(57)【要約】      （修正有）【課題】植物の施設栽培において、果実等を収穫後に残る植物残渣を、発電機エンジンのエネルギー源として利用して電力に変換するとともに、該発電機エンジンの廃熱を施設栽培が必要とする熱源として、また該エンジン排気ガスを施設栽培の区画内に二酸化炭素の補給を行うコジェネレーションシステムを構成する。【解決手段】植物栽培施設１から外部へ排出される植物の残渣３は、一時的に保管するホッパー３、残渣粉砕機６を経てスラリー状になり、加熱器７、水熱ガス化反応器８を経て、汽水分離器９へ送られる。ここで取り出されたガスは、外部からの燃焼ガスを混合してガスエンジン１３に供給される。ガスエンジンからの排気ガスは、圧力調整手段１８を経て植物栽培施設に供給される。ガスエンジンの廃熱は、植物栽培施設内の放熱器１５に供給される。【選択図】  図１
2005341953.tif 000002
【特許請求の範囲】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は外界環境と区画した環境で野菜、果物等の植物を栽培する施設栽培において発生する植物残渣を再利用する技術に関する。
【背景技術】
【特許文献１】  特開２００１−２９２６４０号広報
【特許文献２】  特平１１−２７５９６５号広報
【非特許文献１】  「バイオマスハンドブック」  平成１４年９月２０日発行  編者  社団法人  日本エネルギー協会、  発行者  株式会社オーム
【０００１】  コジェネレーションシステムは、発電機駆動原動機により発電を行うとともに、原動機駆動により発生する排熱を回収して、冷暖房や給湯などに使うことにより総合効率を改善する発電システムである。ところで、温室又はビニルハウス等外界環境から区画した環境において果物、野菜等を栽培する施設栽培においては、施設内の温度、照明、二酸化炭素濃度等を人為的に調整し、季節に関係なく作物の収穫を可能とし、また作物に適合した環境を作ることによって、市場における価値を高めるとともに、単位面積あたりの収穫量を増加する効果をあげている。このような栽培施設内環境を植物栽培に適したものとするには、施設維持や日照時間調整用の照明設備電力とともに暖房用にエネルギーを必要とするので、コジェネレーションシステムの適用は施設栽培におけるエネルギーコスト増加を抑制する効果が期待できる。【０００２】  さらに、施設栽培用区画内では、大気との流通が制限されることから栽培植物の炭酸同化作用により消費される二酸化炭素ガスの大気からの供給が制限される結果、二酸化炭素不足を生ずるので、大気以外から二酸化炭素を補給する手段が必要となる。コジェネジェネレーションの発電機駆動原動機の排ガス中に含まれる二酸化炭素ガス（一酸化炭素ガスを酸化反応させて二酸化炭素ガスとしたものも含む）の利用により、施設栽培区画内において不足する二酸化炭素の不足量補充が可能である。【０００３】  かかる問題に対処する技術として、「特許文献１」に開示されているようにボイラーの燃焼排ガス中の二酸化炭素ガスを浄化して栽培施設に供給する方法がある。また、「特許文献２」においては、バイオマス物質を生物学的方法により分解、ガス化し、ガス化過程で排出される炭酸ガスを栽培施設に供給するとともに、発生ガスにより燃料電池を運転して発生する電気出力と熱を栽培施設の照明や暖房等の必要エネルギーとして利用する技術が提案されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  施設栽培は、前記したエネルギーコスト増加および大気からの二酸化炭素ガス供給量不足を補充する手段を必要とすることが問題点であるが、さらに栽培植物の残渣（以下、栽培植物を構成する部分のうち、そのままの形態では商用、食用等産業上の利用が困難な部分、例えば、規格外果実、葉、茎、根等の部分を残渣と呼ぶ）の処理も問題である。例えばトマト栽培を例にとると、利用できるトマト果実の重量と残渣の重量はほぼ同量である。現在のところ、これら残渣は焼却か、農地への鋤き込みにより処理しているが、環境への悪影響があるばかりでなく、鋤き込みに必要な農地の確保を必要とするので、本来農地単位面積当りの収穫量増大を目的の一つとする施設栽培において、残渣処理の用地を余分に必要とする矛盾が生じている。残渣処理の問題は、トマト以外の施設栽培植物、例えばきゅうり、なす等果実を目的とする施設栽培に共通する。【０００５】さらに、施設栽培の残渣処理については、施設栽培における主要作物の残渣は多量の水分を含むこと、および収穫期の終わりから時間をおかず次期の栽培植物植え替えを行うために収穫後の残渣処理を一時に大量に行う必要性があることを考慮しなければならない。ちなみに典型的な施設栽培作物であるであるトマトの残渣は４０％から８０％程度の水分を含む。【０００６】  従来技術、例えば前記｛特許文献１｝は栽培施設にボイラーからの排気ガスを利用して二酸化炭素を供給する課題に答えてはいるが、ボイラー運転の燃料を必要とし、栽培に要するエネルギーコスト増加となるばかりでなく、前記した残渣処理には対応できない。【０００７】  前記「特許文献２」はバイマスを生物学的方法によりガス化する技術に基づくものであって反応が遅いため、一時に大量に発生する残渣の処理にはガス化反応容器が巨大なものとなり、実用に適さない場合がある。【０００８】  本発明は、施設栽培から発生する残渣処理をするにあたり、それらを燃焼処理する場合の環境への悪影響や、土地への鋤き込み処理する場合の土地利用効率低下を防止し、他方において、それら残渣を施設栽培において必要とする電気的及び熱的エネルギー供給、並びに二酸化炭素補給に植物残渣を再利用するコジェネレーションシステムを実用化するうえでの問題点の解決を課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  請求項１に記載する発明は、前記した課題である、施設栽培において発生する大量で、かつ水分含有量の多い植物残渣を短時間に、小容量の設備によって分解処理し、再利用するために、水熱ガス化プロセスを採用し、該プロセスにより、植物残渣を分解して得られた可燃性ガスを利用してガスエンジンを駆動するコジェネレーションシステムを構成することを特徴とする。【００１０】  「非特許文献１」第２部７章、１２５および１２６ページに記述されているように、水熱ガス化プロセスとは、高温、高圧下で水熱状態（水の臨界温度、臨界圧力にある水の状態であって、水が液体か気体か区別できない状態にあること。すなわち、温度６４７Ｋ以上及び圧力２２．１ＭＰａ以上である状態）にある水の中でバイオマス（動植物に由来する有機物であってエネルギーとして利用できるもの。本発明においては施設栽培の残渣を言う）を熱分解して、可燃性ガスを生成する反応（水熱ガス化反応と言う）を行うプロセスである。水熱状態においては、水が反応性に富むので、反応が迅速であり、残渣中に含まれる水分も反応に寄与するので、水分含有の多い残渣の処理に当たって事前処理としての残渣の乾燥工程を必要としない。【００１１】  前記水熱ガス化反応を行う水熱ガス化反応装置には細い管状の反応器が使用されること、及び反応を迅速に行わせるためにも、反応物質である残渣は砕片に砕かれ、残渣の含有水分と混合したスラリー状にする処理が必要であって、水熱ガス化反応装置の前段階設備として粉砕スラリー化装置を設置する。【００１２】  前記水熱ガス化反応装置により水と可燃性ガスの混合物として得られた生成物は分離回収手段、例えば汽水分離装置により可燃性ガスと水に分離される。可燃性ガスは主としてメタンであり、ガスエンジン（可燃性ガスを燃料とする内燃機関及びガスタービンを含む）の燃料として使用され、それらエンジン又はタービンに接続された発電機を駆動し、電気エネルギーに変換される。【００１３】  ガスエンジンの燃焼排気ガスは、熱交換器を通過し、冷媒（一般的には冷却水）に熱エネルギーを与えて冷却される。冷却後の排気ガスはさらに窒素酸化物等有害成分除去手段を経由して施設栽培の区画内へ放出され、施設内で育成される植物の炭酸同化作用によって希薄化した二酸化炭素ガスを補充する。【００１４】  ガスエンジンのシリンダー等の冷却用冷媒（一般的には水）が得た熱エネルギーと、前記排ガスの熱交換器の冷媒が得た熱エネルギーは、栽培施設の温度調整、主として暖房用の熱エネルギーとして利用される。【００１５】  植物残渣発生時期が該作物植物の収穫終了時期に集中するので、残渣を再利用することが可能な期間が限定される。また残渣の発生量が変動し残渣のみでは必要電力、熱等が供給できない時期もある。また、前記水熱ガス化反応装置起動時に必要なエネルギーを外部から供給することも必要である。このような場合に都市ガス等の燃料ガスを外部から取り入れ、補給して該コジェネレーションシステムを運転できるようにする手段を設ける。【００１６】  請求項２に係わる発明は、植物残渣を圧搾手段により水分を減少させた後、固形分をボイラーで燃焼させ、ボイラーが発生した蒸気を利用して蒸気ター��ンを運転して、それに結合された発電機を駆動して栽培施設に必要な電力を得るとともに、ボイラーの燃焼排気ガスを廃熱ガスの熱交換器へ導き冷却し、さらに窒素酸化物等有害成分をそれらの除去手段を経由して、栽培施設区画内に放出するよう構成したコジェネレーションシステムに関する発明である。【００１７】  前記ボイラー排気ガス冷却熱交換器の冷却水は栽培施設に対する暖房用温水として利用する。
【発明の効果】
【００１８】  一時的にかつ大量に発生する高い水分含有率を有する施設栽培の植物残渣を小容量の設備によって短時間に可燃性ガスに転換することを可能とする水熱ガス化プロセスを適用し、該プロセスで転換生成したガスをガスエンジンにより構成したコジェネレーションシステムの燃料として再利用する。コジェネレーションシステムのガスエンジン廃熱及びガスエンジン駆動発電機の発生する電力を栽培施設維持用のエネルギー源として利用し、また、ガスエンジン排気ガスを栽培施設内の二酸化炭素補充による収量増加に利用する。前記したように構成した「請求項１」に係る発明は、施設栽培植物残渣の再利用による環境汚染の防止、エネルギー利用及び栽培植物収量増加を小規模な施設で、かつ残渣発生状況に適合して形態で可能とするものである。【００１９】  「請求項２」に係わる発明の効果は、水分含有率の高い植物残渣を事前処理の工程において圧搾し含有水分を減少させた後ボイラーで燃焼させ、発生蒸気を利用してタービン発電機を駆動して施設栽培の必要電力を供給し、該タービン復水器等の冷却水やボイラー排気ガス冷却熱交換器冷却水等を利用した栽培施設への熱エネルギーの供給を行うとともに、ボイラー排気ガスから取り出した二酸化炭素ガスを同施設内に供給するものであり、より簡単な設備構成により施設栽培における植物残渣の再利用のよる環境汚染防止、エネルギー利用、栽培植物収量増加を可能とする効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】  図１に「請求項１」に係わる実施形態を示す。図１において、施設栽培区画１はガラス、塩化ビニル又は他の適当な材料の壁、屋根材で外界と区画されている。栽培区画１内では植物が栽培され、収穫終了時には、それら植物の残渣２が施設区画１から外部へ搬出される。ホッパー３は排出残渣を一時的に保管する容器である。【００２１】ホッパー３底部から貯蔵された残渣を切り出し、次の工程へ送るカッターフィーダー５により、残渣粉砕機６に送られる。粉砕された残渣は残渣に含有された水分と混合しスラリー状になり次の工程である加熱器７に送られる。加熱器７で所要温度に加熱された後、水熱ガス化反応器８において、水ガス混合状態になり、汽水分離器９において、ガスと水の分離が行われる。【００２２】汽水分離器９により分離されたガスは、ガス混合器１０において、外部からの可燃性ガス供給ライン１１から供給されるガス（例えば液化石油ガス、都市ガス等）と混合されてガスエンジン１３に可燃性ガス燃料として供給される。
外部可燃性ガス供給ライン１１は植物残渣量が栽培施設の所要エネルギー量に対して不足する場合に補充を行うほか、水熱ガス化プラント（前記植物残渣の状態から可燃性ガス生成、分離の工程を構成する機器の組み合わせ全体を水熱ガス化プラントと呼ぶ）起動に必要なエネルギーの供給も行う。【００２３】ガスエンジンとしてはメタンガスを燃料とする内燃機関１３とする。ガスエンジン１３からの排気ガスは、排気ガス冷却装置１４に導かれて栽培施設内への注入に適した温度に冷却されると同時に、冷却装置１４のガス冷却に使用される冷却水を栽培施設内に設置した放熱器１５に導き、施設内温度の調整に使用する。排気ガス冷却装置を通過した排気ガスは、圧縮装置１６によって適当な圧力に調整されていったん二酸化炭素ガス貯蔵タンク１７に貯留される。タンク１７には圧力調整手段１８及び二酸化炭素ガスを栽培施設区画内に放出する手段１９が接続される。該圧力調整手段は、栽培施設内に設置した二酸化炭素ガス濃度検出手段１９による栽培施設１内の二酸化炭素ガス濃度計測値に従い、タンク１７に貯留されたガスを栽培施設内１へ放出するガス量を調整する。なお、栽培施設に排気ガスを供給しない場合は、ガスエンジン１３の排ガスは閉切り弁２１を経由して直接排ガス管２０から大気に放出される。【００２４】ガスエンジン１３のシリンダー冷却用等の冷却水は冷却水熱交換器２２とエンジン１３の間を循環する。一方、冷却水熱交換器２２内でエンジン冷却水の冷却を行なう冷媒は栽培施設１内に設置された放熱器１５との間を循環し、冷却水熱交換器２２から得たエンジン１３の廃熱エネルギーを栽培施設温度保持に使用する。冷却水熱交換器２２用の冷媒流量を調整して栽培施設内温度を調整する手段を設ける（特に図示しない）。【００２５】図２は「請求項２」に記載した発明に対応する実施形態をしめす。図２においては、図１に示す「請求項１」に対応する実施形態との相違点のみを図示する。
図１の栽培施設１から搬送されホッパー３に投入された植物残渣２は、圧搾手段３１により残渣２中の水分を取り除き、固形分に富んだ状態にする。圧搾工程により発生した水分は水処理手段３２により浄化した後に廃棄される。【００２６】前記工程により固形物に富んだ状態になった残渣は、必要により残渣を燃焼させるボイラーの排ガス又は該ボイラーの発生蒸気で乾燥する手段を通過してボイラー３３で燃焼する。ボイラー３３は外部から供給する燃料ガス又は液体燃料用のバーナー３４を有し、外部供給ガス又は液体燃料供給ライン３５から供給した燃料をバーナー３４で燃焼させることができる。本発明に係るコジェネレネーションプラントの初期起動時には外部燃料でボイラー３３を起動し、その後植物残渣を投入するとともに、外部燃料の供給を調整する。植物残渣量不足のときにも、必要に応じて外部燃料によるボイラー３３の運転を行う。【００２７】ボイラー３３が発生させた蒸気は蒸気タービン３６に供給されタービン発電機３７を駆動して栽培設備に電気エネルギーを供給する。また蒸気タービン３６の復水器３８の冷却水は復水器冷却水熱交換器３９との間を循環し、同熱交換器において復水器冷却水の熱エネルギーを前記００２４項で記載したと同様に栽培設備内の温度調整に利用される。【００２８】ボイラー３３が発生する燃焼排ガスは、前記００２３項で記載したと同様に、栽培設備への二酸化炭素補給及び温度調節に利用される。【００２９】図２において特に表示した以外は、「請求項２」に係わる発明の実施の形態を示す図は、図２と同様である。
【図面の簡単な説明】図１は「請求項１」に記載した本発明の構成を示したブロック図である。
図２は「請求項２」に記載した本発明の構成を示すブロック図であって、図１と相違する点のみを示す。
【符号の説明】
１−−−植物栽培施設
２−−−植物残渣
３−−−ホッパー
５−−−カッターフィーダー
６−−−残渣粉砕機
７−−−加熱器
８−−−水熱ガス化反応装置
９−−−汽水分離器
１０−−−ガス混合器
１１−−−外部可燃性ガス供給ライン
１３−−−ガスエンジン
１４−−−排気ガス冷却装置
１５−−−放熱器
１６−−−圧縮装置
１７−−−二酸化炭素ガス貯蔵タンク
１８−−−圧力調整手段
１９−−−二酸化炭素ガス濃度検出手段
２０−−−排ガス管
２１−−−閉切り弁
２２−−−冷却水熱交換器
３１−−−圧搾手段
３２−−−水処理手段
３３−−−ボイラー
３４−−−バーナー
３５−−−外部燃料供給ライン
３６−−−蒸気タービン
３７−−−タービン発電機
３８−−−復水器
３９−−−復水器冷却水熱交
【図１】
2005341953.tif 000003
【図２】
2005341953.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成16年8月25日(2004.8.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】追加
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コジェネレーションシステムであって、以下の通り構成されたもの。
（１）施設栽培植物残渣を粉砕してスラリー化後、水熱ガス化反応プロセスにより可燃性ガスを生成し、
（２）該生成した可燃性ガスを燃料としてガスエンジン発電装置を運転して電力を発生させるよう設備し、かつ
（３）該ガスエンジン冷却冷媒に排出された同エンジン廃熱を栽培施設の温度調整に利用する手段、該ガスエンジンの排気ガスを冷却浄化して栽培施設内への二酸化炭素補給を行う手段、または該ガスエンジンの排ガスとの熱交換により熱を得た冷媒を栽培施設の温度調整に利用する手段、のいずれかの手段、又は前記手段のうちの二つ又は三つの手段を組み合わせたものを備える。
【請求項２】
コジェネレーションシステムであって、以下の通り構成されたもの。
（１）施設栽培植物残渣を圧搾して得た固形分に富む残渣とした後、ボイラーで燃焼し蒸気を発生させ、
（２）該発生した蒸気により蒸気タービン発電設備を運転して電力を発生させるよう設備し、かつ、
（３）該ボイラーの燃焼排ガスを冷却浄化して栽培施設内への二酸化炭素補給を行う手段、蒸気タービン復水器冷却冷媒が得た熱エネルギーを栽培施設の温度調整に利用する手段、又はボイラー排ガス冷却冷媒が得た熱エネルギーを栽培施設の温度調整に利用する手段、のいずれかの手段、又は前記手段のうちの二つ又は三つの手段を組み合わせたものを備える。