温排熱回収型蒸気生成システムに関する研究

岐阜大学 大学院工学研究科 環境エネルギーシステム専攻

板谷 義紀・丸毛 謙次・小林 信介

1. はじめに • 鉄鋼，石油化学，窯業などをはじめ多岐にわたる産業で未利用温排熱が大量に廃棄．

• 温排熱の高効率利用技術の開発は，省エネルギーの観点から重要課題．

• 比較的低温度の 80℃レベルの温排熱を回収して 130℃以上の熱風および蒸気を生成する LiBr／水系吸収式ヒートポンプ（AHP）システムの開発．

• ベンチスケール試験と理論解析を実施しつつ，本システムの実証および熱・物質移動機構の解明．

• LiBr 微細結晶スラリーを吸収液に用いる，高性能 AHPシステムを提案し，水蒸気吸収性能を評価．

2. 背景 • 3大学 3企業連携により，Fig.1に示す 80℃の温排熱から 150℃以上の高温蒸気生成システムを開発．

• 岐阜大学で AHPによる空気再生システム開発を分担． • AHP単独で 120℃以上の熱風と 110℃レベルの低圧蒸気安定生成に成功．

• LiBr／水系吸収液にゼオライトを分散させ過飽和状態になると，微細結晶スラリーが形成されることを発見

1, 2)．

Fig. 1 温廃熱回収型高温蒸気生成システム

3. ベンチスケール試験装置の概略

Fig. 2 ベンチスケール AHPシステムフロー図

Fig. 3 吸収器上部構造

4. AHP原理とサイクル線図

Fig. 4 LiBr/水系飽和線図と AHPサイクル

5. ベンチスケール試験結果

Fig. 5吸収器・蒸発器温度経時変化（高温空気生成試験）

Fig. 6 AHPシステムのエネルギー収支と COP・効率比

W

2221

21

22

1

1212

VVPPPPPQW

冷却水

温排水

温排水

水蒸気

水蒸気

蒸発器1 吸収器 再生器 凝縮器

水蒸気

空気

蒸発器2

水

希吸収液

濃吸収液

高温空気

補給水

冷却水

温排水

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水蒸気

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[˚C]

[Pa

]

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-20 0 20 100 12040 60 80 140160 180

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0:00 1:00 2:00

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Tempe

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0

0.1

0.2

0.3

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2

:"0.0047"kg/s" :"0.0025"kg/s"

2 2EQ

AQ 1

1EQ

RQ

w1w2 w3

w4

w5

Fig. 7 熱風・蒸気生成のエネルギー効率比と COP

COP = (熱出力) / (熱入力)= ( QA + QE2 ) ( QE + QE1) EER = (熱出力) / (ポンプ動力) = ( QA + QE2 ) wi

i∑

6. LiBr/水系吸収液微細結晶スラリー

6. 1 AHPの課題と LiBr微細結晶スラリー化の特徴

• 高性能化 吸収液の高濃度化 • 高濃度化 結晶析出，流路閉塞 • 水蒸気吸収に伴う吸収液の希釈化 • スラリーの流動性 流路閉塞リスクの低下 • 結晶の溶解 水蒸気吸収に伴う濃度低下抑制 6. 2 微細結晶スラリー調製法

1) 80 ℃以上の熱水にゼオライト微粉末分散 2) 室温で飽和濃度以上相当の LiBrを溶解 3) 攪拌しつつ室温に徐冷 4) LiBr微細結晶を生成

(a) ゼオライト分散無 (b) ゼオライト分散微細結晶

Fig. 7 過飽和結晶状態

表 1 微細結晶生成条件 Run Conc.of LiBr

crystal [%] (100×g-crystal/g

-solution)

Conc. of zelite [%]

(100×g-zeolite/g-solution)

Ratio of crystal

(g-crystal/g-zeolite)

A 1.32 3.00 0.44 B 2.33 3.00 0.775 C 3.02 3.00 1.01 D 2.29 2.04 1.12 E 2.24 1.01 2.22 F 3.02 2.04 1.48 G 4.83 5.04 0.958 H 1.09 1.01 1.07

6. 3 微細結晶粒度分布および水蒸気吸収性能

Fig. 8 微細結晶粒度分布

Fig. 9 微細結晶スラリー吸収試験装置

Fig. 10 微細結晶スラリー吸収試験による吸収器内温度

7. まとめ • 直接熱交換式昇温型ベンチ AHPシステムを開発． • 80℃レベルの模擬温排水から，120℃以上の熱風と低圧蒸気を安定的に同時生成する AHPを実証．

• 動力ベースのエネルギー効率比が 20以上を達成． • 微細結晶スラリー粒度分布は結晶比の関数． • 微細結晶スラリーの吸収性能効果を実証． 参考文献 1) K. Marumo et al.: AIChE Annual Meeting (13 AIChE), San

Francisco, November 3-8 (2013) 2) 板谷ら: 化工論文集, 36(5), 505-511 (2010) 3) 板谷ら: 化工論文集, 39(1),46-52 (2013) 謝辞 本研究の一部は，NEDO 省エネ革新技術開発事業および鉄鋼協会COURSE50新規技術創出研究の一環で実施しており，謝意を表する．

0

5

10

15

20

25

30

100 105 110 115

Generated steam temperature [°C]

EE

R

0

0.1

0.2

0.3

0.4

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