JP2010095639A - 燃料用ガス混合装置及びガス混合燃焼式発電設備 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で低カロリーガスを高カロリーガスに混合する。
【解決手段】バイオガスなどの低カロリーガスを、都市ガスなどの高カロリーガスに混合する燃料用ガス混合装置において、入口から低カロリーガスを貯蔵するガスホルダー１２、ガスブースター４４、ガスの流量を調整する流量調整手段５０を順次配置した低カロリーガス供給ライン４と、高カロリーガス供給ライン６２と、これら両供給ラインから供給されるガスを受け入れて、混合ガスとして送り出す混合手段６８とを備え、上記ガスホルダーは、一定の容積範囲において、大気圧の下でほぼ定圧的に膨張しかつ収縮する貯蔵部１４と、貯蔵部の内容積を貯蔵部の一部の膨張方向への移動量として表す膨張量測定計３４とを有し、膨張量が一定値以上のときにガスブースターを稼動し、一定値未満のときにガスブースターを停止するように構成した。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料用ガス混合装置及びガス混合燃焼式発電設備、特に都市ガスなどの高カロリーガスを主、バイオガスなどの低カロリーガスを従として、前者に後者を添加・混合する装置及び当該混合ガスを燃焼させて発電する設備に関する。

近年、資源の有効利用のために、生ゴミなどの有機材料から生成したガス（バイオガスという）を燃料として活用することが行われている。もっともこの種のガスは、組成にバラつきがあり、不燃性成分の存在により均一な熱量が得られない可能性がある。そこでバイオガスなどの低カロリーガスに補助的に都市ガスなどの高カロリーガスを添加して混合ガスとして用いることが行われている（特許文献１）。

都市ガスとバイオガスとを混合する場合、バイオガスは低圧で徐々に発生するために混合前に都市ガスの圧と同程度に昇圧する必要がある。そこでガス混合施設のうち低カロリーガス導入ラインにおいて、上流側から順次ガスホルダー（有水ガスホルダー）、ガス圧縮装置、クッションタンク、圧力制御弁、及び流量調節弁を設けることが行われている（特許文献２の段落００２５参照）。
特開２００５−３０３０２ 特開２００５−２５６６７４

特許文献１や特許文献２のようにバイオガスなどを主燃料とするガス混合設備は、ある程度まとまった量のバイオガスが供給される環境でないと実施しにくい。有水ガスホルダー、ガス圧縮装置などの設備を構築するには、それなりの投資が必要である。それ故に主燃料が十分確保されなければ、コスト面で不経済だからである。そうすると実施の上で次のような制約が生ずる。

第１に、生ゴミの再利用を目的とするときには、大量のゴミが存在するゴミ集積場などの施設でなければ適用しにくいということである。ゴミを集積するには輸送コストなどが生ずる。また、近年のゴミ集積場はどこも処理能力限界までゴミが持ち込まれ、新たな施設を建設しようとしても住民の反対運動などが予想され、広範な利用が期待できない。

第２に、日本は土地が狭いので、敷地のスペースの制約から、大量のバイオガスを貯蔵するときには、常圧に比べて圧縮された状態で貯蔵できる手段（例えば有水ガスホルダー）で貯蔵することが必要となる。この場合には、貯蔵手段から高圧ガスが漏出したりすると、引火などの危険があり、厳重な安全措置を施すことが必要となる。

このような事情を考慮すると、ゴミの発生場所の近くで生成したバイオガスを都市ガスなどの高カロリーガスに添加し、燃料として消費する比較的小規模の施設を設けることが有利である。しかしながら、そうした用途に適したガス混合装置を製作する場合の問題点はこれまで十分に検討されてこなかった。例えばバイオガスは、都市ガスと異なって品質が不揃いであり、ときによっては燃焼に適しない成分や過剰燃焼し易い成分を含む。前者は火力の低下を、後者はノッキングなどを生ずる原因となり、どちらもガスの適正な燃焼を妨げる。主燃料にコストのかかる都市ガスを用いる場合には、こうした不適正な燃焼を生ずると却って不経済となる。

本発明の第１の目的は、バイオガスなどの低カロリーガスを高カロリーガスに加えて混合することを、比較的簡易な構成で実現するガス混合装置、及びガス混合燃焼式発電設備を提供することである。

本発明の第２の目的は、バイオガス中の燃焼に適しない成分の割合を制御する仕組みを有する燃料用ガス混合装置及びガス混合燃焼式発電設備を提供することである。

第１の手段は、有機素材から生成されるバイオガスなどの低カロリーガスを、都市ガスなどの高カロリーガスに加えて混合ガスとして供給する燃料用ガス混合装置において、
入口から下流に向かって、低カロリーガスを貯蔵するガスホルダー、貯蔵したガスを昇圧して下流に送り出すガスブースター、及び高圧化した低カロリーガスの流量を調整する流量調整手段を順次配置した低カロリーガス導入ラインと、
流量調整手段を含む高カロリーガス導入ラインと、
これら両導入ラインから導入されるガスを受け入れて、混合ガスとして送り出す混合手段と、
高カロリーガス導入ライン及び低カロリーガス導入ラインの流量調整手段を制御するコントローラとを備え、
上記ガスホルダーは、一定の容積範囲において、大気圧の下でほぼ定圧的に膨張しかつ収縮する貯蔵部と、この貯蔵部の内容積を貯蔵部の一部の膨張方向への移動量として表す膨張量測定計とを有していて、測定された膨張量が一定値以上のときにガスブースターを稼動し、一定値未満のときにガスブースターを停止するように構成し、
さらに上記コントローラは低カロリーガスの導入流量の減少に応じて高カロリーガスの導入流量を増加するように構成した。

本手段は、高カロリーガスを主燃料、低カロリーガスを副燃料として比較的簡易な構成で混合する装置を提案している。構成要件中「低カロリーガスを、都市ガスなどの高カロリーガスに加えて」とは、副燃料を主燃料に添加してという意味である。こうすることで、社会のさまざまな場所で発生するゴミ資源を、発生場所付近で消費・処理することができる。本手段では、低カロリーガスを大気圧下で膨張・収縮する貯蔵手段に貯蔵している。従って貯蔵手段からガスが漏れたり、あるいは後述のように一部を排気しても、大気中に置かれた有機物が自然に分解される状況とさほど変わりがないので、周囲に与える影響が少ない。従ってシンプルな構造とすることができる。

「ガスホルダー」は、大気圧下で膨張・収縮する貯蔵部を有し、その膨張量を測定できるようにしている。「貯蔵部」は、ほぼ大気圧に等しい内圧（常圧という）で定圧的にガスを貯蔵できるものであればよい。「定圧的」という用語を用いているが、貯蔵部が膨張限界に達した後でさらにガスが流入する場合まで定圧であるという意味ではない。この点は実施形態でさらに述べる。貯蔵部の構成は、シリンダ内をピストンが摺動するようなものでもよいが、より構造の簡易なバルーン型が好適である。

「コントローラ」は、低カロリーガス及び高カロリーガスの混合ガスの導入流量、或いは単位時間当たりの導入カロリーが一定になるように、各導入ラインの流量を調整する機能を有することが望ましい。本発明の特徴は、主燃料である高カロリーガスに副燃料である低カロリーガスを添加して用いることであり、好適な実施例では、低カロリーガスの品質が劣悪な状態となると低カロリーガス導入ラインからのガス導入量がゼロになることもある。そうした場合にはコントローラは高カロリーガスだけで一定のカロリー量が得られるように流量を調整する。

「燃料用ガス混合装置」とは、本明細書において、少なくとも一つの動作形態として高カロリーガスと低カロリーガスとの混合ガスを供給できるものを指す。後述の好適例として述べるように低カロリーガスの品質が不良である状態（例えば初期状態）において純正の高カロリーガスを混合ガスの代わりに供給することが可能な装置であってもよい。

第２の手段は、第1の手段を有し、かつ
上記貯蔵部を、薄くかつ柔軟な素材で形成したガス袋とするとともに、膨張量測定計を、ガス袋の頂部又は底部が上下方向に膨らむときのレベルの変位を計測するレベル計としている。

本手段では、一つの特徴として、大気圧下で膨張・収縮するガス袋（バルーン）の中にガスを貯めるように設計している。好適な図示例では、ガス袋を構成する球体の表面のうち、高さ方向の中間点を含む数か所に、複数のリング環（フレームリング、調整リング）を取り付け、貯蔵量が少なくなったときには、球体の上半部が下半部の中に凹み込むようにしている。袋の素材は柔軟であればよく、伸縮する必要はない。定圧的にガスを貯蔵できればよいからである。

「ガス袋」は、ガスの流入に応じて少なくとも高さ方向に膨らむことが構造を有する。袋の頂部のレベル（高さ）と容量との間にほぼ一義的な関係があればどのような形状であってもよく、図示の球形の他、ドーム形・箱形など適宜の形とすることができる。「薄くかつ柔軟な素材」とは、内圧が大気圧より少しでも高ければレベルの変化に反映することができる程度の薄さ・柔軟さがあればよい。ガス袋が膨張すると言っても、主として素材の屈曲変形により膨らめば足り、素材自体が伸びる必要がない。素材が伸びてガスを溜めるタイプの袋とは異なり、本発明の袋はガスを大気圧に近い常圧で貯蔵することに適しており、また、仮に袋の一部に亀裂が生じても破裂したりすることがない。

第３の手段は、第２の手段を有し、かつ
上記ガスホルダーは、上記容積範囲を超えて膨張して内圧が一定値を超えたときにはガスホルダー内のガスを外部に放出するように構成したガス抜き機構を有している。

本手段では、貯蔵部の容量限界までは常圧で定圧的にガスを貯蔵し、その容量が限界に達して、内圧が一定値まで上ったときにガス抜きすることを提案している。ガス抜きが開始されるときの圧力の一定値は、安全性を考慮して大気圧に近い数値とする。「ガス抜き機構」は貯蔵部自体に付設する必要はなく、後述の水封装置のように貯蔵部の下流（又は上流）のガス導入ライン部分に設けてもよい。
第４の手段は、第２の手段又は第３の手段を有し、かつ
上記流量調整手段よりも上流側の低カロリーガス導入ライン部分に、Ｈ_２などの過剰燃焼成分とＣＯ_２及びＮ_２などの燃焼抑制成分とをそれぞれ検出する燃料成分濃度センサーを設置させ、
上記コントローラは、混合ガス中における過剰燃焼成分及び燃焼抑制成分の濃度がそれぞれ目標値以下となるように、各成分の濃度に応じて高カロリーガス導入ライン及び低カロリーガス導入ラインの各流量調整手段の流量目標値を予め調節することで、燃焼過剰及び燃焼停滞の状態を回避できるように構成している。

本手段では、バイオガスなどの低カロリーガスに含まれる過剰燃焼成分及び燃焼抑制成分に着目して混合ガスにおけるこれらの成分の量を制限するようにしている。２種類の成分は、燃焼の程度に対して逆の作用をするものである。しかし本発明では、いずれも主燃料である高カロリーガスの円滑な燃焼に悪影響を及ぼすものとして、低カロリーガスの導入を規制するようにしている。

第５の手段は、第２の手段から第４の手段の何れかを有し、かつ
上記低カロリーガス導入ラインは、上記ガスホルダーよりも上流個所に水やＨ_２Ｓなどの腐食成分の濃度を検出する腐食成分濃度センサーを設置するとともに、この腐食成分濃度センサーとガスホルダーとの間の低カロリーガス導入ライン部分から排出ラインを分岐させ、腐食成分濃度センサーの測定値が一定値以上のときには、導入された低カロリーガスを、低カロリーガス導入ラインから排出ラインを介して排出し、測定値が一定値未満のときには、排出ラインを遮断して、低カロリーガスをガスホルダー側へ送るように構成している。

本手段では、外部のガス発生源から導入される低カロリーガス中の腐食成分が一定値以上となったときに、排出ラインを介して腐食成分除去手段を含む低カロリーガスを排出するようにしている。腐食成分とは、水やＨ_２Ｓなどであり、とくにエンジンにとって好ましくない物質である。腐食成分への別の対応として、原料投入を停止する措置も考えられる。

導入されたガスをそのまま排出するための安全上の留意事項として、（イ）ガスが低カロリーであること、（ロ）排気されるガスのガス圧が大気圧とあまり変らない低圧であること、（ハ）排気されたガスが一箇所に蓄積されないこと、が挙げられる。本発明では（イ）及び（ロ）は容易に達成される。（イ）に関しては、都市ガスに比べて低カロリーのガスと混合することにしている。（ロ）に関しては、ガスホルダーが大気圧下でガスを貯蔵するタイプなので、ガスホルダーの内圧に、流路抵抗に抗してガスを搬送するために必要な搬送圧力を加えた程度のガス圧で足りる。（ハ）に関しては、「排出ライン」を屋外への排出ラインとすることが最も確実である。屋外へ排出するのであれば、排気されたガスは外界に拡散するからである。

第６の手段は、第２の手段から第４の手段の何れかを有し、かつ
上記低カロリーガス導入ラインは、上記ガスホルダーよりも上流個所に水やＨ_２Ｓなどの腐食成分の濃度を検出する腐食成分濃度センサーを設置するとともに、この腐食成分濃度センサーとガスホルダーとの間の低カロリーガス導入ライン部分で形成するメインラインに対して、腐食成分除去手段を含むバイパスラインを形成し、腐食成分濃度センサーの測定値が一定値以上のときにはバイパスラインに、測定値が一定値未満のときにはメインラインに、低カロリーガスの流路を切り替えるように構成している。

本手段では、外部から導入される低カロリーガス中の腐食成分が一定値以上となったときに、腐食成分除去手段を含むバイパスラインを経由させることを提案している。前の手段で腐食成分について記載したことは本手段に援用する。

第７の手段は、第２の手段から第４の手段のいずれかを有し、かつ
低カロリーガス導入ラインの入口からガスホルダーまでの間のライン部分にカウンタ手段を、またカウンタ手段とガスホルダーとの間のライン部分に排気弁をそれぞれ設け、
上記カウンタ手段は、外部の低カロリーガス生成源から低カロリーガス導入ラインの入口へ低カロリーガスの導入が開始されてから時間又はガス流量をカウントするように構成し、
また排気弁は、少なくとも低カロリーガスの導入が開始された後カウンタ手段のカウント量が一定値に達するまでの間は入口から流入するガスを全て排気し、カウント量が一定値を超えた後には入口から流入するガスをガスホルダー側に送るように制御されている。

バイオガスの発生システムが稼働し始めた初期の段階では、反応容器や配管などに残留していた物質に由来するさまざまなガス成分が導入ガスの中に含まれている場合が多い。そうしたガス成分は本発明の混合装置のメンテナンスや混合ガスの燃焼に悪い影響を及ぼす可能性がある。そこで初期段階の導入ガスを排気するようにしている。本手段の態様としては、積算流量が一定量に達するまで排気するようにしてもよく、また外部からの導入が開始されてから一定時間排気するようにしてもよい。

第８の手段は、第２の手段から第７の手段の何れかに記載の燃料用ガス混合装置と、この燃料用ガス混合装置から供給されるガスを燃焼して発電する発電機とからなる、ガス混合燃焼式発電設備である。

第１の手段に係る発明によれば、ガスホルダーは大気圧下で膨張・収縮するので、常圧で近い状態でガスを貯蔵することができ、安定的な混合ガスの供給が可能である。

第２の手段に係る発明によれば、ガスホルダーの貯蔵部は柔軟な素材で形成したシンプルな構造であるから、ポンプ方式などに比べて誤作動を生ずる可能性が少なく、薄く形成したから、より常圧に近い状態でガスを貯蔵できる。

第３の手段に係る発明によれば、常圧に近い状態で貯蔵されたガスを放出するようにしたから、有機廃棄物からガスが発生している状況と変わりがなく、安全である。

第４の手段に係る発明によれば、Ｈ_２、ＣＯ_２、Ｎ_２など円滑な燃焼を阻害する成分の濃度を測定して、低カロリーガス及び高カロリーガスの濃度を調整するから、良好な燃焼状態を維持できる。

第５の手段に係る発明によれば、Ｈ_２、ＣＯ_２、Ｎ_２など円滑な燃焼を阻害する成分の濃度を測定して、これらの成分の濃度が大きいときには、導入したガスを排出するから、低カロリーガス導入ラインの損傷を防止できる。

第６の手段に係る発明によれば、低カロリーガス導入ラインの上流部でＨ_２Ｓなどの腐食成分を除去するようにしたから、低カロリーガス導入ラインの損傷を防止できる。

第７の手段に係る発明によれば、外部の低カロリーガス発生源から低カロリーガス導入ライン内へガスが流入し始めた初期段階の質の悪いガスを排気するようにしたから、低カロリーガス導入ラインを保護することができる。

第８の手段に係る発明によれば、先の手段として記載された燃料用ガス混合装置を利用したから、低コストで発電をすることができる。

図１から図１１は、本発明の第１の実施形態に係るガス混合燃焼式発電設備を示している。この設備は燃料用ガス混合装置２及び発電機１００から成る。

燃料用ガス混合装置２は、図１に示すように低カロリーガス導入ライン４と、高カロリーガス導入ライン６２と、コントローラ６６と、混合手段６８とを含む。

低カロリーガス導入ライン４は、入口部６から、ガスホルダー１２、ガスブースター４４、流量調整手段５０を経て混合手段６８に至る。上記入口部は、図示しない低カロリーガス発生源に接続されている。低カロリーガス発生源としては、生ゴミなどの有機性廃棄物を原料とする超臨界水ガス化システム、或いはメタン発酵装置とすることができる。

入口部６は、入口７の下流に、カウント手段８と、排気弁１０とを順次設置してなる。入口部６の基本動作を図２にチャートとして示す。カウンタ手段８は、ガスの流入を開始してからの積算流量Ｑを計量しており、計量した積算流量Ｑが設定値Ｑｓに達するまでは、流入したガスを排気弁から屋外へ排気するように制御されている。この制御は、図示しないマイクロコンピュータなどの制御機械で行う。計量した値が設定値に達した後には、入口部６からガスホルダー側へガスの導入を開始するとともに、カウント手段の計数を零に戻す。カウント手段８は流量計ではなく、タイマーとすることができる。すなわち、入口７へのガスの流入が開始された後の時間Ｔを計測し、その経験的に設定された時間Ｔｓに達するまではガスを屋外に排気する。

ガスホルダー１２は、図３及び図４に示すように貯蔵部１４と燃料成分濃度センサー１８と支持塔２８とレベル計３４とを有し、レベル計が示す値が上限値になるまで定圧的にガスを貯蔵できるように構成している。

上記貯蔵部１４は、ガス袋１６と、このガス袋の形状・姿勢を規制するフレームリング２４及び調整リング２６とで形成されている。ガス袋１６は、ガスの充填状態において球形である。その球形での下端部を皿状の非変形部分１６ａとし、この皿状非変形部分を貫通してガス流入口２０及びガス流出口２２を形成している。ガス流入口２０は、入口部６側へ、またガス流出口２２はガスブースター４４側へそれぞれ接続している。球形時の下端を除くガス袋部分は、可変形部分１６ｂである。この可変形部分１６ｂは、柔軟で屈曲可能な布状の素材で形成されている。このように形成することで、ガスの貯蔵量に応じて、素材の屈曲変形によるガス袋の膨張・収縮を可能としている。球形時のガス袋１６の上端部には、レベル計３４と連係した円板１７が付設されており、この円板の高さにより容量を測定するように形成している。また、上記ガス袋１６の表面の上下方向の中間箇所にはフレームリング２４を取り付け、このフレームリングを介して支持塔２８に固定されている。ガス袋１６の上半部には等間隔で複数の調整リング２６を取り付けている。これら調整リングは、ガス袋の上半部が規則正しくガス袋の下半部内に陥没するようにするようにし、ガス袋１６の上端部の高さが内容積に対応するようにしている。

上記燃料成分濃度センサー１８は、貯蔵部１４内に設置されている。図示例ではガス袋の上端部内面に付設されているが、その場所は適宜変更することができるようにしている。燃料成分濃度センサー１８は、低カロリーガス中の特定成分、例えば燃焼の障害となる成分や人体に有害な成分の濃度を測定できるものである。燃料成分濃度センサーで測定された数値は、後述のコントローラ６６に送られ、コンロトーラにより、流量調整手段の設定の変更、本装置の管理者への警報、その他適当な措置を講ずることができるようにしている。ガス成分の濃度管理のより好適な例は、後述の他の実施形態で述べる。

上記支持塔２８は、ガス袋１６を囲む４本の柱状の縦材３０と、これら縦材の上端・中間部・下端部にそれぞれ架設した上横材３２Ａ、中横材３２Ｂ、下横材３２Ｃとで形成されている。

上記レベル計３４は、ガス袋１６の上端部の高さを測定するようにしている。図示例では上記支持塔の縦材３０と平行に目盛板３６を支持するとともに、上記ガス袋１６の上端部から対角方向の上横材３２Ａに付設した滑車を経て目盛板３６へ連結紐３８を掛け渡し、この連結紐の下端に錘を兼ねたレベル表示部４０を付設している。

さらに図示例では、ガスホルダー１２は、貯蔵部１４と連通する水封装置４２を有し、貯蔵部内のガス圧を調整するようにしている。水封装置は従来公知の構成であり、貯蔵部から引き出したガス管の先端部を、水槽中に水面側から水没させている。その水没深さｄと比較して貯蔵部１４の圧力水頭が大きくなると、ガス管の先端から流出したガスが水槽の水面から大気中に放出される。ガスホルダー１２の内圧は、水封弁の水槽の水深によって設定することができる。好適な一例として、貯蔵部の圧力が大気圧よりも200mmAq以上大きくなったらガスを放出するように設計することができる。図示例では、貯蔵部１４とガスブースター４４との間の流路部分から引き出した分岐路４１に水封装置４２を設置している。

ガスブースター４４は、上記ガスホルダー１２から流入したガスを昇圧して下流側へ送り出す機能を有する（図５及び図６参照）。低圧のバイオガスを、都市ガスと同程度まで昇圧するためである。４８は、高圧化されたガスが上流に逆流することを防止するための逆流防止弁である。ガスブースター４４は、図１に示すようにレベル計３４に接続しており、レベル計３４の測定値が一定値以上になったときに稼動するように制御されている。

図７に上記ガスホルダー１２及びガスブースター４４の基本動作のフローチャートを記載している。第１の動作として、ガスホルダー１２のガス袋１６の上端部の高さ（ｈ）が一定の高さ（Ｈ）に達したらガスブースター４４を稼働する。これによりガスホルダー内のガスをガスブースター４４内に吸引し、そして下流側へ送る。第２の動作として、ガスブースターの稼動中に、ガスホルダー１２の内圧（Ｐ）が一定値Ｐ_Ｈ以上になったら、水封装置４２を通して屋外へガスを排出する。こうした状況は、ガスブースターが送り出すガスの流量よりも外部からのガスの導入流量が多い特殊な状態であるが、本実施形態ではそうした事態にも対応できるように設計している。第３の動作として、ガスホルダー１２内のガス量が減少して一定の高さ（Ｌ）に低下したら、ガスブースター４４を停止する。ガスホルダー１２内のガスが貯留され再び一定の高さ（Ｈ）に達したらガスブースター４４を稼働させる。

流量調整手段５０は、上流側から圧送されたガスの圧力を調整し、混合ガスの比率を調節するための手段である。図８には、低カロリーガス導入ラインの流量調整手段５０と、高カロリーガス導入ラインの流量調整手段６４とを上下２段に枠体に組み付けた構造物（バルブユニット）が描かれており、これら手段は同じように構成されている。すなわち、ガスの入口から上流側圧力計５２ａ、ガバナー５４、下流側圧力計５２ｂ、ニードル弁５６、ガスメータ５７、逆止弁５８を経て手動ボール弁５９付きの供給口６０に至る。ガバナー５４は、上流側でガスブースターなどにより昇圧されたガスの圧力を調整し、目標値に一致させる機能を有する。その目標値は後述のコントローラから指令される。これら流量調整手段の使い方は後で述べる。

高カロリーガス導入ライン６２は、流量調整手段６４を有する。

コントローラ６６は、低カロリーガス導入ラインの流量調整手段５０と高カロリーガス導入ラインの流量調整手段６４とを調整し、混合ガスとして適当な混合比率となるようにコントロールする機能を有する。本発明の場合には、高カロリーガスを主燃料とし、低カロリーガスを副燃料として添加するものであり、ガスホルダー１２のガス袋のレベルが一定値以下となると、図９に示すように低カロリーガスの導入量が殆どゼロになる。そうした場合には、コントローラは高カロリーガスの導入量を増加させる。そうすることで、高カロリーガス及び低カロリーガスの混合ガスを燃焼する混燃状態でも、高カロリーガスのみを燃やす単純燃焼状態でも、発電出力を一定とすることができる。図１０には、図９の混燃状態及び単純燃焼状態に対応して、それぞれの状態での混合ガス全体に対する低カロリーガス（バイオガス）の混合比率を示している。混燃状態での混合比率はこの例では１５．３〜１６％である。しかしその比率は本発明の性質に反しない限り、適宜変更することができる。

混合手段６８は、低カロリーガス導入ライン４及び高カロリーガス導入ライン６２から導入されたガスを一旦内部に貯蔵して混合する混合容器である。この容器は、図１１に示すようなサージタンクとすることが望ましく、この種のタンクは、弁の開閉によるガス圧の変化（サージ）を抑制する機能を有する。同図中７０はタンク入口、７２はタンク出口、７４は圧力計取付口である。

発電機１００は、混合手段６８から供給された混合ガスを燃焼させ、発電をする。

上記構成において、外部発生源で発生したガス（バイオガス）は、低カロリーガス導入ライン４の入口部６内へ送られる。入口部６では流入開始から所定量のガス（又は所定時間内に流入したガス）を屋外に排出した後、ガスホルダーへバイオガスを供給する。ガスホルダーは、当初は球形のガス袋１６の上半部が下半部内に凹没しており、ガスが流入することで上半部が隆起するようになっている。隆起高さが所定値に達するとガスブースター４４を稼働し、ガスホルダー１２内のガスを流量調整手段５０に送る。流量調整手段では、ガバナー５４や弁によって高カロリーガスに対する混合割合を設定し、混合手段（サージタンク）６８内で混合する。そして混合したガスをガスエンジン発電機１００に送って発電する。ガス袋のレベルが一定値以下となるとガスブースター４４が停止する。ガスホルダー１２内の貯留されたガスがなくなるまで、言い換えるとガスホルダーの高さがＬ以下になるまでは、都市ガスと混焼して発電し、バイオガスがガスホルダー内に十分貯留されるまでは都市ガスのみで発電する。

以下本発明の他の実施形態を説明する。

図１２から図１４は、本発明の第２の実施形態に係るガス混合燃焼式発電設備の要部を示している。この実施形態では、低カロリーガス導入ライン４の入口部６とガスホルダー１２との間に、屋外排出手段７６ないし除湿・脱硫手段７８を設けたものである。
この屋外排出手段７６は、図１２に示す如く入口部６からのガスの水分・Ｈ_２Ｓの濃度を検出する腐食成分濃度センサー８０を有し、この腐食成分濃度センサーの下流から流路切替弁８８Ａを経て屋外排出ライン７７を分岐させたものである。
上記流路切替弁は、腐食成分濃度センサー８０からの信号で開閉するように形成している。すなわち、図１４に示すように腐食成分濃度センサー８０で検知された湿度が所定値（好ましくは８０％）以上、或いはＨ_２Ｓ濃度が一定値（好ましくは５ｐｐｍ）以上であるときには、分岐点よりも下流の低カロリー導入ライン部分への連通を遮断し、分岐点から屋外排出ラインへの流路を開通して、外部の低カロリー発生源から入口７を経て導入された低カロリーガスを全て屋外へ排出する。バイオガスなどは徐々に生成されるために、低カロリーガス発生源から導入される低カロリーガスのガス圧は、ガスホルダー内のガス圧よりも若干高い程度であり、そのまま屋外に排出しても安全である。ゴミ捨て場に廃棄された生ゴミからガスが生ずる状況と大差ないからである。屋外への排出と同時に図示しないガス化システムへ警告を発し、ガス化システムへの原料投入やガス化処理を停止させるようにしてもよい。湿度及びＨ_２Ｓ濃度が一定値を下回ったときには、分岐点上流の低カロリーガス導入ライン部分から屋外排出ラインへの連通を遮断し、分岐点下流の低カロリーガス導入ライン部分への流路を開通するように流路切替弁を切り替える。

また、除湿・脱硫手段７８は、上記屋外排出手段７６の構成のうち屋外排出ラインと図１３に示すバイパス路８２とを置き換え、かつこのバイパス路に、順次除湿部８４と脱硫部８６とを設置したものである。バイパス路の分枝部及び合流部にはそれぞれ流路切替弁８８Ａ、８８Ｂを設ける。これら流路切替弁も、腐食成分濃度センサー８０からの信号で開閉するように形成している。すなわち、腐食成分が一定濃度以上となったときには、低カロリーガス導入ラインの本流路からバイパス路８２へ切り替え、除湿・脱硫の処理をする。湿度及びＨ_２Ｓ濃度が一定値を下回ったときには、再び流路をバイパス路から本流路へ切り替えればよい。

図１５は、本発明の第３実施形態に係るガス混合燃焼式発電設備の動作のフローチャートを示している。具体的な設備の構成は第１の実施形態と同じでよく、コントローラでの制御方式として燃焼の障害となる成分の濃度に応じてガスの導入量を制御する点に特徴がある。

ガスエンジン発電機に供給されるガスの成分としてH₂濃度が高い（＞１０Vol%）と、燃焼が過剰となり、炎が吸気管などに逆流する逆火や、燃料の異常燃焼によるノッキングのような問題を引き起こす。また、CO_２、N₂の濃度が高い（各＞４０Vol%）とエンジン燃焼が抑制され、停滞する。そこで本手段では、ガス袋１６内の燃料成分濃度センサー１８によりこれら過剰燃焼成分及び燃焼抑制成分の濃度を検出し、高カロリーガスとの混合比率を制御して安定したエンジンの運転を可能としている。本発明は、高カロリーガスを主燃料として低カロリーガスを添加するシステムであり、このシステムにあっては低カロリーガスの品質のばらつきは燃焼過剰であれ、燃焼の抑制であれ、円滑で効率的な燃焼を妨げるものとして、一律に低カロリーガスの混合比率を低下させるように設計している。

具体的な設計手法は次の通りである。図１５に示すように各成分毎に適正運転のための濃度の閾値Ｃｉ（ｉ＝１，２，３）を決定する。図示例では、バイオガス中でのＨ_２の濃度の閾値がＣ_１＝１０体積％、ＣＯ_２やＮ_２ではＣ_２＝Ｃ_３＝４０体積％である。そしてガスホルダー内での各成分の濃度を測定する。図中、Ｑ_Ｂはバイオガスの流量、Ｑ_Ｇは混合ガスの流量である。またバイオガス中のＨ_２、ＣＯ_２、Ｎ_２の各成分の濃度をそれぞれ［Ｈ_２］、［ＣＯ_２］、［Ｎ_２］と表す。各成分の濃度［…］をそれぞれの閾値で除した補正係数［…］／Ｃｉが、各成分の適正量からの超過の程度を表す。現在の混合ガスの流量Ｑ_Ｇを各成分の補正係数［…］／Ｃｉで除した量Ｑ_Ｇ／（［…］／Ｃｉ）が、その成分についてのバイオガスの目標流量である。これを、Ｑ_ＢＨ２、Ｑ_ＢＣＯ２、Ｑ_ＢＮ２と表す。これら目標流量のうち最小のものを、補正後のバイオガスの流量Ｑ_Ｂとする。すなわち、Ｑ_Ｂ≦Ｍｉｎ（Ｑ_ＢＨ２、Ｑ_ＢＣＯ２、Ｑ_ＢＮ２）。但し、この補正後のバイオガスの流量は低カロリーガス導入ラインの設定流量を超えないものとする。

低カロリーガスの設定流量を減少したときには、高カロリーガスの設定流量を増やし、混合ガス全体としての流量が一定となるようにする。各設定流量が決定されたら、低カロリーガス導入ライン及び高カロリーガス導入ラインの流量調整手段５０、６４の開度θ_Ａ、θ_Ｂを調整する。

ガス袋１６の大きさは任意であるが、好適な一例として直径１３００ｍｍ程度の球体とすることができる。また、本発電設備は、超臨界水ガス化システムの発電出力６ｋｗ程度のプラントとすることができる。

本発明の第1の実施形態に係るガス発電設備の全体構成図である。 図１の設備の入口部の動作を説明するフローチャートである。 図１の設備のガスホルダーの側面図である。 図３のガスホルダーの平面図である。 図１の設備のガスブースターの側面図である。 図１の設備のガスブースターの平面図である。 図３のガスホルダー及び図５のガスブースターの動作を説明するフローチャートである。 図１の設備の流量調整手段の側面図である。 図１の設備のコントローラの作用説明図である。 上記のコントローラの作用として得られるガス混合比率を示す図である。 図１の設備の混合手段の側面図である。 本発明の第２の実施形態に係るガス発電設備の要部の構成図である。 同実施形態の変形例を示す図である。 上記要部の動作を説明するフローチャートである。 本発明の第３の実施形態に係るガス発電設備の動作の説明図である。

符号の説明

２…ガス混合装置 ４…低カロリーガス導入ライン ６…入口部 ７…入口
８…カウント手段 １０…排気弁 １２…ガスホルダー １４…貯蔵部
１６…ガス袋 １６ａ…非変形部分 １６ｂ…可変形部分 １７…円板
１８…燃料成分濃度センサー ２０…ガス流入口 ２２…ガス流出口
２４…フレームリング ２６…調整リング
２８…支持塔 ３０…縦材 ３２Ａ…上横材 ３２Ｂ…中横材 ３２Ｃ…下横材
３４…レベル計 ３６…目盛り板 ３８…連結紐 ４０…レベル表示部
４１…分岐管 ４２…水封装置
４４…ガスブースター ４６…モーター ４８…逆流防止弁
５０…流量調整手段 ５２ａ…上流側圧力計 ５２ｂ…下流側圧力計
５４…ガバナー ５６…ニードル弁 ５７…ガスメータ ５８…逆止弁
５９…手動ボール弁 ６０…供給口
６２…高カロリーガス導入ライン ６４…流量調整手段 ６６…コントローラ
６８…混合手段 ７０…タンク入口 ７２…タンク出口 ７４…圧力計取付口
７８…除湿・脱硫手段 ８０…腐食成分濃度センサー ８２…バイパス路
８４…除湿部 ８６…脱硫部 ８８Ａ、８８Ｂ…流路切替弁
１００…発電機

Claims (8)

1. 有機素材から生成されるバイオガスなどの低カロリーガスを、都市ガスなどの高カロリーガスに加えて混合ガスとして供給する燃料用ガス混合装置において、
   入口から下流に向かって、低カロリーガスを貯蔵するガスホルダー、貯蔵したガスを昇圧して下流に送り出すガスブースター、及び高圧化した低カロリーガスの流量を調整する流量調整手段を順次配置した低カロリーガス導入ラインと、
   流量調整手段を含む高カロリーガス導入ラインと、
   これら両導入ラインから導入されるガスを受け入れて、混合ガスとして送り出す混合手段と、
   高カロリーガス導入ライン及び低カロリーガス導入ラインの流量調整手段を制御するコントローラとを備え、
   上記ガスホルダーは、一定の容積範囲において、大気圧の下でほぼ定圧的に膨張しかつ収縮する貯蔵部と、この貯蔵部の内容積を貯蔵部の一部の膨張方向への移動量として表す膨張量測定計とを有していて、測定された膨張量が一定値以上のときにガスブースターを稼動し、一定値未満のときにガスブースターを停止するように構成し、
   さらに上記コントローラは低カロリーガスの導入流量の減少に応じて高カロリーガスの導入流量を増加するように構成したことを特徴とする燃料用ガス混合装置。
2. 上記貯蔵部を、薄くかつ柔軟な素材で形成したガス袋とするとともに、膨張量測定計を、ガス袋の頂部又は底部が上下方向に膨らむときのレベルの変位を計測するレベル計とした、ことを特徴とする、請求項１記載の燃料用ガス混合装置。
3. 上記ガスホルダーは、上記容積範囲を超えて膨張して内圧が一定値を超えたときにはガスホルダー内のガスを外部に放出するように構成したガス抜き機構を有することを特徴とする、請求項２記載の燃料用ガス混合装置。
4. 上記流量調整手段よりも上流側の低カロリーガス導入ライン部分に、Ｈ_２などの過剰燃焼成分とＣＯ_２及びＮ_２などの燃焼抑制成分とをそれぞれ検出する燃料成分濃度センサーを設置させ、
   上記コントローラが、混合ガス中における過剰燃焼成分及び燃焼抑制成分の濃度がそれぞれ目標値以下となるように、各成分の濃度に応じて高カロリーガス導入ライン及び低カロリーガス導入ラインの各流量調整手段の流量目標値を予め調節することで、燃焼過剰及び燃焼停滞の状態を回避できるように構成したことを特徴とする、請求項２又は請求項３に記載の燃料用ガス混合装置。
5. 上記低カロリーガス導入ラインは、上記ガスホルダーよりも上流個所に水やＨ_２Ｓなどの腐食成分の濃度を検出する腐食成分濃度センサーを設置するとともに、この腐食成分濃度センサーとガスホルダーとの間の低カロリーガス導入ライン部分から排出ラインを分岐させ、腐食成分濃度センサーの測定値が一定値以上のときには、導入された低カロリーガスを、低カロリーガス導入ラインから排出ラインを介して排出し、測定値が一定値未満のときには、排出ラインを遮断して、低カロリーガスをガスホルダー側へ送るように構成したことを特徴とする、請求項２から請求項４の何れかに記載の燃料用ガス混合装置。
6. 上記低カロリーガス導入ラインは、上記ガスホルダーよりも上流個所に水やＨ_２Ｓなどの腐食成分の濃度を検出する腐食成分濃度センサーを設置するとともに、この腐食成分濃度センサーとガスホルダーとの間の低カロリーガス導入ライン部分で形成するメインラインに対して、腐食成分除去手段を含むバイパスラインを形成し、腐食成分濃度センサーの測定値が一定値以上のときにはバイパスラインに、測定値が一定値未満のときにはメインラインに、低カロリーガスの流路を切り替えるように構成したことを特徴とする、請求項２から請求項４の何れかに記載の燃料用ガス混合装置。
7. 低カロリーガス導入ラインの入口からガスホルダーまでの間のライン部分にカウンタ手段を、またカウンタ手段とガスホルダーとの間のライン部分に排気弁をそれぞれ設け、
   上記カウンタ手段は、外部の低カロリーガス生成源から低カロリーガス導入ラインの入口へ低カロリーガスの導入が開始されてから時間又はガス流量をカウントするように構成し、
   また排気弁は、少なくとも低カロリーガスの導入が開始された後カウンタ手段のカウント量が一定値に達するまでの間は入口から流入するガスを全て排気し、カウント量が一定値を超えた後には入口から流入するガスをガスホルダー側に送るように制御されていることを特徴とする、請求項２から請求項４の何れかに記載の燃料用ガス混合装置。
8. 請求項２から請求項７の何れかに記載の燃料用ガス混合装置と、この燃料用ガス混合装置から導入されるガスを燃焼して発電する発電機とからなる、ガス混合燃焼式発電設備。
   
   

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