廃棄物発電方法
【課題】高効率かつランニングコストの安価な廃棄物発電方法を提供する。
【解決手段】可燃性廃棄物の焼却排ガスの顕熱を、１の廃熱ボイラーで熱回収してスチームを発生し、当該スチームを過熱した後、スチームタービンによって発電する廃棄物発電方法において、生物学的水処理施設から発生する汚泥を、乾燥した後、完全燃焼理論酸素量の０．２〜０．８倍の酸素と共に１１００〜１７００℃で部分燃焼させ、生成される可燃性ガスを、２の廃熱ボイラーで顕熱回収してスチームを発生させた後、クリーンな可燃性ガスとする工程と、当該クリーンな可燃性ガスを燃料としてガスタービンによって発電する工程とを更に有し、記ガスタービンによる発電で生じる排ガスの顕熱を前記１の廃熱ボイラーで発生するスチームの過熱に熱交換して使用すると共に、前記２の廃熱ボイラーで発生したスチームを前記１の廃熱ボイラーで発生するスチームに導入する。
【解決手段】可燃性廃棄物の焼却排ガスの顕熱を、１の廃熱ボイラーで熱回収してスチームを発生し、当該スチームを過熱した後、スチームタービンによって発電する廃棄物発電方法において、生物学的水処理施設から発生する汚泥を、乾燥した後、完全燃焼理論酸素量の０．２〜０．８倍の酸素と共に１１００〜１７００℃で部分燃焼させ、生成される可燃性ガスを、２の廃熱ボイラーで顕熱回収してスチームを発生させた後、クリーンな可燃性ガスとする工程と、当該クリーンな可燃性ガスを燃料としてガスタービンによって発電する工程とを更に有し、記ガスタービンによる発電で生じる排ガスの顕熱を前記１の廃熱ボイラーで発生するスチームの過熱に熱交換して使用すると共に、前記２の廃熱ボイラーで発生したスチームを前記１の廃熱ボイラーで発生するスチームに導入する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、都市ごみを主体とした廃棄物焼却炉から発生する排ガス中の顕熱をボイラーによってスチームとして回収し、スチームタービンによる発電を行うところの廃棄物発電に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
廃棄物は日常生活や産業活動から毎日大量に排出されており、その総排出量は依然として増加傾向にある。これらの廃棄物を処理するにあたり、可燃物については焼却による減容化処理が大きな割合を占めている。特に、家庭から排出される一般廃棄物（都市ごみ）に関しては、我が国の風土を反映して、減容化のみならず公衆衛生上の観点から、地方自治体による焼却を主とする方針がとられており、その発生量の約３／４が焼却処理されている。廃棄物発電は焼却に付随して発生する廃棄物の熱エネルギーを有効に利用して、発電を行う技術であり、化石燃料の使用による発電を削減し、ＣＯ２発生量の削減にも寄与するため、今後一層の普及が期待されている。
【０００３】
廃棄物発電としては、廃棄物を焼却する際に発生する燃焼排ガス中の熱エネルギー（顕熱）を廃熱ボイラーによって回収してスチームを発生させ、このスチームによってスチームタービンを駆動させることにより発電を行う技術が一般的である。通常、都市ごみの焼却処理では、燃焼排ガス中に塩化水素等の腐食性物資が高濃度に含有され、ボイラー管材の腐食を避ける目的から、回収するスチームの温度は３００℃以下の比較的低温に抑える必要があるため、プロセスにおける発電効率も１０〜１５％程度となる。
【０００４】
近年、廃棄物発電の更なる高効率化が指向される中で、外部から熱源を導入し、ボイラー管材の腐食問題を回避した上で蒸気の高温化を図ろうとする、いわゆるスーパーごみ発電システムが提案され、一部で実施されている。スーパーごみ発電にもいくつかの方式が存在するが、図１に示すように、スチーム６の過熱用の熱源として、化石燃料９を空気２により燃焼させてガスタービン１０の高温排ガス４を利用する方法、あるいは図２に示すようにスチーム６の過熱用に追い焚き式の過熱器１４を用いる方法が一般的である。なお、図１及び２において説明を省略した要素は、後述する図３及び４において前記省略した要素と同一の符号が付された要素に対応するものである。現在、国内においては、スチームタービンよりも発電効率の高いガスタービンを追加することによって総発電量の増加と発電効率の向上を狙った、ガスタービンを組み入れたプロセスが多く採用されており、発電効率として３０％近い高効率が得られている。
【０００５】
一方、産業廃棄物の一種である、下水を生物学的水処理によって浄化する際に発生する余剰の活性汚泥（以下、汚泥と略す）は、下水道の普及、また下水処理場における高度処理プロセス（窒素、リンの除去等）の導入等に伴って益々増加する傾向にある。これら汚泥は、通常の下水処理場における最終形態である脱水ケーキの状態においても依然として８０質量％程度の多量の水分を含有し、しかも乾燥状態での発熱量も６３００〜２１０００ｋＪ／ｋｇ−ｄｒｙ程度と比較的小さいため、安定して燃焼させることが容易な流動床式焼却炉において焼却、減容化後、埋め立て処理するケースが大部分を占める。また、汚泥焼却炉においては、熱損失（炉体からの放散熱、水の蒸発潜熱、燃焼用空気中の同伴窒素および水蒸気による持ち出し顕熱等）が生じることによって、汚泥自体の持つ発熱量のみで燃焼（すなわち自燃）させることは困難である。従って現状の流動床式汚泥焼却炉においては、重油、消化ガス等の補助燃料を何らかの方法で使用する（炉内へ直接添加する、空気予熱用燃料として使用する等）ことが必要不可欠である。
【０００６】
近年、埋め立て地の逼迫等の理由によって、更なる汚泥の減容化あるいは有効利用を狙いとして、汚泥の溶融処理も一部で実施されている。汚泥の溶融処理は、汚泥を灰の溶融点以上の高温雰囲気下で空気燃焼させることによって、汚泥をスラグへと変換し、汚泥の体積の低減あるいは建設資材等としての有効利用を図る技術である。しかし、一般的な汚泥の溶融処理においては、溶融炉内を灰の溶融点以上の高温（１２００〜１６００℃程度）に保つ必要があるため、焼却よりも更に多量の補助燃料の使用が必要となる（非特許文献１参照）。
【０００７】
また、特許文献１では、気流層の旋回式溶融炉において、酸素または酸素富化空気をガス化剤とすることによって上記の熱損失を削減し、補助燃料を用いることなく乾燥した汚泥をガス化（可燃性ガスとスラグへ転換）し、その高温の可燃性ガスの顕熱をボイラーによってスチームとして回収し、乾燥機の熱源とする汚泥焼却方法が提案されている。
【特許文献１】特開平１１−１５９７２２号公報
【非特許文献１】下水道ハンドブック編集委員会編「最新下水道ハンドブック」（株）建設産業調査会、１９９７年、Ｐ．５０１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述したスーパーごみ発電においては、当然、化石燃料をガスタービン燃料、あるいは独立過熱器燃料として用いるために何らかの化石エネルギー（天然ガス、重油等）を外部から添加する必要がある。特にガスタービンと組み合わせたプロセスにおいては、ガスタービンにおける制約、あるいは利用のし易さから、天然ガス（あるいは都市ガス）を用いることが一般的である。天然ガスの使用は結果として廃棄物発電プロセスにおける発電出力（発電効率）の向上に寄与するものであるが、天然ガスを発電用燃料として捉えた場合には、埋蔵量に限りのある貴重なエネルギー化石資源である天然ガスの有効利用という観点から専用の事業用大型火力発電所において発電を行った方がより高い発電効率を得られるという点で好適である。また、天然ガスは発電用燃料以外にも、都市ガス、工業用燃料、化学原料等、他で代替することが容易ではない多種多様な用途があり、限られた資源の有効利用の観点から、天然ガスをこれらの用途に今後も継続して適用していくことが望ましい。更に、天然ガスは石油や石炭と比較して、環境負荷が少なくかつハンドリングし易い化石資源であるが、逆に経済性の観点からは最も高価になってしまうという問題もあった。
【０００９】
特許文献１では、下水汚泥という廃棄物を可燃性ガスへと転換し、発電用燃料やその他の用途に有効利用することが可能である。しかし、炉から発生した可燃性ガスの顕熱回収によって回収されたスチームは汚泥を乾燥するための熱源として直接利用するため、スチームを発電用途に利用し、更なる発電量の増加を図ることはできない。
【００１０】
本発明の目的は、化石燃料の使用量を極力削減した高効率かつランニングコストの安価な廃棄物発電方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための本発明の要旨は次の通りである。
【００１２】
（１） 可燃性廃棄物を焼却処理して生じる排ガスの顕熱を、１の廃熱ボイラーで熱回収してスチームを発生し、当該スチームを過熱した後、スチームタービンによって発電する廃棄物発電方法において、
生物学的水処理施設から発生する汚泥を、乾燥した後、完全燃焼に必要な理論酸素量の０．２〜０．８倍の酸素と共に１１００〜１７００℃で部分燃焼し、可燃性ガスを生成する工程と、
当該可燃性ガスを燃料としてガスタービンによって発電する工程とを更に有し、
前記スチームの過熱に熱交換式の過熱器を使用し、前記ガスタービンによる発電で生じる排ガスの顕熱を前記廃熱ボイラーで発生するスチームの過熱に熱交換して使用することを特徴とする廃棄物発電方法。
【００１３】
（２） 可燃性廃棄物を焼却処理して生じる排ガスの顕熱を、１の廃熱ボイラーで熱回収してスチームを発生し、当該スチームを過熱した後、スチームタービンによって発電する廃棄物発電方法において、
生物学的水処理施設から発生する汚泥を、乾燥した後、完全燃焼に必要な理論酸素量の０．２〜０．８倍の酸素と共に１１００〜１７００℃で部分燃焼し、可燃性ガスを生成する工程を更に有し、
前記スチームの過熱に追い焚き式過熱器を使用し、前記可燃性ガスを当該追い焚き式過熱器の燃料として使用することを特徴とする廃棄物発電方法。
【００１４】
（３） 前記可燃性ガスを生成する工程において、生成した可燃性ガスの顕熱を、２の廃熱ボイラーで顕熱回収してスチームを発生させ、当該スチームを前記１の廃熱ボイラーで発生するスチームに導入することを特徴とする（１）又は（２）記載の廃棄物発電方法。
【００１５】
（４） 前記スチームタービンによるい発電において、抽気タービンまたは背圧タービンを用い、当該抽気タービンまたは背圧タービンから排出されたスチームを前記汚泥乾燥の熱源として利用することを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の廃棄物発電方法。
【００１６】
（５） 前記汚泥を部分燃焼する際の圧力を０．３ＭＰａ以上１．１ＭＰａ未満とすることを特徴とする（１）、（３）又は（４）記載の廃棄物発電方法。
【００１７】
（６） 前記汚泥の乾燥により排出される臭気ガスを、前記可燃性廃棄物と共に焼却処理することを特徴とする（１）〜（５）のいずれか１項に記載の廃棄物発電方法。
【００１８】
尚、本発明で言う「過熱」は、スチームの温度を上昇させる意味で用いる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、化石燃料の使用量を極力削減又は化石燃料が不要である高効率かつランニングコストの安価な廃棄物発電方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を詳細に説明する。図３に本発明に関するプロセスフローシートを示す。
【００２１】
都市ごみを主体とする可燃性廃棄物１はごみ焼却炉３内において８００〜１０００℃程度の温度で空気２を用いて焼却処理（灰化）される。ここで述べるところの可燃性廃棄物とは、家庭から排出される紙、厨芥（生ゴミ）、プラスチック等から構成されるいわゆる可燃ごみを主体とする廃棄物である。このごみ焼却炉３の方式は特に問わないが、現状ではストーカ式あるいは流動床式のごみ焼却炉３を用いることが一般的である。ごみ焼却炉３から排出される高温の排ガス４−１は廃熱ボイラー５−１において熱回収され、スチーム６−１が生成するが、前述したように廃熱ボイラー５−１の腐食を回避するため、スチーム６−１の温度は３００℃以下の比較的低温に制限する必要がある。顕熱を回収された排ガスは脱硫、脱塵等の処理が行われる排ガス処理設備７を経て、排ガス４−２として放散される。
【００２２】
一方、下水処理場から排出された汚泥（脱水ケーキ）１５は、汚泥乾燥機１６へ導入され、乾燥処理が行われる。汚泥乾燥機１６から排出された乾燥汚泥１９は、窒素または空気の気流搬送によって気流床型の汚泥ガス化溶融炉２２へ投入される。汚泥ガス化溶融炉２２内において、乾燥汚泥１９中の有機物は酸素２１（あるいは酸素富化空気）をガス化剤とした部分酸化反応（不完全燃焼）によって、１１００〜１７００℃の高温でガス化され、高温の可燃性ガス２４（主成分はＨ２、ＣＯ、ＣＨ４、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ）に転換される。また同時に、乾燥汚泥１９中の灰分は溶融しスラグ２３へと転換される。スラグ２３の大半は汚泥ガス化溶融炉２２の底部より抜き出される。なお、溶融したスラグ２３の一部は汚泥ガス化溶融炉２２から排出された高温の可燃性ガス２４中に飛散同伴するため、汚泥ガス化溶融炉２２の上部においてスプレー水あるいはクエンチガス２５を吹き込んで１０００℃以下にまで冷却し、飛散した溶融スラグを固化することによって灰付着トラブル（スラッギング）を防止しても良い。
【００２３】
汚泥ガス化溶融炉２２から排出された高温（６００〜１７００℃）の可燃性ガス２４は廃熱ボイラー５−２において熱回収されるが、ごみ焼却炉３後段の廃熱ボイラー５−１の場合と同様、腐食によるトラブルを回避するため、回収されるスチーム６−１の温度は３００℃以下に制限される。熱回収された後の可燃性ガスは脱硫、脱塵等の処理が行われる排ガス処理設備７を経た後、クリーンな可燃性ガスとなり、クリーンな燃料として使用することができる。
【００２４】
生成した可燃性ガス（クリーン）２６が発電用燃料としてガスタービン１０に導入されることによって高効率の発電が行われる（ガスタービン発電と呼称する。藤村整市著「クリーンエネルギー」日本工業出版、１９９９年、Ｎｏ．４、Ｐ−１９参照）。
【００２５】
ガスタービン１０からは、通常、４００〜６００℃程度の高温かつ硫黄化合物等の腐食性物質をほとんど含有しない排ガス４−３が排出される。この高温の排ガス４−３は熱交換式の過熱器８へ導入され、排ガスの顕熱を熱源として、排ガス４−３と先に発生した低温のスチーム６−１との間に熱交換が行われることによって、スチーム温度を高温化（過熱）する。過熱器８としては、高温側ガスの顕熱を熱源にして、高温側ガスと低温側ガスとの間に熱交換が行われることによって低温側ガスの温度を上昇させることが可能である一般的な熱交換器で構わない。過熱器８を経たスチーム（過熱後）１１はスチームタービン１２（藤村整市著「クリーンエネルギー」日本工業出版、１９９９年、Ｎｏ．４、Ｐ−１９参照）へと導入されるが、スチームを高温とすることによって、スチームが低温である場合よりも発電出力を増大させることが可能となる。
【００２６】
この際、可燃性ガス（クリーン）２６のみを燃料としてガスタービン発電を行って生じた排ガスの顕熱だけでは後述する過熱器における所要熱源を充分に賄えない場合、またガスタービン発電における更なる発電出力の増大を図りたい場合には、可燃性ガス（クリーン）２６のみではなく、天然ガスあるいは重油等の化石燃料９を同時に発電用燃料としてガスタービン１０へ導入しても良い。
【００２７】
汚泥乾燥機１６の方式は特に問わないが、プロセス全体での熱効率の高効率化を狙いとする場合には、スチームを熱源として利用するスチームドライヤーを採用することが望ましい。なぜなら、汚泥乾燥機１６において必要とされるスチームは、発電のためにスチームタービン１２で必要とされるスチームよりも低圧あるいは低温の低質スチームで構わないため、スチームタービン１２から抽気あるいは排気された低圧スチーム１７を汚泥乾燥機１６の熱源として使用すれば、スチームタービン１２による発電出力を高い値に保ったまま、汚泥乾燥機１６用のスチームも賄うことが可能となる。この場合、スチームタービン１２の方式としては抽気タービンあるいは背圧タービンを採用する（西川兼康、田川龍文、川口巌著「わかる蒸気工学」日新出版、１９９２年、Ｐ−１７１参照）。なお、汚泥乾燥機１６の熱源として、他のプロセスから発生する廃熱等の別の熱源が利用可能な場合には、スチームタービン１２として復水タービン（西川兼康、田川龍文、川口巌著「わかる蒸気工学」日新出版、１９９２年、Ｐ−１７１参照）を採用し、スチームタービン１２における発電出力の更なる増大を図ることが望ましい。
【００２８】
また、汚泥乾燥機１６からは、主として乾燥に付随して発生する水分（水蒸気）およびパージガス（空気）によって構成される臭気ガス２８（乾燥排ガス）が排出される。臭気ガス２８は何らかの脱臭設備によって処理する必要があるが、この臭気ガス２８をごみ焼却炉３へ投入することによって燃焼脱臭を行えば、専用の脱臭設備を設ける必要がなくなり、脱臭に関わる設備コストおよび所要エネルギーを削減可能な点で好適である。
【００２９】
汚泥乾燥機１６から排出された乾燥汚泥１９の発熱量は６３００〜２１０００ｋＪ／ｋｇ−ｄｒｙ程度であり、粒径は０．１μｍ〜２ｍｍ程度とすることが好ましく、水分含有量は０（平衡含水率）〜３０質量％程度である。粒径が２ｍｍよりも大きい場合でもガス化を行うことは可能であるが、ガス化速度の低下に伴い、未燃物が多くなり、汚泥のガス転換率が低下する。一方、乾燥汚泥１９の粒径を０．１μｍより小さくするためには、多くの動力を消費する粉砕機が別途必要となり、また、０．１μｍより小さな粒径は気流搬送する際の配管閉塞等の原因となるので、粒径は上記の範囲とすることが好ましい。なお、汚泥ガス化溶融炉２２の蒸発潜熱による効率低下を防止するため、また、汚泥の粒径を２ｍｍ以下とするためには、乾燥汚泥１９中の水分含有量は極力２０質量％以下とすることが望ましい。水分含有量を２０質量％以下とした汚泥は凝集性が小さくなり、容易に２ｍｍ以下に微粉化することが可能となる。
【００３０】
汚泥ガス化溶融炉２２内の温度は、乾燥汚泥１９中に含まれる灰分の融点に応じた温度に設定され、灰分の融点よりも高い温度とするので１１００℃以上とするが、必要以上に高温とすることは、汚泥ガス化溶融炉２２内の炉壁の寿命を極度に短縮し、かつ放熱による熱損失も増加するために好ましくないので１７００℃以下とする。
【００３１】
また、灰分の融点を低下させるために、塩基度調整のための添加剤（石灰、シリカ）等のいわゆる融点降下剤１８を事前に汚泥へ添加しても良い。
【００３２】
なお、汚泥ガス化溶融炉２２内の温度を灰分の融点よりも低い温度とし、スラグではなく溶融前の灰（あるいは灰を含んだ未燃物）の形態で取り出しても構わないが、汚泥の減容化の観点からは好ましくない。
【００３３】
ガス化の際にガス化剤として添加する酸素２１は同伴窒素による持ち出し顕熱を削減する観点から、可能な限り高濃度の酸素を用いることが好ましい。しかし、必要以上に高濃度の酸素を製造することは酸素製造設備２０における投入エネルギーの増大等デメリットが増すばかりであり、ガス化そのものに与える影響は小さいため、ここで用いる酸素２１は一般的な酸素製造法（圧力スイング吸着法〈ＰＳＡ〉、深冷分離法）によって製造可能な濃度（８０％以上）で良い。
【００３４】
ここで添加する酸素量は、乾燥汚泥１９中の有機物を完全燃焼させるために必要な酸素量（いわゆる理論酸素量）よりも少ない酸素量とする。ここでいう有機物とは乾燥汚泥中の灰分を除いた部分（炭素、水素、窒素、硫黄、酸素を主体）を意味する。
【００３５】
当該添加する酸素量の理論酸素量に対する割合は、汚泥発熱量および汚泥ガス化溶融炉２２内の温度を何度に設定するかによって異なるが、理論酸素量を１とした場合の割合で０．２〜０．８の範囲内で調整することが好適である。０．２未満の酸素比では、ガス化せずに未燃物へと転換する有機物が極めて多くなるため、また、０．８を超過する酸素比では、可燃性ガス（ＣＯ、Ｈ２、ＣＨ４等）へ転換する割合がほとんどなくなり、大部分が燃焼ガス（ＣＯ２、Ｈ２Ｏ）まで転換してしまうため、本発明の目的からして好ましくない。
【００３６】
また、汚泥ガス化溶融炉２２内の温度制御の目的も兼ねて、ガス化剤としてスチームを酸素と併用しても良い。この場合、スチームタービン１２から抽気または排気された低質の低圧スチーム１７をガス化剤として使用すれば良い。
【００３７】
汚泥ガス化溶融炉２２内の圧力を大気圧よりも低い圧力とする場合、外部からの空気の漏れ込みによる爆発の危険性があるため好ましくない。汚泥ガス化溶融炉２２内の圧力を大気圧よりも高く設定した場合には汚泥ガス化溶融炉２２をコンパクトにすることのできるメリット、また生成した可燃性ガス２４を、コンプレッサーによる昇圧なしに直接、あるいは小さな昇圧幅でガスタービン１０へ投入できるメリットがある。なお、具体的には、汚泥ガス化溶融炉２２内の圧力は、０．３ＭＰａ以上１．１ＭＰａ未満（ゲージ圧力で０．２ＭＰａ以上１．０ＭＰａ未満）とすることが望ましい。ゲージ圧力を０．２ＭＰａ以下とした場合、ガスタービン１０の一般的な入口条件であるゲージ圧力を０．５〜３．０ＭＰａにまで可燃性ガス２４をコンプレッサーによって昇圧するための所要動力が極めて大きくなってしまうため好ましくない。またゲージ圧力を１．０ＭＰａ以上の圧力とした場合には、汚泥ガス化溶融炉２２自体ならびに付帯設備（乾燥汚泥供給設備、廃熱ボイラー、ガス処理設備等）を高圧ガス保安法に基づく特別仕様とする必要があるため、それらに関わる設備コストの飛躍的な増加を招くため望ましくない。
【００３８】
なお、図４に図示するように、汚泥ガス化溶融炉２２から生成した可燃性ガス（クリーン）２６を、ガスタービン発電用の燃料とはせずに、スーパーごみ発電におけるようなスチームの過熱を行う追い焚き式過熱器１４の燃料として使用しても良い。この場合、追い焚き式過熱器１４から排出された排ガスから更に熱回収を行うための廃熱ボイラー５−３を設置し、スチーム６−２を回収することによって熱の有効利用を図ることが望ましい。このスチーム６−２はスチーム６−１と一緒にすることによって発電用途として利用しても、汚泥乾燥機１６の熱源として利用しても良い。また、この場合はガスタービンを使用しないことから、汚泥ガス化溶融炉２２内の圧力は空気の侵入を防ぐことができる大気圧以上の圧力があれば良い。
【００３９】
汚泥ガス化溶融炉２２の方式は気流層型（気流床型、噴流床型）のものに何ら限定するものではなく、流動層型（流動床型）、固定床型等の方式のガス化炉も使用可能である。しかし、他の方式と比較してコンパクト化、高効率化、灰のスラグ化（流動層型は灰のスラグ化が不可能）が可能であり、操業も容易な気流層型の汚泥ガス化溶融炉を用いることが望ましい。
【００４０】
また、ごみ焼却炉３において発生した焼却灰２７の全量または一部を汚泥ガス化溶融炉２２へ乾燥汚泥１９と共に導入することによって、ごみ焼却灰２７をスラグへ転換し、減容化を行っても良い。ただし、この場合、汚泥ガス化溶融炉２２における熱効率が低下し、生成する可燃性ガス２４の発熱量も低下してしまう。
【００４１】
本発明で使用する汚泥として、下水汚泥以外に、産業排水の生物学的処理施設から発生する余剰の活性汚泥（例えば、コークス炉排水（安水）処理設備、ステンレス酸洗排水の処理設備、各種食品工場の排水処理設備から排出される余剰汚泥等）を用いても良い。
【００４２】
＜実施例１＞
図５に示したプロセスフローに従って、本発明例を実施した。なお、図５は、図３に対応するものであり、各要素の名称については記載を省略した。
【００４３】
低位発熱量１２６００ｋＪ／ｋｇである都市ごみ（廃棄物）１（２１ｔ／ｈｒ）をストーカ式のごみ焼却炉３において炉内温度９００℃で焼却処理した。ごみ焼却炉３から排出された排ガス４−１の顕熱は廃熱ボイラー５−１において熱回収され、２．３ＭＰａ、２８０℃のスチーム６−１が９２０００ｋｇ／ｈｒ生成した。熱回収後の排ガス４−２はガス処理の後、大気放散された。
【００４４】
一方、水分含有量８０質量％の汚泥（脱水ケーキ）１５（２１ｔ／ｈｒ）は、スチームドライヤー方式の汚泥乾燥機１６へ投入され、水分８質量％にまで乾燥が行われた。表１に汚泥（脱水ケーキ）の分析値を示す。
【００４５】
【表１】
【００４６】
汚泥乾燥機１６から発生した臭気ガス２８をごみ焼却炉３へ導入することによって、燃焼用の空気２を一部代替すると共に脱臭処理を行った。汚泥乾燥機１６から排出された乾燥汚泥１９は融点調整剤である石灰１８を添加した後、酸素製造設備２０から供給される純度９３％の酸素２１（１８００Ｎｍ３／ｈｒ）と共に、汚泥ガス化溶融炉２２において０．８ＭＰａＧ、１２００℃でガス化を行った。ガス化と同時に汚泥中の灰分は溶融し、炉の底部よりスラグ２３として抜き出した。汚泥ガス化溶融炉２２において生成した可燃性ガス２４は廃熱ボイラー５−２において顕熱回収され、２．３ＭＰａ、２８０℃のスチーム６−１が４０００ｋｇ／ｈｒ生成した。熱回収後の可燃性ガスはガス処理設備７において脱硫、脱塵されて、低位発熱量９５００ｋＪ／Ｎｍ３の可燃性ガス（クリーン）２６となった後、ガスタービン１０へ投入し、発電用燃料（可燃性ガス（クリーン）２６）として利用した。ガスタービン１０における発電出力は４３００ｋＷであった。
【００４７】
ガスタービン１０より排出された排ガス４−３は過熱器８へ導入され、先に廃熱ボイラー５−１、５−２から回収されたスチーム６−１を３５０℃にまで加温（過熱）するために利用される。過熱器８において過熱されたスチーム（過熱後）１１はスチームタービン１２へ導入され、１５０００ｋＷの発電出力が得られた。なお、スチームタービン１２から低圧スチーム１７の抽気を行い、汚泥乾燥機１６の熱源として利用した。
【００４８】
なお、従来技術の例を比較として示すが、図１に示される従来型のスーパーごみ発電プロセスにおいて、本発明例と同等の量の都市ごみ（２１ｔ／ｈｒ）を処理するため、燃料として必要な天然ガス量は１４００Ｎｍ３／ｈｒであり、また、従来型の汚泥溶融炉（表面溶融炉、非特許文献１参照）において、本発明と同等の量の汚泥（２１ｔ／ｈｒ）を処理するために必要な重油量は１０００Ｌ／ｈｒである。これに対して本実施例では、定常状態においては天然ガス、重油のような外部からの燃料を一切必要としなかった。
【００４９】
従って本発明の実施によりこれら化石燃料の使用を大幅に削減することが可能となり、ランニングコストの削減も可能であった。
【００５０】
本発明例によって、貴重な天然ガス等の化石燃料を使用することなく、廃熱ボイラー５−１、５−２から回収されるスチームの高温化が可能となり、スチームタービン１２における発電出力の増大が可能となった。また、汚泥ガス化溶融炉２２において生成する可燃性ガス２４中の顕熱を、廃熱ボイラー５−２で回収することによって生じたスチーム６−１を発電用用途として有効に利用可能であった。
【００５１】
＜実施例２＞
図６に示したプロセスフローに従って、本発明例を実施した。なお、図６は、図４に対応するものであり、各要素の名称については記載を省略した。
【００５２】
低位発熱量１２６００ｋＪ／ｋｇである都市ごみ（廃棄物）１（２１ｔ／ｈｒ）をストーカ式のごみ焼却炉３において炉内温度９００℃で焼却処理した。ごみ焼却炉３から排出された排ガス４−１の顕熱は廃熱ボイラー５−１において熱回収され、２．３ＭＰａ、２８０℃のスチーム６−１が９２０００ｋｇ／ｈｒ生成した。熱回収後の排ガス４−２はガス処理の後、大気放散された。
【００５３】
一方、水分含有量８０質量％の汚泥（脱水ケーキ）１５（１１ｔ／ｈｒ）は、スチームドライヤー方式の汚泥乾燥機１６へ投入され、水分８質量％にまで乾燥が行われた。表１に汚泥（脱水ケーキ）の分析値を示す。
【００５４】
汚泥乾燥機１６から発生した臭気ガス２８はごみ焼却炉３へ導入することによって、燃焼用の空気２を一部代替すると共に脱臭処理を行った。汚泥乾燥機１６から排出された乾燥汚泥１９は融点調整剤である石灰１８を添加した後、酸素製造設備２０から供給される純度９３％の酸素２１（９００Ｎｍ３／ｈｒ）と共に、汚泥ガス化溶融炉２２において０．８ＭＰａＧ、１２００℃でガス化を行った。ガス化と同時に汚泥中の灰分は溶融し、炉の底部よりスラグ２３として抜き出した。汚泥ガス化溶融炉２２において生成した可燃性ガス２４は廃熱ボイラー５−２において顕熱回収され、２．３ＭＰａ、２８０℃のスチーム６−１が１９００ｋｇ／ｈｒ生成した。熱回収後の可燃性ガスはガス処理設備７において脱硫、脱塵されて、低位発熱量９５００ｋＪ／Ｎｍ３の可燃性ガス（クリーン）２６となった後、追い焚き式過熱器１４へ投入し、スチーム６−１の過熱用の燃料（可燃性ガス（クリーン）２６）として利用した。
【００５５】
追い焚き式過熱器１４において過熱されたスチーム（過熱後）１１はスチームタービン１２へ導入され、１７０００ｋＷの発電出力が得られた。なお、スチームタービン１２から低圧スチーム１７の抽気を行い、追い焚き過熱器出口に設置された廃熱ボイラー５−３において発生したスチーム６−２と共に汚泥乾燥機１６の熱源として利用した。
【００５６】
なお、従来技術の例を比較として示すが、従来型のスーパーごみ発電プロセスにおいて、本発明例と同等の量の都市ごみ（２１ｔ／ｈｒ）を処理するため、燃料として必要な天然ガス量は１４００Ｎｍ３／ｈｒであり、また、図１に示される従来型の汚泥溶融炉（表面溶融炉、非特許文献１参照）において、本発明と同等の量の汚泥（１１ｔ／ｈｒ）を処理するために必要な重油量は６００Ｌ／ｈｒである。これに対して本実施例では、定常状態においては天然ガス、重油のような外部からの燃料を一切必要としなかった。
【００５７】
従って本発明の実施によりこれら化石燃料の使用を大幅に削減することが可能となり、ランニングコストの削減も可能となった。
【００５８】
本発明例によって、貴重な天然ガス等の化石燃料を使用することなく、廃熱ボイラー５−１、５−２から回収されるスチームの高温化が可能となり、スチームタービン１２における発電出力の増大が可能となった。また、汚泥ガス化溶融炉２２において生成する可燃性ガス２４中の顕熱を、廃熱ボイラー５−２で回収することによって生じたスチーム６−１を発電用用途として有効に利用可能であった。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】従来技術に関するフローシートである。
【図２】従来技術に関するフローシートである。
【図３】本発明に関するフローシートである。
【図４】本発明に関するフローシートである。
【図５】本発明の実施例におけるプロセスのマスバランスである。
【図６】本発明の実施例におけるプロセスのマスバランスである。
【符号の説明】
【００６０】
１ 可燃性廃棄物（都市ごみ）、
２ 空気、
３ ごみ焼却炉、
４ 排ガス、
４−１ 排ガス、
４−２ 排ガス、
４−３ 排ガス、
５ 廃熱ボイラー、
５−１ 廃熱ボイラー、
５−２ 廃熱ボイラー、
５−３ 廃熱ボイラー、
６−１ スチーム、
６−２ スチーム、
７ ガス処理設備、
８ 過熱器、
９ 化石燃料（天然ガス、重油等）、
１０ ガスタービン、
１１ スチーム（過熱後）、
１２ スチームタービン、
１３ 発電機、
１４ 追い焚き式過熱器、
１５ 汚泥（脱水ケーキ）、
１６ 汚泥乾燥機、
１７ 低圧スチーム、
１８ 石灰、
１９ 乾燥汚泥、
２０ 酸素製造設備、
２１ 酸素、
２２ 汚泥ガス化溶融炉、
２３ スラグ、
２４ 可燃性ガス、
２５ スプレー水またはクエンチガス、
２６ 可燃性ガス（クリーン）、
２７ 焼却灰、
２８ 臭気ガス。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、都市ごみを主体とした廃棄物焼却炉から発生する排ガス中の顕熱をボイラーによってスチームとして回収し、スチームタービンによる発電を行うところの廃棄物発電に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
廃棄物は日常生活や産業活動から毎日大量に排出されており、その総排出量は依然として増加傾向にある。これらの廃棄物を処理するにあたり、可燃物については焼却による減容化処理が大きな割合を占めている。特に、家庭から排出される一般廃棄物（都市ごみ）に関しては、我が国の風土を反映して、減容化のみならず公衆衛生上の観点から、地方自治体による焼却を主とする方針がとられており、その発生量の約３／４が焼却処理されている。廃棄物発電は焼却に付随して発生する廃棄物の熱エネルギーを有効に利用して、発電を行う技術であり、化石燃料の使用による発電を削減し、ＣＯ２発生量の削減にも寄与するため、今後一層の普及が期待されている。
【０００３】
廃棄物発電としては、廃棄物を焼却する際に発生する燃焼排ガス中の熱エネルギー（顕熱）を廃熱ボイラーによって回収してスチームを発生させ、このスチームによってスチームタービンを駆動させることにより発電を行う技術が一般的である。通常、都市ごみの焼却処理では、燃焼排ガス中に塩化水素等の腐食性物資が高濃度に含有され、ボイラー管材の腐食を避ける目的から、回収するスチームの温度は３００℃以下の比較的低温に抑える必要があるため、プロセスにおける発電効率も１０〜１５％程度となる。
【０００４】
近年、廃棄物発電の更なる高効率化が指向される中で、外部から熱源を導入し、ボイラー管材の腐食問題を回避した上で蒸気の高温化を図ろうとする、いわゆるスーパーごみ発電システムが提案され、一部で実施されている。スーパーごみ発電にもいくつかの方式が存在するが、図１に示すように、スチーム６の過熱用の熱源として、化石燃料９を空気２により燃焼させてガスタービン１０の高温排ガス４を利用する方法、あるいは図２に示すようにスチーム６の過熱用に追い焚き式の過熱器１４を用いる方法が一般的である。なお、図１及び２において説明を省略した要素は、後述する図３及び４において前記省略した要素と同一の符号が付された要素に対応するものである。現在、国内においては、スチームタービンよりも発電効率の高いガスタービンを追加することによって総発電量の増加と発電効率の向上を狙った、ガスタービンを組み入れたプロセスが多く採用されており、発電効率として３０％近い高効率が得られている。
【０００５】
一方、産業廃棄物の一種である、下水を生物学的水処理によって浄化する際に発生する余剰の活性汚泥（以下、汚泥と略す）は、下水道の普及、また下水処理場における高度処理プロセス（窒素、リンの除去等）の導入等に伴って益々増加する傾向にある。これら汚泥は、通常の下水処理場における最終形態である脱水ケーキの状態においても依然として８０質量％程度の多量の水分を含有し、しかも乾燥状態での発熱量も６３００〜２１０００ｋＪ／ｋｇ−ｄｒｙ程度と比較的小さいため、安定して燃焼させることが容易な流動床式焼却炉において焼却、減容化後、埋め立て処理するケースが大部分を占める。また、汚泥焼却炉においては、熱損失（炉体からの放散熱、水の蒸発潜熱、燃焼用空気中の同伴窒素および水蒸気による持ち出し顕熱等）が生じることによって、汚泥自体の持つ発熱量のみで燃焼（すなわち自燃）させることは困難である。従って現状の流動床式汚泥焼却炉においては、重油、消化ガス等の補助燃料を何らかの方法で使用する（炉内へ直接添加する、空気予熱用燃料として使用する等）ことが必要不可欠である。
【０００６】
近年、埋め立て地の逼迫等の理由によって、更なる汚泥の減容化あるいは有効利用を狙いとして、汚泥の溶融処理も一部で実施されている。汚泥の溶融処理は、汚泥を灰の溶融点以上の高温雰囲気下で空気燃焼させることによって、汚泥をスラグへと変換し、汚泥の体積の低減あるいは建設資材等としての有効利用を図る技術である。しかし、一般的な汚泥の溶融処理においては、溶融炉内を灰の溶融点以上の高温（１２００〜１６００℃程度）に保つ必要があるため、焼却よりも更に多量の補助燃料の使用が必要となる（非特許文献１参照）。
【０００７】
また、特許文献１では、気流層の旋回式溶融炉において、酸素または酸素富化空気をガス化剤とすることによって上記の熱損失を削減し、補助燃料を用いることなく乾燥した汚泥をガス化（可燃性ガスとスラグへ転換）し、その高温の可燃性ガスの顕熱をボイラーによってスチームとして回収し、乾燥機の熱源とする汚泥焼却方法が提案されている。
【特許文献１】特開平１１−１５９７２２号公報
【非特許文献１】下水道ハンドブック編集委員会編「最新下水道ハンドブック」（株）建設産業調査会、１９９７年、Ｐ．５０１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述したスーパーごみ発電においては、当然、化石燃料をガスタービン燃料、あるいは独立過熱器燃料として用いるために何らかの化石エネルギー（天然ガス、重油等）を外部から添加する必要がある。特にガスタービンと組み合わせたプロセスにおいては、ガスタービンにおける制約、あるいは利用のし易さから、天然ガス（あるいは都市ガス）を用いることが一般的である。天然ガスの使用は結果として廃棄物発電プロセスにおける発電出力（発電効率）の向上に寄与するものであるが、天然ガスを発電用燃料として捉えた場合には、埋蔵量に限りのある貴重なエネルギー化石資源である天然ガスの有効利用という観点から専用の事業用大型火力発電所において発電を行った方がより高い発電効率を得られるという点で好適である。また、天然ガスは発電用燃料以外にも、都市ガス、工業用燃料、化学原料等、他で代替することが容易ではない多種多様な用途があり、限られた資源の有効利用の観点から、天然ガスをこれらの用途に今後も継続して適用していくことが望ましい。更に、天然ガスは石油や石炭と比較して、環境負荷が少なくかつハンドリングし易い化石資源であるが、逆に経済性の観点からは最も高価になってしまうという問題もあった。
【０００９】
特許文献１では、下水汚泥という廃棄物を可燃性ガスへと転換し、発電用燃料やその他の用途に有効利用することが可能である。しかし、炉から発生した可燃性ガスの顕熱回収によって回収されたスチームは汚泥を乾燥するための熱源として直接利用するため、スチームを発電用途に利用し、更なる発電量の増加を図ることはできない。
【００１０】
本発明の目的は、化石燃料の使用量を極力削減した高効率かつランニングコストの安価な廃棄物発電方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための本発明の要旨は次の通りである。
【００１２】
（１） 可燃性廃棄物を焼却処理して生じる排ガスの顕熱を、１の廃熱ボイラーで熱回収してスチームを発生し、当該スチームを過熱した後、スチームタービンによって発電する廃棄物発電方法において、
生物学的水処理施設から発生する汚泥を、乾燥した後、完全燃焼に必要な理論酸素量の０．２〜０．８倍の酸素と共に１１００〜１７００℃で部分燃焼し、可燃性ガスを生成する工程と、
当該可燃性ガスを燃料としてガスタービンによって発電する工程とを更に有し、
前記スチームの過熱に熱交換式の過熱器を使用し、前記ガスタービンによる発電で生じる排ガスの顕熱を前記廃熱ボイラーで発生するスチームの過熱に熱交換して使用することを特徴とする廃棄物発電方法。
【００１３】
（２） 可燃性廃棄物を焼却処理して生じる排ガスの顕熱を、１の廃熱ボイラーで熱回収してスチームを発生し、当該スチームを過熱した後、スチームタービンによって発電する廃棄物発電方法において、
生物学的水処理施設から発生する汚泥を、乾燥した後、完全燃焼に必要な理論酸素量の０．２〜０．８倍の酸素と共に１１００〜１７００℃で部分燃焼し、可燃性ガスを生成する工程を更に有し、
前記スチームの過熱に追い焚き式過熱器を使用し、前記可燃性ガスを当該追い焚き式過熱器の燃料として使用することを特徴とする廃棄物発電方法。
【００１４】
（３） 前記可燃性ガスを生成する工程において、生成した可燃性ガスの顕熱を、２の廃熱ボイラーで顕熱回収してスチームを発生させ、当該スチームを前記１の廃熱ボイラーで発生するスチームに導入することを特徴とする（１）又は（２）記載の廃棄物発電方法。
【００１５】
（４） 前記スチームタービンによるい発電において、抽気タービンまたは背圧タービンを用い、当該抽気タービンまたは背圧タービンから排出されたスチームを前記汚泥乾燥の熱源として利用することを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の廃棄物発電方法。
【００１６】
（５） 前記汚泥を部分燃焼する際の圧力を０．３ＭＰａ以上１．１ＭＰａ未満とすることを特徴とする（１）、（３）又は（４）記載の廃棄物発電方法。
【００１７】
（６） 前記汚泥の乾燥により排出される臭気ガスを、前記可燃性廃棄物と共に焼却処理することを特徴とする（１）〜（５）のいずれか１項に記載の廃棄物発電方法。
【００１８】
尚、本発明で言う「過熱」は、スチームの温度を上昇させる意味で用いる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明により、化石燃料の使用量を極力削減又は化石燃料が不要である高効率かつランニングコストの安価な廃棄物発電方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明を詳細に説明する。図３に本発明に関するプロセスフローシートを示す。
【００２１】
都市ごみを主体とする可燃性廃棄物１はごみ焼却炉３内において８００〜１０００℃程度の温度で空気２を用いて焼却処理（灰化）される。ここで述べるところの可燃性廃棄物とは、家庭から排出される紙、厨芥（生ゴミ）、プラスチック等から構成されるいわゆる可燃ごみを主体とする廃棄物である。このごみ焼却炉３の方式は特に問わないが、現状ではストーカ式あるいは流動床式のごみ焼却炉３を用いることが一般的である。ごみ焼却炉３から排出される高温の排ガス４−１は廃熱ボイラー５−１において熱回収され、スチーム６−１が生成するが、前述したように廃熱ボイラー５−１の腐食を回避するため、スチーム６−１の温度は３００℃以下の比較的低温に制限する必要がある。顕熱を回収された排ガスは脱硫、脱塵等の処理が行われる排ガス処理設備７を経て、排ガス４−２として放散される。
【００２２】
一方、下水処理場から排出された汚泥（脱水ケーキ）１５は、汚泥乾燥機１６へ導入され、乾燥処理が行われる。汚泥乾燥機１６から排出された乾燥汚泥１９は、窒素または空気の気流搬送によって気流床型の汚泥ガス化溶融炉２２へ投入される。汚泥ガス化溶融炉２２内において、乾燥汚泥１９中の有機物は酸素２１（あるいは酸素富化空気）をガス化剤とした部分酸化反応（不完全燃焼）によって、１１００〜１７００℃の高温でガス化され、高温の可燃性ガス２４（主成分はＨ２、ＣＯ、ＣＨ４、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ）に転換される。また同時に、乾燥汚泥１９中の灰分は溶融しスラグ２３へと転換される。スラグ２３の大半は汚泥ガス化溶融炉２２の底部より抜き出される。なお、溶融したスラグ２３の一部は汚泥ガス化溶融炉２２から排出された高温の可燃性ガス２４中に飛散同伴するため、汚泥ガス化溶融炉２２の上部においてスプレー水あるいはクエンチガス２５を吹き込んで１０００℃以下にまで冷却し、飛散した溶融スラグを固化することによって灰付着トラブル（スラッギング）を防止しても良い。
【００２３】
汚泥ガス化溶融炉２２から排出された高温（６００〜１７００℃）の可燃性ガス２４は廃熱ボイラー５−２において熱回収されるが、ごみ焼却炉３後段の廃熱ボイラー５−１の場合と同様、腐食によるトラブルを回避するため、回収されるスチーム６−１の温度は３００℃以下に制限される。熱回収された後の可燃性ガスは脱硫、脱塵等の処理が行われる排ガス処理設備７を経た後、クリーンな可燃性ガスとなり、クリーンな燃料として使用することができる。
【００２４】
生成した可燃性ガス（クリーン）２６が発電用燃料としてガスタービン１０に導入されることによって高効率の発電が行われる（ガスタービン発電と呼称する。藤村整市著「クリーンエネルギー」日本工業出版、１９９９年、Ｎｏ．４、Ｐ−１９参照）。
【００２５】
ガスタービン１０からは、通常、４００〜６００℃程度の高温かつ硫黄化合物等の腐食性物質をほとんど含有しない排ガス４−３が排出される。この高温の排ガス４−３は熱交換式の過熱器８へ導入され、排ガスの顕熱を熱源として、排ガス４−３と先に発生した低温のスチーム６−１との間に熱交換が行われることによって、スチーム温度を高温化（過熱）する。過熱器８としては、高温側ガスの顕熱を熱源にして、高温側ガスと低温側ガスとの間に熱交換が行われることによって低温側ガスの温度を上昇させることが可能である一般的な熱交換器で構わない。過熱器８を経たスチーム（過熱後）１１はスチームタービン１２（藤村整市著「クリーンエネルギー」日本工業出版、１９９９年、Ｎｏ．４、Ｐ−１９参照）へと導入されるが、スチームを高温とすることによって、スチームが低温である場合よりも発電出力を増大させることが可能となる。
【００２６】
この際、可燃性ガス（クリーン）２６のみを燃料としてガスタービン発電を行って生じた排ガスの顕熱だけでは後述する過熱器における所要熱源を充分に賄えない場合、またガスタービン発電における更なる発電出力の増大を図りたい場合には、可燃性ガス（クリーン）２６のみではなく、天然ガスあるいは重油等の化石燃料９を同時に発電用燃料としてガスタービン１０へ導入しても良い。
【００２７】
汚泥乾燥機１６の方式は特に問わないが、プロセス全体での熱効率の高効率化を狙いとする場合には、スチームを熱源として利用するスチームドライヤーを採用することが望ましい。なぜなら、汚泥乾燥機１６において必要とされるスチームは、発電のためにスチームタービン１２で必要とされるスチームよりも低圧あるいは低温の低質スチームで構わないため、スチームタービン１２から抽気あるいは排気された低圧スチーム１７を汚泥乾燥機１６の熱源として使用すれば、スチームタービン１２による発電出力を高い値に保ったまま、汚泥乾燥機１６用のスチームも賄うことが可能となる。この場合、スチームタービン１２の方式としては抽気タービンあるいは背圧タービンを採用する（西川兼康、田川龍文、川口巌著「わかる蒸気工学」日新出版、１９９２年、Ｐ−１７１参照）。なお、汚泥乾燥機１６の熱源として、他のプロセスから発生する廃熱等の別の熱源が利用可能な場合には、スチームタービン１２として復水タービン（西川兼康、田川龍文、川口巌著「わかる蒸気工学」日新出版、１９９２年、Ｐ−１７１参照）を採用し、スチームタービン１２における発電出力の更なる増大を図ることが望ましい。
【００２８】
また、汚泥乾燥機１６からは、主として乾燥に付随して発生する水分（水蒸気）およびパージガス（空気）によって構成される臭気ガス２８（乾燥排ガス）が排出される。臭気ガス２８は何らかの脱臭設備によって処理する必要があるが、この臭気ガス２８をごみ焼却炉３へ投入することによって燃焼脱臭を行えば、専用の脱臭設備を設ける必要がなくなり、脱臭に関わる設備コストおよび所要エネルギーを削減可能な点で好適である。
【００２９】
汚泥乾燥機１６から排出された乾燥汚泥１９の発熱量は６３００〜２１０００ｋＪ／ｋｇ−ｄｒｙ程度であり、粒径は０．１μｍ〜２ｍｍ程度とすることが好ましく、水分含有量は０（平衡含水率）〜３０質量％程度である。粒径が２ｍｍよりも大きい場合でもガス化を行うことは可能であるが、ガス化速度の低下に伴い、未燃物が多くなり、汚泥のガス転換率が低下する。一方、乾燥汚泥１９の粒径を０．１μｍより小さくするためには、多くの動力を消費する粉砕機が別途必要となり、また、０．１μｍより小さな粒径は気流搬送する際の配管閉塞等の原因となるので、粒径は上記の範囲とすることが好ましい。なお、汚泥ガス化溶融炉２２の蒸発潜熱による効率低下を防止するため、また、汚泥の粒径を２ｍｍ以下とするためには、乾燥汚泥１９中の水分含有量は極力２０質量％以下とすることが望ましい。水分含有量を２０質量％以下とした汚泥は凝集性が小さくなり、容易に２ｍｍ以下に微粉化することが可能となる。
【００３０】
汚泥ガス化溶融炉２２内の温度は、乾燥汚泥１９中に含まれる灰分の融点に応じた温度に設定され、灰分の融点よりも高い温度とするので１１００℃以上とするが、必要以上に高温とすることは、汚泥ガス化溶融炉２２内の炉壁の寿命を極度に短縮し、かつ放熱による熱損失も増加するために好ましくないので１７００℃以下とする。
【００３１】
また、灰分の融点を低下させるために、塩基度調整のための添加剤（石灰、シリカ）等のいわゆる融点降下剤１８を事前に汚泥へ添加しても良い。
【００３２】
なお、汚泥ガス化溶融炉２２内の温度を灰分の融点よりも低い温度とし、スラグではなく溶融前の灰（あるいは灰を含んだ未燃物）の形態で取り出しても構わないが、汚泥の減容化の観点からは好ましくない。
【００３３】
ガス化の際にガス化剤として添加する酸素２１は同伴窒素による持ち出し顕熱を削減する観点から、可能な限り高濃度の酸素を用いることが好ましい。しかし、必要以上に高濃度の酸素を製造することは酸素製造設備２０における投入エネルギーの増大等デメリットが増すばかりであり、ガス化そのものに与える影響は小さいため、ここで用いる酸素２１は一般的な酸素製造法（圧力スイング吸着法〈ＰＳＡ〉、深冷分離法）によって製造可能な濃度（８０％以上）で良い。
【００３４】
ここで添加する酸素量は、乾燥汚泥１９中の有機物を完全燃焼させるために必要な酸素量（いわゆる理論酸素量）よりも少ない酸素量とする。ここでいう有機物とは乾燥汚泥中の灰分を除いた部分（炭素、水素、窒素、硫黄、酸素を主体）を意味する。
【００３５】
当該添加する酸素量の理論酸素量に対する割合は、汚泥発熱量および汚泥ガス化溶融炉２２内の温度を何度に設定するかによって異なるが、理論酸素量を１とした場合の割合で０．２〜０．８の範囲内で調整することが好適である。０．２未満の酸素比では、ガス化せずに未燃物へと転換する有機物が極めて多くなるため、また、０．８を超過する酸素比では、可燃性ガス（ＣＯ、Ｈ２、ＣＨ４等）へ転換する割合がほとんどなくなり、大部分が燃焼ガス（ＣＯ２、Ｈ２Ｏ）まで転換してしまうため、本発明の目的からして好ましくない。
【００３６】
また、汚泥ガス化溶融炉２２内の温度制御の目的も兼ねて、ガス化剤としてスチームを酸素と併用しても良い。この場合、スチームタービン１２から抽気または排気された低質の低圧スチーム１７をガス化剤として使用すれば良い。
【００３７】
汚泥ガス化溶融炉２２内の圧力を大気圧よりも低い圧力とする場合、外部からの空気の漏れ込みによる爆発の危険性があるため好ましくない。汚泥ガス化溶融炉２２内の圧力を大気圧よりも高く設定した場合には汚泥ガス化溶融炉２２をコンパクトにすることのできるメリット、また生成した可燃性ガス２４を、コンプレッサーによる昇圧なしに直接、あるいは小さな昇圧幅でガスタービン１０へ投入できるメリットがある。なお、具体的には、汚泥ガス化溶融炉２２内の圧力は、０．３ＭＰａ以上１．１ＭＰａ未満（ゲージ圧力で０．２ＭＰａ以上１．０ＭＰａ未満）とすることが望ましい。ゲージ圧力を０．２ＭＰａ以下とした場合、ガスタービン１０の一般的な入口条件であるゲージ圧力を０．５〜３．０ＭＰａにまで可燃性ガス２４をコンプレッサーによって昇圧するための所要動力が極めて大きくなってしまうため好ましくない。またゲージ圧力を１．０ＭＰａ以上の圧力とした場合には、汚泥ガス化溶融炉２２自体ならびに付帯設備（乾燥汚泥供給設備、廃熱ボイラー、ガス処理設備等）を高圧ガス保安法に基づく特別仕様とする必要があるため、それらに関わる設備コストの飛躍的な増加を招くため望ましくない。
【００３８】
なお、図４に図示するように、汚泥ガス化溶融炉２２から生成した可燃性ガス（クリーン）２６を、ガスタービン発電用の燃料とはせずに、スーパーごみ発電におけるようなスチームの過熱を行う追い焚き式過熱器１４の燃料として使用しても良い。この場合、追い焚き式過熱器１４から排出された排ガスから更に熱回収を行うための廃熱ボイラー５−３を設置し、スチーム６−２を回収することによって熱の有効利用を図ることが望ましい。このスチーム６−２はスチーム６−１と一緒にすることによって発電用途として利用しても、汚泥乾燥機１６の熱源として利用しても良い。また、この場合はガスタービンを使用しないことから、汚泥ガス化溶融炉２２内の圧力は空気の侵入を防ぐことができる大気圧以上の圧力があれば良い。
【００３９】
汚泥ガス化溶融炉２２の方式は気流層型（気流床型、噴流床型）のものに何ら限定するものではなく、流動層型（流動床型）、固定床型等の方式のガス化炉も使用可能である。しかし、他の方式と比較してコンパクト化、高効率化、灰のスラグ化（流動層型は灰のスラグ化が不可能）が可能であり、操業も容易な気流層型の汚泥ガス化溶融炉を用いることが望ましい。
【００４０】
また、ごみ焼却炉３において発生した焼却灰２７の全量または一部を汚泥ガス化溶融炉２２へ乾燥汚泥１９と共に導入することによって、ごみ焼却灰２７をスラグへ転換し、減容化を行っても良い。ただし、この場合、汚泥ガス化溶融炉２２における熱効率が低下し、生成する可燃性ガス２４の発熱量も低下してしまう。
【００４１】
本発明で使用する汚泥として、下水汚泥以外に、産業排水の生物学的処理施設から発生する余剰の活性汚泥（例えば、コークス炉排水（安水）処理設備、ステンレス酸洗排水の処理設備、各種食品工場の排水処理設備から排出される余剰汚泥等）を用いても良い。
【００４２】
＜実施例１＞
図５に示したプロセスフローに従って、本発明例を実施した。なお、図５は、図３に対応するものであり、各要素の名称については記載を省略した。
【００４３】
低位発熱量１２６００ｋＪ／ｋｇである都市ごみ（廃棄物）１（２１ｔ／ｈｒ）をストーカ式のごみ焼却炉３において炉内温度９００℃で焼却処理した。ごみ焼却炉３から排出された排ガス４−１の顕熱は廃熱ボイラー５−１において熱回収され、２．３ＭＰａ、２８０℃のスチーム６−１が９２０００ｋｇ／ｈｒ生成した。熱回収後の排ガス４−２はガス処理の後、大気放散された。
【００４４】
一方、水分含有量８０質量％の汚泥（脱水ケーキ）１５（２１ｔ／ｈｒ）は、スチームドライヤー方式の汚泥乾燥機１６へ投入され、水分８質量％にまで乾燥が行われた。表１に汚泥（脱水ケーキ）の分析値を示す。
【００４５】
【表１】
【００４６】
汚泥乾燥機１６から発生した臭気ガス２８をごみ焼却炉３へ導入することによって、燃焼用の空気２を一部代替すると共に脱臭処理を行った。汚泥乾燥機１６から排出された乾燥汚泥１９は融点調整剤である石灰１８を添加した後、酸素製造設備２０から供給される純度９３％の酸素２１（１８００Ｎｍ３／ｈｒ）と共に、汚泥ガス化溶融炉２２において０．８ＭＰａＧ、１２００℃でガス化を行った。ガス化と同時に汚泥中の灰分は溶融し、炉の底部よりスラグ２３として抜き出した。汚泥ガス化溶融炉２２において生成した可燃性ガス２４は廃熱ボイラー５−２において顕熱回収され、２．３ＭＰａ、２８０℃のスチーム６−１が４０００ｋｇ／ｈｒ生成した。熱回収後の可燃性ガスはガス処理設備７において脱硫、脱塵されて、低位発熱量９５００ｋＪ／Ｎｍ３の可燃性ガス（クリーン）２６となった後、ガスタービン１０へ投入し、発電用燃料（可燃性ガス（クリーン）２６）として利用した。ガスタービン１０における発電出力は４３００ｋＷであった。
【００４７】
ガスタービン１０より排出された排ガス４−３は過熱器８へ導入され、先に廃熱ボイラー５−１、５−２から回収されたスチーム６−１を３５０℃にまで加温（過熱）するために利用される。過熱器８において過熱されたスチーム（過熱後）１１はスチームタービン１２へ導入され、１５０００ｋＷの発電出力が得られた。なお、スチームタービン１２から低圧スチーム１７の抽気を行い、汚泥乾燥機１６の熱源として利用した。
【００４８】
なお、従来技術の例を比較として示すが、図１に示される従来型のスーパーごみ発電プロセスにおいて、本発明例と同等の量の都市ごみ（２１ｔ／ｈｒ）を処理するため、燃料として必要な天然ガス量は１４００Ｎｍ３／ｈｒであり、また、従来型の汚泥溶融炉（表面溶融炉、非特許文献１参照）において、本発明と同等の量の汚泥（２１ｔ／ｈｒ）を処理するために必要な重油量は１０００Ｌ／ｈｒである。これに対して本実施例では、定常状態においては天然ガス、重油のような外部からの燃料を一切必要としなかった。
【００４９】
従って本発明の実施によりこれら化石燃料の使用を大幅に削減することが可能となり、ランニングコストの削減も可能であった。
【００５０】
本発明例によって、貴重な天然ガス等の化石燃料を使用することなく、廃熱ボイラー５−１、５−２から回収されるスチームの高温化が可能となり、スチームタービン１２における発電出力の増大が可能となった。また、汚泥ガス化溶融炉２２において生成する可燃性ガス２４中の顕熱を、廃熱ボイラー５−２で回収することによって生じたスチーム６−１を発電用用途として有効に利用可能であった。
【００５１】
＜実施例２＞
図６に示したプロセスフローに従って、本発明例を実施した。なお、図６は、図４に対応するものであり、各要素の名称については記載を省略した。
【００５２】
低位発熱量１２６００ｋＪ／ｋｇである都市ごみ（廃棄物）１（２１ｔ／ｈｒ）をストーカ式のごみ焼却炉３において炉内温度９００℃で焼却処理した。ごみ焼却炉３から排出された排ガス４−１の顕熱は廃熱ボイラー５−１において熱回収され、２．３ＭＰａ、２８０℃のスチーム６−１が９２０００ｋｇ／ｈｒ生成した。熱回収後の排ガス４−２はガス処理の後、大気放散された。
【００５３】
一方、水分含有量８０質量％の汚泥（脱水ケーキ）１５（１１ｔ／ｈｒ）は、スチームドライヤー方式の汚泥乾燥機１６へ投入され、水分８質量％にまで乾燥が行われた。表１に汚泥（脱水ケーキ）の分析値を示す。
【００５４】
汚泥乾燥機１６から発生した臭気ガス２８はごみ焼却炉３へ導入することによって、燃焼用の空気２を一部代替すると共に脱臭処理を行った。汚泥乾燥機１６から排出された乾燥汚泥１９は融点調整剤である石灰１８を添加した後、酸素製造設備２０から供給される純度９３％の酸素２１（９００Ｎｍ３／ｈｒ）と共に、汚泥ガス化溶融炉２２において０．８ＭＰａＧ、１２００℃でガス化を行った。ガス化と同時に汚泥中の灰分は溶融し、炉の底部よりスラグ２３として抜き出した。汚泥ガス化溶融炉２２において生成した可燃性ガス２４は廃熱ボイラー５−２において顕熱回収され、２．３ＭＰａ、２８０℃のスチーム６−１が１９００ｋｇ／ｈｒ生成した。熱回収後の可燃性ガスはガス処理設備７において脱硫、脱塵されて、低位発熱量９５００ｋＪ／Ｎｍ３の可燃性ガス（クリーン）２６となった後、追い焚き式過熱器１４へ投入し、スチーム６−１の過熱用の燃料（可燃性ガス（クリーン）２６）として利用した。
【００５５】
追い焚き式過熱器１４において過熱されたスチーム（過熱後）１１はスチームタービン１２へ導入され、１７０００ｋＷの発電出力が得られた。なお、スチームタービン１２から低圧スチーム１７の抽気を行い、追い焚き過熱器出口に設置された廃熱ボイラー５−３において発生したスチーム６−２と共に汚泥乾燥機１６の熱源として利用した。
【００５６】
なお、従来技術の例を比較として示すが、従来型のスーパーごみ発電プロセスにおいて、本発明例と同等の量の都市ごみ（２１ｔ／ｈｒ）を処理するため、燃料として必要な天然ガス量は１４００Ｎｍ３／ｈｒであり、また、図１に示される従来型の汚泥溶融炉（表面溶融炉、非特許文献１参照）において、本発明と同等の量の汚泥（１１ｔ／ｈｒ）を処理するために必要な重油量は６００Ｌ／ｈｒである。これに対して本実施例では、定常状態においては天然ガス、重油のような外部からの燃料を一切必要としなかった。
【００５７】
従って本発明の実施によりこれら化石燃料の使用を大幅に削減することが可能となり、ランニングコストの削減も可能となった。
【００５８】
本発明例によって、貴重な天然ガス等の化石燃料を使用することなく、廃熱ボイラー５−１、５−２から回収されるスチームの高温化が可能となり、スチームタービン１２における発電出力の増大が可能となった。また、汚泥ガス化溶融炉２２において生成する可燃性ガス２４中の顕熱を、廃熱ボイラー５−２で回収することによって生じたスチーム６−１を発電用用途として有効に利用可能であった。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】従来技術に関するフローシートである。
【図２】従来技術に関するフローシートである。
【図３】本発明に関するフローシートである。
【図４】本発明に関するフローシートである。
【図５】本発明の実施例におけるプロセスのマスバランスである。
【図６】本発明の実施例におけるプロセスのマスバランスである。
【符号の説明】
【００６０】
１ 可燃性廃棄物（都市ごみ）、
２ 空気、
３ ごみ焼却炉、
４ 排ガス、
４−１ 排ガス、
４−２ 排ガス、
４−３ 排ガス、
５ 廃熱ボイラー、
５−１ 廃熱ボイラー、
５−２ 廃熱ボイラー、
５−３ 廃熱ボイラー、
６−１ スチーム、
６−２ スチーム、
７ ガス処理設備、
８ 過熱器、
９ 化石燃料（天然ガス、重油等）、
１０ ガスタービン、
１１ スチーム（過熱後）、
１２ スチームタービン、
１３ 発電機、
１４ 追い焚き式過熱器、
１５ 汚泥（脱水ケーキ）、
１６ 汚泥乾燥機、
１７ 低圧スチーム、
１８ 石灰、
１９ 乾燥汚泥、
２０ 酸素製造設備、
２１ 酸素、
２２ 汚泥ガス化溶融炉、
２３ スラグ、
２４ 可燃性ガス、
２５ スプレー水またはクエンチガス、
２６ 可燃性ガス（クリーン）、
２７ 焼却灰、
２８ 臭気ガス。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可燃性廃棄物を焼却処理して生じる排ガスの顕熱を、１の廃熱ボイラーで熱回収してスチームを発生し、当該スチームを過熱した後、スチームタービンによって発電する廃棄物発電方法において、
生物学的水処理施設から発生する汚泥を、乾燥した後、完全燃焼に必要な理論酸素量の０．２〜０．８倍の酸素と共に１１００〜１７００℃で部分燃焼し、可燃性ガスを生成する工程と、
当該可燃性ガスを燃料としてガスタービンによって発電する工程とを更に有し、
前記スチームの過熱に熱交換式の過熱器を使用し、前記ガスタービンによる発電で生じる排ガスの顕熱を当該熱交換式の過熱器の熱源として使用することを特徴とする廃棄物発電方法。
【請求項２】
可燃性廃棄物を焼却処理して生じる排ガスの顕熱を、１の廃熱ボイラーで熱回収してスチームを発生し、当該スチームを過熱した後、スチームタービンによって発電する廃棄物発電方法において、
生物学的水処理施設から発生する汚泥を、乾燥した後、完全燃焼に必要な理論酸素量の０．２〜０．８倍の酸素と共に１１００〜１７００℃で部分燃焼し、可燃性ガスを生成する工程を更に有し、
前記スチームの過熱に追い焚き式過熱器を使用し、前記可燃性ガスを当該追い焚き式過熱器の燃料として使用することを特徴とする廃棄物発電方法。
【請求項３】
前記可燃性ガスを生成する工程において、生成した可燃性ガスの顕熱を、２の廃熱ボイラーで顕熱回収してスチームを発生させ、当該スチームを前記１の廃熱ボイラーで発生するスチームに導入することを特徴とする請求項１又は２記載の廃棄物発電方法。
【請求項４】
前記スチームタービンによる発電において、抽気タービンまたは背圧タービンを用い、当該抽気タービンまたは背圧タービンから排出されたスチームを前記汚泥乾燥の熱源として利用することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の廃棄物発電方法。
【請求項５】
前記汚泥を部分燃焼する際の圧力を０．３ＭＰａ以上１．１ＭＰａ未満とすることを特徴とする請求項１、３又は４記載の廃棄物発電方法。
【請求項６】
前記汚泥の乾燥により排出される臭気ガスを、前記可燃性廃棄物と共に焼却処理することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の廃棄物発電方法。
【請求項１】
可燃性廃棄物を焼却処理して生じる排ガスの顕熱を、１の廃熱ボイラーで熱回収してスチームを発生し、当該スチームを過熱した後、スチームタービンによって発電する廃棄物発電方法において、
生物学的水処理施設から発生する汚泥を、乾燥した後、完全燃焼に必要な理論酸素量の０．２〜０．８倍の酸素と共に１１００〜１７００℃で部分燃焼し、可燃性ガスを生成する工程と、
当該可燃性ガスを燃料としてガスタービンによって発電する工程とを更に有し、
前記スチームの過熱に熱交換式の過熱器を使用し、前記ガスタービンによる発電で生じる排ガスの顕熱を当該熱交換式の過熱器の熱源として使用することを特徴とする廃棄物発電方法。
【請求項２】
可燃性廃棄物を焼却処理して生じる排ガスの顕熱を、１の廃熱ボイラーで熱回収してスチームを発生し、当該スチームを過熱した後、スチームタービンによって発電する廃棄物発電方法において、
生物学的水処理施設から発生する汚泥を、乾燥した後、完全燃焼に必要な理論酸素量の０．２〜０．８倍の酸素と共に１１００〜１７００℃で部分燃焼し、可燃性ガスを生成する工程を更に有し、
前記スチームの過熱に追い焚き式過熱器を使用し、前記可燃性ガスを当該追い焚き式過熱器の燃料として使用することを特徴とする廃棄物発電方法。
【請求項３】
前記可燃性ガスを生成する工程において、生成した可燃性ガスの顕熱を、２の廃熱ボイラーで顕熱回収してスチームを発生させ、当該スチームを前記１の廃熱ボイラーで発生するスチームに導入することを特徴とする請求項１又は２記載の廃棄物発電方法。
【請求項４】
前記スチームタービンによる発電において、抽気タービンまたは背圧タービンを用い、当該抽気タービンまたは背圧タービンから排出されたスチームを前記汚泥乾燥の熱源として利用することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の廃棄物発電方法。
【請求項５】
前記汚泥を部分燃焼する際の圧力を０．３ＭＰａ以上１．１ＭＰａ未満とすることを特徴とする請求項１、３又は４記載の廃棄物発電方法。
【請求項６】
前記汚泥の乾燥により排出される臭気ガスを、前記可燃性廃棄物と共に焼却処理することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の廃棄物発電方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−２８２５（Ｐ２００７−２８２５Ａ）
【公開日】平成１９年１月１１日（２００７．１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１８７４６１（Ｐ２００５−１８７４６１）
【出願日】平成１７年６月２７日（２００５．６．２７）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１月１１日（２００７．１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月２７日（２００５．６．２７）
【出願人】（０００００６６５５）新日本製鐵株式会社 (6,474)
【Ｆターム（参考）】
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