JP3336206B2 - 原動機運転方法及び該運転方法を用いる燃焼システム - Google Patents
原動機運転方法及び該運転方法を用いる燃焼システムInfo
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- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
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- Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は原動機運転方法及び
該運転方法を用いる燃焼システムに関し、特に、熱効率
が高くかつ低ＮＯx 排出を可能とした原動機の運転方
法、及び、該原動機運転方法を用いて低コストで酸素を
製造し、酸素燃焼を用いる高温加熱炉を運転することを
可能とした燃焼システムに関する。
該運転方法を用いる燃焼システムに関し、特に、熱効率
が高くかつ低ＮＯx 排出を可能とした原動機の運転方
法、及び、該原動機運転方法を用いて低コストで酸素を
製造し、酸素燃焼を用いる高温加熱炉を運転することを
可能とした燃焼システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】エネルギーの有効活用の観点から、いわ
ゆるコジェネレーションシステムが多用されてきてい
る。例えば、原動機の軸出力で発電を行い、同時に原動
機の排熱を吸収式冷温水機等で温水と冷水を作り、事務
室等に電力と同時に空調等に必要な冷水あるいは温水を
供給するようにされる。コジェネレーションシステムの
原動機として、主として、熱需要の大きい場合はガスタ
ービンが、電気需要が大きい場合はエンジンが通常使用
される。エンジンの種類としては予混合気の空気比が１
前後の理論空燃比燃焼エンジンと空気比が１より大きい
希薄燃焼エンジンが使用される。
ゆるコジェネレーションシステムが多用されてきてい
る。例えば、原動機の軸出力で発電を行い、同時に原動
機の排熱を吸収式冷温水機等で温水と冷水を作り、事務
室等に電力と同時に空調等に必要な冷水あるいは温水を
供給するようにされる。コジェネレーションシステムの
原動機として、主として、熱需要の大きい場合はガスタ
ービンが、電気需要が大きい場合はエンジンが通常使用
される。エンジンの種類としては予混合気の空気比が１
前後の理論空燃比燃焼エンジンと空気比が１より大きい
希薄燃焼エンジンが使用される。
【０００３】希薄燃焼エンジンは３５〜４０％と高い発
電効率が得られるものの、ＮＯx 排出量が増加し、２０
０ｐｐｍ以上となる場合もある。大型のエンジンでは排
気ガス脱硝設備を設置しＮＯx を取り除いているが 小
型の数百ｋＷクラスのエンジンでは脱硝設備を設置する
ことはコスト的に難しい。一般に、発電効率とＮＯx排
出量はトレードオフの関係にあるため、ＮＯx 排出量を
低減させるためには、効率を多少犠牲にせざるを得な
い。小型のエンジンでは効率を下げてＮＯx 排出量を２
００ｐｐｍ程度に抑えているのが現状である。一方、理
論空燃比燃焼エンジンでは発電効率は３０〜３２％とや
や低いものの、小型の数百ｋＷクラスのエンジンの排気
処理に三元触媒を使用することができ、ＮＯx の排出量
を４０ｐｐｍ以下にできる利点がある。このような事情
から、小型のコジェネレーションシステムの原動機の運
転方法では、高効率と低ＮＯx を両立させるのは容易で
ないといえる。
電効率が得られるものの、ＮＯx 排出量が増加し、２０
０ｐｐｍ以上となる場合もある。大型のエンジンでは排
気ガス脱硝設備を設置しＮＯx を取り除いているが 小
型の数百ｋＷクラスのエンジンでは脱硝設備を設置する
ことはコスト的に難しい。一般に、発電効率とＮＯx排
出量はトレードオフの関係にあるため、ＮＯx 排出量を
低減させるためには、効率を多少犠牲にせざるを得な
い。小型のエンジンでは効率を下げてＮＯx 排出量を２
００ｐｐｍ程度に抑えているのが現状である。一方、理
論空燃比燃焼エンジンでは発電効率は３０〜３２％とや
や低いものの、小型の数百ｋＷクラスのエンジンの排気
処理に三元触媒を使用することができ、ＮＯx の排出量
を４０ｐｐｍ以下にできる利点がある。このような事情
から、小型のコジェネレーションシステムの原動機の運
転方法では、高効率と低ＮＯx を両立させるのは容易で
ないといえる。
【０００４】図９（ｂ）は、コジェネレーションシステ
ム等の原動機として理論空燃比燃焼エンジンを１台又は
複数台用いる場合の熱収支の一例であり、燃料として１
８０ｍ3/ｈを用いて、発電出力６５０ｋＷ（発電効率３
２％）が得られ、排気、排熱により吸収式冷温水機を稼
働した後、排気は三元触媒により浄化されＮＯx 排出量
は４０ｐｐｍ以下とされる。
ム等の原動機として理論空燃比燃焼エンジンを１台又は
複数台用いる場合の熱収支の一例であり、燃料として１
８０ｍ3/ｈを用いて、発電出力６５０ｋＷ（発電効率３
２％）が得られ、排気、排熱により吸収式冷温水機を稼
働した後、排気は三元触媒により浄化されＮＯx 排出量
は４０ｐｐｍ以下とされる。
【０００５】一方、ガラス溶解炉、焼却灰溶解炉、金属
溶解炉のような高温加熱炉を用いる燃焼システムが稼働
しており、高温加熱炉の燃焼方法として酸素燃焼が用い
られている。特開平７−１１３５１４号公報にはそのよ
うな燃焼システムとして、例えば、清掃工場で発生する
焼却灰を溶解するために、当該清掃工場での焼却熱によ
る自家発電で得られた電力で例えばＰＳＡ方式のような
酸素製造装置を駆動し、生成された酸素濃度の高い空気
を取り出し、この酸素濃度の高い空気を酸素燃焼を行う
灰溶解炉へ供給するように構成した燃焼システムが提案
されている。このシステムによれば、酸素燃焼を用いる
ことによる利点に加えて、自家発電による安価な電力を
使用するために、燃焼システムのランニングコストを低
減できるというメリットももたらされる。
溶解炉のような高温加熱炉を用いる燃焼システムが稼働
しており、高温加熱炉の燃焼方法として酸素燃焼が用い
られている。特開平７−１１３５１４号公報にはそのよ
うな燃焼システムとして、例えば、清掃工場で発生する
焼却灰を溶解するために、当該清掃工場での焼却熱によ
る自家発電で得られた電力で例えばＰＳＡ方式のような
酸素製造装置を駆動し、生成された酸素濃度の高い空気
を取り出し、この酸素濃度の高い空気を酸素燃焼を行う
灰溶解炉へ供給するように構成した燃焼システムが提案
されている。このシステムによれば、酸素燃焼を用いる
ことによる利点に加えて、自家発電による安価な電力を
使用するために、燃焼システムのランニングコストを低
減できるというメリットももたらされる。
【０００６】図９（ａ）は、酸素製造装置と高温加熱炉
を持つ燃焼システムの一例であり、高温加熱炉の燃料と
して都市ガス７００ｍ3/ｈを用いるものとし、その燃焼
に必要な酸素を酸素濃度９３％の空気（１６００ｍ3 ）
をＰＳＡ方式の酸素製造装置から得るようにしている。
そのために、酸素製造装置は８００ｋＷの電力を必要と
し、２００００ｍ3 空気を処理して前記酸素濃度９３％
の空気を１６００ｍ3得、排気として、低酸素濃度の空
気、すなわち、Ｏ2 １５％、Ｎ2 ８５％の空気１８００
０ｍ3 を大気に排気として放出している。前記特開平７
−１１３５１４号公報に記載のシステムはこの電力を清
掃工場での焼却熱による自家発電で得るようにしたもの
に相当する。
を持つ燃焼システムの一例であり、高温加熱炉の燃料と
して都市ガス７００ｍ3/ｈを用いるものとし、その燃焼
に必要な酸素を酸素濃度９３％の空気（１６００ｍ3 ）
をＰＳＡ方式の酸素製造装置から得るようにしている。
そのために、酸素製造装置は８００ｋＷの電力を必要と
し、２００００ｍ3 空気を処理して前記酸素濃度９３％
の空気を１６００ｍ3得、排気として、低酸素濃度の空
気、すなわち、Ｏ2 １５％、Ｎ2 ８５％の空気１８００
０ｍ3 を大気に排気として放出している。前記特開平７
−１１３５１４号公報に記載のシステムはこの電力を清
掃工場での焼却熱による自家発電で得るようにしたもの
に相当する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】前記したように、コジ
ェネレーションシステム等の原動機の運転方法におい
て、高効率と低ＮＯx とを両立させるのは容易でない。
すなわち、原動機として理論空燃比燃焼エンジンではな
く、希薄燃焼エンジンを使用する場合には４０％程度の
高い発電効率が期待できるものの、ＮＯx の低減が困難
となる。
ェネレーションシステム等の原動機の運転方法におい
て、高効率と低ＮＯx とを両立させるのは容易でない。
すなわち、原動機として理論空燃比燃焼エンジンではな
く、希薄燃焼エンジンを使用する場合には４０％程度の
高い発電効率が期待できるものの、ＮＯx の低減が困難
となる。
【０００８】一方、酸素燃焼を利用する高温燃焼炉の燃
焼システムにおいては、燃料の他に酸素のコストが必
要となり、高温燃焼炉のコストダウンを達成するために
は酸素価格を下げる必要があること、酸素供給源とし
て液化酸素を利用すると酸素コストが高く、ＰＳＡ式酸
素製造法等によれば液化酸素より酸素価格は安いもの
の、酸素製造コストの大部分が電気代であり、安い電気
の使用による酸素コストの削減が必要とされること、
前記特開平７−１１３５１４号公報に記載のように自家
発電による電力を利用するシステムを組むことにより、
電力コストの低減は可能となるが、それは、２４時間連
続操業の大規模な清掃工場等においては有効であるとし
ても、中小の清掃工場のように稼働時間が少ないあるい
は自家発電設備を有しない工場の場合には、安価な電力
の使用は不可能であること、等の理由から、燃焼システ
ムのランニングコストを低減することは必ずしも容易で
ない。
焼システムにおいては、燃料の他に酸素のコストが必
要となり、高温燃焼炉のコストダウンを達成するために
は酸素価格を下げる必要があること、酸素供給源とし
て液化酸素を利用すると酸素コストが高く、ＰＳＡ式酸
素製造法等によれば液化酸素より酸素価格は安いもの
の、酸素製造コストの大部分が電気代であり、安い電気
の使用による酸素コストの削減が必要とされること、
前記特開平７−１１３５１４号公報に記載のように自家
発電による電力を利用するシステムを組むことにより、
電力コストの低減は可能となるが、それは、２４時間連
続操業の大規模な清掃工場等においては有効であるとし
ても、中小の清掃工場のように稼働時間が少ないあるい
は自家発電設備を有しない工場の場合には、安価な電力
の使用は不可能であること、等の理由から、燃焼システ
ムのランニングコストを低減することは必ずしも容易で
ない。
【０００９】本発明の目的は、前記したコジェネレーシ
ョンシステム等の原動機の運転方法における発電効率と
ＮＯx 排出量との問題を同時に解決した新規な原動機の
運転方法を提供することにある。本発明の他の目的は、
酸素燃焼による高温加熱炉を持つ燃焼システムにおける
酸素コストの低減を前記の原動機の運転方法を用いるこ
とにより解決することにある。
ョンシステム等の原動機の運転方法における発電効率と
ＮＯx 排出量との問題を同時に解決した新規な原動機の
運転方法を提供することにある。本発明の他の目的は、
酸素燃焼による高温加熱炉を持つ燃焼システムにおける
酸素コストの低減を前記の原動機の運転方法を用いるこ
とにより解決することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めの本発明による原動機運転方法は、酸素製造装置と原
動機と、前記酸素製造装置で製造される酸素を燃料源と
する高温加熱炉とを備え、酸素製造装置の酸素製造時に
副生される酸素を少なく含む空気を前記原動機の吸気に
使用して原動機を駆動し、前記原動機はコジェネレーシ
ョンシステムの原動機であり、該原動機の軸出力の一部
又は全部が発電機に接続されて発電を行い、この電力の
一部又は全部が前記酸素製造装置の駆動源として使用さ
れるとともに、前記原動機から発生する熱が蒸気若しく
は温水又は冷水の製造に用いられ、前記原動機は理論空
燃比による燃焼を行うガスエンジンであり、前記原動機
からの排気が三元触媒を介して放出されることを特徴と
する。
めの本発明による原動機運転方法は、酸素製造装置と原
動機と、前記酸素製造装置で製造される酸素を燃料源と
する高温加熱炉とを備え、酸素製造装置の酸素製造時に
副生される酸素を少なく含む空気を前記原動機の吸気に
使用して原動機を駆動し、前記原動機はコジェネレーシ
ョンシステムの原動機であり、該原動機の軸出力の一部
又は全部が発電機に接続されて発電を行い、この電力の
一部又は全部が前記酸素製造装置の駆動源として使用さ
れるとともに、前記原動機から発生する熱が蒸気若しく
は温水又は冷水の製造に用いられ、前記原動機は理論空
燃比による燃焼を行うガスエンジンであり、前記原動機
からの排気が三元触媒を介して放出されることを特徴と
する。
【００１１】また、本発明による燃焼システムは、原動
機の運転方法として前記の原動機運転方法を用い、その
酸素製造装置で製造される酸素を燃料源とする高温加熱
炉を備えていて、該原動機の軸出力の一部又は全部を前
記酸素製造装置の駆動源として使用することを特徴とす
る。
機の運転方法として前記の原動機運転方法を用い、その
酸素製造装置で製造される酸素を燃料源とする高温加熱
炉を備えていて、該原動機の軸出力の一部又は全部を前
記酸素製造装置の駆動源として使用することを特徴とす
る。
【００１２】本発明において、原動機の種類には、理論
空燃比で運転できることを条件に特に制限はなく、ガス
エンジン、ガソリンエンジン等であってよい。現在で
は、コジェネレーションシステムに使用することのでき
る比較的大型のガソリンエンジンは存在しないこともあ
り、特にコジェネレーションシステムの原動機として用
いる場合には、ガスエンジンが有効に用いられる。
空燃比で運転できることを条件に特に制限はなく、ガス
エンジン、ガソリンエンジン等であってよい。現在で
は、コジェネレーションシステムに使用することのでき
る比較的大型のガソリンエンジンは存在しないこともあ
り、特にコジェネレーションシステムの原動機として用
いる場合には、ガスエンジンが有効に用いられる。
【００１３】酸素製造装置の種類にも特に制限はなく、
ＰＳＡ法、深冷冷却法、高分子膜法、液膜法、吸収法等
による、従来知られた酸素製造装置であってよい。後記
する理由から、通常の運転方法において、高温加熱炉に
使用可能な酸素濃度９３％の空気を最も経済的に製造可
能であり、同時に酸素濃度１５％の空気を副生するこの
とできるＰＳＡ法による酸素製造装置を用いることは、
特に効率的である。
ＰＳＡ法、深冷冷却法、高分子膜法、液膜法、吸収法等
による、従来知られた酸素製造装置であってよい。後記
する理由から、通常の運転方法において、高温加熱炉に
使用可能な酸素濃度９３％の空気を最も経済的に製造可
能であり、同時に酸素濃度１５％の空気を副生するこの
とできるＰＳＡ法による酸素製造装置を用いることは、
特に効率的である。
【００１４】燃焼システムで用いる高温加熱炉も酸素燃
焼を行うことを条件に任意であり、ガラス溶解炉、金属
溶解炉、ゴミ焼却灰溶解炉等であってよい。本発明にお
いて、酸素製造装置で製造された酸素と酸素を少なく含
む空気のうち、酸素は、例えば高温加熱炉における酸素
バーナにおいて燃料と混合して燃焼して溶解に必要な高
温を発生する。また、もう一方の従来廃棄されていた酸
素を少なく含む空気は原動機の吸気として使用される。
焼を行うことを条件に任意であり、ガラス溶解炉、金属
溶解炉、ゴミ焼却灰溶解炉等であってよい。本発明にお
いて、酸素製造装置で製造された酸素と酸素を少なく含
む空気のうち、酸素は、例えば高温加熱炉における酸素
バーナにおいて燃料と混合して燃焼して溶解に必要な高
温を発生する。また、もう一方の従来廃棄されていた酸
素を少なく含む空気は原動機の吸気として使用される。
【００１５】原動機の熱効率は主に燃焼ガスの比熱比κ
と機関の圧縮比εにより決まるものであり、オットーサ
イクルの理論熱効率ηはη＝１−（１／ε）k-1 と表さ
れ、比熱比κは大きいほど、圧縮比εは高いほど熱効率
は向上する。希薄燃焼エンジンでは空気を過剰に供給す
るため、また燃焼温度が低下するため、燃焼ガスの比熱
比κが理論空燃比燃焼エンジンに比べて大きくなり、こ
れにより熱効率は大幅に向上する。さらに、燃焼温度の
低下はノッキングの抑制に効果があるため、機関圧縮比
εの増大が可能である。このような理由から希薄燃焼エ
ンジンは理論空燃比燃焼エンジンよりも熱効率が高くな
る。本発明はこの理論に基づくものであり、本発明にお
けるように、理論空燃比燃焼エンジンにおいて酸素を少
なく含む空気を吸気に使用すると、上記の希薄燃焼エン
ジンの熱効率上昇と同じ理由により、熱効率が高くな
る。一方、燃焼排気ガス組成は理論空燃比燃焼エンジン
のものと同様にＯ2 を含まないので、排気処理に三元触
媒が利用でき、原動機からのＮＯx 排出量は理論空燃比
燃焼エンジンと同等のレベルとなる。
と機関の圧縮比εにより決まるものであり、オットーサ
イクルの理論熱効率ηはη＝１−（１／ε）k-1 と表さ
れ、比熱比κは大きいほど、圧縮比εは高いほど熱効率
は向上する。希薄燃焼エンジンでは空気を過剰に供給す
るため、また燃焼温度が低下するため、燃焼ガスの比熱
比κが理論空燃比燃焼エンジンに比べて大きくなり、こ
れにより熱効率は大幅に向上する。さらに、燃焼温度の
低下はノッキングの抑制に効果があるため、機関圧縮比
εの増大が可能である。このような理由から希薄燃焼エ
ンジンは理論空燃比燃焼エンジンよりも熱効率が高くな
る。本発明はこの理論に基づくものであり、本発明にお
けるように、理論空燃比燃焼エンジンにおいて酸素を少
なく含む空気を吸気に使用すると、上記の希薄燃焼エン
ジンの熱効率上昇と同じ理由により、熱効率が高くな
る。一方、燃焼排気ガス組成は理論空燃比燃焼エンジン
のものと同様にＯ2 を含まないので、排気処理に三元触
媒が利用でき、原動機からのＮＯx 排出量は理論空燃比
燃焼エンジンと同等のレベルとなる。
【００１６】また、原動機において発電された電気の一
部又は全部は酸素製造装置の駆動用電力として使用され
るが、原動機は一般的な希薄燃焼エンジンと同等、もし
くはそれ以上の高い発電効率であり、自家発電としての
発電単価は低く、低コストでの酸素製造が可能となる。
さらに、原動機から出る排熱を吸収式冷温水機等にて温
水と冷水の製造に使用することにより、コジェネレーシ
ョンシステムとしてのエネルギーの有効利用が可能とな
る。
部又は全部は酸素製造装置の駆動用電力として使用され
るが、原動機は一般的な希薄燃焼エンジンと同等、もし
くはそれ以上の高い発電効率であり、自家発電としての
発電単価は低く、低コストでの酸素製造が可能となる。
さらに、原動機から出る排熱を吸収式冷温水機等にて温
水と冷水の製造に使用することにより、コジェネレーシ
ョンシステムとしてのエネルギーの有効利用が可能とな
る。
【００１７】すなわち、本発明によれば、酸素製造装置
による酸素製造時に排出される従来廃棄されていた酸素
濃度の低い空気を原動機の吸気に使用することによっ
て、従来は実現の難しかった希薄燃焼と同等もしくはそ
れ以上の軸出力と発電効率で理論空燃比燃焼と同等の低
ＮＯx 排出量のエンジンを実現できる。また、酸素製造
装置の運転用電力に、原動機による自家発電の安価な電
力が使用できるので酸素製造コストが低減でき、高温加
熱炉における溶解コストの削減が可能となる。
による酸素製造時に排出される従来廃棄されていた酸素
濃度の低い空気を原動機の吸気に使用することによっ
て、従来は実現の難しかった希薄燃焼と同等もしくはそ
れ以上の軸出力と発電効率で理論空燃比燃焼と同等の低
ＮＯx 排出量のエンジンを実現できる。また、酸素製造
装置の運転用電力に、原動機による自家発電の安価な電
力が使用できるので酸素製造コストが低減でき、高温加
熱炉における溶解コストの削減が可能となる。
【００１８】さらに、本発明による原動機運転方法を用
いることにより、従来自家発電設備の設置が困難であっ
た中小規模のガラス溶解炉や清掃工場でも、燃料を供給
するだけで効率的な酸素燃焼によるガラスや焼却灰の溶
解が可能となる。また、原動機の排熱を利用したコジェ
ネレーションシステムを構築した場合、吸収式冷温水機
等による冷暖房が可能となり、単独で冷温水機を設置し
て冷暖房を行うよりも省エネルギーが可能となる。
いることにより、従来自家発電設備の設置が困難であっ
た中小規模のガラス溶解炉や清掃工場でも、燃料を供給
するだけで効率的な酸素燃焼によるガラスや焼却灰の溶
解が可能となる。また、原動機の排熱を利用したコジェ
ネレーションシステムを構築した場合、吸収式冷温水機
等による冷暖房が可能となり、単独で冷温水機を設置し
て冷暖房を行うよりも省エネルギーが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】図１は本発明による原動機運転方
法を用いた燃焼システムの一例を説明するシステム図で
ある。図において、１はＰＳＡ式の酸素製造装置であ
り、図２に示すように、ブロワー１ａで昇圧された原料
空気が吸着塔Ａを通過することにより酸素濃度９３％程
度の酸素濃度の高い空気が製造され、その間、他の吸着
塔Ｂ、Ｃはそれぞれ昇圧とパージが行われ、副生成物と
して酸素濃度の低い空気（酸素濃度１５％程度）が排気
として生成される。なお、１ｂは真空ポンプである。
法を用いた燃焼システムの一例を説明するシステム図で
ある。図において、１はＰＳＡ式の酸素製造装置であ
り、図２に示すように、ブロワー１ａで昇圧された原料
空気が吸着塔Ａを通過することにより酸素濃度９３％程
度の酸素濃度の高い空気が製造され、その間、他の吸着
塔Ｂ、Ｃはそれぞれ昇圧とパージが行われ、副生成物と
して酸素濃度の低い空気（酸素濃度１５％程度）が排気
として生成される。なお、１ｂは真空ポンプである。
【００２０】酸素製造装置１で製造された酸素は、この
例では図３に示すようなガラス溶解炉である高温加熱炉
２に供給される。なお、２ａは酸素バーナであり、２ｂ
は火炎、２ｃは溶解ガラスである。一方、酸素製造装置
１での副生成物である酸素濃度の低い空気の一部は、コ
ジェネレーションシステムの原動機として機能するエン
ジンを理論空燃比燃焼状態で運転するガスエンジン３の
吸気口に送られる。
例では図３に示すようなガラス溶解炉である高温加熱炉
２に供給される。なお、２ａは酸素バーナであり、２ｂ
は火炎、２ｃは溶解ガラスである。一方、酸素製造装置
１での副生成物である酸素濃度の低い空気の一部は、コ
ジェネレーションシステムの原動機として機能するエン
ジンを理論空燃比燃焼状態で運転するガスエンジン３の
吸気口に送られる。
【００２１】該理論空燃比燃焼ガスエンジン３の出力軸
は図示しない発電機に接続しており、発電を行う。発電
電力の一部は前記酸素製造装置１のブロワー１ａや真空
ポンプ１ｂ等の駆動用電力として用いられる。また、エ
ンジンの排気、排熱は従来知られた吸収式冷温水機４の
熱源として利用された後、排気は三元触媒５を通過して
大気に放出される。
は図示しない発電機に接続しており、発電を行う。発電
電力の一部は前記酸素製造装置１のブロワー１ａや真空
ポンプ１ｂ等の駆動用電力として用いられる。また、エ
ンジンの排気、排熱は従来知られた吸収式冷温水機４の
熱源として利用された後、排気は三元触媒５を通過して
大気に放出される。
【００２２】一例として、高温加熱炉２の熱量として都
市ガス燃料７００ｍ3/ｈを必要とする場合を考えると、
その燃焼のために、高温加熱炉２は酸素濃度９３％の空
気１６００ｍ3 を必要とする。そのために、酸素製造装
置１は約２００００ｍ3 の空気を処理する必要があり、
酸素製造装置１は８００ｋＷの電力でもって、酸素濃度
９３％の空気約１６００ｍ3 を製造すると共に、酸素１
５％、窒素８５％の酸素を少なく含む空気を排気として
約１８０００ｍ3 排出する。
市ガス燃料７００ｍ3/ｈを必要とする場合を考えると、
その燃焼のために、高温加熱炉２は酸素濃度９３％の空
気１６００ｍ3 を必要とする。そのために、酸素製造装
置１は約２００００ｍ3 の空気を処理する必要があり、
酸素製造装置１は８００ｋＷの電力でもって、酸素濃度
９３％の空気約１６００ｍ3 を製造すると共に、酸素１
５％、窒素８５％の酸素を少なく含む空気を排気として
約１８０００ｍ3 排出する。
【００２３】そこで、酸素製造装置１が必要とする８０
０ｋＷの電力を１台又は数台の理論空燃比燃焼エンジン
３の軸出力から得るものとし、本発明では、理論空燃比
燃焼エンジン３の吸気として、前記酸素製造装置１から
の排気である酸素を少なく含む空気（この場合では酸素
濃度１５％）の一部を利用する。前記したように、原動
機において酸素を少なく含む空気を吸気に使用すると、
空気比が１の理論空燃比燃焼であっても、燃焼ガスの比
熱比κが大きくなり、機関圧縮比εも増大可能なので、
エンジンの熱効率が高くなる。例えば、燃料として都市
ガス１８０ｍ3/ｈを用い、吸気として前記酸素製造装置
１からの排気２８００ｍ3/ｈを用いて燃焼させることに
より、通常の理論空燃比燃焼の場合には発電出力６５０
ｋＷ（発電効率３２％）であったものが、発電出力８０
０ｋＷ（発電効率４０％）を得ることが可能となる。
０ｋＷの電力を１台又は数台の理論空燃比燃焼エンジン
３の軸出力から得るものとし、本発明では、理論空燃比
燃焼エンジン３の吸気として、前記酸素製造装置１から
の排気である酸素を少なく含む空気（この場合では酸素
濃度１５％）の一部を利用する。前記したように、原動
機において酸素を少なく含む空気を吸気に使用すると、
空気比が１の理論空燃比燃焼であっても、燃焼ガスの比
熱比κが大きくなり、機関圧縮比εも増大可能なので、
エンジンの熱効率が高くなる。例えば、燃料として都市
ガス１８０ｍ3/ｈを用い、吸気として前記酸素製造装置
１からの排気２８００ｍ3/ｈを用いて燃焼させることに
より、通常の理論空燃比燃焼の場合には発電出力６５０
ｋＷ（発電効率３２％）であったものが、発電出力８０
０ｋＷ（発電効率４０％）を得ることが可能となる。
【００２４】同時に、理論空燃比燃焼であることから、
排気は三元触媒による浄化が可能であり、排気、排熱を
吸収式温水機４で熱交換した後、三元触媒５で排気処理
を行うことによって、ＮＯx 量を４０ｐｐｍ以下として
大気に排出することが可能となる。
排気は三元触媒による浄化が可能であり、排気、排熱を
吸収式温水機４で熱交換した後、三元触媒５で排気処理
を行うことによって、ＮＯx 量を４０ｐｐｍ以下として
大気に排出することが可能となる。
【００２５】上記の説明からわかるように、本発明によ
る原動機運転方法及び該運転方法を用いる燃焼システム
によれば、従来と同じ原動機をより高い発電効率でかつ
低ＮＯx 状態で運転することが可能となり、その原動機
の軸出力からの発電力を酸素製造装置の駆動電力として
用い、製造された酸素を高温加熱炉に供給することによ
り、低い酸素コストでの高温加熱炉の運転が可能とな
る。
る原動機運転方法及び該運転方法を用いる燃焼システム
によれば、従来と同じ原動機をより高い発電効率でかつ
低ＮＯx 状態で運転することが可能となり、その原動機
の軸出力からの発電力を酸素製造装置の駆動電力として
用い、製造された酸素を高温加熱炉に供給することによ
り、低い酸素コストでの高温加熱炉の運転が可能とな
る。
【００２６】なお、上記では原動機としてガスエンジン
を用いる場合について説明したが、ガソリンエンジン、
であっても同様に熱効率の改善と低ＮＯx 燃焼が達成さ
れることは明らかであろう。
を用いる場合について説明したが、ガソリンエンジン、
であっても同様に熱効率の改善と低ＮＯx 燃焼が達成さ
れることは明らかであろう。
【００２７】また、酸素製造装置としてＰＳＡ方式を適
用したものを説明したが、要は、酸素の製造と同時に酸
素を少なく含む空気を排出する酸素製造方式はすべて使
用することが可能であり、図４に示すように、液化点近
くまで温度を下げた空気を気液平衡関係を利用して酸素
と窒素に分離する深冷冷却方式を適用したもの、図５に
示すように、酸素と窒素の溶解・拡散速度の違いを利用
した膜分離方式を適用したもの、図６に示したように、
温度差を用いて吸気・脱気を行う吸収方式を適用したも
の等、適宜用いることができる。
用したものを説明したが、要は、酸素の製造と同時に酸
素を少なく含む空気を排出する酸素製造方式はすべて使
用することが可能であり、図４に示すように、液化点近
くまで温度を下げた空気を気液平衡関係を利用して酸素
と窒素に分離する深冷冷却方式を適用したもの、図５に
示すように、酸素と窒素の溶解・拡散速度の違いを利用
した膜分離方式を適用したもの、図６に示したように、
温度差を用いて吸気・脱気を行う吸収方式を適用したも
の等、適宜用いることができる。
【００２８】さらに、高温加熱炉も酸素燃焼を行うもの
であれば任意であり、前記したガラス溶解炉に限らず、
図７に示すような、アルミ等の金属投入口７ａ、溶解し
た金属の取り出し口である出湯口７ｂ、炉加熱源として
の酸素バーナ７ｃ等を有する金属溶解炉７０、あるい
は、図８に示すような、焼却灰投入口８ａ、加熱源とし
ての酸素バーナ８ｂ、溶解灰取り出し部のスラグコンベ
ア８ｃ等を有するゴミ焼却灰溶解炉８０等であってもよ
い。
であれば任意であり、前記したガラス溶解炉に限らず、
図７に示すような、アルミ等の金属投入口７ａ、溶解し
た金属の取り出し口である出湯口７ｂ、炉加熱源として
の酸素バーナ７ｃ等を有する金属溶解炉７０、あるい
は、図８に示すような、焼却灰投入口８ａ、加熱源とし
ての酸素バーナ８ｂ、溶解灰取り出し部のスラグコンベ
ア８ｃ等を有するゴミ焼却灰溶解炉８０等であってもよ
い。
【００２９】
【発明の効果】上記のとおりであり、本発明による原動
機運転方法及び該運転方法を用いる燃焼システムによれ
ば、酸素製造装置による酸素製造時にでる従来廃棄され
ていた酸素濃度の低い空気を原動機の吸気に使用するこ
とによって、従来は実現の難しかった希薄燃焼と同等も
しくはそれ以上の高効率で理論空燃比燃焼と同等の低Ｎ
Ｏx 燃焼が可能となる。また、酸素製造装置の運転用電
力に、当該原動機による自家発電の電力を使用すること
により、酸素製造コストが低減でき、高温加熱炉におけ
る溶解コストの削減が可能となる。
機運転方法及び該運転方法を用いる燃焼システムによれ
ば、酸素製造装置による酸素製造時にでる従来廃棄され
ていた酸素濃度の低い空気を原動機の吸気に使用するこ
とによって、従来は実現の難しかった希薄燃焼と同等も
しくはそれ以上の高効率で理論空燃比燃焼と同等の低Ｎ
Ｏx 燃焼が可能となる。また、酸素製造装置の運転用電
力に、当該原動機による自家発電の電力を使用すること
により、酸素製造コストが低減でき、高温加熱炉におけ
る溶解コストの削減が可能となる。
【００３０】さらに、原動機の排熱を利用したコジェネ
レーションシステムを構築した場合、吸収式冷温水機等
による冷暖房が可能となり、単独で冷温水機を設置して
冷暖房を行うよりも省エネルギーが可能となる。
レーションシステムを構築した場合、吸収式冷温水機等
による冷暖房が可能となり、単独で冷温水機を設置して
冷暖房を行うよりも省エネルギーが可能となる。
【００３１】また、従来の理論空燃比燃焼エンジンで
は、エンジン出口のＮＯx 排出量は２５００〜３０００
ｐｐｍであり、脱硝率９９％以上の三元触媒を用いてＮ
Ｏx 排出量４０ｐｐｍ以下で連続１６０００時間の耐久
性を実現している。ここに本発明による原動機運転方法
及び該運転方法を用いる燃焼システムを用いると、原動
機からのＮＯx 排出量は５００ｐｐｍ程度となるので、
三元触媒の脱硝率が同じとすると、ＮＯx 排出量が１０
ｐｐｍ以下の超低ＮＯx 排出エンジンが実現でき。ＮＯ
x 排出量４０ｐｐｍが許容される場合には、触媒の耐久
性は１６０００時間の数倍以上が期待でき、また、同等
の耐久性においては、触媒量の削減が可能になりコスト
ダウンが可能となる。
は、エンジン出口のＮＯx 排出量は２５００〜３０００
ｐｐｍであり、脱硝率９９％以上の三元触媒を用いてＮ
Ｏx 排出量４０ｐｐｍ以下で連続１６０００時間の耐久
性を実現している。ここに本発明による原動機運転方法
及び該運転方法を用いる燃焼システムを用いると、原動
機からのＮＯx 排出量は５００ｐｐｍ程度となるので、
三元触媒の脱硝率が同じとすると、ＮＯx 排出量が１０
ｐｐｍ以下の超低ＮＯx 排出エンジンが実現でき。ＮＯ
x 排出量４０ｐｐｍが許容される場合には、触媒の耐久
性は１６０００時間の数倍以上が期待でき、また、同等
の耐久性においては、触媒量の削減が可能になりコスト
ダウンが可能となる。
【図１】本発明による原動機運転方法を用いた燃焼シス
テムの一例を説明する システム図。
テムの一例を説明する システム図。
【図２】ＰＳＡ方式による酸素製造装置を説明するシス
テム図。
テム図。
【図３】ガラス溶解炉である高温加熱炉を説明する斜視
図。
図。
【図４】深冷冷却方式による酸素製造装置を説明するシ
ステム図。
ステム図。
【図５】膜分離方式による酸素製造装置を説明するシス
テム図。
テム図。
【図６】吸収方式による酸素製造装置を説明するシステ
ム図。
ム図。
【図７】金属溶解炉である高温加熱炉を説明する断面
図。
図。
【図８】ゴミ焼却灰溶解炉である高温加熱炉を説明する
断面図。
断面図。
【図９】酸素製造装置と高温加熱炉を持つ燃焼システム
の一例を説明するシステム図（図９（ａ））、原動機と
して理論空燃比燃焼エンジンを用いる場合の熱収支の一
例を説明する図（図９（ｂ））。
の一例を説明するシステム図（図９（ａ））、原動機と
して理論空燃比燃焼エンジンを用いる場合の熱収支の一
例を説明する図（図９（ｂ））。
１…酸素製造装置、２…高温加熱炉、３…理論空燃比燃
焼エンジン、４…吸収式冷温水機、５…三元触媒
焼エンジン、４…吸収式冷温水機、５…三元触媒
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｇ 5/00 Ｆ０２Ｇ 5/00 Ｚ Ｆ０２Ｍ 33/00 Ｆ０２Ｍ 33/00 Ｃ (56)参考文献 特開 平４−246208（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−67907（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−18608（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02B 47/06 F01K 23/06 F02B 75/00 F02C 6/00 F02G 5/00 F02M 33/00
Claims (8)
- 【請求項１】 酸素製造装置と原動機と、前記酸素製造
装置で製造される酸素を燃料源とする高温加熱炉とを備
え、酸素製造装置の酸素製造時に副生される酸素を少な
く含む空気を前記原動機の吸気に使用して原動機を駆動
し、前記原動機はコジェネレーションシステムの原動機であ
り、該原動機の軸出力の一部又は全部が発電機に接続さ
れて発電を行い、この電力の一部又は全部が前記酸素製
造装置の駆動源として使用されるとともに、前記原動機
から発生する熱が蒸気若しくは温水又は冷水の製造に用
いられ、 前記原動機は理論空燃比による燃焼を行うガスエンジン
であり、前記原動機からの排気が三元触媒を介して放出
される ことを特徴とする原動機運転方法。 - 【請求項２】 請求項１記載の原動機運転方法を用いる
ことを特徴とする燃焼システム。 - 【請求項３】 前記酸素製造装置にＰＳＡ方式を適用し
たことを特徴とする請求項１記載の原動機運転方法。 - 【請求項４】 前記酸素製造装置に深冷冷却方式を適用
したことを特徴とする請求項１記載の原動機運転方法。 - 【請求項５】 前記酸素製造装置に膜分離方式を適用し
たことを特徴とする請求項１記載の原動機運転方法。 - 【請求項６】 前記高温加熱炉がガラス溶解炉であるこ
とを特徴とする請求項２記載の燃焼システム。 - 【請求項７】 前記高温加熱炉が金属溶解炉であること
を特徴とする請求項２記載の燃焼システム。 - 【請求項８】 前記高温加熱炉がゴミ焼却灰溶解炉であ
ることを特徴とする請求項２記載の燃焼システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27239096A JP3336206B2 (ja) | 1996-10-15 | 1996-10-15 | 原動機運転方法及び該運転方法を用いる燃焼システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP27239096A JP3336206B2 (ja) | 1996-10-15 | 1996-10-15 | 原動機運転方法及び該運転方法を用いる燃焼システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10121978A JPH10121978A (ja) | 1998-05-12 |
| JP3336206B2 true JP3336206B2 (ja) | 2002-10-21 |
Family
ID=17513227
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27239096A Expired - Fee Related JP3336206B2 (ja) | 1996-10-15 | 1996-10-15 | 原動機運転方法及び該運転方法を用いる燃焼システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3336206B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| ZA200304880B (en) * | 2003-02-24 | 2004-05-04 | Air Liquide | Integrated heat recovery systems and methods for increasing the efficiency of an oxygen-fired furnace. |
| AU2011271634B2 (en) * | 2010-07-02 | 2016-01-28 | Exxonmobil Upstream Research Company | Stoichiometric combustion with exhaust gas recirculation and direct contact cooler |
-
1996
- 1996-10-15 JP JP27239096A patent/JP3336206B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10121978A (ja) | 1998-05-12 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |