JP2017133701A - 燃焼ガス供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】 消費電力の増加を抑制しつつ、必要に応じて圧縮空気の供給量を増加させて好適に燃焼ガスを供給可能な燃焼ガス供給システムを提供する。
【解決手段】 燃焼ガス供給システム１は、空気圧縮機３、燃料供給装置５、燃料供給装置が供給する燃料及び圧縮空気を燃焼させて加圧燃焼ガスを生成する燃焼器７、加圧燃焼ガスを熱量消費装置へ供給して、熱量が消費された加圧燃焼ガスを使用済みガスとして回収するためのガス供給回収部９、及び、回収される使用済みガスの一部を補足的に圧縮して圧縮空気へ供給する再加圧圧縮機１１を有する。再加圧圧縮機は、使用済みガスを圧縮空気と同圧力に加圧して再利用し、使用済みガスの残部は外部へ排出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料を燃焼して発生させた燃焼ガスを熱源として供給するための燃焼ガス供給システムに関し、特に、圧縮空気を用いて可燃性ガス（気体燃料）を燃焼させて得られる高温の加圧燃焼ガスを供給する燃焼ガス供給システムに関する。

燃料を燃焼して発生させた燃焼ガスは、熱エネルギー又は動力エネルギーを供給するエネルギー源として様々な機器及び設備において利用されている。例えば、エンジン等の内燃機関や発電施設のタービン等においては、燃焼ガスを動力源として利用して、燃焼ガスの流動圧が駆動力や電力に変換され、化学処理施設のボイラーや反応装置等においては、燃焼ガスを熱源として使用して、熱交換によって燃焼ガスの熱エネルギーが対象物質に伝達され、対象物質の加熱、状態変化（気化等）、化学反応の進行等が行われる。

燃焼ガスを発生させる燃焼器は、一般的に、酸素源として用いる空気に燃料を添加して燃焼する。燃焼器における燃焼効率は、空気の圧力及び温度が高い方が理論値に近くなることから、空気を圧縮して燃焼器に供給して圧縮空気中で燃焼させることによって燃焼効率を高めており、高温の加圧燃焼ガスが生成される。

燃焼ガスを利用するシステムにおいては、省エネルギーの観点からエネルギーの利用効率を高める工夫が試みられ、燃焼ガスを動力源として発電するガスタービン等では、燃焼ガスのエネルギーが発電用動力に変換された後の使用済みガスを回収してその残余熱を利用するコジェネレーションシステムの構築が提案されている。

又、燃焼器における燃焼効率は、燃焼条件によって変動することから、下記特許文献１においては、燃焼装置から排出されるガスの酸素含有量が設定値以上になったときに、排出されるガスを吸気管へ還流させて燃焼時の酸素含有量を調整することによって燃焼効率を高めることを記載する。

実用新案登録第３１７９４３２号公報

上記特許文献１の技術では、燃焼条件を調整するために燃焼後の排ガスが再度使用されるが、燃焼ガスをエネルギー源として使用した後の使用済みガスに含まれるエネルギーの回収やエネルギー効率の改善に関するものではない。つまり、燃焼器の燃焼ガスを熱源として使用する際に排出される熱供給後の使用済みガスについて、エネルギーの回収及び再利用に関して改善の余地がある。

又、燃焼ガスによって供給可能な熱量は、燃焼器における燃焼条件に依存し、燃焼器の燃焼条件は、燃焼器へ供給する圧縮空気の量を調整することによって、所望の熱量が燃焼ガスから供給されるように調整することができる。しかし、空気圧縮機の消費電力は大きい上に、日本の総消費電力において圧縮機の消費電力が占める割合は高く、空気圧縮機に関する消費電力の削減は、省エネルギーの点で重要な問題となっている。このようなことから、消費電力の増加を抑制しつつ圧縮空気の供給量を自在に調整して燃焼器の燃焼条件を調整可能にする技術改善が必要である。

本発明は、このような課題を解決し、消費電力の増加を抑制しつつ、必要に応じて圧縮空気の供給量を増加させて好適に燃焼ガスを供給可能な燃焼ガス供給システムを提供することを目的とする。

又、本発明は、燃焼ガスを熱源として使用した後の使用済みガスからエネルギーを効率的に回収することによって圧縮空気の供給増加に伴うコスト増加を抑制すると共に、用途に応じて好適な燃焼ガスを供給可能なように、圧縮空気の供給を通じて燃焼条件を自在に調整することが可能な燃焼ガス供給システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願発明者等は、圧縮機の追加及び動力使用について鋭意研究を行い、熱源として使用した後の使用済みガスを利用してエネルギー消費の増加を抑制可能な簡便な構成を見出し、本発明を成すに至った。

本発明の一態様によれば、燃焼ガス供給システムは、圧縮空気を供給する空気圧縮機と、燃料を供給する燃料供給装置と、前記燃料供給装置が供給する燃料及び前記空気圧縮機が供給する圧縮空気を燃焼させて加圧燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼器が生成する加圧燃焼ガスを熱量消費装置へ供給して、熱量が消費された加圧燃焼ガスを使用済みガスとして回収するためのガス供給回収部と、前記ガス供給回収部によって回収される前記使用済みガスの一部を補足的に圧縮して、前記空気圧縮機が供給する圧縮空気へ供給する再加圧圧縮機とを有することを要旨とする。

上記において、前記再加圧圧縮機は、前記一部の使用済みガスを、前記圧縮空気と同圧力に加圧するように補足的に圧縮し、前記使用済みガスの残部は、外部へ排出される。更に、前記一部の使用済みガスを冷却する冷却器と、冷却によって凝縮する水分を前記一部の使用済みガスから分離する凝縮分離器とを有し、前記再加圧圧縮機は、前記凝縮分離器によって水分が除去された前記一部の使用済みガスを補足的に圧縮すると、燃焼に再利用する上で好適である。更に、前記一部の使用済みガスを、前記冷却器によって冷却する前に、前記再加圧圧縮機によって補足的に圧縮された前記一部の使用済みガスと熱交換する熱交換器を有すると、熱効率の点で好適である。

更に、前記空気圧縮機が供給する圧縮空気の流量を調整する流量調整弁を有し、前記流量調整弁を用いて、前記空気圧縮機が供給する圧縮空気と、前記再加圧圧縮機が供給する前記一部の使用済みガスとの割合が調整されるように構成することによって、燃焼条件が好適に調整される。又、更に、前記再加圧圧縮機が前記一部の使用済みガスを供給した前記圧縮空気における酸素濃度を検出する酸素濃度計を有し、前記流量調整弁は、前記酸素濃度計の検出値に基づいて制御されるように構成すると良い。前記燃料供給装置は、燃料圧縮機を有してもよく、前記圧縮空気と同圧力に加圧された圧縮燃料を供給する。

又、本発明の一態様によれば、燃焼ガス供給システムは、圧縮空気を供給する空気圧縮機と、燃料を供給する燃料供給装置と、前記燃料供給装置が供給する燃料及び前記空気圧縮機が供給す圧縮空気を燃焼させて加圧燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記加圧燃焼ガスの熱量を消費して、熱量が消費された加圧燃焼ガスを使用済みガスとして排出する熱量消費装置と、前記熱量消費装置から排出される前記使用済みガスの一部を補足的に加圧して、前記空気圧縮機が供給する圧縮空気へ供給する再加圧圧縮機とを有することを要旨とする。前記熱量消費装置は、前記加圧燃焼ガスを熱源として利用するための熱交換機能を有する。

本発明によれば、熱量が消費された使用済みガスを再利用することによって、その残留圧力を有効利用してシステム全体としての圧縮機の動力を削減できるので、燃焼条件を好適に調整可能で省エネルギー型の燃焼ガス供給システムが提供できる。

本発明に係る燃焼ガス供給システムの構成を示す概略図。

圧縮機における圧縮比（圧力比）を低く設定可能であれば、圧縮機による消費電力を削減することが可能である。つまり、圧縮機に導入される空気の圧力が高ければ、消費電力を削減しつつ目的の圧力の圧縮空気が得られる。

圧力に関して、燃焼ガスを熱源として使用した後の使用済みガスは、圧力を放出せずにそのまま回収されるならば、低圧縮比の圧縮機で再加圧して使用するのに適している。ボイラーや反応装置等のように燃焼ガスを熱源として利用する場合、供給される燃焼ガスの圧力が減少すると温度が低下して熱源として好ましくないので、熱量を消費する装置（以下、熱量消費装置と称する）では、燃焼ガスから熱が供給される間の燃焼ガスの圧力が維持されるように構成される。つまり、燃焼効率を高めるために圧縮空気を用いて発生させた高温の加圧燃焼ガスは、熱量消費装置中で圧力が維持され、排出される使用済みガスは、流通抵抗等による圧力低下を除いて実質的に使用前の燃焼ガスの圧力が維持された加圧状態の排ガスである。従って、これを再加圧して圧縮空気の原料として使用すると、システム全体の圧縮機における消費電力の削減に極めて有効である。又、燃焼ガスの酸素含有量は、燃焼による酸素消費によって低下するが、空気の酸素濃度の半分程度であり、通常の空気と混合することで、圧縮空気として十分に利用できる。

上述に従って、本発明においては、熱源として使用した後の使用済みガスを、圧力を維持したまま回収し、圧縮空気と同等の圧力に戻すように再加圧用の圧縮機によって圧縮して、補充の圧縮空気として燃焼器へ供給する。従って、再加圧圧縮機によって消費される電力は、熱源として熱量供給中に燃焼ガスが損失した圧力のみを補充するのに要する電力となる。以下に、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の燃焼ガス供給システムの一実施形態を示す。燃焼ガス供給システム１は、燃料を含む圧縮空気の燃焼によって生成する加圧燃焼ガスを熱量消費装置Ｃ１に供給するシステムであり、熱量消費装置Ｃ１は、燃焼ガスを熱源として利用して、燃焼ガスの熱量を対象物質に伝達するための熱交換機能を有する装置であり、供給される加圧燃焼ガスの熱量を消費して、熱量が消費された加圧燃焼ガスを使用済みガスとして排出する。熱量消費装置Ｃ１としては、例えば、蒸気発生器、熱水発生器、熱流体ヒーター、空気ヒーター、高温ガス発生器等のような対象物質の加熱又はそれによる状態変化（気化等）を生じる装置や、対象物質の加熱によって化学反応を進行させる反応装置が含まれる。Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ等の活性金属を成分とする触媒を用いる反応装置であっても良い。熱量消費装置Ｃ１の用途によって加熱する対象物質の種類や加熱目的が異なり、それに応じて燃焼ガスの温度及び供給流量が適正に調整される。

燃焼ガス供給システム１は、空気圧縮機３と、燃料供給装置５と、燃焼器７と、ガス供給回収部９と、再加圧圧縮機１１とを有し、空気圧縮機３は、空気を圧縮して圧縮空気を流路Ｌ１を通じて燃焼器７へ供給する。燃料供給装置５は、流路Ｌ２を通じて圧縮空気に燃料を供給し、燃焼器７は、空気圧縮機３及び燃料供給装置５によって供給された燃料及び圧縮空気を受け、これを燃焼させて加圧燃焼ガスを生成する。燃料供給装置５は、燃料源５ａ及び燃料圧縮機５ｂを有し、燃料源５ａから供給される気体燃料は、燃料圧縮機５ｂによって加圧圧縮されて、圧縮空気と実質的に同圧力で流路Ｌ２から供給され、流路Ｌ１の圧縮空気に添加混合される。燃料源５ａは、燃料容器に燃料を収容したものであっても、外部の燃料供給システムを供給源として接続ラインを用いて燃料を供給するものであってもよい。又、燃料源が、調圧弁等の燃料の取り出し圧を調節可能な調圧手段を有する加圧ボンベ等のような容器に収容される燃料である場合には、燃料圧縮機５ｂは省略可能である。

燃焼器７の加圧燃焼ガスは、流路Ｌ３からガス供給回収部９を介して熱量消費装置Ｃ１へ供給され、使用済みガスとして、熱量が消費された加圧燃焼ガスが熱量消費装置Ｃ１から回収される。ガス供給回収部９は、流路Ｌ３末端の供給用接続部材９ａ及び流路Ｌ４末端の回収用接続部材９ｂを有し、これらは、流路Ｌ３，Ｌ４と熱量消費装置Ｃ１とを着脱可能に接続して、燃焼ガス供給システム１と熱量消費装置Ｃ１とを圧力を損失せずに連通させる。従って、燃焼器７によって生成される加圧燃焼ガスは、ガス供給回収部９を通じて、その圧力を維持したまま流路Ｌ３から熱量消費装置Ｃ１へ供給され、熱量が消費された加圧燃焼ガス（使用済みガス）は、流通抵抗による圧力損失を除いて、実質的にその圧力を維持して熱量消費装置Ｃ１から流路Ｌ４へ還流される。ガス供給回収部９によって回収される使用済みガス（加圧状態の排ガス）は、流路Ｌ４から流路Ｌ５を通じて外部へ排出される。流路Ｌ４には圧力計１３が設けられ、この検出値に基づいて流路Ｌ５上の圧力調整弁１５が制御されて、燃焼ガス供給システム１内の圧力が所定圧力に維持されるように、使用済みガスの外部への排出が制御される。流路Ｌ４の圧力計１３は、加圧燃焼ガスより圧力損失分だけ低い使用済みガスの圧力を検出するので、所定圧力として圧力損失を考慮した圧力が設定される。圧力計１３は流路Ｌ３に設けても良く、その場合、所定圧力として加圧燃焼ガスの圧力が設定される。

空気は２０vol％程度の酸素を含むが、酸素濃度がこれより低い圧縮空気であっても燃焼に使用することができ、圧縮空気に使用済みガスを混合しても燃焼することが可能である。そこで、流路Ｌ４から分岐して流路Ｌ１へ合流するルートとして、流路Ｌ６〜Ｌ９が設けられ、ガス供給回収部９によって回収される使用済みガスの一部が流路Ｌ９から流路Ｌ１へ供給されて燃焼に再利用され、残部は外部へ排出される。但し、熱量消費装置Ｃ１から回収される使用済みガスの圧力は、流通抵抗により圧力が低下するので、本発明では、流路Ｌ４から回収される使用済みガスにおける損失圧力を再加圧圧縮機１１によって補って圧縮空気と同等の圧力に上昇させた使用済みガスを圧縮空気に供給して混合する。つまり、圧力を補った使用済みガスを圧縮空気と共に、混合ガスとして燃焼器７へ供給する。燃焼器７へ供給する圧縮空気の酸素濃度には、燃焼効率の点から好適な範囲があるので、圧縮空気と使用済みガスの混合割合には好適な範囲がある。このため、混合割合を調整するために、流路Ｌ１には、燃焼器７に供給される混合ガスの酸素濃度を検出する酸素濃度計１７と、これに電気的に接続される流量計３ａ及び流量調整弁３ｂとが設置される。流量調整弁３ｂは、流量計３ａの検出値に応じて制御される弁であり、流路Ｌ１の圧縮空気の流量は、酸素濃度計１７による混合ガスの酸素濃度の検出値に基づいた流量調整弁３ｂの制御によって、好適な酸素濃度になる割合で使用済みガスと圧縮空気とが混合されるように調整される。

更に、燃料供給装置５は、流量計５ｃ及び流量調整弁５ｄを流路Ｌ２上に有し、流量計５ｃ及び流量調整弁５ｄは、燃焼ガスの温度を検出するために流路Ｌ３に設置される温度計１９と電気的に接続される。流量調整弁５ｄは、温度計１９の検出温度に基づいて制御され、圧縮された燃料の流量は、流量調整弁５ｄによって調節される。圧縮空気と使用済みガスとの混合ガスに添加される燃料の流量が流量調整弁５ｄによって適量に調整されることによって、燃焼ガスの温度は所望の温度に調節される。

熱量消費装置Ｃ１へ高温の加圧燃焼ガスを供給した時に、熱量消費装置Ｃ１から回収される使用済みガスの温度がさほど低くない場合、使用済みガスの残余熱量を二次的に利用できるとエネルギー効率上好ましい。このため、図１の実施形態では、ガス供給回収部９と同様の供給用接続部材２１ａ及び回収用接続部材２１ｂを有するガス供給回収部２１が流路Ｌ６に設けられ、熱量消費装置Ｃ１より低い温度の熱源を利用する別の熱量消費装置Ｃ２が接続可能なように構成される。これにより、回収される使用済みガスの一部は、燃焼器７での燃焼に再利用する前に、その残余熱量が更に回収再利用される。ガス供給回収部２１の付設は任意であり、省略してもよく、また、流路Ｌ４上においてガス供給回収部９の下流側に連続して設けても良い。或いは、供給用接続部材２１ａ及び回収用接続部材２１ｂ間を直接接続したり、熱量消費装置Ｃ２へ接続したり切り換えられるようにガス供給回収部２１を構成して、熱量消費装置Ｃ２の接続及び離隔を任意に選択できるようにしても良い。

燃焼ガスは、燃焼によって生じる水蒸気を含むので、流路Ｌ６の再利用する使用済みガスは、圧縮空気に混合する前に水分が除去される。このために、燃焼ガス供給システム１は、熱交換器２３、冷却器２５及び凝縮分離器２７を有し、水蒸気の冷却凝縮を利用した気液分離によって使用済みガスから水分が除去される。具体的には、回収される使用済みガスの一部は、流路Ｌ６から流路Ｌ７の冷却器２５に供給されて冷却され、再加圧圧縮機１１に供給可能な温度に温度が低下して凝縮分離器２７へ供給される。使用済みガスの冷却によって水蒸気から凝縮した水分は、凝縮分離器２７において使用済みガスから分離して外部へ除去される。水蒸気が除去された使用済みガスは、凝縮分離器２７から流路Ｌ８を通じて再加圧圧縮機１１へ導入されて補足的に圧縮されて流通抵抗による損失圧力が補充され、圧縮空気と同圧力に加圧される。更に、冷却器２５で必要とされる冷熱量を削減するために、冷却器２５の上流側に熱交換器２３が設けられ、流路Ｌ６の再利用する使用済みガスは、冷却器２５で冷却される前に、熱交換器２３において、再加圧圧縮機１１で補足的に圧縮された流路Ｌ８の使用済みガスと熱交換する。流路Ｌ８の圧縮された使用済みガスは、流路Ｌ６の使用済みガスより低温であり、熱交換器２３において流路Ｌ６使用済みガスの残余熱を受けて加熱され、流路Ｌ６の使用済みガスの温度に近づく。従って、乾燥され、圧縮空気と同圧力に加圧された使用済みガスが、熱量消費装置からの回収時に近い温度で、流路Ｌ９を通じて流路Ｌ１の圧縮空気に合流する。つまり、熱交換器２３によって、流路Ｌ６の使用済みガスの残余熱が、補足的に圧縮された使用済みガスに伝達されて有効利用される。

燃焼器７へ供給する圧縮空気における好適な酸素濃度は、省エネルギーの観点から、１３〜１４vol％程度が好ましい。空気の酸素濃度は２０vol％程度であるので、再利用する使用済みガスは、圧縮空気の１．５〜１．８倍程度となる割合（容積比）で混合すると好ましく、この時、燃焼器７へ供給される混合ガス中に占める圧縮空気の容積比率は３５〜４０％程度、使用済みガスの容積比率は６０〜６５％程度となる。従って、本発明の燃焼ガス供給システム１が定常的に稼動する状態においては、熱量消費装置Ｃ１から回収される使用済みガスのうちの６０〜６５％程度が再利用され、残部の３５〜４０％程度が流路Ｌ５から排出される。これは、使用済みガスを排気する従来の燃焼ガス供給システムと比較すると、燃焼器７へ圧縮空気を供給する空気圧縮機３の処理量が格段に減少することを意味する。従って、再加圧圧縮機１１に必要とされる圧縮比が小さく消費電力が少ないことを考慮すると、空気圧縮機３における消費エネルギーの大幅削減によってシステム全体としてのエネルギー消費が節減される。

尚、図１の燃焼ガス供給システム１は、流路Ｌ５に膨張器を付設して、流路Ｌ５から排出される使用済みガスのエネルギーを動力として回収再利用するように構成してもよく、これによってエネルギー効率が更に向上する。

燃焼ガス供給システム１において、燃焼器７は、圧縮空気中で燃料を燃焼可能な耐圧性を有する加圧燃焼器であり、燃焼反応を利用して燃焼空気を発生させるものであれば、点火方式及び触媒燃焼方式の何れの燃焼方式であっても良い。触媒燃焼方式の燃焼器は、燃焼反応の安定性等の観点から好ましく、燃焼用触媒として、例えば白金、パラジウム系の触媒が挙げられる。熱量消費装置Ｃ１における燃焼ガスの用途及び使用条件によって燃焼ガスに求められる温度及び供給量は異なるので、用途及び使用条件に応じて供給能力及び耐熱性を備えるものを適宜選択して使用すればよい。

燃焼に使用する燃料は、可燃性ガス、つまり、一酸化炭素、水素、炭化水素化合物（メタン等）などの可燃性成分を有するガスであり、燃料の可燃性成分は単成分でも混合組成であってもよい。一般的にガスタービン等において使用される気体燃料を好適に使用でき、例えば、天然ガス、石炭ガス化燃料、バイオガス等の燃料が挙げられる。可燃性成分の含有量によって燃料の単位容積当たりの発熱量が異なり、圧縮空気の適正な供給量も異なる。

空気圧縮機３は、一般的に燃焼ガスの供給において使用可能な圧縮機であればよく、遠心式圧縮機、軸流式圧縮機、往復圧縮機、ダイアフラム式圧縮機、ツインスクリュー圧縮機、シングルスクリュー圧縮機、スクロール圧縮機などが挙げられる。概して、２．９〜２０．７程度の圧縮比（圧力比）で空気を圧縮可能な圧縮機が空気圧縮機３として好適に使用できる。燃料圧縮機５ｂは、圧縮空気と同等の圧力に燃料ガスを圧縮可能な圧縮機であれば良く、燃料の供給流量に応じた容量のものが使用される。燃料が調圧弁等を有するボンベ等に収容される場合には燃料圧縮機５ｂを省略可能である。再加圧圧縮機１１は、損失圧力を補うために補足的に加圧するので、必要とされる圧力比は、空気圧縮機３より低い。流通抵抗による圧力損失は、熱量消費装置Ｃ１，Ｃ２の流通状態によって異なるが、概して、装置一台当たりの圧力損失は、燃焼ガスの供給圧力（ゲージ圧）の１．５〜１５％程度の範囲に想定可能であり、再加圧圧縮機１１として、１．８〜１９．６程度の圧力比で空気を圧縮可能な圧縮機を好適に使用できる。

熱交換器２３は、一般的に使用される気−気型熱交換器から適宜選択して使用することができる。例えば、静止型熱交換器、回転再生式熱交換器、周期流蓄熱式熱交換器などが挙げられ、このような方式の何れであっても良い。冷却器２５は、いわゆる熱交換器であり、冷却方式や冷媒の種類に制限はなく、使用済みガスの温度を再加圧圧縮機１１に供給可能な温度に低下可能で、使用済みガスの圧力に耐久性を有するものであれば良い。冷却効率等の点において気−液型熱交換器が好ましく、一般的に使用される水冷式の冷却器が好適に使用できる。凝縮分離器２７についても、一般的に使用される気液分離器から適宜選択することができ、使用済みガスの圧力に耐久性を有するものが使用される。

使用済みガスと圧縮空気との混合割合及び燃料の供給量の調節によって稼動が安定した定常状態は、例えば、次のようになる。熱源に対する温度要件が６００〜９００℃程度である熱量消費装置Ｃ１、及び、温度要件が５００〜６００℃程度である熱量消費装置Ｃ２を接続した燃焼ガス供給システム１において、燃料の流量を調節して、温度：８００〜９００℃程度、圧力：１．７〜２．０ＭＰａＧ程度、酸素濃度：８〜１０vol％程度の燃焼ガスを燃焼器７から熱量消費装置Ｃ１へ供給すると、熱量消費装置Ｃ１から回収される使用済みガスの圧力は、概して１．６〜１．９ＭＰａ程度に低下し、温度が５００〜６００℃程度となる。使用済みガスの一部は、熱量消費装置Ｃ２での二次利用によって熱量が消費されて、温度：４５０〜５５０℃程度、圧力：１．５〜１．８ＭＰａＧ程度に低下する。この使用済みガスは、熱交換器２３において、水分除去後の使用済みガスとの熱交換によって１２０〜１４５℃程度に冷却可能であり、更に冷却器２５において７０〜９０℃程度に冷却されて、凝縮水が使用済みガスから分離する。凝縮分離器２７における気液分離によって乾燥した使用済みガスは、空気圧縮機３から供給される圧縮空気と同圧力になるように、再加圧圧縮機１１によって圧力：１．８〜２．１ＭＰａＧ程度に圧縮され、その温度は９０〜１１０℃程度に上昇する。この圧縮された使用済みガスは、熱交換器２３において加熱されて、熱量消費装置Ｃ２を経た使用済みガスの温度に近づき、温度：４８０〜５８０℃程度、圧力：１．８〜２．１ＭＰａＧ程度、酸素濃度：８〜１０vol％程度の乾燥し圧縮された使用済みガスが得られる。この使用済みガスが、温度：１５０〜１７０℃程度、圧力：１．８〜２．１ＭＰａＧ程度、酸素濃度：１７〜１９vol％程度の空気圧縮機３から供給される圧縮空気及び燃料と混合され（使用済みガス：６０〜６５vol％、圧縮空気：３５〜４０vol％）、圧力：１．８〜２．１ＭＰａＧ程度、酸素濃度：１１〜１５vol％程度の混合ガスが調製され、その温度は１４０〜１８０℃程度となる。これは、燃焼器７に供給されて、上述と同様の燃焼ガスを生成する。再利用されずに流路Ｌ４から流路Ｌ５を通じて外部へ排出される残部の使用済みガスの量は、空気圧縮機３によって供給される圧縮空気の量に相当する。

反応装置において８００℃程度の加熱によって化学反応を進行させるために燃焼ガスを利用する場合を例として、図１の燃焼ガス供給システム１を稼動する一実施形態をシミュレーションによって以下に記載する。この例においては、反応装置を熱量消費装置Ｃ１としてガス供給回収部９に接続し、残余熱量の二次利用のために比較的小型の蒸気発生器を熱量消費装置Ｃ２としてガス供給回収部２１に接続する。

流路Ｌ５の圧力調整弁１５を内部圧力が１．７５ＭＰａＧに維持されるように設定して、空気圧縮機３から供給される１．９５ＭＰａＧ、１６１℃の圧縮空気（酸素濃度：１７．９vol％）に燃料供給装置５から圧縮燃料を添加して燃焼器７へ供給して燃焼させ、この間に、燃焼器７から排出される燃焼ガスの温度が８００℃以上になるように燃料の供給量を調整する。これにより、温度：８７５℃、圧力：１．８２ＭＰａＧ、酸素濃度：９．５２vol％の燃焼ガスが熱量消費装置Ｃ１へ供給され、熱量消費装置Ｃ１から温度：５７６℃、圧力：１．７４ＭＰａＧ、酸素濃度：９．５２vol％の使用済みガスが回収される。その一部は熱量消費装置Ｃ２に供給され、温度：５５６℃、圧力：１．７１ＭＰａＧ、酸素濃度：９．５２vol％の使用済みガスが熱交換器２３において１３６℃に冷却され、更に冷却器２５によって８０℃に冷却される。この使用済みガスは、凝縮分離器２７によって凝縮水が除去されて、温度：８０℃、圧力：１．６５ＭＰａＧ、酸素濃度：９．９３vol％となり、再加圧圧縮機１１によって、圧力比：１．２で圧縮されて、温度：１０３℃、圧力：１．９８ＭＰａＧの乾燥し圧縮された使用済みガスが熱交換器２３に供給される。熱交換器２３から流出する乾燥し圧縮された使用済みガスは、温度：５４６℃、圧力：１．９５ＭＰａＧ、酸素濃度：９．９３vol％であり、空気圧縮機３から供給される圧縮空気及び燃料と混合される。流路Ｌ６において使用済みガスが供給され始めたら、酸素濃度計１７に基づく流量調整弁３ｂの制御を開始し、混合ガスの酸素濃度が１３vol％になるように圧縮空気の流量が調整され、使用済みガス及び圧縮空気が混合ガスを占める割合は、各々、６１．５％及び３８．５％となる。稼動開始から定常状態に至る間に、空気圧縮機３から供給される圧縮空気の流量は減少して一定になり、定常状態になると、使用済みガスが流路Ｌ５から外部へ排出され始め、その割合は３８．５％となる。

このように、本発明の燃焼ガス供給システムは、燃焼ガスの温度及び供給量を適切に調節して供給することが可能であり、熱源として高温の燃焼ガスを安定的に供給可能なシステムであるので、様々な熱的反応（吸熱反応）による化学合成や、物質の溶融又は溶解を進行させる際に温度制御による変質抑制が重要となる反応装置や処理装置を熱量消費装置とする場合に、特に有用性が高い。そのような反応装置として、例えば、メタンの水蒸気改質反応やメタンのドライリフォーミング反応、メタノールのリフォーミング反応など、各種熱分解反応を利用した合成を行う反応装置が挙げられる。尚、再加圧圧縮機１１による電力消費を抑制するには、回収される使用済みガスの圧力損失は小さい方が好ましい。従って、熱量消費装置は、供給される燃焼ガスを熱源としてのみ利用し、直接的には動力源として利用しない装置であることが好ましい。勿論、熱源として得られる熱量を元にして、間接的に動力、電力等を発生するような場合は問題がない。

以上、添付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、本発明は上述の実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された範疇において、当業者が想到し得る各種の変更例又は修正例についても当然に本発明の技術的範囲に属するものと理解される。

本発明は、燃焼ガスを供給するシステムに適用して、使用済みガスの排出量削減及び消費電力の削減に寄与し、燃焼ガスを熱源とする各種化学反応や処理を通して、目的とする反応生成物や処理加工品の安定供給及び製造コストの削減に寄与することができる。

１ 燃焼ガス供給システム、 ３ 空気圧縮機、
３ａ 流量計、 ３ｂ 流量調整弁、
５ 燃料供給装置、 ５ａ 燃料源、 ５ｂ 燃料圧縮機、
５ｃ 流量計、 ５ｄ 流量調整弁、
７ 燃焼器、 ９，２１ ガス供給回収部、 １１ 再加圧圧縮機、
１３ 圧力計、 １５ 圧力調整弁、
１７ 酸素濃度計、 １９ 温度計、
２３ 熱交換器、 ２５ 冷却器、 ２７ 凝縮分離器、
Ｃ１，Ｃ２ 熱量消費装置、 Ｌ１〜Ｌ９ 流路。

Claims (9)

1. 圧縮空気を供給する空気圧縮機と、
   燃料を供給する燃料供給装置と、
   前記燃料供給装置が供給する燃料及び前記空気圧縮機が供給する圧縮空気を燃焼させて加圧燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記燃焼器が生成する加圧燃焼ガスを熱量消費装置へ供給して、熱量が消費された加圧燃焼ガスを使用済みガスとして回収するためのガス供給回収部と、
   前記ガス供給回収部によって回収される前記使用済みガスの一部を補足的に圧縮して、前記空気圧縮機が供給する圧縮空気へ供給する再加圧圧縮機と
   を有する燃焼ガス供給システム。
2. 前記再加圧圧縮機は、前記一部の使用済みガスを、前記圧縮空気と同圧力に加圧するように補足的に圧縮し、前記使用済みガスの残部は、外部へ排出される請求項１に記載の燃焼ガス供給システム。
3. 更に、前記一部の使用済みガスを冷却する冷却器と、冷却によって凝縮する水分を前記一部の使用済みガスから分離する凝縮分離器とを有し、前記再加圧圧縮機は、前記凝縮分離器によって水分が除去された前記一部の使用済みガスを補足的に圧縮する請求項１又は２に記載の燃焼ガス供給システム。
4. 更に、前記一部の使用済みガスを、前記冷却器によって冷却する前に、前記再加圧圧縮機によって補足的に圧縮された前記一部の使用済みガスと熱交換する熱交換器を有する請求項３に記載の燃焼ガス供給システム。
5. 更に、前記空気圧縮機が供給する圧縮空気の流量を調整する流量調整弁を有し、前記流量調整弁を用いて、前記空気圧縮機が供給する圧縮空気と、前記再加圧圧縮機が供給する前記一部の使用済みガスとの割合が調整される請求項１〜４の何れか一項に記載の燃焼ガス供給システム。
6. 更に、前記再加圧圧縮機が前記一部の使用済みガスを供給した前記圧縮空気における酸素濃度を検出する酸素濃度計を有し、前記流量調整弁は、前記酸素濃度計の検出値に基づいて制御される請求項５に記載の燃焼ガス供給システム。
7. 前記燃料供給装置は、燃料圧縮機を有し、前記圧縮空気と同圧力に加圧された圧縮燃料を供給する請求項１〜６の何れか一項に記載の燃焼ガス供給システム。
8. 圧縮空気を供給する空気圧縮機と、
   燃料を供給する燃料供給装置と、
   前記燃料供給装置が供給する燃料及び前記空気圧縮機が供給す圧縮空気を燃焼させて加圧燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記加圧燃焼ガスの熱量を消費して、熱量が消費された加圧燃焼ガスを使用済みガスとして排出する熱量消費装置と、
   前記熱量消費装置から排出される前記使用済みガスの一部を補足的に加圧して、前記空気圧縮機が供給する圧縮空気へ供給する再加圧圧縮機と
   を有する燃焼ガス供給システム。
9. 前記熱量消費装置は、前記加圧燃焼ガスを熱源として利用するための熱交換機能を有する請求項８に記載の燃焼ガス供給システム。

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