JP4114287B2 - 蓄熱再生式発電システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃焼排ガス中の排熱を回収して燃焼消費効率の向上を図る蓄熱再生式燃焼炉を用いて発電を行うようにした蓄熱再生式発電システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、工業炉等の分野では、燃焼排ガスの排熱を回収して燃焼効率の向上を目的とした、いわゆる蓄熱再生式の燃焼炉が採用されている。
【0003】
この蓄熱再生式燃焼炉は、図9(1)に示すように、燃焼室1に設けられた少なくとも一対以上の吸排気口2,2に、多孔質の蓄熱体3を備えた一対の蓄熱燃焼式バーナーA,Bをそれぞれ設置すると共に、これら各蓄熱燃焼式バーナーA,Bの各蓄熱室4,4にそれぞれ燃焼空気ライン5と排ガスライン6とを接続したものである。
【0004】
そして、燃焼空気ライン5から送られてくる燃焼空気及び燃料噴射部7から供給される都市ガス等の燃料によっていずれか一方の蓄熱燃焼式バーナー(以下、バーナーと略す)Aを燃焼(吸気)モードとして機能させると同時に、他方のバーナーBを停止させて燃焼排ガスを排気する排気モードとして機能させることで燃焼室1内で発生した燃焼排ガス中の排熱をバーナーB側の蓄熱体3によって蓄熱回収した後、一定時間(例えば、約30秒)経過後、図9(2)に示すように、各ライン5,6に設けられた各バルブv,v…によって直ちにそのバーナーA,Bの機能を切り替え、吸気モードとなったバーナーB側の蓄熱体3に蓄められた熱によって燃焼室1側に供給される燃焼空気を予熱することで燃料消費効率の向上と省エネを図るようにしたものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このような蓄熱再生式燃料炉に用いられる蓄熱体3としては、一般に熱安定性や入手面に優れたコージェライト等のセラミックスから形成されており、その形状は断面ハニカム状となった外観円筒形に形成されている場合が多い。
【0006】
また、この蓄熱体3の上流側端部と下流側端部間には、その蓄熱体3の大きさや長さ通過ガスの流速等によって異なってくるが、一般に約800℃程度の大きな温度差が生じており、また、この蓄熱体3の各部位の温度降下率は、切り替え時間によっても異なってくるが、排気モードと吸気モードとでは大きく変わらないように制御されている。
【0007】
例えば、図10に示すように、燃焼排ガスの排気モード(蓄熱時)時において上流側端部(燃焼室1側)の温度が約1000℃、その下流側端部の温度が約200℃となるように調整された蓄熱体3を燃焼空気の吸気モードに切り替えた場合には、蓄熱体3の熱疲労を抑制するために燃焼空気の上流側端部が約150℃、下流側端部が950℃となった時点で切り替えが行われるようになっており、その全体の温度変動は僅か約50℃以内に収まるように制御されている。
【0008】
すなわち、この蓄熱体3は、吸気モード及び排気モードのいずれにおいても常にその両端間に大きな温度差が生じていると同時に、吸気モード及び排気モードのいずれのモードに拘わらず、その蓄熱体3の各部位の温度変動幅は極めて小さい範囲に収まるように運転されているのが一般的である。
【0009】
そこで、本発明の目的は、このような蓄熱再生式燃焼炉の蓄熱体3の温度特性に着目し、この温度差を発電に利用することでさらにエネルギー効率に優れた新規な蓄熱再生式発電システムを提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、燃焼室に少なくとも一対以上の吸排気路を接続し、その吸排気路内に、それぞれこれを交互に通過する排気ガス中の熱を蓄熱回収すると共に、蓄熱された熱により燃焼空気を予熱する蓄熱体を備え、この蓄熱体を熱電発電材料で形成すると共に、その蓄熱体の排気ガスと燃焼空気の出入口側の両端部に電極を設け、上記蓄熱体の温度差により生じた熱起電力を上記電極に接続した外部負荷回路で回収することを特徴とする蓄熱再生式発電システムである。
【0011】
本発明は、上記吸排気路内に設けられる一方の蓄熱体がp型の熱電発電材料からなると共に、他方の蓄熱体がn型の熱電発電材料からなり、かつこれらに電極を形成し、その電極を互いに電気的に接続してなることを特徴とする蓄熱再生式発電システムである。
【0012】
本発明は、上記蓄熱体が外観円筒状又は矩形状に形成され、かつその内部が断面ハニカム形状又は断面格子状に形成されていることを特徴とする蓄熱再生式発電システムである。
【0013】
本発明は、上記蓄熱体が、上記排ガスの流れ方向に沿って延びる板状のフィンを複数並列に配置してなることを特徴とする蓄熱再生式発電システムである。
【0014】
本発明は、上記各フィンが交互にp型の熱電発電材料とn型の熱電発電材料で形成され ていることを特徴とする蓄熱再生式発電システムである。
【0015】
本発明は、上記蓄熱体が、その蓄熱体の温度分布に対応させて選択した複数種の熱電発電材料を排気ガスの上流側から下流側に亘って連続的に組み合わせてなることを特徴とする蓄熱再生式発電システムである。
【0016】
本発明は、燃焼室に少なくとも一対以上の吸排気路を接続し、その吸排気路内に、それぞれこれを交互に通過する排気ガス中の熱を蓄熱回収するための蓄熱体を備えると共に、この蓄熱体を熱電発電材料で形成し、上記蓄熱体が、その蓄熱体の温度分布に対応させて選択した複数種の熱電発電材料を排気ガスの上流側から下流側に亘って連続的に組み合わせてなることを特徴とする蓄熱再生式発電システムである。
【0017】
以下、その具体的実施の形態を添付図面を参照しながら詳述する。
【0018】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明に係る蓄熱再生式発電システムの実施の一形態を示したものであり、図中1は周囲が耐火壁で区画された燃焼室、2,2はこの燃焼室1の壁面に設けられた吸排気口、8,8はこの吸排気口2,2に接続された吸排気路、A,Bはこの吸排気路の接続端部に形成された蓄熱燃焼式バーナー(以下、バーナーA又はBと称す)である。尚、図示を省略しているが、これら各バーナーA,Bには、上述した従来の蓄熱再生式燃焼炉と同様に燃焼空気を供給する燃焼空気ラインと燃焼室内の燃焼排ガスを排出する排ガスライン及びこれら各バーナーをそれぞれ排気モードと吸気モード(燃焼モード)とに交互に切り替える切替え用のバルブ等が付設されている。
【0019】
図示するように、この各バーナーA,B内にはそれぞれ吸排気路8,8の軸方向に延びる多孔質の蓄熱体9がそれぞれ収容されており、従来の蓄熱体3と同様に排気モード時には、その吸排気路8内を通過する排気ガスの熱を回収蓄熱すると共に、吸気モード時には蓄熱された熱によって燃焼空気を予熱して燃料消費効率を高めるといった機能を有している。すなわち、この蓄熱体9は図2に示すように両端が開口した円筒状の蓄熱本体9aの内部にその長さ方向に連続した断面ハニカム形状の通路9bが形成されたものであり、その内部に排気ガス又は燃焼空気を交互に通過させる際に、圧力損失を可能な限り低くしながらこの蓄熱体9を構成する材料と燃焼排ガス又は燃焼空気との接触面積を可能な限り増大させることで効率的な蓄熱と予熱を交互に繰り返すようになっている。
【0020】
また、この蓄熱体9,9はその全体が、p型又はn型に調整されたSiGe等の熱電発電材料から形成されており、さらにこれら各蓄熱体9,9の両端部には、図2に示すように外部の電気負荷回路等と接続するためのリング状の電極10,10と電線11,11が設けられた構造となっている。そして、図1に示すように、一方の吸排気路8内に設けられた蓄熱体9はn型に調整され、他方の吸排気路8内に設けられた蓄熱体9はp型に調整されており、さらに、これら蓄熱体9,9の燃焼室1側端部の電極10,10は外部負荷回路12側に接続され、他端部の電極10,10同士は電線11によって相互に電気的に接続されている。
【0021】
そのため、図1に示すように、この燃焼炉を運転することによって上述したように各蓄熱体9,9間に温度差が生じると、ゼーベック効果によって熱起電力が発生し、他方の電線11,11間に負荷を繋ぐと図中破線矢印に示すように電流が流れ熱電発電が行われることとなる。
【0022】
従って、ここで得られた電力を例えば蓄電池に蓄え、バックアップ用の電源等として必要に応じて燃焼炉自身の制御や照明等に用いれば、外部からの給電が不要、あるいはその一部を省略することも可能となるため、優れた燃料消費効率を維持しつつ、より優れた省エネルギー化を達成することができる。
【0023】
ここで、この蓄熱体9を構成する熱電発電材料としては、特に限定されるものではないが、上述したように蓄熱体9の燃焼室1側端部は、約1000℃にまで達することがあることから、この温度条件でも優れた熱電発電効果を維持することができる材料、例えば、図3(1),(2)に示すように、SiGe,FeSi2,SiGe−GaP等といった高温下で安定した熱電発電効果を維持できる材料を用いることが好ましい。
【0024】
また、上述したように、この蓄熱体9は、断面積や長さ等によっても異なってくるが、その両端部間には約800℃程度の高い温度差が生じているため、その温度分布に応じて最適な熱電発電材料を選択してこれをその長さ方向に組み合わせた傾斜構造のものを用いればより優れた熱電発電を達成することができる。例えば、図4に示すように、最も高温となる燃焼室1側の部位を約1000℃以上で最も優れた熱起電力を発生するLaTe1.4等の熱電発電材料で形成し、その下流側を約800℃〜1000℃付近で優れた熱起電力を発生するSiGe等の熱電発電材料で形成し、さらにその下流側を約400℃〜800℃付近で優れた熱起電力を発生するPbTe等の熱電発電材料で形成し、最も温度の低い他端部側を約400℃以下で優れた熱起電力を発生するBi2Te3等の熱電発電材料で形成すれば、単に1種の熱電発電材料で形成したものに比べてより効率的に発電を行うことができる。
【0025】
また、本発明の他の実施の形態として、蓄熱体9の内部はガスの圧力損失を招くことなく、かつガスとの接触面積を増大できる構造であれば上述したようにハニカム形状に限定されるものでなく、例えば、図5に示すように断面格子状をしたものであっても良く、また、その断面形状は図6に示すような矩形状やあるいは楕円形であっても良い。
【0026】
そして、このような構造をした蓄熱体9の製造方法も特に限定されるものではないが、一例を挙げるとすると、例えば自動車等の触媒として用いられているハニカムセラミックス触媒等と同様に、粉末状の熱電発電材料を水と有機バインダー等で混練した後、コリュゲート法やエンボス法或いは押し出し法等によって断面ハニカム形状或いは断面格子形状の成形体を成形し、その後、その成形体をトンネル窯やシャットル窯によって焼成することによって容易に得ることができる。
【0027】
また、図7に示すように、燃焼室1に接続される吸排気口2が多数あり、それぞれにバーナーが設置されている場合には、それぞれの蓄熱体に上述した熱電発電材料からなる蓄熱体9を用いれば、より多くの電力を得ることも可能となる。そして、この場合には、図7(1)に示すようにn型の蓄熱体9とp型の蓄熱体9とを交互に設置し、これら各蓄熱体9,9…を直列に繋げれば、多くの起電流が得られ、また、図7(2),(3)に示すように、n型の蓄熱体9のみ、或いはp型の蓄熱体9のみを並列に繋ぎ合わせることでより高い起電圧を得ることが可能となるため、これらの各種パターンを、要求する特性に応じて適宜採用することで最適な発電を行うことも可能となる。
【0028】
さらに、この蓄熱体9の他の形態として、図8に示すように、各吸排気路8,8内にそれぞれ板状に形成された熱発電材料からなるフィン13をその排ガスの流れ方向に沿って複数並列に並べてなるものであっても良い。この場合、上述した各蓄熱体9と同様に、それぞれのフィン13の両端部で大きな温度差が生じるため、その両端の電極間に負荷を繋ぐことで電流が流れ熱電発電が行われることは勿論、特に、本実施の形態にあっては上述したような多孔質の蓄熱体9に比べて、その成形加工や電極形成を極めて容易に行うことが可能となるため、製造に要する手間やコストを大幅に削減できるといった優れた特長を発揮することが可能となる。尚、図示するように、このフィン13をそれぞれ交互にp型とn型の熱電発電材料から形成し、それぞれ隣り合うフィン13の端部同士を交互に電気的に接続すれば、さらにより多くの起電流を得ることも可能となる。
【0029】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、燃焼排ガスの熱回収を行う蓄熱体を熱電発電材料から構成したため、蓄熱回収と同時に熱電発電効果による発電を行うことができる。従って、高い燃料消費効率を発揮できることは勿論、燃焼炉の制御や照明等に不可欠な電力を得ることができるため、より優れた省エネルギー化を達成することができる等といった優れた効果を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る蓄熱再生式発電システムの実施の一形態を示す概略図である。
【図2】 本発明に係る蓄熱体の実施の一形態を示す部分破断斜視図である。
【図3】 (1)は、p型熱電素子の温度に対する性能指数を示したグラフ図である。
(2)は、n型熱電素子の温度に対する性能指数を示したグラフ図である。
【図4】 蓄熱体を温度分布に応じて傾斜構造とした一形態を示す概念図である。
【図5】 本発明に係る蓄熱体の他の実施の一形態を示す部分破断斜視図である。
【図6】 本発明に係る蓄熱体の他の実施の一形態を示す部分破断斜視図である。
【図7】 本発明に係る蓄熱再生式発電システムの他の実施の一形態を示す概略図である。
【図8】 本発明に係る蓄熱体の他の実施の一形態を示す概略図である。
【図9】 従来の蓄熱再生式燃焼炉の構成及びその作用を示した説明図である。
【図10】 従来の蓄熱体の温度分布及び温度変化を示したグラフ図である。
【符号の説明】
1 燃焼室
2 吸排気口
8 吸排気路
9 蓄熱体
10 電極
11 電線
13 フィン
Claims (7)
- 燃焼室に少なくとも一対以上の吸排気路を接続し、その吸排気路内に、それぞれこれを交互に通過する排気ガス中の熱を蓄熱回収すると共に、蓄熱された熱により燃焼空気を予熱する蓄熱体を備え、この蓄熱体を熱電発電材料で形成すると共に、その蓄熱体の排気ガスと燃焼空気の出入口側の両端部に電極を設け、上記蓄熱体の温度差により生じた熱起電力を上記電極に接続した外部負荷回路で回収することを特徴とする蓄熱再生式発電システム。
- 上記吸排気路内に設けられる一方の蓄熱体がp型の熱電発電材料からなると共に、他方の蓄熱体がn型の熱電発電材料からなり、かつこれらに電極を形成し、その電極を互いに電気的に接続してなることを特徴とする請求項1に記載の蓄熱再生式発電システム。
- 上記蓄熱体が外観円筒状又は矩形状に形成され、かつその内部が断面ハニカム形状又は断面格子状に形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の蓄熱再生式発電システム。
- 上記蓄熱体が、上記排ガスの流れ方向に沿って延びる板状のフィンを複数並列に配置してなることを特徴とする請求項1に記載の蓄熱再生式発電システム。
- 上記各フィンが交互にp型の熱電発電材料とn型の熱電発電材料で形成されていることを特徴とする請求項4に記載の蓄熱再生式発電システム。
- 上記蓄熱体が、その蓄熱体の温度分布に対応させて選択した複数種の熱電発電材料を排気ガスの上流側から下流側に亘って連続的に組み合わせてなることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の蓄熱再生式発電システム。
- 燃焼室に少なくとも一対以上の吸排気路を接続し、その吸排気路内に、それぞれこれを交互に通過する排気ガス中の熱を蓄熱回収するための蓄熱体を備えると共に、この蓄熱体を熱電発電材料で形成し、
上記蓄熱体が、その蓄熱体の温度分布に対応させて選択した複数種の熱電発電材料を排気ガスの上流側から下流側に亘って連続的に組み合わせてなることを特徴とする蓄熱再生式発電システム。
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