JP5625535B2

JP5625535B2 - 排ガス利用発電装置及び発電システム

Info

Publication number: JP5625535B2
Application number: JP2010142673A
Authority: JP
Inventors: 和弥佐藤; 通友酒井; 裕介山中; 泰宏中西
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2010-06-23
Filing date: 2010-06-23
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2030-06-23
Also published as: JP2012010459A

Description

本発明は、排ガス利用発電装置及び発電システムに関する。

周知のように、熱電変換素子とは、ゼーベック効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換するものであり、高い信頼性を有し、小型化が容易で、無騒音、無振動といった特徴がある。近年では、高温の工業排ガスを利用して熱電変換素子に温度差を与えて電力を得ることでエネルギー効率の向上を図る取り組みがなされている。

例えば、下記特許文献１には、特定の酸化物系材料からなり６００°Ｃ程度の高温にも耐え得る熱電変換素子を冷却媒体流路側の隔壁面又は高温排ガス流路側の隔壁面に配置して、当該熱電変換素子に大きな温度差を与えることにより、高い変換効率で高温排ガスの熱エネルギーを電気エネルギーに変換する技術が開示されている。

特開２００２−２３８２７２号公報

上記特許文献１に記載されているように、従来では、高温排ガスを利用して熱電変換素子に温度差を与えるために、高温排ガス流路と冷却媒体流路との間に挟まれるように熱電変換素子を配置することが一般的である。しかしながら、排ガスを放出する既存の設備に対して、上記のように熱電変換素子を配置することは容易ではない。

例えば、被加熱流体の加熱に用いられる加熱炉では、高さ十数メートルにもなる煙突から排ガスを大気中に放出しているが、このような高い場所で煙突の内壁面に熱電変換素子を配置する作業を行うことは極めて危険且つ非効率である。この点、上記特許文献１は変換効率の向上を主目的としており、既存の設備に対する熱電変換素子の配置作業を容易とする技術を提供するものではなかった。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、既存の設備に対する熱電変換素子の配置作業を容易ならしめることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、排ガス利用発電装置に係る第１の解決手段として、排ガス流路が形成された管状構造物の内側に嵌め込み自在な中空の外枠部材と、前記外枠部材の内壁面に配置された熱電変換素子と、前記熱電変換素子から外部へ電力を取り出すための引き出し電極とを具備することを特徴とする。

また、本発明では、排ガス利用発電装置に係る第２の解決手段として、排ガス流路が形成された管状構造物の外側に嵌め込み自在な中空の内枠部材と、前記内枠部材の外壁面に配置された熱電変換素子と、前記熱電変換素子から外部へ電力を取り出すための引き出し電極とを具備することを特徴とする。

一方、本発明では、発電システムに係る第１の解決手段として、排ガス流路が形成された煙突を有する機器と、前記煙突に嵌め込まれた上記第１または第２の解決手段を有する排ガス利用発電装置とを具備することを特徴とする。

また、本発明では、発電システムに係る第２の解決手段として、排ガス流路が形成された煙突を有する機器と、前記煙突より低い位置に設置されたタンクと、一端が前記煙突の上端に連結され、他端が前記タンクに連結された排ガス移送管と、前記排ガス移送管に嵌め込まれた上記第１または第２の解決手段を有する排ガス利用発電装置と、前記タンクに連結された排ガス放出管と、前記タンクに溜まった液体をタンク外へ排出する排液装置とを具備することを特徴とする。

また、本発明では、発電システムに係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記排ガス移送管の途中は複数の配管に並列的に分割されており、前記複数の配管の各々に前記排ガス利用発電装置が嵌め込まれていることを特徴とする。

本発明によれば、排ガス利用発電装置を排ガス流路が形成された管状構造物に嵌め込むだけで熱電変換素子の配置作業が完了するため、既存の設備に対する熱電変換素子の配置作業が容易となる。

第１実施形態における排ガス利用発電装置１の構成概略図である。排ガス利用発電装置１の適用例である第１の発電システムを示す図である。排ガス利用発電装置１の適用例である第２の発電システムを示す図である。第２の発電システムの変形例を示す図である。第２実施形態における排ガス利用発電装置２の構成概略図である。排ガス利用発電装置２の適用例である発電システムを示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態における排ガス利用発電装置１の構成概略図である。図１（ａ）は、排ガス利用発電装置１を中心軸方向から視た図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ矢視断面図である。この図１に示すように、排ガス利用発電装置１は、高温の排ガスを利用して発電するものであり、外枠部材１１、熱電変換素子１２及び引き出し電極１３から構成されている。

外枠部材１１は、排ガス流路が形成された管状構造物（ここでは、円管状構造物）の内側に嵌め込み自在な中空の円筒形状部材である。つまり、この外枠部材１１の外径は、排ガス流路が形成された円管状構造物の内径（排ガス流路の直径）とほぼ同一に設定されている。また、この外枠部材１１は、後述の熱電変換素子１２に温度差を与えるために、熱伝導率の高い材料で形成されている。

熱電変換素子１２は、既述の通り、ゼーベック効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換するものであり、外枠部材１１の内壁面において熱的に並列に配置され且つ電気的に直列に接続された複数の熱電材料ペア（異なる二種の金属材料や半導体材料のペア）から構成されている。言い換えれば、外枠部材１１の内壁面において複数の熱電材料ペアが密集状態で接続配置されることにより熱電変換素子１２が形成されている。

なお、この熱電変換素子１２に用いる熱電材料は、特許文献１（特開２００２−２３８２７２号公報）に記載されている酸化物系材料やその他の周知の材料などの中から、発電に利用する排ガスの温度に応じて適宜選定すれば良い。また、熱電変換素子１２によって囲まれた空間１２ａは、外枠部材１１が円管状構造物に嵌め込まれた状態で、当該円管状構造物の排ガス流路と連通して連続した一本の排ガス流路を形成するものである。

引き出し電極１３は、熱電変換素子１２から外部へ電力を取り出すために、当該熱電変換素子１２から外枠部材１１の外部へ引き出された二つの電極である。この二つの引き出し電極１３間に負荷を接続することにより、熱電変換素子１２から負荷に対して電力供給を行うことが可能となる。

以上が第１実施形態における排ガス利用発電装置１の構成に関する説明であり、以下では排ガス利用発電装置１の適用例を参照しながらその作用効果について説明する。

図２は、排ガス利用発電装置１を被加熱流体Ｘの加熱に用いられる加熱炉１００に適用して構成される発電システムを図示したものである。この図２に示すように、加熱炉１００は、燃料Ｆと空気Ａが供給される燃焼室１１０ａを有する炉本体１１０と、その炉本体１１０の上部に立設され、燃焼室１１０ａに連通する排ガス流路１２０ａが形成された円筒形状の煙突１２０（円管状構造物）とから構成されている。

被加熱流体Ｘは、ポンプ２００によって煙突１２０の下部（対流部）に送られ、燃焼室１１０ａにて発生する燃焼ガスからの対流伝熱によって予熱された後、燃焼室１１０ａ（輻射部）に送られ、燃焼ガスからの輻射伝熱によって本加熱されて加熱炉１００の外部へ送出される。このように被加熱流体Ｘの加熱に利用された燃焼ガスは、排ガスＥＧとして排ガス流路１２０ａを通じて煙突１２０から放出される。

排ガス利用発電装置１は、煙突１２０の先端部において当該煙突１２０の内側に嵌め込まれている。つまり、排ガス利用発電装置１における外枠部材１１の外径は、煙突１２０の内径（排ガス流路１２０ａの直径）とほぼ同一に設定されている。なお、排ガス利用発電装置１を煙突１２０に嵌め込むだけでは排ガス利用発電装置１が脱落する虞があるため、固定用治具或いは耐熱性接着剤等を用いて排ガス利用発電装置１を煙突１２０の内壁面に固定することが望ましい。

このように排ガス利用発電装置１を煙突１２０に設置すると、排ガスＥＧが熱電変換素子１２によって囲まれた空間１２ａを通じて外部に放出される。つまり、高温の排ガスＥＧと低温の外気（煙突１２０の外部の空気）との温度差が熱電変換素子１２に与えられることになり、その温度差に応じた電力を引き出し電極１３から取り出すことができるようになる。なお、煙突１２０の外壁面に圧縮空気を吹き付けて強制的に冷却したり、煙突１２０の外壁面に水管を設けて水冷するなどして熱電変換素子１２に与える温度差を大きくしても良い。

以上のように、本実施形態によれば、排ガス利用発電装置１を排ガス流路１２０ａが形成された煙突１２０（円管状構造物）に嵌め込むだけで熱電変換素子１２の配置作業が完了するため、既存の設備に対する熱電変換素子１２の配置作業が容易となる。

ところで、図２に示した発電システムにおいて、排ガス利用発電装置１内を流れる排ガスＥＧの温度が１２０°Ｃ以下に低下すると、蒸気の凝縮により発生した凝縮水が燃焼室１１０ａに落下して燃焼効率の低下を招く虞がある。また、燃料Ｆ中に硫黄分が含まれている場合、排ガスＥＧの温度が硫黄の露点温度まで低下すると、硫酸が発生して熱電変換素子１２の腐食を招く虞がある。

この問題を解決するために、図３に示すような発電システムとすることが望ましい。この発電システムは、排ガス流路１２０ａが形成された煙突１２０を有する加熱炉１００と、煙突１２０より低い位置に設置されたタンク３００と、一端が煙突１２０の上端に連結され、他端がタンク３００に連結された排ガス移送管３１０と、排ガス移送管３１０の途中に嵌め込まれた排ガス利用発電装置１と、タンク３００に連結された排ガス放出管３２０と、タンク３００に溜まった液体をタンク３００外へ排出する排液装置３３０とから構成されている。

この発電システムによると、排ガス利用発電装置１内で発生した凝縮水或いは硫酸などの液体は、排ガス移送管３１０を介してタンク３００に送られて貯留される一方、排ガス利用発電装置１による発電に利用された排ガスＥＧは、排ガス移送管３１０を介して一旦タンク３００に送られた後、排ガス放出管３２０を介して大気中に放出される。

また、排液装置３３０は、ドレーンバルブ３３０ａ及びバルブコントローラ３３０ｂから構成されており、タンク３００内の液体貯留量が許容値を上回るとバルブコントローラ３３０ｂによってドレーンバルブ３３０ａが開放されて、凝縮水或いは硫酸などの液体がタンク３００の外部へ排出される。

なお、このような発電システムにおいて、さらなる発電効率の向上を図るために、図４に示すように、排ガス移送管３１０の途中を複数の小径配管３１１に並列的に分割し、これら小径配管３１１の各々に排ガス利用発電装置１を嵌め込むような構成を採用しても良い。この構成において、各小径配管３１１の表面にフィンを設け、外部から圧縮空気を吹き付けて空冷するようにしても良い。

〔第２実施形態〕
図５は、第２実施形態における排ガス利用発電装置２の構成概略図である。図５（ａ）は、排ガス利用発電装置２を中心軸方向から視た図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＣ−Ｃ矢視断面図である。この図５に示すように、排ガス利用発電装置２は、高温の排ガスを利用して発電するものであり、内枠部材２１、熱電変換素子２２及び引き出し電極２３から構成されている。

内枠部材２１は、排ガス流路が形成された管状構造物（ここでは、円管状構造物）の外側に嵌め込み自在な中空の円筒形状部材である。つまり、この内枠部材２１の内径は、排ガス流路が形成された円管状構造物の外径とほぼ同一に設定されている。また、この内枠部材２１は、後述の熱電変換素子２２に温度差を与えるために、熱伝導率の高い材料で形成されている。なお、内枠部材２１の内部空間２１ａは、内枠部材２１が円管状構造物に嵌め込まれた状態で、当該円管状構造物の排ガス流路と連通して連続した一本の排ガス流路を形成するものである。

熱電変換素子２２は、第１実施形態と同様に、ゼーベック効果を利用して熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換するものであり、内枠部材２１の外壁面において熱的に並列に配置され且つ電気的に直列に接続された複数の熱電材料ペアから構成されている。言い換えれば、内枠部材２１の外壁面において複数の熱電材料ペアが密集状態で接続配置されることにより熱電変換素子２２が形成されている。なお、この熱電変換素子２２に用いる熱電材料は、第１実施形態と同様に、発電に利用する排ガスの温度に応じて適宜選定すれば良い。

引き出し電極２３は、第１実施形態と同様に、熱電変換素子２２から外部へ電力を取り出すために、当該熱電変換素子２２から内枠部材２１の外部へ引き出された二つの電極である。この二つの引き出し電極２３間に負荷を接続することにより、熱電変換素子２２から負荷に対して電力供給を行うことが可能となる。

図６は、排ガス利用発電装置２を加熱炉１００に適用して構成される発電システムを図示したものである。この図６に示すように、排ガス利用発電装置２は、煙突１２０の先端部において当該煙突１２０の外側に嵌め込まれている。つまり、排ガス利用発電装置２における内枠部材２１の内径は、煙突１２０の外径とほぼ同一に設定されている。

このように排ガス利用発電装置２を煙突１２０に設置すると、排ガスＥＧが内枠部材２１の内部空間２１ａを通じて外部に放出される。つまり、第１実施形態と同様に、高温の排ガスＥＧと低温の外気（煙突１２０の外部の空気）との温度差が熱電変換素子２２に与えられることになり、その温度差に応じた電力を排ガス利用発電装置２の引き出し電極２３から取り出すことができるようになる。

以上のように、本実施形態によれば、排ガス利用発電装置２を排ガス流路１２０ａが形成された煙突１２０に嵌め込むだけで熱電変換素子２２の配置作業が完了するため、既存の設備に対する熱電変換素子２２の配置作業が容易となる。なお、排ガス利用発電装置２を適用して図３及び図４に示した発電システムを構成することも可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が挙げられる。
（１）上記第１及び第２実施形態では、排ガス流路が形成された管状構造物として煙突１２０等の円管状構造物を想定し、その円管状構造物に嵌め込み自在な円筒形状の外枠部材１１及び内枠部材２１を例示したが、これら外枠部材１１及び内枠部材２１の形状は必ずしも円筒形状とする必要はなく、管状構造物の断面形状に応じて適宜変更しても良い。

（２）上記第１及び第２実施形態では、排ガス利用発電装置１、２の適用例として、加熱炉１００の煙突１２０（或いは排ガス移送管３１０、小径配管３１１）に排ガス利用発電装置１、２を装着してなる発電システムを挙げたが、これら排ガス利用発電装置１、２は排ガス流路が形成された管状構造物であればどのようなものにも容易に装着できるため、排ガスを放出する他の設備に適用して他の発電システムを構築することもできる。

（３）また、上記第１及び第２実施形態では、煙突を有する機器として、加熱炉１００を例示して説明したが、例えばボイラーなどの他の煙突を有する機器全般に対して、本発明に係る排ガス利用発電装置を装着して発電システムを構築することができる。

１、２…排ガス利用発電装置、１１…外枠部材、１２、２２…熱電変換素子、１３、２３…引き出し電極、２１…内枠部材

Claims

排ガス流路が形成された管状構造物の内側に嵌め込み自在な中空の外枠部材と、
前記外枠部材の内壁面に配置された熱電変換素子と、
前記熱電変換素子から外部へ電力を取り出すための引き出し電極と、
を具備することを特徴とする排ガス利用発電装置。
排ガス流路が形成された煙突を有する機器と、
前記煙突に嵌め込まれた請求項１に記載の排ガス利用発電装置と、
を具備することを特徴とする発電システム。
排ガス流路が形成された煙突を有する機器と、
前記煙突より低い位置に設置されたタンクと、
一端が前記煙突の上端に連結され、他端が前記タンクに連結された排ガス移送管と、
前記排ガス移送管に嵌め込まれた請求項１に記載の排ガス利用発電装置と、
前記タンクに連結された排ガス放出管と、
前記タンクに溜まった液体をタンク外へ排出する排液装置と、
を具備することを特徴とする発電システム。
前記排ガス移送管の途中は複数の配管に並列的に分割されており、
前記複数の配管の各々に前記排ガス利用発電装置が嵌め込まれていることを特徴とする請求項３に記載の発電システム。