(57)【要約】【課題】加熱炉において熱流束の大きい場所に熱電素子を設置して高効率に発電する。【解決手段】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。【選択図】図４
2007212016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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ことを特徴とする廃熱利用発電装置。
【請求項２】
加熱炉の炉本体から集合レキュペレータまでの間の煙道にダイリューション空気を投入する冷却配管に設けられた撹拌羽根に前記熱電モジュールを設け、該熱電モジュールの一方の面を排ガスに臨ませ、他方の面を撹拌羽根の裏面のダイリューション空気で冷却するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の廃熱利用発電装置。
【請求項３】
前記撹拌羽根を冷却配管の軸方向にスライドさせるスライド機構を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載の廃熱利用発電装置。
【請求項４】
前記撹拌羽根は、内軸と外筒の間に取り付けられた平面状の複数の羽根板からなり、該羽根板は、冷却配管の軸方向からみて一部重なるように周方向に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の廃熱利用発電装置。
【請求項５】
加熱炉の炉本体から集合レキュペレータまでの間の煙道にダイリューション空気を投入する冷却配管の外面に前記熱電モジュールを設け、前記煙道に開口部を形成して該開口部の縁と前記冷却配管の熱電モジュールの周囲とを接続管で接続し、前記熱電モジュールの一方の面を排ガスに臨ませ、他方の面を冷却配管の壁を介してダイリューション空気で冷却するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の廃熱利用発電装置。
【請求項６】
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、他方の面を燃焼空気で冷却することを特徴とする廃熱利用発電装置。
【請求項７】
加熱炉の煙道に設けた集合レキュペレータに燃焼空気を導入する燃焼空気配管の外面に前記熱電モジュールを設け、前記煙道に開口部を形成して該開口部の縁と前記燃焼空気配管の熱電モジュールの周囲とを接続管で接続し、前記熱電モジュールの一方の面を排ガスに臨ませ、他方の面を燃焼空気管の壁を介して燃焼空気で冷却するようにしたことを特徴とする請求項６に記載の廃熱利用発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加熱炉等の炉における廃熱を利用した廃熱利用発電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、鉄鋼加熱炉においては、バーナの排ガスを材料の装入側（以下、炉尻という。）へ導いて、装入された材料を予熱する材料予熱と、炉尻より排気される排ガスを集合レキュペレータに導いて燃焼空気を予熱する空気予熱とにより、排ガスの熱量を有効に利用することが行われている。
【０００３】
集合レキュペレータは一般に金属製であるため、冷却することなく連続使用するには、集合レキュペレータの入口における排ガスの上限温度を８００℃前後にする必要がある。炉尻から集合レキュペレータまでの温度降下を考慮すると、炉尻における排ガスの上限温度は９００℃でなければならない。そこで、加熱炉の加熱帯や均熱帯の前に予熱帯を設け、加熱帯や均熱帯のバーナの排ガスを予熱帯に導いて材料を予熱することで排ガスの温度を９００℃に下げていた。
【０００４】
加熱炉に装入される材料は、鋳造が終了した半製品であるスラブやビレットであり、従来は野積みされ室温まで冷却された冷片が装入されていたが、近年、鋳造直後の熱片や、鋳造後に未だ室温まで降下していない温片が装入されるようになっている。
【０００５】
装入材料が冷片から熱片や温片に切り替わると、予熱帯に導かれる排ガスは熱片や温片と熱交換せずに、高温のまま炉尻から排気されるという問題が生じる。
【０００６】
そこで、特許文献１では、集合レキュペレータを保護するために、ブリードと称して高温の排ガスを外気に放出したり、ダイリューションと称して室温の空気を排ガスに加えて排ガスの温度を下げてから集合レキュペレータに導くことが提案されている。
【０００７】
しかしながら、ブリードにより高温の排ガスを外気に放出すると熱エネルギーが無駄になる。ダイリューションは排ガスの熱エネルギーの無駄にはならないが、エクセルギーを下げていた。
【０００８】
本発明者らは、排ガスの熱エネルギーを無駄にせず、エクセルギーを用いて発電に利用できるか否について、鋭意研究を行った。
【０００９】
発電手段としては、近年、高温の熱媒体と低温の熱媒体の間に設置して直流電力を発電する熱電素子が注目されている（特許文献２）。この熱電素子は、単体の電池単位（以下、セルという）では電圧も電流も十分ではないため、多数のセルを直列、並列に接続した複雑な構造のモジュールとして供給される。モジュールは、外面が平面状であるため、平面状で熱流束の大きな（熱移動が大きい）場所にしか使用することができなかった。また、熱電素子の設置場所は、熱流束が異なることが多く、熱電素子を並列に接続した場合、最も熱流束が小さく発電電圧の低い熱電素子に他の熱電素子から電流が流れ込むため、発電効率が低下するという問題がある。
【特許文献１】特開平１−１６９２９２号公報
【特許文献２】特許第２９０３３３１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、加熱炉において熱流束の大きい場所に熱電素子を設置して高効率に発電することができる廃熱利用発電装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、加熱炉における熱流束の大きい場所を模索し、熱電素子の発電効率を研究した結果、ダイリューション空気と排ガスの間、又は集合レキュペレータへの燃焼空気と排ガスの間が熱流束が大きい場所であり、この場所に熱電素子を設置することが最も適切であることを見出した。
【００１２】
すなわち、第１の発明は、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ことを特徴とする廃熱利用発電装置である。
【００１３】
具体的な実施形態では、加熱炉の炉本体から集合レキュペレータまでの間の煙道にダイリューション空気を投入する冷却配管に設けられた撹拌羽根に前記熱電モジュールを設け、該熱電モジュールの一方の面を排ガスに臨ませ、他方の面を撹拌羽根の裏面のダイリューション空気で冷却する。
【００１４】
上記構成によると、熱電モジュールの一方の面が排ガスの輻射熱を受けて加熱され、他方の面がダイリューション空気で冷却されるので、温度勾配と熱流束が大きく、高効率に発電することができる。
【００１５】
前記撹拌羽根を冷却配管の軸方向にスライドさせるスライド機構を設けることが好ましい。このスライド機構により、撹拌羽根をスライドさせて、熱電モジュールの表面と裏面に適切な温度差が得られる位置に移動させることができる。
【００１６】
前記撹拌羽根は、内軸と外筒の間に取り付けられた平面状の複数の羽根板からなり、該羽根板は、冷却配管の軸方向からみて向こう側が見えないように周方向に配置されていることが好ましい。これにより、ダイリューション空気は全て羽根板に沿って流れるので、羽根板への片当たりがなくなり、各熱電モジュールの発電効率が平滑化する。
【００１７】
前記羽根板は、冷却配管の軸方向からみて一部重なるように配置されていることが好ましい。これにより、ダイリューション空気の整流化が図れるとともに、羽根板の一部重なった部分の熱電モジュールで煙道あるいは枝管の内面からの乱反射による輻射熱を受けることができ、発電効率が高まる。
【００１８】
加熱炉の炉本体から集合レキュペレータまでの間の煙道にダイリューション空気を投入する冷却配管の外面に前記熱電モジュールを設け、前記煙道に開口部を形成して該開口部の縁と前記冷却配管の熱電モジュールの周囲とを接続管で接続し、前記熱電モジュールの一方の面を排ガスに臨ませ、他方の面を冷却配管の壁を介してダイリューション空気で冷却することもできる。
【００１９】
第２の発明は、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、他方の面を燃焼空気で冷却することを特徴とする廃熱利用発電装置である。
【００２０】
具体的な実施形態では、加熱炉の煙道に設けた集合レキュペレータへの燃焼空気を導入する燃焼空気配管の外面に前記熱電モジュールを設け、前記煙道に開口部を形成して該開口部の縁と前記燃焼空気配管の熱電モジュールの周囲とを接続管で接続し、前記熱電モジュールの一方の面を排ガスに臨ませ、他方の面を燃焼空気管の壁を介して燃焼空気で冷却する。
【００２１】
上記構成によると、熱電モジュールの一方の面が排ガスの輻射熱を受けて加熱され、他方の面が燃焼空気で冷却されるので、熱流束が大きく、高効率に発電することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、熱電モジュールの一方の面が排ガスの輻射熱を受けて加熱され、他方の面がダイリューション空気又は燃焼空気で冷却されるので、熱流束が大きく、高効率に発電することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は、本発明にかかる廃熱利用発電装置を備えた加熱炉１を示す。この加熱炉１の炉本体２は、スラブやビレット等の鉄鋼半製品等の材料Ｍを圧延しやすくするために加熱するものであり、図中左側の材料Ｍの装入側（炉尻）から右側の装出側に向かって、予熱帯３、加熱帯４及び均熱帯５が設けられている。加熱帯４と均熱帯５の上部には軸流焚バーナ６，７、下部にはサイド焚バーナ８がそれぞれ設置されている。
【００２４】
炉本体２の炉尻から煙道９がスタック１０まで配設され、該煙道９には、集合レキュペレータ１１、高温ダンパ１２、吸引ファン１３が設けられている。集合レキュペレータ１１は、燃焼空気ブロア１４からの燃焼空気を煙道９内の排ガスと熱交換させて、燃焼空気配管１５を介して加熱帯４、均熱帯５の各バーナ６，７，８に供給するものである。高温ダンパ１２は、均熱帯５の上部に設置された圧力センサ１６の検出圧力に基づいて圧力制御器１７により開度が制御されるようになっている。炉尻と集合レキュペレータ１１の間の煙道９には、ダイリューション空気ブロア１８からのダイリューション空気を煙道９内の排ガスに導く冷却配管１９が設けられている。
【００２５】
図２，３は、冷却配管１９の詳細を示す。冷却配管１９は、ダイリューション空気ブロア１８に接続された主管２０と、該主管２０の先端に接続された水平なヘッダ２１と、該ヘッダ２１から斜め下方に分岐して煙道９に接続された２つの枝管２２とからなっている。枝管２２には、ダイリューション空気撹拌羽根２３が取り付けられている。ダイリューション空気撹拌羽根２３は、図４に示すように、概略扇形の６枚の平板からなる羽根板２４を、一端が蓋で閉塞された内軸２５に対して所定角度傾斜させて、各羽根板２４の内周縁を当該内軸２５の外周に６０°ピッチで固定するとともに、各羽根板２４の外周縁を外筒２６に固定したものである。羽根板２４は、該羽根板２４を枝管２２の軸方向からみたときに、向こう側が見えなくなるように、大きさ、枚数、ピッチを定めることが好ましい。外筒２６の上流側の端部には羽根板２４に向かって縮径するテーパ状の流入管２７が接続され、下流側の端部にも羽根板２４から遠ざかるにつれて拡径するテーパ状の流出管２８が接続されている。流入管２７の上流側の端部にはフランジ２９ａが取り付けられている。ダイリューション空気撹拌羽根２３は、フランジ２９ａを枝管２２のフランジ２９ｂに挟持することで、冷却配管１９の枝管２２内に着脱可能に固定されている。
【００２６】
ダイリューション空気撹拌羽根２３の各羽根板２４には、発電装置として、煙道９に臨む側に多数の熱電モジュール３０が図６に示すように規則正しく配設されている。各熱電モジュール３０は、図７，８に示すように、熱移動と同じ方向に電流を流すＰ型セル３１と、熱移動と反対方向に電流を流すＮ型セル３２とを交互に配置して電極３３で直列に接続し、セラミック製の２枚の支持板３４で挟持したものである。熱電モジュール３０は、４辺を取付金具３５によって羽根板２４に押し付けられて取り付けられているが、熱膨張により羽根板２４の面に沿って相対的に移動可能になっている。各熱電モジュール３０は並列又は直列に接続されて、図１に示すように、配線３６により冷却配管１９の外側に導出され、電気負荷３７に接続されている。電気負荷３７は、例えば、加熱炉１におけるシーケンサの補助電源や建屋内の局所照明器具とすることができる。
【００２７】
以上の構成からなる加熱炉及び発電装置の動作を説明する。
【００２８】
加熱炉１の炉本体２の炉尻から装入された材料Ｍは、予熱帯３を通過し、加熱帯４で軸流焚バーナ６とサイド焚バーナ８により所定温度まで加熱され、均熱帯５で軸流焚バーナ７とサイド焚バーナ８により一定温度に保持されて均一に加熱された後、炉本体２から搬出されて図示しない圧延工程に搬送される。加熱帯４と均熱帯５でバーナ６，７，８の燃焼により生じる排ガスは、予熱帯３に向かって流動し、該予熱帯３を通過する間に材料Ｍと熱交換し、材料Ｍを予熱する一方、自ら９００℃程度に冷却される。予熱帯３を通過した排ガスは、煙道９に入り、集合レキュペレータ１１、高温ダンパ１２、吸引ファン１３を経てスタック１０から大気に放散される。材料Ｍが熱片や温片の場合、排気ガスは予熱帯３を通過する間に十分に冷却されないため、集合レキュペレータ１１に至る前に、冷却配管１９を通って煙道９に導入されるダイリューション空気によって冷却される。ダイリューション空気は、ダイリューション空気ブロア１８から冷却配管１９の主管２０、ヘッダー２１、枝管２２を通って撹拌羽根２３で撹拌され、旋回流となって煙道９に導入され、排ガスと混合され冷却する。集合レキュペレータ１１では、排ガスは、燃焼空気ブロア１４からの燃焼空気と熱交換し、燃焼空気を加熱する一方、自らは冷却される。加熱された燃焼空気は各バーナ６，７，８に供給される。圧力センサ１６の検出圧力に基づいて圧力制御器１７により高温ダンパ１２の開度を制御することにより、炉本体２の炉圧が微正圧に維持される。
【００２９】
ダイリューション空気が撹拌羽根２３によって撹拌される間に、熱電モジュール３０によって発電が行われる。撹拌羽根２３の各羽根板２４に取り付けられた熱電モジュール３０の表面側は、煙道９の排ガスに臨んでいて排ガスの輻射熱を受ける一方、裏面側は、羽根板２４に接触してダイリューション空気により冷却される。このため、熱電モジュール３０を流れる熱流束が大きいため、高効率で発電することができる。熱電モジュール３０で生じる電流は、配線３６を介して電気負荷３７に流れ、加熱炉設備におけるシーケンサの補助電源を充電したり、建屋内の局所照明器具を照明することができる。
【００３０】
羽根板２４は、該羽根板２４を枝管２２の軸方向から見たときに、向こう側が見えなくなるように、大きさ、枚数、ピッチが定められているので、ダイリューション空気の羽根板２４への片当たりがなくなり、各熱電モジュール３０の発電効率が平滑化する。なお具体的には、図９に示すように、各羽根板２４の一部が１５度程度重なり合うようにすることで、ダイリューション空気のより整流化を図り、向こう側を見えなくすることで煙道９からの乱反射による熱輻射も有効に利用することができる。
【００３１】
各羽根板２４は、同一形状を有し、ダイリューション空気の流れ状態、排ガスからの輻射熱分布も同一であるから、各羽根板２４に取り付けた熱電モジュール３０の発電電圧は羽根板２４毎に同一になる。したがって、各羽根板２４に同一配置の熱電モジュール３０を取り付けて並列に接続しても、ある羽根板２４の熱電モジュール３０から他の羽根板２４の熱電モジュール３０に電流が流れ込むことがないので、並列に接続した場合の発電効率の低下の問題がなくなる。
【００３２】
前記実施形態の変形例として、冷却配管１９内における撹拌羽根２３の軸方向の位置を調整可能にするスライド機構を設けることが好ましい。図１０は、このスライド機構を示し、流入管２７を枝管２２に固定せずにスライド可能とし、内軸２５に一端を連結したロッド３８を枝管２２に沿って延設し、ヘッダ２１に固定したボス３９に螺合により貫通させてハンドル４０を取り付けたものである。このようにすると、ハンドル４０を回転操作することで、枝管２２内の撹拌羽根２３をスライドさせ、操業によって変動する温度に合わせて発電効率のよい位置に熱電モジュール３０を配置することができる。
【００３３】
本発明に係る熱電モジュール３０は、前記実施形態のようにダイリューション空気の撹拌羽根２３に限らず、熱流束の大きい位置であれば、加熱炉１の任意の位置に取り付けることができる。例えば、図１１に示すように、煙道９に開口部４１を設け、該開口部４１の縁と冷却配管１９の主管２０の外面とを接続管４２で接続し、接続管４２の内側の冷却配管１９の外面に熱電モジュール３０を取り付ける。これにより、熱電モジュール３０の表面側は、煙道９の排ガスに臨んでいて排ガスの輻射熱を受ける一方、裏面側は、冷却配管１９の壁を介してダイリューション空気により冷却される。このため、前記実施形態と同様に、熱電モジュール３０を流れる熱流束が大きいため、高効率で発電することができる。なお、主管２０と煙道９の間の距離は、熱電モジュール３０の両面の温度勾配が大きく、発電効率が高くなるように設定される。熱電モジュール３０は、冷却配管１９の主管２０から枝管２２に至る図示しないバイパス管に取り付けてもよい。
【００３４】
同様に、本発明に係る熱電モジュール３０は、図１２に示すように、表面側が集合レキュペレータ１１の上流側の煙道９の排ガスに臨み、裏面側が燃焼空気配管１５の壁を介して燃焼空気により冷却するようにしてもよい。
【００３５】
なお、各羽根板２４は、ダイリューション空気の撹拌のためにはプロペラ状の曲面とするのが有効であるが、このような曲面に平面状の熱電モジュール３０を配設すると、各熱電モジュール３０の表面が同一表面ではなく階段状になり、ダイリューション空気の流れを乱し熱流束を不均一にするので、平面とするのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明にかかる廃熱利用発電装置を備えた加熱炉を示す概略図。
【図２】ダイリューション空気を煙道に導入する冷却配管の拡大側面図。
【図３】図２の平面図。
【図４】図２の冷却配管内の撹拌羽根の詳細を示す断面図。
【図５】図４の冷却配管の軸方向からみた撹拌羽根の配置例を示す図。
【図６】熱電モジュールを配設した撹拌羽根の羽根板の拡大図。
【図７】熱電モジュールの平面図。
【図８】図７の正面図。
【図９】図４の冷却配管の軸方向からみた撹拌羽根の他の配置例を示す図。
【図１０】撹拌羽根のスライド機構を備えた冷却配管の拡大側面図。
【図１１】ダイリューション空気を煙道に導入する冷却配管の主管に熱電モジュールを設けた実施形態を示す拡大側面図。
【図１２】燃焼空気配管に熱電モジュールを設けた実施形態を示す概略図。
【符号の説明】
【００３７】
１  加熱炉
２  炉本体
１１  集合レキュペレータ
１５  燃焼空気配管
１９  冷却配管
２３  ダイリューション空気撹拌羽根
２４  羽根板
３０  熱電モジュール
３１  Ｐ型セル（熱電素子）
３２  Ｎ型セル（熱電素子）
３８  ロッド（スライド機構）
３９  ボス（スライド機構）
４０  ハンドル（スライド機構）
４１  開口
４２  接続管
【図１】
2007212016.tif 000003
【図２】
2007212016.tif 000004
【図３】
2007212016.tif 000005
【図４】
2007212016.tif 000006
【図５】
2007212016.tif 000007
【図６】
2007212016.tif 000008
【図７】
2007212016.tif 000009
【図８】
2007212016.tif 000010
【図９】
2007212016.tif 000011
【図１０】
2007212016.tif 000012
【図１１】
2007212016.tif 000013
【図１２】
2007212016.tif 000014