１内の温度を常に適温に保つことができる。

また、本実施の形態に係る排ガス利用システム１は、バイオガス発電装置１３から排出される排ガスを大気中に放出する第４排ガス案内路２４を備えていてもよい。第４排ガス案内路２４は、第１～３排ガス案内路に供給しても余った排ガスを大気中に放出する。

本実施の形態に係る排ガス利用システム１は、上述した第１排ガス案内路２１、第２排ガス案内路２２、第３排ガス案内路２３および第４排ガス案内路２４の切換えを行う切換え弁２０を備える。切換え弁２０は、バイオガス発電装置１３と第１～４排ガス案内路２１～２４とを連結するように設けられており、バイオガス発電装置１３から導かれた排ガスを第１～４排ガス案内路２１～２４に選択的に供給する。たとえば、排ガスを優先的に第１排ガス案内路２１に導入する場合、第１排ガス案内路２１で使い切ることのできなかった排ガスを第２排ガス案内路２２へ供給する。また、第１～４排ガス案内路２１～２４への排ガスの供給割合は、適宜変更可能である。

このように、第１～４排ガス案内路２１～２４とバイオガス発電装置１３とを切換え弁２０で連結することにより、第１～４排ガス案内路２１～２４の切換えを容易に行うことができる。

次に、図１を参照して、本実施の形態の排ガス利用システム１の動作について説明する。

有機性廃棄物２９をメタン発酵槽１１に供給すると、メタン発酵槽１１でバイオガスが発生するとともに、消化液が排出する。この消化液を藻類培養装置１２に供給し、藻類の栄養分として利用することで、藻類を培養する。また、メタン発酵槽１１で発生したバイオガスを利用して、バイオガス発電装置１３で発電を行うと、電気と熱が発生するとともに、排ガスが排出する。この排ガスは、第１～３排ガス案内路２１～２３に導かれて有効利用される。

藻類培養装置１２の培養液を、培養液循環ライン２５または培養液戻し流路１４に送り込む。培養液循環ライン２５では、藻類培養槽１７の培養液を培養液噴霧室１５に送り、培養液中に第１排ガス案内路２１から導入された排ガスのＣＯ_２が溶け込むとともに、排ガスの熱で培養液を加温する。培養液戻し流路１４では、藻類培養槽１７の培養液を、メタン発酵槽１１に戻す。培養液戻し流路１４の排ガス導入部３１では、培養液中に第２排ガス案内路２２から導入された排ガスのＣＯ_２が溶け込むとともに、排ガスの熱で培養液を加温する。

第３排ガス案内路２３は、排ガスの熱によりメタン発酵槽１１を加温する。第１～３排ガス案内路２１～２３で排ガスを消費しきれない場合は、第４排ガス案内路２４から大気中へ排ガスを放出する。

このように、本実施の形態の排ガス利用システム１は、第１～３排ガス案内路２１～２３を設けて、バイオガス発電装置１３の排ガスを藻類培養槽１７、排ガス導入部３１およびメタン発酵槽１１で利用しているため、バイオガス発電装置１３の排ガスを有効利用することができる。さらに、メタン発酵槽１１から供給される消化液（廃液）を藻類培養装置１２へ送り込み、藻類の培養に利用することができる。これにより、通常廃棄するバイオガス発電装置１３の排ガス、および、メタン発酵槽１１の消化液を有効利用することができるため、ほぼ廃棄物ゼロのバイオガス発電を行うことができる。

なお、第１排ガス案内路２１は、培養液循環ライン２５の培養液中に排ガスを導入するように設けられていてもよく、藻類培養槽１７の培養液中に排ガスを直接導入するように設けられていてもよい。

また、藻類培養槽１７の培養液は、培養液戻し流路１４に送られるが、水分が過剰にあるなどの理由で培養液が不要の際は、放流通路３０によって装置外へ放流されてもよい。また、放流通路３０には、放流する培養液量を調節する調節部が設けられていてもよい。

さらに、培養液戻し流路１４には、排ガス導入部３１は設けられていなくてもよく、第２排ガス案内路２２は、培養液戻し流路１４に排ガスを直接導入するように設けられていてもよい。

また、藻類培養装置１２の形状は限定されず、たとえば開放型のレースウェイ型でも閉鎖型のバイオリアクター型などでもよい。また、培養液は、培養槽内で循環するように培養されていてもよいし、循環しないプール型の培養槽内で培養されていてもよい。

今回開示された実施の形態は全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

１バイオガス発電装置の排ガス利用システム、１１メタン発酵槽、１２藻類培養装置、１３バイオガス発電装置、１４培養液戻し流路、１５培養液噴霧室、１６本体部、１７藻類培養槽、１８噴霧部、１９回収部、２０切換え弁、２１第１排ガス案内路、２２第２排ガス案内路、２３第３排ガス案内路、２４第４排ガス案内路、２５培養液循環ライン、２６種菌返送ライン、２７消化液供給通路、２８ガス供給通路、２９有機性廃棄物、３０放流通路、３１排ガス導入部。

Claims

有機性廃棄物を発酵させてバイオガスを生成するためのメタン発酵槽と、
前記メタン発酵槽で生成したバイオガスを利用して発電するバイオガス発電装置と、
前記メタン発酵槽から供給される消化液を利用して、藻類を培養する藻類培養装置と、
前記藻類培養装置から排出される培養液を前記メタン発酵槽へ送り込む培養液戻し流路と、
前記バイオガス発電装置から排出される排ガスを前記藻類培養装置内の培養液中に導入する第１排ガス案内路と、
前記バイオガス発電装置から排出される排ガスを前記培養液戻し流路内の培養液中に導入する第２排ガス案内路とを備える、バイオガス発電装置の排ガス利用システム。
前記藻類培養装置は、藻類培養槽と、前記藻類培養槽から培養液を取り出し、この取り出した培養液を前記藻類培養槽へ戻す培養液循環ラインとを含み、
前記第１排ガス案内路は、前記培養液循環ラインの培養液中に前記排ガスを導入する、請求項１に記載のバイオガス発電装置の排ガス利用システム。
前記培養液循環ラインは、その途中位置に、培養液を噴霧し、回収する培養液噴霧室を含み、
前記第１排ガス案内路は、前記培養液噴霧室中に前記排ガスを導入する、請求項２に記載のバイオガス発電装置の排ガス利用システム。
前記バイオガス発電装置から排出される排ガスを前記メタン発酵槽の加温に利用する第３排ガス案内路をさらに備える、請求項１～３のいずれかに記載のバイオガス発電装置の排ガス利用システム。
前記第１排ガス案内路、前記第２排ガス案内路および前記第３排ガス案内路の切換えを行う切換え弁をさらに備える、請求項４に記載のバイオガス発電装置の排ガス利用システム。