JP2002153745A - Method for utilizing heat of combustion of biomass alcohol and system therefor - Google Patents

Method for utilizing heat of combustion of biomass alcohol and system therefor

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JP2002153745A
JP2002153745A JP2000348626A JP2000348626A JP2002153745A JP 2002153745 A JP2002153745 A JP 2002153745A JP 2000348626 A JP2000348626 A JP 2000348626A JP 2000348626 A JP2000348626 A JP 2000348626A JP 2002153745 A JP2002153745 A JP 2002153745A
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biomass alcohol
biomass
combustion
alcohol
heat
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JP2000348626A
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Japanese (ja)
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Takashi Nakane
堯 中根
Hiroshi Yagishita
宏 柳下
Masaru Kitamoto
大 北本
Masakazu Kondo
正和 近藤
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Original Assignee
Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd
National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for utilizing heart of combustion of biomass alcohol, that is able to convert an energy of biomass alcohol to industrially available energy such as electric power and the like and that there is no need for the exhaust gas treatment, and to provide a system therefor. SOLUTION: The method comprises steps of fermenting biomass, concentrating biomass alcohol obtained by fermentation, feeding the resulting concentrated biomass alcohol to a reactor and feeding oxygen for combustion under pressure to the reactor, combusting the fed biomass alcohol in the reactor by the wet oxidation or the oxidation in an aqueous medium such as supercritical water and utilizing a heat energy in electric power by using a generated gas from the combustion.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、生物系有機資源で
あるバイオマスの発酵により製造されたバイオマスアル
コールの燃焼熱利用方法とそのシステムに関し、より詳
細には、バイオマスアルコールの水媒体中での酸化によ
り直接発生させた高温の水蒸気で発電機の蒸気タービン
を駆動したり、空調用の熱源や工場の熱源に利用する燃
焼熱利用方法とそのシステムに関する。
The present invention relates to a method and a system for utilizing the combustion heat of biomass alcohol produced by fermentation of biomass, a biological organic resource, and more particularly to the oxidation of biomass alcohol in an aqueous medium. The present invention relates to a method and system for using combustion heat for driving a steam turbine of a generator with high-temperature steam directly generated by a steam generator or for using a heat source for air conditioning or a factory.

【0002】[0002]

【従来の技術】木材、農作物、藻類、プランクトン、生
物系廃棄物等のバイオマスの炭水化物を発酵させて製造
するバイオマスアルコールは、多量に発生することが可
能であり、環境問題に対しても有利であるので、飲料以
外の工業用にも利用範囲を拡大しようと様々な努力がな
されている。
2. Description of the Related Art Biomass alcohols produced by fermenting carbohydrates of biomass, such as wood, agricultural crops, algae, plankton, and biological waste, can be produced in large quantities and are also advantageous for environmental problems. As a result, various efforts have been made to expand the range of use for industries other than beverages.

【0003】しかしながら、バイオマスの発酵で得られ
るアルコールは、主としてエタノールであるが、濃度は
1%,2%〜10%程度と非常に低いために、工業用で
利用するためには更に濃縮する必要がある。そのため、
蒸留工程を採用して高濃度のアルコールを得る試みがな
されている。
[0003] However, the alcohol obtained by biomass fermentation is mainly ethanol, but the concentration is very low, about 1%, 2% to 10%, so that it is necessary to further concentrate it for industrial use. There is. for that reason,
Attempts have been made to obtain high concentrations of alcohol by employing a distillation process.

【0004】そして、この蒸留工程に際しては、多量の
エネルギーを消費し、製造コストが高くなってしまうの
で、特許公報平2−26953号においては、糖蜜を原
料として発酵させ蒸留すると共に、蒸留工程により排出
される廃液を蒸気圧縮式蒸発缶において濃縮し、この濃
縮液をボイラーで燃焼し、加熱蒸気を得て、これにより
タービンを駆動して工場内で必要な電気を発電するエチ
ルアルコール製造方法が提案されている。
[0004] In this distillation step, a large amount of energy is consumed and the production cost is increased. Therefore, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-26953, molasses is used as a raw material for fermentation and distillation. Ethyl alcohol production method in which the discharged waste liquid is concentrated in a vapor compression evaporator, and the concentrated liquid is burned in a boiler to obtain heated steam, thereby driving a turbine to generate necessary electricity in a factory. Proposed.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このエ
チルアルコール製造方法では、蒸留廃液を燃料とするボ
イラーによって発電し、必要な電力を得るとしても、廃
液を濃縮するための自己蒸気圧縮式蒸発缶や特殊な廃液
バーナを備えた廃液ボイラー等が必要であり、装置が複
雑化し製造コストが上昇するという問題がある。
However, in this method for producing ethyl alcohol, even if power is generated by a boiler using distillation waste liquid as a fuel and the required electric power is obtained, a self vapor compression evaporator for condensing the waste liquid, A waste liquid boiler equipped with a special waste liquid burner or the like is required, and there is a problem that the apparatus becomes complicated and the production cost increases.

【0006】また、近年、抽出蒸留と減圧蒸留との併用
や、ヒートポンプ、多重効用方式による蒸留法等を採用
するなどして、蒸留技術が進歩し、高効率化及び省エネ
ルギー化が推進されてきているが、依然として、発酵ア
ルコールの利用分野においてはその濃縮コストが高いと
いう問題がある。
In recent years, the distillation technology has been advanced by using a combination of extractive distillation and vacuum distillation, a heat pump, a multi-effect distillation method, and the like, and high efficiency and energy saving have been promoted. However, there is still a problem that the cost of concentrating fermented alcohol is high in the field of use.

【0007】また、蒸留技術より省エネルギーであり、
バイオマスよりアルコールを効率良く製造できると考え
られている浸透気化技術においても、アルコール選択透
過性能に難があるため、実用化が進んでいない。
[0007] It is more energy-saving than distillation technology,
Even in the pervaporation technology, which is considered to be able to efficiently produce alcohol from biomass, practical use has not progressed because of the difficulty in alcohol permeation performance.

【0008】従って、バイオマスから発酵アルコールを
製造する場合に、高濃度に濃縮してから利用しようとす
ると、従来技術の単一操作を用いている限り、濃縮に必
要な消費エネルギーが多くなり、製造コストも高くなる
ために、用途が限られてしまうという問題がある。
Therefore, when producing fermented alcohol from biomass, if it is attempted to use it after concentrating it to a high concentration, the energy required for the concentration will increase as long as a single operation of the prior art is used, and the production energy will increase. There is a problem that the use is limited because the cost is high.

【0009】そのため、バイオマスアルコールにおいて
は、合成アルコールに比べて用途が限られ、蒸留酒等の
飲料用が主であり、工業用には極僅かしか使用されてい
ない。
[0009] For this reason, biomass alcohol has a limited use as compared with synthetic alcohol, and is mainly used for beverages such as distilled liquor, and is used very little in industrial use.

【0010】本発明は上述の問題点を解決するためにな
されたものであって、その目的は、バイオマスアルコー
ルのエネルギーを工業的に利用できる電力等のエネルギ
ーに変換でき、しかも、排ガス処理の必要が無いバイオ
マスアルコール燃焼熱利用方法とそのシステムを提供す
ることにある。
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to convert the energy of biomass alcohol into energy such as electric power that can be used industrially, and furthermore, the necessity of exhaust gas treatment. It is an object of the present invention to provide a biomass alcohol combustion heat utilization method and a system therefor which do not have any problem.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明のバイオマスアル
コール燃焼熱利用方法は、次のように構成される。
The method of utilizing biomass alcohol combustion heat of the present invention is configured as follows.

【0012】1)バイオマスを発酵する工程と、発酵し
て得られるバイオマスアルコールを濃縮する工程と、該
濃縮されたバイオマスアルコールを反応装置に供給する
と共に、該反応装置に燃焼用の酸素を加圧して供給する
工程と、該供給されたバイオマスアルコールを前記反応
装置内で湿式酸化又は超臨界水等の水媒体中での酸化に
より燃焼させる工程と、該燃焼により発生する水蒸気等
のガスを用いて発電等熱を利用する工程とを含んで構成
される。
1) A step of fermenting biomass, a step of concentrating biomass alcohol obtained by fermentation, and supplying the concentrated biomass alcohol to a reactor, and pressurizing the reactor with oxygen for combustion. And burning the supplied biomass alcohol in the reaction apparatus by wet oxidation or oxidation in an aqueous medium such as supercritical water, and using a gas such as steam generated by the combustion. And a step of utilizing heat such as power generation.

【0013】このバイオマスアルコールは、発酵直後は
数%であるので、これを濃縮するが、濃縮に必要なエネ
ルギーを少なく抑えるために、10〜80%程度(望ま
しくは15〜30%)の濃度まで濃縮してから湿式酸化
したり、又は超臨界水等の水媒体中で酸化する。
This biomass alcohol is concentrated to a few percent immediately after fermentation, and is concentrated. In order to reduce the energy required for the concentration, the concentration is reduced to about 10 to 80% (preferably 15 to 30%). It is concentrated and then wet oxidized, or oxidized in an aqueous medium such as supercritical water.

【0014】また、燃焼用の酸素の供給は、空気をその
まま加圧して供給してもよいが、酸素濃度を高めて供給
した方がエネルギー効率がよいので、酸素富化装置や酸
素製造装置を使用して、純度の高い酸素を供給するのが
好ましい。
The oxygen for combustion may be supplied by pressurizing the air as it is, but it is more efficient to supply the oxygen at a high oxygen concentration. Preferably, it is used to supply high purity oxygen.

【0015】この構成によれば、バイオマス燃料の一つ
であるバイオマスアルコールを濃縮し湿式酸化又は超臨
界水等の水媒体中で酸化して燃焼し、直接高温の蒸気を
発生させるので、燃焼エネルギーを水蒸気エネルギーに
効率よく変換でき、そして、この高温の蒸気で蒸気ター
ビンを駆動したり、空調用の熱源や工場の熱源にするの
で、熱利用効率が高くなる。
According to this configuration, the biomass alcohol, which is one of the biomass fuels, is concentrated, oxidized and burned in an aqueous medium such as wet oxidation or supercritical water, and directly generates high-temperature steam. Can be efficiently converted to steam energy, and the high-temperature steam drives a steam turbine, or is used as a heat source for air conditioning or a factory.

【0016】また、バイオマスアルコールの濃縮度が比
較的低い状態で臨界状態に近い高温高圧で湿式酸化した
り、超臨界水状態で酸化するので、濃縮に必要な装置や
エネルギーが少なくて済み、採算性がよい。
Further, since the biomass alcohol is subjected to wet oxidation at a high temperature and pressure close to the critical state in a state where the concentration of the biomass alcohol is relatively low, or to oxidize in the supercritical water state, the equipment and energy required for the concentration are reduced, and the profit is reduced Good nature.

【0017】2)又、上記バイオマスアルコール燃焼熱
利用方法において、前記濃縮されたバイオマスアルコー
ルを反応装置に供給する際に、該バイオマスアルコール
をその温度のままで供給してもよいが、30℃〜350
℃に加熱して供給することが好ましい。
2) In the method of utilizing biomass alcohol combustion heat, when the concentrated biomass alcohol is supplied to the reactor, the biomass alcohol may be supplied at the same temperature. 350
It is preferable to supply the mixture by heating to a temperature of ° C.

【0018】この加熱により、反応装置における燃焼反
応を促進することができるからである。
This is because the heating can promote the combustion reaction in the reactor.

【0019】また、この加熱に必要な熱を反応装置で発
生する熱の一部で賄うと、発生する熱を効率よく利用で
き、システム全体としての熱効率が向上する。
Further, if the heat required for this heating is covered by a part of the heat generated in the reactor, the generated heat can be used efficiently and the thermal efficiency of the whole system is improved.

【0020】3)そして、上記バイオマスアルコール燃
焼熱利用方法において、前記反応装置に燃焼用の酸素を
加圧して供給する際の酸素濃度を20%〜100%にし
てから供給する。
3) In the above-mentioned method of utilizing biomass alcohol combustion heat, the oxygen concentration for supplying pressurized oxygen to the reaction apparatus is set to 20% to 100% before supply.

【0021】この酸素は空気そのものを加圧して供給し
てもよいが、好ましくは、市販の酸素発生装置等から得
られる高濃度の酸素を供給することにより、反応に直接
関係の無い成分を除外して、反応性を高めると共に、発
生ガス中における水蒸気の成分比を高め、蒸気タービン
の発電効率をよくすることができる。
This oxygen may be supplied by pressurizing the air itself, but preferably, high-concentration oxygen obtained from a commercially available oxygen generator or the like is supplied to exclude components not directly related to the reaction. As a result, the reactivity can be increased, the component ratio of water vapor in the generated gas can be increased, and the power generation efficiency of the steam turbine can be improved.

【0022】4)更に、上記バイオマスアルコール
熱利用方法において、前記反応装置において、水媒体中
での酸化を150℃〜650℃の温度範囲で、且つ、5
MPa〜60MPa、好ましくは5MPa〜30MPa
の圧力範囲で行なう。
[0022] 4) Further, in the biomass alcohol combustion heat utilization method, in the reactor, at a temperature in the range of 0.99 ° C. to 650 ° C. The oxidation in aqueous medium, and, 5
MPa-60MPa, preferably 5-30MPa
The pressure range is as follows.

【0023】この温度範囲及び圧力範囲により、反応性
と反応装置の耐熱性や耐圧性とのバランスを良好に保つ
ことができ、効率よく発電できる。
With this temperature range and pressure range, a good balance between the reactivity and the heat resistance and pressure resistance of the reactor can be maintained, and power can be efficiently generated.

【0024】そして、以上のバイオマスアルコール燃焼
熱利用方法を実施するためのバイオマスアルコール燃焼
熱利用システムは次のように構成される。
The biomass alcohol combustion heat utilization system for carrying out the above biomass alcohol combustion heat utilization method is configured as follows.

【0025】5)バイオマスを発酵して得られるバイオ
マスアルコールを濃縮して供給するバイオマスアルコー
ル供給装置と、該バイオマスアルコールを水媒体中での
酸化により燃焼させる反応装置と、この反応装置に燃焼
用の酸素を加圧して供給する酸素供給装置と、前記反応
装置で発生する水蒸気等のガスが有する熱を発電等に利
用する熱利用装置とを有して構成される。
5) A biomass alcohol supply device for concentrating and supplying biomass alcohol obtained by fermenting biomass, a reaction device for burning the biomass alcohol by oxidation in an aqueous medium, and a combustion device for the combustion device. It is configured to include an oxygen supply device that pressurizes and supplies oxygen and a heat utilization device that uses heat of a gas such as steam generated in the reaction device for power generation or the like.

【0026】この構成により、簡単なシステム構成で、
バイオマスアルコールを燃料にして効率よく発電でき
る。
With this configuration, with a simple system configuration,
Power can be efficiently generated using biomass alcohol as fuel.

【0027】6)そして、上記のバイオマスアルコール
燃焼熱利用システムにおいて、前記バイオマスアルコー
ル供給装置がバイオマスアルコールを濃縮する濃縮装置
と、バイオマスアルコールを加熱する加熱装置を備えて
構成される。この加熱装置としては、該バイオマスアル
コール濃縮液を加圧・送液するポンプで代用することも
可能である。
6) In the biomass alcohol combustion heat utilization system, the biomass alcohol supply device includes a concentrating device for concentrating the biomass alcohol and a heating device for heating the biomass alcohol. As this heating device, a pump for pressurizing and feeding the biomass alcohol concentrate can be used instead.

【0028】この構成によれば、湿式酸化による反応性
を高め、より効率よく発電できる。
According to this configuration, the reactivity by wet oxidation is enhanced, and power can be generated more efficiently.

【0029】7)更に、上記のバイオマスアルコール燃
焼熱利用システムにおいて、前記加熱装置が、前記反応
装置で発生する熱を利用してバイオマスアルコールを加
熱する熱交換器で形成される。
7) Further, in the above biomass alcohol combustion heat utilization system, the heating device is formed by a heat exchanger that heats the biomass alcohol using heat generated in the reaction device.

【0030】この構成によれば、反応装置で発生する熱
を効率良く利用できる。
According to this configuration, the heat generated in the reactor can be used efficiently.

【0031】[0031]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明に係
るバイオマスアルコール燃焼熱利用システムの実施の形
態について説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an embodiment of a biomass alcohol combustion heat utilization system according to the present invention will be described with reference to the drawings.

【0032】この実施の形態では、バイオマスアルコー
ル燃焼熱利用システムを、発生ガスを上記タービンの駆
動に用いたバイオマスアルコール発電システムの例で説
明する。また、水媒体中の酸化方式に関しては湿式酸化
を例に取って説明する。そのため、加熱温度や燃焼温度
が150℃〜650℃より低い150℃〜350℃とな
り、また、圧力も5MPa〜60MPaより低い5MP
a〜30MPaとなる。
In this embodiment, a biomass alcohol combustion heat utilization system will be described using an example of a biomass alcohol power generation system using generated gas for driving the turbine. The oxidation method in an aqueous medium will be described by taking wet oxidation as an example. Therefore, the heating temperature or the combustion temperature is 150 ° C. to 350 ° C., which is lower than 150 ° C. to 650 ° C., and the pressure is 5 MPa, which is lower than 5 MPa to 60 MPa.
a to 30 MPa.

【0033】本発明に係わるバイオマスアルコール発電
システム1の構成図を、図1に例示する。
FIG. 1 illustrates a configuration diagram of a biomass alcohol power generation system 1 according to the present invention.

【0034】このバイオマスアルコール発電システム1
は、発酵槽11等で発酵したバイオマスアルコール溶液
Aを濃縮したバイオマスアルコールEを供給するバイオ
マスアルコール供給装置10と、供給されたバイオマス
アルコールEを反応させる反応装置20と、この反応装
置20に燃焼用の酸素O2 を加圧して供給する酸素供給
装置30と、反応装置20の湿式酸化による燃焼で発生
する発生ガスGを用いて発電する発電装置(熱利用装
置)40とを有して構成される。
This biomass alcohol power generation system 1
Is a biomass alcohol supply device 10 for supplying biomass alcohol E concentrated from a biomass alcohol solution A fermented in a fermenter 11 or the like, a reaction device 20 for reacting the supplied biomass alcohol E, and a reaction device 20 for combustion. An oxygen supply device 30 that pressurizes and supplies oxygen O 2 of this type and a power generation device (heat utilization device) 40 that generates power using generated gas G generated by combustion of the reaction device 20 by wet oxidation. You.

【0035】そして、このバイオマスアルコール供給装
置10は、生物系有機資源である木材や農作物等のバイ
オマスを発酵させる発酵槽11と、発酵したバイオマス
アルコールAの濃度を高めるための濃縮装置12と、濃
縮されたバイオマスアルコールEを貯蔵する貯蔵槽13
と、この貯蔵槽13から反応装置20にバイオマスアル
コールEを移送するための移送ポンプ14と、反応装置
20に入るバイオマスアルコールEを加熱及び昇温する
ための熱交換器15とからなる。
The biomass alcohol supply device 10 includes a fermenter 11 for fermenting biomass such as wood and agricultural crops as biological organic resources, a concentrator 12 for increasing the concentration of fermented biomass alcohol A, and a concentrator 12. Storage tank 13 for storing biomass alcohol E
And a transfer pump 14 for transferring the biomass alcohol E from the storage tank 13 to the reactor 20 and a heat exchanger 15 for heating and raising the temperature of the biomass alcohol E entering the reactor 20.

【0036】また、この熱交換器15の熱源には、反応
装置20で発生する熱の一部を使用するのが効率的であ
るので、反応装置20の発生ガス(主成分は二酸化炭素
CO 2 と水蒸気H2 O)Gを熱交換器15に調整バルブ
16を経由して循環させる。
The heat source of the heat exchanger 15 includes a reaction
It is efficient to use a part of the heat generated in the device 20.
Therefore, the gas generated from the reactor 20 (the main component is carbon dioxide)
CO Two And steam HTwo O) Adjusting valve for G to heat exchanger 15
Circulate via 16.

【0037】次に、反応装置20は、150℃〜350
℃程度で5〜30MPa前後の高温高圧下で湿式酸化を
行なうための反応槽21からなり、酸素供給装置30
は、高濃度(90〜99.9%)の酸素を生成する酸素
生成装置31とこの高濃度の酸素を加圧して反応装置2
0に供給するコンプレッサー32とからなる。
Next, the reactor 20 is set at 150 ° C. to 350 ° C.
A reaction vessel 21 for performing wet oxidation at a high temperature and high pressure of about 5 to 30 MPa at about
Is an oxygen generator 31 that generates high-concentration (90 to 99.9%) oxygen, and a reactor 2 that pressurizes this high-concentration oxygen.
And a compressor 32 for supplying 0.

【0038】また、発電装置40は、反応装置20で発
生する水蒸気を主成分とする発生ガスGによって駆動さ
れる蒸気タービン41と、この蒸気タービン41によっ
て駆動される発電機42とからなる。
The power generator 40 includes a steam turbine 41 driven by a generated gas G mainly composed of water vapor generated in the reactor 20, and a generator 42 driven by the steam turbine 41.

【0039】そして、更に、発生ガスG中の水蒸気H2
Oを凝縮するコンデンサー51でと、コンデンサー51
を通過した発生ガスG中の水分H2Oを分離するセパレ
ータ52とを有し、発電装置40から出てくる発生ガス
Gを冷却するための排ガス冷却装置50を備えて構成さ
れる。
Further, the water vapor H 2 in the generated gas G
The condenser 51 for condensing O and the condenser 51
And a separator 52 for separating water H 2 O in the generated gas G that has passed through the power generation device 40, and is provided with an exhaust gas cooling device 50 for cooling the generated gas G coming out of the power generation device 40.

【0040】次に、このバイオマスアルコール発電シス
テム1における発電について説明する。
Next, power generation in the biomass alcohol power generation system 1 will be described.

【0041】木材、農作物、藻類、プランクトン、生物
系廃棄物等の炭水化物を粉砕、殺菌、熟成、殺菌等の前
処理をし、これを発酵槽11に入れ、酵母により発酵
し、数%程度の濃縮のバイオマスアルコール溶液Aを発
生させる。この発酵から得られるアルコール溶液(アル
コールの殆どがエタノールC25OH)Aを、膜分離装
置等の濃縮装置12により処理水溶液Bを分離して生成
アルコールEを抽出し、20%〜30%前後に濃縮して
貯蔵槽13に貯蔵する。
[0041] Wood, agricultural, algae, plankton, ground carbohydrates organisms waste, sterilization, aging, the pre-treatment sterilization or the like, placed in a fermentation tank 11, and fermented by yeast or the like, several% A concentrated biomass alcohol solution A is generated. The alcohol solution (mostly ethanol C 2 H 5 OH) A obtained from this fermentation is separated from the treatment aqueous solution B by a concentrating device 12 such as a membrane separation device to extract the produced alcohol E. It is concentrated back and forth and stored in the storage tank 13.

【0042】この膜分離装置12としては、膜蒸留分離
装置や浸透気化膜分離装置や逆浸透膜分離装置等を使用
することができるが、特にアルコール選択透過性膜を用
いた膜蒸留分離装置や浸透気化膜装置の使用が望まし
く、この濃縮は常温近辺においても行なうことが可能で
ある。なお、この膜分離装置12で処理された処理水溶
液Bは、数千ppm以下に脱アルコール処理することも
可能で、この処理水溶液Bを発酵槽11に戻して発酵液
の希釈用に使用することにより、酵母の発酵効率を向上
させることができる。
As the membrane separator 12, a membrane distillation separator, a pervaporation membrane separator, a reverse osmosis membrane separator, or the like can be used. In particular, a membrane distillation separator using an alcohol selectively permeable membrane, It is desirable to use a pervaporation membrane device, and this concentration can be performed at around normal temperature. The aqueous solution B treated by the membrane separation device 12 can be subjected to a dealcoholation treatment to several thousand ppm or less. The aqueous solution B can be returned to the fermenter 11 and used for diluting the fermented solution. Thereby, the fermentation efficiency of yeast can be improved.

【0043】このエタノールEを移送ポンプ14で圧送
し、熱交換器15経由で反応装置20の反応槽21に入
れる。この熱交換器15では反応槽22で発生した熱の
一部を使用して、バイオマスアルコールEを加熱し、3
0℃〜350℃程度、好ましくは200℃程度に昇温す
る。15%以上に濃縮されたこのバイオマスアルコール
Eは、温度が200℃以上で酸素が存在する場合は自発
的に燃焼する性質がある。
This ethanol E is pumped by the transfer pump 14 and put into the reaction tank 21 of the reactor 20 via the heat exchanger 15. The heat exchanger 15 uses a part of the heat generated in the reaction tank 22 to heat the biomass alcohol E,
The temperature is raised to about 0 ° C. to 350 ° C., preferably about 200 ° C. This biomass alcohol E concentrated to 15% or more has a property of spontaneously burning when the temperature is 200 ° C. or more and oxygen is present.

【0044】また、一方で、反応槽21に、酸素供給装
置30のコンプレッサー32で加圧した酸素O2 を圧入
し、反応槽21内を5MPa〜30MPaの高圧にして
湿式酸化を行なう。この酸素は、ガス分離膜を使用した
り、深冷分離法を用いたり、PSA(圧力スイング吸
着:PRESURE SWING ADSORPTION)法等の周知の手法を用
いて、空気中の酸素から高濃度(90〜99.9%)の
酸素を生成する酸素生成装置31で発生する。
On the other hand, oxygen O 2 pressurized by the compressor 32 of the oxygen supply device 30 is injected into the reaction tank 21, and the inside of the reaction tank 21 is set to a high pressure of 5 MPa to 30 MPa to perform wet oxidation. This oxygen can be separated from oxygen in the air in a high concentration (90 to 90%) by using a gas separation membrane, using a cryogenic separation method, or using a known method such as a PSA (PRESURE SWING ADSORPTION) method. (99.9%) oxygen.

【0045】そして、この湿式酸化によるエタノールE
の燃焼により発生した高温の発生ガスGを発電装置40
の蒸気タービン41に供給し発電機42を駆動し発電す
る。
Then, ethanol E obtained by this wet oxidation is used.
The high temperature gas G generated by the combustion of
To the steam turbine 41 to drive the generator 42 to generate power.

【0046】この蒸気タービン41を駆動した後の発生
ガスGは、冷却水Wで冷却されるコンデンサ51で冷却
され凝縮水H2Oとなり、また、コンデンサ51を通過
した発生ガスGはセパレータ52で更に凝縮水H2Oを
分離した後、排出されるが、二酸化炭素CO2 が殆どで
あり、有害成分が含まれないので、排ガス処理が不要で
ある。
The generated gas G after driving the steam turbine 41 is cooled by a condenser 51 cooled by cooling water W to become condensed water H 2 O. The generated gas G passing through the condenser 51 is separated by a separator 52. Further, the condensed water H 2 O is discharged after being separated. However, since carbon dioxide CO 2 is almost contained and contains no harmful components, exhaust gas treatment is unnecessary.

【0047】次に、エネルギー関係についてバイオマス
アルコールがエタノールであるとして試算した結果つい
て説明する。
Next, a description will be given of the result of a trial calculation regarding the energy relation assuming that the biomass alcohol is ethanol.

【0048】図中のQ0はバイオマスアルコール溶液A
を濃縮するための濃縮エネルギーを、Q1はバイオマス
アルコールE(0.1MPa,25℃)を圧入するため
の動力エネルギーを、Q2は熱交換器15でバイオマス
アルコールE(25℃)を200℃に加熱するための熱
エネルギーを、Q3は反応槽21から放熱される放熱エ
ネルギーを、Q4は酸素供給に要するエネルギーを、Q
5は反応槽2で発生する発熱量を、Q6は発電により利
用可能となるエネルギーを、Q7は水蒸気が凝縮して冷
却水となり放出されるエネルギーをそれぞれ示す。
Q0 in the figure is a biomass alcohol solution A
Energy for concentrating the biomass alcohol E (0.1 MPa, 25 ° C.), and Q2 heating the biomass alcohol E (25 ° C.) to 200 ° C. in the heat exchanger 15. Q3 is the heat energy for radiating heat from the reaction tank 21, Q4 is the energy required for oxygen supply,
Numeral 5 indicates the amount of heat generated in the reaction tank 2, Q6 indicates energy which can be used by power generation, and Q7 indicates energy which is condensed with steam and becomes cooling water.

【0049】そして、5wt%のバイオマスアルコール
溶液Aから5〜20wt%のバイオマスアルコールEに
する膜分離の濃縮エネルギーQ0を2,000kJ/k
gとし、Q1は僅かであるとし、無視する。また、Q2
に関しては、熱交換器22の熱変換効率を90%とし、
Q3に関しては5%の放熱とする。
The concentration energy Q0 of the membrane separation from the 5 wt% biomass alcohol solution A to the 5-20 wt% biomass alcohol E is increased to 2,000 kJ / k.
g, and Q1 is assumed to be slight and is ignored. Also, Q2
, The heat conversion efficiency of the heat exchanger 22 is 90%,
Regarding Q3, the heat radiation is 5%.

【0050】そして、Q4に関して、酸素を圧縮する過
程はポリトロープ圧縮するものとし、0.1MPaから
5MPaまたは10MPaまでは4段で、0.1MPa
から15MPaまたは20MPaでは5段で行なうもの
とし、ポリトロープ指数kを1.3とする。また、深冷
分離による酸素の濃縮エネルギーを24,200kJ/
kmolとして試算する。
Regarding Q4, the process of compressing oxygen is performed by polytropic compression, and is performed in four stages from 0.1 MPa to 5 MPa or 10 MPa.
To 15 MPa or 20 MPa, it is performed in five stages, and the polytropic index k is set to 1.3. In addition, the enrichment energy of oxygen by cryogenic separation is 24,200 kJ /
Calculate as kmol.

【0051】また、反応槽21内の発熱量Q5はエタノ
ールの濃度とエタノールの燃焼による発熱量(1,36
8kJ/kmol)から計算し、発電エネルギーQ6に
関しては発電装置40の熱電変換効率ηQ を60〜90
%とする。
The calorific value Q5 in the reaction tank 21 is determined by the concentration of ethanol and the calorific value (1,36
8 kJ / kmol), and regarding the power generation energy Q6, the thermoelectric conversion efficiency ηQ of the power generation device 40 is 60 to 90.
%.

【0052】この試算によると、燃焼に必要な量の酸素
の供給に要するエネルギーQ4は、酸素濃度21%の空
気を加圧して供給するよりも、99.9%に濃縮した酸
素を加圧供給する方が、50%以上の省エネルギーとな
る。
According to this calculation, the energy Q4 required to supply the amount of oxygen necessary for combustion is such that oxygen concentrated to 99.9% is supplied under pressure rather than pressurized supply of air having an oxygen concentration of 21%. Energy saving of 50% or more.

【0053】また、反応槽12の圧力上昇に対する酸素
供給エネルギーQ4の増加量は比較的小さいことが分か
り、反応槽12の操作圧力は5MPa〜20MPaの試
算範囲では大きく影響しないことが分かった。
It was also found that the amount of increase in the oxygen supply energy Q4 with respect to the increase in the pressure of the reaction tank 12 was relatively small, and that the operating pressure of the reaction tank 12 had no significant effect in the estimated calculation range of 5 MPa to 20 MPa.

【0054】これらをベースにして電力回収量を試算す
ると、5MPa〜20MPaの試算範囲では、エタノー
ル濃度が10wt%以上で電力回収が可能となる。
When the amount of power recovery is estimated on the basis of the above, power can be recovered at an ethanol concentration of 10% by weight or more in a calculation range of 5 MPa to 20 MPa.

【0055】なお、20wt%の低濃度エタノール溶液
を操作圧20MPaで湿式酸化した場合の試算例では、
熱電変換効率ηQ が80%で、発電効率は約24%とい
う結果が得られている。
In a trial calculation example in the case where a 20 wt% low concentration ethanol solution was wet-oxidized at an operating pressure of 20 MPa,
It is found that the thermoelectric conversion efficiency ηQ is 80% and the power generation efficiency is about 24%.

【0056】以上の構成のバイオマスアルコール発電シ
ステム1によれば、次のような効果を奏することができ
る。
According to the biomass alcohol power generation system 1 having the above configuration, the following effects can be obtained.

【0057】このシステムによれば、10〜30%前後
の低濃度のアルコール溶液であっても、超臨界点以下で
操作される湿式酸化により燃焼することができ、しか
も、直接高温の水蒸気を発生できるので熱効率がよい。
According to this system, even a low-concentration alcohol solution of about 10 to 30% can be burned by wet oxidation operated below the supercritical point, and directly generates high-temperature steam. Good thermal efficiency.

【0058】また、バイオマス燃料の一つであるバイオ
マスアルコールを湿式酸化により、直接高温の蒸気を発
生させ、この高温の蒸気で発電機の蒸気タービンを駆動
するので、熱効率がよい。また、バイオマスアルコール
の濃縮度が低い10〜30%程度の濃度の状態でも湿式
酸化できるので、濃縮に必要な装置やエネルギーが少な
くて済み、採算性がよい。
Further, high-temperature steam is directly generated by bio-oxidation of biomass alcohol, which is one of the biomass fuels, and the high-temperature steam drives the steam turbine of the power generator. In addition, since wet oxidation can be performed even in a state where the concentration of biomass alcohol is low and about 10 to 30%, the amount of equipment and energy required for concentration is small, and profitability is good.

【0059】また、バイオマスアルコールを反応装置に
供給する際に、該バイオマスアルコールを30℃〜35
0℃に加熱することにより、反応装置では発生する熱を
効率よく利用でき、システム全体としての熱効率を向上
できる。
When supplying the biomass alcohol to the reactor, the biomass alcohol is supplied at 30 ° C. to 35 ° C.
By heating to 0 ° C., the heat generated in the reactor can be used efficiently, and the thermal efficiency of the entire system can be improved.

【0060】そして、反応装置に燃焼用の酸素を加圧し
て供給する際に酸素を90%〜99.9%濃度にして、
高濃度の酸素を供給することにより、反応に直接関係の
無い成分を除外して、反応性を高めると共に、発生ガス
中における水蒸気の成分比を高め、蒸気タービンの効率
をよくすることができる。
When oxygen for combustion is supplied under pressure to the reactor, the concentration of oxygen is adjusted to 90% to 99.9%.
By supplying high-concentration oxygen, components that are not directly related to the reaction can be excluded, thereby increasing the reactivity, increasing the component ratio of water vapor in the generated gas, and improving the efficiency of the steam turbine.

【0061】更に、反応装置において、水媒体中の酸化
を150℃〜350℃の温度範囲で、且つ、5MPa〜
30MPaの圧力範囲で行なうことにより、反応性と反
応装置の耐熱性や耐圧性とのバランスを良好に保て、効
率よく発電できる。
Further, in the reactor, the oxidation in the aqueous medium is carried out at a temperature in the range of 150 ° C. to 350 ° C. and 5 MPa to 5 MPa.
By performing the reaction in a pressure range of 30 MPa, the power generation can be efficiently performed while maintaining a good balance between the reactivity and the heat resistance and pressure resistance of the reactor.

【0062】また、アルコールの燃焼であるので、排出
ガスの成分が二酸化炭素と水分となり、排出ガス中に有
害成分が含まれないので、排ガス処理を行なう必要が無
く、システム構成が単純となる。
Further, since alcohol is burned, the components of the exhaust gas become carbon dioxide and moisture, and no harmful components are contained in the exhaust gas. Therefore, there is no need to perform exhaust gas treatment, and the system configuration is simplified.

【0063】上記した実施の形態では、酸化方式として
は湿式酸化を、熱利用方式としては、蒸気タービンによ
る発電を例に取って説明しているが、湿式酸化や発電以
外に関しても本発明が適用でき、この湿式酸化と発電の
組み合わせに限定されるものではない。
In the above-described embodiment, the wet oxidation has been described as an example of the oxidation method, and the power generation by the steam turbine has been described as an example of the heat utilization method. However, the present invention is not limited to this combination of wet oxidation and power generation.

【0064】[0064]

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
に係るバイオマスアルコール燃焼熱利用方法及びそのシ
ステムによれば、次のような効果を奏することができ
る。
As is apparent from the above description, the method and system for utilizing biomass alcohol combustion heat according to the present invention can provide the following effects.

【0065】バイオマス燃料の一つであるバイオマスア
ルコールを湿式酸化又は湿式酸化又は超臨界水等の水媒
体中での酸化により、直接高温の蒸気を発生させ、この
高温の蒸気で発電機の蒸気タービンを駆動したり、工場
等の熱源として利用するので、熱効率がよい。また、バ
イオマスアルコールの濃縮度が低い10〜30%程度の
濃度の状態でも水媒体中で酸化できるので、濃縮に必要
な装置やエネルギーが少なくて済み、採算性がよい。
High-temperature steam is directly generated by bio-oxidation of biomass alcohol, which is one of the biomass fuels, by wet oxidation or wet oxidation or in an aqueous medium such as supercritical water. Is driven or used as a heat source in factories and the like, so that the thermal efficiency is high. In addition, since the biomass alcohol can be oxidized in an aqueous medium even in a state where the concentration of biomass alcohol is low and about 10 to 30%, less equipment and energy are required for concentration, and profitability is good.

【0066】また、バイオマスアルコールを反応装置に
供給する際に、該バイオマスアルコールを30℃〜35
0℃に加熱することにより、反応装置では発生する熱を
効率よく利用でき、システム全体としての熱効率を向上
できる。
When supplying the biomass alcohol to the reactor, the biomass alcohol is supplied at 30 ° C. to 35 ° C.
By heating to 0 ° C., the heat generated in the reactor can be used efficiently, and the thermal efficiency of the entire system can be improved.

【0067】そして、反応装置に燃焼用の酸素を加圧し
て供給する際に酸素を20%〜100%、好ましくは9
9%〜100%濃度にして、高濃度の酸素を供給するこ
とにより、反応に直接関係の無い成分を除外して、反応
性を高めると共に、発生ガス中における水蒸気の成分比
を高め、蒸気タービンの効率をよくすることができる。
Then, when pressurizing and supplying oxygen for combustion to the reactor, oxygen is added in an amount of 20% to 100%, preferably 9%.
By supplying a high concentration of oxygen at a concentration of 9% to 100%, components not directly related to the reaction are excluded, thereby increasing the reactivity and increasing the component ratio of steam in the generated gas. Efficiency can be improved.

【0068】更に、反応装置において、水媒体中の酸化
を150℃〜650℃の温度範囲で、且つ、5MPa〜
60MPaの圧力範囲で行なうことにより、反応性と反
応装置の耐熱性や耐圧性とのバランスを良好に保て、効
率よく発電等の熱利用ができる。
Further, in the reaction apparatus, the oxidation in the aqueous medium is carried out in a temperature range of 150 ° C. to 650 ° C. and 5 MPa to 5 MPa.
By performing the reaction in a pressure range of 60 MPa, the balance between the reactivity and the heat resistance and pressure resistance of the reactor can be maintained well, and heat can be efficiently used for power generation and the like.

【0069】また、アルコールの燃焼であるので、排出
ガスの成分が二酸化炭素と水分となり、排出ガス中に有
害成分が含まれないので、排ガス処理を行なう必要が無
く、システム構成が単純となる。
Further, since the combustion of alcohol is performed, the components of the exhaust gas are carbon dioxide and moisture, and no harmful components are contained in the exhaust gas. Therefore, there is no need to perform exhaust gas treatment, and the system configuration is simplified.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明に係るバイオマスアルコール発電システ
ムのシステム構成図である。
FIG. 1 is a system configuration diagram of a biomass alcohol power generation system according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 バイオマスアルコール発電システム 10 バイオマスアルコール供給装置 11 発酵槽 12 濃縮装置 13 貯蔵槽 15 熱交換器 20 反応装置 21 反応槽 30 酸素供給装置 31 酸素生成装置 32 コンプレッサー 40 発電装置 41 蒸気タービン 42 発電機 50 排ガス冷却装置 A バイオマスアルコール溶液 E バイオマスアルコール G 発生ガス DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Biomass alcohol power generation system 10 Biomass alcohol supply apparatus 11 Fermenter 12 Concentrator 13 Storage tank 15 Heat exchanger 20 Reactor 21 Reactor 30 Oxygen supply apparatus 31 Oxygen generator 32 Compressor 40 Generator 41 Steam turbine 42 Generator 50 Exhaust gas Cooling device A Biomass alcohol solution E Biomass alcohol G Generated gas

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 500527845 柳下 宏 茨城県つくば市吾妻2−711−701 (71)出願人 599169900 北本 大 茨城県つくば市竹園3−3−206−103 (74)上記4名の代理人 100066865 弁理士 小川 信一 (外2名) (72)発明者 中根 堯 茨城県つくば市東1丁目1番 工業技術院 物質工学工業技術研究所内 (72)発明者 柳下 宏 茨城県つくば市東1丁目1番 工業技術院 物質工学工業技術研究所内 (72)発明者 北本 大 茨城県つくば市東1丁目1番 工業技術院 物質工学工業技術研究所内 (72)発明者 近藤 正和 岡山県玉野市玉3丁目1番1号 三井造船 株式会社玉野事業所内 Fターム(参考) 3K065 TA00 TB07 TB15 TC10 TD04 TE06 TF04 4B064 AC03 CA06 CD24 CD25 CE01 CE08 DA20  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (71) Applicant 500527845 Hiroshi Yanagishita 2-711-701, Azuma, Tsukuba-shi, Ibaraki (71) Applicant 599169900 Dai Kitamoto 3-3-206-103 Takezono, Tsukuba-shi, Ibaraki (74) 4 above Name agent 100066865 Patent Attorney Shinichi Ogawa (2 other) (72) Inventor Takashi Nakane 1-1-1 Higashi, Tsukuba, Ibaraki Pref. 1-1, 1st, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (72) Inventor: Dai Kitamoto 1-1-1, Higashi, Tsukuba-shi, Ibaraki Pref., Institute for Material Engineering, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (72) Inventor: Masakazu Kondo Tama3, Tamano-shi, Okayama No. 1-1, Mitsui Engineering & Shipbuilding Co., Ltd. Tamano Works F-term (reference) 3K065 TA00 TB07 TB15 TC10 TD04 TE06 TF04 4B064 AC03 CA06 CD24 CD25 CE01 CE0 8 DA20

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 バイオマスを発酵する工程と、発酵して
得られるバイオマスアルコールを濃縮する工程と、該濃
縮されたバイオマスアルコールを反応装置に供給すると
共に、該反応装置に燃焼用の酸素を加圧して供給する工
程と、該供給されたバイオマスアルコールを前記反応装
置内で湿式酸化又は超臨界水等の水媒体中での酸化によ
り燃焼させる工程と、該燃焼により発生する水蒸気等の
ガスを用いて発電等の熱を利用する工程とを含むことを
特徴とするバイオマスアルコール燃焼熱利用方法。
1. A step of fermenting biomass, a step of concentrating biomass alcohol obtained by fermentation, supplying the concentrated biomass alcohol to a reactor, and pressurizing the reactor with oxygen for combustion. And burning the supplied biomass alcohol in the reaction apparatus by wet oxidation or oxidation in an aqueous medium such as supercritical water, and using a gas such as steam generated by the combustion. Using biomass alcohol combustion heat.
【請求項2】 前記濃縮されたバイオマスアルコールを
反応装置に供給するする際に、該バイオマスアルコール
を30℃〜350℃に加熱することを特徴とする請求項
1記載のバイオマスアルコール燃焼熱利用方法。
2. The method for utilizing biomass alcohol combustion heat according to claim 1, wherein the biomass alcohol is heated to 30 to 350 ° C. when the concentrated biomass alcohol is supplied to the reactor.
【請求項3】 前記反応装置に燃焼用の酸素を加圧して
供給する際に気体の酸素濃度を20%〜100%濃度と
することを特徴とする請求項1又は2に記載のバイオマ
スアルコール燃焼熱利用方法。
3. The biomass alcohol combustion according to claim 1, wherein the oxygen concentration of the gas is set to 20% to 100% when the oxygen for combustion is supplied to the reactor under pressure. Heat utilization method.
【請求項4】 前記反応装置において、水媒体中の酸化
を150℃〜650℃の温度範囲で、且つ、5MPa〜
60MPaの圧力範囲で行なうことを特徴とする請求項
1〜3のいずれかに記載のバイオマスアルコール燃焼熱
利用方法。
4. The method according to claim 1, wherein the oxidation in the aqueous medium is performed in a temperature range of 150 ° C. to 650 ° C. and 5 MPa to 5 MPa.
The method for utilizing biomass alcohol combustion heat according to any one of claims 1 to 3, wherein the method is performed in a pressure range of 60 MPa.
【請求項5】 バイオマスを発酵して得られるバイオマ
スアルコールを濃縮して供給するバイオマスアルコール
供給装置と、該バイオマスアルコールを水媒体中での酸
化により燃焼させる反応装置と、この反応装置に燃焼用
の酸素を加圧して供給する酸素供給装置と、前記反応装
置で発生する水蒸気等のガスが有する熱を発電等に利用
する熱利用装置とを有して構成されることを特徴とする
バイオマスアルコール燃焼熱利用システム。
5. A biomass alcohol supply device for concentrating and supplying biomass alcohol obtained by fermenting biomass, a reaction device for burning the biomass alcohol by oxidation in an aqueous medium, and a combustion device for the combustion device. Biomass alcohol combustion characterized by comprising an oxygen supply device for supplying oxygen by pressurization and a heat utilization device for utilizing heat of a gas such as water vapor generated in the reaction device for power generation or the like. Heat utilization system.
【請求項6】 前記バイオマスアルコール供給装置がバ
イオマスアルコールを濃縮する濃縮装置と、バイオマス
アルコールを加熱する加熱装置を備えていることを特徴
とする請求項5記載のバイオマスアルコール燃焼熱利用
システム。
6. The biomass alcohol combustion heat utilization system according to claim 5, wherein the biomass alcohol supply device includes a concentrating device for concentrating the biomass alcohol, and a heating device for heating the biomass alcohol.
【請求項7】 前記加熱装置が、前記反応装置で発生す
る熱を利用してバイオマスアルコールを加熱する熱交換
器で形成されることを特徴とする請求項6記載のバイオ
マスアルコール燃焼熱利用システム。
7. The biomass alcohol combustion heat utilization system according to claim 6, wherein the heating device is formed by a heat exchanger that heats biomass alcohol using heat generated in the reaction device.
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