JP6266989B2 - 二酸化炭素施用装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を回収し、当該二酸化炭素を農業用ハウス内に供給する二酸化炭素施用装置に関する。

周知の如く、農業用ハウス（温室）では、夜間に気温が下がり過ぎて園芸植物の生育が阻害されることのないように、加温機を用いて農業用ハウス内の空気を加温している。この加温機は、重油や灯油などを燃焼させることで発生した燃焼熱を、温風として農業用ハウス内に供給するものである。

一方、園芸植物の収率および品質の向上のため、光合成に必要な二酸化炭素を農業用ハウス内に供給（施用）する二酸化炭素施用装置が開発されており、普及している。この二酸化炭素施用装置は、重油や灯油などを燃焼させることにより二酸化炭素を発生させて、当該二酸化炭素を農業用ハウス内の園芸植物に供給するものである。

下記特許文献１には、夜間、加温機から排出された燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を回収・貯留しておき、昼間、当該二酸化炭素を園芸植物に供給する二酸化炭素施用装置が記載されている。二酸化炭素の回収・貯留は、ゼオライト等の吸着材を用いて、二酸化炭素を吸着することによって行っている。

加温機から排出された高温（３００℃程度）の燃焼排ガスを直接吸着材に供給すると、燃焼排ガスが有する熱によって当該吸着材が損傷し、吸着機能を発揮できなくなるおそれがある。このため、下記特許文献１に記載された二酸化炭素施用装置では、燃焼排ガスを貯留水に供給し、気泡状にして貯留水を通過（バブリング）させ、その後、吸着材に供給している。燃焼排ガスは、貯留水を通過することで熱を奪われ、温度が低下するため、吸着材の損傷を防止することができる。

特開２０１２−０１６３２２号公報 特開２０１０−２１４３０３号公報

一方、上記特許文献２には、貯留したカルシウム水溶液中に燃焼排ガスを供給することで、燃焼排ガス中の炭酸ガスを炭酸カルシウムとして析出させることが記載されている。上記特許文献２には、このようにして得られた炭酸カルシウムは、肥料として利用可能であることが記載されている。

そこで、本願発明者は、上記特許文献１に記載された二酸化炭素施用装置において、燃焼排ガスが供給される貯留水をカルシウム水溶液とすることで、吸着材の損傷防止と同時に肥料の生成が可能になると考え、種々の検討を行った。しかしながら、燃焼排ガスの供給によって高温となった貯留水が沸騰したり、水蒸気爆発が生じるなどして、貯留水中で安定的に肥料を生成することが難しいという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃焼排ガスの熱による吸着材の損傷を抑制しながらも、安定的に肥料を生成することができる二酸化炭素施用装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る二酸化炭素施用装置は、燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を回収し、当該二酸化炭素を農業用ハウス内に供給する二酸化炭素施用装置であって、燃料を燃焼させて燃焼排ガスを排出する燃焼装置と、内部にカルシウム水溶液を貯留し、燃焼排ガスを気泡状にして該カルシウム水溶液中を通過させる貯水タンクと、燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を吸着する吸着材と、前記燃焼装置から排出された燃焼排ガスを前記貯留タンクへと流す第１流路と、前記貯水タンクの内部から排出された燃焼排ガスを前記吸着材へと流す第２流路と、燃焼排ガスを冷却するガス冷却装置と、を備え、前記ガス冷却装置は、前記貯水タンクよりも上流側の前記第１流路を流れる燃焼排ガスを冷却することを特徴としている。

本発明に係る二酸化炭素施用装置によれば、燃焼装置から排出され、第１流路を流れる高温の燃焼排ガスは、ガス冷却装置によって冷却され、その後、貯水タンクに供給されるため、温度を低下させた状態でカルシウム水溶液中を通過させることができる。したがって、カルシウム水溶液の沸騰や水蒸気爆発を防止し、肥料として利用できる炭酸カルシウム等をカルシウム水溶液中で安定的に生成することが可能となる。

ガス冷却装置によって冷却された燃焼排ガスは、温度が低下する一方で、相対湿度が高まるため、白煙状の水蒸気を含む高湿度ガスとなる場合がある。このような燃焼排ガスがそのまま吸着材に供給されると、吸着材において水分が凝集し、二酸化炭素の吸着が適切に行われなくおそれがある。

しかしながら、本発明に係る二酸化炭素施用装置によれば、カルシウム水溶液中を通過させることで、燃焼排ガス中の水蒸気が除去され、相対湿度が低下した状態で吸着材に供給されるため、吸着材における水分の凝集を抑制し、二酸化炭素の吸着を適切に行わせることが可能となる。

また本発明に係る二酸化炭素施用装置では、前記吸着材よりも上流側の前記第２流路に、燃焼排ガスを下流側に圧送するブロアが配置されていることも好ましい。

この好ましい態様では、吸着材よりも上流側の第２流路を流れる燃焼排ガスは、ブロアが運転時に発する熱を受けて温度が上昇することで、相対湿度が低下する。したがって、吸着材における水分の凝集をさらに抑制し、二酸化炭素の吸着を適切に行わせることが可能となる。

また本発明に係る二酸化炭素施用装置では、前記ガス冷却装置は、燃焼排ガスと冷媒との間で熱交換を行わせる熱交換器であることも好ましい。

この好ましい態様では、熱交換器において冷媒の流量（単位時間あたりに流れる冷媒の量）を調整することで、燃焼排ガスと冷媒との間で交換される熱量の調整を行い、その結果、燃焼排ガスの温度を調整することが可能となる。

例えば、吸着材として活性炭を用いる場合、吸着している二酸化炭素を園芸植物に供給する際は、活性炭を加熱して吸着時よりも高温にすることで、二酸化炭素を脱離させることが一般的である。上記好ましい形態では、吸着時は冷媒の流量を大きくして燃焼排ガスとの熱交換を促進し、活性炭に供給される燃焼排ガスの温度を低くする一方、脱離時は冷媒の流量を小さくして燃焼排ガスとの熱交換を抑制し、活性炭に供給される燃焼排ガスの温度を高めることで、活性炭の温度を吸着時と脱離時とのそれぞれに適切なものに調整することが可能となる。

本発明によれば、燃焼排ガスの熱による吸着材の損傷を抑制しながらも、安定的に肥料を生成することができる二酸化炭素施用装置を提供することが可能となる。

本発明の実施形態に係る二酸化炭素施用装置の概略構成を表す全体図である。 貯水タンクの内部を表す模式図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

まず、図１及び図２を参照して、二酸化炭素施用装置の概略を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る二酸化炭素施用装置１００の概略構成を表す全体図である。図２は、貯水タンク４０の内部を表す模式図である。

図１に表すように、二酸化炭素施用装置１００は、加温機１０と、第１配管２０と、熱交換器３０と、貯水タンク４０と、第２配管５０と、ブロア６０と、二酸化炭素吸着タンク７０と、第３配管８０と、を有している。また、図１に表すように、二酸化炭素施用装置１００は、農業用ハウス２内に収容される。

加温機１０は、重油や灯油等の燃料を燃焼させる燃焼装置であり、夜間に農業用ハウス２内の気温が下がり過ぎて園芸植物の生育が阻害されることのないように、農業用ハウス２内に温風を供給する。加温機１０には煙突１２が接続されており、燃焼により生じた燃焼排ガスがこの煙突１２を介して排出される。この煙突１２の途中には、燃焼排ガス量調整バルブＶを介して第１配管２０が接続されている。第１配管２０は、その内部に第１流路２１を有しており、図示しない制御装置により燃焼排ガス量調整バルブＶを制御することで、燃焼排ガスが煙突１２から排出される状態と、燃焼排ガスが第１流路２１に供給される状態とが切り替えられる。

第１配管２０は、煙突１２及び貯水タンク４０に接続される配管である。第１配管２０が内部に有する第１流路２１は、加温機１０から排出された燃焼排ガスを貯水タンク４０へと流す流路となっている。

熱交換器３０は、第１流路２１を流れる燃焼排ガスを冷却する装置であり、コア３１と、冷却水タンク３３と、配管３４と、を有している。コア３１は、その内部に流路が形成されており、貯水タンク４０よりも上流側の第１流路２１に配置されている。コア３１の内部の流路には、配管３４を介して供給される冷却水（冷媒）が流されて冷却水タンク３３との間で循環し、コア３１の外部を流れる高温の燃焼排ガスとの間で熱交換を行う。

貯水タンク４０は、燃焼排ガスを気泡状にして貯留水に通過させるとともに、肥料を生成する装置であり、図２に表すように、タンク本体４１と、金網４２と、排出弁４３と、水位調整パイプ４４と、を有している。
タンク本体４１は、中空の容器であり、その内部はメッシュ状の金網４２によって上下に区画されている。タンク本体４１は、略円筒状や、略直方体状といった様々な形態を取りうる容器である。金網４２の上面には、複数の牡蠣殻Ｓが載置されており、タンク本体４１の内部には牡蠣殻Ｓが浸る水位となるまで水Ｗ１が貯留されている。このため、牡蠣殻Ｓに含まれるカルシウム成分が水Ｗ１中に溶出し、水Ｗ１はカルシウム水溶液となっている。タンク本体４１の内部には、天板４１ａ及び金網４２を貫通するようにして第１配管２０が挿入されており、第１配管２０の端部２０ａは水Ｗ１中に配置されている。
排出弁４３は、タンク本体４１の底部に設けられる弁装置である。排出弁４３の開弁により、タンク本体４１の底部の沈殿物等をタンク本体４１外に排出することができる。
水位調整パイプ４４は、逆Ｕ字形状を呈する管状部材であり、その一端部４４ａがタンク本体４１の底部に接続されている。タンク本体４１内の水Ｗ１が増量して所定水位を超えた場合は、その超えた分の水Ｗ２が水位調整パイプ４４の頂部４４ｂを乗り越え、開放された他端部４４ｃからタンク本体４１外に排出される。これにより、タンク本体４１内の水Ｗ１は、牡蠣殻Ｓを浸す所定水位に維持される。

第２配管５０は、貯水タンク４０及び二酸化炭素吸着タンク７０に接続される配管である。第２配管５０が内部に有する第２流路５１は、貯水タンク４０の内部から排出された燃焼排ガスを二酸化炭素吸着タンク７０へと流す流路となっている。図１に表すように、第２流路５１にはブロア６０が配置されている。ブロア６０は、電動モータ６１によってファン６２が回転することで、貯水タンク４０側から燃焼排ガスを吸引するとともに、二酸化炭素吸着タンク７０側に向けて圧送する。

二酸化炭素吸着タンク７０は、ブロア６０よりも下流側の第２配管５０に接続されており、その内部には、図示しない活性炭（吸着材）が収容されている。活性炭は、その表面に多数設けられる細孔において、燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を吸着することで、二酸化炭素を二酸化炭素吸着タンク７０の内部に貯留する。二酸化炭素吸着タンク７０内の活性炭によって二酸化炭素の一部又は全部を除去された燃焼排ガスは、二酸化炭素吸着タンク７０に接続された第３配管８０を介して排出される。

尚、本実施形態では、吸着材として活性炭を用いているが、燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を吸着・貯留する機能を有するものであれば他の材料を用いても良く、例えばゼオライト等の親水性多孔質材料を用いても良い。

上記構成を備える二酸化炭素施用装置１００は、農業用ハウス２内の温度が低下する夜間は、農業用ハウス２内に温風を供給するとともに、二酸化炭素吸着タンク７０の活性炭において二酸化炭素の吸着を行う。以下、二酸化炭素施用装置１００において行われる二酸化炭素の吸着、及び、肥料の生成について説明する。

この場合、加温機１０から排出される燃焼排ガスが第１流路２１側に流れるように燃焼排ガス量調整バルブＶを調整した状態で、加温機１０及びブロア６０を運転させる。加温機１０から第１流路２１に供給された燃焼排ガスは、熱交換器３０のコア３１を通過する際に冷却水との間で熱交換を行うことで冷却される。このとき、配管３４を介してコア３１と冷却水タンク３３との間で循環する冷媒の流量（単位時間あたりに流れる冷媒の量）は、上記熱交換を促進させるために比較的大きく設定されている。熱交換器３０によって冷却された燃焼排ガスは、温度が低下する一方で、相対湿度が高まるため、白煙状の水蒸気を含む高湿度ガスとなる。

熱交換器３０のコア３１を通過した燃焼排ガスは、さらに第１流路２１内を流れ、貯水タンク４０に供給される。詳細には、図２に矢印Ａ１で表すように、第１流路２１を流れて貯水タンク４０に至った燃焼排ガスは、第１配管２０の端部２０ａから水Ｗ１中に供給され、気泡Ｂとなる。

水Ｗ１中に供給された燃焼排ガス（気泡Ｂ）は、浮力によって水Ｗ１中を上昇し、金網４２を通過して水Ｗ１の水面から出る。この燃焼排ガス（気泡Ｂ）の通過により、金網４２上に載置された牡蠣殻Ｓの表面の水Ｗ１が攪拌されることから、牡蠣殻Ｓに含まれるカルシウム成分の溶出が促される。水Ｗ１の水面から出た燃焼排ガスは、矢印Ａ２で表すように、タンク本体４１に接続された第２配管５０の第２流路５１を介して貯水タンク４０外に排出される。

以上のように、燃焼排ガスを気泡状にして水Ｗ１中を通過させることにより、燃焼排ガスに含まれていた炭酸ガスが水Ｗ１中のカルシウムと結合し、炭酸カルシウムが析出する。

また、燃焼排ガスを気泡状にして水Ｗ１中を通過させることにより、燃焼排ガスに含まれていた硫黄酸化物、窒素酸化物等の有害物質が除去され、燃焼排ガスは無害化された状態で排出される。これら有害物質が、水Ｗ１中のカルシウムと結合することで、硫酸カルシウムや硝酸カルシウムが生成される。

また、熱交換器３０によって冷却され、白煙状の水蒸気を含む高湿度ガスとなっていた燃焼排ガスは、水Ｗ１中を通過することで水蒸気が除去され、相対湿度が低下した状態で排出される。

水Ｗ１中で生成された炭酸カルシウム及び硫酸カルシウムは、主に排出弁４３を開弁することで、タンク本体４１外に取り出すことができる。また、硝酸カルシウムは、水Ｗ１によって燃焼排ガスから水蒸気が除去されることで、水Ｗ１の水位が上昇して水位調整パイプ４４によって水Ｗ２が排出されるため、主に水Ｗ２とともにタンク本体４１外に取り出される。このようにして得られる炭酸カルシウム、硫酸カルシウム及び硝酸カルシウムは、園芸植物の生育を促す肥料として利用することができる。

また、加温機１０から排出され、第１流路２１を流れる高温の燃焼排ガスは、熱交換器３０によって冷却され、その後、貯水タンク４０に供給されるため、温度を低下させた状態で水Ｗ１中を通過させることができる。したがって、水Ｗ１の沸騰や水蒸気爆発を防止し、肥料として利用できる炭酸カルシウム等を水Ｗ１中で安定的に生成することが可能となる。

貯水タンク４０の内部から排出された燃焼排ガスは、第２配管５０の内部の第２流路５１に流入する。第２流路５１に流入した燃焼排ガスは、ブロア６０によって吸引され、ブロア６０を通過してその下流側に圧送される。

ここで、ブロア６０の電動モータ６１は、運転時に発生するジュール熱により高温となっている。このため、ブロア６０を通過する燃焼排ガスは、この電動モータ６１から熱を受けて温度が上昇し、相対湿度が低下する。

ブロア６０によって圧送された燃焼排ガスは、さらに第２流路５１内を流れ、二酸化炭素吸着タンク７０に供給される。二酸化炭素吸着タンク７０の内部に収容された活性炭を燃焼排ガスが通過することで、燃焼排ガスに含まれていた二酸化炭素が活性炭に吸着され、二酸化炭素吸着タンク７０の内部に貯留される。

二酸化炭素吸着タンク７０に供給される燃焼排ガスは、その上流側で熱交換器３０によって冷却され、温度が低下している。したがって、燃焼排ガスの熱による活性炭の損傷を防止することができる。

また、上記のとおり、熱交換器３０による冷却の際に、燃焼排ガスは白煙状の水蒸気を含む高湿度ガスとなるが、その後、燃焼排ガスを気泡状にして水Ｗ１中を通過させたことで、水蒸気が除去されている。したがって、二酸化炭素吸着タンク７０に供給される燃焼排ガスの相対湿度は低下しており、これにより、吸着材における水分の凝集を抑制し、二酸化炭素の吸着を適切に行わせることが可能となる。

さらに、二酸化炭素吸着タンク７０よりも上流側の第２流路５１を流れる燃焼排ガスは、ブロア６０が運転時に発する熱を受けて温度が上昇することで、相対湿度が低下する。したがって、活性炭における水分の凝集をさらに抑制し、二酸化炭素の吸着を適切に行わせることが可能となる。

以上のように二酸化炭素吸着タンク７０の内部に貯留された二酸化炭素は、農業用ハウス２内の園芸植物の光合成を促進するため、昼間に園芸植物へと供給される。以下、園芸植物への二酸化炭素の供給について説明する。

二酸化炭素吸着タンク７０の内部から二酸化炭素を排出するためには、活性炭に吸着された二酸化炭素を脱離させる必要がある。この場合、加温機１０から排出される燃焼排ガスが第１流路２１側に流れるように燃焼排ガス量調整バルブＶを調整した状態で、加温機１０及びブロア６０を運転させる。

加温機１０から第１流路２１に供給された燃焼排ガスは、熱交換器３０のコア３１を通過する。このとき、コア３１の内部を流れる冷媒は、その流量を比較的小さく設定するか、ゼロに設定することで、燃焼排ガスとの熱交換を抑制する。これにより、燃焼排ガスは熱交換器によってわずかに冷却され、又は、冷却されることなく、高温のまま第１流路２１をさらに流れ、貯水タンク４０及び第２流路５１を経て二酸化炭素吸着タンク７０の内部に供給される。

二酸化炭素吸着タンク７０の内部の活性炭は、高温の燃焼排ガスが通過することで、その温度が上昇する。このため、活性炭に吸着されている二酸化炭素も温度が上昇し、分子運動が活発となることで、活性炭から脱離して二酸化炭素吸着タンク７０の内部から排出される。排出された二酸化炭素は、第３配管８０を介して農業用ハウス２内の園芸植物に供給され、その光合成に利用される。

以上のように、熱交換器３０において冷媒の流量を調整することで、燃焼排ガスと冷媒との間で交換される熱量の調整を行い、その結果、燃焼排ガスの温度を調整することが可能となる。すなわち、園芸植物への二酸化炭素の供給時は、熱交換器３０によって冷却された燃焼排ガスの温度は、その熱によって活性炭を損傷させないものの、活性炭を十分に加熱して二酸化炭素の脱離を促すことができる程度に調整されている。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

２ ：農業用ハウス
１０：加温機（燃焼装置）
２１：第１流路
３０：熱交換器（ガス冷却装置）
４０：貯水タンク
５１：第２流路
６０：ブロア
７０：二酸化炭素吸着タンク
Ｓ ：牡蠣殻
Ｗ１：水

Claims (3)

1. 燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を回収し、当該二酸化炭素を農業用ハウス内に供給する二酸化炭素施用装置であって、
   燃料を燃焼させて燃焼排ガスを排出する燃焼装置と、
   内部にカルシウム水溶液を貯留し、燃焼排ガスを気泡状にして該カルシウム水溶液中を通過させる貯水タンクと、
   燃焼排ガスに含まれる二酸化炭素を吸着する吸着材と、
   前記燃焼装置から排出された燃焼排ガスを前記貯留タンクへと流す第１流路と、
   前記貯水タンクの内部から排出された燃焼排ガスを前記吸着材へと流す第２流路と、
   燃焼排ガスを冷却するガス冷却装置と、を備え、
   前記ガス冷却装置は、前記貯水タンクよりも上流側の前記第１流路を流れる燃焼排ガスを冷却することを特徴とする二酸化炭素施用装置。
2. 前記吸着材よりも上流側の前記第２流路に、燃焼排ガスを下流側に圧送するブロアが配置されていることを特徴とする請求項１に記載の二酸化炭素施用装置。
3. 前記ガス冷却装置は、燃焼排ガスと冷媒との間で熱交換を行わせる熱交換器であることを特徴とする請求項１又は２に記載の二酸化炭素施用装置。

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