燃气轮机设备、燃料气体供给设备及燃料气体的发热量上升抑制方法

摘要

本发明提供能够将燃料气体作为其发热量急剧上升受到抑制的的稳定的燃气轮机气体提供的低发热量气体供给设备。低发热量气体供给设备(1)具备将气体作为燃料提供给燃气轮机(2)用的低发热量气体供给配管(3)、在燃料气体供给配管(3)上连接的，将制氧设备和制氮设备中的至少一方(20)发生的废弃氮气提供给低发热量气体供给配管(3)用的废弃氮气供给配管(4)、在低发热量气体供给配管3上配设的，检测气体中的发热量的发热量计(11)、以及控制装置(100)；控制装置(100)在发热量计(11)的检测值超过基准值时实施从废弃氮气供给配管(4)提供废弃氮气的控制。

说明书

技术领域

本发明涉及燃气轮机设备、燃料气体供给设备以及燃料气体的发热量上升抑制方法。更详细地说，涉及将像低发热量气体那样其发热量(也称为卡路里)有变动的气体作为燃料提供给燃气轮机的燃料气体供给设备、具备该燃料气体供给设备的燃气轮机设备、以及抑制这种燃气轮机燃料用气体的发热量上升的方法。

背景技术

在炼铁领域利用例如高炉法生产生铁的情况下，从高炉产生作为副产品气体的高炉瓦斯(Blast Furnace Gas，以下简称BFG)。BFG的总发热量甚至达到使用的焦炭的发热量的大约一半，因此为了降低炼铁成本，在炼铁厂内多方面使用BFG。每投入1吨焦炭发生3000Nm³左右的BFG，其组成是二氧化碳(CO₂)10～18体积％(以下简单表示为％)，一氧化碳(CO)22～30％，氮气(N₂)52～60％，氢气(H₂)0.5～4％，甲烷(CH₄)0.5～3％左右。

除此以外，BFG还包含烟尘2～10g/Nm³，因此在用除尘器将其去除到0.01g/Nm³左右之后，作为发热量为800kcal/Nm³左右的燃料使用于热风炉、炼焦炉、加热炉、锅炉等。近年来，在燃气轮机中也由于其技术的提高，已经能够燃烧低发热量气体，将BFG作为燃气轮机燃料使用进行发电的事例一直在增加。在这里，将低发热量气体定义为其发热量在约12MJ/Nm³以下的气体。低发热量气体不限于高炉瓦斯(BFG)，还包含转炉气体(LDG)等多种其他种类的气体及其混合气体。

另一方面，近年来正在研究高炉法以外的新炼铁工艺(例如FINEX和COREX等直接还原炼铁法)，能够适用于对这样的新工艺发生的副产品气体进行有效利用的燃烧方式的开发研究有待进行。任何一种炼铁工艺发生的副产品气体的特性(气体组成和发热量)都因设备和操作内容而不同，即使是用同一设备，特性也会相应于各原料的特性和反应过程而时时刻刻发生变化，并不是一定的。

对于将副产品气体作为燃气轮机的燃料使用的情况下的最重要的特性发热量来说，在超过各燃气轮机固有的发热量允许变动幅度的上限(例如平均发热量值的约+10％)的情况下，也就是发热量急剧变大的情况下，有时候燃气轮机的燃烧器内的燃烧温度急剧上升到异常高温。由于这样的原因燃烧器部分、燃气轮机的定子叶片(静子叶片)和转动叶片(动叶)会受到损伤，可能造成使用寿命的缩短和其他弊端，在这种情况下使燃气轮机设备导致经济、连续运行是困难的。

为了抑制副产品气体的发热量变动，已知有利用纯氮气稀释的技术(参照例如专利文献1和专利文献2)。但是在利用精制到高纯度的氮气等不活泼气体稀释副产品气体的情况下，不得不根据发热量变动值大量使用氮气等昂贵的不活泼气体。而且，连续大量确保不活泼气体的供应除了特殊工业领域以外是非常困难的。而且还必须进一步设置大量不活泼气体的贮存设备、和包括配管的气体供应用的各种机器设备等。由于这些理由，使得购买纯净的不活泼气体使用的技术方案导致燃气轮机发电的经济性下降，标榜高效率的燃气轮机技术的优越性受到影响。

专利文献1：日本特开2002-155762号公报

专利文献2：日本特开平9-317499号公报

发明内容

本发明是为解决这样的存在问题而作出的，其目的在于，提供设备成本和运行成本低廉的，能够缓和燃气轮机用的燃料气体的发热量变动的燃料气体供给设备、具备该燃料气体供给设备的燃气轮机设备、以及抑制燃气轮机燃料用气体的发热量上升的方法。

为了实现上述目的，本发明的燃料气体供给设备具备将气体作为燃料提供给燃气轮机用的燃料气体供给通路、该燃料气体供给通路上连接的，将制氧设备和制氮设备中的至少一方发生的废弃的氮气提供给燃料气体供给通路用的废弃氮气供给通路、在所述燃料气体供给通路上配设的，检测气体中的发热量用的发热量检测装置、以及能够根据该发热量检测装置的检测结果控制废弃氮气供给通路的废弃氮气供给动作的控制装置。

如果采用这一发明，则作为在制氧设备应该废弃的副产品发生的废弃氮气以及在制氮设备制造的含有微量氧因此被废弃的废弃氮气可以回收作为燃料气体的稀释气体使用。由于将大量含有不能够燃烧的氮气而且是极其容易得到且便宜的废弃氮气加以混合稀释燃料气体，能够抑制燃料气体的发热量上升。在这里，所谓发热量检测装置也当然包含对气体的发热量进行直接测量的装置，而且也包含测量气体中的可燃成分的含有率的装置。

可以还具备能够根据所述发热量检测装置的检测结果控制废弃氮气供给通路的废弃氮气供给动作的控制装置。

形成所述控制装置能够设定作为燃料提供给燃气轮机的气体的最大允许发热量值，在燃料气体的发热量值超过该最大允许发热量设定值时，能够从废弃氮气供给通路提供废弃氮气的结构。

最好是燃料气体供给设备形成如下所述的结构，即所述燃料气体供给通路上连接提供不活泼气体用的不活泼气体供给通路，所述控制装置形成在利用废弃氮气供给通路向燃料气体供给通路提供废弃氮气的状态下能够根据发热量检测装置的检测结果控制不活泼气体供给通路的不活泼气体供给动作的结构。因为假如由于废弃氮气的供给停止或减少，燃料气体的发热量上升得不到充分抑制，在这种情况下，可以利用高纯度的不活泼气体补充燃料气体的稀释作用。

可以在所述废弃氮气供给通路上配设暂时贮存制氧设备和制氮设备中的至少一方提供的废弃氮气的贮存柜。这是为了维持废弃氮气的稳定供应

最好是在在所述废弃氮气供给通路上配设暂时贮存制氧设备和制氮设备中的至少一方提供的废弃氮气的氧浓度变动抑制容器，该氧浓度变动抑制容器上形成气体入口和气体出口，气体入口上连接废弃氮气供给通路的上游侧，气体出口上连接废弃氮气供给通路的下游侧。由于一边发生氧浓度变动一边提供的废弃氮气在氧浓度变动抑制容器中混合，废弃氮气中包含的副产品气体成分的微量氧浓度变动均匀化，废弃氮气作为稀释气体的安全性有了稳定性。

在以上所述各设备中，最好是在所述燃料气体供给通路上配设暂时贮存燃料气体的容器，该容器具有气体入口和气体出口，气体入口上连接燃料气体供给通路的上游侧，气体出口上连接燃料气体供给通路的下游侧。因为通过燃料气体供给通路提供的燃料气体暂时贮存于容器内，通过在其中混合，减少其发热量变动幅度，而且发热量变动速度也得到缓和，因此在容器下游部利用氮气进行稀释控制使发热量平稳化更加容易。上述发热量检测装置设置于燃料气体供给通路上，但是在燃料气体供给通路上设置容器的设备中，这些容器也构成燃料气体供给通路，因此将发热量检测装置设置于燃料气体供给通路上这样的事情也包括在所述容器上设置。

上述容器上形成两种气体入口，其中一气体入口上连接上述燃料气体供给通路的上游侧，另一气体入口上连接与燃料气体供给通路的下游侧连接的返回通路，该返回通路上可以设置将燃料气体向容器压送的气体压送装置。

在上述容器上游侧的燃料气体供给通路与容器下游侧的燃料气体供给通路之间连接返回通路，在该返回通路上设置将燃料气体向容器上游侧的燃料气体供给通路压送的气体压送装置。

最好是所述的燃料气体供给设备在所述燃料气体供给通路上配设暂时贮存燃料气体的容器，在燃料气体供给通路与所述容器之间，配设使燃料气体从容器返回燃料气体供给通路的出口通路、以及从燃料气体供给通路的与出口通路连接的连接点的上游侧将燃料气体送入容器的上游侧入口通路。因为利用这种容器也能够在其中混合燃料气体，从而能够减少其发热量变动幅度，而且能够减缓发热量变动速度。

还有，上述容器都可以是内部容积不变的固定形式的容器，也可以是已有的燃气轮机设备中作为监视气体的供需平衡的装置(储气柜)使用的内部容积变动式的容器。所谓内部容积变动式的容器，是具有气密安装的能够相应于容器内部压力上下移动的盖构件的容器、借助于驱动装置使盖构件主动地上下移动能够实现最大的平衡效果的，可选定容器容积的容器等。

又可以对该燃料气体供给设备，取代上述上游侧入口通路或与上述上游侧入口通路同时设置从所述燃料气体供给通路的与出口通路的连接点下游侧向容器输送燃料气体的下游侧入口通路，在该下游侧入口通路上配设向容器压送燃料气体的气体压送装置。

在具有上述容器的燃料气体供给设备中，可以在所述燃料气体供给通路的与出口通路的连接点的下游侧与燃料气体供给通路的与入口通路的连接点的上游侧之间连接返回通路，在该返回通路上设置向上游侧燃料气体供给通路压送燃料气体的气体压送装置。

最好是在所述容器内部设置搅拌气体用的搅拌装置。

最好是还具备在所述燃料气体供给通路的上游部分与下游部分之间连接的返回通路，在该返回通路上配设从燃料气体供给通路的下游部分向上游部分压送燃料气体供给通路中流过的燃料气体的一部分的气体压送装置。因为能够实现与上述容器的作用相同的作用。

本发明的燃气轮机设备具备燃气轮机、以及向该燃气轮机提供作为燃料的气体用的燃料气体供给设备，该燃料气体供给设备是上面所述的任一燃料气体供给设备。

本发明的燃气轮机燃料用燃料气体的发热量上升抑制方法，包含测量作为燃料提供给燃气轮机的气体的发热量的发热量测量步骤、以及在该测量结果超过设定的允许发热量值时，将制氧设备以及制氮设备中的至少一方发生的废弃氮气混合于上述燃料气体中的废弃氮气混入步骤。

而且最好是所述发热量上升抑制方法还具备利用废弃氮气供给装置，在判断为所述发热量测量结果不低于设定的允许发热量值时，在燃料气体中加入不活泼气体加以混合的步骤。

如果采用本发明，则将像作为工艺副产品的气体那样发热量会发生变动的燃料气体提供给燃气轮机的设备能够以低廉的设备成本和运行成本实现。因为在例如将像低发热量气体那样发热量会发生变动的气体作为燃料提供时，为了抑制该气体的发热量上升，容易得到大量的其气体成分几乎都是氮气这样的不可燃的废弃氮气。

附图说明

图1是包含本发明一实施形态的低发热量气体供给设备的燃气轮机发电设备的配管概略图。

图2是包含本发明另一实施形态的低发热量气体供给设备的燃气轮机发电设备的配管概略图。

图3表示低发热量气体和空气的混合比例与混合气体的可燃界限之间的关系的一个例子的曲线图，横轴是低发热量气体的体积比，纵轴表示温度。

图4是表示通过图1或图2的缓冲容器，因而低发热量气体的发热量变动得到缓和的状态的一个例子的曲线图。

图5是表示通过缓冲容器，因而低发热量气体的发热量变动得到缓和的状态的另一个例子的曲线图。

图6是表示通过缓冲容器，因而低发热量气体的发热量变动得到缓和的状态的再一个例子的曲线图。

图7是表示图1或图2的燃气轮机发电设备中能够设置的缓冲容器的另一个例子的配管图。

图8是表示图1或图2的燃气轮机发电设备中能够设置的缓冲容器的又一个例子的配管图。

图9是表示图1或图2的燃气轮机发电设备中能够设置的缓冲容器的再一个例子的配管图。

图10是表示通过图8或图9的缓冲容器，因而低发热量气体的发热量变动得到缓和的状态的一个例子的曲线图。

图11是表示图1或图2的燃气轮机发电设备中能够设置的缓冲容器的又一个例子的配管图。

图12是表示图1或图2的燃气轮机发电设备中能够设置的发热量变动抑制手段的另一个例子的配管图。

图13是表示图1或图2的燃气轮机发电设备中能够设置的缓冲容器的再一个例子的配管图。

图14是表示图1或图2的燃气轮机发电设备中能够设置的缓冲容器的再一个例子的配管图。

图15是表示图1或图2的燃气轮机发电设备中能够设置的缓冲容器的再一个例子的配管图。

符号说明

1    低发热量气体供给设备

2    燃气轮机

3     低发热量气体供给配管

4     废弃氮气供给配管

5     混合器

6     集尘装置

7     发热量计

8     流量计

9     混合气体供给配管

10    缓冲容器

11    发热量计

12    氧浓度计

13    低压压缩机

14    高压压缩机

15    冷却器

16    燃烧器

17    流量调整阀

18    过滤器

19    发电机

20    (废弃氮气的)供给源

21    氮气贮存容器

22    (废弃氮气的)氧变动抑制容器

23    氧浓度计

24    风扇

25    单向阀

26    截止阀

27    流量计

28    流量调整阀

29    截止阀

30    单向阀

31    废弃氮气放出管

32    流量调整阀

33    低发热量气体供给设备

34    不活泼气体供给配管

35    截止阀

36     流量计

37     流量调整阀

38     公共配管

39     风扇

40     气体量平衡监视装置

41     连通管

42     容器

43     盖构件

44     调整用重锤

45     上游侧入口配管

46     气体量平衡监视装置

47     容器

48     压力检测装置

49     返回配管

50     下游侧入口配管

51     搅拌装置

52     返回配管

100    控制装置

S      直接还原炼铁设备

具体实施方式

下面参照附图对本发明的燃料气体供给设备、具备该设备的燃气轮机设备、以及燃料气体的发热量上升抑制方法的实施形态进行说明。

图1是包含本发明的燃料气体供给设备的一实施形态的低发热量气体供给设备1的燃气轮机设备的配管概略图。作为燃气轮机设备，这里以燃气轮机发电设备为例。如上所述，将低发热量气体定义为其发热量在12MJ/Nm³以下的气体。低发热量气体大多数是其发热量等特性有变动的气体。

这种低发热量气体供给设备1，具备将直接还原炼铁设备S发生的副产品气体(以下称为低发热量气体)作为燃料提供给燃气轮机2的低发热量气体供给配管3、为了抑制该低发热量气体的发热量上升，将废弃氮气作为稀释气体提供给低发热量气体供给配管3用的废弃氮气供给配管4、以及控制该低发热量气体供给设备1的动作用的控制装置100。

为了将低发热量气体稀释，抑制其发热量上升，在其中混合废弃氮气的理由是，废弃氮气中含有大量氮气(N₂)，而且不含可燃性气体。废弃氮气是高炉法、以及FINEX法和COREX法等直接还原炼铁法使用的制氧设备放出的氮气以及与制氧设备并设的制氮设备排出的含有微量氧气的氮气。在FINEX法和COREX法等直接还原炼铁法的情况下，使用氧气作为还原剂，因此必须设置大量制造氧气的制氧设备。在高炉法中，由于使用氧气，也要使用制氧设备，虽然规模上有差别。制氧设备是从空气中分离氮气制造氧气的工设备，分离氧气后的氮气通常作为废弃氮气放入大气中。另一方面，也往往与制氧设备并设制氮设备制造高纯度氮气，即时在这种情况下，也将含有微量氧气的氮气作为废弃氮气释放到大气中。这样的废弃氮气含有大约95～98％左右的氮气，而且含有2～5％左右的氧，从低发热量气体的可燃界限的观点考虑，也是极其安全的稀释气体，回收这些大量废弃的氮气而使用，使得操作成本变得极其低廉。

在上述低发热量气体供给配管3的比混合器5上游的部分设置对直接还原炼铁设备S送来的低发热量气体进行除尘用的集尘装置6、以及暂时贮存低发热量气体用的缓冲容器10。在该缓冲容器10中形成连接上游侧低发热量气体供给配管3的入口10a、以及连接下游侧低发热量气体供给配管3的出口10b。在图1的缓冲容器10中，该入口10a和出口10b形成于容器圆周壁的下端近旁，但并不特别限定于这些位置。例如，也可以形成于容器圆周壁的中部、上部、容器的底部等。

缓冲容器10具有比较大的容量，在该缓冲容器10的内部混合时时刻刻发生发热量变动且滞留下来的低发热量气体。其效果将在下面叙述。在缓冲容器10的下游侧设置检测低发热量气体的发热量用的发热量检测装置7和测定流量用的流量计8。该流量计8的设置位置不限于混合器5的上游侧。也可以在混合器5的下游侧设置。例如，也可以设置在下述高压压缩机14和燃烧器16之间。

发热量检测装置7的设置位置不限于缓冲容器10的下游侧，例如，也可以是缓冲容器10的上游侧。由于在缓冲容器10的上游侧事先检测出气体的发热量变动，能够更可靠的地使用混合器5进行发热量控制。而且与缓冲容器10的上游侧一起，在下游侧也设置发热量检测装置，利用发热量检测装置监视缓冲容器10的气体发热量变动抑制效果，这样能够把握同时利用缓冲容器10的气体混合作用的发热量变动抑制系统的综合性能。该发热量检测装置也可以直接安装于缓冲容器10上。除了低发热量气体供给配管3上的上述发热量检测装置7外，也可以在缓冲容器10上另外安装别的发热量检测装置。

在这里，发热量检测装置7使用直接测量气体发热量的所谓发热量计(卡路里计)、测量可燃成分的含量(浓度)的装置等。在重视检测速度的情况下，在现在的情况下，最好是使用可燃性气体浓度检测器。也可以根据被使用的低发热量气体主要包含的可燃成分的种类和发生主要浓度变动的可燃成分(例如，直接还原炼铁法的副产品气体中的一氧化碳)使用检测该成分的浓度的浓度检测器。在本说明书中，将这些发热量检测装置称为发热量计。

由于低发热量气体通过低发热量气体供给配管3的混合器5下游侧部分与废弃氮气混合，并以该混合状态被送到燃气轮机2，因此将该下游部分范围的配管称为混合气体供给配管9。混合气体供给配管9上设置发热量计11和对混合气体中的氧浓度进行测量用的氧浓度计12。氧浓度计12的下游侧依序设置燃气轮机2的低压燃料气体压缩机(以下称为低压压缩机)13和高压燃料气体压缩机(以下称为高压压缩机)14。在两个压缩机13、14之间配设对作为燃料气体的混合气体进行冷却用的冷却剂15。从高压压缩机14连接到燃气轮机2的燃烧器16上的燃料配管9a上设置对燃气轮机输出进行调整用的流量调整阀17。符号18表示对燃烧器16提供废弃氮气的配管上设置的过滤器。燃气轮机2上连接发电机19。

图1表示以两个压缩机13、14一起利用燃气轮机2进行旋转驱动的情况，但是并不限于此，两个压缩机13、14也可以不与燃气轮机2同轴连接而形成利用专用电动机驱动的结构。

下面对废弃氮气的供给设备进行说明。废弃氮气供给配管4设置为从作为废弃氮气的供给源的制氧设备(或制氮设备)20延伸到上述混合器5。该废弃氮气供给配管4上配设氮气贮存容器21和氧浓度变动抑制容器22。这两个容器21、22，将哪一个配置于上游侧(下游侧)都可以。

氮气贮存容器21的设置目的是，暂时贮存来自供应源20的废弃氮气，以便在供应源来的废弃氮气供应突然停止或大幅度减少等紧急情况时也能够在规定的时间继续提供废弃氮气。而且能够缓和废弃氮气供给配管4内的压力变动。该废弃氮气贮存容器21可以只利用一根连通管与废弃氮气供给配管4连接，也可以形成入口和出口，将其分别连接于废弃氮气供给配管4的上游侧和下游侧。

氧浓度变动抑制容器22是为了抑制废弃氮气中的氧浓度变动而设置的。如果是氧浓度的变动可以忽略不计的话，则不必设置该氧浓度变动抑制容器22。该氧浓度变动抑制容器22形成入口22a和出口22b，入口22a和出口22b分别利用入口配管和出口配管连接于废弃氮气供给配管4上。利用这样的结构，使利用废弃氮气供给配管4提供的全部废弃氮气流入氧浓度变动抑制装置22进行混合。其结果是，即使所提供的废弃氮气中氧浓度有变动的情况下，从氧浓度变动抑制容器22的出口22b出来的废弃氮气的氧浓度的变动幅度也缩小，变动速度下降。也就是说，氧浓度的变动得到大大缓和(被抑制)。一旦氧浓度这样得到缓和，废弃氮气作为稀释气体的安全性就能够得到稳定发挥。

也可以将这样的氧浓度变动抑制容器22兼用作氮气贮存容器21。在这种情况下，不必设置图中的氮气贮存容器21，只设置氧浓度变动抑制容器22。

在氧浓度变动抑制容器22的下游侧，为了维修保养的方便，废弃氮气供给配管4分叉为2支，设置从供给源20吸引废弃氮气向燃料气体供给配管3，通过废弃氮气供给配管4压送用所述废弃氮气用的气体压送装置即风扇24。在供给源20发生时的废弃氮气的压力足够高时，不需要该风扇24。

在各风扇24的下游侧，为了防止向风扇24一侧逆向流动，配设单向阀25。废弃氮气供给配管4在两个单向阀25的下游侧再度汇合为1支，该汇合点下游的废弃氮气供给配管4的部分，设置截止阀26、流量计27、流量调整阀28、氧浓度计23、截止阀29、以及单向阀30，最终废弃氮气供给配管4连接于混合器5。该氧浓度计23的设置位置不特别限定于附图中所示的位置，可以设置于废弃氮气供给配管4上的任意位置。在低发热量气体的发热量变动抑制控制中，使用该氧浓度计23，没有必要在该控制中使用上述混合气体供给配管9的氧浓度计12。上述单向阀30是用于防止低发热量气体向废弃氮气供给配管4逆向流动的阀门。上述氮气贮存容器21以及氧浓度变动抑制容器22分别设置于单向阀25和截止阀26之间。

在废弃氮气供给配管4的上述截止阀26与流量计27之间，配设将废弃氮气向大气中排放用的废弃氮气放出配管31。该废弃氮气放出配管31上设置流量调整阀32。

下面对控制装置100对该设备进行控制的一个例子进行说明。首先，一边监视低发热量气体供给配管3的发热量计7与流量计8，一边将低发热量气体向燃气轮机2发送。这时，在废弃氮气供给配管4中已经打开该截止阀26，关闭流量调整阀28，在将废弃氮气放出配管31的流量调整阀32打开的状态下，风扇24进行工作。也就是说，废弃氮气被吸引后，从废弃氮气放出配管31放出到大气中。其他截止阀29打开。

在控制装置100设定各燃气轮机2使用的燃料气体的允许发热量范围。也就是基准发热量值(例如，1600kcal/Nm³)和变动幅度(例如，基准发热量值的±10％)。而且打开废弃氮气供给配管4的流量调整阀28，将废弃氮气配管31的流量调整阀32向闭阀方向调整，使上述低发热量气体的发热量值不超过该允许变动的上限发热量值(例如，+10％，1760kcal/Nm³)。借助于此，将废弃氮气混合于低发热量气体中，控制使发热量值在允许范围内。供给废弃氮气时和供应下述N₂时，与上述发热量计7和流量计8的监视同时，为了判断最终的发热量值是否恰当，对混合气体供给配管9的发热量计11进行监视。在提供废弃氮气的同时，如下所述，利用废弃氮气供给配管4的氧浓度计23，监视供给的废弃氮气的氧浓度，或者利用低发热量气体供给配管3的氧浓度计12监视废弃氮气经过混合后的燃料气体的氧浓度。

下面对能够从废弃氮气供给配管4通过废弃氮气放出配管31，将废弃氮气向大气中放出的结构进行说明。废弃氮气的供给量通常利用流量调整阀28控制。在低发热量气体供给配管3的发热量计7的检测值急剧减少(低发热量气体的发热量值急剧降低)的情况下，在利用该流量调整阀28进行控制时，其相应性能有可能成问题。在这样的情况下，通过打开废弃氮气放出配管31的流量调整阀32，将废弃氮气的一部分放出到大气中，这样能够使废弃氮气的供应量急剧减少，与发热量值的急剧减少对应。

图2表示低发热量气体供给设备的不同形态。该低发热量气体供给设备33在图1的低发热量气体供给设备1上附设不活泼气体的供给设备。其与图1的低发热量气体供给设备1相同，因此，在同一设备上标以相同符号并省略其说明。图2的不活泼气体供给设备具备向低发热量气体供给配管3提供高纯度不活泼气体用的不活泼气体供给配管34。这时为了在作为上述废弃氮气供给源的制氧设备(制氮设备)20由于某种原因而停止运行，或废弃氮气发生量大幅度减少时，能够稳定提供稀释气体而设置的。本实施形态中使用氮气作为不活泼气体，因此将该不活泼气体供给配管称为氮气供给配管34。不活泼气体不限于氮气，也可以使用一氧化碳或氦气等。

在本实施形态中，氮气供给配管34连接于废弃氮气供给配管4，在低发热量气体供给配管3上连接废弃氮气和氮气的公共配管38。该公共配管38借助于混合器5连接于低发热量气体供给配管3。考虑将该不活泼气体与废弃氮气混合后提供给低发热量气体供给配管3时，也可以在氮气供给配管34与废弃氮气供给配管4的连接部设置用于将两种气体加以混合的混合器。

也可以不使废弃氮气供给配管4与氮气供给配管34合流就分别将配管4和配管34直接连接于混合器5，但是，为了降低设备成本，最好是如图所示将配管4和配管34预先连接。上述氮气供给配管34从上游侧起依序具备截止阀35、流量计36、以及流量调整阀37。上述公共配管38上，与图1的低发热量气体供给设备1的废弃氮气供给配管4一样，从上游侧起依序设置截止阀29和单向阀30。

控制装置100根据混合气体供给配管9的发热量计11的测量结果，判定为即使是利用废弃氮气供给也不能够将发热量值维持在允许范围内时，一边对氮气供给配管34的流量计36进行监视，一边进行打开流量调整阀37进行调整，将氮气混合在低发热量气体中使发热量值纳入允许范围的控制。

在制氧设备和制氮设备中发生的废弃氮气中包含约2～5％的氧，因此如果将废弃氮气混合于低发热量气体中，该混合气体的氧含量(氧浓度)将略微上升。在可燃气体中含有规定比例的氧的情况下，从理论上说，在规定的温度下该可燃气体就进入可燃范围。为了对含有约2～5％氧的废弃氮气混合于低发热量气体的情况进行研究，只要根据含氧比较多的空气在低发热量气体中的最大允许混合比进行研究即可。

也就是说，空气中由于包含一定体积比(大约21％不变)的氧，因此就低发热量气体或空气的体积比求空气与低发热量气体的混合气体的可燃界限，据此设定空气的最大允许混合比，根据该数据与含氧率之比计算出废弃氮气的最大允许混合比再进行设定是便利的。例如将空气的最大允许混合比乘以空气的氧含有率(21％)与所采用的废弃氮气的氧含有率(约2～5％)之比。下面将对其进行说明。

图3作为参考表示出对于低发热量气体与空气的混合气体其可燃范围与低发热量气体的体积比例和温度的关系。图中，左侧的黑圆圈连成的曲线表示混合气体的可燃范围中低发热量气体的最小体积比(空气的最大体积比)。右侧的黑四角形记号连成的曲线表示混合气体的可燃范围中低发热量气体的最大体积比(空气的最小体积比)。两曲线夹着的范围表示可燃范围。由于低发热量气体的发热量值是可变动的，因此上述两条曲线也会发生变动。因此如果是基于这样的数据，假如将空气作为稀释气体考虑，在这种情况下，例如空气的最大允许混合体积比，考虑安全率体积比为20％(低发热量气体的体积比80％)。是比右侧的黑四角形记号连成的曲线表示的空气的最小体积比还小的比例(20％)。但是，该数值是一个例子。

在这里，空气与废弃氮气的含氧比例为21/5。废弃氮气的含氧比例约2～5％，5％为安全起见。空气的最大允许混合体积比为20％，因此废弃氮气的最大允许混合体积比为20％×21/584％。在控制装置100中，设定这些废弃氮气的最大允许混合体积比，这些是从混合气体的可燃界限导出的最大允许混合体积比。实际上没有在低发热量气体中混合的废弃氮气达到84％的情况。

上述控制是根据低发热量气体供给配管3的流量计8和废弃氮气供给配管4的流量计27的检测结果进行的。而且经常借助于上述氧浓度计23(也可以是12)同时监视混合气体的氧浓度和废弃氮气的氧浓度。这是为了应对未意料到的氧浓度变动。

下面对图1或图2的缓冲容器10的作用效果进行说明。如上所述，送来的低发热量气体全部流入这一缓冲容器10。这一缓冲容器的容积大，例如对于直径2～3m左右的低发热量气体供给配管3，设置容积通常为20000～200000m³左右的容器。送来的发热量时时刻刻发生变动的低发热量气体在缓冲容器内实现混合，在这一说明书中所述的容器内的气体混合换句话说意味着时间差混合。也就是说，同时流入缓冲容器1 0的低发热量气体，具有从比较早由出口10b流出的部分到滞留在缓冲容器10内很久的部分这样的分布。另一方面，从入口10a连续不断有新的气体流入，因此过去流入的气体与新流入的气体不断混合。这种情况被称为时间差混合。

这种时间差混合的结果是，从缓冲容器10的出口10b出来的低发热量气体的发热量变动幅度缩小，变动速度下降。也就是说，发热量变动大大缓和(得到抑制)。一旦发热量变动这样在事前得到缓和，在下游侧利用废弃氮气等进行稀释控制发热量上升就非常容易进行。下面参照图4～图9对以上现象进行说明。

图4上表示图1和图2的缓冲容器10的容积为200000m³时，发热量有变动的低发热量气体以500000Nm³/hr的速度提供的情况下，发热量变动缓和(得到抑制)的状态的模拟结果的曲线。横轴表示时间(分)，纵轴表示低发热量气体的发热量即气体卡路里值(kcal/Nm³)。又，图中虚线所示的曲线表示送到缓冲容器10的低发热量气体的发热量变动(最初变动)。这是实测的样品。实线所示的曲线表示从缓冲容器出来的低发热量气体的发热量变动(抑制后变动)。如图所示，进入缓冲容器10之前的低发热量气体的发热量在约1530kcal/Nm³到约2360kcal/Nm³之间变动。也就是说，具有平均值(1945kcal/Nm³)的约±21％的变动幅度。根据从缓冲容器10出来的低发热量气体的发热量变动的理论计算结果，变动范围是约1780kcal/Nm³到约1960kcal/Nm³，变动幅度被抑制在平均值(1870kcal/Nm³)的±5％以内。如图所示，变动周期中的短周期成分和中周期成分也受到很大抑制。这种效果具有相对于对于低发热量气体的供给流量缓冲容器的容器越大越显著的倾向。在最初的变动的变动幅度小的情况下，从经济上看，缓冲容器的容积做得小也是有效的。图5表示低发热量气体的流量仍旧采用500000Nm³/hr，缓冲容器10的容积采用上面所述容器的一半，即100000m³时的发热量变动的衰减状态。在这种情况下，发热量变动也被缓冲容器10抑制在1700kcal/Nm³到2040kcal/Nm³的范围内，变动幅度为平均值(1970kcal/Nm³)的约±9％。

图6表示低发热量气体以流量200000Nm³/hr供应的设备中缓冲容器10的容积采用50000m³时的发热量变动的衰减状态。在这种情况下，发热量变动也被缓冲容器10抑制在1740kcal/Nm³到2010kcal/Nm³的范围内，变动幅度为平均值(1875kcal/Nm³)的约±7.2％。

在未图示的低发热量气体与上面所述相同以流量200000Nm³/hr供应的设备中，缓冲容器10的容积采用上述容器的一半，即25000m³时，变动幅度为平均值(1875kcal/Nm³)的约±12％。

也可以采取如下所述措施，即如图7所示，在低发热量气体以流量200000Nm³/hr提供的设备中，容积为25000m³的缓冲容器10并列设置两台，通常运行时两台一起使用，只有定期维修保养和动作不良等非常情况下，才使用一个容器。

这样，只具备缓冲容器，不进行主动的控制就能够在很大程度上抑制低发热量气体的发热量变动。其结果是，在下游侧对混合废弃氮气和不活泼气体的控制非常容易进行。例如燃气轮机2的燃料气体的发热量变动幅度设定为基准发热量值(平均值)的±10％的情况下，在缓冲容器的下游为了使变动的发热量的平均值与燃气轮机2上设定的基准发热量值一致，只要具备对其规格合适的容积的缓冲器，在下游侧以一定的比例提供废弃氮气即可。废弃氮气的供给动作不必考虑低发热量气体的发热量变动情况。

在极端情况下，通过缓冲容器10后的低发热量气体的变动的发热量平均值如果与燃气轮机2上设定的基准发热量值一致，废弃氮气供给设备和不活泼气体供给设备就不再需要。即使是设置两设备的情况下，也只要在图1的废弃氮气供给配管4的截止阀29以及图2的公共配管38的截止阀29关闭的状态下使设备运行即可。当然，在发生的低发热量气体的发热量变动原来不大的情况下，缓冲容器的设置不再必要，只要用废弃氮气供给设备和不活泼气体供给设备就能够充分应对。

图8表示另一缓冲容器42。该缓冲容器42是在已有的燃气轮机设备中使用的，因此是监视气体平衡的装置40中包含的容器。该气体平衡监视装置40是用于取得从上游侧送来的低发热量气体的数量与燃气轮机中需要的消耗气体量的平衡的装置。在供给气体量有变动而且燃气轮机的负荷有变动的情况下，在供给量与消耗量之间取得平衡是有必要的。在供给量过剩的超过预料时，将其排放到大气中或采取其他措施，在供给不足时，使燃气轮机的负荷降低或部分停止运行。

该气体量平衡监视装置40具备利用连通管41将其出口42b与低发热量气体供给配管3连接的容器42、将容器42的上端开口气密密封而且能够在容器内能够上下移动地配设的盖构件43、以及配置在例如盖构件43上的调整用重锤44。盖构件43借助于自重、上述重锤44的重量和大气压的向下压力的总和与容器42的内压产生的向上压力的平衡，在容器内部上下移动，因此盖构件43相应于低发热量气体的供给量与消耗量的平衡的变化上下移动。一边监视该盖构件43的上下移动，一边采取将气体放入大气中和降低燃气轮机负荷等措施。

图8的缓冲容器是将该气体量平衡监视装置40使用于发热量气体变动的抑制的容器。在该容器42上，除了上述连通管41外，新连接将低发热量气体供给配管3的与连通管41连接的位置的上游侧与容器入口42a加以连接的上游侧入口配管45。该上游侧入口配管45上配置将低发热量气体送入容器42的风扇39。上游侧入口配管45由于利用连通管41连接于低发热量气体供给配管3的上游侧，所以利用考虑压力损失的配管设计，也可以省略上述风扇39。这对于图9和图13所示的上游侧入口配管45也一样。供应的低发热量气体的一部分通过上游侧入口配管45流入容器42，在容器42内低发热量气体得到混合，相同数量的气体通过上述连通管41从容器42返回低发热量气体供给配管3。在这种情况下，上述连通管41也可以称为出口配管。该缓冲容器42连接于构成低发热量气体供给配管3的旁路配管的上游侧入口配管45与连通管41上，换句话说，相对于低发热量气体供给配管3并排设置。

利用该缓冲容器42，通过上游侧入口配管45送来的低发热量气体也与上述缓冲容器10中一样，在容器内混合。其结果是，从缓冲容器42的出口42b出去的低发热量气体的发热量变动大幅度被缩小，变动速度也降低了。也就是说，发热量变动得到很大缓和(受到很大抑制)。

而且，为了对气体进行搅拌，在该容器42的内部设置风扇等搅拌装置51。这是为了促进容器内部气体的混合，以此有效地抑制发热量变动。作为搅拌装置51的设置形态，从气体能够有效混合的考虑出发，最好是以能够使气体从容器出口42b的近旁向容器内部流动的姿态设置于出口42b的近旁。该搅拌装置51的设置位置不限于图8的容器42上，也可以设置于其他附图所示的容器10、42、47上或能够发挥发热量抑制效果的其他容器上。还有，作为搅拌装置51的旋转驱动设备的电动机51a等最好是设置于容器的外部。

图9表示能够作为发热量变动抑制手段使用的其他气体量平衡监视装置46。该气体量平衡监视装置46还采用经济性的结构，具有借助于连通管41与低发热量气体供给配管3连通的气密密封结构的容器47。容器47上设置压力检测装置48，经常监视容器47的内压。控制装置100在检测出的压力达到上限区域时就发出增加设备内的气体消耗量的指令，取得气体的供需平衡。其他结构与上述装置40(图8)相同，容器47的入口47a上连接上游侧入口配管45，出口47b上连接配管出口47b。该容器47也能够作为发热量变动抑制手段充分利用。

图10表示有发热量变动的低发热量气体以流量500000Nm³/hr提供的设备中，图8或图9所示的容器42(47)的容积采用200000m³，利用上述风扇39将500000Nm³/hr的流量中的200000Nm³/hr的气体送入容器42(47)的情况下的发热量变动缓和的状态。图中虚线所示的曲线表示直接还原炼铁设备S送来的低发热量气体的发热量变动(最初变动)。这是上述实测样品。2点锁线所示的曲线表示从容器42出来，通过连通管41的低发热量气体的发热量变动(过渡变动)的模拟结果。实线所示的曲线表示通过连通管41下游的低发热量气体供给配管3的部分达到混合器5的气体的发热量变动(抑制后变动)。如上所述，进入容器42(47)之前的低发热量气体的发热量具有平均值(1945kcal/Nm³)的约±21％的变动幅度。但是，从容器42(47)通过连通管41向低发热量气体供给配管3合流后的气体发热量变动在1960kcal/Nm³到2100kcal/Nm³的范围内，变动幅度抑制在平均值(1895kcal/Nm³)的约±11％范围内。该数值只是一个例子。

这样，利用具有容器42(47)的已有设备对气体的发热量变动进行抑制也是可能的。而且，在下游利用废弃氮气稀释低发热量气体能够容易地进行。在图8和图9中，将低发热量气体送入容器42(47)的上游侧入口配管45连接于低发热量气体供给配管3的出口配管41上游，但是并不特别限定于这种结构，也可以连接于出口配管41下游侧(参照图14)。又可以两管41、45一起设置多条管道。

图11所示的缓冲容器42是与图8所示的相同的气体量平衡监视装置40用的缓冲容器42。不同点在于，与低发热量气体供给配管3连接的配管的状态。图11的配管状态是图8的低发热量气体供给配管3的，从与上游侧入口配管45连接的连接部到与连通管41连接的连接部的部分去除，而且上游侧入口配管45上的风扇39也去除的状态。也就是说，在入口42a上连接上游侧的低发热量气体供给配管3，在出口42b上连接下游侧的低发热量气体供给配管3。换句话说，将图1和图2所示的缓冲容器10替换为气体量平衡监视装置40用的容器42。这样的配管在将已有的气体量平衡监视装置40兼用为气体发热量变动抑制装置时容易进行改造。

图12表示另一发热量变动抑制手段，该手段是在低发热量气体供给配管3上设置的，使低发热量气体的一部分返回低发热量气体供给配管3的上游侧用的返回配管49。该返回配管49上设置将低发热量气体向上游侧压送的风扇39。图中所示的返回配管49形成从一个吸引部分叉为多条分支管49a然后返回原来的低发热量气体供给配管3的结构，但是也可以由一支返回配管构成。又可以在低发热量气体供给配管3的不同的多个位置上分别配设一支返回配管。

借助于这样的手段，低发热量气体在返回低发热量气体供给配管3的上游时与新提供的低发热量气体混合，发热量变动得到缓和。为了增大这种作用，只要将返回配管49加长，加大返回气体量相对于供应的气体量的体积比即可。

图13也表示与图8的容器同样相对于低发热量气体供给配管3并列设置的容器42。如图所示，在容器42与低发热量气体供给配管3之间连接具备风扇39的上游侧入口配管45以及作为出口配管的上述连通管41，也就是说，在容器42的入口42a上连接上游侧配管45，在出口45b上连接出口配管41。但是在该容器42上还形成入口50a，在该入口50a上，连接在低发热量气体供给配管3的与出口配管41连接的连接部的下游侧上连接的下游侧入口配管50。在下游侧入口配管50上设置将低发热量气体送入容器42的风扇39。如图所示，上游侧入口配管45和下游侧入口配管50在容器42上的连接位置(入口42a、50a)相互接近。

如果采用这种结构，则低发热量气体的一部分从低发热量气体供给配管3的上游侧通过上游侧入口配管45被压送到容器42中，同时低发热量气体的一部分从低发热量气体供给配管3的下游侧通过下游侧入口配管50被压送到容器42，混合后从出口42b向连通管流出。也就是说，发热量变动受到抑制的低发热量气体的一部分形成循环，因此能够在容器内实现长时间混合，下游侧入口配管50的长度越长，则被混合的气体滞留时间越长，能够实现更理想的混合。上述下游侧入口配管50从低发热量气体供给配管3的下游侧连接到容器42的入口50a，但是也可以从下游侧连接到低发热量气体供给配管3的与上游侧入口配管45的连接部上游侧。

图14也表示相对于低发热量气体供给配管3并排设置的缓冲容器42。如图所示，在容器42与低发热量气体供给配管3之间连接作为出口配管的上述连通管41和下游侧入口配管50。该下游侧入口配管50上设置将低发热量气体送入容器42的风扇39。

如果采用这样的结构，即使是下游侧入口配管50连接于低发热量气体供给配管3的与连通管41的连接部的下游侧，也能够利用风扇39将低发热量气体通过下游侧入口配管50送入容器42内，混合后从出口42b向连通管流出。也就是说，发热量变动受到控制的低发热量气体的一部分发生循环，因此实现了有效混合。而且，上述下游侧入口配管50的长度越长，则能够在容器内实现更长时间的混合。

图15所示的容器42具有两种入口42a、52a，在一个入口42a上连接上游侧低发热量气体供给配管3，出口42b上连接下游侧低发热量气体供给配管3，而且在另一入口52a上连接与下游侧低发热量气体供给配管3连接的返回配管52。两个入口42a、52a相互靠近形成。返回配管52上设置将低发热量气体送入容器用的风扇39。

如果采用这样的结构，在容器42中发热量变动受到抑制的低发热量气体的一部分再度返回容器42再度实现混合，因此能够实现更理想的混合。返回配管52的长度做得越长，则混合的气体滞留的时间越长。上述返回配管52从低发热量气体供给配管3的下游侧连接到容器42的入口52a，但是也可以从下游侧连接到低发热量气体供给配管3的容器的上游侧。

以上说明的实施形态中例示了以直接还原炼铁法发生的副产品气体作为使用的低发热量气体，但是并不限于此。低发热量气体也可以是高炉瓦斯(BFG)、转炉气体(LDG)煤层中包含的煤层气(Coal mine gas，简称CMG)、熔融还原炼铁法发生的副产品气体、GTL(Gas-to-Liquid：气体液化)工艺中发生的尾气、从油砂中精炼油的工艺中伴随发生的副产品气体、用等离子体焚烧垃圾发生的气体、掩埋包含生垃圾的一般废弃物的地方在发酵分解过程中发生的甲烷气体(Landfill gas)、以及其他类似的原料发生化学反应而伴随发生的副产品等低发热量气体。当然，不但单独包含上述气体，也包含像BFG与LDG的混合气体那样多种气体混合，结果其发热量在约12MJ/Nm³以下的气体。

工业应用性

如果采用本发明，利用大量存在而且容易取得的氧浓度低的废弃氮气对其发热量时时刻刻发生变化的低发热量气体进行稀释，能够抑制燃烧温度的异常上升，使稳定的燃烧持续进行。也就是说，能够利用低廉的设备成本和运行成本得到上述效果。而且，能够有效利用以往被废弃的制氧设备等发生的氮气。