JP5852029B2

JP5852029B2 - 再循環排ガス浄化装置及び方法

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Publication number: JP5852029B2
Application number: JP2013037987A
Authority: JP
Inventors: 塚原　千幸人; 千幸人塚原; 土橋　晋作; 晋作土橋; 村田　聡; 聡村田; 哲司上田; 平岡　直大; 直大平岡
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2033-02-27
Also published as: JP2014163364A

Description

本発明は、再循環排ガス浄化装置及び方法に関するものである。

例えば船舶用ディーゼルエンジン等の内燃機関からの排ガスにより回転駆動させる過給機において、動翼や静翼などの燃焼ガスに曝される部分には、煤塵（カーボン）が堆積しやすい。

また、船舶用ディーゼルエンジン排出ガスは、ＩＭＯ（国際海事機関）規制により燃焼排ガス中の排出規制物質である、例えば窒素酸化物（ＮＯｘ）、硫黄酸化物（ＳＯｘ）、ＰＭ（微粒子状物質）等の成分を除去する必要がある。
特にＰＭ、ＳＯｘは、水または海水液滴を噴霧する噴霧手段を備えた排ガススクラバ等の排ガス浄化装置で除去している。

この排ガススクラバで浄化された浄化排ガスは、過給機のコンプレッサを経由してエンジンの吸気ポート側に導入し、再度燃焼させるエンジンシステムがある（特許文献１）。

ここで使用する排ガススクラバは、まず排ガススクラバの前流側に設けたベンチュリーで、排ガス中のＰＭ、煤等を除去し、その後例えば水酸化ナトリウム等のアルカリ洗浄液を吸収液として用いて噴霧手段で噴霧し、ＮＯｘ、ＳＯｘを吸収除去している。
なお、排ガススクラバ出口にはミストセパレータ等の捕集手段を設置し、排ガスに同伴されるミストを最終的に捕集除去している。

特開２０１２−１８０８１４号公報

しかしながら、排ガススクラバに導入する前に、ベンチュリーでＰＭ、煤等の粒子を除去する際、排ガスの流速が４０〜１００ｍ／ｓ程度と高速であるので、多量の泡が発生する、という問題がある。

この発生した泡は、泡の中に泡が複層となって形成され、形成された泡は排ガススクラバを通過し、後流側に設置される過給機に搬送され、過給機の性能低下と、損傷トラブルにつながるおそれがある、という問題がある。

この結果、過給機の翼への泡による性能低下を防止する洗浄・除去技術のシステムの確立が切望されている。

本発明は、このような事情に鑑み、排ガス浄化処理における泡対策を施した再循環排ガス浄化装置及び方法を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、内燃機関から排出される排ガスを再循環する際に、前記排ガスを浄化する排ガス浄化装置であって、前記内燃機関から排出される排ガスを再循環する排ガス再循環ラインに介装され、排ガス中の微粒子を除去するベンチュリーと、前記ベンチュリーを通過後の排ガスを導入する第１の浄化塔と、前記第１の浄化塔内のガス流れ後流側に設けられた加熱手段と、前記第１の浄化塔の前記加熱手段を通過した排ガスが排出する第１の浄化塔の側壁開口と連通する第２の浄化塔と、前記第２の浄化塔のガス流れ後流側に設けられた吸収液を噴霧する噴霧手段と、を具備することを特徴とする再循環排ガス浄化装置にある。

第２の発明は、第１の発明において、前記加熱手段に排ガスの一部を用いることを特徴とする再循環排ガス浄化装置にある。

第３の発明は、第１の発明において、前記吸収液を循環する循環ラインに設けられ、前記吸収液を冷却する冷却器を有することを特徴とする再循環排ガス浄化装置にある。

第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの再循環排ガス浄化装置を用い、前記ベンチュリー通過後の排ガス中に同伴される泡を前記加熱手段と接触させて破泡し、排ガス中の同伴泡を除去することを特徴とする再循環排ガス浄化方法にある。

第５の発明は、第４の発明において、前記泡の破泡により、泡中の微粒子、煤に含まれた燃料未燃分を排ガス中に移行させ、再循環排ガスと共に、内燃機関側に導入することを特徴とする再循環排ガス浄化方法にある。

本発明によれば、第１の浄化塔内に加熱手段を設置することで、排ガス中の泡が加熱手段と接触することで破泡し、排ガスと同伴して後流側に流れるのを防止する。
これにより、排ガス浄化装置から後流側の過給機に搬送されることを防止し、過給機の性能低下と、損傷トラブルを防ぐことができる。また、泡に含まれるＰＭ煤が洗浄液内に落下し、洗浄手段内で捕集され、外部に排出することができる。

図１は、実施例１に係る再循環排ガス浄化装置の概略図である。図２は、第１の浄化塔内の加熱手段の概略図である。図３は、他の第１の浄化塔内の加熱手段の概略図である。図４は、実施例１に係る再循環排ガス浄化装置を備えた内燃機関を示した概略図である。

以下に添付図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではなく、また、実施例が複数ある場合には、各実施例を組み合わせて構成するものも含むものである。

図４は、実施例１に係る再循環排ガス浄化装置を備えた内燃機関を示した概略図である。図１は、実施例１に係る再循環排ガス浄化装置の概略図である。図２は、第１の浄化塔内の加熱手段の概略図である。図３は、他の第１の浄化塔内の加熱手段の概略図である。
図１に示すように、本実施例に係る再循環排ガス浄化装置である排ガススクラバ５０は、内燃機関から排出される排ガス１２を再循環する際に、排ガス１２を浄化する排ガス浄化装置であって、内燃機関から排出される排ガス１２を再循環する排ガス再循環ラインＬ₃に介装され、排ガス１２中の微粒子を除去するベンチュリー５１と、ベンチュリー５１を通過後の排ガス１２を導入する第１の浄化塔５２と、第１の浄化塔５２内のガス流れ後流側に設けられた加熱手段５３と、第１の浄化塔５２の加熱手段５３を通過した排ガスが排出する第１の浄化塔５２の側壁開口５２ａと連通する第２の浄化塔５４と、第２の浄化塔５４のガス流れ後流側に設けられた吸収液６０を噴霧する噴霧手段５６と、前記噴霧手段５６のガス流れ後流側に設けたミスト捕集手段５７と、を具備するものである。

本実施例では、第１の浄化塔５２内に加熱手段５３を設置することで、排ガス１２中の泡７１が加熱手段５３と接触することで破泡し、排ガス１２と同伴して後流側に流れるのを防止する。これにより、排ガススクラバ５０から後流側の過給機１３に搬送されることを防止し、過給機１３の性能低下と、損傷トラブルを防ぐことができる。

ここで、本実施例の排ガス浄化装置を備えた内燃機関について説明する。
図４は、例えば船舶内に、排ガススクラバ５０を備え、船舶推進用の主機とされたディーゼルエンジン１１と、ディーゼルエンジン１１の排ガス１２によって駆動される排気ターボ式の過給機１３とを備えている。

ディーゼルエンジン１１は、例えば舶用２サイクルエンジンとされており、下方から給気して上方へ排気するように一方向に掃気されるユニフロー型が採用されている。ディーゼルエンジン１１からの出力は、図示しないプロペラ軸を介してスクリュープロペラに直接的または間接的に接続されている。ディーゼルエンジン１１の各気筒のシリンダ部１１ａ（なお、図４では、１気筒のみを示している。）の排気ポートは排ガス集合管としての排気マニホールド１１ｂに接続されている。排気マニホールド１１ｂは、第１排ガスラインＬ₁を介して、過給機１３のタービン部１３ａの入口側と接続されている。なお、図１において、符号１１ｃは排気弁、符号１１ｄはピストンである。

一方、各シリンダ部１１ａの掃気ポートは掃気トランク１１ｆに接続されており、掃気トランク１１ｆは、掃気ライン（燃焼用空気供給経路）Ｌ₅を介して、過給機１３のコンプレッサ部１３ｃと接続されている。また、掃気ラインＬ₅には空気冷却器（インタークーラ）１１ｇが設置されている。

過給機１３は、タービン部１３ａと、コンプレッサ部１３ｃとを備えており、タービン部１３ａ及びコンプレッサ部１３ｃは、回転軸１３ｂによって同軸にて連結されている。タービン部１３ａは、ディーゼルエンジン１１からの排気ガス１２によって駆動され、タービン部１３ａにて得られたタービン仕事は回転軸１３ｂを介してコンプレッサ部１３ｃに伝達される。コンプレッサ部１３ｃは、外気（空気）１７及び排ガススクラバ５０から導かれる再循環排ガスである浄化排ガス１６を吸い込み所定掃気圧まで昇圧する。

タービン部１３ａにてタービン仕事を与えた後の排ガス１２は、第２排ガスラインＬ₂へと流出する。排ガス１２は、第２排ガスラインＬ₂を通り、図示しない煙突から大気へと放出される。
第２排ガスラインＬ₂には、一部の排ガス１２ａを分岐させてディーゼルエンジン１１側へ戻す排ガス再循環（ＥＧＲ）を行う排ガス再循環ラインＬ₃が設けられている。排ガス再循環ラインＬ₃は、第２排ガスラインＬ₂の分岐点２８と、排ガススクラバ５０の入口部とを接続する。排ガス再循環経路Ｌ₃の分岐点２８の下流側には、排ガス循環量を調整するための排ガス再循環用調整弁２９が設けられている。

タービン部１３ａは、排ガス１２を受けて回転するタービンディスク及びタービン翼から構成されており、タービンケーシング１４ａで覆われている。タービンケーシング１４ａは、排ガス集合管（図示せず）から排ガス１２が導かれるタービンケーシング入口と、タービン翼を通過した排ガス１２をタービン外へと導くタービンケーシング出口とを有している。

コンプレッサ部１３ｃは、圧縮機ケーシング１４ｂと、回転駆動されることで空気１７及び浄化排ガス１６を圧縮するインペラとを有している。圧縮機ケーシング１４ｂは、インペラを覆うように設けられている。圧縮機ケーシング１４ｂは、サイレンサを介して外部からの空気を取り入れる圧縮機ケーシング入口（吸込み口）と、インペラが圧縮した空気を排出する圧縮機ケーシング出口とを有している。

回転軸１３ｂの一端はタービン部１３ａのタービンディスクに接続され、他端はコンプレッサ部１３ｃのインペラに接続されている。よって、タービンディスクが回転駆動することにより、インペラも回転駆動し、空気１７を圧縮することができる。
なお、圧縮された圧縮浄化ガス１８は、掃気ラインＬ₅に介装された空気冷却器１１ｇを介して、エンジン１１の掃気トランク１１ｆ側に供給される。

ここで、排ガス再循環ラインＬ₃に介装される排ガススクラバ５０について説明する。
先ず、図１に示すように、排ガススクラバ５０の前流側に設置したベンチュリー５１には、補給水７０が導入されると共に、第１の浄化塔５２の底部５２ｂに溜まった吸収液６０を一部導入している。

そして、ベンチュリー５１に流速が４０〜１００ｍ／ｓの排ガス１２を導入することで、ＰＭ、煤等の粒子を、ガス側から循環水側に移行させるようにしている。
この除去する際、排ガス１２が高速であるので、多量の泡７１が発生し、排ガス１２に同伴されて、第１の浄化塔５２内に導入される。

ここで発生する泡７１は嵩密度が０．０５〜０．１ｇ／Ｃｍ³の軽い泡であり、この軽い泡は、吸収液６０の表面に滞留・堆積して、排ガス１２のガス流れに運ばれ、同伴されて、下流に飛散する。

本実施例では、第１の浄化塔５２の排ガス１２のガス流れ後流側（第１の浄化塔５２の頂部側）に、加熱手段５３が設けられている。この加熱手段５３は、高温の排ガス１２の熱を用いるものである。そして、ベンチュリー５１に導入する前の一部を分岐ラインＬ₁₁により分岐導入し、加熱手段５３を通過した後再度ベンチュリー５１に戻している。

循環する吸収液６０は、循環ライン６１に介装された循環ポンプ６２により第１の浄化塔５２の底部５２ｂから、冷却器６３の冷却水６３ａにより冷却されて、噴霧手段５６へ供給して、ここから第２の浄化塔５４内部に噴霧している。

そして、排ガススクラバ５０において、ベンチュリー５１を通過した排ガス１２を第１の浄化塔５２内に導入し、上昇する際に加熱手段（約２００℃）５３と接触することで、排ガス１２中の泡７１を破泡させる。そして、破泡した泡破泡物は第１の浄化塔５２の底部５２ｂの吸収液溜内に落下する。

次いで、泡７１が除去された排ガス１２は、第１の浄化塔５２の側壁開口５２ａにおいて連通する第２の浄化塔５４内に導入され、噴霧する吸収液６０により、排ガス中のＰＭを除去すると共に、ＮＯｘ、ＳＯｘを吸収除去している。

この吸収液６０の噴霧により浄化された排ガス１２は、さらにスクラバ出口に設けたミストセパレータ等のミスト捕集手段５７により、排ガス１２に同伴されるミストを最終的に捕集除去し、浄化排ガス１６として、浄化排ガスラインＬ₄に導入している。

また、排ガススクラバ５０の上端側に排ガス冷却器を設置するようにしてもよい。

ここで、破泡物質である煤は多孔質であるので、燃料の未燃焼分を含んでいる。
よって、泡７１を破泡させることにより、泡７１に含まれていた煤が外気に触れ、煤に含まれる未燃焼燃料が排ガス中に移行される。そして、排ガススクラバ５０を通過して、過給機１３において、エンジン燃焼用の空気と共に圧縮して内燃機関に供給することで、未燃焼分の燃料を燃やすことができる。
すなわち、泡のまま排出水として外部に排出する場合には、未燃焼分の燃料を外洋に排出することとなるが、破泡することで、これを阻止し、再利用することができる。

第１の浄化塔５２内に設置する加熱手段５３としては、図２に示すように、蛇行するチューブを設置してもよい。
ここで、チューブの直径Ｄは、例えば１０ｍｍ〜２０ｍｍとし、チューブ同士の間隔ｄは、例えば２０ｍｍ〜３０ｍｍ程度とすればよい。

また、図３に示すように渦巻き状のチューブを設置するようにしてもよい。

このチューブの内部に排ガス１２を導入することで、チューブ同士の間（例えばｄ：２０ｍｍ〜３０ｍｍ）を通過する排ガス１２中の泡７１を接触させ、破泡するようにしている。なお、チューブの形状はこれらに限定されるものではない。

以上より、第１の浄化塔５２内に加熱手段５３を設置することで、排ガス１２中の泡７１が加熱手段と接触することで破泡し、排ガス１２と同伴して後流側に流れるのを防止する。
これにより、排ガススクラバ５０から後流側の過給機１３に搬送されることを防止し、過給機１３の性能低下と、損傷トラブルを防ぐことができる。
泡７１に含まれるＰＭ煤が洗浄液内に落下し、洗浄手段内で捕集され、外部に排出することができる。

なお、排ガススクラバ５０を通過した浄化排ガス１６は、混合チャンバ３１へと導かれる。混合チャンバ３１は、過給機１３のコンプレッサ部１３ｃの上流側に設けられており、排ガススクラバ５０から導かれた浄化排ガス１６と外気１７とが混合されるようになっている。

次に、再循環排ガス浄化装置を備えた舶用のディーゼルエンジン１１の運用方法について説明する。
ディーゼルエンジン１１から排出された排ガス１２は、排気マニホールド１１ｂから第１排ガスラインＬ₁を介して過給機１３のタービン部１３ａへと導かれる。タービン部１３ａでは、排ガスエネルギーを得て回転させられ、コンプレッサ部１３ｃを回転させる。コンプレッサ部１３ｃでは、吸入した空気（外気）１７及び再循環した浄化排ガス１６を圧縮して空気冷却器１１ｇを介してディーゼルエンジン１１の掃気トランク１１ｆへと送る。

例えば、排ガスＮＯx規制が厳格な海域を航行する場合には、所定のＮＯｘ値以下の排ガスとなるように排ガス再循環を行う。この場合、図示しない制御部の指令によって、排ガス再循環用調整弁２９を開として所定開度に設定する。
排ガス再循環用調整弁２９を開とすることにより、所定量の排ガス１２が第２排ガスラインＬ₂から分岐され、排ガス再循環ラインＬ₃を通り、排ガススクラバ５０へと導かれる。

排ガススクラバ５０では、ベンチュリー５１で発生した泡７１を、第１の浄化塔５２内に設置した加熱手段５３により破泡して、除去し、その後第２の浄化塔５４内で吸収液６０を上方から噴霧手段５６により散布することによって気液接触させ、排ガス中のＰＭおよびＳＯxを吸収して除去する。
排ガススクラバ５０によって処理された浄化排ガス１６は、浄化排ガスラインＬ₄を通り、その後混合チャンバ３１へと導かれる。混合チャンバ３１にて、浄化排ガス１６と外気１７とが混合され、過給機１３のコンプレッサ部１３ｃへと導かれる。コンプレッサ部１３ｃにて圧縮された混合流体の圧縮浄化ガス１８は、空気冷却器１１ｇにて冷却された後に、掃気トランク１１ｆへと導かれる。

以上より、排ガススクラバ５０の前流側に設置したベンチュリー５１で発生した泡を除去するので、後流側に設置される過給機１３に搬送されることが防止され、過給機の性能低下や損傷トラブルが発生することを防止できる。

１１ディーゼルエンジン
１２排ガス
１３過給機
１３ａタービン部
１３ｃコンプレッサ部
１６浄化排ガス
１７空気
１８圧縮浄化ガス
５０排ガススクラバ
５１ベンチュリー
５２第１の浄化塔
５３加熱手段
５４第２の浄化塔
５５吸収液
５６噴霧手段
５７ミスト捕集手段
７１泡

Claims

内燃機関から排出される排ガスを再循環する際に、前記排ガスを浄化する排ガス浄化装置であって、
前記内燃機関から排出される排ガスを再循環する排ガス再循環ラインに介装され、排ガス中の微粒子を除去するベンチュリーと、
前記ベンチュリーを通過後の排ガスを導入する第１の浄化塔と、
前記第１の浄化塔内のガス流れ後流側に設けられた加熱手段と、
前記第１の浄化塔の前記加熱手段を通過した排ガスが排出する第１の浄化塔の側壁開口と連通する第２の浄化塔と、
前記第２の浄化塔のガス流れ後流側に設けられた吸収液を噴霧する噴霧手段と、を具備することを特徴とする再循環排ガス浄化装置。
請求項１において、
前記加熱手段に排ガスの一部を用いることを特徴とする再循環排ガス浄化装置。
請求項１において、
前記吸収液を循環する循環ラインに設けられ、前記吸収液を冷却する冷却器を有することを特徴とする再循環排ガス浄化装置。
請求項１乃至３のいずれか一つの再循環排ガス浄化装置を用い、
前記ベンチュリー通過後の排ガス中に同伴される泡を前記加熱手段と接触させて破泡し、排ガス中の同伴泡を除去することを特徴とする再循環排ガス浄化方法。
請求項４において、
前記泡の破泡により、泡中の微粒子、煤に含まれた燃料未燃分を排ガス中に移行させ、再循環排ガスと共に、内燃機関側に導入することを特徴とする再循環排ガス浄化方法。