JP6962880B2

JP6962880B2 - 統合型設備

Info

Publication number: JP6962880B2
Application number: JP2018148605A
Authority: JP
Inventors: 卓夫重久; 拓也吉田
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 2018-08-07
Filing date: 2018-08-07
Publication date: 2021-11-05
Anticipated expiration: 2038-08-07
Also published as: JP2020023923A

Description

本発明は、木質系バイオマスを発酵する技術に関する。

環境保護の観点から木質系バイオマスを発酵させ、高純度の水素、炭化水素や化成品を製造する技術の開発が進められている。下記の文献は木質系バイオマスの発酵の下で高純度の水素を生成する技術を開示している。

Ｂ．Ｄ．Ｊａｍｅｓ，Ｇ．Ｎ．Ｂａｕｍ，Ｊ．ＰｅｒｅｚａｎｄＫ．Ｎ．Ｂａｕｍ，"Ｔｅｃｈｎｏ−ｅｃｏｎｏｍｉｃＢｏｕｎｄａｒｙＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＢｉｏｌｏｇｉｃａｌＰａｔｈｗａｙｓｔｏＨｙｄｒｏｇｅｎＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ＳｕｂｃｏｎｔｒａｃｔＲｅｐｏｒｔＮＲＥＬ／ＳＲ−５６０−４６６７４，Ｓｅｐ２００９"

木質系バイオマスに含まれるリグニンは木質系バイオマスの発酵を妨げるので、木質系バイオマスに含まれる多糖類からのリグニンの分離が必要とされる。リグニンの分離には一般的に１５０℃〜２００℃の蒸沸処理が必要とされる。蒸沸処理に必要とされる熱を得るために木質系バイオマスを発酵する設備は低レベルであるけれども多量の熱源を必要としている。

現状において、熱エネルギは様々な工業分野において有効に利用されていない。様々な工業分野において有効に利用されていない熱がリグニンの分離に利用されるならば、熱エネルギがより有効に利用されることが期待される。

本発明は、他の設備で仕事を行った後の作動流体の熱エネルギをリグニンの分離に有効に利用することができる技術を提供することを目的とする。

本発明の一局面に係る統合型設備は、燃料を燃焼して得られた加熱ガスを生じさせる燃焼設備と、前記加熱ガスとを作動流体とを熱交換させて、前記加熱ガスの熱を前記作動流体に回収させる熱回収装置と、を有しており、前記作動流体に回収させた熱で所定の仕事を実行する第１設備と、前記所定の仕事の後に前記第１設備から排出された前記作動流体を前記第１設備から受け取るとともに前記作動流体に残る熱を利用して木質系バイオマスに含まれる多糖類からリグニンを分離し、前記リグニンが分離された後の前記木質系バイオマスを発酵させて水素を作り出す第２設備と、を備えている。前記第２設備によって作り出された水素を含むガスは、前記燃焼設備に供給される。

上記の構成によれば木質系バイオマスを発酵させる第２設備は、所定の仕事をした後の作動流体を第１設備から受け取るので、木質系バイオマスに含まれる多糖類からのリグニンの分離には作動流体に残る熱が利用可能である。したがって、作動流体の熱エネルギは、第１設備内での所定の仕事だけでなく第２設備内でのリグニンの分離に有効に利用される。また、第２設備によって作り出された水素を含むガスは、第１設備の燃焼設備に供給されるので、第１設備は、水素をも燃焼させ加熱ガスを作り出すことができる。水素の供給の結果、燃料の使用量は、低減される。

上記の構成において、前記第１設備は、前記燃焼設備において二酸化炭素を排出しながら前記燃料を燃焼して前記加熱ガスを生成するとともに、前記熱回収装置において加熱ガスの熱を前記作動流体に回収させた熱で発電するように構成されていてもよい。
上記の構成によれば、第１設備は、発電のために、二酸化炭素を排出しながら燃料を燃焼して加熱ガスを生成するが、燃焼設備には、第２設備で作り出された水素が供給されるので、二酸化炭素の排出量が低減される。

本発明の他の局面に係る統合型設備は、燃料を燃焼して得られた加熱ガスと熱交換した作動流体に所定の仕事を実行させる第１設備と、前記所定の仕事の後に前記第１設備から排出された前記作動流体を前記第１設備から受け取るとともに前記作動流体に残る熱を利用して木質系バイオマスに含まれる多糖類からリグニンを分離し、前記リグニンが分離された後の前記木質系バイオマスを発酵させる第２設備と、を備えている。前記第１設備は、前記作動流体として蒸気を生成するボイラと、前記蒸気の熱膨張圧によって駆動されるタービンと、前記タービンの駆動下で電力を作り出す発電機と、を有していてもよい。前記第２設備は、前記発電機での発電に利用された蒸気に残る熱を用いて前記多糖類から前記リグニンを分離した後、前記リグニンの分離処理後の前記木質系バイオマスを発酵し水素を作り出すように構成されていてもよい。
上記の構成によれば、ボイラで生成された蒸気がタービン及び発電機の駆動に用いられると、蒸気の圧力が低下する。減圧された蒸気からは、もはや低い発電効率しか期待できない。しかしながら、発電機での発電に利用されて減圧された蒸気の熱がリグニンの分離に利用されるので、蒸気は、有効に利用される。

上記の構成に関して、前記第２設備は、圧力変動吸着法に基づいて水素の精製を行う水素精製部を有してもよい。前記水素精製部は、前記木質系バイオマスの発酵の下で発生した発酵ガスから水素以外の不純成分を吸着剤に吸着させ水素を精製するとともに、前記精製された水素の一部を、前記不純成分を吸着した後の前記吸着剤に供給することによって前記吸着剤から前記不純成分を分離し前記不純成分に対する前記吸着剤の吸着能力を回復させてもよい。前記吸着剤からの前記不純成分の分離に用いられた水素及び前記吸着剤から分離された前記不純成分の混合気体は、前記第２設備から前記燃焼設備に供給されてもよい。

上記の構成によれば、吸着剤からの不純成分の分離に用いられた水素及び吸着剤から分離された不純成分の混合気体は、第２設備から燃焼設備に供給されるので、混合気体中の水素は、加熱ガスを作り出すための燃焼に有効に利用される。混合気体中の水素が燃焼されるので、燃料の使用量は低減される。

上記の構成に関して、前記燃焼設備は、前記木質系バイオマスを発酵させた結果生じた発酵残渣を前記燃焼設備で前記燃料とともに燃焼してもよい。

上記の構成によれば、木質系バイオマスはカーボンニュートラルな材料であるので、木質系バイオマスの発酵の結果生じた発酵残渣もカーボンニュートラルな材料である。発酵残渣は、燃焼設備で燃焼されるので、燃焼設備は、カーボンニュートラルな発酵残渣を燃焼し、蒸気を作り出すことができる。発酵残渣が燃焼される結果、燃料の使用量は低減されるし、発酵残渣は、カーボンニュートラルであるので、二酸化炭素の排出量を増加させない。

本発明の他の局面に係る木質系バイオマスの発酵方法は、燃料を燃焼して得られた加熱ガスと熱交換した作動流体に所定の仕事を実行させる工程と、前記所定の仕事の後に前記作動流体に残る熱を木質系バイオマスに供給し、前記木質系バイオマスに含まれる多糖類からリグニンを分離する工程と、前記リグニンが分離された前記木質系バイオマスを発酵させる工程と、を備える。

上記の構成によれば、作動流体は所定の仕事及び木質系バイオマスの発酵に有効に利用される。

上述の技術は、他の設備で仕事を行った後の作動流体の熱エネルギをリグニンの分離に有効に利用することができる。

例示的な統合型設備の概略図である。統合型設備の水素精製部から放出されるパージガスの流量及び組成を示す表である。木質系バイオマスの発酵の結果生じた発酵残渣の組成を示す表である。第１設備として利用可能な設備が共通して有するプロセス要素の概略図である。一般的なエタノール生成設備の概略図である。

図１は例示的な統合型設備１００の概略図である。図１を参照して統合型設備１００が説明される。

統合型設備１００は、石炭の燃焼の下で生成された蒸気の熱膨張圧を用いて発電する発電設備２００及び木質系バイオマス（以下、「バイオマス」と称される）に対する発酵処理を実行し水素を生成する水素生成設備３００が統合されることによって構築される。「統合」との用語は、発電設備２００及び水素生成設備３００の中で生じた物がこれらのうち一方から他方へ供給されること、若しくは、これらの間で交換されることを意味している。発電設備２００は発電された電力の一部及び発電に利用された蒸気を水素生成設備３００へ供給する。水素生成設備３００は発電設備２００からの電力供給下で動作し、蒸気の熱を用いてバイオマスに含まれる多糖類（セルロースやヘミセルロース）から網目状分子構造を有するリグニンを分離させる。リグニンが分離された後にバイオマスは発酵処理され、水素が作り出される。発酵処理の後に残ったバイオマスの残渣（以下、発酵残渣と称される）及び発酵処理の結果生じた水素の一部は水素生成設備３００から発電設備２００へ供給される。発酵残渣及び水素は発電設備２００内で蒸気を作り出すための燃焼に供される。発電設備２００及び水素生成設備３００の概略的な構造が以下に説明される。

発電設備２００は石炭の燃焼の下で生成された蒸気の熱膨張圧を用いて発電するので、発電設備２００内で水又は蒸気を循環させる循環部位と、循環部位によって循環されている水又は蒸気に与えられる熱を作り出す熱源部位と、循環部位によって循環されている水又は蒸気を熱源部位によって作り出された熱に曝す加熱部位と、蒸気の膨張の下で発電する発電部位と、を有している。これらの部位が以下に説明される。

循環部位として、発電設備２００は水が加熱部位を通過し加熱部位での加熱によって生成された蒸気が発電部位を通過するように形成された循環経路２０１と、水を加熱部位に送り出す給水ポンプ２２５と、給水ポンプ２２５の水源として機能する復水器２２４と、を有している。復水器２２４及び給水ポンプ２２５は循環経路２０１上に配置されている。給水ポンプ２２５は復水器２２４から水を吸い出し、吸い出された水を加熱部位へ送り出す。給水ポンプ２２５によって送り出された水は循環経路２０１に沿って流れ加熱部位に到達する。加熱部位は水を加熱し蒸気を生成する。蒸気は循環経路２０１に沿って流れ発電部位に到達する。発電部位は蒸気の熱膨張圧を利用して発電する。発電に利用された蒸気は循環経路２０１に沿って流れ復水器２２４に到達する。復水器２２４は蒸気を冷却し水に戻す。水は復水器２２４内に一時的に貯留される。復水器２２４内で貯留された水は給水ポンプ２２５によって再度加熱部位に送り出される。

加熱部位での加熱処理に利用される熱を作り出す熱源部位として、発電設備２００は粉砕器２１０と２つのバーナ２１１，２１２とを有している。粉砕器２１０は石炭を粉砕する部位である。バーナ２１１は粉砕された石炭及び水素生成設備３００から供給された水素を含有するパージガスを燃焼する部位である。バーナ２１２は水素生成設備３００から供給された発酵残渣を燃焼する部位である。バーナ２１１，２１２は循環経路２０１の近くに配置されている。バーナ２１１，２１２が発酵残渣、水素及び石炭を燃焼する結果生じた加熱ガスは循環経路２０１内の水又は蒸気と熱交換し、加熱ガスの熱は循環経路２０１内の水又は蒸気に与えられる。

加熱ガスの熱に水又は蒸気を曝す加熱部位として、発電設備２００は蒸発器２２１、過熱器２２２及び再熱器２２３を有している。蒸発器２２１、過熱器２２２及び再熱器２２３は循環経路２０１上に配置されている。蒸発器２２１、過熱器２２２及び再熱器２２３は上述のバーナ２１１，２１２とともにボイラ２２０を形成している。蒸発器２２１は上述の給水ポンプ２２５が送り出した水が流入するように循環経路２０１に配置されている。蒸発器２２１は、給水ポンプ２２５から供給された水を加熱し蒸気化するための部位である。蒸発器２２１で作り出された蒸気を更に加熱し過熱蒸気を作り出すための部位として過熱器２２２が設けられている。過熱器２２２が作り出した過熱蒸気の膨張圧力は発電部位での発電に利用される。発電処理の結果低下した蒸気の温度をある程度回復させるための部位として再熱器２２３が設けられている。再熱器２２３は蒸気の温度をある程度回復する。再熱器２２３を通過した蒸気は発電処理に再度利用される。発電処理に利用された蒸気は上述の復水器２２４に最終的に流入する。復水器２２４での冷却の結果得られた水は給水ポンプ２２５によって蒸発器２２１へ供給される。

水又は蒸気の循環経路２０１上に蒸気の熱膨張の下で発電する発電部位が配置される。発電部位はタービン２３１，２３２と、これらのタービン２３１，２３２に連結された発電機２３３と、を含む。タービン２３１は過熱器２２２によって作り出された過熱蒸気の膨張の下で発電機２３３を回転させる部位である。タービン２３２はタービン２３１で仕事をした後の蒸気を用いて発電機２３３を回転させる部位である。発電機２３３はタービン２３１，２３２によって駆動され電力を作り出す部位である。発電機２３３での発電に利用された蒸気の圧力は大きく低下する。

発電機２３３での発電のためにタービン２３２内で膨張した蒸気の多くは上述の如く復水器２２４へ供給される。タービン２３２内の蒸気の一部は抽気され水素生成設備３００へ供給される。水素生成設備３００へは蒸気だけでなく発電機２３３が作り出した電力の一部も供給される。水素生成設備３００は発電機２３３からの電力供給の下で動作する。水素生成設備３００の概略的な機能及び構造が以下に説明される。

水素生成設備３００は、バイオマスを機械的及び熱的に処理した後に加水分解する。加水分解前及び加水分解中にバイオマスに加えられる熱によってバイオマスに含まれる多糖類からリグニンが分離される。リグニンが分離された多糖類は、加水分解の結果単糖化される。加水分解処理の後、水素生成設備３００はバイオマスを発酵させる。水素生成設備３００はその後、バイオマスの発酵の結果生じた発酵ガスに含まれる水素を精製する。水素生成設備３００は精製の過程でパージ（排気）された水素の一部を発電設備２００へ供給する。水素生成設備３００は水素だけでなく発酵ガスを得るために行われた発酵処理の結果生じた発酵残渣を発電設備２００へ供給する。これらの機能を達成する部位が以下に説明される。

バイオマスを機械的及び熱的に処理する部位として、水素生成設備３００は工水槽３１１と、スラリー化部３１２と、熱交換器３１３，３１４，３１５と、を有する。工水槽３１１には、バイオマスをスラリー化するための工水が貯蔵されている。スラリー化部３１２はバイオマスを裁断するとともに工水槽３１１から供給された工水と裁断されたバイオマスとを混合し工水と裁断されたバイオマスとからなるスラリーを作り出す部位である。スラリーは熱交換器３１３，３１４，３１５へ送られる。熱交換器３１３，３１４，３１５はスラリーを順次加熱する部位である。熱交換器３１３，３１４，３１５がスラリーに与えた熱は、スラリー中のバイオマスに含まれる多糖類からリグニンを分離させる。

加熱されたスラリーは加水分解処理に曝される。加水分解処理を行う部位として、水素生成設備３００は分解槽３２１と貯蔵設備３２２とを有する。貯蔵設備３２２には加水分解に用いられる希硫酸や加水分解処理の後に行われる発酵処理に用いられる培養液といった様々な処理材料が収容されている。分解槽３２１は希硫酸を用いてスラリーを加水分解する部位である。加水分解の結果、バイオマスに含まれる多糖類は単糖化される。

加水分解処理後のスラリーは発酵処理に曝される。発酵処理を行う部位として、水素生成設備３００は培養槽３３１と発酵槽３３２とを有する。培養槽３３１は工水槽３１１から供給された工水、貯蔵設備３２２から供給された培養液及び分解槽３２１から供給されたスラリー（リグニンの分離後）を用いて発酵菌を培養する部位である。発酵槽３３２は培養槽３３１で培養された発酵菌を用いて分解槽３２１から供給されたスラリー（リグニンの分離後）を発酵させる部位である。スラリーの発酵の結果生じた発酵ガスに含まれる水素ガスはその後精製される。

発酵ガスから水素ガスを精製する部位として、水素生成設備３００はガス圧縮部３４１と水素精製部３４２とを有する。発酵ガスから水素ガスを精製するためにある程度高い圧力が必要とされる。水素ガスの精製のために必要な圧力を得るために発酵ガスを加圧する部位としてガス圧縮部３４１が設けられている。ガス圧縮部３４１によって圧縮されたガスから圧力変動吸着法（ＰＳＡ法：ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｗｉｎｇＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）の下で水素ガスを分離及び精製する部位として水素精製部３４２が設けられている。水素精製部３４２には発酵ガス中の水素ガス以外の成分（以下、「不純成分」と称される）を吸着する吸着剤が充填されている。

水素ガス及び不純成分を含む発酵ガスは上述の如く、発酵槽３３２内でのスラリーの発酵から得られる。スラリーが発酵されると発酵ガスだけでなく発酵残渣も生ずる。発酵残渣は上述の如く、発電設備２００のバーナ２１２によって燃焼される。発酵残渣がバーナ２１２による燃焼に資するように、水素生成設備３００は発酵残渣に含まれる固体成分を液体成分から分離する分離部３５０を有する。固体成分には主にリグニンが含まれる。固体成分は水素生成設備３００の分離部３５０から発電設備２００のバーナ２１２へ供給される。

水素生成設備３００は発電設備２００からの電力の供給下で水素ガスの精製のための様々な処理と、発電設備２００への水素ガス及び発酵残渣の供給とを行う。水素生成設備３００の動作が以下に説明される。

水素生成設備３００のスラリー化部３１２にバイオマスが供給される。バイオマスはスラリー化部３１２で裁断される。スラリー化部３１２は工水槽３１１から供給された工水を裁断されたバイオマスと混合しスラリーを作り出す。スラリーはスラリー化部３１２から熱交換器３１３，３１４，３１５を通じて分解槽３２１へ送られる。

熱交換器３１３，３１４には上述の発酵処理の結果生じた発酵残渣及び上述の加水分解処理の後のスラリーがそれぞれ流入する一方で熱交換器３１５には発電設備２００のタービン２３２から抽気された蒸気が熱交換媒体として流入する。タービン２３２から熱交換器３１５へ流入する蒸気は１５０℃〜２００℃である。熱交換器３１５で高温の蒸気と熱交換したスラリーも高温になる。高温のスラリーは熱交換器３１５から分解槽３２１に供給され分解槽３２１内で加水分解処理を受けた後、熱交換器３１４に熱交換媒体として流入する。分解槽３２１から熱交換器３１４へ流入するスラリーの温度は熱交換器３１５から流出するスラリーの温度よりも低くなっているけれどもスラリー化部３１２から送り出されたスラリーの温度よりは十分に高い。したがって、熱交換器３１４においてもスラリー化部３１２から送り出されたスラリーは加熱される。熱交換器３１３には熱交換媒体として発酵槽３３２から排出された発酵残渣が流入する。発酵槽３３２での発酵処理は上述の加水分解処理の後工程であるので、発酵処理が行われる発酵槽３３２から熱交換器３１３へ流入する発酵残渣は加水分解処理が行われる分解槽から熱交換器３１４へ流入するスラリーよりも低温になっているけれども、スラリー化部３１２から送り出されたスラリーよりは十分に高温である。したがって、熱交換器３１３においてもスラリー化部３１２から送り出されたスラリーは加熱される。熱交換器３１３，３１４，３１５がスラリーに順次与えた熱はスラリー中のバイオマスに含まれる多糖類からリグニンを分離する。

熱交換器３１３，３１４，３１５によって順次加熱されたスラリーは分解槽３２１へ流入する。スラリーは分解槽３２１で加水分解される。分解槽３２１が貯蔵設備３２２から受け取った希硫酸は加水分解の助剤として機能する。加水分解の結果、バイオマスに含まれる多糖類は単糖に変わる。この結果、後続する発酵処理が好適に行われる。

加水分解処理後のスラリーの一部は上述の熱交換器３１４に送られる。熱交換器３１４へ送られたスラリーは上述の如くスラリー化部３１２から送り出されたスラリーとの熱交換に用いられる。熱交換器３１４での熱交換の後、加水分解処理後のスラリーは発酵槽３３２へ供給される。

加水分解処理後のスラリーは培養槽３３１へも供給される。培養槽３３１へ送られたスラリーは発酵処理に用いられる発酵菌の培養に利用される。発酵菌の培養のために培養槽３３１へは工水が工水槽３１１から供給されるとともに培養液が貯蔵設備３２２から供給される。これらの原料を用いて培養された発酵菌は培養槽３３１から発酵槽３３２へ供給される。すなわち、発酵槽３３２は発酵菌及び加水分解後のスラリーを培養槽３３１及び熱交換器３１４からそれぞれ受け取る。

発酵槽３３２内で加水分解後のスラリー中のバイオマスは発酵される。発酵の結果、発酵槽３３２内で発酵ガスが生ずるとともに発酵残渣が残る。発酵ガスは発酵槽３３２からガス圧縮部３４１へ供給される一方で、発酵残渣は上述の熱交換器３１３へ熱交換媒体として供給される。熱交換器３１３を通過した発酵残渣は分離部３５０に流入する。発酵残渣は分離部３５０で固体成分と液体成分とに分けられる。発酵残渣の液体成分は廃棄される一方で発酵残渣の固体成分は発電設備２００のバーナ２１２へ供給される。

発酵残渣とともに発酵槽３３２内で生じた発酵ガスはガス圧縮部３４１に送られ、ガス圧縮部３４１内で圧縮及び加圧される。加圧された発酵ガスはガス圧縮部３４１から水素精製部３４２へ供給される。

水素精製部３４２内の吸着剤は高圧環境下で不純成分を吸着し、水素精製部３４２内で高純度の水素を含む製品ガスが作り出される。不純成分の吸着の後、吸着剤の吸着能力は低下する。吸着能力の回復のために水素精製部３４２内は低圧環境に設定される。低圧環境下で不純成分は吸着剤から分離される。吸着剤から分離した不純成分を水素精製部３４２から放出するために高圧環境下で作り出された高純度の水素の一部が低圧環境下にある水素精製部３４２に供給される。この結果、不純成分及び水素を含む混合気体（以下、「パージガス」と称される）が水素精製部３４２から放出される。パージガスはその後、水素精製部３４２から発電設備２００のバーナ２１１へ供給される。したがって、発電設備２００はパージガスと発酵残渣とを水素生成設備３００から受け取る。これらは発電設備２００内で燃焼される。発電設備２００の動作が以下に説明される。

発電設備２００の粉砕器２１０に石炭及び一次空気が供給される。粉砕器２１０は石炭を粉砕する。粉砕された石炭は一次空気とともにバーナ２１１へ供給される。バーナ２１１には石炭の効率的な燃焼を促すための空気量を得るために二次空気が供給される。二次空気には水素生成設備３００の水素精製部３４２から放出されたパージガスが混合される。パージガスが混合された二次空気の供給の下でバーナ２１１は微細化された石炭を燃焼する。

バーナ２１１とともに水又は蒸気を加熱するための熱源として用いられるバーナ２１２には水素生成設備３００の分離部３５０によって液体成分から分離された発酵残渣の固体成分が供給される。固体成分には水素生成設備３００の熱交換器３１３，３１４，３１５がスラリーに供給した熱によって多糖類から分離されたリグニンが多く含まれている。リグニンを多く含む固体成分はバーナ２１２によって燃焼される。

バーナ２１１，２１２による燃焼から得られた加熱ガスの熱は水又は蒸気の加熱に利用される。蒸気の生成のために給水ポンプ２２５は蒸発器２２１へ水を送る。水はバーナ２１１，２１２による燃焼から得られた加熱ガスの熱に蒸発器２２１内で曝され蒸気化する。蒸発器２２１で生じた蒸気は過熱器２２２へ流入する。過熱器２２２において蒸気は更に加熱され過熱蒸気に変わる。過熱蒸気は過熱器２２２からタービン２３１に流入する。タービン２３１内で過熱蒸気は膨張し、タービン２３１内での回転運動を引き起こす。タービン２３１内の回転運動は発電機２３３へ伝達される。発電機２３３はタービン２３１の回転運動の下で回転し電力を作り出す。

タービン２３１で仕事をした蒸気は再熱器２２３を通じてタービン２３２へ送られる。蒸気はタービン２３２内で膨張し、タービン２３２内での回転運動を引き起こす。タービン２３２内の回転運動は発電機２３３へ伝達される。発電機２３３はタービン２３２の回転運動の下で回転し電力を作り出す。

タービン２３２から蒸気の一部が抽気される一方で、残りの蒸気は復水器２２４に送られる。復水器２２４は蒸気を冷却し水に戻す。復水器２２４での冷却の結果得られた水は給水ポンプ２２５によって蒸発器２２１へ送られる。

復水器２２４に送られることなくタービン２３２から抽気された蒸気は水素生成設備３００の熱交換器３１５に熱交換媒体として供給される。上述の如く、熱交換器３１５に供給された蒸気の熱はバイオマススラリーを加熱し、バイオマスに含まれる多糖類からのリグニンの分離に利用される。

蒸気、水素及び発酵残渣が発電設備２００と水素生成設備３００との間で交換される結果、発電設備２００から排出される二酸化炭素の量は低い水準に抑えられる。二酸化炭素の排出量の低減の効果が以下に説明される。

水素生成設備３００内において蒸気の熱はバイオマスに含まれる多糖類からのリグニンの分離に利用されている。水素生成設備３００が原料ベースで２０００ｔ／ｄａｙの規模であるとき、水素生成設備３００の熱交換器３１３，３１４，３１５での加熱処理に必要とされる熱量は、米国エネルギ省のＮａｔｉｏｎａｌＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙのデータに基づき９．６４×１０^６ｋｃａｌ／ｈと試算される。

水素生成設備３００内での加熱処理のために発電設備２００のタービン２３２から抽気される蒸気の圧力及び温度が１ＭＰ、２８０℃であるとの仮定の下で二酸化炭素の排出量の低減の効果が以下に試算される。１ＭＰ、２８０℃の圧力及び温度は、一般的な石炭火力発電において復水器に排出される蒸気の圧力及び温度を鑑みて仮定されている。蒸気の圧力及び温度が１ＭＰ、２８０℃であると仮定されるとき、タービン２３２から抽気される蒸気のエンタルピは７１６ｋｃａｌ／ｋｇである。

タービン２３２から抽気される蒸気は水素生成設備３００の熱交換器３１５へ熱交換媒体として供給される。熱交換器３１５において蒸気から熱を受け取ったスラリーはその後加水分解処理を受けるので、熱交換器３１５で加熱されたスラリーは加水分解処理に適した温度に設定される必要がある。以下の試算では、加熱分解処理に適した温度として１５０℃の温度が仮定されている。加えて、熱交換器３１５での加熱温度差（すなわち、熱交換器３１５内での蒸気とスラリーとの温度差）は一般的な熱交換器の性能を考慮して２０℃と仮定されている。この場合、熱交換器３１５内での蒸気の温度は１７０℃と試算される。このときの飽和蒸気圧は０．８ＭＰａと試算される。熱交換器３１５内での蒸気のエンタルピは、これらの値に基づいて１７２ｋｃａｌ／ｋｇと試算される。

試算されたこれらのエンタルピ値及び水素生成設備３００の規模の試算値から水素生成設備３００で用いられる蒸気の量は以下の数式の如く算出される。

復水器２２４に導入される蒸気が発電に用いられたときの発電効率が以下に試算される。一般的な復水器の真空度が７２２ｍｍＨｇであることを考慮して算出された飽和蒸気のエンタルピは６１１ｋｃａｌ／ｋｇとなる。タービン効率が１００％であるとの仮定の下で発電効率の最大値が以下の数式の如く算出される。

発電効率の最大値は１４．７％にすぎないので、復水器２２４に導入される蒸気は発電設備２００での仕事をほとんど終えているということができる。従来の石炭火力発電において仕事を終えた蒸気は復水器で棄てられている。すなわち、蒸気が有するエネルギの８５．３％（＝１００％−１４．７％）に相当する熱エネルギが棄てられているということができる。

上述の発電効率（１４．７％）の下で得られる電力は以下の数式の如く試算される。

２１６６ｋＷの電力はタービン２３２から低圧の蒸気が抽気されることなく発電が行われる条件下での試算値である。タービン２３２からの抽気がない条件下での発電設備２００の発電量（以下の数式の右辺）とタービン２３２からの抽気がある条件下での発電設備２００の発電量（以下の数式の左辺）との間で以下の等式が成り立つ。以下の数式の左辺は、タービン２３２から抽気がなされた後の発電設備２００の発電効率を記号「ξ」で表している。以下の等式に関して、２１６６ｋＷ（数３を参照）の電力を生み出す蒸気は水素生成設備３００で利用されるので損失としては勘定されていない。

上述の数式から算出される発電効率「ξ」は４０．０５％である。発電効率の増加は二酸化炭素の排出量の削減に帰結する。二酸化炭素の排出量の削減効果は、以下の数式から算出される。

上述の試算から発電に不要となった蒸気が発電設備２００から水素生成設備３００へ供給される結果、０．１３％もの二酸化炭素の排出量の削減効果が試算される。加えて、水素生成設備３００から発電設備２００への水素の供給も二酸化炭素の排出量の低減に貢献する。水素生成設備３００から発電設備２００への水素の供給の結果得られる二酸化炭素の排出量の削減効果が以下に説明される。

水素生成設備３００から発電設備２００への水素の供給に水素精製部３４２から放出されたパージガスが利用される。水素精製部３４２から放出されるパージガスの流量及び組成が図２に示されている。図２に示されるデータは、米国エネルギ省のＮａｔｉｏｎａｌＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙが公開している情報に基づいている。

図２のデータは、水素精製部３４２から放出されるパージガスには２８．４％の水素が含まれていることを示している。パージガス中の他の成分のほとんどは二酸化炭素である。パージガスは上述の如く、発電設備２００のバーナ２１１へ二次空気とともに供給される。発電設備２００のバーナ２１１が燃焼する石炭の発熱量は６３２２ｋｃａｌ／ｋｇと見積もられる。発電設備２００の発電効率が４０％であることを考慮すると、石炭流量は以下の数式から算出される。

上述の石炭流量の下でバーナ２１１に供給される空気の量（すなわち、燃焼空気量）が以下に試算される。石炭が１．２の空気比で燃焼するとき１．２の空気比のうち０．２を１次空気が占め、残りの１を２次空気が占めているとの仮定の下で、以下の数式は２次空気の流量を算出している。

上式によって算出された流量の２次空気に水素生成設備３００の水素精製部３４２から放出されたパージガス全て（１５２２９Ｎｍ^３／ｈ：図２の流量の合計欄を参照）が混合されたときに混合ガスに占める水素（４３１８Ｎｍ^３／ｈ：図２の流量の水素の欄を参照）の割合は以下の数式に示される如く０．１２６％にすぎない。この割合は水素の爆発下限（ＬＥＬ：ＬｏｗｅｒＥｘｐｌｏｓｉｖｅＬｉｍｉｔ）の５％よりも遙かに小さい。

水素の理論燃焼空気量（１．８８Ｎｍ^３／Ｎｍ^３）を考慮して水素の燃焼に必要とされる空気の量は以下の数式から算出されるように二次空気の０．２３６％にすぎないと見積もられる。したがって、水素の燃焼のための特別な設計は発電設備２００のボイラ２２０に必要とされない。

ボイラ２２０内での水素の燃焼の結果得られる発電量は以下の数式から算出される如く、６１２３ｋＷと見積もられる。

水素の燃焼に基づく発電量の試算から、６１２３ｋＷ分の石炭が水素に置き換えられることが可能であるということができる。水素はカーボンニュートラルなバイオマスから得られているので、以下の数式から０．６％の二酸化炭素の削減効果が得られると試算される。

水素の燃焼に基づく発電量の試算値が６１２３ｋＷ（数１０を参照）であるのに対してタービン２３２から抽気された蒸気から試算された発電量は２１６６ｋＷ（数３を参照）である。このことは、発電設備２００が蒸気を水素生成設備３００へ与える一方で水素を水素生成設備３００から受け取る結果大きな発電量が得られることを意味する。

水素の燃焼の結果得られる発電量が水素生成設備３００で使用される電力量と以下に比較される。水素生成設備３００の水素の製造量が１５４９ｋｇ／ｈであるとき、水素生成設備３００の電力原単位は、米国エネルギ省のＮａｔｉｏｎａｌＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙが公開している情報に基づき４．１ｋＷｈ／ｋｇＨ_２と見積もられる。この条件に基づいて、水素生成設備３００が必要とする電力量は以下の数式に示されるように６３５１ｋＷであると試算される。この値は水素の燃焼の結果得られる発電量の試算値（６１２３ｋＷ）に略等しい。

上述の比較から、水素の燃焼の結果得られた電力は水素生成設備３００によって消費されるということができる。水素生成設備３００で消費される電力を補う量の電力を発電設備２００は石炭を燃焼し発電する必要があるので、発電設備２００から水素生成設備３００への電力供給がなされる場合には、上述の数１１の試算値の０．６％は二酸化炭素の削減効果として見積もられるべきではない。しかしながら、水素生成設備３００が発電設備２００から電力を受け取らないならば、０．６％の試算値は二酸化炭素の削減効果として見積もられる。

水素に加えて、発酵残渣が水素生成設備３００から発電設備２００へ供給される。発酵残渣（水素生成設備３００の発酵槽３３２から分離部３５０へ流れる発酵残渣）の組成が図３に示されている。図３に示されるデータは、米国エネルギ省のＮａｔｉｏｎａｌＲｅｎｅｗａｂｌｅＥｎｅｒｇｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙが公開している情報に基づいている。図１及び図３を参照して、発酵残渣の供給の結果得られる二酸化炭素の削減効果が以下に試算される。

図３のデータに示されるように、リグニンは６０００ｋｃａｌ／ｋｇ−ｄｒｙｂａｓｅの熱量を有している。リグニンを多く含む発酵残渣の熱量は図３のデータに示されるように３０１２ｋｃａｌ／ｋｇと見積もられる。発酵残渣から得られる発電量は以下の数式に示される如く算出される。以下の数式では発酵残渣に含まれる水分（４８．８％）の煙突ロスが組み込まれているけれども、水分の多くは水素生成設備３００の分離部３５０によって取り除かれるので、下記の試算値を上回る発電量が期待される。

水素生成設備３００が消費する電力（＝６３５１ｋＷ：数１２を参照）が控除されたとしても、８３９３９ｋＷの発電量が得られる。この場合、二酸化炭素の削減効果は以下の数式に示される如く８．４％であると見積もられる。

上述の実施形態によれば、発電設備２００は蒸気の圧力を利用して発電する。発電設備２００のタービン２３１，２３２内で蒸気は膨張するので蒸気の圧力が低下する。減圧された蒸気の熱は水素生成設備３００の熱交換器３１３，３１４，３１５でのバイオマススラリーの加熱に利用される。したがって蒸気の熱エネルギは有効に利用される。

蒸気の熱はバイオマスに含まれる多糖類からリグニンを分離するために用いられる。バイオマスは多糖類が単糖化される分解槽３２１内及び分解槽３２１へ流入するスラリーを加熱する熱交換器３１３，３１４，３１５内で蒸気由来の熱に曝されるので、発酵処理が行われる発酵槽３３２にバイオマスが流入する前にリグニンは分離される。バイオマスの発酵を阻害するリグニンが分離されているので、発酵槽３３２ではバイオマスの発酵が好適に行われる。

バイオマスからリグニンを分離するために蒸気が発電設備２００から水素生成設備３００へ供給される。加えて、発電設備２００が作り出した電力の一部も水素生成設備３００に供給される。水素生成設備３００は発電設備２００からの電力供給の下で動作する。発電設備２００が燃焼する石炭は質及び量において安定的な燃料であるので、発電設備２００は電力を安定的に作り出すことができる。すなわち、発電設備２００は水素生成設備３００に安定的に供給することができる。したがって、水素生成設備３００は発電設備２００からの電力供給下で安定的に動作することができる。

水素生成設備３００の水素精製部３４２は圧力変動吸着法（ＰＳＡ法：ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｗｉｎｇＡｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）を用いて水素を精製する。パージガスは水素生成設備３００から発電設備２００へ供給され、パージガス中の水素は発電のために発電設備２００のボイラ２２０内で燃焼されるので、パージガスは有効に利用される。

パージガスだけでなく発酵残渣も有効に利用される。発酵残渣はパージガス中の水素と同様に水素生成設備３００から発電設備２００へ供給され、発電設備２００のボイラ２２０内で燃焼される。発酵残渣に含まれるリグニンは大きな熱量を有しているので、発電設備２００の中では発酵残渣は大きな発電量を得るのに有効に利用される。発酵残渣の燃焼に由来する発電量に相当する分の石炭の燃焼が削減されるので、二酸化炭素は大幅に削減される。

上述の実施形態に関して、蒸気の圧力を利用して所定の仕事を実行する第１設備として石炭を燃焼し発電する発電設備２００が例示されている。しかしながら、第１設備は石炭ガス化複合発電（ＩＧＣＣ：ＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＣｏａｌＧａｓｉｆｉｃａｔｉｏｎＣｏｍｂｉｎｅｄＣｙｃｌｅ）、ガスタービンコンバインドサイクル（ＧＴＣＣ：ＧａｓＴａｒｂｉｎＣｏｍｂｉｎｅｄＣｙｃｌｅ）、バイオマス発電、バイオマスＣＨＰ（熱電併給）、ゴミ発電、メタン発酵発電、製鉄や窯業で用いられる工業炉であってもよい。これらは燃焼及び熱回収の工程を有している。これらが共通して有するプロセス要素の概略図が図４に示されている。

図４に示されるプロセス要素は、図１を参照して説明されたボイラ２２０に相当する部位である。図４はプロセス要素として、燃焼装置２４０と熱回収装置２５０とを示している。燃焼装置２４０は図１を参照して説明された発電設備２００のバーナ２１１，２１２に相当する部位である。第１設備として列記された上述の設備に関して、燃焼装置２４０は石炭ガス化複合発電及びガスタービンコンバインドサイクルのガスタービン、バイオマスＣＨＰ及びメタン発酵発電のガスエンジン、ゴミ発電のゴミ焼却部、工業炉の高温加熱部位それぞれに相当している。熱回収装置２５０は図１を参照して説明された発電設備２００の蒸発器２２１、過熱器２２２及び再熱器２２３に対応する部位である。第１設備として列記された上述の設備に関して、熱回収装置２５０は、ゴミ発電、工業炉、石炭ガス化複合発電及びガスタービンコンバインドサイクルの廃熱ボイラ及びメタン発酵発電及びバイオマスＣＨＰの廃熱ボイラ又は給湯器に対応する。バイオマス発電に関して、バイオマス発電の燃焼装置２４０及び熱回収装置２５０は図１を参照して説明された発電設備２００と同様に一体化され発電用ボイラを形成する構造が一般的である。

燃焼装置２４０には燃料及び空気が供給される。燃料の一部として発酵残渣が用いられる。空気には水素が混合される。燃焼装置２４０で燃料が燃焼される結果、高温ガスが生成される。高温ガスは熱回収装置２５０内での熱交換処理に用いられる。熱回収装置２５０には水や油といった作動流体が流入する。作動流体が高温ガスと熱交換した後、作動流体の熱膨張圧は所定の仕事に利用される。所定の仕事の後の作動流体の熱は水素生成設備３００の熱交換器３１３，３１４，３１５でのバイオマスとの熱交換に利用される。

上述の実施形態に関して、バイオマスを発酵する第２設備として水素生成設備３００が例示されている。しかしながら、第２設備はバイオマスを発酵し、水素以外の物（例えば、輸送機の燃料として用いられる炭化水素やアルコールといった化成品）を生成する様々な装置であってもよい。例えば、第２設備はバイオマスを発酵しエタノールを生成するエタノール生成設備であってもよい。一般的なエタノール生成設備の概略図が図５に示されている。

エタノール生成設備は、リグニン分離部３１０、加水分解部３２１Ａ、培養部３３１Ａ、発酵部３３２Ａ、分離回収部３４２Ａ、排水処理部３６１、水処理部３６２、ボイラ及び発電部３６３を有している。リグニン分離部３１０はエタノールを生成するための発酵用の事前処理をバイオマス原料に対して行う部位であり、バイオマス原料に含まれる多糖類に結合したリグニンはリグニン分離部３１０で分離される。したがって、リグニン分離部３１０は図１を参照して説明されたスラリー化部３１２、熱交換器３１３，３１４，３１５に相当する部位である。加水分解部３２１Ａ、培養部３３１Ａ、発酵部３３２Ａ及び分離回収部３４２Ａは図１を参照して説明された分解槽３２１、培養槽３３１、発酵槽３３２及び水素精製部３４２に対応する部位である。加水分解部３２１Ａにはリグニン分離部３１０でのリグニン分離処理後のバイオマスが供給される。バイオマスの多糖類は加水分解部３２１Ａでの加水分解処理によって単糖化される。加水分解処理に必要とされる酵素は培養部３３１Ａで培養される。酵素は培養部３３１Ａから加水分解部３２１Ａへ供給される。加水分解部３２１Ａでの加水分解処理後のバイオマスは発酵部３３２Ａへ供給され、発酵部３３２Ａで発酵される。発酵部３３２Ａでのバイオマスの発酵の結果、エタノールを含有する発酵液が生成される。発酵液は発酵部３３２Ａから分離回収部３４２Ａへ供給される。分離回収部３４２Ａは発酵液からエタノールを回収し、他の成分は排水として処理される。

分離回収部３４２Ａでの回収処理の結果生じた排水は排水処理部３６１で所定の処理を受けた後、循環水としてエタノール生成設備内で循環される。循環水の冷却や流量調整といった所定の処理を行う部位として水処理部３６２がエタノール生成設備に設けられている。

エタノール生成設備の一部としてボイラ及び発電部３６３が用いられている。ボイラ及び発電部３６３が生成した蒸気の熱はリグニン分離部３１０でのリグニンの分離や分離回収部３４２Ａでのエタノールの回収に利用される。ボイラ及び発電部３６３は、図５に示されるエタノール生成設備が図１を参照して説明された発電設備２００に統合されるならば必要とされない。ボイラ及び発電部３６３からの蒸気に代えて、発電設備２００のタービン２３２から抽気された蒸気がリグニン分離部３１０及び分離回収部３４２Ａに供給される。

発電設備２００内での燃焼に発酵部３３２Ａでの発酵によって生じた発酵残渣が利用可能である。エタノール生成設備から発電設備２００へ発酵残渣が供給されると、発電設備２００から排出される二酸化炭素は大幅に削減される。しかしながら、発酵残渣は発電設備２００へ供給されなくてもよい。

エタノール生成設備が発電設備２００と統合されるとき、発電設備２００はエタノール生成設備へ電力を供給してもよい。しかしながら、エタノール生成設備は他の電力供給源からの電力で動作してもよい。

エタノール生成設備が発電設備２００と統合されるとき、エタノール生成設備が生成したエタノールの一部は発電設備２００のボイラ２２０内での燃焼に利用されてもよい。しかしながら、エタノールは発電設備２００へ供給されなくてもよい。

上述の実施形態の原理は、バイオマスを発酵させる工程を有する様々な技術分野に好適に利用される。

１００・・・・・・・・・・・・・・・統合型設備
２００・・・・・・・・・・・・・・・発電設備（第１設備）
２２０・・・・・・・・・・・・・・・ボイラ
２３２・・・・・・・・・・・・・・・タービン
２３３・・・・・・・・・・・・・・・発電機
３００・・・・・・・・・・・・・・・水素生成設備（第２設備）
３４２・・・・・・・・・・・・・・・水素精製部

Claims

燃料を燃焼して得られた加熱ガスを生じさせる燃焼設備と、前記加熱ガスと作動流体とを熱交換させて、前記加熱ガスの熱を前記作動流体に回収させる熱回収装置と、を有しており、前記作動流体に回収させた熱で所定の仕事を実行する第１設備と、
前記所定の仕事の後に前記第１設備から排出された前記作動流体を前記第１設備から受け取るとともに前記作動流体に残る熱を利用して木質系バイオマスに含まれる多糖類からリグニンを分離し、前記リグニンが分離された後の前記木質系バイオマスを発酵させて水素を作り出す第２設備と、を備え、
前記第２設備によって作り出された水素を含むガスは、前記燃焼設備に供給される、
統合型設備。
前記第１設備は、前記燃焼設備において二酸化炭素を排出しながら前記燃料を燃焼して加熱ガスを生成するとともに、前記熱回収装置において加熱ガスの熱を前記作動流体に回収させた熱で発電するように構成されている、請求項１に記載の統合型設備。
燃料を燃焼して得られた加熱ガスと熱交換した作動流体に所定の仕事を実行させる第１設備と、
前記所定の仕事の後に前記第１設備から排出された前記作動流体を前記第１設備から受け取るとともに前記作動流体に残る熱を利用して木質系バイオマスに含まれる多糖類からリグニンを分離し、前記リグニンが分離された後の前記木質系バイオマスを発酵させる第２設備と、を備え、
前記第１設備は、前記作動流体として蒸気を生成するボイラと、蒸気の熱膨張圧によって駆動されるタービンと、前記タービンの駆動下で電力を作り出す発電機と、を有し、
前記第２設備は、前記発電機での発電に利用された蒸気に残る熱を用いて前記多糖類から前記リグニンを分離した後、前記リグニンの分離処理後の前記木質系バイオマスを発酵し水素を作り出すように構成されている、統合型設備。
前記第２設備は、圧力変動吸着法に基づいて水素の精製を行う水素精製部を有し、
前記水素精製部は、前記木質系バイオマスの発酵の下で発生した発酵ガスから水素以外の不純成分を吸着剤に吸着させ水素を精製するとともに、前記精製された水素の一部を、前記不純成分を吸着した後の前記吸着剤に供給することによって前記吸着剤から前記不純成分を分離し前記不純成分に対する前記吸着剤の吸着能力を回復させ、
前記吸着剤からの前記不純成分の分離に用いられた水素及び前記吸着剤から分離された前記不純成分の混合気体は、前記第２設備から前記燃焼設備に供給される
請求項１に記載の統合型設備。
前記燃焼設備は、前記木質系バイオマスを発酵させた結果生じた発酵残渣を前記燃焼設備で前記燃料とともに燃焼する
請求項１、２又は４に記載の統合型設備。