JP4823998B2

JP4823998B2 - 廃棄物発電方法

Info

Publication number: JP4823998B2
Application number: JP2007291427A
Authority: JP
Inventors: 雅也栗田
Original assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Engineering Co Ltd
Priority date: 2007-11-09
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2011-11-24
Anticipated expiration: 2027-11-09
Also published as: JP2009115046A

Description

本発明は、廃棄物を焼却または溶融処理する際の排ガスにより蒸気を発生させ、その蒸気により蒸気タービンを駆動して発電を行う廃棄物発電方法に関する。

具体的には、廃棄物発電における熱利用が困難なタービン排気の潜熱を利用することにより、廃棄物発電の熱利用効率を向上させる廃棄物発電方法に関する。

京都議定書への批准を始め、CO₂に対する削減要求は高く、バイオマス等の再生可能エネルギーの利用に関する要求が高まっていている。

特に、一般廃棄物については、規模が小さいこと、排ガス中の塩素濃度が高く、腐食性が高いため蒸気温度を上げることができないことから高効率発電には限界があり、発電効率は高いものでも20%程度と、火力発電設備の40%以上とは大きな隔たりがあった。

従来は、廃棄物を燃焼または溶融処理する際の排ガスの持つ熱を廃熱回収ボイラにて回収し、ボイラで得られた蒸気を用いてタービンを駆動し、発電を行っていた。

廃熱回収ボイラを用いた廃棄物発電システムについては、従来から種々の提案がなされており、例えば特開2001-065311号公報（下記特許文献１）には、都市ゴミを熱分解するドラムと、該ドラムで生成した生成ガスを燃料とし、ドラムから排出した可燃物を燃焼させると共にその燃焼灰を溶融させる溶融炉と、該溶融炉の後流に設けた廃熱回収ボイラと、該ボイラで生成した蒸気を用いて発電機を駆動する蒸気タービンと、熱風炉を備え、熱風炉で生成した熱風をドラムの熱源及びボイラで発生した飽和蒸気を過熱する過熱器の熱源とすることにより、エアヒーターから熱分解ドラムに加熱空気を供給する送風ファンの動力費を抑制する一方、発電に供する蒸気温度を改善する方法が記載されている。

その際、発電効率を上げる方法として、過熱器管の材質に高級合金鋼を採用し、蒸気条件を高温高圧（例えば4MPa、400℃程度）に上げていた。

しかし蒸気温度を上げると、廃棄物に含まれる塩素によって、溶融塩腐食を引き起こすため、蒸気温度には限界があった。（Maｘ450℃、一般的には400℃以下）。

また、蒸気タービンを用いた発電システムではタービンの排気を復水する際に膨大な熱量を大気等に放散するため、発電効率の向上には限界がある。

一部の廃棄物発電設備では天然ガスを用いて、タービンを駆動し、その排ガスを用いて廃棄物の廃熱ボイラにて得られた蒸気を過熱し、蒸気温度を上げることで発電効率の向上を図っていた。

このようにガスタービンの排ガスを用いることで、蒸気の過熱度が上げられるが、排ガスの温度を高くするとガスタービンの効率が低下することもあり、蒸気温度があまり上げれないため、450℃が限界だった。

また、設備規模は廃棄物の処理にあわせる必要があり、ガスを利用した発電設備としてはかなり低い発電効率しか得ることができなかった。

そこで、火力発電設備と、廃棄物処理設備を隣接させ、廃棄物発電設備で得られた蒸気を石炭火力ボイラに通し、過熱することで、高い発電効率を得ることは容易に発想できる。

しかし、高温の蒸気を用いて、高効率発電するためには圧力も高くする必要があり、廃棄物廃熱ボイラの製作コストが多く必要であると共に、得られる蒸気量が少ないことから、蒸気タービンには一般的な復水タービンを用いることが必要で、タービン自体の熱効率は火力発電に比較すると低いままとなる。一方で、廃棄物発電設備の稼動を火力発電設備に合わせる必要があり、廃棄物発電設備が非常停止した際に、火力発電設備も停止させる必要があった。さらに、既に設置された火力発電所に廃棄物発電設備を隣接させる際、火力発電所の大規模な改造工事が必要となり、コスト面で大きな負担となる。

また、火力発電設備と、廃棄物処理設備を隣接させ、廃棄物発電設備で得られた蒸気を火力ボイラの蒸気と混合し、火力発電設備で発電することで、高い発電効率を得ることは容易に発想できる。

しかし、火力発電設備に合わせて、蒸気圧力を高くする必要があり、廃棄物廃熱ボイラの製作コストが多く必要であると共に、廃棄物発電設備の稼動を火力発電設備に合わせる必要があり、廃棄物発電設備が非常停止した際に、火力発電設備も停止させる必要があった。さらに、既に設置された火力発電所に廃棄物発電設備を隣接させる際、火力発電所の大規模な改造工事が必要となり、コスト面で大きな負担となる。
特開2001-065311号公報

本発明は、前述のような従来技術の問題点を解決し、廃棄物発電における熱利用が困難なタービン排気の潜熱を利用することにより、廃棄物発電の発電効率を向上させる廃棄物発電方法を提供することを課題とする。

本発明は、前述の課題を解決するために鋭意検討の結果、廃棄物発電における熱利用が困難なタービン排気の潜熱を、低温で腐食を伴わない熱源を必要とする火力発電設備の給水を加熱する熱源として利用することにより、廃棄物発電の発電効率を向上させる廃棄物発電方法を提供するものであり、その要旨とするところは特許請求の範囲に記載したとおりの下記内容である。
（１）廃棄物を焼却または溶融処理する際の排ガスにより蒸気を発生させ、その蒸気により蒸気タービンを駆動して発電を行う廃棄物発電方法であって、前記蒸気タービンの排気を冷却する復水器として水冷式復水器を用い、該復水器に用いる冷却水として、火力発電設備の復水を使用することにより前記蒸気タービンの排気が有する潜熱を回収することを特徴とする廃棄物発電方法。
（２）前記蒸気タービンの排気を冷却する冷却水の入口温度が２５℃から５０℃であることを特徴とする（１）に記載の廃棄物発電方法。
（３）前記蒸気タービンの排気ダクトに圧力検出端を設け、さらに前記火力発電設備の復水による冷却水配管にバイパスライン及び流量調節機構を設け、前記蒸気タービンの排気圧力が一定となるように、流量調節機構により該冷却水の流量を調整することを特徴とする（１）または（２）に記載の廃棄物発電方法。
（４）前記火力発電設備の復水の給水ポンプと廃棄物発電タービンの排気冷却用の給水ポンプとを別個に設置することを特徴とする（１）乃至（３）のいずれか一項に記載の廃棄物発電方法。
（５）前記蒸気タービンの排気の復水器として、水冷式復水器と空冷式復水器を併設し、前記火力発電設備の稼動状態により復水器を切り替えて運用することを特徴とする（１）乃至（４）のいずれか一項に記載の廃棄物発電方法。
＜作用＞
（１）の発明によれば、廃棄物発電における熱利用が困難なタービン排気の潜熱を回収し、することにより、低温で腐食を伴わず、熱源として利用することが可能な火力発電設備の給水を加熱する熱源として利用することにより、廃棄物発電の熱効率を向上させることができる。
（２）の発明によれば、蒸気タービンの排気を冷却する冷却水の入口温度を２５℃から５０℃として熱の授受を比較的低温域とすることにより、熱供給の過程で生じる熱放散を低減することができる。
（３）の発明によれば、火力発電設備の復水による冷却水配管にバイパスラインを設け、前記蒸気タービンの排気圧力が一定となるように、該冷却水の流量を調整することにより、廃棄物発電の蒸気タービンの操業を安定化させることができる。
（４）の発明によれば、火力発電設備の復水の給水ポンプと廃棄物発電タービンの排気冷却用の給水ポンプとを別個に設置するので、それぞれの設備に必要な給水量の調整を容易に行うことができる。
（５）の発明によれば、蒸気タービンの排気の復水器として、水冷式復水器と空冷式復水器を併設するので、火力発電設備の稼動状態により復水器を切り替えて運用することができる。

本発明によれば、廃棄物発電における熱利用が困難なタービン排気の潜熱を、低温で腐食を伴わない熱源を必要とする火力発電設備の給水を加熱する熱源として利用し、火力発電設備での発電電力として得られることにより、廃棄物発電の熱効率を向上させる廃棄物発電方法を提供することができるなど、産業上有用な著しい効果を奏する。

本発明を実施するための最良の形態について図１乃至図３を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の廃棄物発電方法の実施形態を例示する図である。

図1乃至図３において、１は廃棄物処理設備、２は蒸気タービン（廃棄物処理設備用）、２´は蒸気タービン（火力発電設備用）、３は復水器（廃棄物処理設備用）、３´は復水器（火力発電設備用）、４は火力発電設備、５は冷却水配管、６は給水ポンプ（廃棄物処理設備用）、６´は給水ポンプ（火力発電設備用）、７はバイパスライン、８は流量調整弁、９は給水加熱器、１０は脱気器、１１は圧力検出端（ＰＩＣ）を示し、同じ要素については同じ記号を用いることにより説明の重複を避ける。

まず、都市ごみなどの廃棄物を廃棄物処理設備１により焼却または溶融処理する際に発生する排ガスにより蒸気を発生させ、その蒸気により蒸気タービン２を駆動して発電を行う。

蒸気タービン２の排気は、復水器３により冷却されて６０〜７０℃の水に戻されされるが、本発明においては、復水器として冷却効率の高い水冷式復水器を用いる。

次に、火力発電設備４からの排ガスにより蒸気を発生させ、その蒸気により蒸気タービン２´を駆動して発電を行う。

蒸気タービン２´の排気は、例えば水冷式の復水器３´により冷却されて３０〜４０℃の水に戻される。

本発明は、上記の火力発電設備４の３０〜４０℃の復水を用いて、廃棄物発電設備１の蒸気タービン２の排気を冷却することにより熱交換して、火力発電設備４の復水を４０〜６０℃に昇温させた後に火力発電設備の給水加熱器９および脱気器１０に供給することにより、廃棄物処理設備の蒸気タービン２の排気が有する潜熱を回収することにより、廃棄物発電における熱利用が困難なタービン排気の潜熱を回収し、廃棄物発電の発電効率を著しく向上させることができる。

なお、図１に示すように、給水加熱器は複数段設けられるが、昇温した復水は、復水と同等の比較的低温で操業される1段目の給水加熱器に供給することが好ましい。

また、前記蒸気タービン２の排気が有する潜熱を、火力発電設備４の給水を加熱する熱源として利用することにより、廃棄物発電の発電効率をさらに向上させることができる。

この際、蒸気タービン２の排気を冷却する冷却水の入口温度を２５℃から５０℃として熱の授受を比較的低温域とすることにより、熱供給の過程で生じる熱放散を低減することができる。

さらに、前記火力発電設備４の復水による冷却水配管５にバイパスライン７を設け、このバイパスライン７に流量調整弁８を設け、廃棄物処理設備４の蒸気タービン２の排気圧力が一定となるように、流量調整弁８の開度を調節することにより、冷却水の流量を調整して廃棄物発電の蒸気タービンの操業を安定化させることができる。
また、加熱後の火力発電設備の復水は復水器に戻しても良い。

また、通常、石炭等を用いる火力発電設備４と廃棄物処理設備１の発電設備とでは、運用形態が大きく異なる。

例えば、廃棄物発電における蒸気を火力発電設備４に送る場合には、それぞれが停止した場合に、もう一方も停止させる必要があるが、本発明を用いると、廃棄物処理設備１に最低限の冷却塔などからなる復水器３と、火力発電設備４の復水を復水器３に供給する冷却水配管５を備え、この復水の流れを流量調整弁８使って操作するだけで、独立した運転が可能となる。

また、本発明では熱の授受を約３０〜７０℃と比較的低温で実施するため、熱供給の過程で生じる熱の放散が少なくてすむ。また、蒸気での授受が必要ないため、配管のサイズか小さくすみ、実現に必要なコストを抑えることが可能であるうえ、すでに設置されている設備の改造に容易に対応できる。

なお、既設の火力発電設備との統合化を実施する場合にはバイパスライン７は既設の給水加熱器を通し、温度を上げることが望ましい。

図２および図３は、本発明の廃棄物発電方法において給水ポンプを並列させた実施形態を例示する図である。

図２に示すように、火力発電設備４の復水の給水ポンプ６´と廃棄物発電タービンの２排気冷却用の給水ポンプ６とを別個に設置することにより、それぞれの設備に必要な給水量の調整を容易に行うことができる。

この際、蒸気タービン２の排気ダクトに圧力検出端１１を設け、さらに前記火力発電設備の復水による冷却水配管にバイパスライン及び流量調整弁８（流量調節機構）を設け、前記蒸気タービン２の排気圧力が一定となるように、流量調整弁８（流量調節機構）により該冷却水の流量を調整することにより、廃棄物発電の蒸気タービンの操業を安定化させることができる。

また、前記蒸気タービン２の排気の復水器として、水冷式復水器と空冷式復水器を併設することにより、前記火力発電設備の稼動状態により復水器を切り替えて運用することができる。

また、図３に示すように、火力発電設備４の復水の給水ポンプ６´と廃棄物発電タービンの２排気冷却用の給水ポンプ６への給水配管を別個に設置することにより、それぞれの設備に必要な給水量の調整をさらに容易に行うことができる。

本発明の廃棄物発電方法を石炭火力発電設備に併設される廃棄物処理設備に適用する場合について下記条件でシミュレーションを行った。
＜実施条件＞
・廃棄物発電用蒸気タービンの排気圧力： 0.25ata
・廃棄物発電用蒸気タービンの復水温度： 64℃
・火力発電設備の復水温度：30-36℃
・火力発電設備の復水の昇温温度：10-20℃
シミュレーションの結果、火力発電設備では1-3%程度燃料の消費量を削減することができ、廃熱回収分を含めると廃棄物発電の発電効率を約50％にすることができることがわかり本発明の効果が確認できた。

本発明によれば、火力発電設備の復水を用いて廃棄物処理設備の蒸気タービンの排気を冷却する冷却水配管を設けることにより、廃棄物発電における熱利用が困難なタービン排気の潜熱を回収することができるので、火力発電設備と廃棄物処理設備を近接して設置する場合に極めて有用であり、今後の火力発電設備の計画、廃棄物処理施設の設置計画を行ううえで将来性が期待される。

また、火力発電設備と廃棄物処理設備の事業者が異なる場合には、火力発電設備事業者が廃棄物処理業者に復水の昇温費用を支払うことにより、火力発電設備の発電効率を向上させるというビジネスモデルの実現が期待できる。

本発明の廃棄物発電方法の基本的な実施形態を例示する図である。本発明の廃棄物発電方法において給水ポンプを並列させた実施形態を例示する図である。本発明の廃棄物発電方法の給水ポンプを並列させた実施形態を例示する図である。

符号の説明

１廃棄物処理設備
２蒸気タービン（廃棄物処理設備用）
２´蒸気タービン（火力発電設備用）
３復水器（廃棄物処理設備用）
３´復水器（火力発電設備用）
４火力発電設備
５冷却水配管
６給水ポンプ（廃棄物処理設備用）
６´給水ポンプ（火力発電設備用）
７バイパスライン
８流量調整弁
９給水加熱器
１０脱気器
１１圧力検出端（ＰＩＣ）

Claims

廃棄物を焼却または溶融処理する際の排ガスにより蒸気を発生させ、その蒸気により蒸気タービンを駆動して発電を行う廃棄物発電方法であって、前記蒸気タービンの排気を冷却する復水器として水冷式復水器を用い、該復水器に用いる冷却水として、火力発電設備の復水を使用することにより前記蒸気タービンの排気が有する潜熱を回収することを特徴とする廃棄物発電方法。
前記蒸気タービンの排気を冷却する冷却水の入口温度が２５℃から５０℃であることを特徴とする請求項１に記載の廃棄物発電方法。
前記蒸気タービンの排気ダクトに圧力検出端を設け、さらに前記火力発電設備の復水による冷却水配管にバイパスライン及び流量調節機構を設け、前記蒸気タービンの排気圧力が一定となるように、流量調節機構により該冷却水の流量を調整することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の廃棄物発電方法。
前記火力発電設備の復水の給水ポンプと廃棄物発電タービンの排気冷却用の給水ポンプとを別個に設置することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の廃棄物発電方法。
前記蒸気タービンの排気の復水器として、水冷式復水器と空冷式復水器を併設し、前記火力発電設備の稼動状態により復水器を切り替えて運用することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の廃棄物発電方法。