JP2004092945A - ガス処理設備 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギー損失を生じさせることがなく、タービンを損傷させる虞もない上に、集塵性能にも優れるガス処理設備とする。
【解決手段】加圧下において可燃物Ｐを燃焼又は熱分解した際に発生した排ガスＧを、この排ガスＧによって駆動するガスタービン１４に送る過程に、ガス処理設備１３を設ける。そして、このガス処理設備１３を、ガスＧ中の煤塵Ｂを集塵しうるろ材４１が備えられたろ過式集塵機４０と、このろ過式集塵機４０の下流に備えられた遠心式集塵機５０と、で構成する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、加圧下において可燃物を燃焼又は熱分解した際に発生した排ガスを、この排ガスによって駆動するガスタービンに送る過程に設けられるガス処理設備に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、地球温暖化防止の観点から可燃物の持つエネルギーを最大限に有効利用しようと種々の試みがなされている。その中の１つに、加圧下において可燃物を燃焼又は熱分解（以下、これらをあわせて単に熱処理ともいう。）し、その際に発生した高温・高圧のガス（排ガス）でガスタービンを駆動することによりエネルギー回収を図るというものがある。
【０００３】
しかるに、かかる高温・高圧の排ガス中に一定以上の量、大きさの煤塵が含まれていると、この煤塵がタービンを損傷・磨耗し、あるいはタービンに付着するため、設備の安定した運転が妨げられる。
【０００４】
そこで、現在は、高温・高圧の排ガスを、この排ガスによって駆動するガスタービンに送る過程にガス中の煤塵を除去するガス処理設備を設けることにより対応を図っている。そして、かかるガス処理設備には、▲１▼排ガスを液体と接触させる湿式集塵機からなる設備、▲２▼排ガスをろ材に通すバグフィルタなどのろ過式集塵機からなる設備、▲３▼遠心力を利用する遠心式集塵機からなる設備、▲４▼遠心式集塵機とこの下流に備えられたろ過式集塵機とからなる設備、がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、まず、湿式集塵機からなる設備（▲１▼）には、「液体との接触により排ガスの温度が低下するため、エネルギー損失になる」という問題がある。また、ろ過式集塵機からなる設備（▲２▼）には、「損傷したろ材の破片がガスタービンに入り込み、タービンを損傷させる虞がある」という問題がある。さらに、遠心式集塵機からなる設備（▲３▼）には、「集塵性能が特にろ過式集塵機からなる設備に比して劣る」という問題がある。そして、遠心式集塵機及びその下流に備えられたろ過式集塵機からなる設備（▲４▼）にも、「損傷したろ材の破片がタービンを損傷させる虞がある」といった問題の他、「ろ過式集塵機への煤塵が小粒径のもののみとなるため、ろ材の目に煤塵が詰まり易くなる」といった問題がある。
【０００６】
そこで、本発明の主たる課題は、エネルギー損失を生じさせることがなく、タービンを損傷させる虞もない上に、集塵性能にも優れるガス処理設備を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明は、次の通りである。
＜請求項１記載の発明＞
加圧下において可燃物を燃焼又は熱分解した際に発生した排ガスを、この排ガスによって駆動するガスタービンに送る過程に設けられるガス処理設備であって、
前記ガス中の煤塵を集塵しうるろ材が備えられたろ過式集塵機と、このろ過式集塵機の下流に備えられた遠心式集塵機とを有することを特徴とするガス処理設備。
【０００８】
＜請求項２記載の発明＞
遠心式集塵機の接ガス部が金属製である請求項１記載のガス処理設備。
【０００９】
＜請求項３記載の発明＞
遠心式集塵機にブローダウン手段が備わる請求項１又は請求項２記載のガス処理設備。
【００１０】
＜請求項４記載の発明＞
遠心式集塵機からガスタービンに移行する清浄ガス中の煤塵濃度を測定する煤塵濃度計を備え、この煤塵濃度計による測定値が所定値以上となった場合のみにおいてブローダウン手段を作動させるようにした請求項３記載のガス処理設備。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。なお、本発明に係るガス処理設備は、可燃物が燃焼された場合に発生する排ガスの他、可燃物が熱分解された場合に発生する排ガスなどをも処理対象とすることができるが、本実施の形態では、可燃物が燃焼された場合に発生する排ガスを処理対象とする場合について、説明する。
【００１２】
図１に、本実施の形態に係るガス処理設備１３が備えられた燃焼処理設備の構成例を示した。
本燃焼処理設備には、燃焼炉１が備えられている。この燃焼炉１の上部には、スプレーノズル等が備えられた複数の可燃物Ｐの供給口２が設けられている（なお、図１においては、供給口２を１つしか示していない。）。これらの供給口２は、可燃物供給路３（供給路は、例えば管などで構成することができる。以下で説明する他の供給路や排気路についても同様である。）によって供給ポンプ４を介して可燃物Ｐの貯槽５と接続されている。可燃物供給路３には、燃焼用空気Ａの供給路６が接続されている。貯槽５に貯留された廃液や下水汚泥等からなる高水分含有量の可燃物Ｐは、供給ポンプ４によって昇圧され、燃焼用空気Ａとともに供給口２から燃焼炉１内に噴霧供給される。噴霧供給された可燃物Ｐは、燃焼炉１内において燃焼される。
【００１３】
燃焼炉１の上部には、スプレーノズル等が備えられた複数の補助燃料Ｒの供給口７が設けられている（なお、図１においては、供給口７を１つしか示していない。）。これらの供給口７には、補助燃料Ｒの供給路９が接続されている。この供給路９には、供給路６から分岐する燃焼用空気Ａの供給路８が接続されている。補助燃料Ｒは、燃焼用空気Ａとともに燃焼炉１内に噴射供給され、燃焼炉１内において燃焼される。なお、補助燃料Ｒとしては、例えば、灯油、軽油等の液体燃料、微粉炭等の固体燃料、ＬＮＧ等の気体燃料などを使用することができる。
【００１４】
燃焼炉１の炉底部には、可燃物Ｐに含有された無機分の灰を排出する灰分排出口１０が設けられている。また、燃焼炉１の炉頂部には、可燃物Ｐの燃焼により発生した煤塵を含む燃焼排ガスＧを排気する排気口１１が設けられている。この排気口１１は、ガス処理設備１３と排気路１２を介して接続されている。
【００１５】
ここで、本発明に係るガス処理設備について説明する。
本発明に係るガス処理設備は、バグフィルタなどからなるろ過式集塵機と、このろ過式集塵機の下流に備えられたサイクロンなどからなる遠心式集塵機と、から主になるものである。本発明においては、ガス処理設備を、かかるろ過式集塵機と遠心式集塵機とで構成し、湿式集塵機を使用しないので処理対象となるガスの温度が低下するといったエネルギー損失が生じない。また、ろ過式集塵機の「下流に」遠心式集塵装置が備えられるので、ろ材の破片はかかる遠心式集塵装置によって集塵されガスタービンに入り込む余地がなく、したがってタービンの損傷が防止される。さらに、ろ過式集塵機が備えられるので、優れた集塵性能が得られる。その他、ろ過式集塵機が遠心式集塵機よりも「上流」に備えられるので、ろ過集塵機へ供給される煤塵が小粒径のものに限られることがなく大小さまざまなものとなり、したがってろ材の目詰まりが緩和される、との効果も得られる。
【００１６】
本発明において使用することができるろ過式集塵機は、その種類が特に限定されるものではない。内部にろ材が備えられ、このろ材に含塵ガスを通すことにより集塵を行う公知のものを使用することができる。
【００１７】
また、本発明において使用することができる遠心式集塵機も、その種類が特に限定されるものではない。遠心力により煤塵とガスとを分離する公知のものを使用することができる。
【００１８】
ただし、遠心式集塵機の接ガス部は、金属製であるのが好ましい。この点、遠心式集塵機の接ガス部は、高温ガスを処理対象とする場合、通常、キャスタブル等の耐火材で形成されている。キャスタブル等の耐火材は、耐火性には優れるものの温度変化などによりクラックが発生し、破片が形成される虞がある。破片が形成されれば、当然、ガスタービンに入り込み、タービンを損傷する虞がある。しかし、接ガス部を金属製とすれば、かかる虞はない。
【００１９】
また、本発明において使用する遠心式集塵機は、含塵ガスの一部を抜き出す機構、すなわちブローダウン手段が備わるものであるのが好ましい。集塵効率を向上させるためである。
【００２０】
ところで、ブローダウン手段を備えたことによる集塵効率の向上効果は、含塵ガスの流量、組成、温度、圧力や、煤塵の濃度、比重、粒度、形状などによって若干異なるものの、一般的には、ブローダウン比が０〜１０％の場合はブローダウン比にほぼ比例し、１０％を超える場合はほぼ一定であるとされている。したがって、集塵効率の向上という観点からは、ブローダウン比を１０％程度にするのが好ましいということになる。しかしながら、１０％もの高温・高圧ガスを抜き出して放出することはエネルギーの多大な損失となる。そこで、本発明に係るガス処理設備においては、遠心式集塵機からの清浄ガス中の煤塵濃度を測定する煤塵濃度計を備え、この煤塵濃度計による測定値が所定値以上となった場合のみにおいてブローダウン手段を作動させるのが好ましい。煤塵濃度計による測定値が所定値以上となった場合、つまり集塵効率が低下した場合のみにおいてブローダウン手段が作動するように構成することにより、集塵効率の向上という効果を期待することができながら、エネルギー損失を最小限に抑えることができるようになるためである。
【００２１】
次に、以上のガス処理設備を具体化した本実施の形態のガス処理設備１３について、説明する。
ガス処理設備１３は、図２に示すように、排気路１２を介して燃焼炉１の排気口１１と接続されたろ過式集塵機４０と、このろ過式集塵機４０の下流に供給路２３を介して接続された遠心式集塵機５０と、から主になっている。
【００２２】
ろ過式集塵機４０は、内部にろ材４１，４１…が備えられており、このろ材４１，４１…に、排気路１２を介して供給された燃焼炉１からの燃焼排ガスＧが通され、除塵されるようになっている。ろ材４１，４１…により除塵された燃焼排ガスＧは、供給路２３を介して遠心集塵機５０に供給される。
【００２３】
この遠心式集塵機５０は、図３に示すように、円筒状の筒部５３と、この筒部５３の下端に一体的に設けられた下端に向かってつぼまっていく形態の円錐部５４と、この円錐部５４の下端に一体的に設けられた集塵室５５と、筒部５３の側面に取り付けられたガス供給口５１と、筒部５３の上面にこの筒部５３と同軸となるように取り付けられた筒状のガス排気口５２と、から主になっている。
【００２４】
円錐部５４と集塵室５５との境界部分は開口しており（以下、この部分を開口部５４ａという。）、また、集塵室５５の下端部も開口している（以下，この部分を開口部５５ａという。）。
【００２５】
ガス供給口５１は、ろ過式集塵機４０からの燃焼排ガスＧを、筒部５３内に供給するためのものであり、供給された燃焼排ガスＧが筒部５３内で旋回するように筒部５３に対して接線方向に取り付けられている。
【００２６】
本実施の形態において、遠心式集塵機５０の接ガス部、すなわち筒部５３、円錐部５４、ガス供給口５１及びガス排気口５２それぞれの内壁は、全て金属製となっている。この金属の種類は、特に限定されるものではないが、耐熱性という観点からは、オーステナイト系ステンレス、特に、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１０Ｓであるのが好ましい。
【００２７】
ガス供給口５１から供給された燃焼排ガスＧは、筒部５３内を旋回しながら下方へ移動する。燃焼排ガスＧは、円錐部５４内においても旋回を続ける。このような旋回過程において、燃焼排ガスＧ中の煤塵や、ろ材の破片など（これらをあわせて単に煤塵Ｂともいう。）は、遠心力により外方へ（内壁面に向かって）移動するので、軸部のガスは煤塵Ｂが除去され、ないし煤塵の濃度が低下したクリーンな燃焼排ガス（清浄ガス）となる。
【００２８】
内壁面まで移動した煤塵Ｂは、円錐部５４の内壁面を滑り落ち、開口部５４ａを通って集塵室５５に集められる。他方、煤塵Ｂの除去された清浄ガスＧは、ガス排気口５３から排気される。この排気口５３は、排気路２４を介して後述する補助燃焼炉１９に接続されており、清浄ガスＧが補助燃焼炉１９内において再燃焼されるようになっている。
【００２９】
ところで、本実施の形態に係るガス処理設備１３においては、かかる排気路２４の途中に清浄ガスＧ中の煤塵濃度を測定する煤塵濃度計６０が備えられている。また、集塵室５５の開口部５５ａには、ディフューザー３１が接続されている。さらに、このディフューザー３１は、図２に示すように、途中に仕切弁６２ａが備えられた供給路２７を介して圧縮空気Ａの流通する供給路６に接続されており、また、途中に仕切弁６２ｂが備えられた供給路２５を介して予熱器１５に通じる供給路２８にも接続されている。そして、煤塵濃度計６０による測定値が所定値以上となった場合には、図示しないブローダウン手段の作動により、仕切弁６２ａ及び６２ｂが開放される。これにより、集塵室５５内の煤塵Ｂは、ブローダウンガスとともに開口部５５ａを通してディフューザー３１に供給され、供給路６から供給路２７を介して送られてきた圧縮空気Ａによって、供給路２５を介して、供給路２８に送られることになる。
【００３０】
清浄ガスＧの供給される補助燃焼炉１９には、前記清浄ガスＧを供給するための供給路２４の他、燃焼用空気Ａの供給路６から分岐する供給路２６と、補助燃料Ｒ´の供給路２０と、ガスタービン１４に接続された排気路２１と、が接続されている。補助燃焼炉１９に供給された補助燃料Ｒ´及び清浄ガスＧは、燃焼用空気Ａによって燃焼され、この燃焼により発生した燃焼排ガスＧは、排気路２１を介してガスタービン１４に送られ、ガスタービン１４を駆動する。
【００３１】
補助燃料Ｒ´としては、例えば、灯油グレード以上の液体燃料や、ＬＮＧ等の気体燃料などを使用することができる。前述の補助燃料Ｒとしても、これらの燃料（灯油グレード以上の液体燃料や、ＬＮＧ等の気体燃料など）を使用する場合は、供給路２０を供給路９から分岐させて、補助燃焼炉１９に補助燃料Ｒが供給されるように構成することもできる。
【００３２】
燃焼炉１において発生した燃焼排ガスＧの圧力が低い場合などは、補助燃焼炉１９に供給する補助燃料Ｒ´の量を多くし、補助燃焼炉１９からガスタービン１４に送られる燃焼排ガスＧの量を増加させる。これにより、空気Ｃを十分な圧力にまで加圧して燃焼炉１に供給することができ、燃焼炉１内の高圧状態を安定的に維持することができるようになる。この操作は、燃焼処理設備の運転当初などであるために燃焼炉１内が十分な圧力にまで昇圧されていないときにも行うことができ、したがって燃焼炉１内が所定の高圧状態となるまでの立ち上がり時間を短縮させるのに役立たせることができる。
【００３３】
なお、本実施の形態においては、ガス処理設備１３からの清浄ガスＧを、供給路２４を介して補助燃焼炉１９に送る形態としたが、この形態に限られるものではない。例えば、ガス処理設備１３からの清浄ガスＧを、直接ガスタービン１４に送る形態とすることもできる。
【００３４】
ガスタービン１４の駆動に利用された燃焼排ガスＧは、さらに供給路２８を介して予熱器１５に通され熱源として利用される。熱源として利用された燃焼排ガスＧは、供給路２９を介して排ガス処理装置１６に送られ、清浄化処理された後、大気中に放出される。
【００３５】
本実施の形態において、上記ガスタービン１４には、コンプレッサー１７が連結されており、ガスタービン１４の駆動にともなって、駆動されるようになっている。このコンプレッサー１７には空気Ｃが供給される。コンプレッサー１７に供給された空気Ｃは、圧縮されて加圧された後、供給路３０を介して上記予熱器１５に送られる。予熱器１５において、圧縮空気Ｃは、燃焼排ガスＧの熱によって（ブローダウンガスが予熱器１５に送られている場合は、ブローダウンガスの熱によっても）加熱され、高温・高圧の燃焼用空気Ａとして供給路６並びにこの供給路６から分岐する供給路８及び供給路２６に送られる。以上のようにして燃焼炉１には、コンプレッサー１７によって加圧された高圧の燃焼用空気Ａが供給されるので、燃焼炉１内では常圧よりも高圧の状態で可燃物Ｐが燃焼されることになる。
【００３６】
この燃焼に際して発生した高温の燃焼排ガスＧは、燃焼炉１内が高圧であることから高圧状態のまま排気口１１から排出される。したがって、その熱エネルギーを回収することができるとともに、その圧力（膨張）エネルギーをも回収することができることになる。本実施の形態では、ガスタービン１４によって、燃焼排ガスＧの圧力エネルギー及び熱エネルギーが回収され、また、予熱器１５によってガスタービン１４を経てもなお残る熱エネルギーが回収される。
【００３７】
ところで、本実施の形態において、かかる燃焼炉１内の圧力は、０．２〜１．０ＭＰａとなるように設定されている。燃焼炉１内の圧力が０．２ＭＰａを下回ると、排気口１１から排気され、排気路１２、補助燃焼炉１９及び排気路２１を介してガスタービン１４に供給される燃焼排ガスＧの圧力が小さくなるため、補助燃焼炉１９内に供給する補助燃料Ｒの量を増加させなければガスタービン１４を駆動することができなくなり、効率的なエネルギー回収が阻害される虞がある。他方、燃焼炉１内の圧力を１．０ＭＰａを上回らせるには、燃焼炉１をより高強度の耐圧構造としなげればならず、エネルギーの回収効率が向上することを考慮してもかえって非経済的になる虞がある。
【００３８】
本実施の形態においては、ガスタービン１４にコンプレッサー１７を介して発電機１８が連結されている。ガスタービン１４によって回収されたエネルギーに、コンプレッサー１７を駆動してもまだ余剰がある場合には、かかる発電機１８が駆動される。これにより、燃焼排ガスＧのエネルギーが余すところなく回収され有効利用されることになる。
【００３９】
ただし、ガスタービン１４によって回収されたエネルギーの利用形態は、以上の形態に限られるものではない。例えば、燃焼炉１に供給される燃焼用空気Ａとして、ガスタービン１４からのエネルギーによることなく独自に駆動するコンプレッサーで加圧されたものを利用し、ガスタービン１４からのエネルギーが発電機によって全て利用されるようにすることができる。
【００４０】
ところで、本実施の形態では、コンプレッサー１７と予熱器１５とを供給路３０を介して直接接続しているが、図１中に点線で示すように、コンプレッサー１７と予熱器１５との間にガスタービン１４によって駆動する酸素ＰＳＡ装置２２を介装させることもできる。この点、酸素ＰＳＡ装置は、周知のとおり加圧された空気中の窒素を吸着し酸素濃度を増大させるためのものである。したがって、かかる形態（酸素ＰＳＡ２２を介装させた形態）とすると、燃焼用空気Ａの酸素濃度が増すことになるので、燃焼用空気Ａを燃焼炉１に供給した際の可燃物Ｐの燃焼効率が向上することになる。これにより、補助燃料Ｒの使用量が削減され、より一層経済的な燃焼処理が実現される。
【００４１】
また、高酸素濃度の燃焼用空気Ａによって可燃物Ｐや補助燃料Ｒ、補助燃料Ｒ´を燃焼した際に発生する燃焼排ガスＧは、その組成の大部分が水蒸気と二酸化炭素とになる。したがって、かかる燃焼排ガスＧを、例えば上記排ガス処理装置１６において冷却すれば、水蒸気が凝縮するので、燃焼排ガスＧは二酸化炭素主体のものとなる。これにより、窒素が大部分を占める通常の空気の利用により発生した燃焼排ガスＧの場合と比べ、二酸化炭素の回収や除去が容易となるので、近年の地球温暖化の原因ともされる二酸化炭素の排出量の削減にも寄与することが可能な燃焼処理設備を提供することが可能となる。
【００４２】
＜実施例＞
次に、図１に示した燃焼処理設備を用いて、本実施の形態に係るガス処理設備１３の効果について検討した。
本実施例では、コンプレッサー１７によって加圧された空気Ｃを、酸素ＰＳＡ装置２２を介することなく直接予熱器１５に供給して予熱した後、燃焼用空気Ａとして燃焼炉１に供給した。可燃物Ｐとしては、廃液を用いた。廃液は、水分が８９ｗｔ％、有機分が１１ｗｔ％、有機分の発熱量が２７ＭＪ／ｋｇであった。この廃液を、昇圧能力１．５ＭＰａの供給ポンプ４により３８０００ｋｇ／ｈで燃焼炉１に供給し、燃焼させた。この際、温度保持のための補助燃料Ｒとしての灯油も供給し、燃焼させた。灯油の供給量は、８５０ｌ／ｈとした。燃焼炉１内の圧力は、０．５ＭＰａ、温度は８５０℃であった。また、燃焼炉１から排出される燃焼排ガスＧの量は１４５００ｍ^３Ｎ／ｈであった。他方、補助燃焼炉１９にも補助燃料Ｒ´としての灯油を供給し、燃焼させた。灯油の供給量は、５０ｌ／ｈとした。補助燃焼炉１９から排出される燃焼排ガスＧをガスタービン１４に供給し、コンプレッサー１７を駆動させて空気Ｃを加圧した。このときの、ガスタービン１４入口での流量は１５０００ｍ^３Ｎ／ｈであり、コンプレッサー１７の吐出空気量は約１００００ｍ^３Ｎ／ｈであった。また、ガスタービン１４の入口排ガスの温度は８８０℃、圧力は０．４６ＭＰａであった。運転を３ヶ月間行ったが、タービンに損傷は生じず、また、煤塵の付着も生じなかった。
【００４３】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、エネルギー損失を生じさせることがなく、タービンを損傷させる虞もない上に、集塵性能にも優れるガス処理設備及びガス処理方法となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガス処理設備を使用するのに好適な燃焼処理設備のフロー図である。
【図２】本実施の形態に係るガス処理設備のフロー図である。
【図３】遠心集塵装置の断面図である。
【符号の説明】
１…燃焼炉、１３…ガス処理設備、１４…ガスタービン、１５…予熱器、１６…排ガス処理装置、１７…コンプレッサー、１８…発電機、１９…補助燃焼炉、２２…酸素ＰＳＡ装置、３１…ディフューザー、４０…ろ過式集塵装置、４１…ろ材、５０…遠心式集塵機、６０…煤塵濃度計、６２ａ，ｂ…仕切弁、Ａ…燃焼用空気、Ｂ…煤塵、Ｃ…空気、Ｇ…燃焼排ガス、Ｐ…可燃物、Ｒ，Ｒ´…補助燃料。

Claims (4)

1. 加圧下において可燃物を燃焼又は熱分解した際に発生した排ガスを、この排ガスによって駆動するガスタービンに送る過程に設けられるガス処理設備であって、
   前記ガス中の煤塵を集塵しうるろ材が備えられたろ過式集塵機と、このろ過式集塵機の下流に備えられた遠心式集塵機とを有することを特徴とするガス処理設備。
2. 遠心式集塵機の接ガス部が金属製である請求項１記載のガス処理設備。
3. 遠心式集塵機にブローダウン手段が備わる請求項１又は請求項２記載のガス処理設備。
4. 遠心式集塵機からガスタービンに移行する清浄ガス中の煤塵濃度を測定する煤塵濃度計を備え、この煤塵濃度計による測定値が所定値以上となった場合のみにおいてブローダウン手段を作動させるようにした請求項３記載のガス処理設備。

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