JP5525772B2

JP5525772B2 - バイオマス液体燃料の燃焼システム

Info

Publication number: JP5525772B2
Application number: JP2009171175A
Authority: JP
Inventors: 寿樹山▲崎▼; 嘉久清水; 幸政山村; 昭史中村; 英嗣清永; 俊介平野; 健作森田
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2009-07-22
Filing date: 2009-07-22
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2029-07-22
Also published as: JP2011026982A

Description

本発明は、発電所などにおけるバイオマス液体燃料を燃焼させるための燃焼システムに関する。

従来より、植物又はその廃材、家畜糞尿、生ゴミ、食品廃棄物などのバイオマスを原料としたバイオガスや、バイオマス由来の液体燃料を発電所における燃焼システムに利用する試みが行われている。このようなバイオマス燃料を用いる場合には、運転開始時などに、灯油や都市ガス等の化石燃料からなる補助燃料との混燃が必要となる。

例えば、特許文献１には、このような補助燃料とバイオマス由来の燃料とを混燃させる際に、熱効率が最適になるように燃料の混燃割合を制御可能な燃焼システムが記載されている。

特開２００４−１５６５０１号公報

ここで、バイオマス由来の液体燃料は、化石燃料に比べて粘度が高く、特に、温度が低下すると流動性が大幅に低下する。このため、発電システムの停止時に、バイオマス液体燃料の温度が低下すると、流動性の低下によって配管等に固着してしまい、バイオマス液体燃料の供給がスムーズに行われなくなるという問題があった。

本発明は、上記の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、発電所等における燃焼システムにおいて、停止時におけるバイオマス液体燃料の流動性の低下を防止することを目的とする。

本発明のバイオマス液体燃料の燃焼システムは、バイオマス液体燃料の燃焼システムであって、前記バイオマス液体燃料が貯蔵されたバイオマス液体燃料タンクと、当該バイオマス液体燃料タンクからバイオマス液体燃料供給配管を通してバイオマス液体燃料が供給され、当該供給されたバイオマス液体燃料を燃焼させるエンジンと、前記バイオマス液体燃料供給配管に設けられた調整弁と、前記バイオマス液体燃料供給配管の前記調整弁の上流側から分岐して前記バイオマス液体燃料タンクに到達するように設けられ、前記バイオマス液体燃料供給配管から前記バイオマス液体燃料タンクへと前記バイオマス液体燃料を循環させる循環配管と、前記循環配管に設けられたラインヒータと、を備えることを特徴とする。

上記の燃焼システムにおいて、バイオマス由来のバイオガスが貯蔵されたバイオガスタンクと、前記バイオガスタンクから前記エンジンに前記バイオガスが供給するバイオガス供給配管とを備え、前記エンジンは、前記バイオマス液体燃料と前記バイオガスとを混焼してもよい。

また、バイオマス由来のバイオガスが貯蔵されたバイオガスタンクと、前記バイオガスタンクから前記エンジンに前記バイオガスが供給するバイオガス供給配管とを備え、前記エンジンは、前記バイオマス液体燃料と前記バイオガスとを混焼してもよい。

また、前記エンジンにおいて前記バイオマス液体燃料供給配管から供給される燃料が余剰した場合に、当該余剰した燃料を前記バイオマス液体燃料供給配管の前記調整弁の下流側へ戻す、戻り配管を備えてもよい。
また、前記バイオマス液体燃料は、バイオマス由来のエマルジョンであってもよい。

本発明によれば、エンジンが駆動していない時でも、バイオマス液体燃料を循環配管を循環させるとともに、循環配管において加熱されるため、流動性が低下し、配管等に固着することを防止できる。

条件１〜４における発電効率を示すグラフである。条件２の乳化燃料を専焼させる際のポンプにおける燃料の温度とＮＯ_ｘの発生量、ＣＯの発生量、発電効率との関係を示すグラフである。条件２の乳化燃料を専焼させる際のノズル入口における燃料の温度と、ＮＯ_ｘの発生量、ＣＯの発生量、発電効率との関係を示すグラフである。条件５〜１０において、発電出力を１ｋＷ、２ｋＷ、３ｋＷとした場合のメタンガスの燃焼率を比較する図である。条件１１についての燃料噴射圧力を通常圧力とした場合と１０％増加した場合におけるＮＯ_ｘの発生量、ＣＯの発生量を比較するグラフである。条件１２についての燃料噴射圧力を通常圧力とした場合と１０％増加した場合におけるＮＯ_ｘの発生量、ＣＯの発生量を比較するグラフである。燃料噴射圧力を１０％増加させた状態で、燃料噴射タイミングを３°早めた場合と、６°早めた場合におけるＮＯ_ｘの発生量、ＣＯの発生量を示すグラフである。燃料噴射圧力を１０％増加させた状態で、燃料噴射タイミングを３°早めた場合と、６°早めた場合における発電効率及びバイオガスの燃焼率を示すグラフである。条件１３におけるＮＯ_Ｘの発生量、ＣＯの発生量、排ガス温度及び発電効率を示すグラフである。条件１４におけるＮＯ_Ｘの発生量、ＣＯの発生量、排ガス温度及び発電効率を示すグラフである。条件１５におけるＮＯ_Ｘの発生量、ＣＯの発生量、排ガス温度及び発電効率を示すグラフである。本実施形態の燃焼システムの構成を示す図である。

まず、発明者らは、バイオマス液体燃料と、バイオガスとの混焼が可能であることを、燃焼実験により確認したので説明する。
＜実験１＞
本実験では、デンヨー株式会社製の小型ディーゼル発電機ＤＡ−３５０６を用いて、燃料を以下の条件として、発電出力を１ｋＷ、２ｋＷ、３ｋＷとして燃焼実験を行った。また、この際、軽油及び乳化燃料を供給するポンプにおける温度を測定した。
条件１：軽油専焼
条件２：乳化燃料（バイオマス液体燃料）専焼
条件３：軽油／バイオガス（５０％）混焼
条件４：乳化燃料／バイオガス（５０％）混焼

なお、乳化燃料としては、廃食油を乳化させて得られた、含水率５％のエマルジョンを用いることとした。また、ガスとしては、メタンガス６０％と二酸化炭素４０％とを混合してなる、バイオガスと化学組成が近いガスを用いることとした。

図１は、条件１〜４における発電効率を示すグラフである。同図に示すように、乳化燃料とバイオガスとの混焼を行った場合であっても、軽油専焼の場合と同等の発電効率が得られることがわかる。また、発電効率は、高出力時（２ｋＷ，３ｋＷ）には、高く、低出力時（１ｋＷ）には低くなることがわかる。

また、図２は、条件２の乳化燃料を専焼させる際のポンプでの燃料の温度とＮＯ_ｘの発生量、ＣＯの発生量、及び発電効率との関係を示すグラフである。同図に示すように、ポンプでの燃料の温度が４０℃の場合には、発電効率が低く、また、ＣＯ発生量が多い。これに対し、ポンプでの燃料の温度が４８℃となると発電効率が向上し、ＣＯ発生量も低下する。このことから、乳化燃料（バイオマス液体燃料）は低温状態では十分な発電効率が得られないことがわかる。

また、図３は、条件２の乳化燃料を専焼させる際のノズル入口における燃料の温度と、ＮＯ_ｘの発生量、ＣＯの発生量、発電効率との関係を示すグラフである。同図に示すように、ノズル入口での燃料温度が８０℃を超えると、発電効率が低下し、ＮＯ_Ｘの発生量が増加する。このことから、ノズル入口での燃料の温度が８０℃を超えないようにすることが望ましいといえる。

＜実験２＞
次に、発明者らは、バイオガスの混焼率及び発電機の出力を検討するため、以下の条件５〜条件１０について実験１と同様の実験を行った。
条件５：軽油／バイオガス（混焼率３０％）
条件６：軽油／バイオガス（混焼率５０％）
条件７：軽油／バイオガス（混焼率７０％）
条件８：乳化燃料／バイオガス（混焼率３０％）
条件９：乳化燃料／バイオガス（混焼率５０％）
条件１０：乳化燃料／バイオガス（混焼率７０％）

実験中、条件１０において、３ｋＷ運転をすると燃料制御が不安定となり、また、ＣＯ濃度が２０００ｐｐｍを超える結果となった。このため、バイオガスの混焼率は５０％以下とすることが望ましいことがわかる。

また、図４は、条件５〜１０において、発電出力を１ｋＷ、２ｋＷ、３ｋＷとした場合のメタンガスの燃焼率を比較する図である。図４に示すように、ガス混焼時のメタンガスの燃焼率は、高出力時（２ｋＷ，３ｋＷ）には高く、低出力時（１ｋＷ）には低くなることがわかる。このため、バイオガスとの混焼を行う際には、高出力時に行うことが望ましいことがわかる。

＜実験３＞
次に、混焼時における燃料噴射圧力を検討するため、以下の条件について、燃料噴射圧力を通常圧力とした場合と１０％増加した場合とを比較した。
条件１１：乳化燃料（バイオマス液体燃料）専焼
条件１２：乳化燃料／バイオガス（５０％）混焼

図５及び図６は、燃料噴射圧力を通常圧力とした場合と１０％増加した場合におけるＮＯ_ｘの発生量、ＣＯの発生量を比較するグラフであり、図５は条件１１についての結果を、図６は、条件１２についての結果を示す図である。

図５に示すように、乳化燃料を専焼させる場合には、燃料噴射圧力を１０％増加させることにより、ＮＯ_ｘの発生量は増加、ＣＯの発生量が減少している。また、図６に示すように、乳化燃料とバイオガスを混焼する場合であっても、ＣＯの発生量が減少している。これにより、燃料噴射圧力を増加させることが望ましいことがわかる。

また、混焼時における燃料噴射タイミングを検討するため、燃料噴射圧力を１０％増加させた状態で、燃料噴射タイミングを３°早めた（ＴＤＣ前１７°）場合と、６°早めた（ＴＤＣ前２０°）場合についてＮＯ_ｘの発生量、ＣＯの発生量、発電効率、燃焼率について検討を行った。

図７は、燃料噴射タイミングを３°早めた場合と、６°早めた場合におけるＮＯ_ｘの発生量、ＣＯの発生量を示すグラフであり、図８は、発電効率及びバイオガスの燃焼率を示すグラフである。これらの図に示すように、混焼時において、燃料噴射タイミングを６°早めることにより、ＮＯ_ｘの発生量が増加、ＣＯの発生量が減少し、また、発電効率及びバイオガスの燃焼率を向上することができることがわかる。これにより、燃焼タイミングを６°早めた（ＴＤＣ前２０°）場合が最適であることがわかる。

＜実験４＞
さらに、上記の実験と同様に、デンヨー株式会社製の小型ディーゼル発電機ＤＡ−３５０６を用いて、以下に説明する条件で長期間の燃焼・発電実験を行った。
条件１３：軽油専焼
条件１４：乳化燃料（２５％）＋軽油（２５％）＋ガス（５０％）混焼
条件１５：乳化燃料（５０％）＋ガス（５０％）混焼

なお、燃料噴射圧力や燃料噴射タイミング等については、条件１３については標準設定とし、条件１４及び条件１５については、実験３により得られた最適調整条件（噴射圧力１０％上昇、タイミング進み６°）に設定した。
上記の条件１０〜１２について、累積運転時間が１００時間に到達するまで燃焼実験を行った。

図９〜図１１は、夫々条件１３〜１５におけるＮＯ_Ｘの発生量、ＣＯの発生量、排ガス温度及び発電効率を示すグラフである。同図に示すように、運転データは長時間（１００時間）運転をしても大幅な変動は生じていないことがわかる。また、条件１３に比べて条件１４及び条件１５は、ＣＯの発生量が増加しているものの、発電効率及びＮＯ_Ｘの発生量は略同等の値が得られた。

さらに、実験終了後、エンジンについて分解点検を行った。この結果、ノズルにはカーボン等の付着もなく、噴射性能の低下も見られなかった。また、その他、ピストンリング、シリンダ等にも異常は見られなかった。
以上の実験から、バイオマス由来の液体燃料と、バイオガスとの混焼が可能であるといえる。

上記の実験結果により、以下の事項が確認された。
（１）乳化燃料（バイオマス液体燃料）とバイオガスとの混焼でも、軽油専焼の場合と同様の発電効率が得られる。
（２）乳化燃料（バイオマス液体燃料）は低温状態では十分な発電効率が得られない。
（３）ノズル入口での燃料の温度が８０℃を超えないようにすることが望ましい。
（４）バイオガスの混焼率は５０％以下とすることが望ましい。
（５）バイオガスとの混焼を行う際には、高出力時に行うことが望ましい。
（６）燃料噴射圧力を増加させ、燃焼タイミングを早めることが望ましい。
（７）長時間の乳化燃料（バイオマス液体燃料）とバイオガスとの混焼も可能である。

上記の結果をふまえ、発明者らは、以下の燃焼システムを提案する。
図１２は、本実施形態の燃焼システム１０の構成を示す図である。同図に示すように、本実施形態の燃焼システム１０は、バイオガスと、石油等の化石液体燃料と、バイオマスが乳化されてなるバイオマス液体燃料と、を燃焼エンジン２０において、混燃するためのシステムである。

燃焼エンジン２０は通常のエンジンに比べて、燃料噴射圧力が高く、燃焼タイミングが早められている。
バイオガスは、メタン発酵又は超臨界ガスなどからなり、ガスタンク１１に貯蔵されている。ガスタンク１１と燃焼エンジン２０とを結ぶ供給路３１には、ガス供給ファン４８及び調整弁４０が設けられている。

化石液体燃料は、化石燃料タンク１２に貯蔵され、また、バイオマス液体燃料は、バイオマス燃料タンク１３に貯蔵されている。これら化石燃料タンク１２及びバイオマス燃料タンク１３と燃焼エンジン２０とを結ぶ供給路３２、３３には、夫々調整弁４１、４３と逆止弁４２、４４が設けられている。また、これら供給路３２、３３は逆止弁４２，４４の下流側において合流しており、これら供給路３２、３３が合流した合流供給路３４が燃焼エンジン２０に接続されている。燃焼エンジン２０内の合流供給路３４の供給口には燃料を噴射する燃料噴射ポンプ４７と燃料供給量を制御するためのガバナ４６が設けられており、燃料噴射弁からの余剰な燃料を合流供給路３４へと戻す循環配管３５が設けられている。なお、合流供給路３４では、化石液体燃料及びバイオマス液体燃料が混合されることとなるが、供給路３２、３３に逆止弁４２、４４が取り付けられているため、混合された燃料が供給路３２、３３へ逆流するのを防止される。
なお、これら調整弁４１、４３は制御端末５０と電気的に接続されており、制御端末５０により使用する液体燃料に応じて切換可能である。

バイオマス燃料タンク１３と燃焼エンジン２０とを結ぶ供給路の、調整弁４３の上流には常時、作動する循環ポンプ４５が設けられ、また、循環ポンプ４５と調整弁４３には、供給路３３から分岐してバイオマス燃料タンク１３に接続される循環配管３６が設けられている。循環配管３６にはラインヒータ６０が設けられており、このラインヒータ６０は循環配管３６内を流れる燃料を加熱する。なお、このラインヒータ６０は燃焼エンジン２０のノズルにおける液体燃料の温度が８０℃を超えないように制御可能である。

したがって、調整弁４３を閉止した状態であっても、バイオマス燃料タンク１３に貯蔵されたバイオマス液体燃料は、循環ポンプ４５により循環配管３６を循環し、その過程でラインヒータ６０により加熱されることとなる。これにより、バイオマス液体燃料は、循環により攪拌されながら、加熱されることとなり、流動性が低下することを防止できる。

以下、かかる燃焼システム１０により燃焼エンジン２０を駆動する方法を説明する。
燃焼エンジン２０を駆動する前の段階では、調整弁４３を閉止し、循環ポンプ４５をさせている。これにより、上記の通り、バイオマス燃料タンク１３に貯蔵されたバイオマス液体燃料は循環配管３６を循環し、ラインヒータ６０により加熱されるとともに攪拌される。このため、バイオマス液体燃料を構成する油分と水分とが分離することを防止でき、また、十分な流動性を確保できる。

燃焼システム１０の起動時には、まず、制御端末５０により調整弁４１を開放し、調整弁４３を閉鎖下状態で、燃焼エンジン２０を駆動する。そして、予め設定した出力になったときに調整弁４０を開放して、予め設定された所定量のバイオガスを供給するとともに、化石液体燃料を供給しながら燃焼エンジン２０を駆動する。このように化石燃料とバイオガスとを混燃させることにより、燃焼エンジン２０を安定して駆動させることができる。

燃焼システム１０を駆動した（高出力状態となった）後、制御端末５０により調整弁４１を閉止するとともに、調整弁４３を開放する。これにより、燃焼エンジン２０には、バイオマス液体燃料及びバイオガスが供給され、燃焼エンジン２０はこれら燃料を混焼することにより駆動することとなる。この際、上記のように、バイオマス液体燃料は循環配管３６を循環し、ラインヒータ６０により加熱されることで、分離を防止するとともに流動性が確保されるため、切り替え直後からスムーズな混焼を行うことができる。なお、混焼時における燃焼エンジン２０の燃料流量の制御は、ガバナ４６によりバイオマス液体燃料の供給量を制御することにより行えばよい。合流供給路３４を通して供給された燃料の余剰分は、再度、戻り配管３５を通して、合流供給路３４へと戻される。また、混焼時には、制御端末５０によりバイオガスの混焼率が５０パーセントを超えないように調整弁４０を制御する。

燃焼エンジン２０を停止させる際には、制御端末５０により調整弁４０、４３を閉鎖するとともに、調整弁４１を開放する。これにより、燃焼エンジン２０には化石液体燃料が供給されることとなる。これにより、循環配管などの内部にバイオマス液体燃料が残存し、固着することを防止できる。
このように化石液体燃料が供給された状態で、所定の時間、燃焼エンジン２０を駆動させた後、調整弁４１を閉止し、燃焼エンジン２０を停止させる。

燃焼エンジン２０の停止後は、制御端末５０により調整弁４３が閉止されることで、バイオマス燃料タンク１３に貯蔵されたバイオマス液体燃料は循環配管３６を循環し、ラインヒータ６０により加熱されるとともに攪拌される。これにより、バイオマス液体燃料を構成する油分と水分とが分離することを防止でき、また、流動性が低下することを防止し、配管内部に固着することを防止できる。
このように、燃焼システム２０によれば、バイオマス液体燃料と、バイオガスとの混焼によるエンジンの駆動を実現できる。

本実施形態によれば、バイオマス液体燃料を燃焼エンジンへ供給していない間は、バイオマス液体燃料を循環配管３６を循環させるとともに、ラインヒータ６０により加熱することにより、バイオマス液体燃料が攪拌及び加熱される。これにより、バイオマス由来のエマルジョンなどの液体燃料が分離するのを防止できるとともに、バイオマス液体燃料の流動性が低下し、配管等に固着するのを防止できる。

また、通常の燃焼システムでは、余剰の燃料は直接タンクへ戻しているが、合流供給路３４から供給された燃料の余剰分を、再度、合流供給路３４の逆止弁４２、４４の下流側に戻すこととしたため、化石燃料タンクやバイオマス燃料タンクへ、混合された燃料が戻ることを防止できる。

また、バイオマス燃料タンク又は供給路３３等につまりなどが生じた場合であっても、化石液体燃料とバイオガスとの混焼が可能である。

なお、本実施形態では、バイオマス由来の液体燃料としてエマルジョンを用いた場合について説明したが、これに限らず、エマルジョン以外の液体燃料も用いることができる。

１０燃焼システム１１ガスタンク
１２化石燃料タンク１３バイオマス燃料タンク
２０燃焼エンジン３１、３２、３３供給路
３４合流供給路３５戻り配管
３６循環配管４０、４１、４３調整弁
４２、４４逆止弁４５循環ポンプ
４６ガバナ５０制御端末
６０ラインヒータ

Claims

バイオマス液体燃料の燃焼システムであって、
前記バイオマス液体燃料が貯蔵されたバイオマス液体燃料タンクと、
当該バイオマス液体燃料タンクからバイオマス液体燃料供給配管を通してバイオマス液体燃料が供給され、当該供給されたバイオマス液体燃料を燃焼させるエンジンと、
前記バイオマス液体燃料供給配管に設けられた調整弁と、
前記バイオマス液体燃料供給配管の前記調整弁の上流側から分岐して前記バイオマス液体燃料タンクに到達するように設けられ、前記バイオマス液体燃料供給配管から前記バイオマス液体燃料タンクへと前記バイオマス液体燃料を循環させる循環配管と、
前記循環配管に設けられたラインヒータと、を備え、
前記ラインヒータは、前記エンジンに供給される前記バイオマス液体燃料の温度が４８℃以上であって８０℃を超えないように加熱することを特徴とするバイオマス液体燃料の燃焼システム。
請求項１記載の燃焼システムであって、
バイオマス由来のバイオガスが貯蔵されたバイオガスタンクと、
前記バイオガスタンクから前記エンジンに前記バイオガスが供給するバイオガス供給配管とを備え、
前記エンジンは、前記バイオマス液体燃料と前記バイオガスとを混焼することを特徴とするバイオマス液体燃料の燃焼システム。
請求項１又は２記載の燃焼システムであって、
化石液体燃料の貯蔵された化石液体燃料タンクと、
前記化石液体燃料タンクから前記バイオマス液体燃料供給配管の前記調整弁の下流側に合流する化石液体燃料供給配管とを備えることを特徴とする燃焼システム。
請求項３に記載の燃焼システムであって、
前記エンジンにおいて前記バイオマス液体燃料供給配管から供給される燃料が余剰した場合に、当該余剰した燃料を前記バイオマス液体燃料供給配管の前記調整弁の下流側へ戻す、戻り配管を備えることを特徴と燃焼システム。
請求項１から４のうち何れか１項に記載の燃焼システムであって、
前記バイオマス液体燃料は、バイオマス由来のエマルジョンであることを特徴とする燃焼システム。