(57)【要約】【課題】堆肥発酵熱を用いて安定した発電を行うことが可能な発電システム及び発電方法の提供を目的とする。【解決手段】本発明の発電システムは、堆肥原料の発酵熱を排気として回収可能な排気回収手段と、前記排気回収手段によって回収された排気中の熱を回収可能な熱回収手段と、前記熱回収手段によって回収された回収熱を利用して発電可能な発電手段と、前記熱回収手段と前記発電手段との間に設けられ、前記回収熱を調整して当該発電手段に所定の熱を供給可能な熱供給手段と、を備える。【選択図】図１
2017025732.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
堆肥原料の発酵熱を排気として回収可能な排気回収手段と、
前記排気回収手段によって回収された排気中の熱を回収可能な熱回収手段と、
前記熱回収手段によって回収された回収熱を利用して発電可能な発電手段と、
前記熱回収手段と前記発電手段との間に設けられ、前記回収熱を調整して当該発電手段に所定の熱を供給可能な熱供給手段と、
を備える発電システム。
【請求項２】
前記熱供給手段は、前記排気の温度変化に伴う前記回収熱の変動を吸収し、前記発電手段による発電に必要な前記所定の熱を安定供給することを特徴とする請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記熱回収手段は、前記排気を熱源として熱媒体と熱交換し、
前記熱供給手段は、所定時間当りの当該熱供給手段に流入可能な前記熱媒体の合計量よりも大きな容量を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の発電システム。
【請求項４】
堆肥原料の発酵熱を排気として回収可能な排気回収工程と、
前記排気回収工程で回収された排気中の熱を回収可能な熱回収工程と、
前記熱回収工程で回収された回収熱を利用して発電可能な発電工程と、
前記熱回収工程と前記発電工程との間で実行可能であり、前記回収熱を調整して当該発電工程に所定の熱を供給可能な熱供給工程と、
を含む発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、堆肥発酵熱の有効利用を可能にした発電システム及び発電方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、原子力発電の縮小や原油価格の高騰などを背景に再生可能エネルギへの社会的要望が高まっている。また、再生可能エネルギのひとつであるバイオマス資源においても、地球環境問題の顕在化に伴いクリーンで効率的なエネルギとして循環型社会の形成に有効活用する期待が高まっている。具体的には、有機性廃棄物を資源化する堆肥化工程では、有機物の分解に伴って発生する発酵熱の有効利用が求められており、堆肥化工程で生じる発酵熱の回収・利用技術について様々な研究が成されている。
【０００３】
従来では、発酵熱の回収方法として、堆肥から熱を直接抽出する直接回収法や熱を排気として回収する吸引通気法がある。直接回収法による熱利用としては、堆肥原料内部に熱媒体の配管を埋設することで熱を抽出し、抽出した熱によって媒体を気化させることでタービンを駆動させるタービン発電（例えば、特許文献１）や堆肥原料内部に発電素子を用いた発電装置を埋設し、外部から低温熱源を該堆肥原料内部に送り込み、温度差発電を行うものがある（例えば、特許文献２）。また、吸引通気法による熱利用としては、堆肥原料が堆積された発酵槽の底部から空気を吸引して排気（排気熱）として熱回収し、排気自体を熱利用室（温室等）に導くものがある（例えば、特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４２８０１３５号
【特許文献２】特開２００５−２０４４４２号公報
【特許文献３】特許第４４１８８８６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、堆肥原料内部に熱媒体の配管を埋設する方法での熱回収は、配管周辺の堆肥原料の熱しか抽出できず、発酵熱回収率が低い。また、堆肥原料内部に発電素子を用いた発電装置を埋設する方法での熱回収は、発電装置が堆肥中のアンモニアや堆肥化過程で発生するアンモニアガス及び硫化水素の影響を受けて腐食してしまい耐久性が低下する問題がある。そして、吸引通気法での熱回収は前述の直接回収法による課題を解決可能であるが、前述の吸引通気法による熱利用はアンモニアを回収した後の排気を直接熱源として利用するため、微量とはいえ熱利用室へのアンモニア流入の懸念が残る。また、前述した従来の熱回収・利用技術では、堆肥原料の温度変化や性状変化等の発酵状態に起因する回収熱量の変動に対し、何ら変動を吸収する術がない。したがって、回収熱量の変動は熱利用効率（発電能力や熱利用室の温度）にも直接影響を及ぼす。このように、堆肥発酵熱の回収・利用技術については、効率的な回収・利用技術が確立されているとは言い難く、さらなる検討の余地がある。
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みなされたもので、堆肥発酵熱を用いて安定した発電を行うことが可能な発電システム及び発電方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る発電システムは、堆肥原料の発酵熱を排気として回収可能な排気回収手段と、前記排気回収手段によって回収された排気中の熱を回収可能な熱回収手段と、前記熱回収手段によって回収された回収熱を利用して発電可能な発電手段と、前記熱回収手段と前記発電手段との間に設けられ、前記回収熱を調整して当該発電手段に所定の熱を供給可能な熱供給手段と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、上記課題を解決し、堆肥発酵熱を用いて安定した発電を行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態の発電システムを示すブロック構成図である。
【図２】本発明の実施の形態の発電システムにおける発電データを示す図である。
【図３】本発明の実施の形態の変形例の発電システムを示すブロック構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は本発明の実施の形態の発電システム１００を示すブロック構成図である。本発明の実施の形態の発電システム１００は、堆肥発酵槽１０と、排気回収部２０と、熱回収部３０と、バッファタンク４０と、発電部５０と、脱臭部６０とを有する。なお、本発明の発電システム１００は、堆肥原料Ｔの堆肥化工程において発生する排気Ｈを外気で希釈せずに直接回収可能な吸引通気式や密閉型の堆肥化施設への適用を推奨する。ここでは、吸引通気式の堆肥化施設を例に説明する。
【００１２】
本実施の形態の堆肥発酵槽１０は、吸引通気式堆肥化施設に設けられる。堆肥発酵槽１０の内部には堆肥原料Ｔが堆積され、切り返しと後述の排気回収部２０による強制通気とにより堆肥化が行われる。堆肥発酵槽１０では、堆肥原料Ｔの堆肥化によって発酵熱が発生する。なお、熱回収後の堆肥化物は、通常の堆肥化物と同様に肥料や土壌改良等の資材として利用できる。
【００１３】
本実施の形態の排気回収部２０は、ブロワなどの通気装置によって堆肥発酵槽１０の底面（堆肥原料Ｔ底部）から空気を吸引することで堆肥原料Ｔの表面から内部へと空気を供給し、堆肥化工程において発生した発酵熱を排気Ｈとして回収する。このとき回収される排気Ｈは、高温（６０〜７０℃）、高湿度（約１００％ＲＨ）であって、排気Ｈが持つ熱量の大部分を蒸発潜熱量が占める。
【００１４】
本実施の形態の熱回収部３０には潜熱回収型熱交換器が用いられる。例えば、プレートフィン型熱交換器が用いられる。熱回収部３０は、排気Ｈ（６０〜７０℃）と熱媒体３１（ここでは、水）との熱交換を行い、排気Ｈは自身が持つ熱量によって低温の熱媒体３１Ｌを高温の熱媒体３１Ｈに温度変化させる。ここで、熱回収部３０に取り込まれる排気Ｈは脱臭処理が行われていないので、熱回収部３０は、排気Ｈ中に含まれるアンモニア腐食に強い耐腐食性材質で構成される。また、熱回収部３０には、熱交換過程で発生する結露水Ｈａを排出可能な排出口３２が設けられている。なお、熱交換後（熱回収後）の排気Ｈｂはアンモニアなどの悪臭原因物質を含んでいるので、後述の脱臭部６０において適正に処理を行う必要がある。また、結露水Ｈａは通常処理を要するほどの悪臭原因物質を含まないが、規定基準を超える場合には適切に処理を行う。
【００１５】
本実施の形態のバッファタンク４０は、断熱が施された貯留タンクである。バッファタンク４０は、所定時間以内（１時間程度以内）の排気Ｈの温度変化、すなわち蒸発潜熱量（回収熱量）の変動に対応可能な容量に設定される。具体的には、バッファタンク４０の容量は、１時間当りの熱媒体３１の流量より大きくなるように設定される。例えば、流量が３０〜５０Ｌ／分である場合には、４ｍ3程度の容量のバッファタンク４０が望ましい。そして、熱回収部３０とバッファタンク４０との間で熱媒体３１を常時循環させることで、排気Ｈからの回収熱量の変動に対応可能となる。回収熱量の変動要因には、外気温度等の気候条件、排気回収部２０の通気装置の運転プログラムや堆肥原料Ｔの状態変化等が挙げられる。バッファタンク４０は、１時間程度の回収熱量の変動（すなわち熱媒体３１Ｈの温度変化）を吸収し、熱媒体３１Ｈの温度に急な変化があっても後段の発電部５０に安定した温度の熱媒体４１Ｈを供給できるようにする調整機能を有している。
【００１６】
本実施の形態の発電部５０は、バッファタンク４０から送られる高温の熱媒体４１Ｈによって沸点が低い媒体を液体から蒸気に状態変化させ、発生した蒸気によってタービンを駆動させる熱源利用発電（バイナリ発電）を行う。発電部５０には、１００℃以下の熱源を使用可能なバイナリ発電システムが適用される。バイナリ発電に使用され温度が低下した熱媒体４１Ｌは、バッファタンク４０を介して熱回収部３０に送られる。
【００１７】
本実施の形態の脱臭部６０は、排気Ｈが熱回収部３０を通過した後の排気Ｈｂの脱臭処理を行う。
【００１８】
次に、図２を参照して、本発電システムにおける排気Ｈの温度変化が及ぼす発電量への影響について説明する。図２は、本発明の実施の形態の発電システムにおける発電データを示す図である。
【００１９】
図中の細点線は、堆肥原料Ｔの発酵熱を含む排気Ｈの温度を示す。図２に示すように、排気Ｈの温度は、数分間隔で大きく変動する場合がある。このような排気温度の急激な低下は、排気回収部２０のブロアの運転プログラム等によるもので、基本的に不可避な要因である。このほか前述したように気候変化等の影響も受けるため、平均６０〜７０℃の排気であっても１日の中で１０℃程度温度変化が複数回（１０回程度）発生する。
【００２０】
図中の破線は、バッファタンク４０から発電部５０に供給される熱媒体４１Ｈの温度を示す。また、図中の実線は、発電部５０の発電量を示す。前述したように、本実施の形態では、熱媒体の１時間当りの流量よりも大きな容量のバッファタンク４０を熱回収部３０と発電部５０との間に介在させることによって、数分〜数時間単位の期間での排気Ｈ（発酵熱）の温度変化があっても後段の発電部５０での熱利用に影響が及ばないようにしている。
【００２１】
したがって、図２の破線に示すように、バッファタンク４０から送り出される熱媒体４１Ｈの温度は、排気Ｈの温度低下が発生してもその影響（熱媒体４１Ｈの温度低下）が小さい。このため、図２の実線に示すように、発電部５０における発電量は、排気Ｈの温度低下が発生しても安定した発電量を保つことができる。
【００２２】
このように、堆肥化工程において排気Ｈの温度は一時的に低下するが、熱媒体４１Ｈの温度は排気温度低下による影響が小さく、発電量にいたってはほぼ影響がないことが見てとれる。
【００２３】
（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態の発電システムによれば、堆肥化特性に対応して堆肥発酵熱の効率的な回収・利用を行うことができる。具体的には、実際の堆肥化において不可避な堆肥原料Ｔの温度変化や性状変化に起因する堆肥発酵熱の回収熱量の変動に対し、バッファタンク４０を介在させることで該変動の影響を最小限にした熱源を発電部５０に提供することができる。バッファタンク４０は、単に熱源流量を安定化する量的補填機能だけでなく、安定した発電に必要な熱源の温度や熱量といった質的補填機能を備えており、これにより堆肥化において不可避な変動特性を有する堆肥発酵熱を用いても安定した発電を提供することができる。
【００２４】
また、バッファタンク４０は、所定時間（１時間）当りの熱媒体３１の流量よりも大きな容量を有するので、排気Ｈの温度変化、すなわち回収熱量の変動の影響を緩和させることができる。したがって、熱回収部３０からバッファタンク４０に供給される熱媒体３１Ｈの温度に急な変化があっても後段の発電部５０に安定した温度の熱媒体４１Ｈを供給することができる。
【００２５】
また、熱源となる堆肥発酵熱は排気Ｈとして外気で希釈されることなく回収されるので、熱回収効率が良い。また、堆肥化に不可欠な通気により堆肥発酵熱を回収することができるので、堆肥化施設そのものに大幅な変更を施す必要がない。したがって、本発電システムは、堆肥化過程や堆肥化物の品質に影響を及ぼすことなく、必要機器（熱回収部３０、バッファタンク４０及び発電部５０）の追加で導入可能である。また、発電システムを循環する熱媒体３１及び４１に水を利用することができるので、ランニングコストを抑えることができる。よって、利用の促進が期待できる。
【００２６】
また、排気Ｈの堆肥発酵熱は熱回収部３０で熱交換されて発電部５０へと熱源供給されるので、堆肥原料Ｔや排気Ｈに含まれるアンモニアと発電部５０とが直接触れることがない。したがって、発電部５０の腐食等のリスクを大幅に低減できるとともに、熱利用において直接排気を利用する場合よりも施設や作業者への悪影響を大幅に低減することができる。
【００２７】
また、発電部５０には、低温熱源（１００℃以下）で発電可能なバイナリ発電装置を用いる。家畜ふん尿の堆肥化工程では、微生物の分解により堆肥温度が７０℃程度まで上昇し、水蒸気とアンモニアを含んだ発酵排気Ｈが多量に発生するが、工業系の排気に比べ低温であるため、これまで発酵排気Ｈ（６０〜７０℃）を熱源としたバイナリ発電は難しかった。近年開発された低温熱源による発電可能なバイナリ発電装置により、６０〜７０℃程度の家畜堆肥発酵熱を発電の熱源とすることができ、堆肥を燃焼させてタービンを駆動させる従来方法に比して環境負荷を低減可能なエネルギの実現が可能となる。また、発電部５０で得られる電力は通常の電気として使用することが可能なので、堆肥発酵熱を直接熱として利用する場合に比べて汎用性がある。
【００２８】
このように、家畜廃棄物の堆肥発酵熱を用いた発電は、太陽光発電等の他の再生可能エネルギと異なり、堆肥製造中、常時・安定的に利用できるエネルギであるので、利用推進を促進させることができる。
【００２９】
なお、堆肥発酵熱を発電に用いるため、堆肥原料Ｔを高温に維持しようとする結果、副次的に良好な堆肥化過程となるので、各種病原菌や雑草種子が死滅し、易分解性有機物が減少した高品質堆肥生産に寄与することができる。さらに、高温堆肥化過程を経ることで堆肥化物の含水率が低下するので、該堆肥化物はオガクズ等に代わる家畜敷料・ふん尿水分調整資材として用途を拡大することができる。
【００３０】
なお、本発明の実施の形態の発電システムでは、堆肥発酵熱の回収熱量の変動に対し、該変動の影響が最小限になるよう調整した熱源を発電部５０に供給可能な熱供給手段として、バッファタンク４０を設けているが、これに限らない。堆肥原料の発酵熱を排気として回収し、回収された排気中の熱を回収し、回収された回収熱を利用して行う発電であって、安定した熱（所定の熱）を発電に供給するために回収熱を調整可能にするものであれば問題ない。例えば、熱回収部３０からの熱媒体３１Ｈをヒーターやヒートポンプによって加温調整して発電部５０に安定した温度の熱媒体４１Ｈを供給するようにしても、本発明の目的である堆肥発酵熱を用いた安定発電を達成することができる。バッファタンク４０は、外部からの追加熱源やセンサによる制御なしに達成できるので、追加熱源が不要な分、システム全体としてエネルギ効率がよく、設備や管理を簡素化し、コスト低減を図ることができる点で、より効率的で有益な熱供給手段であると言える。
【００３１】
（実施の形態の変形例）
続いて、図３を参照して、前述した本発電システム１００の熱媒体（水）の循環に着目してさらに効率的な発酵熱の回収・利用を可能とする循環パターンについて説明する。図３は、本発明の実施の形態の変形例の発電システムを示すブロック構成図であり、（Ａ）循環パターン１、（Ｂ）循環パターン２を示す図である。
【００３２】
前述の実施の形態では、バッファタンク４０は、熱回収部３０に低温水３１Ｌを供給し、排気Ｈとの熱交換により高温水３１Ｈ（回収熱）を受け取る。そして、後段の発電部５０に高温水４１Ｈ（所定の熱）を供給するとともに、発電部５０からの低温水４１Ｌ（発電に使われなかった熱）を受け取っている。
【００３３】
これに対し、変形例では、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、排気Ｈの流路上に熱回収部３０と直列に熱回収部３５が追加で設けられ、バッファタンク４０は熱回収部３５を介して発電部５０に高温水４１Ｈ（所定の熱）を供給する。なお、熱回収部３５における排気Ｈと高温水４１Ｈとの熱交換は、すでに熱媒体の水が高温になっており双方の温度差が小さいのでほとんど行われない。熱回収部３５では排気Ｈとの熱交換で高温水４１Ｈが少し加温されて高温水４１Ｈ＋になる。そして、高温水４１Ｈ＋が発電部５０に供給される。したがって、熱回収部３０に導入される排気は、排気回収部２０によって回収された排気Ｈと同等である。
【００３４】
さらに、図３（Ａ）に示す循環パターン１では、発電部５０からの低温水３１Ｌ（発電に使われなかった熱）はバッファタンク４０を経由せずに熱回収部３０が直接受け取る。したがって、循環パターン１は、熱回収部３０における排気Ｈとの熱交換により後述する低温水３１Ｌが加温されて高温水３１Ｈ（回収熱）となる。
【００３５】
高温水３１Ｈは、バッファタンク４０に貯留された後、高温水４１Ｈ（所定の熱）としてバッファタンクから送り出され、熱回収部３５でさらに加温されて高温水４１Ｈ＋となって発電部５０に供給される。ここで、排気Ｈの温度低下が発生した場合には、高温水３１Ｈは通常よりも低い温度でバッファタンク４０に流入することになるので、バッファタンク４０の調整機能が作動し、高温水３１Ｈはタンク内の十分な量の高温貯留水との混合によって発電に必要な温度範囲内の高温水４１Ｈとなる。
【００３６】
発電部５０では熱媒体の温度差を利用したバイナリ発電が行われるので、発電部５０から熱回収部３０に供給される温水は、温度が下がり低温水３１Ｌとなる。そして、低温水３１Ｌは熱回収部３０で排気Ｈとの熱交換により加温されて高温水３１Ｈとなり、循環を繰り返す。なお、発電部５０は、バッファタンク４０に導入されて循環する原水が排気Ｈとの熱交換によって加温されて所定温度（６３℃程度）の温水になったら稼動開始する。
【００３７】
また、図３（Ｂ）に示す循環パターン２では、熱回収部３０に排気Ｈとの熱交換によって加温された高温水３１Ｈはバッファタンク４０に供給されたのち、バッファタンク４０、熱回収部３５及び発電部５０を循環し、熱回収部３０を循環しない。したがって、循環パターン２は、熱回収部３０における排気Ｈとの熱交換により原水が加温されて高温水３１Ｈ（回収熱）となる。
【００３８】
高温水３１Ｈは、バッファタンク４０に貯留された後、高温水４１Ｈ（所定の熱）としてバッファタンクから送り出され、熱回収部３５でさらに加温されて高温水４１Ｈ＋となって発電部５０に供給される。ここで、排気Ｈの温度低下が発生した場合には、高温水３１Ｈは通常よりも低い温度でバッファタンク４０に流入することになるので、バッファタンク４０の調整機能が作動し、高温水３１Ｈはタンク内の十分な量の高温貯留水との混合によって発電に必要な温度範囲内の高温水４１Ｈとなる。
【００３９】
発電部５０では熱媒体の温度差を利用したバイナリ発電が行われるので、発電部５０からバッファタンク４０に供給される温水は、温度が下がり低温水４１Ｌとなる。そして、低温水４１Ｌはバッファタンク４０に供給される。ここでは、バッファタンク４０の温水が熱回収部３５及び発電部５０を循環する。なお、発電部５０は、熱回収部３０に導入されて循環する原水が排気Ｈとの熱交換によって加温されて所定温度（６３℃程度）の温水になったら稼動開始する。
【００４０】
（実施の形態の変形例の効果）
実施の形態の変形例の発電システムによれば、前述した実施の形態と基本概念が同じなので同等の効果を得ることができるとともに、バッファタンク４０と発電部５０との間に熱回収部３５を設けることでより効率的な堆肥発酵熱の回収・利用を提供することができる。具体的には、バッファタンク４０から発電部５０に通じる配管が室外に設けられたり長い場合には、発電部５０に必要な高温水４１Ｈ（所定の熱）が当該配管を流れる間に温度低下を招くといった懸念があるが、熱回収部３５を介在させることで発電部５０に供給する前に加温することが可能となり、当該懸念を払拭するとともに適切な熱量を発電部５０に提供することができる。
【００４１】
また、発電部５０への供給直前に高温水４１（所定の熱）が熱回収部３５で多少加温されることになるので、前述のような懸念がなければバッファタンク４０から発電部５０に直接供給する場合（高温水４１Ｈ）よりも高温の温水（高温水４１Ｈ＋）を発電部５０に供給できる。よって、発電部５０における発電をさらに安定したものにすることができる。
【００４２】
また、循環パターン１は熱回収部３０及び熱回収部３５を循環経路に含めているので、循環パターン２の熱回収部３５のみを循環経路に含める場合よりも循環する温水温度が安定する。したがって、より効率的な堆肥発酵熱の回収・利用を提供することができる。
【００４３】
なお、本発明は上述した実施の形態に何ら限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【００４４】
例えば、上述した実施の形態では、家畜ふん尿等の畜産廃棄物の堆肥化処理を例に挙げたが、一般廃棄物処理や産業廃棄物にも適用することができる。
【符号の説明】
【００４５】
１００  発電システム
１０  堆肥発酵槽
２０  排気回収部
３０  熱回収部（熱交換器）
３１  熱媒体（水）
３２  排出口
４０  バッファタンク（熱供給部）
４１  熱媒体（水）
５０  発電部（バイナリ発電装置）
６０  脱臭部
Ｔ  堆肥原料
Ｈ  排気
Ｈａ  結露水
Ｈｂ  熱回収された後の排気
【図１】
2017025732.tif 000003
【図２】
2017025732.tif 000004
【図３】
2017025732.tif 000005