JP6941519B2 - 遠心分離装置の制御装置、遠心分離装置、舶用排気ガススクラバーシステム、および舶用ディーゼルエンジン - Google Patents

Description

本発明は、船舶用ディーゼルエンジンの排気ガス中に含まれるＳＯｘ、ＮＯｘ、および未燃カーボンを取り除くなどのためのスクラバーが搭載される舶用排気ガススクラバーシステム、上記スクラバーシステムの循環水を清浄化するための遠心分離装置、遠心分離装置の制御装置、および舶用ディーゼルエンジンに関するものである。

船舶用ディーゼルエンジン等では、排気ガスに含まれる未燃焼カーボン等の粒子状物質（固形成分）を除去するために、排気ガススクラバーシステムが用いられる。この排気ガススクラバーシステムでは、固形成分を除塵用の水であるスクラバー水に吸収させた後、遠心分離機でスクラバー水から分離するようになっている。遠心分離機では、分離された固形成分が所定量溜まったタイミングで間欠的に排出される。上記排出は、固形成分が十分溜まらないうちに行われると、固形成分とともに排出されるスクラバー水の量が多くなり、濃縮程度が低くなる。一方、固形成分が溜まり過ぎると、固まって排出が困難になる。

そこで、遠心分離機から排出されるスクラバー水の初期濁度と、上記初期濁度に対応する変化量とから作成されたテーブルを用いて排出タイミングを制御する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１７−０２９９１９号公報

しかしながら、上記のように、上記濁度を制御に用いた場合は、濁度測定器の測定上限値が小さい場合などにはエンジン負荷の変化に伴う固形成分の発生量の変化に追従できないことになりがちである。また、濁度によって遠心分離機から排出される固形成分濃度を制御するため、遠心分離機の分離室から固形成分があふれ出した状態で検知するものとなり、間接的な検出をすることになる。そのような場合、必ずしも遠心分離機から適切なタイミングで固形成分を排出させることが容易でない。

本発明は、上記の点に鑑み、遠心分離機から固形成分を適切なタイミングで排出させることが容易にできるようにすることを目的としている。

上記の目的を達成するため、本発明は、
遠心分離機によって分離された固形成分の排出を制御する遠心分離機の制御装置であって、
上記遠心分離機に流入する被処理流体における固形成分の濃度、
上記遠心分離機に流入する被処理流体の流量、および
上記固形成分の濃度に応じた上記遠心分離機の分離効率
に応じて得られる上記遠心分離機への固形成分の累積堆積量と、
上記遠心分離機における固形成分の堆積許容量と、
の大小関係に応じて、上記遠心分離機からの固形成分の排出タイミングを決定する排出タイミング制御部を備えたことを特徴とする。

これにより、遠心分離機への固形成分の累積堆積量に応じた排出制御がなされるので、遠心分離機から排出される固形成分を含んだ廃液の固形成分濃度について高い精度で考慮されたような適切なタイミングで固形成分を排出させることが容易にできる。

本発明によれば、遠心分離機から固形成分を適切なタイミングで排出させることが容易にできる。

排気ガススクラバーシステムの概略構成を示す説明図である。 遠心分離機の要部の構成を示す模式図である。 遠心分離機の分離効率、流入濃度、および流量の関係の例を示すグラフである。 遠心分離機の許容量補正値Ｐと流入流量との関係の例を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態として、ディーゼルエンジンの排気ガスを除塵する排気ガススクラバーシステムの例を図面に基づいて詳細に説明する。

（排気ガススクラバーシステムの概略構成）
排気ガススクラバーシステムは、図１に示すように、ディーゼルエンジン１０１の排気ガスに含まれる未燃焼カーボン等の粒子状物質（固形成分）を捕捉するスクラバー装置１１０と、上記スクラバー装置１１０内のスクラバー水Ｗ（被処理流体）に捕捉された固形成分を除去する遠心分離装置１２０とを備えている。

スクラバー装置１１０は、より詳しくはスクラバー１１１を有し、ディーゼルエンジン１０１からエンジン排気管１０２を介して送られる排気ガス中の固形成分をスクラバー１１１内のスクラバー水Ｗに吸収させて除塵し、除塵後の排気ガスを外部排気管１０３から排出するようになっている。スクラバー１１１内の清浄にされた排気ガスの一部は、必要に応じて窒素酸化物を低減するために排気ガス戻り管１０４を介してディーゼルエンジン１０１に戻され得るようになっている。スクラバー１１１内に貯留されるスクラバー水Ｗは、循環配管１１２を介して図示しないポンプにより循環され、その一部は後述するように遠心分離機１３１へ送られ清浄にされる。循環されるスクラバー水Ｗの他の一部は上記清浄にされたスクラバー水Ｗとともにスプレーノズル１１３を介してスクラバー１１１内に噴射されることにより、スクラバー水Ｗの固形成分濃度の上昇が防がれるようになっている。

上記循環配管１１２を介して循環されるスクラバー水Ｗの一部は、分岐管１２１または濃度計１２２、流量計１２３、および流量制御バルブ１２４を介して遠心分離機１３１に送られ、固形成分が遠心分離機１３１により除去された後、循環配管１１２に戻されるようになっている。上記濃度計１２２は、スクラバー水Ｗ中の固形成分の濃度（固形成分濃度、ＳＳ濃度）を計測するようになっている。また、流量計１２３は、遠心分離機１３１に流入するスクラバー水Ｗの流量を計測し、上記流量が所定量となるように流量制御バルブ１２４を制御するようになっている。上記濃度計１２２、および流量計１２３の計測値は、後述するコントローラ１５１（遠心分離装置の制御装置）へ連続的に送られるようになっている。

（遠心分離機１３１の概略構成）
遠心分離機１３１は、図２に示すように、スクラバー装置１１０からスクラバー水Ｗが流入する流入管１３２と、処理後のスクラバー水Ｗが流出してスクラバー装置１１０に戻される流出管１３３と、上端が開口した回転胴（図示せず）と、回転胴の上端開口に嵌着されて回転体を形成する回転体蓋１３４と、回転体蓋１３４の内面に対して隙間を空けて配置された仕切板１３５と、回転胴内に挿入された状態で同図に矢印Ａで示すように上下に移動して回転胴の側部に形成された排出口（図示せず）を開閉する主弁１３６と、主弁１３６と仕切板１３５との間に形成された分離室１３７と、分離室１３７内に上下に所定の間隔を空けて積層、配置された複数の分離板１３８と、流入管１３２から流入したスクラバー水Ｗを分離室１３７内に導く案内筒１３９とを備えている。遠心分離機１３１は、また、仕切板１３５の上端に形成された、分離室１３７からオーバーフローした処理後のスクラバー水Ｗが溜まるチャンバー１４１と、上記チャンバー１４１内に溜まったスクラバー水Ｗを流出管１３３を介して外部に排出する求心ポンプ１４０とを備えている。遠心分離機１３１は、さらに、スクラバー水Ｗから遠心分離された固形成分Ｓを排出する固形成分排出管１４２と、上記固形成分の排出を制御する弁開閉機構１４３とを備えている。ここで、図２においては、処理後のスクラバー水Ｗは、薄く網掛けして描かれ、固形成分Ｓは濃く網掛けして描かれている。

上記弁開閉機構１４３は、コントローラ１５１からのバルブ開信号を受けて所定のバルブ（図示せず）を開放し開弁作動水を供給して主弁１３６を下方に移動させ、分離室１３７の排出口を開放して、分離室１３７内に堆積した固形成分を固形成分排出管１４２に向けて排出させるようになっている。また、その後、バルブを閉じて開弁作動水を停止し、次いで、バルブ閉信号に基づいてバルブ（図示せず）が作動して閉弁作動水を供給し主弁１３６を閉じて、閉弁作動水を停止するようになっている。

（固形成分の堆積、および排出動作）
遠心分離機１３１に流入したスクラバー水Ｗよりも比重が大きい固形成分は、分離室１３７内で遠心力が付与されると分離板１３８によって遠心分離され、分離室１３７の最大径部に形成された排出口（図示せず）を含む凹部に堆積する。時間の経過とともに堆積が進むと、固形成分とスクラバー水Ｗとの界面Ｉは、分離室１３７の中心に向かって移動する。界面Ｉ付近の一部の固形成分は、スクラバー水Ｗの流れに乗って移動し、流出管１３３から外部へ排出される。

上記のようにして遠心分離機１３１内に堆積した固形成分は、以下のような弁開閉機構１４３による排出制御によって、回転胴の側部に形成された排出口が開かれることにより、分離室１３７の内のスクラバー水Ｗの一部とともに固形成分排出管１４２から排出されて廃棄物とされる。

（コントローラ１５１の構成、および固形成分の排出制御）
コントローラ１５１は、濃度計１２２によって計測された、遠心分離機１３１に流入するスクラバー水Ｗ中の固形成分の濃度（流入濃度）と、流量計１２３によって計測された、遠心分離機１３１に流入するスクラバー水Ｗの例えば単位時間当たりの流量（流入流量）と、遠心分離機１３１に堆積可能な固形成分の堆積許容量βとに基づいて、弁開閉機構１４３を制御し、遠心分離機１３１内に堆積した固形成分を所定のタイミングで排出するようになっている。

より具体的には、コントローラ１５１は、固形成分の流入濃度に基づいて固形成分の分離効率ηを求める分離効率算出部と、上記流入濃度、分離効率η、および上記流入流量に基づいて、遠心分離機１３１への固形成分の累積堆積量Ｓを算出する累積堆積量算出部と、遠心分離機１３１においてあらかじめ設定された固形成分の堆積の許容量、および排出タイミングが決定される際のスクラバー水Ｗの流量に応じて固形成分の堆積許容量βを算出する堆積許容量算出部と、上記累積堆積量算出部によって算出された累積堆積量Ｓ、および上記堆積許容量算出部によって算出された堆積許容量βに基づいて、弁開閉機構１４３を制御する排出タイミング制御部とを備えて構成されている。

上記累積堆積量Ｓは、より詳しくは、例えば次のようにして算出される。

累積堆積量Ｓ＝（流入濃度×流入流量×分離効率η）の積分値、または累積値
ここで、上記分離効率ηは、遠心分離機１３１から流出するスクラバー水Ｗ中の固形成分の濃度を流出濃度とすると、
分離効率η＝（流入濃度−流出濃度）／流入濃度
と定義される。この分離効率は、実際には、例えば図３に示すように流入濃度、および流量に応じて変動し得る。すなわち、例えば、流入濃度が高いほど分離効率ηは高くなる。また、流入流量が少ないほど遠心分離機１３１内の滞留時間が長くなって分離効率ηは高くなる。そこで、コントローラ１５１の分離効率算出部は、遠心分離装置１２０や、排ガススクラバーシステム、ディーゼルエンジン１０１等の実機を用いた種々の濃度や流量についての実験などに基づいて、あらかじめテーブルや関数を設定し、これらを用いて、分離効率ηを求めることができる。なお、上記分離効率ηは、例えば、さらに遠心分離機１３１への固形成分の堆積量に応じた変動を考慮してもよいが、必要な制御精度が得られる場合には、堆積量が０の場合の実測値に基づいて求められるなどしてもよい。

また、上記堆積許容量βは、より詳しくは、例えば次のようにして算出される。

堆積許容量β＝あらかじめ設定された固形成分の堆積の許容量×許容量補正値Ｐ
上記許容量補正値Ｐは、例えば、図４に示すように、流入流量に応じた、遠心分離機１３１への固形成分の堆積の許容量の変動を補正するものである。すなわち、流入流量が少ない場合には、固形成分に作用する遠心力成分が相対的に大きくなるために、固形成分を遠心方向に押しつける効果（圧密効果）の影響が大きくなり、遠心分離機１３１に実際に堆積可能な許容量が多くなりやすい場合があると考えられる。一方、流入流量が多い場合には、スクラバー水Ｗの流れにおける乱流的要素が大きくなるために、固形成分が拡散する効果（拡散効果）の影響が大きくなり、遠心分離機１３１に実際に堆積可能な許容量が少なくなりやすい場合があると考えられる。そこで、上記分離効率ηと同様に、実機に基づく実験などによってあらかじめ設定されたテーブルや関数を用いて、許容量補正値Ｐを求めることができる。より具体的には、例えば、遠心分離機１３１の最大通水量が３０００ｌ／Ｈである場合に、通水量が１５００ｌ／Ｈ以下（５０％以下）の場合には１≦Ｐ≦３の範囲の値が設定され、１５００ｌ／Ｈ以上（５０％以上）の場合には、０．１≦Ｐ＜１の範囲の値が設定される。このような値の設定は、より詳しくは、例えば、遠心分離機１３１に堆積した固形成分を適宜排出して固形成分の濃度を測定し、所定の濃度（例えば７重量％）になった時の累積体積量Ｓが、その際のスクラバー水Ｗの流量に対応する堆積許容量βとなるように許容量補正値Ｐを求めるなどすればよい。

上記のようにして固形成分の累積堆積量Ｓ、および堆積許容量βが求められると、コントローラ１５１は、これらの値を比較し、累積堆積量Ｓが堆積許容量β以上になると、弁開閉機構１４３を制御して、遠心分離機１３１内に堆積した固形成分を排出させる。

上記のような制御によって、遠心分離機１３１内の固形成分の累積堆積量Ｓ、および堆積許容量βを直接的に積算等するため、従来の濁度を用いた方法と比べて精度よく求められて排出制御されるので、固形成分を適切なタイミングで排出させることが容易にできる。特に、舶用ディーゼルエンジンなどのように固形成分の濃度がエンジンの運転状態に応じて変動しがちな場合などでも、排出タイミングの精度を高めることが容易にできる。それゆえ、濃縮程度を高く保つとともに、固形成分が溜まり過ぎて固まったり詰まったりし排出が困難になることや、振動が発生したり破損が生じたりすることを容易に防止できる。

（その他の事項）
なお、上記図３、および図４に示した特性は説明のための一例であり、図示された曲線の勾配や勾配の変化率などに限定されるものではなく、実際の装置等に応じた分離効率ηや許容量補正値Ｐが求められるように設定されればよい。

また、上記の例では、流量計１２３によって計測されたスクラバー水Ｗの実測流量に基づいて分離効率ηや許容量補正値Ｐが求められる例を示したが、流量制御バルブ１２４の制御によって流量が所定の精度内で一定に保たれる場合などには、上記流量を定数とした場合の分離効率ηおよび／または許容量補正値Ｐが求められるようにしてもよい。

また、上記演算例は、排出タイミングの精度を高め得るメカニズムを解りやすく示すための例として説明したが、これに限らず、実質的に等価なタイミングで制御が行われればよく、パラメータの取り方や値の単位など種々適用してもよい。また、例えば、あらかじめ設定された固形成分の堆積の許容量と許容量補正値Ｐとを乗算して堆積許容量βを求めるのに限らず、スクラバー水Ｗの流量と堆積許容量βとの対応関係を保持させて、スクラバー水Ｗの流量から直ちに堆積許容量βを求められるようにしたりしてもよい。また、種々の値の求め方も、近似式を含む関数演算や値テーブルの参照など、種々の手法を用いてもよい。

１０１ ディーゼルエンジン
１０２ エンジン排気管
１０３ 外部排気管
１０４ 排気ガス戻り管
１１０ スクラバー装置
１１１ スクラバー
１１２ 循環配管
１１３ スプレーノズル
１２０ 遠心分離装置
１２１ 分岐管
１２２ 濃度計
１２３ 流量計
１２４ 流量制御バルブ
１３１ 遠心分離機
１３２ 流入管
１３３ 流出管
１３４ 回転体蓋
１３５ 仕切板
１３６ 主弁
１３７ 分離室
１３８ 分離板
１３９ 案内筒
１４０ 求心ポンプ
１４１ チャンバー
１４２ 固形成分排出管
１４３ 弁開閉機構
１５１ コントローラ

Claims (9)

1. 遠心分離機によって分離された固形成分の排出を制御する遠心分離機の制御装置であって、
   上記遠心分離機に流入する被処理流体における固形成分の濃度、
   上記遠心分離機に流入する被処理流体の流量、および
   上記固形成分の濃度に応じた上記遠心分離機の分離効率
   に応じて得られる上記遠心分離機への固形成分の累積堆積量と、
   上記遠心分離機における固形成分の堆積許容量と、
   の大小関係に応じて、上記遠心分離機からの固形成分の排出タイミングを決定する排出タイミング制御部を備えたことを特徴とする遠心分離機の制御装置。
2. 請求項１の遠心分離機の制御装置であって、
   上記遠心分離機の分離効率は、さらに、上記遠心分離機に流入する被処理流体の流量に応じて定まる値であることを特徴とする遠心分離機の制御装置。
3. 請求項１および請求項２のうち何れか１項の遠心分離機の制御装置であって、
   上記遠心分離機における固形成分の堆積許容量は、上記排出タイミングが決定される際の上記被処理流体の流量に応じて定まる値であることを特徴とする遠心分離機の制御装置。
4. 請求項３の遠心分離機の制御装置であって、
   上記遠心分離機における固形成分の堆積許容量は、上記遠心分離機においてあらかじめ設定された許容量と、上記排出タイミングが決定される際の上記被処理流体の流量とに応じて定まる値であることを特徴とする遠心分離機の制御装置。
5. 請求項１から請求項４のうち何れか１項の遠心分離機の制御装置であって、
   上記排出タイミング制御部は、上記濃度と上記流量と上記分離効率との積を累積して、上記累積堆積量を算出する累積堆積量算出部を備えたことを特徴とする遠心分離機の制御装置。
6. 請求項４、または請求項４を引用する、請求項５の遠心分離機の制御装置であって、
   上記排出タイミング制御部は、上記遠心分離機においてあらかじめ設定された許容量と、上記排出タイミングが決定される際の上記被処理流体の流量に応じた許容量補正値とを乗算して、上記遠心分離機における固形成分の堆積許容量を求める堆積許容量算出部を備えたことを特徴とする遠心分離機の制御装置。
7. 請求項１から請求項６のうち何れか１項の遠心分離機の制御装置と、
   上記遠心分離機と、
   を備えたことを特徴とする遠心分離装置。
8. 請求項７の遠心分離装置と、
   エンジンから排出された固形成分をスクラバー水に吸収させるスクラバーと、
   を備え、
   上記遠心分離装置は、上記スクラバー水に含まれる上記固形成分を除去するように構成されたことを特徴とする舶用排気ガススクラバーシステム。
9. 請求項８の舶用排気ガススクラバーシステム備えたことを特徴とする舶用ディーゼルエンジン。

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