JP6573285B2 - 減圧ボイラ、該減圧ボイラを備えるバイナリー発電システム、及び該バイナリー発電システムを備える焼却施設 - Google Patents

Description

本発明は、大気圧より低い減圧状態に維持された缶体内で減圧蒸気を発生させる減圧ボイラ、該減圧ボイラを備えるバイナリー発電システム、及び該バイナリー発電システムを備える焼却施設に関する。

従来の減圧ボイラは、燃焼ガスが流れる煙管が水平方向に向く横型が一般的であった（特許文献１等）。

特開昭５７−３３７０１号公報

従来の横型減圧ボイラは、一般に、燃焼ガスに煤塵等のダストを含まない、都市ガスや重油を燃料としていた。燃焼ガスが煤塵等のダストを含むものであると、横型減圧ボイラでは煙管内にダストが堆積し、煙管が閉塞するおそれがある。煙管が閉塞すると伝熱阻害を生じる。煙管内のダストの堆積を防止するために燃焼ガスの流速を上げることが考えられるが、ダストにより煙管が摩耗する。

また、横型であるために、減圧ボイラの高さ（直径）に対して横方向の長さが長く、例えば特許文献１のボイラでは、図６に示すように、缶水の上昇流部（黒矢印）と下降流部（白矢印）との水頭差を大きくとることができないため、循環力を大きくとれないという問題があった。更に、特許文献１のボイラでは、下降流部（白矢印）はバッフル板Ｂで仕切られた流路であり、加熱管（煙管）や受熱管が設けられないため、ボイラ断面から分かるように、伝熱部の充填率が悪く、ボイラが大きくなる。そのため設置面積が大きくなり、構造が複雑となる。

そこで、本発明は、燃焼排ガスに含まれる煤塵による煙管内での堆積閉塞やそれに伴う伝熱阻害を防止し、缶水の循環力を向上することにより伝熱特性を向上させるとともに、小型化を図ることのできる減圧ボイラ、該減圧ボイラを備えるバイナリー発電システム、及び、前記バイナリー発電システムを備る焼却施設を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る減圧ボイラは、第１手段として、焼却炉からの煤塵を含む燃焼ガスから回収した熱でバイナリー発電システムの冷媒を加熱する減圧ボイラであって、缶体内に配置された複数の煙管が鉛直方向に設けられ、前記煙管が、前記缶体内の中央部に設けられた複数の前記煙管からなる第１煙管群を含み、前記第１煙管群の半径方向外側を、所定間隙を介して螺旋状に囲むようにして、前記バイナリー発電システムの冷媒受熱管が設けられ、前記煙管が、前記第１煙管群を螺旋状に囲む冷媒受熱管の半径方向外側の同心状領域に配置された複数の前記煙管からなる第２煙管群を更に含むことを特徴する。

また、本発明に係る減圧ボイラの第２手段は、焼却炉からの煤塵を含む燃焼ガスから回収した熱でバイナリー発電システムの冷媒を加熱する減圧ボイラであって、缶体内に配置された複数の煙管が鉛直方向に設けられ、前記缶体が上部管板を有し、前記上部管板と静止時の缶水水位とに所定の間隙が形成され、前記上部管板の外側に燃焼ガス入口部が接続され、前記煙管が前記上部管板を貫通するとともに前記燃焼ガス入口部内に連通する第１煙管群を含み、前記缶体が下部管板を有し、前記第１煙管群が前記下部管板を貫通し、前記第１煙管群を通過した燃焼ガス中のダストを収集するための錐状のホッパーが接続され、前記ホッパーの錐壁に設けられた燃焼ガス排出口と、前記ホッパーの下端部に設けられたダスト排出用開閉部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る減圧ボイラの第３手段は、焼却炉からの煤塵を含む燃焼ガスから回収した熱でバイナリー発電システムの冷媒を加熱する減圧ボイラであって、缶体内に配置された複数の煙管が鉛直方向に設けられ、前記缶体の上部で前記缶体の外側へ突出するように且つ前記缶体内と連通するよう設けられ、前記缶体内で発生した減圧蒸気により前記バイナリー発電システムの冷媒受熱管を予熱する予熱部を更に備えることを特徴とする。

また、本発明に係る減圧ボイラの第４手段は、上記第３手段において、前記予熱部は、前記冷媒受熱管の予熱により凝縮した凝縮水が流れ落ちて前記缶体内に戻るように前記缶体の側へ低くなる傾斜底面を有することを特徴とする。

また、本発明に係る減圧ボイラの第５手段は、上記第２手段において、前記第１煙管群が、前記缶体内の中央部に設けられた複数の前記煙管からなり、前記第１煙管群の半径方向外側を、所定間隙を介して螺旋状に囲むようにして、前記バイナリー発電システムの冷媒受熱管が設けられていることを特徴とする。

また、本発明に係るバイナリー発電システムは、上記第１、３〜５手段の何れかに記載の減圧ボイラと、前記減圧ボイラにより加熱された前記冷媒受熱管内の蒸気で駆動するタービンと、前記タービンにより駆動する発電機と、前記冷媒受熱管内の冷媒を循環させる循環ポンプと、前記冷媒受熱管内の冷媒を凝縮させる凝縮器と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る焼却施設は、上記第５手段に記載の減圧ボイラ、前記減圧ボイラにより加熱された前記冷媒受熱管内の蒸気で駆動するタービン、前記タービンにより駆動する発電機、前記冷媒受熱管内の冷媒を循環させる循環ポンプ、及び、前記冷媒受熱管内の冷媒を凝縮させる凝縮器を備えるバイナリー発電システムと、前記燃焼ガス入口部に燃焼排ガスを供給する焼却炉と、前記燃焼ガス排出口から排出された燃焼排ガスを処理する排ガス処理系統と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、下水汚泥焼却炉の燃焼等による煤塵を含む燃焼ガスから熱回収し、バイナリー発電システムの冷媒を加熱する減圧ボイラにおいて煙管を鉛直方向とすることで、煙管の閉塞を解消する。

また、缶体内の半径方向中心側に煙管群を設け、その外周側に冷媒受熱管を配設することにより、缶体内のスペースを有効活用して缶体内の伝熱面積を大きく取れるとともに、缶水の循環力を高めて熱貫流率を向上させることができるため小型化が可能となる。

本発明に係る焼却装置を示す概略系統図である。 図１の減圧ボイラの内部構造を拡大して示す要部拡大図である。 図２のIII−III線断面図である。 図１の減圧ボイラの変形例を示す要部拡大図である。 図４のＶ−Ｖ線断面図である。 従来の低圧ボイラを示す縦断側面図である。

本発明の実施形態について、以下に図１〜図３を参照して説明する。なお、全図及び全実施例を通し、同一又は類似の構成部分には同符号を付している。

図１は、本発明に係るバイナリー発電システムを備える焼却施設の一実施形態を示す概略系統図である。

焼却炉１は、廃棄物、汚泥、木屑等を燃焼させて約８５０℃以上の燃焼ガスＧを排出する。焼却炉１には、送風機２から燃焼用空気Ｅが供給される。空気加熱器３は、燃焼ガスＧと燃焼用空気との熱交換により、燃焼用空気Ｅを加熱する一方で、燃焼ガスＧを約６００〜７００℃に冷却する。

空気加熱器３で冷却された燃焼ガスＧは、減圧ボイラ４Ａの燃焼ガス入口部５から減圧ボイラ４Ａの煙管６を通って減圧ボイラ４Ａの下部から排出された後、排ガス処理系統７を経て大気中に放出される。減圧ボイラ４Ａで燃焼ガスＧは例えば１５０℃程度まで熱回収される。排ガス処理系統７は、公知技術であるので詳細な説明を省略するが、図示例では、飛灰を集塵するバグフィルタ等の集塵装置７ａ、排ガス中の有害物質（ＨＣｌ、ＳＯｘ、ＮＯｘ等）を除去する排煙処理装置７ｂ、誘引送風機７ｃ、煙突７ｄ等を含む。

減圧ボイラ４Ａで燃焼ガスＧから吸収された熱は、バイナリー発電の蒸気サイクルであるバイナリー発電システム８で冷媒受熱管８ａ内を循環する冷媒（作動流体）の加熱に利用される。この冷媒は、標準沸点が１００℃より低い有機媒体、例えばHFC245fa（R-245fa）、HFC134a、イソペンタン、ノルマルペンタン、アンモニア水等の低沸点媒体が用いられ得る。

バイナリー発電システム８は、図示例のように、減圧ボイラ４Ａにより冷媒受熱管８ａ内を流れる冷媒を加熱して得られた蒸気で駆動するタービン８ｂと、タービン８ｂにより駆動して発電する発電機８ｃと、冷媒受熱管８ａ内の冷媒を循環させる循環ポンプ８ｄと、冷媒受熱管８ａ内の冷媒を凝縮させる凝縮器８ｅとを備えている。バイナリー発電の蒸気サイクル（ランキンサイクル）は公知であるので、詳細な説明を省略する。

図２及び図３を参照して、減圧ボイラ４Ａは、上部管板１０、下部管板１１、及び上部管板１０と下部管板１１とを接続する胴１２を備える缶体１３と、上部管板１０の外側に接続された燃焼ガス入口部５と、缶体１３内を鉛直方向に延び上部管板１０及び下部管板１１を貫通するとともに燃焼ガス入口部５内に連通する複数の煙管６よりなる第１煙管群１５と、下部管板１１の外側に接続され第１煙管群１５を通過した燃焼ガス中のダストを収集するためのホッパー１６と、ホッパー１６の下端部に設けられたダスト排出用開閉部２２と、ホッパー１６の錐壁１６ａに設けられた燃焼ガス排出口１７と、を備えている。

燃焼ガス入口部５が煙道２０によって焼却炉１と接続され、燃焼ガス排出口１７が排ガス処理系統７の煙道２１と接続されている。燃焼ガス入口部５は、煙道２０を形成するダクトが上部に連通接続される筒型のケーシングとすることができる。

減圧ボイラ４Ａは、缶体１３内に缶水すなわち熱媒水Ｆが所定水位（図２の水位）まで封入されている。缶体１３内の熱媒水Ｆの上部減圧室Ｖは、図外の抽気ポンプにより大気圧より低い所定の圧力範囲（例えば、絶対圧力６７ｋＰａ以下）の減圧状態に維持される。

缶体１３内を減圧して大気圧より低圧とすることにより、熱媒水Ｆは、飽和温度が下がり、標準沸点より低い温度で沸騰する。熱媒水Ｆとしては、水、臭化リチウム水溶液等が用いられる。

缶体１３の胴１２の上部で缶体１３の外側へ突出するように予熱部３０が設けられている。予熱部３０は、缶体１３の内部と連通するように設けられている。予熱部３０は、缶体１３の上部減圧室Ｖで発生した減圧蒸気により冷媒受熱管８ａを予熱するようになっている。減圧蒸気は、冷媒受熱管８ａを予熱することにより、熱を奪われて凝縮し、再び凝縮水に戻る。予熱部３０は、冷媒受熱管８ａ内の冷媒を予熱することにより凝縮した凝縮水が缶体１３内に流れ落ちるように、缶体１３の側へ低くなる傾斜底面３０ａを有している。

缶体１３の内部は、煙管６の複数からなる第１煙管群１５が配置されている第１煙管ゾーンＺ１と、第１煙管ゾーンＺ１の外周側であって冷媒受熱管８ａが配置されている受熱ゾーンＺ２とが、缶体１３の鉛直軸線Ｙを中心とする同心状に分けられている。

受熱ゾーンＺ２にある冷媒受熱管８ａは、第１煙管群１５の半径方向外側の周囲を螺旋状に周回して囲むように配設されている。図示例で冷媒受熱管８ａは一本のみ図示されているが、複数本であってもよい。第１煙管群１５と冷媒受熱管８ａとの間、及び、冷媒受熱管８ａと胴１２の内面との間には、それぞれ、半径方向に所定の間隙Ｘ１、Ｘ２が設けられている。

上記構成を有する焼却設備によれば、焼却炉１から排出された燃焼ガスＧは、空気加熱器３を冷却された後、燃焼ガス入口部５を通じて第１煙管群１５に流入する。第１煙管群１５内を流れる燃焼ガスＧから受熱した熱媒水Ｆは、沸騰し、缶体中央部の第１煙管ゾーンＺ１で蒸気と熱媒水の混合領域となる。周囲の受熱ゾーンＺ２では、沸騰は起きず、冷媒水のままである。このため、第１煙管ゾーンＺ１と冷媒受熱管８ａの受熱ゾーンＺ２とでは水頭差が発生し、熱媒水Ｆの循環が起きる（図２の矢印参照）。中央部の第１煙管ゾーンＺ１が上昇流で、その周囲の受熱ゾーンＺ２が下降流である。

中央部の第１煙管ゾーンＺ１での上昇流は沸騰を伴ったものであるため、沸騰水は上部管板１０に衝突する。上部管板１０の上部は、燃焼ガスＧにさらされ高温腐食が懸念されるが、上部管板１０の下部をこの沸騰水が衝突して冷却するため、熱媒水温度+１０℃程度となり、高温腐食を防止することができる。

沸騰水の上部管板１０への衝突を考慮して、上部管板１０と静止時の熱媒水Ｆの缶水水位とに所定の間隙Ｘ３が形成されている。この間隙Ｘ３は、例えば、１００ｍｍ〜１５０ｍｍとすることができる。

本実施形態では、熱媒水として臭化リチウム水溶液が用いられ、缶体１３内の絶対圧力を６７ｋＰａに維持し、熱媒水Ｆの温度を１３０℃に保つようにしている。腐食を防止するために、熱媒水Ｆの種類に応じて飽和温度が１２０℃以上となるように、缶体１３内の圧力が制御される。腐食は、焼却炉の燃焼排ガスに含まれるが、都市ガスや重油の燃焼ガスには含まれていない硫黄化合物が主な原因である。

第１煙管群１５を上方から下方へ流れ出た燃焼ガスＧは、ホッパー１６内で９０度方向転換し、煙道２１に排出される。燃焼ガスＧに含まれるダストは、燃焼ガスＧが第１煙管群１５の煙管６内を鉛直方向に流れるため、第１煙管群１５の煙管６内に堆積しない。そして、第１煙管群１５の煙管６から排出された燃焼ガスＧは、ホッパー１６内で９０度方向転換されることで、ホッパー１６内で燃焼ガスＧからダストが分離され、分離されたダストはホッパー１６内に溜まり、ダストが分離された燃焼ガスＧは煙道２１から排出される。ホッパー１６内に堆積したダストは、ダスト排出用開閉部２２を開くことで排出される。ダスト排出用開閉部２２は、例えば二重ダンパにより形成される。

予熱部３０は、胴１２から外側へ突出するように設けられているため、沸騰した減圧蒸気が予熱部３０の冷媒受熱管８ａに妨げられることなく上部管板１０に衝突し、上部管板１０の燃焼ガスによる温度上昇を効果的に防止することができる。

図４及び図５は、本発明に係る減圧ボイラの変形例を示している。図４に示す減圧ボイラ４Ｂは、受熱ゾーンＺ２の半径方向外側の同心状領域に、煙管６の複数からなる第２煙管群４０が配置さている第２煙管ゾーンＺ３が更に設けられている。第２煙管群４０は、第１煙管群１５を螺旋状に囲む冷媒受熱管８ａと半径方向に所定の間隙Ｘ４を介して配置され、胴１２の内面とも所定の間隙Ｘ５を介している。上部管板１０に燃焼ガス排出部４１が接続されており、燃焼ガス排出部４１内に第２煙管群４０が連通する。燃焼ガス排出部４１は、燃焼ガス入口部５を囲むドーナツ状のケーシングとすることができ、排ガス処理系統の煙道２１に接続される。

上記構成を有する減圧ボイラ４Ｂによれば、熱媒水Ｆは、第１煙管群１５のある中央部の第１煙管ゾーンＺ１及び第２煙管群４０のある外周部（第２煙管ゾーンＺ３）で沸騰して上昇流となり、冷媒受熱管８ａがある両管群の中間領域（受熱ゾーンＺ２）で下降流となる。また、熱媒水Ｆの沸騰上昇流により、上部管板１０の高温化を防止し得る。

また、減圧ボイラ４Ｂでは、第１煙管群１５の煙管６を通過した燃焼ガスＧは、ホッパー４２内で１８０度方向転換され、第２煙管群４０の煙管６を通り、燃焼ガス排出部４１を介して排出される。燃焼ガスは、ホッパー４２内で流速が低下し、ホッパー４２内で１８０度方向転換することで、ダストが燃焼ガスＧから分離される。燃焼ガスＧから分離されたダストはダスト排出用開閉部２２から排出される。燃焼ガスＧが１８０度反転後に第２煙管群４０の煙管６内を上昇する場合、ホッパー４２内でのガス流速（低速）で随伴するダスト以外はホッパー４２内で除去されて燃焼ガスＧが第２煙管群４０の煙管６に流入する。第２煙管群４０の煙管６内は、ホッパー４２内のガス流速以上のガス流速であるため、燃焼ガスＧに随伴してきたダストは堆積しない。

図２に示した減圧ボイラ４Ａは、設置面積に制約が多く、高さ方向に制約が少ない場合に適しており、図３に示した減圧ボイラ４Ｂは、設置面積に制約が少なく、高さ方向に制約が多い場合に適している。

本発明は上記実施形態に限定解釈されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更が可能である。

１ 焼却炉
２ 送風機
３ 空気加熱器
４Ａ 減圧ボイラ
４Ｂ 減圧ボイラ
５ 燃焼ガス入口部
６ 煙管
７ 排ガス処理系統
７ａ 集塵装置
７ｂ 排煙処理装置
７ｃ 誘引送風機
７ｄ 煙突
８ バイナリー発電システム
８ａ 冷媒受熱管
８ｂ タービン
８ｃ 発電機
８ｄ 循環ポンプ
８ｅ 凝縮器
１０ 上部管板
１１ 下部管板
１２ 胴
１３ 缶体
１５ 第１煙管群
１６ ホッパー
１６ａ 錐壁
１７ 燃焼ガス排出口
２０ 煙道
２１ 煙道
２２ ダスト排出用開閉部
３０ 予熱部
３０ａ 傾斜底面
４０ 第２煙管群
４１ 燃焼ガス排出部
４２ ホッパー
Ｅ 燃焼用空気
Ｆ 熱媒水
Ｇ 燃焼ガス
Ｖ 上部減圧室
Ｚ１ 第１煙管ゾーン
Ｚ２ 受熱ゾーン
Ｚ３ 第２煙管ゾーン

Claims (7)

1. 焼却炉からの煤塵を含む燃焼ガスから回収した熱でバイナリー発電システムの冷媒を加熱する減圧ボイラであって、
   缶体内に配置された複数の煙管が鉛直方向に設けられ、
   前記煙管が、前記缶体内の中央部に設けられた複数の前記煙管からなる第１煙管群を含み、
   前記第１煙管群の半径方向外側を、所定間隙を介して螺旋状に囲むようにして、前記バイナリー発電システムの冷媒受熱管が設けられ、
   前記煙管が、前記第１煙管群を螺旋状に囲む冷媒受熱管の半径方向外側の同心状領域に配置された複数の前記煙管からなる第２煙管群を更に含むことを特徴する前記減圧ボイラ。
2. 焼却炉からの煤塵を含む燃焼ガスから回収した熱でバイナリー発電システムの冷媒を加熱する減圧ボイラであって、
   缶体内に配置された複数の煙管が鉛直方向に設けられ、
   前記缶体が上部管板を有し、前記上部管板と静止時の缶水水位とに所定の間隙が形成され、前記上部管板の外側に燃焼ガス入口部が接続され、
   前記煙管が前記上部管板を貫通するとともに前記燃焼ガス入口部内に連通する第１煙管群を含み、
   前記缶体が下部管板を有し、前記第１煙管群が前記下部管板を貫通し、前記第１煙管群を通過した燃焼ガス中のダストを収集するための錐状のホッパーが接続され、
   前記ホッパーの錐壁に設けられた燃焼ガス排出口と、
   前記ホッパーの下端部に設けられたダスト排出用開閉部と、
   を備えることを特徴とする減圧ボイラ。
3. 焼却炉からの煤塵を含む燃焼ガスから回収した熱でバイナリー発電システムの冷媒を加熱する減圧ボイラであって、
   缶体内に配置された複数の煙管が鉛直方向に設けられ、
   前記缶体の上部で前記缶体の外側へ突出するように且つ前記缶体内と連通するよう設けられ、前記缶体内で発生した減圧蒸気により前記バイナリー発電システムの冷媒受熱管を予熱する予熱部を更に備えることを特徴とする減圧ボイラ。
4. 前記予熱部は、前記冷媒受熱管の予熱により凝縮した凝縮水が流れ落ちて前記缶体内に戻るように前記缶体の側へ低くなる傾斜底面を有することを特徴とする請求項３に記載の減圧ボイラ。
5. 前記第１煙管群が、前記缶体内の中央部に設けられた複数の前記煙管からなり、
   前記第１煙管群の半径方向外側を、所定間隙を介して螺旋状に囲むようにして、前記バイナリー発電システムの冷媒受熱管が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の減圧ボイラ。
6. 請求項１、３〜５の何れかに記載の減圧ボイラと、前記減圧ボイラにより加熱された前記冷媒受熱管内の蒸気で駆動するタービンと、前記タービンにより駆動する発電機と、前記冷媒受熱管内の冷媒を循環させる循環ポンプと、前記冷媒受熱管内の冷媒を凝縮させる凝縮器と、を備えることを特徴とするバイナリー発電システム。
7. 請求項５に記載の減圧ボイラ、前記減圧ボイラにより加熱された前記冷媒受熱管内の蒸気で駆動するタービン、前記タービンにより駆動する発電機、前記冷媒受熱管内の冷媒を循環させる循環ポンプ、及び、前記冷媒受熱管内の冷媒を凝縮させる凝縮器を備えるバイナリー発電システムと、
   前記燃焼ガス入口部に燃焼排ガスを供給する焼却炉と、前記燃焼ガス排出口から排出された燃焼排ガスを処理する排ガス処理系統と、を備えることを特徴とする焼却施設。