潜熱回収ボイラおよびこれを用いたガス化システム
【課題】 水蒸気を含有するガスから潜熱を回収する潜熱回収ボイラにおいて、運転に要する動力を低く維持したまま、チューブの外壁面に均一な水膜を安定して形成して、効率良く定量的に蒸気を発生させる。
【解決手段】 ガスを分散することでそのガスに含有される水蒸気を凝縮して取り込んだ循環水がその中を流れるチューブ２４と、チューブの外周を覆うように設けられたシェル２０と、シェル内において隔壁２２により仕切られたチューブの上部側を覆う第１の部屋２７と下部側を覆う第２の部屋２８と、第１の部屋の蒸発水がチューブの外壁面を伝って第２の部屋へ流れるように隔壁に設けられた開口２５と、第１の部屋と第２の部屋を連通する均圧管３７と、チューブの外壁面を伝って第２の部屋に流れてきた蒸発水を第１の部屋に返送する蒸発水返送管３１と、蒸発水返送管に設けられた蒸発水を貯留する大気開放槽３２とを備えるようにした。
【解決手段】 ガスを分散することでそのガスに含有される水蒸気を凝縮して取り込んだ循環水がその中を流れるチューブ２４と、チューブの外周を覆うように設けられたシェル２０と、シェル内において隔壁２２により仕切られたチューブの上部側を覆う第１の部屋２７と下部側を覆う第２の部屋２８と、第１の部屋の蒸発水がチューブの外壁面を伝って第２の部屋へ流れるように隔壁に設けられた開口２５と、第１の部屋と第２の部屋を連通する均圧管３７と、チューブの外壁面を伝って第２の部屋に流れてきた蒸発水を第１の部屋に返送する蒸発水返送管３１と、蒸発水返送管に設けられた蒸発水を貯留する大気開放槽３２とを備えるようにした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水蒸気を含有するガスから潜熱を回収する潜熱回収ボイラに関するとともに、下水汚泥等の高含水率有機物を加熱してガス化ガスを生成し、生成されたガス化ガスをもとにエネルギーを生成する高含水率有機物のガス化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
都市ごみ、下水汚泥、産業用廃棄物、バイオマス等の有機系廃棄物からエネルギーを回収するために、廃棄物を加熱し熱分解してガス化ガスを生成し、生成されたガス化ガスを元にエネルギーを生成する廃棄物ガス化システムが、環境保全及び省資源の観点から注目されている。
【０００３】
このような廃棄物ガス化システムとして、特開２００５−１３９４４３号公報には、下水汚泥等の高含水率有機物のガス化システムが記載されている。このガス化システムでは、図１に示すように、ガス化炉２で生成したガス化ガスを発電機６に導入する前に、ガス化ガスの水蒸気潜熱を潜熱回収ボイラ５で回収し、回収した水蒸気潜熱を汚泥乾燥機１での乾燥熱源として利用することで、高含水率有機物であっても高い発電効率を達成することができる。
【０００４】
この公報には、潜熱回収ボイラ５として、ガス化ガスを水中に分散して気泡化し、ガス化ガスに含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水として循環水に取り込み、この循環水をチューブ内に流すとともに、チューブの外壁面に水膜を形成することで、凝縮水を生成することによって獲得した潜熱によって水膜が蒸発し、熱源として利用できる蒸気を得ることができる構造のボイラが記載されている。
【０００５】
このような構造の潜熱回収ボイラにおいて、熱源として利用する蒸気を定量的に発生させるためには、チューブの外壁面に均一な水膜を安定して形成する必要がある。しかし、十分な蒸発水を循環し、安定した水膜を形成するために、潜熱回収ボイラの運転に要する動力を増加させては、回収した熱量と運転動力が相殺され、当核ボイラの有効性が発生しないという問題がある。
【特許文献１】特開２００５−１３９４４３号公報 （図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、運転に要する動力を低く維持したまま、チューブの外壁面に均一な水膜を安定して形成して、効率良く定量的に蒸気を発生させることができる潜熱回収ボイラおよびこれを用いたガス化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、水蒸気を含有するガスから潜熱を回収する潜熱回収ボイラであって、実質的に垂直方向に設置されており、前記ガスを分散して前記ガスに含有する水蒸気を凝縮してその一部分として取り込んだ循環水がその中を流れる少なくとも１本のチューブと、前記チューブの外周を覆うように設けられたシェルであって、このシェル内は隔壁により前記チューブの上部側を覆う第１の部屋と前記チューブの下部側を覆う第２の部屋に仕切られており、この第１の部屋内に一時的に貯留した蒸発水が、前記チューブの外壁面を伝って前記第２の部屋内へと流れるように、前記隔壁に開口が設けられているシェルと、前記第１の部屋と前記第２の部屋とを連通する均圧管と、前記チューブの外壁面を伝って前記第２の部屋内へと流れてきた蒸発水を、前記第１の部屋内へと再び供給する蒸発水返送管と、前記返送管に設けられ、蒸発水を一時的に貯留するための大気開放槽とを備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
このような構成によれば、ガスに含まれる水蒸気を凝縮して取り込んだ循環水をチューブ内に流すとともに、第２の部屋内のチューブの外壁面に蒸発水の水膜を形成することで、水蒸気の凝縮によって獲得した潜熱により水膜が蒸発し、蒸気の形で潜熱を回収することができる。第２の部屋内では負圧の蒸気が発生することから、返送管に大気開放槽を設けることで、ポンプ等の動力を用いずに大気開放槽内の蒸発水を第１の部屋内に送ることができる。この際、隔壁の開口とは別に、第１の部屋と第２の部屋とを連通する均圧管を設けることで、第１の部屋内の蒸発水が開口を通じて安定して第２の部屋内へ流れ、チューブの外壁面に均一な水膜を安定して形成することができる。よって、潜熱回収ボイラにおいて効率良く定量的に蒸気を発生させることができる。
【０００９】
前記第１の部屋内において、前記チューブの外壁面は断熱カバーで覆われていることが好ましい。また、前記蒸発水返送管３１は、水平ラインよりも下方斜めに角度をつけて、前記第２の部屋と接続されていることが好ましい。
【００１０】
本発明に係る潜熱回収ボイラは、前記大気開放槽と前記第１の部屋との間の前記蒸発水返送管に設けられたバルブと、前記第１の部屋内の蒸発水の水位を検知するセンサと、前記センサで検知した水位に応じて前記バルブの開閉を行い、蒸発水の供給量を調整する第１の制御装置とを更に備えることができる。また、本発明に係る潜熱回収ボイラは、前記大気開放槽と前記第２の部屋との間の前記蒸発水返送管に設けられたバルブと、前記第２の部屋内または前記角度のついた蒸発水返送管内の蒸発水の水位を検知するセンサと、前記センサで検知した水位に応じて前記バルブの開閉を行い、前記第２の部屋内または前記角度のついた蒸発水返送管内の蒸発水の残留量を調整する第２の制御装置とを更に備えることができる。
【００１１】
本発明に係る潜熱回収ボイラは、前記シェルの外周に螺旋状に巻きつけられたシースヒータと、このシースヒータの外周をさらに覆う保温材とを更に備えることができる。また、本発明に係る潜熱回収ボイラは、前記シェルの少なくとも上下いずれか一方の面が開口しており、前記シェルと着脱自在に固定されてこの開口を覆う蓋板を更に備えることが好ましい。
【００１２】
本発明は、別の態様として、高含水率有機物を乾燥手段で乾燥してからガス化手段で加熱してガス化ガスを生成し、生成されたガス化ガスをもとにエネルギーを生成する高含水率有機物のガス化システムであって、前記ガス化ガスの水蒸気潜熱を回収するために、上記の本発明に係る潜熱回収ボイラを備え、この回収した水蒸気潜熱を上記乾燥手段での乾燥熱源として利用するものである。
【００１３】
なお、「高含水率有機物」とは、具体的に以下のものを挙げることができる。
（ｉ）下水、し尿、浄化槽汚泥、家畜糞尿、厨芥残渣等の有機性廃棄物、また、その排水処理に伴い発生する汚泥・残渣。
（ｉｉ）畜産加工業、水産加工業、酒精飲料業等に伴い発生する食品加工残渣、またその排水処理に伴い発生する汚泥・残渣。
（ｉｉｉ）製紙業、繊維業等の有機性工業製品の製造に伴い発生する残渣、また、その排水処理に伴い発生する汚泥・残渣。
（ｉｖ）動植物等生物系バイオマス資源。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、運転に要する動力を低く維持したまま、チューブの外壁面に均一な水膜を安定して形成して、効率良く定量的に蒸気を発生させることができる潜熱回収ボイラおよびこれを用いたガス化システムが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る潜熱回収ボイラおよびこれを用いたガス化システムの一実施の形態について説明する。
【００１６】
図１に、本発明に係る高含水率有機物のガス化システムの一実施の形態の模式図を示す。本ガス化システムは、処理対象を下水汚泥とし、汚泥乾燥機１、ガス化炉２、改質炉３、顕熱回収ボイラ４、潜熱回収ボイラ５、発電機６を備えている。
【００１７】
脱水した下水汚泥を乾燥する汚泥乾燥機１は、間接加熱式の乾燥手段である。ガス化炉２は、下水汚泥を水蒸気と空気もしくは必要に応じて酸素を富化した混合気、もしくは純酸素でガス化するガス化手段である。ガス化は、部分燃焼を起こさせながら行い、下水汚泥をＣＯ、Ｈ2、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ、メタン、エタン、タール、すす等に変換する。改質炉３は、ガス化ガスをさらに水蒸気、Ｈ2、ＣＯ、ＣＯ2に低分子化する機能を有する。
【００１８】
顕熱回収ボイラ４は、いわゆる廃熱ボイラであり、改質炉３からのガス化ガス（約１０００℃）の顕熱で高圧蒸気を発生させる顕熱回収手段である。潜熱回収ボイラ５は、顕熱回収ボイラ４を経たガス化ガス中の水蒸気から潜熱を回収するための潜熱回収手段である。なお、顕熱回収ボイラ４と潜熱回収ボイラ５との間には、図示しないフィルタ又はバグフィルタを設け、ガス化ガスを精製することもできる。
【００１９】
発電機６は、ガス化ガスをエネルギー源として発電を行う発電手段である。例えばガスエンジンを用いたものを採用することができる。このような発電機では、コンプレッサで精製されたガス化ガスを圧縮し、圧縮されたガス化ガスと空気をガスエンジンに送り、ガスエンジンで燃焼爆発させ、その力で発電機本体を回転させる。このようなガスエンジンの排ガスを汚泥乾燥機１の乾燥熱源として利用することもできる。発電機６は、このようなガスエンジン式の他、ガスタービン式発電装置、燃料電池など気体燃料を電力へ変換する他のタイプのものを採用することもできる。
【００２０】
さらに、本ガス化システムは、蒸気タービン７及び蒸気圧縮機８を備えている。顕熱回収ボイラ４の蒸気送出口は、流路を介して蒸気タービン７の蒸気受入口に接続されている。これによって、蒸気タービン７には、顕熱回収ボイラ４からの高圧蒸気が供給される。また、潜熱回収ボイラ５の蒸気送出口は、流路を介して蒸気圧縮機８の蒸気受入口に接続されている。これによって、蒸気圧縮機８には、潜熱回収ボイラ５からの低圧蒸気が供給される。
【００２１】
次に、本ガス化システムについて、その作用を説明する。まず、処理対象である下水汚泥は、図示しない脱水手段により脱水され、含水率７０〜８０重量％の脱水汚泥として汚泥乾燥機１に投入される。汚泥乾燥機１には、後述するところに従って、中圧蒸気及び必要に応じて乾燥機１からの排出蒸気が供給され、下水汚泥を３０〜５０重量％程度となるように乾燥処理する。中圧蒸気は、１〜１０ａｔａの圧力で供給され、典型的には、約７ａｔａ、約３００℃である。なお、「約」とは、その数値そのもの又は前後の値である。
【００２２】
汚泥乾燥機１での下水汚泥の乾燥に伴って、水蒸気が発生する。その排出蒸気の一部は、必要に応じて改質炉３に送られる。これは、後段の顕熱回収ボイラ４及び潜熱回収ボイラ５で、十分な顕熱・潜熱が得られるように蒸気量を調整するためである。汚泥乾燥機１で乾燥処理された下水汚泥は、ガス化炉２に送られる。ガス化炉２には、汚泥乾燥機１への供給源と同様の供給源から中圧蒸気が水蒸気源として供給され、さらに酸素（空気）または酸素富化空気が供給される。これによって下水汚泥を水と空気でガス化する。ガス化は、部分燃焼を起こさせながら行い、下水汚泥をＣＯ、Ｈ2、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ、メタン、エタン、タール、すす等に変換する。このガス化ガスは、改質炉３に送られる。
【００２３】
改質炉３では、ガス化ガスをさらに水蒸気、Ｈ2、ＣＯ、ＣＯ2に低分子化する。前述したように、改質炉３には、汚泥乾燥機１からの排出蒸気が必要に応じて供給される。改質炉３からのガス化ガスは、顕熱回収ボイラ４に送られる。顕熱回収ボイラ４では、改質炉３からのガス化ガス（約１０００℃）の顕熱で高圧蒸気を発生させる。高圧蒸気は、１０〜１００ａｔａの高圧であり、典型的には、約５０ａｔａ、５００℃である。高圧蒸気は、蒸気タービン７に送られる。
【００２４】
顕熱を回収されたガス化ガスは、１５０℃程度となり、触媒フィルタ等（図示省略）によって精製された後、潜熱回収ボイラ５に送られる。潜熱回収ボイラ５は、後述する形態を備え、ガス化ガスの潜熱により、低圧蒸気を発生する。低圧蒸気は、０．１〜１ａｔａであり、典型的には約０．３ａｔａ、約６９℃である。この低圧蒸気は、蒸気圧縮機８に送られる。潜熱を回収されたガス化ガスは、洗浄され、さらに精製された後、発電機６に送られる。発電機６では、ガス化ガスを用いて発電が行われ、排出ガスは、煙突１１から排出される。
【００２５】
次に、潜熱回収ボイラ５について、その好適な実施の形態を説明する。図２に、潜熱回収ボイラ５の一実施の形態を示す。本潜熱回収ボイラ５は、ガス化ガス中の水蒸気を凝縮するための凝縮槽１０と、凝縮により得た潜熱で蒸気を発生させるためのシェル２０とから主に構成される。
【００２６】
凝縮槽１０は、その底面から延びる隔壁１３により、第１の区画１１と第２の区画１２とに仕切られている。隔壁１３の上端と凝縮槽１０の天井面との間には、凝縮槽１０内の循環水が第１及び第２の区画１１、１２間を移動できるように空間が設けられている。第１の区画１１の底部には、ガス化ガスを循環水中に分散するための気泡形成装置１４が設置されている。
【００２７】
凝縮槽１０の天井面には、循環水中を通過したガス化ガスを排出するガス化ガス排出口１５が設けられている。第２の区画１２の下部には、循環水をシェル２０へ送るための循環水供給管１６が設けられている。第１の区画１１には、循環水がシェル２０から返送される循環水返送管１８が設けられている。この循環水返送管１８には循環水排出口１９が設けられている。
【００２８】
シェル２０は、いわゆるシェル・アンド・チューブ型の略円筒状の形状を有している。シェル２０の内部は、隔壁２１、２２、２３によって隔絶された上下方向の４つの部屋に仕切られている。そして、隔壁２１、２２、２３を貫通して少なくとも１本の伝熱用のチューブ２４が設けられている。図２ではチューブ２４が３本描かれているが、これはあくまで便宜上のものであって、チューブ２４は、少なくとも１本以上であって必要に応じて複数設けることができる。
【００２９】
シェル２０の最上部の部屋２６と最下部の部屋２９は、チューブ２４の内部を介して連通している。最下部の部屋２９には循環水供給管１６が設けられており、最上部の部屋２６には循環水返送管１８が設けられている。そして、循環水供給管１６には水ポンプ１７が設けられ、これによって、循環水が凝縮槽１０とシェル２０を循環できるように構成されている。
【００３０】
一方、隔壁２２とチューブ２４との間には環状の間隙２５が設けられている。この間隙２５により、隔壁２２の上部の部屋２７と下部の部屋２８とが連通し、上部の部屋２７の蒸発水がチューブ２４の外壁面を伝って流れて水膜を形成する。間隙２５には、必要により、図３に示すように、チューブ２４を隔壁２２に固定するための支持部材３８を設けてもよく、これにより間隙２５の距離を均一に保つことができる。なお、チューブ２４は、隔壁２１及び２３で支持され、チューブ２４と隔壁２１又は２３の間は密封されている。
【００３１】
複数のチューブ２４を設ける場合、各チューブ２４の配置間隔Ｓは、チューブの直径Ｄに対して、０．５Ｄ以上が好ましく、１．０Ｄ以上がより好ましい。これにより、水膜から発生する蒸気が隣接するチューブ２４の水膜に影響されることを防ぎ、フラッティングを防止することができる。チューブ２４の直径と水膜形成のための間隙２５との関係については、必要蒸発量により定められるものであるが、水膜の安定な形成のためには、間隙２５をチューブ２４の外径に対して１ｍｍ程度以上大きな径とすることが好適である。
【００３２】
シェル２０には、隔壁２２の下部の部屋２８から上部の部屋２７に蒸発水を返送する蒸発水返送管３１が設けられている。この蒸発水返送管３１には、蒸発水を一時的に貯留するための大気開放槽３２が設けられている。また、大気開放槽３２と下部の部屋２８との間には水ポンプ３３が設けられている。蒸発水返送管３１は、下部の部屋２８と接続する部分３１ａにおいて、隔壁２３より下方下向きに設置され、３１a部に水溜まりが発生する様、水平ラインよりも下方斜めに、好ましくは４５〜９０°の角度をつけて、下部の部屋２８の側面最下部に接続されている。
【００３３】
大気開放槽３２と上部の部屋２７との間、および大気開放槽３２と水ポンプ３３との間には、それぞれバルブ３４、３５が設けられている。上部の部屋２７、下部の部屋２８、および蒸発水返送管３１の接続部分３１ａには、蒸発水の水位を検出するためのセンサ（図示省略）が設けられており、これらセンサとバルブ３４、３５は、水位に応じて蒸発水の供給量を調節する制御装置（図示省略）を介して接続されている。
【００３４】
シェル２０の下部の部屋２８には、蒸気排出口３６が設けられており、この蒸気排出口３６は、図１の蒸気圧縮機８に接続している。また、シェル２０には、隔壁２２の上部の部屋２７と下部の部屋２８とを連通する均圧管３７が設けられている。蒸発水が均圧管３７の内部に流入するのを防ぐため、均圧管３７の一端は上部の部屋２７の側面上方に設けられている。均圧管３７の本数や内径等については、特に限定されるものではないが、部屋間の圧力が均一になる様、場合によっては複数設け、設計することが好ましい。
【００３５】
チューブ２４の外壁面のうち、隔壁２２の上部の部屋２７を貫通する部分には、図４に示すように、断熱カバー４１が全面に覆われている。断熱カバー４１は、樹脂製、ゴム製または樹脂とゴムの複合材製が好ましい。なお、断熱カバー４１で間隙２５の開口を防いで水膜の形成に影響を与えることがないように、断熱カバー４１の下端と、上部の部屋２７の底面（隔壁２２の上面）とに間隔ｄをあけることが好ましい。例えば、間隔ｄは５〜１００ｍｍが望ましい。
【００３６】
シェル２０やチューブ２４等の流体（循環水）と接触する部材は、ＳＵＳ３０４もしくはＳＵＳ３１６Ｌ等の耐腐食性に優れたステンレス製とすることが好ましい。ガス化ガスには、ＨＣｌ、Ｈ2Ｓが含まれることがあるからである。また、チューブ２４の外壁面は、耐久性および伝熱性能の維持から、鏡面加工することが好ましい。なお、チューブ２４には、フィン構造のようなものは設けない。腐食成分の濃縮を防止するためである。チューブ２４の径については、機器に要求されるガス量、許容圧力損失等により、一義的に限定されるものではないが、実用上は、ＪＩＳに規定される呼び径６５０Ａ程度までが好適である。
【００３７】
次に、上記構成の潜熱回収ボイラ５について、その作用・機能を説明する。先ず、凝縮槽１０の気泡生成装置１４にガス化ガスが導入される。ガス化ガスは、典型的には、約１５０℃であり、露点が８６℃、水蒸気分圧０．６２６ａｔａである。ガス化ガスは、気泡生成装置１４により微小気泡化され、第１の区画１１内の循環水中に拡散する。循環水は約７９℃以上に調整する。微小気泡中でガス化ガス中の水蒸気が凝縮し、潜熱を循環水に与える。
【００３８】
ガス化ガスは、水蒸気を凝縮水として循環水に提供した後、ガス化ガス排出口１５から排出され、図１の発電機６に供給される。排出されるガス化ガスは、循環水温とほぼ等しく、この場合約７９℃となっており、水蒸気分圧は約０．４６５ａｔａとなる。循環水は、隔壁１３により第１の区画１１内を上昇した後、第２の区画１２内を下降するように流れ、ガス化ガスが十分に除かれた後、循環水供給管１６を通ってシェル２０の最下部の部屋２９に供給される。なお、好適には、循環水に中和剤、例えばＮａＯＨを添加してｐＨを調整し、機器類の腐食を防ぐ。
【００３９】
シェル２０の最下部の部屋２９に供給された循環水は、チューブ２４内を上向きに流れ、最上部の部屋２６を通り、循環水返送管１８を介して凝縮槽１０の第１の区画１１へと戻る。循環水には凝縮水が加わり、これも含めて循環するので、熱伝達率を高めることができる。循環水には凝縮水が次第に加わることから、余剰となった循環水は、循環水排出口１９から排出される。
【００４０】
一方、シェル２０の上部の部屋２７には、蒸発水が導入される。上部の部屋２７に入った蒸発水は、間隙２５を抜けて、チューブ２４の外壁面を伝って下降する。これによってチューブ２４の外壁面に水膜が形成される。水膜は、下降するにつれて蒸発する。これによって生成される約６９℃、約０．３ａｔａの低圧蒸気は、蒸気排出口３６から排出され、蒸気圧縮機８に供給される。すなわち、ガス化ガスの潜熱を、低圧蒸気の形で回収していることになる。
【００４１】
このように低圧蒸気の発生によって下部の部屋２８の内圧は負圧（例えば、０．２〜０．４ａｔａ）になることから、この負圧を利用して、大気開放槽３２から蒸発水を上部の部屋２７に自給することができる。よって、蒸発水の供給動力を不要にすることができる。この時、下部の部屋２８の内圧と上部の部屋２７の内圧との間の圧力差が大きいと、間隙２５から蒸発水が勢いよく噴出し、チューブ２４の外壁面に均一な水膜を安定して形成することができないが、本実施の形態では、均圧管３７によって上部の部屋２７と下部の部屋２８の内圧が等しくなっているので、均一な水膜を安定して形成することができる。
【００４２】
また、上部の部屋２７内の蒸発水の水位を検知するセンサ（図示省略）により蒸発水の水位を検知して、水位に応じてバルブ３４の開閉を行って蒸発水の供給量を増減することで、上部の部屋２７内の蒸発水の水位を制御することができる。これにより蒸発水の水位を一定に制御することで、均一な水膜を安定して形成することができる。なお、負圧を利用して蒸発水を自給することから、上部の部屋２７内の蒸発水の水位と、大気開放槽３２内の蒸発水の水位との高低差は、上部の部屋２７内に十分に蒸発水が供給できる範囲で大きいことが望ましい。
【００４３】
上部の部屋２７内のチューブ２４の外壁面は、断熱カバー４１で覆われていることから、この上部の部屋２７内での蒸発水と循環水との熱交換が抑制され、蒸発水の過昇温を防ぐことができる。なお、上部の部屋２７内で蒸発水が過昇温になると、上部の部屋２７内で低圧蒸気が発生し、蒸気圧縮機８への低圧蒸気の安定供給が難しくなるとともに、チューブ２４外壁面を流れ落ちる蒸発水の流量が不足し、水膜が安定せず、チューブ２４表面に乾き面（ドライパッチ）が形成され、チューブ２４の腐食要因となる。
【００４４】
一方、下部の部屋２８で蒸発し切れなかった蒸発水は、水ポンプ３３により蒸発水返送管３１を通って大気開放槽３２へと送られる。この時、蒸発水返送管３１の下部の部屋２８との接続部３１ａは、下方に設けられているので、蒸発水が下部の部屋２８の底部に溜まるのを防ぐことができる。これにより、下部の部屋２８の底部に溜まった蒸発水とチューブ２４内部の循環水との間の伝熱を抑制して熱ロスを軽減することができる。
【００４５】
また、下部の部屋２８の底部や蒸発水返送管３１の接続部３１ａに溜まる蒸発水の水位を検知するセンサ（図示省略）により蒸発水の水位を検知して、水位に応じてバルブ３５の開閉を行って蒸発水の返送量を増減することで、下部の部屋２８底部の蒸発水の水位を制御することができる。これにより、下部の部屋２８の底部に蒸発水の液相ができるのを防ぐことができ、熱ロスを軽減することができる。
【００４６】
大気開放槽３２内の蒸発水の水位を、シェル２０の下部の部屋２８内の蒸発水の水位（下部の部屋２８底面より低い場合は、蒸発水返送管３１の接続部３１ａ内の蒸発水の水位）より低くし、高低差を大きくすることで、水ポンプ３３の揚程を低くすることができる。ここで、大気開放槽３２内の蒸発水水位の下限は、負圧を利用して、上部の部屋２７内に蒸発水が十分供給できる高さとする。これにより、水ポンプの仕様等のイニシャルコストを低減することができるとともに、動力低減によるランニングコストの低減も図ることができる。
【００４７】
なお、図２に示すように、本実施の形態では、安定した熱交換性能をより広い流量範囲で得るため、ガス化ガスを除いた単相流の循環水をシェル２０内に流しているが、凝縮槽１０を設けずに、微小気泡化したガス化ガスを含んだ気液の二相流れの循環水をシェル２０内に流すこともできる。また、本実施の形態では、循環水はチューブ２４内を上向きに流れる構成となっているが、下向きに流れる構成としても良い。
【００４８】
図５に示すように、シェル２０の外周にシースヒータ５１を螺旋状に巻きつけ、このシースヒータ５１の外周をさらに保温材５１で覆う構成にしてもよい。このような構成によれば、潜熱回収ボイラ５の起動時において、シースヒータ５１により下部の部屋２８で蒸気が発生するのに必要な温度までシェル２０内部を急速に加熱することで、立ち上げに要する時間を短縮することができる。シェル２０内部の温度が安定した後はシースヒータ５１を停止する。
【００４９】
図６（ａ）に示すように、シェル２０の最下部の部屋２９の底面全体を開口し、側面下端をフランジ構造にするとともに、このフランジ構造部とそれを覆う円形の蓋板６１とをボルト等の着脱自在の固定部材（図示省略）により固定する構成にしてもよい。このような構成によれば、図６（ｂ）に示すように、潜熱回収ボイラ５を定期点検する際に、容易に蓋板６１を取り外すことができ、清掃ブラシ６３やジェット洗浄等でチューブ２４の内部に付着したスケール等を潜熱回収ボイラ５の外から除去することができる。よって、チューブ２４内部の定期的な清掃を容易に行うことができ、伝熱性能を維持することができる。なお、シェル２０の最上部の部屋２６の上面全体についても、同様に着脱自在な構造とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係るガス化システムの概要を示すフロー図である。
【図２】本発明に係る潜熱回収ボイラの一実施の形態を模式的に示す断面図である。
【図３】図２の潜熱回収ボイラのIII−III線に沿った平面図である。
【図４】図２の潜熱回収ボイラの上部の部屋内を拡大して示す断面図である。
【図５】本発明に係る潜熱回収ボイラの外周部の一実施の形態を示す断面図である。
【図６】（ａ）は、本発明に係る潜熱回収ボイラの底面の一実施の形態を示す断面図であり、（ｂ）は、その底面のカバーを外した清掃の例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ 汚泥乾燥機
２ ガス化炉
３ 改質炉
４ 顕熱回収ボイラ
５ 潜熱回収ボイラ
６ 発電機
７ 蒸気タービン
８ 蒸気圧縮機
９ 煙突
１０ 凝縮槽
１１ 第１の区画
１２ 第２の区画
１３ 隔壁
１４ 気泡形成装置
１５ ガス化ガス排出口
１６ 循環水供給管
１７ 水ポンプ
１８ 循環水返送管
１９ 循環水排出口
２０ シェル
２１、２２、２３ 隔壁
２４ チューブ
２５ 間隙
２６、２７、２８、２９ 部屋
３１ 蒸発水返送管
３２ 大気開放槽
３３ 水ポンプ
３４、３５ バルブ
３６ 蒸気排出口
３７ 均圧管
３８ 支持部材
４１ 断熱カバー
５１ 保温材
５３ シースヒータ
６１ 蓋板
６３ 清掃ブラシ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水蒸気を含有するガスから潜熱を回収する潜熱回収ボイラに関するとともに、下水汚泥等の高含水率有機物を加熱してガス化ガスを生成し、生成されたガス化ガスをもとにエネルギーを生成する高含水率有機物のガス化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
都市ごみ、下水汚泥、産業用廃棄物、バイオマス等の有機系廃棄物からエネルギーを回収するために、廃棄物を加熱し熱分解してガス化ガスを生成し、生成されたガス化ガスを元にエネルギーを生成する廃棄物ガス化システムが、環境保全及び省資源の観点から注目されている。
【０００３】
このような廃棄物ガス化システムとして、特開２００５−１３９４４３号公報には、下水汚泥等の高含水率有機物のガス化システムが記載されている。このガス化システムでは、図１に示すように、ガス化炉２で生成したガス化ガスを発電機６に導入する前に、ガス化ガスの水蒸気潜熱を潜熱回収ボイラ５で回収し、回収した水蒸気潜熱を汚泥乾燥機１での乾燥熱源として利用することで、高含水率有機物であっても高い発電効率を達成することができる。
【０００４】
この公報には、潜熱回収ボイラ５として、ガス化ガスを水中に分散して気泡化し、ガス化ガスに含まれる水蒸気を凝縮して凝縮水として循環水に取り込み、この循環水をチューブ内に流すとともに、チューブの外壁面に水膜を形成することで、凝縮水を生成することによって獲得した潜熱によって水膜が蒸発し、熱源として利用できる蒸気を得ることができる構造のボイラが記載されている。
【０００５】
このような構造の潜熱回収ボイラにおいて、熱源として利用する蒸気を定量的に発生させるためには、チューブの外壁面に均一な水膜を安定して形成する必要がある。しかし、十分な蒸発水を循環し、安定した水膜を形成するために、潜熱回収ボイラの運転に要する動力を増加させては、回収した熱量と運転動力が相殺され、当核ボイラの有効性が発生しないという問題がある。
【特許文献１】特開２００５−１３９４４３号公報 （図５）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、運転に要する動力を低く維持したまま、チューブの外壁面に均一な水膜を安定して形成して、効率良く定量的に蒸気を発生させることができる潜熱回収ボイラおよびこれを用いたガス化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、水蒸気を含有するガスから潜熱を回収する潜熱回収ボイラであって、実質的に垂直方向に設置されており、前記ガスを分散して前記ガスに含有する水蒸気を凝縮してその一部分として取り込んだ循環水がその中を流れる少なくとも１本のチューブと、前記チューブの外周を覆うように設けられたシェルであって、このシェル内は隔壁により前記チューブの上部側を覆う第１の部屋と前記チューブの下部側を覆う第２の部屋に仕切られており、この第１の部屋内に一時的に貯留した蒸発水が、前記チューブの外壁面を伝って前記第２の部屋内へと流れるように、前記隔壁に開口が設けられているシェルと、前記第１の部屋と前記第２の部屋とを連通する均圧管と、前記チューブの外壁面を伝って前記第２の部屋内へと流れてきた蒸発水を、前記第１の部屋内へと再び供給する蒸発水返送管と、前記返送管に設けられ、蒸発水を一時的に貯留するための大気開放槽とを備えたことを特徴とするものである。
【０００８】
このような構成によれば、ガスに含まれる水蒸気を凝縮して取り込んだ循環水をチューブ内に流すとともに、第２の部屋内のチューブの外壁面に蒸発水の水膜を形成することで、水蒸気の凝縮によって獲得した潜熱により水膜が蒸発し、蒸気の形で潜熱を回収することができる。第２の部屋内では負圧の蒸気が発生することから、返送管に大気開放槽を設けることで、ポンプ等の動力を用いずに大気開放槽内の蒸発水を第１の部屋内に送ることができる。この際、隔壁の開口とは別に、第１の部屋と第２の部屋とを連通する均圧管を設けることで、第１の部屋内の蒸発水が開口を通じて安定して第２の部屋内へ流れ、チューブの外壁面に均一な水膜を安定して形成することができる。よって、潜熱回収ボイラにおいて効率良く定量的に蒸気を発生させることができる。
【０００９】
前記第１の部屋内において、前記チューブの外壁面は断熱カバーで覆われていることが好ましい。また、前記蒸発水返送管３１は、水平ラインよりも下方斜めに角度をつけて、前記第２の部屋と接続されていることが好ましい。
【００１０】
本発明に係る潜熱回収ボイラは、前記大気開放槽と前記第１の部屋との間の前記蒸発水返送管に設けられたバルブと、前記第１の部屋内の蒸発水の水位を検知するセンサと、前記センサで検知した水位に応じて前記バルブの開閉を行い、蒸発水の供給量を調整する第１の制御装置とを更に備えることができる。また、本発明に係る潜熱回収ボイラは、前記大気開放槽と前記第２の部屋との間の前記蒸発水返送管に設けられたバルブと、前記第２の部屋内または前記角度のついた蒸発水返送管内の蒸発水の水位を検知するセンサと、前記センサで検知した水位に応じて前記バルブの開閉を行い、前記第２の部屋内または前記角度のついた蒸発水返送管内の蒸発水の残留量を調整する第２の制御装置とを更に備えることができる。
【００１１】
本発明に係る潜熱回収ボイラは、前記シェルの外周に螺旋状に巻きつけられたシースヒータと、このシースヒータの外周をさらに覆う保温材とを更に備えることができる。また、本発明に係る潜熱回収ボイラは、前記シェルの少なくとも上下いずれか一方の面が開口しており、前記シェルと着脱自在に固定されてこの開口を覆う蓋板を更に備えることが好ましい。
【００１２】
本発明は、別の態様として、高含水率有機物を乾燥手段で乾燥してからガス化手段で加熱してガス化ガスを生成し、生成されたガス化ガスをもとにエネルギーを生成する高含水率有機物のガス化システムであって、前記ガス化ガスの水蒸気潜熱を回収するために、上記の本発明に係る潜熱回収ボイラを備え、この回収した水蒸気潜熱を上記乾燥手段での乾燥熱源として利用するものである。
【００１３】
なお、「高含水率有機物」とは、具体的に以下のものを挙げることができる。
（ｉ）下水、し尿、浄化槽汚泥、家畜糞尿、厨芥残渣等の有機性廃棄物、また、その排水処理に伴い発生する汚泥・残渣。
（ｉｉ）畜産加工業、水産加工業、酒精飲料業等に伴い発生する食品加工残渣、またその排水処理に伴い発生する汚泥・残渣。
（ｉｉｉ）製紙業、繊維業等の有機性工業製品の製造に伴い発生する残渣、また、その排水処理に伴い発生する汚泥・残渣。
（ｉｖ）動植物等生物系バイオマス資源。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、運転に要する動力を低く維持したまま、チューブの外壁面に均一な水膜を安定して形成して、効率良く定量的に蒸気を発生させることができる潜熱回収ボイラおよびこれを用いたガス化システムが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して、本発明に係る潜熱回収ボイラおよびこれを用いたガス化システムの一実施の形態について説明する。
【００１６】
図１に、本発明に係る高含水率有機物のガス化システムの一実施の形態の模式図を示す。本ガス化システムは、処理対象を下水汚泥とし、汚泥乾燥機１、ガス化炉２、改質炉３、顕熱回収ボイラ４、潜熱回収ボイラ５、発電機６を備えている。
【００１７】
脱水した下水汚泥を乾燥する汚泥乾燥機１は、間接加熱式の乾燥手段である。ガス化炉２は、下水汚泥を水蒸気と空気もしくは必要に応じて酸素を富化した混合気、もしくは純酸素でガス化するガス化手段である。ガス化は、部分燃焼を起こさせながら行い、下水汚泥をＣＯ、Ｈ2、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ、メタン、エタン、タール、すす等に変換する。改質炉３は、ガス化ガスをさらに水蒸気、Ｈ2、ＣＯ、ＣＯ2に低分子化する機能を有する。
【００１８】
顕熱回収ボイラ４は、いわゆる廃熱ボイラであり、改質炉３からのガス化ガス（約１０００℃）の顕熱で高圧蒸気を発生させる顕熱回収手段である。潜熱回収ボイラ５は、顕熱回収ボイラ４を経たガス化ガス中の水蒸気から潜熱を回収するための潜熱回収手段である。なお、顕熱回収ボイラ４と潜熱回収ボイラ５との間には、図示しないフィルタ又はバグフィルタを設け、ガス化ガスを精製することもできる。
【００１９】
発電機６は、ガス化ガスをエネルギー源として発電を行う発電手段である。例えばガスエンジンを用いたものを採用することができる。このような発電機では、コンプレッサで精製されたガス化ガスを圧縮し、圧縮されたガス化ガスと空気をガスエンジンに送り、ガスエンジンで燃焼爆発させ、その力で発電機本体を回転させる。このようなガスエンジンの排ガスを汚泥乾燥機１の乾燥熱源として利用することもできる。発電機６は、このようなガスエンジン式の他、ガスタービン式発電装置、燃料電池など気体燃料を電力へ変換する他のタイプのものを採用することもできる。
【００２０】
さらに、本ガス化システムは、蒸気タービン７及び蒸気圧縮機８を備えている。顕熱回収ボイラ４の蒸気送出口は、流路を介して蒸気タービン７の蒸気受入口に接続されている。これによって、蒸気タービン７には、顕熱回収ボイラ４からの高圧蒸気が供給される。また、潜熱回収ボイラ５の蒸気送出口は、流路を介して蒸気圧縮機８の蒸気受入口に接続されている。これによって、蒸気圧縮機８には、潜熱回収ボイラ５からの低圧蒸気が供給される。
【００２１】
次に、本ガス化システムについて、その作用を説明する。まず、処理対象である下水汚泥は、図示しない脱水手段により脱水され、含水率７０〜８０重量％の脱水汚泥として汚泥乾燥機１に投入される。汚泥乾燥機１には、後述するところに従って、中圧蒸気及び必要に応じて乾燥機１からの排出蒸気が供給され、下水汚泥を３０〜５０重量％程度となるように乾燥処理する。中圧蒸気は、１〜１０ａｔａの圧力で供給され、典型的には、約７ａｔａ、約３００℃である。なお、「約」とは、その数値そのもの又は前後の値である。
【００２２】
汚泥乾燥機１での下水汚泥の乾燥に伴って、水蒸気が発生する。その排出蒸気の一部は、必要に応じて改質炉３に送られる。これは、後段の顕熱回収ボイラ４及び潜熱回収ボイラ５で、十分な顕熱・潜熱が得られるように蒸気量を調整するためである。汚泥乾燥機１で乾燥処理された下水汚泥は、ガス化炉２に送られる。ガス化炉２には、汚泥乾燥機１への供給源と同様の供給源から中圧蒸気が水蒸気源として供給され、さらに酸素（空気）または酸素富化空気が供給される。これによって下水汚泥を水と空気でガス化する。ガス化は、部分燃焼を起こさせながら行い、下水汚泥をＣＯ、Ｈ2、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ、メタン、エタン、タール、すす等に変換する。このガス化ガスは、改質炉３に送られる。
【００２３】
改質炉３では、ガス化ガスをさらに水蒸気、Ｈ2、ＣＯ、ＣＯ2に低分子化する。前述したように、改質炉３には、汚泥乾燥機１からの排出蒸気が必要に応じて供給される。改質炉３からのガス化ガスは、顕熱回収ボイラ４に送られる。顕熱回収ボイラ４では、改質炉３からのガス化ガス（約１０００℃）の顕熱で高圧蒸気を発生させる。高圧蒸気は、１０〜１００ａｔａの高圧であり、典型的には、約５０ａｔａ、５００℃である。高圧蒸気は、蒸気タービン７に送られる。
【００２４】
顕熱を回収されたガス化ガスは、１５０℃程度となり、触媒フィルタ等（図示省略）によって精製された後、潜熱回収ボイラ５に送られる。潜熱回収ボイラ５は、後述する形態を備え、ガス化ガスの潜熱により、低圧蒸気を発生する。低圧蒸気は、０．１〜１ａｔａであり、典型的には約０．３ａｔａ、約６９℃である。この低圧蒸気は、蒸気圧縮機８に送られる。潜熱を回収されたガス化ガスは、洗浄され、さらに精製された後、発電機６に送られる。発電機６では、ガス化ガスを用いて発電が行われ、排出ガスは、煙突１１から排出される。
【００２５】
次に、潜熱回収ボイラ５について、その好適な実施の形態を説明する。図２に、潜熱回収ボイラ５の一実施の形態を示す。本潜熱回収ボイラ５は、ガス化ガス中の水蒸気を凝縮するための凝縮槽１０と、凝縮により得た潜熱で蒸気を発生させるためのシェル２０とから主に構成される。
【００２６】
凝縮槽１０は、その底面から延びる隔壁１３により、第１の区画１１と第２の区画１２とに仕切られている。隔壁１３の上端と凝縮槽１０の天井面との間には、凝縮槽１０内の循環水が第１及び第２の区画１１、１２間を移動できるように空間が設けられている。第１の区画１１の底部には、ガス化ガスを循環水中に分散するための気泡形成装置１４が設置されている。
【００２７】
凝縮槽１０の天井面には、循環水中を通過したガス化ガスを排出するガス化ガス排出口１５が設けられている。第２の区画１２の下部には、循環水をシェル２０へ送るための循環水供給管１６が設けられている。第１の区画１１には、循環水がシェル２０から返送される循環水返送管１８が設けられている。この循環水返送管１８には循環水排出口１９が設けられている。
【００２８】
シェル２０は、いわゆるシェル・アンド・チューブ型の略円筒状の形状を有している。シェル２０の内部は、隔壁２１、２２、２３によって隔絶された上下方向の４つの部屋に仕切られている。そして、隔壁２１、２２、２３を貫通して少なくとも１本の伝熱用のチューブ２４が設けられている。図２ではチューブ２４が３本描かれているが、これはあくまで便宜上のものであって、チューブ２４は、少なくとも１本以上であって必要に応じて複数設けることができる。
【００２９】
シェル２０の最上部の部屋２６と最下部の部屋２９は、チューブ２４の内部を介して連通している。最下部の部屋２９には循環水供給管１６が設けられており、最上部の部屋２６には循環水返送管１８が設けられている。そして、循環水供給管１６には水ポンプ１７が設けられ、これによって、循環水が凝縮槽１０とシェル２０を循環できるように構成されている。
【００３０】
一方、隔壁２２とチューブ２４との間には環状の間隙２５が設けられている。この間隙２５により、隔壁２２の上部の部屋２７と下部の部屋２８とが連通し、上部の部屋２７の蒸発水がチューブ２４の外壁面を伝って流れて水膜を形成する。間隙２５には、必要により、図３に示すように、チューブ２４を隔壁２２に固定するための支持部材３８を設けてもよく、これにより間隙２５の距離を均一に保つことができる。なお、チューブ２４は、隔壁２１及び２３で支持され、チューブ２４と隔壁２１又は２３の間は密封されている。
【００３１】
複数のチューブ２４を設ける場合、各チューブ２４の配置間隔Ｓは、チューブの直径Ｄに対して、０．５Ｄ以上が好ましく、１．０Ｄ以上がより好ましい。これにより、水膜から発生する蒸気が隣接するチューブ２４の水膜に影響されることを防ぎ、フラッティングを防止することができる。チューブ２４の直径と水膜形成のための間隙２５との関係については、必要蒸発量により定められるものであるが、水膜の安定な形成のためには、間隙２５をチューブ２４の外径に対して１ｍｍ程度以上大きな径とすることが好適である。
【００３２】
シェル２０には、隔壁２２の下部の部屋２８から上部の部屋２７に蒸発水を返送する蒸発水返送管３１が設けられている。この蒸発水返送管３１には、蒸発水を一時的に貯留するための大気開放槽３２が設けられている。また、大気開放槽３２と下部の部屋２８との間には水ポンプ３３が設けられている。蒸発水返送管３１は、下部の部屋２８と接続する部分３１ａにおいて、隔壁２３より下方下向きに設置され、３１a部に水溜まりが発生する様、水平ラインよりも下方斜めに、好ましくは４５〜９０°の角度をつけて、下部の部屋２８の側面最下部に接続されている。
【００３３】
大気開放槽３２と上部の部屋２７との間、および大気開放槽３２と水ポンプ３３との間には、それぞれバルブ３４、３５が設けられている。上部の部屋２７、下部の部屋２８、および蒸発水返送管３１の接続部分３１ａには、蒸発水の水位を検出するためのセンサ（図示省略）が設けられており、これらセンサとバルブ３４、３５は、水位に応じて蒸発水の供給量を調節する制御装置（図示省略）を介して接続されている。
【００３４】
シェル２０の下部の部屋２８には、蒸気排出口３６が設けられており、この蒸気排出口３６は、図１の蒸気圧縮機８に接続している。また、シェル２０には、隔壁２２の上部の部屋２７と下部の部屋２８とを連通する均圧管３７が設けられている。蒸発水が均圧管３７の内部に流入するのを防ぐため、均圧管３７の一端は上部の部屋２７の側面上方に設けられている。均圧管３７の本数や内径等については、特に限定されるものではないが、部屋間の圧力が均一になる様、場合によっては複数設け、設計することが好ましい。
【００３５】
チューブ２４の外壁面のうち、隔壁２２の上部の部屋２７を貫通する部分には、図４に示すように、断熱カバー４１が全面に覆われている。断熱カバー４１は、樹脂製、ゴム製または樹脂とゴムの複合材製が好ましい。なお、断熱カバー４１で間隙２５の開口を防いで水膜の形成に影響を与えることがないように、断熱カバー４１の下端と、上部の部屋２７の底面（隔壁２２の上面）とに間隔ｄをあけることが好ましい。例えば、間隔ｄは５〜１００ｍｍが望ましい。
【００３６】
シェル２０やチューブ２４等の流体（循環水）と接触する部材は、ＳＵＳ３０４もしくはＳＵＳ３１６Ｌ等の耐腐食性に優れたステンレス製とすることが好ましい。ガス化ガスには、ＨＣｌ、Ｈ2Ｓが含まれることがあるからである。また、チューブ２４の外壁面は、耐久性および伝熱性能の維持から、鏡面加工することが好ましい。なお、チューブ２４には、フィン構造のようなものは設けない。腐食成分の濃縮を防止するためである。チューブ２４の径については、機器に要求されるガス量、許容圧力損失等により、一義的に限定されるものではないが、実用上は、ＪＩＳに規定される呼び径６５０Ａ程度までが好適である。
【００３７】
次に、上記構成の潜熱回収ボイラ５について、その作用・機能を説明する。先ず、凝縮槽１０の気泡生成装置１４にガス化ガスが導入される。ガス化ガスは、典型的には、約１５０℃であり、露点が８６℃、水蒸気分圧０．６２６ａｔａである。ガス化ガスは、気泡生成装置１４により微小気泡化され、第１の区画１１内の循環水中に拡散する。循環水は約７９℃以上に調整する。微小気泡中でガス化ガス中の水蒸気が凝縮し、潜熱を循環水に与える。
【００３８】
ガス化ガスは、水蒸気を凝縮水として循環水に提供した後、ガス化ガス排出口１５から排出され、図１の発電機６に供給される。排出されるガス化ガスは、循環水温とほぼ等しく、この場合約７９℃となっており、水蒸気分圧は約０．４６５ａｔａとなる。循環水は、隔壁１３により第１の区画１１内を上昇した後、第２の区画１２内を下降するように流れ、ガス化ガスが十分に除かれた後、循環水供給管１６を通ってシェル２０の最下部の部屋２９に供給される。なお、好適には、循環水に中和剤、例えばＮａＯＨを添加してｐＨを調整し、機器類の腐食を防ぐ。
【００３９】
シェル２０の最下部の部屋２９に供給された循環水は、チューブ２４内を上向きに流れ、最上部の部屋２６を通り、循環水返送管１８を介して凝縮槽１０の第１の区画１１へと戻る。循環水には凝縮水が加わり、これも含めて循環するので、熱伝達率を高めることができる。循環水には凝縮水が次第に加わることから、余剰となった循環水は、循環水排出口１９から排出される。
【００４０】
一方、シェル２０の上部の部屋２７には、蒸発水が導入される。上部の部屋２７に入った蒸発水は、間隙２５を抜けて、チューブ２４の外壁面を伝って下降する。これによってチューブ２４の外壁面に水膜が形成される。水膜は、下降するにつれて蒸発する。これによって生成される約６９℃、約０．３ａｔａの低圧蒸気は、蒸気排出口３６から排出され、蒸気圧縮機８に供給される。すなわち、ガス化ガスの潜熱を、低圧蒸気の形で回収していることになる。
【００４１】
このように低圧蒸気の発生によって下部の部屋２８の内圧は負圧（例えば、０．２〜０．４ａｔａ）になることから、この負圧を利用して、大気開放槽３２から蒸発水を上部の部屋２７に自給することができる。よって、蒸発水の供給動力を不要にすることができる。この時、下部の部屋２８の内圧と上部の部屋２７の内圧との間の圧力差が大きいと、間隙２５から蒸発水が勢いよく噴出し、チューブ２４の外壁面に均一な水膜を安定して形成することができないが、本実施の形態では、均圧管３７によって上部の部屋２７と下部の部屋２８の内圧が等しくなっているので、均一な水膜を安定して形成することができる。
【００４２】
また、上部の部屋２７内の蒸発水の水位を検知するセンサ（図示省略）により蒸発水の水位を検知して、水位に応じてバルブ３４の開閉を行って蒸発水の供給量を増減することで、上部の部屋２７内の蒸発水の水位を制御することができる。これにより蒸発水の水位を一定に制御することで、均一な水膜を安定して形成することができる。なお、負圧を利用して蒸発水を自給することから、上部の部屋２７内の蒸発水の水位と、大気開放槽３２内の蒸発水の水位との高低差は、上部の部屋２７内に十分に蒸発水が供給できる範囲で大きいことが望ましい。
【００４３】
上部の部屋２７内のチューブ２４の外壁面は、断熱カバー４１で覆われていることから、この上部の部屋２７内での蒸発水と循環水との熱交換が抑制され、蒸発水の過昇温を防ぐことができる。なお、上部の部屋２７内で蒸発水が過昇温になると、上部の部屋２７内で低圧蒸気が発生し、蒸気圧縮機８への低圧蒸気の安定供給が難しくなるとともに、チューブ２４外壁面を流れ落ちる蒸発水の流量が不足し、水膜が安定せず、チューブ２４表面に乾き面（ドライパッチ）が形成され、チューブ２４の腐食要因となる。
【００４４】
一方、下部の部屋２８で蒸発し切れなかった蒸発水は、水ポンプ３３により蒸発水返送管３１を通って大気開放槽３２へと送られる。この時、蒸発水返送管３１の下部の部屋２８との接続部３１ａは、下方に設けられているので、蒸発水が下部の部屋２８の底部に溜まるのを防ぐことができる。これにより、下部の部屋２８の底部に溜まった蒸発水とチューブ２４内部の循環水との間の伝熱を抑制して熱ロスを軽減することができる。
【００４５】
また、下部の部屋２８の底部や蒸発水返送管３１の接続部３１ａに溜まる蒸発水の水位を検知するセンサ（図示省略）により蒸発水の水位を検知して、水位に応じてバルブ３５の開閉を行って蒸発水の返送量を増減することで、下部の部屋２８底部の蒸発水の水位を制御することができる。これにより、下部の部屋２８の底部に蒸発水の液相ができるのを防ぐことができ、熱ロスを軽減することができる。
【００４６】
大気開放槽３２内の蒸発水の水位を、シェル２０の下部の部屋２８内の蒸発水の水位（下部の部屋２８底面より低い場合は、蒸発水返送管３１の接続部３１ａ内の蒸発水の水位）より低くし、高低差を大きくすることで、水ポンプ３３の揚程を低くすることができる。ここで、大気開放槽３２内の蒸発水水位の下限は、負圧を利用して、上部の部屋２７内に蒸発水が十分供給できる高さとする。これにより、水ポンプの仕様等のイニシャルコストを低減することができるとともに、動力低減によるランニングコストの低減も図ることができる。
【００４７】
なお、図２に示すように、本実施の形態では、安定した熱交換性能をより広い流量範囲で得るため、ガス化ガスを除いた単相流の循環水をシェル２０内に流しているが、凝縮槽１０を設けずに、微小気泡化したガス化ガスを含んだ気液の二相流れの循環水をシェル２０内に流すこともできる。また、本実施の形態では、循環水はチューブ２４内を上向きに流れる構成となっているが、下向きに流れる構成としても良い。
【００４８】
図５に示すように、シェル２０の外周にシースヒータ５１を螺旋状に巻きつけ、このシースヒータ５１の外周をさらに保温材５１で覆う構成にしてもよい。このような構成によれば、潜熱回収ボイラ５の起動時において、シースヒータ５１により下部の部屋２８で蒸気が発生するのに必要な温度までシェル２０内部を急速に加熱することで、立ち上げに要する時間を短縮することができる。シェル２０内部の温度が安定した後はシースヒータ５１を停止する。
【００４９】
図６（ａ）に示すように、シェル２０の最下部の部屋２９の底面全体を開口し、側面下端をフランジ構造にするとともに、このフランジ構造部とそれを覆う円形の蓋板６１とをボルト等の着脱自在の固定部材（図示省略）により固定する構成にしてもよい。このような構成によれば、図６（ｂ）に示すように、潜熱回収ボイラ５を定期点検する際に、容易に蓋板６１を取り外すことができ、清掃ブラシ６３やジェット洗浄等でチューブ２４の内部に付着したスケール等を潜熱回収ボイラ５の外から除去することができる。よって、チューブ２４内部の定期的な清掃を容易に行うことができ、伝熱性能を維持することができる。なお、シェル２０の最上部の部屋２６の上面全体についても、同様に着脱自在な構造とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明に係るガス化システムの概要を示すフロー図である。
【図２】本発明に係る潜熱回収ボイラの一実施の形態を模式的に示す断面図である。
【図３】図２の潜熱回収ボイラのIII−III線に沿った平面図である。
【図４】図２の潜熱回収ボイラの上部の部屋内を拡大して示す断面図である。
【図５】本発明に係る潜熱回収ボイラの外周部の一実施の形態を示す断面図である。
【図６】（ａ）は、本発明に係る潜熱回収ボイラの底面の一実施の形態を示す断面図であり、（ｂ）は、その底面のカバーを外した清掃の例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５１】
１ 汚泥乾燥機
２ ガス化炉
３ 改質炉
４ 顕熱回収ボイラ
５ 潜熱回収ボイラ
６ 発電機
７ 蒸気タービン
８ 蒸気圧縮機
９ 煙突
１０ 凝縮槽
１１ 第１の区画
１２ 第２の区画
１３ 隔壁
１４ 気泡形成装置
１５ ガス化ガス排出口
１６ 循環水供給管
１７ 水ポンプ
１８ 循環水返送管
１９ 循環水排出口
２０ シェル
２１、２２、２３ 隔壁
２４ チューブ
２５ 間隙
２６、２７、２８、２９ 部屋
３１ 蒸発水返送管
３２ 大気開放槽
３３ 水ポンプ
３４、３５ バルブ
３６ 蒸気排出口
３７ 均圧管
３８ 支持部材
４１ 断熱カバー
５１ 保温材
５３ シースヒータ
６１ 蓋板
６３ 清掃ブラシ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水蒸気を含有するガスから潜熱を回収する潜熱回収ボイラであって、
実質的に垂直方向に設置されており、前記ガスを分散して前記ガスに含有する水蒸気を凝縮してその一部分として取り込んだ循環水がその中を流れる少なくとも１本のチューブと、
前記チューブの外周を覆うように設けられたシェルであって、このシェル内は隔壁により前記チューブの上部側を覆う第１の部屋と前記チューブの下部側を覆う第２の部屋に仕切られており、この第１の部屋内に一時的に貯留した蒸発水が、前記チューブの外壁面を伝って前記第２の部屋内へと流れるように、前記隔壁に開口が設けられているシェルと、
前記第１の部屋と前記第２の部屋とを連通する均圧管と、
前記チューブの外壁面を伝って前記第２の部屋内へと流れてきた蒸発水を、前記第１の部屋内へと再び供給する蒸発水返送管と、
前記返送管に設けられ、蒸発水を一時的に貯留するための大気開放槽と
を備えた潜熱回収ボイラ。
【請求項２】
前記第１の部屋内において、前記チューブの外壁面が断熱カバーで覆われている請求項１に記載の潜熱回収ボイラ。
【請求項３】
前記大気開放槽と前記第１の部屋との間の前記蒸発水返送管に設けられたバルブと、前記第１の部屋内の蒸発水の水位を検知するセンサと、前記センサで検知した水位に応じて前記バルブの開閉を行い、蒸発水の供給量を調整する第１の制御装置とを更に備えた請求項１又は２に記載の潜熱回収ボイラ。
【請求項４】
前記蒸発水返送管３１が、水平ラインよりも下方斜めに角度をつけて、前記第２の部屋と接続されている請求項１〜３のいずれかに記載の潜熱回収ボイラ。
【請求項５】
前記大気開放槽と前記第２の部屋との間の前記蒸発水返送管に設けられたバルブと、前記第２の部屋内または前記角度のついた蒸発水返送管内の蒸発水の水位を検知するセンサと、前記センサで検知した水位に応じて前記バルブの開閉を行い、前記第２の部屋内または前記角度のついた蒸発水返送管内の蒸発水の残留量を調整する第２の制御装置とを更に備えた請求項４に記載の潜熱回収ボイラ。
【請求項６】
前記シェルの外周に螺旋状に巻きつけられたシースヒータと、このシースヒータの外周をさらに覆う保温材とを更に備えた請求項１〜５のいずれかに記載の潜熱回収ボイラ。
【請求項７】
前記シェルの少なくとも上下いずれか一方の面が開口しており、前記シェルと着脱自在に固定されてこの開口を覆う蓋板を更に備えた請求項１〜６のいずれかに記載の潜熱回収ボイラ。
【請求項８】
高含水率有機物を乾燥手段で乾燥してからガス化手段で加熱してガス化ガスを生成し、生成されたガス化ガスをもとにエネルギーを生成する高含水率有機物のガス化システムであって、前記ガス化ガスの水蒸気潜熱を回収するために、請求項１〜７のいずれかに記載の潜熱回収ボイラを備え、この回収した水蒸気潜熱を上記乾燥手段での乾燥熱源として利用するガス化システム。
【請求項１】
水蒸気を含有するガスから潜熱を回収する潜熱回収ボイラであって、
実質的に垂直方向に設置されており、前記ガスを分散して前記ガスに含有する水蒸気を凝縮してその一部分として取り込んだ循環水がその中を流れる少なくとも１本のチューブと、
前記チューブの外周を覆うように設けられたシェルであって、このシェル内は隔壁により前記チューブの上部側を覆う第１の部屋と前記チューブの下部側を覆う第２の部屋に仕切られており、この第１の部屋内に一時的に貯留した蒸発水が、前記チューブの外壁面を伝って前記第２の部屋内へと流れるように、前記隔壁に開口が設けられているシェルと、
前記第１の部屋と前記第２の部屋とを連通する均圧管と、
前記チューブの外壁面を伝って前記第２の部屋内へと流れてきた蒸発水を、前記第１の部屋内へと再び供給する蒸発水返送管と、
前記返送管に設けられ、蒸発水を一時的に貯留するための大気開放槽と
を備えた潜熱回収ボイラ。
【請求項２】
前記第１の部屋内において、前記チューブの外壁面が断熱カバーで覆われている請求項１に記載の潜熱回収ボイラ。
【請求項３】
前記大気開放槽と前記第１の部屋との間の前記蒸発水返送管に設けられたバルブと、前記第１の部屋内の蒸発水の水位を検知するセンサと、前記センサで検知した水位に応じて前記バルブの開閉を行い、蒸発水の供給量を調整する第１の制御装置とを更に備えた請求項１又は２に記載の潜熱回収ボイラ。
【請求項４】
前記蒸発水返送管３１が、水平ラインよりも下方斜めに角度をつけて、前記第２の部屋と接続されている請求項１〜３のいずれかに記載の潜熱回収ボイラ。
【請求項５】
前記大気開放槽と前記第２の部屋との間の前記蒸発水返送管に設けられたバルブと、前記第２の部屋内または前記角度のついた蒸発水返送管内の蒸発水の水位を検知するセンサと、前記センサで検知した水位に応じて前記バルブの開閉を行い、前記第２の部屋内または前記角度のついた蒸発水返送管内の蒸発水の残留量を調整する第２の制御装置とを更に備えた請求項４に記載の潜熱回収ボイラ。
【請求項６】
前記シェルの外周に螺旋状に巻きつけられたシースヒータと、このシースヒータの外周をさらに覆う保温材とを更に備えた請求項１〜５のいずれかに記載の潜熱回収ボイラ。
【請求項７】
前記シェルの少なくとも上下いずれか一方の面が開口しており、前記シェルと着脱自在に固定されてこの開口を覆う蓋板を更に備えた請求項１〜６のいずれかに記載の潜熱回収ボイラ。
【請求項８】
高含水率有機物を乾燥手段で乾燥してからガス化手段で加熱してガス化ガスを生成し、生成されたガス化ガスをもとにエネルギーを生成する高含水率有機物のガス化システムであって、前記ガス化ガスの水蒸気潜熱を回収するために、請求項１〜７のいずれかに記載の潜熱回収ボイラを備え、この回収した水蒸気潜熱を上記乾燥手段での乾燥熱源として利用するガス化システム。
【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２００７−２３２２７２（Ｐ２００７−２３２２７２Ａ）
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５４４９３（Ｐ２００６−５４４９３）
【出願日】平成１８年３月１日（２００６．３．１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１５年度〜平成１７年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「バイオマスエネルギー高効率転換技術開発」委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月１日（２００６．３．１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（平成１５年度〜平成１７年度独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「バイオマスエネルギー高効率転換技術開発」委託研究、産業活力再生特別措置法第３０条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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