High-efficiency steam generation apparatus and method

本発明は、ボイラに前置接続された熱発生器を利用したボイラの蒸気発生に関する。

例えば製鋼所、セメント製造所における多くの工業プロセスや製紙等においては、プロセスの終端で廃熱の形にて中間温度レベルにある熱源が使用可能である。 この廃熱はボイラを作動させ、それにより最終的に電流を発生させるのに利用することができる。 都合のよいことに、さもなければ失われたであろう廃熱に蓄積された熱エネルギーが利用可能であり、それによって工業プロセス全体の実効率を高めることができる。

ボイラにおいては周知のごとく作動媒体が蒸発させられ、これが次に、例えば発電機に結合されたタービンに供給される。 作動媒体を蒸発させるために、加熱された伝熱媒体がボイラに供給され、その伝熱媒体に蓄積された熱が作動媒体に伝達され、これが作動媒体の蒸発をもたらす。 工業プロセスの廃熱を利用する場合に、この伝熱媒体は廃熱を利用して加熱される。 この場合に典型的には約６０℃ないし２００℃の範囲内の伝熱媒体の中間温度レベルが到達可能であるにすぎない。 従って、工業プロセスの廃熱に基づいて蒸気を発生させる場合の効率は比較的悪い。

その代わりに熱源として地熱設備も使用可能である。 地熱設備では周知のごとく地熱により伝熱媒体を加熱するために、伝熱媒体が深部ボーリングの中に注ぎ込まれる。 この場合にも深部ボーリングから取り出される伝熱媒体は中間温度レベルにあるにすぎない。 伝熱媒体に蓄積された熱エネルギーは、上述のごとく蒸気発生に利用できるが、しかしこの場合にも蒸気発生効率が比較的悪い。

本発明の課題は、中間温度レベルにある伝熱媒体の熱を利用した蒸気発生の際の効率を改善することにある。

この課題は、独立請求項に記載された発明によって解決される。 有利な実施態様は従属請求項からもたらされる。

本発明による課題解決手段の基本的な考え方は、作動媒体の蒸発を生じさせる伝熱媒体の温度を高めるために、文献では「熱変換器（Waermetransformator）」とも呼ばれている熱発生器を使用することにある。 熱発生器は、一般に、中間温度レベルの熱を供給して低い温度レベルの熱を運び去ることによって、高い温度レベルの熱を発生させるために用いられる。

熱発生器には中間温度レベルの１次伝熱媒体が供給される。 例えば、既述の工業設備廃熱管又は地熱設備のような熱源を利用して、この１次伝熱媒体を中間温度に持ち込むことができる。 そして、熱発生器もしくは熱変換器から、とりわけ１次伝熱媒体の温度よりも高い温度を有する２次媒体を取り出すことができる。 熱発生器は、いわゆる「吸収式ヒートポンプ」であって、その動作態様は、例えば独国特許出願公開第３５２１１９５号明細書又は独国特許第１９８１６０２２号明細書から公知であり、従ってここではそれ以上更に説明することはしない。

熱発生器により、１次伝熱媒体に蓄積された熱を２次伝熱媒体の加熱のために利用することができる。 その際に、今や比較的高温の２次伝熱媒体を用いて、ボイラにて作動媒体を比較的高い効率で加熱し、もしくは蒸発させることができる。

本発明による蒸気発生方法においては、特に廃熱ボイラ、カリーナボイラ又はＯＲＣ（有機ランキンサイクル）ボイラとして構成されているボイラの作動媒体を蒸発させるために、ボイラの熱交換器において熱エネルギーが伝熱媒体から作動媒体へ伝達される。 伝熱媒体を熱交換器に供給する前に本発明に従って伝熱媒体の温度を熱発生器において高めることによって、高い蒸気発生効率を保証することができる。

熱発生器にはもう一つの伝熱媒体により熱エネルギーが供給され、残留熱又は廃熱を発生する工業設備において、このもう一つの伝熱媒体が熱発生器に到達する前に、残留熱又は廃熱の利用により、このもう一つの伝熱媒体の温度が高められる。 これによって、工業設備のさもなければ失われてしまう残留熱又は廃熱を蒸気発生に利用できることが達成される。

代替実施態様においても熱発生器にはもう一つの伝熱媒体により熱エネルギーが供給される。 このもう一つの伝熱媒体の温度は、地熱設備において地熱を利用して、このもう一つの伝熱媒体が熱発生器に供給される前に高められるので、地熱を蒸気発生のために有効に利用することができる。

熱発生器に供給されるもう一つの伝熱媒体の温度は、両実施態様において、ボイラの熱交換器に供給される伝熱媒体の温度よりも低い。

特に廃熱ボイラ、カリーナボイラ又はＯＲＣボイラとして構成されているボイラの熱交換器において作動媒体を蒸発させるための本発明による装置では、作動媒体を蒸発させるための熱交換器において熱エネルギーが伝熱媒体から作動媒体に伝達可能である。 更に、この装置は伝熱媒体の温度を高めるための熱発生器を有する。

この熱発生器にはもう一つの伝熱媒体の助けにより熱エネルギーが供給可能である。 もう一つの伝熱媒体が熱発生器に供給される前に、このもう一つの伝熱媒体の温度が、残留熱又は廃熱を発生する工業設備において残留熱又は廃熱を利用して高められるとよい。 これによって、さもでなければ失われる工業設備の残留熱又は廃熱を蒸気発生のために利用することができる。

代替の実施態様においても、熱発生器にもう一つの伝熱媒体により熱エネルギーが供給可能である。 このもう一つの伝熱媒体が熱発生器に供給される前に、このもう一つの伝熱媒体の温度が、地熱設備において地熱を利用して高められ得るので、地熱を蒸気発生のために有効に利用することができる。

以下において説明する実施例から図面に基づいて本発明の他の利点、特徴および詳細を明らかにする。

図１は従来技術による蒸気発生のための廃熱利用を示す。

図２は工業設備の廃熱を利用するための熱発生器の第１の実施例を示す。

図３は地熱設備において発生する熱を利用するための熱発生器の第２の実施例を示す

これらの図において同一もしくは互いに対応する範囲、構成部品、構成部品グループ又は方法ステップが同一の参照符号で示されている。 配管における流れ方向が矢印によって示されている。

図１は、ボイラ２００の作動媒体Ａを蒸発させるために工業設備１００、例えば製鋼所の廃熱を利用する既知の可能性を示している。 製鋼所１００の簡単に示されているだけの廃熱配管１１０中には伝熱媒体Ｗによって貫流される熱交換器１２０が設置されている。 伝熱媒体Ｗの温度が熱交換器１２０において温度Ｔ１（Ｗ）から温度Ｔ２（Ｗ）に高められる。

加熱された伝熱媒体Ｗは、ポンプ１４０によって運ばれて、配管１３０を介してボイラ２００の熱交換器２２０に達する。 更に、熱交換器２２０は、蒸発させるべき作動媒体Ａによって貫流される。 熱交換器２２０においては伝熱媒体Ｗから作動媒体Ａへの熱伝達が行なわれ、その際に作動媒体Ａが加熱されて蒸発させられるのに対して、伝熱媒体Ｗの温度は相応に低下する。 冷えた伝熱媒体Ｗは、引き続いて配管１５０を介して製鋼所１００の廃熱配管１１０中の熱交換器１２０へ、そこにおいて再び加熱されるべく還流される。

ボイラの熱交換器２２０において蒸発させられた作動媒体Ａは、配管２３０を介してタービン２４０に供給されてこれを駆動する。 タービン２４０は最終的に電流を発生すべく発電機２５０に接続されているので、結局、公知の如くに製鋼所１００の廃熱利用により電流を発生させることができる。 タービン２４０において膨張させられた作動媒体Ａは、典型的には、タービン２４０に引き続いて配管２６０を介して冷却器２７０に導かれ、次にポンプ２８０の助けにより再び熱交換器２２０へ運ばれる。

図２は本発明による装置の第１の適用例を示す。 この場合にも、工業設備１００の廃熱配管１１０中に熱交換器１２０が存在することから出発し、この熱交換器１２０において工業設備１００の廃熱が１次伝熱媒体Ｗ１を温度Ｔ１（Ｗ１）からより高い温度Ｔ２（Ｗ１）に加熱するために利用される。 加熱された１次伝熱媒体Ｗ１がポンプ１４０の助けにより配管１３０を介して熱発生器３００の入口３０１に達する。

冒頭に述べたように、熱発生器３００の助けにより、約６０℃〜８０℃の比較的低い温度レベルＴ１にある工業設備１００の廃熱流に蓄積された熱を次のために利用することができる。 即ち、熱発生器３００の後段のプロセス、例えば蒸気発生において使用される２次伝熱媒体Ｗ２の温度を高め、その２次伝熱媒体Ｗ２の側では後段のプロセスの作動媒体Ａの温度を高め、特に作動媒体Ａを蒸発させるために利用することができる。

１次伝熱媒体Ｗ１は熱発生器３００を通り抜け、熱発生器３００内で行なわれるプロセスで冷え、最終的には出口３０２において取り出すことができる。 １次伝熱媒体Ｗ１は、出口３０２から配管１５０を介して工業設備１００の廃熱配管１１０中の熱交換器１２０へ戻り、そこで再び加熱される。

２次伝熱媒体Ｗ２が熱発生器３００に入口３０３を介して導入される。 この熱発生器では２次伝熱媒体Ｗ２が最終的に、１次伝熱媒体Ｗ１の熱の利用により、温度Ｔ１（Ｗ２）から温度Ｔ２（Ｗ２）に加熱される。 このように加熱された２次伝熱媒体Ｗ２が今や熱発生器３００の出口３０４において取り出され、ポンプ３１０の助けにより配管２１０を介してボイラ２００の熱交換器２２０に供給される。 これが、熱交換器２２０において、図１との関連で説明したようにボイラ２００の作動媒体Ａの蒸発を起こさせ、その結果タービン２４０および発電機２５０により電流を発生させることができる。 その際に２次伝熱媒体Ｗ２が冷え、引き続いて配管２９０を介して再び熱発生器３００の入口３０３に導入されて、そこで再び加熱される。

熱発生器３００の使用のおかげで、図１と関連して説明した従来技術における公知の設備の場合よりも、蒸気発生もしくは電流発生の効率が高い。 この熱発生器は、工業設備の廃熱配管とボイラとの間に有効に接続されていて、ボイラに供給される伝熱媒体が、より高い温度を有するように作用する。

完全のために、図２にはなおも、熱発生器３００にもう一つの媒体の供給および排出を可能にする入口３０５および出口３０６が示されている。 説明導入部において述べたように、熱発生器は、一般に、中間の温度レベルにある熱を供給して低い温度レベルにある熱を排出することによって、高い温度レベルにある熱を発生させるために用いられる。 入口３０５を介して供給されて出口３０６で取出し得る媒体は、低い温度レベルにある熱を排出するために用いられる。 １次伝熱媒体Ｗ１の助けにより、中間の温度レベルにある熱が供給され、２次伝熱媒体Ｗ２が高い温度レベルにある熱を導出し、これをボイラ２００の熱交換器２２０へ搬送する。

図３は本発明による装置の第２の適用例を示す。 １次伝熱媒体Ｗ１は、これまでは工業設備の廃熱の助けにより高められた温度Ｔ２（Ｗ１）をもたらされていたが、ここでは地熱設備４００において加熱される。 よく知られているように、地熱設備は地殻に蓄積された熱を利用する。 熱交換器４１０が定められた深さに配置されていて、１次伝熱媒体Ｗ１によって貫流されるので、１次伝熱媒体Ｗ１の温度Ｔ１（Ｗ１）を値Ｔ２（Ｗ１）に高めるために、そこにおいて支配的な高められた温度を利用することができる。 そのように加熱された１次伝熱媒体Ｗ１が、本発明に従って、ポンプ４２０の助けにより配管４３０を介して熱発生器３００の入口３０１に運ばれる。 上述のように、熱発生器３００は、１次伝熱媒体Ｗ１に蓄積された熱に基づいて２次伝熱媒体Ｗ２を温度Ｔ１（Ｗ２）から温度Ｔ２（Ｗ２）に加熱するために利用される。 加熱された伝熱媒体Ｗ２は、次に、図２との関連で説明した方法と同様にボイラ２００において蒸気発生および電流発生のために使用される。

これらの図において本発明は具体的に工業設備および地熱設備における適用例で説明されている。 工業設備は、基本的には残留熱又は廃熱が付随的に発生する設備、即ち、例えば製鋼所、セメント工場、製紙工場等であるとよい。 発電所の廃熱を上述の目的のために利用することも考えられ得る。 発電所において発生する廃熱、例えば燃料の燃焼後および／又はタービン後方における排ガス中に生じる廃熱は、特に残留熱の形で、大きな蓄積エネルギーを含んでいる。 この残留熱を、本発明に従って、熱発生器に供給される上述の１次伝熱媒体を加熱するために利用することができる。 この熱発生器は２次伝熱媒体に、より高い温度をもたらすために使用される。 その際に、２次伝熱媒体により、例えば発電所において燃焼のために必要とされる燃焼空気を、効率的な燃焼を生じさせるべく、予熱することができる。 この２次伝熱媒体は、上述の如きボイラにおいて、発電所の機器類、例えばポンプ用の電流を発生させるのに利用してもよい。

一般化するならば、上述のように本発明を応用するのに適したこれらの全ての設備、即ち発電所、地熱設備等を含めた残留熱又は廃熱を発生する工業設備は、「熱源」という概念に纏められる。 つまり、これは一般に、１次伝熱媒体を低い温度Ｔ１（Ｗ１）からより高い温度Ｔ２（Ｗ１）に加熱することを可能にする熱エネルギーを自由に使用できる設備のことである。

これらの図に示されたボイラ２００は、例えば廃熱ボイラ（ＡＨＤＥもしくはＨＲＳＧ，「排熱回収ボイラ」）、カリーナボイラ又はＯＲＣボイラであるとよい。 これらの特殊なボイラの全てに共通するのは、蒸発されるべき作動媒体が水に比べて低い沸点を有することである。 いわゆる「カリーナプロセス」は、低い温度レベルでの蒸気発生法であり、蒸発させるべき作動媒体が水ではなくて、アンモニア・水混合物であり、これは低い温度で既に蒸発する。 同様にいわゆる「ＯＲＣプロセス」は公知であり、このプロセスでは蒸発させるべき作動媒体として低い蒸発温度を有する有機液体が使用される。

しかし、２次伝熱媒体の高められた温度Ｔ２（Ｗ２）により、基本的には、水を作動媒体Ａとして動作するボイラを使用することも排除されてはいない。

ＯＲＣプロセスおよびカリーナプロセスはいずれも、低い又は中間の温度レベルにある伝熱媒体の熱を利用することによって蒸気を発生させるのに適している。 しかし、蒸気発生時の効率は熱源もしくは伝熱媒体の温度に非常に強く依存する。 例えば、伝熱媒体の温度が６０℃から１２０℃に高められる場合に、カルノー効率は３倍に向上する。 ２００℃への昇温は効率を約５倍の値に高める。 従って、本発明によりボイラに前置され伝熱媒体を昇温する熱発生器を使用することによって、効率に有利な結果がもたらされる。

１００ 工業設備１１０ 廃熱配管１２０ 熱交換器１３０ 配管１４０ ポンプ１５０ 配管２００ ボイラ２１０ 配管２２０ 熱交換器２３０ 配管２４０ タービン２５０ 発電機２６０ 配管２７０ 冷却器２８０ ポンプ２９０ 配管３００ 熱発生器３０１ 入口３０２ 出口３０３ 入口３０４ 出口３０５ 入口３０６ 出口３１０ ポンプ４００ 地熱設備４１０ 熱交換器４２０ ポンプ４３０ 配管Ａ 作動媒体Ｗ１ １次伝熱媒体Ｗ２ ２次伝熱媒体