生物乙醇制造裝置與固體氧化物燃料電池的組合系統的節能方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種生物乙醇制造裝置與固體氧化物燃料電池(下面也有簡稱為“S0FC”的情況)的組合系統的節能方法。
【背景技術】
[0002]由于在將生物乙醇用作汽車燃料時，需要99.5wt%以上的高濃度乙醇，因此具有乙醇在濃縮、蒸餾/提純時消耗能量過多的缺點。
[0003]另一方面，S0FC系統具備使25?35wt%的乙醇水溶液經汽化/重整而生成氫氣的重整器、以及由該氫氣進行發電的S0FC，從而無需蒸餾/提純塔。
[0004]因此，目前提出了幾個系統，其通過使生物乙醇制造裝置與S0FC組合來削減消耗能量的成本及設備成本。
[0005]例如，在專利文獻1中提出一種組合系統，其具備自生物乙醇制造裝置的蒸餾塔從頂部提取濃度為30?70wt%的含水乙醇蒸汽的裝置、以及由該頂部蒸汽制造重整氣體的重整裝置，并且設置有將該重整氣體作為燃料而工作的S0FC。
[0006]另外，在專利文獻2中，記載了一種燃料電池系統，其具備重整裝置、燃料電池及陽極排氣導入裝置，所述重整裝置由通過包括水蒸汽重整反應的重整反應所供給的烴原料生成含氫的重整氣體；所述燃料電池將該重整氣體供給至陽極電極來進行發電；所述陽極排氣導入裝置將含有伴隨發電所生成的水分的陽極排氣至少一部分通過噴射器導入重整裝置的入口。
[0007]在專利文獻3中，記載了一種燃料電池發電系統，該燃料電池發電系統使由乙醇發酵液得到的濃度為15.4?46被％的乙醇燃料汽化，形成水蒸汽與乙醇的混合氣，將其供給至重整反應部進行重整，生成含氫的重整氣體，將該重整氣體供給至S0FC進行發電。
[0008]另外，在非專利文獻1中，報告了一種得到富氫氣體的方法的研究，該方法適用于將生物乙醇進行水蒸汽重整并供給至燃料電池的情況，該文獻的圖1表示了一種發電系統，該發電系統由下述工序構成:通過乙醇發酵液的蒸餾得到45?55被％的含水乙醇蒸汽的工序；將該含水乙醇蒸汽進行重整生成含氫重整氣體的工序；將該重整氣體作為燃料在燃料電池中進行發電的工序；進而，還表示了將從燃料電池排出的排氣的熱輸送至蒸餾工序和重整工序并加以利用。
[0009]現有技術文獻
[0010]專利文獻
[0011]專利文獻1:日本專利公開2007-20407號公報
[0012]專利文獻2:日本專利公開2007-128680號公報
[0013]專利文獻3:日本專利公開2011-187328號公報
[0014]非專利文獻
[0015]非專利文獻1:Catalysis Today (今日催化)，75 (2002)，145-155
【發明內容】
[0016](一)要解決的技術問題
[0017]上述的現有技術在某種程度上能夠實現消減生物乙醇的制造中的消耗能量，但仍不充分。
[0018]本發明的目的在于，基于上述實際情況，提供一種在將生物乙醇制造裝置與S0FC組合的系統中，能夠進一步提高S0FC的發電效率，并能夠進一步削減發酵液蒸餾所需的能量的方法。
[0019](二)技術方案
[0020]技術方案1的發明為一種生物乙醇制造裝置與固體氧化物燃料電池的組合系統的節能方法，其特征在于，在由對生物乙醇制造裝置的發酵槽中生成的發酵液進行蒸餾并從塔頂蒸餾出含水乙醇蒸汽的醪塔、從含水乙醇蒸汽中生成重整氣體的重整器及將重整氣體作為燃料工作的固體氧化物燃料電池組合而成的系統中，
[0021 ] 為了用固體氧化物燃料電池的陽極排氣中的水分將含水乙醇蒸汽的乙醇濃度調整至25?35wt%的范圍，在從醪塔到重整器的含水乙醇蒸汽線路上使陽極排氣中的一部分以1?2的回流比(回流氣體流量/(陽極排氣-回流氣體)流量)進行回流。
[0022]由于陽極排氣中含有伴隨著S0FC的發電生成的水分，因此通過使陽極排氣中的一部分在從醪塔到重整器的含水乙醇蒸汽線路上以規定的回流比進行回流，能夠用陽極排氣中的水分將供給至重整器的含水乙醇蒸汽的乙醇濃度調整至25?35被％的范圍。
[0023]上述回流比的優選范圍為1.2?1.8。在回流比不足1時，確認到S0FC的發電效率并未提高，隨著回流比逐漸大于1，S0FC的發電效率及綜合熱效率則逐漸提高，但若回流比超過2，則它們的效率變得平穩，并不再提高。另外，由于加大回流比則需要增加鼓風機或排出器的負荷，因此基于這一點考慮，也將回流比的上限設為2。
[0024]技術方案2的發明為技術方案1所述的生物乙醇制造裝置與固體氧化物燃料電池的組合系統的節能方法，其特征在于，使從醪塔蒸餾出的含水乙醇蒸汽的乙醇濃度為35?60wt % ο
[0025]技術方案3的發明為技術方案1所述的生物乙醇制造裝置與固體氧化物燃料電池的組合系統的節能方法，其特征在于，使從醪塔蒸餾出的含水乙醇蒸汽的乙醇濃度為55?60wt % ο
[0026]技術方案4的發明為技術方案1至3中任意一項所述的生物乙醇制造裝置與固體氧化物燃料電池的組合系統的節能方法，其特征在于，將固體氧化物燃料電池的陽極排氣剩余部分與陰極排氣供給至重整器用催化燃燒器及醪塔的再沸器用催化燃燒器，利用陰極排氣的氧氣使陽極排氣中的可燃成分燃燒，將重整器用催化燃燒器中所產生的熱用于重整器的加熱，將再沸器用催化燃燒器中所產生的熱用于醪塔的塔底液的加熱。
[0027]由于陽極排氣中含有Η2(3?10vol% )、C0(0?10vol% )等可燃成分，陰極排氣中含有5?10vol%的氧氣，因此能夠利用該氧氣使該可燃成分在催化燃燒器中燃燒，并將所產生的熱量有效用于重整器及醪塔的塔底液的加熱。重整器用催化燃燒器及再沸器用催化燃燒器可以是公知的裝置。
[0028](三)有益效果
[0029]1.在重整器中，為了充分且耐久地發揮重整催化劑的性能而將乙醇經汽化/重整生成氫氣，需要將含水乙醇蒸汽的乙醇濃度調整至25?35被％的范圍。
[0030]在技術方案1的發明中，通過在從醪塔到重整器的含水乙醇蒸汽線路上使從S0FC排出的陽極排氣的一部分以1?2的回流比(回流氣體流量/(陽極排氣-回流氣體)流量)進行回流，能夠用陽極排氣中的水分將供給至重整器的含水乙醇蒸汽的乙醇濃度調整至25?35*1:%的范圍。
[0031]2.在S0FC電池堆中，一般使陽極供給氣體中的燃料成分(H2、CO等)的利用率為70 %左右。這是由于若陽極供給氣體中的燃料成分濃度過低則電池會破損。
[0032]在技術方案1的發明中，如上所述通過使陽極排氣的一部分在從醪塔到重整器的含水乙醇蒸汽線路上以規定的回流比進行回流，能夠提高陽極供給氣體中燃料成分的濃度，由此能夠將燃料的利用率提尚至90%左右，從而能夠實現發電效率的提尚。
[0033]3.在重整器中，如上所述，需要將含水乙醇蒸汽的乙醇濃度調整至25?35被％的范圍，但在醪塔中若要從塔頂蒸餾出濃度為25?35wt%的范圍的含水乙醇蒸汽，需要消耗能量過多。在技術方案1的發明中，如上所述通過將陽極排氣的一部分在從醪塔到重整器的含水乙醇蒸汽線路上以規定的回流比進行回流，能夠將含水乙醇蒸汽的乙醇濃度調整至25?35wt%的范圍，因此使從醪塔蒸餾出的含水乙醇蒸汽的乙醇濃度可以為35?60wt%，進而也可以為55?60wt%，從而能夠將醪塔的再沸器所消耗的能量抑制到所需要的最小限度。
[0034]4.在權利要求4的發明中，將S0F