专利名称：废热回收装置、系统及方法
技术领域：
本发明涉及回收由各种工业部门排出的废热的方法，特别涉及回收由炉、内燃机或发电设备等燃烧装置排出的排气的废热的废热回收装置及方法。
背景技术：
人们一直致力于回收由以燃烧燃料的燃烧炉为代表的各种炉、内燃机或发电设备等燃烧装置放出的排气的废热，以达到节能的实际效果。
作为排气的废热的回收方法，通常实施将排气的显热回收作为热能的方法。具体而言，在燃烧装置的排气系统上设置换热器，使热回收介质通过该换热器，通过排气对热回收介质的加热，将排气的显热回收作为热能。例如废热锅炉用水作为热交换介质，将排气的显热回收作为低压蒸汽、热水的热能。同流换热器、再热炉使用空气作为热交换介质，将排气的显热回收作为预热的加热空气的热能。
作为影响废热回收技术的废热的特征，可以列举出能量密度低。排气的温度还有达到低温300℃以下的情况，此时，若在换热器中进行从排气到热交换介质的热交换，则最多只能回收200～250℃的热能。能量密度低的热能只能用作低温的加热源。为了克服这个问题，高效地回收废热，则往往需要传热面积大的换热器，废热回收装置也随之变大。
另外，作为废热回收技术的争论点，废热回收技术的用途被限定在燃烧用空气、低温的加热源等上，使用位置也被限定在回收热源的附近(当用管道等向远处输送加热空气、蒸汽时，散热变大，不能有效地利用回收的热量)。由于这样的原因，特别是在排气的温度低时，经济有效地完成废热回收技术非常困难。
另一方面，近年来使H2燃料与大气中的氧气发生电化学反应而直接发电的燃料电池正趋于实用化。作为得到燃料电池的H2燃料的方法，公开了将炼铁厂的焦炉煤气中含有的CnHm成分用炼焦炉气体本身的显热重整而回收H2和CO的方法(参考特开2002-212575号公报)。但在这个方法中，若没有炼焦炉则不能得到H2燃料，故不能成为作为燃料电池等的燃料的将来可以广泛使用的H2燃料发生源。
发明内容
本发明的目的在于，提供可以将由炉、内燃机或发电设备等燃烧装置排出的排气的显热回收作为为H2燃料等燃料的新的废热回收装置、废热回收系统及废热回收方法。
为了达到上述目的，本发明提供如下的废热回收装置、废热回收系统及废热回收方法。
(1)一种废热回收装置，其特征在于，在炉、内燃机或发电设备等燃烧装置的排气系统上，设有填充了重整二甲醚的催化剂的换热器，通过将二甲醚与H2O的混合气体通过所述换热器，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2燃料。
(2)根据(1)所述的废热回收装置，其特征在于，为使所述燃烧装置排气的温度升高，向所述排气系统中投入二甲醚。
(3)一种废热回收装置，其特征在于，在炉、内燃机或发电设备等燃烧装置的排气系统上，设有填充了重整二甲醚的催化剂的换热器，通过将二甲醚与CO2的混合气体通过所述换热器，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2和CO燃料。
(4)根据(3)所述的废热回收装置，其特征在于，将所述燃烧装置的含CO2的排气脱水和脱氧，使该脱水和脱氧的排气与二甲醚的混合气体通过所述换热器。
(5)一种废热回收装置，其特征在于，在炉、内燃机或发电设备等燃烧装置的排气系统上，设有填充了重整二甲醚的催化剂的第1换热器，通过将二甲醚与CO2的混合气体通过所述第1换热器，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2和CO燃料，在所述排气系统上，设有填充了重整二甲醚的催化剂的第2换热器，通过将二甲醚与H2O的混合气体通过所述第2换热器，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2燃料。
(6)根据(5)所述的废热回收装置，其特征在于，为使投入所述第2换热器的所述燃烧装置排气的温度升高，将所述第1换热器中回收的H2和CO燃料投入所述第1换热器与所述第2换热器之间的排气系统。
(7)根据(5)或(6)所述的废热回收装置，其特征在于，分离与所述第2换热器中回收的H2燃料同时产生的CO2，将分离的CO2提供给所述第1换热器。
(8)根据(1)～(7)中任一项所述的废热回收装置，其特征在于，所述燃烧装置是燃气轮机、燃气发动机或柴油机，将回收的所述H2燃料或所述H2和CO燃料作为所述燃气轮机、所述燃气发动机或所述柴油机的燃料使用。
(9)根据(1)～(7)中任一项所述的废热回收装置，其特征在于，将回收的所述H2燃料或所述H2和CO燃料作为炼铁厂的副产气的替代燃料使用。
(10)根据(1)～(7)中任一项所述的废热回收装置，其特征在于，将回收的所述H2燃料或所述H2和CO燃料作为燃料电池的燃料使用。
(11)一种废热回收系统，其特征在于，设有炉、内燃机或发电设备等燃烧装置和回收该燃烧装置排气的显热的废热回收装置，所述废热回收装置，在所述燃烧装置的排气系统上，设有填充了重整二甲醚的催化剂的换热器，通过将二甲醚与H2O的混合气体通过所述换热器，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2燃料。
(12)一种废热回收系统，其特征在于，设有炉、内燃机或发电设备等燃烧装置和回收该燃烧装置排气的显热的废热回收装置，所述废热回收装置，在所述燃烧装置的排气系统上，设有填充了重整二甲醚的催化剂的换热器，通过将二甲醚与CO2的混合气体通过所述换热器，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2和CO燃料。
(13)一种废热回收系统，其特征在于，设有炉、内燃机或发电设备等燃烧装置和回收该燃烧装置排气的显热的废热回收装置，所述废热回收装置，在所述燃烧装置的排气系统上，设有填充了重整二甲醚的催化剂的第1换热器，通过将二甲醚与CO2的混合气体通过所述第1换热器，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2和CO燃料，在所述排气系统上，设有填充了重整二甲醚的催化剂的第2换热器，通过将二甲醚与H2O的混合气体通过所述第2换热器，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2燃料，分离与所述第2换热器中回收的H2燃料同时产生的CO2，将分离的CO2提供给所述第1换热器。
(14)根据(11)～(13)中任一项所述的废热回收系统，其特征在于，所述燃烧装置使用LNG(液化天然气)作为燃料。
(15)根据(11)～(14)中任一项所述的废热回收系统，其特征在于，所述废热回收系统还设有燃烧回收的所述H2和CO燃料的加热炉或燃烧装置。
(16)根据(13)～(15)中任一项所述的废热回收系统，其特征在于，所述废热回收系统还设有设置在所述排气系统的所述第2换热器更下游侧的废热锅炉，将该废热锅炉回收的水蒸气提供给所述第2换热器。
(17)一种废热回收方法，其特征在于，在炉、内燃机或发电设备等燃烧装置的排气系统上，设有填充了重整二甲醚的催化剂的换热器，通过将二甲醚与H2O的混合气体通过所述换热器，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2燃料。
(18)一种废热回收方法，其特征在于，在炉、内燃机或发电设备等燃烧装置的排气系统上，设有填充了重整二甲醚的催化剂的换热器，通过将二甲醚与CO2的混合气体通过所述换热器，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2和CO燃料。
(19)一种废热回收方法，其特征在于，在炉、内燃机或发电设备等燃烧装置的排气系统上，设有填充了重整二甲醚的催化剂的第1换热器，通过将二甲醚与CO2的混合气体通过所述第1换热器，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2和CO燃料，在所述排气系统上，设有填充了重整二甲醚的催化剂的第2换热器，通过将二甲醚与H2O的混合气体通过所述第2换热器，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2燃料，分离与所述第1换热器中回收的H2燃料同时产生的CO2，将分离的CO2提供给所述第2换热器。
(20)一种废热回收方法，其特征在于，在炉、内燃机或发电设备等燃烧装置的排气系统上填充重整二甲醚的催化剂，通过将二甲醚吹入所述排气系统，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2燃料。
(21)一种废热回收方法，其特征在于，在炉、内燃机或发电设备等燃烧装置的排气系统上填充重整二甲醚的催化剂，通过将二甲醚吹入所述排气系统，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2和CO燃料。
根据(1)～(7)中任一项所述的发明，由于不仅将燃烧装置的废热回收作为蒸汽、热水、加热空气等，还回收作为H2燃料或H2和CO燃料，所以回收的能量的用途不受限制(即，由于回收作为燃料的燃烧热，所以即使向远处输送，回收的能量也不减少)。另外，因为利用排气的显热将二甲醚重整为H2燃料，所以可以提高二甲醚向H2转化时的能量转换效率(例如，即使排气的温度低至250～300℃，能量转换效率也能达到90％以上)。而且，由于可以将废热回收作为附加价值高的燃料，所以即使排气温度低(例如，排气的温度在300℃以下)，也可以进行有经济效益的热回收。另外，由于只要有排气、二甲醚和H2O或CO2，就可以产生H2燃料，所以可以得到通用的H2燃料发生装置，实现大量地消耗H2燃料的社会体系。
根据(8)所述的发明，可以将H2燃料或H2和CO燃料作为燃气轮机、燃气发动机或柴油机的燃料使用。
根据(9)所述的发明，由于得到的H2燃料或H2和CO燃料与炼铁厂的副产气的组成及发热量相近，故将其作为高炉停风等中副产气不足时的副产气替代燃料，可以使用没有经过改造的现有的燃烧设备，还可以提高炼铁厂副产气的利用率。
根据(10)所述的发明，可以将得到的H2燃料或H2和CO燃料作为燃料电池的燃料使用。
根据(11)或(12)所述的发明，可以得到能够将燃烧装置的废热回收作为H2燃料或H2和CO燃料的废热回收系统。
根据(13)所述的发明，分离与第2换热器中回收的H2燃料同时产生的CO2，并将分离的CO2提供给第1换热器，因此CO2的循环进行起来，故而可以减少CO2的排出量。
根据(14)所述的发明，通过使用碳排出量比二甲醚更少的LNG作为燃烧装置的燃料，可以减少CO2的排出量。
根据(15)所述的发明，可以将回收的H2和CO燃料作为加热炉或锅炉等燃烧装置的燃料使用。
根据(16)所述的发明，可以用废热锅炉回收提供给第2换热器的水蒸气。
根据(17)或(18)所述的发明，由于不仅将废热回收作为蒸汽、热水、加热空气等，还回收作为H2燃料或H2和CO燃料，所以回收的能量的用途不受限制(即，由于回收作为燃料的燃烧热，所以即使向远处输送，回收的能量也不减少)。
根据(19)所述的发明，分离与第2换热器中回收的H2燃料同时产生的CO2，并将分离的CO2提供给第1换热器，因此CO2的循环进行起来，故而可以减少CO2的排出量。
如(20)或(21)所述，也可以直接将二甲醚吹入排气系统。
图1是表示本发明的第1实施方式的废热回收装置的图。
图2是表示管式的换热器(同流换热器)的图。
图3是表示蓄热式的换热器(切换式)的图。
图4是表示蓄热式的换热器(旋转式)的图。
图5是表示流化床式和热介质循环式的换热器的图，图5a表示流化床式的换热器，图5b表示热介质循环式的换热器。
图6是表示DME的氢气重整特性的图。
图7是表示估算DME向H2转化时的能量转换效率的一个例子的图。
图8是表示本发明的第2实施方式的废热回收装置的图。
图9是表示本发明的第3实施方式的废热回收装置的图。
图10是表示本发明的第4实施方式的废热回收装置的图。
图11是本发明的第1实施方式的废热回收系统的程序操作顺序图(LNG和DME并用的废热回收系统)。
图12是全部使用LNG的废热回收系统的程序操作顺序图。图12a是使用LNG作为加热炉的燃料的废热回收系统的程序操作顺序图，图12b是使用LNG作为燃气发电机的燃料的废热回收系统的程序操作顺序图，图12c是在重整炉中使用LNG的废热回收系统的程序操作顺序图。
图13是本发明的第2实施方式的废热回收系统的程序操作顺序图。
具体实施例方式
下面说明本发明的实施方式。图1表示本发明的第1实施方式的废热回收装置。燃烧炉1的排气系统4上设有换热器2，使二甲醚(以下记作DME)与水蒸气(以下记作H2O)的混合气体通过该换热器2。通过在换热器2中进行排气与DME的热交换，使DME热分解为H2，将排气的显热回收作为H2燃料。
换热器2可以使用管式、板式、扩大传热面、蓄热式、流化床式、热介质循环式等各种各样的构造。图2表示管式的换热器的一个例子(被称作同流换热器的回收换热器)，图3和图4表示蓄热式的换热器，图5表示流化床式和热介质循环式的换热器。
在图2所示的同流换热器中，排气与DME和H2O的混合气体被作为固体壁的传热管3隔开。作为低温流体的DME和H2O的混合气体流过传热管3的内侧，作为高温流体的排气流过传热管3的外侧，使它们间接地接触而进行热交换。排气的显热通过辐射、传导经传热管3转移到DME和H2O的混合气体中。
图3表示切换式的蓄热式换热器。为了易于理解，对该蓄热式换热器的使用方法进行说明。首先，使高温流体排气流过由氧化铝球、蜂窝状材料等构成的蓄热体A，从而使蓄热体A升温。当蓄热体A升到一定的温度时，切换阀门，使低温流体DME和H2O的混合气体流过升温的蓄热体A。与此同时，切换阀门，阻止排气流过蓄热体A，而使其流过蓄热体B。当蓄热体B升到一定的温度时，再切换阀门重复相同的操作。阀门的切换每隔规定的时间进行一次。
图4表示旋转式的蓄热式换热器。在该换热器中，两外侧的流道分为高温流体排气的流道和低温流体DME和H2O的混合气体的流道。中间的蓄热体可以旋转，经过规定时间的旋转后，被高温流体加热的部分移动到低温流体侧。低温流体流过蓄热体升温的部分，所以排气与DME和H2O的混合气体的热交换可以进行。
在图2所示的换热器的排气下游侧，配置图3或图4所示的换热器，也可以将升温后的DME和H2O的混合气体导入图2所示的换热器。由此可以高效地回收排气的显热直到升温至DME能够热分解的温度区域。
在换热器2的流过DME和H2O的混合气体的一侧，填充将DME重整为氢气的催化剂。该催化剂可以使用氧化铝、二氧化硅、二氧化钛等公知的催化剂。催化剂的种类没有特别的限定，只要能够将DME重整为氢气，不论何种催化剂都可以使用。
而且，还可以用DME和CO2的混合气体代替DME和H2O的混合气体通过换热器2，使混合气体热分解为H2和CO，将燃烧炉1的排气的显热回收作为H2和CO燃料。对于将DME和CO2重整为H2和CO燃料的反应，以图8所示的第2实施方式详细论述。
图5a表示流化床式的换热器，图5b表示热介质循环式的换热器。在图5a所示的流化床式的换热器中，DME与H2O或CO2的混合气体在流化床2a内部流动。高温的排气流过流化床2a的外侧，通过流化床2a的壁面进行排气与混合气体的热交换。流化床2a内部填充催化剂2b，催化剂2b随着混合气体的流动而流动。通过流化床2a的混合气体在催化剂2b的作用下重整为H2或CO+H2。
在图5b所示的热介质循环式的换热器中，DME与H2O或CO2的混合气体(图中记作流动介质)在循环层2c内部流动。循环层内部2c也填充催化剂2e。混合气体与催化剂2e通过传热管2d在循环层2c内部循环。高温的排气流过传热管2d的外侧，通过流化床2d的壁面进行排气与混合气体的热交换。通过循环层2a的混合气体在催化剂2e的作用下重整为H2或CO+H2。
在如上所述的换热器2中，反应CH3OCH3+3H2O+29kcal6H2+2CO2在催化剂作用下进行。通过该反应，可以使DME热分解为H2，将排气的显热回收作为H2燃料。
图6表示DME的氢气重整特性。对反应前的DME+3H2O增加热量，反应后，DME重整为6H2+2CO2。此时只增加9％即29kcal的热量，可知可以将低温废热回收作为氢气燃料。
当排气的温度低时(例如在300℃以下时)，难以引起DME和H2O的混合气体分解成H2的反应。另外，因为DME和H2O分解成H2和CO2的反应是吸热反应，所以排气的温度有可能越来越低。因此，如图1所示，为了增大排气的热量(例如使排气的温度升高到300℃以上)，将用于热回收的一部分DME投入排气系统(所谓过热)。而且，也可以利用投入的DME的燃烧热加热排气。
当排气的温度为350℃～400℃时，因为DME和H2O的混合气体分解成H2的反应在进行，所以没有必要使DME过热。另外，若使用高效率的换热器，则即使排气的温度在300℃以下也可以使DME热分解。
图7表示估算DME向H2转化时的能量转换效率的一个例子。在此例中，假设排气7的温度为300℃。若使300℃的排气7为20Nm3/h，则排气7的热量为2100kcal/h。
在此例中，为了使排气7的温度保持在300℃以上，对在排气系统4上作为热源的DME 5进行0.1kg/h(688kcal/h)的过热处理。为了只给反应提供必要的热量，使过热的DME 5的投入量成为补充将DME5热分解成H2燃料的吸热反应的反应热的量。通过DME5的过热处理，排气10的温度达到394℃。
将常温30℃的DME6和H2O8提供给换热器2。利用排气7的显热使DME6和H2O8的温度升高到300℃。由换热器排出的排气11的温度为248℃，因此排气11的大约50℃[＝300℃(排气7的温度)-248℃(排气11的温度)]用于使DME6和H2O8升温。
在换热器2中，使排气1O与DME6和H2O8的混合气体进行热交换，将DME6重整为H2燃料9。将DME6以1.05kg/h(7224kcal/h)投入换热器2。得到的H2燃料9为2.91Nm3/h(7499kcal/h)。
在利用300℃的排气7的此例中，若计算DME6转化成H2燃料9时的能量转换效率，则为7499/(7224+688)×100＝94.5％，可知其以较高的热效率进行转换。即使排气温度为250～300℃，能量转换效率也能达到90％以上。此时，能量转换效率η定义为η＝(得到的H2燃料的燃烧能)/(使用的DME的燃烧能)。
根据该能量转换效率，DME所具有的燃烧热的95％变为H2的燃烧热。例如，当H2燃料用于燃料电池时，若燃料电池本身的发电效率为60％左右，则其能够以将使用在H2的产生上的能量也包含在内的总效率发电，即以60％×95％＝约57％的总效率[＝发电能量/燃料(DME)能量]发电。因此，可以得到与现有的电力公司所具有的大规模的燃气轮机发电设备同样的发电效率。
作为比较例，估算不利用300℃的排气时的热效率。此时，用DME的燃烧热弥补投入换热器2的排气10的热量2788kcal的全部。即，用DME燃烧的热量本身使DME热分解。结果此时的能量转换效率为7499/(7224+2788)×100＝74.9％，降低到80％以下。这是因为用于使DME热分解的热源是通过燃烧其他的DME而得到的缘故。
还可以用DME和CO2的混合气体代替DME6和H2O8的混合气体通过换热器2，由此使DME热分解为H2和CO，将燃烧炉的排气的显热回收作为H2和CO燃料。对于将DME重整为H2和CO燃料的反应，用下述的第2实施方式详细论述。
图8表示本发明的第2实施方式的废热回收装置。在该实施方式中，废热回收装置设置在燃气轮机联合系统的排气系统上。燃气轮机联合系统是指在燃料气压缩机13中压缩燃料气，使其与在空气压缩机14中压缩的空气一起在燃烧器15中燃烧。通过使生成的高温高压的燃料气在燃气轮机I6中膨胀而向外部的发电机17输出功率。
燃气轮机16的排气高温且流量大。该燃气轮机16的排气系统上设有换热器18。通过将DME和CO2的混合气体通过换热器18，使DME热分解，将排气的显热回收作为H2和CO燃料。回收的H2和CO燃料，例如可以与炼铁厂的副产气混合作为燃气轮机16的燃料使用。
换热器18中填充将DME重整为H2和CO燃料的催化剂。催化剂可以使用钌、镍等公知的催化剂。催化剂的种类没有特别的限定，只要可以将DME重整为H2和CO，不论何种催化剂都可以使用。
在换热器18中，进行着CH3OCH3+CO2+58kcal3H2+3CO的反应。与投入DME和H2O的混合气体而得到H2燃料的反应相比，由于吸热反应的反应热大，故必须升高排气的温度。燃气轮机16的排气的温度，例如因为高达600℃，所以适合使用该排气使DME热分解。当然，还可以利用CH3OCH3+CO2+58kcal3H2+3CO的反应，即例如用图1所示的换热器2代替换热器18。
由换热器18排出的排气被提供给废热锅炉19。废热锅炉19将H2O(水)加热，并将排气的显热回收作为H2O(水蒸气)。得到的H2O(水蒸气)用于使与燃气轮机16组合的汽轮机20旋转。若燃气轮机16和汽轮机20旋转，则发动机17发电。
图9表示本发明的第3实施方式的废热回收装置。该实施方式的废热回收装置与上述第2实施方式的废热回收装置一样，在燃气轮机16等燃烧装置的排气系统上设有换热器18，通过将DEM和CO2的混合气体通过该换热器18，使DME热分解，将燃烧装置的排气的显热回收作为H2和CO燃料。另一方面，该实施方式的废热回收装置与上述第2实施方式的废热回收装置不同的是，将燃烧装置的含CO2的排气在脱水装置和脱O2装置21中脱水、脱O2，使该脱水、脱O2的排气通过换热器18。用于重整的CO2的浓度没有必要为100％，即使是含10％左右的CO2的气体也可以作为1000Kcal/Nm3左右的燃料气进行重整、回收。
图10表示本发明的第4实施方式的废热回收装置。在该实施方式中，在燃烧炉的排气系统的上游侧设有将DME回收作为H2和CO燃料的第1换热器25，下游侧设有将DME回收作为H2燃料的第2换热器26。如上所述，第1换热器25的吸热反应的反应热比第2换热器26的吸热反应的反应热大。为了使各吸热反应平稳地进行，优选将第1和第2换热器25、26串联排列，且使第1换热器25配置在上游侧，第2换热器26配置在下游侧。
第1换热器25中填充将DME重整为H2和CO燃料的催化剂。将DME和CO2混合后的气体投入该第1换热器25。接着第1换热器25将排气的显热回收作为H2和CO燃料。回收的H2和CO燃料，例如被提供给炼铁厂等的副产气系统。为了使投入第2换热器26的排气的温度升高，也可以将一部分DME投到第1换热器25与第2换热器26之间的排气系统而使其燃烧(所谓过热)。
第2换热器26中填充将DME重整为H2燃料的催化剂。将DME和H2O的混合气体投入该第2换热器26。接着第2换热器26将排气的显热回收作为H2燃料。将与H2燃料同时由第2换热器26排出的CO2在分离装置28中分离。分离的CO2作为原料提供给第1换热器25。由于分离的CO2浓度高，故不必使第1换热器25中CO2以外的气体升温，可以高效地进行DME的分解反应。与此相对，若将DME与排气同时投入第1换热器25，则由于还要使CO2以外的剩余部分中含有的N2、O2升温，故废热的回收效率降低。本装置也可以用图8所示的燃气轮机联合系统的换热器18代替。
由本实施方式得到的H2和CO燃料与炼铁厂的副产气的组成及发热量相近，所以将其作为高炉停风等中副产气不足时的副产气替代燃料，可以使用没有经过改造的现有的燃烧设备，还可以提高炼铁厂副产气的利用率。说明如下。
副产气是焦炉煤气4500kcal/Nm3、高炉煤气750kcal/Nm3、转炉煤气2000kcal/Nm3的混合气体，以H2和CO为主体。本实施方式中得到的燃料气是，H2和CO燃料2800kcal/Nm3，H2燃料1800～2580kcal/Nm3。副产气与本实施方式的燃料气的成分及卡路里相近，因此适合将本实施方式应用于炼铁厂燃烧炉的排气系统，若将得到的H2燃料、H2和CO燃料混入副产气系统中，则可以不改造现有的燃烧设备，将其作为副产气的替代燃料使用。
作为高耗能产业的代表的炼铁厂，废热量大，各制造工序中产生的能量的40％左右成为副产气而被排出。但是，由于副产气的变化剧烈，故在炼铁厂难以使用将副产气作为燃料的效率高的发电用燃气轮机。代替它，为了弥补副产气变化的部分，通过燃烧重油等使蒸汽的产率稳定，使用汽轮机发电。若将本实施方式中得到的H2燃料、H2和CO燃料混入副产气系统中，则可以使副产气的产率稳定，因此容易引入发电用燃气轮机等效率高的机械设备，从而可以提高炼铁厂副产气的利用率。
图11是表示本发明的第1实施方式的废热回收系统的程序操作顺序图。该废热回收系统使用燃气发电机31作为燃烧装置，在燃气发电机31的排气系统上设有与上述第3实施方式相同的第1换热器25和第2换热器26。
第1换热器25中填充将DME重整为H2和CO燃料的催化剂。将DME和CO2混合后的气体投入该第1换热器25。接着第1换热器25将排气的显热回收作为H2和CO燃料。另一方面，第2换热器26中填充将DME重整为H2燃料的催化剂。将DME和H2O的混合气体投入第2换热器26。接着第2换热器26将排气的显热回收作为H2燃料。将与H2燃料同时由第2换热器26排出CO2的在分离装置28中分离。分离的CO2作为原料提供给第1换热器25。
第1换热器25中回收的H2和CO燃料被用作加热炉32的燃料。也可以使用锅炉等燃烧装置代替加热炉32。在第2换热器26的更下游侧设有废热锅炉33，将该废热锅炉33中回收的水蒸气提供给第2换热器26。
在该实施方式的废热回收系统中，燃烧装置使用燃气发电机32，燃气发电机的燃料不使用DME，而使用LNG(液化天然气)。在此，由于将DME提供给第1和第2换热器25、26，所以使用DME作为燃气发电机的燃料也可以。但是，若发电机31的燃料使用DME，则由于DME作为燃料燃烧时CO2的排出量比LNG多18％左右(燃料的碳排放系数为64.06g-C/Mcal，与此相对，DME为75.60g-C/Mcal)，所以由燃料的碳排放系数的关系可知DME的碳排出量增加。因此，为了减少该实施方式中的碳排出量，使用LNG作为发电机31的燃料。
下面，比较不使用DME、而使用LNG作为燃料消耗量大的发电机31的燃料的废热回收系统(以下将该废热回收系统称为LNG和DME并用的废热回收系统)和全部使用LNG作为燃料消耗量大的发电机31的燃料的废热回收系统(参考图12)，并对其进行说明。2个废热回收系统相同的条件为用发电机以相同的输出功率发电、用加热炉得到相同的热量、制造相同的氢气量。
图12作为比较例，是表示全部使用LNG的系统的程序操作顺序图。在该系统中，使用LNG作为加热炉41的燃料，而且使用LNG作为发电机42的燃料，并将LNG在重整炉43中重整，得到氢气。发电机42的排气系统上设有废热锅炉44，将发电机42的废热回收作为蒸汽。在加热炉中得到3278Mcal/hr的热量，在发电机中得到5500kw的输出功率，制造666Nm3/hr的氢气量。若要得到上述数值的热量、输出功率、氢气量，则只需消耗如下表1所示量的LNG，并排出CO2。
表1
利用废热回收系统的使用者希望可以既缩减燃料消耗量又减少CO2排出量。若能够缩减燃料消耗量，则可以谋求降低成本，既然COP3批准了京都议定书，也必须减少社会的CO2排出量。从这样的背景出发，设计了图11所示的LNG和DME并用的废热回收系统。在图11所示的LNG和DME并用的废热回收系统中，燃料消耗量大的燃气发电机31的燃料使用LNG，此外，加热炉32为制造氢气而使用DME。这样就得到如下表2所示的燃料消耗量和CO2排出量。
表2
由表2可知，与全部使用LNG的工艺相比，并用LNG和DME更能减少CO2排出量，而且还可以缩减燃料消耗量。认为能够减少CO2排出量是因为燃气发电机31的废热转化为燃料从而减少了该部分的CO2排出量的缘故。即，分离由第2换热器26产生的CO2，提供给第1换热器25，通过使CO2在第1换热器25中与DME混合而再次得到CO燃料，所以在废热回收系统中进行着CO2的循环，故而减少了CO2排出量。
下表3对上述2个废热回收系统的比较进行了总结。例1是全部使用LNG的废热回收系统，例2是并用LNG和DME的废热回收系统。可知例2能够使燃料缩减9％，还能使CO2排出量减少4％。
表3
所谓能够缩减燃料消耗量是指能给使用者带来成本优势。若将该降低的成本用作普及例如由生物量、废弃物、石油残渣、煤层甲烷或煤得到的DME(下面称为来自生物量的DME)的财源，则还可以在经济基础上，使若干百分比的来自生物量的DME混入来自天然气的DME中的形式使来自生物量的DME流通。若普及来自生物量的DME，则更能减少社会全体产生的CO2。来自生物量的DME是在将生物量等在气化炉中暂时气化成CO+H2后，用原本众所周知的催化剂的DME合成反应制造的。
图13是表示本发明的第2实施方式的废热回收系统的程序操作顺序图。该实施方式的废热回收系统设有以LNG、重油等现有燃料作为燃料发电的发电设备51和回收发电设备51的排气的显热的废热回收氢气制造装置52。废热回收氢气制造装置52与上述的废热回收装置一样，将提供的DME重整为H2+CO2或H2+CO燃料。制造的H2燃料在氢气分离装置53中分离后，或供给燃料电池54，或作为燃料电池汽车的燃料使用。该废热回收系统例如受到如下的控制。当电力的需要较高时(白天)，废热回收氢气制造装置52中制造的氢气被全部提供给燃料电池54，使能量转换为电力。另一方面，当电力的需要较低时(夜晚)，废热回收氢气制造装置52中制造的氢气被作为燃料电池汽车的燃料储备起来。这样，通过将发电废热回收作为氢气，可以实现具有负荷调节性能(即可以选择氢气制造和发电)的发电系统。
而且，本发明的废热回收装置不限于发电、矿业领域，也可以设置在石油化学、纸·纸浆、非铁金属、水泥、陶瓷工业、运输等各种各样的工业领域的炉、内燃机或发电设备等燃烧装置的排气系统上，另外，还可以设置在民生、商业领域的空调、厨房、提供热水用的燃烧设备的排气系统上。另外，本发明的废热回收装置虽然优选用于排气的温度在300℃以上的排气系统，但也可以有效地应用于排气温度在300℃以下的排气系统。
另外，本发明的废热回收装置不限于有发电机、加热炉、氢气重整的情况，只要炉、内燃机或发电设备的排气系统上设有废热回收装置，就可以应用于有各种各样的变动的废热回收系统，例如不需要蒸汽时也可以没有废热锅炉。而且，本发明的废热回收系统的加热炉除了工业加热炉，也可以是空调、厨房、提供热水用的燃烧设备，还可以置换为燃料电池。
而且，在本发明的废热回收方法中，也可以不设置换热器，直接将DME吹入填充了催化剂的排气系统，将DME重整为H2燃料或H2和CO燃料。
权利要求
1.一种废热回收装置，其特征在于，在炉、内燃机或发电设备等燃烧装置的排气系统上，设有填充了重整二甲醚的催化剂的换热器，通过将二甲醚与H2O的混合气体通过所述换热器，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2燃料。
2.根据权利要求1所述的废热回收装置，其特征在于，为了使所述燃烧装置排气的温度升高，向所述排气系统中投入二甲醚。
3.一种废热回收装置，其特征在于，在炉、内燃机或发电设备等燃烧装置的排气系统上，设有填充了重整二甲醚的催化剂的换热器，通过将二甲醚与CO2的混合气体通过所述换热器，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2和CO燃料。
4.根据权利要求3所述的废热回收装置，其特征在于，将所述燃烧装置的含CO2的排气脱水和脱氧，使该脱水和脱氧的排气与二甲醚的混合气体通过所述换热器。
5.一种废热回收装置，其特征在于，在炉、内燃机或发电设备等燃烧装置的排气系统上，设有填充了重整二甲醚的催化剂的第1换热器，通过将二甲醚与CO2的混合气体通过所述第1换热器，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2和CO燃料，在所述排气系统上，设有填充了重整二甲醚的催化剂的第2换热器，通过将二甲醚与H2O的混合气体通过所述第2换热器，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2燃料。
6.根据权利要求5所述的废热回收装置，其特征在于，为了使投入所述第2换热器的所述燃烧装置排气的温度升高，将所述第1换热器中回收的H2和CO燃料投入所述第1换热器与所述第2换热器之间的排气系统。
7.根据权利要求5或6所述的废热回收装置，其特征在于，分离与所述第2换热器中回收的H2燃料同时产生的CO2，将分离的CO2提供给所述第1换热器。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的废热回收装置，其特征在于，所述燃烧装置是燃气轮机、燃气发动机或柴油机，将回收的所述H2燃料或所述H2和CO燃料作为所述燃气轮机、所述燃气发动机或所述柴油机的燃料使用。
9.根据权利要求1～7中任一项所述的废热回收装置，其特征在于，将回收的所述H2燃料或所述H2和CO燃料作为炼铁厂的副产气的替代燃料使用。
10.根据权利要求1～7中任一项所述的废热回收装置，其特征在于，将回收的所述H2燃料或所述H2和CO燃料作为燃料电池的燃料使用。
11.一种废热回收系统，设有炉、内燃机或发电设备等燃烧装置和回收该燃烧装置排气的显热的废热回收装置，其特征在于，所述废热回收装置，在所述燃烧装置的排气系统上，设有填充了重整二甲醚的催化剂的换热器，通过将二甲醚与H2O的混合气体通过所述换热器，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2燃料。
12.一种废热回收系统，设有炉、内燃机或发电设备等燃烧装置和回收该燃烧装置排气的显热的废热回收装置，其特征在于，所述废热回收装置，在所述燃烧装置的排气系统上，设有填充了重整二甲醚的催化剂的换热器，通过将二甲醚与CO2的混合气体通过所述换热器，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2和CO燃料。
13.一种废热回收系统，设有炉、内燃机或发电设备等燃烧装置和回收该燃烧装置排气的显热的废热回收装置，其特征在于，所述废热回收装置，在所述燃烧装置的排气系统上，设有填充了重整二甲醚的催化剂的第1换热器，通过将二甲醚与CO2的混合气体通过所述第1换热器，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2和CO燃料，在所述排气系统上，设有填充了重整二甲醚的催化剂的第2换热器，通过将二甲醚与H2O的混合气体通过所述第2换热器，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2燃料，分离与所述第2换热器中回收的H2燃料同时产生的CO2，将分离的CO2提供给所述第1换热器。
14.根据权利要求11～13中任一项所述的废热回收系统，其特征在于，所述燃烧装置使用LNG(液化天然气)作为燃料。
15.根据权利要求11～14中任一项所述的废热回收系统，其特征在于，所述废热回收系统还设有燃烧回收的所述H2和CO燃料的加热炉或燃烧装置。
16.根据权利要求13～15中任一项所述的废热回收系统，其特征在于，所述废热回收系统还设有设置在所述排气系统的所述第2换热器更下游侧的废热锅炉，将该废热锅炉回收的水蒸气提供给所述第2换热器。
17.一种废热回收方法，其特征在于，在炉、内燃机或发电设备等燃烧装置的排气系统上，设有填充了重整二甲醚的催化剂的换热器，通过将二甲醚与H2O的混合气体通过所述换热器，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2燃料。
18.一种废热回收方法，其特征在于，在炉、内燃机或发电设备等燃烧装置的排气系统上，设有填充了重整二甲醚的催化剂的换热器，通过将二甲醚与CO2的混合气体通过所述换热器，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2和CO燃料。
19.一种废热回收方法，其特征在于，在炉、内燃机或发电设备等燃烧装置的排气系统上，设有填充了重整二甲醚的催化剂的第1换热器，通过将二甲醚与CO2的混合气体通过所述第1换热器，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2和CO燃料，在所述排气系统上，设有填充了重整二甲醚的催化剂的第2换热器，通过将二甲醚与H2O的混合气体通过所述第2换热器，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2燃料，分离与所述第1换热器中回收的H2燃料同时产生的CO2，将分离的CO2提供给所述第2换热器。
20.一种废热回收方法，其特征在于，在炉、内燃机或发电设备等燃烧装置的排气系统上填充重整二甲醚的催化剂，通过将二甲醚吹入所述排气系统，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2燃料。
21.一种废热回收方法，其特征在于，在炉、内燃机或发电设备等燃烧装置的排气系统上填充重整二甲醚的催化剂，通过将二甲醚吹入所述排气系统，使二甲醚热分解，将所述燃烧装置排气的显热回收作为H2和CO燃料。
全文摘要
在炉、内燃机或发电设备等燃烧装置的排气系统上，设有填充了重整DME的催化剂的换热器。通过将DME与H
文档编号H01M8/06GK1981122SQ20058002179
公开日2007年6月13日 申请日期2005年6月29日 优先权日2004年6月30日
发明者中川二彦, 林宏优 申请人:杰富意控股株式会社