JP5150500B2 - 最適条件下での燃焼排ガスからの蒸気生成ボイラ - Google Patents

Description

本発明は、ごみを乾燥、着火及び燃焼させ、燃焼排ガスとの熱交換によって蒸気を生成するボイラに関する。この蒸気は、引き続き電気を生成するために利用される。

燃焼対象のごみは、家庭ごみ、樹皮、産業廃棄物、及び病院の廃物並びに他の種類の廃棄物のどのような混合物でもよい。

米国特許第６，２６９，７５４号では、腐食性の燃焼排ガスを有する焼却プラント向けの過熱蒸気用の蒸気発生器を開示している。この蒸気発生器は、基本的に放熱セクション及び対流セクションを備え、少なくとも１つの過熱器を有し、放熱セクションの壁の内側に配置されたプレートを有し、放熱セクションのプレートと壁の間には空間が設けられている。過熱器の少なくとも一部が、放熱セクション内の空間内に壁過熱器として配置されている。この空間は、燃焼室内のガスの圧力よりも高い圧力状態である、低腐食性ガス雰囲気を有する。これにより、高い過熱器温度を腐食無しに最終過熱器に到達させることが可能になり、それにより、過熱器を安価な材料から製造することが可能になる。

しかし、米国特許第６，２６９，７５４号は、燃焼排ガスと上述した過熱器の間の直接接触については提供しておらず、したがって、燃焼排ガスから蒸気へのエネルギーの移動はあまり効率的ではない。

本出願者のＥＰ ０５３６２６８ Ｂ１は、様々な種類の固形廃棄物及び場合によって液体廃棄物を焼却処分する方法及び装置を開示している。固形廃棄物及び場合によって液体廃棄物は、ａ）固形廃棄物が、液体スラグが回転炉の入口に形成されるような高い温度で回転炉に送出される、固形廃棄物の階段式火格子上の部分燃焼により、ｂ）場合によっては階段式火格子上で焼却処分されている固形廃棄物に液体廃棄物を付加することにより、及びｃ）例えば火格子スクリーニング、ボイラ灰、飛散灰などの燃焼プロセスからの灰生成物、及び燃焼排ガス洗浄からの残留生成物を収集し、これらの生成物を（その入口の末端でこれらの生成物が液体スラッグ内に導入される）回転炉の入口の末端に戻すことにより、焼却処分される。このようにして、スラグ、飛散灰、及び燃焼プロセスからの他の有害な残留生成物が、塩及び重金属がそこから浸出する恐れがないガラス様の塊に融合されることが達成される。

しかし、ＥＰ ０５３６２６８ Ｂ１では、固形及び液体廃棄物の焼却処分からの最適化されたパワー出力は提供されていない。
ＧＢ８９９，４１５は、蒸気ボイラ又は水加熱器の燃焼のガス又は生成物を加熱する流路を制御するための装置を開示している。

石油などの資源エネルギーがますます減少してきている世界では、他の資源から供給されるエネルギーに対する需要が高まってきている。ごみがボイラ内で焼却処分されるとき、焼却処分プロセスからエネルギーが抽出され得る。したがって、凝縮されず、且つ発電機を駆動する蒸気タービン内に供給されたときに効率的な高パワー出力を生じることを確実にする十分高い温度を有する蒸気を供給するように、焼却処分プロセスを最適化することが重要である。そのような蒸気は、例えば過熱蒸気でよい。

したがって、過熱蒸気からの高電気出力、及びチューブ表面温度が高温である最終過熱器を提供するように最適化されたボイラが必要になる。

通常、過熱蒸気は、いわゆる最終過熱器から発生する。しかし、ボイラ内では、ガスの一部、例えば燃焼排ガス及び灰粒子は腐食性であり、こうした腐食特性により最終過熱器が攻撃され、その結果最終過熱器の寿命が短縮される。

したがって、最終過熱器の寿命を延長するための何らかの手段が設けられた最終過熱器を有するボイラも必要になる。

こうした必要は、ボイラがセパレータ要素及び最終過熱器を備えるときに実現される。ボイラは、ごみを乾燥、着火、及び燃焼させ、燃焼排ガスとの熱交換による蒸気を発生させるためのものである。ボイラは、ガスの主要な流れ方向を規定し、セパレータ要素は、燃焼排ガスをそれぞれ低腐食性ガス流と腐食性のガス流の流れに分離するように適合されている。セパレータ要素は、実質的に主要な流れ方向に且つそれに沿って配置され、最終過熱器は、セパレータ要素の近位且つ低腐食性ガス流内に配置される。

これにより、本発明は、ボイラの最終過熱器の寿命が延長され、ボイラもまた、最終過熱器内の蒸気温度の上昇によって効率的な高電気出力を提供するという利点を有する。

さらに、最終過熱器は、洗浄されたガス、すなわち低腐食性ガス及び灰粒子に晒されるときより高温で使用することができる。

本発明は、好ましい実施例に関して、添付の図を参照して以下により完全に説明される。

図中、同じ参照番号は、類似の又は対応する特徴又は機能を示す。

一般に、用語「過熱器」又は「最終過熱器」は、ボイラによって発生した蒸気をさらに加熱し、それにより、蒸気内の熱エネルギーを上昇させ、蒸気が凝縮する可能性を低減する装置を示す。過熱された蒸気は、論理的に過熱蒸気として知られているが、それに対して非過熱蒸気は飽和蒸気又は湿り蒸気と呼ばれている。非過熱蒸気を回避すること、したがって主に過熱蒸気を使用することが重要である。したがって、過熱蒸気は、発電機を駆動する蒸気タービン内に供給されると、特に蒸気の温度及び圧力が十分高い場合、効率的な高電気出力を供給する。

図１は、プレート又は壁を使用して燃焼排ガスを分離するボイラの第１の実施例を示す。一般に、ボイラ（１）は、ごみを乾燥、着火、及び燃焼させる。ごみが焼却処分されると、ガス雰囲気、すなわち燃焼排ガス（３）が、ごみ（９）の焼却処分の最初の結果となる。

一般に、ごみは、火格子ブロック、例えば往復可能な火格子によってボイラ内に運び込まれる。ごみを運ぶため、火格子を１つ又は複数の運搬装置と組み合わせることができる。基本的に、ごみは、左から右に運ばれ、すなわちごみ−焼却処分のプロセスに従うとき、燃焼排ガスの参照番号３から開始し、参照番号７に進んで参照番号６で終了し、参照番号７では腐食性ガス流がその結果となり、それに対して参照番号６では、低腐食性ガス流がその結果となる。

低腐食性ガスは、本質的にはＣｌ、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、Ｐｂなどの腐食成分を含まず、一方で腐食性ガスは、腐食成分を含み、例えばＣｌ、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、及びＰｂの１つ又は複数を含む。基本的に、低腐食性ガスは、最終過熱器上に与える腐食が小さいガスとして理解することができる。

プロセスのこの時点において、こうしたガス、すなわち参照番号６及び７は、別々に処理されるべきであるので、混合されないことが重要である。そのため、本発明による分離が行われる。参照番号５は、ガスの主要な流れ方向を規定する。燃焼排ガス（３）の分離は、参照番号４で示すセパレータ要素を用いて実施される。この要素は、例示的な実施例では、プレート（４ａ）として又は壁（４ｂ）の形態で設けることができる。

通常、プレート（４ａ）は、水が充填されたボイラ・チューブ・パネルであり、このパネルは、これもまた水が充填されたボイラ・チューブ・パネルである、一方のボイラ側壁から他方のボイラ側壁に延びる。このプレートは、側壁に懸架されている。プレートは、例えば高合金Ｃｒ−Ｎｉオーバーレイ溶接により、又は本質的に堅固な耐熱材料により、その表面を腐食保護することができる。

壁（４ｂ）は、通常、一方のボイラ側壁から他方のボイラ側壁に延びる鉄筋れんが又は鋳造の耐熱壁である。この鉄筋は、例えば液体、蒸気、ガス、又は空気である冷却媒体が通り抜けることが可能なように中空にすることができる。

さらに、セパレータ要素は、別の例示的な実施例では、チャネルとして設けることができ、すなわちプレート（４ａ）及び壁（４ｂ）を、様々な組合せで使用してチャネルを形成することができる。チャネルはまた、管形状を有してもよい。

プレート（４ａ）又は壁（４ｂ）、或いは上記で設定された要求事項を満たす類似の構造要素は、実質的には上述したガスの主要な流れ方向（５）に及びそれに沿って配置される。通常、プレート又は壁は、主要な流れ方向に平行に配置される。

したがって、一般に、セパレータ要素（４）は、ボイラ（１）の壁上に又はそこから懸架可能であるように適合される。

したがって、セパレータ要素により、低腐食性ガス流（６）及び腐食性ガス流（７）が、この時点で分離されていることが確保される。本発明の１つの実施例では、セパレータ要素は、主要な流れ方向（５）に対してほぼ垂直な方向に移動可能なように適合される。これにより、セパレータ要素は、前後に移動する際、一方のガスの流れが実質的に腐食性要素を含み、他方のガスの流れが実質的に低腐食性要素を含むことを保証するように配置することができる。長期的に見ると、セパレータ要素を最適に配置することが、ボイラから蒸気が供給された蒸気タービンによって駆動される発電機からの効率的な高パワー出力に反映され得る。

移動可能なセパレータ要素は、対向するボイラ側壁に懸架された軸受内でその上部で枢動することができるプレート、壁、又はチャネルでよく、例えば前方向／後方向の異なる位置でその底部でボイラ側壁に対して移動及び固定することができる。

セパレータ要素（４）は、ボイラ（１）の上部ゾーン（１０）から懸架可能であるように適合される。

図２は、管を用いて分離するボイラを示す。

セパレータ要素、すなわち前述の図のプレート、壁、又はチャネルの代替策として、管が、燃焼排ガスを低腐食性ガス流（６）と腐食性のガス流（７）のそれぞれに分離するためのセパレータ要素として使用されてよい。管（４ｃ）には、１つ又は複数のノズル（４ｄ）を設けることができる。この又はこれらのノズルは、低温の洗浄された再循環燃焼排ガスを、主要な流れ方向（５）に従って、低腐食性ガス流（６）と腐食性ガス流（７）の間に吹き付けるように適合され、それにより、こうしたガス流（６、７）は、２つの別々な流れで主要な流れ方向（５）に流れ続ける。低温の洗浄された再循環燃焼排ガスには、チューブシステムを有するＩｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｄｒａｕｇｈｔファンを設けることができ、このファンは、洗浄された燃焼排ガスの一部を、例えば工場の煙突の前で取り込み、低温ガスを分離管に送り込む。

ノズルは、管内で無作為な形で設けてよく、或いは管に沿ってほぼ同じ方向に、又は管に沿ってほぼ同じ方向に２つ以上の列で設けてもよい。

ノズルは、注入された低温ガスが、燃焼する燃焼排ガス流（６）と（７）の間にまで浸透することを可能にして、これらの燃焼排ガス流（６、７）を水平に配置された分離管の縦方向高さの１０〜２０倍の高さになるように成形する、サイズ及び設計を有さなければならない。

管は、図上に参照番号４ｃで示すように、主要な流れ方向（５）に対してほぼ垂直に配置される。

分離管（４ｃ）は、対向するボイラ側壁に懸架され、その軸周り及び異なる前方向／後方向の位置でボイラ側壁に対して移動及び固定することができる。

本発明の１つの実施例では、管は、主要な流れ方向（５）にほぼ垂直な方向に移動可能なように適合される。これにより、管は、前後に移動する際、一方のガスの流れが実質的に腐食性要素を含み、他方のガスの流れが実質的に低腐食性要素を含むことを保証するように配置することができる。長期的に見ると、管を最適に配置することが、発電機がボイラから蒸気が供給された蒸気タービンによって駆動される際の効率的な高パワー出力に反映され得る。

低腐食性ガス（６）及び腐食性のガス（７）が共にボイラの混合ゾーン（１０）に到達するとき、これらのガスは、後燃焼のための二次燃焼空気を注入することによって混合され、このとき混合されたガスは、放熱ゾーン内の蒸発器壁及び３００〜４５０℃の蒸気（２）を生成する１つ又は複数の過熱器（１１）によって冷却される。これ（すなわち１つ又は複数の過熱器による冷却）は、低腐食性ガス（６）が、主要な流れ方向（５）に移動したときに管、プレート、壁、又はチャネルと接触していたかに関係なく、いずれの図にも当てはまる。

１つ又は複数の過熱器を離れたこの蒸気（２）（図１を参照）は、次いで１つ又は複数の管によって最終過熱器（８）の入口（８ａ）に供給され、この最終過熱器（８）内でこの蒸気が加熱され、２５〜２００℃の温度上昇が得られる。

このより温められた蒸気（２ａ）、すなわち温度が上昇した蒸気は、例えば最終過熱器（８）の出口（８ｂ）から蒸気タービン（１４）に供給される。したがって、この蒸気（２ａ）を電気生成に利用することができ、例えば蒸気を、管によって出口から発電機（１５）を駆動する蒸気タービン（１４）内に供給し、次いで、その発電機から、電気が生成され得る。より温められた蒸気（２ａ）は、ボイラからの出力、すなわち最終過熱器からの出力であるので、その結果ボイラは高いパワー出力効率ももたらす。この効率は、当然ではあるが、３００〜４５０℃の蒸気（２）がボイラからの出力であった場合はより高くなる。故に、蒸気が最終過熱器内で加熱されると、高電力及び高効率出力が得られる。

通常、最終過熱器（８）は、例えばプレート、壁などのセパレータ要素（４）の近位、或いはそのチャネル又は分離管（４ｃ）上方の低温ガスカーペット・カーテン内、且つすべての場合において低腐食性ガス流（６）内に配置される。したがって、最終過熱器はほとんど腐食の影響を受けないことが有利な点である。

故に、最終過熱器が、腐食性ガス流（７）よりも低腐食性ガス流（６）に配置されることが有利な点である。最終過熱器が、腐食ガス流（７）に配置された場合（これは本発明のケースではないが）、最終過熱器がそのように配置されることで、最終過熱器の寿命が短縮され、侵食環境に配置されることで、その運転寿命中、腐食性ガスのために必要以上の頻度の高い修理作業が必要となる恐れがある。

したがって、最終過熱器の寿命を延長するために設けられた手段は、最終過熱器が晒される低腐食性ガス流を提供し、それによって最終過熱器が腐食性ガス流に晒されることを回避する分離要素となる。

したがって、本発明は、最終過熱器の寿命が延長され、ボイラが高電力効率をもたらすという利点を有する。

上記で論じたように、低腐食性ガス（６）及び腐食性ガス（７）が、ボイラ（１）の混合ゾーン（１０）内で互いに混合される。ボイラは、さらにブロー装置（１２）を備える。このブロー装置は、二次空気を吹き付けることによって低腐食性ガス（６）と腐食性ガス（７）を効果的に混合するように適合され、それによって混合物を、ボイラの上部ゾーン（１３）に到達する前に効果的に後燃焼させることができる。

プレート又は壁を用いて燃焼排ガスを分離するボイラの第１の実施例を示す図である。 ノズルを備えた管を用いて分離するボイラを示す図である。

Claims (14)

1. ごみを乾燥、着火、燃焼させ、前記ごみ（９）の焼却処分の結果である燃焼排ガス（３）との熱交換によって蒸気（２、２ａ）を生成し、ガスの主要な流れ方向（５）を規定し、セパレータ要素（４）及び最終過熱器（８）を備える、ボイラ（１）であって、前記セパレータ要素（４）が、前記燃焼排ガス（３）を低腐食性ガス流（６）と腐食性ガス流（７）の流れに分離するように適合され、実質的に前記主要な流れ方向（５）に及びそれに沿って配置され、前記最終過熱器（８）が、前記セパレータ要素（４）の近位で、前記低腐食性ガス流（６）内に配置され、
   前記セパレータ要素（４）が、低温の洗浄された再循環燃焼排ガスを前記主要な流れ方向（５）に沿って前記低腐食性ガス流（６）と前記腐食性ガス流（７）の間に吹き付けるように適合された１つ又は複数のノズル（４ｄ）を有する管（４ｃ）を備え、それによって、これらのガス流（６、７）が２つの別々の流れで前記主要な流れ方向（５）に流れ続け、
   前記管（４ｃ）が、対向するボイラ側壁に懸架され、その軸周り及び異なる前方向／後方向の位置でボイラ側壁に対して移動及び固定できるようになっている、ボイラ。
2. 前記管が、前記主要な流れ方向（５）にほぼ垂直に配置される、請求項１に記載のボイラ。
3. 前記ノズル（４ｄ）が、前記管（４ｃ）内で無作為な形で設けられる、請求項１または２に記載のボイラ。
4. 前記ノズル（４ｄ）が、前記管（４ｃ）に沿って同じ方向に設けられる、請求項１、２または３に記載のボイラ。
5. 前記ノズル（４ｄ）が、前記管（４ｃ）に沿って同じ方向に２つ以上の列で設けられる、請求項１から４までのいずれか１項に記載のボイラ。
6. 前記ノズル（４ｄ）が、注入された低温ガスが、燃焼する燃焼排ガス流（６）と（７）の間にまで浸透することを可能にして、これらの燃焼排ガス流（６、７）を水平に配置された管（４ｃ）の縦方向高さの１０〜２０倍の高さになるような形状及び設計を有する、請求項１から５までのいずれかに記載のボイラ。
7. 前記管（４ｃ）が、前記主要な流れ方向（５）に対してほぼ垂直な方向に移動可能なように適合される、請求項１から６までのいずれかに記載のボイラ。
8. 前記低腐食性ガス（６）及び腐食性ガス（７）が、放熱ゾーン内の蒸発壁、及び３００〜４５０℃の蒸気（２）を生成する１つ又は複数の過熱器（１１）によって冷却される、請求項１から７までのいずれかに記載のボイラ。
9. 前記蒸気（２）が、前記最終過熱器（８）内で加熱される、請求項１から８までのいずれかに記載のボイラ。
10. 前記最終過熱器（８）が、前記蒸気（２）を、温度が上昇した蒸気（２ａ）になるように加熱し、その結果、前記蒸気（２）の温度に比べて２５〜２００℃の温度上昇が得られる、請求項１から９までのいずれかに記載のボイラ。
11. 前記低腐食性ガス（６）が、本質的にＣｌ、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ及びＰｂを含まない、請求項１から１０までのいずれかに記載のボイラ。
12. 前記腐食性ガス（７）が、Ｃｌ、Ｋ、Ｎａ、Ｚｎ、及びＰｂのうち１つ又は複数を含む、請求項１から１１までのいずれかに記載のボイラ。
13. 二次空気を吹き付けることによって、前記低腐食性ガス（６）と前記腐食性ガス（７）を効果的に混合するように適合されたブロー装置（１２）をさらに備え、それによって前記混合物を前記ボイラの上部ゾーン（１３）に到達する前に効果的に後燃焼させることができる、請求項１から１２までのいずれかに記載のボイラ。
14. 約４５０℃の前記蒸気（２ａ）が、発電機（１５）を駆動する蒸気タービン（１４）内に供給されるとき、電気を生成するために利用される、請求項１から１３までのいずれかに記載のボイラ。

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