JPH11218005A - 廃棄物を燃料とする複合発電システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 天然ガス等の追加燃料を使用せずに、現状の
材料の制約の中で、外部加熱方式廃棄物複合発電の効率
向上を図ることができる複合発電システムを提供する。 【解決手段】 廃棄物を燃料とする排ガス源１と、排ガ
ス源１からの排ガスと圧縮空気を熱交換する外部空気加
熱器２により外部加熱する開放サイクル再生式ガスター
ビン３と、廃棄物燃焼用空気の高温空気予熱器１３と、
外部空気加熱器２と高温空気予熱器１３の後流側に配置
される蒸気ボイラ４と、蒸気ボイラ４の後流に廃棄物燃
焼用空気の空気予熱器５とを備え、蒸気ボイラ４から発
生した蒸気を消費する蒸気タービン６の復水７をガスタ
ービン再生器出口の排気空気で加熱する給水加熱器８を
設け、降温した排気空気９によりカリーナサイクル２０
のアンモニア−水混合流体１０を熱交換器で蒸発加熱
し、アンモニア−水混合流体蒸気タービン１２で発電
し、熱交換器の後流側排気空気の一部を空気予熱器５に
供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温の腐食性燃焼
ガスと空気の熱交換を行う外部加熱式ガスタービン、蒸
気タービン、アンモニア−水混合流体タービンにより動
力を回収する廃棄物を燃料とする複合発電システムに関
する。

【０００２】

【従来の技術】廃棄物発電における水−蒸気を使うラン
キンサイクルを使う発電システムは排ガスが激しい腐食
性を持つことより、石炭などの固体燃料発電に比較する
と蒸気温度は３００℃以下に押さえられていた。近年、
地球温暖化防止行動計画により廃棄物発電の高効率化が
推進され、４ＭＰａ、４００℃の蒸気条件も実用化され
てきた。一方、廃棄物燃焼におけるダイオキシン排出低
減、焼却灰の溶融化による飛灰の減容化、無害化を目的
とするガス化溶解炉も実用化され、廃棄物燃焼ガス温度
は８００℃から１３５０℃と高温化している。

【０００３】固体燃料の高効率発電システムとしては、
固体燃料を燃焼ガス化して、ガスタービン発電を行い、
ガスタービンの排ガスを熱源として蒸気タービン発電を
行う複合発電がある。ガスタービン技術の進歩により２
１世紀には天然ガスを燃料とする複合発電の発電効率は
６０％を超すと見込まれている。廃棄物発電において
も、出力３０ＭＷ規模で発電効率４４％以上のガス化複
合発電システムが実用化されるのも間近い現状である。
しかしながら、現在の廃棄物ガス化は加圧状態でガス燃
料を製造する方法であり、廃棄物燃料はロックホッパー
から投入できる大きさまでにＲＤＦ化してガス化炉に供
給する必要がある。また、ガス化には酸素プラントおよ
び湿式ガス洗浄の廃水処理も必要である。

【０００４】複合発電サイクルを廃棄物発電に導入する
方法として、排ガスと圧縮空気との熱交換による外部加
熱式ガスタービンがあり、廃棄物排ガス温度が１３５０
℃に達する常圧ガス化溶融炉では、空気加熱温度は最新
式商用ガスタービンのタービン入口温度１１５０℃まで
上げることにより、発電効率が廃棄物ガス化複合発電と
同レベルまで向上することを本件出願人が特願平８−３
１４１２号「廃棄物を燃料とする複合発電」で提案して
いる。この方法は、高温高圧のセラミック熱交換器を必
要とし、多量の水蒸気、塩化水素を含む廃棄物ガス化溶
融炉における１３５０℃の燃焼ガスに耐える材料および
構造は実用化されていない。

【０００５】石炭発電の高効率化手法として、外部加熱
式ガスタービンの研究が米国、ヨーロッパで行われてお
り、加熱空気温度を１０００℃以下とし、天然ガスの追
加燃焼により、タービン入口温度を１１５０℃まで上げ
ている。外部より、天然ガスを追加加熱して発電効率を
上げる方法は、天然ガスが安価に得られ、かつ施設がパ
イプライン近傍に立地できる場合には有効であるが、経
済性に問題がある。

【０００６】本件出願人は特願平９−２１４０６４号
「廃棄物を燃料とする複合発電システム」において、空
気加熱温度が７４２℃の外部加熱式ガスタービンとカリ
ーナサイクルとを組み合わせ、出力規模２０ＭＷ程度で
発電効率３５％のシステムを提案している。このシステ
ムの問題点は、ガスタービン圧縮機出口の空気温度をガ
ス化溶融炉のバグフィルタ入口温度より低くするため
に、空気−空気の熱交換が従来の空気−蒸気の熱交換伝
熱面積より、３倍程度になるため、熱交換器コストが増
えることである。

【０００７】本件出願人が特願平９−２９６３１３号
「廃棄物燃焼発電方式」で提案した１０ＭＰａ、５４０
℃の蒸気を得る方法は、発電効率３５％が得られるた
め、発電効率３５％の外部加熱式複合発電は性能上の優
位性を失った。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記の問題
点を解決するために創案されたものであり、天然ガス等
の追加燃料を使用せずに、現状の材料の制約の中で、外
部加熱方式廃棄物複合発電の効率向上を図ることができ
る廃棄物を燃料とする複合発電システムを提供すること
を目的とする。また、本発明は、空気加熱器の伝熱面積
を減らし、経済性を向上させることができる複合発電シ
ステムを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、本発明は廃棄物を燃料とする排ガス源と、該排ガス
源からの排ガスと圧縮空気を熱交換する外部空気加熱器
により外部加熱する開放サイクル再生式ガスタービン
と、廃棄物燃焼用空気の高温空気予熱器と、前記外部空
気加熱器と高温空気予熱器の後流側に配置される蒸気ボ
イラと、該蒸気ボイラの後流に廃棄物燃焼用空気の空気
予熱器とを備えた排熱回収システムにおいて、蒸気ボイ
ラから発生した蒸気を消費する蒸気タービンの復水を前
記ガスタービン再生器出口の排気空気で加熱する給水加
熱器を設け、降温した排気空気によりカリーナサイクル
のアンモニア−水混合流体を熱交換器で蒸発加熱し、ア
ンモニア−水混合流体蒸気タービンで発電し、当該熱交
換器の後流側排気空気の一部を前記空気予熱器に供給す
ることを特徴とするものである。

【００１０】本発明の複合発電システムは、再熱再生蒸
気タービンと、外部加熱方式開放サイクル再生式ガスタ
ービンと、ガスタービン排気空気を熱源とする当該蒸気
タービンの給水加熱器と、２００℃以下のガスタービン
排気空気を熱源とするアンモニア−水混合流体カリーナ
サイクルとから構成され、廃棄物燃焼排ガスは、ガスタ
ービン外部加熱器と、蒸気ボイラと、ガス化溶融炉の燃
焼空気用予熱器とにより熱回収される。

【００１１】ガスタービンの圧縮機出口空気は、ガスタ
ービン排気に設置された再生器により昇温され、廃棄物
燃焼排ガスと空気加熱器を介して、昇温され、ガスター
ビンの膨脹タービンにより動力回収される。ガスタービ
ン再生器の出口空気温度は、圧縮機出口空気温度より約
３０℃高く、この空気を熱源として、再熱再生蒸気ター
ビンの給水を加熱し、昇温されたボイラ給水は廃棄物排
ガスのボイラへ導かれる。ガスタービンの排熱により、
ボイラ給水温度が上がるため、ボイラ蒸発量が増加す
る。

【００１２】４００℃以上の蒸気過熱は、ボイラから独
立した清浄な高温のガス化溶融炉燃焼空気で行われ、前
記燃焼空気の加温はセラミック性のバヨネット形空気加
熱器を介して排ガスと熱交換されることによる。この方
式は本件出願人により特願平９−２９６３１３号「廃棄
物燃焼発電方式」で提案されている。５００℃まで過熱
された蒸気は、高圧蒸気タービンで動力回収し、背圧側
の蒸気はボイラに戻され４００℃まで再熱される。高圧
蒸気タービンには、ラジアル形タービンを使用すると高
効率が得られる。再熱された蒸気は高温化された燃焼空
気により、５００℃まで過熱され、低圧蒸気タービンに
導かれ、動力回収される。燃焼空気はガス化溶融炉の２
次空気として使用されるので、２次空気顕熱はボイラに
回収される。

【００１３】給水加熱器で降温された空気はカリーナサ
イクルのアンモニア−水混合流体を蒸発および過熱させ
る熱源となり、アンモニア−水蒸気タービンにより動力
回収される。空気温度が２００℃以下の場合、非等温蒸
発が生じるアンモニア−水混合流体は蒸気回収よりもよ
り低い温度まで熱を回収できる。アンモニア−水混合流
体熱交換器出口の空気温度は７０℃になり、空気の一部
をガス化溶融炉の燃焼空気として、ボイラ内の空気予熱
器に導く。外気温と空気温度７０℃の顕熱はガスタービ
ン排気顕熱の一部であり、ガスタービン外部加熱器から
得られた熱の一部がボイラに回収されたことになる。

【００１４】上述した本発明によれば、外部加熱式ガス
タービンの再生器を通過した排気空気の顕熱は蒸気ター
ビンサイクルの給水加熱に使用し、さらにカリーナサイ
クルで動力回収している。最後に、燃焼空気として顕熱
利用するため、ボイラ蒸発量が増加する。ガスタービン
は、７５０℃のタービン入口温度であっても、圧縮機効
率、膨脹タービン効率を最新式ガスタービンに使用され
る水準まで上げ、再生器の伝熱面積を経済的に許容でき
る限界まで大きくとれば、蒸気タービンのサイクル効率
と同水準とできる。ガスタービン排気の排熱が蒸気ター
ビンサイクルの入熱として再利用される以外の残熱は、
カリーナサイクルで動力回収され、ガスタービン排気熱
は有効に利用される。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１は本発明に係る複合発電シス
テムの系統図である。複合発電システムは、廃棄物を燃
料とする腐食性排ガス源１と、排ガス源１からの排ガス
と圧縮空気を熱交換する外部空気加熱器２により外部加
熱する開放サイクル再生式ガスタービン３と、廃棄物燃
焼用空気の高温空気予熱器１３と、外部空気加熱器２と
高温空気予熱器１３の後流側に配置される蒸気ボイラ４
と、さらに後流に廃棄物燃焼用空気の空気予熱器５とを
備えている。本実施例においては、腐食性排ガス源１
は、ごみ燃料をガス化炉５０で部分燃焼させてガス化
し、生成された未燃ガスやチャー等を旋回溶融炉６０で
高温で燃焼させる構成を有している。

【００１６】複合発電システムは、蒸気ボイラ４から発
生した蒸気を消費する蒸気タービン６の復水７を前記ガ
スタービン再生器出口の排気空気で加熱する給水加熱器
８を備え、降温した排気空気９によりカリーナサイクル
２０のアンモニア−水混合流体１０を熱交換器１１で蒸
発加熱し、アンモニア−水混合流体蒸気タービン１２で
発電し、当該熱交換器１１の後流側排気空気の一部を空
気予熱器５に供給する。

【００１７】複合発電システムにおいては、腐食性排ガ
スが上向き流れとなる垂直ダクトに耐火材で被覆された
金属性の輻射形伝熱部からなるガスタービン外部空気加
熱器３０を配置している。前記外部空気加熱器２は、排
ガス温度が低下した下向き流れ部に炭化珪素繊維ででき
た保護管で被覆された金属製管からなる対流伝熱部を有
するガスタービン外部空気加熱器から構成されている。
また高温空気予熱器１３は、排ガスダクト天井部に吊り
下げ状のセラミック製バヨネット形高温空気予熱器から
構成されている。

【００１８】上述の構成の複合発電システムにおいて、
腐食性排ガス源１は廃棄物焼却炉からの高温排ガスであ
る。日量３３１トンの廃棄物ガス化溶融焼却炉があり、
排ガス量は１１０ｔ／ｈ、排ガス温度１３５０℃が与え
られたとして説明する。ここであげる数値は１例であ
り、これに限るものではない。

【００１９】再生器３１を持つ開放サイクルガスタービ
ン３において、軸流圧縮機３２への入口温度１５℃、入
口空気流量３０２ｔ／ｈ、圧縮機出口圧力は０．４３Ｍ
Ｐａ・ａｂｓ、回転数４７００ｒｐｍ、断熱効率は９０
％とすると、出口温度１７５℃、圧縮機所要動力は１
３．６ＭＷとする。

【００２０】圧縮機出口空気は温度効率９０％の再生器
３１により４５３℃まで昇温され、排ガスダクト４０内
の外部空気加熱器２に導かれる。排ガス温度が１０００
℃から６００℃の領域において、圧縮空気は４５３℃よ
り６３６℃まで昇温される。外部加熱器２における熱交
換器の形式は対流式とし、金属管の外側にセラミックス
保護管を装着した２重管を用いる。炭化珪素系セラミッ
クスは表面温度が１０００℃以下であれば酸化腐食がな
い。炭化珪素系セラミックスは熱衝撃性に優れた炭化珪
素繊維からなる複合材料を用いると保護管の厚さは１ｍ
ｍとすることができ、保護管の伝熱損失を少なくするこ
とができる。

【００２１】セラミックスの表面温度は溶融塩の付着成
長が最も激しい４００℃付近よりも高い温度領域である
５００℃である。排ガス温度７７０℃において空気予熱
温度３００℃をえている廃棄物焼却施設のバヨネット形
セラミックス加熱管表面の付着物成長は排ガス温度５５
０℃において過熱蒸気温度４００℃をえている廃棄物焼
却炉のステンレス管の溶融塩付着に較べるとはるかに少
なく、付着物による伝熱性能劣化も少なくなる。溶融塩
付着成長を防止するためには、伝熱管への排ガス流速を
８ｍ／ｓ以下にし、管ピッチを１１０ｍｍ以上とるとよ
い。

【００２２】対流空気加熱器２をでた圧縮空気は排ガス
温度が１３５０℃から１１００℃の領域で輻射形空気加
熱器３０で６５３℃より７５０℃まで昇温される。輻射
形空気加熱器３０はガス化溶融炉からの排ガスが上方に
向かうダクト内に輻射室を形成することにより得られ
る。輻射壁は金属管が直接排ガスと接触しないように耐
火材で被覆する。耐火材は熱抵抗を有し、金属管表面温
度を高温ステンレス鋼の許容温度８６０℃以下とする。
耐火材の材質は１３５０℃の排ガス中でも酸化劣化が少
ないジルコニア−クロム系を用いるとよい。

【００２３】輻射形空気加熱器３０と対流空気加熱器２
をつなぐダクトは流れ方向を上向きより下向きに変える
曲がりダクトであり、天井部にガス化溶融炉燃焼空気の
高温空気予熱器１３を設置する。高温空気予熱器１３は
排ガス温度が１１００℃から１０００℃の領域に設置さ
れ、２００℃の予熱空気を６２５℃まで昇温する。６２
５℃の予熱空気は独立過熱器６１および独立再熱器６２
に導かれ４００℃の過熱蒸気を５００℃まで過熱し、４
５０℃まで降温された予熱空気はガス化溶融炉の２次空
気として利用される。

【００２４】ガスタービン３の膨脹タービン３３は入口
圧力０．４０２ＭＰａ・ａｂｓ、入口温度７５０℃で出
口圧力は０．１０６ＭＰａ・ａｂｓ、回転数３０００ｒ
ｐｍ、タービン断熱効率８９％とすると、出口温度４８
３℃、回収動力は２４．９ＭＷとなる。この空気膨脹タ
ービン３３は商用の２軸式ガスタービンの出力タービン
を転用すると、高効率が得られる。膨脹タービン出力か
ら圧縮機動力、減速機損失、発電機損失を差し引くとガ
スタービン発電量は１０．４ＭＷとなる。

【００２５】ガスタービン３の排気空気は温度効率９０
％のセレートフィンチューブを有する再生器３１で４８
３℃から２０５℃まで降温される。２０５℃の排気空気
は蒸気タービンの給水加熱器８に導かれ、復水７の給水
温度を１１０℃より１８５℃まで昇温させる。給水温度
を上げることによりボイラ蒸発量が増加し、蒸気タービ
ンからの抽気蒸気で昇温するよりも蒸気タービン出力は
増加する。

【００２６】給水加熱器８を通過した排気空気９は１７
９℃の温度を持ち、カリーナサイクル２０のアンモニア
−水混合流体１０の蒸発過熱の熱源となる。アンモニア
−水混合流体１０は非等温蒸発が行なわれ、排気空気は
カリーナ熱交換器１１により７０℃まで熱回収される。
熱源温度が１７９℃の場合のカリーナサイクル２０のサ
イクル効率を１５％とすると、回収発電量は１．４ＭＷ
となる。カリーナ熱交換器１１はセレートフィンチュー
ブが用いられ、混合流体はアンモニア８０％、水２０％
が用いられる。

【００２７】カリーナ熱交換器１１を通過したガスター
ビン排気空気は７０℃の顕熱を持ち、排気空気３０２ｔ
／ｈのうち約３０％はガス化溶融炉の流動空気と燃焼空
気に再利用される。ガス化溶融炉のバグフィルタ４５の
手前に設置された空気予熱器５により、ガスタービン排
気空気は昇温され、ボイラ顕熱入熱として熱回収され
る。

【００２８】ガス化溶融炉の排熱はガスタービンサイク
ルの入熱となるガスタービン外部加熱器を除いて、蒸気
タービンサイクルの入熱となる。高温空気予熱器２と空
気予熱器５からの顕熱は排ガスダクトの水冷壁によりボ
イラドラムに吸熱される。蒸気タービンサイクルの１０
ＭＰａ・ａｂｓ、５００℃の高圧蒸気は２８．９ｔ／ｈ
であり、排圧２．０ＭＰａ・ａｂｓ、出口蒸気温度３０
５℃とすると高圧蒸気タービンの発電量は２．５ＭＷと
なる。蒸気量が比較的少ない場合は高速回転のラジアル
タービンを用いると高効率が得られる。

【００２９】高圧蒸気タービンをでた蒸気は排ガスダク
ト内の再熱器で金属管許容温度の４００℃まで再熱され
る。高温空気予熱器２の６２５℃の予熱空気により、蒸
気は５００℃まで再熱される。低圧蒸気タービンの排圧
を５ｋＰａ・ａｂｓとし、脱気器４６に０．２１９ＭＰ
ａ・ａｂｓ、３．５ｔ／ｈの蒸気を抽気すると低圧蒸気
タービンの発電量は６．８ＭＷとなる。低圧蒸気タービ
ン形式は軸流タービンが用いられる。

【００３０】ガス化溶融炉のボイラ効率を８８％とする
と、廃棄物低位発熱量基準の入熱は５６．２ＭＷｔｈと
なり、ガスタービンとカリーナサイクルタービンと蒸気
タービンの発電量合計２１．５ＭＷに対して３８．３％
が得られた。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、以下に列
挙する効果を奏する。 １）天然ガス等の追加燃料を使用せずに、現状の材料の
制約の中で、外部加熱方式廃棄物複合発電の効率向上を
図ることができるとともに、空気加熱器の伝熱面積を減
らし、経済性を向上させることができる。 ２）廃棄物燃料低位発熱量を入熱値とした時の合計発電
端効率は３８％になる。これは、１０ＭＰａ、５４０℃
蒸気タービンサイクルの発電端効率３５％を上回る。蒸
気タービンのサイクル効率が同一とすれば、再生器付き
ガスタービンのサイクル効率が蒸気タービンのサイクル
効率と同等以上であれば、ガスタービンの排気の排熱利
用分だけ確実に効率は上昇する。 ３）排ガスで加熱される空気は再生器で昇温されている
ため、再生器がない場合に較べて外部加熱器の伝熱量が
減少し伝熱面積を小さくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る複合発電システムの実施の形態を
示す系統図である。

【符号の説明】

１ 排ガス源 ２ 外部空気加熱器 ３ 開放サイクル再生式ガスタービン ４ 蒸気ボイラ ５ 空気予熱器 ６ 蒸気タービン ７ 復水 ８ 給水加熱器 ９ 排気空気 １０ アンモニア−水混合流体 １１ カリーナ熱交換器 １２ アンモニア−水混合流体蒸気タービン １３ 高温空気予熱器 ２０ カリーナサイクル ３０ 輻射形空気加熱器 ４０ 排ガスダクト ５０ ガス化炉 ６１ 過熱器 ６２ 再生器

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ // Ｆ０２Ｃ 1/04 Ｆ０２Ｃ 1/04 (72)発明者 田口 光助 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内 (72)発明者 森 豊 東京都大田区羽田旭町11番１号 株式会社 荏原製作所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 廃棄物を燃料とする排ガス源と、該排ガ
   ス源からの排ガスと圧縮空気を熱交換する外部空気加熱
   器により外部加熱する開放サイクル再生式ガスタービン
   と、廃棄物燃焼用空気の高温空気予熱器と、前記外部空
   気加熱器と高温空気予熱器の後流側に配置される蒸気ボ
   イラと、該蒸気ボイラの後流に廃棄物燃焼用空気の空気
   予熱器とを備えた排熱回収システムであって、 蒸気ボイラから発生した蒸気を消費する蒸気タービンの
   復水を前記ガスタービン再生器出口の排気空気で加熱す
   る給水加熱器を設け、降温した排気空気によりカリーナ
   サイクルのアンモニア−水混合流体を熱交換器で蒸発加
   熱し、アンモニア−水混合流体蒸気タービンで発電し、
   当該熱交換器の後流側排気空気の一部を前記空気予熱器
   に供給することを特徴とする廃棄物を燃料とする複合発
   電システム。
2. 【請求項２】 前記排ガス源の排ガスが上向き流れとな
   る垂直ダクトに耐火材で被覆された金属性の輻射形伝熱
   部からなるガスタービン外部空気加熱器を配置したこと
   を特徴とする請求項１記載の廃棄物を燃料とする複合発
   電システム。
3. 【請求項３】 前記高温空気予熱器は、排ガスダクト天
   井部に吊り下げ状のセラミック製バヨネット形高温空気
   予熱器からなることを特徴とする請求項１記載の廃棄物
   を燃料とする複合発電システム。
4. 【請求項４】 前記外部空気加熱器は、排ガス温度が低
   下した下向き流れ部に炭化珪素繊維でできた保護管で被
   覆された金属製管からなる対流伝熱部を有するガスター
   ビン外部空気加熱器からなることを特徴とする請求項１
   記載の廃棄物を燃料とする複合発電システム。