KR20160111545A - 선박 - Google Patents

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KR20160111545A
KR20160111545A KR1020167025388A KR20167025388A KR20160111545A KR 20160111545 A KR20160111545 A KR 20160111545A KR 1020167025388 A KR1020167025388 A KR 1020167025388A KR 20167025388 A KR20167025388 A KR 20167025388A KR 20160111545 A KR20160111545 A KR 20160111545A
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다카시 우에다
나오히로 히라오카
사토루 무라타
마사히코 와타나베
유스케 와타나베
아키노리 하소메
츠요시 마에다
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미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
미쯔비시 가꼬끼 가이샤 리미티드
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Abstract

적절히 세정된 배기 가스에 의해 EGR 을 실시하는 내연 기관을 구비한 선박을 제공한다.
선박 추진용의 엔진 본체 (3) 와, 엔진 본체 (3) 로부터의 배기 가스에 의해 구동되는 터빈 (5a) 및 컴프레서 (5b) 를 갖는 과급기 (5) 와, 터빈 (5a) 으로부터의 배기 가스가 유도되는 제 2 배기 경로 (L2) 와, 이코노마이저 (21) 의 상류측의 제 2 배기 경로 (L2) 의 분기점 (17) 에서부터 분기되고, 배기 가스의 일부를 컴프레서 (5a) 의 상류측으로 유도하는 EGR 경로 (L3) 와, EGR 경로 (L3) 에 설치된 벤투리 스크러버 (25) 를 구비하고 있다.

Description

선박{SHIP}
본 발명은, 배기 가스를 세정하는 배기 가스 세정 장치를 구비함과 함께 EGR 을 실시하는 내연 기관을 구비한 선박에 관한 것이다.
최근에는 환경에 대한 배려로부터, 선박의 추진용으로서 탑재된 엔진 (내연 기관) 으로부터 배출되는 배기 가스에 대한 규제가 강화되고 있다.
배기 가스 중에 함유되는 질소 산화물 (NOx) 을 저감시키기 위해서, 배기 가스의 일부를 엔진 본체의 급기측으로 되돌리는 EGR (배기 재순환；Exhaust Gas Recirculation) 이 실시되고 있다 (하기 특허문헌 1 참조). 동 문헌에 개시된 EGR 은, 과급기의 터빈에 유입되기 전의 고압으로 된 배기 가스를 재순환하는 방식의 것으로, 고압 EGR 로 칭해지고 있다.
이에 대해, 특허문헌 2 에 개시된 EGR 은, 과급기 터빈을 통과하여 감압된 후의 배기 가스를 재순환하는 방식의 것으로, 저압 EGR 로 칭해지고 있다. 동 문헌에서는, 배기 가스 중의 SOx (질소 산화물) 나 PM (입자상 물질) 을 제거하기 위해서 배기 가스 세정 장치가 설치되어 있다. 배기 가스 중의 SOx 에 대한 규제에 대해서도 향후에는 더욱 강화될 것이 예상되고, 동 문헌에 기재되어 있는 바와 같이, 스크러버 등의 배기 가스 세정 장치를 설치하는 것이 검토되고 있다.
또, 특허문헌 3 에 기재되어 있는 바와 같이, SOx 뿐만 아니라 PM 도 제거하는 배기 가스 세정 장치로서, 벤투리 스크러버 및 탈황 흡수탑을 구비한 습식 2 단 배연 탈황 장치가 알려져 있다.
또, 비특허문헌 1 에 기재되어 있는 바와 같이, 배기 가스를 세정하는 습식 포집 장치로서 다양한 형식의 것이 알려져 있다.
일본 공개특허공보 2012-172647호 일본 공개특허공보 2012-047056호 일본 공개특허공보 2009-240908호
카노 타케시, 「분체 입자의 거동 -이론과 실제-」, 산업 기술 센터, 1977년, p.371-376
특허문헌 2 에서는, 과급기 터빈의 출구 직후의 배기 가스가 아니라, 과급기 터빈으로부터 추가로 이코노마이저 및 배기 가스 세정 장치를 통과한 후의 배기 가스를 재순환시키고 있다. 이로써, EGR 을 실시하는지 여부에 상관없이 이코노마이저 및 배기 가스 세정 장치를 통과하므로, 이코노마이저에 의한 배열 회수가 낭비 없이 실시되며, 또한 EGR 률에 따라 배기 가스 세정 장치를 제어할 필요가 없다는 점에서 우수하다.
그리고, 특허문헌 2 에 기재된 구성은, 배기 가스 세정 장치에 의해 SOx 나 PM 이 충분히 제거되고 있으므로, EGR 을 실시하는 배기 가스의 성상으로서는 문제가 없고, 배기 가스를 재순환시킬 때에 추가로 세정 장치를 설치할 필요는 없는 것으로 생각되고 있었다.
또, 특허문헌 3 의 습식 2 단 배연 탈황 장치에서는, 벤투리 스크러버가 주로 PM 의 주성분인 매진의 제거를 실시하고, 탈황 흡수탑이 주로 SOx 의 제거를 실시한다. 그러나, 습식 2 단 배연 탈황 장치는, 벤투리의 스로트부에서 가스 유속을 크게 할 필요가 있기 때문에 압력 손실이 커서, 내연 기관의 과급기 터빈 출구의 하류와 같은 저압 라인에 설치하는 경우에는 탈황 장치 후에 배출용의 블로어가 필수가 되어 버린다. 따라서, 만일, 특허문헌 3 의 습식 2 단 배연 탈황 장치를 특허문헌 2 에 적용한 경우, 내연 기관으로부터 배출되는 모든 배기 가스 (습식 2 단 배연 탈황 장치를 통과한 후에 EGR 경로로 유입되는 배기 가스를 포함한다) 가 벤투리 스크러버를 지나기 때문에, 전체 배기 가스를 흘리기 위한 대용량의 블로어가 필요해져 버린다는 문제가 발생한다.
또, 탈황 흡수탑에 더하여 벤투리 스크러버를 설치하기 때문에, 장치 사이즈도 크고, 선박의 굴뚝 사이즈가 커진다는 문제도 발생하고, 나아가 선박으로서의 설계를 변경할 수 밖에 없다는 문제도 발생한다.
또, 비특허문헌 1 에 나타내어져 있는 바와 같이 각종 습식 포집 장치 (배기 가스 세정 장치) 가 다양하게 알려져 있지만, 이론적으로도 현실적으로도 SOx 와 PM 을 함께 제거할 수 있는 장치의 존재는 알려져 있지 않았다.
특히, 예를 들어 SOx 제거율 [배기 가스 세정 장치의 입구에 있어서의 배기 가스 중의 SOx 량에 대한 출구에 있어서의 배기 가스 중의 SOx 량의 백분율] 이 95 ％ 이상과 같이 SOx 의 충분한 제거가 요구되는 경우에는, 배기 가스 세정 장치를 흐르는 흡수액 (예를 들어, 물, 해수 등이나 이들의 수용액) 과 SOx 를 함유하는 배기 가스의 접촉 시간을 길게 함으로써 SOx 가 액체에 용해되는 시간을 확보할 필요가 있는 것으로 생각되고 있었기 때문에, 충전탑식 스크러버 (특허문헌 3 의 탈황 흡수탑) 가 필요한 것으로 일반적으로 생각되고 있었다.
한편, 벤투리 스크러버는, 벤투리에 의해 배기 가스의 유속을 증가시키는 방식이기 때문에, 액체와 SOx 의 접촉 시간을 충분히 확보할 수 없어, SOx 를 효율적으로 제거할 수 없는 것으로 생각되고 있었다.
본 발명은, 이와 같은 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, SOx 뿐만 아니라 PM 등의 불순물도 확실하게 제거된 배기 가스에 의해 EGR 을 실시할 수 있는 내연 기관을 구비한 선박을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또, 배기 가스 세정 장치의 설치 스페이스를 가급적 삭감할 수 있는 내연 기관을 구비한 선박을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또, 배기 가스를 강제 송풍하기 위한 블로어 용량을 가급적 저감시킬 수 있는 내연 기관을 구비한 선박을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 선박은 이하의 수단을 채용한다.
즉, 본 발명에 관련된 선박은, 선박 추진용의 내연 기관 본체와, 그 내연 기관 본체로부터의 배기 가스에 의해 구동되는 터빈, 및, 그 터빈에 연결됨과 함께 흡기를 압축하는 컴프레서를 갖는 과급기와, 상기 내연 기관 본체로부터의 배기 가스가 유도되는 배기 가스 경로와, 상기 배기 가스 경로의 분기점에서부터 분기되고, 배기 가스의 일부를 상기 내연 기관 본체의 흡기 경로로 유도하는 EGR 경로와, 그 EGR 경로에 설치되고, 벤투리 스크러버로 된 EGR 배기 가스 세정 장치를 구비하고 있다.
발명자들이 예의 검토한 결과, 벤투리 스크러버는 PM 등의 불순물뿐만 아니라 SOx 를 제거하는 성능을 갖고 있음을 알아냈다. 그래서, EGR 경로에 설치되는 EGR 배기 가스 세정 장치로서 벤투리 스크러버를 채용하는 것으로 하였다. 이로써, EGR 운전시에 EGR 경로에서 PM 등의 불순물뿐만 아니라 SOx 도 제거할 수 있다.
EGR 경로에 벤투리 스크러버를 설치하는 것으로 하였으므로, 벤투리 스크러버에 의해 발생하는 압력 손실을 보충하는 경우라 하더라도 EGR 경로를 흐르는 배기 가스량에 따른 용량의 EGR 블로어를 설치하면 되어, 내연 기관 본체로부터 배출되는 배기 가스의 전체량에 대해 블로어를 설치하는 경우에 비해 블로어 용량을 저감시킬 수 있다.
또, 벤투리 스크러버는, 탈황 흡수탑과 같은 일반적인 스크러버에 비해 사이즈가 작기 때문에, 설치 스페이스를 가급적 삭감할 수 있다. 또, 벤투리 스크러버를 내연 기관 본체의 부속 설비로서 내연 기관 본체 상에 설치할 수 있어, 보다 더 콤팩트하게 할 수 있음과 함께, 선박으로서의 내연 기관 본체의 설치 장소의 설계를 변경하지 않아도 된다는 장점이 있다.
또한, EGR 경로는, 과급기의 터빈의 상류측에서부터 분기되어도 되고 (고압 EGR), 과급기의 터빈의 하류측에서부터 분기되어도 된다 (저압 EGR).
또한, 본 발명의 선박에서는, 상기 터빈과 상기 분기점 사이, 및, 상기 분기점과 상기 EGR 배기 가스 세정 장치 사이에는, 배기 가스 중의 황 산화물을 제거하기 위한 배기 가스 세정 장치가 설치되어 있지 않은 것으로 해도 된다.
상기 터빈과 분기점 사이, 및, 분기점과 EGR 배기 가스 세정 장치 사이, 즉 EGR 배기 가스 세정 장치의 상류측에, 황 산화물을 제거하기 위한 탈황 흡수탑과 같은 배기 가스 세정 장치가 설치되어 있지 않기 때문에, 설치 스페이스를 삭감할 수 있다.
또, EGR 배기 가스 세정 장치의 상류측에 한정되지 않고, 분기점보다 하류측의 배기 가스 경로에도 배기 가스 세정 장치를 설치하지 않는 것으로 해도 된다. 분기점보다 하류측의 배기 가스 경로에 배기 가스 세정 장치가 설치되어 있지 않아도, EGR 경로에 설치한 벤투리 스크러버로 SOx 를 제거할 수 있으므로, 재순환되는 배기 가스에 의해 내연 기관 본체의 흡기 경로에 있어서, 저온부에서 황산이 되어 응축되는 것으로 인한, 이른바 황산 노점 부식을 발생시키는 경우가 없다.
또한, 본 발명의 선박에서는, 상기 배기 가스 경로에는, 배기 가스로부터 열을 회수하는 배열 회수 장치가 설치되고, 상기 EGR 경로는, 그 배열 회수 장치의 상류측에서부터 분기되어 있다.
배열 회수 장치의 상류측에서부터 EGR 경로를 분기하는 것으로 하였으므로, 선박의 굴뚝 근방에 배치되어 있는 배열 회수 장치의 하류측에서부터 분기되는 경우에 비해, 배관의 압손을 저감시킬 수 있기 때문에, 배기 가스의 압력을 높게 유지한 채로 벤투리 스크러버로 된 EGR 배기 가스 세정 장치로 배기 가스를 유도할 수 있다. 이로써, EGR 블로어의 부하를 저감시킬 수 있고, 벤투리 스크러버를 효율적으로 작동시킬 수 있다. 또, 내연 기관 본체 부근에서부터 분기할 수 있기 때문에, EGR 경로의 배관 길이를 대폭 짧게 할 수 있어, 보다 더 콤팩트하게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 선박에서는, 상기 배기 가스 경로에 설치되고, 배기 가스로부터 열을 회수하는 배열 회수 장치와, 상기 배기 가스 경로이며 또한 상기 배열 회수 장치의 하류에 설치되고, 배기 가스 중의 황 산화물을 제거하기 위한 배기 가스 세정 장치를 구비하고, 상기 EGR 경로는, 상기 배열 회수 장치 및 상기 배기 가스 세정 장치의 하류측에서부터 분기된다.
배기 가스 경로에 설치된 배기 가스 세정 장치에 더하여, 추가로 EGR 경로에 EGR 배기 가스 세정 장치를 설치하는 것으로 하였다. 이로써, 배기 가스 세정 장치에서 충분히 제거되지 않은 매진을 주성분으로 한 PM 등의 불순물 및 SOx 를 EGR 배기 가스 세정 장치에서 확실하게 제거할 수 있다. 본 구성에 있어서는 배기 가스 세정 장치에서 SOx 가 제거된 후에 EGR 배기 가스 세정 장치를 통과하기 때문에, SOx 제거 효과를 더욱 높일 수 있다.
또, EGR 배기 가스 세정 장치는, 대부분의 SOx 가 제거된 후의 배기 가스 중의 PM 등의 불순물을 제거하는 것을 주목적으로 하고 있으므로, 더욱 소형화가 가능해져 내연 기관 본체 상에 설치할 수 있고, 또 장치에 부수되는 유틸리티의 저감이 가능해진다.
또한, 배기 가스 세정 장치로는, 전형적으로는 탈황 흡수탑을 들 수 있다.
또한, 본 발명의 선박에서는, 상기 배기 가스 세정 장치는, 물을 산포하는 스크러버로 되고, 상기 배기 가스 세정 장치 및 상기 EGR 배기 가스 세정 장치로부터의 배수를 처리하는 공통의 배수 처리 장치를 구비하고 있다.
스크러버로 된 배기 가스 처리 장치 및 벤투리 스크러버로 된 EGR 배기 가스 처리 장치로부터의 배수를 공통의 배수 처리 장치에서 처리하는 것으로 하였다. 이로써, 배수 처리 장치의 설치 스페이스를 생략할 수 있어 효율적으로 배수 처리를 실시할 수 있다.
또한, 본 발명의 선박에서는, 상기 EGR 경로는, 상기 컴프레서의 상류측으로 유도되는 것으로 해도 된다. 또는, 상기 EGR 경로는, 상기 컴프레서의 하류측이며 또한 상기 공기 냉각기의 상류측으로 유도되는 것으로 해도 된다. 또는, 상기 EGR 경로는, 상기 공기 냉각기의 하류측으로 유도되는 것으로 해도 된다.
EGR 경로에 설치되는 EGR 배기 가스 세정 장치로서 벤투리 스크러버를 채용하는 것으로 하였으므로, EGR 운전시에 EGR 경로에서 PM 등의 불순물뿐만 아니라 SOx 도 충분히 제거할 수 있다. 이로써, 과급기의 컴프레서나 내연 기관 본체에 악영향을 미치는 경우가 없다.
도 1 은, 본 발명의 선박의 제 1 실시형태를 나타낸 개략 구성도이다.
도 2 는, 본 발명의 선박의 제 2 실시형태를 나타낸 개략 구성도이다.
[제 1 실시형태]
이하에, 본 발명에 관련된 제 1 실시형태에 대해, 도 1 을 참조하여 설명한다.
도 1 에는, 선박에 설치된 디젤 엔진 (내연 기관) (1) 주변의 개략 구성이 나타내어져 있다.
디젤 엔진 (1) 은, 선박 추진용의 주기로 된 디젤 엔진 본체 (이하, 간단히 「엔진 본체」라고 한다) (3) 와, 엔진 본체 (3) 로부터의 배기 가스에 의해 구동되는 과급기 (5) 와, 과급기 (5) 로부터 유도된 배기 가스의 일부가 엔진 본체 (3) 로 재순환되어 저압 EGR 을 실시하는 EGR 시스템 (7) 을 구비하고 있다.
엔진 본체 (3) 는, 선박용 2 사이클 디젤 엔진으로 되어 있고, 예를 들어 하방으로부터 급기하여 상방으로 배기하도록 1 방향으로 소기 (掃氣) 되는 유니플로형이 채용되어 있다. 엔진 본체 (3) 로부터의 출력은, 도시되지 않은 프로펠러축을 개재하여 스크루 프로펠러에 직접적으로 접속되어 있다.
엔진 본체 (3) 의 각 기통의 실린더부 (9) (도 1 에서는 예시로서 4 기통만을 나타내고 있다) 의 배기 포트는 배기 가스 집합관으로서의 배기 정압관 (11) 에 접속되어 있다. 배기 정압관 (11) 은, 제 1 배기 경로 (L1) 를 통해, 과급기 (5) 의 터빈 (5a) 의 입구측과 접속되어 있다.
한편, 각 실린더부 (9) 의 소기 포트는 소기 트렁크 (13) 에 접속되어 있고, 소기 트렁크 (13) 는, 소기 경로 (K1) 를 통해, 과급기 (5) 의 컴프레서 (5b) 와 접속되어 있다. 또, 소기 경로 (K1) 에는 인터쿨러로서의 공기 냉각기 (15) 가 설치되어 있다.
과급기 (5) 는, 터빈 (5a) 과 컴프레서 (5b) 를 구비하고 있다. 터빈 (5a) 및 컴프레서 (5b) 는, 회전축 (5c) 에 의해 동축으로 연결되어 있다. 터빈 (5a) 은, 엔진 본체 (3) 로부터의 배기 가스에 의해 구동되고, 터빈 (5a) 에서 얻어진 터빈 작업은 회전축 (5c) 을 개재하여 컴프레서 (5b) 에 전달된다. 컴프레서 (5b) 는, 외기 (공기) 나 외기와 재순환 가스의 혼합기를 흡입하여 소정의 소기압까지 승압시킨다. 터빈 (5a) 에서 터빈 작업을 부여한 후의 배기 가스는, 제 2 배기 경로 (L2) 로 유출된다. 제 2 배기 경로 (L2) 에는, 이코노마이저 (배열 회수 장치) (21) 가 접속되어 있다. 이코노마이저 (21) 는, 엔진 본체 (3) 로부터의 배기 가스에 의해 증기를 생성한다. 생성된 증기는, 선내의 각처에서 이용된다.
이코노마이저 (21) 의 상류측에는 분기점 (17) 이 형성되어 있고, 이 분기점 (17) 으로부터 EGR 경로 (L3) 가 분기된다. EGR 경로 (L3) 에는, EGR 을 실시하기 위한 EGR 밸브 (19) 가 설치되어 있다. EGR 밸브 (19) 는, 도시되지 않은 제어부에 의해 개도가 조정되도록 되어 있어, 엔진 본체 (3) 가 EGR 을 실시하는 운전시에는 전체 열림으로 되고, EGR 을 실시하지 않을 때는 전체 닫힘으로 된다. 단, 본 실시형태에 한정되지 않고, 운전 상태에 따라 EGR 밸브 (19) 의 밸브 개도를 적절히 조정하는 구성으로 할 수도 있다.
EGR 경로 (L3) 에 설치된 EGR 밸브 (19) 의 하류측에는, 벤투리 스크러버 (EGR 배기 가스 세정 장치) (25) 가 접속되어 있다.
벤투리 스크러버 (25) 는, EGR 경로 (L3) 를 흐르는 배기 가스에 대해 물 등의 액체를 분무함으로써 배기 가스 중에 함유되어 있는 PM 등의 불순물뿐만 아니라 SOx 도 제거한다. 벤투리 스크러버 (25) 는, 엔진 본체 (3) 의 근방 혹은 엔진 본체 (3) 상에 설치되어 있다. 이와 같은 배치는, 탈황 흡수탑과 같은 일반적인 스크러버에 비해 벤투리 스크러버 (25) 는 사이즈가 작으므로 (예를 들어, 벤투리 스크러버는 일반적인 스크러버와 비교하여 직경이 대략 5 분의 1 ∼ 2 분의 1, 높이가 대략 3 분의 1 ∼ 2 분의 1 로 되고, 엔진 본체 (3) 에 재치 (載置) 가능한 사이즈로 구성되므로) 가능하게 되어 있다.
벤투리 스크러버 (25) 는, 벤투리 스크러버 본체 (25a) 와, 벤투리 스크러버 본체 (25a) 에 접속된 기액 분리기 (25b) 를 구비하고 있다.
벤투리 스크러버 본체 (25a) 는, 연직 상방에 형성된 상부 대경부 (25c) 와, 상부 대경부 (25c) 의 하방에 형성되고 흐름 방향으로 유로 단면적이 점차 감소하는 축소 테이퍼부 (25d) 와, 축소 테이퍼부 (25d) 의 하방에 형성된 스로트부 (25e) 와, 스로트부 (25e) 의 하방에 형성되고 흐름 방향으로 유로 단면적이 점차 증대하는 확대 테이퍼부 (25f) 와, 확대 테이퍼부 (25f) 의 하방에 형성된 하부 대경부 (25g) 를 구비하고 있다.
상부 대경부 (25c) 에는, 스프레이 노즐 (25h) 이 설치되어 있고, 스프레이 노즐 (25h) 로부터 물이나 수용액 등의 흡수액이 축소 테이퍼부 (25d) 와 스로트부 (25e) 의 접속 위치를 향해 분무된다. 스프레이 노즐 (25h) 로부터 분무된 흡수액은, 벤투리 스크러버 본체 (25a) 의 스로트부 (25e) 에서 배기 가스의 유속이 증대됨으로써 효과적으로 확산 및 혼합되어, PM 등의 불순물뿐만 아니라 SOx 도 제거한다.
기액 분리기 (25b) 에서는, 벤투리 스크러버 본체 (25a) 로부터 유도된 배기 가스 중에 함유되는 수분이 제거된다. 기액 분리기 (25b) 의 출구에는, 배기 가스 중에 잔존하는 미스트를 제거하는 미스트 세퍼레이터 (25i) 가 설치되고, 분리된 미스트는 기액 분리기 (25b) 내에 모아진다.
또한 기액 분리기 (25b) 로는, 미스트 세퍼레이터를 사용한 방식 대신에, 배기 가스를 선회시켜 기액을 분리시키는 사이클론 방식으로 해도 된다.
기액 분리기 (25b) 의 하류측에는, EGR 블로어 (27) 가 설치되어 있다. EGR 블로어 (27) 는, 인버터에 의해 주파수 가변으로 된 전동 모터 (29) 에 의해 회전 구동된다. EGR 블로어 (27) 는, EGR 밸브 (19) 및 벤투리 스크러버 (25) 를 지나 EGR 경로 (L3) 를 구성하는 배관을 흐를 때에 발생하는 배기 가스의 압력 손실을 보충하도록 사용된다.
EGR 블로어 (27) 의 하류측에는, 믹서 (39) 가 설치되어 있다. 믹서 (39) 에서, 재순환하는 배기 가스와 공기가 혼합된다. 믹서 (39) 에서 혼합된 혼합 가스 (EGR 이 실시되지 않는 경우에는 공기만) 는, 급기 경로 (K2) 를 지나 컴프레서 (5b) 의 흡입구로 유도된다. 또한, 도시되지 않은 EGR 냉각기를 EGR 경로 상에 설치해도 된다. 이 경우, 예를 들어 EGR 냉각기는 EGR 블로어의 하류측에 설치된다.
다음으로, 상기 구성의 디젤 엔진 (1) 을 구비한 선박의 동작에 대해 설명한다.
선박이 배기 가스의 NOx 규제가 엄격하게 되어 있는 해역 (배기 가스 규제 해역 (Emission Control Area；ECA)) 을 항행할 때와 같이 EGR 을 사용하는 경우에는, EGR 밸브 (19) 를 열림으로 한다. 이로써, 엔진 본체 (3) 로부터 제 1 배기 경로 (L1) 를 지나 터빈 (5a) 으로 유도된 배기 가스가 이코노마이저 (21) 를 통과하기 전에, 분기점 (17) 에서 분기되어 EGR 시스템 (7) 측으로 흐른다. 잔부의 배기 가스는, 제 2 배기 경로 (L2) 를 흘러 이코노마이저 (21) 를 통과한 후에 도시되지 않은 굴뚝으로부터 대기로 방출된다.
EGR 시스템 (7) 을 흐르는 배기 가스는 재순환 가스로서, EGR 밸브 (19) 를 지나 벤투리 스크러버 (25) 를 흐른다. 벤투리 스크러버 (25) 에서 PM 등의 불순물뿐만 아니라 SOx 가 제거된 배기 가스가 EGR 블로어 (27) 로 유도되고, EGR 블로어 (27) 에서 소정압까지 가압된 배기 가스가 믹서 (39) 로 유도된다. 믹서 (39) 에서는, 공기와 배기 가스가 혼합되고, 흡기 경로 (K2) 를 지나 컴프레서 (5b) 의 흡입구로 유도된다. 컴프레서 (5b) 에서 가압된 공기와 배기 가스의 혼합기는, 소기 경로 (K1) 를 지나 공기 냉각기 (15) 로 유도되고, 공기 냉각기 (15) 에서 냉각된 후에 소기 트렁크 (13) 로 유도된다.
이하에, 벤투리 스크러버에 의해 SOx 가 제거되는 것을 확인한 시험 결과에 대해 설명한다. 상기 서술한 바와 같이, 벤투리 스크러버는, 일반적으로, 유속을 증대시켜 흡수액의 확산을 높이는 것에 의해 PM 등의 불순물을 효과적으로 제거하는 것으로서 알려져 있지만, SOx 의 제거에 대해서도 효과가 있음을 새롭게 알아냈다.
하기의 표 1 에는, 벤투리 스크러버 입구에 있어서의 배기 가스의 조성이 나타내어져 있고, 표 2 에는, 벤투리 스크러버 출구에 있어서의 배기 가스의 조성이 나타내어져 있다. 각 표에 있어서, No.1 내지 No.8 은, 각 샘플링의 시험 번호를 나타내고, 전수로 8 회의 샘플링을 실시하였다.
시험에 사용한 벤투리 스크러버는, 스로트부에 있어서의 최대 가스 유속 50 ∼ 80 m/s, 액가스비 (흡수액의 분무량 [㎏]/표준 상태 환산의 가스 유량 [Nm3]) 0.5 ∼ 2.0 ㎏/Nm3 의 사양의 것을 사용하였다. 벤투리 스크러버의 노즐은 1 유체 노즐을 사용하고, 분무 각도는 80 ∼ 100°로 하였다.
시험에 사용한 배기 가스는, 선박용 2 사이클 디젤 엔진의 실제의 배기 가스를 사용하였다. 연료는 A 중유를 사용하고, A 중유 중의 황분은 0.71 wt％ 였다. 엔진 회전수는 정격 회전수인 105 rpm 으로 하였다. 가스의 성상 분석은, (주) 호리바 제작소의 가스 분석계 PG-250 을 사용하고, NOx 는 상압 화학 발광법으로, SOx 와 CO2 는 비분산형 적외선 흡수법으로, 또 O2 는 지르코니아 산소 분석계로 계측을 실시하였다.
Figure pat00001
Figure pat00002
상기 시험 결과로부터, 벤투리 스크러버는, SOx 를 대폭 제거할 수 있는 것을 알 수 있다. 특히, NOx, CO2 및 O2 에 대해서는 유의적인 제거를 할 수 없음에도 불구하고, SOx 에 대해서만 제거할 수 있다는 점은, 종래에는 알려져 있지 않은 새로운 지견이다.
이상과 같이, 본 실시형태의 디젤 엔진 (1) 을 구비한 선박에 의하면, 이하의 작용 효과를 발휘한다.
EGR 경로에 설치되는 EGR 배기 가스 세정 장치로서 벤투리 스크러버 (25) 를 채용하는 것으로 하였으므로, EGR 운전시에 EGR 경로 (L3) 에서 PM 등의 불순물뿐만 아니라 SOx 도 제거할 수 있다. 이로써, 컴프레서 (5b) 나 엔진 본체 (3) 에 악영향을 미치는 경우가 없다.
EGR 경로 (L3) 에 벤투리 스크러버 (25) 를 설치하는 것으로 하였으므로, 벤투리 스크러버 (25) 에 의해 발생하는 압력 손실을 보충하는 경우라 하더라도 EGR 경로 (L3) 를 흐르는 배기 가스량에 따른 용량의 EGR 블로어 (27) 를 설치하면 되어, 엔진 본체 (3) 로부터 배출되는 배기 가스의 전체량에 대해 블로어를 설치하는 경우에 비해 블로어 용량을 저감시킬 수 있다.
또, 벤투리 스크러버 (25) 는, 탈황 흡수탑과 같은 일반적인 스크러버에 비해 사이즈가 작기 때문에, 설치 스페이스를 삭감할 수 있다. 또, 벤투리 스크러버 (25) 를 엔진 본체 (3) 의 부속 설비로서 엔진 본체 (3) 상에 설치할 수 있어, 보다 더 콤팩트하게 할 수 있음과 함께, 선박으로서의 엔진 본체 (3) 의 설치 장소의 설계를 변경하지 않아도 되는 장점이 있다.
배기 가스 경로인 제 2 배기 경로 (L2) 에, 황 산화물을 제거하기 위한 배기 가스 세정 장치가 설치되어 있지 않기 때문에, 설치 스페이스를 삭감할 수 있다.
또, 제 2 배기 경로 (L2) 에 배기 가스 세정 장치가 설치되어 있지 않아도, EGR 경로 (L3) 에 설치한 벤투리 스크러버 (25) 에서 SOx 를 제거할 수 있으므로, 재순환되는 배기 가스에 의해 엔진 본체 (3) 의 흡기 경로에 있어서, 저온부에서 황산으로 되어 응축되는 것으로 인한, 이른바 황산 노점 부식을 발생시키는 경우가 없다.
이코노마이저 (21) 의 상류측에서부터 EGR 경로 (L3) 를 분기하는 것으로 하였으므로, 선박의 굴뚝 근방에 배치되어 있는 이코노마이저 (21) 의 하류측에서부터 분기되는 경우에 비해, 배관의 압손을 저감시킬 수 있기 때문에, 배기 가스의 압력을 높게 유지한 채로 벤투리 스크러버 (25) 로 배기 가스를 유도할 수 있다. 이로써, EGR 블로어 (27) 의 부하를 저감시킬 수 있어, 벤투리 스크러버 (25) 를 효율적으로 작동시킬 수 있다. 또, 엔진 본체 (3) 부근에서부터 분기할 수 있기 때문에, EGR 경로 (L3) 의 배관 길이를 대폭 짧게 할 수 있어, 보다 더 콤팩트하게 할 수 있다.
[제 2 실시형태]
다음으로, 본 발명의 선박에 관련된 제 2 실시형태에 대해 설명한다. 본 실시형태는, 제 1 실시형태에 대해, 제 2 배기 경로 (L2) 에 탈황 흡수탑 (23) 을 구비하고 있는 점에서 상이하다. 그 밖의 공통되는 구성에 대해서는, 동일 부호를 사용하여 그 설명을 생략한다.
제 2 배기 경로 (L2) 에는, 이코노마이저 (배열 회수 장치) (21) 와 탈황 흡수탑 (배기 가스 세정 장치) (23) 이 순서대로 접속되어 있다.
탈황 흡수탑 (23) 은, 예를 들어 충전탑식 스크러버로 되고, 배기 가스에 대해 물이나 수용액 등의 흡수액을 분무함으로써 배기 가스 중에 함유되어 있는 SOx 를 제거한다. 또한, 후술하겠지만, EGR 경로 (L3) 로 유도되는 배기 가스는, 탈황 흡수탑 (23) 을 통과한 후에 유도되므로, SOx 에 대해서는 충분히 제거되어 있고, 벤투리 스크러버 (25) 에서는 주로 PM 등의 불순물과 잔존하는 SOx 의 제거가 실시된다.
또한, 탈황 흡수탑 (23) 은, 엔진 본체 (3) 의 연료로서 SOx 규제 해역에 있어서의 규제치 이상의 S 분 (예를 들어 1.0 ％ 이상) 의 황분을 함유하는 연료가 사용될 때에 적용된다.
탈황 흡수탑 (23) 의 하류측에는 분기점 (17') 이 형성되어 있고, 이 분기점 (17') 으로부터 EGR 경로 (L3) 가 분기된다. EGR 경로 (L3) 에, EGR 밸브 (19), 벤투리 스크러버 (25), EGR 블로어 (27) 가 설치되어 있는 점은 제 1 실시형태와 동일하다.
벤투리 스크러버 (25) 로부터의 배수는, 상기 서술한 탈황 흡수탑 (23) 과 동일한 배수 처리 장치 (도시 생략) 에서 처리되도록 되어 있다. 즉, 탈황 흡수탑 (23) 및 벤투리 스크러버 (25) 로부터의 배수를 공통의 배수 처리 장치에서 처리한다.
다음으로, 상기 구성의 디젤 엔진 (1) 을 구비한 선박의 동작에 대해 설명한다.
선박이 배기 가스의 NOx 규제가 엄격하게 되어 있는 해역 (배기 가스 규제 해역 (Emission Control Area；ECA)) 을 항행할 때와 같이 EGR 을 사용하는 경우에는, EGR 밸브 (19) 를 열림으로 한다. 이로써, 엔진 본체 (3) 로부터 제 1 배기 경로 (L1) 를 지나 터빈 (5a) 으로 유도된 배기 가스가 이코노마이저 (21) 및 탈황 흡수탑 (23) 을 통과한 후에, 분기점 (17') 에서 분기되어 EGR 시스템 (7) 측으로 흐른다. 잔부의 배기 가스는, 제 2 배기 경로 (L2) 를 흘러 도시되지 않은 굴뚝으로부터 대기로 방출된다.
EGR 시스템 (7) 을 흐르는 배기 가스는 재순환 가스로서 EGR 밸브 (19) 를 지나 벤투리 스크러버 (25) 를 흐른다. 벤투리 스크러버 (25) 에서, PM 등의 불순물과 탈황 흡수탑 (23) 에서 제거되지 않았던 SOx 가 제거된다. 벤투리 스크러버 (25) 를 통과한 배기 가스가 EGR 블로어 (27) 로 유도되고, EGR 블로어 (27) 에서 소정압까지 가압된 배기 가스가 믹서 (39) 로 유도된다. 믹서 (39) 에서는, 공기와 배기 가스가 혼합되고, 흡기 경로 (K2) 를 지나 컴프레서 (5b) 의 흡입구로 유도된다. 컴프레서 (5b) 에서 가압된 공기와 배기 가스의 혼합기는, 소기 경로 (K1) 를 지나 공기 냉각기 (15) 로 유도되고, 공기 냉각기 (15) 에서 냉각된 후에 소기 트렁크 (13) 로 유도된다.
이상과 같이, 본 실시형태의 디젤 엔진 (1) 을 구비한 선박에 의하면, 이하의 작용 효과를 발휘한다.
제 2 배기 경로 (L2) 에 설치된 탈황 흡수탑 (23) 에 더하여, 추가로 EGR 경로 (L3) 에 벤투리 스크러버 (25) 를 설치하는 것으로 하였다. 이로써, 탈황 흡수탑 (23) 에서 충분히 제거되지 않은 PM 등의 불순물 및 잔존하는 SOx 를 벤투리 스크러버 (25) 에서 확실하게 제거할 수 있다. 이로써, 컴프레서 (5b) 나 엔진 본체 (3) 에 악영향을 미치는 경우가 없다.
또, 벤투리 스크러버 (25) 는, 탈황 흡수탑 (23) 을 통과한 후의 배기 가스 중의 PM 등의 불순물과 잔존하는 SOx 의 제거를 주목적으로 하고 있으므로, 제 1 실시형태의 벤투리 스크러버에 비해 더욱 소형화가 가능해지고, 또 장치에 부수되는 유틸리티의 저감이 가능해진다.
탈황 흡수탑 (23) 및 벤투리 스크러버 (25) 로부터의 배수를 공통의 배수 처리 장치에서 처리하는 것으로 하였다. 이로써, 배수 처리 장치의 설치 스페이스를 생략할 수 있어 효율적으로 배수 처리를 실시할 수 있다.
이코노마이저 (21) 의 하류측의 분기점 (17') 에서부터 분기되어 EGR 을 실시하는 것으로 하고, EGR 을 실시하는지 여부에 상관없이 이코노마이저 (21) 를 전체량의 배기 가스가 통과하는 것으로 하였으므로, 이코노마이저 (21) 에 의한 배열 회수가 낭비 없이 유효하게 실시된다.
또, 탈황 흡수탑 (23) 의 하류측의 분기점 (17') 에서부터 분기되어 EGR 을 실시하는 것으로 하였으므로, EGR 을 실시하는지 여부에 상관없이 탈황 흡수탑 (23) 을 통과하므로, EGR 률에 따라 탈황 흡수탑 (23) 을 제어할 필요가 없다.
또, 전체량의 배기 가스가 탈황 흡수탑 (23) 을 통과하므로, SOx 규제 해역을 선박이 항행하는 경우에도 비교적 고가의 저 S 분 연료 (예를 들어 황분이 1.0 ％ 이하) 를 사용할 필요가 없다.
탈황 흡수탑 (23) 을 통과하여 냉각된 후의 배기 가스를 EGR 밸브 (19) 및 벤투리 스크러버 (25) 로 유도하는 것으로 하였으므로, EGR 밸브 (19) 및 벤투리 스크러버 (25) 의 구성 부품으로서 내고온 부재를 사용하지 않아도 된다. 나아가서는, 배기 가스 온도가 낮기 때문에 배기 가스 중에 함유되는 수증기를 줄일 수 있음과 함께, 미스트 직경을 크게 할 수 있어, 미스트 세퍼레이터 (25i) 에서의 미스트 회수율을 증대시킬 수 있다. 이로써, EGR 블로어 (27) 의 날개나 컴프레서 (5b) 의 날개를 보호할 수 있어, 메인터넌스 주기를 길게 할 수 있다.
또, 과급기 (5) 의 터빈 (5a) 의 직후에서부터 분기되어 배기 가스를 재순환하는 것이 아니라, 탈황 흡수탑 (23) 의 하류측의 분기점 (17') 에서부터 배기 가스의 재순환을 실시하는 것으로 하여, EGR 경로를 길게 하는 것으로 하였다. 이로써, EGR 경로 (L3) 를 배기 가스가 유통하는 동안에 탈황 흡수탑 (23) 으로부터 수반되는 미스트나 증기를 제거할 수 있고, EGR 블로어 (27) 의 날개나 컴프레서 (5b) 의 날개를 보호할 수 있어, 메인터넌스 주기를 더욱 길게 할 수 있다.
또한, 상기 서술한 각 실시형태에서는, EGR 경로 (L3) 를 터빈 (5a) 의 하류측에서부터 분기되는 저압 EGR 을 전제로 하여 설명하였지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어, 터빈 (5a) 의 상류측의 제 1 배기 경로 (L1) 에서부터 분기되는 고압 EGR 로 해도 된다.
또, 상기 서술한 각 실시형태에서는, EGR 경로 (L3) 의 하류측의 접속처를 컴프레서 (5b) 의 상류측으로 하였지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어, 컴프레서 (5b) 의 하류측이며 또한 공기 냉각기 (15) 의 상류측에 EGR 경로 (L3) 의 하류측을 접속해도 되고, 또는, 공기 냉각기 (15) 의 하류측에 EGR 경로 (L3) 의 하류측을 접속해도 된다.
또, 도 2 에 나타낸 제 2 실시형태에서는, 분기점 (17') 을 탈황 흡수탑 (23) 의 하류측의 위치로 하였지만, 이코노마이저 (21) 의 상류측으로 해도 되고, 또, 이코노마이저 (21) 와 탈황 흡수탑 (23) 사이로 해도 된다.
1 : 디젤 엔진 (내연 기관)
3 : 엔진 본체 (내연 기관 본체)
5 : 과급기
5a : 터빈
5b : 컴프레서
7 : EGR 시스템
11 : 배기 정압관
13 : 소기 트렁크
15 : 공기 냉각기
19 : EGR 밸브
21 : 이코노마이저 (배열 회수 장치)
23 : 탈황 흡수탑 (배기 가스 세정 장치)
25 : 벤투리 스크러버 (EGR 배기 가스 세정 장치)
27 : EGR 블로어
L1 : 제 1 배기 경로
L2 : 제 2 배기 경로
L3 : EGR 경로
K1 : 소기 경로

Claims (8)

  1. 선박 추진용의 내연 기관 본체와,
    그 내연 기관 본체로부터의 배기 가스에 의해 구동되는 터빈, 및, 그 터빈에 연결됨과 함께 흡기를 압축하는 컴프레서를 갖는 과급기와,
    상기 내연 기관 본체로부터의 배기 가스가 유도되는 배기 가스 경로와,
    상기 배기 가스 경로의 분기점에서부터 분기되고, 배기 가스의 일부를 상기 내연 기관 본체의 흡기 경로로 유도하는 EGR 경로와,
    그 EGR 경로에 설치된 EGR 배기 가스 세정 장치를 구비하고,
    상기 EGR 배기 가스 세정 장치는, 상기 내연 기관 본체 상에 설치되어 있는 내연 기관.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 터빈과 상기 분기점 사이, 및, 상기 분기점과 상기 EGR 배기 가스 세정 장치 사이에는, 배기 가스 중의 황 산화물을 제거하기 위한 배기 가스 세정 장치가 설치되어 있지 않은 내연 기관.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기 가스 경로에는, 배기 가스로부터 열을 회수하는 배열 회수 장치가 설치되고,
    상기 EGR 경로는, 그 배열 회수 장치의 상류측에서부터 분기되어 있는 내연 기관.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기 가스 경로에 설치되고, 배기 가스로부터 열을 회수하는 배열 회수 장치와,
    상기 배기 가스 경로에 설치되고, 배기 가스 중의 황 산화물을 제거하기 위한 배기 가스 세정 장치를 구비하고,
    상기 EGR 경로는, 상기 배열 회수 장치 및 상기 배기 가스 세정 장치의 하류측에서부터 분기되는 내연 기관.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 배기 가스 세정 장치는, 물을 산포하는 스크러버로 되고,
    상기 배기 가스 세정 장치 및 상기 EGR 배기 가스 세정 장치로부터의 배수를 처리하는 공통의 배수 처리 장치를 구비하고 있는 내연 기관.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 EGR 경로는, 상기 컴프레서의 상류측으로 유도되는 내연 기관.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컴프레서의 하류에는, 그 컴프레서에 의해 압축된 압축 공기를 냉각시키는 공기 냉각기가 설치되고,
    상기 EGR 경로는, 상기 컴프레서의 하류측이며 또한 상기 공기 냉각기의 상류측으로 유도되는 내연 기관.
  8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 컴프레서의 하류에는, 그 컴프레서에 의해 압축된 압축 공기를 냉각시키는 공기 냉각기가 설치되고,
    상기 EGR 경로는, 상기 공기 냉각기의 하류측으로 유도되는 내연 기관.
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