(57)【要約】【課題】下水汚泥焼却炉の廃熱を利用する発電システム及び発電システムの運転方法の提供。  【解決手段】下水汚泥の焼却炉、燃焼用空気を加熱する空気予熱器、焼却炉からの排ガスで蒸気を発生する廃熱ボイラ及び廃熱ボイラで発生した蒸気によって蒸気タービンを駆動して発電を行う発電装置とを備えた発電システムであり、空気予熱器の加熱側は、焼却炉からの排ガスを空気予熱器に供給する配管と熱交換後の排ガスを廃熱ボイラに供給する配管とを有し、空気予熱器の被加熱側は、燃焼用空気を空気予熱器に供給する配管と熱交換後の燃焼用空気を焼却炉に供給する配管とを有し、発電装置は、蒸気タービンから排出される蒸気を復水するための水冷式復水器を有し、廃熱ボイラの入口の排ガス温度は５００℃〜７００℃であり、蒸気タービンの蒸気条件が１．０ＭＰａ〜１．６ＭＰａ、３４０℃〜３７０℃であり、発電機の出力が４５０ｋＷ〜１０００ｋＷである発電システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下水汚泥を焼却する焼却炉と、
前記焼却炉に供給される燃焼用空気を加熱する空気予熱器と、
前記焼却炉からの排ガスにより蒸気を発生させる廃熱ボイラと、
前記廃熱ボイラで発生した蒸気によって蒸気タービンを駆動して発電を行う発電装置と、
を備えた発電システムであって、
前記空気予熱器の加熱側は、焼却炉から排出される排ガスを空気予熱器に供給する配管と、熱交換後の排ガスを廃熱ボイラに供給する配管とを有し、
前記空気予熱器の被加熱側は、燃焼用空気を空気予熱器に供給する配管と、熱交換後の燃焼用空気を焼却炉に供給するための配管とを有し、
前記発電装置は、蒸気タービンから排出される蒸気を復水するための水冷式復水器を有し、
廃熱ボイラの入口の排ガス温度は５００℃〜７００℃であり、
蒸気タービンの蒸気条件が１．０ＭＰａ〜１．６ＭＰａ、３４０℃〜３７０℃であり、
発電機の出力が４５０ｋＷ〜１０００ｋＷである、
発電システム。
【請求項２】
前記水冷式復水器の冷却水が、下水処理設備から排出される処理水である、請求項１に記載の発電システム。
【請求項３】
前記蒸気タービンの蒸気条件が１．２ＭＰａ、３５０℃である、請求項１又は２に記載の発電システム。
【請求項４】
前記焼却炉に供給される燃焼用空気のための配管Ａと、前記焼却炉から排出される排ガスのための配管Ｂとが設けられており、
前記配管Ａは、空気を前記空気予熱器の被加熱側のガス入口に導く配管Ａ１と、空気を直接前記焼却炉に導く配管Ａ２とに分岐しており、
前記空気予熱器の被加熱側のガス出口には前記空気予熱器から空気を排出する配管Ａ３が設けられており、
前記配管Ｂは、排ガスを空気予熱器の加熱側のガス入口に導く配管Ｂ１と、排ガスを直接前記廃熱ボイラに導く配管Ｂ２とに分岐しており、
前記空気予熱器の加熱側のガス出口には空気予熱器から排ガスを排出する配管Ｂ３が設けられており、
前記配管Ａ２と前記配管Ａ３とは前記配管Ａ２内の空気と前記配管Ａ３内の空気とを混合して前記焼却炉に導く配管Ａ４に接続されており、
前記配管Ｂ２と前記配管Ｂ３とは前記配管Ｂ２内の排ガスと前記配管Ｂ３内の排ガスとを混合して廃熱ボイラに導く配管Ｂ４に接続されており、
前記配管Ａ１〜Ａ３の少なくとも一つに空気予熱器内を流れる空気の流量を制御する流量制御手段が設けられ、
前記配管Ｂ１〜Ｂ３の少なくとも一つに空気予熱器内を流れる排ガスの流量を制御する流量制御手段が設けられた、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の発電システム。
【請求項５】
焼却炉が流動床式焼却炉である、請求項１〜４の何れか１項に記載の発電システム。
【請求項６】
下水汚泥を焼却する焼却炉と、
前記焼却炉に供給される燃焼用空気を加熱する空気予熱器と、
前記焼却炉からの排ガスにより蒸気を発生させる廃熱ボイラと、
前記廃熱ボイラで発生した蒸気によって発電を行う発電装置と、
を備え
前記空気予熱器の加熱側は、焼却炉から排出される排ガスを空気予熱器に供給する配管と、熱交換後の排ガスを廃熱ボイラに供給する配管とを有し、
前記空気予熱器の被加熱側は、燃焼用空気を空気予熱器に供給する配管と、熱交換後の燃焼用空気を焼却炉に供給するための配管とを有し、
前記発電装置は、蒸気タービンから排出される蒸気を復水するための水冷式復水器を有する発電システムの運転方法であって、
廃熱ボイラの入口の排ガス温度は５００℃〜７００℃とし、
蒸気タービンの蒸気条件が１．０ＭＰａ〜１．６ＭＰａ、３４０℃〜３７０℃とする、
発電システムの運転方法。
【請求項７】
前記発電システムには、
前記焼却炉に供給される燃焼用空気のための配管Ａと、前記焼却炉から排出される排ガスのための配管Ｂとが設けられており、
前記配管Ａは、空気を前記空気予熱器の被加熱側のガス入口に導く配管Ａ１と、空気を直接前記焼却炉に導く配管Ａ２とに分岐しており、
前記空気予熱器の被加熱側のガス出口には前記空気予熱器から空気を排出する配管Ａ３が設けられており、
前記配管Ｂは、排ガスを空気予熱器の加熱側のガス入口に導く配管Ｂ１と、排ガスを直接前記廃熱ボイラに導く配管Ｂ２とに分岐しており、
前記空気予熱器の加熱側のガス出口には空気予熱器から排ガスを排出する配管Ｂ３が設けられており、
前記配管Ａ２と前記配管Ａ３とは前記配管Ａ２内の空気と前記配管Ａ３内の空気とを混合して前記焼却炉に導く配管Ａ４に接続されており、
前記配管Ｂ２と前記配管Ｂ３とは前記配管Ｂ２内の排ガスと前記配管Ｂ３内の排ガスとを混合して廃熱ボイラに導く配管Ｂ４に接続されており、
前記配管Ａ１〜Ａ３の少なくとも一つに空気予熱器内を流れる空気の流量を制御する流量制御手段が設けられ、
前記配管Ｂ１〜Ｂ３の少なくとも一つに空気予熱器内を流れる排ガスの流量を制御する流量制御手段が設けられている
請求項６に記載の発電システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下水汚泥を焼却して処理する下水汚泥焼却設備における廃熱を利用した発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、廃棄物焼却場に都市等で収集され搬送されてくる廃棄物は、その排出量の増大と共に、高カロリー化してきている。このため、廃棄物の焼却によるエネルギーの回収が注目されてきており、最近では、廃棄物焼却設備に発電設備を併設し、廃棄物の焼却によって得られた燃焼ガスにより蒸気を発生させて発電を行わせる廃棄物発電システムを採用する廃棄物焼却場が多くなってきている。
また、比較的カロリーの低い下水汚泥についても下水汚泥の焼却によって得られた燃焼ガスの廃熱を利用する発電システムが提案されている。
【０００３】
特許文献１には、有機物を主体とする下水汚泥に薬剤を添加して脱水する薬注・脱水工程、脱水ケーキを解砕して細粒化する解砕工程、解砕された汚泥を流動層焼却炉で焼却する焼却工程からなる汚泥処理方法に、更に焼却炉からの排ガスの廃熱を利用して焼却炉附属の廃熱ボイラで水蒸気を生成して、この蒸気により蒸気タービンを回転せしめ、これに連動する発電機を駆動して発電する発電工程を組み合わせることによって汚泥を処理する下水汚泥処理方法が記載されている。
特許文献１の実施例では、廃熱ボイラのガス出口温度が２５０℃、蒸気条件が１１ｋｇ／ｃｍ２（≒１．１ＭＰａ）であったことが記載されている。特許文献１には発電装置については具体的な記載がないが、この蒸気条件では十分な発電量を得ることができない。
【０００４】
特許文献２には、下水汚泥を機械的に脱水し自己熱燃焼可能な含水率の脱水ケーキにする脱水機と、得られた脱水ケーキを補助燃料を使用することなく焼却する焼却炉と、焼却炉からの排ガスにより蒸気を発生させる廃熱ボイラと、廃熱ボイラで発生した蒸気により発電を行う発電装置とを備えた汚泥焼却システムが記載されている。
この汚泥焼却システムでは廃熱ボイラから出てくる排ガスを熱交換器で燃焼用空気と熱交換させて燃焼用空気を加熱し、加熱された燃焼用空気を焼却炉に供給している。焼却炉に供給される燃焼用空気は廃熱ボイラにおいて熱を回収された排ガスと熱交換するため温度は低くなる。特許文献２に記載の汚泥焼却装置では下水汚泥を自己熱燃焼可能な含水率である６５％程度に脱水しているため、燃焼用空気の温度はそれほど高くなくてもよい。
しかしながら７０％を超える含水率の下水汚泥を補助燃料なしで燃焼させるには燃焼用空気の温度を高くする必要がある。
また、特許文献２には、焼却炉からの出口排ガス約１３０００Ｎｍ3／ｈ、９５０℃の排ガスを廃熱ボイラで３３０℃まで熱回収することにより、蒸気条件を４００℃，４０ata（≒４ＭＰａ）とすることにより、４．６ton／Ｈｒ程度回収できることが記載されている。
このような高温・高圧の蒸気条件を達成するには大規模な熱回収設備が必要である。中小規模の焼却設備ではこのような蒸気条件を採用することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５４−５７３５５号公報
【特許文献２】特開２００５−３２１１３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
廃熱ボイラにより蒸気を製造して蒸気タービンにより発電を行う設備では高効率化のために廃熱ボイラ出口の蒸気温度及び蒸気圧力を高めることが考えられる。しかしながら下水汚泥焼却設備では、下水汚泥の発熱量が少ないため発電の高効率化のためには大規模な焼却設備を設ける必要があり、中小規模の焼却設備では高効率の発電を行うことが困難であった。
又、下水汚泥焼却設備の蒸気条件を通常の廃棄物焼却設備の蒸気条件と同じにすると回収できる蒸気量が蒸気タービンの駆動に必要な量よりも少なくなり、蒸気タービンが駆動できないという問題があった。
【０００７】
本発明は、下水汚泥焼却設備の焼却炉からの排ガスの廃熱を利用して廃熱ボイラで生成する水蒸気を用いて小規模な焼却設備でも高効率な発電を可能とする発電システムおよび発電システムの運転方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る発電システム及び発電システムの運転方法は以下の通りである。
（１）下水汚泥を焼却する焼却炉と、
前記焼却炉に供給される燃焼用空気を加熱する空気予熱器と、
前記焼却炉からの排ガスにより蒸気を発生させる廃熱ボイラと、
前記廃熱ボイラで発生した蒸気によって蒸気タービンを駆動して発電を行う発電装置と、
を備えた発電システムであって、
前記空気予熱器の加熱側は、焼却炉から排出される排ガスを空気予熱器に供給する配管と、熱交換後の排ガスを廃熱ボイラに供給する配管とを有し、
前記空気予熱器の被加熱側は、燃焼用空気を空気予熱器に供給する配管と、熱交換後の燃焼用空気を焼却炉に供給するための配管とを有し、
前記発電装置は、蒸気タービンから排出される蒸気を復水するための水冷式復水器を有し、
廃熱ボイラの入口の排ガス温度は５００℃〜７００℃であり、
蒸気タービンの蒸気条件が１．０ＭＰａ〜１．６ＭＰａ、３４０℃〜３７０℃であり、
発電機の出力が４５０ｋＷ〜１０００ｋＷである、
発電システム。
（２）前記水冷式復水器の冷却水が、下水処理設備から排出される処理水である、上記（１）に記載の発電システム。
（３）前記蒸気タービンの蒸気条件が１．２ＭＰａ、３５０℃である、上記（１）又は（２）に記載の発電システム。
（４）前記焼却炉に供給される燃焼用空気のための配管Ａと、前記焼却炉から排出される排ガスのための配管Ｂとが設けられており、
前記配管Ａは、空気を前記空気予熱器の被加熱側のガス入口に導く配管Ａ１と、空気を直接前記焼却炉に導く配管Ａ２とに分岐しており、
前記空気予熱器の被加熱側のガス出口には前記空気予熱器から空気を排出する配管Ａ３が設けられており、
前記配管Ｂは、排ガスを空気予熱器の加熱側のガス入口に導く配管Ｂ１と、排ガスを直接前記廃熱ボイラに導く配管Ｂ２とに分岐しており、
前記空気予熱器の加熱側のガス出口には空気予熱器から排ガスを排出する配管Ｂ３が設けられており、
前記配管Ａ２と前記配管Ａ３とは前記配管Ａ２内の空気と前記配管Ａ３内の空気とを混合して前記焼却炉に導く配管Ａ４に接続されており、
前記配管Ｂ２と前記配管Ｂ３とは前記配管Ｂ２内の排ガスと前記配管Ｂ３内の排ガスとを混合して廃熱ボイラに導く配管Ｂ４に接続されており、
前記配管Ａ１〜Ａ３の少なくとも一つに空気予熱器内を流れる空気の流量を制御する流量制御手段が設けられ、
前記配管Ｂ１〜Ｂ３の少なくとも一つに空気予熱器内を流れる排ガスの流量を制御する流量制御手段が設けられた、
上記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の発電システム。
（５）焼却炉が流動床式焼却炉である、上記（１）〜（４）の何れか１項に記載の発電システム。
（６）下水汚泥を焼却する焼却炉と、
前記焼却炉に供給される燃焼用空気を加熱する空気予熱器と、
前記焼却炉からの排ガスにより蒸気を発生させる廃熱ボイラと、
前記廃熱ボイラで発生した蒸気によって発電を行う発電装置と、
を備え
前記空気予熱器の加熱側は、焼却炉から排出される排ガスを空気予熱器に供給する配管と、熱交換後の排ガスを廃熱ボイラに供給する配管とを有し、
前記空気予熱器の被加熱側は、燃焼用空気を空気予熱器に供給する配管と、熱交換後の燃焼用空気を焼却炉に供給するための配管とを有し、
前記発電装置は、蒸気タービンから排出される蒸気を復水するための水冷式復水器を有する発電システムの運転方法であって、
廃熱ボイラの入口の排ガス温度は５００℃〜７００℃とし、
蒸気タービンの蒸気条件が１．０ＭＰａ〜１．６ＭＰａ、３４０℃〜３７０℃とする、
発電システムの運転方法。
（７）前記発電システムには、
前記焼却炉に供給される燃焼用空気のための配管Ａと、前記焼却炉から排出される排ガスのための配管Ｂとが設けられており、
前記配管Ａは、空気を前記空気予熱器の被加熱側のガス入口に導く配管Ａ１と、空気を直接前記焼却炉に導く配管Ａ２とに分岐しており、
前記空気予熱器の被加熱側のガス出口には前記空気予熱器から空気を排出する配管Ａ３が設けられており、
前記配管Ｂは、排ガスを空気予熱器の加熱側のガス入口に導く配管Ｂ１と、排ガスを直接前記廃熱ボイラに導く配管Ｂ２とに分岐しており、
前記空気予熱器の加熱側のガス出口には空気予熱器から排ガスを排出する配管Ｂ３が設けられており、
前記配管Ａ２と前記配管Ａ３とは前記配管Ａ２内の空気と前記配管Ａ３内の空気とを混合して前記焼却炉に導く配管Ａ４に接続されており、
前記配管Ｂ２と前記配管Ｂ３とは前記配管Ｂ２内の排ガスと前記配管Ｂ３内の排ガスとを混合して廃熱ボイラに導く配管Ｂ４に接続されており、
前記配管Ａ１〜Ａ３の少なくとも一つに空気予熱器内を流れる空気の流量を制御する流量制御手段が設けられ、
前記配管Ｂ１〜Ｂ３の少なくとも一つに空気予熱器内を流れる排ガスの流量を制御する流量制御手段が設けられている、
上記（６）に記載の発電システムの運転方法。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の発電システム及び発電システムの運転方法を用いることにより、下水汚泥焼却設備における廃熱を発電に有効利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の発電システムの第１の実施形態を示す図である。
【図２Ａ】本発明の発電システムにおける焼却炉の炉内温度を制御する方法の一例を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａに示した焼却炉の炉内温度を制御する方法の詳細を示す図である。
【図２Ｃ】図２Ａに示した焼却炉の炉内温度を制御する方法の詳細を示す図である。
【図２Ｄ】本発明の発電システムにおける焼却炉の炉内温度を制御する方法の他の例を示す図である。
【図２Ｅ】本発明の発電システムにおける焼却炉の炉内温度を制御する方法の他の例を示す図である。
【図２Ｆ】本発明の発電システムにおける焼却炉の炉内温度を制御する方法の他の例を示す図である。
【図２Ｇ】本発明の発電システムにおける焼却炉の炉内温度を制御する方法の一例を示す図である。
【図３】下水処理設備の一例を示す図である。
【図４】実施例で用いた発電システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の発電システムについて以下説明する。
廃棄物発電を高効率化するとは、廃棄物発電プラントにおいてごみの有する熱量をできるだけ有効に利用することである。有効なエネルギーとしては電力のみでなく蒸気、温水等、目的とする有効なエネルギーの形により種々の形態があるが、本発明における高効率化とは電力への変換効率すなわち発電効率の向上をいう。
【００１２】
前記した通り、発電効率を向上させるには蒸気温度及び蒸気圧力を高めることができればよいが、下水汚泥焼却処理施設においては下水汚泥の熱量が小さいため蒸気温度及び蒸気圧力を高めることができない。
【００１３】
また、蒸気タービン（以下「タービン」ともいう）の型式によって発電効率の値も異なってくる。発電を最大に行わせるためには、タービンでの仕事を最大限に行わせる復水タービンが有利である。
復水器には空冷式と水冷式とがある。空冷式の場合は、タービン出口蒸気は６０℃までしか冷却されず、復水器圧力が低くならずタービンの熱効率は高くならない。
このため、本発明では熱効率の観点から水冷式復水器を用いる。
通常の事業用発電タービンでは、タービン出口の蒸気を復水器において海水によって冷却する水冷方式が採用されているが、廃棄物発電の場合には発電設備が小規模であり、内陸に設置されることが多いため、海水冷却による水冷を採用することは難しい。
【００１４】
ところで、下水汚泥は下水処理施設から排出される。そして、この下水処理施設からは浄化された処理水が大量に排出される。そこで、本発明においては、下水処理施設から排出される処理水を水冷式復水器の冷却水とすることが好ましい。
【００１５】
通常のごみ焼却炉は一般に８００℃以上の焼却温度でごみを焼却する。焼却炉出口の排ガス温度も８００℃以上の高温となる。
下水汚泥は窒素含有量が極めて多いため、焼却時には亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）が排出される。この亜酸化窒素は二酸化炭素の約３００倍の温暖化効果を持っているとされる温室効果ガスであり、その削減が強く求められている。この亜酸化窒素は焼却温度を８５０℃以上とすることにより削減できる。このため、下水汚泥の焼却温度は８５０℃以上とすることが好ましい。
【００１６】
燃焼ガスには煤塵や塩素ガスなどの有害物質が含まれている。このため排ガス処理設備において、集塵機で煤塵を除去し、さらに塩素ガスなどの有害物質を除去する必要がある。排ガス処理設備で排ガスを処理するためには燃焼ガスの温度を２００℃程度にまで下げる必要がある。
【００１７】
本発明の発電システムの実施形態の一つを図１に基づいて以下詳細に説明する。
図１に示した廃熱を利用した発電システム１００は、焼却炉１、空気予熱器（熱交換器）２、廃熱ボイラ３、蒸気タービン４、水冷式復水器５、給水ポンプ６、空気送風機２１を備えている。また、発電システムは排ガス処理設備として集塵機７、湿式ガス洗浄装置８、触媒反応塔９、及び煙突１０を備えている。
【００１８】
焼却炉１には配管Ｃから下水汚泥Ｓが供給され、配管Ａ３から燃焼用空気が供給される。下水汚泥Ｓは焼却炉１内で、配管Ａ３から焼却炉1に供給される燃焼用空気によって焼却処理され、焼却により発生した高温の排ガスは配管Ｂ１によって焼却炉１から流出する。
【００１９】
燃焼用空気は空気送風機２１によって配管Ａ１を通って空気予熱器２に供給される。
配管Ａ１は空気予熱器２の被加熱側のガス入口に接続されており、空気送風機２１から供給された燃焼用空気は配管Ａ１を通って空気予熱器２に流入する。
一方、配管Ｂ１は空気予熱器２の加熱側のガス入口に接続されている。焼却炉１で下水汚泥が燃焼することにより発生した高温の排ガスは、配管Ｂ１を通って空気予熱器２に流入する。
【００２０】
配管Ａ１を通って空気予熱器２に流入した燃焼用空気と、配管Ｂ１を通って空気予熱器２に流入した排ガスとは、空気予熱器２内で熱交換する。熱交換によって加熱された燃焼用空気は配管Ａ３から流出して焼却炉１に送られる。
空気予熱器２における熱交換によって燃焼用空気を加熱して温度が低下した排ガスは配管Ｂ３によって空気予熱器２から流出し、廃熱ボイラ３に供給される。
【００２１】
焼却炉１の炉出口の排ガスは例えば温度が８００〜９００℃程度と高温であるため、熱効率の観点からは、このまま廃熱ボイラ３に供給することが望ましい。しかしながら、廃棄物から可能な限りエネルギーを取り出すという観点からは、焼却炉１における下水汚泥の燃焼のために補助燃料を使用することは極力避ける必要がある。このため、上記したように、空気予熱器２を用いて排ガスの熱エネルギーの一部を燃焼用空気の加熱のために使用する。
焼却炉１と空気予熱器２と廃熱ボイラ３とは排ガスを移送する配管での熱損失を避けるために近接して配置されることが望ましい。
【００２２】
廃熱ボイラ３に流入した高温の排ガスはボイラ内の水と熱交換して廃熱を回収されて蒸気を発生させると共に、排ガスは２５０℃程度に冷却されて排ガス処理設備で処理される。
【００２３】
廃熱ボイラ３で発生した高温高圧の蒸気は蒸気タービン４に供給されて蒸気タービン４に連結された発電機を駆動して発電を行う。発電に供されて低温になった排蒸気は水冷式復水器５に流入して、水冷式復水器に供給される冷却水によって冷却されて復水する。復水した水は給水ポンプ６によって再度廃熱ボイラ３に送り込まれて再び加熱蒸気となって蒸気タービン４へ戻される。
【００２４】
空気予熱器２を出て廃熱ボイラ３に入る排ガスの廃熱ボイラ３の入口における排ガス温度は５００℃〜７００℃となる。
上記の排ガス温度を有する排ガスを用いて廃熱ボイラ３で蒸気を発生させると、廃熱ボイラから排出されてタービンを駆動させる蒸気の蒸気条件を１．２ＭＰａ、３５０℃とすることができ、４ｔ/ｈ程度の蒸気で高効率の発電が可能となる。
このような蒸気条件で発電を行わせるには出力４５０ｋＷ〜１０００ｋＷの小規模な蒸気タービン発電機を用いることが好ましい。
【００２５】
廃熱ボイラ３から排出される排ガスは熱を回収されて十分に低温となっており、集塵機７に送られる。集塵機７では排ガス中の煤塵、固体状態の重金属類等が捕集・除去される。
湿式ガス洗浄装置８では、排ガスを苛性ソーダ等のアルカリ溶液と接触させて塩化水素、硫黄酸化物等の酸性有害ガスを除去する。
触媒反応塔９では排ガス中の窒素酸化物をアンモニアを還元剤として触媒により分解する。また、ダイオキシン類も触媒で分解する。処理された排ガスは煙突１０から大気中に排出される。
【００２６】
焼却炉１における焼却温度を８５０℃以上に制御するには、空気予熱器２から排出される燃焼用空気を適切な温度に制御する必要がある。
図２Ａに、空気予熱器から排出される燃焼用空気の温度を制御するための、焼却炉１、空気予熱器２、廃熱ボイラ３、及び、空気送風機２１の相互の間の配管の接続状態の概略図を示す。なお、各配管には必要に応じて適宜流量制御弁を設けるが、流量制御弁の設け方には種々のバリエーションが考えられる。そこで、配管の接続を説明する図２Ａでは流量制御弁の表示を省略し、流量制御弁の具体的な配置の仕方は図２Ｂ、図２Ｄ、及び図２Ｅで示す。
【００２７】
焼却炉１に供給される燃焼用空気のための配管Ａと、焼却炉１から排出される排ガスのための配管Ｂとを設ける
配管Ａは、空気送風機２１から供給される空気を空気予熱器２の被加熱側のガス入口に導く配管Ａ１と、空気を直接焼却炉１に導く配管Ａ２とに分岐している。
空気予熱器２の被加熱側のガス出口には空気予熱器２から空気を排出する配管Ａ３が設けられている。
配管Ｂは、排ガスを空気予熱器２の加熱側のガス入口に導く配管Ｂ１と、排ガスを直接廃熱ボイラ３に導く配管Ｂ２とに分岐している。
空気予熱器２の加熱側のガス出口には空気予熱器２から排ガスを排出する配管Ｂ３が設けられている。
配管Ａ２と配管Ａ３とは配管Ａ２内の空気と配管Ａ３内の空気とを混合して焼却炉１に導く配管Ａ４に接続されている。
配管Ｂ２と配管Ｂ３とは配管Ｂ２内の排ガスと配管Ｂ３内の排ガスとを混合して廃熱ボイラ３に導く配管Ｂ４に接続されている。
配管Ａ１〜Ａ３の少なくとも一つに空気予熱器２内を流れる空気の流量を制御する流量制御手段を設け、また、配管Ｂ１〜Ｂ３の少なくとも一つに空気予熱器２内を流れる排ガスの流量を制御する流量制御手段を設ける。
【００２８】
（流量制御手段の配置例１）
図２Ａに示した装置における流量制御手段の配置例を図２Ｂに示す。
配管Ａ１は流量制御弁１２を介して空気予熱器２の被加熱側のガス入口に接続されており、空気予熱器２で排ガスと熱交換して加熱されて空気予熱器２から配管Ａ３を通って流出する。
一方、配管Ａ２は流量制御弁１１を介して配管Ａ３に接続されており、配管Ａ２内の空気は空気予熱器２から排出された配管Ａ３内の加熱空気と混合されて配管Ａ４を通って焼却炉１に供給される。
【００２９】
焼却炉１で発生した高温の排ガスは、焼却炉１から配管Ｂを通って流出する。
この配管Ｂは配管Ｂ１及び配管Ｂ２に分岐している。
配管Ｂ１は流量制御弁１４を介して空気予熱器２の加熱側のガス入口に接続されており、空気予熱器２で空気と熱交換して熱を回収され、空気予熱器２から配管Ｂ３を通って流出する。
一方、配管Ｂ２は流量制御弁１３を介して配管Ｂ３に接続されており、配管Ｂ２内の排ガスは、空気予熱器２から排出された配管Ｂ３内の排ガスと混合されて配管Ｂ４を通って廃熱ボイラ３に供給される。
【００３０】
流量制御弁１１、１２の作用について説明する。
焼却炉１内には、炉内温度を検出するための温度検出器が設けられており、検出された温度情報は温度指示制御器へ送られ、この温度指示制御器によって流量制御弁１１、１２の開閉度を調整して、配管Ａ１によって空気予熱器２に供給される空気と、配管Ａ２によって焼却炉１に送られる空気との供給比率を制御する。
【００３１】
例えば、焼却炉１の炉内温度を約８５０℃に一定に保持しようとするとき、炉内温度が高くなると流量制御弁１１を開く方向に制御すると共に、流量制御弁１２を閉じる方向に制御することにより、空気予熱器２に供給される空気量を減少させて焼却炉１に供給される空気の温度を低下させる。
また、炉内温度が低くなると、流量制御弁１１を閉じる方向に制御すると共に、流量制御弁１２を開く方向に制御して、空気予熱器２への空気量を増加させて、焼却炉１に供給される空気の温度を上昇させる。
【００３２】
ところで、炉内温度に応じて流量制御弁１１、１２を開閉するという操作を行うと次のような問題がある。
すなわち、燃焼空気の温度を下げるために配管Ａ１内の空気の流量を減少させると共に、配管Ａ２内の空気の流量を増加させると、空気予熱器２内を通過する空気量が減少する。このため、空気予熱器２内において空気が高温の排ガスとの過剰な熱交換によって過度に加熱され、空気予熱器２の出口空気温度が過度に上昇して空気予熱器２及び配管の加熱破損が生じる可能性がある。
そこで、空気予熱器２における過剰な熱交換を防ぐために、空気予熱器２を通過する排ガス量を制御する手段を設ける。
【００３３】
以下、空気予熱器２を通過する排ガス量を制御するための手段について説明する。
焼却炉１で発生した排ガスを流出させる配管Ｂは配管Ｂ１と配管Ｂ２とに分岐している。
配管Ｂ１は流量制御弁１４を介して空気予熱器２の加熱側のガス入口に接続されており、空気予熱器２で空気と熱交換して空気を加熱し、温度が低下した排ガスとなって空気予熱器２から配管Ｂ３を通って流出する。
一方、配管Ｂ２は流量制御弁１３を介して配管Ｂ３に接続されており、流量制御弁１３を通過した配管Ｂ２内の排ガスは空気予熱器２から排出された配管Ｂ３内の排ガスと混合されて配管Ｂ４を通って廃熱ボイラ３に供給されて熱を回収される。
【００３４】
そして、焼却炉１の炉内温度が高くなると、流量制御弁１２を閉じる方向に、また、流量制御弁１１を開く方向にそれぞれ制御して空気予熱器２に流入する空気量を減少させると共に、配管Ｂ１の流量制御弁１４を閉じる方向に、また、配管Ｂ２の流量制御弁１３を開く方向にそれぞれ制御して空気予熱器２に流入する排ガス量を減少させる。
焼却炉１内の焼却温度を８５０℃に維持するように制御すると、廃熱ボイラ３に供給される排ガスの温度変化が生じる場合があるが、廃熱ボイラは排ガスの温度変化に応じて蒸発する水の温度及び圧力を調節することにより排ガスの温度変化を吸収して蒸気タービンによる安定した発電量を維持することができる。
【００３５】
一方、炉内温度が低くなると、流量制御弁１２を開く方向に、また、流量制御弁１１を閉じる方向にそれぞれ制御して空気予熱器２に流入する空気量を増加させると共に、配管Ｂ１の流量制御弁１４を開く方向に、また配管Ｂ２の流量制御弁１３を閉じる方向にそれぞれ制御して空気予熱器２に流入する排ガス量を増大させる。
【００３６】
次に、流量制御手段の配置例１における、空気予熱器２に供給される空気及び排ガスのそれぞれのガス流量を制御する方法の一例を図２Ｃに基づいて説明する。
焼却炉１の炉内温度は温度検出器１７によって検出され、検出された温度情報は温度指示制御器１８へ送られる。温度指示制御器１８は温度検出器１７からの測定値と炉内温度の温度設定値との偏差に基づいて、配管Ａ１、配管Ａ２、配管Ｂ１、及び配管Ｂ２に設けられた流量制御弁１２、１１、１４、１３に弁の開度を制御する信号を出力して、弁を開閉する。
【００３７】
具体的には、温度検出器１７が示す炉内温度が設定値よりも高くなれば、空気予熱器２に供給される空気量を減少させるために、温度指示制御器１８から、流量制御弁１１を開く方向に、かつ、流量制御弁１２を閉じる方向に制御信号を出す。一方、空気予熱器２に供給される排ガス量を減少させるために、流量制御弁１４を閉じる方向に、かつ、流量制御弁１３を開く方向に制御信号を出す。
【００３８】
また、温度検出器１７が示す炉内温度が設定値よりも低くなれば、空気予熱器２に供給される空気量を増加させるために、温度指示制御器１８は、流量制御弁１２を開く方向に、また、流量制御弁１１を閉じる方向に制御信号を出す。
一方、空気予熱器２に供給される排ガス量を増加させるために、流量制御弁１４を開く方向に、また、流量制御弁１３を閉じる方向に制御信号を出す。
【００３９】
前記した方法においては、温度検出器１７と温度指示制御器１８とで空気予熱器２に流入する排ガスの流量を制御した。
図２Ｄに示したものは、温度指示制御器１８で空気予熱器２に供給される空気量を制御する点は図２Ｃに示したものと同じであるが、空気予熱器２に供給される排ガスの流量を制御する方法が図２Ｃに示したものと異なる。
図２Ｄに示したものでは、焼却炉１に供給される配管Ａ４内の空気の温度を温度検出器１９で検出し、検出された温度情報を温度指示制御器２０に送る。温度が設定値よりも高ければ、温度指示制御器２０は空気予熱器２に流入する排ガス量を減少させるために流量制御弁１４を閉じる方向に、また、流量制御弁１３を開く方向に制御信号を出す。
【００４０】
（流量制御手段の配置例２）
図２Ｅに示した例は、図２Ｂに示したものにおいて、流量制御弁を空気予熱器２の被加熱側のガス入口に導く配管Ａ１及び排ガスを空気予熱器２の加熱側のガス入口に導く配管Ｂ１に設けることに代えて、流量制御弁１１を、空気を直接焼却炉１に導く配管Ａ２に設けると共に、流量制御弁１３を排ガスを直接廃熱ボイラ３に導く配管Ｂ２にそれぞれ設けたものである。
この例は図２Ｂに示した例に比べると温度変化に対する応答性は若干劣るが実用上は何ら問題がない。
また、流量制御弁を空気予熱器２の被加熱側のガス入口に導く配管Ａ１及び排ガスを空気予熱器２の加熱側のガス入口に導く配管Ｂ１に設けて、空気を直接焼却炉に導くための配管Ａ２及び排ガスを直接廃熱ボイラに導くための配管Ｂ２に流量制御弁を設けないようにしてもよい。
【００４１】
（流量制御手段の配置例３）
図２Ｆに示した例は、図２Ｂに示した例において、流量調整弁１１、１２、１３、１４を、それぞれ配管Ａ２、配管Ａ１、配管Ｂ２、配管Ｂ１に設けることに代えて、流量調整弁１５を配管Ａ３に、流量調整弁１６を配管Ｂ３にそれぞれ設けたものである。
【００４２】
また、流量調整弁は、空気予熱器２に供給される空気の流量及び排ガスの流量をそれぞれ制御することができるのであれば、前記配管Ａ１〜Ａ３のいずれに設けてもよく、また、前記配管Ｂ１〜Ｂ３のいずれに設けてもよい。
【００４３】
上記のように、空気を焼却炉１に供給する配管を２系統に分岐し、一方の配管を空気予熱器２に接続し、他方の配管を焼却炉１に接続するという構成に加えて、焼却炉１から排ガスを排出する配管を２系統に分岐し、一方の配管を空気予熱器２に接続し、他方の配管を廃熱ボイラ３に接続するという構成を採用することにより、空気予熱器２に流入する空気の量に応じて、空気予熱器２に流入する排ガスの量を制御している。
これにより、空気予熱器２において被加熱媒体である空気が過熱して、この過熱によって配管等の設備が損傷することがなく、また、空気予熱器２において熱源媒体である排ガスが過度に低温化して排ガス中の酸成分が水溶液化して酸露点腐食が生じたりすることがない。
【００４４】
また、焼却炉１に投入される廃棄物は種々の性状のものが対象となり、特に含水率や可燃分率が大きく異なる場合があるが、本発明の発電システムは、この変動に対して焼却炉の温度調整を迅速に行うことができるので、幅広い性状の廃棄物を処理することができる。
本発明の発電システムを用いると、例えば、排ガス温度が８５０℃である場合、焼却炉１に供給する空気の温度を１５０℃〜６５０℃の範囲とすることができるので、幅広い含水率を有する汚泥を安定して処理することができる。
【００４５】
図２Ａ〜図２Ｆには、空気予熱器２内で燃焼用空気と排ガスとを向流で流して熱交換を行う例を示したが、燃焼用空気と排ガスとを並流で流すようにしてもよい。
一例として、図２Ａに示したものにおいて燃焼用空気と排ガスとを並流で流すようにしたものを図２Ｇに示す。
【００４６】
復水器を水冷式復水器とすること、及び、水冷式復水器の冷却水としては下水処理設備から排出される処理水を用いることが好ましいことは既に述べた。
下水処理設備の一例を図３に基づいて説明する。
下水は最初沈殿池３１に導入されて固液分離され、上澄み水が撹拌機３５を有する嫌気処理用の嫌気処理槽３２に導入される。嫌気処理槽３２で嫌気処理された水は、散気管３６を有する好気処理槽３３に導入され、散気管３６からの噴出する空気により好気処理される。好気処理された水は、最終沈殿池３４に導入され、固液分離処理され、上澄み水が処理水として流出する。また、最終沈殿池３４で沈降した汚泥の一部は汚泥返送管３７によって嫌気処理槽３２に返送され、余剰の汚泥は余剰汚泥排出管３８より下水汚泥（余剰汚泥）として排出される。この下水汚泥（余剰汚泥）は脱水処理によって脱水した後、焼却炉１において焼却処理される。
そして、最終沈殿池３４から流出する処理水の一部は水冷式復水器５に送られ復水器の冷却水として使用される。
【００４７】
下水処理設備と下水汚泥焼却設備とを含む処理施設は、下水処理水という冷熱源と下水汚泥焼却設備からの排ガスという温熱源を有している。そして下水処理設備から排出される下水処理水を発電設備の復水器の冷却水として使用し、下水汚泥焼却設備から排出される排ガスを蒸気タービンを駆動する蒸気を発生させるための熱源として使用することは熱エネルギーの有効利用の観点から有意義なものである。
【実施例】
【００４８】
図４に示す発電システムを用いて、試験を行った。
下水汚泥として含水率が７４．７５質量％の汚泥を６．３ｔ／ｈの処理量で焼却炉１に供給した。
焼却炉１から排出される排ガスの温度が８５０℃、焼却炉に供給される燃焼用空気の温度が４５１℃、廃熱ボイラ３に供給される排ガスの温度が６５９℃となるように空気予熱器２を制御した。
蒸気タービンに供給される蒸気の条件は次の通りとした。
蒸気量    ：  ３．９ｔ／ｈ
蒸気圧力  ：  １．２ＭＰａ
蒸気温度  ：  ３５０℃
廃熱ボイラ３から排出される排ガスの温度を２５０℃とした。
この結果、蒸気タービンによって５９４ｋＷの出力が得られた。
【符号の説明】
【００４９】
１  焼却炉
２  空気予熱器
３  廃熱ボイラ
４  蒸気タービン
５  水冷式復水器
６  給水ポンプ
７  集塵機
８  湿式ガス洗浄装置
９  触媒反応塔
１０  煙突
１１、１２、１３、１４、１５、１６  流量制御弁
１７、１９  温度検出器
１８、２０  温度指示制御器
２１  空気送風機
３１  最初沈殿池
３２  嫌気処理槽
３３  好気処理槽
３４  最終沈殿池
３５  撹拌機
３６  散気管
３７  汚泥返送管
３８  余剰汚泥排出管
１００  発電システム
Ａ、Ａ１、Ａ２、Ａ３  配管（空気用）
Ｂ、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３  配管（排ガス用）
Ｃ  配管（汚泥用）
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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【図２Ｇ】
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【図３】
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【図４】
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