JP3344439B2 - タービンコンプレッサ用燃焼装置と燃焼方法 - Google Patents
タービンコンプレッサ用燃焼装置と燃焼方法Info
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Description
発電設備におけるタービンコンプレッサ用燃焼装置とそ
の燃焼方法に関する。
環境への影響が少ないなど、従来の発電装置にはない特
徴を有しており、水力・火力・原子力に続く発電システ
ムとして注目を集め、現在世界各国で鋭意研究開発が行
われている。特に天然ガスを燃料とする溶融炭酸塩型燃
料電池を用いた発電設備では、図5に示すように燃料ガ
ス1と水蒸気2との混合ガス3を水素を含むアノードガ
ス4に改質する改質器10と、アノードガス4と酸素を
含むカソードガス5とから発電する燃料電池20とを備
えており、改質器10で作られたアノードガス4は燃料
電池20に供給され、燃料電池内でその大部分(例えば
80%)を消費してアノード排ガス6となり、その水分
を気水分離器12で分離した後、燃焼用ガス7として改
質器10の燃焼器に供給される。改質器10では燃焼用
ガス7中の可燃成分(水素、一酸化炭素、メタン等)を
燃焼器で燃焼して高温の燃焼ガスを生成し、この高温の
燃焼ガスにより改質管を加熱し改質管内を流れる混合ガ
ス3を改質する。改質器を出た燃焼排ガス8にはコンプ
レッサ24で加圧された空気11が合流してカソードガ
ス5となり、このカソードガス5は、燃料電池20内で
一部が反応して高温のカソード排ガス9となり、その一
部がリサイクルされ、残りはタービンコンプレッサ22
(動力回収装置)のタービン23で動力を回収し、ボイ
ラ25で熱を回収して、系外に排出される。なお、図5
で、13はアノード排ガスブロア、14はカソード循環
ブロアである。
設備において、部分負荷時には設備内の循環ガス量を定
格の約30%程度まで減少させる必要がある。しかし、
タービンコンプレッサ22のコンプレッサ24は、その
特性上、定格流量の80%程度以下になるとサージング
を起こし安定して使用できなくなるため、従来の発電設
備では、図5に示すように、タービンコンプレッサのタ
ービン23の入口ラインに燃焼器26と空気バイパスラ
イン27を設け、部分負荷時にカソード排ガス9の流量
が少なくなると、空気バイパスライン27を介してコン
プレッサ24で圧縮した空気11の一部をカソード排ガ
ス9に合流させ、かつ燃焼器26で燃料ガス1を燃焼さ
せて、タービン23に流入するガスの流量と温度を高
め、コンプレッサ24のサージングを防ぐようにしてい
た。
転手段では、燃焼器26の安定燃焼範囲が狭く、火炎
が吹き消えやすい問題点があった。すなわち、日本機械
学会論文集(B編)52巻473号(昭61−1)の文
献「燃焼触媒における低濃度メタンの燃焼条件の検討」
(永沼義男ら)に開示された図3から明らかなように、
従来の燃焼器26における火炎燃焼ではメタン濃度が約
5%以下になるとわずかの流速でも吹き消え(Blow Off)
が生じるため、空気バイパスライン27を介してカソ
ード排ガス9に合流させる空気11(合流空気)の多少
にかかわらずカソード排ガス9と合流空気の総和の5%
に相当する燃料ガスを常に必要とし、このため、常に余
分の燃料ガスを消費し、発電設備全体の効率を低下させ
てしまう問題点があった。また、合流空気の多少にか
かわらず常に5%に相当する燃料ガスを燃焼させるた
め、合流空気が少ない場合にはタービン23に流入する
ガスが過熱される問題点があった。
を用いて比較的薄いメタン濃度で燃焼させることもでき
るが、この場合でも約1m/s程度の流速で2〜3%に
相当する燃料ガスを必要とし、同様に発電設備全体の効
率を低下させる問題点があり、かつ触媒燃焼の場合
に、合流空気が少なくガス温度が高くなりすぎると触媒
を短時間に劣化させてしまう問題点があった。
ために創案されたものである。すなわち、本発明の目的
は、最小限の燃料ガスで安定燃焼を維持することがで
き、タービンに流入するガス温度を最適なレベルまで高
めることができ、これにより、コンプレッサのサージン
グを防止して燃料電池発電設備を低い部分負荷(例えば
定格の約30%程度)で運転することができる、タービ
ンコンプレッサ用燃焼装置と燃焼方法を提供することに
ある。
池のカソード排ガスで駆動するタービンと、該タービン
で駆動され空気を圧縮するコンプレッサとを備えたター
ビンコンプレッサ用の燃焼装置であって、カソード排ガ
スが低流量の場合に、コンプレッサで圧縮した空気の一
部を燃料ガスと混合する燃料混合ラインと、混合された
ガスを高温のカソード排ガスで間接加熱する熱交換器
と、加熱された混合ガスを燃焼させる燃焼器と、燃焼後
の排ガスを熱交換器を通過したカソード排ガスと混合し
てタービンに供給するガス供給ラインと、を備え、これ
により、タービンに供給するガスの流量と温度を高めコ
ンプレッサのサージングを防止することを特徴とするタ
ービンコンプレッサ用燃焼装置が提供される。
焼器は、内部に燃焼触媒を備えた触媒燃焼器である。ま
た、ガス流量調節弁を有し、前記熱交換器をバイパスし
てカソード排ガスを流すガスバイパスラインと、熱交換
器で加熱された混合ガスの温度を検出して前記ガス流量
調節弁を制御する加熱ガス温度調節器とを更に備え、該
加熱ガス温度調節器により、前記加熱された混合ガスが
触媒燃焼の開始に適した温度になるようにガス流量調節
弁を制御する。前記触媒燃焼の開始に適した温度は、約
350℃〜約450℃である、ことが好ましい。更に、
空気流量調節弁を有し、前記熱交換器と燃焼器をバイパ
スして空気を燃焼後の排ガスに供給する空気バイパスラ
インと、燃焼後の排ガス温度を検出して前記空気流量調
節弁を制御する排ガス温度調節器とを更に備え、該排ガ
ス温度調節器により、前記排ガス温度が触媒燃焼に適し
た温度になるように空気流量調節弁を制御する。前記触
媒燃焼に適した温度は、約750℃〜約1000℃であ
る、ことが好ましい。
ド排ガスで駆動するタービンと、該タービンで駆動され
空気を圧縮するコンプレッサとを備えたタービンコンプ
レッサ用の燃焼方法であって、カソード排ガスが低流量
の場合に、コンプレッサで圧縮した空気の一部を燃料ガ
スと混合し、該混合ガスを高温のカソード排ガスで間接
加熱し、該加熱混合ガスを触媒燃焼させ、該燃焼排ガス
を間接加熱後のカソード排ガスに混合してタービンに供
給する、ことにより、タービンに供給するガスの流量と
温度を高めコンプレッサのサージングを防止することを
特徴とするタービンコンプレッサ用燃焼方法が提供され
る。
排ガスが低流量の場合に、コンプレッサで圧縮した空気
の一部をカソード排ガスと混合してタービンに供給する
ので、タービンに供給されるガス量を増大させることが
できる。また、燃料混合ラインにより燃料ガスは必要な
空気とのみ混合するので、カソード排ガスで燃料ガスが
希釈されることがなく、タービンに供給するガスの加熱
に必要な最小限の燃料ガスを燃焼器で安定燃焼させるこ
とができる。更に、空気と混合された燃料ガスを熱交換
器によりカソード排ガスで間接加熱するので、燃焼器で
の燃焼に適した温度に燃料ガスを予熱することができ
る。
して説明する。なお、各図において、共通する部分には
同一の符号を付してその説明の重複を省略する。図1
は、本発明によるタービンコンプレッサ用燃焼装置を備
えた図5と同様の発電設備の全体構成図であり、図2
は、タービンコンプレッサ用燃焼装置の全体構成図であ
る。図1において、タービンコンプレッサ用燃焼装置3
0以外の構成は、図5の従来の発電設備と同様である。
図1及び図2において、本発明のタービンコンプレッサ
用燃焼装置30は、燃料電池20のカソード排ガス9で
駆動するタービン23と、タービン23で駆動され空気
11を圧縮するコンプレッサ24とを備えたタービンコ
ンプレッサ22用の燃焼装置である。
ッサ用燃焼装置30は、カソード排ガス9が低流量の場
合に、コンプレッサ24で圧縮した空気11の一部を燃
料ガス1と混合する燃料混合ライン31と、混合された
ガスを高温のカソード排ガス9で間接加熱する熱交換器
32と、加熱された混合ガスを燃焼させる燃焼器33
と、燃焼後の排ガスを熱交換器32を通過したカソード
排ガス9と混合してタービン23に供給するガス供給ラ
イン34と、を備えている。燃料混合ライン31には、
導入する空気11の流量を調節するための空気流量調節
弁31aと、燃料ガスの流量を調節するための燃料流量
調節弁31bとが設けられ、部分負荷に対応した空気と
燃料ガスを供給するように制御される。
流量の場合に、コンプレッサ24で圧縮した空気の一部
をカソード排ガス9と混合してタービン23に供給する
ので、タービン23に供給されるガス量を増大すること
ができる。また、燃料混合ライン31により燃料ガス1
はカソード排ガスに混合される空気とのみ混合するの
で、カソード排ガスで燃料ガスが希釈されることがな
く、タービン23に供給するガスの加熱に必要な最小限
の燃料ガスを燃焼器33で安定燃焼させることができ
る。更に、空気と混合された燃料ガス1(200〜30
0℃)を熱交換器32により高温(例えば500〜70
0℃)のカソード排ガス9で間接加熱するので、燃焼器
33での燃焼に適した温度に燃料ガス1を予熱すること
ができる。従って、この構成によりタービン23に供給
するガスの流量と温度を高めコンプレッサ24のサージ
ングを防止することができる。
備えた触媒燃焼器であるのが好ましい。燃焼触媒として
は、ニッケルを主成分とする通常の燃焼触媒を使用す
る。触媒の形状は、ハニカム状のものを充填して使用す
るのがよい。また、燃焼器33の寸法は、最大流量が流
れるときに内部のガス流速が触媒燃焼に適した速度(例
えば約1m/s程度)となるようにするのがよい。かか
る構成により、図3に示したように、2〜3%程度の比
較的低いメタン濃度でガス流速1m/s以上の比較的広
い範囲で安定燃焼をさせることができる。また、この燃
焼器33にはカソード排ガス9が全く流入しないので、
ガスの全流量が少なく、燃料濃度が薄くならないので消
費する燃料ガスを大幅に低減することができる。
濃度メタンの燃焼条件の検討」より抜粋した燃料ガスの
予熱温度と触媒温度との関係図である。この図から明ら
かなように、触媒燃焼の開始に適した予熱温度は、約3
50℃〜約450℃であり、340℃以下の予熱温度で
は安定した燃焼ができないおそれがある。本発明の燃焼
装置30は、図2に示すように、熱交換器32をバイパ
スしてカソード排ガス9を流すガスバイパスライン35
と、加熱ガス温度調節器36とを更に備え、ガスバイパ
スライン35にはガス流量調節弁35aが設けられ、加
熱ガス温度調節器36により、熱交換器32で加熱され
た混合ガスの温度を検出して混合ガスが触媒燃焼の開始
に適した温度(すなわち、約350℃〜約450℃)に
なるようにガス流量調節弁35aを制御するようになっ
ている。かかる構成により、触媒燃焼器に流入する燃料
ガスの予熱温度を最適化し、安定した触媒燃焼を維持す
ることができる。
℃〜約1000℃であり、低すぎると不完全燃焼が生
じ、高すぎると触媒が早期に劣化するおそれがある。本
発明の燃焼装置30は、図2に示すように、熱交換器3
2と燃焼器33をバイパスして空気を燃焼後の排ガスに
供給する空気バイパスライン37と、排ガス温度調節器
38とを更に備え、空気バイパスライン37には空気流
量調節弁37aが設けられ、排ガス温度調節器38によ
り燃焼後の排ガス温度を検出して排ガス温度が触媒燃焼
に適した温度(すなわち、約750℃〜約1000℃)
になるように空気流量調節弁37aを制御するようにな
っている。かかる構成により、燃焼触媒における燃焼温
度を最適化し、燃料の完全燃焼と燃焼触媒の劣化防止を
同時に行うことができる。
り燃料ガスを次のように燃焼させ、タービンコンプレッ
サに導入する。すなわち、カソード排ガス9が低流量の
場合に、コンプレッサ24で圧縮した空気の一部を燃料
ガス1と混合し、この混合ガスを高温のカソード排ガス
9で間接加熱し、この加熱混合ガスを触媒燃焼器33で
触媒燃焼させ、燃焼排ガスを間接加熱後のカソード排ガ
スに混合してタービン23に供給する。これにより、タ
ービン23に供給するガスの流量と温度を高めコンプレ
ッサのサージングを防止することができる。
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更でき
ることは勿論である。
によれば、カソード排ガスが低流量の場合に、コンプレ
ッサで圧縮した空気の一部をカソード排ガスと混合して
タービンに供給するので、タービンに供給されるガス量
を増大させることができる。また、燃料混合ラインによ
り燃料ガスはカソード排ガスに混合される空気とのみ混
合するので、カソード排ガスで燃料ガスが希釈されるこ
とがなく、タービンに供給するガスの加熱に必要な最小
限の燃料ガスを燃焼器で安定燃焼させることができる。
更に、空気と混合された燃料ガスを熱交換器により高温
のカソード排ガスで間接加熱するので、燃焼器での燃焼
に適した温度に燃料ガスを予熱することができる。
燃焼装置と燃焼方法は、最小限の燃料ガスで安定燃焼を
維持することができ、タービンに流入するガス温度を最
適なレベルまで高めることができ、これにより、コンプ
レッサのサージングを防止して燃料電池発電設備を低い
部分負荷で運転することができる、優れた効果を有す
る。
構成図である。
る。
Claims (7)
- 【請求項1】 燃料電池のカソード排ガスで駆動するタ
ービンと、該タービンで駆動され空気を圧縮するコンプ
レッサとを備えたタービンコンプレッサ用の燃焼装置で
あって、 カソード排ガスが低流量の場合に、コンプレッサで圧縮
した空気の一部を燃料ガスと混合する燃料混合ライン
と、混合されたガスを高温のカソード排ガスで間接加熱
する熱交換器と、加熱された混合ガスを燃焼させる燃焼
器と、燃焼後の排ガスを熱交換器を通過したカソード排
ガスと混合してタービンに供給するガス供給ラインと、
を備え、これにより、タービンに供給するガスの流量と
温度を高めコンプレッサのサージングを防止することを
特徴とするタービンコンプレッサ用燃焼装置。 - 【請求項2】 前記燃焼器は、内部に燃焼触媒を備えた
触媒燃焼器である、ことを特徴とする請求項1に記載の
燃焼装置。 - 【請求項3】 ガス流量調節弁を有し、前記熱交換器を
バイパスしてカソード排ガスを流すガスバイパスライン
と、熱交換器で加熱された混合ガスの温度を検出して前
記ガス流量調節弁を制御する加熱ガス温度調節器とを更
に備え、該加熱ガス温度調節器により、前記加熱された
混合ガスが触媒燃焼の開始に適した温度になるようにガ
ス流量調節弁を制御する、ことを特徴とする請求項2に
記載の燃焼装置。 - 【請求項4】 前記触媒燃焼の開始に適した温度は、約
350℃〜約450℃である、ことを特徴とする請求項
3に記載の燃焼装置。 - 【請求項5】 空気流量調節弁を有し、前記熱交換器と
燃焼器をバイパスして空気を燃焼後の排ガスに供給する
空気バイパスラインと、燃焼後の排ガス温度を検出して
前記空気流量調節弁を制御する排ガス温度調節器とを更
に備え、該排ガス温度調節器により、前記排ガス温度が
触媒燃焼に適した温度になるように空気流量調節弁を制
御する、ことを特徴とする請求項2に記載の燃焼装置。 - 【請求項6】 前記触媒燃焼に適した温度は、約750
℃〜約1000℃である、ことを特徴とする請求項5に
記載の燃焼装置。 - 【請求項7】 燃料電池のカソード排ガスで駆動するタ
ービンと、該タービンで駆動され空気を圧縮するコンプ
レッサとを備えたタービンコンプレッサ用の燃焼方法で
あって、 カソード排ガスが低流量の場合に、コンプレッサで圧縮
した空気の一部を燃料ガスと混合し、該混合ガスを高温
のカソード排ガスで間接加熱し、該加熱混合ガスを触媒
燃焼させ、該燃焼排ガスを間接加熱後のカソード排ガス
に混合してタービンに供給する、ことにより、タービン
に供給するガスの流量と温度を高めコンプレッサのサー
ジングを防止することを特徴とするタービンコンプレッ
サ用燃焼方法。
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JP00104894A JP3344439B2 (ja) | 1994-01-11 | 1994-01-11 | タービンコンプレッサ用燃焼装置と燃焼方法 |
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Publications (2)
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JPH07208200A JPH07208200A (ja) | 1995-08-08 |
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Cited By (1)
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JP2013521461A (ja) * | 2010-03-05 | 2013-06-10 | ダイムラー・アクチェンゲゼルシャフト | 高温の排気ガスを提供するための装置 |
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JP2014139424A (ja) * | 2013-01-21 | 2014-07-31 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 発電システム |
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-
1994
- 1994-01-11 JP JP00104894A patent/JP3344439B2/ja not_active Expired - Fee Related
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