JP2017089916A - 廃棄物焼却及び水素製造装置並びに方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安定的な操業が可能な廃棄物焼却及び水素製造装置を提供する。
【解決手段】
本発明の廃棄物焼却及び水素製造装置は、廃棄物を焼却する焼却炉１と、原水から純水を製造する純水製造装置８と、焼却炉１から排出される排ガスの熱を回収し、純水製造装置８が製造した純水を加熱して蒸気を発生させるボイラ２と、蒸気を利用して発電する発電機３と、発電機３が発電した電力を利用して純水製造装置８が製造した純水を電気分解し、水素と酸素を製造する水電気分解装置４と、水素を貯蔵する水素タンク５と、酸素を貯蔵する酸素タンク６と、を備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、廃棄物を焼却して得られる熱エネルギから水素を製造する廃棄物焼却及び水素製造装置並びに方法に関する。

都市ごみ等の廃棄物を焼却処理する廃棄物焼却装置が知られている。廃棄物焼却装置は、廃棄物を焼却する焼却炉と、焼却炉から排出される排ガスの熱を回収するボイラと、ボイラで発生させる蒸気を利用して発電する発電機と、を備える。廃棄物を収集した廃棄物収集車は、廃棄物焼却施設内のピットに廃棄物を投入する。ごみクレーンは、ピットから焼却炉のホッパに廃棄物を投入する。焼却炉で、廃棄物が焼却され、灰が排出される。この灰は、灰搬出装置によって灰ピットに送られる。焼却炉から排出される排ガスは、ボイラで熱が回収された後、減温塔で冷却され、集塵装置等で除塵処理され、煙突から放出される。ボイラで発生させた蒸気は、蒸気タービン発電機に送られ発電に用いられる。発電機が発電した電力は、施設内で利用されたり、電力会社に売電されたりする。

近年、廃棄物焼却炉から排出される排ガスの廃熱を用いて発電した電力のさらなる有効活用が試みられている。例えば、特許文献１には、排ガスの廃熱を用いて発電した電力を利用して水素を製造する廃棄物処理装置が開示されている。この廃棄物処理装置では、発電した電力を利用して水素酸素発生装置により水を電気分解して水素と酸素を発生させ、発生させた水素を焼却炉に供給する。水素酸素発生装置としては、固体高分子型の水電気分解装置を用いることができると記載されている（段落００２２参照）。

特許２００６−２７５３２８号

しかし、特許文献１には、水電気分解装置への原料水の供給方法など、廃棄物焼却炉に水電気分解装置を併設した場合に必要となる対策が開示されておらず、廃棄物焼却及び水素製造装置の連続的な安定操業に課題がある。

そこで、本発明は、連続的な安定操業が可能な廃棄物焼却及び水素製造装置並びに方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様は、廃棄物を焼却する焼却炉と、原水から純水を製造する純水製造装置と、前記焼却炉から排出される排ガスの熱を回収し、前記純水製造装置が製造した前記純水を加熱して蒸気を発生させるボイラと、前記蒸気を利用して発電する発電機と、前記発電機が発電した電力を利用して前記純水製造装置が製造した前記純水を電気分解し、水素と酸素を製造する水電気分解装置と、前記水素を貯蔵する水素タンクと、前記酸素を貯蔵する酸素タンクと、を備える廃棄物焼却及び水素製造装置である。

本発明の他の態様は、廃棄物を焼却炉で焼却し、純水製造装置により原水から純水を製造し、ボイラにより前記焼却炉から排出される排ガスの熱を回収し、前記純水製造装置が製造した前記純水を加熱して蒸気を発生させ、前記蒸気を利用して発電機で発電し、水電気分解装置により前記発電機が発電した電力を利用して、前記純水製造装置が製造した前記純水を電気分解し、水素と酸素を製造し、前記水素を水素タンクに貯蔵し、前記酸素を酸素タンクに貯蔵する廃棄物焼却及び水素製造方法である。

本発明によれば、ボイラに純水を供給する純水製造装置と水電気分解装置に純水を供給する純水製造装置とを兼用するので、廃棄物焼却及び水素製造装置の連続的な安定操業が可能になる。また、これらを兼用することで、廃棄物焼却及び水素製造装置の構成を簡素化できる。

本発明の一実施形態の廃棄物焼却及び水素製造装置の全体構成図である。 本実施形態の焼却炉の模式図である。 本実施形態の純水製造装置からボイラ及び水電気分解装置への純水の流れを示す模式図である。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態の廃棄物焼却及び水素製造装置を詳細に説明する。ただし、本発明は種々の形態で具体化することができ、本明細書に記載される実施形態に限定されるものではない。本実施形態は、明細書の開示を十分にすることによって、当業者が発明の範囲を十分に理解できるようにする意図をもって提供されるものである。

図１は、本実施形態の廃棄物焼却及び水素製造装置の全体構成図を示す。本実施形態の廃棄物焼却及び水素製造装置は、都市ごみ等の廃棄物を焼却する焼却炉１と、焼却炉１から排出される排ガスの熱を回収し、純水を加熱して蒸気を発生させるボイラ２と、蒸気を利用して発電する発電機３と、発電機３が発電した電力を利用して純水を電気分解し、水素と酸素を製造する水電気分解装置４と、水素を貯蔵する水素タンク５と、酸素を貯蔵する酸素タンク６と、を備える。

図２に示すように、焼却炉１には、例えば火格子式焼却炉が用いられる。焼却炉１は、燃焼室１１と、燃焼室１１の上流側（図２の左側）に配置され、廃棄物を燃焼室１１に供給するためのホッパ１２と、燃焼室１１の下流側に配置され、排ガスを二次燃焼させる二次燃焼室１３と、燃焼室１１の下部に配置され、廃棄物を上流側から下流側に移動させる三段の火格子１４と、を備える。火格子１４は、上流側から乾燥火格子１４ａと、燃焼火格子１４ｂと、後燃焼火格子１４ｃと、を有する。二次燃焼室１３は、後燃焼火格子１４ｃの上方に配置される。

ホッパ１２に投入される廃棄物は、シュート１２ａを通して乾燥火格子１４ａ上に送られ、乾燥火格子１４ａの下からの空気と焼却炉１内の輻射熱により乾燥されると共に、昇温されて着火する。着火して燃焼を開始した廃棄物は、燃焼火格子１４ｂに送られ、熱分解及びガス化され、燃焼火格子１４ｂの下からの空気により燃焼する。後燃焼火格子１４ｃ上では、後燃焼火格子１４ｃの下からの空気により固定炭素などの未燃分を燃焼する。後燃焼後に残った灰は、灰シュート１５から外部に排出される。

乾燥火格子１４ａ、燃焼火格子１４ｂ、後燃焼火格子１４ｃそれぞれの下部には、風箱１６ａ，１６ｂ，１６ｃが設けられる。外部から取り入れた空気は、ファン１７、予熱器１８を介して管路１９から風箱１６ａ，１６ｂ，１６ｃに送り込まれる。外部から取り入れた空気には、酸素タンク６に貯蔵される酸素が混合される。酸素タンク６に貯蔵される酸素は、水電気分解装置４（図１参照）により製造される酸素である。なお、管路１９、ファン１７、予熱器１８が焼却炉１の風箱１６ａ，１６ｂ，１６ｃに酸素富化空気を供給する酸素富化空気供給装置を構成する。

焼却炉１の二次燃焼室１３には、図示しない二次燃焼空気供給手段から空気が送り込まれる。二次燃焼室１３では、一次燃焼されなかった可燃性ガスを二次燃焼する。二次燃焼室１３はボイラ２の一部でもある。ボイラ２は、入口部分が二次燃焼室１３であり、二次燃焼室１３に続いて屈曲流路部を備え、上方の排出口２ａから排ガスを排出する。ボイラ２から排出される排ガスは、図示しない減温塔で冷却され、集塵装置等で除塵処理され、清浄ガスとして煙突から放出される。ボイラ２は、内壁面を構成する水冷壁又は伝熱管群により排ガスの熱を回収し、純水を加熱して蒸気を発生させる。

図１に示す発電機３は、蒸気タービンを備え、ボイラ２が発生させる蒸気を利用して蒸気タービンを駆動させ電力を発生させる。

図１に示す水電気分解装置４は、水を電気分解するための電解槽と、電解槽内に収容された複数枚の電極板と、を備える。電極板に電圧を印加することで、水を電気分解し、水素と酸素とを製造する。水電気分解装置４は、発電機３が発電した電力を利用して、後述する純水製造装置８が製造する純水を電気分解し、水素と酸素とを製造する。水電気分解装置４が製造した水素は、水素タンク５に貯蔵される。水電気分解装置４が製造した酸素は、酸素タンク６に貯蔵される。

図２に示すように、水素タンク５に貯蔵される水素と酸素タンク６に貯蔵される酸素は、焼却炉１内に設置されたバーナ９に供給される。バーナ９は焼却炉１内で水素ガス及び酸素ガスを燃焼させる。焼却炉１内のバーナ９で水素ガスと酸素ガスとを燃焼させることにより、従来、補助バーナや予熱バーナとして化石燃料を燃焼していた場合に比べて、二酸化炭素すなわち温室効果ガスの排出を無くすことができる。

図１に示すように、水素タンク５に貯蔵される水素を、水素燃料式ごみ収集車に供給するための水素供給ステーション７に供給することもできる。水素供給ステーション７は、例えば、供給された水素を昇圧する圧縮機と、圧縮機で圧縮された水素ガスを貯める蓄ガス器と、蓄ガス器からの水素ガスを燃料電池自動車等の車両に充填するディスペンサと、を備える。水素燃料式ごみ収集車は、燃料電池自動車、水素エンジン自動車などの水素を燃料として走行する自動車である。

図１に示すように、純水製造装置８は原水から純水を製造する。純水製造装置８は、例えばイオン交換樹脂を用いて原水の不純物を取り除く。純水製造装置８が製造する純水は、ボイラ２及び水電気分解装置４に供給される。ボイラ２は、純水製造装置８が製造した純水を加熱して蒸気を発生させる。水電気分解装置４は、純水製造装置８が製造した純水を電気分解し、水素と酸素を発生させる。

原水には、イオンや有機物等の不純物が含まれる。ボイラ２の給水中に塩化物イオン又は硫酸イオンなどの腐食を促進するイオンが含まれると、ボイラ２が腐食する。純水製造装置８によって腐食を促進するイオンを除去した純水を給水することで、ボイラ２の腐食を防止することができる。また、ボイラ２の給水中にカルシウムが含まれると、ボイラ２の伝熱管内にスケールが付着し伝熱効率が低下する。純水製造装置８によってカルシウムを除去した純水を給水することで、ボイラ２のスケール付着を防止することができる。また、水電気分解装置４の給水中にイオンや有機物が含まれると、水電気分解装置４の効率が低下する。純水製造装置８によってイオンや有機物を除去することで、効率のよい電気分解を行うことができる。

図３は、純水製造装置８からボイラ２及び水電気分解装置４への純水の流れを示す模式図である。純水製造装置８が製造した純水は、純水タンク２１に貯蔵される。純水タンク２１に貯蔵された純水は、水電気分解装置４に供給されると共に、復水タンク２２に補給される。復水タンク２２に貯蔵された水は、脱気器２３に供給される。脱気器２３は、純水中に溶存する酸素等の気体を抜き取る。脱気された純水は、加熱されてボイラ２に供給される。ボイラ２で発生する蒸気は、発電機３の蒸気タービンに送られる。蒸気タービンで使用された後の蒸気は、復水器２４によって水に戻される。復水器２４で戻された水は、復水タンク２２に貯蔵される。ボイラ２に水を循環させると、復水タンク２２の水が減少する。減少した分の純水が純水タンク２１から復水タンク２２に補給される。

本実施形態の廃棄物焼却及び水素製造方法は、以下のとおりである。図１に示すように、廃棄物を焼却炉１で焼却する。焼却炉１から排出される排ガスの熱は、ボイラ２で回収される。ボイラ２には、純水製造装置８が製造した純水が供給される。ボイラ２は純水を加熱して蒸気を発生させる。発電機３は、ボイラ２が発生させる蒸気を利用して電力を発電する。水電気分解装置４には、純水製造装置８が製造した純水が供給される。水電気分解装置４は、発電機３が発電した電力を利用して純水を電気分解し、水素と酸素を製造する。水素は水素タンク５に貯蔵され、酸素は酸素タンク６に貯蔵される。水素タンク５に貯蔵される水素と酸素タンク６に貯蔵される酸素とは、焼却炉１のバーナ９に供給される。

本実施形態においては、電力需要量が低い夜間に発電機３が発電した電力の大部分を水電気分解装置４に供給し、水素と酸素を製造し貯蔵する。そして、電力需要量が高い昼間に発電機３が発電した電力の大部分を電力会社に売電するように運転制御する。この運転制御方法は、図示しない運転制御装置の指令に基づいて行われる。

バーナ９を、焼却炉内温度を所定範囲に維持するために燃焼する助燃バーナ又は焼却炉１の操業開始時に焼却炉内温度を所定範囲に昇温するために燃焼する再燃バーナとして使用することもできる。定常時は、焼却炉１には連続的に廃棄物が投入され、廃棄物そのものが持つ熱量によって焼却炉１内が高温に維持される。しかし、廃棄物の投入量や性状が変化すると、焼却炉内温度も変化する。助燃バーナを燃焼させることで、焼却炉内温度を所定範囲に維持することができる。また、焼却炉１が一旦停止して炉内温度が低下したとき、焼却炉１の操業開始時に焼却炉内を昇温させる必要がある。再燃バーナを燃焼させることで、操業開始時に焼却炉内温度を所定範囲に昇温することができる。バーナ９で水素ガスと酸素ガスとを燃焼させることにより、従来、化石燃料を燃焼していた場合に比べて、二酸化炭素すなわち温室効果ガスの排出を無くすことができ、また、燃料費用を低減することができる

以上に本実施形態の廃棄物焼却及び水素製造装置並びに方法を説明した。本実施形態の廃棄物焼却及び水素製造装置によれば、以下の効果を奏する。

ボイラ２に純水を供給するための純水製造装置８と水電気分解装置４に純水を供給するための純水製造装置８とを兼用するので、廃棄物焼却及び水素製造装置の連続的な安定操業が可能になる。また、これらを兼用することで、廃棄物焼却及び水素製造装置の構成を簡素化できる。

電力需要量の低い夜間に発電機３が発電した電力を利用して水素及び酸素を製造して貯蔵し、電力需要量が高い昼間に発電機３が発電した電力の大部分を電力会社に売電するように運転制御する。

水素製造装置により製造した水素を燃焼するバーナ９を、焼却炉内温度を所定範囲に維持するために燃焼する助燃バーナ又は焼却炉１の操業開始時に焼却炉内温度を所定範囲に昇温するために燃焼する再燃バーナとして使用することで、焼却炉１の安定操業や円滑な操業開始を行うことができる。さらに、バーナで水素ガスと酸素ガスとを燃焼させることにより、従来、化石燃料を燃焼していた場合に比べて、二酸化炭素すなわち温室効果ガスの排出を無くすことができ、また、燃料費用を低減することができる。

水素タンク５に貯蔵される水素を水素燃料式ごみ収集車に供給することで、発電機３が発電した電力のさらなる有効活用が図れる。また、ごみ収集車の燃料として化石燃料を用いる場合に比べて、二酸化炭素すなわち温室効果ガスの排出を無くすことができ、また、燃料費用を低減することができる。

外部から取り入れた空気と酸素タンク６に貯蔵される酸素とを混合して酸素富化空気を製造し、酸素富化空気を焼却炉１に供給することで、焼却炉１の燃焼効率を向上させることができる。

１…焼却炉
２…ボイラ
３…発電機
４…水電気分解装置
５…水素タンク
６…酸素タンク
７…水素供給ステーション
８…純水製造装置
９…バーナ

Claims (10)

1. 廃棄物を焼却する焼却炉と、
   原水から純水を製造する純水製造装置と、
   前記焼却炉から排出される排ガスの熱を回収し、前記純水製造装置が製造した前記純水を加熱して蒸気を発生させるボイラと、
   前記蒸気を利用して発電する発電機と、
   前記発電機が発電した電力を利用して前記純水製造装置が製造した前記純水を電気分解し、水素と酸素を製造する水電気分解装置と、
   前記水素を貯蔵する水素タンクと、
   前記酸素を貯蔵する酸素タンクと、を備える廃棄物焼却及び水素製造装置。
2. 前記焼却炉は、前記水素タンクに貯蔵される前記水素と前記酸素タンクに貯蔵される前記酸素とが供給されるバーナを備え、
   前記廃棄物焼却及び水素製造装置は、
   夜間に前記発電機が発電した電力を前記水電気分解装置に供給し、
   昼間に前記発電機が発電した電力を売電するように運転制御する運転制御装置を備えることを特徴とする請求項１に記載の廃棄物焼却及び水素製造装置。
3. 前記焼却炉は、前記水素タンクに貯蔵される前記水素と前記酸素タンクに貯蔵される前記酸素とが供給されるバーナを備え、
   前記バーナが焼却炉内温度を所定範囲に維持するために燃焼する助燃バーナ又は前記焼却炉の操業開始時に前記焼却炉内温度を所定範囲に昇温するために燃焼する再燃バーナであることを特徴とする請求項１に記載の廃棄物焼却及び水素製造装置。
4. 前記廃棄物焼却及び水素製造装置は、
   前記水素タンクに貯蔵される前記水素を水素燃料式ごみ収集車に供給するための水素供給ステーションを備えることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の廃棄物焼却及び水素製造装置。
5. 前記廃棄物焼却及び水素製造装置は、
   外部から取り入れた空気と前記酸素タンクに貯蔵される前記酸素とを混合して酸素富化空気を製造し、前記酸素富化空気を前記焼却炉に供給する酸素富化空気供給装置を備えることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の廃棄物焼却及び水素製造装置。
6. 廃棄物を焼却炉で焼却し、
   純水製造装置により原水から純水を製造し、
   ボイラにより前記焼却炉から排出される排ガスの熱を回収し、前記純水製造装置が製造した前記純水を加熱して蒸気を発生させ、
   前記蒸気を利用して発電機で発電し、
   水電気分解装置により前記発電機が発電した電力を利用して、前記純水製造装置が製造した前記純水を電気分解し、水素と酸素を製造し、
   前記水素を水素タンクに貯蔵し、
   前記酸素を酸素タンクに貯蔵する廃棄物焼却及び水素製造方法。
7. 前記廃棄物焼却及び水素製造方法は、
   前記水素タンクに貯蔵される前記水素と前記酸素タンクに貯蔵される前記酸素とを前記焼却炉のバーナに供給し、
   夜間に前記発電機が発電した電力を前記水電気分解装置に供給し、
   昼間に前記発電機が発電した電力を売電することを特徴とする請求項６に記載の廃棄物焼却及び水素製造方法。
8. 前記廃棄物焼却及び水素製造方法は、
   前記水素タンクに貯蔵される前記水素と前記酸素タンクに貯蔵される前記酸素とを前記焼却炉のバーナに供給し、
   前記バーナを燃焼させ、焼却炉内温度を所定範囲に維持すること又は前記焼却炉の操業開始時に前記焼却炉内温度を所定範囲に昇温することを特徴とする請求項６に記載の廃棄物焼却及び水素製造方法。
9. 前記廃棄物焼却及び水素製造方法は、
   水素燃料式ごみ収集車に水素を供給するための水素供給ステーションに前記水素タンクに貯蔵される前記水素を供給することを特徴とする請求項６ないし８のいずれか１項に記載の廃棄物焼却及び水素製造方法。
10. 前記廃棄物焼却及び水素製造方法は、
    酸素富化空気供給装置により、外部から取り入れた空気と前記酸素タンクに貯蔵される前記酸素とを混合して酸素富化空気を製造し、前記酸素富化空気を前記焼却炉に供給することを特徴とする請求項６ないし９のいずれか１項に記載の廃棄物焼却及び水素製造方法。
    

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