JP4881065B2 - 高温ガス熱源の動力回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、高温ガス、例えば排ガスを熱源として作動媒体を加熱・蒸発させ、作動媒体蒸気を膨張機に導入して膨張機を駆動して動力回収を行う高温ガス熱源の動力回収装置に関するものである。

排ガス等を熱源として動力回収を行う場合、ランキンサイクル等の熱サイクルを利用して、排ガスを熱源として作動媒体を加熱・蒸発して発生した作動媒体蒸気を蒸気タービン等の膨張機に導入し、該膨張機を駆動して動力を取り出している。図１は従来のこの種の高温ガス熱源の動力回収装置として、排熱発電装置の概略構成例を示す。排熱発電装置は、作動媒体蒸発器１０１、気液分離器１０２、蒸気止弁１０３、蒸気加減弁１０４、蒸気タービン１０５、タービン発電機１０６、凝縮器１０７、及び冷媒循環ポンプ１０８等を備えている。

熱源として排ガス２００を作動媒体蒸発器１０１に導入することにより、作動媒体液２１０を加熱・蒸発させる。発生した作動媒体蒸気２１１は気液分離器１０２に流入し、作動媒体蒸気２１１と作動媒体液２１０に分離され、作動媒体蒸気２１１は蒸気止弁１０３、蒸気加減弁１０４を通って膨張機である蒸気タービン１０５に供給される。蒸気タービン１０５の回転により、タービン発電機１０６が駆動され、発電が行われる。蒸気タービン１０５を出た作動媒体蒸気２１１は凝縮器１０７に流入し、冷却媒体２０１との間で熱交換が行われ、凝縮して作動媒体液２１０となり、媒体循環ポンプ１０８により作動媒体蒸発器１０１に送られる。なお、気液分離器１０２で分離された作動媒体液２１０は開閉弁１０９を開くことにより、凝縮器１０７に送られ、凝縮器１０７内の作動媒体液に混入される。

作動媒体としては、熱物性や電気絶縁性、腐蝕性などを考慮してフロン等を使用している。高温ガス熱源の動力回収装置としては、上記ように蒸気タービン（膨張機）１０５によって取り出された動力でタービン発電機１０６を駆動し、発電して電力を得る場合と、膨張機で圧縮機やポンプ等の機械類を駆動する動力を得る場合もある。
特開２００４−３３９９６５号公報

作動媒体としてのフロン等は、単独では高温（１０００℃前後）環境下でも熱分解等を起こさず安定しているものの金属や潤滑油との共存環境においては、２００℃前後でも若干量の分解が発生する。この金属や潤滑油との共存環境での分解反応は温度が高いほど促進される傾向がある。排ガスでフロン等の有機系作動媒体を加熱・蒸発する場合は、主に排ガスの顕熱を利用して加熱することになり、排ガスの出入口で大きな温度差（例えば、排ガス入口温度２５０℃で出口温度１５０℃）が存在し、加熱・蒸発した作動媒体が高温の入口側排ガスによって、過熱され高温となり分解反応が促進される。少なくとも、入口側排ガスと熱交換を行う伝熱壁は高温となり、その近辺の作動媒体は高温の伝熱壁との接触により、分解反応が発生し易いといえる。

このような作動媒体の熱分解によって、作動媒体が減少したり、分解して発生したガスが不凝縮ガスとして装置内に滞留し、装置性能を悪化させたり、腐蝕性のある酸などが発生するなどの問題が発生する。

本発明は上述の点に鑑みてなされたもので、上記問題点を除去し、作動媒体の熱分解による減少や装置性能の悪化、腐蝕性のある酸などが発生することのない高温ガス熱源の動力回収装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため請求項１に記載の発明は、作動媒体蒸発器を備え、高温ガスを熱源として、該作動媒体蒸発器で作動媒体を加熱・蒸発させ、該作動媒体蒸気を膨張機に導入して該膨張機を駆動して、動力回収を行う高温ガス熱源の動力回収装置において、作動媒体蒸発器より下方に中間媒体蒸発器を設け、中間媒体蒸発器に加熱源として高温ガスを導き、中間媒体を加熱・蒸発させ、発生した中間媒体蒸気を熱源として作動媒体蒸発器に導き、作動媒体を加熱・蒸発させ、凝縮した中間媒体液を前記中間媒体蒸発器に戻すように構成し、中間媒体蒸発器と作動媒体蒸発器の間の中間媒体の循環に、前記中間媒体の蒸気と液の密度差によるサーモサイフォン効果による循環を利用することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の高温ガス熱源の動力回収装置において、前記サーモサイフォン効果による前記中間媒体蒸発器と前記作動媒体蒸発器の間の中間媒体の循環の補助として中間媒体ポンプを設けたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の高温ガス熱源の動力回収装置において、前記中間媒体として水を用いることを特徴とする。

各請求項に記載の発明によれば、高温ガス熱源の動力回収装置において、排ガス等の高温ガスから作動媒体へ熱を移動させる場合に、中間媒体を介在させ、該中間媒体の潜熱を利用することによって、作動媒体（例えばフロン）を過熱させず、動力回収装置内のように金属や潤滑油が共存する環境下においても、作動媒体の熱分解を抑制できる。従って、作動媒体の熱分解によって、作動媒体が減少したり、分解して発生したガスが不凝縮ガスとして装置内に滞留し、装置性能を悪化させたり、腐蝕性のある酸等の発生を防止できる。また、作動媒体蒸発器より下方に中間媒体蒸発器を設けた点と、中間媒体蒸発器と作動媒体蒸発器の間の中間媒体の循環に、中間媒体の蒸気と液の密度差によるサーモサイフォン効果による循環を利用する点を有するので、中間媒体蒸発器と作動媒体蒸発器の間に中間媒体循環ポンプ等の強制的循環手段を設けることなく、中間媒体を循環させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ここでは高温ガス熱源の動力回収装置の一例として、排ガスを熱源とする排熱発電装置を説明する。排熱発電装置は排熱（排ガス）を熱源としてランキンサイクル等の熱力学的サイクルを駆動して発電を行うものである。図２は本発明に係る高温ガス熱源の動力回収装置としての排熱発電装置の構成例を示す図である。図示するように、排熱発電装置は、作動媒体蒸発器１１、気液分離器１２、蒸気止弁１３、蒸気加減弁１４、蒸気タービン１５、タービン発電機１６、凝縮器１７、及び媒体循環ポンプ１８等を備えている点は図１の排熱発電装置と同じである。

本排熱発電装置では、中間媒体蒸発器３０を設け、該中間媒体蒸発器３０と作動媒体蒸発器１１を中間媒体蒸気経路３１と中間媒体液経路３２で接続し、該中間媒体液経路３２に中間媒体循環ポンプ３３を設けている。

上記構成の排熱発電装置において、排ガス２００を中間媒体蒸発器３０に導入することにより、該中間媒体蒸発器３０に中間媒体循環ポンプ３３で送られてくる中間媒体液２２１を加熱する。中間媒体液２２１は蒸発して中間媒体蒸気２２２となり、中間媒体蒸気経路３１を通って作動媒体蒸発器１１に送られ、作動媒体液２１０を加熱・蒸発させた後、凝縮し中間媒体液２２１となる。中間媒体液２２１は中間媒体循環ポンプ３３により中間媒体蒸発器３０に送られる。中間媒体は中間媒体蒸発器３０と作動媒体蒸発器１１の間を中間媒体循環ポンプ３３により循環する。なお、中間媒体蒸発器３０を通った排ガス２００は予熱器２０に送られ、作動媒体蒸発器１１に送られる作動媒体液２１０を予熱する。

中間媒体蒸発器３０で発生した中間媒体蒸気が作動媒体蒸発器１１に流入することにより、作動媒体液２１０が加熱され蒸発する。発生した作動媒体蒸気２１１は気液分離器１２に流入し、作動媒体蒸気２１１と作動媒体液２１０に分離され、作動媒体蒸気２１１は蒸気止弁１３、蒸気加減弁１４を通して膨張機である蒸気タービン１５に供給され、該蒸気タービン１５を回転する。蒸気タービン１５の回転により、タービン発電機１６が駆動され、発電が行われる。蒸気タービン１５を出た作動媒体蒸気２１１は凝縮器１７に流入し、冷却媒体２０１との間で熱交換が行われ、凝縮して作動媒体液２１０となる。凝縮器１７内で凝縮した作動媒体液２１０は、媒体循環ポンプ１８により昇圧されて、高圧の作動媒体液２１０となり、再び作動媒体蒸発器１１に送られる。なお、気液分離器１２で分離された作動媒体液２１０は開閉弁１９を開くことにより、熱回収器２１の加熱側を通って作動媒体蒸発器１１に送られ作動媒体液２１０を加熱し、凝縮器１７に送られ、凝縮器１７内の作動媒体液に混入される。

また、作動媒体蒸発器１１で発生した作動媒体蒸気２１１はタービンバイパス弁２２を通って凝縮器１７に送られることもある（発生する作動媒体蒸気２１１が多過ぎる場合や蒸気タービン１５が停止の場合等）。タービン発電機１６の軸受に供給された潤滑油２３０は油／媒体分離器２３に回収される。油／媒体分離器２３には中間媒体蒸発器３０からの中間媒体蒸気２２２が導入され、潤滑油２３０を加熱する。該潤滑油２３０が加熱されることにより、その中に含まれる作動媒体は蒸発し作動媒体蒸気２１１となって潤滑油２３０から分離され、凝縮器１７に流入する。油／媒体分離器２３で作動媒体の除去された潤滑油２３０は潤滑油ポンプ２４により油冷却器２５に送られ、冷却されてタービン発電機１６の軸受に供給される。油冷却器２５には凝縮器１７から作動媒体液２１０が供給され、潤滑油２３０を冷却している。

上記排熱発電装置の作動媒体としては、フロンや水、アンモニア、アルコール類、有機アルコール類など種々の媒体を使用することができるが、排熱を熱源とするような、所謂ボトミングサイクルと呼ばれる排熱発電装置においては、熱物性や電気絶縁性、腐蝕性などを考慮してフロンを作動媒体として使用することが多い。

凝縮器１７で使用する冷却媒体２０１としては、冷却塔などで冷却され冷却水ポンプで循環する冷却水や、河川水・海水・井水など一度だけ冷却水として使用するもの、或いは送風機を利用した冷却空気、ＬＮＧその他の排冷熱などがある。タービン発電機１６で発電された電力は、系統連携装置を経由して電圧、周波数、波形を合わせて商用電力系統に供給される。

上記のような排熱発電装置の熱源として使用される排ガスには、コージェネレーションやその他の機器駆動に利用されるエンジンからの排気ガスがあり、３００℃前後の温度でエンジンから排気される。この３００℃前後の排ガスを図１に示すように、排熱発電装置の作動媒体蒸発器１０１に導入し、作動媒体を主に排ガスの顕熱によって加熱し、蒸発させると、顕熱によって作動媒体を加熱し、蒸発させた排ガス２００は、１５０℃前後の温度にまで冷却され、作動媒体蒸発器１０１から排出される。この時、作動媒体蒸気２１１は排ガス２００の排出温度である１５０℃より若干低い温度（約１４５℃前後）で蒸発することになる。

しかしながら、作動媒体蒸発器１０１内には、３００℃前後の温度の排ガス２００が導入されていることから、排ガス２００の排出温度より若干低い温度で蒸発した作動媒体蒸気２１１も、蒸発温度よりも更に過熱されてしまう。少なくとも、作動媒体蒸発器１０１内においては３００℃前後の温度の排ガスに接触して高温になった伝熱壁に、作動媒体蒸気２１１が接触することになる。作動媒体にフロンを使用した場合、フロンは単独で存在する場合には非常に安定な物質で、高温でも熱分解は発生しないものの、蒸気発生装置内ような金属や潤滑油との共存環境では、２００℃前後の低温でも若干量のフロンの熱による分解が発生してしまうことになる。

そこで本実施形態の排熱発電装置では、図２に示すように、排ガス２００と作動媒体の間に中間媒体蒸発器３０を設け、排ガス２００と作動媒体の間で直接熱移動を行うのではなく、排ガス２００で中間媒体液２２１を加熱・蒸発させ、この蒸発した中間媒体蒸気２２２を作動媒体蒸発器１１に導入し、該中間媒体蒸気２２２と作動媒体液２１０との間で熱交換をさせている。即ち、排ガス２００と作動媒体の間に中間媒体を介在させて、中間媒体の潜熱を利用して排ガス２００から中間媒体を経由し、作動媒体に熱を移動させるのである。中間媒体の潜熱を利用することによって、熱交換の際の中間媒体の温度変化を殆どなくすることができる。

中間媒体蒸発器３０には、熱源となる３００℃前後の温度の排ガス２００が導入され、主に排ガス２００の持つ顕熱によって中間媒体を加熱し、蒸発させ、１５０℃くらいの温度の比較的低温の排ガス２００となって中間媒体蒸発器３０から排出される。中間媒体液２２１は中間媒体蒸発器３０で排ガス２００によって加熱されて１４５℃前後の温度で蒸発し、中間媒体蒸気２２２となって中間媒体蒸発器３０から中間媒体蒸気経路３１を通って作動媒体蒸発器１１に移送され、作動媒体蒸発器１１内で作動媒体液２１０を加熱し、中間媒体蒸気２２２は凝縮し、液化して中間媒体液２２１となって、中間媒体循環ポンプ３３により中間媒体液経路３２を通って再び中間媒体蒸発器３０へと移送され、中間媒体は中間媒体蒸発器３０と作動媒体蒸発器１１の間を循環する。

一方、作動媒体蒸発器１１内で発生した作動媒体蒸気２１１は蒸気タービン１５に供給される。このとき、作動媒体液２１０は排ガス２００による直接加熱の場合よりも蒸発温度は若干低い（約１４０℃）ものの、主に中間媒体の潜熱を使用して加熱されるため、中間媒体の凝縮温度（≒中間媒体蒸発器３０での蒸発温度１４５℃）以上に加熱されることはあり得ないことになる。従って、排ガス２００から作動媒体への熱移動に潜熱を利用する中間媒体を介在させることによって、作動媒体の過熱を抑え、熱分解を抑制することができる。

本実施形態の場合では、中間媒体の温度は蒸発温度が１４５℃程度であり、中間媒体として水を使用することが、熱物性［蒸発圧力４１６ｋＰａ（Ａ）］や安定性、腐蝕性、経済性を考慮すると適している。

図２に示す排熱発電装置では、中間媒体蒸発器３０と作動媒体蒸発器１１の間の中間媒体の循環には、作動媒体蒸発器１１の中間媒体液出口側から中間媒体蒸発器３０へ至る中間媒体液経路３２に設けた中間媒体循環ポンプ３３で行っているが、これに限定されるものではなく、図３に示すように、作動媒体蒸発器１１を中間媒体蒸発器３０より上方に配置し、中間媒体蒸発器３０で蒸発する中間媒体蒸気２２２と作動媒体蒸発器１１内で凝縮液化した中間媒体液２２１の密度差を利用した自然循環（サーモサイフォン効果による循環）で行うようにしてもよい。（または、サーモサイフォン効果による自然循環をポンプによってアシストすることも可能である。）

また、図４に示すように水等の中間媒体を封入したヒートパイプ４０を設け、該ヒートパイプ４０の下部を囲んだ密閉空間４１に排ガス２００を導入し、ヒートパイプ４０の上部を囲んだ空間密閉４２に作動媒体液２１０を導入するようにしてもよい。これによりヒートパイプ４０内に封入された中間媒体液はヒートパイプ４０の蒸発部である下部で排ガス２００で加熱され、中間媒体蒸気なって凝縮部である上部に移動し、該上部で作動媒体を加熱し、凝縮して中間媒体液となり、内壁に設けられたウイック又は溝中を流下して蒸発部である下部に移動する。これにより、排ガス２００から作動媒体液２１０への熱移動に潜熱を利用する中間媒体を介在させたことになるから、作動媒体の過熱を抑え、熱分解を抑制することができる。

なお、上記実施形態例では、蒸気タービン１５の回転力で、タービン発電機１６を駆動しているが、タービン発電機１６ではなく圧縮機やポンプ等を駆動するようにしてもよい。

また、上記実施形態例では、中間媒体蒸発器３０の外に予熱器２０を設け、中間媒体蒸発器３０から排出された比較的低温になった排ガス２００を熱源と導入している。この予熱器２０は必須のものではない。

また、予熱器２０としては排ガス２００を導入する場合の他に、中間媒体蒸気を熱源とする予熱器を作動媒体蒸発器１１に直列又は並列に接続し、中間媒体蒸気２２２で予熱するようにしてもよい。

また、上記実施形態例では、気液分離器１２で分離された作動媒体液２１０を熱回収器２１の加熱側に導入し、作動媒体蒸発器１１に導入される低温の作動媒体液２１０と熱交換して熱回収をおこなっている。この熱回収器２１は必須のものではない。

中間媒体は、機器使用材料や温度・圧力を考慮して、分解・腐蝕等の機器に不具合を与えず潜熱を利用できる流体であれば水に限らない。但し、中間媒体の使用温度が１００〜２００℃程度になるような場合であれば、温度・圧力及び経済性を考慮すると水が最適である。

上記排熱発電装置のタービン発電機１６から回収した潤滑油から作動媒体を分離するための油／媒体分離器２３には、加熱源として中間媒体蒸発器３０にて蒸発した中間媒体蒸気２２２を導入しているが、この油／媒体分離器２３は作動媒体蒸発器１１と直列に接続し、作動媒体蒸発器１１を通った又は通る前の中間媒体蒸気２２２を流してよいし、又は油／媒体分離器２３を作動媒体蒸発器１１に並列に接続し、中間媒体蒸発器３０からの中間媒体蒸気を分岐して供給してもよい。

また、油／媒体分離器２３において、潤滑油２３０から作動媒体を分離するために導入する加熱源としては中間媒体蒸発器３０から排出された比較的低温になった排ガス２００を使用してもよい。

また、タービン発電機１６（或いは膨張機及び膨張機で駆動する圧縮機・ポンプ等）の軸受け等の潤滑に、図５に示すように、潤滑媒体供給経路３４を設け、媒体循環ポンプ１８から吐出された作動媒体液２１０の一部を該潤滑媒体供給経路３４を経由してタービン発電機１６の軸受け等に送り潤滑油に替えてもよい。潤滑に使用した作動媒体は潤滑媒体還流経路３５を経由して凝縮器１７に還流させる。潤滑時の摩擦熱やタービン発電機１６内の機械的或いは電気的損失によって発生した熱によって、潤滑に使用した作動媒体液２１０は加熱され、場合によっては一部が蒸発して作動媒体蒸気となることもある。この場合、潤滑媒体還流経路３５を通して気液２相の作動媒体を潤滑媒体還流経路３５を経由して還流してもよいが、図示は省略するが、気相及び液相を別の潤滑媒体経路を用いて還流させてもよい。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。なお直接明細書及び図面に記載のない何れの形状・構造・材質であっても、本願発明の作用・効果を奏する以上、本願発明の技術的思想の範囲内である。例えば、上記実施形態では、作動媒体としてフロンを用いる例を説明したが、作動媒体はフロンに限定されない。また、上記実施形態例では、高温ガス熱源として排ガス熱源を使用する場合を説明したが、高温ガスを発生する高温ガス熱源であれば排ガス熱源に限定されない。

従来の排熱発電装置の構成例を示す図である。 本発明に係る排熱発電装置の構成例を示す図である。 本発明に係る排熱発電装置の構成例を示す図である。 本発明に係る排熱発電装置の構成例を示す図である。 本発明に係る排熱発電装置の構成例を示す図である。

符号の説明

１１ 作動媒体蒸発器
１２ 気液分離器
１３ 蒸気止弁
１４ 蒸気加減弁
１５ 蒸気タービン
１６ タービン発電機
１７ 凝縮器
１８ 媒体循環ポンプ
１９ 開閉弁
２０ 予熱器
２１ 熱回収器
２２ タービンバイパス弁
２３ 油／媒体分離器
２４ 潤滑油ポンプ
２５ 油冷却器
２６ 開閉弁
３０ 中間媒体蒸発器
３１ 中間媒体蒸気経路
３２ 中間媒体液経路
３３ 中間媒体循環ポンプ
３４ 潤滑媒体供給経路
３５ 循環媒体還流経路

Claims (3)

1. 作動媒体蒸発器を備え、高温ガスを熱源として、該作動媒体蒸発器で作動媒体を加熱・蒸発させ、該作動媒体蒸気を膨張機に導入して該膨張機を駆動して、動力回収を行う高温ガス熱源の動力回収装置において、
   前記作動媒体蒸発器より下方に中間媒体蒸発器を設け、
   前記中間媒体蒸発器に加熱源として前記高温ガスを導き、中間媒体を加熱・蒸発させ、発生した中間媒体蒸気を熱源として前記作動媒体蒸発器に導き、前記作動媒体を加熱・蒸発させ、凝縮した中間媒体液を前記中間媒体蒸発器に戻すように構成し、前記中間媒体蒸発器と前記作動媒体蒸発器の間の中間媒体の循環に、前記中間媒体の蒸気と液の密度差によるサーモサイフォン効果による循環を利用することを特徴とする高温ガス熱源の動力回収装置。
2. 請求項１に記載の高温ガス熱源の動力回収装置において、
   前記サーモサイフォン効果による前記中間媒体蒸発器と前記作動媒体蒸発器の間の中間媒体の循環の補助として中間媒体ポンプを設けたことを特徴とする高温ガス熱源の動力回収装置。
3. 請求項１又は２に記載の高温ガス熱源の動力回収装置において、
   前記中間媒体として水を用いることを特徴とする高温ガス熱源の動力回収装置。

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