第 57 巻

第 4 号（通巻 340 号）（隔月刊・奇数月発行）

ISSN 0454-1499

2020/7VOL.57 NO.4

通巻 340 号 隔月刊・奇数月発行

特集アーカイブ○ サブプライムに負けるな○ バッチ炉の熱計算〜非定常計算から熱収支まで〜○ 熱電変換モジュールによる廃熱利用○ 酸化物熱電変換材料による温度差を利用した発電技術○ 事故事例研究に基づく燃焼安全のガイド（２）http://www.jifma.or.jp

工業加熱
I N D U S T R I A L

令和 2 年 7 月・57 巻 4 号
Vol.57 No.4

H E A T I N G

工業加熱 57 巻 4 号（2020/7 月号）
をお届けします …………………

1

特集 「アーカイブ」※ 所属は出版当時

サブプライムに負けるな …………

政策研究大学院大学

橋本久義 …

3

技術解説

バッチ炉の熱計算 ～非定常計算から熱収支まで～………………… 株式会社 TOKAI

樋口晴彦 … 11八馬

弘邦 … 19

熱電変換モジュールによる廃熱利用………………… 株式会社 KELK

酸化物熱電変換材料による温度差を利用した発電技術……… 昭和電線ケーブルシステム株式会社

箕輪昌啓 … 26

事故事例研究に基づく燃焼安全のガイド（2）…… （社）日本工業炉協会

健康情報

燃焼機器委員会 … 32

熱中症の概要とパーソナルクーラーついて 〜 2020年版〜…………………… 興研株式会社

石川健彦 … 49

令和 2 年度の熱中症予防行動 ………………… 環境省・厚生労働省 … 53

閑話休題

電波ウィルスにご注意！ …………………………………… 前田 章雄 … 54連

記事募集のご案内

絡協会通信……………………………………………………………… 58…………………………………………………………………………… 60

バッチ

炉の熱計算～ 非定常計算から熱収支まで ～樋口 晴彦 *
概要
バッチ炉の新設又は改造の際，バーナの選定や炉材の選択のため熱計算が求められる。しかし，これまで非定常温度分布の計算が面倒なため，定常状態の何パーセントというような経験的な熱計算が多くの場合用いられてきた。Schmidt に代表される図式解法もあるが手間がかかりすぎ，また，炉壁が多重層の場合，事実上解くことができない。炉の内側から耐火れんが，断熱れんが，断熱材という炉壁構成が一般的かつ経済的であり，手計算で温度分布の経時変化を解くことは困難である。
本報では，この計算をパソコンで行い，更に一定時間ごとに熱収支を計算するアプリケーションソフトについて述べる。この計算により，バーナの能力の選定，炉材の選択，排熱回収の投資効果などを数学的に明らかにすることができる。

１．熱収支（図 1）（ 1 ）入出力
入力側は，燃料の燃焼熱量と熱回収した場合の回収熱量だけである。出力側は，製品の蓄熱量，炉体蓄熱量，炉壁からの放散熱量，そして，排ガスの熱量の合計となる。

製品蓄熱 Qm（kcal/h）

炉体蓄熱 Q（kcal/h）s

放散蓄熱 Q（kcal/h）l

燃料 Q（kcal/h）f

Qf + Qr = Qm + Qs + Ql + Qe + Qr （eq-1）

排熱回収Q（kcal/h）r

e1- r 排ガス損失 Q（kcal/h）r（ 2 ）非定常計算
あるモデルを設定し，Qm，Qs，Ql の非定常計算を行う。（後述）（ 3 ）燃料消費量
ある時刻の燃料消費量 q （kg/h）
は，次のようfになる。
q（kg/h）= Q（kcal/h）／ I（kcal/kg）（eq-2）
fff
If；この燃料の低発熱量* 株式会社 TOKAI 社長室次長 兼 株式会社ビック東海 取締役

Vol. 57, No.4

Qrv0 理論排ガス量kg/kga0 理論空気量kg/kgm

空気比

─θ

排ガス温度℃

図 1 熱収支
H.Higuchi（1989 年 1 月出版当時）

11熱電変換モジュールによる廃熱利用

八 馬

１．はじめに近年，エネルギーへの意識の高まりと共に，工場やエンジンなどの廃熱から電力を回収しようという試みが盛んになっている。通常，熱を電気へと変換するには，高温高圧蒸気を作りタービンを回し，電磁誘導によって発電する。逆に電気から熱への変換は，圧縮機を回して液化させた冷媒が気化するときの潜熱を利用して冷却する。これらは熱エネルギーと電気エネルギーとの変換に運動エネルギーを介している。熱電変換は，熱と電気とを直接的に変換する，材料の電子物性を用いた一種の熱機関である。
廃熱回収への期待はあるものの，現在の熱電変換の主な用途は，冷却・温調である。そのデバイスはペルチェ素子として一般に知られ，研究・産業から民生用途まで様々な分野で使われている。
全く同じ製品が，逆作用として温度差から発電できるが，その用途はまだ極めて特殊な事例に止まっている。本稿では，熱電変換の概要から廃熱回収の適用例までを解説し，最後に廃熱による熱電発電の将来見通しを示す。
２．熱電変換とは
熱電変換とは「熱を，直接電気に変える」及び「電* 株式会社 K E L K

Vol. 57, No. 4

取締役

熱電発電事業室長

弘 邦*

気を，直接熱に変える」と言う意味が込められている。両者は，基本的に同じ原理であり，同じ構造で逆の作用をするものができる。
熱電変換を行なうデバイスに関して標準的な規格はない。その名前もペルチェ素子，サーモモ
ジ ュ ー ル， 電 子 冷 凍 素 子，TEC(ThermoelectricCooler) など使う人や対象によっていろいろな名前が付けられている。写真 1 に各種の熱電モジュールを示す。様々な用途に合わせ，形状や性能が様々であることがわかる。現在その市場は，ほぼ全てが冷却及び温度調整用である。
熱電変換の効果は，それぞれ，その発見者の名前から，熱を電気に変換する働きをゼーベック効
果，電気を熱に変換する働きをペルチェ効果とい

写真 1 各種の熱電モジュール

H.Hachiuma （2013 年 7 月出版当時）

19酸化物熱電変換材料による温度差を利用した発電技術
昌啓 *

箕輪

る。この現象はゼーベック効果と呼ばれている。
ゼーベック効果の大きさは材料の種類により大きく異なるが，ビスマス ･ テルル系に代表される金属系の材料が代表的な物質として知られている。
熱電発電とはこのようなゼーベック効果を有する材料（熱電変換材料）に温度差を付与し，材料そのものに生じる電位差から電力を得る発電方法である。
熱電変換材料は温度差が生じたときの電位差の向きにより，ｎ型とｐ型の２種類に分類される。
ｎ型の熱電変換材料の片端に熱を加えると，温度が高い部分で伝導電子のエネルギーが高くなり，温度が低い部分に伝導電子が移動し材料内で電位差が生じて，熱起電力が発生する。一方，ｐ型の１．はじめに環境問題として地球温暖化対策はいまやグロー 熱電変換材料は正電荷を帯びた正孔が温度の高いバルな課題として認知されている。更に日本では 部分から低い部分に移動することで熱起電力が発公平かつ実効的な国際的枠組みの構築を前提に， 生する。よって，図 1 に示すようにｎ型の熱電変1990 年比で，2020 年までに自国の温室効果ガス 換材料とｐ型の熱電変換材料を直列に接続するこ排出量の 25％削減を目指すという野心的な目標を とにより電流が流れ，これを外部に取り出すことで発電機の働きを発現する。
掲げている。
温室効果ガスの削減対策には太陽光発電や風高温力発電といった自然エネルギーを利用した発電方法がそのソリューションとして提案され，実用化されている。しかし，首記の大きな目標に対して電位差ｐ型素子
ｎ型素子は新たなコンセプトの対策もまた望まれるであろう。そのような中で熱電発電は活用されていない廃熱から電気エネルギーを直接取り出すことので低温きる点が非常にユニークであり，環境にやさしい新エネルギーとして注目を集めている。
概要
熱電発電は活用されていない廃熱から温度差を利用して直接電力を得ることが出来る，環境にやさしい新エネルギーである。本稿では未だ一般に知られているとは言い難い熱電発電の原理を解説し，弊社での検討結果を中心に 600 ℃を越える高温環境でも使用可能な酸化物熱電変換素子の押出製法による量産プロセス，および，これを用いた熱電発電モジュールの開発状況を紹介する。さらに稼動中 850 ℃雰囲気の工業炉を利用した実証試
験の結果と熱電発電のシステム化に向けた今後の課題について解説する。

電流

外部負荷抵抗

２．熱電発電の原理
ある種の材料の両端に温度差をつけると温度差に応じた大きさの電位差がその材料の両端に生じ両端に温度差ができると，ゼーベック効果により熱起電力が生じる。
１対の起電力は小さいため直列に接続し対数を増やし，出力を増やす。

図 1 熱電変換の模式図* 昭和電線ケーブルシステム株式会社 技術開発センター 新商品開発グループ グループ長

M.Minowa（2010 年 3 月出版当時）

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工業加熱

事 故 事 例 研 究 に 基 づ く
燃 焼 安 全 の ガ イ ド（ 2 ）（社）日本工業炉協会

燃焼機器委員会（ 3 ）主バーナ着火時の爆発事故
６．燃焼設備の爆発事故例
パイロットバーナに点火してから主バーナに着燃焼設備での爆発事故は，機器やプラントの損壊ばかりか，尊い人命にかかわる大事である。ま 火しようとしたとき，爆発した例が 8 例収録された，それに伴う操業の停止やプラントの修復など， ている。
主バーナに着火しようとしたときの爆発のほとその経済的損失も莫大なものである。事故を起こしてはならない。そのための燃焼安全の正しい理 んどは着火遅れのために，燃料が炉内に充満する解に基づく安全設備の計画・施工・保守・管理は ことに起因する。着火遅れは．パイロットバーナ徹底されなければならないし，正しい操作につい の火炎が短いとき，燃料が多量に供給されたとき，主バーナの噴霧媒体の圧力が過度に高いとき，過ての不断の教育がなされることが肝要である。
度の空気過剰になっているときなどに発生する。
（ 4 ）バーナ運転中（燃焼中）の爆発事故
6.1 燃焼設備の爆発事故例
バーナ運転中に爆発した事例 16 例が収録され実際の爆発事故例を運転操作の段階ごとに整理して末尾に収録した。詳しくは事故事例集をご覧 ているが，総じて運転中の爆発事故は，通風系統いただくとして，これらの事故内容をかいつまん や燃料供給系統の不具合によって空燃比が乱れ，極端な空気過剰による吹き消えや，空気不足によで紹介する。
る立ち消えなどの断火に起因し．火炎監視器の不具合，燃料遮断弁のスティック，インタロックの（ 1 ）ブレパージ不足による爆発事故
プレパージ不足による爆発事故が 4 例収録され 故意の短絡などにより，断火後も継続して燃料が供給されたことによるものがほとんどである。ている。
プレパージの目的は，点火前に炉内に醸成され （ 5 ）運転（燃焼）停止時の爆発事故
運転停止時の爆発事故が 5 例収録されている。ている可燃性混合気を排出して新鮮な空気と置換
運転停止時の爆発は，油燃焼時の霧化不良や不することを目的として行うものであるが，これらの事故は，送風機は運転していたものの，煙突が 完全燃焼などにより炉壁や炉底に付着たい積した詰まっていたり，ダンパが閉まっていた，炉内に 未燃油が，停止時の高温に保持された炉中での蒸燃料油がたまっていた，パイロットバーナの繰り 発による引火や，停止後の燃料遮断弁の漏れなど返し点火のために燃料ガスが炉内に充満した，な に起因する。
（ 6 ）再起動準備中の爆発事故
どによって起きたものである。
再起動のために，パイロットバーナ用のプロパ（ 2 ）パイロットバーナ点火時の爆発事故
前項に，プレパージしたつもりのものが，パー ンガスボンベを取り替え，コックを開いた直後爆ジできていなかったために点火時に爆発した例を 発した例が 2 例紹介されている。このように，パ収録したが，この項では燃料弁が誤操作や誤動作 イロットバーナからのわずかな漏れでも炉温の高のために開いていたために，プレパージ中も燃料 い再起動時には爆発することを肝に銘ずべきであが継続して炉内に噴射し，パイロットバーナの点 る。
火と同時に爆発した例を 14 例収録している。こ6 . 2 爆発事故の原因と発生時期とに，手動操作と称して，パイロットバーナの点以上の事故例について，その原因を要約すると火や主バーナの遮断弁を容易に開くことのできる
インタロックのバイパススイッチを設けている例 ともに，発生原因と発生時期について統計整理すで，これらのスイッチの誤操作での爆発事故が多 ると表 6.1 の一覧表のとおりである。原因につい発している。インタロックのバイパスは設けない ては，不良操作が全体の 58 ％ を占め，また．その発生時期は起動時に集中し 62 ％ に達している。
こと，これがフールプルーフの原則である。

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工業加熱