(57)【要約】【課題】熱負荷にて高温でかつ一定の温度の熱を利用することが可能な熱輸送装置を提供する。【解決手段】排気ガスから回収した熱を、熱媒体により熱負荷３に輸送する熱輸送装置において、熱媒体として、大気圧における沸点が１００℃より高いものを用いると共に、熱媒蒸気ボイラ２と熱負荷３との間に、熱媒蒸気ボイラ２で蒸発した熱媒体の蒸気圧を調節することで、熱媒体を、当該調節した蒸気圧における飽和温度に調節する調圧弁４を備え、熱負荷に、調圧弁にて所望の飽和温度に調節された熱媒体を供給するようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス排出源から排出された排気ガスを熱源とし、熱媒体を前記排気ガスと熱交換させ前記熱媒体を蒸発させる熱媒蒸気ボイラと、該熱媒蒸気ボイラで蒸発させた前記熱媒体が供給される熱負荷と、該熱負荷にて放熱し凝縮した前記熱媒体を前記熱媒蒸気ボイラに戻す液熱媒ポンプとを備え、
前記排気ガスから回収した熱を、前記熱媒体により前記熱負荷に輸送する熱輸送装置において、
前記熱媒体として、大気圧における沸点が１００℃より高いものを用いると共に、
前記熱媒蒸気ボイラと前記熱負荷との間に、前記熱媒蒸気ボイラで蒸発した前記熱媒体の蒸気圧を調節することで、前記熱媒体を、当該調節した蒸気圧における飽和温度に調節する調圧弁を備え、
前記熱負荷に、前記調圧弁にて所望の飽和温度に調節された前記熱媒体を供給するようにしたことを特徴とする熱輸送装置。
【請求項２】
前記熱媒体は、その臨界温度が前記排気ガスの温度よりも高い請求項１記載の熱輸送装置。
【請求項３】
前記熱媒体は、前記排気ガスの温度における蒸気圧が３ＭＰａ以下である請求項１または２記載の熱輸送装置。
【請求項４】
前記熱媒体は、前記排気ガスの温度における蒸発潜熱が２００ｋＪ／ｋｇ以上である請求項１〜３いずれかに記載の熱輸送装置。
【請求項５】
前記熱媒体は、常温で液体である請求項１〜４いずれかに記載の熱輸送装置。
【請求項６】
前記熱媒蒸気ボイラの前段に、前記熱媒蒸気ボイラに供給される前記熱媒体を予熱するエコノマイザを設けた請求項１〜５いずれかに記載の熱輸送装置。
【請求項７】
前記ガス排出源が、発電用エンジンと該発電用エンジンから排出される前記排気ガスの熱を利用する廃熱利用装置とを有するコジェネレーションシステムからなり、
前記熱媒蒸気ボイラは、前記発電用エンジンと前記廃熱利用装置との間に設けられる請求項１〜６いずれかに記載の熱輸送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス排出源から排出された排気ガスの熱を回収し、回収した熱を熱負荷に輸送する熱輸送装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
コジェネレーションシステムにおける発電用エンジン、産業用ボイラなどから排出される排気ガス（燃焼排気ガス）の熱を利用する廃熱利用装置では、殆どの場合、排気ガスから熱を回収する熱媒体として水（水蒸気）を利用している。
【０００３】
例えば、図３に示すようなガスタービンエンジン・コジェネレーションシステム１０では、廃熱利用装置１２は、発電用エンジンであるガスタービンエンジン１１から排出された排気ガスを熱源として、水蒸気ボイラ１８にて水を排気ガスと熱交換させて高温の水蒸気を生成し、得られた高温の水蒸気を蒸気利用プロセス１９にて利用している。
【０００４】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、特許文献１がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第２５５６２２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述のような水蒸気を利用した廃熱利用装置では、水蒸気が超臨界や亜臨界の状態となるとハンドリングが非常に困難となることから、水蒸気の温度を臨界温度以下とするのが一般的である。例えば、水蒸気の圧力を０．８〜１ＭＰａ程度とした場合、水蒸気の温度は１７０〜１８０℃程度となり、蒸気利用プロセス１９にて利用可能な温度も１７０〜１８０℃程度となる。
【０００７】
しかしながら、コジェネレーションシステムの発電用エンジンや産業用ボイラから排出される排気ガスの温度は、例えば４００℃以上と非常に高く、水蒸気にて回収可能な温度よりも非常に高い温度である場合が多い。そのため、水蒸気を利用した廃熱利用装置だけでは、熱量は回収できるものの、高温回収の点から効率的ではなく、システム全体の総合効率の向上も望めなかった。そこで、システム全体の総合効率を向上させる観点からも、水蒸気を利用した廃熱利用装置では回収できない、例えば２００℃以上の高温を回収可能な装置が望まれる。
【０００８】
また、近年、半導体の製造プロセスや工業炉などにおいては、熱負荷に対して高温（例えば２００〜４００℃）でかつ一定の温度の熱を供給する装置が要求されている。このような装置を実現するにあたり、既設のコジェネレーションシステムや産業用ボイラの廃熱を利用して、効率よく高温でかつ一定の温度の熱を供給する装置が望まれる。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、ガス排出源から排出された排気ガスの熱を回収し、回収した熱を熱負荷に輸送する熱輸送装置において、熱負荷にて高温でかつ一定の温度の熱を利用することが可能な熱輸送装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、ガス排出源から排出された排気ガスを熱源とし、熱媒体を前記排気ガスと熱交換させ前記熱媒体を蒸発させる熱媒蒸気ボイラと、該熱媒蒸気ボイラで蒸発させた前記熱媒体が供給される熱負荷と、該熱負荷にて放熱し凝縮した前記熱媒体を前記熱媒蒸気ボイラに戻す液熱媒ポンプとを備え、前記排気ガスから回収した熱を、前記熱媒体により前記熱負荷に輸送する熱輸送装置において、前記熱媒体として、大気圧における沸点が１００℃より高いものを用いると共に、前記熱媒蒸気ボイラと前記熱負荷との間に、前記熱媒蒸気ボイラで蒸発した前記熱媒体の蒸気圧を調節することで、前記熱媒体を、当該調節した蒸気圧における飽和温度に調節する調圧弁を備え、前記熱負荷に、前記調圧弁にて所望の飽和温度に調節された前記熱媒体を供給するようにした熱輸送装置である。
【００１１】
前記熱媒体は、その臨界温度が前記排気ガスの温度よりも高いとよい。
【００１２】
前記熱媒体は、前記排気ガスの温度における蒸気圧が３ＭＰａ以下であるとよい。
【００１３】
前記熱媒体は、前記排気ガスの温度における蒸発潜熱が２００ｋＪ／ｋｇ以上であるとよい。
【００１４】
前記熱媒体は、常温で液体であるとよい。
【００１５】
前記熱媒蒸気ボイラの前段に、前記熱媒蒸気ボイラに供給される前記熱媒体を予熱するエコノマイザを設けてもよい。
【００１６】
前記ガス排出源が、発電用エンジンと該発電用エンジンから排出される前記排気ガスの熱を利用する廃熱利用装置とを有するコジェネレーションシステムからなり、前記熱媒蒸気ボイラは、前記発電用エンジンと前記廃熱利用装置との間に設けられてもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、熱負荷にて高温でかつ一定の温度の熱を利用することが可能な熱輸送装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施の形態に係る熱輸送装置をガスタービンエンジン・コジェネレーションシステムに適用したときの概略構成図である。
【図２】図１の熱輸送装置に用いる熱媒体における、温度に対する蒸発潜熱、および飽和蒸気圧の関係の一例を示すグラフ図である。
【図３】ガスタービンエンジン・コジェネレーションシステムの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００２０】
図１は、本実施の形態に係る熱輸送装置をガスタービンエンジン・コジェネレーションシステムに適用したときの概略構成図である。
【００２１】
まず、ガスタービンエンジン・コジェネレーションシステムについて説明する。
【００２２】
図１に示すように、ガスタービンエンジン・コジェネレーションシステム１０は、発電用エンジンであるガスタービンエンジン１１と、ガスタービンエンジン１１から排出される排気ガスの熱を利用する廃熱利用装置１２とを有している。
【００２３】
ガスタービンエンジン１１は、ガスタービン１５と連動して回転し、吸気を圧縮して圧縮空気として燃焼器１４に供給する圧縮機１３と、圧縮機１３から圧縮空気が供給されると共に図示しない燃料供給手段から燃料が供給され、燃料を燃焼させる燃焼器１４と、燃焼器１４からの排気ガス（燃焼排ガス）により回転駆動されるガスタービン１５と、ガスタービン１５と連動して回転して発電する発電機１６とを有している。ガスタービン１５から排出される排気ガスの温度は、例えば４００℃である。
【００２４】
廃熱利用装置１２は、ガスタービンエンジン１１からの排気ガスを通す排気通路１７に設けられ、給水を排気ガスと熱交換して高温・高圧の水蒸気とする水蒸気ボイラ１８と、水蒸気ボイラ１８から水蒸気の供給を受け、これを利用する蒸気利用プロセス１９とを有する。水蒸気ボイラ１８から蒸気利用プロセス１９に供給される水蒸気の温度は、例えば、水蒸気の圧力を０．８〜１ＭＰａ程度とした場合、１７０〜１８０℃程度である。
【００２５】
水蒸気ボイラ１８の前段には、水蒸気ボイラ１８の下流側の排気ガスと熱交換して給水を予熱するエコノマイザ２０が設けられている。
【００２６】
蒸気利用プロセス１９としては、例えば蒸気タービン発電機が用いられる。なお、蒸気利用プロセス１９として蒸気タービン発電機を用いたガスタービンエンジン・コジェネレーションシステム１０は、コンバインドサイクルシステムと呼ばれている。
【００２７】
次に、本実施の形態に係る熱輸送装置１について説明する。
【００２８】
熱輸送装置１は、ガスタービンエンジン１１から排出された排気ガスを熱源とし、熱媒体を排気ガスと熱交換させ熱媒体を蒸発させる熱媒蒸気ボイラ２と、熱媒蒸気ボイラ２で蒸発させた熱媒体が供給される熱負荷３と、熱媒蒸気ボイラ２と熱負荷３との間に設けられた調圧弁４と、熱負荷３にて放熱し凝縮した熱媒体を貯留するドレン槽５と、熱負荷３とドレン槽５との間に設けられ、熱負荷３にて凝縮して液相となった熱媒体のみをドレン槽５に通過させる蒸気トラップ６と、ドレン槽５に貯留された液相の熱媒体を熱媒蒸気ボイラ２に戻す液熱媒ポンプ７とを備える。熱輸送装置１は、排気ガスから回収した熱を、熱媒体により熱負荷３に輸送する装置である。
【００２９】
熱媒蒸気ボイラ２と熱負荷３とは、熱媒供給ライン８ａにより接続される。調圧弁４は、熱媒供給ライン８ａに設けられる。
【００３０】
熱負荷３とドレン槽５とは、凝縮熱媒回収ライン８ｂにより接続される。蒸気トラップ６は、凝縮熱媒回収ライン８ｂに設けられる。
【００３１】
ドレン槽５と熱媒蒸気ボイラ２とは、熱媒戻しライン８ｃにより接続される。液熱媒ポンプ７は、熱媒戻しライン８ｃに設けられる。
【００３２】
熱媒蒸気ボイラ２は、ガスタービンエンジン１１と廃熱利用装置１２との間の排気通路１７に設けられる。つまり、熱媒蒸気ボイラ２は、廃熱利用装置１２の水蒸気ボイラ１８よりも上流側の排気通路１７に設けられ、水蒸気ボイラ１８の上流側にての排気ガスと熱交換するようにされる。熱媒蒸気ボイラ２で回収する熱量は、後段の水蒸気ボイラ１８で十分に水蒸気を生成することができる程度の熱量が残るように（熱媒蒸気ボイラ２を通過した後の排気ガスの温度が所定温度以上となるように）、適宜調整される。
【００３３】
熱媒蒸気ボイラ２の前段、すなわち、熱媒蒸気ボイラ２と液熱媒ポンプ７との間の熱媒戻しライン８ｃには、熱媒蒸気ボイラ２の下流側の排気通路１７にて排気ガスと熱交換して、熱媒蒸気ボイラ２に供給される熱媒体（熱媒蒸気ボイラ２に戻す熱媒体）を予熱するエコノマイザ９が設けられる。なお、エコノマイザ９は必須ではなく、省略可能である。
【００３４】
調圧弁４は、熱媒蒸気ボイラ２で蒸発する熱媒体の蒸気圧を調節することで、熱媒体を、当該調節した蒸気圧における飽和温度に調節する。つまり、調圧弁４は、熱媒体の蒸気が所望の飽和温度になるように、熱媒体の蒸気圧を調節するためのものである。熱媒蒸気ボイラ２では、供給される排気ガスの温度の変動により熱媒体の蒸気温度が変動するため、調圧弁４の上流側（熱媒蒸気ボイラ２側）における熱媒体の蒸気圧は変動するが、調圧弁４の開度を調節することにより、調圧弁４の下流側（熱負荷３側）の熱媒体の蒸気圧を、調圧弁４の上流側よりもやや低い蒸気圧で一定にすることができる。つまり、調圧弁４の開度を調節することにより、排気ガスの温度の変動があっても、熱負荷３に一定の蒸気圧に調節された熱媒体の蒸気を供給することが可能になる。
【００３５】
その結果、熱負荷３では、蒸気圧が一定なので、一定の飽和温度で熱媒体が凝縮することとなり、熱負荷３にて一定の温度（例えば２００〜４００℃）の凝縮潜熱を利用することが可能となる。
【００３６】
蒸気トラップ６は、気相の熱媒体（熱媒体の蒸気）を通さず、熱負荷３にて凝縮して液相となった熱媒体（熱媒体のドレン）のみをドレン槽５に通すものである。蒸気トラップ６としては、蒸気とドレンの比重差により蒸気とドレンを選別するメカニカル式や、蒸気とドレンの温度差により蒸気とドレンを選別するサーモスタティック式、蒸気とドレンの熱力学的特性の差により蒸気とドレンを選別するサーモダイナミック式の蒸気トラップなどを用いることができる。
【００３７】
ここで、熱輸送装置１に用いる熱媒体について説明する。
【００３８】
熱輸送装置１に用いる熱媒体としては、大気圧における沸点が水の沸点（１００℃）より高いものを用いる。より好ましくは、大気圧における沸点が２００℃以上であるものを用いることが望ましい。これは、水蒸気を用いた廃熱利用装置１２よりも高温の熱を回収するためである。熱媒体としては、排気ガスの温度（ここでは４００℃）に応じて適切な沸点を有する熱媒体を選択して用いることが望ましい。
【００３９】
また、熱媒体としては、臨界温度が排気ガスの温度（ここでは４００℃）よりも高いものを用いる。これは、熱媒体として臨界温度が排気ガスの温度以下のものを用いた場合、熱媒体が超臨界（あるいは亜臨界）状態となり、挙動を制御することが困難となるためである。
【００４０】
さらに、熱媒体としては、排気ガスの温度（ここでは４００℃）における蒸気圧が３ＭＰａ以下、好ましくは２ＭＰａ以下であるものを用いることが望ましい。これは、蒸気圧が３ＭＰａを超えて高くなると、高圧に耐える配管を用いる必要が生じ、配管のコストが高くなってしまうためである。
【００４１】
さらにまた、熱媒体としては、排気ガスの温度（ここでは４００℃）における蒸発潜熱が２００ｋＪ／ｋｇ以上、好ましくは３００ｋＪ／ｋｇ以上であるものを用いることが望ましい。これは、蒸発潜熱が２００ｋＪ／ｋｇ未満であると、熱負荷３にて放熱する放熱量が小さくなり使用にたえないためである。
【００４２】
また、熱媒体としては、ハンドリングを容易とすべく、常温で液体であるものを用いることが望ましい。さらに、熱媒体としては、排気ガスの温度にて熱媒体自身が熱分解せず、かつ副生物を発生させることがないものを用いることが望ましい。
【００４３】
以上のような条件を満足する熱媒体の一例を表１に示す。なお、表１では、排気ガスの温度が４００℃程度である場合に好適な熱媒体の一例を示しているが、これに限らず、排気ガスの温度に応じて適切な熱媒体を選択することができる。
【００４４】
【表１】
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【００４５】
表１に示すように、排気ガスの温度が４００℃である場合、熱媒体としては、例えば、トリエチレングリコール（Ｎｏ．１）、オクタンジオール（Ｎｏ．２）、ジベンジルアミン（Ｎｏ．３）、キナルジン（Ｎｏ．４）、α−メチルナフタレン（Ｎｏ．５）、アニスアルデヒド（Ｎｏ．６）、ｏ−フルオロニトロベンゼン（Ｎｏ．７）、オイゲノール（Ｎｏ．８）、ホルムアミド（Ｎｏ．９）、プロピレンカーボネイト（Ｎｏ．１０）、γ−ブチロラクトン（Ｎｏ．１１）、ジエチレングリコール（Ｎｏ．１２）などが好適である。これらＮｏ．１〜１２の物質は、いずれも大気圧における沸点が２００℃より高く、臨界温度（臨界点）が４００℃以上、４００℃における蒸気圧が３ＭＰａ以下、４００℃における蒸発潜熱が２００ｋＪ／ｋｇ以上、融点が２℃以下で常温で液体であり、熱媒体として好適に用いることができる。なお、試料番号（Ｎｏ．）は便宜上付したもので、順位などを表すものではない。
【００４６】
表１で示したＮｏ．１〜１２の物質のうち、Ｎｏ．１のトリエチレングリコール、Ｎｏ．９のホルムアミド、Ｎｏ．１０のプロピレンカーボネイトについて、温度に対する蒸発潜熱、および飽和蒸気圧の関係を図２に示す。図２に示すように、温度が上昇するに従って蒸発潜熱は低下、飽和蒸気圧は上昇するので、排気ガスの温度に応じた適切な熱媒体を選択して使用する必要がある。
【００４７】
以上説明したように、本実施の形態に係る熱輸送装置１では、熱媒体として、大気圧における沸点が１００℃より高いものを用いると共に、熱媒蒸気ボイラ２と熱負荷３との間に、熱媒蒸気ボイラ２で蒸発する熱媒体の蒸気圧を調節することで、熱媒体を、当該調節した蒸気圧における飽和温度に調節する調圧弁４を備え、熱負荷３に、調圧弁４にて所望の飽和温度に調節された熱媒体を供給するようにしている。
【００４８】
水より沸点が高い熱媒体を用いることにより、水蒸気を利用した廃熱利用装置１２では回収できない高温の熱を回収することが可能となり、システム全体の総合効率を向上させることが可能となる。
【００４９】
また、熱輸送装置１では、調圧弁４の開度を調節することにより、熱負荷３に供給する熱媒体の蒸気圧を任意に制御できるので、熱負荷３で要求される温度（飽和温度）に対して柔軟に対応することが可能となり、熱負荷３で要求される温度に合わせたシステム構築が簡便にできる。
【００５０】
さらに、熱輸送装置１では、調圧弁４の開度を調節することにより、熱負荷３に供給する熱媒体の蒸気圧を一定に保ち、熱負荷３に供給する熱媒体の蒸気の飽和温度を容易に一定に保つことができる。よって、熱負荷３において一定温度で凝縮潜熱を利用することが可能となる。したがって、熱輸送装置１によれば、熱負荷３にて、高温でかつ一定の温度の熱を利用することが可能となる。
【００５１】
また、熱媒蒸気ボイラ２の前段に、熱媒蒸気ボイラ２に供給される熱媒体を予熱するエコノマイザ９を設けることにより、熱媒蒸気ボイラ２の効率を向上できる。
【００５２】
さらに、熱輸送装置１では、熱媒蒸気ボイラ２を、ガスタービンエンジン・コジェネレーションシステム１０のガスタービンエンジン１１と廃熱利用装置１２との間に設けている。これにより、既存のガスタービンエンジン・コジェネレーションシステム１０を大幅に改変することなく、システム全体の総合効率を向上させることが可能となり、かつ、高温でかつ一定の温度の熱を供給するといった熱輸送装置１の機能を付加した新たなシステムを構築することが可能となる。
【００５３】
上記実施の形態では、熱輸送装置１をガスタービンエンジン・コジェネレーションシステム１０に適用した場合を説明したが、これに限らず、本発明は、ガスエンジン・コジェネレーションシステムやディーゼルエンジン・コジェネレーションシステム、あるいは産業用ボイラなど、高温の排気ガスを排出するガス排出源を有するシステムに適用可能である。
【００５４】
このように、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を加え得ることは勿論である。
【符号の説明】
【００５５】
１  熱輸送装置
２  熱媒蒸気ボイラ
３  熱負荷
４  調圧弁
５  ドレン槽
６  蒸気トラップ
７  液熱媒ポンプ
９  エコノマイザ
１０  ガスタービンエンジン・コジェネレーションシステム（ガス排出源）
１１  ガスタービンエンジン
１２  廃熱利用装置
【図１】
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【図２】
2011179710.tif 000005
【図３】
2011179710.tif 000006