JP6453786B2 - ごみ焼却施設における発電システム - Google Patents
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Description
本発明はごみ焼却施設における発電システムに関し、詳しくは、小規模なごみ焼却施設でも、ボイラ及び発電設備の付帯により効率的な熱回収を行うことができるごみ焼却施設における発電システムに関する。
従来、ごみ焼却施設では、ボイラ及び発電設備を付帯させ、焼却炉の熱を利用して発電を行うことにより、効率的な熱回収が行われている（特許文献１）。
しかし、ごみ処理量が１００ｔ／日以下の小規模なごみ焼却施設では、ボイラ及び発電設備を付帯させても多くの発電量を確保することが難しい。特に焼却炉が間欠運転式の焼却炉である場合、ボイラの立上げ（暖気）に時間を要するため、発電設備を付帯させても、発電時間が短く、せいぜい１７００ｋＷ／日程度の発電量しか得ることができない。低い発電量では設備費用の回収に長い期間を要するため、小規模なごみ焼却施設では、給湯設備等の簡易的な余熱利用設備が付帯されるにとどまり、ボイラ及び発電設備による熱回収は行われて来なかった。
しかしながら、近年、小規模なごみ焼却施設においても、これまで以上の熱回収率が求められるようになり、ボイラ及び発電設備を付帯させて効率的な熱回収を行うことが求められるようになってきた。
そこで、本発明は、小規模なごみ焼却施設でも、ボイラ及び発電設備の付帯により効率的な熱回収を行うことができるごみ焼却施設における発電システムを提供することを課題とする。
本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
１．ごみ焼却炉から排出された変動の大きい排ガスの熱量を利用して蒸気を発生させる急速起動可能な貫流型ボイラと、
前記貫流型ボイラから蒸気ラインを介して送られた蒸気によりタービンを回転駆動させて発電する発電機とを有し、
前記貫流型ボイラで生成された飽和蒸気を導入して、該飽和蒸気中の凝縮水を除去する汽水分離器を備え、
前記汽水分離器から送られる蒸気は、直接タービンに送られることなく、給水予熱器を経由してタービンに送られる構成になっており、
該給水予熱器内に貯留された給水を排ガスの酸露点よりも高温に予熱して、前記貫流型ボイラへ供給することを特徴とするごみ焼却施設における発電システム。
２．ごみ焼却炉から排出された変動の大きい排ガスの熱量を利用して蒸気を発生させる急速起動可能な貫流型ボイラと、
前記貫流型ボイラから蒸気ラインを介して送られた蒸気によりタービンを回転駆動させて発電する発電機とを有し、
前記貫流型ボイラで生成された飽和蒸気を導入して、該飽和蒸気中の凝縮水を除去する汽水分離器を備え、
前記汽水分離器から送られる蒸気は、直接タービンに送られることなく、給水予熱器を経由してタービンに送られる構成になっており、
ごみ質やごみ量の変動による、前記給水予熱器に供給された蒸気の質と量の変動を調整して、前記タービンへ供給することを特徴とするごみ焼却施設における発電システム。
３．ガス冷却塔を備え、該ガス冷却塔は、輻射冷却室の代わりに前記焼却炉から排出されたガスを６００℃以下に冷却することを特徴とする前記１又は２記載のごみ焼却施設における発電システム。
４．前記貫流型ボイラから排出された排ガス中の不純物を回収するバグフィルタと、
前記貫流型ボイラと前記バグフィルタとの間に設けられ、前記バグフィルタに送られるガスを２００℃以下に減温する減温塔とを備えることを特徴とする前記１、２又は３記載のごみ焼却施設における発電システム。
５．前記貫流型ボイラを複数有し、
前記給水予熱器は、複数の前記貫流型ボイラに対して予熱水を共通に供給可能に設けられていることを特徴とする前記１〜４の何れかに記載のごみ焼却施設における発電システム。
６．前記ごみ焼却炉は、間欠運転式の焼却炉であることを特徴とする前記１〜５の何れかに記載のごみ焼却施設における発電システム。
前記貫流型ボイラから蒸気ラインを介して送られた蒸気によりタービンを回転駆動させて発電する発電機とを有し、
前記貫流型ボイラで生成された飽和蒸気を導入して、該飽和蒸気中の凝縮水を除去する汽水分離器を備え、
前記汽水分離器から送られる蒸気は、直接タービンに送られることなく、給水予熱器を経由してタービンに送られる構成になっており、
該給水予熱器内に貯留された給水を排ガスの酸露点よりも高温に予熱して、前記貫流型ボイラへ供給することを特徴とするごみ焼却施設における発電システム。
２．ごみ焼却炉から排出された変動の大きい排ガスの熱量を利用して蒸気を発生させる急速起動可能な貫流型ボイラと、
前記貫流型ボイラから蒸気ラインを介して送られた蒸気によりタービンを回転駆動させて発電する発電機とを有し、
前記貫流型ボイラで生成された飽和蒸気を導入して、該飽和蒸気中の凝縮水を除去する汽水分離器を備え、
前記汽水分離器から送られる蒸気は、直接タービンに送られることなく、給水予熱器を経由してタービンに送られる構成になっており、
ごみ質やごみ量の変動による、前記給水予熱器に供給された蒸気の質と量の変動を調整して、前記タービンへ供給することを特徴とするごみ焼却施設における発電システム。
３．ガス冷却塔を備え、該ガス冷却塔は、輻射冷却室の代わりに前記焼却炉から排出されたガスを６００℃以下に冷却することを特徴とする前記１又は２記載のごみ焼却施設における発電システム。
４．前記貫流型ボイラから排出された排ガス中の不純物を回収するバグフィルタと、
前記貫流型ボイラと前記バグフィルタとの間に設けられ、前記バグフィルタに送られるガスを２００℃以下に減温する減温塔とを備えることを特徴とする前記１、２又は３記載のごみ焼却施設における発電システム。
５．前記貫流型ボイラを複数有し、
前記給水予熱器は、複数の前記貫流型ボイラに対して予熱水を共通に供給可能に設けられていることを特徴とする前記１〜４の何れかに記載のごみ焼却施設における発電システム。
６．前記ごみ焼却炉は、間欠運転式の焼却炉であることを特徴とする前記１〜５の何れかに記載のごみ焼却施設における発電システム。
本発明によれば、小規模なごみ焼却施設でも、ボイラ及び発電設備の付帯により効率的な熱回収を行うことができるごみ焼却施設における発電システムを提供することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係るごみ焼却施設における発電システムの一例を示すフローシートである。
図１において、１はごみ焼却炉、２はガス冷却塔、３は貫流型ボイラ、４は減温塔、５はバグフィルタ、６は誘引送風機、７は煙突である。このシステムにおいて、ごみ焼却炉１に投入されたごみを焼却した際に該焼却炉１から排出された排ガスは、誘引送風機６の駆動によって、ガス冷却塔２、貫流型ボイラ３、減温塔４及びバクフィルタ５の順に経由した後、煙突７から放出されるように構成されている。
ごみは、可燃ごみであれば特に限定されず、例えば、紙類、厨芥類（動植物性残渣、卵殻、貝殻などを含む）、繊維類、木竹類、プラスチック類、ゴム・皮革類、有機物処理汚泥などがある。有機物処理汚泥の場合は、脱水された後導入されることが好ましい。
ごみ焼却炉１は、本発明において特に限定されるものではないが、例えば流動床式の焼却炉を用いることができる。焼却炉には、２４時間常時運転する連続運転式と、一定時間おきに発停を繰り返す間欠運転式とがある。本実施態様においては間欠運転式の焼却炉を用いている。
詳細には後述するが、本発明によれば、間欠運転式の焼却炉を使用しても、従来よりも多くの発電量を得ることが可能であり、効率良い熱回収を行うことができる。
詳細には後述するが、本発明によれば、間欠運転式の焼却炉を使用しても、従来よりも多くの発電量を得ることが可能であり、効率良い熱回収を行うことができる。
焼却炉１から排出された８００℃〜１０００℃の高温の排ガスは、誘引送風機６の駆動によってガス冷却塔２に導入される。ガス冷却塔２において、ごみ焼却炉１から排出された高温の排ガスを冷却するのは、排ガスに混入している溶融不純物（溶融ダスト）が、貫流型ボイラ３の伝熱管３ｂの表面に付着しないようにするためである。
そのため、ガス冷却塔２は、焼却炉１から排出された高温の排ガスを好ましくは６００℃以下に冷却する。
ごみ焼却によって発生した排ガスには、溶融不純物（溶融ダスト）が混入しており、この溶融不純物が混入した排ガスが、貫流型ボイラ３の対流部伝熱管３ｂと接触した際、伝熱管３ｂの表面に溶融不純物が付着する。該溶融不純物が付着すると、ボイラ３の熱回収率を低下させる。また溶融不純物の性状によっては、伝熱管を腐食させたりする問題がある。
ガス冷却塔２によって高温の排ガスを好ましくは６００℃以下に冷却することにより、排ガス中の溶融不純物を固化させると、固化した不純物は、貫流型ボイラ３の伝熱管３ｂの表面に付着することもない。
ガス冷却塔は、輻射（放射）冷却室の代わりに設けられる。ガス冷却塔によって、上述の対流部伝熱管への溶融不純物の付着防止に加えて、ガス冷却塔がバッファーとなり、排ガスの変動（流量、温度）を平準化できる効果がある。
ガス冷却塔２を経て固化した排ガス中の不純物は、誘引送風機６によって、ガスと共に貫流型ボイラ３を経由して後段のバグフィルタ５に送られ、該バグフィルタ５によって回収される。
貫流型ボイラ３とバグフィルタ５の間に設けられた減温塔４は、貫流型ボイラ３から排出されたガス（約２７０℃）を１６０〜２００℃の範囲となるように減温する。
バグフィルタ５に導入される排ガスの温度を２００℃以下にすると、ダイオキシン類の再合成を防止できる。
バグフィルタ５に導入される排ガスの温度を２００℃以下にすると、ダイオキシン類の再合成を防止できる。
本発明における貫流型ボイラ３は、ごみ焼却炉１から排出された排ガスの熱を利用して蒸気を発生させる。このボイラ３は、内部に配置された下部ヘッダー管３ａに導入された水を、複数本の対流部伝熱管３ｂ内を通って上部ヘッダー管３ｃに向けてワンパスで通過させ、その過程で対流部伝熱管３ｂによって排ガスの熱を吸収し、蒸気（飽和蒸気）として排出する。
即ち、複数本の対流部伝熱管３ｂ内をワンパスで、水が上昇する過程で、水温上昇→蒸気の生成を実現する。循環水を加熱する方式と異なって、ワンパスであるが故に、加熱対象となる水の量が少ないので、つまり、他のボイラ形式に比べて保有水量が少なくて済むため、間欠運転式のごみ焼却炉１を起動再開した際のボイラ３の急速起動が可能である。
即ち、複数本の対流部伝熱管３ｂ内をワンパスで、水が上昇する過程で、水温上昇→蒸気の生成を実現する。循環水を加熱する方式と異なって、ワンパスであるが故に、加熱対象となる水の量が少ないので、つまり、他のボイラ形式に比べて保有水量が少なくて済むため、間欠運転式のごみ焼却炉１を起動再開した際のボイラ３の急速起動が可能である。
貫流型ボイラ３で生成された蒸気は、汽水分離器８に導入され、該汽水分離器８で蒸気とドレンに分離される。蒸気は、給水予熱器９を経てタービン１０に供給され、該タービン１０を回転させる。これにより、タービン１０に連結された発電機１５を駆動させて発電が行なわれる。
タービン１０は特に限定されないが、例えばラジアル型衝動タービン、軸流型衝動タービン、容積型スクリュータービン等を使用することができる。
給水予熱器９は、汽水分離器８から導入された蒸気をタービン１０に供給する前に一旦蓄え、タービン１０に向かう蒸気の質と量の変動を緩和するバッファタンクとして機能する。これにより、ごみ質やごみ量の変動が緩和されて質と量の改善が図られた蒸気をタービン１０に供給することができるため、タービン１０の耐久性を向上させることができると共に、安定した回転によって効率の良い発電を行うことができる。
タービン１０から排出された蒸気は、復水器１１によって復水された後、復水タンク１２に貯留される。復水タンク１２に貯留された水は、復水ポンプ１３によって給水予熱器９に送られる。
給水予熱器９は、復水タンク１２から送られた水を貯留する。この給水予熱器９には、上述したように貫流型ボイラ３からの蒸気（タービン１０に供給される前の蒸気）が導入されるため、貯留された水が該蒸気の熱によって予熱される。
これにより、貫流型ボイラ３には所定温度に予熱された水が供給されるため、保有水量が少ない貫流型のボイラ３による急速起動を可能にする。またごみ焼却炉１の立上げ時でも貫流型ボイラ３を瞬時に起動させて蒸気を発生させることができる。
従って、早期の発電が可能となり、それだけ発電量を多く確保（約２５００〜３５００ｋＷ／日）することができるため、小規模なごみ焼却施設であっても効率的な熱回収を行うことができる。
これにより、貫流型ボイラ３には所定温度に予熱された水が供給されるため、保有水量が少ない貫流型のボイラ３による急速起動を可能にする。またごみ焼却炉１の立上げ時でも貫流型ボイラ３を瞬時に起動させて蒸気を発生させることができる。
従って、早期の発電が可能となり、それだけ発電量を多く確保（約２５００〜３５００ｋＷ／日）することができるため、小規模なごみ焼却施設であっても効率的な熱回収を行うことができる。
給水予熱器９で予熱された予熱水が貫流型ボイラ３に再び供給されるようにする際に、図示のように、給水ポンプ１４の駆動によって汽水分離器８から貫流型ボイラ３に戻される水と合流するようにしてもよい。
本発明の実施態様によれば、水予熱器９は、貫流型ボイラ３からの蒸気の熱によって、内部に貯留された水を排ガスの酸露点よりも高温に予熱する。
ごみ焼却炉１によって焼却されるごみの中に含まれる硫黄分は、燃焼によって一部は無水硫酸（ＳＯ３ガス）となり、濃度にもよるが通常約１３０℃〜１４０℃の酸露点以下の伝熱面では凝縮して硫酸（Ｈ２ＳＯ４）となり、低温腐食を発生させる。
復水タンク１２から給水予熱器９に供給される水の温度は、およそ９０℃であるため、そのまま貫流型ボイラ３に供給すると、伝熱管３ｂの表面に硫酸が結露して伝熱管３ｂが腐食するおそれがある。給水予熱器９における予熱水の温度を、硫酸が結露する温度（酸露点）よりも高温に設定することで、硫酸が凝縮するおそれのない高温の予熱水を貫流型ボイラ３に供給することができ、硫酸による貫流型ボイラ３の伝熱管３ｂの腐食を防止することができる。
本実施の態様では、予熱水の温度は、排ガスの酸露点よりも高温であれば特に限定されないが、貫流型ボイラ３が早期に蒸気を発生できるようにする観点から、蒸発温度に近い温度まで上げることが好ましく、例えば１５０℃以上とすることが好ましい。
また、給水予熱器９は、貫流型ボイラ３からの蒸気の熱によって予熱された予熱水の温度を貫流型ボイラ３の停止時でも所定温度に維持できるようにするため、断熱材によって被覆された容器や二重構造とされた容器等の断熱性が高められた断熱容器を用いることができる。
本実施形態では、貫流型ボイラ３及び汽水分離器８の組を複数組備えており、複数の貫流型ボイラ３（ここでは１系〜３系の３系統を備えるが、そのうちの２系統は図示せず。）に対して一つの給水予熱器９を設けている。
このため、給水予熱器９は、給水ポンプ１４の駆動によって複数の貫流型ボイラ３に対して予熱水を共通に供給可能となっている。これにより、複数の貫流型ボイラ３のうちのいずれかの貫流型ボイラ３が停止状態であっても、その停止状態のボイラ３にも予熱水が給水循環され、常時起動可能状態に維持しておくことができるため、起動再開時に瞬時に起動させることができる。
給水予熱器９から供給された蒸気を、図示しない温水発生器に導入し、該蒸気から熱回収してもよい。これにより、施設内で使用される温水を生成することができる。
また、本発明に係るごみ焼却施設における発電システムは、バイナリー発電を行う場合にも適用することができる。
以下に、本発明の実施例について説明するが、本発明はかかる実施例により限定されない。
（実施例１）
図１に示す発電システムに基づき実験した。
発電システムの主な部位における蒸気や液体などの圧力、温度、熱量、流量を図２に示した。
図１に示す発電システムに基づき実験した。
発電システムの主な部位における蒸気や液体などの圧力、温度、熱量、流量を図２に示した。
＜ごみ燃焼炉＞
ごみ燃焼炉２炉で、以下の基準ごみを燃焼させた。基準ごみの組成及び熱量、排ガス量及び排ガス温度は以下の通りであった。
ごみ燃焼炉２炉で、以下の基準ごみを燃焼させた。基準ごみの組成及び熱量、排ガス量及び排ガス温度は以下の通りであった。
基準ごみの組成及び熱量：
全水分 ５４％
可燃分 ３８．７％
灰分 ７．３％
発熱量ＬＨＶ １７００ｋｃａｌ／ｋｇ
排ガス量及び排ガス温度：
排ガス量 １０４００Ｎｍ３／Ｈｒ
排ガス温度 ８９５℃
全水分 ５４％
可燃分 ３８．７％
灰分 ７．３％
発熱量ＬＨＶ １７００ｋｃａｌ／ｋｇ
排ガス量及び排ガス温度：
排ガス量 １０４００Ｎｍ３／Ｈｒ
排ガス温度 ８９５℃
＜ボイラ＞
１系ボイラと２系ボイラを用いた。ボイラは、対流部伝熱管を複数備えた貫流型ボイラを用いた。
１系ボイラと２系ボイラを用いた。ボイラは、対流部伝熱管を複数備えた貫流型ボイラを用いた。
＜主要部における運転データ＞
図２の符号Ａ〜Ｇの運転データを、以下の表１に示す。図２に示す符号は、図１に示されている機器を示している。
図２の符号Ａ〜Ｇの運転データを、以下の表１に示す。図２に示す符号は、図１に示されている機器を示している。
＜結果＞
表１において、１系及び２系の貫流型ボイラ３からの蒸気Ａ、Ｂは、１７５℃でそれぞれ給水予熱器９に導入される。給水予熱器９によって、一旦、蒸気の質及び量の変動を緩和することができるため、変動が緩和された蒸気をタービン１０に供給することができ、安定的に２２０ｋＷ／時の効率の良い発電を行うことができた。
復水タンク１２から復水ポンプ１３によって給水予熱器９に送られて貯留された水Ｅは、約９０℃であったところ、貫流型ボイラ３から給水予熱器９に導入される蒸気Ａ、Ｂの熱によって予熱され、１７４℃の予熱水Ｆとして１系及び２系の貫流型ボイラ３に戻される。
予熱水Ｆは、排ガスの酸露点（約１３０〜１４０℃）以上となる１７４℃であった。このため、貫流型ボイラ３内で硫酸の凝縮は認められず、硫酸による貫流型ボイラ３の伝熱管３ｂの腐食が防止されていることが確認された。
また、図２及び表１には記載しないが、ごみ焼却炉１から排出された排ガスは、８９５℃であり、貫流型ボイラ３に導入する前にガス冷却塔２によって５２５℃に冷却された。これによって、溶融不純物が貫流型ボイラ３の対流部伝熱管３ｂの表面での付着及び固化が防止されたことを確認した。
貫流ボイラ３から排出された蒸気は、２７２℃であり、バグフィルタ５に導入する前段階に設けられた減温塔４によって２００℃程度に減温されて、バグフィルタ５に導入された。その結果、ダイオキシンの再合成は認められなかった。
表１において、１系及び２系の貫流型ボイラ３からの蒸気Ａ、Ｂは、１７５℃でそれぞれ給水予熱器９に導入される。給水予熱器９によって、一旦、蒸気の質及び量の変動を緩和することができるため、変動が緩和された蒸気をタービン１０に供給することができ、安定的に２２０ｋＷ／時の効率の良い発電を行うことができた。
復水タンク１２から復水ポンプ１３によって給水予熱器９に送られて貯留された水Ｅは、約９０℃であったところ、貫流型ボイラ３から給水予熱器９に導入される蒸気Ａ、Ｂの熱によって予熱され、１７４℃の予熱水Ｆとして１系及び２系の貫流型ボイラ３に戻される。
予熱水Ｆは、排ガスの酸露点（約１３０〜１４０℃）以上となる１７４℃であった。このため、貫流型ボイラ３内で硫酸の凝縮は認められず、硫酸による貫流型ボイラ３の伝熱管３ｂの腐食が防止されていることが確認された。
また、図２及び表１には記載しないが、ごみ焼却炉１から排出された排ガスは、８９５℃であり、貫流型ボイラ３に導入する前にガス冷却塔２によって５２５℃に冷却された。これによって、溶融不純物が貫流型ボイラ３の対流部伝熱管３ｂの表面での付着及び固化が防止されたことを確認した。
貫流ボイラ３から排出された蒸気は、２７２℃であり、バグフィルタ５に導入する前段階に設けられた減温塔４によって２００℃程度に減温されて、バグフィルタ５に導入された。その結果、ダイオキシンの再合成は認められなかった。
１：ごみ焼却炉
２：ガス冷却塔
３：貫流型ボイラ
３ａ：下部ヘッダー管
３ｂ：伝熱管
３ｃ：上部ヘッダー管
４：減温塔
５：バグフィルタ
６：誘引送風機
７：煙突
８：汽水分離器
９：給水予熱器
１０：タービン
１１：復水器
１２：復水タンク
１３：復水ポンプ
１４：給水ポンプ
１５：発電機
２：ガス冷却塔
３：貫流型ボイラ
３ａ：下部ヘッダー管
３ｂ：伝熱管
３ｃ：上部ヘッダー管
４：減温塔
５：バグフィルタ
６：誘引送風機
７：煙突
８：汽水分離器
９：給水予熱器
１０：タービン
１１：復水器
１２：復水タンク
１３：復水ポンプ
１４：給水ポンプ
１５：発電機
Claims (6)
- ごみ焼却炉から排出された変動の大きい排ガスの熱量を利用して蒸気を発生させる急速起動可能な貫流型ボイラと、
前記貫流型ボイラから蒸気ラインを介して送られた蒸気によりタービンを回転駆動させて発電する発電機とを有し、
前記貫流型ボイラで生成された飽和蒸気を導入して、該飽和蒸気中の凝縮水を除去する汽水分離器を備え、
前記汽水分離器から送られる蒸気は、直接タービンに送られることなく、給水予熱器を経由してタービンに送られる構成になっており、
該給水予熱器内に貯留された給水を排ガスの酸露点よりも高温に予熱して、前記貫流型ボイラへ供給することを特徴とするごみ焼却施設における発電システム。 - ごみ焼却炉から排出された変動の大きい排ガスの熱量を利用して蒸気を発生させる急速起動可能な貫流型ボイラと、
前記貫流型ボイラから蒸気ラインを介して送られた蒸気によりタービンを回転駆動させて発電する発電機とを有し、
前記貫流型ボイラで生成された飽和蒸気を導入して、該飽和蒸気中の凝縮水を除去する汽水分離器を備え、
前記汽水分離器から送られる蒸気は、直接タービンに送られることなく、給水予熱器を経由してタービンに送られる構成になっており、
ごみ質やごみ量の変動による、前記給水予熱器に供給された蒸気の質と量の変動を調整して、前記タービンへ供給することを特徴とするごみ焼却施設における発電システム。 - ガス冷却塔を備え、該ガス冷却塔は、輻射冷却室の代わりに前記焼却炉から排出されたガスを６００℃以下に冷却することを特徴とする請求項１又は２記載のごみ焼却施設における発電システム。
- 前記貫流型ボイラから排出された排ガス中の不純物を回収するバグフィルタと、
前記貫流型ボイラと前記バグフィルタとの間に設けられ、前記バグフィルタに送られるガスを２００℃以下に減温する減温塔とを備えることを特徴とする請求項１、２又は３記載のごみ焼却施設における発電システム。 - 前記貫流型ボイラを複数有し、
前記給水予熱器は、複数の前記貫流型ボイラに対して予熱水を共通に供給可能に設けられていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載のごみ焼却施設における発電システム。 - 前記ごみ焼却炉は、間欠運転式の焼却炉であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載のごみ焼却施設における発電システム。
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