(57)【要約】【課題】高炉の炉壁に熱電変換モジュールを設置する熱電発電装置において、熱電変換モジュールを高温側熱源や低温側放熱部に密着させることで、十分な熱流束が確保され、高効率で熱電発電を行うことができる装置を提供する。【解決手段】高炉に設置された炉壁冷却用のステーブ２の冷却稼働面２０に、ステーブ厚さ方向摺動可能に耐火物３を保持させるとともに、耐火物３とステーブ２の冷却稼働面２０との間に、少なくとも耐火物３との間では非固定状態にして熱電変換モジュール４を配置し、耐火物３をステーブ方向に押圧する炉内圧の作用により、少なくとも熱電変換モジュール４の受熱面を耐火物３の表面と密着させるようにした。【選択図】図１
2011174179.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炉に設置された炉壁冷却用のステーブ（２）の冷却稼働面（２０）に、ステーブ厚さ方向摺動可能に耐火物（３）を保持させるとともに、耐火物（３）とステーブ（２）の冷却稼働面（２０）との間に、少なくとも耐火物（３）との間では非固定状態にして熱電変換モジュール（４）を配置し、耐火物（３）をステーブ（２）方向に押圧する炉内圧の作用により、少なくとも熱電変換モジュール（４）の受熱面を耐火物（３）の表面と密着させるようにしたことを特徴とする熱電発電装置。
【請求項２】
熱電変換モジュール（４）は、ステーブ（２）の冷却稼働面（２０）との間でも非固定状態にし、耐火物（３）をステーブ（２）方向に押圧する炉内圧の作用により、熱電変換モジュール（４）の受熱面と放熱面を、耐火物（３）の表面とステーブ（２）の冷却稼働面（２０）に各々密着させるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の熱電発電装置。
【請求項３】
ステーブ（２）の冷却稼働面（２０）に形成された凹凸部に、耐火物（３）の表面に形成された凹凸部を嵌め込むことにより、ステーブ（２）の冷却稼働面（２０）に、ステーブ厚さ方向摺動可能に耐火物（３）を保持させることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱電発電装置。
【請求項４】
ステーブ（２）の内部にガス流路（８）を設け、このガス流路（８）の一端側を、熱電変換モジュール（４）及び／又は耐火物（３）に面したステーブ（２）の冷却稼働面（２０）に開口させるとともに、ガス流路（８）の他端側を大気開放するか、若しくは炉外に設置された減圧手段に接続することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱電発電装置。
【請求項５】
高炉に設置された炉壁冷却用のステーブ（２）の冷却稼働面（２０）側に、熱電変換モジュール（４）を、その放熱面が非固定状態で冷却稼働面（２０）に接するように配置し、熱電発電モジュール（４）をステーブ（２）方向に押圧する炉内圧の作用により、熱電変換モジュール（４）の放熱面をステーブ（２）の冷却稼動面（２０）に密着させるようにしたことを特徴とする熱電発電装置。
【請求項６】
ステーブ（２）の内部にガス流路（８）を設け、このガス流路（８）の一端側を、熱電変換モジュール（４）に面したステーブ（２）の冷却稼働面（２０）に開口させるとともに、ガス流路（８）の他端側を大気開放するか、若しくは炉外に設置された減圧手段に接続することを特徴とする請求項５に記載の熱電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高炉の炉壁から放出される熱を、電気エネルギーに変換するための熱電発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
製鉄所などの製造設備では、ＣＯ２発生を抑制するための様々な対策が進められており、その一環として、高炉の廃熱からエネルギー回収を行うための方策が種々検討されている。
高炉では、従来から炉頂圧発電（ＴＲＴ）や副生ガス（Ｂガス）再利用などによるエネルギー回収が積極的に行われているが、炉壁冷却などに伴い、炉内から炉外に１００ＭＷ以上もの熱が逃げ、捨てられているのが現状である。
【０００３】
このように炉外に捨てられている熱を回収する手段として、例えば、特許文献１には、炉壁外面に熱電変換モジュール（熱電変換素子）を設置し、素子の炉壁側（高温側）と外気側（低温側）との温度差による発電を行い、エネルギーを回収する方法が示されている。また、特許文献２には、熱電変換モジュールを炉壁の冷却ジャケットと耐火物の間に配置する例も示されている。
ここで、熱電変換モジュールは、複数のｐ型熱電素子とｎ型熱電素子を交互に配置し、隣接する熱電素子の一端部どうしと他端部どうしを交互に電極で連結して構成されるもので、その電極を高温側熱源と低温側放熱部に接するように設け、高温側と低温側の温度差により生じた熱起電力を発電出力として取り出すようにしたものである。
【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２００８−２７５２０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１のように、炉壁外面に熱電変換モジュールを設置するのでは、素子の高温側と低温側とで大きな温度差を確保することは難しく、大きな発電量は期待できない。
また、特許文献２のように、単に冷却ジャケットと耐火物の間に熱電変換モジュールを配置するだけでは、熱電変換モジュールを高温側熱源（耐火物）や低温側放熱部（冷却ジャケット）と密着させることが難しく、僅かな隙間ができやすいため、結果として熱抵抗が大きくなり、十分な熱流束を確保できないという問題がある。
【０００６】
したがって本発明の目的は、高炉の炉壁に熱電変換モジュールを設置する構造において、熱電変換モジュールを高温側熱源や低温側放熱部に適切に密着させることで、十分な熱流束が確保され、高効率で熱電発電を行うことができる熱電発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは、上記従来技術の課題を解決すべく検討を重ねた結果、高炉の炉内圧を利用することで、熱電変換モジュールを高温側熱源に密着させ、或いは高温側熱源と低温側放熱部の両方に密着させ、高効率で熱電発電を行うことができる新たな熱電発電装置を創案した。すなわち、本発明の要旨は以下のとおりである。
［1］高炉に設置された炉壁冷却用のステーブ（２）の冷却稼働面（２０）に、ステーブ厚さ方向摺動可能に耐火物（３）を保持させるとともに、耐火物（３）とステーブ（２）の冷却稼働面（２０）との間に、少なくとも耐火物（３）との間では非固定状態にして熱電変換モジュール（４）を配置し、耐火物（３）をステーブ（２）方向に押圧する炉内圧の作用により、少なくとも熱電変換モジュール（４）の受熱面を耐火物（３）の表面と密着させるようにしたことを特徴とする熱電発電装置。
【０００８】
［2］上記［1］の熱電発電装置において、熱電変換モジュール（４）は、ステーブ（２）の冷却稼働面（２０）との間でも非固定状態にし、耐火物（３）をステーブ（２）方向に押圧する炉内圧の作用により、熱電変換モジュール（４）の受熱面と放熱面を、耐火物（３）の表面とステーブ（２）の冷却稼働面（２０）に各々密着させるようにしたことを特徴とする熱電発電装置。
［3］上記［1］又は［2］の熱電発電装置において、ステーブ（２）の冷却稼働面（２０）に形成された凹凸部に、耐火物（３）の表面に形成された凹凸部を嵌め込むことにより、ステーブ（２）の冷却稼働面（２０）に、ステーブ厚さ方向摺動可能に耐火物（３）を保持させることを特徴とする熱電発電装置。
［4］上記［1］〜［3］のいずれかの熱電発電装置において、ステーブ（２）の内部にガス流路（８）を設け、このガス流路（８）の一端側を、熱電変換モジュール（４）及び／又は耐火物（３）に面したステーブ（２）の冷却稼働面（２０）に開口させるとともに、ガス流路（８）の他端側を大気開放するか、若しくは炉外に設置された減圧手段に接続することを特徴とする熱電発電装置。
【０００９】
［5］高炉に設置された炉壁冷却用のステーブ（２）の冷却稼働面（２０）側に、熱電変換モジュール（４）を、その放熱面が非固定状態で冷却稼働面（２０）に接するように配置し、熱電発電モジュール（４）をステーブ（２）方向に押圧する炉内圧の作用により、熱電変換モジュール（４）の放熱面をステーブ（２）の冷却稼動面（２０）に密着させるようにしたことを特徴とする熱電発電装置。
［6］上記［5］の熱電発電装置において、ステーブ（２）の内部にガス流路（８）を設け、このガス流路（８）の一端側を、熱電変換モジュール（４）に面したステーブ（２）の冷却稼働面（２０）に開口させるとともに、ガス流路（８）の他端側を大気開放するか、若しくは炉外に設置された減圧手段に接続することを特徴とする熱電発電装置。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の熱電発電装置は、高炉の炉内圧を利用することで、熱電変換モジュールを高温側熱源に密着させ、或いは高温側熱源と低温側放熱部の両方に密着させることができるため、熱電変換モジュールと高温側熱源や低温側放熱部との間で十分な熱流束が確保され、高効率で熱電発電を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の熱電発電装置の一実施形態を、高炉の炉壁を縦断面した状態で示す説明図
【図２】本発明の熱電発電装置の他の実施形態を、高炉の炉壁を縦断面した状態で示す説明図
【図３】本発明の熱電発電装置の他の実施形態を、高炉の炉壁を縦断面した状態で示す説明図
【図４】本発明の熱電発電装置の他の実施形態を、高炉の炉壁を縦断面した状態で示す説明図
【図５】本発明の熱電発電装置の他の実施形態を、高炉の炉壁を縦断面した状態で示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１は、本発明の熱電発電装置の一実施形態を、高炉の炉壁を縦断面した状態で示すもので、１は鉄皮、２はその内側に配置され、鉄皮１に固定される炉壁冷却用のステーブ、３はこのステーブ２の冷却稼働面２０（炉内側の表面）に保持される耐火物（耐火物ブロック）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、内部に冷媒（冷却水）用の複数の流路（図示せず）を有しており、外部から供給される冷媒を前記流路に流すことで冷却される。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。
【００１３】
前記耐火物３は、その片面に形成された凹凸部をステーブ２の冷却稼働面２０に形成された凹凸部に嵌め込むことにより、ステーブ２の冷却稼働面２０にステーブ厚さ方向摺動可能に保持される。本実施形態では、前記凹凸部による耐火物３の保持構造は、以下のように構成されている。すなわち、ステーブ２の冷却稼働面２０には、その幅方向に沿った凹溝２１がステーブ高さ方向で複数本形成され、一方、耐火物３の片面には、その幅方向に沿った凸条３０が耐火物高さ方向で複数本形成されている。この耐火物３は、その凸条３０がステーブ２側の凹溝２１にステーブ厚さ方向変位（スライド）可能に嵌め込まれることにより、ステーブ２の冷却稼働面２０にステーブ厚さ方向摺動可能に保持されている。
【００１４】
ステーブ２の冷却稼働面２０と、これに対してステーブ厚さ方向摺動可能な耐火物３との間には、熱電変換モジュール４が配置されている。この熱電変換モジュール４は、ゼーベック効果を利用し、高温側と低温側の温度差により生じた熱起電力を発電出力として取り出すようにするものであり、その発電出力は受熱面と放熱面の温度差により決まる。熱電変換モジュール４は、その受熱面が耐火物３に、放熱面がステーブ２の冷却稼働面２０に、それぞれ接するように配置されている。
【００１５】
なお、本実施形態では、冷却稼働面２０のうちの凹溝２１を除く部分と、耐火物３の表面のうちの凸条３０を除く部分との間に熱電変換モジュール４が配置されているが、熱電変換モジュール４が配置される部分や広さはこれに限られるものではなく、任意である。例えば、冷却稼働面２０のうちの凹溝２１の部分と、耐火物３の表面のうちの凸条３０の部分との間に熱電変換モジュール４を配置してもよい。図２は、そのような構造を有する本発明の熱電発電装置の一実施形態を、高炉の炉壁を縦断面した状態で示したものである。
【００１６】
前記熱電変換モジュール４は、ステーブ２側（冷却稼働面２０）、耐火物３側のいずれにも非固定状態であり、耐火物３をステーブ２方向に押圧する炉内圧の作用により、耐火物３が熱電変換モジュール４をステーブ２の冷却稼働面２０に押し付け、熱電変換モジュール４の受熱面と放熱面が、耐火物３の表面とステーブ２の冷却稼働面２０に各々密着するようにしてある。ここで、非固定状態とは、固定金具による締結等をしていない状態を指す。
【００１７】
一般に高炉の炉内圧は２５０kPa前後であり、一方において、ステーブ２の冷却稼働面２０と耐火物３との対面部分（熱電変換モジュール４が配置される部分）は施工時の圧力（通常、常圧）であるため、前記炉内圧の作用により、熱電変換モジュール４の受熱面と放熱面は高温側熱源（耐火物３）と低温側放熱部（ステーブ２）に均一に圧接され、高度の密着状態が実現できる。この結果、熱電変換モジュール４の受熱面及び放熱面と高温側熱源（耐火物３）及び低温側放熱部（ステーブ２）との間の熱抵抗の増加が抑制されて熱流速が十分に確保され、高効率の熱電発電がなされることになる。
以上のように、高炉の炉内圧を利用して、熱電変換モジュール４の受熱面及び放熱面を、各々耐火物３及びステーブ２に押し付けることにより、熱電変換モジュール４を固定手段を用いて耐火物３やステーブ２に固定するような構造では実現できない高度の密着（圧接）状態を得ることができる。
【００１８】
その他図面において、５は固定金具、６は鉄皮１とステーブ２間に介在させた耐火物、７はステーブ２−耐火物３間に形成される隙間である。
なお、熱電変換モジュール４は、金属材料であるステーブ２側には比較的密着状態で固定しやすいので、熱電変換モジュール４を、その放熱面が冷却稼働面２０に密着するように、適当な固定手段でステーブ２に固定するとともに、耐火物３に対しては非固定状態にし、耐火物３をステーブ２方向に押圧する炉内圧の作用により、熱電変換モジュール４の受熱面を耐火物３の表面と密着させるようにしてもよい。
【００１９】
前記熱電変換モジュール４の大きさ（面積）、ステーブ２と耐火物３間での設置位置や広さなどは任意であり、ステーブ２や耐火物３の形態などに応じて適宜選択すればよい。但し、耐火物３が大きすぎると場所によってステーブ２や熱電変換モジュール４との接触状態にムラが生じやすいので、耐火物３の大きさ（面積）は、数が多くなり過ぎて組み付けが面倒にならない範囲でステーブ２よりも小さい方が望ましく、概ね１辺が２００ｍｍ〜１０００ｍｍ程度にすれば良い。
【００２０】
また、高炉では、炉体の部位によってはステーブ内側に耐火物を使用しない場合もあるが、受熱面が耐火材料で構成されるなど熱電変換モジュール自体が十分な耐久・耐熱性を有していれば、ステーブの冷却稼働面側に熱電変換モジュールを配置し、炉内圧を直に熱電変換モジュールに作用させ、その放熱面をステーブの冷却稼動面に密着させるようにしてもよい。図３は、そのような構造を有する本発明の熱電発電装置の一実施形態を、高炉の炉壁を縦断面した状態で示すものであり、ステーブ２の冷却稼働面２０に形成された凹溝２１内に、熱電変換モジュール４を、その放熱面が非固定状態で冷却稼働面２０に接するように配置したものである。熱電変換モジュール４とステーブ２の冷却稼働面２０との対面部分は施工時の圧力（通常、常圧）であるため、炉内圧の作用により、熱電発電モジュール４がステーブ２方向に押圧される。これにより、熱電変換モジュール４の放熱面をステーブ２の冷却稼動面２０に密着させるようにしたものである。
なお、熱電変換モジュール４は、冷却稼働面２０に対して非固定状態で配置されるが、据え付け時や使用中での物理的な力などで脱落しないようするため、接着剤等の適宜な係止手段で凹溝２１内に係止されるようにしてもよい。
【００２１】
また、高炉の炉内圧の作用によって、熱電変換モジュール４と高温側熱源（耐火物３）及び低温側放熱部（ステーブ２）との密着性をさらに高めるために、ステーブ２の冷却稼働面２０と熱電変換モジュール４や耐火物３との対面部分のガス圧を炉内圧よりも低く保てるような手段を設けてもよい。図４は、そのような構造を有する本発明の熱電発電装置の一実施形態を、高炉の炉壁を縦断面した状態で示したものである。この実施形態は、図１の実施形態の構造をベースにしたものであり、ステーブ２の内部にガス流路８が設けられ、このガス流路８の一端側が、熱電変換モジュール４及び耐火物３（凸条３０）に面したステーブ２の冷却稼働面２０に開口８０している。一方、ガス流路８の他端側は、耐火物６及び鉄皮１に貫設された通孔６０及び通孔１００を介して大気開放されている。
【００２２】
なお、本実施形態では、各熱電変換モジュール４及び耐火物３の各凸条３０に面した冷却稼働面２０の全ての位置にガス流路８の一端側を開口８０させているが、それらの一部にのみ開口８０させてもよい。また、熱電変換モジュール４、耐火物３のいずれかに面した冷却稼働面２０の位置にガス流路８の一端側を開口８０させてもよい。
以上のような構造によれば、ガス流路８によりステーブ２の冷却稼働面２０と熱電変換モジュール４や耐火物３との対面部分は炉内圧よりも低圧に保たれるため、その圧力差が安定的に得られることによって、熱電変換モジュール４と高温側熱源（耐火物３）及び低温側放熱部（ステーブ２）との密着性がより高められる。
【００２３】
また、ガス流路８の他端側を大気開放ではなく、炉外に設置された減圧手段（例えば真空ポンプなど）に接続し、ガス流路８を通じて、ステーブ２の冷却稼働面２０と熱電変換モジュール４や耐火物３との対面部分を強制的に減圧できるようにしてもよい。この場合には、前記通孔１００に接続された管路９を減圧手段に導くようにする。このような実施形態では、減圧手段により、ガス流路８を通じてステーブ２の冷却稼働面２０と熱電変換モジュール４や耐火物３との対面部分を減圧し、その状態に減圧密封したりすることで、当該対面部分をより低圧に保持できるので、熱電変換モジュール４と高温側熱源（耐火物３）及び低温側放熱部（ステーブ２）との密着性をさらに高めることができる。
また、図２の実施形態の構造をベースにする場合においても、ステーブ２の内部にガス流路８を設け、このガス流路８の一端側を、熱電変換モジュール４及び／又は耐火物３（耐火物３の凹溝）に面したステーブ２の冷却稼働面２０に開口８０させるとともに、ガス流路８の他端側を大気開放するか、若しくは炉外に設置された減圧手段に接続するようにすればよい。
【００２４】
また、図５は本発明の他の実施形態を示すもので、図３に示すような耐火物３を有しない実施形態の構造をベースにしたものである。この実施形態では、ステーブ２の内部にガス流路８を設け、このガス流路８の一端側を、熱電変換モジュール４に面したステーブ２の冷却稼働面２０に開口８０させている。そして、ガス流路８の他端側は、図４の実施形態と同様に大気開放するか、若しくは炉外に設置された減圧手段（真空ポンプなど）に接続する。
このような構造でも、ガス流路８によりステーブ２の冷却稼働面２０と熱電変換モジュール４との対面部分は炉内圧よりも低圧に保たれるため、その圧力差が安定的に得られることによって、熱電変換モジュール４と低温側放熱部（ステーブ２）との密着性がより高められる。
【００２５】
また、本発明の熱電発電装置は、高炉の炉壁に適用されるものであるため、上述した点に加えて、さらに以下のような利点がある。
（1）従来ではステーブの冷媒（冷却水）で持ち去られていた廃熱を、直接電力として回収できる。特に、ステーブの冷媒で取り出される廃熱は、それほど高温ではないので、従来では殆ど利用されることなく放熱されていたが、これを電気エネルギーとして回収することができる。高炉の廃熱は膨大な量であり、その一部でも電気エネルギーとして回収できれば、多大な省エネ効果が得られる。
（2）ステーブによる炉体の冷却作用の一部を熱電変換モジュールが代替するだけであるので、炉内温度の低下が問題となることが比較的少ない。
（3）高炉は炉内温度が高いため高温側熱源の温度が高く、しかもステーブを低温側放熱部として利用することにより、高温側と低温側の十分な温度差を得ることができる。
（4）高炉は炉内温度の変動が小さく、且つ大きな昇降温は休風時のみであり、繰り返し熱サイクルが少ない。
【００２６】
なお、本発明の熱電発電装置を高炉の炉壁に設置した結果として、炉壁の熱抵抗や熱流速、炉壁温度が変化する可能性がある場合には、それらがなるべく変化しないよう、必要に応じて、耐火物や熱電変換モジュールの厚さなどを変更して全体の熱抵抗を最適化したり、冷却水量を調整したりすることが好ましい。
また、熱電変換モジュール４の配線は、ステーブ２の側から炉外へ取り出すようにすることが好ましい。
【符号の説明】
【００２７】
１  鉄皮
２  ステーブ
３  耐火物
４  熱電変換モジュール
５  固定金具
６  耐火物
７  隙間
８  流路
９  管路
２０  冷却稼働面
２１  凹溝
３０  凸条
６０  通孔
８０  開口
１００  通孔
【図１】
2011174179.tif 000003
【図２】
2011174179.tif 000004
【図３】
2011174179.tif 000005
【図４】
2011174179.tif 000006
【図５】
2011174179.tif 000007