JP4961156B2 - 廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法 - Google Patents
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Description
(1) 汚泥焼却炉の燃焼用空気を常温から500℃程度に予熱するため、空気予熱器により廃ガスと燃焼用空気の熱交換を行い、廃ガスから熱回収を行う。
(2) 処理工程の最後の煙突から出る廃ガスの白煙防止のため、空気予熱器より出た廃ガスを白煙防止用熱交換器で常温の空気と熱交換を行い、常温の空気を200〜300℃の温度の熱風として熱回収を行う。この200〜300℃の温度に加熱された空気は、最後の煙突の中に導入され、煙突の白煙防止のために使用される。
(1) 空気予熱器で熱回収された後の廃ガスは、それでも500〜550℃の高温であるため、さらに白煙防止用熱交換器で熱回収され250〜350℃まで冷却されると共に、常温の空気を200〜300℃まで加熱した熱風として回収する。この加熱空気を、洗浄・冷却処理された後の廃ガスと煙突内にて混合させることにより、煙突からの白煙防止として利用している。しかしながら、実質的に煙突で白煙防止に必要な熱風量は、白煙防止用熱交換器で熱回収される量の概ね30%で十分であり、残りの70%程度はそのまま大気に放出されており、その中の熱量が有効に活用されていない。
例えば、脱水汚泥300トン/日の処理能力の汚泥焼却炉では、約25,000Nm3/h程度の熱風が発生するが、その70%の約17,500Nm3/h程度の熱風の熱量が利用されていないこととなる。
また、下水処理場全体では、上記の汚泥焼却施設の他に、水処理施設の中でバッキ装置が利用されており、このバッキ装置の空気源供給として送風機が運転され、ポンプも含めて膨大な電力が消費されている。
この電力を補う方法として、分散型電源であって高効率の発電方式である燃料電池発電システムを導入する方法もあるが、近年導入が始まりつつある溶融炭酸塩型燃料電池(MCFC)による単独発電では、発電端効率が47%程度で最新鋭の大型火力の発電端効率と大きな差異は無く、特に大きな導入メリットがない。
このMCFCでは、アノ−ドで発電に利用される燃料ガスの利用率は70%程度であり、残りの30%の燃料ガスが未利用の状態で排出されるが、これは常温の空気と混合して燃焼させた後、さらに常温の空気と希釈してカソードの空気源、炭酸源として供給している。アノードから排出される未利用燃料ガスはその温度が600℃程度であるが、これを常温空気と混合して燃焼している点と、更にここで得られた燃焼後の800℃程度の高温ガスを希釈器で常温の空気によって希釈してカソードに導入する点で、600℃〜800℃に加熱されたガスを2度も冷却することとなり、ここに含まれる熱量を有効に利用していないという問題がある。尚、燃料電池のセル内の温度分布を均一にする必要があるために、アノードの燃料利用率をこの値以上に高くすることは技術的に困難である。
(1)廃棄物の焼却炉から発生する燃焼廃ガスを、空気予熱器の熱交換による熱回収を行った後、白煙防止器においてこの燃焼廃ガスを使用して空気を加熱し、得られた加熱空気を、第一の加熱空気、第二の加熱空気、及び第三の加熱空気の3つに分け、第一の加熱空気を燃焼廃ガスの排出口での白煙防止のために混合するとともに、第二の加熱空気を高温型燃料電池発電設備の燃料電池のアノードから生ずる未利用燃料に混合して燃焼させ、高温の二酸化炭素を含む燃焼ガスを得、この燃焼ガスを、第三の加熱空気と熱交換してカソードに供給することを特徴とする、廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
従って、これらの熱エネルギーの有効利用によって、廃棄物の焼却エネルギーを低減すると同時に、高効率で燃料電池発電によって電力を得ることができ、運転コストの低減や化石燃料に由来する温室効果ガスの削減に寄与することができる。
図1は、従来の汚泥焼却設備の一例のフロー図であり、図2は高温型燃料電池発電設備の一例を示すフロー図であり、図3は本発明の廃棄物焼却設備と高温型燃料電池発電設備とを組み合わせた廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法を実施するための設備の一例を示すフロー図である。なお、これらの図面に示すものは本発明の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法を実施するための設備の一例を示すものであって、本発明はこれに限定されるものではない。
白煙防止器43で得られた加熱空気56はその温度が200〜300℃であるが、その全量の20〜40容積%、好ましくは30%程度を煙突47中に導入して、白煙防止のために燃焼廃ガスと混合し、最終的に煙突から排出する。そして、残りの60〜80容積%、好ましくは70%程度の加熱空気58を高温型燃料電池発電設備に供給し、そのうちの一部59が燃焼器63でアノードからの未利用燃料の燃焼用の空気として利用され、残りの加熱空気60が熱交換器64を経て、カソード62とボイラー65に供給される。
アノードガスの水素の含有率は、100〜50容積%であることが好ましく、90〜70容積%であることが更に好ましい。アノードガスとしては、例えば、都市ガス(LNG)等の炭化水素を含有する燃料66及び水を用いて、工業炉に備えられた水蒸気改質装置(図示せず)によって改質させて得られる、水素と二酸化炭素とを含有する改質ガスを利用することができる。改質ガスをそのまま利用してもよいし、水素分離器(図示せず)によって、改質ガスから水素を選択的に分離して水素濃度を高めたものを利用してもよい。
例えば、発電効率を次の様に定義するとする:
発電効率=発電電力/(使用燃料熱量−熱交換器による廃熱回収熱量)×100%
この定義に従うと、従来MCFC型燃料電池を用いた方式の効率は約47%であるのに対して、本発明の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法を採用した場合には発電効率が59%となる。
一方、本発明の方法では、燃料電池の出力が1000kwの場合には、高温型燃料電池発電設備として250℃で約3,200Nm3/hの加熱空気を必要とするので、利用可能な余剰加熱空気の全量を高温型燃料電池発電設備に供給した場合には、約5,400kw発電能力の発電設備に利用することができる。さらに、このように高効率で発電した電力は、下水処理場内で電力使用量の大きい水処理設備などに利用でき下水処理場内の電力自給率を向上させることができる。
例えば、能力が300トン/日の規模の廃棄物焼却設備の場合であって、白煙防止のために使用したものを差し引いた利用可能な白煙防止器からの加熱空気の全量を高温型燃料電池発電設備に導入した場合、熱交換器に常温空気(20℃)を導入する場合に比較すると550℃で、8,000Nm3/hの加熱空気を回収できる。そして、これをボイラーに導入すれば、340℃で、2.1MPaの蒸気として、さらに1,600kg/hだけ多く回収することができ、これを他の設備での蒸気(熱)利用やボイラー・タービン発電にも利用することができる。
Claims (6)
- 廃棄物の焼却炉から発生する燃焼廃ガスを、空気予熱器の熱交換による熱回収を行った後、白煙防止器においてこの燃焼廃ガスを使用して空気を加熱し、得られた加熱空気を、第一の加熱空気、第二の加熱空気、及び第三の加熱空気の3つに分け、第一の加熱空気を燃焼廃ガスの排出口での白煙防止のために混合するとともに、第二の加熱空気を高温型燃料電池発電設備の燃料電池のアノードから生ずる未利用燃料に混合して燃焼させ、高温の二酸化炭素を含む燃焼ガスを得、この燃焼ガスを、第三の加熱空気と熱交換してカソードに供給することを特徴とする、廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
- 白煙防止器で加熱された加熱空気の温度が200〜300℃であることを特徴とする、請求項1に記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
- 白煙防止器で加熱された加熱空気のうちの20〜40容量%が第一の加熱空気として白煙防止のために使用され、残部の60〜80容量%が第二の加熱空気、及び第三の加熱空気として高温型燃料電池発電設備のために使用されることを特徴とする、請求項1または2に記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
- 高温型燃料電池発電設備が溶融炭酸塩型燃料電池または固体酸化物型燃料電池のいずれかを使用するものである、請求項1ないし3のいずれかに記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
- 高温型燃料電池発電設備から発生する高温の排気ガスを用いてボイラーによって高温水蒸気を得て、これを焼却炉の前段に設けた廃棄物乾燥機に導入して含水廃棄物を乾燥することを特徴とする、請求項1ないし4のいずれかに記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
- 焼却炉が、下水汚泥焼却炉、都市ごみ若しくは生ごみ焼却炉、または含水有機性廃棄物焼却炉のいずれかであることを特徴とする、請求項1ないし5のいずれかに記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
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