JP2023157722A - ガスエンジン・コージェネレーション装置およびその運転方法 - Google Patents

ガスエンジン・コージェネレーション装置およびその運転方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ガスエンジンの排ガスの熱を利用して触媒の昇温を行える改質器の収納筐体を備えたガスエンジン・コージェネレーション装置を提供する。【解決手段】ガスエンジン・コージェネレーション装置は、ガス燃料と過熱蒸気とを含む混合ガスを取り込み、触媒を介して改質燃料となる反応生成物を生成する改質器を備えた装置であって、改質器１３０を収納する収納筐体３００と、ガスエンジン１１０と、発電機１１１と、排ガスボイラ１２０とを備え、収納筐体３００が、排ガスボイラ１２０の内部の過熱器１２１と蒸発器１２２の中間位置に配置されている。その運転方法は、排ガスを、ガスエンジン１１０から過熱器１２１、過熱器１２１から収納筐体３００、収納筐体３００から蒸発器１２２の順に排気して、改質器１３０を排ガスによって加熱するものである。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、ガスエンジン・コージェネレーション装置およびその運転方法に関する。
従来、定置式のガスエンジンを備えた発電システムが、工場、公共施設、商業施設をはじめ、電力需要が高い大型の施設、建物等に導入されている。ガスエンジンは、内燃機関の中でも燃焼温度が高く、発電効率が高いことが知られている。近年では、発電した電力と共に燃料の燃焼による排熱を利用するコージェネレーションシステムとしての導入も拡大している。
ガスエンジンの燃料として代表的な都市ガスは、ＣＯ２やＮＯｘの生成量が比較的少ないクリーンな燃料として知られている。現在、都市ガスを燃料としたガスエンジンによる発電効率は、４０～５０％程度まで向上しており、システム全体としてのエネルギ変換効率も大幅に改善されている。その一方で、近年では、水素燃料の普及も進められている。
水素燃料は、ＣＯ２等の有害物質を排出しないクリーンエネルギであり、化学的に変換できる炭化水素等の原料も豊富に存在している。そのため、各種の分野において、既存エネルギの水素燃料への代替や、水素燃料を利用するためのインフラの整備が進められている。従来、水素燃料の生産法としては、大規模生産をはじめとして、水蒸気改質が利用されている。
水蒸気改質は、メタン等の炭化水素を、触媒の存在下、過熱蒸気で接触酸化させる方法である。水蒸気改質の原料としてメタンを用いる場合、改質反応は、次の反応式（Ｉ）で表される。
ＣＨ４ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ ＋ ３Ｈ２・・・（Ｉ）
また、反応式（Ｉ）によって生成した一酸化炭素は、主反応に付随する転化反応（シフト反応）によって二酸化炭素に変換される。転化反応は、次の反応式（II）で表される。
ＣＯ ＋ Ｈ２Ｏ → ＣＯ２ ＋ Ｈ２・・・（II）
現在、水蒸気改質の原料としては、メタンを主成分とする都市ガスの利用も検討されている。反応式（Ｉ）で表される改質反応は吸熱反応であり、反応式（II）で表される転化反応は発熱反応である。しかし、全体としては、吸熱的に反応が進むため、水蒸気改質には加熱が必要である。一般的な水蒸気改質は、６００～７００℃、最高で９００℃程度で行われている。
例えば、特許文献１には、ガス燃料と過熱蒸気とを含む混合ガスを取り込み、改質燃料となる反応生成物を生成する改質ユニットを備え、改質燃料を生成する改質能力が内燃機関の燃焼特性に応じて調整される燃料供給装置を備えるガスエンジンシステムが記載されている。
また、特許文献２には、特許文献１とは異なり、燃料としてメタノールを用いるメタノール改質型ガスエンジン・コージェネレーション装置が記載されている。この装置では、メタノール改質装置を、ガスエンジン装置の下流側で、かつ、排熱回収ボイラ装置の前段に設置し、ガスエンジン装置からの排ガスによりメタノール改質装置を加熱している。
特許第６６２２９４３号公報 特許第２７１１２８６号公報
近年、各所に導入されている新型のガスエンジンは、エンジン構造の改良、燃焼技術の進展等によって、従来以上に燃焼性能やエネルギ変換効率が向上している。そのため、新型のガスエンジンによると、旧型のガスエンジンと比較して、高い燃焼効率の運転が可能になっている。ガスエンジンの定格出力によっては、都市ガスを燃料として５０％に近い発電効率を実現することも可能になっている。
しかし、現在においても、旧型のガスエンジンが引き続き使用されるケースがある。旧型のガスエンジンは、新型のガスエンジンと比較して、燃焼性能やエネルギ変換効率が劣っているため、低い燃焼効率で運転せざるを得ない現状がある。低い燃焼効率の運転では、取り出したい仕事量、電力量等に対して多量の燃料を要するため、燃料コストがかかったり、プロセス全体のエネルギ的な効率が低下したりしている。
一方、ガスエンジンの燃料としては、水素ガスの利用も進められている。水素ガスは、メタン等の炭化水素と比較して、燃焼速度が速い特徴がある。そのため、内燃機関の燃料として水素ガスを含む燃料を用いると、高い燃焼効率で運転することが可能になり、旧型のガスエンジンを使用する場合であっても、省エネルギ性やエネルギ変換効率を改善することができる。
しかし、特許文献１に記載された改質ユニットでは、改質器の始動時に、触媒を常温から反応温度まで昇温させるにあたり、過熱蒸気の熱を利用している。過熱蒸気の温度によっては、触媒を構成する材料が水酸化反応を生じることが確認されている。水酸化反応を生じると、触媒を構成する材料の変質や変形によって改質器の圧力損失が増大し、改質器の内部に導入されるガスの流量が低下する等の不具合を生じる。そのため、常温から水酸化反応を生じない裕度を持たせた温度以上までの触媒昇温を過熱蒸気以外で行う必要がある。
一方、特許文献２に記載された改質器では、触媒層や原料ガスの昇温に、ガスエンジン装置からの排ガスの熱を利用している。改質器は、排ガスの排気経路上において、ガスエンジン装置の下流側、且つ、排熱回収ボイラ装置の上流側に配置されている。この配置では、改質器に対して高温の排ガスが供給されるため、改質器の内部の触媒も高温に加熱される。触媒の種類によっては、高温で劣化が起こり易くなるため、適正な温度範囲に制御するために、コントロールダンパ等の温度制御機構を必要としている。
特許文献２には、Ｃｕ－Ｚｎ－Ｃｒ系触媒を用いてＬＨＳＶ（Liquid Hourly Space Velocity：液空間速度）＝１．０ｈ－１で運転するとすれば、水蒸気改質反応の反応温度は２５０℃～３００℃が望ましく、メタノール分解反応の場合には３００～３５０℃が望ましい旨が記載されている。また、反応温度が高すぎる（例えば３５０℃以上）と、触媒の劣化が起こり易く、改質装置の構成材料の強度面からも好ましくない旨が記載されている。
また、特許文献２では、バイパスダクトが設けられている。ガスエンジン装置の始動時の排ガスは低温であるため、ガスエンジン装置から排出された排ガスを、バイパスダクトに送り、改質器を迂回させて排熱回収ボイラ装置に送っている。また、特許文献２では、改質反応の出発反応物としてメタノール蒸気を用いている。特許文献２には、ガスエンジン装置の始動時においては、エンジンジャケット冷却水のラインが冷えており、メタノール蒸気発生器でメタノール蒸気が発生しないので、始動用電気ヒータによって加熱する旨が記載されている。
ガスエンジン・コージェネレーション装置の分野において、このような温度制御機構、バイパスダクト、始動用電気ヒータ等を設けなくとも、改質器の始動時に、改質器の内部の触媒を適切な温度まで昇温させることが可能なシステムが求められている。触媒を構成する材料等が水酸化反応を生じないように、常温から水酸化反応を生じない裕度を持たせた温度以上までの触媒昇温を、過熱蒸気の導入前に過熱蒸気以外で速やかに行う必要がある。
そこで、本発明は、ガスエンジンの排ガスの熱を利用して触媒の昇温を行える改質器の収納筐体を備えたガスエンジン・コージェネレーション装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、本発明に係るガスエンジン・コージェネレーション装置は、ガス燃料と過熱蒸気とを含む混合ガスを取り込み、触媒を介して改質燃料となる反応生成物を生成する改質器を備えたガスエンジン・コージェネレーション装置であって、前記ガスエンジン・コージェネレーション装置は、前記改質器を収納する収納筐体と、ガスエンジンと、前記ガスエンジンにより駆動される発電機と、前記ガスエンジンからの排ガスにより加熱される排ガスボイラと、を備え、前記収納筐体が、前記排ガスボイラの内部の過熱器と蒸発器の中間位置に配置されたことを特徴とする。
また、本発明に係るガスエンジン・コージェネレーション装置の運転方法は、ガス燃料と過熱蒸気とを含む混合ガスを取り込み、触媒を介して改質燃料となる反応生成物を生成する改質器を備えたガスエンジン・コージェネレーション装置の運転方法であって、前記ガスエンジン・コージェネレーション装置は、前記改質器を収納する収納筐体と、ガスエンジンと、前記ガスエンジンにより駆動される発電機と、前記ガスエンジンからの排ガスにより加熱される排ガスボイラと、を備え、前記収納筐体は、前記排ガスボイラの内部の過熱器と蒸発器の中間位置に配置されており、前記ガスエンジン・コージェネレーション装置の運転方法は、前記ガスエンジンからの排ガスを、前記ガスエンジンから前記過熱器、前記過熱器から前記収納筐体、前記収納筐体から前記蒸発器の順に排気して、前記収納筐体に収納された前記改質器を前記排ガスによって加熱し、前記改質器に前記混合ガスを供給して前記反応生成物を生成し、前記反応生成物を前記ガスエンジンに供給して前記ガスエンジンを運転することを特徴とする。
本発明によれば、ガスエンジンの排ガスの熱を利用して触媒の昇温を行える改質器の収納筐体を備えたガスエンジン・コージェネレーション装置を提供することができる。
従来のガスエンジン・コージェネレーション装置の概略系統を示す図である。 本実施形態に係るガスエンジン・コージェネレーション装置の概略系統を示す図である。 改質器に収納される触媒ユニットの外観を示す図である。 改質器に収納される触媒ユニットの層構造を示す図である。 収納筐体に収納される改質器の構造を示す図である。 改質器が収納される収納筐体の正面図である。 改質器が収納される収納筐体の平面図である。 改質器が収納される収納筐体を排ガスの入側から視た側面図である。 改質器が収納される収納筐体を排ガスの出側から視た側面図である。 収納筐体が備える収納部の側面図である。 収納筐体が備える収納部の正面図である。 収納筐体が備える収納部の断面図である。 収納部の配置を示す収納筐体の正面の部分拡大図である。 収納筐体の配置を示す収納筐体の正面図である。 収納筐体の配置を示す収納筐体の平面図である。 収納筐体に改質器を固定する固定機構を示す図である。 ストッパを備えた改質器の断面図である。 パッキン受け治具の平面図および断面図である。 パッキン押えの平面図および断面図である。 特殊ワッシャの平面図である。 改質反応の触媒の温度を計測する温度計測器の配置を示す図である。
以下、本発明の一実施形態に係るガスエンジン・コージェネレーション装置およびその運転方法について、図を参照しながら説明する。なお、以下の各図において、共通する構成については同一の符号を付して重複した説明を省略する。
図１Ａは、従来のガスエンジン・コージェネレーション装置の概略系統を示す図である。図１Ａには、特許文献１に記載されたガスエンジンシステムに用いられる概略系統を示す。図１Ａにおいて、実線矢印は都市ガスの流れ、破線矢印は改質ガスの流れ、二点鎖線矢印は過熱蒸気の流れ、白抜矢印は排ガスの流れを示す。
図１Ａに示すように、従来のガスエンジン・コージェネレーション装置は、ガスエンジン１１０と、発電機１１１と、排ガスボイラ１２０と、改質器１３０と、熱交換器１４０と、を備えている。排ガスボイラ１２０、改質器１３０および熱交換器１４０は、燃料改質装置を構成している。排ガスボイラ１２０と改質器１３０とは、別体として設けられている。
ガスエンジン・コージェネレーション装置は、ガス燃料の燃焼による燃焼エネルギをガスエンジン１１０で力学的エネルギとして取り出すと共に、燃焼に伴う排熱を回収して利用する装置である。ガスエンジン・コージェネレーション装置によると、ガスエンジン１１０の排熱を回収して利用するため、システム全体として高いエネルギ効率が得られる。ガス燃料の使用量当たりのエネルギ効率が向上して、システムの省エネルギ化や、運転コストの削減や、炭素排出量の削減が促進される。
ガスエンジン１１０は、気体状のガス燃料を燃焼させる内燃機関であり、燃焼室に供給されたガス燃料を燃焼させて、燃焼室内の流体の膨張による力を力学的エネルギに変換する。ガスエンジン１１０が発生させた動力は、発電機１１１のタービンに供給されて発電に利用される。ガスエンジン１１０によると、ガスタービン等の他の内燃機関と比較して、高い燃焼効率や、安定したトルクや燃費特性が得られる。
ガスエンジン１１０の燃料としては、メタンを主成分とする炭化水素系の燃料や、メタンの水蒸気改質によって生成された改質ガスや、これらが混合された混合ガスが用いられる。炭化水素系の燃料の一例としては、１３Ａ、１２Ａ等の都市ガスが挙げられる。代表的な都市ガスである１３Ａは、約９０％のメタンと、約１０％未満のエタン、プロパン、ブタンを含有する混合ガスである。
都市ガスは、ガス導管網等に接続された都市ガス供給ラインを通じて、システム外からガスエンジン１１０に供給される。また、都市ガスは、都市ガス供給ラインから分岐した分岐ラインを通じて、熱交換器１４０を経由して改質器１３０に供給される。ガスエンジン１１０の燃料の種類や供給流量は、ガスエンジン１１０の起動時の燃焼の安定化や、炭素排出量の削減等のために、システムの運転状況に応じて切り替えられる。
改質ガスは、改質ガス供給ラインを通じて、改質器１３０から熱交換器１４０を経由してガスエンジン１１０に供給される。熱交換器１４０は、改質器１３０に供給される改質反応用の都市ガスと、改質器１３０からガスエンジン１１０に供給される改質ガスとを熱交換する。改質ガスは、熱交換によってガスエンジン１１０で許容可能な温度や相対湿度に冷却される。改質反応用の都市ガスは、熱交換によって改質反応の前に予熱される。
混合ガスは、システム外からガスエンジン１１０に供給される都市ガスと、改質器１３０から熱交換器１４０を経由してガスエンジン１１０に供給される改質ガスとを混合することによって生成される。混合ガスは、都市ガス供給ラインと改質ガス供給ラインとが合流する不図示の合流点で生成された後に、ガスエンジン１１０に供給される。
排ガスボイラ１２０は、排ガスの熱を利用して水を加熱するボイラである。排ガスボイラ１２０には、ガスエンジン１１０の燃焼室から排出された排ガスが供給される。排ガスボイラ１２０は、排ガスの熱を利用して改質反応の反応温度以上まで過熱された高温の過熱蒸気を生成する。排ガスは、排ガスボイラ１２０で熱的に利用された後に、環境中等に放出される。
排ガスボイラ１２０は、過熱器１２１と、蒸発器１２２と、を備えている。過熱器１２１は、飽和蒸気を加熱して過熱蒸気を生成する。過熱器１２１では、ガスエンジン１１０から排出された排ガスと蒸発器１２２から供給される飽和蒸気との熱交換が行われる。蒸発器１２２は、水を加熱して蒸気を生成する。蒸発器１２２では、ガスエンジン１１０から排出された後に過熱器１２１を経由した排ガスと水との熱交換が行われる。
排ガスボイラ１２０では、熱交換する水として、外部から供給される給水や、改質反応後の凝縮水を用いることができる。凝縮水は、改質器１３０で生成された改質反応の反応生成物を凝縮させることによって回収される。排ガスボイラ１２０が生成した過熱蒸気は、改質器１３０に供給される。過熱蒸気は、改質器１３０に供給される前に、改質反応用の都市ガスと熱交換されてもよい。
改質器１３０は、ガス燃料と過熱蒸気とを含む混合ガスを取り込み、触媒を介して改質燃料となる反応生成物を生成する反応器である。改質器１３０には、都市ガスと過熱蒸気とが混合された混合ガスが導入される。改質器１３０は、メタン等の炭化水素を水蒸気により水素改質（水蒸気改質）して、水素を主成分とする改質ガスを生成する。改質ガスは、改質器１３０からガスエンジン１１０に供給される。
改質ガスは、改質器１３０において、メタンを主成分とする都市ガスと過熱蒸気から、反応式（Ｉ）や反応式（II）にしたがって生成される。改質ガスは、主成分の水素（Ｈ２）、未反応のメタン（ＣＨ４）や、二酸化炭素（ＣＯ２）、一酸化炭素（ＣＯ）等を含む混合ガスである。転化反応を含めた改質反応は、全体として吸熱的に進む。そのため、改質器１３０には、予熱された改質反応用の都市ガスと、排ガスボイラ１２０が生成した高温の過熱蒸気が導入される。
改質ガスの主成分である水素は、メタン等の炭化水素と比較して、燃焼速度が速く、燃焼の安定性が高い性質を持つ。そのため、改質ガスを燃料として用いると、炭素排出量が削減されるだけでなく、ガスエンジン１１０の燃焼効率が高められる。ガスエンジン１１０の燃焼特性が性能上で劣っている場合であっても、ガスエンジン１１０で生じる燃焼エネルギ（発熱量）の合計を増大させることができる。
図１Ａに示すように、従来のガスエンジン・コージェネレーション装置では、改質器１３０に対して、改質反応用の都市ガスと過熱蒸気との混合ガスが供給されているが、ガスエンジン１１０から排出された排ガスが供給されていない。従来は、改質器１３０の内部の触媒が、常温から反応温度まで混合ガス中の過熱蒸気によって加熱されている。都市ガスや過熱蒸気は、ガスエンジン１１０等の始動後に昇温していく。しかし、ガスエンジン１１０の始動時には低温である。
このような従来の構成では、改質器の運転に問題を生じることが、本発明者らによって確認された。運転試験の繰り返しの過程において、改質器の圧力損失が増大し、改質器に導入されるガスの流量が大幅に減少する事象が確認された。原因を調査したところ、改質器の内部の触媒に著しい変質や変形が認められた。触媒を解析した結果、触媒担体や支持材を形成するアルミニウムが水酸化反応を生じていた。水酸化反応によって変質や膨張等の変形が発生し、改質器の内部のガスの流路が閉塞したことが判明した。
その後の検証によって、アルミニウムの水酸化反応は、アルミ材が２００℃以下で水と接触していると進行することが確認された。水酸化反応を生じさせないためには、改質器の内部の触媒の常温からの昇温過程において、水酸化反応を生じさせない裕度を持たせた温度である２５０℃を目安とした触媒昇温を、水の非存在下で行うことが適切であるとの結論が得られた。
このような知見に基づき、改質反応の触媒を収納した改質器を、ガスエンジンからの排ガスの流路における過熱器と蒸発器との中間位置に配置する対策を想到した。過熱器から蒸発器に送られる排ガスの熱を利用して改質器の外表面を加熱することによって、常温から水酸化反応を生じさせない裕度を持たせた温度である２５０℃までの触媒昇温を、水の非存在下、急速な昇温速度で行うものとした。
図１Ｂは、本実施形態に係るガスエンジン・コージェネレーション装置の概略系統を示す図である。図１Ｂにおいて、実線矢印は都市ガスの流れ、破線矢印は改質ガスの流れ、二点鎖線矢印は過熱蒸気の流れ、白抜矢印は排ガスの流れを示す。
図１Ｂに示すように、本実施形態に係るガスエンジン・コージェネレーション装置は、ガスエンジン１１０と、排ガスボイラ１２０と、熱交換器１４０と、を備えている。排ガスボイラ１２０は、過熱器１２１と、改質器１３０が収納される収納筐体３００と、蒸発器１２２と、を備えている。
本実施形態に係るガスエンジン・コージェネレーション装置が、従来のガスエンジン・コージェネレーション装置と異なる点は、水蒸気改質を行う改質器１３０が排ガスボイラ１２０の内部に配置されている点である。改質器１３０は、排ガスの流路を形成するダクト状の収納筐体３００に収納されており、収納筐体３００は、排ガスボイラ１２０の内部であって、ガスエンジン１１０からの排ガスの流路における過熱器１２１と蒸発器１２２の中間位置に配置されている。
このような配置によると、改質器１３０の内部の触媒が、ガスエンジン１１０から排出された排ガスによって加熱される。排ガスは、ガスエンジン１１０から過熱器１２１、過熱器１２１から収納筐体３００、収納筐体３００から蒸発器１２２の順に流される。排ガスは、収納筐体３００の内部を通流する過程で、改質器１３０の外周面に接触して内部の触媒を加熱する。
ガスエンジン１１０から排出される排ガスの温度は、４００～６００℃程度であり、一例として５０５℃である。収納筐体３００に収納された改質器１３０は、高温の排ガスによって、改質反応の反応温度まで急速に加熱される。改質反応の反応温度は、３００℃以上、好ましくは４００℃以上であり、一例として４２０℃である。過熱器１２１を通過した排ガスの温度は、約４２０℃となる。
収納筐体３００に収納された改質器１３０には、内部の触媒が所定の温度まで加熱された後に、メタンを主成分とする都市ガスと過熱蒸気が供給される。改質反応用の都市ガスは、都市ガス供給ラインから分岐した分岐ラインを通じて、熱交換器１４０を経由して改質器１３０に供給される。過熱蒸気は、過熱蒸気供給ラインを通じて、排ガスボイラ１２０の過熱器１２１から改質器１３０に供給される。過熱蒸気の温度は、３００℃以上、好ましくは４００℃以上であり、一例として４２０℃である。
このように、本実施形態に係るガスエンジン・コージェネレーション装置では、排ガスボイラ１２０の内部の排ガスの流路上に収納筐体３００を設置し、収納筐体３００に改質器１３０を収納する。そのため、改質器１３０の始動時や、改質器１３０の運転中には、改質器１３０を排ガスの熱で加熱することができる。改質器１３０の始動時には、常温から水酸化反応を生じさせない裕度を持たせた温度である２５０℃までの触媒昇温を、改質器１３０に過熱蒸気が導入される以前に、水の非存在下で行うことができる。また、高温の排ガスによって急速な昇温速度で行うことができる。
改質器１３０を排ガスの熱で加熱すると、常温から水酸化反応を生じさせない裕度を持たせた温度である２５０℃までの触媒昇温を、水の非存在下、急速な昇温速度で行うことができるため、触媒の材料としてアルミニウムを用いている場合、触媒の変質や膨張等の変形が低減される。そのため、触媒の材料としてアルミニウムを用いることが可能になる。また、触媒の変質や変形が低減されて、ガスの流路の閉塞が防止されるため、ガスの流量を安定した高流量に維持できる。
また、改質器１３０を排ガスの熱で加熱すると、従来の過熱蒸気で加熱する場合と比較して、改質反応の至適温度まで昇温させる所要時間を短縮することができる。排ガスは、ガスエンジン１１０の起動直後から高温であるためである。改質器１３０の運転中には、改質器１３０の内部の温度を、ガスエンジン１１０から供給される排ガスと、改質器１３０に導入される過熱蒸気とによって、適切な反応温度に維持することができる。
また、改質器１３０を排ガスの熱で加熱する構成であると、改質器１３０の内部を改質反応の反応温度まで昇温させる目的や、アルミニウムの水酸化反応を防止する目的で、新たな加熱源を設ける必要がない。新たな加熱源を設ける場合の設置コスト、運用コストや、新たな加熱源に対する配管系統を省略することができる。そのため、低コストでエネルギ効率が高いガスエンジン・コージェネレーション装置を実現できる。
図２Ａは、改質器に収納される触媒ユニットの外観を示す図である。図２Ｂは、改質器に収納される触媒ユニットの層構造を示す図である。
図２Ａおよび図２Ｂにおいて、符号２００は触媒ユニット、符号２０１は支持材、符号２０２は触媒層を示す。符号ＣＷは触媒ユニットの外径、符号ＣＨは触媒ユニットの厚さを示す。
図２Ａに示すように、改質器１３０に収納される触媒ユニット２００は、触媒シートが渦巻状に巻回されることによって円柱状の巻回体とされる。触媒シートは、図２Ｂに示すように、シート状の支持材２０１と、触媒層２０２によって形成される。触媒層２０２は、支持材２０１上に形成される。触媒層２０２は、例えば、支持材２０１の表面および裏面の両方に形成することができる。
支持材２０１は、触媒ユニット２００の構造を機械的に保持している。巻回された支持材２０１は、触媒ユニット２００の径方向の外側から内側に向けて熱伝導に寄与することができる。触媒層２０２は、改質反応を触媒する不図示の触媒活性成分を担持する。触媒ユニット２００は、粒子の焼結や繊維の成形等によって多孔質に設けられる。触媒ユニット２００の巻回体には、巻回軸と平行な方向に多孔質によるガスの流路が形成される。
支持材２０１は、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金等で形成することができる。触媒層２０２は、触媒成分と、触媒成分を担持する触媒担体で形成される。触媒担体は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）で形成することができる。なお、本発明は、アルミニウムの水酸化反応を生じさせない対策に基づくが、支持材２０１や触媒層２０２には、アルミニウム、アルミニウム合金、酸化アルミニウム以外の材料が用いられてもよい。
触媒ユニット２００は、巻回軸が改質器１３０の中心軸と平行になる向きで、円筒状の改質器１３０に収納される。触媒ユニットの外径Ｃｗは、改質器１３０の内径等に応じて設計することができる。触媒ユニットの厚さＣＨは、改質器１３０についての触媒ユニット２００の収納可能範囲や、改質器１３０についての触媒ユニット２００の収納数等に応じて設計することができる。
図３は、収納筐体に収納される改質器の構造を示す図である。
図３において、符号１３０は改質器、符号１３１は容器部、符号１３２は蓋部、符号１３３は接続管、符号１３４は接続フランジ、符号２００は触媒ユニットを示す。符号Ｌは、触媒ユニットの収納可能範囲、符号Ｎは触媒ユニットの収納数を示す。符号Ｄａは容器部の外径、符号Ｄｂは接続フランジの外径を示す。
図３に示すように、改質器１３０は、円筒状に設けられた容器部１３１と、容器部１３１の開口を閉じる蓋部１３２と、蓋部１３２に接続された管状の接続管１３３と、接続管１３３の末端に設けられた接続フランジ１３４と、を備えている。蓋部１３２、接続管１３３および接続フランジ１３４は、容器部１３１の両側に対称状に設けられている。
容器部１３１は、触媒ユニット２００を収納可能な円筒状の中空構造に設けられている。容器部１３１には、１個または複数個の触媒ユニット２００が収納される。複数個の触媒ユニット２００は、容器部１３１の中心軸に対して同心となるように互いに積層されて収納される。巻回体の側面が容器部１３１の内周面と近接するように触媒ユニット２００が収納される。容器部１３１の両端には、蓋部１３２と接続するためのフランジ部１３１ａが形成されている。
蓋部１３２は、半球状の覆いとして設けられている。蓋部１３２の頂部には、貫通孔が形成されており、貫通孔に繋がるように接続管１３３が接合されている。蓋部１３２の基底側には、容器部１３１と接続するためのフランジ部１３２ａが形成されている。容器部１３１は、触媒ユニット２００が収納された後に、蓋部１３２をフランジ接続することによって閉じられる。
接続管１３３は、容器部１３１よりも小径の管状に設けられている。接続管１３３は、容器部１３１の内部と改質器１３０の外部とを連通している。接続管１３３の末端には、接続フランジ１３４が形成されている。接続フランジ１３４は、他の配管に対してフランジ接続される。他の配管としては、改質反応用の混合ガスを供給する配管や、改質ガスをガスエンジン１１０に供給する配管が挙げられる。
容器部１３１、蓋部１３２および接続管１３３は、改質反応の反応温度に耐える耐熱性の材料で形成される。容器部１３１、蓋部１３２、接続管１３３および接続フランジ１３４の材料としては、改質反応の温度やコスト等に応じて、炭素鋼、低合金鋼、ステンレス鋼等の適宜の材料を用いることができる。
触媒ユニットの収納可能範囲Ｌは、改質器１３０の内部の空間のうち、触媒ユニット２００を収納することができる範囲を意味する。触媒ユニットの収納可能範囲Ｌは、改質器１３０が収納筐体３００に収納されたとき、改質器１３０の外周面がガスエンジン１１０から排出された排ガスによって直接的に加熱される範囲となる。
触媒ユニットの収納可能範囲Ｌの長さは、収納筐体３００の内部の排ガスの流路の幅よりも小さく設けることが好ましい。このような設計であると、改質器１３０に収納された触媒を、ガスエンジン１１０から排出された排ガスによって均一性高く加熱できる。触媒ユニットの収納可能範囲Ｌは、このような条件の下で、改質器１３０に導入する混合ガスの流量や、混合ガスの目標改質率に基づいて設計できる。
触媒ユニットの収納数Ｎは、改質器１３０の１基当たりに収納される触媒ユニット２００の個数を意味する。触媒ユニットの収納数Ｎは、触媒ユニットの収納可能範囲Ｌと、触媒ユニットの厚さＣＨとの関係によって定まる。触媒ユニットの収納数Ｎは、触媒ユニットの厚さＣＨに応じて、触媒ユニットの収納可能範囲Ｌのうちで最大化されることが好ましい。
接続フランジ１３４の外径Ｄｂは、容器部１３１の外径Ｄａ以下（Ｄｂ≧Ｄａ）に設けられることが好ましい。このような寸法であると、収納筐体３００に設けられる円筒状の収納部３１０に対して改質器１３０を挿入または引抜するとき、接続フランジ１３４の物理的な干渉を防止できる。
図４Ａは、改質器が収納される収納筐体の正面図である。図４Ｂは、改質器が収納される収納筐体の平面図である。図４Ｃは、改質器が収納される収納筐体を排ガスの入側から視た側面図である。図４Ｄは、改質器が収納される収納筐体を排ガスの出側から視た側面図である。
図４Ａ～４Ｄにおいて、符号３００は収納筐体、符号３０１は下面部、符号３０２は上面部、符号３０３は入側前面部、符号３０４は出側前面部、符号３０５は入側後面部、符号３０６は出側後面部、符号３０７は入側接続部、符号３０８は出側接続部、符号３０９は吊具、符号３１０は収納部を示す。図４Ｂにおいて、符号Ｄは収納筐体の奥行寸法、白抜矢印は、改質器の挿入または引抜の方向を示す。
収納筐体３００は、断面が略矩形状のダクト状に設けられている。収納筐体３００は、左右の側面が開口しており、内部を左右方向にガスが通流可能とされている。図４Ａに示すように、収納筐体３００の内部には、ガスエンジン１１０から排出された排ガスが左右方向に流される。収納筐体３００は、下面部３０１と、上面部３０２と、前面部３０３，３０４と、後面部３０５，３０６と、を有している。
収納筐体３００のガスの入側には、入側接続部３０７が形成されている。入側接続部３０７は、収納筐体３００の側面に開口した開口部と、開口部の周囲のフランジとによって形成されている。収納筐体３００のガスの出側には、出側接続部３０８が形成されている。出側接続部３０８は、収納筐体３００の側面に開口した開口部と、開口部の周囲のフランジとによって形成されている。
入側接続部３０７は、排ガスボイラ１２０の過熱器１２１に接続される。入側接続部３０７は、過熱器１２１から排出された排ガスを収納筐体３００の内部に取り込む開口部を形成している。入側接続部３０７は、過熱器１２１の排ガスを排出するダクト径に合わせて設けられる。入側接続部３０７は、フランジ接続によって、過熱器１２１の排ガスのダクトの出側と接続される。
出側接続部３０８は、排ガスボイラ１２０の蒸発器１２２に接続される。出側接続部３０８は、収納筐体３００の内部から排ガスを排出する開口部を形成している。出側接続部３０８は、蒸発器１２２の排ガスを吸入するダクト径に合わせて設けられる。出側接続部３０８は、フランジ接続によって、蒸発器１２２の排ガスのダクトの入側と接続される。
収納筐体３００の上部には、吊具３０９が取り付けられている。吊具３０９は、収納筐体３００の搬送時や、収納筐体３００の据付時に、クレーン、ホイスト等で収納筐体３００を吊り上げるために使用される。収納筐体３００は、過熱器１２１の排ガスのダクトと蒸発器１２２の排ガスのダクトとを接続する既存のダクトに対して置換されてもよい。
前面部３０３，３０４および後面部３０５，３０６は、収納筐体３００の正面視や背面視において、台形状を呈している。上面部３０２は、ガスの入側から出側に向かうに連れて下方に傾斜している。図４Ｃおよび図４Ｄに示すように、出側接続部３０８の開口部は、入側接続部３０７の開口部よりも小径に設けられている。収納筐体３００は、収納筐体３００の正面視や背面視において、過熱器１２１から蒸発器１２２に向けてガスの流路を狭める形状に設けられている。
前面部３０３，３０４は、ガスの入側が入側前面部３０３、ガスの出側が出側前面部３０４によって形成されている。後面部３０５，３０６は、ガスの入側が入側後面部３０５、ガスの出側が出側後面部３０６によって形成されている。図４Ａおよび図４Ｂに示すように、入側前面部３０３および入側後面部３０５は、出側前面部３０４や出側後面部３０６よりも左右に長く設けられている。
図４Ｂに示すように、収納筐体３００の平面視において、入側前面部３０３と入側後面部３０５とは、互いに平行に設けられている。一方、出側前面部３０４と出側後面部３０６とは、ガスの入側から出側に向かうに連れて内側に傾斜して設けられている。収納筐体３００は、収納筐体３００の平面視において、過熱器１２１から蒸発器１２２に向けてガスの流路を狭める形状に設けられている。
収納筐体３００は、改質器１３０を収納するための複数の収納部３１０を備えている。収納部３１０は、円筒状のスリーブ管によって形成されている。収納部３１０は、入側前面部３０３および入側後面部３０５を貫通するように設けられている。収納部３１０は、収納筐体３００を前後に貫通しており、収納筐体３００の内部の排ガスの流路を横断する構造に設けられている。
入側前面部３０３および入側後面部３０５には、前側および後側で互いに同心となる配置で、複数の貫通孔が形成されている。収納部３１０を形成するスリーブ管は、これらの貫通孔に挿通されている。貫通孔に挿通されたスリーブ管は、入側前面部３０３および入側後面部３０５に対してボルト締結等で接合されている。
図４Ａにおいて、収納部３１０としては、縦５列×横３列の計１５個が設けられている。複数の収納部３１０は、排ガスの流路を互いに平行に横断するように配列している。但し、収納部３１０は、改質ガスの目標生成量、排ガスの流量、排ガスの流路の圧力損失等に応じて、適宜の個数や配列に設けることができる。
収納筐体３００の下面部３０１、上面部３０２、前面部３０３，３０４、後面部３０５，３０６や、収納部３１０は、ガスエンジン１１０から排出される排ガスの温度に耐える耐熱性の材料で形成される。収納筐体３００の材料としては、排ガスの温度やコスト等に応じて、炭素鋼、低合金鋼、ステンレス鋼等を用いることができる。
収納筐体３００の奥行寸法Ｄは、排ガスボイラ１２０の過熱器１２１の奥行寸法に収まる範囲内で、過熱器１２１の排ガスを排出するダクト径に合わせて設けることが好ましい。収納筐体３００の奥行寸法Ｄは、改質反応の出発反応物である混合ガスの流量や、混合ガスの目標改質率に基づいて、既定の厚さに設けられる触媒ユニット２００が最大数配置されるように、すなわち、触媒ユニット２００の合計の厚さが最大化されるように設計することが好ましい。
図５Ａは、収納筐体が備える収納部の側面図である。図５Ｂは、収納筐体が備える収納部の正面図である。図５Ｃは、収納筐体が備える収納部の断面図である。図５Ｄは、収納部の配置を示す収納筐体の正面の部分拡大図である。
図５Ａ～５Ｄにおいて、符号３１０は収納部、符号３１１は容器部、符号３１２はフランジ、符号３１３は開口部を示す。図５Ｄにおいて、符号Ａは開口部が形成された領域、符号ΔＷは収納部の水平方向の間隔、符号Δｈは収納部の鉛直方向の間隔を示す。
図５Ａに示すように、スリーブ管によって形成された収納部３１０は、円筒状に設けられた容器部３１１と、容器部３１１の末端に設けられたフランジ３１２と、容器部３１１の外周面に開口した開口部３１３と、を備えている。フランジ３１２は、容器部３１１の両側に対称状に設けられている。
容器部３１１は、円筒状に設けられており、改質器１３０を収納可能な中空構造を形成している。容器部３１１には、改質器１３０の中心軸が容器部３１１の中心軸と平行になる向きで、１基の改質器１３０が収納される。容器部３１１の内径は、改質器１３０の外径よりも僅かに小さく設けられる。
フランジ３１２は、収納部３１０に対する改質器１３０の固定に用いられる。フランジ３１２には、軸封部材を用いた固定機構がボルト締結によって接合される。
開口部３１３は、容器部３１１の周壁に窓状に開口している。開口部３１３は、容器部３１１の周壁を貫通しており、収納筐体３００の内部の排ガスの流路と容器部３１１の内部とを連通している。開口部３１３は、容器部３１１の周壁に、１個以上の適宜の個数を設けることができる。
開口部３１３は、図５Ａに示すように、収納部３１０の長手方向において、収納部３１０の外周面のうち、収納筐体３００の内部の排ガスの流路内に位置する区間に形成される。開口部３１３は、開口部３１３同士の間に設けられる枠部を除いて、収納部３１０の外周面のうち、排ガスの流路内に位置する区間の略全幅にわたって形成されることが好ましい。
開口部３１３は、図５Ｃに示すように、収納部３１０の断面視において、収納部３１０のガスの入側の周壁、および、収納部３１０のガスの出側の周壁のそれぞれに、線対称状に設けられる。開口部３１３は、ガスの入側およびガスの出側のそれぞれにおいて、収納部３１０の外周面のうち、収納部３１０の中心を通る水平面から上下に約６０度以上に開口するように大きく設けられることが好ましい。
開口部３１３を設けると、収納筐体３００の内部に過熱器１２１から流入した排ガスが、開口部３１３を通じて収納部３１０の内部を通流することができる。容器部３１１の内径を、改質器１３０の外径よりも僅かに小さく設けると、収納部３１０に改質器１３０を収納したとき、容器部３１１の内周面と改質器１３０の外周面との間に僅かな隙間が形成される。収納部３１０の内部に流入した排ガスは、この隙間を通流することができる。
収納筐体３００の内部を排ガスが通流する過程では、収納部３１０に収納された改質器１３０の外周面を、排ガスの接触によって直接的に加熱できる。約４００℃以上の高温の排ガスが、開口部３１３を通じて改質器１３０の外周面に接触するため、改質器１３０の内部の触媒を急速に加熱できる。そのため、改質反応用の都市ガスと過熱蒸気との混合ガスが改質器１３０に導入される以前に、触媒担体や支持材を形成するアルミニウムの水酸化反応を防止しつつ、触媒を改質反応の反応温度まで昇温させることができる。
図５Ｄに示すように、複数の収納部３１０は、前側の入側側面部３０３および後側の入側側面部３０５において、収納部３１０同士の間や、収納部３１０と排ガスの流路の内壁を形成する下面部３０１や上面部３０２との間に間隔が設けられて配列していることが好ましい。収納部３１０の水平方向の間隔ΔＷや、収納部３１０の鉛直方向の間隔Δｈは、収納部３１０の外径、収納部３１０の配置数等に応じて設計できる。
このような構造によると、収納筐体３００の内部に流入した排ガスが、収納部３１０同士の間や、収納部３１０と排ガスの流路の内壁との間を通流できるため、排ガスの圧力損失を低減することができる。収納部３１０に収納された各改質器１３０を、排ガスの熱で均一性高く加熱して温度ムラを低減することができる。そのため、改質器１３０毎の改質反応を均一に進めて、全体としての混合ガスの改質率を向上させることができる。
図６Ａは、収納筐体の配置を示す収納筐体の正面図である。図６Ｂは、収納筐体の配置を示す収納筐体の平面図である。
図６Ａおよび図６Ｂにおいて、符号１２１は過熱器の排ガスを排出するダクトの部分、符号１２２は蒸発器の排ガスを吸入するダクトの部分、符号１３０は改質器、符号３００は収納筐体、符号３１０は収納部を示す。図６Ａおよび図６Ｂにおいて、白抜矢印は排ガスの流れを示す。
図６Ａおよび図６Ｂに示すように、収納筐体３００は、排ガスボイラ１２０の内部であって、ガスエンジン１１０からの排ガスの流路における過熱器１２１と蒸発器１２２の中間位置に配置される。収納筐体３００の一端の入側接続部３０７は、過熱器１２１の排ガスを排出するダクトの出側と接続される。収納筐体３００の他端の出側接続部３０８は、蒸発器１２２の排ガスを吸入するダクトの入側と接続される。
収納筐体３００を排ガスボイラ１２０の内部の過熱器１２１と蒸発器１２２の中間位置に配置すると、改質器１３０を排ガスボイラ１２０の内部に設置することができる。排ガスの熱を利用して過熱蒸気を生成する排ガスボイラ１２０と、過熱蒸気を利用して改質ガスを生成する改質器１３０とが、一体化される。そのため、改質反応の触媒を排ガスの熱を利用して昇温させる構成において、システムをコンパクト化することができる。
改質器１３０は、排ガスの流路を横断する構造に設けられた収納部３１０に対して排ガスの流路を横断するように収納される。改質器１３０は、改質器１３０の中心軸が収納部３１０の中心軸と平行になる向きで収納される。改質器１３０の排ガスの流路内に位置する区間には、触媒を担持した複数の触媒ユニット２００が、排ガスの流路を横断する方向に積層されて収納される。
このような構造によると、収納筐体３００の内部に流入した排ガスの熱で、改質器１３０の外周面を均一性高く加熱することができる。改質器１３０の外周面は、全周にわたって加熱される。また、改質器１３０に積層されて収納された触媒ユニット２００同士を均一性高く昇温させることができる。触媒ユニット２００毎の改質反応を均一に進めることができるため、全体としての混合ガスの改質率を向上させることができる。
複数の改質器１３０は、一つの収納部３１０に対して一基ずつ収納される。複数の改質器１３０は、収納筐体３００の内部の排ガスの流路を互いに平行に横断するように配列する。このような構造によると、収納筐体３００の内部に流入した排ガスの熱で、複数の改質器１３０の外周面を、改質器１３０同士で均一性高く加熱することができる。複数の改質器１３０を一度に使用できるため、改質ガスの生成量を増大させると共に、排ガスの熱を有効に利用することができる。
改質器１３０は、収納筐体３００に対して着脱自在に設けられる。改質器１３０は、改質器１３０の設置時や交換時等に、収納部３１０に対して長手方向に抜き差しすることができる。改質器１３０は、収納部３１０に挿入された後に、収納部３１０に対して軸封部材を用いた固定機構によって固定される。収納部３１０に収納された改質器３１０には、入側接続部３０７と出側接続部３０８に配管が接続される。
ガスエンジン１１０から排出された排ガスは、過熱器１２１の排ガスを排出するダクトから排出された後、収納筐体３００の内部をとおり、蒸発器１２２の排ガスを吸入するダクトに流入する。この間に、収納部３１０に収納された改質器１３０の外周面が、排ガスによって加熱される。改質器１３０の内部の触媒は、改質反応の至適温度付近まで、改質器１３０に混合ガスを導入して昇温させる場合と比較して高い昇温速度で加熱される。
このような収納筐体３００を搭載した排ガスボイラ１２０は、過熱器１２１と、改質器１３０が収納される収納筐体３００と、蒸発器１２２と、をユニット化することによって、コージェネレーションの用途に提供することができる。ユニット化を行うと、排ガスボイラ１２０の機能と改質器１３０の機能とを一体的に運用することが可能になり、改質器１３０の始動を迅速に行えるコンパクトなシステムが得られる。
図７は、収納筐体に改質器を固定する固定機構を示す図である。図８Ａは、ストッパを備えた改質器の断面図である。図８Ｂは、パッキン受け治具の平面図および断面図である。図８Ｃは、パッキン押えの平面図および断面図である。図８Ｄは、特殊ワッシャの平面図である。
図７、図８Ａ、図８Ｂおよび図８Ｃにおいて、符号４０１はストッパ、符号４０２はパッキン受け治具、符号４０３はパッキン押え、符号４０４は特殊ワッシャ、符号４１０はグランドパッキンを示す。
図７に示すように、収納筐体３００は、改質器１３０を固定する固定機構を備えている。収納筐体３００に収納された改質器１３０は、収納筐体３００の収納部３１０に対して、軸封部材を用いた固定機構によって固定される。軸封部材としては、グランドパッキン４１０が用いられる。固定機構は、ストッパ４０１、パッキン受け治具４０２、パッキン押え４０３、特殊ワッシャ４０４、グランドパッキン４１０や、改質器１３０および収納筐体３００の部位によって構成される。
ストッパ４０１は、図８Ａに示すように、改質器１３０の容器部１３１の外周面に、外周面から外側に突出する突状に設けられる。ストッパ４０１は、容器部１３１の外周面に角材等を接合することによって形成される。ストッパ４０１は、収納部３１０の外側を向く受面を有している。
ストッパ４０１は、図７に示すように、収納部３１０の長さ方向において、外側を向く受面が収納筐体３００の入側側面部３０３，３０５や収納部３１０のフランジ３１２から所定の距離だけ離隔する位置となるように配置される。ストッパ４０１は、収納部３１０の容器部３１１の内周面と改質器１３０の容器部１３１の外周面との間に詰め込まれるパッキン受け治具４０２等を、収納部３１０の長手方向における所定の位置に止める。
図８Ａにおいて、ストッパ４０１は、改質器１３０の容器部１３１の外周面に９０度のピッチで４箇所に設けられている。但し、ストッパ４０１は、適宜の個数、ピッチに設けることができる。また、適宜の収納部３１０の長手方向における長さに設けることができる。
パッキン受け治具４０２は、図８Ｂに示すように、二つ割れの円環形状の板状に設けられる。パッキン受け治具４０２は、分割単位同士が対向するように組み合わされて使用される。パッキン受け治具４０２の内径は、改質器１３０の容器部１３１の外径と同等または僅かに大きく設けられる。パッキン受け治具４０２の外径は、収納部３１０内径と同等または僅かに小さく設けられる。
パッキン受け治具４０２は、図７に示すように、収納部３１０の長手方向において、ストッパ４０１の受面に当接するように配置される。パッキン受け治具４０２は、収納部３１０の容器部３１１の内周面と改質器１３０の容器部１３１の外周面との間に詰め込まれるグランドパッキン４１０等を、収納部３１０の内側から受けて機械的に支持する。
図８Ｂにおいて、パッキン受け治具４０２は、二つ割れの分割構造に設けられている。但し、パッキン受け治具４０２は、ストッパ４０１の配置等に応じて、適宜の分割構造、形状、大きさに設けることができる。
パッキン押え４０３は、図８Ｃに示すように、一端にフランジが形成された二つ割れの円筒状に設けられる。パッキン押え４０３は、分割単位同士が対向するように組み合わされて使用される。パッキン押え４０３の内径は、改質器１３０の容器部１３１の外径と同等または僅かに大きく設けられる。パッキン押え４０３のフランジの外径は、収納部３１０のフランジ３１２の外径に合わせて設けられる。
パッキン押え４０３は、図７に示すように、収納部３１０の長手方向において、グランドパッキン４１０の外側面と収納部３１０のフランジ３１２の外側面に当接するように配置される。パッキン押え４０３は、収納部３１０の容器部３１１の内周面と改質器１３０の容器部１３１の外周面との間に詰め込まれるグランドパッキン４１０等を、収納部３１０の外側から押さえて機械的に支持する。
パッキン押え４０３のフランジには、収納部３１０のフランジ３１２に対してフランジ接続するためのボルト孔４０３ａが設けられる。図８Ｃにおいて、ボルト孔４０３ａは、パッキン押え４０３の分割単位毎に、パッキン押え４０３の両端付近に２箇所が設けられている。パッキン押え４０３は、収納部３１０のフランジ３１２に対してボルト孔４０３ａを用いたフランジ接続によって固定される。
図８Ｃにおいて、パッキン押え４０３は、二つ割れの分割構造に設けられている。但し、パッキン押え４０３は、収納部３１０の容器部３１１の内周面と改質器１３０の容器部１３１の外周面との間の隙間に挿し込み可能であり、グランドパッキン４１０を均一に押圧できる限り、適宜の分割構造、形状、大きさに設けることができる。
特殊ワッシャ４０４は、図８Ｄに示すように、円環形状の部分円弧を切り出したような部分円環状の板状に設けられる。特殊ワッシャ４０４は、２個を一対として使用される。特殊ワッシャ４０４の内径や外径は、パッキン押え４０３の内径や外径と同等に設けることができる。
特殊ワッシャ４０４は、図７に示すように、収納部３１０の長手方向において、パッキン押え４０３の外側面に当接するように配置される。特殊ワッシャ４０４は、パッキン押え４０３の緩みを防止する。特殊ワッシャ４０４は、パッキン押え４０３の分割単位同士が対向する方向に対して、直交する方向に向き合うように配置されて固定される。特殊ワッシャ４０４によると、パッキン押え４０３の分割単位同士が乖離する方向の緩みが防止される。
特殊ワッシャ４０４には、収納部３１０のフランジ３１２に対してボルト締結するためのボルト孔４０４ａが設けられる。図８Ｄにおいて、ボルト孔４０４ａは、特殊ワッシャ４０４の両端付近に２箇所が設けられている。特殊ワッシャ４０４は、パッキン押え４０３と共に、収納部３１０のフランジ３１２に対してボルト孔４０４ａを用いたボルト締結によって固定される。
図８Ｄにおいて、特殊ワッシャ４０４は、パッキン押え４０３と同等の大きさに設けられている。但し、特殊ワッシャ４０４は、パッキン押え４０３の分割単位同士を連結して固定できる限り、適宜の組み合わせ構造、形状、大きさに設けることができる。例えば、特殊ワッシャ４０４は、パッキン押え４０３が嵌合する形状であり、パッキン押え４０３の外側面と外周面を覆う構造に設けられてもよい。
グランドパッキン４１０は、図７に示すように、収納部３１０の容器部３１１の内周面と改質器１３０の容器部１３１の外周面との間の隙間であって、パッキン受け治具４０２とパッキン押え４０３との間に詰め込まれる。グランドパッキン４１０は、この隙間を気密に密閉する軸封部材として機能する。
グランドパッキン４１０の材料としては、カーボン、ポリテトラフルオロエチレン等の適宜のシール材を用いることができる。グランドパッキン４１０としては、シール材を円筒状に成形した成形体や、シール材の編組等のいずれを用いてもよい。シール材の編組は、軸封が必要な箇所にコイル状に巻回されて用いられる。
改質器１３０は、収納筐体３００に対して、次の手順で固定される。はじめに、収納筐体３００の収納部３１０に、改質器１３０を挿入する。そして、収納部３１０の容器部３１１の内周面と改質器１３０の容器部１３１の外周面との間の隙間に、パッキン受け治具４０２とグランドパッキン４１０を、ストッパ４０１に止められる位置まで、この順に詰め込む。次いで、グランドパッキン４１０が詰め込まれた隙間にパッキン押え４０３を挿し込む。
続いて、パッキン押え４０３の外側に特殊ワッシャ４０４を配置し、パッキン押え４０３と特殊ワッシャ４０４を、収納部３１０のフランジ３１２に対してボルト締結する。パッキン押え４０３は、収納部３１０のフランジ３１２に対して締結されると、隙間に詰め込まれたグランドパッキン４１０に対して外側から押圧を加える。グランドパッキン４１０は、パッキン押え４０３からの押圧によって、収納部３１０の長手方向および径方向に歪みを生じる。その結果、グランドパッキン４１０は、収納部３１０の容器部３１１の内周面や、改質器１３０の容器部１３１の外周面に押し付けられる。
このような軸封部材を用いた固定機構によると、収納部３１０の容器部３１１の内周面と改質器１３０の容器部１３１の外周面との間の隙間が、押し付けられたグランドパッキン４１０の圧力で気密に密閉される。収納筐体３００の内部に流入した排ガスは、収納部３１０の容器部３１１の内周面と改質器１３０の容器部１３１の外周面との間の隙間を通流して、外部に漏洩することなく、改質器１３０の外周面を加熱することができる。
図８Ｃおよび図８Ｄに示すように、一対の特殊ワッシャ４０４は、パッキン押え４０３の分割単位同士が対向する方向に対して、直交する方向に向き合うように配置される。特殊ワッシャ４０４は、このような配置でパッキン押え４０３に対して重ねられ、パッキン押え４０３と共に収納部３１０のフランジ３１２に対してボルト締結される。そのため、交差する向きに固定された特殊ワッシャ４０４によって、パッキン押え４０３の分割単位同士が乖離する方向の緩みが防止される。収納部３１０の径方向において、パッキン押え４０３の変位が抑制されるため、各ボルトで均一性高い締結力を得ることが可能になる。そのため、収納部３１０の容器部３１１の内周面と改質器１３０の容器部１３１の外周面との間の隙間の気密性を向上させることができる。
改質器１３０は、このような固定機構によって収納筐体３００に固定された後、各種の配管系統と接続される。改質器１３０の一端の接続管１３３には、都市ガスと過熱蒸気とが混合された混合ガスを改質器１３０に供給する混合ガス供給系統が接続される。混合ガスは、改質反応用の都市ガスと過熱蒸気とを合流させることによって生成される。改質器１３０の他端の接続管１３３には、改質器１３０で生成された改質ガスをガスエンジン１１０に供給する改質ガス供給系統が接続される。
複数の改質器１３０には、混合ガス供給系統から供給される混合ガスの圧力を均等化させるヘッダ器を接続することができる。ヘッダ器を供給側に設けると、複数の改質器１３０に導入される混合ガスの圧力が均等化されるため、改質器１３０毎の改質能力を平準化させることができる。複数の改質器１３０のそれぞれが、互いに同程度の改質能力を発揮するようになるため、複数の改質器１３０の全体としての改質能力を、使用する改質器１３０の本数で調整することが可能になる。
複数の改質器１３０には、改質器１３０毎に導入される混合ガスの流量を調節する調節弁を接続することができる。調節弁を供給側に設けると、改質器１３０毎の改質能力を、弁開度の変更によって調整することができる。個々の改質器１３０の改質能力を調整できるため、複数の改質器１３０の全体としての改質能力を、より精密に調整することが可能になる。
複数の改質器１３０の全体としての改質能力は、混合ガスを導入する改質器１３０の本数のみによって調整してもよいし、改質器１３０毎に備えられる調節弁の開度のみによって調整してもよいし、これらの両方によって調整してもよい。但し、複数の改質器１３０の全体としての改質能力を、精密に調整する観点からは、複数の改質器１３０の供給側にヘッダ器を設け、且つ、ヘッダ器の下流側に調節弁を設けて、両方を調整することが好ましい。
図９は、改質反応の触媒の温度を計測する温度計測器の配置を示す図である。
図９に示すように、本実施形態に係るガスエンジン・コージェネレーション装置において、改質反応の触媒の温度は、改質器１３０の始動時や、改質器１３０の運転中に、温度計測器Ｔによって計測される。
温度計測器Ｔは、改質器１３０に収納された触媒ユニット２００の触媒層２０２の温度を計測する。温度計測器Ｔは、改質器１３０の内部、収納筐体３００の内部等の適宜の箇所に設置することができる。温度計測器Ｔとしては、熱電対、測温抵抗体等の接触式計測器や、赤外線放射温度計等の非接触式計測器を用いることができる。
本実施形態に係るガスエンジン・コージェネレーション装置の運転は、次の順序で行われる。
はじめに、ガスエンジン１１０を、都市ガスを燃料として起動する。ガスエンジン１１０は、ガス導管網等から供給される都市ガスを燃料として、定格回転速度に到達するまで立ち上げ運転される。ガスエンジン１１０の燃焼室からは、都市ガスの燃焼による排ガスが排ガスボイラ１２０に向けて排出される。
ガスエンジン１１０から排出された排ガスは、ガスエンジン１１０から過熱器１２１、過熱器１２１から収納筐体３００、収納筐体３００から蒸発器１２２の順に排気される。この間に、排ガスは、過熱器１２１や蒸発器１２２において、過熱蒸気の生成に利用される。また、排ガスは、収納筐体３００の内部を通流する間に、収納部３１０に収納された改質器１３０を加熱する。この段階では、改質反応は開始されてなく、改質器１３０に対する混合ガスの導入は停止されている。
温度計測器Ｔは、ガスエンジン１１０の起動後、且つ、改質器１３０における改質反応の開始前に、改質器１３０に収納された触媒ユニット２００の触媒層２０２の温度を計測する。触媒層２０２の温度は、所定の時間間隔で経時的に測定される。ガスエンジン・コージェネレーション装置では、触媒層２０２の温度に応じて、改質器１３０に対する過熱蒸気の供給を、自動または手動で切り替えることができる。
改質器１３０の始動時に、触媒層２０２の温度が、２５０℃未満であるときには、改質器１３０に対する過熱蒸気の導入を開始せず、排ガスによる改質器１３０の昇温を継続する。この場合、例えば、混合ガスを改質器１３０に供給する混合ガス供給ラインのバルブや、過熱蒸気を過熱器１２１から改質器１３０に供給する過熱蒸気供給ラインのバルブを閉鎖する。
一方、触媒層２０２の温度が、２５０℃以上であるときには、改質器１３０に対する過熱蒸気の導入を開始することができる。改質器１３０の内部の触媒を排ガスによって２５０℃以上に加熱してから、改質器１３０に混合ガスを供給して改質反応の反応生成物を生成する。この場合、例えば、混合ガスを改質器１３０に供給する混合ガス供給ラインのバルブや、過熱蒸気を過熱器１２１から改質器１３０に供給する過熱蒸気供給ラインのバルブを開放する。
続いて、ガスエンジン１１０の燃料を、都市ガスから混合ガスを経て、混合ガスから改質ガスに切り替える。燃料を切り替える過程では、都市ガスの供給流量を次第に降下させる制御と、改質ガスの供給流量を次第に上昇させる制御とを同期的に行う。定格回転速度の立ち上げ運転中に、改質ガスが所定の燃焼力に到達するまで、混合ガスの水素濃度を次第に高める制御を行う。
続いて、ガスエンジン１１０を、改質ガスを燃料として定格運転する。改質器１３０で生成された改質反応の反応生成物である改質ガスを、改質器１３０からガスエンジン１１０に供給する。ガスエンジン１１０は、改質ガスを燃料として、定格回転速度で運転される。ガスエンジン１１０が発生させた動力は、一般電力を取り出すための発電等に利用される。改質器１３０の内部の触媒は、ガスエンジン１１０から排出された排ガスや、排ガスボイラ１２０から供給される過熱蒸気によって、適切な反応温度に維持される。
ガスエンジン１１０を停止する際には、ガスエンジン１１０の燃料を、改質ガスから混合ガスを経て、混合ガスから都市ガスに切り替える。燃料を切り替える過程では、改質ガスの供給流量を次第に降下させる制御と、都市ガスの供給流量を次第に上昇させる制御とを同期的に行う。定格回転速度の運転中に、燃焼室内や配管内の改質ガスが全焼可能な量に減少するまで、改質ガスの供給流量を下げる制御を行う。その後、ガスエンジン１１０に対する改質ガスの供給を停止する。
続いて、ガスエンジン１１０における燃焼行程が停止される。ガスエンジン１１０を停止させる過程では、都市ガスの供給流量を次第に降下させる制御が行われる。燃焼室内や配管内の改質ガスが全焼した後、ガスエンジン１１０に対する都市ガスの供給を停止する。また、改質器１３０に対する混合ガスの供給を停止する。
このような運転によると、触媒層２０２の温度に応じて改質器１３０に対する過熱蒸気の導入が切り替えられるため、改質器１３０の内部の触媒担体や支持材が２００℃以下で水と接触しなくなる。触媒担体や支持材を形成するアルミニウムが水酸化反応を生じ難くなるため、触媒担体や支持材の変質や変形や、改質器１３０の内部の流路の閉塞を防止することができる。
また、このような運転によると、ガスエンジン１１０が改質ガスを燃料として定格運転されるため、都市ガスの全体としての消費量を抑制しつつ、高い燃焼効率を得ることができる。供給されるガス燃料の全重量に対して、燃焼エネルギ（発熱量）の合計が増大することになり、ガス燃料の単位供給量に対する燃焼エネルギ（発熱量）の合計が大きくなる。そのため、燃焼効率が高いガスエンジン・コージェネレーション装置が実現される。
また、このような運転によると、ガスエンジン１１０を停止する際に、ガスエンジン１１０の燃料が都市ガスに切り替えられる。燃料が改質ガスから都市ガスに切り替えられるため、燃焼室内や配管内への水素の残留が防止される。そのため、ガスエンジン１１０の停止後の再起動を、水素を含まない高濃度の都市ガスを燃料として、確実且つ速やかに行うことができる。
特許文献２に記載されたＣｕ－Ｚｎ－Ｃｒ系触媒は、改質反応の温度範囲が２５０～３００℃と狭い範囲である。そのため、このような触媒を用いる場合、触媒の著しい劣化を避けるために、温度制御機構を設けて改質反応の温度を制御する必要がある。触媒が著しい劣化を生じる温度範囲や、改質器の材料の強度に大きな影響が及ぶ温度範囲は、温度制御によって回避する必要がある。これに対し、触媒担体が酸化アルミニウムであり、触媒成分が白金族等である改質触媒は、改質反応の反応温度が、２５０～５００℃と広範囲である。
本実施形態に係るガスエンジン・コージェネレーション装置では、排ガスの熱で触媒を加熱するため、このような改質反応の反応温度が広範囲である触媒を用いる場合、改質反応を適正な温度範囲に制御するための温度制御機構の設置を省略できる。また、改質器１３０の内部が改質反応の至適温度まで昇温された後に、改質器１３０に混合ガスを導入することができるため、ガスエンジン１１０から排出された排ガスの流路において、改質器１３０を迂回させるバイパスが不要になる。
本発明者らによる検証の結果、改質器の内部の触媒層の温度を監視し、触媒層の温度がアルミニウムの水酸化反応を生じない適正温度に昇温されてから、混合ガスを導入して改質反応を開始すると、触媒の材料としてアルミニウムが使用されていても、アルミニウムの水酸化反応が発生せず、改質器の内部のガスの流路が閉塞しないことが確認された。化学的安定性や高熱伝導率等が得られるアルミ材の使用が可能になることが確認された。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記の実施形態に限定されるものではなく、技術的範囲を逸脱しない限り、様々な変形例が含まれる。例えば、前記の実施形態は、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、或る実施形態の構成の一部を他の構成に置き換えたり、或る実施形態の構成に他の構成を加えたりすることが可能である。また、或る実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、構成の削除、構成の置換をすることも可能である。
例えば、前記のガスエンジン・コージェネレーション装置は、ガスエンジンの燃料として、都市ガスや、改質ガスや、混合ガスを用いているが、ガス燃料としては、メタンを主成分とするその他の炭化水素系の燃料や、これを水蒸気改質した改質ガスや、これらの混合ガスを用いてもよい。ガス燃料としては、ＬＰＧ、ＣＮＧ、バイオガス等や、これらを混合した混合ガスが用いられてもよい。ガスエンジンの起動時の運転方法は、前記の方法に限定されるものではない。
また、前記の触媒ユニットは、円柱状の巻回体として設けられており、前記の改質器は円筒状に設けられており、前記の収納筐体は、断面が略矩形状のダクト状に設けられているが、触媒ユニット、改質器および収納筐体は、作用・機能を損なわない限り、適宜の形状・構造に設けることができる。また、前記の触媒ユニットでは、触媒昇温時に避けるべき温度範囲の上限として、裕度を持たせた２５０℃を設定しているが、他の有効な対策等がある場合は、水酸化反応を生じさせない限り、他の温度を設定してもよい。
１１０ ガスエンジン
１１１ 発電機
１２０ 排ガスボイラ
１２１ 過熱器
１２２ 蒸発器
１３０ 改質器
１３１ 容器部
１３２ 蓋部
１３３ 接続管
１３４ 接続フランジ
１４０ 熱交換器
２００ 触媒ユニット
２０１ 支持材
２０２ 触媒層
３００ 収納筐体
３０１ 下面部
３０２ 上面部
３０３ 入側前面部
３０４ 出側前面部
３０５ 入側後面部
３０６ 出側後面部
３０７ 入側接続部
３０８ 出側接続部
３０９ 吊具
３１０ 収納部
４０１ ストッパ
４０２ パッキン受け治具
４０３ パッキン押え
４０４ 特殊ワッシャ
４１０ グランドパッキン

Claims (8)

  1. ガス燃料と過熱蒸気とを含む混合ガスを取り込み、触媒を介して改質燃料となる反応生成物を生成する改質器を備えたガスエンジン・コージェネレーション装置であって、
    前記ガスエンジン・コージェネレーション装置は、
    前記改質器を収納する収納筐体と、
    ガスエンジンと、
    前記ガスエンジンにより駆動される発電機と、
    前記ガスエンジンからの排ガスにより加熱される排ガスボイラと、を備え、
    前記収納筐体が、前記排ガスボイラの内部の過熱器と蒸発器の中間位置に配置されたこと
    を特徴とするガスエンジン・コージェネレーション装置。
  2. 請求項１に記載のガスエンジン・コージェネレーション装置であって、
    前記収納筐体は、
    前記過熱器に接続され、前記排ガスを前記収納筐体の内部に取り込む入側接続部と、
    前記蒸発器に接続され、前記収納筐体の内部から前記排ガスを排出する出側接続部と、
    前記改質器を収納する収納部と、
    前記収納部に前記改質器を固定する固定機構と、を備えること
    を特徴とするガスエンジン・コージェネレーション装置。
  3. 請求項２に記載のガスエンジン・コージェネレーション装置であって、
    前記収納部は、前記収納筐体の内部の前記排ガスの流路を横断する構造に設けられており、
    前記改質器は、前記収納部に対して前記排ガスの流路を横断するように収納される容器状であり、
    前記改質器の前記排ガスの流路内に位置する区間には、前記触媒を担持した複数の触媒ユニットが、前記排ガスの流路を横断する方向に積層されて収納されること
    を特徴とするガスエンジン・コージェネレーション装置。
  4. 請求項３に記載のガスエンジン・コージェネレーション装置であって、
    前記収納筐体は、複数の前記収納部を備え、
    前記収納部は、前記排ガスの流路を互いに平行に横断するように配列しており、
    前記改質器は、一つの前記収納部に対して一基ずつ収納されること
    を特徴とするガスエンジン・コージェネレーション装置。
  5. 請求項４に記載のガスエンジン・コージェネレーション装置であって、
    前記収納部は、前記収納部同士の間、および、前記収納部と前記排ガスの流路の内壁との間に間隔が設けられて配列していること
    を特徴とするガスエンジン・コージェネレーション装置。
  6. 請求項５に記載のガスエンジン・コージェネレーション装置であって、
    前記触媒ユニットは、前記触媒を担持した触媒層を有し、
    前記改質器は、前記触媒層の温度を計測する温度計測器を備えること
    を特徴とするガスエンジン・コージェネレーション装置。
  7. ガス燃料と過熱蒸気とを含む混合ガスを取り込み、触媒を介して改質燃料となる反応生成物を生成する改質器を備えたガスエンジン・コージェネレーション装置の運転方法であって、
    前記ガスエンジン・コージェネレーション装置は、
    前記改質器を収納する収納筐体と、
    ガスエンジンと、
    前記ガスエンジンにより駆動される発電機と、
    前記ガスエンジンからの排ガスにより加熱される排ガスボイラと、を備え、
    前記収納筐体は、前記排ガスボイラの内部の過熱器と蒸発器の中間位置に配置されており、
    前記ガスエンジン・コージェネレーション装置の運転方法は、
    前記ガスエンジンからの排ガスを、前記ガスエンジンから前記過熱器、前記過熱器から前記収納筐体、前記収納筐体から前記蒸発器の順に排気して、前記収納筐体に収納された前記改質器を前記排ガスによって加熱し、
    前記改質器に前記混合ガスを供給して前記反応生成物を生成し、
    前記反応生成物を前記ガスエンジンに供給して前記ガスエンジンを運転すること
    を特徴とするガスエンジン・コージェネレーション装置の運転方法。
  8. 請求項７に記載のガスエンジン・コージェネレーション装置の運転方法であって、
    前記改質器の内部の前記触媒を前記排ガスによって２５０℃以上に加熱してから、前記改質器に前記混合ガスを供給すること
    を特徴とするガスエンジン・コージェネレーション装置の運転方法。
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