(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービンを用いて余剰蒸気からエネルギーを回収する余剰蒸気のエネルギー回収装置において、前記蒸気タービンに余剰蒸気を供給する余剰蒸気供給ラインと、この余剰蒸気供給ラインに配置され、蓄熱式ラジアントチューブ燃焼装置と、この蓄熱式ラジアントチューブ燃焼装置のラジアントチューブを囲繞する伝熱筒体、およびこの伝熱筒体の外周に設けられた外側伝熱フィンから構成され、前記ラジアントチューブから放射される輻射熱を吸収して前記余剰蒸気供給ライン内を流れる余剰蒸気に熱を伝達する伝熱体を有する蓄熱燃焼式間接加熱装置とを備えたことを特徴とする余剰蒸気のエネルギー回収装置。
【請求項２】
蒸気タービンを用いて余剰蒸気からエネルギーを回収する余剰蒸気のエネルギー回収装置において、前記蒸気タービンに余剰蒸気を供給する余剰蒸気供給ラインと、この余剰蒸気供給ラインに配置され、蓄熱式ラジアントチューブ燃焼装置と、この蓄熱式ラジアントチューブ燃焼装置のラジアントチューブを囲繞し、余剰蒸気の上流側が大径で、下流側が小径であって、かつ複数の蒸気通過穴を備えたテーパ状伝熱筒体から構成され、前記ラジアントチューブから放射される輻射熱を吸収して前記余剰蒸気供給ライン内を流れる余剰蒸気に熱を伝達する伝熱体を有する蓄熱燃焼式間接加熱装置とを備えたことを特徴とする余剰蒸気のエネルギー回収装置。
【請求項３】
蒸気タービンを用いて余剰蒸気からエネルギーを回収する余剰蒸気のエネルギー回収装置において、前記蒸気タービンに余剰蒸気を供給する余剰蒸気供給ラインと、この余剰蒸気供給ラインに配置され、蓄熱式ラジアントチューブ燃焼装置と、この蓄熱式ラジアントチューブ燃焼装置のラジアントチューブを囲繞し、余剰蒸気の上流側が大径であって、かつ下流側が小径の複数のテーパ状伝熱単位筒体を備えると共に、上流側のテーパ状伝熱単位筒体の小径側から下流側のテーパ状伝熱単位筒体の小径側が隙間を持って突出する状態に順次組立てられ、前記ラジアントチューブから放射される輻射熱を吸収して前記余剰蒸気供給ライン内を流れる余剰蒸気に熱を伝達する伝熱体を有する蓄熱燃焼式間接加熱装置とを備えたことを特徴とする余剰蒸気のエネルギー回収装置。
【請求項４】
前記前記テーパ状伝熱単位筒体のそれぞれに、複数の蒸気通過穴が設けられてなることを特徴とする請求項３に記載の余剰蒸気のエネルギー回収装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、蒸気タービンを用いて余剰蒸気から圧力エネルギーを動力として効果的に回収する余剰蒸気のエネルギー回収装置の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
種々の工事や事業所では、ボイラから発生する高圧蒸気を、その用途に応じて各圧力レベルで利用している。高圧蒸気の利用については、その活用が慎重に検討されているのに対して、中低圧（例えば、１．４７１〜０．７８４ＭＰａ）の余剰蒸気については、その多くが高圧蒸気を利用した副産物として得られるために、未利用のまま排出されるか、または減圧弁などを用いて減圧して、圧力エネルギーを何ら活用することなく、下流側のプロセス加熱用熱源や給湯用途等に利用されていた。
【０００３】
詳しくは、ボイラから発生した高圧蒸気を高圧ヘッダを介して発電機を駆動する高圧蒸気タービンに供給する一方、高圧蒸気を消費するプロセスに供給する。前記高圧蒸気タービンから排出された排出蒸気、およびボイラから発生した高圧蒸気の余剰分を中圧減圧弁で減圧して中圧の余剰蒸気として中圧ヘッダに排出する。そして、中圧の余剰空気の一部を、この中圧ヘッダから中圧の余剰蒸気を消費するプロセスに供給する一方、残りの中圧の余剰蒸気を低圧減圧弁で減圧して低圧ヘッダに排出し、この低圧ヘッダから低圧の余剰蒸気を給湯器やヒーターに供給していた。（従来例１）
【０００４】
しかしながら、中低圧の余剰蒸気を中圧減圧弁で減圧するということは、その圧力エネルギーを捨てるということを意味し、省エネルギーの観点から好ましくない。そこで、現在では、このような中低圧の余剰蒸気を有効活用するために、種々の余剰蒸気のエネルギー回収装置が用いられるようになってきている。このような余剰蒸気のエネルギー回収装置としては、例えば蒸気タービンを用いて余剰蒸気からエネルギーを回収するエネルギー回収装置がある。以下、この従来例２に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置を、その動力回収圧縮機模式的系統図の図５を参照しながら説明する。
【０００５】
即ち、上記従来例２に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置は、ボイラ６１から発生した高圧蒸気を高圧ヘッダ６２を介して発電機６４を駆動する高圧用蒸気タービン６３に供給し、この高圧用蒸気タービン６３から排出された排出蒸気を中圧ヘッダ６５に排出する。
そして、中圧の余剰蒸気の一部をこの中圧ヘッダ６５から図示しないプロセスに供給して消費する一方、残りの中圧の余剰蒸気を、余剰蒸気供給ライン６６を介して圧縮機６８を駆動する中圧用蒸気タービン６７に供給して中圧の余剰蒸気の圧力エネルギーを回収する。
【０００６】
次いで、この中圧用蒸気タービン６７から排出された低圧の排出蒸気を低圧ヘッダ６９に排出し、この低圧ヘッダ６９から低圧の余剰蒸気を給湯器７０やヒーター７１に供給する。つまり、上記従来例１のように、低圧減圧弁で中圧の余剰蒸気の圧力を減圧せずに、中圧用蒸気タービン６７により中圧の余剰蒸気の圧力エネルギーを動力として回収するようにしたものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例２に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置によれば、中圧用蒸気タービンで中圧の余剰蒸気の圧力エネルギーを回収することができるので、省エネルギーの観点から好ましい。ところで、中圧の余剰蒸気は、通常、飽和蒸気の状態で供給されることが殆どである。そのため、中圧用蒸気タービンの蒸気出口における排出蒸気は、気体と液体の蒸気が混在した湿り飽和蒸気の状態になっており、飽和気体と飽和液との割合の指標である乾き度が１．０以下になっている。さらに、中圧用蒸気タービンの蒸気入口と蒸気出口との蒸気圧力の圧力差が大きくなればなるほど回収動力が増大する反面、蒸気出口における排出蒸気の乾き度が低くなる。排出蒸気の乾き度が低くなり過ぎると、エロージョンによりタービン材が損傷を受けてしまうので、中圧蒸気タービンは実用上、蒸気出口における排出蒸気の乾き度が０．９５以上になるように運転しなければならない。そのため、中圧蒸気タービンの蒸気入口と蒸気出口との蒸気圧力の圧力差を大きくすることができず、余剰蒸気の持つエネルギーを十分回収することができないという解決すべき課題があった。
【０００８】
従って、本発明の目的は、蒸気タービンを用いて余剰蒸気の圧力エネルギーを動力としてより効果的に回収することを可能ならしめる余剰蒸気のエネルギー回収装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであって、従って上記課題を解決するために、本発明の請求項１に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置が採用した手段の特徴とするところは、蒸気タービンを用いて余剰蒸気からエネルギーを回収する余剰蒸気のエネルギー回収装置において、前記蒸気タービンに余剰蒸気を供給する余剰蒸気供給ラインと、この余剰蒸気供給ラインに配置され、蓄熱式ラジアントチューブ燃焼装置と、この蓄熱式ラジアントチューブ燃焼装置のラジアントチューブを囲繞する伝熱筒体、およびこの伝熱筒体の外周に設けられた外側伝熱フィンから構成され、前記ラジアントチューブから放射される輻射熱を吸収して前記余剰蒸気供給ライン内を流れる余剰蒸気に熱を伝達する伝熱体を有する蓄熱燃焼式間接加熱装置とを備えたところにある。
【００１０】
本発明の請求項２に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置が採用した手段の特徴とするところは、蒸気タービンを用いて余剰蒸気からエネルギーを回収する余剰蒸気のエネルギー回収装置において、前記蒸気タービンに余剰蒸気を供給する余剰蒸気供給ラインと、この余剰蒸気供給ラインに配置され、蓄熱式ラジアントチューブ燃焼装置と、この蓄熱式ラジアントチューブ燃焼装置のラジアントチューブを囲繞し、余剰蒸気の上流側が大径で、下流側が小径であって、かつ複数の蒸気通過穴を備えたテーパ状伝熱筒体から構成され、前記ラジアントチューブから放射される輻射熱を吸収して前記余剰蒸気供給ライン内を流れる余剰蒸気に熱を伝達する伝熱体を有する蓄熱燃焼式間接加熱装置とを備えたところにある。
【００１１】
本発明の請求項３に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置が採用した手段の特徴とするところは、蒸気タービンを用いて余剰蒸気からエネルギーを回収する余剰蒸気のエネルギー回収装置において、前記蒸気タービンに余剰蒸気を供給する余剰蒸気供給ラインと、この余剰蒸気供給ラインに配置され、蓄熱式ラジアントチューブ燃焼装置と、この蓄熱式ラジアントチューブ燃焼装置のラジアントチューブを囲繞し、余剰蒸気の上流側が大径であって、かつ下流側が小径の複数のテーパ状伝熱単位筒体を備えると共に、上流側のテーパ状伝熱単位筒体の小径側から下流側のテーパ状伝熱単位筒体の小径側が隙間を持って突出する状態に順次組立てられ、前記ラジアントチューブから放射される輻射熱を吸収して前記余剰蒸気供給ライン内を流れる余剰蒸気に熱を伝達する伝熱体を有する蓄熱燃焼式間接加熱装置とを備えたころにある。
【００１２】
本発明の請求項４に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置が採用した手段の特徴とするところは、請求項３に記載の余剰蒸気のエネルギー回収装置において、前記テーパ状伝熱単位筒体のそれぞれに、複数の蒸気通過穴が設けられてなるところにある。
【００１３】
削除。
【００１４】
削除。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態１に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置を、その主要部全体平面断面図の図１と、図１のＡ−Ａ線断面図の図２とを順次参照しながら説明する。
【００１６】
先ず、図を参照しながら、本発明の実施の形態１に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置の構成を説明すると、符号１は余剰蒸気のエネルギー回収装置であって、この余剰蒸気のエネルギー回収装置１は、後述する構成になる余剰蒸気供給ライン２、蓄熱燃焼式間接加熱装置３、および蒸気タービン４から構成されている。
【００１７】
即ち、符号５は中圧用蒸気タービンである前記蒸気タービン４で駆動される３段遠心式圧縮機（以下、圧縮機という。）であり、この圧縮機５の前記蒸気タービン４に、図示しない中圧ヘッダからこの蒸気タービン４を駆動する中圧の余剰蒸気を供給する前記余剰蒸気供給ライン２が連通している。そして、この余剰蒸気供給ライン２には、この余剰蒸気供給ライン２内を流れる中圧の余剰蒸気を加熱する、後述する構成になる蓄熱燃焼式間接加熱装置３が介装されている。
【００１８】
前記圧縮機５は、蒸気タービン４の回転がツインピニオン型の増速機５１に伝達され、この増速機５１により１段インペラ５２、２段インペラ５３、３段インペラ５４のそれぞれが回転される構成になるものである。なお、前記増速機５１の中央部分から突出してなる軸は、例えば電動機に連結されるブルギヤ軸５１ａである。ところで、この実施の形態１に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置１では、蒸気タービン４が３段遠心式の圧縮機に配設されているが、特に圧縮機の段数に限定されるものではない。
【００１９】
前記蓄熱燃焼式間接加熱装置３は、前記余剰蒸気供給ライン２に介装される筒状ケーシング３１と、この筒状ケーシング３１の外周部に固着され、燃料の燃焼により交番に燃焼バーナの働きをすると共に、熱を蓄熱する一対のリジェネレイティブバーナ３２ａ，３２ａと、これら一対のリジェネレイティブバーナ３２ａ，３２ａの前記筒状ケーシング３１の外周側の端部同士に連通し、この筒状ケーシング３１の径方向の中心をとおる、セラミック製、または鋳鉄製のラジアントチューブ３２ｂとからなる蓄熱式ラジアントチューブ燃焼装置３２と、この蓄熱式ラジアントチューブ燃焼装置３２を囲繞する円筒状の伝熱筒体３３ａと、この伝熱筒体３３ａの内周面に所定の間隔で放射状に突設されてなる複数枚の内側伝熱フィン３３ｂと、前記伝熱筒体３３ａの外周面に所定の間隔で放射状に突設され、先端部が前記筒状ケーシング３１の内周面に接する複数枚の外側伝熱フィン３３ｃとからなる伝熱体３３とから構成されている。
【００２０】
ところで、前記蓄熱式ラジアントチューブ燃焼装置３２は、ラジアントチューブ３２ｂ内で燃料を燃焼させて、このラジアントチューブ３２ｂを赤熱させ、輻射熱により固体を加熱するものである。従って、この蓄熱式ラジアントチューブ燃焼装置３２だけでは、ガス体である蒸気への伝熱量が大きくないので、余剰蒸気を効果的に加熱することができない。
【００２１】
そこで、本発明の形態１に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置１では、上記のとおり、前記伝熱体３３を設けてラジアントチューブ３２ｂの輻射熱によりこの伝熱体３３を加熱し、そしてこの伝熱体３３の伝熱筒体３３ａと、内外側伝熱フィン３３ｂ，３３ｃの熱を、対流伝熱作用により余剰蒸気に伝達する構成としたものである。従って、伝熱体３３から対流伝熱作用により伝達される熱により余剰蒸気を効果的に加熱することができる。
なお、前記伝熱筒体３３ａ、および内外側伝熱フィン３３ｂ，３３ｃの材質としては、例えば構造用炭素鋼またはステンレス系鋼材等を採用すればよい。
【００２２】
以下、本発明の形態１に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置１の作用態様を説明すると、従来例２と異なり、前記蓄熱燃焼式間接加熱装置３の蓄熱式ラジアントチューブ燃焼装置３２と伝熱体３３とにより、対流伝熱作用を活用して余剰蒸気を効果的に加熱し、この余剰蒸気の乾き度を自由自在にコントロールして高くすることができる。
【００２３】
従って、本発明の形態１に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置１によれば、エロージョンによるタービン材の損傷を恐れることなく、蒸気タービン４の蒸気入口と蒸気出口との余剰蒸気圧力の圧力差を大きくすることができるから、余剰蒸気の圧力エネルギーを動力として効率よく回収することができる。また、余剰蒸気は蓄熱燃焼式間接加熱装置３により間接的に加熱され、汚染されるようなことがないから、蒸気タービン４から排出された排出蒸気を、後工程の給湯器やヒーターに供給しても問題が生じるような恐れもない。
【００２４】
本発明の実施の形態２に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置を、その蓄熱燃焼式間接加熱装置の断面構成説明図の図３を参照しながら説明する。但し、本発明の実施の形態２が上記実施の形態１と相違するところは伝熱体の相違にあるから、上記実施の形態１と同一のものには同一符号を付して、その相違する点について以下に説明する。
【００２５】
即ち、本実施の形態２に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置の蓄熱燃焼式間接加熱装置３の伝熱体３４は、前記ラジアントチューブ３２ｂを囲繞し、余剰蒸気の上流側が大径で、下流側が小径であって、かつ蒸気通過穴３４ｂを備えたテーパ状伝熱筒体３４ａから構成されている。
【００２６】
従って、本発明の実施の形態２に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置１によれば、前記蓄熱燃焼式間接加熱装置３の蓄熱式ラジアントチューブ燃焼装置３２と、伝熱体３４とにより、対流伝熱作用を活用して余剰蒸気を効果的に加熱し、この余剰蒸気の乾き度を自由自在にコントロールして高くすることができるから、本実施の形態２は、上記実施の形態１と同効である。
【００２７】
本発明の実施の形態３に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置を、その蓄熱燃焼式間接加熱装置の断面構成説明図の図４を参照しながら説明する。但し、本発明の実施の形態３が上記実施の形態１と相違するところは伝熱体の相違にあるから、上記実施の形態１と同一のものには同一符号を付して、その相違する点について以下に説明する。
【００２８】
即ち、本実施の形態３に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置１では、蓄熱燃焼式間接加熱装置３の伝熱体３４は、前記ラジアントチューブ３２ｂを囲繞し、余剰蒸気の上流側が大径で、下流側が小径の複数のテーパ状伝熱単位筒体３５ａを備えており、上流側のテーパ状伝熱単位筒体３５ａの小径側から下流側のテーパ状伝熱単位筒体３５ａの小径側が環状隙間３５ｂを持って突出する状態に順次組立てられてなる構成になっている。なお、前記テーパ状伝熱単位筒体３５ａのそれぞれに、上記実施の形態３に係るテーパ状伝熱筒体３４ａと同様に、複数の蒸気通過穴が設けられていても良い。
【００２９】
従って、本発明の実施の形態３に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置１によれば、前記蓄熱燃焼式間接加熱装置３の蓄熱式ラジアントチューブ燃焼装置３２と、伝熱体３５とにより、対流伝熱作用を活用して余剰蒸気を効果的に加熱し、この余剰蒸気の乾き度を自由自在にコントロールして高くすることができるから、本実施の形態３は、上記実施の形態１または２と同効である。
【００３０】
【実施例】
以下、上記実施の形態１に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置１により余剰蒸気の圧力エネルギーを動力として回収した例を説明する。なお、この実施例における前提条件は、下記のとおりである。
（１）圧縮機      吐出量          ３５００Ｎｍ３
吐出圧          ０．６８６５ＭＰａ
（２）電気代    （従量分）        １０円／ｋＷｈ
（基本料）        １６００円／ｋＷ／月
（３）燃料代                      ３５円／Ｎｍ３
ＣＯ２削減量  電力          ０．３５６ｋｇ／ｋＷｈ
燃料          ２．３８５ｋｇ／Ｎｍ３
（４）余剰蒸気      圧力          ０．７８４５ＭＰａまたは１．４７１ＭＰａの飽
和乾き蒸気
（５）              流量          ９トン／ｈ
【００３１】
蒸気タービン４の蒸気出口における排出蒸気の圧力を変化させて場合に、蒸気出口における排出蒸気の乾き度が０．９５になるように、必要最低限の燃料を燃焼させたときの回収動力およびＣＯ２の削減量を調べた。蒸気タービン４に供給する余剰蒸気の圧力が０．７８４５ＭＰａ（８ｋｇｆ／ｃｍ２）の場合を、従来例２の場合と併せて示すと表１のとおりであり、また蒸気タービン４に供給する余剰蒸気の圧力が１．４７１ＭＰａ（１５ｋｇｆ／ｃｍ２）の場合と併せて示すと表２のとおりである。
【表１】
0003921333.tif 000002
【表２】
0003921333.tif 000003
【００３２】
上記表１，２によれば、蓄熱燃焼式間接加熱装置３を設けることにより、蒸気タービン４の蒸気出口における排出蒸気の圧力が従来例２よりも低圧の領域まで運転が可能になっており、これにより回収動力と経済効果とが大幅に増大している。より詳しくは、蒸気タービン４の蒸気出口における排出蒸気の乾き度をコントロールすることにより、蒸気出口における排出蒸気の圧力をより低圧にすることができるために、大部分の運転領域において回収動力の増加分は使用した燃料の発熱量を上回っている。このことから、本発明では、燃料を消費しているにもかかわらず、従来例２に係るエネルギー回収装置よりも省エネルギー効果が大きく、経済性が優れると共に、ＣＯ２の削減効果も優れていることが判る。
【００３３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置によれば、蓄熱燃焼式間接加熱装置により余剰蒸気を効果的に加熱し、この余剰蒸気の乾き度を自由自在にコントロールして高くすることができ、エロージョンによるタービン材の損傷を恐れることなく、蒸気タービンの蒸気入口と蒸気出口との余剰蒸気圧力の圧力差を大きくすることができるから、従来例２に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置よりも、余剰蒸気の圧力エネルギーを動力として効率良く回収することができるという優れた効果がある。
【００３４】
また、本発明に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置によれば、余剰蒸気は蓄熱燃焼式間接加熱装置により間接的に加熱され、汚染されるようなことがないから、上記タービンから排出された排出蒸気を後工程の給湯器やヒーターに供給しても問題が生じるようなことがないという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置の主要部全体平面断面図である。
【図２】  図１のＡ−Ａ線断面図である。
【図３】  本発明の実施の形態２に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置の蓄熱燃焼式間接加熱装置の断面構成説明図である。
【図４】  本発明の実施の形態３に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置の蓄熱燃焼式間接加熱装置の断面構成説明図である。
【図５】  従来例２に係る余剰蒸気のエネルギー回収装置の動力回収圧縮機の模式的系統図である。
【符号の説明】
１…エネルギー回収装置
２…余剰蒸気供給ライン
３…蓄熱燃焼式間接加熱装置
３１…筒状ケーシング
３２…蓄熱式ラジアントチューブ燃焼装置，３２ａ…リジェネレイティブバーナ，３２ｂ…ラジアントチューブ
３３…伝熱体，３３ａ…伝熱筒体，３３ｂ…内側伝熱フィン，３３ｃ…外側伝熱フィン
３４…伝熱体，３４ａ…テーパ状伝熱筒体，３４ｂ…蒸気通過穴
３５…伝熱体，３５ａ…テーパ状伝熱単位筒体，３５ｂ…環状隙間
４…蒸気タービン
５…圧縮機，５１…増速機，５１ａ…ブルギヤ軸，５２…１段インペラ，５３…２段インペラ，５４…３段インペラ
【図１】
0003921333.tif 000004
【図２】
0003921333.tif 000005
【図３】
0003921333.tif 000006
【図４】
0003921333.tif 000007
【図５】
0003921333.tif 000008