JP4771307B2

JP4771307B2 - バイオマスエタノール製造装置

Info

Publication number: JP4771307B2
Application number: JP2005202642A
Authority: JP
Inventors: 真二馬場; 浩二高鍋; 進日数谷; 正信相澤
Original assignee: Hitachi Zosen Corp
Current assignee: Hitachi Zosen Corp
Priority date: 2005-07-12
Filing date: 2005-07-12
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2025-07-12
Also published as: JP2007020407A

Description

本発明は、バイオマス資源を醗酵させることでエタノールを製造するバイオマスエタノール製造装置に関する。

近年、廃材やわら、古紙などのバイオマス資源を原料として醗酵させることで工業用エタノールを製造し、これを自動車燃料の一部や化学原料に利用する等の研究が進められている。最近は、バイオマス資源を用いてエタノールを製造する方法及び装置について詳しい研究がされている。バイオマス資源からのエタノール製造方法は、大きく分けて、バイオマス資源から糖化原料を生成する糖化工程と、糖化原料を菌により醗酵させる醗酵工程、さらにエタノールを含有する発酵液から水とエタノールを分離する蒸留工程からなる。また、得られた工業用エタノールを自動車燃料の一部として利用するには、これを高濃度のエタノール（無水エタノール）にする必要があり、その場合には、さらに多段蒸留・膜分離等により、無水エタノールを得る工程が必要である。

一方、バイオマス資源を用いたエタノール製造プロセスにおいて、醗酵により得られたエタノール濃度１０〜２０重量％の低濃度のエタノール水溶液は、水素製造用の燃料に有効利用できることに着目し、得られた水素を燃料電池に供給し、エタノール製造と発電を併用することが研究されている（特許文献１）。
特開２００４−３０７２９５号公報

前記含水エタノールは、エタノール製造プロセスにおける醗酵工程で発生したエタノール濃度１０〜２０％程度の低濃度エタノールである。

しかし、このように低い濃度のエタノールでは、水分が多すぎて、燃料電池における発電効率が低すぎる。また、低濃度エタノールに限らず、燃料電他用の改質器へはガス化されたものを供給する必要があるため、改質器前段に蒸発器を設ける必要がある。

本発明は、バイオマスエタノール製造プロセスから得られる含水エタノールを利用して、従来よりも低コストでかつ高効率な発電が可能なバイオマスエタノール製造装置を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、バイオマスの醗酵によってエタノールを製造する製造装置において、醗酵液を蒸留する蒸留塔からエタノール濃度３０〜７０重量％、好ましくは４０〜５０重量％の含水エタノールを抜き出す抜き出し手段と、前記含水エタノールを改質反応させて水素を主成分とする改質ガスを製造する改質手段を備え、前記改質ガスを燃料として作動する燃料電池を設け、燃料電池へ送る燃料電池用の空気を改質器または燃料電池から出る廃熱によって３００℃以上に予熱する空気予熱器を設け、前記燃料電池から出る廃熱で作動するスターリングエンジンを設け、空気予熱器の後段に廃ガス温度を熱源とした低沸点媒体を作動流体として稼動するランキン・サイクルを活用した低温廃熱回収発電装置を設け、前記スターリングエンジンから出る廃熱をさらに前記改質手段、空気予熱器、廃熱回収発電装置のうち少なくとも１つの熱源として利用することを特徴とするバイオマスエタノール製造装置である。

請求項２に係る発明は、前記改質手段が、前記燃料電池および／またはスターリングエンジンから出る廃熱により、前記含水エタノールを蒸発させる蒸発器であるとともに、前記含水エタノールを改質反応により改質する改質器であることを特徴とする請求項１に記載のバイオマスエタノール製造装置である。

含水エタノールのエタノール濃度は、３０〜７０重量％、好ましくは４０〜５０重量％である。エタノール濃度が３０重量％以下になると、水蒸気改質反応後に存在する水の量が過度に多くなり、発電性能（出力）が低下し、逆にエタノール濃度が７０％重量以上になると、水蒸気改質反応に必要な水の量が不足し、外部からの純水補給などの必要が生じ、発電コストの上昇を招くため、好ましくない。エタノール濃度は、上記理由から３０〜７０重量％であれば問題はないが、発電効率（出力）が最も高くかつ純水不足が生じない最適条件として、エタノール濃度を４０〜５０重量％の範囲とするのが好ましい。

含水エタノールの抜き出し手段の後段に、固形分除去のためのフィルターを設けたり、燃料電池の被毒物質である硫黄分や塩素分、鉄分などを除去する不純物除去手段を設けることが好ましい。

含水エタノールの抜き出し手段で得られる含水エタノールは、０．１ｋｇ／ｃｍ^２以上、好ましくは０．２５ｋｇ／ｃｍ^２以上の加圧状態で改質手段へ供給される。

改質手段は、上記含水エタノールを改質して、水素、その他の改質ガスを製造する。燃料電池としては固体酸化物型燃料電池が好ましい。固体酸化物型燃料電池は、比較的高温（例えば１０００℃）で作動し、高温の廃熱が得られるため、これを改質器へ供給したり、スターリングエンジンによる発電等に利用し易い上に、燃料ガスとして、水素以外にメタンガスや一酸化炭素ガスが含まれていても作動する。

固体酸化物型燃料電池から出る廃熱をスターリングエンジンの熱源として利用することが好ましい。

スターリングエンジンから出る廃熱を改質手段の駆動源として用いて含水エタノールを蒸発させ、含水エタノールの改質で得られた水素ガスを燃料電池に供給することが好ましい。

好ましい改質手段は、含水エタノールを蒸発させる蒸発器の機能を備え、エタノール１０％以上、好ましくは２５％以上を改質するものである。

燃料電池の前段に、燃料電池へ送る空気を改質器または燃料電池から出る廃熱によって予熟する空気予熱器を設け、燃料電池用の空気を２００℃以上、好ましくは３００℃以上に予熱する。

燃料電池で得られる単セル電圧は０．５〜０．９８Ｖ、好ましくは０．７〜０．９５Ｖである。

燃料電池は、燃料の利用率５０〜９５％、好ましくは７５〜９５％の範囲で運転される。

空気予蒸器の後段において廃ガス温度が１００℃以上である場合にそれを熱源に駆動するアンモニアなどの低沸点媒体を作動流体として稼働するランキン・サイクルを活用した低温廃熱回収発電装置を設ける。

本発明によれば、バイオマスエタノール製造プロセスから得られる所定範囲の濃度の含水エタノールを利用して、従来よりも低コストでかつ高効率な発電が可能なバイオマスエタノール製造装置を提供することができる。

つぎに、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。

実施例１
図１において、原料バイオマスの醗酵によって得られた醗酵液は、第１蒸留塔に送られて蒸留に付される。蒸留中に同塔の所定段にある抜き出し口からエタノール濃度４０〜５０重量％の含水エタノールが抜き出され、０．５ｋｇ／ｃｍ^２の加圧状態で改質器へ送られる。上記加圧値は燃料電池の内部圧力より高くなるように調製する。含水エタノールの抜き出し口の後段には、固形分除去のためのフィルターや、燃料電池の被毒物質である硫黄分や塩素分、鉄分などを除去する不純物除去装置（図示省略）が設けられている。

改質器の例を図２に示す。垂直の反応管（１）に改質触媒（２）およびその上に充填剤（３）を充填する。充填剤（３）の上部へ、タンク（６）から含水エタノールをノズル（４）を経て噴霧して充填剤（３）および改質触媒（２）と含水エタノールを接触させる。反応管（１）をその外側の廃ガス通路（５）を流れる後述のスターリングエンジン廃ガスの廃熱で熱する。これにより、含水エタノールは充填剤（３）によって蒸発させられ、改質され、メタンガス、水素ガス、一酸化炭素ガス、炭酸ガス、水蒸気等を主成分とするガス混合物が得られる。

充填剤と改質触媒の混合物を反応管に充填してもよい。

充填剤の成分はＳｉ０_２、α−Ａ１_２０_３、セラミックス、ステンレススチール等であってよい。充填剤の形状は、球状、ペレット、ラッヒシリング等であってよい。

改質器で得られたガス混合物は固体酸化物型燃料電池へ送られ、同電池はこのうち水素ガス、メタンガス、一酸化炭素ガスを燃料ガスとして作動し、発電する。

固体酸化物型燃料電池から出る廃熱はスターリングエンジンの熱源として利用される。スターリングエンジンから出る廃熱は改質器の駆動源として用いられ、含水エタノールを蒸発させる。

燃料電池の前段に、燃料電池へ送る空気を改質器または燃料電池から出る廃熱によって予熟する空気予熱器が設けられ、燃料電池用の空気は、３５０℃に予熱される。

ここで、燃料電池導入空気予熱温度と燃料電池からの廃ガス温度およびスターリングエンジンによる発電効率（回収効率）の関係を示す図３に示すように、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）への導入空気の予熱温度が高いほど、燃料電池からの廃ガス温度（スターリングエンジン入口温度）およびスターリングエンジン（ＳＥ）による発電効率（回収効率）は高くなる。しかし、実際にはスターリングエンジンの高温ヒータの耐久性を考慮すれば、導入する廃ガス温度は８５０℃以下が望ましく、図３から燃料電池の空気予熱温度は好ましくは３５０℃〜３７０℃であることが分かる。

燃料利用率は５０〜９５％、燃料電池で得られた電圧は単セル電圧０．５〜０．８５Ｖである。

本実施例に記載した燃料電池において、カーボンニュートラルでない、化石燃料や天然ガスをもとにした燃料を使用する場合は、発電効率とセル出力のバランスを考慮して、燃料利用率は７５〜９５％、単セル電圧は０．７〜０．８５Ｖで運転されるのが一般的である。

ここで、単セル電圧の作動下限拡大による出力増大効果を示す図４に燃料電池（ＳＯＦＣ）における発電効率と出力の関係について示す。燃料電池の単セル電圧Ｖ、電流Ｉ、出力Ｗの関係は、図４に示すように、単セル電圧が高くなるに従い電流は小さくなる傾向にあり、それに従い出力は小さくなる傾向にある。また、燃料効率を高くすると単電圧は高くなるが、電流値が小さくなり、出力も小さくなる傾向にある。カーボンニュートラルでない、化石燃料や天然ガスをもとにした燃料では、大気中に余分なＣＯ_２が排出されることから、セル出力増加には制限があった。一方、本発明のバイオマスエタノール燃料では、化石燃料起源としないカーボンニュートラルな燃料であり、前記のようなＣＯ_２排出による制限がなく、図４に示すように単セル電圧を０．５まで下げることが可能であり、よってさらなるセル出力の増加が可能となる。

なお、Ａ／Ｆ値は、前述のように１．０〜６．０の範囲でよいが、好ましくは、１．５〜３．０の範囲とする。Ａ／Ｆ値と燃料電池廃ガス温度および効率との関係を示す図５に、Ａ／Ｆ値１．０〜６．０の範囲における、燃料電池廃熱温度（スターリングエンジン入口温度）と、システム総合効率（発電＋熱回収）と、コンバインド発電効率（発電のみ：燃料電池＋スターリングエンジン）を示す。ここではスターリングエンジンの作動温度をそれぞれ所定の目的値にすることでＡ／Ｆ値１．０〜６．０では、総合効率、コンバインド発電効率とも高い値を示している。ここで、Ａ／Ｆ値の変化は燃料電池の廃熱温度に影響し、Ａ／Ｆ値が小さいほど、燃料電池の廃熱温度は上昇する傾向にあり、総合効率、コンバインド発電効率も高くなる。しかし、スターリングエンジンの作動温度は、通常は７００〜１０００℃程度であり、それ以上高温になると、スターリングエンジンの構成部材の耐久温度を超えるため好ましくなく、よってＡ／Ｆ値の下限を１．５としている。一方、Ａ／Ｆ値の上限が３．０を超えると、燃料電池自体の発電効率と、燃料電池の廃熱温度の低下に伴い、スターリングエンジンの発電効率が低下することでコンバインド発電効率が低下するため、好ましくない。

図１において、醗酵液を第１蒸留塔へ送るライン（ａ）と醗酵液を第２蒸留塔へ送るライン（ｂ）とを必要に応じて切り替えることもでき、第１蒸留塔および第２蒸留塔への醗酵液の供給比を適宜変えることもできる。

実施例２
図６において、この実施例は実施例１の変形例であり、改質器と空気予熱器を入れ換えたものである。実施例２では、改質器の温度は低くなり、逆に空気予熱器の温度は実施例１より高くできる。このため、改質器の動作温度が比較的低く設定できる場合は、実施例２を適用することで、空気予熱器の温度が高くでき、ひいては燃料電池のさらなる出力向上が可能となる。なお、改質器の動作温度は、改質器の構造や使用する触媒によって異なるので、改質器の特性によって、実施例１と実施例２を使い分けるとよい。

図１は実施例１を示すフローシートである。図２は改質器の例を示す垂直縦断面図である。図３ａは燃料電池導入空気予熱温度と燃料電池からの廃ガス温度の関係を示すグラフ、図３ｂは燃料電池導入空気予熱温度とスターリングエンジンによる発電効率（回収効率）の関係を示すグラフである。図４は燃料電池の単セル電圧、Ｖ電流Ｉおよび出力Ｗの関係を示すグラフである。図５はＡ／Ｆ値と燃料電池廃ガス温度および効率との関係を示すグラフである。図６は実施例２を示すフローシートである。

（１）：反応管
（２）：改質触媒
（３）：充填剤
（４）：ノズル
（５）：廃ガス通路
（６）：タンク

Claims

バイオマスの醗酵によってエタノールを製造する製造装置において、醗酵液を蒸留する蒸留塔からエタノール濃度３０〜７０重量％の含水エタノールを抜き出す抜き出し手段と、前記含水エタノールを改質反応させて水素を主成分とする改質ガスを製造する改質手段を備え、前記改質ガスを燃料として作動する燃料電池を設け、燃料電池へ送る燃料電池用の空気を改質器または燃料電池から出る廃熱によって３００℃以上に予熱する空気予熱器を設け、前記燃料電池から出る廃熱で作動するスターリングエンジンを設け、空気予熱器の後段に廃ガス温度を熱源とした低沸点媒体を作動流体として稼動するランキン・サイクルを活用した低温廃熱回収発電装置を設け、前記スターリングエンジンから出る廃熱をさらに前記改質手段、空気予熱器、廃熱回収発電装置のうち少なくとも１つの熱源として利用することを特徴とするバイオマスエタノール製造装置。
前記改質手段が、前記燃料電池および／またはスターリングエンジンから出る廃熱により、前記含水エタノールを蒸発させる蒸発器であるとともに、前記含水エタノールを改質反応により改質する改質器であることを特徴とする請求項１に記載のバイオマスエタノール製造装置。