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

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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