(57)【要約】【課題】低発熱燃料ガスと高発熱燃料ガスの比率が制限されない、燃料混合気供給システムを提供する。【解決手段】燃料混合気供給システム３は、主燃料制御弁７を介して低発熱燃料ガスをミキサ６に導入する主燃料流路８と、ミキサ６に空気制御弁１２を介して燃焼空気を供給する燃焼空気流路１３と、主燃料制御弁７の上流側の主燃料流路８に連通し、主燃料流路８との間の圧力差によって主燃料流路８に空気を供給する希釈空気流路１１と、主燃料制御弁７の上流側の主燃料流路８に連通し、補助燃料制御弁９を介して高発熱燃料ガスを供給する補助燃料流路１０と、ミキサ６で混合した混合気を燃焼装置４に供給するための導入流路１４とを有する。【選択図】図１
2012057593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主燃料制御弁を介して低発熱燃料ガスをミキサに導入する主燃料流路と、
前記ミキサに空気制御弁を介して燃焼空気を供給する燃焼空気流路と、
前記主燃料制御弁の上流側の前記主燃料流路に連通し、前記主燃料流路との間の圧力差によって前記主燃料流路に空気を供給する希釈空気流路と、
前記主燃料制御弁の上流側の前記主燃料流路に連通し、補助燃料制御弁を介して高発熱燃料ガスを供給する補助燃料流路と、
前記ミキサで混合した混合気を燃焼装置に供給するための導入流路とを有することを特徴とする燃料混合気供給システム。
【請求項２】
前記燃焼装置の出力に応じて、前記主燃料制御弁の開度を制御する出力制御手段と、
前記主燃料制御弁の開度に対する前記補助燃料制御弁の開度の比を設定した開度比に維持し、前記主燃料制御弁の開度が、所定の制限時間以上継続して所定の上限値を超えた場合、前記開度比を増大させ、前記主燃料制御弁の開度が、所定の制限時間以上継続して所定の下限値に満たない場合、前記開度比を減少させる、比率制御手段とを有することを特徴とする請求項１に記載の燃料混合気供給システム。
【請求項３】
前記希釈空気流路の流路抵抗を調節できる調整弁を有することを特徴とする請求項１または２に記載の燃料混合気供給システム。
【請求項４】
前記燃焼装置から排出される燃焼排ガスの酸素濃度を一定に保つように、前記空気制御弁の開度を制御する空燃比制御手段を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の燃料混合気供給システム。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の燃料混合気供給システムと、
バイオマスを熱分解して発生するバイオガスを前記低発熱燃料ガスとして前記主燃料流路に供給するバイオガス発生装置と、
前記燃焼装置として、前記混合ガスを燃焼することによって回転力を発生させ、且つ、前記導入流路に吸込圧力を生じるガスエンジンと、
前記ガスエンジンが発生させた回転力によって発電する発電機とを備えることを特徴とする発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイオガスのような低発熱燃料ガスと天然ガスのような高発熱燃料ガスとを混合して燃焼装置に供給する燃料混合気供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題の観点から、木質廃棄物や食物残渣等の原料（バイオマス）を熱分解して得られる可燃ガスであるバイオガスの利用が注目されている。特許文献１には、バイオガスと他の燃料ガスとを切り換えて運転できるガスエンジン（燃焼装置）により発電機を駆動する発電システムが記載されている。
【０００３】
バイオガスを発生させる熱分解炉は、立ち上がりに時間がかかり、発生するバイオガスの量が徐々に増大するという特性を有する。従って、特許文献１のように、バイオガスと他の燃料ガスとを切り換えるシステムでは、熱分解炉の起動後に発生するバイオガスを十分に利用できない。
【０００４】
例えば、特許文献２乃至４には、都市ガス等の主燃料ガスとバイオガス等の副燃料ガスとを混焼する発電システムが記載されているが、バイオガスが一定の割合以下でしか運転できない。これは、バイオガスの容積当たりの発熱量が、一般的な燃料ガスに比べて非常に小さく、例えば、天然ガスの１０分の１程度しかないため、バイオガスの流量に応じて、燃料および空気の流量を大きく変化させなければならず、流量を調整するバルブの開度（Ｃｖ値）の変化が大きくなり制御が困難になるからである。
【０００５】
一般的なガスエンジンは、燃料および空気を自吸する吸込圧力を生じる容積式の熱機関であるため、低発熱燃料ガス、高発熱燃料ガスおよび燃焼空気の流量が互いに影響を及ぼし合うので、その制御は容易ではない。特に、特許文献２乃至４のように単一の燃料調節弁だけで制御するシステムでは、バイオガスと他の燃料ガスとの混合比を大きく変化させられない。
【０００６】
しがたって、従来のシステムでは、熱分解炉が安定状態に達するまでは、他のガスのみで運転する必要があり、発生したバイオガスを利用することができない。
【０００７】
また、発電電力当たりのＣＯ２排出量を低減するためには、バイオガス発生装置が安定運転されているときには、他の燃料の使用比率を極力小さくするべきである。さらに、バイオガスの発生量のばらつきを考慮すると、バイオガス発生装置が安定したときには、バイオガスのみでガスエンジンが運転され、余剰のバイオガスが系外に排出されるように、バイオガス発生装置とガスエンジンとの容量が設定されることが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−３２５２８号公報
【特許文献２】特開２００８−１９６３６０号公報
【特許文献３】特開２００８−２１５１３４号公報
【特許文献４】特開２００９−６２９３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
前記問題点に鑑みて、本発明は、低発熱燃料ガスと高発熱燃料ガスと空気とを混合した燃料混合気を供給でき、且つ、低発熱燃料ガスの比率が制限されない、構成の簡単な燃料混合気供給システム、および、バイオガスの発生量にかかわらず他の燃料ガスと混焼運転できるバイオガス発電システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するために、本発明による燃料混合気供給システムは、主燃料制御弁を介して低発熱燃料ガスをミキサに導入する主燃料流路と、前記ミキサに空気制御弁を介して燃焼空気を供給する燃焼空気流路と、前記主燃料制御弁の上流側の前記主燃料流路に連通し、前記主燃料流路との間の圧力差によって前記主燃料流路に空気を供給する希釈空気流路と、前記主燃料制御弁の上流側の前記主燃料流路に連通し、補助燃料制御弁を介して高発熱燃料ガスを供給する補助燃料流路と、前記ミキサで混合した混合気を燃焼装置に供給するための導入流路とを有するものとする。
【００１１】
この構成によれば、低発熱燃料ガスの流量が減少し、主燃料流路に補助燃料ガスを供給したとき、燃料の総流量の減少に伴う圧力低下によって、希釈空気流路から空気を自給し、燃料ガスを希釈する。これにより、主燃料流路からミキサに導入されるガスの総量が大きく変動しないため、主燃料制御弁および空気制御弁の開度を大きく変化させる必要がなく、安定した運転が可能である。
【００１２】
また、本発明の燃料混合気供給システムは、前記燃焼装置の出力に応じて、前記主燃料制御弁の開度を制御する出力制御手段と、前記主燃料制御弁の開度に対する前記補助燃料制御弁の開度の比を設定した開度比に維持し、前記主燃料制御弁の開度が、所定の制限時間以上継続して所定の上限値を超えた場合、前記開度比を増大させ、前記主燃料制御弁の開度が、所定の制限時間以上継続して所定の下限値に満たない場合、前記開度比を減少させる、比率制御手段とを有してもよい。
【００１３】
この構成によれば、低発熱燃料ガスと高発熱燃焼ガスとの２種類の燃料ガスを供給するにもかかわらず、補助燃料制御弁を主燃料制御弁の開度に合わせて変化させるので、実質的に燃料の流量調整をするための制御が１系統だけでよい。
【００１４】
また、本発明の燃料混合気供給システムは、前記希釈空気流路の流路抵抗を調節できる調整弁を有してもよい。
【００１５】
この構成によれば、希釈空気の供給量を最適化して、低発熱燃料ガスの流量に関わらず、安定運転時の主燃料流路の総流量を略一定に保つことができるので、制御が安定する。
【００１６】
また、本発明の燃料混合気供給システムは、前記燃焼装置から排出される燃焼排ガスの酸素濃度を一定に保つように、前記空気制御弁の開度を制御する空燃比制御手段を有してもよい。
【００１７】
この構成によれば、空燃比を最適化して、効率を高められる。
【００１８】
また、本発明による発電システムは、前記燃料混合気供給システムのいずれかと、バイオマスを熱分解し、発生するガスを前記低発熱燃料ガスとして前記主燃料流路に供給するバイオガス発生装置と、前記燃焼装置として、前記混合ガスを燃焼することによって回転力を発生させ、且つ、前記導入流路に吸込圧力を生じるガスエンジンと、前記ガスエンジンが発生させた回転力によって発電する発電機とを備えるものとする。
【００１９】
この構成によれば、バイオガス発生装置の立ち上がり時に発生するバイオガスを廃棄することなく他の燃料と混焼して発電でき、バイオガス発生装置が安定したときにはバイオガスだけで発電できるので、発電電力当たりの二酸化炭素発生量を少なくできる。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように、本発明によれば、低発熱燃料ガスと高発熱燃焼ガスとの２種類を混合して供給するシステムでありながら、主燃料流路に希釈空気を吸い込むことによって、主燃料制御弁を通過するガスの流量を低発熱燃料ガスの比率によって大きく変動させない。このため、低発熱燃料ガスの比率を０％から１００％まで広範に変更することができ、その制御も安定である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の１つの実施形態である発電システムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の１つの実施形態である発電システム１を示す。この発電システム１は、バイオマスを熱分解してバイオガス（低発熱燃料ガス）を発生させるバイオガス発生装置２と、バイオガスに天然ガス等のような補助ガス（高発熱燃料ガス）および空気を混合する燃料混合気供給システム３と、燃料混合気供給システム３から供給される混合気を燃焼して回転力を生じるガスエンジン４と、ガスエンジン４の回転力を電力に変換する発電機５とを有する。
【００２３】
バイオガス発生装置２としては、公知のバイオガス発生システムが採用できる。例えば、電気ヒータによってバイオマスを加熱するロータリキルン炉からなる熱分解炉と、熱分解したバイオマスのチャー灰からバイオガスを分離するガス化炉とからなる装置等が採用できる。
【００２４】
本発明において、ガスエンジン４は、燃料ガスや空気を自吸する吸込圧力を生じる内燃機関が好ましく、自動車等に用いられるのと同様のカルノーサイクルエンジンや、他のエンジンを用いることができる。さらに、ガスエンジン４は、ターボやスーパーチャージャ等の過給器を備えてもよい。
【００２５】
燃料混合気供給システム３は、燃料と空気とを混合するミキサ６と、バイオガス発生装置２からミキサ６に主燃料制御弁７を介してバイオガスを供給する主燃料流路８と、主燃料流路８の主燃料調整弁７よりも上流側に補助燃料制御弁９を介して補助ガスを供給する補助燃料流路１０と、補助燃料流路１０よりもさらに上流において主燃料流路８に連通する希釈空気流路１１と、ミキサ６に空気制御弁１２を介して燃焼空気を供給する燃焼空気流路１３と、ミキサ６においてバイオガス、補助ガスおよび空気を混合した燃料混合気をガスエンジン４に供給するための導入流路１４とを有する。
【００２６】
主燃料流路８は、非常時に、バイオガス発生装置２とガスエンジン４とを分離する緊急遮断弁１５を備えている。希釈空気流路１１および燃焼空気流路１３の上流側の端部は、大気開放されており、ガスエンジン４の発生する吸込圧力により、外気を吸い込むことができるようになっている。また、希釈空気流路１１は、その流路抵抗を調節するために、手動の調整弁１６を備える。
【００２７】
ガスエンジン４はその回転数を検出する回転数センサ１７と、排気ガスの酸素濃度を検出するＯ２センサ１８とを備え、主燃料制御弁７は、その開度を検出するポジショナ１９を備える。
【００２８】
燃料混合気供給システム３は、回転数センサ１７の検出値に基づいて、ガスエンジン４の回転数を一定に保つように、例えば公知のＰＩＤ制御等によって、主燃料制御弁７の開度を調節する出力制御部２０を備える。ガスエンジン４の負荷は発電機５だけであるので、回転数を一定に保つということは、その出力を一定に保つことになる。
【００２９】
また、燃料混合気供給システム３は、ポジショナ１９の出力に基づいて補助燃料制御弁９の開度を制御する比率制御部２１と、Ｏ２センサ１８の出力に基づいて、燃焼排ガスの酸素濃度を設定値に維持するように例えば公知のＰＩＤ制御等によって空気制御弁１２の開度を調節する空燃比制御部（空燃比制御手段）２２とを有する。
【００３０】
次に、上記構成の発電システム１の動作を説明する。比率制御部２１は、補助ガス制御弁９の開度（パーセント）の主燃料制御弁７の開度（パーセント）に対する比を設定した開度比Ｒに保つように制御する。この開度比Ｒは、発電システム１の運転開始時、つまり、バイオガス発生装置２の起動時には、１００％である。
【００３１】
比率制御部２１は、主燃料制御弁７の開度が所定の下限値ＳＬ（例えば４０％）よりも低い状態が所定の制限時間ＴＬ（例えば６０秒）以上継続する場合は、開度比Ｒを低下（例えば１０％ずつ）させ、補助燃料ガスの流量を減少させる。また、比率制御部２１は、燃料制御弁７の開度が所定の上限値ＳＨ（例えば８０％）よりも高い状態が所定の制限時間ＴＨ（例えば６０秒）以上継続する場合は、開度比Ｒを上昇（例えば１０％ずつ）させ、補助燃料ガスの流量を増加させる。つまり、比率制御部２１は、ＰＩＤ制御のような複雑なフィードバック制御ではなく、単純なシーケンス制御によって実現される。
【００３２】
主燃料流路８は、バイオガス発生装置２から供給されるバイオガスおよび補助燃料流路１０から供給される補助燃料ガスの容積と、ガスエンジン４の吸込圧力によってミキサ６に吸い込まれるガスの容積との差を埋めるように、希釈空気流路１１から空気を吸い込む。つまり、希釈空気流路１１は、主燃料流路８と間の圧力差によって、主燃料流路８に空気を供給し、バイオガスおよび補助燃料ガスを希釈する。
【００３３】
また、バイオガス発生装置２のバイオガス発生量がガスエンジン４の燃焼容量よりも多い場合、主燃料流路８の圧力が高くなり、主燃料流路８から希釈空気流路１１を介してバイオガスが系外に廃棄される。このため、希釈空気流路１１には、系外に廃棄されるバイオガスを燃焼するオフガス炉が設けられてもよい。
【００３４】
また、希釈空気流路１１には、絞り弁１６が設けられているため、主燃料流路８に供給される希釈空気の量が制限される。従って、主燃料流路８の圧力は、バイオガスの流量が多いときには高く、バイオガスの流量が少なく、補助燃料ガスの流量が多いときには低くなる。この主燃料流路８の圧力変化によっても、発熱量の大きい補助燃料ガスの流量が多いときに、燃料ガスの供給量が低減され、主燃料制御弁７の開度変化が小さくなる。
【００３５】
通常、補助燃料ガスは、バイオガスに比べて、発熱量当たりの理論燃焼空気量が少ないため、補助燃料ガスの比率が高くなると、燃焼空気の量を少なくする必要がある。本実施形態では、絞り弁１６の効果によって、補助燃料ガスの流量の増加に比して希釈空気流路１１から供給される空気量の増加が抑制されるので、燃焼空気流路１３から吸い込むべき燃焼空気の減少を軽減することができ、空気制御弁１２の開度変化も小さくなる。
【００３６】
本実施形態において、上限値ＳＨの制限時間ＴＨと、下限値ＳＬの制限時間ＴＬとは同じ値であるが、システムの特性に合わせて異なる値としてもよい。また、制限時間ＴＨおよび制限時間ＴＬは、開度比Ｒの値に応じて変化してもよい。さらに、開度比Ｒを一定の値ずつ変化させるのではなく、予め定めた複数の値を順番に遷移したり、その都度一定の比率を掛け合わせる等、他のパターンで変化させてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１…発電システム
２…バイオガス発生装置
３…燃料混合気供給システム
４…ガスエンジン
５…発電機
６…ミキサ
７…主燃料制御弁
８…主燃料流路
９…補助燃料制御弁
１０…補助燃料流路
１１…希釈空気流路
１２…空気制御弁
１３…燃焼空気流路
１４…導入流路
１６…調整弁
１７…回転数センサ
１８…Ｏ２センサ
１９…ポジショナ
２０…出力制御部（出力制御手段）
２１…比率制御部（比率制御手段）
２２…空燃比制御部（空燃比制御手段）
【図１】
2012057593.tif 000003