平成 26 年度修士論文要旨機械プロセス・エネルギー工学領域 6625038 西貴大温水排熱からの蒸気回生システムの開発 1 緒言 2 吸着式ヒートポンプの原理 Equilibrium adsorption, x [kg-w / kg-z] 図 1 に吸着式ヒートポンプの基本原理を示す． 4 3 Switching Process Regeneration （Steam genaration）（Desorption） F (Air) Blower 50 50 Unit ; mm Zeolite 107 Steam trap F Flow meter P Pressure gauge Thermocouple Valve Heat resistant glass Water,25℃ ℃ For Steam generation P F (Water) Camera 図 2 ラボ装置の概要蒸気生成時は，蒸気発生器の下部から水を供給する．生成した蒸気は蒸気発生器の上部から回収される．再生時は，水を蒸気発生器の下部から排出する．その後，加熱した空気を蒸気発生器の上部から発生器に送風することでゼオライトの再生を行った． 4 実験結果 Steam partial Pressure [Pa] p1 p2 （Drying） Air 60～～80℃ ℃ 250 化石燃料の資源的制約や地球温暖化から CO2 排出量の削減が求められている．その取り組みの一つとして，製鉄所や化学プラントから排出されている 60～80℃の排温水から 150℃以上の蒸気を生成し，蒸気をアミン法などの CO2 分離回収装置や生産プロセスの加熱源として利用する方法が提案されている．[1] 温水を蒸気に回生する方法として，ゼオライトの吸着熱を利用したヒートポンプの開発を進めているが，充填層内での温水吸着⇒ 蒸気発生や再生時の挙動はよくわかっていない．本研究では,最高蒸気温度 200℃，単位ゼオライトあたりの発生蒸気量 0.05kg-蒸気/kg-ゼオライトを満たす蒸気発生器を設計するため，充填層内の様子を可視化した装置(以下，ラボ装置)での実験と蒸気発生器内の流動解析により蒸気発生器について検討した. For Regeneration P Steam generation 図 3 に，ゼオライトの充填層厚を変化させた場合の発生蒸気量とゼオライト・装置上部(蒸気)の温度変化を示す． Steam Zeolite Thickness [mm] 200 2 150 Switching Process 1 (Zeolite adsorbs water Heating by adsorption heat) Adsorbent temperature, T [ ℃ ] 図1 100 50 吸着式ヒートポンプの基本原理ゼオライトが充填された蒸気発生器に温水を注水し，温水がゼオライトに吸着される際に発生する吸着熱を用いて温水を蒸気に回生する．ゼオライトの再生は，排温水で稼働できる吸収式ヒートポンプで過熱した乾燥空気によってゼオライトから水分の脱着を行う．このサイクルを繰り返すことで，蒸気を連続的に生成する． 3 ラボ装置と実験方法図 2 にラボ装置の概要について示す．ラボ装置は，蒸気生成とゼオライトの再生状況を可視する為に蒸気発生器を耐熱ガラス製にした． 50 100 150 200 250 300 Temperature [℃] 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 Ws/Wz [kg-w/kg-z] 図 3 充填層厚と発生蒸気量と温度の関係図 3 において，発生蒸気量とゼオライト温度は共に充填層厚の増加に伴い大きくなることがわかった．これは，充填層厚の増加によって，充填層下部で発生した蒸気を充填層上部で吸着する時間が長くなり，ゼオライトがより過熱されて，充填層上部での温度が上昇することと，過熱されるゼオライトの量自体も増加するためと考えられる．これより，200℃以上の蒸気を安定して生成するためには更なるゼオライト層厚が必要になる．ゼオライトの再生に過熱乾燥空気を用いる場合，再生空気の送風動力を低減するためには，充填層の圧力損失を低減する必要がある．充填層での圧力損失は式(1)の Ergun の式で示される．また、再生時の観察の結果，ゼオライトは充填層の上部から下部方向へ順番に乾燥される．このことから，充填層厚は薄い方が再生時間を短縮でき，再生に有利であることがわかった． (1) Steam generation Regeneration Exhaust air Steam Front Exhaust air Front 10 5 0.5 1.0 1.5 Flow rate [m/s] 2.0 均一化を行った形状をスケールアップ装置に反映させて実験した結果を図 6 に示す． Dew-point decline time 10 % Cut Time [min] 120 Steam generation 0.20 16 % Up 0.15 90 60 120 108 0.158 0.184 0.05 30 0 0.10 Before After Before After 0 図 6 スケールアップ装置の稼働結果 Regeneration air Warm Water Increased flow rate 図 5 蒸気発生器内の流速分布 150 以上の実験結果から，高温の蒸気を安定して発生させるためには充填層厚を厚くし，ゼオライトの再生時には層厚を薄くする装置構造が必要である．図 4 に，この指針に基づいたゼオライト 169kg 充填した装置(以下，ベンチ装置)について示す． 15 0 0 ただし， ⊿Ｐ：圧力損失 [Pa]，Ｌ：充填層厚さ [m] ε：空隙率 [-]， μ：粘性係数 [Pa・s] Ｕ：流体速度 [m/s]， φ：球形係数 [-] ｄ：粒子径 [m]， ρ：流体密度 [kg/m3] 5 ベンチ装置と実験結果 Before After Side 図 4 ベンチ装置の形状ベンチ装置では充填層を上下に 2 分割し，蒸気生成時は下部から温水を流入させることで充填層厚を 400mm 以上で利用できる．再生時は装置の側面から再生空気を流入させて上下に流すことにより再生空気の通過する層厚を薄くする構造とした．ベンチ装置では，蒸気発生器内の空気の流速分布を均一化するため，3 次元の流動解析を行った．使用したツールは環境シミュレーション社製の WindPerfectDX2012 を用い，充填層内は式(1)の Ergun の式を適用し解析を行った．図 5 に蒸気発生器内の流速分布を示す．点線は流速分布の均一化を行う前，実線は均一化実施後の流速分布である．均一化は，ゼオライト層に整流板を設置し行った．均一化を行うことで 0.3m/sec 以下の流速分布が 9%向上した．図 6 の左図は再生工程における再生空気の露点が-10℃に低下するまでの時間である．均一化を行った結果，再生時間は 10%短縮された．右図は，発生蒸気量である．再生空気の流れを均一化した結果，蒸気の発生量が 16%増加した．また，この時の最高蒸気温度は 218℃を達成し，当初の目標であった最高蒸気温度 200℃以上，発生蒸気量 0.05kg-蒸気/kg-ゼオライトを満たす蒸気発生器となった． 6 結論本研究では,最高蒸気温度 200℃，単位ゼオライトあたりの発生蒸気量 0.05kg-蒸気/kg-ゼオライトを満たす蒸気発生器を設計するため，充填層内の様子を可視化した装置での実験と蒸気発生器内の流動解析により蒸気発生器について検討した. その結果，蒸気発生時には層厚さを厚く，再生時には薄く使用することのできるスケールアップ装置を設計し，最高蒸気温度 218℃，蒸気発生量 0.18kg-蒸気/kg-ゼオライトを達成した．参考文献 [1] 中曽浩一,E.Oktariani,野田敦嗣,板谷義紀,中川二彦 , 深井潤, エネルギー資源学会論文, Vol32,9-16 (2011). Ws/Wz [kg-w/kg-z]     Flow rate distribution [%]  (1 − ε )2 µU + 1.75 (1 − ε )ρU 2 ∆P = L150 3 ε 3 (φd ) ε (φd )2  20