CN104508264B - 洗涤除尘装置、发动机系统以及船舶 - Google Patents

Abstract

洗涤除尘装置（31）具备：导入高温的排气的排气流入通路（41）；向由排气流入通路（41）导入的排气喷射洗涤水的喷射部（42）；将从喷射部（42）喷射的洗涤水通过底面接收的上层室（43）；位于上层室（43）的下方的下层室（44）；从上层室（43）的底面（51）向下方延伸，设置于下方部分的开口部（57）在下层室（44）内开口，将通过上层室（43）的底面（51）接收的洗涤水向下层室（44）排出，并且将上层室（43）内的排气进行加速并导入至下层室（44）的连通管（45）；和吸引并排出导入至下层室（44）的排气的排气流出通路（46）。

Description

洗涤除尘装置、发动机系统以及船舶

技术领域

本发明涉及去除柴油发动机的排气中含有的SOx以及烟尘的洗涤除尘装置。又，涉及包括该洗涤除尘装置的发动机系统以及船舶。

背景技术

搭载在船舶上的柴油发动机与汽车用的发动机等的其他发动机一样存在着NOx的排出限制在国际上变得严格的倾向。作为抑制NOx的生成的方法，具有使排气的一部分返回至燃烧室而减少汽缸内的氧浓度的排气再循环（EGR）。在使排气进行再循环的情况下，需要去除该排气中含有的SOx以及悬浮颗粒状的烟尘。作为从排气中去除SOx以及烟尘的装置，具有洗涤除尘装置（洗涤器）。

洗涤除尘装置可以分类为贮水式和加压水式。在贮水式的洗涤除尘装置中，使排气通过贮留在容器等中的洗涤水（贮留水），从而从排气中去除SOx以及烟尘（例如参照专利文献1以及专利文献2）。在该贮水式的洗涤除尘装置中，贮留水的水位对性能产生影响，因此在搭载于船舶时贮留水的水面摇晃而无法将性能保持一定。此外，在贮水式的洗涤除尘装置中，排气使水面附近的洗涤水向上喷，因此需要大型的气液分离器（mist separator）。

另一方面，加压水式的洗涤除尘装置对洗涤水加压而形成微细水滴，该微细水滴接触到SOx以及烟尘，以此从排气中去除SOx以及烟尘。作为加压式的洗涤除尘装置的代表性的装置是使用文氏管的洗涤除尘装置。在使排气和雾状的洗涤水通过文氏管时，在喉管部上排气加速，加速的排气对洗涤水加压而使其微细化。加压水式的洗涤除尘装置因船舶摇晃所受的影响较少，又，也不需要大型的气液分离器。

现有技术文献：

专利文献：

专利文献1：日本特开平11-90170号公报；

专利文献2：日本特开2010-203431号公报。

发明内容

发明要解决的问题：

在这里，在使用文氏管的洗涤除尘装置中，如果洗涤水发挥作为冷却排气的冷却水的功能则会是有效的。然而，通过文氏管的洗涤水是雾状，因此能够通过文氏管的洗涤水的量有限。因此，使用文氏管的洗涤除尘装置无法喷射大量的洗涤水，其结果是导致通过洗涤水无法充分冷却排气。

本发明鉴于这样的情况而形成，其目的在于提供通过喷射大量的洗涤水从而可以有效地冷却排气，并且使该洗涤水的一部分微细化，使微细化的洗涤水能够捕集排气中含有的SOx以及烟尘的洗涤除尘装置。

解决问题的手段：

根据本发明的一种形态的洗涤除尘装置是去除柴油发动机的排气中含有的SOx以及烟尘的洗涤除尘装置；具备：导入高温的排气的排气流入通路；向由所述排气流入通路导入的排气喷射洗涤水的喷射部；将从所述喷射部喷射的洗涤水通过底面接收的上层室；位于所述上层室的下方的下层室；将通过所述上层室的底面接收的洗涤水向所述下层室排出，并且将所述上层室内的排气导入至所述下层室的连通管；和吸引并排出导入至所述下层室的排气的排气流出通路。

根据上述结构，即使喷射大量的洗涤水，该洗涤水的大部分也会变成液状而从上层室沿着连通管的内侧面排出至下层室。另一方面，雾状的洗涤水与排气一起通过液状的洗涤水的内侧。借助于此，雾状的洗涤水被微细化，而能够高效地捕集排气中的SOx以及烟尘。

又，在上述洗涤除尘装置中，也可以是所述连通管从所述上层室的底面向下方延伸，并且设置于下方部分的开口部在所述下层室内开口。

又，在上述洗涤除尘装置中，也可以是具备多个所述连通管；所述各连通管的开口部形成为在以所述下层室的中央附近为中心的假想圆的大致切线方向（没有必要是严格意义上的切线方向）上开口的结构。根据上述结构，捕集了SOx以及烟尘的洗涤水一旦从开口部排放，就会在下层室内旋转。于是，通过离心力使捕集了SOx以及烟尘的洗涤水被下层室的内壁捕集。因此，可以更加确实地捕集排气中含有的SOx以及烟尘。

又，在上述洗涤除尘装置中，也可以是所述排气流出通路形成为从所述下层室的上方部分中央吸引所述下层室的排气的结构。根据上述结构，从开口部排出的雾状的洗涤水向上方以螺旋状旋转，因此洗涤水变成更加平稳的旋转流，从而可以提高SOx以及烟尘的捕集效率。

又，在上述洗涤除尘装置中，也可以形成为在所述洗涤除尘装置的排气流量降低时，使从所述喷射部喷射的洗涤水的量增加的结构。根据上述结构，即使因柴油发动机的负荷降低而排气的流量减少，也可以通过增加洗涤水的喷射量以此减小连通管内的有效面积，从而可以将连通管内的排气的流速维持在适当的范围内。

此外，根据本发明的一种形态的发动机系统具备柴油发动机、和上述洗涤除尘装置。又，根据本发明的一种形态的船舶具备该发动机系统。

发明效果：

根据上述洗涤除尘装置，通过喷射大量的洗涤水可以高效地冷却排气，并且可以使该洗涤水的一部分微细化，而微细化的洗涤水可以捕集排气中含有的SOx以及烟尘。

附图说明

图1是根据本发明的一种实施形态的发动机系统的框图；

图2是图1所示的洗涤除尘装置的系统图；

图3是图2所示的连通管的下方部分的放大图；

图4是图2所示的下层室的水平剖视图。

具体实施方式

以下，参照图说明本发明的一种实施形态。以下，在所有附图中对于相同或相当的要素标以相同的符号，并且省略重复的说明。

＜发动机系统＞

首先，说明根据本实施形态的发动机系统101。图1是发动机系统101的框图。在图1中粗实线表示扫气的流动，粗虚线表示排气的流动。根据本实施形态的发动机系统101是搭载于船舶100上的船舶用的发动机系统101。如图1所示，发动机系统101具备柴油发动机10、增压器20和排气再循环单元30。

柴油发动机10是作为发动机系统101的中心的构成要素。柴油发动机10与推进用的螺旋桨（未图示）连接，使该螺旋桨旋转。本实施形态的柴油发动机10用于大型的船舶，将所谓的重油作为燃料，因此其排气中不仅含有SOx而且含有以黑烟为主成分的大量的烟尘。

增压器20是用于向柴油发动机10供给压缩空气的装置。增压器20具有涡轮部21和压缩机部22。从柴油发动机10向涡轮部21供给排气，涡轮部21通过排气的能量旋转。涡轮部21和压缩机部22通过轴部23相连接，因涡轮部21旋转而压缩机部22也旋转。在压缩机部22旋转时，从外部引入的大气被压缩，压缩的大气作为扫气供给至柴油发动机10。

排气再循环单元30是使排气返回至柴油发动机10的单元。从柴油发动机10排出的排气不仅供给至增压器20还供给至排气再循环单元30。详细的内容在后文叙述，供给至排气再循环单元30的排气被去除SOx以及烟尘后返回至柴油发动机10。从柴油发动机10排出的排气的氧浓度低，因此通过将其返回至柴油发动机10，以此使燃烧温度下降。其结果是，可以降低从柴油发动机10排出的NOx的排出量。

＜排气再循环单元＞

接着，更详细地说明本实施形态的排气再循环单元30。如上所述，排气再循环单元30是使排气返回至柴油发动机10的单元。如图1所示，排气再循环单元30具有洗涤除尘装置（洗涤器）31、废水处理装置32和EGR鼓风机（blower）33。

洗涤除尘装置31是从柴油发动机10的排气中去除SOx以及作为悬浮颗粒状物质的烟尘的装置。如上所述，在大型船舶用柴油发动机的排气中含有大量的SOx以及烟尘，因此在使用于大型船舶的排气再循环单元中需要洗涤除尘装置。洗涤除尘装置31为了从排气中去除SOx以及烟尘而使用洗涤水。在洗涤除尘装置31中所使用的洗涤水的一部分作为洗涤器废水排出至废水处理装置32。除此以外，对于洗涤除尘装置31的具体结构在后文叙述。

废水处理装置32是将从洗涤除尘装置31排出的洗涤器废水进行处理的装置。洗涤器废水中含有大量的SOx以及烟尘，因此无法直接排出至船外。如果将洗涤器废水排出至船外，则需要通过废水处理装置32将洗涤器废水的浊度降低至规定值以下。作为一个示例，废水处理装置32内部具备离心分离器，通过该离心分离器从洗涤器废水中去除SOx以及烟尘。

EGR鼓风机33是使通过了洗涤除尘装置31的排气升压，并且将升压的排气作为扫气返回至柴油发动机10的装置。EGR鼓风机33具有鼓风机34和电动马达35。鼓风机34被电动马达35驱动。通过洗涤除尘装置31去除了SOx以及烟尘的排气通过该驱动的鼓风机34升压。然后，通过EGR鼓风机33（鼓风机34）升压的排气在增压器20中与压缩的大气混合，并且被供给至柴油发动机10。

＜洗涤除尘装置＞

接着，进一步详细说明根据本实施形态的洗涤除尘装置31。在这里，图2是洗涤除尘装置31的系统图。如图2所示，洗涤除尘装置31具备排气流入通路41、喷射部42、上层室43、下层室44、连通管45、排气流出通路46和控制装置47。以下，依次说明这些构成要素。

排气流入通路41是将从柴油发动机10排出的排气导入至洗涤除尘装置31内部的通路。从柴油发动机10排出的排气以温度较高的状态被导入至洗涤除尘装置31中。本实施形态的排气流入通路41形成为管状，下游侧与上层室43连接。即，通过了排气流入通路41的排气在其后流入上层室43。在排气流入通路41中安装有排气流量计48，测定通过排气流入通路41的排气的流量（以下简称为“排气流量”）。与通过排气流量计48测定的排气流量相关的信号被发送至控制装置47。

喷射部42是向由排气流入通路41导入的排气喷射洗涤水的装置。在本实施形态中，在排气流入通路41的两处配置有喷射部42。从喷射部42喷射的洗涤水是将贮留在下层室44的底部的洗涤水进行再利用而成的水，通过循环泵49汲水而供给至喷射部42。循环泵49的输出（转速）、即从喷射部42喷射的洗涤水的量（以下称为“喷射流量”）由控制装置47控制。又，在循环泵49与喷射部42之间设置有测定喷射流量的洗涤水流量计40，与通过洗涤水流量计40测定的喷射流量相关的信号被发送至控制装置47。关于通过控制装置47进行的喷射流量的控制方法在后文说明。

在这里，导入至洗涤除尘装置31中的排气温度较高，因此再循环时需要降低排气的温度。在本实施形态中，从喷射部42喷射的洗净水也发挥作为冷却水的功能。因此，喷射部42以能够在通过排气流入通路41的早阶段向排气喷射大量的洗涤水的形式设置在排气流入通路41上。此外，根据本实施形态的洗涤除尘装置31具备两个喷射部42以能够喷射更多的洗涤水。

上层室43是在洗涤除尘装置31中位于上方的空间。如图2所示，洗涤除尘装置31的内部被圆盘构件50隔开，圆盘构件50的上方侧为上层室43，下方侧为下层室44。因此，圆盘构件50的上表面相当于上层室43的底面51。又，上层室43具有圆筒状的形状，在其中央排气流出通路46在上下方向上穿通。从排气流入通路41向上层室43流入排气和大量的洗涤水。通过喷射部42喷射的洗涤水在上层室43中大部分变成液状而非雾状。即，上层室43的底面51接收从喷射部42喷射的液状的洗涤水。

下层室44是位于上层室43的下方的空间。下层室44与上层室43相同地具有圆筒状的形状。薄薄地贮留在上层室43的底面51上的液状的洗涤水通过连通管45排出至下层室44。排出至下层室44的洗涤水贮留在下层室44的底部。贮留在底部的洗涤水一部分通过循环泵49从喷射部42喷射，又，另一部分作为洗涤器废水经过废水处理装置32排出至船外。此外，与排出至船外的洗涤器废水相同的量的洗涤水从补给水箱52通过补给水供给泵53供给至下层室44内。又，在下层室44内，从苛性钠供给箱54通过苛性钠供给泵55供给有脱硫用的苛性钠。借助于此，含有苛性钠的洗涤水从喷射部42喷射，以从排气中去除硫氧化物（SOx）。另外，也可以测定洗涤水的pH值，基于该值决定苛性钠的供给量。

又，在洗涤除尘装置31上以连接上层室43与下层室44的形式设置有压差计56。压差计56测定上层室43与下层室44的压差（以下称为“内部压差”），将与内部压差相关的信号发送至控制装置47。在上层室43中流入柴油发动机10的排气，又如下所述，下层室44通过排气流出通路46与EGR鼓风机33的入口侧连接（参照图1）。而且，连接上层室43与下层室44的连通管45的内径并不大。因此，在上层室43与下层室44之间产生比较大的压力差。

连通管45是将上层室43内的排气以及洗涤水导入至下层室44内的管构件。根据本实施形态的洗涤除尘装置31具备多个连通管45。各连通管45从上层室43的底面51向下方延伸，下方部分位于下层室44的上下方向中央附近。各连通管45是从上端至下端直径不变且截面为圆环形状的圆管。各连通管45的上端贯通圆盘构件50后到达上层室43的底面51。即，连通管45的上端在上层室43开口。各连通管45的上表面剖面位于与上层室43的底面51大致相同的面上。另一方面，各连通管45的下端位于下层室44内的上下方向中央附近。

图3是连通管45的下方部分的放大图。如图3所示，各连通管45的下端面封闭，然而在下方部分的侧表面上形成有开口部57。开口部57在与连通管45延伸的方向（铅垂方向）垂直的方向（水平方向）上开口。上层室43内的排气以及洗涤水从连通管45的上端流入而通过内部后从开口部57排出。在图3的情况下，从纸面上方流向下方的排气以及洗涤水从开口部57向纸面正面侧排出。另外，在本实施形态中，在连通管45的下方部分的两处形成有圆状的开口部57，但是开口部57也可以形成在一处，其形状也并不特别限定。

图4是在下层室44中位于上方侧的部分的水平剖视图。如图4所示，各连通管45配置在以下层室44的中央部分（中心轴）为中心的三个假想圆C1～C3的任意一个上。从图4中的连通管45延伸的箭头表示开口部57开口的方向，即排放排气以及洗涤水的方向。如图4的箭头所示，各连通管45的开口部57形成为在配置有该连通管45的假想圆C1～C3的切线方向上开口的结构。又，各连通管45的开口部57向相同的周方向（图4中顺时针）开口。在开口部57上排气向直角方向切换方向。含有排气中所具备的SOx以及烟尘的雾状的液滴因其惯性而不弯曲地落下相当多的量。又，沿着连通管45的内表面流下来的洗净水也会落下来。微细化的雾与排气一起在下层室44内旋转。

排气流出通路46是从下层室44吸入排气后将其排出的通路。本实施形态的排气流出通路46是筒状的配管，上游侧的端部（图2中图示的端部）在下层室44的上方部分中央开口。而且，排气流出通路46在上下方向上贯通上层室43的中央，下游侧的端部与EGR鼓风机33的入口侧（上游侧）连接（参照图1）。在EGR鼓风机33的入口侧排气被吸入，因此下层室44内的排气被吸入至排气流出通路46而从下层室44的上部排出。

在这里，说明洗涤除尘装置31内的排气以及洗涤水的流动。进入至排气流入通路41中的高温的排气被从喷射部42喷射的大量的洗涤水冷却。洗涤水的大部分变成液状后薄薄地贮留在上层室43的底面51上，之后，沿着连通管45的内侧面而排出至下层室44。另外，连通管45的内径设定为液状的洗涤水不堵住连通管45的尺寸。另一方面，排气与雾状的洗涤水以在液状的洗涤水的内侧流动的形式通过连通管45。对于本实施形态的连通管45，沿着内侧面流动的液状的洗涤水发挥与文氏管的喉管部相同的作用，排气在通过因流下来的洗涤水而截面积变小的连通管45时一下子加速。于是，雾状的洗涤水被排气微细化，从而高效地捕集排气中含有的SOx以及烟尘。

之后，捕集了排气和SOx以及烟尘的雾状的洗涤水从连通管45的开口部57强烈地排放至下层室44内。如上所述，连通管45的开口部57在各假想圆C1～C3的切线方向上开口，因此从各连通管45排放的雾状的洗涤水变成旋转流（在图4中顺时针），并且被吸入至位于下层室44的上方的排气流出通路46。捕集了SOx以及烟尘的洗涤水旋转，从而该洗涤水或SOx以及烟尘通过离心力被下层室44的内壁捕集。以上即是排气以及洗涤水的流动。

控制装置47由CPU等构成，其是调节喷射流量（从喷射部42喷射的洗涤水的量）的装置。本实施形态的控制装置47基于从排气流量计48发送的信号得到排气流量，并且基于从洗涤水流量计40发送的信号得到喷射流量，此外，基于从压差计56发送的信号得到内部压差。而且，控制装置47基于排气流量、喷射流量以及内部压差计算并生成控制信号，并且将该控制信号发送至循环泵49。

在这里，在不进行任何控制的情况下，例如在柴油发动机10的负荷降低时排气流量减少而内部压差降低。其结果是，导致通过连通管45的排气的速度降低。在这样的情况下，存在无法高效地捕集SOx以及烟尘的担忧。其原因是如果想要使洗涤水高效地捕集SOx以及烟尘，则必须使排气的速度在规定的速度范围内（例如60～90m/s）。因此，在通过洗涤除尘装置31的排气流量降低的情况下，需要通过某种方法增加通过连通管45的排气的速度。

因此，本实施形态的控制装置47通过内部压差的增减判断通过洗涤除尘装置31的排气流量是否降低，在判断为通过洗涤除尘装置31的排气流量降低的情况下，控制循环泵49而使喷射流量增加。在喷射流量增加时，沿着连通管45的内侧面流动的液状的洗涤水增加，排气以及雾状的洗涤水实际能够通过的连通管45的截面积（以下称为“有效截面积”）减小。而且，如果有效截面积减小，则排气的速度增加。借助于此，内部压差增大。另外，与此相反地，在通过洗涤除尘装置31的排气流量增加的情况下，控制装置47进行减少喷射流量的控制。借助于此，沿着连通管45的内侧面流动的液状的洗涤水减少，有效截面积增大。借助于此，可以将连通管45内的排气的速度维持在规定的速度范围内（例如60～90m/s）。

像这样，在根据本实施形态的洗涤除尘装置31中，通过调节喷射流量以此改变连通管45的有效面积，从而以使通过连通管45的排气的速度在合适的范围内的形式进行调节。洗涤除尘装置31内的排气流量可能因由洗涤水产生的蒸汽或雾等而变化，因此优选的是通过连通管45的入口与出口的压差（内部压差）与连通管45中的排气速度的相关关系进行控制。另外，在本实施形态中，基于内部压差信号判断柴油发动机10的负荷，但是也可以基于调速器齿条（governor rack）（燃料喷射量）的信号进行判断，也可以基于柴油发动机10的转速的信号进行判断。此时还需要考虑EGR率的变化。

如上所述，为了使洗涤水高效地捕集SOx以及烟尘，重要的是排气的速度，但是除此以外还重要的是液气比。这里所称的“液气比”是指相对于通过连通管45的排气流量的通过连通管45的雾状的洗涤水的流量。液气比例如优选的是0.5～1.5L/m³。另外，通过连通管45的雾状的洗涤水的流量可以根据喷射流量进行推定。控制装置47基于获得的排气流量以及喷射流量算出液气比。而且，在算出的液气比在适当的范围外的情况下，控制循环泵49而以使液气比进入适当的范围内的形式增减喷射流量。另外，在调节为排气的速度以及液气比中的任意一个进入适当的范围内时，也可能发生另一个脱离适当的范围的情况。在该情况下，从更高效地捕集SOx以及烟尘的观点出发，以使任意一个进入适当的范围内的形式调节喷射流量。

以上是根据本实施形态的洗涤除尘装置31的说明。像这样根据本实施形态的洗涤除尘装置31，即使为了冷却排气而喷射大量的洗涤水，其大部分也会变成液状而不堵塞连通管45并从上层室43排出至下层室44。而且，在喷射出的洗涤水中变成雾状的洗涤水在通过因流下来的洗涤水而截面积变小的连通管45内时被微细化，而可以捕集排气中含有的SOx以及烟尘。因此，根据本实施形态的洗涤除尘装置31，通过洗涤水不仅从排气中去除SOx以及烟尘，而且也可以充分发挥作为冷却排气的冷却水的功能。又，根据本实施形态的洗涤除尘装置31与一般的贮水式洗涤除尘装置不同，即使搭载在发生摇晃的船舶中也可以使其性能保持一定。

以上参照图说明了本发明的实施形态，但是具体结构不限于这些实施形态，即使有不脱离本发明的主旨的范围内的设计的变更等，也包含在本发明中。

工业应用性：

根据本发明的洗涤除尘装置，通过喷射大量的洗涤水，以此可以高效地冷却排气，并且可以使该洗涤水的一部分微细化，而使微细化的洗涤水捕集排气的SOx以及烟尘。因此，在洗涤除尘装置的技术领域有用。

符号说明：

31 洗涤除尘装置；

41 排气流入通路；

42 喷射部；

43 上层室；

44 下层室；

45 连通管；

46 排气流出通路；

51 底面；

57 开口部；

100 船舶

101 发动机系统。

Claims (7)

1.一种洗涤除尘装置，是去除柴油发动机的排气中含有的SOx以及烟尘的洗涤除尘装置，具备：

导入高温的排气的排气流入通路；

向由所述排气流入通路导入的排气喷射洗涤水的喷射部；

将从所述喷射部喷射的洗涤水通过底面接收的上层室；

位于所述上层室的下方的下层室；

将通过所述上层室的底面接收的洗涤水向所述下层室排出，并且将所述上层室内的排气导入至位于比所述下层室的洗涤水的水面靠近上方的空间的连通管；和

吸引并排出导入至所述下层室的排气的排气流出通路。

2.根据权利要求1所述的洗涤除尘装置，其特征在于，所述连通管从所述上层室的底面向下方延伸，并且设置于下方部分的开口部在所述下层室内开口。

3.根据权利要求2所述的洗涤除尘装置，其特征在于，

具备多个所述连通管；

各所述连通管的开口部形成为在以所述下层室的中央附近为中心的假想圆的大致切线方向上开口的结构。

4.根据权利要求3所述的洗涤除尘装置，其特征在于，所述排气流出通路形成为从所述下层室的上方部分中央吸引所述下层室的排气的结构。

5.根据权利要求1所述的洗涤除尘装置，其特征在于，形成为在所述洗涤除尘装置的排气流量降低时，使从所述喷射部喷射的洗涤水的量增加的结构。

6.一种发动机系统，具备柴油发动机、和权利要求1至5中任意一项所述的洗涤除尘装置。

7.一种船舶，具备权利要求6所述的发动机系统。