(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
希釈リグニン水溶液を加熱する加熱器と、前記加熱器から供給された希釈リグニン水溶液を濃縮する蒸発器と、前記蒸発器で濃縮された濃縮リグニン水溶液および別途供給される石炭を燃焼させるボイラーと、前記蒸発器から供給された蒸気を過熱する過熱器と、前記過熱器及び前記ボイラーからの蒸気によって駆動されるタービン群と、を備えたリグニンと石炭の混合燃焼発電システムであって、前記加熱器、蒸発器及び過熱器の熱源として前記ボイラーの排ガスを用いることを特徴とするリグニンと石炭の混合燃焼発電システム。
【請求項２】
前記蒸発器の蒸発温度をリグニンの熱分解開始温度以下とすることを特徴とする請求項１記載のリグニンと石炭の混合燃焼発電システム。
【請求項３】
前記ボイラーの排ガスを熱源とする乾燥機を更に備え、前記蒸発器で濃縮された濃縮リグニン水溶液の少なくとも一部を前記乾燥機で乾燥した後、前記石炭と混合して前記ボイラーに供給し燃焼させることを特徴とする請求項１又は２に記載のリグニンと石炭の混合燃焼発電システム。
【請求項４】
前記過熱器、蒸発器及び加熱器に供給された排ガスを、補助凝縮器をとおして前記ボイラーの下流に設けられた電気集塵装置の前段に戻すことを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載のリグニンと石炭の混合燃焼発電システム。
【請求項５】
前記蒸発器は流下液膜式蒸発器であることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載のリグニンと石炭の混合燃焼発電システム。
【請求項６】
前記流下液膜蒸発器の伝熱管内に洗浄ボールを循環させることを特徴とする請求項５記載のリグニンと石炭の混合燃焼発電システム。
【請求項７】
希釈リグニン水溶液を加熱するステップと、加熱された前記希釈リグニン水溶液を蒸発器により濃縮するステップと、前記蒸発器から排出された蒸気を過熱器で過熱するステップと、前記各ステップの熱源としてボイラーの排ガスを用いるステップと、前記濃縮された濃縮リグニン水溶液と石炭との混合物をボイラーで燃焼するステップと、前記過熱器及び前記ボイラーからの蒸気によってタービン群を駆動するステップと、を有することを特徴とするリグニンと石炭の混合燃焼発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はバイオマス燃料を用いた発電システム及びその方法に関し、特に、バイオマスからエタノールを製造する際に排出されるリグニンを用いたリグニンと石炭の混合燃焼発電システム及びその方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
木質系や草木系のバイオマスは、セルロース、ヘミセルロースとリグニンとが混在して結合されている。この三つの成分の内、セルロースは工業的に広く利用されており、その代表的なものがパルプ製造である。パルプ製造工程では、ヘミセルロースとリグニンを苛性ソーダや硫化ソーダを加えた水溶液に溶出させる。この水溶液は機械的に濃縮してボイラー内で燃焼するか、薬液処理等を行い処分している。ただし燃焼させる場合は大量のＳoxが排出されるので、脱硫装置が必要になる。
【０００３】
近年、このバイオマス中のセルロースとヘミセルロースは、ガソリンの代替燃料として期待されているエタノールに変えることができるため、各種のバイオマスからのエタノール製造プロセスが検討されている。このとき水溶性のリグニンは水に溶かして排出されてくる。
【０００４】
バイオマスからエタノールを製造する方法には、大きく分けて二つあり、一つは希硫酸法・亜硫酸法等の薬液により三つの成分を分解する方法で、製紙工場では古くから使われている。
【０００５】
もう一つはバイオマスを高温高圧で加水分解させ、リグニンだけを水に溶解させる方法である。このときのリグニン水溶液を燃焼させてもＳox が出てこないので安全である。
【０００６】
このリグニン自体は乾燥させると５５００〜６５００ｋｃａｌ／ｋｇの発熱量を有するので、石炭のクラスで言えば瀝青炭に匹敵する。しかしながら、排出されてくるリグニン水溶液は７０〜９０％程度が水分なので、これを燃焼させても水溶液中の水分を蒸発させるだけである。したがって、ボイラー等で燃焼させるには水溶液中のリグニン濃度を６０％以上に高める必要がある。
【０００７】
このため、このリグニン水溶液を事前に濃縮して、その濃縮液をボイラーに噴出して燃焼させる技術が開発され、実用化されており、その濃縮法として、加熱と減圧フラッシュと凝縮を複数段（複数圧力）繰り返す多段蒸発システムが用いられている（特許文献１及び２）。
【特許文献１】特許第３０４０７８５号公報
【特許文献２】特公平７−２３５９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述したように、バイオマスからエタノールを製造するプロセスで排出されるリグニン水溶液を濃縮し、濃縮したリグニンをボイラー等で燃焼させるシステムが提案されているが、このような従来のシステムでは、リグニン水分中の水分を蒸発させるエネルギー量に比して、濃縮したリグニンをボイラーで燃焼させることにより発生するエネルギーは少なく、全体として熱効率が悪いものとなっていた。
【０００９】
また、従来のシステムでは、リグニン水溶液の濃縮過程で発生した蒸気は、他の蒸発器や加熱器の熱源として使用されるだけで、リグニンが有する発熱量を有効に活用するものではなかった。
【００１０】
本発明は、このような課題を解決するためになされたもので、リグニン水溶液から蒸発させる蒸気をなるべく高圧・高温にするとともに、その流量を増やすことで、蒸気タービンを駆動し、電気エネルギー等に変換するとともに、ボイラーに投入するリグニン内の水分を減らして、ボイラーで利用できるエネルギーを増大させる高効率のリグニンと石炭の混合燃焼発電システム及びその方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係るリグニンと石炭の混合燃焼発電システムは、上記課題を解決するために、希釈リグニン水溶液を加熱する加熱器と、前記加熱器から供給された希釈リグニン水溶液を濃縮する蒸発器と、前記蒸発器で濃縮された濃縮リグニン水溶液を乾燥する乾燥機と、前記乾燥機から供給された濃縮リグニン水溶液と石炭との混合物が供給されるボイラーと、前記蒸発器から供給された蒸気を過熱する過熱器と、前記過熱器及び前記ボイラーからの蒸気によって駆動されるタービン群と、を備えたリグニンと石炭の混合燃焼発電システムであって、前記加熱器、蒸発器、乾燥機及び過熱器の熱源として前記ボイラーの排ガスを用いることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係るリグニンと石炭の混合燃焼発電方法は、希釈リグニン水溶液を加熱するステップと、加熱された前記希釈リグニン水溶液を蒸発器により濃縮するステップと、前記蒸発器で濃縮された濃縮リグニン水溶液を乾燥するステップと、前記蒸発器から排出された蒸気を過熱器で過熱するステップと、前記各ステップの熱源としてボイラーの排ガスを用いるステップと、前記乾燥された濃縮リグニン水溶液と石炭との混合物をボイラーで燃焼するステップと、前記過熱器及び前記ボイラーからの蒸気によってタービン群を駆動するステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のリグニンと石炭の混合燃焼発電システム及びその方法によれば、排ガス及びリグニンが有しているエネルギーを効率良く電気出力として回収することができるので、全体として高効率のリグニンと石炭の混合燃焼発電システム及びその方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係るリグニンと石炭の混合燃焼発電装置及びその方法の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１５】
（第１の実施形態）
図１を用いて、本発明の第１の実施形態に係るリグニンと石炭の混合燃焼発電装置を説明する。
【００１６】
本第１の実施形態に係るリグニンと石炭の混合燃焼発電装置は、１０〜３０％濃度のリグニン水溶液１５（以下、「希釈リグニン水溶液」という。）を貯留するタンク２、希釈リグニン水溶液１５を加熱する加熱器３、加熱された希釈リグニン水溶液１５を濃縮する蒸発器４、蒸発器４で生成した蒸気を過熱する過熱器５、蒸発器４で濃縮されたリグニン水溶液又は別途供給された石炭を燃焼させるボイラー１、前記過熱器５から供給される過熱蒸気により駆動されるタービン９ａ、ボイラー１から供給される蒸気により駆動されるタービン９ｂ、タービン９ａ及び９ｂからなるタービン群９、蒸発器４で濃縮されたリグニン水溶液の少なくとも一部を乾燥させる乾燥機１２、ボイラー１の排ガス１１から灰分を集塵する電気集塵器１３、加熱器３からの排ガス１１中の水分を凝縮させる補助凝縮器１４、ボイラー１の排ガス１１を熱源として過熱器５等に供給する配管２０、から構成される。
【００１７】
なお、本第１の実施形態では蒸発器４として流化液膜式蒸発器が用いられているが、他の方式の蒸発器を用いることができることはもちろんである。
【００１８】
ところで、上述したように、バイオマスからのエタノールを製造するプロセスにおいて、リグニンをセルロース、ヘミセルロースから分離する際に硫化ソーダ等の薬品を使用しなければ、リグニン水溶液をボイラー1で燃焼させてもなんら環境面の問題はない。しかしながら、約１０〜３０％濃度の希釈リグニン水溶液１５はボイラーで燃焼させることはできず、また、５０％程度に濃縮させても発熱量は小さい一方、濃縮に要するエネルギー量は多い。したがって、リグニン水溶液の濃度を約６０％以上にする必要がある。
【００１９】
そこで、本第１の実施形態では、図１に示すように、ボイラー１下流部の排ガス１１を用いて、稀釈リグニン水溶液１５を濃縮させる。すなわち、排ガス１１を、配管２０をとおして、まず、蒸発器４で濃縮させるときに生成される蒸気を過熱する過熱器５に供給し、次に温度降下した排ガス１１で稀釈リグニン水溶液を蒸発器４で濃縮させ、蒸気を発生させる。
【００２０】
この時の蒸発温度は、リグニンの熱分解開始温度である２８０〜３３０℃未満の飽和温度になる圧力、約６０〜８０ataで蒸発させる。そのため稀釈リグニン水溶液１５をポンプ６で８０ata以上に昇圧する。
【００２１】
蒸発器４を出た排ガス１１は、加熱器３に供給され、稀釈リグニン水溶液１５を蒸発器４の蒸発温度未満まで加熱する一方、排ガス１１自体は減温される。そして、リグニン水溶液加熱器３を出た排ガス１１は、補助凝縮器１４で排ガス１１中の水分が凝縮させた後に、通風機１７により、配管２１をとおしてボイラーの排ガス１１から灰分を集塵する電気集塵器１３の前段に戻される。
【００２２】
これにより灰分が少なく、乾燥した排ガス１１を電気集塵器１３に戻すことができるので、水分増大による集塵効率の低下と総排ガス１１中の灰分減少により集塵負荷を低減することができる。
【００２３】
一方、稀釈リグニン水溶液１５は、加熱器３で、蒸発器４での蒸発温度、すなわち、リグニンの熱分解開始温度である２８０〜３３０℃未満の飽和温度近くまで加熱され、蒸発器での負荷を減らすとともに、流下液膜式蒸発器４の熱伝達性能を高めに設定できる。
【００２４】
蒸発器４で生成した蒸気は過熱器５で過熱蒸気となり、専用の蒸気タービン９ａ又は石炭ボイラーの蒸気で駆動するタービン９ｂのいずれかの適した圧力条件の位置に抽入され、電気出力させる。これによりリグニン水溶液の濃縮に使用したエネルギーの一部は電力として回収できる。
【００２５】
希釈リグニン水溶液１５は蒸発器４で濃縮されて濃縮リグニン水溶液１６となり、この濃縮リグニン水溶液１６は、さらに水分を減少させるために、減圧弁１８で圧力を大気圧付近まで減圧し、水分の一部を蒸発させ、蒸気放出弁（図示せず）から抽気させた後に、キルン型等の乾燥機１２に投入し乾燥させ、石炭供給ライン８に混合する。
【００２６】
乾燥機１２には、加熱・乾燥キャリアガスとして、ボイラー１の排ガス１１の一部を分岐して使用する。そして、乾燥機１２の負荷に応じて、過熱器５の前段排ガス１１と蒸発器４の前段排ガス１１を利用する。
【００２７】
乾燥機１２を出た排ガス１１は、配管２３をとおしてリグニン水溶液加熱器３に供給される排ガス１１に混合される。これにより乾燥機１２にて乾燥に利用したエネルギーの残りは、リグニン水溶液加熱器３の熱源として回収され、最終的には蒸気タービン９又は９ａでの出力増大に繋がり、電力として回収したことになる。
【００２８】
また、乾燥機１２を用いずに、あるいは乾燥機１２と併用して、濃縮リグニン水溶液１６を、蒸発器４とボイラー１の間に設けられた配管２２をとおして、減圧弁１８で減圧したのち直接ボイラー１に投入燃焼させることも可能である。これは特にボイラー下段の排ガス１１のエネルギー量が少ない場合に有効である。
【００２９】
以上のように、本第１の実施形態に係るリグニンと石炭の混合燃焼発電システムによれば、加熱源としてボイラー下流部の排ガスを利用して、稀釈リグニン水溶液を濃縮・乾燥しボイラーで燃焼させるとともに、リグニン水溶液からの蒸気を高圧・高温・高流量にして蒸気タービンを駆動し、電気エネルギー等に変換することにより、排ガス及びリグニンが有しているエネルギーを効率良く電気出力として回収することができるので、全体として高効率の発電システムを提供することが可能となる。
【００３０】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る発明は、蒸発器４として用いられる流下液膜式蒸発器４Ａに関する。
【００３１】
図２は、本第２の実施形態に係る流下液膜式蒸発器４Ａの概要図であり、比容積の大きい排ガス１１は、排ガス入口４ａをとおして蒸発器４Ａに入り、蒸発器流路抵抗を少なくするために蒸発器４Ａに複数配設され、管板４ｎで仕切られた空間に配置された伝熱管４ｍの管外を流れ、管内を流れる希釈リグニン水溶液１５を加熱した後、排ガス出口４ｂから排出される。
【００３２】
リグニン水溶液加熱器３から供給された稀釈リグニン水溶液１５は、稀釈リグニン水溶液入口４ｅから蒸発器４に入り、稀釈リグニン水溶液分配部４ｈに一時貯留され、伝熱管４ｍに設置された稀釈リグニン水溶液供給孔４ｌから伝熱管４ｍの管内に供給され、その一部が蒸発する。一部蒸発した濃縮リグニン水溶液１６は下部のヘッダーに貯留され、その後、濃縮リグニン水溶液出口４ｄから排出される。
【００３３】
排ガス１１で加熱される伝熱管４ｍ内で固形リグニンが付着する可能性があるので、伝熱管内を洗浄するためのボール状のスポンジ４ｊを、間欠的に洗浄ボール循環ポンプ７で循環させる。そのために、稀釈リグニン水溶液分配部４ｈに、洗浄ボール分配金網４ｉを伝熱管４ｍの上端部に配置し、また、洗浄ボール捕獲金網４ｋを下部ヘッダーに斜めに設置する。
【００３４】
このような構成の流下液膜式蒸発器４Ａを用いることにより、リグニン水溶液が伝熱管内で詰ることなく高効率に蒸発することができ、濃縮率が高く蒸気発生量の多い蒸発器を提供できる。
【００３５】
この第２の実施形態に係る発明によれば、洗浄ボールが伝熱管内を循環洗浄することにより、リグニン水溶液が伝熱管内で詰ることなく高効率に蒸発することができるので、リグニン水溶液の濃縮・乾燥をさらに効率良く行うことができるとともに、排ガス及びリグニンが有しているエネルギーを効率良く電気出力として回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るリグニンと石炭の混合燃焼発電システムの全体構成図。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る流下液膜式蒸発器の構成図。
【符号の説明】
【００３７】
１…ボイラー、２…リグニン水溶液タンク、３…加熱器、４…蒸発器、４Ａ…流下液膜式蒸発器、４ａ…排ガス入口、４ｂ…排ガス出口、４ｃ…蒸気出口、４ｄ…濃縮リグニン水溶液出口、４ｅ…稀釈リグニン水溶液入口、４f…洗浄ボール出口、４ｇ…洗浄ボール入口、４ｈ…稀釈リグニン水溶液分配部、４ｉ…洗浄ボール分配金網、４ｊ…洗浄ボール、４ｋ…洗浄ボール捕獲金網、４ｌ…稀釈リグニン水溶液供給孔、４ｍ…伝熱管、４ｎ…管板、５…過熱器、６…ポンプ、７…洗浄ボール循環ポンプ、８…石炭供給管、９…蒸気タービン群、９ａ…蒸気タービン、９ｂ…蒸気タービン、１０…復水器、１１…排ガス、１２…乾燥機、１３…電気集塵装置、１４…補助凝縮器、１５…稀釈リグニン水溶液、１６…濃縮リグニン水溶液、１７…通風機、１８…減圧弁、２０，２１，２２，２３…排ガス配管。
【図１】
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【図２】
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