| 【発明の名称】 |
ガス化炉発電装置制御システム |
| 【発明者】 |
【氏名】中野 吉信
【氏名】堀尾 敏幸
|
| 【要約】 |
【課題】小型ガス化焼却炉において、スターリングエンジン発電機を用いたガス化炉発電装置を安定的にかつ安全に発電させること。
【解決手段】一次炉及び二次炉を備えたガス化炉のうち、二次炉に設けられガス化炉の排熱により作動するスターリングエンジン発電機２２、２５を備えるガス化炉発電装置において、ガス化炉の排ガス温度に応じてガス化炉への空気供給量を制御することによって排ガス温度を所定の値に調整する。また、ガス化炉の酸素濃度に応じて二次炉への空気供給量を制御することによって発電出力を所定の値に調整する。また、排ガスから熱量を吸収し二次炉へ供給する燃焼用空気を暖める空気予熱器１８を設ける。また、二次炉を加熱する補助加熱器２０により一次炉が乾溜ガスを発生する前に二次炉を昇温させる。また、エンジン起動時にはバッテリー２６から電力を受けてスターリングエンジン発電機を加熱するエンジン起動用加熱器２１を作動させる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ガス化炉に設けられガス化炉の排熱により作動するスターリングエンジン発電機を備えるガス化炉発電装置において、ガス化炉の排ガス温度を測定し、この排ガス温度に応じてガス化炉への空気供給量を制御することによって排ガス温度を所定の値に調整することを特徴とするガス化炉発電装置制御システム。
【請求項２】 一次炉及び二次炉を備えたガス化炉のうち、二次炉に設けられガス化炉の排熱により作動するスターリングエンジン発電機を備えるガス化炉発電装置において、ガス化炉の排ガス温度を測定し、この排ガス温度に応じて一次炉への空気供給量を制御することによって排ガス温度を所定の値に調整し、ガス化炉の酸素濃度を測定し、この酸素濃度に応じて二次炉への空気供給量を制御することによって発電出力を所定の値に調整することを特徴とするガス化炉発電装置制御システム。
【請求項３】 一次炉及び二次炉を備えたガス化炉のうち、二次炉に設けられガス化炉の排熱により作動するスターリングエンジン発電機を備えるガス化炉発電装置において、排ガスから熱量を吸収し二次炉へ供給する燃焼用空気を暖める空気予熱器を設けたことを特徴とするガス化炉発電装置制御システム。
【請求項４】 一次炉及び二次炉を備えたガス化炉のうち、二次炉に設けられガス化炉の排熱により作動するスターリングエンジン発電機を備えるガス化炉発電装置において、二次炉を加熱する補助加熱器を設け、補助加熱器により一次炉が乾溜ガスを発生する前に二次炉を昇温させることを特徴とするガス化炉発電装置制御システム。
【請求項５】 ガス化炉に設けられガス化炉の排熱により作動するスターリングエンジン発電機を備えるガス化炉発電装置において、スターリングエンジン発電機を加熱するエンジン起動用加熱器とバッテリーを設け、エンジン起動時にはバッテリーから電力を受けてエンジン起動用加熱器を作動させることを特徴とするガス化炉発電装置制御システム。
|
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はガス化炉発電装置制御システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】小型ガス化焼却炉においては、焼却した時の排熱を有効利用するため、小型ガス化焼却炉にスターリングエンジン発電機を取り付けサーマルリサイクルを実施することが考えられる。
【０００３】しかし、この際、次のような問題点がある。
【０００４】（１）排ガス温度は焼却状態によって左右される。スターリングエンジンに高すぎる温度の排ガスが供給され、エンジン加熱器の吸熱許容量を超えると、スターリングエンジンが壊れてしまう。
【０００５】（２）小型ガス化焼却炉では、廃棄物の熱量が常に一定でないので、発電出力が大きくふらついてしまう。
【０００６】（３）焼却により、排ガス内の焼却灰がエンジン加熱器に堆積し、性能劣化及び腐食の原因となる。
【０００７】（４）ガス化炉の自燃切り替わり時、燃焼温度が一時的に低下し、発電電力が得られなくなる。
【０００８】（５）ライン３２がある場所にしか設置できないため、設置場所に制約がある。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明においては、小型ガス化焼却炉において、スターリングエンジン発電機を用いたガス化炉発電装置を安定的にかつ安全に発電させることを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために本発明において用いた第１の手段は、請求項１に記載したように、ガス化炉に設けられガス化炉の排熱により作動するスターリングエンジン発電機を備えるガス化炉発電装置において、ガス化炉の排ガス温度を測定し、この排ガス温度に応じてガス化炉への空気供給量を制御することによって排ガス温度を所定の値に調整するようにしたことである。
【００１１】通常、ガス化炉への空気供給量を増やすと燃焼が活発化し乾溜ガスを増加させることになり排ガス温度が上昇する。逆に、ガス化炉への空気供給量を減らすと燃焼が非活発化し乾溜ガスを減少させることになり排ガス温度が下降する。よって、空気供給量により排ガス温度を調整できる。空気供給量による排ガス温度の調整によって、スターリングエンジン発電機に与えられる排ガスの温度を所定の値付近に抑制できる。
【００１２】上記課題を解決するために本発明において用いた第２の手段は、請求項２に記載したように、一次炉及び二次炉を備えたガス化炉のうち、二次炉に設けられガス化炉の排熱により作動するスターリングエンジン発電機を備えるガス化炉発電装置において、ガス化炉の排ガス温度を測定し、この排ガス温度に応じて一次炉への空気供給量を制御することによって排ガス温度を所定の値に調整し、ガス化炉の酸素濃度を測定し、この酸素濃度に応じて二次炉への空気供給量を制御することによって発電出力を所定の値に調整するようにしたことである。
【００１３】これによれば、第1の手段と同様にして排ガス温度が安定化する。ここで、酸素濃度が高い場合、二次炉への空気供給量を下げることで排ガス流量を下げ、また、酸素濃度が低い場合、二次炉への空気供給量を上げることで排ガス流量を上げる。このように排ガス温度及び流量が安定化し、エンタルピーが一定になって、スターリングエンジンの出力も安定する。
【００１４】上記課題を解決するために本発明において用いた第３の手段は、請求項３に記載したように、一次炉及び二次炉を備えたガス化炉のうち、二次炉に設けられガス化炉の排熱により作動するスターリングエンジン発電機を備えるガス化炉発電装置において、排ガスから熱量を吸収し二次炉へ供給する燃焼用空気を暖める空気予熱器を設けたことである。
【００１５】これによれば、エンジンへのエンタルピーが同一ならば乾溜ガス流量を減少させることができる。すなわち、一次炉への空気供給量を抑制でき、灰の飛散量を少なくできるとともに二次炉での燃焼が安定化することで過熱器への堆積物を軽減できるものである。
【００１６】上記課題を解決するために本発明において用いた第４の手段は、請求項４に記載したように、一次炉及び二次炉を備えたガス化炉のうち、二次炉に設けられガス化炉の排熱により作動するスターリングエンジン発電機を備えるガス化炉発電装置において、二次炉を加熱する補助加熱器を設け、補助加熱器により一次炉が乾溜ガスを発生する前に二次炉を昇温させるようにしたことである。
【００１７】これによれば、自燃切り替わり前に補助加熱器で二次炉を加熱できるので、自燃に移行する際にも発電出力を変動させずに運転できる。
【００１８】上記課題を解決するために本発明において用いた第５の手段は、請求項５に記載したように、ガス化炉に設けられガス化炉の排熱により作動するスターリングエンジン発電機を備えるガス化炉発電装置において、スターリングエンジン発電機を加熱するエンジン起動用加熱器とバッテリーを設け、エンジン起動時にはバッテリーから電力を受けてエンジン起動用加熱器を作動させるこようにしたことである。
【００１９】これによれば、起動時には、バッテリーからの電力でエンジン起動用加熱器を作動させ熱量を発生させてスターリングエンジンを動作させ、炉の燃焼後は廃ガスの熱量によりスターリングエンジンを動作させる。また、廃棄物の焼却が進み、必要電力が得られなくなった場合もエンジン起動用加熱器で加熱し、電力を供給できる。よって、商用電力がない場所にも設置できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】図１は本発明のガス化焼却炉安全装置を設けた乾溜炉を示している。
【００２１】乾溜炉１０は廃棄プラスチック等の燃料を入れる一次炉１１と二次炉１２を有する。一次ブロア１３は一次炉１１内に空気を供給し、乾溜ガスを二次炉１２へ送る。二次ブロア１４は空気予熱器１８及び配管１９を介して二次炉１２内に空気を供給し、排ガスを洗浄塔１５へ送る。誘引ブロアー１６は洗浄塔１５の排ガスを煙突１７から排出する。空気予熱器１８は二次炉１２と洗浄塔１５との間に設置され、排ガスの熱量を得て二次ブロア１４の吐出する空気を暖める働きをする。補助バーナー２０は二次炉１２に設置されている。補助バーナー２０には補助バーナー２０へ与える燃料を調整するための燃料制御弁２０ａが設置されている。スターリングエンジン２２は二次炉１２の出口側に設置される。スターリングエンジンの他側にはＨｅ（ヘリウム）ボンベ２８からのヘリウムが供給される。スターリングエンジン２２は、二次炉１２内とエンジン冷却水との温度差で動作する。尚、ＨｅはＨｅ圧力制御装置２９によって調整される。スターリングエンジン２２は同期発電機２５に接続されており、スターリングエンジンが動作すると同期発電機２５が発電し、制御装置２７へ電力を送出する。制御装置２７はバッテリー２６、Ｏ2センサ２４及び温度センサ２３に接続されている。Ｏ2センサ２４は二次炉１２の出口に設置され、排ガスの酸素濃度を測定する。温度センサ２３は二次炉１２内に設置され、二次炉１２の温度を測定する。エンジン起動用バーナー２１が直接スターリングエンジン２２を加熱できる位置に設置されている。
【００２２】図２は制御装置を示している。
【００２３】同期発電機２５の出力は３相交流電圧としてライン３０に送られる。ライン３０はガス化炉の補機３１（図１の一次ブロア１３、二次ブロア１４、誘引ブロアー１６やその他の補機類等）に接続されている。一方、ライン３０は、リレーＣＲ３を介してライン３２にも接続されており、需要家へ電力を供給できるようになっている。これにより、ライン３０は一次ブロア１３、二次ブロア１４、誘引ブロアー１６やその他の補機類等の電力供給ラインとして機能する。
【００２４】また、ライン３０は、変圧器３７、整流器３８及びリレーＣＲ２を介して、ライン４１に接続されている。ライン４１とバッテリー２６の間にはリレーＣＲ３及び充電回路３９が並列に接続されている。また、ライン４１はエンジン発電用補機３３（Ｈｅ圧力制御装置２９等）及び補助バーナー２０に接続されている。
【００２５】更に、ライン３０は、整流器３４に接続されている。整流器３４はライン３０の交流電圧を整流し、ヒーター３６とトランジスタ３５が直列接続された電気ブレーキ回路に直流電圧を供給する。トランジスタ３５は制御回路４２が発するゲート信号により駆動する。制御回路４２は同期発電機２５の発電電力が大きいとき、トランジスタ３５を操作してライン３０とヒーター３６を接続し、同期発電機２５の発電電力を消費させるように機能する。制御回路４２はバッテリー２６の電力により駆動し、Ｏ2センサ２４及び温度センサ２３に接続されている。また、制御回路４２はエンジン発電用補機３３及び補助バーナー２０を制御する。
【００２６】制御回路４２は図３のフローチャートに沿って作動する。まず、リレーＣＲ１をオンし（ステップ５０）、バッテリー２６とエンジン発電用補機３３及び補助バーナー２０を接続し、エンジン発電用補機３３に電力を供給する。次に、エンジン起動用バーナー２１を点火する（ステップ５１）エンジン起動用バーナー２１の点火により、スターリングエンジン２２が加熱され、作動を始める。これに応じて、同期発電機２５が発電を開始する。図示していないが、制御回路４２は、この時からエンジンの負荷をエンジン回転数等により検出し、エンジンの回転数が一定になるよう、トランジスタ３５を制御する。ステップ５２にて、エンジンの出力が１０ＫＷを超えるまでこの状態を維持する。エンジンの出力が１０ＫＷを超えると、リレーＣＲ１を切ってバッテリー２６とエンジン発電用補機３３及びエンジン起動用バーナー２１の直結を解除し、リレーＣＲ２を接続する（ステップ５５）。このとき、ライン３０は、変圧器３７及び整流器３８を介して、ライン４１に接続される。よって、同期発電機２５の発電した電力は変圧器３７によって変圧され、整流器３８で整流されることによってライン４１には直流電圧が供給されるので、エンジン発電用補機３３及びエンジン起動用バーナー２１は同期発電機２５の出力によって継続的に作動する。また、ライン４１は充電回路３９を介してバッテリー２６に接続されるので、同期発電機２５の発電した電力によりバッテリー２６は充電される。また、ここで補助バーナー２０を起動する（ステップ５３）。次に、エンジン起動用バーナー２１を停止させる（ステップ５５）。尚、エンジン起動用バーナー２１の停止と補助バーナー２０の起動を同時に行う際、一時的に温度の低下がおこる場合は、エンジン起動用バーナー２１の停止を少し遅らすか、又は、二次炉１２内の温度が一定になるようにエンジン起動用バーナー２１の燃焼量の制御を行うとよい。この後、一次炉１１内のゴミ等の燃料へ着火を行い（ステップ５５）、ステップ５６へ進む。一次炉１１のゴミが燃え出すと、一次ブロア１３により一次炉１１内の乾溜ガスが二次炉１２へ送られる。よって、二次炉１２内の温度が更に上昇し始め、エンジンの出力も上昇していく。以上がバッテリーによる運転状態となる。
【００２７】ステップ５６では、二次炉１２内の温度が１０５０℃を超えたか否かを判断する。二次炉１２内の温度は温度センサ２３により測定している。二次炉１２内の温度が１０５０℃以下の場合はステップ５８へ進む。二次炉１２内の温度が１０５０℃を超えると、燃料制御弁２０ａを一定量だけ絞る。この後、ステップ５８へ進む。ステップ５８では燃料制御弁２０ａの開度を調べ、全閉となっていたら、補助バーナー２０を停止させる（ステップ５９）。その後、ステップ６０で、二次炉１２内の温度が１２００℃を超えたか否かを判断する。二次炉１２内の温度が１２００℃以下であれば、ステップ５６へ戻り、ステップ５６からステップ６０までの間を繰り返す。
【００２８】二次炉１２内の温度が１２００℃を超えると、リレーＣＲ３を接続し、ライン３０とライン３２を接続する。ライン３０は、リレーＣＲ３を介してライン３２にも接続されており、需要家へ電力を供給できるようになっている。これらは、施設内の他の設備でもよいし、商用電源が近くにある場合は、商用電源に接続して、電力を買取ってもらうようにしてもよい。この後、ステップ６２で、二次炉１２内の温度が１２００℃より下がったか否かを判断する。下がってなければ、この状態を維持する（自燃状態）。
【００２９】ゴミ等の燃料の燃焼が進むと、燃焼温度が下がってくる。二次炉１２内の温度が１２００℃より下がると、エンジン起動用バーナー２１を点火して、二次炉１２内の温度の低下を抑える（ステップ３０）。この後、一次炉１１で燃焼が完全に完結し煙突から黒煙が出ない状態になるまで待機する（ステップ６４）。この状態をおき燃というが、これは、例えば、一次炉１１内の温度がピーク温度から２００℃程度下がったか否かをみることでで判断できる。
【００３０】おき燃が終了すると、エンジン起動用バーナー２１を停止させて、全ステップを終了させる。
【００３１】以上の処理の途中では、一定時間毎に処理が実行されるタイマー割込みが実施されている。タイマー割込みでは、Ｏ2濃度制御（ステップ６６）及び二次炉温度一定制御（ステップ６７）が行われる。
【００３２】図４はＯ2濃度制御のサブルーチンの詳細である。まず、二次炉１２内の温度が１２００℃を超えたか否かを判断する。二次炉１２内の温度が１２００℃以下の場合はステップ７２へ進む。二次炉１２内の温度が１２００℃を超えていると、設定Ｏ2濃度を６％（初期値）に設定し（ステップ７１）、ステップ７６に進む。ステップ７２では、発電出力が８ＫＷを超えたか否かを判断する。、発電出力が８ＫＷを超えていると、ステップ７６に進む。発電出力が８ＫＷを超えていなければ、設定Ｏ2濃度を所定値だけ増加させ（ステップ７３）ステップ７３に進む。ステップ７３では、設定Ｏ2濃度が１０％（最大値）を超えたか否かを判断し、超えていなければステップ７６へ、超えていれば、設定Ｏ2濃度を１０％（最大値）に再設定しステップ７６へ進む。
【００３３】ステップ７６では、Ｏ2センサ２４により測定した計測Ｏ2濃度と設定Ｏ2濃度を比較し、計測Ｏ2濃度が高ければ、二次ブロア１４の回転を減少させ（ステップ７７）、設定Ｏ2濃度が高ければ、二次ブロア１４の回転を増加させ（ステップ７７）て、このサブルーチンを終了する。
【００３４】このＯ2濃度制御により、発電出力が低い場合には設定Ｏ2濃度を高くし、二次ブロア１４の回転を増加させ、二次炉１２内の酸素濃度を増加させる。これにより、一般的に二次炉の温度が低下するが、後述する二次炉温度一定制御により乾溜ガス等が増加し、結果としてエンジンへのエンタルピーが増加する為、発電出力が増加する。また、発電出力が高い場合には設定Ｏ2濃度を低くし、二次ブロア１４の回転を減少させ、二次炉１２内の酸素濃度を減少させる。これにより、一般的に二次炉の温度が上昇するが、後述する二次炉温度一定制御により乾溜ガス等が増加し、結果としてエンジンへのエンタルピーが低下する為、発電出力が低下する。よって、エンジンの出力が一定になる。
【００３５】図５は二次炉温度一定制御のサブルーチンの詳細である。まず、二次炉１２内の温度が１１００℃を超えたか否かを判断する（ステップ８０）。二次炉１２内の温度が１１００℃以下の場合は、一次ブロア１３の回転数を２０Ｈｚ（初期値）に設定し（ステップ８１）、このサブルーチンを終了する。二次炉１２内の温度が１１００℃を超えている場合、次に、二次炉１２内の温度が１１００℃を超えてから1時間が経過したか否かを判断する（ステップ８２）。1時間が経過していなければ、このサブルーチンを終了する。1時間が経過後は、ステップ８３にて二次炉１２内の温度が１２００℃を超えたか否かを判断し、二次炉１２内の温度が１２００℃以下の場合は、一次ブロア１３の回転数を増加し（ステップ８５）て二次炉１２へ供給する乾溜ガスの量を増やし、また、二次炉１２内の温度が１２００℃を超えた場合は、一次ブロア１３の回転数を減少し（ステップ８６）て二次炉１２へ供給する乾溜ガスの量を減らし、いずれの場合もその後、このサブルーチンを終了する。二次炉１２内の温度は二次炉１２へ供給する乾溜ガスの量によって変化するので、このサブルーチンによって、二次炉１２内の温度は１２００℃で一定になるよう制御される。
【００３６】このように、本実施態様においては、ガス化炉の一種である乾溜炉１０に設けられ乾溜炉１０の排熱により作動するスターリングエンジン２２と同期発電機２５からなるスターリングエンジン発電機を備えるガス化炉発電装置において、乾溜炉１０の排ガス温度を測定し、この排ガス温度に応じて乾溜炉１０への空気供給量を制御することによって排ガス温度を所定の値に調整するようにした。
【００３７】また、一次炉１１及び二次炉１２を備えた乾溜炉１０のうち、二次炉１２に設けられ乾溜炉１０の排熱により作動するスターリングエンジン発電機（スターリングエンジン２２と同期発電機２５）を備えるガス化炉発電装置において、乾溜炉１０の排ガス温度を測定し、この排ガス温度に応じて一次炉１１への空気供給量を制御することによって排ガス温度を所定の値に調整し、乾溜炉１０の酸素濃度を測定し、この酸素濃度に応じて二次炉１２への空気供給量を制御することによって発電出力を所定の値に調整するようにした。
【００３８】また、一次炉１１及び二次炉１２を備えた乾溜炉１０のうち、二次炉１２に設けられ乾溜炉１０の排熱により作動するスターリングエンジン発電機を備えるガス化炉発電装置において、排ガスから熱量を吸収し二次炉１２へ供給する燃焼用空気を暖める空気予熱器１８を設けた。
【００３９】また、一次炉１１及び二次炉１２を備えた乾溜炉１０のうち、二次炉１２に設けられ乾溜炉１０の排熱により作動するスターリングエンジン発電機を備えるガス化炉発電装置において、二次炉１２を加熱する補助加熱器である補助バーナー２０を設け、補助バーナー２０により一次炉１１が乾溜ガスを発生する前に二次炉１２を昇温させるようにした。
【００４０】また、乾溜炉１０に設けられ乾溜炉１０の排熱により作動するスターリングエンジン発電機を備えるガス化炉発電装置において、スターリングエンジン発電機を加熱するエンジン起動用加熱器であるエンジン起動用バーナー２１とバッテリー２６を設け、エンジン起動時にはバッテリー２６から電力を受けてエンジン起動用バーナー２１を作動させるこようにした。
【００４１】
【発明の効果】上記第１の手段によれば、空気供給量による排ガス温度の調整によって、スターリングエンジン発電機に与えられる排ガスの温度を所定の値付近に抑制できる。よって、エンジン加熱器の吸熱許容量を超えることがない。
【００４２】上記第２の手段によれば、排ガス温度及び流量が安定化し、エンタルピーが一定になって、スターリングエンジンの出力も安定するので、発電出力も安定化する。
【００４３】上記第３の手段によれば、一次炉への空気供給量を抑制でき、灰の飛散量を少なくできるとともに二次炉での燃焼が安定化することで過熱器への堆積物を軽減できる。よって、エンジンの性能劣化がおきにくくなり、寿命も向上する。
【００４４】上記第４の手段によれば、自燃に移行する際にも発電出力を変動させずに運転できるので、安定した発電電力が得られる。
【００４５】上記第５の手段によれば、商用電力がなく場所にも設置できるので、設置場所の制約が少ない。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】０００００００１１
【氏名又は名称】アイシン精機株式会社
|
| 【出願日】 |
平成１０年（１９９８）４月２３日 |
| 【代理人】 |
|
| 【公開番号】 |
特開平１１−３０４１２３ |
| 【公開日】 |
平成１１年（１９９９）１１月５日 |
| 【出願番号】 |
特願平１０−１１３４０１ |
|