(57)【要約】      （修正有）【課題】溶融を起こさない熱交換器と、安定した燃焼熱の得られる燃焼装置と、それらに適合するタービンエンジンを選定して組み合わせ、高効率で安価なタービンエンジンを提供する。【解決手段】圧縮過熱空気を媒体とするタービンエンジンにおいて、酸素を豊富に含んでいるタービン高温排気を燃焼装置に還流して燃焼に利用し、煙道に金属製熱交換パイプを取り付けた簡単な構造の熱交換器で圧縮空気を過熱してタービンを駆動するエンジンを考案した。このエンジンは、燃焼装置と熱交換器と、空気圧縮機と一体になったタービンとで構成される簡単な構造であること、タービンの高温排気で燃焼させるため水分の多い安価な燃料が使用できること、タービン排熱が全て再利用できること、熱交換器の構造が簡単で熱交換率が高いことから、発電機を接続すれば建設コストの安価な多水分の低価格燃料が使える高効率・低コスト発電が可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を作動媒体とする圧縮空気加熱ガスタービンエンジンに属し、燃焼装置と空気圧縮機と煙道に設けられた圧縮空気加熱熱交換器と煙道末端の燃焼ガス吸引ファンと膨張タービンと各装置を接続して空気又は燃焼ガスを移動させる配管と予め設定したプログラムにより圧縮空気の熱交換器出口温度が目標とする温度の範囲になるよう各装置機器に指令信号を出すことの出来る制御指令装置と指令信号を必要な装置機器に伝達する配線とによって構成されており、燃焼装置は、２個以上の燃焼室と各燃焼室に１個以上の給気孔と各燃焼室への給気割合を加減する排気分流電動バルブと補助バーナーと燃料投入量を自動的に加減できる構造の燃料自動供給装置を有し、各燃焼室への給気は膨張タービンの排気によって排気分流電動バルブを経由して行う構造とし、タービン作動媒体である空気は、圧縮機で圧縮され煙道内の熱交換器に送られて加熱された後、膨張タービンへ送られて動力を生んだ後、排気分流電動バルブを経由して各燃焼室に送られて給気され、燃焼に利用されて高温の燃焼ガスとなり、煙道内の熱交換器で冷えて燃焼ガス吸引ファンを経て排気されるように断熱材で保護された配管で各装置が接続される構造とし、なおかつ、予め設定したプログラムにより、圧縮空気の熱交換器出口温度に応じて冷却ファン送風量と各燃焼室の各給気量と燃料投入量と補助バーナーへの燃料供給量とを自動的に加減することで、エンジン始動時と停止時を除いて、圧縮空気の熱交換器出口温度が７００℃から１１００℃の範囲で安定するように制御することを特徴とする圧縮空気加熱ガスタービンエンジン。
【請求項２】
煙道を利用した圧縮空気加熱熱交換器の燃焼ガス入り口から出口にかけて設置された金属製熱交換パイプの内部を圧縮空気が移動し、外部を大気圧程度の圧力の燃焼ガスが対向して移動する構造とし、燃焼ガス入り口と出口の中間部から燃焼ガス入り口部分にかけては熱交換パイプ以外には金属製の部材を用いない構造の熱交換装置を有することを特徴とする請求項１で示したガスタービンエンジン。
【請求項３】
熱交換パイプ又は煙道内壁に煉瓦等で作られた固定翼を取り付けた熱交換装置を有することを特徴とする第１項及び第２項に示したガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  この発明は、水分の多い木質バイオマス燃料を高価な設備と燃料を要するガス化によらず直接燃焼させた熱によって発電等の目的でタービンを駆動する方法の分野に属する。普及しているガスタービンエンジンは圧縮空気中に液体か気体燃料を吹き込んで急速に燃焼させ、その燃焼熱で高温高圧燃焼ガスを作り、それを膨張タービンで動力に変えてエネルギーを取り出すものであるが、提供するガスタービンエンジンは圧縮空気を熱交換器を用いて間接的に加熱して高温高圧空気を作り、それを膨張タービンに導いて動力を取り出すものである。【０００２】  原理は従来から知られていたが、作動媒体を年々高温高圧化して効率を高めてきたタービン技術の世界において、１５００℃もの高温と１０気圧を超える程の高圧下で熱交換できる装置がないために実用化されていなかった。しかし、近年圧力が４気圧以下で温度が９００℃以下の燃焼ガスでタービンを駆動するものでありながら、排熱を圧縮空気の加熱に再利用することで３０％近い熱効率を実現している低圧小型ガスタービンエンジンが出現し、この程度の温度、圧力条件に耐える熱交換器もあることから、間接加熱式のタービンエンジンの実用化も不可能でなくなった。【０００３】  そこで、それら新技術を組み合わせることで時代の要請でもあり地方再生の鍵とも期待されている再生可能エネルギーの木質バイオマスを用いた熱併給発電を行うのに必要な、高水分燃料が使用できる安価な高効率小型ガスタービンエンジンを提供する。
【背景技術】
【０００４】  木質バイオマス等の比較的小規模の発電においては、燃料を高温に晒して発生させた可燃ガスを燃料としてガスタービンエンジン又はディーゼルエンジンで発電機を駆動する方法が発電効率が高く、排ガスの熱利用も容易であるためヨーロッパで普及しているが、この方法は設備が高価でありガス化過程で失われる熱も多く、何より水分が含水率２０％以上では燃料として適さないため乾燥・造粒した高価な燃料が必要であり、発電コストが高くなる欠点がある。【０００５】  そこで、ガス化することなく直接燃焼させた熱によって熱交換器で間接的に加熱された圧縮空気を媒体としてタービンを作動させる装置の提案があるが、木質バイオマス燃料に特有な問題として、灰分が多く燃焼が不安定なことから、時に温度が高くなりすぎて熱交換器に付着している灰分が溶融する危険がある事が指摘され、それへの対策技術が提案されているものの、技術としては未成熟であり実用化には至っていない。
【先行技術文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２０１０−５２６９６７
【特許文献２】特表２０１２−５１００２０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  設備と燃料が高価なバイオマスのガス化発電に代わり、安価な設備と燃料を使用した熱電併給の可能なガスタービンエンジンの開発を行う。その解決すべき課題は、溶融を起こさない熱交換器の開発と安定した燃焼熱の得られる燃焼装置開発とそれらに適合するタービンエンジンを選定して組み合わせ、高効率で安価なタービンエンジンを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  膨張タービン７の高温排気が非燃焼であって酸素を豊富に含んでいる事に着目し、高温排気の全て又は一部を燃焼装置に還流させる構造とし、高温排気を燃焼に利用する（熱の再利用）ことにより含水率１００％程度の生木チップでも高温で燃焼する。【０００９】  熱交換器の採用においては、用いられる燃料が構成成分の不安定なバイオマス燃料であって燃焼ガス流に灰やタールを多く含む場合があり、発熱も不安定なため時に熱交換器が予想を超えた高温に晒される危険が有る。【００１０】  文献１・２で用いられている回転再生熱交換器においては、高温の燃焼ガスよりも温度の低い圧縮空気による熱交換器内部からの冷却が、熱交換器のケース部分にまで及びにくいことから、新鮮空気又は冷却された新鮮空気で燃焼室を冷やしたりタービンの排気ガスを分流して熱交換器のケース部分等に吹き付けて冷やす工夫が提案されているが、構造が複雑となり実用化は容易でない。【００１１】  そこで、過熱されやすい部分を有する回転再生熱交換器を採用せず、構造を極単純化して溶融の危険性がある部材の使用をごく限定した上で、煙道を利用して十分な大きさの圧縮空気加熱熱交換器４を設置し、その内部に金属製熱交換パイプを取り付け、熱交換パイプの内部を圧縮空気が移動し、外部を大気圧程度の圧力の燃焼ガスが対向して移動するようにし、熱交換パイプが最も高温となる熱交換器への燃焼ガスの入り口付近においては熱交換パイプ以外には溶融の危険がある金属材料の部材を使わないこととする。【００１２】  加えて、圧縮空気加熱熱交換器４の燃焼ガス入口付近に冷却ファン５を取り付け、熱交換パイプに外気を吹き付けられる機構を備え、燃焼ガス若しくは圧縮空気の温度が高くなり過ぎた場合には外気を吹き付けて熱交換パイプを冷却し、又は高くなり過ぎなくとも少なくとも１日に１回以上は熱交換パイプに外気を吹き付けて灰を吹き飛ばす機構を備え、さらに、熱交換パイプ又は煙道内壁に煉瓦等で作られた固定翼を取り付けて熱交換が促進される構造とする。【００１３】  バイオマス燃料の燃焼においては、灰の飛散を減らすと共に熱交換器の過熱を防ぐための燃焼温度管理対策が必要である。そこで、燃焼装置６には２つ以上の燃焼室を設け、各燃焼室を十分大きくして完全燃焼を促進すると共に、燃焼ガス流速を低減させて灰の飛散を抑制出来る構造とし、各燃焼室には１つ以上の給気孔を設け、排気分流電動バルブ８によって分流した高温排気の一部を１次燃焼室６１の給気孔より、その他は２次燃焼室６２の給気孔より給気するようにし、排気分流電動バルブ８の自動制御で各燃焼室の給気量を加減して燃焼の速さを制御する。
【発明の効果】
【００１４】  燃焼装置６と圧縮空気加熱熱交換器４の構造により燃焼灰が熱交換パイプへ付着しにくくなっていること、高温燃焼ガスに晒される熱交換パイプには、中を燃焼ガスより温度が５０℃程度低い圧縮空気が流れて熱交換パイプが冷却される構造となっていること、燃焼ガスか圧縮空気の温度が高くなりすぎると熱交換パイプに外気が吹き付けられる構造と機能を有していることから熱交換パイプ溶融は回避され、また、熱交換パイプの温度が最も高くなる燃焼ガス入り口付近には金属の部材を使用しないため部材の溶融は起こらない。【００１５】  膨張タービンの高温排気を燃焼室に還流させて燃焼に利用することで、ガス化発電に利用出来ない含水率１００％程度の水分の多い燃料であっても間接加熱ガスタービンエンジンの駆動に必要な１０００℃近い高温で燃焼するため様々な安価な燃料が利用でき、燃料費を低減できる。【００１６】  構造が簡単であるため建設費が低減し、一方、エンジンからの熱流亡を減らす対策が容易に出来ること、膨張タービンの高温排気を燃焼に使用して熱を再利用すること、十分な大きさの熱交換器であるため熱交換効率が高いことから間接加熱ガスタービンエンジンの熱効率は向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】直焚き間接加熱タービンエンジンの構造
【発明を実施するための形態】
【００１８】  最も望ましい事例としては、空気圧縮機１の吸入空気量と燃焼装置６の燃焼に必要な空気量とがほぼ同等となるようにタービンと燃焼装置を選定し、熱効率を高めるため熱交換パイプを除きエンジンの全ての装置、配管からの熱流亡を減らすように断熱を施し、特に表面積の大きな煙道を含めて燃焼装置６は厚さ１０センチ以上の耐火煉瓦製とする。
【００１９】  圧縮空気加熱熱交換器４は十分に大きくすると共に熱交換パイプ又は煙道内壁に煉瓦等で作られた固定翼を取り付けて熱交換パイプへの燃焼ガスの接触を促進し、熱交換効率を高め、併せて、熱交換パイプを垂直に設置して灰が付着しにくくする。
【００２０】  圧縮空気加熱熱交換器４の燃焼ガス入り口付近に自動シャッターを有する冷却ファン５を取り付け、燃焼ガス又は圧縮空気の温度が高くなり過ぎた場合に自動的に作動して外気を熱交換パイプに吹き付けることで機器の過熱を防ぎ膨張タービン７の駆動を安定させる。
【００２１】  燃焼装置６への給気は、タービン排気管９によって膨張タービン７の高温排気で行われるが、タービン排気管９に排気分流電動バルブ８を取り付けてタービン排気管９から分岐させ、高温排気の一部を１次燃焼室６１の給気孔より、その他は２次燃焼室６２の給気孔より給気するようにし、排気分流電動バルブ８の自動制御で各燃焼室の給気量を加減して燃焼の速さを制御する。
【００２２】  燃焼装置には２つ以上の十分大きな燃焼室を設け、燃焼ガスの流速を緩めて灰の飛散を減らすと共に、燃焼室内に可動翼、固定翼を設置してガスの混合を促進して完全燃焼に近づける。また、燃焼装置への燃料供給が止められた場合、備蓄燃料への引火が起こらない構造とする。なお、燃焼温度が低下した場合には補助バーナーを駆動させても良い。
【００２３】  燃料が過剰に又は少水分燃料が投入されたりすると燃焼温度の過剰な上昇に伴って圧縮空気温度が上昇するが、その場合には冷却ファン５の稼働に連動して排気分流電動バルブ８が作動し１次燃焼室６１への給気を抑制し、２次燃焼室６２への給気を増加させることによって燃焼が遅くなり、併せて燃料自動供給装置１０からの燃料供給量を減らすように制御されることで燃焼温度上昇は抑えられて望ましい燃焼温度に近づき、各装置の過熱は回避されタービン駆動は安定する。
【００２４】  煙道の末端には燃焼ガスを強制排気するための燃焼ガス吸引ファン３を取り付け常時稼働させる。これによって燃焼装置内が減圧状態となり、燃焼ガスが僅かな隙間からも外部に漏れるのを防ぐとともに膨張タービン７の排気及び圧縮空気への熱交換が効果的に行えるようにする。
【００２５】  熱交換パイプは８５０〜９００℃の高温に晒されて強度が大きく低下する。空気圧縮機１の圧縮比は熱交換パイプの強度に大きな影響を与えるため、４倍以下に低くとどめる。
【００２６】  事故により膨張タービン７が緊急停止した場合には給気が停止して燃焼装置は不完全燃焼を起こし熱交換器などが汚損するので、冷却ファン５と燃焼ガス吸引ファン３のバックアップ電源を設置する。
【産業上の利用可能性】
【００２７】  直焚き間接加熱ガスタービンエンジンは小型ガスタービンエンジンに比べると燃焼装置と熱交換器が嵩張るため体積が大きく、重くなるが、バイオマスのガス化発電や蒸気発電に比べると小さくなり、構造が簡単なため建設経費は低減できる。同じ燃料を用いる場合の熱効率は、小型ガスタービンエンジンに比べ炉や配管からの熱流亡がわずかに増えるものの、熱交換効率が高くて排ガス温度が低いため小型ガスタービンエンジンと同等以上となることから、小型固形燃料バイオマス発電への適用が有望である。【００２８】  直焚き間接加熱ガスタービンエンジンの燃料としては高水分及び低水分の固体燃料、液体燃料、気体燃料の何れも適するが、水分が多い燃料では排気ガス中の蒸気の量が多いため潜熱として流出する熱が多く熱効率は若干劣るけれども、燃焼ガス中には大量の水が気化し多量の潜熱を保有しているので、燃焼ガス吸引ファン３の前又は後ろに廃熱回収熱交換器２を取り付けて温水又は暖気として多量の熱を回収し暖房や転換冷熱として活用できる。【００２９】  直焚き間接加熱ガスタービンエンジンは、燃焼装置と熱交換器が大きい欠点があり、小型船舶及び航空機並びに比較的低温で駆動している原子力発電所、コンバインドシステムで高効率を達成している大型発電所へは適さない。
【符号の説明】
【００３０】  １  空気圧縮機  ２  廃熱回収熱交換器  ３  燃焼ガス吸引ファン  ４  圧縮空気加熱熱交換器  ５  冷却ファン  ６  燃焼装置６１  １次燃焼室６２  ２次燃焼室  ７  膨張タービン  ８  排気分流電動バルブ  ９  タービン排気管１０  燃料自動供給装置１１  煙道１２  補助バーナー
【図１】
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