特許ウォッチ

公開番号2025042697
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-03-28
出願番号2023149780
出願日2023-09-15
発明の名称蒸気発生装置
出願人株式会社東芝,東芝エネルギーシステムズ株式会社
代理人弁理士法人サクラ国際特許事務所
主分類F22B 1/10 20060101AFI20250321BHJP(蒸気発生)
要約【課題】化学蓄熱材を用いた安定して蒸気発生が可能な蒸気発生装置を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、蒸気発生装置100は、鉛直方向に延びて、互いに並列に所定の間隔をおいた配列に配された複数の蓄熱材ユニット110と、複数の蓄熱材ユニット110を収納し内部に複数の蓄熱材ユニット110の間を蒸気、凝縮水、水および発生蒸気が通過可能な流路が形成された伝熱容器130と、反応用ガスを反応用ガス流路113に導入するための反応用ガス管120と、蒸気出入口管162と、水出入口管161と、を備える。蓄熱材ユニット110は、反応用ガス流路が内部に形成され、発電システムの蒸気の熱を吸熱反応により蓄熱し、蓄熱した熱を発電システムの水に放熱する化学蓄熱材111を有する。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
水が加熱されて得られる蒸気を用いて発電する発電システムに用いられる蒸気発生装置であって、
前記発電システムからの前記蒸気の熱を吸熱反応により蓄熱するとともに、蓄熱した前記熱を化学蓄熱材の発熱反応により前記発電システムからの水に放熱する化学蓄熱材を有し、前記化学蓄熱材の反応のための反応用ガスを導く反応用ガス流路が前記化学蓄熱材の内部に形成され、鉛直方向に延びて、互いに並列に所定の間隔をおいて設けられた複数の蓄熱材ユニットと、
複数の前記蓄熱材ユニットを収納し内部に複数の前記蓄熱材ユニットの間を前記発電システムからの前記蒸気および前記蒸気の相変化による凝縮水、ならびに、前記発電システムからの前記水および前記水の相変化により生ずる発生蒸気が通過可能な流路が形成された伝熱容器と、
複数の前記蓄熱材ユニットのそれぞれに接続され前記反応用ガスを前記反応用ガス流路に導入するための反応用ガス管と、
前記伝熱容器に接続され前記発電システムからの前記蒸気を前記伝熱容器に導入するとともに、前記発生蒸気を前記発電システムへ供給するための流路となる蒸気出入口管と、
前記伝熱容器に接続され前記発電システムからの前記水を前記伝熱容器に導入するとともに、前記凝縮水を前記発電システムへ供給するための流路となる水出入口管と、
を備えた蒸気発生装置。
続きを表示（約 700 文字）【請求項２】
互いに隣接する複数の前記蓄熱材ユニットの間に所定の幅の流路を確保するスペーサと、複数の前記蓄熱材ユニットのそれぞれの水平方向の断面形状が稠密配列可能形状により包絡される多角形である、ことにより複数の前記蓄熱材ユニットの配列が形成されることを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生装置。
【請求項３】
前記スペーサは、複数の前記蓄熱材ユニットの少なくとも一つおきにそれぞれの側面に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の蒸気発生装置。
【請求項４】
複数の前記蓄熱材ユニットのそれぞれは、鉛直方向に延びて前記反応用ガス管に接続して前記反応用ガスを導く通気部材を有することを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生装置。
【請求項５】
複数の前記蓄熱材ユニットのそれぞれは、前記化学蓄熱材に形成され鉛直方向に延びて前記反応用ガス管に接続して前記反応用ガスを導く通気孔を有することを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生装置。
【請求項６】
前記反応用ガス管は、複数の前記蓄熱材ユニットのそれぞれの下部に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の蒸気発生装置。
【請求項７】
前記反応用ガス管は、さらに、複数の前記蓄熱材ユニットのそれぞれの上部に接続されていることを特徴とする請求項６に記載の蒸気発生装置。
【請求項８】
前記伝熱容器に接続して前記伝熱容器で発生した蒸気中の湿分を分離するセパレータをさらに備えることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか一項に記載の蒸気発生装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、蒸気発生装置に関する。
続きを表示（約 1,600 文字）【背景技術】
【０００２】
近年、再生可能エネルギの大量導入に伴い、火力発電には、電力の需要と供給のバランスを保つ調整力としての役割が期待されている。既存火力発電の調整力や発電効率向上の方法として、蓄熱技術が注目されている。具体的には、定常運転時に蓄熱し、起動時に蓄熱したエネルギを有効利用する方法や、蓄熱装置をバッファとして用いて、ボイラ負荷を一定に保ちつつ蒸気タービンを負荷変動運転させる方法などが知られている。
【０００３】
蓄熱材の中でも熱エネルギを化学反応により蓄える化学蓄熱材を用いる蓄熱方式は、熱を半永久的に蓄えられる点で、他の顕熱蓄熱および潜熱蓄熱などの蓄熱方式と比べて優れている。
【０００４】
化学蓄熱材は化学反応によって蓄熱するため、蓄熱時および放熱時には反応用ガスの供給または除去が必要となる。反応用ガスは蓄熱材の種類により異なる。たとえば、金属酸化物と水蒸気間での反応を用いる場合、反応用ガスが蒸気であるため、既存プロセスから直接供給可能であることが多い。このため、システムが比較的シンプルとなり、コスト低減が可能である。また、放熱時の熱媒に蒸気を用いると、生成した蒸気を既存プロセスで直接利用できることが多いため、同様にコストの低減が可能となる。そのため、金属酸化物と水蒸気間での反応を利用した化学蓄熱材で、熱媒に蒸気を選定すると蒸気のみにより蓄熱と放熱のサイクルが可能となり、工業的に利用範囲が広い。
【０００５】
一般的に、蒸気生成器（ボイラ）の構造は煙管ボイラ（丸ボイラ）と水管ボイラに大別される。丸ボイラは径の大きな胴内を水（熱媒）で満たし、その内部に煙道を配置するものである。水管ボイラは胴が燃焼室となっており、燃焼室中に水（熱媒）を通す水管を配置するものである。一般に、丸ボイラは熱媒の占める割合が大きいため、熱慣性が大きく、負荷変動に対して安定である。それに対して、水管ボイラは燃焼室の占める割合が大きく、熱媒の割合が小さいため、蒸気の安定供給性では丸ボイラに劣るものの、応答性がよく起動時間が短い。
【０００６】
化学蓄熱材を用いた蒸気発生装置では、上記のボイラ構造を模したものがある。具体的には、水管ボイラのように、蓄熱材（ゼオライト）の中に伝熱管を通し、反応用の蒸気を蓄熱材へ供給する方法や丸ボイラおよび原子力発電のように水中にたとえば円筒状の水素吸蔵合金などの発熱体を配置した構造などがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
特開２０１６－１６１１６６号公報
特開２０２２－１３９９４５号公報
特許第６５７１３２２号公報
特公平４－７０５２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
金属酸化物などの化学蓄熱材と反応用ガスの間での反応を利用する蒸気発生装置では、体積当たりの反応熱が水素等を用いた蓄熱技術と比べて小さい。このため、熱媒への熱流束が小さくなり、安定的な蒸気生成がより難しい。
【０００９】
熱媒の流れが自然対流に近い条件では、発生した気泡が重力の影響により上昇するため、複数の水管が並列した構造ではガイゼリングなどの不安定現象が発生する可能性が高い。この結果、考慮しなければならない振動条件が増えることで設計コストが増加するという課題がある。このため、強制対流に近い流動条件を確保する必要がある。
【００１０】
また、化学反応に起因した熱流束の時間変化により、熱流束が減少すると、蒸気生成が不安定になるため、これに対して、流れ場を安定化できるような構造が必要である。また、速やかな蒸気発生を可能とするために十分な伝熱面積を確保することが必要である。
（【００１１】以降は省略されています）

関連特許