JP4200255B2 - 炭化水素を原料とした動力発生装置および方法 - Google Patents
炭化水素を原料とした動力発生装置および方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素原料を用いて動力を発生する動力発生装置および動力発生方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来より、石炭や重質油等の化石燃料を原料として電力、熱、動力を発生させることが広く実施されている。また廃棄物問題、環境問題から廃棄物を再利用することが進められており、その一つの方法として、ゴミ発電等がある。廃棄物には主に都市ゴミに代表される一般廃棄物と各産業セクターから排出される産業廃棄物がある。可燃性の廃棄物には汚泥、紙、プラスチック、木屑、廃油等が代表的であり、近年の再利用の主な対象である。これらは都市や工業地域、家庭が主な発生源であるが、これ以外にも農業、林業、漁業関係の分野からも、糞尿、廃棄木材、農耕廃棄物、漁業廃棄物等、いわゆる有機系のもの（以下、バイオマスと称す）が排出されており、これらの再利用も求められている。バイオマスの処理技術には、直接燃焼、熱分解、ガス化、液化、発酵等が代表的であり、これらの転換技術により、最終的には電力、燃料油、熱、化学製品等が製造される。この中で、木材等の植物系バイオマスを用いて発電する技術がある。
【０００３】
植物系バイオマスを用いて発電する方式には、１）燃焼して蒸気タービンで発電する、２）熱分解して燃料油を製造し、これを用いてボイラー又はガスタービン又はデイーゼルエンジンで発電する、３）ガス化してガスタービンで発電する、４）ガス化してガスエンジンで発電する、５）ガス化して生成ガスをボイラ燃料とする、等がある。
【０００４】
現時点では、1）は実用段階にある。２）については研究・開発途上であり、例えば、Proceedings of the 4th Biomass Conference of the Americas，Oakland,August,1999（文献１）には、熱分解油の品質向上法等が記載されている（p.1229〜p.1273）。３）については同じく文献１にガス化技術やガス精製技術が大型のプラントにより実証中であることが記載されている（p.1061〜p.1127）。
【０００５】
４）の方式は、古くはわが国で用いられた木炭自動車のシステムが該当し、例えば、塩ノ谷幸造著、木炭自動車、パワー社、1995年（文献２）に記載されている。これはガス発生炉、ガス清浄器、ガス冷却器、ガス混合器、エンジンで構成されており、ガス化に必要な空気は送風機でガス発生炉に導入される。木炭自動車は車を走らせることが目的であるが、これと基本的に同様なシステムで電力を発生させる方法が、上記文献１に記載されている（p.1026）。これは、熱分解装置、ガス化装置、ガス清浄器、ガス貯蔵タンク、内燃機関及び発電機より構成されている。ここでは内燃機関からの排気ガスを熱分解の熱源に用いている。ガス化剤の空気はガス化炉からの生成ガスと熱交換することで予熱し、ガス化炉へ供給している。また、同じく文献１に木材乾燥器、ガス化炉、脱塵器、ガス昇圧機、エンジン及び発電機より構成されるシステムが述べられている（p.1069）。ここでは、エンジンの排気ガスは木材乾燥の熱源に利用されている。またガス化剤の空気は独立した系統から供給される。さらに、おが屑を原料とし、発生したガスをガスエンジンに供して発電することが、上記文献２に記載されている（p.60）。ここではガス化に必要な空気はエンジンの吸引力を利用してガス発生炉に導入される。なお、原料は木材ではないが、古タイヤを、ガス発生塔、不純物除去装置、消臭・タール清浄器、貯蔵タンク、エンジン及び発電機で構成された装置で処理することが、特開平７−１１３０９２号公報に記載されている。ガス化剤の空気は送風機で供給している。
【０００６】
５）については、発電所で実証中であることが、例えば、Symposium of Power Production from BiomassIII,Gasification and Pyrolysis,September,Espo,1999（文献３）に記載されている。既設の微粉炭焚きボイラ又はガス焚きボイラにバイオマスのガス化ガスを供給することで、既設ボイラのリパワリングや燃料節約を目的としている（いわゆる混焼方式）。バイオマスを一旦ガス化するのは、ガス炊きボイラの場合は直接バイオマスを燃焼できないこと、また微粉炭焚きボイラではバイオマスの性状が微粉炭と異なり種々弊害が懸念されるため、とされている。特開昭６３−２１０１８８号公報には、同様にバイオマスをガス化して生成ガスをボイラで燃焼させるが、その際、ガス化剤の酸素源をガスタービン燃焼排ガスとすることが記載されている。これは、バイオマス、特に木質系燃料は原料自体にガス化剤として機能する水分、酸素を保有していることから比較的低温でガス化し易いこと、一方、ガスタービンの排気ガスは一般に５００〜６００℃であると同時に、酸素をかなり（例えば１５％）含んでおり、ガス化剤の補助剤の役割がある、という知見に基づいている。
【０００７】
これらの発電方法において、蒸気タービンやガスタービンは大型ほど熱効率が高いので、１）や３）の方式は、木材を多量に集積することが比較的容易にできるところに立地されている。一方、木材が偏在しており、多く集積しようとするほど集積や輸送のコストが嵩む場合は、小規模でも熱効率が高いガスエンジンを用いた４）の方式が好適である。５）の場合でも、既設ボイラーは中、大規模の出力であるが、全体の燃料に対してバイオマス自身の量は原料の割合で3〜１５％程度である。
【０００８】
なお、特開平８−２５２８２４号公報には、廃棄プラスチックを熱分解して燃料油やガスを得、これを熱機関で使用して電力を製造する際に、熱機関からの排出熱を廃棄プラスチック熱分解の加熱源にすることが記載されているが、ここでは排ガスの熱のみを利用するもので、ガス化剤そのものに利用するものではない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように植物系バイオマス利用の発電では、原料処理量と発電効率の観点で熱機関の使い分けがあるが、バイオマス単独の場合は、いずれにしても分散電源としての役割を担うのが好適でる。この場合、大規模発電と比較して電力単価を下げることが課題であり、このためには発電効率の一層の向上と設備費の低減が重要である。特に上記２）〜５）の発電効率はガスエンジン、ガスタービンの熱効率とガス化効率の積になるので、ガス化効率の向上が望まれる。また、生成したガスの性状が内燃機関の良好な燃焼や出力に対してより適性にする余地がある。
【００１０】
設備面では、空気供給設備、ガス化炉、ガス精製装置、内燃機関、ボイラ等を具備しているが、より簡素な構成とするのがよい。特にガス化剤である空気を供給する設備の構成、仕様はガス化効率と設備費に大きく影響する。
【００１１】
ところで、上記特開昭６３−２１０１８８号公報では、ガスタービン排ガスをガス化剤に用いているので、特別の空気供給系統が不用である点で優れているが、生成ガスは内燃機関自身で使用するのではなくボイラ燃料としているので、その分、ガスタービン用の燃料が多く必要となり、ガス化効率を向上させる点では不利である。
【００１２】
本発明は、簡素な設備でガス化効率を向上させることのできる炭化水素を原料とした動力発生装置、および動力発生方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の動力発生装置は、炭化水素原料をガス化し可燃性ガスを発生するガス化手段と、このガス化手段で発生した可燃性ガスを精製するガス精製手段と、このガス精製手段で精製した可燃性ガスを燃料として駆動し、且つ補助燃料が供給可能な内燃機関と、この内燃機関で生じた燃焼排ガスの一部を冷却することなくガス化手段に導入する排ガス導入手段とを備えて前記燃焼排ガスの循環系を構成し、ガス化手段は、燃焼排ガスを炭化水素原料に接触させることによりガス化を行うことを特徴としている。
【００１４】
上記構成によれば、内燃機関で生じた燃焼排ガスの一部は排ガス導入手段によってガス化手段に導入され、炭化水素原料と接触して該炭化水素原料をガス化するので、特別なガス化剤供給源が不要となり、設備が簡単になると同時に、ガス化効率も向上できる。
【００１５】
また、本発明では、排ガス導入手段が、内燃機関の排気管を分岐してガス化手段に接続された排ガス導入配管と、排気管の先端側に設けられ開口端が大気開放された排ガス放出配管とを有し、排ガス放出配管には、燃焼排ガスのガス化手段への導入量と大気中への放出量の分配割合を調節する燃焼排ガス分配弁が設けられていることを特徴としている。このように構成すれば、内燃機関からの高温の燃焼排ガスを冷却させることなく、かつ、ガス化にとって常に良好な条件でガス化手段に導入することができ、ガス化効率がより一層向上する。なお、燃焼排ガス分配弁の開度を小さくすれば、ガス化手段への燃焼排ガスの導入量は増加し、大気中への燃焼排ガスの排出量は減少する。逆に、燃焼排ガス分配弁の開度を大きくすれば、ガス化手段への燃焼排ガスの導入量は減少し、大気中への燃焼排ガスの排出量は増加する。
【００１６】
上記内燃機関はガスエンジンまたはガスタービンである。ガスエンジンの場合は、ガス精製手段の冷却系統はガスエンジンの冷却系統と接続され、ガスエンジン冷却系統に設けられた冷却手段によって冷却される。このようにすれば、冷却手段の設備を合理化することができる。
【００１７】
炭化水素原料としては、木材、プラスチック、紙、石炭、発熱量を有する産業廃棄物、発熱量を有する農耕生産物、種子類、油類、廃油及びこれら複数個の混合物が可能である。石炭の場合には揮発分が多い石炭が好適である。
【００１８】
上記動力発生装置の運転制御方法としては、内燃機関がガスエンジンの場合は次のように行う。すなわち、炭化水素原料をガス化し可燃性ガスを発生するガス化器と、このガス化器で発生した可燃性ガスを精製するガス精製装置と、このガス精製装置で精製した精製ガスを燃料とし、且つ補助燃料が供給可能なガスエンジンと、このガスエンジンで生じた燃焼排ガスの一部を冷却することなくガス化器に導入する排ガス導入配管とを備えて前記燃焼排ガスの循環系が構成され、燃焼排ガスのガス化器への導入量と大気中への放出量の分配割合を調節する燃焼排ガス分配弁とを備えた動力発生装置を運転する際に、ガスエンジンに設けられたスロットル弁の開度に比例させて、ガス化器への炭化水素原料の供給量を変化させることにより、ガスエンジン出力を調節すると同時に、ガス化器内の温度又は精製ガスの組成に応じて、燃焼排ガス分配弁の開度を調節することにより、ガス化器に導入する燃焼排ガス量を制御する。
【００１９】
また、内燃機関がガスタービンの場合は次のように運転制御を行う。すなわち、炭化水素原料をガス化し可燃性ガスを発生するガス化器と、このガス化器で発生した可燃性ガスを精製するガス精製装置と、このガス精製装置で精製した精製ガスを燃料とし、且つ補助燃料が供給可能なガスタービンと、このガスタービンで生じた燃焼排ガスの一部を冷却することなく前記ガス化器に導入する排ガス導入配管とを備えて前記燃焼排ガスの循環系が構成され、燃焼排ガスのガス化器への導入量と大気中への放出量の分配割合を調節する燃焼排ガス分配弁とを備えた動力発生装置を運転する際に、ガスタービンに設けられた燃料供給弁の開度に比例させて、ガス化器への炭化水素原料の供給量を変化させることにより、ガスタービン出力を調節すると同時に、ガス化器内の可燃性ガス温度又は精製ガスの組成に応じて、燃焼排ガス分配弁の開度を調節することにより、ガス化器に導入する燃焼排ガス量を制御する。
【００２０】
なお、上記の運転制御方法において、燃焼排ガスの酸素濃度を測定し、その測定値が所定値より小さくなった場合、内燃機関の空気吸入量を増加させる。
【００２１】
次に、本発明の原理と作用について木材を例として説明する。木材の性状の一例を、化石燃料と比較して表１に示す。乾燥した木材は瀝青炭に比べ灰分や硫黄分が少なく、重油並である。また酸素の割合が極めて多い。これらの性状はガスする場合に好都合である。なお、水分については、屋外にあったものを一旦１０５℃で乾燥し、その後室内で放置した状態で測定した結果である。
【００２２】
【表１】
【００２３】
最初に、このような原料を空気でガス化した場合の特性を図６に示す。ガス化器は流動層形式で、木材を一定量で連続的に供給し、空気量を変化させた場合である。空気は２０℃の場合と２８０℃予熱した場合である。横軸は空気量と木材量の比率(Nm３/kg)であり、縦軸はガス化器内温度及び、次式で定義した炭素ガス化率、冷ガス効率である。ガス化反応の基本はどちらの効率も高くすることである。
【００２４】
【数１】
【００２５】
空気を予熱しない場合、空気量を増やすと炭素ガス化率は増大するが冷ガス効率は低下した。空気量を増やすと燃焼が進むので炭素ガス化率は増大するが、生成ガス中のＣＯ２やＮ２の割合が多くなり発熱量が低くなるため、冷ガス効率は低下する。ガス化しなかった炭素は未反応の木材（以下、チャーと称す）と油状物（以降、タールと称す）である。空気を予熱すると、ガス化器の温度が高くなりガス化反応がより進むので、同じ空気量／木材量比でも炭素ガス化率や冷ガス効率は高くなった。
【００２６】
このような特性において、ガス化器の好適な操作条件は次のように決める。すなわち、冷ガス効率を高くするため少ない空気量でガス化するのが好ましいが、少なすぎると温度が低下する。このため、チャーやタールの割合が増える炭素ガス化率が低下する。タールの生成が多いと後続のガス精製装置の閉塞や内燃機関で付着、燃焼悪化という弊害をもたらし、好ましくない。したがって、好適な空気量はガス化温度や炭素ガス化率の観点で規定される。予熱しない空気の場合は例えばＡ点が、予熱した場合は例えばＢ点である。空気を予熱すると空気量が少ない所で操作が可能となり、高い冷ガス効率をもたらす。なお、図６の横軸の空気量／木材量比は酸素量／木材量比に置きかえることができる。すなわち、上記ガス化特性は酸素量／木材量比の変化によるものである。
【００２７】
次に内燃機関の燃焼排ガス性状がガス化剤になりうることについて説明する。上述の特開昭６３−２１０１８８号公報に記載されているように、例えば大型の高温・高効率ガスタービンでは天然ガスを用いた場合、排気ガスの温度は６００℃前後であり、また排ガス中の酸素濃度は１０〜１４％である。近年、１００ｋＷ程度またはそれ以下の超小型のガスタービンが開発中であるが、この場合は圧縮比は小さいので熱効率は低く、したがって排気ガスの温度は７００〜８００℃で、排ガス中の酸素濃度は１２〜１７％である。希薄燃焼を行うディーゼルエンジンの場合、天然ガスを燃料とした時には、例えば排気ガスの温度は６００℃前後であり、排ガス中の酸素濃度は８〜１２％である。このように内燃機関の燃焼排ガスは通常のガス／ガス熱交換器で得られるよりも高い温度であるが、当然ながら空気より酸素濃度は低い。
【００２８】
低濃度酸素のガス化剤を用いた時のガス化特性を図７に示す。ガス化剤量と木材の供給量の比率(Nm３/kg)およびガス化剤の温度が一定の場合、酸素濃度が低いガスほど、酸素量／木材量の値は小さくなり、図７で示したと同様、ガス化温度は下がり、ガス化効率も低下する。しかし、同じガス化剤量／木材量でも、ガス化剤の温度が高いほどガス化温度は高くなり、ガス効率も向上する。植物系バイオマスは表１に示したように、自身酸素を多く含んでいるので、本来少ない酸素量でガス化できるものであるが、少ない酸素量ゆえガス化温度が上がりにくい。それをガス化剤の顕熱で補うことにより温度の確保が可能となり、良好なガス化が行える。上記の例で挙げた燃焼排ガス温度や酸素濃度は天然ガスの場合であり、木材のガス化ガスを燃焼した時の温度や酸素濃度がどの程度になるかは知られていない。本発明では、そのようなガスでもガス化が高効率で行える条件にあることを見出したものである。なお、図７において、酸素濃度が低すぎる場合にはガス化剤の温度が高くても好適なガス化温度は維持できない。このような限界が存在するので、内燃機関はできるだけ希薄燃焼を行うのが好ましい。このため、燃焼排ガスの酸素濃度を測定し、その測定値が所定値より小さくなった場合、内燃機関の空気吸入量を増加させるようにした制御方法を採用している。
【００２９】
最後に、内燃機関でうまく燃焼できる性状のガスを得る原理について説明する。
ガスに要求される性状で一番重要なのはガス発熱量である。ガスエンジンの場合にはこれにノック性が加味される。発熱量が低すぎると、失火や出力低下、燃焼温度の低下による熱効率の低下を招くので、一定以上の発熱量のガスを製造することが必要である。一定以上の発熱量を確保するということは、前述の(２)式で示したように、冷ガス効率をできるだけ高くすることである。すなわち、図６および図７で説明したような高い効率が得られる好適な条件を維持することが、ガス発熱量を確保することであり、内燃機関にとって好適な性状のガスを発生させることである。燃焼排ガスには酸素以外に Ｎ２,ＣＯ２,Ｈ２Ｏが含まれるが、最も濃度が高いのはＮ２なので、ガス発熱量はガス中の窒素濃度に強く影響される。本発明ではある窒素濃度Ｃｉｎの燃焼排ガスがガス化炉に入り、ここで生成ガスと混ざり、窒素濃度Ｃｏｕｔのガスとなり、このガスを燃料にして内燃機関を作動させ、窒素濃度Ｃｉｎ’の排ガスを再びガス化剤に用いる、という循環を繰り返す。このような循環系において、好適なガス化条件を維持することが重要で、その方法は次のようである。まず、図６に示したように原料とガス化剤の割合を適性にすることが重要である。適性かどうかは、ガス化器の温度で判断する。原料供給量が一定の場合、ガス化剤量が多すぎると温度が上がり、ガス発熱量は小さくなり、冷ガス効率は下がる。このため、燃焼排ガス分配弁の開度を開き、ガス化器へ流れる排ガス量を少なくする。これによりガス発熱量は増大し、ガス効率は高くなる。このようにして、ガス化器の温度が常に一定の範囲に収まるよう、分配弁を調節する。
【００３０】
好適なガス化状態はガス化器温度以外に、ガス化ガスの組成を検知しても判断できる。ガス化剤量が多いと、ガス中のＣＯ２濃度が増え、ＣＯ、Ｈ２濃度が減少する。これを検出して分配弁を調節してもよいが、ガス化温度の方が、ガス化剤量の変化に対して感度が高いので、検出因子としては好適である。
【００３１】
以上のようにしても、ガス発熱量が低く内燃機関の作動に支障をきたす場合は、そもそも燃焼排ガス中の窒素濃度が高い場合なので、内燃機関への空気供給量を減らす。しかし、内燃機関の空気量は内燃機関の作動に最も好適な条件で決めるので、おのずと限界がある。前述したように、内燃機関は出きるだけ希薄燃焼し、酸素濃度が高く、窒素濃度が低くなるものが好適である。なお、内燃機関の出力を変更する方法は、ガスエンジンの場合はスロットル弁の開度に、またガスタービンの場合は燃料ガス調節弁の開度に比例して、ガス化装置への原料供給速度をそれぞれ変化させることにより行う。
【００３２】
本発明で対象となるガスは都市ガスに比べるとメタンガス等の炭化水素ガスの濃度が低いのでオクタン価が低くなるが、点火プラグの設置、点火時期の調整、圧力の設定など、エンジンの仕様によってある範囲でノッキング対策が可能である。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。なお、原料には前述した表１に示した性状のカラマツを用いている。
図１は本発明に係る動力発生装置の基本システムを示している。本動力発生装置は、内燃機関１０、発電機２０、燃焼排ガス分配弁１５、ガス化器３０、原料供給機４０、ガス精製装置５０、および補助燃料供給装置６０を備えている。
内燃機関１０の排気管は分岐して、一方はガス化器３０に接続され、他方は開口端が大気開放されている。そして、内燃機関１０から排出された燃焼排ガス１１は、ガス化器３０へ流れるガス化剤１３と大気放出ガス１２に分岐される。ここでは、ガス化剤１３が流れるラインが排ガス導入配管で、大気放出ガス１２が流れるラインが排ガス放出配管である。燃焼排ガス分配弁１５は排ガス放出配管に設けられ、燃焼排ガスのガス化器３０への導入量と大気中への放出量の分配割合を調節する。この分配割合は、燃焼排ガス分配弁１５の開度を調節して行う。すなわち、燃焼排ガス分配弁１５の開度を小さくすると、排ガス放出配管内におけるガス抵抗が増えるので、ガス化器３０に導入される燃焼排ガスの流量が増加し、大気中へ放出される燃焼排ガスの流量が減少する。逆に、燃焼排ガス分配弁１５の開度を大きくすると、排ガス放出配管内におけるガス抵抗が減るので、ガス化器３０に導入される燃焼排ガスの流量が減少し、大気中へ放出される燃焼排ガスの流量が増加する。なお、ガス化剤１３の温度は高い方が好ましいので、排ガス導入配管はできるだけ断熱状態に保つ必要がある。
【００３４】
ガス化器３０では、原料２がガス化剤１３に直接接触してガス化される。原料２は原料供給機４０により供給量が制御される。ガス化器３０には様々な形式がある。本実施の形態には公知のどの形式でも適用が可能であるが、できるだけタールが発生しない形式が好ましい。原料２には灰分等の無機物が含まれている場合があるが、この無機物は、ガス化器３０において固形残渣３２として分離されガス化器３０から連続的に排出される。
【００３５】
原料２はガス化器３０でガス化され、ガス化ガス３１としてガス化器３０からガス精製装置５０に導入される。ガス精製装置５０に導入されたガス化ガス３１は、ガス精製装置５０でサイクロンやフィルタ等の乾式法によりダスト５４が除去される。また、ガス化ガス３１を内燃機関１０で燃焼させる際に、ガス化ガス３１中の水分が弊害となる場合には、ガス精製装置５０でガス化ガス３１を洗浄し、水分を排水５５として取り出す。精製されたガス５６は内燃機関１０の燃料供給管に導入される。なお、補助燃料供給装置６０は本動力発生装置の起動用に用いられる。
【００３６】
次に、図２は内燃機関がガスエンジンの場合の例である。この動力発生装置は、空気・燃料ガス混合器５、スロットル弁７、空気流量調節器８、ガスエンジン１０、ラジエータ１４、発電機２０、燃焼排ガス分配弁１５、ガス化器３０、ガス化器温度センサ３５、原料供給機４０、ガス冷却器５１、脱塵装置５２、ガス浄化装置５３、補助燃料供給装置６０、酸素センサ９０、制御装置１００、およびガス分析計１１０を備えている。
【００３７】
ガスエンジン１０としては、例えば希薄燃焼のディーゼルエンジンであり、作用は従来例と同様である。すなわち、精製ガス５６は空気・燃料ガス混合器５のベンチュリ部に吸引されて空気１と混合される。空気・燃料ガス混合器５へ導入される空気１の流量は、空気流量調節器８で調節される。スロットル弁７はガスエンジン１０の出力を変えるもので、この開度を大きくすると、空気量すなわち空気・燃料混合ガス６の流量が増える。混合ガス６は吸気管内を流れガスエンジン１０に供給される。ガスエンジン１０からの燃焼排ガス１１の温度は、例えば５８０℃である。ガスエンジン１０にはラジエータ１４を有する冷却系統が設けられており、この冷却系統はガス冷却器５１の冷却系統に接続されている。そして、ラジエータ１４によって冷却された冷却水１６がガスエンジン１０とガス冷却器５０間を循環して、ガスエンジン１０およびガス冷却器５０を冷却する。
【００３８】
ガスエンジン１０出口の排気管には酸素センサ９０が設置され、燃焼排ガス１１中の酸素量が検出され、その検出信号は制御装置１００に入力される。ガスエンジン１０出口の排気管には、排気管から分岐してガス化器３０に接続された排気ガス導入配管と、排気管の先端側に接続され開口端が大気開放された排ガス放出配管と、が設けられている。そして、燃焼排ガス１１は、その一部が排ガス導入配管を通ってガス化剤１３としてガス化器３０へ導入される。排ガス放出配管の低温部分には通常のバタフライ弁からなる燃焼排ガス分配弁１５が設置されており、この燃焼排ガス分配弁１５の開度を調節することにより、ガス化器３０へのガス化剤１３の導入量を制御する。
【００３９】
一方、原料２は図示していないバンカから原料供給機４０に送られ、原料供給機４０で流量が調節されてガス化器３０に供給される。原料供給機４０には、スクリューフィーダ、ロータリーフィーダまたはピストンフィーダ等公知の供給装置が設置されており、この供給装置の回転数を変えることにより原料２の供給量を変化させる。
【００４０】
ガス化器３０の内部には流動層に近いものが形成され、原料２がガス化剤１３に直接接触してガス化される。ガス化器３０にはガス化器３０内のガス温度を検出するガス化器温度センサ３５が設けられ、その検出信号は制御装置１００に入力される。ガス化で発生する固形残渣３２は原料供給と同様な装置によりガス化器３０から連続的に排出される。
【００４１】
ガス化器３０からのガス化ガス３１は温度が８００〜９００℃と高温なため、ガス冷却器５１に通されて冷却される。ガス冷却器５１は単純な２重管熱交換器で、内管にガス化ガス３１が、外管に冷却水１６が通るようになっている。冷却水１６は前述のガスエンジン１０の冷却水が使用される。これにより、ガス化ガス３１は２００〜３００℃に冷却される。
【００４２】
次に、ガス冷却器５１で冷却されたガス化ガス３１は脱塵装置５２に導入され、ガス中のダスト５４が分離される。脱塵装置５２としては、サイクロン、フィルタ、充填層等公知のものでよいが、後続の空気・燃料ガス混合器５での吸引動力を軽減するためには、できるだけ圧力損失の少ないものが好ましい。続いて、ガス化ガス３１はガス洗浄装置５３に導入され精製される。ここでは、脱塵装置５２では除去できない水分やタール等５５が回収される。
【００４３】
ガス洗浄装置５３で精製された精製ガス５６は空気・燃料ガス混合器５へ導入される。このとき、精製ガス５６のガス成分はガス分析計１１０で分析され、その分析結果の信号は制御装置１００に入力される。空気・燃料ガス混合器５においては、精製ガス５６と空気１が混合され、空気・燃料混合ガス６としてスロットル弁７を介してガスエンジン１０に供給される。空気・燃料ガス混合器５に流入する空気１の流量は、空気流量調節器８により調節される。
【００４４】
本動力発生装置の起動時には補助燃料供給装置６０が用いられる。補助燃料としては気体が望ましく、例えば天然ガスや液体プロパンガス等で、ボンベから供給される。補助燃料の供給量は、補助燃料調節弁６１によって調節される。
【００４５】
制御装置１００には、上述したように、ガス化器温度センサ３５、酸素センサ９０、およびガス分析計１１０からの信号が入力されており、制御装置１００は、これらの信号に基づいて、スロットル弁７と燃焼排ガス分配弁１５の開度、空気流量調節器８での空気流量、および原料供給機４０での原料供給の制御を行い、本動力発生装置全体を最適な運転条件に維持する。
【００４６】
次に本動力発生装置の運転・制御方法について説明する。運転にあたっては、ガス化条件を最適に保ちつつ、必要な電力を発生させることが重要である。最初に燃焼排ガス分配弁１５は特定の開度に設定しておく。起動時には補助燃料供給装置６０を用いてガスエンジン１０を作動させ、燃焼排ガス１１の一部をガス化器３０に導入してガス化器３０や脱塵装置５２を暖める。
【００４７】
ガス化器３０内には前回の運転で残った流動媒体があるが、層内の温度が特定の温度になったら原料２の供給を開始する。特定の温度は原料によって異なるが、その原料のガス化が顕著に始まる温度で、例えば木材の場合は４００〜５００℃である。原料２の供給によりガス化器３０の温度は上昇する。ガス化器３０の温度がガス化に好適な温度になった時点で、調節弁６１を作動させて補助燃料からガスへの運転に切り変える。
【００４８】
出力を増やす場合は、スロットル弁７の開度を大きくするが、この際、開度と原料供給機４０の回転数を連動させ、スロットル弁７の開度を開くと、原料２の供給量が増大するに制御を行う。原料２を増大すると、精製ガス５６の量が増え、これによって燃焼排ガスの量が増大する。このとき、燃焼排ガス分配弁１５の開度は一定なので、ガス化器３０へ導入されるガス化剤１３の量も増大し、原料２の増量に見合ってガス化剤１３の量がよい条件に保たれる。ガス化条件が好適かどうかは、ガス化器温度センサ３５で検出したガス化器３１内の温度で判断し、この温度が規定温度内にあるように、例えば８５０±２０℃に制御する。ガス化器３０内の温度が前記温度範囲より低い場合は、ガス化剤３１の量が少ないので、燃焼排ガス分配弁１５を閉じ、ガス化器３０へ導入する燃焼排ガスの量を増やす。前記温度範囲より高い場合は、逆に燃焼排ガス分配弁１５を開く。以上のように、負荷変動はスロットル弁７とこれに連動した原料供給機４０の調節で行い、最適ガス化条件の設定は、ガス化器３０出口温度とこれに連動した燃焼排ガス分配弁１５の調整で行う。
【００４９】
表２は、図２の動力発生装置での運転結果の一例で実施例１として示してある。また表２には、２８０℃で予熱した空気を用いた場合の結果も比較例として示してある。１００％負荷時の原料供給量は約１０ｋｇ／ｈである。本動力発生装置では作動ガスが循環するので、起動してから暫くは各所の温度やガス組成が変動するが、分配弁の調節によりこれらを安定させた。
【００５０】
【表２】
【００５１】
実施例１で用いたガスエンジンの排ガス温度は５７０℃であった。ガス化器の温度は８７０℃前後であり、このとき、精製ガス中の窒素濃度は５４.８％となり、ガス発熱量は４.８９ＭＪ／Ｎｍ３となった。これをエンジンの燃焼用空気と混合すると、空気・燃料混合ガスの発熱量は２.４１ＭＪ／Ｎｍ３となり、このガスでエンジンは良好に作動した。なお、ダスト５４は木材の未燃焼分で微粒子で、発生量は原料木材の約０.１ｗｔ％であった。ガス洗浄装置５３からの排水５５にはタールが含まれていた。粘性は比較的低く、収率は原料木材の約０.５ｗｔ％であった。冷ガス効率は７５.６％となった。予熱空気でガス化した場合は、ガス化温度は実施例１に近い条件とした。空気を用いたので、精製ガス中の窒素濃度は４５.５％と実施例１より小さくなり、その結果、発熱量は６.６２ＭＪ／Ｎｍ３と高くなった。したがって、エンジンの作動、出力は良好であった。しかし冷ガス効率は６８.４％となり、実施例１より小さくなった。これはガス化温度を維持するため、実施例１より過剰の酸素量を要したからである。
【００５２】
図３は、実施例１において空気量１を一定にして、表２の場合よりも開度を狭くし、ガス化器へ流れるガス化剤の量を増やしたときの特性である。ガス化剤量が増えるに伴いガス化器の温度は上昇する。ガス化器に流れる窒素ガスの絶対量が増えるので、精製ガスの発熱量が下がりそれに伴い冷ガス効率も下がった。なお、このとき、空気・燃料混合ガスの発熱量もわずかに低下した。燃焼排ガス分配弁の開度を図３の横軸の範囲で変化させた場合、一番感度が高いのはガス化器出口温度であることがわかる。したがって、ガス化器温度を制御因子にするのが、高効率ガス化を維持するのに最も好適である。
【００５３】
内燃機関がガスエンジンの場合は小型でも熱効率が高く、発電効率も高くなる。中小の発電を考えた場合、植物系バイオマスのみをボイラで燃焼し蒸気タービンで発電した場合の効率は１５〜２０％である。これに対して、ガスエンジンの場合、天然ガスと比べれば発熱量が低いので出力的には不利になるが、それでも実施例１では２５％程度の発電効率となる。
【００５４】
図４は、内燃機関がガスタービンの場合の例である。この動力発生装置は、燃焼排ガス分配器１５、発電機２０、ガス化器３０、ガス化器温度センサ３５、原料供給機４０、ガス冷却器５１、脱塵装置５２、補助燃料供給装置６０、精製ガス加圧機７０、空気圧縮機８１、燃焼器８２、タービン８３、空気流量調節器８４、酸素センサ９０、および制御装置１００を備えている。
【００５５】
起動は既存のガスタービン起動法と同様であり、補助燃料供給装置６０からの気体補助燃料を用いる。空気圧縮機８１により空気１が吸引され、所定の圧力に加圧される。本実施の形態では超小型のガスタービンを対象とし、例えば燃焼器８２入口での０.３５ＭＰａに加圧される。また、空気圧縮機８１への空気１の流量は空気流量調節器８４により調節される。
【００５６】
空気圧縮機８１で加圧された空気は燃焼器８２に導入され、ここで精製ガス５６を燃焼させる。燃焼温度はタービンの仕様により種々異なるが、例えば８００〜１０００℃である。燃焼器８２での燃焼ガスはタービン８３に通して動力を回収する。タービン８３からの燃焼排ガス１１の温度もタービンの仕様で異なるが、例えば７００〜８００℃である。
【００５７】
タービン８３出口の排気管には酸素センサ９０が設置され、燃焼排ガス１１中の酸素量が検出され、その検出信号は制御装置１００に入力される。タービン８３出口の排気管には、排気管から分岐してガス化器３０に接続された排気ガス導入配管と、排気管の先端側に接続され開口端が大気開放された排ガス放出配管と、が設けられている。そして、燃焼排ガス１１は、その一部が排ガス導入配管を通ってガス化剤１３としてガス化器３０へ導入される。排ガス放出配管の低温部分には通常のバタフライ弁からなる燃焼排ガス分配弁１５が設置されており、この燃焼排ガス分配弁１５の開度を調節することにより、ガス化器３０へのガス化剤１３の導入量が制御される。
【００５８】
ガス化器３０内では、図２の場合と同様に、原料２がガス化剤１３に直接接触してガス化される。ガス化器３０内の温度はガス化気温度センサ３５で検出され、その検出信号は制御装置１００に入力される。ガス化器３０からのガス化ガス３１はガス冷却器５１へ導入され、ここでガス温度が２００〜３００℃に冷却される。この場合、冷却系統はガスタービン側からは得られないので、ガス化工程に独自に設けられている。
【００５９】
冷却されたガス化ガス３１は脱塵装置５２に導入され、ガス中のダストが除去される。ダスト除去の方式としては、サイクロン、フィルタなど、いわゆる乾式法である。ガス化ガス１３の温度は２００〜３００℃であるから、バグフィルタが適用できる。本実施の形態では、精製ガスガス加圧機７０があるので、図２のところでで言及した圧力損失に関しては特に制約はない。このようにして得られた精製ガス５６は精製ガス加圧機７０で加圧される。加圧の圧力はガスタービンの仕様に合わせて、たとえば０.４ＭＰａより僅かに高い圧力である。そして、加圧した精製ガス５６は弁７１で流量調節されつつガスタービンの燃焼器８２に導入される。
【００６０】
制御装置１００には、上述したように、ガス化器温度センサ３５および酸素センサ９０からの信号が入力されており、制御装置１００は、これらの信号に基づいて、燃焼排ガス分配弁１５の開度、原料供給機４０での原料供給、空気流量調節器８４での空気流量の制御を行い、本動力発生装置全体を最適な運転条件に維持する。
【００６１】
なお、本実施の形態では、脱塵した後の精製ガスの温度は脱塵装置の温度に近く、２００〜３００℃であった。表１に示したように、木材は硫黄分が少ないので、硫黄酸化物（Ｈ２Ｓ、ＣＯＳ）の発生が少なく、ガス化ガスからこれらの不純ガスを除去しなくても、環境上の規制を満たす場合がある。すなわち、ガス精製装置は乾式法が採用でき、これはガスタービンの効率向上に寄与する。規制が厳しい場合や、精製ガス中のタール分がタービンで弊害をもたらす程度に多い場合は、ガスエンジンの場合と同様、ガス洗浄工程を設ける必要がある。
【００６２】
次に、本動力発生装置の運転方法について説明する。運用にあたっては、ガスエンジンの場合と同様、ガス化条件を最適に保ちつつ、必要な消費電力を得ることである。最初に排ガス分配弁１５を特定の開度に設定しておく。起動はガスエンジンの場合と同様で、最初に補助燃料供給装置６０からの補助燃料を用いてガスタービンを起動し、ガス化器３０や精製工程を所定の温度に暖める。ガス化気０内の層内温度が約５００℃になったところで、原料２の供給を開始する。そして、ガス化器３０の温度が設定値になった時点で、補助燃料からガスに切り換える。
【００６３】
負荷を上げる場合は原料供給機４０を操作して原料を増やす。これにより燃焼排ガス１１の量が増大する。ガス化条件が適切かどうかは、ガスエンジンの場合と同様、ガス化器温度センサ３５によってガス化器３０内の温度を監視し、この温度が所定温度より高くなったら、制御装置１００は燃焼排ガス分配弁１５の開度を開け、ガス化器３０への燃焼排ガスの量を減らす。
【００６４】
表３は、図４の動力発生装置での運転結果の一例で実施例２として示してある。安定化の操作は実施例１と同様である。原料供給量は実施例１と同じく、１０ｋｇ／ｈとした。
【００６５】
【表３】
【００６６】
本実施例２では、ガスエンジンと違って、ガスタービン燃焼排ガス中の酸素濃度が高かったので、ガス化剤量は少なくてよい。ガス化器温度は制御の結果８４０℃程度となった。また燃焼排ガス中の窒素濃度が低いので精製ガス中の窒素濃度は低くなり、このため発熱量は約７ＭＪ／Ｎｍ３と、ガスエンジンに比べて高くなった。この程度の発熱量であれば、ガスタービンでの高温燃焼が可能であるが、用いたガスタービンは燃焼器の制約が９００℃程度なので、燃焼時の空気過剰率を高くする必要があり、その結果、燃焼排ガス中の酸素濃度が高くなったものである。冷ガス効率は７３.６％と、ガスエンジンに比べ小さくなった。本実施例２では、上記のようにガス化器へのガス化剤供給量が少なくなるが、このことでガス化器へ持ち込まれる顕熱が少なくなり、ガス化温度を維持するのにガスエンジンよりも多い酸素量を供給する必要があった。その結果,酸素量／木材量の比率がガスエンジンより大きくなり、図７で説明した原理により、冷ガス効率が下がったものである。それでも、表２で示した空気加熱法よりは高くなった。
【００６７】
図５は、実施例１の場合と同様に、空気１の量を一定にして、表３のときよりも開度を狭くし、ガス化器へ流れるガス化剤の量を増やしたときの特性である。実施例１と同様、ガス化剤量が増えるに伴いガス化器の温度は上昇する。また精製ガスの発熱量が下がり、それに伴い冷ガス効率も下がり、混合器発熱量も低下したが、その感度は実施例１より高い。燃焼排ガス分配弁の開度をこの程度変化させた場合、一番感度が高いのはやはりガス化器出口温度であることがわかる。
【００６８】
ガスタービン燃焼温度が１１００℃付近の場合、ガス化剤量は１３.８Ｎｍ３／ｈ、精製ガス発熱量は６.９ＭＪ／Ｎｍ３、冷ガス効率は７４.６％である。またガスタービン燃焼温度が１２００℃付近の場合、ガス化剤量１５.５Ｎｍ３／ｈ、精製ガス発熱量は６.６ＭＪ／Ｎｍ３、冷ガス効率は７５.５％である。実施例２のガスタービン燃焼温度９００℃程度の場合に比べると、燃焼排ガス１１中の酸素濃度が低いので、ガス化剤１３の量としては増やす必要があり、また精製ガスの窒素割合が増えるので発熱量は小さくなる。ただ、ガス化剤の供給量が増える分だけ持ち込む顕熱が増えるのでガス化温度は高くなりやすく、その分だけ、酸素量／木材量の割合は小さくでき、結果として冷ガス効率は高くなった。
【００６９】
なお、実施例２は超小型のガスタービンを例としたが、原理的には本発明は任意のガスタービン、例えば高温・高圧ガスタービンに適用できる。その場合には燃焼器圧力は高くなるので、精製ガス加圧機７０は高圧用が必要である。また高温燃焼をするため、空気１の量は相対的に少なくなり、燃焼排ガス１１中の酸素濃度は小さくなる。
【００７０】
内燃機関の大気へ放出する燃焼排ガス１２は温度が高く、その顕熱を利用することが考えられる。例えば、原料の乾燥である。本実施例２では表１に示したように、水分８％の原料であったが、一般に木材は２０〜６０％の水分を含む。ガス化するにはガス化温度の確保が需要なので、事前に乾燥させる必要があるが、本実施例２で排出する排ガスの熱量でこの範囲の水分を１０％程度まで乾燥できる。また超小型のガスタービンの場合には熱効率を上げるため、圧縮された空気と燃焼排ガスを熱交換して高温空気を得ることが知られている。本発明では、燃焼排ガスの一部をガス化剤に回すが、その量は全排ガス量の９〜１５％程度である。したがって、残りの排ガスは、空気を加熱にするのに充分な熱量を有しているので、いわゆる再生サイクルが実施できる。
【００７１】
実施例２では燃焼温度が低いものを対象にしたので、発電効率自体は１１％、再生サイクルの場合は２２％程度であった。熱効率は燃焼器温度に比例して高くなるので、より高温のガスタービンを用いれば、より高い効率が得られる。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ガス化の際に必要な空気供給設備が不要であり、内燃機関とガス製造装置のみの簡素な設備で、ガス化効率を向上させることができる。
【００７３】
また、植物系バイオマスは分散している一方、集めて大規模に発電するのは集積の経費が嵩み得策ではないが、本発明により、少量のものでも有効利用できるので、廃棄物問題やエネルギ問題の解消に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る動力発生装置の基本システムのフローダイアグラムを示した図である。
【図２】本発明をガスエンジンに適用した場合の動力発生装置のフローダイアグラムを示した図である。
【図３】実施例１の運転特性を示した図である。
【図４】本発明をガスタービンに適用した場合の動力発生装置のフローダイアグラムを示した図である。
【図５】実施例２の運転特性を示した図である。
【図６】原料を空気でガス化したときの特性図である。
【図７】低濃度酸素のガス化剤を用いたときのガス化特性図である。
【符号の説明】
１ 空気
２ 炭化水素原料
５ 空気・燃料ガス混合器
６ 空気燃料混合ガス
７ スロットル弁
８ 空気流量調節器
１０ 内燃機関（ガスエンジン、ガスタービン）
１１ 燃焼排ガス
１２ 大気放出ガス
１３ ガス化剤
１４ ラジエータ
１５ 燃焼排ガス分配弁
１６ 冷却水
２０ 発電機
３０ ガス化器
３１ ガス化ガス
３２ 固形残渣
３５ ガス化器温度センサ
４０ 原料供給機
５０ ガス精製装置
５１ ガス冷却器
５２ 脱塵装置
５３ ガス洗浄装置
５４ ダスト
５５ 排水
５６ 精製ガス
６０ 補助燃料供給装置
６１ 補助燃料調節弁
７０ 精製ガス加圧機
７１ 流量調節弁
８１ 空気圧縮機
８２ 燃焼器
８３ タービン
８４ 空気流量調節器
９０ 酸素センサ
１００ 制御装置
１１０ ガス分析計
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化水素原料を用いて動力を発生する動力発生装置および動力発生方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
従来より、石炭や重質油等の化石燃料を原料として電力、熱、動力を発生させることが広く実施されている。また廃棄物問題、環境問題から廃棄物を再利用することが進められており、その一つの方法として、ゴミ発電等がある。廃棄物には主に都市ゴミに代表される一般廃棄物と各産業セクターから排出される産業廃棄物がある。可燃性の廃棄物には汚泥、紙、プラスチック、木屑、廃油等が代表的であり、近年の再利用の主な対象である。これらは都市や工業地域、家庭が主な発生源であるが、これ以外にも農業、林業、漁業関係の分野からも、糞尿、廃棄木材、農耕廃棄物、漁業廃棄物等、いわゆる有機系のもの（以下、バイオマスと称す）が排出されており、これらの再利用も求められている。バイオマスの処理技術には、直接燃焼、熱分解、ガス化、液化、発酵等が代表的であり、これらの転換技術により、最終的には電力、燃料油、熱、化学製品等が製造される。この中で、木材等の植物系バイオマスを用いて発電する技術がある。
【０００３】
植物系バイオマスを用いて発電する方式には、１）燃焼して蒸気タービンで発電する、２）熱分解して燃料油を製造し、これを用いてボイラー又はガスタービン又はデイーゼルエンジンで発電する、３）ガス化してガスタービンで発電する、４）ガス化してガスエンジンで発電する、５）ガス化して生成ガスをボイラ燃料とする、等がある。
【０００４】
現時点では、1）は実用段階にある。２）については研究・開発途上であり、例えば、Proceedings of the 4th Biomass Conference of the Americas，Oakland,August,1999（文献１）には、熱分解油の品質向上法等が記載されている（p.1229〜p.1273）。３）については同じく文献１にガス化技術やガス精製技術が大型のプラントにより実証中であることが記載されている（p.1061〜p.1127）。
【０００５】
４）の方式は、古くはわが国で用いられた木炭自動車のシステムが該当し、例えば、塩ノ谷幸造著、木炭自動車、パワー社、1995年（文献２）に記載されている。これはガス発生炉、ガス清浄器、ガス冷却器、ガス混合器、エンジンで構成されており、ガス化に必要な空気は送風機でガス発生炉に導入される。木炭自動車は車を走らせることが目的であるが、これと基本的に同様なシステムで電力を発生させる方法が、上記文献１に記載されている（p.1026）。これは、熱分解装置、ガス化装置、ガス清浄器、ガス貯蔵タンク、内燃機関及び発電機より構成されている。ここでは内燃機関からの排気ガスを熱分解の熱源に用いている。ガス化剤の空気はガス化炉からの生成ガスと熱交換することで予熱し、ガス化炉へ供給している。また、同じく文献１に木材乾燥器、ガス化炉、脱塵器、ガス昇圧機、エンジン及び発電機より構成されるシステムが述べられている（p.1069）。ここでは、エンジンの排気ガスは木材乾燥の熱源に利用されている。またガス化剤の空気は独立した系統から供給される。さらに、おが屑を原料とし、発生したガスをガスエンジンに供して発電することが、上記文献２に記載されている（p.60）。ここではガス化に必要な空気はエンジンの吸引力を利用してガス発生炉に導入される。なお、原料は木材ではないが、古タイヤを、ガス発生塔、不純物除去装置、消臭・タール清浄器、貯蔵タンク、エンジン及び発電機で構成された装置で処理することが、特開平７−１１３０９２号公報に記載されている。ガス化剤の空気は送風機で供給している。
【０００６】
５）については、発電所で実証中であることが、例えば、Symposium of Power Production from BiomassIII,Gasification and Pyrolysis,September,Espo,1999（文献３）に記載されている。既設の微粉炭焚きボイラ又はガス焚きボイラにバイオマスのガス化ガスを供給することで、既設ボイラのリパワリングや燃料節約を目的としている（いわゆる混焼方式）。バイオマスを一旦ガス化するのは、ガス炊きボイラの場合は直接バイオマスを燃焼できないこと、また微粉炭焚きボイラではバイオマスの性状が微粉炭と異なり種々弊害が懸念されるため、とされている。特開昭６３−２１０１８８号公報には、同様にバイオマスをガス化して生成ガスをボイラで燃焼させるが、その際、ガス化剤の酸素源をガスタービン燃焼排ガスとすることが記載されている。これは、バイオマス、特に木質系燃料は原料自体にガス化剤として機能する水分、酸素を保有していることから比較的低温でガス化し易いこと、一方、ガスタービンの排気ガスは一般に５００〜６００℃であると同時に、酸素をかなり（例えば１５％）含んでおり、ガス化剤の補助剤の役割がある、という知見に基づいている。
【０００７】
これらの発電方法において、蒸気タービンやガスタービンは大型ほど熱効率が高いので、１）や３）の方式は、木材を多量に集積することが比較的容易にできるところに立地されている。一方、木材が偏在しており、多く集積しようとするほど集積や輸送のコストが嵩む場合は、小規模でも熱効率が高いガスエンジンを用いた４）の方式が好適である。５）の場合でも、既設ボイラーは中、大規模の出力であるが、全体の燃料に対してバイオマス自身の量は原料の割合で3〜１５％程度である。
【０００８】
なお、特開平８−２５２８２４号公報には、廃棄プラスチックを熱分解して燃料油やガスを得、これを熱機関で使用して電力を製造する際に、熱機関からの排出熱を廃棄プラスチック熱分解の加熱源にすることが記載されているが、ここでは排ガスの熱のみを利用するもので、ガス化剤そのものに利用するものではない。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように植物系バイオマス利用の発電では、原料処理量と発電効率の観点で熱機関の使い分けがあるが、バイオマス単独の場合は、いずれにしても分散電源としての役割を担うのが好適でる。この場合、大規模発電と比較して電力単価を下げることが課題であり、このためには発電効率の一層の向上と設備費の低減が重要である。特に上記２）〜５）の発電効率はガスエンジン、ガスタービンの熱効率とガス化効率の積になるので、ガス化効率の向上が望まれる。また、生成したガスの性状が内燃機関の良好な燃焼や出力に対してより適性にする余地がある。
【００１０】
設備面では、空気供給設備、ガス化炉、ガス精製装置、内燃機関、ボイラ等を具備しているが、より簡素な構成とするのがよい。特にガス化剤である空気を供給する設備の構成、仕様はガス化効率と設備費に大きく影響する。
【００１１】
ところで、上記特開昭６３−２１０１８８号公報では、ガスタービン排ガスをガス化剤に用いているので、特別の空気供給系統が不用である点で優れているが、生成ガスは内燃機関自身で使用するのではなくボイラ燃料としているので、その分、ガスタービン用の燃料が多く必要となり、ガス化効率を向上させる点では不利である。
【００１２】
本発明は、簡素な設備でガス化効率を向上させることのできる炭化水素を原料とした動力発生装置、および動力発生方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の動力発生装置は、炭化水素原料をガス化し可燃性ガスを発生するガス化手段と、このガス化手段で発生した可燃性ガスを精製するガス精製手段と、このガス精製手段で精製した可燃性ガスを燃料として駆動し、且つ補助燃料が供給可能な内燃機関と、この内燃機関で生じた燃焼排ガスの一部を冷却することなくガス化手段に導入する排ガス導入手段とを備えて前記燃焼排ガスの循環系を構成し、ガス化手段は、燃焼排ガスを炭化水素原料に接触させることによりガス化を行うことを特徴としている。
【００１４】
上記構成によれば、内燃機関で生じた燃焼排ガスの一部は排ガス導入手段によってガス化手段に導入され、炭化水素原料と接触して該炭化水素原料をガス化するので、特別なガス化剤供給源が不要となり、設備が簡単になると同時に、ガス化効率も向上できる。
【００１５】
また、本発明では、排ガス導入手段が、内燃機関の排気管を分岐してガス化手段に接続された排ガス導入配管と、排気管の先端側に設けられ開口端が大気開放された排ガス放出配管とを有し、排ガス放出配管には、燃焼排ガスのガス化手段への導入量と大気中への放出量の分配割合を調節する燃焼排ガス分配弁が設けられていることを特徴としている。このように構成すれば、内燃機関からの高温の燃焼排ガスを冷却させることなく、かつ、ガス化にとって常に良好な条件でガス化手段に導入することができ、ガス化効率がより一層向上する。なお、燃焼排ガス分配弁の開度を小さくすれば、ガス化手段への燃焼排ガスの導入量は増加し、大気中への燃焼排ガスの排出量は減少する。逆に、燃焼排ガス分配弁の開度を大きくすれば、ガス化手段への燃焼排ガスの導入量は減少し、大気中への燃焼排ガスの排出量は増加する。
【００１６】
上記内燃機関はガスエンジンまたはガスタービンである。ガスエンジンの場合は、ガス精製手段の冷却系統はガスエンジンの冷却系統と接続され、ガスエンジン冷却系統に設けられた冷却手段によって冷却される。このようにすれば、冷却手段の設備を合理化することができる。
【００１７】
炭化水素原料としては、木材、プラスチック、紙、石炭、発熱量を有する産業廃棄物、発熱量を有する農耕生産物、種子類、油類、廃油及びこれら複数個の混合物が可能である。石炭の場合には揮発分が多い石炭が好適である。
【００１８】
上記動力発生装置の運転制御方法としては、内燃機関がガスエンジンの場合は次のように行う。すなわち、炭化水素原料をガス化し可燃性ガスを発生するガス化器と、このガス化器で発生した可燃性ガスを精製するガス精製装置と、このガス精製装置で精製した精製ガスを燃料とし、且つ補助燃料が供給可能なガスエンジンと、このガスエンジンで生じた燃焼排ガスの一部を冷却することなくガス化器に導入する排ガス導入配管とを備えて前記燃焼排ガスの循環系が構成され、燃焼排ガスのガス化器への導入量と大気中への放出量の分配割合を調節する燃焼排ガス分配弁とを備えた動力発生装置を運転する際に、ガスエンジンに設けられたスロットル弁の開度に比例させて、ガス化器への炭化水素原料の供給量を変化させることにより、ガスエンジン出力を調節すると同時に、ガス化器内の温度又は精製ガスの組成に応じて、燃焼排ガス分配弁の開度を調節することにより、ガス化器に導入する燃焼排ガス量を制御する。
【００１９】
また、内燃機関がガスタービンの場合は次のように運転制御を行う。すなわち、炭化水素原料をガス化し可燃性ガスを発生するガス化器と、このガス化器で発生した可燃性ガスを精製するガス精製装置と、このガス精製装置で精製した精製ガスを燃料とし、且つ補助燃料が供給可能なガスタービンと、このガスタービンで生じた燃焼排ガスの一部を冷却することなく前記ガス化器に導入する排ガス導入配管とを備えて前記燃焼排ガスの循環系が構成され、燃焼排ガスのガス化器への導入量と大気中への放出量の分配割合を調節する燃焼排ガス分配弁とを備えた動力発生装置を運転する際に、ガスタービンに設けられた燃料供給弁の開度に比例させて、ガス化器への炭化水素原料の供給量を変化させることにより、ガスタービン出力を調節すると同時に、ガス化器内の可燃性ガス温度又は精製ガスの組成に応じて、燃焼排ガス分配弁の開度を調節することにより、ガス化器に導入する燃焼排ガス量を制御する。
【００２０】
なお、上記の運転制御方法において、燃焼排ガスの酸素濃度を測定し、その測定値が所定値より小さくなった場合、内燃機関の空気吸入量を増加させる。
【００２１】
次に、本発明の原理と作用について木材を例として説明する。木材の性状の一例を、化石燃料と比較して表１に示す。乾燥した木材は瀝青炭に比べ灰分や硫黄分が少なく、重油並である。また酸素の割合が極めて多い。これらの性状はガスする場合に好都合である。なお、水分については、屋外にあったものを一旦１０５℃で乾燥し、その後室内で放置した状態で測定した結果である。
【００２２】
【表１】
最初に、このような原料を空気でガス化した場合の特性を図６に示す。ガス化器は流動層形式で、木材を一定量で連続的に供給し、空気量を変化させた場合である。空気は２０℃の場合と２８０℃予熱した場合である。横軸は空気量と木材量の比率(Nm３/kg)であり、縦軸はガス化器内温度及び、次式で定義した炭素ガス化率、冷ガス効率である。ガス化反応の基本はどちらの効率も高くすることである。
【００２４】
【数１】
空気を予熱しない場合、空気量を増やすと炭素ガス化率は増大するが冷ガス効率は低下した。空気量を増やすと燃焼が進むので炭素ガス化率は増大するが、生成ガス中のＣＯ２やＮ２の割合が多くなり発熱量が低くなるため、冷ガス効率は低下する。ガス化しなかった炭素は未反応の木材（以下、チャーと称す）と油状物（以降、タールと称す）である。空気を予熱すると、ガス化器の温度が高くなりガス化反応がより進むので、同じ空気量／木材量比でも炭素ガス化率や冷ガス効率は高くなった。
【００２６】
このような特性において、ガス化器の好適な操作条件は次のように決める。すなわち、冷ガス効率を高くするため少ない空気量でガス化するのが好ましいが、少なすぎると温度が低下する。このため、チャーやタールの割合が増える炭素ガス化率が低下する。タールの生成が多いと後続のガス精製装置の閉塞や内燃機関で付着、燃焼悪化という弊害をもたらし、好ましくない。したがって、好適な空気量はガス化温度や炭素ガス化率の観点で規定される。予熱しない空気の場合は例えばＡ点が、予熱した場合は例えばＢ点である。空気を予熱すると空気量が少ない所で操作が可能となり、高い冷ガス効率をもたらす。なお、図６の横軸の空気量／木材量比は酸素量／木材量比に置きかえることができる。すなわち、上記ガス化特性は酸素量／木材量比の変化によるものである。
【００２７】
次に内燃機関の燃焼排ガス性状がガス化剤になりうることについて説明する。上述の特開昭６３−２１０１８８号公報に記載されているように、例えば大型の高温・高効率ガスタービンでは天然ガスを用いた場合、排気ガスの温度は６００℃前後であり、また排ガス中の酸素濃度は１０〜１４％である。近年、１００ｋＷ程度またはそれ以下の超小型のガスタービンが開発中であるが、この場合は圧縮比は小さいので熱効率は低く、したがって排気ガスの温度は７００〜８００℃で、排ガス中の酸素濃度は１２〜１７％である。希薄燃焼を行うディーゼルエンジンの場合、天然ガスを燃料とした時には、例えば排気ガスの温度は６００℃前後であり、排ガス中の酸素濃度は８〜１２％である。このように内燃機関の燃焼排ガスは通常のガス／ガス熱交換器で得られるよりも高い温度であるが、当然ながら空気より酸素濃度は低い。
【００２８】
低濃度酸素のガス化剤を用いた時のガス化特性を図７に示す。ガス化剤量と木材の供給量の比率(Nm３/kg)およびガス化剤の温度が一定の場合、酸素濃度が低いガスほど、酸素量／木材量の値は小さくなり、図７で示したと同様、ガス化温度は下がり、ガス化効率も低下する。しかし、同じガス化剤量／木材量でも、ガス化剤の温度が高いほどガス化温度は高くなり、ガス効率も向上する。植物系バイオマスは表１に示したように、自身酸素を多く含んでいるので、本来少ない酸素量でガス化できるものであるが、少ない酸素量ゆえガス化温度が上がりにくい。それをガス化剤の顕熱で補うことにより温度の確保が可能となり、良好なガス化が行える。上記の例で挙げた燃焼排ガス温度や酸素濃度は天然ガスの場合であり、木材のガス化ガスを燃焼した時の温度や酸素濃度がどの程度になるかは知られていない。本発明では、そのようなガスでもガス化が高効率で行える条件にあることを見出したものである。なお、図７において、酸素濃度が低すぎる場合にはガス化剤の温度が高くても好適なガス化温度は維持できない。このような限界が存在するので、内燃機関はできるだけ希薄燃焼を行うのが好ましい。このため、燃焼排ガスの酸素濃度を測定し、その測定値が所定値より小さくなった場合、内燃機関の空気吸入量を増加させるようにした制御方法を採用している。
【００２９】
最後に、内燃機関でうまく燃焼できる性状のガスを得る原理について説明する。
ガスに要求される性状で一番重要なのはガス発熱量である。ガスエンジンの場合にはこれにノック性が加味される。発熱量が低すぎると、失火や出力低下、燃焼温度の低下による熱効率の低下を招くので、一定以上の発熱量のガスを製造することが必要である。一定以上の発熱量を確保するということは、前述の(２)式で示したように、冷ガス効率をできるだけ高くすることである。すなわち、図６および図７で説明したような高い効率が得られる好適な条件を維持することが、ガス発熱量を確保することであり、内燃機関にとって好適な性状のガスを発生させることである。燃焼排ガスには酸素以外に Ｎ２,ＣＯ２,Ｈ２Ｏが含まれるが、最も濃度が高いのはＮ２なので、ガス発熱量はガス中の窒素濃度に強く影響される。本発明ではある窒素濃度Ｃｉｎの燃焼排ガスがガス化炉に入り、ここで生成ガスと混ざり、窒素濃度Ｃｏｕｔのガスとなり、このガスを燃料にして内燃機関を作動させ、窒素濃度Ｃｉｎ’の排ガスを再びガス化剤に用いる、という循環を繰り返す。このような循環系において、好適なガス化条件を維持することが重要で、その方法は次のようである。まず、図６に示したように原料とガス化剤の割合を適性にすることが重要である。適性かどうかは、ガス化器の温度で判断する。原料供給量が一定の場合、ガス化剤量が多すぎると温度が上がり、ガス発熱量は小さくなり、冷ガス効率は下がる。このため、燃焼排ガス分配弁の開度を開き、ガス化器へ流れる排ガス量を少なくする。これによりガス発熱量は増大し、ガス効率は高くなる。このようにして、ガス化器の温度が常に一定の範囲に収まるよう、分配弁を調節する。
【００３０】
好適なガス化状態はガス化器温度以外に、ガス化ガスの組成を検知しても判断できる。ガス化剤量が多いと、ガス中のＣＯ２濃度が増え、ＣＯ、Ｈ２濃度が減少する。これを検出して分配弁を調節してもよいが、ガス化温度の方が、ガス化剤量の変化に対して感度が高いので、検出因子としては好適である。
【００３１】
以上のようにしても、ガス発熱量が低く内燃機関の作動に支障をきたす場合は、そもそも燃焼排ガス中の窒素濃度が高い場合なので、内燃機関への空気供給量を減らす。しかし、内燃機関の空気量は内燃機関の作動に最も好適な条件で決めるので、おのずと限界がある。前述したように、内燃機関は出きるだけ希薄燃焼し、酸素濃度が高く、窒素濃度が低くなるものが好適である。なお、内燃機関の出力を変更する方法は、ガスエンジンの場合はスロットル弁の開度に、またガスタービンの場合は燃料ガス調節弁の開度に比例して、ガス化装置への原料供給速度をそれぞれ変化させることにより行う。
【００３２】
本発明で対象となるガスは都市ガスに比べるとメタンガス等の炭化水素ガスの濃度が低いのでオクタン価が低くなるが、点火プラグの設置、点火時期の調整、圧力の設定など、エンジンの仕様によってある範囲でノッキング対策が可能である。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に従って説明する。なお、原料には前述した表１に示した性状のカラマツを用いている。
図１は本発明に係る動力発生装置の基本システムを示している。本動力発生装置は、内燃機関１０、発電機２０、燃焼排ガス分配弁１５、ガス化器３０、原料供給機４０、ガス精製装置５０、および補助燃料供給装置６０を備えている。
内燃機関１０の排気管は分岐して、一方はガス化器３０に接続され、他方は開口端が大気開放されている。そして、内燃機関１０から排出された燃焼排ガス１１は、ガス化器３０へ流れるガス化剤１３と大気放出ガス１２に分岐される。ここでは、ガス化剤１３が流れるラインが排ガス導入配管で、大気放出ガス１２が流れるラインが排ガス放出配管である。燃焼排ガス分配弁１５は排ガス放出配管に設けられ、燃焼排ガスのガス化器３０への導入量と大気中への放出量の分配割合を調節する。この分配割合は、燃焼排ガス分配弁１５の開度を調節して行う。すなわち、燃焼排ガス分配弁１５の開度を小さくすると、排ガス放出配管内におけるガス抵抗が増えるので、ガス化器３０に導入される燃焼排ガスの流量が増加し、大気中へ放出される燃焼排ガスの流量が減少する。逆に、燃焼排ガス分配弁１５の開度を大きくすると、排ガス放出配管内におけるガス抵抗が減るので、ガス化器３０に導入される燃焼排ガスの流量が減少し、大気中へ放出される燃焼排ガスの流量が増加する。なお、ガス化剤１３の温度は高い方が好ましいので、排ガス導入配管はできるだけ断熱状態に保つ必要がある。
【００３４】
ガス化器３０では、原料２がガス化剤１３に直接接触してガス化される。原料２は原料供給機４０により供給量が制御される。ガス化器３０には様々な形式がある。本実施の形態には公知のどの形式でも適用が可能であるが、できるだけタールが発生しない形式が好ましい。原料２には灰分等の無機物が含まれている場合があるが、この無機物は、ガス化器３０において固形残渣３２として分離されガス化器３０から連続的に排出される。
【００３５】
原料２はガス化器３０でガス化され、ガス化ガス３１としてガス化器３０からガス精製装置５０に導入される。ガス精製装置５０に導入されたガス化ガス３１は、ガス精製装置５０でサイクロンやフィルタ等の乾式法によりダスト５４が除去される。また、ガス化ガス３１を内燃機関１０で燃焼させる際に、ガス化ガス３１中の水分が弊害となる場合には、ガス精製装置５０でガス化ガス３１を洗浄し、水分を排水５５として取り出す。精製されたガス５６は内燃機関１０の燃料供給管に導入される。なお、補助燃料供給装置６０は本動力発生装置の起動用に用いられる。
【００３６】
次に、図２は内燃機関がガスエンジンの場合の例である。この動力発生装置は、空気・燃料ガス混合器５、スロットル弁７、空気流量調節器８、ガスエンジン１０、ラジエータ１４、発電機２０、燃焼排ガス分配弁１５、ガス化器３０、ガス化器温度センサ３５、原料供給機４０、ガス冷却器５１、脱塵装置５２、ガス浄化装置５３、補助燃料供給装置６０、酸素センサ９０、制御装置１００、およびガス分析計１１０を備えている。
【００３７】
ガスエンジン１０としては、例えば希薄燃焼のディーゼルエンジンであり、作用は従来例と同様である。すなわち、精製ガス５６は空気・燃料ガス混合器５のベンチュリ部に吸引されて空気１と混合される。空気・燃料ガス混合器５へ導入される空気１の流量は、空気流量調節器８で調節される。スロットル弁７はガスエンジン１０の出力を変えるもので、この開度を大きくすると、空気量すなわち空気・燃料混合ガス６の流量が増える。混合ガス６は吸気管内を流れガスエンジン１０に供給される。ガスエンジン１０からの燃焼排ガス１１の温度は、例えば５８０℃である。ガスエンジン１０にはラジエータ１４を有する冷却系統が設けられており、この冷却系統はガス冷却器５１の冷却系統に接続されている。そして、ラジエータ１４によって冷却された冷却水１６がガスエンジン１０とガス冷却器５０間を循環して、ガスエンジン１０およびガス冷却器５０を冷却する。
【００３８】
ガスエンジン１０出口の排気管には酸素センサ９０が設置され、燃焼排ガス１１中の酸素量が検出され、その検出信号は制御装置１００に入力される。ガスエンジン１０出口の排気管には、排気管から分岐してガス化器３０に接続された排気ガス導入配管と、排気管の先端側に接続され開口端が大気開放された排ガス放出配管と、が設けられている。そして、燃焼排ガス１１は、その一部が排ガス導入配管を通ってガス化剤１３としてガス化器３０へ導入される。排ガス放出配管の低温部分には通常のバタフライ弁からなる燃焼排ガス分配弁１５が設置されており、この燃焼排ガス分配弁１５の開度を調節することにより、ガス化器３０へのガス化剤１３の導入量を制御する。
【００３９】
一方、原料２は図示していないバンカから原料供給機４０に送られ、原料供給機４０で流量が調節されてガス化器３０に供給される。原料供給機４０には、スクリューフィーダ、ロータリーフィーダまたはピストンフィーダ等公知の供給装置が設置されており、この供給装置の回転数を変えることにより原料２の供給量を変化させる。
【００４０】
ガス化器３０の内部には流動層に近いものが形成され、原料２がガス化剤１３に直接接触してガス化される。ガス化器３０にはガス化器３０内のガス温度を検出するガス化器温度センサ３５が設けられ、その検出信号は制御装置１００に入力される。ガス化で発生する固形残渣３２は原料供給と同様な装置によりガス化器３０から連続的に排出される。
【００４１】
ガス化器３０からのガス化ガス３１は温度が８００〜９００℃と高温なため、ガス冷却器５１に通されて冷却される。ガス冷却器５１は単純な２重管熱交換器で、内管にガス化ガス３１が、外管に冷却水１６が通るようになっている。冷却水１６は前述のガスエンジン１０の冷却水が使用される。これにより、ガス化ガス３１は２００〜３００℃に冷却される。
【００４２】
次に、ガス冷却器５１で冷却されたガス化ガス３１は脱塵装置５２に導入され、ガス中のダスト５４が分離される。脱塵装置５２としては、サイクロン、フィルタ、充填層等公知のものでよいが、後続の空気・燃料ガス混合器５での吸引動力を軽減するためには、できるだけ圧力損失の少ないものが好ましい。続いて、ガス化ガス３１はガス洗浄装置５３に導入され精製される。ここでは、脱塵装置５２では除去できない水分やタール等５５が回収される。
【００４３】
ガス洗浄装置５３で精製された精製ガス５６は空気・燃料ガス混合器５へ導入される。このとき、精製ガス５６のガス成分はガス分析計１１０で分析され、その分析結果の信号は制御装置１００に入力される。空気・燃料ガス混合器５においては、精製ガス５６と空気１が混合され、空気・燃料混合ガス６としてスロットル弁７を介してガスエンジン１０に供給される。空気・燃料ガス混合器５に流入する空気１の流量は、空気流量調節器８により調節される。
【００４４】
本動力発生装置の起動時には補助燃料供給装置６０が用いられる。補助燃料としては気体が望ましく、例えば天然ガスや液体プロパンガス等で、ボンベから供給される。補助燃料の供給量は、補助燃料調節弁６１によって調節される。
【００４５】
制御装置１００には、上述したように、ガス化器温度センサ３５、酸素センサ９０、およびガス分析計１１０からの信号が入力されており、制御装置１００は、これらの信号に基づいて、スロットル弁７と燃焼排ガス分配弁１５の開度、空気流量調節器８での空気流量、および原料供給機４０での原料供給の制御を行い、本動力発生装置全体を最適な運転条件に維持する。
【００４６】
次に本動力発生装置の運転・制御方法について説明する。運転にあたっては、ガス化条件を最適に保ちつつ、必要な電力を発生させることが重要である。最初に燃焼排ガス分配弁１５は特定の開度に設定しておく。起動時には補助燃料供給装置６０を用いてガスエンジン１０を作動させ、燃焼排ガス１１の一部をガス化器３０に導入してガス化器３０や脱塵装置５２を暖める。
【００４７】
ガス化器３０内には前回の運転で残った流動媒体があるが、層内の温度が特定の温度になったら原料２の供給を開始する。特定の温度は原料によって異なるが、その原料のガス化が顕著に始まる温度で、例えば木材の場合は４００〜５００℃である。原料２の供給によりガス化器３０の温度は上昇する。ガス化器３０の温度がガス化に好適な温度になった時点で、調節弁６１を作動させて補助燃料からガスへの運転に切り変える。
【００４８】
出力を増やす場合は、スロットル弁７の開度を大きくするが、この際、開度と原料供給機４０の回転数を連動させ、スロットル弁７の開度を開くと、原料２の供給量が増大するに制御を行う。原料２を増大すると、精製ガス５６の量が増え、これによって燃焼排ガスの量が増大する。このとき、燃焼排ガス分配弁１５の開度は一定なので、ガス化器３０へ導入されるガス化剤１３の量も増大し、原料２の増量に見合ってガス化剤１３の量がよい条件に保たれる。ガス化条件が好適かどうかは、ガス化器温度センサ３５で検出したガス化器３１内の温度で判断し、この温度が規定温度内にあるように、例えば８５０±２０℃に制御する。ガス化器３０内の温度が前記温度範囲より低い場合は、ガス化剤３１の量が少ないので、燃焼排ガス分配弁１５を閉じ、ガス化器３０へ導入する燃焼排ガスの量を増やす。前記温度範囲より高い場合は、逆に燃焼排ガス分配弁１５を開く。以上のように、負荷変動はスロットル弁７とこれに連動した原料供給機４０の調節で行い、最適ガス化条件の設定は、ガス化器３０出口温度とこれに連動した燃焼排ガス分配弁１５の調整で行う。
【００４９】
表２は、図２の動力発生装置での運転結果の一例で実施例１として示してある。また表２には、２８０℃で予熱した空気を用いた場合の結果も比較例として示してある。１００％負荷時の原料供給量は約１０ｋｇ／ｈである。本動力発生装置では作動ガスが循環するので、起動してから暫くは各所の温度やガス組成が変動するが、分配弁の調節によりこれらを安定させた。
【００５０】
【表２】
実施例１で用いたガスエンジンの排ガス温度は５７０℃であった。ガス化器の温度は８７０℃前後であり、このとき、精製ガス中の窒素濃度は５４.８％となり、ガス発熱量は４.８９ＭＪ／Ｎｍ３となった。これをエンジンの燃焼用空気と混合すると、空気・燃料混合ガスの発熱量は２.４１ＭＪ／Ｎｍ３となり、このガスでエンジンは良好に作動した。なお、ダスト５４は木材の未燃焼分で微粒子で、発生量は原料木材の約０.１ｗｔ％であった。ガス洗浄装置５３からの排水５５にはタールが含まれていた。粘性は比較的低く、収率は原料木材の約０.５ｗｔ％であった。冷ガス効率は７５.６％となった。予熱空気でガス化した場合は、ガス化温度は実施例１に近い条件とした。空気を用いたので、精製ガス中の窒素濃度は４５.５％と実施例１より小さくなり、その結果、発熱量は６.６２ＭＪ／Ｎｍ３と高くなった。したがって、エンジンの作動、出力は良好であった。しかし冷ガス効率は６８.４％となり、実施例１より小さくなった。これはガス化温度を維持するため、実施例１より過剰の酸素量を要したからである。
【００５２】
図３は、実施例１において空気量１を一定にして、表２の場合よりも開度を狭くし、ガス化器へ流れるガス化剤の量を増やしたときの特性である。ガス化剤量が増えるに伴いガス化器の温度は上昇する。ガス化器に流れる窒素ガスの絶対量が増えるので、精製ガスの発熱量が下がりそれに伴い冷ガス効率も下がった。なお、このとき、空気・燃料混合ガスの発熱量もわずかに低下した。燃焼排ガス分配弁の開度を図３の横軸の範囲で変化させた場合、一番感度が高いのはガス化器出口温度であることがわかる。したがって、ガス化器温度を制御因子にするのが、高効率ガス化を維持するのに最も好適である。
【００５３】
内燃機関がガスエンジンの場合は小型でも熱効率が高く、発電効率も高くなる。中小の発電を考えた場合、植物系バイオマスのみをボイラで燃焼し蒸気タービンで発電した場合の効率は１５〜２０％である。これに対して、ガスエンジンの場合、天然ガスと比べれば発熱量が低いので出力的には不利になるが、それでも実施例１では２５％程度の発電効率となる。
【００５４】
図４は、内燃機関がガスタービンの場合の例である。この動力発生装置は、燃焼排ガス分配器１５、発電機２０、ガス化器３０、ガス化器温度センサ３５、原料供給機４０、ガス冷却器５１、脱塵装置５２、補助燃料供給装置６０、精製ガス加圧機７０、空気圧縮機８１、燃焼器８２、タービン８３、空気流量調節器８４、酸素センサ９０、および制御装置１００を備えている。
【００５５】
起動は既存のガスタービン起動法と同様であり、補助燃料供給装置６０からの気体補助燃料を用いる。空気圧縮機８１により空気１が吸引され、所定の圧力に加圧される。本実施の形態では超小型のガスタービンを対象とし、例えば燃焼器８２入口での０.３５ＭＰａに加圧される。また、空気圧縮機８１への空気１の流量は空気流量調節器８４により調節される。
【００５６】
空気圧縮機８１で加圧された空気は燃焼器８２に導入され、ここで精製ガス５６を燃焼させる。燃焼温度はタービンの仕様により種々異なるが、例えば８００〜１０００℃である。燃焼器８２での燃焼ガスはタービン８３に通して動力を回収する。タービン８３からの燃焼排ガス１１の温度もタービンの仕様で異なるが、例えば７００〜８００℃である。
【００５７】
タービン８３出口の排気管には酸素センサ９０が設置され、燃焼排ガス１１中の酸素量が検出され、その検出信号は制御装置１００に入力される。タービン８３出口の排気管には、排気管から分岐してガス化器３０に接続された排気ガス導入配管と、排気管の先端側に接続され開口端が大気開放された排ガス放出配管と、が設けられている。そして、燃焼排ガス１１は、その一部が排ガス導入配管を通ってガス化剤１３としてガス化器３０へ導入される。排ガス放出配管の低温部分には通常のバタフライ弁からなる燃焼排ガス分配弁１５が設置されており、この燃焼排ガス分配弁１５の開度を調節することにより、ガス化器３０へのガス化剤１３の導入量が制御される。
【００５８】
ガス化器３０内では、図２の場合と同様に、原料２がガス化剤１３に直接接触してガス化される。ガス化器３０内の温度はガス化気温度センサ３５で検出され、その検出信号は制御装置１００に入力される。ガス化器３０からのガス化ガス３１はガス冷却器５１へ導入され、ここでガス温度が２００〜３００℃に冷却される。この場合、冷却系統はガスタービン側からは得られないので、ガス化工程に独自に設けられている。
【００５９】
冷却されたガス化ガス３１は脱塵装置５２に導入され、ガス中のダストが除去される。ダスト除去の方式としては、サイクロン、フィルタなど、いわゆる乾式法である。ガス化ガス１３の温度は２００〜３００℃であるから、バグフィルタが適用できる。本実施の形態では、精製ガスガス加圧機７０があるので、図２のところでで言及した圧力損失に関しては特に制約はない。このようにして得られた精製ガス５６は精製ガス加圧機７０で加圧される。加圧の圧力はガスタービンの仕様に合わせて、たとえば０.４ＭＰａより僅かに高い圧力である。そして、加圧した精製ガス５６は弁７１で流量調節されつつガスタービンの燃焼器８２に導入される。
【００６０】
制御装置１００には、上述したように、ガス化器温度センサ３５および酸素センサ９０からの信号が入力されており、制御装置１００は、これらの信号に基づいて、燃焼排ガス分配弁１５の開度、原料供給機４０での原料供給、空気流量調節器８４での空気流量の制御を行い、本動力発生装置全体を最適な運転条件に維持する。
【００６１】
なお、本実施の形態では、脱塵した後の精製ガスの温度は脱塵装置の温度に近く、２００〜３００℃であった。表１に示したように、木材は硫黄分が少ないので、硫黄酸化物（Ｈ２Ｓ、ＣＯＳ）の発生が少なく、ガス化ガスからこれらの不純ガスを除去しなくても、環境上の規制を満たす場合がある。すなわち、ガス精製装置は乾式法が採用でき、これはガスタービンの効率向上に寄与する。規制が厳しい場合や、精製ガス中のタール分がタービンで弊害をもたらす程度に多い場合は、ガスエンジンの場合と同様、ガス洗浄工程を設ける必要がある。
【００６２】
次に、本動力発生装置の運転方法について説明する。運用にあたっては、ガスエンジンの場合と同様、ガス化条件を最適に保ちつつ、必要な消費電力を得ることである。最初に排ガス分配弁１５を特定の開度に設定しておく。起動はガスエンジンの場合と同様で、最初に補助燃料供給装置６０からの補助燃料を用いてガスタービンを起動し、ガス化器３０や精製工程を所定の温度に暖める。ガス化気０内の層内温度が約５００℃になったところで、原料２の供給を開始する。そして、ガス化器３０の温度が設定値になった時点で、補助燃料からガスに切り換える。
【００６３】
負荷を上げる場合は原料供給機４０を操作して原料を増やす。これにより燃焼排ガス１１の量が増大する。ガス化条件が適切かどうかは、ガスエンジンの場合と同様、ガス化器温度センサ３５によってガス化器３０内の温度を監視し、この温度が所定温度より高くなったら、制御装置１００は燃焼排ガス分配弁１５の開度を開け、ガス化器３０への燃焼排ガスの量を減らす。
【００６４】
表３は、図４の動力発生装置での運転結果の一例で実施例２として示してある。安定化の操作は実施例１と同様である。原料供給量は実施例１と同じく、１０ｋｇ／ｈとした。
【００６５】
【表３】
本実施例２では、ガスエンジンと違って、ガスタービン燃焼排ガス中の酸素濃度が高かったので、ガス化剤量は少なくてよい。ガス化器温度は制御の結果８４０℃程度となった。また燃焼排ガス中の窒素濃度が低いので精製ガス中の窒素濃度は低くなり、このため発熱量は約７ＭＪ／Ｎｍ３と、ガスエンジンに比べて高くなった。この程度の発熱量であれば、ガスタービンでの高温燃焼が可能であるが、用いたガスタービンは燃焼器の制約が９００℃程度なので、燃焼時の空気過剰率を高くする必要があり、その結果、燃焼排ガス中の酸素濃度が高くなったものである。冷ガス効率は７３.６％と、ガスエンジンに比べ小さくなった。本実施例２では、上記のようにガス化器へのガス化剤供給量が少なくなるが、このことでガス化器へ持ち込まれる顕熱が少なくなり、ガス化温度を維持するのにガスエンジンよりも多い酸素量を供給する必要があった。その結果,酸素量／木材量の比率がガスエンジンより大きくなり、図７で説明した原理により、冷ガス効率が下がったものである。それでも、表２で示した空気加熱法よりは高くなった。
【００６７】
図５は、実施例１の場合と同様に、空気１の量を一定にして、表３のときよりも開度を狭くし、ガス化器へ流れるガス化剤の量を増やしたときの特性である。実施例１と同様、ガス化剤量が増えるに伴いガス化器の温度は上昇する。また精製ガスの発熱量が下がり、それに伴い冷ガス効率も下がり、混合器発熱量も低下したが、その感度は実施例１より高い。燃焼排ガス分配弁の開度をこの程度変化させた場合、一番感度が高いのはやはりガス化器出口温度であることがわかる。
【００６８】
ガスタービン燃焼温度が１１００℃付近の場合、ガス化剤量は１３.８Ｎｍ３／ｈ、精製ガス発熱量は６.９ＭＪ／Ｎｍ３、冷ガス効率は７４.６％である。またガスタービン燃焼温度が１２００℃付近の場合、ガス化剤量１５.５Ｎｍ３／ｈ、精製ガス発熱量は６.６ＭＪ／Ｎｍ３、冷ガス効率は７５.５％である。実施例２のガスタービン燃焼温度９００℃程度の場合に比べると、燃焼排ガス１１中の酸素濃度が低いので、ガス化剤１３の量としては増やす必要があり、また精製ガスの窒素割合が増えるので発熱量は小さくなる。ただ、ガス化剤の供給量が増える分だけ持ち込む顕熱が増えるのでガス化温度は高くなりやすく、その分だけ、酸素量／木材量の割合は小さくでき、結果として冷ガス効率は高くなった。
【００６９】
なお、実施例２は超小型のガスタービンを例としたが、原理的には本発明は任意のガスタービン、例えば高温・高圧ガスタービンに適用できる。その場合には燃焼器圧力は高くなるので、精製ガス加圧機７０は高圧用が必要である。また高温燃焼をするため、空気１の量は相対的に少なくなり、燃焼排ガス１１中の酸素濃度は小さくなる。
【００７０】
内燃機関の大気へ放出する燃焼排ガス１２は温度が高く、その顕熱を利用することが考えられる。例えば、原料の乾燥である。本実施例２では表１に示したように、水分８％の原料であったが、一般に木材は２０〜６０％の水分を含む。ガス化するにはガス化温度の確保が需要なので、事前に乾燥させる必要があるが、本実施例２で排出する排ガスの熱量でこの範囲の水分を１０％程度まで乾燥できる。また超小型のガスタービンの場合には熱効率を上げるため、圧縮された空気と燃焼排ガスを熱交換して高温空気を得ることが知られている。本発明では、燃焼排ガスの一部をガス化剤に回すが、その量は全排ガス量の９〜１５％程度である。したがって、残りの排ガスは、空気を加熱にするのに充分な熱量を有しているので、いわゆる再生サイクルが実施できる。
【００７１】
実施例２では燃焼温度が低いものを対象にしたので、発電効率自体は１１％、再生サイクルの場合は２２％程度であった。熱効率は燃焼器温度に比例して高くなるので、より高温のガスタービンを用いれば、より高い効率が得られる。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ガス化の際に必要な空気供給設備が不要であり、内燃機関とガス製造装置のみの簡素な設備で、ガス化効率を向上させることができる。
【００７３】
また、植物系バイオマスは分散している一方、集めて大規模に発電するのは集積の経費が嵩み得策ではないが、本発明により、少量のものでも有効利用できるので、廃棄物問題やエネルギ問題の解消に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る動力発生装置の基本システムのフローダイアグラムを示した図である。
【図２】本発明をガスエンジンに適用した場合の動力発生装置のフローダイアグラムを示した図である。
【図３】実施例１の運転特性を示した図である。
【図４】本発明をガスタービンに適用した場合の動力発生装置のフローダイアグラムを示した図である。
【図５】実施例２の運転特性を示した図である。
【図６】原料を空気でガス化したときの特性図である。
【図７】低濃度酸素のガス化剤を用いたときのガス化特性図である。
【符号の説明】
１ 空気
２ 炭化水素原料
５ 空気・燃料ガス混合器
６ 空気燃料混合ガス
７ スロットル弁
８ 空気流量調節器
１０ 内燃機関（ガスエンジン、ガスタービン）
１１ 燃焼排ガス
１２ 大気放出ガス
１３ ガス化剤
１４ ラジエータ
１５ 燃焼排ガス分配弁
１６ 冷却水
２０ 発電機
３０ ガス化器
３１ ガス化ガス
３２ 固形残渣
３５ ガス化器温度センサ
４０ 原料供給機
５０ ガス精製装置
５１ ガス冷却器
５２ 脱塵装置
５３ ガス洗浄装置
５４ ダスト
５５ 排水
５６ 精製ガス
６０ 補助燃料供給装置
６１ 補助燃料調節弁
７０ 精製ガス加圧機
７１ 流量調節弁
８１ 空気圧縮機
８２ 燃焼器
８３ タービン
８４ 空気流量調節器
９０ 酸素センサ
１００ 制御装置
１１０ ガス分析計
Claims (8)
- 炭化水素原料をガス化し可燃性ガスを発生するガス化手段と、このガス化手段で発生した可燃性ガスを精製するガス精製手段と、このガス精製手段で精製した可燃性ガスを燃料とし、且つ補助燃料が供給可能な内燃機関と、この内燃機関で生じた燃焼排ガスの一部を冷却することなく前記ガス化手段に導入する排ガス導入手段とを備えて前記燃焼排ガスの循環系を構成し、前記ガス化手段は、前記燃焼排ガスを前記炭化水素原料に接触させることによりガス化を行い、前記排ガス導入手段は、前記内燃機関の排気管を分岐して前記ガス化手段に接続された排ガス導入配管と、前記排気管の先端側に設けられ開口端が大気開放された排ガス放出配管とを有し、前記排ガス放出配管には、前記燃焼排ガスの前記ガス化手段への導入量と大気中への放出量の分配割合を調節する燃焼排ガス分配弁が設けられていることを特徴とする炭化水素を原料とした動力発生装置。
- 請求項１に記載の動力発生装置において、前記内燃機関はガスエンジンであることを特徴とする炭化水素を原料とした動力発生装置。
- 請求項２に記載の動力発生装置において、前記ガス精製手段は冷却系統を有し、該冷却系統が前記ガスエンジンの冷却系統と接続され、前記ガスエンジン冷却系統に設けられた冷却手段によって冷却されることを特徴とする炭化水素を原料とした動力発生装置。
- 請求項１に記載の動力発生装置において、前記内燃機関はガスタービンであることを特徴とする炭化水素を原料とした動力発生装置。
- 請求項１に記載の動力発生装置において、前記炭化水素原料は、木材、プラスチック、紙、石炭、発熱量を有する産業廃棄物、発熱量を有する農耕生産物、種子類、油類、廃油及びこれら複数個の混合物であることを特徴とする炭化水素を原料とした動力発生装置。
- 炭化水素原料をガス化し可燃性ガスを発生するガス化器と、このガス化器で発生した可燃性ガスを精製するガス精製装置と、このガス精製装置で精製した精製ガスを燃料とし、且つ補助燃料が供給可能なガスエンジンと、このガスエンジンで生じた燃焼排ガスの一部を冷却することなく前記ガス化器に導入する排ガス導入配管とを備えて前記燃焼排ガスの循環系が構成され、該燃焼排ガスの前記ガス化器への導入量と大気中への放出量の分配割合を調節する燃焼排ガス分配弁とを備えた動力発生装置を運転する際に、前記ガスエンジンに設けられたスロットル弁の開度に比例させて、前記ガス化器への炭化水素原料の供給量を変化させることにより、前記ガスエンジン出力を調節すると同時に、前記ガス化器内の温度又は精製ガスの組成に応じて、前記燃焼排ガス分配弁の開度を調節することにより、前記ガス化器に導入する燃焼排ガス量を制御することを特徴とする動力発生装置の運転制御方法。
- 炭化水素原料をガス化し可燃性ガスを発生するガス化器と、このガス化器で発生した可燃性ガスを精製するガス精製装置と、このガス精製装置で精製した精製ガスを燃料とし、且つ補助燃料が供給可能なガスタービンと、このガスタービンで生じた燃焼排ガスの一部を冷却することなく前記ガス化器に導入する排ガス導入配管とを備えて前記燃焼排ガスの循環系が構成され、該燃焼排ガスの前記ガス化器への導入量と大気中への放出量の分配割合を調節する燃焼排ガス分配弁とを備えた動力発生装置を運転する際に、前記ガスタービンに設けられた燃料供給弁の開度に比例させて、前記ガス化器への炭化水素原料の供給量を変化させることにより、前記ガスタービン出力を調節すると同時に、前記ガス化器内の温度又は精製ガスの組成に応じて、前記燃焼排ガス分配弁の開度を調節することにより、前記ガス化器に導入する燃焼排ガス量を制御することを特徴とする動力発生装置の運転制御方法。
- 請求項６又は７に記載の運転制御方法において、燃焼排ガスの酸素濃度を測定し、その測定値が所定値より小さくなった場合、前記内燃機関の空気吸入量を増加させることを特徴とする動力発生装置の運転制御方法。
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