JP2011257121A - 蓄熱システムおよび蓄熱システムを備えた給湯システム - Google Patents

Abstract

【課題】 １５０℃から４５０℃程度の比較的低い温度で蓄熱された熱を有効利用できる蓄熱システムを提供する。
【解決手段】 １５０から４００℃帯域の所定温度の排ガスを伴う燃焼系１に接続して燃焼系１からの排熱を有効利用する蓄熱システム１は、燃焼系１の排ガスラインと接続して燃焼系からの排ガスの熱を捕捉する集熱炉２０と、集熱炉２０からの熱を蓄熱する蓄熱炉１０と、熱輸送循環路３０とから主として構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、蓄熱システムに関する。より詳しく述べると、ボイラなどの燃焼系からの熱を伴うガス（排熱）を蓄熱して有効活用する蓄熱システムに関する。
本発明は、更に、本発明は、前記蓄熱システムを備えた給湯システムに関する。

近年、エネルギの有効利用に対する関心が高まり、内燃機関、外燃機関等の排熱を利用して動力・温熱・冷熱を取り出し、総合エネルギ効率を高める、新しいエネルギ供給システムとしてコジェネレーションシステムやトリジェネレーションシステムに対する技術が提案されている。トリジェネレーション（ｔｒｉ−ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）とは、コジェネレーション（＝電熱併用）に対して、熱源から生産される熱、電気に加え、発生する二酸化炭素も温室栽培などで有効活用するエネルギ供給システムを意味する造語である。京都議定書発効を契機として、近年導入されるようになりつつある。

例えば、特許文献１には、コジェネレーションシステムに関する技術において、浴槽への湯張り時に、設定温度よりも高温の貯湯タンク内の湯を有効活用し、その温度を冷水の注水で温度調節することにより、ガスでの追い焚きを効果的に低減し省エネ性を改善する排熱利用システムとして、熱源機と、前記熱源機を冷却する冷却水を循環させる冷却水ポンプと、前記冷却水を適切な温度に冷却する排熱回収熱交換器と、前記排熱回収熱交換器で前記冷却水を熱源として排熱回収する排熱回収水を循環させる排熱回収ポンプと、を含むコジェネレーションユニットと、前記コジェネレーションユニットからの排熱回収水を蓄える貯湯タンクと、風呂の追い焚きを行う追い焚きボイラと、を含む排熱利用ユニットと、を有するコジェネレーションシステムにおいて、浴槽の湯張りにおいて、前記貯湯タンクの湯を供給し、もしくは加熱しない非加熱水を所定の給水ラインから供給する供給手段と、浴槽内の温度と水位を検出する検出手段と、前記検出手段及び前記供給手段を用いて、浴槽への湯張り温度を調整する制御手段と、を設けた排熱利用システムが提案されている。

また、特許文献２には、高温排ガスを用いた温水ボイラと吸収冷温水機を組合せて、冷暖房及び給湯を可能にしたコジェネレーションシステムとして、高温排ガスを熱源とする温水ボイラと、該温水ボイラの温水を熱源にする給湯器と、吸収器、低温再生器、高温再生器、凝縮器、蒸発器及びこれらの機器を接続する溶液流路と冷媒流路を備え、前記温水ボイラからの温水と燃料を熱源とする排熱投入型吸収冷温水機とを備えたコジェネシステムであって、前記高温再生器の蒸気部と連通した給湯熱交換器を設け、該給湯熱交換器に、前記給湯器の温水を通す流路を備えたシステムが提案されている。

一方、排熱を利用した発電システムとして、特許文献３では排熱利用電力の発電方法は、排ガスの熱エネルギを熱水として回収する排熱回収手段により得られた熱水を複数段のフラッシャに供給し、フラッシャにより得られた蒸気を蒸気タービンに供給して発電機を駆動すると共に、前記蒸気タービンから排出された湿り蒸気を復水器に供給して水に戻すに際して、前記復水器から排出された冷却水を冷却して前記復水器に供給する手段として吸着式冷凍機を用いると共に、前記吸着式冷凍機の吸着剤を加熱する熱源水として前記複数段のフラッシャのうち最終段のフラッシャから排出された温水を用いて電力を得る方法が記載されている、

特開２００３−１２０３２２号公報 特開２００２−３７２３３７号公報 特開２０１０−１０６７６４号公報

しかしながら、特許文献１や２に従来のコジェネレーションシステムは、予めコジェネレーションシステムを前提にした装置類から構成されるものであり、既存の燃焼系の排熱を有効利用することは困難である。

また、特許文献３に記載の技術は、多量の排熱が発生する大規模燃焼系を対象にするもので、小型焼却炉、ボイラ、油化プラントなどの種々の燃焼系の燃焼効率は、一般に７０〜８０％と言われ、燃焼系の排出口から発生する１５０℃から４００℃程度の温度の大気中に排熱するガスを有効利用する技術は確立されていないのが現状である。

したがって、本発明の課題は、１５０℃から４５０℃程度の比較的低い温度で蓄熱された熱を有効利用できる蓄熱システムを提供することである。

本発明の別の課題は、前記蓄熱システムを利用して既存の給湯用ボイラに接続した給湯システムを提供することである。

本発明は、上記課題に鑑みて創作されたものであり、下記項目に関する。
（１） １５０から４００℃帯域の所定温度の排ガスを伴う燃焼系に接続して前記排熱を有効利用する蓄熱システムであって、前記燃焼系の排ガスラインと接続して前記燃焼系からの排ガスの熱を捕捉する集熱炉と、前記集熱炉からの熱を蓄熱する蓄熱炉と、前記集熱炉で捕捉した熱を輸送する熱輸送循環路と、を備えたことを特徴とする蓄熱システム。

（２） 前記集熱炉は、前記排ガスの流量を損なわない密度で形成された珪藻土から構成されていることを特徴とする（１）に記載の蓄熱システム。

（３） 前記蓄熱炉は、前記蓄熱炉内に導入する気体の入口と前記蓄熱炉で熱付与された膨張係数の高い不燃ガスを排出する出口を有する閉鎖系のガス循環流路と、前記ガス循環流路のガス出口側に設けられ、膨張した気体の押圧力を回転力に変換するピストンモータと、前記ピストンモータからの回転運動に基づいて発電する発電機と、前記ピストンモータからのガスを冷却する冷却装置と、を備えた発電系を備えていることを（１）または（２）に記載の蓄熱システム。

（４） 前記ピストンモータと前記発電機との間に、前記ピストンモータで変換された回転数を増加させる増速装置を有していることを特徴とする（３）に記載の蓄熱システム。

（５） （１）から（４）のいずれか１項に記載の蓄熱システムと、１５０から４００℃帯域の所定温度の排ガスを伴う燃焼系とから構成されるコジェネレーションシステム。

（６） １５０から４００℃帯域の所定温度の排ガスを伴う給水ボイラに接続して前記ボイラの燃費を増加させるための蓄熱システムであって、前記ボイラの排ガスラインと接続して前記燃焼系からの排ガスの熱を捕捉する集熱炉と、前記集熱炉からの熱を蓄熱する蓄熱炉と、前記集熱炉で捕捉した熱を輸送する熱輸送循環路と、給水するための給水口と加温した水を前記ボイラに給水するための排水口を有する給水タンクと、を備え、前記給水タンクと前記蓄熱炉とは、前記蓄熱炉に蓄熱した熱を前記給水タンクに輸送する第２の熱輸送循環路を有し、前記蓄熱炉からの熱により前記第２の熱輸送循環路を介して加温した水を前記ボイラに供給することを特徴とする蓄熱システム。

（７） 前記蓄熱炉は、前記蓄熱炉内に導入する気体の入口と前記蓄熱炉で熱付与された膨張係数の高い不燃ガスを排出する出口を有する閉鎖系のガス循環流路と、前記ガス循環流路のガス出口側に設けられ、膨張した気体の押圧力を回転力に変換するピストンモータと、前記ピストンモータからの回転運動に基づいて発電する発電機と、前記ピストンモータからのガスを冷却する冷却装置と、を備えた発電系を備えていることを特徴とする（６）に記載の蓄熱システム。

（８） １５０から４００℃帯域の所定温度の排ガスを伴う給水ボイラと、（６）または（７）に記載の蓄熱システムと、から構成された給水システム。

本発明の蓄熱システムによると、簡単な構成でありなおかつ既存の燃焼系と容易に蓄熱することができ、排熱を有効活用可能となる。
また、本発明の蓄熱システムと燃焼系とを組み合わせると容易にコジェネレーションシステムを構築することができる。
さらに本発明の蓄熱システムを給湯用のボイラと組み合わせると、ガス、重油等の燃費を向上させることが可能となる。

本発明の蓄熱システムの概略構成を示す図面。 本発明の蓄熱システムの用途例を示図面。 本発明の蓄熱システムに発電系を設けた一例を示す図面。 本発明の蓄電システムを給湯システムに適用した一例を示す図面。 本発明の蓄電システムを油化プラントに適用した一例を示す図面。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
まず、図１に基づいて本発明の概略を説明する。

図１に示す通り、本発明の蓄熱システムは、１５０から４００℃帯域の所定温度の排ガスを伴う燃焼系１に接続して燃焼系１からの排熱を有効利用する蓄熱システムである。そして、蓄熱システム１は、燃焼系１の排ガスラインと接続して燃焼系からの排ガスの熱を捕捉する集熱炉２０と、集熱炉２０からの熱を蓄熱する蓄熱炉１０と、熱輸送循環路３０とから主として構成されている。

１５０から４００℃帯域の所定温度の排ガスを伴う燃焼系１とは、一般に工場で使用される燃焼装置、燃焼炉、反応装置、ボイラなどであることができ、特に限定されるものではない。本発明の燃焼系として２４時間連続して所定温度の排ガス（以下、排熱）を発生するものであってもよいが、本発明の蓄熱システムは、間欠的に排熱する燃焼系に適用すると安定した熱を捕捉し蓄熱できるので好ましい。

本発明の蓄熱システムは、このような燃焼系１から排出される排熱を連続的または間欠的に集熱炉２０で捕捉して捕捉した熱を熱輸送循環路３０を介して蓄熱炉１０に蓄熱するシステムである。

蓄熱炉１０は、１５０から４００℃帯域の熱を安定して蓄熱できる素材であれば特に限定されるものではない。例えば、本発明者等が先に提案した太陽熱蓄熱システム（特願２００１−１３４３２７、出願人加藤洋三他）における太陽熱蓄熱システムに記載のように、蓄熱炉１０は蓄熱オイルとその周囲を覆う断熱材とから構成することができる。

また、集熱炉２０は、燃焼系１からの排ガスの流量を損なわず、熱だけ捕捉できるような素材であることが好ましい。このような素材として本発明者の検討によると炉材の断熱材として安定して効果を発揮し、軽量であり、入手が容易であり、加工が容易な点から珪藻土を用いることが好ましい。

本発明における熱輸送循環路３０は、集熱炉２０で捕捉した熱を受け取り蓄熱炉１０に輸送する熱交換流路であり、流路内には媒体オイルが収納されている。このような媒体オイルとして、同様にして本発明者等が先に提案した太陽熱蓄熱システム（特願２００１−１３４３２７、出願人加藤洋三他）に記載の比重が１〜２．５ｇ／ｃｍ^３である媒体オイルが好ましい。しかしながら、同様の作用・効果を有する媒体油であれば特に限定されるものではない。

このように構成した本発明の蓄熱システムは、既存の燃焼系１と容易に組み合わせることが可能であり、そして排ガスとして排気していた熱を効率よく捕捉して蓄熱炉に蓄熱することが可能となる。蓄熱炉１０に蓄熱した熱は、当該技術分野に周知の通り、例えば図２に示す通り種々の用途に適用可能である。すなわち、蓄熱した熱は、発電に加えて水と熱交換して給湯、床暖房、温室の暖房などの湯水として利用することも可能であり、工場等の熱源としてリサイクルすることも可能である。

また、既存の燃焼系と組み合わせることによって、本発明の蓄熱システムは容易にコジェネレーションシステムを構築することが可能である。

次に、図３に基づいて本発明の特定の実施形態を説明する。図３に示す例は、本発明の蓄熱システムを独特の発電システムと組み合わせた例を示す。

図３に示す蓄熱システムは、集熱炉２０からの熱を蓄熱する蓄熱炉１０と、蓄熱炉１０内に導入する気体の入口１２ｉｎと前記蓄熱炉で熱付与された気体を排出する出口１２ｏｕｔを有する閉鎖系の気体の循環流路１２と、気体の循環流路１２の気体の出口１２ｏｕｔ側に設けられ、膨張した気体の押圧力を回転力に変換するピストンモータ１３ａと、ピストンモータ１３ａからの回転運動に基づいて発電する発電機１３ｂと、ピストンモータ１３ａからの気体を冷却する冷却装置１４と、から主として構成されており、好ましくはピストンモータ１３ａと発電機１３ｂとの間に増速装置１３ｃが設けられている。

本実施態様においては、二次側として、発電系が設けられているが、発電系に加えて従来公知の利用法で蓄熱した熱を利用することも可能である。

本発明において、図３に示す通り熱源として燃焼系１から排出される排熱を集熱する集熱炉２０からの熱を熱輸送循環経路３０を介して蓄熱する蓄熱炉１０と、蓄熱炉１０内に導入する気体の入口１２ｉｎと蓄熱炉１０で熱付与された気体を排出する出口１２ｏｕｔを有する閉鎖系の気体の循環流路１２を設け、循環流路１２の気体の出口１２ｏｕｔ側に発電系１３を設け、入口１２ｉｎ側に気体を冷却する冷却装置１４を設けている。

この循環流路１２内には、膨張係数の高いガス、例えば代替フロンが気密に封入されており、蓄熱炉１０で加熱されたガスは熱により膨張して発電系１３に入った後冷却装置１４で冷却されたのちに蓄熱炉１０に再び入り熱付与される構成となっている。

発電系１３は、ピストンモータ１３ａと発電機１３ｂ、好ましくはピストンモータ１３ａと発電機１３ｂとの間に設けられた増速装置１３ｃとから構成されている。

ピストンモータ１３ａは、蓄熱炉１０により熱膨張したガスによりピストンを押圧し、これを回転エネルギに変換する装置であり、本発明においては、図示しないエクパンションバルブにより発電機１３ｂ側に一方通行で圧力を絶えず負荷されている。そして、ピストンモータ１３ａは、この圧力を回転エネルギに変換して発電機１３ｂ側に送る構成を有している。

増速装置１３ｃは、ピストンモータ１３ａで変換された回転エネルギ（回転数）を増加させる装置であり、例えば１０００ｒｐｍで入力された回転エネルギを３０００ｒｐｍに増速させて発電機１３ｂに入力させる装置である。

発電機１３ｂは、ピストンモータ１３ａ、好ましくは増速装置１３ｃで増速された回転エネルギに基づいて発電する発電機である。

このように構成することにより、循環流路１２の出口１２ｏｕｔ側で熱付与により膨張したガスが絶えずピストンモータ１３ａを押圧し、これを回転エネルギに変換して発電することが可能となる。そのため、特に増速装置１３ｃを設けることにより非常に効率よく発電を行うことが可能となる。したがって、本発明の蓄熱システムで蓄熱した熱（燃焼毛いの排熱）を効率よく発電することが可能である。

なお、本発明者等の検討によると発電量は、ピストンモータの能力にもよるが市販のピストンモータを用いた場合蓄熱炉１０における蓄熱量に依存して、数１０ＫＷ／ｈから数１０００ＫＷ／ｈ程度まで効率的に発電できることが判った。

そして、熱膨張したガスは冷却装置１４により冷却されて再び蓄熱炉１０に入って熱付与により膨張する。

このような構成を有する蓄熱システムにおける発電は、まず、蓄熱炉１０にガスを通過させることにより蓄熱炉１０に蓄熱した熱を膨張係数の高いガスに熱付与する。これにより膨張係数の高いガスは、熱付与により膨張する。次いで、熱付与により膨張したガスをピストンモータ１３ａに連続して適用して、膨張による圧力を回転エネルギに変換する。そして、好ましくは変換した回転エネルギを増速装置１３ｃにより増加させて発電機１３ｂに適用して発電を行う。なお、熱付与したガスは冷却して再び熱付与される。

このように構成することにより、蓄熱した熱エネルギを膨張係数の高いガスに連続して付与して膨張させ、これを回転エネルギに変換して、発電を行うので、簡単な構成で高い発電効率で発電を行うことが可能となる。

次に、図４に基づいて本発明の蓄熱システムを給湯システムに適用した例を示す。図４に示す実施形態は、図１に示す実施形態において、燃焼系１を給湯用ボイラに特定した点および給湯タンク４０を設けて給湯タンク４０内の水を蓄熱炉１０からの熱を第２の熱輸送循環流路４０を介して加温する点以外は図１に示す実施形態と同様の構成を有している。したがって、同一部材は同一の符号を附してその詳細な説明を省略する。なお、図４に示す実施形態に、例えば図３に示す発電系を設けることも本発明の範囲内である。

給水用ボイラ１’は、一般に重油やガス等を燃料として常温の水を加温して給湯に供する。本実施形態の蓄熱システムは、このような給水用ボイラ１’の排ガスラインと接続して給水用ボイラ１’の燃費を向上させるシステムであり、集熱炉２０と、蓄熱炉１０と、熱輸送循環路３０と、給水用ボイラ１’に給水するための給水タンク４０とから主として構成されている。

図４に示す本実施形態に係る蓄熱システムは、図１に示す蓄熱システムと同様に給水用ボイラ１’からの排熱を蓄熱炉１０に蓄熱する。そして、本実施形態に係る蓄熱システムにおいて、給水タンク４０は、給水口４１と排水口４２を有しており、給水タンク４０と蓄熱炉１０とは、蓄熱炉１０に蓄熱した熱を給水タンク４０に輸送する第２の熱輸送循環路５０を有している。

そして、給水口４１から給水された低温の水は、給水タンク４０内に蓄えられ第２の熱輸送循環路５０を介して蓄熱炉１０に蓄熱された熱により加温されている状態となっている。このようにして加温した温水を排水口４２から給水用ボイラ１’に供給するのが本実施形態の蓄熱システムである。

このように構成することにより、給水タンク４０に給水した水は、常に第２の熱輸送循環路５０を介して蓄熱炉１０に蓄熱された熱によりΔＴだけ加温されている。そのため、本発明の蓄熱システムと従来の給水用ボイラと組み合わせると、直接給水口から供給された水を加温する従来の給水用ボイラと比較してΔＴ（×供給量）分のエネルギを削減することが可能となる。

図１に示す実施形態と同様に、既存の給水用ボイラと組み合わせることによって、本発明の蓄熱システムは容易に燃費を向上可能な給湯システムを構築することが可能である。

次に、図５に基づいて本発明の蓄熱システムを油化プラントに適用した例を示す。この実施例は、油化プラントや炭化プラント、油化炭化プラント等の熱分解に伴うガスを発生するプラントに本発明の蓄熱システムを適用した例を示すものである。

図５に示す通り、原料投入口ＩＮから投入された原料をキャリアガスとして過熱水蒸気等を熱分解炉１”に供給しつつ、熱源である熱分解炉１”により熱分解し、そして熱分解ガス中の不純物をスクラバＳ等の浄化装置により除去して油化（又は炭化）を行うのが一般的油化プラント（炭化プラント）の構成である。

本発明においては、熱分解炉１”からの熱を集熱炉２０で集熱して熱輸送循環路２０を介して蓄熱炉１０に蓄熱する。なお、集熱炉２０を通過したガスは、従来技術と同様にスクラバ等を通ってそのまま後段の油化工程に移行する。

本発明では、熱分解の際に発生する熱を蓄熱炉１０に蓄熱するが、図１に示す実施形態や図４に示す実施形態と同様に発電などに蓄熱した熱を利用する他、過熱水蒸気を発生するための熱源としても有効利用可能である。

このように構成した本発明の蓄熱システムは、既存の燃焼系１と容易に組み合わせることが可能であり、そして排ガスとして排気していた熱を効率よく捕捉して蓄熱炉に蓄熱することが可能となる。蓄熱炉１０に蓄熱した熱は、当該技術分野に周知の通り、例えば図２に示す通り種々の用途に適用可能である。すなわち、蓄熱した熱は、発電に加えて水と熱交換して給湯、床暖房、温室の暖房などの湯水として利用することも可能であり、工場等の熱源としてリサイクルすることも可能である。

また、既存の燃焼系と組み合わせることによって、本発明の蓄熱システムは容易にコジェネレーションシステムを構築することが可能である。

本発明の蓄熱システムを給水用ボイラと組み合わせた場合、給水タンクに給水した水は、常に第２の熱輸送循環路を介して蓄熱炉に蓄熱された熱によりΔＴだけ加温されている。そのため、本発明の蓄熱システムと従来の給水用ボイラと組み合わせると、直接給水口から供給された水を加温する従来の給水用ボイラと比較してΔＴ（×供給量）分のエネルギを削減することが可能となる。

同様に、既存の給水用ボイラと組み合わせることによって、本発明の蓄熱システムは容易に燃費を向上可能な給湯システムを構築することが可能である。

１ 燃焼系（ボイラ）
１０ 蓄熱炉
１２ ガス循環流路
１３ａ ピストンモータ
１３ｂ 発電機
１３ｃ 増速装置
１４ 冷却装置
２０ 集熱炉
３０ 熱輸送循環路
４０ 給水タンク
５０ 第２の熱輸送循環路

Claims (8)

1. １５０から４００℃帯域の所定温度の排ガスを伴う燃焼系に接続して前記排熱を有効利用する蓄熱システムであって、
   前記燃焼系の排ガスラインと接続して前記燃焼系からの排ガスの熱を捕捉する集熱炉と、
   前記集熱炉からの熱を蓄熱する蓄熱炉と、
   前記集熱炉で捕捉した熱を輸送する熱輸送循環路と、
   を備えたことを特徴とする蓄熱システム。
2. 前記集熱炉は、前記排ガスの流量を損なわない密度で形成された珪藻土から構成されていることを特徴とする請求項１に記載の蓄熱システム。
3. 前記蓄熱炉は、前記蓄熱炉内に導入する気体の入口と前記蓄熱炉で熱付与された膨張係数の高い不燃ガスを排出する出口を有する閉鎖系のガス循環流路と、前記ガス循環流路のガス出口側に設けられ、膨張した気体の押圧力を回転力に変換するピストンモータと、前記ピストンモータからの回転運動に基づいて発電する発電機と、前記ピストンモータからのガスを冷却する冷却装置と、を備えた発電系を備えていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蓄熱システム。
4. 前記ピストンモータと前記発電機との間に、前記ピストンモータで変換された回転数を増加させる増速装置を有していることを特徴とする請求項３に記載の蓄熱システム。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の蓄熱システムと、１５０から４００℃帯域の所定温度の排ガスを伴う燃焼系とから構成されるコジェネレーションシステム。
6. １５０から４００℃帯域の所定温度の排ガスを伴う給水ボイラに接続して前記ボイラの燃費を増加させるための蓄熱システムであって、
   前記ボイラの排ガスラインと接続して前記燃焼系からの排ガスの熱を捕捉する集熱炉と、
   前記集熱炉からの熱を蓄熱する蓄熱炉と、
   前記集熱炉で捕捉した熱を輸送する熱輸送循環路と、
   給水するための給水口と加温した水を前記ボイラに給水するための排水口を有する給水タンクと、を備え、
   前記給水タンクと前記蓄熱炉とは、前記蓄熱炉に蓄熱した熱を前記給水タンクに輸送する第２の熱輸送循環路を有し、前記蓄熱炉からの熱により前記第２の熱輸送循環路を介して加温した水を前記ボイラに供給することを特徴とする蓄熱システム。
7. 前記蓄熱炉は、前記蓄熱炉内に導入する気体の入口と前記蓄熱炉で熱付与された膨張係数の高い不燃ガスを排出する出口を有する閉鎖系のガス循環流路と、前記ガス循環流路のガス出口側に設けられ、膨張した気体の押圧力を回転力に変換するピストンモータと、前記ピストンモータからの回転運動に基づいて発電する発電機と、前記ピストンモータからのガスを冷却する冷却装置と、を備えた発電系を備えていることを特徴とする請求項６に記載の蓄熱システム。
8. １５０から４００℃帯域の所定温度の排ガスを伴う給水ボイラと、
   請求項６または請求項７に記載の蓄熱システムと、
   から構成された給水システム。

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