JP2004261696A - 排熱利用木質系バイオマス液化システムおよびエタノールの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】設備費が安く、エネルギー効率の高い排熱利用木質系バイオマス液化システムおよびエタノールの製造方法を提供する。
【解決手段】水蒸気を発生して発電を行う水蒸気タービン発電システム１と、前記水蒸気タービン発電システム１の抽気蒸気または排気蒸気のエネルギーを用いて冷媒を生成し低沸点媒体発電を行う冷熱・発電システム２と、前記冷熱・発電システム２から冷媒を供給されて空気を冷却し液体酸素と液体窒素を製造する空気分離システム３と、前記水蒸気タービン発電システム１から蒸気を供給され前記空気分離システム３から液体窒素を供給されて木質系バイオマスチップの凍結粉砕、エタノール醗酵、エタノール分離およびエタノール濃縮を行う木質系バイオマスエタノール製造システム４とを備えた構成とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水蒸気によってタービンを駆動して発電を行う水蒸気タービン発電システムの排熱を利用して冷媒生成、発電、空気分離、バイオマスチップの凍結粉砕、エタノール醗酵およびエタノールの凍結分離と濃縮を行う廃熱利用木質系バイオマス液化システムおよびエタノールの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
移動用手段としての自動車の利便性は高いが、地球環境保護と整合性をとる必要がある。そこで再生可能なバイオマスを原料にしたエタノールをレギュラーガソリンに５％混合した燃料は、既存のガソリン車のエンジンを交換することなく用いられるため、将来的には再生可能な重要なエネルギー資源となる。石油危機のあと穀物やサトウキビを原料としたエタノール醗酵技術の開発が行われ米国やブラジルでは商業的ベースで成立している。
【０００３】
エタノール醗酵はサトウキビ等の糖質資源，穀物等の澱粉質資源，農林産廃棄物やポプラ等のセルロース系資源を原料として醗酵プロセスによりエタノールを生成するものである。農作物を原料としたエタノール醗酵は米国やブラジルで実用化されているが、本来食用に供されるものを用いているため、入手する原料価格がエタノール製造価格に非常に大きな影響を与えている。
【０００４】
それに対して木質系バイオマスは資源量が豊富であり、食料資源との競合がなく安定して安価に供給される利点がある。我が国の木質系バイオマスとして統計上、年間５，０００万トン以上の木質系廃材が産出されているが、そのうち約１，０００万トンが経済的に利用可能であり、約５００万トンはパルプ用のチップとしての需要があり、残りがエタノール醗酵用に利用可能である。
【０００５】
木質系バイオマスの主成分は、約半分のセルロースと残りをほぼ二分するリグニンとヘミセルロースからなっている。エタノール醗酵を行うためにはセルロースを糖化する必要があるが、鎖状の束になったセルロースの周囲を覆っているリグニンとヘミセルロースを除去する必要がある。
【０００６】
除去方法としては高温水蒸気を用いた蒸煮・爆砕法が用いられているが、この方法は高度にエネルギー消費型の処理法になっているために、腐朽菌で前処理を行って蒸煮・爆砕を行うことで消費エネルギーを軽減する技術開発が行われている。
【０００７】
また無水アルコール製造のために使用する蒸留法は、エネルギー消費量の改善が重要な開発課題になっている。近年、抽出蒸留と減圧蒸留の併用や、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高効率化および省エネルギー化が進められているが、依然として濃縮コストが高いという問題がある。また、蒸留技術より省エネルギーであると考えられている浸透気化技術があるが、アルコール選択透過性が不十分であり、実用化が進んでいない。
【０００８】
下記特許文献１では、バイオマスをアルコール醗酵させ、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を用いて１５％以上にバイオマスアルコールを濃縮し、２００℃以上で濃度９０％以上の酸素と湿式酸化または超臨界水等の水媒体中の酸化により燃焼を行って高温炭酸ガスと水蒸気を発生させ、この高温炭酸ガスと水蒸気を用いてタービンを駆動させて発電を行うシステムが記載されている。
【０００９】
特許文献２には、空気冷凍サイクルと循環流動層とで凍結融解粉末乾燥装置を構成し、空気を冷媒としたサイクルで直接接触による伝熱を可能とした脱水，微細化，粉末乾燥を行う方法および装置が記載されている。
特許文献３には、凍結濃縮装置の後に蒸気再圧縮濃縮装置を設け、省水・省エネルギーで濃縮と減容を可能にする溶媒分離濃縮方法が記載されている。
【００１０】
特許文献４には、ガスタービン複合発電装置のボトミングに水・アンモニア混合媒体発電装置とアンモニア吸収式冷凍機を付設した電力・冷熱供給コンバインドシステムが記載されている。
【００１１】
【特許文献１】
特開２００２−１５３７４５号公報
【特許文献２】
特開２００２−１２００００号公報
【特許文献３】
特開２００１−１６２２６７号公報
【特許文献４】
特開２００１−７３７１７号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
木質系バイオマスを原料としてエタノール醗酵を行う場合、前処理として原料の微細化を行う工程と、エタノール醗酵もろみからエタノールを分離し、分離したエタノール濃度を工業用レベルに上げる工程に多大のエネルギーを必要とし、安価に入手可能な材料原価の有利性を損なっているために、これらの工程の省エネルギー化が重要な技術課題である。
そこで本発明は、エネルギー効率の高い排熱利用木質系バイオマス液化システムおよびエタノールの製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、水蒸気を発生して発電を行う水蒸気タービン発電システムと、前記水蒸気タービン発電システムの抽気蒸気または排気蒸気のエネルギーを用いて冷媒を生成し水より沸点の低い媒体を作動媒体として発電を行う冷熱・発電システムと、前記冷熱・発電システムから冷媒を供給されて空気を冷却し液体酸素と液体窒素を製造する空気分離システムと、前記水蒸気タービン発電システムから蒸気を供給され前記空気分離システムから液体窒素を供給されて木質系バイオマスチップの凍結粉砕、エタノール醗酵、エタノール分離およびエタノール濃縮を行う木質系バイオマスエタノール製造システムとを備えた構成とする。
【００１４】
請求項２の発明は、前記水蒸気タービン発電システムの抽気蒸気が前記冷熱・発電システムにおける冷媒生成に用いられ、その後、前記木質系バイオマスエタノール製造システムにおけるエタノール醗酵に用いられる構成とする。
【００１５】
請求項３の発明は、前記水蒸気タービン発電システムは、前記木質系バイオマスエタノール製造システムに設けられエタノール分離を行う分離装置で分離された木質系バイオマスチップの汚泥を燃焼させる蒸気発生装置を備えている構成とする。
【００１６】
請求項４の発明は、前記水蒸気タービン発電システムは化石燃料を炭酸ガス雰囲気中酸素燃焼させる蒸気発生装置を備え、前記空気分離システムは深冷式空気分離・炭酸ガス液化装置を備え、前記水蒸気タービン発電システムの前記蒸気発生装置に前記空気分離システムから高圧酸素ガスおよび高圧炭酸ガスを導き、前記蒸気発生装置の燃焼排ガスを前記深冷式空気分離・炭酸ガス液化装置に導き、純水と液体炭酸ガスにする構成とする。
【００１７】
請求項５の発明は、前記水蒸気タービン発電システムに備えられる蒸気発生装置は原子力または地熱または太陽熱を利用する蒸気発生装置であり、前記木質系バイオマスエタノール製造システムに設けられエタノール分離を行う分離装置で分離された木質系バイオマスチップの汚泥を燃焼させて発電を行う廃棄物発電システムを備え、前記廃棄物発電システムの排気蒸気を前記木質系バイオマスエタノール製造システムの醗酵装置に導く構成とする。
【００１８】
請求項６の発明は、前記廃棄物発電システムは木質系バイオマスチップの汚泥を炭酸ガス雰囲気中酸素燃焼させる蒸気発生装置を備え、前記空気分離システムは深冷式空気分離・炭酸ガス液化装置を備え、前記廃棄物発電システムの前記蒸気発生装置に前記空気分離システムから高圧酸素ガスおよび高圧炭酸ガスを導き、前記蒸気発生装置の燃焼排ガスを前記深冷式空気分離・炭酸ガス液化装置に導き、純水と液体炭酸ガスにする構成とする。
【００１９】
請求項７の発明は、前記木質系バイオマスエタノール製造システムの分離装置および濃縮装置の冷熱を回収して前記空気分離システムに設けられ液体窒素と熱媒体の熱交換を行う冷熱貯蔵・変換装置に移送するようにした構成とする。
【００２０】
請求項８の発明は、前記空気分離システムに設けられ液体窒素と熱媒体の熱交換を行う冷熱貯蔵・変換装置の温熱を前記冷熱・発電システムに設けられ低沸点媒体によって水蒸気タービン発電システムから供給される蒸気の熱を回収する低沸点媒体熱回収装置に移送するようにした構成とする。
【００２１】
請求項９の発明は、前記冷熱・発電システムに設けられ冷媒を生成する冷凍装置および低沸点媒体によって水蒸気タービン発電システムから供給される蒸気の熱を回収する低沸点媒体熱回収装置の冷却に海洋深層水を用いるようにした構成とする。
【００２２】
請求項１０の発明は、水蒸気を発生して発電を行う水蒸気タービン発電システムと、前記水蒸気タービン発電システムの抽気蒸気または排気蒸気のエネルギーを用いて冷媒を生成し水より沸点の低い媒体を作動媒体として発電を行う冷熱・発電システムと、前記冷熱・発電システムから冷媒を供給されて空気を冷却し冷凍空気，冷凍エタンまたは冷凍窒素を製造する冷凍気体製造システムと、前記水蒸気タービン発電システムから蒸気を供給され前記冷凍気体製造システムから冷凍空気，冷凍エタンまたは冷凍窒素を供給されて木質系バイオマスチップの凍結粉砕、エタノール醗酵、エタノール分離およびエタノール濃縮を行う木質系バイオマスエタノール製造システムとを備えた構成とする。
【００２３】
請求項１１の発明は、水蒸気を発生して発電を行う水蒸気タービン発電システムと、前記水蒸気タービン発電システムの抽気蒸気または排気蒸気のエネルギーを用いて水より沸点の低い媒体を作動媒体として発電を行う低沸点媒体発電システムと、海洋深層水によって冷凍空気，冷凍エタンまたは冷凍窒素を製造する冷凍気体製造システムと、前記水蒸気タービン発電システムから蒸気を供給され前記冷凍気体製造システムから冷凍気体を供給されて木質系バイオマスチップの凍結粉砕、エタノール醗酵、エタノール分離およびエタノール濃縮を行う木質系バイオマスエタノール製造システムとを備えた構成とする。
【００２４】
請求項１２の発明は、水蒸気を発生して発電を行う水蒸気タービン発電システムの抽気蒸気または排気蒸気のエネルギーを用いて低沸点媒体発電を行うとともに冷媒を生成し、前記冷媒を用いて空気を冷却して液体酸素と液体窒素を製造し、前記水蒸気タービン発電システムからの蒸気の熱と前記液体窒素の冷熱を用いて木質系バイオマスチップの凍結粉砕、エタノール醗酵、エタノール分離およびエタノール濃縮を行う構成とする。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の第１の実施の形態を図１、図２を参照して説明する。
本実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムは、水蒸気を発生して発電を行う水蒸気タービン発電システム１と、そのボトミングに付設され冷媒を生成するとともに低沸点媒体発電を行う冷熱・発電システム２と、その冷媒を利用して空気を冷却し液体酸素と液体窒素を製造する空気分離システム３と、水蒸気タービン発電システム１から供給される蒸気と空気分離システム３から供給される液体窒素を利用して木質系バイオマスチップの凍結粉砕、エタノール醗酵、エタノール分離、エタノール濃縮を行う木質系バイオマスエタノール製造システム４から構成されている。
【００２６】
水蒸気タービン発電システム１は、蒸気発生装置５，水蒸気タービン６および発電機７で構成されている。蒸気発生装置５は、水蒸気発生ボイラー，循環ポンプ等で構成される。冷熱・発電システム２は、低沸点媒体熱回収装置８，低沸点媒体タービン９，発電機１０および冷凍装置１１で構成されている。空気分離システム３は、深冷式空気分離装置１２，冷熱貯蔵・変換装置１５，液体酸素貯蔵槽１３および液体窒素貯蔵槽１４で構成されている。冷熱貯蔵・変換装置１５は、図示されていない低温媒体貯蔵槽と温熱媒体貯蔵槽を備えている。木質系バイオマスエタノール製造システム４は、凍結粉砕装置１８，醗酵装置１７，分離装置１９，濃縮装置２０，汚泥貯蔵槽２１，純水貯蔵槽２２およびエタノール貯蔵槽２３で構成されている。
【００２７】
水蒸気タービン発電システム１の蒸気発生装置５のボイラーで発生した蒸気を水蒸気タービン６に導き、抽気した蒸気を冷熱・発電システム２の冷凍装置１１に導く。水蒸気タービン６を駆動して排気された蒸気と、冷凍機１１の排気蒸気とを冷熱・発電システム２の低沸点媒体熱回収装置８と木質系バイオマスエタノール製造システム４の醗酵装置１７に導き、低沸点媒体熱回収装置８あるいは醗酵装置１７において熱交換を行って復水した復水を水蒸気タービン発電システム１の蒸気発生装置５に還流させる。冷凍装置１１で生成された冷媒は空気分離システム３の深冷式空気分離装置１２に導かれて熱交換後に冷凍装置１１に還流する。
【００２８】
低沸点媒体熱回収装置８で発生した高濃度低沸点混合媒体蒸気が低沸点媒体タービン９に導かれてこれを駆動し、同軸に結合された発電機１０で発電を行う。低沸点媒体タービン９の排気蒸気は低沸点媒体熱回収装置８に還流する。冷凍装置１１と低沸点媒体熱回収装置８の作動媒体として水・アンモニア混合媒体が用いられる場合、冷凍装置１１と低沸点媒体熱回収装置８の復液器が共用される構成としてもよい。
【００２９】
空気分離システム３の深冷式空気分離装置１２には冷熱・発電システム２の冷凍装置１１で生成された冷媒が導かれる。深冷式空気分離装置１２にはまた冷熱貯蔵・変換装置１５から冷熱が導かれ熱交換後の温熱は冷熱貯蔵・変換装置１５に還流する。
【００３０】
深冷式空気分離装置１２に原料空気１６が供給され、液化分離された液体酸素と液体窒素が液体酸素貯蔵槽１３，液体窒素貯蔵槽１４に導かれて貯蔵される。液体窒素貯蔵槽１４に貯蔵された液体窒素は、冷熱貯蔵・変換装置１５、あるいは木質系バイオマスエタノール製造システム４の凍結粉砕装置１８に導かれる。冷熱貯蔵・変換装置１５で熱交換した窒素は、木質系バイオマスエタノール製造システム４の分離装置１９の熱交換部に導かれる。
【００３１】
木質系バイオマスエタノール製造システム４の凍結粉砕装置１８には間伐材や製材廃材等をチップ化したバイオマスチップ２４の投入を行い、空気分離システム３の液体窒素貯蔵槽１４より導かれる液体窒素を用いて急速凍結し衝撃を加えて微粉化する。気化した窒素ガスは空気分離システム３の冷熱貯蔵・変換装置１５に戻される。
【００３２】
微粉化されたバイオマスチップは、冷熱貯蔵・変換装置１５から導かれる温熱媒体と熱交換をして加温されて醗酵装置１７に導かれ、熱交換を行った温熱媒体は冷熱貯蔵・変換装置１５の冷媒貯蔵槽に還流する。
【００３３】
醗酵装置１７には水蒸気タービン発電システム１の水蒸気タービン６の排気蒸気、あるいは冷熱・発電システム２の冷凍装置１１で熱交換を行った蒸気の分岐したものが熱交換部に導かれて、凍結粉砕装置１８で微粉化されたバイオマスチップがエタノール醗酵菌で醗酵を行うのに最適な３０℃程度の温度に加熱する。
【００３４】
醗酵装置１７でエタノール醗酵を７日程度行ったもろみは分離装置１９に移送され、空気分離システム３の冷熱貯蔵・変換装置１５から導かれる冷凍窒素ガスでもろみを凍結させ、絞り機で３％程度の濃度のエチルアルコール溶液と汚泥に分離される。汚泥は汚泥貯蔵槽２１に、エチルアルコール溶液は濃縮装置２０に移送され、熱交換に用いられた低温窒素ガスも濃縮装置２０に導かれる。
【００３５】
濃縮装置２０では、分離装置１９より導かれた３％程度の濃度のエチルアルコール溶液を同じく分離装置１９を経由した冷凍窒素ガスで凍結させて２０％以上のエチルアルコール濃縮溶液と淡水氷に分離する。淡水氷は淡水化して純水貯蔵槽２２に、濃縮エチルアルコール溶液はエチルアルコール貯蔵槽２３に移送し、熱交換を行った常温の窒素ガス２５は大気に放出される。
【００３６】
図２は、本発明の第１の実施の形態の変形例であり、冷熱・発電システム２の冷凍装置１１と低沸点媒体熱回収装置８の冷却に海洋深層水３９を利用する排熱利用木質系バイオマス液化システムを示す。
【００３７】
太平洋側の水深２００ｍより年間を通じて約８℃、日本海側とオホーツク海側の水深２００ｍより年間を通じて約２℃、の海洋深層水が取水可能で、この海洋深層水を冷熱・発電システム２の冷凍装置１１と低沸点媒体熱回収装置８の冷却に用いる。
以上のような構成の本発明の第１の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムは下記のように作用する。
【００３８】
夜間の電力需要の少ない時に、水蒸気タービン発電システム１の水蒸気タービン６より水蒸気を抽気して冷熱・発電システム２の冷凍装置１１に移送して冷媒を製造するのに用い、その排蒸気は低沸点沸点媒体熱回収装置８に導いて復水させて水蒸気タービン発電システム１の蒸気発生装置５に還流させる。
【００３９】
冷熱・発電システム２の冷凍装置１１で生成した冷媒を空気分離システム３の深冷式空気分離装置１２に移送して原料空気１６の冷却や、圧縮機で加圧されて高温になった空気の冷却に用いて冷凍装置１１に還流させる。深冷式空気分離装置１２で液化分離された液体酸素と液体窒素は液体酸素貯蔵槽１３，液体窒素貯蔵槽１４に貯蔵する。
【００４０】
液体窒素貯蔵槽１４に貯蔵された液体窒素の一部を木質系バイオマスエタノール製造システム４の冷凍粉砕装置１８に導いてバイオマスチップ２４の急速凍結を行うのに用いる。冷凍粉砕装置１８において使用後の冷凍窒素ガスを空気分離システム３の冷熱貯蔵・変換装置１５の冷熱貯蔵槽に導いて熱交換を行わせる。熱交換後の冷凍窒素ガスを木質系バイオマスエタノール製造システム４の分離装置１９，濃縮装置２０に導き、順次凍結分離、凍結濃縮の熱交換を行わせた後に常温の窒素ガス２５として大気中に放出する。
【００４１】
木質系バイオマスエタノール製造システム４の冷凍粉砕装置１８で急速凍結されたバイオマスチップは衝撃を与えて粉砕し、粉砕されたバイオマスチップは、空気分離システム３の冷熱貯蔵・変換装置１５より導かれる熱媒体が流れる熱交換部で加熱して醗酵装置１７に移送される。冷凍粉砕装置１８で熱交換を行った結果低温媒体となった熱媒体は冷熱貯蔵・変換装置１５の低温媒体貯蔵槽に貯蔵される。
【００４２】
冷熱貯蔵・変換装置１５の低温媒体貯蔵槽に貯蔵された低温媒体は、深冷式空気分離装置１２に移送されて圧縮原料空気１６の冷却に用いられ、高温になった熱媒体は冷熱貯蔵・変換装置１５に還流し、温熱媒体貯蔵槽に貯蔵される。
【００４３】
木質系バイオマスエタノール製造システム４の醗酵装置１７の熱交換部には水蒸気タービン発電システム１の水蒸気タービン６の排気蒸気および冷熱・発電システム２の冷凍装置１１で熱交換を行った排気蒸気を分岐したものが導かれ、微粉化されたバイオマスチップやエタノール醗酵菌の入ったエタノール醗酵槽を３０℃程度に加熱する。その復水は水蒸気タービン発電システム１の蒸気発生装置５に還流する。
【００４４】
醗酵装置１７で７日程度の間エタノール醗酵を行ったもろみは、分離装置１９に移送され、空気分離システム３の冷熱貯蔵・変換装置１５で熱交換を行った冷凍窒素ガスと熱交換を行って凍結され、絞り機で汚泥とエタノール水に分離される。汚泥は汚泥貯蔵槽２１に移送されて貯蔵され、エタノール水は濃縮装置２０に導かれる。
【００４５】
濃縮装置２０の熱交換部には分離装置１９で凍結分離に用いられた冷凍窒素ガスが導かれてエタノール水と熱交換を行って２０％程度のエタノールと氷に分離する。氷は淡水化して純水貯蔵槽２２に貯蔵される。エタノールはエチルアルコール貯蔵槽２３に貯蔵される。
【００４６】
昼間の電力需要の多い時には、水蒸気タービン発電システム１の水蒸気タービン６より水蒸気を抽気して冷熱・発電システム２の冷凍装置１１に移送して冷媒を製造することをせず、全水蒸気が水蒸気タービン６に導かれるようにし、水蒸気タービン６の排気の一部が木質系バイオマスエタノール製造システム４の醗酵装置１７に導かれて熱交換を行って復水した復水が蒸気発生装置５に還流する。また、空気分離システム３の液体窒素貯蔵槽１４に貯蔵された液体窒素を木質系バイオマスエタノール製造システム４の凍結粉砕装置１８に導いてバイオマスチップ２４を急速凍結するのに用いる。その他の作用は夜間の場合と同様である。
【００４７】
夏期と冬期においては電力需要が大きく、春期と秋期においては電力需要が４０％程度減少する。そのため春期と秋期においては昼間も冷媒製造および空気分離を行い、木質系バイオマスエタノール製造システム４におけるバイオマスチップ２４の処理量、エタノール醗酵量を増大させて水蒸気タービン発電システム１の蒸気発生装置５を定格運転できるようにする。
上記のような構成によって上記のように作用する本発明の第１の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムは下記のような効果を生じる。
【００４８】
水蒸気タービン発電システム１と冷熱・発電システム２と空気分離システム３を組合せて熱エネルギーをカスケード利用することで液体酸素と液体窒素を低コストで製造することができる。液体窒素を利用して木質系バイオマスを凍結粉砕することによって木質系バイオマスエタノールの製造効率が向上し、凍結粉砕に利用した冷熱を回収して液体空気分離、エタノール醗酵もろみの凍結分離およびエタノールの凍結濃縮に用いることで木質系バイオマスよりエタノールを低コストで製造することができ、資源循環系のバイオマス利用による自動車等の交通機関の燃料が確保でき、地球環境保護に寄与することができる。
【００４９】
電力需要の少ない夜間や、春期・秋期に空気を液化して液体酸素および液体窒素を製造することにより、液体酸素は、化石燃料等の炭酸ガス雰囲気中酸素燃焼用として低コストで供給できる。液体窒素は木質系バイオマスチップの凍結粉砕に利用してエタノールを製造する量を増やすのに用いることで負荷平準化ができ、ピーク電力需要対応の設備を設ける必要が無くなる。
【００５０】
冷熱・発電システム２の冷凍装置１１および低沸点媒体熱回収装置８の復液器の冷却に低温度の海洋深層水３９を用いることにより、低温の自然熱エネルギーを電力エネルギーとして回収することが可能となり、冷凍装置１１の冷却に用いることで加熱蒸気温度を下げることができるようになり、冷媒生成の省エネルギーが達成できる。
【００５１】
つぎに本発明の第２の実施の形態を説明する。本実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムは、図３に示すように、水蒸気タービン発電システム１と、冷熱・発電システム２と、空気分離システム３と、木質系バイオマスエタノール製造システム４とからなり、各システム１，２，３，４の装置構成は第１の実施の形態（図１）におけるものと同じである。
【００５２】
本実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムにおいては、冷熱・発電システム２の冷凍装置１１を加熱した蒸気の排気で木質系バイオマスエタノール製造システム４の醗酵装置１７を加熱した後に低沸点媒体熱回収装置８に導く。
【００５３】
冷熱・発電システム２の冷凍装置１１の加熱用に導かれる水蒸気タービン発電システム１からの蒸気配管にはバイパス配管が設けられており、冷凍装置１１内で熱交換を行わないようにすることができるようになっている。
【００５４】
この第２の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムは、夏期・冬期の夜間で電力需要の少ない時や、春期・秋期のピーク電力需要の少ない季節においては第１の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムと同様に作用するが、そのほかに下記のように作用する。
【００５５】
夏期・冬期のピーク電力需要の発生する昼間においては、水蒸気タービン発電システム１の水蒸気タービン６より抽気した蒸気で、冷熱・発電システム２の冷凍装置１１に導かれたものは冷凍装置１１内のバイパス配管を経由させて、熱交換を行わせずに木質系バイオマスエタノール製造システム４の醗酵装置１７に導いて熱交換を行わせ、その排気を冷熱・発電システム２の低沸点媒体熱回収装置８に導いて熱交換を行わせ、復水を水蒸気タービン発電システム１の蒸気発生装置５に還流させる。
【００５６】
この第２の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムは、第１の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムと同様の効果が得られるが、そのほかに、醗酵装置１７でのエタノール醗酵の最適温度が低沸点媒体熱回収装置８の最適温度より高いエタノール醗酵菌を用いる場合には最適なシステムである。
【００５７】
つぎに本発明の第３の実施の形態を説明する。本実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムは図４に示すように、水蒸気タービン発電システム１ａと、そのボトミングに付設された冷熱・発電システム２と、その冷媒を利用する空気分離システム３と、液体窒素を凍結粉砕・分離・濃縮に利用する木質系バイオマスエタノール製造システム４ａから構成されている。
【００５８】
水蒸気タービン発電システム１ａは、化石燃料蒸気発生装置５，水蒸気タービン６および発電機７で構成されている。蒸気発生装置３１は、水蒸気発生ボイラー，循環ポンプ等で構成される。冷熱・発電システム２は、低沸点媒体熱回収装置８，低沸点媒体タービン９，発電機１０および冷凍装置１１で構成されている。空気分離システム３は、深冷式空気分離装置１２，冷熱貯蔵・変換装置１５，液体酸素貯蔵槽１３および液体窒素貯蔵槽１４で構成されている。冷熱貯蔵・変換装置１５は、図示されていない低温媒体貯蔵槽と温熱媒体貯蔵槽を備えている。木質系バイオマスエタノール製造システム４ａは、凍結粉砕装置１８，醗酵装置１７，分離装置１９，濃縮装置２０，純水貯蔵槽２２およびエタノール貯蔵槽２３で構成されている。
【００５９】
水蒸気タービン発電システム１ａに備えられた化石燃料の蒸気発生装置３１は、石油，石炭，可燃廃棄物，バイオマス等を燃料とし、木質系バイオマスエタノール製造システム４ａで発生する汚泥も燃料とする。
【００６０】
木質系バイオマスエタノール製造システム４ａの分離装置１９で分離された汚泥は真空蒸発させて脱水したものを水蒸気タービン発電システム１ａの化石燃料蒸気発生装置３１に移送してボイラーの燃料の一部として燃焼させる。
【００６１】
この第３の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムの作用効果は、第１の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムと同様であるが、そのほかに下記のような作用効果を有する。すなわち、木質系バイオマスエタノール製造システム４ａの分離装置１９で分離された汚泥を真空蒸発させて脱水したものを化石燃料蒸気発生装置３１のボイラーで使用する燃料の一部として利用する。したがって汚泥の資源化ができ、汚泥の最終処分の問題が解決する。
【００６２】
つぎに本発明の第４の実施の形態を説明する。本実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムは図５に示すように、水蒸気タービン発電システム１ｂと、冷熱・発電システム２と、空気分離システム３と、木質系バイオマスエタノール製造システム４および廃棄物発電システム３５から構成されている。
【００６３】
水蒸気タービン発電システム１ｂは、原子力等を利用する蒸気発生装置３２，水蒸気タービン６および発電機７で構成されている。蒸気発生装置３２は、水蒸気発生ボイラー，循環ポンプ等で構成されている。冷熱・発電システム２は、低沸点媒体熱回収装置８，低沸点媒体タービン９，発電機１０および冷凍装置１１で構成されている。空気分離システム３は、深冷式空気分離装置１２，冷熱貯蔵・変換装置１５，液体酸素貯蔵槽１３および液体窒素貯蔵槽１４で構成されている。冷熱貯蔵・変換装置１５は、図示されていない低温媒体貯蔵槽と温熱媒体貯蔵槽を備えている。木質系バイオマスエタノール製造システム４ａは、凍結粉砕装置１８，醗酵装置１７，分離装置１９，濃縮装置２０，純水貯蔵槽２２およびエタノール貯蔵槽２３で構成されている。廃棄物発電システム３５は、汚泥燃焼蒸気発生装置３６，水蒸気タービン３７および発電機３８で構成されている。
【００６４】
この第４の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムは、水蒸気タービン発電システム１ｂの蒸気発生装置が、原子力、太陽光、地熱等を利用し酸素燃焼を用いない蒸気発生装置３２であり、廃棄物発電システム３５を設けて木質系バイオマスエタノール製造システム４ａの分離装置１９で分離された汚泥を燃料として用いるようにしたシステムである。
【００６５】
木質系バイオマスエタノール製造システム４ａの分離装置１９で分離された汚泥の乾燥したものが汚泥燃焼蒸気発生装置３６の燃料として供給され、発生した蒸気が水蒸気タービン３７に導かれてこれを駆動し、同軸に結合された発電機３８で発電を行う。水蒸気タービン３７の排気水蒸気は木質系バイオマスエタノール製造システム４ａの醗酵装置１７に導かれて熱交換を行い、復水が汚泥燃焼蒸気発生装置３６のボイラーに還流する。また、水蒸気タービン３７の排気水蒸気を分岐して冷熱・発電システム２の低沸点媒体熱回収装置８に導いて熱交換を行って復水したものを汚泥燃焼蒸気発生装置３６に還流させる構成であってもよい。
【００６６】
この第４の実施の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムによれば、第１の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムと同様の作用効果が得られるほかに、下記のような作用効果が得られる。すなわち、木質系バイオマスエタノール製造システム４ａの分離装置１９で分離された汚泥を真空蒸発させて脱水したものを汚泥燃焼蒸気発生装置３６のボイラーで使用する燃料の一部として利用する。したがって、廃棄物発電システム３５で用いることにより汚泥の資源化ができ、発電・醗酵のための加熱に利用でき、汚泥の最終処分の問題の解決と同時に発電によるエネルギー回収，醗酵のための加熱による熱エネルギー回収等の省エネルギーが実現される。
【００６７】
つぎに本発明の第５の実施の形態を説明する。第５の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムは、図６に示すように、水蒸気タービン発電システム１ｃと、冷熱・発電システム２と、空気分離システム３ａと、木質系バイオマスエタノール製造システム４ａから構成されている。
【００６８】
水蒸気タービン発電システム１ｃは、炭酸ガス雰囲気中酸素燃焼化石燃料蒸気発生装置４２，水蒸気タービン６および発電機７で構成されている。蒸気発生装置４２は、水蒸気発生ボイラー，循環ポンプ等で構成される。冷熱・発電システム２は、低沸点媒体熱回収装置８，低沸点媒体タービン９，発電機１０および冷凍装置１１で構成されている。空気分離システム３ａは、深冷式空気分離・炭酸ガス液化装置４６，冷熱貯蔵・変換装置４５，液体酸素貯蔵槽１３，液体窒素貯蔵槽１４および炭酸ガス貯蔵槽４４で構成されている。冷熱貯蔵・変換装置４５は、図示されていない低温媒体貯蔵槽と温熱媒体貯蔵槽を備えている。木質系バイオマスエタノール製造システム４ａは、凍結粉砕装置１８，醗酵装置１７，分離装置１９，濃縮装置２０，純水貯蔵槽２２およびエタノール貯蔵槽２３で構成されている。
【００６９】
空気分離システム３ａの液体酸素貯蔵槽１３と液体炭酸ガス貯蔵槽４４に貯蔵された液体酸素および液体炭酸ガスが冷熱貯蔵・変換装置４５に導かれて加圧後に熱交換を行って水蒸気タービン発電システム１ｃの炭酸ガス雰囲気中酸素燃焼化石燃料蒸気発生装置４２に導かれ、化石燃料の炭酸ガス雰囲気中での酸素燃焼に用いられる。この燃焼によって発生した水蒸気と炭酸ガスで構成される排ガスを空気分離システム３ａの深冷式空気分離・炭酸ガス液化装置４６に導いて除湿をした後に炭酸ガスを液化回収して液体炭酸ガス貯蔵槽４４に貯蔵する。
【００７０】
この第５の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムによれば、第３の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムと同様の作用効果が得られるほかに、下記のような作用効果が得られる。すなわち、液体酸素貯蔵槽１３，液体炭酸ガス貯蔵槽４４に貯蔵された液体酸素，液体炭酸ガスが冷熱貯蔵・変換装置４５に導かれて加圧後に、貯蔵された温熱媒体と熱交換を行って加熱され、水蒸気タービン発電システム１ｃの炭酸ガス雰囲気中酸素燃焼化石燃料蒸気発生装置４２に導かれ、化石燃料，汚泥等を炭酸ガス雰囲気中酸素燃焼させ水蒸気を製造するのに用いられる。水蒸気製造に用いられた排ガスは、水蒸気と炭酸ガスで構成されている。この排ガスを空気分離システム３ａの深冷式空気分離・炭酸ガス液化装置４６に導いて水蒸気を分離後、炭酸ガスを液化回収して液体炭酸ガス貯蔵槽４４に貯蔵する。
【００７１】
したがって、この第５の実施の形態によれば、化石燃料および汚泥を炭酸ガス雰囲気中酸素燃焼させることにより炭酸ガスを１００％回収することのできる資源循環系システムを構築することができる。
【００７２】
つぎに本発明の第６の実施の形態を説明する。この実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムは、図７に示すように、水蒸気タービン発電システム１ｂと、冷熱・発電システム２と、空気分離システム３ａと、木質系バイオマスエタノール製造システム４ａおよび廃棄物発電システム４７から構成されている。
【００７３】
水蒸気タービン発電システム１ｂは、原子力等を利用する蒸気発生装置３２，水蒸気タービン６および発電機７で構成されている。冷熱・発電システム２は、低沸点媒体熱回収装置８，低沸点媒体タービン９，発電機１０および冷凍装置１１で構成されている。空気分離システム３ａは、深冷式空気分離・炭酸ガス液化装置４６，液体酸素貯蔵槽１３，液体窒素貯蔵槽１４，液体炭酸ガス貯蔵槽４４および冷熱貯蔵・変換装置４５で構成されている。冷熱貯蔵・変換装置４５は、図示されていない低温媒体貯蔵槽と温熱媒体貯蔵槽を備えている。木質系バイオマスエタノール製造システム４ａは、凍結粉砕装置１８，醗酵装置１７，分離装置１９，濃縮装置２０，純水貯蔵槽２２およびエタノール貯蔵槽２３で構成されている。廃棄物発電システム４７は、炭酸ガス雰囲気中汚泥酸素燃焼蒸気発生装置４８，水蒸気タービン３７および発電機３８で構成されている。
【００７４】
空気分離システム３ａの液体酸素貯蔵槽１３および液体炭酸ガス貯蔵槽４４に貯蔵された液体酸素および液体炭酸ガスが冷熱貯蔵・変換装置４５に導かれて加圧後に、貯蔵された温熱媒体と熱交換を行って加熱され、廃棄物発電システム４７の炭酸ガス雰囲気中汚泥酸素燃焼蒸気発生装置４８に導かれ、汚泥を炭酸ガス雰囲気中酸素燃焼させる。発生した水蒸気と炭酸ガスで構成される排ガスを空気分離システム３ａの深冷式空気分離・炭酸ガス液化装置４６に導いて除湿した後に炭酸ガスを液化回収して液体炭酸ガス貯蔵槽４４に貯蔵する。
【００７５】
この第６の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムによれば、第４の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムと同様の作用効果が得られるほかに、下記のような作用効果が得られる。すなわち、液体酸素貯蔵槽１３および液体炭酸ガス貯蔵槽４４に貯蔵された液体酸素および液体炭酸ガスが冷熱貯蔵・変換装置４５に導かれて加圧後に貯蔵された温熱媒体と熱交換を行って加熱され、廃棄物発電システム４７の炭酸ガス雰囲気中汚泥酸素燃焼蒸気発生装置４８に導かれ、汚泥を炭酸ガス雰囲気中酸素燃焼させ水蒸気を製造するのに用いられる。水蒸気製造に用いられた排ガスは、水蒸気と炭酸ガスで構成されている。この排ガスを空気分離システム３ａの深冷式空気分離・炭酸ガス液化装置４６に導いて水蒸気を分離後、炭酸ガスを液化回収して液体炭酸ガス貯蔵槽４４に貯蔵する。
【００７６】
したがって、この第６の実施の形態によれば、汚泥を炭酸ガス雰囲気中酸素燃焼させることにより炭酸ガスを１００％回収することのできる木質系バイオマス資源循環システムを構築することができる。
【００７７】
つぎに本発明の第７の実施の形態を説明する。この実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムは、図８に示すように、水蒸気タービン発電システム１と、冷熱・発電システム２と、空気分離システム３ｂと、木質系バイオマスエタノール製造システム４ｂから構成されている。
【００７８】
水蒸気タービン発電システム１は、蒸気発生装置５，水蒸気タービン６および発電機７で構成されている。冷熱・発電システム２は、低沸点媒体熱回収装置８，低沸点媒体タービン９，発電機１０および冷凍装置１１で構成されている。空気分離システム３ｂは、深冷式空気分離装置１２，冷熱貯蔵・変換装置６１，液体酸素貯蔵槽１３および液体窒素貯蔵槽１４で構成されている。冷熱貯蔵・変換装置６１は、図示されていない低温媒体貯蔵槽と温熱媒体貯蔵槽を備えている。木質系バイオマスエタノール製造システム４ｂは、凍結粉砕装置１８，醗酵装置１７，分離装置６２，濃縮装置６３，汚泥貯蔵槽２１，純水貯蔵槽２２およびエタノール貯蔵槽２３で構成されている。
【００７９】
この第７の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムは、第１の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムと同様に作用するほかに、下記のように作用する。
【００８０】
空気分離システム３ｂの冷熱貯蔵・変換装置６１の温熱媒体貯蔵槽に貯蔵する温熱媒体を木質系バイオマスエタノール製造システム４ｂの分離装置６２と濃縮装置６３へ移送し、分離装置６２で凍結分離された低温の汚泥と熱交換をし、常温となった汚泥を汚泥貯蔵槽２１に移送して貯蔵する。また、濃縮装置６３で凍結濃縮で分離された淡水氷と熱交換をして常温水を純水貯蔵槽２２に移送して貯蔵する。そして、分離装置６２および濃縮装置６３で熱交換を行って低温媒体となった温熱媒体を冷熱貯蔵・変換装置６１の低温媒体貯蔵槽に移送して貯蔵する。
【００８１】
この第７の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムによれば、第１の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムと同様の効果が得られるほかに、木質系バイオマスエタノール製造システム４ｂの分離装置６２，濃縮装置６３で分離された低温汚泥と氷の低温熱エネルギーを回収することのできる省エネルギー型のシステムが提供される。
【００８２】
つぎに本発明の第８の実施の形態を説明する。この実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムは、図９に示すように、水蒸気タービン発電システム１と、冷熱・発電システム２ａと、空気分離システム３ｃと、木質系バイオマスエタノール製造システム４から構成されている。
【００８３】
水蒸気タービン発電システム１は、蒸気発生装置５，水蒸気タービン６および発電機７で構成されている。冷熱・発電システム２ａは、低沸点媒体熱回収装置５３，低沸点媒体タービン９，発電機１０および冷凍装置１１で構成されている。空気分離システム３ｃは、深冷式空気分離装置１２，冷熱貯蔵・変換装置６６，液体酸素貯蔵槽１３および液体窒素貯蔵槽１４で構成されている。冷熱貯蔵・変換装置６６は、図示されていない低温媒体貯蔵槽と温熱媒体貯蔵槽を備えている。木質系バイオマスエタノール製造システム４は、凍結粉砕装置１８，醗酵装置１７，分離装置１９，濃縮装置２０，汚泥貯蔵槽２１，純水貯蔵槽２２およびエタノール貯蔵槽２３で構成されている。
【００８４】
この第８の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムは、第１の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムと同様の作用効果を生じるほかに、下記のような作用効果を生じる。すなわち、空気分離システム３ｃの冷熱貯蔵・変換装置６６の温熱媒体貯蔵槽に貯蔵した温熱媒体を冷熱・発電システム２ａの低沸点媒体熱回収装置５３に移送して加熱装置で熱交換を行って低温媒体とし、この低温媒体を冷熱貯蔵・変換装置６６の低温媒体貯蔵槽に移送して貯蔵する。
【００８５】
したがって、空気分離システム３ｃで発生する温熱を冷熱・発電システム２ａによって回収して電気エネルギーに変換する省エネルギーシステムを提供することができる。
【００８６】
つぎに本発明の第９の実施の形態を説明する。この実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムは、図１０に示すように、水蒸気タービン発電システム１と、そのボトミングに付設された冷熱・発電システム２ａと、その冷媒を利用する冷凍気体製造システム４９と、冷凍空気を凍結粉砕・分離・濃縮に利用する木質系バイオマスエタノール製造システム４ｃから構成されている。
【００８７】
冷凍気体製造システム４９は、冷凍気体製造装置５０と冷熱貯蔵・変換装置５１で構成されている。木質系バイオマスエタノール製造システム４ｃは、凍結粉砕装置５５，醗酵装置１７，分離装置１９，濃縮装置２０，汚泥貯蔵槽２１，純水貯蔵槽２２およびエタノール貯蔵槽２３で構成されている。
【００８８】
冷凍気体製造装置５０には冷熱・発電システム２ａの冷凍装置１１で生成された冷媒が導かれ熱交換後は還流する。また冷熱貯蔵・変換装置５１から冷媒が導かれ熱交換後還流する。冷凍気体製造装置５０では、木質系バイオマスエタノール製造システム４ｃの濃縮装置２０で熱交換を行って還流した空気が、圧縮機で圧縮された後に冷媒で冷却され、断熱膨張で冷凍空気が製造される。この冷凍空気は木質系バイオマスエタノール製造システム４ｃの凍結粉砕装置５５に移送される。もちろん、冷凍空気に代えて冷凍エタンや冷凍窒素を製造することも可能である。
【００８９】
冷熱貯蔵・変換装置５１の温熱媒体貯蔵槽に貯蔵される温熱媒体が木質系バイオマスエタノール製造システム４ｃの凍結粉砕装置５５の熱交換部に導かれ、粉砕されたバイオマスチップと熱交換をして低温媒体になったものが冷熱貯蔵・変換装置５１の低温媒体貯蔵槽に還流する。
【００９０】
凍結粉砕装置５５には間伐材や製材廃材等をチップ化したバイオマスチップ２４が投入され、冷凍気体製造システム４９の冷凍気体製造装置５０より冷凍空気を導いて急速凍結を行って微粉化を行う。微細化したバイオマスチップの冷熱を冷熱貯蔵・変換装置５１からの温熱媒体と熱交換を行って回収し、熱媒体を冷凍気体製造システム４９の冷熱貯蔵・変換装置５１に還流させる。
【００９１】
微粉化され加温されたバイオマスチップは、醗酵装置１７に導かれる。醗酵装置１７には水蒸気タービン発電システム１の水蒸気タービン６の排気蒸気，あるいは冷熱・発電システム２ａの冷凍装置１１で熱交換を行った蒸気の分岐したものが導かれて、凍結粉砕装置５５で微粉化されたバイオマスチップがエタノール醗酵菌で醗酵を行うのに最適な３０℃程度の温度に加熱する。
【００９２】
醗酵装置１７でエタノール醗酵を行ったもろみを分離装置１９に移送し、凍結粉砕装置５５を経由した冷凍空気でもろみを凍結させ、絞り機で３％程度の濃度のエチルアルコール溶液と汚泥に分離し、汚泥は汚泥貯蔵槽２１に貯蔵する。エチルアルコール溶液は濃縮装置２０に移送し、熱交換に用いられた冷凍空気も濃縮装置２０の熱交換部に導かれる。
【００９３】
濃縮装置２０では、分離装置１９より導かれた３％程度の濃度のエチルアルコール溶液を、同じく分離装置１９を経由した冷凍空気を熱交換部に導いて熱交換を行って凍結させて、２０％以上のエチルアルコール濃縮溶液と淡水氷に分離する。淡水氷は淡水化して純水貯蔵槽２２に貯蔵し、濃縮エチルアルコール溶液はエチルアルコール貯蔵槽２３に移送する。熱交換を行った冷凍空気は冷凍気体製造システム４９の冷凍気体製造装置５０に還流する。
【００９４】
この第９の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムは第８の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムと同様に作用するほか、下記のように作用する。
【００９５】
電力需要の少ない夜間や、ピーク電力需要が少ない春期・秋期の昼間において、冷凍気体製造システム４９の冷凍気体製造装置５０では、木質系バイオマスエタノール製造システム４ｃの濃縮装置２０から還流してきた空気を圧縮機で圧縮し、高温になった圧縮空気を冷熱・発電システム２ａの冷凍装置１１で製造した冷媒や、冷熱貯蔵・変換装置５１の低温冷媒貯蔵槽に貯蔵された熱媒体を用いて冷却し、冷却された高圧空気を断熱膨張させて冷凍空気を製造する。
【００９６】
この冷凍空気を木質系バイオマスエタノール製造システム４ｃの凍結粉砕装置５５に移送して間伐材や製材廃材等をチップ化したバイオマスチップ２４を急速凍結し、衝撃を加えて微粉化を行う。微細化したバイオマスチップの冷熱を冷熱貯蔵・変換装置５１から導いた熱媒体で回収し、冷熱媒体を冷凍気体製造システム４９の冷熱貯蔵・変換装置５１に貯蔵する。常温になった微細化バイオマスチップを木質系バイオマスエタノール製造システム４ｃの醗酵装置１７に移送する。凍結粉砕装置５５で急速凍結に用いた冷凍空気は分離装置１９や濃縮装置２０の熱交換部に導かれ凍結分離や凍結濃縮のための熱交換を行った後で冷凍気体製造装置５０に還流する。
【００９７】
夏期や冬期の電力需要の多い昼間においては、木質系バイオマスエタノール製造システム４ｃの濃縮装置２０から冷凍気体製造システム４９の冷凍気体製造装置５０に還流してきた空気を圧縮機で圧縮し、高温になった圧縮空気を冷熱貯蔵・変換装置５１の低温冷媒貯蔵槽に貯蔵された熱媒体を用いて冷却する。
【００９８】
この第９の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムにおいては、第８の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムと同様の効果が得られるほかに、木質系バイオマスエタノール製造システム４ｃの凍結粉砕装置５５での急速凍結に液体窒素を使う代わりに冷凍空気を使うので省エネルギーを実現することができる。
【００９９】
つぎに本発明の第１０の実施の形態を説明する。この実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムは、図１１に示すように、水蒸気タービン発電システム１と、低沸点媒体発電システム５７と、冷凍気体製造システム５８と、木質系バイオマスエタノール製造システム４ｃとから構成される。
【０１００】
水蒸気タービン発電システム１の構成と動作は第１の実施の形態（図１）におけると同じであり、木質系バイオマスエタノール製造システム４ｃの構成と動作は第９の実施の形態（図１０）におけると同じである。低沸点媒体発電システム５７は、低沸点媒体熱回収装置５３と、低沸点媒体タービン９と発電機１０で構成されている。
【０１０１】
冷凍気体製造システム５８は、冷凍気体製造装置５９と冷熱貯蔵・変換装置５１で構成されている。冷凍気体製造装置５９には海洋深層水３９が導かれ熱交換後は海に放流される。また冷熱貯蔵・変換装置５１に貯蔵された冷媒が導かれ熱交換後還流する。
【０１０２】
冷凍気体製造装置５９では木質系バイオマスエタノール製造システム４ｃの濃縮装置２０で熱交換を行って還流した空気が、圧縮機で圧縮された後に冷熱貯蔵・変換装置５１からの冷媒で冷却され、断熱膨張を行って冷却空気が製造され、冷凍空気は木質系バイオマスエタノール製造システム４ｃの凍結粉砕装置５５に移送される。冷熱貯蔵・変換装置５１に貯蔵された温熱媒体が木質系バイオマスエタノール製造システム４ｃの凍結粉砕装置５５の熱交換部に移送され、粉砕されたバイオマスチップと熱交換をして低温媒体になったものが低温媒体貯蔵槽に還流して貯蔵される。
【０１０３】
この第１０の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムは第９の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムと同様に作用するほかに、下記のように作用する。
【０１０４】
冷凍気体製造システム５８の冷凍気体製造装置５９では木質系バイオマスエタノール製造システム４ｃの濃縮装置２０から還流してきた空気を圧縮機で圧縮し、高温になった圧縮空気を低温の海洋深層水３９や、冷熱貯蔵・変換装置５１の低温冷媒貯蔵槽に貯蔵された熱媒体を用いて冷却する。冷却された高圧空気を断熱膨張させて冷凍空気を製造し、この冷凍空気を木質系バイオマスエタノール製造システム４ｃの凍結粉砕装置５５に移送して間伐材や製材廃材等をチップ化したバイオマスチップ２４を急速凍結し、衝撃を加えて微粉化を行う。
【０１０５】
微細化されたバイオマスチップの冷熱を冷熱貯蔵・変換装置５１の温熱媒体貯蔵槽からの熱媒体で回収し、冷凍気体製造システム５８の冷熱貯蔵・変換装置５１の冷熱媒体貯蔵槽に貯蔵する。常温になったバイオマスチップを木質系バイオマスエタノール製造システム５４の醗酵装置１７に移送する。凍結粉砕装置５５で急速凍結に用いた冷凍空気は分離装置１９や濃縮装置２０の熱交換部に導かれ、エタノールの凍結分離や凍結濃縮のための熱交換を行った後で冷凍気体製造装置５９に還流する。
【０１０６】
この第１０の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムによれば、第９の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムと同様の効果が得られるほかに、年間を通じて２℃〜７℃程度の低温の海洋深層水が取水できるために、冷凍機を用いること無く冷凍空気を製造することができ、木質系バイオマスよりエタノールを省エネルギーで製造することができる。
【０１０７】
つぎに本発明の第１１の実施の形態を説明する。この実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムは図１２に示すように、冷凍気体製造システム５８と木質系バイオマスエタノール製造システム４ｃとからなる。木質系バイオマスエタノール製造システム４ｃは、凍結粉砕装置５５，醗酵装置１７，分離装置１９，濃縮装置２０，汚泥貯蔵槽２１，純水貯蔵槽２２およびエタノール貯蔵槽２３で構成されている。
【０１０８】
冷凍気体製造システム５８は、冷凍気体製造装置５９と冷熱貯蔵・変換装置５１で構成される。冷凍気体製造装置５９には海洋深層水３９が導かれ熱交換後は海に放流される。また冷熱貯蔵・変換装置５１に貯蔵された冷媒が導かれ熱交換後還流する。冷凍気体製造装置５９では木質系バイオマスエタノール製造システム４ｃの濃縮装置２０で熱交換を行って還流した空気が、圧縮機で圧縮された後に冷熱貯蔵・変換装置５１からの冷媒で冷却され、断熱膨張で冷凍空気が製造される。この冷凍空気は木質系バイオマスエタノール製造システム４ｃの凍結粉砕装置５５に移送される。冷熱貯蔵・変換装置５１に貯蔵された温熱媒体が木質系バイオマスエタノール製造システム４ｃの凍結粉砕装置５５の熱交換部に移送され、粉砕されたバイオマスチップを醗酵適温の３０℃程度になるように熱交換をし、低温媒体になった熱媒体が冷熱貯蔵・変換装置５１の低温媒体貯蔵槽に還流する。
【０１０９】
冷凍気体製造システム５８の冷凍気体製造装置５９では木質系バイオマスエタノール製造システム４ｃの濃縮装置２０から還流してきた空気を圧縮機で圧縮し、高温になった圧縮空気を低温の海洋深層水３９や、冷熱貯蔵・変換装置５１の低温冷媒貯蔵槽から供給される熱媒体を用いて冷却する。冷却された高圧空気を断熱膨張させて冷凍空気を製造し、この冷凍空気を木質系バイオマスエタノール製造システム４ｃの凍結粉砕装置５５に移送して間伐材や製材廃材等をチップ化したバイオマスチップ２４を急速凍結し、衝撃を加えて微粉化を行う。微細化したバイオマスチップの冷熱を冷熱貯蔵・変換装置５１からの熱媒体で回収し、低温になった媒体を冷凍気体製造システム５８の冷熱貯蔵・変換装置５１に移送して貯蔵する。
【０１１０】
醗酵適温の３０℃程度になった微細化したバイオマスチップを木質系バイオマスエタノール製造システム４ｃの醗酵装置１７に移送する。凍結粉砕装置５５で急速凍結に用いた冷凍空気は分離装置１９や濃縮装置２０の熱交換部に導かれエタノール凍結分離や凍結濃縮のための熱交換を行った後で冷凍気体製造装置５９に還流する。
【０１１１】
この第１１の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムによれば、年間を通じて２℃〜７℃程度の低温の海洋深層水３９が取水できるために、冷凍機を用いること無く冷却空気を製造し、同時に発生する温熱をエタノール醗酵のための加熱に用いることで、木質系バイオマスよりエタノールを省エネルギーで製造することができる。
【０１１２】
【発明の効果】
本発明によれば、エネルギー効率の高い排熱利用木質系バイオマス液化システムおよびエタノールの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の排熱利用木質系バイオマス液化システムの構成および物質の流れを示す図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の変形例を示す図。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示す図。
【図４】本発明の第３の実施の形態を示す図。
【図５】本発明の第４の実施の形態を示す図。
【図６】本発明の第５の実施の形態を示す図。
【図７】本発明の第６の実施の形態を示す図。
【図８】本発明の第７の実施の形態を示す図。
【図９】本発明の第８の実施の形態を示す図。
【図１０】本発明の第９の実施の形態を示す図。
【図１１】本発明の第１０の実施の形態を示す図。
【図１２】本発明の第１１の実施の形態を示す図。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ…水蒸気タービン発電システム、２，２ａ…冷熱・発電システム、３，３ａ，３ｂ，３ｃ…空気分離システム、４，４ａ，４ｂ，４ｃ…木質系バイオマスエタノール製造システム、５…蒸気発生装置、６…水蒸気タービン、７…発電機、８…低沸点媒体熱回収装置、９…低沸点媒体タービン、１０…発電機、１１…冷凍装置、１２…深冷式空気分離装置、１３…液体酸素貯蔵槽、１４…液体窒素貯蔵槽、１５…冷熱貯蔵・変換装置、１６…空気、１７…醗酵装置、１８…凍結粉砕装置、１９…分離装置、２０…濃縮装置、２１…汚泥貯蔵槽、２２…純水貯蔵槽、２３…エチルアルコール貯蔵槽、２４…バイオマスチップ、２５…窒素ガス、３１…化石燃料蒸気発生装置、３２…原子力等を利用する蒸気発生装置、３４…木質系バイオマスエタノール製造システム、３５…廃棄物発電システム、３６…汚泥燃焼蒸気発生装置、３７…水蒸気タービン、３８…発電機、３９…海洋深層水、４０…冷熱・発電システム、４２…炭酸ガス雰囲気中酸素燃焼化石燃料蒸気発生装置、４４…炭酸ガス貯蔵槽、４５…冷熱貯蔵・変換装置、４６…深冷式空気分離・炭酸ガス液化装置、４７…廃棄物発電システム、４８…炭酸ガス雰囲気中汚泥酸素燃焼蒸気発生装置、４９…冷凍気体製造システム、５０…冷凍気体製造装置、５１…冷熱貯蔵・変換装置、５３…低沸点媒体熱回収装置、５５…凍結粉砕装置、５７…低沸点媒体発電システム、５８…冷凍気体製造システム、５９…冷凍気体製造装置、６１…冷熱貯蔵・変換装置、６６…冷熱貯蔵・変換装置。

Claims (12)

1. 水蒸気を発生して発電を行う水蒸気タービン発電システムと、前記水蒸気タービン発電システムの抽気蒸気または排気蒸気のエネルギーを用いて冷媒を生成し水より沸点の低い媒体を作動媒体として発電を行う冷熱・発電システムと、前記冷熱・発電システムから冷媒を供給されて空気を冷却し液体酸素と液体窒素を製造する空気分離システムと、前記水蒸気タービン発電システムから蒸気を供給され前記空気分離システムから液体窒素を供給されて木質系バイオマスチップの凍結粉砕、エタノール醗酵、エタノール分離およびエタノール濃縮を行う木質系バイオマスエタノール製造システムとを備えたことを特徴とする排熱利用木質系バイオマス液化システム。
2. 前記水蒸気タービン発電システムの抽気蒸気が前記冷熱・発電システムにおける冷媒生成に用いられ、その後、前記木質系バイオマスエタノール製造システムにおけるエタノール醗酵に用いられることを特徴とする請求項１記載の排熱利用木質系バイオマス液化システム。
3. 前記水蒸気タービン発電システムは、前記木質系バイオマスエタノール製造システムに設けられエタノール分離を行う分離装置で分離された木質系バイオマスチップの汚泥を燃焼させる蒸気発生装置を備えていることを特徴とする請求項１記載の排熱利用木質系バイオマス液化システム。
4. 前記水蒸気タービン発電システムは化石燃料を炭酸ガス雰囲気中酸素燃焼させる蒸気発生装置を備え、前記空気分離システムは深冷式空気分離・炭酸ガス液化装置を備え、前記水蒸気タービン発電システムの前記蒸気発生装置に前記空気分離システムから高圧酸素ガスおよび高圧炭酸ガスを導き、前記蒸気発生装置の燃焼排ガスを前記深冷式空気分離・炭酸ガス液化装置に導き、純水と液体炭酸ガスにすることを特徴とする請求項１記載の排熱利用木質系バイオマス液化システム。
5. 前記水蒸気タービン発電システムに備えられる蒸気発生装置は原子力または地熱または太陽熱を利用する蒸気発生装置であり、前記木質系バイオマスエタノール製造システムに設けられエタノール分離を行う分離装置で分離された木質系バイオマスチップの汚泥を燃焼させて発電を行う廃棄物発電システムを備え、前記廃棄物発電システムの排気蒸気を前記木質系バイオマスエタノール製造システムの醗酵装置に導くことを特徴とする請求項１記載の排熱利用木質系バイオマス液化システム。
6. 前記廃棄物発電システムは木質系バイオマスチップの汚泥を炭酸ガス雰囲気中酸素燃焼させる蒸気発生装置を備え、前記空気分離システムは深冷式空気分離・炭酸ガス液化装置を備え、前記廃棄物発電システムの前記蒸気発生装置に前記空気分離システムから高圧酸素ガスおよび高圧炭酸ガスを導き、前記蒸気発生装置の燃焼排ガスを前記深冷式空気分離・炭酸ガス液化装置に導き、純水と液体炭酸ガスにすることを特徴とする請求項５記載の排熱利用木質系バイオマス液化システム。
7. 前記木質系バイオマスエタノール製造システムの分離装置および濃縮装置の冷熱を回収して前記空気分離システムに設けられ液体窒素と熱媒体の熱交換を行う冷熱貯蔵・変換装置に移送するようにしたことを特徴とする請求項１記載の排熱利用木質系バイオマス液化システム。
8. 前記空気分離システムに設けられ液体窒素と熱媒体の熱交換を行う冷熱貯蔵・変換装置の温熱を前記冷熱・発電システムに設けられ低沸点媒体によって水蒸気タービン発電システムから供給される蒸気の熱を回収する低沸点媒体熱回収装置に移送するようにしたことを特徴とする請求項１記載の排熱利用木質系バイオマス液化システム。
9. 前記冷熱・発電システムに設けられ冷媒を生成する冷凍装置および低沸点媒体によって水蒸気タービン発電システムから供給される蒸気の熱を回収する低沸点媒体熱回収装置の冷却に海洋深層水を用いるようにしたことを特徴とする請求項１記載の排熱利用木質系バイオマス液化システム。
10. 水蒸気を発生して発電を行う水蒸気タービン発電システムと、前記水蒸気タービン発電システムの抽気蒸気または排気蒸気のエネルギーを用いて冷媒を生成し水より沸点の低い媒体を作動媒体として発電を行う冷熱・発電システムと、前記冷熱・発電システムから冷媒を供給されて空気を冷却し冷凍空気，冷凍エタンまたは冷凍窒素を製造する冷凍気体製造システムと、前記水蒸気タービン発電システムから蒸気を供給され前記冷凍気体製造システムから冷凍空気，冷凍エタンまたは冷凍窒素を供給されて木質系バイオマスチップの凍結粉砕、エタノール醗酵、エタノール分離およびエタノール濃縮を行う木質系バイオマスエタノール製造システムとを備えたことを特徴とする排熱利用木質系バイオマス液化システム。
11. 水蒸気を発生して発電を行う水蒸気タービン発電システムと、前記水蒸気タービン発電システムの抽気蒸気または排気蒸気のエネルギーを用いて水より沸点の低い媒体を作動媒体として発電を行う低沸点媒体発電システムと、海洋深層水によって冷凍空気，冷凍エタンまたは冷凍窒素を製造する冷凍気体製造システムと、前記水蒸気タービン発電システムから蒸気を供給され前記冷凍気体製造システムから冷凍気体を供給されて木質系バイオマスチップの凍結粉砕、エタノール醗酵、エタノール分離およびエタノール濃縮を行う木質系バイオマスエタノール製造システムとを備えたことを特徴とする排熱利用木質系バイオマス液化システム。
12. 水蒸気を発生して発電を行う水蒸気タービン発電システムの抽気蒸気または排気蒸気のエネルギーを用いて低沸点媒体発電を行うとともに冷媒を生成し、前記冷媒を用いて空気を冷却して液体酸素と液体窒素を製造し、前記水蒸気タービン発電システムからの蒸気の熱と前記液体窒素の冷熱を用いて木質系バイオマスチップの凍結粉砕、エタノール醗酵、エタノール分離およびエタノール濃縮を行うことを特徴とするエタノールの製造方法。

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