JP2003074373A

JP2003074373A - タービン装置

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Publication number: JP2003074373A
Application number: JP2001265747A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Kagiya; 屋慎一鍵; Satoru Yamagishi; 岸哲山
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2001-09-03
Filing date: 2001-09-03
Publication date: 2003-03-12
Anticipated expiration: 2021-09-03
Also published as: JP4651073B2

Abstract

(57)【要約】【課題】不活性ガス貯蔵手段を別途設けること無く、
且つ、安定した酸素パージ能力を得ることが出来る様な
バイオガス燃焼タービン装置の提供。【解決手段】バイオガス（Ｆｂ）を発生させて燃焼器
（３）に供給するバイオガス発生手段（例えば発酵槽
（５））と、排気ガスライン（Ｌ９）に介装され且つそ
の内部で排気ガス（Ｇｅ）及び燃料（追焚燃料：例えば
都市ガス（Ｆｏ））を燃焼するボイラ（１１）と、ボイ
ラ（１１）で燃焼された後の排気ガス（Ｇｅ１）の一部
或いは全部を前記バイオガス発生手段（５）に供給する
排気ガス循環系統２３Ａ（排気ガス分配装置（２３）、
排気ガス循環用ライン（Ｌ２３））、とを有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、嫌気性発酵により
発生するバイオガス（例えばメタンガスと二酸化炭素の
混合物）を燃焼器で燃焼し、その排気により駆動するタ
ービン装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５に示す従来のバイオガス燃焼タービ
ン装置は、ガスタービンエンジンＡｔと、発電機８と、
バイオガス発生装置５Ａ、とで主要構成がされている。
ガスタービンエンジンＡｔは、燃焼用空気１を吸入する
吸気ラインＬ１と、吸入空気１を圧縮するターボ圧縮機
２と、圧縮空気ＦａとバイオガスＦｂを燃焼させる燃焼
器３と、燃焼排気ガスＧｅにより旋回するタービン４と
で構成されている。タービン４とターボ圧縮機２とは、
回転軸２ｊによって連結されている。タービン４に、回
転軸４ｊを介して回転エネルギを吸収する発電機８が連
結されている。バイオガス発生装置５Ａは、バイオガス
発酵槽５と、バイオガス発酵に必要な熱を供給したり、
有機性廃棄物７を乾燥する加温装置１４とで構成されて
いる。符号１２は、排気ガスＧｅの熱量を回収する熱交
換器で、熱交換器１２に連通する熱流ライン１４ａで熱
量を授受し、ライン１２ａに連通する加温装置１４で熱
量を放出するよう構成されている。上記によるバイオガ
ス燃焼タービン装置は、酸素で発酵が抑制される嫌気性
細菌が作用する嫌気性発酵槽５に依存しているため、バ
イオガスＦｂの生成供給が安定せずに、発電量が一定値
になりにくい欠点がある。また、発酵槽５内の酸素量を
低減あるいは除去する手段を有していないので、発生ガ
ス量を確保するための発酵槽の容量が大になる、等の欠
点があった。

【０００３】特開２０００−３３１７０１号公報は、発
電装置として使用する燃料電池の廃熱を回収して、メタ
ン発酵槽の加温に使用する技術を開示している。係る技
術によれば、熱の有効利用ができて、発電システムとし
ての全体の効率向上がはかられている。しかし、この技
術は、メタン発酵槽への酸素侵入あるいは侵入した酸素
の排出手段がない欠点を有している。また、発電装置が
燃料電池であって本発明の技術分野のタービン装置とは
異なっている。

【０００４】発酵槽への酸素の侵入に対しては、例えば
特開昭６２−２４４５００号公報の技術では、何等かの
理由で酸素が侵入してしまった場合に、窒素または二酸
化炭素ガス等の不活性ガスによって発酵槽内の侵入酸素
をパージする技術を開示している。この技術は、発酵槽
でのバイオガスの発生を安定させるのに有効であるが、
不活性ガスを貯蔵ボンベから得るようにしてあり不活性
ガスの補給及びコスト面での欠点がる。またこの技術
は、メタン発酵に関する技術であって、本発明の技術分
野のタービン装置とは異なっている。

【０００５】また、特開２０００−２２９２９８号公報
で開示された技術では、嫌気性廃水処理の発酵装置で出
来たメタンガスをもう一度発酵装置に戻して、酸素をパ
ージ脱酸し、発酵装置内の嫌気性細菌を活性化させるよ
うにしている。しかしながら、バイオガス発酵装置等の
低酸素化に、そこで発生したバイオガスを使用するので
は、バイオガスの発生量が不安定である影響を受けて、
十分に酸素をパージ出来ない恐れがある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上述した従来
技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、不活性ガ
ス貯蔵手段を別途設けること無く、且つ、安定した酸素
パージ能力を得ることが出来る様なタービン装置の提供
を目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のタービン装置
は、バイオガス（Ｆｂ）を発生させて燃焼器（３）に供
給するバイオガス発生手段（例えば発酵槽（５））と、
排気ガスライン（Ｌ９）に介装され且つその内部で排気
ガス（Ｇｅ）及び燃料（追焚燃料：例えば都市ガス（Ｆ
ｏ））を燃焼するボイラ（１１）と、ボイラ（１１）で
燃焼された後の排気ガス（Ｇｅ１）の一部或いは全部を
前記バイオガス発生手段（５）に供給する排気ガス循環
系統（排気ガス分配装置（２３）、排気ガス循環用ライ
ン（Ｌ２３ｂ））、とを有している（請求項１：図１、
図３）。

【０００８】ここで、前記排気ガス循環系統は、排気ガ
スライン（Ｌ９）に介装された排気ガス分配装置（１
３）と、該排気ガス分配装置（１３）から前記バイオガ
ス発生手段（バイオガス発生装置、或いは、発酵槽
（５））に連通する排気ガス循環用ライン（Ｌ２３）を
含んでいる（請求項２：図１、図３）。

【０００９】係る構成を具備する本発明のタービン装置
によれば、排気ガスそのものを嫌気性発酵を行うバイオ
ガス発生手段（バイオガス発生装置、或いは、発酵槽
（５））に戻している。ここで、排気ガス中には大量の
酸素が残留しているので、排気ガス（Ｇｅ）をそのまま
バイオガス発生手段（発酵槽（５））に供給してしまう
と、却って、嫌気性発酵を阻害して、バイオガス（Ｆ
ｂ）の発生に悪影響を及ぼしてしまう。しかしながら、
本発明では、排気ガスライン（Ｌ９）に介装されたボイ
ラ（１１）で燃料（Ｆｏ）によって排気ガス（Ｇｅ）を
燃焼させることにより、排気ガス（Ｇｅ）中に残存する
酸素を消費しつくして、その後に、排気ガス循環系統
（排気ガス分配装置（１３）、排気ガス循環用ライン
（Ｌ２３））を介してバイオガス発生手段（発酵槽
（５））に供給している。ボイラ（１１）で燃焼後の排
気ガスの主成分は、窒素と二酸化炭素であり、不活性ガ
スである。これをバイオガス発生手段（５）に加えるこ
とにより、酸素を不活性ガスでパージすることになる。
すなわち、バイオガス発生手段（５）内の酸素濃度が低
下し、嫌気性発酵が促進される。

【００１０】また、ボイラ（１１）で燃焼後の排気ガス
（Ｇｅ１）をバイオガス発生手段（５）に加えることに
より、当該排気ガス（Ｇｅ１）が保有する熱量がバイオ
ガス発生手段（５）に投入され、嫌気性発酵がさらに促
進される。

【００１１】本発明によれば、ボイラ（１１）で燃焼後
の排気ガス（Ｇｅ１）を用いてバイオガス発生手段（発
酵槽（５））内の酸素パージを行うので、不活性ガス貯
蔵手段を別途設ける必要が無い。また、発生したバイオ
ガス（Ｆｂ）をバイオガス発生手段（発酵槽（５））に
戻す必要が無く、発生したバイオガス（Ｆｂ）を全て燃
焼器（３）に投入することが出来るので、バイオガス発
生量に不均一が生じたとしても、それに起因する悪影響
が可能な限り抑制され、安定した酸素パージ能力を得る
ことが出来る。

【００１２】本発明の実施に際して、バイオガス発生手
段（バイオガス発生装置、或いは、発酵槽（５））から
発生したバイオガス（Ｆｂ）の発生量を計測するバイオ
ガス発生量計測手段（流量計（２７））と、該計測手段
（２７）の計測結果に基いて前記排気ガス分配装置（１
３）に制御信号を出力して前記排気ガス循環用ライン
（Ｌ２３ｂ）を流過する排気ガス流量を制御する制御手
段（ＣＵ（３０））と、前記バイオガス発生量計測手段
（流量計（２７））と制御手段（ＣＵ（３０））と排気
ガス分配装置（１３）との間で信号を伝達するための信
号伝達ライン（（２７ｓ）、（３０ｃ））とを有してお
り、前記制御手段（ＣＵ（３０））は、計測されたバイ
オガス（Ｆｂ）流量が少ない場合はバイオガス発生手段
（５）に供給される（ボイラ１１で燃焼した後の）排気
ガス（Ｇｅ１：０２濃度低）の流量を増加し、計測され
たバイオガス（Ｆｂ）流量が過剰である場合はバイオガ
ス発生手段（５）に供給される（ボイラ１１で燃焼した
後の）排気ガス（Ｇｅ１：０２濃度低）の流量を減少す
る制御信号を発生する様に構成されている（請求項３、
図３、図４）。

【００１３】係る構成を採用したならば、バイオガス
（Ｆｂ）流量が少ない場合、バイオガス発生手段（５）
に供給される（ボイラ１１で燃焼した後の）排気ガス
（Ｇｅ１：酸素濃度低）の流量が増加するので、殆ど不
活性ガスとみなせる低酸素濃度の排気ガス（Ｇｅ１）に
より、バイオガス発生手段（５）内の酸素がパージさ
れ、嫌気性発酵が促進される。また、前記排気ガス（Ｇ
ｅ１）が保有する熱量が投入されることにより、バイオ
ガス発生手段（５）内の温度が上昇して、嫌気性発酵が
促進される。その結果、バイオガス発生量が増加する。
バイオガス（Ｆｂ）流量が多い場合は、バイオガス発生
手段（５）内の酸素をパージするパージガス量が減少す
るので、バイオガス発生手段（５）内の酸素濃度は減少
せず、嫌気性発酵が阻害される。また、排気ガス流量が
減少することにより、バイオガス発生手段（５）に投入
される熱量も減少するため、バイオガス発生手段（５）
内の温度は上昇せず、嫌気性発酵は促進されない。その
結果、バイオガス（Ｆｂ）発生量は減少する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明のタ
ービン装置の実施形態を説明する。図５の従来技術で使
用した装置、部材の名称と符号は、構成、機能が同じも
のは同名称、同符号を重ねて使用する。

【００１５】第１の実施形態を示す図１において、ター
ビン装置は、ガスタービンエンジンＡｔと、エンジンＡ
ｔにバイオガスＦｂを供給するバイオガス発生手段５Ｂ
と、エンジンＡｔの排気ガスラインＬ９に介装されたボ
イラ１１と、ボイラ１１の後流で排気ガスラインＬ９に
介装された排気ガス循環系統２３Ａ、とで主要部が構成
されている。

【００１６】エンジンＡｔは、燃焼用空気１を吸入する
吸気ラインＬ１と、吸入空気１を圧縮するターボ圧縮機
２と、ターボ圧縮機２で圧縮された圧縮空気Ｆａとバイ
オガスＦｂと都市ガスＦｔ、とを混合燃焼させる燃焼器
３と、排気ガスＧｅにより旋回するタービン４とで構成
されている。タービン４とターボ圧縮機２とは、回転軸
２ｊによって連結されている。タービン４に、回転軸４
ｊを介して回転エネルギを吸収する発電機８が連結され
ている。

【００１７】バイオガス発生手段５Ｂは、バイオガス発
酵槽５と、バイオガス発酵に必要な熱を供給したり、有
機性廃棄物７を乾燥しする加温装置２４とで構成されて
いる。バイオガス発酵槽５と燃焼器３との間に混合率制
御装置１６が介装され、混合率制御装置１６と燃焼器３
とはラインＬ１６で連通され、混合率制御装置１６とバ
イオガス発酵槽５とはラインＬ５で連通されている。混
合率制御装置１６に都市ガス供給源１７がラインＬ１７
で連通されている。

【００１８】タービン４に、外部に連通する前記排気ガ
スラインＬ９が設けられ、ラインＬ９にＮＯｘ検出装置
１５と、前記ボイラ１１と、エコノマイザ２２と、排気
ガス分配装置２３が介装されている。ＮＯｘ検出装置１
５は、燃焼器３の排気中における窒素酸化物（ＮＯｘ）
量を計測し、信号伝達ライン１５ｓによって制御装置２
０に連通され、制御装置２０は信号伝達ライン２０ｃに
よって混合率制御装置１６に連通されている。

【００１９】ボイラ１１は、外部の燃料源１０にライン
Ｌ１０で連通され、都市ガス等の追焚燃料Ｆｏによって
排気ガスＧｅ中の残留酸素濃度を低下させて、低酸素排
気ガスＧｅ１にするよう構成されて装着されている。ボ
イラ１１内に熱交換器２１が内装されている。エコノマ
イザ２２は、排気ガスＧｅ１と熱的に接して、ラインＬ
ｗ内の流水Ｗで受熱する熱交換機能を有し、熱交換器２
１に連通するよう構成されている。熱交換器２１は、ラ
インＬｗによって蒸気分配装置２５に連通されている。
蒸気分配装置２５は、吐出側の一方がラインＬ２５ａに
よって燃焼器３に連通され、他方が加温装置２４を介装
するラインＬ２５ｂに連通されている。

【００２０】加温装置２４は、外部の有機性廃棄物供給
源からラインＬ７によって供給される有機性廃棄物７
を、ラインＬ２５ｂを流過する温水によって乾燥させる
熱交換機能を有して構成され、ラインＬ２４で発酵槽５
に連通されている。

【００２１】排気ガス循環系統２３Ａは、排気ガス分配
装置２３と、排気ガス分配装置２３から分配される排気
ガス循環用ラインＬ２３、とで構成されている。排気ガ
ス分配装置２３は、エコノマイザ２２に連通するライン
Ｌ９に介装されていて、排気ガスＧｅ１を外部に排出す
ると共にその１部または全部を、排気ガス循環用ライン
Ｌ２３を介してバイオガス発酵槽５に分配供給するよう
構成されている。

【００２２】上記第１実施形態の作用について説明す
る。エンジンＡｔの燃焼器３は、圧縮空気Ｆａと、混合
率制御装置１６でバイオガスＦｂと都市ガスＦｔを混合
された燃料ガスＦ１６、とを燃焼してタービン４を駆動
する。タービン４の駆動によって、発電機８で発電する
と共に、ターボ圧縮機２を駆動する。

【００２３】タービン４から排出された残存酸素を多量
に含んだ排気ガスＧｅは、ＮＯｘ検出装置１５を経由し
て、ボイラ１１に導かれる。ボイラ１１に導かれた排気
ガスＧｅは、外部燃料Ｆｏ用のバーナによって未燃の含
有酸素を燃焼され、かつ加熱されて、不活性な低酸素排
気ガスＧｅ１となって、エコノマイザ２２を経由して排
気ガス分配装置２３に導かれる。排気ガス分配装置２３
に導かれた低酸素排気ガスＧｅ１は、分配した一方をラ
インＬ９で外部に排気し、他方をラインＬ２３を介して
発酵槽５に送る。

【００２４】発酵槽５では、加温装置２４で加熱、乾燥
された有機性廃棄物７が、嫌気性細菌によりメタンと二
酸化炭素の混合物であるバイオガスＦｂを生成する。こ
のバイオガスＦｂの生成時に、発酵槽５内の酸素をライ
ンＬ２３からの低酸素排気ガスＧｅ１でパージして嫌気
性細菌の活性化をはかっている。

【００２５】ラインＬｗに流入した水Ｗは、エコノマイ
ザ２２で加熱され、ついで、ボイラ１１内の熱交換器２
１で加熱され１部は蒸気となって蒸気分配器２５に行
く。蒸気分配器２５では、蒸気の１部がＬ２５ａを介し
て燃焼器３に行き回転力を助長し、その他は温水と共に
加温装置２４で有機性廃棄物７を加熱し、脱水、昇温さ
せる。

【００２６】上記の作用の過程で、制御装置２０は、図
２に示すフローチャートのように制御作動を行う。ステ
ップＳ１においては、ＮＯｘ検出装置１５でＮＯｘ量を
計測する。ステップＳ２では、ステップＳ１で計測され
たＮＯｘ量が許容値以下であるか否かを判断する。ＮＯ
ｘ検出装置１５で計測されたＮＯｘ量が許容値を上回っ
ている場合には（ステップＳ２がＮｏ）、ステップＳ３
に行く。ステップＳ３では、空燃比を下げてＮＯｘ発生
量を減少させるべく、都市ガスＦｔの量を減量してその
混合率を減少させる。換言すれば、供給される混合ガス
におけるバイオガスＦｂの量を増量して、バイオガスＦ
ｂの混合率を増加する。ここで、制御装置２０による制
御は自動制御のみならず、マニュアル制御でもよい。上
記のようにして、変動するバイオガスＦｂの生成量によ
り、燃焼器３の排気注のＮＯｘ量が増加しない様に、都
市ガスＦｔとバイオガスＦｂとの混合率を常時制御する
のである。

【００２７】上記のようにして、バイオガスＦｂと都市
ガスＦｔを混合して燃焼させ、所定の負荷である所定発
電量を維持する。

【００２８】図３は、本発明のタービン装置の第２実施
形態を示している。図１と異なる部分を主体に説明す
る。図３において、発酵槽５と混合率制御装置１６とを
連通するラインＬ５に、バイオガスＦｂの発生量である
流量を計測するためにバイオガス発生量計測手段の流量
計２７が介装されている。流量計２７は、信号伝達ライ
ン２７ｓによって制御装置３０に連通されており、制御
装置３０は信号伝達ライン３０ｃによって排気ガス分配
装置２３に連通されている。制御装置３０は、流量計２
７からの計測結果を受信して、排気ガス分配器２３の排
気ガスＬ２３への分配量を制御する機能を有して構成さ
れている。上記以外の構成は、図１の第１実施形態の構
成と同じである。

【００２９】図３の第２実施形態の作用を、図１と異な
る部分について説明する。発酵槽５で生成するバイオガ
スＦｂの量は、流量計２７で計測され信号ライン２７ｓ
によって制御装置３０に伝達される。

【００３０】制御装置３０は、図４に示すフローチャー
トのように制御作動を行う。ステップＳ１１において
は、バイオガス流量計２７でラインＬ５を流れるバイオ
ガスＦｂ発生量を計測する。ステップＳ１２では、バイ
オガス発生量が適正であるかを判断する。即ち、バイオ
ガス発生量が所定値にあるか否かを判断する。所定値以
下の発生量であれば、ステップＳ１３に、所定値以上で
あればステップＳ１４に行く。ステップＳ１３では、低
酸素排気ガスＧｅ１のバイオガス発酵槽５への分配流量
を増量するように、排気ガス分配装置２３への制御信号
を送信する。即ち、排気ガスＧｅ１のバイオガス発酵槽
５への分配量増量によって、発酵槽５内の酸素が低酸素
排気ガスＧｅ１でパージされ、かつ低酸素排気ガスＧｅ
１の保有する熱量の付与によって嫌気性細菌が活性化
し、バイオガスＦｂの発生量を増加させるようにする。
ステップＳ１４では、低酸素排気ガスＧｅ１のバイオガ
ス発酵槽５への分配流量を減量するように、排気ガス分
配装置２３への制御信号を送信する。即ち、排気ガスＧ
ｅ１のバイオガス発酵槽５への分配量減量によって、発
酵槽５内の酸素が低酸素排気ガスＧｅ１でパージされる
量を減少させて、かつ低酸素排気ガスＧｅ１の保有する
熱量の付与減少によって嫌気性細菌の活性を抑制し、バ
イオガスＦｂの発生量を減少させるようにする。制御装
置３０による制御は、自動制御にかわるマニュアル制御
でもよい。上記のようにして、変動するバイオガスＦｂ
の生成量を、低酸素排気ガスＧｅ１の供給量を調整する
ことで増減させる。

【００３１】上記のようにして、バイオガスＦｂと都市
ガスＦｔを混合して燃焼させ、所定の負荷である所定発
電量を維持する。

【００３２】なお、図示の実施形態はあくまでも例示で
あり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではな
い。例えば、図示の実施形態では、ガスタービン装置に
より発電装置を駆動しているが、本発明のタービン装置
は発電装置以外の機器を駆動するものであっても良い。

【００３３】

【発明の効果】本発明の作用効果を以下に列挙する。（１）バイオガス発酵槽によるバイオガスと、都市ガ
ス、との混焼による発電のため、バイオガス生成に変動
があっても都市ガスの補完によって、所定の発電量を確
保できる。（２）排気ガスラインに介装したＮＯｘ検出装置の検
出結果によって発電量を判断し、混合率制御装置で所定
の燃料熱量をエンジンに供給するので、所定の発電量を
確保できる。（３）排気ガスラインに介装したボイラによって酸素
成分の多い排気ガスを低酸素排気ガスに変え、この低酸
素排気ガスでバイオガス発酵槽内の酸素をパージさせる
ので、嫌気性細菌を活性化させてバオイガスの生成を確
保できる。したがって、バイオガス生成量確保のための
生成設備を、コンパクトにできる。（４）バイオガス流量計と制御装置を設ければ、排気
ガス分配装置での発酵槽への低酸素排気ガスによるパー
ジ量を制御することでバイオガスの生成量を制御でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示す構成図。

【図２】第１実施形態における出力（発電量）制御を示
すフローチャート。

【図３】本発明の第２実施形態を示す構成図。

【図４】第２実施形態におけるバイオガス発生量の制御
を示すフローチャート。

【図５】従来のバイオガス燃焼タービン装置。

【符号の説明】

Ａｔ・・ガスタービンエンジン３・・・燃焼器４・・・タービン５・・・バイオガス発生手段（発酵槽）８・・・発電機Ｌ９・・排気ガスライン１１・・ボイラ１５・・ＮＯｘ検出装置１６・・混合率制御装置２０、３０・・制御装置２３Ａ・・排気ガス循環系統２３・・排気ガス分配装置Ｌ２３・・排気ガス循環用ライン２４・・加温装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】バイオガスを発生させて燃焼器に供給す
るバイオガス発生手段と、排気ガスラインに介装され且
つその内部で排気ガス及び燃料を燃焼するボイラと、ボ
イラで燃焼された後の排気ガスの一部或いは全部を前記
バイオガス発生手段に供給する排気ガス循環系統、とを
有していることを特徴とするタービン装置。
【請求項２】前記排気ガス循環系統は、排気ガスライ
ンに介装された排気ガス分配装置と、該排気ガス分配装
置から前記バイオガス発生手段に連通する排気ガス循環
用ラインを含んでいる請求項１のタービン装置。
【請求項３】バイオガス発生手段から発生したバイオ
ガスの発生量を計測するバイオガス発生量計測手段と、
該計測手段の計測結果に基いて前記排気ガス分配装置に
制御信号を出力して前記排気ガス循環用ラインを流過す
る排気ガス流量を制御する制御手段と、前記バイオガス
発生量計測手段と制御手段と排気ガス分配装置との間で
信号を伝達するための信号伝達ラインとを有しており、
前記制御手段は、計測されたバイオガス流量が少ない場
合はバイオガス発生手段に供給される排気ガスの流量を
増加し、計測されたバイオガス流量が過剰である場合は
バイオガス発生手段に供給される排気ガスの流量を減少
する制御信号を発生する様に構成されている請求項２の
タービン装置。