JP2007211760A - 排熱回収機能を備える流動層式排気ガス浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ディーゼルエンジンなどの排気ガス中の微粒子（ＰＭ）を除去（浄化）しながら、同時に浄化し終えた排気ガスが保有する排熱を効率よく回収する機能を併せ持つ排気ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】排気ガス中の微粒子（ＰＭ）を濾し取る不燃性粒子状物質（流動層）２ｂと、この不燃性粒子状物質２ｂに排気ガスを分散して流入させる分散板２ａと、浄化し終えた排気ガスが保有する排熱を回収する排熱回収コイル群３ａから排気ガス浄化装置を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、陸用ディーゼルエンジン、舶用ディーゼルエンジン、ガスタービン、ボイラー、燃焼炉などの燃焼装置から排出される排気ガス中の固形炭素（煤）、ＳＯＦ、サルフェートのような微粒子（ＰＭ）を流動層で除去（浄化）すると共に、この浄化後の排気ガスが保有する排熱の回収機能も併せ持つ排気ガス浄化装置に関するものである。

一般に、ディーゼルエンジンやボイラーの排気ガス中の微粒子（ＰＭ）の除去（浄化）は、金属製フィルターやセラミック製フィルターなどから構成されるフィルター式浄化装置で濾し取る方法が知られている。また、この方式以外の微粒子（ＰＭ）の浄化装置として、浄化しようとする排気ガス自体の圧力で流動する不燃性粒子状物質に多数の孔を有する分散板から排気ガスを流入させて濾し取る流動層式排気ガス浄化装置も開示されている。
特開２００３−３２０２１１ など

一方、ディーゼルエンジンやガスタービンなどでは、排気ガスの浄化と同時に排気ガス中の排熱を回収して有効利用することも重要になっており、排ガス浄化装置とは別個に排熱回収装置が設けられることが多い。

例えば、産業・民生分野では、Ａ重油や都市ガスなど排気ガス中の微粒子（ＰＭ）が少ない良質な燃料を使用する自家発電用ディーゼルエンジンを対象に、排気ガス浄化装置やこの排ガス浄化装置とは別に設ける排熱回収装置に排気ガスを転送して蒸気や温水として回収する方法が工場やビルなどの熱電併給システム（コジェネシステム）として実用されている。そして、この排熱回収装置を使用すれば、供給する燃料が保有する全熱量の約３５〜４０パーセントを電気エネルギーに変換後、更にエンジンの排気ガスや冷却水が保有する排熱の約３０〜４０パーセントを回収できるので、全体では約６５〜８０パーセントの高効率が得られることが知られている。しかし、これらの排気ガス浄化装置や排熱回収装置は、排気ガス中の微粒子（ＰＭ）の発生が多いＣ重油など低質重油を使用するディーゼルエンジンなどには使用できない。

一方、船舶分野では、推進用の概ね出力数万ＫＷ以上のディーゼルエンジンなどでは、この排気ガスを全く浄化しないまま排気ガスボイラーに転送して、０．７〜１Ｍｐａ程度の蒸気として回収して船内発電用蒸気タービンや推進軸加勢用蒸気タービンや船内雑用蒸気系統に供給して有効利用している。しかし、船内発電用ディーゼルエンジンなど推進用ディーゼルエンジンに比べて規模の小さいエンジンでは、排気ガス浄化装置も排熱回収装置も全く設けられていないのが現状である。

そして近年は、特に外航船舶では推進用ディーゼルエンジンはもとより船内発電用ディーゼルエンジンにも排気ガス中の微粒子（ＰＭ）の発生量が多いＣ重油など安価な低質重油の使用が進められ、本船が港内停泊中に船内発電用ディーゼルエンジンなどから排出する微粒子（ＰＭ）が港湾近隣の住民に与える健康被害の問題が懸念されている。また、従来に増して排熱回収装置伝熱面の微粒子（ＰＭ）による汚損防止や排気ガス流路の閉塞防止などの対策が重要になっている。

また、上記のように微粒子（ＰＭ）の発生が多い低質重油の使用が進む一方で、昨今の原油高騰による経済面、並びにＣＯ_２排出量削減の環境面で排気ガスの保有する排熱を回収して有効利用することはますます重要になってきており、排気ガス浄化機能に加えて排熱回収機能も備え、また、設置スペースが少なく且つ導入コストも安価な排熱回収機能つき排気ガス浄化装置の必要性が増している。

しかしながら、排気ガス中に含まれる微粒子（ＰＭ）量が多いＣ重油などの低質重油を燃料に使用する船内発電用エンジンなどでは、排気ガスを浄化する装置とその排気ガス中の排熱を回収する装置をそれぞれ個別に設けることは導入費用対効果面で実現が難しく、推進用ディーゼルエンジンに比べて装置規模の小さい船内発電用ディーゼルエンジンなどの排熱は、全て大気中に無駄に捨てられているのが現状であり省エネルギー面や環境面に問題があった。

また、船内発電用ディーゼルエンジンでは、限られた船内スペースにおいて排気ガス浄化装置と排熱回収装置をそれぞれ個別に設けることはその設置スペースの確保が難しいという問題があった。特にこれらの設備の導入が全く考慮されていない既に就航している船舶（既存船）に排気ガス浄化装置や排熱回収装置を追加的に設ける場合には、本船エンジンルームにおけるこれらの設備の設置に必要な床面スペースの制約より、従来型の排気ガス浄化装置や排熱回収装置を個別に設置することは事実上不可能であるという問題があった。

また、仮に排気ガス浄化装置と排熱回収装置を個別に設けることにしても、排気ガス中に含まれる微粒子（ＰＭ）量が多いＣ重油などの低質重油を燃料とする船内発電用ディーゼルエンジンなどの中型および小型ディーゼルエンジンに採用する適当な排ガス浄化装置や排熱回収装置が実用化されていないという問題があった。

そこで、本発明は、ディーゼルエンジンなどから排出される排気ガス中の微粒子（ＰＭ）を、排気ガス自体の圧力で流動させる不燃性粒子状物質で構成される流動層に、多数の孔を有する分散板より排気ガスを流入させて濾し取り、その浄化された排気ガスをこの流動層の下流に隣接して設けた排熱回収コイルを通過させることにより、排気ガスを連続して浄化すると同時に排熱回収コイルが排気ガス中の微粒子（ＰＭ）で汚損されるのを防止しながら、連続して排熱を回収できる機能を備える排気ガス浄化装置を構成するものである。

本発明は、ディーゼルエンジンやボイラーなどに低質重油など排気ガス中の微粒子（ＰＭ）の発生量が多い燃料を使用した場合でも、排気ガス中の微粒子（ＰＭ）をこの排気ガス処理装置で濾し取った後に浄化した排気ガス中の排熱を回収できることより、伝熱面が排気ガス中の微粒子（ＰＭ）により汚損されるのを防止できるので排熱回収コイルの伝熱効率が高く、また、その結果排熱回収コイル表面の清掃などの整備に要する労力や費用も節減できる。また、従来、それぞれ個別に設ける必要があった排気ガス浄化装置と排熱回収装置を共通の筐体内に合体して設けているため、排気ガス管系を簡素化でき設置面積や装置寸法を小さく抑えることができると同時に製作費の低減が図れる。

以下、本発明の最良の実施形態を図面に基づき説明する。

図１に排熱回収機能を備える流動層式排ガス浄化装置を示すように、基体１の下部には、ディーゼルエンジン５から浄化しようとする排気ガスを基体１の内部に導く排気ガス入口ダクト１ａと排ガス入口流路１ｂが設けられている。

一方、基体１の上部には、排気ガス中の微粒子（ＰＭ）を付着させて除去するための不燃性粒子状物質２ｂが分散板２ａの上にある広さと厚さをもって充填されている。また、不燃性粒子状物質２ｂが充填されている基体１の上部は、微粒子（ＰＭ）を除去し終えた排気ガスを排気ガス出口ダクト１ｄに導く排ガス出口流路１ｃが設けられている。

また、基体１には、排気ガス入口流路１ｂに流入してくる排気ガスを分散板２ａや不燃性粒子状物質２ｂを通過させることなく、直接排気ガス出口ダクト１ｄに逃がすためのバイパスダンパー４が１個以上設けられている。このバイパスダンパー４に代えてバイパスバルブを１個以上設けてもよい。

そして、前記バイパスダンパー４を開閉するためのダンパー駆動装置４ａと、このダンパー駆動装置４ａに駆動用圧縮空気を供給する圧縮空気配管４ｃが配管されている。この駆動用圧縮空気は圧縮空気切替装置４ｂを経由して前記ダンパー駆動装置４ａに供給されるよう配管されている。駆動力や信号伝達には圧縮空気に代えて電気や油圧を使用した装置としてもよい。

基体１には、排気ガス差圧検知装置６が設置されており、差圧計測用高圧導管６ａが前記排気ガス入口流路１ｂに、同様に差圧検出用低圧導管６ｂが排気ガス出口流路１ｃに接続されている。また、図１では記載を省略してあるが、この差圧計測用導管系統には排気ガス中の凝縮水分を除去するドレインセパレーターや圧力を計測するマノメーターを設けてもよい。

そして、前記排気ガス差圧検知装置６で発生した排気ガスの圧力信号は、信号線６ｃによりダンパー制御盤７に伝達され、圧縮空気切替装置４ｂを制御してバイパスダンパー４を全閉から全開の範囲の適当な開度に調整する。

また、基体１には、排熱回収器３が設けられており、不燃性粒子状物質２ｂを通過した排気ガスは排熱回収コイル群３ａの外周を流れる。一方、排熱回収コイル群３ａの内部には排熱を回収するための熱媒体として水が流れている。そして、排熱回収器３の水入口３ｂから排熱回収コイル群３ａ内部を流れた水は排気ガスと熱交換を行い水出口３ｃより排熱回収器３の外部に取り出される。

排熱回収コイル群３ａは、ここを通過する排気ガス温度（通常４００〜６００℃以上）に耐える材質、例えばステンレススチール等を用いることが望ましい。また、この排熱回収コイル群３ａの配列は、図１では各コイルが千鳥状に配列されているが各コイルを直線的に配列してもよい。また、排熱回収コイル群３ａの表面にはその伝熱面積を増加させるための伝熱フィン３ｄを設けてもよい。そして、排熱回収コイル群３ａは数本を連結した直列接続にしてもよいし、数本の排熱回収コイルを水入口側と水出口側に設ける集合管（ヘッダー）にバンク分けして並列接続としてもよい。前記いずれの場合でも、この排熱回収コイル群３ａの外周には浄化された排気ガスが流れるので、従来のように排熱回収コイル群３ａの外周が排気ガス中の微粒子（ＰＭ）で汚損される度合いが少なく、排熱回収コイル群３ａの配列ピッチや伝熱フィン３ｄの相互間隔を狭くできるので排熱回収器３を小型化できる。

図１および図２は、基体１をディーゼルエンジンなどが設置されている機械室天井９より吊下げステイ８で吊下げて設置する方法を示している。この吊下げステイ８の本数や固定位置や形状は基体１を設置する現場の状況に合わせて変更する。また、基体１に設けられている吊下げステイ台座８ａ〜８ｄと釣下げステイ８の連結部、および、吊下げステイ８と機械室天井９の連結部は、スプリングコイルやスプリング皿を介して基体１などの熱膨張を吸収する方式（図では省略）とすることが望ましい。

図１において、ディーゼルエンジン５の排気ガスは、排気管５ａより排気ガス浄化装置の排気ガス入口ダクト１ａを経由して排気ガス入口流路１ｂに入り分散板２ａに設けられている多数の小孔より不燃性粒子状物質２ｂに送られる。この時に排気ガス中の微粒子（ＰＭ）は、分散板２ａに設けられた多数の小孔やその付近に付着や堆積する。そして、この分散板２ａに付着や堆積したこの微粒子（ＰＭ）は排気ガス自体の温度で自然着火し燃焼・除去される。

前記行程に次いで、分散板２ａから不燃性粒子状物質２ｂに送り込まれた排気ガスは、不燃性粒子状物質２ｂを排気ガス自体の圧力で流動させながらこの不燃性粒子状物質２ｂの内部を流れ、排気ガス中の微粒子（ＰＭ）はこの不燃性粒子状物質２ｂに付着することにより浄化される。そして、この不燃性粒子状物質２ｂに付着や堆積したこの微粒子（ＰＭ）は、排気ガス自体の温度で自然着火し燃焼・除去される。

前記工程で微粒子（ＰＭ）が除去された排気ガスは、この下流側に隣接して設けられた排熱回収器３に送られて、水入口３ｂから排熱回収コイル群３ａの内側に送り込まれた水と熱交換する。そして、排熱回収コイル群３ａを流れることにより加熱された水は、水出口３ｃから外部に取り出され外部熱需要先でその熱を放出する。また、水入口３ｂからは温度の低い水が再び排熱回収コイル群３ａに送り込まれる。

Ｃ重油のような低質重油をディーゼルエンジンなどに使用する場合は、燃料中の硫黄分が燃焼して亜硫酸ガスになり、この亜硫酸ガスが露点温度以下になると燃焼ガス中の水分と結合して硫酸を生成し基体１などの金属部分を腐食させる。この対策としては、図３に示すように排熱回収器３の出口周辺の排気ガス温度を検知して、亜硫酸ガスが露点温度（一般に１６０℃程度）以下に冷却されないように、排熱回収コイル群３ａ内部を流れる水量を適宜調整する温度調整弁３ｅを設けることが望ましい。

バイパスダンパー４は、通常の運転時には完全に閉じられていて、このバイパスダンパー４を通して排気ガス入口流路１ｂから排気ガス出口ダクト１ｄ側に排気ガスは流れることはない。しかし、ディーゼルエンジン５の起動時や負荷の急上昇などで、瞬時に大量の排気ガスが排気ガス入口ダクト１ａに流れ込み排気ガス入口流路１ｂ内の排気ガス圧力が上昇した場合は、排ガス差圧検知装置６からの信号がダンパー制御盤７に伝達され圧縮空気切替装置４ｂやダンパー駆動装置４ａの作動により、バイパスダンパー４が必要な開度まで開けられ排気ガス入口流路１ｂ内の排気ガス圧力を降下させる。また、バイパスダンパー４が全開となっても、何らかの事由で排気ガス入口流路１ｂ内の排気ガス圧力が上昇限度（一般には７Ｋｐａ）を越えて異常上昇した場合には、排気ガス差圧検知装置６の信号によりディーゼルエンジン５を停止し排気ガスの基体１への流入を遮断する。

不燃性粒子状物質２ｂを通過して微粒子（ＰＭ）が除去され、その後排熱回収器３で排熱を回収された排気ガスは、排気ガス出口ダクト１ｄより煙道１０ａを経由して煙突１０より大気中に放出される。

図１では記載を省略してあるが、基体１の必要な箇所には、基体１や分散板２ａや不燃性粒子状物質２ｂやその他各流路の圧力や温度を計測するセンサーを必要数設けてもよい。

本は発明の他の実施形態を説明する。

図４に示す排気ガス浄化装置の部分は、図１に示す排気ガス浄化装置に油焚きバーナー１１を設けて排気ガス温度を高め、排気ガス中から除去した微粒子（ＰＭ）の燃焼・除去を促進する方法を示す。この油焚きバーナー１１以外の装置構成や機能は図１に示す排気ガス浄化装置の場合と同じである。また、図は省略してあるが、この油焚きバーナーに代えて、ガス焚きバーナーや電気ヒータや電気プラズマ発生装置も使用してもよい。

また、本発明は以上の実施形態に限定されるものではなく、基体１やその他の部品の形状や配置位置など、適宜設計変更できるものである。また、浄化しようとする排気ガスを排出する設備としては、図１に示すデイーセルエンジン以外にもボイラーやガスタービンやガスエンジンや燃焼路などの排ガス浄化装置としても使用できるものである。

本発明の第１形態による排気ガス浄化装置の断面構成説明図と配管系説明図である。 本発明の第１形態である排気ガス浄化装置の上面外観説明図である。 本発明の第１形態である排気ガス浄化装置の排気ガス温度調整のための配管系説明図である。 本発明の第２形態である油焚きバーナー付近を示す説明図である。

符号の説明

１ 基体
１ａ 排気ガス入口ダクト
１ｂ 排気ガス入口流路
１ｃ 排気ガス出口流路
１ｄ 排気ガス出口ダクト
２ａ 分散板
２ｂ 不燃性粒子状物質
３ 排熱回収器
３ａ 排熱回収コイル群
３ｂ 水入口
３ｃ 水出口
３ｄ 伝熱フィン
３ｅ 温度調整弁
４ バイパスダンパー
４ａ ダンパー駆動装置
４ｂ 圧縮空気切替装置
４ｃ 圧縮空気配管
５ ディーゼルエンジン
５ａ 排気管
６ 排気ガス差圧検知装置
６ａ 差圧計測用高圧導管
６ｂ 差圧計測用低圧導管
６ｃ 信号線
７ ダンパー制御装置
８ 吊下げステイ
８ａ 吊下げステイ台座ａ
８ｂ 吊下げステイ台座ｂ
８ｃ 吊下げステイ台座ｃ
８ｄ 吊下げステイ台座ｄ
９ 機械室天井
１０ 煙突
１０ａ 煙道
１１ 油焚きバーナー

Claims (4)

1. ディーゼルエンジンやボイラーなどから排出される排気ガス中の微粒子（ＰＭ）を、排気ガス自体の圧力で流動させる不燃性粒子状物質で構成される流動層に、排気ガスを分散して送り込むための分散板により排気ガスを流入させて濾し取った後、排気ガスが保有する排熱をこの流動層の下流に隣接して設けた排熱回収コイルで回収することを特徴とする排気ガス浄化装置。
2. 前記分散板や不燃性粒子状物質が、排気ガス中から除去した微粒子（ＰＭ）の付着や堆積により詰まることにより排気ガス通過面積が想定値以下に減少した場合や、何らかの事由により排気ガス流量が想定値以上に増加して浄化前の排気ガス入口圧力が一定圧力以上に上昇した場合には、この排気ガス圧力を検知して浄化前の排気ガスを分散板や不燃性粒子状物質や排熱回収コイルに流入させないように、自動的にバイパスして大気に放出することを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
3. 前記分散板や不燃性粒子状物質が、排気ガス中から除去した微粒子（ＰＭ）の付着や堆積により詰まることにより排気ガス通過面積が減少して、浄化前の排気ガス入口圧力が一定値以上に上昇した場合には、この排気ガス入口圧力を検知して浄化前の排気ガスを分散板や不燃性粒子状物質や排熱回収コイルに流入させないよう自動的に排気ガスの流入を遮断することを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置。
4. 前記排熱回収コイルにおける排熱回収量とこの排熱の需要先における排熱消費量との需給バランスが変化し排熱回収コイルからの排熱回収が不要になった場合に、排気ガスを排熱回収コイルに流入させないようバイパスして大気に放出することを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化装置。

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