CN107708882A - 附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施的能源高效利用方法 - Google Patents

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Abstract

技术问题：提供一种能够实现能源回收率的进一步提高的附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施的新的能源高效利用方法。解决手段：本发明是一种附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施的能源高效利用方法，其特征在于，在附设有由普通废弃物中的生物物质所含有的糖质生成生物乙醇的乙醇制造设备的废弃物焚烧设施中进行如下工序：乙醇制造工序，其混合对普通废弃物进行预处理而获得的、由厨余垃圾和潮湿的纸类组成的较重物的一部分、和从由干燥的纸类和塑料类组成的较轻物分离出的纸浆，并使该混合物发酵；以及甲烷制造工序，其使所述较重物的剩余部分和/或乙醇制造工序中产生的蒸馏残渣发酵。

Description

附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施的能源高效利用方法
技术领域
本发明涉及一种在附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施中高效利用生成的能源的方法，该乙醇制造设备将普通废弃物所含有的以纸类为中心的纤维素类的生物物质(biomass)酶解糖化为构成糖即单糖，并进一步使其发酵而生成乙醇。
背景技术
本申请人首先提出了在附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施中高效利用能源的方法(专利文献1)。在该方法中，在将以各种垃圾混合的状态回收的普通废弃物进行粗破碎后，用破碎分选机将所获得的粗破碎物分选为比重较低的较轻物(主要是纸类、塑料类)、和含有较多水分的比重较高的较重物(主要是厨房垃圾类即厨余垃圾)，进一步在较轻物中添加水进行制浆处理以使纸分解，而与(不分解的)塑料类分离，将所获得的纸浆作为原料淤浆，由其制造乙醇。
并且，通过在同一焚烧设施中附设使用从废弃物焚烧设施排出的废热的锅炉、和使用该锅炉产生的蒸汽的汽轮机，并将其中排出的焚烧废热或者从锅炉中排出的锅炉蒸汽和/或从汽轮机中排出的抽气蒸汽用作乙醇制造工序中的酵母的培养(30℃左右)、糖化发酵(40℃左右)、蒸馏(80℃左右)的热源，能够实现乙醇制造成本以及CO2排出量的降低。
以往，将来自废弃物焚烧设施、燃料电池的废热用作生物气或生物乙醇的制造工序的热源的技术是公知的(专利文献2以及3、非专利文献1等)。例如，在专利文献2的段落[0026]～[0027]中，记载有将废弃物燃烧设施中排出的废热送至干式甲烷发酵设施并进行高效利用的方法，这样的废热利用如图3以及图4所示。在专利文献3的段落[0049]中，记载有将从燃料电池中排出的废热用作分离回收部中的酒精成分的蒸馏分离的热源，或用于发酵部的保温的方案，这样的废热利用如图2所示。非专利文献1是刊载了题为“Productionof hydrogen for fuel cells by reformation of biomass-derived ethanol”的论文的学术杂志，在其第146页的Fig.1中，示有将从除燃料电池以外排出的废热送至厌氧性消化工序等并进行高效利用的方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开2010-246421号公报
专利文献2：日本专利公开2007-105614号公报
专利文献3：日本专利公开2009-219989号公报
非专利文献
非专利文献1：Catalysis Today 75(2002)145-155
发明内容
(一)要解决的技术问题
在专利文献1所述的方法中假设了，对通过乙醇制造工序中的机械分选以及制浆处理而与纸类分离的非乙醇原料(塑料等异物)、或者发酵醪的蒸馏工序中产生的残渣的脱水物进行焚烧处理。按照后述的比较例1的记载，以垃圾焚烧发电的方式对普通废弃物100t/d进行处理时的能源回收率约为5.5％，但该值并不理想，期望进一步提高能源回收率。
另外，专利文献2、专利文献3、以及非专利文献1的方法也无法获得理想的能源回收率，期望进一步提高能源回收率。
(二)技术方案
本发明人鉴于上述的实情，进行了充分的研究，完成了如下的附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施的新的能源高效利用方法：除了乙醇制造设备以及发电用汽轮机，还在废弃物焚烧设施中附设甲烷发酵设备、燃气发动机、以及固体氧化物型燃料电池(SolidOxide Fuel Cell，以下记为“SOFC”)，在回收能源的同时，将它们中排出的废热用作乙醇制造设备中各阶段的热源，由此，能够实现能源回收率的进一步提高。
第一发明是一种附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施的能源高效利用方法，其特征在于，其在附设有由普通废弃物中的生物物质所含有的糖质生成生物乙醇的乙醇制造设备的废弃物焚烧设施中，进行如下工序：乙醇制造工序，混合对普通废弃物进行预处理而获得的、由厨余垃圾和潮湿的纸类组成的较重物的一部分、和从由干燥的纸类和塑料类组成的较轻物分离出的纸浆，并使该混合物发酵；以及甲烷制造工序，其使所述较重物的剩余部分和/或乙醇制造工序中产生的蒸馏残渣发酵。
列举日本全国平均值(根据日本环境省主页的平成23年(2011年)度数据估算的湿重量％)，作为普通废弃物组成的一例，其中厨房垃圾类14.9％、纸类48.3％、草木类9.5％、布革类-％(布属于纸类，革属于塑料类)，塑料类20.4％、不燃物7.0％。另一方面，某市的组成(根据平成24(2012年)年度，由该市环境政策局事业概要估算的湿重量％)为，厨房垃圾类30.4％、纸类36.6％、草木类5.5％、布革类6.7％、塑料类16.2％、不燃物4.6％，这两者间存在偏差，但通过所述预处理，能够对其进行应对。具体地说，用双轴破碎机进行粗破碎的粗破碎物通过传送带，被供给至由刀片和筛网构成的破碎分选机，在此被高速旋转的刀片(切实)破碎，同时用旋转的风力将比重较小的塑料类、干燥的纸类作为较轻物回收，将筛网孔径以下且比重较大的厨房垃圾类、潮湿的纸类作为较重物回收。通过对前者(较轻物)进一步进行制浆处理，仅对纸浆进行分离/回收，能够不受“组成的偏差”、“较重物-较轻物的比例”影响，而高效地取出可以成为乙醇、生物气的原料的生物物质。之后，将较重物全量中的、供乙醇制造的部分记为“较重物的一部分”，除此之外的部分记为“较重物的剩余部分”。
在占据较重物的大半的厨房垃圾类中还含有淀粉等糖质、脂质、蛋白质等，若对蛋白质进行酶(蛋白酶)处理，并加水分解，则会成为作为酵母的必须营养成分的氨基酸，虽然没有成为直接的乙醇原料，但能够助长酵母的增值，相较于仅将纸浆用作原料的情况，降低了酵母的添加量，有助于成本削减。
关于弄清楚酵母的增值助长所需的最低限度的较重物添加量而导出的“较重物的一部分”相对于纸浆的混合比例，在以干燥重量比记，将纸浆一律作为1的情况下，下限值优选为0.02，更优选为0.05，进一步优选为0.10，上限值优选为0.50，更优选为0.35，进一步优选为0.20，将该混合物作为原料制造乙醇，但并不是所有情况下都限于该混合比例的范围。
在本发明中，通过预处理，能够不受普通废弃物的“组成的偏差”、“较重物-较轻物的比例”影响，而高效地取出可以成为原料的生物物质，但无法否定普通废弃物中的较重物特别多而较轻物较少、或者全部为较重物的可能性(特别是在海外的情况下)。例如，在较重物(＝厨余垃圾)中除了潮湿的纸类，淀粉质，具体地说是面、饭、面包等剩饭较多的情况下，除了纤维素酶外还添加淀粉酶，除此之外能够以同样的方法将较重物供于乙醇制造，或者在较重物中潮湿的纸类、淀粉质较少，而脂质、蛋白质占据大半的情况下，能够将较重物全量供给为甲烷制造原料。由于也有这样的组成的一般废弃部分成为对象原料的可能性，因此，其特征在于，供于乙醇制造的“较重物的一部分”和供于甲烷制造的“较重物的剩余部分”的比例并不重要，不固定特别明确且具体的范围，只是也能够将不供给为乙醇原料的“较重物的剩余部分”供给为甲烷发酵原料。
在第一发明的附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施的能源高效利用方法中，优选地，将使所述乙醇制造设备中产生的残渣、以及所述甲烷发酵工序中产生的残渣中的至少一方的残渣脱水后进行焚烧处理而获得的废热，用于所述乙醇制造设备中的生物物质以及槽的加热杀菌。
在第一发明的附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施的能源高效利用方法中，优选地，将使所述乙醇制造设备中产生的残渣、以及所述甲烷发酵工序中产生的残渣中的至少一方的残渣脱水后进行焚烧处理而获得的废热，用作所述乙醇制造设备的培养阶段、糖化/发酵阶段、以及蒸馏阶段中的至少一个阶段的热源。
在第一发明的附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施的能源高效利用方法中，优选地，利用使所述乙醇制造设备中产生的残渣、以及所述甲烷发酵工序中产生的残渣中的至少一方的残渣脱水后进行焚烧处理而获得的废热来生成蒸汽，并通过汽轮机从所述蒸汽回收电力。
第一发明的废弃物焚烧设施不限于炉排式、流化床式、回转窑式等焚烧炉，也可以是气化炉、熔炼炉、组合它们的气化熔炼炉等、(伴随发电的)其他类型的现有焚烧设施。
第二发明是一种附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施的能源高效利用方法，其特征在于，在第一发明中，还含有将所述甲烷用作燃气发动机的驱动源的能源回收工序。
在第二发明的附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施的能源高效利用方法中，优选地，将从所述燃气发动机排出的发动机废热、和/或使所述乙醇制造设备中产生的残渣、以及所述甲烷发酵工序中产生的残渣中的至少一方的残渣脱水后进行焚烧处理而获得的废热，用于所述乙醇制造设备中的生物物质和/或发酵槽的加热杀菌。
第二发明的附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施的能源高效利用方法中，优选地，将从所述燃气发动机排出的发动机废热、和/或使所述乙醇制造设备中产生的残渣、以及所述甲烷发酵工序中产生的残渣中的至少一方的残渣脱水后进行焚烧处理而获得的废热，用作所述乙醇制造设备中的培养阶段、糖化/发酵阶段、以及蒸馏阶段中的至少一个阶段的热源。
在第二发明的附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施的能源高效利用方法中，优选地，利用从所述燃气发动机排出的发动机废热、和/或所述乙醇制造设备中产生的残渣、以及所述甲烷发酵工序中产生的残渣中的至少一方的残渣脱水后进行焚烧处理而获得的废热来生成蒸汽，并通过汽轮机从所述蒸汽回收电力。
第三发明是一种附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施的能源高效利用方法，在第一发明以及第二发明、以及其优选的实施方式中，还含有：使所述乙醇制造设备中产生的含水乙醇蒸汽改性而生成氢气的改性工序；以及将所述氢气作为氢源，通过燃料电池获得电力的工序。含水乙醇的乙醇浓度优选为20～40重量％，更优选为25～35重量％。
第四发明是一种附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施的能源高效利用方法，其特征在于，在第一发明以及第二发明、以及其优选的实施方式中，还含有：使所述乙醇制造设备中产生的含水乙醇蒸汽和甲烷发酵工序中获得的甲烷分别改性或在混合状态下改性而生成氢气的改性工序；以及使用所述氢气通过燃料电池获得电力的工序。优选将所述乙醇制造设备中产生的含水乙醇蒸汽的全量和/或甲烷发酵工序中获得的甲烷的全量供于改性。在第四发明中，含水乙醇的乙醇浓度优选为10～25重量％，更优选为15～20重量％。
在第三发明以及第四发明中，燃料电池除了固体氧化物型燃料电池(Solid OxideFuel Cell：SOFC)，也可以是固体高分子型-(Polymer Electrolyte-：PEFC)、磷酸型-(Phosphoric Acid-：PAFC)、熔融碳酸盐型-(Molten Carbonate-：MCFC)等，其均可适用改性工序中获得的氢气。各自的运行温度和发电效率如下表所示，但获得高温废热(用于乙醇、甲烷制造工序)、和不仅可以使用改性获得的氢气而且可以使用一氧化碳气体(在SOFC以外的燃料电池中，一氧化碳气体为阻碍因子)这两点，可以证明SOFC最适合本发明方法。此外，发电效率的50～70％也是最高的，但这无法作为证明，归根结底只是结果论。
[表a]
(三)有益效果
根据第一发明，在附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施中，能够使对普通废弃物进行预处理所获得的、由厨余垃圾和潮湿的纸类组成的较重物的一部分、和/或乙醇制造设备中产生的蒸馏残渣甲烷发酵，而获得甲烷。
在对醪进行蒸馏而除去了乙醇成分的残渣中，除了来自无法成为直接乙醇原料的厨余垃圾的脂质、蛋白质，还残存有未被酶解糖化的纸浆(糖质)、或者酵母的残骸等，这些均可以成为甲烷发酵基质。因此，通过使该蒸馏残渣、和未供于乙醇发酵的由厨余垃圾和潮湿的纸类组成的较重物的一部分共同甲烷发酵，能够实现能源的回收。
在第一发明中，通过将来自所述乙醇制造设备中产生的残渣、和/或所述甲烷发酵工序中产生的残渣的废热，用于所述乙醇制造设备中的生物物质以及槽的加热杀菌，能够实现进一步的能源回收。
在第一发明中，通过将来自所述乙醇制造设备中产生的残渣、和/或所述甲烷发酵工序中产生的残渣的废热，用作所述乙醇制造设备的培养阶段、糖化/发酵阶段以及蒸馏阶段中的至少一阶段的热源，能够实现进一步的能源回收。
在第一发明中，利用来自所述乙醇制造设备中产生的残渣、和/或所述甲烷发酵工序中产生的残渣的废热来生成蒸汽，并通过汽轮机从所述蒸汽回收电力，能够实现进一步的能源回收。
根据第二发明，通过在第一发明中，进一步将所述甲烷用作燃气发动机的驱动源，能够实现能源的进一步的回收(燃气发动机发电的发电效率为30～40％，废热30～40％)。
在第二发明中，通过将从所述燃气发动机排出的发动机废热、和/或来自所述乙醇制造设备中产生的残渣、和/或所述甲烷发酵工序中产生的残渣的废热，用于所述乙醇制造设备中的生物物质以及槽的加热杀菌，能够实现能源回收率的提高。
在第二发明中，通过将从所述燃气发动机排出的发动机废热、和/或来自所述乙醇制造设备中产生的残渣、和/或所述甲烷发酵工序中产生的残渣的废热，用作所述乙醇制造设备的培养阶段、糖化/发酵阶段以及蒸馏阶段中的至少一阶段的热源，能够实现进一步的能源回收。
在第二发明中，通过利用从所述燃气发动机排出的发动机废热、和/或利用来自所述乙醇制造设备中产生的残渣、和/或所述甲烷发酵工序中产生的残渣的废热来生成蒸汽，并通过汽轮机从所述蒸汽回收电力，能够实现进一步的能源回收。
根据第三发明，通过进一步使所述乙醇制造设备中产生的含水乙醇蒸汽改性而生成氢气，并使用所述氢气通过燃料电池获得电力，能够实现进一步的能源回收。
根据第四发明，通过进一步使所述乙醇制造设备中产生的含水乙醇蒸汽和甲烷发酵工序中获得的甲烷改性而生成氢气，并使用所述氢气通过燃料电池获得电力，能够实现进一步的能源回收。
这样，根据本发明，能够实现能源回收率的大幅提高。
附图说明
图1是表示本发明的实施例1的流程图。
图2是表示本发明的实施例2的流程图。
图3是表示本发明的实施例3的流程图。
图4是表示作为以往技术的比较例1的流程图。
具体实施方式
接着，列举几项具体说明本发明的实施例以及表示以往技术的比较例，但本发明不受这些实施例限制。
比较例1(仅有垃圾焚烧发电)
在图4中，将各种垃圾在混合的状态下被排出/回收的普通废弃物(100t/d，9915kJ/kg，275MWh)投入废弃物焚烧设施，进行焚烧处理。通过锅炉将废弃物焚烧设施中产生的废热转换为蒸汽(359t/d，2991kJ/kg，298MWh)，并将该蒸汽的一部分用作工艺用蒸汽，将剩余部分供于汽轮机的发电。将该电力(33.2MWh)的一部分用作自用消耗电力(18MWh)，剩余部分供于出售用电(15.2MWh)。
将基于普通废弃物量(100t/d)的燃烧的发热量9915kJ/kg的热输入275MWh作为分母，并将从对其进行垃圾焚烧发电而获得的发电量33.2MWh中减去自用消耗电力18MWh所得的热输出15.2MWh作为分子，而计算出的能源回收率估算为：
(33.2-18)/275×100＝5.5(％)。
在进行该估算时，适用了所述某市的普通废弃物的组成比例(湿重量％为厨房垃圾类30.4％、纸类36.6％、草木类5.5％、布革类6.7％、塑料类16.2％、不燃物4.6％)，以下的实施例1～3中的能源回收率也是基于该比例的估算结果。
实施例1
在图1中，将各种垃圾在混合的状态下被排出/回收的普通废弃物(100t/d，9915kJ/kg，275MWh)在预处理工序中进行粗破碎后，用破碎分选机将所获得的粗破碎物分选为比重较低的较轻物(主要是纸类、塑料类，66.8t/d，13753kJ/kg，255.2MWh)、与含有较多水分的比重较高的较重物(主要是厨房垃圾类即厨余垃圾，33.2t/d)。
将所述较重物分为两部分，用一方的较重物(22.2t/d，2192kJ/kg，13.5MWh)和后述的废纸纸浆制备原料淤浆(纸浆16重量％、较重物5重量％)，将其充填至乙醇制造设备的糖化/发酵槽。
在乙醇制造设备中，事先预培养酵母、和/或正式培养酵母，将其与酶(纤维素酶)一同添加至所述原料淤浆中，加水分解纤维素至构成糖的单糖，并使该单糖发酵，生成乙醇浓度5容积％左右的醪。对糖化/发酵反应中获得的醪(乙醇浓度4.3重量％为合算性的下限)进行蒸馏，使其浓缩至90重量％左右，之后通过脱水膜等，进一步使其浓缩至99.5重量％以上的无水乙醇。
另一方面，对所述较轻物进行制浆处理，以使纸分解为纤维状，除去塑料类，将所获得的废纸纸浆(109.2t/d，3220kJ/kg，97.7MWh)与所述较重物一同供给为乙醇制造原料。
如上所述，在乙醇制造设备中，在对醪进行蒸馏而除去了乙醇成分的残渣中，除了来自无法成为直接乙醇原料的厨余垃圾的脂质、蛋白质，还残存有未被酶解糖化的纸浆(糖质)、或者酵母的残骸等，这些均可以成为甲烷发酵基质。因此，将该蒸馏残渣(124.7t/d，2246kJ/kg，77.8MWh)、和所述较重物(主要是厨房垃圾类即厨余垃圾)的剩余部分(即未供于乙醇制造的部分，11.0t/d，2192kJ/kg，6.7MWh)供于甲烷发酵，而用作甲烷发酵资源。
进一步地，在所述甲烷发酵设备中附设燃气发动机，将所述甲烷发酵设备中获得的生物气中的甲烷(11km3/d，19705kJ/kg，60.2MWh)用作燃气发动机的驱动源。由此，能够实现进一步的能源的回收(燃气发动机发电24MWh，发电效率30～40％，废热6MWh，30～40％)。
在废弃物焚烧设施中，通常将从乙醇制造设备中的制浆工序排出的残渣(24.6t/d，23052kJ/kg，157.5MWh，水分10％)、以及从甲烷发酵工序排出的残渣(54.5t/d，1116kJ/kg，16.9MWh，水分83％)在脱水处理后投入，在仅上述残渣自的话难燃烧的情况下，直接投入所需量的普通废弃物，进行废弃物的焚烧处理。
在废弃物焚烧设施中，附设使用从废弃物焚烧设施排出的废热的锅炉、和使用该锅炉中产生的蒸汽的汽轮机，并通过锅炉将废弃物焚烧设施中产生的废热转换为蒸汽(224.2t/d，2991kJ/kg，186.3MWh)，将该蒸汽的一部分用作工艺用蒸汽，使用剩余部分通过汽轮机进行发电(18.7MWh)。将从锅炉中排出的锅炉蒸汽和/或从汽轮机中排出的抽气蒸汽用作乙醇制造设备中的酵母的培养(30℃左右)、糖化/发酵(40℃左右)、蒸馏(80℃左右)的热源。
实施例2
在图2中，将乙醇制造设备中在浓缩为无水乙醇前的蒸馏阶段中获得的浓度17重量％的含水乙醇蒸汽、和对甲烷发酵工序中获得的生物气进行精制而得到的甲烷(均为全量)送至改性器，在此以混合状态进行改性而生成氢气，使用所获得的氢气通过SOFC获得电力。这时SOFC的废热为18.7MWh，发电量为46.8MWh。
在实施例2中，不进行在乙醇制造设备中浓缩为无水乙醇的工序、以及使用甲烷发酵工序中获得的甲烷的生物气发电。
实施例2的其他结构与实施例1相同。
实施例3
在图3中，将普通废弃物的一半送至乙醇制造设备，并将剩下的一半直接投入废弃物焚烧设施中的垃圾焚烧设备以实施焚烧处理。
将乙醇制造设备中在浓缩为无水乙醇前的蒸馏阶段中获得的浓度30重量％的含水乙醇蒸汽送至改性器，在这里进行改性而生成氢气，使用所获得的氢气通过SOFC获得电力。SOFC的电力为8.6MWh，垃圾焚烧设备附设的汽轮机的发电量为32.9MWh，燃气发动机发电量为12MWh。
在实施例3中，不进行乙醇制造设备中的浓缩为无水乙醇的浓缩工序。
实施例3的其他结构与实施例1相同。
接着，基于实施例和比较例，对本发明的效果进行具体的说明。
(1)甲烷发酵工序的导入效果
在专利文献1的方法中，在100t/d规模的焚烧炉的情况下，直接焚烧50t/d，从剩下的50t/d中分离乙醇原料，以制造乙醇，对非原料的塑料类和蒸馏残渣进行了焚烧处理，但在上述实施例1中，从普通废弃物100t/d中分离乙醇发酵原料以及甲烷发酵原料以制造乙醇和甲烷。通过对非原料的塑料类和甲烷发酵中产生的残渣进行焚烧处理，乙醇制造原料的绝对量增加，乙醇制造量也增加。
在上述实施例1中，通过将较重物全量(33.2t/d)中的22.2t/d作为乙醇制造原料，11t/d作为甲烷发酵原料，相较于燃烧全量进行垃圾焚烧发电的情况，提高了能源回收率。
将热输出作为分子，将热输入作为分母而计算出的比较例以及实施例中的能源回收率如下所述。
在图4所示的比较例1(仅有垃圾焚烧发电)中，在废弃物焚烧设施中，仅投入普通废弃物(100t/d，9915kJ/kg，275MWh)。通过锅炉将废弃物焚烧设施中产生的废热转换为蒸汽(359t/d，2991kJ/kg，298MWh)，并将该蒸汽的一部分用作工艺蒸汽，使用剩余部分通过汽轮机发电(33.2MWh)。将该电力内的一部分用作自用消耗电力(18MWh)，将剩余部分供于出售用电(15.2MWh)。
在比较例1中，对于普通废弃物量(100t/d)，将基于其发热量9915kJ/kg的热输入275MWh作为分母，并将从对其进行垃圾焚烧发电而获得的发电量33.2MWh中减去消耗电力18MWh所得的热输出15.2MWh作为分子，而计算出的能源回收率估算为：
(33.2-18)/275×100＝5.5(％)。
在图1所示的实施例1(在比较例1的垃圾焚烧设施中附带乙醇制造设备以及甲烷发酵设备)中，将基于普通废弃物的热输入275MWh作为分母，将从制造的(无水)乙醇的热量33.4MWh、垃圾焚烧设备附设的汽轮机的发电量18.7MWh、以及燃气发动机发电量24MWh的和中减去消耗电力24.7MWh所得的热输出51.4MWh作为分子，而计算出的能源回收率估算为：
(33.4+24+18.7-24.7)/275×100＝18.7(％)。
此外，前提是乙醇未转换为电力，且直接用作燃料、化工产品。
在图2所示的实施例2中，基于与比较例1以及实施例1同样的计算，对所述乙醇制造设备中浓缩至无水乙醇前的阶段的含水乙醇蒸汽和甲烷发酵工序中获得的甲烷(均为全量)，分别进行改性或在混合状态下进行改性，而生成氢气，在使用所述氢气通过SOFC转换为电力的情况下，将普通废弃物的热输入275MWh作为分母，将SOFC的电力46.8MWh、从垃圾焚烧设备附设的汽轮机的发电量18.7MWh的和中减去消耗电力24.7MWh所得的热输出40.8MWh作为分子，而计算出的能源回收率估算为：
(46.8+18.7-24.7)/275×100＝14.8(％)。
这比实施例1的能源回收率(18.7％)低，其原因是将乙醇的热量33.4MWh以发电效率50％转换为电力。但是，如后所述，所获得的发电量是最大的。
在图3所示的实施例3中，对所述乙醇制造设备中浓缩至无水乙醇前的阶段的含水乙醇蒸汽进行改性，而生成氢气，在使用所述氢气通过SOFC转换为电力的情况下，将普通废弃物的热输入275MWh作为分母，并将从SOFC的电力8.6MWh、垃圾焚烧设备附设的汽轮机的发电量32.9MWh、以及燃气发动机发电量12MWh的和中减去消耗电力24.0MWh所得的热输出29.5MWh作为分子，而计算出的能源回收率估算为：
(8.6+12+32.9-24.0)/275×100＝10.7(％)。
这样，确认了通过实施例1～3获得的能源回收率估算相较于比较例1中获得的能源回收率估算有了大幅的提高。
(2)CO2排出量的削减效果
在仅对普通废弃物量100t/d进行焚烧处理的情况(以下记为“仅焚烧处理”)、在此基础上加上了垃圾焚烧发电工序的比较例1、在比较例1的基础上还加上了乙醇制造工序、甲烷发酵工序、和燃气发动机发电工序的实施例1中，各CO2排出量的估算值如表1-1所示。相对于“仅焚烧处理”，其结果为，实施例1的CO2排出量为每单位普通废弃物约140.277kg-CO2/t，相较于比较例1，能够削减每单位普通废弃物约93.795kg-CO2/t。
另一方面，将“仅焚烧处理”(比较对象)的CO2排出量作为“要避免的CO2排出量”的情况下的CO2削减率的估算结果如表1-2所示。在实施例1中，利用普通废弃物的焚烧发电、乙醇制造中，其CO2削减率均为84％。
这样，本发明的方法也有助于CO2排出量的削减。
(3)SOFC的导入效果
作为本发明的实施方式之一，有对乙醇制造设备中产生的含水乙醇蒸汽进行改性而生成氢气，并使用该氢气通过SOFC获得电力的情况；和对乙醇制造设备中产生的含水乙醇蒸汽和甲烷发酵工序中获得的甲烷进行改性而生成氢气，并使用该氢气通过SOFC获得电力的情况，在这两种情况下，均能够发挥如下所述的SOFC的导入效果。
(i)发电量的最大化
在将乙醇用作车辆燃料、化工产品原料的情况下，一般，首先对糖化/发酵反应中获得的醪(乙醇浓度4.3重量％为合算性的下限)进行蒸馏，将其浓缩至90重量％左右，接着通过脱水膜等将其浓缩为99.5重量％以上的无水乙醇。
但是，在不将乙醇用于上述用途，而想要最大化发电量的情况下，能够将未浓缩乙醇全量用作发电效率为较高的50％的SOFC发电的氢源。在该情况下，首先将乙醇制造设备中在蒸馏工序中产生的含水乙醇蒸汽送至改性器，并将其改性为含氢气体。在该情况下，改性需要较多水。另外，在将对甲烷发酵工序中获得的生物气全量进行精制所获得的甲烷用作氢源的情况下，需要乙醇浓度17重量％(水分浓度83重量％)的含水乙醇蒸汽，在仅乙醇的情况下，需要乙醇浓度30重量％(水分浓度70重量％)的含水乙醇蒸汽。
在实施例2(图2)中，在将实施例1(图1)中制造的乙醇(4.5t/d，33.4MWh)作为蒸馏过程中的浓度17重量％的含水乙醇蒸汽，将实施例1(图1)中的生物气(11km3/d，60.2MWh)作为精制甲烷，并将各自的全量供于SOFC发电的情况下，如以下的估算式所示，获得了46.8MWh的最大发电量，实现了发电量的最大化。
(60.2+33.4)×0.5(发电效率)＝46.8(MWh)
(ii)乙醇精制以及生物气发电所需成本的节省
由于不像将乙醇用作车辆燃料、化工产品原料的情况那样需要获得99.5重量％以上的无水乙醇，而能够适用蒸馏过程中的含水乙醇蒸汽，因此能够削减蒸馏后的冷却、凝结所需的能源/成本。例如，在将乙醇用作车辆燃料、化工产品原料的情况下，需要除去杂质至基准值，在日本国内作为燃料用乙醇规格JIS(K2190)，设有表2的各种成分的限制值(在实证试验中对用实际的普通废弃物制造的乙醇的一部分进行无水化，分析该成分，如表2所述，已确认符合燃料用乙醇规格)。
另外，对于也考虑适用于化工产品原料而在实证实验中获得的乙醇蒸馏液(乙醇浓度约50重量％)，也取出表3所示的乙醇的沸点左右的有机成分并实施了定性分析，在此基础上，对被暗示为有可能存在成分进行定量分析，结果如表4所示，作为酵母的乙醇以外的发酵副产物，确认混入了1000mg/L浓度以上的甲醇、1-丙醇、1-戊醇等杂质。由于这些杂质均能够用作SOFC的氢源，因此在蒸馏时，不用像燃料、化工产品原料的情况那样要注意除去杂质。
另一方面，如图2所示的实施例2那样，在将甲烷发酵设备中获得的甲烷的全量用于SOFC的情况下，不需要燃气发动机以及与其关联的外围设备，能够节省其所需的设备费用。
(4)残渣的卫生处理
在图1所示的实施例1中，用垃圾焚烧设备处理的是，从制浆工序中排出的残渣(塑料类：水分10重量％，24.6t/d，23052kJ/kg，157.5MWh)、以及从甲烷发酵设备中排出的残渣(对最终消化液进行脱水处理所得的脱水块：水分83重量％，54.5t/d，1116kJ/kg，16.9MWh)。后者的残渣含有较多水分，但如下述估算式所示，能够燃烧混合两残渣的混合物，并能够切实地对其进行焚烧处理，并获得利用产生的废热进行汽轮机发电所得的电力(18.7MWh)、和能够用作乙醇制造的热源的废热(33.3MWh)。
((24.6×23052)+(54.5×1116))/(24.6+54.5)＝7938kJ/kg(约1900kcal/kg)
此外，该估算也基于前述的某市的普通废弃物的组成，但在例如，接收了塑料类比平均少的普通废弃物的情况下，也预想到从制浆工序中排出的残渣以及从甲烷发酵设备中排出的残渣的混合物的每单位重量的热量会变低，且不会燃烧。作为其对策，将图1中的普通废弃物(100t/d)的一部分补充至上述残渣中。具体地说，如上述估算式所示，补充普通废弃物，以使混合了普通废弃物的一部分与上述残渣整体的全重量的热量为1900kcal/kg。
[表1-1]
CO2排出量的估算结果(单位：kg-CO2/t-普通废弃物)
备注1：按运输普通废弃物的车辆的CO2排出量为0.487kg-CO2/km·辆，运输灰、乙醇以及RPF的车辆的CO2排出量为1.38kg-CO2/km·辆进行计算。
备注2：使用乙醇代替汽油，使用热量换算的CO2排放强度。
[表1-2]
CO2削减量
项目 比较例1 实施例1 单位
该处理方式的CO2排放量 419.928 460.509 kg-CO2/t
要避免的CO2排放量 409.301 409.301 kg-CO2/t
采用处理方式所导致的CO2增加量 10.627 51.208 kg-CO2/t
乙醇生产量 0.000 57.650 L/t
乙醇原单位的CO2排出量 0.000 0.244 kg-CO2/t
作为比较对象的CO2排放强度 1.530 1.530 kg-CO2/t
乙醇制造所导致的CO2削减率 0.0 84.0 ％
电量 334.875 418.200 kWh/t
电力原单位的CO2排出量 0.032 0.089 kg-CO2/kWh
作为比较对象的CO2排放强度 0.555 0.555 kg-CO2/kWh
焚烧发电所导致的CO2削减率 94.2 84.0 ％
[表2]
燃料用乙醇的规格
[表3]
定量分析结果(基于定量分析结果的更正分析对象成分)
[表4]
定量分析结果
项目 单位 值
水分 重量％ 35.0
甲醇 mg/L 2300
乙醇※1 g/L 570
乙醇※2 w/v％ 60.2
2-丙醇 mg/L 99
丙酮 mg/L 17
1-丙醇 mg/L 1400
2-丁醇 mg/L 23
乙酸乙酯 mg/L 200
异丁醇 mg/L 580
甲酸丁酯 mg/L <5
1-丁醇 mg/L 27
缩醛 mg/L <5
1-戊醇 mg/L 1300
3-甲基-1-丁醇 mg/L <5
2-甲基-1-丁醇 mg/L 630
※1：气相色谱法
※2：酒精计

Claims (10)

1.一种附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施的能源高效利用方法，其特征在于，在附设有由普通废弃物中的生物物质所含有的糖质生成生物乙醇的乙醇制造设备的废弃物焚烧设施中进行如下工序：乙醇制造工序，其混合对普通废弃物进行预处理而获得的、由厨余垃圾和潮湿的纸类组成的较重物的一部分、和从由干燥的纸类和塑料类组成的较轻物分离出的纸浆，并使该混合物发酵；以及甲烷制造工序，其使所述较重物的剩余部分和/或乙醇制造工序中产生的蒸馏残渣发酵。
2.根据权利要求1所述的附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施的能源高效利用方法，其特征在于，将使所述乙醇制造工序中产生的残渣、以及所述甲烷制造工序中产生的残渣中的至少一方的残渣脱水后进行焚烧处理而获得的废热，用于所述乙醇制造设备中的生物物质以及槽的加热杀菌。
3.根据权利要求1或2所述的附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施的能源高效利用方法，其特征在于，将使所述乙醇制造工序中产生的残渣、以及所述甲烷制造工序中产生的残渣中的至少一方的残渣脱水后进行焚烧处理而获得的废热，用作所述乙醇制造设备的培养阶段、糖化/发酵阶段、以及蒸馏阶段中的至少一个阶段的热源。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施的能源高效利用方法，其特征在于，利用使所述乙醇制造工序中产生的残渣、以及所述甲烷制造工序中产生的残渣中的至少一方的残渣脱水后进行焚烧处理而获得的废热来生成蒸汽，并通过汽轮机从所述蒸汽回收电力。
5.根据权利要求1所述的附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施的能源高效利用方法，其特征在于，其还含有将所述甲烷用作燃气发动机的驱动源的能源回收工序。
6.根据权利要求5所述的附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施的能源高效利用方法，其特征在于，将从所述燃气发动机排出的发动机废热、和/或使所述乙醇制造工序中产生的残渣以及所述甲烷制造工序中产生的残渣中的至少一方的残渣脱水后进行焚烧处理而获得的废热，用于所述乙醇制造设备中的生物物质和/或发酵槽的加热杀菌。
7.根据权利要求5或6所述的附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施的能源高效利用方法，其特征在于，将从所述燃气发动机排出的发动机废热、和/或使所述乙醇制造工序中产生的残渣以及所述甲烷制造工序中产生的残渣中的至少一方的残渣脱水后进行焚烧处理而获得的废热，用作所述乙醇制造设备中的培养阶段、糖化/发酵阶段、以及蒸馏阶段中的至少一个阶段的热源。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施的能源高效利用方法，其特征在于，利用从所述燃气发动机排出的发动机废热、和/或使所述乙醇制造工序中产生的残渣以及所述甲烷制造工序中产生的残渣中的至少一方的残渣脱水后进行焚烧处理而获得的废热来生成蒸汽，并通过汽轮机从所述蒸汽回收电力。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施的能源高效利用方法，其特征在于，其还含有：使所述乙醇制造工序中产生的蒸馏过程中的含水乙醇蒸汽改性而生成氢气的改性工序；以及使用所述氢气通过燃料电池获得电力的工序。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的附设有乙醇制造设备的废弃物焚烧设施的能源高效利用方法，其特征在于，其还含有：使所述乙醇制造工序中产生的蒸馏过程中的含水乙醇蒸汽和甲烷制造工序中获得的甲烷分别改性或在混合状态下改性而生成氢气的改性工序；以及使用所述氢气通过燃料电池获得电力的工序。
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