JP2021038714A - Ｏｒｃ発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】汚泥焼却設備の排熱を有効に利用し、作動媒体の循環流量を十分に大きくすることにより、発電量を増加させたＯＲＣ発電システムを提供する。【解決手段】発電用のタービン２０から出た作動媒体を、再生器２１、凝縮器２２、ポンプ２３、加熱器２４、再生器２１、蒸発器２６、タービン２０の順に循環させるＯＲＣ発電システムである。汚泥焼却炉の排熱を高温熱源として蒸発器２６に供給し、排煙処理塔１２から取り出された温水を低温熱源として温水加熱器２４に供給する。運転圧力においてこの温水の温度よりも高温の沸点を持つ有機媒体を作動媒体とし、作動媒体を加熱器２４から液体状態で送り出し、再生器２１においてタービン２０から出た作動媒体の蒸気と熱交換させる。【選択図】図１

Description

本発明は、汚泥焼却炉の排熱を熱源として利用するＯＲＣ(Organic Rankine Cycle)発電システムに関するものである。

ＯＲＣ発電システムは、有機ランキンサイクル(Organic Rankine Cycle)を用いた発電システムである。有機ランキンサイクルは作動媒体として有機媒体を使用し、作動媒体を蒸発器で蒸発させて得られた高圧蒸気をタービンに供給して発電し、タービンの出側から回収した低圧蒸気を凝縮器で液化し、ポンプにより加圧して再び蒸発器に戻すサイクルである。

ＯＲＣ発電システムは従来から地熱発電などに利用されてきたが、最近では焼却炉の排熱を利用したＯＲＣ発電システムも提案されている。例えば特許文献１には、焼却炉から排出される高温の排ガスにより熱媒油を加熱し、その熱媒油により炭化水素系の作動媒体を加熱して蒸発させ、発電用のタービンを駆動するＯＲＣ発電システムが記載されている。

この特許文献１の発電システムでは、焼却炉はバイオマスを燃焼する焼却炉であり、その高温の排ガスを唯一の熱源として作動媒体の予熱、蒸発を行う１熱源のＯＲＣ発電システムとなっている。しかし高温熱源を液体状態にある作動媒体の予熱に使用しているため、予熱された作動媒体を蒸発させるための熱量が減少し、作動媒体の循環流量を十分に大きくして、発電量を増加することが困難である。

一方、焼却炉が汚泥焼却炉である場合には、排ガス中にＳＯｘ等が含まれるため排煙処理塔が必要となり、ここから６０〜７５℃程度の温水である洗煙排水が発生する。この洗煙排水は比較的低温であるが水の比熱が大きいために保有熱量は大きい。そこで本発明者等は洗煙排水と汚泥焼却炉の白煙防止空気とを利用して作動媒体を加熱する２熱源の排熱発電システムを開発し、特許文献２として提案した。

特開２０１３−７６３８３号公報 特許第５２７１１００号公報

上記したＯＲＣ発電システムにおいて発電量を増加させることが望まれる。
本発明の目的は、発電量を増加させたＯＲＣ発電システム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、発電用のタービンと、再生器と、凝縮器と、加熱器と、蒸発器とを備え、前記発電用のタービンから出た作動媒体は、前記再生器、前記凝縮器、前記加熱器、前記再生器、前記蒸発器、前記タービンの順に循環し、前記加熱器は、汚泥焼却炉の排ガスを処理する排煙処理塔から取り出された温水と、運転圧力において前記温水の温度よりも高温の沸点を持つ有機媒体である前記作動媒体とを熱交換して、液体状態の前記作動媒体を送り出し、前記再生器は、前記タービンから出た前記作動媒体と前記液体状態の作動媒体とを熱交換して、前記液体状態の作動媒体を送り出し、前記蒸発器は、前記温水よりも高温の、前記汚泥焼却炉の排熱と、前記液体状態の作動媒体とを熱交換し、蒸気状態の前記作動媒体を送り出すことを特徴とするものである。

なお前記蒸発器は、前段の予熱器と後段の過熱器を備えたものとすることができる。また、汚泥焼却炉の排熱で熱媒を加熱し、熱媒を過熱器、蒸発器、予熱器の順に循環させることができる。また、排煙処理塔と加熱器の間に熱交換器を配置することができる。

本発明のＯＲＣ発電システムにおいては、その運転圧力において温水の温度よりも高温の沸点を持つ有機媒体を作動媒体とし、作動媒体を加熱器から液体状態で送り出し、再生器においてタービンから出た作動媒体の蒸気と熱交換させる。このため作動媒体は加熱器及び再生器で昇温されたうえで蒸発器に供給され、高温熱源である汚泥焼却炉の排熱によりさらに加熱されて高温高圧の蒸気となる。このように排煙処理塔から取り出された温水と汚泥焼却炉の排熱を２熱源として利用することにより、作動媒体の循環流量を十分に大きくすることができる。

また本発明のＯＲＣ発電システムにおいては、タービンを通過した作動媒体の蒸気は、凝縮器に入る前に再生器で液体状態の作動媒体との熱交換により効率よく冷却され、温度が下がる。このためタービンの背圧が低下してタービンの仕事量が大きくなる。よって本発明のＯＲＣ発電システムは、汚泥焼却設備の排熱を有効に利用し、作動媒体の循環流量を十分に大きくすることにより、発電量を増加させることができる。

本発明の実施形態を示す説明図である。 本発明の他の実施形態を示す説明図である。 作動媒体としてシリコンオイル（ＭＭ：ヘキサメチルジシロキサン）を用いた実施例を示す説明図である。 低温熱源を用いない比較例を示す説明図である。 作動媒体として有機炭化水素（シクロペンタン）を用いた実施例を示す説明図である。 低温熱源を用いない比較例を示す説明図である。

以下に本発明の実施形態を説明する。
図１において、１０は高温熱源である汚泥焼却炉の排ガスが供給される熱媒ヒータ、１１はこの熱媒ヒータ１０の後段に配置された集塵機、１２は排煙処理塔である。汚泥焼却炉は図示されていないが、例えば下水脱水汚泥を焼却する流動焼却炉である。その焼却排ガスは８５０℃前後の高温であるが、流動用空気加熱器などの様々な熱交換器を通過する間に冷却され、５００〜７００℃程度の温度で熱媒ヒータ１０に入る。ここで焼却排ガスは後述する熱媒を加熱したうえ、集塵機１１でダストを除去される。しかし排ガス中にはなおＳＯｘ等や微細なダストが含まれているため、排ガスは排煙処理塔１２に送られる。

排煙処理塔１２は塔体の下部から排ガスを供給し、塔の上方のノズル１３からスプレイされる洗浄水と接触させて洗煙する周知の構造である。塔内下部には排ガスとの接触により６０〜７５℃に加熱された温水（洗煙排水）が溜まる。排煙処理塔１２を通過した排ガスは排煙処理塔１２の上端から排出される。本発明では、汚泥焼却炉の排熱を高温熱源として利用し、排煙処理塔１２から取り出された温水を低温熱源として使用する。

図１の右側の破線で囲んだ部分に本発明の有機ランキンサイクルの構成を示す。２０は発電用のタービン、２１はタービン２０の出側に配置された再生器、２２は凝縮器である。２３は凝縮器２２で液化された作動媒体を加圧して循環させるポンプ、２４は加熱器、２５は予熱器、２６は蒸発器、２７は過熱器である。本発明では、作動媒体は、タービン２０、再生器２１、凝縮器２２、ポンプ２３、加熱器２４、再生器２１、予熱器２５、蒸発器２６、過熱器２７の順に循環している。

周知のように、ランキンサイクルの基本要素は、タービン２０と凝縮器２２とポンプ２３と蒸発器２６である。作動媒体の蒸気は高温高圧でタービン２０の入側に供給され、タービン２０を回転させつつタービン翼列の間を通過する間に断熱膨張し、低圧蒸気となる。この低圧蒸気は凝縮器２２で冷却水により冷却されて液化し、ポンプ２３で加圧されて蒸発器２６に送り込まれる。そして蒸発器２６で加熱されて高温高圧の蒸気となりタービン２０の入側に供給される。

上記のように蒸発器２６はランキンサイクルの基本要素であるが、図１に示されるように、本実施形態では蒸発器２６が、前段の予熱器２５と後段の過熱器２７を備えたものである。そして熱媒ヒータ１０から供給される熱媒が、過熱器２７、蒸発器２６、予熱器２５の順でこれらの内部を通過し、作動媒体を加熱蒸発させている。なお、過熱器２７、蒸発器２６、予熱器２５は熱交換器として一体化することもできる。

熱媒としては、油または空気が用いられる。本実施形態では熱媒ヒータ１０で約３００℃に加熱された熱媒油が熱媒供給管２８を通じて循環供給されている。熱媒の温度は２００〜５００℃、好ましくは３００℃以上である。実施形態においては、熱媒油を使用した場合には耐熱温度を考慮して熱媒油の温度は最大３４０℃、空気の場合には最大５００℃である。

加熱器２４は、汚泥焼却炉の排ガスを処理する排煙処理塔１２から取り出された、低温熱源として使用される洗煙排水（温水）と、運転圧力において温水の温度よりも高温の沸点を持つ有機媒体である作動媒体とを熱交換して、液体状態の作動媒体を再生器２１に送り出す。この温水の温度は一般に６０〜７５℃であり、この温水を利用してポンプ２３から送り出された作動媒体を加熱器２４で加熱する。この実施形態では図１に示すように温水を循環させているが、温水はワンパスで系外に放出してもよい。

本発明では運転圧力においてこの温水の温度よりも高温の沸点を持つ有機媒体を作動媒体として使用する。具体的には、シクロペンタン、ＭＭ(ヘキサメチルジシロキサン)、ＭＤＭ（オクタメチルトリシロキサン）を使用することができる。大気圧下における沸点は、シクロペンタンが４９.２℃、ＭＭが１００.５℃、ＭＤＭが１５２.５℃であるが、加熱器２４の内部圧力下における沸点は、シクロペンタンが２００℃、ＭＭが２２３.９℃、ＭＤＭが２４９.４℃であり、加熱器２４で蒸発することはない。特に作動媒体として潜熱の小さい液体を選択することで循環量が大きくなるため、温水からの熱供給を受けた時の温度上昇が小さくなり、温水から与えられる熱量が増える利点がある。

再生器２１は、タービン２０から出た蒸気状態（気体）の作動媒体と、加熱器２４で７０℃程度に昇温された液体状態の作動媒体とを熱交換して、加熱器２４からの液体状態の作動媒体を予熱器２５に送り出し、タービン２０から出た蒸気状態の作動媒体を凝縮器２２に送り出す。すなわち、加熱器２４で７０℃程度に昇温された作動媒体は液体状態のまま再生器２１に送られ、タービン２０から出た作動媒体の蒸気と熱交換され予熱器２５に送られる。再生器２１に入る作動媒体の蒸気は２００℃程度であるが、再生器２１において液体状態の作動媒体により８０℃前後まで効率よく冷却される。さらに入口温度が２２℃の冷却水が供給される凝縮器２２において、再生器２１において冷却された作動媒体は、３５℃程度まで冷却されて液化する。このように、タービン２０から出た作動媒体の蒸気を、効率よく冷却して凝縮させることができる。

蒸発器２６は、温水よりも高温の、汚泥焼却炉の排熱と、液体状態の作動媒体とを熱交換し、蒸気状態の作動媒体を送り出す。図１の例では、再生器２１において２００℃程度の作動媒体の蒸気と熱交換した液体状態の作動媒体は、沸点よりやや低い温度にまで昇温され、予熱器２５に送られる。そして予熱器２５、蒸発器２６を通過する間に前記した高温熱源から供給される高温の熱媒により加熱されて蒸気となり、さらに過熱器２７で温度が２５０℃程度の高温高圧の過熱蒸気となってタービン２０に入る。

上記したように、凝縮器２２で液化された作動媒体は、まず低温熱源から供給される温水により加熱器２４で７０℃程度に昇温され、次に再生器２１で沸点よりやや低い温度にまで昇温され、さらに高温熱源により加熱されて２５０℃程度の高圧過熱蒸気となる。このように高温熱源と低温熱源と再生器２１を組み合わせることによって、作動媒体により多くの熱量を与えることができ、作動媒体の循環量を増大させ、発電量も増加させることができる。

図１に示した実施形態では、排煙処理塔１２から取り出された温水を加熱器２４に直接供給したが、図２に示す他の実施形態のように、排煙処理塔１２と加熱器２４との間に熱交換器３０を介在させて、循環水で加温してもよい。この構成により排煙処理塔１２から取り出された腐食成分を含む温水が加熱器２４に供給されなくなるため、加熱器２４の材質費用を下げることができる。このように、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、各機器の間に更に機器を追加しても良い。更に、複数の機器を１つの機器としてまとめたり、１つの機器を複数の機器に分けても良い。また、凝縮器で作動媒体の冷却に使用した冷却水を排煙処理塔の補給水として使用してもよい。
以下に本発明の実施例と比較例を示す。

本発明の２熱源ＯＲＣ発電システムと、１熱源ＯＲＣ発電システムとの発電量の相違を説明するため、熱源、冷却、作動媒体の観点から、本発明の２熱源ＯＲＣ発電システムと、比較例としての１熱源ＯＲＣ発電システムとを対比した。表１に対比を示す。表１に示すように、低温熱源の有無が相違する。

なお、表１における、２熱源ＯＲＣ発電、１熱源ＯＲＣ発電システムでは、凝縮器に供給される冷却水を排煙処理塔１２の補給水として使用している。
以下に、本発明の２熱源ＯＲＣ発電システムと、１熱源ＯＲＣ発電システムとを７０ｔ/ｄの汚泥焼却設備に適用した場合の作動媒体毎の計算例を示す。

（実施例１）
作動媒体としてシリコンオイル（ＭＭ）を用いた実施例を図３に示し、低温熱源を省略した比較例を図４に示す。表２に、実施例と比較例との対比を示す。
高温熱源である熱媒油の温度はともに２９８℃であり、冷却水の条件も同一である。低温熱源を用いたことにより、再生器から予熱器に送り出された作動媒体の温度は、図３の実施例では１６３℃であって図４の比較例の１４７℃よりも高く、タービン入側の流量が８０００ｋｇ/ｈから８９００ｋｇ/ｈに増加し、熱量が９９９ｋＷから１１１８ｋＷに増加した。その結果、発電量も１５５ｋＷから１７４ｋＷまで約１２％増加した。

（実施例２）
同様に、作動媒体としてＭＭよりも沸点が低い有機炭化水素（シクロペンタン）を用いた実施例を図５に示し、低温熱源を省略した比較例を図６に示す。表３に、実施例と比較例との対比を示す。ここで、加熱器に供給可能な低温熱源は、加熱器における温水入口温度と作動媒体出口温度により決定される。このため、本実施例では加熱器において実施例１のＭＭと同じ作動媒体出口温度（６７℃）となるように、低温熱源の供給条件を９０ｋＷとした。その他の外部条件は上記の実施例１と同一とした。作動媒体の特性の違いによりシステム内部における作動媒体の温度や圧力は相違するが、図６の比較例では発電量は１８７ｋＷであったが、図５の実施例では１９９ｋＷまで約６％増加した。

１０ 熱媒ヒータ
１１ 集塵機
１２ 排煙処理塔
１３ ノズル
２０ タービン
２１ 再生器
２２ 凝縮器
２３ ポンプ
２４ 加熱器
２５ 予熱器
２６ 蒸発器
２７ 過熱器
２８ 熱媒供給管
３０ 熱交換器

Claims (4)

1. 発電用のタービンと、
   再生器と、
   凝縮器と、
   加熱器と、
   蒸発器とを備え、
   前記発電用のタービンから出た作動媒体は、前記再生器、前記凝縮器、前記加熱器、前記再生器、前記蒸発器、前記タービンの順に循環し、
   前記加熱器は、汚泥焼却炉の排ガスを処理する排煙処理塔から取り出された温水と、運転圧力において前記温水の温度よりも高温の沸点を持つ有機媒体である前記作動媒体とを熱交換して、液体状態の前記作動媒体を送り出し、
   前記再生器は、前記タービンから出た前記作動媒体と前記液体状態の作動媒体とを熱交換して、前記液体状態の作動媒体を送り出し、
   前記蒸発器は、前記温水よりも高温の、前記汚泥焼却炉の排熱と、前記液体状態の作動媒体とを熱交換し、蒸気状態の前記作動媒体を送り出す、ＯＲＣ(Organic Rankine Cycle)発電システム。
2. 前記蒸発器が、前段の予熱器と後段の過熱器とを備えたものである請求項１に記載のＯＲＣ発電システム。
3. 前記汚泥焼却炉の排熱で熱媒を加熱し、前記過熱器、前記蒸発器、前記予熱器に循環させる請求項２に記載のＯＲＣ発電システム。
4. 更に、前記排煙処理塔と前記加熱器との間に熱交換器を配置した請求項１に記載のＯＲＣ発電システム。