ディーゼルエンジンの排ガス浄化装置
【課題】ＮＯｘを８０％削減、ＳＯｘを０．１％削減することができるディーゼルエンジンの排ガス浄化装置を提供する。
【解決手段】ディーゼルエンジンの排ガスに含まれる有害物質を除去する排ガス浄化装置１０であって、有害物質を吸収する吸収液２を貯留する排ガス浄化塔１と、吸収液２に浸漬されるように排ガス浄化塔１に回転自在に配設された散気管３と、散気管３に形成された散気孔３ａと、散気管３を回転する回転駆動装置４と、散気管３に排ガスを導入する排ガス導入流路７と、を備え、散気管３を回転させながらこの散気管３に導入された排ガスを散気孔３から吸収液２の液中に放出して気泡分散させることで、有害物質を吸収することを特徴とする。
【解決手段】ディーゼルエンジンの排ガスに含まれる有害物質を除去する排ガス浄化装置１０であって、有害物質を吸収する吸収液２を貯留する排ガス浄化塔１と、吸収液２に浸漬されるように排ガス浄化塔１に回転自在に配設された散気管３と、散気管３に形成された散気孔３ａと、散気管３を回転する回転駆動装置４と、散気管３に排ガスを導入する排ガス導入流路７と、を備え、散気管３を回転させながらこの散気管３に導入された排ガスを散気孔３から吸収液２の液中に放出して気泡分散させることで、有害物質を吸収することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンの排ガスを浄化するディーゼルエンジンの排ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
２００８年、ＩＭＯ（国際海事機関）の第５７回海洋環境保護委員会（ＭＥＰＣ）において、「船舶による環境汚染の規制」についての第３次規制案が採択された。これは、２０１６年以降、ＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量を８０％削減する規制である。また、Ｓ（硫黄）分を 含有する燃料に対しては、一般海域で２０２０年に０．５％削減する規制である。
船舶のエンジンはほとんどがディーゼルエンジンであるため、ディーゼルエンジンの排ガス対策が急務となっている。
【０００３】
重油を燃料とする船舶のディーゼルエンジンと、ガソリンを燃料とするガソリンエンジンとの間には、沸点、引火点、着火点等の温度が相違し、また、Ｓ（硫黄）の有無が相違するため、当然ながら排ガスの性状にも大きな違いがある。
船舶用のディーゼルエンジンは、ＮＯｘ（窒素酸化物）、ＳＯｘ（硫黄酸化物）、ＰＭ（粒子状物質・ばいえん）等を排出する。
【０００４】
ディーゼルエンジンから発生するＮＯｘについては、燃料燃焼時に発生するサーマルＮＯｘが大半を占めている。ＮＯｘの発生量を抑えるためには、燃焼温度のコントロールを目的とした燃焼タイミングの改善、エンジン内水噴霧、燃料中への水混入等が採用されている。また、酸素Ｏ２濃度を下げることで燃焼温度を低減し、サーマルＮＯｘの発生を抑制する排ガス循環方式（ＥＧＲ：exhaust gas recirculation）が採用されている。
しかし、これらの装置によるＮＯｘ低減率は２０〜５０％程度であり、これらの装置では、要求されるＮＯｘ低減率８０％はクリヤできていない。
【０００５】
図１０は、従来のＮＯｘ浄化装置（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）を示す摸式図である。
図１０に示すように、従来のＮＯｘ浄化装置１５にディーゼルエンジンの排ガスを導入すると、尿素水１５ａが尿素噴射ノズル１５ｂから噴射され、尿素がアンモニアに加水分解される。つぎに、チタン・バナジウム系の触媒が充填された触媒層１５ｃを通すことにより、ＮＯｘとアンモニア（ＮＨ３）が反応し、Ｎ２とＨ２ｏに分解され、ＮＯｘが浄化される（例えば、非特許文献１参照）。
しかしながら、ＳＣＲについては、排ガスの温度によるＮＯｘ除去性能の変化、排ガス量及び排ガス中のＮＯｘ濃度に応じた尿素の噴霧量の制御不良によるスリップアンモニア
対策、また、燃料によっては、排気中のＳＯｘにより、触媒の寿命低下が起り、定期的な触媒の交換が必要で、メンテナンスコストが高い等の問題があった。
また、従来のＮＯｘ浄化装置１５では、ＳＯｘとＰＭの浄化には、対応できないという問題があった。
【０００６】
図１１は、従来のＳＯｘ浄化装置であるスクラバーの斜視図である。
図１１に示すように、気液接触型の従来のＳＯｘ浄化装置であるスクラバー１６は、装置の中間部から吸収液を噴出させ、その噴水に排ガスを通してＳＯｘを捕捉、除去するものである（例えば、非特許文献２参照）。
しかしながら、スクラバー１６は、排ガス量に対して大量の吸収液、たとえば電解海水が必要となるため、設備が大きくなり、例えば船内への設備が困難であり、運転コスト、特に電力費が高くなるという問題があった。
また、その他の有害物質除去には、一般的に、液最下面又は液中に固定したメッシュ状板から気泡を発生させるものがあるが、気泡の分散に問題があり、気液接触状態も悪く、要求事項を満足させるためには大型化（多段化）が必要で、ガス通過抵抗も増大することから、設備および運転コストの両方が上がるという問題があった。
さらに、従来の排ガス浄化装置であるスクラバー１６や気砲塔（図示せず）では、排ガス中の複数の有害物質の浄化ができないため、２つの装置が必要であり、一つの装置でＮＯｘ、ｓＯｘ、ＰＭ等の有害物質を除去するディーゼルエンジンの排ガス浄化装置がない、という問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】平田宏一「機関室設計も変わる、排ガス対応技術の動向」 ２００８．１１海上技術安全研究所講演会（第９回）講演集、海上技術安全研究所版、２００９．９．１１発行、Ｐ．６１
【非特許文献２】三菱重工業株式会社、液中式吸収塔［online］、２０１１年３月９日検索インターネット（http://www.mhi.co.jp/products/detail/fgdp_dcfs.html）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、従来の問題を解決するために創案されたものであり、ディーゼルエンジンの性能を落とすことなく、一つの装置で排出されるＮＯｘ、ｓＯｘ、ＰＭ等の有害物質を効率よく除去することができると共に、設置場所が船内であっても省スペースで設置でき、運転コスト、メンテナンスコストを最小限に抑え、化学的な吸収液の他に水、海水等の使用を可能な構成にしたディーゼルエンジンの排ガス浄化装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、ディーゼルエンジンの排ガスに含まれる有害物質を除去する排ガス浄化装置であって、前記有害物質を吸収する吸収液を貯留する排ガス浄化塔と、前記吸収液に浸漬されるように前記排ガス浄化塔に回転自在に配設された散気管と、前記散気管に形成された散気孔と、前記散気管を回転する回転駆動装置と、前記散気管に前記排ガスを導入する排ガス導入流路と、を備え、前記散気管を回転させながら当該散気管に導入された前記排ガスを前記散気孔から前記吸収液の液中に放出して気泡分散させることで、前記有害物質を吸収することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置であって、前記排ガスの排ガス圧力の変化に対応しながら、気泡の径が１〜５０００μｍとなるように、前記回転駆動装置により前記散気管の回転数を変えて制御することを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置であって、前記吸収液の温度上昇により発生する熱を回収する熱交換器を備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置であって、前記有害物質を吸収した使用済みの前記吸収液を前記排ガス浄化塔から排出しながら、未使用の吸収液を前記排ガス浄化塔に供給することを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置であって、前記吸収液は海水であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の発明によれば、ディーゼルエンジンの性能を落とすことなく、排出される有害物質を効率よく除去することができる。また、設置場所が船内であっても省スペースで設置でき、運転コスト、メンテナンスコストを最小限に抑える構成にしたディーゼルエンジンの排ガス浄化装置を提供することができる。
さらに、散気管を回転し、散気孔から気泡分散する排ガスを散気管の回転によりせん断することにより、所望の微細な気泡を作り出すことができることから、微細な気泡にして吸収液と排ガスとの接触面積を増加させ、浄化の効率を高めることができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、排ガスの排ガス圧力の変化に対応しながら、気泡の径が１〜５０００μｍとなるように、回転駆動装置により前記散気管の回転数を変えて制御することにより、ディーゼルエンジンの始動時であっても、排ガスの排ガス圧力の変化に対応して散気管の回転数を変え、溶解、吸収反応に最も効率のよい気泡径の気泡を効率よく液中に分散させることができることから、より高効率な浄化ができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、吸収液の温度上昇により発生する熱を回収する熱交換器を備えたことにより、吸収液から熱を吸収して、吸収液の温度上昇を防ぐとともに、排ガスの顕熱を回収することができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、有害物質を吸収した使用済みの吸収液を排ガス浄化塔から排出しながら、有害物質を吸収していない未使用の吸収液を排ガス浄化塔に供給する吸収液循環装置を備えたことにより、吸収液の再利用（リサイクル）ができるため、環境にやさしい運用ができる。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、吸収液に海水を用いることにより、船舶用のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置に適用が可能であり、安全に運転可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（ａ）は本発明のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置を示す断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線の断面図、（ｃ）は機械式可変速装置を示す構成図である。
【図２】排ガス浄化装置の変形例１，２を示す摸式図であり、（ａ）は、回転式の散気管を立形にし、排ガスの供給と回収を上端部にした摸式図である。 （ｂ）は、回転式の散気管を立形にし、排ガスの供給は回転式の散気管の下面とし、排ガスの回収は上端部とした摸式図である。
【図３】排ガス浄化装置の変形例３を示す摸式図である。
【図４】排ガス浄化装置の変形例４を示す摸式図である。
【図５】散気ノズル回転数比と気泡径との関係を示すグラフである。
【図６】気泡径と単位容積当りの接触面積比との関係を示すグラフである。
【図７】単位容積当りの接触面積比と物質移動容量係数比の関係を示すグラフである。
【図８】物質移動容量係数比と脱硝率比の関係を示すグラフである。
【図９】ディーゼルエンジンと排ガス浄化装置、無害化装置との配置を示す配置図である。
【図１０】従来のＮＯｘ浄化装置（ＳＣＲ）を示す摸式図である。
【図１１】従来のＳＯｘ浄化装置であるスクラバーの斜視図の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図１の（ａ）に示すように、排ガス浄化装置１０は、本体となる吸収液２を貯留する排ガス浄化塔１と、この吸収液２に浸漬され、排ガス浄化塔１に回転自在に配設された散気管３と、この散気管３に形成された散気孔３ａと、散気管３を回転する回転駆動装置４と、この散気管３に排ガスを導入する排ガス導入流路７とを備え、さらに、吸収液２の温度上昇により発生する熱を回収する熱交換器５と、吸収液２を排ガス浄化塔１に供給する無害化装置８（図９参照）、散気管３の回転数を制御する制御装置１８を備えている。
図９に示すように、排ガス浄化装置１０は、船舶用ディーゼルエンジンＤＥの排気管ＤＥ１と排ガス入口部７が接続されている。
なお、ディーゼルエンジンＤＥと排ガス入口部７との間に、ターボチャージャー（過給機）ＴＣを設けた構成であってもよい。
さらに、吸収液２は、無害化装置８のタンク８ａに回収され、無害化処理後に海洋に廃棄される。なお、吸収液２を再循環させてもよい。
【００２１】
＜排ガス浄化塔の構成＞
排ガス浄化塔１は、図１の（ａ）に示すように、四角柱または円筒状に形成され、排液ノズル１ａを下にした状態に立設されており、上下両端部内の端面が四角錐または円錐形に形成されている。排ガス浄化塔１の上端部には、有害ガスを除去した後の空気を大気に放出する排ガス出口（gas outlet）１ｂが設けられている。
排ガス浄化塔１は、吸収液２が所定の水位高さである塔内吸収液高さＨ１で貯留されている。
また、排ガス浄化塔１内の下部には、吸収液２に浸漬された回転式の散気管３が横方向に向けて配置され、回転自在に支持されている。また、散気管３の上部には、分散板９（図１（ｂ）参照）と熱交換器５も吸収液２に浸漬された状態で排ガス浄化塔１内に配置されている。
さらに、排ガス浄化塔１の外側の一側面の下部、例えば、図１に示す左側下部には排ガスを散気管３に導入する排ガス導入流路（gas inlet）７が設けられている。排ガス導入流路７には、排ガス圧力Ｈｇを測定する図示しない圧力センサが装着されている。
船舶用のディーゼルエンジンから排出される排ガスの排ガス圧力Ｈｇは、塔内吸収液高さＨ１の水圧より高い圧力である。つまり、排ガス圧力Ｈｇ＞塔内吸収液高さＨ１の水圧、となるため、ディーゼルエンジンが起動すれば、排ガス導入流路７と散気管３は排ガスで充満され、散気管３の散気孔３ａから排ガスが噴射される。また、ディーゼルエンジンが停止した状態では、吸収液２が散気管３内を満たし、排ガス導入流路７の上部まで水位が上昇して同一水面の高さＨ１で釣り合い、静止する。
排ガス浄化塔１外には、吸収液２の高さＨ１および流量Ｑ等、供給量、排出量のバランスを調整できるようにバルブ６ａ，６ｂが配置されている。
【００２２】
＜吸収液＞
吸収液２は、排ガス中の有害物質であるＮＯｘ、ＳＯｘ、ＰＭ等を吸収または分散するための液体であり、例えば、海水、電解海水、水、水酸化マグネシウム溶液等が好適である。
吸収液２は、バルブ６ａを経由して給水口６ｃから排ガス浄化塔１内に配置された給水管６へ給水される。また、排ガスの有害ガスを捕捉した使用済みの吸収液２は、排ガス浄化塔１の下端部の底に設けられた排液ノズル１ａからバルブ６ｂを経由して、無害化装置８のタンク８ａに回収される。
図９に示すように、無害化装置８では、散気管３の回転による分散作用によりＰＭを分離した後、図示しないフィルターにより回収する。
また、吸収液２のＮＯｘは硝酸（ＨＮ０３）になるため、例えば、苛性ソーダ等のアルカリ性物質で中和し、無害化する。
吸収液２のＳＯｘは硫酸（Ｈ２ＳＯ４）になるため、例えば、水酸化マグネシウム等のアルカリ性物質で中和し、無害化して、廃棄（矢印ｃ）する。または、無害化した吸収液２を再利用して、吸収液２を再循環（矢印ａ、矢印ｂ）してもよい。
【００２３】
＜散気管の構成＞
散気管３は、図１の（ａ）、（ｂ）に示すように、回転式であり、回転式の散気管３が排ガス浄化塔１の下部に回転軸３ｃを横にして吸収液２に浸漬された状態で配置されている。
回転式の散気管３は、一端が複数枚のリブ３ｅ、ここでは６枚のリブ３ｅによって回転軸３ｃから支持され、他端が有底円筒状に形成されている。また、その円筒状の外周には複数の散気ノズルとなる散気孔３ａ，３ａ…が穿設されており、散気管３の一端に配置された排ガス導入流路７から導入される。
なお、排ガスの導入方法は、一端に限定せず、両端から供給してもよい。
散気管３の左右両端部には縮径した回転軸３ｃ，３ｃが一体に延設されている。この延設された回転軸３ｃの一方は、前記した排ガス入口部７の外壁に設けられたベアリング３ｂによって支持され、他方は排ガス浄化塔１の外壁に図示しないシールを介して設けられたベアリング３ｂによって支持されている。
これにより、散気管３は、ベアリング３ｂ,３ｂによって両端支持され、回転自在に回転する。
なお、散気孔３ａ，３ａ…は、排ガスを吸収液に放出するノズルであるから、散気ノズルという。ここでは、ノズルのような出っ張りがないため、散気孔３ａとするが、少しの出っ張りを設けて散気ノズル３ａ，３ａ…としても構わない。
散気管３の高速回転では、ノズルのような出っ張りがより小さい方が、吸収液２の抵抗を受けにくいため、高速回転には有利であるが、出っ張りを設けて攪拌機能を持たせた散気ノズルとしてもよい。
【００２４】
回転式の散気管３は円筒状に形成され、直径は約φ１００〜３００ｍｍ、長さは１，０００〜２，０００ｍｍ、材質はステンレス板で形成されており、散気孔３ａ，３ａ…の孔径は約φ１〜１０ｍｍ、孔間隔は１０〜１００ｍｍが好適である。なお、孔の形状は、丸形が好適であるが、楕円、長穴、これ以外の形状であってもよい。
【００２５】
本発明の特徴は、散気孔３ａ，３ａ…から噴出する排ガスの泡を散気管３の回転によりせん断して微細化する。このせん断作用で所望の微細なサイズの気泡３ｄを作り出すことにある。所望の微細な気泡径は、散気管３の高速回転により容易に作り出すことができる。散気管３は、排ガス圧力Ｈｇの高低に合わせて、回転数がコントロールされ、気泡分散する気泡の径を１〜５０００μｍとなるように、散気管３の回転数が制御されている。
散気孔３ａにより気泡３ｄとなって液中に気泡分散された排ガスの気泡３ｄは、分離板９を介して一定時間を要して吸収液２中を上昇し、その間、有害物質が吸収液２に吸収される浄化作用を経て、きれいになった排ガスの空気は、排ガス浄化塔１内の上部の排ガス出口１ｂから大気に放出される。
【００２６】
＜回転駆動装置の構成＞
回転駆動装置４は、機外に設けられた制御装置１８により、散気管３を所望の回転数に可変して回転することができるインバータ制御で制御されている。
図１の（ａ）に示すように、この回転駆動装置４は、すでに公開されているインバータ制御による可変速制御により行う。インバータモータ４ａの回転数は、周波数の制御により、容易に変えることができる。インバータモータ４ａは、散気管３の回転軸３ｃにカップリングを介して直結してもよいし、図示のようにプーリ４ｃ，４ｃとＶベルト４ｅを介して増速または減速させて構成してもよい。
ここでは、散気管３は、ノズルの周速が２．５〜１０ｍ／ｓとなる範囲で回転数が制御される。この周速を達成する回転数にすると、気泡３ｄが微細化するため、気液の接触面積が拡大し、後記する物質移動容量係数が高まり、ＮＯｘの８０％削減が可能になる。
【００２７】
＜熱交換器の構成＞
熱交換器５は、図１に示すように、排ガス浄化塔１内の液面と散気管３の間の液中に配置されている。熱交換器５は、アンモニア、二酸化炭素、水蒸気等の代替フロンガスと、排ガスの熱により高温になる吸収液２の熱とを熱交換して吸収液２の冷却をする。
熱交換器５は、ディーゼルエンジンの排ガスが高温で高圧であるため、冷却することにより、吸収液２が沸騰するのを防止するとともに、排ガスの顕熱を回収し、回収した熱は、例えば、廃熱発電に供するか、燃料の加熱スチーム用等に共する。
【００２８】
ミストキャッチャー１ｃは、図１の（ａ）に示すように、別名ヒュームキャッチャーであり、気泡３ｄが吸収液２から分離されるときに水分を巻き上げるミストを捕捉する装置、もしくは、蒸発により発生したミストを気体から分離回収する装置である。
【００２９】
分散板９は、図１の（ａ），（ｂ）に示すように、散気管３の上部に配置され、散気管３と熱交換器５の間に設けられている。
分散板９は、平面視では図示しない格子状に形成され、格子状の四角形の孔が複数個設けられている。一つに固まりかけた微小の気泡の集団は、この分散板９の四角形の格子により、分散される。また、分散板９の下面には、邪魔板９ａが縦方向に平行に複数枚配列され、接続されている。
邪魔板９ａは、分散板９の下面に直交して固定されている。邪魔板９ａは、散気管３の気泡３ｄの上昇方向に平行に配置されている。散気管３から離間するにしたがい、全長が短い分散板９は、徐々に全長が長くなり、邪魔板９ａの下端部はＲの曲げが施されている。このＲの曲げにより、気泡の収集が容易になり、また、排ガス浄化塔１内の気泡３ｄが一箇所に固まらないように案内されている。
【００３０】
制御装置１８は、排ガス浄化塔１の機外に設けられており、排ガス導入流路７に装着された圧力センサ（図示せず）による排ガス圧力Ｈｇの数値と散気管３の回転数から、気泡の径が推定できるため、排ガス圧力Ｈｇの高低に合わせて、所定の回転数に制御する。なお、気泡の径を測定して制御装置１８にフィードバックし、回転数を制御しても構わない。回転駆動装置４のインバータモータ４ａは、インバータ制御され、散気管３を所望の回転数に可変して回転する。その結果、気泡の径を１〜５０００μｍとなるように制御されている。
【００３１】
ここで、ディーゼルエンジンの排ガス浄化装置１０の変形例を説明する。
図１に示す排ガス浄化塔１および散気管３の構造や配管は、装置の設置場所等により、図２〜図４に示す構成に変更してもよい。
図２の（ａ）の変形例１の排ガス浄化装置１１は、本体となる排ガス浄化塔１は同じ立形であるが、散気管３も立形にしている。回転式の散気管３への排ガスの供給は、排ガス浄化塔１の上端部に設けた排ガス導入流路７から供給する。
なお、散気管３の形状が円筒状から、断面が台形にした円錐台の形状になっている。このような形状にした構成にしても構わない。
図２の（ｂ）に示す変形例２の排ガス浄化装置１２は、回転式の散気管３を立形にし、かつ、排ガスの供給は回転式の散気管３の下面３ｆから導入するものである。排ガス浄化装置１０は、このような構成にしても構わない。
【００３２】
図３に示すように、変形例３の排ガス浄化装置１３は、排ガス浄化塔１が横置きであり、この中に軸心を同じに横置きにした散気管３が配置され、回転している。散気管３への排ガスの供給は、回転式の散気管３の一方側または両方から図示しない排ガス導入流路７から供給する。吸収液２の供給は、手前左下の供給口１３ａから供給され、吸収液２の排出は、手前右上の排出口１３ｂから排出される。排ガス浄化装置１０は、このような構成にしても構わない。
【００３３】
図４に示すように、変形例４の排ガス浄化装置１４は、略円筒状の排ガス浄化塔１は立形であり、立設された排ガス浄化塔１の内部を２分割するように一枚の仕切板１４ｃが配置されている。これにより、吸収液２は左右に２分割される。
したがって、吸収液２の供給は、供給口１４ａから供給され、吸収液２の排出は排出口１４ｂから排出される。このように、吸収液２は、一旦仕切板１４ｃの下部をくぐり抜けてから排出口１４ｂから排出されることになり、吸収液２が移動する流路を２倍に長くすることができる。排ガス浄化装置１０は、このような構成にしても構わない。
【００３４】
排ガス中のＰＭ分回収する方法を説明する。
回転式の散気管３により、吸収液２中に気泡分散させることにより、排ガス中のＰＭは、排ガスとともに吸収液２の液中に分散する。この分散作用によりＰＭを分離し、フィルターにより回収する。
【００３５】
ところで、気体成分の溶液への溶解、吸収は、次に示す式（１）で表すことができる。
ｋL・a＝L・ΔCB/(A・hT・υ・H・PA)・・・・（１）
ｋL・a：物質移動容量係数
ｋL：物質移動係数
a：気泡界面積
L：液流量
ΔCB：液側反応成分の濃度変化（吸収量）
A：装置断面積
ｈT：気液混相高さ
υ：化学量論係数
H：ヘンリー定数
PA：被吸収ガスの出入口分圧の対数平均値
前記（１）式から判るように、ΔCBを一定以上に維持する為には、ｋL・aを一定以上に保つ必要があり、逆にガス量によってaが変動すれば、ΔCB（性能）を維持出来なくなることが判る。
【００３６】
したがって、気体が液体へ溶解または吸収する程度は、物質移動容量係数ｋL・aによって決定される。物質移動容量係数ｋL・aは、気体成分固有の物質移動係数ｋLと、接触面積aとの積として求められ、この値が大きければ大きいほど、物質を短時間に多量に液中に溶解、吸収することができる。
接触面積aを増やし、物質移動容量係数ｋL・aを高めることにより、課題が解決できると共に、排ガス浄化装置１０を、よりコンパクトな装置にすることができる。
また、前記した物質移動容量係数ｋL・aは、温度、圧力により決定され、接触面積aは、気泡３ｄの径、気泡３ｄの液中への分散状態により決定される。
ディーゼルエンジンの性能を維持すること、運転コストを最小限に抑えることを考慮すれば、排ガスの温度、圧力を変化させることは得策ではなく、したがって、排ガスの状態を変化させることなく比較的容易にコントロールできる接触面積aを大きくとることで、気液間の物質移動容量係数ｋL・aを大きくすることが、「船舶による環境汚染の規制」をクリヤするためのポイントである。
【００３７】
本発明では、排気ガスを回転する散気管３を用いて液中に導入し、散気管３の高速回転により散気孔３ａからの気泡径を１〜５０００μｍにコントロールし、溶解、吸収反応および発生コストに最も効率のよい気泡径としてその気泡３ｄを効率よく液中にて分散可能に構成した。
また、排気ガスが直接液中に分散して接触面積が大きくなるため、排気ガスの持つ顕熱は、伝熱管を介した熱交換よりはるかに効率よく液に伝達される。
この特徴を活かして、比較的低温の排気ガスから効率よく熱回収を図ることができる。なお、熱回収をしないで、冷却だけをする冷却装置としても構わない。
また、機器構成としては、排ガス浄化塔１より直接蒸気を取り出し、発電もしくはプロセス蒸気として活用することもできる。さらに、排ガス浄化塔１の内部に熱交換器５を配したことにより、液体もしくはガスを熱媒体として利用することにより、吸収液２から熱を吸収し、別のプロセスへ熱を供給することもできる。
【実施例】
【００３８】
図５は、本願発明の排ガス浄化装置の散気ノズル回転数比と気泡径との関係を示すグラフである。
図５に示すように、横軸の回転式の散気管の回転数を上げると、縦軸の気泡径が反比例して２次曲線で微細化される関係が判る。
図６は、本願発明の排ガス浄化装置の気泡径と単位容積当りの接触面積比との関係を示すグラフである。
図６に示すように、横軸の気泡径を微細化すると、縦軸の接触面積比が急激に増大する、反比例の関係があることが判る。
【００３９】
図７は本願発明の排ガス浄化装置の、単位容積当りの接触面積比と物質移動容量係数比の関係を示すグラフである。横軸の接触面積比が増加すると、縦軸の物質移動容量係数比も２次曲線で増加することが判る。
すなわち、本発明では、浄化性能を一定以上に維持するために、排ガス条件の変化に対応して散気管３の回転数を変更し、好適な径の気泡３ｄを発生させ、適正な気液接触面積を確保することで所望の物質移動容量係数を高める。
【００４０】
図８は、物質移動容量係数比と脱硝率比の関係を示すグラフである。図８に示すように、横軸の物質移動容量係数比と縦軸の脱硝率比の関係は、２次曲線で比例しているのが判る。
この結果、排ガス浄化装置１０は、回転式の散気管３による微細な気泡３ｄにより、気液の接触面積を増やし、物質移動容量係数を高めることができるので、排ガスのＮＯｘを８０％削減することができる。
また、排ガス浄化装置１０を、よりコンパクトな装置にすることができる。
【００４１】
なお、本発明はその技術思想の範囲内で種々の改造、変更が可能である。
回転駆動装置４は、電気式可変速制御により行うが、機械式の可変速装置を用いてもよい。
例えば、図１の（ｃ）に示すように、モータ４ｂはベルト式の無断変速機構を有し、可変速が可能である。つまり、回転数は、手動の可変ハンドル４ｇを回し、所望の回転数の目盛りに合わせてプーリ４ｄ,４ｄの幅を変更するとともに、変更されたベルト幅に合わせてベルト４ｆが移動して所望の回転数に変速される構成としてもよいし、この可変ハンドル４ｇを自動旋回にしても構わない。
【符号の説明】
【００４２】
１ 排ガス浄化塔
１ａ 排液ノズル
１ｂ 排ガス出口
１ｃ ミストキャッチャー（ヒュームキャッチャー）
２ 吸収液
３ 散気管（回転式の散気管）
３ａ 散気孔（散気ノズル）
３ｂ ベアリング
３ｃ 回転軸
３ｄ 気泡
３ｅ リブ
３ｆ 底板
４ 回転駆動装置
４ａ インバータモータ
４ｂ モータ
４ｃ，４ｄ プーリ
４ｅ，４ｆ Ｖベルト
４ｇ 可変ハンドル
５ 熱交換器
６ 給水管
６ａ，６ｂ バルブ
６ｃ 給水口
７ 排ガス導入流路
８ 無害化装置
９ 分散板
９ａ 邪魔板
１０，１１，１２，１３，１４ 排ガス浄化装置
１３ａ,１４ａ 供給口
１３ｂ,１４ｂ 排出口
１４ｃ 仕切板
１５ ＮＯｘ浄化装置
１６ スクラバー
１８ 制御装置
ＤＥ ディーゼルエンジン
ＤＥ１ 排気管
ＴＣ ターボチャージャー
Ｈｇ 排ガス圧力
Ｈ１ 塔内吸収液高さ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンの排ガスを浄化するディーゼルエンジンの排ガス浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
２００８年、ＩＭＯ（国際海事機関）の第５７回海洋環境保護委員会（ＭＥＰＣ）において、「船舶による環境汚染の規制」についての第３次規制案が採択された。これは、２０１６年以降、ＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量を８０％削減する規制である。また、Ｓ（硫黄）分を 含有する燃料に対しては、一般海域で２０２０年に０．５％削減する規制である。
船舶のエンジンはほとんどがディーゼルエンジンであるため、ディーゼルエンジンの排ガス対策が急務となっている。
【０００３】
重油を燃料とする船舶のディーゼルエンジンと、ガソリンを燃料とするガソリンエンジンとの間には、沸点、引火点、着火点等の温度が相違し、また、Ｓ（硫黄）の有無が相違するため、当然ながら排ガスの性状にも大きな違いがある。
船舶用のディーゼルエンジンは、ＮＯｘ（窒素酸化物）、ＳＯｘ（硫黄酸化物）、ＰＭ（粒子状物質・ばいえん）等を排出する。
【０００４】
ディーゼルエンジンから発生するＮＯｘについては、燃料燃焼時に発生するサーマルＮＯｘが大半を占めている。ＮＯｘの発生量を抑えるためには、燃焼温度のコントロールを目的とした燃焼タイミングの改善、エンジン内水噴霧、燃料中への水混入等が採用されている。また、酸素Ｏ２濃度を下げることで燃焼温度を低減し、サーマルＮＯｘの発生を抑制する排ガス循環方式（ＥＧＲ：exhaust gas recirculation）が採用されている。
しかし、これらの装置によるＮＯｘ低減率は２０〜５０％程度であり、これらの装置では、要求されるＮＯｘ低減率８０％はクリヤできていない。
【０００５】
図１０は、従来のＮＯｘ浄化装置（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）を示す摸式図である。
図１０に示すように、従来のＮＯｘ浄化装置１５にディーゼルエンジンの排ガスを導入すると、尿素水１５ａが尿素噴射ノズル１５ｂから噴射され、尿素がアンモニアに加水分解される。つぎに、チタン・バナジウム系の触媒が充填された触媒層１５ｃを通すことにより、ＮＯｘとアンモニア（ＮＨ３）が反応し、Ｎ２とＨ２ｏに分解され、ＮＯｘが浄化される（例えば、非特許文献１参照）。
しかしながら、ＳＣＲについては、排ガスの温度によるＮＯｘ除去性能の変化、排ガス量及び排ガス中のＮＯｘ濃度に応じた尿素の噴霧量の制御不良によるスリップアンモニア
対策、また、燃料によっては、排気中のＳＯｘにより、触媒の寿命低下が起り、定期的な触媒の交換が必要で、メンテナンスコストが高い等の問題があった。
また、従来のＮＯｘ浄化装置１５では、ＳＯｘとＰＭの浄化には、対応できないという問題があった。
【０００６】
図１１は、従来のＳＯｘ浄化装置であるスクラバーの斜視図である。
図１１に示すように、気液接触型の従来のＳＯｘ浄化装置であるスクラバー１６は、装置の中間部から吸収液を噴出させ、その噴水に排ガスを通してＳＯｘを捕捉、除去するものである（例えば、非特許文献２参照）。
しかしながら、スクラバー１６は、排ガス量に対して大量の吸収液、たとえば電解海水が必要となるため、設備が大きくなり、例えば船内への設備が困難であり、運転コスト、特に電力費が高くなるという問題があった。
また、その他の有害物質除去には、一般的に、液最下面又は液中に固定したメッシュ状板から気泡を発生させるものがあるが、気泡の分散に問題があり、気液接触状態も悪く、要求事項を満足させるためには大型化（多段化）が必要で、ガス通過抵抗も増大することから、設備および運転コストの両方が上がるという問題があった。
さらに、従来の排ガス浄化装置であるスクラバー１６や気砲塔（図示せず）では、排ガス中の複数の有害物質の浄化ができないため、２つの装置が必要であり、一つの装置でＮＯｘ、ｓＯｘ、ＰＭ等の有害物質を除去するディーゼルエンジンの排ガス浄化装置がない、という問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】平田宏一「機関室設計も変わる、排ガス対応技術の動向」 ２００８．１１海上技術安全研究所講演会（第９回）講演集、海上技術安全研究所版、２００９．９．１１発行、Ｐ．６１
【非特許文献２】三菱重工業株式会社、液中式吸収塔［online］、２０１１年３月９日検索インターネット（http://www.mhi.co.jp/products/detail/fgdp_dcfs.html）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、従来の問題を解決するために創案されたものであり、ディーゼルエンジンの性能を落とすことなく、一つの装置で排出されるＮＯｘ、ｓＯｘ、ＰＭ等の有害物質を効率よく除去することができると共に、設置場所が船内であっても省スペースで設置でき、運転コスト、メンテナンスコストを最小限に抑え、化学的な吸収液の他に水、海水等の使用を可能な構成にしたディーゼルエンジンの排ガス浄化装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、ディーゼルエンジンの排ガスに含まれる有害物質を除去する排ガス浄化装置であって、前記有害物質を吸収する吸収液を貯留する排ガス浄化塔と、前記吸収液に浸漬されるように前記排ガス浄化塔に回転自在に配設された散気管と、前記散気管に形成された散気孔と、前記散気管を回転する回転駆動装置と、前記散気管に前記排ガスを導入する排ガス導入流路と、を備え、前記散気管を回転させながら当該散気管に導入された前記排ガスを前記散気孔から前記吸収液の液中に放出して気泡分散させることで、前記有害物質を吸収することを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置であって、前記排ガスの排ガス圧力の変化に対応しながら、気泡の径が１〜５０００μｍとなるように、前記回転駆動装置により前記散気管の回転数を変えて制御することを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置であって、前記吸収液の温度上昇により発生する熱を回収する熱交換器を備えたことを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置であって、前記有害物質を吸収した使用済みの前記吸収液を前記排ガス浄化塔から排出しながら、未使用の吸収液を前記排ガス浄化塔に供給することを特徴とする。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置であって、前記吸収液は海水であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載の発明によれば、ディーゼルエンジンの性能を落とすことなく、排出される有害物質を効率よく除去することができる。また、設置場所が船内であっても省スペースで設置でき、運転コスト、メンテナンスコストを最小限に抑える構成にしたディーゼルエンジンの排ガス浄化装置を提供することができる。
さらに、散気管を回転し、散気孔から気泡分散する排ガスを散気管の回転によりせん断することにより、所望の微細な気泡を作り出すことができることから、微細な気泡にして吸収液と排ガスとの接触面積を増加させ、浄化の効率を高めることができる。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、排ガスの排ガス圧力の変化に対応しながら、気泡の径が１〜５０００μｍとなるように、回転駆動装置により前記散気管の回転数を変えて制御することにより、ディーゼルエンジンの始動時であっても、排ガスの排ガス圧力の変化に対応して散気管の回転数を変え、溶解、吸収反応に最も効率のよい気泡径の気泡を効率よく液中に分散させることができることから、より高効率な浄化ができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明によれば、吸収液の温度上昇により発生する熱を回収する熱交換器を備えたことにより、吸収液から熱を吸収して、吸収液の温度上昇を防ぐとともに、排ガスの顕熱を回収することができる。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、有害物質を吸収した使用済みの吸収液を排ガス浄化塔から排出しながら、有害物質を吸収していない未使用の吸収液を排ガス浄化塔に供給する吸収液循環装置を備えたことにより、吸収液の再利用（リサイクル）ができるため、環境にやさしい運用ができる。
【００１８】
請求項５に記載の発明によれば、吸収液に海水を用いることにより、船舶用のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置に適用が可能であり、安全に運転可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（ａ）は本発明のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置を示す断面図、（ｂ）は（ａ）に示すＡ−Ａ線の断面図、（ｃ）は機械式可変速装置を示す構成図である。
【図２】排ガス浄化装置の変形例１，２を示す摸式図であり、（ａ）は、回転式の散気管を立形にし、排ガスの供給と回収を上端部にした摸式図である。 （ｂ）は、回転式の散気管を立形にし、排ガスの供給は回転式の散気管の下面とし、排ガスの回収は上端部とした摸式図である。
【図３】排ガス浄化装置の変形例３を示す摸式図である。
【図４】排ガス浄化装置の変形例４を示す摸式図である。
【図５】散気ノズル回転数比と気泡径との関係を示すグラフである。
【図６】気泡径と単位容積当りの接触面積比との関係を示すグラフである。
【図７】単位容積当りの接触面積比と物質移動容量係数比の関係を示すグラフである。
【図８】物質移動容量係数比と脱硝率比の関係を示すグラフである。
【図９】ディーゼルエンジンと排ガス浄化装置、無害化装置との配置を示す配置図である。
【図１０】従来のＮＯｘ浄化装置（ＳＣＲ）を示す摸式図である。
【図１１】従来のＳＯｘ浄化装置であるスクラバーの斜視図の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図１の（ａ）に示すように、排ガス浄化装置１０は、本体となる吸収液２を貯留する排ガス浄化塔１と、この吸収液２に浸漬され、排ガス浄化塔１に回転自在に配設された散気管３と、この散気管３に形成された散気孔３ａと、散気管３を回転する回転駆動装置４と、この散気管３に排ガスを導入する排ガス導入流路７とを備え、さらに、吸収液２の温度上昇により発生する熱を回収する熱交換器５と、吸収液２を排ガス浄化塔１に供給する無害化装置８（図９参照）、散気管３の回転数を制御する制御装置１８を備えている。
図９に示すように、排ガス浄化装置１０は、船舶用ディーゼルエンジンＤＥの排気管ＤＥ１と排ガス入口部７が接続されている。
なお、ディーゼルエンジンＤＥと排ガス入口部７との間に、ターボチャージャー（過給機）ＴＣを設けた構成であってもよい。
さらに、吸収液２は、無害化装置８のタンク８ａに回収され、無害化処理後に海洋に廃棄される。なお、吸収液２を再循環させてもよい。
【００２１】
＜排ガス浄化塔の構成＞
排ガス浄化塔１は、図１の（ａ）に示すように、四角柱または円筒状に形成され、排液ノズル１ａを下にした状態に立設されており、上下両端部内の端面が四角錐または円錐形に形成されている。排ガス浄化塔１の上端部には、有害ガスを除去した後の空気を大気に放出する排ガス出口（gas outlet）１ｂが設けられている。
排ガス浄化塔１は、吸収液２が所定の水位高さである塔内吸収液高さＨ１で貯留されている。
また、排ガス浄化塔１内の下部には、吸収液２に浸漬された回転式の散気管３が横方向に向けて配置され、回転自在に支持されている。また、散気管３の上部には、分散板９（図１（ｂ）参照）と熱交換器５も吸収液２に浸漬された状態で排ガス浄化塔１内に配置されている。
さらに、排ガス浄化塔１の外側の一側面の下部、例えば、図１に示す左側下部には排ガスを散気管３に導入する排ガス導入流路（gas inlet）７が設けられている。排ガス導入流路７には、排ガス圧力Ｈｇを測定する図示しない圧力センサが装着されている。
船舶用のディーゼルエンジンから排出される排ガスの排ガス圧力Ｈｇは、塔内吸収液高さＨ１の水圧より高い圧力である。つまり、排ガス圧力Ｈｇ＞塔内吸収液高さＨ１の水圧、となるため、ディーゼルエンジンが起動すれば、排ガス導入流路７と散気管３は排ガスで充満され、散気管３の散気孔３ａから排ガスが噴射される。また、ディーゼルエンジンが停止した状態では、吸収液２が散気管３内を満たし、排ガス導入流路７の上部まで水位が上昇して同一水面の高さＨ１で釣り合い、静止する。
排ガス浄化塔１外には、吸収液２の高さＨ１および流量Ｑ等、供給量、排出量のバランスを調整できるようにバルブ６ａ，６ｂが配置されている。
【００２２】
＜吸収液＞
吸収液２は、排ガス中の有害物質であるＮＯｘ、ＳＯｘ、ＰＭ等を吸収または分散するための液体であり、例えば、海水、電解海水、水、水酸化マグネシウム溶液等が好適である。
吸収液２は、バルブ６ａを経由して給水口６ｃから排ガス浄化塔１内に配置された給水管６へ給水される。また、排ガスの有害ガスを捕捉した使用済みの吸収液２は、排ガス浄化塔１の下端部の底に設けられた排液ノズル１ａからバルブ６ｂを経由して、無害化装置８のタンク８ａに回収される。
図９に示すように、無害化装置８では、散気管３の回転による分散作用によりＰＭを分離した後、図示しないフィルターにより回収する。
また、吸収液２のＮＯｘは硝酸（ＨＮ０３）になるため、例えば、苛性ソーダ等のアルカリ性物質で中和し、無害化する。
吸収液２のＳＯｘは硫酸（Ｈ２ＳＯ４）になるため、例えば、水酸化マグネシウム等のアルカリ性物質で中和し、無害化して、廃棄（矢印ｃ）する。または、無害化した吸収液２を再利用して、吸収液２を再循環（矢印ａ、矢印ｂ）してもよい。
【００２３】
＜散気管の構成＞
散気管３は、図１の（ａ）、（ｂ）に示すように、回転式であり、回転式の散気管３が排ガス浄化塔１の下部に回転軸３ｃを横にして吸収液２に浸漬された状態で配置されている。
回転式の散気管３は、一端が複数枚のリブ３ｅ、ここでは６枚のリブ３ｅによって回転軸３ｃから支持され、他端が有底円筒状に形成されている。また、その円筒状の外周には複数の散気ノズルとなる散気孔３ａ，３ａ…が穿設されており、散気管３の一端に配置された排ガス導入流路７から導入される。
なお、排ガスの導入方法は、一端に限定せず、両端から供給してもよい。
散気管３の左右両端部には縮径した回転軸３ｃ，３ｃが一体に延設されている。この延設された回転軸３ｃの一方は、前記した排ガス入口部７の外壁に設けられたベアリング３ｂによって支持され、他方は排ガス浄化塔１の外壁に図示しないシールを介して設けられたベアリング３ｂによって支持されている。
これにより、散気管３は、ベアリング３ｂ,３ｂによって両端支持され、回転自在に回転する。
なお、散気孔３ａ，３ａ…は、排ガスを吸収液に放出するノズルであるから、散気ノズルという。ここでは、ノズルのような出っ張りがないため、散気孔３ａとするが、少しの出っ張りを設けて散気ノズル３ａ，３ａ…としても構わない。
散気管３の高速回転では、ノズルのような出っ張りがより小さい方が、吸収液２の抵抗を受けにくいため、高速回転には有利であるが、出っ張りを設けて攪拌機能を持たせた散気ノズルとしてもよい。
【００２４】
回転式の散気管３は円筒状に形成され、直径は約φ１００〜３００ｍｍ、長さは１，０００〜２，０００ｍｍ、材質はステンレス板で形成されており、散気孔３ａ，３ａ…の孔径は約φ１〜１０ｍｍ、孔間隔は１０〜１００ｍｍが好適である。なお、孔の形状は、丸形が好適であるが、楕円、長穴、これ以外の形状であってもよい。
【００２５】
本発明の特徴は、散気孔３ａ，３ａ…から噴出する排ガスの泡を散気管３の回転によりせん断して微細化する。このせん断作用で所望の微細なサイズの気泡３ｄを作り出すことにある。所望の微細な気泡径は、散気管３の高速回転により容易に作り出すことができる。散気管３は、排ガス圧力Ｈｇの高低に合わせて、回転数がコントロールされ、気泡分散する気泡の径を１〜５０００μｍとなるように、散気管３の回転数が制御されている。
散気孔３ａにより気泡３ｄとなって液中に気泡分散された排ガスの気泡３ｄは、分離板９を介して一定時間を要して吸収液２中を上昇し、その間、有害物質が吸収液２に吸収される浄化作用を経て、きれいになった排ガスの空気は、排ガス浄化塔１内の上部の排ガス出口１ｂから大気に放出される。
【００２６】
＜回転駆動装置の構成＞
回転駆動装置４は、機外に設けられた制御装置１８により、散気管３を所望の回転数に可変して回転することができるインバータ制御で制御されている。
図１の（ａ）に示すように、この回転駆動装置４は、すでに公開されているインバータ制御による可変速制御により行う。インバータモータ４ａの回転数は、周波数の制御により、容易に変えることができる。インバータモータ４ａは、散気管３の回転軸３ｃにカップリングを介して直結してもよいし、図示のようにプーリ４ｃ，４ｃとＶベルト４ｅを介して増速または減速させて構成してもよい。
ここでは、散気管３は、ノズルの周速が２．５〜１０ｍ／ｓとなる範囲で回転数が制御される。この周速を達成する回転数にすると、気泡３ｄが微細化するため、気液の接触面積が拡大し、後記する物質移動容量係数が高まり、ＮＯｘの８０％削減が可能になる。
【００２７】
＜熱交換器の構成＞
熱交換器５は、図１に示すように、排ガス浄化塔１内の液面と散気管３の間の液中に配置されている。熱交換器５は、アンモニア、二酸化炭素、水蒸気等の代替フロンガスと、排ガスの熱により高温になる吸収液２の熱とを熱交換して吸収液２の冷却をする。
熱交換器５は、ディーゼルエンジンの排ガスが高温で高圧であるため、冷却することにより、吸収液２が沸騰するのを防止するとともに、排ガスの顕熱を回収し、回収した熱は、例えば、廃熱発電に供するか、燃料の加熱スチーム用等に共する。
【００２８】
ミストキャッチャー１ｃは、図１の（ａ）に示すように、別名ヒュームキャッチャーであり、気泡３ｄが吸収液２から分離されるときに水分を巻き上げるミストを捕捉する装置、もしくは、蒸発により発生したミストを気体から分離回収する装置である。
【００２９】
分散板９は、図１の（ａ），（ｂ）に示すように、散気管３の上部に配置され、散気管３と熱交換器５の間に設けられている。
分散板９は、平面視では図示しない格子状に形成され、格子状の四角形の孔が複数個設けられている。一つに固まりかけた微小の気泡の集団は、この分散板９の四角形の格子により、分散される。また、分散板９の下面には、邪魔板９ａが縦方向に平行に複数枚配列され、接続されている。
邪魔板９ａは、分散板９の下面に直交して固定されている。邪魔板９ａは、散気管３の気泡３ｄの上昇方向に平行に配置されている。散気管３から離間するにしたがい、全長が短い分散板９は、徐々に全長が長くなり、邪魔板９ａの下端部はＲの曲げが施されている。このＲの曲げにより、気泡の収集が容易になり、また、排ガス浄化塔１内の気泡３ｄが一箇所に固まらないように案内されている。
【００３０】
制御装置１８は、排ガス浄化塔１の機外に設けられており、排ガス導入流路７に装着された圧力センサ（図示せず）による排ガス圧力Ｈｇの数値と散気管３の回転数から、気泡の径が推定できるため、排ガス圧力Ｈｇの高低に合わせて、所定の回転数に制御する。なお、気泡の径を測定して制御装置１８にフィードバックし、回転数を制御しても構わない。回転駆動装置４のインバータモータ４ａは、インバータ制御され、散気管３を所望の回転数に可変して回転する。その結果、気泡の径を１〜５０００μｍとなるように制御されている。
【００３１】
ここで、ディーゼルエンジンの排ガス浄化装置１０の変形例を説明する。
図１に示す排ガス浄化塔１および散気管３の構造や配管は、装置の設置場所等により、図２〜図４に示す構成に変更してもよい。
図２の（ａ）の変形例１の排ガス浄化装置１１は、本体となる排ガス浄化塔１は同じ立形であるが、散気管３も立形にしている。回転式の散気管３への排ガスの供給は、排ガス浄化塔１の上端部に設けた排ガス導入流路７から供給する。
なお、散気管３の形状が円筒状から、断面が台形にした円錐台の形状になっている。このような形状にした構成にしても構わない。
図２の（ｂ）に示す変形例２の排ガス浄化装置１２は、回転式の散気管３を立形にし、かつ、排ガスの供給は回転式の散気管３の下面３ｆから導入するものである。排ガス浄化装置１０は、このような構成にしても構わない。
【００３２】
図３に示すように、変形例３の排ガス浄化装置１３は、排ガス浄化塔１が横置きであり、この中に軸心を同じに横置きにした散気管３が配置され、回転している。散気管３への排ガスの供給は、回転式の散気管３の一方側または両方から図示しない排ガス導入流路７から供給する。吸収液２の供給は、手前左下の供給口１３ａから供給され、吸収液２の排出は、手前右上の排出口１３ｂから排出される。排ガス浄化装置１０は、このような構成にしても構わない。
【００３３】
図４に示すように、変形例４の排ガス浄化装置１４は、略円筒状の排ガス浄化塔１は立形であり、立設された排ガス浄化塔１の内部を２分割するように一枚の仕切板１４ｃが配置されている。これにより、吸収液２は左右に２分割される。
したがって、吸収液２の供給は、供給口１４ａから供給され、吸収液２の排出は排出口１４ｂから排出される。このように、吸収液２は、一旦仕切板１４ｃの下部をくぐり抜けてから排出口１４ｂから排出されることになり、吸収液２が移動する流路を２倍に長くすることができる。排ガス浄化装置１０は、このような構成にしても構わない。
【００３４】
排ガス中のＰＭ分回収する方法を説明する。
回転式の散気管３により、吸収液２中に気泡分散させることにより、排ガス中のＰＭは、排ガスとともに吸収液２の液中に分散する。この分散作用によりＰＭを分離し、フィルターにより回収する。
【００３５】
ところで、気体成分の溶液への溶解、吸収は、次に示す式（１）で表すことができる。
ｋL・a＝L・ΔCB/(A・hT・υ・H・PA)・・・・（１）
ｋL・a：物質移動容量係数
ｋL：物質移動係数
a：気泡界面積
L：液流量
ΔCB：液側反応成分の濃度変化（吸収量）
A：装置断面積
ｈT：気液混相高さ
υ：化学量論係数
H：ヘンリー定数
PA：被吸収ガスの出入口分圧の対数平均値
前記（１）式から判るように、ΔCBを一定以上に維持する為には、ｋL・aを一定以上に保つ必要があり、逆にガス量によってaが変動すれば、ΔCB（性能）を維持出来なくなることが判る。
【００３６】
したがって、気体が液体へ溶解または吸収する程度は、物質移動容量係数ｋL・aによって決定される。物質移動容量係数ｋL・aは、気体成分固有の物質移動係数ｋLと、接触面積aとの積として求められ、この値が大きければ大きいほど、物質を短時間に多量に液中に溶解、吸収することができる。
接触面積aを増やし、物質移動容量係数ｋL・aを高めることにより、課題が解決できると共に、排ガス浄化装置１０を、よりコンパクトな装置にすることができる。
また、前記した物質移動容量係数ｋL・aは、温度、圧力により決定され、接触面積aは、気泡３ｄの径、気泡３ｄの液中への分散状態により決定される。
ディーゼルエンジンの性能を維持すること、運転コストを最小限に抑えることを考慮すれば、排ガスの温度、圧力を変化させることは得策ではなく、したがって、排ガスの状態を変化させることなく比較的容易にコントロールできる接触面積aを大きくとることで、気液間の物質移動容量係数ｋL・aを大きくすることが、「船舶による環境汚染の規制」をクリヤするためのポイントである。
【００３７】
本発明では、排気ガスを回転する散気管３を用いて液中に導入し、散気管３の高速回転により散気孔３ａからの気泡径を１〜５０００μｍにコントロールし、溶解、吸収反応および発生コストに最も効率のよい気泡径としてその気泡３ｄを効率よく液中にて分散可能に構成した。
また、排気ガスが直接液中に分散して接触面積が大きくなるため、排気ガスの持つ顕熱は、伝熱管を介した熱交換よりはるかに効率よく液に伝達される。
この特徴を活かして、比較的低温の排気ガスから効率よく熱回収を図ることができる。なお、熱回収をしないで、冷却だけをする冷却装置としても構わない。
また、機器構成としては、排ガス浄化塔１より直接蒸気を取り出し、発電もしくはプロセス蒸気として活用することもできる。さらに、排ガス浄化塔１の内部に熱交換器５を配したことにより、液体もしくはガスを熱媒体として利用することにより、吸収液２から熱を吸収し、別のプロセスへ熱を供給することもできる。
【実施例】
【００３８】
図５は、本願発明の排ガス浄化装置の散気ノズル回転数比と気泡径との関係を示すグラフである。
図５に示すように、横軸の回転式の散気管の回転数を上げると、縦軸の気泡径が反比例して２次曲線で微細化される関係が判る。
図６は、本願発明の排ガス浄化装置の気泡径と単位容積当りの接触面積比との関係を示すグラフである。
図６に示すように、横軸の気泡径を微細化すると、縦軸の接触面積比が急激に増大する、反比例の関係があることが判る。
【００３９】
図７は本願発明の排ガス浄化装置の、単位容積当りの接触面積比と物質移動容量係数比の関係を示すグラフである。横軸の接触面積比が増加すると、縦軸の物質移動容量係数比も２次曲線で増加することが判る。
すなわち、本発明では、浄化性能を一定以上に維持するために、排ガス条件の変化に対応して散気管３の回転数を変更し、好適な径の気泡３ｄを発生させ、適正な気液接触面積を確保することで所望の物質移動容量係数を高める。
【００４０】
図８は、物質移動容量係数比と脱硝率比の関係を示すグラフである。図８に示すように、横軸の物質移動容量係数比と縦軸の脱硝率比の関係は、２次曲線で比例しているのが判る。
この結果、排ガス浄化装置１０は、回転式の散気管３による微細な気泡３ｄにより、気液の接触面積を増やし、物質移動容量係数を高めることができるので、排ガスのＮＯｘを８０％削減することができる。
また、排ガス浄化装置１０を、よりコンパクトな装置にすることができる。
【００４１】
なお、本発明はその技術思想の範囲内で種々の改造、変更が可能である。
回転駆動装置４は、電気式可変速制御により行うが、機械式の可変速装置を用いてもよい。
例えば、図１の（ｃ）に示すように、モータ４ｂはベルト式の無断変速機構を有し、可変速が可能である。つまり、回転数は、手動の可変ハンドル４ｇを回し、所望の回転数の目盛りに合わせてプーリ４ｄ,４ｄの幅を変更するとともに、変更されたベルト幅に合わせてベルト４ｆが移動して所望の回転数に変速される構成としてもよいし、この可変ハンドル４ｇを自動旋回にしても構わない。
【符号の説明】
【００４２】
１ 排ガス浄化塔
１ａ 排液ノズル
１ｂ 排ガス出口
１ｃ ミストキャッチャー（ヒュームキャッチャー）
２ 吸収液
３ 散気管（回転式の散気管）
３ａ 散気孔（散気ノズル）
３ｂ ベアリング
３ｃ 回転軸
３ｄ 気泡
３ｅ リブ
３ｆ 底板
４ 回転駆動装置
４ａ インバータモータ
４ｂ モータ
４ｃ，４ｄ プーリ
４ｅ，４ｆ Ｖベルト
４ｇ 可変ハンドル
５ 熱交換器
６ 給水管
６ａ，６ｂ バルブ
６ｃ 給水口
７ 排ガス導入流路
８ 無害化装置
９ 分散板
９ａ 邪魔板
１０，１１，１２，１３，１４ 排ガス浄化装置
１３ａ,１４ａ 供給口
１３ｂ,１４ｂ 排出口
１４ｃ 仕切板
１５ ＮＯｘ浄化装置
１６ スクラバー
１８ 制御装置
ＤＥ ディーゼルエンジン
ＤＥ１ 排気管
ＴＣ ターボチャージャー
Ｈｇ 排ガス圧力
Ｈ１ 塔内吸収液高さ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディーゼルエンジンの排ガスに含まれる有害物質を除去する排ガス浄化装置であって、
前記有害物質を吸収する吸収液を貯留する排ガス浄化塔と、
前記吸収液に浸漬されるように前記排ガス浄化塔に回転自在に配設された散気管と、
前記散気管に形成された散気孔と、
前記散気管を回転する回転駆動装置と、
前記散気管に前記排ガスを導入する排ガス導入流路と、を備え、
前記散気管を回転させながら当該散気管に導入された前記排ガスを前記散気孔から前記吸収液の液中に放出して気泡分散させることで、前記有害物質を吸収することを特徴とするディーゼルエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項２】
前記回転駆動装置は、ディーゼルエンジンの回転数や排ガスの圧力、重油の種類、燃焼温度等の緒言により有害ガスの発生量が変化するのに対応して、気泡の径が１〜５０００μｍの範囲になるように、前記散気管の回転数を変えて制御することを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項３】
前記吸収液の温度上昇により発生する熱を回収する熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項４】
前記有害物質を吸収した使用済みの前記吸収液を前記排ガス浄化塔から排出しながら、未使用の吸収液を前記排ガス浄化塔に供給することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項５】
前記吸収液は海水であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項１】
ディーゼルエンジンの排ガスに含まれる有害物質を除去する排ガス浄化装置であって、
前記有害物質を吸収する吸収液を貯留する排ガス浄化塔と、
前記吸収液に浸漬されるように前記排ガス浄化塔に回転自在に配設された散気管と、
前記散気管に形成された散気孔と、
前記散気管を回転する回転駆動装置と、
前記散気管に前記排ガスを導入する排ガス導入流路と、を備え、
前記散気管を回転させながら当該散気管に導入された前記排ガスを前記散気孔から前記吸収液の液中に放出して気泡分散させることで、前記有害物質を吸収することを特徴とするディーゼルエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項２】
前記回転駆動装置は、ディーゼルエンジンの回転数や排ガスの圧力、重油の種類、燃焼温度等の緒言により有害ガスの発生量が変化するのに対応して、気泡の径が１〜５０００μｍの範囲になるように、前記散気管の回転数を変えて制御することを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項３】
前記吸収液の温度上昇により発生する熱を回収する熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項４】
前記有害物質を吸収した使用済みの前記吸収液を前記排ガス浄化塔から排出しながら、未使用の吸収液を前記排ガス浄化塔に供給することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置。
【請求項５】
前記吸収液は海水であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のディーゼルエンジンの排ガス浄化装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−２２５３２０（Ｐ２０１２−２２５３２０Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９５８３２（Ｐ２０１１−９５８３２）
【出願日】平成２３年４月２２日（２０１１．４．２２）
【出願人】（０００１５４５９８）株式会社福島製作所 (3)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月２２日（２０１１．４．２２）
【出願人】（０００１５４５９８）株式会社福島製作所 (3)
【Ｆターム（参考）】
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