ボイラブロー水の熱回収システム
【課題】ブロー水を多量の冷却水によって冷却する必要がなく、ブロー水が有する熱エネルギを回収してボイラへの給気を加熱することによってボイラの運転コストを下げることができるボイラブロー水の熱回収システムを提供すること。
【解決手段】ボイラ１から排出されるブロー水の熱をヒートポンプ２によって汲み上げ、その熱によってボイラ１への給気（燃焼用空気）を加熱する。即ち、ボイラ１から排出されるブロー水を前記ヒートポンプ２のエバポレータ１６における冷媒との熱交換によって冷却するとともに、ヒートポンプ２のコンデンサ１４における冷媒の凝縮熱によってボイラ１への給気を加熱する。又、前記ヒートポンプ２のエバポレータ１６における冷媒との熱交換によって冷却されたブロー水を中和する中和装置１２を設ける。
【解決手段】ボイラ１から排出されるブロー水の熱をヒートポンプ２によって汲み上げ、その熱によってボイラ１への給気（燃焼用空気）を加熱する。即ち、ボイラ１から排出されるブロー水を前記ヒートポンプ２のエバポレータ１６における冷媒との熱交換によって冷却するとともに、ヒートポンプ２のコンデンサ１４における冷媒の凝縮熱によってボイラ１への給気を加熱する。又、前記ヒートポンプ２のエバポレータ１６における冷媒との熱交換によって冷却されたブロー水を中和する中和装置１２を設ける。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラから排出されるブロー水の熱を回収してボイラの給気（燃焼用空気）を加熱（予熱）するようにしたボイラブロー水の熱回収システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ボイラにおいては、腐食を防止するためにカルシウムイオンやマグネシウムイオンをナトリウムイオンに交換したイオン交換水等の軟水が用いられるとともに、アルカリ性剤が添加剤としてボイラ水に加えられ、ボイラ水のｐＨが１１前後（アルカリ性）に調整されて運転管理されている。
【０００３】
而して、ボイラでは、蒸気の発生によってボイラ水中のミネラル分等の不純物やアルカリ性剤が濃縮されるが、ボイラ水中の不純物やアルカリ性剤の濃度が高くなるとスケール等が発生したり、蒸気の乾き度の維持が困難となるという問題が発生する。このため、ボイラでは、不純物やアルカリ性剤の濃度が高いボイラ水の一部をブロー水として排出（ブローダウン）し、残ったボイラ水を補給水で希釈することが行われている。この場合、排出されるブロー水のｐＨは１１前後とアルカリ性が強いため、中和装置において酸を用いてブロー水のｐＨが５〜９程度の中性領域の値となるよう中和してから放流するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
中和装置には、炭酸ガスをブロー水に混合させることによって、ブロー水中に含まれる強アルカリ成分由来のＮａ＋ やＫ＋ 等の陽イオンに炭酸塩を形成させ、ブロー水のｐＨを緩やかに中性領域の値に導くようにしたものが知られている。この場合、炭酸ガスは高温のブロー水に吸収されにくいため、中和装置においてブロー水を多量の冷却水によって希釈して温度を４０℃以下まで下げた後、このブロー水に炭酸ガスを吹き込んで吸収させるようにしている。
【０００５】
ところで、ボイラから排出されるブロー水はかなりの熱エネルギを有しているため、この熱エネルギを回収して再利用することが望まれる。例えば、特許文献２には、ボイラから排出されるブロー水をフラッシュタンクに導入して減圧することによって低圧蒸気と温水とに分離し、分離された低圧蒸気を圧縮機によって圧縮して高圧の蒸気にして吐出するようにしたエネルギ回収システムが提案されている。
【０００６】
又、特許文献３には、ボイラへの給水をヒートポンプによって加熱（予熱）したり、ボイラに供給される給気（燃焼用空気）をボイラからの排出ガスによって加熱（予熱）するようにした蒸気供給システムが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−０００７５５号公報
【特許文献２】特開２００９−２５０５８２号公報
【特許文献３】特開２００６−３０８１６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来のようにボイラから排出されるブロー水を中和装置において多量の冷却水で希釈して温度を４０℃以下まで下げ、ｐＨを中性付近にするためには、多量の冷却水を必要とするという問題がある。又、かなりの熱エネルギを有するブロー水をそのまま排出することはエネルギの利用効率が悪く、ボイラの運転コストを下げることができないという問題もある。
【０００９】
特許文献２において提案されたエネルギ回収システムにはフラッシュタンクと圧縮機を要する他、フラッシュタンクにおいて分離された温水をそのまま排出するため、この温水が有する熱エネルギを回収することができないという問題がある。又、特許文献３において提案された蒸気供給システムはブロー水の熱エネルギを回収する方式を採用していない。
【００１０】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的とする処は、ブロー水を多量の冷却水によって冷却する必要がなく、ブロー水が有する熱エネルギを回収してボイラへの給気を加熱することによってボイラの運転コストを下げることができるボイラブロー水の熱回収システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、ボイラから排出されるブロー水の熱をヒートポンプによって汲み上げ、その熱によってボイラへの給気を加熱することを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、ボイラから排出されるブロー水を前記ヒートポンプのエバポレータにおける冷媒との熱交換によって冷却するとともに、ヒートポンプのコンデンサにおける冷媒の凝縮熱によってボイラへの給気を加熱することを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記ヒートポンプのエバポレータにおける冷媒との熱交換によって冷却されたブロー水を中和する中和装置を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ボイラから排出されるブロー水をヒートポンプのエバポレータにおける冷媒との熱交換によって冷却するようにしたため、ブロー水を多量の冷却水によって冷却する必要がなく、冷却設備が不要となって設備費を削減することができる。又、ヒートポンプのコンデンサにおける冷媒の凝縮熱によってボイラへの給気（燃焼用空気）を加熱（予熱）するようにしたため、所定温度及び所定量の蒸気を発生させるために必要な燃料が少なくて済み、その分だけ燃料コストを削減しボイラの運転コストを下げることこができる。
【００１５】
更に、中和装置においては、ヒートポンプのエバポレータにおける冷媒との熱交換によって冷却されたブロー水に例えば炭酸ガスを吹き込むことによって、炭酸ガスがブロー水に混合されて該ブロー水が効率良く中和される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係るボイラブロー水の熱回収システムの構成図である。
【図２】本発明に係るボイラブロー水の熱回収システムに用いられるヒートポンプにおける冷媒の状態変化を示すモリエル線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は本発明に係るボイラブロー水の熱回収システムの構成図、図２は同熱回収システムに用いられるヒートポンプにおける冷媒の状態変化を示すモリエル線図である。
【００１９】
図１に示す熱回収システムは、ボイラ１から排出されるブロー水の熱をヒートポンプ２によって汲み上げ、その熱によってボイラ１への給気（燃焼用空気）を加熱（予熱）するものであって、ボイラ１からはブロー水導入管３が延びており、このブロー水導入管３は、ブロー水を貯留するブロー槽４の上部に開口している。尚、本実施の形態に係るボイラ１では、ファン５によって給気（燃焼用空気）が供給され、この給気に燃料（油又はガス）が噴射されて所定空燃比（Ａ／Ｆ）の混合気が形成され、この混合気がボイラ１の燃焼部において燃焼することによってボイラ１において所定温度及び所定量の蒸気が発生する。
【００２０】
上記ブロー槽４からはブロー水排出管６が延びており、このブロー水排出管６には排水ポンプ７と炭酸ガス吸込部８及び反応筒９が設けられている。又、ブロー水排出管６の前記排水ポンプ７と前記炭酸ガス吸込部８の間には炭酸ガスボンベ１０から延びるガス吹込管１１が接続されている。ここで、炭酸ガス吸込部８と反応筒９及び炭酸ガスボンベ１０は中和装置１２を構成している。
【００２１】
前記ヒートポンプ２は、基本的にコンプレッサ１３、コンデンサ１４、減圧手段としての膨張弁１５及びエバポレータ１６を冷媒配管Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４によって接続して構成されている。そして、エバポレータ１６と前記ブロー槽４とはブロー水管１７，１８によって接続されており、一方のブロー水管１７には循環ポンプ１９が設けられている。又、前記コンデンサ１４は、ボイラ１の燃焼部に給気が供給される給気通路に設置されている。尚、本実施の形態では、ヒートポンプ２を循環する冷媒としてはフロン系のＨＣＦＣ（Ｒ−２２）を用いた。
【００２２】
而して、ボイラ１が運転されて蒸気が発生すると、ボイラ水中のミネラル分等の不純物やアルカリ性剤が濃縮されるため、濃縮された濃度の高いボイラ水の一部がブロー水としてブロー水導入管３からブロー槽４へと導入されて貯留される。尚、ボイラ１に残ったボイラ水は補給水によって希釈されて所定の水質が保持される。
【００２３】
ブロー槽４に貯留された高温のブロー水は、循環ポンプ１９によってブロー水管１７からヒートポンプ２のエバポレータ１６へと導入され、ここでの冷媒との熱交換によって冷却される。即ち、後述のようにブロー水が保有する熱はエバポレータ１６において冷媒の蒸発潜熱として奪われるために該ブロー水が冷却され、冷却されたブロー水はブロー水管１８を通ってブロー槽４へと戻され、以下、同様の作用が繰り返されてブロー槽４内のブロー水が順次冷却される。
【００２４】
上述のようにして冷却されたブロー槽４内のブロー水は、排水ポンプ７によって汲み上げられてブロー水排出管６を流れるが、その過程で炭酸ガスボンベ１０からガス吹込管１１を経て供給される炭酸ガスが炭酸ガス吸込部８に吸い込まれ、吸い込まれた炭酸ガスは反応筒９においてブロー水と接触してブロー水に混合され、ｐＨ１１程度のアルカリ性の強いブロー水が中和されてそのｐＨが５〜９程度に中和される。この場合、ブロー水は冷却されてその温度が下げられているため、炭酸ガスのブロー水への吸収が効率良くなされる。尚、本実施の形態では、温度８０℃のブロー水が冷却されて温度４０℃まで下げられる。
【００２５】
そして、中和装置１２において炭酸ガスによって中和されたブロー水は、反応筒９からブロー水排出管６を通って放流される。
【００２６】
他方、ヒートポンプ２のコンデンサ１４においては、ここを通過する給気が冷媒の凝縮熱によって加熱（予熱）され、この加熱された給気がボイラ１へと供給されて混合気の形成に供される。尚、本実施の形態では、温度２０℃の給気が温度３６．５℃まで加熱される。
【００２７】
ここで、ヒートポンプ２における冷媒の状態変化を図２に示すモリエル線図（Ｐ−ｉ線図）に基づいて説明する。
【００２８】
コンプレッサ１３が不図示の電動モータによって駆動されると、図２のａにて示す状態（圧力Ｐ１ 、エンタルピｉ１ ）にあるガス冷媒（温度２０℃）がコンプレッサ１３によって圧縮されて図２にｂにて示す状態（圧力Ｐ２ 、エンタルピｉ２ ）の高温（７０℃）・高圧のガス冷媒となり（圧縮行程）、このガス冷媒は冷媒配管Ｌ１を通ってコンデンサ１４へと導入される。尚、このときのコンプレッサ１３の圧縮動力Ｗ（熱量換算）は（ｉ２ −ｉ１ ）で表され、本実施の形態ではＷ＝３０ｋＪ／ｋｇである。
【００２９】
コンデンサ１４では高温（７０℃）・高圧のガス冷媒が給気に凝縮潜熱Ｑ２ を放出して該給気を加熱（予熱）し、図２のｂ→ｃへと状態変化（相変化）して液化し（凝縮行程）、図２にｃにて示す過冷却状態（圧力Ｐ２ 、エンタルピｉ３ ）の高圧液冷媒（温度２０℃）となる。尚、このときの冷媒の凝縮潜熱Ｑ２ は（ｉ２ −ｉ３ ）で表され、本実施の形態ではＱ２ ＝１９０ｋＪ／ｋｇであって、この凝縮潜熱Ｑ２ によって温度２０℃の給気が温度３６．５℃まで加熱（予熱）される。
【００３０】
上述のようにコンデンサ１４において液化及び過冷却された高圧液冷媒は、コンデンサ１４から冷媒配管Ｌ２を通って膨張弁１５に向かい、この膨張弁１５を通過することによって減圧されて断熱膨張（等エンタルピ膨張）し（膨張行程）、図２のｃ→ｄの状態（圧力Ｐ１ 、エンタルピｉ３ ）へと状態変化し、その一部がガス化する。そして、一部がガス化した冷媒（温度２０℃）は冷媒配管Ｌ３を通ってエバポレータ１６に導入され、該エバポレータ１６を通過する過程でブロー水から蒸発潜熱Ｑ１ を奪って蒸発及び過熱され（蒸発行程）、図２のｄ→ａの状態（圧力Ｐ１ 、エンタルピｉ１ ）のガス冷媒となる。このときの冷媒の蒸発潜熱Ｑ１ は（ｉ１ −ｉ３ ）で表され、本実施の形態ではＱ１ ＝１６０ｋＪ／ｋｇであって、この蒸発潜熱Ｑ１ によって温度８０℃のブロー水は冷却されてその温度が４０℃まで下がる。
【００３１】
而して、エバポレータ１６において蒸発したガス冷媒（温度２０℃）は、冷媒ラインＬ４を通ってコンプレッサ１３へと導かれ、前述のようにコンプレッサ１３によって再び圧縮され、以後は前述と同様の作用を繰り返してブロー水を冷却するとともに、給気を加熱（予熱）する。尚、本実施の形態に係るヒートポンプ２の成績係数（ＣＯＰ）はＱ２ ／Ｗ＝１９０（ｋＪ／ｈ）／３０（ｋＪ／ｈ）＝６．３である。
【００３２】
以上のように、本実施の形態では、ボイラ１から排出される温度８０℃のブロー水をヒートポンプ２のエバポレータ１６における冷媒との熱交換（冷媒の蒸発潜熱Ｑ１ ）によって温度４０℃まで冷却するようにしたため、従来のようにブロー水を多量の冷却水によって冷却する必要がなく、冷却設備が不要となって設備費を削減することができる。このときのブロー水からの熱回収量Ｑは、ブロー水の流量Ｇ（＝２５０ｋｇ／ｈ）、比熱ｃ（＝１ｋＪ／ｋｇ℃）、温度差ΔＴ（＝４０℃）を用いて次式にて表される。
【００３３】
Ｑ＝Ｇ×ｃ×ΔＴ＝２５０（ｋｇ／ｈ）×１（ｋＪ／ｋｇ℃）×４０（℃）
＝１００００ｋＪ／ｈ＝１１．６ｋＷ … （１）
又、ヒートポンプ２のコンデンサ１４における冷媒の凝縮熱Ｑ２ によってボイラ１への給気（燃焼用空気）を加熱（予熱）するようにしたため、所定温度及び所定量の蒸気を発生させるために必要な燃焼エネルギが下がり、その分だけ燃料コストが削減されてボイラ１の運転コストが下げられる。
【００３４】
ここで、ブロー水から回収した熱量Ｑ（＝１００００ｋＪ／ｈ）、温度２０℃の給気の温度上昇ΔＴ、給気の流量Ｇ（＝２５１５ｋｇ／ｈ）、空気の比熱ｃ（＝０．２４１ｋＪ／ｋｇ℃）とすると次式が成り立つ。
【００３５】
Ｑ＝Ｇ×ｃ×ΔＴ … （２）
従って、（２）式より給気の温度上昇ΔＴは次式によって求められる。
【００３６】
ΔＴ＝Ｑ／（Ｇ×ｃ）
＝１００００（ｋＪ／ｈ）／（２５１５（ｋｇ／ｈ）×０．２４１ｋＪ／ｋｇ℃））
＝１６．５℃ … （３）
従って、温度２０℃の給気はコンデンサ１４における冷媒との熱交換によって温度３６．５℃まで加熱（予熱）される。
【００３７】
次に、本発明に係るボイラブロー水の熱回収システムを用いたときのボイラ１の運転コストの増減を試算すると以下のようになる。
【００３８】
燃料の発熱量は９７００ｋｃａｌ／ｍ３ Ｎであるため、ブロー水から回収した熱量１００００ｋＪ／ｈ（（１）式参照）によって燃料が次式によって求められる量だけ節約される。
【００３９】
１００００（ｋｃａｌ／ｈ）／９７００ｌｃａｌ（ｋｃａｌ／ｍ３ Ｎ） ＝１．０３ｍ３ Ｎ／ｈ
燃料の単価を６０円／ｍ３ Ｎとすると、燃費は、
６０円／ｍ３ Ｎ×１．０３ｍ３ Ｎ／ｈ＝６１．８円／ｈ … （４）
だけ節約される。
【００４０】
他方、ヒートポンプ２のコンプレッサ１３を駆動するために必要に電力は、ブロー水からの熱回収量Ｑ（＝１１．６ｋＷ（電力換算））と成績係数（ＣＯＰ）＝６．３から次式のように求められる。
【００４１】
１１．６ｋＷ／６．３＝１．８４ｋＷ
電気料の単価を１５円／ｋＷｈとすると、電気料は、
１５円／ｋＷｈ×１．８４ｋＷ＝２７．６円／ｈ … （５）
だけ増加する。
【００４２】
従って、（４）式と（５）式より、ボイラ１の運転コストは、
６１．８円／ｈ−２７．６円／ｈ＝３４．２円／ｈ … （６）
だけ下がることとなる。
【００４３】
又、本実施の形態では、中和装置１２において、ヒートポンプ２のエバポレータ１６における冷媒との熱交換によって４０℃まで温度が下げられたブロー水に炭酸ガスを吹き込むようにしたため、炭酸ガスがブロー水に混合されてブロー水が効率良く中和されるという効果も得られる。
【００４４】
尚、本実施の形態では、ブロー水の中和に炭酸ガスボンベ１０に充填された炭酸ガスを用いたが、ボイラ１から排出される排気ガスをブロー水に吹き込み、この排気ガス中に含まれる炭酸ガスによってブロー水を中和するようにしても良い。
【符号の説明】
【００４５】
１ ボイラ
２ ヒートポンプ
３ ブロー水排出管
４ ブロー槽
５ ファン
６ ブロー水排出管
７ 排水ポンプ
８ 炭酸ガス吸込部
９ 反応筒
１０ 炭酸ガスボンベ
１１ ガス吹込管
１２ 中和装置
１３ コンプレッサ
１４ コンデンサ
１５ 膨張弁
１６ エバポレータ
１７，１８ ブロー水管
１９ 循環ポンプ
Ｌ１〜Ｌ４ 冷媒配管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ボイラから排出されるブロー水の熱を回収してボイラの給気（燃焼用空気）を加熱（予熱）するようにしたボイラブロー水の熱回収システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ボイラにおいては、腐食を防止するためにカルシウムイオンやマグネシウムイオンをナトリウムイオンに交換したイオン交換水等の軟水が用いられるとともに、アルカリ性剤が添加剤としてボイラ水に加えられ、ボイラ水のｐＨが１１前後（アルカリ性）に調整されて運転管理されている。
【０００３】
而して、ボイラでは、蒸気の発生によってボイラ水中のミネラル分等の不純物やアルカリ性剤が濃縮されるが、ボイラ水中の不純物やアルカリ性剤の濃度が高くなるとスケール等が発生したり、蒸気の乾き度の維持が困難となるという問題が発生する。このため、ボイラでは、不純物やアルカリ性剤の濃度が高いボイラ水の一部をブロー水として排出（ブローダウン）し、残ったボイラ水を補給水で希釈することが行われている。この場合、排出されるブロー水のｐＨは１１前後とアルカリ性が強いため、中和装置において酸を用いてブロー水のｐＨが５〜９程度の中性領域の値となるよう中和してから放流するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
中和装置には、炭酸ガスをブロー水に混合させることによって、ブロー水中に含まれる強アルカリ成分由来のＮａ＋ やＫ＋ 等の陽イオンに炭酸塩を形成させ、ブロー水のｐＨを緩やかに中性領域の値に導くようにしたものが知られている。この場合、炭酸ガスは高温のブロー水に吸収されにくいため、中和装置においてブロー水を多量の冷却水によって希釈して温度を４０℃以下まで下げた後、このブロー水に炭酸ガスを吹き込んで吸収させるようにしている。
【０００５】
ところで、ボイラから排出されるブロー水はかなりの熱エネルギを有しているため、この熱エネルギを回収して再利用することが望まれる。例えば、特許文献２には、ボイラから排出されるブロー水をフラッシュタンクに導入して減圧することによって低圧蒸気と温水とに分離し、分離された低圧蒸気を圧縮機によって圧縮して高圧の蒸気にして吐出するようにしたエネルギ回収システムが提案されている。
【０００６】
又、特許文献３には、ボイラへの給水をヒートポンプによって加熱（予熱）したり、ボイラに供給される給気（燃焼用空気）をボイラからの排出ガスによって加熱（予熱）するようにした蒸気供給システムが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−０００７５５号公報
【特許文献２】特開２００９−２５０５８２号公報
【特許文献３】特開２００６−３０８１６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来のようにボイラから排出されるブロー水を中和装置において多量の冷却水で希釈して温度を４０℃以下まで下げ、ｐＨを中性付近にするためには、多量の冷却水を必要とするという問題がある。又、かなりの熱エネルギを有するブロー水をそのまま排出することはエネルギの利用効率が悪く、ボイラの運転コストを下げることができないという問題もある。
【０００９】
特許文献２において提案されたエネルギ回収システムにはフラッシュタンクと圧縮機を要する他、フラッシュタンクにおいて分離された温水をそのまま排出するため、この温水が有する熱エネルギを回収することができないという問題がある。又、特許文献３において提案された蒸気供給システムはブロー水の熱エネルギを回収する方式を採用していない。
【００１０】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的とする処は、ブロー水を多量の冷却水によって冷却する必要がなく、ブロー水が有する熱エネルギを回収してボイラへの給気を加熱することによってボイラの運転コストを下げることができるボイラブロー水の熱回収システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、ボイラから排出されるブロー水の熱をヒートポンプによって汲み上げ、その熱によってボイラへの給気を加熱することを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、ボイラから排出されるブロー水を前記ヒートポンプのエバポレータにおける冷媒との熱交換によって冷却するとともに、ヒートポンプのコンデンサにおける冷媒の凝縮熱によってボイラへの給気を加熱することを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記ヒートポンプのエバポレータにおける冷媒との熱交換によって冷却されたブロー水を中和する中和装置を設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、ボイラから排出されるブロー水をヒートポンプのエバポレータにおける冷媒との熱交換によって冷却するようにしたため、ブロー水を多量の冷却水によって冷却する必要がなく、冷却設備が不要となって設備費を削減することができる。又、ヒートポンプのコンデンサにおける冷媒の凝縮熱によってボイラへの給気（燃焼用空気）を加熱（予熱）するようにしたため、所定温度及び所定量の蒸気を発生させるために必要な燃料が少なくて済み、その分だけ燃料コストを削減しボイラの運転コストを下げることこができる。
【００１５】
更に、中和装置においては、ヒートポンプのエバポレータにおける冷媒との熱交換によって冷却されたブロー水に例えば炭酸ガスを吹き込むことによって、炭酸ガスがブロー水に混合されて該ブロー水が効率良く中和される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係るボイラブロー水の熱回収システムの構成図である。
【図２】本発明に係るボイラブロー水の熱回収システムに用いられるヒートポンプにおける冷媒の状態変化を示すモリエル線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１は本発明に係るボイラブロー水の熱回収システムの構成図、図２は同熱回収システムに用いられるヒートポンプにおける冷媒の状態変化を示すモリエル線図である。
【００１９】
図１に示す熱回収システムは、ボイラ１から排出されるブロー水の熱をヒートポンプ２によって汲み上げ、その熱によってボイラ１への給気（燃焼用空気）を加熱（予熱）するものであって、ボイラ１からはブロー水導入管３が延びており、このブロー水導入管３は、ブロー水を貯留するブロー槽４の上部に開口している。尚、本実施の形態に係るボイラ１では、ファン５によって給気（燃焼用空気）が供給され、この給気に燃料（油又はガス）が噴射されて所定空燃比（Ａ／Ｆ）の混合気が形成され、この混合気がボイラ１の燃焼部において燃焼することによってボイラ１において所定温度及び所定量の蒸気が発生する。
【００２０】
上記ブロー槽４からはブロー水排出管６が延びており、このブロー水排出管６には排水ポンプ７と炭酸ガス吸込部８及び反応筒９が設けられている。又、ブロー水排出管６の前記排水ポンプ７と前記炭酸ガス吸込部８の間には炭酸ガスボンベ１０から延びるガス吹込管１１が接続されている。ここで、炭酸ガス吸込部８と反応筒９及び炭酸ガスボンベ１０は中和装置１２を構成している。
【００２１】
前記ヒートポンプ２は、基本的にコンプレッサ１３、コンデンサ１４、減圧手段としての膨張弁１５及びエバポレータ１６を冷媒配管Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４によって接続して構成されている。そして、エバポレータ１６と前記ブロー槽４とはブロー水管１７，１８によって接続されており、一方のブロー水管１７には循環ポンプ１９が設けられている。又、前記コンデンサ１４は、ボイラ１の燃焼部に給気が供給される給気通路に設置されている。尚、本実施の形態では、ヒートポンプ２を循環する冷媒としてはフロン系のＨＣＦＣ（Ｒ−２２）を用いた。
【００２２】
而して、ボイラ１が運転されて蒸気が発生すると、ボイラ水中のミネラル分等の不純物やアルカリ性剤が濃縮されるため、濃縮された濃度の高いボイラ水の一部がブロー水としてブロー水導入管３からブロー槽４へと導入されて貯留される。尚、ボイラ１に残ったボイラ水は補給水によって希釈されて所定の水質が保持される。
【００２３】
ブロー槽４に貯留された高温のブロー水は、循環ポンプ１９によってブロー水管１７からヒートポンプ２のエバポレータ１６へと導入され、ここでの冷媒との熱交換によって冷却される。即ち、後述のようにブロー水が保有する熱はエバポレータ１６において冷媒の蒸発潜熱として奪われるために該ブロー水が冷却され、冷却されたブロー水はブロー水管１８を通ってブロー槽４へと戻され、以下、同様の作用が繰り返されてブロー槽４内のブロー水が順次冷却される。
【００２４】
上述のようにして冷却されたブロー槽４内のブロー水は、排水ポンプ７によって汲み上げられてブロー水排出管６を流れるが、その過程で炭酸ガスボンベ１０からガス吹込管１１を経て供給される炭酸ガスが炭酸ガス吸込部８に吸い込まれ、吸い込まれた炭酸ガスは反応筒９においてブロー水と接触してブロー水に混合され、ｐＨ１１程度のアルカリ性の強いブロー水が中和されてそのｐＨが５〜９程度に中和される。この場合、ブロー水は冷却されてその温度が下げられているため、炭酸ガスのブロー水への吸収が効率良くなされる。尚、本実施の形態では、温度８０℃のブロー水が冷却されて温度４０℃まで下げられる。
【００２５】
そして、中和装置１２において炭酸ガスによって中和されたブロー水は、反応筒９からブロー水排出管６を通って放流される。
【００２６】
他方、ヒートポンプ２のコンデンサ１４においては、ここを通過する給気が冷媒の凝縮熱によって加熱（予熱）され、この加熱された給気がボイラ１へと供給されて混合気の形成に供される。尚、本実施の形態では、温度２０℃の給気が温度３６．５℃まで加熱される。
【００２７】
ここで、ヒートポンプ２における冷媒の状態変化を図２に示すモリエル線図（Ｐ−ｉ線図）に基づいて説明する。
【００２８】
コンプレッサ１３が不図示の電動モータによって駆動されると、図２のａにて示す状態（圧力Ｐ１ 、エンタルピｉ１ ）にあるガス冷媒（温度２０℃）がコンプレッサ１３によって圧縮されて図２にｂにて示す状態（圧力Ｐ２ 、エンタルピｉ２ ）の高温（７０℃）・高圧のガス冷媒となり（圧縮行程）、このガス冷媒は冷媒配管Ｌ１を通ってコンデンサ１４へと導入される。尚、このときのコンプレッサ１３の圧縮動力Ｗ（熱量換算）は（ｉ２ −ｉ１ ）で表され、本実施の形態ではＷ＝３０ｋＪ／ｋｇである。
【００２９】
コンデンサ１４では高温（７０℃）・高圧のガス冷媒が給気に凝縮潜熱Ｑ２ を放出して該給気を加熱（予熱）し、図２のｂ→ｃへと状態変化（相変化）して液化し（凝縮行程）、図２にｃにて示す過冷却状態（圧力Ｐ２ 、エンタルピｉ３ ）の高圧液冷媒（温度２０℃）となる。尚、このときの冷媒の凝縮潜熱Ｑ２ は（ｉ２ −ｉ３ ）で表され、本実施の形態ではＱ２ ＝１９０ｋＪ／ｋｇであって、この凝縮潜熱Ｑ２ によって温度２０℃の給気が温度３６．５℃まで加熱（予熱）される。
【００３０】
上述のようにコンデンサ１４において液化及び過冷却された高圧液冷媒は、コンデンサ１４から冷媒配管Ｌ２を通って膨張弁１５に向かい、この膨張弁１５を通過することによって減圧されて断熱膨張（等エンタルピ膨張）し（膨張行程）、図２のｃ→ｄの状態（圧力Ｐ１ 、エンタルピｉ３ ）へと状態変化し、その一部がガス化する。そして、一部がガス化した冷媒（温度２０℃）は冷媒配管Ｌ３を通ってエバポレータ１６に導入され、該エバポレータ１６を通過する過程でブロー水から蒸発潜熱Ｑ１ を奪って蒸発及び過熱され（蒸発行程）、図２のｄ→ａの状態（圧力Ｐ１ 、エンタルピｉ１ ）のガス冷媒となる。このときの冷媒の蒸発潜熱Ｑ１ は（ｉ１ −ｉ３ ）で表され、本実施の形態ではＱ１ ＝１６０ｋＪ／ｋｇであって、この蒸発潜熱Ｑ１ によって温度８０℃のブロー水は冷却されてその温度が４０℃まで下がる。
【００３１】
而して、エバポレータ１６において蒸発したガス冷媒（温度２０℃）は、冷媒ラインＬ４を通ってコンプレッサ１３へと導かれ、前述のようにコンプレッサ１３によって再び圧縮され、以後は前述と同様の作用を繰り返してブロー水を冷却するとともに、給気を加熱（予熱）する。尚、本実施の形態に係るヒートポンプ２の成績係数（ＣＯＰ）はＱ２ ／Ｗ＝１９０（ｋＪ／ｈ）／３０（ｋＪ／ｈ）＝６．３である。
【００３２】
以上のように、本実施の形態では、ボイラ１から排出される温度８０℃のブロー水をヒートポンプ２のエバポレータ１６における冷媒との熱交換（冷媒の蒸発潜熱Ｑ１ ）によって温度４０℃まで冷却するようにしたため、従来のようにブロー水を多量の冷却水によって冷却する必要がなく、冷却設備が不要となって設備費を削減することができる。このときのブロー水からの熱回収量Ｑは、ブロー水の流量Ｇ（＝２５０ｋｇ／ｈ）、比熱ｃ（＝１ｋＪ／ｋｇ℃）、温度差ΔＴ（＝４０℃）を用いて次式にて表される。
【００３３】
Ｑ＝Ｇ×ｃ×ΔＴ＝２５０（ｋｇ／ｈ）×１（ｋＪ／ｋｇ℃）×４０（℃）
＝１００００ｋＪ／ｈ＝１１．６ｋＷ … （１）
又、ヒートポンプ２のコンデンサ１４における冷媒の凝縮熱Ｑ２ によってボイラ１への給気（燃焼用空気）を加熱（予熱）するようにしたため、所定温度及び所定量の蒸気を発生させるために必要な燃焼エネルギが下がり、その分だけ燃料コストが削減されてボイラ１の運転コストが下げられる。
【００３４】
ここで、ブロー水から回収した熱量Ｑ（＝１００００ｋＪ／ｈ）、温度２０℃の給気の温度上昇ΔＴ、給気の流量Ｇ（＝２５１５ｋｇ／ｈ）、空気の比熱ｃ（＝０．２４１ｋＪ／ｋｇ℃）とすると次式が成り立つ。
【００３５】
Ｑ＝Ｇ×ｃ×ΔＴ … （２）
従って、（２）式より給気の温度上昇ΔＴは次式によって求められる。
【００３６】
ΔＴ＝Ｑ／（Ｇ×ｃ）
＝１００００（ｋＪ／ｈ）／（２５１５（ｋｇ／ｈ）×０．２４１ｋＪ／ｋｇ℃））
＝１６．５℃ … （３）
従って、温度２０℃の給気はコンデンサ１４における冷媒との熱交換によって温度３６．５℃まで加熱（予熱）される。
【００３７】
次に、本発明に係るボイラブロー水の熱回収システムを用いたときのボイラ１の運転コストの増減を試算すると以下のようになる。
【００３８】
燃料の発熱量は９７００ｋｃａｌ／ｍ３ Ｎであるため、ブロー水から回収した熱量１００００ｋＪ／ｈ（（１）式参照）によって燃料が次式によって求められる量だけ節約される。
【００３９】
１００００（ｋｃａｌ／ｈ）／９７００ｌｃａｌ（ｋｃａｌ／ｍ３ Ｎ） ＝１．０３ｍ３ Ｎ／ｈ
燃料の単価を６０円／ｍ３ Ｎとすると、燃費は、
６０円／ｍ３ Ｎ×１．０３ｍ３ Ｎ／ｈ＝６１．８円／ｈ … （４）
だけ節約される。
【００４０】
他方、ヒートポンプ２のコンプレッサ１３を駆動するために必要に電力は、ブロー水からの熱回収量Ｑ（＝１１．６ｋＷ（電力換算））と成績係数（ＣＯＰ）＝６．３から次式のように求められる。
【００４１】
１１．６ｋＷ／６．３＝１．８４ｋＷ
電気料の単価を１５円／ｋＷｈとすると、電気料は、
１５円／ｋＷｈ×１．８４ｋＷ＝２７．６円／ｈ … （５）
だけ増加する。
【００４２】
従って、（４）式と（５）式より、ボイラ１の運転コストは、
６１．８円／ｈ−２７．６円／ｈ＝３４．２円／ｈ … （６）
だけ下がることとなる。
【００４３】
又、本実施の形態では、中和装置１２において、ヒートポンプ２のエバポレータ１６における冷媒との熱交換によって４０℃まで温度が下げられたブロー水に炭酸ガスを吹き込むようにしたため、炭酸ガスがブロー水に混合されてブロー水が効率良く中和されるという効果も得られる。
【００４４】
尚、本実施の形態では、ブロー水の中和に炭酸ガスボンベ１０に充填された炭酸ガスを用いたが、ボイラ１から排出される排気ガスをブロー水に吹き込み、この排気ガス中に含まれる炭酸ガスによってブロー水を中和するようにしても良い。
【符号の説明】
【００４５】
１ ボイラ
２ ヒートポンプ
３ ブロー水排出管
４ ブロー槽
５ ファン
６ ブロー水排出管
７ 排水ポンプ
８ 炭酸ガス吸込部
９ 反応筒
１０ 炭酸ガスボンベ
１１ ガス吹込管
１２ 中和装置
１３ コンプレッサ
１４ コンデンサ
１５ 膨張弁
１６ エバポレータ
１７，１８ ブロー水管
１９ 循環ポンプ
Ｌ１〜Ｌ４ 冷媒配管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイラから排出されるブロー水の熱をヒートポンプによって汲み上げ、その熱によってボイラへの給気を加熱することを特徴とするボイラブロー水の熱回収システム。
【請求項２】
ボイラから排出されるブロー水を前記ヒートポンプのエバポレータにおける冷媒との熱交換によって冷却するとともに、ヒートポンプのコンデンサにおける冷媒の凝縮熱によってボイラへの給気を加熱することを特徴とする請求項１記載のボイラブロー水の熱回収システム。
【請求項３】
前記ヒートポンプのエバポレータにおける冷媒との熱交換によって冷却されたブロー水を中和する中和装置を設けたことを特徴とする請求項２記載のボイラブロー水の熱回収システム。
【請求項１】
ボイラから排出されるブロー水の熱をヒートポンプによって汲み上げ、その熱によってボイラへの給気を加熱することを特徴とするボイラブロー水の熱回収システム。
【請求項２】
ボイラから排出されるブロー水を前記ヒートポンプのエバポレータにおける冷媒との熱交換によって冷却するとともに、ヒートポンプのコンデンサにおける冷媒の凝縮熱によってボイラへの給気を加熱することを特徴とする請求項１記載のボイラブロー水の熱回収システム。
【請求項３】
前記ヒートポンプのエバポレータにおける冷媒との熱交換によって冷却されたブロー水を中和する中和装置を設けたことを特徴とする請求項２記載のボイラブロー水の熱回収システム。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−１３２６１８（Ｐ２０１２−１３２６１８Ａ）
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２８４８１６（Ｐ２０１０−２８４８１６）
【出願日】平成２２年１２月２１日（２０１０．１２．２１）
【出願人】（０００１７５２７２）三浦工業株式会社 (1,055)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１２日（２０１２．７．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月２１日（２０１０．１２．２１）
【出願人】（０００１７５２７２）三浦工業株式会社 (1,055)
【Ｆターム（参考）】
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