(57)【要約】【課題】  施設園芸用設備と炭化ガス化処理設備とを組み合わせることにより、施設園芸における課題を解決し、同時に二酸化炭素の排出抑制による温暖化防止、資源の有効利用及び廃棄物の減量化を可能としたバイオマスの利活用システムを提供する。【解決手段】  木質系バイオマス１０を炭化ガス化処理して炭化物１４と分解ガス１５を生成する炭化炉１３と、前記分解ガス１５を燃焼して熱エネルギを回収する廃熱ボイラ１６と、外部から区画されて栽培環境が制御された条件下で植物の栽培を行なう施設園芸用設備５０と、を備えたシステムであって、前記廃熱ボイラ１６から排出される燃焼排ガス３９を前記施設園芸用設備５０に導入するようにし、好適には前記施設園芸用設備内のＣＯ２濃度を検出し、検出したＣＯ２濃度に基づき燃焼排ガス導入量を制御する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
木質系バイオマスを炭化ガス化処理して炭化物と分解ガスを生成する炭化炉と、前記分解ガスを燃焼して熱エネルギを回収する廃熱ボイラとを備え、前記木質系バイオマスを炭化物又は熱エネルギ等の有価物に転換するエネルギ転換設備と、外部から区画されて栽培環境が制御された条件下で植物の栽培を行なう施設園芸用設備と、を備えたシステムであって、
前記廃熱ボイラから排出される燃焼排ガスを前記施設園芸用設備に導入し、該施設園芸用設備内の栽培植物の成長を促進することを特徴とするバイオマス利活用システム。
【請求項２】
前記施設園芸用設備における栽培空間の二酸化炭素濃度を検出するＣＯ２濃度検出手段と、該ＣＯ２濃度検出手段にて検出された二酸化炭素濃度に基づき、前記燃焼排ガスの導入量を制御するガス導入量制御手段とを設けたことを特徴とする請求項１記載のバイオマス利活用システム。
【請求項３】
前記ガス導入量制御手段が、前記栽培空間で栽培される植物の種類に応じて燃焼排ガスの導入量を調整するようにしたことを特徴とする請求項２記載のバイオマス利活用システム。
【請求項４】
前記炭化炉で生成した炭化物を含む土壌改良剤又は改良土壌を製造する改良資材製造手段を設け、該製造した土壌改良剤又は改良土壌を前記施設園芸用設備で利用することを特徴とする請求項１記載のバイオマス利活用システム。
【請求項５】
前記廃熱ボイラで生成した水蒸気を前記施設園芸用設備、若しくは前記炭化物を混合した改良土壌を製造する改良資材製造手段に送給し、該水蒸気を土壌と接触させて土壌の殺菌を行なうようにしたことを特徴とする請求項１記載のバイオマス利活用システム。
【請求項６】
前記廃熱ボイラで回収した熱エネルギにより温水又は水蒸気からなる温ブラインを生成し、該温ブラインを前記施設園芸用設備に供給して栽培空間の温度調整を行なう温度調節手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のバイオマス利活用システム。
【請求項７】
前記エネルギ転換設備が、前記廃熱ボイラにて生成した水蒸気を利用して発電を行なう蒸気タービン発電機を備え、該蒸気タービン発電機により発電した電力を前記施設園芸用設備に供給するようにしたことを特徴とする請求項１記載のバイオマス利活用システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、木質系バイオマスを炭化ガス化処理して炭化物又は熱エネルギ等の有価物を回収し、これらの有価物を施設園芸用設備で有効利用するバイオマス利活用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化対策やエネルギの安定供給の確保、地域分散型電源の確保といった観点からバイオマスエネルギという再生可能でクリーンなエネルギ源が注目されている。また、廃棄物処理問題の顕在化に伴い、資源を有効利用し循環型社会を構築することにより環境保全及び省資源化を図ることが推奨されており、生物由来の有機性資源であるバイオマスを、エネルギ源や工業原料として総合的に利活用する技術が要望されている。
【０００３】
一般にバイオマスとは、エネルギ源又は工業原料として利用することのできる生物体（例えば農業生産物又は副生成物、植物等）をいい、太陽エネルギ、空気、水、土壌等の作用により生成されるので無限に再生可能である。
このバイオマスを炭化ガス化処理することで熱、電力、炭化物等の有価物の回収が可能となり、また廃棄物としてのバイオマスを処理できるので、環境の浄化にも役立つ。さらに、新規に生産されるバイオマスも光合成によるＣＯ２の固定により生育されるので、大気中の二酸化炭素を減少させる機能を有する。近年、大気中の二酸化炭素濃度上昇による地球温度化の進行が問題となっているためバイオマスの利活用が要望されているが、それには多くの問題点を抱えており、実現化は難航しているのが現状である。
【０００４】
これは、収集したバイオマスをエネルギ等の有価物に転換するシステム及び転換したエネルギを経済的合理性のもとに利用するシステムが未確立であることが原因となっている。即ち、バイオマスの収集、原料調達にコストがかかり、発電や炭化物販売から得られる収入だけでは事業採算が採れないこと、炭化物等の安定的需要先の確保が考えられていないこと、廃熱利用されておらず事業採算性向上に寄与していないこと、などが原因として考えられる。
【０００５】
従来、木質系バイオマスをエネルギに転換する技術として、直接燃焼発電方式、炭化ガス化発電方式等が普及している。ここで一例として炭化ガス化発電方式を用いたシステムにつき説明すると、１００ｔ／日の木質系バイオマスを炭化炉で炭化処理することにより、約１５ｔ／日の炭化物が得られる。さらに炭化炉で発生した分解ガスを廃熱ボイラにて燃焼させ、この燃焼熱で蒸気を発生させて蒸気タービンに送給し、蒸気タービンに連結された発電機にて発電を行なうと、約１７００ｋｗの電力が得られるとともに、約６３００Ｍｃａｌ／Ｈの廃熱が生じる。このようなエネルギ生産物の中で、従来は電力利用が中心であり、その他、炭化物の一部が固形燃料や融雪材、住宅用湿度調整材等に利用される場合もあるが、上記した原因からこれらの実用化実績も極めて少ないのが実状である。
【０００６】
そこで、特許文献１（特開２００３−２３８８７号公報）では、バイオマスから回収した有価物を有効利用する方法として、前記有価物を植物の栽培施設で利用する循環型施設栽培方法を提案している。これは、植物工場にて発生した栽培残渣をメタン発酵し、発生したバイオガスを燃料として熱併給型発電装置で発電するか、若しくはバイオガスを燃料としてボイラ燃焼し、発電装置若しくはボイラにて回収された電気、熱、炭酸ガスを前記栽培施設にて利用するものである。これにより、植物工場で発生した栽培残渣から必要な資源を回収し、植物の栽培に利用するという工場内循環サイクルが達成できる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００３−２３８８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記したように、近年、二酸化炭素の排出抑制による温暖化防止、資源の有効利用及び廃棄物の減量化を目的として、バイオマスの利活用が要望されており、特許文献１記載のように植物栽培施設での回収資源の利用が効果的な方法として提案されている。
しかし、特許文献１は植物工場内での閉サイクルとなっており植物の栽培に必要なだけの資源を調達することは困難である。従って、外部からバイオマスを供給する方法も考えられるが、メタン発酵処理は長時間を要するため、広域的に排出される大量のバイオマスを処理することは困難である。特に、木質系バイオマスはメタン発酵にて分解され難い成分を含有しているため、大量の木質系バイオマス処理には不適当である。
【０００９】
一方、植物を栽培する施設園芸においては、以下の点に留意する必要があった。
即ち、温度調整用の熱源、特に冬季における熱源の確保、及び高品質な土壌改良剤の確保が重要とされる。また、同一作物を続けて栽培することが多いため、土壌病害虫が増加して連作障害が問題となるが、従来はこの対策として臭化メチル等の農薬による土壌殺菌法が用いられていた。しかし、臭化メチルは地球温暖化ガスであるため全廃することが要求されており、この臭化メチルに替わる土壌殺菌法が求められている。
さらに、植物生長促進を目的とした二酸化炭素施用が重要な課題の一つとして挙げられる。二酸化炭素施用の効果は様々な作物で認められており、栽培空間を適正な二酸化炭素濃度とすることにより植物成長促進、増収が達成できる。
【００１０】
従って、本発明では施設園芸用設備とエネルギ転換設備とを組み合わせることにより、上記施設園芸における課題を解決し、同時に二酸化炭素の排出抑制による温暖化防止、資源の有効利用及び廃棄物の減量化を可能としたバイオマスの利活用システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そこで、本発明はかかる課題を解決するために、木質系バイオマスを炭化ガス化処理して炭化物と分解ガスを生成する炭化炉と、前記分解ガスを燃焼して熱エネルギを回収する廃熱ボイラとを備え、前記木質系バイオマスを炭化物又は熱エネルギ等の有価物に転換するエネルギ転換設備と、外部から区画されて栽培環境が制御された条件下で植物の栽培を行なう施設園芸用設備と、を備えたシステムであって、
前記廃熱ボイラから排出される燃焼排ガスを前記施設園芸用設備に導入し、該施設園芸用設備内の栽培植物の成長を促進することを特徴とする。
【００１２】
本発明によれば、エネルギ転換設備の生産物である二酸化炭素を施設園芸用設備に導入することで、植物成長が促進され、作物の増産、増収が見込める。また、二酸化炭素を植物に転換することになるため、温暖化対策にも貢献できる。
尚、前記施設園芸用設備とは、資材を利用して作り出した人工的な環境で植物を生産する設備であり、ガラス室やプラスチックハウス等で外部から区画した閉鎖的又は半閉鎖的な空間で、保温、暖房などの温度調整や換気などにより栽培環境がある程度制御されるものである。
【００１３】
前記発明において、前記施設園芸用設備における栽培空間の二酸化炭素濃度を検出するＣＯ２濃度検出手段と、該ＣＯ２濃度検出手段にて検出された二酸化炭素濃度に基づき、前記燃焼排ガスの導入量を制御するガス導入量制御手段を設けることが好ましく、また前記ガス導入量制御手段が、前記栽培空間で栽培される植物の種類に応じて燃焼排ガスの導入量を調整することがさらに好ましい。
従来、植物への二酸化炭素施用の効果は様々な植物で認められているが、供給する二酸化炭素量は少なすぎると効果が発揮されず、また過剰であると成長の阻害となる惧れがある。従って、前記栽培空間の二酸化酸素濃度を正確に把握し、これに基づき燃焼排ガス導入量を制御することによりこれらの問題を防止できる。
また、その適正量は植物によって異なるため、予め前記ガス導入量制御手段に植物の種類を入力しておくことによってその適正量を導き、燃焼排ガス導入量を調整することにより、最適な栽培環境で植物を栽培することができる。
【００１４】
また、前記炭化炉で生成した炭化物を含む土壌改良剤又は改良土壌を製造する改良資材製造手段を設け、該製造した土壌改良剤又は改良土壌を前記施設園芸用設備で利用することを特徴とする。
このように、前記炭化炉で生産される炭化物を、施設園芸の土壌に作用させることにより、土壌改良剤としての活用ができ、また該炭化物を混合した土壌は改良土壌として利用できる。また、炭化物は二酸化炭素の半永久的固定であるため、温暖化対策にも貢献できる。
【００１５】
さらに、前記廃熱ボイラで生成した水蒸気を前記施設園芸用設備、若しくは前記炭化物を混合した改良土壌を製造する改良資材製造手段に送給し、該水蒸気を土壌と接触させて土壌の殺菌を行なうようにしたことを特徴とする。
これは、前記廃熱ボイラで生成した水蒸気を施設園芸用設備内の土壌殺菌に活用することにより、従来、土壌殺菌剤として利用していた臭化メチルの代替とすることができ、温暖化対策に貢献でき、無害で環境に優しく且つ低コストな土壌殺菌法が確立できる。
また、炭化物を混合した改良土壌に熱を作用・殺菌することで、臭化メチルを使用しない付加価値の高い土壌改良効果が得られる。
【００１６】
また、前記廃熱ボイラで回収した熱エネルギにより温水又は水蒸気からなる温ブラインを生成し、該温ブラインを前記施設園芸用設備に供給して栽培空間の温度調整を行なう温度調節手段を設けたことを特徴とする。このとき、前記施設園芸用設備の栽培空間の温度を検出する温度検出手段を設け、検出温度に基づき温ブラインの供給を制御すると良い。
さらに、前記エネルギ転換設備が、前記廃熱ボイラにて生成した水蒸気を利用して発電を行なう蒸気タービン発電機を備え、該蒸気タービン発電機により発電した電力を前記施設園芸用設備に供給するようにしたことを特徴とする。
エネルギ転換設備の生成物である熱又は電気を、施設園芸用設備の温度調整用熱源又は照明等の電力源として活用することにより、熱・電力供給先の確保ができる。前記施設園芸用設備側からみると、従来施設園芸の温度調整用に使用していた化石燃料又は電気が不要となり、安価な熱源、電力を導入できるばかりでなく温暖化ガス削減にも貢献できる。
【発明の効果】
【００１７】
以上記載のごとく本発明によれば、炭化炉及び廃熱ボイラを備えたエネルギ転換設備と施設園芸用設備とを組み合わせて、木質系バイオマスを原料としてエネルギ転換設備にて得られた熱、電力、炭化物、二酸化炭素を施設園芸用設備にて有効利用することにより、良好な植物の栽培環境を提供でき、同時に資源の循環サイクルが形成され、資源の有効利用及び廃棄物の減量化が達成できるとともに、二酸化炭素を炭化物或いは植物に転換できるため温暖化対策にも貢献できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の実施例に係るバイオマス利活用システムの全体構成図、図２は図１に示した改良土壌製造装置の構成図である。
本実施例における処理対象は木質系バイオマスで、例えば間伐材、伐採木材、剪定枝、製材廃材、建築廃材、稲わら等が挙げられる。
【実施例】
【００１９】
本実施例に係るバイオマス利活用システムは、木質系バイオマスを有価物に転換するエネルギ転換設備と、植物を栽培する施設園芸用設備とを組み合わせたシステムである。
図１に示されるように、本実施例のバイオマス利活用システムは、木質系バイオマスを炭化ガス化処理する炭化炉１３と、炭化炉にて発生した分解ガス１５を燃焼して蒸気を生成するボイラ１６と、ボイラ１６にて生成した蒸気を利用して発電する蒸気タービン２１及び発電機２２と、ボイラ１６から排出される燃焼排ガスを処理する集塵機２８等の排ガス処理設備と、前記炭化炉１３にて発生した炭化物１４を原料として改良土壌を製造する改良土壌製造装置４０と、野菜、花、果樹等を生産する施設園芸用設備５０と、を主要構成とする。
【００２０】
前記炭化炉１３は、木質系バイオマス１０を無酸素雰囲気若しくは低酸素雰囲気下で加熱し、一酸化炭素、水素、炭化水素ガスを主成分とする分解ガス１５と炭化物１４を生成する装置であり、公知の各種装置を採用可能であって特に限定されるものではないが、特に外部加熱式のロータリーキルンが好ましい。この場合ロータリーキルンは、バイオマスが供給されて熱分解反応がなされる熱分解ドラムと、その周囲に加熱ガスが導入される外殻とを有し、間接加熱により炉内を３００〜８００℃、好ましくは４００〜５５０℃に維持し、バイオマスを熱分解し、炭化物１４と分解ガス１５を生成する。具体的には、前記炭化炉１３ではＣｎＨｍＯｌからなる木質系セルローズを酸素不足下で加熱することにより、炭化水素系の分解ガス１５と炭化物１４に分解する。
【００２１】
前記ボイラ１６は、前記分解ガス１５を燃料とした燃焼室を備え、燃焼熱若しくは前記分解ガス１５の廃熱を利用して水蒸気を生成する装置である。該ボイラ１６の蒸気送出口は流路を介して前記蒸気タービン２１に接続され、該蒸気タービン２１の駆動軸には前記発電機２２が連結されている。また、前記蒸気タービン２１から排出した水蒸気２０は復水器２３、復水タンク２４を経てボイラ１６に返送される。
また、前記ボイラ１６の後段には該ボイラ１６から排出された燃焼排ガス２５の廃熱を空気３２と熱交換する空気予熱器２６が設けられている。
【００２２】
前記改良土壌製造装置４０は、土壌５１に炭化物１４を添加して作物の生育に適した土壌に改良する装置であり、その概略構成を図２に示す。
図２に示されるように、前記改良土壌製造装置４０は、土壌５１を貯留する土壌貯留ホッパ４１と、前記炭化炉１３で生成した炭化物１４を貯留する炭化物貯留ホッパ４２と、これらを搬送するコンベア４３と、撹拌機を有する撹拌装置４４と、前記ボイラ１６で生成した水蒸気（若しくは前記蒸気タービンから排出した水蒸気３６）を導入して土壌を蒸気により殺菌する蒸気殺菌槽４５と、から構成される。
前記改良土壌製造装置４０では、前記土壌貯留ホッパ４１及び前記炭化物貯留ホッパ４２からコンベアを介して所定量ずつ土壌５１及び炭化物１４が撹拌装置４４に供給され、該撹拌装置４４内で撹拌されて均質に混合した土壌は、前記蒸気殺菌層４５に送給され、ここで水蒸気３６の導入により約８０〜１００℃の温度に加熱され、高温殺菌される。
【００２３】
前記施設園芸用設備５０とは、資材を利用して作り出した人工的な環境で作物を生産する設備であり、ガラス室やプラスチックハウス等で外部から区画した閉鎖的又は半閉鎖的な栽培空間で、保温、暖房などの温度調整や換気などにより栽培環境をある程度制御して、野菜、花、果樹等の植物を栽培する設備をいう。該施設園芸用設備５０には、室内温度調節手段、換気手段、光供給手段等が備えられている。
さらに本実施例では、施設園芸用設備５０に前記ボイラ１６から排出された燃焼排ガス３９が導入されるようになっている。これにより、燃焼排ガス中の二酸化炭素により植物の成長促進、増収が期待できる。このとき、前記施設園芸用設備５０に栽培空間の二酸化炭素濃度を検出するＣＯ２濃度検出センサ５５を設置し、該センサ５５により検出された二酸化炭素濃度に基づき燃焼排ガス３９の導入量を制御するガス導入量制御手段５７を設けることが好ましい。該ガス導入量制御手段５７により燃焼排ガス管路に設けられたバルブ５６を開度調整し、燃焼排ガス導入量を調整する。
【００２４】
次に、本実施例に係るシステムの作用を説明する。
木質系バイオマス１０は投入ホッパ１１に投入され、スクリューフィーダ１２により定量的に炭化炉１３内に供給される。該炭化炉１３内で木質系バイオマス１０は熱分解し、炭化物１４と分解ガス１５を生成する。炭化物１４は、前記改良土壌製造装置４０に送給されて土壌改良剤として用いられ、ここで製造された改良土壌５１’は施設園芸用設備５０にて利用される。また、前記改良土壌５１’又は前記炭化物は販売するようにしても良い。
前記炭化炉１３で発生した分解ガス１５は前記ボイラ１６に送給され、燃焼される。また、前記ボイラ１６には空気押込ファン３１により加熱空気３２が導入され、前記燃焼により昇温された後に加熱用ガス１７として前記炭化炉１３に送給され、炭化炉１６を間接加熱する。尚、前記加熱空気３２は、前記空気予熱器２６により予熱されているものである。前記炭化炉１３から排出された加熱用ガス１８はボイラ１６に返送される。
【００２５】
一方、前記ボイラ１６で生成された水蒸気２０は、蒸気タービン２１に送られて該タービンを回転させ、発電機２２を駆動させることにより発電が行なわれる。蒸気タービン２１から排出された蒸気は、復水器２３に送給され、ここで水に戻された後復水タンク２４に貯留され、再びボイラ１６に供給される。前記発電機２２により発電した電気は、システム内のファン、照明等の機器、或いは施設園芸用設備５０の照明等の電力源として利用できる。
また、前記蒸気タービン抽気の一部を抜き出し、この抜き出した温度約２００〜２５０度の水蒸気３５を施設園芸用設備５０に送給し、土壌中に埋設した水蒸気供給管５２により噴出させ、土壌の殺菌を行なうようにすることが好ましい。また、前記水蒸気の他の一部を分岐させ、該水蒸気３６を前記改良土壌製造装置４０に送給して蒸気殺菌槽４５に導入し、土壌の殺菌を行なうようにしても良い。
【００２６】
前記ボイラ１６から排出される燃焼排ガス２５は、空気予熱器２６に送給される。該空気予熱器２６では、前記燃焼排ガス２５と空気３２とを熱交換して加熱空気３２を生成するとともに、給水ポンプ３７から供給される水を加熱して温水３８（若しくは水蒸気）を生成する。ここで生成された温水３８は、前記施設園芸用設備５０に送給され、設備内の温度調整用として用いられる。
さらに、前記空気予熱器２６を経て降温された燃焼排ガスは集塵機２８に導入され、ガス中の煤塵、飛灰を捕集除去された後、誘引ファン２９により煙突から大気放出される。
【００２７】
一方、前記集塵機２８から排出されたクリーンな排ガス３９の一部は前記施設園芸用設備５０に導入される。これにより植物の成長促進及び増収を目的とした二酸化炭素施用の効果を得ることができる。
このとき、前記燃焼排ガス３９の導入量は、前記ＣＯ２濃度検出センサにより検出された栽培空間の二酸化炭素濃度に基づき、前記ガス導入量制御装置５７によってバルブ５６を開閉制御し、設備内の二酸化炭素濃度が栽培植物に適した濃度となるように調整される。勿論、このとき排ガス中の二酸化炭素濃度をＣＯ２濃度検出センサにより検出するなどして、必要な二酸化炭素濃度に対応する燃焼排ガス量を送給するようにする。
【００２８】
また、前記施設園芸用設備５０に送給する燃焼排ガス導入量は、栽培する植物種類に応じて調節することが好ましい。
例えば、葉菜類（レタス、ほうれん草、シュンギク等）では７５０〜９５０ｐｐｍの二酸化炭素施用により５０〜１００％の増収が見込まれ、野菜類（トマト、ナス、ピーマン、キュウリ等）では７５０〜１５００ｐｐｍの施用で３０％の増収が見込まれ、根菜類では、ダイコンで７５０ｐｐｍで２倍、ハツカダイコンで２０００ｐｐｍで３倍、コカブで１５００ｐｐｍで１０倍の増収が夫々見込まれる。従って、７５０ｐｐｍ〜２０００ｐｐｍの範囲内で、且つ設備内の空気中の二酸化炭素濃度が栽培植物に応じた濃度となるように前記ガス導入量制御装置５７により燃焼排ガス導入量を制御する。
【００２９】
本実施例のごとく、前記施設栽培用設備５０内における栽培空間の二酸化酸素濃度を正確に把握し、これに基づき燃焼排ガス導入量を制御することにより適正な二酸化炭素量を施用することができ、植物の成長促進、増収に効果的である。また、植物種類に応じた燃焼排ガス導入量の適正量を導き、これに応じて燃焼排ガス導入量を調整することにより、最適な栽培環境で植物を栽培することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施例に係るバイオマス利活用システムの全体構成図である。
【図２】図１に示した改良土壌製造装置の構成図である。
【符号の説明】
【００３１】
１０    バイオマス
１３    炭化炉
１４    炭化物
１５    分解ガス
１６    ボイラ
１７    加熱用ガス
２０、３５、３６    水蒸気
２１    蒸気タービン
２２    発電機
２５    燃焼排ガス
２６    空気予熱器
２８    集塵機
３２    加熱空気
４０    改良土壌製造装置
４１    土壌貯留ホッパ
４２    炭化物貯留ホッパ
４３    コンベア
４４    撹拌装置
４５    蒸気殺菌槽
５０    施設園芸用設備
５５    ＣＯ２濃度検出センサ
５６    バルブ
５７    ガス導入量制御手段
【図１】
2006191876.tif 000003
【図２】
2006191876.tif 000004