JP2013007356A - 発電システム、および発電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】白煙防止空気からの熱回収を行わなくても、排煙処理塔からの洗浄液を発電の低温熱源として用いて十分に発電し得る発電システムを提供すること。
【解決手段】焼却炉２からの排ガスを気液向流接触により洗浄処理する排煙処理塔６から取り出した洗浄液が有する熱、および焼却炉２からの排ガスを熱源として蒸気を発生させる排熱ボイラ３３から供給される蒸気の有するエネルギーで発電する蒸気発電機３４からの排蒸気が有する熱、を利用して排熱発電装置１０にて発電する。
【選択図】図１

Description

本発明は、下水汚泥焼却施設、ごみ焼却施設、火力発電所、炭化処理施設などの熱発生施設における発電システム、および発電方法に関する。

近年、低沸点の媒体を利用して低温熱源からエネルギーを取り出し、そのエネルギーでタービン発電機を稼動させることで電力を生み出す発電方法が注目されている。従来は廃棄されていた排熱を発電に有効利用しようとする技術である。

ここで、上記した発電方法を廃棄物処理施設に適用した例が、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の排熱発電方法は、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、当該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、というものである。

特開２０１０−１７４８４５号公報

特許文献１に記載の排熱発電方法には以下のような問題点がある。特許文献１によると、排煙洗浄塔において洗浄液と冷却水とが分離されていないため、冷却水により洗浄液が冷やされ洗煙排水の温度が低くなってしまう。そのため、特許文献１では、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発電を行い、発電量を向上させようとしている。しかしながら、白煙防止空気から熱回収を行うと、冬季には、特に寒冷地において、白煙の発生を防止することができない。なお、特許文献１の段落００１８には、排煙洗浄塔から排出される洗煙排水は６０〜７０℃の温水となる、と記載されている。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、白煙防止空気からの熱回収を行わなくても、排煙処理塔からの洗浄液を発電の低温熱源として用いて十分に発電し得る発電システムを提供することである。

本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討した結果、排煙処理塔の洗浄液が有する熱に加えて、廃棄物処理施設などの排熱ボイラから供給される蒸気の有するエネルギーで発電する蒸気発電機からの排蒸気が有する熱を発電に利用することで、前記した目的を達成できることを見出した。この知見に基づき本発明が完成するに至ったのである。

すなわち、本発明は、排ガスを気液向流接触により洗浄処理する排煙処理塔から取り出した洗浄液が有する熱、および排ガスを熱源として蒸気を発生させる排熱ボイラから供給される蒸気の有するエネルギーで発電する蒸気発電機からの排蒸気が有する熱、を利用して発電する排熱発電装置を備える、発電システムを提供する。

この構成によると、排煙処理塔の洗浄液が有する熱に加えて前記蒸気発電機からの排蒸気が有する熱を利用することで、発電に用いる熱量を安定的に増大させることができる。その結果、白煙防止空気からの熱回収を行わなくても、排煙処理塔からの洗浄液を発電の低温熱源として用いて十分に発電することができる。

また本発明において、前記排熱発電装置は、発電機と、前記発電機に接続された媒体循環配管と、前記排煙処理塔から取り出した洗浄液が有する熱で前記媒体循環配管を流れる冷媒を予熱する熱交換器と、前記蒸気発電機からの排蒸気が有する熱で前記熱交換器により予熱された前記冷媒を蒸発させて蒸気にする加熱器と、を備えることが好ましい。

この構成によると、仮に、排煙処理塔から取り出した洗浄液の温度にばらつきが生じたとしても、熱交換器の後段に配置された加熱器により蒸気発電機からの排蒸気が有する熱で冷媒を安定して蒸気にすることができ発電が安定する。

また本発明は、その第２の態様によれば、排ガスを気液向流接触により洗浄処理する排煙処理塔から取り出した洗浄液が有する熱で発電機に接続された媒体循環配管を流れる冷媒を予熱する冷媒予熱工程と、排ガスを熱源として蒸気を発生させる排熱ボイラから供給される蒸気の有するエネルギーで発電する蒸気発電機からの排蒸気が有する熱で、前記冷媒予熱工程で予熱された前記冷媒を蒸発させて蒸気にする冷媒蒸発工程と、前記冷媒蒸発工程で得られた蒸気の有するエネルギーで発電する発電工程と、を備える発電方法を提供する。

この構成によると、排煙処理塔の洗浄液が有する熱に加えて前記蒸気発電機からの排蒸気が有する熱を利用することで、発電に用いる熱量を安定的に増大させることができる。その結果、白煙防止空気からの熱回収を行わなくても、排煙処理塔からの洗浄液を発電の低温熱源として用いて十分に発電することができる。さらには、排煙処理塔から取り出した洗浄液が有する熱を冷媒予熱工程で用い、その後の冷媒蒸発工程で蒸気発電機からの排蒸気が有する熱を用いることで、仮に、排煙処理塔から取り出した洗浄液の温度にばらつきが生じたとしても、蒸気発電機からの排蒸気が有する熱で冷媒を安定して蒸気にすることができ発電が安定する。

本発明によれば、白煙防止空気からの熱回収を行わなくても、排煙処理塔からの洗浄液を発電の低温熱源として用いて十分に発電し得る発電システムとすることができる。

本発明の一実施形態に係る発電システムを備える下水汚泥焼却設備を示すブロック図である。 図１に示した下水汚泥焼却設備のうち発電システムに関連する部分の詳細ブロック図である。 図２に示した排煙処理塔まわり配管の変形例を示すブロック図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明では、本発明に係る発電システムを下水汚泥焼却設備に適用した例について説明するが、本発明に係る発電システムは、下水汚泥焼却設備以外の廃棄物処理設備にも適用することができる。例えば、ごみ焼却設備にも適用することができる。さらには、火力発電所、炭化処理施設などの熱発生施設にも適用することができる。

（第１実施形態）
（下水汚泥焼却設備の構成）
まず、図１を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る発電システムを備える下水汚泥焼却設備１００の構成について説明する。

図１に示すように、本実施形態の下水汚泥焼却設備１００は、投入機１、焼却炉２、排熱ボイラ３３、空気予熱器３、集塵機５（例えば、バグフィルタ）、排煙処理塔６、白煙防止空気予熱器４、煙突７、蒸気発電機３４、および排熱発電装置１０を具備してなる設備である。なお、脱水ケーキとは、下水汚泥を濃縮・脱水処理したあとに残る固形物である。脱水ケーキを焼却処理することにより焼却炉２で発生する約８５０℃の排ガスは、排熱ボイラ３３、空気予熱器３、集塵機５、および排煙処理塔６を順に通過した後、煙突７から大気中へ排出される。

白煙防止空気予熱器４は、本実施形態では、排熱ボイラ３３から供給される蒸気の有する熱で空気を予熱し、予熱した空気を煙突７に入る前の排ガスに供給して、白煙の発生を防止している。

次に、下水汚泥焼却設備１００のうち発電システムに関連する部分について説明する。

（排熱ボイラ）
排熱ボイラ３３は、焼却炉２からの排ガスを熱源として例えば０．９ＭＰａの蒸気を発生させるボイラであり、本実施形態では、焼却炉２と空気予熱器３との間に配置されている。なお、本実施形態では、焼却炉２、排熱ボイラ３３、空気予熱器３の順に並んでいるが、焼却炉２、空気予熱器３、排熱ボイラ３３の順であってもよい。

（蒸気発電機）
蒸気発電機３４は、排熱ボイラ３３から供給される蒸気（例えば０．９ＭＰａ）の有するエネルギーで発電する発電機であり、例えば、容積型タービン（容積型膨張タービン）と容積型タービンに接続された発電機とからなる。容積型タービンは、例えばスクリュ式タービンである。容積型タービンに供給された蒸気がタービン内で膨張し圧力差によりタービンが回転する。タービンの回転が発電機に伝達され発電される。

（排煙処理塔）
脱水ケーキは硫黄分を含むため、脱水ケーキを焼却処理することで発生する排ガスには硫黄酸化物（ＳＯｘ）が含まれている。排煙処理塔６は、気液向流接触により排ガス中のＳＯｘなどを除去するためのものである。本実施形態では、集塵機５にて集塵処理された排ガスが排煙処理塔６に入れられている。

図２に示すように、筒状の排煙処理塔６は、洗浄室部１１と、洗浄室部１１の上に設けられた冷却室部１２とを有する。洗浄室部１１と冷却室部１２との間には仕切部１３が設けられている。

［洗浄室部］
洗浄室部１１は、排ガスを洗浄処理するための洗浄液を循環可能に収容する。洗浄液は、アルカリ（例えば、ＮａＯＨ）含有の水溶液である。洗浄室部１１の下部側面には、排ガスを引き込むためのガス供給口１１ａが設けられ、洗浄室部１１の底部側面には、洗浄液を取り出すための洗浄液取出口１１ｂが設けられている。洗浄室部１１の底部から引き抜いた洗浄液を洗浄室部１１内の上方などから散水することで、排ガスと洗浄液とを向流接触させて排ガス中のＳＯｘなどを除去している。

［冷却室部］
冷却室部１２は、洗浄室部１１で洗浄処理された排ガスを冷却処理するための部分である。冷却室部１２の底部側面には、冷却水を排出するための冷却水排出口１２ｂが設けられ、冷却室部１２の上部側面には、洗浄・冷却処理された排ガスを排出させるためのガス排出口１２ａが設けられている。冷却室部１２内の上方から冷却水を散水することで、排ガスと冷却水とを向流接触させて排ガスを冷却している。なお、冷却水は、冷却水排出口１２ｂに接続されたドレン管２８を介してドレンピット１７などに排出される。

［仕切部］
仕切部１３は、洗浄室部１１から冷却室部１２へは排ガスを通過させ、冷却室部１２から洗浄室部１１へは冷却室部１２に供給された冷却水を通過させないようにするための部分である。仕切部１３は、環状の円板１３ｂと、円板１３ｂの上に立設配置された筒１３ａと、筒１３ａの上に被せるようにして取り付けられた円錐状の傘板１３ｃとを備えている。筒１３ａと傘板１３ｃとの間には隙間がある。

洗浄室部１１からの排ガスは、筒１３ａ内を上昇し、傘板１３ｃと筒１３ａとの間の隙間から冷却室部１２に入る。一方、冷却室部１２内の上方から散水された冷却水は、傘板１３ｃにより洗浄室部１１内へ落下せず、冷却水排出口１２ｂから排出される。このように、仕切部１３により、冷却室部１２内の冷却水は、洗浄室部１１内の洗浄液とは接触することなく塔外へ排出される。

（排熱発電装置）
排熱発電装置１０は、発電機９、熱交換器８、加熱器３５、凝縮器１５、および冷媒ポンプ２０を具備してなる発電装置である。これらの各機器間は、媒体循環配管２６で相互に接続されている。媒体循環配管２６を流れる冷媒は、沸点の低い媒体であって、フロン、ペンタン、アンモニアなどである。なお、本実施形態では、冷媒としてフロンを想定している。

［発電機］
発電機９は、例えば、容積型タービン２２（容積型膨張タービン）と容積型タービン２２に接続された発電機２３とからなる。容積型タービン２２は、例えばスクリュ式タービンである。容積型タービン２２に供給された蒸気がタービン内で膨張し圧力差によりタービンが回転する。タービンの回転が発電機２３に伝達され発電される。

［熱交換器］
熱交換器８は、排煙処理塔６から取り出した洗浄液が有する熱で媒体循環配管２６を流れる液体の冷媒を予熱するための加温器である。排煙処理塔６と熱交換器８との間は、洗浄液循環配管２４、中継熱交換器１４、および上水循環配管２５で接続されている。中継熱交換器１４は、排煙処理塔６から取り出した洗浄液の有する熱を上水循環配管２５を流れる上水に伝達するための熱交換器である。循環ポンプ１８により洗浄液循環配管２４中を洗浄液が循環し、循環ポンプ１９により上水循環配管２５中を上水が循環する。

［加熱器］
加熱器３５は、蒸気発電機３４からの排蒸気（例えば、０．２ＭＰａ、１３０℃）が有する熱で、熱交換器８で昇温された媒体循環配管２６を流れる冷媒を蒸発させて蒸気にするための熱交換器である。加熱器３５には、蒸気発電機３４からの排蒸気が供給され、凝縮した温水は排熱ボイラ３３に戻されている。

なお、蒸気発電機３４を介さずに、排熱ボイラ３３から加熱器３５へ蒸気（例えば０．９ＭＰａ）を供給して、この蒸気の有する熱で媒体循環配管２６を流れる冷媒を蒸気にしてもよい。

［凝縮器］
凝縮器１５は、容積型タービン２２から排出された蒸気を液体に戻すための熱交換器（冷却器）である。凝縮器１５の後段には中継熱交換器１６が配置されている。凝縮器１５と中継熱交換器１６との間は、上水循環配管２７で接続され、上水循環配管２７中には循環ポンプ２１が取り付けられている。中継熱交換器１６は、凝縮器１５で回収された熱を下水処理水に伝達するための熱交換器である。加温された下水処理水は、冷却水供給管２９を介して排煙処理塔６の冷却室部１２に冷却水として供給されている。

ここで、排煙処理塔６の洗浄液として下水処理水が用いられることが多い。排熱発電装置１０を構成する凝縮器１５に下水処理水を流すと、下水処理水に含まれるＳＳ（浮遊物質）分、無機物、塩素分などで凝縮器１５にスケーリングや腐食を起こすおそれがある。また、排煙処理塔６から取り出した洗浄液はアルカリ性で且つ硫黄酸化物を含んでいる。排熱発電装置１０を構成する熱交換器８にこの洗浄液を流すと、アルカリ、硫黄酸化物などで熱交換器８が腐食するおそれがある。本実施形態のように、中継熱交換器１４および中継熱交換器１６を設けて、熱交換器８や凝縮器１５には上水を流すようにすることで、熱交換器８、凝縮器１５の故障を防止することができる。なお、中継熱交換器１４および中継熱交換器１６は必須の機器ではない。すなわち、中継熱交換器１４および中継熱交換器１６を省略して、排煙処理塔６の洗浄液を熱交換器８に直接流すこともできるし、下水処理水を凝縮器１５に直接流すこともできる。

（発電について）
排煙処理塔６のガス供給口１１ａから洗浄室部１１内に導入された排ガスにより、洗浄室部１１と中継熱交換器１４との間を循環する洗浄液は加温される。ここで、排煙処理塔６を構成する仕切部１３により、冷却室部１２の冷却水と洗浄室部１１の洗浄液とは接触しないので、洗浄液の温度は例えば７５〜８５℃となる。

この洗浄液の有する熱で、冷媒ポンプ２０から送られてきた冷媒は熱交換器８にて加温される（冷媒予熱工程）。熱交換器８にて加温された冷媒は、その後、加熱器３５にて蒸発させられ蒸気になる（冷媒蒸発工程）。発生した蒸気により発電機９にて発電される（発電工程）。

（効果）
本実施形態によると、排煙処理塔６の洗浄液が有する熱に加えて蒸気発電機３４からの排蒸気が有する熱を利用することで、発電に用いる熱量を安定的に増大させることができる。その結果、白煙防止空気からの熱回収を行わなくても、排煙処理塔６からの洗浄液を発電の低温熱源として用いて十分に発電することができる。

また、排煙処理塔６から取り出した洗浄液が有する熱を用いて熱交換器８で冷媒を加温し、その後、蒸気発電機３４からの排蒸気が有する熱を用いて加熱器３５で冷媒をさらに加温することで、仮に、排煙処理塔６から取り出した洗浄液の温度にばらつきが生じたとしても、蒸気発電機３４からの排蒸気が有する熱で冷媒を安定して蒸気にすることができ発電が安定する。

さらには、本実施形態では、洗浄室部１１から冷却室部１２へは排ガスを通過させ、冷却室部１２から洗浄室部１１へは冷却室部１２に供給された冷却水を通過させない仕切部１３を排煙処理塔６に設けている。この仕切部１３により、発電の低温熱源として用いる洗浄液の温度低下を抑制でき、発電量を向上させることができる。

なお、本実施形態では、洗浄室部１１内の洗浄液を中継熱交換器１４に供給する（循環させる）役割と、洗浄室部１１内へ洗浄液を散水する役割とを、いずれも循環ポンプ１８に担わせているが、洗浄室部１１内の洗浄液を中継熱交換器１４に供給する（循環させる）ためのポンプと、洗浄室部１１内へ洗浄液を散水するためのポンプとを、それぞれ、別に設けてもよい（図３に示した形態においても同様）。

（変形例）
図３に示したように、排煙処理塔６の冷却室部１２の外へ排出した冷却水の一部を洗浄液の補給水として洗浄室部１１の中に供給してもよい。冷却水排出口１２ｂに接続するドレン管２８から補給水供給管３０が分岐され、補給水供給管３０の先端３０ａは洗浄室部１１の中で開放されている。補給水供給管３０およびドレン管２８には、それぞれ、流量調整用のバルブ３１・３２が取り付けられている。

冷却水供給管２９を介して冷却室部１２に供給される冷却水は、中継熱交換器１６で加温された下水処理水である。また、この冷却水は、冷却室部１２にて洗浄室部１１から上昇してきた洗浄排ガス（洗浄処理された排ガス）によっても加温される。したがって、洗浄液の補給水として洗浄室部１１に常温の水を直接供給するのに比べて、洗浄液の温度低下を防止できる。なお、中継熱交換器１６で加温された下水処理水を冷却水として用いる必要は必ずしもない。すなわち、特に加温していない常温の下水処理水を冷却室部１２に供給して冷却水として用いてもよい。前記したように、冷却水は、洗浄室部１１から上昇してきた洗浄排ガス（洗浄処理された排ガス）によって加温されるからである。

なお、補給水供給管３０の先端３０ａは、水平方向においては、洗浄液取出口１１ｂが設けられている洗浄室部１１の壁面とは反対側（平面視において洗浄液取出口１１ｂに対して約１８０度離れた側）の内壁面の近くに位置させられ、鉛直方向においては、ガス供給口１１ａのレベル（位置）よりも上方に位置させられていることが好ましい。補給水供給管３０の先端３０ａが、洗浄液取出口１１ｂが設けられている洗浄室部１１の壁面とは反対側の内壁面の近くに位置させられていることにより、発電に用いられる洗浄液の温度の低下を抑制できる。

（その他の変形例）
図１〜３に示した発電システムは、排煙処理塔６から取り出した洗浄液が有する熱、および蒸気発電機３４からの排蒸気が有する熱、をいずれも利用して発電するものであるが、排煙処理塔６から取り出した洗浄液が有する熱は利用せずに、蒸気発電機３４からの排蒸気が有する熱のみを利用して排熱発電装置１０にて発電する発電システムとしてもよい。なお、この場合、排熱発電装置１０において熱交換器８は不要となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。

例えば、前記した実施形態では、洗浄室部１１から冷却室部１２へは排ガスを通過させ、冷却室部１２から洗浄室部１１へは冷却室部１２に供給された冷却水を通過させない仕切部１３を設けた排煙処理塔６を例示したが、冷却室部１２から洗浄室部１１へ冷却水を全量通過（落下）させる構造の排煙処理塔としてもよい。

１：投入機
２：焼却炉
３：空気予熱器
４：白煙防止空気予熱器
５：集塵機
６：排煙処理塔
７：煙突
８：熱交換器
９：発電機
１０：排熱発電装置
３３：排熱ボイラ
３４：蒸気発電機
３５：加熱器
１００：下水汚泥焼却設備

Claims (3)

1. 排ガスを気液向流接触により洗浄処理する排煙処理塔から取り出した洗浄液が有する熱、および排ガスを熱源として蒸気を発生させる排熱ボイラから供給される蒸気の有するエネルギーで発電する蒸気発電機からの排蒸気が有する熱、を利用して発電する排熱発電装置を備える、発電システム。
2. 請求項１に記載の発電システムにおいて、
   前記排熱発電装置は、
   発電機と、
   前記発電機に接続された媒体循環配管と、
   前記排煙処理塔から取り出した洗浄液が有する熱で前記媒体循環配管を流れる冷媒を予熱する熱交換器と、
   前記蒸気発電機からの排蒸気が有する熱で前記熱交換器により予熱された前記冷媒を蒸発させて蒸気にする加熱器と、
   を備えることを特徴とする、発電システム。
3. 排ガスを気液向流接触により洗浄処理する排煙処理塔から取り出した洗浄液が有する熱で発電機に接続された媒体循環配管を流れる冷媒を予熱する冷媒予熱工程と、
   排ガスを熱源として蒸気を発生させる排熱ボイラから供給される蒸気の有するエネルギーで発電する蒸気発電機からの排蒸気が有する熱で、前記冷媒予熱工程で予熱された前記冷媒を蒸発させて蒸気にする冷媒蒸発工程と、
   前記冷媒蒸発工程で得られた蒸気の有するエネルギーで発電する発電工程と、
   を備える、発電方法。

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