JP3617276B2 - 天然ガス改質装置及び該装置を備えたガスエンジン - Google Patents
天然ガス改質装置及び該装置を備えたガスエンジン Download PDFInfo
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は,燃料としての天然ガス等のガス燃料を排気ガスの熱エネルギによって改質する天然ガス改質装置及び該装置によってガス燃料を改質燃料にして熱効率をアップさせるガスエンジンに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来,天然ガスを主燃料とするガスエンジンは,コージェネレーションシステムとして開発が進められている。コージェネレーションシステムは,動力を発電機で電気エネルギとして取り出し,排気ガスエネルギが有する熱を熱交換器で水を加熱して温水にし,該温水を給湯用として利用している。従来,天然ガスを燃料とするエンジンとして,例えば,特開平6−108865号公報,特開平6−101495号公報に開示されたものがある。
【0003】
特開平6−108865号公報に開示されたコージェネレーション型ガスエンジンは,排気ガスをターボチャージャ,エネルギ回収装置及び蒸気発生装置を通して排気ガス温度を低下させ,低温の排気ガスをEGRに使用してNOX を低減するものであり,遮熱型ガスエンジンからの排気ガスによってターボチャージャを駆動し,該ターボチャージャからの排気ガスで発電機を備えたエネルギ回収装置を駆動する。該コージェネレーション型ガスエンジンは,エネルギ回収装置からの排気ガスを熱交換器の蒸気発生装置に送り込み,蒸気発生装置で水を蒸気に変換し,該蒸気で蒸気タービンを駆動して電気エネルギとして回収する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
天然ガスを燃料とするガスエンジンでは,燃焼室をセラミックス等の材料で遮熱構造に構成すると,空気の圧縮温度が天然ガスの自己着火温度以上に上昇するので,点火装置が不要になり,また,空気を導入する主室の他に,燃料を導入する副室を設け,主室と副室との間に制御弁を設け,ディーゼルサイクルによる作動によって高い効率のコージェネレーション用のエンジンを提供することができる。ガスエンジンの排気ガスは,燃焼室を遮熱構造に構成した場合に,850℃以上の高温になる。高温の排気ガスから熱エネルギを回収して,エンジンの熱効率を向上させることができる。
【0005】
ところで,天然ガスは,その主成分がメタンCH4 であることが知られている。燃料のCH4 は,発熱量が大きく,自然界に多く存在するので,将来の石油代替燃料として期待されている。また,CH4 をCO2 の存在のもとで触媒を介して熱分解させると,CH4 はCO(一酸化炭素)とH2 (水素)に変換されるが,COとH2 の合計の発熱量は,CH4 の発熱量以上のもの,即ち,1.38倍になる。そこで,遮熱型ガスエンジンの高温の排気ガスの熱エネルギを,CH4 の熱分解に利用して天然ガスを改質燃料に改質することによって,改質燃料の発熱を増加させ,エンジンの熱効率を向上させ,省資源にすると共に,CO2 の排出を抑制することができる。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この発明の目的は,上記の課題を解決することであり,天然ガスの主成分のCH4 ガスを改質するため,CH4 にCO2 を混合して触媒の助けによって排気ガスの熱エネルギを利用してCOとH2 とに改質する天然ガス改質装置を提供すると共に,天然ガス改質装置を排気マニホルドの直近の排気通路や排気マニホルドの集合管に設け,ガス燃料を改質燃料に変換する場合に使用するCO2 をエンジンが排出する排気ガスから分離膜を通じて確保し,排気ガス中のCO2 を改質に利用してCO2 の放出を低減すると共に,ガス燃料を改質燃料に変換することによって熱効率を向上させると共に,NOX の発生を低減した天然ガス改質装置を備えたガスエンジンを提供することである。
【0007】
この発明は,エンジンから排出された排気ガスが流れる排気ガスパイプ,前記排気ガスパイプ内に配置され且つ排気ガス通路を形成するハニカム又は通路孔を備えた多孔質から成る排気ガス通路体,前記排気ガスパイプの外側に配置され且つガス燃料供給源から供給されるCH4 を主成分とするガス燃料を供給する入口と排気ガスから分離したCO2 を供給する入口を持つガス燃料ケース,前記ガス燃料ケース内に配置され且つガス燃料通路を形成する多孔質セラミックスから成る多孔質部材,前記ガス燃料通路を形成する前記多孔質部材の表面に被覆され且つCH4 とCO2 とを排気ガスが有する熱エネルギによって熱分解させてCOとH2 の改質燃料に変換させる作用を有する触媒,及び前記ガス燃料ケースの外周に配置された断熱材,から成る天然ガス改質装置に関する。
【0008】
前記触媒は,Ni又はPtから成る。例えば,触媒がNiの場合には,1400〜1500℃のNiの蒸気を多孔質セラミックスから成る多孔質部材に流すことによって,多孔質部材のオープンポアの表面にNiを容易に蒸着することができる。また,前記断熱材は,SiC等のセラミック不織布から成る。
【0009】
更に,前記排気ガスパイプ,前記排気ガス通路体,前記ガス燃料ケース及び前記多孔質部材は,耐熱性で熱伝導率が大きいSi3 N4 又はSiCから成るセラミックスから構成され,場合によっては,一体構造に形成することができる。また,前記排気ガスパイプは,排気ガスが流れるハニカム構造の前記排気ガス通路体とガス燃料が流れる多孔質セラミックスの前記多孔質部材との隔壁を形成するものであり,緻密質のセラミック構造体に形成されている。
【0010】
この天然ガス改質装置では,排気ガスが流れるハニカムや通路孔を持つ構造に形成することによって前記排気ガス通路体の流路抵抗を小さく調整し,また,ガス燃料が流れる前記多孔質部材はCH4 に適正な改質時間を与えるように調整されており,天然ガス改質装置で熱分解以上の排気ガス熱エネルギを奪うことがないように調整されている。
【0011】
前記多孔質部材には,前記ガス燃料とCO2 が流入する側と前記改質燃料が流出する側とから多数の通穴が形成されている。更に,前記ガス燃料ケースに開口するCH4 を主成分とするガス燃料を供給する前記入口と排気ガスから分離したCO2 を供給する前記入口とは,前記ガス燃料と前記CO2 とが混合を促進するように互いに対向して形成されている。
【0012】
この天然ガス改質装置は,上記のように,前記排気ガス通路体がハニカム又は通路孔を備えた多孔質から構成されているので,排気ガスの流れに損失を与えることがなく,後流へ排出させることができる。また,前記多孔質部材は,壁面に触媒が被覆された多孔壁面に接触しつつガス燃料とCO2 との混合ガスが流れるので,ガス燃料とCO2 との流速が遅くなり,熱分解に十分な反応時間を確保できる。
【0013】
又は,この発明は,CH4 を主成分とする天然ガス燃料を収容した燃料タンク,前記燃料タンクから供給されるCH4 を燃焼室から排出される排気ガスの熱エネルギによって熱分解して改質燃料に変換させる排気通路に配置された請求項1に記載の前記天然ガス改質装置,前記改質燃料を前記燃焼室へ供給する改質燃料供給装置,前記天然ガス改質装置の後流の前記排気通路に設けられたターボチャージャ,前記ターボチャージャの後流の前記排気通路に設けられた熱交換器を備えたランキンサイクル,及び前記ランキンサイクルの後流の前記排気通路に設けられたCO2 分離膜によって前記排気ガスからCO2 を分離し且つCO2 を前記天然ガス改質装置のガス燃料ケースに供給するCO2 供給装置,から成る天然ガス改質装置を備えたガスエンジンに関する。
【0014】
また,前記CO2 分離膜は,アルミナ,シリカ,ゼオライト系の多孔質セラミックスから成る無機分離膜で構成されている。前記CO2 分離膜は,セラミックスに細かいオープン孔を形成した多孔体の膜から構成し,例えば,CO2 の分子径がN2 やO2 の分子径より小さいことを利用し,分子ふるい効果を利用して排気ガス中からCO2 を分離することができ,使用温度が350℃と高いため,本発明には有効に適用できる。
【0015】
また,CH4 の熱分解に寄与しなかったCO2 は,燃焼室へ改質燃料と共に供給される。前記燃焼室には,CH4 ,CO,H2 ,CO2 の混合ガスが前記燃焼室の副室に導入されるため,制御弁が開放して副室の混合ガスが,前記燃焼室の主室の圧縮空気と混合して燃焼する時,CO2 が存在することによるNOX の発生が抑制され,NOX の発生を100ppm以下に抑えることができる。
【0016】
前記ランキンサイクルは,前記排気通路に配置された前記第1熱交換器,前記第1熱交換器で発生した水蒸気によって駆動される蒸気タービン,前記蒸気タービンから排出された水蒸気を水に変換するコンデンサ,前記コンデンサからの水を水蒸気に変換し且つ該水蒸気を前記第1熱交換器に供給するため前記第1熱交換器の後流の前記排気通路に配置された第2熱交換器,から構成されている。
【0017】
この天然ガス改質装置を備えたガスエンジンは,上記の構成において,前記燃焼室をセラミック部材によって遮熱構造に構成すると,前記燃焼室から排出される排気ガスの温度は,例えば,前記触媒反応器では900℃〜800℃程度であってCH4 の熱分解に十分に寄与でき,次いで,前記ターボチャージャで回収されて150℃程度低下し,次いで,前記第1熱交換器で回収されて200℃程度低下し,最後に前記第2熱交換器で回収されて200℃程度低下する。従って,前記CO2 分離装置には,排気ガス温度を350℃〜250℃程度にまで低下させた排気ガスを供給することになり,前記CO2 分離装置において排気ガスからCO2 を良好に分離させることができる。前記CO2 分離膜は,セラミック多孔体であるので耐熱性に富み,しかも300℃程度で最も活性化して排気ガスからCO2 が良好に分離される。
【0018】
この天然ガス改質装置を備えたガスエンジンは,上記のように構成したので,天然ガスの主成分のCH4 にCO2 を混合して触媒の助けによって排気ガスの熱エネルギで熱分解させ,改質燃料COとH2 に変換させるので,発熱量を約3.8割程度アップさせることができ,エンジンの熱効率を向上させることができる。上記分解反応は,NiやPt等の触媒上にCH4 とCO2 の混合ガスを通し,約800℃以上に加熱すると,熱分解が発生する反応であり,CO2 は一酸化炭素へ分解し,CH4 はCOとH2 に分解する。また,燃焼室を遮熱構造に構成することによって,燃焼室からの排気ガスは高温状態となり,排気ガス温度800℃以上となり,上記熱分解の反応をスムースに達成させることができる。
【0019】
この天然ガス改質装置を備えたガスエンジンは,上記のように構成されているので,ディーゼルサイクルによるガスエンジンでの熱効率を42%とすると,発電機を備えたターボチャージャにより熱効率が約8%向上し,蒸気タービンにより熱効率が約5%向上し,更に,CH4 をCOとH2 に熱分解することにより発熱量が1.38倍となるので,CH4 の熱分解率を50%とすると,ガスエンジン全体で65.5%の熱効率を期待できる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下,図面を参照して,この発明による天然ガス改質装置及び該装置を備えたガスエンジンの実施例を説明する。まず,図1及び図2を参照して,この発明による天然ガス改質装置を説明する。図1はこの発明による天然ガス改質装置の一実施例を示す断面図,及び図2は図1の天然ガス改質装置の線A−Aにおける断面図である。
【0021】
この天然ガス改質装置は,概して,エンジン1(図3)から排出された排気ガスが流れる排気ガスパイプ50,排気ガスパイプ50の外側に配置され且つガス燃料供給源11(図3)から供給されるCH4 を主成分とするガス燃料とCO2 が流れるガス燃料ケース52,エンジン1の排気通路8に組み込むために排気ガスパイプ50の両端に設けられた取付部46,及びガス燃料ケース52の外周に配置されたケーシング54内に充填された断熱材55から構成されている。
【0022】
この天然ガス改質装置は,排気ガスパイプ50内に配置され且つ排気ガス通路44を形成するハニカム又は通路孔を備えた多孔質から成る排気ガス通路体51,ガス燃料ケース52内に配置され且つガス燃料通路45を形成する多孔質セラミックスから成る多孔質部材53,及びガス燃料通路45を形成する多孔質部材53の表面に被覆され且つCH4 とCO2 とを排気ガスが有する熱エネルギによって熱分解させてCOとH2 の改質燃料に変換させる作用を有する触媒33から構成されている。また,ガス燃料ケース52には,その上流側にCO2 通路22と天然ガス供給通路34とが接続され,下流側に改質燃料供給路9が接続されている。
【0023】
ガス燃料ケース52には,天然ガス燃料供給源から天然ガス供給通路34を通じて供給されるCH4 を主成分とするガス燃料を供給する入口と,排気ガスから分離したCO2 をCO2 通路22を通じて供給する入口が開口している。更に,図1に示すように,ガス燃料ケース52に開口するCH4 を主成分とするガス燃料を供給する前記入口と排気ガスから分離したCO2 を供給する前記入口とは,ガス燃料とCO2 とが混合を促進するように互いに対向して形成されている。また,ガス燃料ケース52内に設けられた多孔質部材53の上流には,分離ガスのCO2 と天然ガスのCH4 とが混合できる混合室47が形成されているので,多孔質部材53にはCO2 とCH4 との混合ガスが通過するようになる。
【0024】
この天然ガス改質装置において,触媒33は,Ni又はPtから成る。断熱材55は,耐熱性のSiC,Si3 N4 等のセラミック不織布及び断熱空気層から構成されている。更に,排気ガスパイプ50,排気ガス通路体51,ガス燃料ケース52及び多孔質部材53は,耐熱性で熱伝導率が大きいAlN等を含むSi3 N4 又はSiCから成るセラミックスから構成されている。
【0025】
この天然ガス改質装置において,排気ガスパイプ50は,排気ガス通路44とガス燃料通路45との隔壁を構成している。また,ガス燃料ケース52は,熱輻射板を形成している。多孔質部材53には,ガス燃料とCO2 が流入する側から穿孔された多数の通穴56と,改質燃料が流出する側から穿孔された多数の通穴57が形成されている。
【0026】
次に,図3,図4及び図5を参照して,この発明による天然ガス改質装置を備えたガスエンジンを説明する。図3はこの発明による天然ガス改質装置を備えたガスエンジンの一実施例を示す説明図,図4は図3のガスエンジンに組み込まれた発電機を備えたターボチャージャを示す説明図,及び図5は図3のガスエンジンに組み込まれた蒸気タービンを示す説明図である。
【0027】
この天然ガス改質装置を備えたガスエンジンは,CH4 を主成分とする天然ガスを燃料とし,例えば,コージェネレーションシステムに適用でき,燃焼室がシリンダに形成された主室1Aと,主室1Aに連絡口を通じて連通するシリンダヘッド30に形成した副室1Bとから副室式ガスエンジンに構成されている。ガスエンジン1は,燃焼室の主室1Aからの排気ガスを排出するため排気マニホルド39と,吸気通路10を通じて主室1Aへ吸気を供給するため吸気マニホルド40が設けられている。吸気通路10からの吸入空気は吸気マニホルド40を通じて主室1Aへ供給され,主室1Aからの排気ガスは排気マニホルド39から排気通路8へ排出される。副室1Bへ供給される天然ガスを改質した改質燃料は,燃料加圧ポンプ13の作動によって改質燃料供給路9を通じて副室1Bへ供給される。
【0028】
ガスエンジン1における燃焼室の主室1Aと副室1Bは,セラミック部材,遮熱層等によって遮熱構造に構成されている。副室1Bは制御弁31による連絡口の開放によって主室1Aに連通するように構成されている。主室1Aには,ターボチャージャ3のコンプレッサ16からの圧縮空気が吸気通路10を通じて供給され,副室1Bには,燃料弁32による燃料供給口の開放によって改質燃料供給路9から副室1Bへ改質燃料が供給される。
【0029】
ガスエンジン1は,主室1Aから排気通路8を通じて排出される排気ガスの熱エネルギによって天然ガスのCH4 をCO2 の存在によって改質燃料に変換する天然ガス改質装置2が排気通路8に設けられている。天然ガス改質装置2は,排気マニホルド39の付近の排気通路8に設けるか,場合によっては,排気マニホルド39の集合管に一体に設けることができる。天然ガス改質装置2の後流の排気通路8には,排気ガスで駆動されるターボチャージャ3が設けられている。ガスエンジン1は,天然ガス燃料を収容した燃料タンク11,改質燃料を燃焼室の副室1Bへ供給する改質燃料供給装置を構成する燃料加圧ポンプ13,ターボチャージャ3の後流に設けられたランキンサイクル,及びランキンサイクルの後流に設けられ且つ排気ガスからCO2 を分離するCO2 分離膜37と分離されたCO2 を天然ガス改質装置2に供給する供給ポンプ38とから成るCO2 供給装置7を有している。ランキンサイクルは,ターボチャージャ3の後流の排気通路8Aに設けられた第1熱交換器4,第1熱交換器4で発生した水蒸気によって駆動される蒸気タービン5,蒸気タービン5から排出された水蒸気を水に変換するコンデンサ14,及び第1熱交換器4の後流の排気通路8Bに配置され且つコンデンサ14からの水を水蒸気に変換する第2熱交換器6から構成されている。
【0030】
ガスエンジン1では,CO2 供給装置7から大気に放出される排気ガスは,CO2 が少なくN2 ガス等であるので,環境悪化となる大気汚染になることがない。天然ガス改質装置2は,排気マニホルド39の集合部に連通する排気通路8に配置されている。ガスエンジン1における主室1Aと副室1Bは,セラミック部材及び遮熱層によって遮熱構造に構成されているので,主室1Aから排気マニホルド39を通じて排出される排気ガスは約900℃〜800℃の高温ガスであり,CH4 を熱分解して改質するのに十分に高温である。
【0031】
主室1Aからの高温の排気ガスが天然ガス改質装置2の排気ガス通路を流れることによって,NiやPtの触媒33が充填されているガス体燃料通路が加熱される。そこで,約800℃以上の高温にされたガス体燃料通路を流れるCH4 とCO2 との混合ガスが触媒33に接触し,CH4 はCOとH2 に熱分解し,CO2 はCOに熱分解され,COとH2 との改質燃料に変換される。次いで,天然ガスが変換された改質燃料は,燃料加圧ポンプ13によって改質燃料供給路9を通じて吸気マニホルド40からそれぞれの気筒の副室1Bへ供給される。
【0032】
ガスエンジン1は,排気ガスの熱エネルギを天然ガス改質装置2で熱分解に作用させた後に,該熱エネルギをターボチャージャ3,第1熱交換器4及び第2熱交換器6によって回収するように構成されている。また,ターボチャージャ3の後流で且つ第1熱交換器4の上流側の排気通路8Aには,天然ガス改質装置2からの改質燃料を噴射する燃料ノズル24が設けられている。燃料ノズル24への改質燃料は,天然ガス改質装置2から補助燃料供給路23を通じて供給される。
【0033】
ターボチャージャ3は,図4に示すように,排気ガスによって駆動されるタービン15,タービン15にシャフト18によって連結され且つタービン15によって駆動されるコンプレッサ16,及びシャフト18に対して設けた交流機即ち発電機17から構成されている。コンプレッサ16は,タービン15によって駆動され,空気を加圧して圧縮空気とし,該圧縮空気を吸気通路10を通じて吸気マニホルド40からそれぞれの気筒の主室1Aへ供給する。発電機17は,タービン15の回転力を電力として取り出して排気ガスエネルギを電気エネルギとして回収することができる。
【0034】
第1熱交換器4は,第2熱交換器6で加熱された蒸気が流れる多孔質セラミック部材が配置された蒸気通路35と,蒸気通路35に配置された排気ガスが流れる多孔質セラミック部材が配置された排気ガス通路28とから構成されている。また,第2熱交換器6は,蒸気が流れる多孔質セラミック部材が配置された水を貯留できる水・蒸気通路36と,水・蒸気通路36の周りに配置され且つ第1熱交換器4からの排気ガスが流れる多孔質セラミック部材が配置された排気ガス通路29とから構成されている。
【0035】
蒸気タービン5は,図5に示すように,第1熱交換器4で発生した蒸気によって駆動されるタービン19,及びシャフト21に対して設けられた発電機20から構成されている。従って,蒸気エネルギはタービン19を駆動し,その回転力は発電機20によって電力として回収される。排気通路8Bに設けられた第2熱交換器6は,気相−液相熱交換器であり,排気ガスエネルギによって蒸気を発生させ,該蒸気は蒸気通路41を通じて第1熱交換器4へ送り込まれる。蒸気タービン5を駆動した蒸気は,低温蒸気(水分含有蒸気)との流体になって流体通路27を通ってコンデンサ14へ放出され,コンデンサ14で高温水となって水ポンプ12によって水通路26を通じて第2熱交換器6へ再び送り込まれる。また,第2熱交換器6を通過した排気ガスは,熱エネルギをほとんど回収された状態の低温の排気ガス(例えば,200℃程度)となってCO2 供給装置7へ送り込まれる。
【0036】
CO2 供給装置7は,例えば,低温排気ガスが流れる排気通路8Cに配置された複数のロッド状のCO2 分離膜37を収容したCO2 供給装置7から構成されている。排気通路8CからCO2 供給装置7に送り込まれた排気ガスは,CO2 分離膜37を通過したCO2 が排気ガス中から分離され,CO2 分離膜37を通過できないN2 ,O2 ,H2 O等はCO2 分離膜37を迂回して排気通路へ排出され,分離されたCO2 はCO2 供給ポンプ38の作動によってCO2 供給通路22を通じて天然ガス改質装置2に供給される。CO2 供給装置7に収容されたCO2 分離膜37は,アルミナ,シリカ,ゼオライト系多孔質セラミックスから成る分離膜で構成されたセラミック多孔体であり,一種の濾過膜であり,分子径の大きいN2 やO2 ,H2 O(水蒸気)を通過させることができず,分子径の小さいCO2 を通過させ,CO2 をCO2 吸引供給ポンプ38の作動によってCO2 供給通路22を通って天然ガス改質装置2へ送り込むことができる。
【0037】
CO2 供給装置7において,CO2 分離膜37を通過できなかったN2 ,H2 Oガス(水蒸気)は,排気通路8Dから大気へ排出される。排気通路8Dには,例えば,圧力調整弁42が設けられており,圧力調整弁42によって大気へ放出される排気ガスの圧力が調整され,CO2 供給装置7におけるCO2 分離膜37を通じてCO2 吸引供給ポンプ38によって取り込まれるCO2 の取込み量が調整されている。
【0038】
この天然ガス改質装置を備えたガスエンジンは,上記のように構成され,次のように作動する。制御弁31が閉鎖した状態で,吸気弁の開放によってターボチャージャ3のコンプレッサ16からの空気が吸気通路10を通じて吸気マニホルド40から主室1Aに供給される。主室1Aの空気は制御弁31の閉鎖状態で圧縮行程において圧縮される。一方,天然ガス燃料が燃料タンク11から天然ガス供給通路34を通じて天然ガス改質装置2へ供給され,天然ガスが改質燃料に変換されると共に,制御弁31が閉鎖した状態で燃料弁32が開放し,燃料加圧ポンプ13が作動し,天然ガス改質装置2から改質燃料が改質燃料供給路9を通じて副室1Bに供給される。圧縮行程上死点近傍で制御弁31が開放し,主室1Aの圧縮空気が副室1Bに流入し,改質燃料が圧縮空気と混合して着火燃焼し,膨張行程に移行してピストン43に仕事をする。
【0039】
排気行程において,主室1Aと副室1Bの排気ガスが排気通路8を通じて排出される。高温の排気ガスは天然ガス改質装置2を通る際に,その熱エネルギによって天然ガスを改質燃料に変換し,次いで,ターボチャージャ3へ送り出される。ターボチャージャ3では,タービン15を駆動し,その回転力は発電機17で電気エネルギに変換されると共に,コンプレッサ16を駆動する。発電機17で得られた電力は,バッテリに蓄電されたり,補機を駆動するのに消費される。また,コンプレッサ16は空気を吸気通路10を通じて燃焼室へ供給する機能を果たす。ターボチャージャ3のタービン15を通過して排気ガスは排気通路8Aと通じて第1熱交換器4へ送り込まれる。
【0040】
排気通路8Aには燃料ノズル24が設けられており,燃料ノズル24は,天然ガス改質装置2から補助燃料供給路23を通じて送り込まれた改質燃料の一部を排気通路8Aに噴射する。排気通路8Aを流れる排気ガスには多量のO2 が含まれているので,燃料ノズル24から噴射された改質燃料は着火燃焼し,排気ガスのエンタルピを増加させる。第1熱交換器4へ送り込まれた排気ガスは,排気ガス通路28を通過し,次いで,排気ガス8Bを通じて第2熱交換器6へ送り込まれる。排気ガスは,排気ガス通路28を通過する際に,第2熱交換器6から蒸気通路41を通って蒸気通路35に送り込まれた蒸気と熱交換して高温に加熱する。
【0041】
第1熱交換器4で高温に加熱された蒸気は,高温蒸気通路25を通って蒸気タービン5へ送り込まれ,タービン19を駆動する。タービン19の駆動によって発電機20が発電する。高温蒸気は蒸気タービン5を駆動した後,低温蒸気や水から成る流体に変換され,該流体は流体通路27を通じてコンデンサ14へ送られて水になり,その水は水ポンプ12の駆動によって水通路26を通じて第2熱交換器6の水・蒸気通路36へ送り込まれる。
【0042】
第1熱交換器4から第2熱交換器6へ送り込まれた排気ガスは,第2熱交換器6の排気ガス通路29を通じて排気通路8Cへ送り出される。排気ガスは,排気ガス通路29を通過する際,水・蒸気通路36を通る水を熱交換によって蒸気に変換する。排気通路8Cへ送り出された排気ガスは,天然ガス改質装置2,ターボチャージャ3,第1熱交換器4及び第2熱交換器6によって熱エネルギが回収されており,例えば,200℃程度にまで温度低下しているので,CO2 供給装置7に送り出してもCO2 分離膜37を損傷することがない。CO2 供給装置7に送り込まれた排気ガスは,CO2 分離膜37を通過することによって,排気ガスからCO2 が分離される。分離されたCO2 は,CO2 吸引供給ポンプ38の作動によってCO2 供給装置7からCO2 供給通路22を通って天然ガス改質装置2へ送り込まれる。CO2 分離膜37を通過することによりCO2 が分離され,CO2 が分離された排気ガスは,CO2 の含有量を低減されたN2 ,H2 O等から成り,排気通路8Dから大気へ放出される。
【0043】
【発明の効果】
この発明による天然ガス改質装置は,上記のように構成されているので,排気ガスの流れに損失を与えることなく,排気ガスがスムースに流れることができ,また,ガス燃料が流速が遅く触媒に接触してガス燃料の十分な熱分解反応時間を確保でき,天然ガスの主成分のCH4 がH2 とCOに良好に変換される。
【0044】
また,この発明による天然ガス改質装置を備えたガスエンジンは,上記のように構成されているので,天然ガスの主成分であるCH4 を,排気ガスから分離されたCO2 と混合し,該混合ガスを触媒に通して排気ガスの熱エネルギで約900〜800℃の高温状態で熱分解し,CH4 をCOとH2 に変換して発熱量をアップする。ガスエンジンから大気に放出される排気ガスは,CO2 が排除されているので,N2 やH2 Oガスであり,排気ガスが大気汚染の原因になることがなく,環境を悪化させることがない。排気ガスの熱エネルギは,CH4 の熱分解に寄与した後に,排気通路に設けたターボチャージャ,第1熱交換器及び第2熱交換器で回収される。即ち,ガスエンジンは,排気ガスの熱エネルギによってターボチャージャを駆動し,該ターボチャージャのタービンから排気される排気ガスで第1熱交換器及び第2熱交換器で蒸気を発生させ,該蒸気で蒸気タービンを駆動し,該蒸気タービンを駆動して発電機で電力として回収できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明による天然ガス改質装置の一実施例を示す断面図である。
【図2】図1の天然ガス改質装置の線A−Aにおける断面図である。
【図3】この発明による天然ガス改質装置を備えたガスエンジンの一実施例を示す説明図である。
【図4】図3のガスエンジンに組み込まれた発電機を備えたターボチャージャを示す説明図である。
【図5】図3のガスエンジンに組み込まれた蒸気タービンを示す説明図である。
【符号の説明】
1 ガスエンジン
2 天然ガス改質装置
3 ターボチャージャ
4 第1熱交換器
5 蒸気タービン
6 第2熱交換器
7 CO2 供給装置
8,8A,8B,8C,8D 排気通路
33 触媒
37 CO2 分離膜
44 排気ガス通路
45 ガス燃料通路
50 排気ガスパイプ
51 排気ガス通路体
52 ガス燃料ケース
53 多孔質部材
55 断熱材
56,57 通穴
Claims (9)
- エンジンから排出された排気ガスが流れる排気ガスパイプ,前記排気ガスパイプ内に配置され且つ排気ガス通路を形成するハニカム又は通路孔を備えた多孔質から成る排気ガス通路体,前記排気ガスパイプの外側に配置され且つガス燃料供給源から供給されるCH4 を主成分とするガス燃料を供給する入口と排気ガスから分離したCO2 を供給する入口を持つガス燃料ケース,前記ガス燃料ケース内に配置され且つガス燃料通路を形成する多孔質セラミックスから成る多孔質部材,前記ガス燃料通路を形成する前記多孔質部材の表面に被覆され且つCH4 とCO2 とを排気ガスが有する熱エネルギによって熱分解させてCOとH2 の改質燃料に変換させる作用を有する触媒,及び前記ガス燃料ケースの外周に配置された断熱材,から成る天然ガス改質装置。
- 前記触媒は,Ni又はPtから成る請求項1に記載の天然ガス改質装置。
- 前記断熱材は,セラミック不織布から成る請求項1に記載の天然ガス改質装置。
- 前記排気ガスパイプ,前記ガス通路体,前記ガス燃料ケース及び前記多孔質部材は,熱伝導率が大きいAlNを含む耐熱性のSi3 N4 又はSiCから成るセラミックスから構成されている請求項1に記載の天然ガス改質装置。
- 前記多孔質部材には,前記ガス燃料とCO2 が流入する側と前記改質燃料が流出する側とから多数の通穴が形成されている請求項1に記載の天然ガス改質装置。
- 前記ガス燃料ケースに開口するCH4 を主成分とするガス燃料を供給する前記入口と排気ガスから分離したCO2 を供給する前記入口とは,前記ガス燃料と前記CO2 とが混合を促進するように互いに対向して形成されている請求項1に記載の天然ガス改質装置。
- CH4 を主成分とする天然ガス燃料を収容した燃料タンク,前記燃料タンクから供給されるCH4 を燃焼室から排出される排気ガスの熱エネルギによって熱分解して改質燃料に変換させる排気通路に配置された請求項1に記載の前記天然ガス改質装置,前記改質燃料を前記燃焼室へ供給する改質燃料供給装置,前記天然ガス改質装置の後流の前記排気通路に設けられたターボチャージャ,前記ターボチャージャの後流の前記排気通路に設けられた熱交換器を備えたランキンサイクル,及び前記ランキンサイクルの後流の前記排気通路に設けられたCO2 分離膜によって前記排気ガスからCO2 を分離し且つCO2 を前記天然ガス改質装置のガス燃料ケースに供給するCO2 供給装置,から成る天然ガス改質装置を備えたガスエンジン。
- 前記ランキンサイクルは,前記排気通路に配置された前記第1熱交換器,前記第1熱交換器で発生した水蒸気によって駆動される蒸気タービン,前記蒸気タービンから排出された水蒸気を水に変換するコンデンサ,前記コンデンサからの水を水蒸気に変換し且つ該水蒸気を前記第1熱交換器に供給するため前記第1熱交換器の後流の前記排気通路に配置された第2熱交換器,から構成されている請求項6に記載の天然ガス改質装置を備えたガスエンジン。
- 前記CO2 分離膜は,アルミナ,シリカ,ゼオライト系の多孔質セラミックスから成る無機分離膜で構成されていることから成る請求項6に記載の天然ガス改質装置を備えたガスエンジン。
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