廃棄物焼却施設の排熱を利用するための焼却排熱利用システム
【課題】発電効率および燃焼効率を低下させることなく、かつ、熱回収に用いる熱交換器の損耗を抑制することができる構成を備えた焼却排熱利用システムを提供すること。
【解決手段】投入された廃棄物を焼却処理する焼却炉２１と、焼却炉２１から排出される排ガスを用いて蒸気を発生させる廃熱ボイラ２２と、廃熱ボイラ２２の下流側に設置されるバグフィルタ２４と、廃熱ボイラ２２とバグフィルタ２４との間に設置され廃熱ボイラ２２のボイラ排ガスから熱を回収する熱交換器２３と、熱交換器２３と接続され前記回収された熱を蓄熱する直接接触式の蓄熱装置１とを備える焼却排熱利用システム１０１。
【解決手段】投入された廃棄物を焼却処理する焼却炉２１と、焼却炉２１から排出される排ガスを用いて蒸気を発生させる廃熱ボイラ２２と、廃熱ボイラ２２の下流側に設置されるバグフィルタ２４と、廃熱ボイラ２２とバグフィルタ２４との間に設置され廃熱ボイラ２２のボイラ排ガスから熱を回収する熱交換器２３と、熱交換器２３と接続され前記回収された熱を蓄熱する直接接触式の蓄熱装置１とを備える焼却排熱利用システム１０１。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃棄物焼却施設で発生する排熱を有効に利用するための焼却排熱利用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ごみ焼却炉などを備える廃棄物焼却施設で発生する排熱は、廃棄物焼却施設近隣の温水プールや公衆浴場などの様々な施設で利用されている。ここで、排熱の有する熱エネルギーを廃棄物焼却施設からこれら近隣の施設に輸送する方法としては、例えば、熱を利用する熱利用施設まで廃棄物焼却施設からパイプなどの管路を敷設して輸送する管路輸送方法がある。敷設した管路を介して高温水、温水や蒸気の形態で熱エネルギーを熱利用施設に送っている。
【０００３】
しかしながら、この方法では、熱利用施設が遠方になればなるほど管路の敷設工事費が増大していくという問題がある。このような背景のもと、管路を敷設することなく排熱の有する熱エネルギーを輸送する技術として、例えば、特許文献１に記載されているような熱輸送方法が提案されている。
【０００４】
特許文献１に記載された熱輸送方法（ごみ焼却熱利用システム）は、タンクローリのような形態で何処へでも移動可能な蓄熱搬送装置に蓄熱し、この蓄熱搬送装置により、廃棄物焼却施設から温水プールなどの熱利用施設へ熱を輸送するというものである。この方法によると、焼却施設近隣の施設だけでなく、比較的遠方の施設に対しても低コストで熱エネルギーを輸送することができる、という利点を有する。
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１０６９５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載されたごみ焼却熱利用システムでは、ごみ焼却炉の廃熱ボイラで発生した蒸気から熱回収したり、空気予熱器で予熱した燃焼用空気から熱回収したり、ごみ焼却炉の高温排ガスから直接熱回収したりしている。
【０００７】
ここで、廃熱ボイラで発生した蒸気から熱回収をした場合、発電用タービンに供給する蒸気量が減少してしまうため、発電効率の低下を招いてしまう。また、予熱した燃焼用空気から熱回収をした場合、燃焼用空気の温度が低下し、燃焼効率の低下を招く。さらに、ごみ焼却炉の高温排ガスから直接熱回収した場合、熱交換器の損耗が激しく、補修コストが増大してしまう。
【０００８】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、発電効率および燃焼効率を低下させることなく、かつ、熱回収に用いる熱交換器の損耗を抑制することができる構成を備えた焼却排熱利用システムを提供することである。
【課題を解決するための手段及び効果】
【０００９】
本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討した結果、焼却炉の廃熱ボイラと集塵機との間に熱交換器を設置し、この熱交換器を用いて廃熱ボイラのボイラ排ガスから熱回収することで、前記課題を解決できることを見出し、この知見に基づき本発明が完成するに至ったのである。
【００１０】
すなわち、上記課題を解決するために本発明は、投入された廃棄物を焼却処理する焼却炉と、前記焼却炉から排出される排ガスを用いて蒸気を発生させる廃熱ボイラと、前記廃熱ボイラの下流側に設置される集塵機と、前記廃熱ボイラと前記集塵機との間に設置され、前記廃熱ボイラで熱回収されたのち排出されるボイラ排ガスから熱を回収する熱交換器と、前記熱交換器と接続され、前記回収された熱を蓄熱する蓄熱装置と、を備える焼却排熱利用システムを提供する。
【００１１】
この構成によると、廃熱ボイラで発生する蒸気を全て発電用に用いることができるので、発電効率の低下を防止できる。また、予熱した燃焼用空気から熱回収を行わないので、燃焼効率の低下も防止できる。さらに、廃熱ボイラから排出されるボイラ排ガスの温度は、焼却炉の高温排ガスの温度に比して低温であるので、熱回収に用いる熱交換器の損耗を抑制することもできる。
【００１２】
また本発明において、ボイラでの熱回収率の向上と熱交換器損耗抑制の観点から、前記熱交換器は、１７０〜２５０℃の前記ボイラ排ガスから熱回収することが好ましい。
【００１３】
この構成によると、焼却炉の高温排ガスに比して低温の１７０〜２５０℃のボイラ排ガスから熱回収するので、その熱回収に用いる熱交換器の損耗を十分に抑制することができる。ボイラ排ガスの温度を１７０℃未満とすると、熱回収効率が低下するとともに熱交換器の低温腐食の問題が生じる場合がある。また、ボイラ排ガスの温度を２５０℃よりも大きくすると、ボイラでの熱回収量が低下してくる。
【００１４】
さらに本発明において、前記蓄熱装置は、潜熱蓄熱に用いられる蓄熱材と、当該蓄熱材と直接接触することにより熱交換を行う鉱物油とを収容する直接接触式蓄熱装置であり、１２０〜１４０℃の前記鉱物油を循環させて前記回収された熱を蓄熱することが好ましい。
【００１５】
この構成によると、熱媒体として用いる鉱物油の温度を１２０〜１４０℃とすることで、熱交換器の低温腐食をより抑制することができる。
【００１６】
さらに本発明において、前記蓄熱材がエリスリトールであることが好ましい。この構成によると、エリスリトールの潜熱を有効に利用して蓄熱することができ、蓄熱装置の蓄熱量を大きくすることができる。
【００１７】
また本発明は、その第２の態様によれば、焼却炉の廃熱ボイラと集塵機との間に設置された熱交換器により、当該廃熱ボイラから排出される１７０〜２５０℃のボイラ排ガスから熱を回収する熱回収工程と、前記回収された熱を蓄熱装置に蓄熱する蓄熱工程と、を備える焼却排熱利用方法を提供する。
【００１８】
この構成によると、廃熱ボイラで発生する蒸気を全て発電用に用いることができるので、発電効率の低下を防止できる。また、予熱した燃焼用空気から熱回収を行わないので、燃焼効率の低下も防止できる。さらに、廃熱ボイラから排出されるボイラ排ガスの温度は、１７０〜２５０℃というように焼却炉の高温排ガスの温度に比して低温であるので、熱回収に用いる熱交換器の損耗を十分に抑制することができる。
【００１９】
また本発明において、前記蓄熱装置は、潜熱蓄熱に用いられる蓄熱材と、当該蓄熱材と直接接触することにより熱交換を行う鉱物油とを収容する直接接触式蓄熱装置であり、前記蓄熱工程において、前記蓄熱装置と前記熱交換器との間を１２０〜１４０℃の前記鉱物油を循環させて前記回収された熱を蓄熱することが好ましい。
【００２０】
この構成によると、熱媒体として用いる鉱物油の温度を１２０〜１４０℃とすることで、熱交換器の低温腐食をより抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。ここでは、まず、蓄熱装置を用いた熱輸送方法、および直接接触式の蓄熱装置の構成について説明し、そのあと、当該蓄熱装置を備えた焼却排熱利用システムおよび当該システムによる焼却排熱利用方法について説明する。
【００２２】
（蓄熱装置を用いた熱輸送方法）
図１は、蓄熱装置１を用いた熱輸送方法について説明するための模式図である。図１に示すように、この熱輸送方法は、廃棄物焼却施設１００で発生した排熱を、蓄熱装置１を介して、例えば病院、学校、温水プール、およびビルの暖房設備などの熱利用施設２００へ輸送するための方法である。蓄熱装置１は、輸送車両３の荷台２に搭載されて搬送される。
【００２３】
まず、廃棄物焼却施設１００で発生した排熱をトラックなどの輸送車両３の荷台２に搭載した蓄熱装置１に蓄え、この蓄熱装置１を熱利用施設２００へ搬送する（図１（ａ）参照）。そして、蓄熱装置１から熱利用施設２００へ熱供給し、熱供給完了後、蓄熱装置１を廃棄物焼却施設１００へ戻す（図１（ｂ）参照）。このように、蓄熱装置１は、輸送車両３の荷台２に搭載された状態で、廃棄物焼却施設１００と熱利用施設２００との間を必要に応じて繰り返し往復する。なお、図１における矢印のうち、点線の矢印は輸送車両３の移動方向を示し、実線の矢印は熱の移動方向を示している。
【００２４】
（蓄熱装置）
次に、蓄熱装置１について説明する。図２は、蓄熱装置１の模式図である。図２に示すように、蓄熱装置１は、潜熱蓄熱に用いられる蓄熱材１２と、蓄熱材１２を収容する蓄熱容器１１と、蓄熱材１２と比較して比重の小さい熱媒体１３を蓄熱容器１１の外部から蓄熱容器１１の内部へ供給するための供給管１４と、蓄熱容器１１の内部に供給された熱媒体１３を蓄熱容器１１の外部へ排出するための排出管１５とを備えている。
【００２５】
蓄熱容器１１は、例えば鋼板製の容器（タンク）である。グラスウールなどの断熱材により被覆されたり、二重構造の容器とされたりすることで、蓄熱容器１１は断熱性が高められる。
【００２６】
蓄熱材１２としては、潜熱（融解熱）が大きく常温で固体となる物質を採用することが好ましく、このような物質として、例えば、エリスリトールが挙げられる。エリスリトールは、融点：約１２１℃、融解熱：約３４０ｋＪ／ｋｇ、の物質であり、常温で固体となっている。なお以降の説明では、特記なき限り、蓄熱材１２としてエリスリトールを採用したものとする。また、熱媒体１３としては、蓄熱材１２と完全に分離した状態を維持できる物質を採用することが好ましく、このような物質として、例えば、鉱物油が挙げられる。なお以降の説明では、特記なき限り、熱媒体１３として鉱物油を採用したものとする。
【００２７】
なお、蓄熱材１２として、酢酸ナトリウム三水和物を採用することもできる。酢酸ナトリウム三水和物は、融点：約５８℃、融解熱：約２５０ｋＪ／ｋｇ、の物質であり、常温で固体となっている。また、蓄熱材としては、水などの蓄熱材を採用してもよい。水は比熱が非常に大きい液体であり（比熱：１ｃａｌ／ｇ）、蓄熱材として好適である。熱利用施設２００が銭湯や温水プールなどのような温水を直接使用する施設の場合は、蓄熱材として蓄熱容器１１に蓄えた温水を、熱利用施設２００にて直接利用できるという点で、熱ロスを少なくすることができる。
【００２８】
廃棄物焼却施設１００からの排熱により加熱された（または、熱利用施設２００へ放熱した）熱媒体１３は、図２に示す供給菅１４から、蓄熱容器１１に収容されている蓄熱材１２内へ供給され、蓄熱材１２に対して直接接触することで当該蓄熱材１２と熱交換しながら、蓄熱材１２と熱媒体１３との比重差により上昇（浮上）する。そして、熱媒体１３は、蓄熱材１２の上方に形成された熱媒体１３の層へ到達するようになっている。熱媒体１３の層に到達し、放熱（受熱）した熱媒体１３は、廃棄物焼却施設１００の排熱により加熱されるために（または、熱利用施設２００へ放熱するために）排出管１５から外部に排出される。
【００２９】
（焼却排熱利用システム）
次に、焼却排熱利用システムについて説明する。図３は、焼却排熱利用システム１０１を示すブロック図である。図３に示すように、焼却排熱利用システム１０１は、廃棄物焼却施設１００に、熱交換器２３および蓄熱装置１を組み込んだものである。以下の説明では、まず、廃棄物焼却施設１００についてその概要を説明し、その後、熱交換器２３および蓄熱装置１について説明する。なお、熱交換器２３は、廃棄物焼却施設１００に対して組み込んだ機器ではなく、廃棄物焼却施設１００自体を構成する一構成機器として把握することもできるが、いずれにしても焼却排熱利用システム１０１を構成する機器であることにかわりはない。
【００３０】
（廃棄物焼却施設）
図３に示すように、廃棄物焼却施設１００は、投入された廃棄物を焼却処理する焼却炉２１を備えている。焼却炉２１としては、流動床式炉、ストーカ式炉およびガス化溶融炉などがある。本実施形態では、処理量が１０，４１７ｋｇ／ｈ／炉（２５０ｔ／ｄ／炉）の焼却炉２１としている。
【００３１】
また、廃棄物焼却施設１００は、焼却炉２１から排出される排ガスの流れの上流側から順に、廃熱ボイラ２２、バグフィルタ２４（集塵機）、再加熱器２５、触媒反応塔２６、および煙突２７を備えている。また、廃棄物焼却施設１００は、廃熱ボイラ２２で発生した蒸気により駆動される蒸気タービン２８、および発電機２９を備えている。
【００３２】
焼却炉２１から排出された８００〜９００℃の高温の排ガスは、後段に設置された廃熱ボイラ２２に入る。廃熱ボイラ２２で高温の排ガスから熱回収されたことによって発生した蒸気（３７，０００ｋｇ／ｈ／炉）は、蒸気タービン２８に供給され、タービンを回転させる。タービンが回転することにより発電機２９にて発電する。発電量は、約２万ｋＷ／３炉となる。なお、廃熱ボイラ２２で発生する蒸気の温度は、３００〜４００℃であり、その圧力は３〜４ＭＰａである。
【００３３】
一方、廃熱ボイラ２２で熱回収されたのちに排出された約１９０℃のボイラ排ガスは、後述する熱交換器２３内を通り約１７０℃の温度まで低下する。この排ガスは、バグフィルタ２４へ送られ排ガス中に含まれる粉塵や酸性ガスが除去される。その後、再加熱器２５で約２１０℃まで昇温された後、触媒反応塔２６に入る。触媒反応塔２６内にて、アンモニアと排ガス中の窒素酸化物とが反応し、窒素酸化物は無害な窒素と水とに分解される。触媒反応塔２６を出た排ガスは、煙突２７から大気中に排出される。煙突出口での排ガス温度は約２００℃で、その排ガス量は５９，０００ｍ３Ｎ／ｈ／炉となる。
【００３４】
（熱交換器および蓄熱装置）
熱交換器２３は、廃熱ボイラ２２とバグフィルタ２４との間に設置される。熱交換器２３としては、プレート式熱交換器などがある。熱交換器２３には、廃熱ボイラ２２から約１９０℃のボイラ排ガスが供給される。
【００３５】
熱交換器２３には、熱媒循環経路１６を介して蓄熱装置１が接続される。蓄熱装置１に収容された（蓄熱容器１１に収容された）熱媒体１３がポンプＰにより熱媒循環経路１６内を循環させられる。本実施形態では、蓄熱装置１の蓄熱量は、１．６ＧＪ／ｈ／炉となる。
【００３６】
（焼却排熱利用方法）
次に、焼却排熱利用システム１０１による焼却排熱利用方法について説明する。まず、蓄熱装置１の供給管１４および排出管１５を熱媒循環経路１６に接続する。その後、ポンプＰを動作させ、熱媒体１３を、熱媒循環経路１６内を循環させる。本実施形態では、熱媒体１３の循環量は、４０ｍ３／ｈ／炉としている。
【００３７】
（熱回収工程）
熱交換器２３により、廃熱ボイラ２２で熱回収されたのちに排出される約１９０℃のボイラ排ガスから排熱を回収する。約１９０℃のボイラ排ガスと、熱媒循環経路１６内を循環する熱媒体１３とが、熱交換器２３内にて間接接触することにより、ボイラ排ガスから熱媒体１３へ熱が移動する。
【００３８】
（蓄熱工程）
熱交換器２３内で約１４０℃に昇温した熱媒体１３は、熱媒循環経路１６を通って蓄熱装置１に戻り、蓄熱容器１１内の蓄熱材１２と直接接触することで蓄熱材１２に熱が蓄熱される。蓄熱材１２に放熱した熱媒体１３は、約１２０℃まで温度が下がり、蓄熱容器１１から排出されて再び熱交換器２３内に入っていく。
【００３９】
（熱輸送工程）
蓄熱容器１１内の蓄熱材１２への蓄熱が完了すると、蓄熱装置１と熱媒循環経路１６との接続を解除し、図１に示した方法などで、蓄熱容器１１を熱利用施設２００へ搬送する。そして、蓄熱装置１から熱利用施設２００へ熱交換器（不図示）などを介して熱供給することになる。
【００４０】
以上説明したように、この焼却排熱利用システム１０１によると、廃熱ボイラ２２で発生する蒸気を全て蒸気タービン２８に供給して発電用に使用することができるので、発電効率の低下を招くことはない。また、予熱した燃焼用空気から熱回収を行っていないので、焼却炉２１の燃焼効率の低下を招くこともない。さらに、廃熱ボイラ２２にて熱回収されたのちに排出される約１９０℃という焼却炉２１の高温排ガスに比して低温のボイラ排ガスから熱回収するので熱交換器２３の損耗を十分に抑制することができる。なお、ボイラ排ガスの温度は、１７０℃以上２５０℃以下とすることが好ましい。ボイラ排ガスの温度を１７０℃未満とすると、熱回収効率が低下するとともに廃熱ボイラ２３および熱交換器２３の低温腐食の問題が生じる場合がある。また、ボイラ排ガスの温度を２５０℃よりも大きくすると、ボイラ回収熱量が下がるため発電効率が低下してくる。
【００４１】
また、熱媒循環経路１６を循環させる熱媒体１３の温度を１２０〜１４０℃とすることで、熱交換器２３の低温腐食をより抑制することができる。ここで、排ガス中には、２０〜３０％の割合で水分が含まれている。低温腐食とは、熱交換器２３内の鉄皮表面などに結露が発生し、排ガス中に含まれる塩素ガスやＳＯｘ（硫黄酸化物）などの腐食性ガスがこの結露中に溶け込んで生じる腐食のことである。
【００４２】
また、蓄熱材１２としてエリスリトールを採用することで、エリスリトールの潜熱を有効に利用して蓄熱することができ、蓄熱装置１の蓄熱量を大きくすることができる。
【００４３】
また、通常、廃熱ボイラ２２とバグフィルタ２４との間には、排ガス温度を下げるための減温塔を設置するが、本発明の焼却排熱利用システムによると、減温塔は不要となるので、その分、廃棄物焼却施設１００の設置スペースを小さくすることができる。また、減温塔で熱を捨てることなく利用するので、設備全体として排熱利用率を向上させることができる。
【００４４】
次に、本発明の別の実施形態について説明する。図４は、焼却排熱利用システム１０１を示すブロック図である。図４は、図３の焼却排熱利用システムの触媒反応塔２６と煙突２７との間に第２熱交換器３０が設けられており、第２熱交換器３０にも熱媒循環経路１６が接続されている以外は、図３に示す焼却排熱利用システム１０１と同じ構成であって、同一名称ならびに同一符号が付されている。
【００４５】
図４における焼却排熱利用システム１０１では、廃熱ボイラ２２での熱回収能力を強化し、高温の排ガスを１７０℃まで熱回収することで、さらなる発電効率の向上が可能となる。ただし、廃熱ボイラ２２で１７０℃まで熱回収をした場合、熱交換器２３でのボイラ排ガスからの熱回収する熱量が減少することになる。そこで、触媒反応塔２６の出口に第２熱交換器３０を設け、触媒反応塔２６から排出される１７０℃〜２２０℃の排ガスから熱回収することにより従来煙突から放出されていた未利用エネルギーであった触媒反応塔２６の出口排ガスの回収・有効利用が可能となる。
【００４６】
また、触媒反応塔２６の出口排ガスは、排ガス中のダストおよび酸性ガスが除去された状態であるため、第２熱交換器３０の損耗をより抑制することができる。
【００４７】
以上のとおり、この実施形態における焼却排熱利用システム１０１においては、未利用エネルギーの有効利用と発電効率の向上が両立でき、プラントの総合熱効率の向上が可能となる。
【００４８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】蓄熱装置を用いた熱輸送方法について説明するための模式図である。
【図２】蓄熱装置の模式図である。
【図３】焼却排熱利用システムを示すブロック図である。
【図４】別の実施形態における焼却排熱利用システムを示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５０】
１：蓄熱装置（直接接触式蓄熱装置）
１２：蓄熱材
１３：熱媒体
１６：熱媒循環経路
２１：焼却炉
２２：廃熱ボイラ
２３：熱交換器
２４：バグフィルタ（集塵機）
３０：第２熱交換器
１００：廃棄物焼却施設
１０１：焼却排熱利用システム
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃棄物焼却施設で発生する排熱を有効に利用するための焼却排熱利用システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ごみ焼却炉などを備える廃棄物焼却施設で発生する排熱は、廃棄物焼却施設近隣の温水プールや公衆浴場などの様々な施設で利用されている。ここで、排熱の有する熱エネルギーを廃棄物焼却施設からこれら近隣の施設に輸送する方法としては、例えば、熱を利用する熱利用施設まで廃棄物焼却施設からパイプなどの管路を敷設して輸送する管路輸送方法がある。敷設した管路を介して高温水、温水や蒸気の形態で熱エネルギーを熱利用施設に送っている。
【０００３】
しかしながら、この方法では、熱利用施設が遠方になればなるほど管路の敷設工事費が増大していくという問題がある。このような背景のもと、管路を敷設することなく排熱の有する熱エネルギーを輸送する技術として、例えば、特許文献１に記載されているような熱輸送方法が提案されている。
【０００４】
特許文献１に記載された熱輸送方法（ごみ焼却熱利用システム）は、タンクローリのような形態で何処へでも移動可能な蓄熱搬送装置に蓄熱し、この蓄熱搬送装置により、廃棄物焼却施設から温水プールなどの熱利用施設へ熱を輸送するというものである。この方法によると、焼却施設近隣の施設だけでなく、比較的遠方の施設に対しても低コストで熱エネルギーを輸送することができる、という利点を有する。
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１０６９５４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１に記載されたごみ焼却熱利用システムでは、ごみ焼却炉の廃熱ボイラで発生した蒸気から熱回収したり、空気予熱器で予熱した燃焼用空気から熱回収したり、ごみ焼却炉の高温排ガスから直接熱回収したりしている。
【０００７】
ここで、廃熱ボイラで発生した蒸気から熱回収をした場合、発電用タービンに供給する蒸気量が減少してしまうため、発電効率の低下を招いてしまう。また、予熱した燃焼用空気から熱回収をした場合、燃焼用空気の温度が低下し、燃焼効率の低下を招く。さらに、ごみ焼却炉の高温排ガスから直接熱回収した場合、熱交換器の損耗が激しく、補修コストが増大してしまう。
【０００８】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、発電効率および燃焼効率を低下させることなく、かつ、熱回収に用いる熱交換器の損耗を抑制することができる構成を備えた焼却排熱利用システムを提供することである。
【課題を解決するための手段及び効果】
【０００９】
本発明者らは、前記課題を解決すべく鋭意検討した結果、焼却炉の廃熱ボイラと集塵機との間に熱交換器を設置し、この熱交換器を用いて廃熱ボイラのボイラ排ガスから熱回収することで、前記課題を解決できることを見出し、この知見に基づき本発明が完成するに至ったのである。
【００１０】
すなわち、上記課題を解決するために本発明は、投入された廃棄物を焼却処理する焼却炉と、前記焼却炉から排出される排ガスを用いて蒸気を発生させる廃熱ボイラと、前記廃熱ボイラの下流側に設置される集塵機と、前記廃熱ボイラと前記集塵機との間に設置され、前記廃熱ボイラで熱回収されたのち排出されるボイラ排ガスから熱を回収する熱交換器と、前記熱交換器と接続され、前記回収された熱を蓄熱する蓄熱装置と、を備える焼却排熱利用システムを提供する。
【００１１】
この構成によると、廃熱ボイラで発生する蒸気を全て発電用に用いることができるので、発電効率の低下を防止できる。また、予熱した燃焼用空気から熱回収を行わないので、燃焼効率の低下も防止できる。さらに、廃熱ボイラから排出されるボイラ排ガスの温度は、焼却炉の高温排ガスの温度に比して低温であるので、熱回収に用いる熱交換器の損耗を抑制することもできる。
【００１２】
また本発明において、ボイラでの熱回収率の向上と熱交換器損耗抑制の観点から、前記熱交換器は、１７０〜２５０℃の前記ボイラ排ガスから熱回収することが好ましい。
【００１３】
この構成によると、焼却炉の高温排ガスに比して低温の１７０〜２５０℃のボイラ排ガスから熱回収するので、その熱回収に用いる熱交換器の損耗を十分に抑制することができる。ボイラ排ガスの温度を１７０℃未満とすると、熱回収効率が低下するとともに熱交換器の低温腐食の問題が生じる場合がある。また、ボイラ排ガスの温度を２５０℃よりも大きくすると、ボイラでの熱回収量が低下してくる。
【００１４】
さらに本発明において、前記蓄熱装置は、潜熱蓄熱に用いられる蓄熱材と、当該蓄熱材と直接接触することにより熱交換を行う鉱物油とを収容する直接接触式蓄熱装置であり、１２０〜１４０℃の前記鉱物油を循環させて前記回収された熱を蓄熱することが好ましい。
【００１５】
この構成によると、熱媒体として用いる鉱物油の温度を１２０〜１４０℃とすることで、熱交換器の低温腐食をより抑制することができる。
【００１６】
さらに本発明において、前記蓄熱材がエリスリトールであることが好ましい。この構成によると、エリスリトールの潜熱を有効に利用して蓄熱することができ、蓄熱装置の蓄熱量を大きくすることができる。
【００１７】
また本発明は、その第２の態様によれば、焼却炉の廃熱ボイラと集塵機との間に設置された熱交換器により、当該廃熱ボイラから排出される１７０〜２５０℃のボイラ排ガスから熱を回収する熱回収工程と、前記回収された熱を蓄熱装置に蓄熱する蓄熱工程と、を備える焼却排熱利用方法を提供する。
【００１８】
この構成によると、廃熱ボイラで発生する蒸気を全て発電用に用いることができるので、発電効率の低下を防止できる。また、予熱した燃焼用空気から熱回収を行わないので、燃焼効率の低下も防止できる。さらに、廃熱ボイラから排出されるボイラ排ガスの温度は、１７０〜２５０℃というように焼却炉の高温排ガスの温度に比して低温であるので、熱回収に用いる熱交換器の損耗を十分に抑制することができる。
【００１９】
また本発明において、前記蓄熱装置は、潜熱蓄熱に用いられる蓄熱材と、当該蓄熱材と直接接触することにより熱交換を行う鉱物油とを収容する直接接触式蓄熱装置であり、前記蓄熱工程において、前記蓄熱装置と前記熱交換器との間を１２０〜１４０℃の前記鉱物油を循環させて前記回収された熱を蓄熱することが好ましい。
【００２０】
この構成によると、熱媒体として用いる鉱物油の温度を１２０〜１４０℃とすることで、熱交換器の低温腐食をより抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。ここでは、まず、蓄熱装置を用いた熱輸送方法、および直接接触式の蓄熱装置の構成について説明し、そのあと、当該蓄熱装置を備えた焼却排熱利用システムおよび当該システムによる焼却排熱利用方法について説明する。
【００２２】
（蓄熱装置を用いた熱輸送方法）
図１は、蓄熱装置１を用いた熱輸送方法について説明するための模式図である。図１に示すように、この熱輸送方法は、廃棄物焼却施設１００で発生した排熱を、蓄熱装置１を介して、例えば病院、学校、温水プール、およびビルの暖房設備などの熱利用施設２００へ輸送するための方法である。蓄熱装置１は、輸送車両３の荷台２に搭載されて搬送される。
【００２３】
まず、廃棄物焼却施設１００で発生した排熱をトラックなどの輸送車両３の荷台２に搭載した蓄熱装置１に蓄え、この蓄熱装置１を熱利用施設２００へ搬送する（図１（ａ）参照）。そして、蓄熱装置１から熱利用施設２００へ熱供給し、熱供給完了後、蓄熱装置１を廃棄物焼却施設１００へ戻す（図１（ｂ）参照）。このように、蓄熱装置１は、輸送車両３の荷台２に搭載された状態で、廃棄物焼却施設１００と熱利用施設２００との間を必要に応じて繰り返し往復する。なお、図１における矢印のうち、点線の矢印は輸送車両３の移動方向を示し、実線の矢印は熱の移動方向を示している。
【００２４】
（蓄熱装置）
次に、蓄熱装置１について説明する。図２は、蓄熱装置１の模式図である。図２に示すように、蓄熱装置１は、潜熱蓄熱に用いられる蓄熱材１２と、蓄熱材１２を収容する蓄熱容器１１と、蓄熱材１２と比較して比重の小さい熱媒体１３を蓄熱容器１１の外部から蓄熱容器１１の内部へ供給するための供給管１４と、蓄熱容器１１の内部に供給された熱媒体１３を蓄熱容器１１の外部へ排出するための排出管１５とを備えている。
【００２５】
蓄熱容器１１は、例えば鋼板製の容器（タンク）である。グラスウールなどの断熱材により被覆されたり、二重構造の容器とされたりすることで、蓄熱容器１１は断熱性が高められる。
【００２６】
蓄熱材１２としては、潜熱（融解熱）が大きく常温で固体となる物質を採用することが好ましく、このような物質として、例えば、エリスリトールが挙げられる。エリスリトールは、融点：約１２１℃、融解熱：約３４０ｋＪ／ｋｇ、の物質であり、常温で固体となっている。なお以降の説明では、特記なき限り、蓄熱材１２としてエリスリトールを採用したものとする。また、熱媒体１３としては、蓄熱材１２と完全に分離した状態を維持できる物質を採用することが好ましく、このような物質として、例えば、鉱物油が挙げられる。なお以降の説明では、特記なき限り、熱媒体１３として鉱物油を採用したものとする。
【００２７】
なお、蓄熱材１２として、酢酸ナトリウム三水和物を採用することもできる。酢酸ナトリウム三水和物は、融点：約５８℃、融解熱：約２５０ｋＪ／ｋｇ、の物質であり、常温で固体となっている。また、蓄熱材としては、水などの蓄熱材を採用してもよい。水は比熱が非常に大きい液体であり（比熱：１ｃａｌ／ｇ）、蓄熱材として好適である。熱利用施設２００が銭湯や温水プールなどのような温水を直接使用する施設の場合は、蓄熱材として蓄熱容器１１に蓄えた温水を、熱利用施設２００にて直接利用できるという点で、熱ロスを少なくすることができる。
【００２８】
廃棄物焼却施設１００からの排熱により加熱された（または、熱利用施設２００へ放熱した）熱媒体１３は、図２に示す供給菅１４から、蓄熱容器１１に収容されている蓄熱材１２内へ供給され、蓄熱材１２に対して直接接触することで当該蓄熱材１２と熱交換しながら、蓄熱材１２と熱媒体１３との比重差により上昇（浮上）する。そして、熱媒体１３は、蓄熱材１２の上方に形成された熱媒体１３の層へ到達するようになっている。熱媒体１３の層に到達し、放熱（受熱）した熱媒体１３は、廃棄物焼却施設１００の排熱により加熱されるために（または、熱利用施設２００へ放熱するために）排出管１５から外部に排出される。
【００２９】
（焼却排熱利用システム）
次に、焼却排熱利用システムについて説明する。図３は、焼却排熱利用システム１０１を示すブロック図である。図３に示すように、焼却排熱利用システム１０１は、廃棄物焼却施設１００に、熱交換器２３および蓄熱装置１を組み込んだものである。以下の説明では、まず、廃棄物焼却施設１００についてその概要を説明し、その後、熱交換器２３および蓄熱装置１について説明する。なお、熱交換器２３は、廃棄物焼却施設１００に対して組み込んだ機器ではなく、廃棄物焼却施設１００自体を構成する一構成機器として把握することもできるが、いずれにしても焼却排熱利用システム１０１を構成する機器であることにかわりはない。
【００３０】
（廃棄物焼却施設）
図３に示すように、廃棄物焼却施設１００は、投入された廃棄物を焼却処理する焼却炉２１を備えている。焼却炉２１としては、流動床式炉、ストーカ式炉およびガス化溶融炉などがある。本実施形態では、処理量が１０，４１７ｋｇ／ｈ／炉（２５０ｔ／ｄ／炉）の焼却炉２１としている。
【００３１】
また、廃棄物焼却施設１００は、焼却炉２１から排出される排ガスの流れの上流側から順に、廃熱ボイラ２２、バグフィルタ２４（集塵機）、再加熱器２５、触媒反応塔２６、および煙突２７を備えている。また、廃棄物焼却施設１００は、廃熱ボイラ２２で発生した蒸気により駆動される蒸気タービン２８、および発電機２９を備えている。
【００３２】
焼却炉２１から排出された８００〜９００℃の高温の排ガスは、後段に設置された廃熱ボイラ２２に入る。廃熱ボイラ２２で高温の排ガスから熱回収されたことによって発生した蒸気（３７，０００ｋｇ／ｈ／炉）は、蒸気タービン２８に供給され、タービンを回転させる。タービンが回転することにより発電機２９にて発電する。発電量は、約２万ｋＷ／３炉となる。なお、廃熱ボイラ２２で発生する蒸気の温度は、３００〜４００℃であり、その圧力は３〜４ＭＰａである。
【００３３】
一方、廃熱ボイラ２２で熱回収されたのちに排出された約１９０℃のボイラ排ガスは、後述する熱交換器２３内を通り約１７０℃の温度まで低下する。この排ガスは、バグフィルタ２４へ送られ排ガス中に含まれる粉塵や酸性ガスが除去される。その後、再加熱器２５で約２１０℃まで昇温された後、触媒反応塔２６に入る。触媒反応塔２６内にて、アンモニアと排ガス中の窒素酸化物とが反応し、窒素酸化物は無害な窒素と水とに分解される。触媒反応塔２６を出た排ガスは、煙突２７から大気中に排出される。煙突出口での排ガス温度は約２００℃で、その排ガス量は５９，０００ｍ３Ｎ／ｈ／炉となる。
【００３４】
（熱交換器および蓄熱装置）
熱交換器２３は、廃熱ボイラ２２とバグフィルタ２４との間に設置される。熱交換器２３としては、プレート式熱交換器などがある。熱交換器２３には、廃熱ボイラ２２から約１９０℃のボイラ排ガスが供給される。
【００３５】
熱交換器２３には、熱媒循環経路１６を介して蓄熱装置１が接続される。蓄熱装置１に収容された（蓄熱容器１１に収容された）熱媒体１３がポンプＰにより熱媒循環経路１６内を循環させられる。本実施形態では、蓄熱装置１の蓄熱量は、１．６ＧＪ／ｈ／炉となる。
【００３６】
（焼却排熱利用方法）
次に、焼却排熱利用システム１０１による焼却排熱利用方法について説明する。まず、蓄熱装置１の供給管１４および排出管１５を熱媒循環経路１６に接続する。その後、ポンプＰを動作させ、熱媒体１３を、熱媒循環経路１６内を循環させる。本実施形態では、熱媒体１３の循環量は、４０ｍ３／ｈ／炉としている。
【００３７】
（熱回収工程）
熱交換器２３により、廃熱ボイラ２２で熱回収されたのちに排出される約１９０℃のボイラ排ガスから排熱を回収する。約１９０℃のボイラ排ガスと、熱媒循環経路１６内を循環する熱媒体１３とが、熱交換器２３内にて間接接触することにより、ボイラ排ガスから熱媒体１３へ熱が移動する。
【００３８】
（蓄熱工程）
熱交換器２３内で約１４０℃に昇温した熱媒体１３は、熱媒循環経路１６を通って蓄熱装置１に戻り、蓄熱容器１１内の蓄熱材１２と直接接触することで蓄熱材１２に熱が蓄熱される。蓄熱材１２に放熱した熱媒体１３は、約１２０℃まで温度が下がり、蓄熱容器１１から排出されて再び熱交換器２３内に入っていく。
【００３９】
（熱輸送工程）
蓄熱容器１１内の蓄熱材１２への蓄熱が完了すると、蓄熱装置１と熱媒循環経路１６との接続を解除し、図１に示した方法などで、蓄熱容器１１を熱利用施設２００へ搬送する。そして、蓄熱装置１から熱利用施設２００へ熱交換器（不図示）などを介して熱供給することになる。
【００４０】
以上説明したように、この焼却排熱利用システム１０１によると、廃熱ボイラ２２で発生する蒸気を全て蒸気タービン２８に供給して発電用に使用することができるので、発電効率の低下を招くことはない。また、予熱した燃焼用空気から熱回収を行っていないので、焼却炉２１の燃焼効率の低下を招くこともない。さらに、廃熱ボイラ２２にて熱回収されたのちに排出される約１９０℃という焼却炉２１の高温排ガスに比して低温のボイラ排ガスから熱回収するので熱交換器２３の損耗を十分に抑制することができる。なお、ボイラ排ガスの温度は、１７０℃以上２５０℃以下とすることが好ましい。ボイラ排ガスの温度を１７０℃未満とすると、熱回収効率が低下するとともに廃熱ボイラ２３および熱交換器２３の低温腐食の問題が生じる場合がある。また、ボイラ排ガスの温度を２５０℃よりも大きくすると、ボイラ回収熱量が下がるため発電効率が低下してくる。
【００４１】
また、熱媒循環経路１６を循環させる熱媒体１３の温度を１２０〜１４０℃とすることで、熱交換器２３の低温腐食をより抑制することができる。ここで、排ガス中には、２０〜３０％の割合で水分が含まれている。低温腐食とは、熱交換器２３内の鉄皮表面などに結露が発生し、排ガス中に含まれる塩素ガスやＳＯｘ（硫黄酸化物）などの腐食性ガスがこの結露中に溶け込んで生じる腐食のことである。
【００４２】
また、蓄熱材１２としてエリスリトールを採用することで、エリスリトールの潜熱を有効に利用して蓄熱することができ、蓄熱装置１の蓄熱量を大きくすることができる。
【００４３】
また、通常、廃熱ボイラ２２とバグフィルタ２４との間には、排ガス温度を下げるための減温塔を設置するが、本発明の焼却排熱利用システムによると、減温塔は不要となるので、その分、廃棄物焼却施設１００の設置スペースを小さくすることができる。また、減温塔で熱を捨てることなく利用するので、設備全体として排熱利用率を向上させることができる。
【００４４】
次に、本発明の別の実施形態について説明する。図４は、焼却排熱利用システム１０１を示すブロック図である。図４は、図３の焼却排熱利用システムの触媒反応塔２６と煙突２７との間に第２熱交換器３０が設けられており、第２熱交換器３０にも熱媒循環経路１６が接続されている以外は、図３に示す焼却排熱利用システム１０１と同じ構成であって、同一名称ならびに同一符号が付されている。
【００４５】
図４における焼却排熱利用システム１０１では、廃熱ボイラ２２での熱回収能力を強化し、高温の排ガスを１７０℃まで熱回収することで、さらなる発電効率の向上が可能となる。ただし、廃熱ボイラ２２で１７０℃まで熱回収をした場合、熱交換器２３でのボイラ排ガスからの熱回収する熱量が減少することになる。そこで、触媒反応塔２６の出口に第２熱交換器３０を設け、触媒反応塔２６から排出される１７０℃〜２２０℃の排ガスから熱回収することにより従来煙突から放出されていた未利用エネルギーであった触媒反応塔２６の出口排ガスの回収・有効利用が可能となる。
【００４６】
また、触媒反応塔２６の出口排ガスは、排ガス中のダストおよび酸性ガスが除去された状態であるため、第２熱交換器３０の損耗をより抑制することができる。
【００４７】
以上のとおり、この実施形態における焼却排熱利用システム１０１においては、未利用エネルギーの有効利用と発電効率の向上が両立でき、プラントの総合熱効率の向上が可能となる。
【００４８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することが可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】蓄熱装置を用いた熱輸送方法について説明するための模式図である。
【図２】蓄熱装置の模式図である。
【図３】焼却排熱利用システムを示すブロック図である。
【図４】別の実施形態における焼却排熱利用システムを示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５０】
１：蓄熱装置（直接接触式蓄熱装置）
１２：蓄熱材
１３：熱媒体
１６：熱媒循環経路
２１：焼却炉
２２：廃熱ボイラ
２３：熱交換器
２４：バグフィルタ（集塵機）
３０：第２熱交換器
１００：廃棄物焼却施設
１０１：焼却排熱利用システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
投入された廃棄物を焼却処理する焼却炉と、
前記焼却炉から排出される排ガスを用いて蒸気を発生させる廃熱ボイラと、
前記廃熱ボイラの下流側に設置される集塵機と、
前記廃熱ボイラと前記集塵機との間に設置され、前記廃熱ボイラで熱回収されたのち排出されるボイラ排ガスから熱を回収する熱交換器と、
前記熱交換器と接続され、前記回収された熱を蓄熱する蓄熱装置と、
を備える焼却排熱利用システム。
【請求項２】
請求項１に記載の焼却排熱利用システムにおいて、
前記熱交換器は、１７０〜２５０℃の前記ボイラ排ガスから熱回収することを特徴とする、焼却排熱利用システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の焼却排熱利用システムにおいて、
前記蓄熱装置は、潜熱蓄熱に用いられる蓄熱材と、当該蓄熱材と直接接触することにより熱交換を行う鉱物油とを収容する直接接触式蓄熱装置であり、１２０〜１４０℃の前記鉱物油を循環させて前記回収された熱を蓄熱することを特徴とする、焼却排熱利用システム。
【請求項４】
請求項３に記載の焼却排熱利用システムにおいて、
前記蓄熱材がエリスリトールであることを特徴とする、焼却排熱利用システム。
【請求項５】
焼却炉の廃熱ボイラと集塵機との間に設置された熱交換器により、当該廃熱ボイラから排出される１７０〜２５０℃のボイラ排ガスから熱を回収する熱回収工程と、
前記回収された熱を蓄熱装置に蓄熱する蓄熱工程と、
を備える焼却排熱利用方法。
【請求項６】
請求項５に記載の焼却排熱利用方法において、
前記蓄熱装置は、潜熱蓄熱に用いられる蓄熱材と、当該蓄熱材と直接接触することにより熱交換を行う鉱物油とを収容する直接接触式蓄熱装置であり、
前記蓄熱工程において、前記蓄熱装置と前記熱交換器との間を１２０〜１４０℃の前記鉱物油を循環させて前記回収された熱を蓄熱することを特徴とする、焼却排熱利用方法。
【請求項１】
投入された廃棄物を焼却処理する焼却炉と、
前記焼却炉から排出される排ガスを用いて蒸気を発生させる廃熱ボイラと、
前記廃熱ボイラの下流側に設置される集塵機と、
前記廃熱ボイラと前記集塵機との間に設置され、前記廃熱ボイラで熱回収されたのち排出されるボイラ排ガスから熱を回収する熱交換器と、
前記熱交換器と接続され、前記回収された熱を蓄熱する蓄熱装置と、
を備える焼却排熱利用システム。
【請求項２】
請求項１に記載の焼却排熱利用システムにおいて、
前記熱交換器は、１７０〜２５０℃の前記ボイラ排ガスから熱回収することを特徴とする、焼却排熱利用システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の焼却排熱利用システムにおいて、
前記蓄熱装置は、潜熱蓄熱に用いられる蓄熱材と、当該蓄熱材と直接接触することにより熱交換を行う鉱物油とを収容する直接接触式蓄熱装置であり、１２０〜１４０℃の前記鉱物油を循環させて前記回収された熱を蓄熱することを特徴とする、焼却排熱利用システム。
【請求項４】
請求項３に記載の焼却排熱利用システムにおいて、
前記蓄熱材がエリスリトールであることを特徴とする、焼却排熱利用システム。
【請求項５】
焼却炉の廃熱ボイラと集塵機との間に設置された熱交換器により、当該廃熱ボイラから排出される１７０〜２５０℃のボイラ排ガスから熱を回収する熱回収工程と、
前記回収された熱を蓄熱装置に蓄熱する蓄熱工程と、
を備える焼却排熱利用方法。
【請求項６】
請求項５に記載の焼却排熱利用方法において、
前記蓄熱装置は、潜熱蓄熱に用いられる蓄熱材と、当該蓄熱材と直接接触することにより熱交換を行う鉱物油とを収容する直接接触式蓄熱装置であり、
前記蓄熱工程において、前記蓄熱装置と前記熱交換器との間を１２０〜１４０℃の前記鉱物油を循環させて前記回収された熱を蓄熱することを特徴とする、焼却排熱利用方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−１５１４３２（Ｐ２０１０−１５１４３２Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３３３０２７（Ｐ２００８−３３３０２７）
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【出願人】（０００１９２５９０）株式会社神鋼環境ソリューション (534)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【出願人】（０００１９２５９０）株式会社神鋼環境ソリューション (534)
【Ｆターム（参考）】
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