(57)【要約】【課題】耐久性や安全性に課題のある熱電素子を用いることなく、高炉などの設備高温部の排熱から効率的なエネルギー回収を行う。【解決手段】設備高温部を冷却することでその排熱を回収した流体を、熱音響エンジン又はスターリングエンジンに導き、該流体の熱により熱音響エンジン又はスターリングエンジンの加熱部を加熱してエンジンを駆動し、該エンジンの駆動力で発電を行う。設備高温部の排熱から効率的なエネルギー回収を行うことができるとともに、使用する設備の耐久性・安全性が高いこと、元々冷却を必要としている設備高温部から排熱回収を行うこと、などのために、低いランニングコストで且つ長期にわたって安定的に実施することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
設備高温部を冷却することでその排熱を回収した流体を、熱音響エンジン又はスターリングエンジンに導き、該流体の熱により熱音響エンジン又はスターリングエンジンの加熱部を加熱してエンジンを駆動し、該エンジンの駆動力で発電を行うことを特徴とする設備高温部の排熱からのエネルギー回収方法。
【請求項２】
設備高温部が高炉の炉壁であり、該炉壁に設置されたステーブを通過した冷却用の流体を、配管を通じて熱音響エンジン又はスターリングエンジンに導くことを特徴とする請求項１に記載の設備高温部の排熱からのエネルギー回収方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉や連続鋳造機などの設備高温部の排熱を有効利用し、その熱エネルギーを電力として回収するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、鉄鋼製造プロセスにおいても、ＣＯ２の排出削減のために排熱の有効利用による省エネルギー化の要求が高まりつつある。一般に、高温プロセスからの排熱は熱水や蒸気として回収され、温度や発生量が十分であればタービンを介して電力として回収されることもあるが、そのまま使用される場合が殆どである。しかし、概して熱回収場所と使用場所とが離れていることが多いために熱損失が大きく、高温プロセスからの排熱が十分有効に利用されているとは言い難い。
【０００３】
このような課題に対して、特許文献１では、耐火物壁を有する溶融金属容器の鉄皮側に熱電素子を取付け、大気や冷却水路に対する温度差で発電することにより、排熱から電気エネルギーを回収する方法が提案されている。
また、特許文献２では、熱音響効果で発生する圧力変動を用いた高効率発電技術（熱音響発電機）が提案されており、この技術によれば、高温プロセスの排熱を利用することで省エネルギーの実現に繋がる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６０−３０９８９号公報
【特許文献２】特開２００５−２５３２４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
熱電素子はコンパクトな構造であるため、特許文献１に示されるように転炉などの溶融金属容器に直接貼り付けることができるが、（i）温度変化による熱衝撃で素子が損傷しやすい、（ii）素子が高価であり、しかも毒性を有する金属を含有するものが多い、などの問題がある。
一方、特許文献２に示すような熱音響効果を利用する発電では、圧力変動周波数に対応するだけの共鳴体（管）の大きさが必要となり、通常、その周波数は数十Ｈｚ（５０Ｈｚで波長６．８ｍ）であるので、装置が大掛かりなものとなり、熱電素子のように溶融金属容器などに組み付けて直接受熱することは難しい。
【０００６】
したがって本発明の目的は、耐久性や安全性に課題のある熱電素子を用いることなく、高炉などの設備高温部の排熱から効率的なエネルギー回収を行うことができる方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明の要旨は以下のとおりである。
［1］設備高温部を冷却することでその排熱を回収した流体を、熱音響エンジン又はスターリングエンジンに導き、該流体の熱により熱音響エンジン又はスターリングエンジンの加熱部を加熱してエンジンを駆動し、該エンジンの駆動力で発電を行うことを特徴とする設備高温部の排熱からのエネルギー回収方法。
［2］上記［1］の回収方法において、設備高温部が高炉の炉壁であり、該炉壁に設置されたステーブを通過した冷却用の流体を、配管を通じて熱音響エンジン又はスターリングエンジンに導くことを特徴とする設備高温部の排熱からのエネルギー回収方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高炉などの設備高温部の排熱から効率的なエネルギー回収を行い、電力を得ることができる。また、設備高温部の排熱を回収した流体の熱で熱音響エンジン又はスターリングエンジンを駆動し、発電を行うだけであるため、使用する設備の耐久性・安全性が高いこと、元々冷却を必要としている設備高温部から排熱回収を行うこと、などのために、低いランニングコストで且つ長期にわたって安定的に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態を示す全体説明図
【図２】図１に示される熱音響エンジンを構成する圧力振動発生手段の一構造例を示す部分切欠平面図
【図３】図２のIII−III線に沿う断面図
【図４】図２のIV−IV線に沿う断面図
【図５】図１に示される熱音響エンジンを構成する圧力振動発生手段の他の構造例を示す部分切欠平面図
【図６】図５のVI−VI線に沿う断面図
【図７】図５のVII−VII線に沿う断面図
【図８】本発明において、駆動装置としてスターリングエンジンを用いる場合の一実施形態を示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明では、設備高温部を冷却することでその排熱を回収した流体（冷媒）を、熱音響エンジン又はスターリングエンジンに導き、この流体の熱により熱音響エンジン又はスターリングエンジンの加熱部を加熱してエンジンを駆動し、このエンジンの駆動力で発電を行うものである。
図１は、本発明の一実施形態を示す全体説明図である。この実施形態では、排熱を回収する設備高温部を高炉の炉壁とし、且つ排熱により駆動する駆動装置として熱音響エンジンを用いたものである。
【００１１】
図において、１は高炉、２は高炉の炉壁１００に設置される炉壁冷却用のステーブ、３は熱音響エンジン、４はこの熱音響エンジンで駆動される発電機である。
前記ステーブ２は、鋳鉄、銅、銅合金などの金属材料で構成されるもので、炉壁１００の外殻を構成する鉄皮の内側に固定される。このステーブ２は、例えば、炉高方向で十数段〜数十段、炉周方向で数十枚の単位で、高炉の炉壁に設置される。各ステーブ２は、内部に冷媒（水）用の複数の流路２０を有しており、外部から配管５を通じて供給される冷媒を、前記流路２０に流すことで冷却される。ステーブ２内の流路２０を通過した冷媒（水）は、配管６を通じて系外に排出される。
【００１２】
前記熱音響エンジン３は、環状に形成された共鳴管３０（ループ管）を備えており、この共鳴管３０の内部には作動ガス（例えば、アルゴン、ヘリウムなど）が所定の圧力で充填されている。この共鳴管３０の途中には、蓄熱部３１とその両側の加熱部３２及び放熱部３３とからなる圧力振動発生手段が配設される。前記蓄熱部３１は、通常、ハニカムセラミックスや金属メッシュ積層体などで構成される。前記加熱部３２と放熱部３３は、蓄熱部３１に熱勾配を生じさせるためのものであり、加熱部３２は熱交換器で構成され、外部から供給される熱媒体との熱交換により加熱される。また、放熱部３３は、通常、外部から供給される冷媒との熱交換で放熱を行う熱交換器や、空冷で放熱を行う空冷手段などで構成される。
【００１３】
このような熱音響エンジン３では、加熱部３２と放熱部３３での加熱と放熱とによって蓄熱部３１に生じた温度勾配により、共鳴管３０内の気体に自励的な圧力変動が発生する。そして、このようにして発生した圧力変動により発電機４が駆動される。この発電機としては、例えば、共鳴管３０内の気体に発生した圧力振動波の成分である進行波を受けて移動可能な可動子を有するリニア型の発電機などが用いられる。
前記ステーブ２を通過した冷媒（水）を排出するための配管６が熱音響エンジン３の加熱部３２（熱交換器）に導かれ、その冷媒の顕熱との熱交換により加熱部３２が加熱されるようにしてある。
【００１４】
図２〜図４は前記圧力振動発生手段の一構造例を示すものであり、図２は部分切欠平面図、図３は図２のIII−III線に沿う断面図、図４は図２のIV−IV線に沿う断面図である。この構造例では、蓄熱部３１はハニカムセラミックスで構成されている。また、加熱部３２と放熱部３３は、それぞれ共鳴管３０の外周に環状に設けられた熱交換器３２０，３３０で構成されている。そして、熱交換器３２０には、ステーブ２を通過した冷媒が前記配管６を通じて導かれ、この冷媒の顕熱との熱交換により加熱部３２が加熱され、一方、熱交換器３３０には低温の冷媒（冷却水など）が通されることで放熱（冷却）がなされる。
図５〜図７は前記圧力振動発生手段の他の構造例を示すものであり、図５は部分切欠平面図、図６は図５のVI−VI線に沿う断面図、図７は図５のVII−VII線に沿う断面図である。この構造例では、蓄熱部３１は金属メッシュ積層体で構成されている。また、加熱部３２と放熱部３３の構造及び機能は、図２〜図４の構造例と同様である。
【００１５】
本実施形態では、高炉１の炉壁１００に設置されたステーブ２を冷却し、その排熱を回収した冷媒（水）が、配管６を通じて熱音響エンジン３の加熱部３２に導かれ、その冷媒の顕熱との熱交換により加熱部３２が加熱されて熱音響エンジン３が駆動し、さらに、この熱音響エンジン３により発電機４が駆動して発電がなされる。
本発明において排熱回収を行う設備高温部（冷却が必要な設備高温部）に特に制限はないが、流体により効率的な排熱回収を行うには、通常、３００℃以上の設備高温部であることが好ましい。例えば、鉄鋼製造設備においては、高炉のほかに、連続鋳造設備、スラグ冷却設備（スラグヤード）、加熱炉などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、鉄鋼製造設備以外の設備を対象としてもよい。
【００１６】
また、鉄鋼製造設備のなかで最も排熱量が多いのは高炉であり（高炉冷却ステーブの熱損失（冷却水）は６０ＭＷ程度）、本発明によれば、少なくとも１％以上の効率は確保できるので、本発明において排熱回収を行う設備高温部を高炉とした場合には、６００ｋＷ以上の発電を見込むことができる。また、高炉の場合には、元々冷却手段としてステーブを備えているので、その冷媒を有効利用できるという大きなメリットがある。
また、熱媒体である流体の種類にも特に制限はなく、水、水溶液、溶融塩（例えば、塩化アルミニウム、イミダゾリウム塩）などを用いることができるが、通常は水が用いられる。一方、溶融塩を用いた場合には、特に高温（例えば２００℃程度）の排熱を回収することができ、低温側を水冷すれば１００℃以上の温度差を得ることが可能である。
また、熱媒体である流体は、設備高温部と熱音響エンジン３間を循環させてもよい。
【００１７】
また、駆動装置としては、熱音響エンジンに代えてスターリングエンジンを用いてもよい。図８は、スターリングエンジンを使用する場合の一実施形態を示すものであり、スターリングエンジン７のヒーター部８（加熱部）に、熱音響エンジンの加熱部の場合と同様に、ステーブ２を通過した冷媒（水）を排出するための配管６が導かれ、その冷媒の顕熱との熱交換によりヒーター部８が加熱される。一方、クーラー部９（放熱部）には、熱音響エンジンの放熱部の場合と同様に、低温の冷媒（冷却水など）が通されることで放熱（冷却）がなされる。そして、このスターリングエンジン７に、その形式に応じて、リニア型やロータリー型の発電機１０が直結され、この発電機１０で発電が行われる。
以上述べた本発明によれば、従来多くが捨てられていた排熱を有効利用することで電力を得ることができ、大幅な省エネルギー化を達成することができる。
【符号の説明】
【００１８】
１  高炉
２  ステーブ
３  熱音響エンジン
４  発電機
５，６  配管
７  スターリングエンジン
８  ヒーター部
９  クーラー部
１０  発電機
２０  流路
３０  共鳴管
３１  蓄熱部
３２  加熱部
３３  放熱部
１００  炉壁
３２０，３３０  熱交換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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