(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱交換管内の温度で相変化を起こさない液体を熱媒体として燃焼炉の燃焼熱を回収する第一熱交換器と、前記第一熱交換器からの熱媒体の熱により蒸発可能な低沸点のタービン作動用熱媒体を加熱する第一中間熱交換器と、前記第一中間熱交換器からの熱媒体を作動用熱媒体として発電をする第一タービン発電ユニットと、熱交換管内の温度で相変化を起こさない液体を熱媒体として浄化処理装置の下流に於いて排ガスの熱を回収する第二熱交換器と、前記第二熱交換器からの熱媒体の熱により蒸発可能な低沸点のタービン作動用熱媒体を加熱する第二中間熱交換器と、前記第二中間熱交換器からの熱媒体を作動用熱媒体として発電をする第二タービン発電ユニットとを備えた廃棄物発電システム。
【請求項２】
第一熱交換器を、燃焼炉の燃焼室に設けた熱交換管及びその下流の排ガス通路に設けた熱交換管を備え、熱媒体を熱媒体油とする熱交換器とした請求項１に記載の廃棄物発電システム。
【請求項３】
燃焼炉の燃焼室に設けた熱交換管を、直列配管方式により燃焼室壁面に沿ってスパイラル状に配列した熱交換管又は直列配管方式により燃焼室壁面に沿って縦向きに配列した熱交換管とした請求項２に記載の廃棄物発電システム。
【請求項４】
第一タービン発電ユニット及び第二タービン発電ユニットの作動用熱媒体を、前記第一熱交換器及び前記第二熱交換器からの熱媒体の熱により蒸発可能な低沸点の代替フロン（HFC-R245fa）とした請求項１に記載の廃棄物発電システム。
【請求項５】
第二熱交換器の熱回収用の熱媒体を熱媒体油とした請求項１に記載の廃棄物発電システム。
【請求項６】
燃焼炉を、ストーカ式ごみ焼却炉、流動層式ごみ焼却炉、ごみ溶融処理炉又はごみガス化処理炉の何れかとした請求項１に記載の廃棄物発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、都市ごみ焼却プラントや産業用廃棄物処理プラント等に於ける排熱利用発電に関するものであり、機器・装置等の構造体に高温腐食を起生することなしに排熱回収効率を高めることにより、発電効率の向上、機器・装置の小型化及び低コスト化を可能とした廃棄物発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、都市ごみや産業廃棄物等の焼却炉からの排熱を利用する排熱利用発電に於いては、排ガス内の酸性ガス（ＨＣｌ等）と煤塵内の腐食成分との複合作用により、ボイラ装置等が早期に腐食される。この腐食には、排ガスが約１５０℃以下の範囲で生ずる低温腐食と、３２０℃以上の範囲で生じる高温腐食とがあり、通常の排熱利用発電では、ボイラ装置の蒸気条件を約２７０℃、２５kg/cm2近傍に設定することにより、上記腐食の発生が回避されてきた。その結果、必然的に排熱回収率が低下したり、発電効率が低下すると云うことになり、発電効率は、現実に１０〜１３%程度の低発電効率となっていた。
【０００３】
勿論、上記発電効率の向上を図るため、イ、ボイラ構成材の材質を耐食性材として蒸気温度を４５０℃程度まで高める方法、ロ、腐食原因物質である排ガス中の酸性ガスを中和除去する方法、ハ、煤塵の付着をより少なくするボイラ構造の採用、二、最も腐食の激しい蒸気過熱管の交換の容易化、ホ、キャスタブル耐熱材による蒸気過熱管の被覆保護等の多くの対策がなされてきた。
しかし、上記各対策は何れも腐食を根本的に防止することが困難で、発電効率を十分に高めることが出来ないうえ、プラント建設費や設備維持費の高騰を招くと云う問題が存在する。
【０００４】
一方、上記とは異なる排熱利用発電効率の向上策として、ごみ焼却による蒸気タービン発電システムとガスタービン発電システムを組合せ、ガスタービンを駆動した後の排ガスでごみ焼却排熱により得た蒸気を加熱し、当該過熱蒸気を蒸気タービンへ導入して発電することにより、排熱回収効率及び発電効率を高めるようにした複合発電システムが開発されている(特開閉５−０１０７号)。
しかし、当該蒸気タービン発電とガスタービン発電の複合発電システムでは、イ、両システムが密接に一体化されており、ガスタービン発電システムが故障停止した場合には、低発電効率での蒸気タービン発電の単独運転又はごみ焼却炉運転の停止を余儀なくされ、本来のごみ処理業務に支障が出やすいこと、ロ、ごみ発熱量の変動に対応するため、発生蒸気の一部を常時系外へブローさせる必要があり、それだけ熱回収効率や発電効率が低下すること等の難点がある。
【０００５】
また、上記複合発電システムの欠点を改善したものとして、図２の如き、蒸気タービン３３により圧縮機３４と発電機３５を駆動させ、当該圧縮機３４からの圧縮気体を活用することにより複合発電システムの発電効率の向上を図ると共に、ガスタービン発電系の運転状況がごみ焼却系側の運転に大きな影響を及ぼさないようにした複合発電システム（特開平８−１９３５０５号等）や、図３の如き、ごみ焼却炉３１の蒸気発生器３２に蒸気過熱器３２bを設け、５００℃程度の高温過熱蒸気を用いつつ更に高い発電効率を得られるようにした複合発電システム（特開２００２−３３９７０９号等）が提供されている。
【０００６】
尚、図２及び図３に於いて、３１はごみ焼却炉、３２は蒸気発生器、３２aは廃熱ボイラ、３２bは蒸気過熱器、３３・４０は蒸気タービン、３４は圧縮機、３５・３８・４１は発電機、３６は燃焼器、３７はガスタービン、３９は排熱ボイラ、４２・４３は復水器、４４・４５は給水ポンプ、４６はごみ、４７は空気等の気体、４８は燃料ガス、４９はヘッダー、５０・５１は煙突、５２は燃焼炉である。
【０００７】
上記図３の複合発電システムは、５００℃程度の過熱蒸気を用いると共に、ガスタービンの排熱を利用して蒸気タービン３３からの低圧蒸気を再加熱し、当該再加熱蒸気を用いて蒸気タービン４０を駆動する構成としているため、総合的な熱回収効率を高めることができると共に、３５%を超える発電効率を達成することが出来る。
【０００８】
しかし、熱回収効率の向上を図ることは、必然的にプラントシステムの複雑化を招く事になり、プラントの運転・補修が難しくなるだけでなく、プラント運転の安定性が相対的に低下することになる。
また、蒸気条件の高温・高圧化に伴ってより高耐食性の構造材を必要とすることになり、プラント建設費の大幅な高騰が不可避になり、其の低減が図れないと云う問題がある。
【０００９】
更に、プラントシステムが複雑化することにより、万一システムの一部に事故等が発生したような場合でも、一部の事故が容易にシステム全体に波及することになり、結果として主業務であるごみ焼却処理が滞ると云う問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平１０−２６０１６号公報
【特許文献２】特開平８−１９３５０５号公報
【特許文献３】特開２００２−３３９７０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本願発明は、従前の廃棄物発電（排熱利用発電）、特に蒸気タービンとガスタービンの組合せに係る複合発電システムにおける上述の如き問題、即ち、イ、熱回収効率を上げるために、プラントシステムが複雑化することになり、運転・補修が難しくなると共に、プラントの運転の安定性が相対的に低下すること、ロ、蒸気条件の高温・高圧化に伴ってより高耐食性の構造材を必要とすることになり、プラント建設費が大幅に高騰し、其の低減が図れないこと、ハ、プラントシステムが複雑となることにより、一部の事故が容易にシステム全体に波及して主業務であるごみ焼却処理に滞りを生じ易いこと、等の問題を解決せんとするものであり、３００℃程度の高温下で相変化を生じない熱媒体（例えば熱媒体油や溶融塩等）を用いて燃焼炉（ごみ焼却炉）燃焼室からの熱回収を行なうと共に、発電用タービンの作動媒体として蒸気に代えて低沸点熱媒体を使用することにより、系の低圧力化による機器・装置の製造コストや運転・補修費の引下げを図ると共に、排熱回収効率の向上及び発電効率の向上を可能とした新規な廃棄物発電システムを提供するものである。
【００１２】
また、本願発明は、発電用タービンの作動媒体として低沸点の熱媒体を用いると共に、当該低沸点熱媒体により直接に燃焼炉燃焼室の熱回収や排ガス熱の回収を行うことにより、機器・装置の製造コストや運転・補修費の一層の引下げ及び排熱回収効率や発電効率の一層の向上を可能とした廃棄物発電システムを提供せんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願請求項１の発明は、熱交換管内の温度で相変化を起こさない液体を熱媒体として燃焼炉の燃焼熱を回収する第一熱交換器と、前記第一熱交換器からの熱媒体の熱により蒸発可能な低沸点のタービン作動用熱媒体を加熱する第一中間熱交換器と、前記第一中間熱交換器からの熱媒体を作動用熱媒体として発電をする第一タービン発電ユニットと、熱交換管内の温度で相変化を起こさない液体を熱媒体として浄化処理装置の下流に於いて排ガスの熱を回収する第二熱交換器と、前記第二熱交換器からの熱媒体の熱により蒸発可能な低沸点のタービン作動用熱媒体を加熱する第二中間熱交換器と、前記第二中間熱交換器からの熱媒体を作動用熱媒体として発電をする第二タービン発電ユニットとを、発明の基本構成とする廃棄物発電システムである。
【００１４】
前記第一熱交換器は、燃焼炉の燃焼室に設けた熱交換管と、排ガス浄化装置の下流の排ガス通路に設けた熱交換管とを備えると共に、一例として、熱媒体油を熱媒体とする熱交換器とするのが望ましい。
【００１５】
また、前記燃焼炉の燃焼室に設けた熱交換管は、直列配管方式により燃焼室壁面に沿ってスパイラル状に配列した熱交換管、又は直列配管方式により燃焼室壁面に沿って縦向きに配列した熱交換管とするのが望ましい。
【００１６】
前記第一タービン発電ユニット及び第二タービン発電ユニットの作動用熱媒体は、一例として、前記第一熱交換器及び前記第二熱交換器からの熱媒体の熱により蒸発可能な低沸点の代替フロン（HFC-R245fa）とするのが望ましい。また、前記第二熱交換器の熱回収用の熱媒体は、一例として、熱媒体油とするのが望ましい。更に、本発明を適用する燃焼炉には、ストーカ式ごみ焼却炉、流動層式ごみ焼却炉、ごみ溶融処理炉、ごみガス化処理炉等が該当する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明では、燃焼炉燃焼室の熱の回収媒体として、熱授受により３００℃までは相変化を起こさない熱媒体油をもちいているため、熱交換器等の設計圧力値が大幅に低くなり、結果として熱交換器類の製造コストの引き下げが可能となる。
また、従前の廃熱回収ボイラのように蒸気ドラム等の高圧力機材が全く不要となり、製造コストやメンテナンス費用の大幅な削減が可能となる。更に、従前の廃棄物発電のように蒸気タービンを使用しないので、発電設備のイニシャルコストやメンテナンス費用が削減できる。
【００１９】
また、本発明では、発電システムの作動用媒体として低沸点の熱媒体を使用しているため、熱交換器に於ける熱伝達率が大幅に向上し、熱交換器の小型化及び熱回収効率の向上が可能となる。更に、本発明では、排ガス浄化装置の下流側に於いても排熱回収を行っているため、熱回収効率が従前の複合発電システムの場合に比較して約１０%程度高まり、これにより総合的な発電効率も約１０%程度向上する。
【００２０】
本発明では、第一及び第二発電システムにインバータ・コンバータ発電制御方式を適用することにより、ごみ質の変化により蒸気発生量に変動を生じたような場合でも、電力負荷に対して柔軟に且つ経済的に追従することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る廃棄物発電システムの構成説明図である。
【図２】従前の複合発電システムの構成説明図である。
【図３】従前の他の複合発電システムの構成説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は本発明に係る廃棄物発電システムの構成説明図であり、当該廃棄物発電システムＡは、排熱源となるごみ焼却炉やごみ溶融炉、ごみ燃焼装置等（以下、燃焼炉１と呼ぶ）と、この燃焼炉１の熱を回収する第一熱交換器２と、回収した熱により低沸点の第一タービンの作動用熱媒体L2を加熱する第一中間熱交換器３と、前記熱媒体L2により発電をする第一タービン発電ユニット４と、排ガス浄化装置９の下流側に於いて排ガスの熱を回収する第二熱交換器５と、前記回収した熱により低沸点の第二タービンの作動用熱媒体L2を加熱する第二中間熱交換器６と、当該第二中間熱交換器６で加熱した熱媒体L2により発電をする第二タービン発電ユニット７等から形成されている。
【００２４】
前記排熱源となる燃焼炉１には、ストーカ式ごみ焼却炉や流動層式ごみ焼却炉、ごみ溶融処理炉、ごみガス化処理炉、ごみ燃焼装置等が該当するが、ごみを熱源とする燃焼炉１であれば、如何なるものであっても本発明の適用対象となる。なお、本実施形態に於いては、ストーカ式ごみ焼却炉を燃焼炉１としている。
【００２５】
前記ストーカ式ごみ焼却炉は、ごみ供給ホッパ１a、ごみ供給プッシャ１b、ストーカ１c、燃焼室１d及び灰出口１f等から構成されており、１次燃焼用空気a１及び２次燃焼用空気a2の供給によりごみGをストーカ１c及び燃焼室１dに於いて順次燃焼させるよう構成されている。また、ストーカ式ごみ焼却炉そのものは公知であるため、ここでは其の詳細な説明を省略する。
【００２６】
燃焼炉１の燃焼室１d内の熱を回収する第一熱交換器２は、燃焼室１d内に配置した燃焼室用の熱交換管２aと、排ガス通路１e内に配置した排ガス通路用の熱交換管２bとから構成されており、ポンプ１２を介して高温の熱媒体L１を循環流動させることにより、高温熱媒体L１により回収した熱を第一中間熱交換器３に於いて第一タービン発電ユニット４の作動用媒体である低沸点の熱媒体L2に与える。
【００２７】
即ち、前記燃焼室用の熱交換管２aは、単管若しくは複数の並列管を所謂直列配管方式により、燃焼炉１の燃焼室側壁の近傍に壁面に沿ってスパイラル状に配列されており、隣接する熱交換管２a間の間隙はフィン（図示省略）により閉鎖されている。尚、熱交換管２aは直列配管方式によりスパイラル状に形成されているため、高温熱媒体L１は極めて円滑に管内を流動することになる。
【００２８】
また、前記熱交換管２aは燃焼室側壁に沿って縦向きに配列することも可能である。この場合には高温熱媒体L１の流動性を確保する為に、所謂単管ボイラ（貫流ボイラ）の熱交換管の如き配列にするのが望ましい。
【００２９】
前記高温の熱媒体L１としては、３００℃程度の高温下でも相変化を起こさない液体が望ましい。本実施形態に於いては、熱媒体L１として熱媒体油若しくは溶融塩を使用している。
尚、高温熱媒体L１としては、鉱物油系、合成系、或いは無機系の何れであっても良いが、劣化特性や其の再生特性等の観点からして熱媒体油を使用するのが望ましい。また、使用温度を高める場合には、合成系や無機系の熱媒体の使用が適している。
【００３０】
前記第一中間熱交換器３は、高温熱媒体L１により回収した熱をタービン４aの作動用熱媒体である低沸点の熱媒体L2へ与えるものであり、熱交換管３a、３bを備えている。
【００３１】
また、前記第一タービン発電ユニット４は、タービン４a、発電機４b、熱交換器４c、クーリングタワ４d、レシーバタンク４e、ポンプ４f、ポンプ４g等から構成されており、タービン４aを作動させた後の気相の熱媒体L2は、クーリングタワ４dで冷却、液化されたあと、熱交換器４c及び第一中間熱交換器３で加熱され、作動用熱媒体としてタービン４aへ供給されていく。
【００３２】
タービン作動用熱媒体である熱媒体L2には、低沸点の熱媒体、例えばプロパン、ペンタン、トルエン、代替フロン（ハネウエル株式会社製・HFC-R-245fa）等が用いられる。なお、本実施形態に於いては、例えば代替フロン（ハネウエル株式会社製・沸点15.3℃・沸点に於ける蒸気圧0.1MPaをタービン作動用の熱媒体L2として用いている。
【００３３】
前記第二熱交換器５は大気中へ排出される排ガス内の熱を回収するものであり、排ガスの浄化処理装置９の下流側に設けられている。即ち、ポンプ１３により熱媒体L2が密閉サイクル内を循環され、第二中間熱交換器６に於いてタービン作動用熱媒体である熱媒体L2を加熱する。
尚、第二タービン発電ユニット７の構成は前記第一タービン発電ユニット４の構成と全く同一であるため、ここでは其の説明を省略する。
【００３４】
次に、本発明に係る廃棄物発電システムの作動について説明する。
図１を参照して、燃焼炉１内でごみGが燃焼さることにより、燃焼室１d内には約８００から９５０℃の燃焼ガスが発生する。この燃焼ガスの熱は燃焼室１d内に配置した熱交換管２a内を流通する熱媒体L１に吸収され、これにより熱媒体L１は約３００℃程度に加熱されて第一中間熱交換器３へ流入する。
また、燃焼室１d内の燃焼排ガスは、熱媒体L１による吸熱により約４００〜６００℃の温度となり、排ガス通路１eを通して下流側へ流出していく。
【００３５】
前記熱媒体L１は、排ガス通路１e内に設けた熱交換管２bに於いて排ガス内の熱を更に吸収し、その後第一中間熱交換器３へ流入してタービン作動用の熱媒体L2と熱交換をしたあと、約７０から１２０℃に冷却されて熱交換管２aへ戻される。
【００３６】
一方、熱交換管２bでの熱吸収により約３５０〜４００℃となった燃焼排ガスは、ガス冷却室８に於いて１８０から２２０℃に冷却されたあとガスの浄化処理装置（バグフイルタ）９へ流入し、ここで浄化処理されたあと誘引ファン１０を介して煙突１１へ排出される。
【００３７】
誘引ファン１０により浄化処理装置９から排出された温度１８０〜２２０℃の排ガスは、第二熱交換器５に於いて熱媒体L１により吸熱されたあと、煙突より大気中へ放出される。
また、吸熱により１６０〜２００℃に加熱された熱媒体L１は、第二中間熱交換器６に於いてタービン作動用熱媒体である熱媒体L2と熱交換をし、約８０〜１００℃の温度になって第二熱交換器５へ戻される。
【００３８】
尚、前記第二中間熱交換器６に於いて１４０〜１６０℃に加熱され、気化したタービン作動用の熱媒体L2は、前述した第一タービン発電ユニット４の場合と同様のサイクルによりタービン７a及び発電機７bを作動させる。
【００３９】
前記図１に於いては、第一中間熱交換器３を介して高温の熱媒体L１の熱をタービン作動用の低沸点熱媒体L2へ伝熱するようにしているが、第一中間熱交換器３を削除すると共に高温熱媒体L１をタービン作動用の低沸点熱媒体L2に変え、高温熱媒体L１を使用せずに直接に低沸点熱媒体L2により燃焼室１d内の熱回収を行なう構成とすることも可能である。
尚、この場合、第二熱交換器５の熱交換管へは、高温熱媒体L１に代えて第二タービン発電ユニット７の低沸点熱媒体L2を直接に循環させる事は勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、ごみ焼却炉の如き廃棄物燃焼処理炉のみならず、高温腐食を生じる虞の存在するあらゆる燃焼装置や燃焼炉へも適用することが出来る。
【符号の説明】
【００４１】
Ａ   廃棄物発電システム
Ｇ   ごみ（廃棄物）
Ｌ１ 高温熱媒体（熱媒体油）
Ｌ２ 低沸点熱媒体（代替フロン）
１   燃焼炉
１a  ごみ供給ホッパ
１b  ごみ供給プッシャ
１c  ストーカ
１d  燃焼室
１e  排ガス通路
１f  灰出し口
a１  １次燃焼用空気
a２  ２次燃焼用空気
２   第一熱交換器
２a  熱交換管
２b  熱交換管
３   第一中間熱交換器
３ａ 熱交換管
３ｂ 熱交換管  
４   第一タービン発電ユニット
４ａ タービン
４b  発電機
４ｃ 熱交換器
４ｄ クーリングタワ
４e  レシーバタンク
４ｆ ポンプ
４g  ポンプ
５   第二熱交換器
５ａ 熱交換管
６   第二中間熱交換器
６a  熱交換管
６ｂ 熱交換管
７   第二タービン発電ユニット
７ａ タービン
７ｂ 発電機
７ｃ 熱交換器
７ｄ クーリングタワ
７e  レシーバタンク
７ｆ ポンプ
７g  ポンプ
８   ガス冷却室
９   浄化処理装置
１０ 誘引ファン
１１ 煙突
１２ ポンプ
１３ ポンプ
【図１】
0005843391.tif 000002
【図２】
0005843391.tif 000003
【図３】
0005843391.tif 000004