JP2010077934A

JP2010077934A - 発電システム

Info

Publication number: JP2010077934A
Application number: JP2008248974A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kobayakawa; 真小早川; Yasuhiro Sagara; 安廣相良
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2008-09-26
Filing date: 2008-09-26
Publication date: 2010-04-08

Abstract

【課題】セメント原料として用い得る焼却灰、塩素バイパスダスト等のカルシウム含有ダストを利用した発電システムを提供する。
【解決手段】発電システム１は、塩素バイパスダスト１３等のカルシウム含有ダストと、水１４を混合して、高濃度塩分含有水溶液２を得るための混合手段３と、高濃度塩分含有水溶液２からカルシウム成分を回収するためのカルシウム成分回収手段８と、セメント製造設備１１で生じる廃熱を利用して、高濃度塩分含有水溶液２を濃縮するための濃縮手段１０と、高濃度塩分含有水溶液２と工業用水４との塩分の濃度差を利用して発電するための浸透圧塩分濃度差発電装置７を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、セメント原料として用い得るカルシウム含有ダスト（例えば、焼却灰、塩素バイパスダスト等）を利用した発電システムに関する。

セメント製造設備におけるセメント原料の一部として、焼却灰等の系外からのダストや、セメント製造設備の排ガスから回収されるダスト（例えば、塩素バイパスダスト）などを用いることが行なわれている。
この際、これらのダストは、セメントの品質に悪影響を与えないように、ナトリウム成分、塩素成分などを除去した後に、セメント原料として用いられている。このときに生じるナトリウム成分等を含む廃液は、水質の汚濁を防止するための処理を施した後に、放流されている。なお、この廃液を、発電等のエネルギー源として用いることは、従来、行われていない。

一方、近年、海水と淡水のように塩分濃度の異なる２種の水溶液の濃度差を利用して発電する方法（浸透圧塩分濃度差発電）が、提案されている。
具体的には、塩分濃度の異なる２種の水溶液を、半透膜を介して接触させると、水やイオンが前記半透膜を通って移動するが、この際のエネルギーを利用して発電するものである。
浸透圧塩分濃度差発電としては、低塩分濃度の水側から高塩分濃度の水側へと移動する水の圧力を利用して発電するＰＲＯ（ＰｒｅｓｓｕｒｅＲｅｔａｒｄｅｄＯｓｍｏｓｉｓ）方式と、高塩分濃度の水側から低塩分濃度の水側へと移動するイオン（Ｎａイオン、塩化物イオン）を利用して、電極間に電力を発生させるＲＥＤ（ＲｅｖｅｒｓｅＥｌｅｃｔｒｏｄｉａｌｙｓｉｓ）方式の２つの方式が知られている（特許文献１〜２）。
また、浸透圧塩分濃度差発電の実用化技術として、濃縮海水を利用するものが提案されている（特許文献３〜４）。
ＷＯ２００７／０９４６５９Ａ１ＷＯ０２／１３９５５Ａ１特開２００３−１７６７７５号公報特開２００４−３３５３１２号公報

上述のとおり、焼却灰、塩素バイパスダスト等のカルシウム含有ダストを処理する際に生じる廃液は、従来、発電等のエネルギー源として用いられていない。
そこで、本発明は、セメント原料として用い得る焼却灰、塩素バイパスダスト等のカルシウム含有ダストを利用した発電システムを提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、焼却灰、塩素バイパスダスト等のカルシウム含有ダストを水洗したときに生じる高い塩分濃度を有する水溶液（高濃度塩分含有水溶液）を利用して、浸透圧塩分濃度差発電を行えば、発電によって得られる電気エネルギーをセメント製造設備のエネルギー源などとして利用しうることなどを見出し、本発明を完成した。

すなわち、本発明は、以下の［１］〜［４］を提供するものである。
［１］セメント原料として用い得るカルシウム含有ダストと、水を混合して、高濃度塩分含有水溶液を得るための混合手段と、該混合手段で得られた高濃度塩分含有水溶液と、該高濃度塩分含有水溶液よりも低い濃度で塩分を含む低濃度塩分含有水溶液または塩分を含まない水との塩分の濃度差を利用して発電するための発電手段と、を含むことを特徴とする発電システム。
［２］上記カルシウム含有ダストが、焼却灰、及び／又は、セメント製造設備の排ガスから回収されるダストである上記［１］に記載の発電システム。
［３］上記混合手段と上記発電手段の間に、セメント製造設備で生じる廃熱を利用して、上記混合手段で得られた高濃度塩分含有水溶液を濃縮するための濃縮手段を含む上記［１］又は［２］に記載の発電システム。
［４］上記混合手段と上記発電手段の間に、上記混合手段で得られた高濃度塩分含有水溶液からカルシウム成分を回収するためのカルシウム成分回収手段を含む上記［１］〜［３］のいずれか１つに記載の発電システム。

本発明の発電システムによると、従来、セメント製造設備においてエネルギー源として利用せずに放流されていた高濃度塩分含有廃液（例えば、焼却灰、塩素バイパスダスト等のカルシウム含有ダストを、セメント原料化のために水洗する際に生じる廃液）を、セメントの製造エネルギー源などとして利用することができる。それによって、系外から導入するエネルギーの量を削減し、エネルギーコスト（電気代）の削減などを図ることができる。

以下、本発明の発電システムを詳細に説明する。図１は、本発明の発電システムの一例を示す概略図、図２は、本発明の発電システムの他の例を示す概略図、図３は、本発明の発電システムを用いた発電方法の一例を示す概略図である。
図１中、本発明の発電システム１は、ダスト回収手段１２で捕集した塩素バイパスダストの如きカルシウム含有ダスト１３と、水１４を混合して、高濃度塩分含有水溶液（以下、「高濃度水溶液」ともいう。）２を得るための混合手段３と、高濃度水溶液２からカルシウム成分を回収するためのカルシウム成分回収手段８と、セメント製造設備１１で生じる廃熱１５を利用して、高濃度水溶液２を蒸発させて濃縮するための濃縮手段１０と、高濃度水溶液２と、工業用水の如き低濃度塩分含有水溶液または塩分を含まない水（以下、「低濃度水溶液」ともいう。）４との塩分の濃度差を利用して発電するための発電手段（浸透圧塩分濃度差発電装置）７を備えている。なお、低濃度水溶液４は、通常、系外（本発明の発電システムの外部）の低濃度水溶液供給源５（例えば、工業用水の供給源など）から供給される。

ここで、カルシウム含有ダスト１３としては、セメント製造設備で生じるものであればよく、例えば、塩素バイパスダスト、アルカリバイパスダスト等が挙げられる。
なお、塩素バイパスダストとは、セメントキルンの排ガスの一部を抽気した高温の排ガスから、サイクロンによって粗粉（塩素含有量が少ない固体分）を除去した後、サイクロンを通過した排ガスを冷却して生じる微粉末（塩素含有量が多い固体分）を、バグフィルター等の集塵機で捕集することによって得られるものである。
アルカリバイパスダストとは、セメントキルンの排ガスの一部を抽気した高温の排ガスを、アルカリ金属化合物等の融点以下に冷却して得られるダストである。
水１４としては、工業用水等が挙げられる。なお、低濃度水溶液４は、水１４と同じもの（例えば、工業用水）でもよい。この場合、水１４および低濃度水溶液４は、ともに低濃度水溶液供給源５から供給することができる。
高濃度水溶液２は、この時点ではスラリーの形態を有するものである。なお、本明細書において、「高濃度水溶液」および「低濃度水溶液」は、固体分を含まない水溶液と、固体分を含む水溶液（スラリー）の両方を包含するものとする。
高濃度水溶液２は、少なくとも、工業用水等の低濃度水溶液よりも、濃度差発電を行ううえで必要な程度に高濃度の塩分を含む必要がある。高濃度水溶液２が海水よりも大きな塩分濃度を有していれば、低濃度水溶液として海水を利用することができる。
高濃度水溶液２は、通常、海水よりも大きな塩分濃度を有するように調製される。
なお、本明細書において、「塩分」とは、アルカリ金属（具体的には、ナトリウム及びカリウム）を意味する。
高濃度水溶液２に含まれるアルカリ金属イオン（ナトリウムイオンとカルシウムイオンの合計量）の濃度は、好ましくは１モル／リットル以上、より好ましくは２モル／リットル以上、特に好ましくは３モル／リットル以上である。
混合手段３としては、撹拌翼付きの混合槽等が挙げられる。

カルシウム成分回収手段８は、高濃度水溶液２に含まれているカルシウム成分等の２価以上の水溶性物質および固体分を、発電手段７の運転阻害物質として回収し、ナトリウム成分、塩素成分等の１価のイオンを主に含む液分を得るための手段である。
なお、カルシウム成分とは、水溶性のカルシウム含有化合物、および、非水溶性のカルシウム含有化合物を包含するものである。
発電手段（浸透圧塩分濃度差発電装置）７における発電の際、高濃度水溶液２にカルシウムイオン等の２価以上のイオンが含まれていると、２価以上のイオンによって半透膜６が目詰まりを生じ易くなり、その結果、発電効率が低下したり、あるいは、半透膜６の清掃の頻度が多くなってメンテナンスが煩雑になるなどの問題がある。そのため、高濃度水溶液２を発電手段７に導く前に、カルシウム成分回収手段８によって予め、高濃度水溶液２から２価以上のイオン（特にカルシウムイオン）及び固体分を除去するものである。
なお、低濃度水溶液４が、カルシウム成分等の２価以上のイオンおよび固体分を、発電手段７の運転を阻害しうる量で含む場合、低濃度水溶液４は、高濃度水溶液２と同様に、カルシウム成分回収手段を用いて処理される。

カルシウム成分回収手段８の一例として、カルシウム含有ダスト（ただし、鉛を含むものである。）と水と硫酸を混合して、固体分である硫酸カルシウムを含むスラリーを得た後、該スラリーに硫化剤を加えて、固体分である硫酸カルシウム及び鉛硫化物を含むスラリーを得て、次いで、このスラリーに捕収剤を加えて、鉛硫化物を疎水化した後に、浮遊選鉱処理して、硫酸カルシウムを含む沈鉱などを得るように構成したものが挙げられる（特開２００８−９３５１０号公報、特開２００８−１１０２８８号公報参照）。
カルシウム成分回収手段８の他の例として、カルシウム含有ダストと水とアルカリ化剤を混合して、カルシウム含有固体分を含むスラリーを得た後、該スラリーを固液分離して、カルシウムを含まない液分を得るように構成したものが挙げられる（特開２００６−３３４５３９号公報参照）。
カルシウム成分回収手段８の他の例として、カルシウム含有ダスト（ただし、鉛を含むものである。）と水と硫酸を混合して、ｐＨ４以下のスラリーとした後、固液分離して、硫酸カルシウム及び硫酸鉛を含む固体分を得て、次いで、この固体分と水とアルカリ化剤を混合して、ｐＨ１３．５以上のスラリーを得た後、固液分離して、水酸化カルシウムと、鉛を含む液分を得るように構成したものが挙げられる（特開２００３−３２１７１６号公報参照）。
カルシウム成分回収手段８の位置は、濃縮手段１０の前（図１に示す位置）と後（濃縮手段１０と発電手段７の間）のいずれでもよい。

濃縮手段１０の一例として、セメント製造設備１１で生じる高温の排ガス（廃熱１５を有するガス）を流通させた管体を、高濃度水溶液２に接触させてなるものや、廃熱１５を利用した高温空気中に高濃度水溶液２を噴霧してなるもの、などが挙げられる。
濃縮手段１０を備えることによって、高濃度水溶液２の塩分濃度を高めて、発電手段７における発電量を増大させることができる。
低濃度水溶液４としては、淡水（具体的には、工業用水、河川水、湖水等であり、塩分を含まない水であってもよい。）、海水などが挙げられる。中でも、淡水は、海水に比べて塩分の濃度が低いので、発電手段７における発電量が大きくなり、好ましい。淡水の中でも、不純物が少ない点で、工業用水が特に好ましい。
低濃度水溶液４に含まれるアルカリ金属イオン（ナトリウムイオンとカリウムイオンの合計量）の濃度は、好ましくは０．６モル／リットル以下、より好ましくは０．３モル／リットル以下、特に好ましくは０．１モル／リットル以下である。
なお、海水に含まれるアルカリ金属イオンの濃度は、０．５モル／リットル程度である。
発電手段（浸透圧塩分濃度差発電装置）７としては、高濃度水溶液２と低濃度水溶液４とを半透膜６を介して接触させ、これら２種の水溶液の塩分濃度の差を利用して発電することができるものであればよく、前述のＰＲＯ方式、ＲＥＤ方式などを採用することができる。

ＰＲＯ方式の場合には、半透膜６として水が透過することのできる膜を用いる。高濃度水溶液２と低濃度水溶液４とをこのような半透膜を介して接触させると、低濃度水溶液４から高濃度水溶液２へと、水が半透膜を通って移動する。この水の移動によって、高濃度水溶液２の側の水の流量が増えるため、この増えた水流によって水流発電機を駆動して発電することができる。
ＲＥＤ方式の場合には、半透膜６としてイオン透過膜（陽イオン透過膜、陰イオン透過膜）を用いる。ＲＥＤ方式は、通常、陽イオン透過膜と陰イオン透過膜とを交互に配置してなるセルと、該セルの両端に配置した陽極及び陰極とから構成される。陽イオン透過膜と陰イオン透過膜の間に、高濃度水溶液２と低濃度水溶液４を交互に供給すると、高濃度水溶液２の側から低濃度水溶液４の側へと、ナトリウムイオン等のアルカリ金属イオンが陽イオン透過膜を通って、また、塩化物イオンが陰イオン透過膜を通って移動する。これらイオンの移動により、陽極と陰極の間に電力を発生させることができる。
発電手段７で得られた電気エネルギーは、例えば、セメント製造設備におけるセメントの製造のためのエネルギー源として利用することができる。

次に、図２に示す本発明の発電システムの他の例を説明する。なお、図２中、図１に示す各部と同一の各部については、図１と同一の符号を付してある。
図２中、発電システム２０は、ダスト回収手段１２およびダスト１３に代えて、焼却炉２１および焼却灰２２を用いていること以外は、図１に示す発電システムと同じ構成を有する。すなわち、発電システム２０は、焼却炉２１で生じる焼却灰２２と、水を混合して、高濃度水溶液２を調製すること以外は、前述の発電システム１と同様である。
なお、焼却灰２２としては、焼却残渣（焼却主灰）、焼却飛灰、溶融飛灰のいずれか１種または２種以上の混合物を用いることができる。
図１に示す発電システム１と、図２に示す発電システム２０を組み合わせたものを用いることもできる。この場合、混合手段３において、セメント製造設備の排ガスから回収されたダスト１３と、焼却灰２２と、水１４を混合して、高濃度水溶液２を得る。
図２に示す発電システムと、図１と図２を組み合わせた発電システムのいずれにおいても、高濃度水溶液の好ましい塩分濃度などの諸条件は、図１に示す発電システムと同様である。

図３は、本発明の発電システムを用いた発電方法の一例を示すものである。
図３中、本発明の発電システムを用いた発電方法は、（ａ）セメント原料（石灰石、粘土、その他）を粉砕して、クリンカ原料を調製するクリンカ原料調製工程と、（ｂ）クリンカ原料をセメントキルンで焼成して、クリンカを得るクリンカ焼成工程と、（ｃ）クリンカを粉砕する粉砕工程と、（ｄ）クリンカの粉砕物と石膏を混合してセメントを得る工程（図示せず）と、（ｅ）クリンカ焼成工程で得られたダスト（例えば、塩素バイパスダスト）、および、焼却灰を、水洗する灰水洗工程と、（ｆ）灰水洗工程で得られた高濃度水溶液からカルシウム成分を除去するとともに、このカルシウム成分をセメント原料の一部として利用するカルシウム除去工程と、（ｇ）カルシウム除去工程（ｆ）を経た高濃度水溶液を、クリンカ焼成工程（ｂ）で生じる廃熱を用いて、蒸発させて濃縮する濃縮工程と、（ｈ）濃縮工程（ｇ）を経た高濃度水溶液と、低濃度水溶液を用いて、浸透圧塩分濃度差発電を行う発電工程、を含むものである。
なお、これらの工程の中で、本発明の特徴をなすものは、工程（ｂ）、工程（ｅ）〜工程（ｈ）の組み合わせである。

本発明の発電システムの一例を示す概略図である。本発明の発電システムの他の例を示す概略図である。本発明の発電システムを用いた発電方法の一例を示すフロー図である。

符号の説明

１，２０発電システム
２高濃度水溶液（カルシウム含有ダストに由来するもの）
３混合手段（混合槽）
４低濃度水溶液（工業用水、河川水、海水等）
５低濃度水溶液供給源
６半透膜
７発電手段（浸透圧塩分濃度差発電装置）
８カルシウム成分回収手段
９カルシウム成分（セメント原料）
１０塩分濃縮手段
１１セメント製造設備
１２ダスト回収手段
１３ダスト（塩素バイパスダスト、アルカリダスト等）
１４水（工業用水）
１５廃熱
２１焼却炉
２２焼却灰

Claims

セメント原料として用い得るカルシウム含有ダストと、水を混合して、高濃度塩分含有水溶液を得るための混合手段と、
該混合手段で得られた高濃度塩分含有水溶液と、該高濃度塩分含有水溶液よりも低い濃度で塩分を含む低濃度塩分含有水溶液または塩分を含まない水との塩分の濃度差を利用して発電するための発電手段と、
を含むことを特徴とする発電システム。
上記カルシウム含有ダストが、焼却灰、及び／又は、セメント製造設備の排ガスから回収されるダストである請求項１に記載の発電システム。
上記混合手段と上記発電手段の間に、セメント製造設備で生じる廃熱を利用して、上記混合手段で得られた高濃度塩分含有水溶液を濃縮するための濃縮手段を含む請求項１又は２に記載の発電システム。
上記混合手段と上記発電手段の間に、上記混合手段で得られた高濃度塩分含有水溶液からカルシウム成分を回収するためのカルシウム成分回収手段を含む請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電システム。