JP2008021678A - 熱電変換システム及びその施工方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】高温炉で発生した高温の排ガス顕熱を有効に利用して電力回収できる、耐久性、施工性、メンテナンス性の良好な熱回収効率の高い熱電変換システム及びその施工方法を提供する。
【解決手段】高温炉、または、その煙道内に露出させて設けた高熱伝導性の伝熱壁31と、伝熱壁31の背面に配設された、複数の熱電変換素子からなる熱電変換モジュール3と、熱電変換モジュール3を伝熱壁31に取付けるための係止手段32と、熱電変換モジュール3を冷却する冷却手段33とを備えるとともに、伝熱壁31は、高温炉、または、その煙道のケーシングに接続されて支持されるように構成されている。高温炉、または、その煙道の壁面を開口し、その開口部に、熱電変換モジュール3を背面側に密着・係止させた伝熱壁31を、前記壁面に略面一となるように取付けている。
【選択図】 図2

Description

本発明は、ごみ焼却炉、ガス化炉、工業炉等の高温炉から生ずる排ガスの顕熱を利用する熱電変換システムに関する。
未利用排熱の利用という視点から、これを電気エネルギーとして回収し、省エネルギー化を促進する有力な方法との位置付けの下、熱電変換素子に関する技術開発が、NEDO(独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構)を始めとする各研究機関で最近特に活発になっている。
そこでは、新規材料開発による変換効率の向上や使用温度域の拡張等を主要なテーマとして熱電変換モジュールの開発、及び各種装置や構造体に適用するためのシステム開発が進められている。
従来、中小規模のごみ焼却炉では、大型施設においてはほぼ標準化されているボイラー蒸気を利用する発電設備の設置が、採算面で折り合わないことから、排熱の有効利用があまり進んでいない。
ところで、ごみ焼却炉の排熱から、熱電変換素子を用いて発電を行う従来技術としては、例えば、特許文献1や特許文献2がある。
特許文献1には、熱電発電モジュールを、複数の耐火物により形成された焼却炉等の炉壁の外層に埋込み、その高温側の絶縁基板を外層よりも内側の層の耐火物に密着させるとともに、低温側の絶縁基板を炉壁外に露出させた構成が開示されている。
また、特許文献2では、550℃を超える排ガスの顕熱を利用するために、蒸気発生装置で発生させた蒸気の圧力または温度を調整し、熱電発電効率が最大となる温度域で熱電変換する構成が開示されている。
特開平10−190073号公報(第2〜3頁、図1) 特開2003−9557号公報(第3〜4頁、図1)
しかしながら、上述の特許文献2に記載されたように、従来技術では、特定の温度(例えば、550℃)以上の高温域の排ガスを直接(減温せずに)、熱電変換することは、材料の耐熱性の面から制約があった。したがって、熱電発電モジュールの高温側の配置を、耐火壁の中間(表面でなく内部)の耐火材に接触させたり、排ガスを蒸気化することにより、排ガス顕熱を直接利用せずに、一旦、低温下操作を行う必要があった。
最近の研究開発の成果として、新規材料開発による熱電変換素子の使用可能温度域の高温化は、確実に進捗してきている。一方、高温ガスの顕熱を直接に利用して熱電変換させる、高温炉に適用できる高効率システムの開発面では、システムとしての熱回収効率、耐久性、施工性、メンテナンス性の向上等が、今後の課題となっている。
そこで、本発明は、上記従来技術の問題を解決し、高温炉で発生した高温の排ガス顕熱を有効に利用して電力回収できる、耐久性、施工性、メンテナンス性が良好で熱回収効率の高い熱電変換システム及びその施工方法を提供することを目的とする。
請求項1に係る発明は、高温炉、または、その煙道内に露出させて設けた高熱伝導性の伝熱壁と、該伝熱壁の背面に配設された、複数の熱電変換素子からなる熱電変換モジュールと、該熱電変換モジュールを前記伝熱壁に取付けるための係止部材と、前記熱電変換モジュールを冷却する冷却手段とを備えるとともに、前記伝熱壁は、高温炉、または、その煙道のケーシングに接続されて支持されるように構成されたことを特徴とする。
ここで、高熱伝導性の伝熱壁には、排ガス特性に応じた耐久性(耐熱性や耐腐蝕性等)と、熱電変換モジュールや付帯部品の重量を保持できる構造強度を兼ね備えた材料が使用される。800℃程度の排ガス温度域における材料を一例として挙げれば、SUS304、SUS310S、SUS316、SUS316L等のJISステンレス鋼等を使用できるが、必ずしもこれに限定されるものではない。
また、本発明でいう熱電変換モジュールとは、p型半導体とn型半導体の組合せからなる熱電変換素子を、複数組交互接続して絶縁材で挟むとともに、起電力を取り出すための端子を設けて一体化した装置を示すが、この装置を複数列に並べたり、多段に積層して取り出す電力を大きくしたもの(ユニットと称される場合あり)も該当し、また、これらを金属等の筐体に収納して取扱い性を向上させたものも含まれる。
さらに、本発明でいう係止手段とは、要するに、前記熱電変換モジュールを前記伝熱壁に固定できる部材・構成であればいかなるものでも良く、具体的には、例えば定着ボルト止め、係止バンド、抑え金物、はめ込み式、溶接止め及びその他の手段を用いることができる。
請求項2に係る発明は、前記伝熱壁の表面に、複数枚の伝熱板が取付けられたことを特徴とする。
請求項3に係る発明は、前記熱電変換モジュールは、前記係止手段により、前記伝熱壁から脱着可能に構成されたことを特徴とする。
請求項4に係る発明は、前記伝熱壁と、前記複数枚の伝熱板間に堆積する排ガスダストを除去するためのダスト除去手段を、前記伝熱壁付近に設けたことを特徴とする。
請求項5に係る発明は、高温炉、または、その煙道の壁面を開口し、その開口部に、熱電変換モジュールを背面側に密着・係止させた伝熱壁を、前記壁面に略面一となるように取付けたことを特徴とする。
以上述べたように、本発明に係る熱電変換システムによれば、高温炉、または、その煙道内に露出させて設けた高熱伝導性の伝熱壁の背面に、熱電変換モジュールを配置したため、排ガス顕熱を最大限に利用できる、高効率の熱電変換システムを構築することができる。
なお、熱電変換モジュールは、係止手段によって伝熱壁から脱着できるため、故障点検や取替等の保守作業が容易であるだけでなく、熱電変換モジュールが一体に取付けられた伝熱壁は、高温炉の炉体ケーシングや煙道ケーシングに接続・支持される構造のため、高温炉施設の新設及び改造時のいずれであっても、熱電変換システムの施工や補修を容易に行うことができる。
以下、本発明の実施の形態について、ごみ焼却施設への適用を例として、図面を参照して説明する。
図1は、本発明に係る熱電変換システムの全体構成の一例を示す一部破断の概略構成図である。
同図において、1は、一般廃棄物や産業廃棄物を焼却処理するごみ焼却炉である。例として、竪型火格子式のもの((社)全国都市清掃会議編「ごみ処理施設整備の計画・設計要領」、第二版)を示しているが、流動床等の他形式の炉であっても良い。
2は、高温煙道であって、焼却炉1の図示しない燃焼室内でごみの燃焼により発生したガスを、上部の再燃焼室で850℃以上の温度で再燃焼したのちの、高温の排ガスが通過する部位である。
3は、前記高温煙道2に配設された熱電変換モジュールであって、高温熱源に接する側の平坦面(以下「高温面」という)と低温熱源に接する側の平坦面(以下「低温面」という)を有している。熱電変換モジュール3は、例えば100×100mm、t=10mm程度の単体モジュールを複数基並べて500mm角程度の寸法に一体モジュール化したものであり、後述の構造により、煙道中に取付けられ、排ガス顕熱を回収して発電を行う熱電変換システムを構築している。
4は、排ガスの減温設備であって、中小規模の焼却施設で採用されることの多い水噴射式のガス冷却塔と空気余熱器(空気予熱器)である。また、5は減温設備4で降温後の排ガスが通る中温煙道、6は排ガスを浄化するバグフィルタ等の排ガス処理設備、7は排ガス処理設備下流の低温煙道、8は誘引通風機、9は煙突である。
次に、熱電変換モジュール3を高温煙道2に配置した構造について、図2及び図3を参照して説明する。図2は、熱電変換モジュール3の煙道配置例を示す図1のA−A断面図であり、図3は、同煙道配置例を示す図2のB−B断面図である。
図2及び図3において、熱電変換モジュール3は、高温煙道2の外周部をなす煙道ケーシング21(図3参照)と、この煙道ケーシング21に殖設されたキャスターフック22に固着して形成された煙道耐火物23とにより構成された高温煙道2の一部を、輪切り状に除いた開口部に、高熱伝導性材料(例えば、5mm厚程度のSUS310S)製の伝熱壁31を、煙道耐火物23の内壁面と略面一となるように挿設した背面に取付けられている(図2には、煙道周長方向に6基配置した状態を図示)。
ここで、伝熱壁31は、高温煙道2を流れる高温(1000〜650℃程度)の排ガスに接するように、その表面が高温煙道2内に露出された状態で配設されており、高温煙道2の前記開口部において、煙道耐火物23の代わりに高温煙道2の内壁の役割を果たしている。
また、煙道耐火物23の開口部側の伝熱壁31は、煙道耐火物23の開口端の断面に沿った形に形成され、その端部に溶接して設けられた接続部材35により、前記煙道ケーシング21側の接続部材24と連結されて、荷重支持されている。
つまり、伝熱壁31は全体として、中央部が高温煙道2と同内径の円筒形状で、両側がフランジ状となった形状を有するものである。
なお、この煙道耐火物23の開口端の断面と伝熱壁31との間には僅かな間隙が設けられ、この間隙に断熱フェルトやパッキン等の充填部材25が熱膨張対策のため、充填されている。
また、伝熱壁31の中央部の背面(排ガスに接触しない側の曲面)には、一面が伝熱壁31の中央部の曲率に合致する樋形状をなす台座31aが、樋形状の曲面側を溶接等して、伝熱壁31の背面に当着されている。(以下、伝熱壁31に台座31aを当着して一体化した全体を指して、伝熱壁31と呼ぶ場合がある)。
そして、熱電変換モジュール3の高温面は、この台座31aの他方の面(平坦面)に密着するように、係止手段32によって、伝熱壁31の背面に取付けられている。
一方、熱電変換モジュール3の低温面には、冷却水の給排水口を備えた水冷方式の冷却機構(冷却手段)33が装着されており、冷却機構33の表面には、冷却効率の向上のため、図示しないフィンが配設されて放熱面積を拡張させている。
前記係止手段32は、熱電変換モジュール3の筐体の高温面側の端部付近に穿設された複数の穴部と、この穴部の位置に合わせて前記台座31aの平坦面に凹設されたタップ孔と、前記穴部を貫通して前記タップ孔に締着される定着ボルトによる構成を図示しているが、これに限らず、例えば、前記穴部やタップ孔を設けずに、煙道2の周長方向に係止バンドを配して冷却機構33ごと巻着したり、伝熱壁31背面に固着させて熱電変換モジュール3の両側に配設した逆L字型の抑え金物に固定したり、前記台座31aの背面をソケット状に形成し、装着するようにしても良い。
さらに、34は、伝熱壁31の表面に設けられた伝熱面積拡張手段であって、複数枚の伝熱板(フィン)からなるものを図示している。このような伝熱面積拡張手段34を伝熱壁31表面に装着することにより、伝熱壁31からの回収熱量を増加させることができるため、熱電変換モジュール3からの発電量を向上させることができる。
また、焼却炉1からの排ガス中に含まれるダストが、運転時間の経過とともに、煙道2内に露出した伝熱壁31及び伝熱面積拡張手段34の表面(以下、総称して「伝熱面」という)やこれらの間に次第に堆積し、煙道2内でガス流路を狭めるだけでなく、熱回収効率を低下させることになる。
これを防止するため、上記伝熱面の近傍に、例えば、スートブロワ方式(蒸気式、空気式、ガス式等)によるダスト除去手段10が配設されて堆積ダストを取り除くようになされている(図1参照)。
なお、ダスト除去手段10としては、上記に限らず、複数の吊り下げチェーン等を伝熱面の近傍に配設し、気流または駆動手段により動作させ、伝熱面上の堆積ダストを接触除去、あるいは衝撃により剥離・落下させる除去方式等を採用しても良い。また、ダスト除去手段10を、伝熱面の上流側に配置するとともに、熱電変換モジュール3を煙道2の垂直部分に配置すれば、ダスト対策上有利である。
次に、本発明の他の実施形態について、図4ないし図6を用いて説明する。なお、既に説明した物質や装置と同一のものには同一の符号を付し、詳細説明は省略する。
図4は、熱電変換モジュール3の第2の煙道配置例を示す図である。本実施の形態では、煙道2内に露出させた伝熱壁31の面積を拡張し、その拡張した部分に、例えばエキスパンション等の伸度調節手段36が設けられている。伸度調節手段36を設けることにより、熱膨張による寸法変化を緩和でき、伝熱壁31の歪みによる熱電変換モジュール3との間に隙間が生じる等の悪影響を防止できる。
なお、伸度調節手段36と伝熱壁31との接合には、溶接またはボルト止め等の接続手段を適宜選択できる。
図5は、熱電変換モジュール3の第3の煙道配置例を示す図である。本実施の形態では、先に述べた伝熱壁31の両側のフランジ状の部分が傾斜した構造となっており、伝熱壁31の傾斜部分に殖設されたキャスターフック37に伝熱壁耐火物38が固着されている。
この伝熱壁耐火物38は、側方の煙道耐火物23の断面に充填部材25を介して隙間無く接合し、煙道2を形成する内壁面として、前後に在する伝熱壁31の煙道露出部分と煙道耐火物23の壁面と略面一に形成されている。
このように、伝熱壁31の両側に伝熱壁耐火物38を設けて構成することにより、熱電変換モジュール3の両端に、高温の排ガス顕熱が直接伝わることによる影響を低減でき、熱電変換モジュール3の寿命を延ばすことができる。
また、伝熱壁31の傾斜部分には、伝熱壁31と台座31aとの間に、補強部材31b(例えば、伝熱壁31に溶接したリブ、あるいは、台座31aの側面を延長して形成した部分)が設けられている。補強部材31bを設けることにより、伝熱壁31の角部の強度向上を図ることができる。なお、このような補強部材31bは、図3および図4の実施形態においても、同旨の思想の下、伝熱壁31の角部に配置することにより、強度向上させることができる。
図6は、熱電変換モジュール3の第4の煙道配置例を示す図である。本実施の形態は、モジュール3の最高使用温度が、モジュール3の配置箇所の排ガス温度に比してやや低く、そのまま使用できない場合に適用できる簡便な取付け構造を示すものであり、図3等に示した実施の形態において、伝熱壁31(伝熱壁31と台座31a)と熱電変換モジュール3の高温面との間に、断熱性能を有する耐熱性の温度調節部材39を挿入して構成したものである(図6参照)。
この温度調節部材39には、例えば、アルミナシリカ製の繊維材料(登録商標ファインフレックス、品番:TOMBO No.5130−Tや5090)で形成されたシート状材やマット状材、またはセラミック製の板状材等が使用できる。
これにより、高温の排ガスからの給熱を熱電変換モジュール3の最高使用温度以下に低減するように調節することができ、熱電変換モジュール3の最高使用温度(例えば700℃)を超える排ガス温度域(例えば850℃)の部位にも熱電変換モジュール3を配置して発電することができる。
この場合、熱電変換モジュール3の寸法を共通とすれば、補修等により熱電変換モジュール3の交換が必要となった際には、最高使用温度等の性能が向上した熱電変換モジュール3を、温度調節部材39の厚さ調節や除去するだけで新たに取付けることができる。
なお、本発明の各実施の形態の説明において、伝熱壁31は、高温煙道2の周長方向に円環状に配設し、その背面に複数基の熱電変換モジュール3を配置した構造として説明したが、本発明の技術思想には、以下のような変形例も含まれる。
1.伝熱壁31は、その排ガス中に露出させた表面を、図2の如く、円筒側面に相当する曲面形状に設けずに、熱電変換モジュール3の高温面を背面に装着するに足りる寸法の平面を、複数個連結して環状に形成しても良い。すなわち、断面は多角形となる。例えば、図2の場合では、背面に6基の熱電変換モジュール3を取付けた正六角形断面となる。
2.前記伝熱壁31の断面形状に合わせ、煙道耐火物23の断面形状(内壁面)を円形状や多角形状に形成すれば、排ガスの均一な流れやダスト堆積の点で不利が少ないが、両者を異なった形状の組合わせに選択しても構わない。この場合、形状の異なる突合部に生じる段差を緩和するように、耐火材を厚めに施工してスロープ状にすることが望ましい。
3.前記伝熱壁31は、煙道2の全周に配置せずに周長の一部(例えば、周長の半分や熱電変換モジュール3の一基分)に設けても良い。この場合、発電量は減少するが、設計の自由度が増すとともに、施工期間を短縮できる。さらに、煙道2に点検用マンホール等の開口蓋を設けて、当該開口蓋を除く周長方向のみに前記伝熱壁31を配置すれば、開口蓋の開放により伝熱壁31の点検や清掃等を簡単に行うことができる。
4.また、点検用マンホール等の開口蓋のみに配置しても良い。この場合、発電量は少ないながら、簡単に施工できるだけでなく、補修時には、通常のマンホール蓋を使用することにより、支障なく運転を継続することができる。
5.上述のように、前記伝熱壁31の排ガス中に露出させた表面を平面とした場合には、伝熱壁31の背面に、係止手段32として、例えばスタッドボルトを溶接して設けることにより、前記台座31aを使用せず、熱電変換モジュール3を直接取付けても良い。
6.前記伝熱壁31は、焼却炉1や他の高温炉の炉内壁に設けても良く、また、熱回収効率は低下するが、中温煙道5や低温煙道7、煙突9等に設けても良い。
7.減温設備4として、廃熱ボイラを用いた焼却施設を用いても良い。蒸気タービン式発電機と併用することで、発電効率の向上が達成される。
8.なお、伝熱壁31を煙道中に固定するための前記接続部材35は、電触防止のため、不導体材料を介して前記接続部材24、または、その他の支持部材に接続させても良い。
本発明に係る熱電変換システムの全体構成の一例を示す一部破断の概略構成図である。 熱電変換モジュールの煙道配置例を示す図1のA−A断面図である。 同煙道配置例を示す図2のB−B断面図である。 熱電変換モジュールの第2の煙道配置例を示す図である。 熱電変換モジュールの第3の煙道配置例を示す図である。 熱電変換モジュールの第4の煙道配置例を示す図である。
符号の説明
1 ごみ焼却炉
2 高温煙道
21 煙道ケーシング
3 熱電変換モジュール
31 伝熱壁
32 係止手段
33 冷却機構(冷却手段)
34 伝熱板(伝熱面積拡張手段)
10 ダスト除去手段

Claims (5)

  1. 高温炉、または、その煙道内に露出させて設けた高熱伝導性の伝熱壁と、該伝熱壁の背面に配設された、複数の熱電変換素子からなる熱電変換モジュールと、該熱電変換モジュールを前記伝熱壁に取付けるための係止手段と、該熱電変換モジュールを冷却する冷却手段とを備えるとともに、
    前記伝熱壁は、高温炉、または、その煙道のケーシングに接続されて支持されるように構成されたことを特徴とする熱電変換システム。
  2. 前記伝熱壁の表面に、複数枚の伝熱板が取付けられたことを特徴とする請求項1に記載の熱電変換システム。
  3. 前記熱電変換モジュールは、前記係止手段により、前記伝熱壁から脱着可能に構成されたことを特徴とする請求項1、または2に記載の熱電変換システム。
  4. 前記伝熱壁と、前記複数枚の伝熱板間に堆積する排ガスダストを除去するためのダスト除去手段を、前記伝熱壁付近に設けたことを特徴とする請求項2、または3に記載の熱電変換システム。
  5. 高温炉、または、その煙道の壁面を開口し、その開口部に、熱電変換モジュールを背面側に密着・係止させた伝熱壁を、前記壁面に略面一となるように取付けたことを特徴とする熱電変換システムの施工方法。
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