JP2010174845A - 焼却炉の排ガスによる排熱発電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】排煙洗浄塔の洗煙排水の保有熱を有効に利用し、電力としてエネルギーを回収することができる焼却炉の排ガスによる排熱発電方法を提供する。
【解決手段】下水汚泥を焼却する焼却炉１の排ガスを、白煙防止空気予熱器３、集塵装置４、排煙洗浄塔５に順次通して排ガス処理するとともに、排煙洗浄塔５から排出される洗煙排水を排熱発電システム２０に供給して排熱発電を行う。約３００℃である白煙防止空気の保有熱により、洗煙排水を昇温させたうえで排熱発電システム２０に供給することにより、発電量を６０％程度も向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、下水汚泥焼却炉やごみ焼却炉などの焼却炉から排出される高温の排ガスの保有熱を利用した排熱発電方法に関するものである。

下水汚泥焼却炉等の焼却炉の排ガスは８００〜８５０℃程度の高温の排ガスである。このため特許文献１に示すようにこの高温の排ガスを廃熱ボイラに導いて水蒸気を発生させ、蒸気タービンにより発電機を回転させて排熱発電を行わせることが提案されている。しかし設備投資額に見合う発電量が得られず、十分に実用化されているとはいえない。

そこで一般的な焼却プラントにおいては、焼却炉から排出される高温の排ガスを、白煙防止空気予熱器やその他の熱交換器に通して排熱の一部を回収したうえ、集塵装置においてダストを分離除去し、更に排煙洗浄塔に通して水洗浄を行い、排ガス中のＮＯ_Ｘ，ＳＯ_Ｘ等の成分を除去する排ガス処理のみが行われているのが普通である。

なお焼却炉が流動焼却炉である場合には白煙防止空気予熱器の前段に流動空気予熱器が設置されることがある。また集塵装置がセラミックフィルタである場合には高温集塵が可能であるが、バグフィルタである場合には冷却塔において３００℃以下にまで降温したうえで集塵を行っている。

このような通常の排ガス処理システムにおいては、排煙洗浄塔において２００〜４００℃の排ガスが約４０℃にまで冷却される一方、洗煙排水は６０〜７０℃で排出される。この洗煙排水は比較的低温ではあるが水の比熱が大きいために熱量は大きく、排ガスの持つ熱量の５０％を超える。このエネルギーは従来は温水プール等に利用する以外にはほとんど無駄に排出されており、その有効利用が期待されている。しかしながら温度域が６０〜７０℃の低レベルであるため、有効利用は困難とされてきた。

特開２００５−３２１１３１号公報

従って本発明の目的は、従来は無駄に排出されていた排煙洗浄塔の洗煙排水の保有熱を有効に利用し、電力としてエネルギーを回収することができる焼却炉の排ガスによる排熱発電方法を提供することである。

上記の課題を解決するためになされた本発明は、焼却炉の排ガスを、白煙防止空気予熱器、集塵装置、排煙洗浄塔に順次通して排ガス処理するとともに、排煙洗浄塔から排出される洗煙排水を排熱発電システムに供給して排熱発電を行う方法であって、白煙防止空気の保有熱を排熱発電システムに供給することにより、発電量を向上させることを特徴とするものである。

なお請求項２のように、白煙防止空気の保有熱により、排煙洗浄塔から排出される洗煙排水を昇温させたうえで排熱発電システムに供給することができ、あるいは請求項３のように、白煙防止空気の保有熱により、排熱発電システム中の流体を昇温することができる
。

また請求項４のように、排熱発電システムとして、アンモニアまたはフロンもしくはアンモニア/水混合流体を作動流体とする温度差発電システムを用いることが好ましく、この場合において請求項５のように、温度差発電システムにおいて低温熱源として利用された凝縮器冷却水を、排煙洗浄塔の給水とすることが好ましい。

本発明によれば、単に排煙洗浄塔から排出される洗煙排水を排熱発電システムに供給して排熱発電を行うだけではなく、白煙防止空気の保有熱の一部を排熱発電システムに供給することにより発電量を向上させる。このため洗煙排水の温度域が６０〜７０℃の低レベルであっても、有効に電力エネルギーを得ることができる。この場合、白煙防止空気との熱交換により、排煙洗浄塔から排出される洗煙排水を昇温させても、あるいは白煙防止空気との熱交換により、排熱発電システム中の流体を昇温させてもよい。

特に排熱発電システムとして、アンモニアまたはフロンもしくはアンモニア/水混合流体を作動流体とする温度差発電システムを用いれば、温度域が低レベルの洗煙排水から有効に電力を取り出すことができる。また低温熱源として利用された凝縮器冷却水を排煙洗浄塔の給水とすれば、水使用量を減少させることができる。

本発明の第１の実施形態を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態を示すフローチャートである。

以下に本発明の実施形態を示す。
図１において１は焼却炉であり、この実施形態では下水汚泥脱水ケーキを焼却するための流動焼却炉である。しかし本発明において流動炉１はこれに限定されるものではなく、ごみ焼却炉であってもよい。その排ガスは通常は８００〜８５０℃程度の高温排ガスである。２はこの高温排ガスが導入される流動空気予熱器であり、流動空気を例えば６５０℃に予熱して炉底部の分散管に供給している。焼却炉１が流動炉でない場合には流動空気予熱器２は省略される。

流動空気予熱器２の後段には白煙防止空気予熱器３が設置されている。この白煙防止空気予熱器３は煙突から放出される排ガス中の水蒸気が白煙として見えることを防止する白煙防止空気を得るための熱交換器であり、約３００℃の加熱空気（白煙防止空気）が得られる。一方、排ガスは白煙防止空気予熱器３を通過すると２５０〜４００℃にまで温度が低下し、次の集塵機４に導かれてダストを除去される。

集塵機４はこの実施形態では耐熱性に優れたセラミック集塵機であり、白煙防止空気予熱器３を通過した２５０〜４００℃の排ガスをそのまま集塵することができる。しかし集塵機４としてはバグフィルタを使用することもでき、その場合にはその前段に冷却塔を配置してバグフィルタの耐熱温度まで降温することが必要である。集塵機４における排ガスの温度降下は小さく、排ガスは２００〜４００℃で次の排煙洗浄塔５に入る。

排煙洗浄塔５は塔の下部から排ガスを導入し、上部のノズル６から散水される水と接触させることによって排ガス中のＮＯ_Ｘ，ＳＯ_Ｘ等の成分を除去する装置である。従来と同様に、塔内水はポンプ７によりノズル６に送水されて循環使用される。この実施形態の排煙洗浄塔５は塔の上部に煙突８が接続されており、塔内で洗浄された排ガスは煙突８から放出される。なお排煙洗浄塔５と煙突８との中間部分には複数段の棚板部９が形成されて
おり、その上部から給水された清浄水と排ガスとを十分に接触させることにより、水洗が十分に行われるように工夫されている。

この排煙洗浄塔５においては排ガスが水と接触するため、２００〜４００℃の排ガスの保有熱の大半は水側に移動し、前記したように排煙洗浄塔５から排出される洗煙排水は６０〜７０℃の温水となる。本発明ではこの洗煙排水の保有熱を利用して排熱発電を行うのであるが、これとともに約３００℃の白煙防止空気の保有熱をも利用する。

このため本実施形態においては、排煙洗浄塔５から出る洗煙排水を排水加熱器１０に導き、約３００℃の白煙防止空気との熱交換によって昇温させたうえ、排熱発電システム２０に供給している。その昇温幅は設備や運転方法によって様々であるが、通常は５〜１５℃の範囲である。このように白煙防止空気を洗煙排水の昇温に用いることは従来に例がない。排水加熱器１０を通過した白煙防止空気は１００℃以上の温度を保持しているので、煙突８に送られて白煙防止空気としての本来の機能を発揮することができる。なお洗煙排水の昇温量を増加させようとすると排水加熱器１０を通過した白煙防止空気の温度が低下するが、１００℃程度まで低下しても、大気温度が２０℃、湿度１００％の気候条件においては白煙は生じないが、冬場の条件である大気温度が０℃、湿度１００％では、白煙が生じる。ただし、白煙の発生について法的規制は無く、冬場でもこの条件となるのは、数日程度である。

このようにして白煙防止空気との熱交換によって昇温された洗煙排水は７０〜８５℃程度の温水となり、排熱発電システム２０に供給される。排熱発電システム２０としては、アンモニアまたはフロンもしくはアンモニア/水混合流体を作動流体とする温度差発電システムを用いることが好ましい。このような温度差発電システム自体は、例えば佐賀大学の出願に係る特開平７−９１３６１号公報に記載のように既に知られたものであり、例えば比較的温度の高い表層海水と深層の冷海水との温度差を利用した温度差発電を行うことができるシステムである。

この排熱発電システム２０は、図１中に示すように蒸発器２１と蒸気タービン２２と凝縮器２３と循環ポンプ２４とを備え、アンモニアまたはフロンもしくはアンモニア/水混合流体のような低沸点流体を作動流体として循環させる。高温熱源である洗煙排水が蒸発器２１に供給されて作動流体を加熱して蒸発させ、その蒸気によって蒸気タービン２２を回転させて発電機２５により発電する。蒸気タービン２２を通過した作動流体は凝縮器２３において低温熱源である冷却水により冷却されて液化し、循環ポンプ２４により再び蒸発器２１に戻るクローズドサイクルを繰り返す。

発電量を決定する蒸気タービン２２の出力は、いうまでもなく高温熱源と低温熱源との温度差が大きいほど増加する。このため後記する実施例のデータに示すように、本発明により洗煙排水を昇温することによって、昇温しない場合よりも発電量を５０〜６０％程度増加させることができる。また低温熱源である冷却水としては常温の水を用いることができる。凝縮器２３を通過した冷却水は清浄水であり、排煙洗浄塔５の上部に給水することによって使用水量を抑制することができる。なお冷却水も凝縮器２３により加温されることとなるため、排煙洗浄塔５への給水に利用すれば塔内温度の上昇に寄与し、洗煙排水の温度を高める効果がある。

上記した第１の実施形態においては、白煙防止空気の保有熱によって排煙洗浄塔５から排出される洗煙排水を昇温させたうえで排熱発電システム２０に供給した。しかし図２に示す第２の実施形態に示すように、排熱発電システム２０中に熱交換器２６を設け、白煙防止空気の保有熱によって作動流体を昇温させるようにしてもよい。この場合、熱交換器２６を循環ポンプ２４と蒸発器２１との間に設け、液体状態にある作動流体を加熱するよ
うにしても、あるいは熱交換器２６を蒸発器２１と蒸気タービン２２との間に設け、作動流体の蒸気を加熱するようにしてもよい。

上記したように、本発明によれば焼却炉の排ガスを従来と同様にガス処理することができるとともに、従来は無駄に放出されていた洗煙排水を利用して排熱発電を行うことができる。さらに本発明では白煙防止空気の保有熱をも排熱発電に利用することによって、発電量を５０〜６０％程度も増加させることができる。次に本発明の実施例を示す。

処理量が１００トン/日の下水汚泥焼却炉において、排煙洗浄塔から排出される温度が７０℃の洗煙排水をアンモニアを作動流体とする排熱発電システムに導き、排熱発電を行った。焼却炉は流動焼却炉であり、水分が８０％、発熱量が１８８４０kJ/kg-ＤＳの下水汚泥脱水ケーキを８５０℃で焼却した。排煙洗浄塔からの洗煙排水の流量は６３ｍ^３/ｈであり、白煙防止空気の保有熱を利用しない場合に、４２．１ｋＷの発電量が得られた。

また上記と同一条件で、温度が３００℃の白煙防止空気を図１に示したように排水加熱器に導いて洗煙排水を７９℃まで昇温させた場合には、発電量は６９．２ｋＷにまで増加した。このように白煙防止空気の保有熱の利用によって、発電量を約６０％増加させることができた。排水加熱器を通過した白煙防止空気は約１００℃にまで降温することとなるが、煙突に導いたところ気温２０℃、湿度１００％の条件において白煙防止効果を維持していることが確認された。

１ 焼却炉
２ 流動空気予熱器
３ 白煙防止空気予熱器
４ 集塵機
５ 排煙洗浄塔
６ ノズル
７ ポンプ
８ 煙突
９ 棚板部
１０ 排水加熱器
２０ 排熱発電システム
２１ 蒸発器
２２ 蒸気タービン
２３ 凝縮器
２４ 循環ポンプ
２５ 発電機
２６ 熱交換器

Claims (5)

1. 焼却炉の排ガスを、白煙防止空気予熱器、集塵装置、排煙洗浄塔に順次通して排ガス処理するとともに、排煙洗浄塔から排出される洗煙排水を排熱発電システムに供給して排熱発電を行う方法であって、白煙防止空気の保有熱を排熱発電システムに供給することにより、発電量を向上させることを特徴とする焼却炉の排ガスによる排熱発電方法。
2. 白煙防止空気の保有熱により、排煙洗浄塔から排出される洗煙排水を昇温させたうえで排熱発電システムに供給することを特徴とする請求項１記載の焼却炉の排ガスによる排熱発電方法。
3. 白煙防止空気の保有熱により、排熱発電システム中の作動流体を昇温することを特徴とする請求項１記載の焼却炉の排ガスによる排熱発電方法。
4. 排熱発電システムとして、アンモニア、フロン、もしくはアンモニア/水混合流体を作動流体とする温度差発電システムを用いることを特徴とする請求項１〜３に何れかに記載の焼却炉の排ガスによる排熱発電方法。
5. 温度差発電システムにおいて低温熱源として利用された凝縮器冷却水を、排煙洗浄塔の給水とすることを特徴とする請求項４に記載の焼却炉の排ガスによる排熱発電方法。

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