(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超臨界水領域に、水、酸化剤及び有機燃料物質を供給し、超臨界水の存在下で有機燃料物質を酸化剤で酸化する超臨界水酸化反応を行い、主として超臨界水からなる反応生成物流体を生成させる工程を備え、得た反応生成物流体の熱エネルギーにより発電機の駆動タービンを駆動して発電させる発電方法において、
硫黄、塩素、リン、窒素などの無機酸生成元素を含まない、炭素、水素、及び酸素の元素からなる水溶性液状有機化合物を有機燃料物質とし、水溶性液状有機化合物の水溶液を超臨界水領域に供給することを特徴とする発電方法。
【請求項２】
単位量当たりの水溶液中に含まれる水溶性液状有機化合物の量が、単位量当たりの水溶液を超臨界水領域に導入し、超臨界水酸化反応を進行させる際に必要な水溶性液状有機化合物の所要量未満のときには、
所要量の不足に相当する補助燃料を供給することを特徴とする請求項１に記載の発電方法。
【請求項３】
単位量当たりの水溶液中に含まれる水溶性液状有機化合物の量が、単位量当たりの水溶液を超臨界水域に導入し、超臨界水酸化反応を進行させる際に必要な水溶性液状有機化合物の所要量以上のときには、
単位量当たりの水溶液中に含まれている水溶性液状有機化合物の量が、超臨界水酸化反応の進行に必要な所要量になるように、水溶液に水を注入して希釈することを特徴とする請求項１に記載の発電方法。
【請求項４】
水溶性液状有機化合物が、１価アルコール、２価アルコール、３価アルコール、エーテル、低級カルボニル化合物、グルコース及びフルクトース等の糖類、及び低級カルボン酸の少なくともいずれかであることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の発電方法。
【請求項５】
水溶性液状有機化合物が、植物由来の有機化合物であることを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか１項に記載の発電方法。
【請求項６】
植物由来の有機化合物が、セルロースから誘導された有機化合物であることを特徴とする請求項５に記載の発電方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超臨界水酸化反応装置と発電装置とを組み合わせた複合型発電システムによる発電方法に関し、更に詳細には、複合型発電システムによる経済的かつ実用的な発電方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発電システムは、熱エネルギーを電気エネルギーに転換するシステムであって、転換した電気エネルギーの単価は、熱エネルギーのコストに大きく依存している。
そこで、従来から、発電システムの熱エネルギーのコストを下げるために種々の試みが成されていて、その一つとして、超臨界水酸化反応装置と発電装置とを組み合わせた複合型発電システムが提案されている。
【０００３】
超臨界水反応装置は、超臨界水の高い反応性を利用して有機物を酸化分解する装置であって、例えば、難分解性の有害な有機物を分解して無害な二酸化炭素と水に転化したり、難分解性の高分子化合物を分解して有用な低分子化合物に転化したりするために、現在、その実用化が盛んに研究されている。
超臨界水とは、超臨界状態にある水、即ち、水の臨界点を越えた状態にある水を言い、詳しくは、３７４．１℃以上の温度で、かつ２２．０４ＭＰａ以上の圧力下にある状態の水を言う。
【０００４】
ここで、図３及び図４を参照して、超臨界水酸化反応装置と発電装置とを組み合わせた従来の複合型発電システムの構成について説明する。図３は従来の超臨界水酸化反応装置と発電装置とを組み合わせた複合型発電システムの構成を示すブロック図、及び、図４は超臨界水酸化反応装置の構成を示すフローシートである。
複合型発電システム６０は、図３に示すように、超臨界水酸化反応装置６２と、発電装置６４とを組み合わせ、超臨界水酸化反応装置６２で有機燃料物質を超臨界水酸化反応させて主として超臨界水からなる反応生成物流体を生成させ、反応生成物流体を熱エネルギー源として発電装置６４に導入し、反応生成物流体で発電装置６４の発電機駆動タービン（図示せず）を回して発電機を駆動して発電し、電力を出力するものである。
そして、発電装置６４の発電機駆動タービンから生じる廃蒸気を凝縮させて復水にし、その復水を純水化して再び超臨界水酸化反応装置６２に導入するようにしている。
【０００５】
超臨界水酸化反応装置６２は、超臨界水の存在下で有機燃料物質を酸化剤により酸化する超臨界水酸化反応を行う装置であって、図４に示すように、超臨界水酸化反応を行う反応器として設けられた縦型の耐圧密閉型反応器６６と、有機燃料物質及び酸化剤を反応器６６に供給する供給系統として、反応器６６に有機燃料物質を送入する燃料ポンプ６８と、酸化剤として空気を圧入する空気圧縮機７０とを備えている。
燃料を超臨界水酸化反応して得た反応生成物流体は、反応器６６から流出して、発電装置６４の発電機駆動タービン（図示せず）に導入される。また、反応器６６には、発電装置６４の発電機駆動タービンから出た廃蒸気を冷却して復水となし、この復水を気液分離して、そのまま、あるいは微粒子状固形物等を除去した後、超臨界水反応装置に導入し、水の閉サイクルを構成している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の複合型発電システムでは、熱エネルギーの低コスト化を図るために、有機燃料物質として、低価格の未利用資源とされる、褐炭、ピート等の若年炭の固形燃料や、タール等の高粘性燃料に注目していた。
そのために、従来の複合型発電システムには、次のような種々の問題があって、その実用化が極めて難しかった。
第１には、固形燃料や高粘性燃料の場合、固形燃料や高粘性燃料の取扱い難さから、超臨界水酸化反応装置の反応器に有機燃料物質を供給する供給装置の構成が複雑になり、しかも円滑に動作させて、安定して運転を継続することが難しいという問題があった。
第２には、固形燃料や高粘性燃料は、一般に、硫黄、リン等の酸生成元素を高濃度に含有しているので、反応器内で高濃度の酸が生成し、そのために反応器の腐食が著しく進行するという問題があった。そこで、アルカリ剤で酸を中和する試みもなされているが、中和により発生した塩が、発電機駆動タービンのブレードに付着して発電機駆動タービンの運転を不安定にしたり、或いは反応器から発電機駆動タービンまでの配管を閉塞したりするという問題を招いた。
これでは、複合型発電システムを実用化し、安定して電力を出力することは難しい。
【０００７】
そこで、本発明の目的は、超臨界水酸化反応装置と発電装置とを組み合わせた複合型発電システムを使って発電する際、安定して、かつ経済的に電力を出力できるようにした発電方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、複合型発電システムを使って発電する際、安定して経済的に電力を出力できる発電方法を実現するために、低価格の液状有機燃料物質、特に植物由来の有機燃料物質に着目した。
ところで、従来から、石炭、石油等の化石燃料の資源保存と、化石燃料を燃焼させた際に発生するＮｏｘ、Ｓｏｘ等による公害の防止を図って、化石燃料に代えて、公害が発生し難く、しかも植物に由来した原料から生産できる比較的低価格のメタノール、エタノール等の低級アルコールを自動車の燃料にしたり、発電所の燃料にしたりすることが、世界的に、奨励されている。
【０００９】
しかし、アルコール燃料用の内燃機関の開発が遅れ、また、アルコール燃料の充填所の設置も捗々しく進捗していないこともあって、アルコールを燃料にして走行する自動車は予想するほど普及していない。
また、低級アルコールを燃焼して効率的に高い熱エネルギーを得ることが難しいこともあって、低級アルコールを燃料とする発電所の実用化も期待するほど進んでいない。
【００１０】
そこで、本発明者は、複合型発電システムを使って発電するに際し、低級アルコール燃料等の硫黄、塩素、リン、窒素などの無機酸生成元素を含まない、炭素、水素、及び酸素の元素からなる水溶性液状有機燃料物質を燃料にすることを着想した。
それは、このような液状有機燃料物質が次の特長を有するからである。第１には、このような液状の有機燃料物質は、従来の固形燃料や高粘性物質とは異なり、反応器に容易に供給することができる。第２には、無機酸生成元素を含まないので、反応器の腐食を少なく、また中和により塩が生成して、種々のトラブルを招くおそれも無い。第３には水溶性であるから水に速やかに溶解し、反応速度が速いからである。
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明に係る発電方法は、超臨界水領域に、水、酸化剤及び有機燃料物質を供給し、超臨界水の存在下で有機燃料物質を酸化剤で酸化する超臨界水酸化反応を行い、主として超臨界水からなる反応生成物流体を生成させる工程を備え、得た反応生成物流体の熱エネルギーにより発電機の駆動タービンを駆動して発電させる発電方法において、
硫黄、塩素、リン、窒素などの無機酸生成元素を含まない、炭素、水素、及び酸素の元素からなる水溶性液状有機化合物を有機燃料物質とし、水溶性液状有機化合物の水溶液を超臨界水領域に供給することを特徴としている。
【００１２】
ところで、単位量当たりの水溶液を超臨界水領域に導入し、超臨界水酸化反応を進行させる際に必要な水溶性液状有機化合物の所要量は、ある定まった量であって、水溶性液状有機化合物の酸化発熱量、水溶液を昇温させるのに必要な熱量及び熱損失を含めた熱収支によって一意的に定まる量である。
従って、単位量当たりの水溶液中の水溶性液状有機化合物の所要量、つまり水溶性液状有機化合物の所要濃度は、超臨界水酸化反応の反応温度によって異なる。
【００１３】
例えば、超臨界水酸化反応の反応温度を６００℃及び５００℃にすると、超臨界水酸化反応を進行させる上で必要な水溶性液状有機化合物の濃度は、図５に示すような関係にある。図５で、横軸は水溶性液状有機化合物の発熱量（ｋｃａｌ／ｋｇ）であり、縦軸は超臨界水酸化反応を進行させる上で必要な水溶性液状有機化合物の所要濃度（％）である。
図５は、超臨界水酸化反応の圧力を２４ＭＰａ、反応器周りの熱損失を入熱の１５％として、水溶性液状有機化合物の酸化発熱量、昇温に必要な熱量及び熱損失を含めた熱収支を取って求めたものである。
【００１４】
例えば、粗製エタノールを水溶性液状有機化合物の水溶液としたとき、エタノールの発熱量は７，１００ｋｃａｌ／ｋｇであるから、超臨界水酸化反応の反応温度が６００℃であるときには、超臨界水酸化反応を進行させる上で必要な粗製エタノールのエタノール濃度は、図５に示すように、約１６％である。また、超臨界水酸化反応の反応温度が５００℃であるときには、超臨界水酸化反応を進行させる上で必要な粗製エタノールのエタノール濃度は、約１４％である。
従って、エタノール濃度が１４％の粗製エタノール水溶液を導入して、反応温度６００℃で超臨界水酸化反応させる場合には、発熱量が不足するので、別に補助燃料を必要とする。逆に、エタノール濃度が１６％の粗製エタノール水溶液を導入して、反応温度５００℃で超臨界水酸化反応させる場合には、発熱量が過剰となるので、水溶液に水を注入して希釈することが必要になる。
【００１５】
一方、経済的に、かつ安定して発電できる発電システムを実現するには、取扱いが容易で、しかもコストの低い有機燃料物質を使用することが必要である。
コストの低い有機燃料物質としは、精製工程を経ていない水溶性液状有機化合物、例えば原料をアルコール醗酵させた後、精製工程を経ていない粗製エタノールがある。ところで、粗製エタノールのエタノール濃度は、醗酵原料の種類、醗酵工程の醗酵条件に依存して高低があり、必ずしも同じ濃度ではない。
また、有機燃料物質の濃度に高低があることは、粗製エタノールに限らないことであって、植物由来の水溶性液状有機化合物には一般的なことである。例えば砂糖として精製する前の砂糖黍の汁液では、有機化合物の濃度が砂糖黍の種類、砂糖黍の加工工程の条件等により異なる。
【００１６】
そこで、本発明方法では、水溶性液状有機化合物の水溶液を、水溶性液状有機化合物の低濃度水溶液と高濃度水溶液とに区分し、それに応じて補助燃料を注入したり、或いは水を注入して水溶液を希釈したりする。
本発明で、低濃度水溶液とは、単位量水溶液当たりの水溶性液状有機化合物の量が、超臨界水酸化反応を進行させる際に必要な水溶性液状有機化合物の所要量未満の水溶液を言い、高濃度水溶液とは、単位量水溶液当たりの水溶性液状有機化合物の量が、超臨界水酸化反応を進行させる際に必要な水溶性液状有機化合物の所要量以上の水溶液を言う。
【００１７】
以上の知見に基づいて、本発明に係る好適な実施態様では、単位量当たりの水溶液中に含まれる水溶性液状有機化合物の量が、単位量当たりの水溶液を超臨界水領域に導入し、超臨界水酸化反応を進行させる際に必要な水溶性液状有機化合物の所要量未満のときには、
所要量の不足に相当する補助燃料を供給する。
逆に、単位量当たりの水溶液中に含まれる水溶性液状有機化合物の量が、単位量当たりの水溶液を超臨界水領域に導入し、超臨界水酸化反応を進行させる際に必要な水溶性液状有機化合物の所要量以上のときには、
単位量当たりの水溶液中に含まれている水溶性液状有機化合物の量が、超臨界水酸化反応の進行に必要な所要量になるように、水溶液に水を注入して希釈する。
【００１８】
具体的には、水溶性液状有機化合物が、１価アルコール、２価アルコール、３価アルコール、エーテル、低級カルボニル化合物、グルコース及びフラクトース等の糖類、及び低級カルボン酸の少なくともいずれかである。１種類に限らず、２種類以上を混合したものでも良い。
また、水溶性液状有機化合物が、植物由来の有機化合物であり、例えばセルロースから誘導された有機化合物である。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、添付図面を参照し、実施形態例を挙げて本発明の実施の形態を具体的かつ詳細に説明する。
実施形態例１
本実施形態例は、本発明に係る発電方法の実施形態の一例であって、低濃度有機化合物の水溶液を導入する例である。図１は本実施形態例方法を実施する複合型発電システムの構成を示すフローシートである。
複合型発電システム１０は、図１に示すように、超臨界水酸化反応装置１２（以下、簡単に反応装置１２と言う）と、発電装置１４と、復水系統１６とから構成されている。
反応装置１２は、図１に示すように、超臨界水酸化反応を行わせる反応器として縦型反応器１８を備え、超臨界水が滞留する超臨界水領域を反応器１８の内部全域にわたり存在させている。
【００２０】
反応器１８の入口には、超臨界水酸化反応を行わせる有機燃料物質を超臨界水領域に流入させる燃料供給管２０が接続され、燃料供給管２０には、補助燃料を注入する補助燃料管２２、及び有機燃料物質を酸化する酸化剤として空気を送入する空気ライン２４が接続されていて、有機燃料物質、補助燃料及び空気が反応器１８に導入される。
【００２１】
有機燃料物質の供給系は、有機燃料物質を貯蔵する燃料タンク２８と燃料ポンプ３０とを備え、燃料タンク２８から反応器１８に燃料供給管２０を介して有機燃料物質を燃料ポンプ３０によって圧入する。
空気ライン２４には空気圧縮機３３が設けられ、空気圧縮機３３は空気を反応器１８内の圧力に昇圧し、高圧空気を空気ライン２４及び燃料供給管２０を通って反応器１８に圧入する。
補助燃料の供給系は、補助燃料を貯蔵する補助燃料タンク３１と、補助燃料ポンプ３２とを備え、補助燃料タンク３１から燃料供給管２０に補助燃料管２２を介して補助燃料を補助燃料ポンプ３２によって圧入する。
【００２２】
反応器１８では、反応装置１２で超臨界水酸化反応させる有機燃料物質には、硫黄系、塩素系、窒素系或いはリン系化合物等の塩を生成する成分が含まれていないか、含まれていても極めて微量である。
よって、アルカリ中和剤を供給する中和剤ラインは、通常、接続されていない。
【００２３】
発電装置１４は、発電して電力を出力する発電機３４と、発電機３４を駆動する発電機駆動タービン３６と、発電機駆動タービン３６から流出する蒸気を凝縮させる復水器３８とを備えている。
反応器１８の出口は、反応生成物ライン４０を介して、発電機駆動タービン３６に接続され、発電機駆動タービン３６の出口は、復水器３８に接続されている。
【００２４】
復水系統１６は、復水器３８から凝縮水をポンピングする復水ポンプ４２と、凝縮水を気液分離する気液分離器４４とを備えている。
【００２５】
次いで、図１を参照して、上述の発電システム１０を使って発電する方法を説明する。
本実施形態例では、有機燃料物質として粗製エタノールを使用する。ここで、粗製エタノールとは、植物を原料にして醗酵法により製造したエタノールであって、蒸留法等により精製する前段階の濃度１０％未満のエタノールである。
本実施形態例で使用する粗製エタノールは、廃糖蜜、亜硫酸パルプ廃液などの糖類含有物質を原料として醗酵法により得たエタノールである。先ず、廃糖蜜又は亜硫酸パルプ廃液を蒸煮し、酵母を加えてアルコール醗酵させると、エタノールと二酸化炭素が生成する。醗酵はエタノール含量が一定値（６〜１０％）に達すると止まる。これを濾過して粗製エタノールを得ることができる。
本実施形態例では、粗製エタノールを有機燃料物質として超臨界水酸化反応させる反応器１８での反応温度は約５００℃、また、反応圧力は約２４ＭＰａである。
【００２６】
燃料タンク２８に収容されている粗製エタノールを燃料ポンプ３０により、空気を空気圧縮機３３により、及び補助燃料タンク３１に収容されている補助燃料を補助燃料ポンプ３２により反応器１８に圧入する。
粗製エタノールは、反応器１８内で空気による超臨界水酸化反応に与かり酸化して、水とＣＯ2 とに分解し、また、超臨界水酸化反応の際のエタノールの酸化熱に水溶液の水を昇温して超臨界水に転化させ、ＣＯ2 とＮ2 等の微量のガス成分を含む超臨界水からなる反応生成物流体となって反応器１８から流出する。
反応生成物流体は、発電機駆動タービン３６に流入し、熱エネルギーを与えて発電機駆動タービン３６を回転させると共に廃蒸気となって流出する。発電機３４は、発電機駆動タービン３６に駆動されて発電し、電力を出力する。
【００２７】
発電機駆動タービン３６から流出した廃蒸気は、復水器３８に流入して凝縮して、復水となる。復水は、復水ポンプ４２によりポンピングされて復水器３８から気液分離器４４に送入され、気液分離して復水中に溶存しているＣＯ2 とＮ2 等の微量のガス成分が除去される。
次いで、復水は、放流されたり、或いは必要な水処理が行われて、再利用される。
【００２８】
上述のように、本実施形態例方法では、粗製エタノールを有機燃料物質として超臨界水酸化反応させるので、反応器１８での反応温度が約５００℃、反応圧力が約２４ＭＰａと比較的緩い超臨界水酸化反応条件で充分である。
また、粗製エタノールは、硫黄、塩素、リン、窒素などの無機酸生成元素を実質的に含んでいないので、腐食性が極めて低く、反応器１８の材質について耐食性を考慮する必要は殆どない。
更には、粗製エタノールは液体であるから取扱いが容易であり、粒状又はスラリー状の燃料を取り扱う場合とは異なり、燃料タンク２８、燃料ポンプ３０等からなる燃料供給系の設備に特別な配慮が行う必要がなく、安定して燃料を反応器１８に供給することができる。従って、複合型発電システムを使って、安定して電力を出力することができる。
粗製エタノールを燃料とした本実施形態例では、反応生成物流体中に微粒状の固形物を殆ど含んでいないので、発電機駆動タービン３６の上流に設置して、反応生成物流体から固形物を除去する分離装置は、簡単なもので良い。
【００２９】
また、本実施形態例方法によれば、反応生成物流体は、温度及び圧力が従来の媒体に比べて著しく高く、即ち極めて高い熱エネルギーを有する媒体であるから、高いエネルギー変換率で熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
よって、本実施形態例方法によれば、製造コストが低い粗製エタノールを燃料として、クリーンなエネルギーである電気を発電できるので、経済的に有利であるし、地球環境的にも好ましい。
本実施形態例方法では、粗製エタノールを例にして説明したが、本発明で特定した有機化合物であれば、粗製エタノールに代えて、その有機化合物を有機燃料物質として使用することができる。
【００３０】
実施形態例２
本実施形態例は、本発明に係る発電方法の実施形態の別の例であって、高濃度有機化合物の水溶液を導入する例である。図２は本実施形態例方法を実施する複合型発電システムの構成を示すフローシートである。
本実施形態例の方法を実施する発電システム５０は、補助燃料の供給系に代えて、純水の供給系として機能する復水系統を備えていることを除いて、実施形態例１の方法を実施する発電システム１０と同じ構成を備えている。
即ち、発電システム５０の復水系統１６は、気液分離器４４で分離された復水に除濁、脱炭酸、脱塩等の処理を施して純水にする復水処理装置５２と、復水処理装置５２に得た純水を貯蔵する純水タンク５４と、純水タンク５４から純水供給管５６を介して純水を燃料供給管２０に圧入する純水ポンプ５８とを備えている。
【００３１】
本実施形態例では、有機燃料物質としてエタノール濃度が約１６％の粗製エタノールを使用し、反応温度５００℃、圧力２４ＭＰａの反応温度で反応器１８で超臨界水酸化反応を行う。
前述したように、この反応条件では、粗製エタノール中のエタノール濃度が過剰であるから、エタノール濃度が約１４％になるように、純水タンク５４から燃料供給管２０に純水供給管５６を介して純水を純水ポンプ５８によって圧入する。
純水は、気液分離器４４で分離された復水を復水処理装置５２で除濁、除炭酸、脱塩等の処理を行って得たものである。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、有機燃料物質の超臨界水酸化反応により得た反応生成物流体の熱エネルギーを使って発電機の駆動タービンを駆動し、発電する発電方法において、硫黄、塩素、リン、窒素などの無機酸生成元素を含まない、炭素、水素、及び酸素の元素からなる水溶性液状有機化合物を有機燃料物質として供給することにより、複合型発電システムを使った実用的かつ経済的な発電方法を実現している。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例１の方法を実施する発電システムの構成を示すフローシートである。
【図２】実施形態例２の方法を実施する発電システムの構成を示すフローシートである。
【図３】複合発電システムの構成を示すブロック図である。
【図４】複合発電システムの超臨界水酸化反応装置の構成を示すフローシートである。
【図５】超臨界水酸化反応の反応温度をパラメータとし、水溶性液状有機化合物の発熱量と水溶性液状有機化合物の所要濃度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０  実施形態例１の方法を実施する発電システム
１２  超臨界水酸化反応装置
１４  発電装置
１６  給水装置
１８  反応器
２０  燃料供給管
２２  補助燃料管
２４  空気ライン
２８  燃料タンク
３０  燃料ポンプ
３１  補助燃料タンク
３２  補助燃料ポンプ
３３  空気圧縮機
３４  発電機
３６  発電機駆動タービン
３８  復水器
４０  反応生成物ライン
４２  復水ポンプ
４４  気液分離器
５０  実施形態例２の方法を実施する発電システム
５２  復水処理装置
５４  純水ポンプ
５６  純水供給管
５８  純水ポンプ
６０  複合型発電システム
６２  超臨界水酸化反応装置
６４  発電装置
６６  反応器
６８  燃料ポンプ
７０  空気圧縮機
【図１】
0004339975.tif 000002
【図２】
0004339975.tif 000003
【図３】
0004339975.tif 000004
【図４】
0004339975.tif 000005
【図５】
0004339975.tif 000006