JPH07208200A - Combustion equipment for turbine compressor and method thereof - Google Patents

Combustion equipment for turbine compressor and method thereof

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JPH07208200A
JPH07208200A JP6001048A JP104894A JPH07208200A JP H07208200 A JPH07208200 A JP H07208200A JP 6001048 A JP6001048 A JP 6001048A JP 104894 A JP104894 A JP 104894A JP H07208200 A JPH07208200 A JP H07208200A
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exhaust gas
combustion
turbine
compressor
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Yoshihiro Aimono
美裕 四十物
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Abstract

PURPOSE:To prevent a compressor from surging and to operate a fuel cell power generating facility at a low partial load by retaining stable combustion at the min. fuel gas and by increasing the temp. of the gas flowing into a turbine as high as the optimum level. CONSTITUTION:In the case of a cathode exhaust gas 9 of a low flow rate, there are provided a fuel mixing line 31 for mixing part of air 11 compressed in a compressor 24 with a fuel gas 1, a heat exchanger 32 for indirectly heating the mixed gas using the high-temp. cathode exhaust gas, a combustor 33 for burning the heated mixed gas, and a gas supply line 34 for mixing the burned exhaust gas with the cathode gas passed through the heat exchanger to supply to a turbine 23. Thus, the flow rate and temp. of the gas supplied to the turbine is increased to prevent the compressor from surging.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、溶融炭酸塩型燃料電池
発電設備におけるタービンコンプレッサ用燃焼装置とそ
の燃焼方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a combustion device for a turbine compressor in a molten carbonate fuel cell power generation facility and a combustion method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】溶融炭酸塩型燃料電池は、高効率、かつ
環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特
徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システ
ムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行
われている。特に天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃
料電池を用いた発電設備では、図5に示すように燃料ガ
ス1と水蒸気2との混合ガス3を水素を含むアノードガ
ス4に改質する改質器10と、アノードガス4と酸素を
含むカソードガス5とから発電する燃料電池20とを備
えており、改質器10で作られたアノードガス4は燃料
電池20に供給され、燃料電池内でその大部分(例えば
80%)を消費してアノード排ガス6となり、その水分
を気水分離器12で分離した後、燃焼用ガス7として改
質器10の燃焼器に供給される。改質器10では燃焼用
ガス7中の可燃成分(水素、一酸化炭素、メタン等)を
燃焼器で燃焼して高温の燃焼ガスを生成し、この高温の
燃焼ガスにより改質管を加熱し改質管内を流れる混合ガ
ス3を改質する。改質器を出た燃焼排ガス8にはコンプ
レッサ24で加圧された空気11が合流してカソードガ
ス5となり、このカソードガス5は、燃料電池20内で
一部が反応して高温のカソード排ガス9となり、その一
部がリサイクルされ、残りはタービンコンプレッサ22
(動力回収装置)のタービン23で動力を回収し、ボイ
ラ25で熱を回収して、系外に排出される。なお、図5
で、13はアノード排ガスブロア、14はカソード循環
ブロアである。
2. Description of the Related Art Molten carbonate fuel cells have characteristics that conventional power generators do not have, such as high efficiency and little impact on the environment, and they are attracting attention as a power generation system following hydropower, thermal power, and nuclear power. Is currently being researched and developed all over the world. In particular, in a power generation facility using a molten carbonate fuel cell using natural gas as a fuel, as shown in FIG. 5, reforming is performed to reform a mixed gas 3 of a fuel gas 1 and steam 2 into an anode gas 4 containing hydrogen. The reformer 10 is provided with a fuel cell 20 for generating electricity from the anode gas 4 and the cathode gas 5 containing oxygen. The anode gas 4 produced by the reformer 10 is supplied to the fuel cell 20 and The anode exhaust gas 6 is consumed by consuming most of it (for example, 80%), and its water content is separated by a steam separator 12 and then supplied as combustion gas 7 to a combustor of a reformer 10. In the reformer 10, combustible components (hydrogen, carbon monoxide, methane, etc.) in the combustion gas 7 are burned in the combustor to generate high temperature combustion gas, and the high temperature combustion gas heats the reforming pipe. The mixed gas 3 flowing in the reforming pipe is reformed. The air 11 pressurized by the compressor 24 merges with the combustion exhaust gas 8 that has exited the reformer to form the cathode gas 5, and this cathode gas 5 partially reacts in the fuel cell 20 to generate high-temperature cathode exhaust gas. 9, part of which is recycled, the rest is turbine compressor 22
Power is recovered by the turbine 23 of the (power recovery device), heat is recovered by the boiler 25, and the heat is discharged to the outside of the system. Note that FIG.
Here, 13 is an anode exhaust gas blower, and 14 is a cathode circulation blower.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】上述した燃料電池発電
設備において、部分負荷時には設備内の循環ガス量を定
格の約30%程度まで減少させる必要がある。しかし、
タービンコンプレッサ22のコンプレッサ24は、その
特性上、定格流量の80%程度以下になるとサージング
を起こし安定して使用できなくなるため、従来の発電設
備では、図5に示すように、タービンコンプレッサのタ
ービン23の入口ラインに燃焼器26と空気バイパスラ
イン27を設け、部分負荷時にカソード排ガス9の流量
が少なくなると、空気バイパスライン27を介してコン
プレッサ24で圧縮した空気11の一部をカソード排ガ
ス9に合流させ、かつ燃焼器26で燃料ガス1を燃焼さ
せて、タービン23に流入するガスの流量と温度を高
め、コンプレッサ24のサージングを防ぐようにしてい
た。
In the above-mentioned fuel cell power generation equipment, it is necessary to reduce the amount of circulating gas in the equipment to about 30% of the rated value at the time of partial load. But,
Due to the characteristics of the compressor 24 of the turbine compressor 22, when the flow rate is about 80% or less of the rated flow rate, the compressor 24 cannot be used stably due to surging. Therefore, in the conventional power generation equipment, as shown in FIG. A combustor 26 and an air bypass line 27 are provided in the inlet line of the air conditioner, and when the flow rate of the cathode exhaust gas 9 decreases at a partial load, a part of the air 11 compressed by the compressor 24 joins the cathode exhaust gas 9 via the air bypass line 27. The combustor 26 burns the fuel gas 1 to increase the flow rate and temperature of the gas flowing into the turbine 23 and prevent the surging of the compressor 24.

【0004】しかし、かかるタービンコンプレッサの運
転手段では、燃焼器26の安定燃焼範囲が狭く、火炎
が吹き消えやすい問題点があった。すなわち、日本機械
学会論文集(B編)52巻473号(昭61−1)の文
献「燃焼触媒における低濃度メタンの燃焼条件の検討」
(永沼義男ら)に開示された図3から明らかなように、
従来の燃焼器26における火炎燃焼ではメタン濃度が約
5%以下になるとわずかの流速でも吹き消え(Blow Off)
が生じるため、空気バイパスライン27を介してカソ
ード排ガス9に合流させる空気11(合流空気)の多少
にかかわらずカソード排ガス9と合流空気の総和の5%
に相当する燃料ガスを常に必要とし、このため、常に余
分の燃料ガスを消費し、発電設備全体の効率を低下させ
てしまう問題点があった。また、合流空気の多少にか
かわらず常に5%に相当する燃料ガスを燃焼させるた
め、合流空気が少ない場合にはタービン23に流入する
ガスが過熱される問題点があった。
However, such a turbine compressor operating means has a problem that the stable combustion range of the combustor 26 is narrow and the flame is easily blown out. In other words, reference is made to the document “Study of Combustion Conditions of Low-Concentration Methane in Combustion Catalyst” in JSME Transactions (B), Vol. 52, No. 473 (SHO 61-1).
As is clear from FIG. 3 disclosed in (Yoshio Naganuma),
In the flame combustion in the conventional combustor 26, when the methane concentration becomes about 5% or less, it blows off even at a slight flow velocity (Blow Off)
5% of the total sum of the cathode exhaust gas 9 and the combined air regardless of the amount of the air 11 (combined air) combined with the cathode exhaust gas 9 through the air bypass line 27.
Therefore, there is a problem that the fuel gas equivalent to the above is always required, and therefore, the extra fuel gas is always consumed, and the efficiency of the entire power generation facility is reduced. Further, regardless of the amount of combined air, the fuel gas corresponding to 5% is always burned, so that when the combined air is small, the gas flowing into the turbine 23 is overheated.

【0005】更に、図3に示されるように、触媒燃焼
を用いて比較的薄いメタン濃度で燃焼させることもでき
るが、この場合でも約1m/s程度の流速で2〜3%に
相当する燃料ガスを必要とし、同様に発電設備全体の効
率を低下させる問題点があり、かつ触媒燃焼の場合
に、合流空気が少なくガス温度が高くなりすぎると触媒
を短時間に劣化させてしまう問題点があった。
Further, as shown in FIG. 3, catalytic combustion can be used to burn at a relatively low concentration of methane, but in this case as well, fuel equivalent to 2 to 3% at a flow velocity of about 1 m / s. There is also a problem that it requires gas and similarly reduces the efficiency of the entire power generation facility, and in the case of catalytic combustion, if the combined air is small and the gas temperature becomes too high, the catalyst deteriorates in a short time. there were.

【0006】本発明は上述した種々の問題点を解決する
ために創案されたものである。すなわち、本発明の目的
は、最小限の燃料ガスで安定燃焼を維持することがで
き、タービンに流入するガス温度を最適なレベルまで高
めることができ、これにより、コンプレッサのサージン
グを防止して燃料電池発電設備を低い部分負荷(例えば
定格の約30%程度)で運転することができる、タービ
ンコンプレッサ用燃焼装置と燃焼方法を提供することに
ある。
The present invention was devised to solve the above-mentioned various problems. That is, the object of the present invention is to maintain stable combustion with a minimum amount of fuel gas, and to increase the gas temperature flowing into the turbine to an optimum level, thereby preventing surging of the compressor and reducing fuel consumption. It is an object of the present invention to provide a combustion device for a turbine compressor and a combustion method capable of operating a battery power generation facility at a low partial load (for example, about 30% of the rating).

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】本発明によれば、燃料電
池のカソード排ガスで駆動するタービンと、該タービン
で駆動され空気を圧縮するコンプレッサとを備えたター
ビンコンプレッサ用の燃焼装置であって、カソード排ガ
スが低流量の場合に、コンプレッサで圧縮した空気の一
部を燃料ガスと混合する燃料混合ラインと、混合された
ガスを高温のカソード排ガスで間接加熱する熱交換器
と、加熱された混合ガスを燃焼させる燃焼器と、燃焼後
の排ガスを熱交換器を通過したカソード排ガスと混合し
てタービンに供給するガス供給ラインと、を備え、これ
により、タービンに供給するガスの流量と温度を高めコ
ンプレッサのサージングを防止することを特徴とするタ
ービンコンプレッサ用燃焼装置が提供される。
According to the present invention, there is provided a combustion device for a turbine compressor comprising a turbine driven by cathode exhaust gas of a fuel cell, and a compressor driven by the turbine to compress air. When the cathode exhaust gas has a low flow rate, a fuel mixing line that mixes a part of the air compressed by the compressor with the fuel gas, a heat exchanger that indirectly heats the mixed gas with the hot cathode exhaust gas, and the heated mixing A combustor that burns gas and a gas supply line that mixes the exhaust gas after combustion with the cathode exhaust gas that has passed through the heat exchanger and supplies it to the turbine are provided. A combustion device for a turbine compressor is provided, which is characterized in that the surging of the compressor is enhanced.

【0008】本発明の好ましい実施例によれば、前記燃
焼器は、内部に燃焼触媒を備えた触媒燃焼器である。ま
た、ガス流量調節弁を有し、前記熱交換器をバイパスし
てカソード排ガスを流すガスバイパスラインと、熱交換
器で加熱された混合ガスの温度を検出して前記ガス流量
調節弁を制御する加熱ガス温度調節器とを更に備え、該
加熱ガス温度調節器により、前記加熱された混合ガスが
触媒燃焼の開始に適した温度になるようにガス流量調節
弁を制御する。前記触媒燃焼の開始に適した温度は、約
350℃〜約450℃である、ことが好ましい。更に、
空気流量調節弁を有し、前記熱交換器と燃焼器をバイパ
スして空気を燃焼後の排ガスに供給する空気バイパスラ
インと、燃焼後の排ガス温度を検出して前記空気流量調
節弁を制御する排ガス温度調節器とを更に備え、該排ガ
ス温度調節器により、前記排ガス温度が触媒燃焼に適し
た温度になるように空気流量調節弁を制御する。前記触
媒燃焼に適した温度は、約750℃〜約1000℃であ
る、ことが好ましい。
According to a preferred embodiment of the present invention, the combustor is a catalytic combustor having a combustion catalyst therein. Also, the gas flow rate control valve is controlled by detecting the temperature of the mixed gas heated by the heat exchanger and the gas bypass line that has a gas flow rate control valve and bypasses the heat exchanger to flow the cathode exhaust gas. A heating gas temperature controller is further provided, and the heating gas temperature controller controls the gas flow rate control valve so that the heated mixed gas has a temperature suitable for starting catalytic combustion. A suitable temperature for initiating the catalytic combustion is preferably about 350 ° C to about 450 ° C. Furthermore,
An air bypass line having an air flow rate control valve for bypassing the heat exchanger and the combustor to supply air to the exhaust gas after combustion, and detecting the exhaust gas temperature after combustion to control the air flow rate control valve. An exhaust gas temperature controller is further provided, and the exhaust gas temperature controller controls the air flow rate control valve so that the exhaust gas temperature becomes a temperature suitable for catalytic combustion. The temperature suitable for catalytic combustion is preferably about 750 ° C to about 1000 ° C.

【0009】また、本発明によれば、燃料電池のカソー
ド排ガスで駆動するタービンと、該タービンで駆動され
空気を圧縮するコンプレッサとを備えたタービンコンプ
レッサ用の燃焼方法であって、カソード排ガスが低流量
の場合に、コンプレッサで圧縮した空気の一部を燃料ガ
スと混合し、該混合ガスを高温のカソード排ガスで間接
加熱し、該加熱混合ガスを触媒燃焼させ、該燃焼排ガス
を間接加熱後のカソード排ガスに混合してタービンに供
給する、ことにより、タービンに供給するガスの流量と
温度を高めコンプレッサのサージングを防止することを
特徴とするタービンコンプレッサ用燃焼方法が提供され
る。
Further, according to the present invention, there is provided a combustion method for a turbine compressor, comprising a turbine driven by cathode exhaust gas of a fuel cell and a compressor driven by the turbine to compress air. In the case of the flow rate, a part of the air compressed by the compressor is mixed with the fuel gas, the mixed gas is indirectly heated by the high-temperature cathode exhaust gas, the heated mixed gas is catalytically burned, and the combustion exhaust gas is indirectly heated. A combustion method for a turbine compressor is provided, which is characterized by increasing the flow rate and temperature of the gas supplied to the turbine by mixing with the cathode exhaust gas and supplying the mixed gas to the turbine to prevent surging of the compressor.

【0010】[0010]

【作用】上記本発明の装置及び方法によれば、カソード
排ガスが低流量の場合に、コンプレッサで圧縮した空気
の一部をカソード排ガスと混合してタービンに供給する
ので、タービンに供給されるガス量を増大させることが
できる。また、燃料混合ラインにより燃料ガスは必要な
空気とのみ混合するので、カソード排ガスで燃料ガスが
希釈されることがなく、タービンに供給するガスの加熱
に必要な最小限の燃料ガスを燃焼器で安定燃焼させるこ
とができる。更に、空気と混合された燃料ガスを熱交換
器によりカソード排ガスで間接加熱するので、燃焼器で
の燃焼に適した温度に燃料ガスを予熱することができ
る。
According to the apparatus and method of the present invention, when the cathode exhaust gas has a low flow rate, a part of the air compressed by the compressor is mixed with the cathode exhaust gas and supplied to the turbine. The amount can be increased. Further, since the fuel gas is mixed only with the required air by the fuel mixing line, the fuel gas is not diluted with the cathode exhaust gas, and the minimum fuel gas required for heating the gas supplied to the turbine is burned in the combustor. Stable combustion can be achieved. Furthermore, since the fuel gas mixed with air is indirectly heated by the cathode exhaust gas by the heat exchanger, the fuel gas can be preheated to a temperature suitable for combustion in the combustor.

【0011】[0011]

【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照
して説明する。なお、各図において、共通する部分には
同一の符号を付してその説明の重複を省略する。図1
は、本発明によるタービンコンプレッサ用燃焼装置を備
えた図5と同様の発電設備の全体構成図であり、図2
は、タービンコンプレッサ用燃焼装置の全体構成図であ
る。図1において、タービンコンプレッサ用燃焼装置3
0以外の構成は、図5の従来の発電設備と同様である。
図1及び図2において、本発明のタービンコンプレッサ
用燃焼装置30は、燃料電池20のカソード排ガス9で
駆動するタービン23と、タービン23で駆動され空気
11を圧縮するコンプレッサ24とを備えたタービンコ
ンプレッサ22用の燃焼装置である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT A preferred embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In each drawing, common parts are denoted by the same reference numerals, and duplicate description thereof will be omitted. Figure 1
FIG. 2 is an overall configuration diagram of a power generation facility similar to that of FIG. 5 equipped with a combustion device for a turbine compressor according to the present invention.
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a combustion device for a turbine compressor. In FIG. 1, a combustion device 3 for a turbine compressor
The configuration other than 0 is the same as that of the conventional power generation equipment of FIG.
1 and 2, a turbine compressor combustion device 30 of the present invention includes a turbine 23 driven by the cathode exhaust gas 9 of a fuel cell 20, and a compressor 24 driven by the turbine 23 and compressing air 11. 22 is a combustion device.

【0012】図2において、本発明のタービンコンプレ
ッサ用燃焼装置30は、カソード排ガス9が低流量の場
合に、コンプレッサ24で圧縮した空気11の一部を燃
料ガス1と混合する燃料混合ライン31と、混合された
ガスを高温のカソード排ガス9で間接加熱する熱交換器
32と、加熱された混合ガスを燃焼させる燃焼器33
と、燃焼後の排ガスを熱交換器32を通過したカソード
排ガス9と混合してタービン23に供給するガス供給ラ
イン34と、を備えている。燃料混合ライン31には、
導入する空気11の流量を調節するための空気流量調節
弁31aと、燃料ガスの流量を調節するための燃料流量
調節弁31bとが設けられ、部分負荷に対応した空気と
燃料ガスを供給するように制御される。
In FIG. 2, a turbine compressor combustion device 30 of the present invention includes a fuel mixing line 31 for mixing a part of the air 11 compressed by the compressor 24 with the fuel gas 1 when the cathode exhaust gas 9 has a low flow rate. , A heat exchanger 32 for indirectly heating the mixed gas with the high-temperature cathode exhaust gas 9, and a combustor 33 for burning the heated mixed gas.
And a gas supply line 34 that mixes the exhaust gas after combustion with the cathode exhaust gas 9 that has passed through the heat exchanger 32 and supplies the mixed gas to the turbine 23. In the fuel mixing line 31,
An air flow rate adjusting valve 31a for adjusting the flow rate of the air 11 to be introduced and a fuel flow rate adjusting valve 31b for adjusting the flow rate of the fuel gas are provided to supply the air and the fuel gas corresponding to the partial load. Controlled by.

【0013】かかる構成により、カソード排ガス9が低
流量の場合に、コンプレッサ24で圧縮した空気の一部
をカソード排ガス9と混合してタービン23に供給する
ので、タービン23に供給されるガス量を増大すること
ができる。また、燃料混合ライン31により燃料ガス1
はカソード排ガスに混合される空気とのみ混合するの
で、カソード排ガスで燃料ガスが希釈されることがな
く、タービン23に供給するガスの加熱に必要な最小限
の燃料ガスを燃焼器33で安定燃焼させることができ
る。更に、空気と混合された燃料ガス1(200〜30
0℃)を熱交換器32により高温(例えば500〜70
0℃)のカソード排ガス9で間接加熱するので、燃焼器
33での燃焼に適した温度に燃料ガス1を予熱すること
ができる。従って、この構成によりタービン23に供給
するガスの流量と温度を高めコンプレッサ24のサージ
ングを防止することができる。
With this configuration, when the cathode exhaust gas 9 has a low flow rate, a part of the air compressed by the compressor 24 is mixed with the cathode exhaust gas 9 and supplied to the turbine 23, so that the amount of gas supplied to the turbine 23 is reduced. Can be increased. Further, the fuel gas 1 is supplied by the fuel mixing line 31.
Mixes only with the air mixed with the cathode exhaust gas, so that the fuel gas is not diluted with the cathode exhaust gas, and the minimum fuel gas required for heating the gas supplied to the turbine 23 is stably burned in the combustor 33. Can be made. Further, the fuel gas 1 mixed with air (200 to 30
The temperature of 0 ° C. is increased by the heat exchanger 32 (for example, 500 to 70).
Since the cathode exhaust gas 9 of 0 ° C. is indirectly heated, the fuel gas 1 can be preheated to a temperature suitable for combustion in the combustor 33. Therefore, with this configuration, the flow rate and temperature of the gas supplied to the turbine 23 can be increased and the surging of the compressor 24 can be prevented.

【0014】本発明の燃焼器33は、内部に燃焼触媒を
備えた触媒燃焼器であるのが好ましい。燃焼触媒として
は、ニッケルを主成分とする通常の燃焼触媒を使用す
る。触媒の形状は、ハニカム状のものを充填して使用す
るのがよい。また、燃焼器33の寸法は、最大流量が流
れるときに内部のガス流速が触媒燃焼に適した速度(例
えば約1m/s程度)となるようにするのがよい。かか
る構成により、図3に示したように、2〜3%程度の比
較的低いメタン濃度でガス流速1m/s以上の比較的広
い範囲で安定燃焼をさせることができる。また、この燃
焼器33にはカソード排ガス9が全く流入しないので、
ガスの全流量が少なく、燃料濃度が薄くならないので消
費する燃料ガスを大幅に低減することができる。
The combustor 33 of the present invention is preferably a catalytic combustor having a combustion catalyst inside. As the combustion catalyst, an ordinary combustion catalyst containing nickel as a main component is used. As for the shape of the catalyst, it is preferable to use it by filling a honeycomb shape. Further, it is preferable that the combustor 33 be dimensioned such that the internal gas flow velocity becomes a velocity suitable for catalytic combustion (for example, about 1 m / s) when the maximum flow rate flows. With this configuration, as shown in FIG. 3, stable combustion can be performed in a relatively wide range of a gas flow velocity of 1 m / s or more at a relatively low methane concentration of about 2 to 3%. Further, since the cathode exhaust gas 9 does not flow into the combustor 33 at all,
Since the total flow rate of gas is small and the fuel concentration does not become thin, the fuel gas consumed can be greatly reduced.

【0015】図4は、前述の文献「燃焼触媒における低
濃度メタンの燃焼条件の検討」より抜粋した燃料ガスの
予熱温度と触媒温度との関係図である。この図から明ら
かなように、触媒燃焼の開始に適した予熱温度は、約3
50℃〜約450℃であり、340℃以下の予熱温度で
は安定した燃焼ができないおそれがある。本発明の燃焼
装置30は、図2に示すように、熱交換器32をバイパ
スしてカソード排ガス9を流すガスバイパスライン35
と、加熱ガス温度調節器36とを更に備え、ガスバイパ
スライン35にはガス流量調節弁35aが設けられ、加
熱ガス温度調節器36により、熱交換器32で加熱され
た混合ガスの温度を検出して混合ガスが触媒燃焼の開始
に適した温度(すなわち、約350℃〜約450℃)に
なるようにガス流量調節弁35aを制御するようになっ
ている。かかる構成により、触媒燃焼器に流入する燃料
ガスの予熱温度を最適化し、安定した触媒燃焼を維持す
ることができる。
FIG. 4 is a relationship diagram between the preheating temperature of the fuel gas and the catalyst temperature extracted from the above-mentioned document "Examination of Combustion Conditions of Low Concentration Methane in Combustion Catalyst". As is clear from this figure, the suitable preheating temperature for initiating catalytic combustion is about 3
The temperature is from 50 ° C to about 450 ° C, and stable combustion may not be possible at a preheating temperature of 340 ° C or lower. The combustion device 30 of the present invention, as shown in FIG. 2, bypasses the heat exchanger 32 and flows the cathode exhaust gas 9 into a gas bypass line 35.
And a heating gas temperature controller 36, and the gas bypass line 35 is provided with a gas flow rate adjusting valve 35a. The heating gas temperature controller 36 detects the temperature of the mixed gas heated by the heat exchanger 32. Then, the gas flow rate control valve 35a is controlled so that the mixed gas has a temperature (that is, about 350 ° C. to about 450 ° C.) suitable for starting catalytic combustion. With this configuration, the preheating temperature of the fuel gas flowing into the catalytic combustor can be optimized and stable catalytic combustion can be maintained.

【0016】また、触媒燃焼に適した温度は、約750
℃〜約1000℃であり、低すぎると不完全燃焼が生
じ、高すぎると触媒が早期に劣化するおそれがある。本
発明の燃焼装置30は、図2に示すように、熱交換器3
2と燃焼器33をバイパスして空気を燃焼後の排ガスに
供給する空気バイパスライン37と、排ガス温度調節器
38とを更に備え、空気バイパスライン37には空気流
量調節弁37aが設けられ、排ガス温度調節器38によ
り燃焼後の排ガス温度を検出して排ガス温度が触媒燃焼
に適した温度(すなわち、約750℃〜約1000℃)
になるように空気流量調節弁37aを制御するようにな
っている。かかる構成により、燃焼触媒における燃焼温
度を最適化し、燃料の完全燃焼と燃焼触媒の劣化防止を
同時に行うことができる。
The temperature suitable for catalytic combustion is about 750.
C. to about 1000.degree. C. If it is too low, incomplete combustion occurs, and if it is too high, the catalyst may deteriorate early. The combustion device 30 of the present invention, as shown in FIG.
2 and a combustor 33 to bypass the air to supply air to the exhaust gas after combustion, and an exhaust gas temperature controller 38. The air bypass line 37 is provided with an air flow rate control valve 37a. The exhaust gas temperature after combustion is detected by the temperature controller 38, and the exhaust gas temperature is a temperature suitable for catalytic combustion (that is, about 750 ° C. to about 1000 ° C.).
The air flow rate control valve 37a is controlled so that With such a configuration, the combustion temperature in the combustion catalyst can be optimized, and complete combustion of fuel and prevention of deterioration of the combustion catalyst can be performed at the same time.

【0017】本発明の方法によれば、上述した装置によ
り燃料ガスを次のように燃焼させ、タービンコンプレッ
サに導入する。すなわち、カソード排ガス9が低流量の
場合に、コンプレッサ24で圧縮した空気の一部を燃料
ガス1と混合し、この混合ガスを高温のカソード排ガス
9で間接加熱し、この加熱混合ガスを触媒燃焼器33で
触媒燃焼させ、燃焼排ガスを間接加熱後のカソード排ガ
スに混合してタービン23に供給する。これにより、タ
ービン23に供給するガスの流量と温度を高めコンプレ
ッサのサージングを防止することができる。
According to the method of the present invention, the fuel gas is burned by the above-mentioned device as follows and introduced into the turbine compressor. That is, when the cathode exhaust gas 9 has a low flow rate, a part of the air compressed by the compressor 24 is mixed with the fuel gas 1, the mixed gas is indirectly heated by the high-temperature cathode exhaust gas 9, and this heated mixed gas is catalytically burned. The catalytic combustion is performed in the vessel 33, and the combustion exhaust gas is mixed with the cathode exhaust gas after indirect heating and supplied to the turbine 23. This can increase the flow rate and temperature of the gas supplied to the turbine 23 and prevent surging of the compressor.

【0018】なお、本発明は、上述した実施例に限定さ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更でき
ることは勿論である。
The present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, and it goes without saying that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

【0019】[0019]

【発明の効果】上述したように、本発明の装置及び方法
によれば、カソード排ガスが低流量の場合に、コンプレ
ッサで圧縮した空気の一部をカソード排ガスと混合して
タービンに供給するので、タービンに供給されるガス量
を増大させることができる。また、燃料混合ラインによ
り燃料ガスはカソード排ガスに混合される空気とのみ混
合するので、カソード排ガスで燃料ガスが希釈されるこ
とがなく、タービンに供給するガスの加熱に必要な最小
限の燃料ガスを燃焼器で安定燃焼させることができる。
更に、空気と混合された燃料ガスを熱交換器により高温
のカソード排ガスで間接加熱するので、燃焼器での燃焼
に適した温度に燃料ガスを予熱することができる。
As described above, according to the apparatus and method of the present invention, when the cathode exhaust gas has a low flow rate, a part of the air compressed by the compressor is mixed with the cathode exhaust gas and supplied to the turbine. The amount of gas supplied to the turbine can be increased. In addition, since the fuel gas is mixed only with the air mixed with the cathode exhaust gas by the fuel mixing line, the fuel gas is not diluted with the cathode exhaust gas, and the minimum fuel gas required for heating the gas supplied to the turbine is used. Can be stably burned by the combustor.
Furthermore, since the fuel gas mixed with air is indirectly heated by the high-temperature cathode exhaust gas by the heat exchanger, the fuel gas can be preheated to a temperature suitable for combustion in the combustor.

【0020】従って、本発明のタービンコンプレッサ用
燃焼装置と燃焼方法は、最小限の燃料ガスで安定燃焼を
維持することができ、タービンに流入するガス温度を最
適なレベルまで高めることができ、これにより、コンプ
レッサのサージングを防止して燃料電池発電設備を低い
部分負荷で運転することができる、優れた効果を有す
る。
Therefore, the combustion device and combustion method for a turbine compressor according to the present invention can maintain stable combustion with a minimum amount of fuel gas and can raise the gas temperature flowing into the turbine to an optimum level. As a result, there is an excellent effect that the surging of the compressor can be prevented and the fuel cell power generation facility can be operated at a low partial load.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による燃焼装置を備えた発電設備の全体
構成図である。
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a power generation facility including a combustion device according to the present invention.

【図2】本発明による燃焼装置の全体構成図である。FIG. 2 is an overall configuration diagram of a combustion device according to the present invention.

【図3】安定燃焼の範囲を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a range of stable combustion.

【図4】燃料ガスの予熱温度と触媒温度との関係図であ
る。
FIG. 4 is a relationship diagram between a preheating temperature of fuel gas and a catalyst temperature.

【図5】従来の発電設備の全体構成図である。FIG. 5 is an overall configuration diagram of a conventional power generation facility.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 燃料ガス 2 水蒸気 3 混合ガス 4 アノードガス 5 カソードガス 6 アノード排ガス 7 燃焼用ガス 8 燃焼排ガス 9 カソード排ガス 10 改質器 11 空気 13 アノード排ガスブロア 14 カソード循環ブロア 20 燃料電池 22 動力回収装置 23 タービン 24 コンプレッサ 25 ボイラ 30 タービンコンプレッサ用燃焼装置 31 燃料混合ライン 31a 空気流量調節弁 31b 燃料流量調節弁 32 熱交換器 33 燃焼器 34 ガス供給ライン 35 ガスバイパスライン 35a ガス流量調節弁 36 加熱ガス温度調節器 37 空気バイパスライン 37a 空気流量調節弁 38 排ガス温度調節器 A アノード側 C カソード側 1 Fuel Gas 2 Steam 3 Mixed Gas 4 Anode Gas 5 Cathode Gas 6 Anode Exhaust Gas 7 Combustion Gas 8 Combustion Exhaust Gas 9 Cathode Exhaust Gas 10 Reformer 11 Air 13 Anode Exhaust Gas Blower 14 Cathode Circulation Blower 20 Fuel Cell 22 Power Recovery Device 23 Turbine 24 Compressor 25 Boiler 30 Combustor for Turbine Compressor 31 Fuel Mixing Line 31a Air Flow Control Valve 31b Fuel Flow Control Valve 32 Heat Exchanger 33 Combustor 34 Gas Supply Line 35 Gas Bypass Line 35a Gas Flow Control Valve 36 Heating Gas Temperature Controller 37 Air Bypass Line 37a Air Flow Rate Control Valve 38 Exhaust Gas Temperature Controller A Anode Side C Cathode Side

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 燃料電池のカソード排ガスで駆動するタ
ービンと、該タービンで駆動され空気を圧縮するコンプ
レッサとを備えたタービンコンプレッサ用の燃焼装置で
あって、 カソード排ガスが低流量の場合に、コンプレッサで圧縮
した空気の一部を燃料ガスと混合する燃料混合ライン
と、混合されたガスを高温のカソード排ガスで間接加熱
する熱交換器と、加熱された混合ガスを燃焼させる燃焼
器と、燃焼後の排ガスを熱交換器を通過したカソード排
ガスと混合してタービンに供給するガス供給ラインと、
を備え、これにより、タービンに供給するガスの流量と
温度を高めコンプレッサのサージングを防止することを
特徴とするタービンコンプレッサ用燃焼装置。
1. A combustion device for a turbine compressor comprising a turbine driven by cathode exhaust gas of a fuel cell and a compressor driven by the turbine to compress air, wherein the compressor is used when the cathode exhaust gas has a low flow rate. A fuel mixing line that mixes a portion of the air compressed with the fuel gas, a heat exchanger that indirectly heats the mixed gas with the hot cathode exhaust gas, a combustor that burns the heated mixed gas, and a post-combustion A gas supply line that mixes the exhaust gas of the cathode exhaust gas that has passed through the heat exchanger and supplies it to the turbine;
A combustor for a turbine compressor, which is characterized by including the above, thereby increasing the flow rate and temperature of gas supplied to the turbine to prevent surging of the compressor.
【請求項2】 前記燃焼器は、内部に燃焼触媒を備えた
触媒燃焼器である、ことを特徴とする請求項1に記載の
燃焼装置。
2. The combustion apparatus according to claim 1, wherein the combustor is a catalytic combustor having a combustion catalyst therein.
【請求項3】 ガス流量調節弁を有し、前記熱交換器を
バイパスしてカソード排ガスを流すガスバイパスライン
と、熱交換器で加熱された混合ガスの温度を検出して前
記ガス流量調節弁を制御する加熱ガス温度調節器とを更
に備え、該加熱ガス温度調節器により、前記加熱された
混合ガスが触媒燃焼の開始に適した温度になるようにガ
ス流量調節弁を制御する、ことを特徴とする請求項2に
記載の燃焼装置。
3. A gas flow rate control valve having a gas flow rate control valve for bypassing the heat exchanger and flowing cathode exhaust gas, and detecting the temperature of a mixed gas heated by the heat exchanger. And a heating gas temperature controller for controlling the gas flow rate control valve so that the heated gas mixture has a temperature suitable for starting catalytic combustion. The combustion apparatus according to claim 2, wherein the combustion apparatus is characterized.
【請求項4】 前記触媒燃焼の開始に適した温度は、約
350℃〜約450℃である、ことを特徴とする請求項
3に記載の燃焼装置。
4. The combustion device of claim 3, wherein a temperature suitable for initiating the catalytic combustion is about 350 ° C. to about 450 ° C.
【請求項5】 空気流量調節弁を有し、前記熱交換器と
燃焼器をバイパスして空気を燃焼後の排ガスに供給する
空気バイパスラインと、燃焼後の排ガス温度を検出して
前記空気流量調節弁を制御する排ガス温度調節器とを更
に備え、該排ガス温度調節器により、前記排ガス温度が
触媒燃焼に適した温度になるように空気流量調節弁を制
御する、ことを特徴とする請求項2に記載の燃焼装置。
5. An air bypass line having an air flow rate control valve for bypassing the heat exchanger and the combustor to supply air to the exhaust gas after combustion, and the air flow rate by detecting the temperature of exhaust gas after combustion. An exhaust gas temperature controller for controlling a control valve is further provided, and the air flow control valve is controlled by the exhaust gas temperature controller so that the exhaust gas temperature becomes a temperature suitable for catalytic combustion. The combustion device according to 2.
【請求項6】 前記触媒燃焼に適した温度は、約750
℃〜約1000℃である、ことを特徴とする請求項5に
記載の燃焼装置。
6. The temperature suitable for catalytic combustion is about 750.
Combustion device according to claim 5, characterized in that it is between 0 ° C and about 1000 ° C.
【請求項7】 燃料電池のカソード排ガスで駆動するタ
ービンと、該タービンで駆動され空気を圧縮するコンプ
レッサとを備えたタービンコンプレッサ用の燃焼方法で
あって、 カソード排ガスが低流量の場合に、コンプレッサで圧縮
した空気の一部を燃料ガスと混合し、該混合ガスを高温
のカソード排ガスで間接加熱し、該加熱混合ガスを触媒
燃焼させ、該燃焼排ガスを間接加熱後のカソード排ガス
に混合してタービンに供給する、ことにより、タービン
に供給するガスの流量と温度を高めコンプレッサのサー
ジングを防止することを特徴とするタービンコンプレッ
サ用燃焼方法。
7. A combustion method for a turbine compressor comprising a turbine driven by cathode exhaust gas of a fuel cell and a compressor driven by the turbine to compress air, wherein the compressor is used when the cathode exhaust gas has a low flow rate. A part of the air compressed by the above is mixed with fuel gas, the mixed gas is indirectly heated by the hot cathode exhaust gas, the heated mixed gas is catalytically burned, and the combustion exhaust gas is mixed with the cathode exhaust gas after indirect heating. A combustion method for a turbine compressor, characterized by increasing the flow rate and temperature of the gas supplied to the turbine to prevent surging of the compressor by supplying the gas to the turbine.
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