JP2005098198A

JP2005098198A - 廃棄物処理炉の高効率発電システム

Info

Publication number: JP2005098198A
Application number: JP2003332674A
Authority: JP
Inventors: Mitsuyuki Nishihara; 充幸西原; Masataka Shichiri; 雅隆七里; Shinji Ozaki; 真司尾崎
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 2003-09-25
Filing date: 2003-09-25
Publication date: 2005-04-14

Abstract

【課題】化石燃料に代わるエネルギー効率のよい燃料を低コストで確保可能な廃棄物処理炉の高効率発電システムを実現できるとともに、高品質な電力を地域社会に提供する。
【解決手段】ゴミ焼却炉１と、廃熱ボイラ２と、廃熱ボイラ２で生成された蒸気を外部燃料により過熱する過熱装置３と、過熱装置による過熱蒸気で発電する発電装置４と、林産資源系のバイオマスまたは廃プラスチックの乾留炉５を備え、乾留炉５で生成された燃料ガスの燃焼熱を過熱装置３の熱源として供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、廃棄物を熱処理する廃棄物処理炉と、前記廃棄物処理炉で生じた廃熱で蒸気を生成する廃熱ボイラと、前記廃熱ボイラで生成された蒸気を外部燃料により過熱する過熱装置と、前記過熱装置による過熱蒸気で発電する発電装置を備えた廃棄物処理炉の高効率発電システムに関する。

ゴミ焼却炉等の廃棄物処理炉に備えた廃熱ボイラで生成された蒸気は、排ガスに混入する塩素系の腐食性ガスの影響により、約１００ｋｇｆ／ｃｍ²、３１０℃程度しか過熱することができないため、外部燃焼式の過熱器を設けて約３５０〜６００℃等、任意の温度に過熱した後に蒸気タービンに供給して発電することで発電効率を上昇させるように構成されていた。このような過熱器に供給される燃料としては一般に都市ガスが使用されるが、省資源化の要請の下、化石燃料に代えて家畜の糞尿等を原料として発酵処理したメタンガスを使用する技術も提案されている。
特開平７−３５３１１号公報特開２０００−２６５８５８号公報

しかし、上述の発酵ガスを使用するものではガスの生成効率が低く、所定の発電効率を維持するためのガスを安定的に供給するのが困難なため実用化が阻まれていた。

本発明の目的は、上述の従来欠点に鑑み、化石燃料に代わるエネルギー効率のよい燃料を低コストで確保可能な廃棄物処理炉の高効率発電システムを提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明による廃棄物処理炉の高効率発電システムの第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、廃棄物を熱処理する廃棄物処理炉と、前記廃棄物処理炉で生じた廃熱で蒸気を生成する廃熱ボイラと、前記廃熱ボイラで生成された蒸気を外部燃料により過熱する過熱装置と、前記過熱装置による過熱蒸気で発電する発電装置を備えた廃棄物処理炉の高効率発電システムであって、林産資源系のバイオマスまたは廃プラスチックの乾留炉を備え、前記乾留炉で生成された燃料ガスの燃焼熱を前記過熱装置の熱源として供給する点にある。

上述の構成によれば、間伐材や建築廃材などの豊富な林産資源や廃プラスチックを乾留して得られる高カロリーの乾留ガスを過熱装置の燃料として使用することができるのであり、しかも、カーボンニュートラルな林産資源系のバイオマスを使用する場合には、ＣＯ_２の増加による環境への影響も解消されるのである。また、廃プラスチックを使用する場合には、塩素系ガスを除去することによりクリーンな燃料になり、過熱器の腐食が生じる虞なく高温に過熱できるようになるのである。

同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記乾留炉で生成された燃料ガスを改質する改質装置を備え、前記改質装置に前記過熱装置による過熱蒸気が供給される点にある。

乾留炉で生成された乾留ガスにはタール等の分子量の大きなオイル成分も含まれるが、改質装置によりオイル成分がＣＯやＨ_２に分解されることにより、ガスの供給管路の詰まり等が生じることもなく、高カロリーの燃料ガスが安定供給できるのである。しかも、改質装置に必要な水分、及び熱源として過熱蒸気が供給されるので別途の熱源等が不要となり経済性に富んだシステムが得られるのである。

同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記改質装置で改質された燃料ガスをガス燃焼装置に供給して発電するガス発電装置を備え、前記ガス燃焼装置の排ガスを前記過熱装置の熱源として供給する点にある。

上述の構成によれば、ガス燃焼装置からのクリーンで高温の排ガスの保有熱で廃熱ボイラの蒸気が過熱されるので過熱器が腐食損傷する虞が無く、発電効率の極めて高い複合発電システムが実現できる。

同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第三特徴構成に加えて、前記過熱装置に熱源を供給する燃焼器をさらに備え、前記乾留炉で生成された燃料ガスの一部を前記燃焼器に直接供給する第一燃料ガス供給経路を設けてある点にある。

生成された乾留ガスの全量を改質するためには規模の大きな改質装置を構築する必要があるところ、所定のガス発電量に見合う規模の改質装置を設置することで設備等コストの上昇を抑え、当該改質装置には乾留ガスの一部を供給し、残余の乾留ガスを第一燃料ガス供給経路を介して燃焼器に供給することにより過熱器における過熱熱量を増加させて、より安定的に蒸気発電を行なうことが可能となる。さらには、メンテナンス等による改質装置やガス発電装置の停止時であっても確実に過熱装置を運転できるのである。

同第五の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第三または第四特徴構成に加えて、前記改質装置で改質された燃料ガスを前記燃焼器に供給する第二燃料ガス供給経路を設けてある点にある。

この場合には、ガス発電装置の停止時やガス発電装置に供給される改質ガス量より多量のガスが改質されるような場合に、第二燃料ガス供給経路を介して改質された燃料ガスが燃焼器に供給されるので、無駄なく蒸気発電に利用できるのである。

同第六の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、上述の第四または第五特徴構成に加えて、前記過熱装置に水噴霧機構を設け、前記過熱装置から出力される蒸気量が目標蒸気量となるように燃料ガスの供給量及び前記水噴霧機構による水噴霧量を調節する蒸気量制御手段を設けてある点にある。

廃熱ボイラによる発生蒸気量は、廃棄物処理炉で処理される廃棄物の性状や量により大きく変動する場合があり、そのような場合には発電量の変動を来たすこととなり、安定的な電力の供給が困難となる虞がある。上述の構成によれば、廃熱ボイラでの蒸気量の変動に迅速に応答して所期の過熱蒸気量を確保し、質の高い電力を安定供給することが可能になるのである。

同第七の特徴構成は、同請求項７に記載した通り、上述の第二から第六の何れかの特徴構成に加えて、前記改質装置で改質された燃料ガスで発電する燃料電池を備えてある点にある。

このような構成を採用することにより、冗長性を確保して信頼性の高い発電システムが提供できることになるのである。

同第八の特徴構成は、同請求項８に記載した通り、廃棄物を熱処理する廃棄物処理炉と、前記廃棄物処理炉で生じた廃熱で蒸気を生成する廃熱ボイラと、前記廃熱ボイラで生成された蒸気を外部燃料により過熱する過熱装置と、前記過熱装置による過熱蒸気で発電する発電装置を備えた廃棄物処理炉の高効率発電システムであって、林産資源系のバイオマスの燃焼炉を備え、前記燃焼炉で生成された燃焼熱を前記過熱装置の熱源として供給する点にある。

上述の構成によれば、間伐材や建築廃材などの豊富な林産資源を燃焼して得られる高温の燃焼排ガスを過熱装置の燃料として使用するので、過熱器の腐食が生じる虞なく高温に過熱できるのであり、しかも、カーボンニュートラルな林産資源系のバイオマスを使用するので、ＣＯ_２の増加による環境への影響も解消されるのである。

以上説明した通り、本発明によれば、化石燃料に代わるエネルギー効率のよい燃料を低コストで確保可能な廃棄物処理炉の高効率発電システムを実現できるとともに、高品質な電力を地域社会に提供できるようになった。

以下に本発明による廃棄物処理炉の高効率発電システムの実施の形態を説明する。図１に示すように、廃棄物処理炉の一例であるゴミ焼却炉１と、ゴミ焼却炉１で生じた廃熱で蒸気を生成する廃熱ボイラ２と、廃熱ボイラ２で生成され、炉内の過熱器１ａで過熱された蒸気を外部燃料により過熱する過熱装置３と、過熱装置３による過熱蒸気で発電する蒸気タービン４Ａと発電機４Ｂでなる蒸気発電装置４を備えてゴミ焼却炉の高効率発電システムが構成される。

前記システムには、ゴミ焼却炉１の排ガスを熱源とする熱交換器１ｂにより約５００℃に加熱された空気により間接過熱され、林産資源系のバイオマスを乾留処理して燃料ガスとしての乾留ガスを生成するキルン式の乾留炉５を備えてあり、乾留炉５で生成された燃料ガスの燃焼熱を過熱装置３の熱源として供給するように構成してある。ここで、林産資源系のバイオマスとしては、住宅等の建築物の解体材や、製材、木材加工工場等から排出されるおがくず、プレカットくず、樹皮（バーク）、パルプ工場から排出されるパルプかす等の工場廃材や、伐採現場に残される材木の梢端部、枝、葉の林地残材等が挙げられる。これら林産資源系のバイオマスは、エネルギーとして燃焼させても、森林が光合成によりＣＯ_２を固定するために実質ＣＯ_２の増減がなく、自然環境に悪影響を及ぼすものではない。

詳述すると、前記乾留炉５で生成された燃料ガスには、タール等のオイル成分が含まれているため、燃焼効率を改善すべく水素や一酸化炭素に改質する改質装置６を備え、改質された燃料ガスが供給され、圧縮機７Ｄによる圧縮空気とともに燃焼させる燃焼器７Ａとガスタービン７Ｂと発電装置７Ｃでなるガス発電装置７を設けてあり、ガスタービン７Ｂのクリーンな燃焼排ガスを過熱装置３の熱源として供給するように構成してある。

前記改質装置６は、炭化水素系燃料に水を加え，水蒸気改質と呼ばれる改質法により水素リッチな改質ガスを生成する装置で、メタンガスを例に説明すると、反応器内部に充填される改質触媒の作用によって生じる水蒸気改質反応とＣＯ変成反応により、メタンがＨ_２，ＣＯ，ＣＯ_２，Ｈ_２Ｏ等を組成とする改質ガスに改質するもので、吸熱反応である水蒸気改質反応を促進するとともに、反応ガスとしても利用するべく、改質装置６に過熱装置３による過熱蒸気が供給される。

前記過熱装置３は、熱源を供給する燃焼器３Ａと、前記燃焼器３Ａの燃焼ガスを通流する伝熱ケース３Ｂと、伝熱ケース３Ｂ内に配置された伝熱管３Ｃと、伝熱管３Ｃの途中でヘッダーを介して接続された注水機構３Ｄと、前記ガスタービン７Ｂの排ガスを取り込む流入口３Ｅを備えて構成され、前記燃焼器３Ａによる燃焼ガスと前記ガスタービン７Ｂの排ガスは、前記伝熱ケース３Ｂ内で伝熱管３Ｃを流れる蒸気の通流方向とは対向する方向に流れ、熱交換後の排ガスは焼却炉１の燃焼空気の加熱源等に使用される。さらに、前記乾留炉５で生成された燃料ガスの一部を燃焼器３Ａに直接供給する第一燃料ガス供給経路３ａを設けるとともに、改質装置６で改質された燃料ガスを燃焼器３Ａに供給する第二燃料ガス供給経路３ｂを設けてある。即ち、前記過熱装置３は、異なる複数の熱源を供給可能に構成してある。

上述の過熱装置３は、炉内の過熱器１ａで過熱された４０〜６０ａｔａ、３００℃の蒸気をガスタービン７Ｂの約５５０℃から６５０℃の排ガスにより４０〜６０ａｔａ、３５０〜６００℃まで過熱して蒸気タービン４Ａに供給するものであるが、廃熱ボイラ２からの蒸気量が減少した場合等に対処すべく、注水機構３Ｄによる注水により過熱蒸気量の変動を抑制する蒸気量制御手段８を設けてある。

前記蒸気量制御手段８は、入口蒸気量センサＳ１により過熱器３への流入蒸気量を検出し、出口蒸気量センサＳ２による流出蒸気量が目標蒸気量となるように注水機構３Ｄにより注水制御するとともに、ガスタービン７Ｂの排ガス熱量が不足する場合には、前記第一燃料ガス供給経路３ａまたは第二燃料ガス供給経路３ｂに設置された流量調整バルブＶ１またはＶ２を調節制御してバーナ３Ａにより追い焚き燃焼させる。なお、図中、第一燃料ガス供給経路３ａ及び第二燃料ガス供給経路３ｂからの供給燃料を単一のバーナ３Ａにより燃焼させるように示しているが、それぞれの燃料ガスに応じてバーナを個別に設けてもよい。

前記注水機構３Ｄは、ヘッダーで取り出された伝熱管３Ｃに一箇所で注水するものを説明したが、伝熱管３Ｃに沿って複数箇所から注水するように構成してもよい。この場合には、前段の注水機構で蒸気量を確保し、最終段の注水機構で温度を調節することができる。

以下に、別実施形態を説明する。前記蒸気量制御手段８は、バーナ３Ａにより追い焚き燃焼させる場合に、第一燃料ガス供給経路３ａからの燃料ガスを第二燃料ガス供給経路３ｂからの燃料ガスに優先して供給することで、燃料ガスの温度低下によりタール成分が凝縮し蓄積が困難な乾留ガスを無駄なく使用できる点で好ましく、第一燃料ガス供給経路３ａからの燃料ガスを常時バーナ３Ａに供給するように構成してもよい。

前記ガス発電装置７の運転停止時には、第一燃料ガス供給経路３ａと第二燃料ガス供給経路３ｂの何れかまたは双方の経路から燃料ガスを供給することにより、高効率な蒸気発電を維持することが可能となる。

図２に示すように、前記改質装置６により改質されたガスを蓄積する改質ガス蓄積装置９を設けて、余剰ガスを蓄積するように構成してもよい。また、改質ガスを燃料とする燃料電池１０を併設してもよく、ガス発電装置７に代えて燃料電池を備えるものであってもよい。この場合、過熱器３への熱量の供給は、第一燃料ガス供給経路３ａまたは第二燃料ガス供給経路３ｂからバーナ３Ａへ燃料ガスを供給することにより行なわれる。

上述の実施形態では、改質された燃料ガスが供給され、圧縮機７Ｄによる圧縮空気とともに燃焼させる燃焼器７Ａとガスタービン７Ｂと発電装置７Ｃでなるガス発電装置７を設けたガス燃焼炉を説明したが、ガス燃焼炉としてはこの構成に限定されるものではなく、ガスエンジン等の他の熱機関を利用するものであってもよい。

上述した実施形態において、図３に示すように、過熱装置３に供給される燃料ガスの一部をごみ焼却炉１の助燃ガスとして供給し、ごみの燃焼状態の変動により生じる二次燃焼領域における温度変動を保障するための燃料ガス等に使用することも可能である。

上述した実施形態では、林産資源系のバイオマスを乾留処理して燃料ガスとしての乾留ガスを生成するキルン式の乾留炉５を設けたものを説明したが、乾留炉の構成はキルン炉に限るものではなく、他の方式で乾留するものであってもよい。また、原料として林産資源系のバイオマスを用いるものを説明したが、原料として廃プラスチックを用いるものであってもよい。この場合には、廃プラスチックによっては乾留ガスに塩素系ガスが含まれる場合があるので、脱塩素装置により塩素系ガスを除去した後の還流ガスを改質装置に供給する必要がある。さらに乾留炉に代えて、原料として林産資源系のバイオマスを用いる燃焼炉を設けて、その燃焼炉の排ガスの保有熱により廃熱ボイラ２の蒸気を過熱するように構成することも可能である。

上述した実施形態では、ゴミ焼却炉１の排ガスを熱源とする熱交換器１ｂにより約５００℃に加熱された空気により間接過熱され、林産資源系のバイオマスを乾留処理して燃料ガスとしての乾留ガスを生成するキルン式の乾留炉５を用いたが、乾留炉５の乾留熱源としては、空気以外に上述の過熱装置３による過熱蒸気を用いて林産資源を直接または間接加熱するように構成するものであってもよい。

上述した実施形態では、廃棄物処理炉としてゴミ焼却炉を用いた場合について説明したが、廃棄物処理炉としてはゴミ焼却炉に限るものではなく、ガス化溶融炉、灰溶融炉等の各種の処理炉に適用でき、それらの廃熱で蒸気を生成する廃熱ボイラを備えたものに適用できる。

廃棄物処理炉の高効率発電システムの説明図別実施形態を示す廃棄物処理炉の高効率発電システムの説明図別実施形態を示す廃棄物処理炉の高効率発電システムの説明図

符号の説明

１：ゴミ焼却炉
２：廃熱ボイラ
３：過熱装置
４：蒸気発電装置
５：乾留炉
６：改質装置
７：ガス発電装置

Claims

廃棄物を熱処理する廃棄物処理炉と、前記廃棄物処理炉で生じた廃熱で蒸気を生成する廃熱ボイラと、前記廃熱ボイラで生成された蒸気を外部燃料により過熱する過熱装置と、前記過熱装置による過熱蒸気で発電する発電装置を備えた廃棄物処理炉の高効率発電システムであって、
林産資源系のバイオマスまたは廃プラスチックの乾留炉を備え、前記乾留炉で生成された燃料ガスの燃焼熱を前記過熱装置の熱源として供給する廃棄物処理炉の高効率発電システム。
前記乾留炉で生成された燃料ガスを改質する改質装置を備え、前記改質装置に前記過熱装置による過熱蒸気が供給される請求項１記載の廃棄物処理炉の高効率発電システム。
前記改質装置で改質された燃料ガスをガス燃焼装置に供給して発電するガス発電装置を備え、前記ガス燃焼装置の排ガスを前記過熱装置の熱源として供給する請求項１記載の廃棄物処理炉の高効率発電システム。
前記過熱装置に熱源を供給する燃焼器をさらに備え、前記乾留炉で生成された燃料ガスの一部を前記燃焼器に直接供給する第一燃料ガス供給経路を設けてある請求項３記載の廃棄物処理炉の高効率発電システム。
前記改質装置で改質された燃料ガスを前記燃焼器に供給する第二燃料ガス供給経路を設けてある請求項３または４記載の廃棄物処理炉の高効率発電システム。
前記過熱装置に水噴霧機構を設け、前記過熱装置から出力される蒸気量が目標蒸気量となるように燃料ガスの供給量及び前記水噴霧機構による水噴霧量を調節する蒸気量制御手段を設けてある請求項４または５記載の廃棄物処理炉の高効率発電システム。
前記改質装置で改質された燃料ガスで発電する燃料電池を備えてある請求項２から６の何れかに記載の廃棄物処理炉の高効率発電システム。
廃棄物を熱処理する廃棄物処理炉と、前記廃棄物処理炉で生じた廃熱で蒸気を生成する廃熱ボイラと、前記廃熱ボイラで生成された蒸気を外部燃料により過熱する過熱装置と、前記過熱装置による過熱蒸気で発電する発電装置を備えた廃棄物処理炉の高効率発電システムであって、
林産資源系のバイオマスの燃焼炉を備え、前記燃焼炉で生成された燃焼熱を前記過熱装置の熱源として供給する廃棄物処理炉の高効率発電システム。