燃焼設備
【課題】設備の構成を簡易にするとともにエネルギー消費量を減少させ、ケミカルヒートポンプで使用する水の水質管理を不要にする。
【解決手段】水素原子を含む燃料を燃焼するバーナ２７が設けられた炉１１の内部の排ガスを排気する排気ライン２２と、化学蓄熱材３５が収容された反応容器３１と、排気ライン２２から分岐し化学蓄熱材３５を貫通するように配置された開閉可能な第１取出ライン２５と、排気ライン２２から分岐して排ガスを反応容器３１に導入可能に配置され開閉可能な第２取出ライン２６とを備え、第２取出ライン２６を開放し、第２取出ライン２６に流入した排ガスに含まれる水蒸気と化学蓄熱材３５との水和反応により反応生成物と熱を生成させて前記熱を放熱し、第１取出ライン２５を開放し、第１取出ライン２５に流入した排ガスの熱を化学蓄熱材３５の反応生成物に吸熱させて化学蓄熱材３５を生成するように蓄熱する。
【解決手段】水素原子を含む燃料を燃焼するバーナ２７が設けられた炉１１の内部の排ガスを排気する排気ライン２２と、化学蓄熱材３５が収容された反応容器３１と、排気ライン２２から分岐し化学蓄熱材３５を貫通するように配置された開閉可能な第１取出ライン２５と、排気ライン２２から分岐して排ガスを反応容器３１に導入可能に配置され開閉可能な第２取出ライン２６とを備え、第２取出ライン２６を開放し、第２取出ライン２６に流入した排ガスに含まれる水蒸気と化学蓄熱材３５との水和反応により反応生成物と熱を生成させて前記熱を放熱し、第１取出ライン２５を開放し、第１取出ライン２５に流入した排ガスの熱を化学蓄熱材３５の反応生成物に吸熱させて化学蓄熱材３５を生成するように蓄熱する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケミカルヒートポンプを使用する燃焼設備に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、化学蓄熱材の水和発熱反応により放熱し、脱水吸熱反応により吸熱するケミカルヒートポンプが開示されている。このケミカルヒートポンプでは、作動させるために化学蓄熱材に水蒸気を供給する必要がある。そのため、水を蒸発させる蒸発器が必要となり装置の構成が複雑化する。また、蒸発器の使用によって、エネルギー消費量が増加する。
【０００３】
一方、水は密閉系で循環使用されるため、化学蓄熱材や装置構成材等の混入、濃化により水質の変化に伴うトラブル（例えばＣａ混入による水酸化カルシウム水溶液（アルカリ性）による配管腐食やシステム構成材による配管閉塞）が発生するおそれがある。そのため、厳重な水質管理が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−８９７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、設備の構成を簡易にするとともにエネルギー消費量を減少させ、ケミカルヒートポンプで使用する水の水質管理を不要にすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するための手段として、本発明の燃焼設備は、化学蓄熱材の水和発熱反応により反応生成物を生成する放熱過程、および前記反応生成物の脱水吸熱反応によって前記化学蓄熱材と水蒸気とを生成する蓄熱過程を有するケミカルヒートポンプを備える燃焼設備において、水素原子を含む燃料を燃焼するバーナが設けられた炉と、前記バーナの燃焼により生じた前記炉の内部の排ガスを排気する排気ラインと、前記化学蓄熱材が収容された反応容器と、前記排気ラインから分岐し前記反応容器の前記化学蓄熱材を貫通するように配置され弁が介設された第１取出ラインと、前記排気ラインから分岐して前記排ガスを前記反応容器に導入可能に配置され弁が介設された第２取出ラインとを備え、前記第２取出ラインの弁を開弁し、前記第２取出ラインに流入した前記炉の排ガスに含まれる水蒸気と前記化学蓄熱材との水和反応により反応生成物と熱を生成させて前記熱を放熱し、前記第１取出ラインの弁を開弁し、前記第１取出ラインに流入した前記炉の排ガスの熱を前記化学蓄熱材の反応生成物に吸熱させて前記化学蓄熱材を生成するように蓄熱するようにした。
【０００７】
この構成によれば、第２取出ラインの弁を開弁することにより水素原子を含む燃料を燃焼するバーナの燃焼により生じた前記炉の排ガスに含まれる水蒸気によりケミカルヒートポンプの化学蓄熱材を水和させることができる。これにより、設備に蒸発器を設ける必要がないので、設備を簡易な構成とすることができる。そして、蒸発器が不要となり、また、第１取出ラインの弁を開弁することによりバーナの排ガスの熱をケミカルヒートポンプの反応生成物に吸熱させて化学蓄熱材を生成するように蓄熱することができるので、エネルギー消費量を減少させることができる。また、水蒸気を生成するための水を再利用する必要がなくなるので、使用後の水を外部に排水することができ、水の劣化によるトラブルを回避できる。したがって、ケミカルヒートポンプの水の水質管理を不要にすることができる。
【０００８】
前記反応容器の上流側の前記第１取出ラインに一端が連結され、他端が送風機に連結され弁が介設された入口側ラインと、前記反応容器の下流側の前記第１取出ラインに連結され、弁が介設された出口側ラインとを備え、前記入口側ラインおよび前記出口側ラインの弁を開弁し、前記第１取出ラインの弁を閉弁したときに、前記送風機により熱媒体を前記第１取出ラインに送出可能であり、前記入口側ラインおよび前記出口側ラインの弁を閉弁し、前記第１取出ラインの弁を開弁したときに、前記排気ラインの排ガスを前記第１取出ラインに送出可能であることが好ましい。この構成によれば、第１取出ライン、入口側ライン、および出口側ラインの弁を開閉することにより、送風機により送られた熱媒体および排気ラインの排ガスのいずれか一方を第１取出ラインに送出することができる。すなわち、第１取出ラインのみで送風機により送られた熱媒体および排気ラインの排ガスを流通させることができる。これにより、設備を簡易な構成とすることができる。
【０００９】
前記反応容器と熱交換可能に熱媒体を導入する弁が介設された入口側ラインと、前記反応容器と熱交換した前記熱媒体を排出する弁が介設された出口側ラインとを備えることが好ましい。この構成によれば、入口側ラインの弁を開弁して反応容器に熱媒体を導入し、反応容器の内部の熱と熱媒体とを熱交換させることができる。そして、反応容器の内部の熱と熱交換した熱媒体を出口側ラインの弁を開弁して出口側ラインから排出することができる。
【００１０】
前記反応容器の内部に設けられ、前記化学蓄熱材を貫通して前記熱媒体と前記反応容器の内部の熱とを熱交換させ前記入口側ラインと前記出口側ラインとを接続する接続ラインを備えることが好ましい。この構成によれば、入口側ラインから導入された熱媒体を接続ラインを通過させて化学蓄熱材と熱交換させることができる。そして、化学蓄熱材と熱交換した熱媒体を出口側ラインに排出することができる。また、入口側ラインと出口側ラインとが接続ラインにより接続された簡易な構成により、熱媒体へ異物の混入を排除することができる。
【００１１】
前記反応容器は反応容器熱交換部が設けられた外面との間に空間を形成するように配置された外側容器を備え、前記入口側ラインと前記出口側ラインとを前記外側容器の空間を介して連通させることが好ましい。この構成によれば、入口側ラインから熱媒体を外側容器の空間に導入し、反応容器熱交換部で熱媒体と反応容器の内部の熱とを熱交換させることができる。そして、反応容器の内部の熱と熱交換した熱媒体を出口側ラインから排出することができる。また、熱媒体への異物の混入を排除することができる。
【００１２】
前記燃料は水素ガスであることが好ましい。この構成によれば、バーナの排ガスに含まれる水蒸気以外の成分によりケミカルヒートポンプに悪影響が及ぼされることを回避することができる。
【００１３】
前記バーナはラジアントチューブバーナであることが好ましい。この構成によれば、ラジアントチューブバーナのチューブからの放射熱によって、間接的に加熱することができ、被加熱物から発生する不純物によって化学蓄熱材が汚損、変質することが回避できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、第２取出ラインの弁を開弁することにより水素原子を含む燃料を燃焼するバーナの燃焼により生じた前記炉の排ガスに含まれる水蒸気によりケミカルヒートポンプの化学蓄熱材を水和させることができる。これにより、設備に蒸発器を設ける必要がないので、設備を簡易な構成とすることができる。そして、蒸発器が不要となり、また、第１取出ラインの弁を開弁することによりバーナの排ガスの熱をケミカルヒートポンプの反応生成物に吸熱させて化学蓄熱材を生成するように蓄熱することができるので、エネルギー消費量を減少させることができる。また、水蒸気を生成するための水を再利用する必要がなくなるので、使用後の水を外部に排水することができ、水の劣化によるトラブルを回避できる。したがって、ケミカルヒートポンプの水の水質管理を不要にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる燃焼設備の概略図。
【図２】本発明の第１実施形態にかかる燃焼設備で使用されるケミカルヒートポンプを示す図。
【図３】ケミカルヒートポンプの蓄熱工程および放熱工程における化学反応を示す図。
【図４】第２取出ラインに流入した排ガスの流れを示す図。
【図５】第１取出ラインに流入した熱媒体の流れを示す図。
【図６】第１取出ラインに流入した排ガスの流れを示す図。
【図７】本発明の第２実施形態にかかる燃焼設備の概略図。
【図８】本発明の第２実施形態にかかる燃焼設備で使用されるケミカルヒートポンプを示す図。
【図９】第２取出ラインに流入した排ガスの流れを示す図。
【図１０】外側容器の空間を通過する熱媒体の流れを示す図。
【図１１】第１取出ラインに流入した排ガスの流れを示す図。
【図１２】本発明の変形例を示す図。
【図１３】本発明の変形例を示す図。
【図１４】本発明の変形例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
【００１７】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態にかかる燃焼設備１０を示す。この燃焼設備１０は、炉１１の廃熱を蓄熱し放熱するケミカルヒートポンプ３０を備えている。
【００１８】
炉１１には、噴射口１７が内部に直接開口した燃焼空気を供給する空気ノズル１８が設けられている。空気ノズル１８には、弁１９を介して空気供給源２０が接続されている。また、炉１１の内部には燃料を供給する燃料ノズル１２が設けられている。燃料ノズル１２の噴射口１３は空気ノズル１８に合流している。燃料ノズル１２は、弁１４を備えている。燃料ノズル１２には、水素原子を含む燃料を供給する燃料供給源１６が接続されている。空気ノズル１８と燃料ノズル１２とは、バーナ２７を構成する。
【００１９】
燃焼設備１０には、炉１１の内部温度を測定する温度センサ２１が設けられている。温度センサ２１は、炉１１の内部温度の測定値を後述するコントローラ６０に送信する。また、燃焼設備１０の炉１１には、排気ライン２２が設けられている。排気ライン２２には、ファン２３が介設され、排気ライン２２の端部には排気口２４が設けられている。排気ライン２２には、炉１１とファン２３の間で分岐し、ケミカルヒートポンプ３０を通って合流する排ガスの熱を利用するための第１取出ライン２５、および排ガスの水蒸気を利用するための第２取出ライン２６が設けられている。
【００２０】
図１および図２に示すように、ケミカルヒートポンプ３０は、反応容器３１と凝縮器３２とを備えている。
【００２１】
図２に示すように、反応容器３１には、化学蓄熱材３５が収容された収容部３６が設けられている。本実施形態における化学蓄熱材３５は、酸化カルシウムであるが、酸化マグネシウム等、ケミカルヒートポンプに使用されるいかなる化学蓄熱材であってもよい。この化学蓄熱材３５は、図３に示すように、水和する際に熱量ＱＨを発熱（放熱）し、脱水する際に熱量ＱＨを吸熱（蓄熱）する。反応容器３１では、第１取出ライン２５が収容部３６を貫通している。そして、化学蓄熱材３５は、第１取出ライン２５の一部である後述する収容部３６内の共通ライン６４の外周面に設けられた熱交換部６８を介して共通ライン６４の内部と熱交換できるようになっている。反応容器３１は、第２取出ライン２６に介設されている。具体的には、排気ライン２２から分岐した第２取出ライン２６の端部は反応容器３１の側面４１の下部で連結されている。そして、排気ライン２２に合流する第２取出ライン２６の端部は反応容器３１の上面４０で連結されている。
【００２２】
第１取出ライン２５には、ケミカルヒートポンプ３０の反応容器３１の上流側と下流側の両側のそれぞれに、弁３８，３９が介設されている。第２取出ライン２６には、ケミカルヒートポンプ３０の反応容器３１の上流側と下流側に弁４２ａ，４２ｂが介設されている。
【００２３】
燃焼設備１０には、入口側ライン６６が設けられている。入口側ライン６６の一端には、熱媒体を送出する送風機６１が設けられている。入口側ライン６６の他端は、弁３８と反応容器３１の間の第１取出ライン２５に連結されている。入口側ライン６６には弁４９が設けられている。
【００２４】
また、燃焼設備１０には、出口側ライン６７が設けられている。出口側ライン６７の一端は、反応容器３１と弁３９の間の第１取出ライン２５に連結されている。出口側ライン６７の端部には弁５０が設けられている。弁５０の下流側には、熱風管６２が設けられている。入口側ライン６６と第１取出ライン２５の合流位置より下流であり、かつ、出口側ライン６７と第１取出ライン２５の分岐位置より上流である範囲の第１取出ライン２５は、共通ライン６４を構成している。送風機６１により送出される熱媒体は、例えば空気であり、反応容器３１で熱交換によって高温にされ、熱風管６２から排出される。高温にされた熱媒体は、他の設備や燃焼バーナの燃焼空気の予熱に用いられる。
【００２５】
反応容器３１には、内部と連通するように反応容器３１の下端と凝縮器３２とが接続されたドレンライン５１が設けられている。ドレンライン５１には弁５２が介設されている。
【００２６】
燃焼設備１０には、コントローラ６０が設けられている。コントローラ６０は、弁３８、３９、４２ａ、４２ｂを含む燃焼設備１０（全体）の動作を制御する。
【００２７】
次に、本発明にかかる第１実施形態の燃焼設備１０の動作について説明する。なお、図４〜図６において、閉弁している弁は黒塗りで示し、開弁している弁は白抜きで示す。
【００２８】
燃焼設備１０では、炉１１の内部温度が温度センサ２１で測定され、この測定値がコントローラ６０に入力される。コントローラ６０は、前記測定値とコントローラ６０に予め入力されている設定炉温とを比較して温度偏差を演算する。その後、コントローラ６０は、予め設定されている燃焼量パターンから前記内部温度と温度偏差とに対応する燃焼設備１０の燃焼量を決定する。そして、コントローラ６０は、この燃焼量に見合う燃料流量となるように燃料ノズル１２から燃料を供給するとともに、適切な燃焼空気流量となるように空気ノズル１８から燃焼空気を供給する。このようにして、炉１１において燃焼が開始され加熱処理が実行される。そして、燃焼中、排気ライン２２の排気口２４から排ガスを排気する。
【００２９】
そして、前述の燃焼によって生じる排ガスの廃熱と熱交換して加熱される熱媒体を得るために、ケミカルヒートポンプ３０を作動させる。ケミカルヒートポンプ３０の作動は、第１取出ライン２５の弁３８，３９、および第２取出ライン２６の弁４２ａ，４２ｂのいずれか一方を開弁することにより行う。
【００３０】
図４に示すように、第１取出ライン２５の弁３８，弁３９を閉弁した状態で、第２取出ライン２６の弁４２ａ，４２ｂを開弁すると、排気ライン２２を流通する排ガスの一部が第２取出ライン２６に流入する。これにより、第２取出ライン２６に流入した排ガスは、反応容器３１の内部に流入し、収容部３６の酸化カルシウム３５と接触する。そうすると、図３（放熱）に示すように、水素原子を含む燃料を燃焼するバーナ２７の排ガスに含まれる水蒸気によりケミカルヒートポンプ３０の酸化カルシウム３５を水和させ、水酸化カルシウム（反応生成物）を生成するとともに熱量ＱＨを発熱する。ここで、図５に示すように、入口側ライン６６の弁４９、および出口側ライン６７の弁５０を開弁すると、反応熱ＱＨを、送風機６１により入口側ライン６６および共通ライン６４を通じて送られ反応容器３１の収容部３６に流入した熱媒体に、熱交換部６８を介して移動させることができる。その後、反応容器３１の収容部３６内部の共通ライン６４で熱交換された熱媒体は反応容器３１から流出し、出口側ライン６７を流通する。そして、熱風管６２から高温の熱媒体が得られる。高温の熱媒体は、他設備に利用することができ、省エネルギーに役立てることができる。一方、第２取出ライン２６を通じて反応容器３１の内部に流入した排ガスは、反応容器３１の上面４０から流出し排気ライン２２に合流する。
【００３１】
反応容器３１の化学蓄熱材３５の放熱過程終了後、図６に示すように、入口側ライン６６の弁４９、出口側ライン６７の弁５０、および第２取出ライン２６の弁４２ａ，４２ｂを閉弁し、第１取出ライン２５の弁３８，弁３９、およびドレンライン５１の弁５２を開弁すると、排気ライン２２を流通する排ガスの一部は第１取出ライン２５に流入する。これにより、第１取出ライン２５に流入した排ガスは、共通ライン６４へ流入し、反応容器３１の収容部３６を水酸化カルシウム３５と直接接触することなく通過し反応容器３１から流出する。その際、共通ライン６４の排ガスは、共通ライン６４の外周面である熱交換部６８を介して収容部３６の水酸化カルシウム３５と熱交換する。すなわち、共通ライン６４を流通する排ガスの一部の熱は、熱交換部６８を介して水酸化カルシウムに移動する。このようにして移動させた熱を反応容器３１の内部に蓄熱させることができ、図３（蓄熱）に示すように、反応容器３１の水酸化カルシウムから脱水吸熱反応によって酸化カルシウム３５と水蒸気とを生成することができる。そして、反応容器３１の収容部３６で生成された水蒸気は、ドレンライン５１に流入する。そして、ドレンライン５１の水蒸気は、凝縮器３２で凝縮され、水となって外部に排出される。また、このとき、弁４２ｂを開弁し、水蒸気を排気ライン２２にそのまま排出することもできる。そうすると、ドレンライン５１、弁５２、凝縮器３２が不要となる。
【００３２】
反応容器３１の収容部３６に酸化カルシウム３５が生成されると、第１取出ライン２５の弁３８，３９を閉弁し、第２取出ライン２６の弁４２ａ，４２ｂを開弁することにより、再び図３（放熱）に示す放熱工程を実行することができる。このようにして、第１取出ライン２５の弁３８，３９が開弁した状態と、第２取出ライン２６の弁４２ａ，４２ｂが開弁した状態とを順次切り替えることにより、ケミカルヒートポンプ３０を作動させることができる。
【００３３】
本発明によれば、第２取出ライン２６の弁４２ａ，４２ｂを開弁することにより水素原子を含む燃料を燃焼するバーナ２７の燃焼により生じた炉１１の排ガスに含まれる水蒸気により反応容器３１の化学蓄熱材３５を水和させ、反応生成物（水酸化カルシウム）を生成することができる。これにより、設備に蒸発器を設ける必要がないので、設備を簡易な構成とすることができる。そして、蒸発器が不要となり、また、第１取出ライン２５の弁３８，３９を開弁することによりバーナ２７の排ガスの熱を反応容器３１の前記反応生成物に吸熱させて化学蓄熱材３５を生成するように蓄熱することができるので、エネルギー消費量を減少させることができる。また、水蒸気を生成するための水を再利用する必要がなくなるので、使用後の水を外部に排水することができ、水の劣化によるトラブルを回避できる。したがって、反応容器３１内部の水の水質管理を不要にすることができる。そして、水を収容する容器も不要となる。
【００３４】
また、この構成によると、第１取出ライン２５と入口側ライン６６が合流し、共通ライン６４を形成している。図５のように、入口側ライン６６および出口側ライン６７の弁４９，５０を開弁し、第１取出ライン２５の弁３８，３９を閉弁したときに、送風機６１により熱媒体を第１取出ライン２５の一部である共通ライン６４に送出することができる。そして、また、図６のように、入口側ライン６６および出口側ライン６７の弁４９，５０を閉弁し、第１取出ライン２５の弁３８，３９を開弁したときに、排気ライン２２の排ガスを第１取出ライン２５の一部である共通ライン６４に送出することができる。したがって、第１取出ライン２５、入口側ライン６６、および出口側ライン６７の弁３８，３９，４９，５０を開閉することにより、送風機６１により送られた熱媒体および排気ライン２２の排ガスのいずれか一方を第１取出ライン２５に送出することができる。すなわち、第１取出ライン２５のみで送風機６１により送られた熱媒体および排気ライン２２の排ガスを共通ライン６４に排気と熱媒体が交互に流通させることができる。このようにすれば、反応容器３１を二重にする必要がなく、簡単かつ低コストで製作が可能となり、設備を簡易な構成とすることができる。
【００３５】
また、バーナ２７の燃料として、例えば天然ガス、ＬＰＧ、および、重油のように、燃焼ガスに水蒸気を含み、かつ、二酸化炭素の発生量が少ない燃料を使用してもよい。しかし、水素ガスを使用すれば、排気中の水蒸気割合が増えるので、ケミカルヒートポンプ３０の反応温度が上昇し、熱回収率が向上する。それに加えて、空気の代わりに純酸素を用いれば排気を全て水蒸気とすることも可能であり、燃焼により二酸化炭素が生成されることを排除できる。したがって、バーナ２７の排ガスに含まれる水蒸気以外の成分、特に二酸化炭素によりケミカルヒートポンプ３０の化学蓄熱材３５に悪影響が及ぼされることを回避することができる。すなわち、化学蓄熱材３５として酸化カルシウムを使用した場合、酸化カルシウムと二酸化炭素とが反応して炭酸カルシウムが生成され、ケミカルヒートポンプ３０として繰り返し利用ができなくなることを確実に回避することができる。
【００３６】
（第２実施形態）
図７および図８は、本発明の第２実施形態にかかる燃焼設備１０を示す。本実施形態において、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。
【００３７】
反応容器３１は、空間４３を形成するように外面に対して間隔をあけて配置された外側容器７０を備えている。図８に示すように、化学蓄熱材３５は、第１取出ライン２５の外周面に設けられた排ガス熱交換部３７を介して第１取出ライン２５の内部と熱交換できるようになっている。
【００３８】
燃焼設備１０には、入口側ライン６６が設けられている。入口側ライン６６の一端には、送風機６１が設けられている。入口側ライン６６の他端は、反応容器３１の外側容器７０に連結部４６を介して連結されている。入口側ライン６６には弁４９が設けられている。
【００３９】
また、燃焼設備１０には、出口側ライン６７が設けられている。出口側ライン６７の一端は、反応容器３１の外側容器７０に連結部４７を介して連結されている。出口側ライン６７の端部には弁５０が設けられている。弁５０の下流側には、熱風管６２が設けられている。出口側ライン６７は、空間４３を介して入口側ライン６６と連通している。入口側ライン６６から送出され、反応容器３１と外側容器７０の間の空間４３を移動する熱媒体は、反応容器３１の外面である反応容器熱交換部７１を介して反応容器３１の内部と熱交換できるようになっている。そして、反応容器３１の反応容器熱交換部７１で熱交換した熱媒体を出口側ライン６７から得られるようになっている。
【００４０】
次に、本発明にかかる第２実施形態の燃焼設備１０の動作について説明する。
【００４１】
図９に示すように、第１取出ライン２５の弁３８，弁３９を閉弁した状態で、第２取出ライン２６の弁４２ａ，４２ｂを開弁すると、排気ライン２２を流通する排ガスの一部が第２取出ライン２６に流入する。これにより、第２取出ライン２６に流入した排ガスは、反応容器３１の内部に流入し、収容部３６の酸化カルシウム３５と接触する。そうすると、図３（放熱）に示すように、水素原子を含む燃料を燃焼するバーナ２７の排ガスに含まれる水蒸気によりケミカルヒートポンプ３０の酸化カルシウム３５を水和させ、水酸化カルシウム（反応生成物）を生成するとともに熱量ＱＨを発熱する。ここで、弁４９，５０を開弁すると、図１０に示すように、反応熱ＱＨを入口側ライン６６を通じて流入した外側容器７０の空間４３の熱媒体に、反応容器熱交換部７１を介して移動させることができる。その後、外側容器７０の空間４３の熱媒体は外側容器７０から流出し、出口側ライン６７を流通する。そして、熱風管６２から高温の熱媒体が得られる。高温の熱媒体は、他設備に利用することができ、省エネルギーに役立てることができる。一方、反応容器３１の内部に流入した排ガスは、反応容器３１の上面４０から流出し排気ライン２２に合流する。
【００４２】
次に、図１１に示すように、第２取出ライン２６の弁４２ａ，４２ｂ、入口側ライン６６の弁４９、および出口側ライン６７の弁５０を閉弁し、第１取出ライン２５の弁３８，３９を開弁すると、排気ライン２２を流通する排ガスの一部は第１取出ライン２５に流入する。これにより、第１取出ライン２５に流入した排ガスは、反応容器３１の収容部３６を水酸化カルシウム３５と直接接触することなく通過し反応容器３１から流出する。その際、第１取出ライン２５の排ガスは、第１取出ライン２５の外周面である排ガス熱交換部３７を介して収容部３６の水酸化カルシウム３５と熱交換する。すなわち、第１取出ライン２５を流通する排ガスの一部の熱は、排ガス熱交換部３７を介して水酸化カルシウムに移動する。このようにして移動させた熱を反応容器３１の内部に蓄熱させることができ、図３（蓄熱）に示すように、反応容器３１の水酸化カルシウムから脱水吸熱反応によって酸化カルシウム３５と水蒸気とを生成することができる。
【００４３】
反応容器３１の収容部３６に酸化カルシウム３５が生成されると、第１取出ライン２５の弁３８，３９を閉弁し、第２取出ライン２６の弁４２ａ，４２ｂを開弁することにより、再び図３（放熱）に示す放熱工程を実行することができる。このようにして、第１取出ライン２５の弁３８，３９が開弁した状態と、第２取出ライン２６の弁４２ａ，４２ｂが開弁した状態とを順次切り替えることにより、ケミカルヒートポンプ３０を作動させることができる。
【００４４】
本発明によれば、入口側ライン６６の弁４９を開弁して反応容器３１と外側容器７０の間の空間４３に熱媒体を導入し、反応容器３１の内部の熱と熱媒体とを熱交換させることができる。そして、反応容器３１の内部の熱と熱交換した熱媒体を出口側ライン６７の弁５０を開弁して出口側ライン６７から排出することができる。また、熱媒体への異物の混入を排除することができる。
【００４５】
本発明は実施形態のものに限定されず、以下に例示するように種々の変形が可能である。
【００４６】
第２実施形態の燃焼設備１０において、外側容器７０を設ける代わりに、図１２に示すように、入口側ライン６６と出口側ライン６７とを接続ライン７２により接続してもよい。この構成によれば、入口側ライン６６から導入された熱媒体を接続ライン７２を通過させて化学蓄熱材３５と熱交換させることができる。そして、化学蓄熱材３５と熱交換した熱媒体を出口側ライン６７に排出することができる。また、入口側ライン６６と出口側ライン６７とが接続ライン７２により接続された簡易な構成により、熱媒体へ異物の混入を排除することができる。
【００４７】
図１３に示すように、複数のケミカルヒートポンプ３０，３０を設置してもよい。この構成によれば、排気ライン２２の排気の水蒸気利用による水和発熱反応と、排気の熱利用による脱水吸熱反応を同時に行えるようにでき、随時切り替えることで、連続的に高温の熱媒体が得られる。その利用方法としては、空気供給源２０から得られる燃焼用空気を熱風管６２から出た高温空気と、熱交換器６３で熱交換して、予熱するようにすれば、燃焼設備１０自体の省エネが可能となる。この時、熱交換器６３を介さずに、熱風管６２からの高温空気をそのままバーナ２７に利用してもよい。
【００４８】
炉１１内には被加熱物から発生する酸化スケール、炉構成材である断熱材あるいは不完全燃焼により生ずる煤等の不純物が存在している。そのため、第２取出ライン２６から吸引する排ガスには、実際には上記の二酸化炭素以外のその不純物が混じることによる化学蓄熱材３５への悪影響が考えられる。このような場合、図１４に示すように、バーナ２７はラジアントチューブバーナであってもよい。この構成によれば、ラジアントチューブバーナのチューブ７３からの放射熱によって、炉１１において間接的に加熱することができる。そのため、第２取出ライン２６には、上記の不純物が吸引されなくなるという効果がある。この状態において、燃料を水素ガスとし、空気の代わりに純酸素を利用すれば、排気を全て不純物のない水蒸気にできる。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 燃焼設備
１１ 炉
１２ 燃料ノズル
１３，１７ 噴射口
１４，１９，３８，３９ 弁
１６ 燃料供給源
１８ 空気ノズル
２０ 空気供給源
２１ 温度センサ
２２ 排気ライン
２３ ファン
２４ 排気口
２５ 第１取出ライン
２６ 第２取出ライン
２７ バーナ
３０ ケミカルヒートポンプ
３１ 反応容器
３２ 凝縮器
３５ 化学蓄熱材
３６ 収容部
３７ 排ガス熱交換部
４０ 上面
４１ 側面
４２ａ，４２ｂ 弁
４３ 空間
４６，４７ 連結部
４９ 弁
５０ 弁
５１ ドレンライン
５２ 弁
６０ コントローラ
６１ 送風機
６２ 熱風管
６３ 熱交換器
６４ 共通ライン
６６ 入口側ライン
６７ 出口側ライン
６８ 熱交換部
７０ 外側容器
７１ 反応容器熱交換部
７２ 接続ライン
７３ ラジアントチューブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ケミカルヒートポンプを使用する燃焼設備に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、化学蓄熱材の水和発熱反応により放熱し、脱水吸熱反応により吸熱するケミカルヒートポンプが開示されている。このケミカルヒートポンプでは、作動させるために化学蓄熱材に水蒸気を供給する必要がある。そのため、水を蒸発させる蒸発器が必要となり装置の構成が複雑化する。また、蒸発器の使用によって、エネルギー消費量が増加する。
【０００３】
一方、水は密閉系で循環使用されるため、化学蓄熱材や装置構成材等の混入、濃化により水質の変化に伴うトラブル（例えばＣａ混入による水酸化カルシウム水溶液（アルカリ性）による配管腐食やシステム構成材による配管閉塞）が発生するおそれがある。そのため、厳重な水質管理が求められる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−８９７９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、設備の構成を簡易にするとともにエネルギー消費量を減少させ、ケミカルヒートポンプで使用する水の水質管理を不要にすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記課題を解決するための手段として、本発明の燃焼設備は、化学蓄熱材の水和発熱反応により反応生成物を生成する放熱過程、および前記反応生成物の脱水吸熱反応によって前記化学蓄熱材と水蒸気とを生成する蓄熱過程を有するケミカルヒートポンプを備える燃焼設備において、水素原子を含む燃料を燃焼するバーナが設けられた炉と、前記バーナの燃焼により生じた前記炉の内部の排ガスを排気する排気ラインと、前記化学蓄熱材が収容された反応容器と、前記排気ラインから分岐し前記反応容器の前記化学蓄熱材を貫通するように配置され弁が介設された第１取出ラインと、前記排気ラインから分岐して前記排ガスを前記反応容器に導入可能に配置され弁が介設された第２取出ラインとを備え、前記第２取出ラインの弁を開弁し、前記第２取出ラインに流入した前記炉の排ガスに含まれる水蒸気と前記化学蓄熱材との水和反応により反応生成物と熱を生成させて前記熱を放熱し、前記第１取出ラインの弁を開弁し、前記第１取出ラインに流入した前記炉の排ガスの熱を前記化学蓄熱材の反応生成物に吸熱させて前記化学蓄熱材を生成するように蓄熱するようにした。
【０００７】
この構成によれば、第２取出ラインの弁を開弁することにより水素原子を含む燃料を燃焼するバーナの燃焼により生じた前記炉の排ガスに含まれる水蒸気によりケミカルヒートポンプの化学蓄熱材を水和させることができる。これにより、設備に蒸発器を設ける必要がないので、設備を簡易な構成とすることができる。そして、蒸発器が不要となり、また、第１取出ラインの弁を開弁することによりバーナの排ガスの熱をケミカルヒートポンプの反応生成物に吸熱させて化学蓄熱材を生成するように蓄熱することができるので、エネルギー消費量を減少させることができる。また、水蒸気を生成するための水を再利用する必要がなくなるので、使用後の水を外部に排水することができ、水の劣化によるトラブルを回避できる。したがって、ケミカルヒートポンプの水の水質管理を不要にすることができる。
【０００８】
前記反応容器の上流側の前記第１取出ラインに一端が連結され、他端が送風機に連結され弁が介設された入口側ラインと、前記反応容器の下流側の前記第１取出ラインに連結され、弁が介設された出口側ラインとを備え、前記入口側ラインおよび前記出口側ラインの弁を開弁し、前記第１取出ラインの弁を閉弁したときに、前記送風機により熱媒体を前記第１取出ラインに送出可能であり、前記入口側ラインおよび前記出口側ラインの弁を閉弁し、前記第１取出ラインの弁を開弁したときに、前記排気ラインの排ガスを前記第１取出ラインに送出可能であることが好ましい。この構成によれば、第１取出ライン、入口側ライン、および出口側ラインの弁を開閉することにより、送風機により送られた熱媒体および排気ラインの排ガスのいずれか一方を第１取出ラインに送出することができる。すなわち、第１取出ラインのみで送風機により送られた熱媒体および排気ラインの排ガスを流通させることができる。これにより、設備を簡易な構成とすることができる。
【０００９】
前記反応容器と熱交換可能に熱媒体を導入する弁が介設された入口側ラインと、前記反応容器と熱交換した前記熱媒体を排出する弁が介設された出口側ラインとを備えることが好ましい。この構成によれば、入口側ラインの弁を開弁して反応容器に熱媒体を導入し、反応容器の内部の熱と熱媒体とを熱交換させることができる。そして、反応容器の内部の熱と熱交換した熱媒体を出口側ラインの弁を開弁して出口側ラインから排出することができる。
【００１０】
前記反応容器の内部に設けられ、前記化学蓄熱材を貫通して前記熱媒体と前記反応容器の内部の熱とを熱交換させ前記入口側ラインと前記出口側ラインとを接続する接続ラインを備えることが好ましい。この構成によれば、入口側ラインから導入された熱媒体を接続ラインを通過させて化学蓄熱材と熱交換させることができる。そして、化学蓄熱材と熱交換した熱媒体を出口側ラインに排出することができる。また、入口側ラインと出口側ラインとが接続ラインにより接続された簡易な構成により、熱媒体へ異物の混入を排除することができる。
【００１１】
前記反応容器は反応容器熱交換部が設けられた外面との間に空間を形成するように配置された外側容器を備え、前記入口側ラインと前記出口側ラインとを前記外側容器の空間を介して連通させることが好ましい。この構成によれば、入口側ラインから熱媒体を外側容器の空間に導入し、反応容器熱交換部で熱媒体と反応容器の内部の熱とを熱交換させることができる。そして、反応容器の内部の熱と熱交換した熱媒体を出口側ラインから排出することができる。また、熱媒体への異物の混入を排除することができる。
【００１２】
前記燃料は水素ガスであることが好ましい。この構成によれば、バーナの排ガスに含まれる水蒸気以外の成分によりケミカルヒートポンプに悪影響が及ぼされることを回避することができる。
【００１３】
前記バーナはラジアントチューブバーナであることが好ましい。この構成によれば、ラジアントチューブバーナのチューブからの放射熱によって、間接的に加熱することができ、被加熱物から発生する不純物によって化学蓄熱材が汚損、変質することが回避できる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、第２取出ラインの弁を開弁することにより水素原子を含む燃料を燃焼するバーナの燃焼により生じた前記炉の排ガスに含まれる水蒸気によりケミカルヒートポンプの化学蓄熱材を水和させることができる。これにより、設備に蒸発器を設ける必要がないので、設備を簡易な構成とすることができる。そして、蒸発器が不要となり、また、第１取出ラインの弁を開弁することによりバーナの排ガスの熱をケミカルヒートポンプの反応生成物に吸熱させて化学蓄熱材を生成するように蓄熱することができるので、エネルギー消費量を減少させることができる。また、水蒸気を生成するための水を再利用する必要がなくなるので、使用後の水を外部に排水することができ、水の劣化によるトラブルを回避できる。したがって、ケミカルヒートポンプの水の水質管理を不要にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる燃焼設備の概略図。
【図２】本発明の第１実施形態にかかる燃焼設備で使用されるケミカルヒートポンプを示す図。
【図３】ケミカルヒートポンプの蓄熱工程および放熱工程における化学反応を示す図。
【図４】第２取出ラインに流入した排ガスの流れを示す図。
【図５】第１取出ラインに流入した熱媒体の流れを示す図。
【図６】第１取出ラインに流入した排ガスの流れを示す図。
【図７】本発明の第２実施形態にかかる燃焼設備の概略図。
【図８】本発明の第２実施形態にかかる燃焼設備で使用されるケミカルヒートポンプを示す図。
【図９】第２取出ラインに流入した排ガスの流れを示す図。
【図１０】外側容器の空間を通過する熱媒体の流れを示す図。
【図１１】第１取出ラインに流入した排ガスの流れを示す図。
【図１２】本発明の変形例を示す図。
【図１３】本発明の変形例を示す図。
【図１４】本発明の変形例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。
【００１７】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態にかかる燃焼設備１０を示す。この燃焼設備１０は、炉１１の廃熱を蓄熱し放熱するケミカルヒートポンプ３０を備えている。
【００１８】
炉１１には、噴射口１７が内部に直接開口した燃焼空気を供給する空気ノズル１８が設けられている。空気ノズル１８には、弁１９を介して空気供給源２０が接続されている。また、炉１１の内部には燃料を供給する燃料ノズル１２が設けられている。燃料ノズル１２の噴射口１３は空気ノズル１８に合流している。燃料ノズル１２は、弁１４を備えている。燃料ノズル１２には、水素原子を含む燃料を供給する燃料供給源１６が接続されている。空気ノズル１８と燃料ノズル１２とは、バーナ２７を構成する。
【００１９】
燃焼設備１０には、炉１１の内部温度を測定する温度センサ２１が設けられている。温度センサ２１は、炉１１の内部温度の測定値を後述するコントローラ６０に送信する。また、燃焼設備１０の炉１１には、排気ライン２２が設けられている。排気ライン２２には、ファン２３が介設され、排気ライン２２の端部には排気口２４が設けられている。排気ライン２２には、炉１１とファン２３の間で分岐し、ケミカルヒートポンプ３０を通って合流する排ガスの熱を利用するための第１取出ライン２５、および排ガスの水蒸気を利用するための第２取出ライン２６が設けられている。
【００２０】
図１および図２に示すように、ケミカルヒートポンプ３０は、反応容器３１と凝縮器３２とを備えている。
【００２１】
図２に示すように、反応容器３１には、化学蓄熱材３５が収容された収容部３６が設けられている。本実施形態における化学蓄熱材３５は、酸化カルシウムであるが、酸化マグネシウム等、ケミカルヒートポンプに使用されるいかなる化学蓄熱材であってもよい。この化学蓄熱材３５は、図３に示すように、水和する際に熱量ＱＨを発熱（放熱）し、脱水する際に熱量ＱＨを吸熱（蓄熱）する。反応容器３１では、第１取出ライン２５が収容部３６を貫通している。そして、化学蓄熱材３５は、第１取出ライン２５の一部である後述する収容部３６内の共通ライン６４の外周面に設けられた熱交換部６８を介して共通ライン６４の内部と熱交換できるようになっている。反応容器３１は、第２取出ライン２６に介設されている。具体的には、排気ライン２２から分岐した第２取出ライン２６の端部は反応容器３１の側面４１の下部で連結されている。そして、排気ライン２２に合流する第２取出ライン２６の端部は反応容器３１の上面４０で連結されている。
【００２２】
第１取出ライン２５には、ケミカルヒートポンプ３０の反応容器３１の上流側と下流側の両側のそれぞれに、弁３８，３９が介設されている。第２取出ライン２６には、ケミカルヒートポンプ３０の反応容器３１の上流側と下流側に弁４２ａ，４２ｂが介設されている。
【００２３】
燃焼設備１０には、入口側ライン６６が設けられている。入口側ライン６６の一端には、熱媒体を送出する送風機６１が設けられている。入口側ライン６６の他端は、弁３８と反応容器３１の間の第１取出ライン２５に連結されている。入口側ライン６６には弁４９が設けられている。
【００２４】
また、燃焼設備１０には、出口側ライン６７が設けられている。出口側ライン６７の一端は、反応容器３１と弁３９の間の第１取出ライン２５に連結されている。出口側ライン６７の端部には弁５０が設けられている。弁５０の下流側には、熱風管６２が設けられている。入口側ライン６６と第１取出ライン２５の合流位置より下流であり、かつ、出口側ライン６７と第１取出ライン２５の分岐位置より上流である範囲の第１取出ライン２５は、共通ライン６４を構成している。送風機６１により送出される熱媒体は、例えば空気であり、反応容器３１で熱交換によって高温にされ、熱風管６２から排出される。高温にされた熱媒体は、他の設備や燃焼バーナの燃焼空気の予熱に用いられる。
【００２５】
反応容器３１には、内部と連通するように反応容器３１の下端と凝縮器３２とが接続されたドレンライン５１が設けられている。ドレンライン５１には弁５２が介設されている。
【００２６】
燃焼設備１０には、コントローラ６０が設けられている。コントローラ６０は、弁３８、３９、４２ａ、４２ｂを含む燃焼設備１０（全体）の動作を制御する。
【００２７】
次に、本発明にかかる第１実施形態の燃焼設備１０の動作について説明する。なお、図４〜図６において、閉弁している弁は黒塗りで示し、開弁している弁は白抜きで示す。
【００２８】
燃焼設備１０では、炉１１の内部温度が温度センサ２１で測定され、この測定値がコントローラ６０に入力される。コントローラ６０は、前記測定値とコントローラ６０に予め入力されている設定炉温とを比較して温度偏差を演算する。その後、コントローラ６０は、予め設定されている燃焼量パターンから前記内部温度と温度偏差とに対応する燃焼設備１０の燃焼量を決定する。そして、コントローラ６０は、この燃焼量に見合う燃料流量となるように燃料ノズル１２から燃料を供給するとともに、適切な燃焼空気流量となるように空気ノズル１８から燃焼空気を供給する。このようにして、炉１１において燃焼が開始され加熱処理が実行される。そして、燃焼中、排気ライン２２の排気口２４から排ガスを排気する。
【００２９】
そして、前述の燃焼によって生じる排ガスの廃熱と熱交換して加熱される熱媒体を得るために、ケミカルヒートポンプ３０を作動させる。ケミカルヒートポンプ３０の作動は、第１取出ライン２５の弁３８，３９、および第２取出ライン２６の弁４２ａ，４２ｂのいずれか一方を開弁することにより行う。
【００３０】
図４に示すように、第１取出ライン２５の弁３８，弁３９を閉弁した状態で、第２取出ライン２６の弁４２ａ，４２ｂを開弁すると、排気ライン２２を流通する排ガスの一部が第２取出ライン２６に流入する。これにより、第２取出ライン２６に流入した排ガスは、反応容器３１の内部に流入し、収容部３６の酸化カルシウム３５と接触する。そうすると、図３（放熱）に示すように、水素原子を含む燃料を燃焼するバーナ２７の排ガスに含まれる水蒸気によりケミカルヒートポンプ３０の酸化カルシウム３５を水和させ、水酸化カルシウム（反応生成物）を生成するとともに熱量ＱＨを発熱する。ここで、図５に示すように、入口側ライン６６の弁４９、および出口側ライン６７の弁５０を開弁すると、反応熱ＱＨを、送風機６１により入口側ライン６６および共通ライン６４を通じて送られ反応容器３１の収容部３６に流入した熱媒体に、熱交換部６８を介して移動させることができる。その後、反応容器３１の収容部３６内部の共通ライン６４で熱交換された熱媒体は反応容器３１から流出し、出口側ライン６７を流通する。そして、熱風管６２から高温の熱媒体が得られる。高温の熱媒体は、他設備に利用することができ、省エネルギーに役立てることができる。一方、第２取出ライン２６を通じて反応容器３１の内部に流入した排ガスは、反応容器３１の上面４０から流出し排気ライン２２に合流する。
【００３１】
反応容器３１の化学蓄熱材３５の放熱過程終了後、図６に示すように、入口側ライン６６の弁４９、出口側ライン６７の弁５０、および第２取出ライン２６の弁４２ａ，４２ｂを閉弁し、第１取出ライン２５の弁３８，弁３９、およびドレンライン５１の弁５２を開弁すると、排気ライン２２を流通する排ガスの一部は第１取出ライン２５に流入する。これにより、第１取出ライン２５に流入した排ガスは、共通ライン６４へ流入し、反応容器３１の収容部３６を水酸化カルシウム３５と直接接触することなく通過し反応容器３１から流出する。その際、共通ライン６４の排ガスは、共通ライン６４の外周面である熱交換部６８を介して収容部３６の水酸化カルシウム３５と熱交換する。すなわち、共通ライン６４を流通する排ガスの一部の熱は、熱交換部６８を介して水酸化カルシウムに移動する。このようにして移動させた熱を反応容器３１の内部に蓄熱させることができ、図３（蓄熱）に示すように、反応容器３１の水酸化カルシウムから脱水吸熱反応によって酸化カルシウム３５と水蒸気とを生成することができる。そして、反応容器３１の収容部３６で生成された水蒸気は、ドレンライン５１に流入する。そして、ドレンライン５１の水蒸気は、凝縮器３２で凝縮され、水となって外部に排出される。また、このとき、弁４２ｂを開弁し、水蒸気を排気ライン２２にそのまま排出することもできる。そうすると、ドレンライン５１、弁５２、凝縮器３２が不要となる。
【００３２】
反応容器３１の収容部３６に酸化カルシウム３５が生成されると、第１取出ライン２５の弁３８，３９を閉弁し、第２取出ライン２６の弁４２ａ，４２ｂを開弁することにより、再び図３（放熱）に示す放熱工程を実行することができる。このようにして、第１取出ライン２５の弁３８，３９が開弁した状態と、第２取出ライン２６の弁４２ａ，４２ｂが開弁した状態とを順次切り替えることにより、ケミカルヒートポンプ３０を作動させることができる。
【００３３】
本発明によれば、第２取出ライン２６の弁４２ａ，４２ｂを開弁することにより水素原子を含む燃料を燃焼するバーナ２７の燃焼により生じた炉１１の排ガスに含まれる水蒸気により反応容器３１の化学蓄熱材３５を水和させ、反応生成物（水酸化カルシウム）を生成することができる。これにより、設備に蒸発器を設ける必要がないので、設備を簡易な構成とすることができる。そして、蒸発器が不要となり、また、第１取出ライン２５の弁３８，３９を開弁することによりバーナ２７の排ガスの熱を反応容器３１の前記反応生成物に吸熱させて化学蓄熱材３５を生成するように蓄熱することができるので、エネルギー消費量を減少させることができる。また、水蒸気を生成するための水を再利用する必要がなくなるので、使用後の水を外部に排水することができ、水の劣化によるトラブルを回避できる。したがって、反応容器３１内部の水の水質管理を不要にすることができる。そして、水を収容する容器も不要となる。
【００３４】
また、この構成によると、第１取出ライン２５と入口側ライン６６が合流し、共通ライン６４を形成している。図５のように、入口側ライン６６および出口側ライン６７の弁４９，５０を開弁し、第１取出ライン２５の弁３８，３９を閉弁したときに、送風機６１により熱媒体を第１取出ライン２５の一部である共通ライン６４に送出することができる。そして、また、図６のように、入口側ライン６６および出口側ライン６７の弁４９，５０を閉弁し、第１取出ライン２５の弁３８，３９を開弁したときに、排気ライン２２の排ガスを第１取出ライン２５の一部である共通ライン６４に送出することができる。したがって、第１取出ライン２５、入口側ライン６６、および出口側ライン６７の弁３８，３９，４９，５０を開閉することにより、送風機６１により送られた熱媒体および排気ライン２２の排ガスのいずれか一方を第１取出ライン２５に送出することができる。すなわち、第１取出ライン２５のみで送風機６１により送られた熱媒体および排気ライン２２の排ガスを共通ライン６４に排気と熱媒体が交互に流通させることができる。このようにすれば、反応容器３１を二重にする必要がなく、簡単かつ低コストで製作が可能となり、設備を簡易な構成とすることができる。
【００３５】
また、バーナ２７の燃料として、例えば天然ガス、ＬＰＧ、および、重油のように、燃焼ガスに水蒸気を含み、かつ、二酸化炭素の発生量が少ない燃料を使用してもよい。しかし、水素ガスを使用すれば、排気中の水蒸気割合が増えるので、ケミカルヒートポンプ３０の反応温度が上昇し、熱回収率が向上する。それに加えて、空気の代わりに純酸素を用いれば排気を全て水蒸気とすることも可能であり、燃焼により二酸化炭素が生成されることを排除できる。したがって、バーナ２７の排ガスに含まれる水蒸気以外の成分、特に二酸化炭素によりケミカルヒートポンプ３０の化学蓄熱材３５に悪影響が及ぼされることを回避することができる。すなわち、化学蓄熱材３５として酸化カルシウムを使用した場合、酸化カルシウムと二酸化炭素とが反応して炭酸カルシウムが生成され、ケミカルヒートポンプ３０として繰り返し利用ができなくなることを確実に回避することができる。
【００３６】
（第２実施形態）
図７および図８は、本発明の第２実施形態にかかる燃焼設備１０を示す。本実施形態において、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して説明を省略する。
【００３７】
反応容器３１は、空間４３を形成するように外面に対して間隔をあけて配置された外側容器７０を備えている。図８に示すように、化学蓄熱材３５は、第１取出ライン２５の外周面に設けられた排ガス熱交換部３７を介して第１取出ライン２５の内部と熱交換できるようになっている。
【００３８】
燃焼設備１０には、入口側ライン６６が設けられている。入口側ライン６６の一端には、送風機６１が設けられている。入口側ライン６６の他端は、反応容器３１の外側容器７０に連結部４６を介して連結されている。入口側ライン６６には弁４９が設けられている。
【００３９】
また、燃焼設備１０には、出口側ライン６７が設けられている。出口側ライン６７の一端は、反応容器３１の外側容器７０に連結部４７を介して連結されている。出口側ライン６７の端部には弁５０が設けられている。弁５０の下流側には、熱風管６２が設けられている。出口側ライン６７は、空間４３を介して入口側ライン６６と連通している。入口側ライン６６から送出され、反応容器３１と外側容器７０の間の空間４３を移動する熱媒体は、反応容器３１の外面である反応容器熱交換部７１を介して反応容器３１の内部と熱交換できるようになっている。そして、反応容器３１の反応容器熱交換部７１で熱交換した熱媒体を出口側ライン６７から得られるようになっている。
【００４０】
次に、本発明にかかる第２実施形態の燃焼設備１０の動作について説明する。
【００４１】
図９に示すように、第１取出ライン２５の弁３８，弁３９を閉弁した状態で、第２取出ライン２６の弁４２ａ，４２ｂを開弁すると、排気ライン２２を流通する排ガスの一部が第２取出ライン２６に流入する。これにより、第２取出ライン２６に流入した排ガスは、反応容器３１の内部に流入し、収容部３６の酸化カルシウム３５と接触する。そうすると、図３（放熱）に示すように、水素原子を含む燃料を燃焼するバーナ２７の排ガスに含まれる水蒸気によりケミカルヒートポンプ３０の酸化カルシウム３５を水和させ、水酸化カルシウム（反応生成物）を生成するとともに熱量ＱＨを発熱する。ここで、弁４９，５０を開弁すると、図１０に示すように、反応熱ＱＨを入口側ライン６６を通じて流入した外側容器７０の空間４３の熱媒体に、反応容器熱交換部７１を介して移動させることができる。その後、外側容器７０の空間４３の熱媒体は外側容器７０から流出し、出口側ライン６７を流通する。そして、熱風管６２から高温の熱媒体が得られる。高温の熱媒体は、他設備に利用することができ、省エネルギーに役立てることができる。一方、反応容器３１の内部に流入した排ガスは、反応容器３１の上面４０から流出し排気ライン２２に合流する。
【００４２】
次に、図１１に示すように、第２取出ライン２６の弁４２ａ，４２ｂ、入口側ライン６６の弁４９、および出口側ライン６７の弁５０を閉弁し、第１取出ライン２５の弁３８，３９を開弁すると、排気ライン２２を流通する排ガスの一部は第１取出ライン２５に流入する。これにより、第１取出ライン２５に流入した排ガスは、反応容器３１の収容部３６を水酸化カルシウム３５と直接接触することなく通過し反応容器３１から流出する。その際、第１取出ライン２５の排ガスは、第１取出ライン２５の外周面である排ガス熱交換部３７を介して収容部３６の水酸化カルシウム３５と熱交換する。すなわち、第１取出ライン２５を流通する排ガスの一部の熱は、排ガス熱交換部３７を介して水酸化カルシウムに移動する。このようにして移動させた熱を反応容器３１の内部に蓄熱させることができ、図３（蓄熱）に示すように、反応容器３１の水酸化カルシウムから脱水吸熱反応によって酸化カルシウム３５と水蒸気とを生成することができる。
【００４３】
反応容器３１の収容部３６に酸化カルシウム３５が生成されると、第１取出ライン２５の弁３８，３９を閉弁し、第２取出ライン２６の弁４２ａ，４２ｂを開弁することにより、再び図３（放熱）に示す放熱工程を実行することができる。このようにして、第１取出ライン２５の弁３８，３９が開弁した状態と、第２取出ライン２６の弁４２ａ，４２ｂが開弁した状態とを順次切り替えることにより、ケミカルヒートポンプ３０を作動させることができる。
【００４４】
本発明によれば、入口側ライン６６の弁４９を開弁して反応容器３１と外側容器７０の間の空間４３に熱媒体を導入し、反応容器３１の内部の熱と熱媒体とを熱交換させることができる。そして、反応容器３１の内部の熱と熱交換した熱媒体を出口側ライン６７の弁５０を開弁して出口側ライン６７から排出することができる。また、熱媒体への異物の混入を排除することができる。
【００４５】
本発明は実施形態のものに限定されず、以下に例示するように種々の変形が可能である。
【００４６】
第２実施形態の燃焼設備１０において、外側容器７０を設ける代わりに、図１２に示すように、入口側ライン６６と出口側ライン６７とを接続ライン７２により接続してもよい。この構成によれば、入口側ライン６６から導入された熱媒体を接続ライン７２を通過させて化学蓄熱材３５と熱交換させることができる。そして、化学蓄熱材３５と熱交換した熱媒体を出口側ライン６７に排出することができる。また、入口側ライン６６と出口側ライン６７とが接続ライン７２により接続された簡易な構成により、熱媒体へ異物の混入を排除することができる。
【００４７】
図１３に示すように、複数のケミカルヒートポンプ３０，３０を設置してもよい。この構成によれば、排気ライン２２の排気の水蒸気利用による水和発熱反応と、排気の熱利用による脱水吸熱反応を同時に行えるようにでき、随時切り替えることで、連続的に高温の熱媒体が得られる。その利用方法としては、空気供給源２０から得られる燃焼用空気を熱風管６２から出た高温空気と、熱交換器６３で熱交換して、予熱するようにすれば、燃焼設備１０自体の省エネが可能となる。この時、熱交換器６３を介さずに、熱風管６２からの高温空気をそのままバーナ２７に利用してもよい。
【００４８】
炉１１内には被加熱物から発生する酸化スケール、炉構成材である断熱材あるいは不完全燃焼により生ずる煤等の不純物が存在している。そのため、第２取出ライン２６から吸引する排ガスには、実際には上記の二酸化炭素以外のその不純物が混じることによる化学蓄熱材３５への悪影響が考えられる。このような場合、図１４に示すように、バーナ２７はラジアントチューブバーナであってもよい。この構成によれば、ラジアントチューブバーナのチューブ７３からの放射熱によって、炉１１において間接的に加熱することができる。そのため、第２取出ライン２６には、上記の不純物が吸引されなくなるという効果がある。この状態において、燃料を水素ガスとし、空気の代わりに純酸素を利用すれば、排気を全て不純物のない水蒸気にできる。
【符号の説明】
【００４９】
１０ 燃焼設備
１１ 炉
１２ 燃料ノズル
１３，１７ 噴射口
１４，１９，３８，３９ 弁
１６ 燃料供給源
１８ 空気ノズル
２０ 空気供給源
２１ 温度センサ
２２ 排気ライン
２３ ファン
２４ 排気口
２５ 第１取出ライン
２６ 第２取出ライン
２７ バーナ
３０ ケミカルヒートポンプ
３１ 反応容器
３２ 凝縮器
３５ 化学蓄熱材
３６ 収容部
３７ 排ガス熱交換部
４０ 上面
４１ 側面
４２ａ，４２ｂ 弁
４３ 空間
４６，４７ 連結部
４９ 弁
５０ 弁
５１ ドレンライン
５２ 弁
６０ コントローラ
６１ 送風機
６２ 熱風管
６３ 熱交換器
６４ 共通ライン
６６ 入口側ライン
６７ 出口側ライン
６８ 熱交換部
７０ 外側容器
７１ 反応容器熱交換部
７２ 接続ライン
７３ ラジアントチューブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化学蓄熱材の水和発熱反応により反応生成物を生成する放熱過程、および前記反応生成物の脱水吸熱反応によって前記化学蓄熱材と水蒸気とを生成する蓄熱過程を有するケミカルヒートポンプを備える燃焼設備において、
水素原子を含む燃料を燃焼するバーナが設けられた炉と、
前記バーナの燃焼により生じた前記炉の内部の排ガスを排気する排気ラインと、
前記化学蓄熱材が収容された反応容器と、
前記排気ラインから分岐し前記反応容器の前記化学蓄熱材を貫通するように配置され弁が介設された第１取出ラインと、
前記排気ラインから分岐して前記排ガスを前記反応容器に導入可能に配置され弁が介設された第２取出ラインと
を備え、
前記第２取出ラインの弁を開弁し、前記第２取出ラインに流入した前記炉の排ガスに含まれる水蒸気と前記化学蓄熱材との水和反応により反応生成物と熱を生成させて前記熱を放熱し、
前記第１取出ラインの弁を開弁し、前記第１取出ラインに流入した前記炉の排ガスの熱を前記化学蓄熱材の反応生成物に吸熱させて前記化学蓄熱材を生成するように蓄熱することを特徴とする燃焼設備。
【請求項２】
前記反応容器の上流側の前記第１取出ラインに一端が連結され、他端が送風機に連結され弁が介設された入口側ラインと、
前記反応容器の下流側の前記第１取出ラインに連結され、弁が介設された出口側ラインと
を備え、
前記入口側ラインおよび前記出口側ラインの弁を開弁し、前記第１取出ラインの弁を閉弁したときに、前記送風機により熱媒体を前記第１取出ラインに送出可能であり、
前記入口側ラインおよび前記出口側ラインの弁を閉弁し、前記第１取出ラインの弁を開弁したときに、前記排気ラインの排ガスを前記第１取出ラインに送出可能であることを特徴とする請求項１に記載の燃焼設備。
【請求項３】
前記反応容器と熱交換可能に熱媒体を導入する弁が介設された入口側ラインと、
前記反応容器と熱交換した前記熱媒体を排出する弁が介設された出口側ラインと
を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃焼設備。
【請求項４】
前記反応容器の内部に設けられ、前記化学蓄熱材を貫通して前記熱媒体と前記反応容器の内部の熱とを熱交換させ前記入口側ラインと前記出口側ラインとを接続する接続ラインを備えることを特徴とする請求項３に記載の燃焼設備。
【請求項５】
前記反応容器は反応容器熱交換部が設けられた外面との間に空間を形成するように配置された外側容器を備え、前記入口側ラインと前記出口側ラインとを前記外側容器の空間を介して連通させたことを特徴とする請求項３に記載の燃焼設備。
【請求項６】
前記燃料は水素ガスであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の燃焼設備。
【請求項７】
前記バーナはラジアントチューブバーナであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の燃焼設備。
【請求項１】
化学蓄熱材の水和発熱反応により反応生成物を生成する放熱過程、および前記反応生成物の脱水吸熱反応によって前記化学蓄熱材と水蒸気とを生成する蓄熱過程を有するケミカルヒートポンプを備える燃焼設備において、
水素原子を含む燃料を燃焼するバーナが設けられた炉と、
前記バーナの燃焼により生じた前記炉の内部の排ガスを排気する排気ラインと、
前記化学蓄熱材が収容された反応容器と、
前記排気ラインから分岐し前記反応容器の前記化学蓄熱材を貫通するように配置され弁が介設された第１取出ラインと、
前記排気ラインから分岐して前記排ガスを前記反応容器に導入可能に配置され弁が介設された第２取出ラインと
を備え、
前記第２取出ラインの弁を開弁し、前記第２取出ラインに流入した前記炉の排ガスに含まれる水蒸気と前記化学蓄熱材との水和反応により反応生成物と熱を生成させて前記熱を放熱し、
前記第１取出ラインの弁を開弁し、前記第１取出ラインに流入した前記炉の排ガスの熱を前記化学蓄熱材の反応生成物に吸熱させて前記化学蓄熱材を生成するように蓄熱することを特徴とする燃焼設備。
【請求項２】
前記反応容器の上流側の前記第１取出ラインに一端が連結され、他端が送風機に連結され弁が介設された入口側ラインと、
前記反応容器の下流側の前記第１取出ラインに連結され、弁が介設された出口側ラインと
を備え、
前記入口側ラインおよび前記出口側ラインの弁を開弁し、前記第１取出ラインの弁を閉弁したときに、前記送風機により熱媒体を前記第１取出ラインに送出可能であり、
前記入口側ラインおよび前記出口側ラインの弁を閉弁し、前記第１取出ラインの弁を開弁したときに、前記排気ラインの排ガスを前記第１取出ラインに送出可能であることを特徴とする請求項１に記載の燃焼設備。
【請求項３】
前記反応容器と熱交換可能に熱媒体を導入する弁が介設された入口側ラインと、
前記反応容器と熱交換した前記熱媒体を排出する弁が介設された出口側ラインと
を備えることを特徴とする請求項１に記載の燃焼設備。
【請求項４】
前記反応容器の内部に設けられ、前記化学蓄熱材を貫通して前記熱媒体と前記反応容器の内部の熱とを熱交換させ前記入口側ラインと前記出口側ラインとを接続する接続ラインを備えることを特徴とする請求項３に記載の燃焼設備。
【請求項５】
前記反応容器は反応容器熱交換部が設けられた外面との間に空間を形成するように配置された外側容器を備え、前記入口側ラインと前記出口側ラインとを前記外側容器の空間を介して連通させたことを特徴とする請求項３に記載の燃焼設備。
【請求項６】
前記燃料は水素ガスであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の燃焼設備。
【請求項７】
前記バーナはラジアントチューブバーナであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の燃焼設備。
【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１４】
【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１４】
【公開番号】特開２０１３−１０８６９７（Ｐ２０１３−１０８６９７Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５５２６５（Ｐ２０１１−２５５２６５）
【出願日】平成２３年１１月２２日（２０１１．１１．２２）
【出願人】（０００２１１１２３）中外炉工業株式会社 (170)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２２日（２０１１．１１．２２）
【出願人】（０００２１１１２３）中外炉工業株式会社 (170)
【Ｆターム（参考）】
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