(57)【要約】【課題】低カロリーガスを用いた高効率なガスタービン用燃料、低カロリーガスの有効な利用方法、及び組成や発熱量が不特定なガスでも運転することができるガスタービンシステムを提供する。【解決手段】所定の圧力まで昇圧した低カロリーガスと、高カロリーガスとを含む混合ガスからなるガスタービン用燃料、所定の圧力まで昇圧した低カロリーガスと高カロリーガスとを混合してガスタービン用燃料とする、低カロリーガスの利用方法、及びガスタービンに供給されるガスタービン用燃料の組成を調整し、且つ発熱量に応じて圧縮機を制御し、ガスタービン用燃料の圧縮比を可変させることができる圧縮比可変手段を備えるガスタービンシステムとする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の圧力まで昇圧した低カロリーガスと、高カロリーガスとを含む混合ガスからなるガスタービン用燃料。
【請求項２】
前記低カロリーガスが高炉炉頂から排出される高炉ガスである、請求項１に記載のガスタービン用燃料。
【請求項３】
前記高カロリーガスが液化石油ガスである、請求項１又は２に記載のガスタービン用燃料。
【請求項４】
前記低カロリーガスを１０ｋｇ／ｃｍ２未満の圧力まで昇圧させる、請求項１〜３のいずれかに記載のガスタービン用燃料。
【請求項５】
所定の圧力まで昇圧した低カロリーガスと高カロリーガスとを混合し、単位体積当たりの発熱量が所定の熱量となったガスタービン用燃料とする、低カロリーガスの利用方法。
【請求項６】
ガスタービンと、該ガスタービンに供給されるガスタービン用燃料を圧縮する圧縮機と、前記ガスタービンに供給される前記ガスタービン用燃料の組成及び発熱量に応じて前記圧縮機を制御し、前記ガスタービン用燃料の圧縮比を可変させることができる圧縮比可変手段と、を備えるガスタービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低カロリーガスを用いたガスタービン用燃料、低カロリーガスの利用方法、及びガスタービンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
製鉄所や製油所などの工場では、生産過程で余剰の副生ガスが生じることがある。このような余剰ガスをそのまま再利用することができれば良いが、コストや技術的な問題から実際にはそれが困難であるため、様々な処理方法が検討され、実践されている。
【０００３】
例えば、製油所内で生じる余剰ガスはフレアスタックで無害化して処理することが一般的となっている。また、製鉄所内で発生する副生ガスとしては高炉ガスなどの低カロリーガスがあり、高炉ガスは発熱量が少ないため、用途によっては転炉並びにコークス炉より発生するガスを混合し、増熱して使用している。
【０００４】
上記のように、高炉ガスは低カロリーであるため、そのまま使用することが困難な場合に改質して利用する方法が提案されている。例えば、特許文献１には、高炉ガスからＣＯ２を分離除去して発熱量を高めた改質高炉ガスを得る方法が開示されている。また、特許文献２には、高炉ガスからＣＯ２及びＮ２を分離除去して発熱量を高めた改質高炉ガスを得る方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３０９０６７号公報
【特許文献２】特開２００９−１２０８９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１および２に開示されている技術のように、高炉ガスから特定の成分を分離除去するためには、その処理を行うための設備が新たに必要になるという問題があった。
【０００７】
一方、近時は高炉ガスのような低カロリーガスを改質させずに利用する方法も実践されている。具体的には、高炉ガスのような低カロリーガスを所定の圧力まで昇圧させることによって単位体積当たりの発熱量を上げ、それをガスタービン用燃料として使用している。しかしながら、この方法では昇圧するために膨大な電力を要するという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、低カロリーガスを用いた高効率なガスタービン用燃料及び低カロリーガスの有効な利用方法を提供することを課題とする。また、組成や発熱量が不特定な混合ガスでも運転することができるガスタービンシステムを提供することも課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者は、上記課題について鋭意検討した結果、高炉ガスのような発熱量が少ないガスを発熱量が大きいガスと混合して昇圧させることによって、従来の方法より圧力を低くしても低カロリーガスをガスタービン用燃料として用いることができることを見出した。また、ガスタービン用燃料の圧縮比を可変させる手段を設けることによって、組成や発熱量が特定されない混合ガスでも運転することができるガスタービンシステムとすることができることを見出した。これにより、本発明者は、以下の発明を完成させた。
【００１０】
すなわち、第１の本発明は、所定の圧力まで昇圧した低カロリーガスと、高カロリーガスとを含む混合ガスからなるガスタービン用燃料を提供することによって、上記課題を解決する。
【００１１】
ガスの発熱量は可燃性成分である水素、一酸化炭素の含有量によって異なる。本発明において「低カロリーガス」とは、発熱量が８００ｋｃａｌ／Ｎｍ３〜１５００ｋｃａｌ／Ｎｍ３程度のガスを意味し、「高カロリーガス」とは発熱量が７，０００ｋｃａｌ／Ｎｍ３以上であるガスを意味する。また、「所定の圧力」とは、後述するように低カロリーガスと高カロリーガスの発熱量や混合比率によって適宜決定することができる圧力である。なお、本発明において低カロリーガスは、高カロリーガスと混合後に昇圧させてもよく、混合前に昇圧させてもよい。ただし、昇圧された低カロリーガスに高カロリーガスを混合させる方が、昇圧のために要するエネルギーを少なくすることができるため好ましい。
【００１２】
第１の本発明のガスタービン用燃料において、低カロリーガスとして高炉炉頂から排出される高炉ガスを用いることができる。
【００１３】
高炉ガスに含まれる成分の多くは窒素などの不可燃性成分であるため、その発熱量は約８００ｋｃａｌ／Ｎｍ３〜９００ｋｃａｌ／Ｎｍ３と低い。そのため、高炉ガスは用途が限定され、従来は他の燃料の補助燃料として使用されていたが、本発明によれば、より有効に使用することができる。
【００１４】
第１の本発明のガスタービン用燃料において、高カロリーガスが液化石油ガスであることが好ましい。高カロリーガスの一例としてプロパンガスは発熱量が十分に大きく、且つ蒸気圧が高く、入手が容易であるという観点から好ましい。
【００１５】
また、第１の本発明のガスタービン用燃料において、低カロリーガスを１０ｋｇ／ｃｍ２未満の圧力まで昇圧させることが好ましい。後に説明するように、低カロリーガスを昇圧させる圧力は低カロリーガスと高カロリーガスの発熱量や混合比率などによって適宜決定されるが、該圧力を高くし過ぎれば経済効果を得難くなる。
【００１６】
第２の本発明は、所定の圧力まで昇圧した低カロリーガスと高カロリーガスとを混合し、単位体積当たりの発熱量が所定の熱量となったガスタービン用燃料とする、低カロリーガスの利用方法を提供することによって、上記課題を解決する。ここに「所定の熱量」とは、ガスタービン用燃料の用途に応じて適宜決めることができる熱量である。
【００１７】
第３の本発明は、ガスタービンと、ガスタービンに供給されるガスタービン用燃料を圧縮する圧縮機と、ガスタービンに供給されるガスタービン用燃料の組成及び発熱量に応じて圧縮機を制御し、ガスタービン用燃料の圧縮比を可変させることができる圧縮比可変手段と、を備えるガスタービンシステムを提供することによって、上記課題を解決する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によると、低カロリーガスを用いた高効率なガスタービン用燃料、低カロリーガスの有効な利用方法、及び、組成や発熱量が不特定な混合ガスでも運転することができるガスタービンシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ガスタービンを備えたコンバインドサイクル発電システムの模式図である。
【図２】本発明のガスタービンシステムを備えたコンバインドサイクル発電システムの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の前記作用及び利得は、次に説明する発明を実施するための形態から明らかにされる。以下本発明を図面に示す実施形態に基づき説明する。ただし、本発明はこれら実施形態に限定されるものではない。
【００２１】
まず、本発明のガスタービン用燃料を使用することができるコンバインドサイクル発電システムの概要について説明する。図１に、コンバインドサイクル発電システム１００の模式図を示す。
【００２２】
コンバインドサイクル発電システム１００は、ガスタービン１と蒸気タービン２とを組み合わせた一般的なコンバインドサイクル発電システムである。コンバインドサイクル発電システム１００では、まず、配管１１から空気が供給され、該空気は圧縮機３で圧縮されて燃焼器４へと送られる。一方、配管２０からはガスタービン用燃料が供給され、該ガスタービン用燃料は圧縮機２１で圧縮されて配管１２を通って燃焼器４へと送られる。該ガスタービン用燃料は燃焼器４内において上記圧縮空気とともに燃焼される。そして、圧縮空気とガスタービン用燃料が燃やされることによって生じたガスの圧力を利用してガスタービン１を回転させ、軸５でガスタービン１と連結されている発電機６によって発電を行う。ガスタービン１を回し終えた排ガスは排熱回収ボイラー７へと送られ、そこで排ガスの余熱を利用して水８を沸騰させる。水８に熱を奪われた排ガスは配管１３から煙突（図示省略。）へと排出される。排熱回収ボイラー７で水８を沸騰させて生じた蒸気は、配管１４を通って蒸気タービン２へと送られ、該蒸気によって蒸気タービン２を回転させ、軸５で蒸気タービン２と連結されている発電機６によって発電を行う。蒸気タービン２を回し終えた蒸気は復水器９へと送られ、配管１０を流通する冷却水によって冷却されて、水に戻される。水に戻された蒸気は配管１５を通って再び排熱回収ボイラーへと送られる。
【００２３】
このようにコンバインドサイクル発電システム１００によれば、ガスタービン用燃料から得られるエネルギーを有効活用して、約５０％の発電効率を達成できている。
【００２４】
本発明のガスタービン用燃料は、このようなコンバインドサイクル発電システム１００に使用することができる。以下、コンバインドサイクル発電システム１００の発電能力を３９０，０００ｋＷ／Ｈ、発電効率を５０％として、コンバインドサイクル発電システム１００を高炉ガスのみで稼働させる場合と、本発明のガスタービン用燃料を使用して稼働させる場合とを比較し、本発明のガスタービン用燃料の優位性について説明する。
【００２５】
コンバインドサイクル発電システム１００を稼働させるには、
３９０，０００ｋＷ／Ｈ×８６０ｋｃａｌ／ｋＷ÷５０％＝６７０，８００，０００ｋｃａｌ／Ｈ
の熱量を要する。
【００２６】
コンバインドサイクル発電システム１００を高炉ガス（発熱量が９００ｋｃａｌ／Ｎｍ３であるとする。）のみで稼働させる場合は、
６７０，８００，０００ｋｃａｌ／Ｈ÷９００ｋｃａｌ／Ｎｍ３＝７４５，３００Ｎｍ３／Ｈ
の高炉ガスを要する。
【００２７】
しかしながら、高炉ガスは上記のように発熱量が小さいため、高炉ガスをそのまま燃焼器４内で燃焼させたとしても燃焼温度が上がらずガスタービン１を回すだけのエネルギーを得ることができない。そのため、高炉ガスを昇圧させて単位体積当たりの発熱量を上げてから燃焼させなければならない。
【００２８】
ガスタービン１を回すには１２，０００ｋｃａｌ／ｍ３以上の発熱量の燃料が必要であるとすると、発熱量が９００ｋｃａｌ／Ｎｍ３である高炉ガスでガスタービン１を回すには、高炉ガスを１４ｋｇ／ｃｍ２程度まで昇圧させなければならない。すなわち、高炉ガスを１４ｋｇ／ｃｍ２まで昇圧させることによって、１２，６００ｋｃａｌ／ｍ３の発熱量を持つ燃料にすることができる。一時間で７４５，３００Ｎｍ３の高炉ガスを１４ｋｇ／ｃｍ２まで昇圧させるためには、
７４５，３００Ｎｍ３／Ｈ×０．１ｋＷ／Ｎｍ３≒７５，０００ｋＷ／Ｈ
の電力を要する。
【００２９】
また、高炉ガスをガスタービン用燃料として使用する場合には、高炉ガスを洗浄しておかなければならない。一時間で７４５，３００Ｎｍ３の高炉ガスを洗浄するには、
７４５，３００Ｎｍ３／Ｈ×０．０２ｋＷ／Ｎｍ３≒１５，０００ｋＷ／Ｈ
の電力を要する。
【００３０】
すなわち、コンバインドサイクル発電システム１００を高炉ガスのみで稼働させる場合、３９０，０００ｋＷ／Ｈ発電できたとしても７５，０００ｋＷ／Ｈ＋１５，０００ｋＷ／Ｈ＝９０，０００ｋＷ／Ｈの電力（コンバインドサイクル発電システム１００発電能力の約２３％に相当。）を、ガスタービン用燃料を得るために消費していることになる。
【００３１】
一方、本発明のガスタービン用燃料を使用してコンバインドサイクル発電システム１００を稼働させる場合は、ガスタービン用燃料を得るために消費する電力を大幅に削減することができる。
【００３２】
例えば、体積比で高炉ガス９４．８９％とプロパンガス（発熱量が２２，４４０ｋｃａｌ／Ｎｍ３であるとする。）５．１１％とを混合したとすると、該混合ガスの発熱量は約２，０００ｋｃａｌ／Ｎｍ３となる。そのため、該混合ガスでコンバインドサイクル発電システム１００を稼働させる場合、
６７０，８００，０００ｋｃａｌ／Ｈ÷２，０００ｋｃａｌ／Ｎｍ３＝３３５，４００Ｎｍ３／Ｈ
の混合ガスを要する。すなわち、
３３５，４００Ｎｍ３／Ｈ×９４．８９％≒３１８，３００Ｎｍ３／Ｈ
の高炉ガスと、
３３５，４００Ｎｍ３／Ｈ×５．１１％≒１７，１００Ｎｍ３／Ｈ
のプロパンガスとを要する。
【００３３】
高炉ガスのみを使用する場合は、上述したように高炉ガスを１４ｋｇ／ｃｍ２まで昇圧させなければならなかったが、上記の割合で高炉ガスとプロパンガスとを混合させた混合ガスでは、６ｋｇ／ｃｍ２まで昇圧させればガスタービン１を回すことができる。すなわち、高炉ガスを６ｋｇ／ｃｍ２まで昇圧させることによって、１２，０００ｋｃａｌ／ｍ３の発熱量を持つ燃料にすることができる。高炉ガスを６ｋｇ／ｃｍ２まで昇圧させるのに要する電力は、１４ｋｇ／ｃｍ２まで昇圧させる場合と比較して７０％程度でよい。
【００３４】
したがって、上記の割合で高炉ガスとプロパンガスとを混合させた混合ガスをガスタービン用燃料とする場合に要する電力は、３１８，３００Ｎｍ３／Ｈの高炉ガスを６ｋｇ／ｃｍ２まで昇圧させるために要する電力である３１８，３００Ｎｍ３／Ｈ×０．１ｋＷ／Ｎｍ３×７０％≒２２，３００ｋＷ／Ｈと、３１８，３００Ｎｍ３／Ｈの高炉ガスを洗浄するのに要する電力である３１８，３００Ｎｍ３／Ｈ×０．０２ｋＷ／Ｎｍ３≒６．４００ｋＷ／Ｈとの合計の２８，７００ｋＷ／Ｈ（コンバインドサイクル発電システム１００発電能力の約７％に相当。）でよい。よって、体積比で高炉ガス９４．８９％とプロパンガス（発熱量が２２，４４０ｋｃａｌ／ｍ３であるとする。）５．１１％とを混合して６ｋｇ／ｃｍ２まで昇圧させた本発明のガスタービン用燃料を使用した場合は、高炉ガスのみを使用した場合に比べて送電量を大幅に増大させることができる。
【００３５】
また、プロパンガスを用いることで消費を抑えられた高炉ガスは、製鉄所内で使用されるＬＳＣ重油など（ボイラーや加熱炉などの燃料）の代替燃料として用いることができる。
【００３６】
したがって、本発明のガスタービン用燃料を用いれば、コンバインドサイクル発電システムからの送電量を増大させることができるとともに、製鉄所内で使用されるＬＳＣ重油などの他の燃料の消費量を削減することができる。プロパンガスの購入による支出を差し引いても、本発明のガスタービン用燃料を用いることによって得られる送電量の増大とＬＳＣ重油などの他の燃料の消費量削減による経済効果は十分に大きいと考えられる。
【００３７】
これまでの本発明の説明では、高炉ガスとプロパンガスとを含む混合ガスについて説明したが、本発明のガスタービン用燃料はかかる形態に限定されず、所定の圧力まで昇圧された低カロリーガスと高カロリーガスとを含む混合ガスであればよい。上記高カロリーガスとして用いることができるものは発熱量が十分に大きく、使用時に気体であるものであれば特に限定されず、メタンガスの他、プロパンガス、ブタンガス等の液化石油ガス、及びこれらのガスを含むガスなどを例示することができる。また、低カロリーガスと混合させる高カロリーガスの混合比率、及び低カロリーガスを昇圧させる圧力は特に限定されず、ガスタービン用燃料として要求される発熱量や低カロリーガスと高カロリーガスの発熱量に応じて混合比率と昇圧させる圧力とを適宜決定することができる。例えば、混合させる高カロリーガスの発熱量が大きいほど低カロリーガスを昇圧させる圧力は低くてよく、高カロリーガスの混合比率が大きいほど低カロリーガスを昇圧させる圧力は低くてよい。
【００３８】
また、これまでの本発明の説明では、本発明のガスタービン用燃料をコンバインドサイクル発電システムに使用する形態について説明してきたが、本発明はかかる形態に限定されない。本発明のガスタービン用燃料は、あらゆるガスタービン発電機に使用することができる。また、特定のガスタービンに本発明のガスタービン用燃料を使用する場合、混合ガスの組成、保有熱量、圧力等によって着火性、燃焼スピード等が特定のガスタービンの燃料として適合しない場合は、更に水素ガスなどを混合して調整することにより、順調な燃焼を維持することができる。
【００３９】
次に、図２を参照しつつ、本発明のガスタービンシステムについて説明する。図２は、本発明のガスタービンシステムを備えたコンバインドサイクル発電システムの模式図である。図２では、図１に示したものと同様の構成のものには同符号を付しており、既に説明したものについては説明を省略する。
【００４０】
本発明のガスタービンシステムは、少なくともガスタービン１とガスタービン１に供給されるガスタービン用燃料を圧縮する圧縮機２１とガスタービン１に供給されるガスタービン用燃料の組成及び発熱量に応じて圧縮機２１を制御し、ガスタービン用燃料の圧縮比を可変させることができる圧縮比可変手段２８とを備えている。
【００４１】
図１に示したコンバインドサイクル発電システム１００では、圧縮比可変手段２８に替えて増速機２２が備えられており、蒸気タービン２からの動力が増速機２２を介して軸２３から圧縮機２１へと伝えられていた。このような従来のコンバインドサイクル発電システム１００では、特定の組成のガスタービン用燃料が供給され、そのガスタービン用燃料の圧縮比が一定となるように圧縮機２１が動かされていた。そうすることで単位体積当たりの発熱量が一定のガスタービン燃料がガスタービン１に供給されるようになっており、万一、圧縮機２１に供給されるガスタービン用燃料の組成が変化した場合は、安全のためシステムの運転が停止されるようになっていた。
【００４２】
一方、本発明のガスタービンシステムは上記圧縮比可変手段２８を備えているため、ガスタービン１に供給されるガスタービン用燃料の組成や発熱量が変化した場合は、圧縮比可変手段２８によって圧縮機２１を制御してガスタービン用燃料の圧縮比を変えることで、単位体積当たりの発熱量が一定のガスタービン用燃料をガスタービン１に供給することができる。
【００４３】
圧縮比可変手段２８は、圧縮機２１を制御できるものであれば特に限定されない。例えば、公知の動力伝達装置やモーターを用いることができる。また、ガスタービン１に供給されるガスタービン用燃料の組成などの情報を圧縮比可変手段２８に伝える手段も特に限定されず、公知のセンサーを用いることができる。例えば、以下に説明するように低カロリーガスを圧縮した後に高カロリーガスを混合してガスタービン１に供給する場合は、配管２０から供給される低カロリーガスの組成と配管２５から供給される高カロリーガスの組成をそれぞれ検知するセンサーを設け、該センサーによる検知結果と低カロリーガス及び高カロリーガスの混合比率などから圧縮機２１による低カロリーガスの圧縮比を決定することができる。すなわち、コンバインドサイクル発電システム２００は、圧縮機２１に供給される低カロリーガスの組成並びに単位体積当たりの発熱量と、配管２５から供給される高カロリーガスの組成並びに単位体積当たりの発熱量を所定の範囲内に保持できるように調整すれば、公知のセンサーなどによってその組成を検知し、場合によっては水素ガスなどを混合して組成を調整し、圧縮比可変手段２８で圧縮機２１を制御し、組成並びに単位体積当たりの発熱量が所定のガスタービン用燃料としてガスタービン１に供給することができる。そのため、ガスタービン１に供給されるガスタービン用燃料の組成が一定でない場合であっても運転することができる。
【００４４】
また、コンバインドサイクル発電システム２００にはミキサー２６が備えられている。ミキサー２６は複数のガスを混合できるものであれば特に限定されず、公知のガスミキサーを用いることができる。前記の通り、本発明のガスタービン用燃料は、所定の圧力まで昇圧した低カロリーガスと高カロリーガスとを含む混合ガスであり、低カロリーガスは高カロリーガスと混合後に昇圧させてもよく、混合前に昇圧させてもよいが、昇圧された低カロリーガスに高カロリーガスを混合させる方が好ましい。そのため、コンバインドサイクル発電システム２００では、低カロリーガスは配管２０から供給されて圧縮機２１で圧縮され、高カロリーガスは配管２５から供給され、圧縮された低カロリーガスと高カロリーガスとがミキサー２６で混合される。そして、混合されたガスはガスタービン用燃料として配管２７を通ってガスタービン１へと供給される。
【００４５】
以上、現時点において実践的で好ましいと思われる実施形態に関連して本発明を説明したが、本発明は本願明細書中に開示された実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲および明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うガスタービン用燃料、低カロリーガスの利用方法、及びガスタービンシステムもまた本発明の技術的範囲に包含されるものとして理解されなければならない。
【符号の説明】
【００４６】
１  ガスタービン
２  蒸気タービン
３  圧縮機
４  燃焼器
５、２３  軸
６  発電機
７  排熱回収ボイラー
８  水
９  復水器
１０、１１、１２、１３、１４、１５、２０、２２、２４、２５  配管
２１  圧縮機
２６  ミキサー
２８  圧縮比可変手段
１００  コンバインドサイクル発電システム
２００  コンバインドサイクル発電システム
【図１】
2011038415.tif 000003
【図２】
2011038415.tif 000004