JP2009243711A - 燃焼システム - Google Patents

Abstract

【課題】ノズルを介して噴射される燃料ガスを燃焼する燃焼装置を備える燃焼システムにおいて、ノズル交換を必要とせずかつ所望の燃焼状態を得る。
【解決手段】燃料ガスＧ１に熱量を調節するための熱量調節ガスＧ２を混合可能な熱量調節ガス混合手段３と、燃料ガスＧ１にウォッベ指数を調節するためのウォッベ指数調節ガスＧ３を混合可能なウォッベ指数調節ガス混合手段４と、ノズル１２ａに供給される燃料ガスＧ１のウォッベ指数がノズル１２ａの噴射可能範囲となり、ノズル１２ａに供給される燃料ガスＧ１の熱量が燃焼装置１の要求範囲となるように熱量調節ガス混合３手段及びウォッベ指数調節ガス混合手段４を制御する制御手段５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ノズルより噴射された燃料ガスを燃焼する燃焼装置と、該燃焼装置の上記ノズルに燃料ガスを供給する燃料供給装置とを備える燃焼システムに関するものである。

ガスタービン、ガスエンジンあるいはボイラ等の燃焼装置を備える燃焼システムは、例えば、工場等で発生した副生ガスの燃焼に用いられる。そして、副生ガスの燃焼によって取り出された熱エネルギを用いて発電や水蒸気の生成が行われる。

ところで、副生ガスの組成は、工場等の稼動条件や時期によって変動しやすい。副生ガスの組成が変動すると、燃焼装置において所望の燃焼状態が得られなくなり、所望の熱エネルギが取り出せなくなる場合がある。つまり、燃焼システムにおいては、燃料ガスの組成が変動する場合があり、このような場合には所望の熱エネルギが取り出せなくなる場合がある。
このため、特許文献１には、燃料ガスに対して、発熱量の高いガスを追加したり、発熱量の低いガスを追加することによって、燃料ガスの熱量を調節し、燃料ガスの組成が変動して熱量が変化した場合であっても、所望の燃焼状態を維持する方法が提案されている。
特開２００４−２７９７５号公報 特開２００２−１６８１３５号公報

しかしながら、燃料ガスに上述のように熱量を調節する目的で他のガスを混合した場合には、燃料ガスのウォッベ指数が変化してしまう。燃料ガスをノズルから噴射するためには、燃料ガスのウォッベ指数をノズルの噴射可能範囲に合わせる必要があるが、上述のように他のガスを燃料ガスに混合した場合には、ノズルの噴射可能範囲を超えてウォッベ指数が変化する場合がある。このため、特許文献１の方法では、ウォッベ指数の変化に応じてノズルを交換する必要が生じる。

一方で特許文献２には、燃料ガスに水を混合することによって燃料ガスのウォッベ指数を調節する方法が提案されている。
しかしながら、特許文献２の方法では、燃料ガスの組成が熱量の低下する方向に変化した場合には、ウォッベ指数の調節のために水を混合することによって燃料ガスの熱量がさらに低下されてしまう。これによって、所望の燃焼状態を維持することができなくなる。また、燃料ガスの組成が熱量の低下する方向に変化している場合には、水を混合することによってのみでは十分にウォッベ指数を調節することができない。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ノズルを介して噴射される燃料ガスを燃焼する燃焼装置を備える燃焼システムにおいて、ノズル交換を必要とせずかつ所望の燃焼状態を得ることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、ノズルより噴射された燃料ガスを燃焼する燃焼装置と、該燃焼装置の上記ノズルに燃料ガスを供給する燃料供給装置とを備える燃焼システムであって、上記燃料供給装置が、上記燃料ガスに熱量を調節するための熱量調節ガスを混合可能な熱量調節ガス混合手段と、上記燃料ガスにウォッベ指数を調節するためのウォッベ指数調節ガスを混合可能なウォッベ指数調節ガス混合手段と、上記ノズルに供給される上記燃料ガスのウォッベ指数が上記ノズルの噴射可能範囲となり、上記ノズルに供給される上記燃料ガスの熱量が上記燃焼装置の要求範囲となるように上記熱量調節ガス混合手段及び上記ウォッベ指数調節ガス混合手段を制御する制御手段とを備えることを特徴とする。

このような特徴を有する本発明によれば、燃料ガスの組成が変化した場合であっても、その組成に応じて、ノズルに供給される燃料ガスのウォッベ指数がノズルの噴射可能範囲となり、ノズルに供給される燃料ガスの熱量が燃焼装置の要求範囲となるように調節される。なお、ここでの燃焼装置の要求範囲の熱量とは、燃焼装置において所望の燃焼状態が維持可能な範囲の熱量を意味する。

また、本発明においては、上記熱量調節ガスは、都市ガス、天然ガス、ＬＰＧあるいは水素ガスであるという構成を採用する。

また、本発明においては、上記ウォッベ指数調節ガスは、水蒸気あるいは不活性ガスであるという構成を採用する。

本発明によれば、燃料ガスの組成が変化した場合であっても、その組成に応じて、ノズルに供給される燃料ガスのウォッベ指数がノズルの噴射可能範囲となり、ノズルに供給される燃料ガスの熱量が燃焼装置の要求範囲となるように調節される。
このため、ノズルを介して噴射される燃料ガスを燃焼する燃焼装置を備える燃焼システムにおいて、ノズル交換を必要とせずかつ所望の燃焼状態を得ることが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明に係る燃焼システムの一実施形態について説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態の燃焼システムＳの概略構成を示す模式図である。この図に示すように本実施形態の燃焼システムＳは、燃焼装置１と、燃料供給装置２とを備えている。

燃焼装置１は、本実施形態の燃焼システムＳにおいては、ガスタービンによって構成されている。なお、燃焼装置１は、ガスタービンに限られるものではなく、ガスエンジン、ボイラあるいはガスコンロであっても良い。

本実施形態において燃焼装置１は、圧縮機１１、燃焼器１２、タービン１３を備えている。
圧縮機１１は、外部から吸気した空気を加圧して圧縮空気とし、燃焼器１２に供給する構成となっている。
燃焼器１２は、圧縮機１１から供給される圧縮空気と燃料ガスとを混合して燃焼させ、燃焼ガスをタービン１３へ排出する。なお、燃焼器１２は、内部に燃料ガスを噴射するためのノズル１２ａを複数備えている。そして、ノズル１２ａから噴射された燃料ガスを燃焼する構成となっている。
タービン１３は、燃焼器１２から供給される燃焼ガスの運動エネルギ及び圧力エネルギによって回転駆動されて、圧縮機１１の駆動力と、燃焼装置１の外部の発電機等の負荷６の駆動力とを発生する構成となっている。

なお、燃焼ガスＧ１としては、工場等で発生した副生ガスあるいは熱分解ガスが用いられ、具体的には、石油精製所にて副生される水素、窒素、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素、メタンやエタン、プロパン、ブタン等の飽和炭化水素、エチレンやプロピレン、ブテン、ブタジエン等の不飽和炭化水素を主に含むガス（例えばＦＣＣ（流動接触分解）ガスやＦＬＧ（重質油熱分解）ガス）や余剰ブタンを主としたガス、製鉄所にて副生される水素、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素、炭化水素、水分を主に含むガス（ＣＯＧ（コークス炉ガス）、ＢＦＧ（高炉ガス）、ＬＤＧ（転炉ガス））、電界苛性ソーダ工場や化学工場にて副生される水素または炭化水素を含む水素リッチガス、ゴミ処理場から副生される水素、窒素、一酸化炭素、二酸化炭素、炭化水素を主に含む熱分解ガス等が用いられる。

燃料供給装置２は、燃焼装置１の燃焼器１２が備えるノズル１２ａに燃料ガスを供給するものであり、熱量調節ガス混合装置３（熱量調節ガス混合手段）と、ウォッベ指数調節ガス混合装置４（ウォッベ指数調節ガス混合手段）と、制御装置５（制御手段）とを備えている。

熱量調節ガス混合装置３は、燃料ガスＧ１に熱量を調節するための熱量調節ガスＧ２を混合するためのものであり、熱量調節ガスＧ２を供給する供給装置３１と、該供給装置３１から供給された熱量調節ガスＧ２を燃料ガスＧ１に混合する混合器３２とを備えている。
なお、熱量調節ガスＧ２としては、例えば熱量を多く含んで単体にて燃焼可能なガスが用いられ、具体的には都市ガス、天然ガス、ＬＰＧあるいは水素ガスが用いられる。

ウォッベ指数調節ガス混合装置４は、燃料ガスＧ１にウォッベ指数を調節するためのウォッベ指数調節ガスＧ３を混合するためのものであり、ウォッベ指数調節ガスＧ３を供給する供給装置４１と、該供給装置３１から供給されたウォッベ指数調節ガスＧ３を燃料ガスＧ１に混合する混合器４２とを備えている。
なお、ウォッベ指数調節ガスＧ３としては、例えば熱量が極めて小さくて単体にて燃焼しないガスが用いられ、具体的には水蒸気や不活性ガス（窒素ガスやアルゴンガス）等が用いられる。中でもウォッベ指数調節ガスＧ３として水蒸気を用いる場合には、燃焼装置１のタービン１３から排出される燃焼ガスを用いて水蒸気を生成して用いることによって、エネルギ効率の向上を図ることが可能となる。また、中でもウォッベ指数調節ガスＧ３として水蒸気を用いる場合には、燃料ガスＧ１に含まれる不飽和炭化水素の熱によるコーキングを抑制する効果が期待できる。

なお、本実施形態の燃焼システムＳにおいてウォッベ指数とは、燃料ガスＧ１の単位容積あたりの発熱量と、燃料ガスＧ１の比重あるいは比重及び温度をパラメータとする指数であり、ガスの発熱量を比重の平方根で除した形（下式（１））、またはガスの発熱量を比重とガス温度の乗数の平方根で除した形（下式（２））で表される。

制御装置５は、ノズル１２ａに供給される燃料ガスＧ１のウォッベ指数がノズル１２ａの噴射可能範囲となり、ノズル１２ａに供給される燃料ガスＧ１の熱量が燃焼装置１の要求範囲となるように熱量調節ガス混合装置３及びウォッベ指数調節ガス混合装置４を制御するものである。
なお、ここでの燃焼装置１の要求範囲の熱量とは、燃焼装置１の燃焼器１２において所望の燃焼状態が維持され、負荷６に所望の駆動力が伝達可能な範囲の熱量を意味する。

図２は、プロパンガスを燃料ガスＧ１とし、当該燃料ガスＧ１にウォッベ指数調節ガスＧ３として水蒸気を混合した場合における燃料ガスＧ１のウォッベ指数（Ｗｏｂｂｅ Ｉｎｄｅｘ）と熱量（ＬＨＶ）の変化を示すグラフである。また、図３は、ｎ−ブタンガス、ｉ−ブタンガス、１−ブテンガス、ｉ−ブテンガスを燃料ガスＧ１とし、当該燃料ガスＧ１にウォッベ指数調節ガスＧ３として水蒸気を混合した場合における燃料ガスＧ１のウォッベ指数の変化を示すグラフである。
これらの図に示すように、燃料ガスＧ１に水蒸気を混合した場合には、ウォッベ指数が水蒸気の混合割合にほぼ比例して減少するが、熱量も水蒸気の混合割合に比例して減少することが分かる。

また、図４は、プロパンガスを燃料ガスＧ１とし、当該燃料ガスＧ１に熱量調節ガスＧ２としてメタンガスを混合した場合における燃料ガスＧ１のウォッベ指数の変化を示すグラフである。
この図に示すように、燃料ガスＧ１に熱量調節ガスＧ２を混合した場合には、熱量調節ガスＧ２の混合割合に比例してウォッベ指数も減少する。

これらの図２〜図４から分かるように、燃料ガスＧ１に熱量調節ガスＧ２を混合した場合には燃料ガスの熱量と共にウォッベ指数も変化し、燃料ガスＧ１にウォッベ指数調節ガスＧ３を混合した場合にはウォッベ指数と共に熱量も変化する。
このため、制御装置５は、上述のような熱量とウォッベ指数の変化の関係を予め記憶しており、熱量調節ガス混合装置３及びウォッベ指数調節ガス混合装置４を制御する際に、例えば外部から入力される燃料ガスＧ１の組成に応じて、ノズル１２ａに供給される燃料ガスＧ１のウォッベ指数がノズル１２ａの噴射可能範囲となり、ノズル１２ａに供給される燃料ガスＧ１の熱量が燃焼装置１の要求範囲となるように、燃料ガスＧ１に供給する熱量調節ガスＧ２の量とウォッベ指数調節ガスＧ３の量とを決定する。

図５は、ウォッベ指数を一定（図５においては７５０）とするための、ブタンガス（燃料ガスＧ１）と、メタンガス（熱量調節ガスＧ２）と、水蒸気（ウォッベ指数調節ガスＧ３）との体積割合を示すグラフである。なお、図５において横軸は、ブタンガスに対するメタンの割合を示している。図６においてはウォッベ指数を８００とするための、製油所副生ＦＣＣガス（燃料ガスＧ１）と、都市ガス（熱量調節ガスＧ２）と、水蒸気（ウォッベ指数調節ガスＧ３）との体積割合を示すグラフである。なお、図６において横軸は、ＦＣＣガスに対する都市ガスの割合を示している。
これらの図から分かるように、燃料ガスＧ１の量の減少に応じて熱量調節ガスＧ２の量を増加させて混合した場合であっても、ウォッベ指数調節ガスＧ３との体積割合を調節することによって、ウォッベ指数を一定とすることができる。副生ガスが上述のＦＬＧガスやＣＯＧ、ＢＦＧ、ＬＤＧ、水素または炭化水素を含む水素リッチガス、熱分解ガス等の場合においても、熱量調節ガスＧ２として都市ガス、ＬＮＧ、ＬＰＧあるいは水素ガスを用い、ウォッベ指数調節ガスＧ３として水蒸気、窒素ガスあるいはアルゴンガスを用いることによって同様にウォッベ指数を一定とすることができる。
つまり、燃料ガスＧ１の組成が変動して燃料ガスＧ１の熱量（流量）がどのように変化した場合であっても、熱量調節ガスＧ２を混合することにより燃料ガスＧ１の熱量が燃焼装置１の要求範囲となるように調節することができ、ウォッベ指数調節ガスＧ３を混合することにより燃料ガスＧ１のウォッベ指数がノズル１２ａの噴射可能範囲となるように調節することができる。

このような構成を有する本実施形態の燃焼システムＳにおいては、制御装置５は、予め入力された燃料ガスＧ１の組成に応じて、ノズル１２ａに供給される燃料ガスＧ１のウォッベ指数がノズル１２ａの噴射可能範囲となり、ノズル１２ａに供給される燃料ガスＧ１の熱量が燃焼装置１の要求範囲となるような、熱量調節ガスＧ２の混合量とウォッベ指数調節ガスＧ３の混合量を決定し、この決定された混合量の熱量調節ガスＧ２とウォッベ指数調節ガスＧ３が燃料ガスＧ１に供給されるように、熱量調節ガス混合装置３及びウォッベ指数調節ガス混合装置４を制御する。
この結果、燃料ガスＧ１には、ウォッベ指数がノズル１２ａの噴射可能範囲となり、熱量が燃焼装置１の要求範囲となるように熱量調節ガスＧ２とウォッベ指数調節ガスＧ３が混合され、その後、燃焼装置１の燃焼器１２のノズル１２ａに供給される。
このように、燃料供給装置２は、ウォッベ指数がノズル１２ａの噴射可能範囲とされ、熱量が燃焼装置１の要求範囲とされた燃料ガスＧ１を燃焼装置１に供給する。

燃焼装置１の燃焼器１２のノズル１２ａに供給された燃料ガスＧ１は、燃焼器１２の内部に噴射され圧縮機１１から供給される圧縮空気と混合されて燃焼される。そして、当該燃焼によって生成された燃焼ガスがタービン１３に供給されることでタービンが駆動力を生成して当該駆動力が圧縮機１１及び負荷６に伝達される。
この際、燃焼器１２のノズル１２ａに供給される燃料ガスＧ１は、ウォッベ指数がノズル１２ａの噴射可能範囲となり、熱量が燃焼装置１の要求範囲となるように調節されている。このため、燃焼器１２にて所望の燃焼状態を維持することができる。
なお、上述のようにタービンから排出された燃焼ガスによってウォッベ指数調節ガスＧ３として用いる水蒸気を生成することによってエネルギ効率を向上させることができる。

以上のような本実施形態の燃焼システムＳによれば、燃料ガスＧ１の組成が変化した場合であっても、その組成に応じて、ノズル１２ａに供給される燃料ガスＧ１のウォッベ指数がノズル１２ａの噴射可能範囲となり、ノズル１２ａに供給される燃料ガスＧ１の熱量が燃焼装置１の要求範囲となるように調節される。
このため、ノズルを介して噴射される燃料ガスを燃焼する燃焼装置を備える燃焼システムにおいて、ノズル交換を必要とせずかつ所望の燃焼状態を得ることが可能となる。

以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、熱量調節ガスＧ２とウォッベ指数調節ガスＧ３とを各々一種類ずつ燃料ガスＧ１に混合する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、複数種類の熱量調節ガスＧ２と複数種類のウォッベ指数調節ガスＧ３を燃料ガスＧ１に混合しても良い。
この場合には、燃料供給装置２が、複数の熱量調節ガス混合装置３と、複数のウォッベ指数調節ガス混合装置４とを備えれば良い。

また、上記実施形態においては、燃料供給装置２の制御装置５が燃料ガスＧ１の組成を外部から入力されることによって取得する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、燃料供給装置２が成分分析装置を備え、制御装置５が成分分析装置の分析結果から燃料ガスＧ１の組成を取得しても良い。

本発明の一実施形態の燃焼システムの概略構成を示す模式図である。 燃料ガスとしてプロパンガスを用い、ウォッベ指数調節ガスとして水蒸気を混合させた場合におけるウォッベ指数及び熱量の変化を示すグラフである。 燃料ガスとしてｎ−ブタンガス、ｉ−ブタンガス、１−ブテンガス、ｉ−ブテンガスを用い、ウォッベ指数調節ガスとして水蒸気を混合させた場合におけるウォッベ指数の変化を示すグラフである。 燃料ガスとしてプロパンガスを用い、熱量調節ガスとしてメタンを混合させた場合におけるウォッベ指数の変化を示すグラフである。 ウォッベ指数を一定とするための、ブタンガス（燃料ガス）と、メタンガス（熱量調節ガス）と、水蒸気（ウォッベ指数調節ガス）との体積割合を示すグラフである。 ウォッベ指数を一定とするための、ＦＣＣガス（燃料ガス）と、都市ガス（熱量調節ガス）と、水蒸気（ウォッベ指数調節ガス）との体積割合を示すグラフである。

符号の説明

Ｓ……燃焼システム、１……燃焼装置、１１……圧縮機、１２……燃焼器、１２ａ……ノズル、１３……タービン、２……燃料供給装置、３……熱量調節ガス混合装置（熱量調節ガス混合手段）、３１……供給装置、３２……混合器、４……ウォッベ指数調節ガス混合装置（ウォッベ指数調節ガス混合手段）、４１……供給装置、４２……混合器、５……制御装置（制御手段）、Ｇ１……燃料ガス、Ｇ２……熱量調節ガス、Ｇ３……ウォッベ指数調節ガス

Claims (3)

1. ノズルより噴射された燃料ガスを燃焼する燃焼装置と、該燃焼装置の前記ノズルに燃料ガスを供給する燃料供給装置とを備える燃焼システムであって、
   前記燃料供給装置は、
   前記燃料ガスに熱量を調節するための熱量調節ガスを混合可能な熱量調節ガス混合手段と、
   前記燃料ガスにウォッベ指数を調節するためのウォッベ指数調節ガスを混合可能なウォッベ指数調節ガス混合手段と、
   前記ノズルに供給される前記燃料ガスのウォッベ指数が前記ノズルの噴射可能範囲となり、前記ノズルに供給される前記燃料ガスの熱量が前記燃焼装置の要求範囲となるように前記熱量調節ガス混合手段及び前記ウォッベ指数調節ガス混合手段を制御する制御手段と
   を備えることを特徴とする燃焼システム。
2. 前記熱量調節ガスは、都市ガス、天然ガス、ＬＰＧあるいは水素ガスであることを特徴とする請求項１記載の燃焼システム。
3. 前記ウォッベ指数調節ガスは、水蒸気あるいは不活性ガスであることを特徴とする請求項１または２記載の燃焼システム。
   
   
   

Images