具备多个氧化处理器的低浓度甲烷气体氧化系统.pdf

本发明涉及一种低浓度甲烷气体氧化系统，其具备单一热源装置(GT)及氧化处理装置(OD)，所述氧化处理装置(OD)利用所述热源装置的热对低浓度甲烷气体进行催化氧化处理，具备多条分支供给路(3)及多个单位氧化处理单元(51)，所述多条分支供给路(3)从低浓度气体主供给路并列分路出，所述多个单位氧化处理单元(51)具有设置在各所述多条分支供给路上的催化氧化处理器(7)，各单位氧化处理单元包括第一单位氧化处理单元(51A)及附加单位氧化处理单元(51B)，所述第一单位氧化处理单元(51A)具有利用来自所述热源装置的热源气体的热进行催化氧化处理的第一催化氧化处理器(7A)，以及将来自所述第一催化氧化处理器的处理完毕气体作为加热介质，对流入设置在下游侧分支供给路上的附加催化氧化处理器的低浓度甲烷气体进行预热的第一热交换器(5A)；所述附加单位氧化处理单元(51B)具有附加催化氧化处理器(5B)，所述附加催化氧化处理器(5B)对由设置在上游侧分支供给路上的第一或附加催化氧化处理器预热的低浓度甲烷气体进行催化氧化处理。

权利要求书
1.  一种低浓度甲烷气体氧化系统，具备单一热源装置和氧化处 理装置；
所述氧化处理装置利用来自所述单一热源装置的热，对低浓度甲 烷气体进行催化氧化处理；
所述氧化处理装置具备多条分支供给路及多个单位氧化处理单 元，所述多条分支供给路从供应低浓度甲烷气体的低浓度气体主供给 路并列分路出；所述多个单位氧化处理单元具有设置在各所述多条分 支供给路上的催化氧化处理器；
各单位氧化处理单元包括第一单位氧化处理单元及至少一个附 加单位氧化处理单元；
所述第一单位氧化处理单元具有利用来自所述热源装置的热源 气体的热进行催化氧化处理的第一催化氧化处理器，以及将由所述第 一催化氧化处理器排出的氧化处理完毕气体作为加热介质，对流入设 置在下游侧分支供给路上的附加催化氧化处理器的低浓度甲烷气体 进行预热的第一热交换器；
所述至少一个附加单位氧化处理单元具有附加催化氧化处理器， 所述附加催化氧化处理器对由设置在上游侧分支供给路上的第一催 化氧化处理器或附加催化氧化处理器预热的低浓度甲烷气体进行催 化氧化处理。

2.  根据权利要求1所述的低浓度甲烷气体氧化系统，其特征在 于，所述至少一个附加单位氧化处理单元分别具有附加热交换器，所 述附加热交换器将由该附加单位氧化处理单元的附加催化氧化处理 器排出的氧化处理完毕气体作为加热介质，对流入设置在下游侧分支 供给路上的其它附加催化氧化处理器或所述第一催化氧化处理器的 低浓度甲烷气体进行预热。

3.  根据权利要求1或2所述的低浓度甲烷气体氧化系统，其特 征在于，所述第一单位氧化处理单元及所述至少一个附加单位氧化处 理单元分别具备底部管道，所述底部管道形成从各催化氧化单元中的 所述催化氧化处理器通向所述热交换器的氧化处理完毕气体的通道， 在该底部管道的侧部连接各催化氧化处理器，在所述底部管道的上部 连接各热交换器。

4.  根据权利要求3所述的低浓度甲烷气体氧化系统，其特征在 于，各催化氧化单元中的所述热交换器具有加热介质通道，所述加热 介质通道从所述底部管道朝向竖直方向上方，使作为加热介质的氧化 处理完毕气体通过。

5.  根据权利要求1至4中任意一项所述的低浓度甲烷气体氧化 系统，其特征在于，所述热源装置是将低浓度甲烷气体所含的可燃成 分作为燃料进行工作的贫燃料吸入燃气涡轮。

说明书具备多个氧化处理器的低浓度甲烷气体氧化系统
本申请要求2012年7月27日申请的日本专利申请2012-166616 的优先权，将其全部内容以参照的方式引入作为本申请的一部分。
技术领域
本发明涉及一种对例如在煤矿产生的VAM(Ventilation Air  Methane；煤矿通风甲烷)这样的低浓度甲烷气体进行氧化处理的系 统。
背景技术
为了减少温室效应气体，有必要对如从煤矿排出至大气中的 VAM这样低浓度甲烷气体进行氧化处理。作为这样的氧化处理装置， 一直以来，已知有通过利用外部热源装置排热的催化剂燃烧来对 VAM进行氧化处理的系统(例如专利文献1)。在专利文献1的例 子中，利用贫燃料燃气涡轮发动机的排热，将低浓度甲烷气体加热至 催化反应温度后，使低浓度甲烷气体流进催化剂层并使之燃烧。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4538077号说明书
发明内容
(一)要解决的技术问题
专利文献1所公开的氧化处理系统中，对一台燃气涡轮发动机组 合一台催化氧化处理装置，因此，在应处理的VAM的排出量很大的 情况下，就需要设置多个包括燃气涡轮发动机和催化氧化处理装置的 氧化处理系统。但是，设置多个这样的系统在设置空间和成本方面有 些困难，其结果就会出现无法得到充分的VAM处理能力这样的问题。
因此，为了解决上述技术问题，本发明的目的在于，提供一种低 浓度甲烷气体氧化系统，其通过对一台热源装置组合多个催化氧化处 理器，能够在抑制设置空间增大的同时，以低成本处理大量低浓度甲 烷气体。
(二)技术方案
为了实现上述目的，本发明的低浓度甲烷气体氧化系统具备单一 热源装置和氧化处理装置，所述氧化处理装置利用来自所述单一热源 装置的热对低浓度甲烷气体进行催化氧化处理，所述氧化处理装置具 备多条分支供给路及多个单位氧化处理单元，所述多条分支供给路从 供应低浓度甲烷气体的低浓度气体主供给路并列分路出，所述多个单 位氧化处理单元具有设置在各所述多条分支供给路上的催化氧化处 理器，各单位氧化处理单元包括第一单位氧化处理单元及至少一个附 加单位氧化处理单元，所述第一单位氧化处理单元具有利用来自所述 热源装置的热源气体的热进行催化氧化处理的第一催化氧化处理器， 以及将由所述第一催化氧化处理器排出的氧化处理完毕气体作为加 热介质，对流入设置在下游侧分支供给路上的附加催化氧化处理器的 低浓度甲烷气体进行预热的第一热交换器，所述附加单位氧化处理单 元具有附加催化氧化处理器，该附加催化氧化处理器对由设置在上游 侧分支供给路上的第一催化氧化处理器或附加催化氧化处理器预热 的低浓度甲烷气体进行催化氧化处理。所述热源装置例如是将低浓度 甲烷气体所含的可燃成分用作燃料的贫燃料吸入燃气轮机。
根据该结构，能够对一台热源装置组合多个催化氧化处理器。其 结果，能够在限制设置系统的空间增大的同时，以低成本处理大量的 低浓度甲烷气体。
在本发明一个实施方式中，优选地，所述至少一个附加单位氧化 处理单元分别具有附加热交换器，所述附加热交换器将由该附加单位 氧化处理单元的附加催化氧化处理器排出的氧化处理完毕气体作为 加热介质，对流入设置在下游侧分支供给路上的其它附加催化氧化处 理器或所述第一催化氧化处理器的低浓度甲烷气体进行预热。根据该 结构，在各单位氧化处理单元中，可利用其他单位氧化处理单元的排 热来预热低浓度甲烷气体，因此能够提高系统整体的效率。
在本发明一个实施方式中，优选地，所述第一单位氧化处理单元 及所述至少一个附加单位氧化处理单元分别具备底部管道，所述底部 管道形成从各催化氧化单元中的所述催化氧化处理器通向所述热交 换器的氧化处理完毕气体的通道，在该底部管道的侧部连接各催化氧 化处理器，在所述底部管道的上部连接各热交换器。根据该结构，通 过在同一方向上将多个单位氧化处理单元顺次连接，能够简单且紧凑 地构成该系统。进而，使与所要求的低浓度甲烷气体的处理量相对应 的催化氧化处理能力的增减变容易。
在本发明一个实施方式中，优选地，各催化氧化单元中的所述热 交换器具有加热介质通道，所述加热介质通道从所述底部管道朝向竖 直方向上方，使作为加热介质的氧化处理完毕气体通过。根据该结构， 能够实现使设置有该系统的空间进一步节省。
权利要求书及/或说明书及/或说明书附图所公开的至少两种结构 的任意组合也包含在本发明中。特别是权利要求书的各项权利要求的 两项以上的任意组合也包含在本发明中。
附图说明
通过参照附图对以下优选的实施方式进行说明，可更加清楚地理 解本发明。但是，实施方式及附图仅用于图示及说明，不应用于确定 本发明的范围。本发明的范围由权利要求书确定。在附图中，多张附 图中相同附图标记表示相同或与其相当的部分。
图1是表示本发明的一个实施方式的低浓度甲烷气体氧化系统 的示意性结构的框图。
图2是表示图1的低浓度甲烷气体氧化系统的结构的俯视图。
图3是表示图2的主要部分的图，其中，(a)为俯视图，(b) 为侧视图。
图4是表示图1的实施方式的变形例的低浓度甲烷气体氧化系统 的示意性结构的框图。
图5是表示图1的实施方式的进一步变形例的低浓度甲烷气体氧 化系统的示意性结构的框图。
具体实施方式
下面基于附图说明本发明的优选实施方式。图1是表示本发明的 一个实施方式的低浓度甲烷气体氧化系统(以下仅称为“氧化系统”。) ST的示意性结构图。该氧化系统ST利用作为热源装置的燃气涡轮发 动机GT的排热，用低浓度甲烷气体氧化处理装置OD对从煤矿排出 的如VAM这样的低浓度甲烷气体LG进行氧化处理。
在本实施方式中，作为燃气涡轮发动机GT，利用贫燃料吸入燃 气涡轮。贫燃料吸入燃气涡轮将作为氧化处理系统ST氧化处理对象 的低浓度甲烷气体LG所含的可燃成分用作燃料。作为燃气涡轮发动 机GT中使用的低浓度甲烷气体LG，例如利用在煤矿产生的VAM。 对于甲烷气体氧化处理装置OD及燃气涡轮发动机GT，由共同的 VAM供给源VS供应作为低浓度甲烷气体LG的VAM。此外，本实 施方式的燃气涡轮发动机GT，除了VAM之外，还使用比VAM甲 烷浓度高的低浓度甲烷气体CMM(Coal Mine Methane；煤矿甲烷) 作为燃料。
在低浓度甲烷气体氧化处理装置OD中，作为氧化处理对象的低 浓度甲烷气体LG从低浓度甲烷气体供给源(VAM供给源)VS通过 低浓度气体主供给路1及从低浓度气体主供给路1并列分路的多条 (图示例子中为四条)低浓度气体分支供给路3之后，由对各低浓度 气体分支供给路3各设置一个的热交换器5预热，之后通过设置在热 交换器5下游的催化氧化处理器7进行催化氧化处理。各热交换器5 利用从燃气涡轮发动机GT通过加热介质供给路9供应的涡轮废气 EG或从邻接的上游侧的催化氧化处理器7排出的高温氧化处理完毕 气体OG作为加热介质。氧化处理完毕气体OG作为加热介质通过热 交换器5之后向外部排出。
在本实施方式中，多个催化氧化处理器7中只有一个催化氧化处 理器7直接利用来自作为热源装置的燃气涡轮发动机GT的作为热源 气体的高温涡轮废气EG的热。在图示的例子中，来自燃气涡轮发动 机GT的涡轮废气EG作为加热介质流入催化氧化处理器7。在以下 说明中，根据需要，将多个催化氧化处理器7中，直接导入燃气涡轮 发动机GT的涡轮废气EG的催化氧化处理器7称为第一催化氧化处 理器7A。另外，将利用从该第一催化氧化处理器7A排出的氧化处 理完毕气体OG作为加热介质的邻接的热交换器5称为第一热交换器 5A，将向第一热交换器5A供应作为被加热介质的低浓度甲烷气体 LG的低浓度气体分支供给路3称为第一低浓度气体分支供给路3A。 进而，将对由第一热交换器5A预热的低浓度甲烷气体LG进行氧化 处理的附加的催化氧化处理器7(也就是说，相对于低浓度气体主供 给路1，在从第一低浓度气体分支供给路3A的下游侧分路的第二低 浓度气体分支供给路3B上设置的催化氧化处理器7)称为第二催化 氧化处理器7B，下面同样存在称为第三、四催化氧化处理器7C、7D， 第二～第四热交换器5B～5D、第二～第四低浓度气体分支供给路 3B～3D的情况。在本实施方式中，由第四热交换器5D加热的低浓度 甲烷气体LG在被设置在加热介质供给路9上的混合器11与涡轮废 气EG混合之后，由第一催化氧化处理器7A氧化处理，作为加热介 质通过第一热交换器5A之后向外部排出。
这样，通过利用燃气涡轮发动机GT或其它催化氧化处理器7的 排热来预热由各催化氧化处理器7处理的低浓度甲烷气体LG，能够 提高系统整体的效率。
加热介质供给路9是从将涡轮废气EG从燃气涡轮发动机GT向 外部排出的废气排出路13上分路设置。在加热介质供给路9上的混 合器11的下游设置有预热燃烧器15。预热燃烧器15在氧化处理系 统ST启动时用于预热供给第一热交换器5A的气体，但是涡轮废气 EG与来自第四热交换器5D的低浓度甲烷气体LG的混合气的温度超 过规定值之后，停止利用预热燃烧器15进行的预热。在图示的例子 中，利用CMM作为预热燃烧器15的燃料。另外，从在废气排出路 13上的向加热介质供给路9的分路的分支点靠下游侧，设置对废气 排出量进行调节的废气量调节阀17。
在从低浓度气体主供给路1向各分支供给路3分路的分支点的下 游，顺次设置用于对低浓度甲烷气体LG的导入进行开始及停止和进 行流量调节的低浓度气体开关阀21和低浓度气体流量调节阀23。另 外，在低浓度气体流量调节阀23的下游，设置有向热交换器5输送 低浓度甲烷气体LG的鼓风机25，鼓风机25的下游侧与热交换器5 的被加热介质入口5a连接。
热交换器5上的作为被加热介质的低浓度甲烷气体LG的入口侧 流路和出口侧流路通过热交换器迂回路29来连接，该热交换器迂回 路29使低浓度甲烷气体LG从热交换器5迂回。在加热介质入口侧 流路上设有对流入催化氧化处理器7的加热介质温度进行测量的第 一温度测量器31和对从催化氧化处理器7流出的加热介质的温度进 行测量的第二温度测量器33。另外，在热交换器迂回路29的中途， 设有控制迂回的低浓度甲烷气体LG流量的迂回量控制阀35。在第二 温度测量器33的温度超过规定值的情况下，调节迂回量控制阀35的 开度，使在热交换器迂回路29中流动的低浓度甲烷气体LG的流量 增加。由此，由于催化氧化处理器7入口处的加热介质温度下降，因 此防止催化氧化处理器7内的催化剂过热。
此外，在低浓度气体主供给路1上的VAM供给源VS的下游设 有第一甲烷浓度传感器37。另外，在各分支供给路3上的低浓度气 体流量调节阀23的下游，设有导入外部空气的吸气气闸(ダンパ) 39，同时连接有供应比VAM更高浓度的低浓度甲烷气体的CMM的 CMM供给路41。在由第一甲烷浓度传感器37测量到的低浓度甲烷 气体LG的甲烷浓度超过规定值的情况下，打开吸气气闸39从而向 分支供给路3导入空气，使甲烷浓度降低。另一方面，在由第一甲烷 浓度传感器37测量到的低浓度甲烷气体LG的甲烷浓度低于规定值 的情况下，从CMM供给路41向分支供给路3导入CMM，使甲烷浓 度上升。这样调节浓度后的甲烷浓度由与鼓风机25下游连接的第二 甲烷浓度传感器43测量。通过控制装置45来进行基于温度测量器 31、33、甲烷浓度传感器37、43等测量器测量值的各种调节阀、开 关阀等的控制。
然后，对氧化系统ST的结构进行说明。如图2所示，氧化系统 ST通过在氧化处理装置主体53上连接鼓风机25、混合器11、燃气 涡轮发动机GT等外围设备而成，所述氧化处理装置主体53是将多 个(在本实施方式中为四个)由一个催化氧化处理器7和一个热交换 器5构成的单位氧化处理单元51排成一列并连接而成的。各单位氧 化处理单元51从在靠近燃气涡轮发动机GT的位置上配置的部件开 始顺次具备第一催化氧化处理器7A及第一热交换器5A、第二催化 氧化处理器7B及第二热交换器5B、第三催化氧化处理器7C及第三 热交换器5C、第四催化氧化处理器7D及第四热交换器5D。在以下 说明中，存在将最靠近燃气涡轮发动机GT的位置上配置的具备第一 催化氧化处理器7A及第一热交换器5A的单位氧化处理单元51称为 第一单位氧化处理单元51A，对除此之外附加的单位氧化处理单元， 从与第一单位氧化处理单元51A邻接的单元开始顺次称为第二单位 氧化处理单元51B～第四单位氧化处理单元51D的情况。
参照图3对氧化处理装置主体53的结构进行详细说明。形成氧 化处理装置主体53的各单位氧化处理单元51如图3(b)所示，由 形成从所述催化氧化处理器7到热交换器5的氧化处理完毕气体通道 的底部管道55、与底部管道55的侧部连接并被其支持的催化氧化处 理器7以及与底部管道55的上部连结并被其支持的热交换器5构成。 更具体就是，催化氧化处理器7安装在底部管道55的、氧化处理装 置主体53中的单位氧化处理单元51排列方向上的一个侧部上。此外， 在以下说明中，将氧化处理装置主体53中的单位氧化处理单元51的 排列方向的安装有催化氧化处理器的那一方称为“前方”，将其相反 侧的另一方称为“后方”。
热交换器5具有加热介质通道5c，该加热介质通道5c从底部管 道55侧朝向竖直方向上方，使作为加热介质的氧化处理完毕气体OG 通过。在第一～第三单位氧化处理单元51A～51C中，热交换器5的被 加热介质通道5d在加热介质通道5c的上部后方具有导入口5da，在 下部后方具有导出口5db，并从导入口5da到导出口5db在加热介质 通道5c内沿前后方向横穿多次(在图示的例子中为四次)的方式形 成为曲折状。通过作为加热介质的氧化处理完毕气体OG穿过加热介 质通道5c内，通过如上所述形成的被加热介质通道5d加热低浓度甲 烷气体LG后，从热交换器5的上端部的排出口57向外部排出。
热交换器5的被加热介质通道5d的导出口5db通过形成被加热 介质出口通道的连结管道59，与位于后方的斜下方的邻接的单位氧 化处理单元51的催化氧化处理器7连接。这样，前后排列的多个单 位氧化处理单元51通过用连结管道59将前方单位氧化处理单元51 的被加热介质通道导出口5db与后方催化氧化处理器7顺次连接而连 结。
可是，位于最后方的第四单位氧化处理单元51D与其它单位氧 化处理单元51A～51C相比，热交换器5的结构不同。在第四单位氧 化处理单元51D中，被加热介质通道5d沿与前后方向及竖直方向正 交的方向设置在热交换器5的上部。被第四热交换器5D加热的低浓 度甲烷气体LG通过未图示的气体通道，输送至图2中所示的前方的 混合器11。
如上所述，根据本实施方式的低浓度甲烷气体氧化系统ST，由 于可以利用一台热源装置的热启动多个催化氧化处理器7，因此可以 以低成本处理大量的低浓度甲烷气体。另外，这样使系统的处理能力 大幅提高的同时，能够抑制系统整体的设置空间增大。
特别是，由于将从各低浓度气体分支供给路3供应的低浓度甲烷 气体LG作为被加热介质，将对从其邻接的低浓度气体分支供给路3 所供应的低浓度甲烷气体LG进行氧化处理之后的高温氧化处理完毕 气体OG作为加热介质，顺次在热交换器5进行预热，因此能够使氧 化处理装置主体53形成将由催化氧化处理器7、底部管道55及热交 换器5构成的单位氧化处理单元51在同一方向顺次连接而成的简单 且小型的结构。由此，实现使设置又氧化系统ST的空间节省，并且 使与所要求的低浓度甲烷气体LG的处理量相对应的氧化系统ST的 处理能力(即附加单位氧化处理单元51的设置数量)的增减变容易。
另外，在本实施方式的变形例中，作为热源装置的燃气涡轮发动 机GT，也可以使用如图4所示的，不从VAM供给源VS接受燃料 供应，而从外部接受燃料供应，并将空气用作工作气体的普通的燃气 涡轮发动机，来代替将VAM作为工作气体的贫燃料吸入燃气涡轮。 另外，作为热源装置，并不限定于燃气涡轮发动机GT，也可以使用 锅炉等能够不利用VAM而供应高温气体的任意装置。
图5表示本实施方式的进一步变形例。在图1的实施方式中，设 置了第四热交换器5D，该第四热交换器5D利用由第四催化氧化处 理器7D氧化处理的氧化处理完毕气体OG的热来预热由第一催化氧 化处理器7A氧化处理的低浓度甲烷气体LG，但在图5的示例中， 省略第四热交换器5D，将由第一催化氧化处理器7A氧化处理的低 浓度甲烷气体LG导入直接混合器11，与涡轮废气EG混合。
此外，在上述各实施方式中，通过将来自作为热源装置的燃气涡 轮发动机GT的涡轮废气EG与低浓度甲烷气体LG一同导入催化燃 烧器7，将涡轮废气EG的热用于氧化处理中，但例如也可以通过附 加设置的热交换器利用涡轮废气EG预热导入第一催化燃烧器7A的 低浓度甲烷气体LG，由此将涡轮废气EG的热用于氧化处理中。
如上所述，参照附图对本发明的优选实施方式进行了说明，但在 不脱离本发明的主旨的范围内，能够进行各种补充、改变或删除。因 此，这样的补充、改变及删除也包含在本发明的范围内。
附图标记说明
1    低浓度气体主供给路
3    低浓度气体分支供给路(分支供给路)
5    热交换器
7    催化氧化处理器
51   单位氧化处理单元
EG   涡轮废气
GT   燃气涡轮发动机(热原装置)
LG   低浓度甲烷气体
OG   氧化处理完毕气体
ST   低浓度甲烷气体氧化系统