(57)【要約】【課題】バイオマス燃料を燃焼炉で完全燃焼させ、発生する高温ガスにより発電するとともに、高温ガスと熱交換した空気または水を暖房用として供給する常圧燃焼タービンシステムを提供する。【解決手段】バイオマス燃料を完全燃焼させるバイオマス常圧燃焼炉１と、バイオマス常圧燃焼炉１で発生する高温ガスＧを作動ガスとして膨張させるタービン２１と、タービン２１からの作動ガスＧ２を圧縮する圧縮機２２と、タービン２１と圧縮機２２との間に配置されて、タービン２１からの作動ガスＧ２を空気または水からなる熱交換媒体と熱交換して冷却するとともに熱交換媒体を加熱する熱交換器２３と、熱交換器２３で加熱された熱交換媒体である温風、温水または蒸気Ｃ３を消費する現場に供給する供給通路２５とを備えている常圧燃焼タービンシステム。【選択図】図１
2008128175.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイオマス燃料を完全燃焼させるバイオマス常圧燃焼炉と、
前記バイオマス常圧燃焼炉で発生する高温ガスを作動ガスとして膨張させるタービンと、
前記タービンからの作動ガスを圧縮する圧縮機と、
を備える常圧燃焼タービンシステム。
【請求項２】
請求項１において、
前記バイオマス常圧燃焼炉の高温ガス出口と前記タービンの高温ガス入口との間に高温ガスから燃焼灰を分離する分離部を有する常圧燃焼タービンシステム。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記タービンと前記圧縮機との間に配置されて、前記タービンからの作動ガスを空気または水からなる熱交換媒体と熱交換して冷却するとともに熱交換媒体を加熱する熱交換器と、
前記熱交換器で加熱された熱交換媒体である温風、温水または蒸気を消費する現場に供給する供給通路と、
を備えた常圧燃焼タービンシステム。
【請求項４】
請求項３において、
前記供給通路が前記バイオマス常圧燃焼炉の外壁から吸熱する吸熱路を含む常圧燃焼タービンシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオマス燃料を燃焼炉で完全燃焼させて、発生する高温ガスをタービンの作動ガスとするとともに、作動ガスやバイオマス常圧燃焼炉の外壁の廃熱を効率的に利用する常圧燃焼タービンシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のバイオマス燃料を燃焼させる常圧燃焼タービンシステムでは、バイオマス燃料をガス化炉で完全燃焼させず、ガス化燃焼させて生成した可燃ガスを燃焼器に導入し燃焼させ、燃焼器で得られた燃焼ガスをタービンにて膨張させ、発生した動力で発電機を駆動し発電している（特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特許第３７３４７５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、ガス化炉で生成される可燃ガスの温度は５００〜６００℃であり、可燃ガスの一部がタールとしてシステムのラインの配管表面などの低温部で析出し、管閉塞などの原因となる。そのため、可燃ガスを燃焼器に導入するガス配管を保温し、低温部を作らないようにされているが、ガス配管の保温にはコストがかかり、また保温が不充分であれば、管内のメンテナンスの頻度が高くなっている。さらに、可燃ガスは不完全燃焼ガスであるため、一酸化炭素ガスやハイドロカーボンガスなどの人体に悪影響を及ぼすガス成分が多く含まれている。そのため、可燃ガス配管は、ガス漏洩を防止するために通常、大気圧よりわずかに負圧に保たれるが、バイオマス燃料は化石燃料のように均質でないことから燃焼時の圧力に変動が生じやすく、そのためシステムの圧力変動が生じやすい。この圧力変動を考慮してシステムは高気密にされている。
【０００５】
加えて、ガス化炉への空気の供給が充分過ぎるとバイオマス燃料が完全燃焼し、可燃ガスの生成効率が低下する。また、ガス化炉への空気の供給が不充分であるとバイオマス燃料のガス化燃焼が不充分となり、燃え残りができ、ガス化が不充分となって可燃ガスの生成効率が低下する。このようにガス化炉には精度のよい運転制御が必要となり、システムが複雑になり、システムおよび運転のコストが高くなる。
【０００６】
本発明は前記従来の問題に鑑みてなされたもので、バイオマス燃料を燃焼炉で完全燃焼させ、発生させた高温ガスをタービンの作動ガスとすることにより、タールの析出を防止して管閉塞をなくし、人体に悪影響を及ぼすガス成分の生成を抑制してシステムの安全性を向上させるとともに、システムおよび運転のコストの低減化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するために、本発明にかかる常圧燃焼タービンシステムは、バイオマス燃料を完全燃焼させるバイオマス常圧燃焼炉と、前記バイオマス常圧燃焼炉で発生する高温ガスを作動ガスとして膨張させるタービンと、前記タービンからの作動ガスを圧縮する圧縮機とを備えている。ここで、「常圧」とは、タービンシステムの設置環境の圧力をいい、それよりも低い圧力を「負圧」という。
【０００８】
この構成によれば、バイオマス燃料を常圧燃焼炉で完全燃焼させた高温ガスをタービンの作動ガスとしているので、作動ガス中にはタール成分、一酸化炭素ガスまたは／およびハイドロカーボンガスなどの人体に悪影響を及ぼすガス成分が含有されていないため、タールの析出による管閉塞を起こすことなく、有害ガスの漏洩もなく、システムの安全性を向上させることができる。また、バイオマス燃料を完全燃焼させるだけでよいので、燃焼炉への空気の供給量や温度制御を精度よく行なう必要がないから、システムを簡略化できるとともに、システムおよび運転のコストの低減化を図ることができる。しかも、バイオマス燃料を使用するから、その燃焼ガス中に塩素のような腐食性ガスが含まれていないので、常圧燃焼タービンシステムのタービンおよび圧縮機のブレードの腐食の問題も生じない。
【０００９】
前記バイオマス常圧燃焼炉の高温ガス出口と前記タービンの高温ガス入口との間に高温ガスから燃焼灰を分離する分離部を設けた場合には、燃焼灰がタービンや圧縮機に入り込むことを抑制し、タービンや圧縮機のブレードなどへの付着や減肉、損傷などを防止することが可能になる。つまり、木質チップなどのバイオマス燃料が燃焼すると、燃料量に対し０．５〜数重量％の燃焼灰が発生し、燃焼灰が高温ガスと一緒にタービンや圧縮機に入り込むと、タービンや圧縮機のブレードなどへ付着したり、減肉させたり、損傷させたりするが、高温ガスから燃焼灰を分離する分離部を設けることにより、燃焼灰がタービンや圧縮機に入り込むことを抑制し、タービンや圧縮機のブレードなどへの付着や減肉、損傷などを防止することができる。
【００１０】
本発明において、前記タービンと前記圧縮機との間に配置されて、前記タービンからの作動ガスを空気または水からなる熱交換媒体と熱交換して冷却するとともに熱交換媒体を加熱する熱交換器と、前記熱交換器で加熱された熱交換媒体である温風、温水または蒸気を消費する現場に供給する供給通路とを備えることができる。この構成によれば、熱交換器で加熱された熱交換媒体である温風、温水または蒸気を消費する現場に供給する供給通路を備えているので、常圧燃焼タービンシステムの廃熱を暖房用、給湯用などとして有効に利用することができる。また、常圧燃焼タービンシステムは、常圧から２９．４ｋＰａ（０．３気圧）程度の負圧の間で作動するので、熱交換器内の作動ガスの圧力は負圧であり、ピンホールなどの熱交換器の故障が起きても熱交換器周辺の外気を作動ガス内に吸い込むだけであり、暖房用などとして供給する熱交換媒体である温風、温水または蒸気内に侵入してこれを汚染することがない。
【００１１】
廃熱を暖房に利用する場合、前記供給通路が前記バイオマス常圧燃焼炉の外壁から吸熱する吸熱路を含むのが好ましい。これにより、バイオマス常圧燃焼炉を冷却して耐久性を向上させるとともに、バイオマス常圧燃焼炉の外壁の廃熱を温風、温水または蒸気の加熱に有効に利用できるので、熱エネルギのカスケード利用を実現することができる。
【００１２】
さらに、本構成の前記熱交換器の排ガス配管に除塵装置を設けることが好ましい。これにより、よりクリーンな温風、温水または蒸気を消費する現場に供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る常圧燃焼タービンシステムの概略構成を示すブロック図である。このシステムは、木くず、草、コーン、木の実、動物の糞などのバイオマス燃料Ｆを常圧で完全燃焼させるバイオマス常圧燃焼炉１と、バイオマス常圧燃焼炉１で発生するほぼ常圧の高温ガスＧ１を作動ガスとして利用する常圧燃焼タービンエンジン２とを有している。
【００１４】
バイオマス常圧燃焼炉１はブロア１１、点火用バーナ（図示なし）を有しており、燃料供給装置１５から供給されるバイオマス燃料Ｆに点火用バーナで点火し、燃料供給装置１５から順次投入されるバイオマス燃料Ｆをブロア１１から供給される空気Ａで完全燃焼させて、高温ガスＧ１を生成する。ブロア１１による空気Ａの押し込み力によって、バイオマス常圧燃焼炉１から常圧の高温ガスＧ１が高温ガス出口１３から送り出される。ブロア１１および燃料供給装置１５は制御装置１６により制御される。高温ガスＧ１の温度は高温の方が常圧燃焼タービンエンジン２の熱効率上好ましい。特に高温ガスＧ１の温度は９００℃以上が好ましい。制御装置１６により燃料供給装置１５およびブロア１１を制御し、高温ガスの温度が９００℃以上になるようにバイオマス燃料と空気の供給量が調整される。
【００１５】
常圧燃焼タービンエンジン２は、バイオマス常圧燃焼炉１から送り出された常圧の高温ガスＧ１を作動ガスとして負圧にまで膨張させるタービン２１と、このタービン２１からの作動ガスＧ２の温度を低下させて作動ガスＧ２中の水分を凝縮してガス量を減少させるとともにガスの比容積を低下させる熱交換器２３と、前記タービン２１が発生する動力により駆動されて、熱交換器２３で冷却された作動ガスＧ３を昇圧する圧縮機２２とを備えている。常圧燃焼タービンエンジン２は、この例では一軸型であり、タービン２１と圧縮機２２が同一回転軸２４に結合され、さらに、この回転軸２４に、負荷である発電機７が結合されている。なお、常圧燃焼タービンエンジン２は二軸型として、第１軸でタービン２１と圧縮機２２を連結し、第２軸でタービン３と発電機７を連結することもできる。
【００１６】
前記高温ガス出口１３とタービン２１の高温ガス入口との間には、高温ガスＧ１から燃焼灰を分離する分離部である、例えば接線入口形式のサイクロン３を有し、バイオマス常圧燃焼炉１から高温ガスＧ１と一緒に送り出されてくる燃焼灰を高温ガスＧ１と分離し、タービン２１や圧縮機２２のブレードなどへの付着や減肉、損傷などを防止している。サイクロン３内に集塵された燃焼灰は、定期的にサイクロン３の底部に設けられた燃焼灰回収部（図示なし）から除去される。なお、燃焼灰のうち大きな塊りは炉内に留まるので、高温ガスＧ１には微細な燃焼灰が多く含まれる。
【００１７】
前記熱交換器２３は、作動ガスを冷却する熱交換媒体として、空気または水Ｃ１を用いている。熱交換器２３において、作動ガスの熱によって加熱された温風、温水または蒸気は供給通路２５を通って、消費する現場、例えば製造工場などに供給される。この供給通路２５は前記バイオマス常圧燃焼炉１の外壁１７からの廃熱を吸熱する吸熱路２６を備えている。
【００１８】
つぎに、本実施形態の常圧燃焼タービンシステムの動作について説明する。バイオマス燃料Ｆが完全燃焼するように、制御装置１６によって制御されている燃料供給装置１５およびブロア１１から、コントロールされたバイオマス燃料Ｆと空気Ａとがバイオマス常圧燃焼炉１に供給され、９００℃以上の高温ガスＧ１を生成する。ブロア１１による空気Ａの押し込み力によって、バイオマス常圧燃焼炉１から常圧の高温ガスＧ１が高温ガス出口１３から送り出される。
【００１９】
高温ガス出口１３から送り出された高温ガスＧ１はサイクロン３に導入され、高温ガスＧ１と一緒に送り出されてくる燃焼灰を高温ガスＧ１と分離し、クリーンな高温ガスが、作動ガスとしてタービン２１に送られ、このタービン２１を駆動し、その発生動力により圧縮機２２と発電機７が駆動される。また、前記作動ガスＧ１は、タービン２１を通過することにより負圧まで膨張し、この負圧・中温の作動ガスＧ２が熱交換器２３に送られて冷却されることにより低温化されたのち、圧縮機２２に送られ、ここで、常圧まで昇圧されて煙突１０から大気中に放出される。圧縮機２２に送られる作動ガスＧ３は、熱交換器２３で冷却されて低温となっているため、圧縮機２２の必要動力が減少して、常圧燃焼タービンエンジン２の効率が向上する。
【００２０】
一方、熱交換器２３で熱交換媒体として作動ガスＧ２を冷却するために用いられる空気または水Ｃ１が熱交換器２３に供給され、作動ガスＧ２との熱交換によって加熱され、常温の空気または水が温風、温水または蒸気Ｃ２となって供給通路２５から導出される。この温風、温水または蒸気Ｃ２は、バイオマス常圧燃焼炉１の外壁１７に設けられ、バイオマス常圧燃焼炉１からの廃熱を吸熱するための吸熱路２６を通過し、さらに高温となった温風、温水または蒸気Ｃ２を、例えば製造工場現場や居室などに供給され、暖房用または給湯用として使用される。
【００２１】
本実施形態によれば、バイオマス燃料Ｆをバイオマス常圧燃焼炉１で完全燃焼させた高温ガスＧ１をタービン２１の作動ガスとしているので、作動ガス中にはタール成分や一酸化炭素ガスやハイドロカーボンガスなどの人体に悪影響を及ぼすガス成分が含有されていないため、タールの析出による管閉塞を起こすことなく、有害ガスの漏洩もなく、システムの安全性を向上させることができる。また、バイオマス燃料Ｆを完全燃焼させるだけでよいので、燃焼炉１への空気の供給量や温度制御を精度よく行なう必要がないから、システムを簡略化できるとともに、システムおよび運転のコストの低減化を図ることができる。しかも、バイオマス燃料Ｆを使用するから、その燃焼ガスＧ１中に塩素のような腐食性ガスが含まれていないので、常圧燃焼タービンエンジン２のタービン２１および圧縮機２２のブレードの腐食が抑制される。
【００２２】
前記バイオマス常圧燃焼炉１の高温ガス出口１３と前記タービン２１の高温ガス入口との間に高温ガスＧ１から燃焼灰を分離するサイクロン３を設けたので、燃焼灰がタービン２１や圧縮機２２に入り込むことを抑制し、タービン２１や圧縮機２２のブレードなどへの付着や減肉、損傷などを防止することができる。
【００２３】
また、熱交換器２３で加熱された熱交換媒体である温風、温水または蒸気Ｃ２を消費する現場に供給する供給通路２５を備えているので、バイオマス常圧燃焼炉１の廃熱を暖房または給湯に利用することができる。供給通路２５はバイオマス常圧燃焼炉１の外壁１７から吸熱する吸熱路２６を含んでいるので、バイオマス常圧燃焼炉１の廃熱も有効に利用することができ、熱エネルギのカスケード利用を実現することができる。さらに、常圧燃焼タービンエンジン２は、常圧から２９．４ｋＰａ（０．３気圧）程度の負圧の間で作動するので、熱交換器２３内の作動ガスＧ２の圧力は負圧であり、ピンホールなどの熱交換器２３の故障が起きても熱交換器２３周辺の外気を作動ガス内に吸い込むだけであり、暖房用などとして供給する熱交換媒体である温風、温水または蒸気内に侵入してこれを汚染することがない。
【００２４】
図２は本発明の第２実施形態に係る常圧燃焼タービンシステムの概略構成を示すブロック図である。本実施形態はタービン２１の直前に備えられているスクロール５を高温ガスＧ１から燃焼灰を分離する分離部として用いている常圧燃焼タービンシステムである。すなわち、図３に示すように、タービン２１はラジアル形であり、このタービン２１に高温ガスＧ１を旋回させながら導入するスクロール５を、前記した第１実施形態の常圧燃焼タービンシステムのサイクロン３に代えて、燃焼灰の分離部としている。その他の構成は第１実施形態と同様であるので、スクロール５について説明する。
【００２５】
図３に示すように、スクロール５は、脱着可能なケーシング５５の中に設けられ、高温ガスＧ１を取り入れる高温ガス取入口５２、スクロール本体５０およびスクロール本体５０の外壁の下部に開閉可能な図４の燃焼灰回収蓋５１を有している。この燃焼灰回収蓋５１を開けてスクロール本体５０内に堆積した燃焼灰Ｈを回収することができる。スクロール５内の圧力はほぼ大気圧であるため、燃焼灰回収蓋５１は高気密な構造を必要としない。ケーシング５５は、常圧燃焼タービンエンジン２のメインハウジングＭＨに取り付けられた隔壁５８に支持されている。このＭＨに、図１の圧縮機２２を収納する圧縮機ハウジングも取り付けられる。
【００２６】
バイオマス燃焼炉１から送られてきた高温ガスＧ１は高温ガス成分Ｇ１１と燃焼灰Ｈと含んでおり、高温ガスＧ１がスクロール５内に導入されると、高温ガス成分Ｇ１１は実線Ｍで示すようにスクロール５内のガス通路の中央部を流れ、スクロール出口５３からタービンノズル５７を通ってタービン２１に送られる。一方、高温ガス成分Ｇ１１よりも比重の大きい燃焼灰Ｈは、図４の点線Ｎで示すように、旋回の遠心力によりガス通路の外壁に寄って流れ、慣性力によりスクロール５の外周壁に衝突し、外壁の下部に設けられた燃焼灰回収蓋５１に沿って堆積する。一方、タービン２１に送られた高温ガスＧ１１は排気ダクト３１より圧縮機２２に送られる。
【００２７】
図５および図６に示すスクロールの第１変形例について説明する。スクロール６は、スクロール５と同様に、燃焼灰回収蓋６１およびスクロールの外周壁に沿った半円筒状のガイド板６５によって形成されている燃焼灰回収路６２を有している。
【００２８】
バイオマス燃焼炉１から送られてきた高温ガスＧ１は高温ガス成分Ｇ１１と燃焼灰Ｈと含んでおり、高温ガスＧ１がスクロール６に導入されると、高温ガス成分Ｇ１１は実線Ｍで示すようにスクロールのガス通路の中央部を流れ、スクロール出口６３から、図３のタービンノズル５７を通ってタービン２１に送られる。図６に示す高温ガスＧ１１よりも比重の大きい燃焼灰Ｈは旋回の遠心力により点線Ｎで示すようにガス通路の外壁に寄って流れ、燃焼灰回収路６２内に入り、慣性力により外壁に衝突し、外壁の下部に設けられた燃焼灰回収蓋６１に沿って堆積する。燃焼灰回収路６２を設けることにより、後から導入される高温ガスＧ１によって堆積した燃焼灰Ｈを引っ張り上げ、再度、高温ガスＧ１１中に戻ることを防ぐことができる。
【００２９】
図７および図８に示すスクロールの第２変形例について説明する。スクロール７は、スクロール５と同様に燃焼灰回収蓋７１および外壁の所定の個所に径方向内方に向いた突起７２を有している。
【００３０】
バイオマス燃焼炉１から送られてきた高温ガスＧ１は高温ガス成分Ｇ１１と燃焼灰Ｈと含んでおり、高温ガスＧ１がスクロール７に導入されると、高温ガス成分Ｇ１１は実線Ｍで示すようにスクロールのガス通路７０１の中央部を流れ、スクロール出口７３からタービン２１に送られる。高温ガスＧ１１よりも比重の大きい燃焼灰Ｈは旋回の遠心力により点線Ｎで示すようにガス通路７０１の外壁に寄って流れ、慣性力により外壁および突起７２の高温ガスＧ１の流れ方向と対向する面に衝突し、外壁の下部に設けられた燃焼灰回収蓋７１に沿って堆積するとともに、突起７２の衝突面で堆積する。また、この突起７２の衝突面と反対側の面で生じる後流渦によっても燃焼灰Ｈは堆積する。
【００３１】
つぎに、スクロール５から燃焼灰Ｈを回収する方法について説明する。図９において、例えば、ねじ等でメインハウジングＭＨに脱着可能に固定されているケーシング５５を取外し、図１０に示す燃焼灰回収蓋５１を固定している固定具５１１をはずし、燃焼灰回収蓋５１を開けて燃焼灰回収蓋５１の内壁に堆積している燃焼灰Ｈを回収する。ここでは、スクロール５について説明したが、スクロールは前記のいずれを用いてもよいので、スクロール６および７についても同様の方法で燃焼灰を回収することができる。なお、付着性の強い燃焼灰の場合には、燃焼灰回収蓋５１を定期的に交換してもよい。
【００３２】
図２ないし図１０に示した第２実施形態によれば、第１実施形態の常圧燃焼タービンシステムのサイクロン３をスクロール５、６および７のいずれかに置き換えたシステムであり、スクロール５、６および７も前記第１実施形態のサイクロン３と同様に、バイオマス燃焼炉１から送られた高温ガスＧ１から燃焼灰Ｈを分離する分離部であるので、第１実施形態と同様の作用、効果を有している。また、一般的にスクロールはラジアルタービンとともに備えられているので、サイクロンのように新たに設ける必要がなく、システムのコストの低減化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１実施形態である常圧タービンシステムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２実施形態である常圧タービンシステムの概略構成を示すブロック図である。
【図３】同常圧タービンシステムのスクロール部の縦断面図である。
【図４】同常圧タービンシステムのスクロールの概略横断面図である。
【図５】同常圧タービンシステムの第１変形例のスクロールの概略縦断面図である。
【図６】同常圧タービンシステムの他の１つのスクロールの概略横断面図である。
【図７】同常圧タービンシステムの第２変形例のスクロールの概略縦断面図である。
【図８】同常圧タービンシステムのさらに他の１つのスクロールの概略横断面図である。
【図９】スクロールから燃焼灰を回収する方法の概略縦断面説明図である。
【図１０】スクロールから燃焼灰を回収する方法の概略横断面説明図である。
【符号の説明】
【００３４】
１    バイオマス燃焼炉
３    サイクロン（分離部）
５    スクロール（分離部）
２１  タービン
２２  圧縮機
２３  熱交換器
２５  供給通路
２６  吸熱路
Ｇ１  Ｇ２  Ｇ３  高温ガス（作動ガス）
Ｃ１  Ｃ２  空気または水（温風または温水、蒸気）
【図１】
2008128175.tif 000003
【図２】
2008128175.tif 000004
【図３】
2008128175.tif 000005
【図４】
2008128175.tif 000006
【図５】
2008128175.tif 000007
【図６】
2008128175.tif 000008
【図７】
2008128175.tif 000009
【図８】
2008128175.tif 000010
【図９】
2008128175.tif 000011
【図１０】
2008128175.tif 000012