JP5606592B2 - 温度調節システム - Google Patents

Description

本発明は、燃焼処理された排ガスの温度を調節する温度調節システムに関するものである。

廃棄物を燃焼させると、高温の排ガスが発生するが、この排ガスをボイラに導いて、熱回収を行うようにしているものがある。図５を用いて、従来におけるごみのガス化溶融システムについて説明する。

ごみピット１１１に収容されたごみ１１１ａは、ごみクレーン１１０により溶融炉１０１の頂部から投入され、溶融炉１０１内におけるごみ１１１ａの熱分解によって発生したガスは、ガス管１０２を経由して、燃焼室１０３にて燃焼される。燃焼室１０３での燃焼に必要な空気は、燃焼空気送風機１０８から燃焼室１０３に供給される。燃焼ガスの温度は、８５０〜１０５０℃の高温になり、後段のボイラ１０４にて熱回収される。

ボイラ１０４は、水冷壁で構成されており、燃焼室１０３からの排ガスは、放射冷却部１０４ｅで冷却され、さらに、過熱器１０４ｄ、蒸発器１０４ｃ、節炭器１０４ｂにより冷却、熱回収される。

ボイラ１０４には、ボイラ給水ポンプ１０９からボイラ用の水が供給され、供給された水は、節炭器１０４ｂを経由して、気水分離ドラム１０４ａに導かれる。気水分離ドラム１０４ａ内の水は、水冷壁および蒸発器１０４ｃに供給され、蒸気となって気水分離ドラムに戻る。気水分離ドラムの蒸気は、過熱器１０４ｄに送られ、過熱蒸気となって、ボイラ１０４から取り出される。この蒸気は、通常、蒸気タービンに送られ、発電に用いられる。

ボイラ１０４を通過した排ガスの温度は、約２００℃となっており、減温塔１０５にて、水スプレーノズル１０５ａを用いた蒸発冷却方式により、約１５０〜１７０℃に冷却される。減温塔１０５からバグフィルタ（集塵器）１０６に移動した排ガスは、バグフィルタ１０６で除塵された後、誘引送風機１０７から煙突に送られる。ここで、減温塔１０５にて排ガスを冷却する目的は、バグフィルタ１０６に供給される排ガスの温度がバグフィルタ１０６で用いられているろ布の耐熱温度を超えてしまうのを防止するためと、バグフィルタ１０６において排ガスに含まれる塩化水素を除去する効率を高めるためである。

特開昭６１−１５７３３３号公報 特開２００２−２２８１３９号公報

図５に示す構成では、減温塔１０５において、水を噴霧させて排ガスを冷却しているため、熱回収という観点からはエネルギの損失となってしまう。

ここで、減温塔１０５での冷却処理を省略するためには、ボイラ１０４において、減温塔１０５での温度範囲（基準温度範囲、例えば、１５０〜１７０℃）まで排ガスを冷却させることが望ましい。しかしながら、例えば、ボイラ１０４のうち、最も下流に位置する節炭器１０４ｂにおいて、排ガスの温度を所定の温度に低下させようとしても、節炭器１０４ｂを通過した後の排ガスの温度を制御することはできない。節炭器１０４ｂに供給されるボイラ用の水量は、気水分離ドラム１０４ａの水位や蒸気の発生量に基づいて決定されるためである。

また、節炭器１０４ｂに供給される水の温度は、節炭器１０４ｂの伝熱管が低温腐食等してしまうのを防止するために、通常、約１１０〜１４０℃に設定されており、節炭器１０４ｂで熱交換された水の温度は、約１６０℃となる。このような構成では、節炭器１０４ｂにおいて、排ガスの温度を上述した基準温度範囲まで低下させることは困難である。

本発明は、廃棄物のガス化溶融処理または焼却処理によって発生し、燃焼処理された排ガスの温度を調節する温度調節システムにおいて、排ガスの移動経路内に配置され、冷却水を用いた熱交換によって排ガスの冷却を行わせる伝熱管と、移動経路内において伝熱管が配置された２つの領域の間に位置し、排ガスを冷却させることなく通過させる通路と、通路内における排ガスの通過量を調節するためのダンパと、を有することを特徴とする。

そして、ダンパの駆動を制御するコントローラと、伝熱管および通路を通過した排ガスの温度を検出するための温度センサと、を設けることができる。ここで、コントローラは、温度センサによる検出温度が基準温度範囲の下限値よりも低ければ、通路における排ガスの通過量を増加させ、検出温度が基準温度範囲の上限値よりも高ければ、通路における排ガスの通過量を減少させることができる。

本発明によれば、ダンパを用いて、通路内における排ガスの通過量を調節することにより、伝熱管および通路を通過した排ガスの温度を調節することができる。

本発明の実施例１であるガス化溶融システムの構成を示す図である。 実施例１のボイラ出口側における一部の構成を示す図である。 図２のＡ−Ａ断面図である。 排ガスバイパス制御弁における排ガスの温度調節処理を示すフローチャートである。 従来のガス化溶融システムの構成を示す図である。

以下、本発明の実施例について説明する。

本発明の実施例１である排熱回収システムを備えたガス化溶融システムについて、図１を用いて説明する。

ごみピット１１に収容されたごみ１１ａは、ごみクレーン１０によって搬送されて、溶融炉１内に、この頂部から投入される。ごみ１１ａは、溶融炉１内において、高温雰囲気のもとで熱分解され、熱分解によって発生した排ガスは、ガス管２を通過して、燃焼室３に導かれる。燃料室３では、燃焼空気を用いて、排ガスの燃焼が行われる。

ここで、燃焼室３には、燃焼空気送風機８が接続されており、燃焼空気送風機８から燃焼室３内に空気が供給されるようになっている。燃焼空気送風機８から送り出される空気の温度は、常温となっているが、燃焼空気送風機８からの空気は、後述するように、空気熱交換器１４からの熱を受けて温められるようになっている。

燃焼室３での燃焼処理によって、排ガスは、例えば、８５０〜１０５０℃の高温状態となり、ボイラ４に導かれる。ボイラ４は、水冷壁で構成されており、燃焼室３からの排ガスは、放射冷却部４ｅ、過熱器４ｄ、蒸発器４ｃ、節炭器４ｂおよび排ガス熱交換器１２に対して、この順に接触することにより、熱交換が行われる。

ボイラ給水ポンプ９は、ボイラ４への給水を行い、ボイラ給水ポンプ９から供給された水は、節炭器４ｂを通過して、気水分離ドラム４ａに導かれる。ボイラ給水ポンプ９からの水は、節炭器４ｂの伝熱管を移動する際に、節炭器４ｂを通過する排ガスから熱を受ける。例えば、節炭器４ｂに供給される水温は１１０〜１４０℃であり、節炭器４ｂでの熱交換後の水温は、約１６０℃〜１８０℃前後となる。気水分離ドラム４ａの水は、水冷壁および蒸発器４ｃに導かれ、蒸発器４ｃ等を移動する排ガスからの熱を受けて、蒸気となる。

蒸発器４ｃで生成された蒸気は、気水分離ドラムを介して、過熱器４ｄに導かれる。そして、過熱器４ｄでは、過熱器４ｄを通過する排ガスによって、過熱蒸気が生成され、ボイラ４から取り出される。ボイラ４から取り出された過熱蒸気は、蒸気タービンに供給され、蒸気タービンの駆動によって発電機で電力を生成している。なお、排ガス熱交換器１２の具体的な構成および動作について、後述する。

上述したように、燃焼室３で生成された高温の排ガスは、ボイラ４を通過することにより、冷却されて、熱回収が行われる。そして、ボイラ４を通過した排ガスは、バグフィルタ（集塵器）６に導かれて、排ガスに含まれる塵（塩化水素、硫黄酸化物、飛灰等）が除去される。具体的には、バグフィルタ６内には、複数のろ布６ａが設けられており、ボイラ４からの排ガスを、ろ布６ａを通過させることにより、集塵処理が行われる。

バグフィルタ６を通過した排ガスは、誘引送風機７を介して、煙突に供給され、煙突から大気中に排出される。ここで、図５に示す従来の構成では、ボイラ１０４およびバグフィルタ１０６の間に、減温塔１０５が配置されているが、本実施例では、減温塔１０５が省略されており、ボイラ４からの排ガスが直接、バグフィルタ６内に導かれるようになっている。

また、本実施例のボイラ４では、節炭器４ｂに対して、排ガスの移動方向における下流側に、排ガス熱交換器１２を配置している。排ガス熱交換器１２は、節炭器４ｂを通過した排ガスと接触して、この排ガスの熱を吸収する。なお、本実施例では、排ガス熱交換器１２を、ボイラ４内に設けているが、これに限るものではなく、ボイラ４およびバグフィルタ６の間における排ガスの移動経路上に配置することができる。すなわち、バグフィルタ６内に排ガスが進入する前に、排ガス熱交換器１２を用いて、排ガスの温度を低下させておけばよい。

排ガス熱交換器１２の具体的な構成について、図２および図３を用いて説明する。ここで、図２は、排ガス熱交換器１２の周辺構造を示す拡大図である。また、図３は、図２のＡ−Ａ断面図であって、排ガス熱交換器１２の構成を示す上面図である。

排ガス熱交換器１２は、ベアチューブで構成された伝熱管１２ａを有している。ボイラ４のうち、排ガス熱交換器１２が位置する領域は、３つの領域Ｃ１〜Ｃ３に分けられており、領域Ｃ２，Ｃ３には、伝熱管１２ａが配置されている。また、領域Ｃ２，Ｃ３の間に位置する領域Ｃ１には、排ガスバイパス制御弁１５が配置されている。排ガスバイパス制御弁１５の構成については、後述する。

伝熱管１２ａには、循環ポンプ１３（図１参照）から水が供給されるようになっており、伝熱管１２ａ内を移動する水によって、伝熱管１２ａの外面に接触した排ガスが冷却される。循環ポンプ１３は、給水タンク１７に収容された水を、伝熱管１２ａに供給する。伝熱管１２ａに供給される水の温度は、９０℃以上であって、１００℃よりも低くなっている。９０℃以上の水を伝熱管１２ａに供給することにより、伝熱管１２ａの温度を、９０℃以上（１００℃よりも低い）に維持でき、伝熱管１２ａが低温腐食してしまうのを抑制することができる。

伝熱管１２ａ内の水は、伝熱管１２ａを通過する排ガスからの熱を受けて、略１００℃の気液混合水（蒸気および水が混合したもの）となる。節炭器４ｂを通過した排ガスの温度、言い換えれば、排ガス熱交換器１２に進入する排ガスの温度は、平均２００℃程度となっており、伝熱管１２ａに供給される９０℃以上の水によって、排ガスの温度を効率良く低下させることができる。すなわち、伝熱管１２ａの伝熱面積を増加させることなく、排ガス熱交換器１２において排ガスの冷却を行うことができる。

伝熱管１２ａ内で発生した気液混合水は、排ガス熱交換器１２から取り出されて、循環ダクト２５を介して、燃焼空気熱交換器１４に導かれる。燃焼空気熱交換器１４は、燃焼空気送風機８および燃焼室３を接続するダクト２６に設けられており、排ガス熱交換器１２から導かれた気液混合水の熱を、ダクト２６内を移動する空気に伝達させる。これにより、燃焼空気送風機８から送り出された空気は、温められた状態で燃焼室３に供給される。また、燃焼空気熱交換器１４での熱交換によって、気液混合水は液化し、この水は、給水タンク１７に導かれる。

燃焼空気熱交換器１４によって温められた空気を燃焼室３に供給することにより、燃焼室３での燃焼効率を向上させることができる。また、ボイラ４に導かれる排ガスの熱量を増加させることができ、ボイラ４における蒸気の発生量を増加させることができる。さらに、従来の構成（図５）において減温塔１０５で廃棄されている熱エネルギを用いて、燃焼室３に供給される空気を温めているため、燃焼室３で生成された熱エネルギを効率良く利用することができる。

なお、燃焼空気熱交換器１４の伝熱管を移動する空気には、ダストがないため、燃焼空気熱交換器１４の伝熱管として、例えば、フィンチューブを用いることができる。

給水タンク１７内には、スタートアップ用にヒータ２４が配置されており、ヒータ２４で発生した熱によって、給水タンク１７内の水温を、９０℃以上であって、１００℃よりも低くしている。ヒータ２４の熱源としては、例えば、蒸気を用いることができる。

また、本実施例のガス化溶融システムを起動させる前に、給水タンク１７内の水温を予め上昇させておけば、排ガス熱交換器１２における伝熱管１２ａの低温腐食を抑制したり、バグフィルタ６の入口温度を上昇させやすくしたりすることができる。なお、給水タンク１７には、外部（大気）との間で空気の移動を許容させるための通気管１８が設けられている。そして、通気管１８を設けることにより、給水タンク１７内の水温が１００℃を超えてしまうのを阻止している。

本実施例では、循環ダクト２５に分岐ダクト２７が接続されており、分岐ダクト２７は、伝熱管１２ａからの気液混合水の一部を給水タンク１７内に導くようにしている。ここで、分岐ダクト２７には、水量調節弁２２が設けられており、給水タンク１７に導かれる気液混合水の量が調節される。

水量調節弁２２の動作は、水温制御装置２１によって制御される。具体的には、水温制御装置２１は、水温センサ２３の出力に基づいて、給水タンク１７内の水温を検出し、この検出結果に基づいて、水量調節弁２２の駆動を制御する。

ここで、水温センサ２３による検出温度が９０℃よりも低ければ、水量調節弁２２を開き方向に動作させることにより、伝熱管１２ａから給水タンク１７に向かう気液混合水の量を増加させる。これにより、給水タンク１７内に高温の気液混合水が混ざり、給水タンク１７内の水温を上昇させることができる。また、通常の状態では、給水タンク１７内の水温が９０℃以上であり、水量調節弁２２は閉じている。

このような制御を行うことにより、給水タンク１７内の水温を９０℃以上であって、１００℃よりも低い温度に維持することができる。

次に、排ガスバイパス制御弁１５の構成について、説明する。なお、本実施例では、１つの排ガスバイパス制御弁１５を用いているが、排ガスバイパス制御弁１５を複数用いることもできる。

排ガスバイパス制御弁１５は、ケーシング１５ａと、ケーシング１５ａに回転可能に支持された回転軸１５ｂと、回転軸１５ｂの外周に形成された弁板（ダンパ）１５ｃと、を有している。回転軸１５ｂは、アクチュエータ１６に接続されており、アクチュエータ１６からの駆動力を受けて回転するようになっている。

回転軸１５ｂは、矢印Ｒで示す方向に回転するようになっており、ケーシング１５ａにおける排ガスの移動通路を概ね塞いだり、ケーシング１５ａにおける排ガスの移動を許容したりする。また、回転軸１５ｂの回転角度を調節することにより、ケーシング１５ａを通過する排ガスの量を調節することができる。そして、弁板１５ｃを、ケーシング１５ａの壁面と略平行となるように位置させれば、排ガスバイパス制御弁１５における排ガスの通過量を最も多くすることができる。

ボイラ４およびバグフィルタ６を接続するダクト２８内には、ガス温度センサ２０が設けられている。ガス温度センサ２０は、ダクト２８内を通過する排ガスの温度を検出するために設けられている。なお、ガス温度センサ２０は、ボイラ４（排ガス熱交換器１２）およびバグフィルタ６の間に位置していればよく、この範囲内において、ガス温度センサ２０の配置位置を適宜設定することができる。

排ガス温度制御装置１９は、ガス温度センサ２０の出力信号に基づいて、排ガスの温度を検出する。また、排ガス温度制御装置１９は、ガス温度センサ２０による検出温度に基づいて、アクチュエータ１６の駆動を制御する。

ここで、排ガス温度制御装置１９における具体的な処理動作について、図４に示すフローチャートを用いて説明する。

ステップＳ１０において、排ガス温度制御装置１９は、ガス温度センサ２０の出力に基づいて、排ガスの温度を検出する。そして、ステップＳ１１において、ステップＳ１０で検出された排ガスの温度が基準温度範囲の下限値よりも低いか否かを判別する。基準温度範囲とは、バグフィルタ６に導くことができる排ガスの温度範囲であり、予め設定されている。例えば、基準温度範囲を、１５０（下限値）〜１７０（上限値）℃に設定することができる。

ここで、排ガスの温度が１５０℃よりも低くなってしまうと、バグフィルタ６のケーシング等が低温腐食してしまうおそれがある。また、排ガスの温度が１７０℃を超えてしまうと、バグフィルタ６の入口煙道に噴霧された消石灰による、バグフィルタ６のろ布６ａ表面における塩化水素の捕集効果が低下してしまうおそれがある。さらに、排ガスの温度が１７０℃を超えてしまう場合には、バグフィルタ６のろ布６ａとして、耐熱用のろ布６ａを用いなければならず、コストアップとなってしまう。そして、排ガスの温度が２００℃を超えてしまうと、耐熱用のろ布６ａを用いることもできなくなってしまう。

ステップＳ１１において、検出温度が下限値よりも低い場合には、ステップＳ１２に進み、そうでない場合には、ステップＳ１３に進む。

ステップＳ１２において、排ガス温度制御装置１９は、アクチュエータ１６を駆動することにより、排ガスバイパス制御弁１５における排ガスの通過量を増加させる。節炭器４ｂからの排ガスは、図２に示すように、伝熱管１２ａを通過する成分と、排ガスバイパス制御弁１５を通過する成分とに分けられる。ここで、伝熱管１２ａを通過する排ガスは、上述したように、伝熱管１２ａ内を移動する水（９０〜１００℃）との熱交換によって、冷却される。一方、排ガスバイパス制御弁１５に進入した排ガスは、冷却されることなく、排ガスバイパス制御弁１５を通過する。

このため、排ガスバイパス制御弁１５を通過する排ガスの量を増加させれば、ガス温度センサ２０によって検出される排ガスの温度を上昇させることができる。

ステップＳ１３において、排ガス温度制御装置１９は、ステップＳ１０で検出された排ガスの温度が基準温度範囲の上限値よりも高いか否かを判別する。ここで、検出温度が上限値よりも高ければ、ステップＳ１４に進み、そうでなければ、本処理を終了する。

ステップＳ１４において、排ガス温度制御装置１９は、アクチュエータ１６を駆動することにより、排ガスバイパス制御弁１５における排ガスの通過量を減少させる。排ガスの通過量を減少させれば、ガス温度センサ２０によって検出される排ガスの温度を低下させることができる。

上述した制御を行うことにより、ガス温度センサ２０によって検出される排ガスの温度、言い換えれば、バグフィルタ６に導かれる排ガスの温度を基準温度範囲内に維持することができる。これにより、バグフィルタ６内のろ布６ａに対して、過度の熱的負荷がかかるのを抑制したり、ろ布６ａにおける集塵効率を向上させたりすることができる。

本実施例では、熱交換された排ガスと熱交換されていない排ガスとを混合させることにより、バグフィルタ６に導かれる排ガスの温度を調節している。ここで、特許文献１に記載の技術でも、温度が互いに異なる排ガスを混合させることにより、ボイラ出口における排ガスの温度を調節している。しかしながら、本実施例（本発明）は、特許文献１とは異なる構成で、排ガスの温度を調節している。

すなわち、本実施例では、ボイラ４における排ガスの移動経路内（水冷壁内）に、伝熱管１２ａが配置される領域（領域Ｃ２，Ｃ３）と、排ガスバイパス制御弁１５が配置される領域（領域Ｃ１）とを設けている。このように構成すれば、簡素な構成で、バグフィルタ６に導かれる排ガスの温度を調節することができる。一方、特許文献１に記載の構成では、新たなダクトを追加しているため、構造が複雑になってしまう。

１：ガス化溶融炉 ２：ガス管
３：燃焼室 ４：ボイラ
４ａ：気水分離ドラム ４ｂ：節炭器
４ｃ：蒸発器 ４ｄ：過熱器
４ｅ：放射冷却部 ６：バグフィルタ
６ａ：ろ布 ７：誘引送風機
８：燃焼空気送風機 ９：ボイラ給水ポンプ
１０：ごみクレーン １１：ごみピット
１１ａ：ごみ １２：排ガス熱交換器
１３：循環ポンプ １４：燃焼空気熱交換器
１５：排ガスバイパス制御弁 １５ａ：ケーシング
１５ｂ：回転軸 １５ｃ：弁板
１６：アクチュエータ １７：給水タンク
１８：通気管 １９：排ガス温度制御装置
２０：ガス温度センサ ２１：水温制御装置
２２：水量調節弁 ２３：水温センサ
２４：ヒータ ２５〜２８：ダクト

Claims (3)

1. 廃棄物のガス化溶融処理または焼却処理によって発生し、燃焼処理された排ガスの温度を調節する温度調節システムにおいて、
   前記排ガスの移動経路内に配置され、冷却水を用いた熱交換によって前記排ガスの冷却を行わせる伝熱管と、
   前記移動経路内において前記伝熱管が配置された２つの領域の間に位置し、前記排ガスを冷却させることなく通過させる通路と、
   前記通路内における前記排ガスの通過量を調節するためのダンパと、
   を有することを特徴とする温度調節システム。
2. 前記ダンパの駆動を制御するコントローラと、
   前記伝熱管および前記通路を通過した前記排ガスの温度を検出するための温度センサと、を有し、
   前記コントローラは、前記温度センサによる検出温度が基準温度範囲の下限値よりも低ければ、前記通路における前記排ガスの通過量を増加させ、前記検出温度が前記基準温度範囲の上限値よりも高ければ、前記通路における前記排ガスの通過量を減少させることを特徴とする請求項１に記載の温度調節システム。
3. 前記伝熱管および前記通路を通過した前記排ガスは、集塵器に導かれることを特徴とする請求項１又は２に記載の温度調節システム。