JPS5864408A

JPS5864408A - 廃熱を利用した化石燃料の燃焼方法

Info

Publication number: JPS5864408A
Application number: JP16394681A
Authority: JP
Inventors: Tokio Oota; 太田　時男
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1981-10-14
Filing date: 1981-10-14
Publication date: 1983-04-16

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、灯油、天燃ガス等の化石燃料の燃焼に際し、
廃熱を利用して水素を生成し、これを燃料と混焼せしめ
る燃焼方法に関する。

一般に、天燃ガス、液化石油ガス、灯油１重油。

粉炭尋の化石燃料の燃焼器においては、加熱目的以外に
熱が逃げる廃熱が避けられない。現在普及している大型
、中型、小型のいずれの燃焼器でも、有効に利用すべき
燃料のもつカロリーの２割〜３割程の廃熱があり、その
分だけ燃料が無駄に消費されている。そのため、この廃
熱の利用が考えられているが、未だ有効々手段がない。

特に１燃焼器の側面から放出される熱は利用するのが難
しいといわれている。

一方、石油等の流体化石燃料の価格は、基調としては上
昇の一途をたどっており、その燃焼を完全に行なって効
率よ〈熱を利用する燃焼方法を採用する必要がある。し
かるに、従来のこの種の燃料の燃焼においては、完全燃
焼がなされておらず、廃ガス中に炭粒、−酸化炭素、炭
化水素等の可燃物を排出して、それだけ燃料が無駄にな
ると共に、大気汚染の一因となっている。

本発明は、斯かる実情に鑑みてなされたもので、その目
的は、熱電素子系にて廃熱の一部を電力に変換すると共
に、該熱電素子系の冷却水を上記電力にて電気分解して
水素を生成し、これを燃料と混焼させることにより、廃
熱を水素燃料の形で回収して燃料の節約を図ることがで
きる化石燃料の燃焼方法を提供することにある。

父、本発明の他の目的は、水素を混焼することによシ、
燃焼温度を上げると共に燃料を完全燃焼させて燃料を効
率良く利用する燃焼方法を提供することにある。

本発明け、斯かる目的を達成するため、（ａｌ　　化石
燃料の燃焼器の器壁適所に装着された熱電素子系により
、核器壁からの廃熱にて直流電力を発生せしめると共に
、（ｂ）　　上記熱電素子系の放熱部に装着されて、上記
直流電力の一部を用いて駆動される冷却水系により、高
温の水又は水蒸気を生成せしめ、（Ｃ）　　且つ、上記
（ｂ）において得られた茜湛の水又は水蒸気を、上記（
ａ）　ｉｃおいて得られた電力の一部により電気分解し
て水素と酸素を生成せしめると共に、（ｄ）　　上記水素を上記燃焼器に導いて、上記化石燃
料と混焼せしめるよう構成したものである。

以下、本発明の構成を詳細に説明する。

まず、廃熱により直流電力を発生せしめると共和、高温
水を得る。

上記直流電力の発生は、ｐ−ｎ接合を有する半導体熱雷
素子を燃焼器の器壁適所、例えば側壁に装着して行なう
。熱電素子用半導体は数多く知られており、例えばＧｅ
−８ｉ合金系（ｐ型にはＩｎなどの３価金属、ｎ型にＦ
ｉｓｂなどの５価金属を電力ｒｌ）、　Ｂ１−Ｔｅ系合
金系（ｐ型にはＳｂ＋”型にはＳｅを添加）等がある。

熱電素子の１対は、温度差６０℃で約１　ｍＶ程の直流
電力を発生するので、例えば一つの単位装置として３２
対を直列につなぐことにより、約２ｖの電圧を発生でき
る。

斯かる電圧とし九のは、水を常温、常圧で電気分解する
Ｋは理論的に１．２３　Ｖ必要であり、実際には過電圧
によって１．８■程必要だからである。

この熱電素子ユニットを、燃焼器の大きさに応じて複数
個側壁に装着し、例えばその中の１個を冷却水ポンプを
駆動する小型モータ専用とし、他のユニットからの電力
を電気分解の電源とする。

熱電素子ユニットの個数、ユニットを構成する熱電軍子
の個数等は、モータの所蚤亀圧、電流、電気分解の所要
電力等に応じて適宜設定し得る。

なお、熱電素子け、多結晶を焼結法などで大量に且つ安
価に製造できるので、シリコン太陽電池のように単結晶
製作に費用ががかり過ぎる欠点がなく、Ｌか４アモルフ
ァスシリコンのｐ−ｒｌｓ合。

ような不安定性もないので、廃熱利用の使用に好適であ
る。

熱電素子系の高温側（ｐ−ｎ接合部）の温度は最低２０
０℃、低温側の温度は最低１００　Ｃに想定されるが、
実際はこれより、はるかに高い温度になる。

この時、低温側を冷却水で冷却し、熱電素子系の温度差
を７０℃以上に保つようにする。即ち、上記熱電素子系
の放熱部（低温＠）に冷却水を供給し、これを冷却する
と共に、該冷却水を該放熱部にて高温の水とする。冷却
水の温度は、ｘｏｒｆｃ前後となる゛。この冷却水の供
給は、上述した熱電素子系の電力の一部で駆動される小
型モータ及び冷却水ポンプを備えた冷却水系によって行
なう。

次に、上“記高温水を、上記熱電素子系によって得られ
た電力により電気分解して水素と酸素とを生成せしめる
。高嵩水を電気分解するとと（した点が本発明の特徴の
一つである。これは、水の電気分解に要するエネルギＷ
ｄが、次式で表わされるように、水の熱エネルギＱｄが
大きいと小さくて済むためである。

Ｗｄ＝Ｈｄ−Ｑｄ　　・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・（１）即ち、Ｈｄ＃ｉ、水を分解するに要
する全エネルギで、はは６８．３　Ｋｄ／ｍｏｌと一定
であるため、温度が上昇すれば、水の熱エネルギＱｄが
増大し、分解に要する電気エネルギＷｄが小さくなるか
らである。

上記電気分解により生成された水素を、化石燃料の燃焼
器内に導いて、該燃料と混焼せしめる。

これによって水素を燃料として利用するととくなる。な
お、同時生成された一嵩を、水素とは別に燃焼器内に導
いて、燃料の燃焼に寄与せしめることができる。水素と
酸素とを別々に導くのは、安全性の配慮からである。

次に、本発明にかける廃熱の利用の程度について説明す
る。

全廃熱量をＱＯとし、その温度をＴｈ　とする。

熱電素子系によってＱＯのうちηｔｅ　Ｑ６　　だけが
電力に変換され、残りの（Ｉ−ηｔｅ　）Ｑｏの大部分
が冷却水を加熱するために一使われる。こ、の加熱の効
率をηＷとすると、この時には水を加熱し、温度Ｔｃの
高温水にするために利用した熱は、ηＷ（１−ηｔｅ）
Ｑｏである。

一方、水の電気分解の効率をηｅｔとすれば、これは、 ηｅｔ　＝晋・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・（２）によって定義される。ここでＱ
Ｏは、１ｍＯ４の水素と１／２　ｍａｔの＃累が燃焼反
応によって結合する時発生する熱量、ｎ゛は電気分解に
よって生成した水素のモル数である。

以上の過程をエネルギー保存則の上から整理すれは全廃
熱のうち”ｏ　Ｑｏが有効に利用されたとして、 ηｏＱｏ＝ηｅｔ”ｔｅＱｏ＋ηｗ（１−ηｔｅ　）　
Ｑｏ　−−−−＝　＋３１となる。これから、この装置
の全効率は、り０−ηｅｌ−１ｔｅ＋ηｗ（１−ηｔｅ
）・１拳・・・・・白・・（４）であり、Ｗｄ＝ηｔｅ
　ＱＯと（２）式を（３）式に代入すれば、Ｏｎ ηｏ　−＝−、、−十’７ｗ（１−’７ｔｅ　）・・・
・・・・・・・・・・・・・・・＋５１と曹〈こともで
きる。

なお、熱電素子１対の発電効率は、という式で近似される。２Ｆｉこの熱電素子対の熱電性
能水数である。本発明者の実験ではＺ中２×１Ｏ−３’
ｃ−１ｒ　Ｔｈ中５９３に、Ｔｃキ３８７にで、ηｔｅ
＝６．７Ｎとなる。実際には５％ｔ１どになっているも
のとみられる。

電解効率は？ｅｔ−８０Ｘ、水蒸気生成効率ηＷ＝７Ｏ
Ｎと見積ると、（４）式によって、最高でη０＝７０．
６７　Ｎとなる。実際は６ＯＮ台になると予想されるが
、廃熱が燃料のもつ熱量の３ＯＮとしても、１８にの燃
料が節約できることになる。

このように、本発明によれば、燃料の熱量の２割乃至３
割程度生ずる廃熱のうち、６割〜７割程度水累として回
収、でき、燃料の節約を図ることができるが、この水素
を添加して混焼させることによって、更に燃料の節約を
図ることができる。

即ち、水素を添加して混焼せしめることにより、炎の温
度が平均１７Ｎはど上昇し、燃焼器に接続された熱交換
器の効率が向上する。熱の伝達率は温度勾配に比例する
ので、温度の上昇率だけ伝達熱の増加率が得られる。こ
れ本燃料の節約に還元して考えることができるので、上
述の効果と合算すれば、はぼ、３割はどの燃料節約にな
る。又、゛水素を添加することにより、燃料の完全燃焼
が可能になり、燃料のもつカロリーを余すところなく発
揮するのに役立つと共に、炉材の完全燃焼のために煤煙
が減り、燃焼器の掃除などの保守の手間がかからなくな
り、また、燃焼器の寿命が長くなる。しかも大気汚染を
少なくすることができる。

次に、本発明燃焼方法の実施に使用する燃焼器の一例を
図面を参照して説明する。

第１図は本発明燃焼方法に使用する燃焼器の一例を示す
構成図である。同図に示す燃焼器は、通常の灯油燃焼器
に適用したもので、燃焼筒１と、熱電素子系５と、冷却
水氷７と、電気分解系１０とを備えて構成される。なお
、同図では簡便のため燃料の流入経路を省略している。

熱電素子系５は、直径５諺、長さ７■の円筒形状のｐ−
ｎ接合熱電素子（Ｂｉ−Ｔｅ系合金）対を３２対直列に
接続して構成され、燃焼筒１の側面の器壁２に複数組装
着しである。この熱電素子系５の放熱部６に冷却パイプ
８が取付けられ、冷却水ポンプ９にて冷却水Ｗが送られ
る。この冷却パイプ８、ポンプ９及び図示しない小型モ
ータにて冷却水系７が構成され、冷却水を高温水に変え
る。この小型モータは、上記熱電素子系５の直流電力に
て駆動される。

燃焼筒１の下部には電気分解系１０が設けてあり、熱電
素子系５の直流電力を電源として上記高温水を電気分解
する。この電気分解系１０には、水素と酸素とを各々導
く導管１１　、１２が接続しである。導管１１は、逆流
防止装置１３を介して燃焼筒ｌに水素を導く。導管１２
は、接続部を図示していないが燃料供給管３に接続され
、酸素を燃料と共に燃焼筒１内に送る。なお、図におい
て４Ｆｉ点火装置である。

この燃焼器の動作状態の一例を示すと、通常の最良燃焼
の状態において、炎の平均温度は１０３３℃であり、燃
焼器の側面の器壁の温度は６８８℃であった。父、冷却
水が加熱されて生ずる高温水の温度は、約１００℃であ
った。そして、電解電圧は、１．５１Ｖか６１．３８Ｖ
ｔで変化したが、最良状態の定常値としては１．４７　
Ｖであった。これは、水の常温の電気分解より本釣３Ｏ
Ｎの省電力に当る。

次に、本発明の代表的実施例を示す。

実施例〔１〕灯油量を制御し毎秒１２０Ｃの割で燃焼する状態にする
。これは放熱量にして毎秒１１００　ｊＫ相当する。こ
の時、出力２ｖの熱電素子系５対を用べ５対を並列に利
用してＩＡ強の電流を得九。素子の電流密度は１．２Ａ
／ｄの大きさであった。１．４７　Ｖ。

ＩＡの出力で１００℃の水を電解し続け、２時間の間に
捕集した水素量を計測したところ、５．６１であった。

実施例〔２〕灯油の燃焼量を１２　ｃｃ／秒に保ちつつ燃焼し、上記
実施例〔１〕と同様に電気分解により水素と酸素を生成
した。これらを灯油と混焼する実験を繰返えしたところ
、つぎの結果を得た。

混焼により、第１Ｋ炎の色から明るさが減じ、第２に炎
の温度が、混焼前の１０３３℃から平均温度１２０８℃
に上昇した。第３に硝子板により炎上で捕集した煤煙の
量が、着火後の５分間においては、未混焼時１．６に対
し１となり、定常燃焼時には０であった。

なお、実施例（１）　、　（２）で、水素を燃焼筒へ導
く導管の途中に逆流防止装置を設置した。これは、送ら
れる水素の流速が８１Ｖ′Ｓ以下になると弁が閉じるよ
うに設計されたものである。実施例の実験途中でこの安
全装置が働いたことはなかった。

実験を経て、燃焼器と燃料に特有な条件で燃料と水素と
の最適混合比が存在するらしいことが予想されたが、実
施例（］）　、　［：２）はその条件に近い。

しかし、理論的忙その比率を明確にすることはでき表か
った。

上記説明では、高温水を電気分解する場合について説明
したが、水蒸気を生成し、これを電気分解する構成とし
てもよい。水蒸気の電気分解は電極間の距離のせまい、
同心円筒状電極をもつ特別１ｃ設計された電解槽を用い
る。

以上説明したように、本発明は、廃熱を利用して直流電
力を得ると共に、これを電源とする電気分解により水素
を生成して、廃熱を水素燃料の形で回収できるため、燃
料を節約でき、父、この水素の混焼による燃焼温度の上
昇及び完全燃焼によって、熱の効率的利用と燃料のカロ
リーの完全利用を図ることができ、しかも、廃ガスを浄
化できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明燃焼方法の実施に使用する燃焼器の一例
を示す構成図である。１・・・燃焼筒　２・・・器壁　　５・・・熱電素子系
７・・・冷却水系　　１０・・・電気分解系出願人　　
三　浦　−志第１図手続補正書（鯖）昭和　５６年１２月　４日特許庁長官殿１、事件の表示特願昭５６　−　１６３９４６　　号２、発明の名称廃熱を利用した化石燃料の燃焼方法３、補正をする者事件との関係　　特許　　　　　　　出願人任−所　　
神奈川県横浜市港北区大磯根町７６２名　称（氏名）　
三浦−志４、　代　　理　　人　　　〒１０７　　　電話５８６
−９２８７番６、補正の対象（１）　明細′書簡１３ページ実施例〔１〕の１行目に
「毎秒１２ｃｃＪとあるを「毎秒　１，２ＣｅＪと訂正
する◇ （２）　　同２行目に「毎秒１１０００＆ｌ　Ｊとある
を「毎秒１１００００ａｌ　Ｊと訂正する〇（３）同ペ
ージ実施例〔２〕の１行目に「１２ｃｅ／秒」とあるを
「１．２Ｃｃ／秒」と訂正する◎以　　上

Claims

【特許請求の範囲】ｍ（ａ）　　化石燃料の燃焼器の器壁適所に装着された
熱電素子系により、該器壁からの廃熱にて直流電力を発
生せしめると共に、 Φ）上記熱電素子系の放熱部に装着されて、上記直流電
力の一部を用込て駆動される冷却水系により、高温の水
又は水蒸気を生成せしめ、（Ｃ）　　且つ、上記（ロ）
において得られた高温の水又は水蒸気を、上記（ａ）に
おいて得られた電力の一部により電気分解して水素と酸
素を生成せしめると共に、（ｄ）　　上記水素を上記燃焼器に導いて、上記化石燃
料と混焼せしめることを特徴とする廃熱を利用した化石
燃料の燃焼方法。（２）　　上記（Ｃ）において得られた水素と酸素とを
別々に上記燃焼５に導いて、上ｄピ化石燃料と混焼せし
める第１項記載の廃熱を利用した化石燃料の燃焼方法。