JP3620239B2 - 天然ガス改質装置における酸素除去装置及び該装置を備えたガスエンジン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は，ガス中からＯ２ を除去する天然ガス改質装置における酸素除去装置，及び該酸素除去装置によって排気ガスから分離された分離ガスからＯ２ を除去したＣＯ２ を用いて天然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を備えた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ガスに改質することによって，改質ガスの発熱を増加させ，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】
しかしながら，天然ガス中のＣＨ４ をＣＯ２ の存在によって排気ガスの熱エネルギによってＨ２ とＣＯに改質する天然ガス改質装置において，排気ガスから分離されたＣＯ２ を使用する場合に，ＣＯ２ を含む分離ガス中にＯ２ が含まれていると，天然ガス改質装置における触媒装置内でＯ２ とＨ２ やＣＯが反応を起こし，場合によっては反応爆発するという危険性がある。従って，天然ガス改質装置に送り込む排気ガスから分離されたＣＯ２ を含む分離ガス中に含まれるＯ２ を可及的に低減する必要がある。
【０００７】
一般に，ディーゼルエンジンから排出される排気ガスは，空気過剰率のため，Ｎ２ が７５％，ＣＯ２ が１５％及びＯ２ が１０％程度であるが，必ずしもこのような割合ではなく，Ｏ２ が多く含まれることがある。また，排気ガスをＣＯ２ 分離器のぶＣＯ２ 分離膜を通すことによって，排気ガスから分離されたＣＯ２ を含む分離ガスは，ＣＯ２ が９０％，Ｎ２ が８％及びＯ２ が２％程度になり，通常であれば，このような成分の分離ガスを天然ガス改質装置に送り込んでも，それほど問題にならないが，場合によっては，排気ガス中の成分割合，ＣＯ２ 分離膜の異常等によって，Ｏ２ が５％以上も含まれる現象が発生することがある。そのため，５％以上のＯ２ を含む分離ガスを天然ガス改質装置に送り込むと，天然ガス改質装置で生成したＨ２ とＣＯとが分離ガス中のＯ２ と反応爆発し，非常に危険な状態が発生する。
【０００８】
【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，Ｃを６００℃程度に加熱しておけば，Ｏ２ がＣを流れればＣとＯ２ が反応してＣＯ，ＣＯ２ になるという現象を利用して，エンジンから排出される排気ガスから分離された分離ガス中のＯ２ をカーボンと反応させてＣＯ，ＣＯ２ に変換してＯ２ を除去する天然ガス改質装置における酸素除去装置を提供すると共に，この酸素除去装置を用いてＯ２ を除去したＣＯ２ を含む分離ガスを天然ガス改質装置に送り込んで，天然ガスの主成分のＣＨ４ を排気ガス熱エネルギを利用してＣＯとＨ２ とに改質し，熱効率を向上させると共に，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，ＮＯＸ の発生を低減したガスエンジンを提供することである。
【０００９】
この発明は，エンジンから排出される排気ガスが流れる排気通路に設けられたＣＯ２ 分離器によって前記排気ガスから分離されたＣＯ２ を用いて天然ガス中のＣＨ４ を改質ガスに変換する天然ガス改質装置において，前記ＣＯ２ 分離器を通過したＣＯ２ を含む分離ガスが流れるＣＯ２ 通路に配置され且つ前記分離ガスが流入する入口と流出する出口を有するケーシング，前記ケーシング内に非導電性ガスケットを介して支持され且つ前記分離ガスが通過する多孔質カーボン部材，及び前記分離ガス中のＯ２ を前記多孔質カーボン部材のカーボンと反応させてＣＯ，ＣＯ２ に変換させるため前記多孔質カーボン部材を通電加熱する電源装置，から成る酸素除去装置に関する。
【００１０】
この酸素除去装置は，前記多孔質カーボン部材の電気抵抗値の検出によって前記多孔質カーボン部材中のカーボン量を検出し，前記多孔質カーボン部材の前記カーボン量が所定量以下に低減することに応じて警報を発するものである。
【００１１】
この酸素除去装置は，上記のように構成されているので，電源装置によって多孔質カーボン部材を６００℃位に加熱することにより，分離ガス中のＯ２ が多孔質カーボン部材を通過する際にカーボンと反応してＣＯ，ＣＯ２ に変換され，分離ガス中からＯ２ が除去できる。また，分離ガス中にＯ２ が含めれていない場合には，分離ガスは多孔質カーボン部材を単に通過するだけであり，なんら支障はない。また，カーボンは電気の良導体であるので，多孔質カーボン部材を断熱されたケーシング内で通電加熱すると，カーボンがＯ２ と反応する温度に容易に上昇できる。しかも，カーボンは，多孔構造に容易に形成できるので，カーボンの多孔体に分離ガスを通過させると，分離ガスに含まれるＯ２ は加熱されたカーボンと極めて効果的に反応し，ＣＯ，ＣＯ２ のガスに変化する。また，多孔質カーボン部材のカーボンは，Ｏ２ との反応によって消費されて低減するが，カーボンが所定量以下になれば，多孔質カーボン部材或いは酸素除去装置を交換すればよい。
【００１２】
又は，この発明は，ＣＨ４ を主成分とする天然ガスを収容したガス燃料供給源，前記ガス燃料供給源から供給されるＣＨ４ をエンジンから排出される排気ガスによって熱分解して改質ガスに変換させる排気通路に配置された天然ガス改質装置，前記改質ガスを前記エンジンへ供給する改質ガス供給装置，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，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 分離器，及び前記排気ガスから分離されたＣＯ２ を含む分離ガスを前記天然ガス改質装置に供給するＣＯ２ 通路に配置された請求項１に記載の酸素除去装置，から成るガスエンジンに関する。
【００１３】
また，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，前記第１熱交換器の後流の前記排気通路に配置され且つ前記コンデンサからの水を水蒸気に変換する第２熱交換器から構成されている。
【００１４】
前記ＣＯ２ 分離器は，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分離膜で構成されている。
【００１５】
前記天然ガス改質装置は，触媒としてＮｉ又はＰｔを使用してＣＨ４ とＣＯ２ とを反応させてＣＯとＨ２ に熱分解することから成る。また，ＣＨ４ の熱分解に寄与しなかったＣＯ２ は，エンジンへ改質ガスと共に供給される。エンジンには，ＣＨ４ ，ＣＯ，Ｈ２ ，ＣＯ２ の混合ガスが副室に導入されるため，制御弁が開放して前記副室の混合ガスが，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】
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，改質ガス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。ＣＨ４ の熱分解反応は，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。
【００１７】
通常のエンジンを駆動すると．エンジンが空気中のＯ２ を少なくとも半分消費するので，エンジンから排出される排気ガスに含まれるＯ２ は１０％程度である。エンジンの排気通路に配置されたＣＯ２ 分離器によって排気ガス中からＣＯ２ を分離した場合に，ＣＯ２ を含む分離ガスには，１％程度のＯ２ が含まれている可能性がある。１％程度の濃度のＯ２ が含まれた分離ガスを，天然ガス改質装置に送り込んだ場合には，触媒での爆発は発生しないが，５％程度の濃度のＯ２ が含まれたＣＯ２ の分離ガスを，天然ガス改質装置に送り込んだ場合には，Ｏ２ とＨ２ やＣＯとが反応して爆発が発生する非常に危険な状態になる。
【００１８】
この発明によるガスエンジンは，ＣＯ２ 通路に酸素除去装置を設けているので，多孔質カーボン部材のカーボンと分離ガスに含まれるＯ２ とが酸化反応をして分離ガス中のＯ２ 濃度が低減されて約１％以下の濃度になるので，天然ガス改質装置での爆発が発生することがない。しかも，酸素除去装置は，分離ガス中にＯ２ が含まれている場合には，多孔質カーボン部材のカーボン量が減少するので，多孔質カーボン部材の電気抵抗値が増大し，Ｈ２ ，ＣＯとＯ２ とが反応して危険状態になることを警報することができる。
【００１９】
【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における酸素除去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。図１はこの発明による酸素除去装置の一実施例を示す断面図，図２は図１の酸素除去装置を組み込んだ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３は図２のガスエンジンに組み込まれたターボチャージャを示す説明図，及び図４は図２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。
【００２０】
この発明による酸素除去装置２３は，図２に示すように，エンジン１から排出される排気ガスが流れる排気通路８に設けられたＣＯ２ 分離器７によって排気ガスから分離されたＣＯ２ を用いて天然ガス中のＣＨ４ を改質ガスに変換する天然ガス改質装置２に適用するため，ＣＯ２ 分離器７と天然ガス改質装置２とを連通するＣＯ２ 通路２２に組み込まれている。
【００２１】
酸素除去装置２３は，主として，ＣＯ２ 分離器７を通過したＣＯ２ を含む分離ガスが流れるＣＯ２ 通路２２に配置され且つ分離ガスが流入する入口４５と分離ガスが流出する出口４６を有するケーシング４４，ケーシング４４内に非導電性ガスケット４７を介して支持され且つ分離ガスが通過する多孔質カーボン部材４８，及び分離ガス中のＯ２ を多孔質カーボン部材４８のカーボンと反応させてＣＯ，ＣＯ２ に変換させるため多孔質カーボン部材４８を加熱する電源装置４９から構成されている。電源装置４９は，端子５１を通じて多孔質カーボン部材４８を通電加熱するように構成されている。また，多孔質カーボン部材４８をケーシング４４内に密封状態に配置するため，シール部材５２が設けられている。
【００２２】
酸素除去装置２３は，電源装置４９によって通電加熱された多孔質カーボン部材４８に，排気ガスから分離されたＣＯ２ を含む分離ガスが流されることによって，多孔質カーボン部材４８のカーボンと分離ガスに含まれるＯ２ とが反応し，ＣＯ，ＣＯ２ に変化し，それに応じて多孔質カーボン部材４８のカーボン量が低減する。酸素除去装置２３では，多孔質カーボン部材４８に電源装置４９によって通電加熱されるが，カーボン量に応じて電気抵抗値が変化する。そこで，コントローラ５０は，多孔質カーボン部材４８の電気抵抗値をセンサによって検出し，その電気抵抗値から多孔質カーボン部材４８中のカーボン量を判定し，多孔質カーボン部材４８のカーボン量が所定量以下に低減したことに応じて警報手段２４で警報を発するように構成されている。
【００２３】
次に，図２，図３及び図４を参照して，この発明による酸素除去装置を組み込んだ天然ガス改質装置を備えたガスエンジンを説明する。
【００２４】
このガスエンジンは，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，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，出力軸にエンジン回転力を電力に変換する発電機５３が設けられており，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を備えている。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ガスは，燃料加圧ポンプ１３の作動によって改質ガス供給路９を通じて副室１Ｂへ供給される。
【００２５】
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，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ガス供給路９から副室１Ｂへ改質ガスが供給される。
【００２６】
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ガス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ガス燃料供給源１１，改質ガスを燃焼室の副室１Ｂへ供給する改質ガス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とから成るＣＯ２ 分離器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８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。第２熱交換器６で発生した水蒸気は，第１熱交換器４に送り込まれ，排気ガスの熱エネルギによって更に高温の水蒸気に熱交換される。ガスエンジン１では，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。
【００２７】
ガスエンジン１では，ＣＯ２ 分離器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。
【００２８】
天然ガス改質装置２は，例えば，エンジン１から排出された排気ガスが流れる排気ガスパイプ，及び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１１からガス燃料通路３４を通じて供給されるＣＨ４ を主成分とする天然ガス燃料が流れるガス燃料パイプから構成されている。前記排気ガスパイプ内には，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が配置されている。また，前記ガス燃料パイプ内には，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が配置されている。前記多孔質部材の表面には，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 の改質ガスに変換させる作用を有する触媒が被覆されている。触媒は，Ｎｉ又はＰｔから構成されている。更に，天然ガス改質装置２を遮熱構造に構成するため，前記ガス燃料パイプの外側には，セラミック不織布から成る断熱材が配置されている。
【００２９】
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の触媒が充填されているガス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燃料通路を流れるＣＨ４ とＣＯ２ との混合ガスが触媒に接触し，ＣＨ４ はＣＯとＨ２ に熱分解し，ＣＯ２ はＣＯに熱分解され，ＣＯとＨ２ との改質ガスに変換される。次いで，天然ガスが変換された改質ガスは，燃料加圧ポンプ１３によって改質ガス供給路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。
【００３０】
ターボチャージャ３は，図３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バッテリ等の電源装置４９に蓄電して回収することができる。
【００３１】
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。
【００３２】
蒸気タービン５は，図４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バッテリ等の電源装置４９に回収される。排気通路８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。
【００３３】
ＣＯ２ 分離器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 分離膜を収容したものから構成されている。排気通路８ＣからＣＯ２ 分離器７に送り込まれた排気ガスは，ＣＯ２ 分離器７を通過したＣＯ２ が排気ガス中から分離され，ＣＯ２ 分離膜を通過できないＮ２ ，Ｏ２ ，Ｈ２ Ｏ等はＣＯ２ 分離器７を迂回して排気通路へ排出され，分離されたＣＯ２ を含む分離ガスは，ＣＯ２ 供給ポンプの作動によってＣＯ２ 通路２２を通じて天然ガス改質装置２に供給される。ＣＯ２ 分離器７に収容されたＣＯ２ 分離膜は，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 吸引供給ポンプの作動によってＣＯ２ 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。
【００３４】
ＣＯ２ 分離器７において，ＣＯ２ 分離膜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，圧力調整弁が設けられており，圧力調整弁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 分離器７を通じてＣＯ２ 吸引供給ポンプによって取り込まれるＣＯ２ の取込み量が調整されている。
【００３５】
このガスエンジンは，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，天然ガス燃料がガス燃料供給源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，天然ガスが改質ガス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から改質ガスが改質ガス供給路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，改質ガス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。
【００３６】
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ガスに変換し，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。
【００３７】
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。
【００３８】
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 分離器７に送り出してもＣＯ２ 分離膜を損傷することがない。ＣＯ２ 分離器７に送り込まれた排気ガスは，ＣＯ２ 分離膜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 を含む分離ガスは，例えば，ＣＯ２ 吸引供給ポンプの作動によってＣＯ２ 分離器７からＣＯ２ 通路２２を通って天然ガス改質装置２へ送り込まれる。ＣＯ２ 分離器７のＣＯ２ 分離膜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。
【００３９】
【発明の効果】
この発明による天然ガス改質装置における酸素除去装置は，上記のように構成されているので，排気ガスから分離されたＣＯ２ を含む分離ガス中に，Ｏ２ が含まれていても，そのＯ２ が多孔質カーボン部材のカーボンと反応してＣＯ，ＣＯ２ に変化するので，分離ガスにはＯ２ が含まれておらず，天然ガス改質装置にＯ２ が送り込まれることがない。従って，天然ガス改質装置において，天然ガスの主成分であるＣＨ４ がＨ２ とＣＯとに改質されるが，天然ガス改質装置において，改質されたＨ２ ，ＣＯがＯ２ と反応して爆発が発生することがなく，安全性を確保できる。
【００４０】
また，この発明による酸素除去装置を組み込んだ天然ガス改質装置を備えたガスエンジンは，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における酸素除去装置の一実施例を示す断面図である。
【図２】図１の酸素除去装置を組み込んだ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３】図２のガスエンジンに組み込まれたターボチャージャを示す説明図である。
【図４】図２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 分離器
８，８Ａ，８Ｃ，８Ｄ 排気通路
１１ ガス燃料供給源
２２ ＣＯ２ 通路
２３ 酸素除去装置
２４ 警報手段
４４ ケーシング
４５ 入口
４６ 出口
４７ 非導電性ガスケット
４８ 多孔質カーボン部材
４９ 電源装置
５０ コントローラ
【発明の属する技術分野】
この発明は，ガス中からＯ２ を除去する天然ガス改質装置における酸素除去装置，及び該酸素除去装置によって排気ガスから分離された分離ガスからＯ２ を除去したＣＯ２ を用いて天然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を備えた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ガスに改質することによって，改質ガスの発熱を増加させ，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】
しかしながら，天然ガス中のＣＨ４ をＣＯ２ の存在によって排気ガスの熱エネルギによってＨ２ とＣＯに改質する天然ガス改質装置において，排気ガスから分離されたＣＯ２ を使用する場合に，ＣＯ２ を含む分離ガス中にＯ２ が含まれていると，天然ガス改質装置における触媒装置内でＯ２ とＨ２ やＣＯが反応を起こし，場合によっては反応爆発するという危険性がある。従って，天然ガス改質装置に送り込む排気ガスから分離されたＣＯ２ を含む分離ガス中に含まれるＯ２ を可及的に低減する必要がある。
【０００７】
一般に，ディーゼルエンジンから排出される排気ガスは，空気過剰率のため，Ｎ２ が７５％，ＣＯ２ が１５％及びＯ２ が１０％程度であるが，必ずしもこのような割合ではなく，Ｏ２ が多く含まれることがある。また，排気ガスをＣＯ２ 分離器のぶＣＯ２ 分離膜を通すことによって，排気ガスから分離されたＣＯ２ を含む分離ガスは，ＣＯ２ が９０％，Ｎ２ が８％及びＯ２ が２％程度になり，通常であれば，このような成分の分離ガスを天然ガス改質装置に送り込んでも，それほど問題にならないが，場合によっては，排気ガス中の成分割合，ＣＯ２ 分離膜の異常等によって，Ｏ２ が５％以上も含まれる現象が発生することがある。そのため，５％以上のＯ２ を含む分離ガスを天然ガス改質装置に送り込むと，天然ガス改質装置で生成したＨ２ とＣＯとが分離ガス中のＯ２ と反応爆発し，非常に危険な状態が発生する。
【０００８】
【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，Ｃを６００℃程度に加熱しておけば，Ｏ２ がＣを流れればＣとＯ２ が反応してＣＯ，ＣＯ２ になるという現象を利用して，エンジンから排出される排気ガスから分離された分離ガス中のＯ２ をカーボンと反応させてＣＯ，ＣＯ２ に変換してＯ２ を除去する天然ガス改質装置における酸素除去装置を提供すると共に，この酸素除去装置を用いてＯ２ を除去したＣＯ２ を含む分離ガスを天然ガス改質装置に送り込んで，天然ガスの主成分のＣＨ４ を排気ガス熱エネルギを利用してＣＯとＨ２ とに改質し，熱効率を向上させると共に，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，ＮＯＸ の発生を低減したガスエンジンを提供することである。
【０００９】
この発明は，エンジンから排出される排気ガスが流れる排気通路に設けられたＣＯ２ 分離器によって前記排気ガスから分離されたＣＯ２ を用いて天然ガス中のＣＨ４ を改質ガスに変換する天然ガス改質装置において，前記ＣＯ２ 分離器を通過したＣＯ２ を含む分離ガスが流れるＣＯ２ 通路に配置され且つ前記分離ガスが流入する入口と流出する出口を有するケーシング，前記ケーシング内に非導電性ガスケットを介して支持され且つ前記分離ガスが通過する多孔質カーボン部材，及び前記分離ガス中のＯ２ を前記多孔質カーボン部材のカーボンと反応させてＣＯ，ＣＯ２ に変換させるため前記多孔質カーボン部材を通電加熱する電源装置，から成る酸素除去装置に関する。
【００１０】
この酸素除去装置は，前記多孔質カーボン部材の電気抵抗値の検出によって前記多孔質カーボン部材中のカーボン量を検出し，前記多孔質カーボン部材の前記カーボン量が所定量以下に低減することに応じて警報を発するものである。
【００１１】
この酸素除去装置は，上記のように構成されているので，電源装置によって多孔質カーボン部材を６００℃位に加熱することにより，分離ガス中のＯ２ が多孔質カーボン部材を通過する際にカーボンと反応してＣＯ，ＣＯ２ に変換され，分離ガス中からＯ２ が除去できる。また，分離ガス中にＯ２ が含めれていない場合には，分離ガスは多孔質カーボン部材を単に通過するだけであり，なんら支障はない。また，カーボンは電気の良導体であるので，多孔質カーボン部材を断熱されたケーシング内で通電加熱すると，カーボンがＯ２ と反応する温度に容易に上昇できる。しかも，カーボンは，多孔構造に容易に形成できるので，カーボンの多孔体に分離ガスを通過させると，分離ガスに含まれるＯ２ は加熱されたカーボンと極めて効果的に反応し，ＣＯ，ＣＯ２ のガスに変化する。また，多孔質カーボン部材のカーボンは，Ｏ２ との反応によって消費されて低減するが，カーボンが所定量以下になれば，多孔質カーボン部材或いは酸素除去装置を交換すればよい。
【００１２】
又は，この発明は，ＣＨ４ を主成分とする天然ガスを収容したガス燃料供給源，前記ガス燃料供給源から供給されるＣＨ４ をエンジンから排出される排気ガスによって熱分解して改質ガスに変換させる排気通路に配置された天然ガス改質装置，前記改質ガスを前記エンジンへ供給する改質ガス供給装置，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，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 分離器，及び前記排気ガスから分離されたＣＯ２ を含む分離ガスを前記天然ガス改質装置に供給するＣＯ２ 通路に配置された請求項１に記載の酸素除去装置，から成るガスエンジンに関する。
【００１３】
また，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，前記第１熱交換器の後流の前記排気通路に配置され且つ前記コンデンサからの水を水蒸気に変換する第２熱交換器から構成されている。
【００１４】
前記ＣＯ２ 分離器は，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分離膜で構成されている。
【００１５】
前記天然ガス改質装置は，触媒としてＮｉ又はＰｔを使用してＣＨ４ とＣＯ２ とを反応させてＣＯとＨ２ に熱分解することから成る。また，ＣＨ４ の熱分解に寄与しなかったＣＯ２ は，エンジンへ改質ガスと共に供給される。エンジンには，ＣＨ４ ，ＣＯ，Ｈ２ ，ＣＯ２ の混合ガスが副室に導入されるため，制御弁が開放して前記副室の混合ガスが，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】
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，改質ガス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。ＣＨ４ の熱分解反応は，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。
【００１７】
通常のエンジンを駆動すると．エンジンが空気中のＯ２ を少なくとも半分消費するので，エンジンから排出される排気ガスに含まれるＯ２ は１０％程度である。エンジンの排気通路に配置されたＣＯ２ 分離器によって排気ガス中からＣＯ２ を分離した場合に，ＣＯ２ を含む分離ガスには，１％程度のＯ２ が含まれている可能性がある。１％程度の濃度のＯ２ が含まれた分離ガスを，天然ガス改質装置に送り込んだ場合には，触媒での爆発は発生しないが，５％程度の濃度のＯ２ が含まれたＣＯ２ の分離ガスを，天然ガス改質装置に送り込んだ場合には，Ｏ２ とＨ２ やＣＯとが反応して爆発が発生する非常に危険な状態になる。
【００１８】
この発明によるガスエンジンは，ＣＯ２ 通路に酸素除去装置を設けているので，多孔質カーボン部材のカーボンと分離ガスに含まれるＯ２ とが酸化反応をして分離ガス中のＯ２ 濃度が低減されて約１％以下の濃度になるので，天然ガス改質装置での爆発が発生することがない。しかも，酸素除去装置は，分離ガス中にＯ２ が含まれている場合には，多孔質カーボン部材のカーボン量が減少するので，多孔質カーボン部材の電気抵抗値が増大し，Ｈ２ ，ＣＯとＯ２ とが反応して危険状態になることを警報することができる。
【００１９】
【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における酸素除去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。図１はこの発明による酸素除去装置の一実施例を示す断面図，図２は図１の酸素除去装置を組み込んだ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３は図２のガスエンジンに組み込まれたターボチャージャを示す説明図，及び図４は図２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。
【００２０】
この発明による酸素除去装置２３は，図２に示すように，エンジン１から排出される排気ガスが流れる排気通路８に設けられたＣＯ２ 分離器７によって排気ガスから分離されたＣＯ２ を用いて天然ガス中のＣＨ４ を改質ガスに変換する天然ガス改質装置２に適用するため，ＣＯ２ 分離器７と天然ガス改質装置２とを連通するＣＯ２ 通路２２に組み込まれている。
【００２１】
酸素除去装置２３は，主として，ＣＯ２ 分離器７を通過したＣＯ２ を含む分離ガスが流れるＣＯ２ 通路２２に配置され且つ分離ガスが流入する入口４５と分離ガスが流出する出口４６を有するケーシング４４，ケーシング４４内に非導電性ガスケット４７を介して支持され且つ分離ガスが通過する多孔質カーボン部材４８，及び分離ガス中のＯ２ を多孔質カーボン部材４８のカーボンと反応させてＣＯ，ＣＯ２ に変換させるため多孔質カーボン部材４８を加熱する電源装置４９から構成されている。電源装置４９は，端子５１を通じて多孔質カーボン部材４８を通電加熱するように構成されている。また，多孔質カーボン部材４８をケーシング４４内に密封状態に配置するため，シール部材５２が設けられている。
【００２２】
酸素除去装置２３は，電源装置４９によって通電加熱された多孔質カーボン部材４８に，排気ガスから分離されたＣＯ２ を含む分離ガスが流されることによって，多孔質カーボン部材４８のカーボンと分離ガスに含まれるＯ２ とが反応し，ＣＯ，ＣＯ２ に変化し，それに応じて多孔質カーボン部材４８のカーボン量が低減する。酸素除去装置２３では，多孔質カーボン部材４８に電源装置４９によって通電加熱されるが，カーボン量に応じて電気抵抗値が変化する。そこで，コントローラ５０は，多孔質カーボン部材４８の電気抵抗値をセンサによって検出し，その電気抵抗値から多孔質カーボン部材４８中のカーボン量を判定し，多孔質カーボン部材４８のカーボン量が所定量以下に低減したことに応じて警報手段２４で警報を発するように構成されている。
【００２３】
次に，図２，図３及び図４を参照して，この発明による酸素除去装置を組み込んだ天然ガス改質装置を備えたガスエンジンを説明する。
【００２４】
このガスエンジンは，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，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，出力軸にエンジン回転力を電力に変換する発電機５３が設けられており，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を備えている。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ガスは，燃料加圧ポンプ１３の作動によって改質ガス供給路９を通じて副室１Ｂへ供給される。
【００２５】
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，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ガス供給路９から副室１Ｂへ改質ガスが供給される。
【００２６】
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ガス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ガス燃料供給源１１，改質ガスを燃焼室の副室１Ｂへ供給する改質ガス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とから成るＣＯ２ 分離器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８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。第２熱交換器６で発生した水蒸気は，第１熱交換器４に送り込まれ，排気ガスの熱エネルギによって更に高温の水蒸気に熱交換される。ガスエンジン１では，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。
【００２７】
ガスエンジン１では，ＣＯ２ 分離器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。
【００２８】
天然ガス改質装置２は，例えば，エンジン１から排出された排気ガスが流れる排気ガスパイプ，及び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１１からガス燃料通路３４を通じて供給されるＣＨ４ を主成分とする天然ガス燃料が流れるガス燃料パイプから構成されている。前記排気ガスパイプ内には，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が配置されている。また，前記ガス燃料パイプ内には，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が配置されている。前記多孔質部材の表面には，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 の改質ガスに変換させる作用を有する触媒が被覆されている。触媒は，Ｎｉ又はＰｔから構成されている。更に，天然ガス改質装置２を遮熱構造に構成するため，前記ガス燃料パイプの外側には，セラミック不織布から成る断熱材が配置されている。
【００２９】
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の触媒が充填されているガス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燃料通路を流れるＣＨ４ とＣＯ２ との混合ガスが触媒に接触し，ＣＨ４ はＣＯとＨ２ に熱分解し，ＣＯ２ はＣＯに熱分解され，ＣＯとＨ２ との改質ガスに変換される。次いで，天然ガスが変換された改質ガスは，燃料加圧ポンプ１３によって改質ガス供給路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。
【００３０】
ターボチャージャ３は，図３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バッテリ等の電源装置４９に蓄電して回収することができる。
【００３１】
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。
【００３２】
蒸気タービン５は，図４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バッテリ等の電源装置４９に回収される。排気通路８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。
【００３３】
ＣＯ２ 分離器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 分離膜を収容したものから構成されている。排気通路８ＣからＣＯ２ 分離器７に送り込まれた排気ガスは，ＣＯ２ 分離器７を通過したＣＯ２ が排気ガス中から分離され，ＣＯ２ 分離膜を通過できないＮ２ ，Ｏ２ ，Ｈ２ Ｏ等はＣＯ２ 分離器７を迂回して排気通路へ排出され，分離されたＣＯ２ を含む分離ガスは，ＣＯ２ 供給ポンプの作動によってＣＯ２ 通路２２を通じて天然ガス改質装置２に供給される。ＣＯ２ 分離器７に収容されたＣＯ２ 分離膜は，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 吸引供給ポンプの作動によってＣＯ２ 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。
【００３４】
ＣＯ２ 分離器７において，ＣＯ２ 分離膜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，圧力調整弁が設けられており，圧力調整弁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 分離器７を通じてＣＯ２ 吸引供給ポンプによって取り込まれるＣＯ２ の取込み量が調整されている。
【００３５】
このガスエンジンは，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，天然ガス燃料がガス燃料供給源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，天然ガスが改質ガス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から改質ガスが改質ガス供給路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，改質ガス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。
【００３６】
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ガスに変換し，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。
【００３７】
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。
【００３８】
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 分離器７に送り出してもＣＯ２ 分離膜を損傷することがない。ＣＯ２ 分離器７に送り込まれた排気ガスは，ＣＯ２ 分離膜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 を含む分離ガスは，例えば，ＣＯ２ 吸引供給ポンプの作動によってＣＯ２ 分離器７からＣＯ２ 通路２２を通って天然ガス改質装置２へ送り込まれる。ＣＯ２ 分離器７のＣＯ２ 分離膜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。
【００３９】
【発明の効果】
この発明による天然ガス改質装置における酸素除去装置は，上記のように構成されているので，排気ガスから分離されたＣＯ２ を含む分離ガス中に，Ｏ２ が含まれていても，そのＯ２ が多孔質カーボン部材のカーボンと反応してＣＯ，ＣＯ２ に変化するので，分離ガスにはＯ２ が含まれておらず，天然ガス改質装置にＯ２ が送り込まれることがない。従って，天然ガス改質装置において，天然ガスの主成分であるＣＨ４ がＨ２ とＣＯとに改質されるが，天然ガス改質装置において，改質されたＨ２ ，ＣＯがＯ２ と反応して爆発が発生することがなく，安全性を確保できる。
【００４０】
また，この発明による酸素除去装置を組み込んだ天然ガス改質装置を備えたガスエンジンは，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における酸素除去装置の一実施例を示す断面図である。
【図２】図１の酸素除去装置を組み込んだ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３】図２のガスエンジンに組み込まれたターボチャージャを示す説明図である。
【図４】図２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 分離器
８，８Ａ，８Ｃ，８Ｄ 排気通路
１１ ガス燃料供給源
２２ ＣＯ２ 通路
２３ 酸素除去装置
２４ 警報手段
４４ ケーシング
４５ 入口
４６ 出口
４７ 非導電性ガスケット
４８ 多孔質カーボン部材
４９ 電源装置
５０ コントローラ
Claims (6)
- エンジンから排出される排気ガスが流れる排気通路に設けられたＣＯ２ 分離器によって前記排気ガスから分離されたＣＯ２ を用いて天然ガス中のＣＨ４ を改質ガスに変換する天然ガス改質装置において，前記ＣＯ２ 分離器を通過したＣＯ２ を含む分離ガスが流れるＣＯ２ 通路に配置され且つ前記分離ガスが流入する入口と流出する出口を有するケーシング，前記ケーシング内に非導電性ガスケットを介して支持され且つ前記分離ガスが通過する多孔質カーボン部材，及び前記分離ガス中のＯ２ を前記多孔質カーボン部材のカーボンと反応させてＣＯ，ＣＯ２ に変換させるため前記多孔質カーボン部材を通電加熱する電源装置，から成る酸素除去装置。
- 前記多孔質カーボン部材の電気抵抗値の検出によって前記多孔質カーボン部材中のカーボン量を検出し，前記多孔質カーボン部材の前記カーボン量が所定量以下に低減したことに応じて警報を発することから成る請求項１に記載の酸素除去装置。
- ＣＨ４ を主成分とする天然ガスを収容したガス燃料供給源，前記ガス燃料供給源から供給されるＣＨ４ をエンジンから排出される排気ガスによって熱分解して改質ガスに変換させる排気通路に配置された天然ガス改質装置，前記改質ガスを前記エンジンへ供給する改質ガス供給装置，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，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 分離器，及び前記排気ガスから分離されたＣＯ２ を含む分離ガスを前記天然ガス改質装置に供給するＣＯ２ 通路に配置された請求項１に記載の酸素除去装置，から成るガスエンジン。
- 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３に記載のガスエンジン。
- 前記ＣＯ２ 分離器は，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分離膜で構成されている請求項３に記載の天然ガス改質装置を備えたガスエンジン。
- 前記天然ガス改質装置は，触媒としてＮｉ又はＰｔを使用してＣＨ４ とＣＯ２ とを反応させてＣＯとＨ２ に熱分解することから成る請求項３に記載のガスエンジン。
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