JP2006200539A

JP2006200539A - ガスタービン発電装置に用いる混合ガス燃焼装置

Info

Publication number: JP2006200539A
Application number: JP2006049907A
Authority: JP
Inventors: Umeo Inoue; 梅夫井上
Original assignee: Takuma Co Ltd
Current assignee: Takuma Co Ltd
Priority date: 2006-02-27
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2006-08-03

Abstract

【課題】ガスタービン発電装置に用いる混合ガス燃焼装置の構造の簡素化を図り、着火性や燃焼性等を高め、燃焼ガス中のＮＯｘの削減及びエネルギー効率の向上等を図る。
【解決手段】圧縮機とガスタービンと再生装置と燃焼装置とを備え、空気と気体燃料との混合ガスを圧縮機により圧縮し、再生装置にて加熱し、燃焼装置で燃焼させ、高温燃焼ガスを駆動源とするガスタービンと、発電機及び圧縮機を回転駆動するガスタービン用の燃焼装置であって、一側に混合ガスの入口を、また他側に燃焼ガスの出口を有する本体ケースと、本体ケースの混合ガス入口側に入口側空間部を設けて配設した混合ガスが流通する多孔性の第１セラミック体と、本体ケースの燃焼ガス出口側に出口側空間部を設けて配設した燃焼ガスが流通する多孔性の第２セラミック体と、本体ケースの前記第１セラミック体と第２セラミック体との間の空間部であって混合ガスが燃焼する燃焼室とから構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、都市ガス等の気体燃料ガスを燃焼させて発電をするガスタービン発電装置に用いる混合ガス燃焼装置の改良に関するものであり、ガスタービン発電装置の製造コストの引下げ、燃焼ガス内のサーマルＮＯｘ量の減少及びエネルギー効率の向上等を可能にしたガスタービン発電装置に用いる混合ガス燃焼装置に関するものである。

都市ガス等の気体燃料ガスを燃焼させて発電をする容量が５〜１００ｋｗ程度の小容量ガスタービン発電装置（以下、マイクロガスタービン発電装置と呼ぶ）は、従前から広く知られており、各種工場やマーケット、事務所、温室農場、集合住宅等の電力供給源或いは熱電併給システムの発電源として、単独又は複数台を組み合せした状態で使用に供されている。

図３は、従前のこの種マイクロガスタービン発電装置のシステム構成図の一例を示すものであり、図３に於いてＰはガスタービン発電装置、Ａは外部空気、Ｂは清浄空気、Ｂ₁は圧縮空気、Ｃは気体燃料ガス、Ｄは燃焼ガス、Ｅ・Ｅ₁は燃焼排ガス、１はフィルタ、２は発電機、３は空気圧縮機、４は再生装置、５は燃焼装置、６は燃料ガス圧縮機、７はガスタービン、８は燃料ガス圧縮機の駆動モータ、９・１０・１１・１２・１３は導管である。

外部空気Ａは、先ずフィルタ１により清浄化される。清浄化された空気Ｂは、発電機２の内・外部に設けられた間隙（冷却通路）を通る間に発電機２の発生熱を吸収して加熱され、空気圧縮機３へ流入する。流入した清浄空気Ｂは、空気圧縮機３により加圧され、約２５０℃・０．３５ＭＰａの圧縮空気Ｂ₁となって再生装置４へ送られる。そして、再生装置４で燃焼排ガスＥとの熱交換により約５００℃に加熱された圧縮空気Ｂ₁は、燃焼装置５へ導入される。

また、前記燃焼装置５へは、燃料ガス圧縮機６により約０．４５ＭＰａに加圧された気体燃料ガスＣが導入されており、前記圧縮空気Ｂ₁との混合により燃料ガスＣが燃焼し、高温の燃焼ガスＤが生成される。

燃焼装置５で生じた約９００℃程度の高温燃焼ガスＤは、ガスタービン７へ導入され、この高温燃焼ガスＤを駆動源としてガスタービン７が約１００，０００ｒｐｍの高速で回転されると共に、ガスタービンの駆動軸に直結された空気圧縮機３及び発電機２が同時に回転駆動される。

尚、燃料ガス圧縮機８へは発電機２の発生電力の一部が供給される。また、ガスタービン７から排出された約６００℃の燃焼排ガスＥは再生装置４へ送られ、ここで圧縮空気Ｂ₁と熱交換をすることにより冷却され、約３００℃の低温燃焼排ガスＥ₁として、外部へ排出されて行く。

前記図３に示したシステム構成のガスタービン発電装置は、多くの運転実績を有すると共に運転上の安全性も高く、優れた実用的効用を有するものである。
しかし、当該ガスタービン発電装置にも解決すべき多くの問題が残されており、特に発電容量が５〜１００ｋｗ程度のマイクロガスタービン発電装置に於いては、単位容量当たりの発電設備費の増加や燃焼排ガス内のサーマルＮＯｘの増加、ランニングコストの増加等が大きな問題となっている。

即ち、従前のガスタービン発電装置に於いては、前述の如く燃焼装置５を約０．３５ＭＰａの圧力下で運転するようにしている。そのため、燃焼装置５へ供給する気体燃料ガスＣを約０．４５ＭＰａにまで昇圧する必要があり、燃料ガス圧縮機６を別途に必要とする。
例えば、都市ガスを気体燃料ガスＣとする場合、都市ガス供給圧は約２ｋＰａ程度であるため、これを約０．４５ＭＰａまで加圧する必要がある。しかし、この種マイクロガスタービン発電装置向けの小容量で且つ消費電力の小さな燃料ガス圧縮機６は、汎用品として存在せず、その結果、高価な特注品である燃料ガス圧縮機６を用いねばならず、発電設備費の高騰を招くことになる。

また、従前のガスタービン発電装置では、燃焼装置５内へ圧縮空気Ｂ₁と気体燃料ガスＣとを別個に供給し、燃焼装置５内で両者を混合したうえ気体燃料ガスＣを燃焼させる構成としている。
しかし、燃焼装置５の限られた空間内では、短時間内に両者を均一に混合させることが困難である。その結果、両者の混合の不均一に起因する部分的な高温燃焼が発生し、所謂サーマルＮＯｘ濃度の上昇を招くことになる。

更に、燃料ガス圧縮機６の駆動に発電機２の発生電力の一部を使用しているため、タービン発電装置Ｐの総合効率が低下し、ランニングコストの上昇を来たすことになる。

加えて、燃料ガスには都市ガスが多く利用されているため、バイオガスや溶剤混合気等の可燃性希薄混合気等を用いて、熱・エネルギー再循環の手法による省エネルギーを図ることが困難な状況にある。

特開昭６０−１２８９３８号特開昭５９−２３０３４号

本発明は、従前のガスタービン発電装置の燃焼装置に於ける上述の如き問題、即ち1)高価な燃料ガス圧縮機を必要とし、設備費が高騰すること、2)燃焼排ガスＥ内のサーマルＮＯｘ濃度が上昇すること及び3)ガスタービン発電装置の総合効率の低下によりランニングコストが上昇すること、4)バイオガス等の利用による省エネルギーの実現が困難なこと等の問題を解決せんとするものであり、先ず気体燃料ガスＣと清浄ガスＢとの混合ガスを形成し、この混合ガスを圧縮すると共に、圧縮した混合ガスを燃焼装置内へ導入して燃焼させることにより、発電装置のイニシャルコストの引下げ、サーマルＮＯｘ濃度の低減及びエネルギー効率の向上等が図れ、しかも安定した連続運転を出来るようにしたガスタービン発電装置に用いる混合ガス燃焼装置を提供せんとするものである。

請求項１の発明は、発電機と圧縮機とガスタービンと再生装置と燃焼装置とを備え、空気と気体燃料との混合ガスを圧縮機により圧縮し、この圧縮混合ガスを再生装置により加熱したあと燃焼装置で燃焼させ、当該燃焼装置で発生した高温燃焼ガスを駆動源としてガスタービンとこれに連結した発電機及び圧縮機を回転駆動するようにしたガスタービン発電装置用の混合ガスの燃焼装置であって、当該燃焼装置を、一側に混合ガスの入口を、また他側に燃焼ガスの出口を有する本体ケースと、当該本体ケースの混合ガス入口側に入口側空間部を設けて配設した混合ガスが流通する多孔性の第１セラミック体と、本体ケースの燃焼ガス出口側に出口側空間部を設けて配設した燃焼ガスが流通する多孔性の第２セラミック体と、本体ケースの前記第１セラミック体と第２セラミック体との間の空間部であって混合ガスが燃焼する燃焼室とから構成したことを発明の基本構成とするものである。

請求項２の発明は、請求項１の発明に於いて、混合ガス内の気体燃料の温度を、当該気体燃料の大気圧下の空気中に於ける自然発火温度より低い温度に、また、混合ガス内の気体燃料の濃度を、当該気体燃料の大気圧下の空気中に於ける爆発濃度範囲の下限値より低い希薄混合領域の濃度とするようにしたものである。

請求項３の発明は、請求項１の発明に於いて、気体燃料を都市ガスとすると共に、混合ガス気体燃料と空気の混合比を１／７０〜１／９０（容積比）とするようにしたものである。

本発明に於いては、予め気体燃料ガスＣと空気Ｂとを混合させ、この混合ガスＦを圧縮及び加熱して混合ガス燃焼装置２０へ供給する構成としているため、燃料ガス用の圧縮機を必要としない。その結果、ガスタービン発電装置Ｐを形成する機器が減少して、装置のイニシャルコストが減少すると共に、燃料ガス用圧縮機のメンテナンスも不要となり、ランニングコストの引下げが可能となる。
また、本発明では気体燃料ガスＣと空気Ｂとを予め十分に混合させたあと、この混合ガスＦを混合ガス燃焼装置２０へ供給する構成としている。その結果、混合ガス燃焼装置２０における混合ガスＦ₁の燃焼が、局部的な高温部を生じない所謂均一な燃焼となり、サーマルＮＯｘの発生が大幅に減少する。
更に、燃料ガス用圧縮機の駆動エネルギーが不要となるため、発電機２の発生電力の消費が少なくなる。これにより、ガスタービン発電装置のエネルギー効率が相対的に上昇する。

加えて、本発明の混合ガス燃焼装置２０に於いては、本体ケース２１の内部に多孔質の第１セラミック体１７と第２セラミック体１８とを間隔を置いて配設し、両者の間の空間部を燃焼室１９として圧縮混合ガスＦ₁の大部分をここで燃焼させる構成としている。
その結果、燃焼ガスＤの流通により加熱された第２セラミック体１８の熱が、幅射によって第１セラミック体１７へ伝達されることになり、この幅射熱による第１セラミック体１７の加熱によって、流入してきた圧縮混合ガスＦ₁が、第１セラミック体１７内を流通する間に更に加熱され、これに円滑に着火されることになる。その結果、低カロリーガスである希薄混合ガスであっても、円滑に安定して連続燃焼されることになり、都市ガスは勿論のことＬＰＧやバイオガス、可燃性希薄混合気等を気体燃料ガスＣとして用いることができ、省資源・省エネルギーの達成が可能となる。

以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明に係る混合ガス燃焼装置を用いたガスタービン発電装置のシステム系統図であり、図２は本発明の実施形態を示すガスタービン発電装置に用いる混合ガス燃焼装置の縦断面概要図である。
尚、図１及び図２に於いて、前記図３の場合と同一の部位・部材には、これと同じ参照番号が付されている。

図１に於いて、Ｐがガスタービン発電装置、Ａは外部空気、Ｂは清浄空気、Ｃは気体燃料ガス、Ｆ・Ｆ₁は混合ガス、Ｄは燃焼ガス、Ｅ・Ｅ₁は燃焼排ガス、１はフィルタ、２は発電機、４は再生装置、２０は混合ガス燃焼装置、７はガスタービン、９・１０・１１・１２・１３は導管、１４は混合ガス圧縮機、１５は圧縮機吸込部、１６は燃料ガス噴射ノズルである。

図１を参照して、先ず、発電機２を冷却することにより加熱された清浄空気Ｂ内へ、所定流量の気体燃料ガスＣを混合して混合ガスＦを形成し、次に、この混合ガスＦを混合ガス圧縮機１４で圧縮したあと、再生装置４で加熱し、当該再生装置４で加熱した高温・高圧の圧縮混合ガスＦ₁が、本発明の混合ガス燃焼装置２０へ供給される。尚、図１において、前記フィルタ１、発電機２、混合ガス圧縮機１４、再生装置４及びガスタービン７等の構造は、図３に示した従前のガスタービン発電装置の場合の機材とほぼ同一である。

即ち、外部から取り入れされた空気Ａは、先ずフィルタ１により清浄化される。清浄化された空気Ｂは発電機２の内・外部に設けられた間隙（冷却通路）を通り、この間に発電機２の発生熱を吸収して加熱されたあと、圧縮機吸込部１５へ流入する。

一方、圧縮機吸込部１５へは、所定流量の気体燃料ガスＣが燃料ガス噴射ノズル１６を通して噴出されており、ここで前記清浄化空気Ｂに気体燃料ガスＣが混合されることにより、混合ガスＦが形成される。

気体燃料ガスＣが都市ガスの場合、清浄空気Ｂと気体燃料ガスＣとの混合比Ｃ／Ｂは、後述するように都市ガス内に含まれるメタンの空気中に於ける爆発限界濃度の点から、約１／７０〜１／９０に選定されており、気体燃料ガスＣの濃度の極めて低い希薄混合気Ｆとなっている。
尚、混合比が１／７０以上になると、後述の如くメタンガスの爆発の危険性が高まることになり、また逆に、混合比が１／９０以下になると、混合ガスＦの燃焼が不安定になる。その結果、混合ガスＦの混合比は１／７０〜１／９０の間に選定される。

圧縮機吸込部１５で形成された混合ガスＦは、混合ガス圧縮機１４内へ導入されて加圧され、約２５０℃・０．３５ＭＰａの圧縮混合ガスＦ₁となって再生装置４へ送られる。そして、ここで圧縮混合ガスＦ₁は、燃焼排ガスＥとの熱交換により約５００℃に加熱されたあと、混合ガス燃焼装置２０へ導入され、着火されることにより燃焼をする。

混合ガス燃焼装置２０で発生した約９００℃の高温燃焼ガスＤは、ガスタービン７へ導入され、これを駆動源としてガスタービン７が約１００，０００ｒｐｍの回転速度で高速回転されると共に、ガスタービン７に直結された混合ガス圧縮機１４と発電機２も同時に回転される。

また、ガスタービン７から排出された約６００℃の燃焼排ガスＥは再生装置４へ送られ、ここで圧縮混合ガスＦ₁と熱交換をすることにより約３００℃の低温燃焼排ガスＥ₁となり、外部へ排出されて行く。

気体燃料ガスＣとして都市ガスを用いる場合、清浄空気Ｂと都市ガスＣとの混合比Ｃ／Ｂは、通常前述の通りＣ／Ｂ＝１／７０〜１／９０程度に選定されており、この場合の混合ガスＦのメタンガス濃度（メタンガス／混合ガス）は約１．２％（混合比１／８０のとき）となる。

一方、メタンガスの２６℃・大気圧の空気中に於ける爆発限界濃度は、１５％（爆発上限界）から５％（爆発下限界）の間であり、前記１．２％の場合には、爆発の恐れは無いと云える。
また、メタンの大気圧下の空気中に於ける発火温度は５３７℃であり、これに対して再生装置４の出口に於ける圧縮混合ガスＦ₁の温度は約５００℃に選定されているので、混合ガス燃焼装置２０へ流入する前に、高温の圧縮混合ガスＦ₁が自然発火する危険性は全く無い。つまり、混合ガス燃焼装置２０の入口部に於ける圧縮混合ガスＦ₁の温度を自然発火温度以下に制御することにより、導管１０内に於ける発火は完全に防止することが出来る。

前記混合ガスＦは、前述の如き爆発防止の観点から気体燃料ガスＣの混合比の極めて低い希薄混合気にされている。そのため、混合ガス燃焼装置２０内に於いて着火し難いと云う問題がある。従って、ここでは特にこの着火性能に改良を加えて、所謂希薄混合気であっても確実に着火できるようにした本願発明に係る混合ガス燃焼装置２０が使用されている。

尚、前記図１及び図２に於いては、気体燃料ガスＣとして都市ガスを使用しているが、都市ガスの他に、ＬＰＧや生ごみ等の発酵分解により発生したバイオガス、塗装ブース等から排出される溶剤混合気等の可燃性希薄混合気等を気体燃料ガスＣとして用いることも可能である。また、気体燃料ガスＣとしては、上記都市ガスやＬＰＧ、バイオガス、可燃性希薄混合気を一種又は複数種の混合体として使用することができる。

前記混合ガス燃焼装置２０へ供給する混合ガスＦ内の気体燃料ガスＣの濃度は、気体燃料ガスＣの空気中に於ける爆発濃度範囲の下限値より低くて、しかも混合ガス燃焼装置２０内での安定燃焼が可能な下限濃度値より高い範囲（この範囲を希薄混合領域と呼ぶ）とするのが望ましく、当該希薄混合領域の混合気を用いることにより、マイクロガスタービンは高効率で運転される。その結果、前述の如く、バイオガスや溶剤混合気等の可燃性希薄混合気を気体燃料ガスＣとして利用することが可能となり、所謂熱・エネルギーの再循環手法により省資源・省エネルギーを図ることが可能となる。

図２は、本発明に係る前記着火性能を高めた混合ガス燃焼装置２０の縦断面概要図であり、ケース体２１の内部に多孔質の第１セラミック体と多孔質の第２セラミック体１８とを間隔を置いて配設すると共に、両セラミック体１７・１８の間の空間部を燃焼室１９とする構成になっている。

尚、本体ケース２１の形状は、角筒状であっても或いは円筒状であってもよい。また、本体ケース２１は耐熱壁で形成され、断熱構造になっていることは勿論である。

更に、第１セラミック体１７及び第２セラミック体１８の形状は、本体ケース２１の断面形状に適応したものに選定されており、各セラミック体１７・１８の内部を圧縮混合ガスＦ₁及び燃焼ガスＤが比較的低い圧力損でもって流通可能な構造体に形成されている。

前記両セラミック体１７・１８は、約１２００℃の高温に耐えられるものであれば如何なる材質のものであってもよく、本実施形態ではアルミナ、ジルコニア等を用いた酸化物セラミックが使用されている。
また、セラミック体１７・１８には、少量のＴｉＯ₂等の酸化触媒を添加したものが望ましい。

再生装置４からの高温・高圧の圧縮混合ガスＦ₁は、導管１０を通して混合ガス燃焼装置２０の入口側空間部２１ａ内へ入り、多孔質セラミックより成る第１セラミック体１７内を通過する間に圧縮混合ガスＦ₁の一部に着火が生じ、その一部が燃焼をすると共に、圧縮混合ガスＦ₁内の燃焼ガスＣは、燃焼室１９内に至って本格的に燃焼をする。

圧縮混合ガスＦ₁の燃焼により、燃焼室１９内で生成された燃焼ガスＤは、本体ケース２１の出口側に設けた多孔質セラミックより成る第２セラミック体１８内を通して出口側空間部２１ｂへ至り、導管１１を通してガスタービン７へ導入される。

この時、前記第２セラミック体１８は、内部を通過する約１０００℃程度の高温燃焼ガスＤによって加熱され、ほぼ１０００℃に近い高温になると共に、幅射熱を上流側の第１セラミック体１７へ供給することにより、これを加熱する。

即ち、前記第２セラミック体１８からの幅射熱によって第１セラミック体１７が加熱されることにより、入口側空間部２１ａから流入して来た高温の圧縮混合ガスＦ₁が更に加熱されることになり、第１セラミック体１７の内部及び燃焼室１９の内部に於ける圧縮混合ガスＦ₁の着火がより円滑、確実に行われる。

換言すれば、本発明に係る混合ガス燃焼装置２０では、燃焼室１９に於ける圧縮混合ガスＦ₁の燃焼と、第２セラミック体１８による熱回収と、第２セラミック体１８による第１セラミック体１７の幅射熱による加熱とが有機的に結合されることにより、圧縮混合ガスＦ₁の円滑且つ確実な着火及び燃焼が行われることになる。

その結果、燃焼室１９内に於ける圧縮混合ガスＦ₁の局部的な高温燃焼が略皆無となり、これに起因するサーマルＮＯｘの発生が大幅に減少する。

本発明に係るガスタービン発電装置に用いる混合ガス燃焼装置は、ガスタービン発電装置のみならず一般工業用の混合ガス燃焼装置やごみ燃焼装置の排ガス燃焼装置等へも適用可能である。

本発明の実施形態に係る混合ガス燃焼装置を用いたガスタービン発電装置のシステム系統図である。本発明の実施形態を示すガスタービン発電装置に用いる混合ガス燃焼装置の縦断面概要図である。従前のガスタービン発電装置のシステム系統図である。

符号の説明

Ｐはガスタービン発電装置、Ａは外部空気、Ｂは清浄空気、Ｃは気体燃料ガス、Ｄは燃焼ガス、Ｅ・Ｅ₁は燃焼排ガス、Ｆは混合ガス、Ｆ₁は圧縮混合ガス、１はフィルタ、２は発電機、３は空気圧縮機、４は再生装置、５は燃焼装置、７はガスタービン、９〜１３は導管、１４は混合ガス圧縮装置、１５は圧縮機吸込部、１６は燃料ガス噴射ノズル、１７は第１セラミック体、１８は第２セラミック体、１９は燃焼室、２０は混合ガス燃焼装置、２１は本体ケース、２１ａは入口側空間部、２１ｂは出口側空間部。

Claims

発電機と圧縮機とガスタービンと再生装置と燃焼装置とを備え、空気と気体燃料との混合ガスを圧縮機により圧縮し、この圧縮混合ガスを再生装置により加熱したあと燃焼装置で燃焼させ、当該燃焼装置で発生した高温燃焼ガスを駆動源としてガスタービンとこれに連結した発電機及び圧縮機を回転駆動するようにしたガスタービン発電装置用の混合ガスの燃焼装置であって、当該燃焼装置を、一側に混合ガスの入口を、また他側に燃焼ガスの出口を有する本体ケースと、当該本体ケースの混合ガス入口側に入口側空間部を設けて配設した混合ガスが流通する多孔性の第１セラミック体と、本体ケースの燃焼ガス出口側に出口側空間部を設けて配設した燃焼ガスが流通する多孔性の第２セラミック体と、本体ケースの前記第１セラミック体と第２セラミック体との間の空間部であって混合ガスが燃焼する燃焼室とから構成したことを特徴とするガスタービン発電装置に用いる混合ガス燃焼装置。
混合ガス内の気体燃料の温度を、当該気体燃料の大気圧下の空気中に於ける自然発火温度より低い温度に、また、混合ガス内の気体燃料の濃度を、当該気体燃料の大気圧下の空気中に於ける爆発濃度範囲の下限値より低い希薄混合領域の濃度とするようにした請求項１に記載のガスタービン発電装置に用いる混合ガス燃焼装置。
気体燃料を都市ガスとすると共に、混合ガス気体燃料と空気の混合比を１／７０〜１／９０（容積比）とするようにした請求項１に記載のガスタービン発電装置に用いる混合ガス燃焼装置。