(57)【要約】【課題】バイオマス資源を段階的に処理して、残渣を生じることなく、メタンガス、炭化物、水素ガスを効率よく生成・回収する複合型メタン発酵炭化方法およびシステムを提供する。【解決手段】本発明の複合型メタン発酵炭化システム１は、バイオマス資源を処理し、メタンガスを含む生成ガスおよび残渣を生成し、生成ガスを回収するメタン発酵装置２と、メタン発酵装置２で生成した残渣を処理し、炭化物、メタンガスを含む生成ガスおよび残渣を生成し、生成した炭化物と生成ガスを回収する低温炭化装置３と、低温炭化装置３で生成した残渣を処理し、生成した炭化物および高濃度水素ガスを回収する高温炭化装置４とを具えることを特徴とする。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を８０〜１００℃に加熱し、生成したメタンガスを含む生成ガスを回収するメタン発酵工程と、
メタン発酵工程で生成した残渣を１４０〜２８０℃に加熱し、生成した炭化物およびメタンガスを含む生成ガスを回収する低温炭化工程と、
低温炭化工程で生成した残渣を３００〜５８０℃に加熱し、生成した炭化物および高濃度水素ガスを回収する高温炭化工程と、
を具えることを特徴とするバイオマス資源等を利用した複合型メタン発酵炭化方法。
【請求項２】
植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を処理し、メタンガスを含む生成ガスおよび残渣を生成し、生成ガスを回収するメタン発酵装置と、
メタン発酵装置で生成した残渣を処理し、炭化物、メタンガスを含む生成ガスおよび残渣を生成し、生成した炭化物と生成ガスを回収する低温炭化装置と、
低温炭化装置で生成した残渣を処理し、生成した炭化物および高濃度水素ガスを回収する高温炭化装置と、
を具えることを特徴とするバイオマス資源等を利用した複合型メタン発酵炭化システム。
【請求項３】
請求項２記載の複合型メタン発酵炭化システムにおいて、
メタン発酵装置で生成した生成ガス中のメタンガスを利用して発電を行う発電手段をさらに具え、この発電手段によって生じた電力を、各装置に供給する複合型メタン発酵炭化システム。
【請求項４】
請求項２記載の複合型メタン発酵炭化システムにおいて、
メタン発酵装置で生成した生成ガス中のメタンガスを、低温炭化装置および／または高温炭化装置の炭化用燃料ガスとして利用する複合型メタン発酵炭化システム。
【請求項５】
請求項２、３または４記載の複合型メタン発酵炭化システムにおいて、
高温炭化装置で生成した高濃度水素ガスを利用する水素燃料電池をさらに具える複合型メタン発酵炭化システム。
【請求項６】
請求項２〜５のいずれか１項記載の複合型メタン発酵炭化システムにおいて、
メタン発酵装置や低温炭化装置で生成される生成ガス中に含まれるアンモニアおよび硫化水素を熱分解して水素ガスを回収するガス変換装置をさらに具える複合型メタン発酵炭化システム。
【請求項７】
請求項６記載の複合型メタン発酵炭化システムにおいて、
アンモニアは１８４℃以上に加熱することによって熱分解し、硫化水素は、１１００℃以上に加熱することによって熱分解する複合型メタン発酵炭化システム。
【請求項８】
請求項６または７記載の複合型メタン発酵炭化システムにおいて、
硫化水素およびアンモニアの熱分解は、過熱水蒸気を用いて行う複合型メタン発酵炭化システム。
【請求項９】
請求項２〜８のいずれか１項記載の複合型メタン発酵炭化システムにおいて、
高温炭化装置で残渣が生成される場合には、この残渣を高温溶融して無害化する溶融炉をさらに具える複合型メタン発酵炭化システム。
【請求項１０】
請求項９記載の複合型メタン発酵炭化システムにおいて、
前記溶融炉で生成した高温ガスや排熱を、各装置の熱源やガス燃料として利用する複合型メタン発酵炭化システム。
【請求項１１】
請求項２〜１０のいずれか１項記載の複合型メタン発酵炭化システムにおいて、
高温炭化装置の排熱を利用してメタン発酵装置で生成した残渣を乾燥させて、残渣中の水分を蒸発させる複合型メタン発酵炭化システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を段階的に処理して、残渣を生じることなく、メタンガス、炭化物、水素ガスを効率よく生成・回収するバイオマス資源等を利用した複合型メタン発酵炭化方法およびシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、バイオマス資源からメタン（ＣＨ４）ガスを発生させて回収する手段として、図１に示すようなメタン発酵設備２０がある。
【０００３】
しかしながら、かかるメタン発酵装置２０は、投入したバイオマスの約９０％が残渣として排出され、その残渣を処理する方法が重大な問題となっている。
【０００４】
すなわち、現在の残渣処理方法としては、ストーカー炉やロータリーキルン流動床炉などの処理施設２１で溶融処理をしているが、エネルギーを無駄にしてしまい、効率よくエネルギーを回収できるものではなく、加えて、設備も大型化する必要があった。
【０００５】
また、メタン発酵装置２０のみの稼動であると、メタン発酵が生じる温度に加熱・保持するための熱源として、高コストである灯油、重油、天然ガスあるいは電気などを用いる必要があった。
【０００６】
加えて、重油を使用した場合には、窒素酸化物、硫黄酸化物、二酸化炭素などの好ましくないガスが発生し、これらのガスは、地球温暖化の原因となるため好ましくない。
【０００７】
さらに、メタン発酵装置２０で生成されてガスホルダ２２に回収されたガス中には、メタンガスだけでなく、アンモニアや硫化水素のような有害ガスも含まれており、これらの有害ガスを処理するため、有害ガス除去装置２３を設けて、メタンガスと有害ガスを分離して、メタンガスのみをガス発電設備２４等に有効利用し、アンモニアや硫化水素のような有害ガスは無害化するための処理を施してから廃棄処分されていた。
【０００８】
しかしながら、従来では、これらの有害ガスを硫化アンモニア肥料に改質して使用したり、アンモニアを過酸化窒素にし、大規模な設備で窒素に分解してから廃棄処分をしていたため、処理コストの増大を招いていた。
【０００９】
また、低温炭化装置においても、原料であるバイオマス資源を投入しても、４０％程度の残渣が発生し、２０〜３０％の炭化物と３０％前後のメタンガスを回収し、残渣は前述したのと同様な溶融処理を行っており、加えて、単独での稼動なため、燃料を購入する必要があり、ランニングコストが高くなるという問題を抱えていた。
【００１０】
さらに、高温炭化設備においては、バイオマス資源を投入してもメタンガスは発生せず、水素ガスのみしか回収できず、結果として効率よくエネルギー資源を有効に回収できず、必要なエネルギー資源を得るためには大規模な設備にする必要があった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を段階的に処理して、残渣を生じることなく、メタンガス、炭化物、水素ガスを効率よく生成・回収するバイオマス資源等を利用した複合型メタン発酵炭化方法およびシステムを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の複合型メタン発酵炭化方法は、植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を８０〜１００℃に加熱し、生成したメタンガスを含む生成ガスを回収するメタン発酵工程と、メタン発酵工程で生成した残渣を１４０〜２８０℃に加熱し、生成した炭化物およびメタンガスを含む生成ガスを回収する低温炭化工程と、低温炭化工程で生成した残渣を３００〜５８０℃に加熱し、生成した炭化物および高濃度水素ガスを回収する高温炭化工程とを具えることにある。
【００１３】
また、本発明の複合型メタン発酵炭化システムは、植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を処理し、メタンガスを含む生成ガスおよび残渣を生成し、生成ガスを回収するメタン発酵装置と、メタン発酵装置で生成した残渣を処理し、炭化物、メタンガスを含む生成ガスおよび残渣を生成し、生成した炭化物と生成ガスを回収する低温炭化装置と、低温炭化装置で生成した残渣を処理し、生成した炭化物および高濃度水素ガスを回収する高温炭化装置とを具えることにある。
【００１４】
加えて、上記複合型メタン発酵炭化システムは、（１）メタン発酵装置で生成した生成ガス中のメタンガスを利用して発電を行う発電手段をさらに具え、この発電手段によって生じた電力を、各装置に供給すること、（２）メタン発酵装置で生成した生成ガス中のメタンガスを、低温炭化装置および／または高温炭化装置の炭化用燃料ガスとして利用すること、または（３）これら（１）および（２）の双方を具備することが好ましい。
【００１５】
さらに、上記複合型メタン発酵炭化システムは、高温炭化装置で生成した高濃度水素ガスを利用する水素燃料電池をさらに具えることが好ましい。
【００１６】
さらにまた、上記複合型メタン発酵炭化システムは、メタン発酵装置や低温炭化装置で生成される生成ガス中に含まれるアンモニアおよび硫化水素を熱分解して水素ガスを回収するガス変換装置をさらに具えることが好ましく、アンモニアは１８４℃以上に加熱することによって熱分解し、硫化水素は、１１００℃以上に加熱することによって熱分解すること、および／または、硫化水素およびアンモニアの熱分解は、過熱水蒸気を用いて行うことがより好適である。
【００１７】
加えて、高温炭化装置で残渣が生成される場合には、この残渣を高温溶融して無害化する溶融炉をさらに具えることが好ましく、また、前記溶融炉で生成した高温ガスや排熱は、各装置の熱源やガス燃料として利用することがより好適である。
【００１８】
さらに、高温炭化装置の排熱を利用してメタン発酵装置で生成した残渣を乾燥させて、残渣中の水分を蒸発させることが好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に従う複合型メタン発酵炭化システムを図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の代表的な複合型メタン発酵炭化システムのフローチャートを示したものである。
【００２０】
本発明の複合型メタン発酵炭化システム１は、主に、メタン発酵装置２と、低温炭化装置３と、高温炭化装置４とを具えている。
【００２１】
メタン発酵装置２は、植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を利用し、このバイオマス資源を８０〜１００℃に加熱し、メタンガスを含む生成ガスを生成する装置である。メタン発酵装置２で生成されるメタンガスを含む生成ガスは、投入したバイオマス資源全体の５％程度であり、回収されてガスホルダ５に送られ、残りの９５％は残渣であり、かかる残渣は、後工程の低温炭化装置３のバイオマス資源（原料）として使用するため、メタン発酵装置２の処理では、残渣は全く生じない。
【００２２】
ガスホルダ５に送られた生成ガスは、ガス変換装置７で、メタン（ＣＨ４）ガスと、アンモニア（ＮＨ３）ガスおよび硫化水素（Ｈ２Ｓ）ガスとを分離した上で、メタンガスは、例えば、ガス発電設備８の燃料ガスとして利用し、かかるガス発電設備８の発電で得られる電力を、低温炭化装置３、高温炭化装置４、後述する炭化生成装置９等の各装置に供給すれば、大幅なエネルギーコストの削減が期待できる。また、メタンガスは、低温炭化装置３や高温炭化装置４における炭化用の燃料ガスとして利用することができ、この場合には、新たな燃料ガスの消費量を削減することができる。さらに、図１に示すように、ガスホルダ５に送られた生成ガスを、炭化用の燃料ガスとして低温炭化装置３等を用いてもよい。
【００２３】
また、ガス変換装置７で分離されたアンモニア（ＮＨ３）ガスおよび硫化水素（Ｈ２Ｓ）ガスについては、その後、図示しない方法で、アンモニアは１８４℃以上に加熱することによって窒素ガスと水素ガスに熱分解して無害化し、硫化水素は、１１００℃以上に加熱することによって、硫黄（粉末）と水素ガスに熱分解して無害化し、熱分解した水素ガスは、例えば、図１に示すような水素燃料電池１２に有効利用すればよく、また、硫黄は、例えば鉄や非鉄の精錬中のＳ成分の調整に利用することができる。
【００２４】
また、硫化水素およびアンモニアの熱分解は、過熱水蒸気を熱源として用いて行うことが好ましい。過熱水蒸気の原料となる水は、燃料ガスを用いた場合のような環境汚染物質を生成する恐れがなく、また、高温化でも扱いやすい物質であるからである。
【００２５】
低温炭化装置３は、メタン発酵装置２で生成した残渣を原料として用い、かかる残渣は、必要に応じて、乾燥装置６で、１８０℃以上、好適には１８０〜２００℃の温度で水分を蒸発させて乾燥させてから、１４０〜２８０℃に加熱し、炭化物、メタンガスを含む生成ガスおよび残渣を生成する装置である。
【００２６】
低温炭化装置３で生成されるメタンガスを含む生成ガスは、回収されてガスホルダ１０に送られ、ガスホルダ１０に送られた生成ガスは、ガス変換装置１１で、メタン（ＣＨ４）ガスと、アンモニア（ＮＨ３）ガスおよび硫化水素（Ｈ２Ｓ）ガスとを分離した上で、メタンガスは、例えば、ガス発電設備８の燃料ガスとして利用し、かかるガス発電設備８の発電で得られる電力を、この低温炭化装置３自体の利用する場合の他、高温炭化装置４、後述する炭化生成装置９等の各装置に供給すれば、大幅なエネルギーコストの削減が期待できる。また、メタンガスは、この低温炭化装置３自体の他、高温炭化装置４における炭化用の燃料ガスとして利用することができ、この場合には、新たな燃料ガスの消費量を削減することができる。
【００２７】
加えて、ガス変換装置１１で分離されたアンモニア（ＮＨ３）ガスおよび硫化水素（Ｈ２Ｓ）ガスについては、上述したガス変換装置７と同様に処理することができる。
【００２８】
なお、低温炭化装置３で炭化しきれなかったバイオマス資源は、残渣となるが、この発明では、この残渣を高温炭化装置４のバイオマス資源（原料）として使用するため、低温炭化装置３の処理では、残渣は全く生じない。
【００２９】
高温炭化装置４は、低温炭化装置３で生成した残渣を、３００〜５８０℃に加熱し、炭化物および高濃度水素ガス（具体的には４０％以上の水素ガス）を生成する装置であり、残渣はほとんど生じない。しかしながら、高温炭化装置で残渣が生成される場合には、図示しない溶融炉、例えば残渣を１０００℃以上で高温溶融させる還元ガス化溶融炉をさらに設けて、この残渣を高温溶融して無害化することが好ましく、このように構成すれば、高温炭化装置で残渣が生成したとしても、この残渣を溶融炉で完全無害化できるので、システムとしては残渣が全く生じないことになる。
【００３０】
生成した高濃度水素ガスは、ガスホルダ１３に送られた後、例えば、図１に示すような水素燃料電池１２に有効利用すればよい。
【００３１】
加えて、高温炭化装置４で生成した排熱を、例えば図１に示すように、乾燥装置６の熱源として利用して、メタン発酵装置２で生成した残渣を乾燥させて、残渣中の水分を蒸発させることがエネルギーコストを削減する点で好ましい。
【００３２】
同様に、前記溶融炉を配設する場合にも、かかる溶融炉で生成した高温ガスや排熱を、各装置の熱源やガス燃料として利用すれば、さらにより一層エネルギーコストを削減できる。
【００３３】
また、低温炭化装置３および高温炭化装置４で生成される炭化物１４は、炭化生成装置９で原料として用い、コークス代替燃料１５を製造することができる。
【００３４】
上述したところは、この発明の実施形態の一例を示したにすぎず、請求の範囲において種々の変更を加えることができる。
【００３５】
【発明の効果】
この発明によれば、植物、畜産物、魚介類またはそれらの廃棄物、あるいは生ゴミや畜産物の糞などの汚物を含むバイオマス資源を段階的に処理して、残渣を生じることなく、メタンガス、炭化物、水素ガスを効率よく生成・回収するバイオマス資源等を利用した複合型メタン発酵炭化方法およびシステムの提供が可能になった。
【００３６】
しかも、この発明では、バイオマス資源を段階的に適正に処理することにより、小規模設備でエネルギー（資源）を高効率で回収することができ、エネルギー（資源）を各装置内で有効利用することによって、低コストでのバイオマス資源の処理を行うことができるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従う代表的な複合型メタン発酵炭化システムのフローチャートを示したものである。
【図２】従来のメタン発酵設備のみでバイオマス資源を処理したときの概略フローチャートを示したものである。
【符号の説明】
１  複合型メタン発酵炭化システム
２  メタン発酵装置
３  低温炭化装置
４  高温炭化装置
５  ガスホルダ
６  乾燥装置
７  ガス変換装置
８  ガス発電設備
９  炭化生成装置
１０  ガスホルダ
１１  ガス変換装置
１２  水素燃料電池
１３  ガスホルダ
１４  炭化物
１５  コークス代替燃料
【図１】
2004249247.tif 000003
【図２】
2004249247.tif 000004