JP6007365B2 - 排ガス発電浄化システム - Google Patents

Description

本発明は工場（コークス炉を含む）やごみの焼却設備、下水処理施設における高温排ガスの浄化プロセスと発電装置を組み合わせ、効率的なエネルギー回収（発電）と再生サイクルを行う方法と具体的装置に関するものである。

工場（コークス炉を含む）やごみの焼却設備、下水処理施設等で排出される高温排ガスの熱（エネルギー）回収は、一般的に温水ボイラや蒸気ボイラにより、温水や蒸気を得る方法でおこなわれている。そして大規模な設備では、蒸気ボイラで得られた蒸気で蒸気タービン発電機を駆動し排熱の回収を行っている。しかし、温水や蒸気については各プラント設備内において需要があれば有効な回収方法といえるが需要が無ければ有効な回収方法とはならず、また蒸気タービン発電においてはボイラや復水器等の付帯設備とその運用にかかるコストが高く、大規模なプラントにおいて大量の電気を発生できる場合には有効な回収方法であるが、比較的規模の大きくない設備から排出される熱量ではコストパフォーマンスが低いため、一般的な設備に導入されるには至っていないのが現状である。また、特殊タービンとして排ガスの膨張力を利用する排熱タービン発電機を設計している設計者も存在するがコストパフォーマンスの点で一般的な設備に導入されるには至っていないのが現状である。これに加え、先行技術として排ガスをミストやスチームで増量し加給機（ターボタービン）を駆動することで圧縮空気を作り出し、この圧縮空気を燃焼炉へ送る燃焼空気として利用するシステムに、付加的に発電用モーターを連結することで発電する技術は存在するが、完全な開放型（背圧式）の作動媒体の利用方式であり、主目的は圧縮空気を作り出して加圧流動炉焼却装置の制御を安定化することにある為、発電と排ガスの浄化プロセスは分離されており、効率的な発電を直接的な目的とするシステムではなかった。
排気の浄化についても、湿式の浄化装置としてスプレー式、バブル式等確立した技術は存在するものの、廃液の処理をする為の高度な廃水処理設備が必要であり、設備の整った下水処理施設等では容易に導入することが可能でも設備の整っていない工場等では廃液処理を外部に委託する費用や設備の設置コストがかさむという課題があった。

特開２００４−８９７７６（Ｐ２００４−８９７７６Ａ） 特開２００４−９２４１９（Ｐ２００４−９２４１９Ａ） 特開２００５−２８２５１（Ｐ２００５−２８２５１Ａ） 特開２００７−１７０７０４（Ｐ２００７−１７０７０４Ａ）

蒸気ボイラ（熱交換器、蒸発器）で得られた蒸気を用いて蒸気タービンを駆動し発電する方法は、付帯設備の設置や運用にかかるコストが高く、また高温（高圧）の排ガスをミストやスチームで増量してタービンを駆動し圧縮空気を作り出すことに付随して発電する方式は処理量が大量かつ一定していれば安定したタービン効率が得られるものの（先行技術文献参照）、処理量の少ない時間帯においてはタービン効率の低下が著しく発電量に対するコストパフォーマンスが必ずしも満足な数字を得られるわけではないシステムであることから両者とも一定規模以下の工場（コークス炉を含む）やプラント、下水処理施設等において廃熱による発電方法として一般的に用いられない方法であった。また、これらの発電には必ず排ガスの処理という工程が並存し、これらのプロセスと発電を完全に分離したシステムでは、熱回収（発電）と再生サイクルの効率化をはかることに限界があった。排気の浄化についても、湿式の浄化装置としてスプレー式、バブル式等確立した技術は存在するものの、廃液の処理をする為の高度な廃水処理設備が必要であり、設備の整った下水処理施設等では容易に導入することが可能でも設備の整っていない工場等では廃液処理を外部に委託する費用や設備の設置コストがかさむという課題があった。

そこで、本発明は、蒸気ボイラや復水器などの高価な付帯設備を設けることも大規模化の必要もないエネルギー回収（発電）と再生サイクルを行える方法に加え、高度な廃水処理設備も不要である排気浄化方法、及びこれらを組み合わせたシステムに用いる具体的装置を提供する。

本発明は、上記の目的を達成するため、次の手段を採った。すなわち、サイクロン集塵機を通過した高温排ガスの膨張力で回転するタービン車室にブロワー（圧縮機）を用いて排ガスを導入すると共に、タービン車室入口またはタービン車室内もしくはその両方に尿素水のミストを噴霧し気化させ、タービン車室内における該ミストの気化膨張時のエネルギーを直接タービン駆動に利用することでタービンの回転力を増加させ、連結された発電用モーターによりエネルギー回収（発電）し、該タービン排気を湿式の脱臭、脱硫、脱硝、集塵装置（以下湿式浄化装置）へ送り込んで排ガスの浄化を行うと共に該気化したミストを凝縮したのちフィルターにより微細な塵埃を濾過したものを該タービンへの噴霧用ミストとして再び用い、該湿式浄化装置から排出された排気の一部又は全部を炉内へ還流させ、又は該排気を活性炭吸着塔へ送り込み、該活性炭吸着塔から排出される排ガスの一部又は全部を炉内へ還流させる。

ブロワー（圧縮機）を備え、これにより導入される排ガスの膨張力で回転する羽根車（タービン翼）をタービン車室内に持ち、該タービン車室入口または該タービン車室内、もしくはその両方にミストを噴霧する構造と機能を備え、該タービンが発電用モーターと軸により連結されたことを特徴とする発電装置を作製する。

ケーシングに排気取り入れ口と排出口を備え、取り入れ口から連なる空間Ａは下部へ向かうに従い漸次広がるように内壁を持ち、該空間Ａから該内壁にそって上部に向かう経路と、該空間Ａ下部から該空間より遠ざかるように傾斜して上部に向かう経路で結ばれた空間Ｂを持ち、該空間Ｂは、上方からミストを噴霧する構造とする小空間を複数個備え、それぞれの小空間は流入した排気が進むにつれ上方向に段差がつくかたちでエル字型の内壁を挟む関係で連なり、さらにエル字型の内壁に沿って排気が進む方向を変化させるよう傾斜（湾曲）する案内板を備え充填される液体が二段階でオーバーフローし、それぞれのオーバーフローを受ける空間にフィルターと排出口が設けられ、前記排気の取り入れ口付近にミスト噴霧器を備えたことを特徴とする脱臭、脱硫、脱硝、集塵装置（以下湿式浄化装置）を作製する

蒸気ボイラ（蒸発器）や復水器（凝縮器、冷却設備）などの高価な付帯設備の設置や大規模化の必要もなく、これまでの蒸気発電よりも比較的短い始動時間で稼動が可能であり、完全な背圧式でない為、これまでの蒸気発電に匹敵する発電効率を確保し、排ガスをミストやスチームで増量したものをタービンに送り込むことで圧縮空気を作り出し、付加的に発電をする方式よりも高効率の発電効率が得られる。

石炭、ＬＮＧ及び廃熱を利用する発電には必ず排ガスの処理という工程が並存し、これらのプロセスと発電を完全に分離したシステムにおいては、おのずと熱循環や熱回収の効率化に限界があったが、排ガスの集塵、脱臭、脱硫、脱硝プロセスと新型発電装置を組み合わせることで、効率的なエネルギー回収（発電）と再生サイクルを行うことができる。

これまでの大型プラントなどでの蒸気タービン発電では効率的な発電と再生サイクルを確保するために復水式（タービンから出た蒸気を凝縮器で冷却し液体に戻すことで復水器内を真空に近付け、タービンの排気を引き込む方式）を用いているがタービン車室内も真空に近い排気圧にまで蒸気を膨張させるには相応にタービン車室の構造を大型化する必要と真空に耐える強度が求められ製造コストも高価となるが本システムでは湿式浄化装置により蒸気を凝縮するものの真空近くに保つことを目的としたシステムではないことから抽気の設備を設ける必要が無いのはもちろんであるが、タービン車室を大型化する必要がなく真空に耐える高価な造りにする必要も無い。またタービンが高温にさらされるものの常にミストが噴霧されることから蒸気による羽根の冷却が促され、耐熱用の特殊合金などをタービンの材質に使用する必要がないので、ステンレス製のタービンブレード、ブロワー、ファンを扱う一般的なメーカーにおいて様々な仕様（軸流式、遠心式の選択や段数の組み方、またはスクリュー式、ロータリー式、ルーツ形のタービンを採用するかなど）で容易に作製が可能である。仮に耐熱性に問題を生じてもセラミック系断熱塗料等でコーティングすることで対応できるのでタービンが安価である。しかし、凝縮の作用により排気を引き込む現象（効果）も相当に得られるので、小型・簡便な蒸気タービン発電で主に採用されている背圧式による発電方法よりも効率的に発電できる。

請求項１及び明細書記載の湿式浄化装置は排ガスの流入により充填液が図面における流路を半時計回りに循環し効率的に冷却することで蒸気を凝縮させるが、凝縮した液体は余熱を相当に持っている、これを再度タービンへ噴霧することでこれまでの蒸気タービン発電における復水式（熱交換器は用いず、ミストを噴霧することによって作動媒体を冷却し凝縮を促すもの）と同様の効率的な再生サイクルが得られるのはもちろんであるが外部で冷気を作り熱交換器を用いて該冷気との熱交換をすることで凝縮を促すものよりも高効率な再生サイクルが得られ、発電機に供給噴霧する作動媒体に尿素水を用いるので発電プロセスにおいて排気の浄化を高温状態かつ攪拌状態のもとで効率的に行うことができる。

高温のタービン内に微細なミストとして噴霧された尿素水からアンモニアが発生するので、アンモニアと窒素酸化物が反応し窒素と水に分解される。未反応の窒素酸化物とアンモニアは、そのまま活性炭吸着塔に送り込まれ、活性炭の触媒作用によって反応が促進され窒素と水に分解される。これにより一連のプロセスの中で無触媒還元法の効果と活性炭法の両方（複合方式）の効果を得ることができるため、リークアンモニア低減対策になる。複合方式により高効率に窒素酸化物を除去することができると共に脱硫も並行して行うことができ、活性炭吸着塔内にアンモニアが残留するので活性炭の再生時に活性炭が消費しにくく、ランニングコスト面において経済的な運用ができる。

本件システムにおいて浄化された排ガスを燃焼炉へ燃焼空気として一部還流させることで発生する窒素酸化物を抑制でき、該湿式浄化装置における尿素水のオーバーフローを炉内または煙道に噴霧することで効率的に窒素酸化物の浄化が促進されることから、湿式浄化装置へ新たに供給する尿素水の濃度や量を節減できることに加え、廃棄する尿素水を限りなく減らす運用が可能である。

前記排気浄化の一連のサイクルで排出される廃棄物は脱硫が絡んだ場合でも、リークアンモニアのみとなるが（使用済みの活性炭をメンテナンスとして別途再生処理に回す運用をすることで、その処理過程で硫酸や硫安は有益な物質として回収されるので、使用済みの活性炭は産廃とはならない）、活性炭吸着塔を増強することや運転中に新たに湿式浄化装置に供給する尿素水の濃度と量を最適化することによりリークアンモニアの発生量や濃度の基準値をクリアーする運用が比較的容易におこなえ、別途中和剤等を使用しないので汚水を発生させない運用が可能で高度な廃水処理設備を必要としないことから、廃水処理設備の整っている下水処理施設だけでなく、それ以外の工場（コークス炉を含む）やごみの焼却設備等高温の排ガスを発生するプラント一般においても本システムの設置運用が可能。

請求項１記載のシステム全体の実施例（最良の形態） 請求項２記載の発電装置の具体例（概略図） 請求項１及び明細書記載の湿式浄化装置の具体例（概略図）

図１の実施例（フロー）参照。

請求項２記載の発電装置に用いるタービンの種類であるが、これまで発電用に主に用いられてきた軸流式、遠心式等のタービンブレードでもよいが、排ガスの発生量の低下に追随してタービン効率が極端に低下することを避ける為には、スクリュー式、ロータリー式、ルーツ形を用いるのが望ましい。圧縮機（ブロワー）の種類についても、上記同様にその種類は限定しないが、圧縮機側と発電用タービンの車室側を仕切る役割を持たせ、流体（作動媒体）の逆流を防止する為にはスクリュー式、ロータリー式、ルーツ形を用いるのが望ましい。

工場（コークス炉を含む）やごみの焼却設備、下水処理施設における高温排ガスを回収し発電することに加え、効率的に排ガスを浄化する。

１ サイクロン集塵機
２ 請求項２記載の新型発電装置
３ 請求項１及び明細書記載の湿式浄化装置
４ 活性炭吸着塔
５ ブロワー（圧縮機）
６ ミスト噴霧器
７ ミスト噴霧器
８ 発電用タービン（車室）
９ 案内板（湾曲例）
１０ 案内板
１１ 空間Ａにおいて下部へ向かうに従い漸次広がる内壁

Claims (2)

1. サイクロン集塵機を通過した高温排ガスの膨張力で回転するタービン車室にブロワー（圧縮機）を用いて排ガスを導入すると共に、タービン車室入口またはタービン車室内もしくはその両方に尿素水のミストを噴霧し気化させ、タービン車室内における該ミストの気化膨張時のエネルギーを直接タービン駆動に利用することでタービンの回転力を増加させ、連結された発電用モーターによりエネルギー回収（発電）し、該タービン排気を湿式の脱臭、脱硫、脱硝、集塵装置（以下湿式浄化装置）へ送り込んで排ガスの浄化を行うと共に該気化したミストを凝縮したのちフィルターにより微細な塵埃を濾過したものを該タービンへの噴霧用ミストとして再び用い、該湿式浄化装置から排出された排気の一部又は全部を炉内へ還流させ、又は該排気を活性炭吸着塔へ送り込み、該活性炭吸着塔から排出される排ガスの一部又は全部を炉内へ還流させることを特徴とする、工場（コークス炉を含む）やごみの焼却施設、下水処理施設から発生する高温排ガスの集塵、脱臭、脱硫、脱硝プロセスと発電装置を組み合わせたエネルギー回収（発電）と再生サイクルを行う方法。
2. ブロワー（圧縮機）を備え、これにより導入される排ガスの膨張力で回転する羽根車（タービン翼）をタービン車室内に持ち、該タービン車室入口または該タービン車室内、もしくはその両方にミストを噴霧する構造と機能を備え、該タービンが発電用モーターと軸により連結されたことを特徴とする発電装置。

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