(57)【要約】本発明は、熱エネルギーを蓄積する第１（４）および第２の手段（９）を交互にタービン流路（Ｔ）に接続することによって、熱エネルギーを機械的作用に変換するための方法に関する。この方法の効率を上げるために、本発明は、圧縮された酸素を含有するガス（１１）を、熱エネルギーを蓄積する第１の手段（４）に通す前に第２の温度Ｔ２まで冷却し、その後、熱エネルギーを蓄積する第１の手段（４）を通過するときに酸素を含有するガスを一回の操作で第３の温度Ｔ３に上昇させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱エネルギーを蓄積するための第１（４）および第２の手段（９）がタービン流路（Ｔ）に交互に接続されることによって、熱エネルギーを機械的作用に変換する方法であって、以下のステップ、すなわち、
ａ）酸素を含有するガス（１１）を圧縮して、その温度を室温ＲＴから第１の温度Ｔ１に上げ、かつその圧力を第１の圧力Ｐ１に上げ、
ｂ）前記圧縮ガス（１１）を第２の温度Ｔ２に冷却し、
ｃ）前記圧縮ガス（１１）を熱エネルギーを蓄積するための第１の手段（４）を通して送り、前記ガス（１１）の温度を１回の操作で第３の温度Ｔ３に上げ、
ｄ）前記第１の圧力Ｐ１を、ガスタービン（３）内でほぼ大気圧まで低下させ、前記ガス（１１）を前記第３の温度Ｔ３から第４の温度Ｔ４に冷却し、
ｅ）前記ガス（１１，１４）を、下流に接続された燃焼室（６）に供給し、
ｆ）生物燃料（７）を前記ガス（１４）とともに燃焼させ、
ｇ）煙道ガス（１９）を熱エネルギーを蓄積するための第２の手段（９）を通す、
を含む方法。
【請求項２】
ステップｂにおける冷却は、液体、好ましくは水を前記ガス（１１）に作用させることにより、または熱交換機によって行なわれる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
ステップｂにおける冷却によって得られた熱エネルギーは、利用可能な熱として取り出される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
ステップｃにおいて、前記ガス（１１）の流れの一部を、バイパスを介して、熱エネルギーを蓄積するための手段（４，９）に通す、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
熱エネルギーを取り出すために、前記ガス（１４）の一部をステップｄの後で分岐させて、熱交換器（１３）に通す、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記生物燃料を乾燥させるために、前記ガス（１４）の一部をステップｄの後で分岐させて、燃焼すべき前記生物燃料（７）に接触させる、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
【請求項７】
燃焼中に生じた前記煙道ガス（１９）から塵を分別する、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
ステップｇにおいて前記煙道ガス（１９）は、２００ミリ秒以内に摂氏１５０度未満の温度、好ましくは摂氏９０度から１１０度にまで冷却される、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記ガス（１１，１４）の温度については、Ｔ２＜Ｔ１＜Ｔ４＜Ｔ３が成立する、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記第２の温度Ｔ２は、摂氏１５０度未満、好ましくは摂氏１００度未満である、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
ガスおよび煙道ガスを、バルク材蓄熱器として構成された熱エネルギーを蓄積するための手段（４，９）の中を、最大粒径（Ｄｍａｘ）を有するバルク材の中に、交互に通し、前記バルク材は、ほぼ筒状の高温火格子とそれを取り巻く低温火格子との間の環状室（１２，１５）内に収容され、前記バルク材を放出するための少なくとも１つの放出開口部が前記環状室（１２，１５）の底に設けられ、所定量のバルク材が、煙道ガス（１９）の通過中または通過後に放出され、よって、前記高温および低温火格子に対して前記バルク材が及ぼす圧縮圧力が減少する、請求項１〜１０のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
バルク材の最大粒径（Ｄｍａｘ）は、１５ｍｍ未満である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
放出された前記バルク材を、搬送ガスによって環状室（１２，１５）にフィードバックする、請求項１〜１２のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記バルク材が前記搬送ガスから分離された後、それに含まれる粉塵を分別する、請求項１〜１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
熱エネルギーを蓄積するための第３の手段が、熱エネルギーを蓄積するための前記第１（４）または第２の手段（９）と交互にタービン流路（Ｔ）に接続される、請求項１〜１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
熱エネルギーを機械的作用に変換するための装置であって、タービン流路（Ｔ）と予熱流路（Ｖ）とを含み、
前記タービン流路（Ｔ）は、
取り入れた酸素を含有するガス（１１）を圧縮するためのコンプレッサ（１）と、
下流に接続され、前記圧縮ガス（１１）を冷却するための手段（５，１６）と、
前記冷却手段（５，１６）の下流に接続された第１のバルク材ジェネレーター（ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）（４）と、
前記第１のバルク材ジェネレーター（４）の下流に接続されたガスタービン（３）とを備え、
前記予熱流路（Ｖ）は、
前記第１のバルク材ジェネレーターの下流に接続された燃焼室（６）と、
前記燃焼室（６）の下流に接続された第２のバルク材ジェネレーター（９）と、
前記第２のバルク材ジェネレーター（９）を前記タービン流路（Ｔ）に、前記第１のバルク材ジェネレーター（４）を前記予熱流路（Ｖ）に、交互に接続する手段（２１〜３２）を備える、装置。
【請求項１７】
前記ガスタービン（３）、前記コンプレッサ（１）および発電機（２）は、１本のシャフト上に配置される、請求項１５に記載の装置。
【請求項１８】
煙道ガス清浄器（８）が、前記燃焼室（６）の下流に接続される、請求項１６または１７に記載の装置。
【請求項１９】
熱エネルギーを取り出すための熱交換器（１３）が、前記ガスタービン（３）と前記燃焼室（６）との間に接続される、請求項１６〜１８いずれかに記載の装置。
【請求項２０】
前記バルク材蓄熱器（４，９）内にある、ほぼ筒状の高温火格子が、低温火格子によって同軸上で取り囲まれ、最大粒径（Ｄｍａｘ）を有するバルク材が、前記高温および低温火格子との間に形成された環状室（１２，１５）内に収容され、前記高温および／または低温火格子は、前記バルク材が加熱された時に半径方向に膨張できるように構成されている、請求項１６〜１９のいずれかに記載の装置。
【請求項２１】
熱エネルギーを蓄積するための前記手段（４，９）には、バイパス（１７）が設けられる、請求項１６〜２０のいずれかに記載の装置。
【請求項２２】
第３のバルク材蓄熱器（２０）を備え、交互接続用の前記手段（２１〜３２）も、前記第３のバルク材ジェネレーター（９）を前記タービン流路（Ｔ）および前記予熱流路（Ｖ）に接続するのに適している、請求項１６〜２１のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱エネルギーを蓄積するための第１および第２の手段を交互にタービン流路に接続されることにより、熱エネルギーを機械的作用に変換する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
独国特許発明第４３１７９４７号明細書は、ガスの熱エネルギーを機械的作用に変換する方法を開示している。この事例には、気体が擬等温で圧縮される。その後、圧縮空気は、蓄熱器（ｒｅｇｅｎｅｒａｔｏｒ）によって等圧で加熱される。その後、高温の圧縮空気は、第２のステップにおいてバーナによってさらに加熱され、最後に、ガスタービンに入れられて膨張する。高温の圧縮空気の一部は、バーナに入る前に分岐されて、バーナの動作に必要な燃料を予熱するために用いられる。ガスタービンから放出された膨張した暖かい廃気は、蓄熱器に代えて交互にタービン流路に接続される第２の蓄熱器に通される。圧縮された空気を蓄熱器と下流に接続されるバーナとによって加熱する処理は、複雑である。固体燃料を用いる場合には、特殊な脱ガス装置をここに設けなければならない。
【０００３】
独国特許出願公開第４４２６３５６号明細書は、熱や動力を生成するために草や木屑などを乾燥させる装置を開示している。この事例では、生物燃料が、燃焼室で燃焼される。高温の煙道ガスが、熱交換器に通される。そこでは、煙道ガスは、その熱を、以前に圧縮されて既に高温になっている空気に引き渡す。高温の圧縮空気は、ガスタービンに入れられて膨張する。ガスタービンから放出される暖かい廃気は、木屑、削り屑、草などを乾燥させるのに用いられる。なお、この廃気は、予熱された燃焼空気として、燃焼室に供給されてもよい。この装置は、本来的には、乾燥装置である。この装置は、効率的な動力生成には適していない。ここでは、熱エネルギーの機械的作用への変換に関する効率は、あまり高くない。
【０００４】
欧州特許出願公開第０６５４５９１号明細書は、燃料から電気エネルギーを得るための装置を開示している。この事例では、圧縮空気が、順次接続された複数の熱交換器によって加熱された後、タービンに入れられる。この既知の装置は、複雑な構造を有する。この装置は、あまり効率的ではない。
【０００５】
独国特許出願公開第３９３１５８２号明細書は、高温の廃熱を用いる方法を説明している。この事例では、２つの再生型蓄熱器が用意され、廃気からタービン流路へ交互にスイッチされる。同様の方法が、特開昭６２−８５１３６号公報および特開昭６１−２８７２６号公報の特許要約書に開示されている。これらの方法の効率は改善されてはいるが、最適ではない。
【０００６】
【特許文献１】
独国特許発明第４３１７９４７号明細書
【特許文献２】
独国特許出願公開第４４２６３５６号明細書
【特許文献３】
欧州特許出願公開第０６５４５９１号明細書
【特許文献４】
独国特許出願公開第３９３１５８２号明細書
【特許文献５】
特開昭６２−８５１３６号公報
【特許文献６】
特開昭６１−２８７２６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、先行技術の欠点を解消することである。特に、生物燃料の燃焼から得られた熱エネルギーを機械的作用に効率よく変換できる方法を規定する。さらなる目的は、本方法を実施するための、対費用効果の高い装置を規定することである。
この目的は、請求項１および１４の特徴によって達成される。好適な改良例は、請求項２から１５および１６から２２の特徴に現れている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、熱エネルギーを蓄積するための第１および第２の手段がタービン流路に交互に接続されることによって、熱エネルギーを機械的作用に変換する方法であって、以下のステップ、すなわち、
ａ）酸素を含有するガスを圧縮して、その温度を室温ＲＴから第１の温度Ｔ１に上げ、かつその圧力を第１の圧力Ｐ１に上げ、
ｂ）圧縮ガスを第２の温度Ｔ２に冷却し、
ｃ）圧縮ガスを熱エネルギーを蓄積するための第１の手段を通して送り、ガスの温度を１回の操作で第３の温度Ｔ３に上げ、
ｄ）第１の圧力Ｐ１を、ガスタービン内でほぼ大気圧まで低下させ、ガスを第３の温度Ｔ３から第４の温度Ｔ４に冷却し、
ｅ）ガスを、下流に接続された燃焼室に供給し、
ｆ）生物燃料をガスとともに燃焼させ、
ｇ）煙道ガスを熱エネルギーを蓄積するための第２の手段を通す、
を含む方法が提供される。
【０００９】
考えられる酸素を含有するガスは、たとえば、空気、酸素、酸素が濃縮された空気などである。圧縮ガスは、１回の操作で第３の温度にまで上げられるので、つまり、さらなる加熱源を介入させることがないので、本方法は特に効率よく管理できる。達成可能な総効率は、約７４％である。
【００１０】
ステップｂにおける冷却は、液体、好ましくは水を用いて行ってもよく、または熱交換器を用いて行ってもよい。このステップにおける冷却によって得られた熱エネルギーは、利用可能な熱として、取り出してもよい。これにより、本方法の効率がさらに上昇する。
【００１１】
ステップｃにおいて、ガスの流れの一部を、バイパスを介して、熱エネルギーを蓄積するための手段に通してもよい。これにより、装置全体の廃ガス損失を減少させることができる。
【００１２】
ステップｄの後、ガスの一部を好適に分岐させ、熱エネルギーを取り出すために熱交換器に通し、および／または、生物燃料を乾燥させるために燃焼すべき生物燃料に接触させる。さらに改良をもたらす特徴によれば、燃焼中に生じた煙道ガスから塵を分別する。この分別は、たとえば、サイクロンによって行ってもよい。
【００１３】
煙道ガスは、ステップｇにおいて、２００ミリ秒以内に摂氏１５０度未満の温度、好ましくは摂氏９０度から１１０度にまで冷却させれば、特に有利であることがわかった。これにより、汚染物質であるダイオキシンやフランの生成を抑制する。
【００１４】
ガスの温度に関しては、Ｔ２＜Ｔ１＜Ｔ４＜Ｔ３が好適に成立する。第２の温度Ｔ２は、摂氏１５０度未満、特に摂氏１００度未満であることが好ましい。
【００１５】
蓄熱器により、ガスおよび煙道ガスを、最大粒径を有するバルク材の中に交互に通し、当該バルク材は、ほぼ筒状の高温火格子とそれを取り巻く低温火格子との間の環状室内に収容され、バルク材を放出するための少なくとも１つの放出開口部が環状室の底に設けられ、所定量のバルク材が、煙道ガスの通過中または通過後に放出され、よって、高温および低温火格子に対してバルク材が及ぼす圧縮圧力が減少する。バルク材の平均粒径は、１５ｍｍ未満が好ましい。上記の方法に従って動作する、いわゆるバルク材蓄熱器が、特に効率よく、修理の必要もまずない。
【００１６】
放出されたバルク材は、搬送ガスによって環状室にフィードバックされてもよい。この処理では、バルク材が搬送ガスから分離された後、それに含まれる粉塵が分別される。通過する処理対象ガスから塵を除去するためのフィルタとしての充填材の機能が提供される。さらに、周囲に排出される搬送ガスからは、汚物が除去されている。
【００１７】
処理を準継続的に管理するためには、熱エネルギーを蓄積するための第３の手段を、熱エネルギーを蓄積するための第１または第２の手段と交互にタービン流路に接続してもよい。
【００１８】
本発明のさらなる手法によれば、熱エネルギーを機械的作用に変換するための装置が提案される。この装置は、タービン流路と予熱流路とを含み、以下を備える。
タービン流路は、取り入れた酸素を含有するガスを圧縮するためのコンプレッサと、下流に接続され、圧縮ガスを冷却するための手段と、冷却手段の下流に接続された第１のバルク材蓄熱器と、第１のバルク材蓄熱器の下流に接続されたガスタービンとを備え、予熱流路は、第１のバルク材蓄熱器の下流に接続された燃焼室と、燃焼室の下流に接続された第２のバルク材蓄熱器と、第２のバルク材蓄熱器をタービン流路に、第１のバルク材蓄熱器を予熱流路に、交互に接続するための手段とを備える。
【００１９】
ここで用いられるバルク材蓄熱器は、独国特許発明第４２３６６１９号明細書または欧州特許出願公開第０９０８６９２明細書に開示されたバルク材蓄熱器であるのが好ましい。上記文献の開示内容は、本願に包含される。このようなバルク材蓄熱器を用いれば、特に効率よく動作する装置が提供される。
【００２０】
ガスタービン、コンプレッサおよび発電機は、１本のシャフト上に好適に配置される。ガスタービンからコンプレッサおよび発電機に対して機械的作用を直接伝達することで、摩擦損失が避けられる。
【００２１】
さらなる構造的特徴によれば、燃焼室は、その下流に煙道ガス清浄器を接続してもよい。さらに、熱エネルギーを取り出すための熱交換器を、ガスタービンと燃焼室との間に接続してもよい。上述の特徴は、環境への適応性と、装置の効率向上に貢献する。
【００２２】
特に好ましい構造的特徴によれば、バルク材蓄熱器内にある、ほぼ筒状の高温火格子が、低温火格子によって同軸上で取り囲まれ、最大粒径Ｄｍａｘを有するバルク材が、高温および低温火格子の間に形成された環状室内に収容され、高温および／または低温火格子は、バルク材が加熱された時に半径方向に膨張できるように構成されている。このようなバルク材蓄熱器は、特に耐用年数が長い。詳細は、欧州特許出願公開第０９０８６９２明細書を参照されたい。このようなバルク材蓄熱器は、特にエネルギー損失が低く、熱回収が高い点で、優れている。
【００２３】
本発明に係る装置により、低い電気出力、すなわち２ＭＷ未満においても、高い電気効率を達成することができる。さらに、本発明に係る装置により、熱を取り出して別の回路に送り、たとえば乾燥目的のために利用可能な熱とすることもできる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下の文章では、本発明の実施形態を図面を用いながら詳細に説明する。図１は、第１のフローチャートを示し、図２は、第２のフローチャートを示し、図３は、第３のフローチャートを示し、図４は、第４のフローチャートを示す。
【００２５】
熱エネルギーを機械的作用に変換する第１の装置を、図１に模式的に示す。
タービン流路Ｔにおいて、コンプレッサ１が、発電機２と共に、ガスタービン３のシャフト上に配置される。第１の熱交換器５は、コンプレッサ１から第１の蓄熱器４につながる流路に接続されている。ある流路は、第１の蓄熱器４からガスタービン３につながっている。
【００２６】
ガスタービン３から排出される廃気は、予熱燃焼空気として、さらなる別の流路を介して燃焼室６に供給される。燃焼室６は、参照符号Ｖで示される予熱流路の構成部材である。燃焼用のさらなる原材料として、参照符号７で示される生物燃料が、燃焼室６に供給される。
【００２７】
生成された煙道ガス１９は、たとえばサイクロン８などの煙道ガス清浄器によって清浄化され、第２の蓄熱器９に供給される。冷却された煙道ガス１９は、最後に、第２の蓄熱器９を通過して、煙突１０に入る。第１および第２の蓄熱器４および９は、好ましくは、バルク材蓄熱器として構成される。
【００２８】
本装置の機能は、以下の通りである。すなわち、参照符号１１で示す空気が、摂氏約１５度の室温ＲＴでコンプレッサ１に取りこまれ、約４バールの第１の圧力Ｐ１に圧縮される。この処理において、空気１１の温度は、摂氏約２００度の第１の温度Ｔ１に上昇する。圧縮空気１１は、第１の熱交換器５において、摂氏約９０度の第２の温度Ｔ２にまで冷却される。第１の圧力Ｐ１は、ほぼ一定に保たれる。第１の蓄熱器４への入力においては、第１の圧力Ｐ１は、約３．９バールである。
【００２９】
空気１１は、第１の蓄熱器４内の第１の環状室１２を通り、そこには、たとえば直径約８ｍｍの酸化アルミニウム球などの高熱のバルク材が蓄熱部として収容されている。空気１１は、高熱のバルク材を通過した結果、温度が摂氏約８２５度の第３の温度にまで上昇する。圧縮空気１１の圧力は、ほぼ変化しないままである。ガスタービン３への入力においては、空気１１の圧力は、約３．８５バールである。
【００３０】
その後、高温の圧縮空気１１は、ガスタービン３を介して膨張し、機械的作用に変換される。膨張した空気は、ガスタービン３の温度を摂氏約５６０度、圧力を概ね大気圧に相当する１．０６バールにする。
【００３１】
この空気は、予熱燃焼空気１４として燃焼室６に供給される。過剰に予熱された燃焼空気１４を取り出して、その熱エネルギーは、第２の熱交換機１３によって変換されても良い。生物燃料７を予熱燃焼空気１４によって燃焼した結果、摂氏約８７０度の温度の高温の煙道ガス１９が生成される。高温の煙道ガス１９は、煙道ガス清浄器８で清浄化され、その後、第２の蓄熱器９の環状室１５を通り、摂氏約１１０度まで冷却された後、煙突１０を通り、周囲に放出される。
【００３２】
図示しない装置によって、第１および第２の蓄熱器４および９は、タービン流路Ｔおよび予熱流路Ｖにおいて交互に動作するようにしてもよい。
【００３３】
図２に示す装置においては、第１の熱交換器５に代えて、液体を注入する装置１６がタービン流路Ｔに接続される。この装置によって、第２の温度を摂氏約７０度に設定できる。したがって、ガスタービン３から特に高い出力を行うことが可能となる。したがって、動力生成の効率を、３４．４％にまで上げることができる。同時に、熱出力の減少により、総効率は、約５３％に下落する。
【００３４】
図３からわかるように、タービン流路Ｔに接続される第１の蓄熱器４内において、摂氏１１００度を上限とするより高温で熱を蓄積することもできる。この場合、第１の蓄熱器４の出力における予熱空気の温度は、約摂氏１０５５度である。その後、予熱空気は、ガスタービン３に入る前に、第１の熱交換器５からのより低温の空気流の一部を用いて、バイパス１７によって冷却されなければならない。制御バルブ１８により、ガスタービンへの空気注入温度は、摂氏８２５度に設定してもよい。このように、第２の蓄積器９において、低いフローを設定することができる。煙道ガス１９の量は減少する。廃ガスや煙突損失は減少する。本方法の効率は上昇する。
【００３５】
図４は、第１および第２の蓄熱器４および９に加えて、第３の蓄熱器２０を備えた装置を示す。第３の蓄熱器２０は、第１および第２の蓄熱器４および９と交互に、タービン流路Ｔまたは予熱流路Ｖに交互に接続されてもよい。この目的のため、切り替えバルブ２１〜３２が、対応するラインに設けられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１のフローチャートを示す。
【図２】第２のフローチャートを示す。
【図３】第３のフローチャートを示す。
【図４】第４のフローチャートを示す。
【符号の説明】
１　　コンプレッサ
２　　発電機
３　　ガスタービン
４　　第１の蓄熱器
５　　第１の熱交換器
６　　燃焼室
７　　生物燃料
８　　サイクロン
９　　第２の蓄熱器
１０　煙突
１１　空気
１２　第１の環状室
１３　第２の熱交換器
１４　燃焼空気
１５　第２の環状室
１６　注水器
１７　バイパス
１８　制御バルブ
１９　煙道ガス
２０　第３の蓄熱器
２１〜３２　切り換えバルブ
Ｔ　タービン流路
Ｖ　予熱流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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2004506832.tif 000029
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【国際調査報告】
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2004506832.tif 000034
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