排熱発電方法及び排熱発電システム
【課題】焼却炉から排出される熱源を有効に利用し、そのエネルギー回収効率を向上させて安定的・効率的に発電を行うことのできる排熱発電方法及び排熱発電システムを提供すること。
【解決手段】この排熱発電方法は、下水処理システムＳが備える焼却炉１０１からの排ガスによって加熱された高温空気２を、発電システムＧにおけるタービン１０より上流側であって分離器１８より下流側の過熱器１９に適用して作動流体Ｌとの熱交換を行う第１熱交換ステップと、その後の高温空気２を、分離器１８より上流側の加熱器１７に適用して作動流体Ｌとの熱交換を行う第２熱交換ステップと、排ガスを洗浄した後に下水処理システムＳから排出される洗煙排水Ｗと加熱器１７後の高温空気２との熱交換を行う排水用熱交換ステップと、その後の洗煙排水Ｗを、加熱器１７より上流側の蒸発器１６に適用して作動流体Ｌとの熱交換を行う第３熱交換ステップと、高温空気２を排ガスと接触させる接触ステップと、を有する。
【解決手段】この排熱発電方法は、下水処理システムＳが備える焼却炉１０１からの排ガスによって加熱された高温空気２を、発電システムＧにおけるタービン１０より上流側であって分離器１８より下流側の過熱器１９に適用して作動流体Ｌとの熱交換を行う第１熱交換ステップと、その後の高温空気２を、分離器１８より上流側の加熱器１７に適用して作動流体Ｌとの熱交換を行う第２熱交換ステップと、排ガスを洗浄した後に下水処理システムＳから排出される洗煙排水Ｗと加熱器１７後の高温空気２との熱交換を行う排水用熱交換ステップと、その後の洗煙排水Ｗを、加熱器１７より上流側の蒸発器１６に適用して作動流体Ｌとの熱交換を行う第３熱交換ステップと、高温空気２を排ガスと接触させる接触ステップと、を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排熱発電方法及び排熱発電システムに係り、特に、下水汚泥焼却炉やごみ焼却炉などの焼却炉から排出される高温の排ガスの保有熱を利用した排熱発電方法及び排熱発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化や環境問題への取り組みが重要視され、省エネルギー化技術への期待度が年々増している。その環境問題等への取り組みとして、新エネルギーや未利用エネルギーの有効利用に注目が集まっており、例えば、従来有効利用されずに廃棄されていたエネルギーを利用して新たなエネルギーを産出する試みも為されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、下水汚泥焼却炉から発生した排ガスの保有熱を用いて蒸気を発生させ、その蒸気によって発電を行う構成が開示されている。また、特許文献２には、ごみ焼却で発生した燃焼ガスを用いて蒸気を過熱し、その蒸気を蒸気タービンに導くことにより発電を行う構成が開示されている。更に、特許文献３には、汚水浄化処理システムの排煙処理装置から得られる洗煙排水の保有熱により発電システムの作動液化媒体を蒸発させ、その作動媒体蒸気によりタービンを駆動して発電を行う構成が開示されている。
【０００４】
このように、汚泥やごみを焼却する際には高温のガスや排水が発生するが、従来廃棄されていたこれらの熱エネルギーを発電に利用し、電気エネルギーの形でその一部を回収する提案が数多く存在する。
【０００５】
なお、下水汚泥焼却炉を例にとると、その焼却炉からの排ガスの温度は概ね８００℃〜８５０℃程度である。そして、一般的な焼却プラントにおいて、焼却炉からの高温の排ガスを、白煙防止空気予熱器やその他の熱交換器に通して排熱の一部を回収した上で、集塵装置においてダストを分離除去し、更に排煙洗浄塔に通して水洗浄を行い、排ガス中のＮＯＸ，ＳＯＸ等の成分を除去している。
【０００６】
なお焼却炉が流動焼却炉である場合には白煙防止空気予熱器の前段に流動空気予熱器が設置されることがある。また集塵装置がセラミックフィルタである場合には高温集塵が可能であるが、バグフィルタである場合には冷却塔において３００℃以下にまで降温した上で集塵を行っている。
【０００７】
このような通常の焼却プラントにおける排ガス処理システムにおいては、排煙洗浄塔において２００℃〜４００℃程度の排ガスが４０℃程度にまで冷却される一方、洗煙排水は６０℃〜７０℃程度で排出される。この洗煙排水は比較的低温ではあるが水の比熱が大きいために熱量は大きく、排ガスの持つ熱量の５０％を超えることが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−３２１１３１号公報
【特許文献２】特開平９−３１０６０６号公報
【特許文献３】特開平９−３２５１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記各特許文献１〜３に記載のものは、単に廃棄物等の焼却の際に排出される熱源を発電システムに適用するに留まり、エネルギー利用の効率が充分高いとはいえない。熱エネルギーの回収効率は、その熱源を発電システムに適用する位置や適用方法によって大きく変化するが、上記各特許文献には、そのようなエネルギー回収の効率向上のための充分な提案がされていない。
【００１０】
また、焼却炉から排出される熱源も常に一定とは限らずその熱量が変化する場合がある。そのような場合に、排出熱源をそのまま発電システムに適用すると、排出熱源の熱量の変化に発電効率が影響されてしまい、安定的かつ効率的な発電が行えないという問題もある。
【００１１】
本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、焼却炉から排出される熱源を有効に利用し、そのエネルギー回収効率を向上させて安定的・効率的に発電を行うことのできる排熱発電方法及び排熱発電システムを提供することを例示的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明の例示的側面としての排熱発電方法は、焼却処理システムが備える焼却炉から排出される排ガスによって加熱された高温空気を、作動流体によってタービンを回転させて発電を行う排熱発電システムにおける作動流体経路上でのタービンより上流側であって分離器より下流側の第１位置に適用することにより、第１位置における高温空気と作動流体との熱交換を行う第１熱交換ステップと、第１位置での熱交換後の高温空気を、作動流体経路上での分離器より上流側の第２位置に適用することにより、第２位置における高温空気と作動流体との熱交換を行う第２熱交換ステップと、排ガスを洗浄した後に焼却処理システムから排出される洗煙排水と第２位置における熱交換後の高温空気との熱交換を行う排水用熱交換ステップと、高温空気との熱交換後の洗煙排水を、作動流体経路上での第２位置より上流側の第３位置に適用することにより、第３位置における洗煙排水と作動流体との熱交換を行う第３熱交換ステップと、洗煙排水との熱交換後の高温空気を、白煙防止空気として排ガスと接触させる接触ステップと、を有する。
【００１３】
焼却処理システムからの高温空気を排熱発電システムに適用し、高温空気と作動流体との熱交換を行っているので、廃熱を利用して効率的な発電を行うことができる。また、その高温空気を、タービンより上流側であって分離器よりも下流側の第１位置、分離器よりも上流側の第２位置の複数個所に亘って排熱発電システムに適用しているので、作動流体との熱交換量を大きくすることができ、充分な熱を作動流体に与えることができる。
【００１４】
作動流体が気体状態である分離器後の第１位置においてまず熱交換を行い、気体状態の作動流体を過熱している。そして、その後に作動流体が気液２相状態である分離器前の第２位置において熱交換を行い、作動流体の気化を促進している。高温空気は、熱容量の小さい気体状態での作動流体に熱を与えた後に、熱容量の大きい気液２相状態での作動流体に剰余熱を与えることとなる。そのため、効率的な熱交換を行うことができ、ひいては発電効率の低下の抑制、発電量の低下の抑制に寄与することができる。
【００１５】
更に、第２位置での熱交換後に、高温空気と洗煙排水との熱交換を行い、その高温空気との熱交換後の洗煙排水と作動流体との熱交換を第２位置よりも上流側の第３位置において行っている。そのため、焼却処理システムから高温空気や洗煙排水という形で排出される廃熱を余すところなく充分に再利用し、排熱発電に利用することができる。
【００１６】
なお、一般的な例を示すと、焼却処理システムにおいて排ガスによって加熱された高温空気の温度は３００℃程度であり、第１位置における熱交換後の高温空気の温度は１７０℃〜２００℃程度である。更に、第２位置における熱交換後の高温空気の温度は１００℃〜１５０℃程度である。また、焼却処理システムからの洗煙排水の温度は６０℃〜７０℃程度であり、高温空気との熱交換後の洗煙排水の温度は７０℃〜７３℃程度である。
【００１７】
洗煙排水との熱交換後の高温空気の温度は、まだ９０℃〜１００℃程度の高温状態であり、この高温空気を焼却炉からの排ガスと接触させると充分に白煙防止空気として利用することができる。したがって、この排熱発電方法においては、白煙防止空気としての機能を損なうことなく、高温空気を白煙防止空気として利用するまでの間に多くの熱交換を行って効率的なエネルギー回収を実現している。
【００１８】
なお、高温空気との熱交換後の洗煙排水は７０℃〜７３℃程度にまで温度上昇するので、この洗煙排水を第３位置に適用して作動流体との熱交換を行うことにより、エネルギー回収の一層の効率化を図ることができる。
【００１９】
複数の焼却処理システムからの各高温空気を、第１位置における熱交換の前に複数の焼却処理システムに亘って集約するステップと、複数の焼却処理システムからの各洗煙排水を、高温空気との熱交換の前に複数の焼却処理システムに亘って集約するステップと、を更に有してもよい。
【００２０】
１つの焼却処理システムにおける下水汚泥やごみ等の廃棄物処理の状況は、一定とは限らない。したがって、１つの焼却処理システムからの高温空気や洗煙排水の排出量・温度（熱量）等も安定的とはいえない。
【００２１】
しかしながら、複数の焼却処理システムからの各高温空気や洗煙排水を各々集約した上で、排熱発電システムに適用することにより、エネルギー回収の安定化を図ることができて、排熱発電システムのスケールメリットを生かすことができる。
【００２２】
例えば、焼却能力が大型の（例えば、通常能力の５台分の）焼却処理システムにおいては、大型化の限界があったり、定期メンテナンスや故障時における焼却処理システムの停止のリスクがある。そのため、５台分の能力が必要な場合には、大型の焼却処理システムとせず、通常能力の焼却処理システムを５台接続して使用する。
【００２３】
このとき、５台の通常能力の焼却処理システムに対して、各々通常能力の排熱発電システムを５台接続すると、５台分の排熱発電システムの設備費用が必要となりコスト高となる。また、焼却処理システムの稼動時には各排熱発電システムは通常能力の目一杯近くで稼動するので、第１位置における熱交換器の金属温度が限界近くまで上昇し（温度差が小さくなって熱交換があまり行われなくなり）、装置寿命の観点から好ましくない。
【００２４】
しかしながら、通常能力の焼却処理システム５台に対し、大型の（例えば、通常能力の５台分の）排熱発電システムを集約的に接続すれば、まず、排熱発電システムの設備コストが１台分で済むので、コスト的なメリットがある。しかも、５台の焼却処理システムが常に稼動しているわけでなく、平均的に３台程度の焼却処理システムが稼動している場合には、大型排熱発電システムの第１位置における熱交換器の容量を（５台分の大型とすることなく）３台分の容量とすることができる。したがって、その点でも熱交換器のコストメリットがある。
【００２５】
また、排熱発電システム自体が大型で容量に余裕があり、第１位置における熱交換器の金属温度があまり上昇しない場合には、熱交換器の寿命向上にも寄与することができる。ここで、”複数の焼却処理システムに亘って集約”とは、焼却処理システム全体が複数存在し、それらを集約する場合に限られず、”焼却処理システム内に複数の焼却炉が存在しており、それら複数の焼却炉に亘って集約”する場合を含む。以下の本文において、”複数の焼却処理システムに亘って集約”が”焼却処理システム内に複数の焼却炉が存在しており、それら複数の焼却炉に亘って集約”する場合を含む点については同様である。
【００２６】
なお、各高温空気の集約においては、各焼却処理システムからの排出量を調整する調整手段（調整弁等）が排出経路内に設けられ、コンピュータ制御によりそれらの調整手段が調整されるようになっていてももちろんよいし、それは各焼却処理システムからの洗煙排水についても同様である。
【００２７】
高温空気を、第１位置に適用することなく第１位置における熱交換後の高温空気と合流させる第１熱交換回避ステップと、合流後の高温空気を、第２位置に適用することなく第２位置における熱交換後の高温空気と合流させる第２熱交換回避ステップと、を更に有してもよい。
【００２８】
高温空気と作動流体との第１位置又は第２位置における熱交換を、必要に応じて回避させることができる。したがって、焼却処理システムからの高温空気や洗煙排水の排出量・温度（熱量）等に応じて、又は、排熱発電システムにおいて必要とされる発電量に応じて、高温空気と作動流体との熱交換を実行したり停止したりすることができる。
【００２９】
しかも、第１位置でのみ熱交換を行わせて第２位置では熱交換を回避したり、第１位置でのみ熱交換を回避して第２位置では熱交換を行わせたり、また、第１位置と第２位置の両方で熱交換を行わせたりすることができるので、状況に応じて熱交換実行位置を選択することができる。
【００３０】
例えば、第１位置における熱交換器の伝熱面積が比較的大きく、第２位置における熱交換器の伝熱面積が比較的小さいことにより、第１位置における熱交換効率が第２位置における熱交換効率よりも高効率である場合に、第１位置にすべての高温空気を適用すると、必要以上に熱交換が行われてしまう場合がある。
【００３１】
しかしながら、第１熱交換回避ステップによって第１位置での高温空気と作動流体との熱交換を回避することができれば、発電必要量に応じた適正な熱回収を行うことができる。そのため、例えば負荷側（電力消費側）における必要電力以上に過大な発電電力が生成されることによる、いわゆる逆調等を予防することができる。
【００３２】
もちろん、第１位置や第２位置における高温空気と作動流体との熱交換を回避するか否かを選択するだけでなく、その回避量を調整することができれば、より一層必要に応じた適正量の発電を行うことができる。例えば、第１及び第２熱交換回避ステップに加え、後述するような、第１及び第２調整ステップ（例えば、流量調整バルブ等による流量調整ステップ。）を有することにより、各熱交換位置への高温空気の適用量と回避量とを調整することができれば、必要発電量に応じて、細やかに熱交換量（すなわち、高温ガスの適用量）を調整することができる。
【００３３】
なお、高温空気の適用量／回避量の調整による発電量（発電電力）の調整効果は、第１位置における熱交換器の伝熱面積が大きいとその効果が高く、伝熱面積が小さいとその効果が低い。換言すれば、第１位置における熱交換器の伝熱面積が小さい場合は、高温空気の適用量を減少（回避量を増加）させたときの発電量低下が少なく、焼却炉が複数である場合の出熱側の変動を考えると投資効果も高い。
【００３４】
この性質を利用すれば、第１位置及び第２位置のいずれか一方の熱交換器の伝熱面積を大きく、他方を小さく設定すれば、伝熱面積の大きい方の熱交換器への高温空気の適用量及び回避量を調整することにより、必要に応じた発電量の調整を精密かつ効果的に行うことができる。伝熱面積の小さい方の熱交換器では、高温空気による流入熱量が多少変動しても、発電量への影響が少ないからである。
【００３５】
また、第１位置における熱交換器の伝熱面積が小さい場合には、適用高温空気量の変化による発電量の変化の度合いが小さいので、高温空気量が変動しても安定的に所定量の発電量を確保することができる。例えば、複数の焼却処理システムからの高温空気を集約して排熱発電システムに利用する場合において、すべての焼却処理システムが常時稼動しているとは限らず、一部の焼却処理システムが非稼動となる場合がある。
【００３６】
そのような場合においても、第１位置における熱交換器の伝熱面積を比較的小さく設定しておけば、一部非稼動により高温空気量が減少しても、それによる発電量の低下を極力抑制することができる。熱交換器の伝熱面積を小さく設定することにより、熱交換器のコストも低減することができる。
【００３７】
第１位置における熱交換後の作動流体の第１作動流体温度を計測するステップと、第１位置における熱交換前の高温空気の第１高温空気温度を計測するステップと、第１高温空気温度と第１作動流体温度との差分に基づいて第１位置に適用する高温空気量と第１位置への適用を回避する高温空気量との配分を調整する第１調整ステップと、第２位置における熱交換後の作動流体の第２作動流体温度を計測するステップと、第２位置における熱交換前の高温空気の第２高温空気温度を計測するステップと、第２高温空気温度と第２作動流体温度との差分に基づいて第２位置に適用する高温空気量と第２位置への適用を回避する高温空気量との配分を調整する第２調整ステップと、を更に有してもよい。
【００３８】
第１作動流体温度と第１高温空気温度との温度差分に基づいて、第１位置への適用／不適用の高温空気量配分を調整するので、第１位置において温度差分に基づく適切な熱交換を実現することができる。例えば、この温度差分が小さい場合、第１位置に高温空気を適用してもあまり熱交換が行われない。そのような場合には、第１位置に適用する高温空気量を低減し、第１位置を回避する（不適用とする）高温空気量を増大させることが好ましい。
【００３９】
また、第２作動流体温度と第２高温空気温度との温度差分に基づいて、第２位置への適用／不適用の高温空気量配分を調整するので、第２位置においても温度差分に基づく適切な熱交換を実現することができる。例えば、この温度差分が小さい場合、第２位置に高温空気を適用してもあまり熱交換が行われない。そのような場合には、第２位置に適用する高温空気量を低減し、第２位置を回避する（不適用とする）高温空気量を増大させることが好ましい。
【００４０】
なお、第１位置における熱交換直前の作動流体の第１作動流体温度を計測するステップと、第１位置における熱交換前の高温空気の第１高温空気温度を計測するステップと、第１高温空気温度と第１作動流体温度との差分に基づいて第１位置に適用する高温空気量と第１位置への適用を回避する高温空気量との配分を調整する第１調整ステップと、第２位置における熱交換直前の作動流体の第２作動流体温度を計測するステップと、第２位置における熱交換前の高温空気の第２高温空気温度を計測するステップと、第２高温空気温度と第２作動流体温度との差分に基づいて第２位置に適用する高温空気量と第２位置への適用を回避する高温空気量との配分を調整する第２調整ステップと、を有してももちろんよい。
【００４１】
本発明の他の例示的側面としての排熱発電方法は、複数の焼却処理システムが備える複数の焼却炉から各々排出される排ガスによって加熱された各高温空気を複数の焼却処理システムに亘って集約するステップと、集約後の高温空気を、作動流体によってタービンを回転させて発電を行う排熱発電システムにおける作動流体経路上でのタービンより上流側の第１位置に適用することにより、第１位置における高温空気と作動流体との熱交換を行う第１熱交換ステップと、第１位置での熱交換後の高温空気を、白煙防止空気として排ガスと接触させる接触ステップと、を有する。
【００４２】
焼却処理システムからの高温空気を排熱発電システムに適用し、高温空気と作動流体との熱交換を行っているので、廃熱を利用して効率的な発電を行うことができる。ただし、１つの焼却処理システムにおける下水汚泥やごみ等の廃棄物処理の状況は、一定とは限らない。したがって、１つの焼却処理システムからの高温空気や洗煙排水の排出量・温度（熱量）等も安定的とはいえない。
【００４３】
しかしながら、複数の焼却処理システムからの各高温空気を各々集約した上で、排熱発電システムに適用することにより、上述したように、エネルギー回収の安定化を図ることができて、排熱発電システムのスケールメリットを生かすことができる。例えば、複数の焼却処理システムからの高温空気や洗煙排水を各々集約して、大型の１つの排熱発電システムに適用することにより、排熱発電システムを複数台分設置するのに比べてその装置コストを低減することができる。また、排熱発電システムの寿命向上にも寄与することができる。
【００４４】
各高温空気の集約においては、各焼却処理システムからの排出量を調整する調整手段（調整弁等）が排出経路内に設けられ、コンピュータ制御によりそれらの調整手段が調整されるようになっていてももちろんよい。
【００４５】
なお、作動流体との熱交換後の高温空気の温度は一般的にまだ充分高温であり、この高温空気を焼却炉からの排ガスと接触させると充分に白煙防止空気として利用することができる。したがって、この排熱発電方法においては、白煙防止空気としての機能を損なうことなく、高温空気を白煙防止空気として利用するまでの間に作動流体との熱交換を行って効率的なエネルギー回収を実現している。
【００４６】
第１位置が排熱発電システムにおける分離器よりも下流側である場合に、第１熱交換ステップ後であってかつ接触ステップ前の高温空気を、作動流体経路上での分離器より上流側の第２位置に適用することにより、第２位置における高温空気と作動流体との熱交換を行う第２熱交換ステップを、更に有してもよい。
【００４７】
作動流体が気体状態である分離器後の第１位置においてまず熱交換を行い、気体状態の作動流体を過熱している。そして、その後に作動流体が気液２相状態である分離器前の第２位置において熱交換を行い、作動流体の気化を促進している。高温空気は、熱容量の小さい気体状態での作動流体に熱を与えた後に、熱容量の大きい気液２相状態での作動流体に剰余熱を与えることとなる。そのため、効率的な熱交換を行うことができ、ひいては発電効率の低下の抑制、発電量の低下の抑制に寄与することができる。
【００４８】
タービンを回転させた後の作動流体を冷却するために、作動流体経路上でのタービンより下流側の位置に冷却水を適用するステップと、作動流体冷却後の冷却水を、洗煙水として排ガスと接触させるステップと、を更に有してもよい。
【００４９】
作動流体の冷却水を洗煙水として排ガスと接触させるので、焼却処理システム及び排熱発電システム全体として使用する水量の節約に寄与することができる。また、冷却水は、作動流体の冷却（すなわち、作動流体との熱交換）後に昇温しているので、焼却処理システムの排煙洗浄塔への給水に利用すれば塔内温度の上昇に寄与し、洗煙排水の温度を高める効果がある。
【００５０】
作動流体が、アンモニア、フロン又はアンモニア／水混合流体のうちいずれかであってもよい。
【００５１】
これらの流体は沸点が比較的低温で気化し易い。したがって、これらの流体を作動流体として用いることにより、温度は低いが大量に存在した廃熱（低温熱源）からの熱を有効に利用して、温度差を利用した排熱発電を実現することができる。
【００５２】
本発明の更に他の例示的側面としての排熱発電システムは、作動流体によってタービンを回転させて発電を行う排熱発電システムであって、焼却処理システムが備える焼却炉から排出される排ガスによって加熱された高温空気を、作動流体経路上でのタービンより上流側であって分離器より下流側の第１位置に適用することにより、第１位置における高温空気と作動流体との熱交換を行う第１熱交換機能と、第１位置での熱交換後の高温空気を、作動流体経路上での分離器より上流側の第２位置に適用することにより、第２位置における高温空気と作動流体との熱交換を行う第２熱交換機能と、排ガスを洗浄した後に焼却処理システムから排出される洗煙排水と第２位置における熱交換後の高温空気との熱交換を行う排水用熱交換機能と、高温空気との熱交換後の洗煙排水を、作動流体経路上での第２位置より上流側の第３位置に適用することにより、第３位置における洗煙排水と作動流体との熱交換を行う第３熱交換機能と、洗煙排水との熱交換後の高温空気を、白煙防止空気として排ガスと接触させる接触機能と、を有する。
【００５３】
焼却処理システムからの高温空気を排熱発電システムに適用し、高温空気と作動流体との熱交換を行っているので、廃熱を利用して効率的な発電を行うことができる。また、その高温空気を、タービンより上流側であって分離器よりも下流側の第１位置、分離器よりも上流側の第２位置の複数個所に亘って排熱発電システムに適用しているので、作動流体との熱交換量を大きくすることができ、充分な熱を作動流体に与えることができる。
【００５４】
作動流体が気体状態である分離器後の第１位置においてまず熱交換を行い、気体状態の作動流体を過熱している。そして、その後に作動流体が気液２相状態である分離器前の第２位置において熱交換を行い、作動流体の気化を促進している。高温空気は、熱容量の小さい気体状態での作動流体に熱を与えた後に、熱容量の大きい気液２相状態での作動流体に剰余熱を与えることとなる。そのため、効率的な熱交換を行うことができ、ひいては発電効率の低下の抑制、発電量の低下の抑制に寄与することができる。
【００５５】
更に、第２位置での熱交換後に、高温空気と洗煙排水との熱交換を行い、その高温空気との熱交換後の洗煙排水と作動流体との熱交換を第２位置よりも上流側の第３位置において行っている。そのため、焼却処理システムから高温空気や洗煙排水という形で排出される廃熱を余すところなく充分に再利用し、排熱発電に利用することができる。
【００５６】
本発明の更に他の例示的側面としての排熱発電システムは、作動流体によってタービンを回転させて発電を行う排熱発電システムであって、複数の焼却処理システムが備える複数の焼却炉から各々排出される排ガスによって加熱された各高温空気を複数の焼却処理システムに亘って集約する機能と、集約後の高温空気を、作動流体経路上でのタービンより上流側の第１位置に適用することにより、第１位置における高温空気と作動流体との熱交換を行う第１熱交換機能と、第１位置での熱交換後の高温空気を、白煙防止空気として排ガスと接触させる接触機能と、を有する。
【００５７】
焼却処理システムからの高温空気を排熱発電システムに適用し、高温空気と作動流体との熱交換を行っているので、廃熱を利用して効率的な発電を行うことができる。ただし、１つの焼却処理システムにおける下水汚泥やごみ等の廃棄物処理の状況は、一定とは限らない。したがって、１つの焼却処理システムからの高温空気や洗煙排水の排出量・温度（熱量）等も安定的とはいえない。
【００５８】
しかしながら、複数の焼却処理システムからの各高温空気を各々集約した上で、排熱発電システムに適用することにより、上述したように、エネルギー回収の安定化を図ることができて、排熱発電システムのスケールメリットを生かすことができる。例えば、複数の焼却処理システムからの高温空気や洗煙排水を各々集約して、大型の１つの排熱発電システムに適用することにより、排熱発電システムを複数台分設置するのに比べてその装置コストを低減することができる。また、排熱発電システムの寿命向上にも寄与することができる。
【００５９】
各高温空気の集約においては、各焼却処理システムからの排出量を調整する調整手段（調整弁等）が排出経路内に設けられ、コンピュータ制御によりそれらの調整手段が調整されるようになっていてももちろんよい。
【００６０】
なお、作動流体との熱交換後の高温空気の温度は一般的にまだ充分高温であり、この高温空気を焼却炉からの排ガスと接触させると充分に白煙防止空気として利用することができる。したがって、この排熱発電方法においては、白煙防止空気としての機能を損なうことなく、高温空気を白煙防止空気として利用するまでの間に作動流体との熱交換を行って効率的なエネルギー回収を実現している。
【００６１】
本発明の更なる課題又はその他の特徴は、以下添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００６２】
本発明によれば、焼却炉から排出される熱源を有効に利用し、そのエネルギー回収効率を向上させて安定的・効率的に発電を行うことができる。例えば、その焼却炉を備える焼却処理システムからの高温空気を排熱発電システムに複数個所で適用した後に白煙防止空気として利用することにより、従来廃棄されていた熱エネルギーの効率的なエネルギー回収を実現すると共に、白煙防止機能も充分に達成させることができる。
【００６３】
複数の焼却処理システムからの高温空気や洗煙排水を集約して排熱発電システムに適用することにより、焼却処理システムごとの稼動状況の変化の影響を低減し、安定的なエネルギー回収を実現している。また、排熱発電システムに適用する高温空気量と適用しない高温空気量との調整を可能とすることにより、焼却処理システムからの廃熱量の変化や必要発電量に対応して排熱発電システムに適用する高温空気量を変化させることができ、安定的に必要量の発電を適切に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施の形態に係る排熱発電方法を実現する発電システムを含む下水処理プラントの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す処理システムの内部構成の概略を示すブロック図である。
【図３】図１に示す発電システムの内部構成の概略を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施例１に係る発電システムの構成図である。
【図５】本発明の比較例１に係る発電システムの構成図である。
【図６】本発明の比較例２に係る発電システムの構成図である。
【図７】本発明の比較例３に係る発電システムの構成図である。
【図８】本発明の比較例４に係る発電システムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００６５】
以下、本発明の実施の形態に係る排熱発電方法を実現する排熱発電システムについて、図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る下水処理プラント（以下、プラントと略す。）Ｐの概略構成を示すブロック図である。このプラントＰは、複数の焼却処理システムとしての下水処理システム（以下、処理システムと略す。）Ｓと発電システム（排熱発電システム）Ｇとを有して構成されている。このプラントＰにおいては、処理システムＳからの高温空気（白煙防止空気）２と洗煙排水Ｗとが発電システムＧに適用されるようになっている。複数の処理システムＳからの各々の高温空気２と各々の洗煙排水Ｗとは、それぞれ集約されて発電システムＧへと適用されるようになっている。
【００６６】
また、発電システムＧ内での熱交換を行った後の高温空気２が、発電システムＧから白煙防止空気２として各処理システムＳの排煙洗浄塔１０５（図２参照）へと送られるようになっている。更に、発電システムＧ内で作動流体の冷却に用いた冷却水Ｃが、洗煙水の一部として各処理システムＳの排煙洗浄塔１０５へと送られるようになっている。
【００６７】
図２は、処理システムＳの内部構成の概略を示すブロック図である。複数の処理システムＳは、いずれも大略同様の構成を有しているので、１つの処理システムＳの構成について説明し、その他の処理システムＳの構成についての説明は省略する。この処理システムＳは、焼却炉１０１、流動空気予熱器１０２、白煙防止空気予熱器１０３、集塵機１０４、排煙洗浄塔１０５を有して大略構成されている。
【００６８】
図２において１０１は焼却炉であり、この実施形態では下水汚泥脱水ケーキを焼却するための流動焼却炉である。しかし本発明において焼却炉１０１はこれに限定されるものではなく、ごみ焼却炉であってもよい。その排ガスは通常は８００〜８５０℃程度の高温排ガスである。１０２はこの高温排ガスが導入される流動空気予熱器であり、流動空気を例えば６５０℃に予熱して炉底部の分散管に供給している。焼却炉１０１が流動焼却炉でない場合には流動空気予熱器１０２は省略される。
【００６９】
流動空気予熱器１０２の後段には白煙防止空気予熱器１０３が設置されている。この白煙防止空気予熱器１０３は煙突から放出される排ガス中の水蒸気が白煙として見えることを防止するための高温空気（白煙防止空気）２を得るための熱交換器であり、約３００℃の加熱ガス（白煙防止空気）が得られる。一方、排ガスは白煙防止空気予熱器１０３を通過すると２５０〜４００℃にまで温度が低下し、次の集塵機１０４に導かれてダストが除去される。
【００７０】
ここで、高温空気（白煙防止空気）２の典型例としては、一般的に空気が考えられるが、もちろんその他の種々の気体を適用しても良い。また、白煙防止空気予熱器１０３によって加熱され、後述する煙突１０８に送られる前のものを高温空気と呼び、煙突１０８に送られて白煙防止機能を発揮するものを白煙防止空気と呼ぶが、両者は実態上同じものであるので、同じ引用符号２を付して説明する。
【００７１】
集塵機１０４はこの実施形態では耐熱性に優れたセラミック集塵機であり、白煙防止空気予熱器１０３を通過した２５０〜４００℃の排ガスをそのまま集塵することができる。しかし集塵機１０４としてはバグフィルタを使用することもでき、その場合にはその前段に冷却塔を配置してバグフィルタの耐熱温度まで降温することが必要である。集塵機１０４における排ガスの温度降下は小さく、排ガスは２００〜４００℃で次の排煙洗浄塔１０５に入る。
【００７２】
排煙洗浄塔１０５は塔の下部から排ガスを導入し、上部のノズル１０６から散水される水（洗煙水）Ｗと接触させることによって排ガス中のＮＯＸ，ＳＯＸ等の成分を除去する装置である。従来と同様に、塔内水はポンプ１０７によりノズル１０６に送水されて循環使用される。この実施形態の排煙洗浄塔１０５は塔の上部に煙突１０８が接続されており、塔内で洗浄された排ガスは煙突１０８から放出される。なお排煙洗浄塔１０５と煙突１０８との中間部分には複数段の棚板部１０９が形成されており、その上部から給水された清浄水と排ガスとを充分に接触させることにより、水洗が十分に行われるように工夫されている。
【００７３】
この排煙洗浄塔１０５においては排ガスが水と接触するため、２００〜４００℃の排ガスの保有熱の大半は水側に移動し、前記したように排煙洗浄塔１０５から排出される洗煙排水Ｗは６０〜７０℃の温水となる。本発明では約３００℃の高温空気２の保有熱を利用して排熱発電を行うが、これと共に洗煙排水Ｗの保有熱をも利用する。
【００７４】
このため本実施形態においては、後述するように排煙洗浄塔１０５から出る洗煙排水Ｗを高温空気２との熱交換（排水用熱交換ステップ、排水用熱交換機能）によって昇温させた上で、排熱発電システムＧに供給している。その昇温幅は設備や運転方法によって様々であるが、通常は５〜１５℃の範囲である。洗煙排水Ｗとの熱交換後の高温空気２は９０℃〜１００℃程度の温度を保持しているので、煙突１０８に送られて白煙防止空気２としての本来の機能を発揮することができる。
【００７５】
なお洗煙排水Ｗの昇温量を増加させようとすると洗煙排水Ｗとの熱交換（排水用熱交換ステップ、排水用熱交換機能）後の高温空気２の温度が低下するが、１００℃程度まで低下しても、大気温度が２０℃、湿度１００％の気候条件においては白煙は生じないが、冬場の条件である大気温度が０℃、湿度１００％では、白煙が生じる。ただし、白煙の発生について法的規制は無く、冬場でもこの条件となるのは、数日程度である。また、このようにして高温空気２との熱交換によって昇温された洗煙排水Ｗは７０℃〜７３℃程度の温水となり、排熱発電システムＧに供給される。
【００７６】
図３は、発電システムＧの内部構成の概略を示すブロック図である。発電システムＧとしては、アンモニア、フロン又はアンモニア/水混合流体のような低沸点流体を作動流体Ｌとする温度差発電システムを用いることが好ましい。このような温度差発電システム自体は、例えば佐賀大学の出願に係る特開平７−９１３６１号公報に記載のように既に知られたものであり、例えば比較的温度の高い表層海水と深層の冷海水との温度差を利用した温度差発電を行うことができるシステムである。
【００７７】
この発電システムＧは、図３に示すように、タービン１０、発電機１１、吸収器１２、凝縮器１３、循環ポンプ１４、再生器１５、蒸発器１６、加熱器１７、分離器１８、過熱器（蒸気加熱器）１９、減圧弁２０を有して大略構成されている。また、この発電システムＧは、温度センサ２１〜２４、第１制御手段２５、第２制御手段２６、第１調整バルブ２７、第２調整バルブ２８をも有している。なお、作動流体Ｌは、図３に示すように、加熱冷却を繰り返しながら作動流体経路Ｒ内を循環しているので、以下、循環ポンプ１４から順に、下流（作動流体の流れる方向）に向けて上記各構成の説明をする。
【００７８】
循環ポンプ１４で送り出された液相の作動流体Ｌは、再生器１５によって予熱され、その後に蒸発器１６へと送られる。この蒸発器１６が設置されている位置は、作動流体経路Ｒ内における第３位置である。この蒸発器１６において、作動流体Ｌと洗煙排水Ｗとの熱交換が行われ（第３熱交換ステップ、第３熱交換機能）、洗煙排水Ｗから作動流体Ｌへの熱移動が行われる。その結果、作動流体Ｌは内部熱エネルギー状態を高めた気液２相状態となり、次の加熱器１７へと送られる。
【００７９】
この加熱器１７が設置されている位置は、作動流体経路Ｒ内における第２位置である。この加熱器１７において、作動流体Ｌと高温空気２との熱交換が行われ（第２熱交換ステップ、第２熱交換機能）、高温空気２から作動流体Ｌへの熱移動が行われる。その結果、作動流体Ｌは更に内部熱エネルギー状態を高めた気液２相状態となり、分離器１８へと送られる。
【００８０】
分離器１８は、気液２相状態の作動流体Ｌを気相と液相とに分離するものである。液相部分の作動流体Ｌは、再び再生器１５へと送られて熱を取られた後、更に減圧弁２０を介して吸収器１２へと送られるようになっている。一方、気相状態の作動流体Ｌは、分離器１８から過熱器１９へと送られる。その過熱器１９が設置されている位置は、作動流体経路Ｒ内における第１位置である。この過熱器１９において、作動流体Ｌと高温空気２との熱交換が行われ（第１熱交換ステップ、第１熱交換機能）、高温空気２から作動流体Ｌへの熱移動が行われる。その結果、作動流体Ｌは更に内部熱エネルギー状態を高めた過熱蒸気となり、タービン１０へと送られる。
【００８１】
過熱蒸気状態の作動流体Ｌは、タービン１０を回転させ、タービン１０に連結された発電機によって発電を行う。そして、発電の仕事を終えた作動流体Ｌは、吸収器１２へと送られて減圧弁２０を介して送られてきた作動流体Ｌと合流する。この吸収器１２は、例えばノズル噴霧式のものが採用されており、減圧弁２０からの作動流体Ｌ（液相）が発電を終えた作動流体Ｌ（気相）に向かって噴霧され、気相の作動流体Ｌから熱を奪って冷却するようになっている。
【００８２】
その後、凝縮器１３へと送られた作動流体Ｌは、冷却水Ｃによって冷却されて液相へと戻り、再び循環ポンプ１４へと至る。このように、循環ポンプ１４によって送られつつ洗煙排水Ｗ及び高温空気２によって加熱され、タービン１０を回転させた後に冷却水Ｃによって冷却されて経路Ｒ内を循環することにより、作動流体Ｌは発電を行う。なお、過熱器１９は、タービン１０よりも上流側であって分離器１８よりも下流側の第１位置に設けられ、加熱器１７は分離器１８よりも上流側の第２位置に設けられ、蒸発器１６は加熱器１７よりも上流側の第３位置に設けられている。
【００８３】
処理システムＳからの高温空気２は、複数の処理システムＳからのものが集約されて（高温空気集約ステップ、高温空気集約機能）、１つにまとめられた状態で発電システムＧへと送られる。それにより、処理システムＳごとの処理状況の変動の影響を低減し、安定した高温空気２の提供を可能としている。
【００８４】
集約された高温空気２は、まず第１位置の過熱器１９へと適用されるようになっている。そして、その後に第２位置の加熱器１７へと適用され、更にその後に排水加熱器２９へと適用されて洗煙排水Ｗとの熱交換が行われる（排水用熱交換ステップ、排水用熱交換機能）ようになっている。そして、排水用熱交換ステップ完了後の高温空気２は再び処理システムＳへと送られて、各処理システムＳの排煙洗浄塔１０５へと適用されて白煙防止空気２として利用されるようになっている。白煙防止空気２は排ガスと接触し（接触ステップ、接触機能）、排ガスの白煙発生を防止する。
【００８５】
発電システムＧには、高温空気２の過熱器１９への適用を回避する（第１熱交換回避ステップ、第１熱交換回避機能）ための過熱器回避経路３０が配置され、その経路３０上には第１調整バルブ２７が設けられている。この第１調整バルブ２７は、第１制御手段２５からの制御信号に基づき、バルブを開放したり閉鎖したりして、高温空気２を過熱器１９へと適用させたり、過熱器回避経路３０へと導いて過熱器１９への適用を回避させたりするものである。
【００８６】
なお、第１制御手段２５は、例えば、コンピュータ、シーケンサ、リレースイッチ等で構成され、温度センサ２１，２２のセンサ出力を受け取り、それらのセンサ出力に基づき第１調整バルブ２７を開閉制御する。なお、温度センサ２１は、過熱器１９より作動流体経路Ｒ上での下流側における作動流体Ｌの温度ｔ１を計測する（第１作動流体温度計測ステップ、第１作動流体温度計測機能）ためのセンサである。また、温度センサ２２は、過熱器１９より高温空気２経路上での上流側における高温空気２の温度Ｔ１を計測する（第１高温空気温度計測ステップ、第１高温空気温度計測機能）ためのセンサである。
【００８７】
より具体的には、第１制御手段２５は、温度センサ２２による計測温度Ｔ１と温度センサ２１による計測温度ｔ１との温度差分に基づいて過熱器１９に適用する高温空気２のガス量と過熱器１９への適用を回避する高温空気２のガス量との配分を、第１調整バルブ２７の開閉制御によって調整する。このとき、温度Ｔ１と温度ｔ１との温度差分（Ｔ１−ｔ１）が小さいときは第１調整バルブ２７を開放し、なるべく多くの高温空気２が過熱器回避経路３０を通過するようにし、温度Ｔ１と温度ｔ１との温度差分（Ｔ１−ｔ１）が大きいときは第１調整バルブ２７を閉鎖し、なるべく多くの高温空気２が過熱器１９を通過するように制御する。
【００８８】
発電システムＧには、高温空気２の加熱器１７への適用を回避する（第２熱交換回避ステップ、第２熱交換回避機能）ための加熱器回避経路３１が配置され、その経路３１上には第２調整バルブ２８が設けられている。この第２調整バルブ２８は、第２制御手段２６からの制御信号に基づき、バルブを開放したり閉鎖したりして、高温空気２を加熱器１７へと適用させたり、加熱器回避経路３１へと導いて加熱器１７への適用を回避させたりするものである。
【００８９】
なお、第２制御手段２６は、例えば、コンピュータ、シーケンサ、リレースイッチ等で構成され、温度センサ２３，２４のセンサ出力を受け取り、それらのセンサ出力に基づき第２調整バルブ２８を開閉制御する。なお、温度センサ２３は、加熱器１７より作動流体経路Ｒ上での下流側における作動流体Ｌの温度ｔ２を計測する（第２作動流体温度計測ステップ、第２作動流体温度計測機能）ためのセンサである。また、温度センサ２４は、加熱器１７より高温空気２経路上での上流側（かつ、過熱器１９より下流側）における高温空気２の温度Ｔ２を計測する（第２高温空気温度計測ステップ、第２高温空気温度計測機能）ためのセンサである。
【００９０】
より具体的には、第２制御手段２６は、温度センサ２４による計測温度Ｔ２と温度センサ２３による計測温度ｔ２との温度差分に基づいて加熱器１７に適用する高温空気２のガス量と加熱器１７への適用を回避する高温空気２のガス量との配分を、第２調整バルブ２８の開閉制御によって調整する。このとき、温度Ｔ２と温度ｔ２との温度差分（Ｔ２−ｔ２）が小さいときは第２調整バルブ２８を開放し、なるべく多くの高温空気２が加熱器回避経路３１を通過するようにし、温度Ｔ２と温度ｔ２との温度差分（Ｔ２−ｔ２）が大きいときは第２調整バルブ２８を閉鎖し、なるべく多くの高温空気２が加熱器１７を通過するように制御する。
【００９１】
処理システムＳからの洗煙排水Ｗは、複数の処理システムＳからのものが集約されて（洗煙排水集約ステップ、洗煙排水集約機能）、１つにまとめられた状態で発電システムＧへと送られる。それにより、処理システムＳごとの処理状況の変動の影響を低減し、安定した洗煙排水Ｗの提供を可能としている。
【００９２】
集約された洗煙排水Ｗは、排水加熱器２９において第２熱交換ステップ又は第２熱交換回避ステップ後の高温空気２と熱交換が行われる（排水用熱交換ステップ、排水用熱交換機能）ようになっている。そして、その後に洗煙排水Ｗが第３位置の蒸発器１６へと適用され、作動流体Ｌとの熱交換が行われる（第３熱交換ステップ、第３熱交換機能）ようになっている。
【００９３】
低温熱源である冷却水Ｃとしては常温の水を用いることができる。凝縮器１３に適用する冷却水Ｃは清浄水であり、凝縮器１３後に処理システムＳの排煙洗浄塔１０５の上部に給水することにより、その使用水量を抑制することができる。冷却水Ｃを洗煙排水Ｗとして再利用しているので、システム全体としての節水に寄与し、環境適性の向上に貢献している。なお冷却水Ｃも凝縮器１３により加温されることとなるため、排煙洗浄塔１０５への給水に利用すれば塔内温度の上昇に寄与し、洗煙排水Ｗの温度を高める効果がある。
【実施例】
【００９４】
［実施例１］
図４に示す構成の発電システムＧにおける発電量（タービン出力）を、シミュレーション計算により見積った。計算条件は以下の通りである。なお、本実施例１においては、図４に示す作動流体経路Ｒ上での各位置ｒ１〜ｒ１０で、作動流体Ｌの温度Ｔ、圧力ｐ、密度指標値ρ、アンモニア／水比率Ｙ、エントロピーｓ及びエンタルピーＨを見積もった。演算結果を表１に示す。ここで、密度指標値とは、密度（ｋｇ／ｍ３）の逆数を意味する。
【００９５】
＜計算条件＞
・高温空気２：
−流量：９３００ｍ３／ｈ
−位置ｇ１における温度：３００℃
−位置ｇ２における温度：１７０℃
−位置ｇ３における温度：１５０℃
−位置ｇ４における温度：１００℃
・洗煙排水Ｗ：
−流量：５３ｍ３／ｈ
−位置ｗ１における温度：７０℃
−位置ｗ２における温度：６０℃
−位置ｗ３における温度：７３℃
・冷却水Ｃ：
−位置ｃ１における温度：２０℃
−位置ｃ２における温度：２５℃
・作動流体Ｌ：
−成分：アンモニア／水比＝０．９５
【００９６】
【表１】
【００９７】
［比較例１］
図５に示す構成の発電システムＧにおける発電量（タービン出力）を、シミュレーション計算により見積った。本比較例１においては高温空気２を発電システムＧに適用していないが、洗煙排水Ｗ（位置ｗ１，ｗ２における温度）、冷却水Ｃ（位置ｃ１，ｃ２における温度）及び作動流体Ｌに関する計算条件は実施例１と同様である。なお、本比較例１においては、図５に示す作動流体経路Ｒ上での各位置ｒ１〜ｒ１０で、作動流体Ｌの温度、圧力及び密度を見積もった。演算結果を表２に示す。ここで、密度指標値とは、密度（ｋｇ／ｍ３）の逆数を意味する。
【００９８】
【表２】
【００９９】
［比較例２］
図６に示す構成の発電システムＧにおける発電量（タービン出力）を、シミュレーション計算により見積った。高温空気２に関する計算条件は以下の通りである。洗煙排水Ｗ（位置ｗ１，ｗ２における温度）、冷却水Ｃ（位置ｃ１，ｃ２における温度）及び作動流体Ｌに関する計算条件は実施例１と同様である。なお、本比較例２においては、図６に示す作動流体経路Ｒ上での各位置ｒ１〜ｒ１０で、作動流体Ｌの温度、圧力及び密度を見積もった。演算結果を表３に示す。ここで、密度指標値とは、密度（ｋｇ／ｍ３）の逆数を意味する。
【０１００】
＜計算条件＞
・高温空気２：
−流量：９３００ｍ３／ｈ
−位置ｇ１における温度：３００℃
−位置ｇ２における温度：１００℃
【０１０１】
【表３】
【０１０２】
［比較例３］
図７に示す構成の発電システムＧにおける発電量（タービン出力）を、シミュレーション計算により見積った。高温空気２に関する計算条件は以下の通りである。洗煙排水Ｗ（位置ｗ１，ｗ２における温度）、冷却水Ｃ（位置ｃ１，ｃ２における温度）及び作動流体Ｌに関する計算条件は実施例１と同様である。なお、本比較例３においては、図７に示す作動流体経路Ｒ上での各位置ｒ１〜ｒ１０で、作動流体Ｌの温度、圧力及び密度を見積もった。演算結果を表４に示す。ここで、密度指標値とは、密度（ｋｇ／ｍ３）の逆数を意味する。
【０１０３】
＜計算条件＞
・高温空気２：
−流量：９３００ｍ３／ｈ
−位置ｇ１における温度：３００℃
−位置ｇ２における温度：１００℃
【０１０４】
【表４】
【０１０５】
［比較例４］
図８に示す構成の発電システムＧにおける発電量（タービン出力）を、シミュレーション計算により見積った。高温空気２に関する計算条件は以下の通りである。洗煙排水Ｗ（位置ｗ１，ｗ２における温度）、冷却水Ｃ（位置ｃ１，ｃ２における温度）及び作動流体Ｌに関する計算条件は実施例１と同様である。なお、本比較例４においては、図８に示す作動流体経路Ｒ上での各位置ｒ１〜ｒ１０で、作動流体Ｌの温度、圧力及び密度を見積もった。演算結果を表５に示す。ここで、密度指標値とは、密度（ｋｇ／ｍ３）の逆数を意味する。
【０１０６】
＜計算条件＞
・高温空気２：
−流量：９３００ｍ３／ｈ
−位置ｇ１における温度：３００℃
−位置ｇ２における温度：１７０℃
−位置ｇ３における温度：１００℃
【０１０７】
【表５】
【０１０８】
上記に示すように、本発明の実施例１に係る発電システムＧ（高温空気２を分離器１８下流の第１位置、分離器１８上流の第２位置に適用して作動流体Ｌと熱交換し、その後の高温空気２を洗煙排水Ｗに適用して洗煙排水Ｗと熱交換し、更にその後の洗煙排水Ｗを第２位置より上流の第３位置に適用して作動流体Ｌと熱交換する構成のもの。）によれば、発電効率を著しく向上させることができる。そのタービン出力（発電量）は、比較例１に対して１８１％向上、比較例２に対して２９％向上、比較例３に対して２６％向上、比較例４に対して０．６％向上している。
【０１０９】
以上、本発明の好ましい実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【０１１０】
Ｃ：冷却水
Ｇ：発電システム（排熱発電システム）
Ｌ：作動流体
Ｐ：プラント（下水処理プラント）
Ｒ：作動流体経路
Ｓ：処理システム（下水処理システム、焼却処理システム）
Ｗ：水（洗煙水、洗煙排水）
２：高温空気（白煙防止空気）
１０：タービン
１１：発電機
１２：吸収器
１３：凝縮器
１４：循環ポンプ
１５：再生器
１６：蒸発器
１７：加熱器
１８：分離器
１９：過熱器（蒸気加熱器）
２０：減圧弁
２１〜２４：温度センサ
２５：第１制御手段
２６：第２制御手段
２７：第１調整バルブ
２８：第２調整バルブ
２９：排水加熱器
３０：過熱器回避経路
３１：加熱器回避経路
１０１ 焼却炉
１０２ 流動空気予熱器
１０３ 白煙防止空気予熱器
１０４ 集塵機
１０５ 排煙洗浄塔
１０６ ノズル
１０７ ポンプ
１０８ 煙突
１０９ 棚板部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排熱発電方法及び排熱発電システムに係り、特に、下水汚泥焼却炉やごみ焼却炉などの焼却炉から排出される高温の排ガスの保有熱を利用した排熱発電方法及び排熱発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球温暖化や環境問題への取り組みが重要視され、省エネルギー化技術への期待度が年々増している。その環境問題等への取り組みとして、新エネルギーや未利用エネルギーの有効利用に注目が集まっており、例えば、従来有効利用されずに廃棄されていたエネルギーを利用して新たなエネルギーを産出する試みも為されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、下水汚泥焼却炉から発生した排ガスの保有熱を用いて蒸気を発生させ、その蒸気によって発電を行う構成が開示されている。また、特許文献２には、ごみ焼却で発生した燃焼ガスを用いて蒸気を過熱し、その蒸気を蒸気タービンに導くことにより発電を行う構成が開示されている。更に、特許文献３には、汚水浄化処理システムの排煙処理装置から得られる洗煙排水の保有熱により発電システムの作動液化媒体を蒸発させ、その作動媒体蒸気によりタービンを駆動して発電を行う構成が開示されている。
【０００４】
このように、汚泥やごみを焼却する際には高温のガスや排水が発生するが、従来廃棄されていたこれらの熱エネルギーを発電に利用し、電気エネルギーの形でその一部を回収する提案が数多く存在する。
【０００５】
なお、下水汚泥焼却炉を例にとると、その焼却炉からの排ガスの温度は概ね８００℃〜８５０℃程度である。そして、一般的な焼却プラントにおいて、焼却炉からの高温の排ガスを、白煙防止空気予熱器やその他の熱交換器に通して排熱の一部を回収した上で、集塵装置においてダストを分離除去し、更に排煙洗浄塔に通して水洗浄を行い、排ガス中のＮＯＸ，ＳＯＸ等の成分を除去している。
【０００６】
なお焼却炉が流動焼却炉である場合には白煙防止空気予熱器の前段に流動空気予熱器が設置されることがある。また集塵装置がセラミックフィルタである場合には高温集塵が可能であるが、バグフィルタである場合には冷却塔において３００℃以下にまで降温した上で集塵を行っている。
【０００７】
このような通常の焼却プラントにおける排ガス処理システムにおいては、排煙洗浄塔において２００℃〜４００℃程度の排ガスが４０℃程度にまで冷却される一方、洗煙排水は６０℃〜７０℃程度で排出される。この洗煙排水は比較的低温ではあるが水の比熱が大きいために熱量は大きく、排ガスの持つ熱量の５０％を超えることが多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−３２１１３１号公報
【特許文献２】特開平９−３１０６０６号公報
【特許文献３】特開平９−３２５１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記各特許文献１〜３に記載のものは、単に廃棄物等の焼却の際に排出される熱源を発電システムに適用するに留まり、エネルギー利用の効率が充分高いとはいえない。熱エネルギーの回収効率は、その熱源を発電システムに適用する位置や適用方法によって大きく変化するが、上記各特許文献には、そのようなエネルギー回収の効率向上のための充分な提案がされていない。
【００１０】
また、焼却炉から排出される熱源も常に一定とは限らずその熱量が変化する場合がある。そのような場合に、排出熱源をそのまま発電システムに適用すると、排出熱源の熱量の変化に発電効率が影響されてしまい、安定的かつ効率的な発電が行えないという問題もある。
【００１１】
本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、焼却炉から排出される熱源を有効に利用し、そのエネルギー回収効率を向上させて安定的・効率的に発電を行うことのできる排熱発電方法及び排熱発電システムを提供することを例示的課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明の例示的側面としての排熱発電方法は、焼却処理システムが備える焼却炉から排出される排ガスによって加熱された高温空気を、作動流体によってタービンを回転させて発電を行う排熱発電システムにおける作動流体経路上でのタービンより上流側であって分離器より下流側の第１位置に適用することにより、第１位置における高温空気と作動流体との熱交換を行う第１熱交換ステップと、第１位置での熱交換後の高温空気を、作動流体経路上での分離器より上流側の第２位置に適用することにより、第２位置における高温空気と作動流体との熱交換を行う第２熱交換ステップと、排ガスを洗浄した後に焼却処理システムから排出される洗煙排水と第２位置における熱交換後の高温空気との熱交換を行う排水用熱交換ステップと、高温空気との熱交換後の洗煙排水を、作動流体経路上での第２位置より上流側の第３位置に適用することにより、第３位置における洗煙排水と作動流体との熱交換を行う第３熱交換ステップと、洗煙排水との熱交換後の高温空気を、白煙防止空気として排ガスと接触させる接触ステップと、を有する。
【００１３】
焼却処理システムからの高温空気を排熱発電システムに適用し、高温空気と作動流体との熱交換を行っているので、廃熱を利用して効率的な発電を行うことができる。また、その高温空気を、タービンより上流側であって分離器よりも下流側の第１位置、分離器よりも上流側の第２位置の複数個所に亘って排熱発電システムに適用しているので、作動流体との熱交換量を大きくすることができ、充分な熱を作動流体に与えることができる。
【００１４】
作動流体が気体状態である分離器後の第１位置においてまず熱交換を行い、気体状態の作動流体を過熱している。そして、その後に作動流体が気液２相状態である分離器前の第２位置において熱交換を行い、作動流体の気化を促進している。高温空気は、熱容量の小さい気体状態での作動流体に熱を与えた後に、熱容量の大きい気液２相状態での作動流体に剰余熱を与えることとなる。そのため、効率的な熱交換を行うことができ、ひいては発電効率の低下の抑制、発電量の低下の抑制に寄与することができる。
【００１５】
更に、第２位置での熱交換後に、高温空気と洗煙排水との熱交換を行い、その高温空気との熱交換後の洗煙排水と作動流体との熱交換を第２位置よりも上流側の第３位置において行っている。そのため、焼却処理システムから高温空気や洗煙排水という形で排出される廃熱を余すところなく充分に再利用し、排熱発電に利用することができる。
【００１６】
なお、一般的な例を示すと、焼却処理システムにおいて排ガスによって加熱された高温空気の温度は３００℃程度であり、第１位置における熱交換後の高温空気の温度は１７０℃〜２００℃程度である。更に、第２位置における熱交換後の高温空気の温度は１００℃〜１５０℃程度である。また、焼却処理システムからの洗煙排水の温度は６０℃〜７０℃程度であり、高温空気との熱交換後の洗煙排水の温度は７０℃〜７３℃程度である。
【００１７】
洗煙排水との熱交換後の高温空気の温度は、まだ９０℃〜１００℃程度の高温状態であり、この高温空気を焼却炉からの排ガスと接触させると充分に白煙防止空気として利用することができる。したがって、この排熱発電方法においては、白煙防止空気としての機能を損なうことなく、高温空気を白煙防止空気として利用するまでの間に多くの熱交換を行って効率的なエネルギー回収を実現している。
【００１８】
なお、高温空気との熱交換後の洗煙排水は７０℃〜７３℃程度にまで温度上昇するので、この洗煙排水を第３位置に適用して作動流体との熱交換を行うことにより、エネルギー回収の一層の効率化を図ることができる。
【００１９】
複数の焼却処理システムからの各高温空気を、第１位置における熱交換の前に複数の焼却処理システムに亘って集約するステップと、複数の焼却処理システムからの各洗煙排水を、高温空気との熱交換の前に複数の焼却処理システムに亘って集約するステップと、を更に有してもよい。
【００２０】
１つの焼却処理システムにおける下水汚泥やごみ等の廃棄物処理の状況は、一定とは限らない。したがって、１つの焼却処理システムからの高温空気や洗煙排水の排出量・温度（熱量）等も安定的とはいえない。
【００２１】
しかしながら、複数の焼却処理システムからの各高温空気や洗煙排水を各々集約した上で、排熱発電システムに適用することにより、エネルギー回収の安定化を図ることができて、排熱発電システムのスケールメリットを生かすことができる。
【００２２】
例えば、焼却能力が大型の（例えば、通常能力の５台分の）焼却処理システムにおいては、大型化の限界があったり、定期メンテナンスや故障時における焼却処理システムの停止のリスクがある。そのため、５台分の能力が必要な場合には、大型の焼却処理システムとせず、通常能力の焼却処理システムを５台接続して使用する。
【００２３】
このとき、５台の通常能力の焼却処理システムに対して、各々通常能力の排熱発電システムを５台接続すると、５台分の排熱発電システムの設備費用が必要となりコスト高となる。また、焼却処理システムの稼動時には各排熱発電システムは通常能力の目一杯近くで稼動するので、第１位置における熱交換器の金属温度が限界近くまで上昇し（温度差が小さくなって熱交換があまり行われなくなり）、装置寿命の観点から好ましくない。
【００２４】
しかしながら、通常能力の焼却処理システム５台に対し、大型の（例えば、通常能力の５台分の）排熱発電システムを集約的に接続すれば、まず、排熱発電システムの設備コストが１台分で済むので、コスト的なメリットがある。しかも、５台の焼却処理システムが常に稼動しているわけでなく、平均的に３台程度の焼却処理システムが稼動している場合には、大型排熱発電システムの第１位置における熱交換器の容量を（５台分の大型とすることなく）３台分の容量とすることができる。したがって、その点でも熱交換器のコストメリットがある。
【００２５】
また、排熱発電システム自体が大型で容量に余裕があり、第１位置における熱交換器の金属温度があまり上昇しない場合には、熱交換器の寿命向上にも寄与することができる。ここで、”複数の焼却処理システムに亘って集約”とは、焼却処理システム全体が複数存在し、それらを集約する場合に限られず、”焼却処理システム内に複数の焼却炉が存在しており、それら複数の焼却炉に亘って集約”する場合を含む。以下の本文において、”複数の焼却処理システムに亘って集約”が”焼却処理システム内に複数の焼却炉が存在しており、それら複数の焼却炉に亘って集約”する場合を含む点については同様である。
【００２６】
なお、各高温空気の集約においては、各焼却処理システムからの排出量を調整する調整手段（調整弁等）が排出経路内に設けられ、コンピュータ制御によりそれらの調整手段が調整されるようになっていてももちろんよいし、それは各焼却処理システムからの洗煙排水についても同様である。
【００２７】
高温空気を、第１位置に適用することなく第１位置における熱交換後の高温空気と合流させる第１熱交換回避ステップと、合流後の高温空気を、第２位置に適用することなく第２位置における熱交換後の高温空気と合流させる第２熱交換回避ステップと、を更に有してもよい。
【００２８】
高温空気と作動流体との第１位置又は第２位置における熱交換を、必要に応じて回避させることができる。したがって、焼却処理システムからの高温空気や洗煙排水の排出量・温度（熱量）等に応じて、又は、排熱発電システムにおいて必要とされる発電量に応じて、高温空気と作動流体との熱交換を実行したり停止したりすることができる。
【００２９】
しかも、第１位置でのみ熱交換を行わせて第２位置では熱交換を回避したり、第１位置でのみ熱交換を回避して第２位置では熱交換を行わせたり、また、第１位置と第２位置の両方で熱交換を行わせたりすることができるので、状況に応じて熱交換実行位置を選択することができる。
【００３０】
例えば、第１位置における熱交換器の伝熱面積が比較的大きく、第２位置における熱交換器の伝熱面積が比較的小さいことにより、第１位置における熱交換効率が第２位置における熱交換効率よりも高効率である場合に、第１位置にすべての高温空気を適用すると、必要以上に熱交換が行われてしまう場合がある。
【００３１】
しかしながら、第１熱交換回避ステップによって第１位置での高温空気と作動流体との熱交換を回避することができれば、発電必要量に応じた適正な熱回収を行うことができる。そのため、例えば負荷側（電力消費側）における必要電力以上に過大な発電電力が生成されることによる、いわゆる逆調等を予防することができる。
【００３２】
もちろん、第１位置や第２位置における高温空気と作動流体との熱交換を回避するか否かを選択するだけでなく、その回避量を調整することができれば、より一層必要に応じた適正量の発電を行うことができる。例えば、第１及び第２熱交換回避ステップに加え、後述するような、第１及び第２調整ステップ（例えば、流量調整バルブ等による流量調整ステップ。）を有することにより、各熱交換位置への高温空気の適用量と回避量とを調整することができれば、必要発電量に応じて、細やかに熱交換量（すなわち、高温ガスの適用量）を調整することができる。
【００３３】
なお、高温空気の適用量／回避量の調整による発電量（発電電力）の調整効果は、第１位置における熱交換器の伝熱面積が大きいとその効果が高く、伝熱面積が小さいとその効果が低い。換言すれば、第１位置における熱交換器の伝熱面積が小さい場合は、高温空気の適用量を減少（回避量を増加）させたときの発電量低下が少なく、焼却炉が複数である場合の出熱側の変動を考えると投資効果も高い。
【００３４】
この性質を利用すれば、第１位置及び第２位置のいずれか一方の熱交換器の伝熱面積を大きく、他方を小さく設定すれば、伝熱面積の大きい方の熱交換器への高温空気の適用量及び回避量を調整することにより、必要に応じた発電量の調整を精密かつ効果的に行うことができる。伝熱面積の小さい方の熱交換器では、高温空気による流入熱量が多少変動しても、発電量への影響が少ないからである。
【００３５】
また、第１位置における熱交換器の伝熱面積が小さい場合には、適用高温空気量の変化による発電量の変化の度合いが小さいので、高温空気量が変動しても安定的に所定量の発電量を確保することができる。例えば、複数の焼却処理システムからの高温空気を集約して排熱発電システムに利用する場合において、すべての焼却処理システムが常時稼動しているとは限らず、一部の焼却処理システムが非稼動となる場合がある。
【００３６】
そのような場合においても、第１位置における熱交換器の伝熱面積を比較的小さく設定しておけば、一部非稼動により高温空気量が減少しても、それによる発電量の低下を極力抑制することができる。熱交換器の伝熱面積を小さく設定することにより、熱交換器のコストも低減することができる。
【００３７】
第１位置における熱交換後の作動流体の第１作動流体温度を計測するステップと、第１位置における熱交換前の高温空気の第１高温空気温度を計測するステップと、第１高温空気温度と第１作動流体温度との差分に基づいて第１位置に適用する高温空気量と第１位置への適用を回避する高温空気量との配分を調整する第１調整ステップと、第２位置における熱交換後の作動流体の第２作動流体温度を計測するステップと、第２位置における熱交換前の高温空気の第２高温空気温度を計測するステップと、第２高温空気温度と第２作動流体温度との差分に基づいて第２位置に適用する高温空気量と第２位置への適用を回避する高温空気量との配分を調整する第２調整ステップと、を更に有してもよい。
【００３８】
第１作動流体温度と第１高温空気温度との温度差分に基づいて、第１位置への適用／不適用の高温空気量配分を調整するので、第１位置において温度差分に基づく適切な熱交換を実現することができる。例えば、この温度差分が小さい場合、第１位置に高温空気を適用してもあまり熱交換が行われない。そのような場合には、第１位置に適用する高温空気量を低減し、第１位置を回避する（不適用とする）高温空気量を増大させることが好ましい。
【００３９】
また、第２作動流体温度と第２高温空気温度との温度差分に基づいて、第２位置への適用／不適用の高温空気量配分を調整するので、第２位置においても温度差分に基づく適切な熱交換を実現することができる。例えば、この温度差分が小さい場合、第２位置に高温空気を適用してもあまり熱交換が行われない。そのような場合には、第２位置に適用する高温空気量を低減し、第２位置を回避する（不適用とする）高温空気量を増大させることが好ましい。
【００４０】
なお、第１位置における熱交換直前の作動流体の第１作動流体温度を計測するステップと、第１位置における熱交換前の高温空気の第１高温空気温度を計測するステップと、第１高温空気温度と第１作動流体温度との差分に基づいて第１位置に適用する高温空気量と第１位置への適用を回避する高温空気量との配分を調整する第１調整ステップと、第２位置における熱交換直前の作動流体の第２作動流体温度を計測するステップと、第２位置における熱交換前の高温空気の第２高温空気温度を計測するステップと、第２高温空気温度と第２作動流体温度との差分に基づいて第２位置に適用する高温空気量と第２位置への適用を回避する高温空気量との配分を調整する第２調整ステップと、を有してももちろんよい。
【００４１】
本発明の他の例示的側面としての排熱発電方法は、複数の焼却処理システムが備える複数の焼却炉から各々排出される排ガスによって加熱された各高温空気を複数の焼却処理システムに亘って集約するステップと、集約後の高温空気を、作動流体によってタービンを回転させて発電を行う排熱発電システムにおける作動流体経路上でのタービンより上流側の第１位置に適用することにより、第１位置における高温空気と作動流体との熱交換を行う第１熱交換ステップと、第１位置での熱交換後の高温空気を、白煙防止空気として排ガスと接触させる接触ステップと、を有する。
【００４２】
焼却処理システムからの高温空気を排熱発電システムに適用し、高温空気と作動流体との熱交換を行っているので、廃熱を利用して効率的な発電を行うことができる。ただし、１つの焼却処理システムにおける下水汚泥やごみ等の廃棄物処理の状況は、一定とは限らない。したがって、１つの焼却処理システムからの高温空気や洗煙排水の排出量・温度（熱量）等も安定的とはいえない。
【００４３】
しかしながら、複数の焼却処理システムからの各高温空気を各々集約した上で、排熱発電システムに適用することにより、上述したように、エネルギー回収の安定化を図ることができて、排熱発電システムのスケールメリットを生かすことができる。例えば、複数の焼却処理システムからの高温空気や洗煙排水を各々集約して、大型の１つの排熱発電システムに適用することにより、排熱発電システムを複数台分設置するのに比べてその装置コストを低減することができる。また、排熱発電システムの寿命向上にも寄与することができる。
【００４４】
各高温空気の集約においては、各焼却処理システムからの排出量を調整する調整手段（調整弁等）が排出経路内に設けられ、コンピュータ制御によりそれらの調整手段が調整されるようになっていてももちろんよい。
【００４５】
なお、作動流体との熱交換後の高温空気の温度は一般的にまだ充分高温であり、この高温空気を焼却炉からの排ガスと接触させると充分に白煙防止空気として利用することができる。したがって、この排熱発電方法においては、白煙防止空気としての機能を損なうことなく、高温空気を白煙防止空気として利用するまでの間に作動流体との熱交換を行って効率的なエネルギー回収を実現している。
【００４６】
第１位置が排熱発電システムにおける分離器よりも下流側である場合に、第１熱交換ステップ後であってかつ接触ステップ前の高温空気を、作動流体経路上での分離器より上流側の第２位置に適用することにより、第２位置における高温空気と作動流体との熱交換を行う第２熱交換ステップを、更に有してもよい。
【００４７】
作動流体が気体状態である分離器後の第１位置においてまず熱交換を行い、気体状態の作動流体を過熱している。そして、その後に作動流体が気液２相状態である分離器前の第２位置において熱交換を行い、作動流体の気化を促進している。高温空気は、熱容量の小さい気体状態での作動流体に熱を与えた後に、熱容量の大きい気液２相状態での作動流体に剰余熱を与えることとなる。そのため、効率的な熱交換を行うことができ、ひいては発電効率の低下の抑制、発電量の低下の抑制に寄与することができる。
【００４８】
タービンを回転させた後の作動流体を冷却するために、作動流体経路上でのタービンより下流側の位置に冷却水を適用するステップと、作動流体冷却後の冷却水を、洗煙水として排ガスと接触させるステップと、を更に有してもよい。
【００４９】
作動流体の冷却水を洗煙水として排ガスと接触させるので、焼却処理システム及び排熱発電システム全体として使用する水量の節約に寄与することができる。また、冷却水は、作動流体の冷却（すなわち、作動流体との熱交換）後に昇温しているので、焼却処理システムの排煙洗浄塔への給水に利用すれば塔内温度の上昇に寄与し、洗煙排水の温度を高める効果がある。
【００５０】
作動流体が、アンモニア、フロン又はアンモニア／水混合流体のうちいずれかであってもよい。
【００５１】
これらの流体は沸点が比較的低温で気化し易い。したがって、これらの流体を作動流体として用いることにより、温度は低いが大量に存在した廃熱（低温熱源）からの熱を有効に利用して、温度差を利用した排熱発電を実現することができる。
【００５２】
本発明の更に他の例示的側面としての排熱発電システムは、作動流体によってタービンを回転させて発電を行う排熱発電システムであって、焼却処理システムが備える焼却炉から排出される排ガスによって加熱された高温空気を、作動流体経路上でのタービンより上流側であって分離器より下流側の第１位置に適用することにより、第１位置における高温空気と作動流体との熱交換を行う第１熱交換機能と、第１位置での熱交換後の高温空気を、作動流体経路上での分離器より上流側の第２位置に適用することにより、第２位置における高温空気と作動流体との熱交換を行う第２熱交換機能と、排ガスを洗浄した後に焼却処理システムから排出される洗煙排水と第２位置における熱交換後の高温空気との熱交換を行う排水用熱交換機能と、高温空気との熱交換後の洗煙排水を、作動流体経路上での第２位置より上流側の第３位置に適用することにより、第３位置における洗煙排水と作動流体との熱交換を行う第３熱交換機能と、洗煙排水との熱交換後の高温空気を、白煙防止空気として排ガスと接触させる接触機能と、を有する。
【００５３】
焼却処理システムからの高温空気を排熱発電システムに適用し、高温空気と作動流体との熱交換を行っているので、廃熱を利用して効率的な発電を行うことができる。また、その高温空気を、タービンより上流側であって分離器よりも下流側の第１位置、分離器よりも上流側の第２位置の複数個所に亘って排熱発電システムに適用しているので、作動流体との熱交換量を大きくすることができ、充分な熱を作動流体に与えることができる。
【００５４】
作動流体が気体状態である分離器後の第１位置においてまず熱交換を行い、気体状態の作動流体を過熱している。そして、その後に作動流体が気液２相状態である分離器前の第２位置において熱交換を行い、作動流体の気化を促進している。高温空気は、熱容量の小さい気体状態での作動流体に熱を与えた後に、熱容量の大きい気液２相状態での作動流体に剰余熱を与えることとなる。そのため、効率的な熱交換を行うことができ、ひいては発電効率の低下の抑制、発電量の低下の抑制に寄与することができる。
【００５５】
更に、第２位置での熱交換後に、高温空気と洗煙排水との熱交換を行い、その高温空気との熱交換後の洗煙排水と作動流体との熱交換を第２位置よりも上流側の第３位置において行っている。そのため、焼却処理システムから高温空気や洗煙排水という形で排出される廃熱を余すところなく充分に再利用し、排熱発電に利用することができる。
【００５６】
本発明の更に他の例示的側面としての排熱発電システムは、作動流体によってタービンを回転させて発電を行う排熱発電システムであって、複数の焼却処理システムが備える複数の焼却炉から各々排出される排ガスによって加熱された各高温空気を複数の焼却処理システムに亘って集約する機能と、集約後の高温空気を、作動流体経路上でのタービンより上流側の第１位置に適用することにより、第１位置における高温空気と作動流体との熱交換を行う第１熱交換機能と、第１位置での熱交換後の高温空気を、白煙防止空気として排ガスと接触させる接触機能と、を有する。
【００５７】
焼却処理システムからの高温空気を排熱発電システムに適用し、高温空気と作動流体との熱交換を行っているので、廃熱を利用して効率的な発電を行うことができる。ただし、１つの焼却処理システムにおける下水汚泥やごみ等の廃棄物処理の状況は、一定とは限らない。したがって、１つの焼却処理システムからの高温空気や洗煙排水の排出量・温度（熱量）等も安定的とはいえない。
【００５８】
しかしながら、複数の焼却処理システムからの各高温空気を各々集約した上で、排熱発電システムに適用することにより、上述したように、エネルギー回収の安定化を図ることができて、排熱発電システムのスケールメリットを生かすことができる。例えば、複数の焼却処理システムからの高温空気や洗煙排水を各々集約して、大型の１つの排熱発電システムに適用することにより、排熱発電システムを複数台分設置するのに比べてその装置コストを低減することができる。また、排熱発電システムの寿命向上にも寄与することができる。
【００５９】
各高温空気の集約においては、各焼却処理システムからの排出量を調整する調整手段（調整弁等）が排出経路内に設けられ、コンピュータ制御によりそれらの調整手段が調整されるようになっていてももちろんよい。
【００６０】
なお、作動流体との熱交換後の高温空気の温度は一般的にまだ充分高温であり、この高温空気を焼却炉からの排ガスと接触させると充分に白煙防止空気として利用することができる。したがって、この排熱発電方法においては、白煙防止空気としての機能を損なうことなく、高温空気を白煙防止空気として利用するまでの間に作動流体との熱交換を行って効率的なエネルギー回収を実現している。
【００６１】
本発明の更なる課題又はその他の特徴は、以下添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。
【発明の効果】
【００６２】
本発明によれば、焼却炉から排出される熱源を有効に利用し、そのエネルギー回収効率を向上させて安定的・効率的に発電を行うことができる。例えば、その焼却炉を備える焼却処理システムからの高温空気を排熱発電システムに複数個所で適用した後に白煙防止空気として利用することにより、従来廃棄されていた熱エネルギーの効率的なエネルギー回収を実現すると共に、白煙防止機能も充分に達成させることができる。
【００６３】
複数の焼却処理システムからの高温空気や洗煙排水を集約して排熱発電システムに適用することにより、焼却処理システムごとの稼動状況の変化の影響を低減し、安定的なエネルギー回収を実現している。また、排熱発電システムに適用する高温空気量と適用しない高温空気量との調整を可能とすることにより、焼却処理システムからの廃熱量の変化や必要発電量に対応して排熱発電システムに適用する高温空気量を変化させることができ、安定的に必要量の発電を適切に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の実施の形態に係る排熱発電方法を実現する発電システムを含む下水処理プラントの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示す処理システムの内部構成の概略を示すブロック図である。
【図３】図１に示す発電システムの内部構成の概略を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施例１に係る発電システムの構成図である。
【図５】本発明の比較例１に係る発電システムの構成図である。
【図６】本発明の比較例２に係る発電システムの構成図である。
【図７】本発明の比較例３に係る発電システムの構成図である。
【図８】本発明の比較例４に係る発電システムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００６５】
以下、本発明の実施の形態に係る排熱発電方法を実現する排熱発電システムについて、図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る下水処理プラント（以下、プラントと略す。）Ｐの概略構成を示すブロック図である。このプラントＰは、複数の焼却処理システムとしての下水処理システム（以下、処理システムと略す。）Ｓと発電システム（排熱発電システム）Ｇとを有して構成されている。このプラントＰにおいては、処理システムＳからの高温空気（白煙防止空気）２と洗煙排水Ｗとが発電システムＧに適用されるようになっている。複数の処理システムＳからの各々の高温空気２と各々の洗煙排水Ｗとは、それぞれ集約されて発電システムＧへと適用されるようになっている。
【００６６】
また、発電システムＧ内での熱交換を行った後の高温空気２が、発電システムＧから白煙防止空気２として各処理システムＳの排煙洗浄塔１０５（図２参照）へと送られるようになっている。更に、発電システムＧ内で作動流体の冷却に用いた冷却水Ｃが、洗煙水の一部として各処理システムＳの排煙洗浄塔１０５へと送られるようになっている。
【００６７】
図２は、処理システムＳの内部構成の概略を示すブロック図である。複数の処理システムＳは、いずれも大略同様の構成を有しているので、１つの処理システムＳの構成について説明し、その他の処理システムＳの構成についての説明は省略する。この処理システムＳは、焼却炉１０１、流動空気予熱器１０２、白煙防止空気予熱器１０３、集塵機１０４、排煙洗浄塔１０５を有して大略構成されている。
【００６８】
図２において１０１は焼却炉であり、この実施形態では下水汚泥脱水ケーキを焼却するための流動焼却炉である。しかし本発明において焼却炉１０１はこれに限定されるものではなく、ごみ焼却炉であってもよい。その排ガスは通常は８００〜８５０℃程度の高温排ガスである。１０２はこの高温排ガスが導入される流動空気予熱器であり、流動空気を例えば６５０℃に予熱して炉底部の分散管に供給している。焼却炉１０１が流動焼却炉でない場合には流動空気予熱器１０２は省略される。
【００６９】
流動空気予熱器１０２の後段には白煙防止空気予熱器１０３が設置されている。この白煙防止空気予熱器１０３は煙突から放出される排ガス中の水蒸気が白煙として見えることを防止するための高温空気（白煙防止空気）２を得るための熱交換器であり、約３００℃の加熱ガス（白煙防止空気）が得られる。一方、排ガスは白煙防止空気予熱器１０３を通過すると２５０〜４００℃にまで温度が低下し、次の集塵機１０４に導かれてダストが除去される。
【００７０】
ここで、高温空気（白煙防止空気）２の典型例としては、一般的に空気が考えられるが、もちろんその他の種々の気体を適用しても良い。また、白煙防止空気予熱器１０３によって加熱され、後述する煙突１０８に送られる前のものを高温空気と呼び、煙突１０８に送られて白煙防止機能を発揮するものを白煙防止空気と呼ぶが、両者は実態上同じものであるので、同じ引用符号２を付して説明する。
【００７１】
集塵機１０４はこの実施形態では耐熱性に優れたセラミック集塵機であり、白煙防止空気予熱器１０３を通過した２５０〜４００℃の排ガスをそのまま集塵することができる。しかし集塵機１０４としてはバグフィルタを使用することもでき、その場合にはその前段に冷却塔を配置してバグフィルタの耐熱温度まで降温することが必要である。集塵機１０４における排ガスの温度降下は小さく、排ガスは２００〜４００℃で次の排煙洗浄塔１０５に入る。
【００７２】
排煙洗浄塔１０５は塔の下部から排ガスを導入し、上部のノズル１０６から散水される水（洗煙水）Ｗと接触させることによって排ガス中のＮＯＸ，ＳＯＸ等の成分を除去する装置である。従来と同様に、塔内水はポンプ１０７によりノズル１０６に送水されて循環使用される。この実施形態の排煙洗浄塔１０５は塔の上部に煙突１０８が接続されており、塔内で洗浄された排ガスは煙突１０８から放出される。なお排煙洗浄塔１０５と煙突１０８との中間部分には複数段の棚板部１０９が形成されており、その上部から給水された清浄水と排ガスとを充分に接触させることにより、水洗が十分に行われるように工夫されている。
【００７３】
この排煙洗浄塔１０５においては排ガスが水と接触するため、２００〜４００℃の排ガスの保有熱の大半は水側に移動し、前記したように排煙洗浄塔１０５から排出される洗煙排水Ｗは６０〜７０℃の温水となる。本発明では約３００℃の高温空気２の保有熱を利用して排熱発電を行うが、これと共に洗煙排水Ｗの保有熱をも利用する。
【００７４】
このため本実施形態においては、後述するように排煙洗浄塔１０５から出る洗煙排水Ｗを高温空気２との熱交換（排水用熱交換ステップ、排水用熱交換機能）によって昇温させた上で、排熱発電システムＧに供給している。その昇温幅は設備や運転方法によって様々であるが、通常は５〜１５℃の範囲である。洗煙排水Ｗとの熱交換後の高温空気２は９０℃〜１００℃程度の温度を保持しているので、煙突１０８に送られて白煙防止空気２としての本来の機能を発揮することができる。
【００７５】
なお洗煙排水Ｗの昇温量を増加させようとすると洗煙排水Ｗとの熱交換（排水用熱交換ステップ、排水用熱交換機能）後の高温空気２の温度が低下するが、１００℃程度まで低下しても、大気温度が２０℃、湿度１００％の気候条件においては白煙は生じないが、冬場の条件である大気温度が０℃、湿度１００％では、白煙が生じる。ただし、白煙の発生について法的規制は無く、冬場でもこの条件となるのは、数日程度である。また、このようにして高温空気２との熱交換によって昇温された洗煙排水Ｗは７０℃〜７３℃程度の温水となり、排熱発電システムＧに供給される。
【００７６】
図３は、発電システムＧの内部構成の概略を示すブロック図である。発電システムＧとしては、アンモニア、フロン又はアンモニア/水混合流体のような低沸点流体を作動流体Ｌとする温度差発電システムを用いることが好ましい。このような温度差発電システム自体は、例えば佐賀大学の出願に係る特開平７−９１３６１号公報に記載のように既に知られたものであり、例えば比較的温度の高い表層海水と深層の冷海水との温度差を利用した温度差発電を行うことができるシステムである。
【００７７】
この発電システムＧは、図３に示すように、タービン１０、発電機１１、吸収器１２、凝縮器１３、循環ポンプ１４、再生器１５、蒸発器１６、加熱器１７、分離器１８、過熱器（蒸気加熱器）１９、減圧弁２０を有して大略構成されている。また、この発電システムＧは、温度センサ２１〜２４、第１制御手段２５、第２制御手段２６、第１調整バルブ２７、第２調整バルブ２８をも有している。なお、作動流体Ｌは、図３に示すように、加熱冷却を繰り返しながら作動流体経路Ｒ内を循環しているので、以下、循環ポンプ１４から順に、下流（作動流体の流れる方向）に向けて上記各構成の説明をする。
【００７８】
循環ポンプ１４で送り出された液相の作動流体Ｌは、再生器１５によって予熱され、その後に蒸発器１６へと送られる。この蒸発器１６が設置されている位置は、作動流体経路Ｒ内における第３位置である。この蒸発器１６において、作動流体Ｌと洗煙排水Ｗとの熱交換が行われ（第３熱交換ステップ、第３熱交換機能）、洗煙排水Ｗから作動流体Ｌへの熱移動が行われる。その結果、作動流体Ｌは内部熱エネルギー状態を高めた気液２相状態となり、次の加熱器１７へと送られる。
【００７９】
この加熱器１７が設置されている位置は、作動流体経路Ｒ内における第２位置である。この加熱器１７において、作動流体Ｌと高温空気２との熱交換が行われ（第２熱交換ステップ、第２熱交換機能）、高温空気２から作動流体Ｌへの熱移動が行われる。その結果、作動流体Ｌは更に内部熱エネルギー状態を高めた気液２相状態となり、分離器１８へと送られる。
【００８０】
分離器１８は、気液２相状態の作動流体Ｌを気相と液相とに分離するものである。液相部分の作動流体Ｌは、再び再生器１５へと送られて熱を取られた後、更に減圧弁２０を介して吸収器１２へと送られるようになっている。一方、気相状態の作動流体Ｌは、分離器１８から過熱器１９へと送られる。その過熱器１９が設置されている位置は、作動流体経路Ｒ内における第１位置である。この過熱器１９において、作動流体Ｌと高温空気２との熱交換が行われ（第１熱交換ステップ、第１熱交換機能）、高温空気２から作動流体Ｌへの熱移動が行われる。その結果、作動流体Ｌは更に内部熱エネルギー状態を高めた過熱蒸気となり、タービン１０へと送られる。
【００８１】
過熱蒸気状態の作動流体Ｌは、タービン１０を回転させ、タービン１０に連結された発電機によって発電を行う。そして、発電の仕事を終えた作動流体Ｌは、吸収器１２へと送られて減圧弁２０を介して送られてきた作動流体Ｌと合流する。この吸収器１２は、例えばノズル噴霧式のものが採用されており、減圧弁２０からの作動流体Ｌ（液相）が発電を終えた作動流体Ｌ（気相）に向かって噴霧され、気相の作動流体Ｌから熱を奪って冷却するようになっている。
【００８２】
その後、凝縮器１３へと送られた作動流体Ｌは、冷却水Ｃによって冷却されて液相へと戻り、再び循環ポンプ１４へと至る。このように、循環ポンプ１４によって送られつつ洗煙排水Ｗ及び高温空気２によって加熱され、タービン１０を回転させた後に冷却水Ｃによって冷却されて経路Ｒ内を循環することにより、作動流体Ｌは発電を行う。なお、過熱器１９は、タービン１０よりも上流側であって分離器１８よりも下流側の第１位置に設けられ、加熱器１７は分離器１８よりも上流側の第２位置に設けられ、蒸発器１６は加熱器１７よりも上流側の第３位置に設けられている。
【００８３】
処理システムＳからの高温空気２は、複数の処理システムＳからのものが集約されて（高温空気集約ステップ、高温空気集約機能）、１つにまとめられた状態で発電システムＧへと送られる。それにより、処理システムＳごとの処理状況の変動の影響を低減し、安定した高温空気２の提供を可能としている。
【００８４】
集約された高温空気２は、まず第１位置の過熱器１９へと適用されるようになっている。そして、その後に第２位置の加熱器１７へと適用され、更にその後に排水加熱器２９へと適用されて洗煙排水Ｗとの熱交換が行われる（排水用熱交換ステップ、排水用熱交換機能）ようになっている。そして、排水用熱交換ステップ完了後の高温空気２は再び処理システムＳへと送られて、各処理システムＳの排煙洗浄塔１０５へと適用されて白煙防止空気２として利用されるようになっている。白煙防止空気２は排ガスと接触し（接触ステップ、接触機能）、排ガスの白煙発生を防止する。
【００８５】
発電システムＧには、高温空気２の過熱器１９への適用を回避する（第１熱交換回避ステップ、第１熱交換回避機能）ための過熱器回避経路３０が配置され、その経路３０上には第１調整バルブ２７が設けられている。この第１調整バルブ２７は、第１制御手段２５からの制御信号に基づき、バルブを開放したり閉鎖したりして、高温空気２を過熱器１９へと適用させたり、過熱器回避経路３０へと導いて過熱器１９への適用を回避させたりするものである。
【００８６】
なお、第１制御手段２５は、例えば、コンピュータ、シーケンサ、リレースイッチ等で構成され、温度センサ２１，２２のセンサ出力を受け取り、それらのセンサ出力に基づき第１調整バルブ２７を開閉制御する。なお、温度センサ２１は、過熱器１９より作動流体経路Ｒ上での下流側における作動流体Ｌの温度ｔ１を計測する（第１作動流体温度計測ステップ、第１作動流体温度計測機能）ためのセンサである。また、温度センサ２２は、過熱器１９より高温空気２経路上での上流側における高温空気２の温度Ｔ１を計測する（第１高温空気温度計測ステップ、第１高温空気温度計測機能）ためのセンサである。
【００８７】
より具体的には、第１制御手段２５は、温度センサ２２による計測温度Ｔ１と温度センサ２１による計測温度ｔ１との温度差分に基づいて過熱器１９に適用する高温空気２のガス量と過熱器１９への適用を回避する高温空気２のガス量との配分を、第１調整バルブ２７の開閉制御によって調整する。このとき、温度Ｔ１と温度ｔ１との温度差分（Ｔ１−ｔ１）が小さいときは第１調整バルブ２７を開放し、なるべく多くの高温空気２が過熱器回避経路３０を通過するようにし、温度Ｔ１と温度ｔ１との温度差分（Ｔ１−ｔ１）が大きいときは第１調整バルブ２７を閉鎖し、なるべく多くの高温空気２が過熱器１９を通過するように制御する。
【００８８】
発電システムＧには、高温空気２の加熱器１７への適用を回避する（第２熱交換回避ステップ、第２熱交換回避機能）ための加熱器回避経路３１が配置され、その経路３１上には第２調整バルブ２８が設けられている。この第２調整バルブ２８は、第２制御手段２６からの制御信号に基づき、バルブを開放したり閉鎖したりして、高温空気２を加熱器１７へと適用させたり、加熱器回避経路３１へと導いて加熱器１７への適用を回避させたりするものである。
【００８９】
なお、第２制御手段２６は、例えば、コンピュータ、シーケンサ、リレースイッチ等で構成され、温度センサ２３，２４のセンサ出力を受け取り、それらのセンサ出力に基づき第２調整バルブ２８を開閉制御する。なお、温度センサ２３は、加熱器１７より作動流体経路Ｒ上での下流側における作動流体Ｌの温度ｔ２を計測する（第２作動流体温度計測ステップ、第２作動流体温度計測機能）ためのセンサである。また、温度センサ２４は、加熱器１７より高温空気２経路上での上流側（かつ、過熱器１９より下流側）における高温空気２の温度Ｔ２を計測する（第２高温空気温度計測ステップ、第２高温空気温度計測機能）ためのセンサである。
【００９０】
より具体的には、第２制御手段２６は、温度センサ２４による計測温度Ｔ２と温度センサ２３による計測温度ｔ２との温度差分に基づいて加熱器１７に適用する高温空気２のガス量と加熱器１７への適用を回避する高温空気２のガス量との配分を、第２調整バルブ２８の開閉制御によって調整する。このとき、温度Ｔ２と温度ｔ２との温度差分（Ｔ２−ｔ２）が小さいときは第２調整バルブ２８を開放し、なるべく多くの高温空気２が加熱器回避経路３１を通過するようにし、温度Ｔ２と温度ｔ２との温度差分（Ｔ２−ｔ２）が大きいときは第２調整バルブ２８を閉鎖し、なるべく多くの高温空気２が加熱器１７を通過するように制御する。
【００９１】
処理システムＳからの洗煙排水Ｗは、複数の処理システムＳからのものが集約されて（洗煙排水集約ステップ、洗煙排水集約機能）、１つにまとめられた状態で発電システムＧへと送られる。それにより、処理システムＳごとの処理状況の変動の影響を低減し、安定した洗煙排水Ｗの提供を可能としている。
【００９２】
集約された洗煙排水Ｗは、排水加熱器２９において第２熱交換ステップ又は第２熱交換回避ステップ後の高温空気２と熱交換が行われる（排水用熱交換ステップ、排水用熱交換機能）ようになっている。そして、その後に洗煙排水Ｗが第３位置の蒸発器１６へと適用され、作動流体Ｌとの熱交換が行われる（第３熱交換ステップ、第３熱交換機能）ようになっている。
【００９３】
低温熱源である冷却水Ｃとしては常温の水を用いることができる。凝縮器１３に適用する冷却水Ｃは清浄水であり、凝縮器１３後に処理システムＳの排煙洗浄塔１０５の上部に給水することにより、その使用水量を抑制することができる。冷却水Ｃを洗煙排水Ｗとして再利用しているので、システム全体としての節水に寄与し、環境適性の向上に貢献している。なお冷却水Ｃも凝縮器１３により加温されることとなるため、排煙洗浄塔１０５への給水に利用すれば塔内温度の上昇に寄与し、洗煙排水Ｗの温度を高める効果がある。
【実施例】
【００９４】
［実施例１］
図４に示す構成の発電システムＧにおける発電量（タービン出力）を、シミュレーション計算により見積った。計算条件は以下の通りである。なお、本実施例１においては、図４に示す作動流体経路Ｒ上での各位置ｒ１〜ｒ１０で、作動流体Ｌの温度Ｔ、圧力ｐ、密度指標値ρ、アンモニア／水比率Ｙ、エントロピーｓ及びエンタルピーＨを見積もった。演算結果を表１に示す。ここで、密度指標値とは、密度（ｋｇ／ｍ３）の逆数を意味する。
【００９５】
＜計算条件＞
・高温空気２：
−流量：９３００ｍ３／ｈ
−位置ｇ１における温度：３００℃
−位置ｇ２における温度：１７０℃
−位置ｇ３における温度：１５０℃
−位置ｇ４における温度：１００℃
・洗煙排水Ｗ：
−流量：５３ｍ３／ｈ
−位置ｗ１における温度：７０℃
−位置ｗ２における温度：６０℃
−位置ｗ３における温度：７３℃
・冷却水Ｃ：
−位置ｃ１における温度：２０℃
−位置ｃ２における温度：２５℃
・作動流体Ｌ：
−成分：アンモニア／水比＝０．９５
【００９６】
【表１】
【００９７】
［比較例１］
図５に示す構成の発電システムＧにおける発電量（タービン出力）を、シミュレーション計算により見積った。本比較例１においては高温空気２を発電システムＧに適用していないが、洗煙排水Ｗ（位置ｗ１，ｗ２における温度）、冷却水Ｃ（位置ｃ１，ｃ２における温度）及び作動流体Ｌに関する計算条件は実施例１と同様である。なお、本比較例１においては、図５に示す作動流体経路Ｒ上での各位置ｒ１〜ｒ１０で、作動流体Ｌの温度、圧力及び密度を見積もった。演算結果を表２に示す。ここで、密度指標値とは、密度（ｋｇ／ｍ３）の逆数を意味する。
【００９８】
【表２】
【００９９】
［比較例２］
図６に示す構成の発電システムＧにおける発電量（タービン出力）を、シミュレーション計算により見積った。高温空気２に関する計算条件は以下の通りである。洗煙排水Ｗ（位置ｗ１，ｗ２における温度）、冷却水Ｃ（位置ｃ１，ｃ２における温度）及び作動流体Ｌに関する計算条件は実施例１と同様である。なお、本比較例２においては、図６に示す作動流体経路Ｒ上での各位置ｒ１〜ｒ１０で、作動流体Ｌの温度、圧力及び密度を見積もった。演算結果を表３に示す。ここで、密度指標値とは、密度（ｋｇ／ｍ３）の逆数を意味する。
【０１００】
＜計算条件＞
・高温空気２：
−流量：９３００ｍ３／ｈ
−位置ｇ１における温度：３００℃
−位置ｇ２における温度：１００℃
【０１０１】
【表３】
【０１０２】
［比較例３］
図７に示す構成の発電システムＧにおける発電量（タービン出力）を、シミュレーション計算により見積った。高温空気２に関する計算条件は以下の通りである。洗煙排水Ｗ（位置ｗ１，ｗ２における温度）、冷却水Ｃ（位置ｃ１，ｃ２における温度）及び作動流体Ｌに関する計算条件は実施例１と同様である。なお、本比較例３においては、図７に示す作動流体経路Ｒ上での各位置ｒ１〜ｒ１０で、作動流体Ｌの温度、圧力及び密度を見積もった。演算結果を表４に示す。ここで、密度指標値とは、密度（ｋｇ／ｍ３）の逆数を意味する。
【０１０３】
＜計算条件＞
・高温空気２：
−流量：９３００ｍ３／ｈ
−位置ｇ１における温度：３００℃
−位置ｇ２における温度：１００℃
【０１０４】
【表４】
【０１０５】
［比較例４］
図８に示す構成の発電システムＧにおける発電量（タービン出力）を、シミュレーション計算により見積った。高温空気２に関する計算条件は以下の通りである。洗煙排水Ｗ（位置ｗ１，ｗ２における温度）、冷却水Ｃ（位置ｃ１，ｃ２における温度）及び作動流体Ｌに関する計算条件は実施例１と同様である。なお、本比較例４においては、図８に示す作動流体経路Ｒ上での各位置ｒ１〜ｒ１０で、作動流体Ｌの温度、圧力及び密度を見積もった。演算結果を表５に示す。ここで、密度指標値とは、密度（ｋｇ／ｍ３）の逆数を意味する。
【０１０６】
＜計算条件＞
・高温空気２：
−流量：９３００ｍ３／ｈ
−位置ｇ１における温度：３００℃
−位置ｇ２における温度：１７０℃
−位置ｇ３における温度：１００℃
【０１０７】
【表５】
【０１０８】
上記に示すように、本発明の実施例１に係る発電システムＧ（高温空気２を分離器１８下流の第１位置、分離器１８上流の第２位置に適用して作動流体Ｌと熱交換し、その後の高温空気２を洗煙排水Ｗに適用して洗煙排水Ｗと熱交換し、更にその後の洗煙排水Ｗを第２位置より上流の第３位置に適用して作動流体Ｌと熱交換する構成のもの。）によれば、発電効率を著しく向上させることができる。そのタービン出力（発電量）は、比較例１に対して１８１％向上、比較例２に対して２９％向上、比較例３に対して２６％向上、比較例４に対して０．６％向上している。
【０１０９】
以上、本発明の好ましい実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【０１１０】
Ｃ：冷却水
Ｇ：発電システム（排熱発電システム）
Ｌ：作動流体
Ｐ：プラント（下水処理プラント）
Ｒ：作動流体経路
Ｓ：処理システム（下水処理システム、焼却処理システム）
Ｗ：水（洗煙水、洗煙排水）
２：高温空気（白煙防止空気）
１０：タービン
１１：発電機
１２：吸収器
１３：凝縮器
１４：循環ポンプ
１５：再生器
１６：蒸発器
１７：加熱器
１８：分離器
１９：過熱器（蒸気加熱器）
２０：減圧弁
２１〜２４：温度センサ
２５：第１制御手段
２６：第２制御手段
２７：第１調整バルブ
２８：第２調整バルブ
２９：排水加熱器
３０：過熱器回避経路
３１：加熱器回避経路
１０１ 焼却炉
１０２ 流動空気予熱器
１０３ 白煙防止空気予熱器
１０４ 集塵機
１０５ 排煙洗浄塔
１０６ ノズル
１０７ ポンプ
１０８ 煙突
１０９ 棚板部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
焼却処理システムが備える焼却炉から排出される排ガスによって加熱された高温空気を、作動流体によってタービンを回転させて発電を行う排熱発電システムにおける作動流体経路上での該タービンより上流側であって分離器より下流側の第１位置に適用することにより、前記第１位置における高温空気と前記作動流体との熱交換を行う第１熱交換ステップと、
前記第１位置での熱交換後の前記高温空気を、前記作動流体経路上での前記分離器より上流側の第２位置に適用することにより、前記第２位置における前記高温空気と前記作動流体との熱交換を行う第２熱交換ステップと、
前記排ガスを洗浄した後に前記焼却処理システムから排出される洗煙排水と前記第２位置における熱交換後の前記高温空気との熱交換を行う排水用熱交換ステップと、
前記高温空気との熱交換後の前記洗煙排水を、前記作動流体経路上での前記第２位置より上流側の第３位置に適用することにより、前記第３位置における前記洗煙排水と前記作動流体との熱交換を行う第３熱交換ステップと、
前記洗煙排水との熱交換後の前記高温空気を、白煙防止空気として前記排ガスと接触させる接触ステップと、を有する排熱発電方法。
【請求項２】
複数の前記焼却処理システムからの前記各高温空気を、前記第１位置における熱交換の前に前記複数の焼却処理システムに亘って集約するステップと、
前記複数の焼却処理システムからの前記各洗煙排水を、前記高温空気との熱交換の前に前記複数の焼却処理システムに亘って集約するステップと、を更に有する請求項１に記載の排熱発電方法。
【請求項３】
前記高温空気を、前記第１位置に適用することなく前記第１位置における熱交換後の前記高温空気と合流させる第１熱交換回避ステップと、
前記合流後の高温空気を、前記第２位置に適用することなく前記第２位置における熱交換後の前記高温空気と合流させる第２熱交換回避ステップと、を更に有する請求項１又は請求項２に記載の排熱発電方法。
【請求項４】
前記第１位置における熱交換後の前記作動流体の第１作動流体温度を計測するステップと、
前記第１位置における熱交換前の前記高温空気の第１高温空気温度を計測するステップと、
前記第１高温空気温度と前記第１作動流体温度との差分に基づいて前記第１位置に適用する前記高温空気量と前記第１位置への適用を回避する前記高温空気量との配分を調整する第１調整ステップと、
前記第２位置における熱交換後の前記作動流体の第２作動流体温度を計測するステップと、
前記第２位置における熱交換前の前記高温空気の第２高温空気温度を計測するステップと、
前記第２高温空気温度と前記第２作動流体温度との差分に基づいて前記第２位置に適用する前記高温空気量と前記第２位置への適用を回避する前記高温空気量との配分を調整する第２調整ステップと、を更に有する請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の排熱発電方法。
【請求項５】
複数の焼却処理システムが備える複数の焼却炉から各々排出される排ガスによって加熱された各高温空気を前記複数の焼却処理システムに亘って集約するステップと、
該集約後の高温空気を、作動流体によってタービンを回転させて発電を行う排熱発電システムにおける作動流体経路上での該タービンより上流側の第１位置に適用することにより、前記第１位置における高温空気と前記作動流体との熱交換を行う第１熱交換ステップと、
前記第１位置での熱交換後の前記高温空気を、白煙防止空気として前記排ガスと接触させる接触ステップと、を有する排熱発電方法。
【請求項６】
前記第１位置が前記排熱発電システムにおける分離器よりも下流側である場合に、
前記第１熱交換ステップ後であってかつ前記接触ステップ前の前記高温空気を、前記作動流体経路上での前記分離器より上流側の第２位置に適用することにより、前記第２位置における前記高温空気と前記作動流体との熱交換を行う第２熱交換ステップを、更に有する請求項５に記載の排熱発電方法。
【請求項７】
前記タービンを回転させた後の前記作動流体を冷却するために、前記作動流体経路上での前記タービンより下流側の位置に冷却水を適用するステップと、
該作動流体冷却後の冷却水を、洗煙水として前記排ガスと接触させるステップと、を更に有する請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の排熱発電方法。
【請求項８】
前記作動流体が、アンモニア、フロン又はアンモニア／水混合流体のうちいずれかである請求項１から請求項７のうちいずれか１項に記載の排熱発電方法。
【請求項９】
作動流体によってタービンを回転させて発電を行う排熱発電システムであって、
焼却処理システムが備える焼却炉から排出される排ガスによって加熱された高温空気を、前記作動流体経路上での前記タービンより上流側であって分離器より下流側の第１位置に適用することにより、前記第１位置における高温空気と前記作動流体との熱交換を行う第１熱交換機能と、
前記第１位置での熱交換後の前記高温空気を、前記作動流体経路上での前記分離器より上流側の第２位置に適用することにより、前記第２位置における前記高温空気と前記作動流体との熱交換を行う第２熱交換機能と、
前記排ガスを洗浄した後に前記焼却処理システムから排出される洗煙排水と前記第２位置における熱交換後の前記高温空気との熱交換を行う排水用熱交換機能と、
前記高温空気との熱交換後の前記洗煙排水を、前記作動流体経路上での前記第２位置より上流側の第３位置に適用することにより、前記第３位置における前記洗煙排水と前記作動流体との熱交換を行う第３熱交換機能と、
前記洗煙排水との熱交換後の前記高温空気を、白煙防止空気として前記排ガスと接触させる接触機能と、を有する排熱発電システム。
【請求項１０】
作動流体によってタービンを回転させて発電を行う排熱発電システムであって、
複数の焼却処理システムが備える複数の焼却炉から各々排出される排ガスによって加熱された各高温空気を前記複数の焼却処理システムに亘って集約する機能と、
該集約後の高温空気を、前記作動流体経路上での前記タービンより上流側の第１位置に適用することにより、前記第１位置における高温空気と前記作動流体との熱交換を行う第１熱交換機能と、
前記第１位置での熱交換後の前記高温空気を、白煙防止空気として前記排ガスと接触させる接触機能と、を有する排熱発電システム。
【請求項１】
焼却処理システムが備える焼却炉から排出される排ガスによって加熱された高温空気を、作動流体によってタービンを回転させて発電を行う排熱発電システムにおける作動流体経路上での該タービンより上流側であって分離器より下流側の第１位置に適用することにより、前記第１位置における高温空気と前記作動流体との熱交換を行う第１熱交換ステップと、
前記第１位置での熱交換後の前記高温空気を、前記作動流体経路上での前記分離器より上流側の第２位置に適用することにより、前記第２位置における前記高温空気と前記作動流体との熱交換を行う第２熱交換ステップと、
前記排ガスを洗浄した後に前記焼却処理システムから排出される洗煙排水と前記第２位置における熱交換後の前記高温空気との熱交換を行う排水用熱交換ステップと、
前記高温空気との熱交換後の前記洗煙排水を、前記作動流体経路上での前記第２位置より上流側の第３位置に適用することにより、前記第３位置における前記洗煙排水と前記作動流体との熱交換を行う第３熱交換ステップと、
前記洗煙排水との熱交換後の前記高温空気を、白煙防止空気として前記排ガスと接触させる接触ステップと、を有する排熱発電方法。
【請求項２】
複数の前記焼却処理システムからの前記各高温空気を、前記第１位置における熱交換の前に前記複数の焼却処理システムに亘って集約するステップと、
前記複数の焼却処理システムからの前記各洗煙排水を、前記高温空気との熱交換の前に前記複数の焼却処理システムに亘って集約するステップと、を更に有する請求項１に記載の排熱発電方法。
【請求項３】
前記高温空気を、前記第１位置に適用することなく前記第１位置における熱交換後の前記高温空気と合流させる第１熱交換回避ステップと、
前記合流後の高温空気を、前記第２位置に適用することなく前記第２位置における熱交換後の前記高温空気と合流させる第２熱交換回避ステップと、を更に有する請求項１又は請求項２に記載の排熱発電方法。
【請求項４】
前記第１位置における熱交換後の前記作動流体の第１作動流体温度を計測するステップと、
前記第１位置における熱交換前の前記高温空気の第１高温空気温度を計測するステップと、
前記第１高温空気温度と前記第１作動流体温度との差分に基づいて前記第１位置に適用する前記高温空気量と前記第１位置への適用を回避する前記高温空気量との配分を調整する第１調整ステップと、
前記第２位置における熱交換後の前記作動流体の第２作動流体温度を計測するステップと、
前記第２位置における熱交換前の前記高温空気の第２高温空気温度を計測するステップと、
前記第２高温空気温度と前記第２作動流体温度との差分に基づいて前記第２位置に適用する前記高温空気量と前記第２位置への適用を回避する前記高温空気量との配分を調整する第２調整ステップと、を更に有する請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の排熱発電方法。
【請求項５】
複数の焼却処理システムが備える複数の焼却炉から各々排出される排ガスによって加熱された各高温空気を前記複数の焼却処理システムに亘って集約するステップと、
該集約後の高温空気を、作動流体によってタービンを回転させて発電を行う排熱発電システムにおける作動流体経路上での該タービンより上流側の第１位置に適用することにより、前記第１位置における高温空気と前記作動流体との熱交換を行う第１熱交換ステップと、
前記第１位置での熱交換後の前記高温空気を、白煙防止空気として前記排ガスと接触させる接触ステップと、を有する排熱発電方法。
【請求項６】
前記第１位置が前記排熱発電システムにおける分離器よりも下流側である場合に、
前記第１熱交換ステップ後であってかつ前記接触ステップ前の前記高温空気を、前記作動流体経路上での前記分離器より上流側の第２位置に適用することにより、前記第２位置における前記高温空気と前記作動流体との熱交換を行う第２熱交換ステップを、更に有する請求項５に記載の排熱発電方法。
【請求項７】
前記タービンを回転させた後の前記作動流体を冷却するために、前記作動流体経路上での前記タービンより下流側の位置に冷却水を適用するステップと、
該作動流体冷却後の冷却水を、洗煙水として前記排ガスと接触させるステップと、を更に有する請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の排熱発電方法。
【請求項８】
前記作動流体が、アンモニア、フロン又はアンモニア／水混合流体のうちいずれかである請求項１から請求項７のうちいずれか１項に記載の排熱発電方法。
【請求項９】
作動流体によってタービンを回転させて発電を行う排熱発電システムであって、
焼却処理システムが備える焼却炉から排出される排ガスによって加熱された高温空気を、前記作動流体経路上での前記タービンより上流側であって分離器より下流側の第１位置に適用することにより、前記第１位置における高温空気と前記作動流体との熱交換を行う第１熱交換機能と、
前記第１位置での熱交換後の前記高温空気を、前記作動流体経路上での前記分離器より上流側の第２位置に適用することにより、前記第２位置における前記高温空気と前記作動流体との熱交換を行う第２熱交換機能と、
前記排ガスを洗浄した後に前記焼却処理システムから排出される洗煙排水と前記第２位置における熱交換後の前記高温空気との熱交換を行う排水用熱交換機能と、
前記高温空気との熱交換後の前記洗煙排水を、前記作動流体経路上での前記第２位置より上流側の第３位置に適用することにより、前記第３位置における前記洗煙排水と前記作動流体との熱交換を行う第３熱交換機能と、
前記洗煙排水との熱交換後の前記高温空気を、白煙防止空気として前記排ガスと接触させる接触機能と、を有する排熱発電システム。
【請求項１０】
作動流体によってタービンを回転させて発電を行う排熱発電システムであって、
複数の焼却処理システムが備える複数の焼却炉から各々排出される排ガスによって加熱された各高温空気を前記複数の焼却処理システムに亘って集約する機能と、
該集約後の高温空気を、前記作動流体経路上での前記タービンより上流側の第１位置に適用することにより、前記第１位置における高温空気と前記作動流体との熱交換を行う第１熱交換機能と、
前記第１位置での熱交換後の前記高温空気を、白煙防止空気として前記排ガスと接触させる接触機能と、を有する排熱発電システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−１７４６５２（Ｐ２０１１−１７４６５２Ａ）
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３８５６１（Ｐ２０１０−３８５６１）
【出願日】平成２２年２月２４日（２０１０．２．２４）
【出願人】（５０７２１４０８３）メタウォーター株式会社 (277)
【出願人】（５０４２０９６５５）国立大学法人佐賀大学 (176)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２４日（２０１０．２．２４）
【出願人】（５０７２１４０８３）メタウォーター株式会社 (277)
【出願人】（５０４２０９６５５）国立大学法人佐賀大学 (176)
【Ｆターム（参考）】
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