(57)【要約】【課題】エネルギーコストの低い液液抽出手段を用いて、重油等の液状炭化水素に、発酵法により得られるエタノール水溶液からエタノールを抽出することにより、液状炭化水素単独からなる燃料に比べて二酸化炭素の排出量が少ない、燃料を製造する方法を提供することを課題とする。【解決手段】発酵法により得られたエタノール水溶液と、液状の炭化水素とを向流多段液液抽出手段により接触させて、エタノールを液状炭化水素に抽出することを特徴とするエタノール含有燃料の製造方法を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発酵法により得られたエタノール水溶液と、液状の炭化水素とを向流多段液液抽出手段により接触させて、エタノールを液状炭化水素に抽出することを特徴とするエタノール含有燃料の製造方法。
【請求項２】
前記液状炭化水素が重油である請求項１に記載のエタノール含有燃料の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２の製造方法により得られた、エタノール含有燃料を高炉用燃料として用いる使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はエタノール含有燃料の製造方法、エタノール含有燃料を高炉用燃料として用いる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、内燃機関、ボイラ、加熱炉、セメントキルン、火力発電所の燃料、製鉄の際の高炉用燃料等として化石燃料である石炭、天然ガス等の炭化水素系燃料が大量に消費されている。前記炭化水素系燃料を燃焼させた後に、大気中に放出される二酸化炭素は、地球温暖化現象の原因物質と考えられており、その放出量の削減が世界的な規模で求められている。また、近年、世界的なエネルギー需要が高まっているが、化石燃料の埋蔵量は有限であり、再生が不可能であるために、将来のエネルギー不足も懸念されている。
【０００３】
しかしながら、文明化した世界において、エネルギーの消費量自体を削減することは困難である。従って、エネルギーの質自身を転換することにより二酸化炭素の放出量を削減し、また、化石燃料の消費量を抑制する技術の開発が求められている。
【０００４】
化石燃料の各種用途の中で、特に、銑鉄製造の高炉用燃料としての化石燃料の消費は膨大な量である。
【０００５】
従来、高炉用燃料の供給は、高炉の炉頂からコークスが装入された高炉において、高炉の送風羽口から重油等の高炉用燃料を噴射注入する方法が採用されていた。
【０００６】
しかしながら、１９７０年代のオイルショックを契機として、石油製品の価格が高騰したために、経済的な理由から、噴射燃料は重油から、より安価な石炭系の燃料である微粉炭へと転換が進んだ。しかしながら、微粉炭等の石炭系燃料は燃料中の炭素の比率が高く、水素の比率が低いために、単位熱量当りの二酸化炭素の排出量が重油よりも多い。従って、地球温暖化問題が深刻化する中で、石炭系燃料は好ましくない。このような背景から、近年、再び、高炉用の噴射燃料として、燃料中の炭素の比率が低く、水素の比率が高い重油が見直されている。高炉には、元来、重油を供給する設備が備えられているために、微粉炭から重油へ転換しても、新たな設備投資が不要な点で、このような燃料転換は、経済的な負担の小さい、地球温暖化の防止策として期待できる。
【０００７】
ところで、近年、化石燃料に代わる燃料として、植物由来の燃料であるエタノールが脚光を浴びている。
【０００８】
エタノールは、発酵法あるいは化学合成法により製造される。発酵法は農作物等の植物由来の糖分を微生物の代謝活動を利用して発酵させることによりエタノールを製造する方法である。一方、合成法は化石燃料を原料として化学的変換によりエタノールを製造する方法である。世界的には、発酵法により生産されるエタノールがおおよそ９５％、合成法により生産されるエタノールが５％と報告されている。
【０００９】
発酵法によるエタノールの原料は、サトウキビやトウモロコシ等の農作物が中心であるが、近年では木質バイオマスの構成成分であるセルロースやヘミセルロースを用いる研究も活発に行われている。これらの植物系原料は、植物に由来するものであるために再生可能であり、化石燃料のように有限な資源ではない。また、燃焼により排出される二酸化炭素も、植物が固定した大気中の二酸化炭素に由来するものであるために、地球上の二酸化炭素の総量が増加することにはならない。従って、化石燃料をエタノールに代替することにより、二酸化炭素の排出量を削減することができる。
【００１０】
発酵法により得られるエタノールを含有する水溶液のことをモロミというが、モロミ中のエタノール濃度は、典型的には、５〜８質量％と比較的低濃度である。この低濃度のエタノールを含む水溶液から高純度のエタノールを得るためには、蒸留法等の濃縮工程で処理することが必要である。
【００１１】
エタノールと水からなる２成分系の水溶液においては、共沸組成が存在し、その組成は、０．１０１３ＭＰａ（絶対圧）において、エタノール濃度が９５．８質量％であり、理論的には、蒸留法では、エタノール濃度をこれ以上高めることはできない。そこで、この共沸濃度以上にエタノール濃度を高めるために、さらに、共沸蒸留法、減圧蒸留法、固体脱水剤による脱水法、液体脱水剤による脱水法等の方法が用いられている。このような方法により、発酵法により製造されたエタノールを９９質量％以上の高濃度にまで濃縮する方法は知られているが、その濃縮工程は、複雑であり、多くのエネルギーが消費される。
【００１２】
また、最近では、膜分離の技術が進歩し、上記の共沸組成のエタノール水溶液を膜分離工程に供給して、水を分離除去し、高濃度エタノールを製造する方法も報告されている（非特許文献１）。
【非特許文献１】化学工学会  第３７回秋季大会研究発表講演要旨集，Ｌ３１９，２００５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記のように、二酸化炭素の排出を抑制するために、重油等の化石燃料に代えて、エタノールを用いる場合、エタノールの濃縮コストが大きく、濃縮工程により消費される燃料等により二酸化炭素が放出されるという問題があった。また、上記膜分離工程を用いたエタノールの濃縮において用いられうる膜の価格が高いという問題があった。
【００１４】
本発明は、上記問題を解決すべく、エネルギーコストの低い液液抽出手段を用いて、重油等の液状炭化水素に、発酵法により得られるエタノール水溶液からエタノールを抽出することにより、液状炭化水素単独からなる燃料に比べて二酸化炭素の排出量が少ない、燃料を製造する方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明のエタノール含有燃料の製造方法は、発酵法により得られたエタノール水溶液と、液状の炭化水素とを向流多段液液抽出手段により接触させて、エタノールを液状炭化水素に抽出するものである。エタノールは、その分子構造に、親水性の水酸基（ＯＨ）と親油性のエチル基（−Ｃ２Ｈ５）を有している。従って、液状の炭化水素燃料とエタノールを含有するモロミを接触させて、液液抽出を行うことにより、液状炭化水素の一部をエタノールに置換したエタノール含有燃料が得られる。このような方法により、蒸留工程を簡略化した少ないエネルギー量で、モロミ中からエタノールを抽出することができる。
【００１６】
前記液状炭化水素としては重油が好ましい。本発明の液状炭化水素として、重油を用いた場合には、重油のみを用いる場合に比べて、地球環境への負荷を低減できる液状の燃料として使用することが可能になる。
【００１７】
また、前記エタノール含有燃料は高炉用燃料、特に、高炉の噴射燃料として好ましく用いられる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、エタノールを低濃度で含有する水溶液から、エタノールを低エネルギーで液状炭化水素中に取り出すことができる。そして、得られたエタノール含有燃料は、液状炭化水素単独の燃料に比べて、二酸化炭素の排出量が少ない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明を具体的に説明する。
【００２０】
本発明のエタノール含有燃料の製造方法は、発酵法により得られたエタノール水溶液と、液状の炭化水素とを向流多段液液抽出手段により接触させて、エタノールを液状炭化水素で抽出するものである。
【００２１】
本発明に用いられる液状炭化水素としては、原油を分留することにより得られる重油、軽油、灯油、ガソリン等の液状の炭化水素等が挙げられる。これらの中では、重油が好ましく用いられる。
【００２２】
一方、本発明における発酵法により得られるエタノール水溶液とは、植物由来の糖分を微生物により発酵させて得られるエタノールを含有する水溶液であり、発酵後、固形分を除去しただけの、いわゆるモロミと呼ばれる濃縮前のエタノール含有水溶液（エタノール含有量５〜８質量％）のほか、公知の濃縮法により濃縮されたエタノール水溶液（エタノール含有量８〜５０質量％）が挙げられる。
【００２３】
液状炭化水素中にエタノール含有成分を抽出するための抽出法としては、従来から公知の各抽出法が特に限定なく用いられるが、抽出効率が優れている点で向流多段液液抽出法が好ましく用いられる。
【００２４】
向流多段液液抽出法とは、液液抽出を行うための比重の軽い軽液と比重の重い重液とを混合したのち、分離することができる液液抽出手段を複数段接続し、重液と軽液とを対向流として流し、両相間で多段にわたる抽出を繰り返すことにより、有機化合物を含有する混合物を分配係数の大小により分離して有機化合物を抽出する方法である。
【００２５】
図１は、ｎ段（ｎは２以上の整数）の液液抽出手段を備え、前記液液抽出手段を向流方向に配置して構成される向流多段液液抽出手段の模式図である。図１中１は、第１段目の液液抽出手段、２は第ｉ段目の液液抽出手段、３は第ｎ段目の液液抽出手段を示す。また、Ｓは第ｎ段目の液液抽出手段に導入される液状炭化水素、Ｅiは第i段目の液液抽出手段から排出される油相、Ｅ１は、第１段目の液液抽出手段１から排出されるエタノールを含有する油相であり、また、Ｆは第１段目の液液抽出手段１へ導入されるエタノール水溶液、Ｒiは第i段目の液液抽出手段から排出される水相、Ｒｎは第ｎ段目の液液抽出手段３から排出される水相である。
【００２６】
図１の向流多段液液抽出手段においては、第１段目の液液抽出手段１にエタノール水溶液Ｆが供給され、第ｎ段目の液液抽出手段３に液状炭化水素Ｓが供給され、各段の液液抽出手段において、エタノールが油相Ｅiに抽出される。
【００２７】
各段の液液抽出手段としては、例えば、図２に示すようなミキサー・セトラーのように、ミキサー（混合室）５とセトラー（沈降分離室）６とを備え、完全混合した後、静置して液の比重差により油水分離を行う液液抽出装置が好ましく用いられる。
【００２８】
図２は、第ｉ段目の液液抽出手段２である液液抽出装置２０の模式図を示す。液液抽出装置２０においては、液状炭化水素Ｓを主成分とする油相Ｅｉ＋１と、エタノールを含有する水を主成分とする水相Ｒi−１がミキサー５で撹拌混合され、水相Ｒi―１に含まれるエタノールの一部が油相Ｅｉ＋１で抽出される。
【００２９】
そして、一定の滞留時間を経てミキサーの底部から抜き出された油水混合相は、移送手段７によりセトラー６に移送され、セトラー６において比重差により分離され、その上層から低比重の油相Ｅｉが排出され、下層から高比重の水相Ｒｉが排出される。
【００３０】
上記のような液液抽出操作を多段に行うことにより、低エネルギーコストでエタノール水溶液中のエタノールを液状炭化水素中に抽出することができる。
【００３１】
向流多段液液抽出手段に導入されるエタノール水溶液Ｆとしては、公知の固液分離手段により、予め固形分が除去された、モロミを用いることが好ましい。また、モロミとしては、発酵された後、濃縮されていないモロミでも、ある程度の濃度にまで濃縮されたモロミを用いてもよい。エネルギーコストをトータルで考えると、公知の蒸留方法を用いてモロミをある程度の濃度、例えば８〜５０質量％にまで濃縮したエタノール水溶液を用いることが好ましい。
【００３２】
前記濃縮工程は、例えば、図３に示すような蒸留手段３０を、上記第１段目の抽出手段の前工程に配設し、蒸留手段３０により濃縮してもよい。モロミは、蒸留手段３０においてある程度のエタノール濃度にまで濃縮された後、エタノール水溶液Ｆとして、上記第１段目の液液抽出手段１に導入される。
【００３３】
上記のような向流多段液液抽出手段により得られる、第１段目の液液抽出手段１から排出される油相Ｅ１がエタノールを含有する液状炭化水素からなる燃料として用いられる。
【００３４】
一方、第ｎ段目の液液抽出手段３から排出される水相Ｒｎには、少量のエタノールが残存している場合がある。このような少量のエタノールは液液抽出手段により抽出することは困難である。このような場合においては、上記第ｎ段目の抽出手段の後工程に図４に示すような蒸留手段４０を配設し、第ｎ段目の抽出手段から排出される水相Ｒｎを、蒸留することによりエタノールを取り出してもよい。蒸留手段４０で得られたエタノールを第１段目の液液抽出手段１から排出される油相Ｅ１に混合することにより、油相Ｅ１中のエタノール濃度をさらに高めることもできる。また、蒸留手段４０に代えて、または蒸留手段に加えて、膜分離の手段によりエタノールを分離してもよい。
【００３５】
このようにして得られるエタノール含有燃料は、液状炭化水素中にエタノールを含有する。液状炭化水素中のエタノールの含有割合としては、０．５〜４質量％、さらには、２〜４質量％であることが好ましい。エタノールの含有割合の上限値は飽和溶解度である。また、エタノールの含有割合が少なすぎる場合には、二酸化炭素の排出抑制効果や化石燃料の消費抑制効果が充分でなくなる。
【００３６】
このようにして得られたエタノール含有燃料は、例えば、内燃機関、ボイラ、加熱炉、セメントキルン、火力発電所の燃料、製鉄の際の高炉用燃料等に用いられる。これらの中でも、本発明のエタノール含有燃料は高炉への噴射燃料として用いることが特に好ましい。高炉への噴射燃料としての使用について、以下に詳しく説明する。
【００３７】
図５は高炉１の断面図である。高炉６１は、高炉６１内の下部からは、還元剤である一酸化炭素ガス６２が上昇し、高炉６１内の上部からは、鉄鉱石６３とコークス６４が降下する向流式の気液固３相が共存する巨大で複雑な反応器である。鉄鉱石６３は、上昇する高温のガス６２によって、塊状帯６５で約８００℃まで加熱され、軟化融着帯６６に入る。ここでは、１０００〜１２００℃で軟化した鉄鉱石同士が融着する。高炉６１内の上部から交互に挿入されたコークス６４と鉄鉱石６３が層状に保たれるのはここまでである。
【００３８】
鉄鉱石６３から還元された融けた鉄は、滴下帯６７を流下し、約１５００℃で下部にたまる。
【００３９】
一方、羽口６８から微粉炭（PCI：Pulverized Coal Injection）とともに吹き込まれた約１２００℃の熱風６９は、レースウェイ７０でコークス６４と微粉炭を燃やし、約２０００℃の一酸化炭素ガス６２となって上昇する。滴下帯６７では、流下する溶銑の中を上昇し、続いて軟化融着体６６を通る。ついで、塊状帯６５で鉄鉱石６３の還元をして、一酸化炭素と二酸化炭素が半々で約２００℃の高炉ガスとして、塔頂７１から排出される。本発明のエタノール含有燃料は、微粉炭の一部あるいは全部を代替して、羽口６８から熱風とともに高炉６１に供給される。
【実施例】
【００４０】
図６に示したような５段の向流多段液液抽出手段を用いて、エタノール含有燃料を製造した。供給したエタノール水溶液Ｆ５としては、２２質量％のエタノール水溶液を用いた。なお、２２質量％のエタノール水溶液は８質量％のエタノールを含有するモロミを工場における排熱により加熱して発生した蒸気を、工場冷却水で凝縮することにより得られたものである。また、油相として、重油Ｓ５を用いた。
【００４１】
エタノール水溶液Ｆ５は、第１段目の液液抽出手段５１に２．０８ｋｇ／ｈの供給速度で供給され、重油Ｓ５は第５段目の液液抽出手段５５に１２．９１ｋｇ／ｈの供給速度で供給した。上記各供給速度で、エタノール水溶液Ｆ５及び重油Ｓ５を５段の向流多段液液抽出手段に供給することにより、第５段目の液液抽出手段５５から１．７１ｋｇ／ｈの流量で水相Ｒ５が排出された。このときの水相Ｒ５中のエタノール含有割合は５．１質量％であった。そして、第１段目の液液抽出手段５１からは、１３．２８ｋｇ／ｈの流量でエタノール含有燃料として用いられる油相Ｅ１が排出された。なお、１３．２８ｋｇ中、１２．９１ｋｇが重油であり、０．３７ｋｇがエタノールであり、油相Ｅ１中のエタノール濃度は２．７質量％であった。
【００４２】
このようにして得られたエタノール含有燃料の熱量と二酸化炭素排出量を重油単独の熱量と二酸化炭素排出量とを比較した結果を表１に示す。
【００４３】
【表１】
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【００４４】
表１の結果から、本発明の製造方法により得られるエタノール含有燃料は、重油に比べて得られる単位熱量当たりの二酸化炭素の排出量を１．９％低減することができる。
【００４５】
すなわち、このように得られたエタノール含有燃料を、高炉の羽口から噴射する噴射燃料として用いることにより、重油単独を使用する場合と比較して、重油の使用量を１．９％低減することができるために、二酸化炭素の使用量を１．９％低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】ｎ段の液液抽出手段を備える向流多段液液抽出手段の模式図である。
【図２】ミキサー・セトラーを備える液液抽出装置の模式図である。
【図３】第１段目の抽出手段の前工程に配設される蒸留手段の模式図である。
【図４】第n段目の抽出手段の後工程に配設される蒸留手段の模式図である。
【図５】高炉の断面図である。
【図６】５段の液液抽出手段を備える向流多段液液抽出手段の模式図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  第１段目の液液抽出手段
２  第ｉ段目の液液抽出手段
３  第ｎ段目の液液抽出手段
５  ミキサー
６  セトラー
７  移送手段
２０  液液抽出手段２である液液抽出装置
３０，４０  蒸留手段
５１  第１段目の液液抽出手段
５５  第５段目の液液抽出手段
６１  高炉
６２  一酸化炭素ガス
６３  鉄鉱石
６４  コークス
６５  塊状帯
６６  軟化融着帯
６７  滴下帯
６８  羽口
６９  熱風
７０  レースウェイ
７１  スラグ
７２  炉芯
７３  溶銑
Ｅｉ  第ｉ段目の液液抽出手段から排出される油相
Ｅ１  第１段目の液液抽出手段から排出される油相
Ｆ  エタノール水溶液
Ｆ５  第１段目の液液抽出手段に導入されるエタノール水溶液
Ｒｉ  第ｉ段目の液液抽出手段から排出される水相
Ｒｎ  ｎ第段目の液液抽出手段から排出される水相
Ｒ５  第５段目の液液抽出手段から排出される水相
Ｓ，Ｓ５  液状炭化水素
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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