JP7112074B2

JP7112074B2 - 植物栽培システム

Info

Publication number: JP7112074B2
Application number: JP2018144840A
Authority: JP
Inventors: 嘉人笹原; 賛土屋
Original assignee: 矢橋工業株式会社
Priority date: 2018-08-01
Filing date: 2018-08-01
Publication date: 2022-08-03
Anticipated expiration: 2038-08-01
Also published as: JP2020018233A

Description

本発明は、植物栽培システムに関する。

特許文献１および特許文献２には、炭酸ガス及び窒素酸化物を含む排ガスから窒素酸化物を低減し、この窒素酸化物を低減した排ガスを炭酸ガス源として使用する植物の栽培システムについて記載されている。

特許文献３および非特許文献１には、窒素酸化物が大気汚染物質である一方、植物にとっては窒素源として育成促進に有用であることが記載されている。
特許文献４には、火力発電所の燃焼排ガスのような窒素酸化物を含む混合ガスから窒素酸化物吸着剤によって窒素酸化物を一旦吸着し、植物の栽培地に供給するにあたり窒素酸化物を脱着させる装置とその装置を含む栽培システムについて記載されている。

特開平７－１８４４７８号公報特開２００４－５７１４５号公報特許第５７００６６１号公報特開２０１７－７３９８８号公報

「化学と生物」，公益社団法人日本農芸化学会，２００２年，Ｖｏｌ．４０，Ｎｏ．４，ｐ．２３９－２４４「北海道立農業試験場集報」，北海道立農業試験場，１９８０年，第４４号，ｐ．９０－１０１

特許文献１の栽培システムでは、焼成炉から排出される排ガスに含まれる窒素酸化物を低減するために、脱硝装置を用いている。この栽培システムでは、植物に供給する排ガスに関して脱硝装置を用いた窒素酸化物の低減が必須であることから、この脱硝装置を排ガスの流通系から省略することについて何ら考慮されていない。

特許文献２の栽培プラントでは、脱硝装置を必須とはしていないが、通常、燃焼炉から発生する排ガスは特別な装置と条件で燃焼しない限り、特許文献２の実施例に記載されているように窒素酸化物濃度が高くなる（例えば、石灰焼成炉であれば、特許文献１に記載されているように通常４０～４００ｐｐｍである）。窒素酸化物濃度を低減することなく排ガスを栽培室へ導入した場合、栽培室内は人の許容濃度をはるかに上回る窒素酸化物濃度となってしまい、植物の生長促進も阻害する恐れがある。そのため、実質的に脱硝装置が必須となる。硫黄酸化物についても、石灰焼成炉のように脱硫剤、または脱硫剤に転用可能な製品を製造する焼成炉の排ガスでない限り、脱硫装置で低減せずにそのまま栽培室に導入した場合、人の許容濃度を超えるだけではなく、植物にも被害が発生する（例えば非特許文献２）。

また、特許文献２には、窒素酸化物濃度については、１０ｐｐｍ以下にすることが好ましいとの記載があるのみで、燃焼排ガス中の窒素酸化物を植物の育成促進に積極的に利用するという発想はない。燃焼排ガス中の窒素酸化物濃度を１０ｐｐｍ以下にしたうえで栽培室に導入した場合、栽培室内は育成促進効果が期待できるような窒素酸化物濃度とはならない。

特許文献３の植物の生長を促進する方法では、二酸化窒素（ＮＯ_２）が充填されたボンベから栽培室にＮＯ_２を供給しているが、高価で厳格な安全管理が必要な高純度ＮＯ_２ガスを使用する必要があるうえ、閉鎖空間で実施するにあたっては光合成の原料である炭酸ガスを別途供給する必要があるため高額なコストがかかる。そのため、研究目的以外での採用は考えられない。

特許文献４の植物栽培方法では、栽培地に窒素酸化物を供給するために特許文献３のＮＯ_２ガスボンベに替えて窒素酸化物吸着剤を介する方法を用いている。この方法では、窒素酸化物を栽培地に供給するにあたり、吸着工程、移送工程、供給工程といった煩雑な装置、工程、及び窒素酸化物を選択的に吸着する窒素酸化物吸着剤と脱着に伴って発生する高純度の窒素酸化物の厳格な安全管理を必要とする。加えて特許文献３と同様に炭酸ガスを別途供給する必要があるため、よほど大規模な栽培施設において資金面、敷地面などで余裕がない限り採用は考えられない。

従って、植物の生長促進に有効な炭酸ガスと窒素酸化物を安全、安価、且つ簡便に栽培室へ供給する栽培システムの開発が望まれている。

上記課題を解決するための植物栽培システムは、炭酸ガスと窒素酸化物とを含有する排ガスを用いた植物栽培システムであって、前記排ガスの供給源としての石灰焼成炉と、前記石灰焼成炉から栽培室へ前記排ガスを流通させる流通部とを備え、前記石灰焼成炉から前記流通部に排出された前記排ガスの炭酸ガス濃度が１０体積％以上、５０体積％以下であり、窒素酸化物濃度が１０ｐｐｍ超、４０ｐｐｍ未満であることを要旨とする。

この構成によれば、石灰焼成炉から流通部に排出された排ガスの窒素酸化物濃度が１０ｐｐｍ超、４０ｐｐｍ未満と低いため、流通部に脱硝装置を用いることなく、排ガスを栽培室へ供給して植物栽培に使用することができる。

上記植物栽培システムについて、前記石灰焼成炉から前記流通部に排出された前記排ガスの硫黄酸化物濃度が１０ｐｐｍ以下であることが好ましい。この構成によれば、排ガスの硫黄酸化物濃度が１０ｐｐｍ以下と低いため、流通部に脱硫装置を用いることなく、排ガスを栽培室へ供給して植物栽培に使用することができる。

上記植物栽培システムについて、前記石灰焼成炉が、縦型炉であることが好ましい。縦型炉は、熱の損失割合が小さく熱効率を高くすることが容易であるため、熱効率が高い分、石灰石を焼成するための温度を高温にしなくても済む。そのため、サーマルＮＯｘ（高温燃焼の際に本来反応しにくい空気中の窒素と酸素が反応して生成する窒素酸化物）の濃度の上昇を抑制することができる。

上記植物栽培システムについて、前記流通部は、前記排ガスを流通させる樹脂配管を有し、前記流通部の全長に占める前記樹脂配管の長さの割合が８０％以上であることが好ましい。樹脂配管は、排ガス中に含まれる窒素酸化物と湿分によって形成される硝酸との反応性が低いため、流通部の全長に占める樹脂配管の長さの割合が８０％以上であることによって、流通部における配管の腐食を抑制することができる。

本発明によれば、脱硝装置を排ガスの流通系から省略し、植物栽培に適した炭酸ガスと窒素酸化物の混合ガスを安全、低コスト且つ簡便に供給する植物栽培システムを提供することができる。

植物栽培システムの模式図。変更例の植物栽培システムの模式図。

植物栽培システムの実施形態を添付図面によって説明する。尚、本発明に直接関係のない要素については図示を省略する。
図１に示すように、植物栽培システム１０は、炭酸ガスと窒素酸化物とを含有する排ガスの供給源としての石灰焼成炉２０と、石灰焼成炉２０から排出された排ガスを栽培室１１へ流通させる流通系としての流通部５０とを備える。流通部５０の下流側の端部５０ａは栽培室１１内に配置されており、石灰焼成炉２０から排出された排ガスを、栽培室１１内に直接供給することができるように構成されている。栽培室１１としては、例えば、植物の栽培に使用されるプラスチックフィルムハウス、ガラスハウス、植物工場などが挙げられる。植物栽培システム１０は、石灰焼成炉２０から排出された排ガスを流通部５０を介して栽培室１１へ供給することにより、石灰焼成炉２０から排出された排ガスを植物栽培に使用することができるように構成されている。

石灰焼成炉２０について説明する。
石灰焼成炉２０の型式については特に限定されず、既存の石灰焼成炉２０をそのまま利用すればよいが、縦型炉であることが好ましい。

図１の植物栽培システム１０では、石灰焼成炉２０として、通常の石灰焼成で採用されている再生式の縦型焼成炉であるメルツ炉を用いている。
メルツ炉は、２つの円筒状の炉体２１を備えている。２つの炉体２１を約５～１５分ごとに燃焼側と排気側を交代させることにより、排熱の回収や予熱、均熱が効果的に行われるため、熱効率が高い石灰焼成炉２０である。各炉体２１は、直立した状態で並設されている。各炉体２１の上部には、燃料用ランス２１ａが垂設されている。燃料用ランス２１ａの先端部に供給された燃料は、各炉体２１内に充填された石灰石Ｇの充填層において燃焼する。各炉体２１の下側には、石灰石Ｇの焼成によって生成した生石灰Ｋを排出する排鉱部２３を備えている。排鉱部２３、および炉体２１の下部には、ブロア２３ａからの冷風が導入されるように構成されている。ブロア２３ａから導入された冷風によって、排鉱部２３及び各炉体２１下部の生石灰Ｋを冷却することができるように構成されている。排鉱部２３の下側には、貯鉱部２４が配置されていて、排鉱部２３で冷却された生石灰Ｋを貯留することができるように構成されている。２つの炉体２１は中間付近の連通路２２で連結しており、片側の炉体２１で燃焼させ、反対側の炉体２１から排気する。排気された排ガスから粉塵を除去したのちに大気へ放出するために、各炉体２１の上端部の排気部２５に接続されて、排気部２５から排気された排ガスを大気中に放出する排気管２５ａを備えている。排気管２５ａの下流側の端部に、排気口２５ｂが設けられている。排気管２５ａにおける排気口２５ｂよりも上流側には、排ガス中の粉塵を除去する集塵部３０が設けられている。集塵部３０は、排気管２５ａの経路中に設けられた第１集塵機３０ａと、第１集塵機３０ａよりも下流側に設けられた第２集塵機３０ｂとを備える。第１集塵機３０ａは、第２集塵機３０ｂよりも粒度の大きい粉塵を集塵するように構成されている。排気管２５ａにおける第２集塵機３０ｂと排気口２５ｂとの間に、流通部５０への分岐口２５ｃが設けられている。

流通部５０について説明する。
図１に示すように、流通部５０は管状部材で構成されており、排気管２５ａの分岐口２５ｃに内部が連通した状態で接続されている。流通部５０の下流側の端部５０ａは、栽培室１１内に配置されている。流通部５０の下流側の端部５０ａが栽培室１１内に配置されていることにより、流通部５０を流通した排ガスが、栽培室１１内に供給されるように構成されている。

流通部５０を構成する管状部材の材質は特に限定されないが、樹脂製の部材（樹脂配管ともいう。）であることが好ましい。樹脂配管であると、排ガス中に含まれる窒素酸化物と湿分によって形成される硝酸との反応性を低くすることができる。すなわち、樹脂配管は硝酸との反応性が低いため、配管の腐食を抑制することができる。流通部５０の全長に占める樹脂配管の長さの割合は特に限定されないが、８０％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましい。樹脂配管の長さの割合が８０％以上であることにより、流通部５０を構成する配管の腐食を好適に抑制することができる。配管に用いられる樹脂としては、例えば、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、フッ素樹脂などが挙げられる。排気管２５ａの分岐口２５ｃに流通部５０を接続する方法は特に限定されず、例えば、管継手を用いて接続する方法を採用することができる。流通部５０において、樹脂配管同士を接続する箇所や、樹脂配管を固定する箇所など、配管の強度が必要となる箇所には、樹脂配管以外に金属製の配管を用いてもよい。

石灰焼成炉２０焼成条件について説明する。
石灰焼成炉２０における石灰石の焼成温度は、１３５０℃以下であることが好ましく、１１５０℃以下であることがより好ましい。焼成温度が１３５０℃以下であることにより、サーマルＮＯｘの濃度の上昇を抑制することができる。

図１に例示のメルツ炉は縦型炉であるため熱の損失割合が小さく、燃料用ランス２１ａの熱を効率良く石灰石Ｇに伝達することができる。これにより、石灰石Ｇを焼成する際の熱効率を向上させることができるため、石灰石Ｇを焼成するための温度を過度に高温にしなくても済む。

各炉体２１の内部に石灰石Ｇが投入されてから、生石灰Ｋとして各炉体２１の下端から排出されるまでの時間は、２０～３０時間であることが好ましい。また、排鉱部２３において生石灰Ｋが冷却される温度は１００～１２０℃であることが好ましい。

排気管２５ａの分岐口２５ｃにおける排ガスの温度は、特に限定されないが、１２０℃以下であることが好ましい。分岐口２５ｃにおける排ガスの温度が１２０℃以下であることにより、分岐口２５ｃに接続する流通部５０の管状部材の材質をより安価で加工性の良い樹脂にすることができる。分岐口２５ｃにおける排ガスの温度は、９０℃以下であることがより好ましい。

燃料用ランス２１ａの燃料は特に限定されないが、窒素含有率が低い燃料を用いることが好ましい。窒素含有率が低い燃料を用いることによって、フューエルＮＯｘの濃度を低くすることができる。燃料に含まれる窒素含有率としては、０．３質量％以下であることが好ましい。窒素含有率が低い燃料としては、例えば、灯油、軽油、重油、再生重油を用いることができる。排ガス中の酸素濃度は、特に限定されないが、１３体積％以下となるように石灰焼成を行うことが好ましい。排ガス中の酸素濃度が１３体積％を超える石灰焼成は、過剰な空気を供給しているため、十分な炭酸ガス濃度の排ガスを得ることができない。

上記焼成条件を採用することによって、流通部５０を流通する排ガスは、炭酸ガス濃度が１０体積％以上、５０体積％以下であり、窒素酸化物濃度が１０ｐｐｍ超、４０ｐｐｍ未満であり、硫黄酸化物濃度が１０ｐｐｍ以下となる。排ガスの炭酸ガス濃度は、２０体積％以上、５０体積％以下であることが好ましい。窒素酸化物濃度の好適な範囲は、植物の種類と生育に好適な炭酸ガス濃度とのバランスによって異なるが、上記範囲内でより高い濃度であることが生育促進には有効であるため、２０ｐｐｍ超、４０ｐｐｍ未満であることが好ましい。

排ガス中の窒素酸化物濃度については、栽培室１１において植物の生長促進に最適となるように調整してもよい。調整する方法としては簡易なものでよく、例えば電気動力を使用しない繊維状活性炭のフィルターを装着した装置（ＡＣＦユニット）を流通部５０の下流側の端部５０ａの先に配置し、排ガスの一部ないし全量を通過させることで窒素酸化物濃度を調整することが可能である。

排ガスの硫黄酸化物濃度は、人や植物への安全面から低いほどよく、栽培室１１内の炭酸ガス濃度をより高く維持して植物の生育促進を図るためには、１ｐｐｍ以下であることがより好ましい。排ガスに含まれる炭酸ガス、窒素酸化物、硫黄酸化物の濃度は、公知のガス濃度測定器を用いて測定することができる。上記焼成条件を採用することによって、石灰石Ｇを効率良く加熱して生石灰Ｋを製造することができるため、製造された生石灰Ｋは、残留二酸化炭素の含有率が５質量％以下となる。残留二酸化炭素の含有率が５質量％を超える生石灰は、未焼成の石灰石分が多く、工業用途における利用価値は著しく低下する。

本実施形態の作用及び効果について説明する。
（１）石灰焼成炉２０から流通部５０に排出された排ガスの炭酸ガス濃度が１０体積％以上、５０体積％以下であり、窒素酸化物濃度が１０ｐｐｍ超、４０ｐｐｍ未満である。石灰焼成炉２０から流通部５０に排出された排ガスの窒素酸化物濃度が１０ｐｐｍ超、４０ｐｐｍ未満と低いため、流通部５０に脱硝装置を用いることなく、排ガスを栽培室１１へ供給して植物栽培に使用することができる。また、炭酸ガス濃度が１０体積％以上、５０体積％以下であるため、排ガスを植物栽培に利用するにあたり、炭酸ガス濃度が好適なものとなる。さらに、窒素酸化物濃度が１０ｐｐｍ超含まれていることにより、排ガス中の窒素酸化物を、植物の育成に活用することができる。すなわち、排ガス中に窒素酸化物が１０ｐｐｍ超含まれていることによって、植物の育成を促進させることができる。したがって、植物の生長促進に有効な炭酸ガスと窒素酸化物を安全、安価、且つ簡便に栽培室へ供給することができる。

（２）石灰焼成炉２０から流通部５０に排出された排ガスの硫黄酸化物濃度が１０ｐｐｍ以下である。硫黄酸化物濃度が１０ｐｐｍ以下と低いため、流通部５０に硫黄酸化物の除去装置を用いることなく、排ガスを栽培室１１へ供給して植物栽培に使用することができる。

（３）石灰焼成炉２０が、縦型炉である。縦型炉は、熱の損失割合が小さく熱効率を高くすることが容易であるため、熱効率が高い分、石灰石Ｇを焼成するための温度を高温にしなくても済む。したがって、焼成温度が高いことに起因する排ガス中のサーマルＮＯｘの上昇を抑制することができる。

（４）流通部５０の全長に占める樹脂配管の長さの割合が８０％以上である。樹脂配管は、硝酸との反応性が低いため、流通部５０の全長に占める樹脂配管の長さの割合が８０％以上であることによって、流通部５０における配管の腐食を抑制することができる。

（５）石灰焼成炉２０が、残留二酸化炭素が５質量％以下である生石灰Ｋを製造する焼成炉である。残留二酸化炭素が５質量％以下である生石灰Ｋを製造する焼成炉は、石灰石Ｇの燃焼効率が相対的に高くなっているため、石灰石Ｇを脱炭酸させて生石灰Ｋを製造する際に、炭酸ガスを多く生成させることができる。したがって、排ガス中の炭酸ガス濃度を高くして、植物の栽培に好適に使用することができる。

（６）植物栽培システム１０は、脱硝装置を用いることなく構成されている。脱硝装置を用いていない分、植物栽培システム１０の構成を簡素化することができる。
本実施形態は、次のように変更して実施することも可能である。また、上記実施形態の構成や以下の変更例に示す構成を適宜組み合わせて実施することも可能である。

・石灰焼成炉２０から流通部５０に排出された排ガスの硫黄酸化物濃度は、１０ｐｐｍを超えていてもよい。
・石灰焼成炉２０は、メルツ炉に限定されない。本実施形態の組成を有する排ガスの供給源として使用することができれば、メルツ炉以外の縦型炉であってもよい。メルツ炉以外の縦型炉としては、例えば、ベッケンバッハ炉、シャフト炉、コマ炉、Ｋ．Ｈ．Ｄ炉などが挙げられる。石灰焼成炉２０は、横型炉であってもよい。横型炉としては、例えば、ロータリーキルンが挙げられる。

・石灰焼成炉２０は、残留二酸化炭素が５質量％以下である生石灰Ｋを製造する焼成炉に限定されない。残留二酸化炭素が５質量％を超える生石灰Ｋを製造する焼成炉であってもよい。

・排気管２５ａの分岐口２５ｃは、排気管２５ａにおける第２集塵機３０ｂと排気口２５ｂとの間に設けられた態様に限定されない。第１集塵機３０ａと第２集塵機３０ｂの間に設けられていてもよく、第１集塵機３０ａ及び第２集塵機３０ｂの上流側に設けられていてもよい。

・流通部５０の経路内に、集塵機や送風ファンが設けられていてもよい。
・流通部５０の全長に占める樹脂配管の長さの割合は、８０％未満であってもよい。
・流通部５０の下流側の端部５０ａに拡散ファンが取付けられていてもよい。拡散ファンが取付けられていることにより、流通部５０を流通した排ガスを、効率良く栽培室１１内に拡散させることができる。

・流通部５０は、石灰焼成炉２０から流通部５０に排出された排ガスを管状部材のみによって栽培室１１内に直接供給する態様に限定されない。例えば、図２に示すように、複数の管状部材と、排ガスを容器５１ａに充填する充填部５１と、容器５１ａに充填された排ガスを栽培室１１内に供給する供給部５２とを備えていてもよい。流通部５０が、充填部５１と供給部５２とを備え、流通部５０として容器５１ａを介在させることにより、石灰焼成炉２０と栽培室１１との間を管状部材のみによって排ガスを流通し難い場合であっても、容器５１ａを用いて石灰焼成炉２０の排ガスを栽培室１１へ供給することが可能になる。また、排ガスを容器５１ａに充填して保管することができるため、必要に応じて容器５１ａから排ガスを取り出して使用することが可能になる。容器５１ａとしては、特に限定されないが、例えば、公知のガスボンベを用いることができる。

１０…植物栽培システム、１１…栽培室、２０…石灰焼成炉、５０…流通部。

Claims

炭酸ガスと窒素酸化物とを含有する排ガスを用いた植物栽培システムであって、
前記排ガスの供給源としての石灰焼成炉と、前記石灰焼成炉から栽培室へ前記排ガスを流通させる流通部とを備え、
前記流通部に脱硝装置を用いることなく、
前記石灰焼成炉から前記流通部に排出された前記排ガスの炭酸ガス濃度が１０体積％以上、５０体積％以下であり、窒素酸化物濃度が１０ｐｐｍ超、４０ｐｐｍ未満であることを特徴とする植物栽培システム。
前記石灰焼成炉から前記流通部に排出された前記排ガスの硫黄酸化物濃度が１０ｐｐｍ以下である請求項１に記載の植物栽培システム。
前記石灰焼成炉が、縦型炉である請求項１又は２に記載の植物栽培システム。
前記流通部は、前記排ガスを流通させる樹脂配管を有し、
前記流通部の全長に占める前記樹脂配管の長さの割合が８０％以上である請求項１～３のいずれか一項に記載の植物栽培システム。