WO2017026027A1 - エタノール製造設備併設廃棄物焼却施設におけるエネルギー有効利活用方法 - Google Patents
エタノール製造設備併設廃棄物焼却施設におけるエネルギー有効利活用方法 Download PDFInfo
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Definitions
- the present invention is a waste that is equipped with an ethanol production facility for enzymatically saccharifying cellulosic biomass centered on papers contained in general waste into monosaccharides that are constituent sugars, and further fermenting them to produce ethanol
- the present invention relates to a method for effectively utilizing generated energy in an incineration facility.
- Patent Document 1 The present applicant has previously proposed a method of effectively utilizing energy in a waste incineration facility equipped with an ethanol production facility (Patent Document 1).
- Patent Document 1 general waste collected in a mixed state of various types of waste is roughly crushed, and the resulting coarsely crushed material is reduced to a lightweight material (mainly papers and plastics) with a crushing and separating machine.
- high-gravity heavy-weight items mainly cocoons, ie, garbage
- light-weight items are added with water and pulped to disaggregate the paper, and (without disaggregation) plastics
- the pulp obtained by separation is used as a raw slurry, and ethanol is produced therefrom.
- a boiler that uses the exhaust heat from the waste incineration facility and a steam turbine that uses the steam generated in the boiler are attached to the incineration facility, and the incineration exhaust heat that exits from here or the boiler steam and / or steam turbine that exits from the boiler
- Extraction steam from the yeast is used as a heat source for yeast culture (around 30 ° C), saccharification and fermentation (around 40 ° C), and distillation (around 80 ° C) in the ethanol production process to reduce ethanol production costs and CO 2 emissions I am trying.
- Patent Documents 2 and 3 Non-Patent Document 1, etc.
- paragraphs [0026] to [0027] of Patent Document 2 describe that exhaust heat from a waste combustion facility is sent to a dry methane fermentation facility for effective use, and such exhaust heat utilization is illustrated in FIG. And shown in FIG.
- paragraph [0049] of Patent Document 3 it is described that exhaust heat from the fuel cell is used as a heat source for distillation separation of alcohol components in the separation and recovery unit, or used for heat retention in the fermentation unit. Waste heat utilization is illustrated in FIG.
- Non-Patent Document 1 is an academic journal containing a paper entitled “Production of hydrogen for fuel cells by reformation of biomass-derived ethanol”.
- Fig. 1 on page 146 shows exhaust heat from fuel cells and others. Has been shown to be used effectively by sending it to an anaerobic digestion process.
- Patent Document 2 Even with the methods of Patent Document 2, Patent Document 3, and Non-Patent Document 1, a satisfactory energy recovery rate cannot be obtained, and further improvement of the energy recovery rate is desired.
- the present inventor has conducted extensive research in view of the above-mentioned circumstances, and in addition to ethanol production equipment and power generation steam turbines, waste methane fermentation equipment, gas engines, solid oxide fuel cells (Solid Oxide Fuel Cell) , Hereinafter referred to as “SOFC”), energy can be recovered, and exhaust heat from these can be used as a heat source at various stages in the ethanol production facility, thereby further improving the energy recovery rate.
- SOFC Solid Oxide Fuel Cell
- the first invention is a waste incineration facility equipped with an ethanol production facility for producing bioethanol from carbohydrates contained in biomass in general waste, and garbage obtained by pretreating general waste
- an ethanol production facility for producing bioethanol from carbohydrates contained in biomass in general waste, and garbage obtained by pretreating general waste
- a part of a heavy article made of wet paper and a pulp separated from a light article made of dry paper and plastic are mixed, and the mixture is fermented, the remainder of the heavy article and
- the national average (wet weight% calculated from the 2011 data on the Ministry of the Environment website) is 14.9% for moss, 48.3% for paper, and 9.5% for vegetation.
- Cloth and leather-% cloth is paper, leather is contained in plastics
- plastics is 20.4%
- non-combustible substances are 7.0%.
- the composition of Sakai City (2012, wet weight% calculated from the Environmental Policy Bureau Project Overview) is 30.4% for moss, 36.6% for paper, 5.5% for vegetation, and leather
- the roughly crushed material roughly crushed by the biaxial crusher is supplied to a crushing / separating machine composed of a blade and a screen via a conveyor, and is crushed (main) by a blade rotating at high speed, Plastics and dry papers that are low in specific gravity due to wind power generated by rotation are collected as lightweight items, and potatoes and wet papers that are less than the screen diameter and have high specific gravity are collected as heavy items.
- the former (lightweight material) is further pulped to separate and collect the pulp, so that it can be used as a raw material for ethanol and biogas without being affected by “variation in composition” and “ratio of heavy to light weight”. Possible biomass can be taken out efficiently.
- a part of heavy object what is used for ethanol production is referred to as “a part of heavy object”, and the rest is referred to as “the remainder of the heavy object”.
- the moss that occupies most of the weight includes sugars such as starch, lipids, proteins, etc., and when proteins are hydrolyzed by enzyme (protease) treatment, they become amino acids that are essential nutrients of yeast, and are directly Although it does not become a raw material for ethanol, the growth of yeast is promoted, and the amount of yeast added is reduced as compared with the case of using only pulp as a raw material, leading to cost reduction.
- enzyme proteas
- the mixing ratio of “part of heavy weight” to the pulp, which has been obtained by determining the minimum amount of heavy weight addition necessary for promoting the growth of yeast, is the dry weight ratio.
- the upper limit is preferably 0.50, more preferably 0.35, even more preferably 0.20, Ethanol is produced from this mixture as a raw material, but it is not limited to the range of this mixing ratio in all cases.
- biomass that can be used as a raw material can be efficiently taken out without being affected by “dispersion in composition” of general waste and “ratio of heavy to light weight” by pretreatment.
- “dispersion in composition” of general waste and “ratio of heavy to light weight” by pretreatment There is an undeniable possibility that there are extremely many heavy items inside and few light items, or all are heavy items (especially overseas). For example, when there is a lot of leftover food such as noodles, rice, bread, etc.
- the entire heavy product can be used as a raw material for methane production. Since there is a possibility that the general waste part of such composition may be the target raw material, the ratio of “part of heavy material” used for ethanol production and “remaining part of heavy material” used for methane production is not important, A particularly clear and specific range is not fixed, and the “remaining part of heavy material” that is not used for the ethanol raw material can be used for the methane fermentation raw material.
- the energy efficient utilization method in the waste incineration facility with an ethanol production facility after dehydrating at least one of the residue produced in the ethanol production facility and the residue produced in the methane fermentation step, it is preferable to use the exhaust heat obtained by the incineration treatment for the heat sterilization of the biomass and the tank in the ethanol production facility.
- the exhaust heat obtained by the incineration treatment as a heat source for at least one of a culture stage, a saccharification / fermentation stage, and a distillation stage in the ethanol production facility.
- the waste incineration facility in the first invention includes not only incinerators such as stoker type, fluidized bed type, rotary kiln type, but also gasification furnace, melting furnace, gasification melting furnace combining them (with power generation) Other types of conventional incineration facilities may be used.
- a second invention is an effective energy utilization method in a waste incineration facility with an ethanol production facility, further comprising an energy recovery step using the methane as a drive source of a gas engine in the first invention.
- the engine exhaust heat discharged from the gas engine and / or the residue generated in the ethanol production facility, and the methane fermentation process It is preferable to use the exhaust heat obtained by incineration after dehydrating at least one of the residues generated in step 1 for heat sterilization of biomass and / or fermenter in the ethanol production facility.
- the engine exhaust heat discharged from the gas engine and / or the residue generated in the ethanol production facility, and the methane fermentation process
- the methane fermentation process As a heat source for at least one of the culturing stage, saccharification / fermentation stage and distillation stage in the ethanol production facility, at least one of the residues generated in step 1 is dehydrated and then incinerated. It is preferable to use it.
- the engine exhaust heat discharged from the gas engine and / or the residue generated in the ethanol production facility, and the methane fermentation process It is preferable to generate steam by using exhaust heat obtained by incineration after dehydrating at least one of the residues generated in step 1, and recovering electric power from the steam by a steam turbine.
- a reforming step of reforming the water-containing ethanol vapor generated in the ethanol production facility to generate hydrogen gas and a method of effectively using energy in a waste incineration facility with an ethanol production facility, including a step of obtaining electric power with a fuel cell using the hydrogen gas as a hydrogen source.
- the ethanol concentration of the hydrous ethanol is preferably 20 to 40% by weight, more preferably 25 to 35% by weight.
- the hydrated ethanol vapor generated in the ethanol production facility and the methane obtained in the methane fermentation step are separately separated.
- energy in a waste incineration facility with an ethanol production facility comprising: a reforming step of reforming in a mixed state to generate hydrogen gas; and a step of obtaining electric power by a fuel cell using the hydrogen gas. It is an effective utilization method. It is preferable that the total amount of hydrous ethanol vapor generated in the ethanol production facility and / or the total amount of methane obtained in the methane fermentation process is subjected to reforming.
- the ethanol concentration of the hydrous ethanol is preferably 10 to 25% by weight, more preferably 15 to 20% by weight.
- the fuel cell may be a solid oxide fuel cell (SOFC), a solid polymer type (Polymer Electrolyte: PEFC), a phosphoric acid type ( Phosphoric Acid-: PAFC), Molten Carbonate- (MCFC), etc. may be used, and any of them can be applied with hydrogen gas obtained in the reforming step.
- SOFC solid oxide fuel cell
- PEFC Polymer Electrolyte
- PAFC phosphoric Acid-: PAFC
- MCFC Molten Carbonate-
- Each operating temperature and power generation efficiency are as shown in the table below. High-temperature exhaust heat can be obtained (used in ethanol and methane production processes), but not only hydrogen gas obtained by reforming but also carbon monoxide gas can be used.
- Two points for fuel cells other than SOFC, carbon monoxide gas is an inhibitory factor
- the power generation efficiency is the highest at 50-70%, but this is not the basis but the result.
- a part of a heavy material made of garbage and wet paper, obtained by pretreatment of general waste, and / or The distillation residue produced in the ethanol production facility can be methane-fermented to obtain methane.
- the residue generated in the ethanol production facility and / or the waste heat derived from the residue generated in the methane fermentation process is converted into a culture stage, a saccharification / fermentation stage and a distillation stage in the ethanol production facility. Further energy recovery can be achieved by using it as a heat source in at least one of them.
- steam is generated using waste heat derived from the residue generated in the ethanol production facility and / or the residue generated in the methane fermentation process, and electric power is recovered from the steam by a steam turbine. By doing so, further energy recovery can be achieved.
- engine exhaust heat exhausted from the gas engine and / or residue generated in the ethanol production facility and / or exhaust heat derived from the residue generated in the methane fermentation process By using it for heat sterilization of biomass and tanks in an ethanol production facility, an improvement in energy recovery rate can be achieved.
- engine exhaust heat exhausted from the gas engine and / or residue generated in the ethanol production facility and / or exhaust heat derived from the residue generated in the methane fermentation process Further energy recovery can be achieved by using it as a heat source for at least one of a culture stage, a saccharification / fermentation stage, and a distillation stage in an ethanol production facility.
- exhaust heat derived from the engine exhaust heat discharged from the gas engine and / or residue generated in the ethanol production facility and / or residue generated in the methane fermentation process is used. Further energy recovery can be achieved by generating steam and recovering electric power from the steam by a steam turbine.
- further energy recovery is achieved by reforming the water-containing ethanol vapor generated in the ethanol production facility to generate hydrogen gas, and using the hydrogen gas to obtain electric power by a fuel cell. can do.
- the hydrous ethanol vapor generated in the ethanol production facility and the methane obtained in the methane fermentation process are reformed to generate hydrogen gas, and electric power is generated by the fuel cell using the hydrogen gas. To achieve further energy recovery.
- Comparative example 1 (waste incineration power generation only)
- general waste 100 t / d, 9,915 kJ / kg, 275 MWh
- Waste heat generated in a waste incineration facility is converted into steam (359 t / d, 2,991 kJ / kg, 298 MWh) by a boiler, a part of the steam is used as process steam, and the remainder is used for power generation by a steam turbine.
- a part of this electric power (33.2 MWh) is used as private power consumption (18 MWh), and the remainder is used for electric power sales (15.2 MWh).
- the amount of heat generated from the combustion of municipal waste (100 t / d) is 9,915 kJ / kg, and the heat input is 275 MWh.
- the output is obtained by subtracting 18 MWh of private power consumption from the power generation amount of 33.2 MWh obtained by incineration power generation.
- Example 1 In FIG. 1, the general waste (100 t / d, 9,915 kJ / kg, 275 MWh) discharged and collected in a mixed state of various types of waste is roughly crushed in the pretreatment step, and the resulting rough crushed Light weight items with low specific gravity (mainly papers, plastics, 66.8 t / d, 13,753 kJ / kg, 255.2 MWh) and heavy items with high specific gravity (mainly straw) Sort, ie garbage, 33.2t / d).
- Light weight items with low specific gravity mainly papers, plastics, 66.8 t / d, 13,753 kJ / kg, 255.2 MWh
- Heavy items with high specific gravity mainly straw
- the heavy material is divided into two parts, and a raw material slurry (pulp 16% by weight, heavy material 5% by weight) from one heavy material (22.2 t / d, 2,192 kJ / kg, 13.5 MWh) and paper waste pulp described later. ) And is filled into a saccharification / fermentation tank of an ethanol production facility.
- yeast is precultured and / or main cultured in advance, and this is added to the raw material slurry together with an enzyme (cellulase) to hydrolyze cellulose to a monosaccharide that is a constituent sugar,
- the monosaccharide is fermented to produce koji having an ethanol concentration of about 5% by volume.
- the koji obtained by the saccharification / fermentation reaction (ethanol concentration 4.3 wt% is the lower limit of profitability) is distilled and concentrated to around 90 wt%, and then further 99.5 wt% or more by dehydration membrane etc. Concentrate to absolute ethanol.
- the lightweight material is pulped to separate the paper into fibers, the plastics are removed, and the resulting paper waste pulp (109.2 t / d, 3,220 kJ / kg, 97.7 MWh) Combined with heavy items, it is used as a raw material for ethanol production.
- the distillation residue (124.7 t / d, 2,246 kJ / kg, 77.8 MWh) and the remainder of the heavy product (mainly moss or garbage) (that is, the portion not subjected to ethanol production), 11. 0 t / d, 2,192 kJ / kg, 6.7 MWh) is used for methane fermentation as a methane fermentation resource.
- a gas engine is attached to the methane fermentation facility, and methane (11 km 3 / d, 19,705 kJ / kg, 60.2 MWh) in biogas obtained by the methane fermentation facility is used as a drive source of the gas engine. .
- methane 11 km 3 / d, 19,705 kJ / kg, 60.2 MWh
- further energy recovery can be achieved (gas engine power generation 24 MWh, power generation efficiency 30-40%, exhaust heat 6 MWh, 30-40%).
- Waste incineration facilities include residues from the pulping process in ethanol production facilities (24.6 t / d, 23,052 kJ / kg, 157.5 MWh, 10% moisture) and residues from the methane fermentation process (54.5 t / D, 1,116 kJ / kg, 16.9 MWh, moisture 83%) is usually added after dehydration, and if it is difficult to burn only with the above residues, the required amount of general waste is input as it is, and the waste is incinerated. I do.
- the waste incineration facility is provided with a boiler that uses the exhaust heat from here and a steam turbine that uses the steam generated in the boiler, and the waste heat generated in the waste incineration facility is steamed (224.2 t / d) by the boiler. , 2,991 kJ / kg, 186.3 MWh), a part of the steam is used as process steam, and the remainder is used to generate power (18.7 MWh).
- Boiler steam from the boiler and / or extracted steam from the steam turbine are utilized as a heat source for yeast culture (around 30 ° C.), saccharification / fermentation (around 40 ° C.), and distillation (around 80 ° C.) in an ethanol production facility.
- Example 2 In FIG. 2, 17% by weight hydrous ethanol vapor obtained in the distillation stage before concentration to absolute ethanol in an ethanol production facility, and methane (both in total) purified from biogas obtained in the methane fermentation process Is reformed in a mixed state to generate hydrogen gas, and electric power is obtained by SOFC using the obtained hydrogen gas. At this time, the exhaust heat of SOFC is 18.7 MWh, and the amount of power generation is 46.8 MWh.
- Example 2 biogas power generation using methane obtained in the process of concentrating to absolute ethanol in the ethanol production facility and methane fermentation process is not performed.
- the other configuration of the second embodiment is the same as that of the first embodiment.
- Example 3 In FIG. 3, half of the general waste is sent to the ethanol production facility, and the other half is put into the waste incineration facility in the waste incineration facility for incineration.
- hydrous ethanol vapor having a concentration of 30% by weight obtained in the distillation stage before concentration to absolute ethanol is sent to the reformer, where it is reformed to generate hydrogen gas, and the obtained hydrogen gas is Use to get power with SOFC.
- the power generated by SOFC is 8.6 MWh
- the amount of power generated by the steam turbine with a waste incinerator is 32.9 MWh
- the amount of power generated by the gas engine is 12 MWh.
- Example 3 the concentration step up to absolute ethanol in the ethanol production facility is not performed.
- Example 1 out of the total weight (33.2 t / d), 22.2 t / d is used as the ethanol production raw material, and 11 t / d is used as the methane fermentation raw material.
- the energy recovery rate is improved compared to the case of doing so.
- the energy recovery rates in the comparative examples and examples calculated using the heat output as the numerator and the heat input as the denominator are as follows.
- Comparative Example 1 shown in FIG. 4 only waste incineration power generation
- only general waste 100 t / d, 9,915 kJ / kg, 275 MWh
- the waste heat generated in the waste incineration facility is converted into steam (359 t / d, 2,991 kJ / kg, 298 MWh) by a boiler, a part of the steam is used as process steam, and the remainder is used to generate power by a steam turbine ( 33.2 MWh).
- a part of this electric power is used as private power consumption (18 MWh), and the rest is used for electric power sales (15.2 MWh).
- Comparative Example 1 the amount of general waste (100 t / d) and the heat generation amount of 915 MWh based on 9,915 kJ / kg are used as the denominator, and from the power generation amount of 33.2 MWh obtained by waste incineration power generation, power consumption of 18 MWh is obtained.
- Example 1 In Example 1 shown in FIG. 1 (an ethanol production facility and a methane fermentation facility are attached to the waste incineration facility of Comparative Example 1), the amount of heat of (anhydrous) ethanol produced using heat input 275 MWh based on general waste as the denominator 33.
- Example 2 shown in FIG. 2 based on the same calculation as in Comparative Example 1 and Example 1, the hydrated ethanol vapor and methane obtained in the methane fermentation process before concentration to absolute ethanol in the ethanol production facility ( All are reformed separately or in a mixed state to produce hydrogen gas, and when the hydrogen gas is used to convert it into electric power using SOFC, the heat input from general waste is 275 MWh as the denominator.
- Example 2 This is lower than the energy recovery rate (18.7%) of Example 1, because the heat quantity of ethanol 33.4 MWh is converted into electric power with a power generation efficiency of 50%. However, as will be described later, the amount of power generation obtained is maximized.
- the method according to the present invention also contributes to the reduction of CO 2 emissions.
- the water-containing ethanol vapor generated in the distillation process in the ethanol production facility is sent to the reformer to reform it into a hydrogen-containing gas.
- the reforming requires a lot of water.
- methane obtained by purifying the total amount of biogas obtained in the methane fermentation process is also used as a hydrogen source, water-containing ethanol vapor with an ethanol concentration of 17% by weight (water concentration of 83% by weight) is required, and only ethanol is used. In this case, water-containing ethanol vapor having an ethanol concentration of 30% by weight (water concentration of 70% by weight) is required.
- Example 2 In Example 2 (FIG. 2), ethanol (4.5 t / d, 33.4 MWh) produced in Example 1 (FIG. 1) was used as water-containing ethanol vapor having a concentration of 17% by weight during distillation, and Example 1 ( When the biogas (11km 3 / d, 60.2MWh) in Fig. 1) is used as purified methane, and the total amount of each is subjected to SOFC power generation, the maximum power generation amount of 46.8MWh is obtained according to the following calculation formula. Maximization of quantity is achieved.
- Example 2 shown in FIG. 2 when the total amount of methane obtained in the methane fermentation facility is applied to SOFC, the gas engine and related peripheral equipment are not required, and the equipment cost required for these is reduced. You can save.
- Example 1 the residue discharged from the pulping process (plastics: water 10% by weight, 24.6 t / d, 23) , 052 kJ / kg, 157.5 MWh), and residue discharged from the methane fermentation facility (dehydrated cake obtained by dehydrating the final digested liquid: moisture 83 wt%, 54.5 t / d, 1,116 kJ / kg, 16.9 MWh) ).
- the residue contains a lot of moisture, as shown in the following calculation formula, the mixture obtained by mixing both residues can be burned, and the steam generated by using the exhaust heat generated while incineration is surely performed.
- This estimate is also based on the composition of general waste in Sakai City, as described above. For example, when general waste with plastics less than the average is accepted, it is derived from residues discharged from the pulping process and methane fermentation equipment. It is expected that the amount of heat per weight of the mixture of residues discharged will be low and will not burn.
- a part of the general waste (100 t / d) in FIG. 1 is added to the residue.
- the general waste is replenished so that the amount of heat per total weight obtained by mixing a part of the general waste and the entire residue becomes 1,900 kcal / kg, as shown in the above formula.
- Vehicles carrying general waste have a CO 2 emission of 0.487 kg-CO 2 / km ⁇ vehicle, and vehicles carrying ash, ethanol and RPF have a CO 2 emission of 1.38 kg-CO 2.
- Ethanol is used as an alternative to gasoline and uses CO 2 emission intensity in terms of calorific value.
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Abstract
【課題】 エネルギー回収率のさらなる向上を達成することができる、エタノール製造設備併設廃棄物焼却施設における新規エネルギー有効利活用方法を提供する。 【解決手段】 本発明は、一般廃棄物中のバイオマスに含まれる糖質からバイオエタノールを生成するエタノール製造設備を併設した廃棄物焼却施設において、一般廃棄物を前処理して得られた、生ごみと湿った紙類からなる重量物の一部と、乾いた紙類とプラスチック類からなる軽量物から分離したパルプとを混合し、この混合物を発酵させるエタノール製造工程に加え、前記重量物の残部および/またはエタノール製造工程で生じた蒸留残渣を発酵させるメタン製造工程を行うことを特徴とする、エタノール製造設備併設廃棄物焼却施設におけるエネルギー有効利活用方法である。
Description
本発明は、一般廃棄物に含まれる紙類を中心としたセルロース系のバイオマスを構成糖である単糖まで酵素糖化し、さらにこれを発酵させてエタノールを生成するエタノール製造設備を併設した廃棄物焼却施設において、生成するエネルギーを有効に利活用する方法に関するものである。
本出願人は、先に、エタノール製造設備を併設した廃棄物焼却施設において、エネルギーを有効に利活用する方法を提案した(特許文献1)。この方法では、様々な種類のごみが混合した状態で回収される一般廃棄物を粗破砕した後、得られた粗破砕物を破砕分別機で比重の低い軽量物(主に紙類、プラスチック類)と水分を多く含み比重の高い重量物(主に厨芥類すなわち生ごみ)とに分別し、さらに軽量物には水を加えてパルピング処理して紙を離解させ、(離解しない)プラスチック類と分離し、得られたパルプを原料スラリーとし、これからエタノールを製造する。
そして、廃棄物焼却施設から出る排熱を用いるボイラと、該ボイラで生じる蒸気を用いる蒸気タービンとを同焼却施設に付設し、ここから出る焼却排熱あるいはボイラから出るボイラ蒸気および/または蒸気タービンから出る抽気蒸気をエタノール製造工程における酵母の培養(30℃前後)、糖化発酵(40℃前後)、蒸留(80℃前後)の熱源として利用することで、エタノール製造コストおよびCO2排出量の低減を図っている。
そして、廃棄物焼却施設から出る排熱を用いるボイラと、該ボイラで生じる蒸気を用いる蒸気タービンとを同焼却施設に付設し、ここから出る焼却排熱あるいはボイラから出るボイラ蒸気および/または蒸気タービンから出る抽気蒸気をエタノール製造工程における酵母の培養(30℃前後)、糖化発酵(40℃前後)、蒸留(80℃前後)の熱源として利用することで、エタノール製造コストおよびCO2排出量の低減を図っている。
従来、廃棄物焼却施設や燃料電池からの排熱をバイオガスやバイオエタノールの製造工程の熱源に利用する技術は公知である(特許文献2および3や非特許文献1など)。例えば、特許文献2の段落[0026]~[0027]には、廃棄物燃焼施設から出る排熱を乾式メタン発酵施設へ送って有効利用することが記載され、このような排熱利用が図3および図4に示されている。特許文献3の段落[0049]には燃料電池から出る排熱を分離回収部におけるアルコール成分の蒸留分離の熱源として利用したり、発酵部の保温に利用したりすることが記載され、このような排熱利用が図2に示されている。非特許文献1は“Production of hydrogen for fuel cells by reformation of biomass-derived ethanol”と題する論文を載せた学術誌であって、その第146頁のFig.1には、燃料電池その他から出る排熱を嫌気性消化工程などへ送って有効利用することが示されている。
Catalysis Today 75 (2002) 145-155
特許文献1記載の方法においては、エタノール製造工程での機械分別およびパルピング処理によって紙類と分離した非エタノール原料(プラスチック等の異物)、あるいは発酵醪の蒸留工程で発生した残渣の脱水物は、焼却処理することを想定している。一般廃棄物100t/dをごみ焼却発電で処理する場合のエネルギー回収率は後述の比較例1に記載のとおり約5.5%であるが、この値は満足なものではなく、エネルギー回収率のさらなる向上が望まれる。
また、特許文献2、特許文献3および非特許文献1の方法でも、満足なエネルギー回収率は得られず、エネルギー回収率のさらなる向上が望まれる。
本発明者は、上述した実情に鑑み鋭意研究を重ね、廃棄物焼却施設にエタノール製造設備および発電用蒸気タービンだけでなく、メタン発酵設備、ガスエンジン、固体酸化物型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell、以下「SOFC」と記す)を付設して、エネルギーを回収すると共に、これらから出る排熱をエタノール製造設備における諸段階の熱源として用いることで、エネルギー回収率のさらなる向上を達成することができる、エタノール製造設備併設廃棄物焼却施設における新規エネルギー有効利活用方法を完成するに至った。
第1の発明は、一般廃棄物中のバイオマスに含まれる糖質からバイオエタノールを生成するエタノール製造設備を併設した廃棄物焼却施設において、一般廃棄物を前処理して得られた、生ごみと湿った紙類からなる重量物の一部と、乾いた紙類とプラスチック類からなる軽量物から分離したパルプとを混合し、この混合物を発酵させるエタノール製造工程に加え、前記重量物の残部および/またはエタノール製造工程で生じた蒸留残渣を発酵させるメタン製造工程を行うことを特徴とする、エタノール製造設備併設廃棄物焼却施設におけるエネルギー有効利活用方法である。
一般廃棄物組成の一例として全国平均値(環境省ホームページの平成23年度データより試算した湿重量%)を挙げると、厨芥類14.9%、紙類48.3%、草木類9.5%、布革類-%(布は紙類、革はプラスチック類に含まれる)、プラスチック類20.4%、不燃物7.0%である。一方、某市の組成(平成24年度、同市環境政策局事業概要より試算した湿重量%)は、厨芥類30.4%、紙類36.6%、草木類5.5%、布革類6.7%、プラスチック類16.2%、不燃物4.6%と、両者にはばらつきがあるが、前記前処理によってこれに対応することができる。具体的には、二軸破砕機で粗破砕した粗破砕物は、コンベアを介してブレードとスクリーンから構成される破砕分別機に供給され、ここで高速回転するブレードにより(本)破砕するとともに、回転による風力で比重の小さいプラスチック類や乾いた紙類は軽量物として回収、スクリーン径以下で比重の大きい厨芥類や湿った紙類は、重量物として回収する。前者(軽量物)はさらにパルピング処理してパルプのみを分離・回収することで、“組成のばらつき”、“重量物-軽量物の割合”に影響されることなく、エタノールやバイオガスの原料になりうるバイオマスを効率的に取り出すことができる。以降、重量物全量のうち、エタノール製造に供するものを「重量物の一部」、それ以外を「重量物の残部」と記す。
重量物の大半を占める厨芥類にはデンプンなどの糖質、脂質、タンパク質等も含まれ、タンパク質を酵素(プロテアーゼ)処理して加水分解すると、酵母の必須栄養成分であるアミノ酸になり、直接的なエタノール原料にはならないが、酵母の増殖が助長され、パルプだけを原料とする場合よりも酵母の添加量が低減され、コストダウンにつながる。
酵母の増殖助長に必要な最低限の重量物添加量を見極めて導き出した「重量物の一部」のパルプに対する混合比率は、乾燥重量比で、パルプを一律で1とした場合、下限値が、好ましくは0.02、より好ましくは0.05、さらにより好ましくは0.10であり、上限値が好ましくは0.50、より好ましくは0.35、さらにより好ましくは0.20であり、この混合物を原料にエタノールを製造するが、全ての場合においてこの混合比率の範囲に限定されるものではない。
本発明では前処理によって一般廃棄物の“組成のばらつき”、“重量物-軽量物の割合”に影響されることなく、原料になりうるバイオマスを効率的に取り出すことができるが、一般廃棄物中の重量物が極端に多く軽量物が少ない、あるいは全てが重量物といった可能性も否定できない(特に海外の場合)。例えば、重量物(=生ごみ)中に湿った紙類の他にデンプン質、具体的には麺、飯、パン等の残飯が多い場合は、セルラーゼの他にアミラーゼも添加する以外は同様の方法で重量物をエタノール製造に供し、あるいは重量物中に湿った紙類やデンプン質が少なく、脂質やタンパク質が大半を占める場合は、重量物全量をメタン製造原料に供すこともできる。このような組成の一般廃棄部が対象原料となる可能性もあることから、エタノール製造に供する「重量物の一部」とメタン製造に供する「重量物の残部」との割合は重要ではなく、特に明確かつ具体的な範囲を固定することはなく、あくまでもエタノール原料に供さない「重量物の残部」をメタン発酵原料に供することもできるのが特徴である。
第1の発明によるエタノール製造設備併設廃棄物焼却施設におけるエネルギー有効利活用方法において、前記エタノール製造設備で生じた残渣、および前記メタン発酵工程で生じた残渣のうちの少なくとも一方の残渣を脱水後、焼却処理して得られた排熱を、前記エタノール製造設備におけるバイオマスおよび槽の加熱殺菌に用いることが好ましい。
第1の発明によるエタノール製造設備併設廃棄物焼却施設におけるエネルギー有効利活用方法において、前記エタノール製造設備で生じた残渣、および前記メタン発酵工程で生じた残渣のうちの少なくとも一方の残渣を脱水後、焼却処理して得られた排熱を、前記エタノール製造設備における培養段階、糖化・発酵段階および蒸留段階のうちの少なくとも1段階の熱源として利用することが好ましい。
第1の発明によるエタノール製造設備併設廃棄物焼却施設におけるエネルギー有効利活用方法において、前記エタノール製造設備で生じた残渣、および前記メタン発酵工程で生じた残渣のうちの少なくとも一方の残渣を脱水後、焼却処理して得られた排熱を利用して蒸気を生成し、前記蒸気から蒸気タービンによって電力を回収することが好ましい。
第1の発明における廃棄物焼却施設は、ストーカ式、流動床式、ロータリーキルン式などの焼却炉のみならず、ガス化炉、溶融炉、それらを合わせたガス化溶融炉など、(発電を伴う)他のタイプの従来の焼却施設であってよい。
第2の発明は、第1の発明において、さらに前記メタンをガスエンジンの駆動源として用いるエネルギー回収工程を含むことを特徴とする、エタノール製造設備併設廃棄物焼却施設におけるエネルギー有効利活用方法である。
第2の発明によるエタノール製造設備併設廃棄物焼却施設におけるエネルギー有効利活用方法において、前記ガスエンジンから排出されるエンジン排熱、および/または、前記エタノール製造設備で生じた残渣、および前記メタン発酵工程で生じた残渣のうちの少なくとも一方の残渣を脱水後、焼却処理して得られた排熱を、前記エタノール製造設備におけるバイオマスおよび/または発酵槽の加熱殺菌に用いることが好ましい。
第2の発明によるエタノール製造設備併設廃棄物焼却施設におけるエネルギー有効利活用方法において、前記ガスエンジンから排出されるエンジン排熱、および/または、前記エタノール製造設備で生じた残渣、および前記メタン発酵工程で生じた残渣のうちの少なくとも一方の残渣を脱水後、焼却処理して得られた排熱を、前記エタノール製造設備における培養段階、糖化・発酵段階および蒸留段階のうちの少なくとも1段階の熱源として利用することが好ましい。
第2の発明によるエタノール製造設備併設廃棄物焼却施設におけるエネルギー有効利活用方法において、前記ガスエンジンから排出されるエンジン排熱、および/または、前記エタノール製造設備で生じた残渣、および前記メタン発酵工程で生じた残渣のうちの少なくとも一方の残渣を脱水後、焼却処理して得られた排熱を利用して蒸気を生成し、前記蒸気から蒸気タービンによって電力を回収することが好ましい。
第3の発明は、第1の発明および第2の発明、ならびにそれらの好ましい実施形態において、さらに、前記エタノール製造設備で発生する含水エタノール蒸気を改質し、水素ガスを生成する改質工程と、前記水素ガスを水素源として燃料電池によって電力を得る工程とを含む、エタノール製造設備併設廃棄物焼却施設におけるエネルギー有効利活用方法である。含水エタノールのエタノール濃度は、好ましくは20~40重量%、より好ましくは25~35重量%である。
第4の発明は、第1の発明および第2の発明、ならびにそれらの好ましい実施形態において、さらに、前記エタノール製造設備で発生する含水エタノール蒸気とメタン発酵工程で得られたメタンとを別々に、または混合状態で改質し、水素ガスを生成する改質工程と、前記水素ガスを用いて燃料電池によって電力を得る工程とを含むことを特徴とする、エタノール製造設備併設廃棄物焼却施設におけるエネルギー有効利活用方法である。前記エタノール製造設備で発生する含水エタノール蒸気の全量、および/または、メタン発酵工程で得られたメタンの全量を改質に供することが好ましい。第4の発明では含水エタノールのエタノール濃度は、好ましくは10~25重量%、より好ましくは15~20重量%である。
第3の発明および第4の発明において、燃料電池は、固体酸化物型燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell:SOFC)の他、固体高分子型-(Polymer Electrolyte-:PEFC)、リン酸型-(Phosphoric Acid -:PAFC)、溶融炭酸塩型-(Molten Carbonate-:MCFC)などであってよく、いずれも改質工程で得られた水素ガスの適用が可能である。それぞれの運転温度と発電効率は以下表の通りであるが、高温排熱が得られる(エタノール、メタン製造工程に利用)、改質で得られた水素ガスのみならず一酸化炭素ガスも利用できる(SOFC以外の燃料電池では、一酸化炭素ガスは阻害因子)の2点が、SOFCが本発明方法に最も適していることの根拠である。なお、発電効率も50~70%と最も高いが、これは根拠ではなく、あくまでも結果論である。
第1の発明によれば、エタノール製造設備を併設した廃棄物焼却施設において、一般廃棄物を前処理して得られた、生ごみと湿った紙類から成る重量物の一部、および/または、エタノール製造設備で生じた蒸留残渣をメタン発酵させてメタンを得ることができる。
醪を蒸留してエタノール成分が抜けた残渣中には、直接エタノール原料にならない生ごみ由来の脂質やタンパク質の他、酵素糖化されなかったパルプ(糖質)、あるいは酵母の死骸などが残存しており、これらはいずれもメタン発酵基質となり得る。そこでこの蒸留残渣と、エタノール発酵に供さなかった生ごみと湿った紙類から成る重量物の一部とを合わせてメタン発酵させることで、エネルギーの回収を達成することができる。
第1の発明において、前記エタノール製造設備で生じた残渣、および/または、前記メタン発酵工程で生じた残渣に由来する排熱を、前記エタノール製造設備におけるバイオマスおよび槽の加熱殺菌に用いることで、さらなるエネルギー回収を達成することができる。
第1の発明において、前記エタノール製造設備で生じた残渣、および/または、前記メタン発酵工程で生じた残渣に由来する排熱を、前記エタノール製造設備における培養段階、糖化・発酵段階および蒸留段階のうちの少なくとも1段階の熱源として利用することで、さらなるエネルギー回収を達成することができる。
第1の発明において、前記エタノール製造設備で生じた残渣、および/または、前記メタン発酵工程で生じた残渣に由来する排熱を利用して蒸気を生成し、前記蒸気から蒸気タービンによって電力を回収することで、さらなるエネルギー回収を達成することができる。
第2の発明によれば、第1の発明において、さらに前記メタンをガスエンジンの駆動源として用いることで、エネルギーのさらなる回収を達成することができる(ガスエンジン発電の発電効率は30~40%、排熱30~40%)。
第2の発明において、前記ガスエンジンから排出されるエンジン排熱、および/または、前記エタノール製造設備で生じた残渣、および/または、前記メタン発酵工程で生じた残渣に由来する排熱を、前記エタノール製造設備におけるバイオマスおよび槽の加熱殺菌に用いることで、エネルギー回収率の向上を達成することができる。
第2の発明において、前記ガスエンジンから排出されるエンジン排熱、および/または、前記エタノール製造設備で生じた残渣、および/または、前記メタン発酵工程で生じた残渣に由来する排熱を、前記エタノール製造設備における培養段階、糖化・発酵段階および蒸留段階のうちの少なくとも1段階の熱源として利用することで、さらなるエネルギー回収を達成することができる。
第2の発明において、前記ガスエンジンから排出されるエンジン排熱、および/または、前記エタノール製造設備で生じた残渣、および/または、前記メタン発酵工程で生じた残渣に由来する排熱を利用して蒸気を生成し、前記蒸気から蒸気タービンによって電力を回収することで、さらなるエネルギー回収を達成することができる。
第3の発明によれば、さらに前記エタノール製造設備で発生する含水エタノール蒸気を改質して水素ガスを生成させ、前記水素ガスを用いて燃料電池によって電力を得ることで、さらなるエネルギー回収を達成することができる。
第4の発明によれば、さらに前記エタノール製造設備で発生する含水エタノール蒸気とメタン発酵工程で得られたメタンとを改質して水素ガスを生成させ、前記水素ガスを用いて燃料電池によって電力を得ることで、さらなるエネルギー回収を達成することができる。
このように、本発明によれば、エネルギー回収率の大幅な向上を達成することができる。
つぎに、本発明を具体的に説明する実施例および従来技術を示す比較例を幾つか挙げるが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
比較例1(ごみ焼却発電のみ)
図4において、様々な種類のごみが混合した状態で排出・回収される一般廃棄物(100t/d、9,915kJ/kg、275MWh)を廃棄物焼却施設に投入し、焼却処理する。廃棄物焼却施設で生じた排熱をボイラによって蒸気(359t/d、2,991kJ/kg、298MWh)に変換し、該蒸気の一部をプロセス用蒸気として用い、残部を蒸気タービンによる発電に供する。この電力(33.2MWh)の一部を自家消費電力(18MWh)として用い、残部を売電(15.2MWh)に供する。
一般廃棄物量(100t/d)の燃焼による発熱量9,915kJ/kgに基づく入熱275MWhを分母とし、それをごみ焼却発電して得られる発電量33.2MWhから自家消費電力18MWhを差し引いた出熱15.2MWhを分子として算出したエネルギー回収率試算は、
(33.2-18)/275×100=5.5(%)
であった。この試算に際しては、前述した某市の一般廃棄物の組成割合(湿重量%で厨芥類30.4%、紙類36.6%、草木類5.5%、布革類6.7%、プラスチック類16.2%、不燃物4.6%)を適用しており、以下の実施例1~3におけるエネルギー回収率も、この割合に基づいた試算結果である。
(33.2-18)/275×100=5.5(%)
であった。この試算に際しては、前述した某市の一般廃棄物の組成割合(湿重量%で厨芥類30.4%、紙類36.6%、草木類5.5%、布革類6.7%、プラスチック類16.2%、不燃物4.6%)を適用しており、以下の実施例1~3におけるエネルギー回収率も、この割合に基づいた試算結果である。
実施例1
図1において、様々な種類のごみが混合した状態で排出・回収される一般廃棄物(100t/d、9,915kJ/kg、275MWh)を前処理工程において粗破砕した後、得られた粗破砕物を破砕分別機で比重の低い軽量物(主に紙類、プラスチック類、66.8t/d、13,753kJ/kg、255.2MWh)と水分を多く含み比重の高い重量物(主に厨芥類すなわち生ごみ、33.2t/d)とに分別する。
前記重量物を2分割し、一方の重量物(22.2t/d、2,192kJ/kg、13.5MWh)と後述する紙ごみパルプとから原料スラリー(パルプ16重量%、重量物5重量%)を調製し、これをエタノール製造設備の糖化・発酵槽へ充填する。
エタノール製造設備では、予め酵母を前培養、および/または、本培養しておき、これを酵素(セルラーゼ)とともに前記原料スラリーに添加して、構成糖である単糖までセルロースを加水分解すると共に、該単糖を発酵させて、エタノール濃度5容積%程度の醪を生成する。糖化・発酵反応で得られた醪(エタノール濃度4.3重量%が採算性の下限)を蒸留して90重量%前後まで濃縮し、その後は脱水膜等により、さらに99.5重量%以上の無水エタノールまで濃縮する。
一方、前記軽量物は、パルピング処理して紙を繊維状に離解させ、プラスチック類を除去し、得られた紙ごみパルプ(109.2t/d、3,220kJ/kg、97.7MWh)を前記重量物と合せてエタノール製造原料に供する。
上述したように、エタノール製造設備において、醪を蒸留してエタノール成分が抜けた残渣中には、直接エタノール原料にならない生ごみ由来の脂質やタンパク質の他、酵素糖化されなかったパルプ(糖質)、あるいは酵母の死骸などが残存しており、これらはいずれもメタン発酵基質となり得る。そこで、該蒸留残渣(124.7t/d、2,246kJ/kg、77.8MWh)と、前記重量物(主に厨芥類すなわち生ごみ)の残部(すなわちエタノール製造に供しなかった部分、11.0t/d、2,192kJ/kg、6.7MWh)とを、メタン発酵に供してメタン発酵資源として利活用する。
さらに、前記メタン発酵設備にガスエンジンを付設し、前記メタン発酵設備で得られたバイオガス中のメタン(11km3/d、19,705kJ/kg、60.2MWh)をガスエンジンの駆動源として用いる。これによって、さらなるエネルギーの回収を達成することができる(ガスエンジン発電24MWh、発電効率30~40%、排熱6MWh、30~40%)。
廃棄物焼却施設には、エタノール製造設備におけるパルピング工程から出る残渣(24.6t/d、23,052kJ/kg、157.5MWh、水分10%)、および、メタン発酵工程から出る残渣(54.5t/d、1,116kJ/kg、16.9MWh、水分83%)を通常は脱水処理したあと投入し、上記残渣だけでは燃えにくい場合は一般廃棄物をそのまま必要量投入し、廃棄物の焼却処理を行う。
廃棄物焼却施設には、ここから出る排熱を用いるボイラと、該ボイラで生じる蒸気を用いる蒸気タービンとを付設し、廃棄物焼却施設で生じた排熱をボイラによって蒸気(224.2t/d、2,991kJ/kg、186.3MWh)に変換し、該蒸気の一部をプロセス用蒸気として用い、残部を用いて蒸気タービンによって発電(18.7MWh)をする。ボイラから出るボイラ蒸気および/または蒸気タービンから出る抽気蒸気をエタノール製造設備における酵母の培養(30℃前後)、糖化・発酵(40℃前後)、蒸留(80℃前後)の熱源として利活用する。
実施例2
図2において、エタノール製造設備において無水エタノールまで濃縮する前の蒸留段階で得られた濃度17重量%の含水エタノール蒸気と、メタン発酵工程で得られたバイオガスを精製したメタン(いずれも全量)とを改質器へ送りここで混合状態で改質して水素ガスを生成させ、得られた水素ガスを用いてSOFCで電力を得る。この時SOFCの排熱は18.7MWhであり、発電量は46.8MWhである。
実施例2ではエタノール製造設備において無水エタノールまで濃縮する工程、および、メタン発酵工程で得られたメタンを用いるバイオガス発電は行わない。
実施例2のその他の構成は実施例1のものと同じである。
実施例3
図3において、一般廃棄物の半分をエタノール製造設備へ送り、残り半分をそのまま廃棄物焼却施設におけるごみ焼却設備に投入して焼却処理に付す。
エタノール製造設備において無水エタノールまで濃縮する前の蒸留段階で得られた濃度30重量%の含水エタノール蒸気を改質器へ送り、ここで改質して水素ガスを生成させ、得られた水素ガスを用いてSOFCで電力を得る。SOFCによる電力は8.6MWh、ごみ焼却設備付設の蒸気タービンによる発電量は32.9MWh、ガスエンジン発電量は12MWhである。
実施例3では、エタノール製造設備における無水エタノールまでの濃縮工程は行わない。
実施例3のその他の構成は実施例1のものと同じである。
次に本発明による効果を、実施例と比較例を基に具体的に説明する。
(1)メタン発酵工程の導入効果
特許文献1の方法では、100t/d規模の焼却炉の場合、50t/dをそのまま焼却し、残り50t/dからエタノール原料を分離してエタノールを製造し、非原料のプラスチック類と蒸留残渣は焼却処理していたが、上記実施例1では一般廃棄物100t/dからエタノール発酵原料およびメタン発酵原料を分離してエタノールとメタンを製造する。非原料のプラスチック類とメタン発酵で発生した残渣は焼却処理することで、エタノール製造原料の絶対量が増加し、エタノール製造量も増加する。
上記実施例1では、重量物全量(33.2t/d)のうち、22.2t/dをエタノール製造原料とし、11t/dをメタン発酵原料とすることで、全量を燃やしてごみ焼却発電をする場合よりもエネルギー回収率は向上する。
出熱を分子、入熱を分母として算出した比較例および実施例におけるエネルギー回収率は、以下の通りである。
図4に示す比較例1(ごみ焼却発電のみ)では、廃棄物焼却施設には、一般廃棄物(100t/d、9,915kJ/kg、275MWh)のみを投入する。廃棄物焼却施設で生じた排熱をボイラによって蒸気(359t/d、2,991kJ/kg、298MWh)に変換し、該蒸気の一部をプロセス蒸気として用い、残部を用いて蒸気タービンによって発電(33.2MWh)をする。この電力の内の一部を自家消費電力(18MWh)として用い、残部を売電(15.2MWh)に供する。
比較例1では、一般廃棄物量(100t/d)、その発熱量9,915kJ/kgに基づく入熱275MWhを分母とし、それをごみ焼却発電して得られる発電量33.2MWhから消費電力18MWhを差し引いた出熱15.2MWhを分子として算出したエネルギー回収率試算は、
(33.2-18)/275×100=5.5(%)
である。
(33.2-18)/275×100=5.5(%)
である。
図1に示す実施例1(比較例1のごみ焼却施設にエタノール製造設備およびメタン発酵設備を付帯)では、一般廃棄物に基づく入熱275MWhを分母とし、製造した(無水)エタノールの熱量33.4MWhとごみ焼却設備付設の蒸気タービンによる発電量18.7MWhとガスエンジン発電量24MWhの和から消費電力24.7MWhを差し引いた出熱51.4MWhを分子として算出したエネルギー回収率試算は、
(33.4+24+18.7-24.7)/275×100=18.7(%)
である。なお、エタノールは電力に変換せず、そのまま燃料や化成品として使用するとの前提である。
(33.4+24+18.7-24.7)/275×100=18.7(%)
である。なお、エタノールは電力に変換せず、そのまま燃料や化成品として使用するとの前提である。
図2に示す実施例2では、比較例1および実施例1と同様の計算に基づき、前記エタノール製造設備において無水エタノールまで濃縮する前の段階の含水エタノール蒸気とメタン発酵工程で得られたメタン(いずれも全量)とを別々にまたは混合状態で改質して水素ガスを生成させ、前記水素ガスを用いてSOFCで電力に変換する場合、一般廃棄物による入熱275MWhを分母とし、SOFCによる電力46.8MWhとごみ焼却設備付設の蒸気タービンによる発電量18.7MWhの和から消費電力24.7MWhを差し引いた出熱40.8MWhを分子として算出したエネルギー回収率試算は、
(46.8+18.7-24.7)/275×100=14.8(%)
である。
(46.8+18.7-24.7)/275×100=14.8(%)
である。
これは実施例1のエネルギー回収率(18.7%)より低いが、その理由はエタノールの熱量33.4MWhを発電効率50%で電力に変換するためである。ただし、後述する通り、得られる発電量は最大となる。
図3に示す実施例3では、前記エタノール製造設備において無水エタノールまで濃縮する前の段階の含水エタノール蒸気を改質して水素ガスを生成させ、前記水素ガスを用いてSOFCで電力に変換する場合、一般廃棄物による入熱275MWhを分母とし、SOFCによる電力8.6MWhとごみ焼却設備付設の蒸気タービンによる発電量32.9MWhとガスエンジン発電量12MWhの和から消費電力24.0MWhを差し引いた出熱29.5MWhを分子として算出したエネルギー回収率試算は、
(8.6+12+32.9-24.0)/275×100=10.7(%)
である。
(8.6+12+32.9-24.0)/275×100=10.7(%)
である。
このように、実施例1~3により得られたエネルギー回収率試算は、比較例1で得られたものに比べ大幅な向上が認められる。
(2)CO2排出量の削減効果
一般廃棄物量100t/dに対し焼却処理のみを行う場合(以下、「焼却処理のみ」と記す)と、これにごみ焼却発電工程を加えた比較例1と、比較例1にさらにエタノール製造工程とメタン発酵工程とガスエンジン発電工程を加えた実施例1とにおいて、各CO2排出量の試算値を表1-1に示す。「焼却処理のみ」に対し、実施例1のCO2排出量は、一般廃棄物あたり140.277kg-CO2/tで、比較例1よりも一般廃棄物あたり93.795kg-CO2/tを削減できる結果となった。
一方、「焼却処理のみ」(比較対象)のCO2排出量を「回避されるCO2排出量」とした場合のCO2削減率の試算結果を表1-2に示す。実施例1では、一般廃棄物を利用した焼却発電、エタノール製造のいずれでも、CO2削減率が84%となった。
このように、本発明による方法は、CO2排出量の削減にも寄与する。
(3)SOFCの導入効果
本発明の実施形態の1つとして、エタノール製造設備で発生する含水エタノール蒸気を改質して水素ガスを生成させ、この水素ガスを用いてSOFCによって電力を得る場合と、エタノール製造設備で発生する含水エタノール蒸気とメタン発酵工程で得られたメタンとを改質して水素ガスを生成させ、この水素ガスを用いてSOFCによって電力を得る場合とがあり、これらいずれの場合も下記のようなSOFCの導入効果が発揮される。
(i) 発電量の最大化
エタノールを車両燃料や化成品原料として用いる場合、先ず糖化・発酵反応で得られた醪(エタノール濃度4.3重量%が採算性の下限)を蒸留して90重量%前後まで濃縮し、次いでこれを脱水膜等により99.5重量%以上の無水エタノールまで濃縮するのが一般的である。
しかし、エタノールを上記用途に用いず、発電量を最大化したい場合は、未濃縮エタノール全量を発電効率が50%と高いSOFC発電の水素源として適用できる。この場合、先ずエタノール製造設備における蒸留工程において生じた含水エタノール蒸気を改質器に送り、これを水素含有ガスに改質する。この場合、改質には多くの水が必要である。また、メタン発酵工程で得られたバイオガス全量を精製し得られたメタンも水素源として用いる場合は、エタノール濃度17重量%(水分濃度83重量%)の含水エタノール蒸気が必要であり、エタノールのみの場合は、エタノール濃度30重量%(水分濃度70重量%)の含水エタノール蒸気が必要である。
実施例2(図2)では、実施例1(図1)において製造されるエタノール(4.5t/d、33.4MWh)を蒸留途上の濃度17重量%の含水エタノール蒸気として、実施例1(図1)におけるバイオガス(11km3/d、60.2MWh)を精製メタンとして、それぞれの全量をSOFC発電に供した場合、以下試算式の通り、46.8MWhの最大発電量が得られ、発電量の最大化が達成される。
(60.2+33.4)×0.5(発電効率)=46.8(MWh)
(ii)エタノール精製およびバイオガス発電に要すコストの節減
エタノールを車両燃料や化成品原料に用いる場合のように99.5重量%以上の無水エタノールを得る必要がなく、蒸留途上の含水エタノール蒸気を適用できるため、蒸留後の冷却、凝縮に要すエネルギー・コストを削減できる。例えば、エタノールを車両燃料や化成品原料に用いる場合、不純物を基準値まで除去することが必要で、国内では燃料用エタノール規格JIS(K2190)として、表2の各種成分の規制値が設けられている(実証試験で実際の一般廃棄物から製造したエタノールの一部を無水化して当該成分を分析し、表2に併記の通り、燃料用エタノール規格を満たすことを確認済み)。
(60.2+33.4)×0.5(発電効率)=46.8(MWh)
(ii)エタノール精製およびバイオガス発電に要すコストの節減
エタノールを車両燃料や化成品原料に用いる場合のように99.5重量%以上の無水エタノールを得る必要がなく、蒸留途上の含水エタノール蒸気を適用できるため、蒸留後の冷却、凝縮に要すエネルギー・コストを削減できる。例えば、エタノールを車両燃料や化成品原料に用いる場合、不純物を基準値まで除去することが必要で、国内では燃料用エタノール規格JIS(K2190)として、表2の各種成分の規制値が設けられている(実証試験で実際の一般廃棄物から製造したエタノールの一部を無水化して当該成分を分析し、表2に併記の通り、燃料用エタノール規格を満たすことを確認済み)。
また、化成品原料への適用も視野に入れて実証試験で得たエタノール蒸留液(エタノール濃度約50重量%)についても、表3に示すエタノールの沸点前後の有機成分をピックアップして定性分析を実施したうえ、存在の可能性が示唆された成分を定量分析したところ、表4に示す通り、酵母によるエタノール以外の発酵副産物として、メタノール、1-プロパノール、1-ペンタノールといった不純物が1,000mg/L濃度以上で混入していることを確認した。これら不純物はいずれもSOFCの水素源として利用できるため、蒸留に際しては、燃料や化成品原料の場合ほど不純物の除去に留意しなくて良い。
一方、図2に示す実施例2のように、メタン発酵設備で得られたメタンの全量をSOFCに適用する場合は、ガスエンジンおよびそれに関連する周辺機器が不要となり、これらに要す設備費が節減できる。
(4)残渣の衛生的処理
図1に示す実施例1では、ごみ焼却設備で処理されるのは、パルピング工程から排出される残渣(プラスチック類:水分10重量%、24.6t/d、23,052kJ/kg、157.5MWh)、およびメタン発酵設備から排出される残渣(最終消化液を脱水処理した脱水ケーキ:水分83重量%、54.5t/d、1,116kJ/kg、16.9MWh)である。後者の残渣は水分を多く含むが、下記試算式に示すように、両残渣を混合した混合物を燃焼することができ、これを確実に焼却処理しつつ、発生する排熱を利用して蒸気タービン発電による電力(18.7MWh)と、エタノール製造の熱源に適用できる排熱(33.3MWh)を得ることができる。
((24.6×23,052)+(54.5×1,116))/(24.6+54.5)=7,938kJ/kg(約1,900kcal/kg)
なお、この試算も前述した某市の一般廃棄物の組成に基づいているが、例えば、プラスチック類が平均よりも少ない一般廃棄物を受け入れた場合、パルピング工程から排出される残渣およびメタン発酵設備から排出される残渣の混合物の重量あたりの熱量が低くなり、燃焼しないことも予想される。この対策としては、図1中の一般廃棄物(100t/d)の一部を上記残渣に足す。具体的には上記試算式に示す通り、一般廃棄物の一部と上記残渣全体とを混合した全重量当たりの熱量が1,900kcal/kgになるように、一般廃棄物を補充する。
補足2)エタノールは、ガソリン代替使用とし、熱量換算のCO2排出原単位を使用
Claims (10)
- 一般廃棄物中のバイオマスに含まれる糖質からバイオエタノールを生成するエタノール製造設備を併設した廃棄物焼却施設において、一般廃棄物を前処理して得られた、生ごみと湿った紙類からなる重量物の一部と、乾いた紙類とプラスチック類からなる軽量物から分離したパルプとを混合し、この混合物を発酵させるエタノール製造工程に加え、前記重量物の残部および/またはエタノール製造工程で生じた蒸留残渣を発酵させるメタン製造工程を行うことを特徴とする、エタノール製造設備併設廃棄物焼却施設におけるエネルギー有効利活用方法。
- 前記エタノール製造工程で生じた残渣、および前記メタン製造工程で生じた残渣のうちの少なくとも一方の残渣を脱水後、焼却処理して得られた排熱を、前記エタノール製造設備におけるバイオマスおよび槽の加熱殺菌に用いることを特徴とする、請求項1に記載のエタノール製造設備併設廃棄物焼却施設におけるエネルギー有効利活用方法。
- 前記エタノール製造工程で生じた残渣、および前記メタン製造工程で生じた残渣のうちの少なくとも一方の残渣を脱水後、焼却処理して得られた排熱を、前記エタノール製造設備における培養段階、糖化・発酵段階および蒸留段階のうちの少なくとも1段階の熱源として利用することを特徴とする、請求項1または2に記載のエタノール製造設備併設廃棄物焼却施設におけるエネルギー有効利活用方法。
- 前記エタノール製造工程で生じた残渣、および前記メタン製造工程で生じた残渣のうちの少なくとも一方の残渣を脱水後、焼却処理して得られた排熱を利用して蒸気を生成し、前記蒸気から蒸気タービンによって電力を回収することを特徴とする、請求項1~3のいずれかに記載のエタノール製造設備併設廃棄物焼却施設におけるエネルギー有効利活用方法。
- さらに、前記メタンをガスエンジンの駆動源として用いるエネルギー回収工程を含むことを特徴とする、請求項1に記載のエタノール製造設備併設廃棄物焼却施設におけるエネルギー有効利活用方法。
- 前記ガスエンジンから排出されるエンジン排熱、および/または前記エタノール製造工程で生じた残渣、および前記メタン製造工程で生じた残渣のうちの少なくとも一方の残渣を脱水後、焼却処理して得られた排熱を、前記エタノール製造設備におけるバイオマス、および/または発酵槽の加熱殺菌に用いることを特徴とする、請求項5に記載のエタノール製造設備併設廃棄物焼却施設におけるエネルギー有効利活用方法。
- 前記ガスエンジンから排出されるエンジン排熱、および/または前記エタノール製造工程で生じた残渣、および前記メタン製造工程で生じた残渣のうちの少なくとも一方の残渣を脱水後、焼却処理して得られた排熱を、前記エタノール製造設備における培養段階、糖化・発酵段階および蒸留段階のうちの少なくとも1段階の熱源として利用することを特徴とする、請求項5または6に記載のエタノール製造設備併設廃棄物焼却施設におけるエネルギー有効利活用方法。
- 前記ガスエンジンから排出されるエンジン排熱、および/または前記エタノール製造工程で生じた残渣、および前記メタン製造工程で生じた残渣のうちの少なくとも一方の残渣を脱水後、焼却処理して得られた排熱を利用して蒸気を生成し、前記蒸気から蒸気タービンによって電力を回収することを特徴とする、請求項5~7のいずれかに記載のエタノール製造設備併設廃棄物焼却施設におけるエネルギー有効利活用方法。
- さらに、前記エタノール製造工程で発生する蒸留途上の含水エタノール蒸気を改質し、水素ガスを生成する改質工程と、前記水素ガスを用いて燃料電池によって電力を得る工程とを含むことを特徴とする、請求項1~8のいずれかに記載のエタノール製造設備併設廃棄物焼却施設におけるエネルギー有効利活用方法。
- さらに、前記エタノール製造工程で発生する蒸留途上の含水エタノール蒸気とメタン製造工程で得られたメタンとを別々にまたは混合状態で改質し、水素ガスを生成する改質工程と、前記水素ガスを用いて燃料電池によって電力を得る工程とを含むことを特徴とする、請求項1~8のいずれかに記載のエタノール製造設備併設廃棄物焼却施設におけるエネルギー有効利活用方法。
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