JP3793483B2 - 三種混合装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、三種混合装置の技術分野に属する。
【0002】
【従来の技術】
消化ガス(生ゴミ、畜産廃棄物などから得られ、バイオガスとも称される。)を収集してエネルギーを得るプラントは、消化ガスの供給量が不安定なために、装置を大型化することによって、所定量の消化ガスの供給を確保するようにしていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
生ゴミなどから得られる消化ガスを有効活用することは、環境問題への貢献となる。そこで、小規模な工場や店舗でも使用できる小型の消化ガスプラントを開発することにしたが、消化ガスプラントでは、消化ガスの供給量が変動するので、従前から使用していたガス発電機などを安定的に動作させることは難しい。本発明では、消化ガスにLPGガスと空気とを混合するようにしたところ、当該ガス発電機が良好に動作する混合比を定め、消化ガス、LPGガス、空気との三種混合装置を作るとの課題を掲げた。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、上述の課題は、前記特許請求の範囲に記載した手段にて達成される。すなわち、請求項1の発明は、LPGガスと、消化ガスと、空気とを混合する装置であって、消化ガスの供給が途絶えたときにおけるLPGの混合比を0.52〜0.62とし、かつ、空気の混合比を0.48〜0.38とし、また、消化ガスが供給されているときにおけるLPGガスの混合比をおおむね変化させずに0.51〜0.57とし、かつ、空気と消化ガスとを合わせた混合比を0.49〜0.43とする三種混合装置であり、請求項2の発明は、前記LPGガスをミキサー噴射ノズルから噴射し、前記消化ガスと、空気とをミキサー吸引部より吸引するベンチュリーミキサーを擁した三種混合装置であり、請求項3の発明は、混合された三種のガスを燃焼し、発電を行うガス発電機を合体させた三種混合装置である。
【0005】
【発明の実施の形態】
図1に、プラント構成の一例を示す。図1において、LPG貯槽10には、約101MJの熱量を擁するLPGガスが貯蔵され、小型タンク11には、最大21.2MJ〜30.46MJの熱量を擁する消化ガスが貯蔵される。エアフィルター12からは、空気が吸引される。ベンチュリーミキサー13は、これらのLPGガスと消化ガスと空気との三種のガスを所定の混合比で混合して、混合ガスを放出し、ミキシングタンク14には、ベンチュリーミキサー13から放出される混合ガスが貯蔵される。混合ガスは、約62MJの熱量を擁し、ガス発電機15にガス燃料を供給する。
【0006】
図2に、ベンチュリーミキサーの構造説明図を示す。当例における混合器は、設備が簡易であることと、大気及び極大気圧に近い消化ガスを混合させることから、ベンチュリーミキサーを採用した。ベンチュリーの能力は、噴射ガスと吸引ガスの種類による絞り部直径(Dφ)と、噴射ノズル直径(dφ)との比より決定されるが、ここでは、LPGガスの流速を音速とすることで吸引力を一定とし、混合比の安定化を図っている。図2において、噴射ノズルからは、LPGガスが噴射し、ベースとなる空気はベンチュリー本体のミキサー吸引部を大気圧力以下として吸引し、LPGガスとの基本流量を設定する。さらに、ミキサー吸引部に消化ガスラインを接続して消化ガスを吸引し、三種のガスを混合させる。ベンチュリーミキサーの出口圧力は最高80Kpaまで可能であり、必要出口圧力からLPGガスの供給圧力を決定することにより、その最高値までの任意の圧力に対応できる。
【0007】
ベンチュリーミキサーにより、省エネルギー化が実現された。ベンチュリー型は、LPGガスをノズルから音速になる圧力で噴射することで、消化ガス及び空気を一定に吸引することができる。LPGガスの圧力は、ミキサー出口圧力により決定されるが、吸引する消化ガス及び空気の圧力は、噴射するLPGガスの割合が60%以上でミキサー出口圧力が80KPa未満の条件で、大気圧以上で有れば可能であるために昇圧する必要が無い。また、ミキサー出口圧力が80KPa以上必要な時は、消化ガス及び空気を昇圧することで対応でき、この場合でも、吸引する被混合ガスの圧力はミキサー出口圧力以下でも可能である。
【0008】
ベンチュリーミキサーにより、多種のガスの混合が容易にできた。本発明では、一台のミキサーでLPGガスの噴射エネルギーにより二種類以上のガスを吸引する。吸引量は、LPGガスと被混合ガス合計との質量比により決定される。この特長を利用し、試験を重ねた結果、最適な形状のベンチュリーミキサーを開発した。ベンチュリーの形状は、ノズル口径と絞り部分の口径との比で吸引量が決定されると共に、ノズルの位置及びスロート部の寸法で性能が左右される。一般的にベンチュリーミキサーは、吸引ガスは一種類であったが、本発明により、多種のガスの混合の安定化も可能とした。
【0009】
ベンチュリーミキサーにより、混合運転の安定化が実現された。三種ガス混合運転時に、LPGガスと空気の組成が一定の条件で、消化ガスの組成が10%前後変化しても、定められた燃焼範囲での混合を可能とすることができた。また、LPGガス54%、消化ガス(メタン主成分のバイオガス)23%、空気23%のような条件下で、消化ガスが無くなり、二種混合運転状態となった場合でも、定められた燃焼範囲を保つことができた。すなわち、混合運転時に、消化ガスが無くなったときには、空気の吸引量を消化ガスの質量に相当する量だけ増大させ、二種混合ガスでのガスの性状を所望の燃焼範囲内とする。このときの切替えは、ベンチュリーの特性から手を加えることなく自然に切り替わる。その後、消化ガスが復帰したときも、そのまま三種混合運転に移行される。
【0010】
図1に示すように、消化ガスラインにはゼロガバナーを設置し、消化ガスの圧力が一定のしきい値以下になったときにバルブを閉じ、消化ガスの供給を停止する。そのしきい値を、空気の圧力より若干プラス圧力とすることにより、バイオガスの吸引量に対し、ほぼ同等の算量分空気が低下し、バランスする。これにより、四つ目のガスを混合させることなども可能である。
【0011】
ガス混合装置の開発において、その使用目的が、自家用ガス燃焼機器のガスに、生塵発酵の炭化水素を主成分としたガスなどの消化ガスを混合し、多種のガスの混合によって、現存する機器の運転を円滑に行うことより、ベンチュリーミキサーで三種のガスを混合する条件を、以下のように決定した。
【0012】
一般的なガスの燃焼器具機器は、ガス事業法にあわせて作られているので、汎用のガス燃焼器具機器を使用する場合は、ガス事業法に合わせたガスが必要になる。ガス事業法は、ガスの燃焼において良好な燃焼が行われるように、ガスの熱量及び組成の変動幅を許容する燃焼性の燃焼範囲を、ガスグループ別に分類していて、この燃焼性を表す指標は、ガスの熱量と比重の二乗比によるWI(ウオッベ指数:数式1)と、ガスの組成より算出するMCP(燃焼速度:数式2)による。
【数1】
【数2】
【0013】
ガス混合装置の供給ガス機器の対象は、汎用品の大多数を占める天然ガスを主成分とするガスグループとする。消化ガスを混合する場合に、消化ガス組成は条件によって変動するけれども、その変動が生じても、対象ガスグループを満足することが必要になる。また、消化ガスが途絶えた場合においても混合ガスの燃焼性を維持することが要求される。これらの条件を満足するべく混合させるガスの種類を三種類として、切替操作をすることなく連続で混合可能な装置とする。
【0014】
第一のガスグループは、MCPが34〜47、WIが49.2〜53.8のガスグループであり、消化ガスが変化した場合も、途絶えた場合においても、この範囲を維持することが要求される。当例では、二通りのLPGガスを用いて、混合比の設定方法を研究した。
【0015】
まず、噴射ノズルから噴射するLPGガスを、プロパン80%及びブタン20%とし、吸引する消化ガスは、消化ガス発生器の標準組成を基準値とした。図3に、第一のガスグループの燃焼性の実験結果を示す。図3において、燃焼性○Aは、その基準値であり、初期の燃焼性を示し、燃焼性○B、○C、○Dは、その経時的な変化を示し、燃焼性○aは、消化ガスが途絶えたときの燃焼性を示す。
【0016】
表1に、燃焼性○Aの詳細データを示す。噴射するLPGガスは、80%のC3H8と、10%のnC4H10と、10%のiC4H10とでなり、熱量は、107.79MJである。吸引する消化ガスは、58%のCH4と、25.5%のCO2と、9%のH2と、6.5%のN2などでなり、熱量は、24.36MJである。ノズルから噴射するLPGガスを56.0%とし、吸引する消化ガスを8.72%とし、空気を35.28%としたところ、MCP39.40,WI53.19の三種混合ガスが得られた。
【表1】
【0017】
表2に、燃焼性○Bの詳細データを示す。噴射するLPGガスは、燃焼性○Aと同じで、熱量は、107.79MJである。吸引する消化ガスは、67.7%のCH4と、20.9%のCO2と、4%のH2と、6.6%のN2などでなり、熱量は、27.57MJである。ノズルから噴射するLPGガスが55.87%に、吸引する消化ガスが8.93%に、空気が35.20%になったところ、MCP39.43,WI53.43の三種混合ガスが得られた。
【表2】
【0018】
表3に、燃焼性○Cの詳細データを示す。噴射するLPGガスは、燃焼性○Aと同じで、熱量は、107.79MJである。吸引する消化ガスは、49%のCH4と、30%のCO2と、10%のH2と、7%のN2などでなり、熱量は、21.22MJである。ノズルから噴射するLPGガスが56.31%に、吸引する消化ガスが8.21%に、空気が35.48%になったところ、MCP39.37,WI53.00の三種混合ガスが得られた。
【表3】
【0019】
表4に、燃焼性○Dの詳細データを示す。噴射するLPGガスは、燃焼性○Aと同じで、熱量は、107.79MJである。吸引する消化ガスは、75.2%のCH4と、14.3%のCO2と、3%のH2と、6.5%のN2などでなり、熱量は、30.46MJである。ノズルから噴射するLPGガスが55.46%に、吸引する消化ガスが9.6%に、空気が34.94%になったところ、MCP39.56,WI53.65の三種混合ガスが得られた。
【表4】
【0020】
表5に、燃焼性○aの詳細データを示す。噴射するLPGガスは、燃焼性○Aと同じで、熱量は、107.79MJであり、吸引する消化ガスは、途絶えている。ノズルから噴射するLPGガスが57.05%に、吸引する空気が42.95%になったところ、MCP40.23,WI51.83の三種混合ガスが得られた。
【表5】
【0021】
次に、噴射ノズルから噴射するLPGガスを、プロパン50%及びブタン50%とし、吸引する消化ガスは、消化ガス発生器の標準組成を基準値とした。図3において、燃焼性○Eは、その基準値であり、初期の燃焼性を示し、燃焼性○F、○G、○Hは、その経時的な変化を示し、燃焼性○bは、消化ガスが途絶えたときの燃焼性を示す。
【0022】
表6に、燃焼性○Eの詳細データを示す。噴射するLPGガスは、50%のC3H8と、25%のnC4H10と、25%のiC4H10とでなり、熱量は、117.43MJである。吸引する消化ガスは、58%のCH4と、25.5%のCO2と、9%のH2と、6.5%のN2などでなり、熱量は、24.36MJである。ノズルから噴射するLPGガスを51.0%とし、吸引する消化ガスを7.77%とし、空気を41.23%としたところ、MCP38.54,WI51.46の三種混合ガスが得られた。
【表6】
【0023】
表7に、燃焼性○Fの詳細データを示す。噴射するLPGガスは、燃焼性○Eと同じで、熱量は、117.43MJである。吸引する消化ガスは、67.7%のCH4と、20.9%のCO2と、4%のH2と、6.6%のN2などでなり、熱量は、27.57MJである。ノズルから噴射するLPGガスが50.89%に、吸引する消化ガスが7.96%に、空気が41.15%になったところ、MCP38.57,WI51.67の三種混合ガスが得られた。
【表7】
【0024】
表8に、燃焼性○Gの詳細データを示す。噴射するLPGガスは、燃焼性○Eと同じで、熱量は、117.43MJである。吸引する消化ガスは、49%のCH4と、30%のCO2と、10%のH2と、7%のN2などでなり、熱量は、21.22MJである。ノズルから噴射するLPGガスが51.25%に、吸引する消化ガスが7.31%に、空気が41.44%になったところ、MCP38.51,WI51.29の三種混合ガスが得られた。
【表8】
【0025】
表9に、燃焼性○Hの詳細データを示す。噴射するLPGガスは、燃焼性○Eと同じで、熱量は、117.43MJである。吸引する消化ガスは、75.2%のCH4と、14.3%のCO2と、3%のH2と、6.5%のN2などでなり、熱量は、30.46MJである。ノズルから噴射するLPGガスが50.56%に、吸引する消化ガスが8.56%に、空気が40.88%になったところ、MCP38.69,WI51.86の三種混合ガスが得られた。
【表9】
【0026】
表10に、燃焼性○bの詳細データを示す。噴射するLPGガスは、燃焼性○Eと同じで、熱量は、117.43MJであり、吸引する消化ガスは、途絶えている。ノズルから噴射するLPGガスが51.85%に、吸引する空気が48.15%になったところ、MCP39.26,WI50.26の三種混合ガスが得られた。
【表10】
【0027】
第二のガスグループは、MCPが35〜47、WIが52.7〜57.8のガスグループであり、消化ガスが変化した場合も、途絶えた場合においても、この範囲を維持することが要求される。当例では、二通りのLPGガスを用いて、混合比の設定方法を研究した。噴射ノズルから噴射するLPGガスを、ほぼプロパンとし、吸引する消化ガスは、消化ガス発生器の標準組成を基準値とした。図4に、第二のガスグループの燃焼性の実験結果を示す。図4において、燃焼性○Jは、その基準値であり、初期の燃焼性を示し、燃焼性○K、○L、○Mは、その経時的な変化を示し、燃焼性○cは、消化ガスが途絶えたときの燃焼性を示す。
【0028】
表11に、燃焼性○Jの詳細データを示す。噴射するLPGガスは、98.8%のC3H8と、少量のnC4H10やiC4H10などでなり、熱量は、101.57MJである。吸引する消化ガスは、58%のCH4と、25.5%のCO2と、9%のH2と、6.5%のN2などでなり、熱量は、24.36MJである。ノズルから噴射するLPGガスを56.0%とし、吸引する消化ガスを21.96%とし、空気を22.04%としたところ、MCP38.93,WI54.87の三種混合ガスが得られた。
【表11】
【0029】
表12に、燃焼性○Kの詳細データを示す。噴射するLPGガスは、燃焼性○Jと同じで、熱量は、101.57MJである。吸引する消化ガスは、67.7%のCH4と、20.9%のCO2と、4%のH2と、6.6%のN2などでなり、熱量は、27.57MJである。ノズルから噴射するLPGガスが55.67%に、吸引する消化ガスが22.41%に、空気が21.91%になったところ、MCP38.98,WI55.49の三種混合ガスが得られた。
【表12】
【0030】
表13に、燃焼性○Lの詳細データを示す。噴射するLPGガスは、燃焼性○Jと同じで、熱量は、101.57MJである。吸引する消化ガスは、49%のCH4と、30%のCO2と、10%のH2と、7%のN2などでなり、熱量は、21.22MJである。ノズルから噴射するLPGガスが56.79%に、吸引する消化ガスが20.85%に、空気が22.36%になったところ、MCP38.86,WI54.37の三種混合ガスが得られた。
【表13】
【0031】
表14に、燃焼性○Mの詳細データを示す。噴射するLPGガスは、燃焼性○Jと同じで、熱量は、101.57MJである。吸引する消化ガスは、75.2%のCH4と、14.3%のCO2と、3%のH2と、6.5%のN2などでなり、熱量は、30.46MJである。ノズルから噴射するLPGガスが54.66%に、吸引する消化ガスが23.82%に、空気が21.52%になったところ、MCP39.28,WI56.06の三種混合ガスが得られた。
【表14】
【0032】
表15に、燃焼性○cの詳細データを示す。噴射するLPGガスは、燃焼性○Jと同じで、熱量は、101.57MJであり、吸引する消化ガスは、途絶えている。ノズルから噴射するLPGガスが61.77%に、吸引する空気が38.23%になったところ、MCP40.95,WI53.64の三種混合ガスが得られた。
【表15】
【0033】
以上、LPGガスを使用して実験を行ったが、LPGガスに代えて都市ガスを使用することも可能である。当実施の形態の欄外においては、LPGガスは、都市ガスを含む概念とする。
【0034】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による三種混合装置によれば、LPGガスをほぼ一定の混合比で供給し続けることができるので、消化ガスが変動した場合においても、WIやMCPをほぼ一定の範囲に納めることができる。従って、消化ガスを用いたプラントを小型化し、店舗や工場などの施設で、従前から使用していたガス発電機などを安定的に動作させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】プラント構成の一例を示す図
【図2】ベンチュリーミキサーの構造説明図
【図3】第一のガスグループの燃焼性の実験結果を示す図
【図4】第二のガスグループの燃焼性の実験結果を示す図
【符号の説明】
10 LPG貯槽
11 小型タンク
12 エアフィルター
13 ベンチュリーミキサー
14 ミキシングタンク
15 ガス発電機
Claims (3)
- LPGガスと、消化ガスと、空気とを混合する装置であって、消化ガスの供給が途絶えたときにおけるLPGの混合比を0.52〜0.62とし、かつ、空気の混合比を0.48〜0.38とし、また、消化ガスが供給されているときにおけるLPGガスの混合比をおおむね変化させずに0.51〜0.57とし、かつ、空気と消化ガスとを合わせた混合比を0.49〜0.43とする三種混合装置。
- 前記LPGガスをミキサー噴射ノズルから噴射し、前記消化ガスと、空気とをミキサー吸引部より吸引するベンチュリーミキサーを擁した請求項1記載の三種混合装置。
- 混合された三種のガスを燃焼し、発電を行うガス発電機を合体させた請求項1記載の三種混合装置。
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