JP5610950B2 - 排熱エネルギー回収システム - Google Patents
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Description
本発明は、鉄鋼関連等の事業体で運用する加熱炉などにおいて大量に排出される低温の排ガス及び温水を有効利用することができる排熱エネルギー回収システムに関するものである。
近年、鉄鋼関連等の事業体で運用する加熱炉において大量に排出される排ガス及び温水の有効利用が、省エネルギーの観点から大きな課題となっている。
近年、レキュペレータ方式やリジェネバーナ一方式等に代表される低い排ガス温度（２５０℃〜４００℃）で運用される加熱炉では、排ガスの利用先として、ボイラーに利用するには温度が低く、さりとて気化器に適用するには温度が高いという問題がある。同様に加熱炉が１２００℃以上の高温で運用される関係で大量の冷却水を使用することで発生する温水についても、その利用方法が問題となっている。
近年、レキュペレータ方式やリジェネバーナ一方式等に代表される低い排ガス温度（２５０℃〜４００℃）で運用される加熱炉では、排ガスの利用先として、ボイラーに利用するには温度が低く、さりとて気化器に適用するには温度が高いという問題がある。同様に加熱炉が１２００℃以上の高温で運用される関係で大量の冷却水を使用することで発生する温水についても、その利用方法が問題となっている。
このような観点から上記した比較的低温の排ガスを利用して排熱回収を行うシステムも既に提案されている（特許文献１参照）。
特許文献１において提案されている低質排熱回収システムの実施形態の１つを図３に示す。
図３において、低質排熱回収システムは、排熱ガスを通流させる低質排熱ガス順路系２０と、この低質排熱ガス順路系２０から分岐し、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）を改質した改質ガスから水素ガスを精製する水素精製系２１ａとを備えたものである。低質排熱ガス順路系２０は排熱ガス温度の高い方から低い方に向かって順に、改質器２１、蒸発器２２、再生器２３、ＤＭＥ気化器２４を備えている。又、水素精製系２１ａは改質ガス温度の高い方から低い方に向かって順に、一酸化炭素変成器２５、冷却器２６、二酸化炭素吸収器２７、水素粗精製回収器２８、高純度二酸化炭素回収器２９を備えている。
特許文献１において提案されている低質排熱回収システムの実施形態の１つを図３に示す。
図３において、低質排熱回収システムは、排熱ガスを通流させる低質排熱ガス順路系２０と、この低質排熱ガス順路系２０から分岐し、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）を改質した改質ガスから水素ガスを精製する水素精製系２１ａとを備えたものである。低質排熱ガス順路系２０は排熱ガス温度の高い方から低い方に向かって順に、改質器２１、蒸発器２２、再生器２３、ＤＭＥ気化器２４を備えている。又、水素精製系２１ａは改質ガス温度の高い方から低い方に向かって順に、一酸化炭素変成器２５、冷却器２６、二酸化炭素吸収器２７、水素粗精製回収器２８、高純度二酸化炭素回収器２９を備えている。
次に、上記システムの動作について説明する。ＤＭＥ気化器２４は、排熱ガスを熱源として液相のＤＭＥを気化させ、ＤＭＥガスにする。一方、蒸発器２２は、排熱ガスを熱源として水を気化させ、ＤＭＥ気化器２４から供給されるＤＭＥガスとともに改質器２１へと送る。改質器２１ではＤＭＥガスを水蒸気改質させ、水素リッチな改質ガスを生成する。又、改質器２１で反応が充分に行われなかった残りの一酸化炭素（ＣＯ）は一酸化炭素変成器２５で発熱反応させ、水素、二酸化炭素（ＣＯ２）ガスを生成する。改質ガスの発熱反応後に生成されたＣＯ２は、冷却器２６で冷却させて二酸化炭素吸収器２７で二酸化炭素吸収剤により吸収される。改質ガスの内、ＣＯ２を吸収剤で吸収させた二酸化炭素吸収器２７は、残りを粗精製水素ガスに生成し、水素粗精製回収器２８に回収させる。他方、二酸化炭素吸収器２７の吸収剤で吸収させたＣＯ２は再生器２３に供給され、ここで排熱ガスを熱源として高純度のＣＯ２が生成され、高純度二酸化炭素回収器２９に回収させる。
このように、前記の低質排熱回収システムは、産業用機器やごみ焼却施設から排出される低質な排熱ガスをカスケード的に利用することにより水素製造及びＣＯ２の分離を図ったものである。
上記のように鉄鋼関連等の事業体で運用する加熱炉において、低温の排ガスの形で大量に排出される余剰エネルギーを効率よく回収する手段として、ＤＭＥを原燃料とした低温での水蒸気改質は非常に有効であるが、従来の提案システムでは、エネルギー回収対象が排熱ガスのみの点、エネルギー回収方法を限定している点、エネルギー回収効率面の検証がされていない点、等の課題がある。
また、排ガスをカスケード的に利用していくと、最終的には、排ガスの温度は相当に低くなる（例えば１００℃程度もしくはそれ以下）。しかし、排ガスには、発生源において硫化物や硝酸などがガス状になって含まれており、排ガスの温度が低下すると、これらが凝縮して熱利用を図る熱交換などに付着、堆積し、経時的には熱交換器の配管などに損傷を招いて耐久性を低下させるという問題がある。
本発明は、上述事情を背景としてなされたものであり、比較的低温での排熱ガスや温排水を用いて効率よくエネルギー回収を図ることを可能にし、また、排熱ガスの温度低下による硫化物等の凝縮を極力回避可能なシステムを提供することを目的の一つとしている。
すなわち、本発明の排熱エネルギー回収システムのうち、第１の本発明は、気化したジメチルエーテル、メタノールおよびエタノールのいずれか一種または二種以上に水蒸気を接触させるとともに、排熱ガスから熱が与えられて改質する改質器と、前記排熱ガスから与えられる熱によって水から水蒸気を生成して前記改質器に供給する蒸発器と、温水から与えられる熱によってジメチルエーテル、メタノールおよびエタノールのいずれか一種または二種以上を気化させて前記改質器に供給する原料気化器とを備え、
前記排熱ガスは、加熱炉で発生し、発生源において２５０〜４００℃の温度を有する低温排ガスであり、前記改質器に供給されて一部の熱が利用された後、前記蒸発器に供給されて一部の熱が利用されて、最終利用後に、１８０℃以上の温度を有し、
前記温水は、前記加熱炉で冷却に用いられた冷却後水であることを特徴とする。
前記排熱ガスは、加熱炉で発生し、発生源において２５０〜４００℃の温度を有する低温排ガスであり、前記改質器に供給されて一部の熱が利用された後、前記蒸発器に供給されて一部の熱が利用されて、最終利用後に、１８０℃以上の温度を有し、
前記温水は、前記加熱炉で冷却に用いられた冷却後水であることを特徴とする。
本発明では、上記のようにジメチルエーテル、メタノール、エタノールを原材料として用いる。それぞれ単独の場合の他、二種以上を混合して用いることができ、その際の混合比は本発明としては特に限定されないものである。また、改質器に導入される原材料としては、上記ガスが主成分として含まれているものであればよく、本発明としては、その他のガスを含むものを排除するものではない。
また、排熱ガスの温度は本発明としては特に限定されるものではないが、比較的低温（例えば２５０〜４００℃）のものにおいて、好適に適用することができ、高い回収効率を得ることができる。
また、温水は、排熱ガスの発生源によって得られるものであってもよく、他の発生源において発生したものであってもよい。
また、前記蒸発器で得た水蒸気の一部を用いて温水を直接または熱利用によって得るようにしてもよい。
また、温水は、排熱ガスの発生源によって得られるものであってもよく、他の発生源において発生したものであってもよい。
また、前記蒸発器で得た水蒸気の一部を用いて温水を直接または熱利用によって得るようにしてもよい。
なお、排熱ガスは、上記のように蒸発器と原材料気化器において利用されるため、排気ガスを改質器と蒸発器とで並行して利用するものであってもよいが、改質器で要求される温度の方が、蒸発器で要求される温度よりも高いため、排熱ガスを先ず、改質器に導入し、その後、温度が低下した排熱ガスを蒸発器に導入するようにしてもよい。これにより排熱ガスのエネルギーをより効率よく回収することができる。
排熱ガスの熱の利用は、種々の方式の熱交換により行うことができる。
また、上記改質器に原材料気化器で気化した原材料と蒸発器で得た水蒸気とを導入する際に、予混合加熱器に気化原材料と水蒸気とを導入して予め混合して予備加熱するようにしてもよい。これにより改質器での改質反応を効率的に行うことができる。しかも、予備加熱に際し、改質器で熱利用して温度が低下した排熱ガスを利用することで、排熱エネルギーを効果的に回収することができる。予混合加熱器で利用して温度の低下した排熱ガスは、上記のように蒸発器に導入して利用することができる。蒸発器で要求される温度は１００℃以上であればよく、予混合加熱器で利用して温度が低下した排熱ガスであっても効率よく利用して排熱エネルギーを回収することができる。
また、上記改質器に原材料気化器で気化した原材料と蒸発器で得た水蒸気とを導入する際に、予混合加熱器に気化原材料と水蒸気とを導入して予め混合して予備加熱するようにしてもよい。これにより改質器での改質反応を効率的に行うことができる。しかも、予備加熱に際し、改質器で熱利用して温度が低下した排熱ガスを利用することで、排熱エネルギーを効果的に回収することができる。予混合加熱器で利用して温度の低下した排熱ガスは、上記のように蒸発器に導入して利用することができる。蒸発器で要求される温度は１００℃以上であればよく、予混合加熱器で利用して温度が低下した排熱ガスであっても効率よく利用して排熱エネルギーを回収することができる。
蒸発器で利用した排熱ガスは、そのままシステム外に排気してもよく、また、システムに含まれるその他の機器、例えば固定したＣＯ２を再生する再生器などに用いることができる。ただし、排熱ガスを熱利用する際に、最終利用後の温度は、１８０℃以上に制限するのが望ましい。これにより排熱ガスに含まれる硫化物や硫酸、硝酸、塩酸等が、排熱ガスの温度低下によって凝縮し、熱交換器などに付着して損傷を発生させるのを回避することができる。
改質器で改質されたガスは、改質器から排出して適宜利用することができる。その際に、改質ガスを冷却器によって冷却することで水分を凝縮させて、これを除去した後に利用系に移送するのが望ましい。利用系では、改質ガスをそのまま燃料などとして利用することもでき、また、水素や二酸化炭素を分離して、精製された水素を燃料電池などに利用するようにしてもよい。
以上の方法により、低温で大量に排出される加熱炉の排ガス及び温水を有効利用したエネルギー回収を可能とする。
以上の方法により、低温で大量に排出される加熱炉の排ガス及び温水を有効利用したエネルギー回収を可能とする。
以上のように、本発明によれば、低温で大量に排出される加熱炉の排ガス及び温水を、ジメチルエーテル、メタノールおよびエタノールのいずれか一種または二種以上を原燃料とした水蒸気改質用の熱源として有効利用することにより、従来方式と比べてエネルギー回収効率を大幅に向上することができる。この結果、低温で大量に排出される加熱炉などの排ガス及び温水を有効利用したエネルギー回収を可能とする。
例えば、メタノールの場合、燃焼熱のみを考えれば、低位発熱量（ＬＨＶ）は６３９ｋＪ／ｍｏｌ、高位発熱量（ＨＨＶ）は７２７ｋＪ／ｍｏｌである。これを排熱を有効利用してエネルギー価値を上げるように本発明の改質を行えば、改質熱と気化熱によって、低位発熱量（ＬＨＶ）は７２６ｋＪ／ｍｏｌ、高位発熱量（ＨＨＶ）は８５８ｋＪ／ｍｏｌである。この熱量は、３モルの水素に与えられることにより、低位発熱量（ＬＨＶ）は２４２ｋＪ／ｍｏｌ×３、高位発熱量（ＨＨＶ）は２８６ｋＪ／ｍｏｌ×３となり、エネルギー価値が上がる。
また、ＤＭＥの場合、燃焼熱のみを考えれば、低位発熱量（ＬＨＶ）は１３２９ｋＪ／ｍｏｌ、高位発熱量（ＨＨＶ）は１４６４ｋＪ／ｍｏｌである。これを排熱を有効利用してエネルギー価値を上げるように本発明の改質を行えば、改質熱と気化熱によって、低位発熱量（ＬＨＶ）は１４５２ｋＪ／ｍｏｌ、高位発熱量（ＨＨＶ）は１７１６ｋＪ／ｍｏｌである。この熱量は、６モルの水素に与えられることにより、低位発熱量（ＬＨＶ）は２４２ｋＪ／ｍｏｌ×６、高位発熱量（ＨＨＶ）は２８６ｋＪ／ｍｏｌ×６となり、エネルギー価値が上がる。
以下に、本発明の一実施形態の排熱エネルギー回収システムの概略を図１の系統図により説明する。なお、この形態では、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）を改質の対象にしているものとして説明する。
加熱炉などで発生した排熱ガスを導入する排熱ガス導入管１１が改質器１に接続されており、改質器１では、排熱ガス導入管１１で導入される排熱ガスの熱の授受（熱交換）が行われる。改質器１では、気化ＤＭＥが気化原材料として供給される気化原材料供給管３ｂと、蒸気が供給される水蒸気供給管２ｂとが接続されており、改質器１内でこれら気化原材料と蒸気が互いに接触するとともに、排熱ガスによる熱が付与される。改質器１には、改質されたガスを排出する改質ガス排出管１ｂが接続されている。
加熱炉などで発生した排熱ガスを導入する排熱ガス導入管１１が改質器１に接続されており、改質器１では、排熱ガス導入管１１で導入される排熱ガスの熱の授受（熱交換）が行われる。改質器１では、気化ＤＭＥが気化原材料として供給される気化原材料供給管３ｂと、蒸気が供給される水蒸気供給管２ｂとが接続されており、改質器１内でこれら気化原材料と蒸気が互いに接触するとともに、排熱ガスによる熱が付与される。改質器１には、改質されたガスを排出する改質ガス排出管１ｂが接続されている。
改質器１において一部の熱の利用がなされた排熱ガスは、排熱ガス移送管１２を通して、蒸発器２に導入される。蒸発器２には、水供給管２ａが接続されており、排熱ガス移送管１２を通して導入される排熱ガスによって熱の付与（熱交換）が可能になっている。
また、蒸発器２には、一部の熱が利用された排熱ガスを排出する排気管１３が接続されている。該排気管１３で移送される排熱ガスに対しては適宜の排ガス処理などを行ったり、そのまま破棄したりすることができる。
また、蒸発器２には、一部の熱が利用された排熱ガスを排出する排気管１３が接続されている。該排気管１３で移送される排熱ガスに対しては適宜の排ガス処理などを行ったり、そのまま破棄したりすることができる。
また、原材料気化器３は、原材料である液体ＤＭＥが供給される原材料供給管３ａが接続されており、さらに加熱炉などから供給される温水供給管１５が接続されている。温水供給管１５は、原材料供給管３ａから供給される液体ＤＭＥに熱付与（熱交換）することが可能になっている。原材料気化器３で熱の授受がなされた温水は、原材料気化器３に接続された排水管１６によって原材料気化器３外に排出されるようになっている。また、原材料気化器３には、前記した気化原材料供給管３ｂが接続されている。
次に、上記排熱エネルギー回収システムの動作について説明する。
まず、原材料である液体ＤＭＥを、原材料供給管３ａによって原材料気化器３に供給するとともに、加熱炉を冷却する工程で発生した温水を温水供給管１５によって前記原材料気化器３に供給し、原材料気化器３内で液体ＤＭＥを温水で加熱して気化させる。液体ＤＭＥの沸点は、−２３．６℃と低いため、比較的低温の温水によって容易に気化させることができる。気化した気化ＤＭＥは気化原材料として、気化原材料供給管３ｂによって改質器１に供給される。熱の付与に利用された温水は、排水管１６によって原材料気化器３外に排出される。
まず、原材料である液体ＤＭＥを、原材料供給管３ａによって原材料気化器３に供給するとともに、加熱炉を冷却する工程で発生した温水を温水供給管１５によって前記原材料気化器３に供給し、原材料気化器３内で液体ＤＭＥを温水で加熱して気化させる。液体ＤＭＥの沸点は、−２３．６℃と低いため、比較的低温の温水によって容易に気化させることができる。気化した気化ＤＭＥは気化原材料として、気化原材料供給管３ｂによって改質器１に供給される。熱の付与に利用された温水は、排水管１６によって原材料気化器３外に排出される。
一方、水蒸気改質の際に気体原材料と同時に必要となる水蒸気は蒸発器２において得られる。すなわち、水を水供給管２ａによって蒸発器２に供給し、排熱ガスによる熱によって前記水を加熱し水蒸気を生成する。排熱ガスは、改質器１で利用して温度が低下した排熱ガスが利用される。すなわち、該排熱ガスは、改質器１に接続された排熱ガス移送管１２を通して蒸発器２に導入される。水供給管２ａを通して供給される前記水は前記排熱ガスの熱によって加熱されて水蒸気となる。水蒸気は、水蒸気供給管２ｂを通して前記改質器１に供給される。蒸発器２で一部の熱が利用された排熱ガスは、ある程度の温度（例えば１８０℃以上）を有したままで、排気管１３を通して蒸発器２から排出される。これにより蒸発器２内で、排熱ガスに含まれる硫化物や硝酸が凝縮することなく排気管１３を通して外部に排出することができる。
このようにして得られた気化ＤＭＥ及び水蒸気は、前記したように気化原材料供給管３ｂおよび水蒸気供給管２ｂを通して改質器１に供給される。
改質器１に供給された混合燃料（気化ＤＭＥ及び水蒸気）は２５０℃〜４００℃の加熱炉から出る排ガスにより下記反応式１を基本として水蒸気改質されて、主成分が水素である燃料改質ガスが生成される。燃料改質ガスは、改質ガス移送管１ｂによって移送され、適宜の処理、使用がなされる。
ＣＨ３ＯＣＨ３＋３Ｈ２Ｏ→６Ｈ２＋２ＣＯ２ …（反応式１）
改質器１に供給された混合燃料（気化ＤＭＥ及び水蒸気）は２５０℃〜４００℃の加熱炉から出る排ガスにより下記反応式１を基本として水蒸気改質されて、主成分が水素である燃料改質ガスが生成される。燃料改質ガスは、改質ガス移送管１ｂによって移送され、適宜の処理、使用がなされる。
ＣＨ３ＯＣＨ３＋３Ｈ２Ｏ→６Ｈ２＋２ＣＯ２ …（反応式１）
なお、上記では、原材料としてＤＭＥを使用するものについて説明したが、メタノールまたはエタノールもしくはこれらの混合物を原材料として用いることができる。
なお、メタノールの沸点は、６４．７℃であるので、原材料気化器３に供給される温水は、これよりも高い温度を有することが必要である。したがって、比較的温度の低い温水を用いる場合は、原材料としてはＤＭＥの方が有利である。また、温水の温度が低い場合、温水を加熱して原材料気化器３に供給することも可能である。
メタノールを用いる場合、改質器１では下記反応式２を基本として排熱ガス及び温水を利用して水蒸気改質されて、主成分が水素である燃料改質ガスが生成される。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ２ …（反応式２）
なお、メタノールの沸点は、６４．７℃であるので、原材料気化器３に供給される温水は、これよりも高い温度を有することが必要である。したがって、比較的温度の低い温水を用いる場合は、原材料としてはＤＭＥの方が有利である。また、温水の温度が低い場合、温水を加熱して原材料気化器３に供給することも可能である。
メタノールを用いる場合、改質器１では下記反応式２を基本として排熱ガス及び温水を利用して水蒸気改質されて、主成分が水素である燃料改質ガスが生成される。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ２ …（反応式２）
次に、排熱エネルギー回収システムの詳細を図２に基づいて説明する。
なお、上記概略で説明したものと同様の構成については同一の符号を付して説明する。
圧延工場に備えられる加熱炉１０では、操業に伴って排熱ガスおよび温水が発生しており、排熱ガスは、排ガス配管１０ａによって排気筒１０ｂなどに送られる。排ガス配管１０ａには、前記した排熱ガス導入管１１が分岐しており、該排熱ガス導入管１１には、吸気側隔離弁１１０が介設されている。吸気側隔離弁１１０の下流側には、ブロワ１１１が介設され、排熱ガスを強制通気させる。また、排熱ガス導入管１１には、必要に応じて排ガス予備加熱器１１２が介設されている。排ガス予備加熱器１１２は、排熱ガス導入管１１から供給される排熱ガスの温度が十分でない場合に、予備加熱をするために設置することができ、排熱ガスの温度が十分であれば設置の必要はない。また、排熱ガスの温度のバラツキに応じて予備加熱の有無を制御してもよい。
なお、上記概略で説明したものと同様の構成については同一の符号を付して説明する。
圧延工場に備えられる加熱炉１０では、操業に伴って排熱ガスおよび温水が発生しており、排熱ガスは、排ガス配管１０ａによって排気筒１０ｂなどに送られる。排ガス配管１０ａには、前記した排熱ガス導入管１１が分岐しており、該排熱ガス導入管１１には、吸気側隔離弁１１０が介設されている。吸気側隔離弁１１０の下流側には、ブロワ１１１が介設され、排熱ガスを強制通気させる。また、排熱ガス導入管１１には、必要に応じて排ガス予備加熱器１１２が介設されている。排ガス予備加熱器１１２は、排熱ガス導入管１１から供給される排熱ガスの温度が十分でない場合に、予備加熱をするために設置することができ、排熱ガスの温度が十分であれば設置の必要はない。また、排熱ガスの温度のバラツキに応じて予備加熱の有無を制御してもよい。
排熱ガス導入管１１のさらに下流側には、前記で説明した改質器１が接続されている。該改質器１では、気化原材料と水蒸気とが混合されて供給される混合原材料供給管１ａが接続されている。混合原材料供給管１ａの上流端は、予混合加熱器としての原材料水蒸気混合予熱器５に接続されている。原材料水蒸気混合予熱器５には、前記した気化原材料供給管３ｂと水蒸気供給管２ｂとが接続されており、気化原材料供給管３ｂの上流端は原材料気化器３に接続され、水蒸気供給管２ｂの上流端は蒸発器２に接続されている。
原材料水蒸気混合予熱器５では、前記改質器１で利用されて温度の低下した排熱ガスが排熱ガス移送管５ａによって供給され、気化原材料と水蒸気との混合物に熱を付与する。該混合物は、原材料水蒸気混合予熱器５内で適度に加熱されつつ混合され、その後、混合原材料供給管１ａを通して改質器１に供給される。
原材料水蒸気混合予熱器５内で気化原材料と水蒸気とが混合され、かつ予備加熱されるので、改質器１内では、均等に混合され、かつ昇温した混合原材料が効果的に昇温して改質反応が生じる。
原材料水蒸気混合予熱器５内で気化原材料と水蒸気とが混合され、かつ予備加熱されるので、改質器１内では、均等に混合され、かつ昇温した混合原材料が効果的に昇温して改質反応が生じる。
また、原材料気化器３には、前記した原材料供給管３ａが接続されており、該原材料供給管３ａの上流端にはＤＭＥなどが収容される原材料タンク３ｃが接続されている。原材料タンク３ｃから適宜量の液体原材料が原材料供給管３ａを通して原材料気化器３に供給されて気化原材料が生成される。
また、蒸発器２には、前記した水供給管２ａが接続されており、該水供給管２ａの上流端には、水が収容される水タンク２ｃが接続されている。水タンク２ｃから適宜量の水が水供給管２ａを通して蒸発器２に供給されて水蒸気が生成される。
また、蒸発器２には、前記した水供給管２ａが接続されており、該水供給管２ａの上流端には、水が収容される水タンク２ｃが接続されている。水タンク２ｃから適宜量の水が水供給管２ａを通して蒸発器２に供給されて水蒸気が生成される。
さらに、原料気化器３には、加熱炉１０において冷却に用いられて発生した温水を供給する温水供給管１５および熱交換後の温水を排水する排水管１６が接続されている。また、蒸発器２では、原材料水蒸気混合予熱器５で用いられた排熱ガスを排出する排気管１２が接続されている。蒸発器２に接続されている排気管１３は、排気側隔離弁１１５を介して前記排ガス配管１０ａに合流して排気筒１０ｂに移送される。
蒸発器２で生成された蒸気の一部は、バルブ１１６を介して蒸気分岐管１７によって温水供給管１５に供給され、原料気化器３に供給されてもよい。
蒸発器２で生成された蒸気の一部は、バルブ１１６を介して蒸気分岐管１７によって温水供給管１５に供給され、原料気化器３に供給されてもよい。
また、改質器１では、改質した改質ガスを排出する前記改質ガス排出管１ｂが接続されている。改質ガス排出管１ｂには、改質ガスを冷却する冷却器１１３を備えており、冷却された改質ガスは利用側に供給される。冷却器１１３に通された改質ガスは、含有する水分が除去される
利用側としては、例えば改質ガスを燃料として直接利用することができ、例えば、加熱炉燃料、圧延ボイラー燃料、ＨＣＣＩ（予混合圧縮着火）等のエンジン発電燃料などとして用いることができる。また、改質ガスから水素を分離精製し、残余のＣＯ２を固定するようにしてもよい。生成した水素は、ＰＥＦＣ（固体高分子形燃料電池）発電燃料に用いたり、ＳＯＦＣ（固体酸化物燃料電池）発電燃料に用いたりすることができる。なお、上記した改質ガスの利用はあくまで例示であり、本発明としては、改質ガスの利用形態が特に限定されるものではない。
なお、上記では、排熱回収システムとして、改質器１、蒸発器２、原材料気化器３を有するものについて説明したが、本発明としては、これら機器を最少限を備えるものであればよく、当然にこれら以外に分離器などの適宜の機器を備えるものであってよい。
なお、上記では、排熱回収システムとして、改質器１、蒸発器２、原材料気化器３を有するものについて説明したが、本発明としては、これら機器を最少限を備えるものであればよく、当然にこれら以外に分離器などの適宜の機器を備えるものであってよい。
以上、本発明について上記実施形態に基づいて説明を行ったが、本発明としては、上記説明の内容に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りは適宜の変更が可能である。
以下に、本発明の実施例について説明する。
先ず、圧延工場加熱炉で発生した排熱ガスが、４００℃、熱量約９９万ｋｃａｌ／ｈｒ．、排ガス流量約８２０３Ｎｍ３／ｈｒ．で回収システムに導入されるものとする。回収システムで利用された排熱ガスは、改質器から排出された直後、３００℃の温度を有し、蒸発器に導入される際の温度が２００℃、蒸発器排出時には１８０℃の温度を有しているものとする。この例では、回収システムにおいて、原材料として液体メタノールが使用される。
なお、排ガス熱量は、下記式により算出することができる。
排ガス熱量≒排ガス流量×比熱×（Ｔ−２０℃） … （式３）
ただし、Ｔ：排ガス温度
先ず、圧延工場加熱炉で発生した排熱ガスが、４００℃、熱量約９９万ｋｃａｌ／ｈｒ．、排ガス流量約８２０３Ｎｍ３／ｈｒ．で回収システムに導入されるものとする。回収システムで利用された排熱ガスは、改質器から排出された直後、３００℃の温度を有し、蒸発器に導入される際の温度が２００℃、蒸発器排出時には１８０℃の温度を有しているものとする。この例では、回収システムにおいて、原材料として液体メタノールが使用される。
なお、排ガス熱量は、下記式により算出することができる。
排ガス熱量≒排ガス流量×比熱×（Ｔ−２０℃） … （式３）
ただし、Ｔ：排ガス温度
（１）改質用エネルギー
排ガス保有熱量（Ｑｔ）（４００℃→１８０℃）
Ｑｔ＝９９万ｋｃａｌ／ｈｒ．×（４００℃−２００℃）／（４００℃−２０℃）＝
５２万ｋｃａｌ／ｈｒ．
回収エネルギー（Ｑｒ）＝保有熱量×η１＝３６．５万ｋｃａｌ／ｈｒ．
η１：排熱回収システム熱効率（＝７０％；放熱ロス、熱交換効率などを考慮し仮定）
排ガス保有熱量（Ｑｔ）（４００℃→１８０℃）
Ｑｔ＝９９万ｋｃａｌ／ｈｒ．×（４００℃−２００℃）／（４００℃−２０℃）＝
５２万ｋｃａｌ／ｈｒ．
回収エネルギー（Ｑｒ）＝保有熱量×η１＝３６．５万ｋｃａｌ／ｈｒ．
η１：排熱回収システム熱効率（＝７０％；放熱ロス、熱交換効率などを考慮し仮定）
（２）水素発生量（ＶＨ２）の算出
水素発生量＝改質エネルギー／（メタノール水素発生必要エネルギー）×η２
η２：改質システム熱効率（＝約７０％と仮定）
ＶＨ２＝{（３６．５万ｋｃａｌ／ｈｒ．×４．１８６ｋＪ／ｋｃａｌ×２２．４２Ｌ）／（１３１ｋＪ／３モル×１０００Ｌ／Ｎｍ３）}×η２＝５５０Ｎｍ３／ｈｒ．
水素発生量＝改質エネルギー／（メタノール水素発生必要エネルギー）×η２
η２：改質システム熱効率（＝約７０％と仮定）
ＶＨ２＝{（３６．５万ｋｃａｌ／ｈｒ．×４．１８６ｋＪ／ｋｃａｌ×２２．４２Ｌ）／（１３１ｋＪ／３モル×１０００Ｌ／Ｎｍ３）}×η２＝５５０Ｎｍ３／ｈｒ．
上記に示すように、本発明の排熱エネルギー回収システムでは、排熱エネルギーを効率的に回収して、大量の水素を生成することが可能になる。
（実施例２）
次に、圧延工場加熱炉で発生した排熱ガスが、４００℃、熱量約９９万ｋｃａｌ／ｈｒ．、排ガス流量約８２０３Ｎｍ３／ｈｒ．で回収システムに導入されるものとする。回収システムで利用された排熱ガスは、改質器から排出された直後、３００℃の温度を有し、蒸発器に導入される際の温度が２００℃であり、蒸発器排出時には１８０℃の温度を有しているものとする。この例では、回収システムにおいて、原材料としてＤＭＥが使用される。
なお、排ガス熱量は、上記と同様に下記式により算出することができる。
排ガス熱量≒排ガス流量×比熱×（Ｔ−２０℃） … （式４）
ただし、Ｔ：排ガス温度
次に、圧延工場加熱炉で発生した排熱ガスが、４００℃、熱量約９９万ｋｃａｌ／ｈｒ．、排ガス流量約８２０３Ｎｍ３／ｈｒ．で回収システムに導入されるものとする。回収システムで利用された排熱ガスは、改質器から排出された直後、３００℃の温度を有し、蒸発器に導入される際の温度が２００℃であり、蒸発器排出時には１８０℃の温度を有しているものとする。この例では、回収システムにおいて、原材料としてＤＭＥが使用される。
なお、排ガス熱量は、上記と同様に下記式により算出することができる。
排ガス熱量≒排ガス流量×比熱×（Ｔ−２０℃） … （式４）
ただし、Ｔ：排ガス温度
回収熱量の推定
（１）改質用エネルギー
排ガス保有熱量（Ｑｔ）（４００℃→１８０℃）
Ｑｔ＝９９万ｋｃａｌ／ｈ×（４００℃−２００℃）／（４００℃−２０℃）＝５２万ｋｃａｌ／ｈ
回収エネルギー（Ｑｒ）＝保有熱量×η1＝３６．５万ｋｃａｌ／ｈ
η１：排熱回収システム熱効率（＝７０％；放熱口ス、熱交換効率などを考慮し仮定）
（２）水素発生量（ＶＨ２）の算出
水素発生量＝改質エネルギー／（ＤＭＥ水素発生必要エネルギー）×η２
η２：改質システム熱効率（＝約７０％と仮定）
ＶＨ２＝{（３６．５万ｋｃａｌ／ｈｒ．×４．１８６ｋＪ／ｋｃａｌ×２２．４２Ｌ）／（２５２ｋＪ／６モル×１０００Ｌ／Ｎｍ３）}×η２＝５７０Ｎｍ３／ｈｒ．
（１）改質用エネルギー
排ガス保有熱量（Ｑｔ）（４００℃→１８０℃）
Ｑｔ＝９９万ｋｃａｌ／ｈ×（４００℃−２００℃）／（４００℃−２０℃）＝５２万ｋｃａｌ／ｈ
回収エネルギー（Ｑｒ）＝保有熱量×η1＝３６．５万ｋｃａｌ／ｈ
η１：排熱回収システム熱効率（＝７０％；放熱口ス、熱交換効率などを考慮し仮定）
（２）水素発生量（ＶＨ２）の算出
水素発生量＝改質エネルギー／（ＤＭＥ水素発生必要エネルギー）×η２
η２：改質システム熱効率（＝約７０％と仮定）
ＶＨ２＝{（３６．５万ｋｃａｌ／ｈｒ．×４．１８６ｋＪ／ｋｃａｌ×２２．４２Ｌ）／（２５２ｋＪ／６モル×１０００Ｌ／Ｎｍ３）}×η２＝５７０Ｎｍ３／ｈｒ．
上記に示すように、本発明の排熱エネルギー回収システムでは、排熱を効率的に回収して、大量の水素を生成することが可能になる。また、原材料としては、ＤＭＥの方がメタノールよりも有利である。
１ 改質器
２ 蒸発器
３ 原材料気化器
５ 原材料水蒸気混合予熱器
１０ 加熱炉
２ 蒸発器
３ 原材料気化器
５ 原材料水蒸気混合予熱器
１０ 加熱炉
Claims (5)
- 気化したジメチルエーテル、メタノールおよびエタノールのいずれか一種または二種以上に水蒸気を接触させるとともに、排熱ガスから熱が与えられて改質する改質器と、前記排熱ガスから与えられる熱によって水から水蒸気を生成して前記改質器に供給する蒸発器と、温水から与えられる熱によってジメチルエーテル、メタノールおよびエタノールのいずれか一種または二種以上を気化させて前記改質器に供給する原料気化器とを備え、
前記排熱ガスは、加熱炉で発生し、発生源において２５０〜４００℃の温度を有する低温排ガスであり、前記改質器に供給されて一部の熱が利用された後、前記蒸発器に供給されて一部の熱が利用されて、最終利用後に、１８０℃以上の温度を有し、
前記温水は、前記加熱炉で冷却に用いられた冷却後水であることを特徴とする排熱エネルギー回収システム。 - 気化した前記ジメチルエーテル、メタノールおよびエタノールのいずれか一種または二種以上と、前記水蒸気とを混合・予熱して前記改質器に導入する予混合加熱器を備え、該予混合加熱器には、前記改質器に供給されて一部の熱が利用された排熱ガスが供給されて一部の熱が前記予熱に利用されることを特徴とする請求項１に記載の排熱エネルギー回収システム。
- 前記予混合加熱器で一部の熱が利用された排熱ガスは、前記蒸発器に供給されて一部の熱が利用されることを特徴とする請求項２記載の排熱エネルギー回収システム。
- 前記蒸発器で生成された蒸気の一部から温水を得て前記原料気化器に供給することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の排熱エネルギー回収システム。
- 前記改質器によって生成される水素と二酸化炭素とを分離する分離器を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の排熱エネルギー回収システム。
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