(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高湿度燃料ガスを圧縮すると共に水分を除去してマイクロタービン発電機へ供給するために、
高湿度燃料ガスを導入して圧縮する圧縮機と、
圧縮された高湿度燃料ガスを冷却して水分を凝縮、液化させる空冷式のフィンチューブ形放熱器と、
冷却された高湿度燃料ガスから凝縮、液化した水分を分離して除去する水分除去手段と、
前記水分除去手段によって分離された燃料ガスを加熱した後に前記マイクロタービン発電機への配管へ流出させる熱交換器とを備えている一方、
前記圧縮機において発生する圧縮熱を利用して前記熱交換器において燃料ガスを加熱するために、
前記圧縮機に設けられた冷却用流路と、
前記熱交換器に設けられた加熱用流路と、
前記圧縮機の冷却用流路と前記熱交換器の加熱用流路にわたって熱媒体を循環させる熱媒体循環ポンプと、
からなる熱媒体循環系統をも備えていることを特徴とする高湿度燃料ガスの圧縮供給装置。
【請求項２】
請求項１において、前記水分除去手段が、燃料ガスと凝縮水を分離する気液分離器と、凝縮水を吸着する吸着剤を収容している除湿槽との少なくとも一方を含んでいることを特徴とする高湿度燃料ガスの圧縮供給装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、前記熱媒体循環系統が、更に、熱媒体を貯留する熱媒体槽と、熱媒体を濾過するフィルタとの少なくとも一方を含んでいることを特徴とする高湿度燃料ガスの圧縮供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、下水処理場において発生するバイオガスのように、メタンガスを主成分とするために可燃性ではあるが、高い濃度の水分を含んでいる所謂「高湿度燃料ガス」を燃料として、小型のマイクロタービン形発電設備を運転する場合に使用されるガス圧縮供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に高湿度燃料ガスをマイクロタービンの燃料として使用する場合には、高湿度燃料ガスを圧縮機によって圧縮して、タービンの燃料として十分に使用できる圧力、例えば４００ｋＰａ〜６００ｋＰａまで昇圧させなければならない。そのために使用される高湿度燃料ガスの圧縮供給装置においては、通常は図２に示されているように、導入された高湿度燃料ガスＧ１をガス圧縮機３によって圧縮し、圧縮機３から吐出された高湿度燃料ガスをレシーバタンク５１へ送って放熱させることにより、高湿度ガスの内部で凝縮、液化した水分を重力によって分離させて除去する。それによって水分を概ね除去された燃料ガスＧ５は、吐出配管１０と吐出口１１を経て図示しないマイクロタービンへ送られる。なお、圧縮機３は冷却用流路４を備えていて、循環する冷却水のような熱媒体によって圧縮熱を吸収することにより冷却されているが、その熱が利用されることはなく、熱媒体槽２１の壁面や、図示しない放熱器等から大気中へ放出される。
【０００３】
圧縮機３の吸込側では高湿度燃料ガスＧ１の圧力や温度の変化は少ないので、ガスに含まれている水分の液化は起りにくいが、圧縮機３によって圧力が上昇した後の高湿度燃料ガスでは、圧縮機３の吐出口等においてガス中の水分が液化しやすい。また、圧縮機３の吐出側に設けられたレシーバタンク５１のみによっては水分が十分に除去されないので、残った液体状の水と気体状の燃料ガス及び水が混合流となってマイクロタービンへ供給されると、残存する液体状の水によって、マイクロタービンの燃焼室における燃焼に支障を来たすことがあるという問題が生じる。また、寒冷地においては、残存する液体状の水が燃料ガスの圧縮供給装置からタービンの燃焼部までの管路内で凍結し、管路を閉塞させるという問題が発生することがあった。
【０００４】
この問題に対応して、他の従来技術として提案された図３に示すような高湿度燃料ガスの圧縮供給装置においては、レシーバタンクの代わりに、吸着剤を収容している２個の吸着槽５１ａ，５１ｂを並列に設けて、それらの入口側と出口側に設けられた切替弁５０ａ，５０ｂを切替えることによって、一方の吸着槽において水分の吸着を行う時に、他方の吸着槽に収容された吸着剤を電気ヒータ等によって加熱して、吸着されている水分を脱離させて吸着剤を再生するというように、２個の吸着槽５１ａ，５１ｂを交互に切替え運転するようになっている。
【０００５】
更に、別の従来技術として、図４に示す高湿度燃料ガスの圧縮供給装置においては、冷凍機を備えている強力な冷却器５２を圧縮機３の吐出側に設けて、高湿度燃料ガスを強く冷却することによって、ガス中に含まれている水分を凝縮、液化させると共に、液化した水分を気液分離器８によって燃料ガスから分離させて除去するという方法をとっている。
【０００６】
しかしながら、図３に示す従来技術においては、２個の吸着槽５１ａ，５１ｂと２個の切替弁５０ａ，５０ｂを設けると共に、切替弁５０ａ，５０ｂを切替え制御する手段を設ける必要があるために、設備費及び運転経費が高くなるし、吸着槽を頻繁に再生させるために使用されるヒータが多量の電力を消費するという問題がある。また、図４に示す従来技術においては、冷凍機の冷凍サイクルに設けられる冷媒圧縮機等が大きな動力（電力）を消費するという問題と、設備が複雑で高価なものになるという問題があるので、いずれの方法も必ずしも得策といえるものではなかった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術における前述のような問題に対処して、それらの問題を全て解消し、簡単で安価なシステム構成でありながら、高湿度燃料ガスに含まれている水分を十分に分離、除去することができ、それによってマイクロタービンを安全に運転することができると共に、圧縮供給装置の運転に必要な動力（電力）が従来技術に比べて遥かに少なくて済むような、新規な構成の高湿度燃料ガスの圧縮供給装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題を達成するための手段として、高湿度燃料ガスを圧縮すると共に水分を除去してマイクロタービン発電機へ供給するために、高湿度燃料ガスを導入して圧縮する圧縮機と、圧縮された高湿度燃料ガスを冷却して水分を凝縮させる空冷式のフィンチューブ形放熱器と、冷却された高湿度燃料ガスから凝縮した水分を分離して除去する水分除去手段と、前記水分除去手段によって分離された燃料ガスを加熱した後に前記マイクロタービン発電機への配管へ流出させる熱交換器とを備えている一方、前記圧縮機において発生する圧縮熱を利用して前記熱交換器において燃料ガスを加熱するために、前記圧縮機に設けられた冷却用流路と、前記熱交換器に設けられた加熱用流路と、前記圧縮機の冷却用流路と前記熱交換器の加熱用流路にわたって熱媒体を循環させる熱媒体循環ポンプとからなる熱媒体循環系統をも備えていることを特徴とする高湿度燃料ガスの圧縮供給装置を提供する。
【０００９】
本発明の高湿度燃料ガスの圧縮供給装置においては、圧縮機によって高湿度燃料ガスを圧縮し、圧縮された高湿度燃料ガスを空冷式のフィンチューブ形放熱器によって冷却して水分を凝縮させる。凝縮した水分は後続の水分除去手段によって分離、除去される。水分除去手段としては、機械的な気液分離器や、吸着剤を収容する吸着式除湿槽等を利用することができる。高湿度燃料ガスは放熱することにより含有する水分の大部分が凝縮、液化しているので、水分除去手段によって効率良く分離、除去される。
【００１０】
水分の大部分が除去された後に、燃料ガスは更に熱交換器へ送られて、熱媒体循環系統により、圧縮機の廃熱である圧縮熱を利用して加熱される。このようにして、マイクロタービン発電機へ供給される燃料ガスは、含まれていた水分の大部分を除去されている上に、熱交換器によって温度を高められているので、配管を流れる間に温度が多少低下しても、残存する水分が凝縮して液化するとか、凍結するようなことがないので、タービンの運転に支障を生じることがない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の最も好適な実施の形態として、図１に示す高湿度燃料ガスの圧縮供給装置について説明する。装置の吸込口１は配管２によって圧縮機３の吸込口に接続している。圧縮機３としては、往復動式その他各種の形式の圧縮機を使用することができる。圧縮機３には冷却用流路４が設けられていて、液体或いは気体状の熱媒体を流すことによって圧縮機３を冷却することができる。圧縮機３の吐出口は配管５によって空冷式のフィンチューブ形放熱器６に接続している。放熱器６にはモータ６ｂによって駆動される冷却ファン６ａが付属している。
【００１２】
空冷式フィンチューブ形放熱器６の出口は、配管によって気液分離器８の入口に接続している。気液分離器８としては、サイクロン式のように遠心力を利用するもの等、各種の形式の気液分離器を使用することができる。気液分離器８にはドレンタンク８ａとドレンコック８ｂが付属している。気液分離器８の下流側には吸着式除湿槽７が接続している。その内部には水分を吸着する吸着剤が収容されている。なお、図示していないが、吸着式除湿槽７には吸着剤を再生するための通気手段或いは加熱手段が設けられる。また、再生の際に脱離する水を排出するドレンコック７ａが付属している。本発明においては、吸着式除湿槽７と気液分離器８を纏めて水分除去手段と呼んでおり、吸着式除湿槽７と気液分離器８の双方を備えていることを要件としていない。
【００１３】
吸着式除湿槽７の下流側には熱交換器９が接続されている。熱交換器９は加熱用流路９ａと被加熱用流路９ｂを備えており、吸着式除湿槽７から延びる配管は被加熱用流路９ｂに接続する。なお、熱交換器９の形式はどのようなものであってもよいが、例えば、加熱用流路９ａを螺旋状の管とすると共に、被加熱用流路９ｂとして加熱用流路９ａを収容する熱交換器９のハウジングの内部空間全体をあてることができる。
【００１４】
熱交換器９の下流側は装置全体の吐出口１１に接続しており、吐出口１１は、配管１０によって外部のマイクロタービン発電機１２へ接続される。本発明の図示実施形態としての高湿度燃料ガスの圧縮供給装置においては、高湿度燃料ガスと、それから水分が除去された燃料ガスの流路が以上のように構成されている。
【００１５】
図示実施形態の圧縮供給装置は、前述の流路の他に、図１の下段に例示されたような熱媒体の循環系統をも備えている。この熱媒体循環系統は、熱媒体槽２１と、熱媒体循環ポンプ２２と、フィルタ２３と、前述の圧縮機３の冷却用流路４及び熱交換器９の加熱用流路９ａから構成されている。配管２４及び２５がそれらを接続して閉回路を形成しているので、熱媒体槽２１内に貯留されている熱媒体２６が、熱媒体循環ポンプ２２によって付勢されて、矢印によって示す一定の方向に循環する流れを形成する。
【００１６】
図示実施形態としての高湿度燃料ガスの圧縮供給装置はこのように構成されているから、吸込口１から導入された吸込高湿度燃料ガスＧ１は吸込管２を通って圧縮機３へ吸込みガスとして吸込まれ、圧縮機３によって圧縮されて、吐出圧縮ガスＧ２として所定の圧力まで昇圧される。このガスは圧縮されることによって発熱して高温になっているので、簡単な構成の空冷式フィンチューブ形放熱器６によって冷却される。ここでガスは圧縮機３によって昇圧された後に放熱器６によって冷却されるので、ガス中に含まれていた水分は凝縮して液化し、気液分離器８内で燃料ガスから分離される。
【００１７】
気液分離器８によって燃料ガスから分離された凝縮水は、付属のドレンタンク８ａに溜まるので、定時的にドレンコック８ｂを開いて排出することができる。しかし、放熱器６は空冷式のため、高湿度燃料ガスに含まれている水分を完全に凝縮、液化させることができないから、気液分離器８を通過した後の燃料ガスが下流側のマイクロタービン発電機１２までの配管１０内等において徐々に冷却されると、残留水分が液化する恐れがある。そこで図示実施形態においては、放熱器６を出た後の残留水分を含んだガスＧ３が吸着式除湿槽７へ導かれ、その中に収容された吸着剤によって、ガス中の僅かな残留水分が吸着されて除去される。除湿槽７を出たガスＧ４はその圧力と温度においては、水に関して不飽和の状態になっている。
【００１８】
吸着式除湿槽７を出たガスＧ４は熱交換器９へ導入されて被加熱用流路９ｂを通過する。熱交換器９の加熱用流路９ａには、圧縮機３の冷却用流路４において圧縮熱を吸収して高温となった熱媒体が流れているから、水分を除去された後の燃料ガスが熱媒体によって加熱される。加熱された燃料ガスは吐出乾燥ガスＧ５として、吐出口１１から外部の配管１０を通ってマイクロタービン発電機１２へ供給される。熱交換器９によって加熱されたガスＧ５は相対湿度が十分に低下しているので、マイクロタービン発電機１２までの配管１０の中で温度が多少低下しても、残留水分が凝縮、液化することが防止される。熱交換器９の加熱用流路９ａを通過した熱媒体は熱媒体槽２１へ返送される。
【００１９】
熱媒体槽２１へ戻った熱媒体は、熱媒体循環ポンプ２２により加圧されて供給配管２４を通り、異物を除去するためのフィルタ２３を経て、圧縮機３の冷却用流路４へ導入される。熱媒体は圧縮機３の内部で発生する圧縮熱を隔壁を介して吸収し、間接的に圧縮機３を冷却することによって加熱される。熱媒体は供給配管２４を通って前述のように熱交換器９の加熱用流路９ａへ導かれる。
【００２０】
本発明の実施形態による高湿度燃料ガスの圧縮供給装置においては、高湿度燃料ガスを圧縮し、空冷式フィンチューブ形放熱器６によって非常に少ない消費動力で冷却して、含まれている水分を凝縮、液化させると共に、水分除去手段において効率よく分離、除去することができる。また、この装置から吐出される直前の燃料ガスが、熱交換器９において圧縮機３の圧縮熱を利用して加熱されて乾燥状態になっているため、熱交換器９からマイクロタービン発電機１２までの配管１０内において、残留水分が液化することがなく、寒冷地においても配管１０内における水分の凍結を防ぐことができる。
【００２１】
なお、吸着式除湿槽７の内部に収容されている吸着剤の交換時期又は再生時期を知るために、除湿槽７の重量を測定するための装置を設けてもよい。また、寒冷地等では、飽和温度と室温に応じて、吐出配管１０に保温材料等を取り付けて温度の低下を防止するというような対策を講じ得ることは言うまでもない。
【００２２】
【実施例】
本発明の好適な実施形態として図１に示される装置を製作したが、その各部の諸元は次の通りである。この装置は高湿度燃料用ガスに使用されるが、検証のために高湿度の空気を使用して測定した。なお、使用した空気による数値を実際の高湿度燃料ガスによる数値に変換するには、燃料ガスと空気のガス定数の比を後述の（１）式のＸｓに乗じることにより簡単に換算をすることができる。
圧縮すべき流体及び流量：  空気、１８ｍ３／Ｈｒ
吸込絶対圧力：  １０１．３ｋＰａ
吐出絶対圧力：  ５００ｋＰａ
空冷式フィンチューブ形放熱器６の伝熱面積：  ３．２ｍ２
ファン駆動モータ６ｂの消費電力量及び風量：  ３５Ｗ、  ５ｍ３／ｍｉｎ
吸着式除湿槽７：  塩化カルシュウムを主成分とする潮解式  ２５ｋｇ
熱交換器９：  伝熱面積  ０．２ｍ２  シェル＆チューブ式
【００２３】
製作した装置を使用して、圧縮機３の吸込口１における高湿度空気Ｇ１の吸込圧力及び温度状態における湿度を測定し、その効果を検証した。得られた結果は次の表１の通りである。なお、この表１において括弧内の数値は後述の計算式により算出したものであるが、その他の数値は実測値である。
【００２４】
【表１】
0003606854.tif 000002
【００２５】
Ｐを全圧（ｋＰａ）、Ｐｗを水蒸気分圧（ｋＰａ）とすると、１ｋｇの空気に含み得る最大の水分量Ｘｓ（ｋｇ／ｋｇ’）は次式によって与えられる。この水分量は、空気１ｋｇ’（空気の重量をｋｇ’として示す）当たりの水分量（水の重量をｋｇによって示す）である。なお、Ｐｗは蒸気表から求める。
Ｘｓ＝０．６２２×Ｐｗ／（Ｐ−Ｐｗ）  （ｋｇ／ｋｇ’）  …（１）
【００２６】
この式（１）によって各部の水分量を計算すると、Ｇ１については温度が３７℃であるから、Ｐｗ＝６．２７６、従って、
Ｘｓ＝０．６２２×６．２７６／（１０１．３−６．２７６）
＝０．０４１０  （ｋｇ／ｋｇ’）
相対湿度は実測値が８５％であるから、実際の水分量は、
０．０４１０×０．８５＝０．０３４９
となる。
【００２７】
Ｇ３については、水分が飽和状態であり、その圧力は５０１ｋＰａ、温度は４２℃であるから、Ｐｗ＝８．２０、従って、
Ｘｓ＝０．６２２×８．２０／（５０１−８．２０）＝０．０１０３
【００２８】
Ｇ４については、圧力は変化せず、温度が４５℃（Ｐｗ＝９．５８４）となっており、除湿槽７は、一般に入口温度の１０℃程度低い温度の飽和状態と同程度の値まで湿度を低下させることができるので、入口温度４２℃に対して、３２℃における飽和状態では、Ｐｗ＝４．７５５、従って、
Ｘｓ＝０．６２２×４．７５５／（５０１−４．７５５）＝０．００６０
となり、その相対湿度は、０．００６０／０．０１０３＝０．５８
即ち、５８％である。
【００２９】
Ｇ５においては、圧力は同じで温度が５０℃であるから、Ｐｗ＝１２．３３７
従って、
Ｘｓ＝０．６２２×１２．３３７／（５０１−１２．３３７）
＝０．０１５７
の水分を含み得るが、実際にＧ５に含まれる水分量は０．００６０ｋｇ／ｋｇ’であり、相対湿度はＧ４とＧ５の水分量の比であるから３８％となる。
【００３０】
温度が低下して飽和温度に達すると水分が凝縮して液化が始まるが、その飽和温度は３２℃である。即ち、５０℃において吐出されたガスは、マイクロタービン１２までの配管１０内において１２℃以上の温度低下がない限り、水分を液化させることはない。
【００３１】
このように、図示実施例の高湿度燃料ガスの圧縮供給装置は、実質的な消費電力が空冷式フィンチューブ形放熱器６の冷却ファン６ａを駆動するために必要な３５Ｗだけで、十分に乾燥した燃料ガスをマイクロタービン発電機１２へ供給することができることが実証された。
【００３２】
【発明の効果】
本発明の高湿度燃料ガスの圧縮供給装置は、バイオガスのような高湿度の燃料ガスであって、圧力が発電用のマイクロタービンの燃焼室において燃焼させるのに十分でない場合に使用することができる。本発明の高湿度燃料ガスの圧縮供給装置においては、第１の特徴として、圧縮機によって圧縮された高湿度燃料ガスを冷却して水分を凝縮させるために構成が簡単な空冷式のフィンチューブ形放熱器を使用している。フィンチューブ形放熱器は安価に製作することができるだけでなく、消費電力は冷却ファンのモータを駆動するためのものだけであり、従来例のように冷凍機を駆動する場合に比べて消費電力が格段に少ない。
【００３３】
本発明の第２の特徴は、フィンチューブ形放熱器によって水分を凝縮、液化させて、水分除去手段によって大部分の水分を除去した後の燃料ガスを、圧縮機において発生する圧縮熱を利用して、加熱してからマイクロタービン発電機への配管へ吐出していることである。燃料ガスが配管の中を流れる間に自然に冷却されることによって、残存している水分が凝縮、液化して問題を生じる恐れがあるのを、予め燃料ガスを加熱することによって防止することができるだけでなく、この熱交換器の熱源として、従来技術においては廃熱として棄てられていた圧縮機の発生する圧縮熱を利用している点にも意味がある。そのために、特別の熱源を設ける必要がないし、熱交換器において燃料ガスを加熱するために消費されるエネルギー量は循環ポンプを駆動するモータの消費電力だけであるが、これは従来の圧縮機の冷却システムにおいても当然必要なものであって、本発明によって新たに必要となるエネルギーではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるガス圧縮供給装置の実施形態を例示する系統図である。
【図２】レシーバタンクを使用した従来のガス圧縮供給装置を例示する系統図である。
【図３】吸着槽を使用した従来のガス圧縮供給装置を例示する系統図である。
【図４】冷凍機を使用した従来のガス圧縮供給装置を例示する系統図である。
【符号の説明】
１…吸込口
３…圧縮機
４…圧縮機の冷却用流路
６…フィンチューブ形放熱器
７…除湿槽
８…気液分離器
９…熱交換器
１０…吐出配管
１２…マイクロタービン発電機
２１…熱媒体槽
２２…熱媒体循環ポンプ
５０Ａ，Ｂ…切替え弁
５１Ａ，Ｂ…吸着槽
５１…レシーバタンク
５２…冷凍機
Ｇ１…吸込ガス
Ｇ２…吐出圧縮ガス
Ｇ３…放熱器出口ガス
Ｇ４…除湿槽出口ガス
Ｇ５…吐出乾燥ガス
【図１】
0003606854.tif 000003
【図２】
0003606854.tif 000004
【図３】
0003606854.tif 000005
【図４】
0003606854.tif 000006