JP4651073B2 - タービン装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、嫌気性発酵により発生するバイオガス(例えばメタンガスと二酸化炭素の混合物)を燃焼器で燃焼し、その排気により駆動するタービン装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図5に示す従来のバイオガス燃焼タービン装置は、ガスタービンエンジンAtと、発電機8と、バイオガス発生装置5A、とで主要構成がされている。
ガスタービンエンジンAtは、燃焼用空気1を吸入する吸気ラインL1と、吸入空気1を圧縮するターボ圧縮機2と、圧縮空気FaとバイオガスFbを燃焼させる燃焼器3と、燃焼排気ガスGeにより旋回するタービン4とで構成されている。タービン4とターボ圧縮機2とは、回転軸2jによって連結されている。
タービン4に、回転軸4jを介して回転エネルギを吸収する発電機8が連結されている。
バイオガス発生装置5Aは、バイオガス発酵槽5と、バイオガス発酵に必要な熱を供給したり、有機性廃棄物7を乾燥する加温装置14とで構成されている。
符号12は、排気ガスGeの熱量を回収する熱交換器で、熱交換器12に連通する熱流ライン14aで熱量を授受し、ライン12aに連通する加温装置14で熱量を放出するよう構成されている。
上記によるバイオガス燃焼タービン装置は、酸素で発酵が抑制される嫌気性細菌が作用する嫌気性発酵槽5に依存しているため、バイオガスFbの生成供給が安定せずに、発電量が一定値になりにくい欠点がある。また、発酵槽5内の酸素量を低減あるいは除去する手段を有していないので、発生ガス量を確保するための発酵槽の容量が大になる、等の欠点があった。
【0003】
特開2000−331701号公報は、発電装置として使用する燃料電池の廃熱を回収して、メタン発酵槽の加温に使用する技術を開示している。
係る技術によれば、熱の有効利用ができて、発電システムとしての全体の効率向上がはかられている。
しかし、この技術は、メタン発酵槽への酸素侵入あるいは侵入した酸素の排出手段がない欠点を有している。また、発電装置が燃料電池であって本発明の技術分野のタービン装置とは異なっている。
【0004】
発酵槽への酸素の侵入に対しては、例えば特開昭62−244500号公報の技術では、何等かの理由で酸素が侵入してしまった場合に、窒素または二酸化炭素ガス等の不活性ガスによって発酵槽内の侵入酸素をパージする技術を開示している。
この技術は、発酵槽でのバイオガスの発生を安定させるのに有効であるが、不活性ガスを貯蔵ボンベから得るようにしてあり不活性ガスの補給及びコスト面での欠点がる。またこの技術は、メタン発酵に関する技術であって、本発明の技術分野のタービン装置とは異なっている。
【0005】
また、特開2000−229298号公報で開示された技術では、嫌気性廃水処理の発酵装置で出来たメタンガスをもう一度発酵装置に戻して、酸素をパージ脱酸し、発酵装置内の嫌気性細菌を活性化させるようにしている。
しかしながら、バイオガス発酵装置等の低酸素化に、そこで発生したバイオガスを使用するのでは、バイオガスの発生量が不安定である影響を受けて、十分に酸素をパージ出来ない恐れがある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、不活性ガス貯蔵手段を別途設けること無く、且つ、安定した酸素パージ能力を得ることが出来る様なタービン装置の提供を目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明のタービン装置は、バイオガス(Fb)を発生させて燃焼器(3)に供給するバイオガス発生手段(例えば発酵槽(5))と、排気ガスライン(L9)に介装され且つその内部で排気ガス(Ge)及び燃料(追焚燃料:例えば都市ガス(Fo))を燃焼するボイラ(11)と、ボイラ(11)で燃焼された後の排気ガス(Ge1)の一部或いは全部を前記バイオガス発生手段(5)に供給する排気ガス循環系統(排気ガス分配装置(23)、排気ガス循環用ライン(L23)、とを有しているタービン装置において、前記排気ガス循環系統は、排気ガスライン(L9)に介装された排気ガス分配装置(23)と、該排気ガス分配装置(23)から前記バイオガス発生手段(バイオガス発生装置、或いは、発酵槽(5))に連通する排気ガス循環用ライン(L23)を含み、そして前記タービン装置は、バイオガス発生手段(バイオガス発生装置、或いは、発酵槽(5))から発生したバイオガス(Fb)の発生量を計測するバイオガス発生量計測手段(流量計(27))と、該計測手段(27)の計測結果に基いて前記排気ガス分配装置(23)に制御信号を出力して前記排気ガス循環用ライン(L23)を流過する排気ガス流量を制御する制御手段(CU(30))と、前記バイオガス発生量計測手段(流量計(27))と制御手段(CU(30))と排気ガス分配装置(23)との間で信号を伝達するための信号伝達ライン((27s)、(30c))とを有しており、前記制御手段(CU(30))は、計測されたバイオガス(Fb)流量が少ない場合はバイオガス発生手段(5)に供給される(ボイラ11で燃焼した後の)排気ガス(Ge1:02濃度低)の流量を増加し、計測されたバイオガス(Fb)流量が過剰である場合はバイオガス発生手段(5)に供給される(ボイラ11で燃焼した後の)排気ガス(Ge1:02濃度低)の流量を減少する制御信号を発生する様に構成されている。
【0009】
係る構成を具備する本発明のタービン装置によれば、排気ガスそのものを嫌気性発酵を行うバイオガス発生手段(バイオガス発生装置、或いは、発酵槽(5))に戻している。
ここで、排気ガス中には大量の酸素が残留しているので、排気ガス(Ge)をそのままバイオガス発生手段(発酵槽(5))に供給してしまうと、却って、嫌気性発酵を阻害して、バイオガス(Fb)の発生に悪影響を及ぼしてしまう。
しかしながら、本発明では、排気ガスライン(L9)に介装されたボイラ(11)で燃料(Fo)によって排気ガス(Ge)を燃焼させることにより、排気ガス(Ge)中に残存する酸素を消費しつくして、その後に、排気ガス循環系統(排気ガス分配装置(23)、排気ガス循環用ライン(L23))を介してバイオガス発生手段(発酵槽(5))に供給している。
ボイラ(11)で燃焼後の排気ガスの主成分は、窒素と二酸化炭素であり、不活性ガスである。これをバイオガス発生手段(5)に加えることにより、酸素を不活性ガスでパージすることになる。すなわち、バイオガス発生手段(5)内の酸素濃度が低下し、嫌気性発酵が促進される。
【0010】
また、ボイラ(11)で燃焼後の排気ガス(Ge1)をバイオガス発生手段(5)に加えることにより、当該排気ガス(Ge1)が保有する熱量がバイオガス発生手段(5)に投入され、嫌気性発酵がさらに促進される。
【0011】
本発明によれば、ボイラ(11)で燃焼後の排気ガス(Ge1)を用いてバイオガス発生手段(発酵槽(5))内の酸素パージを行うので、不活性ガス貯蔵手段を別途設ける必要が無い。
また、発生したバイオガス(Fb)をバイオガス発生手段(発酵槽(5))に戻す必要が無く、発生したバイオガス(Fb)を全て燃焼器(3)に投入することが出来るので、バイオガス発生量に不均一が生じたとしても、それに起因する悪影響が可能な限り抑制され、安定した酸素パージ能力を得ることが出来る。
【0013】
係る構成を採用したならば、バイオガス(Fb)流量が少ない場合、バイオガス発生手段(5)に供給される(ボイラ11で燃焼した後の)排気ガス(Ge1:酸素濃度低)の流量が増加するので、殆ど不活性ガスとみなせる低酸素濃度の排気ガス(Ge1)により、バイオガス発生手段(5)内の酸素がパージされ、嫌気性発酵が促進される。また、前記排気ガス(Ge1)が保有する熱量が投入されることにより、バイオガス発生手段(5)内の温度が上昇して、嫌気性発酵が促進される。その結果、バイオガス発生量が増加する。
バイオガス(Fb)流量が多い場合は、バイオガス発生手段(5)内の酸素をパージするパージガス量が減少するので、バイオガス発生手段(5)内の酸素濃度は減少せず、嫌気性発酵が阻害される。また、排気ガス流量が減少することにより、バイオガス発生手段(5)に投入される熱量も減少するため、バイオガス発生手段(5)内の温度は上昇せず、嫌気性発酵は促進されない。その結果、バイオガス(Fb)発生量は減少する。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明のタービン装置の実施形態を説明する。図5の従来技術で使用した装置、部材の名称と符号は、構成、機能が同じものは同名称、同符号を重ねて使用する。
【0015】
第1の実施形態を示す図1において、タービン装置は、ガスタービンエンジンAtと、エンジンAtにバイオガスFbを供給するバイオガス発生手段5Bと、エンジンAtの排気ガスラインL9に介装されたボイラ11と、ボイラ11の後流で排気ガスラインL9に介装された排気ガス循環系統23A、とで主要部が構成されている。
【0016】
エンジンAtは、燃焼用空気1を吸入する吸気ラインL1と、吸入空気1を圧縮するターボ圧縮機2と、ターボ圧縮機2で圧縮された圧縮空気FaとバイオガスFbと都市ガスFt、とを混合燃焼させる燃焼器3と、排気ガスGeにより旋回するタービン4とで構成されている。タービン4とターボ圧縮機2とは、回転軸2jによって連結されている。
タービン4に、回転軸4jを介して回転エネルギを吸収する発電機8が連結されている。
【0017】
バイオガス発生手段5Bは、バイオガス発酵槽5と、バイオガス発酵に必要な熱を供給したり、有機性廃棄物7を乾燥しする加温装置24とで構成されている。
バイオガス発酵槽5と燃焼器3との間に混合率制御装置16が介装され、混合率制御装置16と燃焼器3とはラインL16で連通され、混合率制御装置16とバイオガス発酵槽5とはラインL5で連通されている。
混合率制御装置16に都市ガス供給源17がラインL17で連通されている。
【0018】
タービン4に、外部に連通する前記排気ガスラインL9が設けられ、ラインL9にNOx検出装置15と、前記ボイラ11と、エコノマイザ22と、排気ガス分配装置23が介装されている。
NOx検出装置15は、燃焼器3の排気中における窒素酸化物(NOx)量を計測し、信号伝達ライン15sによって制御装置20に連通され、制御装置20は信号伝達ライン20cによって混合率制御装置16に連通されている。
【0019】
ボイラ11は、外部の燃料源10にラインL10で連通され、都市ガス等の追焚燃料Foによって排気ガスGe中の残留酸素濃度を低下させて、低酸素排気ガスGe1にするよう構成されて装着されている。ボイラ11内に熱交換器21が内装されている。
エコノマイザ22は、排気ガスGe1と熱的に接して、ラインLw内の流水Wで受熱する熱交換機能を有し、熱交換器21に連通するよう構成されている。
熱交換器21は、ラインLwによって蒸気分配装置25に連通されている。
蒸気分配装置25は、吐出側の一方がラインL25aによって燃焼器3に連通され、他方が加温装置24を介装するラインL25bに連通されている。
【0020】
加温装置24は、外部の有機性廃棄物供給源からラインL7によって供給される有機性廃棄物7を、ラインL25bを流過する温水によって乾燥させる熱交換機能を有して構成され、ラインL24で発酵槽5に連通されている。
【0021】
排気ガス循環系統23Aは、排気ガス分配装置23と、排気ガス分配装置23から分配される排気ガス循環用ラインL23、とで構成されている。
排気ガス分配装置23は、エコノマイザ22に連通するラインL9に介装されていて、排気ガスGe1を外部に排出すると共にその1部または全部を、排気ガス循環用ラインL23を介してバイオガス発酵槽5に分配供給するよう構成されている。
【0022】
上記第1実施形態の作用について説明する。
エンジンAtの燃焼器3は、圧縮空気Faと、混合率制御装置16でバイオガスFbと都市ガスFtを混合された燃料ガスF16、とを燃焼してタービン4を駆動する。タービン4の駆動によって、発電機8で発電すると共に、ターボ圧縮機2を駆動する。
【0023】
タービン4から排出された残存酸素を多量に含んだ排気ガスGeは、NOx検出装置15を経由して、ボイラ11に導かれる。
ボイラ11に導かれた排気ガスGeは、外部燃料Fo用のバーナによって未燃の含有酸素を燃焼され、かつ加熱されて、不活性な低酸素排気ガスGe1となって、エコノマイザ22を経由して排気ガス分配装置23に導かれる。
排気ガス分配装置23に導かれた低酸素排気ガスGe1は、分配した一方をラインL9で外部に排気し、他方をラインL23を介して発酵槽5に送る。
【0024】
発酵槽5では、加温装置24で加熱、乾燥された有機性廃棄物7が、嫌気性細菌によりメタンと二酸化炭素の混合物であるバイオガスFbを生成する。このバイオガスFbの生成時に、発酵槽5内の酸素をラインL23からの低酸素排気ガスGe1でパージして嫌気性細菌の活性化をはかっている。
【0025】
ラインLwに流入した水Wは、エコノマイザ22で加熱され、ついで、ボイラ11内の熱交換器21で加熱され1部は蒸気となって蒸気分配器25に行く。蒸気分配器25では、蒸気の1部がL25aを介して燃焼器3に行き回転力を助長し、その他は温水と共に加温装置24で有機性廃棄物7を加熱し、脱水、昇温させる。
【0026】
上記の作用の過程で、制御装置20は、図2に示すフローチャートのように制御作動を行う。
ステップS1においては、NOx検出装置15でNOx量を計測する。
ステップS2では、ステップS1で計測されたNOx量が許容値以下であるか否かを判断する。NOx検出装置15で計測されたNOx量が許容値を上回っている場合には(ステップS2がNo)、ステップS3に行く。
ステップS3では、空燃比を下げてNOx発生量を減少させるべく、都市ガスFtの量を減量してその混合率を減少させる。換言すれば、供給される混合ガスにおけるバイオガスFbの量を増量して、バイオガスFbの混合率を増加する。
ここで、制御装置20による制御は自動制御のみならず、マニュアル制御でもよい。
上記のようにして、変動するバイオガスFbの生成量により、燃焼器3の排気注のNOx量が増加しない様に、都市ガスFtとバイオガスFbとの混合率を常時制御するのである。
【0027】
上記のようにして、バイオガスFbと都市ガスFtを混合して燃焼させ、所定の負荷である所定発電量を維持する。
【0028】
図3は、本発明のタービン装置の第2実施形態を示している。図1と異なる部分を主体に説明する。
図3において、発酵槽5と混合率制御装置16とを連通するラインL5に、バイオガスFbの発生量である流量を計測するためにバイオガス発生量計測手段の流量計27が介装されている。
流量計27は、信号伝達ライン27sによって制御装置30に連通されており、制御装置30は信号伝達ライン30cによって排気ガス分配装置23に連通されている。
制御装置30は、流量計27からの計測結果を受信して、排気ガス分配器23の排気ガスL23への分配量を制御する機能を有して構成されている。
上記以外の構成は、図1の第1実施形態の構成と同じである。
【0029】
図3の第2実施形態の作用を、図1と異なる部分について説明する。
発酵槽5で生成するバイオガスFbの量は、流量計27で計測され信号ライン27sによって制御装置30に伝達される。
【0030】
制御装置30は、図4に示すフローチャートのように制御作動を行う。
ステップS11においては、バイオガス流量計27でラインL5を流れるバイオガスFb発生量を計測する。
ステップS12では、バイオガス発生量が適正であるかを判断する。即ち、バイオガス発生量が所定値にあるか否かを判断する。所定値以下の発生量であれば、ステップS13に、所定値以上であればステップS14に行く。
ステップS13では、低酸素排気ガスGe1のバイオガス発酵槽5への分配流量を増量するように、排気ガス分配装置23への制御信号を送信する。即ち、排気ガスGe1のバイオガス発酵槽5への分配量増量によって、発酵槽5内の酸素が低酸素排気ガスGe1でパージされ、かつ低酸素排気ガスGe1の保有する熱量の付与によって嫌気性細菌が活性化し、バイオガスFbの発生量を増加させるようにする。
ステップS14では、低酸素排気ガスGe1のバイオガス発酵槽5への分配流量を減量するように、排気ガス分配装置23への制御信号を送信する。即ち、排気ガスGe1のバイオガス発酵槽5への分配量減量によって、発酵槽5内の酸素が低酸素排気ガスGe1でパージされる量を減少させて、かつ低酸素排気ガスGe1の保有する熱量の付与減少によって嫌気性細菌の活性を抑制し、バイオガスFbの発生量を減少させるようにする。
制御装置30による制御は、自動制御にかわるマニュアル制御でもよい。
上記のようにして、変動するバイオガスFbの生成量を、低酸素排気ガスGe1の供給量を調整することで増減させる。
【0031】
上記のようにして、バイオガスFbと都市ガスFtを混合して燃焼させ、所定の負荷である所定発電量を維持する。
【0032】
なお、図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術的範囲を限定する趣旨の記述ではない。
例えば、図示の実施形態では、ガスタービン装置により発電装置を駆動しているが、本発明のタービン装置は発電装置以外の機器を駆動するものであっても良い。
【0033】
【発明の効果】
本発明の作用効果を以下に列挙する。
(1) バイオガス発酵槽によるバイオガスと、都市ガス、との混焼による発電のため、バイオガス生成に変動があっても都市ガスの補完によって、所定の発電量を確保できる。
(2) 排気ガスラインに介装したNOx検出装置の検出結果によって発電量を判断し、混合率制御装置で所定の燃料熱量をエンジンに供給するので、所定の発電量を確保できる。
(3) 排気ガスラインに介装したボイラによって酸素成分の多い排気ガスを低酸素排気ガスに変え、この低酸素排気ガスでバイオガス発酵槽内の酸素をパージさせるので、嫌気性細菌を活性化させてバオイガスの生成を確保できる。したがって、バイオガス生成量確保のための生成設備を、コンパクトにできる。
(4) バイオガス流量計と制御装置を設ければ、排気ガス分配装置での発酵槽への低酸素排気ガスによるパージ量を制御することでバイオガスの生成量を制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態を示す構成図。
【図2】第1実施形態における出力(発電量)制御を示すフローチャート。
【図3】本発明の第2実施形態を示す構成図。
【図4】第2実施形態におけるバイオガス発生量の制御を示すフローチャート。
【図5】従来のバイオガス燃焼タービン装置。
【符号の説明】
At・・ガスタービンエンジン
3・・・燃焼器
4・・・タービン
5・・・バイオガス発生手段(発酵槽)
8・・・発電機
L9・・排気ガスライン
11・・ボイラ
15・・NOx検出装置
16・・混合率制御装置
20、30・・制御装置
23A・・排気ガス循環系統
23・・排気ガス分配装置
L23・・排気ガス循環用ライン
24・・加温装置
Claims (1)
- バイオガスを発生させて燃焼器に供給するバイオガス発生手段と、排気ガスラインに介装され且つその内部で排気ガス及び燃料を燃焼するボイラと、ボイラで燃焼された後の排気ガスの一部或いは全部を前記バイオガス発生手段に供給する排気ガス循環系統、とを有しているタービン装置において、前記排気ガス循環系統は、排気ガスラインに介装された排気ガス分配装置と、該排気ガス分配装置から前記バイオガス発生手段に連通する排気ガス循環用ラインを含み、そして前記タービン装置は、バイオガス発生手段から発生したバイオガスの発生量を計測するバイオガス発生量計測手段と、該計測手段の計測結果に基いて前記排気ガス分配装置に制御信号を出力して前記排気ガス循環用ラインを流過する排気ガス流量を制御する制御手段と、前記バイオガス発生量計測手段と制御手段と排気ガス分配装置との間で信号を伝達するための信号伝達ラインとを有しており、前記制御手段は、計測されたバイオガス流量が少ない場合はバイオガス発生手段に供給される排気ガスの流量を増加し、計測されたバイオガス流量が過剰である場合はバイオガス発生手段に供給される排気ガスの流量を減少する制御信号を発生する様に構成されているタービン装置。
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