JP4651073B2

JP4651073B2 - タービン装置

Info

Publication number: JP4651073B2
Application number: JP2001265747A
Authority: JP
Inventors: 屋慎一鍵; 岸哲山
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2001-09-03
Filing date: 2001-09-03
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2021-09-03
Also published as: JP2003074373A

Description

【０００１】
【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

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。