JP3611327B1 - 再熱・再生式ランキングサイクルの火力発電プラント - Google Patents

Abstract

【課題】 大型焼却場においては、長年に亘って可燃廃棄物の焼却処理に伴い発生する蒸気を利用して、タービンを回転させ発電する方式を採用しているが、高温高圧の蒸気条件を採用している商業用または事業用の大容量火力発電プラントに比べて発電熱効率が極めて低いため、日々全国台で発生する膨大な量の可燃廃棄物から発生するエネルギーが有効に利用されているとは云い難く、従って発生エネルギーの有効利用を実現するための方策が求められている。
【解決手段】 再熱・再生式ランキングサイクルを採用している商業用または事業用の大容量火力発電プラントにおいては、復水器から出た復水を加熱し給水としてボイラーに戻すまでの過程において、復水そして給水を加熱するための比較的にエネルギーレベルの低い温水または蒸気を必要としているので、大型焼却場において発生する温水または蒸気を復水そして給水の加熱に供するものである。
この方法により、可燃廃棄物の焼却処理によって発生する温水または蒸気エネルギーは最新の高効率火力発電プラントと同等にまで高度有効利用することを可能とする。
【選択図】図２

Description

発明の詳細な説明

１日当り１００トン以上の焼却処理能力を有する大型焼却場において、可燃廃棄物の焼却処理に伴って発生する温水または蒸気を再熱・再生式ランキングサイクルの高効率火力発電プラントにおける復水または給水の加熱に供することによって、可燃廃棄物が保有するエネルギーの高度有効利用を促進する。

大型焼却場から発生する蒸気は主に大型焼却場内に設置されている発電プラントに供さているが、これらの発電プラントは小規模でまた発電熱効率が低いため、商業用または事業用大型火力発電プラント並みの高効率発電を達成することは困難であり、従って大型焼却場内に設置されている発電プラントに大型焼却場から発生する蒸気を供給して発電する方式では、可燃廃棄物の保有するエネルギーの高度有効活用は困難であると考えられる。

その主たる理由は大型焼却場においては、焼却処理する可燃廃棄物の量的な制約に加えて発熱量が低い、そして可燃廃棄物の性状に大きなバラツキが有る、またビニールそしてプラスチック等化学製品の可燃廃棄物への混入に伴う大型焼却炉の損傷、さらにまた焼却処理過程におけるダイオキシン発生の懸念によるものである。

一方、近年の商業用または事業用火力発電プラントは高圧・高温の蒸気条件を基に再熱・再生式ランキングサイクル、または同サイクルとガスタービンを結合したコンバインドサイクルを採用しているので、超臨界圧発電プラントの発電熱効率は４２％前後、コンバインドサイクルのそれは４８％前後に及んでいる。

このように近年の商業用または事業用火力発電プラントにおける高効率発電に比べて、大型焼却場における発電プラントの平均的な発電熱効率は１０％前後にあって、火力発電プラントにおける発電熱効率の１／４程度に留まっているので、日々全国台で発生する膨大な量の可燃廃棄物の焼却処理によって発生する蒸気エネルギーを有効に活用するための方策が求められている。

図１は商業用または事業用発電プラントに広く採用されている再熱・再生式ランキングサイクル方式の例（例えば、非特許文献１参照）を示す（表１に数字の個体名称を示す）。
「ＲＯＢＥＲＴ Ｌ．ＢＡＲＴＬＥＴＴ蒸気タービン性能と経済性 石橋英一 柴田祐作 共訳 昭和４０年 オーム社 ｐ．４４」

超臨界圧火力発電プラントの再熱・再生式ランキングサイクルにおいては、超臨界圧ボイラー（１）内の汽水混合体（２）は過熱器（３）に送られ所定の蒸気温度にまで過熱された後、過熱蒸気（４）となって高圧タービン（５）に送られ断熱膨張後、高圧排気（６）は再熱器（７）にて再熱され再熱蒸気（８）となって、中圧タービン（９）そして低圧タービン（１０）における断熱膨張後に排気される。

低圧タービン（１０）から排気された低圧排気（１２）は復水器（１３）において復水（１４）となり、復水は低圧給水加熱器（１６）にて低圧抽気（１７）によって加熱され、低圧給水加熱器を出た低温給水（１８−１）は中圧給水加熱器（２０）において中圧抽気（２１）によって加熱される。
中圧給水加熱器を出た中温給水（１８−２）は高圧給水加熱器（２２）において高圧抽気（２３）によって加熱され、高圧給水加熱器（２２）を出た高温給水（１８−３）はボイラー給水（２４）となって再び超臨界圧ボイラー（１）に戻される。

表２は商業用７００ＭＷ級超臨界圧火力発電プラントの発電熱効率に係わる諸元の例を示す。
主蒸気条件は超臨界圧の２４．６ＭＰａ 温度５３８℃、再熱蒸気条件は圧力４．４ＭＰａ 温度５９３℃から成っている。
再生サイクルに関する諸元は、復水（１４）の圧力１．０ＭＰａ 温度が３０℃、ボイラー給水（２４）の圧力２９．５ＭＰａ、温度３００℃となっており、ボイラー給水のエンタルピーから復水のそれを差し引いたエンタルピー増分は給水ポンプ（１９）における圧力上昇を含めて、低圧給水加熱器（１６）そして中圧給水加熱器（２０）また高圧給水加熱器（２２）において各々低圧抽気（１７）そして中圧抽気（２１）また高圧抽気（２３）によって与えられるエンタルピーの合計に等しいと考えられる。

上記のように、再生式ランキングサイクルにおいては、復水器（１３）を出た復水（１４）のエンタルピーをボイラー給水（２４）のエンタルピーにまで引き上げるため、低圧・中圧・高圧の各給水加熱器において復水（１４）そして低温給水（１８−１）また中温給水（１８−２）さらにまた高温給水（１８−３）を加熱するための加熱源を必要としている。
復水または給水の加熱源となる低圧抽気（１７）そして中圧抽気（２１）また高圧抽気（２２）は復水器（１３）における無効熱量を抑制して、再生式ランキングサイクル効率を向上・維持する上に極めて重要な要素である（例えば非特許文献１参照）。
「ＲＯＢＥＲＴ Ｌ．ＢＡＲＴＬＥＴＴ蒸気タービン性能と経済性 石橋英一 柴田祐作 共訳 昭和４０年 オーム社 ｐ２３」

発明が解決しようとする課題

再熱・再生式ランキングサイクルの超臨界圧火力発電プラントと大型焼却場を例に、主な諸元について比較したものを表３に示す。

大型焼却場は大型焼却炉３機を有し、１機１日当りの処理容量は５００ｔ／ｈと大型焼却炉の中では大容量に属し、大型焼却場内に設置されている発電プラントは非再熱・非再生式ランキンサイクル、発生する蒸気条件は蒸気圧力２．８４ＭＰａ、蒸気温度３００℃、発電熱効率１１％となっており、すべての諸元において火力発電プラントを大幅に下廻っている。

一方、超臨界圧火力発電プラントの発電熱効率は概ね４２％前後に達し、またガスタービンと超臨界圧火力発電プラントを組み合わせたコンバインドサイクルの発電熱効率は概ね４８％前後に達するが、コンバインドサイクルにおいてもガスタービンと再熱・再生式ランキングサイクルの組み合わせを基本としているので、これら高効率のコンバインドサイクルの発電プラントにおいても、復水（１４）のエンタルピーをボイラー給水（２４）のそれまでに引き上げるための加熱源を必要としていることに変わりはない。

大型焼却場から発生する蒸気エネルギーは大型焼却場に設置されている発電プラントに供給されているが、商業用または事業用の高効率火力発電プラントに比べて発電熱効率が極めて低く、貴重な熱エネルギー源が有効に利用されているとは云い難い。
本発明は日々全国的に発生する膨大な量の可燃廃棄物が大型焼却場において焼却処理されることによって発生する温水または蒸気エネルギーの有効利用を最新鋭の高効率火力発電プラントと同一のレベルにまで高めようとするものである。

課題を解決するための手段

本発明は図２に示すように（表３に数字の個体名称を示す）、火力発電プラントの再熱・再生式ランキングサイクルにおいて、復水器（１３）を出た復水（１４）の全量または一部の分離復水（３２）を大型焼却場（２７）からの温水または蒸気（２８）によって熱交換器（２９）において加熱し、熱交換器を出た分離給復水（３６）はボイラー給水（２４）として超臨界圧ボイラー（１）へ戻すものである。

そして、分離給水（３２）の流量がゼロまたは復水（１４）の全流量の１部である場合には、低圧給水加熱器（１６）を出た低温給水（１８−１）の全量または一部の分離低温給水（３３）を熱交換器（２９）に取り入れ、大型焼却場（２７）からの温水または蒸気（２８）によって加熱し、熱交換器を出た分離給復水（３６）はボイラー給水（２４）となって超臨界圧ボイラー（１）へ戻すものである。

また、分離低温給水（３３）の流量がゼロまたは低温給水（１８−１）の全流量の１部である場合には、中圧給水加熱器（２０）を出た中温給水（１８−２）の全量または一部の分離中温給水（３４）を熱交換器（２９）に取り入れ、大型焼却場（２７）からの温水または蒸気（２８）によって加熱し、熱交換器を出た分離給復水（３６）はボイラー給水（２４）となって超臨界圧ボイラー（１）へ戻すものである。

さらにまた、分離中温給水（３４）の流量がゼロまたは中温給水（１８−２）の全流量の１部である場合には、高圧給水加熱器（２２）を出た高温給水（１８−３）の全量または一部の分離高温給水（３５）を熱交換器（２９）に取り入れ、大型焼却場（２７）からの温水または蒸気（２８）によって加熱し、熱交換器を出た分離給復水（３６）はボイラー給水（２４）となって超臨界圧ボイラー（１）へ戻すものである。

分離復水（３２）そして分離低温給水（３３）また分離中温給水（３４）さらにまた分離高温給水（３５）各々の流量は大型焼却場から供給される温水または蒸気の圧力・温度条件を含む火力発電プラントの再熱・再生式ランキングサイクルの最適ヒートバランスの検討を基に設定されるものとする。

併せて、熱交換器（２９）における分離復水（３２）そして分離低温給水（３３）また分離中温給水（３４）さらにまた分離高温給水（３５）の加熱に対応して、低圧給水加熱器（１６）への低圧抽気（１７）そして中圧給水加熱器（２０）への中圧抽気（２１）また高圧給水加熱器（２２）への高圧抽気（２３）の各流量は

の項で記した最適ヒートバランスを基に設定されるものとする。

火力発電プラントと大型焼却場は図３に示すように、複数台数の火力発電プラントと複数台数の大型焼却炉によって構成し、複数台数の火力発電プラントのいずれかが定期点検による停止時においても、常時発電プラントへの大型焼却場からの温水または蒸気の受け入れが可能な方法とする。

大型焼却場からの温水または蒸気を火力発電プラントへ熱供給するに際して、想定される諸元の例を表５示す。
表５の『その他』項において、大型焼却場の熱利用率４２％相当としたのは大型焼却場からの温水または蒸気（２８）の火力発電プラントへの熱供給によって、火力発電プラントの発電熱効率４２％と同等の熱利用を可能とする事による。

再熱・再生式ランキングサイクル方式を基本とする火力発電プラントの発電熱効率を低下することなく、同サイクルに外部より熱供給する際には、先に記したように最適熱収支バランスの解析・検討が不可欠であり、その際熱供給によって復水器における無効熱量の増加を回避するためには、給水エンタルピーが高位に上昇した中圧給水加熱器（２０）または高圧給水加熱器（２２）の領域における給水を加熱の対象とすることが考えられ、熱供給源の望ましい蒸気条件としては、蒸気圧力は抑え蒸気温度を高くする蒸気源が考えられる。
表５における大型焼却場から発生する蒸気条件 蒸気圧１．０ＭＰａ蒸気温度３００℃は上記の考えを基に想定したものである。

火力発電プラントが大型焼却場から温水または蒸気（２８）の供給を受け入れる際には、熱交換器（２９）内の熱交換器配管の漏洩等によって温水または蒸気（２８）が発電プラント側の給水ラインに流入しないように、分離復水（３２）の圧力は温水または蒸気（２８）のそれを常に上回るように設定されるものとする。
なお、給水ポンプ（１９）を通過した分離低温給水（３３）そして分離中温給水（３４）また分離高温給水（３５）の圧力は超臨界圧にあって、常に大型焼却場において発生する温水または蒸気（２８）の圧力を大幅に上回るので、上記のような懸念される問題は無いと考えられる。

複数機のプラントを有する火力発電プラントが大型焼却場からの蒸気熱供給を受けるに際しては、火力発電プラントは大型焼却場からの発生蒸気を常時受け入れ可能とするための設備ならびに運用を整備するものとする。

設備では火力発電プラント単機においても、熱交換器（２９）は大型焼却場からの温水または蒸気を受け入れ可能な加熱容量を備えたものとし、運用では火力発電プラントの定期点検等によって、単機の火力発電プラントが温水または蒸気の受け入れ時、雷雨などによる火力発電プラントの緊急停止など不測事態への対策を大型焼却場と火力発電プラント双方において確立することが求められる。

発明の効果

日々大型焼却場において発生する膨大な量の温水または蒸気エネルギーを高効率火力発電プラントにおける低エネルギーレベルの復水または給水の加熱用に供することによって、大型焼却場から発生する温水または蒸気エネルギーを高効率火力発電プラント並みに利用することが可能となるので、可燃廃棄物が保有するエネルギーの有効利用を飛躍的に向上することが可能になると期待される。

具体的には、近年稼動中の大型焼却場における発電プラントの平均的な発電熱効率は概ね１０％程度であるのに対して、最新の超臨界圧火力発電プラントにおいては概ね４２％、ガスタービンと超臨界圧火力発電プラントを組み合わせたコンバインドサイクルにおいては概ね４８％程度に達するため、大型焼却場から発生する温水または蒸気の高効率火力発電プラントへの熱供給によって、従来に比べて ４倍強有効に熱利用することを可能にすると期待される。

そして、大型焼却場において発生する温水または蒸気エネルギーの高効率火力発電プラントへの熱供給は、地方自治体にとっては大型焼却場本来の責務である可燃廃棄物の焼却処理に留まらず、高効率火力発電プラントへの熱供給事業に新たな道を開くもので、従来地方自治体にとっては大きな負担となっていた可燃廃棄物の焼却処理問題は、熱供給事業の企業化によって地方自治体に新たな可能性をもたらすと期待される。

他方、熱供給を受ける火力発電プラント側にとっては、ゼロベースの燃料単価である一方発熱量比ベースでは石炭の約１／３に相当する可燃廃棄物から発生するエネルギーの受け入れは、市場価格で購入する化石燃料からのエネルギーに比べて当然割安となるので、設備面と運用面での負担と制約は加わるものの、それらを上廻る利益をもたらすと期待される。

さらにまた、大型焼却場からの熱供給事業を進めるに当っては、従来の複数の大型焼却場を集中化して大容量化することが有利であり、このような可燃廃棄物の更なる集中処理化は可燃廃棄物の処理コスト削減に貢献すると共に、火力発電プラント側にとっても熱エネルギーの供給量増によって利益となり、熱供給者と熱受給者双方に利益をもたらすと期待される。
加えて大型焼却場の大容量化による大型焼却場の集約化は建設コストの削減をもたらすと期待される。

さらにまた、大型焼却場からの熱供給は場内の発電プラント設備を必要としなくなるので、設備の建設・運用・維持・管理に要する費用の削減を可能にすると考えられる。

さらにまた、従来の大型焼却場においては、低発熱量そして可燃廃棄物の性状バラツキまたダイオキシン発生などの問題を抱えて、大型焼却場内に設置されている発電プラントに求められる蒸気条件を維持するため、運用面において諸々の課題に直面していると考えられるが、熱供給方式の大型焼却場においては、発生する温水または蒸気は火力発電プラントにおける復水または給水の加熱のみを対象とするので、大型焼却場における運用面の負担は従来に比べて軽減されると期待される。

なお、大型焼却場に発電プラントが存在しなくなる事によって、大型焼却場は必要な電力を買電する事になるが、発電プラントが無くなることによって場内における必要な電力は大幅に減少すると考えられるので、熱供給によって得られる利益は買電費用を十分に補うものと考えられる。

火力発電プラントにおけるランキングサイクルの例 大型焼却場から火力発電プラントへの熱供給 大型焼却場から火力発電プラントへの熱供給レイアウト

Claims (3)

1. 復水器（１３）を出た復水（１４）が複数の給水加熱器（１６、２０、２２）で加熱された後、給水（１８−１、１８−２、１８−３）となり、引き続き加熱されてボイラー（１）に入るまでの過程で、
   復水（１４）または給水（１８−１、１８−２、１８−３）の、全量またはその一部（３２、３３、３４、３５）を、火力発電プラントから独立して設置されている熱交換器（２９）に取り入れて、１日当たり１００トン以上の焼却処理能力を有する大型焼却場（２７）から供給される温水または蒸気（２８）によって加熱して前記ボイラー（１）に戻される、再熱・再生式ランキングサイクルの火力発電プラントにおいて、
   前記大型焼却場（２７）から前記熱交換器（２９）へ供給される温水または蒸気（２８）は、前記復水（１４）または給水（１８−１、１８−２、１８−３）の、全量またはその一部（３２、３３、３４、３５）を加熱した後、焼却場ドレン水ポンプ（３１）によって前記大型焼却場（２７）に戻されることを特徴とする再熱・再生式ランキングサイクルの火力発電プラント。
2. 復水器（１３）を出た復水（１４）が複数の給水加熱器（１６、２０、２２）で加熱された後、給水（１８−１、１８−２、１８−３）となり、引き続き加熱されてボイラー（１）に入るまでの過程で、
   復水（１４）または給水（１８−１、１８−２、１８−３）の、全量またはその一部（３２、３３、３４、３５）を、火力発電プラントから独立して設置されている熱交換器（２９）に取り入れて、１日当たり１００トン以上の焼却処理能力を有する大型焼却場（２７）から供給される温水または蒸気（２８）によって加熱して前記ボイラー（１）に戻される、再熱・再生式ランキングサイクルの火力発電プラントにおいて、
   大型焼却場（２７）から前記熱交換器（２９）へ供給する温水または蒸気（２８）の熱量に対応して、前記給水加熱器（１６、２０、２２）への抽気量を調整することを特徴とする再熱・再生式ランキングサイクルの火力発電プラント。
3. 復水器（１３）を出た復水（１４）が複数の給水加熱器（１６、２０、２２）で加熱された後、給水（１８−１、１８−２、１８−３）となり、引き続き加熱されてボイラー（１）に入るまでの過程で、
   復水（１４）または給水（１８−１、１８−２、１８−３）の、全量またはその一部（３２、３３、３４、３５）を、火力発電プラントから独立して設置されている熱交換器（２９）に取り入れて、１日当たり１００トン以上の焼却処理能力を有する大型焼却場（２７）から供給される温水または蒸気（２８）によって加熱して前記ボイラー（１）に戻される、再熱・再生式ランキングサイクルの火力発電プラントにおいて、
   復水器（１３）または給水加熱器（１６、２０、２２）から前記熱交換器（２９）に取り入れる復水（３２）または給水（３３、３４、３５）の圧力が、前記大型焼却場（２７）から供給される温水または蒸気（２８）の圧力を常に上回る様に設定されていることを特徴とする再熱・再生式ランキングサイクルの火力発電プラント。

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