JPH11200818A - 排ガスからのエネルギー回収方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】可燃物の燃焼或いは焼却残渣の溶融処理によっ
て発生した排ガスからの効率的なエネルギー回収方法を
提供する。 【解決手段】第１熱交換器５により高温の排ガス４から
清浄な空気６に熱エネルギーを効率的に交換して、この
空気を用いて第２熱交換器１５で水蒸気１２を過熱する
ので、排ガス成分による第２熱交換器１５の伝熱管の腐
食を回避でき、前記水蒸気１２を３５０〜５５０℃まで
過熱する排ガスからのエネルギー回収方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可燃物の燃焼また
は焼却残渣の排ガスからのエネルギー回収方法および装
置に関し、詳しくは都市固形ごみ廃棄物や廃プラスチッ
ク、廃油などの産業廃棄物、ゴミ固形化燃料（Ｒｅｆｕ
ｓｅ Ｄｅｒｉｖｅｄ Ｆｕｅｌ；以下ＲＤＦと称
す）、下水汚泥などの焼却工程およびガス化溶融システ
ムによる処理工程、または焼却炉から排出された焼却灰
の石炭、石油などの燃焼あるいは電気エネルギーによる
加熱による溶融処理工程に適用できるエネルギー回収方
法および装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、都市固形ごみ廃棄物や産業廃棄
物、ＲＤＦ、下水汚泥などのいわゆる「ごみ」を処分の
対象とするだけでなく、有効なエネルギー源に位置づけ
たサーマルリサイクルシステムの確立が提唱されてい
る。従来、ごみの燃焼または焼却残渣の溶融処理により
発生した高温排ガスのエネルギーを回収する方法として
は、ボイラーで蒸気回収し、背圧、抽気、復水タービン
で発電する方法が行なわれてきた。さらに最近では、固
形廃棄物を燃焼処理する過程において、電力を高効率で
得ることを目的とした発電方式には以下の４つのタイプ
の発電方式の研究開発が行なわれている。

【０００３】（１）材料開発による高効率発電として、
ごみの燃焼によって発生する塩化水素などの腐食成分に
耐える焼却炉、スーパーヒーター材料を開発し、蒸気温
度または圧力を引き上げ、発電効率を高める方法であ
る。特徴としてはごみ以外の燃料焚きによる環境負荷が
少ないことが挙げられるが、溶融塩腐食に耐えられる材
料開発が技術的、経済的に困難なことが問題点である。

【０００４】（２）ＲＤＦによる発電として、ごみを石
灰などと混合した固形化燃料にすることで脱塩素、脱硫
を図り、蒸気温度または圧力を引き上げる方法である
が、小規模の施設で高効率発電を行なうことは難しいの
で、それらの施設では固形燃料化だけを行ない、このＲ
ＤＦを集約して大規模施設で高効率発電を行なう。

【０００５】（３）ガスタービンとの複合発電として、
天然ガスなどの良質燃料を用いてガスタービンで発電す
ると共に、ガスタービンの廃熱でごみ廃熱ボイラの蒸気
を再過熱し、蒸気タービンの発電効率を高める方法であ
るが、良質燃料が別途必要である。

【０００６】（４）燃料追い焚き式方法による発電とし
て、ごみ発電ボイラーの蒸気を重油などの良質燃料で追
い焚きして再過熱し、蒸気タービンの発電効率を高める
方法がある。小規模の焼却施設で有効と考えられている
が、良質燃料が別途必要であり、コストが高いことが問
題であった。

【０００７】従来、ごみの燃焼排ガス中には、例えば塩
化ビニルなどの塩素含有高分子重合体の燃焼によって発
生した塩素ガスなどによって、熱回収のための伝熱管の
表面温度が４００℃以上になると伝熱管の腐食が顕著に
なり、過熱蒸気温度を上げることができず、このため、
高温化して高効率発電を行なうことが妨げられていた。
最近、この伝熱管の腐食に関して、伝熱管に付着した溶
融塩類（ごみ中の塩化ナトリウムや塩化カリウムなど）
が腐食を加速していることが判明し、従来のごみ発電に
おける過熱蒸気温度は３００℃以下にせざるを得なくな
っていた。このため、上記高効率発電方式の（１）およ
び（２）の実用化のためには、腐食を避ける条件づくり
が必要であるといわれている。

【０００８】また、いわゆるスーパーごみ発電とよばれ
る上記（３）および（４）の発電方式では、排ガスを直
接高温化して発電するのではなく、４５０〜７００℃の
排ガスをボイラーで熱交換し、４００℃付近の蒸気とし
て熱回収し、ガスタービン廃熱あるいは燃料追い焚きに
よって得た熱を利用して、さらに蒸気温度を上げ、高効
率発電を行なうものである。これらの方式では溶融塩や
塩化水素成分をほとんど含まない燃料の燃焼排ガス熱に
よって、水蒸気を再過熱するので、伝熱管の腐食の心配
は非常に少ない。しかしながら、これらの方式では蒸気
の再過熱のために天然ガスや石炭、石油などの燃料が別
途必要であり、これらの燃料のためにコストが高くつ
く、化石燃料資源の使用による二酸化炭素排出量の増加
あるいは大規模施設が必要であるなどの問題点があっ
た。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、前記従来技
術の問題点を解決し、可燃物燃焼施設または焼却残渣の
溶融施設から発生した排ガスによる蒸気過熱器の伝熱管
の腐食がなく、水蒸気の追い焚きのための天然ガスや化
石燃料を必要とせずにボイラーからエネルギー回収され
た水蒸気を再過熱して、高温化することにより、発電効
率を高めることができる排ガスからのエネルギー回収方
法および装置を提供するものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明に示す高温対応型熱交換器を使用して、高温
排ガスから得た高温空気を用いて蒸気を再過熱すれば、
一般には塩素や溶融塩などの腐食により３００℃以上に
上げることが困難であった蒸気温度を３５０〜５５０℃
に過熱することが可能である。すなわち、本発明は可燃
物の燃焼施設または焼却残渣の溶融施設より発生する排
ガスからのエネルギー回収方法において、排ガスと清浄
空気とを熱交換して予熱空気を発生させ、温度降下した
前記排ガスによってスチームタービン復水をボイラーで
加熱して２５０〜４５０℃の水蒸気を発生させ、この水
蒸気を前記予熱空気を用いて３５０〜５５０℃まで再過
熱した後、この過熱水蒸気によりスチームタービンで高
効率発電を行なうものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の排ガスからのエネルギー回収方法は、排ガスか
らエネルギーを回収するに際し、排ガスと清浄空気とを
熱交換して予熱空気を発生させた後、温度が降下した排
ガスによってスチームタービン復水をボイラーで加熱し
て水蒸気を発生させ、次いで、発生した水蒸気を前記予
熱空気を用いて再過熱し、この再過熱した水蒸気により
スチームタービンで発電を行なうことを要旨とするもの
である。また、本発明の排ガスからのエネルギー回収装
置は、排ガスと清浄空気とを熱交換して予熱空気を発生
させる第１熱交換器と、過熱蒸気を供給して発電するス
チームタービンと、前記タービンからの復水を前記第１
熱交換器において低温化された排ガスで加熱して前記予
熱空気よりも低温の水蒸気を発生させるボイラーと、前
記予熱空気と前記水蒸気とを熱交換して前記過熱蒸気を
発生させる第２熱交換器とを備えていることを要旨とす
るものである。

【００１２】本発明において、排ガスからエネルギーを
回収し、発電効率の向上を図るためには、過熱蒸気の温
度を３５０〜５５０℃に高めることが望まれる。そのた
めには、蒸気を再過熱するための予熱空気は４５０〜７
００℃であることが望ましく、またこの予熱空気の熱交
換熱源である可燃物燃焼排ガスまたは焼却残渣の溶融排
ガスの温度は９００〜１２００℃であることが望まし
い。

【００１３】前記エネルギー回収方法において、排ガス
が発生する設備としては特に限定されるものではない
が、可燃物を燃焼させて発生する排ガスまたは焼却残渣
を溶融した際の排ガスを用いることが好ましい。このよ
うな可燃物を燃焼させ、排ガスが発生する設備として
は、９００〜１２００℃程度の排ガスが発生する設備で
あれば良く、特に限定されるものではない。このような
設備としては、可燃物を完全燃焼させる焼却炉（例えば
ストーカ型、流動床型）や可燃物を還元雰囲気下でガス
化させ、発生した可燃性ガスを完全燃焼させて、灰分を
溶融してスラグを得るようなガス化溶融炉（例えば、流
動床ガス化炉と旋回式溶融炉によるガス化溶融システ
ム、竪型直接ガス化溶融炉、キルン式ガス化溶融炉な
ど）が挙げられる。

【００１４】前記可燃物としては、都市固形ごみ廃棄
物、廃プラスチックや廃油などの産業廃棄物、ＲＤＦ、
下水汚泥、石炭、石油、可燃ガスなどの可燃性物質また
はこれらの可燃性物質を含む集合体が挙げられる。

【００１５】また、焼却残渣を溶融し、排ガスが発生す
る設備としては、焼却残渣をスラグ化でき、９００〜１
２００℃程度の排ガスが発生する設備であれば良く、特
に限定されるものではない。焼却残渣をスラグ化するた
めに加熱する方法としては、特に限定されるものではな
いが、石炭や石油などの燃焼による加熱方法あるいは電
気エネルギーによる加熱方法などが挙げられる。このよ
うな方法で焼却残渣を溶融する設備としては、例えば可
燃物焼却炉から排出された焼却灰などを溶融させてスラ
グを得ることを目的とした灰溶融炉（電気加熱式、プラ
ズマアーク式、表面溶融式、コークスベッド式）などが
挙げられる。

【００１６】排ガスを清浄空気と熱交換して予熱空気を
発生させるための熱交換器（第１熱交換器）としては、
９００〜１２００℃程度の高温で溶融塩や塩化水素を含
有する可燃物燃焼排ガスあるいは焼却残渣の溶融排ガス
によって腐食されない素材を用いた熱交換器であること
が好ましく、セラミックビーズを熱媒体とした方式の高
温対応型熱交換器を用いることが好ましい。

【００１７】また、前記水蒸気を再過熱するための熱交
換器（第２熱交換器）は、その伝熱管に接触する予熱空
気は、４５０〜７００℃程度で塩化水素や重金属類、溶
融塩などを含まない清浄空気を用いるために、特に耐腐
食性を有する素材を用いたものである必要はなく、高効
率に熱交換が可能な熱交換器であれば特に限定されるも
のではないが、蒸気過熱器が熱交換効率の点から好まし
い。

【００１８】再過熱後の予熱空気はまだ４００〜７００
℃の温度を保持しているので、燃焼装置などの燃焼空気
として利用することが可能である。このような予熱空気
を可燃物の燃焼用空気として利用すれば、炉内の温度が
安定するので燃焼が安定し、さらに高温の排ガスが得ら
れるため、エネルギー回収が容易になる。前記燃焼用空
気として用いられる清浄空気としては、通常の外気の
他、既存の酸素発生設備により酸素を富化した酸素富化
空気を用いることもできる。酸素富化空気を用いた燃焼
では、排ガス温度を容易に上昇させることができるの
で、エネルギー回収に有用な高温の排ガスを容易に得る
ことができる。また、熱交換後の排ガス量も減少するた
め、排ガス処理装置（ガス冷却装置、脱硝装置、脱硫装
置、除塵装置、ダイオキシン除去装置などの適宜組み合
わせ）への負荷が軽減でき、これらの装置をコンパクト
化することも可能になる。

【００１９】また、過熱蒸気により発電を行なうための
スチームタービンとしては、高効率に発電を行なうこと
ができるスチームタービンであれば特に限定されるもの
ではなく、背圧式タービン、復水タービン、抽気復水タ
ービンなどが挙げられるが、この中でも復水タービンが
高効率であるため好ましい。

【００２０】以下、本発明を図面を用いて具体的に説明
する。図１にガス化炉と溶融炉との組み合わせによる都
市ごみ固形廃棄物のガス化溶融炉における本発明の工程
図を示した。図１において、ガス化炉１に投入されたご
み７は還元性雰囲気下（空気比＝０．２〜０．４）で４
５０〜７００℃で部分燃焼され、可燃性ガス成分および
固形可燃物、灰分などが溶融炉２に送り込まれ、例えば
アルミニウム、鉄、ガラスなどの不燃性廃棄物２２はガ
ス化炉１の下部から外部へ排出される。溶融炉２におい
て１２００〜１５００℃で可燃性成分が燃焼（空気比＝
０．６〜０．８）され、灰分は溶融してスラグ２３とし
て排出される。この高温排ガスはさらに２次燃焼室３に
おいて完全燃焼（空気比＝０．３以下）され、９００〜
１２００℃の排ガス４が排出される。排ガス４は第１熱
交換器５において、６００〜９００℃まで温度が降下し
た排ガス９となり、一方で空気６を加熱して４５０〜７
００℃の予熱空気８を発生させる。排ガス９はボイラー
１３で復水タンク１１からの復水１０を加熱して２５０
〜４５０℃の水蒸気１２を発生させた後、例えばガス冷
却装置、除塵装置、脱硝装置、脱硫装置、ダイオキシン
除去装置などの適宜組み合わせにより構成された排ガス
処理装置２５で処理され、処理された排ガス１９は誘引
送風機２１により煙突１４から外部へ排ガス２６として
排気される。前記水蒸気１２は第２熱交換器１５で予熱
空気８により再過熱され、３５０〜５５０℃の水蒸気
（過熱蒸気）１６になり、スチームタービン１７により
発電を行ない、電気１８を発生させる。また一方、前記
第２熱交換器１５で熱交換された予熱空気８は４００〜
６５０℃の予熱空気２０となり、ガス化炉１、溶融炉２
および２次燃焼室３に燃焼用空気として供給される。

【００２１】図２に焼却炉による都市廃棄物の燃焼にお
ける本発明の工程図を示した。図２において、焼却炉２
４に投入されたごみ７は、酸化性雰囲気下で燃焼され、
さらに２次燃焼室３において排ガス中の可燃成分は完全
に燃焼される。ごみ７中の不燃性廃棄物２２および焼却
残渣２７は焼却炉２４の下部から外部へ排出され、リサ
イクル処理される。２次燃焼室３で発生した９００〜１
２００℃の排ガス４は第１熱交換器５において空気６と
熱交換され、６００〜９００℃の排ガス９および排ガス
成分を含まない４５０〜７００℃の予熱空気８となる。
排ガス９はボイラー１３で復水タンク１１からの復水１
０を加熱して２５０〜４５０℃の水蒸気１２を発生させ
た後、例えばガス冷却装置、除塵装置、脱硝装置、脱硫
装置、ダイオキシン除去装置などの適宜組み合わせによ
り構成された排ガス処理装置２５で処理され、処理され
た排ガス１９は誘引送風機２１により煙突１４から排ガ
ス２６として外部へ排気される。前記水蒸気１２は第２
熱交換器１５で予熱空気８により再過熱され、３５０〜
５５０℃の水蒸気（過熱蒸気）１６になり、スチームタ
ービン１７により発電を行ない、電気１８を発生させ
る。第２熱交換器１５で熱交換された予熱空気８は４０
０〜６５０℃の予熱空気２０となり、焼却炉２４に燃焼
用空気として供給される。

【００２２】図３に例えば表面溶融式の灰溶融炉による
焼却灰などの焼却残渣の溶融処理における本発明の工程
図を示した。図３において、溶融炉２に投入された焼却
残渣（例えば前記焼却炉２４で得られた焼却残渣）２７
は、酸化性雰囲気下での燃料２８の燃焼による加熱によ
り１２００〜１５００℃で溶融され、スラグ２３として
外部へ排出される。一方、高温排ガスは２次燃焼室３に
おいて排ガス中の未燃成分が完全に燃焼され、２次燃焼
室３で発生した９００〜１２００℃の排ガス４は、第１
熱交換器５において空気６と熱交換され、６００〜９０
０℃の排ガス９および排ガス成分を含まない４５０〜７
００℃の予熱空気８となる。排ガス９はボイラー１３で
復水タンク１１からの復水１０を加熱して２５０〜４５
０℃の水蒸気１２を発生させた後、例えばガス冷却装
置、除塵装置、脱硝装置、脱硫装置、ダイオキシン除去
装置などの適宜組み合わせにより構成された排ガス処理
装置２５で処理され、処理された排ガス１９は誘引送風
機２１により煙突１４から排ガス２６として外部へ排気
される。水蒸気１２は第２熱交換器１５で予熱空気８に
より再過熱され、３５０〜５５０℃の水蒸気（過熱蒸
気）１６になり、スチームタービン１７により発電を行
ない、電気１８を発生させる。第２熱交換器１５で熱交
換された予熱空気８は４００〜６５０℃の予熱空気２０
となり、溶融炉２および２次燃焼室３に燃焼用空気とし
て供給される。

【００２３】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、可燃物の
燃焼あるいは焼却残渣の溶融処理によって発生した排ガ
スからのエネルギー回収においては、水蒸気を過熱する
ことを目的とした天然ガスや石油などの化石燃料の燃焼
（追い焚き）を必要としないのでエネルギー回収コスト
を低減できる。また、熱交換器により高温の排ガスから
清浄な空気に熱エネルギーを効率的に交換して、この空
気を用いて蒸気過熱器で水蒸気を再過熱するので、排ガ
ス成分による蒸気過熱器の伝熱管の腐食を回避でき、前
記水蒸気を３５０〜５５０℃まで過熱することができ、
高効率に発電することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一例であるガス化炉と溶融炉の組み合
わせによる廃棄物のガス化溶融処理からのエネルギー回
収工程図。

【図２】本発明の一例である焼却炉による廃棄物の焼却
処理からのエネルギー回収工程図。

【図３】本発明の一例である表面溶融炉による焼却残渣
の溶融処理からのエネルギー回収工程図。

【符号の説明】

１ ガス化炉 ２ 溶融炉 ３ ２次燃焼室 ４ 排ガス ５ 第１熱交換器 ６ 空気 ７ ごみ ８ 予熱空気 ９ 排ガス １０ 復水 １１ 復水タンク １２ 水蒸気 １３ ボイラー １４ 煙突 １５ 第２熱交換器 １６ 水蒸気（過熱蒸気） １７ スチームタービン １８ 電気 １９ 排ガス ２０ 予熱空気 ２１ 誘引送風機 ２２ 不燃性廃棄物 ２３ スラグ ２４ 焼却炉 ２５ 排ガス処理装置 ２６ 排ガス ２７ 焼却残渣 ２８ 燃料

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000001834 三機工業株式会社 東京都千代田区有楽町１丁目４番１号 (72)発明者 川中 聡 京都府宇治市宇治小桜23番地 ユニチカ株 式会社中央研究所内 (72)発明者 向井 克之 京都府宇治市宇治小桜23番地 ユニチカ株 式会社中央研究所内 (72)発明者 渡邉 隆司 大阪府大阪市西区北堀江１丁目12番19号 株式会社栗本鐵工所内 (72)発明者 江夏 政一郎 静岡県三島市4845番地 東レエンジニアリ ング株式会社内 (72)発明者 宮田 治男 東京都千代田区有楽町１丁目４番１号 三 機工業株式会社内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排ガスからエネルギーを回収するに際
   し、排ガスと清浄空気とを熱交換して予熱空気を発生さ
   せた後、温度が降下した排ガスによってスチームタービ
   ン復水をボイラーで加熱して水蒸気を発生させ、次い
   で、発生した水蒸気を前記予熱空気を用いて再過熱し、
   この再過熱した水蒸気によりスチームタービンで発電を
   行なうことを特徴とする排ガスからのエネルギー回収方
   法。
2. 【請求項２】 排ガスからエネルギーを回収するに際
   し、９００〜１２００℃の排ガスと清浄空気とを熱交換
   して４５０〜７００℃の予熱空気を発生させた後、６０
   ０〜９００℃に温度が降下した排ガスによってスチーム
   タービン復水をボイラーで加熱して２５０〜４５０℃の
   水蒸気を発生させ、次いで、発生した水蒸気を前記予熱
   空気を用いて３５０〜５５０℃に再過熱し、この再過熱
   した水蒸気によってスチームタービンで発電を行なうこ
   とを特徴とする請求項１記載の排ガスからのエネルギー
   回収方法。
3. 【請求項３】 排ガスが、可燃物の燃焼施設から発生す
   る排ガスであることを特徴とする請求項１または２記載
   の排ガスからのエネルギー回収方法。
4. 【請求項４】 可燃物が都市固形ごみ廃棄物、産業廃棄
   物、ゴミ固形化燃料、下水汚泥、石炭、石油、可燃ガス
   であることを特徴とする請求項３記載の排ガスからのエ
   ネルギー回収方法。
5. 【請求項５】 排ガスが、焼却残渣の溶融施設から発生
   する排ガスであることを特徴とする請求項１または２記
   載の排ガスからのエネルギー回収方法。
6. 【請求項６】 排ガスと清浄空気とを熱交換して予熱空
   気を発生させる第１熱交換器と、過熱蒸気を供給して発
   電するスチームタービンと、前記タービンからの復水を
   前記第１熱交換器において低温化された排ガスで加熱し
   て前記予熱空気よりも低温の水蒸気を発生させるボイラ
   ーと、前記予熱空気と前記水蒸気とを熱交換して前記過
   熱蒸気を発生させる第２熱交換器とを備えていることを
   特徴とする排ガスからのエネルギー回収装置。
7. 【請求項７】 スチームタービンが復水タービンで構成
   されていることを特徴とする請求項６記載の排ガスから
   のエネルギー回収装置。
8. 【請求項８】 第１熱交換器が、セラミックビーズを熱
   媒体とする熱交換器で構成されていることを特徴とする
   請求項６または７記載の排ガスからのエネルギー回収装
   置。
9. 【請求項９】 第２熱交換器が、蒸気過熱器で構成され
   ていることを特徴とする請求項６または７または８記載
   の排ガスからのエネルギー回収装置。