CN103857890A - 利用燃气涡轮发动机废热的低浓度甲烷气体氧化系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种低浓度甲烷气体氧化系统，其在有效利用燃气涡轮发动机的废热的同时，即使处理对象的低浓度甲烷气体中的甲烷浓度急剧上升，也能够避免催化剂的烧坏等，从而稳定地运转。其是利用燃气涡轮发动机的废热对低浓度甲烷气体进行氧化处理的低浓度甲烷气体氧化系统（ST），其中，设置供应源（VS）、催化剂层（15）及吸气阻尼器（45），所述供应源（VS）供给作为氧化处理对象的所述低浓度甲烷气体，所述催化剂层（15）通过催化燃烧对所述低浓度甲烷气体进行氧化处理，所述吸气阻尼器（45）与从所述供应源向所述催化剂层供给所述低浓度甲烷气体的供给路径（SP）连接，将外部空气导入该供给路径。

Description

利用燃气涡轮发动机废热的低浓度甲烷气体氧化系统
相关申请
本申请要求2011年10月17日申请的日本专利申请2011-228239的优先权，将其全部内容以参照的方式引入作为本申请的一部分。
技术领域
本发明涉及一种对在煤矿产生的VAM（Ventilation Air Methane；煤矿通风甲烷）或CMM（Coal Mine Methane；煤矿甲烷）等低浓度甲烷气体进行氧化处理的系统。
背景技术
为了减少温室效应气体，有必要对从煤矿排出至大气中的VAM或CMM等低浓度甲烷气体进行氧化处理。作为这样的氧化装置，一直以来，已知将贫燃料燃气轮机与催化燃烧组合的系统（例如专利文献1）。在专利文献1的例子中，利用燃气轮机的废热，将低浓度甲烷气体加热至催化反应温度，使低浓度甲烷气体流向催化剂层而燃烧。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4538077号说明书
发明内容
（一）要解决的技术问题
但是，VAM或CMM的甲烷浓度有时发生较大变动，现有的氧化装置难以追随低浓度甲烷气体的浓度变化，在浓度突然上升的情况下，有发生催化剂烧坏的可能性，装置难以稳定地运转。
因此，为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种低浓度甲烷气体氧化系统，其在有效利用燃气涡轮发动机的废热的同时，即使处理对象的低浓度甲烷气体中的甲烷浓度急剧上升，也能够避免催化剂烧坏，从而稳定地运转。
（二）技术方案
为了实现上述目的，本发明的低浓度甲烷气体氧化系统利用燃气涡轮发动机的废热对低浓度甲烷气体进行氧化处理，具备供应源、催化剂层及吸气阻尼器，所述供应源供给作为氧化处理对象的所述低浓度甲烷气体，所述催化剂层通过催化燃烧对所述低浓度甲烷气体进行氧化处理，所述吸气阻尼器与从所述供应源向所述催化剂层供给所述低浓度甲烷气体的供给路径连接，将外部空气导入该供给路径。
根据该结构，在能够有效利用燃气涡轮发动机的废热的同时，即使在低浓度甲烷气体的浓度急剧上升的情况下，也能够通过吸气阻尼器导入空气从而使甲烷浓度下降，因此能够避免催化剂的烧坏等，能够使该系统稳定地运转。
在本发明一个实施方式中，优选地，在所述供给路径上连接有将该供给路径内的气体释放到外部的放气阀。根据该结构，在通过从吸气阻尼器导入空气也不能将甲烷浓度控制在规定值内的情况下，能够打开放气阀将低浓度气体释放到外部，因此，能够更加切实地避免催化剂的烧坏等。
在本发明一个实施方式中，优选地，所述燃气涡轮发动机是将从所述供应源供给的低浓度甲烷气体作为工作气体利用的贫燃料吸入燃气轮机，在从所述供给路径向所述燃气涡轮发动机供给低浓度气体的分支供给路径的分支点的下游侧连接有所述吸气阻尼器。根据该结构，即使将空气导入供给路径内，也能够避免供给作为利用于氧化处理的热供应源的燃气涡轮发动机的工作气体G1的浓度下降，从而避免燃气涡轮发动机的输出下降。
此外，本发明的低浓度甲烷气体氧化方法，是利用燃气涡轮发动机的废热对低浓度甲烷气体进行氧化处理的低浓度甲烷气体氧化方法，包括氧化工序和外气导入工序，所述氧化工序通过催化燃烧对从供应源供给的所述低浓度甲烷气体进行氧化处理；所述外气导入工序，在从所述供应源供给所述低浓度甲烷气体的供给路径内的甲烷浓度超过规定值时，将外部空气导入所述供给路径。根据该结构，在能够有效利用燃气涡轮发动机的废热的同时，即使在低浓度甲烷气体的浓度急剧上升的情况下，也能够通过将空气导入供给路径使甲烷浓度下降，因此能够避免催化剂的烧坏等，使该系统稳定地运转。
权利要求书和/或说明书和/或说明书附图所公开的至少两种结构的任意组合，也包含在本发明中。特别是权利要求书的各权利要求的两项以上的任意组合，也包含在本发明中。
附图说明
通过参照附图对以下最佳实施方式进行说明，可更加清楚地理解本发明。但是，实施方式及附图仅用于图示及说明，不应用于确定本发明的范围。本发明的范围由权利要求书确定。在附图中，多个附图上的相同附图标记表示相同或与其相当的部分。
图1是表示本发明的第一实施方式的低浓度甲烷气体氧化系统的简要结构的方框图。
图2是表示本发明的第二实施方式的低浓度甲烷气体氧化系统的简要结构的方框图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的优选实施方式。图1是表示本发明的第一实施方式的低浓度甲烷气体氧化系统（以下仅称为“氧化系统”。）ST的简要结构图。该氧化系统ST利用燃气涡轮发动机GT的废热，在低浓度甲烷气体氧化装置OD中对例如从煤矿排出的VAM这样的低浓度甲烷气体进行氧化处理。
在本实施方式中，作为燃气轮机GT，利用将低浓度甲烷气体所含有的可燃成分作为燃料利用的贫燃料吸入燃气轮机，如后面所述，从共通的VAM供应源VS向低浓度甲烷气体氧化装置OD及燃气轮机GT供给作为低浓度甲烷气体的VAM。燃气轮机GT具有压缩机1、燃烧器2及涡轮3，所述燃烧器2是含有铂或钯等催化剂的催化燃烧器。通过该燃气轮机GT的输出来驱动如发电机4这样的负载。
作为燃气轮机GT所使用的低热量气体，例如为在煤矿产生的VAM或CMM这种低浓度甲烷气体的工作气体G1，通过压缩机1的吸气入口导入燃气轮机GT内。工作气体G1用压缩机1压缩，其高压的压缩气体G2输送至催化燃烧器2。该压缩气体G2通过催化燃烧器2的由铂或钯等催化剂进行的催化反应而燃烧，将由此生成的高温/高压的燃烧气体G3供给涡轮3，从而驱动涡轮3。涡轮3通过旋转轴5与压缩机1连接，通过该涡轮3来驱动压缩机1及发电机4。
燃气轮机GT还具备第一热交换器6，其利用来自涡轮3的废气G4对从压缩机1导入催化燃烧器2的压缩气体G2加热。将作为加热介质通过第一热交换器6的废气G4输送至低浓度甲烷气体氧化装置OD。来自该第一热交换器6的废气G4除了包含来自催化燃烧器2并通过涡轮3内部的未燃烧的甲烷气体以外，还包含用于涡轮3的轴部冷却的低浓度甲烷气体或从构成燃气轮机GT的部件间微小的间隙泄漏的低浓度气体。
低浓度甲烷气体氧化装置OD具备鼓风机11、第二热交换器13、催化剂层15及混合器17，在低浓度气体流动路径22上设置有鼓风机11、第二热交换器13、混合器17，所述低浓度气体流动路径22形成将作为氧化处理对象的低浓度气体G7供给催化剂层15的供给路径SP。从VAM供应源VS供给的低浓度气体G7经低浓度气体流动路径22，通过氧化装置侧过滤器23后，由鼓风机11输送至第二热交换器13。在第二热交换器13加热的低浓度气体G7在混合器17内与来自燃气轮机GT的高温废气G5混合。用混合器17混合的混合气体G9经形成供给路径SP的混合气体排出路24，进入通过催化燃烧进行氧化处理的催化剂层15内，在催化剂层15进行氧化处理后，在第二热交换器13加热低浓度气体G7，而后排出至系统外部。
在VAM供应源VS的下游侧设置有第一甲烷浓度传感器31，该第一甲烷浓度传感器31测定从VAM供应源VS供给的低浓度甲烷气体G7的甲烷浓度。此外，在从燃气涡轮发动机GT向混合器17的废气输送路径32上的混合器17的上游侧、低浓度气体流动路径22上的混合器17的上游侧以及在混合气体排出路24上的混合器17与催化剂层15之间，分别设置有测量气体温度的第一至第三温度传感器35、37、39。进而，在低浓度气体流动路径22上的鼓风机11与第二热交换器13之间，设置有流量控制阀41及流量计43。表示第一甲烷浓度传感器31、温度传感器35、37、39、流量计43的测定值的信号输入至控制器44，根据基于这些测定值从控制器44输出的流量控制信号，来控制流量控制阀41的开度，由此控制在低浓度气体流动路径22流动的低浓度气体G7的流量。
在低浓度气体流动路径22上，连接有将外部空气A导入低浓度气体流动路径22的吸气阻尼器45。在由第一甲烷浓度传感器31测定的从VAM供应源VS供给的低浓度气体G7的甲烷浓度超过规定值的情况下，打开连接在鼓风机11上游侧的吸气阻尼器45导入空气A，使甲烷浓度下降。从吸气阻尼器45导入空气A后的甲烷浓度通过连接在鼓风机11上游侧（氧化装置侧过滤器23与鼓风机11之间）的第二甲烷浓度传感器46测定。此外，在鼓风机11与流量控制阀41之间连接有放气阀47，在通过从吸气阻尼器45导入空气A也不能将甲烷浓度控制在规定值内的情况下，通过来自控制器44的放气指令信号打开放气阀47，将低浓度气体G7释放（放气）到外部。
如上所述，来自VAM供应源VS的低浓度气体G7作为燃料也供给燃气轮机GT。具体地，从低浓度气体流动路径22上的吸气阻尼器45的上游侧分支设置有用于将低浓度气体G7供给燃气轮机GT的压缩机1的分支供给路径51，通过该分支供给路径51向燃气轮机GT供给低浓度气体。在分支供给路径51的中途，设置有用于除去低浓度气体G7中含有的灰尘的分支路侧过滤器52。
换句话说，吸气阻尼器45连接在分支供给路径51从低浓度气体流动路径22分支的分支点P的下游侧。为了利用从吸气阻尼器45导入的空气A使作为氧化处理对象的低浓度气体G7的甲烷浓度下降，吸气阻尼器45的连接位置只要在从VAM供应源VS至混合器17之间，则无特别限定。但是，如本实施方式，通过在分支供给路径51从低浓度气体流动路径22分支的分支点P的下游侧连接吸气阻尼器45，将外部空气A导入分支点P的下游侧，从而能够避免供给作为利用于氧化处理的热供应源的燃气轮机GT的工作气体G1的浓度下降，避免燃气轮机GT的输出下降。
此外，为了将在低浓度气体流动路径22流动的低浓度气体G7释放到外部，放气阀47的连接位置只要在从VAM供应源VS至混合器17之间，则无特别限定。但是，为了更加有效地进行低浓度气体G7的释放，优选地，放气阀47连接在流量控制阀41的上游侧，从流量控制阀41的上游侧进行放气。进而，为了避免燃气轮机GT的输出下降或停止，优选地，放气阀47连接在分支供给路径51的分支点P的下游侧，从分支点P的下游侧进行放气。
根据本实施方式的系统ST，在能够有效利用燃气轮机GT的废热的同时，即使供给的低浓度甲烷气体的浓度发生变动，通过设置吸气阻尼器45或放气阀47等，能够避免催化剂层15烧坏，因此，能够使该系统ST稳定地运转。而且，由于作为燃气轮机GT利用贫燃料吸入燃气轮机，因此用于涡轮3的轴部冷却的低浓度甲烷气体或从构成燃气轮机GT的部件间微小的间隙泄漏的低浓度气体等，还有在燃气轮机GT未燃烧的低浓度气体，能够由低浓度甲烷气体氧化装置OD进行氧化处理。
图2是表示本发明的第二实施方式的氧化系统ST的简要结构图。以下，主要以与第一实施方式的不同点为中心对本实施方式的结构进行说明。在本实施方式中，作为燃气涡轮发动机GT，使用向燃烧器2直接喷射燃料F的类型的燃气轮机。此外，来自涡轮3的废气不与在低浓度甲烷气体氧化装置OD进行氧化处理的低浓度气体直接混合，仅在两气体间进行热交换。
具体地，在将来自涡轮3的废气排出的废气输送路径32上设置有废气热交换器53。通过第二热交换器13后的低浓度气体G7通过该废气热交换器53，从而利用废气G4的热量进行加热。通过废气热交换器53后的低浓度气体G7在催化剂层15进行氧化处理后，在第二热交换器13加热低浓度气体G7，而后排出至系统外部。
在低浓度气体流动路径22的连接第二热交换器13与废气热交换器53的部分的中途，配置有流动路径转换阀54。通过流动路径转换阀54的转换，能够将低浓度气体的流动路径在从第二热交换器13经过废气热交换器53流入催化剂层15的路径和从第二热交换器13不经过废气热交换器53而直接流入催化剂层15的路径之间选择性地转换。低浓度气体的流动路径的转换控制基于低浓度气体流动路径22上的设置在第二热交换器13下游侧的第4温度传感器61和设置在催化剂槽15上游侧的第5温度传感器63的各温度测定值来进行。具体地，在低浓度甲烷气体氧化装置OD起动时，预先设定流动路径转换阀54，使低浓度气体G7通过废气热交换器53，之后，在由第4温度传感器61测定的低浓度气体温度变得高于由第5温度传感器63测定的气体温度的情况下，转换流动路径，使低浓度气体G7不通过废气热交换器53而直接流入催化剂层15。
另外，作为本实施方式的变形例，如图2中以单点划线所示，也可以在废气输送路径32的中途设置追加的催化剂层65，增加在燃气轮机GT侧的低浓度甲烷气体处理量。或者，也可以省略从低浓度气体流动路径22向燃气轮机GT的分支供给路径51，将空气作为工作气体吸入压缩机1。
根据本实施方式的氧化系统ST及氧化方法，由于应在催化剂层15处理的气体量比第一实施方式少，因此，能够减少在催化剂层15中使用的催化剂的量。
如上所述，根据本实施方式的低浓度甲烷气体氧化系统ST，即使在VAM或CMM燃料浓度发生急剧变动的情况下，也能够避免催化剂层15烧坏而稳定地运转。
如上，参照附图对本发明的最佳实施方式进行了说明，但在不脱离本发明的主旨的范围内，能够进行各种追加、改变或删除。因此，这样的追加、改变及删除也包含在本发明的范围内。
附图标记说明
1   压缩机
2   催化燃烧器
3   涡轮
4   发电机
6   第一热交换器
13  第二热交换器
15  催化剂层
17  混合器
22  低浓度气体流动路径
45  吸气阻尼器
47  放气阀
GT  燃气轮机
SP  低浓度气体的供给路径
ST  低浓度甲烷气体氧化系统
OD  低浓度甲烷气体氧化装置

Claims (6)

1.一种低浓度甲烷气体氧化系统，其利用燃气涡轮发动机的废热对低浓度甲烷气体进行氧化处理；
具备供应源、催化剂层及吸气阻尼器；
所述供应源供给作为氧化处理对象的所述低浓度甲烷气体；
所述催化剂层通过催化燃烧对所述低浓度甲烷气体进行氧化处理；
所述吸气阻尼器与从所述供应源向所述催化剂层供给所述低浓度甲烷气体的供给路径连接，在该供给路径内的甲烷浓度超过规定值时，将外部空气导入该供给路径。
2.根据权利要求1所述的低浓度甲烷气体氧化系统，其特征在于，在所述供给路径上连接有放气阀，所述放气阀在该供给路径内的甲烷浓度超过规定值时，将该供给路径内的气体释放到外部。
3.根据权利要求1所述的低浓度甲烷气体氧化系统，其特征在于，所述燃气涡轮发动机是将从所述供应源供给的低浓度甲烷气体作为工作气体利用的贫燃料吸入燃气轮机，在从所述供给路径向所述燃气涡轮发动机供给低浓度气体的分支供给路径的分支点的下游侧连接有所述吸气阻尼器。
4.一种低浓度甲烷气体氧化方法，其利用燃气涡轮发动机的废热对低浓度甲烷气体进行氧化处理；
包括氧化工序和外气导入工序；
所述氧化工序通过催化燃烧对从供应源供给的所述低浓度甲烷气体进行氧化处理；
所述外气导入工序，在从所述供应源供给所述低浓度甲烷气体的供给路径内的甲烷浓度超过规定值时，将外部空气导入所述供给路径。
5.根据权利要求1所述的低浓度甲烷气体氧化方法，其特征在于，还包括放气工序，所述放气工序在所述供给路径内的甲烷浓度超过规定值时，将该供给路径内的气体释放到外部。
6.根据权利要求1所述的低浓度甲烷气体氧化方法，其特征在于，所述燃气涡轮发动机，是将从所述供应源供给的低浓度甲烷气体作为工作气体利用的贫燃料吸入燃气轮机；所述外气导入工序，在从所述供给路径向所述燃气涡轮发动机供给低浓度气体的分支供给路径的分支点的下游侧，导入所述外部空气。
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