食品残渣の家畜飼料・堆肥化におけるエネルギー利用システム確立の検討

概要

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バイオマスエネルギーの利用については,廃棄物から得られるメタンを燃料として利用するなどの取り組みが始められてきたが,経済性の制約やエネルギー変換技術の確立等の問題からまだ本格的な導入段階には至っていない。本研究では,バイオマスエネルギー利用における新たなメタン発酵システム,エネルギー変換システムとエネルギー利用システムを開発し,エネルギーリサイクルシステムを確立するための基礎的な検討を行った。1. 牛糞を用いるメタン発酵装置の設置育成牛2頭分の排泄糞をメタン発酵装置に投入し嫌気発酵を行った。それらから発生するガス量,組成,これらの変動等について調査した。メタン発酵装置は,原料投入槽,調整槽,メタン発酵槽,ガス貯留槽,脱硫装置およびガスホルダーの5パーツから構成された比較的簡易な構造であり,操作も安易であった。糞投入量は,平均約6kg/日と少なく,メタン発生量も0.1m^3/dayとやや少なかった。これは,冬場でメタン発酵槽内の温度が平均12.5℃と低かったためであるが,低温にもかかわらずメタン菌が比較的良く活動していたことは興味深い。メタン発酵槽を加温した場合,メタンの発生量は5〜12倍と著しく増加した。脱硫装置を通過させたガス貯留タンクから硫化水素は,検出されなかった。ガス貯留槽ではメタンガス濃度63%,炭酸ガス濃度22%であった。投入槽の溶液はpH7.0と中性であり,メタン発酵槽・メタン消化槽では弱アルカリ性となった。電気伝導度と塩類濃度については投入槽が,メタン発酵槽とメタン消化槽に較べてやや高かった。また,アンモニア濃度も同様の傾向であった。燐酸イオン,亜硝酸態窒素および硝酸態窒素は,3者ともに検出されなかった。2. エネルギー変換システムの設置メタン発酵槽では,メタンを約60%含むガス類が発生すると予想されるが,これを300℃程度で触媒燃焼させ,その燃焼ガスを生ゴミの乾燥処理用熱源にする。メタン発酵槽は,(株)ピーワークス製の簡易な一槽型のものを利用した。触媒燃焼装置は,東京農工大学工学部亀山研究室で開発された触媒技術の提供を受けて(株)アルキャットが製造する新型燃焼装置(最大メタン燃焼量24m^3/日,3%メタン含有ガス燃焼能力0.5m^3/分)を設置した。触媒燃焼装置を用いて発酵槽で発生したガスの燃焼実験を行った。今回の発生ガスの組成はCH_463%, CO_2 22%, 〔N2+H2〕15%であった。発生ガス量は0.025m^3/分であった。その結果,発生メタンを300℃レベルで触媒燃焼させ, 200℃の燃焼ガスを定常的に得られることが分かった。空気比を調整して触媒燃焼温度を制御することにより,200℃から400℃の範囲で燃焼排ガスを自由に得られることが確認された。また,本システムからは臭気が発生するので,それを除去するのが課題であるが,そのために,同様に本学工学部亀山研究室で開発されたアルマイト触媒技術の提供を受けて(株)アルキャットが製造する新型触媒脱臭器(100ppb臭気を0.5m^3/分で90%分解)を導入して設置した。その結果,臭気ガスであるプロピオン酸177ppbを本装置で完全に分解でき,牛舎の脱臭装置として使用可能であることが分かった。3.飼料化装置排熱による冷熱製造飼料化装置の排気ガスから熱を回収し,それを吸着冷凍機に投入することによって冷水を発生させるシステムの可能性評価を目的として実験を行った。冷水は空調機を通じて畜舎の冷房に利用することが想定される。そこで,排熱回収熱交換器と吸着冷凍機の2点について実験的に性能を検証した。排熱交換器については飼料化装置の初期および後期の排気ガス性状(温度,湿度)を考慮して,現有の飼料化装置の仕様に基づき60℃での回収可能熱量を推定した。その結果,飼料化初期においては約190kW,後期においては約50kWの熱回収が可能と見込まれた。また,実際に熱交換器を用いて湿り空気からの熟回収実験を行った。その結果,湿り空気に対する熱通過率は乾き空気に対する値よりも6〜17倍大きいことが確認され,飼料化工程から排出される湿り状態の排ガスから熱交換する効率が高いことが検証できた。一方,60℃温水によって冷水を発生させるためには,従来の単段型吸着冷凍機では困難である。そこで,二段型吸着冷凍サイクルの実験機を用いて,駆動熱源温度の低温化に伴う性能(冷凍能力,成績係数)の変化を実測した。その結果,二段型吸着冷凍サイクルを用いれば53℃でも冷熱発生が可能であることが確認できた。以上より,現有飼料化装置から発生可能な冷熱量は,飼料化初期では28kW,後期では7 kWと推定された。
2006-03-31

食品残渣の家畜飼料・堆肥化におけるエネルギー利用システム確立の検討

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