JP2000297613A

JP2000297613A - 廃棄物燃焼発電方法及び装置

Info

Publication number: JP2000297613A
Application number: JP11107135A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Oshita; 孝裕大下; Tetsuhisa Hirose; 哲久広勢; Nobuo Nakada; 信夫中田; Koichi Takahashi; 孝一高橋; Tsutomu Hiramoto; 努平本
Original assignee: Ebara Corp
Current assignee: Ebara Corp
Priority date: 1999-04-14
Filing date: 1999-04-14
Publication date: 2000-10-24

Abstract

(57)【要約】【課題】廃棄物の燃焼排ガスあるいは反応炉の流動層
内に含まれる高温溶融塩などの腐食性成分により、熱交
換器が腐食するという問題を引きおこすことなく、過熱
蒸気温度を上げて発電効率を高めることができる廃棄物
を燃焼させて発電する廃棄物燃焼発電方法及び装置を提
供する。【解決手段】廃棄物燃焼による高温の燃焼排ガスか
ら、または廃棄物を燃焼させるか又はガス化させる反応
炉の流動層から、熱交換器１２により気体を加熱し、該
加熱された気体を熱源として、過熱蒸気を昇温し、昇温
した過熱蒸気を蒸気タービンに供給し、蒸気タービンに
より駆動される発電機１５により発電する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、各種のごみ（廃棄
物）を燃焼した後の燃焼排ガスの熱を利用するか、又は
焼却炉やガス化炉等の反応炉の流動層の熱を利用して、
高温溶融塩腐食による熱交換器のトラブルを避けて高温
高圧の蒸気を得て、発電効率を高くする過熱蒸気の間接
加熱方式に関するものである。なお、流動層の熱を利用
する方式には、バブリング式、内部循環型、外部循環型
流動床ボイラ等がある。

【０００２】

【従来の技術】２１世紀のごみ（廃棄物）処理は、大き
く変化し、単純な焼却処理からダイオキシン排出がゼロ
で、かつ高効率でエネルギーを回収する循環型システム
へ変革していくと考えられる。まず、ごみの分別収集が
徹底されることから、廃棄物の種類に応じた循環型技術
が求められる。一般的な廃棄物は、ダイオキシン対策と
灰溶融を自己の燃焼熱で同時に達成できるガス化溶融燃
焼技術が主流になり、プラスチック系混合ごみは、化学
原料へ転換するケミカルリサイクル技術が主流になると
考えられる。そして、高効率ごみ発電は発電効率３０％
以上の技術が必要になってくると考えられる。

【０００３】ごみの燃焼による熱エネルギーを発電に利
用するサーマルリサイクル方式には、ごみの燃焼熱を廃
熱ボイラで蒸気回収し、蒸気タービン・発電機で発電す
る方式が一般的である。係る従来のごみ焼却を利用した
発電方式の一例を図８に示す。これは焼却炉又はガス化
溶融炉１１で廃棄物を燃焼し、燃焼排ガスを廃熱ボイラ
１３で熱回収し、過熱蒸気を生成する。そして、過熱蒸
気を蒸気タービンに供給して、蒸気タービンに直結した
発電機１５により発電する。発電された電力はごみ焼却
場内で消費される他、電力会社に売電される。廃熱ボイ
ラ１３を通過した燃焼排ガスは、エコノマイザ等の予熱
器１６、バグフィルタ１７等を通り、低温のクリーンガ
スとして煙突から大気に放出される。

【０００４】ところで、このような蒸気タービン発電に
おいては、その発電効率は蒸気タービンに供給される過
熱蒸気の蒸気温度に大きく依存する。そして、蒸気温度
は高い方が効率が格段に上がるが、従来、実用的なごみ
焼却発電システムにおいては、次の原因で蒸気温度は４
００℃程度が限界とされ、その結果、発電効率は２０％
程度にとどまっていた。

【０００５】蒸気温度を４００℃程度以上に実用的に上
げられない原因は、ごみの燃焼によって生じる塩化水素
などの腐食性ガス成分による腐食及び高温溶融塩腐食の
問題があるためである。飽和蒸気の場合、１００kg／cm
^２程度の圧力でも３１０℃程度の比較的低温の飽和蒸気
が流れるため、金属伝熱管を使用しても腐食は避けられ
る。しかしながら、過熱蒸気の場合、蒸気温度が４００
℃以上の高温となるため、金属伝熱管表面が高温溶融塩
などの腐食性成分に腐食され損傷してしまう。

【０００６】その腐食の機構は複雑で、いろいろな要因
が重なり合って反応が生じる。腐食の最大のポイント
は、ＨＣｌ濃度よりも、ＮａＣｌ、ＫＣｌの溶融塩の環
境下に、伝熱管がさらされるか否かである。この環境下
の場合、塩類は溶融して、伝熱管に付着し、これが加速
度的に伝熱管の腐食を進める。

【０００７】本発明者らの長年の経験と、都市ごみ焼却
炉を用いた腐食試験から推定した、燃焼排ガス温度ある
いは流動層温度と伝熱管表面温度をパラメータにとっ
た、伝熱管表面の腐食形態を図９に示す。図９に示すよ
うに、燃焼排ガス温度あるいは流動層温度と伝熱管表面
温度によって定まる「激しい腐食領域」、「腐食進行領
域」、「軽腐食領域」及び「腐食しない領域」の４つの
腐食形態が存在する。燃焼排ガスの熱を利用して、過熱
蒸気温度を４００℃に昇温した場合、伝熱管表面温度は
その過熱蒸気温度より約３０℃高い４３０℃程度とな
り、図９から排ガス温度６００℃近辺が、「腐食進行領
域」と「腐食しない領域」との温度境界になる。このこ
とは、都市ごみ用焼却炉の廃熱ボイラにおいて、ボイラ
バンク部（蒸発水管が密集している部分）へ入る排ガス
温度を６００℃以上とすると、塩類が伝熱管に付着して
排ガス流路を閉塞することと一致する。すなわち、塩類
が溶融している状態か固化している状態かの境界が６０
０℃近辺にあると考えられる。これは、複合塩の固化温
度と一致する。すなわち塩類の融点は、ＮａＣｌは８０
０℃、ＫＣｌは７７６℃であるが、塩類は溶融後複合塩
となるため、固化温度は５５０〜６５０℃と低くなり、
また、この固化温度はごみ質（地域差）によっても異な
る。この境界温度は、海岸際の地方都市では６００℃以
下になる場合もある。これは塩類の濃度が高いためと考
えられる。また、図９から排ガス温度が５００℃以上６
００℃以下であっても、伝熱管表面温度が約４３０℃以
上になると、「軽腐食領域」に入り、溶融塩腐食よりは
軽微であるが腐食は進行する。従って、この領域で使用
する場合、過熱器管の材料選定は重要となる。尚、通
常、燃焼排ガスの熱を利用する場合には、伝熱管表面温
度は過熱蒸気温度より約３０℃高くなる。また、流動層
の熱を利用する場合には、伝熱管表面温度は過熱蒸気温
度より５０℃以上高くなるが、ＨＣｌが少ない分燃焼排
ガスの熱を利用するよりは多少腐食環境は軽微である。
したがって、過熱蒸気温度の腐食許容限界（腐食しない
領域での蒸気温度上限）は約４００℃とみてよい。しか
しながら、過熱蒸気温度が４００℃の場合は、タービン
のドレンアタックの問題から、蒸気圧力は３．９ＭＰａ
程度に抑えられ、ごみ焼却発電の場合、発電端効率は２
０％程度にしか上げられない。

【０００８】従って、「腐食進行領域」を避けて、４０
０℃以上の過熱蒸気を得るためには、図９から燃焼排ガ
スあるいは流動層の温度が５００〜６００℃の温度領域
に、過熱蒸気管を設置しなければならない。しかしなが
ら、この場合燃焼排ガス（５００〜６００℃）と過熱蒸
気（４００℃以上）との温度差が小さくなるため、所望
の熱伝達を行うためには熱交換器の伝熱面を大きくする
必要が生じて効率が悪く、設備が大型化するという問題
があった。

【０００９】一方、腐食に耐える金属材料を開発して伝
熱管の腐食なしに高い蒸気温度を用いて発電効率を高め
ようとする、材料開発による高効率発電の実用化が試み
られてきた。しかしながら材料開発は、技術的にも経済
的にも難しく、未だ実用的な目途は立っていない。ま
た、ごみに石灰等を添加して固形燃料化することで、脱
塩素、脱硫を図るＲＤＦ発電方式が試みられている。し
かしながら、この方式ではＨＣｌ成分は少なくできて
も、溶融塩腐食は従来とほぼ同等である。従って、温度
５００℃の過熱蒸気を、温度６００℃以上の排ガスまた
は流動層で得ようとすると、伝熱管表面温度は５３０℃
程度以上となり、図９で見ると、「腐食進行領域」また
は「激しい腐食領域」に伝熱管がさらされてしまうこと
になる。

【００１０】また、ガスタービンで発電すると共に、ガ
スタービンの廃熱でごみ廃熱ボイラの蒸気を再加熱し、
蒸気タービン・発電機の発電効率を高めるスーパーごみ
発電が試みられている。しかしながら、この方式は廃棄
物以外に他の良質燃料を多量に使う必要があること、及
び経済性に問題がある。更にまた、ごみ廃熱ボイラの蒸
気を別途燃料で追い焚きして再加熱し、蒸気タービンの
発電効率を高める燃料追い焚き方式が検討されている。
しかしながら、この方式も廃棄物以外に他の良質燃料を
多量に使うので、経済性に問題がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述した事情
に鑑みて為されたもので、廃棄物の燃焼排ガスあるいは
反応炉の流動層内に含まれる高温溶融塩などの腐食性成
分により、熱交換器が腐食するという問題を引きおこす
ことなく、過熱蒸気温度を上げて発電効率を高めること
ができる廃棄物を燃焼させて発電する廃棄物燃焼発電方
法及び装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ため、本発明の廃棄物燃焼発電方法は、廃棄物燃焼によ
る高温の燃焼排ガスから、または廃棄物を燃焼させるか
又はガス化させる反応炉の流動層から、熱交換器により
気体を加熱し、該加熱された気体を熱源として、過熱蒸
気を昇温し、昇温した過熱蒸気を蒸気タービンに供給
し、蒸気タービンにより駆動される発電機により発電す
ることを特徴とするものである。

【００１３】本発明の廃棄物燃焼発電装置は、廃棄物を
燃焼させるか又はガス化させる反応炉と、前記反応炉か
らの燃焼排ガスと気体との間で熱交換を行うか又は反応
炉内の流動層と気体との間で熱交換を行い前記気体を加
熱する熱交換器と、前記加熱された気体と過熱蒸気との
間で熱交換を行い前記過熱蒸気を昇温する加熱器と、前
記昇温された過熱蒸気が供給される蒸気タービンと、蒸
気タービンにより駆動される発電機とを備えたことを特
徴とするものである。

【００１４】本発明は、廃棄物の燃焼によって得られた
燃焼排ガスの熱を利用するか、または焼却炉やガス化炉
等の反応炉の流動層の熱を利用して、熱交換器の伝熱管
内を流れる空気等の気体を加熱し、この加熱された気体
を熱源として、廃熱ボイラ等によって得られた過熱蒸気
を昇温し、昇温した過熱蒸気を蒸気タービンに供給し、
発電をするものである。即ち、燃焼排ガス又は流動層の
熱で直接過熱蒸気を昇温するのではなく、空気等の気体
を加熱し、この加熱された気体によって過熱蒸気を昇温
するようにしたものである。燃焼排ガスや流動層によっ
て空気等の気体を加熱する熱交換器は、蒸気の場合のよ
うに高圧にする必要がないため、ボイラー構造規格や発
電用火力設備の技術水準等の法規に定められた材料を使
用する必要がない。そのために、高温強度が不要で、腐
食に強い規格外の材料を使用することができる。特に耐
熱性鋳鋼やセラミックスは腐食に強いことが知られてい
たが、従来の方法では、これらの材料を法規上過熱蒸気
管に使用することができなかったが、本発明では過熱蒸
気管としてではなく低圧の気体加熱用としてであるため
にこれらの材料を使用できるようになる。

【００１５】上述した本発明によれば、高温の燃焼排ガ
スあるいは流動層の熱は高温熱交換器の管路に接触し
て、管路中を流れる空気等の気体を加熱する。次に、廃
熱ボイラで得られた４００℃程度の過熱蒸気をこの７０
０℃程度の空気などの気体で再加熱することにより、５
００℃程度の過熱蒸気を容易に生成することができる。
この再加熱に使用される熱媒体は、燃焼排ガスではない
ので、過熱蒸気管の高温溶融塩腐食の問題は生じない。
更に、過熱蒸気管は燃焼排ガスあるいは流動層ではなく
て空気が加熱源であるため、ダスト等の管表面への付着
による熱伝達係数の低下がなく、過熱蒸気加熱器はコン
パクトなものとすることができる。そして、この５００
℃以上の高温の過熱蒸気を蒸気タービン・発電機に供給
することで、腐食の問題なしに発電効率３０％以上の高
効率発電が達成可能となる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図１乃至図６を参照して説明する。図１は、本発明の
廃棄物燃焼発電方法の第１の態様のフロー図である。焼
却炉又はガス化溶融炉１１では、ごみ（廃棄物）を燃焼
して、燃焼排ガスを生成する。燃焼排ガスは、耐熱性鋳
鋼又はセラミックス等を使用した高温熱交換器１２を通
され、空気等の気体を好ましくは７００℃程度に加熱す
る。高温熱交換器１２を通過した燃焼排ガスは、廃熱ボ
イラ１３により、給水された水から蒸気を生成し、更に
これらを加熱して蒸気圧力１００kg／cm^２程度、蒸気温
度４００℃程度の過熱蒸気を生成する。過熱蒸気は、高
温熱交換器１２により加熱された７００℃程度の空気等
の気体と過熱蒸気加熱器１４で熱交換され、５００℃程
度に加熱される。この過熱蒸気が蒸気タービン・発電機
１５に供給され、発電する。廃熱ボイラ１３を出た燃焼
排ガスは、空気予熱器１６で空気等の流体を予熱し、ま
た、エコノマイザで給水を加熱して給水水温を高める。
空気予熱器１６等を通り低温となった燃焼排ガスは、バ
グフィルタ１７等により集塵されてクリーンガスとし
て、煙突から排出される。

【００１７】このように、焼却炉又はガス化溶融炉から
出る高温排ガスラインに高温熱交換器を設置し、ここで
空気等の気体を６００℃以上、好ましくは７００℃以上
に昇温し、該高温空気により、過熱蒸気加熱器１４に
て、４００℃程度の過熱蒸気を５００℃程度に昇温す
る。過熱蒸気加熱器１４を出た蒸気は蒸気タービンに供
給され、蒸気タービンに直結した発電機１５で発電す
る。過熱蒸気加熱器１４で熱交換して温度が下がった空
気等の気体は、循環ファン３１により再び高温熱交換器
１２に戻り、ここで再加熱された後に過熱蒸気加熱器１
４に循環する。なお、循環しないで焼却炉又はガス化溶
融炉１１の燃焼用空気として使用してもよい。

【００１８】また、高温の空気等の気体の循環量を多く
すると、高温熱交換器出口の気体温度を高温にしなくて
も、６００℃程度でも過熱蒸気加熱器出口の過熱蒸気温
度を５００℃以上に加熱することができる。過熱蒸気加
熱器の伝熱面積は大きくなるが、高温熱交換器の管表面
温度が低めとなるので、材料寿命を延ばすことができ
る。図１に示す例においては、焼却炉又はガス化溶融炉
へ供給する燃焼用空気を加熱するための高温熱交換器は
図示していないが、発熱量の低い廃棄物の場合には、別
途設けてもよい。

【００１９】なお、焼却炉の場合は、排ガス温度が８５
０℃程度のため、高温熱交換器において排ガスと空気等
の気体との温度差が小さくなるため、伝熱面積が大きく
なるが、ガス化溶融炉の場合には、燃焼温度が１２００
℃以上となるため、温度差が大きくなり、伝熱面積は小
さくて済む。前記気体としては、空気以外には、窒素等
の不活性ガスが好ましい。

【００２０】図２は、本発明の廃棄物燃焼発電方法の第
２の態様のフロー図であり、夜間等に発電出力を抑える
場合、あるいは低負荷運転を行う場合の方法を示す。高
温熱交換器１２と過熱蒸気加熱器１４との間で空気等の
気体が循環する循環ラインを閉止し、高温熱交換器１２
において燃焼排ガスとの熱交換により高温になった空気
等の気体を焼却炉又はガス化溶融炉１１へ直接供給する
ことにより、発電出力は低下する。即ち、廃熱ボイラ１
３により生成された過熱蒸気は、過熱蒸気加熱器１４で
は過熱されることなく蒸気タービンに流入するので、発
電機１５の発電出力は低下する。空気等の気体は予熱器
１６を介して高温熱交換器１２に供給され、ここで加熱
された後、前述したように焼却炉又はガス化溶融炉１１
に供給される。本例においては、各経路には４つのバル
ブＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４が設置されており、バルブＶ
１，Ｖ２を開き、バルブＶ３，Ｖ４を閉じることによ
り、空気等の気体は予熱器１６、高温熱交換器１２を介
して焼却炉又はガス化溶融炉１１に直接供給される。ま
た、廃棄物供給量を減らすことにより焼却炉又はガス化
溶融炉の高温を維持する熱量が不足するが、本方式によ
れば高温の空気等の気体を流動化用ガス又はガス化剤又
は酸化剤として供給することができるので、低負荷時に
も安定な運転を行うことができる。

【００２１】次に、図２に示す本発明の態様の背景およ
び効果を説明する。電力会社は、廃棄物発電が行われ自
家消費された後の余剰電力を、朝８時頃から夜１０時頃
までのいわゆる「昼間」には電力需要が多いので高い購
入電力単価で、逆に、夜１０時頃から朝８時頃までのい
わゆる「夜間」には電力需要が少ないため安い購入電力
単価で、購入する制度を設けている。電力会社によって
は、昼間の余剰電力購入単価が夜間の余剰電力購入単価
の４〜５倍になっているものもある。

【００２２】そこで、限られた量の廃棄物を利用して廃
棄物発電を行うという観点からは、電力会社の購入単価
の高い昼間に高負荷燃焼し発電電力量を最大限多くし、
購入単価の安い夜間に低負荷燃焼運転にして廃棄物量の
消費を抑制するという運転方法が求められる。しかしな
がら、従来の焼却炉やガス化溶融燃焼方法で低負荷運転
を行う場合には自己燃焼熱のみによる高温維持ができな
くなるという問題点があった。

【００２３】さらに、焼却炉の場合、廃棄物燃焼発電に
よりエネルギー回収された発電電力が場内で消費される
だけでなく廃棄物燃焼灰を溶融処理するために、アーク
式、電気抵抗式、プラズマ式等の電気溶融処理方式が用
いられることが多いが、廃棄物燃焼灰の溶融処理のため
には大量の電力を消費するため、売電電力量が結果とし
て大幅に低下してしまうという問題点があった。

【００２４】そこで、図２に示す本発明の廃棄物燃焼発
電方法は、高負荷時に、廃棄物の焼却又はガス化溶融燃
焼による高温の燃焼排ガスから、高温熱交換器１２によ
り、空気または酸素含有気体を加熱し、該加熱された空
気又は酸素含有気体を熱源として、過熱蒸気加熱器１４
にて過熱蒸気を昇温し、昇温した過熱蒸気を蒸気タービ
ンに供給し、蒸気タービンにより駆動される発電機によ
り発電する廃棄物燃焼発電システムにおいて、低燃焼負
荷時に、該加熱された空気または酸素含有気体の全部ま
たは一部が過熱蒸気加熱器１４をバイパスし、焼却炉又
はガス化溶融炉１１へ直接供給され、熱エネルギーを補
填し同時に発電することを可能とするものである。即
ち、焼却炉においては、低負荷運転を伴う場合に油など
の助燃材を使用せず、完全燃焼に必要な高温を維持し、
廃棄物ガス化溶融発電方法においては、低負荷運転を伴
う場合に油などの助燃材を使用せず、廃棄物中の灰分を
廃棄物の自己燃焼熱により溶融スラグ化することができ
る。

【００２５】さらに、廃棄物ガス化溶融発電方法におい
て、限られた量の廃棄物を利用して廃棄物発電を行うと
いう観点からは、電力会社の購入単価の高い昼間に高負
荷燃焼し発電電力量を最大限多くし、購入単価の安い夜
間に低負荷燃焼運転にして廃棄物量の消費を抑制すると
いう運転方法を採用することが好ましい。

【００２６】図３は、本発明の廃棄物燃焼発電方法の第
３の態様のフロー図であり、層内伝熱管付の流動床炉の
例を示す。即ち、廃棄物を燃焼させるか、又はガス化さ
せる反応炉としての流動床炉３２の流動層３３内には、
層内伝熱管からなる高温熱交換器１２が配設されてい
る。層内伝熱管内の流体は過熱蒸気ではなく空気等の気
体である。高温熱交換器１２で過熱された気体は、図１
に示す例と同様に過熱蒸気加熱器１４を循環するように
なっている。流動層３３内の流動媒体の保有する熱によ
り高温熱交換器１２にて、空気等の気体を６００℃以
上、好ましくは７００℃以上に昇温し、該高温空気によ
り、過熱蒸気加熱器１４にて、４００℃程度の過熱蒸気
を５００℃程度に昇温する。過熱蒸気加熱器１４を出た
蒸気は蒸気タービンに供給され、蒸気タービンに直結し
た発電機１５で発電する。過熱蒸気加熱器１４で熱交換
して温度が下がった空気等の気体は、循環ファン３１に
より再び高温熱交換器１２に戻り、ここで再加熱され
る。図３に示す例においても図１と同様の作用、効果を
奏する。

【００２７】図４は、本発明の廃棄物燃焼発電方法の第
４の態様のフロー図であり、外部熱交換器を備えた外部
循環流動床ボイラの例を示す。外部循環流動床ボイラ
は、コンバスタ４１とサイクロン４２とを備えており、
コンバスタ４１とサイクロン４２とは上下部にて相互に
接続されており、流動媒体はコンバスタ４１とサイクロ
ン４２との間を循環するようになっている。またサイク
ロン４２の底部とコンバスタ４１との間には高温熱交換
器１２が配置されている。そして、サイクロン４２と高
温熱交換器１２との間のバルブＶ５を開くことにより、
サイクロン４２の底部から高温の流動媒体を高温熱交換
器１２に導き、空気等の気体を加熱することができるよ
うになっている。また高温熱交換器１２内の流動媒体は
気体と熱交換を行ったあとコンバスタ４１に戻る。熱交
換により加熱された気体は、過熱蒸気加熱器１４に供給
された後に循環ファン３１により高温熱交換器１２に循
環するようになっている。

【００２８】一方、サイクロン４２を出た燃焼排ガス
は、廃熱ボイラ１３、エコノマイザ４４を通ってバグフ
ィルタ１７に流入し、その後、煙突４５から排出され
る。一方、給水は、エコノマイザ４４にて給水水温が高
められた後、コンバスタ４１のメンブレンを通って廃熱
ボイラ１３にて４００℃程度の過熱蒸気となる。過熱蒸
気は、高温熱交換器１２により加熱された７００℃程度
の空気等の気体と過熱蒸気加熱器１４で熱交換され、５
００℃程度に加熱される。この過熱蒸気が蒸気タービン
・発電機１５に供給され、発電する。図４に示す例にお
いては、コンバスタ４１、サイクロン４２、高温熱交換
器１２の三者が反応炉を構成し、この反応炉内に循環流
動層が形成されている。図４に示す例においても、図１
に示す例と同様の作用、効果を奏する。なお、図示して
いないが、図３および図４に示す例においても、図２に
示す例と同様の低負荷運転の方式を行うこともできる。

【００２９】図５は、熱交換器の一例であるバヨネット
式熱交換器の構造例を示す。バヨネット式熱交換器は、
多数の二重管構造の熱交換部５１を具備している。図５
では一個の二重管構造の熱交換部のみを示す。二重管構
造の熱交換部５１は、一端が開口し他端が閉塞した略円
筒容器状の外筒５２と、両端が開口した円筒状の内筒５
３とからなっている。高温の燃焼排ガスは、外筒５２の
外面に接触する。低温の空気等の気体は、内筒５３の一
端から流入し、他端の開口から外筒５２と内筒５３の間
の環状空間に流入し、外筒５２の一端の開口より流出す
る。この間に、空気等の気体は燃焼排ガスと熱交換を行
い加熱される。バヨネット式熱交換器は、二重管構造の
熱交換部５１を具備しているため、燃焼排ガスと気体と
の熱交換が二段階にわたって行われる。即ち、内筒５３
内を流れる流体と外筒５２と内筒５３との間の空間を流
れる気体との間で行われる熱交換と、外筒５２の外部の
燃焼排ガスと、外筒５２と内筒５３との間の空間を流れ
る気体との間で行われる熱交換とからなる２段階の熱交
換である。また、高温熱交換器の材料は高温のため、熱
膨張量が多いので、伝熱管を両端固定すると、熱膨張対
策を施さなければならないため構造が複雑となるので、
本方式のような片持ちが構造が簡単で有利である。

【００３０】バヨネット式熱交換器に使用される耐熱性
鋳鋼はＪＩＳのＳＣＨ材あるいは相当品が望ましい。特
にＮｉ、Ｃｒ含有率の多い鋳鋼は、材料温度１０００℃
以上でもクリープ強度が１０ＭＰａ以上のものがある。
セラミックスの場合には、ＳｉＣ（炭化珪素）が好まし
い。ガス化溶融炉の１３５０℃程度の高温排ガスに、Ｓ
ｉＣ、アルミナ、窒化ケイ素の素材片を１ヶ月暴露した
ところ、アルミナ、窒化珪素は完全に溶けてしまった
が、ＳｉＣは、厚さ１０mmから５mmまで減肉したが、原
形をとどめていた。また、排ガスの流れ方向での減肉が
大きく、流れが弱いところでは減肉は少なかった。排ガ
ス温度とＳｉＣの減肉の関係は、ＳｉＣ表面温度が１０
００℃以下ならば、排ガスの流れ方向での減肉もほとん
ど生じていない。

【００３１】以上のことから、耐熱性鋳鋼またはＳｉＣ
を熱交換器材料として、材料表面温度を１０００℃以下
とすれば、耐用時間を大幅に延ばすことが可能である。
もちろん、使用材料は使用条件により選定されるが、基
本的にはいかなる材料を使ってもよい。尚、熱交換器は
バヨネット式に限定されるものではないが、熱膨張対策
が不要の本方式が好ましい。

【００３２】図６は、本発明の廃棄物燃焼発電方法の第
５の態様のフロー図であり、流動床ガス化炉と旋回溶融
炉とを用いて、廃棄物をガス化して燃焼させるガス化溶
融システムに適用した例を示す。廃棄物はまず、流動床
ガス化炉２１に投入され、廃棄物の燃焼に必要な理論酸
素量よりも低い酸素量の酸欠状態で５００〜６００℃に
加熱され、ガス化される。尚、この流動床ガス化炉によ
れば、流動層温度が低く、しかも還元雰囲気であるた
め、鉄、銅、アルミなどの金属を未酸化の状態で回収可
能である。流動床ガス化炉で生成された、チャー、ター
ル等を含む熱分解ガスは旋回溶融炉２２に送られ、補助
燃料なしで１２００〜１５００℃の高温で燃焼する。ガ
ス燃焼が主体となるため、１．３程度の低空気比燃焼が
可能であり、これにより排ガス量を低減できる。そし
て、１２００℃以上で燃焼するため、ダイオキシンの完
全分解が可能である。そして、旋回流を用いることで遠
心力効果によりスラグを効率よく分離でき、重金属等の
有害物はスラグ中に封じ込め、これを冷却してガラス状
の固体物中に重金属を封じ込めることができる。

【００３３】溶融炉２２には一体的に廃熱ボイラ２４が
接続して設けられ、高温熱交換器２３はその輻射伝熱部
に設けられている。高温熱交換器２３は、管路材として
耐熱性鋳鋼又はＳｉＣ（セラミックス）等を使用した熱
交換器であり、管路中を流れる１５０〜３００℃程度に
予熱された空気を６００〜８００℃に加熱する。この時
の燃焼排ガスの温度は１０００〜１３００℃、好ましく
は１２００℃程度が灰分の付着を避けるため都合良く、
温度差が大きく取れるので、熱交換面積を小さくでき
る。このため、熱交換器をコンパクトな構造とすること
ができる。熱交換器の管路中には、０．０５kg／cm^２程
度の低圧の空気が流れるので、耐圧構造とする必要がな
く、規格外の管材料を用いることができるわけである。
尚、高温熱交換器２３の設置場所は、廃熱ボイラの輻射
伝熱部に限定されるものではなく、溶融炉２２と廃熱ボ
イラ２４の間であればよい。例えば、溶融炉２２の後に
ダクトを設け、そのダクト内に設置してもよい。

【００３４】高温熱交換器２３にて６００〜８００℃に
加熱された空気は、過熱蒸気加熱器２５で熱交換して４
００℃程度の過熱蒸気を４５０〜５４０℃に加熱する。
熱交換により温度が下がった空気は、循環ファン３１に
より再び高温熱交換器２３に戻り再加熱される。なお、
過熱蒸気加熱器２５を出たあと高温熱交換器２３に戻る
ことなく、即ち、循環しないで旋回溶融炉２２に燃焼用
空気として供給してもよい。過熱蒸気加熱器２５で昇温
された圧力１００kg／cm^２程度、温度４５０〜５４０℃
の過熱蒸気は、蒸気タービン・発電機２６の蒸気タービ
ンに供給され、これに直結した発電機で発電する。これ
により、高温溶融塩腐食という問題を避けつつ、発電端
効率約３０〜３２％が達成される。尚、過熱蒸気温度を
高くするほど発電端効率は高くなる。

【００３５】過熱蒸気管３０は、高温熱交換器２３で空
気との熱交換と、廃熱ボイラ２４の輻射伝熱部による熱
吸収とにより、温度が６００℃程度に低下した燃焼排ガ
スを用いて、４００℃程度の過熱蒸気を生成する。燃焼
排ガスもその温度が６００℃程度に低下すると高温溶融
塩腐食の問題が生じないことは、図９に示す通りであ
る。廃熱ボイラ２４の燃焼排ガスの出口温度は３５０℃
程度であり、エコノマイザ２７で給水を予熱すると共
に、空気予熱器２８で高温熱交換器に供給する空気を１
５０〜３００℃に予熱する。そして、１６０℃程度に温
度が低下した燃焼排ガスをバグフィルタ等の除塵器２９
を通して除塵してクリーンガスとして煙突より排出す
る。

【００３６】廃棄物のガス化・溶融燃焼システムは低空
気比運転ができるのでボイラ効率が高く、通風設備の消
費電力が大幅に下がり、かつ灰溶融のための電力が不要
のため、送電端効率は大きく向上する。言うまでもない
が、高効率サーマルリサイクルとは、高効率発電ではな
く、高効率送電である。また、他の補助燃料を用いるこ
となく運転が可能であり、合理的かつ経済的である。表
１に各方式による送電端効率の比較例を示す。

【００３７】

【表１】

【００３８】表１において、１００ata×５４０℃、４
０ata×４００℃、１００ata×５００℃は、いずれも各
システムにおける過熱蒸気の圧力と温度である。表１よ
り、図６に示したガス化溶融システムにより高温・高圧
（１００ata×５００℃）の過熱蒸気を得て発電する方
式（ガス化溶融−II）が、送電端効率では２８．１％と
最も高いことが示される。焼却炉＋灰溶融炉の組合せ
は、本発明の高温過熱蒸気を得て発電する方法の採用に
より、発電端効率は最も高いものの、灰溶融炉で消費す
る電力量が大きいため、送電端効率は２６．１％に下が
ってしまう。また、燃焼排ガスで直接に加熱して昇温し
た過熱蒸気（４０ata×４００℃）を用いて発電する従
来型のシステム（ガス化溶融−Ｉ）が発電端効率および
送電端効率ともに最も低いことが示される。なお、図６
に示したガス化溶融システムにより、１００ata×５４
０℃の過熱蒸気を得れば、発電端効率は３５％、送電端
効率は３２％程度になる。

【００３９】図７は図６に示すガス化溶融システムの主
要構成機器の典型的な形状を示したものである。流動床
ガス化炉２１は内部旋回流を有する円筒形流動床炉であ
り、原料の炉内拡散性を高めて安定したガス化を行わせ
ている。炉内中央の流動媒体が沈降している部分には酸
素を含まないガスを供給し、炉内周辺部にのみ酸素を供
給することにより、流動床ガス化炉内で発生したチャー
の選択燃焼が可能になり、炭素転換率、冷ガス効率の向
上に寄与する。また溶融炉２２は旋回型溶融炉である。

【００４０】図７に示す円筒形流動床炉を、以下に詳細
に説明する。円筒形流動床炉の炉床には、円錐状の分散
板１０６が配置されている。分散板１０６を介し供給さ
れる流動化ガスは、炉底中央部２０４付近から炉内へ上
向き流として供給される中央流動化ガス２０７及び炉底
周辺部２０３から炉内へ上向き流として供給される周辺
流動化ガス２０８からなる。

【００４１】中央流動化ガス２０７は酸素を含まないガ
スからなり、周辺流動化ガス２０８は酸素を含むガスか
らなっている。流動化ガス全体の酸素量が、可燃物の燃
焼に必要な理論燃焼酸素量の１０％以上３０％以下とさ
れ、炉内は、還元雰囲気とされる。

【００４２】中央流動化ガス２０７の質量速度は、周辺
流動化ガス２０８の質量速度より小にされ、炉内周辺部
上方における流動化ガスの上向き流が壁２０６により炉
の中央部へ向かうように転向される。それによって、炉
の中央部に流動媒体（硅砂を使用）が沈降拡散する移動
層２０９が形成されるとともに炉内周辺部に流動媒体が
活発に流動化している流動層２１０が形成される。流動
媒体は、矢印１１８で示すように、炉周辺部の流動層２
１０を上昇し、次に壁２０６により転向され、移動層２
０９の上方へ流入し、移動層２０９中を下降し、次に矢
印１１２で示すように、分散板１０６に沿って移動し、
流動層２１０の下方へ流入することにより、流動層２１
０と移動層２０９の中を矢印１１８および１１２で示す
ように循環する。

【００４３】原料フィーダ１０１によって移動層２０９
の上部へ供給された可燃物ａは、流動媒体とともに移動
層２０９中を下降する間に、流動媒体のもつ熱により加
熱され、主として揮発分がガス化される。移動層２０９
には、酸素がないか少ないため、ガス化された揮発分か
らなる熱分解ガス（生成ガス）は燃焼されないで、移動
層２０９中を矢印１１６のように抜ける。それ故、移動
層２０９は、ガス化ゾーンＧを形成する。フリーボード
１０７へ移動した生成ガスは、矢印１２０で示すように
上昇し、フリーボード１０７を経てガス出口１０８から
生成ガスｇとして排出される。

【００４４】移動層２０９でガス化されない、主として
チャー（固定炭素分）やタールは、移動層２０９の下部
から、流動媒体とともに矢印１１２で示すように炉内周
辺部の流動層２１０の下部へ移動し、比較的酸素含有量
の多い周辺流動化ガス２０８により燃焼され、部分酸化
される。流動層２１０は、可燃物の酸化ゾーンＳを形成
する。流動層２１０内において、流動媒体は、流動層内
の燃焼熱により加熱され高温となる。高温になった流動
媒体は、矢印１１８で示すように、壁２０６により反転
され、移動層２０９へ移り、再びガス化の熱源となる。
流動層の温度は、４００〜１０００℃、好ましくは４０
０〜６００℃に維持され、抑制された燃焼反応が継続す
るようにされる。流動層ガス化炉の底部外周側の部分に
は、不燃物を排出するための不燃物排出口２０５が複数
個形成されている。

【００４５】図７に示す流動床ガス化炉によれば、流動
層炉内にガス化ゾーンＧと酸化ゾーンＳが形成され、流
動媒体が両ゾーンにおいて熱伝達媒体となることによ
り、ガス化ゾーンＧにおいて、発熱量の高い良質の可燃
ガスが生成され、酸化ゾーンＳにおいては、ガス化困難
なチャーやタールを効率よく燃焼させることができる。
それ故、廃棄物等の可燃物のガス化効率を向上させるこ
とができ、良質の生成ガスを生成することができる。な
お、ガス化炉には円筒形流動床炉に限ることなく、キル
ンやストーカー方式の炉を採用してもよい。

【００４６】次に、旋回型溶融炉を説明する。溶融炉２
２は垂直の軸線を有する円筒形の１次燃焼室１１５ａ、
および水平からわずかに下向きに傾斜した２次燃焼室１
１５ｂ、およびその下流に配され、ほぼ垂直の軸線を有
する３次燃焼室１１５ｃによって構成されている。２次
燃焼室１１５ｂと３次燃焼室１１５ｃの間にスラグ排出
口１４２を有し、ここで大部分の灰分はスラグ化して排
出される。旋回型溶融炉に供給される生成ガスは１次燃
焼室１１５ａ内で旋回流を生じるよう、接線方向に供給
される。流入した生成ガスは旋回流を形成し、ガス中の
固形分は遠心力によって周辺の壁面に捕捉されるのでス
ラグ化率、スラグ捕集率が高く、スラグミストの飛散が
少ないのが特長である。

【００４７】旋回溶融炉内には炉内を適正な温度分布に
保つよう、複数のノズル１３４から空気又は酸素が供給
される。１次燃焼室１１５ａ、２次燃焼室１１５ｂまで
でほぼ完全に炭化水素やカーボン等の可燃物の分解と灰
のスラグ化を完了させるように温度分布を調整する。

【００４８】スラグは２次燃焼室１１５ｂの下面を流下
し、スラグ排出口１４２から溶融スラグ１２６として排
出される。３次燃焼室１１５ｃは未燃物質の最終完全分
解をするためと、その下流に設けられた廃熱ボイラから
の輻射冷却によってスラグ排出口１４２が冷却されない
ようにするための干渉ゾーンの役割を果たしている。３
次燃焼室１１５ｃの上端には燃焼排ガスを排気する排気
口１４４が設けられ、通常その上部に高温熱交換器と廃
熱ボイラが設けられる。なお符号１３２は始動バーナ、
符号１３６は助燃バーナである。

【００４９】

【発明の効果】本発明は高温の燃焼排ガス中に、あるい
は流動層中に耐熱性鋳鋼又はセラミックス等の管路を配
置して空気等の気体を加熱し、この高温の空気等の気体
と熱交換することで、過熱蒸気を再加熱するようにした
ものである。これにより、腐食性ガスを含む廃棄物の燃
焼排ガス又は流動層から、高温溶融塩腐食を避けて、過
熱蒸気温度４５０〜５４０℃を得ることができ、発電端
効率３０％以上を得ることが可能となった。

【００５０】また、本発明によれば、廃棄物発電システ
ムにおいて、売電単価の高い時間帯に高燃焼負荷運転を
行い、売電単価の低い時間帯に低燃焼負荷運転を行うこ
とにより売電収入の最大化が図られると同時に低燃焼負
荷運転時にも燃焼ガス温度が完全燃焼に必要な高温を維
持し、あるいは灰分の溶融可能温度領域に維持されるの
で、ダイオキシン等を完全分解することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の廃棄物燃焼発電方法の第１の態様のフ
ロー図である。

【図２】本発明の廃棄物燃焼発電方法の第２の態様のフ
ロー図であり、夜間等に発電出力を抑える場合、あるい
は低負荷運転を行う場合の方法を示す。

【図３】本発明の廃棄物燃焼発電方法の第３の態様のフ
ロー図であり、層内伝熱管付の流動床炉の例を示す。

【図４】本発明の廃棄物燃焼発電方法の第４の態様のフ
ロー図であり、外部熱交換器を備えた外部循環流動床ボ
イラの例を示す。

【図５】バヨネット式熱交換器の説明図である。

【図６】本発明の廃棄物燃焼発電方法の第５の態様のフ
ロー図であり、流動床ガス化炉と旋回溶融炉とを用い
て、廃棄物をガス化して燃焼させるガス化溶融システム
に適用した例を示す。

【図７】図６に示すガス化溶融システムの主要機器構成
の典型的な形状を示した図である。

【図８】従来の廃棄物燃焼発電方式の概要を示す説明図
である。

【図９】燃焼排ガス温度（横軸）と管路表面温度（縦
軸）による腐食の関係を示す図である。

【符号の説明】

１１燃焼炉又はガス化溶融炉１２，２３高温熱交換器１３，２４廃熱ボイラ１４，２５過熱蒸気加熱器１５，２６蒸気タービン・発電機１６，２８空気予熱器１７バグフィルタ２１流動層ガス化炉２２溶融炉２９除塵器３１循環ファン３２流動床炉３３流動層４１コンバスタ４２サイクロン４４エコノマイザ４５煙突５１熱交換部５２外筒５３内筒１０１原料フィーダ１０３集塵装置１０６分散板１０７フリーボード１０８ガス出口１１５ａ１次燃焼室１１５ｂ２次燃焼室１１５ｃ３次燃焼室１２６溶融スラグ１３４ノズル１３６助燃バーナ１４２スラグ排出口１４４排気口２０３炉底周辺部２０４炉底中央部２０５不燃物排出口２０６壁２０７中央流動化ガス２０８周辺流動化ガス２０９移動層２１０流動層ａ可燃物ｂ生成ガスＧガス化ゾーンＳ酸化ゾーンＶ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４，Ｖ５バルブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中田信夫東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内 (72)発明者高橋孝一東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内 (72)発明者平本努東京都大田区羽田旭町11番１号株式会社荏原製作所内Ｆターム(参考） 3G081 BA02 BB00 BC11 3K065 AA11 AB02 AC01 BA01 JA04 JA05 JA14 JA18

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】廃棄物燃焼による高温の燃焼排ガスか
ら、または廃棄物を燃焼させるか又はガス化させる反応
炉の流動層から、熱交換器により気体を加熱し、該加熱
された気体を熱源として、過熱蒸気を昇温し、昇温した
過熱蒸気を蒸気タービンに供給し、蒸気タービンにより
駆動される発電機により発電することを特徴とする廃棄
物燃焼発電方法。
【請求項２】前記熱交換器の燃焼排ガスに接触する伝
熱管は耐熱性鋳鋼により形成されていることを特徴とす
る請求項１記載の廃棄物燃焼発電方法。
【請求項３】前記熱交換器の燃焼排ガスに接触する伝
熱管はセラミックスにより形成されていることを特徴と
する請求項１記載の廃棄物燃焼発電方法。
【請求項４】前記熱交換器は、バヨネット式熱交換器
であることを特徴とする請求項２又は３に記載の廃棄物
燃焼発電方法。
【請求項５】前記過熱蒸気は、燃焼排ガスを廃熱ボイ
ラに導くことにより生成されることを特徴とする請求項
１乃至４のいずれか１項に記載の廃棄物燃焼発電方法。
【請求項６】前記気体と過熱蒸気との熱交換は、過熱
蒸気加熱器により行うことを特徴とする請求項１記載の
廃棄物燃焼発電方法。
【請求項７】前記気体は、熱交換器と過熱蒸気加熱器
の間を循環することを特徴とする請求項６に記載の廃棄
物燃焼発電方法。
【請求項８】低負荷時には、前記熱交換器と過熱蒸気
加熱器を結ぶ経路を閉止し、熱交換器により加熱された
高温気体を焼却炉又はガス化溶融炉へ供給することを特
徴とする請求項７に記載の廃棄物燃焼発電方法。
【請求項９】前記気体は空気であり、前記熱交換器に
は、前記燃焼排ガスの低温部に設置された空気予熱器に
より予熱された空気を供給することを特徴とする請求項
１乃至８のいずれか１項に記載の廃棄物燃焼発電方法。
【請求項１０】廃棄物を燃焼させるか又はガス化させ
る反応炉と、前記反応炉からの燃焼排ガスと気体との間
で熱交換を行うか又は反応炉内の流動層と気体との間で
熱交換を行い前記気体を加熱する熱交換器と、前記加熱
された気体と過熱蒸気との間で熱交換を行い前記過熱蒸
気を昇温する加熱器と、前記昇温された過熱蒸気が供給
される蒸気タービンと、蒸気タービンにより駆動される
発電機とを備えたことを特徴とする廃棄物燃焼発電装
置。