(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電所からの排気ガスを使用して野菜および／または藻類に熱エネルギおよび二酸化炭素を供給する方法であって、
１）発電所からの排気ガスを排気ガス供給用パイプラインを介して一次熱交換器へ導入し、排気ガスと野菜用温室および／または藻類栽培ハウスの熱供給システムからの空気の間で第１間接熱交換を行うことにより、前記野菜用温室および／または前記藻類栽培ハウスに加熱空気を供給する工程と、
２）前記一次熱交換器内での前記第１間接熱交換後の排気ガスの一部を排気ガス搬送用パイプラインを介して二次熱交換器へ導入し、排気ガスおよび外気の間で第２間接熱交換を行うことにより、排気ガスの温度を更に下げて二酸化炭素の吸収を促す工程と、
３）前記二次熱交換器内での前記第２間接熱交換後の排気ガスをＣＯ２圧力スイング吸着装置へ導入し、排気ガスからの二酸化炭素を分離し、且つ二酸化炭素を保管用二酸化炭素貯蔵タンクへ汲み上げる工程と、
４）野菜および／または藻類の成長期間の間に、前記二酸化炭素貯蔵タンクからの二酸化炭素を前記野菜用温室および／または前記藻類栽培ハウスの炭素吸収タンクへ供給する工程と
を含む方法。
【請求項２】
前記工程２において、前記外気は前記排気ガスにより加熱されると共に、三次熱交換器へ導入され、前記炭素吸収タンクの温水供給システムを循環する水と熱交換を行い、前記炭素吸収タンクへ温水を供給することを特徴とする請求項１の方法。
【請求項３】
前記工程１において、前記発電所からの排気ガスの温度は１１０〜１４０℃の間であり、前記一次熱交換器での第１間接熱交換後の前記排気ガスの温度は８０〜９０℃の間であり、前記野菜用温室および／または前記藻類栽培ハウスに供給される前記加熱空気の温度は４０〜５０℃の間であることを特徴とする請求項１または２の方法。
【請求項４】
前記工程２において、前記二次熱交換器での前記第２間接熱交換後の排気ガスの温度は５０〜６０℃の間であり、前記排気ガスにより加熱された外気の温度は４０〜５０℃の間であり、前記炭素吸収タンクの水温は２５〜３５℃の間であることを特徴とする請求項２の方法。
【請求項５】
前記工程４において、二酸化炭素は日当たりがよい時間に一日一回供給され、前記野菜用温室内の二酸化炭素濃度は６００〜１２００ｐｐｍに制御され、前記野菜用温室は二酸化炭素を供給するために１．５〜２．０時間密封され、次に前記温室の換気用開口が開放されて除湿されることを特徴とする請求項１または２の方法。
【請求項６】
請求項１の方法を使用して野菜および／または藻類に熱エネルギおよび二酸化炭素を供給する装置であって、前記装置は通風機（３）と、前記通風機（３）と連結される前記排気ガス供給用パイプライン（４）と、前記一次熱交換器（５）と、煙突（２）と連結される前記排気ガス搬送用パイプライン（１）と、前記二次熱交換器（１２）と、前記ＣＯ２圧力スイング吸着装置（１４）と、前記二酸化炭素貯蔵タンク（１６）を含み、
前記一次熱交換器（５）はガス入口パイプライン（５．３）と、ガス出口パイプライン（５．４）と、空気入口パイプライン（５．６）と、空気出口パイプライン（５．７）を含むシェルアンドチューブ熱交換器（５．１）を利用するものであり、前記ガス入口パイプライン（５．３）は第１圧力送風機（５．２）を介して前記排気ガス供給用パイプライン（４）と連結され、前記ガス出口パイプライン（５．４）は前記排気ガス搬送用パイプライン（１）と連結され、前記空気入口パイプライン（５．６）は第２圧力送風機（５．５）を介して前記野菜用温室および／または前記藻類栽培ハウスの前記熱供給システムの空気循環用パイプラインと連結され、且つ、前記空気出口パイプライン（５．７）は前記野菜用温室（６）および／または前記藻類栽培ハウス（９）の前記熱供給システムの空気出口パイプラインと連結されており、
前記二次熱交換器（１２）は冷気入口端、排気ガス入口端、および排気ガス出口端を含むヒートパイプ式熱交換器（１２）を利用するものであり、前記冷気入口端は循環ポンプ（１３）を介して外気と連通し、前記排気ガス入口端は圧縮機（１１）を介して前記排気ガス搬送用パイプライン（１）と連結され、前記排気ガス出口端はＣＯ２圧力スイング吸着装置（１４）と連結され、前記ＣＯ２圧力スイング吸着装置（１４）の出口端は真空ポンプ（１５）を介して前記二酸化炭素貯蔵タンク（１６）と連結され、且つ前記二酸化炭素貯蔵タンク（１６）はＣＯ２搬送管（７）およびその内部に載置される制御弁（１９）を介して前記野菜用温室（６）および／または前記藻類栽培ハウス（９）の前記炭素吸収タンク（１０）と連結される
ことを特徴とする装置。
【請求項７】
三次熱交換器（８）を更に含み、前記三次熱交換器（８）は空気入口、空気出口、温水出口端および温水返送端を含む気液間接熱交換器（８．１）を利用するものであり、前記空気入口は空気搬送用パイプライン（１７）を介して前記ヒートパイプ式熱交換器（１２）の加熱空気出口端と連結され、前記空気出口は排気用パイプライン（１８）を介して大気と連通し、前記温水出口端は循環水ポンプ（８．２）を介して前記炭素吸収タンク（１０）の水入口と連結され、且つ前記温水返送端は電磁弁（８．３）を介して前記炭素吸収タンク（１０）の水出口と連結される、ことを特徴とする請求項６の装置。
【請求項８】
前記炭素吸収タンク（１０）には温度センサ（８．４）および水位センサ（８．５）が設けられる、ことを特徴とする請求項７の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス発電所からの排気ガスの再生処理および利用に関し、特に、発電所からの排気ガスを使用して、野菜及び／または藻類へ熱エネルギおよび二酸化炭素を供給する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球上の石炭および石油資源が不足するにつれて、世界中の国々ではバイオエネルギ産業への投資を増加させており、また、バイオマスベースの発電所は一層普及している。バイオマスの燃焼による排気ガスは多量の水蒸気、１２〜２０％の二酸化炭素、また少量の一酸化炭素、二酸化硫黄、窒素酸化物および塵を含む。一方、排気ガスの温度は約１１０〜１４０℃であることから、排気ガスは多量の熱エネルギを含んでいる。計算結果によれば、３０ＭＷのバイオマスボイラタービンの正常な作動の間に、バイオマスボイラから排出される排気ガスは約６６２８５００ｋｃａｌ（７７１０ｋｗに等しい）もの熱エネルギを持つ。しかし、排気ガスが持つ熱エネルギのこの部分は、排気ガスの直接排出に付随して廃棄されてしまう。また、排気ガス中の多量の二酸化炭素は、連続して大気中に放出されるので、地球の気候温暖化や温室効果を引き起こす。
【０００３】
他方では、中国での大陸の気候特性、特に比較的長期に亘る冬季、寒波および少雨は明らかである。データによれば、中国での冬の気温は８〜１０℃であり、世界中の緯度が同じである他の地域よりも低く、冬の気候は揚子江地方では３〜４カ月、北中国では４〜５カ月続き、中国北東部および北西部では半年を超える。冬季に野菜を確実に供給するために、野菜用の温室はこれらの地域ではよく見られる。しかし、殆どの野菜用温室の加熱システムでは燃料として石炭を使用しており、石炭の燃焼は大掛かりであり、また熱エネルギ効率が低い。石炭燃料の燃焼により、深刻な廃棄および環境汚染問題を引き起こし、また、ガス中毒事故が頻繁に起きている。更に、熱供給が十分ではないので、冬の野菜は成長が遅く、野菜の値段が高騰してしまう。
【０００４】
研究によれば、中国での野菜用温室は主に、人口密度が高く農業が発展した地域に分布する一方、バイオマス発電所では主に、発電のために農業および林業廃棄物の燃焼を利用する。従って、野菜用温室およびバイオマス発電所の分布は基本的に同じである。冬季の野菜生産および熱供給問題を解決するための典型的な方法には、バイオマス発電所からの排気ガスを野菜用温室へ直接導入して、排気ガスおよび二酸化炭素により野菜の成長を促すことが含まれる。しかし、排気ガスは少量の有毒な一酸化炭素を含むことから、これは研究者達が取り組まなければならない問題である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の課題に鑑み、本発明の目的の一つは、発電所からの排気ガスを使用して、野菜及び／または藻類に熱エネルギおよび二酸化炭素を供給する方法および装置を提供する。本発明の方法および装置は、排気ガスの直接放出から生じるエネルギの浪費や環境汚染を減少させるために、石炭火力発電所やバイオマスボイラからの排気ガスを包括的に利用すると共に、野菜及び／または藻類の成長に必要な温度や適切な二酸化炭素濃度を満たす熱エネルギや二酸化炭素を供給して、野菜及び／又は藻類の成長を促し、成長サイクルを短縮させ、面積単位毎の生産量を増加させ、生産コストを下げ、企業や農家の収入を上げ、野菜の供給不足問題を解決することを対象とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、本発明の一実施形態によれば、発電所からの排気ガスを利用して、野菜および／または藻類に熱エネルギと二酸化炭素を供給する方法を提供する。本方法は以下の工程を含む。
【０００７】
１）発電所からの排気ガスを、排気ガス供給用パイプラインを介して一次熱交換器へ導入して、排気ガスと野菜用温室および／または藻類栽培ハウスの熱供給システムからの空気の間で第１間接熱交換を行うことにより、野菜用温室および／又は藻類栽培ハウスに加熱空気を供給する工程。
【０００８】
２）一次熱交換器での第１間接熱交換後の排気ガスの一部を、排気ガス搬送用パイプラインを介して二次熱交換器へ導入して、排気ガスと外気の間で第２間接熱交換を行うことにより、排気ガスの温度を更に低下させて、二酸化炭素の吸収を促す工程。
【０００９】
３）二次熱交換器での第２間接熱交換後の排気ガスを、ＣＯ２圧力スイング吸着装置に導入し、排気ガスから二酸化炭素を分離し、且つ二酸化炭素を保管のために二酸化炭素貯蔵タンクへ汲み上げる工程。
【００１０】
４）二酸化炭素貯蔵タンクからの二酸化炭素を、野菜および／および藻類の成長期の間に、野菜用温室および／または藻類栽培ハウスの炭素吸収タンクへ供給する工程。
【００１１】
本発明の改良として、工程２）において、外気は排気ガスにより加熱されると共に、三次熱交換器へ導入され、炭素吸収タンクの温水供給システムを循環する水と熱交換を行い、温水を炭素吸収タンクへ供給する。従って、排気ガスの廃熱は、藻類の成長に適当な温度の水を供給するように利用される。
【００１２】
本発明の改良として、工程１）において、発電所からの排気ガスの温度は１１０〜１４０℃であり、一次熱交換器での第１間接熱交換後の排気ガスの温度は８０〜９０℃であり、且つ、野菜用温室および／または藻類栽培ハウスに供給される加熱空気の温度は４０〜５０℃である。
【００１３】
本発明の改良として、工程２）において、二次熱交換器での第２間接熱交換後の排気ガスの温度は５０〜６０℃であり、排気ガスにより加熱される外気の温度は４０〜５０℃であり、且つ、炭素吸収タンクの水温は２５〜３５℃である。
【００１４】
本発明の改良として、工程４）において、二酸化炭素は、日の当たる時に一日一回供給される。野菜用温室の二酸化炭素濃度は６００〜１２００ｐｐｍに制御される。野菜用温室は、二酸化炭素を供給するために１．５〜２．０時間の間密封され、次に、除湿のために、換気用開口が開放される。従って、野菜の成長を促すのに適当な濃度の二酸化炭素が供給され、それにより、面積単位毎の野菜の生産量は大きく増加する。
【００１５】
本発明は、野菜および／または藻類に熱エネルギおよび二酸化炭素を供給する装置であって、本装置は、通風機と、通風機と連結される排気ガス供給用パイプラインと、一次熱交換器と、煙突と連結される排気ガス搬送用パイプラインと、二次熱交換器と、ＣＯ２圧力スイング吸着装置と、二酸化炭素貯蔵タンクを含む。
【００１６】
一次熱交換器は、ガス入口パイプライン、ガス出口パイプライン、空気入口パイプラインおよび空気出口パイプラインを含むシェルアンドチューブ熱交換器を利用する。ガス入口パイプラインは、第１圧力送風機を介して、排気ガス供給用パイプラインと連結される。ガス出口パイプラインは排気ガス搬送用パイプラインと連結される。空気入口パイプラインは第２圧力送風機を介して、野菜用温室および／または藻類栽培ハウスの熱供給システムの空気再利用パイプラインと連結される。空気出口パイプラインは、野菜用温室および／または藻類栽培ハウスの熱供給システムの空気出口パイプラインと連結される。
【００１７】
二次熱交換器は、冷気入口端、排気ガス入口端、および排気ガス出口端を含むヒートパイプ式熱交換器を利用する。冷気入口端は循環ポンプを介して外気と連通する。排気ガス入口端は圧縮機を介して排気ガス搬送用パイプラインと連結される。排気ガス出口端は、ＣＯ２圧力スイング吸着装置の入口端と連結される。ＣＯ２圧力スイング吸着装置の出口端は、真空ポンプを介して二酸化炭素貯蔵タンクと連結される。二酸化炭素貯蔵タンクはＣＯ２搬送管およびその内部の制御弁を介して、野菜用温室および／または藻類栽培ハウスの炭素吸収タンクと連結される。
【００１８】
本発明の改良として、本発明の装置は更に三次熱交換器を含む。三次熱交換器は空気入口、空気出口、温水出口端および温水返送端を含む気液間接熱交換器を利用する。空気入口は空気搬送用パイプラインを介して、ヒートパイプ式熱交換器の加熱空気出口端と連結され、空気出口は排出用パイプラインを介して大気と連通する。温水出口端は循環水ポンプを介して炭素吸収タンクの水入口と連結され、温水返送端は電磁弁を介して、炭素吸収タンクの水出口と連結される。
【００１９】
排気ガスが持つ熱エネルギは、排気ガスと空気の間の間接熱交換により取り出され、排気ガスが持つ二酸化炭素は、ＣＯ２圧力スイング吸着装置を使用して取り出される。本発明の効果は以下のとおりに要約される。
【００２０】
第１に、野菜用温室および／または藻類栽培ハウスに熱を供給するために、間接熱交換が使用される。排気ガス中の廃熱を完全に利用して熱供給システムの作動コストを低減させるだけでなく、熱を供給するための石炭燃料の消費を効果的に低減させることにより、エネルギの節約を実現する。間接熱交換は、農業生産地域の近くに分布するバイオマス発電所で特に利用が可能である。
【００２１】
第２に、排気ガスが持つ二酸化炭素は抽出され、野菜用温室および／または藻類栽培ハウスの炭素吸収タンクに供給されることから、排気ガス中の少量の有毒成分が野菜および／藻類を汚染することが阻止され、野菜および／藻類の成長が大きく促され、且つ、冬の間の野菜不足問題が解消される。
【００２２】
第３に、排気ガス中の廃熱および二酸化炭素が野菜や他のバイオマスにより取り出された後、排気ガスの直接排出により生じるエネルギの浪費や環境汚染が効果的に阻止され、温室効果が緩和される。加えて、野菜用温室や藻類栽培ハウスから生じるバイオマスは、次に発電所の燃料として使用されることから、有益な循環が形成される。
【００２３】
本発明を添付の図面を参照して以下に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】野菜および／または藻類に熱エネルギと二酸化炭素を供給する装置の構造図。
【図２】図１の一次熱交換器を示す構造図。
【図３】図１の三次熱交換器を示す構造図。
【図４】図１のＣＯ２圧力スイング吸着装置を示す構造図。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明を図面と併せて更に説明する。
【００２６】
図１〜図４に示すように、野菜および／または藻類に熱エネルギおよび二酸化炭素を供給する装置は、第１に、通風機３および通風機３と連結されバイオマス発電所のボイラから排気ガスを取り出す排気ガス供給用パイプライン４と、第２に、煙突２と連結され熱交換処理後の余剰排気ガスを排出する排気ガス搬送用パイプライン１と、第３に、クリーンな空気を含む排気ガスと水の間で間接熱交換を行い、野菜用温室６および藻類栽培ハウス９に熱と温水を供給する一次熱交換器５、二次熱交換器１２および三次熱交換器８と、第４に、ＣＯ２圧力スイング吸着装置１４および二酸化炭素貯蔵タンク１６を含む。ＣＯ２圧力スイング吸着装置１４は、シリカゲルまたは活性炭を吸着剤として使用する従来技術に属するものである。二酸化炭素はＣＯ２圧力スイング吸着装置１４により圧力差を用いて取り出され、野菜用温室６または藻類栽培ハウス９の炭素吸収タンク１０に補給される。
【００２７】
一次熱交換器５はシェルアンドチューブ熱交換器５．１を使用するものであり、シェルアンドチューブ熱交換器５．１は、ガス入口パイプライン５．３と、ガス出口パイプライン５．４と、空気入口パイプライン５．６と、空気出口パイプライン５．７を含む。ガス入口パイプライン５．３は第１圧力送風機５．２を介して、排気ガス供給用パイプライン４と連結される。ガス出口パイプライン５．４は排気ガス搬送用パイプライン１と連結される。空気入口パイプライン５．６は第２圧力送風機５．５を介して、野菜用温室６および／または藻類栽培ハウス９の熱供給システムの空気再利用パイプラインと連結される。空気出口パイプライン５．７は、野菜用温室６および／または藻類栽培ハウス９の熱供給システムの空気出口パイプラインと連結される。従って、野菜用温室６および／または藻類栽培ハウス９中の空気は、シェルアンドチューブ熱交換器５．１により、排気ガスからの熱エネルギを吸収して、熱エネルギを野菜または藻類に供給する。
【００２８】
二次熱交換器１２は、冷気入口端と、排気ガス入口端と、排気ガス出口端を含むヒートパイプ式熱交換器１２を使用する。冷気入口端は、循環ポンプ１３を介して外気と連通する。排気ガス入口端は、圧縮機１１を介して排気ガス搬送用パイプライン１の分岐と連結され、一次熱交換器５の処理後の排気ガスの一部を取り出し、その排気ガスをＣＯ２吸収に適当な温度に冷却する。排気ガス出口端はＣＯ２圧力スイング吸着装置１４の入口端と連結される。ＣＯ２圧力スイング吸着装置１４の出口端は、真空ポンプ１５を介して、二酸化炭素貯蔵タンク１６と連結される。二酸化炭素貯蔵タンク１６は、ＣＯ２搬送管７およびその内部に載置される制御弁１９を介して、野菜用温室６および／または藻類栽培ハウス９の炭素吸収タンク１０と連結され、二酸化炭素を野菜または藻類に補給する。ＣＯ２濃度検出器６．１は野菜用温室６内に配置され、制御弁１９の開放および閉鎖を自動制御する。
【００２９】
三次熱交換器８は、空気入口と、空気出口と、温水出口端と、温水返送端を含む一般的な気液間接熱交換器８．１を使用する。空気入口は、空気搬送用パイプライン１７を介して、ヒートパイプ式熱交換器１２の加熱空気出口端と連結され、且つ、空気出口は排気用パイプライン１８を介して、大気と連通する。温水出口端は、循環水ポンプ８．２を介して、炭素吸収タンク１０の水入口と連結され、且つ、温水返送端は、電磁弁８．３を介して、炭素吸収タンク１０の水出口と連結される。従って、温水循環ループが形成され、一定の温水が炭素吸収タンク１０内の藻に供給される。炭素吸収タンク１０には温度センサ８．４および水位センサ８．５が設けられており、電磁弁８．３を自動的に開放および閉鎖する。
【００３０】
本発明の野菜および／または藻類に熱エネルギおよび二酸化炭素を供給する装置のワークフローは以下のとおりである。
【００３１】
１）発電所からの温度が１１０〜１４０℃である排気ガスは、通風機３により、排気ガス供給用パイプライン４を介してシェルアンドチューブ熱交換器５．１に取り出され、野菜用温室６および藻類栽培ハウス９の熱供給システムからの空気と第1間接熱交換を行った。空気は４０〜５０℃の温度に加熱され、野菜および藻類に熱を供給するために、野菜用温室６および藻類栽培ハウス９へ直接搬送された。熱供給システムは、野菜を急速に成長させるための要件を満たすために、野菜用温室６を昼間は２０〜２８℃の温度に、また夜間は１４〜１８℃の温度に制御するように調節された。
【００３２】
２）シェルアンドチューブ熱交換器５．１による熱交換後の排気ガスの温度は８０〜９０℃であった。排気ガスの一部は、排気ガス搬送用パイプライン１を通り、煙突２から排出された。残りの排気ガスは、圧縮機１１の作用により、排気ガス搬送用パイプライン１の一つの分岐を通りヒートパイプ式熱交換器１２に搬送され、循環ポンプ１３からの外気と第２間接熱交換を行った。外気は４０〜５０℃の温度に加熱された。
【００３３】
３）ヒートパイプ式熱交換器１２による処理後の排気ガスは、温度が５０〜６０℃であり、ＣＯ２圧力スイング吸着装置１４に搬送された。ＣＯ２圧力スイング吸着装置１４はシリカゲルまたは活性炭を吸着剤として使用した。二酸化炭素は間欠可変圧力の作用を受けて取り出され、真空ポンプ１５により、二酸化炭素貯蔵タンク１６へ搬送され保管された。
【００３４】
４）ヒートパイプ式熱交換器１２により加熱された後の外気は、空気搬送用パイプライン１７を通り、気液間接熱交換器８．１に搬送されて、炭素吸収タンク１０の温水供給システム内を循環する水と熱交換を行った。炭素吸収タンク１０の水温は、藻類の成長を促すように、２５〜３５℃の温度に保たれた。温度センサ８．４および水位センサ８．５を使用して、炭素吸収タンク１０の水温および水位が監視された。水温が３５℃に達すると共に水位が予め定められた高さに達すると、炭素吸収タンク１０の循環水用パイプラインに配置された電磁弁８．３が閉鎖され、且つ、気液間接熱交換器８．１の作動が停止させられた。水温が２５℃を下回ると、電磁弁８．３は開放され、且つ、気液間接熱交換器８．１は再び作動が開始された。
【００３５】
５）野菜および藻類の成長サイクルの間に、ＣＯ２貯蔵タンク内の二酸化炭素は、必要に応じて、野菜用温室６および藻類栽培ハウス９の炭素吸収タンク１０へ充填された。野菜用温室６については、二酸化炭素は、日の当たる間に一日一度充填された。ＣＯ２濃度検出器６．１を使用して、野菜用温室６内のＣＯ２濃度の実時間監視が行われ、且つ、内部のＣＯ２濃度は、制御弁１９を自動で開放または閉鎖することにより、８００〜１０００ｐｐｍの範囲内に制御された。野菜用温室が１．５〜２．０時間閉鎖された後、除湿のために、換気用開口が開放された。キュウリやセロリなどの小ロットの野菜の栽培から分かるように、バイオマス発電所の排気ガスからの熱エネルギおよび二酸化炭素を利用することにより、キュウリおよびセロリの単位面積毎の生産量は、夫々２６．６％および３９．３％向上した。
【符号の説明】
【００３６】
１    排気ガス搬送用パイプライン
２    煙突
３    通風機
４    排気ガス供給用パイプライン
５    一次熱交換器
６    野菜用温室
７    ＣＯ２搬送管
８    三次熱交換器
９    藻類栽培ハウス
１０  炭素吸収タンク
１１  圧縮機
１２  二次熱交換器（ヒートパイプ式熱交換器）
１３  循環ポンプ
１４  ＣＯ２圧力スイング吸着装置
１５  真空ポンプ
１６  二酸化炭素貯蔵タンク
１７  空気搬送用パイプライン
１８  排気用パイプライン
１９  制御弁
【図１】
0005681325.tif 000002
【図２】
0005681325.tif 000003
【図３】
0005681325.tif 000004
【図４】
0005681325.tif 000005