JP6012649B2 - 作動ガス循環型エンジンシステム及びその運転方法 - Google Patents

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Description

本発明は、アルゴンを主成分とする作動ガスを用いた作動ガス循環型エンジンシステム及びその運転方法に関するものである。
アルゴンを主成分とする作動ガスを循環させる作動ガス循環型エンジンシステムが知られている（特許文献１及び特許文献２）。これら特許文献に記載された作動ガス循環型エンジンシステムは、燃料として水素を用いている。このような作動ガス循環型エンジンシステムは、空気に換えてアルゴンと酸素とを燃焼室に供給することで、アルゴンが水素の燃焼により生じた熱による膨張体（すなわち作動ガス）として機能する。エンジンから排出されたアルゴンは系内を循環し、新たに供給される酸素とともに再びエンジンに供給される。このように、作動ガスとして窒素に代えてアルゴンを利用することで、窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を抑えることができる。また、アルゴンは単原子分子ガスであり比熱比が高いため、熱効率性に優れたエンジンシステムを構築できるという利点がある。
特許第３６３１８９１号公報 特開２００６−７７６３９号公報
ところで、古くから重油を燃料としたディーゼルエンジンが幅広く利用されているが、昨今の重油価格の高騰やシェールガス革命による天然ガス価格の下落の中で、天然ガスを使用燃料とするガスエンジンにも注目が集まっている。
また、例えば船舶に推進力を付与するための舶用主機エンジンなどでは、昨今のＮＯｘ規制強化の流れの中で、液化天然ガス（ＬＮＧ）を燃料としたガスエンジンや、重油に加えて天然ガスも燃料として利用できる所謂デュアルフュエルエンジンと呼ばれるエンジンも実用化されている。
以上のように、水素や天然ガスを燃料とするエンジンにおいて、より一層のＮＯｘ排出量の低下や、さらなる熱効率の向上が期待されている。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、ＮＯｘ排出量を抑制することができる作動ガス循環型エンジンシステム及びその運転方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、熱効率に優れた作動ガス循環型エンジンシステム及びその運転方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の作動ガス循環型エンジンシステム及びその運転方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる作動ガス循環型エンジンシステムは、アルゴンを主成分とするガスを作動ガスとするエンジンと、該エンジンの排気部と給気部とを接続して作動ガスを循環させる循環経路と、前記エンジンに酸素を供給する酸素供給装置と、を備えた作動ガス循環型エンジンシステムであって、前記酸素供給装置は、空気を深冷分離する深冷分離装置とされていることを特徴とする。
作動ガスは、アルゴンを主成分としており、空気に比べて窒素の含有量を少なくしているので、エンジンから発生するＮＯｘ量を低減することができる。なお、作動ガス中の窒素の含有量は、定常の運転状態では１５％以下、好ましくは２％以下、さらに好ましくは０％である。
エンジンでの燃焼に用いる酸化剤として酸素が用いられる。酸素は、酸素供給装置からエンジンへと供給される。酸素供給装置として、例えばＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption：圧力変動吸着）式を用いると、酸素中に窒素が混入してしまいエンジンに多くの窒素が供給されてしまうおそれがある。そこで、本発明では、酸素供給装置として空気を深冷分離する深冷分離装置を用いることとし、ＰＳＡ式等に比べて純度の高い酸素を製造し、エンジンに窒素が供給されてしまうことを可及的に少なくすることができる。これにより、エンジンから発生するＮＯｘ量をさらに抑制することができる。特に、本発明のエンジンシステムでは、作動ガスを循環させるため循環ガス中に窒素が蓄積されてしまうおそれがあるので、酸素供給装置として深冷分離装置を用いるのが有効である。
エンジンに供給される燃料としては、天然ガス等の炭化水素ガス燃料や、水素を用いることができる。
深冷分離装置は、１台でもよいし複数台としてもよい。複数台の場合には、エンジンの部分負荷時には運転台数を減らすことによって対応することができる。
さらに、本発明の作動ガス循環型エンジンシステムでは、前記循環経路には、前記エンジンから排気された排気ガスから水分を除去する吸着式除湿装置が設けられ、前記深冷分離装置にて分離された窒素を取り出す第１窒素供給ラインを備え、該第１窒素供給ラインから導かれた窒素を、前記吸着式除湿装置の吸着剤の再生ガスとして用いることを特徴とする。
エンジンにて燃焼が行われると排気ガス中に水分が含まれることになる。排気ガス中に含まれる水分は、循環経路に設けた吸着式除湿装置によって除去され、水分が除去された作動ガスはエンジンへと送られて循環する。
吸着式除湿装置では、吸着剤に排気ガス中の水分を吸着させることによって水分を除去する。本発明では、水分を吸着した吸着剤を再生させる際に、深冷分離装置にて分離された窒素を用いることとした。深冷分離装置では、深冷分離する前に空気中の水分を除去しているので、深冷分離装置にて分離された窒素は乾燥窒素となる。この乾燥窒素を用いて吸着式除湿装置の吸着剤の再生をするので、吸着剤の再生性能が向上し、除湿性能を高めることができる。
さらに、本発明の作動ガス循環型エンジンシステムでは、前記エンジンに供給される燃料は、炭素含有燃料とされ、前記循環経路には、前記エンジンから排出される排気ガスによって駆動されるタービン及び該タービンの動力を得て前記作動ガスを圧縮するコンプレッサを有する過給機と、該過給機の前記コンプレッサの下流側に設けられ前記排気ガスから二酸化炭素を除去する吸着式二酸化炭素除去装置と、が設けられていることを特徴とする。
エンジンに供給される燃料が炭素含有燃料とされているので、エンジンにて燃焼された排気ガス中には二酸化炭素が含まれる。この二酸化炭素を除去するために二酸化炭素除去装置が用いられる。本発明では、二酸化炭素除去装置として吸着式を用い、吸着剤によって二酸化炭素を排気ガスから除去する。そして、吸着式二酸化炭素除去装置を、過給機のコンプレッサの下流側に配置し、コンプレッサによって加圧された後の排気ガスが導かれるようにした。これにより、吸着剤を収容する吸着塔のサイズを低減することができる。
燃料として用いる炭素含有燃料としては、典型的には炭素数が１〜４の炭化水素ガスが挙げられ、より具体的にはメタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、ブタン（Ｃ４Ｈ１０）等である。
なお、吸着剤は低温ほど吸着力が上昇するので、コンプレッサで加圧されて昇温した排気ガスを冷却する冷却器を設けると好適である。このような冷却器としては、海水等の水と熱交換する熱交換器が挙げられる。
また、深冷分離装置にて分離された窒素を吸着式除湿装置に導く前にコンプレッサで加圧された排気ガスと熱交換させても良い。これにより、排気ガスの圧縮熱によって吸着式除湿装置に導く前の窒素を昇温させることができる。これにより、吸着式除湿装置の吸着剤の再生性能を向上させることができる。また、窒素ガスで排気ガスを冷却することによって排気ガス中の水分をドレンとして除去することができ、吸着式除湿装置の負荷を低減することができる。
さらに、本発明の作動ガス循環型エンジンシステムでは、前記深冷分離装置にて分離された窒素を取り出す第２窒素供給ラインを備え、該第２窒素供給ラインから導かれる窒素を用いて、前記エンジンに供給される前記作動ガス及び前記酸素を冷却する熱交換器が設けられていることを特徴とする。
第２窒素供給ラインから導かれる窒素を熱交換器に導くことにより深冷分離装置で得られる冷熱を利用し、エンジンに供給される前の作動ガス及び酸素を冷却することによってガス密度を上げることにより、エンジンの性能向上を図ることができる。また、冷却された作動ガス及び酸素をエンジンに供給することになるので、筒内の圧縮開始温度を低下させることができ、エンジンのサイクル効率を向上させることができる。また、筒内の最高温度が低減されるので、エンジンの熱負荷を軽減させることができる。
なお、上述した第１窒素供給ラインと、本発明の第２窒素供給ラインとを共通化して兼用してもよい。
さらに、本発明の作動ガス循環型エンジンシステムでは、前記深冷分離装置にて分離された窒素を窒素ガス圧縮機により加圧した後に取り出す第３窒素供給ラインを備え、該第３窒素供給ラインから供給された窒素によってタービンが駆動されて発電する発電装置が設けられていることを特徴とする。
深冷分離装置にて分離された窒素を用いて発電装置にて発電することとしたので、深冷分離装置にて分離された窒素を有効利用できるとともに、システム全体としてのエネルギー効率を向上させることができる。
さらに、本発明の作動ガス循環型エンジンシステムでは、前記エンジンに供給される燃料は、液化ガスとされ、前記深冷分離装置は、前記液化ガスが前記エンジンに供給される前に該液化ガスから冷熱を得る熱交換器を備えていることを特徴とする。
深冷分離装置は、液化ガスから冷熱を得る熱交換器を備えているので、深冷分離装置の動力を低減させることができる。
また、上述の発明のように深冷分離装置にて分離された窒素を窒素ガス圧縮機によって加圧する場合には、加圧後の窒素ガスを冷却するアフタークーラーとしての冷熱源として用いることができる。
液化ガスとしては、ＬＮＧ（液化天然ガス）、ＬＰＧ（液化プロパンガス）等が挙げられる。
さらに、本発明の作動ガス循環型エンジンシステムでは、前記深冷分離装置にて分離された窒素を取り出す第４窒素供給ラインを備え、該第４窒素供給ラインから供給された窒素と前記液化ガスの貯蔵タンクから発生したボイルオフガスとを熱交換させて該ボイルオフガスを冷却液化する熱交換器を備えていることを特徴とする。
深冷分離装置にて分離された窒素を用いてボイルオフガスを液化することとしたので、ボイルオフガスを再液化するための専用の深冷分離装置が不要となる。
また、本発明の作動ガス循環型エンジンシステムの運転方法は、エンジンの排気部と給気部とを接続した循環経路によってアルゴンを主成分とする作動ガスを循環させる作動ガス循環型エンジンシステムの運転方法であって、前記エンジンに対して、空気を深冷分離した酸素を供給し、前記循環経路には、前記エンジンから排気された排気ガスから水分を除去する吸着式除湿装置が設けられ、空気を深冷分離した窒素を、前記吸着式除湿装置の吸着剤の再生ガスとして用いることを特徴とする。
作動ガスは、アルゴンを主成分としており、空気に比べて窒素の含有量を少なくしているので、エンジンから発生するＮＯｘ量を低減することができる。なお、作動ガス中の窒素の含有量は、定常の運転状態では１５％以下とされている。
エンジンでの燃焼に用いる酸化剤として酸素が用いられる。酸素を供給する際に、例えばＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption：圧力変動吸着）式を用いると、酸素中に窒素が混入してしまいエンジンに多くの窒素が供給されてしまうおそれがある。そこで、本発明では、空気を深冷分離した酸素を用いることとし、ＰＳＡ式等に比べて純度の高い酸素を製造し、エンジンに窒素が供給されてしまうことを可及的に少なくすることができる。これにより、エンジンから発生するＮＯｘ量をさらに抑制することができる。特に、本発明では、作動ガスを循環させるため循環ガス中に窒素が蓄積されてしまうおそれがあるので、酸素を供給する際に深冷分離を用いるのが有効である。
酸素供給装置として空気を深冷分離する深冷分離装置を用いることとし、純度の高い酸素を製造してエンジンに窒素が供給されることを可及的に少なくすることとしたので、エンジンから発生するＮＯｘ量を抑制することができる。
また、深冷分離装置から導かれる窒素を用いて冷熱を熱交換器に供給し、エンジンに供給される作動ガス及び酸素を冷却することとしたので、エンジンの熱効率を向上させることができる。
本発明の第１実施形態にかかる作動ガス循環型エンジンシステムを示した概略構成図である。 図１の吸着式二酸化炭素除去装置を示した概略構成図である。 本発明の第２実施形態にかかる作動ガス循環型エンジンシステムを示した概略構成図である。 図３の深冷分離装置を示した概略構成図である。 本発明の第３実施形態にかかる作動ガス循環型エンジンシステムを示した概略構成図である。 図５の深冷分離装置を示した概略構成図である。
以下に、本発明にかかる実施形態について、図面を参照して説明する。
［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１及び図２を用いて説明する。
図１には、作動ガス循環型エンジンシステム（以下、単に「エンジンシステム」という。）１Ａの概略が示されている。このエンジンシステム１Ａは、アルゴンを主成分とするガスを作動ガスとするものであり、例えば船舶に推進力を与える舶用主機エンジンなどに適用される。
エンジンシステム１Ａは、エンジン３と、エンジン３の排気部３ａと給気部３ｂとを接続して作動ガスを循環させる循環経路５とを備えている。
エンジン３は、例えば低速２ストロークサイクルディーゼル機関とされている。エンジン３のシリンダには、ＬＮＧ（液化天然ガス）を昇圧してガス化したＣＮＧ（圧縮天然ガス）が燃料として噴射される。シリンダ内に噴射されるＣＮＧは、例えば温度が３２℃、圧力が３０ＭＰａとされる。
循環経路５には、過給機７と、凝縮器９と、吸着式除湿装置１１と、吸着式二酸化炭素除去装置１３とが設けられている。
過給機７は、エンジン３から排出される排気ガスによって駆動されるタービン７ａと、タービン７ａの動力を得て作動ガスを圧縮するコンプレッサ７ｂとを備えている。タービン７ａとコンプレッサ７ｂとは共通の回転軸７ｃによって接続されており、タービン７ａの回転力がコンプレッサ７ｂに伝達されるようになっている。
凝縮器９は、タービン７ａの下流側に設けられている。凝縮器９内の伝熱管９ａには、冷却媒体として海水が導かれるようになっており、凝縮器９内に導かれた排気ガスが冷却されるようになっている。凝縮器９によりエンジン３から排出された排気ガスが冷却されることにより、排気ガス中の水分が凝縮される。凝縮された水分（ＬＨ２Ｏ）は、ドレン配管９ｂを介して系外（循環経路５外）へと排出される。
吸着式除湿装置１１は、コンプレッサ７ｂの下流側に配置され、排気ガス中の水分を除去する。吸着式除湿装置１１の上流側には、深冷分離装置（酸素供給装置）１５から窒素を取り出す低圧窒素供給ライン（第１窒素供給ライン）１７によって導かれる窒素によってコンプレッサ７ｂで圧縮された排気ガスを冷却する第１熱交換器１９と、この第１熱交換器１９の下流側に設けられ冷却媒体としての海水によって排気ガスを冷却する第２熱交換器２１とが設けられている。これら第１熱交換器１９及び第２熱交換器２１によって冷却された排気ガスが吸着式除湿装置１１へと導かれる。なお、第１熱交換器１９及び第２熱交換器２１によって冷却されて凝縮した排気ガス中の水分は、図示しないドレン配管から系外（循環経路５外）へと排出されるようになっている。
吸着式除湿装置１１は、PSA（Pressure Swing Adsorption）やＴＳＡ（Temperature Swing Adsorption；温度変動吸着）式とされており、アルミナやシリカゲル等の吸着剤を担持されたデシカントロータが用いられる。排気ガス中の水分を吸着した吸着剤を再生（すなわち吸着剤から水分を脱着させ、元の吸着可能な状態に戻すこと）するための加熱ガスとしては、低圧窒素供給ライン１７から導かれて第１熱交換器１９にて排気ガスを冷却して加熱された窒素ガスが用いられる。
吸着式除湿装置１１にて水分が除去された排気ガスは、循環経路５を通り吸着式二酸化炭素除去装置１３へと導かれる。
吸着式二酸化炭素除去装置１３は、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption；圧力変動吸着）式とされており、排気ガス中に含まれる二酸化炭素を除去する。
図２には、吸着式二酸化炭素除去装置１３の詳細が示されており、上流側と下流側に２つの吸着塔２３ａ，２３ｂを有している。各吸着塔２３ａ，２３ｂには、ゼオライト系等の所定の吸着剤が充填されている。上流側の第１吸着塔２３ａ及び下流側の第２冷却等２３ｂは、バッチ処理を行うため、それぞれ複数とされている。第１吸着塔２３ａの上流側には、図２において左側から循環経路５を介して導かれた排気ガスを昇圧する第１圧縮機２５ａと、この第１圧縮機２５ａの下流側に配置された第１冷却器２７ａとが設けられている。第１吸着塔２３ａ内には、二酸化炭素を吸着した吸着剤を再生するための第１加熱器２９ａが設けられている。第１吸着塔２３ａには出口配管３１が接続されており、この出口配管３１から二酸化炭素が除去された後の排気ガスが循環経路５へと導かれる。出口配管３１から排出される排気ガスは、既に二酸化炭素および水分が除去されているので、アルゴンを主成分とする作動ガスとなっている。
第１吸着塔２３ａには、第１脱着用配管３３ａを介して第１サージタンク３５ａが接続されている。第１脱着用配管３３ａには、第１真空ポンプ３７ａが設けられている。上述した第１加熱器２９ａによって加熱するとともに、第１真空ポンプ３７ａによって第１吸着塔２３ａ内を減圧することによって吸着剤に吸着された二酸化炭素を脱着させる。
第１サージタンク３５ａは、第２圧縮機２５ｂ及び第２冷却器２７ｂを介して第２吸着塔２３ｂに接続されている。第２吸着塔２３ｂ内には、二酸化炭素を吸着した吸着剤を再生するための第２加熱器２９ｂが設けられている。第２吸着塔２３ｂには、第１戻り配管３９ａ及び第２戻り配管３９ｂが接続されている。
第１戻り配管３９ａは、第１冷却器２７ａの下流側でかつ第１吸着塔２３ａの上流側に接続されている。第１戻り配管３９ａには、第３圧縮機２５ｃ及び第３冷却器２７ｃが設けられている。第１戻り配管３９ａによって、第２吸着塔２３ｂにて二酸化炭素が吸着された後のガスを第１吸着塔２３ａへと戻すようになっている。これにより、二酸化炭素に随伴するアルゴンガスを系外へと排出することなく再利用できるようになっている。
第２戻り配管３９ｂは、第１サージタンク３５ａに接続されている。第２戻り配管３９ｂには、減圧機２５ｄ及び第３加熱器２７ｄが設けられている。第２戻り配管３９ｂによって、第２吸着塔２３ｂ内を置換したガスを第１サージタンク３５ａへ戻すようになっている。
第２吸着塔２３ｂは、第２脱着用配管３３ｂを介して第２サージタンク３５ｂに接続されている。第２脱着用配管３３ｂには、第２真空ポンプ３７ｂが設けられている。上述した第２加熱器２９ｂによって加熱するとともに、第２真空ポンプ３７ｂによって第２吸着塔２３ｂ内を減圧することによって吸着剤に吸着された二酸化炭素を脱着させる。脱着されたガスは、第２サージタンク３５ｂにて一時的に貯留された後、二酸化炭素排出配管４１から系外へと排出される。排出される二酸化炭素の濃度は約９９％である。
第２サージタンク３５ｂは、第３戻り配管３９ｃを介して、第２吸着塔２３ｂと接続されている。第３戻り配管３９ｃには、第５圧縮機２５ｅ及び第４冷却器２７ｅが設けられている。第３戻り配管３９ｃから導かれたガス（主として二酸化炭素）は、第２吸着塔２３ｂ内を置換するガスとして用いられる。
第１吸着塔２３ａから出口配管３１を介して排出された作動ガスは、図１に示すように、循環経路５を介してエンジン３へと戻される。
深冷分離装置１５は、系外の空気から酸素、アルゴン及び窒素を分離するものである。深冷分離装置１５は、系外から取り込まれた空気から水分及び二酸化炭素を除去する吸着塔４６と、水分及び二酸化炭素が除去された空気を圧縮する圧縮機および圧縮された空気を膨張させる膨張タービンを備えた冷凍機４８と、冷凍機４８から導かれた低温空気を深冷分離する精留塔５０とを備えている。
精留塔５０にて深冷分離された酸素は、酸素用液体ポンプ５２にて昇圧された後に、酸素供給経路５４を通りエンジンへ３と供給される。エンジン３へと供給された酸素は、ＣＮＧを燃焼させるための酸化剤として用いられる。
精留塔５０にて深冷分離された窒素は、低圧窒素供給ライン１７を通り第１熱交換器１９へと導かれる。低圧窒素供給ライン１７から導かれた窒素は、深冷分離装置１５の吸着塔４６にて水分が除去されているので、乾燥窒素とされる。第１熱交換器１９にて、コンプレッサ７ｂから導かれた排出ガスを冷却した窒素は、吸着式除湿装置１１へと導かれ再生ガスとして用いられた後に、系外へと排出される。
また、図示されていないが、精留塔５０にて分離されたアルゴンも、循環経路５内を流れる作動ガス中のアルゴンの不足分を補うように、エンジン３へと供給されるようになっている。
次に、上述したエンジンシステム１Ａの動作について説明する。なお、以下に示す温度、圧力および組成比は、あくまでも一例である。
エンジン３に対して、深冷分離装置１５にて系外の空気から深冷分離された酸素が供給され、循環経路５を介してアルゴンを主成分とする作動ガスが供給される。また、エンジンに対して、燃料であるＣＮＧが図示しないＬＮＧ貯蔵タンクから供給される。
エンジン３に対して供給されたＣＮＧ、酸素及び作動ガスにより、エンジン３の筒内で燃焼が行われる。エンジン３に供給されるＣＮＧの温度は３２℃、ＣＮＧの圧力は３０ＭＰａ、酸素の温度は３２℃、酸素の圧力は２２５ｋＰａＧ（ゲージ圧；以下同じ）、作動ガスの温度は２５℃、作動ガスの圧力は２２５ｋＰａＧとされる。また、作動ガスの組成比は、アルゴン７６．０％、酸素２３．８％、窒素０．２％とされる。なお、ガスの組成比を百分率で表す場合は体積％を意味する（以下同じ）。
エンジン３にて燃焼を終えた燃焼ガスは、排気部３ａから排気ガスとして排出される。排気部３ａから排出された排気ガスの温度は３３０℃、圧力は１８３ｋＰａＧとされる。
排気部３ａから排出された排気ガスは、過給機７のタービン７ａへと導かれて膨張される。膨張後の排気ガスの温度は１７０℃、圧力は０ｋＰａＧとされる。タービン７ａにて得られた回転力は、回転軸７ｃを介してコンプレッサ７ｂを回転駆動する。
タービン７ａにて膨張した排気ガスは、凝縮器９へと導かれ、２５℃の海水によって冷却されて、排気ガス中の水分が凝縮される。凝縮器９を出た後の排気ガスの温度は３２℃、圧力は０ｋＰａＧである。
凝縮器９を出た後の排気ガスは、過給機７のコンプレッサ７ｂへと導かれ、昇圧される。昇圧後の排気ガスの温度は２５５℃、圧力は２２５ｋＰａＧとされる。
コンプレッサ７ｂによって昇圧された後の排気ガスは、第１熱交換器１９にて深冷分離装置１５から低圧窒素供給ライン１７を介して導かれた窒素によって冷却される。第１熱交換器１９で熱交換する前の窒素の温度は３２℃、圧力は０ｋＰａＧとされ、熱交換した後の窒素の温度は２００℃、圧力は０ｋＰａＧとされる。
第１熱交換１９にて冷却された後の排気ガスは、さらに第２熱交換２１によって冷却される。第２熱交換２１では、２５℃の海水によって冷却され、これにより排気ガスは２５℃まで冷却される。排気ガスは、第１熱交換１９及び第２熱交換２１によって冷却されることにより、排気ガス中の水分がドレン水として除去される。ドレン水は、図示しない配管を介して系外へと排出される。
第１熱交換１９及び第２熱交換２１によって冷却された後の排気ガスは、さらに水分を除去するために吸着式除湿装置１１へと導かれる。排気ガス中の水分は、吸着式除湿装置１１のデシカントロータに導かれ、デシカントロータに設けられた吸着剤によって除去される。デシカントロータに設けられた吸着剤の再生には、第１熱交換１９にて２００℃まで加熱された窒素ガスが用いられる。吸着式除湿装置１１を出た後の排気ガスの温度は２５℃、圧力は２２５ｋＰａＧとされる。
吸着式除湿装置１１にて排気ガス中の水分が除去された排気ガスは、循環経路５を通り吸着式二酸化炭素除去装置１３にて二酸化炭素が除去される。
図２に示すように、吸着式二酸化炭素除去装置１３に導かれた排気ガスは、第１圧縮機２５ａによって昇圧された後に第１冷却器２７ａによって冷却され、第１吸着塔２３ａへと導かれる。第１吸着塔２３ａにて、第１吸着塔２３ａ内に充填された吸着剤によって排気ガス中の二酸化炭素を吸着し、排気ガス中から二酸化炭素を除去する。二酸化炭素が除去された後の排気ガスは、出口配管３１を通り図１に示した循環経路５へと導かれる。出口配管３１から導かれる排気ガスは、水分および二酸化炭素が除去されているので、アルゴンを主成分とする作動ガスとなる。
第１吸着塔２３ａの脱着を行う場合は、第１真空ポンプ３７ａで第１吸着塔２３ａ内を減圧するとともに第１加熱器２９ａで第１吸着塔２３ａ内を加熱する。これにより、吸着剤に吸着された二酸化炭素を脱着させ、脱着された二酸化炭素は第１脱着用配管３３ａを通り第１サージタンク３５ａへと導かれる。第１サージタンク３５ａへと導かれた第１脱着ガスは二酸化炭素を主成分とするが、アルゴンガスが少量ながら含まれているので、以下の操作によってアルゴンガスを脱着ガスから取り出す。
第１サージタンク３５ａ内の第１脱着ガスは、第２圧縮機２５ｂによって昇圧された後に第２冷却器２７ｂによって冷却され、第２吸着塔２３ｂへと導かれる。第２吸着塔２３ｂにて、第２吸着塔２３ｂ内に充填された吸着剤によって第１脱着ガス中の二酸化炭素を吸着し、第１脱着ガス中から二酸化炭素を除去する。二酸化炭素が除去された後のガスはアルゴンが主成分とされ、第１戻り配管３９ａを通り第３圧縮機２５ｃで昇圧された後に第３冷却器２７ｃによって冷却され、第１吸着塔２３ａの上流側へと戻される。これにより、第１脱着ガス中で二酸化炭素に随伴するアルゴンガスが系外に排気されるのを低減することができる。
第２吸着塔２３ｂにて吸着工程が行われた後に、第２吸着塔２３ｂ内のガス置換が行われる。具体的には、第２サージタンク３５ｂ内に貯留された第２脱着ガスを、第３戻り配管３９ｃを介して第５圧縮機２５ｅで昇圧した後に第４冷却器２７ｅで冷却して第２吸着塔２３ｂへと導く。このようにして第２吸着塔２３ｂ内に導かれた第２脱着ガスによって第２吸着塔２３ｂ内をガス置換し、ガス置換後のガスは第２戻り配管３９ｂを通り減圧機２５ｄで減圧した後に第３加熱器２７ｄで加熱して第１サージタンク３５ａへと戻す。
ガス置換工程が行われた後に、第２吸着塔２３ｂの脱着が行われる。すなわち、第２真空ポンプ３７ｂで第２吸着塔２３ｂ内を減圧するとともに第２加熱器２９ｂで第２吸着塔２３ｂ内を加熱する。これにより、吸着剤に吸着された二酸化炭素を脱着させ、脱着された二酸化炭素は第２脱着用配管３３ｂを通り第２サージタンク３５ｂへと導かれる。第２サージタンク３５ｂへと導かれた第２脱着ガスは、二酸化炭素排出配管４２を通り系外へと排出される。第２脱着ガスの二酸化炭素濃度は９９％とされる。
このように吸着式二酸化炭素除去装置１３にて二酸化炭素が除去された作動ガスは、図１に示すように、循環経路５を通りエンジン３の給気部３ｂへと導かれる。
以上の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
エンジン３へ酸素を供給する酸素供給装置として、系外の空気を深冷分離する深冷分離装置１５を用いることとした。深冷分離装置は、純度の高い酸素を製造することができるので、エンジンに窒素が供給されることを可及的に少なくすることができ、エンジンから発生するＮＯｘ量を抑制することができる。これに対して、酸素供給装置として例えばＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption：圧力変動吸着）式を用いることとすると、酸素中の窒素濃度が深冷分離装置比べて高いので、エンジンに窒素が供給されてしまうおそれがある。特に、本実施形態のエンジンシステム１Ａでは、作動ガスを循環させるため循環ガス中に窒素が蓄積されてしまうおそれがあるので、酸素供給装置として深冷分離装置１５を用いるのが有効である。
吸着式除湿装置１１の吸着剤を再生させる際に、深冷分離装置１５にて分離された窒素を用いることとした。深冷分離装置１５では、深冷分離する前に空気中の水分を吸着塔４６にて除去しているので、深冷分離装置１５にて分離された窒素は乾燥窒素となる。この乾燥窒素を用いて吸着式除湿装置１１の吸着剤の再生をするので、吸着剤の再生性能が向上し、除湿性能を高めることができる。
さらに、深冷分離装置１５にて分離された窒素を吸着式除湿装置１１に導く前にコンプレッサ７ｂで加圧された排気ガスと第１熱交換器１９にて熱交換させることとした。これにより、排気ガスの圧縮熱によって吸着式除湿装置１１に導く前の窒素を昇温させることができ、吸着剤の再生性能をさらに向上させることができる。
また、第１熱交換器１９にて窒素ガスで排気ガスを冷却することによって排気ガス中の水分をドレンとして除去することができるので、吸着式除湿装置１１の負荷を低減することができる。
吸着式二酸化炭素除去装置１３を、過給機７のコンプレッサ７ｂの下流側に配置し、コンプレッサ７ｂによって加圧された後の排気ガスが導かれるようにした。これにより、吸着剤を収容する吸着塔のサイズを低減することができる。
吸着剤は低温ほど吸着力が上昇するので、コンプレッサ７ｂで加圧されて昇温した排気ガスを第１熱交換器１９及び第２熱交換器２１によって冷却した後に吸着式二酸化炭素除去装置１３に導くこととした。これにより、吸着式二酸化炭素除去装置１３での吸着性能を向上させることができる。
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図３及び図４を用いて説明する。本実施形態は、第１実施形態に対していくつかの構成を付加している点で相違する。したがって、第１実施形態と共通する構成については同一符号を付しその説明を省略する。
図３に示されているように、本実施形態のエンジンシステム１Ｂは、エンジン３に供給する酸素および作動ガスを冷却する給気冷却熱交換器５６を備えている。
給気冷却熱交換器５６には、被冷却側として酸素供給経路５４及び循環経路５が接続されており、冷却側として低圧窒素供給ライン（第２窒素供給ライン）１７及び高圧窒素供給ライン（第２窒素供給ライン）１８が接続されている。
低圧窒素供給ライン１７からは、温度が−４０℃、圧力が０ｋＰａＧとされた窒素が導かれ、高圧窒素供給ライン１８からは、温度が−４０℃、圧力が１９９ｋＰａＧとされた窒素が導かれる。なお、低圧窒素供給ライン１７及び高圧窒素供給ライン１８から得られる窒素の温度は、深冷分離装置１５の冷凍機４８の冷凍能力によって調整される。
酸素及び作動ガスは、給気冷却熱交換器５６によって０℃まで冷却され、エンジン３へと供給される。
低圧窒素供給ライン１７によって導かれた窒素は、給気冷却熱交換器５６によって−１０℃まで昇温された後に、第１熱交換器１９へと導かれる。低圧窒素供給ライン１７を通る窒素が第１熱交換器１９へと導かれた後に、吸着式除湿装置１１の再生ガスとして用いられる点は第１実施形態と同様である。
高圧窒素供給ライン（第３窒素供給ライン）１８によって導かれた窒素は、給気冷却熱交換器５６によって−１０℃まで昇温された後に、第３熱交換器２２へと導かれる。第３熱交換器２２によって循環経路５を通る排気ガスを冷却した後の窒素は、冷熱発電装置６０へと導かれる。冷熱発電装置６０は、深冷分離装置１５から得られた冷熱を回収して発電するものであり、発電用タービン６０ａと、発電用タービン６０ａによって駆動される発電機６０ｂとを備えている。高圧窒素供給ライン１８によって導かれた窒素は、発電用タービン６０ａを駆動する。
高圧窒素供給ライン１８に導かれる窒素は、深冷分離装置１５に設けられた窒素ガス圧縮機６２によって昇圧される。窒素ガス圧縮機６２によって昇圧された窒素は、窒素ガス冷却器６４によって冷却される。窒素ガス冷却器６４の冷熱源としては、図示しないＬＮＧタンクからＬＮＧ供給配管６６を介して導かれるＬＮＧが用いられる。ＬＮＧ供給配管６６によって深冷分離装置１５に導かれたＬＮＧは、窒素ガス冷却器６４にて冷熱を与えた後に、図示しない装置によって昇温されてＣＮＧとされ、ＣＮＧ供給配管６８を通りエンジン３へと導かれる。
図４には、図３に示した深冷分離装置１５の詳細が示されている。
深冷分離装置１５は、系外から取り込んだ空気からダスト等を取り除くフィルター７０と、空気を圧縮するメイン空気圧縮機７２とを備えている。メイン空気圧縮機７２にて圧縮された空気は、空気冷却器７４によって冷却された後に吸着塔４６へと導かれる。吸着塔４６にて空気中の水分と二酸化炭素が除去される。水分及び二酸化炭素が除去された空気の一部は、サブ空気圧縮機４８ａへと導かれて圧縮され、その他の空気は空気バイパス流路７６を通り熱交換器７８へと導かれる。サブ空気圧縮機４８ａにて圧縮された空気は、熱交換器７８にて冷却された後に、膨張弁８０にて減圧され、空気バイパス流路７６の空気と合流されるようになっている。合流した空気は、精留塔５０の下部塔５０ａへと導かれる。
空気バイパス流路７８を流れる空気の一部は、膨張空気用配管８２を通り冷凍機４８の膨張タービン４８ｂへと導かれる。膨張タービン４８ｂにて膨張されて極低温（例えば−１８６℃）となった空気は、精留塔５０の上部塔５０ｂへと導かれる。
精留塔５０では、空気から酸素、アルゴン及び窒素が分離される。精留塔５０の下部塔５０ａの底部には液体空気が貯留され、精留塔５０の上部塔５０ｂの下部には液体酸素が貯留される。窒素コンデンサ８４にて凝縮した液体窒素（例えば−１９３℃）は、精留塔５０の上部塔５０ｂの上方へと導かれて塔内を冷却する。
精留塔５０の上部塔５０ａの頂部から低圧窒素供給ライン１７によって取り出された窒素ガスは、上述した給気冷却熱交換器５６（図３参照）へと導かれる。
精留塔５０の上部塔５０ａの頂部から高圧窒素供給ライン１８によって取り出された窒素ガスは、窒素ガス圧縮機６２によって昇圧された後に、窒素ガス冷却器６４にてＬＮＧによって冷却される。窒素ガス冷却器６４によって冷却された窒素は、高圧窒素供給ライン１８を通り、上述した給気冷却熱交換器５６（図３参照）へと導かれる。
精留塔５０の上部塔５０ｂの下部に貯留された液体酸素は、液体のまま取り出されて酸素用液体ポンプ５２にて昇圧された後に、酸素供給経路５４を通り、上述した給気冷却熱交換器５６（図３参照）へと導かれる。
以上の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
低圧窒素供給ライン１７及び高圧窒素供給ライン１８から導かれる窒素を給気冷却熱交換器５６に導くことにより深冷分離装置１５で得られる冷熱を利用し、エンジン３に供給される前の作動ガス及び酸素を冷却することとした。これにより、作動ガス及び酸素のガス密度を上げることで、エンジン３の性能向上を図ることができる。また、冷却された作動ガス及び酸素をエンジン３に供給することになるので、筒内の圧縮開始温度を低下させることができ、エンジン３のサイクル効率を向上させることができる。また、筒内の最高温度が低減されるので、エンジン３の熱負荷を軽減させることができる。なお、給気冷却熱交換器５６の冷熱源として、低圧窒素供給ライン１７または高圧窒素供給ライン１８のいずれか一方を利用することとしてもよい。
深冷分離装置１５にて窒素ガス圧縮機６２によって高圧窒素を得て、高圧窒素供給ライン１８を介して高圧窒素を冷熱発電装置６０へ供給して発電することとした。これにより、エンジンシステム１Ｂ全体としてのエネルギー効率を向上させることができる。また、精留塔５０から取り出した低温の窒素を窒素ガス圧縮機６２で圧縮することとしているので、窒素ガスの圧縮動力を低減することができる。
また、エンジン３の燃料として用いるＬＮＧを窒素ガス冷却器６４に導き、窒素ガス圧縮機６２によって昇温された窒素ガスを冷却することとした。これにより、ＬＮＧが有する冷熱を有効に利用することができ、エンジンシステム１Ｂ全体としてのエネルギー効率を向上させることができる。なお、ＬＮＧが有する冷熱は、深冷分離装置１５の他の部分にも利用することができ、例えば圧縮空気を冷却する熱交換器７８の冷熱源として用いてもよい。
また、精留塔５０から液体酸素を液体のまま取り出して酸素用液体ポンプ５２で昇圧することとした。これにより、ガス状の酸素を圧縮するよりも圧縮動力を低減することができる。
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について、図５及び図６を用いて説明する。本実施形態は、第２実施形態に対してボイルオフガスを液化する装置を備えている点で相違する。したがって、第２実施形態と共通する構成については同一符号を付しその説明を省略する。
図５に示されているように、本実施形態のエンジンシステム１Ｃは、ボイルオフガスを液化するＢＯＧ液化装置８５を備えている。ＢＯＧ液化装置８５は、図示しないＬＮＧ貯蔵タンクにて発生したボイルオフガスを液化し、ＬＮＧ貯蔵タンクに返送するものである。ＢＯＧ液化装置８５は、ＢＯＧ液化タンク８７と、ＢＯＧ液化熱交換器８９とを備えている。
ＢＯＧ供給配管９１を介して、ＢＯＧ液化タンク８７の気相部に、ＬＮＧ貯蔵タンクから導かれたボイルオフガスが導入される。ＢＯＧ液化タンク８７内に導かれたボイルオフガスは、ＢＯＧ取出配管９３を通りＢＯＧ液化熱交換器８９へと導かれる。ＢＯＧ液化熱交換器８９にて、低温窒素供給ライン（第４窒素供給ライン）９５から導かれた例えば−１７０℃とされた窒素ガスによって、ボイルオフガスが冷却されて液化する。液化したＢＯＧ（すなわちＬＮＧ）は、ＬＮＧ返送配管９７を通りＢＯＧ液化タンク８７へと返送される。窒素ガスは、図６に示されているように、精留塔５０の頂部から取り出されるようになっている。ＢＯＧ液化熱交換器８９にてボイルオフガスを冷却液化した後の窒素ガスは、窒素ガス圧縮機６２へと導かれ、第２実施形態で説明したように給気冷却熱交換器５６及び冷熱発電装置６０に用いられる。
ＢＯＧ液化タンク８７の底部に貯留されたＬＮＧは、図示しない配管によってＬＮＧ貯蔵タンクへと導かれる。
以上の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
深冷分離装置１５にて分離された低温の窒素を用いてＢＯＧ液化熱交換器８９にてボイルオフガスを液化することとしたので、ボイルオフガスを再液化するための専用の深冷分離装置が不要となる。したがって、エンジンシステム１Ｃ全体としてのエネルギー効率を向上させることができる。
なお、本発明は、上述した各実施形態に限定されるものではない。上述した各実施形態では、エンジン３に供給する燃料としてＬＮＧを用いることとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ＬＮＧに代えて、水素を用いることとしても良いし、他の炭素含有燃料、例えばメタン（ＣＨ４）、エタン（Ｃ２Ｈ６）、プロパン（Ｃ３Ｈ８）、ブタン（Ｃ４Ｈ１０）等の炭素数が１〜４の炭化水素ガスを用いることとしても良い。
また、上述した各実施形態では、深冷分離装置１５を１台用いることとしたが、本発明はこれに限定されず、複数台用いることとしてもよい。複数台の深冷分離装置１５を用いる場合には、エンジン３の部分負荷時には運転台数を減らすことによって対応することができる。
１Ａ 作動ガス循環型エンジンシステム
３ エンジン
３ａ 排気部
３ｂ 給気部
５ 循環経路
７ 過給機
７ａ タービン
７ｂ コンプレッサ
７ｃ 回転軸
９ 凝縮器
９ａ 伝熱管
９ｂ ドレン配管
１１ 吸着式除湿装置
１３ 吸着式二酸化炭素除去装置
１５ 深冷分離装置（酸素供給装置）
１７ 低圧窒素供給ライン（第１窒素供給ライン，第２窒素供給ライン）
１８ 高圧窒素供給ライン（第２窒素供給ライン，第３窒素供給ライン）
１９ 第１熱交換器
２１ 第２熱交換器
２２ 第３熱交換器
２３ａ 第１吸着塔
２３ｂ 第２吸着塔
２５ａ 第１圧縮機
２５ｂ 第２圧縮機
２５ｃ 第３圧縮機
２５ｄ 減圧機
２５ｅ 第５圧縮機
２７ａ 第１冷却器
２７ｂ 第２冷却器
２７ｃ 第３冷却器
２７ｄ 第３加熱器
２７ｅ 第４冷却器
２９ａ 第１加熱器
２９ｂ 第２加熱器
３１ 出口配管
３３ａ 第１脱着用配管
３３ｂ 第２脱着用配管
３５ａ 第１サージタンク
３５ｂ 第２サージタンク
３７ａ 第１真空ポンプ
３７ｂ 第２真空ポンプ
３９ａ 第１戻り配管
３９ｂ 第２戻り配管
４１ 二酸化炭素排出配管
４６ 吸着塔
４８ 冷凍機
５０ 精留塔
５０ａ 下部塔
５０ｂ 上部塔
５２ 酸素用液体ポンプ
５４ 酸素供給経路
５６ 給気冷却熱交換器
６０ 冷熱発電装置
６２ 窒素ガス圧縮機
６４ 窒素ガス冷却器
６６ ＬＮＧ供給配管
６８ ＣＮＧ供給配管
７０ フィルター
７２ メイン空気圧縮機
７４ 空気冷却器
７６ 空気バイパス流路
７８ 熱交換器
８０ 膨張弁
８２ 膨張空気用配管
８５ ＢＯＧ液化装置
８７ ＢＯＧ液化タンク
８９ ＢＯＧ液化熱交換器
９１ ＢＯＧ供給配管
９３ ＢＯＧ取出配管
９５ 低温窒素供給ライン（第４窒素供給ライン）
９７ ＬＮＧ返送配管

Claims (7)

  1. アルゴンを主成分とするガスを作動ガスとするエンジンと、
    該エンジンの排気部と給気部とを接続して作動ガスを循環させる循環経路と、
    前記エンジンに酸素を供給する酸素供給装置と、
    を備えた作動ガス循環型エンジンシステムであって、
    前記酸素供給装置は、空気を深冷分離する深冷分離装置とされ、
    前記循環経路には、前記エンジンから排気された排気ガスから水分を除去する吸着式除湿装置が設けられ、
    前記深冷分離装置にて分離された窒素を取り出す第１窒素供給ラインを備え、
    該第１窒素供給ラインから導かれた窒素を、前記吸着式除湿装置の吸着剤の再生ガスとして用いることを特徴とする作動ガス循環型エンジンシステム。
  2. アルゴンを主成分とするガスを作動ガスとするエンジンと、
    該エンジンの排気部と給気部とを接続して作動ガスを循環させる循環経路と、
    前記エンジンに酸素を供給する酸素供給装置と、
    を備えた作動ガス循環型エンジンシステムであって、
    前記酸素供給装置は、空気を深冷分離する深冷分離装置とされ、
    前記深冷分離装置にて分離された窒素を取り出す第２窒素供給ラインを備え、
    該第２窒素供給ラインから導かれる窒素を用いて、前記エンジンに供給される前記作動ガス及び前記酸素を冷却する熱交換器が設けられていることを特徴とする作動ガス循環型エンジンシステム。
  3. アルゴンを主成分とするガスを作動ガスとするエンジンと、
    該エンジンの排気部と給気部とを接続して作動ガスを循環させる循環経路と、
    前記エンジンに酸素を供給する酸素供給装置と、
    を備えた作動ガス循環型エンジンシステムであって、
    前記酸素供給装置は、空気を深冷分離する深冷分離装置とされ、
    前記深冷分離装置にて分離された窒素を窒素ガス圧縮機により加圧した後に取り出す第３窒素供給ラインを備え、
    該第３窒素供給ラインから供給された窒素によってタービンが駆動されて発電する発電装置が設けられていることを特徴とする作動ガス循環型エンジンシステム。
  4. アルゴンを主成分とするガスを作動ガスとするエンジンと、
    該エンジンの排気部と給気部とを接続して作動ガスを循環させる循環経路と、
    前記エンジンに酸素を供給する酸素供給装置と、
    を備えた作動ガス循環型エンジンシステムであって、
    前記酸素供給装置は、空気を深冷分離する深冷分離装置とされ、
    前記エンジンに供給される燃料は、液化ガスとされ、
    前記深冷分離装置は、前記液化ガスが前記エンジンに供給される前に該液化ガスから冷熱を得る熱交換器を備えていることを特徴とする作動ガス循環型エンジンシステム。
  5. 前記深冷分離装置にて分離された窒素を取り出す第４窒素供給ラインを備え、
    該第４窒素供給ラインから供給された窒素と前記液化ガスの貯蔵タンクから発生したボイルオフガスとを熱交換させて該ボイルオフガスを冷却液化する熱交換器を備えていることを特徴とする請求項４に記載の作動ガス循環型エンジンシステム。
  6. 前記エンジンに供給される燃料は、炭素含有燃料とされ、
    前記循環経路には、
    前記エンジンから排出される排気ガスによって駆動されるタービン及び該タービンの動力を得て前記作動ガスを圧縮するコンプレッサを有する過給機と、
    該過給機の前記コンプレッサの下流側に設けられ前記排気ガスから二酸化炭素を除去する吸着式二酸化炭素除去装置と、
    が設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の作動ガス循環型エンジンシステム。
  7. エンジンの排気部と給気部とを接続した循環経路によってアルゴンを主成分とする作動ガスを循環させる作動ガス循環型エンジンシステムの運転方法であって、
    前記エンジンに対して、空気を深冷分離した酸素を供給し、
    前記循環経路には、前記エンジンから排気された排気ガスから水分を除去する吸着式除湿装置が設けられ、
    空気を深冷分離した窒素を、前記吸着式除湿装置の吸着剤の再生ガスとして用いることを特徴とする作動ガス循環型エンジンシステムの運転方法。
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