JP4589817B2

JP4589817B2 - ガスエンジン駆動システム及びガスエンジン駆動方法

Info

Publication number: JP4589817B2
Application number: JP2005175463A
Authority: JP
Inventors: 太助神野; 純一常陸
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2005-06-15
Filing date: 2005-06-15
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2025-06-15
Also published as: JP2006348833A

Description

本発明は、例えばバイオマス等の被熱分解物を熱分解することによって発生する熱分解ガスを改質し、これを燃料ガスとしてガスエンジンを駆動するガスエンジン駆動システム及びガスエンジン駆動方法に関する。

近年、木材チップ等のバイオマス（被熱分解物）を加熱してガス化し、生成されたガスを燃料ガスとしてガスエンジンを駆動させて発電を行うガス化発電システムが実用化されるようになってきた（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１のガス化発電システムでは、ガス化炉（ガス発生炉）において、原料のバイオマスを熱分解すると、主に一酸化炭素及び水素を主成分とする熱分解ガスが発生する。そして、この熱分解ガスを改質塔（ガス改質炉）で改質し、これを燃料ガスとしてガスタービン発電、ガスエンジン発電あるいは燃料電池等の種々の発電用設備等に供給して利用している。
特開２００５−６０５３３号公報

ところが、特許文献１のガス化発電システムは、原料のバイオマス中に窒素化合物が含まれているため、前記熱分解ガス中には腐食性の強いアンモニアが含まれることとなるが、特にこのアンモニアを除去するための構成を備えていない。このため、このアンモニアによって配管等が腐食するおそれがあるという問題があった。

本発明は、このような課題に着目してなされたものである。その目的とするところは、被熱分解物の熱分解によって得られる熱分解ガス中のアンモニアを好適に低減することが可能なガスエンジン駆動システム及びガスエンジン駆動方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、被熱分解物の熱分解によって得られる熱分解ガスを改質して供給する改質ガス供給系と、該改質ガス供給系から供給される改質ガスを燃料ガスとして駆動するガスエンジンとを備えたガスエンジン駆動システムであって、前記ガスエンジンから排出される排気ガスを前記改質ガス供給系に供給する排気ガス供給系を備え、前記排気ガス供給系は、前記排気ガス中から窒素酸化物を収集して前記改質ガス供給系側へ供給することにより前記改質ガス供給系内のアンモニアを酸化分解させる窒素酸化物収集装置を備えたことを要旨とする。

上記構成によれば、前記改質ガス供給系で発生する腐食性の強いアンモニアが、前記排気ガス中に含まれる窒素酸化物によって窒素と水に酸化分解されるため、アンモニアを好適に低減することが可能となる。
また、前記排気ガス供給系から前記改質ガス供給系側へ純度の高い窒素酸化物を供給することが可能となる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記改質ガス供給系は前記熱分解ガスを改質するガス改質炉を備えており、該ガス改質炉に前記排気ガス供給系を接続したことを要旨とする。

上記構成によれば、前記ガス改質炉内の熱分解ガス中に含まれるアンモニアが前記排気ガス中に含まれる窒素酸化物によって窒素と水に酸化分解される。加えて、前記ガス改質炉内でアンモニアが前記窒素酸化物によって窒素と水に酸化分解される際に、中間生成物としてヒドロキシラジカルが発生するため、該ヒドロキシラジカルの強酸化作用により前記熱分解ガス中のタールの分解が促進される。したがって、前記ガス改質炉内において、前記熱分解ガス中のアンモニアの低減とタールの低減とを同時に行うことが可能となる。

請求項３に記載の発明は、被熱分解物の熱分解によって得られる熱分解ガスを改質して改質ガスとし、該改質ガスを燃料ガスとしてガスエンジンを駆動するガスエンジン駆動方法であって、前記ガスエンジンから排出される排気ガスを前記熱分解ガスと混合することにより、前記排気ガス中の窒素酸化物が前記熱分解ガス中のアンモニアを酸化分解させることを要旨とする。

上記構成によれば、前記熱分解ガス中に含まれるアンモニアが前記排気ガス中に含まれる窒素酸化物によって窒素と水に酸化分解される。加えて、前記アンモニアが前記窒素酸化物によって窒素と水に酸化分解される際に、中間生成物としてヒドロキシラジカルが発生するため、該ヒドロキシラジカルの強酸化作用により前記熱分解ガス中のタールの分解が促進される。したがって、前記熱分解ガス中のアンモニアの低減とタールの低減とを同時に行うことが可能となる。

本発明によれば、被熱分解物の熱分解によって得られる熱分解ガス中のアンモニアを好適に低減することが可能なガスエンジン駆動システム及びガスエンジン駆動方法を提供することができる。

以下、本発明をガス化発電システムに備えられたガスエンジン駆動システムに具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、ガス化発電システム１０は、ガスエンジン駆動システム１１と発電機１２とを備えている。前記ガスエンジン駆動システム１１は、ガス発生炉１３、ガス改質炉１４、ガス洗浄機１５、ガスエンジン１６及び窒素酸化物収集装置１７を備えている。前記ガス発生炉１３とガス改質炉１４とは第１ガス管１８を介して接続され、前記ガス改質炉１４とガス洗浄機１５とは第２ガス管１９を介して接続され、前記ガス洗浄機１５とガスエンジン１６とは第３ガス管２０を介して接続されている。

さらに、前記ガスエンジン１６と窒素酸化物収集装置１７とは第１排ガス供給管２１を介して接続され、前記窒素酸化物収集装置１７とガス改質炉１４とは第２排ガス供給管２２を介して接続されており、前記窒素酸化物収集装置１７にはガス放出管２３が接続されている。また、前記第２ガス管１９の中間部には、第４ガス管２４の一端が接続され、該第４ガス管２４の他端はガス燃焼器２５に接続されている。

そして、本実施形態においては、前記ガス発生炉１３、ガス改質炉１４、ガス洗浄機１５、第１ガス管１８、第２ガス管１９及び第３ガス管２０により改質ガス供給系が構成され、前記窒素酸化物収集装置１７、第１排ガス供給管２１及び第２排ガス供給管２２により排気ガス供給系が構成されている。

前記ガス発生炉１３はホッパ１３ａを備えており、該ホッパ１３ａに被熱分解物としてのバイオマスを投入することで、ガス発生炉１３内にバイオマスが供給されるようになっている。なお、「バイオマス」とは、再生可能な生物由来の有機性資源のうち化石資源を除いたものを意味し、具体的には、間伐材、材木端材、下水汚泥、パルプスラッジ、生ごみ、し尿、家畜の排泄物、農産物の廃材等が挙げられる。また、前記ガス発生炉１３は、内部の温度が５００℃〜６００℃になるように加熱されるようになっており、ガス発生炉１３内のバイオマスを熱分解して可燃性の熱分解ガスを発生させるようになっている。

前記ガス改質炉１４は、前記熱分解ガスを改質するためのものであり、内部の温度が８００℃程度になるように加熱されるようになっている。なお、「改質」とは、前記熱分解ガスを、所望の可燃性ガス（本実施形態では、ガスエンジン１４を駆動させるために適した燃料ガス）に変換することを意味する。前記ガス改質炉１４には、その内部に改質剤（本実施形態では水蒸気）を供給するための図示しない改質剤供給管が接続されており、該ガス改質炉１４内において前記熱分解ガスと改質剤とが混合されることにより前記熱分解ガスが改質されるようになっている。また、前記ガス燃焼器２５は、前記ガス改質炉１４で改質された熱分解ガス（以下、「改質ガス」と言う）の一部を燃焼するようになっており、この燃焼によって発生した熱は、前記ガス改質炉１４の加熱に利用されるようになっている。

前記ガス洗浄機１５は、その内部に冷水が噴霧されるようになっており、前記改質ガスを洗浄及び冷却するようになっている。すなわち、前記ガス洗浄機１５において、前記改質ガスが噴霧された冷水内を通過する（潜る）ことで、噴霧された冷水により、該改質ガス中に含まれる灰、塩化水素、窒素酸化物、粉塵等の不純物が洗い流されるとともに、熱が奪われて冷却されるようになっている。そして、前記ガスエンジン１６は、前記ガス洗浄機１５で洗浄及び冷却された改質ガスを燃料ガスとして駆動するようになっており、この駆動により前記発電機１２が駆動されて発電が行われるようになっている。この場合、前記ガスエンジン１６の駆動にともなって発生する排気ガスは、前記第１排ガス供給管２１を介して前記窒素酸化物収集装置１７内に流入されるようになっている。

図２に示すように、前記窒素酸化物収集装置１７は、その内部に高分子中空糸膜よりなるガス分離膜１７ａが設けられている。この窒素酸化物収集装置１７内に流入される前記排気ガス中には、窒素酸化物（主成分は一酸化窒素及び二酸化窒素）や窒素酸化物以外のガス成分（水蒸気、二酸化炭素等）が含まれている。そして、前記排気ガスが前記ガス分離膜１７ａを透過することで、前記排気ガス中から窒素酸化物が分離収集されて純度の高くなった窒素酸化物が第２排ガス供給管２２を介して前記ガス改質炉１４内に供給され、前記排気ガス中の窒素酸化物以外のガス成分はガス放出管２３を介して前記窒素酸化物収集装置１７の外部に放出されるようになっている。

すなわち、この場合、前記窒素酸化物は、前記排気ガス中の窒素酸化物以外のガス成分に比べてガス分離膜１７ａを透過する速度が遅い。このため、前記排気ガスが前記ガス分離膜１７ａ内を透過する際には、前記排気ガス中の窒素酸化物以外のガス成分が、該ガス分離膜１７ａの内部から外部へ排出され、前記排気ガス中の窒素酸化物は、前記ガス分離膜１７ａの内部から外部へほとんど排出されることなく前記第２排ガス供給管２２に流れ込む。一般に、前記排気ガスがガス分離膜１７ａを透過する速度は、該排気ガスを構成する各気体分子のガス分離膜１７ａに対する溶解性と拡散性によって決まる。なお、前記窒素酸化物の前記ガス分離膜１７ａを透過する速度が、前記排気ガス中の成分のうちで最も遅くない場合には、前記排気ガス中の窒素酸化物以外のガス成分を複数のフィルタを用いて段階的に分離するようにしてもよい。

さて、前記ガス発生炉１３内にバイオマスが供給されると、該バイオマスが熱分解されて熱分解ガス（主成分は一酸化炭素及び水素）が発生し、該熱分解ガスは第１ガス管１８を介して前記ガス改質炉１４内に流れ込む。このガス改質炉１４内に流れ込んだ熱分解ガスは、前記改質剤と反応してメタンガス等に改質される。前記ガス改質炉１４内で改質された改質ガスの一部は、前記第２ガス管１９及び第４ガス管２４を介して前記ガス燃焼器２５に供給され、該ガス燃焼器２５の燃料ガスとして利用される。

前記ガス改質炉１４内で改質された改質ガスの残り全部は、前記第２ガス管１９を介して前記ガス洗浄機１５内に流れ込み、洗浄及び冷却された後、第３ガス管２０を介して前記ガスエンジン１６に供給されて該ガスエンジン１６が駆動し、前記発電機１２により発電が行われる。そして、このガスエンジン１６の駆動にともなって発生した排気ガスは、前記第１排ガス供給管２１を介して前記窒素酸化物収集装置１７内に流入し、前記ガス分離膜１７ａによって窒素酸化物と該窒素酸化物以外のガス成分とに分離される。これにより、純度の高まった窒素酸化物が前記第２排ガス供給管２２を介して前記ガス改質炉１４内に供給される。一方、前記ガス分離膜１７ａによって分離された窒素酸化物以外のガス成分は、前記ガス放出管２３を介して前記窒素酸化物収集装置１７の外部に放出される。

前記ガス改質炉１４内の前記熱分解ガス中には、アンモニア及びタール（主成分はベンゼンやナフタレン等の芳香族炭化水素）が含まれている。このため、前記ガス改質炉１４内に前記窒素酸化物が供給されると、前記熱分解ガス中のアンモニア（ＮＨ_３）は、該窒素酸化物（主成分は一酸化窒素（ＮＯ）及び二酸化窒素（ＮＯ_２））により下記の反応式（１）に基づいて分解され、窒素（Ｎ_２）、ヒドロキシラジカル（・ＯＨ）及び水素ラジカル（・Ｈ）を生成する。さらに、下記の反応式（１）に基づいて生成されたヒドロキシラジカル（・ＯＨ）と水素ラジカル（・Ｈ）とが下記の反応式（２）に基づき結合して水（Ｈ_２Ｏ）を生成する。

２ＮＨ_３＋ＮＯ＋ＮＯ_２ → ２Ｎ_２＋３・ＯＨ＋３・Ｈ …（１）
２Ｎ_２＋３・ＯＨ＋３・Ｈ → ２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ …（２）
したがって、前記熱分解ガス中のアンモニアは、前記窒素酸化物により最終的に窒素と水とに酸化分解される。また、上記の反応式（１）で生成されるヒドロキシラジカルは、強力な酸化作用を有するため、該ヒドロキシラジカルにより前記熱分解ガス中のタールが二酸化炭素と水とに酸化分解される。このように、前記ガス改質炉１４内において、前記ガスエンジン１６の駆動にともなって発生する排気ガス中の窒素酸化物により、前記熱分解ガス中のアンモニアの分解とタールの分解とを同時に行うことができる。

以上詳述した実施形態によれば次のような効果が発揮される。
（１）前記ガスエンジン駆動システム１１は、前記熱分解ガス中に含まれる腐食性の強いアンモニアが、前記ガスエンジン１６の駆動にともなって発生する排気ガス中に含まれる窒素酸化物によって窒素と水に酸化分解されるため、前記ガス改質炉１４内においてアンモニアを好適に低減することができる。

（２）前記ガスエンジン駆動システム１１は、前記ガスエンジン１６の駆動にともなって発生する排気ガス中に含まれる窒素酸化物が、前記熱分解ガス中のアンモニアを分解するための有用物となるため、前記ガスエンジン１６を窒素酸化物の製造装置と捉えることで、該ガスエンジン１６を高負荷運転することができる。このため、前記ガスエンジン１６から排出されるすすの量を低減することができる。なお、一般にエンジンは、高負荷運転時には、排気ガス中の窒素酸化物の量は多くなるが、すすの量は少なくなり、低負荷運転時には、排気ガス中の窒素酸化物の量は少なくなるが、すすの量は多くなる。このため、環境汚染問題の観点から通常のエンジンは、大気汚染の原因となる窒素酸化物の量を抑えた状態（すすの量は多くなる状態）で駆動される。

（３）前記ガスエンジン駆動システム１１は、前記ガス改質炉１４内において、前記ガスエンジン１６の駆動にともなって発生する排気ガス中に含まれる有害な窒素酸化物と、前記熱分解ガス中に含まれる有害なアンモニアとを反応させて、無害な窒素と無害な水とにすることができるため、その駆動運転に伴う環境汚染を低減することができる。

（４）前記ガスエンジン駆動システム１１は、前記ガス改質炉１４内において、前記熱分解ガス中に含まれるアンモニアが前記排気ガス中に含まれる窒素酸化物によって窒素と水とに酸化分解されるとともに、この酸化分解の際に中間生成物としてヒドロキシラジカルが発生する。このため、前記ヒドロキシラジカルの強酸化作用により前記熱分解ガス中のタールを分解することができる。したがって、前記ガス改質炉１４内において、前記熱分解ガス中のアンモニアの低減とタールの低減とを同時に行うことができる。

（５）前記ガスエンジン駆動システム１１は、前記窒素酸化物収集装置１７を備えているため、前記排気ガスから窒素酸化物を分離し、この分離した純度の高い窒素酸化物を前記ガス改質炉１４内に供給することができる。

（変更例）
なお、前記実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。

・前記窒素酸化物収集装置１７から延びる前記第２排ガス供給管２２は、前記改質ガス供給系であれば、前記ガス発生炉１３、ガス改質炉１４、ガス洗浄機１５、第１ガス管１８、第２ガス管１９及び第３ガス管２０のうちの少なくとも１つに接続するようにしてもよい。なお、前記改質ガス供給系の複数の部材に前記第２排ガス供給管２２を接続する場合には、適宜前記第２排ガス供給管２２を分岐させればよい。

・前記第１排ガス供給管２１の中間部に加圧ポンプ等の加圧手段を設けて、前記ガスエンジン１６から排出される排気ガスを前記窒素酸化物収集装置１７内に加圧供給するようにしてもよい。

次に上記実施形態から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記窒素酸化物収集装置には、前記排気ガス中の前記窒素酸化物以外のガス成分を前記排気ガス供給系の外部へ放出するガス放出管が設けられたことを特徴とする請求項３に記載のガスエンジン駆動システム。

上記（イ）の構成によれば、前記排気ガス中の前記窒素酸化物以外のガス成分の処理を行う必要がなくなる。

実施形態のガス化発電システムのブロック図。実施形態の窒素ガス収集装置の断面図。

符号の説明

１１…ガスエンジン駆動システム、１３…改質ガス供給系を構成するガス発生炉、１４…改質ガス供給系を構成するガス改質炉、１５…改質ガス供給系を構成するガス洗浄機、１６…ガスエンジン、１７…排気ガス供給系を構成する窒素酸化物収集装置、１８…改質ガス供給系を構成する第１ガス管、１９…改質ガス供給系を構成する第２ガス管、２０…改質ガス供給系を構成する第３ガス管、２１…排気ガス供給系を構成する第１排ガス供給管、２２…排気ガス供給系を構成する第２排ガス供給管。

Claims

被熱分解物の熱分解によって得られる熱分解ガスを改質して供給する改質ガス供給系と、該改質ガス供給系から供給される改質ガスを燃料ガスとして駆動するガスエンジンとを備えたガスエンジン駆動システムであって、
前記ガスエンジンから排出される排気ガスを前記改質ガス供給系に供給する排気ガス供給系を備え、
前記排気ガス供給系は、前記排気ガス中から窒素酸化物を収集して前記改質ガス供給系側へ供給することにより前記改質ガス供給系内のアンモニアを酸化分解させる窒素酸化物収集装置を備えたことを特徴とするガスエンジン駆動システム。
前記改質ガス供給系は前記熱分解ガスを改質するガス改質炉を備えており、該ガス改質炉に前記排気ガス供給系を接続したことを特徴とする請求項１に記載のガスエンジン駆動システム。
被熱分解物の熱分解によって得られる熱分解ガスを改質して改質ガスとし、該改質ガスを燃料ガスとしてガスエンジンを駆動するガスエンジン駆動方法であって、
前記ガスエンジンから排出される排気ガスを前記熱分解ガスと混合することにより、前記排気ガス中の窒素酸化物が前記熱分解ガス中のアンモニアを酸化分解させることを特徴とするガスエンジン駆動方法。