WO2014017217A1 - 複数の酸化処理器を備える低濃度メタンガス酸化システム - Google Patents

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梶田眞市
山崎義弘
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川崎重工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a system for oxidizing low concentration methane gas such as VAM (VentilationVAir Methane) generated in a coal mine, for example.
  • VAM VehicleationVAir Methane
  • Patent Document 1 a system that oxidizes VAM by catalytic combustion using exhaust heat from an external heat source device is known (for example, Patent Document 1).
  • the low-concentration methane gas is heated to the catalytic reaction temperature using the exhaust heat of the lean fuel gas turbine engine, and then the low-concentration methane gas is caused to flow through the catalyst layer for combustion.
  • an object of the present invention is to solve the above problems by combining a plurality of catalytic oxidation treatment devices with one heat source device, thereby suppressing an enormous amount of low-temperature while suppressing an increase in installation space.
  • the object is to provide a low-concentration methane gas oxidation system capable of processing high-concentration methane gas at low cost.
  • a low-concentration methane gas oxidation system includes a single heat source device and an oxidation treatment device that performs catalytic oxidation treatment of low-concentration methane gas using heat from the single heat source device.
  • a plurality of branch supply paths branched in parallel from a low concentration gas main supply path for supplying the low concentration methane gas, and each of the plurality of branch supply paths
  • a plurality of unit oxidation treatment units each having a catalytic oxidation treatment device provided in the first oxidation catalyst, wherein each unit oxidation treatment unit performs catalytic oxidation treatment using heat of a heat source gas from the heat source device.
  • a low concentration flowing into an additional catalytic oxidation treatment device provided in a downstream branch supply path using the oxidation treatment gas and the oxidation-treated gas discharged from the first catalytic oxidation treatment device as a heating medium A first unit oxidation treatment unit having a first heat exchanger for preheating the tan gas, and a low-concentration methane gas preheated by a first catalytic oxidation treatment device or an additional catalytic oxidation treatment device provided in the upstream branch supply path And at least one additional unit oxidation treatment unit having an additional catalytic oxidation treatment device for catalytic oxidation treatment.
  • the heat source device is, for example, a lean fuel intake gas turbine that uses combustible components contained in low-concentration methane gas as fuel.
  • a plurality of catalytic oxidation treatment devices can be combined with one heat source device.
  • an enormous amount of low-concentration methane gas can be processed at low cost while suppressing an increase in space for installing the system.
  • each of the at least one additional unit oxidation processing unit has a downstream branch using the oxidized gas discharged from the additional catalytic oxidation processor of the additional unit oxidation processing unit as a heating medium. It is preferable to have an additional heat exchanger for preheating low-concentration methane gas flowing into the other additional catalytic oxidation treatment device provided in the supply path or the first catalytic oxidation treatment device. According to this configuration, each unit oxidation processing unit can preheat the low-concentration methane gas using the exhaust heat of other unit oxidation processing units, so that the efficiency of the entire system can be increased.
  • the first unit oxidation treatment unit and the at least one additional unit oxidation treatment unit are each subjected to oxidation-treated gas from the catalytic oxidation treatment device to the heat exchanger in each catalytic oxidation unit. It is preferable that each of the catalytic oxidation treatment devices is connected to a side portion of the bottom duct, and each heat exchanger is connected to an upper portion of the bottom duct. According to this configuration, the system can be easily and compactly configured by sequentially connecting a plurality of unit oxidation processing units in the same direction. Furthermore, it becomes easy to increase / decrease the catalytic oxidation treatment capacity in accordance with the required amount of low-concentration methane gas.
  • the heat exchanger in each catalytic oxidation unit has a heating medium passage through which an oxidized gas as a heating medium passes from the bottom duct upward in the vertical direction.
  • a heating medium passage through which an oxidized gas as a heating medium passes from the bottom duct upward in the vertical direction.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a low-concentration methane gas oxidation system (hereinafter simply referred to as “oxidation system”) ST according to an embodiment of the present invention.
  • This oxidation system ST oxidizes low-concentration methane gas LG such as VAM discharged from the coal mine by the low-concentration methane gas oxidation processing device OD using the exhaust heat of the gas turbine engine GT which is a heat source device.
  • a lean fuel intake gas turbine is used as the gas turbine engine GT.
  • the lean fuel intake gas turbine uses a combustible component contained in the low-concentration methane gas LG that is an object of oxidation treatment of the oxidation treatment system ST as fuel.
  • VAM generated in a coal mine is used as the low-concentration methane gas LG used in the gas turbine engine GT.
  • the methane gas oxidation processing apparatus OD and the gas turbine engine GT are supplied with VAM, which is a low-concentration methane gas LG, from a common VAM supply source VS.
  • the gas turbine engine GT of the present embodiment also uses CMM (Coal ⁇ Mine Methane), which is a low concentration methane gas having a higher methane concentration than the VAM, as fuel.
  • CMM Coal ⁇ Mine Methane
  • the low-concentration methane gas LG to be oxidized is paralleled from the low-concentration methane gas supply source (VAM supply source) VS to the low-concentration gas main supply channel 1 and the low-concentration gas main supply channel 1.
  • VAM supply source low-concentration methane gas supply source
  • the catalytic oxidation treatment is performed by the catalytic oxidation treatment device 7 provided downstream of the heat exchanger 5.
  • Each heat exchanger 5 heats the turbine exhaust gas EG supplied from the gas turbine engine GT via the heating medium supply path 9 or the high-temperature oxidized gas OG discharged from the adjacent upstream catalytic oxidation processor 7. Use as a medium. Oxidized gas OG passes through heat exchanger 5 as a heating medium and is then discharged to the outside.
  • only one catalytic oxidation processor 7 of the plurality of catalytic oxidation processors 7 directly uses the heat of the high-temperature turbine exhaust gas EG that is the heat source gas from the gas turbine engine GT that is the heat source device. .
  • turbine exhaust gas EG from the gas turbine engine GT flows into the catalytic oxidation processor 7 as a heating medium.
  • the catalytic oxidation processor 7 into which the turbine exhaust gas EG of the gas turbine engine GT is directly introduced among the plurality of catalytic oxidation processors 7 will be referred to as a first catalytic oxidation processor 7A as necessary.
  • the adjacent heat exchanger 5 that uses the oxidized gas OG discharged from the first catalytic oxidation processor 7A as a heating medium is called a first heat exchanger 5A, and the first heat exchanger 5A is heated.
  • the low-concentration gas branch supply path 3 that supplies the low-concentration methane gas LG as a medium is referred to as a first low-concentration gas branch supply path 3A.
  • an additional catalytic oxidation processor 7 for oxidizing the low-concentration methane gas LG preheated by the first heat exchanger 5A that is, the first low-concentration gas branch supply passage 3A with respect to the low-concentration gas main supply passage 1).
  • the catalyst oxidation treatment device 7) provided on the second low-concentration gas branch supply path 3B branching from the downstream side of the gas is called a second catalyst oxidation treatment device 7B, and hereinafter the third and fourth catalyst oxidation treatment devices 7C, 7C, 7D, second to fourth heat exchangers 5B to 5D, and second to fourth low-concentration gas branch supply paths 3B to 3D.
  • the low-concentration methane gas LG heated by the fourth heat exchanger 5D is mixed with the turbine exhaust gas EG by the mixer 11 provided on the heating medium supply path 9, and then the first catalytic oxidation processor. It is oxidized by 7A, passes through the first heat exchanger 5A as a heating medium, and then discharged to the outside.
  • each catalytic oxidation processor 7 is preheated using the exhaust heat of the gas turbine engine GT or other catalytic oxidation processor 7, thereby improving the efficiency of the entire system. be able to.
  • the heating medium supply path 9 is branched from the exhaust gas discharge path 13 for discharging the turbine exhaust gas EG from the gas turbine engine GT to the outside.
  • a preheating burner 15 is provided downstream of the mixer 11 on the heating medium supply path 9. The preheating burner 15 is used to preheat the gas supplied to the first heat exchanger 5A when the oxidation processing system ST is started up.
  • the preheat burner 15 is a turbine exhaust gas EG and the low-concentration methane gas LG from the fourth heat exchanger 5D. After the temperature of the air-fuel mixture exceeds a predetermined value, preheating by the preheating burner 15 is stopped.
  • CMM is used as fuel for the preheating burner 15.
  • an exhaust gas amount adjusting valve 17 for adjusting the exhaust gas discharge amount is provided in the exhaust gas discharge passage 13 downstream of the branch point to the heating medium supply passage 9.
  • the low concentration gas on-off valve 21 Downstream of the branch point from the low concentration gas main supply path 1 to each branch supply path 3, the low concentration gas on-off valve 21 for starting and stopping the introduction of the low concentration methane gas LG and adjusting the flow rate and the low concentration gas flow rate are provided.
  • the regulating valve 23 is provided in this order.
  • a blower 25 for supplying the low-concentration methane gas LG to the heat exchanger 5 is provided downstream of the low-concentration gas flow rate adjustment valve 23, and the downstream side of the blower 25 is a heated medium inlet of the heat exchanger 5. 5a is connected.
  • the inlet-side flow path and the outlet-side flow path of the low-concentration methane gas LG that is the heating medium of the heat exchanger 5 are connected by a heat exchanger bypass circuit 29 that bypasses the low-concentration methane gas LG from the heat exchanger 5.
  • a first temperature measuring device 31 that measures the temperature of the heating medium flowing into the catalytic oxidation processor 7 and a second temperature that measures the temperature of the heating medium flowing out of the catalytic oxidation processing device 7.
  • Temperature measuring device 33 is provided.
  • a bypass amount control valve 35 for controlling the flow rate of the bypassed low-concentration methane gas LG is provided in the middle of the heat exchanger bypass circuit 29.
  • the flow rate of the low-concentration methane gas LG flowing through the heat exchanger detour 29 is increased by adjusting the opening degree of the detour amount control valve 35.
  • the temperature of the heating medium at the inlet of the catalytic oxidation processor 7 is reduced, so that overheating of the catalyst in the catalytic oxidation processor 7 is prevented.
  • a first methane concentration sensor 37 is provided downstream of the VAM supply source VS in the low concentration gas main supply path 1. Further, an intake damper 39 for introducing external air is provided downstream of the low concentration gas flow rate adjusting valve 23 in each branch supply path 3, and CMM which is a low concentration methane gas having a higher concentration than VAM is supplied. A CMM supply path 41 is connected. When the methane concentration of the low-concentration methane gas LG measured by the first methane concentration sensor 37 exceeds a predetermined value, the intake damper 39 is opened and air is introduced into the branch supply path 3 to reduce the methane concentration.
  • the CMM is introduced from the CMM supply channel 41 into the branch supply channel 3 to increase the methane concentration.
  • the methane concentration after the concentration adjustment is measured by the second methane concentration sensor 43 connected downstream of the blower 25.
  • the control device 45 controls various adjustment valves, open / close valves, and the like based on measurement values obtained by measuring instruments such as the temperature measuring instruments 31 and 33 and the methane concentration sensors 37 and 43.
  • the oxidation system ST includes a plurality of (four in the present embodiment) unit oxidation treatment units 51 including one catalytic oxidation treatment device 7 and one heat exchanger 5 connected in a line. It is comprised by connecting peripheral equipment, such as the blower 25, the mixer 11, and gas turbine engine GT, to the oxidation processing apparatus main body 53 which becomes.
  • Each unit oxidation treatment unit 51 is arranged in the order from the position close to the gas turbine engine GT, the first catalytic oxidation treatment device 7A, the first heat exchanger 5A, the second catalytic oxidation treatment device 7B, and the second heat.
  • An exchanger 5B, a third catalytic oxidation processor 7C, a third heat exchanger 5C, a fourth catalytic oxidation processor 7D, and a fourth heat exchanger 5D are provided.
  • the unit oxidation treatment unit 51 including the first catalytic oxidation treatment device 7A and the first heat exchanger 5A that is disposed at the position closest to the gas turbine engine GT is referred to as a first unit oxidation treatment unit 51A.
  • Each unit oxidation treatment unit 51 forming the oxidation treatment apparatus main body 53 includes a bottom duct 55 that forms an oxidation-treated gas passage from the catalyst oxidation treatment device 7 to the heat exchanger 5, as shown in FIG.
  • the catalytic oxidation treatment device 7 is connected to and supported by the side of the bottom duct 55, and the heat exchanger 5 is connected to and supported by the upper portion of the bottom duct 55. More specifically, the catalytic oxidation treatment device 7 is attached to one side of the bottom duct 55 in the direction in which the unit oxidation treatment units 51 in the oxidation treatment apparatus main body 53 are arranged.
  • one of the arrangement directions of the unit oxidation treatment units 51 in the oxidation treatment apparatus main body 53 in which the catalyst oxidation treatment device is attached is referred to as “front”, and the other opposite side is referred to as “rear”. Call.
  • the heat exchanger 5 has a heating medium passage 5c that allows the oxidation-treated gas OG, which is a heating medium, to pass vertically upward from the bottom duct 55 side.
  • the heated medium passage 5d of the heat exchanger 5 has an inlet 5da at the upper rear of the heating medium passage 5c and an outlet 5db at the lower rear.
  • the heating medium passage 5c is formed in a zigzag shape so as to cross the heating medium passage 5c a plurality of times (four times in the illustrated example) from the introduction port 5da to the outlet port 5db.
  • the oxidation-treated gas OG that is the heating medium passes through the heating medium passage 5c and heats the low-concentration methane gas LG through the heated medium passage 5d formed as described above, and then the heat exchanger 5 It is discharged from the discharge port 57 at the upper end.
  • the outlet 5db of the heated medium passage 5d of the heat exchanger 5 is connected to the catalytic oxidation treatment unit 7 of the adjacent unit oxidation treatment unit 51, which is located obliquely below and behind the connecting duct 59 that forms the heated medium outlet passage. It is connected to the.
  • the plurality of unit oxidation processing units 51 arranged in the front and rear directions sequentially connect the heated medium passage outlet 5db of the front unit oxidation processing unit 51 and the rear catalytic oxidation treatment device 7 by the connecting duct 59. It is connected.
  • the fourth unit oxidation processing unit 51D located at the end is different from the other unit oxidation processing units 51A to 51C in the structure of the heat exchanger 5.
  • the heated medium passage 5d is provided in the upper part of the heat exchanger 5 in a direction orthogonal to the front-rear direction and the vertical direction.
  • the low-concentration methane gas LG heated by the fourth heat exchanger 5D passes through a gas passage (not shown) and is sent to the front mixer 11 shown in FIG.
  • the low-concentration methane gas oxidation system ST since a plurality of catalytic oxidation treatment units 7 can be started using the heat of one heat source device, a huge amount of It becomes possible to process low concentration methane gas at low cost. In addition, an increase in the installation space of the entire system can be suppressed while greatly improving the processing capacity of the system.
  • the low-concentration methane gas LG supplied from each low-concentration gas branch supply path 3 is used as a heating medium, and the low-concentration methane gas LG supplied from the adjacent low-concentration gas branch supply path 3 is oxidized. Since the heat exchanger 5 sequentially performs preheating using the oxidation-treated gas OG as a heating medium, the oxidation treatment apparatus main body 53 is replaced with a unit oxidation treatment unit 51 including the catalyst oxidation treatment device 7, the bottom duct 55, and the heat exchanger 5. A simple and small structure can be formed by sequentially connecting in the same direction.
  • the space for installing the oxidation system ST can be saved, and the processing capacity of the oxidation system ST corresponding to the required amount of low-concentration methane gas LG (that is, the number of additional unit oxidation treatment units 51 installed) can be reduced. Increases and decreases easily.
  • a gas turbine engine GT which is a heat source device
  • fuel is supplied from a VAM supply source VS as shown in FIG.
  • a normal gas turbine engine that receives fuel supply from the outside and uses air as a working gas may be used.
  • the heat source device is not limited to the gas turbine engine GT, and any device capable of supplying high temperature gas without using VAM such as a boiler may be used.
  • FIG. 5 shows a further modification of the present embodiment.
  • the low-concentration methane gas LG that is oxidized in the first catalytic oxidation processor 7A is preheated using the heat of the oxidized gas OG that has been oxidized in the fourth catalytic oxidation processor 7D.
  • the four heat exchangers 5D are provided, in the example of FIG. 5, the fourth heat exchanger 5D is omitted, and the low-concentration methane gas LG that is oxidized by the first catalytic oxidation processor 7A is directly introduced into the mixer 11. And mixed with turbine exhaust gas EG.
  • the turbine exhaust gas EG from the gas turbine engine GT which is a heat source device, is introduced into the catalytic combustor 7 together with the low-concentration methane gas LG, so that the heat of the turbine exhaust gas EG is used for the oxidation treatment.
  • the low-concentration methane gas LG to be introduced into the first catalytic combustor 7A is preheated by the turbine exhaust gas EG through an additionally provided heat exchanger, whereby the heat of the turbine exhaust gas EG is used for the oxidation treatment. May be.
  • Low concentration gas main supply path 3 Low concentration gas branch supply path (branch supply path) 5 Heat exchanger 7 Catalytic oxidation treatment unit 51 Unit oxidation treatment unit EG Turbine exhaust gas GT Gas turbine engine (heat source device) LG Low concentration methane gas OG Oxidized gas ST Low concentration methane gas oxidation system

Abstract

　単一の熱源装置（ＧＴ）と、前記熱源装置の熱を利用して低濃度メタンガスを触媒酸化処理する酸化処理装置（ＯＤ）とを備える低濃度メタンガス酸化システムであって、低濃度ガス主供給路から並列に分岐した複数の分岐供給路（３）と、前記各分岐供給路に設けられた触媒酸化処理器（７）とを有する複数の単位酸化処理ユニット（５１）を備え、各単位酸化処理ユニットが、前記熱源装置からの熱源ガスの熱を利用して触媒酸化処理を行う第１触媒酸化処理器（７Ａ）と、前記第１触媒酸化処理器からの処理済ガスを加熱媒体として、下流側の分岐供給路の追加触媒酸化処理器に流入する低濃度メタンガスを予熱する第１熱交換器（５Ａ）とを有する第１単位酸化処理ユニット（５１Ａ）と、上流側の分岐供給路の第１または追加触媒酸化処理器で予熱された低濃度メタンガスを触媒酸化処理する追加触媒酸化処理器（５Ｂ）を有する追加単位酸化処理ユニット（５１Ｂ）とを含む。

Description

複数の酸化処理器を備える低濃度メタンガス酸化システム 関連出願
　本出願は、２０１２年７月２７日出願の特願２０１２－１６６６１６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、例えば炭鉱で発生するＶＡＭ（Ventilation Air Methane；炭鉱通気メタン）のような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のような低濃度メタンガスを酸化処理する必要がある。このような酸化処理装置として、従来、外部の熱源装置の排熱を利用した触媒燃焼によってＶＡＭを酸化処理する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、希薄燃料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触媒反応温度に加熱した後、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
　特許文献１に開示された酸化処理システムでは、１台のガスタービンエンジンにつき１台の触媒酸化処理装置のみを組み合わせることが可能であるため、処理すべきＶＡＭの排出量が膨大な場合には、ガスタービンエンジンと触媒酸化処理装置からなる酸化処理システムを複数設置する必要が生じる。しかし、このようなシステムを複数設置することは、設置スペースやコストの点で困難な場合があり、その結果、十分なＶＡＭの処理能力を得られないという問題があった。
　そこで、本発明の目的は、上記の課題を解決するために、１台の熱源装置に対して複数の触媒酸化処理器を組み合わせることにより、設置スペースの増大を抑制しながら、膨大な量の低濃度メタンガスを低コストで処理できる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、単一の熱源装置と、前記単一の熱源装置からの熱を利用して低濃度メタンガスを触媒酸化処理する酸化処理装置とを備える低濃度メタンガス酸化システムであって、前記酸化処理装置が、低濃度メタンガスを供給する低濃度ガス主供給路から並列に分岐した複数の分岐供給路と、前記複数の分岐供給路のそれぞれに設けられた触媒酸化処理器とを有する複数の単位酸化処理ユニットを備えており、各単位酸化処理ユニットが、前記熱源装置からの熱源ガスの熱を利用して触媒酸化処理を行う第１触媒酸化処理器と、前記第１触媒酸化処理器から排出された酸化処理済ガスを加熱媒体として、下流側の分岐供給路に設けられた追加触媒酸化処理器に流入する低濃度メタンガスを予熱する第１熱交換器とを有する第１単位酸化処理ユニットと、上流側の分岐供給路に設けられた第１触媒酸化処理器または追加触媒酸化処理器で予熱された低濃度メタンガスを触媒酸化処理する追加触媒酸化処理器を有する少なくとも１つの追加単位酸化処理ユニットとを含む。前記熱源装置は、例えば、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である。
　この構成によれば、１台の熱源装置に対して複数の触媒酸化処理器を組み合わせることができる。その結果、システムを設置するスペースの増大を抑制しながら、膨大な量の低濃度メタンガスを低コストで処理することが可能となる。
　本発明の一実施形態において、前記少なくとも１つの追加単位酸化処理ユニットのそれぞれが、当該追加単位酸化処理ユニットの追加触媒酸化処理器から排出された酸化処理済ガスを加熱媒体として、下流側の分岐供給路に設けられた他の追加触媒酸化処理器または前記第１触媒酸化処理器に流入する低濃度メタンガスを予熱する追加熱交換器を有することが好ましい。この構成によれば、各単位酸化処理ユニットにおいて、他の単位酸化処理ユニットの排熱を利用して低濃度メタンガスを予熱できるので、システム全体の効率を高めることができる。
　本発明の一実施形態において、前記第１単位酸化処理ユニットおよび前記少なくとも１つの追加単位酸化処理ユニットが、それぞれ、各触媒酸化ユニットにおける前記触媒酸化処理器から前記熱交換器への酸化処理済ガスの通路を形成する底部ダクトを備え、この底部ダクトの側部に各触媒酸化処理器が連結されており、前記底部ダクトの上部に各熱交換器が連結されていることが好ましい。この構成によれば、複数の単位酸化処理ユニットを順次同一方向に連結することにより、当該システムを簡単に、かつコンパクトに構成することが可能となる。さらには、要求される低濃度メタンガスの処理量に応じた触媒酸化処理能力の増減が容易となる。
　本発明の一実施形態において、各触媒酸化ユニットにおける前記熱交換器が、前記底部ダクトから鉛直方向上方に向けて加熱媒体である酸化処理済ガスを通過させる加熱媒体通路を有していることが好ましい。この構成によれば、当該システムを設置する空間の一層の省スペース化を図ることができる。
　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。
本発明の一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。 図１の低濃度メタンガス酸化システムの構造を示す平面図である。 図２の要部を示す図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が側面図である。 図１の実施形態の変形例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。 図１の実施形態のさらなる変形例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は本発明の一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、熱源装置である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処理装置ＯＤによって炭鉱から排出されるＶＡＭのような低濃度メタンガスＬＧを酸化処理する。
　本実施形態では、ガスタービンエンジンＧＴとして、希薄燃料吸入ガスタービンを利用している。希薄燃料吸入ガスタービンは、酸化処理システムＳＴの酸化処理対象である低濃度メタンガスＬＧに含まれている可燃成分を燃料として利用する。ガスタービンエンジンＧＴで用いる低濃度メタンガスＬＧとして、例えば、炭鉱で発生するＶＡＭを利用する。メタンガス酸化処理装置ＯＤおよびガスタービンエンジンＧＴには、共通のＶＡＭ供給源ＶＳから低濃度メタンガスＬＧであるＶＡＭが供給される。なお、本実施形態のガスタービンエンジンＧＴは、ＶＡＭに加えて、ＶＡＭよりもメタン濃度の高い低濃度メタンガスであるＣＭＭ（Coal Mine Methane；炭鉱メタン）も燃料として使用している。
　低濃度メタンガス酸化処理装置ＯＤにおいて、酸化処理対象である低濃度メタンガスＬＧは、低濃度メタンガス供給源（ＶＡＭ供給源）ＶＳから、低濃度ガス主供給路１および低濃度ガス主供給路１から並列に分岐した複数（図示の例では４つ）の低濃度ガス分岐供給路３を通過した後、各低濃度ガス分岐供給路３上に１つずつ設けられた熱交換器５で予熱され、その後、熱交換器５の下流に設けられた触媒酸化処理器７によって触媒酸化処理される。各熱交換器５は、ガスタービンエンジンＧＴから加熱媒体供給路９を介して供給されたタービン排ガスＥＧまたは隣接する上流側の触媒酸化処理器７から排出された高温の酸化処理済ガスＯＧを加熱媒体として利用する。酸化処理済ガスＯＧは、加熱媒体として熱交換器５を通過した後に外部へ排出される。
　本実施形態では、複数の触媒酸化処理器７のうちの１つの触媒酸化処理器７のみが、熱源装置であるガスタービンエンジンＧＴからの熱源ガスである高温のタービン排ガスＥＧの熱を直接利用する。図示の例では、ガスタービンエンジンＧＴからのタービン排ガスＥＧが、触媒酸化処理器７に加熱媒体として流入する。以下の説明においては、必要に応じて、複数の触媒酸化処理器７のうち、ガスタービンエンジンＧＴのタービン排ガスＥＧが直接導入される触媒酸化処理器７を第１触媒酸化処理器７Ａと呼ぶ。また、この第１触媒酸化処理器７Ａから排出される酸化処理済ガスＯＧを加熱媒体として利用する隣接する熱交換器５を第１熱交換器５Ａと呼び、第１熱交換器５Ａに被加熱媒体としての低濃度メタンガスＬＧを供給する低濃度ガス分岐供給路３を第１低濃度ガス分岐供給路３Ａと呼ぶ。さらに、第１熱交換器５Ａで予熱された低濃度メタンガスＬＧを酸化処理する追加の触媒酸化処理器７（つまり、低濃度ガス主供給路１に対して、第１低濃度ガス分岐供給路３Ａの下流側から分岐する第２低濃度ガス分岐供給路３Ｂ上に設けられた触媒酸化処理器７）を第２触媒酸化処理器７Ｂと呼び、以下同様に第３，４触媒酸化処理器７Ｃ，７Ｄ、第２～４熱交換器５Ｂ～５Ｄ、第２～第４低濃度ガス分岐供給路３Ｂ～３Ｄと呼ぶ場合がある。本実施形態では、第４熱交換器５Ｄで加熱された低濃度メタンガスＬＧは、加熱媒体供給路９上に設けられた混合器１１でタービン排ガスＥＧと混合された後に、第１触媒酸化処理器７Ａで酸化処理され、第１熱交換器５Ａを加熱媒体として通過した後に外部へ排出される。
　このように、各触媒酸化処理器７で処理される低濃度メタンガスＬＧを、ガスタービンエンジンＧＴまたは他の触媒酸化処理器７の排熱を利用して予熱することにより、システム全体の効率を高めることができる。
　加熱媒体供給路９は、ガスタービンエンジンＧＴからタービン排ガスＥＧを外部へ排出する排ガス排出路１３から分岐して設けられている。加熱媒体供給路９上における混合器１１の下流には、予熱バーナ１５が設けられている。予熱バーナ１５は、酸化処理システムＳＴの起動時に、第１熱交換器５Ａに供給するガスを予熱するために使用されるが、タービン排ガスＥＧと第４熱交換器５Ｄからの低濃度メタンガスＬＧとの混合気の温度が所定の値を超えた後は、予熱バーナ１５による予熱を停止する。図示の例では、予熱バーナ１５の燃料としてＣＭＭを利用している。また、排ガス排出路１３における、加熱媒体供給路９への分岐点よりも下流側には、排ガスの排出量を調整する排ガス量調整弁１７が設けられている。
　低濃度ガス主供給路１から各分岐供給路３への分岐点の下流には、低濃度メタンガスＬＧの導入の開始および停止、流量調整を行うための低濃度ガス開閉弁２１および低濃度ガス流量調整弁２３がこの順に設けられている。また、低濃度ガス流量調整弁２３の下流には、低濃度メタンガスＬＧを熱交換器５へ送給するブロワ２５が設けられており、ブロワ２５の下流側が、熱交換器５の被加熱媒体入口５ａに接続されている。
　熱交換器５の被加熱媒体である低濃度メタンガスＬＧの入口側流路と出口側流路は、低濃度メタンガスＬＧを熱交換器５から迂回させる熱交換器迂回路２９によって接続されている。加熱媒体入口側流路には、触媒酸化処理器７に流入する加熱媒体の温度を計測する第１の温度計測器３１と、触媒酸化処理器７から流出した加熱媒体の温度を計測する第２の温度計測器３３が設けられている。また、熱交換器迂回路２９の中途には、迂回した低濃度メタンガスＬＧの流量を制御する迂回量制御弁３５が設けられている。第２温度計測器３３の温度が所定の値を超えた場合は、迂回量制御弁３５の開度を調整して熱交換器迂回路２９を流れる低濃度メタンガスＬＧの流量を増加させる。これにより、触媒酸化処理器７の入口での加熱媒体温度が低下するので、触媒酸化処理器７内の触媒の過熱が防止される。
　なお、低濃度ガス主供給路１におけるＶＡＭ供給源ＶＳの下流には、第１メタン濃度センサ３７が設けられている。また、各分岐供給路３における低濃度ガス流量調整弁２３の下流には、外部の空気を導入する吸気ダンパ３９が設けられているとともに、ＶＡＭよりも高濃度の低濃度メタンガスであるＣＭＭを供給するＣＭＭ供給路４１が接続されている。第１メタン濃度センサ３７によって計測した低濃度メタンガスＬＧのメタン濃度が所定の値を超えた場合は、吸気ダンパ３９を開いて分岐供給路３に空気を導入し、メタン濃度を低下させる。一方、第１メタン濃度センサ３７によって計測した低濃度メタンガスＬＧのメタン濃度が所定の値を下回った場合は、ＣＭＭ供給路４１からＣＭＭを分岐供給路３に導入し、メタン濃度を上昇させる。このように濃度調整した後のメタン濃度は、ブロワ２５の下流に接続された第２メタン濃度センサ４３によって測定する。温度計測器３１、３３、メタン濃度センサ３７，４３等の計測器による計測値に基づく各種調整弁、開閉弁等の制御は、制御装置４５によって行う。
　次に、酸化システムＳＴの構造について説明する。図２に示すように、酸化システムＳＴは、１つの触媒酸化処理器７と１つの熱交換器５とからなる単位酸化処理ユニット５１を複数（本実施形態では４つ）一列に並べて接続してなる酸化処理装置本体５３に、ブロワ２５、混合器１１、ガスタービンエンジンＧＴ等の周辺機器を接続することにより構成されている。各単位酸化処理ユニット５１は、ガスタービンエンジンＧＴに近い位置に配置されているものから順に、第１触媒酸化処理器７Ａおよび第１熱交換器５Ａ，第２触媒酸化処理器７Ｂおよび第２熱交換器５Ｂ，第３触媒酸化処理器７Ｃおよび第３熱交換器５Ｃ，第４触媒酸化処理器７Ｄおよび第４熱交換器５Ｄを備えている。以下の説明では、ガスタービンエンジンＧＴに最も近い位置に配置されている、第１触媒酸化処理器７Ａおよび第１熱交換器５Ａを備える単位酸化処理ユニット５１を第１単位酸化処理ユニット５１Ａと呼び、それ以外の追加の単位酸化処理ユニットを、第１単位酸化処理ユニット５１Ａに隣接するものから順次第２単位酸化処理ユニット５１Ｂ～第４単位酸化処理ユニット５１Ｄと呼ぶ場合がある。
　酸化処理装置本体５３の構造を、図３を参照しながら詳細に説明する。酸化処理装置本体５３を形成する各単位酸化処理ユニット５１は、図３（ｂ）に示すように、触媒酸化処理器７から熱交換器５への酸化処理済ガス通路を形成する底部ダクト５５と、底部ダクト５５の側部に連結されかつ支持された触媒酸化処理器７と、底部ダクト５５の上部に連結されかつ支持された熱交換器５とから構成されている。触媒酸化処理器７は、より具体的には、底部ダクト５５の、酸化処理装置本体５３における単位酸化処理ユニット５１の並び方向の一方の側部に取り付けられている。なお、以下の説明では、酸化処理装置本体５３における単位酸化処理ユニット５１の並び方向の、触媒酸化処理器が取り付けられている一方を「前方」と呼び、その反対側の他方を「後方」と呼ぶ。
　熱交換器５は、底部ダクト５５側から鉛直方向上方に向けて加熱媒体である酸化処理済ガスＯＧを通過させる加熱媒体通路５ｃを有している。第１～第３単位酸化処理ユニット５１Ａ～５１Ｃにおいて、熱交換器５の被加熱媒体通路５ｄは、加熱媒体通路５ｃの上部後方に導入口５ｄａを有し、下部後方に導出口５ｄｂを有しており、導入口５ｄａから導出口５ｄｂへ、加熱媒体通路５ｃ内を前後方向に複数回（図示の例では４回）横切るように、つづら折り状に形成されている。加熱媒体である酸化処理済ガスＯＧは、加熱媒体通路５ｃ内を通過することにより上記のように形成された被加熱媒体通路５ｄを介して低濃度メタンガスＬＧを加熱した後、熱交換器５の上端部の排出口５７から外部へ排出される。
　熱交換器５の被加熱媒体通路５ｄの導出口５ｄｂは、被加熱媒体出口通路を形成する連結ダクト５９によって、後方の斜め下方に位置する、隣接する単位酸化処理ユニット５１の触媒酸化処理器７に接続されている。このように、前後に並ぶ複数の単位酸化処理ユニット５１は、前方の単位酸化処理ユニット５１の被加熱媒体通路導出口５ｄｂと後方の触媒酸化処理器７とを連結ダクト５９によって順次接続することにより連結されている。
　もっとも、最後方に位置する第４単位酸化処理ユニット５１Ｄは、他の単位酸化処理ユニット５１Ａ～５１Ｃと熱交換器５の構造が異なる。第４単位酸化処理ユニット５１Ｄでは、被加熱媒体通路５ｄが、熱交換器５の上部に、前後方向および鉛直方向に直交する方向に設けられている。第４熱交換器５Ｄで加熱された低濃度メタンガスＬＧは、図示しないガス通路を通って、図２に示す前方の混合器１１に送られる。
　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、１台の熱源装置の熱を利用して複数の触媒酸化処理器７を起動することができるので、膨大な量の低濃度メタンガスを低コストで処理することが可能となる。また、このようにシステムの処理能力を大幅に向上させながらも、システム全体の設置スペースの増大を抑制できる。
　特に、各低濃度ガス分岐供給路３から供給される低濃度メタンガスＬＧを被加熱媒体とし、その隣接する低濃度ガス分岐供給路３から供給された低濃度メタンガスＬＧを酸化処理した後の高温の酸化処理済ガスＯＧを加熱媒体として、順次熱交換器５で予熱を行うので、酸化処理装置本体５３を、触媒酸化処理器７、底部ダクト５５および熱交換器５からなる単位酸化処理ユニット５１を順次同一方向に連結してなる簡単かつ小型の構造とすることができる。これにより、酸化システムＳＴを設置する空間の省スペース化が図れるとともに、要求される低濃度メタンガスＬＧの処理量に対応した酸化システムＳＴの処理能力（すなわち追加単位酸化処理ユニット５１の設置数）の増減が容易となる。
　また、本実施形態の変形例において、熱源装置であるガスタービンエンジンＧＴとして、ＶＡＭを作動ガスとする希薄燃料吸入ガスタービンの代わりに、図４に示すように、ＶＡＭ供給源ＶＳから燃料供給を受けず、外部から燃料供給を受けて、空気を作動ガスとして利用する通常のガスタービンエンジンを使用してもよい。また、熱源装置としては、ガスタービンエンジンＧＴに限らず、ボイラ等、ＶＡＭを利用せずに高温ガスを供給することが可能などのような装置を使用してもよい。
　本実施形態のさらなる変形例を図５に示す。図１の実施形態では、第１触媒酸化処理器７Ａで酸化処理する低濃度メタンガスＬＧを、第４触媒酸化処理器７Ｄで酸化処理された酸化処理済ガスＯＧの熱を利用して予熱する第４熱交換器５Ｄを設けたが、図５の例では、第４熱交換器５Ｄを省略して、第１触媒酸化処理器７Ａで酸化処理する低濃度メタンガスＬＧを直接混合器１１に導入し、タービン排ガスＥＧと混合する。
　なお、上記の各実施形態においては、熱源装置であるガスタービンエンジンＧＴからのタービン排ガスＥＧを、低濃度メタンガスＬＧとともに触媒燃焼器７に導入することにより、タービン排ガスＥＧの熱を酸化処理に利用したが、例えば、第１触媒燃焼器７Ａに導入する低濃度メタンガスＬＧを、追加で設けた熱交換器を介してタービン排ガスＥＧによって予熱することにより、タービン排ガスＥＧの熱を酸化処理に利用してもよい。
　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　低濃度ガス主供給路
　３　低濃度ガス分岐供給路（分岐供給路）
　５　熱交換器
　７　触媒酸化処理器
　５１　単位酸化処理ユニット
　ＥＧ　タービン排ガス
　ＧＴ　ガスタービンエンジン（熱原装置）
　ＬＧ　低濃度メタンガス
　ＯＧ　酸化処理済ガス
　ＳＴ　低濃度メタンガス酸化システム

Claims (5)

  1. 　単一の熱源装置と、
    　前記単一の熱源装置からの熱を利用して低濃度メタンガスを触媒酸化処理する酸化処理装置と、
    を備える低濃度メタンガス酸化システムであって、
    　前記酸化処理装置が、
    　低濃度メタンガスを供給する低濃度ガス主供給路から並列に分岐した複数の分岐供給路と、前記複数の分岐供給路のそれぞれに設けられた触媒酸化処理器とを有する複数の単位酸化処理ユニットを備えており、
    　各単位酸化処理ユニットが、
    　　前記熱源装置からの熱源ガスの熱を利用して触媒酸化処理を行う第１触媒酸化処理器と、前記第１触媒酸化処理器から排出された酸化処理済ガスを加熱媒体として、下流側の分岐供給路に設けられた追加触媒酸化処理器に流入する低濃度メタンガスを予熱する第１熱交換器とを有する第１単位酸化処理ユニットと、
    　　上流側の分岐供給路に設けられた第１触媒酸化処理器または追加触媒酸化処理器で予熱された低濃度メタンガスを触媒酸化処理する追加触媒酸化処理器を有する少なくとも１つの追加単位酸化処理ユニットと、
    を含む低濃度メタンガス酸化システム。
  2. 　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、前記少なくとも１つの追加単位酸化処理ユニットのそれぞれが、当該追加単位酸化処理ユニットの追加触媒酸化処理器から排出された酸化処理済ガスを加熱媒体として、下流側の分岐供給路に設けられた他の追加触媒酸化処理器または前記第１触媒酸化処理器に流入する低濃度メタンガスを予熱する追加熱交換器を有する低濃度メタンガス酸化システム。
  3. 　請求項１または２に記載の低濃度メタンガス酸化システムにおいて、前記第１単位酸化処理ユニットおよび前記少なくとも１つの追加単位酸化処理ユニットが、それぞれ、各触媒酸化ユニットにおける前記触媒酸化処理器から前記熱交換器への酸化処理済ガスの通路を形成する底部ダクトを備え、この底部ダクトの側部に各触媒酸化処理器が連結されており、前記底部ダクトの上部に各熱交換器が連結されている低濃度メタンガス酸化システム。
  4. 　請求項３に記載の低濃度メタンガス酸化システムにおいて、各触媒酸化ユニットにおける前記熱交換器が、前記底部ダクトから鉛直方向上方に向けて加熱媒体である酸化処理済ガスを通過させる加熱媒体通路を有している低濃度メタンガス酸化システム。
  5. 　請求項１から４のいずれか一項に記載の低濃度メタンガス酸化システムにおいて、前記熱源装置が、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作動する希薄燃料吸入ガスタービンである低濃度メタンガス酸化システム。
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