(57)【要約】【課題】熱処理炉内の圧力低下を抑制することが可能なガス供給装置および排ガス発電システムを提供する。【解決手段】ガス供給装置４は、熱処理炉２と発電装置３とを接続する第１の流路１１と、第１の流路１１に配置され、第１の流路１１を流れる排ガスの圧力を制御する圧力制御弁２１と、熱処理炉２内の圧力を測定する炉内圧力計５１とを備えている。そして、圧力制御弁２１は、炉内圧力計５１により測定された熱処理炉２内の圧力が予め決定された値を下回った場合に第１の流路１１内の排ガスの圧力を上昇させるように排ガスの圧力を制御する。【選択図】図１
2011112030.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱処理炉から排出される排ガスを発電装置に供給するガス供給装置であって、
前記熱処理炉と前記発電装置とを接続する第１の流路と、
前記第１の流路に配置され、前記第１の流路を流れる前記排ガスの圧力を制御する圧力制御部と、
前記熱処理炉内の圧力を測定する炉内圧力計とを備え、
前記圧力制御部は、前記炉内圧力計により測定された前記熱処理炉内の圧力が予め決定された値を下回った場合に前記第１の流路内の前記排ガスの圧力を上昇させるように前記排ガスの圧力を制御する、ガス供給装置。
【請求項２】
熱処理炉から排出される排ガスを発電装置に供給するガス供給装置であって、
前記熱処理炉と前記発電装置とを接続する第１の流路と、
前記第１の流路に配置され、前記第１の流路を流れる前記排ガスの圧力を制御する圧力制御部と、
前記第１の流路の前記圧力制御部よりも上流側に配置され、前記第１の流路を流れる前記排ガスの質量流量を測定するマスフローメータとを備え、
前記圧力制御部は、前記マスフローメータにより測定された前記排ガスの質量流量が予め決定された値を上回った場合に前記第１の流路内の前記排ガスの圧力を上昇させるように前記排ガスの圧力を制御する、ガス供給装置。
【請求項３】
前記熱処理炉内の圧力を測定する炉内圧力計をさらに備え、
前記圧力制御部は、前記炉内圧力計により測定された前記熱処理炉内の圧力が予め決定された値を下回った場合に前記第１の流路内の前記排ガスの圧力を上昇させるように前記排ガスの圧力を制御する、請求項２に記載のガス供給装置。
【請求項４】
熱処理炉から排出される排ガスを発電装置に供給するガス供給装置であって、
前記熱処理炉と前記発電装置とを接続する第１の流路と、
前記第１の流路に配置され、前記第１の流路を流れる前記排ガスの圧力を制御する圧力制御部と、
前記第１の流路の前記圧力制御部よりも上流側に配置され、前記第１の流路を流れる前記排ガスの圧力を測定する流路圧力計とを備え、
前記圧力制御部は、前記流路圧力計により測定された前記第１の流路内の圧力が予め決定された値を下回った場合に前記第１の流路内の前記排ガスの圧力を上昇させるように前記排ガスの圧力を制御する、ガス供給装置。
【請求項５】
前記第１の流路の前記圧力制御部よりも上流側に配置され、前記第１の流路を流れる前記排ガスの質量流量を測定するマスフローメータをさらに備え、
前記圧力制御部は、前記マスフローメータにより測定された前記排ガスの質量流量が予め決定された値を上回った場合に前記第１の流路内の前記排ガスの圧力を上昇させるように前記排ガスの圧力を制御する、請求項４に記載のガス供給装置。
【請求項６】
前記熱処理炉内の圧力を測定する炉内圧力計をさらに備え、
前記圧力制御部は、前記炉内圧力計により測定された前記熱処理炉内の圧力が予め決定された値を下回った場合に前記第１の流路内の前記排ガスの圧力を上昇させるように前記排ガスの圧力を制御する、請求項４または５に記載のガス供給装置。
【請求項７】
前記第１の流路の前記圧力制御部よりも上流側から分岐し、前記排ガスを外部に排出する第２の流路と、
前記第２の流路に配置され、前記第２の流路と外部との連通および遮断を制御する連通制御弁とをさらに備えた、請求項１〜６のいずれか１項に記載のガス供給装置。
【請求項８】
前記第２の流路の外部への開口に隣接するように配置され、前記開口から排出される排ガスを燃焼させるバーナをさらに備えた、請求項７に記載のガス供給装置。
【請求項９】
前記第２の流路に配置され、前記第２の流路を流れる前記排ガスの圧力を調整する絞りをさらに備えた、請求項７または８に記載のガス供給装置。
【請求項１０】
前記第２の流路に配置され、外部から前記第２の流路を通じて前記第１の流路に外部の雰囲気が流入することを抑制する逆止弁をさらに備えた、請求項７〜９のいずれか１項に記載のガス供給装置。
【請求項１１】
前記第１の流路の前記圧力制御部よりも下流側に配置され、前記排ガスを加圧する加圧ブロワをさらに備えた、請求項１〜１０のいずれか１項に記載のガス供給装置。
【請求項１２】
前記第１の流路の前記加圧ブロワよりも下流側に配置され、前記加圧ブロワにより加圧された前記排ガスを保持するガスホルダをさらに備えた、請求項１１に記載のガス供給装置。
【請求項１３】
前記第１の流路の前記ガスホルダよりも下流側に配置され、前記ガスホルダ内の排ガスを加圧して前記発電装置に供給する供給ブロワをさらに備えた、請求項１２に記載のガス供給装置。
【請求項１４】
熱処理炉と、
発電装置と、
前記熱処理炉から排出された排ガスを前記発電装置に供給するガス供給装置とを備え、
前記ガス供給装置は、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のガス供給装置である、排ガス発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガス供給装置および排ガス発電システムに関し、より特定的には、熱処理炉から排出される排ガスを発電装置に供給するガス供給装置、および当該ガス供給装置を備えた排ガス発電システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱処理炉においては、被処理物を加熱するための雰囲気として可燃性のガスが用いられる場合がある。たとえば鋼からなる被処理物をオーステナイト化温度以上の温度域において加熱する浸炭処理、浸炭窒化処理、焼入硬化処理などの熱処理においては、雰囲気ガスとして炭化水素ガスを原料とする吸熱型変成ガスが一般に用いられる。この吸熱型変成ガスを雰囲気ガスとして用いることにより、ブードア反応によって被処理物の表面における炭素量を制御することができる。
【０００３】
一般に、吸熱型変成ガスは高温(例えば１０５０℃程度)でＮｉ触媒の存在下において炭化水素ガスと空気とを混合させることにより、発生させることができる。原料として通常用いられている炭化水素ガスは、ＣＨ４（メタン）、Ｃ３Ｈ８（プロパン）、Ｃ４Ｈ１０（ブタン）、あるいはこれらの混合ガスである。たとえば、原料ガスとしてＣ３Ｈ８を用いた場合、ＣＯ（一酸化炭素）の体積分率が２３．７％、Ｈ２（水素）の体積分率が３１．６％、Ｎ２（窒素）の体積分率が４４．６％の吸熱型変成ガスが得られる（たとえば、非特許文献１参照）。この吸熱型変成ガスを構成するＣＯおよびＨ２は、可燃性を有している。
【０００４】
そして、一般的な熱処理においては、熱処理炉内の圧力を正圧(ゲージ圧で５０〜２００Ｐａ程度)に保つ目的で、被処理物との反応に実際に寄与する量よりも大幅に多い量の吸熱型変成ガスが熱処理炉内に供給される。その結果、吸熱型変成ガスはその組成を大きく変えることなく熱処理炉から排気ガスとして排気される。ここで、上述のようにＣＯおよびＨ２は可燃性ガスであるため、なんら処理することなく大気中に排出されると高温で大気中の酸素と混合し、爆発等が発生するおそれがある。また、ＣＯは毒性を有するため、そのまま大気中に排出することは好ましくない。そのため、熱処理炉の排気口付近にはバーナが設けられ、吸熱型変成ガスに含まれるＣＯおよびＨ２は当該バーナにより着火され、それぞれＣＯ２（二酸化炭素）およびＨ２Ｏ（水）に変換されて大気中に放出される。
【０００５】
ところで、ＣＯの燃焼熱は２８３ｋＪ／ｍｏｌ、Ｈ２の燃焼熱は２８６ｋＪ／ｍｏｌである。すなわち、上述のようなＣＯおよびＨ２のＣＯ２およびＨ２Ｏへの変換においては、大きなエネルギーが発生している。これに対し、熱処理炉の排気口の下流側に発電装置としてガス圧縮機とタービンエンジンとを設け、排ガス中の可燃性ガスを燃料として利用する発電システムが検討されている。また、このような発電システムにおいて、発電装置の駆動が停止またはこれらの運転状況が変更され、発電装置への排ガスの供給速度（単位時間あたりの供給量）が低下した場合でも、熱処理炉の運転を継続可能な構造が提案されている。（たとえば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−５７５０８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】原泰三、熱処理炉の設計と実際、改訂第２版、新日本鋳鍛造出版会、２００５年、ｐ．１２０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明者は、上述のような排ガス中の可燃性ガスを燃料として利用する排ガス発電システムを実用化するにあたり、詳細な検討を行なった。その結果、排ガス発電システムを実用化するためには、以下のような課題の解決が必要であることを見出した。
【０００９】
すなわち、熱処理炉から排出されるガスを利用して発電するにあたり、当該発電が熱処理炉の運転の安定性に影響を与えることを回避する必要がある。上述のように、ガス圧縮機やタービンエンジンの駆動が停止またはこれらの運転状況が変更され、発電装置への排ガスの供給速度が低下した場合でも、特許文献１に記載の構造を採用することにより、熱処理炉の運転を継続することができる。しかしながら、本発明者による検討によれば、発電装置への排ガスの供給速度が低下しない場合でも、熱処理炉の運転継続が困難になる場合があることが明らかとなった。
【００１０】
上述のように、熱処理炉内の圧力は、大気圧よりもやや高い圧力に保たれている。これは、高温の可燃性ガスが存在する熱処理炉内に外部から酸素が侵入することによる爆発等の発生を回避することを目的としている。しかし、発電装置の運転状況の変動によって発電装置への排ガスの供給速度が上昇した場合、熱処理炉内が負圧になる可能性がある。この場合、外部から熱処理炉内に酸素が侵入し、爆発等が発生するおそれがある。したがって、上記排ガス発電システムを実用化するためには、この課題を解決する必要がある。
【００１１】
そこで、本発明の目的は、熱処理炉内の圧力低下を抑制することが可能なガス供給装置および排ガス発電システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一の局面に従ったガス供給装置は、熱処理炉から排出される排ガスを発電装置に供給するガス供給装置である。このガス供給装置は、熱処理炉と発電装置とを接続する第１の流路と、第１の流路に配置され、第１の流路を流れる排ガスの圧力を制御する圧力制御部と、熱処理炉内の圧力を測定する炉内圧力計とを備えている。そして、上記圧力制御部は、炉内圧力計により測定された熱処理炉内の圧力が予め決定された値を下回った場合に、第１の流路内の排ガスの圧力を上昇させるように排ガスの圧力を制御する。
【００１３】
また、本発明の他の局面に従ったガス供給装置は、熱処理炉から排出される排ガスを発電装置に供給するガス供給装置である。このガス供給装置は、熱処理炉と発電装置とを接続する第１の流路と、第１の流路に配置され、第１の流路を流れる排ガスの圧力を制御する圧力制御部と、第１の流路の圧力制御部よりも上流側に配置され、第１の流路を流れる排ガスの質量流量を測定するマスフローメータとを備えている。そして、上記圧力制御部は、マスフローメータにより測定された排ガスの質量流量が予め決定された値を上回った場合に、第１の流路内の排ガスの圧力を上昇させるように排ガスの圧力を制御する。
【００１４】
上記他の局面に従ったガス供給装置においては、熱処理炉内の圧力を測定する炉内圧力計をさらに備えていてもよい。この場合、圧力制御部は、炉内圧力計により測定された熱処理炉内の圧力が予め決定された値を下回った場合に第１の流路内の排ガスの圧力を上昇させるように排ガスの圧力を制御する。
【００１５】
また、本発明のさらに他の局面に従ったガス供給装置は、熱処理炉から排出される排ガスを発電装置に供給するガス供給装置である。このガス供給装置は、熱処理炉と発電装置とを接続する第１の流路と、第１の流路に配置され、第１の流路を流れる排ガスの圧力を制御する圧力制御部と、第１の流路の圧力制御部よりも上流側に配置され、第１の流路を流れる排ガスの圧力を測定する流路圧力計とを備えている。そして、上記圧力制御部は、流路圧力計により測定された第１の流路内の圧力が予め決定された値を下回った場合に、第１の流路内の排ガスの圧力を上昇させるように排ガスの圧力を制御する。
【００１６】
上記さらに他の局面に従ったガス供給装置においては、第１の流路の圧力制御部よりも上流側に配置され、第１の流路を流れる排ガスの質量流量を測定するマスフローメータをさらに備えていてもよい。この場合、上記圧力制御部は、マスフローメータにより測定された排ガスの質量流量が予め決定された値を上回った場合に、第１の流路内の排ガスの圧力を上昇させるように排ガスの圧力を制御する。
【００１７】
上記さらに他の局面に従ったガス供給装置においては、熱処理炉内の圧力を測定する炉内圧力計をさらに備えていてもよい。この場合、上記圧力制御部は、炉内圧力計により測定された熱処理炉内の圧力が予め決定された値を下回った場合に、第１の流路内の排ガスの圧力を上昇させるように排ガスの圧力を制御する。
【００１８】
上述のように、本発明のガス供給装置においては、熱処理炉と発電装置とを接続する第１の流路に圧力制御部が配置されるとともに、熱処理炉内の圧力を測定する炉内圧力計、圧力制御部よりも上流側の排ガスの質量流量を測定するマスフローメータ、および圧力制御部よりも上流側の排ガスの圧力を測定する流路圧力計のうち少なくとも１つが設置される。そして、炉内圧力計、マスフローメータおよび流路圧力計のうち少なくともいずれか１つの測定値が、熱処理炉内の圧力の低下を示す値となった場合、圧力制御部が第１の流路内の排ガスの圧力を上昇させ、熱処理炉内の圧力を上昇させる。その結果、上記本発明に従ったガス供給装置によれば、たとえば発電装置の運転状況によって排ガスの消費速度が上昇した場合でも、熱処理炉内の圧力低下を抑制することができる。
【００１９】
上記ガス供給装置において好ましくは、第１の流路の圧力制御部よりも上流側から分岐し、排ガスを外部に排出する第２の流路と、第２の流路に配置され、第２の流路と外部との連通および遮断を制御する連通制御弁とをさらに備えている。
【００２０】
これにより、発電装置による排ガスの消費速度が低下し、炉内圧力計、マスフローメータおよび流路圧力計のうちいずれかの測定値が熱処理炉内の圧力の上昇を示す値となった場合、連通制御弁を第２の流路と外部とが連通する状態として、第２の流路から排ガスを外部に排出することができる。その結果、熱処理炉内の圧力が上昇して熱処理炉から雰囲気ガスが漏れ出すことを抑制することができる。
【００２１】
上記ガス供給装置において好ましくは、第２の流路の外部への開口に隣接するように配置され、当該開口から排出される排ガスを燃焼させるバーナをさらに備えている。
【００２２】
これにより、第２の流路から排出される排ガスを燃焼させ、可燃性や毒性を有するガス成分を無害化することができる。
【００２３】
上記ガス供給装置において好ましくは、第２の流路に配置され、第２の流路を流れる排ガスの圧力を調整する絞りをさらに備えている。
【００２４】
これにより、第２の流路内の圧力を制御し、第２の流路から排ガスを排出する場合における熱処理炉内の圧力を所望の範囲に調整することができる。
【００２５】
上記ガス供給装置において好ましくは、第２の流路に配置され、外部から第２の流路を通じて第１の流路に外部の雰囲気が流入することを抑制する逆止弁をさらに備えている。
【００２６】
これにより、第２の流路内が負圧になった場合でも、第２の流路を通じて外部の雰囲気に含まれる酸素が熱処理炉内に流入することを抑制することができる。
【００２７】
上記ガス供給装置において好ましくは、第１の流路の圧力制御部よりも下流側に配置され、排ガスを加圧する加圧ブロワをさらに備えている。
【００２８】
これにより、排ガスを加圧した状態で発電装置へと供給することが可能となり、発電装置における排ガスの安定した燃焼に寄与することができる。
【００２９】
上記ガス供給装置において好ましくは、第１の流路の上記加圧ブロワよりも下流側に配置され、加圧ブロワにより加圧された排ガスを保持するガスホルダをさらに備えている。
【００３０】
これにより、加圧ブロワにより加圧された排ガスをガスホルダに一旦保持し、発電装置において必要な量の排ガスをガスホルダから発電装置に供給することができる。その結果、熱処理炉内の圧力に影響を与えることなく、発電装置の稼動状況の変化に応じた発電装置への排ガスの供給を実現することができる。
【００３１】
上記ガス供給装置において好ましくは、第１の流路の上記ガスホルダよりも下流側に配置され、ガスホルダ内の排ガスを加圧して発電装置に供給する供給ブロワをさらに備えている。
【００３２】
これにより、ガスホルダ内の排ガスをさらに加圧した状態で発電装置へと供給することが可能となる。その結果、発電装置における排ガスの燃焼を一層安定させることができる。
【００３３】
本発明に従った排ガス発電システムは、熱処理炉と、発電装置と、熱処理炉から排出された排ガスを発電装置に供給するガス供給装置とを備えている。そして、当該ガス供給装置は、上記本発明のガス供給装置である。
【００３４】
本発明の排ガス発電システムは、熱処理炉内の圧力低下を抑制することが可能な本発明のガス供給装置を備えているため、熱処理炉内の圧力低下を抑制しつつ、排ガスを利用した発電を行なうことができる。
【発明の効果】
【００３５】
以上の説明から明らかなように、本発明のガス供給装置および排ガス発電システムによれば、熱処理炉内の圧力低下を抑制することが可能なガス供給装置および排ガス発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】排ガス発電システムの構成を示す概略図である。
【図２】実施の形態２における排ガス発電システムの構成を示す概略図である。
【図３】実施の形態３における排ガス発電システムの構成を示す概略図である。
【図４】実験装置の構造を示す概略図である。
【図５】経過時間と熱処理炉内の圧力との関係を示す図である。
【図６】経過時間と熱処理炉内の圧力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰り返さない。
【００３８】
（実施の形態１）
まず、図１を参照して、本発明の一実施の形態である実施の形態１におけるガス供給装置、および当該ガス供給装置を備えた排ガス発電システムについて説明する。なお、以下の図１〜図４において実線の矢印は排ガスの流れを示しており、破線の矢印は制御信号の流れを示している。図１を参照して、本実施の形態における排ガス発電システム１は、たとえば鋼からなる被処理物を熱処理するために雰囲気ガス供給源（図示しない）から吸熱型変成ガスが供給される熱処理炉２と、発電装置３と、熱処理炉２から排出されたＣＯおよびＨ２を含む排ガスを発電装置３に供給するガス供給装置４とを備えている。ガス供給装置４は、熱処理炉２と発電装置３とを接続する第１の流路１１と、第１の流路１１に配置され、第１の流路１１を流れる排ガスの圧力を制御する圧力制御部としての圧力制御弁２１と、熱処理炉２内の圧力を測定する炉内圧力計５１と、第１の流路１１の圧力制御弁２１よりも上流側に配置され、第１の流路１１を流れる排ガスの質量流量を測定するマスフローメータ５２とを備えている。
【００３９】
発電装置３は、排ガスの燃焼によってタービンを回転させ、燃焼による熱エネルギーを運動エネルギーに変換するガスエンジン３１と、ガスエンジン３１に接続され、ガスエンジン３１において発生した運動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機３２とを含んでいる。第１の流路１１は、ガスエンジン３１に接続されている。
【００４０】
そして、圧力制御弁２１は、炉内圧力計５１により測定された熱処理炉２内の圧力が予め決定された値を下回った場合に、圧力制御弁２１を通過する排ガスの量が減少するようにすることにより、あるいは圧力制御弁２１を排ガスが通過しないようにすることにより、第１の流路１１内の排ガスの圧力を上昇させる。また、圧力制御弁２１は、マスフローメータ５２により測定された排ガスの質量流量が予め決定された値を上回った場合にも、同様に第１の流路１１内の排ガスの圧力を上昇させる。
【００４１】
このような構造を有していることにより、本実施の形態におけるガス供給装置４は、たとえば発電装置３の運転状況によって排ガスの消費速度が上昇した場合でも、熱処理炉２内の圧力低下を抑制することができる。
【００４２】
また、本実施の形態におけるガス供給装置４は、第１の流路１１の圧力制御弁２１よりも下流側に配置され、排ガスを加圧する加圧ブロワ２２を備えている。この加圧ブロワ２２は本発明のガス供給装置において必須のものではないが、これを備えていることにより、本実施の形態のガス供給装置４は、排ガスを加圧した状態で発電装置３へと供給することが可能となっており、発電装置３における排ガスの安定した燃焼に寄与することができる。
【００４３】
さらに、本実施の形態におけるガス供給装置４は、第１の流路１１の加圧ブロワ２２よりも下流側に配置され、加圧ブロワ２２により加圧された排ガスを保持するガスホルダ２３を備えている。このガスホルダ２３も本発明のガス供給装置において必須のものではないが、これを備えていることにより、本実施の形態のガス供給装置４は、加圧ブロワ２２により加圧された排ガスをガスホルダ２３に一旦保持し、発電装置３において必要な量の排ガスをガスホルダ２３から発電装置３に供給することができる。その結果、熱処理炉２内の圧力に影響を与えることなく、発電装置３の稼動状況の変化に応じた発電装置３への排ガスの供給が可能となっている。また、ガスホルダ２３には充填率計２５が接続され、ガスホルダ２３の規定の容量に対する排ガスの充填率の測定が可能となっている。
【００４４】
さらに、本実施の形態におけるガス供給装置４は、第１の流路１１のガスホルダ２３よりも下流側に配置され、ガスホルダ２３内の排ガスを加圧して発電装置３に供給する供給ブロワ２４を備えている。この供給ブロワ２４も本発明のガス供給装置において必須のものではないが、これを備えていることにより、本実施の形態のガス供給装置４は、ガスホルダ２３内の排ガスをさらに加圧した状態で発電装置３へと供給できるため、発電装置３における排ガスの燃焼を一層安定させることが可能となっている。
【００４５】
また、本実施の形態におけるガス供給装置４は、第１の流路１１の圧力制御弁２１よりも上流側であって、マスフローメータ５２よりも下流側から分岐し、排ガスを外部に排出する第２の流路１２と、第２の流路１２に配置され、第２の流路１２と外部との連通および遮断を制御する連通制御弁としての電磁弁４２とを備えている。この第２の流路１２および電磁弁４２も本発明のガス供給装置において必須のものではないが、これを備えていることにより、本実施の形態のガス供給装置４は、発電装置３による排ガスの消費速度が低下し、炉内圧力計５１およびマスフローメータ５２のうち少なくともいずれか一方の測定値が熱処理炉２内の圧力の上昇を示す値となった場合、電磁弁４２を第２の流路１２と外部とが連通する状態として、第２の流路１２から排ガスを外部に排出することができる。その結果、ガス供給装置４は、熱処理炉２内の圧力が上昇して熱処理炉２から雰囲気ガスが漏れ出すことを抑制可能となっている。
【００４６】
さらに、本実施の形態におけるガス供給装置４は、第２の流路１２の外部への開口１２Ａに隣接するように配置され、開口１２Ａから排出される排ガスを燃焼させるバーナ４４を備えている。このバーナ４４も本発明のガス供給装置において必須のものではないが、これを備えていることにより、本実施の形態のガス供給装置４は、第２の流路１２から排出される排ガスを燃焼させ、可燃性や毒性を有するガス成分であるＣＯやＨ２を無害化することが可能となっている。
【００４７】
また、本実施の形態におけるガス供給装置４は、第２の流路１２に配置され、第２の流路１２を流れる排ガスの圧力を調整する絞り４１を備えている。この絞り４１も本発明のガス供給装置において必須のものではないが、これを備えていることにより、本実施の形態のガス供給装置４は、第２の流路１２内の圧力を制御し、第２の流路１２から排ガスを排出する場合における熱処理炉２内の圧力を所望の範囲に調整することが可能となっている。
【００４８】
さらに、本実施の形態におけるガス供給装置４は、第２の流路１２に配置され、外部から第２の流路１２を通じて第１の流路１１に外部の雰囲気が流入することを抑制する逆止弁４３を備えている。この逆止弁４３も本発明のガス供給装置において必須のものではないが、これを備えていることにより、本実施の形態のガス供給装置４は、第２の流路１２内が負圧になった場合でも、第２の流路１２を通じて外部の雰囲気に含まれる酸素が熱処理炉２内に流入することが抑制されている。
【００４９】
また、図１に示すように、第１の流路１１には、排ガス中に含まれるススなどを除去するためのフィルタ７１や、排ガス中に含まれる水などを除去するためのミストセパレータ７２を配置することができる。これにより、排ガス中のススや水などがガスエンジンに流入することが抑制される。
【００５０】
次に、実施の形態１における排ガス発電システム１の動作について、鋼からなる被処理物が吸熱型変成ガス雰囲気中においてオーステナイト化温度以上の温度域に加熱されて熱処理される場合を例に説明する。図１を参照して、まず、熱処理炉２に被処理物が装入された状態で、変成炉などの雰囲気ガス供給源（図示しない）から吸熱型変成ガスが熱処理炉２に供給されつつ、被処理物が所望の温度に加熱されて熱処理される。このとき、熱処理炉からは、可燃性ガスであるＣＯガスおよびＨ２ガスを含む排ガスが室温付近にまで冷却された状態で排出され、たとえば１０Ｎｍ３／ｈの流量で第１の流路１１に流入する。また、熱処理炉２の内部は正圧（大気圧よりも高い圧力）に維持されている。そのため、排ガスの圧力も５０〜２００Ｐａ程度の正圧、たとえば１００Ｐａ(ゲージ圧)の正圧となっている。一方、熱処理炉２には、炉内圧力計５１が設置され、熱処理炉２内の圧力が監視される。
【００５１】
熱処理炉２から排出される排ガスは、吸熱型変成ガスとほぼ同じ組成であるため、室温付近にまで冷却されるとスス(グラファイト)を析出する。そのため、第１の流路１１に流入した排ガスは、まず、流入口付近に配置されたフィルタ７１を通過し、ススが除去される。次に、フィルタ７１を通過した排ガスは、マスフローメータ５２を通過する。そして、マスフローメータ５２により、排ガスの質量流量が監視される。
【００５２】
マスフローメータ５２を通過した排ガスは、圧力制御弁２１およびフィルタ７１を通過して加圧ブロワ２２に到達し、たとえば１ｋＰａ程度にまで加圧される。圧力制御弁２１には、微差圧制御が可能なものが採用される。また、圧力制御弁２１としては、その開閉速度が高いものが採用されることが好ましく、たとえばエア式の弁を採用することができる。ここで、加圧ブロワ２２により排ガスが加圧されることに伴って、加圧ブロワ２２よりも上流側（熱処理炉２の側）の排ガスは加圧ブロワ２２に向けて吸引される。このとき、熱処理炉２内が負圧になると熱処理炉２内に外部から酸素が流入するおそれがある。そのため、炉内の圧力を監視する炉内圧力計の測定値が予め決定された値を下回った場合、あるいは加圧ブロワ２２および圧力制御弁２１よりも上流側の排ガスの質量流量を監視するマスフローメータの測定値が予め決定された値を上回った場合、圧力制御弁２１を通過する排ガスの量が減少するように、あるいは圧力制御弁２１を排ガスが通過しないように圧力制御弁２１が動作して、第１の流路１１内の排ガスの圧力を上昇させる。これにより、熱処理炉２内が負圧になることが回避される。
【００５３】
加圧ブロワ２２によって加圧された排ガスは、加圧ブロワ２２の下流側（発電装置３の側）に配置されたガスホルダ２３に貯留される。ガスホルダ２３としては、たとえば耐圧１５ＭＰａ程度、容量５０Ｌ程度のものを採用することができる。また、ガスホルダ２３には充填率計２５が設置され、充填率が監視される。
【００５４】
ガスホルダ２３内に貯留された排ガスは、下流側に配置された供給ブロワ２４により、たとえば５０ｋＰａ程度にまでさらに加圧されて燃料としてガスエンジン３１に供給される。このとき、排ガスはミストセパレータ７２およびフィルタ７１を通過した上で供給ブロワ２４に到達することにより、水およびススなどが除去される。これにより、水やススなどがガスエンジン３１に浸入することが抑制される。そして、ガスエンジン３１において排ガスは燃料として用いられ、発電機３２が動作することにより発電が達成される。このようにして得られた電気エネルギーは、たとえば熱処理炉２の恒温保持などのエネルギーとして使用することができる。
【００５５】
一方、上記発電の流れに不具合等が発生した場合、以下に示すフェール・セーフ機構が動作する。たとえば発電装置３による排ガスの消費速度が低下、または停止した場合、正常運転時には閉状態とされている電磁弁４２が開状態となる。これにより、第２の流路１２によって、第１の流路１１のマスフローメータ５２よりも下流側であって圧力制御弁２１よりも上流側の領域は、外部と連通する。このとき、絞り４１のはたらきにより、第２の流路１２内は、たとえば圧力１００Ｐａ(ゲージ圧)、排ガスの流量１０Ｎｍ３／ｈの流量の状態とされる。その結果、上記発電の流れに生じた不具合の影響を受けることなく、熱処理炉２からは圧力１００Ｐａ(ゲージ圧)、流量１０Ｎｍ３／ｈで排ガスが排出される状態が維持される。そして、第２の流路１２の開口１２Ａから排出される排ガス中のＣＯおよびＨ２は、バーナ４４により着火され、それぞれＣＯ２およびＨ２Ｏに変換されて無害化された後、大気中に放出される。
【００５６】
上述のような排ガス発電システム１の動作は、たとえば以下のような動作のプログラムが格納された制御部６１により制御される。まず、排ガス発電システム１の起動前は上記フェール・セーフ機構が作動している状態であり、第２の流路１２に設置された電磁弁４２は開状態、圧力制御弁２１は閉状態となっている。そして、排ガス発電システム１が起動されると、制御部６１からの制御信号により、加圧ブロワ２２の作動、圧力制御弁２１の開状態への変更および電磁弁４２の閉状態への変更が実施される。さらに、ガスホルダ２３の充填率がたとえば５０％に到達すると、供給ブロワ２４、ガスエンジン３１および発電機３２が動作し、発電が始まる。
【００５７】
動作中の排ガス発電システム１が停止する際には、制御部６１からの制御信号により、加圧ブロワ２２、供給ブロワ２４、ガスエンジン３１および発電機３２が停止する。そして、電磁弁４２が開状態となるとともに、圧力制御弁２１が閉状態となる。
【００５８】
一方、排ガス発電システム１の動作中において、たとえばマスフローメータ５２の指示値が狙い値に対して±３０％を超える状態となった場合、あるいは炉内圧力計５１の指示値が狙い値に対して±３０％を超える状態となった場合、この情報を受けた制御部６１からの制御信号により、加圧ブロワ２２、供給ブロワ２４、ガスエンジン３１および発電機３２が停止する。また、電磁弁４２が開状態に変更されるとともに、圧力制御弁２１が閉状態に変更される。そして、たとえば１０分経過後、マスフローメータ５２の指示値および炉内圧力計５１の指示値が確認される。これらの指示値が狙い値に対して、たとえば±５％以内となっていない場合、さらに１０分経過後、マスフローメータ５２の指示値および炉内圧力計５１の指示値が再度確認される。一方、これらの指示値が狙い値に対して、たとえば±５％以内となったことが確認されると、この情報を受けた制御部６１からの制御信号により、加圧ブロワ２２が作動し、圧力制御弁２１が開状態に、電磁弁４２が閉状態に変更される。さらに、ガスホルダ２３の充填率が充填率計２５により測定され、充填率がたとえば５０％に到達していることが確認されると、この情報を受けた制御部６１からの制御信号により、供給ブロワ２４、ガスエンジン３１および発電機３２が作動を再開する。
【００５９】
また、排ガス発電システム１の動作中において、充填率計２５により測定されたガスホルダ２３の充填率が、たとえば２０％未満となった場合、この情報を受けた制御部６１からの制御信号により、供給ブロワ２４、ガスエンジン３１および発電機３２が停止する。その後、上記充填率がたとえば５０％となったことが確認されると、この情報を受けた制御部６１からの制御信号により、供給ブロワ２４、ガスエンジン３１および発電機３２が再度作動する。
【００６０】
また、排ガス発電システム１の動作中において、充填率計２５により測定されたガスホルダ２３の充填率が、たとえば１１０％以上となった場合、この情報を受けた制御部６１からの制御信号により、加圧ブロワ２２、供給ブロワ２４、ガスエンジン３１および発電機３２が停止するとともに、電磁弁４２が開状態、圧力制御弁２１が閉状態に変更される。その後、上記充填率がたとえば５０％にまで低下したことが確認されると、この情報を受けた制御部６１からの制御信号により、電磁弁４２が閉状態に、圧力制御弁２１が開状態に変更されるとともに、加圧ブロワ２２、供給ブロワ２４、ガスエンジン３１および発電機３２が作動する。
【００６１】
なお、上記実施の形態１においては、圧力制御部として圧力制御弁２１が設置される場合について説明したが、部品点数を低減する観点から、たとえば圧力制御弁２１を省略するとともに、加圧ブロワ２２をインバータ制御可能な制御装置に接続し、加圧ブロワ２２を圧力制御部として利用してもよい。また、上記実施の形態１においては、熱処理炉２内の圧力を監視する炉内圧力計５１と、熱処理炉２から排出される排ガスの質量流量を監視するマスフローメータ５２の両方が設置される場合について説明したが、これらのうちいずれか一方のみを採用し、同様の動作を達成することもできる。ただし、より高い安全性を確保する観点からは、上述のように両方が設置される構造が好ましい。
【００６２】
（実施の形態２）
次に、本発明の他の実施の形態である実施の形態２について説明する。図２を参照して、実施の形態２における排ガス発電システム１およびガス供給装置４は、基本的には上記実施の形態１の場合と同様の構造を有し、同様に動作するとともに同様の効果を奏する。しかし、実施の形態２における排ガス発電システム１は、熱処理炉を複数基（３基）備えており、これに対応してガス供給装置４の構造が実施の形態１とは異なっている。
【００６３】
すなわち、実施の形態２におけるガス供給装置４の第１の流路１１は、３基の熱処理炉２との接続部において３つの流路１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃを備えており、当該３つの流路１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃが、それぞれ１基の熱処理炉２に接続されている。そして、３つの流路１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃは、下流側において合流して１本の第１の流路１１となっている。そして、第１の流路１１において合流点よりも下流側に、実施の形態１の場合と同様にマスフローメータ５２、圧力制御弁２１、加圧ブロワ２２などが設置されている。
【００６４】
そして、第１の流路１１において上記合流点よりも下流側であってマスフローメータ５２よりも上流側には、第１の流路１１を流れる排ガスの圧力を測定する流路圧力計５３が配置されている。この流路圧力計５３により測定された第１の流路１１を流れる排ガスの圧力の情報は制御部６１に伝達される。そして、この情報に基づく制御部６１からの制御信号により、圧力制御弁２１や加圧ブロワ２２の動作が制御される。つまり、流路圧力計５３による圧力の測定値が所定の値よりも低い場合、圧力制御部としての圧力制御弁２１や加圧ブロワ２２は、第１の流路１１内の圧力を上昇させるように動作する。また、第１の流路１１において圧力制御弁２１よりも下流側であって加圧ブロワ２２よりも上流側には、第２のマスフローメータ５４が配置される。この第２のマスフローメータ５４により測定された質量流量の情報も、制御部６１に伝達される。
【００６５】
一方、第１の流路１１の３つの流路１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃのそれぞれからは、第２の流路１２が分岐している。この第２の流路１２のそれぞれには、上流側（熱処理炉の側）から順に実施の形態１と同様の絞り４１および電磁弁４２が配置されている。そして、さらに下流側において３つの流路１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃに対応する３つの第２の流路１２は合流して１本の第２の流路１２となっている。合流点よりも下流側には、実施の形態１と同様の逆止弁４３が配置されている。
【００６６】
このような構造を有することにより、実施の形態２におけるガス供給装置４は、複数基（３基）の熱処理炉２から排出される排ガスを発電装置３に供給することができる。
【００６７】
（実施の形態３）
次に、本発明のさらに他の実施の形態である実施の形態３について説明する。図３を参照して、実施の形態３における排ガス発電システム１およびガス供給装置４は、基本的には上記実施の形態２の場合と同様の構造を有している。しかし、実施の形態３におけるガス供給装置４は、３つの流路１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃのそれぞれにマスフローメータ５２および圧力制御弁２１が配置されている点において実施の形態２の場合とは異なっている。
【００６８】
このように、３基の熱処理炉２のそれぞれに対応した圧力制御部としての圧力制御弁２１を含んでいることにより、実施の形態３におけるガス供給装置４は、複数の熱処理炉２内の圧力を独立に制御することが可能となっている。なお、複数の熱処理炉２内の圧力を独立に制御する必要がない場合、上記実施の形態２の構造を採用することにより、部品点数を減少させ、ガス供給装置の低コスト化を達成することができる。
【００６９】
なお、実施の形態３における排ガス発電システム１およびガス供給装置４は、上記実施の形態１および２と同様に動作し、同様の効果を奏する。また、上記実施の形態において説明した炉内圧力計５１、マスフローメータ５２および流路圧力計５３は、いずれか１つ、あるいは２つ以上組み合わせてガス供給装置４に設置することができる。
【実施例１】
【００７０】
本発明のガス供給装置が所望の機能を果たすためには、圧力制御部によって熱処理炉内の圧力が適切に制御できることが必要となる。そこで、本発明のガス供給装置と同様の構造を有する実験装置を準備し、圧力制御部による適切な熱処理炉内の圧力制御が可能であることを確認する実験を行なった。実験の手順は以下の通りである。
【００７１】
まず、図４を参照して実験装置について説明する。実験装置１００は、排気口に設置された炉圧調整用の絞りが取り外された熱処理炉１０２と、熱処理炉１０２の排気口に接続された配管である流路１１１と、流路１１１に上流側（熱処理炉１０２に近い側）から順に設置されたフィルタ１７１、流量計１５２、圧力制御部としての圧力制御弁１２１および加圧ブロワ１２２と、熱処理炉１０２に設置された炉内圧力計１５１と、炉内圧力計１５１からの情報を受けて圧力制御弁１２１を制御する制御部１６１とを備えている。
【００７２】
そして、熱処理炉１０２内に窒素（Ｎ２）ガスを５、１０、１５Ｎｍ３／ｈの３水準の流量で供給するとともに、熱処理炉１０２内の圧力が３分間隔または６分間隔で５０Ｐａの状態と１５０Ｐａの状態とを繰り返すように制御し、合計６条件の実験を行なった（実験番号１〜６）。熱処理炉１０２の加熱温度はいずれの実験条件においても９４０℃とした。そして、この実験を３０分間行ない、熱処理炉１０２内の圧力の変化を記録した。具体的な実験条件を表１に示す。
【００７３】
【表１】
2011112030.tif 000003
【００７４】
次に、図５および図６を参照して、実験結果について説明する。なお、図５および図６において横軸は経過時間、縦軸は炉内の圧力を示している。図５および図６を参照して、窒素の流入量が少ないほど、熱処理炉１０２内の圧力は、設定値に対して追従速度が低下している。しかし、追従速度が最も遅くなる実験番号１および２の条件下においても、熱処理炉内の圧力は３分以内に設定値にほぼ等しくなっている。また、流量計１５２による測定の結果、窒素ガスの流量は適切に調整されており、熱処理炉１０２への流入量にほぼ等しい窒素ガスが排出されていることが分かった。以上の実験結果から、圧力制御部を備えた本発明のガス供給装置によれば、熱処理炉内の圧力を適切に抑制可能であることが確認された。
【００７５】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明のガス供給装置および排ガス発電システムは、熱処理炉から排出される排ガスを発電装置に供給するガス供給装置、および当該ガス供給装置を備えた排ガス発電システムに、特に有利に適用され得る。
【符号の説明】
【００７７】
１  排ガス発電システム、２  熱処理炉、３  発電装置、４  ガス供給装置、１１  第１の流路、１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ  流路、１２  第２の流路、１２Ａ  開口、２１  圧力制御弁、２２  加圧ブロワ、２３  ガスホルダ、２４  供給ブロワ、２５  充填率計、３１  ガスエンジン、３２  発電機、４１  絞り、４２  電磁弁、４３  逆止弁、４４  バーナ、５１  炉内圧力計、５２  マスフローメータ、５３  流路圧力計、５４  第２のマスフローメータ、６１  制御部、７１  フィルタ、７２  ミストセパレータ、１００  実験装置、１０２  熱処理炉、１１１  流路、１２１  圧力制御弁、１２２  加圧ブロワ、１５１  炉内圧力計、１５２  流量計、１６１  制御部、１７１  フィルタ。
【図１】
2011112030.tif 000004
【図２】
2011112030.tif 000005
【図３】
2011112030.tif 000006
【図４】
2011112030.tif 000007
【図５】
2011112030.tif 000008
【図６】
2011112030.tif 000009