(57)【要約】【課題】工業的処理の工程で生じた高温ガスの余熱を、熱電素子を効率的に用いて発電に有効に利用するための方法に関する。【解決手段】熱電モジュールを２組設置し、高温側は、片方は、還元性高温ガスの余熱を利用した発電に、もう１方は酸化性ガスの余熱を利用した発電に用い、その切り替えを行う。低温側は空気あるいは水とする。そのシステムの１例は、還元性の高温ガスは木質などをガス化したものであり、一方、酸化性ガスはガス化したものを用いたガスタービンの排ガスであり、また低温側で用いた空気は、ガス化装置および／あるいはガスタービンの酸化性ガスに加えられるものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱電モジュールを２組設置し、高温側は、片方は還元性高温ガスの余熱を利用した発電に、もう１方は酸化性ガスの余熱を利用した発電に用い、その切り替えを行うことを特徴とする高温ガスの余熱を効率的に発電に利用するための方法。
【請求項２】
請求項１において、低温側は空気あるいは水であることを特徴とする高温ガスの余熱を効率的に発電に利用するための方法。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、還元性の高温ガスは木質などをガス化したものであり、一方、酸化性ガスはガス化したものを燃焼させて発電に用いたものの排ガスであり、また低温側で空気を用いた場合には、処理後の空気は、ガス化装置および／あるいはガス化したものを燃焼させる装置で用いる酸化性ガスに加えられることを特徴とする高温ガスの余熱を効率的に発電に利用するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、工業的処理の工程で生じた高温ガスの余熱を、熱電素子を効率的に用いて発電に有効に利用するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ゼーベック効果とは２種類の異なる金属または半導体を接合して、両端に温度差を生じさせると起電力が生じる現象である。この効果をもつ物質が熱電素子と呼ばれ、その性能は（１）式で表される。
Ｚ＝α2／（ρ・κ）                        （１）
ここで、Ｚは熱電性能指数（Ｋ−１）、αは熱起電力（μＶ／Ｋ）、ρは電気比抵抗（Ω・ｃｍ）、κは熱伝導率（Ｗ／ｃｍ・Ｋ）である。すなわち、熱電性能指数は、熱起電力が大きいほど、温度差が大きいほど、電気比抵抗が小さいほど、熱伝導率が小さいほど、大きくなる。
熱電素子を組み合わせたものが熱電モジュールである。この熱電モジュールを用いて、各種の余熱を発電に用いる試みが数多くなされてきた。とくに、各種資源を用いた発電が、それぞれ問題を抱えている今日、工業的処理の工程で生じた余熱を効率的に発電に用いることに関心が持たれている。その場合に、発電量を多くするために、できるだけ温度差を大きくできること、すなわち、耐熱性が高く、また高い熱起電力を長時間、高く保てることが望まれる。特許文献１には、熱電素子として、金属マトリックスと、この金属マトリックス中に分散した酸化物、窒化物、炭化物などからなるものを用い、ガスタービンの廃熱と燃料となる液化天然ガスとの温度差を利用して発電する方法が示されている。特許文献２には、複数の熱電素子を接続してなる熱電モジュールの一方の面を排ガスに臨ませ他方の面をダイリューション空気で冷却する廃熱利用発電装置が示されている。特許文献３には、焼却炉から発生する高温排ガスを処理する工程で排ガス処理の効率化および発電効率の向上を図るために、焼却炉から発生する高温排ガスを、断面形状が正方形で、その中央部に排ガス通路が形成された熱交換部材の表面に熱電変換モジュールを添着し、該熱電変換モジュールの低温側に冷媒が流れる冷却配管を配設した冷却装置により冷却しバグフィルタに導入する方法が示されている。しかし、いずれの方法によっても、工業的な炉の廃熱を用いて、長期間、効率よく、安定して発電できる方法は確立されていないのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−９７７５０号公報
【特許文献２】特開２００７−２１２０１６号公報
【特許文献３】特開２００５−２７９４６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、工業的処理の工程で生じた高温ガスの余熱を、熱電モジュールを用いて、長期間、安定して効率的に発電に利用するための方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するための具体的手段の第１は、熱電モジュールを２組設置し、高温側は、片方は還元性高温ガスの余熱を利用した発電用に、もう１方は酸化性ガスの余熱を利用した発電に用い、その切り替えを行うことである。
【０００６】
具体的手段の第２は、０００５において、低温側は空気あるいは水とすることである。
【０００７】
具体的手段の第３は、０００５乃至０００６において、還元性の高温ガスは木質などをガス化したものであり、一方、酸化性ガスはガス化したものを燃焼させて発電に用いたものの排ガスであり、また低温側で空気を用いた場合には、処理後の空気は、ガス化装置および／あるいはガス化したものを燃焼させる装置で用いる酸化性ガスに加えられることである。
【発明の効果】
【０００８】
０００５の方法によって、高温での熱電素子の変質を抑制できて、高温での熱電素子の特性を長期間、安定して保てるようになる。０００６の方法によって、低温側の物質として安価で効率の高いものにすることができる。０００７によって、隣接して設置される２つの装置からなるプロセスで発生する高温ガスの余熱を、熱電素子の性能を保ちながら温度差の大きい状態で発電に有効に利用でき、さらに低温側で発生した加熱空気も有効に利用でき、総合的に発電効率を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明における高温ガスの余熱を効率的に発電に利用するためのプロセス・フローの１例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
熱電素子としては、熱電性能指数の大きさからは、ビスマス・テルル系、鉛・テルル系シリコン・ゲルマニウム系などの半導体からものが知られているが、使用温度は、ビスマス・テルル系では約２００℃以下、鉛・テルル系では５００℃以下、シリコン・ゲルマニウム系では７００℃以下とされている。また、テルルやゲルマニウムは資源量が少ない。一方、鉛を用いる時には、環境への悪影響を及ぼすおそれがある。したがって、本発明では、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕなどの金属を主体にしたものを用いる。しかし、これらの金属元素は酸化性雰囲気で温度が高くなると酸化反応が進行して変質して熱電性能指数の低下が起こるという制約がある。一般に、工業的処理の工程で生じた高温ガスは完全燃焼後のもの、すなわち、弱酸化性のものが多く、そのガスで長期間、操業を続けると、そのような現象が起こるのが問題である。
【００１１】
そこで、本発明では、図１に示すように、熱電モジュールを２組設置し、高温側は、片方は、酸化性高温ガスの余熱を利用した発電に用いるが、もう１方は還元性高温ガスの余熱を利用した発電に用い、その切り替えを、ガス流路変更弁１，２を用いて行うことを特徴とする。これによって、高温の酸化性ガスにさらされて金属などの酸化が進んだ熱電素子を、一定時間後に還元性の高温ガスにさらすことによって還元を行ない、もとの状態に戻すことができる。この繰り返しを行うことによって、高温での熱電素子の変質による熱電性能指数の低下を抑制しながら、長期間、安定して利用することができる。この切り替えの期間は、用いる熱電素子の種類と高温側の温度に依存するが、１日間から３ケ月間の範囲から選択される。用いる酸化性ガスは、工業的処理の工程で生じた高温ガスということで、燃焼後の排ガスが一般的であり、温度は３００〜９００℃の範囲内のものである。なお、本発明において、酸化性ガスとは、金属ニッケルを酸化する酸素ポテンシャルのものであり、一方、還元性ガスとは、酸化鉄を還元する酸素ポテンシャルのガスを指す。
【００１２】
熱電モジュールの低温側は、コストを低く低温の場を作れるとともに、加熱されものが有効利用できるかどうかが選択のポイントである。本発明においては、熱電モジュールの低温側は、空気あるいは水とする。とくに予熱された空気が価値を持つ場合には、空気を選択する。加熱された空気が意味を持つ場としては、予熱された空気が適用するプロセスで必要な酸化剤として利用できる場合などがある。一方、加熱された水が価値を持つ場としては、温水が暖房などに有効に利用できる場合などである。
【００１３】
本発明の方法を適用して効果を上げることのできる場の１つは、木質などのバイオマスを部分燃焼してガス化して、灰分などを取り除いて得られた還元性の燃料ガスを、ガスタービン（ガスエンジン）で燃焼して発電するプロセスである。この方法は、燃料をボイラーで完全燃焼して得られたスチームを用いて発電する大規模火力発電方式に比べて、小規模の場合には効率を上げ、コスト的にも有利である。しかし、ガスタービン発電のために必要な灰分などを含まない清浄な燃料ガスを得るために、ガス化されたものを一旦、冷却する必要があり、生成したガスの余熱が有効に利用できていなかった。その結果、発電に利用されるエネルギーの効率は２０〜３２％程度で、大型発電法に比べて低いことが問題であった。
【００１４】
本発明では、その問題点を解決するために、還元性の高温ガスは木質などをガス化したものを利用し、一方、酸化性ガスはガス化したものを用いたガスタービン（ガスエンジン）の排ガスを利用する。還元性ガスとして用いる、木質などの燃料をガス化して得られた高温ガスは酸化ニッケルを還元できる酸素ポテンシャルを有している。このガスは、冷却されるとタール分や水分を分離するが、本発明でのこのガスの４００℃以上の高温ゾーンを熱電素子と接触するものとして利用することによって、熱電素子にタールや水などが付着して悪影響を及ぼさないようにする。酸化性ガスは、この燃料ガスをガスタービン（ガスエンジン）で完全燃焼した後の高温ガスであって、その４００℃以上の部分を熱電素子に接触させる。この２つのガスの流れを、適当な時間間隔、たとえば、１日から３ケ月の間で切りかえることによって、酸化性高温ガスとの接触中に進んだ熱電素子の酸化を、還元性高温ガスとの接触中に還元してもとの状態に戻すことができる。
【００１５】
２つの熱電モジュールに接触する低温側のガスとしては空気を用いる。処理後の空気は、ガス化装置および／あるいはガスタービン（ガスタービン）で用いる空気など酸化性ガスに加えられることで、熱を有効利用する。
【００１６】
これまでの熱電モジュールを用いた高温ガスの余熱から発電する方法においては、高温ガスは１種類のものを用い続け、ほとんどの場合は燃焼廃ガスであった。そのため、金属を主体とする熱電素子の変質が、利用できる高温ガスの上限温度をきめ、また、熱電素子の性能を高く保つことができる期間に悪影響を及ぼしていた。それに対して、発明においては、この課題を、熱電モジュールを２組設置し、高温側は、片方は、還元性高温ガスの余熱を利用した発電用に、もう１方は酸化性ガスの余熱を利用した発電に用い、その切り替えを行うということで解決している。
【実施例１】
【００１７】
ｎ型熱電素子の材料としては、Ｃｕ−Ｎｉ−Ａｌ2Ｏ3系、ｐ型熱電素子の材料としてはＮｉ−Ｃｒ−Ａｌ2Ｏ3系のものを用いて、同じ熱電モジュールを２組構成した。プロセスの還元性高温ガス発生装置は、フィンランドのプーダス社の固定床型の木材チップのガス化装置である。木質原料の使用量は約１４ｔ／日である。ガス化の温度は７００〜９００℃で、得られるガスは、ＣＯ：２２±３％、Ｈ2：２０±３％、ＣＨ4：１〜３％、ＣＯ2：８〜１０％、Ｎ2：４６±２％、タール：１０ｍｇ／Ｎｍ3以下、発熱量：約１３００ｋｃａｌ／Ｎｍ3である。このガスと、熱電モジュールの１つと、高温側は温度４００℃以上の領域で接触させた。そのゾーンを通過した還元性ガスは、２００℃以下に冷却されて、灰分などのダスト、タール分、水分を分離した後、ガスタービン発電機で燃焼させて発電に用いる。ガスタービンを出た燃焼排ガスは、温度が６００〜８５０℃であるが、これを、もう１つの熱電モジュールの高温側に接触させた。そこを通過させた廃ガスの処理を行って空中に放散させた。２つの熱電モジュールの低温側に接触させるガスは空気で、その排出ガスは、それぞれ、ガス化炉に送る空気、ガスタービンに供給する空気として利用された。ガスタービン発電機からの高温ガスに接触させた熱電モジュールの発電量は、操業時間が３ケ月を超えると、徐々に低下することが認められたが、１５日のサイクルで、図１に示すようなガス流路変更弁を用いることに熱電モジュールの高温側に供給する高温ガスを切り替えることによって、発電量をほぼ一定に保ちながら３年を超える操業が行われている。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
本発明の実施によって、とくに、木質原料をガス化して、そのガスを用いてガスタービン（ガスエンジン）で発電する工程において、余熱の利用法として従来の熱電モジュール発電において課題とされてきた高温側の温度を上げること、および熱電モジュール耐久性を向上させるという課題を解決して、総合的な発電効率を向上させることができる。
【図１】
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