(57)【要約】【課題】バイオマス資源を段階的に処理し、個々の装置で処理することによって生成する等を他の装置での処理にカスケード利用してゼロエミッションを達成できる、バイオマス資源を有効利用するための処理方法及び処理システムを提供する。【解決手段】本発明の処理システム１は、バイオマス資源を３０〜５０℃で加熱し、メタンガスを含む生成ガスおよび残渣を生成し、生成ガスを分離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１００〜２００℃で加熱し、水蒸気を分離回収する乾燥装置３と、乾燥装置３からの残渣を２００〜４００℃で加熱し、炭化物、木酢液（タールを含む。）及びメタンガスを含む生成ガスを生成し、木酢液（タールを含む。）及びメタンガスを含む生成ガスを分離回収する低温炭化装置４と、低温炭化装置４で生成した炭化物含有残渣を５００〜６００℃で加熱し、炭化物含有残渣の全部又は大部分を炭化物および水素ガスに変換し、炭化物及び水素ガスを分離回収する高温炭化装置５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３０〜５０℃に加熱し、メタンガスを含む生成ガス及び残渣を生成し、生成ガスを分離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１００〜２００℃に加熱し、水蒸気を分離回収する乾燥工程と、
乾燥工程からの残渣を２００〜４００℃に加熱し、炭化物、木酢液（タールを含む。）及びメタンガスを含む生成ガスを生成し、木酢液（タールを含む。）及びメタンガスを含む生成ガスを分離回収する低温炭化工程と、
低温炭化工程で生成した炭化物含有残渣を５００〜６００℃に加熱し、炭化物含有残渣の全部又は大部分を炭化物及び水素ガスに変換し、炭化物及び水素ガスを分離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を有効利用するための処理方法。
【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３０〜５０℃で加熱し、メタンガスを含む生成ガスおよび残渣を生成し、生成ガスを分離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１００〜２００℃で加熱し、水蒸気を分離回収する乾燥装置と、
乾燥装置からの残渣を２００〜４００℃で加熱し、炭化物、木酢液（タールを含む。）及びメタンガスを含む生成ガスを生成し、木酢液（タールを含む。）及びメタンガスを含む生成ガスを分離回収する低温炭化装置と、
低温炭化装置で生成した炭化物含有残渣を５００〜６００℃で加熱し、炭化物含有残渣の全部又は大部分を炭化物および水素ガスに変換し、炭化物及び水素ガスを分離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を有効利用するための処理システム。
【請求項３】
請求項２記載の処理システムにおいて、
前記バイオマス資源を高温高圧の亜臨界水にて水熱処理して水溶液と油の二相分離状態にする亜臨界装置をさらに具える、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。
【請求項４】
請求項３記載の処理システムにおいて、
亜臨界装置で生成した油を燃料油として用いて発電するボイラ発電装置をさらに具える、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。
【請求項５】
請求項３又は４記載の処理システムにおいて、
亜臨界装置で生成した水溶液をメタン発酵装置の原料として用いる、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。
【請求項６】
請求項２〜５のいずれか１項記載の処理システムにおいて、
高温炭化装置で生成した炭化物を処理し、スポンジ状の活性炭を生成する賦活装置をさらに具える、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。
【請求項７】
請求項２〜６のいずれか１項記載の処理システムにおいて、
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、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。
【請求項８】
請求項２〜７のいずれか１項記載の処理システムにおいて、
高温炭化装置で生成した高濃度水素ガスをボイラ発電装置の燃料ガスとして用いる、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。
【請求項９】
請求項２〜８のいずれか１項記載の処理システムにおいて、
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改質装置をさらに具える、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。
【請求項１０】
請求項２〜９のいずれか１項記載の処理システムにおいて、
メタン発酵装置や低温炭化装置で生成されるメタンガスを燃料ガスとして用いるガス発電装置をさらに具える、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。
【請求項１１】
請求項２〜１０のいずれか１項記載の処理システムにおいて、
ボイラ発電装置で使用する水又は水素燃料電池で生成する水を過熱水蒸気化して、メタン発酵装置、乾燥装置、低温炭化装置、高温炭化装置、ガス改質装置及び／又は賦活装置に供給する過熱水蒸気発生装置をさらに具える、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。
【請求項１２】
請求項２〜１１のいずれか１項記載の処理システムにおいて、
メタン発酵装置や低温炭化装置で生成されるメタンガスを触媒と反応させて、ナノカーボンファイバを生成する触媒反応装置をさらに具える、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。
【請求項１３】
請求項２〜１２のいずれか１項記載の処理システムにおいて、
高温炭化装置で生成した炭化物を粉炭にする微粉砕装置をさらに具える、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。
【請求項１４】
請求項１３記載の処理システムにおいて、
メタン発酵装置や低温炭化装置で生成されるメタンガスと、微粉砕装置で生成した粉炭とを瞬爆反応させてナノカーボンファイバを生成する瞬爆装置をさらに具える、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。
【請求項１５】
請求項２〜１４のいずれか１項記載の処理システムにおいて、
高温炭化装置で生成した炭化物は、ボイラ発電装置や溶融炉の燃料として用いる、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。
【請求項１６】
請求項２〜１５のいずれか１項記載の処理システムにおいて、
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、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。
【請求項１７】
請求項２〜１６のいずれか１項記載の処理システムにおいて、
各装置及び／又は溶融炉からの排熱や排ガスを、他の装置の熱源やガス燃料として利用する、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。
【請求項１８】
請求項２〜１７のいずれか１項記載の処理システムにおいて、
バイオマス資源が、果物の果実及びその皮と、果物の剪定枝等の木材と、魚のアラとを含み、これらの分離が可能である場合には、果物の果実及びその皮はメタン発酵装置の原料として用い、木材は低温炭化装置の原料として用い、そして、魚のアラは、亜臨界装置の原料として用いる、バイオマス資源を有効利用するための処理システム。
【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、個々の装置で処理することによって生成する排熱、廃液、排ガス、残渣等を他の装置での処理にカスケード利用して、残渣等が全く生じない、いわゆるゼロエミッションを達成できる、バイオマス資源を有効利用するための処理方法及び処理システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、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は、例えば特許文献１に記載されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１７０６９５号公報
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載されたメタンガス精製設備は、メタンガスを精製した後の残渣の処理については何ら示されてなく、かかる残渣を処理する方法が重大な問題となっている。
【０００５】
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。
【０００６】
加えて、メタン発酵装置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。
【０００７】
また、バイオマス資源を有効利用するための他の手段としては、例えば、特許文献２に記載されているように、高温高圧の亜臨界水にて水熱処理して可溶化させ、この可溶化処理液を石炭粉砕物に添加して生成した燃料スラリをボイラの燃料とする処理方法が挙げられる。
【０００８】
【特許文献２】
特開２００３−９４０１１号公報
【０００９】
しかしながら、特許文献２に記載された処理方法は、可溶化処理液中に含まれる可燃性成分をボイラで燃焼させるだけで、残りの成分を含む残渣については有効利用が図られてなく、かかる残渣をさらに処理する必要があった。
【００１０】
このように、バイオマス資源を有効利用するための従来の手段では、いずれも残渣が生じるため、残渣等が全く生じない、いわゆるゼロエミッションを達成することは困難であった。
【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、個々の装置で処理することによって生成する排熱、廃液、排ガス、残渣等を他の装置での処理にカスケード利用して、残渣等が全く生じない、いわゆるゼロエミッションを達成できる、バイオマス資源を有効利用するための処理方法及び処理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、本発明のバイオマス資源を有効利用するための処理方法は、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３０〜５０℃に加熱し、メタンガスを含む生成ガス及び残渣を生成し、生成ガスを分離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１００〜２００℃に加熱し、水蒸気を分離回収する乾燥工程と、乾燥工程からの残渣を２００〜４００℃に加熱し、炭化物、木酢液（タールを含む。）及びメタンガスを含む生成ガスを生成し、木酢液（タールを含む。）及びメタンガスを含む生成ガスを分離回収する低温炭化工程と、低温炭化工程で生成した炭化物含有残渣を５００〜６００℃に加熱し、炭化物含有残渣の全部又は大部分を炭化物及び水素ガスに変換し、炭化物及び水素ガスを分離回収する高温炭化工程とを具えることにある。
【００１３】
また、本発明のバイオマス資源を有効利用するための処理システムは、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３０〜５０℃で加熱し、メタンガスを含む生成ガスおよび残渣を生成し、生成ガスを分離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１００〜２００℃で加熱し、水蒸気を分離回収する乾燥装置と、乾燥装置からの残渣を２００〜４００℃で加熱し、炭化物、木酢液（タールを含む。）、メタンガスを含む生成ガスを生成し、木酢液（タールを含む。）及びメタンガスを含む生成ガスを分離回収するする低温炭化装置と、低温炭化装置で生成した炭化物含有残渣を５００〜６００℃で加熱し、炭化物含有残渣の全部又は大部分を炭化物および水素ガスに変換し、炭化物及び水素ガスを分離回収する高温炭化装置とを具えることにある。
【００１４】
また、上記処理システムでは、前記バイオマス資源を高温高圧の亜臨界水にて水熱処理して水溶液と油の二相分離状態にする亜臨界装置をさらに具えることが好ましく、加えて、亜臨界装置で生成した油を燃料油として用いて発電するボイラ発電装置をさらに具えること、及び／又は、亜臨界装置で生成した水溶液をメタン発酵装置の原料として用いることがより好適である。
【００１５】
さらに、上記処理システムでは、高温炭化装置で生成した炭化物を処理し、スポンジ状の活性炭を生成する賦活装置をさらに具えること、及び／又は、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。加えて、高温炭化装置で生成した高濃度水素ガスをボイラ発電装置の燃料ガスとして用いてもよい。
【００１６】
さらにまた、上記処理システムでは、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改質装置をさらに具えること、メタン発酵装置や低温炭化装置で生成されるメタンガスを燃料ガスとして用いるガス発電装置をさらに具えること、ボイラ発電装置で使用する水又は水素燃料電池で生成する水を過熱水蒸気化して、メタン発酵装置、乾燥装置、低温炭化装置、高温炭化装置、ガス改質装置及び／又は賦活装置に供給する過熱水蒸気発生装置をさらに具えること、メタン発酵装置や低温炭化装置で生成されるメタンガスを触媒と反応させて、ナノカーボンファイバを生成する触媒反応装置をさらに具えること、及び／又は、高温炭化装置で生成した炭化物を粉炭にする微粉砕装置をさらに具えることが好ましく、加えて、メタン発酵装置や低温炭化装置で生成されるメタンガスと、微粉砕装置で生成した粉炭とを瞬爆反応させてナノカーボンファイバを生成する瞬爆装置をさらに具えることがより好適である。尚、高温炭化装置で生成した炭化物は、ボイラ発電装置や溶融炉の燃料として用いてもよい。
【００１７】
また、上記処理システムでは、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、加えて、各装置及び／又は溶融炉からの排熱や排ガスを、他の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、上記処理システムでは、バイオマス資源が、果物の果実及びその皮と、果物の剪定枝等の木材と、魚のアラとを含み、これらの分離が可能である場合には、果物の果実及びその皮はメタン発酵装置の原料として用い、木材は低温炭化装置の原料として用い、そして、魚のアラは、亜臨界装置の原料として用いることがより好適である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明に従うバイオマス資源を有効利用するための処理システムを図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の代表的な処理システムのフローチャートを示したものである。
【００２０】
本発明の処理システム１は、主にメタン発酵装置２と、乾燥装置３と、低温炭化装置４と、高温炭化装置５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３０〜５０℃に加熱し、メタンガスを含む生成ガス及び残渣を生成し、生成ガスを分離回収する装置である。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６に送られ、残りの９５％は残渣であり、かかる残渣は、後工程の乾燥装置３を経てから低温炭化装置４のバイオマス資源（原料）として使用するため、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６に送られた生成ガスは、ガス改質装置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、ガス発電装置８の燃料ガスとして利用し、かかるガス発電装置８の発電で得られる電力を、低温炭化装置４や高温炭化装置５の他、後述する他の全ての装置のそれぞれに供給すれば、大幅なエネルギーコストの削減が期待できる。
【００２３】
また、ガス改質装置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に示すようなガスホルダ９を介して、ボイラ発電装置１０や水素燃料電池１１に供給し、ボイラ発電装置１０の燃料ガスや水素燃料電池１１の原料として有効利用することができ、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】
乾燥装置３は、メタン発酵装置２で生成した残渣を１００〜２００℃で加熱し、水蒸気を分離回収する装置である。分離回収した水蒸気は、例えば、ボイラ発電装置１０に使用すればよい。
【００２５】
低温炭化装置４は、乾燥装置３からの残渣を２００〜４００℃で加熱し、炭化物、木酢液（タールを含む。）及びメタンガスを含む生成ガスを生成し、木酢液（タールを含む。）及びメタンガスを含む生成ガスを分離回収する装置である。
【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６に送られ、ガスホルダ６に送られた生成ガスは、８００〜１０００℃の高温雰囲気のガス改質装置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、ガス発電装置８の燃料ガスとして利用し、かかるガス発電装置８の発電で得られる電力を、低温炭化装置４や高温炭化装置５の他、後述する他の全ての装置のそれぞれに供給すれば、大幅なエネルギーコストの削減が期待できる。
【００２７】
加えて、ガス改質装置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、上述したガス改質装置７と同様に処理することができる。
【００２８】
なお、低温炭化装置４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、この残渣をさらに高温炭化装置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で生成した炭化物含有残渣を５００〜６００℃で加熱し、炭化物含有残渣の全部又は大部分を炭化物および水素ガス（具体的には４０％以上の水素ガス）に変換し、炭化物及び水素ガスを分離回収する装置であり、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】
生成した水素ガスは、ガス改質装置１２を経てガスホルダ９に送られた後、例えば、図１に示すようなボイラ発電装置１０の燃料や水素燃料電池１１の原料として有効利用すればよい。
【００３１】
加えて、高温炭化装置５、低温炭化装置４及び乾燥装置３を含む各装置及び／又は溶融炉からの排熱や排ガスを、他の装置の熱源やガス燃料として有効利用することが、エネルギーコストを削減する点で好ましい。
【００３２】
また、上記処理システム１は、バイオマス資源を高温高圧の亜臨界水にて水熱処理して水溶液と油の二相分離状態にする亜臨界装置１３をさらに具えれば、亜臨界装置１３で生成した油をボイラ発電装置１０の燃料油として用いることができ、これは、バイオマス資源を有効利用する点で好ましい。
【００３３】
加えて、亜臨界装置１３で生成した水溶液は、メタン発酵装置２の原料として用いることができ、これによって、亜臨界装置１３での処理によって残渣は全く生じない。
尚、ここでいう「水熱処理」とは、水の存在下で水の亜臨界条件となる２００〜２５０℃で８〜１０ＭＰａとなるように加熱する処理をいう。
【００３４】
また、上記処理システム１では、高温炭化装置５で生成した炭化物に水蒸気を吹きかけて炭化物をポーラス状に処理し、スポンジ状の活性炭を生成する賦活装置１４をさらに具えることもできる。
【００３５】
さらに、上記処理システム１は、ボイラ発電装置１０で使用する水又は水素燃料電池１１で生成する水を過熱水蒸気化して、メタン発酵装置２、乾燥装置３、低温炭化装置４、高温炭化装置５、ガス改質装置７及び／又は賦活装置１４に供給する過熱水蒸気発生装置１５をさらに具えることもでき、このように構成すれば、バイオマス資源をより一層有効利用することができる。
【００３６】
さらにまた、上記処理システム１は、メタン発酵装置２や低温炭化装置４で生成されるメタンガスを、触媒、例えば鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）又はこれらの合金等で５０ｎｍ以下の金属超微粒子からなる触媒と反応させて、ナノカーボンファイバを生成する触媒反応装置１６をさらに具えることもでき、このように構成すれば、バイオマス資源をより一層有効利用することができる。
【００３７】
さらにまた、上記処理システム１は、高温炭化装置５で生成した炭化物を粉炭にする微粉砕装置１７をさらに具えることもでき、この場合には、メタン発酵装置２や低温炭化装置４で生成されるメタンガスと、微粉砕装置１７で生成した粉炭とを瞬爆反応させて、ナノカーボンファイバを生成する瞬爆装置をさらに具えるように構成することが、バイオマス資源をより一層有効利用する点で有利である。
【００３８】
加えて、高温炭化装置５で生成した炭化物は、ボイラ発電装置１０や溶融炉（図示せず）の燃料として用いることもできる。
【００３９】
また、上記処理システムにおいて、バイオマス資源が、果物（例えばりんご）の果実及びその皮と、果物（例えばりんご）の剪定枝等の木材と、魚のアラとを含み、これらの分離が可能である場合には、果物の果実及びその皮はメタン発酵装置の原料として用い、木材は低温炭化装置の原料として用い、そして、魚のアラは、亜臨界装置の原料として用いれば、バイオマス資源を効率良く処理することができる。
【００４０】
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。
【００４１】
【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、個々の装置で処理することによって生成する排熱、廃液、排ガス、残渣等を他の装置での処理にカスケード利用して、残渣等が全く生じない、いわゆるゼロエミッションを達成できる、バイオマス資源を有効利用するための処理方法及び処理システムの提供が可能になった。
【００４２】
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バイオマス資源を有効利用するための処理システムのフローチャートを示したものである。
【符号の説明】
１  処理システム
２  メタン発酵装置
３  乾燥装置
４  低温炭化装置
５  高温炭化装置
６、９  ガスホルダ
７、１２  ガス改質装置
８  ガス発電装置
１０  ボイラ発電装置
１１  水素燃料電池
１３  亜臨界装置
１４  賦活装置
１５  過熱水蒸気発生装置
１６  触媒反応装置
１７  微粉砕装置
【図１】
2005040671.tif 000003