JP2005264800A

JP2005264800A - 燃焼装置、ガスタービン発電装置、燃焼方法、ガスタービン発電方法及びガスタービン装置の改造方法

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Publication number: JP2005264800A
Application number: JP2004077091A
Authority: JP
Inventors: Katsuyoshi Obata; 勝義小畑
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-03-17
Filing date: 2004-03-17
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2024-03-17
Also published as: JP4468027B2

Abstract

【課題】本発明の目的は、燃料コストを削減でき、環境汚染を低減でき、安全性を確保でき、汎用性を備え、操作性と機動性に優れた燃焼装置、ガスタービン発電装置、燃焼方法、ガスタービン発電方法及びガスタービン装置の改造方法を提供することにある。
【解決手段】本発明の燃焼装置は、水を電気分解することによって水素ガス及び酸素ガスを発生させる水素酸素ガス発生装置１と燃焼器２とを有し、水素酸素ガス発生装置１で発生した水素ガス及び酸素ガスを燃焼器２に供給するものである。また、本発明のガスタービン発電装置は、上述した燃焼装置に加え、同軸に連結された、タービン６、圧縮機７及び発電機８を備え、燃焼ガスによりプロセス蒸気を発生させるボイラ９と、発電機８により得られた電気を水素酸素ガス発生装置１に供給する電気供給ライン１０とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービン駆動のための燃焼源と燃焼器に係わり、特に、環境に無害で清潔なエネルギーの入手を可能とする燃焼装置、ガスタービン発電装置、燃焼方法、ガスタービン発電方法及びガスタービン装置の改造方法に関するものである。

従来から市場で使われている化石燃料などを燃料源とするガスタービン発電装置及び燃焼器は、環境に優しいエネルギー駆動装置として、また、施設内における代替的な発電装置としても各方面で利用されつつある。

このガスタービンの駆動燃焼のために、従来から使用されている燃料は、石油、軽油、重油のような化石燃料が主体である。そのため、燃料コストが高いという欠点があった。

また、従来のガスタービン発電装置で使用されている燃料と燃焼方式による燃焼に伴って、排気時には一酸化炭素やダイオキシンなどの有害物質を含有しており、環境への影響が少なからず懸念されている。

また、既存の燃焼器の多くは固定型であり、燃焼室部分もガスタービン装置の内部機構として固定的に据え付けられている。したがって、燃料の種類によって、ガスタービン燃焼駆動の機構は顧客の要望によって、また、使用燃料の種類に応じて、各種のガスタービンの種類を用意する必要があった。一般に、汎用のガスタービンエンジン、及び、ガスタービン発電機は、駆動燃料には、都市ガス、ＬＰＧ、灯油、軽油、重油など各種燃料に対応できる機種を揃えてあるが、水素・酸素ガスを燃料源とするようなクリーンな燃焼環境は期待できない。

このようなクリーンな燃焼環境を提供する燃料源として、水素ガスを利用したガスタービンプラントが提案されている。
特開平０９−１４４５５８号公報

特許文献１に記載された水素燃焼ガスタービンプラントは、燃焼器、ガスタービン、復水器及び圧縮機をガス配管によって順次に接続して、不活性ガスからなる作動流体を循環させるクローズドサイクルを構成し、ガスタービンに発電機及び圧縮機を同軸的に連結し、燃焼器で燃焼させた水素ガスを含む燃料の燃焼ガスを作動流体とともに配管を介してガスタービン、復水器及び圧縮機に順次循環させて発電機による出力発生及び復水器による蒸気冷却を行わせるようにしたものであって、ガス配管に作動流体としての不活性ガスを加圧補給するガスチャンバーを設けている。そして、前記燃焼器には燃料配管を介して燃料として水素と酸素が供給されるようになっている。

従来の化石燃料などを燃料源とするガスタービン発電装置及び上述した特許文献１に記載の水素燃焼ガスタービンプラントは、以下の問題を有する。
（１）燃料コストの課題：従来の技術と燃焼方法では、まずガスタービンを駆動させるための燃焼源となる燃料の化石燃料（灯油、軽油、重油など）やアセチレン、ＬＰＧガスなどのコストが高く、ガスタービン発電を行う上で、代替的発電装置としてのコスト的な課題がある。
（２）環境汚染への課題：従来からの化石燃料主体の燃焼方式では、清潔な燃焼は期待できず、対策を施してもどうしても環境汚染を伴ってしまう。
（３）安全性の課題：化石燃料やガスの取り扱いの場合も同様であるが、特に、水素ガスを燃焼源とする場合、水素ガス貯蔵タンクなどへの引火や取り扱いの危険性を伴う。
（４）汎用性の課題：既存のガスタービン燃焼装置で燃料として使用されている化石燃料やＬＰＧガスなどの燃焼源設備を容易に水素酸素ガス燃焼方式に置き換えられるか否かの互換性の課題がある。
（５）操作性と機動性の課題：ガスタービン駆動燃焼のための燃焼源としての燃焼装置の操作性は、既存の燃焼源の操作性を保持しているか否かという課題がある。

本発明は、かかるガスタービン発電装置の課題に鑑みてなされたもので、燃料コストを削減でき、環境汚染を低減でき、安全性を確保でき、汎用性を備え、操作性と機動性に優れた燃焼装置、ガスタービン発電装置、燃焼方法、ガスタービン発電方法及びガスタービン装置の改造方法を提供するものである。

本発明によれば、燃料ガスと圧縮空気とを燃焼器に供給して燃料ガスを燃焼させる燃焼装置において、水を電気分解することによって水素ガス及び酸素ガスを発生させる水素酸素ガス発生装置を前記燃焼器に接続し、その発生ガスを燃料ガスとしたことを特徴とする燃焼装置が提供される。

前記水素酸素ガス発生装置は、前記燃焼器に直接接続してもよいし、前記燃焼器の外部に前記水素酸素ガス発生装置を設置し、これらを移送管によって接続してもよい。さらに、前記水素酸素ガス発生装置により発生したガスを利用して自ら火炎を発生させ、その火炎を前記燃焼器に供給するようにしてもよい。

また、本発明によれば、タービン、圧縮機、発電機及び燃焼器を有し、燃料ガスと圧縮機から送り込まれる圧縮空気とを燃焼器に供給して燃料ガスを燃焼させ、その燃焼ガスによってタービンを駆動し、その駆動力を発電機に伝達して出力を得るガスタービン発電装置において、水を電気分解することによって水素ガス及び酸素ガスを発生させる水素酸素ガス発生装置を前記燃焼器に接続し、その発生ガスを燃料ガスとして前記燃焼器に供給することを特徴とするガスタービン発電装置が提供される。

また、本発明によれば、水を電気分解することによって水素ガス及び酸素ガスを発生させ、その発生ガスを圧縮空気と混合させて燃焼させることを特徴とする燃焼方法が提供される。前記発生ガスの一部により火炎を発生させ、その火炎を残りの発生ガスとともに圧縮空気と混合させて燃焼させるようにしてもよい。

また、本発明によれば、水を電気分解することによって水素ガス及び酸素ガスを発生させ、その発生ガスを圧縮空気と混合させて燃焼させ、その燃焼ガスによりタービンを駆動し、その駆動力によって発電させることを特徴とするガスタービン発電方法が提供される。前記発生ガスの一部により火炎を発生させ、その火炎を残りの発生ガスとともに圧縮空気と混合させて燃焼させるようにしてもよい。

また、本発明によれば、化石燃料や天然ガスを利用した燃焼方式を採用するガスタービン装置の改造方法であって、燃焼器に燃料を供給するラインを、水を電気分解することによって発生するガスを供給するラインに変更して水素酸素ガス燃焼方式とすることを特徴とするガスタービン装置の改造方法が提供される。水を電気分解することによって発生するガスの一部により火炎を発生させ、その火炎を前記燃焼器に供給するラインを追加してもよい。

本発明の燃焼装置、ガスタービン発電装置、燃焼方法、ガスタービン発電方法及びガスタービン装置の改造方法は、以下の優れた効果を奏する。
（１）水を電気分解することによって水素ガス及び酸素ガスを発生させる水素酸素ガス発生装置を利用したことにより、燃料源として「水」を使用することができる。そして、水素ガス及び酸素ガスは完全燃焼するために、排気口は殆ど不要である。つまり、原料が軟水又は蒸留水と一般電源のため、燃料費用が安価であり入手も容易であり、経済的である。このため、灯油、重油、軽油などの化石燃料、アセチレンやＬＰＧガスなどに比べ運用コストが大幅に軽減できる。
（２）水素ガス及び酸素ガスは、燃焼後に水に変化するので、無公害、無汚染、無毒性で環境を汚染しないクリーン燃焼が実現できる。
（３）燃焼に必要な水素ガスを逐次製造できるため、ガスを燃料源として貯蔵する必要がない。つまり、ガスは、必要量のみ製造すればよいので、ガス製造中に貯留させる必要がないので安全である。
（４）水素酸素ガス発生装置は、各種のガスタービンに接続できるため、必要に応じてガス発生能力や最高火炎温度を選択できる。
（５）水素酸素ガス発生装置は移動が可能であるため、陸上、海上、航空などの分野における移動性を確保した安全な設置運用を可能とする。

さらに、本発明によれば、燃焼装置やガスタービン発電装置の使用者だけでなく、ガスタービンの製造メーカも多くの優れた効果を得られる。

燃料としての原料は「水」であるために、基本的に安価である。また、従来の燃焼装置で使用されている燃料と燃焼方式による燃焼に伴って、排気時には有害物質を含有しており、環境への影響が少なからず懸念されているが、水素酸素ガスによる燃焼では、完全燃焼するために、有害物質の排出もなく、排気口は殆ど不要である。さらに、既存の燃焼装置の多くが固定型であるのに比べ、水素酸素ガス発生装置は移動型に設計されており、ガスタービン発電装置の汎用性は高まる。

したがって、顧客の要望に応じて、使用燃料と燃焼方式によって異なる各種のガスタービン設備を選択する必要がなくなる。顧客には、環境に優しいクリーンで安価な燃焼装置やガスタービン発電装置を提供できるという利点がある。

以下、本発明の最良の実施形態について図１及び図２を参照して説明する。図１は本発明の燃焼装置を示すブロック図である。

図１に示す燃焼装置は、水を電気分解することによって水素ガス及び酸素ガスを発生させる水素酸素ガス発生装置１と燃焼器２とを有し、水素酸素ガス発生装置１で発生した水素ガス及び酸素ガスを燃焼器２に供給するものである。ここでは、燃焼器２の外部に水素酸素ガス発生装置１を設置し、これらを移送管３で接続している。すなわち、水素酸素ガス発生装置１で発生した水素ガス及び酸素ガスは、移送管３によって燃焼器２に供給される。また、水素酸素ガス発生装置１には、原料である水を供給する貯水タンク４及び電気分解に必要な電気を供給する電源５が接続されている。なお、図示しないが、水素酸素ガス発生装置１と燃焼器２とを直接接続して一体とし、前記移送管３を省略する構成としてもよい。

水素酸素ガス発生装置１は、水を電気分解により水素ガスと酸素ガスに分解する装置である。この装置の動作原理は、交流電源を一旦、直流に変換し、陽極と陰極の両極の入った電動電解層で水を電気分解し、水素ガスと酸素ガスを発生させる。原料としては、蒸留水又は軟水を使用し、電源による電気エネルギーを加えて水素ガスと酸素ガスの混合ガスを取り出す。本装置は、水素ガス発生の特殊処理を行った後、混り気のない水素ガスと酸素ガスの混合ガスを取り出すことができ、化石燃料などを燃料としている各種装置において代替使用することが可能である。発生するガスの圧力は、圧力スイッチとコントローラによって自動制御することができ、フロー調整器を経由させて出力ガスのフローを調整することができる。

さらに、この水素酸素ガス発生装置１は、発生したガスを利用して自ら火炎を発生させることもでき、その火炎を燃焼器２に供給することによって燃焼器２での燃焼を促進させることもできる。この場合、火炎を発生させるガスを降温液に通過させることによって火炎の温度を適宜調節することができる。

かかる水素酸素ガス発生装置１を採用することにより、水を電気分解することによって水素ガス及び酸素ガスを発生させ、その発生ガスを圧縮空気と混合させて燃焼させることを特徴とする燃焼方法を実現することができる。また、発生ガスの一部により火炎を発生させ、その火炎を残りの発生ガスとともに圧縮空気と混合させて燃焼を促進させることもできる。なお、発生ガスの燃焼時に生じる水はドレンや復水器などによって燃焼器から排出される。

図２に示すガスタービン発電装置は、上述した燃焼装置に加え、同軸に連結された、タービン６、圧縮機７及び発電機８を備え、燃焼ガスによりプロセス蒸気を発生させるボイラ９と、発電機８により得られた電気を水素酸素ガス発生装置１に供給する電気供給ライン１０とを有する。

このガスタービン発電装置は、水素酸素ガス発生装置１によって発生する水素ガス及び酸素ガスを燃料ガスとして燃焼器２に供給するとともに、圧縮機によって圧縮された高温高圧の圧縮空気を燃焼器２に供給することによって燃料ガスを燃焼させ、その燃焼ガスによってタービン６を駆動し、その駆動力を発電機８に伝達して出力を得るものである。さらに、タービン６で仕事をした燃焼ガスはボイラ９に供給され、外部から給水された水と熱交換することによってプロセス蒸気を発生し、最終的に排ガスとして外部に排出される。このガスタービン発電装置では、発電機８により得られた電気の一部を水素酸素ガス発生装置１の電源としている。電気供給ライン１０には、図２に示したように充電池１１を接続して発生した充電をさせるようにしてもよい。余剰電力を充電池１１に充電させておくことによって水の電気分解に必要な電力を確保しておくことができる。また、充電池１１が空になったり、電気供給ライン１０からの電力が不足したりすることが想定される場合には、別のラインに電源１２を設置しておけばよい。

本発明のガスタービン発電装置では、水素酸素ガス発生装置１によって発生させた水素ガス及び酸素ガスを燃焼器２に供給してタービン６を駆動している。すなわち、従来から使われているガスタービンの燃焼器の燃焼源を水素酸素ガス発生装置に置き換えたものである。この水素酸素ガス発生装置１は、最大ガス発生量に応じて様々なタイプを用意することができ、燃焼器２で必要とする燃焼エネルギーに応じて選択することができる。また、複数の水素酸素ガス発生装置を並列して接続して運用することもできる。さらに、発生ガスの一部により火炎を発生させ、その火炎を残りの発生ガスとともに圧縮空気と混合させて燃焼を促進させることもできる。

従来から一般に行われているガスタービン駆動のための燃焼機の燃料源には石油、ガソリン、重油、都市ガスなどが使用されている。そのために、燃料コストが高くなるばかりでなく、環境に有害な排気ガスの発生を伴った。そこで、これを解決するために、水を原料として使う水素酸素ガス発生装置を各種のガスタービン燃焼装置の燃焼器に送り込み、ガスタービン発電機と組み合わせる。この燃焼方式を取り入れることによって、環境に有害な排気ガスなどを完全に近いほど発生せずに、また、化石燃料や天然ガスなどの燃料を必要とせずにガスタービンを駆動し、高出力なガスタービンによる発電を提供することができる。

上述した本発明の燃焼装置、ガスタービン発電装置、燃焼方法、ガスタービン発電方法及びガスタービン装置の改造方法によれば、従来技術における以下の課題に対して優れた効果を奏する。
（１）燃料コストの課題：水素酸素ガス発生装置を燃焼源とする場合、燃料となる原料は、軟水や蒸留水に加え、一般電源であり、燃料コストは安価である。また、燃料となる水素酸素の確保も容易であり、且つ安全である。
（２）環境汚染への課題：従来からの化石燃料主体の燃焼方式からの水素酸素ガス燃焼という代替的燃焼方式を採用することにより、クリーンな燃焼環境が確保できる。特に、水素ガス及び酸素ガスは燃焼すると「水」となるために無公害、無汚染、無毒性である。また、一酸化炭素や黒煙の発生が全くないばかりでなく、ダイオキシンの発生も皆無である。
（３）安全性の課題：燃焼時に必要な分だけの燃焼源としての水素ガスを適宜製造するのでガスの貯蔵や使用後の残留がなく、保管や爆発の心配がない。また、二重の自動安全装置の装備で、高温、過熱、断水などへの対応も備えている。
（４）汎用性の課題：既存の燃焼源設備からの水素酸素ガス燃焼源への転換にも容易に対応できるとともに、互換性に優れている。水素酸素ガス発生装置によって発生する水素ガス及び酸素ガスは、ガス状態で直接ガスタービンの燃焼器へ取り入れて燃焼させる場合と、水素酸素ガス発生装置によって発生させた火炎そのものを誘導パイプなどによって火炎放射状態で燃焼器に取り入れることもできる。したがって、既存のガスタービン装置の構造を大幅に変更せずに、既存構造のまま燃焼源を置換することができる。
（５）操作性と機動性の課題：水素酸素ガス発生装置は、電源スイッチを投入後、約３０秒でガスが発生し、即座に使用できる。本装置の操作性は極めて容易で、運用についても長時間の連続使用が可能であり、長期の燃焼源としての運用に耐えることができる。本装置は、固定型としてだけでなく、移動型として装置設計が考慮されているので、使用場所を特定せずに設置ができる。また、運用時においても、ガスタービンの燃焼に必要とするガス圧や火炎温度の調整も常時容易にできるので燃焼エネルギーの効率的な運転を可能とする。

本発明によるガスタービン発電装置は、さらに新たな利用分野を拡大しうる要素を保有するものである。特に、本発明の装置が基本的に無公害、無汚染、無毒であり、燃料経費も驚異的に低減できるため、あらゆる燃料源、エネルギー源として応用分野が拡大できる。例えば、以下の分野に利用することができる。
（１）産業用としては、自動車製造工場、重工業、電機機器製造工場、焼却炉、ボイラを要する燃焼施設、工場の熱源などがある。
（２）業務用としては、ホテル、病院、公共施設などの熱源と発電装置、ビル冷暖房コジェネレーションなどがある。
（３）農業用としては、ビニールハウスなどのボイラ用熱源、各種農業施設の熱源及び自家発電などがある。
（４）基幹分野としては、原子力発電所の原子力利用や火力発電所の化石燃料からの代替燃料エネルギー源としての電力供給などがある。
（５）輸送エネルギーとしては、大型、中型、小型の各船舶用の低コスト燃料として、ディーゼル・エンジンなどの動力からの代替エネルギー源などがある。
（６）航空・宇宙産業としては、航空機、宇宙ロケットなどの代替エンジンなどの利用分野が考えられる。

実施形態に係る燃焼装置のブロック図である。実施形態に係るガスタービン発電装置のブロック図である。

符号の説明

１…水素酸素ガス発生装置
２…燃焼器
３…移送管
４…貯水タンク
５…電源
６…タービン
７…圧縮機
８…発電機
９…ボイラ
１０…電気供給ライン
１１…充電池
１２…電源

Claims

燃料ガスと圧縮空気とを燃焼器に供給して燃料ガスを燃焼させる燃焼装置において、水を電気分解することによって水素ガス及び酸素ガスを発生させる水素酸素ガス発生装置を前記燃焼器に接続し、その発生ガスを前記燃料ガスとしたことを特徴とする燃焼装置。
前記水素酸素ガス発生装置を前記燃焼器に直接接続したことを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
前記燃焼器の外部に前記水素酸素ガス発生装置を設置し、これらを移送管によって接続したことを特徴とする請求項１に記載の燃焼装置。
前記水素酸素ガス発生装置により発生したガスを利用して自ら火炎を発生させ、その火炎を前記燃焼器に供給したことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃焼装置。
タービン、圧縮機、発電機及び燃焼器を有し、燃料ガスと圧縮機から送り込まれる圧縮空気とを燃焼器に供給して燃料ガスを燃焼させ、その燃焼ガスによってタービンを駆動し、その駆動力を発電機に伝達して出力を得るガスタービン発電装置において、水を電気分解することによって水素ガス及び酸素ガスを発生させる水素酸素ガス発生装置を前記燃焼器に接続し、その発生ガスを燃料ガスとして前記燃焼器に供給することを特徴とするガスタービン発電装置。
前記水素酸素ガス発生装置を前記燃焼器に直接接続したことを特徴とする請求項５に記載のガスタービン発電装置。
前記燃焼器の外部に前記水素酸素ガス発生装置を設置し、これらを移送管によって接続したことを特徴とする請求項５に記載のガスタービン発電装置。
前記水素酸素ガス発生装置により発生したガスを利用して自ら火炎を発生させ、その火炎を前記燃焼器に供給したことを特徴とする請求項５ないし請求項７のいずれかに記載のガスタービン発電装置。
水を電気分解することによって水素ガス及び酸素ガスを発生させ、その発生ガスを圧縮空気と混合させて燃焼させることを特徴とする燃焼方法。
前記発生ガスの一部により火炎を発生させ、その火炎を残りの発生ガスとともに圧縮空気と混合させて燃焼させることを特徴とする請求項９に記載の燃焼方法。
水を電気分解することによって水素ガス及び酸素ガスを発生させ、その発生ガスを圧縮空気と混合させて燃焼させ、その燃焼ガスによりタービンを駆動し、その駆動力によって発電させることを特徴とするガスタービン発電方法。
前記発生ガスの一部により火炎を発生させ、その火炎を残りの発生ガスとともに圧縮空気と混合させて燃焼させることを特徴とする請求項１１に記載のガスタービン発電方法。
化石燃料や天然ガスを利用した燃焼方式を採用するガスタービン装置の改造方法であって、燃焼器に燃料を供給するラインを、水を電気分解することによって発生するガスを供給するラインに変更して水素酸素ガス燃焼方式とすることを特徴とするガスタービン装置の改造方法。
水を電気分解することによって発生するガスの一部により火炎を発生させ、その火炎を前記燃焼器に供給するラインを追加したことを特徴とする請求項１３に記載のガスタービン装置の改造方法。