本発明は、硫黄成分を含む下水汚泥や都市ごみ等の廃棄物を燃焼炉(例えば、焼却炉)で燃焼させ、発生した燃焼排ガスから減圧ボイラで熱回収し、この熱回収した熱をバイナリー発電装置で使用して発電するようにした燃焼排ガスからの熱回収発電設備及びその制御方法に関するものであり、特に、硫黄酸化物(SOx)等の腐食性ガスを含む燃焼排ガスから熱回収して発電するのに適している。

一般に、下水汚泥や都市ごみ等の廃棄物を燃焼処理する燃焼設備においては、焼却炉等の燃焼炉で廃棄物を燃焼し、発生した燃焼排ガスからボイラで熱回収し、ボイラから発生する蒸気を用いて蒸気タービン及び発電機で発電するようにしている。

しかし、前記燃焼設備においては、ボイラにより水を大気圧以上で蒸発させているため、ボイラ及び蒸気タービンを設置するには、設置者にボイラ・タービン主任技術者が必要となり、運転者に資格が必要になるうえ、設備も発電量からすると、大掛かりな設備となる。

また、前記燃焼設備においては、燃焼排ガスが硫黄酸化物(SOx)を含んでいるため、SO₃の結露(SO₃の濃度にもよるが、露点は130℃程度)による硫酸腐食対策が必要である。

一方、本件出願人は、ボイラ・タービン主任技術者等の資格が不要になると共に、腐食性の燃焼排ガスから熱回収しても腐食を引き起こさないようにした燃焼排ガスからの熱回収発電設備を開発した(特許文献1参照)。

即ち、前記燃焼排ガスからの熱回収発電設備は、図示していないが、燃焼炉内で発生した燃焼排ガスを流す煙道に設置され、燃焼排ガスを通して燃焼排ガスから熱回収すると共に、熱媒水を加熱して蒸気を発生させる内部圧力が大気圧以下に保持された減圧ボイラと、減圧ボイラにより低沸点の液状の冷媒を加熱、蒸発させてその蒸気でタービンを回して発電するバイナリー発電装置と、を備えており、前記減圧ボイラの熱媒水を、大気圧以下で沸点が燃焼排ガス中に含まれているSO₃ガスの露点以上となる水溶液(臭化リチウム水溶液)とし、また、前記バイナリー発電装置の蒸発部を減圧ボイラの減圧蒸気室に設置し、減圧蒸気室内の蒸気でバイナリー発電装置の蒸発部内の冷媒を気化させるようにしたものである。

前記燃焼排ガスからの熱回収発電設備は、内部圧力が大気圧以下に保持されて内部の熱媒水が大気圧以下で蒸発する減圧ボイラにより熱回収し、減圧ボイラの沸点がSO₃ガスの露点以上となる熱媒水を用いて燃焼排ガスから熱回収するようにしているため、ボイラ・タービン主任技術者等の資格が不要になると共に、減圧ボイラの熱吸収部での硫酸腐食を防止できる等の利点を有する。

尚、ボイラ・タービン主任技術者等の資格が不要になる減圧ボイラとしては、上述した減圧ボイラの他に、特開57−33701号公報(特許文献2参照)に記載された低圧ボイラが知られている。

前記低圧ボイラは、熱媒水に臭化リチウム水溶液を使用し、大気圧以下の運転圧力で沸点がSO₃の結露温度(130℃)以上となるようにしている。また、この低圧ボイラは、低圧ボイラ内に予熱器及びこれに接続された熱交換器を設け、予熱器内及び熱交換器内を流れる作動流体(冷媒)を予熱、沸騰させるランキンサイクルを採用している。

しかし、前記低圧ボイラは、上述した燃焼排ガスからの熱回収発電設備のように下水汚泥等の廃棄物の燃焼により発生した燃焼排ガスから熱回収発電するものではなく、バーナによる燃焼排ガスからの熱回収発電であり、燃焼排ガスの量や温度が変動した場合の減圧ボイラ内の圧力維持、温度維持については全く記載されていない。

また、低温の熱源から熱を回収して発電を行うバイナリー発電装置としては、例えば、特開2013-181398号公報(特許文献3参照)に記載されたバイナリー発電装置が知られている。

前記バイナリー発電装置は、温水を熱源とし、蒸発器から排出される温水の温度を所定の温度に調整した上で発電量を最大にするようにしたものである。

しかし、前記バイナリー発電装置は、このバイナリー発電装置を上述した燃焼排ガスからの熱回収発電設備に用いると、燃焼排ガスの量や温度が急激に変化した場合に、冷媒の循環量の制御だけでは減圧ボイラの圧力、温度を許容範囲内に収めることができない。

一方、上述した燃焼排ガスからの熱回収発電設備においては、燃焼炉に投入する廃棄物の量やカロリーの変化により燃焼排ガスの量や温度が変動した場合、第1の吸熱側である減圧ボイラの圧力と温度が変動し、この変動を第2の吸熱側であるバイナリー発電装置が吸収する方向に作動するようになっている。

しかしながら、前記燃焼排ガスからの熱回収発電設備は、バイナリー発電装置の応答が敏速でないので、燃焼排ガスの量や温度の変動が大きい場合やバイナリー発電装置の発電機が定格点(定格出力)に達した場合、対応できないと言う問題があった。

例えば、燃焼排ガスの量と温度が急激に増える方に変動した場合、減圧ボイラの内部圧力が上がり、熱媒水の温度と蒸発水の温度が上がる。このとき、バイナリー発電装置側で冷媒の循環量を上げて吸熱量を増やすようにしている。

ところが、バイナリー発電装置の応答が遅いので、減圧ボイラの内部圧力が上がり、最後は最大使用圧力(大気圧よりもやや小さい圧力)に設定された安全装置(安全弁等)が作動し、減圧ボイラの内部が大気と連通状態となり、大気が減圧ボイラ内に流入して減圧ボイラの内部圧力が大気と同じ圧力になる。

このように、安全装置が作動すると、一旦熱回収発電設備の運転を停止し、減圧ボイラの内部を真空ポンプにより所定の真空になるまで吸引しなくてはならず、再運転するまでに時間がかかり、運転効率や発電効率が著しく低下すると言う問題がある。

更に、従来技術では、廃熱ボイラや減圧ボイラ等の熱回収器の後段に白煙防止用空気予熱器が設置されている(特許文献4及び特許文献5参照)。

図7は減圧ボイラの後段に白煙防止用空気予熱器を設置した従来の燃焼設備を示し、当該燃焼設備は、下水汚泥等の廃棄物を燃焼炉40(焼却炉)により燃焼処理し、燃焼炉40から排出された燃焼排ガスGを燃焼用空気予熱器41、減圧ボイラ42(熱回収器)、白煙防止用空気予熱器43、バグフィルター44、洗煙装置45、誘引ファン46及び煙突47の順に流すようにしたものである。

即ち、燃焼炉40から排出された燃焼排ガスGは、先ず燃焼用空気予熱器41で熱回収されて約560℃となり、次に減圧ボイラ42により熱吸収されて約210℃まで減温されて白煙防止用空気予熱器43に送られ、ここで白煙防止用空気Aを約80℃まで加熱し、約180℃の温度になってバグフィルター44に送られる。バグフィルター44では、燃焼排ガスGに含まれる煤塵が除去される。煤塵が除去された燃焼排ガスGは、洗煙装置45に送られ、ここで水噴霧により燃焼排ガスGに含まれる酸性ガスが除去された後、誘引ファン46に送られ、白煙防止用空気ファン48により送られて来て白煙防止用空気予熱器43を通過した白煙防止用空気Aと合流して煙突47から大気中へ排出される。

図7に示す燃焼設備では、減圧ボイラ42(熱回収器)での吸収熱量は、燃焼排ガスGの入口温度(560℃)から出口温度(210℃)の温度差分(350℃)となる。

また、図7に示す燃焼設備では、白煙防止用空気予熱器43に導かれる白煙防止用空気Aが低温なので硫酸腐食防止対策が講じられている。この防止対策としては、白煙防止用空気予熱器43に流入する白煙防止用空気Aの温度を上げ、白煙防止用空気予熱器43の燃焼排ガスGの入口温度を高めに設定し、白煙防止用空気予熱器43の燃焼排ガスGとの接触面の温度を硫酸露点温度以上として来た。

即ち、白煙防止用空気予熱器43の燃焼排ガスGとの接触面の温度を硫酸露点温度以上にするため、白煙防止用空気予熱器43へ流入する白煙防止用空気Aは、白煙防止用空気予熱器43で加熱された白煙防止用空気Aの一部を循環させて白煙防止用空気予熱器43の入口温度を約50℃に上げ、白煙防止用空気予熱器43の出口温度を約80℃としている。また、燃焼排ガスGは、白煙防止用空気予熱器43(並流式)の入口温度を約210℃、白煙防止用空気予熱器43の出口温度を約180℃として燃焼排ガスGとの接触面の温度をそれぞれの平均値130℃としている。

従って、上述した燃焼排ガスGからの熱回収発電設備においては、白煙防止用空気予熱器43を減圧ボイラ42(熱回収器)の後段に設置した場合、白煙防止用空気予熱器43の出口側の燃焼排ガスGの温度は、約180℃もあり、減圧ボイラ42(熱回収器)の内部温度約130℃と比較しても、約50℃も高くなっており、十分な熱回収が行われないと言う問題がある。

また、白煙防止用空気予熱器43の硫酸腐食防止対策として白煙防止用空気予熱器42に流入する白煙防止用空気Aは、加熱された後に一部循環させており、そのために白煙防止用空気Aを循環させるための循環ファン(図示省略)が必要になり、白煙防止用空気ファン48と合わせてファンの動力が過大なものとなっている。

特許第6009009号公報

特開昭57−33701号公報

特開2013-181398号公報

特開平11-63458号公報

特開2006−189195号公報

本発明は、このような問題点に鑑みて為されたものであり、その目的は、減圧ボイラに流入する燃焼排ガスの量が増大したり、燃焼排ガスの温度が上昇したりした場合でも、減圧ボイラが最大使用圧力を超えることがなく、安定した状態で連続運転できるようにし、また、熱回収量が増加して発電量を増加できるようにした燃焼排ガスからの熱回収発電設備及びその制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第1の発明は、燃焼炉から排出されて煙道内を流れる腐食成分を含む燃焼排ガスから熱回収して発電するようにした燃焼排ガスからの熱回収発電設備であって、燃焼排ガスを流す煙道に設置され、燃焼排ガスを通して燃焼排ガスから熱回収すると共に、熱媒水を加熱して蒸気を発生させる内部圧力が大気圧以下に保持された減圧ボイラと、減圧ボイラにより低沸点の液状の冷媒を加熱、蒸発させてその蒸気でタービンを回して発電するバイナリー発電装置と、減圧ボイラの熱媒水の温度又は減圧ボイラの内部圧力をそれぞれ検出する温度検出器又は圧力検出器と、減圧ボイラの熱媒水を貯留する缶体の少なくとも一部をケーシングで囲って缶体との間に白煙防止用空気が流れるジャケット空間を形成する白煙防止用空気予熱器と、白煙防止用空気予熱器に接続された白煙防止用空気供給路と、白煙防止用空気供給路に接続された白煙防止用空気ファンと、白煙防止用空気供給路に介設されたダンパーと、を備えており、前記温度検出器又は圧力検出器からの検出信号に基づいてバイナリー発電装置の冷媒を循環させる冷媒循環ポンプを制御すると共に、前記減圧ボイラ内の圧力が設定値を超えたときに、ダンパーを所定の開度以上に開放制御する構成としたことに特徴がある。

本発明の第2の発明は、燃焼炉から排出されて煙道内を流れる腐食成分を含む燃焼排ガスから熱回収して発電するようにした燃焼排ガスからの熱回収発電設備であって、燃焼排ガスを流す煙道に設置され、燃焼排ガスを通して燃焼排ガスから熱回収すると共に、熱媒水を加熱して蒸気を発生させる内部圧力が大気圧以下に保持された減圧ボイラと、減圧ボイラにより低沸点の液状の冷媒を加熱、蒸発させてその蒸気でタービンを回して発電するバイナリー発電装置と、減圧ボイラの熱媒水の温度又は減圧ボイラの内部圧力をそれぞれ検出する温度検出器又は圧力検出器と、減圧ボイラの熱媒水を貯留する缶体の少なくとも一部をケーシングで囲って缶体との間に白煙防止用空気が流れるジャケット空間を形成する二つの白煙防止用空気予熱器と、一方の白煙防止用空気予熱器に接続された白煙防止用空気供給路と、白煙防止用空気供給路に接続された白煙防止用空気ファンと、白煙防止用空気供給路に介設されたダンパーと、二つの白煙防止用空気予熱器のジャケット空間同士を接続する連絡通路と、連絡通路に介設された第2ダンパーと、備えており、前記温度検出器又は圧力検出器からの検出信号に基づいてバイナリー発電装置の冷媒を循環させる冷媒循環ポンプを制御すると共に、前記減圧ボイラ内の圧力が設定値を超えたときに、第2ダンパーを開放制御する構成としたことに特徴がある。

本発明の第3の発明は、前記第1の発明において、前記減圧ボイラの熱媒水を、大気圧以下で沸点が燃焼排ガス中に含まれているSO₃ガスの露点以上となる水溶液とし、また、前記白煙防止用空気を、常温空気としたことに特徴がある。 本発明の第4の発明は、前記第2の発明において、前記減圧ボイラの熱媒水を、大気圧以下で沸点が燃焼排ガス中に含まれているSO₃ガスの露点以上となる水溶液とし、また、前記白煙防止用空気を、常温空気としたことに特徴がある。

本発明の第5の発明は、前記第1の発明において、前記白煙防止用空気予熱器は、減圧ボイラの熱媒水を貯留する缶体を円筒状のケーシングで囲って缶体との間に円筒形状のジャケット空間を形成したジャケット構造の白煙防止用空気予熱器とし、前記ケーシングに、白煙防止用空気供給路に接続されてジャケット空間へ白煙防止用空気を吹き込むための空気入口ダクトをケーシングの接線方向に接続したことに特徴がある。

本発明の第6の発明は、前記第2の発明において、前記二つの白煙防止用空気予熱器は、何れも減圧ボイラの熱媒水を貯留する缶体を円筒状のケーシングで囲って缶体との間に円筒形状のジャケット空間を形成したジャケット構造の白煙防止用空気予熱器とし、一方の白煙防止用空気予熱器のケーシングに、白煙防止用空気供給路に接続されて一方の白煙防止用空気予熱器のジャケット空間へ白煙防止用空気を吹き込むための空気入口ダクトをケーシングの接線方向に接続したことに特徴がある。

本発明の第7の発明は、前記第1の発明、第3の発明又は第5の発明の何れかに記載の燃焼排ガスからの熱回収発電設備の制御方法であって、圧力検出器により減圧ボイラ内の圧力を検出し、減圧ボイラ内の圧力が設定値を超えたときに、ダンパーを所定の開度以上に開放して白煙防止用空気予熱器へより多くの白煙防止用空気を供給し、減圧ボイラ内の圧力を低下させるようにしたことに特徴がある。

本発明の第8の発明は、前記第2の発明、第4の発明又は第6の発明の何れかに記載の燃焼排ガスからの熱回収発電設備の制御方法であって、圧力検出器により減圧ボイラ内の圧力を検出し、減圧ボイラ内の圧力が設定値を超えたときに、第2ダンパーを開放して一方の白煙防止用空気予熱器から他方の白煙防止用空気予熱器へ白煙防止用空気を供給し、減圧ボイラ内の圧力を低下させるようにしたことに特徴がある。

本発明の第9の発明は、前記第7の発明において、減圧ボイラ内の圧力が設定圧力以下になれば、ダンパーを所定の開度まで徐々に閉めて行くようにしたことに特徴がある。

本発明の第10の発明は、前記第8の発明において、減圧ボイラ内の圧力が設定圧力以下になれば、第2ダンパーを閉鎖位置まで徐々に閉めて行くようにしたことに特徴がある。

本発明によれば、減圧ボイラに白煙防止用空気予熱器を付設し、減圧ボイラの熱媒水により白煙防止用空気予熱器内を流れる白煙防止用空気を加熱すると共に、減圧ボイラ内の圧力が設定値を超えたときに、白煙防止用空気予熱器に流入する白煙防止用空気を流量制御するようにしているため、減圧ボイラに流入する燃焼排ガスの量が大幅に増大したり、燃焼排ガスの温度が急激に上昇したりした場合でも、減圧ボイラが最大使用圧力を超えることがなく、安定した状態で連続運転することができる。

また、本発明によれば、腐食性のない減圧ボイラに白煙防止用空気予熱器を付設しているため、減圧ボイラの後段に白煙防止用空気予熱気を設置したものと比較した場合、減圧ボイラの燃焼排ガスの出口温度を150℃程度まで下げることができ、熱回収量が増加すると共に、バイナリー発電装置による発電量も増加することになる。

更に、本発明によれば、白煙防止用空気予熱器に流入した白煙防止用空気が腐食性のない減圧ボイラにより加熱されるため、白煙防止用空気予熱器の硫酸腐食防止対策が不要になる。その結果、従来必要であった加熱された白煙防止用空気を循環させるための循環ファンが不要になり、白煙防止用空気ファンのみの動力で済む。

更に、本発明によれば、白煙防止用空気予熱器の円筒状のケーシングに空気入口ダクトをケーシングの接線方向に沿って接続しているため、白煙防止用空気が白煙防止用空気予熱器の円筒形状のジャケット空間内に接線方向へ吹き込まれ、ジャケット空間内を旋回しながら空気出口から排出される。そのため、白煙防止用空気は、ジャケット空間内を片寄った状態で流れることがなく、缶体を通して熱媒水から確実且つ良好に受熱することになる。

本発明の一実施形態に係る燃焼排ガスからの熱回収発電設備を設置した燃焼設備の概略系統図である。

図1に示す燃焼排ガスからの熱回収発電設備の拡大概略系統図である。

白煙防止用空気予熱器を付設した減圧ボイラの概略縦断側面図である。

図2に示す熱回収発電設備の制御フロー図である。

燃焼排ガスからの熱回収発電設備の他の例を示す拡大概略系統図である。

図5に示す熱回収発電設備の制御フロー図である。

減圧ボイラの後段に白煙防止用空気予熱器を設置した従来の燃焼設備の概略系統図である。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。 図1は本発明の一実施形態に係る燃焼排ガスGからの熱回収発電設備を設置した燃焼設備を示し、当該燃焼設備は、下水汚泥等の廃棄物を燃焼炉1(焼却炉)により燃焼処理し、燃焼炉1から排出された燃焼排ガスGを燃焼用空気予熱器2、白煙防止用空気予熱器3付きの減圧ボイラ4、バグフィルター5、洗煙装置6の順に流すようにしたものである。

即ち、燃焼炉1から排出された燃焼排ガスGは、先ず燃焼用空気予熱器2で熱回収されて約560℃となり、次に白煙防止用空気予熱器3を付設した減圧ボイラ4により熱回収されて150℃まで減温されてバグフィルター5に送られる。バグフィルター5では、燃焼排ガスGに含まれる煤塵が除去される。煤塵が除去された燃焼排ガスGは、洗煙装置6に送られ、ここで水噴霧により燃焼排ガスGに含まれる酸性ガスが除去された後、誘引ファン7に送られ、白煙防止用空気ファン8により送られて白煙防止用空気予熱器3を通過した白煙防止用空気Aと合流して煙突9から大気中へ排出される。

図2は本発明の一実施形態に係る燃焼排ガスGからの熱回収発電設備を示し、当該熱回収発電設備は、燃焼炉1からの燃焼排ガスGを流す煙道10(燃焼用空気予熱器2とバグフィルター5との間の煙道10)に設置され、燃焼排ガスGを通して燃焼排ガスGから熱回収すると共に、熱媒水Hを加熱して蒸気を発生させる内部圧力が大気圧以下に保持された減圧ボイラ4と、減圧ボイラ4により低沸点の液状の冷媒Rを加熱、蒸発させてその蒸気でタービン22を回して発電するバイナリー発電装置11と、減圧ボイラ4の熱媒水Hの温度又は減圧ボイラ4の内部圧力P1(減圧蒸気室18内の圧力P1)をそれぞれ検出する温度検出器12又は圧力検出器13と、減圧ボイラ4の熱媒水Hを貯留する缶体の少なくとも一部をケーシング28で囲って缶体16との間に白煙防止用空気Aが流れるジャケット空間29を形成するジャケット構造の白煙防止用空気予熱器3と、白煙防止用空気予熱器3に接続されて白煙防止用空気Aを供給する白煙防止用空気供給路14と、白煙防止用空気供給路14に接続された白煙防止用空気ファン8と、白煙防止用空気供給路14に介設されたダンパー15と、を備えており、前記温度検出器12又は圧力検出器13からの検出信号に基づいて減圧ボイラ4の熱媒水Hの温度又は減圧蒸気室18の圧力P1が所定の温度又は圧力に保たれるようにバイナリー発電装置11の低沸点の冷媒Rを循環させる冷媒循環ポンプ25を制御して発電量を制御すると共に、前記減圧ボイラ4の内部圧力P1が設定値Paを超えたときに、圧力検出器13からの検出信号に基づいてダンパー15を所定の開度以上に開放して白煙防止用空気予熱器3へより多くの白煙防止用空気Aを供給し、減圧ボイラ4内の圧力を低下させる構成としたものである。

具体的には、前記減圧ボイラ4は、図2に示す如く、煙道10に接続され、内部圧力が大気圧以下に保持されて熱媒水Hを貯留した金属製の缶体16と、缶体16の熱媒水Hを貯留した部分に貫通状に架設され、煙道10内の燃焼排ガスGが通過する複数の煙管17と、缶体16内の上部側空間に形成された減圧蒸気室18と、熱媒水Hの温度を検出する温度検出器12と、減圧蒸気室18内の圧力P1を検出する圧力検出器13と、減圧蒸気室18内の圧力P1が最大使用圧力(大気圧よりもやや小さい圧力)も高くなったときに減圧蒸気室18を大気に開放する安全装置19(例えば、安全弁)等を備えており、缶体16内の熱媒水Hを複数の煙管17内を通過する燃焼排ガスGとの間接熱交換により加熱して蒸発させ、発生した水蒸気を減圧蒸気室18に設置したバイナリー発電装置11の冷媒予熱部20に接触させて凝縮液化させると共に、冷媒予熱部20の冷媒予熱管21a内を流れる冷媒Rに熱を与えるようにしている。

尚、缶体16は、円筒状の上部缶体16aと同じく円筒状の下部缶体16bとを連結管16cを介して連通状に接続した構造であり、下部缶体16b内に熱媒水Hが貯留されていると共に、下部缶体16bに煙管17が架設され、また、上部缶体16a内の空間と下部缶体16b内の上部空間と連結管16c内の空間とが減圧蒸気室18となっている。

また、熱媒水Hには、大気圧以下で100℃以上の沸点を持つ水溶液が使用されている。この水溶液の沸点は、燃焼排ガスG中に含まれているSO₃が通過する煙管17内部で結露しない温度としている。この実施形態においては、SO₃の露点が130℃程度であるので、水溶液の沸点を130℃とし、55Wt%の臭化リチウム水溶液を熱媒水Hとして使用している。

前記バイナリー発電装置11は、図2に示す如く、冷媒予熱部20、冷媒蒸発部21、タービン22、発電機23、凝縮部24、冷媒循環ポンプ25、冷媒循環用配管26及び制御盤27等を備えており、前記冷媒予熱部20、冷媒蒸発部21、タービン22、凝縮部24及び冷媒循環ポンプ25を冷媒循環用配管26により閉ループ状に接続し、閉ループ内で低沸点の冷媒R(例えば、ペンタンやアンモニア等)を冷媒予熱部20、冷媒蒸発部21、タービン22、凝縮部24、冷媒循環ポンプ25の順に循環させて冷媒予熱部20に戻すようにしている。

このバイナリー発電装置11は、冷媒予熱部20が減圧ボイラ4の減圧蒸気室18に配設されていると共に、冷媒蒸発部21が熱媒水H内に配設されており、減圧蒸気室18内の90℃の蒸気により冷媒予熱部20内の低沸点の液状の冷媒Rに熱を与え、熱を与えられた冷媒Rを冷媒蒸発部21に導いてここで130℃の熱媒水Hにより更に過熱して蒸気とし、この蒸気でタービン22を回して発電機23で発電するようになっている。タービン22を回した蒸気は、凝縮部24で冷却されて液状の冷媒Rとなって冷媒予熱部20に戻る。冷媒予熱部20に戻った液状の冷媒Rは、ここで減圧蒸気室18内の蒸気により再び予熱され、引き続き冷媒蒸発部21に流入してここで熱媒水Hにより更に過熱されて蒸気となった後、タービン22に供給されてタービン22を回す。

このように、前記バイナリー発電装置11では、タービン22を回す役目を果たす冷媒Rが蒸気と液化を繰り返しながら閉ループ内を循環するようになっている。

尚、前記冷媒予熱部20は、折り曲げ形成した冷媒予熱管20aを減圧蒸気室18に配設することにより構成され、前記冷媒蒸発部21は、折り曲げ形成した冷媒蒸発管21aを熱媒水H内に配設することにより構成されている。

また、前記バイナリー発電装置11は、減圧ボイラ4に設けた温度検出器12又は圧力検出器13により減圧ボイラ4の熱媒水Hの温度又は減圧蒸気室18内の圧力P1をそれぞれ検出し、これらの検出信号に基づいて減圧ボイラ4の熱媒水Hの温度又は減圧蒸気室18内の圧力P1が所定の温度又は圧力に保たれるように制御盤27により低沸点の冷媒Rを循環させる冷媒循環ポンプ25を制御し、発電量を制御するように構成されている。

前記白煙防止用空気予熱器3は、減圧ボイラ4の熱媒水Hを貯留する円筒状の下部缶体16bを金属製の円筒状のケーシング28で囲って下部缶体16bの外周面とケーシング28の内周面との間に白煙防止用空気Aが流れる円筒形状のジャケット空間29を形成したジャケット構造を呈しており、ジャケット空間29に白煙防止用空気Aを流し、下部缶体16b内の熱媒水Hにより予熱するようにしたものである。

また、白煙防止用空気予熱器3のケーシング28の上部には、白煙防止用空気Aをジャケット空間29内へ吹き込むための白煙防止用空気入口30aを形成する空気入口ダクト30が設けられ、ケーシング28の下部には、ジャケット空間29内の白煙防止用空気Aを流出させるための白煙防止用空気出口31aを形成する空気出口ダクト31が設けられている(図3参照)。これら空気入口ダクト30及び空気出口ダクト31は、何れも円筒形状のケーシング28にその接線方向に接続されており、空気入口ダクト30は、ケーシング28の一端部(上流側端部)に、空気出口ダクト31は、ケーシング28の他端部(下流側端部)にそれぞれ配置されている。

更に、白煙防止用空気予熱器3の空気入口ダクト30には、白煙防止用空気予熱器3へ白煙防止用空気Aを供給し得る白煙防止用空気供給路14が接続されている。尚、白煙防止用空気Aには、常温空気が使用されている。ここで常温空気とは、外部常温空気を意味している。

前記白煙防止用空気供給路14には、白煙防止用空気ファン8が接続されていると共に、白煙防止用空気Aの流量を制御するモータ15a付きのダンパー15が介設されている。

前記モータ15a付きのダンパー15は、減圧ボイラ4内の温度又は圧力が所定の温度又は圧力に保たれているときには、所定の開度に保たれており、白煙防止用空気ファン8及び白煙防止用空気供給路14により所定量の白煙防止用空気Aが白煙防止用空気予熱器3のジャケット空間29内に供給されている。ここで、ダンパー15の所定の開度とは、煙突9から排出される燃焼排ガスGに白煙を生じさせない量及び温度の白煙防止用空気Aを白煙防止用空気予熱器3へ供給できる開度を言う。

また、モータ15a付きのダンパー15は、減圧ボイラ4の内部圧力P1が設定値Pa(最大使用圧力と常用使用圧力の中間値)を超えたときに、圧力検出器13からの検出信号に基づいて制御盤27によりダンパー15を所定の開度以上に開放制御されるようになっている。これにより、白煙防止用空気予熱器3へより多くの白煙防止用空気Aが供給されることになり、減圧ボイラ4内の圧力P1を安全装置19が作動しない圧力まで低下させる。

次に、上述した燃焼排ガスGからの熱回収発電設備の減圧ボイラ4での熱交換及びバイナリー発電装置11による発電について説明する。

燃焼用空気予熱器2により熱回収された燃焼排ガスGは、約560℃の温度で白煙防止用空気予熱器3を付設した減圧ボイラ4に流入し、ここで更に熱回収されて約150℃の温度になり、バグフィルター5へ送られる。

前記減圧ボイラ4内は、大気圧以下に保たれており、熱媒水Hが満たされている。この熱媒水Hは、大気圧以下で100℃以上の沸点を持っており、燃焼排ガスG中に含まれているSO₃が通過する減圧ボイラ4の煙管17内部で結露しない温度としている。この実施形態においては、SO₃の露点が130℃であるので、熱媒水Hの沸点を130℃としている。また、熱媒水Hを55Wt%の臭化リチウム水溶液としている。このときの減圧ボイラ4の煙管17の表面温度は、約140℃となり、腐食が防止される。

また、減圧ボイラ4内では、燃焼排ガスGから受熱した熱媒水Hが沸騰し、90℃の水蒸気を発生する。発生した減圧水蒸気は、減圧ボイラ4の減圧蒸気室18に配設した冷媒予熱部20の冷媒予熱管20aに接触して凝縮し、冷媒予熱管20a内を流れる冷媒Rに熱を与える。尚、冷媒予熱管20aでの熱交換により凝縮したドレン水は、下部缶体16bに貯留されている熱媒水H側へ流下する。

熱を与えられた冷媒Rは、減圧ボイラ4の熱媒水H内に配設した冷媒蒸発部21の冷媒蒸発管21aに送られ、ここで130℃の熱媒水Hにより受熱して蒸発する。気化した冷媒気体は、タービン22に送られ、タービン22羽根を回転させて発電機23で発電させる。

タービン22から排出された気化した冷媒気体は、凝縮部24に送られてここで冷却水により冷却されて液状の冷媒Rとなり、冷媒循環ポンプ25により冷媒予熱部20へ戻る。

このように、減圧ボイラ4での熱交換及びバイナリー発電装置11による発電については、上述したサイクルを繰り返す。

一方、前記減圧ボイラ4に付設した白煙防止用空気予熱器3では、白煙防止用空気ファン8から白煙防止用空気供給路14及び所定の開度に保持されたダンパー15を介して送られて来た白煙防止用空気Aが空気入口ダクト30から白煙防止用空気予熱器3のジャケット空間29内に吹き込まれ、ここで減圧ボイラ4の熱媒水Hにより予熱された後、空気出口ダクト31から排出される。予熱された白煙防止用空気Aは、洗煙装置6により洗浄された燃焼排ガスGに混合されて煙突9から排出される。このとき、白煙防止用空気Aには、加熱側となる減圧ボイラ4の熱媒水Hに腐食成分が含まれていないので、常温空気(例えば、20℃)が使用されており、常温のままで白煙防止用空気予熱器3に供給されている。また、白煙防止用空気Aは、空気入口ダクト30が円筒状のケーシング28にその接線方向に接続されているため、白煙防止用空気予熱器3のジャケット空間29内に接線方向へ吹き込まれ、ジャケット空間29内を旋回してから白煙防止用空気出口31aから排出される。そのため、白煙防止用空気Aは、ジャケット空間29内を片寄った状態で流れることがなく、下部缶体16bを通して熱媒水Hから確実且つ良好に受熱することになる。

次に、熱回収発電設備の減圧ボイラ4の制御について説明する。

下水汚泥の燃焼量や発熱量が低下したときには、減圧ボイラ4の入口温度と燃焼排ガスGの流量が低下するので、減圧ボイラ4での吸収熱量も低下する。そのとき減圧ボイラ4の内部圧力P1(減圧蒸気室18の圧力)も低下する。減圧ボイラ4の内部圧力P1が低下すると、熱媒水Hの飽和温度も低下するので減圧ボイラ4の煙管17内部の温度が低下する。そのため、煙管17内部の温度がSO₃の露点以下となる。その結果、減圧ボイラ4の煙管17がSO₃の結露による硫酸腐食を引き起こすことがある。

この現象(煙管17の硫酸腐食)を防止するため、減圧ボイラ4の熱媒水Hの温度又は減圧蒸気室18内の圧力P1を温度検出器12又は圧力検出器13によりそれぞれ検出し、減圧ボイラ4の熱媒水Hの温度又は減圧蒸気室18内の圧力P1が設定値Pa以下になると、温度検出器12又は圧力検出器13からの検出信号がバイナリー発電装置11の制御盤27に送られて発電量を下げる。発電量を下げるには、制御盤27により冷媒循環ポンプ25の回転数を下げて冷媒Rの循環量を落とす。冷媒Rの循環量が下がると、冷媒蒸発部21での吸収熱量が下がり、その後減圧ボイラ4内の圧力P1は、設定値Paに戻る。

反対に、下水汚泥の燃焼量や発熱量が上昇したときには、減圧ボイラ4の入口温度と燃焼排ガスGの流量が上昇するので、減圧ボイラ4の吸収熱量も上昇する。そのとき減圧ボイラ4内の圧力P1(減圧蒸気室18の圧力)も上昇する。

減圧ボイラ4内の圧力P1が上昇して設定圧力以上になると、安全装置19(安全弁)が開く方向に作動して減圧ボイラ4内の圧力を逃がし、大気圧と減圧ボイラ4内の圧力P1が同じになる。

しかし、この場合、減圧ボイラ4の再起動時に減圧ボイラ4の内部を減圧して大気圧以下にするために真空ポンプ(図示省略)が必要になる。

このような作業や手間をかけると、費用と立上げの時間がかかるので出来るだけ安全装置19の作動を避けたい。この現象を防止するために、減圧ボイラ4の熱媒水Hの温度又は減圧蒸気室18内の圧力P1を温度検出器12又は圧力検出器13によりそれぞれ検出し、減圧ボイラ4の熱媒水Hの温度又は減圧蒸気室18内の圧力P1が設定値Pa以上になると、温度検出器12又は圧力検出器13からの検出信号がバイナリー発電装置11の制御盤27に送られて発電量を上げる。発電量を上げるには、制御盤27により冷媒循環ポンプ25の回転数を上げて冷媒Rの循環量を増やす。冷媒Rの循環量が増えると、冷媒蒸発部21での吸収熱量が上がり、減圧ボイラ4内の圧力P1は、設定値Paに戻る。

このように、下水汚泥の燃焼量や発熱量が変化した場合、バイナリー発電装置11の冷媒Rの循環量による制御は、バイナリー発電装置11側の受熱速度が減圧ボイラ4側の受熱速度と同等か又はそれ以上の場合に成り立つものであり、減圧ボイラ4側の受熱速度が速い場合には、減圧ボイラ4の内部圧力P1が上昇することになる。また、燃焼排ガスGの量や温度の変動が大きい場合には、減圧ボイラ4の内部圧力P1が最大使用圧力(大気圧よりやや小さい圧力)を超える場合がある。その結果、安全装置19が作動することになる。

そこで、燃焼排ガスGの量や温度の変動が大きい場合、即ち、燃焼排ガスGの量が増大したり、燃焼排ガスGの温度が上昇したりした場合、減圧ボイラ4に付設した白煙防止用空気予熱器3及びダンパー15等を制御し、白煙防止用空気予熱器3への白煙防止用空気Aの量を制御して減圧ボイラ4の安全制御を行う。

燃焼排ガスGの量や温度が変動して減圧ボイラ4内の圧力P1が設定値Ps(最大使用圧力と常用使用圧力の中間値)を超えた場合、圧力検出器13からの検出信号が制御盤27に入力され、制御盤27により白煙防止用空気供給路14に介設したダンパー15が所定の開度以上になるように開放制御される。

これにより、多くの白煙防止用空気Aが白煙防止用空気供給路14及びダンパー15を通って白煙防止用空気予熱器3のジャケット空間29内に流入し、減圧ボイラ4内の熱媒水Hから受熱して減圧蒸気室18内の温度を下げると共に、減圧ボイラ4の内部圧力P1を安全装置19が作動しない圧力(P1=Ps)まで低下させる。このとき、白煙防止用空気Aに常温空気を使用しているため、熱媒水Hとの温度差を大きく取れ、白煙防止用空気Aは早く受熱することができる。

減圧ボイラ4に付設した白煙防止用空気予熱器3により受熱し、減圧ボイラ4の内部圧力P1が設定圧力以下になれば、制御盤27により白煙防止用空気供給路14に介設したダンパー15を所定の開度まで徐々に閉めて行く。このとき、ダンパー15を徐々に閉じて行くので、バイナリー発電装置11側の冷媒循環ポンプ25による冷媒Rの循環量制御が追い付き、減圧ボイラ4内の圧力P1は常用圧力で運転されることになる(図4参照)。

このように、上述した熱回収発電設備によれば、減圧ボイラ4に白煙防止用空気予熱器3を付設しているため、減圧ボイラ4の内部圧力P1が設定値Pa(最大使用圧力と常用使用圧力の中間値)を超えたときに、白煙防止用空気予熱器3に供給する白煙防止用空気Aの量を制御し、減圧ボイラ4内の圧力P1を低下させることが出来る。その結果、減圧ボイラ4に流入する燃焼排ガスGの量が大幅に増大したり、或いは、燃焼排ガスGの温度が急激に上昇したりした場合でも、減圧ボイラ4が最大使用圧力を超えることがなく、安定した状態で連続運転することができる。

また、前記熱回収発電設備によれば、腐食性のない減圧ボイラ4に白煙防止用空気予熱器3を付設しているため、減圧ボイラ42の後段に白煙防止用空気予熱気43を設置した従来のものと比較した場合、減圧ボイラ4の燃焼排ガスGの出口温度を150℃程度まで下げることができ、熱回収量が増加すると共に、バイナリー発電装置11による発電量も増加することになる。

即ち、従来のように減圧ボイラ42の後段に白煙防止用空気予熱器43を設置した場合、減圧ボイラ42の吸収熱量は、減圧ボイラ42の入口温度560℃と出口温度210℃の温度差分(350℃)となる。 これに対して、減圧ボイラ4に白煙防止用空気予熱器3を付設した場合、減圧ボイラ4の吸収熱量は、減圧ボイラ4の入口温度560℃と出口温度150℃の温度差分から白煙防止用空気予熱器3が吸収する温度差分30℃分を引いた温度差(560℃−150℃−30℃=380℃)となり、減圧ボイラ42の後段に白煙防止用空気予熱器43を設置した場合に比較して約8.6%増加できる。この分をバイナリー発電装置11が吸収するので、発電量も約8.6%増加することになる。

更に、前記熱回収発電設備によれば、白煙防止用空気Aが腐食性のない減圧ボイラ4から受熱するため、白煙防止用空気予熱器3の硫酸腐食防止対策が不要になる。その結果、従来必要であった加熱された白煙防止用空気Aを循環させるための循環ファンが不要になり、白煙防止用空気ファン8のみの動力で済む。

図5は本発明の他の実施形態に係る燃焼排ガスGからの熱回収発電設備を示し、当該熱回収発電設備は、燃焼排ガスGを流す煙道10に設置され、燃焼排ガスGを通して燃焼排ガスGから熱回収すると共に、熱媒水Hを加熱して蒸気を発生させる内部圧力が大気圧以下に保持された減圧ボイラ4と、減圧ボイラ4により低沸点の液状の冷媒Rを加熱、蒸発させてその蒸気でタービン22を回して発電するバイナリー発電装置11と、減圧ボイラ4の熱媒水Hの温度又は減圧ボイラ4の減圧蒸気室18の内部圧力P1をそれぞれ検出する温度検出器12又は圧力検出器13と、減圧ボイラ4の熱媒水Hを貯留する缶体16の少なくとも一部をケーシング28で囲って缶体16との間に白煙防止用空気Aが流れるジャケット空間29を形成する二つのジャケット構造の白煙防止用空気予熱器3,3′と、一方の白煙防止用空気予熱器3に接続されて白煙防止用空気Aを供給する白煙防止用空気供給路14と、白煙防止用空気供給路14に接続された白煙防止用空気ファン8と、白煙防止用空気供給路14に介設されたダンパー15と、二つの白煙防止用空気予熱器3,3′同士を連通状に接続する連絡通路32と、連絡通路32に介設された第2ダンパー33と、備えており、前記温度検出器12又は圧力検出器13からの検出信号に基づいて減圧ボイラ4の熱媒水Hの温度又は減圧蒸気室18内の圧力P1が所定の温度又は圧力に保たれるようにバイナリー発電装置11の低沸点の冷媒Rを循環させる冷媒循環ポンプ25を制御して発電量を制御すると共に、前記減圧ボイラ4の内部圧力P1が設定値Paを超えたときに、圧力検出器13からの検出信号に基づいて第2ダンパー33を閉鎖位置から開放制御して白煙防止用空気予熱器3′へ白煙防止用空気Aを供給し、減圧ボイラ4内の圧力P1を低下させる構成としたものである。

前記熱回収発電設備は、減圧ボイラ4に二つのジャケット構造の白煙防止用空気予熱器3,3′を付設したものであり、その他の構成は、図2に示す熱回収発電設備と同様構造に構成されており、図2に示す熱回収発電設備と同じ部位・部材には、同一の参照番号を付し、その詳細な説明を省略する。

前記二つの白煙防止用空気予熱器3,3′は、何れも減圧ボイラ4の熱媒水Hを貯留する円筒状の下部缶体16bを金属製の円筒状のケーシング28で囲って下部缶体16bの外周面とケーシング28の内周面との間に白煙防止用空気Aが流れる円筒形状のジャケット空間29を形成したジャケット構造を呈しており、前記ジャケット空間29をジャケット空間29内に配設した仕切り壁34により上流側ジャケット空間29aと下流側ジャケット空間29bとに区画することにより二つの白煙防止用空気予熱器3,3′(上流側の白煙防止用空気予熱器3と下流側の白煙防止用空気予熱器3′)に構成されている。

また、上流側の白煙防止用空気予熱器3の上流側ジャケット空間29aと下流側の白煙防止用空気予熱器3′の下流側ジャケット空間29bとは、連絡通路32により連通状に接続されている。この連絡通路32には、上流側ジャケット空間29aから下流側ジャケット空間29bに流入する白煙防止用空気Aを流量制御するモータ33a付きの第2ダンパー33が介設されている。

前記第2ダンパー33は、減圧ボイラ4内の温度又は圧力が所定の温度又は圧力に保たれているときには、閉鎖状態に保たれており、減圧ボイラ4の内部圧力P1が設定値Pa(最大使用圧力と常用使用圧力の中間値)を超えたときに、圧力検出器13からの検出信号に基づいて制御盤27により第2ダンパー33が開放制御されるようになっている。

更に、減圧ボイラ4の上流側の白煙防止用空気予熱器3のケーシング28の上部には、白煙防止用空気Aを上流側ジャケット空間29内へ吹き込むための白煙防止用空気入口30aを形成する空気入口ダクト30が設けられている。この空気入口ダクト30は、円筒状のケーシング28にその接線方向に接続されており、当該空気入口ダクト30には、白煙防止用空気供給路14が接続されている。

更に、二つの白煙防止用空気予熱器3,3′のケーシング28の下部には、上流側ジャケット空間29a内及び下流側ジャケット空間29b内の白煙防止用空気Aを流出させるための白煙防止用空気出口31aを形成する空気出口ダクト31がそれぞれ設けられている。

前記熱回収発電設備によれば、下水汚泥の燃焼量や発熱量が低下したときや上昇したときには、温度検出器12又は圧力検出器13からの検出信号に基づいて減圧ボイラ4の熱媒水Hの温度又は減圧蒸気室18内の圧力P1が所定の温度又は圧力に保たれるようにバイナリー発電装置11の低沸点の冷媒Rを循環させる冷媒循環ポンプ25を制御して発電量を制御している。このとき、白煙防止用空気供給路14に介設したダンパー15は、所定の開度に保たれている。また、連絡通路32に介設した第2ダンパー33は、閉鎖状態に保持されている。

そして、燃焼排ガスGの量や温度の変動が大きい場合、即ち、燃焼排ガスGの量が増大したり、燃焼排ガスGの温度が上昇したりした場合、減圧ボイラ4に付設した下流側の白煙防止用空気予熱器3′及び第2ダンパー33等を制御して減圧ボイラ4の安全制御を行う。

燃焼排ガスGの量や温度が変動して減圧ボイラ4の内部圧力P1が設定値Ps(最大使用圧力と常用使用圧力の中間値)を超えた場合、圧力検出器13からの検出信号が制御盤27に入力され、制御盤27により連絡通路32に介設した第2ダンパー33が開放制御される。

そうすると、白煙防止用空気供給路14から上流側の白煙防止用空気予熱器3の上流側ジャケット空間29aに流入した白煙防止用空気Aの一部が連絡通路32を通って下流側の白煙防止用空気予熱器3′の下流側ジャケット空間29bにも流入し、ここで白煙防止用空気Aが減圧ボイラ4の熱媒水Hから受熱して減圧蒸気室18内の温度を下げると共に、減圧ボイラ4内の圧力P1を安全装置19が作動しない圧力P1(P1=Ps)まで低下させる。

減圧ボイラ4に付設した白煙防止用空気予熱器3,3′により受熱し、減圧ボイラ4内の圧力P1が設定圧力以下になれば、制御盤27により連絡通路32に介設した第2ダンパー33を徐々に閉めて行く。このとき、第2ダンパー33を徐々に閉じて行くので、バイナリー発電装置11側の冷媒循環ポンプ25による冷媒Rの循環量制御が追い付き、減圧ボイラ44の内部の圧力P1は常用圧力で運転されることになる(図6参照)。

上述した図5に示す熱回収発電設備も、図2に示す熱回収発電設備と同様の作用効果を奏することができる。

尚、上記の実施形態においては、上流側の白煙防止用空気予熱器3のケーシング28と下流側の白煙防止用空気予熱器3′のケーシング28とを兼用させたが、他の実施形態においては、図示していないが、二つの白煙防止用空気予熱器3,3′のケーシング28を別々に形成しても良い。

1は燃焼炉、2は燃焼用空気予熱器、3は白煙防止用空気予熱器、3′は白煙防止用空気予熱器、4は減圧ボイラ、5はバグフィルター、6は洗煙装置、7は誘引ファン、8は白煙防止用空気ファン、9は煙突、10は煙道、11はバイナリー発電装置、12は温度検出器、13は圧力検出器、14は白煙防止用空気供給路、15はダンパー、15aはモータ、16は缶体、16aは上部缶体、16bは下部缶体、16cは連結管、17は煙管、18は減圧蒸気室、19は安全装置、20は冷媒予熱部、20aは冷媒予熱管、21は冷媒蒸発部、21aは冷媒蒸発管、22はタービン、23は発電機、24は凝縮部、25は冷媒循環ポンプ、26は冷媒循環用配管、27は制御盤、28はケーシング、29はジャケット空間、29aは上流側ジャケット空間、29bは下流側ジャケット空間、30は空気入口ダクト、30aは白煙防止用空気入口、31は空気出口ダクト、31aは白煙防止用空気出口、32は連絡通路、33は第2ダンパー、33aはモータ、34は仕切り壁、Aは白煙防止用空気、Gは燃焼排ガス、Hは熱媒水、Paは設定値(最大使用圧力と常用使用圧力の中間値)、P1は減圧ボイラ内の圧力、Psは常用使用圧力、Rは冷媒、Tは熱媒水の温度。