JP2017106705A - 統合式燃焼装置の省エネルギーシステム - Google Patents

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Abstract

【課題】統合式燃焼装置の省エネルギーシステムを提供する。
【解決手段】統合式燃焼装置の省エネルギーシステム１００は、富水素ガス（hydrogen-rich gas）を発生させるための水素生成装置１１０と、水素生成装置１１０に接続され、富水素ガスを受け入れて燃焼させると共に熱エネルギー及び煙を発生させる燃焼装置１２０と、煙が水素生成装置１１０に送入されるか大気に排出されることを制御するための煙分配装置１３０と、煙分配装置１３０に接続され、煙分配装置１３０の煙の廃熱が採取されて水素生成装置１１０の水素発生燃料の予熱に用いられる水素発生燃料予熱装置１４０と、水素発生燃料予熱装置１４０に接続され、水素発生燃料予熱装置１４０を経た煙を受け入れると共に煙の余熱を回収して電力を発生させ、且つ電力が水素生成装置１１０或いは燃焼装置１２０の内の少なくとも１つに送られる発電装置１５０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼装置の廃熱を再利用するための統合式燃焼装置の省エネルギーシステムに関する。
統計によると、工業部門におけるエネルギー消費は消費される総エネルギー量の３８％を占め、燃焼装置においては工業で消費されるエネルギーの約７０％を占めるため、燃焼装置の効率を高め、投入される総エネルギーを減少させることが最も有益である。
また、一般的に、工業プロセスに用いられる加熱装置は、(燃料)燃焼式及び電熱式に分けられ、例えば炉、溶解炉、加熱炉、熱処理炉、鍛造炉、高炉、焼成炉等がある。上述２種類では、燃焼式の加熱装置が多い。しかしながら、燃焼式装置を動作させるために、電力を消費する周辺機器を使用することが必要である。例えば、送風機、ポンプ、制御回路等。よって、燃焼式装置を正常に作動するために、『オイル』及び『電力』が同時に必要である。そこで、使用者にとっては、オイル及び電力を同時に節約させねば、燃焼式装置を使用する工業プロセスに用いられる経済効果を最大化できない。
なお、燃焼装置については、燃焼装置を作動させるためには化石エネルギー(天然ガス、ディーゼルオイル、重油等)と空気とを混合させて燃焼を行い、大量の熱エネルギーを発生させて原材料或いは水の温度を上昇させ、プロセスに必要な溶解、沸騰、蒸発或いは熱処理等の主要な作業を達成させる。これらの原材料或いは水の熱エネルギーを吸収させて利用した後、余った熱エネルギーは通常熱回収装置により一部の熱エネルギーが回収されるが、残った廃熱は煙や熱放射方式により排出される。燃焼装置の全体的なエネルギー使用状況を鑑みると、設備の燃焼状況の好悪及び製造過程での熱利用量により設備の大部分のエネルギーの利用率が決定され、残った他の熱エネルギーは四散されるか排出される。これらの作業過程で失われるエネルギーは、燃焼器の燃焼の不完全さ、廃熱の排出、設備の壁面及び管路で保温された後に低温(>７０℃)になり熱が失われるのが原因である。燃焼装置の燃焼が不完全なために、燃料の発熱量がプロセスに完全には供給できず、ＣＯ、ＳＯX、ＮＯX及び粉塵排出等の多くの汚染物が発生し、さらには設備の汚れや空気の汚染等の問題も引き起こした。廃熱の排出は、熱エネルギーの浪費につながるほか、工業地の環境に対する熱汚染により空調設備の電力費用も増した。
さらに、水素を炭化水素化合物燃料する燃焼補助成分は、燃料消費が減少し、排気される有害な汚染物の濃度が低下させる等の長所を有することが多くの実証結果から確認されている。例えば、メタンを燃料とする発電設備では、特定の条件下で少量の水素(例えば、１０％ｖоｌ)が添加されると、ＣＯ2の排出量が有効的に削減され、同時に燃焼効率が大幅に向上(例えば、２０％以上向上)することが可能であり、燃料の節約に有望である。燃料が燃焼設備のライフサイクルの９９％のコストを占めるため、わずかな節約であっても費用を大きく節約でき、実効的な経済効果があり、これは水素の取得方式により決定される。地球の自然界においては、水素は化合物形態で存在し(例えば水)、還元状態の水素は極わずかにしか存在しないため、人工的に製造する必要がある。現在最も一般的な成熟した水素製造技術では、主に化石原料が分解され、化学工業プロセスの副産物が生成され、水が電解される。化石原料の分解の主な方法は、再結合反応のプロセスを経て、炭化水素化合物及び水の混合物が高温下で分解されて炭酸化物及び水素となり、生成物は反応不全の炭素デポジット及び他の炭素鎖の炭化水素化合物等を含むこともある。水の電解は電力の駆動により、電極により水が水素及び酸素に分解され、そのプロセス及び成分は単純である。炭化水素化合物の再結合のプロセスと比べると炭素が排出され、電解技術のシステム自体は炭素を排出しないが、但し、電力が一般的な化石燃料により動作する集中式の発電所から供給される場合、炭素が排出されるため、その程度は化石原料の再結合より低くはない。
燃焼を補助する水素の生成の選択肢において、化石原料再結合による水素の生成及び電解による水素の生成技術は、エネルギーの材料形式が異なるほか、最大の差異は生成物の成分である。化石原料により水素を生成した際の生成物の成分は主に水素及び二酸化炭素であり、且つ変換効果により残余の反応及び少量の一酸化炭素等を有し、水の電解によって得られる生成物は水素及び酸素である。燃焼反応の発生は、燃料及び酸素が共に存在し、且つ一定の濃度比及び温度条件等に達することで、燃料の輸送の安全性を鑑みた場合、化石原料の再結合により発生した富水素ガスは、如何なる酸素も含まれないため、管路の密封を良好にし、流速の制御を正確にする等の措置を確実に実行し、且つ燃焼室に進入する前に燃焼を開始しなければよい。水の電解により発生する水素及び酸素の混合ガスは、同様に管路の密封及び流速の制御を行い、且つ緊密な逆止部材等を加えることで、安定的な混合燃焼を実現できる。しかしながら、化石原料の再結合に比べると、酸素及び水素が同時に存在するのみでよく、危険性が高い。或いは、水素及び酸素を分離させる電解システムを採用するが、但し、単価が水素及び酸素の混合システムよりもずっと高い。また、化石原料の再結合により水素を発生させる場合、高温の触媒反応が必要なため、加熱により変換を促進させるが、この際、燃焼設備が発生させる廃熱を部分的或いは全面的に熱エネルギーとして利用できるように統合させ、エネルギー量を維持しながら熱エネルギーの循環再利用を実現させ、水素生成コストを大幅に削減させる。これは、電力を利用して水素を生成させる水の電解では達成不可能な効果である。
水素により燃焼効率を補助可能であることはすでに実証済みであり、且つ水素を生成する技術の選択肢も存在するが、但し、実際には、一般的な産業では水素源の取得に対する理解不足のため、或いは水素の安全性に対する認知の問題等により、実用された例は少ない。現在この分野や水素の燃焼に関わる業者は、今に至るまで産業の推進に関して顕著な実績を得られていない。従来のタービン発電機による廃熱発電プロセスは、すでに相当成熟した技術である。しかしながら、適用される温度条件は多くの場合３００℃以上であり、これ以下の温度の熱源では利用価値がない。工業による廃熱は多くが３００℃以下であり、３００℃を大きく下回るものが多く、電力の需要が高まり続ける影響のため、近年３００℃以内の低温廃熱発電が各国で重視されつつある。現在、工業において低温廃熱発電技術を有効的に利用することで高い経済性を実現可能であることが実証されており、有機ランキンサイクル(Organic rankine cycle、ORC)及びその派生技術、或いは熱電発電技術(Thermoelectric power generation、TEG)のみで可能である。有機ランキンサイクル技術は沸点の低い流体により発電機を駆動させ、従来の発電機の動作原理と類似しており、占有する面積が大きく、高い(例えば、１００ｋＷ以上)発電規模に適合する。熱電発電技術は特定の固体材料と本体との間に存在する温度差を利用し、内部でキャリアの移動及びエネルギーの輸送が発生する特性により、熱エネルギーが電気エネルギーに直接変換され、その過程では如何なる動作もなく、非常に小さな発電量で任意のモジュール化を行って必要な電力量まで拡大させることで、空間の制限が小さくなり、低い(例えば、１００ｋＷ以内)発電規模に適合できる。工業の廃熱規模の種類は多様であり、この２種類の技術は共に適合する条件があるため、工業用の燃焼装置の廃熱を利用する場合、この２種類の技術は共に応用の余地と価値がある。
上述のように、従来の燃焼装置の状況は、燃焼装置の排煙中には大量の廃熱が含まれ、液体／固体の燃料を完全に燃焼させるのは難しく、且つ汚染も多く、よくある燃料の空燃比には一定の制限があり、燃焼装置の周辺で使用される電力量は高く、技術の改善が遅い等の要因により、従来の燃焼装置には以下の問題がある。エネルギーの浪費、後端の熱回収装置の損害、環境に対する煙による汚染、ＮＯX(窒素酸化物)が多くなりやすく、且つ熱の損失が多い(使用時間に連れて増加しやすい)。可廃熱を利用して化石原料により水素の生成(エネルギーの回収)を行い、水素により燃焼を補助して燃焼効率を高める技術を提供できれば、或いは、廃熱を電力(温度差発電)に変換させた後に設備に直接フィードバックして使用できる装置を提供できれば、使用される燃料の総量を減少させ、煙の品質を高め、後端の熱回収設備の寿命を延ばし、発電により電力網の電力の消費を抑える等の効果を達成できる。
そこで、本発明者は上記の欠点が改善可能と考え、鋭意検討を重ねた結果、合理的かつ効果的に課題を改善する本発明の提案に到った。
本発明は、以上の従来技術の課題を解決する為になされたものである。即ち、本発明の目的は、統合式燃焼装置の省エネルギーシステムを提供することにある。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る統合式燃焼装置の省エネルギーシステムは、富水素ガスを発生させるための水素生成装置と、水素生成装置に接続され、富水素ガスを受け入れて燃焼させると共に熱エネルギー及び煙を発生させる燃焼装置と、燃焼装置及び水素生成装置に接続され、煙が水素生成装置に送入されるか大気に排出されることを制御するための煙分配装置と、煙分配装置に接続され、煙分配装置を経由した後の煙の廃熱が採取されて前記水素生成装置の水素発生燃料の予熱に用いられる水素発生燃料予熱装置と、水素発生燃料予熱装置に接続され、水素発生燃料予熱装置を経た煙を受け入れて煙の余熱を回収して電力を発生させ、且つ電力が水素生成装置或いは燃焼装置の内の少なくとも１つに送られる発電装置とを備えることを特徴とする。
他の実施形態において、本発明に係る統合式燃焼装置の省エネルギーシステムは、富水素ガスを発生させるための水素生成装置と、水素生成装置に接続され、富水素ガスを受け入れて燃焼させると共に熱エネルギー及び煙を発生させる燃焼装置と、前記燃焼装置及び前記水素生成装置に接続され、前記煙が前記水素生成装置に送入されるか大気に排出されることを制御するための煙分配装置と、前記煙分配装置に接続され、前記煙分配装置中の煙の廃熱が採取されて前記水素生成装置により生成された水素の予熱に用いられる水素発生燃料予熱装置とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、燃焼装置から排出される廃熱が大幅に減少し、且つ廃熱の回収及び燃焼効率が高まり、改善後の燃焼装置は改善前に比べて省エネルギー効果が顕著に高くなる。
本発明の第１実施形態による統合式燃焼装置の省エネルギーシステムの構成を示す概略図である。 図１に示す第１実施形態が設置される燃焼器の構成を示す概略図である。 図１に示す第１実施形態が設置される内部予熱器の構成を示す概略図である。 図１に示す第１実施形態が設置される煙の温度制御熱交換器の構成を示す概略図である。 本発明の他の実施形態による統合式燃焼装置の省エネルギーシステムの構成を示す概略図である。 図５に示す実施形態が設置される燃焼器の構成を示す概略図である。 図５に示す実施形態が設置される内部予熱器の構成を示す概略図である。
以下に図面を参照して、本発明を実施するための形態について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。
（第１実施形態）
以下、第１実施形態を図１〜７に基づいて説明する。まず、前記統合式燃焼装置の省エネルギーシステム１００は、水素生成装置１１０と、燃焼装置１２０と、煙分配装置１３０と、水素発生燃料予熱装置１４０と、発電装置１５０と、廃熱リサイクル装置１６０とを備える（図１参照）。
水素生成装置１１０はＨ2、ＣＯ2、ＣＯ、他の副産物及び残余の未反応物である富水素ガスを発生させるために使用される。水素生成装置１１０の態様に制限はなく、例えば、水蒸気再結合(steam reforming)水素生成装置或いはプラズマ再結合水素生成装置等である。水蒸気再結合水素生成装置は、化石原料(例えばメタン、液化石油ガス、メタノール、重油、ディーゼルオイル等)と水とを混合させた後、高温の触媒反応を経て富水素ガスを発生させる。水蒸気再結合水素生成装置と類似するものとして自己熱再結合(auto-thermal reforming)水素生成装置、部分燃焼再結合(partial-oxidation reforming)水素生成装置等があり、何れも適用可能である。プラズマ再結合(plasma reforming)水素生成装置は、プラズマによる化石原料分解方式により富水素ガスを発生させる。水素生成装置１１０は、水素生成装置１１０の動作温度の検知を行い、且つ信号を煙分配装置１３０に伝送させて煙分配装置１３０の動作の制御を行うための第一温度検知器１１１を有する。ちなみに、水素生成反応は吸熱反応に属すため、高温で操作せねばならず、すなわち、水素生成装置１１０に熱を絶えず供給して水素生成装置１１０を一定の高温に維持させて、水素生成反応が持続するようにする。
燃焼装置１２０の形式に制限はなく、例えば、炉、溶解炉、加熱炉、熱処理炉、鍛造炉、高炉、焼成炉等でもよく、燃焼装置用燃料１２１が燃焼のために供給される。燃焼装置１２０は水素生成装置１１０に接続されると共に水素生成装置１１０が発生させる富水素ガスを受け入れ、富水素ガス及び燃焼装置１２０の原燃料を混焼させ、燃焼過程で熱エネルギー及び煙を発生させる。
煙分配装置１３０は燃焼装置１２０及び水素生成装置１１０に接続され、煙分配装置１３０は燃焼装置１２０の煙の出口箇所に設置され、燃焼装置１２０による燃焼で発生する煙は煙分配装置１３０に進入した後、第一温度検知器１１１の信号により前記煙分配装置１３０が調整されて煙が水素生成装置１１０に送入されるか大気に排出されるかが制御される。上述の煙の流れ方向の制御という目的を達成させるため、煙分配装置１３０は多方向弁の形式で設計される、多方向弁は燃焼装置１２０、水素生成装置１１０及び大気に接続され、使燃焼装置１２０と水素生成装置１１０との連通、或いは燃焼装置１２０と大気との連通の制御を行う。
ちなみに、従来の燃焼装置の煙の排出管路は一方向の管路であり、すなわち、発生した煙が大気に直接排出され、煙が高温のままであるため、熱エネルギーを有する。このため、本発明では、燃焼装置１２０の煙の出口箇所に煙分配装置１３０が設置され、且つ煙が水素生成装置１１０に送られ、煙の熱が水素生成装置１１０に供給されることで、煙の熱エネルギーが十分に利用される。操作員は水素生成装置１１０に対する加熱の必要程度に合わせて、煙分配装置１３０の調整を行うことで煙の流量が制御できる。上述の多方向弁形式では、水素生成装置１１０を高速に加熱させる場合、弁の開き具合を大きくし、且つ本来の排煙管の開き具合を小さくし、煙が水素生成装置１１０に流されて水素生成装置１１０が過度に加熱される場合、弁を閉め、煙が本来の大気に排出される経路に戻される。これにより、水素生成装置１１０に対する加熱程度の調整が可能である。
図１に示すように、水素発生燃料予熱装置１４０は煙分配装置１３０に接続されて、煙分配装置１３０中の煙の廃熱が採取されて水素生成装置１１０が発生させる水素発生燃料１４１(例えば、水及び化石原料の混合物)の予熱に用いられる。水素生成反応には高温が必要であるため、水素発生燃料予熱装置１４０が煙の廃熱を利用して水素発生燃料１４１の予熱を行うことで、最も好ましいエネルギーの使用方法となる。
発電装置１５０は水素発生燃料予熱装置１４０に接続され、水素発生燃料予熱装置１４０を経た煙を受け入れ、且つ煙の余熱が回収されて電力を発生させるために使用され、電力が水素生成装置１１０或いは燃焼装置１２０の内の少なくとも１つに送られる。発電装置１５０は熱電発電装置或いは有機ランキンサイクル装置の内の何れか１つである。熱電発電装置及び有機ランキンサイクル装置は共に温度差を利用して発電を行うため、予熱冷流体１５１が必要である（図１参照）。例えば、燃焼用空気或いは水(例えば燃焼装置１２０が炉の場合)等が予熱冷流体１５１として採用され、同時に前記予熱冷流体１５１は予熱を獲得した後に燃焼装置１２０に進入する。
廃熱リサイクル装置１６０は発電装置１５０に接続され、発電装置１５０中の煙の余熱の回収に用いられる。発電装置１５０或いは煙の温度制御熱交換器を経た後の予熱冷流体１５１は温度が高くなく、発電装置１５０を経た後の煙は一定の温度を保ち、このため、予熱冷流体１５１がこの箇所の廃熱リサイクル装置１６０に導入され、廃熱が更に回収され、図１の太線矢印で示す経路のようになる。廃熱リサイクル装置１６０の残余の煙１６１は大気に排出される。このほか、実際の需要に基づいて前記廃熱リサイクル装置１６０が設置されるか否かが決定される。すなわち、発電装置１５０或いは煙の温度制御熱交換器を経た後の予熱冷流体１５１の温度が必要十分な高温まで達していれば、廃熱リサイクル装置１６０を設置させる必要がなく、予熱冷流体１５１を燃焼装置１２０に直接導入させればよい。
さらに、図１に示す実施形態では、燃焼装置１２０が発生させる煙の温度が水素生成装置１１０に必要な温度(例えば、金属加熱炉の煙の温度は通常６００℃以上)に達している場合、煙分配装置１３０により煙が水素生成装置１１０に直接流動され、水素生成装置１１０が動作温度に達した後、第一温度検知器１１１により信号が発信されて、煙分配装置１３０が一定(少ない)の流量に保持される煙を水素生成装置１１０に進入させるように制御され、残りの煙は本来の排気管路に流されて大気に排出される。
図２に示す実施形態において、前記統合式燃焼装置の省エネルギーシステム１００Ａは、水素生成装置１１０と、燃焼装置１２０と、煙分配装置１３０と、水素発生燃料予熱装置１４０と、発電装置１５０と、廃熱リサイクル装置１６０とを備える。水素生成装置１１０は、水素生成装置１１０の動作温度の検知を行い、且つ信号を煙分配装置１３０に伝送させて煙分配装置１３０の動作の制御を行うための第一温度検知器１１１を有する。水素発生燃料予熱装置１４０は水素発生燃料１４１の予熱に用いられる。発電装置１５０は予熱冷流体１５１の予熱に用いられる。上述の部材の関連性及び作動方式は図１に示す実施形態と同様であり、本実施形態と図１の実施形態との差異は、本実施形態に係る水素生成装置１１０には燃焼器１７０Ａが設置され、燃焼器１７０Ａにより水素生成装置１１０に熱エネルギーが提供されることで、水素生成装置１１０の温度が上昇する点である。燃焼器１７０Ａの燃料は燃焼装置１２０と同じであり、燃焼装置用燃料１２１が燃焼のために供給され、一部の水素発生燃料１４１を燃料としてもよい。
図３に示す実施形態において、前記統合式燃焼装置の省エネルギーシステム１００Ａは、水素生成装置１１０と、燃焼装置１２０と、煙分配装置１３０と、水素発生燃料予熱装置１４０と、発電装置１５０と、廃熱リサイクル装置１６０とを備える。水素生成装置１１０は、水素生成装置１１０の動作温度の検知を行い、且つ信号を煙分配装置１３０に伝送させて煙分配装置１３０の動作の制御を行うための第一温度検知器１１１を有する。水素発生燃料予熱装置１４０は水素発生燃料１４１の予熱に用いられる。発電装置１５０は予熱冷流体１５１の予熱に用いられる。上述の部材の関連性及び作動方式は図１に示す実施形態と同様であり、本実施形態と図１の実施形態との差異は、本実施形態に係る燃焼装置１２０には内部予熱器１７０Ｂが設置され、内部予熱器１７０Ｂにより燃焼装置１２０の熱エネルギーが採取されることで、水素生成装置１１０に進入する水素発生燃料１４１の温度が上昇する点である。本実施形態は図２の実施形態に結合されてもよく、水素生成装置に燃焼器が増設され、同様に燃焼器１７０Ａの燃料が採用され、或いは一部の水素発生燃料１４１が燃料として用いられる。これにより、内部予熱器１７０Ｂに結合された後、水素生成装置１４０の温度がより早く上昇する。
上述したように、図１の実施形態は燃焼装置１２０が発生させる煙の温度が水素生成装置１１０に必要十分な状況に最適であるが、但し、多くの要素の影響を受け、燃焼装置１２０が発生させる煙の温度が不足して水素生成装置１１０の温度が不十分になる場合、図２及び図３に示す実施形態が必要になる。水素生成装置１１０に設置される燃焼器１７０Ａ、或いは燃焼装置１２０に設置される内部予熱器１７０Ｂにより、温度の不足が補われる。換言すれば、図２の燃焼器１７０Ａの作用及び図３の内部予熱器１７０Ｂの作用は同じであり、共に付加の加熱ユニットとなり、燃料の燃焼或いは燃焼装置により取得される熱エネルギーが水素生成装置１１０に使用される。
以下、図３を参照しながら、その動作原理を説明する。
(１)燃焼装置１２０が安定起動されても、水素生成装置１１０はまだ起動されない。煙分配装置１３０により大部分の煙が水素生成装置１１０に導通され、水素生成装置１１０が加熱される。煙が水素生成装置１１０を経た後、煙分配装置１３０、水素発生燃料予熱装置１４０或いは発電装置１５０の下流に戻される。
(２)水素生成装置１１０が煙により平衡温度まで加熱され、すなわち、煙の温度まで加熱されると、前記温度の不足により水素生成反応が駆動され、これにより、水素発生燃料１４１が水素発生燃料予熱装置１４０を経た後に内部予熱器１７０Ｂに進入し、水素発生燃料の温度が水素生成反応に必要な温度を超えるまで大幅に上昇され、水素生成装置１１０に進入した後に水素生成装置１１０の温度が徐々に高まる。
(３)煙が水素生成装置１１０の温度を高めるのを終えた後、水素生成装置１１０のチャンバーの外側は保温層となる。この際、煙分配装置１３０により大部分の煙が直接下流に向けて進められ、残った少量の煙は煙分配装置１３０の箇所に導引される。上述の過程では、水素生成装置１１０の第一温度検知器１１１により温度が検知されて、信号が煙分配装置１３０に伝送されることで調節が行われる。
(４)発電装置１５０は起動後に煙を受け入れて発電を開始する。発電の初期には、発電装置１５０自身がまだ目標の動作温度まで加熱されておらず、このため、発電量が少なく、但し徐々に加熱される。発電装置１５０は燃焼装置１２０に必要な燃焼用空気或いは水を予熱冷流体１５１とする。発電装置１５０が発生させる電力は燃焼装置１２０、水素生成装置１１０の周辺機器或いは他の電気装置に供給されて使用される。
(５)発電装置１５０を経た予熱冷流体１５１は発電装置１５０の下流の廃熱リサイクル装置１６０に進入して更に加熱された後、燃焼装置１５０、或いは選択的に燃焼装置１２０に直接進入する。
図４に示す実施形態において、前記統合式燃焼装置の省エネルギーシステム１００Ｃは、水素生成装置１１０と、燃焼装置１２０と、煙分配装置１３０と、水素発生燃料予熱装置１４０と、発電装置１５０と、廃熱リサイクル装置１６０とを備える。水素生成装置１１０は、水素生成装置１１０の動作温度の検知を行い、且つ信号を煙分配装置１３０に伝送させて煙分配装置１３０の動作の制御を行うための第一温度検知器１１１を有する。水素発生燃料予熱装置１４０は水素発生燃料１４１の予熱に用いられる。発電装置１５０は予熱冷流体１５１の予熱に用いられる。上述の部材の関連性及び作動方式は図１に示す実施形態と同様であり、本実施形態と図１の実施形態との差異は、本実施形態に係る水素発生燃料予熱装置１４０と発電装置１５０との間には、水素発生燃料予熱装置１４０から送出される煙及び発電装置１５０を経た予熱冷流体１５１の受け入れに用いられる煙の温度制御熱交換器１８０が設置される点である。予熱冷流体１５１が煙の温度制御熱交換器１８０に流入(図４の太線矢印経路)された後、煙の温度制御熱交換器１８０中で煙の温度が低下する。
煙の温度制御熱交換器１８０の作用は、発電装置１５０が熱電発電装置である場合、その適用温度は３００℃以内である。しかしながら、発電装置１５０が有機ランキンサイクル装置である場合、その適用温度は２００℃であり、温度が高過ぎると発電装置１５０が損壊する。このため、煙の温度が高過ぎる(例えば、金属熱処理炉の排煙の温度は５００℃以上)場合、煙が発電装置１５０に進入する前に煙の温度を低下させねばならない。本実施形態に係る煙の温度制御熱交換器１８０は、先ず発電装置１５０を経た放熱用の燃焼用空気、水(燃焼設備が炉の場合)を冷流体とし、同時に前記冷流体が予熱を更に獲得させる。また、煙の温度制御熱交換器１８０は、予熱冷流体１５１が煙の温度制御熱交換器１８０を経た後の温度の検知を行う第二温度検知器１８１を有し、予熱冷流体１５１が煙の温度制御熱交換器１８０を経た後の温度が発電装置１５０を経た後の煙の温度より低い場合、検知信号が流体の流れ方向制御弁１８２に伝送され、流体の流れ方向制御弁１８２により予熱冷流体１５１が廃熱リサイクル装置１６０に更に導かれる。
本発明の他の実施形態では、発電に関連するプロセスを含まず、富水素ガスの燃焼補助に関連するプロセスのみが実施され、単純な燃料の節約の目的を達成させる。
図５に示す実施形態において、前記統合式燃焼装置の省エネルギーシステム１００Ｄは、水素生成装置１１０と、燃焼装置１２０と、煙分配装置１３０と、水素発生燃料予熱装置１４０とを備える。水素生成装置１１０は、水素生成装置１１０の動作温度の検知を行い、且つ信号を煙分配装置１３０に伝送させて煙分配装置１３０の動作の制御を行うための第一温度検知器１１１を有する。燃焼装置用燃料１２１が燃焼装置１２０の燃焼のために供給され、水素発生燃料予熱装置１４０が煙の廃熱を利用して水素発生燃料１４１の予熱を行い、水素発生燃料予熱装置１４０の残余の煙１４２が大気に排出される。本実施形態の実施方法は図１に相似し、但し、発電装置１５０及び廃熱リサイクル装置１６０に関連するプロセスを含まない。
図６に示す実施形態において、前記統合式燃焼装置の省エネルギーシステム１００Ｅは、水素生成装置１１０と、燃焼装置１２０と、煙分配装置１３０と、水素発生燃料予熱装置１４０と、燃焼器１７０Ａとを備える。水素生成装置１１０は、水素生成装置１１０の動作温度の検知を行い、且つ信号を煙分配装置１３０に伝送させて煙分配装置１３０の動作の制御を行うための第一温度検知器１１１を有する。燃焼装置用燃料１２１が燃焼装置１２０の燃焼のために供給され、水素発生燃料予熱装置１４０が煙の廃熱を利用して水素発生燃料１４１の予熱を行い、水素発生燃料予熱装置１４０の残余の煙１４２が大気に排出される。本実施形態の実施方法は図２と相似し、但し、発電装置１５０及び廃熱リサイクル装置１６０に関連するプロセスを含まない。
図７に示す実施形態において、前記統合式燃焼装置の省エネルギーシステム１００Ｆは、水素生成装置１１０と、燃焼装置１２０と、煙分配装置１３０と、水素発生燃料予熱装置１４０と、内部予熱器１７０Ｂとを備える。水素生成装置１１０は、水素生成装置１１０の動作温度の検知を行い、且つ信号を煙分配装置１３０に伝送させて煙分配装置１３０の動作の制御を行うための第一温度検知器１１１を有する。燃焼装置用燃料１２１が燃焼装置１２０の燃焼のために供給され、水素発生燃料予熱装置１４０が煙の廃熱を利用して水素発生燃料１４１の予熱を行い、水素発生燃料予熱装置１４０の残余の煙１４２は大気に排出される。本実施形態の実施方法は図３と相似し、但し、発電装置１５０及び廃熱リサイクル装置１６０に関連するプロセスは含まない。
結論として、本発明の統合式燃焼装置の省エネルギーシステムは、主に上流端の水素生成装置及び下流端の発電装置を備え、水素生成装置は燃焼装置の廃熱を熱源として利用し(全部或いは一部)、富水素ガスが予燃焼装置に供給されて原燃料と共に混焼され、より高い効率及び清潔な燃焼品質を達成させる。次に、発電装置により煙の廃熱が電力に変換され、燃焼装置或いは水素生成装置の電力で駆動される各種装置に供給されて使用されるか、現場で他の用途に使用される。本発明は、その組み合わせにより燃焼装置が燃料の節約及び電力網で使用される電力量の節約効果を同時に達成させ、或いは富水素ガスが単独で燃焼補助に使用されることで、燃料節約の効果を達成させる。富水素ガスを導入して燃焼を補助する主要な目的は、燃焼装置がより好ましい燃焼効率を獲得し、燃料の総需要量を減らし、煙による汚染を同時に減少させることであり、後端でどのような煙の熱の回収技術が採用されても、煙が清浄であるため熱伝導材料に対する損害が減少する。発電装置を導入する主要な目的は、燃焼装置の電力網の電力に対する需要を減らし、煙の廃熱を利用して電力を発生させて燃焼装置に使用される周辺部材にフィードバックさせることである。本発明により、燃焼装置から排出される廃熱が大幅に減少し、且つ廃熱の回収及び燃焼効率が向上し、改善後の燃焼装置は改善前に比べて省エネルギー効果が顕著に高まる。
上述の実施形態は本発明の技術思想及び特徴を説明するためのものにすぎず、当該技術分野を熟知する者に本発明の内容を理解させると共にこれをもって実施させることを目的とし、本発明の特許請求の範囲を限定するものではない。従って、本発明の精神を逸脱せずに行う各種の同様の効果をもつ改良又は変更は、後述の請求項に含まれるものとする。
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ、１００Ｆ 統合式燃焼装置の省エネルギーシステム
１１０ 水素生成装置
１１１ 第一温度検知器
１２０ 燃焼装置
１２１ 燃焼装置用燃料
１３０ 煙分配装置
１４０ 水素発生燃料予熱装置
１４１ 水素発生燃料
１４２ 残余の煙
１５０ 発電装置
１５１ 予熱冷流体
１６０ 廃熱リサイクル装置
１６１ 残余の煙
１７０Ａ 燃焼器
１７０Ｂ 内部予熱器
１８０ 煙温度制御熱交換器
１８１ 第二温度検知器
１８２ 流体の流れ方向制御弁

Claims (10)

  1. 富水素ガスを発生させるための水素生成装置と、
    前記水素生成装置に接続され、前記富水素ガスを受け入れて燃焼させると共に熱エネルギー及び煙を発生させる燃焼装置と、
    前記燃焼装置及び前記水素生成装置に接続され、前記煙が前記水素生成装置に送入されるか大気に排出されることを制御するための煙分配装置と、
    前記煙分配装置に接続され、前記煙分配装置を経由した後の煙の廃熱が採取されて前記水素生成装置により生成された水素の水素発生燃料（hydrogen generation fuel）の予熱に用いられる水素発生燃料予熱装置と、
    前記水素発生燃料予熱装置に接続され、前記水素発生燃料予熱装置を経た煙を受け入れて前記煙の余熱を回収して電力を発生させ、且つ前記電力が前記水素生成装置或いは前記燃焼装置の内の少なくとも１つに送られる発電装置とを備えることを特徴とする統合式燃焼装置の省エネルギーシステム。
  2. 前記発電装置に接続されて、前記発電装置を経た後の煙の余熱の回収に用いられる廃熱リサイクル装置を更に備えることを特徴とする、請求項１に記載の統合式燃焼装置の省エネルギーシステム。
  3. 前記水素発生燃料予熱装置と前記発電装置との間に設置され、前記水素発生燃料予熱装置を経た後の煙及び過前記発電装置を経た冷流体を受け入れ、前記冷流体により前記煙の温度が低下される煙温度制御熱交換器を更に備えることを特徴とする、請求項２に記載の統合式燃焼装置の省エネルギーシステム。
  4. 前記煙温度制御熱交換器から離れる前記冷流体の流れ方向の制御に用いられる流体の流れ方向制御弁を更に備えることを特徴とする、請求項３に記載の統合式燃焼装置の省エネルギーシステム。
  5. 前記冷流体が前記煙温度制御熱交換器を経た後の温度が通過前記発電装置を経た後の煙の温度より低いかどうかの検知を行い、低い場合、検知信号が前記流体の流れ方向制御弁に伝送され、前記流体の流れ方向制御弁により前記冷流体が前記廃熱リサイクル装置に導かれる第二温度検知器を更に備えることを特徴とする、請求項４に記載の統合式燃焼装置の省エネルギーシステム。
  6. 富水素ガスを発生させるための水素生成装置と、
    前記水素生成装置に接続され、前記富水素ガスを受け入れて燃焼させると共に熱エネルギー及び煙を発生させる燃焼装置と、
    前記燃焼装置及び前記水素生成装置に接続され、前記煙が前記水素生成装置に送入されるか大気に排出されることを制御するための煙分配装置と、
    前記煙分配装置に接続され、前記煙分配装置を経由した後の煙の廃熱が採取されて前記水素生成装置により生成された水素の水素発生燃料（hydrogen generation fuel）の予熱に用いられる水素発生燃料予熱装置とを備えることを特徴とする統合式燃焼装置の省エネルギーシステム。
  7. 付加の加熱ユニットとなり、前記水素生成装置に設置されて、前記水素生成装置の温度を上昇させるために使用される燃焼器を備えることを特徴とする、請求項１または６に記載の統合式燃焼装置の省エネルギーシステム。
  8. 前記燃焼器の燃料は燃焼装置の燃料或いは水素発生燃料であることを特徴とする、請求項７に記載の統合式燃焼装置の省エネルギーシステム。
  9. 付加の加熱ユニットとなり、前記燃焼装置に設置されて前記燃焼装置の熱エネルギーの採取を行い、前記水素生成装置の温度を上昇させるために使用される内部予熱器を備えることを特徴とする、請求項１または６に記載の統合式燃焼装置の省エネルギーシステム。
  10. 前記水素生成装置は、前記水素生成装置の動作温度の検知を行い、且つ信号が前記煙分配装置に伝送されて、前記煙分配装置から出力される煙の流れ方向が制御される第一温度検知器を有することを特徴とする、請求項１または６に記載の統合式燃焼装置の省エネルギーシステム。
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