(57)【要約】【課題】簡易な構成で、水蒸気発電システムを含むシステム全体のエネルギー効率を格段に高めつつ、水蒸気発電システムの復水処理と余熱の利用処理とをバランスよく行うことができる余熱低沸点発電システムを提供すること。【解決手段】水蒸気発電システム１０内の水蒸気タービンＳＴ出口から低圧復水器１５までの管路から水蒸気タービンＳＴが排出した余熱水蒸気の一部を分離導入して熱交換を行う熱交換装置２２と、水よりも低沸点の媒体を用い、熱交換装置２２を介して加熱された低沸点の媒体によって発電機を駆動する低沸点媒体タービンＴと、を備えた低沸点熱サイクルを形成し、水蒸気発電システム１０に接続させた構成とする。【選択図】図１
2013100726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気発電システム内の水蒸気発電タービン出口から復水器までの管路から該水蒸気発電タービンが排出した余熱水蒸気の一部を分離導入して熱交換を行う熱交換装置と、
水よりも低沸点の媒体を用い、前記熱交換装置を介して加熱された低沸点の媒体によって発電機を駆動する低沸点発電タービンと、
を備えた低沸点熱サイクルを形成し、前記水蒸気発電システムに接続されたことを特徴とする余熱低沸点発電システム。
【請求項２】
前記管路から前記復水器側への水蒸気流量と前記管路から前記熱交換装置側への水蒸気流量との配分調整を行う調整弁を備えたことを特徴とする請求項１に記載の余熱低沸点発電システム。
【請求項３】
前記外部の水蒸気発電システムの熱源からの排ガスを冷却処理する排煙処理装置が排出する高温排水を導入して熱交換を行う高温排水熱交換装置を、前記低沸点熱サイクル上に設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の余熱低沸点発電システム。
【請求項４】
前記外部の水蒸気発電システムの低圧蒸気だめから蒸気の一部を抽気し、前記低沸点熱サイクル上であって前記低沸点発電タービンの前段に設けられた低圧蒸気熱交換装置によって、該抽気した蒸気と前記低沸点の蒸気との熱交換を行い、該低沸点の蒸気を過熱蒸気として前記低沸点発電タービンに送出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の余熱低沸点発電システム。
【請求項５】
前記低沸点熱サイクルは、前記低沸点の媒体を用いたランキンサイクルであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の余熱低沸点発電システム。
【請求項６】
前記低沸点熱サイクルは、前記低沸点の媒体と水との混合媒体を用いたカリーナサイクルであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の余熱低沸点発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、簡易な構成で、水蒸気発電システムを含むシステム全体のエネルギー効率を格段に高めつつ、水蒸気発電システムの復水処理と余熱の利用処理とをバランスよく行うことができる余熱低沸点発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、汚泥などの焼却炉では、焼却炉からの排ガスの熱を熱源として、水蒸気発電装置や白煙防止装置などの各種装置を設置し、排熱の有効利用を図っている。
【０００３】
ここで、特許文献１では、原子力を熱源とし、水蒸気によって駆動される蒸気タービンを有する水蒸気系と、蒸気タービンの排気で加熱された気体状の混合媒体によって駆動される混合媒体タービンを有する混合媒体系とを備えた発電プラントが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２５７０２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述した焼却炉に付設される水蒸気発電装置の水蒸気タービンから出力された水蒸気の余熱は復水器などで捨てられており、焼却システム全体のエネルギー効率向上を阻害しているという問題があった。
【０００６】
また、復水器などで水蒸気の余熱を冷却するための冷却器および冷却ポンプなどを駆動するエネルギーを余分に必要としており、焼却システム全体のさらなるエネルギー効率の向上が要望されている。
【０００７】
なお、先行文献１では、詳細には記載されていないが、復水器と熱交換機能とを一体化するものが記載されている。この場合、一体化した復水器の構成では、すべての余熱水蒸気の熱交換が行われるものと考えられるため、水蒸気発電装置の発電能力と熱交換装置を介して発電する発電装置の発電能力との配分が困難であり、水蒸気発電装置の発電状態に応じた高温水蒸気の復水処理と余熱の利用処理とをバランスよく行うことができない場合があった。
【０００８】
この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で、水蒸気発電システムを含むシステム全体のエネルギー効率を格段に高めつつ、水蒸気発電システムの復水処理と余熱の利用処理とをバランスよく行うことができる余熱低沸点発電システム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】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、この発明にかかる余熱低沸点発電システムは、水蒸気発電システム内の水蒸気発電タービン出口から復水器までの管路から該水蒸気発電タービンが排出した余熱水蒸気の一部を分離導入して熱交換を行う熱交換装置と、水よりも低沸点の媒体を用い、前記熱交換装置を介して加熱された低沸点の媒体によって発電機を駆動する低沸点発電タービンと、を備えた低沸点熱サイクルを形成し、前記水蒸気発電システムに接続されたことを特徴とする。
【００１０】
また、この発明にかかる余熱低沸点発電システムは、上記の発明において、前記管路から前記復水器側への水蒸気流量と前記管路から前記熱交換装置側への水蒸気流量との配分調整を行う調整弁を備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、この発明にかかる余熱低沸点発電システムは、上記の発明において、前記外部の水蒸気発電システムの熱源からの排ガスを冷却処理する排煙処理装置が排出する高温排水を導入して熱交換を行う高温排水熱交換装置を、前記低沸点熱サイクル上に設けたことを特徴とする。
【００１２】
また、この発明にかかる余熱低沸点発電システムは、上記の発明において、前記外部の水蒸気発電システムの低圧蒸気だめから蒸気の一部を抽気し、前記低沸点熱サイクル上であって前記低沸点発電タービンの前段に設けられた低圧蒸気熱交換装置によって、該抽気した蒸気と前記低沸点の蒸気との熱交換を行い、該低沸点の蒸気を過熱蒸気として前記低沸点発電タービンに送出することを特徴とする。
【００１３】
また、この発明にかかる余熱低沸点発電システムは、上記の発明において、前記低沸点熱サイクルは、前記低沸点の媒体を用いたランキンサイクルであることを特徴とする。
【００１４】
また、この発明にかかる余熱低沸点発電システムは、上記の発明において、前記低沸点熱サイクルは、前記低沸点の媒体と水との混合媒体を用いたカリーナサイクルであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、水蒸気発電システム内の水蒸気発電タービン出口から復水器までの管路から該水蒸気発電タービンが排出した余熱水蒸気の一部を分離導入して熱交換を行う熱交換装置と、水蒸気よりも低沸点の媒体を用い、前記熱交換装置を介して加熱された低沸点の媒体によって発電機を駆動する低沸点発電タービンと、を備えた低沸点熱サイクルを形成し、前記水蒸気発電システムにカスケード接続しているので、簡易な構成で、水蒸気発電システムを含むシステム全体のエネルギー効率を格段に高めつつ、水蒸気発電システムの復水処理と余熱の利用処理とをバランスよく行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、この発明の実施の形態１にかかる余熱発電システムを含む焼却システムの構成を示すブロック図である。
【図２】図２は、この発明の実施の形態２にかかる余熱発電システムを含む焼却システムの構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付図面を参照してこの発明を実施するための形態について説明する。
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、この発明の実施の形態１にかかる余熱発電システムを含む焼却システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、この焼却システム１は、焼却炉２、ボイラ３、集塵装置４、排煙処理塔５、水蒸気発電システム１０、および余熱低沸点発電システム２０を有する。
【００１９】
焼却炉２は、汚泥などの焼却対象物を焼却するものであり、ブロワ６から供給される空気と、必要に応じて供給される燃料とを用いて焼却対象物を燃焼させ、たとえば８５０℃程度の高温の燃焼ガスとしてボイラ３に出力する。焼却炉２は、流動焼却炉や循環焼却炉などによって実現されるが、その他の焼却方式で実現してもよい。
【００２０】
ボイラ３は、水蒸気発電システム１０の熱源となる。集塵装置４は、ボイラ３を介して送られる燃焼炉２の燃焼ガスから、燃焼灰を集塵し除去し、燃焼灰が除去された燃焼ガスを排煙処理塔５に送出する。なお、ボイラ３から送られる燃焼ガスの温度は、たとえば２５０〜３００℃程度である。排煙処理塔５は、常温の水を給水して、集塵装置４から送られた燃焼ガスの温度をたとえば４０〜５０℃程度まで降下させ、ブロワ７を介して図示しない煙突から燃焼ガスを大気に放出する。この排煙処理塔が熱交換された水のうちの高温排水の熱は、余熱低沸点発電システム２０に利用される。
【００２１】
水蒸気発電システム１０は、ボイラ３の燃焼ガスを熱源として、水を媒体とするランキンサイクルによって水蒸気タービンＳＴを駆動し、水蒸気タービンＳＴに結合された発電機１４を駆動することによって発電するシステムである。
【００２２】
ボイラ３は、循環する水を加熱して水蒸気に変換し、この変換された高温高圧状態の水蒸気は、スチームヘッダー１１に入力される。スチームヘッダー１１は、蒸気管寄せであり、ボイラ３からの水蒸気を一旦蓄積し、各配管に分配する。図１では、複数の配管を示していないが、水蒸気発電システム１０以外のシステム等に対して水蒸気を供給する配管が結合されている。
【００２３】
スチームヘッダー１１から高圧蒸気だめ１２に水蒸気が供給される。高圧蒸気だめ１２は、水蒸気タービンＳＴの仕事量に対応し、必要な水蒸気を水蒸気タービンＳＴに供給して水蒸気タービンＳＴを駆動するとともに、余剰の水蒸気を高圧復水器１３に送出して水蒸気のバランスをとる。たとえば、高圧蒸気だめ１２は、水蒸気タービンＳＴが低負荷状態であったり、水蒸気タービンＳＴが必要とする水蒸気量よりも多い水蒸気がボイラ３側から供給された場合などに、高圧復水器１３側に水蒸気を戻す。
【００２４】
水蒸気タービンＳＴは、高圧蒸気だめ１２から供給された高温高圧水蒸気が入口に入力されることによって駆動され、発電機１４を駆動して発電させる。水蒸気タービンＳＴの出口からは、仕事済みの低温低圧状態の水蒸気（余熱水蒸気）が排出される。この余熱水蒸気は、調整弁１０ａを介して低圧復水器１５に入力されるが、一部の余熱水蒸気は、調整弁１０ａとともに、調整弁１０ａの水蒸気タービンＳＴ側から分岐する配管途中に設けられた調整弁１０ｂと、調整弁１０ａの低圧復水器１５側から合流する配管途中に設けられた調整弁１０ｃとを用いて、余熱低沸点発電システム１０の熱交換装置２２に供給される。この３つの調整弁１０ａ〜１０ｃは、流量調整弁であり、蒸気タービンＳＴ出口から排出される余熱水蒸気の低圧復水器１５側と余熱低沸点発電システム２０側とへの流量配分を行う。たとえば、水蒸気タービンＳＴの負荷が低い場合には、余熱低沸点発電システム２０側への供給流量を多くして、余熱低沸点発電システム２０の安定発電が行えるようにする。
【００２５】
低圧復水器１５は、冷却ポンプ１５ａおよび冷却器１５ｂによって生成された冷却水によって、余熱水蒸気の温度をさげ凝縮させる。この凝縮によって水蒸気タービンＳＴ出口側は負圧状態となり、水蒸気タービンＳＴの変換効率を高めることができる。
【００２６】
ここで、調整弁１０ｂ，１０ｃを介して循環する余熱水蒸気も熱交換装置２２によって熱交換が行われ、余熱水蒸気は低温化される。このため、低圧復水器１５の復水能力は従来に比して小さくて済み、低圧復水器１５の構成を簡易なものとすることができる。さらに、冷却ポンプ１５ａおよび冷却器１５ｂの冷却能力および構成も小さくて済む。しかも、低圧復水器１５で捨てていた余熱量を小さくすることができ、従来の低圧復水器１５で捨てていた一部の余熱量を余熱低沸点発電システムで利用することができる。すなわち、従来の低圧復水器１５で捨てていた熱エネルギーの一部を余熱低沸点発電システム２０で有効利用することができるとともに、低圧復水器１５の復水能力を実現する冷却ポンプ１５ａ，１５ｂの駆動エネルギーが減少するため、システム全体のエネルギー効率が相乗的に向上することになる。さらに、水蒸気発電システム１０の水蒸気タービンＳＴから出力される余熱水蒸気が比較的高温状態である場合であっても、余熱水蒸気の低圧復水器１５側への流量と熱交換装置２２側への流量とを調整できるので、余熱水蒸気の復水処理と余熱の利用処理とをバランスよく行うことができる。
【００２７】
復水タンク１６は、ポンプ１６ａを介して低圧復水器１５から供給される水と高圧復水器１３から供給される水とを溜めておき、ポンプ１６ｂを介して脱気器１７に送出される。なお、復水タンク１６の圧力バランスは、ポンプ１６ａ，１６ｂの駆動を制御することによって達成される。
【００２８】
脱気器１７は、入力された復水をさらに加熱し、水に溶け込んでいる酸素などの空気を除去する。脱気器１７が空気を除去することによって、ボイラ３や配管などの腐食を防止できる。なお、減圧減温装置１８は、高圧蒸気だめ１２に溜められた水蒸気を減圧減温し、低圧蒸気だめ１９に溜めておき、脱気器１７は、この低圧蒸気だめ１９の水蒸気を用いて加熱し、水を一旦揮発させ再凝縮させることで、水に溶存する空気を除去する。この脱気された水は、再びボイラ３に供給されて、水蒸気発電システム１０のランキンサイクルを循環する。
【００２９】
一方、余熱低沸点発電システム２０は、上述した水蒸気発電システム１０にカスケード接続されるシステムであり、水よりも低沸点の媒体を用いたランキンサイクルによって、低沸点媒体タービンＴを駆動し、低沸点媒体タービンＴに結合された発電機２３を駆動することによって発電するシステムである。低沸点の媒体を用いるのは、余熱蒸気という低温熱源で容易に高圧蒸気を得ることができるからである。この低沸点の媒体は、たとえば、アンモニアや代替フロンである。アンモニアは、元々自然界に存在する無色透明の低沸点媒体で、その蒸発温度は、大気下で、−３３．３℃、４．０ＭＰａで、７９．６℃であり、熱物性が良く、また、地球温暖化係数ゼロ、オゾン層破壊係数ゼロであり、環境負荷がほとんどなく、好ましい。
【００３０】
余熱低沸点発電システム２０は、水蒸気発電システム１０側から供給される余熱水蒸気と、水よりも低沸点の媒体との熱交換を行う熱交換装置２２を有する。また、この熱交換装置２２の前段には、排煙処理塔５から供給される高温排水と低沸点の媒体との熱交換を行う熱交換装置２１が配置されても良い。この排煙処理塔５から供給される高温排水を用いることによって、一層、焼却システム１全体のエネルギー効率を高めることができる。
【００３１】
ポンプ２５によって供給された低沸点の媒体であるアンモニアは、熱交換装置２１，２２を介して容易にアンモニア蒸気となり、この高圧のアンモニア蒸気は、低沸点媒体タービンＴの入口に供給され、発電機２３を駆動する仕事を行う。仕事済みのアンモニア蒸気は、低沸点媒体タービンＴの出口から排出され、凝縮器２４に入力され、アンモニア蒸気をアンモニア液にし、ポンプ２５を介して循環される。
【００３２】
また、低圧蒸気だめ１９から抽気した蒸気を蒸気加熱器３５に導くことで、低沸点媒体蒸気を過熱することができ効率を向上させることも可能である。
【００３３】
この実施の形態１では、余熱低沸点発電システム２０が水蒸気発電システム１０にカスケード接続され、水蒸気タービンＳＴ出口から低圧復水器１５までの管路から水蒸気タービンＳＴが排出した余熱水蒸気の一部を分離導入して熱交換するようにしているので、水蒸気発電システム１０が捨てていた熱エネルギーを有効利用することができるとともに、低圧復水器１５、冷却ポンプ１５ａ、冷却器１５ｂの構成および能力を小さくすることができ使用するエネルギーを低減できるため、焼却システム１全体のエネルギー効率を格段に向上させることができる。しかも、余熱低沸点発電システム２０は、低沸点の媒体を用いて発電を行うようにしているので、熱エネルギーの小さい余熱水蒸気を用いる場合であっても、容易に蒸気化することができ、十分な発電を行うことができる。さらに、水蒸気発電システムの水蒸気タービンから出力される余熱水蒸気が比較的高温状態である場合であっても、余熱水蒸気の低圧復水器１５側への流量と熱交換装置２２側への流量とを調整できるので、余熱水蒸気の復水処理と余熱の利用処理とをバランスよく行うことができる。
【００３４】
（実施の形態２）
上述した実施の形態１では、余熱低沸点発電システム２０がアンモニアを用いたランキンサイクルを構成するようにしていたが、この実施の形態２では、余熱低沸点発電システム２０に対応する余熱低沸点発電システム３０が、低沸点媒体と水との混合媒体の一例であるアンモニアと水との混合媒体を用いたカリーナサイクルを構成するようにしている。
【００３５】
図２は、この発明の実施の形態２にかかる余熱発電システムを含む焼却システムの構成を示すブロック図である。図２に示すように、この焼却システム１０１の余熱発電システム３０は、余熱発電システム２０の構成に加えて、気液分離器３１が熱交換装置２２と低沸点媒体タービンＴとの間に設けられ、再生器３２がポンプ２５と熱交換装置２１との間に設けられ、吸収器３４が低沸点媒体タービンＴと凝縮器２４との間に設けられ、減圧弁３３が再生器３２と吸収器３４との間に設けられる。
【００３６】
カリーナサイクルは、低沸点の媒体としてのアンモニアと水との混合媒体を用い、蒸発・凝縮の過程で、それぞれ非等温蒸発・非等温凝縮（吸収）することにより、効率のよい熱回収を行うものである。
【００３７】
気液分離器３１は、熱交換装置２２から入力された混合媒体に対して、高濃度アンモニア蒸気と、熱交換装置２２で蒸発し切れなかった低濃度アンモニア水とに分離する。高圧状態の高濃度アンモニア蒸気は、低沸点媒体タービンＴに送り込まれ、ランキンサイクルと同様に低沸点媒体タービンＴを駆動する。一方、低濃度アンモニア水は、熱交換装置である再生器３２に送られ、ポンプ２５から循環される混合媒体と熱交換されて降温した低濃度アンモニア水は、減圧弁３３を介して吸収器３４に送られる。
【００３８】
吸収器３４では、低沸点媒体タービンＴ出口から排出される高濃度アンモニア蒸気と減圧弁３３を介して入力された低濃度アンモニア水とが合流し、吸収器３４内で、高濃度アンモニア蒸気は、冷却、減圧された低濃度アンモニア水によって一気に凝縮吸収される。この吸収によって、低沸点媒体タービンＴの排気を負圧にし、タービン出力を向上させることができる。また、低圧蒸気だめ１９から抽気した蒸気を蒸気加熱器３５に導くことで、低沸点媒体蒸気を過熱することができ更に効率を向上させることも可能である。
【００３９】
この実施の形態２では、余熱低沸点発電システムが低沸点と水との混合媒体を用いてカリーナサイクルを構成しているので、実施の形態１に比してさらにエネルギー効率を高めることができる。
【符号の説明】
【００４０】
１，１０１  焼却システム
２  焼却炉
３  ボイラ
４  集塵装置
５  排煙処理塔
６，７  ブロワ
１０  水蒸気発電システム
１０ａ〜１０ｃ  調整弁
１１  スチームヘッダー
１２  高圧蒸気だめ
１３  高圧復水器
１４，２３  発電機
１５  低圧復水器
１５ａ  冷却ポンプ
１５ｂ  冷却器
１６  復水タンク
１６ａ，１６ｂ  ポンプ
１７  脱気器
１８  減圧減温装置
１９  低圧蒸気だめ
２０，３０  余熱低沸点発電システム
２１，２２  熱交換装置
２４  凝縮器
２５  ポンプ
３１  気液分離器
３２  再生器
３３  減圧弁
３４  吸収器
３５  蒸気加熱器
ＳＴ  水蒸気タービン
Ｔ  低沸点媒体タービン
【図１】
2013100726.tif 000003
【図２】
2013100726.tif 000004