九州大学学術情報リポジトリ
Kyushu University Institutional Repository
廃棄物発電システムの性能評価と高効率化に関する 研究
小川, 紀一郎
九州大学工学機械科学
https://doi.org/10.11501/3175046
出版情報：Kyushu University, 2000, 博士（工学）, 課程博士 バージョン：
権利関係：
廃棄物発電システムの性能評価と 高効率化に関する研究
平成12年6月
小川 紀一郎
目 次
第1章 緒論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 1 1.1 緒言 ・・
1.2 廃棄物発電技術の概念・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 3 1. 2. 1 廃棄物 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 3
1. 2. 2 廃棄物発電技術 ... 6
1.3 高効率型廃棄物発電技術・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 13 1. 3. 1 廃棄物発電における高効率化の意義・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 13 1. 3. 2 高効率型廃棄物発電技術の一般的方向性・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 13 1.4 本論文の目的と構成 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 17 1. 4. 1 本研究の目的・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 17 1. 4. 2 本研究の方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 17 1. 4. 3 本論文の構成・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 18 1.5 本章のまとめ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 20 参考文献・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 21 第2章 在来型廃棄物発電システムの性能評価と高効率化 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 22 2. 1 緒言 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 22 2.2 廃棄物発電システムの現状・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 23 2. 3 廃棄物発電システム性能の検討条件と対象とする主要因子・・・・・・・・・・・・・・・・ 26 2.3.1 検討ベースの計算条件と計算方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 26 2.3.2 効率向上のための要因 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 29 2.4 各要因と効率への影響度合・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 31 2. 5 高効率廃棄物発電システムの方策... 38
2.6本章のまとめ ・・.... . ... .. . .... . ... .. .. . .. .. ... . .... .. .... . .. . . .. 41
参考文献・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・42 第3章 廃棄物ガス化溶融発電システムの性能評価と高効率化 ... 43
3. 1 緒言 ... 43
3. 2 廃棄物ガス化溶融の原理と特徴... 45
3.2.1 廃棄物ガス化の原理 ... 45
3.2.2 ガス化溶融発電の特徴 ... 46
3.2.3 ガス化溶融発電の基本システム ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 46 3.2.4 熱分解炉の形式と概要・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・... 47 3.2.5 海外の廃棄物ガス化溶融技術・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ 51
3.2.6 国内の廃棄物ガス化溶融技術・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・58 3. 3 廃棄物ガス化溶融発電システムの性能計算手法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・70
3. 3. 1 システム構成・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・70 3. 3. 2 性能計算の方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・72 3. 4 本計算手法の妥当性検討・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・81 3.4.1 検討ベースの計算条件・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・81 3. 4. 2 熱分解炉文献データの解析(タール、 チャ一考慮、の方法) ・・・・・・・・・・・・82 3.4.3 本手法の妥当性検討(その1、 タール等考慮、の有無による妥当性評価) 83 3.4.4 本手法の妥当性検討(その2、 熱分解炉各形式ごとの妥当性評価) ・・・・90 3.4.5 本計算手法の妥当性・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・92 3. 5 廃棄物ガス化溶融発電システムの性能評価・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・93
3.5.1 各種要因の影響・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・93 3. 5. 2 システム構成の相違の影響・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・99 3. 6 廃棄物ガス化溶融発電システムの効率向上・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・103 3.6.1 効率向上のための要因・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・103 3. 6. 2 高効率廃棄物ガス化溶融発電システムの提案・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・104 3. 7 廃棄物ガス化溶融発電システムの位置づけ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・106 3. 8 本章のまとめ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・108
参考文献・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・109
第4章 総 括 ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・110 謝辞・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・112 付録・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・114
第1章 緒論 1.1 緒言
廃棄物発電は、 廃棄物を焼却することによりごみの衛生処理と同時に滅容化も行え、 最 終処分場の延命化上も効果的であるだけでなく、 本来無用のごみから電力という質の高い エネルギーを回収する点で わが国の環境、 エネルギ一事情に適した利用方法である そ のような特徴もあって、 廃棄物発電はわが国のエネルギー政策ヒ、 新エネルギーの柱とし て位置づけられ、 その利用拡大が期待されている。 例えば、 総合エネルギー調査会が1998 年に改訂した「長期エネルギー需給見通しjでも、 2010年には発電規模500万kWと新
エネルギーの中でも最大規模の目標が掲げられている。
しかし、 近年廃棄物発電の新規建設を取り巻く環境は厳しい。 その背景には、 ダイノ了キ シン類の発生が多い等に代表される環境問題、 更には最近 のNHvlBY (Not In My Back Yard)現象等社会的な意識の変化もあり、 地域の理解が得られ難い状態となってきてい る。
従って、 現在の廃棄物発電では、 先ず「ダイオキシン類は最大隈の低減を図ることj 最終処分場問題対応上「排出灰は無害 化と同時に滅容化することJ、 さらに発電規模の増 大と二酸化炭素低減上効果的な「発電効率が高いことJの3点の配慮が重要とミれ亡し1る。
特に第3 点目は、 直接認可に関係ないこともあって従来見過ごしに占れてきた面が強い。
我が国において従来より多く採用されている廃棄物発電技術(以下「在来型発電Jと称す) の発電効率は、 過去の経緯等もあり全国平均で10%前後と極めて低いレベルであり、 そ の最大の理由として焼却炉ボイラの過熱器蒸気温度が低いことがあげられる。
過熱器の蒸気温度が低い理由は、 ごみ燃焼時の燃焼ガス中に含まれるHClガスによる腐 食侵攻が激しく、 これ迄の経験上、 同蒸気温度は3500Cが上限とされてきたことによる。
近年、 耐食性過熱器管材料の開発、 過熱器設計条件の工夫等により、 最新鋭プラントにお いては、 蒸気温度4000C、 発電効率20%前後のプラントも出始め、 さらに現在の最高温 度レベルと見られる蒸気温度 5000C級で実機規模発電効率 300/0レベルの高効率を目指す 試験研究も行われてきた。 しかし、 蒸気温度5000C級が達成できたからといっても、 その レベルの高発電効率が容易に達成可能というわけではなく、 高効率化のシステム全体とし ての検討が求められる。
一方、 最近内外で新技術として廃棄物ガス化溶融発電技術(以下、 「ガス化溶融発電J と称す)が注目されてきている。 通常の焼却灰は、 融けた灰ではないので容積がかさみ
さらに灰中の有害物質が地下オへ溶出するという問題があり、 最終処分場に埋め立てする 際に無害化処理することが定められている。 とりわけ、 灰を溶融スラグ化する方法は、 灰 の減容 化と不活性化を達成できる方法として推奨されている。 その場合、 在来型発電にお いて溶融化を採用する場合は、 電気等外部からのエネノレギーが必要で、あるが、 ガス化溶融 発電は、 ご、みのエネルギーのみで、 灰を溶融スラグ化することができ、 更にダイオキシン
-1-
類の発生が少ないという環境面の特性により注目されてきている円 近年特にドイツで開発 が進められてきたもので、 わが国でも現在2 0数社にも上るメーカが実用化を目指し取り 組んでいる。 本技術の場合、 灰の溶融に特別のエネルギーを必要としないこともあり、 本 質的に従来技術より優れる効率面の長所が期待されているが、 現花実用化が進められてし るものは、 商用機としての完成が先で、 高効率化を指向して開発を進めているものは非常 に少ない。
一方ガス化溶融と類似した技術に廃棄物ガス変換発電技術(以下、 「ガス変換発電Jと
称す)がある。 これは、 ガス化溶融発電が熱分解ガス化を行った後の可燃性ガス、 チャー タールも全て溶融燃焼炉で完全燃焼するのに対し、 ガス変換発電はそれらのすべてを更に ガス化する高温ガス化装置を設けた技術であり、 従って、 その後流にガスエンジン、 燃料 電池などの直接発電装置を接続できることが大きな特徴である 本技術の実用化はガス化 溶融発電に比べて遅れているが、 上述の特徴もあり経済性に優れた小規模プラント向けと して期待されている。 なお、 ガス化溶融発電もガス変換も類似点を多く有しており、 両技 術を総称して「廃棄物ガス化発電」と呼ぶこととする。
そこで、 本論文では、 これらの両方式(在来型発電と廃棄物ガス化発電)の高効率化の 可能性、 その方向性、 さらにその位置づけ売明確にすることを狙いとして、 廃棄物発電プ ラントの効率に関係する要因を摘出し、 月IJ途構築した大型発電プラントのシステム評価手 法を使ってその影響度、 高効率化の可能性とその方策を理論的に考察し、 高効率化の方向 性を検討することとした。
そのため、 まず在来型発電において同手法を適用し、 その成果と更に同手法に新たな要 素を加えて廃棄物ガス化発電のシステム評価手法を作成し、 それを使って同様の検討を行
うこととした。
なお、 特に後者方式は、 得られる実績データも少なくその手法の妥当性評価が問題トc
れるが、 筆者の入手可能な範囲で文献デー夕、 あるし、はメーカ試算値との比較も試み、 本 検討の目的に添って支障無いと判断される範囲で精度良い一致が得られることも確認する こととした。
最後に、 以上を反映して両方式における検討を行い、 それぞれにおける高効率化の方向 性、 および性能面の特徴と位置づけを整理することとした。
1.2 廃棄物発電技術の概念
1.2.1 廃棄物 (1 ) 廃棄物の種類
「廃棄物処理法」によれば、 廃棄物は、 「一般廃棄物Jと「産業廃棄物jに別けられる。
先ず「一般廃棄物」は、 日常生活から排出される「ごみJと「尿尿Jを含み、 法律的には
「産業廃棄物」以外の廃棄物と定義される。 さらに同「ごみ」は、 家庭などから排出され
る「生活系ごみJと商店・事務所などから排出される「事業系ごみ」の2種類がある。 一 方、 「産業廃棄物」とは、 「事業活動に伴って生じた廃棄物のうち、 燃えがら、 汚泥、 廃油、
廃酸、 廃アルカリ、 廃プラスチック類その他政令で定める廃棄物(計19種類) をいう」
と定義されている。 これは事業活動から生ずる廃棄物であって、 量的 ・質的に環境汚染の 原因になりやすい ものが選定されたと も言える。 なお ， その他「一般廃棄物」 も「産業廃 棄物」も ， 同体系図の別表にて特別管理を要する特別管理廃棄物の種類が定められている。
詳細は省略するが 廃棄物発電に関してはバグフィル タ等の集塵灰がこの対象とされてい る。 その分類体系を図 1-1に示す(り。
なお、「一般廃棄物」の処理(収集・運搬・処分)は、 市町村が， ["産業廃棄物Jの処理は、
同廃棄物を排出する事業者が処理することが法律で義務付けられている。
(2) 廃棄物の発生量
廃棄物の発生量は、 一般廃棄物が年間約5.000万トン、 産業廃棄物がその約8倍の約4 億トンと圧倒的に産業廃棄物が多い(1998年度)。 図1-2および図 1-3に、 我が国 全体における最近の一般廃棄物および産業廃棄物の発生量推移を示す(2)。 同発生量は、 戦 後一貫して増え続け、 特に高度成長期において顕著に見られたように経済成長率の大きさ と比例するような形で増大してきたが、 最近は全国的には依然増加基調にあるとみられる ものの、 その増加害IJ合は飽和傾向を示してきた。 ただし、 東京都の一般廃棄物発生量傾向 に見られるように、 場所によっては、 産業の停滞あるいはリサイクル率の上昇に伴って近 年減少傾向を示す所 も出てきている。
(3) 廃棄物の発熱量推移
一般廃棄物の性状は、 国民のライフスタイルの変化に対応して変化してきた。 近年、 紙 類あるいはプラスチックス類の増加とあいまってその発熱量は年々増加してきており、
8，132 kJ/kg (2，000 kcal/kg)を越えるところも出てきたが、 図1-4に示すように、 ごみ の発生量と同様最近ではその増加に も飽和傾向が伺える。 ただし、 2000年度からの容器 包装リサイクル法の完全実施と分別回収の徹底により、 その組成が今後どのように推移す るのか注目される。 ある試算によれば今後分別収集が進むと、 一般廃棄物の発熱量は、 約 1，420 kJ/kg (340kcal/kg)減少するという検討もある(3)。
- 3 -
建設廃材(工作物の除去に伴って生じたコンクリート の破片など)
動物のふん尿(畜産業から排出されるもの) 動物の死体(畜産業から排出されるもの)
机、タンスなど家具類
燃えがら(石炭火力発電所から発生する石炭がら など)
汚泥(工場廃水処理や物の製造工程などから排出 される泥状のもの)
廃油(潤滑油、洗浄用油などの不要になったもの)
ばいじん類(工場の排ガスを処理して得られる ばいじん)
上記18種類の産業廃棄物を処分するために処理 したもの(コンクリート国型化物など)
動植物性残澄(原料として使用した動植物に係る 不要物)
紙くず(紙製造業、製本業などの特定の業種から 排出されるもの)
木くず(木材製造業、工作物除去などの特定の 業種から排出されるもの
繊維くず(繊維工業から排出されるもの) 冷蔵庫、テレビ 洗濯機等家電製品
畳、厨房用具など
ム
ヨ
器ク
磁
ツ 旬 チ ー
ス
ス
一フ 一フ
プ 金 ガ 雑
仁t
不燃物転車 木、竹類
物 類 芥 系住
属
鉱さい(製鉄所の炉の残さいなど) キ氏
繊 厨
自
日本における廃棄物の分類(1)
ガラス及び陶磁器くず 廃酸(酸性の廃液)
可燃物
廃プラスチック類
金属くず ゴムくず
粗大ごみ 普通ごみ
し尿・生活雑排水
ごみ
特別管理産業廃棄物特別管理一般廃棄物産業廃棄物一般廃棄物
図1-1
事業系一般廃棄物
事業系廃棄物生活系廃棄物
放射性廃棄物一般の廃棄物
廃棄物
!
+ごみ排出量(万トン/
年)
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ごみ排出量
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回5000
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一人当たり排出量
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�，，:厚生省資料 他
ごみ排出量の推移(一般廃棄物) (2) 図1-2
45.000
35，000
15.000 10.000 30，000 25.000 20.000 40，000
産業廃棄物の排出量
(万t)
1993 1994 1995
1
・再生利用量 口減量化量1992
年度
1991 1990
5，000
。
ロ最終高配
注:四捨五入の関係で合計が合わない場合があります。
産業廃棄物排出量と処理状況の推移(2)
- 5 -
図1・3
ー申ー全国平鈎 ー・ー】l:=:.
ーすー繍浜市 - ・ 来事11m
-lI( 北九州市
- ー 編簡市
， •
3000
(12000)
2500
(10白出国}
問
団
側叩
問刊
(oi\豆)白老一伺ui咽添削地司}垣
何年 年度 例年 95年
一般廃棄物の発熱量推移
93年 91 �年 92�
90年 88年 89年
87年
図1・4
86年 0
例年 85年
廃棄物発電技術
廃棄物発電技術の位置づけ
我が同における廃棄物発電技術の位置づけを整理すると次の通りである。
l.2.2
(1)
焼却に伴う基本的特徴として挙げら
①ごみの減量化と衛生的処分を可能とする。
これは、 廃棄物発電に限定されるものではないが れる。
②ごみの熱エネルギ一利用は発電が最も適切である。
前述の通り、 ごみは8，130 kJ /kg (2000 kcal/kg)前後の発熱量を有しており、 それは これを焼却しボイラで いわば低品位石炭に近いエネルギーを持っていることを意味する。
した蒸気・温水の熱供給利用も考えられるが、 熱供給の広域 その点、 電気であれば利用価値が では制約が多い。
パイプラインの完備していない我が 蒸気を発生させる場合、 発
高い。
③輸入燃料の節減と二酸化炭素の節減が図れる
本来J舎てられるべき「ごみ」で発電を行うのであるから、 大部分輸入の化石燃料に頼つ 酸化炭素
酸化 そのことも同低減に寄うする。
と大き ごみ中の紙、 木片、 生ごみなどは、 地球の
を低減することになる。 なおその場合、
炭素増加を伴わないいわば再生可能エネルギーであり、
④廃棄物発電は、 実用性の高いエネルギーである。
般廃棄物の量は、 前述の通り全国では年間5000万トン(一日約1 4万トン) これを地方自治体レベルで考えると、 例えば1 0万都市なら、
ている発電電力量をその分節減することになり、 従ってその節減量に見合った
約100トン排出 し1が、
経済的にも焼却炉に発電設備を設置可能(発電出力は
ごみは昼復、 季 このレベルになると技術的
約1000--- 1500kW)であり、 地方都市における分散型小規模電源と考えられる。 勿論、 大 都市の場合や広域イじする事で中規模電源としても利用吋能である。 また、
する。
季節にあまり左右されないので太陽光、風力などの他のエネルギーと比較しても安定した 実用性の高いエネルギーで、ある。
⑤国の新エネルギーとしての位置づけも高い位置に配されている。
以上の特徴などもあり廃棄物発電は我が固として頼りになる新エネルギーで、あり、1998 年改訂された政府の「長期エ不ノレギー需給見直し」においても 2010年に 500万kW、 石 油換算 660万k 1 )と新エネルギーの中でも最大の期待が寄せられている。 表1-1に同 見通しの概要を示す。 ちなみに現在(1998年度)の発電規模は約95万kWであり、そ の達成には並々ならぬ努力が必要とされている。 なお、廃棄物の発生量から見た我が国の
潜在発電量は、1200万kW以上と言う試算もなされている。
表1・1 新エネルギー供給の見通し
新エネルギー
I頁
F一一一一一三
度太陽光発電 太陽熱利用 風力発電 廃棄物発電 廃棄物熱利用 温度差エネルギ一等 黒液・廃材等
4ロ』ゑ目ムI
(一次エネルギー総供給に占める割合)
コジェネレーション (スチームタービンを除く) クリーンエネルギー自動車
1990年度 1996年度
O. 9万kW 5. 7万kW
(0.2万k 1) (1.4万k1) 126万kl 104万kl O. 3万kW 1.4万kW (0.1万k1) (0.6万k 1) 48万kW 89万kW (44万k 1) (82万kl)
3. 7万kl 4. 4万kl
1.8万kl 3. 3万kl 503万kl 490万kl 679万kl 685万kl (1. 1首)
2010年度 基準ケース 対策ケース
23万kW 500万kW (6万k 1) (122万k 1) 109万kl 450万kl
4万kW 30万kW (2万k 1) (12万k 1) 213万kW 500万kW (282万k 1) (662万k 1) 12万kl 14万kl
9万kl 58万kl
517万kl 592万kl 940万kl 1910万kl (1.3拡) (3. 1九)
出典 総合It糾.ー調査会総合部会基本政策小委員会需給部会(平成10年6月11日)
(2) 海外の廃棄物発電の状況(4)
欧米では、従来よりごみの有する再生可能エネルギー的な面を評価し、ごみを燃焼する 場合、エネルギーとして回収すること さらに電力を発生する場合は その発生電力を電 力会社が買い取ることを義務付けている国が多い付)。 欧米主要国の廃棄物発電の規模と施 設数の比較を図1-5に示す。 欧米の中でも発電規模としては、アメリカとドイツの大き さが注目される。 両国の廃棄物発電への取り組みの概要は次の通りである。 先ず、アメリ カでは、廃棄物発電所を私企業が所有する場合が多いこともあり経済性重視の視点から施 設規模は大型であり、また発電効率は高い。 その背景として、一般廃棄物と産業廃棄物の 区別が無く、ごみの混合燃焼が可能であること、またごみの質として、家庭の生ごみはデ
- 7 -
スポーザルの普及により下水へ回されるものが多く、 水分が少なく発熱量が高いこと、 さ らに、 技術的には、 焼却炉ボイラ の蒸気条件が400'"'-'45 OOCのものが多いことなどが挙げ られる。 一方、 ドイツにおいては、 自治体が一般の発電事業も行うところが多く、 初期に おいては焼却炉ボイラと石炭焚きボイラを並列運転するところもあり、 例えば、 過熱器蒸 気温度5000C条件を有す廃棄物発電所も少なくなかった。 その後過熱器管の腐食トラブ、ル に鑑み、 最近では4000C前後のものが主流となっているが、 従来の経緯、 ごみ質の相違、
運転に関するポリシーの相違などもあり、 現在も400'"'-'500oCで運転されている廃棄物発 電所は少なくない。 以上の理由などから、 平均して規模及び発電効率ともわが国より大き くなっている。 日本、 アメリカ、 ドイツにおける廃棄物発電施設規模と発電効率 の対比図
を図1-6に示す。
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図1・5 欧米主要国の廃棄物発電施設数と発電規模
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図1-6 日米独の廃棄物発電規模(施設あたり)と発電効率(平均)
(3) 廃棄物発電取り組みの経緯
わが国における大型焼却炉(200t/d以上)の建設は、 昭和30年代から活発に行われる ようになったが、 本格的「廃棄物発電プラント」としては、 昭和40 年大阪西淀工場に建 設された焼却設備(200t/dx 2基， 出力5，400kW)が挙げられる。
このプラントの完成を契機として、発電プラントの建設が相次いで行われるようになった。
これらの焼却炉の形式はストーカ炉であるが， 昭和5 0年代にはいり流動床炉、 溶融炉、
ロータリキルン型があいついで開発された。 しかし、 実績的には、 ストーカ炉が90数%
と圧倒的に多い。 現在、 一般廃棄物で全国の施設総数約1.900施設あるが、 その内発電設 備を設置しているのは、 180施設で約79万kW(平成10年度ベース)で、 全施設数の約
1害IJにすぎない。
産業廃棄物の場合は、 58施設で発電出力約15万kW(平成10年度ベース)と廃棄物 発生量の割には少ない。 その理由は、 産業廃棄物の場合は、 先ず責任を負う業者の大多数 が一般に小規模で、あること、 ごみの量及び種類がまとまって長期間安定して得ることが困 難であること、 また産業廃棄物の中には量的には多くても動物の糞尿等のように発熱量が 低くエネルギーとしての有効利用が困難なものが多い等が挙げられる。
図1-7 に、 廃棄物発電導入量の最近の推移を示す問。
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図1・7 廃棄物発電の導入推移(5)
(4) 廃棄物発電の課題
廃棄物発電を取り巻く主要な課題・ 問題は、 ダイオキシン類等の環境・衛生上の問題、
最終処分場確保問題、 特に産業廃棄物に見られる不法投棄問題、 建設費・ 運営費の上昇に 係わる経済的な問題、 ごみ処理施設建設反対に見られる社会的問題がある。
技術的問題としては、 先ず発電効率が低いこと、 次いで、小規模フ。ラントが多く発電設備の 設置が困難等が挙げられる。
ここでは、 その中から①ダイオキシン問題、 ②最終処分場問題、 および③廃棄物発電技 術の問題について概説する。
1 )ダイオキシン類問題(3)
ダイオキシン類は、 塩素の存在下で有機物を燃焼させた時などに非意図的に発生する有 機塩素化合物で、 環境庁の分類によれば、 ポリ塩化ジベンゾーパラージオキシン(PCDD
s )とポリ塩化ジベンゾフラン(PCDFs )の総称である。 ダイオキシン類は、 2個のベ ンゼン環が、 1"'-'2個の酸素原子をはさんで結合し、 水素原子の代わりに塩素原子が置換 したものである。 その塩素の数や置換する位置によって、 PCDDsには 75種類、 PCDF sには、 135種類の異性体が存在する。 このうち、 もっとも毒性の強いのが、 PCDDsの 中で、 2，3，7，8 の位置に塩素原子がついた 2.3.7.8-四塩化ジベンゾーパラージオキシン (2，3，7，8-TCDDと略称)で、 人体への発癌性ありとされている。
なお、 我が国全体のダイオキシン類の年間総排出量(1990年)は、 約4，000"'-'8，400g-TEQ (TEQ ; Toxic Equivalents、 2，3，7，8 ダイオキシン毒性等価換算濃度)で、 このうちごみ 焼却炉からの排出が3，100"'-'7，400g-TEQであり、 総排出量の8"'-'9害IJを占める。
平成9 年12月廃棄物処理法施行例改正および大気汚染防止法施行例の改正が施行され た。 これで、 新設炉のダイオキシン類は欧米並みの0.1 ngTEQ 1m 3Nに規制されたが、
既設炉への規制は5年間の猶予期間を経て2002年より完全に適用される。 今後、 特に中 小規模炉への適用の動きが注目される。 その後、 平成11年7月15日に「ダイオキシン 類対策特別措置法」が制定(実施同年12月15日)され、個人が一日あたり許容できる 摂取量である「耐容一日摂取量何DI;Tolerable Daily Intake) Jを4ピコグラム戊g とす ることをベースとして、 ダイオキシン基準の小型炉への適用、 灰中、 廃水中のダイオキシ ン類濃度の基準、 環境基準を達成できない場合の都道府県知事が総量規制を設定できるこ となど新たな措置が講じられることとなった。 表1-2 に最新のダイオキシン類規制の概 要を示す。
表1-2 ダイオキシン類規制動向
環境基準 排出轟準
大 気 O. 6 pg/m3 O. 1，...._ 5 ng/m3 (従来O. 8 pg/mペ指針)
焼却炉1まいじん即 一 3 ng/g(灰)
土 犠 中 1， 000 pg/g (土場) 一
水 質 1 pg/リヲト島 10 pg/リヲト島
制定のベース:日本人の耐容妓取畳げDl) 4pg/kg (体.)
鈍行:2例均年1月{但し.大気;排出基準!主新設1997�手により.既設は20∞年2月より}
1環境庁中央環袋署摩償金(1999 f草11月) 2厚生省生活環E均t.織金
ごみ焼却炉からの発生は、 不完全燃焼によって生成するものと排ガス処理設備等でガス 温度が3000C程度の温度域になった際にダスト表面の触媒作用で再合成されるものとがあ る。 従って、その対策としては燃焼炉における燃焼制御が先ず重要である。 一般に燃焼温 度(Temperature)を 8000C以上、 滞留時間(Time)を2秒以上、 十分な撹持 ・ 混合 (Turbulence)を行う3T制御といわれる燃焼法によりダイオキシン発生量をかなりの 低レベルまで抑えることができる。 また、 ダイオキシンは 起動 停止時の温度の低い時 に発生しやすいといわれ、そのため毎日の起動、停止を必要としない連続炉が優れている。
一方、 燃焼排ガス中のダイオキシンについては、 一般に炭素化合物(特にベンゼン核)と 塩素はダストの介在下で300'""5000Cの温度範囲でダイオキシンを再合成し易いといわれ、
その点で集塵装置として電気集塵器よりパグフィルタが望ましいとされる。 また、 さらに 低レベルを期す場合は、 煙道中にダイオキシン除去装置(例えば、 活性炭利用技術)が設 置される。 以上のダイオキシン類規制は排ガス中を対象としたものであるが、 現在の焼却 炉においてはダイオキシン類の発生量は排ガス中よりも灰中に含まれる量が約10倍と圧 倒的に多い。
2)最終処分場確保の問題(7)
今日のごみ処理において、 最終処分場の確保問題は、 非常に深刻な問題のーっとなって きている。 特に大都市とその周辺地域において、 その確保が非常に困難となっている。 ご み処理においては、 いかなる中間処理を行っても、 またリサイクル等の資源化を行ったと しても、 その残さは必ず発生するため、 今後ともその分の最終処分場の必要量は増加する 一方であり、 減少することはないと見られる。 図1-8に一般廃棄物の最終処分場の残余 容量と寿命年数の推移を示す。 現在の発生状況からすると、 今後の残余寿命は8.5年と されている。 これが、 首都圏となるともっと厳しい状況下にあるといわれる。 一方、 産業 廃棄物は、 更に事態は深刻で、あり、 全体の残余容量からの推計によれば、 残余寿命は全国 では約 3年、 首都圏では、 l.1年とされている。 もっとも、 残余寿命は、 現在の利用処分 場をベースにしての算出年数であり、 今後利用処分場の開発も行われることを考えると必 ずしもその年数が、 絶対的な寿命とはいえない面も有るが、 近年、 特に山問、 平地等の内 陸における処分場の確保は、 種々の制約により非常に開発が困難となってきており、 いず れ絶対的な寿命が尽きる事態となる時期が早晩訪れることが予想される。 例えば、 産業廃 棄物の場合、 仮に新設最終処分場の開発が期待通り延びず従って新設件数が最近の傾向の まま減少し、 なお、 中間処理、 リサイクルの推進により最終処分場への廃棄物量をこのま ま抑えたとしても、 残余容量は減りつづけ、2008年には最終処分場の残余容量がゼロに なるという試算もある。 このことからも、 今後より一層のリサイクルの推進と最終処分場 への廃棄物減量化の推進が望まれる。 なお、 焼却灰については、 平成4年「特別管理廃棄 物Jに指定され、 4種の指定方法で処理することとなったが、 このうち「溶融固化法J (外
1i 41ム
250 r 14 Eコ残余容量
200 一口一残余年数
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1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 年度
部熱源利用も含む)は、 1.2000C以上の高温で灰を溶かしてガラス状にし、 重金属類を閉 じこめてしまう方法であり、 通常の焼却灰(焼却による灰は、 焼却前に比し容積にて約15 分の1、 重量にて約150/0になる)の更なる減容化(焼却灰の112から113)が図られ、 最終 処分場延命化にも貢献できる優れた方法とみられている。
図1・8 最終処分場の残余容量と残余年数の推移(2)
3)廃棄物発電の技術的な課題
在来型廃棄物発電の技術的課題として、 実用性に関するテーマはほとんど解決されたと いえるが、 残された大きなものとして発電システムの高効率化、 環境対策の高度化、 およ び経済性追求(コストダウン)が挙げられる。
特に高効率化は本論文の主要テーマでもあり、 次節でその詳細を述べる。
1.3 高効率廃棄物発電技術
1.3.1 廃棄物発電における高効率化の意義
我が国の在来型発電プラントの効率は、 現在 100/0前後である口 これは「ごみ」の有す る熱量が焼却炉で焼却され， ボイラにて熱回収されて， 蒸気タービンを経て電気となる割 合が約10%ということで， この値は， 通常の化石燃料を主体とした事業用発電プラント では45%以上にも達していることを考えると非常に低い値である口
もし， 現在の効率を3倍(最大約30%)に上昇することができれば， 発電出力も3倍 になるわけで， その意味から廃棄物発電の規模拡大には極めて有効な方法である。
また、 その分化石燃料も節減できるので、 地球環境面からも望ましい。
更に、 高効率化は発電による売電収入も増加するので、 廃棄物発電プラントの経済性向 上からも望ましい口
我が国の「廃棄物発電」で効率が低い理由は、 焼却炉ボイラの蒸気条件の低さ， 特に温 度が低いことによる。 従来までの実績では， 蒸気温度は3500C以下が採用されているが，
こ れ は ， 前述 の我 が 国最 初 の 発 電 プ ラ ン ト と さ れ る大阪西淀工場( 350 oC x
2. 9MPa(30ata))の過熱器管腐蝕の事例を反映して広く採用されてきたためである(九
1.3.2 高効率廃棄物発電技術の一般的方向性
(1 ) 在来型発電の場合
蒸気温度は上述のように最近まで3500Cが限度とされてきたが、 最近従来の定説を打ち 破る3500C以上の蒸気温度を有する廃棄物発電プラントが建設されるようになった口 その 最初の事例が埼玉県東部清掃組合第l工場発電所(出力12 ，000kWX2 、 蒸気条件3800CX 3.63MPa (37 ata)、 発電効率20.6%、1995年完成)であり、 我が国ではじめて発電効率が 20%を突破した。 これ以降北海道帯広市他(出力7 ，000kW、 蒸気条件 4000CX 3.85 MPa
(40ata)、 1997年完成)をはじめ、 400"'450oC級プラントの建設が相次ぐようになった。
なお、5000C級となると未だ開発段階であり、 その代表的試験プラントが、 新エネルギー・
産業技術総合開発機構(NEDO)が推進中の「高効率廃棄物発電技術開発プロジェクト」によ るものである。
同プロジェクトは、 NEDOが通商産業省の補助事業により、 電源開発(株)、 三菱重工業 (株)の協力を得て、 神奈川県津久井郡にプラントを建設し、 試験を進めているものであ る。 主要諸元は、 ごみ処理量 50 t/d (出力800kW)、 ボイラ蒸気温度 5000C、 圧力 9.81MPa(100ata)、 実機目標効率300/0で、 平成7年度から建設に入札 平成10年2月 完成、 以降平成 11年度末試験を終了し、 現在データ整理中である。 これまで試験は順調 に推移し、 また過熱器管の新開発材料も従来材に性能面、 経済性面で勝るデータが得られ つつあるといわれている。 図1-9 に同プラントのボイラ概形図を示す(8)。
さて、 以上のように蒸気温度が上がった場合、 発電プラント全体として 300/0あるいは
円《U噌1ム
更なる高効率を得るシステムはどのような方式が考えられるか。 その検討が本論文の目的 の一つでもあり、詳細は後述するところであるが、 その方策の中からどれを採用するかは、
プラントの規模、 設置されるサイトの条件、 実用性、 経済性要因等を勘案して、 要因分析 等を行い、 最適と判断される方法を採用する必要がある。 特に、 最も効果が大きく、 また 実用性上からも取り組みやすいのはタービン入口蒸気条件(圧力、 温度)の上昇と復水器 真空度の上昇である。
Secondary SH
-ゆCombustion Gas Flow C三> Steam Flow 直面 Examination Position
図1・9 在来型高効率廃棄物発電ボイラ外形図
(NEDOの高効率試験プラント)
(2) 複合発電方式(スーパごみ発電)の場合(4)
この方法は、 上述の在来型発電方式と別の発電方式とを組み合わせたものである。 別の 発電方式とは、 一般に「ガスタービン-蒸気タービン発電方式Jと「追焚きボイラ(または独 立過熱器)-蒸気タービン発電方式Jが提案されている。
本方式の特徴は、 クリーンな化石燃料を使用するため燃焼ガス中腐食性ガスが発生しな いので蒸気温度の上昇が容易であること、 さらに化石燃料使用により大きな出力を安定し て得ることが可能なことである。 しかし、 一方では、 化石燃料使用に伴うCO2発生があ
ること、 売電価格如何にもよるが経済性が従来型より劣るという課題がある。 我が国の実 績では、 ガスタービンとの組み合わせ型が採用され、 計画発表されたものは、 既に建設が 完了し、 運転に入っている。 一般廃棄物用としては群馬県企業局の高浜発電所(150t/d X3、25，000kW.、効率約340/0、1996年11月完成)、大阪府堺市東工場(230t/dx 2、16，500kW、
効率約210/0、 1997年3 月完成)、 北九州市新皇后崎工場(810t/d、 36.300kW、 効率約27%、
1998年6 月完成)に加え、 建設中のものに千葉市新清掃工場(136t1dx 3、18，OOOkW、2001 年完成予定) がある。 高浜発電所の場合に見られるように、 発電効率30%)を越えたもの があるが、 これは上述のようにガスタービンを使うことから可能となったもので、 特段の 工夫がなされているわけではない。 ただし、 化石燃料を使ったガスタービンとの組み合わ せは本論文の意図するところではないので、 ここでは本形式の検討は省略する。
(3 ) RDF化による集中発電の場合(4)
小人口の自治体(例えば、 10万人以下) において在来型発電方式では廃棄物発電を単 独で行おうとすると、 収集するごみが少量であるため、 発電出力が小さく、 費用対効果の 関係から発電設備設置が不適当とされる場合が多い。 その場合の対策のーっとして、 提案 されてきたのが、 「固形 化燃料(RDF:Refuse Derived Fuel)方式Jである。 同方式は、 各自 治体からの廃棄物の輸送、 長期間貯蔵を可能とするよう廃棄物をあらかじめ成形 ・ 固形燃 料化して大規模焼却プラントに運び込み、 燃焼と発電を行う方式である。 この方式の特徴 は、 上述の狙いの他、 廃棄物を燃料化し貯蔵できるので発電設備において安定した出力が 得られる、 また石灰を混合しているため燃焼方法によっては、 腐食性ガスの発生を低く抑 えることが可能である等の特長を有す。 特に高効率化の視点からは、 集中化による発電規 模の拡大と排ガス中の腐食性ガスの減少により、 ボイラ過熱器出口蒸気温度を在来方式よ り高い温度で運転可能と考えられている。 しかし、 一方では全体的な経済性や、 ごみ扱い とした場合の広域輸送問題が指摘されている。 RDF 製造施設に関しては、 国内メーカ10 数社が製作実績を得あるいは開発を進めており、 現在運転中または建設中の施設は全国で 2 7箇所程度あるといわれるが、 発電用としては試験プラントを除いては運転実績はない。
なお、 試験プラントとしては、 通産省の研究開発プロジェクトとして、 電源開発(株)が 若松総合事業所において 24t1d(蒸気温度5400C、 9.81MPa(100ata))の装置を建設し、 平 成9年度から試験を実施中であり、 また平成11 年度からは追設の蒸気タービンを含めて 総合試験が行われている。 一方、 実用規模の RDF 発電プラントに関しては、 現在数箇所 でかなり詳細な検討が進められているが、 具体的な計画が発表されたものとしては、 電源 開発(株)、 福岡県、 大牟田市他が、 共同で計画中の「大牟田リサイクル発電(RDF処理 量240t/d、13，000kW、2002年完成予定)、あるいは三重県企業局が計画中のプラント(RDF 処理量 200t/d、 14，000kW) がある。 本方式は、 発電プラント自体は在来方式の範曙に入
り、 従って本論文の検討内容は生かされると考えるが、 本論文と直接関係あるシステムで
-15-
はないのでこれ以上の説明は省略する。
(4) 廃棄物ガス化溶融技術(4)，(7)
在来技術で灰を溶融化する場合には、 外部からの燃料、 あるいは電気を使って灰を溶融 がその溶
その点、 廃棄物ガス化溶融技術は現在導入の主日的で ごみ自身の熱で溶融化することができるため、 効率面でも在来
発生電力の一部(約1 0 '"'-' 2 0 0/0) 特に電気を利用する場合、
融化に使われるため効率が下がる。
する必要がある。
ある環境面の特性に加え、
同技術は効率面か
本技術は本論分の重点的検討項目でもあり 同技術の高効率化の観点から推進されているNEDOの技術
それ以外の原理的な相違もあって、
ら優れた可能性があることが指摘されている。
型より有利となると見られている。
ここでは、
別途詳述するが、
開発プロジェクトの概要を紹介する。
平成10年度から通産省/NEDOプロジェクトにより3年計画で始まった研究開発プ 高効率‘(目標300/0) を達成するため要素研究を行い、 その研究成果を極 ロジェクトは、
力早期に各社固有の提案方式により実機へ適用し、 廃棄物発電規模拡大の一助とすること 直接方式のシャフト炉型から新日本製織(株)、 直 参加メーカは、
を1且ったものである。
(株)荏原製作 各社の廃棄物ガ 所、 川崎重工業(株)、
ス化溶融発電システムの高効率化上重要と判断される未開発の要素的なテーマが選ばれ、
各社の試験設備を活用して試験が進められている。
直結方式の流動床型から の6社であり、
三菱重工業(株) 結方式のロータリキルン型から三井造船(株)、
目立造船(株)、
基本的なフロートと開発テーマを図1-10に示す。
熱分解工程
・・・・圃・
廃棄物一
-= ヌL '1't:
ニZニ
|jij 効 率|
低空気比儀後による ・鯵ガス鍋失滋 告書ガス量UI 所内電力
(空気比:従来2.0司 (電気君事風炉分)
約1.3) -高温俊卸
( 1200-1300'C) 還元緩回取(リサイ
クルに適した状態で 回収)
[銭術開発課題]
終分解工程 | 灰湾鳳工程 | 接ガス処理工程 | そ の 他
・安定供給システムの開発 |・脱注素化後術開発(SH加燃|・高温除塵システムの瞬発(sl・低温般摘装置の開発
(水分低減によるごみの高カ| 用の慾焼ガスの脱泡素化) I H過燃用の鐙俊ガス中の灰I (傍ガス温度150"cでの脱繍)
ロリー化) I の除去。ガス中の灰の除去.
・廃プラスチックの吹き込み筏 傍ガス条件7∞"c)
術開発(険分解ガスの高カロ ・セラミック式高温空気加黙畿
リー化) の開発(慾倹ガスとの燃交後
による、SH;r;;;空気加黙)
廃棄物ガス化溶融発電システムと技術開発課題
図1-10
1.4 本論文の目的と構成 1.4.1 本研究の目的
我が国の廃棄物発電は、 廃棄物処理に対する取り組みの経緯などもあり、 その発電効率 は、 約100/0程度と低レベルであった。 しかし昨今、 地球環境面から廃棄物発電の高効率 化が要求されるようになってきた。 廃棄物発電技術の高効率化のためには、 蒸気温度の上 昇が最も有効と考えられながら、 過去の経験上長らく3500C以下とされてきた。 近年廃棄 物発電技術の最高温度レベルとして5000C級が目標とされ、 既に同温度を可能とする過熱 器管の材料開発もNEDOプロジェクトなどにより進められている。
一方、 同温度レベルが得られた場合の最高効率を得る機器構成はし1かにあるべきか等の 系統だ、った検討は、 公表されたものはあまり見当たらない。 特にその関係要因の摘出とそ の影響度合の定量的分析に関し、 事業用火力発電プラントの手法を応用して検討したもの は殆どないと判断される。
更に、 最近、 ごみの有するエネルギーで、排出灰の溶融化と高温燃焼に伴うダイオキシン レベノレの低減などの優れた環境面の特徴もあって、 廃棄物ガス化溶融発電技術が内外でも 注目され、 関係メーカが、 こぞ、ってその実用化の検討を行っている。
同技術は従来方式において灰を溶融する場合より自分の熱で溶融する分、 エネルギー効 率面で優れているとされ、 高効率化の可能性を秘めた技術であり、 その観点から、 これも NEDOプロジェクトのーっとして取り上げられ研究が進められている。 しかし従来方式 同様、 廃棄物ガス化溶融システム全般の高効率化に関する系統だった検討はいままで公表 されたものは見当たらない。
特に従来方式とガス化方式とを基本的に同じ手法で検討、 発表されたものは全く無い様 である。
そこで本論文では、 まずその評価を可能とするシステム評価手法(簡易プログラム)を 在来型発電とガス化溶融発電(合、 ガス変換発電)の方式毎に作成し、 それらを用いて摘 出された高効率化の要因に対する影響度を計算・整理し、 高効率化の方向性を探ることを 目的とした。
1.4.2本研究の方法 (1) 技術動向の調査
まず、 技術の動向、 現状を調査し、 その中で性能とくに効率面はどのようなレベルにあ るのか、高効率化を指向するとしたらどのような課題があるかなど技術動向の調査を行う。
なお、 既に前項までの紹介の中で、在来型発電については、 その概要を紹介したので、 次章 以下の技術概動向についてはガス化溶融発電の場合を重点に記述する。
(2) 熱収支プログラム(簡易型)の作成
次に廃棄物発電プラント全体の性能(特に発電出力、 発電効率)の計算を可能とするプ
円I'噌』ム
ログラムを作成する口 なお本プログラムは、機器設計用ではなし、ため伝熱面積は計算せず、
定格負荷の熱物質収支を極力幅広い機器構成下で計算できるようにしたものである 同プログラムは、 在来型発電の場合(在来型プログラム)とガス化溶融発電の場合(ガ ス化溶融プログラム) の 2 種類(より詳細にいえばガス変換発電も含めて3種類)作成 する。 各プログラムは、 独自の仮定、 簡略式なども含んで発電出力、 発電効率を計算する ことを主体としているが、 各技術において効率に関係する要因の解析も可能なプログラム となっている。
(3) プログラムの妥当性確認
各プログラムの妥当性を評価するため、 実績デー夕、 文献値デー夕、 他の手法による計 算値(但し全て条件を揃える)等と比較する。
(4) 効率に関係する要因の摘出、 評価
次に、 効率に関係する主要な要因を摘出し、 その効率に及ぼす影響度合いを明らかにす る。計算結果は極力図表で示し、 比較 ・評価が容易な形にまとめる。
(5) 高効率化の方向性
上述の手順で得られた検討結果をもとに、 高効率化の方向性に対する試案を作成する。
それとあわせて高効率に必要な条件を検討するとともに技術的な課題を摘出する。
(6) 総合評価
以上の手順を在来型発電とガス化溶融発電(部分的にガス変換発電も含める)のそれぞ れに実施し、 その性能を比較し、 各技術の位置づけを明確化する。
1.4.3 本論文の構成
本論文の構成は次の通りである。
第1章では、 廃棄物発電技術の技術動向を、 その課題とともにとりまとめ、 高効率化の 意味とその開発状況を整理する。 また、 本論文の目的と構成も本章に含める。
第2章では、 在来型発電システムに関し前項(1.4.2項)記載の手)1慎(2) "-' (5)の要 領に沿って検討を行う。基本的条件として、 ごみの種類は一般廃棄物、 ごみ処理規模は900 t/d、 ボイラの蒸気条件は 5000C、9.81MPa(100ata)をベースとし、 蒸気温度、 蒸気タ ービン排圧、 空気温度、 抽気段数などをパラメータ(評価要因)として効率への影響を検 討する。 その結果を反映して発電効率 300/0級の高効率を達成するための条件と課題を検 討する。
第3章では、 ガス化溶融発電システムに関し同じく前項(1.4.2項) 記載の手順(2)
"-' (5)の要領に沿って検討を行う。 本システムに対しても概略ヒートバランスプログラ ムを用いたシステム評価を行うこととする。 なお同プログラムの基本となる反応として熱 分解ガス化反応があるが、 同反応においては目的とする発電効率計算等のプラント性能把 握上支障ない精度で計算できればよいため、 反応速度は考慮せず平衡計算を採用すること
，寸る。 しかし、 同プログラムの妥当性を評価のため、 安応速度を反映した実際に近い組 吋と見られるターノレ等を考慮レたデーターを文献値から求めその値と比較する。 さらに、
，Jス化溶融発電とガス変換発電の効率比較計算を行う。
全容4章では、本研究で得られた結果の概要、特に重要と判断される点を中心に総括する。
ハ同υ41よ
.5 本章のまとめ
本章に於ける検討事項の主な点は次の通りである。
①我が国における廃棄物の発生状況種類、 特性を整理した。
莞棄物発電は、 廃棄物を処理する方法として、 我が国の環境とエネルギ一事情に 沿った適切な方法であることを述べた。
②この推進の参考に海外の開発状況を紹介し、 更に我が国における開発状況を述べた。
③我が国における廃棄物発電を取り巻く課題を整理し、 ダイオキシン低減、 灰の無害 化・減量化と同時に高効率化が重要であったことを述べた。
④特にその中で、 環境面とともに高効率化面で優れた可能性を秘めた技術として、 ガ ス化溶融発電があり、 その技術開発の取り組み概要を述べた。
⑤最後にそれらを背景として本論文の目的と構成を述べた。
苓1章の参考文献
1. 廃棄物発電マニュアル本編、 NEDO、 平成11年3月
ι 日本の廃棄物処理(平成8年度)、 厚生省生活衛生局、 平成11年8月 3. 廃棄物発電導入促進検討の手引き、(財)新エネ/レギー財団、 平成11年2月
4. 小川紀一郎、 廃棄物処理の現状と将来展望、 火力原子力発電第50巻、 12号、 平成12 年12月
5. 通産省資源エネルギー庁電力技術課調べ、 平成11年
6. 環境白書(平成11年度)総論、 各論、 環境庁、 平成11年6月
7. 平本務、 次世代廃棄物処理の開発、 日本機械学会動力エネルギーシステム部門講習会 平成12年6月24日
8. 土井亨、 ボイラ伝熱管と高温高効率;燃焼炉の開発、 日本機械学会動力エネルギーシス テム部門講習会、 平成12年6月24日
41ょっ臼
第2章 在来型廃棄物発電システムの性能評価と高効率化 2.1 緒言
第1章で述べたように、 近年廃棄物発電の高効率化の必要性が認識され、 最近計画、
建設される廃棄物発電プラントは、 蒸気温度4000C、 発電効率200/0前後のものも出始め さらに試験装置ではあるが蒸気温度5000Cx 9.81MPa (100ata)のプラントの試験結果も 得られつつある(1)，(2)。
しかし、 目的は蒸気温度ではなく高効率化にある。 特に、 灰の溶融スラグ化を必要と れるに従い、 発生電力の一部を消費することになりその点でも高効率化が望まれる。
一方、 従来より一つの目安といわれる効率30%) (発電端、 LHV)は、 蒸気温度 5000C が達成できても、 廃棄物発電システムが従来構成のままでは同効率は得られないことも指 摘されている。 それだけ、30%というレベルは、 ハードノレの高いレベルであるといわれ る。
一方、 化石燃料を使用する発電用プラントでは、 微粉炭火力では今や450/0レベルであ り、LNGコンバインドプラントでは500/0を越えるプラントも実用化レベfレに達している。
火力発電プラントがそれほどのレベルにありながら、 廃棄物発電プラントは何故そのよう に低いのか。 その理由を解明し、 高効率化をはかるためにも、 一般化された廃棄物発電シ ステムにおいて効率に及ぼす各種因子の影響度および高効率化の方向性を明確化する必要 がある。
そこで、 本章では、 先ず在来型廃棄物発電システムに対して大型発電プラントのシステ ム評価手法を適用して、 その発電効率が低位に留まっている理由を明らかにし、 それを基 に高効率化の可能性とその方策を考察する。
2.2 廃棄物発電システムの現状(1)(3)
最近の廃棄物発電の代表的システム例を図2-1 に示す(2)。 その主要部は、 「ごみの受入 れ部J、 「焼却部(含むボイラ)J、 「環境対策部J および「発電部」より成る。
先ず「ごみの受入れ部」において、 ごみは受入れッパ、 ごみ供給装置により焼却部へ送 られる。 日本の場合ごみ中には生ごみがそのまま含まれるので水分が多く、 また形状は不 定形でサイズも様々である。 従って、 この部分ではどの様な性状、 形状でも閉塞等の問題 が生じないことが肝要とされる。
!J.気条件500・C (1∞KPa)
{発電lrß}
ターヒン晃司lfll 東京.力 自己官量減
{焼却部}
{ごみ受入部}
�'ÌII其J姐機 1量7-
図2・1 高効率廃棄物発電システムフローの例(1)
(NEDO高効率廃棄物発電パイロットプラント)
「焼却部」は、 燃焼部とその熱回収のボイラ部より成る。 燃焼部の形式としては主にス トーカ炉、 流動床炉あるいはロータリキルン炉があるが、 我が国では実績的にストーカ炉 が最も多い。 燃焼部では、 全ての可燃分は燃焼ガスとなってボイラ火炉へ、 一方がれき等 の不燃分は、 比較的大きいものは炉底灰として炉下部より取り出され、 小さなものは飛灰 として燃焼ガスにより搬送されてバグフィルタ等の集塵装置により捕集される。
高温燃焼ガスは、 ボイラの火炉を経て更に放射伝熱部および対流伝熱部である過熱器 蒸発器、 節炭器へと導かれ、 そこでその保有するエネルギー(顕熱)が回収される。 なお、
飛灰等の溶融付着防止のため、 火炉出口ガス温度は一般に9000C以下に抑えられる。 この ための温度制御として、 空気比の増大(ストーカ炉の場合)、 あるいは水/蒸気スプレー (流動床炉の場合) 等が採用される。 一般に、 空気比はストーカ炉の場合約 2.0(排ガス 中O2約10%)が採用される。 この点が、 通常の火力発電用等のボイラ(空気比約1.1'"
1.2)と比較して効率が低い一つの理由となっている。
ボイラにおける熱回収によって一般に約2200C迄冷却されたガスは、 その後「環境対策 設備Jである集じん装置(一般に脱硫装置も兼ねる)および脱硝装置に入る。 ボイラ出口
n.べUn/ω
