JP6181548B2 - 廃棄物処理設備 - Google Patents

Description

本発明は、廃熱から動力回収および電力回収を行う発電機付きタービンを備えた廃棄物処理設備に関する。

下水汚泥等の脱水汚泥は、焼却、乾燥、炭化等、汚泥の熱処理時の水分蒸発に多大なエネルギーが必要である。汚泥熱処理時の省エネルギーの観点から、そのエネルギーを有効に回収し、再利用することが期待されている。

図３は、従来技術による廃棄物処理設備を示す。図３に示すように、従来技術による廃棄物処理設備１００は、焼却炉１０１、流動空気ブロワ１０２、流動空気熱交換器１０３、白煙防止用空気熱交換器１０４、白防空気ブロワ１０５、集塵機１０６、および煙突１０７ａを備えたスクラバ１０７を備えて構成されている（特許文献１等参照）。

この廃棄物処理設備１００においては、汚泥が焼却炉１０１に投入されて焼却されて焼却排ガスを排出する。そして、焼却炉１０１の直後に配置された流動空気熱交換器１０３においては、高温の焼却排ガスによって焼却炉１０１で使用する流動空気を予熱する。また、流動空気熱交換器１０３の直後に配置された白煙防止用空気熱交換器１０４においては、焼却排ガスによって白煙防止用空気を加熱する。ここで、焼却炉１０１から排出される高温の焼却排ガス中には、多量の焼却灰が含まれているとともに、ＳＯ_Ｘなどの有害成分が含有されている。そのため、集塵機１０６により焼却排ガスから焼却灰を除去し、さらにスクラバ１０７により焼却排ガスに洗浄水を気液接触させることでＳＯ_Ｘなどを除去した後、この焼却排ガスを煙突１０７ａから放出する。なお、スクラバ１０７を通過した焼却排ガスは飽和濃度の水蒸気を含むため、白煙防止用空気熱交換器１０４において加熱した空気を煙突１０７ａに供給して、白煙の発生を防止している。

特許第５０２７６９７号公報

しかしながら、近年の電力削減および低コスト化の要請から、特許文献１に記載されたような廃棄物処理設備において、設置設備をさらに削減して、電力消費量を削減できる技術の開発が求められている。さらに、省エネルギーの観点からは、廃棄物処理設備から生じて放出されている廃熱についても有効利用する技術の開発が進められており、廃熱を有効に利用することによって電力消費量を削減する技術も要請されていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、廃棄物処理設備における設置設備を削減するとともに、放出される廃熱を有効利用して電力消費量を削減できる廃棄物処理設備を提供することにある。

上述した課題を解決し、上記目的を達成するために、本発明に係る廃棄物処理設備は、廃棄物を燃焼して排ガスを排出する燃焼手段と、燃焼手段から排出された排ガスと気体との間において熱交換を行う熱交換手段と、排ガスに対して所定の排ガス処理を行う排ガス処理手段と、熱交換手段に気体を供給するとともに、熱交換手段において加熱された気体を燃焼手段および気体の熱を利用する熱利用手段に供給する過給手段と、を備えることを特徴とする。このように、熱交換手段および過給手段を設ければ、設置設備を削減しつつ、燃焼手段から排出される排ガスの廃熱を有効利用して電力消費量を削減することができる。

ここで、本発明に係る廃棄物処理設備は、排ガス処理手段が排ガスを洗浄して排気部から排気する洗浄手段を有し、熱利用手段が排気部を含むことが好ましい。このようにすれば、熱交換手段において加熱された気体の熱を洗浄手段の排気部において有効に利用し、排ガスの廃熱を更に有効利用することができるからである。

また、本発明に係る廃棄物処理設備は、排ガス処理手段が、熱交換手段を通過した排ガスから不純物を除去して集塵する集塵手段と、排ガスを洗浄して排気部から排気する洗浄手段との少なくとも一方を有することが好ましい。このようにすれば、熱交換手段において廃熱を有効利用した後の排ガスを良好に処理することができるからである。

更に、本発明に係る廃棄物処理設備は、過給手段が、熱交換手段により加熱された気体のエネルギーによって気体を熱交換手段に供給可能に構成されているとともに、加熱された気体を排出して燃焼手段および熱利用手段に供給可能に構成されていることが好ましい。このようにすれば、熱交換手段において加熱された気体のエネルギーを過給手段において有効に利用し、排ガスの廃熱を更に有効利用することができるからである。

また、本発明に係る廃棄物処理設備は、過給手段が、過給手段の駆動に応じて電力を出力可能に構成された発電手段を備えることが好ましい。このようにすれば、廃棄物処理設備全体としての電力消費量を更に削減することができるからである。

ここで、本発明に係る廃棄物処理設備は、排ガス処理手段の後段に誘引手段をさらに備え、誘引手段によって排ガス処理手段内から気体を誘引することによって、燃焼手段から、熱交換手段、および排ガス処理手段に順次排ガスを通過させるように構成されていることが好ましい。このようにすれば、処理後の排ガスを誘引手段で誘引することができるので、誘引手段に要求される性能（例えば、耐腐食性など）を低減させ、設備コストを低減することができるからである。

或いは、本発明に係る廃棄物処理設備は、燃焼手段の内部の圧力を、大気圧より廃棄物処理設備における圧力損失以上高くして、燃焼手段から、熱交換手段、および排ガス処理手段に順次排ガスを通過可能に構成されていることが好ましい。このようにすれば、排ガスの誘引手段を設ける必要がないので、設置設備を更に削減することができる。

そして、本発明に係る廃棄物処理設備は、排ガス処理手段が、熱交換手段を通過した排ガスから不純物を除去して集塵する集塵手段と、集塵手段を通過した排ガスを洗浄して排気部から排気する洗浄手段とを有することが好ましい。このようにすれば、熱交換手段において排ガス中の不純物が有する熱も利用した後に集塵を行うことができると共に、集塵手段に要求される耐熱性を低減することができるからである。

また、本発明に係る廃棄物処理設備は、熱交換手段を通過した排ガスから不純物を除去して集塵する集塵手段を有する場合、熱交換手段が、排ガスが流通する外管と、外管に挿通されて気体が流通する少なくとも一本の内管とを備える熱交換器を有し、外管の流路断面積が、内管の流路断面積よりも大きいことが好ましい。このようにすれば、集塵前の排ガスを熱交換手段に流通させた場合であっても、排ガス中の不純物により熱交換器が閉塞するのを抑制することができるからである。また、通常、排ガスの圧力は過給手段から供給される気体よりも低いので、外管内に排ガスを流通させれば外管全体を耐圧構造とする必要がなく、熱交換器の設置に要するコストを低減することができるからである。

本発明に係る廃棄物処理設備によれば、廃棄物処理設備における設置設備を削減するとともに、放出される廃熱を有効利用して電力消費量を削減することが可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態による廃棄物処理設備である。 図２は、本発明の第２の実施形態による廃棄物処理設備である。 図３は、従来技術による廃棄物処理設備である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は以下に説明する実施形態によって限定されるものではない。

まず、本発明の第１の実施形態による廃棄物処理設備について説明する。図１は、この第１の実施形態による廃棄物処理設備を示す。

図１に示すように、この第１の実施形態による廃棄物処理設備１は、焼却炉１１、ガスタービン１２、過熱器１３、熱交換器１４、集塵機１５、煙突１６ａが設けられたスクラバ１６、および誘引ファン１７を備える。ガスタービン１２には、発電手段としてのジェネレータ１２ｃが設けられている。

まず、燃焼手段としての焼却炉１１に供給される例えば汚泥などの廃棄物は、約３％の固形分濃度（水分含有率９７％）の汚泥を例えば回転加圧脱水機などによって、水分含有率が例えば６５％〜８０％、好適には、６５％〜７５％程度にまで脱水された汚泥である。なお、廃棄物は汚泥に限られない。

脱水された廃棄物は、焼却炉１１に投入されて焼却される。廃棄物の焼却炉１１においては各種形式があるが、最近ではダイオキシンの発生防止や設備小型化の観点から、流動焼却炉を採用するのが好ましい。なお、廃棄物の水分含有率が８０％以上の場合においては、焼却炉１１内において廃棄物を自燃させることが困難であるため、必要に応じて焼却炉１１内に補助燃料が供給される。

また、焼却炉１１の後段には、焼却炉１１から排出された焼却排ガスと、ガスタービン１２を介して外部から供給された空気との間で熱交換が可能な熱交換手段としての熱交換器１４が配置されている。即ち、焼却炉１１と、熱交換器１４の焼却排ガスが流通する側とは、焼却排ガスラインを介して接続されている。また、熱交換器１４の空気が流通する側と、後述するガスタービン１２のコンプレッサー部１２ａとは、空気供給ラインを介して接続されている。そして、熱交換器１４は、焼却炉１１において使用する燃焼気体としての燃焼空気や、熱利用手段としての、排気部である煙突１６ａまたはその他の熱を利用する設備において使用する流動空気や作動空気などの空気を高温の焼却排ガスによって予熱する。

また、過給手段としてのガスタービン１２は、例えばマイクロガスタービンなどから構成され、コンプレッサー部１２ａとタービン部１２ｂとを有する。このガスタービン１２は、コンプレッサー部１２ａにより外部から吸引した空気等の気体を加圧し、空気供給ラインを介して熱交換器１４に供給するとともに、熱交換器１４から排出された空気が任意に過熱器１３によって温度調整されてタービン部１２ｂに戻されることで過給動作を行う。すなわち、熱交換器１４において加熱された空気は、熱交換器１４と過熱器１３とを接続する加熱空気供給ラインを介して過熱器１３に供給され、過熱器１３は、必要に応じて供給補助燃料が供給されて空気を過熱し、この空気をガスタービン１２のタービン部１２ｂに過熱空気供給ラインを介して供給する。そして、少なくとも熱交換器１４によって加熱された空気のエネルギーによってガスタービン１２が駆動し、外部から空気を吸引して圧縮するとともに例えば回転力などの動力を出力する。具体的には、加熱された空気のエネルギーによってガスタービン１２のタービン部１２ｂを回転させると共にタービン部１２ｂに接続されたコンプレッサー部１２ａを駆動して外部から空気を吸引して圧縮（加圧）し、更に、タービン部１２ｂに接続されたジェネレータ１２ｃに回転力などの動力を出力する。このようにして、ガスタービン１２は、焼却炉１１の廃熱を、熱交換器１４を通じて駆動用の動力に変換している。なお、ジェネレータ１２ｃは、このガスタービン１２から出力された駆動用の動力を電力に変換して出力可能に構成されている。
因みに、廃棄物処理設備１の起動時におけるガスタービン１２のタービン部１２ｂへの空気の供給は、任意の手段を用いて行うことができる。具体的には、空気の供給は、図示しない起動用ブロアを用いて行ってもよい。また、空気の供給は、ガスタービン１２に電力を供給し、インバーター制御などを利用しつつコンプレッサー１２ａを駆動させることにより行ってもよい。更に、空気の供給は、過熱器１３に燃料を供給し、燃焼させることによって行なってもよい。

ここで、このガスタービン１２が外部から吸引する空気の流量は、焼却炉１１における焼却に要する空気の流量の例えば１．５倍以上の流量とする。そして、ガスタービン１２は、吸引した空気の一部を、焼却炉１１における廃棄物の焼却に必要な燃焼空気として、焼却炉１１に供給する。具体的には、ガスタービン１２のタービン部１２ｂと、焼却炉１１とは燃焼空気供給ラインを介して接続されており、過熱器１３側からタービン部１２ｂに供給されてエネルギーの一部を消費された空気の少なくとも一部は、燃焼空気として焼却炉１１に供給される。なお、ガスタービン１２の内部には主に清浄な空気が流れるので、腐食等が発生しにくくなるため、ガスタービン１２および過熱器１３の長寿命化を実現できる。なお、タービン部１２ｂから排出される空気（タービン部１２ｂに供給されてエネルギーの一部を消費された空気）のうち、燃焼空気以外の、焼却炉１１に供給されない空気の残部については後述する。

他方、焼却炉１１から排出される排ガスである高温の焼却排ガス中には、焼却灰およびＳＯ_Ｘなどの有害成分が含まれる。そこで、焼却排ガスは、熱交換器１４を通過した後に集塵機１５に供給される。即ち、熱交換器１４の焼却排ガスが流通する側と、集塵機１５とは、第一排ガス処理ラインを介して接続されており、集塵手段としての集塵機１５は、熱交換後の焼却排ガスから不純物としての焼却灰などを除去する。その後、焼却灰などの固形分が除去された焼却排ガスは、スクラバ１６に供給される。即ち、集塵機１５とスクラバ１６とは、第二排ガス処理ラインを介して接続されており、洗浄手段としてのスクラバ１６は、焼却灰などの固形分が除去された焼却排ガスを洗浄水と気液接触させ、焼却排ガスからＳＯ_Ｘなどの有害成分を除去した後、この清浄化された焼却排ガスを排気部としての煙突１６ａから放出させる。その結果、排ガス処理手段の少なくとも一部としての集塵機１５およびスクラバ１６によって、焼却排ガスに対して排ガス処理が行われる。

ここで、スクラバ１６を通過した焼却排ガスは、飽和濃度の水蒸気を含む。そのため、焼却排ガスを煙突１６ａからそのままの状態で大気中に放出すると水蒸気の凝結による白煙が生じる。そこで、この第１の実施形態においては、ガスタービン１２から、加熱された空気を煙突１６ａに供給する。すなわち、この第１の実施形態においては、タービン部１２ｂと焼却炉１１とを接続する燃焼空気供給ラインから分岐して延びる白煙防止ラインを介して、ガスタービン１２から、焼却炉１１に供給された燃焼空気以外の空気の残部を煙突１６ａに直接的に供給する。これにより、煙突１６ａから排気される焼却排ガスにおける白煙を防止する。すなわち、ガスタービン１２から煙突１６ａに供給される加熱された空気を、白煙防止用空気として用いる。

また、スクラバ１６の後段には、誘引手段としての誘引ファン１７が設けられている。この誘引ファン１７は、スクラバ１６の内部の気体を誘引することによって、焼却炉１１から、熱交換器１４、集塵機１５、およびスクラバ１６に順次焼却排ガスを流動可能に構成されている。誘引ファン１７は誘引した気体を煙突１６ａに供給して排気する。

以上説明した本発明の第１の実施形態による廃棄物処理設備によれば、熱交換器１４において加熱された空気の一部をガスタービン１２によって煙突１６ａに供給して白煙を防止していることにより、従来技術に比して、白煙防止用空気熱交換器などを設ける必要が無いため、従来に比して、設置設備を削減することができると共に、廃棄物処理設備１における消費電力量を大幅に削減することが可能となる。

また、この第１の実施形態によれば、焼却炉１１の廃熱を利用してガスタービン１２を駆動させ、いわゆる廃熱を動力に変換していることにより、この動力によって空気を、燃焼空気として焼却炉１１に供給するとともに、煙突１６ａにも供給することができるので、従来に比して流動空気用ブロワや白煙防止空気用ブロワが不要になるとともに、さらに余剰な廃熱がある場合には発電が可能となる。具体的には、従来の廃棄物処理設備に比して、例えば、廃棄物の含水率が７４％の場合には、外部の消費電力量を９７％〜１１０％程度削減することが可能になることが確認された。すなわち、ガスタービン１２の駆動によってジェネレータ１２ｃからの発電による電力回収もできて、売電可能な状態にまでなることが確認された。これにより、焼却排ガスの廃熱を有効利用しつつ、消費電力の観点から自立型の廃棄物処理設備が実現可能になる。

更に、この第１の実施形態によれば、集塵機１５において焼却灰などを除去する前の焼却排ガスを熱交換器１４に供給するので、焼却灰が有する熱をも利用して空気を加熱することができる。また、集塵機を焼却炉の直後に設けた場合、熱交換器に供給する焼却排ガスから不純物を除去して熱交換器にかかる負担を低減することはできるものの、集塵機には高温の焼却排ガスが供給されるため、集塵機の耐熱性を高める必要がある。しかし、この第１の実施形態によれば、熱交換器１４において熱を回収した後の焼却排ガスを集塵機１５に供給するので、集塵機を焼却炉の直後に設ける場合と比較し、耐熱性の低い集塵機を使用して設備コストを低減することができる。
また、この第１の実施形態によれば、スクラバ１６においてＳＯ_Ｘなどの有害成分を除去した後の焼却排ガスを誘引ファン１７で誘引しているので、スクラバ１６の前段に誘引ファンを配置する場合と比較し、誘引ファン１７に要求される性能（例えば、耐腐食性など）を低減させ、設備コストの増加を抑制することができる。

次に、本発明の第２の実施形態による廃棄物処理設備について説明する。図２は、この第２の実施形態による廃棄物処理設備２を示す。図２に示すように、この第２の実施形態による廃棄物処理設備２は、焼却炉２１、コンプレッサー部２２ａとタービン部２２ｂと発電手段としてのジェネレータ２２ｃとが設けられたガスタービン２２、過熱器２３、熱交換器２４、集塵機２５、および煙突２６ａが設けられたスクラバ２６を備え、第１の実施形態と異なり誘引ファンが備えられていない。

この第２の実施形態においては、焼却炉２１の内部が大気圧より廃棄物処理設備の圧力損失分以上に高い高圧力、具体的には例えば、大気圧より８〜１０ｋＰａ程度高い高圧力になるように構成されている。この高圧力によって、焼却炉２１が加圧運転され、焼却排ガスが、熱交換器２４、集塵機２５、スクラバ２６および煙突２６ａに順次供給される。その他の構成は、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。

以上説明した本発明の第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることができるとともに、焼却炉２１内の圧力を高圧にして、廃棄物処理設備を運転していることにより、第１の実施形態における誘引ファンを設ける必要がなくなり、消費電力量をより一層削減することが可能となる。

以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。

また、上述した実施形態においては、過給手段として、例えばジェネレータが設けられたマイクロガスタービン（ＭＧＴ）などのガスタービンを採用しているが、ファン以外の、動力（電力）を必要とせず、ジェネレータが設けられていない通常の過給器などを採用することもできる。

更に、本発明の廃棄物処理設備の熱交換器としては、既知の熱交換器を用いることができるが、集塵機の前段側に熱交換器を設置する場合には、熱交換器内の通路のうち、流路断面積が大きい側に焼却排ガスを流通させることが好ましい。特に、集塵機の前段側に熱交換器を設置する場合には、当該熱交換器は、焼却排ガスが内部を流通する外管と、当該外管に挿通されて空気が内部を流通する少なくとも一本の内管とを備え、外管の流路断面積が、各内管の流路断面積よりも大きいものであることが好ましい。流路断面積が大きい側に焼却排ガスを流通させれば、集塵機の前段側に熱交換器を設置して焼却灰などが有する熱を熱交換器で有効に回収した場合であっても、焼却灰などにより熱交換器の流路が閉塞するのを抑制することができる。また、ガスタービンのコンプレッサー部で加圧された空気は焼却排ガスに比べて高圧（例えば、ゲージ圧で５０〜５５０ｋＰａ程度）であるところ、外管と内管とを有する熱交換器を使用する場合、外管内に低圧の焼却排ガスを流通させれば、外管全体を耐圧構造とする必要がなく、設備コストの増加を抑制することができる。ここで、このような熱交換器としては、特に限定されることなく、例えばＵ字型熱交換器などを挙げることができる。
なお、「流路断面積」とは、気体が流れる部分の、気体の流れ方向に直交する断面の面積を指す。

１，２ 廃棄物処理設備
１１，２１ 焼却炉
１２，２２ ガスタービン
１２ａ、２２ａ コンプレッサー部
１２ｂ、２２ｂ タービン部
１２ｃ，２２ｃ ジェネレータ
１３，２３ 過熱器
１４，２４ 熱交換器
１５，２５ 集塵機
１６，２６ スクラバ
１６ａ，２６ａ 煙突
１７ 誘引ファン

Claims (9)

1. 廃棄物を燃焼して排ガスを排出する燃焼手段と、
   前記燃焼手段から排出された前記排ガスと気体との間において熱交換を行う熱交換手段と、
   前記排ガスに対して所定の排ガス処理を行う排ガス処理手段と、
   前記熱交換手段に気体を供給するとともに、前記熱交換手段において加熱された気体を前記燃焼手段および前記気体の熱を利用する熱利用手段に供給する過給手段と、
   を備え、
   前記気体が空気であり、
   前記過給手段が、前記熱交換手段により加熱された前記気体のエネルギーによって気体を前記熱交換手段に供給可能に構成されているとともに、前記加熱された気体を排出して前記燃焼手段および前記熱利用手段に供給可能に構成されていることを特徴とする廃棄物処理設備。
2. 前記排ガス処理手段が排ガスを洗浄して排気部から排気する洗浄手段を有し、前記熱利用手段が前記排気部を含むことを特徴とする請求項１に記載の廃棄物処理設備。
3. 前記排ガス処理手段が、前記熱交換手段を通過した排ガスから不純物を除去して集塵する集塵手段と、前記排ガスを洗浄して排気部から排気する洗浄手段との少なくとも一方を有することを特徴とする請求項１または２に記載の廃棄物処理設備。
4. 前記過給手段が、コンプレッサー部およびタービン部を有し、前記熱交換手段により加熱された前記気体を前記タービン部に供給して前記タービン部を回転させると共に前記タービン部に接続された前記コンプレッサー部を駆動して外部から気体を吸引して圧縮し、前記コンプレッサー部により外部から吸引した気体を前記熱交換手段に供給可能に構成されているとともに、前記加熱された気体を前記タービン部から排出して前記燃焼手段および前記熱利用手段に供給可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の廃棄物処理設備。
5. 前記過給手段が、前記過給手段の駆動に応じて電力を出力可能に構成された発電手段を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の廃棄物処理設備。
6. 前記排ガス処理手段の後段に誘引手段をさらに備え、前記誘引手段によって前記排ガス処理手段内から気体を誘引することによって、前記燃焼手段から、前記熱交換手段、および前記排ガス処理手段に順次排ガスを通過可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の廃棄物処理設備。
7. 前記燃焼手段の内部の圧力を、大気圧より前記廃棄物処理設備における圧力損失以上高くして、前記燃焼手段から、前記熱交換手段、および前記排ガス処理手段に順次排ガスを通過可能に構成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の廃棄物処理設備。
8. 前記排ガス処理手段が、前記熱交換手段を通過した排ガスから不純物を除去して集塵する集塵手段と、前記集塵手段を通過した前記排ガスを洗浄して排気部から排気する洗浄手段とを有することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の廃棄物処理設備。
9. 前記熱交換手段が、前記排ガスが流通する外管と、前記外管に挿通されて前記気体が流通する少なくとも一本の内管とを備える熱交換器を有し、
   前記外管の流路断面積が、前記内管の流路断面積よりも大きいことを特徴とする、請求項３または８に記載の廃棄物処理設備。

Images