特許 7328101 熱電併給システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-08-07

(45)【発行日】2023-08-16

(54)【発明の名称】熱電併給システム

(51)【国際特許分類】

   F02G 5/04 20060101AFI20230808BHJP

   F01K 23/10 20060101ALI20230808BHJP

   F01K 25/10 20060101ALI20230808BHJP

   F01K 27/02 20060101ALI20230808BHJP

【ＦＩ】

F02G5/04 H

F01K23/10 Z

F01K25/10 C

F01K25/10 F

F01K27/02 C

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2019174287

(22)【出願日】2019-09-25

(65)【公開番号】P2021050664

(43)【公開日】2021-04-01

【審査請求日】2022-04-26

(73)【特許権者】

【識別番号】507214083

【氏名又は名称】メタウォーター株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001977

【氏名又は名称】弁理士法人クスノキ特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】三島 俊一

(72)【発明者】

【氏名】河合 卓也

(72)【発明者】

【氏名】冨田 敦史

【審査官】藤原 弘

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１３－０７６３８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１２７０６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１７４８４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０４－２３７８０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５５－０１９９８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－１４９５０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６０－２２２５１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６３－００３２９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１４１２８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特公昭４５－０１４２０４（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特開２０１３－２１７３４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－２１３６５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０５－２４０００４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－１２９９８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｇ ５／０４

Ｆ０１Ｋ ２３／１０

Ｆ０１Ｋ ２５／１０

Ｆ０１Ｋ ２７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

発電用のタービンと、
再生器と、
凝縮器と、
加熱器と、
熱交換器とを備え、
前記発電用のタービンから出る有機媒体の作動媒体は、前記再生器、前記凝縮器、前記再生器、前記熱交換器、前記タービンの順に循環し、
前記加熱器は、汚泥焼却炉の排ガスを処理する排煙処理塔から出る洗煙排水と、冷却水とを熱交換し、加熱された冷却水を前記凝縮器に供給し、
前記凝縮器は、前記作動媒体と前記加熱器から出る前記冷却水とを熱交換し、
前記熱交換器は、前記洗煙排水よりも高温の、前記汚泥焼却炉の排熱と、前記再生器から出る前記作動媒体とを熱交換する
熱電併給システム。

【請求項2】

前記加熱器に供給する前記冷却水の流量を制御する制御器と、
前記凝縮器から他のシステムに供給される冷却水の温度を測定する測定器とを備え、
前記制御器は、前記計測器の測定結果に基づき、前記冷却水の流量を制御して前記凝縮器から前記他のシステムに供給される冷却水の温度を制御する、請求項１に記載の熱電併給システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱電併給システムに関する。

【背景技術】

【0002】

ランキンサイクル(Organic Rankine Cycle)の発電システム（以下、ORCシステムと適宜記す）における作動媒体を、汚泥焼却システムから得られる２つの熱源で加熱する、発電システムが本発明者により提案されている（特許文献１参照）。また、ORCシステムから回収した熱（回収熱）を他の用途に利用する熱電併給システムが提案されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第５２７１１００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の目的は、熱電併給システムにおいて、回収する温水の熱量を増加させることにある。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の熱電併給システムは、発電用のタービンと、再生器と、凝縮器と、加熱器と、熱交換器とを備え、前記発電用のタービンから出る有機媒体の作動媒体は、前記再生器、前記凝縮器、前記再生器、前記熱交換器、前記タービンの順に循環し、前記加熱器は、汚泥焼却炉の排ガスを処理する排煙処理塔から出る洗煙排水と、冷却水とを熱交換し、加熱された冷却水を前記凝縮器に供給し、前記凝縮器は、前記作動媒体と前記加熱器から出る前記冷却水とを熱交換し、前記熱交換器は、前記洗煙排水よりも高温の、前記汚泥焼却炉の排熱と、前記再生器から出る前記作動媒体とを熱交換する熱電併給システムである。

【発明の効果】

【0006】

本発明によれば、熱電併給システムにおいて、回収する温水の熱量を増加することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本実施の形態における熱電併給システムを示す説明図である。

【図2】冷却水の流量制御を示す説明図である。

【図3】作動媒体としてオクタメチルトリシロキサン（MDM）を用いた実施例を示す説明図である。

【図4】１熱源熱電併給システムにおいて、作動媒体としてオクタメチルトリシロキサンを用いた比較例を示す説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

図１は、本実施の形態における熱電併給システムの説明図である。本実施の形態における熱電併給システムは、排煙処理塔１２から出る洗煙排水（低温熱源）の保有熱量を冷却水に与えること、すなわち冷却水を予熱することで、回収する温水の熱量を増やす。

【0009】

最初に、汚泥処理システムの概要について説明する。汚泥処理システムは、低温熱源、高温熱源を熱電併給システムに供給する。汚泥処理システムは、汚泥焼却炉（図示しない）、熱媒ヒータ１０、集塵機１１、排煙処理塔１２を備える。

【0010】

熱媒ヒータ１０は、高温熱源である汚泥焼却炉の排ガスと、熱媒とを熱交換する。焼却排ガスは集塵機１１に供給される。また、熱媒は、後記する熱電併給システム２０の熱交換器２５に高温熱源として供給される。汚泥焼却炉は、例えば下水脱水汚泥を焼却する流動焼却炉である。その焼却排ガスは８５０℃前後の高温であるが、流動用空気加熱器などの様々な熱交換器を通過する間に冷却され、５００～７００℃程度の温度で熱媒ヒータ１０に供給される。

【0011】

熱媒は、例えば油または空気である。本実施形態では熱媒ヒータ１０で約３００℃に加熱された熱媒油が熱媒供給管を通じて循環供給されている。熱媒の温度は２００～５００℃である。実施形態においては、熱媒油を使用した場合には耐熱温度を考慮して熱媒油の温度は最大３４０℃、空気の場合には最大５００℃である。

【0012】

集塵機１１は、熱媒ヒータ１０の後段に配置され、熱媒ヒータ１０から供給される焼却排ガスからダストを除去する。しかし排ガス中には除去できないSOｘ等や微細なダストが含まれているため、排ガスは排煙処理塔１２に供給される。

【0013】

排煙処理塔１２は、塔体の下部に供給される排ガスと、塔の上方のノズル１３からスプレイされる洗浄水とを接触させて洗煙する。塔内下部には排ガスとの接触により６０～７５℃に加熱された洗煙排水が溜まる。排煙処理塔１２を通過した排ガスは排煙処理塔１２の上端から排出される。排煙処理塔１２の洗煙排水は、後記する熱電併給システム２０の加熱器２６に低温熱源として供給される。

【0014】

次に、熱電併給システム２０について説明する。図１の右側の破線で囲んだ部分に熱電併給システム２０の構成を示す。熱電併給システム２０は、発電用のタービン２１、再生器２２、凝縮器２３、ポンプ２４、熱交換器２５、加熱器２６を備える。発電用のタービン２１、再生器２２、凝縮器２３、ポンプ２４、熱交換器２５により有機ランキンサイクルが構成される。有機ランキンサイクルにおいて、タービン２１から出る作動媒体は、再生器２２、凝縮器２３、ポンプ２４、再生器２２、熱交換器２５、タービン２１の順に循環する。

【0015】

有機ランキンサイクルの作動媒体について説明する。タービン２１から出る気体状態の作動媒体は、再生器２２を通り、凝縮器２３で冷却水により冷却されて液化し、液化された作動媒体は、ポンプ２４で加圧されて、再生器２２に供給される。更に、作動媒体は、再生器２２から熱交換器２５に供給される。そして、作動媒体は、熱交換器２５で加熱されて高温高圧の気体となりタービン２１の入側に供給される。
なお、作動媒体として、有機媒体、具体的には、シクロペンタン、MM(ヘキサメチルジシロキサン)、MDM（オクタメチルトリシロキサン）を使用することができる。他にも、アンモニア等の各種作動媒体を使用することができる。

【0016】

加熱器２６は、排煙処理塔１２からの洗煙排水と、外部から供給される冷却水とを熱交換する。加熱された冷却水は凝縮器２３に供給される。なお、加熱器２６は、洗煙排水を排煙処理塔１２に戻す。

【0017】

凝縮器２３は、作動媒体と加熱器２６から出る冷却水とを熱交換する。作動媒体はポンプ２４により加圧されて再生器２２に供給される。作動媒体により加熱された冷却水は他のシステムに供給される。凝縮器２３から供給される冷却水（温水）は、洗煙排水の温度よりも高温の温水である。温水は、他のシステム、例えば汚泥の消化システムに供給される。なお、この実施形態では図１に示すように洗煙排水を循環させているが、洗煙排水はワンパスで系外に放出してもよい。

【0018】

図２は、冷却水の流量制御を示す説明図である。図２では、冷却水の流量を制御して温水の温度を制御する処理について説明する。
制御器３１は、測定器３２の測定結果、測定器３３の測定結果の少なくとも１つの測定結果に基づき弁３４の開閉を制御し、加熱器２６に供給する冷却水の流量を制御する。なお、図２における点線はいわゆる電気的信号を模式的に示す。
測定器３２は、凝縮器２３から供給される温水の温度を測定し測定結果を制御器３１に出力する。測定器３３は、排煙処理塔１２から供給される洗煙排水の温度を測定し測定結果を制御器３１に出力する。
弁３４は、制御器３１の制御に基づき、加熱器２６に入る冷却水の流量を制御する。

【0019】

制御器３１は、測定器３２の測定温度（温水の温度）が所定の温度（例えば、８７℃）より大きくなると弁３４の弁開度を調整し冷却水の流量を増やして、温水の温度を下げる。一方、制御器３１は、測定器３２の測定温度が所定の温度より小さくなると弁３４の弁開度を調整し冷却水の流量を減らして、温水の温度を上げる。

【0020】

また、制御器３１は、洗煙排水の温度に基づき、弁３４の開閉を制御しても良い。例えば、制御器３１は、測定器３３の測定温度（洗煙排水の温度）が所定の温度（例えば、７２℃）より大きくなると弁３４の弁開度を調整し冷却水の流量を増やして、温水の温度を下げる。一方、制御器３１は、測定器３３の測定温度が所定の温度より小さくなると弁３４の弁開度を調整し冷却水の流量を減らして、温水の温度を上げる。

【0021】

上記のように冷却水の流量を制御することで、他のシステムに供給される温水の温度を制御することができる。

【0022】

なお、熱交換器２５を複数の機器、例えば過熱器、蒸発器、予熱器と分けても良い。この場合、蒸発器の前段に予熱器が配置され、後段に過熱器が配置される。そして熱媒ヒータ１０から供給される熱媒が、過熱器、蒸発器、予熱器の順でこれらの内部を通過し、作動媒体を加熱蒸発させている。作動媒体は、予熱器、蒸発器、過熱器の順でこれらの内部を通過し、タービン２１に供給される。このように、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、各機器の間に更に機器を追加しても良い。更に、複数の機器を１つの機器としてまとめたり、１つの機器を複数の機器に分けても良い。

【実施例】

【0023】

図３は、作動媒体としてオクタメチルトリシロキサン（MDM）を用いた場合の熱電併給システム２０の実施例である。なお、図３で説明する温度、圧力、流量、熱量等のデータは一例である。

【0024】

熱交換器２５から気体状態の作動媒体がタービン２１に供給される。気体状態の作動媒体は、タービン２１を回転させつつタービン翼列の間を通過する間に断熱膨張し、低圧気体となる。タービン２１より１２３ｋＷの発電量が得られる。タービン２１から低圧気体の作動媒体が再生器２２に供給される。

【0025】

再生器２２は、タービン２１から出た気体状態の作動媒体と、ポンプ２４を介して凝縮器２３から供給される液体状態の作動媒体とを熱交換する。タービン２１から出た気体状態の作動媒体は再生器２２から凝縮器２３に供給される。ポンプ２４を介して凝縮器２３から供給された作動媒体は再生器２２から熱交換器２５に供給される。再生器２２から凝縮器２３に供給される気体状態の作動媒体の熱量は２３７ｋＷ、温度は１０７℃、圧力は０．０１ＭＰａである。

【0026】

加熱器２６は、入口温度が７２℃の洗煙排水と入口温度が２２℃の冷却水とを熱交換し、冷却水の温度を３５℃に上昇させる。温度が上昇した冷却水は凝縮器２３に供給される。出口温度が６９℃の洗煙排水は加熱器２６から排煙処理塔１２に戻される。

【0027】

凝縮器２３は、再生器２２から出た気体状態の作動媒体と、加熱器２６により温度が上昇した冷却水（入口温度が３５℃）とを熱交換して、冷却水の温度を８７℃に更に上昇させる。温度が上昇した冷却水（温水）は外部システムに供給される。このときの冷却水の流量は、１０.５ｍ^３/ｈであり、後記するように、冷却水を洗煙排水で加熱しない場合に比べて、冷却水の流量が多くなる。

【0028】

凝縮器２３から液体状態の作動媒体がポンプ２４に供給される。液体状態の作動媒体の熱量は-３９９ｋＷ、温度は８７．１℃、圧力は０．０１ＭＰａである。

【0029】

ポンプ２４は、作動媒体を加圧して再生器２２に供給する。加圧された作動媒体の温度は１７１℃、圧力は０．６ＭＰａである。作動媒体は再生器２２から熱交換器２５に供給される。

【0030】

熱交換器２５は、熱媒ヒータ１０（図１参照）から供給される熱媒と再生器２２から供給される作動媒体とを熱交換する。熱交換器２５から気体状態の作動媒体がタービン２１に供給される。気体状態の作動媒体の熱量は８９５ｋＷ、流量は１０,８５０ｋｇ/ｈ、温度は２３９℃、圧力は０．６ＭＰａである。

【0031】

以上、説明したように実施例１によれば、流量が１０.５ｍ^３の冷却水の温度を２２℃から、洗煙排水の温度７２℃よりも高い８７℃に上昇させることができる。

【0032】

（第1の比較例）
以下、図４、表１を参照して、本実施の形態の熱電併給システムと、加熱器２６を備えない、有機ランキンサイクルの熱電併給システム（以下、１熱源熱電併給システムと適宜記す）との温水熱量の回収量の相違を説明する。

【0033】

図４は、１熱源熱電併給システムにおいて、作動媒体としてオクタメチルトリシロキサンを用いた比較例を示す説明図である。表１は、本実施の形態の熱電併給システムと１熱源熱電併給システムとの対比表である。なお、対比表に記載した、冷却水の入口温度とは、凝縮器２３ｓに入る冷却水の温度であり、冷却水の出口温度とは、凝縮器２３ｓから出る冷却水の温度である。

【0034】

【表1】

【0035】

図４に示すように、１熱源熱電併給システムの有機ランキンサイクルの各機器の接続関係と、本実施の形態の熱電併給システムの有機ランキンサイクルの接続関係とは同様である。また、表１、図３、図４に示すように、本実施の形態の熱電併給システム、１熱源熱電併給システムにおける、作動媒体の種類、高温熱源の熱量、作動媒体循環量、発電量、冷却水出口温度の各データは、同じ値である。

【0036】

図４の１熱源配電システムでは、出口温度が８７℃の冷却水を生成するために、冷却水の流量を８．４ｍ^３/ｈに制御している。その結果、冷却水（温水）の回収熱量が６５３ｋｗになる。
これに対して、本実施の形態の熱電併給システムでは、出口温度が８７℃の冷却水（温水）を生成するために、冷却水の流量を１０．５ｍ^３/ｈに制御している。その結果、温水の回収熱量が８１６ｋＷに増えている。なお、図２で説明した制御器３１が、この冷却水の流量制御を行う。

【0037】

すなわち、本実施の形態によれば、温水の出口温度を１熱源配電システムにおける温水の出口温度と同じ温度にしても、冷却水の流量を増やすことができる、すなわち、回収する温水の熱量を増やすことができる。前記の例では、本実施の形態の熱電併給システムの回収熱量は、１熱源配電システムの回収熱量に比べて２５％増加している。このように、本実施の形態によれば、洗煙排水を有効活用して、温水の回収熱量を増やすことができる。

【0038】

（第２の比較例）
以下、表２を参照して、第２の比較例について説明する。第２の比較例では、本実施の形態の熱電併給システムにおいて、温水回収量を第１の比較例の温水回収熱量と同値にした場合の、冷却水入口温度、冷却水量を示している。表２に示したように、第２の比較例では、第１の比較例の場合に比べて、冷却水の流量を８．９ｍ^３/ｈに低下させて、冷却水の入口温度及び出口温度を上昇させている。このように冷却水の流量を制御することで、冷却水の入口温度及び出口温度を制御することができる。なお、図２で説明した制御器３１が、この冷却水の流量制御を行う。

【0039】

【表2】

【符号の説明】

【0040】

１０…熱媒ヒータ、１１…集塵機、１２…排煙処理塔、１３…ノズル、２０…熱電併給システム、２１…発電用のタービン、２２…再生器、２３…凝縮器、２４…ポンプ、２５…、熱交換器、２６…加熱器、３１…制御器、３２，３３…測定器、３４…弁

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】