JP3617276B2 - 天然ガス改質装置及び該装置を備えたガスエンジン - Google Patents
天然ガス改質装置及び該装置を備えたガスエンジン Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は，燃料としての天然ガス等のガス燃料を排気ガスの熱エネルギによって改質する天然ガス改質装置及び該装置によってガス燃料を改質燃料にして熱効率をアップさせるガスエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，天然ガスを主燃料とするガスエンジンは，コージェネレーションシステムとして開発が進められている。コージェネレーションシステムは，動力を発電機で電気エネルギとして取り出し，排気ガスエネルギが有する熱を熱交換器で水を加熱して温水にし，該温水を給湯用として利用している。従来，天然ガスを燃料とするエンジンとして，例えば，特開平６−１０８８６５号公報，特開平６−１０１４９５号公報に開示されたものがある。
【０００３】
特開平６−１０８８６５号公報に開示されたコージェネレーション型ガスエンジンは，排気ガスをターボチャージャ，エネルギ回収装置及び蒸気発生装置を通して排気ガス温度を低下させ，低温の排気ガスをＥＧＲに使用してＮＯＸ を低減するものであり，遮熱型ガスエンジンからの排気ガスによってターボチャージャを駆動し，該ターボチャージャからの排気ガスで発電機を備えたエネルギ回収装置を駆動する。該コージェネレーション型ガスエンジンは，エネルギ回収装置からの排気ガスを熱交換器の蒸気発生装置に送り込み，蒸気発生装置で水を蒸気に変換し，該蒸気で蒸気タービンを駆動して電気エネルギとして回収する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
天然ガスを燃料とするガスエンジンでは，燃焼室をセラミックス等の材料で遮熱構造に構成すると，空気の圧縮温度が天然ガスの自己着火温度以上に上昇するので，点火装置が不要になり，また，空気を導入する主室の他に，燃料を導入する副室を設け，主室と副室との間に制御弁を設け，ディーゼルサイクルによる作動によって高い効率のコージェネレーション用のエンジンを提供することができる。ガスエンジンの排気ガスは，燃焼室を遮熱構造に構成した場合に，８５０℃以上の高温になる。高温の排気ガスから熱エネルギを回収して，エンジンの熱効率を向上させることができる。
【０００５】
ところで，天然ガスは，その主成分がメタンＣＨ４ であることが知られている。燃料のＣＨ４ は，発熱量が大きく，自然界に多く存在するので，将来の石油代替燃料として期待されている。また，ＣＨ４ をＣＯ２ の存在のもとで触媒を介して熱分解させると，ＣＨ４ はＣＯ（一酸化炭素）とＨ２ （水素）に変換されるが，ＣＯとＨ２ の合計の発熱量は，ＣＨ４ の発熱量以上のもの，即ち，１．３８倍になる。そこで，遮熱型ガスエンジンの高温の排気ガスの熱エネルギを，ＣＨ４ の熱分解に利用して天然ガスを改質燃料に改質することによって，改質燃料の発熱を増加させ，エンジンの熱効率を向上させ，省資源にすると共に，ＣＯ２ の排出を抑制することができる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は，上記の課題を解決することであり，天然ガスの主成分のＣＨ４ ガスを改質するため，ＣＨ４ にＣＯ２ を混合して触媒の助けによって排気ガスの熱エネルギを利用してＣＯとＨ２ とに改質する天然ガス改質装置を提供すると共に，天然ガス改質装置を排気マニホルドの直近の排気通路や排気マニホルドの集合管に設け，ガス燃料を改質燃料に変換する場合に使用するＣＯ２ をエンジンが排出する排気ガスから分離膜を通じて確保し，排気ガス中のＣＯ２ を改質に利用してＣＯ２ の放出を低減すると共に，ガス燃料を改質燃料に変換することによって熱効率を向上させると共に，ＮＯＸ の発生を低減した天然ガス改質装置を備えたガスエンジンを提供することである。
【０００７】
この発明は，エンジンから排出された排気ガスが流れる排気ガスパイプ，前記排気ガスパイプ内に配置され且つ排気ガス通路を形成するハニカム又は通路孔を備えた多孔質から成る排気ガス通路体，前記排気ガスパイプの外側に配置され且つガス燃料供給源から供給されるＣＨ４ を主成分とするガス燃料を供給する入口と排気ガスから分離したＣＯ２ を供給する入口を持つガス燃料ケース，前記ガス燃料ケース内に配置され且つガス燃料通路を形成する多孔質セラミックスから成る多孔質部材，前記ガス燃料通路を形成する前記多孔質部材の表面に被覆され且つＣＨ４ とＣＯ２ とを排気ガスが有する熱エネルギによって熱分解させてＣＯとＨ２ の改質燃料に変換させる作用を有する触媒，及び前記ガス燃料ケースの外周に配置された断熱材，から成る天然ガス改質装置に関する。
【０００８】
前記触媒は，Ｎｉ又はＰｔから成る。例えば，触媒がＮｉの場合には，１４００〜１５００℃のＮｉの蒸気を多孔質セラミックスから成る多孔質部材に流すことによって，多孔質部材のオープンポアの表面にＮｉを容易に蒸着することができる。また，前記断熱材は，ＳｉＣ等のセラミック不織布から成る。
【０００９】
更に，前記排気ガスパイプ，前記排気ガス通路体，前記ガス燃料ケース及び前記多孔質部材は，耐熱性で熱伝導率が大きいＳｉ３ Ｎ４ 又はＳｉＣから成るセラミックスから構成され，場合によっては，一体構造に形成することができる。また，前記排気ガスパイプは，排気ガスが流れるハニカム構造の前記排気ガス通路体とガス燃料が流れる多孔質セラミックスの前記多孔質部材との隔壁を形成するものであり，緻密質のセラミック構造体に形成されている。
【００１０】
この天然ガス改質装置では，排気ガスが流れるハニカムや通路孔を持つ構造に形成することによって前記排気ガス通路体の流路抵抗を小さく調整し，また，ガス燃料が流れる前記多孔質部材はＣＨ４ に適正な改質時間を与えるように調整されており，天然ガス改質装置で熱分解以上の排気ガス熱エネルギを奪うことがないように調整されている。
【００１１】
前記多孔質部材には，前記ガス燃料とＣＯ２ が流入する側と前記改質燃料が流出する側とから多数の通穴が形成されている。更に，前記ガス燃料ケースに開口するＣＨ４ を主成分とするガス燃料を供給する前記入口と排気ガスから分離したＣＯ２ を供給する前記入口とは，前記ガス燃料と前記ＣＯ２ とが混合を促進するように互いに対向して形成されている。
【００１２】
この天然ガス改質装置は，上記のように，前記排気ガス通路体がハニカム又は通路孔を備えた多孔質から構成されているので，排気ガスの流れに損失を与えることがなく，後流へ排出させることができる。また，前記多孔質部材は，壁面に触媒が被覆された多孔壁面に接触しつつガス燃料とＣＯ２ との混合ガスが流れるので，ガス燃料とＣＯ２ との流速が遅くなり，熱分解に十分な反応時間を確保できる。
【００１３】
又は，この発明は，ＣＨ４ を主成分とする天然ガス燃料を収容した燃料タンク，前記燃料タンクから供給されるＣＨ４ を燃焼室から排出される排気ガスの熱エネルギによって熱分解して改質燃料に変換させる排気通路に配置された請求項１に記載の前記天然ガス改質装置，前記改質燃料を前記燃焼室へ供給する改質燃料供給装置，前記天然ガス改質装置の後流の前記排気通路に設けられたターボチャージャ，前記ターボチャージャの後流の前記排気通路に設けられた熱交換器を備えたランキンサイクル，及び前記ランキンサイクルの後流の前記排気通路に設けられたＣＯ２ 分離膜によって前記排気ガスからＣＯ２ を分離し且つＣＯ２ を前記天然ガス改質装置のガス燃料ケースに供給するＣＯ２ 供給装置，から成る天然ガス改質装置を備えたガスエンジンに関する。
【００１４】
また，前記ＣＯ２ 分離膜は，アルミナ，シリカ，ゼオライト系の多孔質セラミックスから成る無機分離膜で構成されている。前記ＣＯ２ 分離膜は，セラミックスに細かいオープン孔を形成した多孔体の膜から構成し，例えば，ＣＯ２ の分子径がＮ２ やＯ２ の分子径より小さいことを利用し，分子ふるい効果を利用して排気ガス中からＣＯ２ を分離することができ，使用温度が３５０℃と高いため，本発明には有効に適用できる。
【００１５】
また，ＣＨ４ の熱分解に寄与しなかったＣＯ２ は，燃焼室へ改質燃料と共に供給される。前記燃焼室には，ＣＨ４ ，ＣＯ，Ｈ２ ，ＣＯ２ の混合ガスが前記燃焼室の副室に導入されるため，制御弁が開放して副室の混合ガスが，前記燃焼室の主室の圧縮空気と混合して燃焼する時，ＣＯ２ が存在することによるＮＯＸ の発生が抑制され，ＮＯＸ の発生を１００ｐｐｍ以下に抑えることができる。
【００１６】
前記ランキンサイクルは，前記排気通路に配置された前記第１熱交換器，前記第１熱交換器で発生した水蒸気によって駆動される蒸気タービン，前記蒸気タービンから排出された水蒸気を水に変換するコンデンサ，前記コンデンサからの水を水蒸気に変換し且つ該水蒸気を前記第１熱交換器に供給するため前記第１熱交換器の後流の前記排気通路に配置された第２熱交換器，から構成されている。
【００１７】
この天然ガス改質装置を備えたガスエンジンは，上記の構成において，前記燃焼室をセラミック部材によって遮熱構造に構成すると，前記燃焼室から排出される排気ガスの温度は，例えば，前記触媒反応器では９００℃〜８００℃程度であってＣＨ４ の熱分解に十分に寄与でき，次いで，前記ターボチャージャで回収されて１５０℃程度低下し，次いで，前記第１熱交換器で回収されて２００℃程度低下し，最後に前記第２熱交換器で回収されて２００℃程度低下する。従って，前記ＣＯ２ 分離装置には，排気ガス温度を３５０℃〜２５０℃程度にまで低下させた排気ガスを供給することになり，前記ＣＯ２ 分離装置において排気ガスからＣＯ２ を良好に分離させることができる。前記ＣＯ２ 分離膜は，セラミック多孔体であるので耐熱性に富み，しかも３００℃程度で最も活性化して排気ガスからＣＯ２ が良好に分離される。
【００１８】
この天然ガス改質装置を備えたガスエンジンは，上記のように構成したので，天然ガスの主成分のＣＨ４ にＣＯ２ を混合して触媒の助けによって排気ガスの熱エネルギで熱分解させ，改質燃料ＣＯとＨ２ に変換させるので，発熱量を約３．８割程度アップさせることができ，エンジンの熱効率を向上させることができる。上記分解反応は，ＮｉやＰｔ等の触媒上にＣＨ４ とＣＯ２ の混合ガスを通し，約８００℃以上に加熱すると，熱分解が発生する反応であり，ＣＯ２ は一酸化炭素へ分解し，ＣＨ４ はＣＯとＨ２ に分解する。また，燃焼室を遮熱構造に構成することによって，燃焼室からの排気ガスは高温状態となり，排気ガス温度８００℃以上となり，上記熱分解の反応をスムースに達成させることができる。
【００１９】
この天然ガス改質装置を備えたガスエンジンは，上記のように構成されているので，ディーゼルサイクルによるガスエンジンでの熱効率を４２％とすると，発電機を備えたターボチャージャにより熱効率が約８％向上し，蒸気タービンにより熱効率が約５％向上し，更に，ＣＨ４ をＣＯとＨ２ に熱分解することにより発熱量が１．３８倍となるので，ＣＨ４ の熱分解率を５０％とすると，ガスエンジン全体で６５．５％の熱効率を期待できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下，図面を参照して，この発明による天然ガス改質装置及び該装置を備えたガスエンジンの実施例を説明する。まず，図１及び図２を参照して，この発明による天然ガス改質装置を説明する。図１はこの発明による天然ガス改質装置の一実施例を示す断面図，及び図２は図１の天然ガス改質装置の線Ａ−Ａにおける断面図である。
【００２１】
この天然ガス改質装置は，概して，エンジン１（図３）から排出された排気ガスが流れる排気ガスパイプ５０，排気ガスパイプ５０の外側に配置され且つガス燃料供給源１１（図３）から供給されるＣＨ４ を主成分とするガス燃料とＣＯ２ が流れるガス燃料ケース５２，エンジン１の排気通路８に組み込むために排気ガスパイプ５０の両端に設けられた取付部４６，及びガス燃料ケース５２の外周に配置されたケーシング５４内に充填された断熱材５５から構成されている。
【００２２】
この天然ガス改質装置は，排気ガスパイプ５０内に配置され且つ排気ガス通路４４を形成するハニカム又は通路孔を備えた多孔質から成る排気ガス通路体５１，ガス燃料ケース５２内に配置され且つガス燃料通路４５を形成する多孔質セラミックスから成る多孔質部材５３，及びガス燃料通路４５を形成する多孔質部材５３の表面に被覆され且つＣＨ４ とＣＯ２ とを排気ガスが有する熱エネルギによって熱分解させてＣＯとＨ２ の改質燃料に変換させる作用を有する触媒３３から構成されている。また，ガス燃料ケース５２には，その上流側にＣＯ２ 通路２２と天然ガス供給通路３４とが接続され，下流側に改質燃料供給路９が接続されている。
【００２３】
ガス燃料ケース５２には，天然ガス燃料供給源から天然ガス供給通路３４を通じて供給されるＣＨ４ を主成分とするガス燃料を供給する入口と，排気ガスから分離したＣＯ２ をＣＯ２ 通路２２を通じて供給する入口が開口している。更に，図１に示すように，ガス燃料ケース５２に開口するＣＨ４ を主成分とするガス燃料を供給する前記入口と排気ガスから分離したＣＯ２ を供給する前記入口とは，ガス燃料とＣＯ２ とが混合を促進するように互いに対向して形成されている。また，ガス燃料ケース５２内に設けられた多孔質部材５３の上流には，分離ガスのＣＯ２ と天然ガスのＣＨ４ とが混合できる混合室４７が形成されているので，多孔質部材５３にはＣＯ２ とＣＨ４ との混合ガスが通過するようになる。
【００２４】
この天然ガス改質装置において，触媒３３は，Ｎｉ又はＰｔから成る。断熱材５５は，耐熱性のＳｉＣ，Ｓｉ３ Ｎ４ 等のセラミック不織布及び断熱空気層から構成されている。更に，排気ガスパイプ５０，排気ガス通路体５１，ガス燃料ケース５２及び多孔質部材５３は，耐熱性で熱伝導率が大きいＡｌＮ等を含むＳｉ３ Ｎ４ 又はＳｉＣから成るセラミックスから構成されている。
【００２５】
この天然ガス改質装置において，排気ガスパイプ５０は，排気ガス通路４４とガス燃料通路４５との隔壁を構成している。また，ガス燃料ケース５２は，熱輻射板を形成している。多孔質部材５３には，ガス燃料とＣＯ２ が流入する側から穿孔された多数の通穴５６と，改質燃料が流出する側から穿孔された多数の通穴５７が形成されている。
【００２６】
次に，図３，図４及び図５を参照して，この発明による天然ガス改質装置を備えたガスエンジンを説明する。図３はこの発明による天然ガス改質装置を備えたガスエンジンの一実施例を示す説明図，図４は図３のガスエンジンに組み込まれた発電機を備えたターボチャージャを示す説明図，及び図５は図３のガスエンジンに組み込まれた蒸気タービンを示す説明図である。
【００２７】
この天然ガス改質装置を備えたガスエンジンは，ＣＨ４ を主成分とする天然ガスを燃料とし，例えば，コージェネレーションシステムに適用でき，燃焼室がシリンダに形成された主室１Ａと，主室１Ａに連絡口を通じて連通するシリンダヘッド３０に形成した副室１Ｂとから副室式ガスエンジンに構成されている。ガスエンジン１は，燃焼室の主室１Ａからの排気ガスを排出するため排気マニホルド３９と，吸気通路１０を通じて主室１Ａへ吸気を供給するため吸気マニホルド４０が設けられている。吸気通路１０からの吸入空気は吸気マニホルド４０を通じて主室１Ａへ供給され，主室１Ａからの排気ガスは排気マニホルド３９から排気通路８へ排出される。副室１Ｂへ供給される天然ガスを改質した改質燃料は，燃料加圧ポンプ１３の作動によって改質燃料供給路９を通じて副室１Ｂへ供給される。
【００２８】
ガスエンジン１における燃焼室の主室１Ａと副室１Ｂは，セラミック部材，遮熱層等によって遮熱構造に構成されている。副室１Ｂは制御弁３１による連絡口の開放によって主室１Ａに連通するように構成されている。主室１Ａには，ターボチャージャ３のコンプレッサ１６からの圧縮空気が吸気通路１０を通じて供給され，副室１Ｂには，燃料弁３２による燃料供給口の開放によって改質燃料供給路９から副室１Ｂへ改質燃料が供給される。
【００２９】
ガスエンジン１は，主室１Ａから排気通路８を通じて排出される排気ガスの熱エネルギによって天然ガスのＣＨ４ をＣＯ２ の存在によって改質燃料に変換する天然ガス改質装置２が排気通路８に設けられている。天然ガス改質装置２は，排気マニホルド３９の付近の排気通路８に設けるか，場合によっては，排気マニホルド３９の集合管に一体に設けることができる。天然ガス改質装置２の後流の排気通路８には，排気ガスで駆動されるターボチャージャ３が設けられている。ガスエンジン１は，天然ガス燃料を収容した燃料タンク１１，改質燃料を燃焼室の副室１Ｂへ供給する改質燃料供給装置を構成する燃料加圧ポンプ１３，ターボチャージャ３の後流に設けられたランキンサイクル，及びランキンサイクルの後流に設けられ且つ排気ガスからＣＯ２ を分離するＣＯ２ 分離膜３７と分離されたＣＯ２ を天然ガス改質装置２に供給する供給ポンプ３８とから成るＣＯ２ 供給装置７を有している。ランキンサイクルは，ターボチャージャ３の後流の排気通路８Ａに設けられた第１熱交換器４，第１熱交換器４で発生した水蒸気によって駆動される蒸気タービン５，蒸気タービン５から排出された水蒸気を水に変換するコンデンサ１４，及び第１熱交換器４の後流の排気通路８Ｂに配置され且つコンデンサ１４からの水を水蒸気に変換する第２熱交換器６から構成されている。
【００３０】
ガスエンジン１では，ＣＯ２ 供給装置７から大気に放出される排気ガスは，ＣＯ２ が少なくＮ２ ガス等であるので，環境悪化となる大気汚染になることがない。天然ガス改質装置２は，排気マニホルド３９の集合部に連通する排気通路８に配置されている。ガスエンジン１における主室１Ａと副室１Ｂは，セラミック部材及び遮熱層によって遮熱構造に構成されているので，主室１Ａから排気マニホルド３９を通じて排出される排気ガスは約９００℃〜８００℃の高温ガスであり，ＣＨ４ を熱分解して改質するのに十分に高温である。
【００３１】
主室１Ａからの高温の排気ガスが天然ガス改質装置２の排気ガス通路を流れることによって，ＮｉやＰｔの触媒３３が充填されているガス体燃料通路が加熱される。そこで，約８００℃以上の高温にされたガス体燃料通路を流れるＣＨ４ とＣＯ２ との混合ガスが触媒３３に接触し，ＣＨ４ はＣＯとＨ２ に熱分解し，ＣＯ２ はＣＯに熱分解され，ＣＯとＨ２ との改質燃料に変換される。次いで，天然ガスが変換された改質燃料は，燃料加圧ポンプ１３によって改質燃料供給路９を通じて吸気マニホルド４０からそれぞれの気筒の副室１Ｂへ供給される。
【００３２】
ガスエンジン１は，排気ガスの熱エネルギを天然ガス改質装置２で熱分解に作用させた後に，該熱エネルギをターボチャージャ３，第１熱交換器４及び第２熱交換器６によって回収するように構成されている。また，ターボチャージャ３の後流で且つ第１熱交換器４の上流側の排気通路８Ａには，天然ガス改質装置２からの改質燃料を噴射する燃料ノズル２４が設けられている。燃料ノズル２４への改質燃料は，天然ガス改質装置２から補助燃料供給路２３を通じて供給される。
【００３３】
ターボチャージャ３は，図４に示すように，排気ガスによって駆動されるタービン１５，タービン１５にシャフト１８によって連結され且つタービン１５によって駆動されるコンプレッサ１６，及びシャフト１８に対して設けた交流機即ち発電機１７から構成されている。コンプレッサ１６は，タービン１５によって駆動され，空気を加圧して圧縮空気とし，該圧縮空気を吸気通路１０を通じて吸気マニホルド４０からそれぞれの気筒の主室１Ａへ供給する。発電機１７は，タービン１５の回転力を電力として取り出して排気ガスエネルギを電気エネルギとして回収することができる。
【００３４】
第１熱交換器４は，第２熱交換器６で加熱された蒸気が流れる多孔質セラミック部材が配置された蒸気通路３５と，蒸気通路３５に配置された排気ガスが流れる多孔質セラミック部材が配置された排気ガス通路２８とから構成されている。また，第２熱交換器６は，蒸気が流れる多孔質セラミック部材が配置された水を貯留できる水・蒸気通路３６と，水・蒸気通路３６の周りに配置され且つ第１熱交換器４からの排気ガスが流れる多孔質セラミック部材が配置された排気ガス通路２９とから構成されている。
【００３５】
蒸気タービン５は，図５に示すように，第１熱交換器４で発生した蒸気によって駆動されるタービン１９，及びシャフト２１に対して設けられた発電機２０から構成されている。従って，蒸気エネルギはタービン１９を駆動し，その回転力は発電機２０によって電力として回収される。排気通路８Ｂに設けられた第２熱交換器６は，気相−液相熱交換器であり，排気ガスエネルギによって蒸気を発生させ，該蒸気は蒸気通路４１を通じて第１熱交換器４へ送り込まれる。蒸気タービン５を駆動した蒸気は，低温蒸気（水分含有蒸気）との流体になって流体通路２７を通ってコンデンサ１４へ放出され，コンデンサ１４で高温水となって水ポンプ１２によって水通路２６を通じて第２熱交換器６へ再び送り込まれる。また，第２熱交換器６を通過した排気ガスは，熱エネルギをほとんど回収された状態の低温の排気ガス（例えば，２００℃程度）となってＣＯ２ 供給装置７へ送り込まれる。
【００３６】
ＣＯ２ 供給装置７は，例えば，低温排気ガスが流れる排気通路８Ｃに配置された複数のロッド状のＣＯ２ 分離膜３７を収容したＣＯ２ 供給装置７から構成されている。排気通路８ＣからＣＯ２ 供給装置７に送り込まれた排気ガスは，ＣＯ２ 分離膜３７を通過したＣＯ２ が排気ガス中から分離され，ＣＯ２ 分離膜３７を通過できないＮ２ ，Ｏ２ ，Ｈ２ Ｏ等はＣＯ２ 分離膜３７を迂回して排気通路へ排出され，分離されたＣＯ２ はＣＯ２ 供給ポンプ３８の作動によってＣＯ２ 供給通路２２を通じて天然ガス改質装置２に供給される。ＣＯ２ 供給装置７に収容されたＣＯ２ 分離膜３７は，アルミナ，シリカ，ゼオライト系多孔質セラミックスから成る分離膜で構成されたセラミック多孔体であり，一種の濾過膜であり，分子径の大きいＮ２ やＯ２ ，Ｈ２ Ｏ（水蒸気）を通過させることができず，分子径の小さいＣＯ２ を通過させ，ＣＯ２ をＣＯ２ 吸引供給ポンプ３８の作動によってＣＯ２ 供給通路２２を通って天然ガス改質装置２へ送り込むことができる。
【００３７】
ＣＯ２ 供給装置７において，ＣＯ２ 分離膜３７を通過できなかったＮ２ ，Ｈ２ Ｏガス（水蒸気）は，排気通路８Ｄから大気へ排出される。排気通路８Ｄには，例えば，圧力調整弁４２が設けられており，圧力調整弁４２によって大気へ放出される排気ガスの圧力が調整され，ＣＯ２ 供給装置７におけるＣＯ２ 分離膜３７を通じてＣＯ２ 吸引供給ポンプ３８によって取り込まれるＣＯ２ の取込み量が調整されている。
【００３８】
この天然ガス改質装置を備えたガスエンジンは，上記のように構成され，次のように作動する。制御弁３１が閉鎖した状態で，吸気弁の開放によってターボチャージャ３のコンプレッサ１６からの空気が吸気通路１０を通じて吸気マニホルド４０から主室１Ａに供給される。主室１Ａの空気は制御弁３１の閉鎖状態で圧縮行程において圧縮される。一方，天然ガス燃料が燃料タンク１１から天然ガス供給通路３４を通じて天然ガス改質装置２へ供給され，天然ガスが改質燃料に変換されると共に，制御弁３１が閉鎖した状態で燃料弁３２が開放し，燃料加圧ポンプ１３が作動し，天然ガス改質装置２から改質燃料が改質燃料供給路９を通じて副室１Ｂに供給される。圧縮行程上死点近傍で制御弁３１が開放し，主室１Ａの圧縮空気が副室１Ｂに流入し，改質燃料が圧縮空気と混合して着火燃焼し，膨張行程に移行してピストン４３に仕事をする。
【００３９】
排気行程において，主室１Ａと副室１Ｂの排気ガスが排気通路８を通じて排出される。高温の排気ガスは天然ガス改質装置２を通る際に，その熱エネルギによって天然ガスを改質燃料に変換し，次いで，ターボチャージャ３へ送り出される。ターボチャージャ３では，タービン１５を駆動し，その回転力は発電機１７で電気エネルギに変換されると共に，コンプレッサ１６を駆動する。発電機１７で得られた電力は，バッテリに蓄電されたり，補機を駆動するのに消費される。また，コンプレッサ１６は空気を吸気通路１０を通じて燃焼室へ供給する機能を果たす。ターボチャージャ３のタービン１５を通過して排気ガスは排気通路８Ａと通じて第１熱交換器４へ送り込まれる。
【００４０】
排気通路８Ａには燃料ノズル２４が設けられており，燃料ノズル２４は，天然ガス改質装置２から補助燃料供給路２３を通じて送り込まれた改質燃料の一部を排気通路８Ａに噴射する。排気通路８Ａを流れる排気ガスには多量のＯ２ が含まれているので，燃料ノズル２４から噴射された改質燃料は着火燃焼し，排気ガスのエンタルピを増加させる。第１熱交換器４へ送り込まれた排気ガスは，排気ガス通路２８を通過し，次いで，排気ガス８Ｂを通じて第２熱交換器６へ送り込まれる。排気ガスは，排気ガス通路２８を通過する際に，第２熱交換器６から蒸気通路４１を通って蒸気通路３５に送り込まれた蒸気と熱交換して高温に加熱する。
【００４１】
第１熱交換器４で高温に加熱された蒸気は，高温蒸気通路２５を通って蒸気タービン５へ送り込まれ，タービン１９を駆動する。タービン１９の駆動によって発電機２０が発電する。高温蒸気は蒸気タービン５を駆動した後，低温蒸気や水から成る流体に変換され，該流体は流体通路２７を通じてコンデンサ１４へ送られて水になり，その水は水ポンプ１２の駆動によって水通路２６を通じて第２熱交換器６の水・蒸気通路３６へ送り込まれる。
【００４２】
第１熱交換器４から第２熱交換器６へ送り込まれた排気ガスは，第２熱交換器６の排気ガス通路２９を通じて排気通路８Ｃへ送り出される。排気ガスは，排気ガス通路２９を通過する際，水・蒸気通路３６を通る水を熱交換によって蒸気に変換する。排気通路８Ｃへ送り出された排気ガスは，天然ガス改質装置２，ターボチャージャ３，第１熱交換器４及び第２熱交換器６によって熱エネルギが回収されており，例えば，２００℃程度にまで温度低下しているので，ＣＯ２ 供給装置７に送り出してもＣＯ２ 分離膜３７を損傷することがない。ＣＯ２ 供給装置７に送り込まれた排気ガスは，ＣＯ２ 分離膜３７を通過することによって，排気ガスからＣＯ２ が分離される。分離されたＣＯ２ は，ＣＯ２ 吸引供給ポンプ３８の作動によってＣＯ２ 供給装置７からＣＯ２ 供給通路２２を通って天然ガス改質装置２へ送り込まれる。ＣＯ２ 分離膜３７を通過することによりＣＯ２ が分離され，ＣＯ２ が分離された排気ガスは，ＣＯ２ の含有量を低減されたＮ２ ，Ｈ２ Ｏ等から成り，排気通路８Ｄから大気へ放出される。
【００４３】
【発明の効果】
この発明による天然ガス改質装置は，上記のように構成されているので，排気ガスの流れに損失を与えることなく，排気ガスがスムースに流れることができ，また，ガス燃料が流速が遅く触媒に接触してガス燃料の十分な熱分解反応時間を確保でき，天然ガスの主成分のＣＨ４ がＨ２ とＣＯに良好に変換される。
【００４４】
また，この発明による天然ガス改質装置を備えたガスエンジンは，上記のように構成されているので，天然ガスの主成分であるＣＨ４ を，排気ガスから分離されたＣＯ２ と混合し，該混合ガスを触媒に通して排気ガスの熱エネルギで約９００〜８００℃の高温状態で熱分解し，ＣＨ４ をＣＯとＨ２ に変換して発熱量をアップする。ガスエンジンから大気に放出される排気ガスは，ＣＯ２ が排除されているので，Ｎ２ やＨ２ Ｏガスであり，排気ガスが大気汚染の原因になることがなく，環境を悪化させることがない。排気ガスの熱エネルギは，ＣＨ４ の熱分解に寄与した後に，排気通路に設けたターボチャージャ，第１熱交換器及び第２熱交換器で回収される。即ち，ガスエンジンは，排気ガスの熱エネルギによってターボチャージャを駆動し，該ターボチャージャのタービンから排気される排気ガスで第１熱交換器及び第２熱交換器で蒸気を発生させ，該蒸気で蒸気タービンを駆動し，該蒸気タービンを駆動して発電機で電力として回収できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による天然ガス改質装置の一実施例を示す断面図である。
【図２】図１の天然ガス改質装置の線Ａ−Ａにおける断面図である。
【図３】この発明による天然ガス改質装置を備えたガスエンジンの一実施例を示す説明図である。
【図４】図３のガスエンジンに組み込まれた発電機を備えたターボチャージャを示す説明図である。
【図５】図３のガスエンジンに組み込まれた蒸気タービンを示す説明図である。
【符号の説明】
１ ガスエンジン
２ 天然ガス改質装置
３ ターボチャージャ
４ 第１熱交換器
５ 蒸気タービン
６ 第２熱交換器
７ ＣＯ２ 供給装置
８，８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ 排気通路
３３ 触媒
３７ ＣＯ２ 分離膜
４４ 排気ガス通路
４５ ガス燃料通路
５０ 排気ガスパイプ
５１ 排気ガス通路体
５２ ガス燃料ケース
５３ 多孔質部材
５５ 断熱材
５６，５７ 通穴
【発明の属する技術分野】
この発明は，燃料としての天然ガス等のガス燃料を排気ガスの熱エネルギによって改質する天然ガス改質装置及び該装置によってガス燃料を改質燃料にして熱効率をアップさせるガスエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来，天然ガスを主燃料とするガスエンジンは，コージェネレーションシステムとして開発が進められている。コージェネレーションシステムは，動力を発電機で電気エネルギとして取り出し，排気ガスエネルギが有する熱を熱交換器で水を加熱して温水にし，該温水を給湯用として利用している。従来，天然ガスを燃料とするエンジンとして，例えば，特開平６−１０８８６５号公報，特開平６−１０１４９５号公報に開示されたものがある。
【０００３】
特開平６−１０８８６５号公報に開示されたコージェネレーション型ガスエンジンは，排気ガスをターボチャージャ，エネルギ回収装置及び蒸気発生装置を通して排気ガス温度を低下させ，低温の排気ガスをＥＧＲに使用してＮＯＸ を低減するものであり，遮熱型ガスエンジンからの排気ガスによってターボチャージャを駆動し，該ターボチャージャからの排気ガスで発電機を備えたエネルギ回収装置を駆動する。該コージェネレーション型ガスエンジンは，エネルギ回収装置からの排気ガスを熱交換器の蒸気発生装置に送り込み，蒸気発生装置で水を蒸気に変換し，該蒸気で蒸気タービンを駆動して電気エネルギとして回収する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
天然ガスを燃料とするガスエンジンでは，燃焼室をセラミックス等の材料で遮熱構造に構成すると，空気の圧縮温度が天然ガスの自己着火温度以上に上昇するので，点火装置が不要になり，また，空気を導入する主室の他に，燃料を導入する副室を設け，主室と副室との間に制御弁を設け，ディーゼルサイクルによる作動によって高い効率のコージェネレーション用のエンジンを提供することができる。ガスエンジンの排気ガスは，燃焼室を遮熱構造に構成した場合に，８５０℃以上の高温になる。高温の排気ガスから熱エネルギを回収して，エンジンの熱効率を向上させることができる。
【０００５】
ところで，天然ガスは，その主成分がメタンＣＨ４ であることが知られている。燃料のＣＨ４ は，発熱量が大きく，自然界に多く存在するので，将来の石油代替燃料として期待されている。また，ＣＨ４ をＣＯ２ の存在のもとで触媒を介して熱分解させると，ＣＨ４ はＣＯ（一酸化炭素）とＨ２ （水素）に変換されるが，ＣＯとＨ２ の合計の発熱量は，ＣＨ４ の発熱量以上のもの，即ち，１．３８倍になる。そこで，遮熱型ガスエンジンの高温の排気ガスの熱エネルギを，ＣＨ４ の熱分解に利用して天然ガスを改質燃料に改質することによって，改質燃料の発熱を増加させ，エンジンの熱効率を向上させ，省資源にすると共に，ＣＯ２ の排出を抑制することができる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は，上記の課題を解決することであり，天然ガスの主成分のＣＨ４ ガスを改質するため，ＣＨ４ にＣＯ２ を混合して触媒の助けによって排気ガスの熱エネルギを利用してＣＯとＨ２ とに改質する天然ガス改質装置を提供すると共に，天然ガス改質装置を排気マニホルドの直近の排気通路や排気マニホルドの集合管に設け，ガス燃料を改質燃料に変換する場合に使用するＣＯ２ をエンジンが排出する排気ガスから分離膜を通じて確保し，排気ガス中のＣＯ２ を改質に利用してＣＯ２ の放出を低減すると共に，ガス燃料を改質燃料に変換することによって熱効率を向上させると共に，ＮＯＸ の発生を低減した天然ガス改質装置を備えたガスエンジンを提供することである。
【０００７】
この発明は，エンジンから排出された排気ガスが流れる排気ガスパイプ，前記排気ガスパイプ内に配置され且つ排気ガス通路を形成するハニカム又は通路孔を備えた多孔質から成る排気ガス通路体，前記排気ガスパイプの外側に配置され且つガス燃料供給源から供給されるＣＨ４ を主成分とするガス燃料を供給する入口と排気ガスから分離したＣＯ２ を供給する入口を持つガス燃料ケース，前記ガス燃料ケース内に配置され且つガス燃料通路を形成する多孔質セラミックスから成る多孔質部材，前記ガス燃料通路を形成する前記多孔質部材の表面に被覆され且つＣＨ４ とＣＯ２ とを排気ガスが有する熱エネルギによって熱分解させてＣＯとＨ２ の改質燃料に変換させる作用を有する触媒，及び前記ガス燃料ケースの外周に配置された断熱材，から成る天然ガス改質装置に関する。
【０００８】
前記触媒は，Ｎｉ又はＰｔから成る。例えば，触媒がＮｉの場合には，１４００〜１５００℃のＮｉの蒸気を多孔質セラミックスから成る多孔質部材に流すことによって，多孔質部材のオープンポアの表面にＮｉを容易に蒸着することができる。また，前記断熱材は，ＳｉＣ等のセラミック不織布から成る。
【０００９】
更に，前記排気ガスパイプ，前記排気ガス通路体，前記ガス燃料ケース及び前記多孔質部材は，耐熱性で熱伝導率が大きいＳｉ３ Ｎ４ 又はＳｉＣから成るセラミックスから構成され，場合によっては，一体構造に形成することができる。また，前記排気ガスパイプは，排気ガスが流れるハニカム構造の前記排気ガス通路体とガス燃料が流れる多孔質セラミックスの前記多孔質部材との隔壁を形成するものであり，緻密質のセラミック構造体に形成されている。
【００１０】
この天然ガス改質装置では，排気ガスが流れるハニカムや通路孔を持つ構造に形成することによって前記排気ガス通路体の流路抵抗を小さく調整し，また，ガス燃料が流れる前記多孔質部材はＣＨ４ に適正な改質時間を与えるように調整されており，天然ガス改質装置で熱分解以上の排気ガス熱エネルギを奪うことがないように調整されている。
【００１１】
前記多孔質部材には，前記ガス燃料とＣＯ２ が流入する側と前記改質燃料が流出する側とから多数の通穴が形成されている。更に，前記ガス燃料ケースに開口するＣＨ４ を主成分とするガス燃料を供給する前記入口と排気ガスから分離したＣＯ２ を供給する前記入口とは，前記ガス燃料と前記ＣＯ２ とが混合を促進するように互いに対向して形成されている。
【００１２】
この天然ガス改質装置は，上記のように，前記排気ガス通路体がハニカム又は通路孔を備えた多孔質から構成されているので，排気ガスの流れに損失を与えることがなく，後流へ排出させることができる。また，前記多孔質部材は，壁面に触媒が被覆された多孔壁面に接触しつつガス燃料とＣＯ２ との混合ガスが流れるので，ガス燃料とＣＯ２ との流速が遅くなり，熱分解に十分な反応時間を確保できる。
【００１３】
又は，この発明は，ＣＨ４ を主成分とする天然ガス燃料を収容した燃料タンク，前記燃料タンクから供給されるＣＨ４ を燃焼室から排出される排気ガスの熱エネルギによって熱分解して改質燃料に変換させる排気通路に配置された請求項１に記載の前記天然ガス改質装置，前記改質燃料を前記燃焼室へ供給する改質燃料供給装置，前記天然ガス改質装置の後流の前記排気通路に設けられたターボチャージャ，前記ターボチャージャの後流の前記排気通路に設けられた熱交換器を備えたランキンサイクル，及び前記ランキンサイクルの後流の前記排気通路に設けられたＣＯ２ 分離膜によって前記排気ガスからＣＯ２ を分離し且つＣＯ２ を前記天然ガス改質装置のガス燃料ケースに供給するＣＯ２ 供給装置，から成る天然ガス改質装置を備えたガスエンジンに関する。
【００１４】
また，前記ＣＯ２ 分離膜は，アルミナ，シリカ，ゼオライト系の多孔質セラミックスから成る無機分離膜で構成されている。前記ＣＯ２ 分離膜は，セラミックスに細かいオープン孔を形成した多孔体の膜から構成し，例えば，ＣＯ２ の分子径がＮ２ やＯ２ の分子径より小さいことを利用し，分子ふるい効果を利用して排気ガス中からＣＯ２ を分離することができ，使用温度が３５０℃と高いため，本発明には有効に適用できる。
【００１５】
また，ＣＨ４ の熱分解に寄与しなかったＣＯ２ は，燃焼室へ改質燃料と共に供給される。前記燃焼室には，ＣＨ４ ，ＣＯ，Ｈ２ ，ＣＯ２ の混合ガスが前記燃焼室の副室に導入されるため，制御弁が開放して副室の混合ガスが，前記燃焼室の主室の圧縮空気と混合して燃焼する時，ＣＯ２ が存在することによるＮＯＸ の発生が抑制され，ＮＯＸ の発生を１００ｐｐｍ以下に抑えることができる。
【００１６】
前記ランキンサイクルは，前記排気通路に配置された前記第１熱交換器，前記第１熱交換器で発生した水蒸気によって駆動される蒸気タービン，前記蒸気タービンから排出された水蒸気を水に変換するコンデンサ，前記コンデンサからの水を水蒸気に変換し且つ該水蒸気を前記第１熱交換器に供給するため前記第１熱交換器の後流の前記排気通路に配置された第２熱交換器，から構成されている。
【００１７】
この天然ガス改質装置を備えたガスエンジンは，上記の構成において，前記燃焼室をセラミック部材によって遮熱構造に構成すると，前記燃焼室から排出される排気ガスの温度は，例えば，前記触媒反応器では９００℃〜８００℃程度であってＣＨ４ の熱分解に十分に寄与でき，次いで，前記ターボチャージャで回収されて１５０℃程度低下し，次いで，前記第１熱交換器で回収されて２００℃程度低下し，最後に前記第２熱交換器で回収されて２００℃程度低下する。従って，前記ＣＯ２ 分離装置には，排気ガス温度を３５０℃〜２５０℃程度にまで低下させた排気ガスを供給することになり，前記ＣＯ２ 分離装置において排気ガスからＣＯ２ を良好に分離させることができる。前記ＣＯ２ 分離膜は，セラミック多孔体であるので耐熱性に富み，しかも３００℃程度で最も活性化して排気ガスからＣＯ２ が良好に分離される。
【００１８】
この天然ガス改質装置を備えたガスエンジンは，上記のように構成したので，天然ガスの主成分のＣＨ４ にＣＯ２ を混合して触媒の助けによって排気ガスの熱エネルギで熱分解させ，改質燃料ＣＯとＨ２ に変換させるので，発熱量を約３．８割程度アップさせることができ，エンジンの熱効率を向上させることができる。上記分解反応は，ＮｉやＰｔ等の触媒上にＣＨ４ とＣＯ２ の混合ガスを通し，約８００℃以上に加熱すると，熱分解が発生する反応であり，ＣＯ２ は一酸化炭素へ分解し，ＣＨ４ はＣＯとＨ２ に分解する。また，燃焼室を遮熱構造に構成することによって，燃焼室からの排気ガスは高温状態となり，排気ガス温度８００℃以上となり，上記熱分解の反応をスムースに達成させることができる。
【００１９】
この天然ガス改質装置を備えたガスエンジンは，上記のように構成されているので，ディーゼルサイクルによるガスエンジンでの熱効率を４２％とすると，発電機を備えたターボチャージャにより熱効率が約８％向上し，蒸気タービンにより熱効率が約５％向上し，更に，ＣＨ４ をＣＯとＨ２ に熱分解することにより発熱量が１．３８倍となるので，ＣＨ４ の熱分解率を５０％とすると，ガスエンジン全体で６５．５％の熱効率を期待できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下，図面を参照して，この発明による天然ガス改質装置及び該装置を備えたガスエンジンの実施例を説明する。まず，図１及び図２を参照して，この発明による天然ガス改質装置を説明する。図１はこの発明による天然ガス改質装置の一実施例を示す断面図，及び図２は図１の天然ガス改質装置の線Ａ−Ａにおける断面図である。
【００２１】
この天然ガス改質装置は，概して，エンジン１（図３）から排出された排気ガスが流れる排気ガスパイプ５０，排気ガスパイプ５０の外側に配置され且つガス燃料供給源１１（図３）から供給されるＣＨ４ を主成分とするガス燃料とＣＯ２ が流れるガス燃料ケース５２，エンジン１の排気通路８に組み込むために排気ガスパイプ５０の両端に設けられた取付部４６，及びガス燃料ケース５２の外周に配置されたケーシング５４内に充填された断熱材５５から構成されている。
【００２２】
この天然ガス改質装置は，排気ガスパイプ５０内に配置され且つ排気ガス通路４４を形成するハニカム又は通路孔を備えた多孔質から成る排気ガス通路体５１，ガス燃料ケース５２内に配置され且つガス燃料通路４５を形成する多孔質セラミックスから成る多孔質部材５３，及びガス燃料通路４５を形成する多孔質部材５３の表面に被覆され且つＣＨ４ とＣＯ２ とを排気ガスが有する熱エネルギによって熱分解させてＣＯとＨ２ の改質燃料に変換させる作用を有する触媒３３から構成されている。また，ガス燃料ケース５２には，その上流側にＣＯ２ 通路２２と天然ガス供給通路３４とが接続され，下流側に改質燃料供給路９が接続されている。
【００２３】
ガス燃料ケース５２には，天然ガス燃料供給源から天然ガス供給通路３４を通じて供給されるＣＨ４ を主成分とするガス燃料を供給する入口と，排気ガスから分離したＣＯ２ をＣＯ２ 通路２２を通じて供給する入口が開口している。更に，図１に示すように，ガス燃料ケース５２に開口するＣＨ４ を主成分とするガス燃料を供給する前記入口と排気ガスから分離したＣＯ２ を供給する前記入口とは，ガス燃料とＣＯ２ とが混合を促進するように互いに対向して形成されている。また，ガス燃料ケース５２内に設けられた多孔質部材５３の上流には，分離ガスのＣＯ２ と天然ガスのＣＨ４ とが混合できる混合室４７が形成されているので，多孔質部材５３にはＣＯ２ とＣＨ４ との混合ガスが通過するようになる。
【００２４】
この天然ガス改質装置において，触媒３３は，Ｎｉ又はＰｔから成る。断熱材５５は，耐熱性のＳｉＣ，Ｓｉ３ Ｎ４ 等のセラミック不織布及び断熱空気層から構成されている。更に，排気ガスパイプ５０，排気ガス通路体５１，ガス燃料ケース５２及び多孔質部材５３は，耐熱性で熱伝導率が大きいＡｌＮ等を含むＳｉ３ Ｎ４ 又はＳｉＣから成るセラミックスから構成されている。
【００２５】
この天然ガス改質装置において，排気ガスパイプ５０は，排気ガス通路４４とガス燃料通路４５との隔壁を構成している。また，ガス燃料ケース５２は，熱輻射板を形成している。多孔質部材５３には，ガス燃料とＣＯ２ が流入する側から穿孔された多数の通穴５６と，改質燃料が流出する側から穿孔された多数の通穴５７が形成されている。
【００２６】
次に，図３，図４及び図５を参照して，この発明による天然ガス改質装置を備えたガスエンジンを説明する。図３はこの発明による天然ガス改質装置を備えたガスエンジンの一実施例を示す説明図，図４は図３のガスエンジンに組み込まれた発電機を備えたターボチャージャを示す説明図，及び図５は図３のガスエンジンに組み込まれた蒸気タービンを示す説明図である。
【００２７】
この天然ガス改質装置を備えたガスエンジンは，ＣＨ４ を主成分とする天然ガスを燃料とし，例えば，コージェネレーションシステムに適用でき，燃焼室がシリンダに形成された主室１Ａと，主室１Ａに連絡口を通じて連通するシリンダヘッド３０に形成した副室１Ｂとから副室式ガスエンジンに構成されている。ガスエンジン１は，燃焼室の主室１Ａからの排気ガスを排出するため排気マニホルド３９と，吸気通路１０を通じて主室１Ａへ吸気を供給するため吸気マニホルド４０が設けられている。吸気通路１０からの吸入空気は吸気マニホルド４０を通じて主室１Ａへ供給され，主室１Ａからの排気ガスは排気マニホルド３９から排気通路８へ排出される。副室１Ｂへ供給される天然ガスを改質した改質燃料は，燃料加圧ポンプ１３の作動によって改質燃料供給路９を通じて副室１Ｂへ供給される。
【００２８】
ガスエンジン１における燃焼室の主室１Ａと副室１Ｂは，セラミック部材，遮熱層等によって遮熱構造に構成されている。副室１Ｂは制御弁３１による連絡口の開放によって主室１Ａに連通するように構成されている。主室１Ａには，ターボチャージャ３のコンプレッサ１６からの圧縮空気が吸気通路１０を通じて供給され，副室１Ｂには，燃料弁３２による燃料供給口の開放によって改質燃料供給路９から副室１Ｂへ改質燃料が供給される。
【００２９】
ガスエンジン１は，主室１Ａから排気通路８を通じて排出される排気ガスの熱エネルギによって天然ガスのＣＨ４ をＣＯ２ の存在によって改質燃料に変換する天然ガス改質装置２が排気通路８に設けられている。天然ガス改質装置２は，排気マニホルド３９の付近の排気通路８に設けるか，場合によっては，排気マニホルド３９の集合管に一体に設けることができる。天然ガス改質装置２の後流の排気通路８には，排気ガスで駆動されるターボチャージャ３が設けられている。ガスエンジン１は，天然ガス燃料を収容した燃料タンク１１，改質燃料を燃焼室の副室１Ｂへ供給する改質燃料供給装置を構成する燃料加圧ポンプ１３，ターボチャージャ３の後流に設けられたランキンサイクル，及びランキンサイクルの後流に設けられ且つ排気ガスからＣＯ２ を分離するＣＯ２ 分離膜３７と分離されたＣＯ２ を天然ガス改質装置２に供給する供給ポンプ３８とから成るＣＯ２ 供給装置７を有している。ランキンサイクルは，ターボチャージャ３の後流の排気通路８Ａに設けられた第１熱交換器４，第１熱交換器４で発生した水蒸気によって駆動される蒸気タービン５，蒸気タービン５から排出された水蒸気を水に変換するコンデンサ１４，及び第１熱交換器４の後流の排気通路８Ｂに配置され且つコンデンサ１４からの水を水蒸気に変換する第２熱交換器６から構成されている。
【００３０】
ガスエンジン１では，ＣＯ２ 供給装置７から大気に放出される排気ガスは，ＣＯ２ が少なくＮ２ ガス等であるので，環境悪化となる大気汚染になることがない。天然ガス改質装置２は，排気マニホルド３９の集合部に連通する排気通路８に配置されている。ガスエンジン１における主室１Ａと副室１Ｂは，セラミック部材及び遮熱層によって遮熱構造に構成されているので，主室１Ａから排気マニホルド３９を通じて排出される排気ガスは約９００℃〜８００℃の高温ガスであり，ＣＨ４ を熱分解して改質するのに十分に高温である。
【００３１】
主室１Ａからの高温の排気ガスが天然ガス改質装置２の排気ガス通路を流れることによって，ＮｉやＰｔの触媒３３が充填されているガス体燃料通路が加熱される。そこで，約８００℃以上の高温にされたガス体燃料通路を流れるＣＨ４ とＣＯ２ との混合ガスが触媒３３に接触し，ＣＨ４ はＣＯとＨ２ に熱分解し，ＣＯ２ はＣＯに熱分解され，ＣＯとＨ２ との改質燃料に変換される。次いで，天然ガスが変換された改質燃料は，燃料加圧ポンプ１３によって改質燃料供給路９を通じて吸気マニホルド４０からそれぞれの気筒の副室１Ｂへ供給される。
【００３２】
ガスエンジン１は，排気ガスの熱エネルギを天然ガス改質装置２で熱分解に作用させた後に，該熱エネルギをターボチャージャ３，第１熱交換器４及び第２熱交換器６によって回収するように構成されている。また，ターボチャージャ３の後流で且つ第１熱交換器４の上流側の排気通路８Ａには，天然ガス改質装置２からの改質燃料を噴射する燃料ノズル２４が設けられている。燃料ノズル２４への改質燃料は，天然ガス改質装置２から補助燃料供給路２３を通じて供給される。
【００３３】
ターボチャージャ３は，図４に示すように，排気ガスによって駆動されるタービン１５，タービン１５にシャフト１８によって連結され且つタービン１５によって駆動されるコンプレッサ１６，及びシャフト１８に対して設けた交流機即ち発電機１７から構成されている。コンプレッサ１６は，タービン１５によって駆動され，空気を加圧して圧縮空気とし，該圧縮空気を吸気通路１０を通じて吸気マニホルド４０からそれぞれの気筒の主室１Ａへ供給する。発電機１７は，タービン１５の回転力を電力として取り出して排気ガスエネルギを電気エネルギとして回収することができる。
【００３４】
第１熱交換器４は，第２熱交換器６で加熱された蒸気が流れる多孔質セラミック部材が配置された蒸気通路３５と，蒸気通路３５に配置された排気ガスが流れる多孔質セラミック部材が配置された排気ガス通路２８とから構成されている。また，第２熱交換器６は，蒸気が流れる多孔質セラミック部材が配置された水を貯留できる水・蒸気通路３６と，水・蒸気通路３６の周りに配置され且つ第１熱交換器４からの排気ガスが流れる多孔質セラミック部材が配置された排気ガス通路２９とから構成されている。
【００３５】
蒸気タービン５は，図５に示すように，第１熱交換器４で発生した蒸気によって駆動されるタービン１９，及びシャフト２１に対して設けられた発電機２０から構成されている。従って，蒸気エネルギはタービン１９を駆動し，その回転力は発電機２０によって電力として回収される。排気通路８Ｂに設けられた第２熱交換器６は，気相−液相熱交換器であり，排気ガスエネルギによって蒸気を発生させ，該蒸気は蒸気通路４１を通じて第１熱交換器４へ送り込まれる。蒸気タービン５を駆動した蒸気は，低温蒸気（水分含有蒸気）との流体になって流体通路２７を通ってコンデンサ１４へ放出され，コンデンサ１４で高温水となって水ポンプ１２によって水通路２６を通じて第２熱交換器６へ再び送り込まれる。また，第２熱交換器６を通過した排気ガスは，熱エネルギをほとんど回収された状態の低温の排気ガス（例えば，２００℃程度）となってＣＯ２ 供給装置７へ送り込まれる。
【００３６】
ＣＯ２ 供給装置７は，例えば，低温排気ガスが流れる排気通路８Ｃに配置された複数のロッド状のＣＯ２ 分離膜３７を収容したＣＯ２ 供給装置７から構成されている。排気通路８ＣからＣＯ２ 供給装置７に送り込まれた排気ガスは，ＣＯ２ 分離膜３７を通過したＣＯ２ が排気ガス中から分離され，ＣＯ２ 分離膜３７を通過できないＮ２ ，Ｏ２ ，Ｈ２ Ｏ等はＣＯ２ 分離膜３７を迂回して排気通路へ排出され，分離されたＣＯ２ はＣＯ２ 供給ポンプ３８の作動によってＣＯ２ 供給通路２２を通じて天然ガス改質装置２に供給される。ＣＯ２ 供給装置７に収容されたＣＯ２ 分離膜３７は，アルミナ，シリカ，ゼオライト系多孔質セラミックスから成る分離膜で構成されたセラミック多孔体であり，一種の濾過膜であり，分子径の大きいＮ２ やＯ２ ，Ｈ２ Ｏ（水蒸気）を通過させることができず，分子径の小さいＣＯ２ を通過させ，ＣＯ２ をＣＯ２ 吸引供給ポンプ３８の作動によってＣＯ２ 供給通路２２を通って天然ガス改質装置２へ送り込むことができる。
【００３７】
ＣＯ２ 供給装置７において，ＣＯ２ 分離膜３７を通過できなかったＮ２ ，Ｈ２ Ｏガス（水蒸気）は，排気通路８Ｄから大気へ排出される。排気通路８Ｄには，例えば，圧力調整弁４２が設けられており，圧力調整弁４２によって大気へ放出される排気ガスの圧力が調整され，ＣＯ２ 供給装置７におけるＣＯ２ 分離膜３７を通じてＣＯ２ 吸引供給ポンプ３８によって取り込まれるＣＯ２ の取込み量が調整されている。
【００３８】
この天然ガス改質装置を備えたガスエンジンは，上記のように構成され，次のように作動する。制御弁３１が閉鎖した状態で，吸気弁の開放によってターボチャージャ３のコンプレッサ１６からの空気が吸気通路１０を通じて吸気マニホルド４０から主室１Ａに供給される。主室１Ａの空気は制御弁３１の閉鎖状態で圧縮行程において圧縮される。一方，天然ガス燃料が燃料タンク１１から天然ガス供給通路３４を通じて天然ガス改質装置２へ供給され，天然ガスが改質燃料に変換されると共に，制御弁３１が閉鎖した状態で燃料弁３２が開放し，燃料加圧ポンプ１３が作動し，天然ガス改質装置２から改質燃料が改質燃料供給路９を通じて副室１Ｂに供給される。圧縮行程上死点近傍で制御弁３１が開放し，主室１Ａの圧縮空気が副室１Ｂに流入し，改質燃料が圧縮空気と混合して着火燃焼し，膨張行程に移行してピストン４３に仕事をする。
【００３９】
排気行程において，主室１Ａと副室１Ｂの排気ガスが排気通路８を通じて排出される。高温の排気ガスは天然ガス改質装置２を通る際に，その熱エネルギによって天然ガスを改質燃料に変換し，次いで，ターボチャージャ３へ送り出される。ターボチャージャ３では，タービン１５を駆動し，その回転力は発電機１７で電気エネルギに変換されると共に，コンプレッサ１６を駆動する。発電機１７で得られた電力は，バッテリに蓄電されたり，補機を駆動するのに消費される。また，コンプレッサ１６は空気を吸気通路１０を通じて燃焼室へ供給する機能を果たす。ターボチャージャ３のタービン１５を通過して排気ガスは排気通路８Ａと通じて第１熱交換器４へ送り込まれる。
【００４０】
排気通路８Ａには燃料ノズル２４が設けられており，燃料ノズル２４は，天然ガス改質装置２から補助燃料供給路２３を通じて送り込まれた改質燃料の一部を排気通路８Ａに噴射する。排気通路８Ａを流れる排気ガスには多量のＯ２ が含まれているので，燃料ノズル２４から噴射された改質燃料は着火燃焼し，排気ガスのエンタルピを増加させる。第１熱交換器４へ送り込まれた排気ガスは，排気ガス通路２８を通過し，次いで，排気ガス８Ｂを通じて第２熱交換器６へ送り込まれる。排気ガスは，排気ガス通路２８を通過する際に，第２熱交換器６から蒸気通路４１を通って蒸気通路３５に送り込まれた蒸気と熱交換して高温に加熱する。
【００４１】
第１熱交換器４で高温に加熱された蒸気は，高温蒸気通路２５を通って蒸気タービン５へ送り込まれ，タービン１９を駆動する。タービン１９の駆動によって発電機２０が発電する。高温蒸気は蒸気タービン５を駆動した後，低温蒸気や水から成る流体に変換され，該流体は流体通路２７を通じてコンデンサ１４へ送られて水になり，その水は水ポンプ１２の駆動によって水通路２６を通じて第２熱交換器６の水・蒸気通路３６へ送り込まれる。
【００４２】
第１熱交換器４から第２熱交換器６へ送り込まれた排気ガスは，第２熱交換器６の排気ガス通路２９を通じて排気通路８Ｃへ送り出される。排気ガスは，排気ガス通路２９を通過する際，水・蒸気通路３６を通る水を熱交換によって蒸気に変換する。排気通路８Ｃへ送り出された排気ガスは，天然ガス改質装置２，ターボチャージャ３，第１熱交換器４及び第２熱交換器６によって熱エネルギが回収されており，例えば，２００℃程度にまで温度低下しているので，ＣＯ２ 供給装置７に送り出してもＣＯ２ 分離膜３７を損傷することがない。ＣＯ２ 供給装置７に送り込まれた排気ガスは，ＣＯ２ 分離膜３７を通過することによって，排気ガスからＣＯ２ が分離される。分離されたＣＯ２ は，ＣＯ２ 吸引供給ポンプ３８の作動によってＣＯ２ 供給装置７からＣＯ２ 供給通路２２を通って天然ガス改質装置２へ送り込まれる。ＣＯ２ 分離膜３７を通過することによりＣＯ２ が分離され，ＣＯ２ が分離された排気ガスは，ＣＯ２ の含有量を低減されたＮ２ ，Ｈ２ Ｏ等から成り，排気通路８Ｄから大気へ放出される。
【００４３】
【発明の効果】
この発明による天然ガス改質装置は，上記のように構成されているので，排気ガスの流れに損失を与えることなく，排気ガスがスムースに流れることができ，また，ガス燃料が流速が遅く触媒に接触してガス燃料の十分な熱分解反応時間を確保でき，天然ガスの主成分のＣＨ４ がＨ２ とＣＯに良好に変換される。
【００４４】
また，この発明による天然ガス改質装置を備えたガスエンジンは，上記のように構成されているので，天然ガスの主成分であるＣＨ４ を，排気ガスから分離されたＣＯ２ と混合し，該混合ガスを触媒に通して排気ガスの熱エネルギで約９００〜８００℃の高温状態で熱分解し，ＣＨ４ をＣＯとＨ２ に変換して発熱量をアップする。ガスエンジンから大気に放出される排気ガスは，ＣＯ２ が排除されているので，Ｎ２ やＨ２ Ｏガスであり，排気ガスが大気汚染の原因になることがなく，環境を悪化させることがない。排気ガスの熱エネルギは，ＣＨ４ の熱分解に寄与した後に，排気通路に設けたターボチャージャ，第１熱交換器及び第２熱交換器で回収される。即ち，ガスエンジンは，排気ガスの熱エネルギによってターボチャージャを駆動し，該ターボチャージャのタービンから排気される排気ガスで第１熱交換器及び第２熱交換器で蒸気を発生させ，該蒸気で蒸気タービンを駆動し，該蒸気タービンを駆動して発電機で電力として回収できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による天然ガス改質装置の一実施例を示す断面図である。
【図２】図１の天然ガス改質装置の線Ａ−Ａにおける断面図である。
【図３】この発明による天然ガス改質装置を備えたガスエンジンの一実施例を示す説明図である。
【図４】図３のガスエンジンに組み込まれた発電機を備えたターボチャージャを示す説明図である。
【図５】図３のガスエンジンに組み込まれた蒸気タービンを示す説明図である。
【符号の説明】
１ ガスエンジン
２ 天然ガス改質装置
３ ターボチャージャ
４ 第１熱交換器
５ 蒸気タービン
６ 第２熱交換器
７ ＣＯ２ 供給装置
８，８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ 排気通路
３３ 触媒
３７ ＣＯ２ 分離膜
４４ 排気ガス通路
４５ ガス燃料通路
５０ 排気ガスパイプ
５１ 排気ガス通路体
５２ ガス燃料ケース
５３ 多孔質部材
５５ 断熱材
５６，５７ 通穴
Claims (9)
- エンジンから排出された排気ガスが流れる排気ガスパイプ，前記排気ガスパイプ内に配置され且つ排気ガス通路を形成するハニカム又は通路孔を備えた多孔質から成る排気ガス通路体，前記排気ガスパイプの外側に配置され且つガス燃料供給源から供給されるＣＨ４ を主成分とするガス燃料を供給する入口と排気ガスから分離したＣＯ２ を供給する入口を持つガス燃料ケース，前記ガス燃料ケース内に配置され且つガス燃料通路を形成する多孔質セラミックスから成る多孔質部材，前記ガス燃料通路を形成する前記多孔質部材の表面に被覆され且つＣＨ４ とＣＯ２ とを排気ガスが有する熱エネルギによって熱分解させてＣＯとＨ２ の改質燃料に変換させる作用を有する触媒，及び前記ガス燃料ケースの外周に配置された断熱材，から成る天然ガス改質装置。
- 前記触媒は，Ｎｉ又はＰｔから成る請求項１に記載の天然ガス改質装置。
- 前記断熱材は，セラミック不織布から成る請求項１に記載の天然ガス改質装置。
- 前記排気ガスパイプ，前記ガス通路体，前記ガス燃料ケース及び前記多孔質部材は，熱伝導率が大きいＡｌＮを含む耐熱性のＳｉ３ Ｎ４ 又はＳｉＣから成るセラミックスから構成されている請求項１に記載の天然ガス改質装置。
- 前記多孔質部材には，前記ガス燃料とＣＯ２ が流入する側と前記改質燃料が流出する側とから多数の通穴が形成されている請求項１に記載の天然ガス改質装置。
- 前記ガス燃料ケースに開口するＣＨ４ を主成分とするガス燃料を供給する前記入口と排気ガスから分離したＣＯ２ を供給する前記入口とは，前記ガス燃料と前記ＣＯ２ とが混合を促進するように互いに対向して形成されている請求項１に記載の天然ガス改質装置。
- ＣＨ４ を主成分とする天然ガス燃料を収容した燃料タンク，前記燃料タンクから供給されるＣＨ４ を燃焼室から排出される排気ガスの熱エネルギによって熱分解して改質燃料に変換させる排気通路に配置された請求項１に記載の前記天然ガス改質装置，前記改質燃料を前記燃焼室へ供給する改質燃料供給装置，前記天然ガス改質装置の後流の前記排気通路に設けられたターボチャージャ，前記ターボチャージャの後流の前記排気通路に設けられた熱交換器を備えたランキンサイクル，及び前記ランキンサイクルの後流の前記排気通路に設けられたＣＯ２ 分離膜によって前記排気ガスからＣＯ２ を分離し且つＣＯ２ を前記天然ガス改質装置のガス燃料ケースに供給するＣＯ２ 供給装置，から成る天然ガス改質装置を備えたガスエンジン。
- 前記ランキンサイクルは，前記排気通路に配置された前記第１熱交換器，前記第１熱交換器で発生した水蒸気によって駆動される蒸気タービン，前記蒸気タービンから排出された水蒸気を水に変換するコンデンサ，前記コンデンサからの水を水蒸気に変換し且つ該水蒸気を前記第１熱交換器に供給するため前記第１熱交換器の後流の前記排気通路に配置された第２熱交換器，から構成されている請求項６に記載の天然ガス改質装置を備えたガスエンジン。
- 前記ＣＯ２ 分離膜は，アルミナ，シリカ，ゼオライト系の多孔質セラミックスから成る無機分離膜で構成されていることから成る請求項６に記載の天然ガス改質装置を備えたガスエンジン。
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