我が国の工業排熱回収利用技術の概要

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現在、我が国のエネルギー利用には、利用率が低く、経済的効果が悪く、生態環境への負荷が大きいという主な問題が依然として存在している。省エネルギーと排出削減、そしてエネルギーの総合利用率の向上は、我が国のエネルギー問題を解決するための根本的な手段であり、優先的に推進されるべき課題である。 　　省エネルギーと排出削減、およびエネルギー利用効率の向上という目標の達成は、主に産業分野に依存している。我が国の工業分野におけるエネルギー消費量は、全国のエネルギー消費総量の約70％を占めており、主要な工業製品の単位エネルギー消費量は、国際的な先進水準よりも平均して約30％高い。生産工程が比較的遅れており、産業構造が不合理であるという要因の他に、工業廃熱の利用率が低いこともエネルギー消費量が多い主要な原因である。我が国のエネルギー利用率は約33％にとどまり、先進国よりも約10％低く、少なくとも50％の工業用エネルギーがさまざまな形態の廃熱としてそのまま捨てられている。したがって、別の観点から見ると、我が国には工業の余熱資源が豊富に存在し、各産業の生産過程で広く利用されている。余熱資源は燃料消費量全体の約17％～67％を占めており、そのうち回収可能な割合は60％に達する。余熱の活用率には向上の余地が大きく、省エネの潜在力も非常に高い。産業廃熱の回収利用は「新エネルギー」と見なされており、近年、我が国における省エネ・排出削減対策を推進する上で重要な要素となっています。　　工業廃熱資源の特徴　廃熱資源は二次エネルギーに属し、一次エネルギーや可燃物質が変換された際に生じるもの、あるいは燃料の燃焼過程で放出された熱量が何らかの工程を経た後に残った熱量です。温度のレベルによって、工業系の余熱は、600℃以上の高温余熱、300～600℃の中温余熱、そして300℃未満の低温余熱の3種類に分けられます。また、発生源によっては、煙ガス由来の余熱、冷却媒体由来の余熱、廃ガスや廃水由来の余熱、化学反応による熱、高温の製品やスラグ由来の余熱、さらには可燃性の廃ガスや廃棄物由来の余熱といったものに分類されます。　　余熱資源は供給源が多様で、温度範囲も広く、存在形態もさまざまである。利用の観点から見ると、余熱資源には一般的に以下の共通点がある。すなわち、工程の生産過程に周期的・断続的な変動や生産の波があるため、余熱量が不安定になること、排ガスに粉塵が多く含まれていたり腐食性物質が含まれていたりするなど、余熱媒体の性質が悪いこと、そして余熱利用装置が敷地などの固定的な条件に制約されることである。　　したがって、工業の余熱資源利用システムや装置の運用環境は比較的厳しく、安定した動作範囲を持ち、変化する工程要件に対応できること、装置部品の信頼性が高いこと、そして初期投資コストが高いことが求められる。経済性の観点から、余熱利用システムの機器効率を向上させるために、工程生産と組み合わせたシステム全体の設計配置が必要である。　　産業廃熱利用技術　　廃熱の温度範囲は広く、エネルギー担体の形態も多様である。また、置かれている環境や工程プロセスの違い、および現場の固有条件の制約から、空気予熱器、窯炉の蓄熱室、廃熱ボイラー、低温蒸気タービンなど、さまざまな種類の設備が存在する。産業廃熱の回収利用には多种の分類方法があり、廃熱資源が利用過程で示すエネルギーの伝達または変換の特性に基づき、現在国内で用いられている産業廃熱利用技術を熱交換技術、熱功変換技術、廃熱による冷熱製造技術に分けることができる。　　1. 熱交換技術　　余熱回収は、本システムの設備や本工程プロセスに優先的に利用し、エネルギー変換の回数をできるだけ減らすべきである。廃熱の利用とは、廃熱エネルギーの形態を変えることなく、熱交換装置を通じて廃熱エネルギーを自工程のエネルギー消費プロセスに直接伝達し、一次エネルギー消費を削減する技術装置のことであり、これらを総称して熱交換技術と呼ぶ。これは産業廃熱を回収するための最も直接的で効率性の高い経済的な方法であり、対応する装置としては各種熱交換器がある。従来型のさまざまな構造を持つ熱交換器やヒートパイプ熱交換器のほか、廃熱蒸気発生器（廃熱ボイラー）なども存在する。　　(1)間壁式熱交換器　工業用の熱交換器は、熱交換の原理によって大きく間壁式熱交換器、混合式熱交換器、蓄熱式熱交換器に分類される。その中で、間壁式および蓄熱式は工業における余熱回収でよく使用される装置であり、混合式熱交換器は冷温流体が直接接触または混合することによって熱を伝達させるもので、工業生産における冷却塔、洗浄塔、気圧凝縮器などがこれにあたりますが、余熱回収ではあまり見られません。　　間壁式熱交換器には、主に管式、板式、同流熱交換器などがある。管式熱交換器は熱効率が低く、平均してわずか26％～30％に過ぎず、コンパクトさや使用する金属の量といった点でも他のタイプの熱交換器に劣るが、構造が堅牢で適用範囲が広く、使用可能な材料も多いという特徴があり、工業分野における余熱回収で最も広く利用されている熱交換装置である。製錬企業の熱交換器設備の40％が管式熱交換器であり、入口煙気温度は1,000℃以上まで許容され、出口煙気温度は約600℃、平均温度差は約300℃である。　　プレート式熱交換器にはフィン付きプレート式、スパイラルプレート式、プレート・チャンバー式熱交換器などがあり、チューブ式熱交換器と比較して伝熱係数は約2倍で、伝熱効率が高く、構造がコンパクトで材料も節約できる。冶金業界では、中小企業を中心にプレート式熱交換器を用いて助燃空気を予熱しており、熱回収率は平均で28%～35％である。入口側の排ガス温度は約700℃で、出口側の温度は360℃に達する。しかし、プレート式熱交換器の使用温度や圧力はチューブ式熱交換器に比べて制約が大きいため、適用範囲が限られている。　　各種工業用炉の高温排ガス回収には、同流熱交換器もよく使用される。主に放射型と対流型の2種類があり、広く応用されている。均熱炉や加熱炉などの設備で排ガスの余熱を回収し、燃焼補助用の空気や燃料を予熱することで、排ガス量や排出温度を低減するのに利用される。一般的な放射型同流熱交換器では、入口の煙ガス温度は1,100℃を超えることもあり、出口の煙ガス温度も600℃に達する。また、燃焼を助けるための空気を400℃まで加熱でき、その効果は優れている。温度効率は40％以上に達するが、熱回収率は低く、平均して26％～35％程度である。　　(2) 蓄熱式熱交換器　蓄熱式熱交換装置の原理は、冷たい流体と温かい流体が交互に蓄熱要素を流れて熱交換を行うもので、間欠運転型の熱交換装置に分類される。間欠的に発生する余熱を回収するのに適しており、空気や物質の加熱など、高温ガス媒体間の熱交換に多く用いられる。　　蓄熱媒体と熱エネルギーの貯蔵形態によって、蓄熱式熱交換システムは顕熱蓄エネルギーと相変化潜熱蓄エネルギーに分けられる。顕熱蓄エネルギーは長年にわたって利用されており、一般的な回転式熱交換器のような簡単な熱交換装置から、製鉄所の高炉にある蓄熱式熱風炉のような複雑な装置までがある。顕熱蓄エネルギー用の熱交換装置は、蓄エネルギー密度が低く、体積が大きく、蓄熱時に一定温度を保てないといった欠点があるため、産業分野における余熱回収においては限界がある。相変潜熱蓄エネルギー交換装置は、蓄熱材の固有熱容量と相変潜熱を利用してエネルギーを蓄え・伝達し、顕熱蓄エネルギー装置よりも少なくとも1桁高い蓄エネルギー密度を持つ。そのため、同じ量の熱を蓄える場合、相変潜熱蓄エネルギー交換装置は従来の蓄熱装置に比べて体積が30％～50％削減される。　　また、熱出力が安定し、熱交換媒体の温度がほぼ一定であり、熱交換システムの運転状態が安定していることも、相変化潜熱蓄熱型熱交換装置のもう一つの利点である。相変エネルギー貯蔵材料は、その相変温度によって大きく高温相変材料と中低温相変材料に分けられる。前者は相変温度が高く、相変潜熱も大きい。主に無機塩やその混合物、アルカリ、金属および合金などをセラミックス基材や金属基材と複合化して作られ、450～1,100℃以上の高温の余熱回収に適しており、広く利用されている。一方、後者は主に結晶水和塩や有機物で、低温の余熱回収に適している。　　(3)ヒートパイプを利用した熱交換装置　ヒートパイプは高効率な熱伝導素子であり、完全に密閉された真空管内での媒体の蒸発と凝縮という相変化過程、および二次間壁熱交換によって熱を伝達する。これは、蓄熱機能と熱交換機能を一体化した相変化型の蓄熱熱交換装置である。熱管は熱伝導性に優れており、従来の金属製熱交換器と比べて熱伝達係数がほぼ1桁高い。また、均一な温度を保つ特性、温度を制御できること、強力な熱輸送能力、冷温両側の熱伝達面積を自由に変更できること、遠距離での熱伝達が可能であること、外部の補助動力装置が不要であるといった一連の利点を持っている。熱管の作動には、使用温度に応じて適切な管材と作動媒体を選定する必要がある。中でも炭素鋼－水重力熱管は、構造が簡単で価格も安く、製造が容易で普及しやすいため、広く利用されている。実際の応用において、熱管の使用温度は50～400℃の範囲であり、乾燥炉、均質化炉、焼成炉などの熱回収や廃蒸気の回収、またボイラーや炉の空気予熱器として利用される。　　(4)廃熱ボイラー　蒸気発生器を利用し、つまり廃熱ボイラーによって廃熱を回収することは、エネルギー利用効率を向上させるための重要な手段である。冶金業界においては、排ガスの廃熱の約80％が廃熱ボイラーによって回収されており、省エネ効果は顕著である。　　余熱ボイラーでは燃焼過程は起こらず、高温の煙ガスの余熱、化学反応による余熱、可燃性ガスの余熱、そして高温の製品の余熱などを利用して蒸気や温水を生成し、工程で使用したり、配管網を通じて供熱に利用したりする。同時に、余熱ボイラーは低温タービン発電システムにおける重要な装置であり、タービンなどの動力機械に作業用の蒸気媒体を供給する。　　実際の運用では、350～1,000℃の高温排ガスを利用する余熱ボイラーが多く用いられており、石炭ボイラーの運転温度と比べると低温炉に分類され、効率は低い。余熱排ガスには粉塵が多く含まれ、腐食性物質も多いため、ボイラーのスラッジ付着や腐食、摩耗などの問題を引き起こしやすい。そのため、スラッジ付着や摩耗を防ぐことが、余熱ボイラーを設計する上での鍵となる。直通式炉型、大容積の空洞放射冷却室、設置された密閉炉壁、除塵室、多数の振動式吹き飛ばし装置などは、余熱ボイラーが堆積物や摩耗の問題を解決するために構造上考慮した点である。また、製造現場のスペースの制約により、余熱ボイラーでは熱交換部品を工程の各所に分散して設置し、通常のボイラーのように一体として組み立てることはありません。　　過去10年間で省エネ・排出削減の取り組みが進むにつれて、国内の主要な余熱ボイラーの設計・製造企業は急速に発展し、余熱ボイラーは大型化や高い性能を目指して進化している。例えば、非鉄金属業界では1時間あたり50トンの蒸発量、作動圧力4.2メガパスカルの余熱ボイラーや、鉄鋼業界では1時間あたり100トンの蒸発量、作動圧力12.5メガパスカルのドライキルニング用余熱ボイラーなどがある。さらに、ボイラーの伝熱効率や熱利用効率をさらに向上させ、スラグの付着や摩耗といった問題を軽減するために、ボイラーの循環方式、受熱面の構造、ボイラー内の煙気流路、および清掃方法などについて改良や革新を行うことが、余熱ボイラー技術の進歩における主要な内容である。　　2. 熱労力変換技術　熱交換技術は、温度の品位を下げることによって依然として熱エネルギーの形で余熱資源を回収するものであり、劣化利用に過ぎず、工程や企業内外の電力消費ニーズを満たすことはできない。また、大量に存在する中低温の余熱資源を熱交換技術で回収しても、その効果は顕著ではない。したがって、熱労働変換技術を活用して余熱の品位を向上させることは、産業廃熱を回収するためのもう一つの重要な技術である。　　作動媒体によって分類すると、熱力変換技術は、従来の水を作動媒体とする蒸気タービン発電技術と、低沸点有機作動媒体を用いる発電技術に分けられる。媒体の特性が大きく異なるため、それに応じた余熱回収システムや装置の構成もそれぞれ特徴を持っている。現在、主な応用は水を作動媒体とし、廃熱ボイラー＋蒸気タービンまたは膨張機からなる低温蒸気タービン発電システムである。　　低温タービンによる発電で利用可能な余熱資源は、主に350℃を超える中高温の煙ガスであり、例えばガラスやセメントなどの建設材料業界の炉から出る煙ガス、または一度利用された後に温度が400～600℃まで下がった煙ガスなどがある。単機の出力は数メガワットから数十メガワットで、鉄鋼業界の酸素転炉の余熱を利用した発電、焼結工程の余熱を利用した発電、コークス製造業界のドライキルンの余熱を利用した発電、セメント業界の低温余熱を利用した発電など、さまざまな形態の余熱発電が存在する。しかし、余熱資源の温度範囲から見ると、この技術は中高温余熱発電技術に分類される。　　また、廃熱ボイラーや熱交換器を通じてプロセスから回収される大量の蒸気のうち、1メガパスカ程度の低圧飽和蒸気や温水が大きな割合を占めており、その多くが余剰として放出されている。現在、この種の低圧飽和蒸気発電の利用には、主にスクリュー膨張動力機技術が採用されている。この技術は以下の特長を有している。複数の熱源媒体を動力源として使用でき、過熱蒸気、飽和蒸気、気液二相混合物に適用可能であり、煙ガス、汚れを含んだ温水、熱い液体などにも適している。構造がシンプルでコンパクトであり、回転速度を自動的に調整でき、寿命が長く振動も少ない。機内の流速が低いため、漏れによる損失以外のエネルギー損失が少なく、効率が高い。また、二重ローターの非接触式構造により、運転時にせん断効果が生じ、自己清掃機能や自己スケール除去能力を持っている。　　スクリュー膨張動力機は容積式膨張機に属し、膨張能力の制約があるため、スクリュー膨張動力機を直接駆動する熱源の適用範囲は、圧力0.15～3.0メガパスカル、温度300℃未満の蒸気、または圧力0.8メガパスカル以上、温度170℃以上の温水などである。構造上の特徴から、スクリュー膨張動力機の単機出力は限られており、ほとんどが1,000キロワット未満で、主に余熱規模が小さい場面で使用される。　　3. 冷凍・暖房技術　　(1)余熱を利用した冷凍技術　　従来の圧縮式冷凍機と比べて、吸収式または吸着式の冷凍システムは安価なエネルギーや低品位の熱エネルギーを利用できるため、電力消費を抑え、電力供給不足の問題を解決できる。また、オゾン層を破壊する塩素系フッ素化合物を含まない天然の冷媒を使用しているため、大幅な省エネ効果と環境保護のメリットがあり、20世紀末には広く普及した。　　吸収式および吸着式冷凍技術の熱力循環特性は非常に類似しており、いずれも「発生（解離）―凝縮―蒸発―吸収（吸着）」という循環過程に従う。しかし、吸収式冷凍では吸収剤として流動性の良い液体が用いられ、冷媒としてはアンモニア－水、リチウムブロミド水溶液などが使われ、その発生および吸収過程は発生器と吸収器によって行われる。一方、吸着式冷凍では吸着剤は一般的に固体媒体であり、吸着の仕方は物理吸着と化学吸着に分かれ、分子ふるい－水、塩化カルシウム－アンモニアなどの冷媒対がよく用いられ、解離および吸着過程は吸着器によって行われる。　　リチウムブロミド水溶液を作動媒体とする吸収式冷凍システムは最も広く利用されており、一般的に80～250℃の範囲の低温熱源を利用できる。しかし、冷却剤として水を使用するため、得られる冷媒の温度は0℃または5℃以上に限られ、主に空調や工業用の冷却水として使用される。冷凍媒体の熱物性や熱力系統の循環方式の違いによりエネルギー効率比は大きく変動し、実際に使用されている機器のエネルギー効率比はほとんどが2を超えず、圧縮式冷凍システムに比べて大幅に低い。しかし、この種のユニットは低温の工業排熱や太陽エネルギー、地熱などの低品位な熱エネルギーを利用でき、高品質な電力を消費しないため、工業排熱の活用において一定の優位性がある。吸収式廃熱冷凍機は冷凍効率が高く、大量の熱エネルギーの廃熱回収に適しています。冷凍能力は数十キロワットから、最大で数メガワットにも達します。国内では既に大規模に導入されており、技術も成熟しているほか、製品の仕様や種類も豊富です。　　吸着式冷凍機の冷媒対は多種多様で、物理吸着冷媒対、化学吸着冷媒対、複合吸着冷媒対などがある。適用可能な熱源温度範囲が広く、溶液ポンプや蒸留装置も不要であり、冷凍機の汚染、塩溶液の結晶化、金属の腐食などの問題も生じない。吸着式冷凍システムは構造がシンプルで、騒音も汚染も発生しないため、自動車や船舶などの振動の激しい環境でも使用できる。しかし、冷凍効率は比較的低く、一般的な冷凍システムの性能係数は0.7未満である。製造工程上の制約により冷凍能力も小さく、通常は数百キロワット以下であり、低熱量の余熱回収利用や冷温電力複合発電システム向けに適している。　　(2)ヒートポンプ技術　産業生産においては、工業用スラッジ洗浄水や油田廃水など、環境温度よりわずかに高い（30～60℃）廃熱が大量に存在する。温度は低いものの余熱量は多く、ヒートポンプ技術はこのような余熱資源を回収するためによく利用される。　　熱ポンプは、高品質なエネルギー（電力、機械エネルギー、または高温の熱エネルギー）の一部を消費してそれを補償し、冷凍機の熱力サイクルを通じて、低温の余熱源の熱を50℃以上の温水などの高温の熱媒体へと「ポンプアップ」する。これにより、工業・農業・商業分野における蒸留・濃縮、乾燥・加熱、あるいは建物の暖房など、温水が必要とされる場面でそのニーズを満たすことができる。現在、ヒートポンプユニットの給熱係数は3～5の間であり、つまり1キロワットの電力を消費することで3～5キロワットの熱量を生み出すことができる。これは、一定の条件下において、環境温度よりわずかに高い廃水の余熱を利用する、経済的かつ実用的な技術である。　　現在開発・製造されているのはほとんどが圧縮式ヒートポンプで、中型ヒートポンプは開発中であり、大型ヒートポンプはまだ存在しない。圧縮式ヒートポンプの中で、水源ヒートポンプ技術が最も広く利用されており、火力発電所や原子力発電所の循環水の余熱、印刷・染色、製薬などの業界における余熱回収に使用される。例えば、発電所では循環水を熱源水として利用し、ヒートポンプ装置によってボイラー給水の温度を上昇させる。これにより、元々のボイラー給水の温度が15℃から50℃に上がり、ボイラーが必要とする石炭の量が減少し、省エネ・省コストを実現するのである。　　以上のことから、余熱利用の技術装置には多種多様なものがあるが、いずれも一定の適用条件があり、工業用余熱の温度や量、さらに生産条件や工程、内外のエネルギー需要を踏まえて、適切な余熱利用方法を選択すべきである。　　有機媒体を利用した低温産業廃熱発電技術　　1. 低温有機ランキンサイクル　　200℃以下の大量に存在する低温廃熱については、現在のところ蒸気や温水のフラッシュ蒸発システムでは効果的に回収することができないため、経済的かつ実行可能な有機ランキンサイクルによる廃熱発電技術の採用が適している。　　有機媒体を用いた低温産業排熱発電技術は、熱力変換技術に属する。有機ランキンサイクルとは、低沸点の有機物を作動媒体とするランキンサイクルであり、通常の蒸気発電装置の熱力サイクルの原理と同じで、循環する作動媒体が異なるだけで、システムはよりシンプルでコンパクトになっている。この発電方式は、低温領域における余熱利用において大きな利点があります。余熱媒体と作動媒体が直接接触せず、有機作動媒体の蒸気比容が小さいため、配管のサイズも小さく、タービンの流路面積も小さいです。その結果、単位体積あたりの出力が高くなり、低温の余熱回収に非常に適しています。　　有機工質の選定は、有機ランキンサイクル余熱発電技術における重要な要素です。通常、作動媒体には以下の条件が求められる：発電性能が高いこと、熱伝達性能が高いこと、作動媒体の臨界パラメータや常圧下での沸点などの熱物性が適切であること、化学的安定性が高く分解しないこと、腐食性や毒性が低いこと、環境に優しいこと、可燃性や爆発性が低いこと、そして経済的であり、供給源が豊富で価格が安いこと。しかし、実際の利用においては、作動媒体が上記のすべての条件を同時に満たすことは難しく、さらに国際的に有機作動媒体に対する環境保護要求が高まるにつれて使用可能な作動媒体も絶えず更新されていくため、熱源の種類や温度レベルを総合的に考慮する必要がある。　　有機ランキンサイクル発電システム設備において、熱交換器、ポンプ、配管バルブなどの設計製造は、化学工業や冷凍業界の熱交換装置を参考にすることができる。発電機はシリーズ製品であるが、タービン膨張機の選定設計およびシール技術については区別して扱い、非標準設計を行う必要がある。一般的に使用されるタービン膨張機には、多段軸流タービンがあり、高温で媒体の流量が多く、全エンタルピー降下が大きく、処理容量が大きい場合に適しています。しかし、相対的な内部効率は低く、工程も複雑です。一方、径流式タービンは相対的な内部効率が高く、構造がコンパクトで製造工程も簡単ですが、単機の処理容量は小さいです。海外では余熱利用の分野で多くの実用例があり、余熱回収量が少ない場合に適しています。　　2. カリナサイクル　純粋な工質を用いるオーガニック・ランキンサイクルであり、工質の等温蒸発による吸熱過程が実際の変温型低温熱源とうまく連携しないため、熱交換時の平均温度差が大きくなり、不可逆損失も大きくなる。カリナサイクルは、アンモニア水混合物を作動媒体とする循環システムであり、最も単純な熱力サイクルは一段蒸留サイクルである。すなわち、一定濃度のアンモニア水溶液が給水ポンプで加圧され、予熱器で加熱された後、廃熱ボイラーに入って蒸発し、過熱アンモニア蒸気となる。この蒸気がタービンに入り膨張して仕事を行い、その後、複雑な蒸留冷却サブシステムを用いてアンモニア水混合物の凝縮問題を解決することで、タービンの排気蒸気から再び一定濃度の作動媒体溶液が生成される。そしてこの溶液が給水ポンプに戻ることで、一つのサイクルが完了する。　　カリナサイクルでは、蒸発過程において作動媒体が等圧下で温度変化しながら蒸発するため、作動媒体の吸熱過程における不可逆性が低減される。また、凝縮過程における基本作動媒体のアンモニア含有量が少ないため、混合作動媒体を用いるオーガニックランキンサイクルの凝縮損失が大きいという欠点を克服している。理論的な分析によると、カリナサイクルは純粋な工質を用いたオーガニック・ランキンサイクルよりも15％以上の高い性能を発揮するが、実際の運用においては、アンモニア水系の工質が蒸発する過程の複雑さなどの要因により、カリナサイクルはそれほど高い性能を示さない。　　研究によると、中低温の余熱回収利用において、異なる種類の余熱に対しては、カリーナサイクルとランキンサイクルがそれぞれ余熱回収において優位性を持つ。また、温度と流量が一定で、余熱回収後に一定の温度で生産プロセスに利用される余熱源の場合、オーガニックランキンサイクル式の低温余熱回収システムの方がより優れている。　　結語　現在、我が国における中高温の余熱利用技術の普及率は高くなく、低温の余熱利用は技術が未熟であるためほとんど利用されていない。したがって、産業分野における省エネ・排出削減を推進するためには、一方で中高温の余熱利用技術をさらに普及させる必要があり、特に中小企業における余熱利用率を向上させ、全体の工程システム及びそれに伴う余熱利用技術を最適化しなければならない。一方で、技術開発の観点から見ると、低温有機ランキンサイクル技術は、低温の産業廃熱、地熱、太陽熱を利用するための経済的かつ効果的な手法である。しかし、国内ではこの技術がまだ習得されていない。したがって、有機ランキンサイクルなどの低温廃熱発電技術の研究を強化し、その実用化を積極的に推進することは、低品質な廃熱の利用率を高める上で重要な役割を果たすだろう。