廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法
【課題】汚泥などの廃棄物の焼却設備から発生する燃焼廃ガスに含まれる熱エネルギーを高い効率で再利用することのできる廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法を提供すること。
【解決手段】廃棄物の焼却炉４１から発生する燃焼廃ガス５３を、空気予熱器４２の熱交換による熱回収を行った後、白煙防止器４３においてこの燃焼廃ガス５３を使用して空気を加熱し、得られた温度が２００〜３００℃の加熱空気の一部を白煙防止のために混合するとともに、加熱空気の残部を燃料電池発電設備のアノード６１から生ずる未利用燃料の燃焼用空気および／またはカソード６２の熱交換用空気として使用する廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法である。従来未利用であった白煙防止用加熱空気の余剰分を燃料電池の燃焼用と熱交換用空気として利用するため、エネルギー効率がよく、焼却設備のエネルギーコストを低減できる。
【解決手段】廃棄物の焼却炉４１から発生する燃焼廃ガス５３を、空気予熱器４２の熱交換による熱回収を行った後、白煙防止器４３においてこの燃焼廃ガス５３を使用して空気を加熱し、得られた温度が２００〜３００℃の加熱空気の一部を白煙防止のために混合するとともに、加熱空気の残部を燃料電池発電設備のアノード６１から生ずる未利用燃料の燃焼用空気および／またはカソード６２の熱交換用空気として使用する廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法である。従来未利用であった白煙防止用加熱空気の余剰分を燃料電池の燃焼用と熱交換用空気として利用するため、エネルギー効率がよく、焼却設備のエネルギーコストを低減できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下水処理場で発生する汚泥、一般家庭や商店などから排出される都市ごみや生ごみ、その他水分含有量の多い有機性の産業廃棄物の焼却処理において、そこで生ずる燃焼廃ガス中の燃焼廃熱を有効に利用する燃焼システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
都市下水などから発生する種々の汚水は、一般に下水処理場で処理され、清澄な処理水と汚泥とに分離される。このうち、汚泥は処理場内の汚泥焼却炉で燃焼し、減量化と安定化が図られている。また、一般家庭や商店などから排出される都市ごみや生ごみ、その他水分含有量の多い有機性の産業廃棄物も、水分含量が多く、かつ有機物であるため腐敗などの問題が生ずることが多く、同様に焼却炉で焼却処理されることが多い。
【０００３】
汚泥などの廃棄物焼却炉には、その構造から流動焼却炉、多段焼却炉、階段式ストーカ炉、回転乾燥焼却炉などがあるが、近年は、流動焼却炉の採用が圧倒的に多く、このような流動焼却炉のシステムフローの一例を示すと図１の通りである。
【０００４】
汚泥焼却炉の流動床炉は、一般的に燃焼温度８００〜８５０℃、空気比１．３程度で運転されているが、安定燃焼のため補助燃料として都市ガス(ＬＮＧ)、重油、灯油など化石燃料が用いられており、例えば、脱水汚泥３００トン／日の処理能力の汚泥焼却炉では、都市ガス利用の場合で１５０Ｎｍ３／ｈ程度の燃料を消費している。
【０００５】
そして、汚泥焼却炉から出た燃焼廃ガスは、一般的に次の二通りの方法によってその廃熱回収が行われている（非特許文献１参照）。
(1) 汚泥焼却炉の燃焼用空気を常温から５００℃程度に予熱するため、空気予熱器により廃ガスと燃焼用空気の熱交換を行い、廃ガスから熱回収を行う。
(2) 処理工程の最後の煙突から出る廃ガスの白煙防止のため、空気予熱器より出た廃ガスを白煙防止用熱交換器で常温の空気と熱交換を行い、常温の空気を２００〜３００℃の温度の熱風として熱回収を行う。この２００〜３００℃の温度に加熱された空気は、最後の煙突の中に導入され、煙突の白煙防止のために使用される。
【０００６】
次に、空気予熱器を出た燃焼廃ガスは、サイクロンや電気集じん機、バグフィルタなどの集じん装置を通し、廃ガス中に含まれる粉塵や固形微粒子などの固形分を捕捉して除去する。さらに、排煙処理塔（スクラバー）は、廃ガス中に含まれる硫黄酸化物や塩化水素を吸収除去するために設けられている。
【０００７】
このような従来の廃棄物の焼却処理システムにおいては、エネルギーの有効利用という観点から次のような問題点がある。
(1) 空気予熱器で熱回収された後の廃ガスは、それでも５００〜５５０℃の高温であるため、さらに白煙防止用熱交換器で熱回収され２５０〜３５０℃まで冷却されると共に、常温の空気を２００〜３００℃まで加熱した熱風として回収する。この加熱空気を、洗浄・冷却処理された後の廃ガスと煙突内にて混合させることにより、煙突からの白煙防止として利用している。しかしながら、実質的に煙突で白煙防止に必要な熱風量は、白煙防止用熱交換器で熱回収される量の概ね３０％で十分であり、残りの７０％程度はそのまま大気に放出されており、その中の熱量が有効に活用されていない。
例えば、脱水汚泥３００トン／日の処理能力の汚泥焼却炉では、約２５，０００Ｎｍ３／ｈ程度の熱風が発生するが、その７０％の約１７，５００Ｎｍ３／ｈ程度の熱風の熱量が利用されていないこととなる。
【０００８】
(2) 廃棄物焼却処理システムでは、燃焼廃ガスの廃熱から蒸気を回収し、蒸気タ−ビン発電を行う方法もあるが、下水処理汚泥は発熱量が小さいと同時に、プラント規模が比較的小型であるため、廃熱発電はあまり効率的ではなくほとんど行われておらず、焼却処理システムの運転電力は全て外部から供給されているのが実情である。下水処理汚泥の場合については、東京都区部内の１ケ所で、焼却炉(３００ｔ／日×３基)の廃熱で２ＭＰａの蒸気を発生させ２５００ｋｗの蒸気タービン発電を行っているが、これが国内焼却炉が約３００基ある中での唯一の廃熱発電の事例である。
また、下水処理場全体では、上記の汚泥焼却施設の他に、水処理施設の中でバッキ装置が利用されており、このバッキ装置の空気源供給として送風機が運転され、ポンプも含めて膨大な電力が消費されている。
【０００９】
例えば、脱水汚泥３００トン／日の処理能力の下水処理場では、その消費電力量（ｋｗｈ／ｈ）は、汚泥の焼却処理に８００（ｋｗｈ／ｈ）であるが、バッキ装置等の水処理に３，１００（ｋｗｈ／ｈ）、汚泥の濃縮・脱水に５００（ｋｗｈ／ｈ）、処理場内のポンプに１，０００（ｋｗｈ／ｈ）等が消費され、全体で５，５００（ｋｗｈ／ｈ）の消費量となる。
この電力を補う方法として、分散型電源であって高効率の発電方式である燃料電池発電システムを導入する方法もあるが、近年導入が始まりつつある溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）による単独発電では、発電端効率が４７％程度で最新鋭の大型火力の発電端効率と大きな差異は無く、特に大きな導入メリットがない。
【００１０】
(3) 溶融炭酸塩型燃料電池(ＭＣＦＣ)は、例えば図２に示すように、アノードにＬＮＧ等の燃料ガスを導入し、カソードに酸素源としての空気と炭酸源としての炭酸ガス成分を導入して燃料電池反応によって発電するシステムである。
このＭＣＦＣでは、アノ−ドで発電に利用される燃料ガスの利用率は７０％程度であり、残りの３０％の燃料ガスが未利用の状態で排出されるが、これは常温の空気と混合して燃焼させた後、さらに常温の空気と希釈してカソードの空気源、炭酸源として供給している。アノードから排出される未利用燃料ガスはその温度が６００℃程度であるが、これを常温空気と混合して燃焼している点と、更にここで得られた燃焼後の８００℃程度の高温ガスを希釈器で常温の空気によって希釈してカソードに導入する点で、６００℃〜８００℃に加熱されたガスを２度も冷却することとなり、ここに含まれる熱量を有効に利用していないという問題がある。尚、燃料電池のセル内の温度分布を均一にする必要があるために、アノードの燃料利用率をこの値以上に高くすることは技術的に困難である。
【００１１】
【非特許文献１】「下水道施設計画・設計指針と解説（後編）」２００１年版、468〜469頁、社団法人日本下水道協会
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、上述のような従来の廃棄物焼却設備の問題点を解決しようとするものであって、廃棄物焼却設備から発生する燃焼廃ガスを高い効率で利用することのできる廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、上記のような課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、廃棄物焼却設備と燃料電池発電システムを組み合わせて、そこで発生する余剰の高温ガスを相互に利用することによって、発生する熱量を非常に高い効率で有効に利用することのできる方法を見出し、本発明を完成した。
【００１４】
即ち、本発明は、以下の内容をその要旨とするものである。
（１）廃棄物の焼却炉から発生する燃焼廃ガスを、空気予熱器の熱交換による熱回収を行った後、白煙防止器においてこの燃焼廃ガスを使用して空気を加熱し、得られた加熱空気の一部を燃焼廃ガスの排出口での白煙防止のために混合するとともに、該加熱空気の残部を高温型燃料電池発電設備の燃料電池のアノードから生ずる未利用燃料の燃焼用空気および／またはカソードの熱交換用空気として使用することを特徴とする廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【００１５】
（２）白煙防止器で加熱された加熱空気の温度が２００〜３００℃であることを特徴とする、前記（１）に記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【００１６】
（３）白煙防止器で加熱された加熱空気のうちの２０〜４０容量％が白煙防止のために使用され、残部の６０〜８０容量％が高温型燃料電池発電設備に使用されることを特徴とする、前記（１）または（２）に記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【００１７】
（４）高温型燃料電池発電設備の燃料電池のアノードから生ずる未利用燃料に、前記白煙防止器で加熱された加熱空気の全部又は一部を混合して燃焼させ、得られた高温の二酸化炭素を含む燃焼ガスを、前記白煙防止器で加熱された加熱空気の残部と熱交換してカソードに供給することを特徴とする、前記（１）ないし（３）のいずれかに記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【００１８】
（５）高温型燃料電池発電設備が溶融炭酸塩型燃料電池または固体酸化物型燃料電池のいずれかを使用するものである、前記（１）ないし（４）のいずれかに記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【００１９】
（６）高温型燃料電池発電設備から発生する高温の排気ガスを用いてボイラーによって高温蒸気を得て、これを焼却炉の前段に設けた廃棄物乾燥機に導入して含水廃棄物を乾燥することを特徴とする、前記（１）ないし（５）のいずれかに記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【００２０】
（７）焼却炉が、下水汚泥焼却炉、都市ごみ若しくは生ごみ焼却炉、または含水有機性廃棄物焼却炉のいずれかであることを特徴とする、前記（１）ないし（６）のいずれかに記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の方法は、従来利用されていなかった廃棄物焼却設備の白煙防止用の加熱空気の余剰のものを高温型燃料電池発電設備のアノードの未利用燃料の燃焼用空気および／または燃料電池のカソード用の希釈空気として使用するため、高温の廃ガスを有効に利用することができ、エネルギーの無駄がなく、高い効率で電力を発電することができる。さらに、高温型燃料電池発電設備のカソードからの高温廃ガスおよび白煙防止用の加熱空気のうちの余ったものを利用して、ボイラーによって高温の水蒸気を発生させることによって熱回収を行い、これを廃棄物焼却設備において汚泥などの含水廃棄物の乾燥に使用するため、焼却炉の燃焼用の補助燃料の使用量を減らすことができ、条件によっては補助燃料を使用せずに焼却を行うことができる。
従って、これらの熱エネルギーの有効利用によって、廃棄物の焼却エネルギーを低減すると同時に、高効率で燃料電池発電によって電力を得ることができ、運転コストの低減や化石燃料に由来する温室効果ガスの削減に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、図面を用いて本発明の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法を詳しく説明する。
図１は、従来の汚泥焼却設備の一例のフロー図であり、図２は高温型燃料電池発電設備の一例を示すフロー図であり、図３は本発明の廃棄物焼却設備と高温型燃料電池発電設備とを組み合わせた廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法を実施するための設備の一例を示すフロー図である。なお、これらの図面に示すものは本発明の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法を実施するための設備の一例を示すものであって、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２３】
従来の廃棄物の焼却設備では、図１に示すように、例えば汚泥焼却設備では、焼却炉１に水分を多量に含む汚泥１０を装入し、補助燃料１１として都市ガス(ＬＮＧ)、重油、灯油など化石燃料を用いて汚泥を焼却している。ここで発生する燃焼廃ガス１２は８００〜８５０℃の高温であるため、これを空気予熱器２に導入して焼却用に使用する空気との熱交換を行い、焼却用空気を５００℃前後に予熱するとともに、燃焼廃ガス１３は５００〜５５０℃に冷却される。次に、この燃焼廃ガス１３を白煙防止器３に導入して、常温の空気と熱交換を行い、常温の空気を２００〜３００℃の高温の空気１４に加熱するとともに、燃焼廃ガス１５はその温度が２５０〜３５０℃となる。この燃焼廃ガス１５は、その後集塵器４、スクラバー５、誘引ファン６を通って、最終的に煙突７から大気に放出される。この大気に放出する際に大量の水分を含んでいるため、そのまま大気に放出すると水蒸気による白色の排気となる。この白色の排気が大量の有害な物質を含む排気のような誤解を受ける恐れがあるため、この煙突内に先ほどの白煙防止器３で加熱された２００〜３００℃の加熱空気１４を導入して、排気全体の温度を高くし、白煙の発生を防止している。
【００２４】
しかしながら、煙突７での白煙防止のために必要な加熱空気の量は、白煙防止器３で燃焼廃ガスとの熱交換によって得られる加熱空気の全量の３０％程度であり、残りの７０％程度は特に白煙防止のために使用されることなく煙突から大気中に放出されている。
【００２５】
また、高温型燃料電池発電設備、特に溶融炭酸塩型燃料電池を使用する場合には、図２に示すように、アノード２１に燃料として都市ガス（ＬＮＧ）などをアノードガス２６として用い、カソード２２の空気と二酸化炭素の混合ガス（カソードガス、３１）との間で燃料電池反応を行い、電力２７を得ている。この際、アノード２１からは未反応のまま残った未利用燃料を含む６００℃前後の高温ガス２８が生成するため、この高温ガス２８を常温の一次空気３０と混合して、燃焼器２３で未利用燃料を燃焼させて、得られた８００℃前後の高温の二酸化炭素を含むガス２９を、常温の二次空気３１と希釈器２４で混合して、炭酸源を確保するためのカソードガス３２としてカソード２２に供給している。
【００２６】
しかし、このような高温型燃料電池発電設備において、アノード２１からの未利用燃料の燃焼のための一次空気３０と、さらにカソード２２へ供給する酸素源としての二次空気３１として常温の空気を使用している。このため、高温型燃料電池発電設備全体のヒートバランスから見ると燃料電池の適正な作動温度である約５５０℃を維持するために、このように大量の常温の空気を使用することによる熱量の損失が起こっている。
【００２７】
一方、本発明の方法においては、焼却炉４１に装入された汚泥等５１を焼却のために燃焼させて、発生した燃焼ガス５３を空気予熱器４２で燃焼用の空気と熱交換して熱回収を行う。次いで、空気予熱器４２を出た燃焼廃ガス５４によって白煙防止器４３で白煙防止用の空気の加熱を行い、２００〜３００℃の加熱空気５６を得る。白煙防止器４３を出た燃焼廃ガス５５は、２５０〜３５０℃に冷却されて、集塵器４４、スクラバー４５、誘引ファン４６を経て、煙突４７から大気中へ放出される。
白煙防止器４３で得られた加熱空気５６はその温度が２００〜３００℃であるが、その全量の２０〜４０容積％、好ましくは３０％程度を煙突４７中に導入して、白煙防止のために燃焼廃ガスと混合し、最終的に煙突から排出する。そして、残りの６０〜８０容積％、好ましくは７０％程度の加熱空気５８を高温型燃料電池発電設備に供給し、そのうちの一部５９が燃焼器６３でアノードからの未利用燃料の燃焼用の空気として利用され、残りの加熱空気６０が熱交換器６４を経て、カソード６２とボイラー６５に供給される。
【００２８】
本発明の方法においては、廃棄物焼却設備と組み合わせて使用する燃料電池発電設備はその反応温度が６００〜１０００℃の高温型燃料電池を使用する燃料電池発電設備であり、反応温度が数十度から２００℃程度の低温型燃料電池発電設備は使用できない。高温型燃料電池発電設備としては、具体的にはカソードで二酸化炭素と酸素と電子が反応して炭酸イオンを生成し、アノードで水素と反応して電子を放出する、いわゆる「溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）」と、カソードで酸素と電子が反応して酸素イオンを生成し、アノードで水素と反応して電子を放出する、いわゆる「固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）」とが利用できる。
【００２９】
高温型燃料電池発電設備においては、溶融炭酸塩型燃料電池を使用する場合には、燃料電池のアノード側にアノードガスとして水素を含有するガスを供給し、酸素源としての空気と炭酸源としての二酸化炭素を含むカソードガスとの間で燃料電池反応を行い、電力を発生させる。
アノードガスの水素の含有率は、１００〜５０容積％であることが好ましく、９０〜７０容積％であることが更に好ましい。アノードガスとしては、例えば、都市ガス（ＬＮＧ）等の炭化水素を含有する燃料６６及び水を用いて、工業炉に備えられた水蒸気改質装置（図示せず）によって改質させて得られる、水素と二酸化炭素とを含有する改質ガスを利用することができる。改質ガスをそのまま利用してもよいし、水素分離器（図示せず）によって、改質ガスから水素を選択的に分離して水素濃度を高めたものを利用してもよい。
【００３０】
燃料電池のアノード６１で発電に利用できる燃料ガス６６の利用率は７０％程度であり、残りの約３０％の燃料ガスは、燃料電池の反応温度である６００℃前後の温度で、発電に利用されずに未反応の燃料ガス６８としてアノード６１から排出される。本発明の方法では、このアノード６１から排出された未利用の燃料ガス６８を、廃棄物焼却設備の白煙防止器４３で得られた加熱空気の一部５９を用いて燃焼器６３にて燃焼させ、二酸化炭素を含むアノード燃焼ガス６９とする。ここでは白煙防止器４３で得られた加熱空気５９の温度が２００〜３００℃であるので、燃焼器６３で未利用の燃料ガス６８を燃焼させた後のアノード燃焼ガス６９はその温度が７５０〜８００℃程度の高温のガスとなる。
【００３１】
本発明の方法においては、この燃焼器６３で得られたアノード燃焼ガス６９は、二酸化炭素を１５〜２０容積％程度含み、温度が７５０〜８００℃程度の高温のガスであるので、これを燃料電池のカソードガスの炭酸源として、またその高温ガスの有する顕熱を熱量として再利用する。即ち、アノード燃焼ガス６９を熱交換器６４に導入し、熱交換器６４のもう一方に前記の白煙防止器４３で得られた加熱空気の一部６０を導入して、アノード燃焼ガス６９を燃料電池の適正温度である５５０℃に冷却するとともに、白煙防止器４３で得られた加熱空気の一部６０もその温度を５５０℃に加熱する。
【００３２】
熱交換器６４で５５０℃に冷却されたアノード燃焼ガス７０は、燃料電池のカソード６２に供給される。そして、白煙防止器４３からの加熱空気６０の余剰のもの７３は、ボイラー６５に供給されて水を加熱し、高温の水蒸気７７を発生させるのに利用される。
【００３３】
燃料電池のカソード６２からは燃料電池反応が終わった後の５５０℃程度の、主として窒素、酸素、二酸化炭素、水蒸気からなる高温のガス７１が排気される。この高温の排気ガス７１も同様にボイラー６５に導入されて、ここで水を加熱し高温の水蒸気７７を得るために使用される。
【００３４】
ボイラー６５で製造された高温の水蒸気７７は、廃棄物焼却設備の焼却炉４１の前に設けられた乾燥機５０に供給される。この乾燥機５０は、汚泥や生ごみのなどのような水分を多量に含む廃棄物を加熱・乾燥し、廃棄物中の水分を減少させ、その後に焼却炉４１にて焼却処理される。ボイラー６５で製造された水蒸気７７は、この乾燥機５０の加熱用の蒸気として利用することができる。本発明の方法によれば、このボイラー６５で製造された水蒸気７７を使用して含水廃棄物中の水分を予め減少させることができる。例えば、汚泥の場合には通常８０％程度の水分を含んでいるが、その水分量を７０％程度以下に減少させれば汚泥自身が燃焼することができる。その結果、焼却炉４１においてＬＮＧ等の補助燃料５２を使用しなくても、廃棄物自身の燃焼熱によって十分にその燃焼温度を維持することができるようになり、補助燃料を全く使用しなくても廃棄物焼却設備の運転が可能となる。
【００３５】
また、乾燥機５０で加熱用に使用された水蒸気７７の凝縮水７５は、再び高温型燃料電池発電設備のボイラー７２の給水７４に加えることができ、水蒸気発生用の水を循環させて、再利用することができる。
【００３６】
以上に説明したような本発明の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法を採用することによって、次のような経済的なメリットを享受することができる。
【００３７】
従来のＭＣＦＣ型燃料電池が、その燃料として都市ガス(ＬＮＧ)のみを用いて単独で運転する方式であるが、本発明の方法では廃棄物の焼却廃熱を有効に利用している。そのため熱交換器での回収熱量を増大させることができ、高温型燃料電池発電設備として高い効率で発電を行うことができる。
例えば、発電効率を次の様に定義するとする：
発電効率＝発電電力／(使用燃料熱量−熱交換器による廃熱回収熱量)×１００％
この定義に従うと、従来ＭＣＦＣ型燃料電池を用いた方式の効率は約４７％であるのに対して、本発明の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法を採用した場合には発電効率が５９％となる。
【００３８】
汚泥焼却炉の能力が３００トン／日の規模の廃棄物焼却設備の場合、煙突からの白煙防止のために使用したものを差し引いた余剰加熱空気として、２５０℃で概ね１７，５００Ｎｍ３／ｈの白煙防止空気が利用できる。
一方、本発明の方法では、燃料電池の出力が１０００ｋｗの場合には、高温型燃料電池発電設備として２５０℃で約３，２００Ｎｍ３／ｈの加熱空気を必要とするので、利用可能な余剰加熱空気の全量を高温型燃料電池発電設備に供給した場合には、約５，４００ｋｗ発電能力の発電設備に利用することができる。さらに、このように高効率で発電した電力は、下水処理場内で電力使用量の大きい水処理設備などに利用でき下水処理場内の電力自給率を向上させることができる。
【００３９】
高温型燃料電池発電設備の熱交換器での熱回収量が増加するため、ボイラーでの蒸気回収量を増加させることが出来る。
例えば、能力が３００トン／日の規模の廃棄物焼却設備の場合であって、白煙防止のために使用したものを差し引いた利用可能な白煙防止器からの加熱空気の全量を高温型燃料電池発電設備に導入した場合、熱交換器に常温空気（２０℃）を導入する場合に比較すると５５０℃で、８，０００Ｎｍ３／ｈの加熱空気を回収できる。そして、これをボイラーに導入すれば、３４０℃で、２．１ＭＰａの蒸気として、さらに１，６００ｋｇ／ｈだけ多く回収することができ、これを他の設備での蒸気(熱)利用やボイラー・タービン発電にも利用することができる。
【００４０】
以上の本発明の説明は、焼却する含水廃棄物として、主として下水処理で発生する汚泥を例として説明したが、本発明の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法は汚泥等の産業廃棄物の焼却処理に限定するものではなく、同様に水分を多く含む都市ごみ、生ごみ等の一般廃棄物にも同様に使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
下水処理場の汚泥の焼却処理、都市ごみや家庭の生ごみの焼却処理、その他水分を含有する有機性の産業廃棄物の焼却処理に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】従来の汚泥焼却設備の一例のフロー図である。
【図２】従来の高温型燃料電池発電設備の一例を示すフロー図である。
【図３】本発明の廃棄物焼却設備と高温型燃料電池発電設備とを組み合わせた廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法を実施するための設備の一例を示すフロー図である。
【符号の説明】
【００４３】
１，４１：焼却炉、２，４２：空気予熱器、３，４３：白煙防止器、４，４４：集塵器、５，４５：スクラバー、６，４６：誘引ファン、７，４７：煙突、８，４８，９，４９：送風機、１０，７８：汚泥、１１，２６，５２，６６：ＬＮＧ、１２，５３，１３，５４，１５，５５：燃焼廃ガス、１４，５６，５７，５８，５９，６０：加熱空気、２１，６１：アノード、２２，６２：カソード、２３，６３：燃焼器、２４：希釈器、２５，６５：ボイラー、２７，６７：電力、２８，６８：アノード排ガス、２９，６９：アノード燃焼ガス、３０：一次空気、３１：二次空気、３２，７０：カソードガス、３３，７１：カソード排ガス、３４，７２：ボイラー排気、３５，７６，７７：水蒸気、５０：乾燥機、５１：乾燥汚泥、７５：凝縮水、６４：熱交換器。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、下水処理場で発生する汚泥、一般家庭や商店などから排出される都市ごみや生ごみ、その他水分含有量の多い有機性の産業廃棄物の焼却処理において、そこで生ずる燃焼廃ガス中の燃焼廃熱を有効に利用する燃焼システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
都市下水などから発生する種々の汚水は、一般に下水処理場で処理され、清澄な処理水と汚泥とに分離される。このうち、汚泥は処理場内の汚泥焼却炉で燃焼し、減量化と安定化が図られている。また、一般家庭や商店などから排出される都市ごみや生ごみ、その他水分含有量の多い有機性の産業廃棄物も、水分含量が多く、かつ有機物であるため腐敗などの問題が生ずることが多く、同様に焼却炉で焼却処理されることが多い。
【０００３】
汚泥などの廃棄物焼却炉には、その構造から流動焼却炉、多段焼却炉、階段式ストーカ炉、回転乾燥焼却炉などがあるが、近年は、流動焼却炉の採用が圧倒的に多く、このような流動焼却炉のシステムフローの一例を示すと図１の通りである。
【０００４】
汚泥焼却炉の流動床炉は、一般的に燃焼温度８００〜８５０℃、空気比１．３程度で運転されているが、安定燃焼のため補助燃料として都市ガス(ＬＮＧ)、重油、灯油など化石燃料が用いられており、例えば、脱水汚泥３００トン／日の処理能力の汚泥焼却炉では、都市ガス利用の場合で１５０Ｎｍ３／ｈ程度の燃料を消費している。
【０００５】
そして、汚泥焼却炉から出た燃焼廃ガスは、一般的に次の二通りの方法によってその廃熱回収が行われている（非特許文献１参照）。
(1) 汚泥焼却炉の燃焼用空気を常温から５００℃程度に予熱するため、空気予熱器により廃ガスと燃焼用空気の熱交換を行い、廃ガスから熱回収を行う。
(2) 処理工程の最後の煙突から出る廃ガスの白煙防止のため、空気予熱器より出た廃ガスを白煙防止用熱交換器で常温の空気と熱交換を行い、常温の空気を２００〜３００℃の温度の熱風として熱回収を行う。この２００〜３００℃の温度に加熱された空気は、最後の煙突の中に導入され、煙突の白煙防止のために使用される。
【０００６】
次に、空気予熱器を出た燃焼廃ガスは、サイクロンや電気集じん機、バグフィルタなどの集じん装置を通し、廃ガス中に含まれる粉塵や固形微粒子などの固形分を捕捉して除去する。さらに、排煙処理塔（スクラバー）は、廃ガス中に含まれる硫黄酸化物や塩化水素を吸収除去するために設けられている。
【０００７】
このような従来の廃棄物の焼却処理システムにおいては、エネルギーの有効利用という観点から次のような問題点がある。
(1) 空気予熱器で熱回収された後の廃ガスは、それでも５００〜５５０℃の高温であるため、さらに白煙防止用熱交換器で熱回収され２５０〜３５０℃まで冷却されると共に、常温の空気を２００〜３００℃まで加熱した熱風として回収する。この加熱空気を、洗浄・冷却処理された後の廃ガスと煙突内にて混合させることにより、煙突からの白煙防止として利用している。しかしながら、実質的に煙突で白煙防止に必要な熱風量は、白煙防止用熱交換器で熱回収される量の概ね３０％で十分であり、残りの７０％程度はそのまま大気に放出されており、その中の熱量が有効に活用されていない。
例えば、脱水汚泥３００トン／日の処理能力の汚泥焼却炉では、約２５，０００Ｎｍ３／ｈ程度の熱風が発生するが、その７０％の約１７，５００Ｎｍ３／ｈ程度の熱風の熱量が利用されていないこととなる。
【０００８】
(2) 廃棄物焼却処理システムでは、燃焼廃ガスの廃熱から蒸気を回収し、蒸気タ−ビン発電を行う方法もあるが、下水処理汚泥は発熱量が小さいと同時に、プラント規模が比較的小型であるため、廃熱発電はあまり効率的ではなくほとんど行われておらず、焼却処理システムの運転電力は全て外部から供給されているのが実情である。下水処理汚泥の場合については、東京都区部内の１ケ所で、焼却炉(３００ｔ／日×３基)の廃熱で２ＭＰａの蒸気を発生させ２５００ｋｗの蒸気タービン発電を行っているが、これが国内焼却炉が約３００基ある中での唯一の廃熱発電の事例である。
また、下水処理場全体では、上記の汚泥焼却施設の他に、水処理施設の中でバッキ装置が利用されており、このバッキ装置の空気源供給として送風機が運転され、ポンプも含めて膨大な電力が消費されている。
【０００９】
例えば、脱水汚泥３００トン／日の処理能力の下水処理場では、その消費電力量（ｋｗｈ／ｈ）は、汚泥の焼却処理に８００（ｋｗｈ／ｈ）であるが、バッキ装置等の水処理に３，１００（ｋｗｈ／ｈ）、汚泥の濃縮・脱水に５００（ｋｗｈ／ｈ）、処理場内のポンプに１，０００（ｋｗｈ／ｈ）等が消費され、全体で５，５００（ｋｗｈ／ｈ）の消費量となる。
この電力を補う方法として、分散型電源であって高効率の発電方式である燃料電池発電システムを導入する方法もあるが、近年導入が始まりつつある溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）による単独発電では、発電端効率が４７％程度で最新鋭の大型火力の発電端効率と大きな差異は無く、特に大きな導入メリットがない。
【００１０】
(3) 溶融炭酸塩型燃料電池(ＭＣＦＣ)は、例えば図２に示すように、アノードにＬＮＧ等の燃料ガスを導入し、カソードに酸素源としての空気と炭酸源としての炭酸ガス成分を導入して燃料電池反応によって発電するシステムである。
このＭＣＦＣでは、アノ−ドで発電に利用される燃料ガスの利用率は７０％程度であり、残りの３０％の燃料ガスが未利用の状態で排出されるが、これは常温の空気と混合して燃焼させた後、さらに常温の空気と希釈してカソードの空気源、炭酸源として供給している。アノードから排出される未利用燃料ガスはその温度が６００℃程度であるが、これを常温空気と混合して燃焼している点と、更にここで得られた燃焼後の８００℃程度の高温ガスを希釈器で常温の空気によって希釈してカソードに導入する点で、６００℃〜８００℃に加熱されたガスを２度も冷却することとなり、ここに含まれる熱量を有効に利用していないという問題がある。尚、燃料電池のセル内の温度分布を均一にする必要があるために、アノードの燃料利用率をこの値以上に高くすることは技術的に困難である。
【００１１】
【非特許文献１】「下水道施設計画・設計指針と解説（後編）」２００１年版、468〜469頁、社団法人日本下水道協会
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、上述のような従来の廃棄物焼却設備の問題点を解決しようとするものであって、廃棄物焼却設備から発生する燃焼廃ガスを高い効率で利用することのできる廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明者らは、上記のような課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、廃棄物焼却設備と燃料電池発電システムを組み合わせて、そこで発生する余剰の高温ガスを相互に利用することによって、発生する熱量を非常に高い効率で有効に利用することのできる方法を見出し、本発明を完成した。
【００１４】
即ち、本発明は、以下の内容をその要旨とするものである。
（１）廃棄物の焼却炉から発生する燃焼廃ガスを、空気予熱器の熱交換による熱回収を行った後、白煙防止器においてこの燃焼廃ガスを使用して空気を加熱し、得られた加熱空気の一部を燃焼廃ガスの排出口での白煙防止のために混合するとともに、該加熱空気の残部を高温型燃料電池発電設備の燃料電池のアノードから生ずる未利用燃料の燃焼用空気および／またはカソードの熱交換用空気として使用することを特徴とする廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【００１５】
（２）白煙防止器で加熱された加熱空気の温度が２００〜３００℃であることを特徴とする、前記（１）に記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【００１６】
（３）白煙防止器で加熱された加熱空気のうちの２０〜４０容量％が白煙防止のために使用され、残部の６０〜８０容量％が高温型燃料電池発電設備に使用されることを特徴とする、前記（１）または（２）に記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【００１７】
（４）高温型燃料電池発電設備の燃料電池のアノードから生ずる未利用燃料に、前記白煙防止器で加熱された加熱空気の全部又は一部を混合して燃焼させ、得られた高温の二酸化炭素を含む燃焼ガスを、前記白煙防止器で加熱された加熱空気の残部と熱交換してカソードに供給することを特徴とする、前記（１）ないし（３）のいずれかに記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【００１８】
（５）高温型燃料電池発電設備が溶融炭酸塩型燃料電池または固体酸化物型燃料電池のいずれかを使用するものである、前記（１）ないし（４）のいずれかに記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【００１９】
（６）高温型燃料電池発電設備から発生する高温の排気ガスを用いてボイラーによって高温蒸気を得て、これを焼却炉の前段に設けた廃棄物乾燥機に導入して含水廃棄物を乾燥することを特徴とする、前記（１）ないし（５）のいずれかに記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【００２０】
（７）焼却炉が、下水汚泥焼却炉、都市ごみ若しくは生ごみ焼却炉、または含水有機性廃棄物焼却炉のいずれかであることを特徴とする、前記（１）ないし（６）のいずれかに記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の方法は、従来利用されていなかった廃棄物焼却設備の白煙防止用の加熱空気の余剰のものを高温型燃料電池発電設備のアノードの未利用燃料の燃焼用空気および／または燃料電池のカソード用の希釈空気として使用するため、高温の廃ガスを有効に利用することができ、エネルギーの無駄がなく、高い効率で電力を発電することができる。さらに、高温型燃料電池発電設備のカソードからの高温廃ガスおよび白煙防止用の加熱空気のうちの余ったものを利用して、ボイラーによって高温の水蒸気を発生させることによって熱回収を行い、これを廃棄物焼却設備において汚泥などの含水廃棄物の乾燥に使用するため、焼却炉の燃焼用の補助燃料の使用量を減らすことができ、条件によっては補助燃料を使用せずに焼却を行うことができる。
従って、これらの熱エネルギーの有効利用によって、廃棄物の焼却エネルギーを低減すると同時に、高効率で燃料電池発電によって電力を得ることができ、運転コストの低減や化石燃料に由来する温室効果ガスの削減に寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下に、図面を用いて本発明の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法を詳しく説明する。
図１は、従来の汚泥焼却設備の一例のフロー図であり、図２は高温型燃料電池発電設備の一例を示すフロー図であり、図３は本発明の廃棄物焼却設備と高温型燃料電池発電設備とを組み合わせた廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法を実施するための設備の一例を示すフロー図である。なお、これらの図面に示すものは本発明の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法を実施するための設備の一例を示すものであって、本発明はこれに限定されるものではない。
【００２３】
従来の廃棄物の焼却設備では、図１に示すように、例えば汚泥焼却設備では、焼却炉１に水分を多量に含む汚泥１０を装入し、補助燃料１１として都市ガス(ＬＮＧ)、重油、灯油など化石燃料を用いて汚泥を焼却している。ここで発生する燃焼廃ガス１２は８００〜８５０℃の高温であるため、これを空気予熱器２に導入して焼却用に使用する空気との熱交換を行い、焼却用空気を５００℃前後に予熱するとともに、燃焼廃ガス１３は５００〜５５０℃に冷却される。次に、この燃焼廃ガス１３を白煙防止器３に導入して、常温の空気と熱交換を行い、常温の空気を２００〜３００℃の高温の空気１４に加熱するとともに、燃焼廃ガス１５はその温度が２５０〜３５０℃となる。この燃焼廃ガス１５は、その後集塵器４、スクラバー５、誘引ファン６を通って、最終的に煙突７から大気に放出される。この大気に放出する際に大量の水分を含んでいるため、そのまま大気に放出すると水蒸気による白色の排気となる。この白色の排気が大量の有害な物質を含む排気のような誤解を受ける恐れがあるため、この煙突内に先ほどの白煙防止器３で加熱された２００〜３００℃の加熱空気１４を導入して、排気全体の温度を高くし、白煙の発生を防止している。
【００２４】
しかしながら、煙突７での白煙防止のために必要な加熱空気の量は、白煙防止器３で燃焼廃ガスとの熱交換によって得られる加熱空気の全量の３０％程度であり、残りの７０％程度は特に白煙防止のために使用されることなく煙突から大気中に放出されている。
【００２５】
また、高温型燃料電池発電設備、特に溶融炭酸塩型燃料電池を使用する場合には、図２に示すように、アノード２１に燃料として都市ガス（ＬＮＧ）などをアノードガス２６として用い、カソード２２の空気と二酸化炭素の混合ガス（カソードガス、３１）との間で燃料電池反応を行い、電力２７を得ている。この際、アノード２１からは未反応のまま残った未利用燃料を含む６００℃前後の高温ガス２８が生成するため、この高温ガス２８を常温の一次空気３０と混合して、燃焼器２３で未利用燃料を燃焼させて、得られた８００℃前後の高温の二酸化炭素を含むガス２９を、常温の二次空気３１と希釈器２４で混合して、炭酸源を確保するためのカソードガス３２としてカソード２２に供給している。
【００２６】
しかし、このような高温型燃料電池発電設備において、アノード２１からの未利用燃料の燃焼のための一次空気３０と、さらにカソード２２へ供給する酸素源としての二次空気３１として常温の空気を使用している。このため、高温型燃料電池発電設備全体のヒートバランスから見ると燃料電池の適正な作動温度である約５５０℃を維持するために、このように大量の常温の空気を使用することによる熱量の損失が起こっている。
【００２７】
一方、本発明の方法においては、焼却炉４１に装入された汚泥等５１を焼却のために燃焼させて、発生した燃焼ガス５３を空気予熱器４２で燃焼用の空気と熱交換して熱回収を行う。次いで、空気予熱器４２を出た燃焼廃ガス５４によって白煙防止器４３で白煙防止用の空気の加熱を行い、２００〜３００℃の加熱空気５６を得る。白煙防止器４３を出た燃焼廃ガス５５は、２５０〜３５０℃に冷却されて、集塵器４４、スクラバー４５、誘引ファン４６を経て、煙突４７から大気中へ放出される。
白煙防止器４３で得られた加熱空気５６はその温度が２００〜３００℃であるが、その全量の２０〜４０容積％、好ましくは３０％程度を煙突４７中に導入して、白煙防止のために燃焼廃ガスと混合し、最終的に煙突から排出する。そして、残りの６０〜８０容積％、好ましくは７０％程度の加熱空気５８を高温型燃料電池発電設備に供給し、そのうちの一部５９が燃焼器６３でアノードからの未利用燃料の燃焼用の空気として利用され、残りの加熱空気６０が熱交換器６４を経て、カソード６２とボイラー６５に供給される。
【００２８】
本発明の方法においては、廃棄物焼却設備と組み合わせて使用する燃料電池発電設備はその反応温度が６００〜１０００℃の高温型燃料電池を使用する燃料電池発電設備であり、反応温度が数十度から２００℃程度の低温型燃料電池発電設備は使用できない。高温型燃料電池発電設備としては、具体的にはカソードで二酸化炭素と酸素と電子が反応して炭酸イオンを生成し、アノードで水素と反応して電子を放出する、いわゆる「溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）」と、カソードで酸素と電子が反応して酸素イオンを生成し、アノードで水素と反応して電子を放出する、いわゆる「固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）」とが利用できる。
【００２９】
高温型燃料電池発電設備においては、溶融炭酸塩型燃料電池を使用する場合には、燃料電池のアノード側にアノードガスとして水素を含有するガスを供給し、酸素源としての空気と炭酸源としての二酸化炭素を含むカソードガスとの間で燃料電池反応を行い、電力を発生させる。
アノードガスの水素の含有率は、１００〜５０容積％であることが好ましく、９０〜７０容積％であることが更に好ましい。アノードガスとしては、例えば、都市ガス（ＬＮＧ）等の炭化水素を含有する燃料６６及び水を用いて、工業炉に備えられた水蒸気改質装置（図示せず）によって改質させて得られる、水素と二酸化炭素とを含有する改質ガスを利用することができる。改質ガスをそのまま利用してもよいし、水素分離器（図示せず）によって、改質ガスから水素を選択的に分離して水素濃度を高めたものを利用してもよい。
【００３０】
燃料電池のアノード６１で発電に利用できる燃料ガス６６の利用率は７０％程度であり、残りの約３０％の燃料ガスは、燃料電池の反応温度である６００℃前後の温度で、発電に利用されずに未反応の燃料ガス６８としてアノード６１から排出される。本発明の方法では、このアノード６１から排出された未利用の燃料ガス６８を、廃棄物焼却設備の白煙防止器４３で得られた加熱空気の一部５９を用いて燃焼器６３にて燃焼させ、二酸化炭素を含むアノード燃焼ガス６９とする。ここでは白煙防止器４３で得られた加熱空気５９の温度が２００〜３００℃であるので、燃焼器６３で未利用の燃料ガス６８を燃焼させた後のアノード燃焼ガス６９はその温度が７５０〜８００℃程度の高温のガスとなる。
【００３１】
本発明の方法においては、この燃焼器６３で得られたアノード燃焼ガス６９は、二酸化炭素を１５〜２０容積％程度含み、温度が７５０〜８００℃程度の高温のガスであるので、これを燃料電池のカソードガスの炭酸源として、またその高温ガスの有する顕熱を熱量として再利用する。即ち、アノード燃焼ガス６９を熱交換器６４に導入し、熱交換器６４のもう一方に前記の白煙防止器４３で得られた加熱空気の一部６０を導入して、アノード燃焼ガス６９を燃料電池の適正温度である５５０℃に冷却するとともに、白煙防止器４３で得られた加熱空気の一部６０もその温度を５５０℃に加熱する。
【００３２】
熱交換器６４で５５０℃に冷却されたアノード燃焼ガス７０は、燃料電池のカソード６２に供給される。そして、白煙防止器４３からの加熱空気６０の余剰のもの７３は、ボイラー６５に供給されて水を加熱し、高温の水蒸気７７を発生させるのに利用される。
【００３３】
燃料電池のカソード６２からは燃料電池反応が終わった後の５５０℃程度の、主として窒素、酸素、二酸化炭素、水蒸気からなる高温のガス７１が排気される。この高温の排気ガス７１も同様にボイラー６５に導入されて、ここで水を加熱し高温の水蒸気７７を得るために使用される。
【００３４】
ボイラー６５で製造された高温の水蒸気７７は、廃棄物焼却設備の焼却炉４１の前に設けられた乾燥機５０に供給される。この乾燥機５０は、汚泥や生ごみのなどのような水分を多量に含む廃棄物を加熱・乾燥し、廃棄物中の水分を減少させ、その後に焼却炉４１にて焼却処理される。ボイラー６５で製造された水蒸気７７は、この乾燥機５０の加熱用の蒸気として利用することができる。本発明の方法によれば、このボイラー６５で製造された水蒸気７７を使用して含水廃棄物中の水分を予め減少させることができる。例えば、汚泥の場合には通常８０％程度の水分を含んでいるが、その水分量を７０％程度以下に減少させれば汚泥自身が燃焼することができる。その結果、焼却炉４１においてＬＮＧ等の補助燃料５２を使用しなくても、廃棄物自身の燃焼熱によって十分にその燃焼温度を維持することができるようになり、補助燃料を全く使用しなくても廃棄物焼却設備の運転が可能となる。
【００３５】
また、乾燥機５０で加熱用に使用された水蒸気７７の凝縮水７５は、再び高温型燃料電池発電設備のボイラー７２の給水７４に加えることができ、水蒸気発生用の水を循環させて、再利用することができる。
【００３６】
以上に説明したような本発明の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法を採用することによって、次のような経済的なメリットを享受することができる。
【００３７】
従来のＭＣＦＣ型燃料電池が、その燃料として都市ガス(ＬＮＧ)のみを用いて単独で運転する方式であるが、本発明の方法では廃棄物の焼却廃熱を有効に利用している。そのため熱交換器での回収熱量を増大させることができ、高温型燃料電池発電設備として高い効率で発電を行うことができる。
例えば、発電効率を次の様に定義するとする：
発電効率＝発電電力／(使用燃料熱量−熱交換器による廃熱回収熱量)×１００％
この定義に従うと、従来ＭＣＦＣ型燃料電池を用いた方式の効率は約４７％であるのに対して、本発明の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法を採用した場合には発電効率が５９％となる。
【００３８】
汚泥焼却炉の能力が３００トン／日の規模の廃棄物焼却設備の場合、煙突からの白煙防止のために使用したものを差し引いた余剰加熱空気として、２５０℃で概ね１７，５００Ｎｍ３／ｈの白煙防止空気が利用できる。
一方、本発明の方法では、燃料電池の出力が１０００ｋｗの場合には、高温型燃料電池発電設備として２５０℃で約３，２００Ｎｍ３／ｈの加熱空気を必要とするので、利用可能な余剰加熱空気の全量を高温型燃料電池発電設備に供給した場合には、約５，４００ｋｗ発電能力の発電設備に利用することができる。さらに、このように高効率で発電した電力は、下水処理場内で電力使用量の大きい水処理設備などに利用でき下水処理場内の電力自給率を向上させることができる。
【００３９】
高温型燃料電池発電設備の熱交換器での熱回収量が増加するため、ボイラーでの蒸気回収量を増加させることが出来る。
例えば、能力が３００トン／日の規模の廃棄物焼却設備の場合であって、白煙防止のために使用したものを差し引いた利用可能な白煙防止器からの加熱空気の全量を高温型燃料電池発電設備に導入した場合、熱交換器に常温空気（２０℃）を導入する場合に比較すると５５０℃で、８，０００Ｎｍ３／ｈの加熱空気を回収できる。そして、これをボイラーに導入すれば、３４０℃で、２．１ＭＰａの蒸気として、さらに１，６００ｋｇ／ｈだけ多く回収することができ、これを他の設備での蒸気(熱)利用やボイラー・タービン発電にも利用することができる。
【００４０】
以上の本発明の説明は、焼却する含水廃棄物として、主として下水処理で発生する汚泥を例として説明したが、本発明の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法は汚泥等の産業廃棄物の焼却処理に限定するものではなく、同様に水分を多く含む都市ごみ、生ごみ等の一般廃棄物にも同様に使用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
下水処理場の汚泥の焼却処理、都市ごみや家庭の生ごみの焼却処理、その他水分を含有する有機性の産業廃棄物の焼却処理に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】従来の汚泥焼却設備の一例のフロー図である。
【図２】従来の高温型燃料電池発電設備の一例を示すフロー図である。
【図３】本発明の廃棄物焼却設備と高温型燃料電池発電設備とを組み合わせた廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法を実施するための設備の一例を示すフロー図である。
【符号の説明】
【００４３】
１，４１：焼却炉、２，４２：空気予熱器、３，４３：白煙防止器、４，４４：集塵器、５，４５：スクラバー、６，４６：誘引ファン、７，４７：煙突、８，４８，９，４９：送風機、１０，７８：汚泥、１１，２６，５２，６６：ＬＮＧ、１２，５３，１３，５４，１５，５５：燃焼廃ガス、１４，５６，５７，５８，５９，６０：加熱空気、２１，６１：アノード、２２，６２：カソード、２３，６３：燃焼器、２４：希釈器、２５，６５：ボイラー、２７，６７：電力、２８，６８：アノード排ガス、２９，６９：アノード燃焼ガス、３０：一次空気、３１：二次空気、３２，７０：カソードガス、３３，７１：カソード排ガス、３４，７２：ボイラー排気、３５，７６，７７：水蒸気、５０：乾燥機、５１：乾燥汚泥、７５：凝縮水、６４：熱交換器。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃棄物の焼却炉から発生する燃焼廃ガスを、空気予熱器の熱交換による熱回収を行った後、白煙防止器においてこの燃焼廃ガスを使用して空気を加熱し、得られた加熱空気の一部を燃焼廃ガスの排出口での白煙防止のために混合するとともに、該加熱空気の残部を高温型燃料電池発電設備の燃料電池のアノードから生ずる未利用燃料の燃焼用空気および／またはカソードの熱交換用空気として使用することを特徴とする廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【請求項２】
白煙防止器で加熱された加熱空気の温度が２００〜３００℃であることを特徴とする、請求項１に記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【請求項３】
白煙防止器で加熱された加熱空気のうちの２０〜４０容量％が白煙防止のために使用され、残部の６０〜８０容量％が高温型燃料電池発電設備に使用されることを特徴とする、請求項１または２に記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【請求項４】
高温型燃料電池発電設備の燃料電池のアノードから生ずる未利用燃料に、前記白煙防止器で加熱された加熱空気の全部又は一部を混合して燃焼させ、得られた高温の二酸化炭素を含む燃焼ガスを、前記白煙防止器で加熱された加熱空気の残部と熱交換してカソードに供給することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【請求項５】
高温型燃料電池発電設備が溶融炭酸塩型燃料電池または固体酸化物型燃料電池のいずれかを使用するものである、請求項１ないし４のいずれかに記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【請求項６】
高温型燃料電池発電設備から発生する高温の排気ガスを用いてボイラーによって高温水蒸気を得て、これを焼却炉の前段に設けた廃棄物乾燥機に導入して含水廃棄物を乾燥することを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【請求項７】
焼却炉が、下水汚泥焼却炉、都市ごみ若しくは生ごみ焼却炉、または含水有機性廃棄物焼却炉のいずれかであることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【請求項１】
廃棄物の焼却炉から発生する燃焼廃ガスを、空気予熱器の熱交換による熱回収を行った後、白煙防止器においてこの燃焼廃ガスを使用して空気を加熱し、得られた加熱空気の一部を燃焼廃ガスの排出口での白煙防止のために混合するとともに、該加熱空気の残部を高温型燃料電池発電設備の燃料電池のアノードから生ずる未利用燃料の燃焼用空気および／またはカソードの熱交換用空気として使用することを特徴とする廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【請求項２】
白煙防止器で加熱された加熱空気の温度が２００〜３００℃であることを特徴とする、請求項１に記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【請求項３】
白煙防止器で加熱された加熱空気のうちの２０〜４０容量％が白煙防止のために使用され、残部の６０〜８０容量％が高温型燃料電池発電設備に使用されることを特徴とする、請求項１または２に記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【請求項４】
高温型燃料電池発電設備の燃料電池のアノードから生ずる未利用燃料に、前記白煙防止器で加熱された加熱空気の全部又は一部を混合して燃焼させ、得られた高温の二酸化炭素を含む燃焼ガスを、前記白煙防止器で加熱された加熱空気の残部と熱交換してカソードに供給することを特徴とする、請求項１ないし３のいずれかに記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【請求項５】
高温型燃料電池発電設備が溶融炭酸塩型燃料電池または固体酸化物型燃料電池のいずれかを使用するものである、請求項１ないし４のいずれかに記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【請求項６】
高温型燃料電池発電設備から発生する高温の排気ガスを用いてボイラーによって高温水蒸気を得て、これを焼却炉の前段に設けた廃棄物乾燥機に導入して含水廃棄物を乾燥することを特徴とする、請求項１ないし５のいずれかに記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【請求項７】
焼却炉が、下水汚泥焼却炉、都市ごみ若しくは生ごみ焼却炉、または含水有機性廃棄物焼却炉のいずれかであることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載の廃棄物の焼却廃熱の有効利用方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２００７−２６５７２８（Ｐ２００７−２６５７２８Ａ）
【公開日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−８７４７５（Ｐ２００６−８７４７５）
【出願日】平成１８年３月２８日（２００６．３．２８）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２８日（２００６．３．２８）
【出願人】（０００００４０６４）日本碍子株式会社 (2,325)
【Ｆターム（参考）】
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