(57)【要約】【課題】廃棄するバイオマスガスの低減を図って効率よく運転することができるバイオマスガス専焼エンジンと、それを用いたコージェネレーション装置とを提供する。【解決手段】ガス化炉２で生成したバイオマスガスを、エンジン４に供給するようになされたバイオマスガス専焼エンジン１であって、ガス化炉２を出たガス供給経路３１に、圧力センサ１６，１７が設けられ、バイオマスガスの圧力変化に応じてエンジン要求負荷Ｌ２の増減を図る制御部１０を有するものである。バイオマスガス専焼エンジン１は、エンジン４の排気経路４５に酸素センサ１３，１４または全領域センサ１５が設けられ、バイオマスガスの燃焼カロリーの変化に応じてエンジン要求負荷Ｌ１の増減を図る制御部１０を有するものであってもよい。コージェネレーション装置６は、上記バイオマスガス専焼エンジン１を有するものである。【選択図】図１
2015227654.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス化炉で生成したバイオマスガスを、エンジンに供給するようになされたガスエンジンであって、
ガス化炉を出たガス供給経路に、圧力センサが設けられ、
バイオマスガスの圧力変化に応じてエンジン負荷の増減を図るようになされた制御部を有することを特徴とするバイオマスガス専焼エンジン。
【請求項２】
ガス化炉で生成したバイオマスガスを、エンジンに供給するようになされたガスエンジンであって、
エンジンの排気経路に酸素センサまたは全領域センサが設けられ、
バイオマスガスの燃焼カロリーの変化に応じてエンジン負荷の増減を図るようになされた制御部を有することを特徴とするバイオマスガス専焼エンジン。
【請求項３】
請求項１または２記載のバイオマスガス専焼エンジンを有し、エンジン負荷の増加による余剰電力は売電または蓄電し、エンジン負荷の減少による不足電力は、買電または蓄電された電力から補充するようになされた制御部を有することを特徴とするコージェネレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマスガスを使用するバイオマスガス専焼エンジンと、それを用いたコージェネレーション装置とに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、コージェネレーション装置やヒートポンプ装置の駆動源に使用するエンジンとして、バイオマスガスとディーゼル燃料とを併用するデュアルフューエルエンジンが知られている（例えば、特許文献１参照。）
このようなデュアルフューエルエンジンにバイオマスガスを供給するガス化炉は、木質材料などのバイマスガスの原料となるものを、ガス化炉で炊き出したり発酵させたりして発生させるので、一度発生させたバイオマスガスは、運転開始から徐々に発生量が増すが、発生量や燃焼カロリーが一定ではなく不安定なものとなる。したがって、バイオマスガスは、ガス化炉を停止してしまうと再度のバイオマスガスの発生に時間を要するので、運転を開始すると、その日一日の運転が終了するまで運転停止は行われない。
【０００３】
一方、デュアルフューエルエンジンは、コージェネレーション装置やヒートポンプ装置の制御条件に合わせて何度も運転開始や運転停止が行わる。
【０００４】
したがって、デュアルフューエルエンジの運転状態に対して、バイオマスガスの発生量が多く燃焼カロリーが高すぎる場合や、デュアルフューエルエンジンを運転停止しているような場合は、フレアスタックで余剰ガスを燃焼させ、バイオマスガスの発生量が少なく燃焼カロリーが低い場合には、ディーゼル燃料を使用してバイオマスガスの不足分を補うことで、安定した運転状態を保つことができるようになされていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−８９０７０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、上記従来のデュアルフューエルエンジンのように、バイオマスガスとディーゼル燃料とを併用し、バイオマスガスの不足分をディーゼル燃料で補うエンジンの場合、バイオマスガスだけを使用するものではないため、環境改善効果が充分に発揮できなくなってしまう。
【０００７】
そのため、ディーゼル燃料を使用せず、バイオマスガスだけで運転するガスエンジンを使用することが考えられる。しかし、バイオマスガスだけで運転するガスエンジンは、バイオマスガスの発生量が減少したり、燃焼カロリーが不足したりする場合、バイオマスガスの供給量を決定するＡ／Ｆバルブを全開にしてもガスエンジンの制御領域から外れてしまうこととなり、空燃比制御が不能となり、排気ガス浄化性能が低下し、ＮＯｘが発生してしまう。そのため、バイオマスガスだけで運転するガスエンジンの場合は、図６に示すように、安定した一定量のガス発生量が確保できる時間領域のバイオマスガスａを使用してガスエンジンを運転し、その他の余剰ガスｂはフレアスタックで燃焼させることが行われており、廃棄するバイマスガスが増大するといった不都合を生じていた。
【０００８】
本発明は、係る実情に鑑みてなされたものであって、廃棄するバイオマスガスの低減を図って効率よく運転することができるバイオマスガス専焼エンジンと、それを用いたコージェネレーション装置とを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための本発明に係るバイオマスガス専焼エンジンは、ガス化炉で生成したバイオマスガスを、エンジンに供給するようになされたガスエンジンであって、ガス化炉を出たガス供給経路に、圧力センサが設けられ、バイオマスガスの圧力に応じてエンジン負荷の増減を図るようになされた制御部を有するものである。
【００１０】
上記課題を解決するための本発明に係るバイオマスガス専焼エンジンは、ガス化炉で生成したバイオマスガスを、エンジンに供給するようになされたガスエンジンであって、エンジンの排気経路に酸素センサまたは全領域センサが設けられ、バイオマスガスの燃焼カロリーの変化に応じてエンジン負荷の増減を図るようになされた制御部を有するものである。
【００１１】
上記課題を解決するための本発明に係るコージェネレーション装置は、上記バイオマスガス専焼エンジンを有し、エンジン負荷の増加による余剰電力は売電または蓄電し、エンジン負荷の減少による不足電力は、買電または蓄電された電力から補充するようになされた制御部を有するものである。
【発明の効果】
【００１２】
以上述べたように、本発明によると、ガス化炉を出たガス供給経路に、圧力センサを設け、バイオマスガスの圧力に応じてエンジン負荷の増減を図るように制御部によって制御することで、廃棄するバイオマスガスの量の低減を図って効率の良い運転を行うことができる。
【００１３】
また、本発明によると、エンジンの排気経路に酸素センサまたは全領域センサを設け、バイオマスガスの燃焼カロリーの変化に応じてエンジン負荷の増減を図るように制御部によって制御することで、廃棄するバイオマスガスの量の低減を図って効率の良い運転を行うことができる。
【００１４】
さらに、本発明に係るコージェネレーション装置によると、エンジン負荷の増加による余剰電力は売電または蓄電し、エンジン負荷の減少による不足電力は、買電または蓄電された電力から補充するように制御部によって制御することで、ガス化炉で生成したバイオマスガスを余すことなく有効に電力利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るバイオマスガス専焼エンジンをコージェネレーション装置に使用した全体構成の概略図である。
【図２】本発明に係るバイオマスガス専焼エンジンにおけるエンジンの構成を示す概略図である。
【図３】本発明に係るバイオマスガス専焼エンジンを使用したコージェネレーション装置において、（ａ）はバイオマスガスの燃焼カロリーの変化に対する負荷制御の経時的変化を示すグラフ、（ｂ）はバイオマスガスの発生量の変化に対する負荷制御の経時的変化を示すグラフである。
【図４】本発明に係るバイオマスガス専焼エンジンを使用したコージェネレーション装置において、（ａ）はバイオマスガスの燃焼カロリーが多い場合および少ない場合の負荷制御の制御ロジックを示し、（ｂ）はバイオマスガスの発生量が少ない場合および多い場合の負荷制御の制御ロジックを示す図である。
【図５】本発明に係るバイオマスガス専焼エンジンを使用したコージェネレーション装置において、図３の制御で得られた電力の買電および売電の関係を示すグラフである。
【００１６】
【図６】従来のバイオマスガス専焼エンジンにおけるバイオマスガスの使用状態を説明するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、バイオマスガス専焼エンジン１をコージェネレーション装置６に使用した全体構成の概略を示し、図２は同バイオマスガス専焼エンジン１におけるエンジン４の構成を示している。
【００１９】
本発明に係るバイオマスガス専焼エンジン１は、ガス化炉２で生成されたバイオマスガスがゼロガバナユニット３を介してエンジン４に供給されるように構成されている。
【００２０】
まず、バイオマスガス専焼エンジン１の構成について説明し、その後、制御部１０による制御について説明する。
【００２１】
ガス化炉２は、木材チップや籾殻などのバイオマス原料を加熱分解する炉によって構成されており、低酸素下で加熱分解することによって発生する炭化水素等の分解ガスをバイオマスガスとして生成できるようになされている。
【００２２】
このガス化炉２によって生成されたバイオマスガスは、加熱分解することによって得られるため、そのままでは温度が高い。そのため、ガス化炉２の下流側には、空間内に水を分散するようになされたスクラバー２１が設けられており、このスクラバー２１にバイオマスガスを通過させることで、当該バイオマスガスは、冷却されるようになされている。
【００２３】
スクラバー２１を通過したバイオマスガスは、送風機２３によって下流側に送られるが、バイオマスガスの発生量に応じて接続するエンジン４の数が異なるので、接続するエンジン４の数に応じて一つまたは複数個所（本実施の形態では２カ所）へと分岐して送られる。この際、バイオマスガスは、スクラバー２１で冷却することによって水分が多く含まれた状態となっている。したがって、送風機２３の下流側には、ドレンポット２４が設けられている。このドレンポット２４は、バイオマスガス中に含まれる凝縮水を回収するようになされている。当該凝縮水を取り除いたバイオマスガスは、ゼロガバナ３０を介してエンジン４に供給するようになされている。ガス化炉２、スクラバー２１、送風機２３等は、制御部１０によって制御される。
【００２４】
ドレンポット２４を通過したバイオマスガスは、ゼロガバナユニット３へと供給される。
【００２５】
ゼロガバナユニット３は、ガス供給経路３１に設けられたゼロガバナ３０を介して、ガス化炉２からのバイオマスガスをエンジン４へと供給するように構成されている。
【００２６】
ガス供給経路３１の上流端側には、ガス遮断弁３３が設けられており、ガス供給経路３１へのバイオマスガスの供給を遮断することができるようになされている。また、ガス供給経路３１の下流端側には、ドレンポット３４が設けられており、エンジン４へ供給されるバイオマスガス中に含まれる凝縮水を再度回収するようになされている。
【００２７】
ゼロガバナ３０は、上記ガス遮断弁３３とドレンポット３４との間のガス供給経路３１に設けられている。このゼロガバナ３０は、ダイヤフラム３０ａ上のアクチュエータ３０ｂからの大気圧解放経路３０ｃに圧力調整弁３０ｄが設けられている。この圧力調整弁３０ｄを開けて大気圧解放経路３０ｃを大気圧に解放することで、ゼロガバナ３０は、当該ゼロガバナ３０よりも上流側のガス供給経路３１から供給されるバイオマスガスを、当該上流側のガス供給経路３１の供給圧力に関係なく、ゼロガバナ３０の下流側のガス供給経路３１に、大気圧状態で供給するように構成されている。ゼロガバナ３０の上流側のガス供給経路３１には、当該ゼロガバナ３０に供給されるバイオマスガスの一次ガス圧力を測定する圧力センサ１６が設けられている。また、ゼロガバナ３０の下流側のガス供給経路３１には、当該ゼロガバナ３０から供給されるバイオマスガスの二次ガス圧力を測定する圧力センサ１７が設けられている。これら圧力センサ１６，１７からの情報は、制御部１０へと送られる。
【００２８】
空気供給経路３２は、ガス遮断弁３３とゼロガバナ３０との間のガス供給経路３１に接続されている。この空気供給経路３２とガス供給経路３１との間は、空気供給経路３２側に設けられた空気パージ弁３５によって普段は遮断されており、空気パージが必要となった際にこの空気パージ弁３５が開かれて空気供給経路３２からガス供給経路３１を介してゼロガバナ３０へと空気パージが行われるようになされている。そのため、この空気供給経路３２の上流端側には空気パージ用ブロワ３６が設けられている。
【００２９】
ゼロガバナ３０とドレンポット３４との間のガス供給経路３１には、余剰のバイオマスガスをフレアスタック５へと排出する排出経路３７が設けられている。余剰のバイオマスガスは、このフレアスタック５で燃焼処理される。また、この排出経路３７には空気パージ逃がし弁３８が設けられている。この空気パージ逃がし弁３８は、ゼロガバナ３０の空気パージを行う際に開けておくことで、空気パージ後の空気を、ガス供給経路３１から排出経路３７を介して外部へと逃がすことができるようになされている。
【００３０】
なお、ゼロガバナ３０内を空気パージする際は、ガス供給経路３１のガス遮断弁３３を閉じ、空気供給経路３２の空気パージ弁３５および排出経路３７の空気パージ逃がし弁３８を開け、空気パージ用ブロワ３６を作動させることによって行われるが、ガス供給経路３１に導入した空気は、ゼロガバナ３０が作動して大気圧解放経路３０ｃから排出されてしまうこととなる。そのため、ゼロガバナ３０の大気圧解放経路３０ｃと空気供給経路３２との間には、バイパス経路３９が設けられ、空気パージ用ブロワ３６からの空気は、ゼロガバナ３０の大気圧解放経路３０ｃにも作用するようになっている。これにより、空気パージ用ブロワ３６からの空気は、空気供給経路３２からゼロガバナ３０を介して空気パージ逃がし弁３８から排出経路３７を経由して外部に排出され、ゼロガバナ３０が空気パージされることとなる。
【００３１】
ゼロガバナユニット３のガス供給経路３１の下流端部に相当する出口３ａは、エンジン４のＡ／Ｆバルブ４１に接続されている。これにより、ゼロガバナユニット３のドレンポット３４を通過したバイオマスガスは、エンジン４のＡ／Ｆバルブ４１に供給できるようになされている。
【００３２】
エンジン４は、シリンダヘッド４２に接続された吸気経路４３に、空気とバイオマスガスとを混合するＡ／Ｆバルブ４１が設けられており、このＡ／Ｆバルブ４１とシリンダヘッド４２との間にスロットルバルブ４４が設けられている。シリンダヘッド４２に接続された排気経路４５には、サイレンサ４６が設けられており、このサイレンサ４６とシリンダヘッド４２との間に三元触媒４７が設けられている。
【００３３】
エンジン４には、クランクシャフト４８の回転角を検出する進角センサ１１、セル４９への通電を制御する通電センサ１２が設けられている。また、三元触媒４７の排気ガス入口側には前酸素センサ１３が設けられ、出口側にも別の後酸素センサ１４が設けられている。また、三元触媒４７の排気ガス入口側には全領域センサ１５が設けられている。
【００３４】
制御部１０は、バイオマスガス専焼エンジン１を始動させる際、通電センサ１１を通じてエンジン４のセル４９への通電を行い、それによってエンジン４が始動したか否かをクランクシャフト４８の回転角を検出する進角センサ１１によって検出することができるようになされている。
【００３５】
また、制御部１０は、ガス化炉２で生成されるバイオマスガスの生成量を制御するとともに、当該バイオマスガスを用いてエンジン４をストイキ運転でパータベーション制御する場合の、Ａ／Ｆバルブ４１の開度と、前酸素センサ１３、後酸素センサ１４、全領域センサ１５からの検出結果との関係が入力された制御マップを有しており、この制御マップの情報に従ってエンジン４のストイキ運転をパータベーション制御するようになされている。
【００３６】
さらに、制御部１０は、バイオマスガス専焼エンジン１を停止させる際、ガス化炉２およびエンジン４の運転停止を行うとともに、ゼロガバナ３０の空気パージを行うようになされている。
【００３７】
コージェネレーション装置６は、このバイオマスガス専焼エンジン１のエンジン４を駆動源として発電機６１を駆動するとともに、エンジン４の排気ガスおよび冷却水熱交換器からの廃熱を貯湯タンク６２に回収し、これら電力および温水の利用ができるように構成されている。
【００３８】
次に、このようにして構成されるバイオマスガス専焼エンジン１の制御部１０による制御について説明する。
【００３９】
バイオマスガス専焼エンジン１を始動すると、制御部１０は、ガス化炉２を運転開始するとともに、それに連動してエンジン４を始動する。ただし、ガス化炉２の運転を開始しても、すぐにエンジン４を運転できるだけのバイオマスガスが発生しないので、制御部１０は、ゼロガバナ３０よりも上流側の圧力センサ１６が検知する一次ガス圧力が所定値以上になるのを待ってエンジン４の始動を開始する。
【００４０】
その後、エンジン４は、ガス化炉２からのバイオマスガスによってＣＯ，ＮＯｘ，炭化水素の発生が最も少ない浄化ウインドウの範囲内に収まるように運転が継続される。この際、図３に示すように、制御部１０は、バイオマスガスの燃焼カロリーに基づいた要求負荷Ｌ１や、バイオマスガスの発生量に基づいた要求負荷Ｌ２を満たすように運転が継続される。
【００４１】
例えば、図４（ａ）に示すように、ガス化炉２から供給されるバイオマスガスの燃焼カロリーが大幅に増大した場合、Ａ／Ｆバルブ４１およびスロットルバルブ４４を閉じる方向に制御しても燃焼カロリーが増大したバイオマスガスの濃度が濃くなり、浄化ウインドウがリッチ側にずれる事態となってしまう。そこで、このようにＡ／Ｆバルブ４１およびスロットルバルブ４４を閉じる方向に制御した場合には、要求負荷Ｌ１を増大させて新たな要求負荷ＩＬ１に設定し直す。これにより、スロットルバルブ４４を開けて、増大させた新たな要求負荷ＩＬ１を満たす運転ができることとなる。
【００４２】
逆に、ガス化炉２から供給されるバイオマスガスの燃焼カロリーが大幅に減少した場合、Ａ／Ｆバルブ４１およびスロットルバルブ４４が全開となるように制御しても燃焼カロリーが減少したバイオマスガスが不足し、浄化ウインドウがリーン側にずれる事態となってしまう。そこで、このようにＡ／Ｆバルブ４１およびスロットルバルブ４４が全開となるように制御した場合には、要求負荷Ｌ１を減少させて新たな要求負荷ＤＬ１に設定し直す。これにより、スロットルバルブ４４を閉じて、減少させた新たな要求負荷ＤＬ１を満たす運転ができることとなる。
【００４３】
以上の図４（ａ）に示すような制御により、図３（ａ）に示すように、バイオマスガスの燃焼カロリーの変化に追従した制御ができることとなる。
【００４４】
また、図４（ｂ）に示すように、ガス化炉２から供給されるバイオマスガスの供給量が大幅に減少した場合、ゼロガバナ３０へと供給されるバイオマスガスの一次ガス圧力およびゼロガバナ３０を経たバイオマスガスの二次ガス圧力が共に低減するため、要求負荷Ｌ２を満たすだけのバイオマスガスを供給できないこととなる。そこで、一次ガス圧力および二次ガス圧力を測定する圧力センサ１６，１７が所定の圧力を検出できなかった場合には、要求負荷Ｌ２におけるバイオマスガスの消費量よりも、当該バイオマスガスの消費量を減少させた新たな要求負荷ＤＬ２に設定し直す。これにより、ゼロガバナ３０へと供給されるバイオマスガスの一次ガス圧力を高めるとともに一定の二次ガス圧力を確保して、減少させた新たな要求負荷ＤＬ２を満たす運転ができることとなる。
【００４５】
逆に、ガス化炉２から供給されるバイオマスガスの供給量が大幅に増大した場合、ゼロガバナ３０へと供給されるバイオマスガスの一次ガス圧力が高くなるのに対してゼロガバナ３０を経たバイオマスガスの二次圧力は一定に保たれるため、要求負荷Ｌ２を満たすだけのバイオマスガスを消費したとしてもバイオマスガスを使いきれず、余剰ガスが廃棄される事態となってしまう。そこで、バイオマスガスの一次ガス圧力がある値以上高くなった場合には、要求負荷Ｌ２におけるバイオマスガスの消費量よりも、当該バイオマスガスの消費量を増大させた新たな要求負荷ＩＬ２に設定し直す。これにより、バイオマスガスの消費量を増やして、一次ガス圧力を減少させ、増大させた新たな要求負荷ＩＬ２を満たす運転ができることとなる。
【００４６】
以上の図４（ｂ）に示すような制御により、図３（ｂ）に示すように、バイオマスガスの発生量の変化に追従した制御ができることとなる。
【００４７】
なお、図３（ａ）に示すバイオマスガスの燃焼カロリーの変化と、図３（ｂ）に示すバイオマスガスの発生量の変化とは同時に起こるため、図４に示す各制御はバイオマスガス専焼エンジン１の運転中はフィードバックをかけて常時同時に制御される。
【００４８】
このようにしてバイオマスガス専焼エンジン１を制御した場合、コージェネレーション装置６によって得られる電力は、図５に示すように、発電量Ｗに対して過剰となる箇所Ｅと、不足する箇所Ｓとを生じることとなる。したがって、コージェネレーション装置６は、発電量Ｗに対して過剰となる箇所Ｅでは、蓄電または売電し、不足する箇所Ｓでは、買電または蓄電された電力で補充するように、制御部１０によって制御される。
【００４９】
このような制御により、コージェネレーション装置６は、ガス化炉で生成したバイオマスガスを余すことなく有効に電力利用することができることとなる。
【００５０】
なお、図３および図５は、制御の一例であって、このような状況に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００５１】
１  バイオマスガス専焼エンジン
１０  制御部
１３  前酸素センサ
１４  後酸素センサ
１５  全領域センサ
１６，１７  圧力センサ
２  ガス化炉
３１  ガス供給経路
４  エンジン
６  コージェネレーション装置
Ｌ１  要求負荷
Ｌ２  要求負荷
【図１】
2015227654.tif 000003
【図２】
2015227654.tif 000004
【図３】
2015227654.tif 000005
【図４】
2015227654.tif 000006
【図５】
2015227654.tif 000007
【図６】
2015227654.tif 000008