(57)【要約】      （修正有）【課題】畜産廃棄物を燃料として燃焼させガス熱の高温気流によりスターリングエンジン発電機により電力を得ることができ、かつ畜産廃棄物をエネルギー原料にすることで畜産廃棄物の減容できるスターリングエンジンを用いた小型発電装置を提供する。【解決手段】外部空間から遮断された耐熱容器１の上部にスターリングエンジン発電機２の吸熱部分４が耐熱容器１内に吐出装着しており、下部には耐熱容器１内に高温旋回気流を送り込むバーナーが装着されており、最下部には排気口８を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部空間から遮断された高温室を形成する耐熱容器内にバーナーとスターリングエンジン発電機を装着した発電装置。
【請求項２】
請求項１の耐熱容器内はバーナーからの高温気流が旋回できる円形構造をもち、バーナー部分構造で旋回気流を起こし耐熱用容器内壁に沿って上昇旋回し、高温気流が上昇し達した上部にスターリングエンジン発電機の吸熱部があることを特徴とする発電装置。
【請求項３】
請求項１の発電装置に高温気流を発生させるバーナー燃料としてバイオマス燃料を使用することを特徴とする発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明はバイオマスなどの有機物を燃料として高温気流を発生させスターリングエンジンを作動する小型発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】日本は２０３０年向け２０１３年対比で２６％のＣＯ２削減を約束し、２０１６年１１月８日にパリ協定に批准した。そして２０５０年には８０％削減の目標をかかげている。いまや化石燃料に依存したエネルギー消費社会からの脱却は不可欠であり、エネルギーの地産地消や再生可能エネルギーによるエネルギー循環社会へと変革していく必要がある。【０００３】循環社会への変革にはゴミ処理問題を解決し、またエネルギー問題も解決しなければならない。ごみ処理問題では一般ごみのほかに特に畜産廃棄物の処理問題があるが、畜産廃棄物も含め有機物は再生可能な有効なエネルギー源となる。【０００４】畜産廃棄物は再生可能な有効なエネルギー利用としてメタン発行発電（特許第５６３６３１１・特許第５７６４３５１号）がある。糞尿を発酵し発生したメタンガスでガスエンジン発電機によるエネルギー化する技術が確立されているが、発酵槽、ガス処理施設、発電施設、水処理施設など大がかりなプラントとなり経費が大きく液肥が利用できず排水処理に多大な費用を用し、全国において北海道以外は赤字稼働となり中止が相次いでいる。【０００５】一般ごみ発電はごみ焼却で発生する熱でボイラ蒸気を発生させ、蒸気タービン発電機でエネルギー化する技術（特開平７−１２０１７５、特開２０１７−１５５６１３）であるが、いずれも大がかりで導入費用が高額な発電施設となっている。【０００６】間伐材など木質チップ発電においても木質チップの燃焼熱によりボイラ蒸気を発生させ蒸気タービン発電をおこなうが大がかりで導入費用が高額な発電施設となる。【０００７】流動層ガス化発電（特開２０１１−８９１３６）においても有機物を燻煙ガス化し、生成したガス燃料でガスエンジン発電するが、タール処理排ガス処理など付帯設備もおおく、大がかりな発電施設となる。【０００８】大規模処理あるいは大規模発電においてはこうした大がかりな技術で対応はできるが、特に畜産事業者などは、１日の排出量が１ｔ〜３ｔ程度の事業者が多く、自家処理が義務付けられており、堆肥化処理し、堆肥化物を独自で消化しなければならないのが現状である、今や堆肥化物の利用が飽和状態にあり堆肥化した畜産廃棄物が利用消化されなければ畜産事業拡大ができない問題を有している。【０００９】堆肥化物の利用が限界にきている現状、畜産事業の発展には自家堆肥化した畜産廃棄物を減容しなければならない、エネルギー化など利活用を考えるが、大がかりで高額な導入コストがかかるため導入できない問題を有している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】本発明の目的は、バイオマスなど有機廃棄物の利活用ためまた、畜産事業発展のため畜産廃棄物を燃料として燃焼させ高温気流を生成し、スターリングエンジン発電機で発電する小型発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】本発明はバイオマスなど有機廃棄物の利活用ため、畜産廃棄物を燃料として燃焼させガス熱の高温気流によりスターリングエンジン発電機により電力を得ることができ、かつ畜産廃棄物をエネルギー原料にすることで畜産廃棄物の減容できるスターリングエンジンを用いた小型発電装置に関する。【００１２】すなわち、バイオマスなど有機廃棄物である畜産廃棄物を乾燥装置で乾燥後に燃焼用燃料容器から燃焼室に投入し燃焼させガス熱を発生させる。燃焼室には外部からの送風機により空気を吹き込み燃焼ガスを発生させる。発生した燃焼ガスはバーナーに送られバーナで高温ガス熱となりバーナートンネルへ導かれバーナートンネル部分に施された気流調整翼によりコリオリ高温旋回気流となりベント構造で上昇し、上部にあるスターリンエンジン発電の吸熱部分に到達する。旋回高温気流はスターリンエンジンの吸熱部分の滞留時間を長くし、スターリングエンジンの熱交換効率を上げることとなる。吸熱したエンジンはスターリングエンジン内部ピストンが稼働し、発電することができる。熱交換が終わった吸熱部の高温気流はスターリングエンジン発電機の装着している耐熱容器の内側壁に沿って下流方向にながれ、耐熱容器の下部に設けた排気口から外部に排気する。【００１３】バイオマスなど有機廃棄物である畜産廃棄物は肉牛については、おが粉が約４０〜５０％混入しているのが一般的である。排出される畜産廃棄物の含水量は約５０〜６０％が一般的である。乾燥させるためには、乾燥炉で乾燥させるがバッチ式攪拌乾燥機あるいはロータリーキルン式乾燥機などを用いる。乾燥機に使用する乾燥エネルギーは約８０〜１５０℃程度の温風を用いる。本発明においては、外部エネルギーを使わず、本発明で発生する約１５０〜２００℃の高温の外部排出高温排出ガスを利用することにより使用エネルギーを自己完結する。【００１４】乾燥した有機物である畜産廃棄物の含水量は１５〜２５％内でカロリーは約３０００〜３５００ｋｃａｌ／ｋｇである。含水量を減らせば燃焼カロリーは増加する。燃焼室に乾燥した畜産廃棄物を投入し燃焼を開始すると同時に燃焼室に送風機で空気を送り込むとともにバーナー送風機が１分間３〜６ｍ３の空気を送り込む。燃焼温度は約８００℃〜１０００℃程度となるガス熱を発生する。燃焼室からバーナー部にガス熱が送り込まれさらにバーナーにより高温ガス気流となり、バーナー構造中央部の気流調整翼を施した旋回流発生構造部分で高温旋回ガス気流として発電用耐熱容器に旋回上昇気流となりスターリングエンジン吸熱部に達する。【００１５】高温旋回気流はバーナー誘導管を旋回気流としながら上昇し耐熱容器の上部に設置しているスターリンエンジン発電機の吸熱部分に旋回高温気流してスターリンエンジン発電機に吸熱され熱交換する。スターリングエンジンは吸熱内部の冷却により細かなピストン運動を繰り返し、その運動によりピストンと連動したリニア発電機が稼働し電気を起こす。本発明ではスターリングエンジン発電使用は１基で約７ｋＷ／ｈ発電する。高温気流は約８００℃のガス気流がスターリングエンジン発電機の吸熱部で熱交換されガス気流温度約５００〜６００℃となり耐熱容器の壁をそって下降し、耐熱容器下部に設けられた排気口より外部に排気される。この時の排気温度は約５００〜４００℃で排気管の約５ｍ先では熱損失により約２００℃となる。【００１６】本発明では前記の排出排気ガス熱を畜産廃棄物原料の乾燥機などに乾燥エネルギーとして使用する。吹き込み温度は約１５０℃〜２００℃となる。【００１７】本発明では課題定義した自家堆肥化した畜産廃棄物を減容する。エネルギー化など利活用するためには大がかりで高額な導入コストがかかるため導入できない問題を小型スターリングエンジン発電機による発電装置により解決できる。畜産廃棄物を発電機の燃料とするため畜産廃棄物を減容できる。また発電できるため、売電もしくは自家使用ができる。【００１８】本発明は小型スターリングエンジン発電機を用いているため、発電機増設が簡単にでき、それに伴い畜産廃棄物の処理消化量を増やすことができまた、発電量も増やすことができる汎用性の高い発電装置である。【００１９】スターリングエンジンはサイクル熱機関のなかで理論上の限界の効率をもつカルノーサイクルを実現する熱機関であり、発電効率がもっとも高いエンジンとなっている。スターリングエンジン発電機は２つのパワーピストンで構成されたα形、ディスプレサーとパワーピストンが同一シリンダーに配置されたβ形、ディスプレサーとパワーピストンが異なるシリンダーに配置されたγ形、さらにパワーピストンの下面の空間を利用したダブルアクティング形の種類があり、現在実用化されているのがα形（特許第６１９４６４３号）は横にスペースを取りピストンが左右に動く構造である。またβ形（特許第５３８８１１１号・特許第６１０６１０２号）は縦型にピストンが動き小型で扱い易いスターリングエンジン発電機である。本発明ではスターリングエンジン発電機のβ形を使用している。
【発明の効果】
【００２０】本発明においてのスターリングエンジンを用いた小型発電装置は有機物などバイオマスを燃料として従来の大型発電方式では費用面で導入できない事業所、特に畜産事業所においては自家堆肥化が義務付けられており、堆肥化物の利用引き取り先が飽和状態にあり、堆肥化物の減容ができない限り畜産事業を発展できない問題を有していたが、本発明により堆肥化物など有機廃棄物を燃料として発電できるとともに、廃棄物の減容効果も有している。
本発明はエンジン効率のもっとも高い小型スターリングエンジン発電機を採用し旋回高温気流により発電効率をもっとも高くする効果がある。燃焼ガス熱で直接発電するため、発電装置を小型化でき導入費用も小さくできる効果がある。
従って、本発明は循環社会形成においてゴミ処理問題を解決し、またエネルギー問題も解決できる効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例】本発明にかかるスターリングエンジン発電機を用いた小型発電装置は目的とするバイオマスを燃料として発電し、有機廃棄物を減容する小型発電装置について以下詳しく説明する。【００２１】本発明は、外部から遮断された円形耐火容器を備え、その上部にスターリングエンジン発電機の吸熱部を備え、下部にはバーナー部から旋回高温ガス熱が上昇気流としてスターリングエンジン発電機の吸熱部分に旋回滞留して熱交換で発電を行う。熱交換が終わった旋回高温気流は円形耐熱容器の内面側に沿って旋回下降気流となり、耐熱容器下部に備えた排気口から排気ガスとして外気に放出する。本発明においては約２００℃の排気ガスを熱回収してバイオマス原料乾燥装置に送り込み、乾燥装置の乾燥熱エネルギーとして使用する。【００２２】耐熱容器は金属製でたとえば鉄製またはステンレス製の容器でかつ、内面は金属製に沿わせた約３〜７センチメートル厚さのキャスタブルを施す。キャスタブル表面は旋回する空気抵抗を弱めるためディンプル加工表面にすれば高速旋回気流となりスターリングエンジン発電機の効率を高める効果がある。【００２３】耐熱容器に送り込む高温気流を発生させるバーナーはバイオマス原料を燃焼室で直接燃焼し発生したガスに空気を送り込み、バーナーで高温気流を発生させた後、スターリングエンジン発電機を装着している耐熱容器に送り込む。燃焼室ではバイオマス燃料を燃焼させ約８００〜１０００℃のガス熱を発生し、発生したガス熱は燃焼室に設置したバーナーとバーナー構造に備えた旋回流発生翼によりバーナーから噴出させるガスと空気の反応高温気流が旋回高温気流となる。【００２４】バーナーは燃焼室の外側に備えた送風機により送風された空気と燃焼室で発生した高温ガス熱と反応し反応高温気流となりスターリングエンジンを装着した耐熱容器の高温旋回気流として送り込まれる。燃焼室は金属製で鉄製またはステンレス製の容器でかつ、内面は金属製に沿わせた約３〜７センチメートル厚さのキャスタブルを施す。下部にバイオマス燃料を燃焼させる簀子がありその下から燃焼用空気を送り込む。【００２５】燃焼用バイオマス原料は燃焼室上部にホッパー状に設置し、随時燃焼室に投入できる自動投入弁を備えている。バイオマス原料は畜産廃棄物の乾燥水分率２０〜２５％で約３３００ｋｃａｌである。本発明ではスターリングエンジン発電機７ｋＷ発電を作動させるために５０ｋＷ出力のバーナを備える。発電機を２機搭載した場合は１００ｋＷ出力のバーナーを使用する。出力に合わせて燃料投入量を調整するなど発電量、減容量の計画で発電装置の大きさを調整することができる。【００２６】バーナー内部構造は高温気流発生部と旋回気流発生翼部分と上昇気流発生ベント部分の３部分構成となる。高温気流発生部のバーナーは燃焼ガスと送風機から流入する外部空気が燃焼混合し反応する部分、次に発生する高温ガス気流は約８００℃の旋回気流を起す旋回気流発生翼部分に導かれる。次に高温旋回気流は９０〜１２０度のベント構造で上昇気流となり旋回気流は上昇天部に備えたスターリングエンジン発電機の吸熱部分を旋回接触し吸熱部の熱交換によりスターリングエンジンのリニア発電ピストンが作動し発電する。【００２７】熱交換が終わった高温気流は４００〜５００℃となり耐熱容器の内側に沿って旋回下降する。旋回下降するとき、耐熱容器にディンプル加工表面であれば旋回気流速度が上がりスターリングエンジン発電機の効率があげることができる。旋回高温気流はバーナー送風機の出力値にもよるが１分間に３〜６立方メートルの旋回気流量がよい。耐熱容器下部に達した旋回気流は下部に備えた排気口から外気へ放出するが約２００℃の排気ガスを熱交換でバイオマス原料の乾燥装置に投入し乾燥用エネルギーとして使用するもできる。
以上、スターリングエンジンを用いた小型発電装置の最良の形態である。
【実施例】
【実施例１】
【００２８】本発明にかかるスターリングエンジン発電機２を用いた小型発電装置は目的とするバイオマスを燃料として発電し、有機廃棄物を減容する小型発電装置についての実施例を説明する。【００２９】本発明は外部から遮断された耐熱容器１の上部にスターリングエンジン発電機２の吸熱部分４が耐熱容器１内に吐出装着しており、下部には耐熱容器１内に高温旋回気流を送り込むバーナーが装着されており、最下部には排気口８を備えている。耐熱容器１は鉄性で内面は金属製に沿わせた約５センチメートル厚さのキャスタブル３を施す。
バーナー部分５は燃焼ガスと空気と反応する高温気流発生部分と旋回高温気流発生翼部分、上昇高温気流に向きを変える上昇気流方向変更ベント部分７で構成している。
バーナー１は２５％含水率量のバイオマス原料で５０ｋＷ出力バーナーを使用する。この時のバイオマス燃料の使用量は畜産廃棄物で時間あたり約１３ｋｇ使用することになる。これは７ｋＷ発電仕様のスターリングエンジン発電機１機の場合である。複数台設置の場合は台数分を乗じた値となる。【００３０】バーナー部１と接続する旋回高温気流発生翼部分６はバーナーから出てきた高温気流を旋回気流にするための翼を設ける、翼は金属製もしくはバーナー部分を耐熱にするキャスタブルの整形で翼にすることができる。旋回気流発生翼６を通過後上部に備えたスターリングエンジン発電機２の吸熱部分４に旋回気流を滞留させるため上昇気流に向かわせるベント構造とする。バーナーからベント構造までは金属もしくは金属に覆われたキャスタブルを３センチメートル施す。【００３１】バーナー５に送るガスはガス化燃焼室１１で直接燃焼用バーナー１２によりバイオマス燃料を燃焼させガス熱を発生させる流動床ガス化燃焼室である。発生したガス熱は燃焼室上部のフィルター９を通してバーナー５に送られバーナーに吹き込まれた送風機１０による空気と反応し高温気流として耐熱容器１に送り込む。【００３２】本発明は耐熱容器１内に備えたスターリングエンジン発電機２に耐熱容器１内の下部に備えたバーナー５から出る高温気流を旋回気流に変え上昇旋回高温気流をスターリングエンジン発電機２の吸熱部分４で高温気流の滞留時間を長くし発電効率を高めることを特徴としている。従ってバーナー５からでる高温気流発生については前記術の方法でもよいが、ガス発生方法では間接燃焼でもよく、また固定床ガス化方式、噴流床ガス化方式、ロータリーキルンガス化方式でもバーナーから先は同等の効果が発揮できるものである。
【実施例】
【実施例２】
【００３３】外部から遮断された耐熱容器１の上部にスターリングエンジン発電機２の吸熱部分４が耐熱容器１内に吐出装着しており、下部には耐熱容器１内に高温旋回気流を送り込むバーナー５が装着されており、最下部には排気口８を備えている。耐熱容器１は鉄性で内面は金属製に沿わせた約５センチメートル厚さのキャスタブル３を施す。バーナー部分は燃焼ガスと空気と反応する高温気流発生部分と上昇高温気流に向きを変えるベント部分で構成している。バーナーは２５％含水率量のバイオマス原料で５０ｋＷ出力バーナー５を使用する。この時のバイオマス燃料１３の使用量は畜産廃棄物で時間あたり約１３ｋｇ使用することになる。これは７ｋＷ発電仕様のスターリングエンジン発電機１機の場合である。複数台設置の場合は台数分を乗じた値となる。【００３４】バーナー部５と接続する上昇気流に向かわせるベント上昇気流方向変更ベント７構造とする。バーナー５からベント構造までは金属もしくは金属に覆われたキャスタブルを３センチメートル施す。ベント構造の先端部分はテーパー状に拡大していくことが望ましい。バーナー５から発生した高温気流はベント部を上昇気流となりスターリングエンジンの吸熱部４に接触した後、吸熱部４で熱交換したのちスターリンエンジンピストンが作動しリニア発電機１５で発電する。熱交換が終わったガス熱気流は耐熱容器内壁面に沿って下降旋回気流となる。このとき上昇旋回気流と耐熱容器内壁を沿って下降する気流を分ける隔壁１６を設けることで上昇旋回気流と下降旋回気流の気流温度混濁率が下がるため発電効率は上がる傾向にある。隔壁１６の効果は耐熱容器１の大きさに影響を受け、容積が小さくなるほど隔壁１６を必要とするが大きい場合は気流温度混濁の影響は小さくなる。【００３５】バーナー５に送るガス熱はガス化燃焼室１１で直接燃焼バーナー１２でバイオマス燃料を燃焼させガス熱を発生させる流動床ガス化燃焼室である。発生したガス熱は燃焼室上部のフィルター９を通してバーナー５に送られバーナー５に吹き込まれた送風機１０による空気と反応し高温気流として耐熱容器１に送り込む。バイオマス原料自動投入弁から投入されたバイオマス燃料１３によるガス化燃焼バーナー５による発電はガス化の安定度で発電効率がかわってくる。そのため、安定した高温気流をスターリングエンジン発電機２の吸熱部４に接触させなければならない。そのため実施例１では吸熱部４に高温気流を旋回させることで安定した高温気流を接触ことができるが、旋回気流発生翼６がないバーナー５においてはスターリングエンジン発電機２に強弱がおこることとなる。したがって旋回発生気流翼６のほうが発電効率はよくなることが分かった。【００３６】本発明は耐熱容器内１に備えたスターリングエンジン発電機２に耐熱容器内の下部に備えたバーナー５から出る高温気流を上昇高温気流に向きを変えスターリングエンジン発電機２の吸熱部分４で高温気流と熱交換し発電することを特徴としている。従ってバーナー５からでる高温気流発生については前記術の方法でもよいが、ガス発生方法では間接燃焼でもよく、また固定床ガス化方式、噴流床ガス化方式、ロータリーキルンガス化方式でもバーナーから先は同等の効果が発揮できるものである。【００３７】本発明はスターリングエンジン発電機４を用いた小型発電装置である。装置を稼働させる最良のシステムとしては含水量５０〜６０％のバイオマス原料として畜産廃棄物を乾燥用バイオマス原料ホッパー１７に投入する。次にホッパーから乾燥装置１８に投入し、乾燥エネルギーとしてスターリングエンジン発電装置から排出される排気ガス８を利用する。排気ガスは出口で約４００〜５００℃あるため出口で温水製造のための熱回収を行うこともできる。温水回収が終わっても約２００℃の排気ガス温度を保つため乾燥機で使用する約８０〜１５０℃で乾燥を行える。乾燥機１８から出た畜産廃棄物燃料原料の水分含水量は２０〜２５％になっており、乾燥後ベルトコンベアー１９で貯留ホッパーに貯留したのち、スターリングエンジン発電装置の燃料投入ホッパー１３に投入され燃焼ガス化し高温気流としてスターリングエンジン発電機２が発電を行うシステムとなる。従って本発明は循環社会への取り組みの基軸として本発明から形成する発電システムによりゴミ処理問題を解決し、またエネルギー問題も解決でき、特に畜産廃棄物の処理問題についは、有効なエネルギー源として本発明により再生可能エネルギーとして取り出しができかつ、畜産廃棄物の減容効果が発揮できるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】実施例１）の発電装置のシステム図  １：耐熱容器  ２：スターリングエンジン発電機  ３：キャスタブル  ４：吸熱部  ５：バーナー部  ６：旋回気流発生翼部  ７：上昇気流方向変更ベント  ８：排気口  ９：燃焼ガス吸入フィルター部分  １０：バーナー送風機  １１：燃焼バイオマス燃料  １２：直接燃焼用バーナー  １３：バイオマス燃料投入ホッパー  １４：バイオマス原料自動投入弁  １５：リニア発電機
【図２】実施例２）の発電装置のシステム図  １：耐熱容器  ２：スターリングエンジン発電機  ３：キャスタブル  ４：吸熱部  ５：バーナー部  ７：上昇気流方向変更ベント  ８：排気口  ９：燃焼ガス吸入フィルター部分  １０：バーナー送風機  １１：燃焼バイオマス燃料  １２：直接燃焼用バーナー  １３：バイオマス燃料投入ホッパー  １４：バイオマス原料自動投入弁  １５：リニア発電機  １６：隔壁
【図３】バーナー接続部の旋回気流発生構造図  １７：高温旋回気流発生翼
【図４】バイオマス原料から発電を行う全体工程システム図  ８：排気口  １３：バイオマス燃料投入ホッパー  １８：乾燥用バイオマス原料投入ホッパー  １９：乾燥装置  ２０：ベルトコンベアー  ２１：貯留ホッパー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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