(57)【要約】【課題】  糞尿などを発酵してバイオガスを出力するバイオガス生成プラントにおいて、バイオガスの出力変動を抑制する。【解決手段】  糞尿などを原料受入槽３で調合した被処理物１２を発酵槽４に供給する際に、８〜１２時間の最小投入間隔を設ける。最小投入間隔を設けることにより、未消化の被処理物が消化液に含まれて排出されることを防止でき、また、この程度の最小投入間隔を設けることにより、バイオガス生成プラント１から出力されるバイオガスの出力変動を半分以下に抑えることができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理物を受け入れ、当該被処理物の発酵により得られたバイオガスを出力する発酵槽を有するバイオガス生成システムの制御方法であって、
８〜１２時間の最小投入間隔を設けて前記被処理物を前記発酵槽に投入する工程を有する、制御方法。
【請求項２】
被処理物を受け入れ、当該被処理物の発酵により得られたバイオガスを出力する発酵槽を有するバイオガス生成システムの制御方法であって、
前記発酵槽の設計滞留時間の１／７５〜１／５０の最小投入間隔を設けて前記被処理物を前記発酵槽に投入する工程を有する、制御方法。
【請求項３】
被処理物を受け入れ、当該被処理物の発酵により得られたバイオガスを出力する発酵槽に対し、８〜１２時間の最小投入間隔を設けて前記被処理物を前記発酵槽に投入することを特徴とするバイオガス生成方法。
【請求項４】
被処理物を受け入れ、当該被処理物の発酵により得られたバイオガスを出力する発酵槽に対し、当該発酵槽の設計滞留時間の１／７５〜１／５０の最小投入間隔を設けて前記被処理物を前記発酵槽に投入することを特徴とするバイオガス生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、糞尿などを被処理物として発酵させたバイオガスを供給するシステムの制御方法およびバイオガスの生成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
家畜の糞尿を集めて処理する過程で生成されたバイオガスを用いて発電したり、冷暖房したりするシステムが研究されている。発電施設については、バイオガスを燃焼させることにより火力発電を行なったり、バイオガスを改質して燃料電池の燃料として発電に利用するなどのシステムが検討されている。
【０００３】
糞尿を処理する過程において、消化槽あるいは発酵槽と称される容器あるいはタンクに糞尿を被処理物として受け入れて、嫌気性状態で一定時間滞留させることによりメタン発酵させ、バイオガス（消化ガス）を生成する。発酵槽は、１槽方式で、その中に糞尿などの有機汚泥を２０日から４０日程度滞留させることにより処理する方法がシンプルであり多く採用されている。これに対し、国際公開ＷＯ９１／１６２６８号公報においては、処理槽を蛇行流型にして被処理流体の短絡や無用な循環をなくし、流入から排出までの全工程を可能な限り斉一に長くすることにより、発酵処理のプロセスが順を追って行われるように工夫した技術が開示されている。
【特許文献１】国際公開ＷＯ９１／１６２６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の発酵システムでは、糞尿などの有機汚泥を被処理物として、それを効率良く発酵させて消化ガスを出力することだけが目的であった。これに対し、発電設備の一環としてバイオガスを生成するシステムでは、汚泥を効率良く発酵させることも重要な目的の１つであるが、さらに、バイオガスの出力を一定にすることも重要な目的の１つである。すなわち、この種の発電設備の発電量は、いわゆる発電所として商業的に発電するプラントに比して発電量は小さく、電力消費に合わせて発電量を変更することは必要であるとしても、発電効率の観点からは発電量を一定に保ち、消費電力の変動は、蓄電設備を用意したり、外部の商用の電力供給システムからの供給により賄うことが望ましい。この場合、発電の際の燃料消費も一定になるので、燃料となるバイオガスも一定の量が、変動なくコンスタントに生成されることが望ましい。バイオガスの生成量の変動が大きいと、バイオガスの生成システムにバッファとして大容量のタンクを用意する必要があり、可燃性のガスを大量に貯めることになるとシステムが複雑で高価なものになる。
【０００５】
処理槽を蛇行流型にして被処理流体の循環をなくし、流入から排出までの全工程が順を追って行われるようにしたシステムは、一定量の被処理物をコンスタントに流入させることにより一定のバイオガスを出力できる可能性がある。しかしながら、被処理物の循環を無くすことはメタン菌の循環がなくなることを意味し、排出されるメタン菌の量が多くなりメタン菌の養成をどのように行うかが問題となる。また、１槽の発酵槽の内部で被処理物を循環させながら発酵を行うシステムと比較すると、システムが複雑であり、システムの製造コストが高く、また、メンテナンスに要するコストも高くなる。さらに、システムを継続的に運転する信頼性を確保することも難しく、家庭の生ゴミの排出処理のような代替の手段をすぐに用意できる用途には適用可能であるとしても、工業的に発電を行うシステムへ適用したり、家畜の糞尿を処理するシステムへの適用は進んでいない。
【０００６】
そこで、本発明においては、単純な、１槽の発酵槽により発酵を行う方式のバイオガス生成システムにおいても、バイオガスの出力変動を抑制することができる生成方法およびバイオガス生成システムの制御方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
２０〜４０日程度の滞留時間が確保されるような容量の１槽式を用いたシステムにおいて、その設計滞留時間毎に被処理物を投入することは通常行われない。例えば、設計滞留時間が２５日の発酵槽を用いて発酵させる場合は、１日１回程度の頻度で、発酵槽内の１／２５の容量を入れ替える。すなわち、発酵槽内の消化液を該当する量だけを排出し、糞尿などの被処理物を同じ量だけを投入する。このような方法で被処理物を投入すると、投入した後に、急激にバイオガスの生成量が増加してバイオガスの出力量に大きなピークが存在する。１槽式の発酵槽を用いたバイオガス生成システムにおいて、発酵槽に継続的に被処理物を投入することにより、バイオガスの生成量のピークを抑えて出力を平坦化できる可能性がある。しかしながら、継続的に被処理物を投入するには、継続的に消化液を発酵槽から排出する必要があり、投入した被処理物が消化液に混入して排出される可能性がある。したがって、未発酵あるいは未消化の被処理物が排出されてしまい、処理がされていない排出物が排出されるだけではなく、バイオガスの出力効率を減ずることになる。
【０００８】
そこで、本願の発明者らは、実験を繰り返したところ、被処理物の投入頻度を８〜１２時間ピッチにすることにより、１槽式の発酵槽において、被処理物が発酵するための最小の滞留時間を確保できると共に、バイオガスの出力変動をほぼ一定にできることを見出した。したがって、被処理物を受け入れ、当該被処理物の発酵により得られたバイオガスを出力する発酵槽を有するバイオガス生成システムの制御方法として、８〜１２時間の最小投入間隔を設けて被処理物を発酵槽に投入する工程を設けることにより、１槽式の発酵槽を用いたシステムでもバイオガスの出力変動を抑えることができ、また、排出される消化液に未消化の被処理物が含まれるのを防止することができる。すなわち、本発明においては、被処理物を受け入れ、当該被処理物の発酵により得られたバイオガスを出力する発酵槽に対し、８〜１２時間の最小投入間隔を設けて被処理物を発酵槽に投入することを特徴とするバイオガス生成方法を提供する。
【０００９】
この最小投入間隔は、発酵槽の設計滞留時間の１／７５〜１／５０に相当する。したがって、発酵槽の設計滞留時間の１／７５〜１／５０の最小投入間隔を設けて被処理物を発酵槽に投入する工程を有する制御方法を採用しても良い。すなわち、本発明においては、被処理物を受け入れ、当該被処理物の発酵により得られたバイオガスを出力する発酵槽に対し、当該発酵槽の設計滞留時間の１／７５〜１／５０の最小投入間隔を設けて被処理物を発酵槽に投入することを特徴とするバイオガス生成方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１に、家畜の糞尿からバイオガスを生成するバイオガス生成システムの一例として、消費側である発電プラントに供給するバイオガス生成プラントの概略構成を示してある。このバイオガス生成プラント１は、原始的な糞尿２ａを受け入れる原料受入槽３を備えており、原料受入槽３の中で、糞尿２ａは攪拌機３ａにより上水２ｂなどと混合され、適当な粘度の被処理物１２が生成される。バイオガス生成プラント１は、さらに、この被処理物１２をメタン発酵してメタンを主成分とするバイオガスを出力する発酵槽４と、発酵槽４から出力されたバイオガス１９を一時的に蓄積するガスバッグ５と、発酵槽４から抽出された消化液１８を蓄える消化液槽６と、発酵槽４の内部の処理物１３を発酵に適した３５〜４２℃に加温する温水ボイラシステム７とを備えている。また、バイオガス生成プラント１は、ガスバッグ５を介して消費プラントである燃料電池プラント５０と接続されており、ガスバッグ５から供給されたバイオガスが改質され、燃料電池の燃料として消費される。
【００１１】
原料受入槽３から発酵槽４へ被処理物１２を供給する移送ライン２０には、移送ポンプ２１と、移送ライン２０をオンオフする制御弁２２と、移送ライン２０を介して発酵槽４へ供給される被処理物１２の量を計測する流量計２３とが設けられている。発酵槽４から消化槽６へ消化液１８を排出する消化液ライン２５には、移送用の消化液ポンプ２７と、消化液ライン２５をオンオフする制御弁２６と、消化液ライン２５を介して発酵槽４から抽出される消化液１８の量を計測する流量計２８とが設けられている。さらに、発酵槽４からガスバッグ５に至るガスライン１５には、ガスが生成（発生）された量（生成量）を計測する流量計１６が設けられている。また、発酵槽４には、内部の処理物１３のレベルを検出するレベル計１４が取り付けられている。そして、これらの制御機器は、制御装置３０に接続されており、制御装置３０に対してバイオガス生成プラント１の状況を伝達し、それらに基づく制御装置３０のロジックにより制御される。
【００１２】
図２に、制御装置３０のロジックの内、被処理物１２の供給に関わるロジックの一部をフローチャートにより示してある。まず、ステップ３１において、ガス流量計１６により発酵槽４から出力されるガス量が規定値以下になると、ステップ３２において、前回の被処理物１２の投入から最小投入時間が経過したか否かを判断する。そして、最小投入時間が経過していると、ステップ３３において、消化液ライン２５を介して所望の量の消化液１８を発酵槽４から排出し、次に、ステップ３４において、移送ライン２０を介して、対応する量の被処理物１２を発酵槽４に投入する。
【００１３】
図３に、本例のバイオガス生成プラント１において、２４時間毎に、設計滞留時間が２５日の発酵槽４の容量の約１／２５の量の被処理物１２を投入したときのバイオガス１９の生成量（実線）と、１２時間毎に、発酵槽４の容量の約１／５０の量の被処理物１２を投入したときのバイオガス１９の生成量（一点鎖線）と、８時間毎に、発酵槽４の容量の約１／７５の量の被処理物１２を投入したときのバイオガス１９の生成量（破線）とを測定した結果を示してある。２４時間毎に被処理物１２の投入したケースでは、図３の時刻ｔ１およびｔ５に被処理物１２を投入しており、１２時間毎に被処理物１２の投入したケースでは、図３の時刻ｔ１、ｔ３、ｔ５およびｔ７に被処理物１２を投入しており、８時間毎に被処理物１２の投入したケースでは、図３の時刻ｔ１、ｔ２、ｔ４、ｔ５よびｔ６に被処理物１２を投入している。図３から分かるように、２４時間毎に被処理物１２を投入したケースでは、バイオガス１９の生成量が図３に記載された単位（リットル／分）で、１単位以下から２単位以上まで、すなわち、１単位以上変動している。これに対し、１２時間毎に投入したケースでは、１．３から１．７単位程度の範囲で変動しており、変動の範囲は０．４程度に入っている。また、８時間毎に投入したケースでは、１．５から１．８程度の範囲で変動しており、変動の範囲は０．３程度に入っている。
【００１４】
このように、１槽式の発酵槽４を用いたバイオガス生成プラント１において、被処理物１２を連続投入しなくても、８〜１２時間の最小投入間隔をキープする程度の投入頻度で、バイオガス１９の出力変動を半分あるいはそれ以下に抑えることができる。被処理物１２の投入頻度を８時間未満にすることにより、例えば、４時間にすることにより、バイオガス１９の出力変動をさらに抑制できる可能性はある。しかしながら、１２時間毎に投入したケースと、８時間毎に投入したケースとで、バイオガス１９の出力変動にそれほどの相違はなく、バイオガス１９の出力変動については、被処理物１２の投入頻度を８時間未満にするメリットは大きくないと考えられる。一方、２４時間毎に投入したケースのバイオガスの出力変動を参照すると、投入後、６〜１０時間経過した程度で、生成量のピークがある。したがって、発酵槽４に投入された被処理物は、投入から８時間未満では、未消化である確率がかなり高く、投入頻度を８時間未満にすると、未消化の被処理物が消化液１８に混入して排出される確率が大幅に増加すると考えられる。
【００１５】
したがって、被処理物１２の最小投入間隔は、８〜１２時間程度が好ましい。投入間隔が８時間と１２時間とでは、バイオガスの出力変動にそれほど大きな差はなく、一方、投入間隔が２４時間のケースを参照すると、バイオガスの出力ピークが１０時間以降までかかることがあるので、最小投入間隔は１０〜１２時間程度であることがさらに好ましい。バイオガス生成プラント１の制御サイクルは２４時間単位で完結することが好ましいことを考えると、被処理物１２の最小投入間隔は１２時間にセットすることがさらに好ましい。本例の発酵槽４の設計滞留時間は２５日であり、上記の数値を設計滞留時間に換算すると、被処理物１２の最小投入間隔は、設計滞留時間の１／７５〜１／５０程度が好ましく、設計滞留時間の１／６０〜１／５０程度がさらに好ましく、設計滞留時間の１／５０程度がさらに好ましい。
【００１６】
このように、１槽式の発酵槽を用いたバイオガス生成プラント１においても、最小投入間隔という概念を導入することにより、未消化の被処理物が排出される可能性を抑えて、バイオガスの出力変動を抑制することが可能となる。したがって、シンプルな構成で信頼性が高く、さらに、経済的なバイオガス生成システムにより、安定した量のバイオガスを継続して消費プラントに供給することができる。
【００１７】
なお、上記には、バイオガス出力が低くなったときに最小投入時間をキープする制御ロジックを示したが、バイオガス出力の変動に関わらず、最小投入時間毎に被処理物を投入するバッチ方式の制御を採用することも可能である。
【００１８】
また、消費側のプラントとして燃料電池プラントを設けた例を示しているが、バイオガスをボイラの燃料として利用して発電・給湯するシステムに接続したり、バイオガスを家庭で使用される燃料として分配するシステムなどに接続することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係るバイオガス生成プラントの概略構成を示す図である。
【図２】制御ロジックの一例を示すフローチャートである。
【図３】２４時間毎、１２時間毎、８時間毎に被処理物を投入したときのバイオガスの生成量の変動を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２０】
１  バイオガス生成プラント、  ４  発酵槽
５  ガスバッグ、  ８  消化液槽
３０    制御装置
５０  燃料電池プラント
【図１】
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【図２】
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【図３】
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