JP5958563B2 - スクラバの海水量制御装置、スクラバの海水量制御方法、アルカリ量制御装置及びアルカリ量制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、排ガス中の硫黄酸化物（特に、二酸化硫黄（ＳＯ_２））の濃度を低減するためのスクラバに対し、吸収液として供給する海水の海水量制御装置、及び、吸収液として供給する海水に注入するアルカリ量の制御装置に関する。

国際海事機関（ＩＭＯ）は、船舶の排ガス中に含まれる硫黄酸化物（ＳＯ_ｘ）を低減させるため、燃料油の硫黄分規制を段階的に強化する方針で、最終的には全海域を対象に硫黄分０．５％以下とする規制が適用されることとなっている。このため、船舶運航者は、低硫黄分燃料を使用するか、あるいは、主機関に排ガス処理装置を装着するなどの対応が必要となる。

船舶における排ガス処理装置としては、排ガスを海水に通すことにより、排ガス中の有害物質の濃度を低減するスクラバが知られている（たとえば、特許文献１及び特許文献２参照）。

特開２００４−０８１９３３号公報 特許第２９９３８９１号公報

スクラバに供給する海水量は処理する硫黄酸化物量に見合った量を注入する必要があり、過剰に海水を供給した場合は圧力損失が大きくなるとともに海水ポンプの動力が増大して問題となる一方で、海水量が不足すると排ガス中の硫黄酸化物濃度が規制値を超えて問題となる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、処理後の排ガス中の硫黄酸化物濃度が規制値を超えることのないよう、スクラバに適切な海水量を供給して安定した運転をすることができるスクラバの海水量制御装置を提供することを目的とする。

また、特許文献２に記載の排ガス処理装置においては、スクラバを構成する吸収塔の塔底液のｐＨ制御を行って、吸収塔の塔底から洗浄液を返還給送して排ガスを洗浄している。ｐＨ測定に用いられるｐＨメータは一般にガラス電極式が用いられるが、このようなｐＨメータは定期的な洗浄と校正が必要であり、安定した測定結果に基づいてきめ細かくｐＨを制御することは困難であった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、ｐＨメータを使用することなくスクラバに供給する海水のアルカリ制御を行って、安定した信頼性の高い硫黄酸化物の除去率を得ることができるアルカリ量制御装置を提供することを目的とする。

本発明は、排ガス中に含まれる硫黄酸化物を海水と接触させて洗浄するスクラバに供給する海水量を制御するスクラバの海水量制御装置であって、エンジン出力と燃料油の硫黄分とあらかじめ設定された海水のアルカリ度とから、海水による硫黄酸化物の吸収反応に必要な海水量である第１海水量を算出する海水量換算器と、前記スクラバから大気中へ排気される排ガスに含まれる硫黄酸化物の測定値に基づいて、排ガスに含まれる硫黄酸化物を設定値以下とする補正海水量である第２海水量を算出する海水量補正換算器と、前記第１海水量と前記第２海水量とを加算して設定海水量を算出する加算要素と、前記設定海水量分の海水を前記スクラバに供給するように制御するポンプ制御装置と、を備えることを特徴とする。

上記スクラバの海水量制御装置によれば、エンジン出力と使用する重油の硫黄分から、消費した重油に含まれる硫黄酸化物の中和に必要なアルカリ成分を最低海水量として算出し、さらに、スクラバから大気中へ排気される処理済み排ガスに含まれる硫黄酸化物濃度が排出規制値を超えないように補正海水量を算出して、これらを足し合わせた設定海水量をスクラバへ供給するように制御している。この構成により、スクラバに供給される海水量が過剰になることや不足することがなく、処理後の排ガス中の硫黄酸化物濃度が規制値を超えることのないよう、スクラバに適切な海水量を供給して安定した運転をすることが可能となる。

本発明のアルカリ量制御装置は、排ガス中に含まれる硫黄酸化物を海水と接触させて洗浄するスクラバに供給する海水に注入するアルカリ量を制御するアルカリ量制御装置であって、エンジン出力と燃料油の硫黄分とあらかじめ設定された海水のアルカリ度とから、海水による硫黄酸化物の吸収反応に必要な海水量である第１海水量を算出する海水量換算器と、前記スクラバから大気中へ排気される排ガスに含まれる硫黄酸化物の測定値に基づいて、排ガスに含まれる硫黄酸化物を設定値以下とする補正海水量である第２海水量を算出する海水量補正換算器と、前記第１海水量と前記第２海水量とを加算して設定海水量を算出する加算要素と、前記設定海水量分の海水を前記スクラバに供給するように制御するポンプ制御装置と、前記設定海水量分の海水中に含まれるアルカリ成分量からアルカリ注入量を算出するアルカリ量演算器と、前記アルカリ注入量に対応するアルカリ剤を前記スクラバに供給する海水に注入するように制御するアルカリポンプ制御装置と、を備えることを特徴とする。

上記アルカリ量制御装置によれば、エンジン出力と使用する重油の硫黄分から、消費した重油に含まれる硫黄酸化物の中和に必要なアルカリ成分を最低海水量として算出し、さらに、スクラバから大気中へ排気される処理済み排ガスに含まれる硫黄酸化物濃度が排出規制値を超えないように補正海水量を算出して、これらを足し合わせた設定海水量に基づいて海水に注入するアルカリ注入量を算出している。この構成により、海水のｐＨを測定することなく、すなわち、ｐＨメータを使用することなく、スクラバに供給する海水のアルカリ制御を行うことができるため、安定した信頼性の高い硫黄酸化物の除去率を得ることが可能となる。

本発明によれば、処理後の排ガス中の硫黄酸化物濃度が規制値を超えることのないよう、スクラバに適切な海水量を供給して安定した運転をすることができる。

また、本発明によれば、ｐＨメータを使用することなくスクラバに供給する海水のアルカリ制御を行うため、安定した信頼性の高い硫黄酸化物の除去率を得ることができる。

第１の実施の形態に係るスクラバを中心とする排ガス処理システムを示す概略図である。 スクラバの断面模式図である。 スクラバに供給する海水量と二酸化硫黄（ＳＯ_２）の除去率との関係を示すグラフである。 第１の実施の形態に係る排ガス処理システムにおける海水量制御システムの構成を示すブロック図である。 複数のポンプを備える場合の、ポンプ運転台数と設定海水量との関係を示す図である。 第１の実施の形態に係るポンプ制御装置がインバータを備える場合の構成を示すブロック図である。 第１の実施の形態に係る複数のポンプを備える場合の、ポンプ１台あたりの流量設定値と設定海水量との関係を示す図である。 第２の実施の形態に係るスクラバを中心とする排ガス処理システムを示す概略図である。 第２の実施の形態に係る排ガス処理システムにおけるアルカリ量制御システムの構成を示すブロック図である。 第２の実施の形態に係るポンプ制御装置がインバータを備える場合の構成を示すブロック図である。 第２の実施の形態に係る複数のポンプを備える場合の、ポンプ１台あたりの流量設定値と設定海水量との関係を示す図である。

以下、本発明の第１の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、第１の実施の形態に係るスクラバを中心とする排ガス処理システムを示す概略図である。なお、第１の実施の形態に係る排ガス処理システムとしては、船舶に使用されるエンジンから排出される排ガス中に含まれる二酸化硫黄（ＳＯ_２）を除去するシステムを考える。ただし、これに限られず、本実施の形態に係る排ガス処理システムは、窒素酸化物（ＮＯ_ｘ）や硫黄酸化物（ＳＯ_ｘ）などの物質を含む種々の排ガスの処理に適用可能である。

図１に示すように、排ガス処理システムは、エンジン２０から排ガスが供給されるスクラバ１０と、海水加圧ポンプおよび海水引抜ポンプを備える海水ポンプユニット３０と、排水タンク４０と、排水をろ過するろ過器ユニット５０と、から主に構成される。

エンジン２０から排出された排ガスは、スクラバ１０に導入される。この排ガスには、二酸化硫黄（ＳＯ_２）が５０〜１５００ｐｐｍ含まれる。この排ガスがスクラバ１０内を上昇する過程で、海水ポンプユニット３０を介してスクラバ１０に導入された海水を噴霧して、気液接触させる。

排ガス内の二酸化硫黄（ＳＯ_２）は、下記式（１）に示すように、海水に溶けて、水素イオンと亜硫酸イオンに解離する。

水素イオンは、下記式（２）に示すように、海水中のアルカリ成分（ＮａＨＣＯ_３）と反応する。

亜硫酸イオンは、下記式（３）に示すように、空気によって硫酸イオンまで酸化される。

なお、式（２），（３）の反応に必要な海水中のアルカリ成分が不足すると、水素イオンの増加により海水の水素イオン指数（ｐＨ）が低下して亜硫酸イオンの吸収反応が阻害される。したがって、海水による二酸化硫黄（ＳＯ_２）の吸収反応に最低必要な海水量は、式（２），（３）に示すアルカリ成分との反応分を満たす量に決定される。なお、海水は、ＣａＣＯ_３換算で約１０５ｐｐｍのアルカリ度を有する。

このようにして二酸化硫黄（ＳＯ_２）が除去された排ガスは、スクラバ１０の上部から大気中へ排気される。

スクラバ１０内に噴霧された海水は、スクラバ１０の内壁面に沿って自重で落下し、スクラバ１０下方の貯留部に貯留する。貯留した海水は、海水ポンプユニット３０を介して排水タンク４０に排水された後、ろ過器ユニット５０でろ過されて海洋へ排水される。

続いて、スクラバ１０の構成について説明する。図２は、スクラバ１０の一例を示す断面模式図である。

図２に示すように、スクラバ１０は、上下方向に内部空間が形成されたスクラバ本体１１と、スクラバ本体１１の内部空間の上下方向の所定領域において海水（液体）を霧の状態にして噴射（噴霧）するスプレー装置１２と、スプレー装置１２が海水を噴霧する領域よりも下方位置からスクラバ本体１１にエンジン排ガス（気体）を導入するガス供給装置１３と、スプレー装置１２よりも下方位置に設けられたバッフル１４と、を備えている。ここで、スプレー装置１２は、図１に示す海水ポンプユニット３０に接続され、ガス供給装置１３は、図１に示すエンジン２０に接続されている。

スクラバ本体１１は、円筒形状の周壁部１１ａと円形状の底壁部１１ｂと、で構成される。周壁部１１ａは、いずれの部分も同径に構成されている。周壁部１１ａの上端部は開口しており、開口部１１ｃが形成されている。なお、本実施の形態においてスクラバ本体１１は円筒形状を有しているが、スクラバ本体１１の形状はこれに限られず、たとえば、角筒形状であってもよい。

スプレー装置１２は、スクラバ本体１１の中心軸上に設置される。スプレー装置１２は、スクラバ本体１１外からスクラバ本体１１内に挿入され、スクラバ本体１１の中心位置まで延在する給水管１２ａと、この給水管１２ａの挿入端部に連結され、スクラバ本体１１の内部空間の上下方向の所定領域にかけて延在する幹管としての水導管１２ｂと、この水導管１２ｂに連結されスクラバ本体１１の周壁部１１ａに向けて伸びる枝管１２ｃと、各枝管１２ｃの先端に設けられ、枝管１２ｃから供給される液体を所定範囲に噴霧する図示しないスプレーノズルと、を含んで構成される。枝管１２ｃは、上下方向に複数段並べて配置されるとともに、上下方向に隣接する枝管１２ｃが直交するように交差している。

ガス供給装置１３は、スクラバ本体１１の周壁部１１ａの接線方向にガス噴出方向が沿うように設けられている。したがって、ガス供給装置１３から導入される排ガスは、周壁部１１ａの内周面に沿って水平方向に噴射される。

バッフル１４は、円盤部１４ａと、円盤部１４ａとスクラバ本体１１の周壁部１１ａとを連結する脚部１４ｂと、で構成される。円盤部１４ａの外周部分とスクラバ本体１１の周壁部１１ａとの間には、液滴を流すための隙間が形成されている。バッフル１４は、スクラバ本体１１内部を、スプレー装置１２によって液体が噴霧される領域と、スクラバ本体１１外に排水するための液体を貯留する領域を区切っている。バッフル１４の下方には、スクラバ本体１１外に液体を排水するための排水管１５が設けられている。

スクラバ本体１１の開口部１１ｃ近傍には、処理済み排ガスの一部をスクラバ本体１１外に取り出すための排気管１６が設けられている。排気管１６は、処理済み排ガスをサンプリングするための、分析計に接続されている。

このように構成されたスクラバ１０における排ガス処理について説明する。エンジンから排出された排ガスは、ガス供給装置１３によって、スプレー装置１２が液体を噴霧する領域よりも下方位置に導入される。この排ガスは、周壁部１１ａに沿うように周回しながらスクラバ本体１１内を上昇する。

一方、海水は、給水管１２ａを介して水導管１２ｂに導入される。そして、海水は、複数段の枝管１２ｃの先端に設けられたスプレーノズルから、スクラバ本体１１の周壁部１１ａに向けて噴霧される。

したがって、スクラバ本体１１内を旋回上昇する排ガスは、各段に設置された枝管１２ｃに設けられたスプレーノズルから噴霧される海水と気液接触し、排ガス内の二酸化硫黄（ＳＯ_２）が吸収除去される。二酸化硫黄（ＳＯ_２）が除去された排ガスは、スクラバ本体１１の上部に設けられた開口部１１ｃから大気中へ排気される。また、排ガスの一部は、排気管１６を介して分析計に送られる。

液滴となった海水は、旋回流による遠心力によって周壁部１１ａに押し付けられて自重で落下する。落下した液滴は、スクラバ本体１１の下方に設置されたバッフル１４でその旋回が止められた後、バッフル１４および周壁部１１ａをつたって、スクラバ本体１１の底壁部１１ｂとその周囲の周壁部１１ａとで構成される貯留部に貯留する。貯留した液体は、排水管１５を介してスクラバ本体１１の外へ排水される。

図３は、スクラバ１０に供給する海水量と二酸化硫黄（ＳＯ_２）の除去率との関係を示すグラフである。図３において、横軸は海水量（Ｌ／ｍｉｎ）を示し、縦軸は二酸化硫黄除去率（％）を示す。

図３に示すように、スクラバ１０に供給する海水量を増やし、スプレー装置１２によって噴霧する海水量を多くするほど、二酸化硫黄（ＳＯ_２）の除去率は向上する。これは、噴霧する海水量が増大することにより液滴の表面積が増大して、排ガスと海水との接触面積が増大するためである。

図３に示す海水量と二酸化硫黄（ＳＯ_２）の除去率との関係により、スクラバ本体１１の開口部１１ｃから大気中へ排気される排ガスに含まれる二酸化硫黄（ＳＯ_２）の濃度（出口ＳＯ_２濃度）が高い場合には、スプレー装置１２によって噴霧される海水量を多くすることにより、出口ＳＯ_２濃度を下げることができる。

続いて、スクラバ１０のスプレー装置１２に供給する海水量制御について説明する。図４は、本実施の形態に係る排ガス処理システムにおける海水量制御システムの構成を示すブロック図である。

図４に示すように、この海水量制御システムは、重油硫黄濃度設定器６０と、最低海水量換算器６１と、ＧＰＳ６２と、排出比率設定器６３と、ＣＯ_２分析計６４と、ＳＯ_２分析計６５と、ＳＯ_２濃度換算器６６と、ＰＩＤコントローラ６７と、海水量補正換算器６８と、加算要素６９と、ポンプ制御装置７０と、を備えている。

このような海水量制御システムの構成と動作について説明する。

海水量制御システムは、最低海水量を算出する最低海水量換算器６１と、補正海水量を算出する海水量補正換算器６８と、これらを足し合わせた設定海水量をスクラバ１０に供給するように海水ポンプユニット３０（図１参照）を制御するポンプ制御装置７０と、を含んで構成される。

最低海水量換算器６１には、エンジン２０の出力値と重油硫黄濃度設定器６０の設定値が入力される。エンジン２０の出力値は、船舶エンジンの出力（０％から１００％）である。重油硫黄濃度設定器６０の設定値は、船舶が使用する燃料油（重油）の硫黄分（０％から５％）である。

最低海水量換算器６１には、あらかじめ運用するエンジン２０の出力と重油消費量との関係データが入力されており、エンジン２０の出力値が入力されると、これを重油消費量に換算する。そして、最低海水量換算器６１は、重油消費量と、重油硫黄濃度設定器６０の設定値である重油の硫黄分と、換算係数とを乗じて、最低海水量を算出する。なお、最低海水量とは、上記式（１）から（３）で示した、海水による二酸化硫黄（ＳＯ_２）の吸収反応に最低必要な海水量を指す。

ＧＰＳ６２は、船舶の現在位置を測定し、この位置に基づいた運行海域情報を排出比率設定器６３に出力する。排出比率設定器６３は、ＧＰＳ６２からの信号または手動で入力された運行海域情報に基づいて、当該海域における二酸化硫黄（ＳＯ_２）の排出比率をＳＯ_２濃度換算器６６に出力する。

ここで、排出比率とは、燃料中の硫黄分によって決定される数値である。また、燃料中の硫黄分は、排ガス中の二酸化炭素（ＣＯ_２）および二酸化硫黄（ＳＯ_２）の排出比率を測定することにより確認される。

ＣＯ_２分析計６４は、スクラバ１０から大気中へ排気される処理済み排ガスに含まれるＣＯ_２の濃度（出口ＣＯ_２濃度）を測定する。ＣＯ_２分析計６４の出力値は、ＳＯ_２濃度換算器６６に入力される。ＳＯ_２濃度換算器６６は、出口ＣＯ_２濃度（％）に排出比率を乗じて浄化すべきＳＯ_２濃度（ｐｐｍ）を算出し、さらに安全率０．８を乗じて出口ＳＯ_２濃度の設定値（ＳＶ）を算出する。この出口ＳＯ_２濃度の設定値（ＳＶ）は、ＳＯ_２濃度換算器６６からＰＩＤコントローラ６７に出力される。

たとえば、燃料中の硫黄分が０．１％に規制されている海域において、定められた排出比率は４．３である。ＣＯ_２分析計６４が測定した出口ＣＯ_２濃度が５％であった場合、ＳＯ_２濃度は２１．５ｐｐｍ（＝４．３×５）以下まで浄化すべきであり、この値に安全率０．８を乗じた１７．２ｐｐｍが出口ＳＯ_２濃度設定値となる。

ＳＯ_２分析計６５は、スクラバ１０から大気中へ排気される処理済み排ガスに含まれるＳＯ_２の濃度（出口ＳＯ_２濃度）を測定する。この出口ＳＯ_２濃度の測定値（ＰＶ）は、ＳＯ_２分析計６５からＰＩＤコントローラ６７に出力される。

ＰＩＤコントローラ６７は、ＳＶ値として入力された出口ＳＯ_２濃度設定値とＰＶ値として入力された出口ＳＯ_２濃度測定値の偏差に基づきＰＩＤ制御演算を行って操作量（ＭＶ）を算出し海水量補正換算器６８に出力する。なお、ＰＩＤコントローラ６７は、ＳＶ値、ＰＶ値およびＭＶ値の入力または出力について、自動と手動とを切り替えて対応する機能を有している。これにより、故障またはメンテナンスなどにより、たとえばＳＯ_２分析計６５から入力が得られない場合には、自動入力から手動入力に切り替えて対応することができる。

海水量補正換算器６８は、ＰＩＤコントローラ６７の出力である操作量（ＭＶ）を、最低海水量に比例した海水量補正値に設定して、補正海水量を算出する。たとえば、最低海水量換算器６１で算出された最低海水量が１００ｔ／ｈであり、ＭＶ値が１００％であり、比例定数が０．５である場合、海水量補正換算器６８では補正海水量５０ｔ／ｈが算出される。なお、比例定数は、固定値ではなく最低海水量との関係で変動値として与えてもよい。

そして、加算要素６９では、最低海水量換算器６１で算出された最低海水量と、海水量補正換算器６８で算出された補正海水量とを加算することにより、設定海水量が算出される。加算要素６９で算出された設定海水量は、ポンプ制御装置７０に入力される。ポンプ制御装置７０は、海水ポンプユニット３０を制御して、この設定海水量分の海水をスクラバ１０へ供給する。

海水ポンプユニット３０からスクラバ１０へ供給される実海水量は、海水ポンプユニット３０に流量計を設置することにより測定することができる。この場合、ポンプ制御装置７０において測定した実海水量と設定海水量とを比較して、フィードバック制御を行ってもよい。ただし、海水ポンプユニット３０からスクラバ１０へ供給される実海水量が不足してスクラバ１０における出口ＳＯ_２濃度が高くなったとしても、海水量制御システムにおけるＰＩＤコントローラ６７により補正海水量が増加される方向にはたらく。

スクラバ１０へ海水を供給するためのポンプは、単数であっても複数であってもよい。複数のポンプを備える場合には、設定海水量の増加に伴ってポンプの運転台数を増やし、設定海水量の減少に伴ってポンプの運転台数を減らすように、ポンプ制御装置７０によって複数のポンプを制御するとよい。

図５は、複数のポンプを備える場合の、ポンプ運転台数と設定海水量との関係を示す図である。図５においては、スクラバ１０へ海水を供給するための３台のポンプを備えており、実線はポンプの運転状態を示し、破線はポンプの停止状態を示す。図５に示すように、設定海水量が（Ｆ_１）から（Ｆ_２）の間はポンプが１台のみ運転しており、設定海水量が（Ｆ_２）を超えると２台目のポンプも運転を開始する。さらに、設定海水量が（Ｆ_３）を超えると３台目のポンプも運転を開始する。また、設定海水量が（Ｆ_３）よりも減少すると３台目のポンプは運転を停止し、設定海水量が（Ｆ_２）よりも減少すると２台目のポンプも運転を停止する。

なお、図５に示すように複数のポンプを制御する場合には、ポンプが頻繁に運転状態と停止状態とを繰り返すことを避けるために、海水量制御システムにおけるＰＩＤコントローラ６７は比例制御に限定し、積分制御を行わないようにすることが必要である。

また、図６，図７に示すように、複数のポンプをポンプ制御装置７０におけるインバータで制御する構成としてもよい。この場合には、インバータによる制御をしない場合と比較して、きめ細かなポンプの制御を行うことができる。

図６は、ポンプ制御装置７０がインバータを備える場合の構成を示すブロック図である。たとえば、スクラバ１０へ海水を供給するための２台のポンプを備える場合、図６に示すように、ポンプ制御装置７０は、ポンプ流量設定器７０ａと、第１のインバータ７０ｂと、第２のインバータ７０ｃと、を備える。ポンプ流量設定器７０ａは、ポンプ１台あたりに対する流量を設定する。第１のインバータ７０ｂは第１のポンプ３１を制御し、第２のインバータ７０ｃは第２のポンプ３２を制御する。

図７は、図６に示す構成による、ポンプ１台あたりの流量設定値と設定海水量との関係を示す図である。図７において、実線はポンプの運転状態を示し、破線はポンプの停止状態を示す。

図７に示すように、設定海水量（Ｆ_１）から（Ｆ_２）の間は第１のポンプ３１のみが運転しており、設定海水量が（Ｆ_１）から（Ｆ_２）に増大するにしたがって、第１のポンプ３１における流量設定値も増大していく。設定海水量が（Ｆ_２）を超えると、第２のポンプ３２も運転を開始する。このとき、第２のポンプ３２の運転に伴って、第１のポンプ３１の流量設定値は減少する。設定海水量が（Ｆ_２）から（Ｆ_３）に増大するにしたがって、第１のポンプ３１および第２のポンプ３２における流量設定値も増大していく。

また、設定海水量が（Ｆ_３）から減少するにしたがって、第１のポンプ３１および第２のポンプ３２における流量設定値も減少していく。設定海水量が（Ｆ２）よりも減少すると、第２のポンプ３２は運転を停止する。そして、第２のポンプ３２の運転停止に伴って、第１のポンプ３１の流量設定値は増加する。

図６，図７に示すようなインバータによる複数のポンプの制御は、設定海水量のとり得る値を広く設定する場合、すなわち、エンジン負荷変動の範囲や燃料油の硫黄分の範囲を広く設定する場合などに有効である。

なお、図４に示す各設定器、換算器およびＰＩＤコントローラ６７は、個々の機器の組み合わせで構成されていても、プログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）で構成されていてもよい。

このような海水量制御システムによれば、エンジン出力と使用する重油の硫黄分から、消費した重油に含まれる硫黄酸化物（特に、二酸化硫黄（ＳＯ_２））の中和に必要なアルカリ成分を最低海水量として算出し、さらに、スクラバ１０から大気中へ排気される処理済み排ガスに含まれる硫黄酸化物濃度が排出規制値を超えないように補正海水量を算出して、これらを足し合わせた設定海水量をスクラバ１０へ供給するように制御している。この構成により、スクラバ１０に供給される海水量が過剰になることや不足することがなく、処理後の排ガス中の硫黄酸化物濃度が規制値を超えることのないよう、スクラバに適切な海水量を供給して安定した運転をすることが可能となる。

次に、以下、本発明の第２の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。なお、第２の実施の形態において、第１の実施の形態と共通する構成要素については、同一の符号を付し、その図示、説明を省略する。

図８は、第２の実施の形態に係るスクラバを中心とする排ガス処理システムを示す概略図である。図８に示すように、排ガス処理システムは、エンジン２００から排ガスが供給されるスクラバ１０と、スクラバ１０に海水を供給する海水ポンプ３００と、スクラバ１０から排出された排水をろ過するろ過器ユニット４００と、から主に構成される。スクラバ１０は、洗浄に用いた海水を循環させた循環海水と、洗浄に用いていない新鮮海水とを供給可能に構成されている。

エンジン２００から排出された排ガスは、スクラバ１０に導入される。この排ガスには、二酸化硫黄（ＳＯ_２）が５０〜１５００ｐｐｍ含まれる。この排ガスがスクラバ１０内を上昇する過程で、海水ポンプ３００を介してスクラバ１０に導入された海水を噴霧して、気液接触させる。

第１の実施の形態における式（１）〜（３）に示すように反応が行われ、二酸化硫黄（ＳＯ_２）が除去された排ガスは、スクラバ１０の上部から大気中へ排気される。

スクラバ１０内に噴霧された海水は、スクラバ１０の内壁面に沿って自重で落下し、スクラバ１０下方の貯留部に貯留する。貯留した海水は、スクラバ１０から排水された後、ろ過器ユニット４００でろ過されて海洋へ排水される。

なお、船舶の運行海域によっては、規制により、スクラバ１０に貯留した海水を海洋に排水できない場合がある。この場合には、スクラバ１０の貯留部または別途設けたタンクに貯留した海水を、循環量制御バルブ３１０を介して再度海水ポンプ３００に供給することにより、スクラバ１０における排ガス処理に使用する。

循環量制御バルブ３１０は、全閉時には新鮮海水のみを海水ポンプ３００に供給し、全開時には循環海水のみを海水ポンプ３００に供給するように構成されている。循環量制御バルブ３１０のバルブ開度は、運行海域で許容される排水量に応じて設定される。なお、排水量は、あらかじめ得られているバルブ開度と海水ポンプ能力から算出してもよいし、新鮮海水の入り口に流量計を設置して測定してもよい。

エンジン２００の排ガスは、２００℃から４００℃の高温であるため、循環海水は吸収した排ガスの熱により温度が上昇している。したがって、スクラバ１０から循環量制御バルブ３１０を介して海水ポンプ３００に供給された循環海水は、熱交換器３２０において冷却水によって冷却された後、再度スクラバ１０に供給される。

また、循環海水は、スクラバ１０において二酸化硫黄（ＳＯ_２）を吸収することにより海水中のアルカリ成分が消費されている。海水中のアルカリ成分が不足している場合には、海水による排ガス中の二酸化硫黄（ＳＯ_２）の吸収反応が阻害され、スクラバ１０から大気中へ排気される処理済み排ガスに含まれる二酸化硫黄（ＳＯ_２）濃度が排出規制値を超えるおそれがある。

そのため、スクラバ１０から循環量制御バルブ３１０を介して海水ポンプ３００に供給された循環海水は、アルカリポンプ３４０を介してアルカリタンク３３０からアルカリ剤が注入された後、再度スクラバ１０に供給される。このときのアルカリ量制御については、詳細を後述する。なお、アルカリ剤としては、苛性ソーダ（ＮａＯＨ）溶液を用いることができる。

スクラバ１０の構成については、図２に示すスプレー装置１２が海水ポンプ３００に接続され、ガス供給装置１３がエンジン２００に接続される点を除き、第１の実施の形態のスクラバ１０と同一の構成となるので、図示説明を省略する。

図３に示すように、スクラバ１０に供給する海水量を増やし、スプレー装置１２によって噴霧する海水量を多くするほど、二酸化硫黄（ＳＯ_２）の除去率は向上する。これは、噴霧する海水量が増大することにより液滴の表面積が増大して、排ガスと海水との接触面積が増大することに加え、海水に含まれるアルカリ成分の総量が増加するためである。

図３に示す海水量と二酸化硫黄（ＳＯ_２）の除去率との関係により、スクラバ本体１１の開口部１１ｃから大気中へ排気される排ガスに含まれる二酸化硫黄（ＳＯ_２）の濃度（出口ＳＯ_２濃度）が高い場合には、スプレー装置１２によって噴霧される海水量を多くすることにより、出口ＳＯ_２濃度を下げることができる。

続いて、スクラバ１０のスプレー装置１２に供給する循環海水にアルカリ剤を注入する場合におけるアルカリ量制御について説明する。図９は、本実施の形態に係る排ガス処理システムにおけるアルカリ量制御システムの構成を示すブロック図である。

図９に示すように、このアルカリ量制御システムは、第１の実施の形態と同様となる重油硫黄濃度設定器６０と、最低海水量換算器６１と、ＧＰＳ６２と、排出比率設定器６３と、ＣＯ_２分析計６４と、ＳＯ_２分析計６５と、ＳＯ_２濃度換算器６６と、ＰＩＤコントローラ６７と、海水量補正換算器６８と、加算要素６９とに加え、加減算要素７５と、アルカリ量演算器７１と、アルカリポンプ制御装置７２と、上下限リミッタ７３と、海水ポンプ制御装置７４と、を備えている。

このようなアルカリ量制御システムの構成と動作について説明する。なお、第１の実施の形態と同一又は同様の構成、動作については説明を省略又は簡略とする。

アルカリ制御システムは、最低海水量を算出する最低海水量換算器６１と、補正海水量を算出する海水量補正換算器６８と、これらを足し合わせた設定海水量と新鮮海水量との差分の海水量に基づいて循環海水に対するアルカリ注入量を算出するアルカリ量演算器７１と、を含んで構成される。

そして、加算要素６９において、最低海水量換算器６１で算出された最低海水量と、海水量補正換算器６８で算出された補正海水量とを加算することにより、設定海水量が算出される。次に、加減算要素７５において、設定海水量から新鮮海水量を減算した差分の海水量が算出される。加減算要素７５で算出された海水量は、アルカリ量演算器７１に入力される。

アルカリ量演算器７１は、加減算要素７５で算出された海水量分の海水中に含まれるアルカリ成分量を算出するとともに、このアルカリ成分量に相当するアルカリ注入量を算出する。海水のアルカリ度は、ＣａＣＯ_３換算で１０５（ｐｐｍ）、すなわち１０５（ｍｇ／Ｌ）であるため、たとえば海水量が１００（ｔ／ｈ）である場合には、この海水量分の海水中に含まれるアルカリ成分は、１０５（ｇ／ｍ^３）×１００（ｍ^３／ｈ）＝１０５００（ｇ／ｈ）＝１０．５（ｋｇ／ｈ）と算出される。これをＮａＯＨに換算すると、８．４（ｋｇ／ｈ）となるため、アルカリ剤として２５（％）、比重１．２７の苛性ソーダ溶液を用いる場合のアルカリ注入量は、８．４／０．２５／１．２７≒２６．５（Ｌ／ｈ）と算出される。

アルカリ量演算器７１は、算出したアルカリ注入量をアルカリポンプ制御装置７２に出力する。アルカリポンプ制御装置７２は、アルカリポンプ３４０を制御して、このアルカリ注入量分のアルカリ剤をスクラバ１０に供給される循環海水に注入する。

また、加算要素６９において算出された設定海水量は、上下限リミッタ７３に入力される。上下限リミッタ７３は、海水ポンプ３００を介してスクラバ１０に供給する海水量の上下限リミッタ値を定めており、入力された設定海水量が上限リミッタ値を超えている場合には、この上限リミッタ値をスクラバ１０に供給する海水量として出力する。同様に、上下限リミッタ７３は、入力された設定海水量が下限リミッタ値を超えている場合には、この下限リミッタ値をスクラバ１０に供給する海水量として出力する。すなわち、上下限リミッタ７３は、スクラバ１０に供給する海水量を上下限値の範囲内に規制する。

本発明においては、排ガス中の二酸化硫黄（ＳＯ_２）の吸収除去に用いるアルカリ成分は、海水中のアルカリ成分のみに依存せず、別途アルカリ剤を注入できるため、スクラバ１０に供給する海水量は、アルカリ成分を補償する量ではなく、排ガスと海水との接触によって排ガス中の二酸化硫黄（ＳＯ_２）を吸収除去できる量を確保すればよい。したがって、設定海水量が、排ガスと海水との接触によって排ガス中の二酸化硫黄（ＳＯ_２）を吸収除去できる海水量を超えている場合には、この海水量を上限リミッタ値として、スクラバ１０に供給する海水量として設定する。

スクラバ１０に供給するアルカリ量は処理する二酸化硫黄（ＳＯ_２）量に見合った量を注入する必要があり、アルカリ量が不足すると排ガス中の二酸化硫黄（ＳＯ_２）濃度が規制値を超えて問題となる。したがって、上下限リミッタ７３によって、スクラバ１０に供給する海水量の上限リミッタ値および下限リミッタ値を定めることにより、海水ポンプ３００の動力を削減しつつ、加算要素６９において算出された設定海水量と新鮮海水量との差に比例してアルカリ量を供給するので、スクラバ１０に適切なアルカリ量を供給することができ、安定した運転をすることが可能となる。

上下限リミッタ７３によって設定された海水量は、海水ポンプ制御装置７４に入力される。海水ポンプ制御装置７４は、海水ポンプ３００を制御して、この海水量分の海水をスクラバ１０へ供給する。

海水ポンプ３００からスクラバ１０へ供給される実海水量は、海水ポンプ３００に流量計を設置することにより測定することができる。この場合、海水ポンプ制御装置７４において測定した実海水量と設定海水量とを比較して、フィードバック制御を行ってもよい。ただし、海水ポンプ３００からスクラバ１０へ供給されるアルカリ量が不足してスクラバ１０における出口ＳＯ_２濃度が高くなったとしても、アルカリ量制御システムにおけるＰＩＤコントローラ６７により補正海水量が増加される方向にはたらくため、アルカリ注入量は増加する。

スクラバ１０へ海水を供給するためのポンプは、単数であっても複数であってもよい。複数のポンプを備える場合には、設定海水量の増加に伴ってポンプの運転台数を増やし、設定海水量の減少に伴ってポンプの運転台数を減らすように、海水ポンプ制御装置７４によって複数のポンプを制御するとよい（図５参照）。

なお、図５に示すように複数のポンプを制御する場合には、ポンプが頻繁に運転状態と停止状態とを繰り返すことを避けるために、アルカリ量制御システムにおけるＰＩＤコントローラ６７は比例制御に限定し、積分制御を行わないようにすることが必要である。

また、図１０，図１１に示すように、複数のポンプを海水ポンプ制御装置７４におけるインバータで制御する構成としてもよい。この場合には、インバータによる制御をしない場合と比較して、きめ細かなポンプの制御を行うことができる。

図１０は、海水ポンプ制御装置７４がインバータを備える場合の構成を示すブロック図である。たとえば、スクラバ１０へ海水を供給するための２台のポンプを備える場合、図１０に示すように、海水ポンプ制御装置７４は、ポンプ流量設定器７４ａと、第１のインバータ７４ｂと、第２のインバータ７４ｃと、を備える。ポンプ流量設定器７４ａは、ポンプ１台あたりに対する流量を設定する。第１のインバータ７４ｂは第１のポンプ３００ａを制御し、第２のインバータ７４ｃは第２のポンプ３００ｂを制御する。

図１１は、図１０に示す構成による、ポンプ１台あたりの流量設定値と設定海水量との関係を示す図である。図１１において、実線はポンプの運転状態を示し、破線はポンプの停止状態を示す。

図１１に示すように、設定海水量（Ｆ_１）から（Ｆ_２）の間は第１のポンプ３００ａのみが運転しており、設定海水量が（Ｆ_１）から（Ｆ_２）に増大するにしたがって、第１のポンプ３００ａにおける流量設定値も増大していく。設定海水量が（Ｆ_２）を超えると、第２のポンプ３００ｂも運転を開始する。このとき、第２のポンプ３００ｂの運転に伴って、第１のポンプ３００ａの流量設定値は減少する。設定海水量が（Ｆ_２）から（Ｆ_３）に増大するにしたがって、第１のポンプ３００ａおよび第２のポンプ３００ｂにおける流量設定値も増大していく。

また、設定海水量が（Ｆ_３）から減少するにしたがって、第１のポンプ３００ａおよび第２のポンプ３００ｂにおける流量設定値も減少していく。設定海水量が（Ｆ２）よりも減少すると、第２のポンプ３００ｂは運転を停止する。そして、第２のポンプ３００ｂの運転停止に伴って、第１のポンプ３００ａの流量設定値は増加する。

図１０，図１１に示すようなインバータによる複数のポンプの制御は、設定海水量のとり得る値を広く設定する場合、すなわち、エンジン負荷変動の範囲や燃料油の硫黄分の範囲を広く設定する場合などに有効である。

以上説明したように、第２の実施の形態に係るアルカリ量制御システムによれば、エンジン出力と使用する重油の硫黄分から、消費した重油に含まれる硫黄酸化物（特に、二酸化硫黄（ＳＯ_２））の中和に必要なアルカリ成分を最低海水量として算出し、さらに、スクラバ１０から大気中へ排気される処理済み排ガスに含まれる硫黄酸化物濃度が排出規制値を超えないように補正海水量を算出して、これらを足し合わせた設定海水量に基づいて海水に注入するアルカリ注入量を算出している。この構成により、海水のｐＨを測定することなく、すなわち、ｐＨメータを使用することなく、スクラバに供給する海水のアルカリ制御を行うことができるため、安定した信頼性の高い硫黄酸化物の除去率を得ることが可能となる。

また、第２の実施の形態に係るアルカリ量制御システムによれば、排ガス中の二酸化硫黄（ＳＯ_２）濃度が規制値内であることを、排ガス中の二酸化炭素（ＣＯ_２）および二酸化硫黄（ＳＯ_２）の濃度をそれぞれＣＯ_２分析計６４、ＳＯ_２分析計６５で測定することにより制御している。これらの分析計によれば、ｐＨメータより安定した測定結果が得られるため、これらの分析計の測定結果に基づいて海水に注入するアルカリ量を算出することにより、安定した信頼性の高い硫黄酸化物の除去率を得ることが可能となる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、さまざまに変更して実施可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更が可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施可能である。

本出願は、２０１３年１月２９日出願の特願２０１３−０１４３１６及び２０１３年１月２９日出願の特願２０１３−０１４３１７に基づく。この内容は、全てここに含めておく。

Claims (15)

1. 排ガス中に含まれる硫黄酸化物を海水と接触させて洗浄するスクラバに供給する海水量を制御するスクラバの海水量制御装置であって、
   エンジン出力と燃料油の硫黄分とあらかじめ設定された海水のアルカリ度とから、海水による硫黄酸化物の吸収反応に必要な海水量である第１海水量を算出する海水量換算器と、
   前記スクラバから大気中へ排気される排ガスに含まれる硫黄酸化物の測定値に基づいて、排ガスに含まれる硫黄酸化物を設定値以下とする補正海水量である第２海水量を算出する海水量補正換算器と、
   前記第１海水量と前記第２海水量とを加算して設定海水量を算出する加算要素と、
   前記設定海水量分の海水を前記スクラバに供給するように制御するポンプ制御装置と、を備えることを特徴とするスクラバの海水量制御装置。
2. 前記スクラバから大気中へ排気される排ガスに含まれる硫黄酸化物の濃度と運行海域の排出比率から、前記設定値を算出する換算器を備えることを特徴とする請求項１に記載のスクラバの海水量制御装置。
3. 前記スクラバから大気中へ排気される排ガスに含まれるＣＯ_２濃度と運行海域の排出比率から、前記設定値を算出する換算器を備えることを特徴とする請求項１に記載のスクラバの海水量制御装置。
4. 前記スクラバから大気中へ排気される排ガスに含まれる硫黄酸化物の濃度と前記設定値との偏差を演算して、前記海水量補正換算器に操作量を与えるコントローラを備えることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のスクラバの海水量制御装置。
5. 前記コントローラはＰＩＤコントローラであることを特徴とする請求項４に記載のスクラバの海水量制御装置。
6. 前記ポンプ制御装置は、複数のインバータと、前記設定海水量に応じて前記複数のインバータによるポンプの運転の開始及び停止、ポンプの流量を変化させるポンプ流量設定器とを有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のスクラバの海水量制御装置。
7. 前記スクラバに海水を供給するポンプを複数備え、
   前記ポンプ制御装置は、前記設定海水量の増加に伴ってポンプの運転台数を増やし、前記設定海水量の減少に伴って前記ポンプの運転台数を減らすように制御することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のスクラバの海水量制御装置。
8. 排ガス中に含まれる硫黄酸化物を海水と接触させて洗浄するスクラバに供給する海水量を制御するスクラバの海水量制御方法であって、
   エンジン出力と燃料油の硫黄分とあらかじめ設定された海水のアルカリ度とから、海水による硫黄酸化物の吸収反応に必要な海水量である第１海水量を算出する工程と、
   前記スクラバから大気中へ排気される排ガスに含まれる硫黄酸化物の測定値に基づいて、排ガスに含まれる硫黄酸化物を設定値以下とする補正海水量である第２海水量を算出する工程と、
   前記第１海水量と前記第２海水量とを加算して設定海水量を算出する工程と、
   前記設定海水量分の海水を前記スクラバに供給するように制御する工程と、を備えることを特徴とするスクラバの海水量制御方法。
9. 前記スクラバから大気中へ排気される排ガスに含まれる硫黄酸化物の濃度と前記設定値との偏差に基づき、前記海水補正量を算出することを特徴とする請求項８に記載のスクラバの海水量制御方法。
10. 排ガス中に含まれる硫黄酸化物を海水と接触させて洗浄するスクラバに供給する海水に注入するアルカリ量を制御するアルカリ量制御装置であって、
    エンジン出力と燃料油の硫黄分とあらかじめ設定された海水のアルカリ度とから、海水による硫黄酸化物の吸収反応に必要な海水量である第１海水量を算出する海水量換算器と、
    前記スクラバから大気中へ排気される排ガスに含まれる硫黄酸化物の測定値に基づいて、排ガスに含まれる硫黄酸化物を設定値以下とする補正海水量である第２海水量を算出する海水量補正換算器と、
    前記第１海水量と前記第２海水量とを加算して設定海水量を算出する加算要素と、
    前記設定海水量分の海水を前記スクラバに供給するように制御するポンプ制御装置と、
    前記設定海水量分の海水中に含まれるアルカリ成分量からアルカリ注入量を算出するアルカリ量演算器と、
    前記アルカリ注入量に対応するアルカリ剤を前記スクラバに供給する海水に注入するように制御するアルカリポンプ制御装置と、を備えることを特徴とするアルカリ量制御装置。
11. 前記スクラバは、洗浄に用いた海水を循環させた循環海水と、洗浄に用いていない新鮮海水とを供給可能に構成されており、
    前記設定海水量から新鮮海水量を減算した差分の海水量を算出する加減算要素を備え、前記アルカリ量演算器は、前記差分の海水量分の海水中に含まれるアルカリ成分量からアルカリ注入量を算出することを特徴とする請求項１０に記載のアルカリ量制御装置。
12. 前記スクラバに供給する海水量を上下限値の範囲内に規制する上下限リミッタを備えることを特徴とする請求項１０または請求項１１に記載のアルカリ量制御装置。
13. 前記スクラバから大気中へ排気される排ガスに含まれる硫黄酸化物の濃度と運行海域の排出比率から、前記設定値を算出する換算器を備えることを特徴とする請求項１０から請求項１２のいずれか一項に記載のアルカリ量制御装置。
14. 前記ポンプ制御装置は、複数のインバータと、前記設定海水量に応じて前記複数のインバータによるポンプの運転の開始及び停止、ポンプの流量を変化させるポンプ流量設定器とを有することを特徴とする請求項１０から請求項１３のいずれか一項に記載のアルカリ量制御装置。
15. 排ガス中に含まれる硫黄酸化物を海水と接触させて洗浄するスクラバに供給する海水に注入するアルカリ量を制御するアルカリ量制御方法であって、
    エンジン出力と燃料油の硫黄分とあらかじめ設定された海水のアルカリ度とから、海水による硫黄酸化物の吸収反応に必要な海水量である第１海水量を算出する工程と、
    前記スクラバから大気中へ排気される排ガスに含まれる硫黄酸化物の測定値に基づいて、排ガスに含まれる硫黄酸化物を設定値以下とする補正海水量である第２海水量を算出する工程と、
    前記第１海水量と前記第２海水量とを加算して設定海水量を算出する工程と、
    前記設定海水量分の海水中に含まれるアルカリ成分量からアルカリ注入量を算出する工程と、
    前記アルカリ注入量に対応するアルカリ剤を前記スクラバに供給する循環海水に注入するように制御する工程と、を備えることを特徴とするアルカリ量制御方法。

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