(57)【要約】【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。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２４６４２１号公報
【特許文献２】特開２００７−１０５６１４号公報
【特許文献３】特開２００９−２１９９８９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Catalysis Today 75 (2002) 145-155
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。【０００７】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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。【０００９】
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。【００１０】
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。【００１１】
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。【００１２】
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。【００１３】
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。【００１４】
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。【００１５】
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。【００１６】
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。【００１７】
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。【００１８】
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。【００１９】
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。【００２０】
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。【００２１】
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。【００２２】
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。【００２３】
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。【００２４】
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。
【表ａ】
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【００２５】
【発明の効果】
【００２６】
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。【００２７】
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。【００２８】
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。【００２９】
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。【００３０】
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。【００３１】
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％）。【００３２】
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。【００３３】
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。【００３４】
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。【００３５】
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。【００３６】
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。【００３７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施例１を示すフローシートである。
【図２】本発明の実施例２を示すフローシートである。
【図３】本発明の実施例３を示すフローシートである。
【図４】従来技術である比較例１を示すフローシートである。
【００３９】
【発明を実施するための形態】
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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％）。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
（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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
（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。
【００７２】
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。
【００７３】
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）。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
（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。
【００７７】
【表１−１】
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補足１）一般廃棄物を運搬する車輌のCO2排出量は０．４８７kg-CO2/km・台であり、灰、エタノールおよびRPFを運搬する車輌のCO2排出量は１．３８kg-CO2/km・台であるとして算出
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
【００７８】
【表１−２】
2017026027.tif 000005
【００７９】
【表２】
2017026027.tif 000006
【００８０】
【表３】
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【００８１】
【表４】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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