JP5447096B2

JP5447096B2 - 太陽熱利用廃棄物発電装置およびその運転方法

Info

Publication number: JP5447096B2
Application number: JP2010080538A
Authority: JP
Inventors: 規人植竹; 武内山; 克博岩崎; 剛中山; 浩山本
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2010-03-31
Publication date: 2014-03-19
Anticipated expiration: 2030-03-31
Also published as: JP2011214732A

Description

本発明は、廃棄物を焼却またはガス化溶融する廃棄物処理炉施設に設ける廃棄物発電装置およびその運転方法に関する。

廃棄物発電設備は、供給する廃棄物の種類によって、廃棄物の燃焼により発生する熱量が変動する（例えば、１２００ｋｃａｌ／ｋｇ〜２８００ｋｃａｌ／ｋｇ）ことを考慮して、高カロリー廃棄物に対応した廃熱回収発電設備を備えている。近年は、廃棄物の分別収集が進行し、高カロリーのプラスチックごみが分別され、焼却炉へ供給される廃棄物のカロリーが低下しているため、廃熱回収発電設備能力に相当余裕ができており、換言すれば、廃熱回収発電設備能力が有効に利用されていない。このような事情から、既設の廃棄物発電設備の廃熱回収発電設備能力を有効に活用することが要望されている。さりとて、化石燃料を燃焼して過熱蒸気量を増大させ、発電量を増大させることは、地球温暖化への対応に反するので望ましくない。

廃棄物発電設備の一例として、廃棄物焼却炉にボイラを備え、焼却炉から排出される排ガスの廃熱を回収し該ボイラにて水を加熱して蒸発させて飽和蒸気を生成し、燃焼式過熱器にて該飽和蒸気をさらに加熱して過熱蒸気を生成し、該過熱蒸気を蒸気タービンに供給して発電することが行われている（特許文献１参照）。

一方、発電装置の他の形態として、太陽熱を利用した発電装置が用いられることもある。このような太陽熱利用発電装置として、特許文献２に開示されたものが知られている。特許文献２には、太陽熱で液体熱媒体を加熱し、該熱媒体を介して水を加熱蒸発することにより飽和蒸気を生成した後、ガスタービンの駆動に使用された燃焼ガスによって該飽和蒸気をさらに加熱して過熱蒸気を生成し、該過熱蒸気を蒸気タービンに供給して発電を行う発電装置が開示されている。

特開平７−０３５３１１特開２００８−０３９３６７

しかし、特許文献２の発電装置では、太陽熱で加熱された熱媒体によって水を加熱して飽和蒸気を生成し、燃焼ガスによって該飽和蒸気をさらに加熱して過熱蒸気を生成するので、太陽熱の大部分が水の蒸発潜熱に消費される。この結果、発電に対する太陽熱の寄与が小さくなってしまう。例えば、廃棄物発電施設の発電装置として上記特許文献２の発電装置を適用しても、発電に寄与するのは受熱した太陽熱の１０％程度であり、効率が低く望ましくない。

また、太陽熱は自然エネルギーであるため、天候により受熱量が変化しやすく、太陽熱利用による蒸気発生量が変動する。そのため、太陽熱利用で得られた蒸気を有効に利用するためには、発電量を平滑化することが必要となる。

本発明は上記の問題に鑑み、廃棄物発電設備の廃熱回収発電設備能力を有効に活用することができ、また、太陽熱を廃棄物発電に利用する際に発電効率を高めることができ、さらに、天候等による太陽熱の受熱量の変動に対応して発電量を平滑化することができる太陽熱利用廃棄物発電装置及びその運転方法を提供することを課題とする。

廃熱回収蒸気を用いた蒸気タービンによる発電に有効な熱エネルギーについて図４を用いて説明する。図４は、４０気圧に加圧された温水が２４９℃で蒸発して飽和蒸気となった後、さらに加熱されて過熱蒸気状態となる場合における温度とエンタルピーとの関係を示す水−蒸気エンタルピー線図である。

図４に示されているように、蒸気タービンでの発電に有効な蒸気のエンタルピーは、過熱蒸気部分が主体となっている。これは、蒸気タービンのタービンブレードの強度と耐久性の制約より、湿り蒸気を使うことが困難なためである。ここで、復水器の適用により、図４の加圧条件下における飽和蒸気温度の蒸気エンタルピー部分も一部活用できる。

発電効率向上のため、復水器を設けてタービン出口圧力を低減させ、蒸気の湿り度を低減することにより、より多くの蒸気のエンタルピーを電力に変換できるが、それでも蒸気の保有するエンタルピーのうち電力に変換できるのは、その２０％前後である。

発明者は、廃棄物発電において燃焼炉又はガス化溶融炉からの排ガスによって既に飽和蒸気が発生していることに着目し、該飽和蒸気から過熱蒸気を得る過程及び過熱蒸気量を増大させる過程に太陽熱を活用することにより、従来のような、太陽熱によって飽和蒸気を生成した後に、燃焼ガスによって過熱蒸気を生成して発電する場合よりも、数倍も高い効率で太陽熱の受熱熱量を電力へ変換できることを見出した。

この太陽熱の利用による効果は、太陽熱の集熱による熱量を蒸気の直接加熱に利用すること、そして、少なくとも飽和蒸気温度を超える温度の熱供給が可能であることを条件として得られる。

＜第一発明＞
本発明に係る太陽熱利用廃棄物発電装置は、廃棄物を焼却またはガス化溶融する廃棄物処理炉施設に設ける廃棄物発電装置であって、廃棄物処理炉へ廃棄物を供給する廃棄物供給装置と、廃棄物処理炉から排出される排ガスから熱回収して蒸気を生成するボイラと、太陽熱を集熱する太陽熱集熱装置と、上記太陽熱集熱装置で集熱された太陽熱を受熱するとともに、受熱した太陽熱との熱交換により、ボイラで生成した蒸気を飽和蒸気温度より高い温度に加熱して過熱蒸気を生成する過熱蒸気生成及びボイラで生成した過熱蒸気をさらに加熱する過熱蒸気加熱のうち少なくとも一つを行う太陽熱受熱装置と、上記太陽熱受熱装置で生成又は加熱された過熱蒸気により発電する蒸気タービン発電装置と、ボイラで生成した蒸気を上記太陽熱受熱装置により加熱する熱量、該太陽熱受熱装置により生成又は増加した過熱蒸気の熱量又は過熱蒸気量、過熱蒸気温度、該太陽熱集熱装置が受光する日射量のうち少なくとも一つに基づき、廃棄物処理炉に供給する廃棄物供給量を調整するように上記廃棄物供給装置を制御する廃棄物供給量制御装置とを備えることを特徴としている。

＜第二発明＞
本発明に係る太陽熱利用廃棄物発電装置の運転方法は、廃棄物を焼却またはガス化溶融する廃棄物処理炉施設に設ける廃棄物発電装置の運転方法であって、廃棄物処理炉へ廃棄物を供給する廃棄物供給工程と、ボイラにて、廃棄物処理炉から排出される排ガスから熱回収して蒸気を生成する蒸気生成工程と、太陽熱を集熱する太陽熱集熱工程と、上記太陽熱集熱工程で集熱された太陽熱を受熱するとともに、受熱した太陽熱との熱交換により、上記蒸気生成工程で生成した蒸気を飽和蒸気温度より高い温度に加熱して過熱蒸気を生成する過熱蒸気生成及び上記蒸気生成工程で生成した過熱蒸気をさらに加熱する過熱蒸気加熱のうち少なくとも一つを行う太陽熱受熱工程と、上記太陽熱受熱工程で生成又は加熱された過熱蒸気により発電する発電工程と、上記太陽熱受熱工程で蒸気を加熱する熱量、該太陽熱受熱工程で生成又は増加した過熱蒸気の熱量又は過熱蒸気量、過熱蒸気温度、該太陽熱集熱工程で受光する日射量のうち少なくとも一つに基づき、上記廃棄物供給工程で廃棄物処理炉に供給する廃棄物供給量を調整するように制御を行う廃棄物供給量制御工程とを備えることを特徴としている。

第一発明および第二発明では、ボイラで飽和蒸気又は過熱蒸気を生成し、該ボイラで飽和蒸気が生成される場合には過熱蒸気の生成そして加熱に太陽熱を活用し、該ボイラで過熱蒸気が生成される場合には該過熱蒸気の加熱に太陽熱を活用する。このように、太陽熱を過熱蒸気の生成あるいは加熱に活用することにより、該太陽熱の電気変換効率が大幅に高められる。

また、太陽熱によって蒸気を加熱する熱量、生成又は増加した過熱蒸気の熱量又は過熱蒸気量、過熱蒸気温度、日射量のうち少なくとも一つに基づいて廃棄物供給量を制御するので、天候等により受熱する太陽熱が変動することに対応して発電量を平滑化することができる。

本発明によれば、太陽熱を廃棄物発電に利用する際に発電効率を高めることができ、その結果、廃棄物発電設備の廃熱回収発電設備能力を有効に活用することができ、さらに、受熱する太陽熱が天候等により変動することに対応して発電量を平滑化することができる。

実施形態における廃棄物処理炉施設の構成を示す図である。実施形態での発電量を示す図であり、（Ａ）は太陽熱による発電量、（Ｂ）は廃棄物の焼却による発電量、（Ｃ）は太陽熱による発電量と廃棄物の焼却による発電量との合計である全体の発電量を示している。実施形態における廃棄物供給量制御装置による廃棄物供給量の制御を示すフローチャートである。水温とエンタルピーとの関係を示す水−蒸気エンタルピー線図である。

以下、添付図面に基づいて本発明に係る太陽熱利用廃棄物発電装置の実施形態を説明する。

図１は、本実施形態における廃棄物処理炉施設の構成を示す図である。図１に示されているように、上記廃棄物処理炉施設は、炉床に可動な火格子を有し該火格子上で廃棄物を焼却する焼却炉１と、該焼却炉１へ廃棄物を供給する廃棄物供給装置５と、該廃棄物供給装置５による廃棄物供給量を制御する廃棄物供給量制御装置６と、該焼却炉１の下流側に設置された輻射ボイラ２及び管群ボイラ３を一部に含む後述の太陽熱利用廃棄物発電装置１０（以下、単に「発電装置１０」という）と、該管群ボイラ３の下流側に設置された排ガス処理装置４とを有している。なお、上記焼却炉１に代えて、ガス化溶融炉が設けられていてもよい。

上記廃棄物供給装置５は、例えば、廃棄物を貯留する廃棄物ピット（図示せず）から廃棄物を掴んで取り出して焼却炉１の廃棄物ホッパ１Ａへ投入するクレーンにより構成されている。本実施形態では、該廃棄物供給装置５は、廃棄物を上記廃棄物ピットから取り出した際に該廃棄物の重量を計測するようになっている。

図１に見られるように、発電装置１０は、上記輻射ボイラ２及び管群ボイラ３に加え、輻射ボイラ２内に配される蒸発管１１と、蒸発管１１の下流側に位置し該蒸発管１１に接続される蒸気溜り１２と、該蒸気溜り１２の下流側で管群ボイラ３内に配され該蒸気溜り１２に接続される過熱管１３と、太陽熱を集熱する太陽熱集熱装置１４と、該太陽熱集熱装置１４で集熱された太陽熱を受熱するとともに、後述するように、過熱管１３からの過熱蒸気をさらに加熱する太陽熱受熱装置１５と、該太陽熱受熱装置１５で生成された過熱蒸気によって駆動されて発電を行う蒸気タービン発電装置としての蒸気タービン発電機１６とを有している。

上記発電装置１０では、輻射ボイラ２において、焼却炉１から排出された排ガスによって蒸発管１１内の加圧水が加熱されて飽和蒸気が生成された後、蒸気溜り１２において気水分離される。そして、該飽和蒸気は、管群ボイラ３にてさらに過熱されて過熱蒸気となる。一方、上記蒸気溜り１２で分離された加圧水は上記輻射ボイラ２へ戻される。上記過熱蒸気は、上記太陽熱受熱装置１５にて、さらに加熱された後、蒸気タービン発電機１６へ供給され、該蒸気タービン発電機１６を駆動することにより発電に寄与する。上記蒸気タービン発電機１６を駆動した過熱蒸気は復水器（図示せず）で凝縮されて加圧水に戻り、上記輻射ボイラ２へ送られる。

上記太陽熱集熱装置１４は、図１に見られるように、廃棄物処理炉施設の屋根上に複数設置されている。該太陽熱集熱装置１４は、反射鏡と、該反射鏡の方向を太陽の動きに合わせて制御する方向制御装置（図示せず）と、受光した日射量を計測する日射量センサ（図示せず）とを有している。

また、太陽熱受熱装置１５は、図１に見られるように、管群ボイラ３内に配される過熱管１３で生成した過熱蒸気を蒸気タービン発電機１６に供給する流路に設置されている。該太陽熱受熱装置１５は、過熱蒸気を加熱した際に増加する蒸気量を計測する蒸気量センサ（図示せず）と、該太陽熱受熱装置１５における入口側および出口側の両方での蒸気の温度を計測する蒸気温度センサ（図示せず）とを有している。

廃棄物供給量制御装置６は、蒸気タービン発電機１６へ供給される蒸気量を一定に維持すべく、廃棄物供給装置５によって供給される廃棄物供給量を制御する。該廃棄物供給量制御装置６による制御は、廃棄物発熱量および太陽熱受熱量に基づいて行われる。また、上記廃棄物供給量の制御は、例えば、廃棄物の供給速度を増減させることにより行われる。

廃棄物供給量やその他の各種運転条件を補正しない限り、廃棄物の焼却によって得られる発電量は一定である一方で、太陽熱によって得られる発電量は天候に応じて変動する。太陽熱による発電量が変動する結果、廃棄物焼却による発電量と太陽熱による発電量との合計値である全体の発電量も変動する。

図２は、本実施形態で得られる発電量を示す図であり、（Ａ）は太陽熱による発電量、（Ｂ）は廃棄物の焼却による発電量、（Ｃ）は太陽熱による発電量と廃棄物の焼却による発電量との合計である全体の発電量を示している。

本実施形態に係る発電装置１０は、同図に示されているように、太陽熱による発電量が増加したときには、その分、廃棄物焼却による発電量を減少させ、太陽熱による発電量が減少したときには、その分、廃棄物焼却による発電量を増加させることにより、全体としての発電量を平滑化するものである。

本実施形態では、廃棄物供給量制御装置６は、生成される蒸気量を所定の目標値で維持するように廃棄物供給量の制御を行う。すなわち、太陽熱による蒸気量が増加したときには、その分、廃棄物焼却による蒸気量を減少させるように、また、太陽熱による蒸気量が減少したときには、その分、廃棄物焼却による蒸気量を増加させるように、廃棄物供給量制御装置６が廃棄物供給量を制御する。

以下、廃棄物供給量制御装置６による廃棄物供給量の制御について説明する。図３は、本実施形態における廃棄物供給量制御装置６による廃棄物供給量の制御を示すフローチャートである。本実施形態では、廃棄物供給量制御装置６において、目標とする発電量を得るために蒸気タービン発電機１６に供給されるべき蒸気量が設定蒸気量として予め設定されている（Ｓ１ａ）。図３において、設定蒸気量は「Ｂ」として示されている。

まず、廃棄物供給装置５が廃棄物の供給重量を計測する（Ｓ１ｂ）。次に、廃棄物供給量制御装置６が、計測された廃棄物の供給重量に基づいて、該廃棄物の供給重量に対応する廃棄物発熱量を算出する（Ｓ２ｂ）。また、太陽熱集熱装置１４の日射量センサによって日射量が計測され、太陽熱受熱装置１５の蒸気量センサによって蒸気量が計測され、該太陽熱受熱装置１５の蒸気温度センサによって蒸気温度が計測される（Ｓ１ｃ）。次に、廃棄物供給量制御装置６が、計測された日射量に基づいて、あるいは計測された蒸気量および蒸気温度に基づいて、太陽熱の受熱量を算出する（Ｓ２ｃ）。

日射量から太陽熱の受熱量を算出する場合には、例えば以下の式（１）が用いられる。

上記式（１）において、補正係数Ｃ_２は、太陽熱集熱装置１４が受光した太陽光の太陽熱量に対する、蒸気に伝わった熱量の割合を表わす補正係数である。具体的には、補正係数Ｃ_２は、反射鏡の反射効率に集熱部の集熱効率（蒸気に伝わる熱量の割合）を乗じて算出される。また、配管経路で逃げる熱量を無視できない場合には、更に、配管の熱輸送効率を乗じて補正係数Ｃ_２を算出する場合もある。

また、蒸気量および蒸気温度から太陽熱の受熱量を算出する場合には、例えば以下の式（２）が用いられる。

上記式（２）において、補正係数Ｃ₃は、蒸気エンタルピー演算用定数であり、水から水蒸気への蒸発潜熱を表している。また、補正係数Ｃ₄は、蒸気エンタルピー演算用定数の温度依存項であり、比エンタルピーを表している。

次に、廃棄物供給量制御装置６は、算出された廃棄物発熱量と太陽熱受熱量に基づいて、廃棄物焼却による燃焼熱および太陽熱の両方によって得られる蒸気量を算出する（Ｓ３）。以下、算出された蒸気量を「計算蒸気量」といい、図３において「Ａ」として示す。廃棄物供給量制御装置６は、予め設定されている上記設定蒸気量を計算蒸気量から減じて（図２における「Ａ−Ｂ」）、両者の差分（図３における「Ｃ」）を算出する（Ｓ４）。

計算蒸気量と設定蒸気量との差Ｃが、所定の下限閾値Ｚ１以上かつ所定の上限閾値Ｚ２以下の場合（Ｚ１≦Ｃ≦Ｚ２）、廃棄物供給量制御装置６は、廃棄物供給量を補正しない。したがって、そのまま廃棄物供給装置５による廃棄物の供給が継続される（Ｓ５ａ）。

計算蒸気量と設定蒸気量の差Ｃが上限閾値Ｚ２よりも大きい場合（Ｚ２＜Ｃ）、廃棄物供給量制御装置６は、廃棄物供給量を減少させるように廃棄物供給装置５を制御する（Ｓ５ｂ）。また、計算蒸気量と設定蒸気量の差Ｃが下限閾値Ｚ１よりも小さい場合（Ｃ＜Ｚ１）、廃棄物供給量制御装置６は、廃棄物供給量を増加させるように廃棄物供給装置５を制御する（Ｓ５ｃ）。

本実施形態では、天候等によって太陽熱の受熱量が変化した場合であっても、該太陽熱によって得られる蒸気量の変化に対応させて廃棄物供給量を増減することにより、太陽熱による蒸気量と廃棄物焼却による蒸気量との合計の蒸気量を常に一定に維持できる。この結果、天候等の変動に対応させて発電量を平滑化することができる。

本実施形態では、焼却炉１からの排ガスによって飽和蒸気そして過熱蒸気を生成し、太陽熱によって該過熱蒸気を加熱する。このように、過熱蒸気の加熱にのみ太陽熱を活用することにより、該太陽熱の電気変換効率が大幅に高められ、廃棄物発電設備の廃熱回収発電設備能力を有効に活用することができる。

また、本実施形態では、太陽熱受熱装置１５が、管群ボイラ３内に配される過熱管１３で生成した過熱蒸気を蒸気タービン発電機１６に供給する流路に設置されており、太陽熱を高温過熱蒸気の生成に確実に活用できるので、発電効率をさらに高めることができる。

また、集熱を効率的に行うことにより、例えば、従来の廃棄物発電による排ガスからの熱回収では、排ガス中の有害物によるボイラ管腐食の制約から実現できない４００℃を超える温度の熱供給や、さらに高い５００℃を超える高温熱供給が可能となる。

また、本実施形態では、熱媒体を用いないので、該熱媒体のための設備を設ける必要がなくなるので、その分、設備を小型化でき、コストの増大を抑制できる。

本実施形態では、廃棄物供給量制御装置によって、廃棄物の供給量が制御されることとしたが、これに代えてあるいはこれに加えて、廃棄物処理炉の廃棄物ホッパから燃焼室内へ廃棄物を押し出す給塵機の運転速度、焼却炉の火格子の動作速度、該焼却炉内に供給される燃焼空気量、その他の運転基準値が制御されることとしてもよい。

本実施形態では、太陽熱を過熱蒸気の加熱に活用したが、これに代えて、該太陽熱を過熱蒸気の生成および加熱の両方に活用してもよい。すなわち、太陽熱受熱装置へ飽和蒸気を供給して、太陽熱によって該飽和蒸気を過熱することにより、過熱蒸気を生成し、さらには該過熱蒸気を加熱することができる。

本発明は、廃棄物発電において太陽熱の受熱量の変動に対応して廃棄物の供給量を制御するものであるが、太陽熱の受熱量の変動に対応して燃料の供給量を制御するという本発明の技術思想は、石炭火力発電、ガスタービンコジェネレーションシステム等の水その他の液体を蒸発させ、さらに加熱して過熱蒸気を生成し、その過熱蒸気をタービンに供給して発電する装置に適用することが可能であり、これによって、効率的に太陽熱を活用することができる。

１焼却炉（廃棄物処理炉）
２輻射ボイラ
３管群ボイラ
５廃棄物供給装置
６廃棄物供給量制御装置
１０発電装置（太陽熱利用廃棄物発電装置）
１４太陽熱集熱装置
１５太陽熱受熱装置
１６蒸気タービン発電機（蒸気タービン発電装置）

Claims

廃棄物を焼却またはガス化溶融する廃棄物処理炉施設に設ける廃棄物発電装置であって、
廃棄物処理炉へ廃棄物を供給する廃棄物供給装置と、
廃棄物処理炉から排出される排ガスから熱回収して蒸気又は過熱蒸気を生成するボイラと、
太陽熱を集熱する太陽熱集熱装置と、
上記太陽熱集熱装置で集熱された太陽熱を受熱するとともに、受熱した太陽熱との熱交換により、ボイラで生成した蒸気を加熱して過熱蒸気を生成する過熱蒸気生成及び生成した過熱蒸気をさらに加熱する過熱蒸気加熱を、又はボイラで生成した過熱蒸気をさらに加熱する過熱蒸気加熱を行う太陽熱受熱装置と、
上記太陽熱受熱装置で生成又は加熱された過熱蒸気により発電する蒸気タービン発電装置と、
上記太陽熱受熱装置の蒸気量センサにより計測する蒸気量及び蒸気温度センサにより計測する蒸気温度に基づき算出される太陽熱受熱量、又は上記太陽熱集熱装置の日射量センサより計測する日射量に基づき算出される太陽熱受熱量と、廃棄物処理炉へ供給する廃棄物供給重量に基づき算出される廃棄物発熱量とに基づいて、廃棄物処理炉に供給する廃棄物供給量を調整するように上記廃棄物供給装置を制御する廃棄物供給量制御装置とを備えることを特徴とする太陽熱利用廃棄物発電装置。
廃棄物を焼却またはガス化溶融する廃棄物処理炉施設に設ける廃棄物発電装置の運転方法であって、
廃棄物の供給重量を計測するとともに該廃棄物を廃棄物処理炉へ供給する廃棄物供給工程と、
ボイラにて、廃棄物処理炉から排出される排ガスから熱回収して蒸気又は過熱蒸気を生成する蒸気生成工程と、
太陽熱を集熱するとともに日射量を計測する太陽熱集熱工程と、
上記太陽熱集熱工程で集熱された太陽熱を受熱するとともに、受熱した太陽熱との熱交換により、上記蒸気生成工程で生成した蒸気を加熱して過熱蒸気を生成する過熱蒸気生成及び生成した過熱蒸気をさらに加熱する過熱蒸気加熱を、又は上記蒸気生成工程で生成した過熱蒸気をさらに加熱する過熱蒸気加熱を行うとともに、蒸気量及び蒸気温度を計測する太陽熱受熱工程と、
上記太陽熱受熱工程で生成又は加熱された過熱蒸気により発電する発電工程と、
上記太陽熱受熱工程で計測される蒸気量及び蒸気温度に基づき算出される太陽熱受熱量、又は上記太陽熱集熱工程で計測される日射量に基づき算出される太陽熱受熱量と、廃棄物供給工程で計測される廃棄物供給重量に基づき算出される廃棄物発熱量とに基づいて、上記廃棄物供給工程で廃棄物処理炉に供給する廃棄物供給量を調整するように制御を行う廃棄物供給量制御工程とを備えることを特徴とする太陽熱利用廃棄物発電装置の運転方法。