JP2008182925A - バイオエタノールの製造方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バイオマスを原料としてエネルギー効率高く経済性良くエタノールを製造することのできるバイオエタノールの製造方法および装置提供する。
【解決手段】バイオマスの水スラリーを４〜４０ＭＰａに加圧する加圧ポンプ１７と、前記水スラリーを火力発電装置１のボイラ２から供給される蒸気と熱交換させて前記圧力での飽和温度以下かつ２５０〜４００℃に加熱してバイオマスに含有されるヘミセルロースおよびセルロースを加水分解して糖を生成する反応器１８と、生成された糖を供給されてエタノールを生成するエタノール発酵装置２３とを備えている構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、木材やとうもろこしの茎などのバイオマスを構成しているリグノセルロースからエタノールを製造するバイオエタノールの製造方法および装置に関する。

近年、ガソリンの代替燃料としてエタノールが注目を集めているが、エタノールは従来は、とうもろこしや砂糖などの可食原料を用いて作られている。しかし、とうもろこしは主に家畜の飼料であり、砂糖は人が食べる食料であるために、このような可食原料では安定した供給に限界がある。そこで、木材やとうもろこしの茎などのバイオマスを構成しており現在は有効利用されていない、また豊富な資源のあるリグノセルロースを原料としたエタノール製造が必要とされている。

リグノセルロースはそのままでは大変分解しにくい物質であるために、まず、高温・高圧、または濃酸でセルロースとリグニンの分離を行い、そのセルロースをセルラーゼと言う特殊な酵素で糖に分解する。このように糖に分離すれば、通常の発酵プロセスにより、エタノールを抽出することができる（非特許文献１）。また、もう一つの方法として、薬品をまったく使わず、亜臨界水または超臨界水を用いてリグノセルロースを一度に発酵可能な糖に変換する方法がある（特許文献１）。さらに、発電システムの廃棄熱をエタノール製造に利用する方法も提案されている（特許文献２，３）。しかしいずれの方法も、開発途上の技術であり、十分な経済性があるとはいえない。
ＮＥＤＯ海外レポート No.977（2006.4.26） PP58-60 特開２００５−２０６４６８号公報 特開平１１−１６９１８８号公報 特開２００４−２６１６９６号公報

先にも述べたように、従来のリグノセルロースを原料として用いるエタノール製造プロセスは、多種類があるが、いずれの方法も、反応に時間がかかったり、収率に問題があるなど、大変高コストであるために実用化には至っていない。特に、濃酸を用いる方法では、その薬剤費及び回収・中和などに大きなコストが必要とされる。一方、亜臨界水または超臨界水を用いる方法においては、エネルギー効率が非常に重要であり、特許文献１に見られるように、電気ヒータを用いるなど、エネルギー効率が最も大きなコスト要因であるにもかかわらず、まったく考慮されてこなかった。

そこで本発明は、バイオマスを原料としてエネルギー効率高く経済性良くエタノールを製造することのできるバイオエタノールの製造方法および装置提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明のバイオエタノールの製造装置は、バイオマスの水スラリーを４〜４０ＭＰａに加圧する加圧ポンプと、前記水スラリーを火力発電装置のボイラから供給される蒸気と熱交換させて前記圧力での飽和温度以下かつ２５０〜４００℃に加熱して前記バイオマスに含有されるヘミセルロースおよびセルロースを加水分解して糖を生成する反応器と、前記生成された糖を供給されてエタノールを生成するエタノール発酵装置とを備えている構成とする。

本発明のバイオエタノールの製造方法は、バイオマスの水スラリーを圧力４〜４０ＭＰａに加圧し、加圧された水スラリーを火力発電装置のボイラから供給される蒸気と反応器内で熱交換させることにより前記圧力での飽和温度以下かつ２５０〜４００℃の範囲の温度に加熱しして前記バイオマスに含有される前記ヘミセルロースおよびセルロースを加水分解して糖を生成し加熱に使用した蒸気を発電のための熱源として前記火力発電装置に戻す製造方法とする。

本発明によれば、バイオマスを原料としてエネルギー効率高く経済性良くエタノールを製造することのできるバイオエタノールの製造方法および装置提供することができる。

以下、本発明の２つの実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態のバイオエタノールの製造装置は、図１に示すように、石炭火力発電装置１と、ホッパー１４と、粉砕機１５と、ミキサー１６と、加圧ポンプ１７と、加水分解反応器１８と、冷却器１９と、減圧弁２０と、固液分離機２１と、フィルタ２２と、エタノール発酵装置２３とから構成されている。石炭火力発電装置１は、ボイラ２と、蒸気タービン８と、発電機９と、復水器１１と、給水加熱器１２と、給水ポンプ１３とから構成され、ボイラ２は、節炭器３と、ドラム４と、蒸発器５と、過熱器６および７とから構成されている。

ホッパー１４に投入された木屑等のバイオマスを粉砕機１５によって粉砕し、ミキサー１６で水と混合してスラリーとし、このスラリーを加圧ポンプ１７で加圧して加水分解反応器１８に供給する。加水分解反応器１８では、石炭火力発電装置１から供給される高温の水蒸気の熱によって加熱し、図２の斜線を施した範囲の温度・圧力において、バイオマスのリグノセルロースを構成するヘミセルロース、セルロース、リグニンのうちヘミセルロースとセルロースを加水分解して糖を生成する。この糖とリグニンを含む水溶液は、冷却器１９で冷却され、減圧弁２０で減圧され、固液分離機２１によってリグニンを含む水不溶部が固体として取り除かれる。糖を含む液体はフィルタ２２を通してエタノール発酵装置２３に供給される。

本実施の形態の特徴は、超臨界水または亜臨界水を用いたエタノール製造コストの決定的要因であるエネルギーコストを最小にするために、石炭火力発電装置１と併設したことである。石炭火力発電装置の蒸気製造コストは、石炭の価格が化石燃料の中では最も安価なことから、最も安価である。これにより、必要な高温・高圧（２５０〜４００℃、４〜４０ＭＰａ）が安価に得られる。そしてこのような高温・高圧においては水はイオン積が大きく、加水分解作用を行う。

本実施の形態では、最も高温・高圧の必要な加水分解反応器１８の熱を供給するために、ボイラ２の第１段の過熱器６より取り出した高温蒸気を用いる。第１段の過熱器６は十分高圧であるために、加水分解反応器１８に仮に漏れが生じても、木屑等のバイオマスがボイラ蒸気に混入することはない。また、ここで加熱に用いた蒸気は、大きな温度低下はないので第２段の過熱器７に戻してさらに加熱し蒸気タービン８に供給して発電に用いる。加水分解反応器１８は容器内に配管を有する一種の熱交換器である。反応器１８の容器内の圧力を配管内の蒸気圧力より低く保つように制御する。これにより、反応器１８にかかるストレスを低減することができる。また、冷却器１９も一種の熱交換器であるが、その冷却水として復水器１１の出口からの低温のボイラ給水を用いる。この場合もボイラ給水は十分に圧力が高いので、冷却器１９の内容物がボイラ給水に混入するのを防ぐことが容易である。また、冷却器１９のストレスを小さくすることができる。

本実施の形態によれば、石炭火力発電装置１で生成される高温蒸気の熱を利用するので、極めて小さなエネルギー消費でバイオマスからエタノールを製造することができ、低コスト化を図ることができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態のバイオエタノールの製造装置は、図３に示すように、石炭火力発電装置１と、ホッパー１４と、粉砕機１５と、ミキサー１６と、加圧ポンプ１７と、加水分解反応器１８と、固液分離機２４と、加水分解反応器２６と、冷却器１９と、減圧弁２０と、固液分離機２１と、フィルタ２２と、エタノール発酵装置２３とから構成されている。石炭火力発電装置１は、ボイラ２と、蒸気タービン８と、発電機９と、復水器１１と、給水加熱器１２と、給水ポンプ１３とから構成され、ボイラ２は、節炭器３と、ドラム４と、蒸発器５と、過熱器６および７とから構成されている。

ホッパー１４に投入された木屑等のバイオマスを粉砕機１５によって粉砕し、ミキサー１６で水と混合してスラリーとしこのスラリー混合物を加圧ポンプ１７で加圧して加水分解反応器１８に供給する。加水分解反応器１８では、石炭火力発電装置１から供給される高温の水蒸気の熱によってバイオマスのリグノセルロースを構成するヘミセルロース、セルロース、リグニンのうち主としてヘミセルロースを加水分解して糖を生成する。このセルロースとリグニンと糖を含む水スラリーは固液分離機２４に供給されて固液分離され、糖を含む液体は減圧弁２５を経て後段のフィルタ２２に供給される。セルロースとリグニンを含む固体は水を加えられて加水分解反応器２６に供給され、ここでセルロースが加水分解され糖を生成する。この糖とリグニンを含む水溶液は、冷却器１９で冷却され、減圧弁２０で減圧され、固液分離機２１によってリグニンが固体として取り除かれる。糖を含む液体はフィルタ２２を通してエタノール発酵装置２３に供給される。

本実施の形態は、加水分解反応器を２段階としたものである。木材等は、一般的に、ヘミセルロース、セルロース、リグニンからなり、それぞれ加水分解の難度が異なる。比較的加水分解の容易なヘミセルロースは、３００度以下の温度が望ましい。一方、セルロースは、３００度を超える温度が適切である。一方、あまりに高温・高圧の条件下では、加水分解のみでなく、さらに進んで糖ではない形まで分解してしまう。それでは効率が低下するので、本実施の形態では、２段の加水分解反応器としている。第１段の反応器１８は比較的低温であり、ヘミセルロースを主に分解する。その後、高圧の状態で液分を抽出する。次に、反応器２６にてさらに高温化して、セルロースを分解する。

熱効率を向上させるために、反応器１８の熱源はドラム蒸気を抽気する。反応器２６の熱源は第１段過熱器６の蒸気を用いる。このように効率的に熱を利用することにより極めて効率の良いプラントを実現することができる。

本実施の形態によれば、多段反応器とすることにより効率よく木材等の原料から発酵容易な糖類を製造することができ、従来の課題であったエタノール製造コスト削減に大きく寄与する。

なお上記２つの実施の形態において、冷却器１９の冷却水を給水ポンプ１３から吐出された高圧低温復水からとる構成としてもよい。また、加水分解反応器１８，２６に供給される蒸気の流量調整器および冷却器１９に供給される復水の流量調整器を設けた構成としてもよい。さらに、固液分離機２１で分離された主にリグニンからなる固体をボイラ２の燃料としてもよい。

本発明の第１の実施の形態のバイオエタノールの製造装置の構成を示すブロック図。 本発明の第１の実施の形態のバイオエタノールの製造装置に備えられる加水分解反応器の温度・圧力範囲を示す図。 本発明の第２の実施の形態のバイオエタノールの製造装置の構成を示すブロック図。

符号の説明

１…石炭火力発電装置、２…ボイラ、３…節炭器、４…ドラム、５…蒸発器、６，７…過熱器、８…蒸気タービン、９…発電機、１１…復水器、１２…給水加熱器、１３…給水ポンプ、１４…ホッパー、１５…粉砕機、１６…ミキサー、１７…加圧ポンプ、１８…加水分解反応器、１９…冷却器、２０…減圧弁、２１…固液分離機、２２…フィルタ、２３…エタノール発酵装置、２４…固液分離機、２５…減圧弁、２６…加水分解反応器。

Claims (11)

1. バイオマスの水スラリーを４〜４０ＭＰａに加圧する加圧ポンプと、前記水スラリーを火力発電装置のボイラから供給される蒸気と熱交換させて前記圧力での飽和温度以下かつ２５０〜４００℃に加熱して前記バイオマスに含有されるヘミセルロースおよびセルロースを加水分解して糖を生成する反応器と、前記生成された糖を供給されてエタノールを生成するエタノール発酵装置とを備えていることを特徴とするバイオエタノールの製造装置。
2. 前記火力発電装置のボイラから供給される蒸気は、第１段過熱器から抽気した過熱蒸気であることを特徴とする請求項１に記載のバイオエタノールの製造装置。
3. 加水分解後の水スラリーを前記火力発電装置の低温復水または給水ポンプから吐出した高圧低温復水によって冷却する冷却器を備えていることを特徴とする請求項１に記載のバイオエタノールの製造装置。
4. 前記ボイラの供給燃料が石炭であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のバイオエタノールの製造装置。
5. 前記反応器の内部圧力を前記火力発電装置から供給される蒸気または復水の圧力より低く制御することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のバイオエタノールの製造装置。
6. 前記反応器は、温度の異なる複数の反応器からなることを特徴とする請求項１に記載のバイオエタノールの製造装置。
7. 前記火力発電装置のボイラのドラムの蒸気によって加熱される反応器と、前記火力発電装置の第１段過熱器から抽気された過熱蒸気によって加熱される反応器とを備えていることを特徴とする請求項６に記載のバイオエタノールの製造装置。
8. 前記複数の反応器の間に固体と液体を分離する固液分離機を備えていることを特徴とする請求項６または７に記載のバイオエタノールの製造装置。
9. 前記反応器の加熱または冷却に用いる蒸気または冷却水の流量を調整する流量調整器を備えていることを特徴とする請求項１に記載のバイオエタノールの製造装置。
10. バイオマスの水スラリーを圧力４〜４０ＭＰａに加圧し、加圧された水スラリーを火力発電装置のボイラから供給される蒸気と反応器内で熱交換させることにより前記圧力での飽和温度以下かつ２５０〜４００℃の範囲の温度に加熱して前記バイオマスに含有されるヘミセルロースおよびセルロースを加水分解して糖を生成し、加熱に使用した蒸気を発電のための熱源として前記火力発電装置に戻すことを特徴とするバイオエタノールの製造方法。
11. 分離されたリグニンを前記火力発電装置のボイラの燃料として使用することを特徴とする請求項１０に記載のバイオエタノールの製造方法。

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