JP2005264730A - バイオマスガス燃焼ガスエンジン装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】
本発明の目的は、木質系乾留ガスの使用に際し、その発熱量不足や発熱量変動が生じてもエンジン出力の変動が少なく、エンジン停止を生じることのないバイオマスガス燃焼ガスエンジン装置を提供することにある。
【解決手段】
本発明は、木質系乾留ガスと該木質系乾留ガスより高い発熱量を有する炭化水素系ガスとをガスエンジンに供給する手段と、前記木質系乾留ガスの発熱量を計測する手段と、前記木質系乾留ガスの発熱量に応じて前記炭化水素系ガスの供給量を制御する炭化水素系ガス流量制御装置とを有することを特徴とするバイオマスガス燃焼ガスエンジン装置にある。
【選択図】 図１

Description

本発明は、木材チップなどの木質系バイオマス資源の熱分解により発生する木質系乾留ガスを燃料とする新規なバイオマスガス燃焼ガスエンジン装置とその運転方法に関する。
木材チップなどの木質系バイオマス資源を熱分解することにより、可燃性の木質系乾留ガスが発生する。この木質系乾留ガスから発電する技術としては、ボイラで燃焼して蒸気タービンで発電する方式と、ガスエンジンやガスタービンの燃料として直接燃焼する方式が挙げられる。木質系バイオマス資源は温室効果ガスの排出係数がゼロであり、環境性能に優れた新エネルギー資源として位置付けられている。その中で、木質系バイオマス資源を炭化・熱分解した際に発生する木質系乾留ガスをガスエンジン発電設備の燃料ガスとして利用すると、他の方式に比べ、発電効率が高く、また、設備規模を小さくすることが可能である。
しかしながら、ガスエンジンの燃料として従来から使用されている燃料ガスの発熱量は、13A都市ガスが41.6MJ/m3N、プロパンガスが93.6MJ/m3Nと高く安定しているが、木質系乾留ガスは水素、一酸化炭素などの可燃性分の他に二酸化炭素を含むため、その発熱量が約4.6MJ/m3Nと低く、ガスエンジンの安定した燃焼に必要な発熱量以下であるので、単独で使用することが難しい。
こうした木質系乾留ガスの発熱量を高める燃料改質技術の例として、木質系乾留ガスから抽出したタール分を薬液注入で中和した水と混合し、乾留ガス炉内で水性ガス反応によって木質系乾留ガスの発熱量を高め、ガスエンジンに供給して発電機を駆動し発電する技術が特許文献１に記載されている。
特開平５-２６４０２１号公報
しかし、特許文献１においては、木質系乾留ガス自体から抽出したタール分を再利用して改質ガスを精製することは可能ではあるものの、これを木質系バイオマスの乾留ガスに適用する場合は水分量や木種により発生する乾留ガスの成分、発熱量が大きく変化することから、ガスエンジンの燃料として使用できるような安定した燃料ガスへ改質することは難しい。
又、改質することにより乾留ガスの発熱量をガスエンジンの燃料として使用可能なレベルまで高めることができるが、木質系バイオマス資源では水分や木種の相違により発生する乾留ガスの発熱量が変化するので燃料改質のみでは、全体的な発熱量の増加は図れても、その変動までを抑制することができない。このため、ガスエンジンの燃料として従来技術の乾留ガスを使用した場合、発熱量変動により燃焼不安定となり、エンジン出力の変動やエンジン停止となる問題が発生する。
本発明の目的は、木質系乾留ガスの使用に際し、その発熱量不足や発熱量変動が生じてもエンジン出力の変動が少なく、エンジン停止を生じることのないバイオマスガス燃焼ガスエンジン装置を提供することにある。
本発明は、木質系バイオマス資源を熱分解することにより発生する木質系乾留ガスを、都市ガス、プロパンガスなどの炭化水素系ガスと共にガスエンジンのシリンダ内へ供給し混焼するもので、その木質系乾留ガスを空気に混合して供給すると共に、その木質系乾留ガスの発熱量を計測し、この発熱量の大小に基づき、炭化水素系ガスの供給量を調整することにより、燃料ガス全体の発熱量変動を抑制し、ガスエンジン出力の変動量を小さくすると共に燃焼安定化を図ることが可能となる。
即ち、本発明は、木質系乾留ガスと空気との混合気をガスエンジンに供給する手段と、前記木質系乾留ガスより高い発熱量を有する炭化水素系ガスをガスエンジンに供給する手段と、前記木質系乾留ガスの発熱量を計測する手段と、前記木質系乾留ガスの発熱量に応じて前記炭化水素系ガスの供給量を制御する炭化水素系ガス流量制御装置とを有することを特徴とするバイオマスガス燃焼ガスエンジン装置にある。
又、本発明は、木質系乾留ガスと空気との混合気をガスエンジンに供給する手段と、前記木質系乾留ガスより高い発熱量を有する炭化水素系ガスをガスエンジンに供給する手段と、空燃比制御装置によって供給される空気を前記ガスエンジンに供給する手段とを有することを特徴とするバイオマスガス燃焼ガスエンジン装置にある。
本発明は、より具体的には、木質系乾留ガス配管を通して木質系乾留ガスをガスエンジンに送給する手段と、前記木質系乾留ガス配管に接続された発熱量計と、該発熱量計によって発熱量が計測された前記木質系乾留ガスと空気との混合気をガスエンジンに供給する手段と、空燃比制御装置によって供給される空気を前記ガスエンジンに供給する手段と、前記木質系乾留ガスより高い発熱量を有する炭化水素系ガスを前記ガスエンジンに供給する手段と、前記木質系乾留ガスの発熱量に応じて前記炭化水素系ガスの供給量を制御する炭化水素系ガス流量制御装置とを有することを特徴とするバイオマスガス燃焼ガスエンジン装置にある。
又、より具体的には、ガスホルダーに貯蔵された木質系乾留ガスを木質系乾留ガス配管によって送給する押込みファンと、前記木質系乾留ガス配管に接続された発熱量計と、該発熱量計によって発熱量が計測された前記木質系乾留ガスと空気との混合気をガスエンジンに供給する混合気供給配管と、前記木質系乾留ガスより高い発熱量を有する炭化水素系ガスを前記ガスエンジンに供給する炭化水素系供給配管と、前記木質系乾留ガスの発熱量に応じて前記炭化水素系ガスの供給量を調節する炭化水素系ガス調節弁と、該炭化水素系ガス調節弁を制御する炭化水素系ガス流量制御装置と、前記炭化水素系ガスを前記ガスエンジンに供給する前記炭化水素系ガス供給配管とを有することを特徴とするバイオマスガス燃焼ガスエンジン装置にある。
本発明によれば、木質系乾留ガスの使用に際し、その発熱量不足や発熱量変動が生じてもエンジン出力の変動が少なく、エンジン停止を生じることのないバイオマスガス燃焼ガスエンジン装置とその運転方法を提供することができる。
図１は本発明のバイオマスガス燃焼ガスエンジン発電設備の構成図である。本実施例は、ガスエンジン８の燃料としてプロパンガスと、更に、吸入空気に木質系バイオマス資源の熱分解により発生した木質系乾留ガスとを混合させて燃焼させるものである。ガスホルダー１には木質系バイオマス資源を熱分解した際に発生した木質系乾留ガスが貯蔵されている。ガスホルダー１内の木質系乾留ガスは押込みファン２により木質系乾留ガス配管１２を通してエアフィルタ４を通過した吸入空気系統に混合される。木質系乾留ガス配管１２には木質系乾留ガスの発熱量を計測するための発熱量計３が設置される。木質系乾留ガスと吸入空気との混合気体は混合気供給配管１７よりガスエンジン８のシリンダ内に後述する空燃比制御装置１５によって供給量が制御される空気と共に導入される。木質系乾留ガスは混合気に対して一定量の割合で供給される。
木質系乾留ガスは大気による自燃式炭化炉で炭化され、同時に生成されるタール及び水分が除去されたもので、可燃分として、主なＣＯと、若干のＨ２とを有し、多くのＮ２ガスを有するものである。従って、木質系乾留ガスの発熱量は約4.6MJ/m3Nと低く、前述のように、シリンダ内へは空気と共に所定の空燃比に基づいて供給することによって有効に利用することができる。
又、燃料ガスボンベ６にはプロパンガスが入っており、混合気体とは別系統のプロパン燃料ガス配管１３を経由してガスエンジン８のシリンダ内に４サイクルエンジンにおける燃料噴射弁によるガソリンの注入と同様に導入される。
本実施例におけるガスエンジン８の点火方式は、シリンダ内に導入された混合気体とプロパンガスとをシリンダ内でピストンにより圧縮した後、電気スパークにて点火燃焼させるものであるが、常時、点火用燃料を噴霧し、火種によって点火するなど、ガスエンジンの点火方式としては種々可能である。
一方、プロパン燃料ガス配管１３には燃料ガス調整弁７及び発熱量計３によって制御されるプロパン燃料ガス流量制御装置１６が設置される。木質系バイオマス資源の水分量や木種の相違により変化する木質系乾留ガスの発熱量に応じてプロパン燃料ガス流量制御装置１６により燃料ガス調整弁７を制御し、シリンダ内へのプロパン燃料ガス供給量が調節される。すなわち、木質系乾留ガスの発熱量が低くなった場合には、発熱量の高いプロパン燃料ガス供給量を増加させ、木質系乾留ガスの発熱量が高くなった場合には発熱量の高いプロパン燃料ガス供給量を減少させる。これにより、ガスエンジン８へ導入する燃料入熱量をほぼ一定に維持可能となり、この結果、発電機９の出力の変動を抑制できると共に燃焼安定性も確保される。
また、ガスエンジン８から発生する排気ガスは排ガスダクト１４を経由して排気筒１１から大気へ放出される。排ガスダクト１４には酸素計１０が設置されて、空燃比制御装置１５により吸入空気量が吸入空気バイパス弁５を通して制御される。本実施例での空燃比制御装置１５は、酸素計１０により排ガス中の酸素を0％となるように吸入空気バイパス弁５をフィードバック制御する三元触媒方式であるが、発電機９の出力信号を検知し、吸入空気量を吸入空気バイパス弁５により制御する希釈燃焼方式にすることも可能である。
図２は木質系乾留ガスの発熱量が±30％変化した場合のガスエンジンに投入するプロパンガス量の変化を示す特性図である。図２の特性はガスエンジンの安定した燃料として従来から実績のある13A都市ガスの発熱量と同等になるようにプロパンガスと木質系乾留ガスとの混合によるものである。各発熱量は、木質系乾留ガスが4.6MJ/m3N、プロパンガスが93.6MJ/m3N、13A都市ガスが41.6MJ/m3Nである。また、ガスエンジン発電端出力を500kW、ガスエンジン発電端効率を35%として、バイオマスガス燃焼ガスエンジンに導入する燃料量を計算した。この結果、木質系乾留ガス量73m3N/hとプロパンガス量52m3N/hとを混焼することによりガスエンジン発電端出力500kWを確保できる。図２に示すように、木質系乾留ガスの発熱量が±30％変化した場合でも、その変化に応じてプロパンガスの供給量を調整することにより燃焼安定性を確保することができる。従って、木質系乾留ガスの発熱量は、木種、水分により大きく変化しても、状態の安定しているプロパンガス流量を木質系乾留ガスの発熱量の変化に応じて制御することにより、ガスエンジン出力の変動を抑制すると共に燃焼安定性も確保することが可能となる。
以上のように、本実施例によれば、木質系乾留ガスの使用に際し、その発熱量不足や発熱量変動が生じてもエンジン出力の変動が少なく、エンジン停止を生じることのないバイオマスガス燃焼ガスエンジン装置を提供することができる。更に、木質系バイオマス資源を熱分解することにより発生する木質系乾留ガスは発熱量が低く、また、水分や木種により発生する木質系乾留ガスの発熱量変動のためガスエンジンの燃料として使用することは困難であった木質系乾留ガスを比較的効率の高いガスエンジンの燃料として使用可能となり、このためプロパンや都市ガスなどの温室効果ガスを排出する燃料の使用量を削減することができる。
本発明のバイオマスガス燃焼ガスエンジン発電設備の全体構成図である。 本発明の木質系乾留ガスの発熱量が±30％変化した場合のガスエンジンに投入するプロパンガス量の変化を示す特性図である。
符号の説明
１…ガスホルダー、２…押込みファン、３…発熱量計、４…エアフィルタ、５…吸入空気バイパス弁、６…燃料ガスボンベ、７…燃料ガス流量計、８…ガスエンジン、９…発電機、１０…酸素計、１１…排気筒、１２…木質系乾留ガス配管、１３…プロパン燃料ガス配管、１４…排ガスダクト、１５…空燃比制御装置、１６…プロパン燃料ガス流量制御装置、１７…混合気配管。

Claims (3)

  1. 木質系乾留ガスと空気との混合気をガスエンジンに供給する手段と、前記木質系乾留ガスより高い発熱量を有する炭化水素系ガスをガスエンジンに供給する手段と、前記木質系乾留ガスの発熱量を計測する手段と、前記木質系乾留ガスの発熱量に応じて前記炭化水素系ガスの供給量を制御する炭化水素系ガス流量制御装置とを有することを特徴とするバイオマスガス燃焼ガスエンジン装置。
  2. 木質系乾留ガスと空気との混合気をガスエンジンに供給する手段と、前記木質系乾留ガスより高い発熱量を有する炭化水素系ガスをガスエンジンに供給する手段と、空燃比制御装置によって供給される空気を前記ガスエンジンに供給する手段とを有することを特徴とするバイオマスガス燃焼ガスエンジン装置。
  3. 木質系乾留ガス配管を通して木質系乾留ガスをガスエンジンに送給する手段と、前記木質系乾留ガス配管に接続された発熱量計と、該発熱量計によって発熱量が計測された前記木質系乾留ガスと空気との混合気をガスエンジンに供給する手段と、空燃比制御装置によって供給される空気を前記ガスエンジンに供給する手段と、前記木質系乾留ガスより高い発熱量を有する炭化水素系ガスを前記ガスエンジンに供給する手段と、前記木質系乾留ガスの発熱量に応じて前記炭化水素系ガスの供給量を制御する炭化水素系ガス流量制御装置とを有することを特徴とするバイオマスガス燃焼ガスエンジン装置。
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