JPWO2013058210A1

JPWO2013058210A1 - ガスタービンエンジンの排熱を利用した低濃度メタンガス酸化システム

Info

Publication number: JPWO2013058210A1
Application number: JP2013539633A
Authority: JP
Inventors: 眞市梶田; 義弘山崎; 恭史細川
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2011-10-17
Filing date: 2012-10-15
Publication date: 2015-04-02
Also published as: WO2013058210A1; AU2012327119A1; RU2014119511A; US20140250857A1; CN103857890A

Abstract

ガスタービンエンジンの排熱を有効利用するとともに、処理対象の低濃度メタンガス中のメタン濃度が急激に上昇しても触媒の焼損等を回避して安定的に運転することが可能な低濃度メタンガス酸化システムを提供する。ガスタービンエンジンの排熱を利用して低濃度メタンガスを酸化処理する低濃度メタンガス酸化システム（ＳＴ）において、酸化処理対象である前記低濃度メタンガスの供給源（ＶＳ）と、前記低濃度メタンガスを触媒燃焼により酸化処理する触媒層（１５）と、前記供給源から前記触媒層に前記低濃度メタンガスを供給する供給路（ＳＰ）に接続して、この供給路に外部の空気を導入する吸気ダンパ（４５）とを設ける。

Description

関連出願

本出願は、２０１１年１０月１７日出願の特願２０１１−２２８２３９の優先権を主張するものであり、その全体を参照により本願の一部をなすものとして引用する。

本発明は、炭鉱で発生するＶＡＭ（Ventilation Air Methane；炭鉱通気メタン）やＣＭＭ(Coal Mine Methane；炭鉱メタン)などの低濃度メタンガスを酸化処理するシステムに関する。

温室効果ガスを削減するため、炭鉱から大気中に排出されるＶＡＭやＣＭＭ等の低濃度メタンガスを酸化処理する必要がある。このような酸化装置として、従来、希薄燃料ガスタービンと触媒燃焼を組み合わせたシステムが知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１の例では、ガスタービンの排熱を利用して、低濃度メタンガスを触媒反応温度に加熱し、触媒層に低濃度メタンガスを流して燃焼させる。

特許第４５３８０７７号明細書

しかし、ＶＡＭやＣＭＭのメタン濃度は大きく変動することがあり、従来の酸化装置では、低濃度メタンガスの濃度変化に追従するのが難しく、濃度が急上昇した場合には触媒の焼損が発生する可能性があり、装置の安定的な運転が困難であった。

そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するために、ガスタービンエンジンの排熱を有効利用するとともに、処理対象の低濃度メタンガス中のメタン濃度が急激に上昇しても触媒の焼損を回避して安定的に運転することが可能な低濃度メタンガス酸化システムを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る低濃度メタンガス酸化システムは、ガスタービンエンジンの排熱を利用して低濃度メタンガスを酸化処理する低濃度メタンガス酸化システムであって、酸化処理対象である前記低濃度メタンガスの供給源と、前記低濃度メタンガスを触媒燃焼により酸化処理する触媒層と、前記供給源から前記触媒層に前記低濃度メタンガスを供給する供給路に接続されて、この供給路に外部の空気を導入する吸気ダンパとを備えている。

この構成によれば、ガスタービンエンジンの排熱を有効利用できるとともに、低濃度メタンガスの濃度が急激に上昇した場合でも、吸気ダンパを介して空気を導入することによりメタン濃度を低下させることができるので、触媒の焼損等を回避して、当該システムを安定的に運転することが可能となる。

本発明の一実施形態において、前記供給路に、この供給路内のガスを外部に放出する放風弁が接続していることが好ましい。この構成によれば、吸気ダンパからの空気の導入によってもメタン濃度を所定値内に抑えられない場合に、放風弁を開いて低濃度ガスを外部に放出できるので、より確実に触媒の焼損等を回避することができる。

本発明の一実施形態において、前記ガスタービンエンジンが、前記供給源から供給される低濃度メタンガスを作動ガスとして利用する希薄燃料吸入ガスタービンであり、前記供給路から前記ガスタービンエンジンへの低濃度ガスを供給する分岐供給路の分岐点よりも下流側に前記吸気ダンパが接続していることが好ましい。この構成によれば、供給路内に空気を導入しても、酸化処理に利用する熱の供給源であるガスタービンエンジンに供給される作動ガスＧ１の濃度が低下してガスタービンエンジンの出力が低下することを回避できる。

また、本発明に係る低濃度メタンガス酸化方法は、ガスタービンエンジンの排熱を利用して低濃度メタンガスを酸化処理する低濃度メタンガス酸化方法であって、供給源から供給される前記低濃度メタンガスを触媒燃焼により酸化処理する酸化工程と、前記供給源から前記低濃度メタンガスを供給する供給路に、この供給路内のメタン濃度が所定値を超えたときに外部の空気を導入する外気導入工程とを備える。この構成によれば、ガスタービンエンジンの排熱を有効利用できるとともに、低濃度メタンガスの濃度が急激に上昇した場合でも、供給路に空気を導入することによりメタン濃度を低下させることができるので、触媒の焼損等を回避して、当該システムを安定的に運転することが可能となる。

請求の範囲および／または明細書および／または図面に開示された少なくとも２つの構成のどのような組合せも、本発明に含まれる。特に、請求の範囲の各請求項の２つ以上のどのような組合せも、本発明に含まれる。

この発明は、添付の図面を参考にした以下の好適な実施形態の説明から、より明瞭に理解されるであろう。しかしながら、実施形態および図面は単なる図示および説明のためのものであり、この発明の範囲を定めるために利用されるべきものではない。この発明の範囲は添付の請求の範囲によって定まる。添付図面において、複数の図面における同一の符号は、同一または相当する部分を示す。
本発明の第１実施形態に係る低濃度メタンガス酸化システムの概略構成を示すブロック図である。本発明の第２実施形態に係る低濃度メタンガス酸化システムの概略構成を示すブロック図である。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態にかかる低濃度メタンガス酸化システム（以下、単に「酸化システム」と呼ぶ。）ＳＴを示す概略構成図である。この酸化システムＳＴは、ガスタービンエンジンＧＴの排熱を利用して低濃度メタンガス酸化装置ＯＤにおいて炭鉱から排出されるＶＡＭのような低濃度メタンガスを酸化処理する。

本実施形態では、ガスタービンＧＴとして、低濃度メタンガスに含まれている可燃成分を燃料として利用する希薄燃料吸入ガスタービンを利用しており、後述するように、低濃度メタンガス酸化装置ＯＤおよびガスタービンＧＴには、共通のＶＡＭ供給源ＶＳから低濃度メタンガスであるＶＡＭが供給される。ガスタービンＧＴは、圧縮機１、白金やパラジウムなどの触媒を含む触媒燃焼器である燃焼器２、およびタービン３を有している。このガスタービンＧＴの出力により、発電機４のような負荷が駆動される。

ガスタービンＧＴで用いる低カロリーガスとして、例えば、炭鉱で発生するＶＡＭやＣＭＭのような低濃度のメタンガスである作動ガスＧ１が、圧縮機１の吸気入口を介してガスタービンＧＴ内に導入される。作動ガスＧ１は、圧縮機１で圧縮され、その高圧の圧縮ガスＧ２が触媒燃焼器２に送られる。この圧縮ガスＧ２が触媒燃焼器２の白金やパラジウムなどの触媒による触媒反応によって燃焼され、これにより発生する高温・高圧の燃焼ガスＧ３がタービン３に供給されて、タービン３を駆動する。タービン３は圧縮機１に回転軸５を介して連結され、このタービン３により圧縮機１および発電機４が駆動される。

ガスタービンＧＴは、さらに、タービン３からの排ガスＧ４によって圧縮機１から触媒燃焼器２に導入される圧縮ガスＧ２を加熱する第１熱交換器６を備えている。第１熱交換器６を加熱媒体として通過した排ガスＧ４は、低濃度メタンガス酸化装置ＯＤに送られる。この第１熱交換器６からの排ガスＧ４は、触媒燃焼器２からタービン３の内部を通過してきた未燃焼のメタンガスのほかに、タービン３の軸部の冷却に用いられた低濃度メタンガスや、ガスタービンＧＴを構成する部材間の微小な隙間から漏れ出た低濃度ガスも含んでいる。

低濃度メタンガス酸化装置ＯＤは、ブロワ１１、第２熱交換器１３、触媒層１５および混合器１７を備えており、酸化処理対象である低濃度ガスＧ７を触媒層１５へ供給する供給路ＳＰを形成する低濃度ガス流路２２上に、ブロワ１１、第２熱交換器１３、混合器１７が設けられている。ＶＡＭ供給源ＶＳから供給された低濃度ガスＧ７は、低濃度ガス流路２２を通って、酸化装置側フィルタ２３を通過した後にブロワ１１によって第２熱交換器１３に送られる。第２熱交換器１３で加熱された低濃度ガスＧ７は、混合器１７内で、ガスタービンＧＴからの高温の排ガスＧ５と混合される。混合器１７で混合された混合ガスＧ９は、供給路ＳＰを形成する混合ガス排出路２４を通って、触媒燃焼により酸化処理を行う触媒層１５内に進入し、触媒層１５において酸化処理された後、第２熱交換器１３で低濃度ガスＧ７を加熱してからシステム外部へ排出される。

ＶＡＭ供給源ＶＳの下流側には、ＶＡＭ供給源ＶＳから供給された低濃度メタンガスＧ７のメタン濃度を測定する第１メタン濃度センサ３１が設けられている。また、ガスタービンエンジンＧＴから混合器１７への排ガス送出路３２における混合器１７の上流側、低濃度ガス流路２２における混合器１７の上流側、および混合ガス排出路２４における混合器１７と触媒層１５との間には、それぞれ、ガス温度を計測する第１〜第３温度センサ３５，３７，３９が設けられている。さらに、低濃度ガス流路２２におけるブロワ１１と第２熱交換器１３との間には、流量制御弁４１および流量計４３が設けられている。第１メタン濃度センサ３１、温度センサ３５，３７，３９、流量計４３の測定値を示す信号がコントローラ４４に入力され、これら測定値に基づいてコントローラ４４から出力される流量制御信号によって、流量制御弁４１の開度を制御することにより、低濃度ガス流路２２を流れる低濃度ガスＧ７の流量が制御される。

低濃度ガス流路２２には、低濃度ガス流路２２に外部の空気Ａを導入する吸気ダンパ４５が接続している。第１メタン濃度センサ３１で測定された、ＶＡＭ供給源ＶＳから供給される低濃度ガスＧ７のメタン濃度が所定の値を超えた場合は、ブロワ１１の上流側に接続する吸気ダンパ４５を開いて空気Ａを導入し、メタン濃度を低下させる。吸気ダンパ４５から空気Ａを導入した後のメタン濃度は、ブロワ１１の上流側（酸化装置側フィルタ２３とブロワ１１の間）に接続された第２メタン濃度センサ４６によって測定する。また、ブロワ１１と流量制御弁４１との間には、放風弁４７が接続されており、吸気ダンパ４５からの空気Ａの導入によってもメタン濃度を所定値内に抑えられない場合には、コントローラ４４からの放風指令信号によって放風弁４７を開いて、低濃度ガスＧ７を外部に放出（放風）する。

上述のように、ＶＡＭ供給源ＶＳからの低濃度ガスＧ７は、ガスタービンＧＴにも燃料として供給される。具体的には、低濃度ガス流路２２における吸気ダンパ４５の上流側から、低濃度ガスＧ７をガスタービンＧＴの圧縮機１に供給するための分岐供給路５１が分岐して設けられており、この分岐供給路５１を介してガスタービンＧＴに低濃度ガスが供給される。分岐供給路５１の中途には、低濃度ガスＧ７に含まれるダストを除去するための分岐路側フィルタ５２が設けられている。

換言すれば、吸気ダンパ４５は、分岐供給路５１が低濃度ガス流路２２から分岐する分岐点Ｐよりも下流側に接続している。吸気ダンパ４５から導入した空気Ａによって酸化処理対象である低濃度ガスＧ７のメタン濃度を低下させるためには、吸気ダンパ４５が接続する位置は、ＶＡＭ供給源ＶＳから混合器１７までの間であれば特に限定されない。しかしながら、本実施形態のように、分岐供給路５１が低濃度ガス流路２２から分岐する分岐点Ｐよりも下流側に吸気ダンパ４５を接続して、分岐点Ｐよりも下流側に外部の空気Ａを導入することにより、酸化処理に利用する熱の供給源であるガスタービンＧＴに供給される作動ガスＧ１の濃度が低下して、ガスタービンＧＴの出力が低下することを回避できる。

また、低濃度ガス流路２２を流れる低濃度ガスＧ７を外部に放出するためには、放風弁４７を接続する位置は、ＶＡＭ供給源ＶＳから混合器１７までの間であれば特に限定されない。しかしながら、より効率的に低濃度ガスＧ７の放出を行うために、放風弁４７は流量制御弁４１の上流側に接続されており、流量制御弁４１の上流側から放風することが好ましい。さらに、ガスタービンＧＴの出力低下や停止を回避するために、放風弁４７は、分岐供給路５１の分岐点Ｐよりも下流側に接続されており、分岐点Ｐよりも下流側から放風することが好ましい。

本実施形態に係るシステムＳＴによれば、ガスタービンＧＴの排熱を有効利用できるとともに、供給される低濃度メタンガスの濃度が変動しても、吸気ダンパ４５や放風弁４７などを設けたことにより、触媒層１５の焼損を回避することができるので、当該システムＳＴを安定的に運転することが可能になる。しかも、ガスタービンＧＴとして希薄燃料吸入ガスタービンを利用しているので、タービン３の軸部の冷却に用いられた低濃度メタンガスや、ガスタービンＧＴを構成する部材間の微小な隙間から漏れ出た低濃度ガスなど、ガスタービンＧＴで未燃焼の低濃度ガスも低濃度メタンガス酸化装置ＯＤによって酸化処理することができる。

図２は本発明の第２実施形態にかかる酸化システムＳＴを示す概略構成図である。以下、本実施形態の構成について、主として第１実施形態と異なる点を中心に説明する。本実施形態では、ガスタービンエンジンＧＴとして、燃焼器２に燃料Ｆを直接噴射するタイプのガスタービンを使用している。また、タービン３からの排ガスを、低濃度メタンガス酸化装置ＯＤで酸化処理する低濃度ガスと直接混合せずに、両ガス間で熱交換のみを行う。

具体的には、タービン３からの排ガスを排出する排ガス送出路３２上に、排ガス熱交換器５３が設けられている。第２熱交換器１３を通過した後の低濃度ガスＧ７が、この排ガス熱交換器５３を通過することにより、排ガスＧ４の熱によって加熱される。排ガス熱交換器５３を通過した低濃度ガスＧ７は、触媒層１５において酸化処理された後、第２熱交換器１３で低濃度ガスＧ７を加熱してからシステム外部へ排出される。

低濃度ガス流路２２の、第２熱交換器１３と排ガス熱交換器５３とを接続する部分の中途には、流路切替弁５４が配設されている。流路切替弁５４の切り替えにより、低濃度ガスの流路は、第２熱交換器１３から排ガス熱交換器５３を経て触媒層１５に流入させる経路と、第２熱交換器１３から排ガス熱交換器５３を経ずに直接触媒層１５に流入させる経路との間で選択的に切り替えることができる。低濃度ガスの流路の切替制御は、低濃度ガス流路２２における、第２熱交換器１３の下流側に設けられた第４温度センサ６１と、触媒槽１５の上流側に設けられた第５温度センサ６３の各温度測定値に基づいて行われる。具体的には、低濃度メタンガス酸化装置ＯＤの始動時には、低濃度ガスＧ７が排ガス熱交換器５３を通過するように流路切替弁５４を設定しておき、その後第４温度センサ６１で測定した低濃度ガス温度が、第５温度センサ６３で測定したガス温度よりも高くなった場合に、低濃度ガスＧ７が排ガス熱交換器５３を通過せずに直接触媒層１５に流入するように流路を切り替える。

なお、本実施形態の変形例として、図２に一点鎖線で示すように、排ガス送出路３２の中途に追加の触媒層６５を設けて、ガスタービンＧＴ側での低濃度メタンガス処理量を増やしてもよい。あるいは、低濃度ガス流路２２からガスタービンＧＴへの分岐供給路５１を省略して、圧縮機１に作動ガスとして空気を取り込んでもよい。

本実施形態にかかる酸化システムＳＴおよび酸化方法によれば、触媒層１５で処理すべきガス量が、第１実施形態に比べて少ないので、触媒層１５に用いる触媒の量を低減することができる。

以上のように、本実施形態に係る低濃度メタンガス酸化システムＳＴによれば、ＶＡＭやＣＭＭ燃料濃度が急激に変動した場合にも、触媒層１５の焼損を回避して安定的に運転することが可能となる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１圧縮機
２触媒燃焼器
３タービン
４発電機
６第１熱交換器
１３第２熱交換器
１５触媒層
１７混合器
２２低濃度ガス流路
４５吸気ダンパ
４７放風弁
ＧＴガスタービン
ＳＰ低濃度ガスの供給路
ＳＴ低濃度メタンガス酸化システム
ＯＤ低濃度メタンガス酸化装置

本発明の一実施形態において、前記ガスタービンエンジンが、前記供給源から供給される低濃度メタンガスを作動ガスとして利用する希薄燃料吸入ガスタービンであり、前記供給路から前記ガスタービンエンジンへの低濃度メタンガスを供給する分岐供給路の分岐点よりも下流側に前記吸気ダンパが接続していることが好ましい。この構成によれば、供給路内に空気を導入しても、酸化処理に利用する熱の供給源であるガスタービンエンジンに供給される作動ガスＧ１の濃度が低下してガスタービンエンジンの出力が低下することを回避できる。

Claims

ガスタービンエンジンの排熱を利用して低濃度メタンガスを酸化処理する低濃度メタンガス酸化システムであって、
酸化処理対象である前記低濃度メタンガスの供給源と、
前記低濃度メタンガスを触媒燃焼により酸化処理する触媒層と、
前記供給源から前記触媒層に前記低濃度メタンガスを供給する供給路に接続されて、この供給路内のメタン濃度が所定値を超えたときにこの供給路に外部の空気を導入する吸気ダンパと、
を備える低濃度メタンガス酸化システム。
請求項１に記載の低濃度メタンガス酸化システムにおいて、前記供給路に、この供給路内のメタン濃度が所定値を超えたときにこの供給路内のガスを外部に放出する放風弁が接続されている低濃度メタンガス酸化システム。
請求項１に記載の低濃度メタンガス酸化システムにおいて、前記ガスタービンエンジンが、前記供給源から供給される低濃度メタンガスを作動ガスとして利用する希薄燃料吸入ガスタービンであり、前記供給路から前記ガスタービンエンジンへの低濃度ガスを供給する分岐供給路の分岐点よりも下流側に前記吸気ダンパが接続されている低濃度メタンガス酸化システム。
ガスタービンエンジンの排熱を利用して低濃度メタンガスを酸化処理する低濃度メタンガス酸化方法であって、
供給源から供給される前記低濃度メタンガスを触媒燃焼により酸化処理する酸化工程と、
前記供給源から前記低濃度メタンガスを供給する供給路に、この供給路内のメタン濃度が所定値を超えたときに外部の空気を導入する外気導入工程と、
を備える低濃度メタンガス酸化方法。
請求項１に記載の低濃度メタンガス酸化方法において、さらに、前記供給路内のメタン濃度が所定値を超えたときに、この供給路内のガスを外部に放出する放風工程を備えるメタンガス酸化方法。
請求項１に記載の低濃度メタンガス酸化方法において、前記ガスタービンエンジンが、前記供給源から供給される低濃度メタンガスを作動ガスとして利用する希薄燃料吸入ガスタービンであり、前記外気導入工程が、前記供給路から前記ガスタービンエンジンへの低濃度ガスを供給する分岐供給路の分岐点よりも下流側に前記外部の空気を導入する低濃度メタンガス酸化方法。