JPH09287416A - リサイクル発電システムの運転制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】リサイクル発電の課題であった廃棄物の発熱量
変動に伴う発電出力の変動を解消し、安定した電力供給
を可能にする。 【解決手段】廃棄物焼却炉の排熱回収ボイラと、排熱回
収ボイラから発生する蒸気により駆動する蒸気タービン
と、蒸気タービンの回転力による発電機と、蒸気の復水
器と、燃料を改質して水素，炭化水素などの還元性ガス
成分に富む燃料ガスに変換する燃料改質器と、燃料改質
器で改質した燃料ガスと焼却炉の排ガスとを混合して燃
焼する燃焼器と、燃焼器の排ガスと熱交換して蒸気を発
生する蒸発器とを備えたリサイクル発電システムで、発
電機の発電出力を検出し、検出値と発電出力の目標値と
の偏差量を一つの指標として燃料改質器へ投入する燃料
量の目標値を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はリサイクル発電シス
テムの運転制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】廃棄物焼却炉の廃熱を利用して蒸気を発
生させ、その蒸気でタービンを駆動して発電するリサイ
クル発電システムでは、熱回収ボイラ伝熱管に腐食を生
じる問題がある。従って、蒸気温度および圧力が通常の
蒸気タービン発電機に比べて低く、発電量が少なくなる
ため、蒸気タービンとガスタービンとのコンバインドサ
イクルを形成し、ガスタービンの排熱で蒸気温度を上昇
させる方法や、燃料追い焚き方式の独立過熱器により蒸
気温度を上昇させる方法がある（以下、従来技術１と称
する）。（「スーパーごみ発電プラントの開発」，日本
機会学会，第８回熱工学シンポジウム講演論文集，５２
〜５３頁，「高温・高圧ボイラ方式のごみ発電」，同誌
９９〜１００頁） また、廃棄物の燃焼の際に発生する窒素酸化物（ＮＯ
ｘ）やダイオキシンなどの有害物質を除去するために、
吸着法や触媒法による燃焼ガスの無害化処理が必要であ
る。「天然ガスによる低ＮＯｘ高効率ごみ発電システ
ム」（日本機会学会，第８回熱工学シンポジウム講演論
文集，１０５〜１０６頁）には、焼却炉燃焼室出口付近
に天然ガスを吹き込み、還元雰囲気を形成して燃焼させ
ることにより、ＮＯｘ，ＣＯ，ダイオキシンを低減する
方法が述べられている（以下、従来技術２と称する）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来技術１では、ガス
タービンの燃料や、蒸気独立過熱器の燃料が必要である
と共に、脱硝設備等の排ガス処理装置が必要である。

【０００４】また、従来技術２では、焼却炉内で排ガス
中の有害成分を除去できるために、脱硝設備が不要また
は小型化できる。しかし、排ガス中の塩素成分は除去さ
れないため、伝熱管腐食の問題から蒸気温度・圧力を高
めることはできない。

【０００５】さらに、ごみ焼却炉の排ガス熱を回収して
蒸気を発生させる排熱回収ボイラでは、燃料となるごみ
の成分すなわち発熱量が変動し、発生蒸気量が変動す
る。蒸気量が変化すると発電機の出力が変動するため、
安定した発電出力を得ることが困難であった。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、廃棄物焼却炉
の燃焼熱を回収して蒸気を発生する排熱回収ボイラと、
前記排熱回収ボイラから発生する蒸気により駆動する蒸
気タービンと、前記蒸気タービンの回転力により発電す
る発電機と、蒸気を冷却して液化する復水器と、燃料を
改質して水素，炭化水素などの還元性ガス成分に富む燃
料ガスに変換する燃料改質器と、少なくとも前記燃料改
質器で改質した燃料ガスと前記焼却炉の排ガスとを混合
して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器の排ガスと熱交換し
て蒸気を発生する蒸発器とを備えたリサイクル発電シス
テムにおいて、前記発電機の発電出力を検出し、前記検
出値と発電出力の目標値との偏差量を少なくとも一つの
指標として前記燃料改質器へ投入する燃料量の目標値を
決定する運転制御方法を特徴としている。

【０００７】本発明が対象とするシステムでは、焼却炉
排ガスの無害化と同時に、蒸気量及び蒸気温度を上昇さ
せて発電量を増加することが可能である。

【０００８】燃料改質器で燃料を改質して水素，炭化水
素などの還元性ガス成分に富む燃料ガスに変換し、改質
した燃料ガスと焼却炉の排ガスとを混合して燃焼器で燃
焼するので、排ガス中のＮＯｘが低減できる。また、燃
焼時の発熱によりダイオキシンが分解除去できる。

【０００９】燃焼ガスの保有熱は、蒸発器において回収
し、焼却炉排ガスの排熱回収ボイラで発生する蒸気と合
わせて、蒸気量が増加する。また、塩素成分を除去した
排ガスを燃焼器に導けば腐食の問題も回避でき、燃焼時
の熱を利用して蒸気温度をさらに上昇させることができ
る。

【００１０】また、本発明の運転制御方法によれば、発
電機の発電出力とその目標値との偏差を指標にして、改
質器への投入燃料量の目標値を設定する。例えば、発電
出力がその目標値よりも増加した場合には、投入燃料量
を減少させる。従って、燃焼器での発熱量が低下して、
蒸発器での蒸発量が減少するので、発電量が低下する方
向へ作用する。すなわち、排ガス中の有害物質を除去す
ると同時に、蒸発量の変動を補正し、安定な発電出力を
得ることができる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図２に本発明が対象とするリサイ
クル発電システムの構成例を示す。

【００１２】可燃性廃棄物１は搬送・投入用クレーン２
により廃棄物処理施設の焼却炉３に投入され、乾燥工程
のあと燃焼する。燃焼ガス４６は、排熱回収ボイラ４で
熱交換した後、バグフィルタ１４によって、粉塵や塩素
成分を取り除かれる。バグフィルタ１４で温度が低下し
た排ガスは、排ガス加熱器１０で加熱され改質燃焼器９
及び熱回収装置８を経て煙突３９より大気に放出され
る。

【００１３】一方、ボイラ給水４８は排熱回収ボイラ４
で蒸発し、蒸気４７となる。発生した蒸気４７は、蒸気
だめ５を介して蒸気過熱器７で昇温される。その後、蒸
気タービン１６に送られ、タービンを駆動して発電機１
７によって電気を発生する。蒸気タービン１６を出た蒸
気は復水器１９で冷却されて凝縮し、復水となり復水タ
ンク２０，給水加熱器２２を経て給水ポンプ２３により
ボイラ給水４８として再び排熱回収ボイラ４へ供給され
る。

【００１４】改質燃焼器９の後段に位置する熱回収装置
８は蒸気過熱器７，蒸発器６，改質燃焼器９用の補助空
気予熱器１１，燃料加熱器１２，焼却炉３用の空気予熱
器１３で構成されており、燃焼排ガスの保有熱を回収し
て、有効に活用している。給水ポンプ２３から送り出さ
れたボイラ給水４８は、給水加熱器５３を経てボイラド
ラム５に入る。ドラム水は蒸発器６へ導かれ、蒸発後再
びドラムに入り蒸気と水に分離される。ドラムで分離さ
れた蒸気は過熱器７で過熱され蒸気だめ５４に貯えられ
る。

【００１５】減温器４９は蒸気タービン１６の抽気蒸気
５１と混合され、蒸気温度を調整して所内外のユーティ
リティー蒸気として使用される。また、蒸気タービン１
６の抽気蒸気５２は給水加熱器２２へ導かれ、ボイラ給
水４８の脱気と加熱を行う。蒸気タービン１６または発
電機１７の異常時などに備えて、高圧復水器１８が設置
されている。異常時には発生した蒸気は蒸気タービン１
６を経由することなく復水される。

【００１６】次に、改質燃焼器９について説明する。図
３に改質燃焼器９の構造の一例を示す。

【００１７】改質燃焼器は燃料改質器１００と燃焼器２
００とで構成されている。燃料改質器１００の部分酸化
バーナに１０８に燃料１５と空気２６の一部の混合流体
101および空気２６を供給し、点火栓１０２で点火して
燃焼させる。着火および燃焼の状態は火炎検知部１０３
でモニタリングし、失火や異常燃焼などを監視する。改
質する燃料１５はドラム５より導いた蒸気４７と混合さ
れて燃料供給管107に供給される。供給された燃料は、
断熱層１０５に保護された側壁内面に数個所設けられた
燃料噴射口１０４から高温雰囲気中に噴霧されて蒸発・
ガス化する。蒸発ガスは水素，一酸化炭素，炭化水素な
どの還元性成分に富む改質ガス１０７となる。

【００１８】改質ガスは整流器１０６を通過する際に整
流され、燃焼器２００へ送られる。燃焼器２００では、
改質ガスと、焼却炉の燃焼排ガス４６，空気２６が供給
される。低酸素濃度雰囲気および還元ガス成分の燃焼に
よって、焼却炉燃焼排ガス４６中の窒素酸化物（ＮＯ
ｘ）を還元分解する。また、燃焼排ガス４６を燃焼によ
って高温状態にすることにより、排ガス中の有害物質
（ダイオキシン）を熱分解することができる。

【００１９】本実施例では、改質燃焼器９の燃焼ガスは
８００℃以上の温度を有しているので、その燃焼ガス熱
を回収して、投入燃料のエネルギを有効活用している。
まず、蒸気過熱器７で、ドラム５から送られる主蒸気温
度を上昇させて、蒸気タービン１６へ蒸気を供給する。
次に、蒸発器６では、ドラム５からの水をを加熱，蒸発
させる。発生した蒸気は再びドラム５に送られ、焼却炉
の排熱回収ボイラ４で発生した蒸気と統合される。その
後、焼却炉３および改質燃焼器９へ供給する空気を空気
予熱器１３および補助空気加熱器１１で加熱し、さらに
改質燃焼器９へ投入する燃料を燃料加熱器１２で加熱す
る。

【００２０】以上のように、改質燃焼器９の作用によ
り、焼却炉３の排ガス中の窒素酸化物およびダイオキシ
ンを除去できる。また、投入した燃料１５のエネルギは
熱回収されてプロセス内で有効利用される。特に、蒸発
器６により、蒸気タービン１６へ導入される蒸気量が増
加するので、発電機１７で発生する電力量が増加する効
果がある。

【００２１】次に、本発明の運転制御方法について説明
する。

【００２２】廃棄物の焼却排熱を利用したリサイクル発
電では、燃料となる廃棄物の組成が一定でないため、焼
却炉での発熱量が変動する問題がある。一般に、木や紙
の成分が多いと発熱量は減少し、プラスチック成分が多
いと発熱量は増加する。発熱量が変動すると、発生する
蒸気温度を一定に保つために、発生蒸気量が変動する。

【００２３】リサイクル発電は、近年の逼迫した電力事
情のなかで、発電電力を単に所内動力として利用するだ
けでなく、発電所と並ぶ分散型電力供給源としての機能
が期待されている。そのためには、安定した電力出力が
必須条件となるが、発生蒸気量の変動のために、発電出
力も変動してしまう。

【００２４】本発明は、廃棄物処理施設の主目的である
焼却処理および焼却炉排ガスの無害化処理と同時に、発
電出力の変動を解消し、安定した電力供給を可能にする
ことを目的にしている。

【００２５】本発明の運転制御方法を図１および図２を
用いて説明する。

【００２６】発電機１７の発電出力を、発電出力検出器
３５で検出し、検出信号を燃料流量調節機３６へ送って
いる。燃料流量調節機３６では、発電出力目標値との偏
差を算出し、偏差量に基づいて改質燃焼器へ投入する燃
料流量の目標値を設定する。次に、燃料流量の目標値と
燃料流量計３４で測定した現状値との偏差を算出し、燃
料流量の増減分に対応した弁開度を決定する。弁開度の
信号により、燃料流量調節弁４０の開度を制御する。

【００２７】廃棄物の発熱量が低下すると、排熱回収ボ
イラ４の蒸発量が減少するので、ドラム圧力５の圧力が
低下する。主蒸気圧力検出器２７により検出された主蒸
気圧力信号は、主蒸気圧力調節機２８に送られる。主蒸
気圧力調節機２８は圧力を一定の目標値に維持するよう
にタービン加減弁４３の開度を決定し、制御している。
従って、主蒸気圧力が低下すると、タービン加減弁４３
の開度を減少させ、圧力を回復させる。その結果、蒸気
タービン１６に流れる蒸気流量が減少するので、発電機
出力が低下する。

【００２８】発電出力が低下し、目標値よりも低い場合
には、燃料流量が増加するように燃料流量調節弁４０の
開度を大きくする。それにより、燃焼器２００の排ガス
温度が上昇するので、蒸発器６の蒸発量が増加する。蒸
発量が増加すると、主蒸気圧力調節機２８は主蒸気圧力
を低下させる方向に作用して、タービン加減弁開度を増
加させる。従って、主蒸気流量は増加し、発電機出力は
回復する。

【００２９】以上のように本発明では、改質燃焼器９へ
の投入燃料量を変更する。その際に、燃焼器２００の安
定燃焼を維持するために、燃焼に必要な酸素量を同時に
調整している。燃焼器２００の燃焼排ガス中の酸素濃度
を酸素濃度検出器３１で測定し、測定信号は空気流量調
節機３３へ送られる。空気流量調節機３３では、酸素濃
度目標値との偏差を算出して空気流量の補正量を決定す
る。さらに、燃料流量調節機３６で設定した燃料流量目
標値の信号を受信し、燃料流量目標値に変更がある場合
は、変更する燃料流量の増減分に応じた酸素量を算出
し、空気流量を決定する。

【００３０】空気流量検出器３２で検出した現状流量と
の偏差を算出して、改質燃焼器９用空気ダンパ４１の開
度を決定し、ダンパ４１を制御する。

【００３１】これにより、改質燃焼器９の燃料流量を変
更しても、燃焼に適した空燃比（酸素量）を維持するこ
とができる。

【００３２】特開平5−59905号公報には、ガスタービン
との複合発電を形成するリサイクル発電プラントが述べ
られている。この発明によれば、ガスタービン排ガスと
の熱交換により蒸気を発生する蒸発器が設置されてお
り、負荷変動，出力制御に備えて排ガスボイラ入口に助
燃バーナを設けていると記載されている。本発明が対象
とするリサイクル発電システムは、排ガス中の有害成分
(ＮＯｘ，ダイオキシン)を除去する改質燃焼器を備えた
システムであり、対象システムの構成が全く異なる。ま
た、特開平5−59905号公報には、運転方法および制御方
法については記載されていない。

【００３３】本実施例では、空気流量調節機３３で用い
る指標として燃焼器２００の排ガス中酸素濃度を検出し
ているが、改質燃焼器９の前段で焼却炉排ガス中の酸素
濃度を検出して、その検出値を用いてもよい。

【００３４】また、ダイオキシンの熱分解・除去のため
には、ある程度以上の燃焼温度が必要条件となるため、
燃焼器２００の排ガス温度を検出して、検出温度を燃料
流量調節機３６の指標の一つに加えて燃料流量目標値を
設定してもよい。

【００３５】さらに、廃棄物の発熱量が変化すると、そ
れに伴って焼却炉の燃焼用空気流量が変化する。焼却炉
への空気２５は押し込み送風機２４で炉内に供給され、
排ガスは誘引送風機４５で煙突から系外へ排出される。
供給空気量の変化はそのまま排ガス量の変化となるた
め、改質燃焼器９に必要な投入燃料量も変化する。従っ
て、焼却炉への供給空気量も燃料流量調節機３６の入力
信号とし、燃料流量目標値設定の指標に加えてもよい。

【００３６】その他、本実施例では、タービンへ導入す
る主蒸気の温度は、給水ポンプ２３から送り出される給
水の一部を蒸気にスプレー噴霧することにより調節して
いる。主蒸気温度検出器２９で検出した蒸気温度信号は
主蒸気温度調節機３０へ送られる。図４に示すように、
主蒸気温度調節機３０では、主蒸気温度の目標値と検出
値との偏差を算出して、冷却用のスプレー流量を設定す
る。現状のスプレー流量の検出値（図２には示していな
い）と設定値との偏差量に基づいて、スプレー給水弁４
２の開度を決定し、制御する。

【００３７】また、蒸気タービンからの抽気の一部５１
は減温器４９を経て所内外へ供給されているので、復水
タンク２０には補給水が必要である。補給水は、復水タ
ンクの水位検出器３７で検出した水位を一定に維持する
ように、補給水流量調節機３８によって流量が決定さ
れ、補給水流量調節弁４４の開度を制御している。

【００３８】本実施例では、蒸気流量すなわち発電出力
を一定に保つために、改質燃焼器９への投入燃料量を制
御しているが、焼却炉の発熱量を一定にするように、廃
棄物１の投入量も同時に制御してもよい。ただし、廃棄
物１を焼却炉３に投入してから、燃焼して蒸発量に影響
が現れるまでの遅れ時間が長いために、収集された廃棄
物の発熱量を事前に推定し、推定発熱量を燃料流量調節
機３６への入力信号に加えて燃焼時間遅れを考慮して燃
料量目標値を決定する方が望ましい。また、推定発熱量
に基づいて、同時に廃棄物の投入スピード（投入量）を
制御してもよい。

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、廃棄物処理施設の主目
的である焼却処理および焼却炉排ガスの無害化処理を円
滑に行いながら、同時に、廃棄物の発熱量変動に伴う発
電出力の変動を解消し、安定した電力供給を可能にする
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の制御系統を表すフローチャート。

【図２】本発明が対象とするリサイクル発電システムの
実施例の系統図。

【図３】改質燃焼器の構造例の説明図。

【図４】主蒸気温度調整系統のフローチャート。

【符号の説明】

２８…主蒸気流量調節機、３３…空気流量調節機、３６
…燃料流量調節機。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】廃棄物処理施設で発生する廃熱を利用して
   発電するリサイクル発電システムであって、廃棄物焼却
   炉の燃焼熱を回収して蒸気を発生する排熱回収ボイラ
   と、前記排熱回収ボイラから発生する蒸気により駆動す
   る蒸気タービンと、前記蒸気タービンの回転力により発
   電する発電機と、蒸気を冷却して液化する復水器と、燃
   料を改質して水素，炭化水素などの還元性ガス成分に富
   む燃料ガスに変換する燃料改質器と、少なくとも前記燃
   料改質器で改質した燃料ガスと前記焼却炉の排ガスとを
   混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器の排ガスと熱交
   換して蒸気を発生する蒸発器とを備えたリサイクル発電
   システムの運転制御方法において、 前記発電機の発電出力を検出し、前記検出値と発電出力
   の目標値との偏差量を少なくとも一つの指標として前記
   燃料改質器へ投入する燃料量の目標値を決定することを
   特徴とするリサイクル発電システムの運転制御方法。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記蒸気タービンへ導かれる蒸気の圧力を検出し、前記
   検出圧力を指標にして、タービン加減弁の開度を決定す
   るリサイクル発電システムの運転制御方法。
3. 【請求項３】請求項１または請求項２において、 前記燃焼器の排ガス中の酸素濃度を検出し、前記排ガス
   中の酸素濃度目標値との偏差を算出し、前記偏差量と前
   記燃料改質器の燃料量目標値とを指標にして前記排ガス
   中酸素濃度の目標値を決定するリサイクル発電システム
   の運転制御方法。
4. 【請求項４】請求項１，２または３において、 焼却炉へ投入する廃棄物の発熱量を推定し、前記発熱量
   の推定値と、前記発電機出力の検出値と目標値との偏差
   量の複数の値を指標として前記燃料改質器へ投入する燃
   料量の目標値を決定するリサイクル発電システムの運転
   制御方法。
5. 【請求項５】請求項４において、前記廃棄物の発熱量推
   定値と、前記発電機出力の検出値と目標値との偏差量の
   複数の値を指標として前記燃料改質器へ投入する燃料量
   の目標値と前記焼却炉へ投入する廃棄物量の目標値を決
   定するリサイクル発電システムの運転制御方法。
6. 【請求項６】請求項１，２，３，４または５において、
   前記焼却炉へ吹き込む空気流量または焼却炉の排ガス流
   量または前記燃焼器の燃焼ガス温度のうちの少なくとも
   一つを指標に加えて前記燃料改質器へ投入する燃料量の
   目標値を決定するリサイクル発電システムの運転制御方
   法。