廃熱回収装置、廃熱回収システム及び廃熱回収方法
【課題】 炉又は内燃機関から排出される排ガスの顕熱を、Ｈ２燃料等の燃料として回収できる新たな廃熱回収装置を提供する。
【解決手段】 炉、内燃機関、又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ＤＭＥを改質する触媒を充填した熱交換器を設置する。熱交換器にＤＭＥとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ＤＭＥを熱分解し、炉又は内燃機関の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収する。廃熱を単なる蒸気、温水、加熱空気等として回収するのではなく、Ｈ２燃料、又はＨ２及びＣＯ燃料として回収するので、回収されたエネルギーの用途が限定されない（すなわち、燃料の燃焼熱として回収することになるので、遠方へ輸送しても回収されたエネルギーが減少することはない）。
【解決手段】 炉、内燃機関、又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ＤＭＥを改質する触媒を充填した熱交換器を設置する。熱交換器にＤＭＥとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ＤＭＥを熱分解し、炉又は内燃機関の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収する。廃熱を単なる蒸気、温水、加熱空気等として回収するのではなく、Ｈ２燃料、又はＨ２及びＣＯ燃料として回収するので、回収されたエネルギーの用途が限定されない（すなわち、燃料の燃焼熱として回収することになるので、遠方へ輸送しても回収されたエネルギーが減少することはない）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、各種産業部門から排出される廃熱を回収する方法に関し、特に炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置から排出される排ガスの廃熱を回収する廃熱回収装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料を燃焼させる燃焼炉に代表される各種の炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置から放出される排ガスの廃熱を回収する努力が続けられ、省エネルギーの実績を挙げている。
【０００３】
排ガスの廃熱の回収方法として、一般的に世の中では、排ガスの顕熱を熱エネルギーとして回収する方法が行われている。具体的には、燃焼装置の排気系統に熱交換器を設置し、その熱交換器に熱回収媒体を通して、熱回収媒体を排ガスで加熱することにより、排ガスの顕熱を熱エネルギーとして回収する。例えば廃熱ボイラは、熱交換媒体として水を用い、排ガスの顕熱を低圧蒸気や温水の熱エネルギーとして回収する。レキュペレータ、リジェネバーナは、熱交換媒体として空気を用い、排ガスの顕熱を予熱した加熱空気の熱エネルギーとして回収する。
【０００４】
廃熱回収技術に影響を及ぼす廃熱の特徴として、エネルギー密度が低いことが挙げられる。排ガスの温度が低温の３００℃以下になる場合もあり、この場合、熱交換器で排ガスから熱交換媒体に熱交換すると、最大２００〜２５０℃の熱エネルギーしか回収できない。エネルギー密度の低い熱エネルギーは低温の加熱源としてしか利用できない。この問題を克服すべく、廃熱を高効率で回収しようとすると、伝熱面積の大きな熱交換器が必要になり、廃熱回収装置が大きくなりがちである。
【０００５】
また、廃熱回収技術の問題点として、廃熱回収技術の用途が燃焼用空気や低温の加熱源などに限定され、使用先が回収熱源の近くに限定される（加熱空気や蒸気を配管などで遠方へ輸送すると、熱放散が大きくなり、回収した熱を有効に利用できなくなる）こともある。このような理由から、特に排ガスの温度が低い場合、廃熱回収技術を経済的に成り立たせるのは極めて困難であった。
【０００６】
他方、近年Ｈ２燃料を大気中の酸素と電気化学的に反応させ、直接発電させる燃料電池が実用化されている。燃料電池のＨ２燃料を得る方法として、製鉄所のコークス炉ガスに含まれるＣｎＨｍ分をコークス炉ガス自らの顕熱で改質し、Ｈ２とＣＯを回収する方法が開発されている（特許文献１参照）。しかしこの方法では、コークス炉がないとＨ２燃料が得られないことになり、燃料電池などの燃料として将来求められる汎用的なＨ２燃料発生源になることができない。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２１２５７５号広報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明は、炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置から排出される排ガスの顕熱を、Ｈ２燃料等の燃料として回収できる新たな廃熱回収装置、廃熱回収システム及び廃熱回収方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した熱交換器を設置し、前記熱交換器にジメチルエーテルとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の廃熱回収装置において、前記燃焼装置の排ガスの温度を上昇させるように、前記排気系統にジメチルエーテルを投入することを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した熱交換器を設置し、前記熱交換器にジメチルエーテルとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収することを特徴とする廃熱回収装置により、上述した課題を解決する。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の廃熱回収装置において、前記燃焼装置のＣＯ２を含む排ガスを脱水及び脱酸素し、この脱水及び脱酸素した排ガスとジメチルエーテルとの混合ガスを前記熱交換器に通すことを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した第１の熱交換器を設置し、前記第１の熱交換器にジメチルエーテルとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収し、前記排気系統にジメチルエーテルを改質する触媒を充填した第２の熱交換器を設置し、前記第２の熱交換器にジメチルエーテルとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解して、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収することを特徴とする廃熱回収装置により、上述した課題を解決する。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の廃熱回収装置において、前記第２の熱交換器に投入される前記燃焼装置の排ガスの温度を上昇させるように、前記第１の熱交換器で回収したＨ２及びＣＯ燃料を、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間の排気系統に投入することを特徴とする。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の廃熱回収装置において、前記第２の熱交換器で回収したＨ２燃料と共に発生するＣＯ２を分離し、分離したＣＯ２を前記第１の熱交換器に供給することを特徴とする。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７いずれかに記載の廃熱回収装置において、前記燃焼装置は、ガスタービン、ガスエンジン、又はディーゼルエンジンであり、回収された前記Ｈ２燃料又は前記Ｈ２及びＣＯ燃料を前記ガスタービン、前記ガスエンジン、又は前記ディーゼルエンジンの燃料として用いることを特徴とする。
【００１７】
請求項９に記載の発明は、請求項１ないし７いずれかに記載の廃熱回収装置において、回収された前記Ｈ２燃料又は前記Ｈ２及びＣＯ燃料を、製鉄所の副生ガスの代替燃料として用いることを特徴とする。
【００１８】
請求項１０に記載の発明は、請求項１ないし７いずれかに記載の廃熱回収装置において、回収された前記Ｈ２燃料又は前記Ｈ２及びＣＯ燃料を、燃料電池の燃料として用いることを特徴とする。
【００１９】
請求項１１に記載の発明は、炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置と、この燃焼装置の排ガスの顕熱を回収する廃熱回収装置と、を備える廃熱回収システムであって、前記廃熱回収装置は、前記燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した熱交換器を設置し、前記熱交換器にジメチルエーテルとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収することを特徴とする廃熱回収システムである。
【００２０】
請求項１２に記載の発明は、炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置と、この燃焼装置の排ガスの顕熱を回収する廃熱回収装置と、を備える廃熱回収システムであって、前記廃熱回収装置は、前記燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した熱交換器を設置し、前記熱交換器にジメチルエーテルとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収することを特徴とする廃熱回収システムである。
【００２１】
請求項１３に記載の発明は、炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置と、この燃焼装置の排ガスの顕熱を回収する廃熱回収装置と、を備える廃熱回収システムであって、前記廃熱回収装置は、前記燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した第１の熱交換器を設置し、前記第１の熱交換器にジメチルエーテルとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収し、前記排気系統にジメチルエーテルを改質する触媒を充填した第２の熱交換器を設置し、前記第２の熱交換器にジメチルエーテルとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収し、前記第２の熱交換器で回収したＨ２燃料と共に発生するＣＯ２を分離し、分離したＣＯ２を前記第１の熱交換器に供給することを特徴とする廃熱回収システムである。
【００２２】
請求項１４に記載の発明は、請求項１１ないし１３いずれかに記載の廃熱回収システムにおいて、前記燃焼装置は、燃料としてＬＮＧ(liquefied natural gas)を使用することを特徴とする。
【００２３】
請求項１５に記載の発明は、請求項１１ないし１４いずれかに記載の廃熱回収システムにおいて、前記廃熱回収システムはさらに、回収した前記Ｈ２及びＣＯ燃料を燃焼させる加熱炉又は燃焼装置を備えることを特徴とする。
【００２４】
請求項１６に記載の発明は、請求項１３ないし１５いずれかに記載の廃熱回収システムにおいて、前記廃熱回収システムはさらに、前記排気系統の前記第２の熱交換器よりも下流側に設置された廃熱ボイラを備え、この廃熱ボイラで回収した水蒸気を前記第２の熱交換機に供給することを特徴とする。
【００２５】
請求項１７に記載の発明は、炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した熱交換器を設置し、前記熱交換器にジメチルエーテルとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収することを特徴とする廃熱回収方法により、上述した課題を解決する。
【００２６】
請求項１８に記載の発明は、炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した熱交換器を設置し、前記熱交換器にジメチルエーテルとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収することを特徴とする廃熱回収方法により、上述した課題を解決する。
【００２７】
請求項１９に記載の発明は、炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した第１の熱交換器を設置し、前記第１の熱交換器にジメチルエーテルとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収し、前記排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した第２の熱交換器を設置し、前記第２の熱交換器にジメチルエーテルとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収し、前記第１の熱交換器で回収したＨ２燃料と共に発生するＣＯ２を分離し、分離したＣＯ２を前記第２の熱交換器に供給することを特徴とする廃熱回収方法により、上述した課題を解決する。
【００２８】
請求項２０に記載の発明は、炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統にジメチルエーテルを改質する触媒を充填し、前記排気系統にジメチルエーテルを吹き込むことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収することを特徴とする廃熱回収方法により、上述した課題を解決する。
【００２９】
請求項２１に記載の発明は、炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統にジメチルエーテルを改質する触媒を充填し、前記排気系統にジメチルエーテルを吹き込むことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収することを特徴とする廃熱回収方法により、上述した課題を解決する。
【発明の効果】
【００３０】
請求項１ないし７いずれかに記載の発明によれば、燃焼装置の廃熱を単なる蒸気、温水、加熱空気等として回収するのではなく、Ｈ２燃料、又はＨ２及びＣＯ燃料として回収するので、回収されたエネルギーの用途が限定されない（すなわち、燃料の燃焼熱として回収することになるので、遠方へ輸送しても回収されたエネルギーが減少することはない）。また、排ガスの顕熱を利用してジメチルエーテルをＨ２燃料に改質するので、ジメチルエーテルをＨ２へ転換する際のエネルギー転換効率を高くすることができる（例えば、排ガスの温度が２５０〜３００℃と低くても、エネルギー転換効率は９０％以上に達する）。さらに、付加価値の高い燃料として廃熱を回収できるので、排ガス温度が低くても（例えば、排ガスの温度が３００℃以下でも）経済性のある熱回収が行える。さらに、排ガスとジメチルエーテルとＨ２Ｏ又はＣＯ２があれば、Ｈ２燃料を発生することができるので、汎用的なＨ２燃料発生装置が得られ、Ｈ２燃料を大量に消費する社会システムが実現できる。
【００３１】
請求項８に記載の発明によれば、Ｈ２燃料又はＨ２及びＣＯ燃料をガスタービン、ガスエンジン、又はディーゼルエンジンの燃料として用いることができる。
【００３２】
請求項９に記載の発明によれば、得られるＨ２燃料又はＨ２及びＣＯ燃料は、製鉄所の副生ガスと組成及び発熱量が近いので、高炉休風等で副生ガスが不足する場合の副生ガス代替燃料として、既存の燃焼設備を改造することなく使用することができ、製鉄所における副生ガスの運用効率を高めることができる。
【００３３】
請求項１０に記載の発明によれば、得られるＨ２燃料又はＨ２及びＣＯ燃料を、燃料電池の燃料として用いることができる。
【００３４】
請求項１１又は１２に記載の発明によれば、燃焼装置の廃熱をＨ２燃料、又はＨ２及びＣＯ燃料として回収することができる廃熱回収システムが得られる。
【００３５】
請求項１３に記載の発明によれば、第２の熱交換器で回収したＨ２燃料と共に発生するＣＯ２を分離し、分離したＣＯ２を第１の熱交換器に供給するので、ＣＯ２の循環が行われ、したがってＣＯ２の排出量を低減することができる。
【００３６】
請求項１４に記載の発明によれば、燃焼装置の燃料として、ジメチルエーテルよりもカーボン排出量の少ないＬＮＧを使用することで、ＣＯ２の排出量を低減することができる。
【００３７】
請求項１５に記載の発明によれば、回収したＨ２及びＣＯ燃料を加熱炉又はボイラー等の燃焼装置の燃料として使用することができる。
【００３８】
請求項１６に記載の発明によれば、第２の熱交換器に供給される水蒸気を廃熱ボイラで回収することができる。
【００３９】
請求項１７又は１８に記載の発明によれば、廃熱を単なる蒸気、温水、加熱空気等として回収するのではなく、Ｈ２燃料、又はＨ２及びＣＯ燃料として回収するので、回収されたエネルギーの用途が限定されない（すなわち、燃料の燃焼熱として回収することになるので、遠方へ輸送しても回収されたエネルギーが減少することはない）。
【００４０】
請求項１９に記載の発明によれば、第２の熱交換器で回収したＨ２燃料と共に発生するＣＯ２を分離し、分離したＣＯ２を第１の熱交換器に供給するので、ＣＯ２の循環が行われ、したがってＣＯ２の排出量を低減することができる。
【００４１】
請求項２０又は２１に記載のように、ジメチルエーテルを直接排気系統に吹き込んでもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の第１の実施形態における廃熱回収装置を示す。燃焼炉１の排気系統４に熱交換器２を設置し、この熱交換器２にジメチルエーテル（以下ＤＭＥと記す）と水蒸気（以下Ｈ２Ｏと記す）の混合ガスを通す。熱交換器２で排ガスとＤＭＥとで熱交換を行わせることにより、ＤＭＥをＨ２に熱分解し、排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収する。
【００４３】
熱交換器２には、管形、プレート形、拡大伝熱面、蓄熱式、流動層式、熱媒体循環式等さまざまな構造のものが用いられる。図２は管形の熱交換器の一例（レキュペレータと呼ばれる回収熱交換器）を示し、図３及び図４は蓄熱式の熱交換器を示し、図５は流動層式及び熱媒体循環式の熱交換器を示す。
【００４４】
図２に示されるレキュペレータでは、排ガスとＤＭＥ及びＨ２Ｏの混合ガスとは固体壁としての伝熱管３で隔てられる。伝熱管３の内側を低温流体のＤＭＥ及びＨ２Ｏの混合ガスが流れ、伝熱管３の外側を高温流体の排ガスが流れ、これらを間接的に接触させて熱交換を行わせる。排ガスの顕熱は輻射、伝導により伝熱管３を介してＤＭＥ及びＨ２Ｏの混合ガスに移送される。
【００４５】
図３は切換式の蓄熱式熱交換器を示す。理解を容易にするために、この蓄熱式熱交換器の使用方法について説明する。まずアルミナボール、ハニカム材料等からなる蓄熱体Ａに、高温流体の排ガスを流し、蓄熱体Ａを温める。蓄熱体Ａがある程度温まったところでバルブを切り換え、温まった蓄熱体Ａに低温流体のＤＭＥ及びＨ２Ｏの混合ガスを流す。それと共にバルブを切り換えて、蓄熱体Ａに排ガスを流すのを止めて蓄熱体Ｂに排ガスを流す。蓄熱体Ｂがある程度温まったら再びバルブを切り換えて同様の動作を繰り返す。バルブの切り換えは所定の時間ごとに行われる。
【００４６】
図４は回転式の蓄熱式熱交換器を示す。この熱交換器では、両外側の流路が高温流体の排ガスの流路と、低温流体のＤＭＥ及びＨ２Ｏの混合ガスの流路とに分かれている。中央の蓄熱体は回転できるようになっており、所定時間経過後回転し、高温流体で温められた部分が低温流体側に移動する。蓄熱体の温められた部分に低温流体が流れるので、排ガスとＤＭＥ及びＨ２Ｏの混合ガスとで熱交換が行われる。
【００４７】
図２に示される熱交換器の排ガス下流側に、図３又は図４に示される熱交換器を配置し、そこで昇温したＤＭＥとＨ２Ｏの混合気体を図２に示される熱交換器へ導いてもよい。これによりＤＭＥの熱分解が可能な温度領域まで排ガス顕熱を効率よく回収して昇温することができる。
【００４８】
熱交換器２のＤＭＥ及びＨ２Ｏの混合ガスが流れる側には、ＤＭＥを水素に改質する触媒が充填される。この触媒には、アルミナ、シリカ、チタニア等の公知の触媒を用いることができる。触媒の種類は特に限定されるものでなく、ＤＭＥを水素に改質することができれば、どのような種類の触媒を用いてもよい。
【００４９】
なお、熱交換器２にＤＭＥ６とＨ２Ｏの混合ガスを通す替わりに、ＤＭＥとＣＯ２の混合ガスを通し、混合ガスをＨ２及びＣＯに熱分解し、燃焼炉１の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収してもよい。このＤＭＥとＣＯ２をＨ２及びＣＯ燃料に改質する反応については、図８に示される第２の実施形態で詳述する。
【００５０】
図５（Ａ）は流動層式の熱交換器を示し、図５（Ｂ）は熱媒体循環式の熱交換器を示す。図５（Ａ）に示される流動層式の熱交換器では、流動層２ａ内をＤＭＥとＨ２Ｏ又はＣＯ２の混合ガスが流れる。流動層２ａの外側には、高温の排ガスが流れていて、流動層２ａの壁面を介して排ガスと混合ガスとで熱交換が行なわれる。流動層２ａ内には、触媒２ｂが充填されていて、触媒２ｂは混合ガスの流れに伴って流動する。流動層２ａを通過した混合ガスは、触媒２ｂの作用によってＨ２又はＣＯ＋Ｈ２に改質される。
【００５１】
図５（Ｂ）に示される熱媒体循環式の熱交換器では、循環層２ｃ内をＤＭＥとＨ２Ｏ又はＣＯ２の混合ガス（図中に流動媒体と記す）が流れる。循環層２ｃ内には、触媒２ｅも充填されている。混合ガスと触媒２ｅとは、伝熱管２ｄを介して循環層２ｃ内を循環する。伝熱管２ｄの外側には、高温の排ガスが流れていて、伝熱管２ｄの壁面を介して排ガスと混合ガスとで熱交換が行なわれる。循環層２ａを通過した混合ガスは、触媒２ｅの作用によってＨ２又はＣＯ＋Ｈ２に改質される。
【００５２】
以上に記載の熱交換器２では、触媒により、ＣＨ３ＯＣＨ３＋３Ｈ２Ｏ＋２９ｋｃａｌ⇒６Ｈ２＋２ＣＯ２の反応が進行する。この反応により、ＤＭＥをＨ２に熱分解し、排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収することができる。
【００５３】
図６はＤＭＥの水素改質特性を示す。反応前のＤＭＥ＋３Ｈ２Ｏに熱を加えると、反応後にＤＭＥが改質されて６Ｈ２＋２ＣＯ２になる。そのとき９％分の２９ｋｃａｌだけ熱量が増大するので、低温廃熱を水素燃料として回収できるのがわかる。
【００５４】
ここで、排ガスの温度が低い場合（例えば３００℃以下の場合）、ＤＭＥとＨ２Ｏの混合ガスがＨ２に分解する反応が起きにくくなる。また、ＤＭＥとＨ２ＯがＨ２とＣＯ２に分解する反応は吸熱反応なので、排ガスの温度がますます下がるおそれがある。このため、図１に示されるように、排ガスの熱量を増大(例えば排ガスの温度を３００℃以上に上昇)させるように、排気系統に熱回収に用いるＤＭＥの一部を投入（所謂スーパーヒート）する。そして、投入されたＤＭＥの燃焼熱によって排ガスを加熱してもよい。
【００５５】
排ガスの温度が３５０〜４００℃であると、ＤＭＥとＨ２Ｏの混合ガスがＨ２に分解する反応が進行するので、ＤＭＥをスーパーヒートする必要はなくなる。また、高効率の熱交換器を使用すると、排ガスの温度が３００℃以下でもＤＭＥを熱分解することができる。
【００５６】
図７はＤＭＥをＨ２へ転換する際のエネルギー転換効率を試算した一例を示す。この例では、排ガス７の温度を３００℃と仮定している。３００℃の排ガス７が２０Ｎｍ３／ｈあるとすると、排ガス７の熱量は２１００ｋｃａｌ／ｈになる。
【００５７】
この例では、排ガス７の温度を３００℃以上に保つために、排気系統４に熱源としてのＤＭＥ５を０．１ｋｇ／ｈ（６８８ｋｃａｌ／ｈ）スーパーヒートする。反応に必要な熱量だけを与えるべく、スーパーヒートされるＤＭＥ５の投入量は、ＤＭＥ５をＨ２燃料に熱分解する吸熱反応の反応熱を補う量となる。ＤＭＥ５のスーパーヒートにより、排ガス１０の温度は３９４℃になる。
【００５８】
熱交換器２には常温３０℃のＤＭＥ６とＨ２Ｏ８が供給される。ＤＭＥ６とＨ２Ｏ８の温度を３００℃に上げるのに、排ガス７の顕熱を利用する。熱交換器から排出される排ガス１１の温度は２４８℃であるので、排ガス１１の約５０℃分（＝３００℃（排ガス７の温度）−２４８℃（排ガス１１の温度））がＤＭＥ６とＨ２Ｏ８を温めるのに使われている。
【００５９】
熱交換器２では、排ガス１０とＤＭＥ６及びＨ２Ｏ８の混合ガスとを熱交換させ、ＤＭＥ６をＨ２燃料９に改質する。熱交換器２には、ＤＭＥ６が１．０５ｋｇ／ｈ（７２２４ｋｃａｌ／ｈ）投入される。得られるＨ２燃料９は２．９１Ｎｍ３／ｈ（７４９９ｋｃａｌ／ｈ）である。
【００６０】
３００℃の排ガス７を利用したこの例での、ＤＭＥ６をＨ２燃料９に転換する際のエネルギー転換効率を計算すると、７４９９／（７２２４＋６８８）×１００＝９４．５％になり、高い熱効率で転換することがわかる。排ガス温度が２５０℃〜３００℃でも、エネルギー転換効率は９０％以上に達した。ここでエネルギー転換効率ηは、η＝（得られたＨ２燃料の燃焼エネルギー）／（使用したＤＭＥの燃焼エネルギー）、で定義される。
【００６１】
このエネルギー転換効率によると、ＤＭＥの持っている燃焼熱の９５％がＨ２の燃焼熱に変わる。例えばＨ２燃料を燃料電池で使用する場合、燃料電池そのものの発電効率が６０％程度あれば、Ｈ２の発生に使われるエネルギーも含めた総合効率は６０％×９５％＝約５７％総合効率（=発電エネルギー／燃料（ＤＭＥ）エネルギー）の効率で発電できることになる。このため、既存の電力会社で所有する大規模なガスタービン発電設備と同様な発電効率が得られることになる。
【００６２】
比較例として、３００℃の排ガスを利用しない場合の熱効率を試算する。この場合、熱交換器２に投入される排ガス１０の熱量２７８８ｋｃａｌの全てをＤＭＥの燃焼熱で補うことになる。つまり、ＤＭＥを燃焼させ、その熱でＤＭＥを熱分解させる。この場合のエネルギー転換効率は、７４９９／（７２２４＋２７８８）×１００＝７４．９％であり、８０％以下に低減してしまう。これは、ＤＭＥを熱分解するための熱源を、別のＤＭＥを燃焼させることによって得ていることが原因になる。
【００６３】
熱交換器２にＤＭＥ６とＨ２Ｏ８の混合ガスを通す替わりに、ＤＭＥとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ＤＭＥをＨ２及びＣＯに熱分解し、燃焼炉の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収してもよい。このＤＭＥをＨ２及びＣＯ燃料に改質する反応については、下記の第２の実施形態で詳述する。
【００６４】
図８は、本発明の第２の実施形態における廃熱回収装置を示す。この実施形態では、廃熱回収装置をガスタービンコンバインドシステムの排気系統に設置している。ガスタービンコンバインドシステムは、燃料ガスを燃料ガス圧縮機１３で圧縮し、これを空気圧縮機１４で圧縮された空気とともに燃焼器１５で燃焼する。生じた高温高圧の燃料ガスをガスタービン１６中で膨張させることによって外部の発電機１７へ出力をとり出す。
【００６５】
ガスタービン１６の排ガスは高温大流量である。このガスタービン１６の排気系統に熱交換器１８を設置する。熱交換器１８にＤＭＥとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ＤＭＥを熱分解し、排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収する。回収されたＨ２及びＣＯ燃料は、例えば製鉄所の副生ガスと混合され、ガスタービン１６の燃料として用いられる。
【００６６】
熱交換器１８には、ＤＭＥをＨ２及びＣＯ燃料に改質する触媒が充填される。触媒には、ルテニウム、ニッケル等の公知の触媒を用いることができる。触媒の種類は特に限定されるものでなく、ＤＭＥをＨ２及びＣＯに改質することができれば、どのような種類の触媒を用いてもよい。
【００６７】
熱交換器１８では、ＣＨ３ＯＣＨ３＋ＣＯ２＋５８ｋｃａｌ⇒３Ｈ２＋３ＣＯの反応が進行する。ＤＭＥとＨ２Ｏの混合ガスを投入してＨ２燃料を得る反応に比較すると、吸熱反応の反応熱が大きいので、排ガスの温度が高くないといけない。ガスタービン１６の排ガスの温度は例えば６００℃と高いので、この排ガスを使用してＤＭＥを熱分解するのに適している。勿論、熱交換器１８の替わりに、ＣＨ３ＯＣＨ３＋３Ｈ２Ｏ＋２９ｋｃａｌ⇒６Ｈ２＋２ＣＯ２の反応を利用した、例えば図１に示される熱交換器２を用いることもできる。
【００６８】
熱交換器１８から排出された排ガスは、廃熱ボイラ１９に供給される。廃熱ボイラ１９は、Ｈ２Ｏ（水）を熱し、排ガスの顕熱をＨ２Ｏ（水蒸気）として回収する。得られたＨ２Ｏ（水蒸気）は、ガスタービン１６と組み合わされた蒸気タービン２０を回転させるのに用いられる。ガスタービン１６及び蒸気タービン２０が回転すると、発電機１７が発電する。
【００６９】
図９は、本発明の第３の実施形態における廃熱回収装置を示す。この実施形態の廃熱回収装置は、上記第２の実施形態の廃熱回収装置と同様に、ガスタービン１６などの燃焼装置の排気系統に熱交換器１８を設置し、該熱交換器１８にＤＭＥとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ＤＭＥを熱分解し、燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収する。他方、この実施形態の廃熱回収装置は、上記第２の実施形態の廃熱回収装置と異なり、燃焼装置のＣＯ２を含む排ガスを、脱水装置及び脱Ｏ２装置２１にて脱水・脱Ｏ２し、この脱水・脱Ｏ２した排ガスを熱交換器１８に通している。改質に用いられるＣＯ２は１００％濃度である必要はなく、１０％程度のＣＯ２を含むガスでも１０００Ｋｃａｌ／Ｎｍ３程度の燃料ガスとして改質・回収できる。
【００７０】
図１０は、本発明の第４の実施形態における廃熱回収装置を示す。この実施形態では、燃焼炉の排気系統の上流側に、ＤＭＥをＨ２及びＣＯ燃料として回収する第１の熱交換器２５を設置し、下流側にＤＭＥをＨ２燃料として回収する第２の熱交換器２６を設置している。上述のように、第１の熱交換器２５における吸熱反応の反応熱は、第２の熱交換器２６における吸熱反応の反応熱よりも大きい。各吸熱反応を円滑に進行させるため、第１及び第２の熱交換器２５，２６をタンデムに配列し、且つ第１の熱交換器２５を上流側に第２の熱交換器２６を下流側に配置するのが望ましい。
【００７１】
第１の熱交換器２５には、ＤＭＥをＨ２及びＣＯ燃料に改質する触媒が充填される。この第１の熱交換器２５には、ＤＭＥ及びＣＯ２を混合したガスが投入される。そして第１の熱交換器２５は、排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収する。回収されたＨ２及びＣＯ燃料は例えば製鉄所等の副生ガス系統に供給される。第２の熱交換器２６に投入される排ガスの温度を上昇させるように、ＤＭＥの一部を第１の熱交換器２５と第２の熱交換器２６との間の排気系統に投入して燃焼（所謂スーパーヒート）させてもよい。
【００７２】
第２の熱交換器２６には、ＤＭＥをＨ２燃料に改質する触媒が充填される。第２の熱交換器２６には、ＤＭＥとＨ２Ｏの混合ガスが投入される。そして第２の熱交換器２６は、排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収する。Ｈ２燃料とともに第２の熱交換器２６から排出されたＣＯ２は、分離装置２８で分離される。分離されたＣＯ２は第１の熱交換器２５に原料として供給される。分離されたＣＯ２は高濃度なので、第１の熱交換器２５でＣＯ２以外の気体を温める必要がなく、効率よくＤＭＥの分解反応を行うことができる。これに対し、第１の熱交換器２５にＤＭＥとともに排ガスを投入すると、ＣＯ２以外に余分に含まれるＮ２やＯ２をも温めることになってしまうので、廃熱の回収効率が低下する。本装置は図８に示されるガスタービンコンバインドシステムの熱交換器１８の替わりに用いてもよい。
【００７３】
本実施形態により得られるＨ２及びＣＯ燃料は、製鉄所の副生ガスと組成及び発熱量が近いので、高炉休風等で副生ガスが不足する場合の副生ガス代替燃料として、既存の燃焼設備を改造することなく使用することができ、製鉄所における副生ガスの運用効率を高めることができる。以下これを説明する。
【００７４】
副生ガスは、コークス炉ガス：４５００ｋｃａｌ／Ｎｍ３、高炉ガス：７５０ｋｃａｌ／Ｎｍ３、転炉ガス：２０００ｋｃａｌ／Ｎｍ３の混合ガスであり、Ｈ２及びＣＯ主体のガスである。本実施形態で得られる燃料ガスは、Ｈ２及びＣＯ燃料：２８００ｋｃａｌ／Ｎｍ３、Ｈ２燃料：１８００〜２５８０ｋｃａｌ／Ｎｍ３である。副生ガスと本実施形態の燃料ガスとは成分及びカロリーが近いので、製鉄所の燃焼炉の排ガス系統に本実施形態を適用し、得られたＨ２燃料、Ｈ２及びＣＯ燃料を副生ガス系統に混合してやれば、既存の燃焼設備を改造することなく、副生ガスの代替燃料として使用することができる。
【００７５】
エネルギー多消費型産業の代表とされる製鉄所では、廃熱量も多く、各製造工程で発生するエネルギーの４０％前後は副生ガスとなって排出されている。しかし、副生ガスの変動が激しいので、製鉄所では副生ガスを燃料にする効率の高い発電用ガスタービンが使用し難い。その替わりに、副生ガスが変動する分を、重油等を燃焼させて蒸気の発生量を安定させ、蒸気タービンで発電している。本実施形態で得られたＨ２燃料、Ｈ２及びＣＯ燃料を副生ガス系統に混合してやれば、副生ガスの発生量を安定させることができ、このため発電用ガスタービン等の効率のよい機械を導入し易くなり、製鉄所における副生ガスの運用効率を高めることができる。
【００７６】
図１１は、本発明の第１の実施形態における廃熱回収システムの系統図を示す。この廃熱回収システムでは、燃焼装置としてガスエンジン発電機３１を用い、ガスエンジン発電機３１の排気系統に上記第３の実施形態と同様に第１の熱交換器２５及び第２の熱交換器２６を配置している。
【００７７】
第１の熱交換器２５には、ＤＭＥをＨ２及びＣＯ燃料に改質する触媒が充填される。この第１の熱交換器２５には、ＤＭＥ及びＣＯ２を混合したガスが投入される。そして第１の熱交換器２５は、排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収する。他方、第２の熱交換器２６には、ＤＭＥをＨ２燃料に改質する触媒が充填される。第２の熱交換器２６には、ＤＭＥとＨ２Ｏの混合ガスが投入される。そして第２の熱交換器２６は、排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収する。Ｈ２燃料とともに第２の熱交換器２６から排出されたＣＯ２は、分離装置２８で分離される。分離されたＣＯ２は第１の熱交換器２５に原料として供給される。
【００７８】
第１の熱交換器２５で回収されたＨ２及びＣＯ燃料は、加熱炉３２の燃料として使用される。加熱炉３２の替わりにボイラーなどの燃焼装置を用いることもできる。第２の熱交換器２６よりも下流側には、廃熱ボイラ３３が設置され、この廃熱ボイラ３３で回収した水蒸気を第２の熱交換機２６に供給する。
【００７９】
この実施形態の廃熱回収システムでは、燃焼装置にガスエンジン発電機３１を用い、ガスエンジン発電機の燃料にＤＭＥではなく、ＬＮＧ(liquefied natural gas)を使用する。ここで、第１及び第２の熱交換器２５，２６にＤＭＥを供給するので、ガスエンジン発電機３１の燃料にもＤＭＥを使用したらよいと思われた。しかし、発電機３１の燃料にＤＭＥを使用すると、ＤＭＥはＬＮＧよりも燃料として燃焼させたときのＣＯ２排出量が１８％程度多いので（燃料のカーボン排出原単位がＬＮＧ：６４．０６ｇ−Ｃ／Ｍｃａｌであるのに対し、ＤＭＥ：７５．６０ｇ−Ｃ／Ｍｃａｌである）、燃料のカーボン排出原単位の関係からカーボン排出量が増えてしまう。そのため、この実施形態ではカーボン排出量を低減するために、発電機３１の燃料にＬＮＧを使用する。
【００８０】
以下に、燃料消費量の大きな発電機３１の燃料として、ＤＭＥではなく、ＬＮＧを使用する廃熱回収システム（以下この廃熱回収システムをＬＮＧとＤＭＥの併用廃熱回収システムと呼ぶ）と、全てＬＮＧを使用した廃熱回収システム（図１２参照）との比較について説明する。２つの廃熱回収システムは、発電機で同一出力発電し、加熱炉で同一熱量を得て、同一の水素量を製造するという条件で共通している。
【００８１】
図１２は、比較例として、全てＬＮＧを使用したシステムの系統図を示す。このシステムでは、ＬＮＧを加熱炉４１の燃料として使用し、またＬＮＧを発電機４２の燃料として使用し、さらにＬＮＧを改質炉４３で改質して水素を得る。発電機４２の排気系統には廃熱ボイラ４４が設置され、発電機４２の廃熱を蒸気で回収する。加熱炉で３２７８Ｍｃａｌ／ｈｒの熱量を得て、発電機で５５００ｋｗ出力を得て、水素量を６６６Ｎｍ３／ｈｒ製造する。これらの値の熱量、出力、水素量を得ようとすると、以下の表１に示される量だけＬＮＧが消費され、またＣＯ２が排出される。
【００８２】
【表１】
【００８３】
廃熱回収システムを利用するユーザは、燃料消費量もＣＯ２排出量もいずれも削減できるのを望む。燃料消費量を削減できれば、コストダウンが図れるし、ＣＯＰ３が京都議定書で批准された以上は、社会的にＣＯ２排出量をも削減する必要がある。このような背景から、図１１に示されるＬＮＧとＤＭＥの併用廃熱回収システムが考案された。図１１に示されるＬＮＧとＤＭＥの併用廃熱回収システムでは、燃料消費量が大きいガスエンジン発電機３１の燃料にＬＮＧを使用し、その他の加熱炉３２、水素製造のためにＤＭＥを使用している。そうすると、以下の表２に示される燃料消費量及びＣＯ２排出量になる。
【００８４】
【表２】
【００８５】
この表２から、ＬＮＧとＤＭＥを併用すると、全てＬＮＧを使用したプロセスよりもＣＯ２排出量を削減することができ、また燃料消費量も削減することができるのがわかる。ＣＯ２排出量が削減できるのは、ガスエンジン発電機３１の廃熱が燃料に化け、その分のＣＯ２排出量が削減すると考えられるからである。すなわち、第２の熱交換器２６から発生するＣＯ２を分離して第１の熱交換器２５に供給し、第１の熱交換器２５でＣＯ２をＤＭＥと混ぜることによって再度ＣＯ燃料に戻しているので、廃熱回収システム内でＣＯ２の循環が行われることになり、したがってＣＯ２排出量が削減する。
【００８６】
以下の表３に、上記２つの廃熱回収システムの比較をまとめた。ケース１が全て全てＬＮＧを使用した廃熱回収システムであり、ケース２がＬＮＧとＤＭＥを併用した廃熱回収システムである。ケース２では、燃料を９％削減できるし、ＣＯ２排出量も４％削減することができるのがわかる。
【００８７】
【表３】
【００８８】
燃料消費量を低減できるということは、ユーザにコストメリットをもたらす。この削減できたコストを、例えばバイオマス、廃棄物、石油残渣、炭層メタン、又は石炭から得られたＤＭＥ（以下バイオマス由来のＤＭＥという）を普及させる財源として用いれば、経済ベースで天然ガス由来のＤＭＥに数％バイオマス由来のＤＭＥを混ぜた形でバイオマス由来のＤＭＥを流通させることもできる。バイオマス由来のＤＭＥが普及すると、社会全体で発生するＣＯ２をより削減できる。バイオマス由来のＤＭＥは、バイオマス等をガス化炉で一旦ＣＯ＋Ｈ２にガス化した後、触媒のもと周知のＤＭＥ合成反応を用いて製造される。
【００８９】
図１３は、本発明の第２の実施形態における廃熱回収システムの系統図を示す。この実施形態の廃熱回収システムは、ＬＮＧ，重油等の既存燃料を燃料として発電する発電設備５１と、発電設備５１の排ガスの顕熱を回収する廃熱回収・水素製造装置５２とを備える。廃熱回収・水素製造装置５２は、上述した廃熱回収装置と同様に、供給されるＤＭＥをＨ２＋ＣＯ２又はＨ２＋ＣＯ燃料に改質する。製造されたＨ２燃料は水素分離装置５３で分離された後、燃料電池５４に供給されたり、燃料電池自動車の燃料として使用されたりする。この廃熱回収システムは、例えば以下のように制御される。電力の高需要時（昼間）には、廃熱回収・水素製造装置５２で製造された水素は、全て燃料電池５４に送られ、電力にエネルギー変換される。他方、電力の低需要時（夜間）には、廃熱回収・水素製造装置５２で製造された水素は、燃料電池自動車の燃料として貯えられる。このように、発電廃熱を水素で回収することにより、負荷調整機能（すなわち水素製造と発電の選択が可能）を有する発電システムが実現できる。
【００９０】
なお、本発明の廃熱回収装置は、発電、鉱業分野に限られることなく、石油化学、紙・パルプ、非鉄金属、セメント、窯業、運輸等さまざまな工業分野の炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に設置することができ、また、民生・商業分野の空調、厨房、給湯用の燃焼機器の排気系統にも設置することができる。さらに、本発明の廃熱回収装置は、排ガスの温度が３００℃以上の排気系統にすることが望ましいが、排ガスの温度が３００℃以下の排気系統にも効果的に適用することができる。
【００９１】
また、本発明の廃熱回収システムは、発電機、加熱炉、水素改質がある場合に限られることなく、炉、内燃機関又は発電設備の排気系統に廃熱回収装置が組み込まれるものであれば、様々なバリエーションの廃熱回収システムに適用することができ、例えば蒸気が不要な局面では廃熱ボイラーがなくてもよい。さらに、本発明の廃熱回収システムにおける加熱炉は、工業加熱炉の他、空調、厨房、給湯用の燃焼機器であってもよいし、燃料電池に置き換えられてもよい。
【００９２】
さらに、本発明の廃熱回収方法において、熱交換器を設けることなく、触媒が充填された排気系統に直接ＤＭＥを吹き込んでＤＭＥをＨ２燃料、又はＨ２及びＣＯ燃料に改質してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の第１の実施形態における廃熱回収装置を示す図。
【図２】管形の熱交換器（レキュペレータ）を示す図。
【図３】蓄熱式の熱交換器（切換式）を示す図。
【図４】蓄熱式の熱交換器（回転式）を示す図。
【図５】流動層式及び熱媒体循環式の熱交換器を示す図（図中（Ａ）は流動層式の熱交換器を示し、図中（Ｂ）は熱媒体循環式の熱交換器を示す）。
【図６】ＤＭＥの水素改質特性を示す図。
【図７】ＤＭＥをＨ２へ転換する際のエネルギー転換効率を試算した一例を示す図。
【図８】本発明の第２の実施形態における廃熱回収装置を示す図。
【図９】本発明の第３の実施形態における廃熱回収装置を示す図。
【図１０】本発明の第４の実施形態における廃熱回収装置を示す図。
【図１１】本発明の第１の実施形態における廃熱回収システムの系統図（ＬＮＧとＤＭＥの併用廃熱回収システム）。
【図１２】全てＬＮＧを使用した廃熱回収システムの系統図。
【図１３】本発明の第２の実施形態における廃熱回収システムの系統図
【符号の説明】
【００９４】
１…燃焼炉（燃焼装置）
２…熱交換器
４…排気系統
１６…ガスタービン（燃焼装置）
１８…熱交換器
２１…脱水・脱Ｏ２装置
２５…第１の熱交換器
２６…第２の熱交換器
２８…分離装置
３１…ガスエンジン発電機（燃焼装置）
３２…加熱炉
３３…廃熱ボイラ
５１…発電設備（燃焼装置）
５２…廃熱回収・水素製造装置
５３…水素分離装置
５４…燃料電池
【技術分野】
【０００１】
この発明は、各種産業部門から排出される廃熱を回収する方法に関し、特に炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置から排出される排ガスの廃熱を回収する廃熱回収装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料を燃焼させる燃焼炉に代表される各種の炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置から放出される排ガスの廃熱を回収する努力が続けられ、省エネルギーの実績を挙げている。
【０００３】
排ガスの廃熱の回収方法として、一般的に世の中では、排ガスの顕熱を熱エネルギーとして回収する方法が行われている。具体的には、燃焼装置の排気系統に熱交換器を設置し、その熱交換器に熱回収媒体を通して、熱回収媒体を排ガスで加熱することにより、排ガスの顕熱を熱エネルギーとして回収する。例えば廃熱ボイラは、熱交換媒体として水を用い、排ガスの顕熱を低圧蒸気や温水の熱エネルギーとして回収する。レキュペレータ、リジェネバーナは、熱交換媒体として空気を用い、排ガスの顕熱を予熱した加熱空気の熱エネルギーとして回収する。
【０００４】
廃熱回収技術に影響を及ぼす廃熱の特徴として、エネルギー密度が低いことが挙げられる。排ガスの温度が低温の３００℃以下になる場合もあり、この場合、熱交換器で排ガスから熱交換媒体に熱交換すると、最大２００〜２５０℃の熱エネルギーしか回収できない。エネルギー密度の低い熱エネルギーは低温の加熱源としてしか利用できない。この問題を克服すべく、廃熱を高効率で回収しようとすると、伝熱面積の大きな熱交換器が必要になり、廃熱回収装置が大きくなりがちである。
【０００５】
また、廃熱回収技術の問題点として、廃熱回収技術の用途が燃焼用空気や低温の加熱源などに限定され、使用先が回収熱源の近くに限定される（加熱空気や蒸気を配管などで遠方へ輸送すると、熱放散が大きくなり、回収した熱を有効に利用できなくなる）こともある。このような理由から、特に排ガスの温度が低い場合、廃熱回収技術を経済的に成り立たせるのは極めて困難であった。
【０００６】
他方、近年Ｈ２燃料を大気中の酸素と電気化学的に反応させ、直接発電させる燃料電池が実用化されている。燃料電池のＨ２燃料を得る方法として、製鉄所のコークス炉ガスに含まれるＣｎＨｍ分をコークス炉ガス自らの顕熱で改質し、Ｈ２とＣＯを回収する方法が開発されている（特許文献１参照）。しかしこの方法では、コークス炉がないとＨ２燃料が得られないことになり、燃料電池などの燃料として将来求められる汎用的なＨ２燃料発生源になることができない。
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２１２５７５号広報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明は、炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置から排出される排ガスの顕熱を、Ｈ２燃料等の燃料として回収できる新たな廃熱回収装置、廃熱回収システム及び廃熱回収方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した熱交換器を設置し、前記熱交換器にジメチルエーテルとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の廃熱回収装置において、前記燃焼装置の排ガスの温度を上昇させるように、前記排気系統にジメチルエーテルを投入することを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した熱交換器を設置し、前記熱交換器にジメチルエーテルとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収することを特徴とする廃熱回収装置により、上述した課題を解決する。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の廃熱回収装置において、前記燃焼装置のＣＯ２を含む排ガスを脱水及び脱酸素し、この脱水及び脱酸素した排ガスとジメチルエーテルとの混合ガスを前記熱交換器に通すことを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した第１の熱交換器を設置し、前記第１の熱交換器にジメチルエーテルとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収し、前記排気系統にジメチルエーテルを改質する触媒を充填した第２の熱交換器を設置し、前記第２の熱交換器にジメチルエーテルとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解して、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収することを特徴とする廃熱回収装置により、上述した課題を解決する。
【００１４】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の廃熱回収装置において、前記第２の熱交換器に投入される前記燃焼装置の排ガスの温度を上昇させるように、前記第１の熱交換器で回収したＨ２及びＣＯ燃料を、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間の排気系統に投入することを特徴とする。
【００１５】
請求項７に記載の発明は、請求項５又は６に記載の廃熱回収装置において、前記第２の熱交換器で回収したＨ２燃料と共に発生するＣＯ２を分離し、分離したＣＯ２を前記第１の熱交換器に供給することを特徴とする。
【００１６】
請求項８に記載の発明は、請求項１ないし７いずれかに記載の廃熱回収装置において、前記燃焼装置は、ガスタービン、ガスエンジン、又はディーゼルエンジンであり、回収された前記Ｈ２燃料又は前記Ｈ２及びＣＯ燃料を前記ガスタービン、前記ガスエンジン、又は前記ディーゼルエンジンの燃料として用いることを特徴とする。
【００１７】
請求項９に記載の発明は、請求項１ないし７いずれかに記載の廃熱回収装置において、回収された前記Ｈ２燃料又は前記Ｈ２及びＣＯ燃料を、製鉄所の副生ガスの代替燃料として用いることを特徴とする。
【００１８】
請求項１０に記載の発明は、請求項１ないし７いずれかに記載の廃熱回収装置において、回収された前記Ｈ２燃料又は前記Ｈ２及びＣＯ燃料を、燃料電池の燃料として用いることを特徴とする。
【００１９】
請求項１１に記載の発明は、炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置と、この燃焼装置の排ガスの顕熱を回収する廃熱回収装置と、を備える廃熱回収システムであって、前記廃熱回収装置は、前記燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した熱交換器を設置し、前記熱交換器にジメチルエーテルとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収することを特徴とする廃熱回収システムである。
【００２０】
請求項１２に記載の発明は、炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置と、この燃焼装置の排ガスの顕熱を回収する廃熱回収装置と、を備える廃熱回収システムであって、前記廃熱回収装置は、前記燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した熱交換器を設置し、前記熱交換器にジメチルエーテルとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収することを特徴とする廃熱回収システムである。
【００２１】
請求項１３に記載の発明は、炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置と、この燃焼装置の排ガスの顕熱を回収する廃熱回収装置と、を備える廃熱回収システムであって、前記廃熱回収装置は、前記燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した第１の熱交換器を設置し、前記第１の熱交換器にジメチルエーテルとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収し、前記排気系統にジメチルエーテルを改質する触媒を充填した第２の熱交換器を設置し、前記第２の熱交換器にジメチルエーテルとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収し、前記第２の熱交換器で回収したＨ２燃料と共に発生するＣＯ２を分離し、分離したＣＯ２を前記第１の熱交換器に供給することを特徴とする廃熱回収システムである。
【００２２】
請求項１４に記載の発明は、請求項１１ないし１３いずれかに記載の廃熱回収システムにおいて、前記燃焼装置は、燃料としてＬＮＧ(liquefied natural gas)を使用することを特徴とする。
【００２３】
請求項１５に記載の発明は、請求項１１ないし１４いずれかに記載の廃熱回収システムにおいて、前記廃熱回収システムはさらに、回収した前記Ｈ２及びＣＯ燃料を燃焼させる加熱炉又は燃焼装置を備えることを特徴とする。
【００２４】
請求項１６に記載の発明は、請求項１３ないし１５いずれかに記載の廃熱回収システムにおいて、前記廃熱回収システムはさらに、前記排気系統の前記第２の熱交換器よりも下流側に設置された廃熱ボイラを備え、この廃熱ボイラで回収した水蒸気を前記第２の熱交換機に供給することを特徴とする。
【００２５】
請求項１７に記載の発明は、炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した熱交換器を設置し、前記熱交換器にジメチルエーテルとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収することを特徴とする廃熱回収方法により、上述した課題を解決する。
【００２６】
請求項１８に記載の発明は、炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した熱交換器を設置し、前記熱交換器にジメチルエーテルとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収することを特徴とする廃熱回収方法により、上述した課題を解決する。
【００２７】
請求項１９に記載の発明は、炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した第１の熱交換器を設置し、前記第１の熱交換器にジメチルエーテルとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収し、前記排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した第２の熱交換器を設置し、前記第２の熱交換器にジメチルエーテルとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収し、前記第１の熱交換器で回収したＨ２燃料と共に発生するＣＯ２を分離し、分離したＣＯ２を前記第２の熱交換器に供給することを特徴とする廃熱回収方法により、上述した課題を解決する。
【００２８】
請求項２０に記載の発明は、炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統にジメチルエーテルを改質する触媒を充填し、前記排気系統にジメチルエーテルを吹き込むことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収することを特徴とする廃熱回収方法により、上述した課題を解決する。
【００２９】
請求項２１に記載の発明は、炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統にジメチルエーテルを改質する触媒を充填し、前記排気系統にジメチルエーテルを吹き込むことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収することを特徴とする廃熱回収方法により、上述した課題を解決する。
【発明の効果】
【００３０】
請求項１ないし７いずれかに記載の発明によれば、燃焼装置の廃熱を単なる蒸気、温水、加熱空気等として回収するのではなく、Ｈ２燃料、又はＨ２及びＣＯ燃料として回収するので、回収されたエネルギーの用途が限定されない（すなわち、燃料の燃焼熱として回収することになるので、遠方へ輸送しても回収されたエネルギーが減少することはない）。また、排ガスの顕熱を利用してジメチルエーテルをＨ２燃料に改質するので、ジメチルエーテルをＨ２へ転換する際のエネルギー転換効率を高くすることができる（例えば、排ガスの温度が２５０〜３００℃と低くても、エネルギー転換効率は９０％以上に達する）。さらに、付加価値の高い燃料として廃熱を回収できるので、排ガス温度が低くても（例えば、排ガスの温度が３００℃以下でも）経済性のある熱回収が行える。さらに、排ガスとジメチルエーテルとＨ２Ｏ又はＣＯ２があれば、Ｈ２燃料を発生することができるので、汎用的なＨ２燃料発生装置が得られ、Ｈ２燃料を大量に消費する社会システムが実現できる。
【００３１】
請求項８に記載の発明によれば、Ｈ２燃料又はＨ２及びＣＯ燃料をガスタービン、ガスエンジン、又はディーゼルエンジンの燃料として用いることができる。
【００３２】
請求項９に記載の発明によれば、得られるＨ２燃料又はＨ２及びＣＯ燃料は、製鉄所の副生ガスと組成及び発熱量が近いので、高炉休風等で副生ガスが不足する場合の副生ガス代替燃料として、既存の燃焼設備を改造することなく使用することができ、製鉄所における副生ガスの運用効率を高めることができる。
【００３３】
請求項１０に記載の発明によれば、得られるＨ２燃料又はＨ２及びＣＯ燃料を、燃料電池の燃料として用いることができる。
【００３４】
請求項１１又は１２に記載の発明によれば、燃焼装置の廃熱をＨ２燃料、又はＨ２及びＣＯ燃料として回収することができる廃熱回収システムが得られる。
【００３５】
請求項１３に記載の発明によれば、第２の熱交換器で回収したＨ２燃料と共に発生するＣＯ２を分離し、分離したＣＯ２を第１の熱交換器に供給するので、ＣＯ２の循環が行われ、したがってＣＯ２の排出量を低減することができる。
【００３６】
請求項１４に記載の発明によれば、燃焼装置の燃料として、ジメチルエーテルよりもカーボン排出量の少ないＬＮＧを使用することで、ＣＯ２の排出量を低減することができる。
【００３７】
請求項１５に記載の発明によれば、回収したＨ２及びＣＯ燃料を加熱炉又はボイラー等の燃焼装置の燃料として使用することができる。
【００３８】
請求項１６に記載の発明によれば、第２の熱交換器に供給される水蒸気を廃熱ボイラで回収することができる。
【００３９】
請求項１７又は１８に記載の発明によれば、廃熱を単なる蒸気、温水、加熱空気等として回収するのではなく、Ｈ２燃料、又はＨ２及びＣＯ燃料として回収するので、回収されたエネルギーの用途が限定されない（すなわち、燃料の燃焼熱として回収することになるので、遠方へ輸送しても回収されたエネルギーが減少することはない）。
【００４０】
請求項１９に記載の発明によれば、第２の熱交換器で回収したＨ２燃料と共に発生するＣＯ２を分離し、分離したＣＯ２を第１の熱交換器に供給するので、ＣＯ２の循環が行われ、したがってＣＯ２の排出量を低減することができる。
【００４１】
請求項２０又は２１に記載のように、ジメチルエーテルを直接排気系統に吹き込んでもよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の第１の実施形態における廃熱回収装置を示す。燃焼炉１の排気系統４に熱交換器２を設置し、この熱交換器２にジメチルエーテル（以下ＤＭＥと記す）と水蒸気（以下Ｈ２Ｏと記す）の混合ガスを通す。熱交換器２で排ガスとＤＭＥとで熱交換を行わせることにより、ＤＭＥをＨ２に熱分解し、排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収する。
【００４３】
熱交換器２には、管形、プレート形、拡大伝熱面、蓄熱式、流動層式、熱媒体循環式等さまざまな構造のものが用いられる。図２は管形の熱交換器の一例（レキュペレータと呼ばれる回収熱交換器）を示し、図３及び図４は蓄熱式の熱交換器を示し、図５は流動層式及び熱媒体循環式の熱交換器を示す。
【００４４】
図２に示されるレキュペレータでは、排ガスとＤＭＥ及びＨ２Ｏの混合ガスとは固体壁としての伝熱管３で隔てられる。伝熱管３の内側を低温流体のＤＭＥ及びＨ２Ｏの混合ガスが流れ、伝熱管３の外側を高温流体の排ガスが流れ、これらを間接的に接触させて熱交換を行わせる。排ガスの顕熱は輻射、伝導により伝熱管３を介してＤＭＥ及びＨ２Ｏの混合ガスに移送される。
【００４５】
図３は切換式の蓄熱式熱交換器を示す。理解を容易にするために、この蓄熱式熱交換器の使用方法について説明する。まずアルミナボール、ハニカム材料等からなる蓄熱体Ａに、高温流体の排ガスを流し、蓄熱体Ａを温める。蓄熱体Ａがある程度温まったところでバルブを切り換え、温まった蓄熱体Ａに低温流体のＤＭＥ及びＨ２Ｏの混合ガスを流す。それと共にバルブを切り換えて、蓄熱体Ａに排ガスを流すのを止めて蓄熱体Ｂに排ガスを流す。蓄熱体Ｂがある程度温まったら再びバルブを切り換えて同様の動作を繰り返す。バルブの切り換えは所定の時間ごとに行われる。
【００４６】
図４は回転式の蓄熱式熱交換器を示す。この熱交換器では、両外側の流路が高温流体の排ガスの流路と、低温流体のＤＭＥ及びＨ２Ｏの混合ガスの流路とに分かれている。中央の蓄熱体は回転できるようになっており、所定時間経過後回転し、高温流体で温められた部分が低温流体側に移動する。蓄熱体の温められた部分に低温流体が流れるので、排ガスとＤＭＥ及びＨ２Ｏの混合ガスとで熱交換が行われる。
【００４７】
図２に示される熱交換器の排ガス下流側に、図３又は図４に示される熱交換器を配置し、そこで昇温したＤＭＥとＨ２Ｏの混合気体を図２に示される熱交換器へ導いてもよい。これによりＤＭＥの熱分解が可能な温度領域まで排ガス顕熱を効率よく回収して昇温することができる。
【００４８】
熱交換器２のＤＭＥ及びＨ２Ｏの混合ガスが流れる側には、ＤＭＥを水素に改質する触媒が充填される。この触媒には、アルミナ、シリカ、チタニア等の公知の触媒を用いることができる。触媒の種類は特に限定されるものでなく、ＤＭＥを水素に改質することができれば、どのような種類の触媒を用いてもよい。
【００４９】
なお、熱交換器２にＤＭＥ６とＨ２Ｏの混合ガスを通す替わりに、ＤＭＥとＣＯ２の混合ガスを通し、混合ガスをＨ２及びＣＯに熱分解し、燃焼炉１の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収してもよい。このＤＭＥとＣＯ２をＨ２及びＣＯ燃料に改質する反応については、図８に示される第２の実施形態で詳述する。
【００５０】
図５（Ａ）は流動層式の熱交換器を示し、図５（Ｂ）は熱媒体循環式の熱交換器を示す。図５（Ａ）に示される流動層式の熱交換器では、流動層２ａ内をＤＭＥとＨ２Ｏ又はＣＯ２の混合ガスが流れる。流動層２ａの外側には、高温の排ガスが流れていて、流動層２ａの壁面を介して排ガスと混合ガスとで熱交換が行なわれる。流動層２ａ内には、触媒２ｂが充填されていて、触媒２ｂは混合ガスの流れに伴って流動する。流動層２ａを通過した混合ガスは、触媒２ｂの作用によってＨ２又はＣＯ＋Ｈ２に改質される。
【００５１】
図５（Ｂ）に示される熱媒体循環式の熱交換器では、循環層２ｃ内をＤＭＥとＨ２Ｏ又はＣＯ２の混合ガス（図中に流動媒体と記す）が流れる。循環層２ｃ内には、触媒２ｅも充填されている。混合ガスと触媒２ｅとは、伝熱管２ｄを介して循環層２ｃ内を循環する。伝熱管２ｄの外側には、高温の排ガスが流れていて、伝熱管２ｄの壁面を介して排ガスと混合ガスとで熱交換が行なわれる。循環層２ａを通過した混合ガスは、触媒２ｅの作用によってＨ２又はＣＯ＋Ｈ２に改質される。
【００５２】
以上に記載の熱交換器２では、触媒により、ＣＨ３ＯＣＨ３＋３Ｈ２Ｏ＋２９ｋｃａｌ⇒６Ｈ２＋２ＣＯ２の反応が進行する。この反応により、ＤＭＥをＨ２に熱分解し、排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収することができる。
【００５３】
図６はＤＭＥの水素改質特性を示す。反応前のＤＭＥ＋３Ｈ２Ｏに熱を加えると、反応後にＤＭＥが改質されて６Ｈ２＋２ＣＯ２になる。そのとき９％分の２９ｋｃａｌだけ熱量が増大するので、低温廃熱を水素燃料として回収できるのがわかる。
【００５４】
ここで、排ガスの温度が低い場合（例えば３００℃以下の場合）、ＤＭＥとＨ２Ｏの混合ガスがＨ２に分解する反応が起きにくくなる。また、ＤＭＥとＨ２ＯがＨ２とＣＯ２に分解する反応は吸熱反応なので、排ガスの温度がますます下がるおそれがある。このため、図１に示されるように、排ガスの熱量を増大(例えば排ガスの温度を３００℃以上に上昇)させるように、排気系統に熱回収に用いるＤＭＥの一部を投入（所謂スーパーヒート）する。そして、投入されたＤＭＥの燃焼熱によって排ガスを加熱してもよい。
【００５５】
排ガスの温度が３５０〜４００℃であると、ＤＭＥとＨ２Ｏの混合ガスがＨ２に分解する反応が進行するので、ＤＭＥをスーパーヒートする必要はなくなる。また、高効率の熱交換器を使用すると、排ガスの温度が３００℃以下でもＤＭＥを熱分解することができる。
【００５６】
図７はＤＭＥをＨ２へ転換する際のエネルギー転換効率を試算した一例を示す。この例では、排ガス７の温度を３００℃と仮定している。３００℃の排ガス７が２０Ｎｍ３／ｈあるとすると、排ガス７の熱量は２１００ｋｃａｌ／ｈになる。
【００５７】
この例では、排ガス７の温度を３００℃以上に保つために、排気系統４に熱源としてのＤＭＥ５を０．１ｋｇ／ｈ（６８８ｋｃａｌ／ｈ）スーパーヒートする。反応に必要な熱量だけを与えるべく、スーパーヒートされるＤＭＥ５の投入量は、ＤＭＥ５をＨ２燃料に熱分解する吸熱反応の反応熱を補う量となる。ＤＭＥ５のスーパーヒートにより、排ガス１０の温度は３９４℃になる。
【００５８】
熱交換器２には常温３０℃のＤＭＥ６とＨ２Ｏ８が供給される。ＤＭＥ６とＨ２Ｏ８の温度を３００℃に上げるのに、排ガス７の顕熱を利用する。熱交換器から排出される排ガス１１の温度は２４８℃であるので、排ガス１１の約５０℃分（＝３００℃（排ガス７の温度）−２４８℃（排ガス１１の温度））がＤＭＥ６とＨ２Ｏ８を温めるのに使われている。
【００５９】
熱交換器２では、排ガス１０とＤＭＥ６及びＨ２Ｏ８の混合ガスとを熱交換させ、ＤＭＥ６をＨ２燃料９に改質する。熱交換器２には、ＤＭＥ６が１．０５ｋｇ／ｈ（７２２４ｋｃａｌ／ｈ）投入される。得られるＨ２燃料９は２．９１Ｎｍ３／ｈ（７４９９ｋｃａｌ／ｈ）である。
【００６０】
３００℃の排ガス７を利用したこの例での、ＤＭＥ６をＨ２燃料９に転換する際のエネルギー転換効率を計算すると、７４９９／（７２２４＋６８８）×１００＝９４．５％になり、高い熱効率で転換することがわかる。排ガス温度が２５０℃〜３００℃でも、エネルギー転換効率は９０％以上に達した。ここでエネルギー転換効率ηは、η＝（得られたＨ２燃料の燃焼エネルギー）／（使用したＤＭＥの燃焼エネルギー）、で定義される。
【００６１】
このエネルギー転換効率によると、ＤＭＥの持っている燃焼熱の９５％がＨ２の燃焼熱に変わる。例えばＨ２燃料を燃料電池で使用する場合、燃料電池そのものの発電効率が６０％程度あれば、Ｈ２の発生に使われるエネルギーも含めた総合効率は６０％×９５％＝約５７％総合効率（=発電エネルギー／燃料（ＤＭＥ）エネルギー）の効率で発電できることになる。このため、既存の電力会社で所有する大規模なガスタービン発電設備と同様な発電効率が得られることになる。
【００６２】
比較例として、３００℃の排ガスを利用しない場合の熱効率を試算する。この場合、熱交換器２に投入される排ガス１０の熱量２７８８ｋｃａｌの全てをＤＭＥの燃焼熱で補うことになる。つまり、ＤＭＥを燃焼させ、その熱でＤＭＥを熱分解させる。この場合のエネルギー転換効率は、７４９９／（７２２４＋２７８８）×１００＝７４．９％であり、８０％以下に低減してしまう。これは、ＤＭＥを熱分解するための熱源を、別のＤＭＥを燃焼させることによって得ていることが原因になる。
【００６３】
熱交換器２にＤＭＥ６とＨ２Ｏ８の混合ガスを通す替わりに、ＤＭＥとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ＤＭＥをＨ２及びＣＯに熱分解し、燃焼炉の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収してもよい。このＤＭＥをＨ２及びＣＯ燃料に改質する反応については、下記の第２の実施形態で詳述する。
【００６４】
図８は、本発明の第２の実施形態における廃熱回収装置を示す。この実施形態では、廃熱回収装置をガスタービンコンバインドシステムの排気系統に設置している。ガスタービンコンバインドシステムは、燃料ガスを燃料ガス圧縮機１３で圧縮し、これを空気圧縮機１４で圧縮された空気とともに燃焼器１５で燃焼する。生じた高温高圧の燃料ガスをガスタービン１６中で膨張させることによって外部の発電機１７へ出力をとり出す。
【００６５】
ガスタービン１６の排ガスは高温大流量である。このガスタービン１６の排気系統に熱交換器１８を設置する。熱交換器１８にＤＭＥとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ＤＭＥを熱分解し、排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収する。回収されたＨ２及びＣＯ燃料は、例えば製鉄所の副生ガスと混合され、ガスタービン１６の燃料として用いられる。
【００６６】
熱交換器１８には、ＤＭＥをＨ２及びＣＯ燃料に改質する触媒が充填される。触媒には、ルテニウム、ニッケル等の公知の触媒を用いることができる。触媒の種類は特に限定されるものでなく、ＤＭＥをＨ２及びＣＯに改質することができれば、どのような種類の触媒を用いてもよい。
【００６７】
熱交換器１８では、ＣＨ３ＯＣＨ３＋ＣＯ２＋５８ｋｃａｌ⇒３Ｈ２＋３ＣＯの反応が進行する。ＤＭＥとＨ２Ｏの混合ガスを投入してＨ２燃料を得る反応に比較すると、吸熱反応の反応熱が大きいので、排ガスの温度が高くないといけない。ガスタービン１６の排ガスの温度は例えば６００℃と高いので、この排ガスを使用してＤＭＥを熱分解するのに適している。勿論、熱交換器１８の替わりに、ＣＨ３ＯＣＨ３＋３Ｈ２Ｏ＋２９ｋｃａｌ⇒６Ｈ２＋２ＣＯ２の反応を利用した、例えば図１に示される熱交換器２を用いることもできる。
【００６８】
熱交換器１８から排出された排ガスは、廃熱ボイラ１９に供給される。廃熱ボイラ１９は、Ｈ２Ｏ（水）を熱し、排ガスの顕熱をＨ２Ｏ（水蒸気）として回収する。得られたＨ２Ｏ（水蒸気）は、ガスタービン１６と組み合わされた蒸気タービン２０を回転させるのに用いられる。ガスタービン１６及び蒸気タービン２０が回転すると、発電機１７が発電する。
【００６９】
図９は、本発明の第３の実施形態における廃熱回収装置を示す。この実施形態の廃熱回収装置は、上記第２の実施形態の廃熱回収装置と同様に、ガスタービン１６などの燃焼装置の排気系統に熱交換器１８を設置し、該熱交換器１８にＤＭＥとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ＤＭＥを熱分解し、燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収する。他方、この実施形態の廃熱回収装置は、上記第２の実施形態の廃熱回収装置と異なり、燃焼装置のＣＯ２を含む排ガスを、脱水装置及び脱Ｏ２装置２１にて脱水・脱Ｏ２し、この脱水・脱Ｏ２した排ガスを熱交換器１８に通している。改質に用いられるＣＯ２は１００％濃度である必要はなく、１０％程度のＣＯ２を含むガスでも１０００Ｋｃａｌ／Ｎｍ３程度の燃料ガスとして改質・回収できる。
【００７０】
図１０は、本発明の第４の実施形態における廃熱回収装置を示す。この実施形態では、燃焼炉の排気系統の上流側に、ＤＭＥをＨ２及びＣＯ燃料として回収する第１の熱交換器２５を設置し、下流側にＤＭＥをＨ２燃料として回収する第２の熱交換器２６を設置している。上述のように、第１の熱交換器２５における吸熱反応の反応熱は、第２の熱交換器２６における吸熱反応の反応熱よりも大きい。各吸熱反応を円滑に進行させるため、第１及び第２の熱交換器２５，２６をタンデムに配列し、且つ第１の熱交換器２５を上流側に第２の熱交換器２６を下流側に配置するのが望ましい。
【００７１】
第１の熱交換器２５には、ＤＭＥをＨ２及びＣＯ燃料に改質する触媒が充填される。この第１の熱交換器２５には、ＤＭＥ及びＣＯ２を混合したガスが投入される。そして第１の熱交換器２５は、排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収する。回収されたＨ２及びＣＯ燃料は例えば製鉄所等の副生ガス系統に供給される。第２の熱交換器２６に投入される排ガスの温度を上昇させるように、ＤＭＥの一部を第１の熱交換器２５と第２の熱交換器２６との間の排気系統に投入して燃焼（所謂スーパーヒート）させてもよい。
【００７２】
第２の熱交換器２６には、ＤＭＥをＨ２燃料に改質する触媒が充填される。第２の熱交換器２６には、ＤＭＥとＨ２Ｏの混合ガスが投入される。そして第２の熱交換器２６は、排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収する。Ｈ２燃料とともに第２の熱交換器２６から排出されたＣＯ２は、分離装置２８で分離される。分離されたＣＯ２は第１の熱交換器２５に原料として供給される。分離されたＣＯ２は高濃度なので、第１の熱交換器２５でＣＯ２以外の気体を温める必要がなく、効率よくＤＭＥの分解反応を行うことができる。これに対し、第１の熱交換器２５にＤＭＥとともに排ガスを投入すると、ＣＯ２以外に余分に含まれるＮ２やＯ２をも温めることになってしまうので、廃熱の回収効率が低下する。本装置は図８に示されるガスタービンコンバインドシステムの熱交換器１８の替わりに用いてもよい。
【００７３】
本実施形態により得られるＨ２及びＣＯ燃料は、製鉄所の副生ガスと組成及び発熱量が近いので、高炉休風等で副生ガスが不足する場合の副生ガス代替燃料として、既存の燃焼設備を改造することなく使用することができ、製鉄所における副生ガスの運用効率を高めることができる。以下これを説明する。
【００７４】
副生ガスは、コークス炉ガス：４５００ｋｃａｌ／Ｎｍ３、高炉ガス：７５０ｋｃａｌ／Ｎｍ３、転炉ガス：２０００ｋｃａｌ／Ｎｍ３の混合ガスであり、Ｈ２及びＣＯ主体のガスである。本実施形態で得られる燃料ガスは、Ｈ２及びＣＯ燃料：２８００ｋｃａｌ／Ｎｍ３、Ｈ２燃料：１８００〜２５８０ｋｃａｌ／Ｎｍ３である。副生ガスと本実施形態の燃料ガスとは成分及びカロリーが近いので、製鉄所の燃焼炉の排ガス系統に本実施形態を適用し、得られたＨ２燃料、Ｈ２及びＣＯ燃料を副生ガス系統に混合してやれば、既存の燃焼設備を改造することなく、副生ガスの代替燃料として使用することができる。
【００７５】
エネルギー多消費型産業の代表とされる製鉄所では、廃熱量も多く、各製造工程で発生するエネルギーの４０％前後は副生ガスとなって排出されている。しかし、副生ガスの変動が激しいので、製鉄所では副生ガスを燃料にする効率の高い発電用ガスタービンが使用し難い。その替わりに、副生ガスが変動する分を、重油等を燃焼させて蒸気の発生量を安定させ、蒸気タービンで発電している。本実施形態で得られたＨ２燃料、Ｈ２及びＣＯ燃料を副生ガス系統に混合してやれば、副生ガスの発生量を安定させることができ、このため発電用ガスタービン等の効率のよい機械を導入し易くなり、製鉄所における副生ガスの運用効率を高めることができる。
【００７６】
図１１は、本発明の第１の実施形態における廃熱回収システムの系統図を示す。この廃熱回収システムでは、燃焼装置としてガスエンジン発電機３１を用い、ガスエンジン発電機３１の排気系統に上記第３の実施形態と同様に第１の熱交換器２５及び第２の熱交換器２６を配置している。
【００７７】
第１の熱交換器２５には、ＤＭＥをＨ２及びＣＯ燃料に改質する触媒が充填される。この第１の熱交換器２５には、ＤＭＥ及びＣＯ２を混合したガスが投入される。そして第１の熱交換器２５は、排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収する。他方、第２の熱交換器２６には、ＤＭＥをＨ２燃料に改質する触媒が充填される。第２の熱交換器２６には、ＤＭＥとＨ２Ｏの混合ガスが投入される。そして第２の熱交換器２６は、排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収する。Ｈ２燃料とともに第２の熱交換器２６から排出されたＣＯ２は、分離装置２８で分離される。分離されたＣＯ２は第１の熱交換器２５に原料として供給される。
【００７８】
第１の熱交換器２５で回収されたＨ２及びＣＯ燃料は、加熱炉３２の燃料として使用される。加熱炉３２の替わりにボイラーなどの燃焼装置を用いることもできる。第２の熱交換器２６よりも下流側には、廃熱ボイラ３３が設置され、この廃熱ボイラ３３で回収した水蒸気を第２の熱交換機２６に供給する。
【００７９】
この実施形態の廃熱回収システムでは、燃焼装置にガスエンジン発電機３１を用い、ガスエンジン発電機の燃料にＤＭＥではなく、ＬＮＧ(liquefied natural gas)を使用する。ここで、第１及び第２の熱交換器２５，２６にＤＭＥを供給するので、ガスエンジン発電機３１の燃料にもＤＭＥを使用したらよいと思われた。しかし、発電機３１の燃料にＤＭＥを使用すると、ＤＭＥはＬＮＧよりも燃料として燃焼させたときのＣＯ２排出量が１８％程度多いので（燃料のカーボン排出原単位がＬＮＧ：６４．０６ｇ−Ｃ／Ｍｃａｌであるのに対し、ＤＭＥ：７５．６０ｇ−Ｃ／Ｍｃａｌである）、燃料のカーボン排出原単位の関係からカーボン排出量が増えてしまう。そのため、この実施形態ではカーボン排出量を低減するために、発電機３１の燃料にＬＮＧを使用する。
【００８０】
以下に、燃料消費量の大きな発電機３１の燃料として、ＤＭＥではなく、ＬＮＧを使用する廃熱回収システム（以下この廃熱回収システムをＬＮＧとＤＭＥの併用廃熱回収システムと呼ぶ）と、全てＬＮＧを使用した廃熱回収システム（図１２参照）との比較について説明する。２つの廃熱回収システムは、発電機で同一出力発電し、加熱炉で同一熱量を得て、同一の水素量を製造するという条件で共通している。
【００８１】
図１２は、比較例として、全てＬＮＧを使用したシステムの系統図を示す。このシステムでは、ＬＮＧを加熱炉４１の燃料として使用し、またＬＮＧを発電機４２の燃料として使用し、さらにＬＮＧを改質炉４３で改質して水素を得る。発電機４２の排気系統には廃熱ボイラ４４が設置され、発電機４２の廃熱を蒸気で回収する。加熱炉で３２７８Ｍｃａｌ／ｈｒの熱量を得て、発電機で５５００ｋｗ出力を得て、水素量を６６６Ｎｍ３／ｈｒ製造する。これらの値の熱量、出力、水素量を得ようとすると、以下の表１に示される量だけＬＮＧが消費され、またＣＯ２が排出される。
【００８２】
【表１】
【００８３】
廃熱回収システムを利用するユーザは、燃料消費量もＣＯ２排出量もいずれも削減できるのを望む。燃料消費量を削減できれば、コストダウンが図れるし、ＣＯＰ３が京都議定書で批准された以上は、社会的にＣＯ２排出量をも削減する必要がある。このような背景から、図１１に示されるＬＮＧとＤＭＥの併用廃熱回収システムが考案された。図１１に示されるＬＮＧとＤＭＥの併用廃熱回収システムでは、燃料消費量が大きいガスエンジン発電機３１の燃料にＬＮＧを使用し、その他の加熱炉３２、水素製造のためにＤＭＥを使用している。そうすると、以下の表２に示される燃料消費量及びＣＯ２排出量になる。
【００８４】
【表２】
【００８５】
この表２から、ＬＮＧとＤＭＥを併用すると、全てＬＮＧを使用したプロセスよりもＣＯ２排出量を削減することができ、また燃料消費量も削減することができるのがわかる。ＣＯ２排出量が削減できるのは、ガスエンジン発電機３１の廃熱が燃料に化け、その分のＣＯ２排出量が削減すると考えられるからである。すなわち、第２の熱交換器２６から発生するＣＯ２を分離して第１の熱交換器２５に供給し、第１の熱交換器２５でＣＯ２をＤＭＥと混ぜることによって再度ＣＯ燃料に戻しているので、廃熱回収システム内でＣＯ２の循環が行われることになり、したがってＣＯ２排出量が削減する。
【００８６】
以下の表３に、上記２つの廃熱回収システムの比較をまとめた。ケース１が全て全てＬＮＧを使用した廃熱回収システムであり、ケース２がＬＮＧとＤＭＥを併用した廃熱回収システムである。ケース２では、燃料を９％削減できるし、ＣＯ２排出量も４％削減することができるのがわかる。
【００８７】
【表３】
【００８８】
燃料消費量を低減できるということは、ユーザにコストメリットをもたらす。この削減できたコストを、例えばバイオマス、廃棄物、石油残渣、炭層メタン、又は石炭から得られたＤＭＥ（以下バイオマス由来のＤＭＥという）を普及させる財源として用いれば、経済ベースで天然ガス由来のＤＭＥに数％バイオマス由来のＤＭＥを混ぜた形でバイオマス由来のＤＭＥを流通させることもできる。バイオマス由来のＤＭＥが普及すると、社会全体で発生するＣＯ２をより削減できる。バイオマス由来のＤＭＥは、バイオマス等をガス化炉で一旦ＣＯ＋Ｈ２にガス化した後、触媒のもと周知のＤＭＥ合成反応を用いて製造される。
【００８９】
図１３は、本発明の第２の実施形態における廃熱回収システムの系統図を示す。この実施形態の廃熱回収システムは、ＬＮＧ，重油等の既存燃料を燃料として発電する発電設備５１と、発電設備５１の排ガスの顕熱を回収する廃熱回収・水素製造装置５２とを備える。廃熱回収・水素製造装置５２は、上述した廃熱回収装置と同様に、供給されるＤＭＥをＨ２＋ＣＯ２又はＨ２＋ＣＯ燃料に改質する。製造されたＨ２燃料は水素分離装置５３で分離された後、燃料電池５４に供給されたり、燃料電池自動車の燃料として使用されたりする。この廃熱回収システムは、例えば以下のように制御される。電力の高需要時（昼間）には、廃熱回収・水素製造装置５２で製造された水素は、全て燃料電池５４に送られ、電力にエネルギー変換される。他方、電力の低需要時（夜間）には、廃熱回収・水素製造装置５２で製造された水素は、燃料電池自動車の燃料として貯えられる。このように、発電廃熱を水素で回収することにより、負荷調整機能（すなわち水素製造と発電の選択が可能）を有する発電システムが実現できる。
【００９０】
なお、本発明の廃熱回収装置は、発電、鉱業分野に限られることなく、石油化学、紙・パルプ、非鉄金属、セメント、窯業、運輸等さまざまな工業分野の炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に設置することができ、また、民生・商業分野の空調、厨房、給湯用の燃焼機器の排気系統にも設置することができる。さらに、本発明の廃熱回収装置は、排ガスの温度が３００℃以上の排気系統にすることが望ましいが、排ガスの温度が３００℃以下の排気系統にも効果的に適用することができる。
【００９１】
また、本発明の廃熱回収システムは、発電機、加熱炉、水素改質がある場合に限られることなく、炉、内燃機関又は発電設備の排気系統に廃熱回収装置が組み込まれるものであれば、様々なバリエーションの廃熱回収システムに適用することができ、例えば蒸気が不要な局面では廃熱ボイラーがなくてもよい。さらに、本発明の廃熱回収システムにおける加熱炉は、工業加熱炉の他、空調、厨房、給湯用の燃焼機器であってもよいし、燃料電池に置き換えられてもよい。
【００９２】
さらに、本発明の廃熱回収方法において、熱交換器を設けることなく、触媒が充填された排気系統に直接ＤＭＥを吹き込んでＤＭＥをＨ２燃料、又はＨ２及びＣＯ燃料に改質してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の第１の実施形態における廃熱回収装置を示す図。
【図２】管形の熱交換器（レキュペレータ）を示す図。
【図３】蓄熱式の熱交換器（切換式）を示す図。
【図４】蓄熱式の熱交換器（回転式）を示す図。
【図５】流動層式及び熱媒体循環式の熱交換器を示す図（図中（Ａ）は流動層式の熱交換器を示し、図中（Ｂ）は熱媒体循環式の熱交換器を示す）。
【図６】ＤＭＥの水素改質特性を示す図。
【図７】ＤＭＥをＨ２へ転換する際のエネルギー転換効率を試算した一例を示す図。
【図８】本発明の第２の実施形態における廃熱回収装置を示す図。
【図９】本発明の第３の実施形態における廃熱回収装置を示す図。
【図１０】本発明の第４の実施形態における廃熱回収装置を示す図。
【図１１】本発明の第１の実施形態における廃熱回収システムの系統図（ＬＮＧとＤＭＥの併用廃熱回収システム）。
【図１２】全てＬＮＧを使用した廃熱回収システムの系統図。
【図１３】本発明の第２の実施形態における廃熱回収システムの系統図
【符号の説明】
【００９４】
１…燃焼炉（燃焼装置）
２…熱交換器
４…排気系統
１６…ガスタービン（燃焼装置）
１８…熱交換器
２１…脱水・脱Ｏ２装置
２５…第１の熱交換器
２６…第２の熱交換器
２８…分離装置
３１…ガスエンジン発電機（燃焼装置）
３２…加熱炉
３３…廃熱ボイラ
５１…発電設備（燃焼装置）
５２…廃熱回収・水素製造装置
５３…水素分離装置
５４…燃料電池
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した熱交換器を設置し、前記熱交換器にジメチルエーテルとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収することを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項２】
前記燃焼装置の排ガスの温度を上昇させるように、前記排気系統にジメチルエーテルを投入することを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収装置。
【請求項３】
炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した熱交換器を設置し、前記熱交換器にジメチルエーテルとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収することを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項４】
前記燃焼装置のＣＯ２を含む排ガスを脱水及び脱酸素し、この脱水及び脱酸素した排ガスとジメチルエーテルとの混合ガスを前記熱交換器に通すことを特徴とする請求項３に記載の廃熱回収装置。
【請求項５】
炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した第１の熱交換器を設置し、前記第１の熱交換器にジメチルエーテルとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収し、
前記排気系統にジメチルエーテルを改質する触媒を充填した第２の熱交換器を設置し、前記第２の熱交換器にジメチルエーテルとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収することを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項６】
前記第２の熱交換器に投入される前記燃焼装置の排ガスの温度を上昇させるように、前記第１の熱交換器で回収したＨ２及びＣＯ燃料を、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間の排気系統に投入することを特徴とする請求項５に記載の廃熱回収装置。
【請求項７】
前記第２の熱交換器で回収したＨ２燃料と共に発生するＣＯ２を分離し、分離したＣＯ２を前記第１の熱交換器に供給することを特徴とする請求項５又は６に記載の廃熱回収装置。
【請求項８】
前記燃焼装置は、ガスタービン、ガスエンジン、又はディーゼルエンジンであり、回収された前記Ｈ２燃料又は前記Ｈ２及びＣＯ燃料を前記ガスタービン、前記ガスエンジン、又は前記ディーゼルエンジンの燃料として用いることを特徴とする請求項１ないし７いずれかに記載の廃熱回収装置。
【請求項９】
回収された前記Ｈ２燃料又は前記Ｈ２及びＣＯ燃料を、製鉄所の副生ガスの代替燃料として用いることを特徴とする請求項１ないし７いずれかに記載の廃熱回収装置。
【請求項１０】
回収された前記Ｈ２燃料又は前記Ｈ２及びＣＯ燃料を、燃料電池の燃料として用いることを特徴とする請求項１ないし７いずれかに記載の廃熱回収装置。
【請求項１１】
炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置と、この燃焼装置の排ガスの顕熱を回収する廃熱回収装置と、を備える廃熱回収システムであって、
前記廃熱回収装置は、
前記燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した熱交換器を設置し、前記熱交換器にジメチルエーテルとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収することを特徴とする廃熱回収システム。
【請求項１２】
炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置と、この燃焼装置の排ガスの顕熱を回収する廃熱回収装置と、を備える廃熱回収システムであって、
前記廃熱回収装置は、
前記燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した熱交換器を設置し、前記熱交換器にジメチルエーテルとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収することを特徴とする廃熱回収システム。
【請求項１３】
炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置と、この燃焼装置の排ガスの顕熱を回収する廃熱回収装置と、を備える廃熱回収システムであって、
前記廃熱回収装置は、
前記燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した第１の熱交換器を設置し、前記第１の熱交換器にジメチルエーテルとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収し、
前記排気系統にジメチルエーテルを改質する触媒を充填した第２の熱交換器を設置し、前記第２の熱交換器にジメチルエーテルとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収し、
前記第２の熱交換器で回収したＨ２燃料と共に発生するＣＯ２を分離し、分離したＣＯ２を前記第１の熱交換器に供給することを特徴とする廃熱回収システム。
【請求項１４】
前記燃焼装置は、燃料としてＬＮＧ(liquefied natural gas)を使用することを特徴とする請求項１１ないし１３いずれかに記載の廃熱回収システム。
【請求項１５】
前記廃熱回収システムはさらに、
回収した前記Ｈ２及びＣＯ燃料を燃焼させる加熱炉又は燃焼装置を備えることを特徴とする請求項１１ないし１４いずれかに記載の廃熱回収システム。
【請求項１６】
前記廃熱回収システムはさらに、
前記排気系統の前記第２の熱交換器よりも下流側に設置された廃熱ボイラを備え、
この廃熱ボイラで回収した水蒸気を前記第２の熱交換機に供給することを特徴とする請求項１３ないし１５いずれかに記載の廃熱回収システム。
【請求項１７】
炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した熱交換器を設置し、前記熱交換器にジメチルエーテルとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収することを特徴とする廃熱回収方法。
【請求項１８】
炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した熱交換器を設置し、前記熱交換器にジメチルエーテルとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収することを特徴とする廃熱回収方法。
【請求項１９】
炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した第１の熱交換器を設置し、前記第１の熱交換器にジメチルエーテルとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収し、
前記排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した第２の熱交換器を設置し、前記第２の熱交換器にジメチルエーテルとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収し、
前記第１の熱交換器で回収したＨ２燃料と共に発生するＣＯ２を分離し、分離したＣＯ２を前記第２の熱交換器に供給することを特徴とする廃熱回収方法。
【請求項２０】
炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統にジメチルエーテルを改質する触媒を充填し、前記排気系統にジメチルエーテルを吹き込むことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収することを特徴とする廃熱回収方法。
【請求項２１】
炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統にジメチルエーテルを改質する触媒を充填し、前記排気系統にジメチルエーテルを吹き込むことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収することを特徴とする廃熱回収方法。
【請求項１】
炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した熱交換器を設置し、前記熱交換器にジメチルエーテルとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収することを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項２】
前記燃焼装置の排ガスの温度を上昇させるように、前記排気系統にジメチルエーテルを投入することを特徴とする請求項１に記載の廃熱回収装置。
【請求項３】
炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した熱交換器を設置し、前記熱交換器にジメチルエーテルとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収することを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項４】
前記燃焼装置のＣＯ２を含む排ガスを脱水及び脱酸素し、この脱水及び脱酸素した排ガスとジメチルエーテルとの混合ガスを前記熱交換器に通すことを特徴とする請求項３に記載の廃熱回収装置。
【請求項５】
炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した第１の熱交換器を設置し、前記第１の熱交換器にジメチルエーテルとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収し、
前記排気系統にジメチルエーテルを改質する触媒を充填した第２の熱交換器を設置し、前記第２の熱交換器にジメチルエーテルとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収することを特徴とする廃熱回収装置。
【請求項６】
前記第２の熱交換器に投入される前記燃焼装置の排ガスの温度を上昇させるように、前記第１の熱交換器で回収したＨ２及びＣＯ燃料を、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間の排気系統に投入することを特徴とする請求項５に記載の廃熱回収装置。
【請求項７】
前記第２の熱交換器で回収したＨ２燃料と共に発生するＣＯ２を分離し、分離したＣＯ２を前記第１の熱交換器に供給することを特徴とする請求項５又は６に記載の廃熱回収装置。
【請求項８】
前記燃焼装置は、ガスタービン、ガスエンジン、又はディーゼルエンジンであり、回収された前記Ｈ２燃料又は前記Ｈ２及びＣＯ燃料を前記ガスタービン、前記ガスエンジン、又は前記ディーゼルエンジンの燃料として用いることを特徴とする請求項１ないし７いずれかに記載の廃熱回収装置。
【請求項９】
回収された前記Ｈ２燃料又は前記Ｈ２及びＣＯ燃料を、製鉄所の副生ガスの代替燃料として用いることを特徴とする請求項１ないし７いずれかに記載の廃熱回収装置。
【請求項１０】
回収された前記Ｈ２燃料又は前記Ｈ２及びＣＯ燃料を、燃料電池の燃料として用いることを特徴とする請求項１ないし７いずれかに記載の廃熱回収装置。
【請求項１１】
炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置と、この燃焼装置の排ガスの顕熱を回収する廃熱回収装置と、を備える廃熱回収システムであって、
前記廃熱回収装置は、
前記燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した熱交換器を設置し、前記熱交換器にジメチルエーテルとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収することを特徴とする廃熱回収システム。
【請求項１２】
炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置と、この燃焼装置の排ガスの顕熱を回収する廃熱回収装置と、を備える廃熱回収システムであって、
前記廃熱回収装置は、
前記燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した熱交換器を設置し、前記熱交換器にジメチルエーテルとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収することを特徴とする廃熱回収システム。
【請求項１３】
炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置と、この燃焼装置の排ガスの顕熱を回収する廃熱回収装置と、を備える廃熱回収システムであって、
前記廃熱回収装置は、
前記燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した第１の熱交換器を設置し、前記第１の熱交換器にジメチルエーテルとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収し、
前記排気系統にジメチルエーテルを改質する触媒を充填した第２の熱交換器を設置し、前記第２の熱交換器にジメチルエーテルとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収し、
前記第２の熱交換器で回収したＨ２燃料と共に発生するＣＯ２を分離し、分離したＣＯ２を前記第１の熱交換器に供給することを特徴とする廃熱回収システム。
【請求項１４】
前記燃焼装置は、燃料としてＬＮＧ(liquefied natural gas)を使用することを特徴とする請求項１１ないし１３いずれかに記載の廃熱回収システム。
【請求項１５】
前記廃熱回収システムはさらに、
回収した前記Ｈ２及びＣＯ燃料を燃焼させる加熱炉又は燃焼装置を備えることを特徴とする請求項１１ないし１４いずれかに記載の廃熱回収システム。
【請求項１６】
前記廃熱回収システムはさらに、
前記排気系統の前記第２の熱交換器よりも下流側に設置された廃熱ボイラを備え、
この廃熱ボイラで回収した水蒸気を前記第２の熱交換機に供給することを特徴とする請求項１３ないし１５いずれかに記載の廃熱回収システム。
【請求項１７】
炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した熱交換器を設置し、前記熱交換器にジメチルエーテルとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収することを特徴とする廃熱回収方法。
【請求項１８】
炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した熱交換器を設置し、前記熱交換器にジメチルエーテルとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収することを特徴とする廃熱回収方法。
【請求項１９】
炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した第１の熱交換器を設置し、前記第１の熱交換器にジメチルエーテルとＣＯ２の混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収し、
前記排気系統に、ジメチルエーテルを改質する触媒を充填した第２の熱交換器を設置し、前記第２の熱交換器にジメチルエーテルとＨ２Ｏの混合ガスを通すことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収し、
前記第１の熱交換器で回収したＨ２燃料と共に発生するＣＯ２を分離し、分離したＣＯ２を前記第２の熱交換器に供給することを特徴とする廃熱回収方法。
【請求項２０】
炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統にジメチルエーテルを改質する触媒を充填し、前記排気系統にジメチルエーテルを吹き込むことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２燃料として回収することを特徴とする廃熱回収方法。
【請求項２１】
炉、内燃機関又は発電設備などの燃焼装置の排気系統にジメチルエーテルを改質する触媒を充填し、前記排気系統にジメチルエーテルを吹き込むことにより、ジメチルエーテルを熱分解し、前記燃焼装置の排ガスの顕熱をＨ２及びＣＯ燃料として回収することを特徴とする廃熱回収方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００６−４６３１９（Ｐ２００６−４６３１９Ａ）
【公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１１６２２２（Ｐ２００５−１１６２２２）
【出願日】平成１７年４月１３日（２００５．４．１３）
【出願人】（５０３０４７２５０）ジェイエフイーホールディングス株式会社 (3)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月１６日（２００６．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年４月１３日（２００５．４．１３）
【出願人】（５０３０４７２５０）ジェイエフイーホールディングス株式会社 (3)
【Ｆターム（参考）】
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