JP6225350B1

JP6225350B1 - 燃料液化システムおよび熱機関システム

Info

Publication number: JP6225350B1
Application number: JP2017087071A
Authority: JP
Inventors: 石田　隆; 隆石田
Original assignee: 株式会社Ｇ−Ｂｉｏイニシアティブ
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2017-04-26
Publication date: 2017-11-08
Anticipated expiration: 2037-04-26
Also published as: JP2018184897A

Abstract

【課題】固体状の燃料を加熱して液化する燃料液化システムおよびそれを利用した熱機関システムにおける効率向上を図る。【解決手段】燃料液化システムは、固体状の燃料を貯蔵して輸送する輸送タンク１２に取り付けられて輸送タンク１２内の燃料に高温の液体状の燃料を供給し輸送タンク１２内の液体状の燃料の一部を回収する輸送タンク取り付け部２１と、輸送タンク取り付け部２１に接続されて輸送タンク取り付け部２１に高温の液体状の燃料を供給し輸送タンク１２内の液体状の燃料を輸送タンク取り付け部２１から回収する燃料循環配管２０と、燃料循環配管２０に接続されて液体状の燃料を加熱する燃料加熱器１４と、燃料循環配管２０を循環する液体状の燃料を貯留するサブタンク２２と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、常温で少なくとも一部が固体状の燃料を加熱して液化する燃料液化システムおよびそれを利用した熱機関システムに関する。

特許文献１に記載されているように、パーム油などのバイオ燃料をディーゼルエンジンなどの熱機関の燃料として利用して発電を行うことが検討されている。ここで、パーム油などは、輸送タンクに入れられて輸送され、熱機関などの燃料として利用される。パーム油などは、輸送タンクに入れられるときは加熱されて液体状態であるが、輸送中に放熱し、ほぼ常温になると、ほぼ固体状態になる。このため、熱機関などの燃料として利用するに際して、固体状態の燃料を加熱して液化する必要がある。

特開２０１４−２３４５１２号公報

輸送タンクに入れられて固体状になっているパーム油などの燃料を加熱して液化するにあたり、輸送タンクの外側から加熱する場合、伝熱面積を大きくとることが困難であり、伝熱効率がよくない。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、常温で少なくとも一部が固体状の燃料を加熱して液化する燃料液化システムおよびそれを利用した熱機関システムにおける効率向上を図ることを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料液化システムは、常温で少なくとも一部が固体状の燃料を加熱して液化する燃料液化システムであって、常温で少なくとも一部が固体状の燃料を貯蔵して輸送する輸送タンクに着脱可能に取り付けられて、前記輸送タンク内の燃料に融点よりも高温に加熱された液体状の燃料を供給し、前記輸送タンク内の液体状の燃料の一部を回収する輸送タンク取り付け部と、前記輸送タンク取り付け部に接続されて、前記輸送タンク取り付け部に融点よりも高温に加熱された液体状の燃料を供給し、前記輸送タンク内の液体状の燃料の一部を前記輸送タンク取り付け部から回収する燃料循環配管と、前記燃料循環配管に接続されて、前記燃料循環配管を循環する液体状の燃料を加熱して前記融点よりも高温に加熱された液体状の燃料を生成する燃料加熱器と、前記燃料循環配管に接続されて、前記燃料循環配管を循環する液体状の燃料を貯留するサブタンクと、を有すること、を特徴とする。

また、本発明に係る熱機関システムは、常温で少なくとも一部が固体状の燃料を貯蔵して輸送する輸送タンク内に貯蔵された燃料を加熱して液化する燃料液化システムと、前記燃料液化システムにより液体状になった前記輸送タンク内の燃料を回収して貯留するストレージタンクと、前記ストレージタンク内に貯留された液体状の燃料を燃焼させる熱機関と、を備えた熱機関システムであって、前記燃料液化システムは、常温で少なくとも一部が固体状の燃料を貯蔵して輸送する輸送タンクに着脱可能に取り付けられて、前記輸送タンク内の燃料に融点よりも高温に加熱された液体状の燃料を供給し、前記輸送タンク内の液体状の燃料の一部を回収する輸送タンク取り付け部と、前記輸送タンク取り付け部に接続されて、前記輸送タンク取り付け部に融点よりも高温に加熱された液体状の燃料を供給し、前記輸送タンク内の液体状の燃料の一部を前記輸送タンク取り付け部から回収する燃料循環配管と、前記燃料循環配管に接続されて、前記燃料循環配管を循環する液体状の燃料を加熱して前記融点よりも高温に加熱された液体状の燃料を生成する燃料加熱器と、前記燃料循環配管に接続されて、前記燃料循環配管を循環する液体状の燃料を貯留するサブタンクと、を有すること、を特徴とする。

この発明によれば、常温で少なくとも一部が固体状の燃料を加熱して液化する燃料液化システムおよびそれを利用した熱機関システムにおいて効率向上を図ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料液化システムを含めた熱機関システムを示す全体系統図である。第１の実施形態に係る燃料液化システムにおける輸送タンク取り付け部を模式的に示す縦断面図であり、図３のＩＩ−ＩＩ線矢視図である。第１の実施形態に係る燃料液化システムにおける輸送タンク取り付け部を模式的に示す横断面図であり、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視図である。本発明の第２の実施形態に係る燃料液化システムを含めた熱機関システムを示す全体系統図である。本発明の第３の実施形態に係る燃料液化システムを含めた熱機関システムを示す全体系統図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係る燃料液化システムを含めた熱機関システムについて説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。

（第１の実施形態）
（構成）
図１は、第１の実施形態に係る燃料液化システムを含めた熱機関システムを示す全体系統図である。

ここでは、たとえば、発電用のディーゼルエンジン（熱機関）１１の燃料としてパーム油を用いる場合について説明する。パーム油は常温でほぼ固体であって、輸送タンク１２に収容されて搬送され、ディーゼルエンジン１１の近傍に配置された輸送タンク設置台７０に着脱可能に設置される。輸送タンク１２は、たとえば、国際基準（ＩＳＯ規格）に基づくＩＳＯタンクである。

ディーゼルエンジン１１の冷却のための冷却水を循環する冷却水循環配管１３が設けられている。冷却水循環配管１３には、熱交換器（燃料加熱器）１４、放熱器１５、冷却水循環ポンプ１６が接続されている。ディーゼルエンジン１１を出た高温の冷却水は、熱交換器１４、放熱器１５で順次放熱し、低温になった冷却水は冷却水循環ポンプ１６で昇圧されてディーゼルエンジン１１に戻されるように構成されている。

燃料液化システムは、燃料循環配管２０と、輸送タンク取り付け部２１と、サブタンク２２と、燃料循環ポンプ２３とを備えている。

輸送タンク取り付け部２１は、輸送タンク設置台７０に設置された輸送タンク１２に着脱可能に取り付けられるものであり、その詳細については、図２および図３を参照して後述する。燃料循環配管２０は、液化した燃料を循環するものである。

液化した燃料は、熱交換器１４でディーゼルエンジン１１の冷却水からの排熱によって加熱されて高温になり、燃料循環配管２０を経て輸送タンク取り付け部２１に送られる。輸送タンク取り付け部２１で、高温の燃料により、輸送タンク１２内の固体状態または液体状態の燃料に熱が加えられ、輸送タンク１２内の燃料の液化が進められる。輸送タンク１２内の比較的低温の液体状態の燃料は、燃料循環配管２０を経てサブタンク２２に送られてサブタンク２２に貯留し、さらに、燃料循環配管２０を経て燃料循環ポンプ２３に送られて昇圧され、熱交換器１４に戻される。

輸送タンク設置台７０に設置された輸送タンク１２の下部には、燃料回収配管３０を介してストレージタンク２４が接続されている。燃料回収配管３０には燃料回収弁３０ａおよび燃料回収ポンプ７５が設けられている。ストレージタンク２４は、燃料供給配管３２を経てディーゼルエンジン１１に接続されて、ストレージタンク２４内の燃料がディーゼルエンジン１１の燃料として供給できるようになっている。燃料供給配管３２には燃料供給ポンプ３３が接続されている。

図１において、燃料が流れる配管は実線で示し、冷却水が流れる配管は破線で示している。

図１において、放熱器１５は、大気や海水などを冷熱源として冷却水の熱を放出して冷却水の温度を低下させるためのものである。

つぎに、図２および図３を参照しながら、第１の実施形態に係る燃料液化システムにおける輸送タンク取り付け部２１の詳細について説明する。図２は、第１の実施形態に係る燃料液化システムにおける輸送タンク取り付け部を模式的に示す縦断面図であり、図３のＩＩ−ＩＩ線矢視図である。図３は、第１の実施形態に係る燃料液化システムにおける輸送タンク取り付け部を模式的に示す横断面図であり、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視図である。なお、図２および図３において、矢印３８は燃料の流れの方向を示している。

輸送タンク取り付け部２１は、輸送タンク１２の頂部に形成された開口部から輸送タンク１２内に上方から挿入されるものである。輸送タンク取り付け部２１は、攪拌機４８と、２本の燃料吐出管４１と、２本の燃料吸込み管４２とを有する。

攪拌機４８は、上下方向に延びる攪拌機駆動ロッド４０と、電動機４５と、攪拌体４６とを有する。電動機４５は、攪拌機駆動ロッド４０の上端に取り付けられ、攪拌機駆動ロッド４０を回転駆動する。攪拌体４６は、上下方向を軸とするほぼ円柱状であって、攪拌機駆動ロッド４０の下端に取り付けられ、攪拌機駆動ロッド４０によって回転駆動される。攪拌体４６の下端中央には吸込み口５０が形成され、攪拌体４６の周囲に沿って複数の吐出口５１が形成され、吸込み口５０と吐出口５１は攪拌体４６内で連通している。攪拌体４６が攪拌機駆動ロッド４０によって回転駆動されると、攪拌体４６内の液体燃料が遠心力を受けることにより、吐出口５１から吐出され、外部の液体燃料が吸込み口５０から攪拌体４６内に流入し、攪拌体４６の周りの液体燃料が撹拌されるように構成されている。

２本の燃料吐出管４１は、攪拌機駆動ロッド４０をはさんで攪拌機駆動ロッド４０に平行に延び、２本の燃料吸込み管４２は、攪拌機駆動ロッド４０をはさんで攪拌機駆動ロッド４０に平行に延びている。

燃料吐出管４１の上端は燃料循環配管２０の熱交換器１４下流側に接続され、燃料吸込み管４２の上端は燃料循環配管２０のサブタンク２２上流側に接続されている。２本の燃料吐出管４１それぞれの下端には、流速を増すための噴射ノズル４３が取り付けられていて、２個の噴射ノズル４３は互いに反対側に向けられている。２本の燃料吸込み管４２それぞれの下端には、吸込みノズル４４が取り付けられていて、２個の吸込みノズル４４は互いに反対側に向けられ、各噴射ノズル４３と各吸込みノズル４４は互いに直角方向に向けられている。

（運用）
上記構成の燃料液化システムを含めた熱機関システムの運用について説明する。輸送タンク１２内に燃料を充填した状態で、輸送タンク１２を、ディーゼルエンジン１１の近くに設置された輸送タンク設置台７０に設置する。輸送タンク１２内の燃料は、通常、燃料の産地で輸送タンク１２内に充填したときは液体状態であるが、燃料液化システムの位置まで輸送される間に放熱されてほぼ固体状態になっている。ただし、輸送タンク１２内の燃料の一部が液体状態のままであってもよい。

輸送タンク１２を輸送タンク設置台７０に設置した後に、輸送タンク１２上部の開口から輸送タンク取り付け部２１を上方から挿入して、これを仮に固定する。また、輸送タンク１２の下部に燃料回収配管３０を接続する。そのとき、燃料回収弁３０ａは閉じておく。その後、ディーゼルエンジン１１の冷却水の熱を熱源として、熱交換器１４で燃料を加熱し、高温の液体状の燃料を燃料吐出管４１から輸送タンク１２内に送り込む。輸送タンク１２内の比較的低温の液体状の燃料は、燃料吸込み管４２からサブタンク２２に送られ、燃料循環ポンプ２３で昇圧されて熱交換器１４に戻る。

燃料吐出管４１の先端に噴射ノズル４３が取り付けられていることから、燃料吐出管４１から供給される高温の液体状の燃料が輸送タンク１２内で勢いよく流れ、輸送タンク１２内の液体燃料の混合が促進され、固体燃料の液化が促進される。また、輸送タンク取り付け部２１に攪拌機４８が含まれていることから、この攪拌機４８によっても輸送タンク１２内の液体燃料の混合が促進され、固体燃料の液化が促進される。

輸送タンク１２内の燃料全体が液化したとき、燃料回収弁３０ａを開き、燃料回収ポンプ７５を動作させて、輸送タンク１２内の燃料をストレージタンク２４に移送する。

輸送タンク１２内が空になった後に、その空の輸送タンク１２を輸送タンク設置台７０から撤去し、固体燃料が充填された別の輸送タンク１２を輸送タンク設置台７０に設置する。その後は、上記固体燃料の液化の手順を繰り返す。

ストレージタンク２４内に液体状の燃料を常時貯留することにより、輸送タンク１２の交換時も含めて、連続的にディーゼルエンジン１１に燃料を供給することができる。

また、サブタンク２２内に液体状の燃料を常時貯留することにより、輸送タンク１２の交換後直ちに高温の液体状の燃料を燃料吐出管４１に供給することができる。

放熱器１５が設けられていることから、燃料液化に必要な熱の量の変動によらず、ディーゼルエンジン１１の冷却水の温度を、ディーゼルエンジン１１を冷却するために必要な温度範囲に制御することができる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る燃料液化システムを含めた熱機関システムを示す全体系統図である。この実施形態では、サブタンク２２内にサブタンク加熱器６１が配置され、ストレージタンク２４内にストレージタンク加熱器６２が配置されている。熱交換器１４を通った冷却水が、放熱器１５へ送られる前に、サブタンク加熱器６１に導かれ、さらに、ストレージタンク加熱器６２に導かれ、その後に放熱器１５へ送られるように構成されている。

上記以外の構成は第１の実施形態と同様である。

この実施形態によれば、サブタンク２２内の燃料およびストレージタンク２４内の燃料が、ディーゼルエンジン１１の冷却水の排熱によって加熱され、サブタンク２２およびストレージタンク２４内に貯蔵された燃料が放熱によって固化するのを防ぐことができる。

また、この実施形態によれば、第１の実施形態の作用・効果を得ることができるのはもちろんである。

（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態に係る燃料液化システムを含めた熱機関システムを示す全体系統図である。この実施形態は第１の実施形態の変形であって、燃料循環配管２０を循環する燃料の加熱源として、ディーゼルエンジン１１の冷却水の排熱を用いる代わりに、ディーゼルエンジン１１の排ガスを熱源とする。

図５に示すように、ディーゼルエンジン１１の排ガスダクト８０内に排ガス熱回収ボイラ８１が設置されている。排ガス熱回収ボイラ８１で得られた蒸気は、水／蒸気配管８２を循環し、熱交換器（燃料加熱器）８３で、燃料循環配管２０内を循環する燃料を加熱する。熱交換器８３で蒸気の全部または一部は凝縮し、放熱器８４でさらに放熱して低温の水になる。放熱器８４を出た水は循環ポンプ８５で昇圧されて排ガス熱回収ボイラ８１に戻される。図５で、排ガス熱回収ボイラ８１に供給される水およびそこで得られる蒸気の流れる水／蒸気配管８２を一点鎖線で示す。

上記以外の構成は第１の実施形態と同様である。なお、この第３の実施形態において、ディーゼルエンジン１１を冷却するために、冷却水循環配管１３に放熱器１５（図１参照）などが接続されているが、図５では冷却水循環配管１３の系統の図示は省略している。

この第３の実施形態によれば、ディーゼルエンジン１１の排ガスを熱源として固体燃料の液化を行うことができる。この場合は、ディーゼルエンジン１１の冷却水を熱源とする第１および第２の実施形態よりも高温の熱源として利用することができる。

（他の実施形態）
上記説明では、燃料吐出管４１と燃料吸込み管４２がそれぞれ２本あるとしたが、それぞれ、１本または３本以上あってもよい。また、燃料吐出管４１と燃料吸込み管４２をそれぞれ１本として、それぞれの下端で分岐させて、噴射ノズル４３および吸込みノズル４４をそれぞれ複数個としてもよい。

また、上記説明では、輸送タンク取り付け部２１が攪拌機４８を有するものとしたが、輸送タンク取り付け部２１が攪拌機４８を持たず、燃料吐出管４１と燃料吸込み管４２を通じて燃料を循環し攪拌するだけのものであってもよい。

上記説明では、１個の輸送タンク１２に１個の輸送タンク取り付け部２１を取り付けるものとしたが、１個の輸送タンク１２に２個以上の輸送タンク取り付け部２１を取り付けてもよい。それにより、より短時間で輸送タンク１２内の燃料の液化を行うことができる。

上記説明では、熱機関としてディーゼルエンジン１１を例にとったが、ディーゼルエンジンに限らず、ガスタービンや蒸気タービンを用いた熱機関に適用することもできる。

上記第３の実施形態では、第１の実施形態の熱源をディーゼルエンジン１１の排ガスに置き換えるものとしたが、第２の実施形態の熱源をディーゼルエンジン１１の排ガスに置き換えることもできる。

さらに、第１または第２の実施形態の特徴と第３の実施形態の特徴との組合せ、すなわち、ディーゼルエンジン１１の冷却水から得る熱とディーゼルエンジン１１の排ガスから得る熱の両方を、燃料循環配管２０を循環する燃料の加熱源として利用するシステムとすることもできる。

上記実施形態の説明では、燃料加熱器１４、８３として、熱機関の排熱を利用するものを例示したが、熱機関の排熱を利用するものに限定されることはなく、たとえば、熱機関とは別の熱源として燃焼器を備えたボイラや電気ヒータを用いてもよい。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１１…ディーゼルエンジン（熱機関）、１２…輸送タンク、１３…冷却水循環配管、１４…熱交換器（燃料加熱器）、１５…放熱器、１６…冷却水循環ポンプ、２０…燃料循環配管、２１…輸送タンク取り付け部、２２…サブタンク、２３…燃料循環ポンプ、２４…ストレージタンク、３０…燃料回収配管、３０ａ…燃料回収弁、３２…燃料供給配管、３３…燃料供給ポンプ、４０…攪拌機駆動ロッド、４１…燃料吐出管、４２…燃料吸込み管、４３…噴射ノズル、４４…吸込みノズル、４５…電動機、４６…攪拌体、４８…攪拌機、５０…吸込み口、５１…吐出口、６１…サブタンク加熱器、６２…ストレージタンク加熱器、７０…輸送タンク設置台、７５…燃料回収ポンプ、８０…排ガスダクト、８１…排ガス熱回収ボイラ、８２…水／蒸気配管、８３…熱交換器、８４…放熱器、８５…循環ポンプ

Claims

常温で少なくとも一部が固体状の燃料を加熱して液化する燃料液化システムであって、
常温で少なくとも一部が固体状の燃料を貯蔵して輸送する輸送タンクに着脱可能に取り付けられて、前記輸送タンク内の燃料に融点よりも高温に加熱された液体状の燃料を供給し、前記輸送タンク内の液体状の燃料の一部を回収する輸送タンク取り付け部と、
前記輸送タンク取り付け部に接続されて、前記輸送タンク取り付け部に融点よりも高温に加熱された液体状の燃料を供給し、前記輸送タンク内の液体状の燃料の一部を前記輸送タンク取り付け部から回収する燃料循環配管と、
前記燃料循環配管に接続されて、前記燃料循環配管を循環する液体状の燃料を加熱して前記融点よりも高温に加熱された液体状の燃料を生成する燃料加熱器と、
前記燃料循環配管に接続されて、前記燃料循環配管を循環する液体状の燃料を貯留するサブタンクと、
を有すること、を特徴とする燃料液化システム。
前記輸送タンク取り付け部は、前記高温の液体状の燃料を加速して前記輸送タンク内に噴射する噴射ノズルを備えていること、を特徴とする請求項１に記載の燃料液化システム。
前記燃料加熱器は、熱機関の排熱を利用して前記燃料循環配管を循環する液体状の燃料を加熱するものであること、を特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料液化システム。
前記燃料加熱器は、熱機関の冷却水の排熱を利用して前記燃料循環配管を循環する液体状の燃料を加熱するものであること、を特徴とする請求項３に記載の燃料液化システム。
前記燃料加熱器は、熱機関の排ガスの排熱を利用して前記燃料循環配管を循環する液体状の燃料を加熱するものであること、を特徴とする請求項３または請求項４に記載の燃料液化システム。
前記サブタンク内に貯留された前記液体状の燃料を加熱するサブタンク加熱器をさらに有すること、を特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料液化システム。
前記輸送タンク取り付け部は、
前記燃料循環配管から供給される液体状の燃料と前記輸送タンク内の液体状の燃料とを撹拌させる撹拌機を備えていること、
を特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の燃料液化システム。
前記燃料はパームオイルであって、
前記熱機関はディーゼルエンジンであること、
を特徴とする請求項３ないし請求項５のいずれか一項に記載の燃料液化システム。
常温で少なくとも一部が固体状の燃料を貯蔵して輸送する輸送タンク内に貯蔵された燃料を加熱して液化する燃料液化システムと、
前記燃料液化システムにより液体状になった前記輸送タンク内の燃料を回収して貯留するストレージタンクと、
前記ストレージタンク内に貯留された液体状の燃料を燃焼させる熱機関と、
を備えた熱機関システムであって、
前記燃料液化システムは、
常温で少なくとも一部が固体状の燃料を貯蔵して輸送する輸送タンクに着脱可能に取り付けられて、前記輸送タンク内の燃料に融点よりも高温に加熱された液体状の燃料を供給し、前記輸送タンク内の液体状の燃料の一部を回収する輸送タンク取り付け部と、
前記輸送タンク取り付け部に接続されて、前記輸送タンク取り付け部に融点よりも高温に加熱された液体状の燃料を供給し、前記輸送タンク内の液体状の燃料の一部を前記輸送タンク取り付け部から回収する燃料循環配管と、
前記燃料循環配管に接続されて、前記燃料循環配管を循環する液体状の燃料を加熱して前記融点よりも高温に加熱された液体状の燃料を生成する燃料加熱器と、
前記燃料循環配管に接続されて、前記燃料循環配管を循環する液体状の燃料を貯留するサブタンクと、
を有すること、を特徴とする熱機関システム。
前記燃料加熱器は、前記熱機関の排熱を利用して、前記燃料循環配管を循環する液体状の燃料を加熱するものであること、を特徴とする請求項９に記載の熱機関システム。
前記ストレージタンク内に貯留された前記液体状の燃料を前記熱機関の排熱を利用して加熱するストレージタンク加熱器をさらに有すること、を特徴とする請求項１０に記載の熱機関システム。
前記ストレージタンク内に貯留された液化された燃料を前記熱機関に燃料として供給する燃料供給ポンプをさらに有すること、を特徴とする請求項９ないし請求項１１のいずれか一項に記載の熱機関システム。