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
【技术领域】
[0001]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“S0FC”的情况)的组合系统的节能方法。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]另一方面，S0FC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S0FC，从而无需蒸馏/提纯塔。
[0004]因此，目前提出了几个系统，其通过使生物乙醇制造装置与S0FC组合来削减消耗能量的成本及设备成本。
[0005]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S0FC。
[0006]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。
[0007]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?46被％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S0FC进行发电。
[0008]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?55被％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。
[0009]现有技术文献
[0010]专利文献
[0011]专利文献1:日本专利公开2007-20407号公报
[0012]专利文献2:日本专利公开2007-128680号公报
[0013]专利文献3:日本专利公开2011-187328号公报
[0014]非专利文献
[0015]非专利文献1:Catalysis Today (今日催化)，75 (2002)，145-155
【发明内容】
[0016](一)要解决的技术问题
[0017]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。
[0018]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S0FC组合的系统中，能够进一步提高S0FC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。
[0019](二)技术方案
[0020]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，
[0021 ] 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。
[0022]由于阳极排气中含有伴随着S0FC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?35被％的范围。
[0023]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S0FC的发电效率并未提高，随着回流比逐渐大于1，S0FC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。
[0024]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 % ο
[0025]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 % ο
[0026]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。
[0027]由于阳极排气中含有Η2(3?10vol% )、C0(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。
[0028](三)有益效果
[0029]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?35被％的范围。
[0030]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S0FC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?35*1:%的范围。
[0031]2.在S0FC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。
[0032]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尚至90%左右，从而能够实现发电效率的提尚。
[0033]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?35被％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。
[0034]4.在权利要求4的发明中，将S0F