JP5964620B2 - ガスタービン発電装置 - Google Patents

Description

本願発明は、木材チップを燃料とする熱電変換効率に優れた内燃型ガスタービン発電装置に関するものである。

本願発明者は長年に亘り、再生可能な木材バイオマスを燃料とする熱電変換効率が高く経済性に優れた外燃機関発電装置の研究に従事し各種の技術を提供してきたところであるが、このような技術に係る装置は、未だ装置全体の構成の簡素化が十分でなくしたがって低価格化も不十分であり、さらなる普及を図るにはバイオマスを燃料とする発電装置類のさらなる経済性追求が必要となっている。
このような見地において、発明者は新規技術を、特願２０１１−０８６９６４号、特願２０１１−２６７６２９号において開示したところである。

本願に関連する技術文献として以下のものがある。
特願２０１１−０８６９６４号 特願２０１１−２６７６２９号

木質バイオマスの燃料としての諸性能は石油、石炭などの化石燃料に比較して劣ることから、今日では燃料としての使用は誠に微々たるものがある。木質バイオマスが化石燃料に比べてもっとも劣る点のとして、例えば、重量比単位の発熱量の低いこと、あるいは高温燃焼時における灰の釉薬化現象が挙げられている。 このような問題の解消を目指して本願発明者は前記のような特願２０１１−２６７６２９号開示の技術を提案した。 しかしながら、このような新技術によってもなお、問題点の解決には装置のイニシャルコストが高いこと等が隘路となり不十分な点が種々存在する。

そこで、本願発明者は、原点に立ち返って木質バイオマスを見直したところ、従来はバイオマスと化石燃料との根本的相違を看過ないしは十分認識していない嫌いがあることに思い至ったのである。 すなわち、その根本的相違とはバイオマスは水分を多量に保持した唯一の燃料であると言うことである。 そして、重量比単位の発熱量の低さもバイオマスが保有する水分の蒸発に熱量が費消される結果である。

バイオマスにおいて、単位重量比に占める水分含有率はものにより５−９５％までと広範囲に分布している。通常木材は乾季に伐採して乾季終了直前まで放置して乾燥させた後、チップ加工し、このチップが木質系バイオマスとして市場に流通し、発電や暖房用の燃料として使用されている。この時の取引は重量当たりの値段であり、水分含有率も３０−４０％以下と定義されていて発熱量もその含水率の気化潜熱量を換算補正した値を使用するほど変動幅が大きいのである。

つまり、重量にその含水率が分母側に広範囲、高効率で加わる状態の唯一の燃料ということができる。 しかも、石油等のように精製して製品化するほどの加工利得も本来存在していない。 また、高温燃焼させた場合の、灰の釉薬化現象も必要以上の高温度酸素供給燃焼に起因するものである。 低温高含水率のバイオマス燃料から、高効率に熱トルク変換を行う技術に関しては、本願発明者が上記特願で提供したところである。 しかしながら、このような新規技術にあっても、低い発熱量と高い含水率を併せ持つバイオマス燃料による発電単価は在来化石燃料による発電単価の低さには到底及ばないのである。
このような観点から、バイオマス燃料による発電技術にはさらなる進歩が必要とされるのである。

本願発明は、バイオマスの燃焼ガスとバイオマスからの蒸発蒸気を噴出してタービンを駆動させて発電するタービン発電装置であって、投入されるバイオマスチップが均等に散布できるように回転可能な回転燃焼炉と、この回転燃焼炉に設置されて空気を加熱しつつ上方へ送る空気加熱筒と、回転燃焼炉と空気加熱筒との上方に位置するタービンと、タービンの下方に位置して燃焼ガス等の駆動流体をタービンに送給するためのガス噴出手段と、前記各構成要素を収納する加圧炉本体部と、前記回転燃焼炉へ加圧空気を送給する空気圧縮機と、タービンにより駆動される発電電動機と、前記回転燃焼炉に含水率の異なるバイオマスチップを時宜に応じて供給するための複数のバイオマスチップ投入手段と、装置のスタート時に発電電動機を回転駆動させるためのバッテリーと、を具えてなるガスタービン発電装置を提供して、上記従来の課題を解決しようとするものである。

また、上記段落０００８のガスタービン発電装置において、前記回転燃焼炉の上方の装置本体部の内壁には第１空気反転部を周設して２次燃焼エリアを設けて回転燃焼炉の外周壁を上昇しつつ加熱された空気と回転燃焼炉におけるバイオマスチップの１次燃焼により発生上昇する燃焼ガスとを混合して２次燃焼させ、さらに前記空気加熱筒の頂部に第２空気反転部を設けて空気加熱筒内部から放出される加熱空気と２次燃焼後にさらに上昇する燃焼ガスとを混合して３次燃焼させる構成となすことがある。

さらに、上記段落０００９のガスタービン発電装置において、駆動流体のガス噴出手段は複数のガスノズルを有するノズルホルダーで構成することがある。

また、上記段落００１０のガスタービン発電装置において、前記ノズルホルダーはタービンに対向した円盤体で形成し、ガスノズルは該円盤体の端縁部に周設する構成となすことがある。

さらにまた、上記段落００１１のガスタービン発電装置において、ノズル口近傍にはノズル口からの噴出流体の温度調節手段を設けて流体温度が所定値を超えないように調整して高温によるタービンブレード等の損傷を防止するように構成することがある。

また、上記段落００１２のガスタービン発電装置において、前記温度調節手段は円盤体であるノズルホルダーの周縁にガスノズルと交互に複数設置されていて取り込み空気量調節可能な外気取り入れ口と取り込まれた空気の流通溝を具えて、ノズルから噴出される駆動流体の温度を所定値以下に抑制する構成となすことがある。

さらに、上記段落００１３のガスタービン発電装置において、空気加熱筒の頂部の第２空気反転部とノズルホルダーとの間には吸熱装置を介装し、この吸熱装置は周縁にワイヤーブラシを連設して回転可能な吸熱円盤とこの吸熱円盤上に装置本体部外から水を供給する
スプレーとを具えて、加圧炉本体部ならびにノズルから噴出される駆動流体の温度を所定値以下に抑制する構成となすことがある。

また、上記段落０００８ないし００１４いずれかのガスタービン発電装置において、前記回転燃焼炉ならびに前記空気加熱筒の下部壁には通気口を多数周設し、さらに前記空気加熱筒の上部壁にも通気口を多数周設する構成となすことがある。

本願発明は、上記の構成によりバイオマス燃料、特に未加工に近い木材チップを燃料として使用しタービンの駆動流体を生成して、低温、低圧の状態でタービンブレードに噴出させることが可能となり、タービン等の耐久性が著しく向上し、装置全体の製造コスト、ランニングコストの低減を実現することができる。また、バイオマス燃料を３次に亘り燃焼させる構成としたため、排気ガスの無煤化も容易に実現することができる。

図面に従って実施例を説明する。 図１は本願発明に係るガスタービン発電装置Ｇの１実施例の全体構成を示す一部断面図であり、図において、１は投入されるバイオマスチップが均等に散布できるように回転可能な回転燃焼炉、２はこの回転燃焼炉に設置されて空気を加熱しつつ上方へ送る空気加熱筒、３は前記回転燃焼炉１と前記空気加熱筒２との上方に位置するガスタービン、４はガスタービン３の下方に位置して燃焼ガス等の駆動流体をガスタービン３に送給するためのガス噴出手段である。 また、５は回転燃焼炉１を始めとする前記各構成要素を収納する圧力炉本体部である。

６は前記回転燃焼炉１へ加圧空気を送給する空気圧縮機であり、高圧空気はパイプ７により圧力炉本体部５に圧送される。１８は回転燃焼炉１にバイオマスチップを供給するバイオマスチップ投入手段であり、図示では１個であるが、前記回転燃焼炉１に時宜に応じて含水率の異なるバイオマスチップを供給して炉内の燃焼温度を所定値に抑制するために複数のバイオマスチップ投入手段１８が設置される。

ガスタービン３は、回転軸３aを始めとする回転伝達機構（不図示）を介して、前記空気圧縮機６や図１では示されていない後述の発電電動機を駆動するようになっている。
なお、ガスタービン発電装置Ｇの起動時、すなわちバイオマスチップの燃焼スタート時は燃焼ガスの発生が不十分でありガスタービン３を回転させることが困難であり、したがって前記空気圧縮機６は起動しない。 このため、発電電動機を駆動して前記空気圧縮機６により高圧空気を前記回転燃焼炉１へ供給するためにバッテリー（不図示）を具えている。

また、図１に示す圧力炉本体部５において、前記回転燃焼炉１の上方の圧力炉本体部５の内壁には第１空気反転部として中心の開口部分に向かって下降する斜辺部８を周設して２次燃焼エリアを形成して前記回転燃焼炉１の外周壁を上昇しつつ加熱された空気と回転燃焼炉１におけるバイオマスチップの１次燃焼により発生上昇する燃焼ガスとを混合して２次燃焼させ、さらに前記空気加熱筒２の頂部に第２空気反転部としての傘体９を固着して空気加熱筒２内部から放出される加熱空気と２次燃焼後にさらに上昇する燃焼ガスとを混合して３次燃焼させるように構成されている。 後述のように、バイオマスチップを３次にわたり加重的に燃焼させることにより排気ガスは無煤化されることになる。

なお、図１に示すように回転燃焼炉１の下部には多数の貫通空気孔１aが形成され、空気加熱筒２もその上部ならびに下部に貫通空気孔２aを多数有している。 また、回転燃焼炉１ならびに空気加熱筒２は回転駆動機構１ｂにより回転可能になっている。 回転燃焼炉１を回転させることにより投入されたバイオマスチップが炉内で均等な散布が可能になる。

図１に示す実施例で、駆動流体のガス噴出手段４は複数のガスノズルを有するノズルホルダーで構成されているが、このノズルホルダー４はタービン３に対向した円盤体で形成し、後述のようにガスノズルは該円盤体の端縁部に周設されている。 ノズルホルダー４を構成する円盤体は後述のノズル口４１が開口する円周端近傍から中心部に向けて下降する斜面状に形成されている。 そして、前記ノズル口４１の位置から円周端に向けて下降斜面となっていて、円周端は圧力炉本体部５の内壁に密着固定されている。

図２は、ガスタービン３、前記空気圧縮機６、発電電動機１９の関連構成を示す、一部切欠平面図である。 周設されたタービンブレード３aに前記ノズル口４１から燃焼ガスなどの駆動流体が噴出されて、ガスタービン３が回転する。ガスタービン３の回転はチェーン３１などの伝達機構を介して空気圧縮機６、発電電動機１９に伝達され、それぞれを回転させるようになっている。

図３は、複数のガスノズルを有する前記ノズルホルダー４の一部切欠平面図である。 前述したように円盤状のノズルホルダー４の円周端近傍には丘状に突出しノズル口４１を有するガスノズル４２とノズル口４１からの噴出流体の温度調節手段４３が交互に周設されている。 図４，図５は、それぞれ図３におけるＡ−Ａ線ならびにＢ−Ｂ線の断面図である。 図４に示すように圧力炉本体部５内を上昇してきた駆動流体としての燃焼ガスやバイオマスチップから発生した蒸気などの混合ガス体がノズル口４１から噴出されて、前述したタービンブレード３aを介してタービン３を回転させる。

図３、図５ならびに図６に示すように、各温度調節手段４３は各ガスノズル４２の間に形成されていて、各ガスノズル４２間の谷部として形成される空気の流通溝と図５に示すように空気流通溝（谷部）に対向して形成された取り込み空気量調節可能な外気取り入れ口４３aとにより構成されている。取り込み空気量の調節は周知のスライドシャッターによる外気取り入れ口４３aの開口量の調節による。 なお、外気の取り込みは、温度センサーの温度検知に基づいてマイクロコンピュータによりスライドシャッターの駆動装置（不図示）をコントロールして実行するように構成する。

図７は、本願発明の他の実施例を示す要部断面図である。 この実施例では、圧力炉本体部５内において、空気加熱筒２の頂部の第２空気反転部としての傘体９と前記ノズルホルダー４との間に吸熱装置１０が設置されている。この吸熱装置１０は、互いに交差する吸熱円盤１１、１１ならびにこの吸熱円盤１１，１１に散水するスプレー１２とからなっている。圧力炉本体部５内をノズルホルダー４方向に上昇する燃焼ガスの温度が高温になりすぎてタービンや圧力炉本体部を損傷するおそれのある場合、スプレー１２から吸熱円盤１１上に散水して上昇する燃焼ガスを冷却する。 なお、図７に示すように吸熱円盤１１，１１の円周端にはワイヤーブラシ１３が周設されて圧力炉本体部５内壁に接触している。
前述のように回転燃焼炉１とともに回転可能な空気加熱筒２の回転に伴い吸熱円盤１１も回転して、その際、前記ワイヤーブラシ１３は圧力炉本体部５内壁上を摺動しつつスプレー１２から供給された水を内壁に散布して内壁を冷却する。

次に、上記実施例に係るガスタービン発電装置の運転方法を説明する。 回転燃焼炉１を電動機を駆動源としてバッテリーにより回転駆動機構１ｂを介して回転させるのに併せてバイオマスチップ投入手段から木材チップを投入し、それらを均等に散布しつつ、圧力炉本体部５における着火口（不図示）から点火した着火材を投入して木材チップに点火する。

この時点で、高速運転は圧力炉本体部５全体が低温であるため、無煙、無煤燃焼に必要な高温空気が作れない状態にあるため、一次燃焼のみ（回転燃焼炉１内での木材チップの燃焼）で、しばらく運転を継続せざるを得ない。 これは、正常運転時のおよそ１０％程度の運転速度ならびに圧力の状態を数分間維持する。

炎の状態と排気温度数値を勘案しつつ徐々に運転速度を上げてゆき、正常運転速度の手前でガスタービンが回転して発電が開始する。 なお、発電の開始までバッテリーからの電流により発電電動機９が起動し空気圧縮機６がスタートし高圧空気が圧力炉本体部５内に供給され、木材チップの燃焼等が本格的に始まる。

一定速度、一定回転、一定出力で装置を運転するためには複数個所から複数の含水率値を有する木材チップを燃焼させることが必要である。 なぜならば、あるバイオマスチップ投入手段が空になればその運転を停止して補充する必要が生じる。しかしながら、バイオマスの補充時に炉内の火力が下がり、場合によっては発電機の停止も想定されるからである。 投入手段が複数あれば、交互に運転してこのような事態を回避できるばかりか、火力の変動に対して水分率の高いバイオマスは火力の上がり過ぎた時に投入量を多くし、火力の下がり過ぎの場合には水分の少ないバイオマスを多く投入することが可能になり、安定的な発電が確保できる。

それでも、燃焼火力とガス気体体積比で、本願装置の想定温度を超える場合、タービンブレード等が溶解する惧れがある。 この状態を調節するために、前記したようにノズルに隣接して温度調節手段をノズルと交互に配設して、これによりノズル口から噴出する駆動流体の温度を所定値以下に抑制する。 前述のように、温度調節手段の制御は、排気煙突（不図示）に取り付けた温度計とノズルホルダーに設置した温度計の数値を基にマイコンにより実行する。

本願発明は、高水分率（含水率５０−７０％）のバイオマス燃料でも、無煤燃焼させて公害を防止するだけでなく、含有炭素に完全酸化現象を生起し、酸化熱として取り出す趣旨も有している。 そのためには、酸化燃焼現象を複数段に分けてその都度、高温に加熱された新鮮な酸素を含んだ空気と燃焼ガスの混合攪拌される空間とその流れにより酸化反応イが完全に終わるまでの時間が必要である。

すなわち、空気圧縮機６で加圧された加圧炉本体部５に吹き込まれた空気の一部は回転燃焼炉１の下部の空気孔１aから内部のバイオマスの隙間に流れ込み、高温度の火種と反応して燃焼する。 この時発生する木炭ガスや蒸発する蒸気妨げられて、多くの炭素分子は未反応のまま気体膨脹作用を受けて上昇する。 これはすなわち、黒く、白い多くの煙を持つ排気ガスなのである。 このような煙を無色透明にするには、２次燃焼、３次燃焼が必要となる。

しかしながら、限られた空間である加圧炉本体部５で適正に３次燃焼まで行うのは容易ではない。 そこで種々研究の結果、本願発明では、１次燃焼（回転燃焼炉１内での燃焼）燃焼に供給する空気と同一同時に２次燃焼用空気、３次燃焼用空気を加圧炉本体部５の所定箇所に供給するようにしている。 すなわち、図１に示すように、パイプ７から加圧炉本体部５に供給された高圧空気の一部は回転燃焼炉１の外壁に沿って加熱されながら矢符のように上昇する。 この上昇した加熱空気は回転燃焼炉１から上昇した燃焼ガスと斜辺部８に遮られるような状態で、斜辺部８の近傍で混合して２次燃焼が発生する。

また、空気加熱筒２内を回転燃焼炉１内の１次燃焼により加熱されながら矢符のように上昇する空気は傘体９により遮られ空気孔２aから噴出し、前記２次燃焼終了ガスと傘体９の周端近傍で再び遭遇して３次燃焼が発生する。 このようにして、ほぼ完全に近い状態でバイオマスの燃焼反応が完結する。

ところで、上記実施例に係るガスタービン発電装置の実試験運転を行ったところ、想定と異なり加圧炉本体部５内の燃焼ガスの温度の上昇が大きく、目的の摂氏８００度程度に燃焼ガスを調整制御するのが難しい事が判明した。 回転燃焼炉１内への投入バイオマスチップの水分率を極限値まで高くしても、回転燃焼炉内１の燃焼熱でたちまちに蒸発乾燥してしまい、燃焼ガス温度は摂氏１３００度を超えてしまうのである。

この現象により、発熱燃焼反応時（酸素と気化発生本炭ガスの酸化時点）の温度とその後の発熱気体ガスの温度制御を別々に行う必要が生まれたのである。
回転燃焼炉１とその燃焼継続行程エリア（１次燃焼エリアとその上部２次燃焼エリア、３次燃焼エリア）は高温度の摂氏１３００度程度に保特し、その後に前記吸熱円盤１１上にスプレーで水を噴霧しその気化熱で燃焼ガスの温度を下げる、又加圧炉本体部５の内壁の高温化も防ぐ目的でスプレー水を側壁に塗りつけるワイヤーブラシを吸熱円盤の周端に設置して温度降下と蒸発蒸気の増量を図るようにしている。
この結果、タービンブレードを通過する混合気体（燃焼ガスと蒸発蒸気）の温度は摂氏８００度以下にコントロールできるようになった。

前述のように、加圧炉本体部５内で１−３次燃焼を経た気体（排気ガス、燃焼ガス）の温度は１２００度を優に越し、夕一ビンブレードを溶解してしまう。
そしてこの高温は加圧炉本体部５（図１，７参照）までも老化させることになる。そこで前記のように、吸熱装置１０により少量の水をスプレーで加圧炉本体部５側壁（図７参照）にはけで塗るように塗布するように構成した。

スプレー水（図７参照）は、前記吸熱円盤１１上を勢い良く流れてその一部は蒸発するが、その余は中心部に満たされてあふれ、下段の吸熱円盤１１面に至り、更に一部は蒸発し下段の吸熱円盤１１端のワイヤーブラシにより加圧炉本体部５の内面にスプレー水を塗布することになる。 そして、この水は蒸発して炉体を冷やし、蒸発した蒸気は三次燃焼後のガスと混合し、上下の吸熱円盤の通気穴を通り適正な温度（摂氏８００度）を維持してタービンブレードに向かうことになる。

本願発明に係るガスタービン発電装置Ｇの１実施例の全体構成を示す一部断面図である。 ガスタービン３、前記空気圧縮機６、発電電動機９の関連構成を示す、一部切欠平面図である。 複数のガスノズルを有する前記ノズルホルダー４の一部切欠平面図である。 図３におけるＡ−Ａ線の断面図である。 図３におけるB−B線の断面図である。 ノズルホルダー４の円周端近傍の一部切欠平面図である。 本願発明の他の実施例を示す要部断面図である。

１．．．．．．．．．．． 回転燃焼炉
２．．．．．．．．．．． 空気加熱筒
３．．．．．．．．．．． ガスタービン
３a．．．．．．．．．． タービンブレード
４．．．．．．．．．．． ノズルホルダー（駆動流体のガス噴出手段）
５．．．．．．．．．．． 圧力炉本体部
６．．．．．．．．．．． 空気圧縮機
７．．．．．．．．．．． パイプ
８．．．．．．．．．． 斜辺部（第１空気反転部）
９．．．．．．．．．．． 傘体（第２空気反転部）
１９．．．．．．．．．． 発電電動機
１０．．．．．．．．．．．吸熱装置
１１．．．．．．．．．．．吸熱円盤

Claims (7)

1. バイオマスの燃焼ガスとバイオマスからの蒸発蒸気を噴出してタービンを駆動させて発電するタービン発電装置であって、投入されるバイオマスチップが均等に散布できるように回転可能な回転燃焼炉と、この回転燃焼炉に設置されて空気を加熱しつつ上方へ送る空気加熱筒と、回転燃焼炉と空気加熱筒との上方に位置するタービンと、タービンの下方に位置して燃焼ガス等の駆動流体をタービンに送給するためのガス噴出手段と、前記各構成要素を収納する圧力炉本体部と、前記回転燃焼炉へ加圧空気を送給する空気圧縮機と、タービンにより駆動される発電電動機と、前記回転燃焼炉に含水率の異なるバイオマスチップを時宜に応じて供給するための複数のバイオマスチップ投入手段と、装置のスタート時に発電電動機を回転駆動させるためのバッテリーと、点火手段としての着火口と、を具えてなり、前記回転燃焼炉の上方の圧力炉本体部の内壁には第１空気反転部を周設して２次燃焼エリアを設けて回転燃焼炉の外周壁を上昇しつつ加熱された空気と回転燃焼炉におけるバイオマスチップの１次燃焼により発生上昇する燃焼ガスとを混合して２次燃焼させ、さらに前記空気加熱筒の頂部に第２空気反転部を設けて空気加熱筒内部から放出される加熱空気と２次燃焼後にさらに上昇する燃焼ガスとを混合して３次燃焼させる構成としたことを特徴とするガスタービン発電装置。
2. 請求項１記載のガスタービン発電装置において、駆動流体のガス噴出手段は複数のガスノズルを有するノズルホルダーで構成したことを特徴とするガスタービン発電装置。
3. 請求項２記載のガスタービン発電装置において、前記ノズルホルダーはタービンに対向した円盤体で形成し、ガスノズルは該円盤体の端縁部に周設したことを特徴とするガスタービン発電装置。
4. 請求項３記載のガスタービン発電装置において、ノズル口近傍にはノズル口からの噴出流体の温度調節手段を設けて流体温度が所定値を超えないように調整して高温によるタービンブレード等の損傷を防止するようにしたことを特徴とするガスタービン発電装置。
5. 請求項４記載のガスタービン発電装置において、前記温度調節手段は円盤体であるノズルホルダーの周縁にガスノズルと交互に複数設置されていて取り込み空気量調節可能な外気取り入れ口と取り込まれた空気の流通溝を具えたことを特徴とするガスタービン発電装置。
6. 請求項５記載のガスタービン発電装置において、空気加熱筒の頂部の第２空気反転部とノズルホルダーとの間には吸熱装置を介装し、この吸熱装置は周縁にワイヤーブラシを連設して回転可能な吸熱円盤とこの吸熱円盤上に装置本体部外から水を供給するスプレーとを具えてなることを特徴とするガスタービン発電装置。
7. 請求項１ないし請求項６いずれか記載のガスタービン発電装置において、前記回転燃焼炉ならびに前記空気加熱筒の下部壁には通気口を多数周設し、さらに前記空気加熱筒の上部壁にも通気口を多数周設する構成としたことを特徴とするガスタービン発電装置。

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