生物乙醇制造装置与固体氧化物燃料电池的组合系统的节能方法

摘要

本发明提供一种在将生物乙醇制造装置与SOFC组合的系统中，能够实现进一步提高SOFC的发电效率，并进一步削减发酵液能量的方法。在从醪塔到重整器的含水乙醇蒸汽线路上使阳极排气中的一部分以1～2的回流比(回流气体流量/(阳极排气-回流气体)流量)进行回流。通过该回流，用固体氧化物燃料电池的阳极排气中的水分将含水乙醇蒸汽的乙醇浓度调整至25～35wt％的范围。

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物乙醇制造装置与固体氧化物燃料电池(下面 也有简称为“SOFC”的情况)的组合系统的节能方法。

背景技术

由于在将生物乙醇用作汽车燃料时，需要99.5wt％以上的高浓度 乙醇，因此具有乙醇在浓缩、蒸馏/提纯时消耗能量过多的缺点。

另一方面，SOFC系统具备使25～35wt％的乙醇水溶液经汽化/重 整而生成氢气的重整器、以及由该氢气进行发电的SOFC，从而无需 蒸馏/提纯塔。

因此，目前提出了几个系统，其通过使生物乙醇制造装置与SOFC 组合来削减消耗能量的成本及设备成本。

例如，在专利文献1中提出一种组合系统，其具备自生物乙醇制 造装置的蒸馏塔从顶部提取浓度为30～70wt％的含水乙醇蒸汽的装 置、以及由该顶部蒸汽制造重整气体的重整装置，并且设置有将该重 整气体作为燃料而工作的SOFC。

另外，在专利文献2中，记载了一种燃料电池系统，其具备重整 装置、燃料电池及阳极排气导入装置，所述重整装置由通过包括水蒸 汽重整反应的重整反应所供给的烃原料生成含氢的重整气体；所述燃 料电池将该重整气体供给至阳极电极来进行发电；所述阳极排气导入 装置将含有伴随发电所生成的水分的阳极排气至少一部分通过喷射 器导入重整装置的入口。

在专利文献3中，记载了一种燃料电池发电系统，该燃料电池发 电系统使由乙醇发酵液得到的浓度为15.4～46wt％的乙醇燃料汽化， 形成水蒸汽与乙醇的混合气，将其供给至重整反应部进行重整，生成 含氢的重整气体，将该重整气体供给至SOFC进行发电。

另外，在非专利文献1中，报告了一种得到富氢气体的方法的研 究，该方法适用于将生物乙醇进行水蒸汽重整并供给至燃料电池的情 况，该文献的图1表示了一种发电系统，该发电系统由下述工序构成： 通过乙醇发酵液的蒸馏得到45～55wt％的含水乙醇蒸汽的工序；将该 含水乙醇蒸汽进行重整生成含氢重整气体的工序；将该重整气体作为 燃料在燃料电池中进行发电的工序；进而，还表示了将从燃料电池排 出的排气的热输送至蒸馏工序和重整工序并加以利用。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公开2007-20407号公报

专利文献2：日本专利公开2007-128680号公报

专利文献3：日本专利公开2011-187328号公报

非专利文献

非专利文献1：CatalysisToday(今日催化)，75(2002)，145-155

发明内容

(一)要解决的技术问题

上述的现有技术在某种程度上能够实现消减生物乙醇的制造中 的消耗能量，但仍不充分。

本发明的目的在于，基于上述实际情况，提供一种在将生物乙醇 制造装置与SOFC组合的系统中，能够进一步提高SOFC的发电效率， 并能够进一步削减发酵液蒸馏所需的能量的方法。

(二)技术方案

技术方案1的发明为一种生物乙醇制造装置与固体氧化物燃料 电池的组合系统的节能方法，其特征在于，在由对生物乙醇制造装置 的发酵槽中生成的发酵液进行蒸馏并从塔顶蒸馏出含水乙醇蒸汽的 醪塔、从含水乙醇蒸汽中生成重整气体的重整器及将重整气体作为燃 料工作的固体氧化物燃料电池组合而成的系统中，

为了用固体氧化物燃料电池的阳极排气中的水分将含水乙醇蒸 汽的乙醇浓度调整至25～35wt％的范围，在从醪塔到重整器的含水乙 醇蒸汽线路上使阳极排气中的一部分以1～2的回流比(回流气体流量 /(阳极排气-回流气体)流量)进行回流。

由于阳极排气中含有伴随着SOFC的发电生成的水分，因此通过 使阳极排气中的一部分在从醪塔到重整器的含水乙醇蒸汽线路上以 规定的回流比进行回流，能够用阳极排气中的水分将供给至重整器的 含水乙醇蒸汽的乙醇浓度调整至25～35wt％的范围。

上述回流比的优选范围为1.2～1.8。在回流比不足1时，确认到 SOFC的发电效率并未提高，随着回流比逐渐大于1，SOFC的发电 效率及综合热效率则逐渐提高，但若回流比超过2，则它们的效率变 得平稳，并不再提高。另外，由于加大回流比则需要增加鼓风机或排 出器的负荷，因此基于这一点考虑，也将回流比的上限设为2。

技术方案2的发明为技术方案1所述的生物乙醇制造装置与固体 氧化物燃料电池的组合系统的节能方法，其特征在于，使从醪塔蒸馏 出的含水乙醇蒸汽的乙醇浓度为35～60wt％。

技术方案3的发明为技术方案1所述的生物乙醇制造装置与固体 氧化物燃料电池的组合系统的节能方法，其特征在于，使从醪塔蒸馏 出的含水乙醇蒸汽的乙醇浓度为55～60wt％。

技术方案4的发明为技术方案1至3中任意一项所述的生物乙醇 制造装置与固体氧化物燃料电池的组合系统的节能方法，其特征在 于，将固体氧化物燃料电池的阳极排气剩余部分与阴极排气供给至重 整器用催化燃烧器及醪塔的再沸器用催化燃烧器，利用阴极排气的氧 气使阳极排气中的可燃成分燃烧，将重整器用催化燃烧器中所产生的 热用于重整器的加热，将再沸器用催化燃烧器中所产生的热用于醪塔 的塔底液的加热。

由于阳极排气中含有H₂(3～10vol％)、CO(0～10vol％)等可燃 成分，阴极排气中含有5～10vol％的氧气，因此能够利用该氧气使该 可燃成分在催化燃烧器中燃烧，并将所产生的热量有效用于重整器及 醪塔的塔底液的加热。重整器用催化燃烧器及再沸器用催化燃烧器可 以是公知的装置。

(三)有益效果

1.在重整器中，为了充分且耐久地发挥重整催化剂的性能而将 乙醇经汽化/重整生成氢气，需要将含水乙醇蒸汽的乙醇浓度调整至 25～35wt％的范围。

在技术方案1的发明中，通过在从醪塔到重整器的含水乙醇蒸汽 线路上使从SOFC排出的阳极排气的一部分以1～2的回流比(回流气 体流量/(阳极排气-回流气体)流量)进行回流，能够用阳极排气中 的水分将供给至重整器的含水乙醇蒸汽的乙醇浓度调整至25～35wt％ 的范围。

2.在SOFC电池堆中，一般使阳极供给气体中的燃料成分(H₂、 CO等)的利用率为70％左右。这是由于若阳极供给气体中的燃料成 分浓度过低则电池会破损。

在技术方案1的发明中，如上所述通过使阳极排气的一部分在从 醪塔到重整器的含水乙醇蒸汽线路上以规定的回流比进行回流，能够 提高阳极供给气体中燃料成分的浓度，由此能够将燃料的利用率提高 至90％左右，从而能够实现发电效率的提高。

3.在重整器中，如上所述，需要将含水乙醇蒸汽的乙醇浓度调 整至25～35wt％的范围，但在醪塔中若要从塔顶蒸馏出浓度为 25～35wt％的范围的含水乙醇蒸汽，需要消耗能量过多。在技术方案1 的发明中，如上所述通过将阳极排气的一部分在从醪塔到重整器的含 水乙醇蒸汽线路上以规定的回流比进行回流，能够将含水乙醇蒸汽的 乙醇浓度调整至25～35wt％的范围，因此使从醪塔蒸馏出的含水乙醇 蒸汽的乙醇浓度可以为35～60wt％，进而也可以为55～60wt％，从而 能够将醪塔的再沸器所消耗的能量抑制到所需要的最小限度。

4.在权利要求4的发明中，将SOFC的阳极排气的剩余部分与 阴极排气供给至重整器用催化燃烧器及醪塔的再沸器用催化燃烧器， 利用阴极排气的氧气使阳极排气中的可燃成分(H₂、CO等)燃烧， 在重整器用催化燃烧器及再沸器用催化燃烧器中能够产生热，从而能 够将该热有效用于重整器及醪塔的塔底液的加热。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的流程图。

图2是表示阳极排气回流对于效率的效果的图表。

图3是表示醪塔的塔顶蒸汽浓度与消耗能量之间关系的图表。

具体实施方式

接下来，基于图示的实施方式对本发明进行具体说明。

在图1中，本发明的生物乙醇制造装置与SOFC的组合系统是由 醪塔、重整器及SOFC组合构成，所述醪塔对生物乙醇制造装置的发 酵槽中生成的发酵液进行蒸馏，并从塔顶蒸馏出含水乙醇蒸汽；所述 重整器从含水乙醇蒸汽生成重整气体；所述SOFC将重整气体作为燃 料工作。

在该系统中，通过泵(1)将乙醇浓度为5wt％的发酵液经由热回 收器(2)供给至醪塔的顶部。醪塔例如具有40个蒸馏塔板，并在 100～154℃的范围内对发酵液进行蒸馏，因此从醪塔底部抽取塔底液， 其一部分被催化燃烧器/再沸器加热后回到醪塔底部，而塔底液的剩 余部分经热回收器(2)作为乙醇浓度不足0.1wt％的排水排出。

另一方面，将从醪塔塔顶蒸馏出在温度为90～130℃、压力为大 气压～430kPaG条件下乙醇浓度为35～60wt％的含水乙醇蒸汽。该含水 乙醇蒸汽经热回收器(3)送至重整器中，此处乙醇经汽化/重整生成 含氢重整气体。该重整气体被送至在大约700℃条件下运转的SOFC 单元的阳极以供发电。空气通过鼓风机(4)经热回收器(5)送入 SOFC单元的阴极，将空气中的氧气用于发电。

在从醪塔塔顶到重整器的含水乙醇蒸汽线路(6)上所设置的排 出器(7)使阳极排气中的一部分以大约1.5的回流比(回流气体流 量/(阳极排气-回流气体)流量)进行回流。通过该回流，用SOFC 的阳极排气中的水分将含水乙醇蒸汽的乙醇浓度调整至25～35wt％的 范围。

如上所述通过使阳极排气的一部分在从醪塔到重整器的含水乙 醇蒸汽线路上以规定的回流比进行回流，能够提高阳极供给气体中燃 料成分(H₂、CO等)的浓度，由此能够将燃料成分的利用率提高到 90％左右，从而能够实现发电效率的提高。

另外，如上所述由于使阳极排气的一部分在从醪塔到重整器的含 水乙醇蒸汽线路上以规定的回流比进行回流，从而能够在温度为 90～130℃、压力为大气压～430kPaG的条件下，使从醪塔蒸馏出的含 水乙醇蒸汽的乙醇浓度为25～35wt％(在回流比设为1～2的情况下)。 这样一来，能够将醪塔的再沸器所消耗的能量抑制至所需要的最小限 度。

SOFC的阳极排气的剩余部分将与阴极排气合流，在使该合流气 体的至少一部分通过重整器用催化燃烧器、重整器及热回收器(3) 而迂回后，与合流气体的非迂回部分汇合。在重整器用催化燃烧器中， 用来自阴极排气的氧气使来自阳极排气的可燃成分(H₂、CO等)燃 烧，生成的热用于重整器的加热。合流气体接下来被送至醪塔的再沸 器用催化燃烧器，在此也用来自阴极排气的氧气使来自阳极排气的可 燃成分(H₂、CO等)燃烧，生成的热用于醪塔的塔底液的加热。

在图3中，表示了醪塔塔顶蒸汽浓度与消耗能量之间的关系。该 图表表示对在塔顶压力为50kPaG的条件下将乙醇浓度为5wt％的发 酵液进行脱水浓缩时需要的再沸器热量，估算在塔顶蒸汽浓度变化时 所需要的热量如何变化的结果。在重整器中，为了充分且耐久地发挥 重整催化剂的性能而将乙醇经汽化/重整生成氢气，需要将含水乙醇 蒸汽的乙醇浓度调整至25～35wt％的范围，但在醪塔中，在将含水乙 醇浓缩到乙醇浓度为35～60wt％的范围的条件下所消耗能量最少。在 将含水乙醇浓缩至超过60wt％的范围的条件下，所消耗的能量增大。 再沸器的热量使用流程模拟器(ASPEN)进行计算。在90℃左右的 条件下对乙醇浓度为5wt％的发酵液进行蒸馏，蒸馏塔的塔板数设为 40。蒸馏塔的塔顶蒸汽浓度在低浓度域中进行称为简单蒸馏的操作， 浓度越高水的蒸发潜热就越少，从而再沸器热量逐渐减少。若为某种 程度的浓度(估算大约为55wt％)，则通过简单蒸馏无法进行浓缩， 仍需要进行回流操作，因此再沸器的热量增加。另一方面，在更高的 浓缩域内，所消耗的能量会增加。

工业实用性

本发明可以有效适用于将生物乙醇制造装置与SOFC组合的系 统中，实现使SOFC的发电效率进一步提高，并进一步削减发酵液的 蒸馏所需的能量。

附图标记说明

(1)：泵

(2)、(3)、(5)：热回收器

(4)：鼓风机

(6)：含水乙醇蒸汽线路

(7)：排出器