舶用脱硝システムおよびこれを備えた船舶
【課題】脱硝用還元剤としてアンモニアを生成する際に必要な電気エネルギーを安定して供給できる舶用脱硝システムを提供する。
【解決手段】水から水素を製造する水素製造部８１及び空気から窒素を製造する窒素製造部８３を有し、水素製造部８１によって製造された水素および窒素製造部８３によって製造された窒素からアンモニアを生成するアンモニア生成器２と、舶用推進用のディーゼルエンジン３の排ガス通路としての第２排気管Ｌ２に設けられ、アンモニア生成器２によって生成されたアンモニアとともに排ガス脱硝を行うＳＣＲ触媒部４とを備えた舶用脱硝システム１において、ハイブリッド排気タービン過給機５と、蓄電池６７とを備え、ハイブリッド排気タービン過給機５および蓄電池の発電出力がアンモニア生成器２に対して供給される。
【解決手段】水から水素を製造する水素製造部８１及び空気から窒素を製造する窒素製造部８３を有し、水素製造部８１によって製造された水素および窒素製造部８３によって製造された窒素からアンモニアを生成するアンモニア生成器２と、舶用推進用のディーゼルエンジン３の排ガス通路としての第２排気管Ｌ２に設けられ、アンモニア生成器２によって生成されたアンモニアとともに排ガス脱硝を行うＳＣＲ触媒部４とを備えた舶用脱硝システム１において、ハイブリッド排気タービン過給機５と、蓄電池６７とを備え、ハイブリッド排気タービン過給機５および蓄電池の発電出力がアンモニア生成器２に対して供給される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばディーゼルエンジンからの排ガスの脱硝に用いて好適な船舶に搭載される舶用脱硝システムおよびこれを備えた船舶に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
船舶推進用のディーゼルエンジン（メインエンジン）から発生する窒素酸化物（NOx）を除去するために、船舶に脱硝装置が搭載される。
下記特許文献１には、脱硝触媒の還元剤として用いるアンモニアを船舶上にて生成可能とした発明が開示されている。アンモニアが船舶上で生成できるので、液体アンモニアを船舶へと運搬し、船舶内で貯蔵する必要がない。また、液体アンモニアは危険物として扱われるので、漏洩検知センサや二重配管といった特別な貯蔵設備を設ける必要があるが、船舶上にてアンモニアを必要量だけ生成すれば特別な貯蔵設備を設ける必要がない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２９２５３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
船舶上でアンモニアを生成するには水電気分解や搬送ポンプ等を駆動するための電気エネルギーが必要とされる。上記特許文献１では、補機としてのディーゼルエンジン発電機からの電力を利用することが示されている。
しかし、一般的にディーゼルエンジン発電機はメインエンジンよりも熱効率が低いため、ディーゼルエンジン発電機から電力を得るのでは、アンモニアを生成するためにエネルギーを更に浪費することになり、省エネルギーの観点から好ましくない。
また、アンモニア生成に必要とされる電力は、船内需要電力やメインエンジン負荷等に関係なく安定して供給することが望まれる。
【０００５】
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、脱硝用還元剤としてアンモニアを生成する際に必要な電気エネルギーを低い消費エネルギーで安定して供給できる舶用脱硝システムおよびこれを備えた船舶を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の舶用脱硝システムおよびこれを備えた船舶は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる舶用脱硝システムは、水から水素を製造する水素製造部、及び、空気から窒素を製造する窒素製造部を有し、前記水素製造部によって製造された水素および前記窒素製造部によって製造された窒素からアンモニアを生成するアンモニア生成器と、舶用推進用のメインエンジン及び／または発電用エンジンの排ガス通路に設けられ、前記アンモニア生成器によって生成されたアンモニアとともに排ガス脱硝を行う脱硝触媒部とを備えた舶用脱硝システムにおいて、前記メインエンジンの排気エネルギーを用いて発電する発電機と、該発電機に対して電気的に接続された蓄電池とを備え、前記発電機および前記蓄電池は、前記アンモニア生成器に対して電力を供給する電力系統に接続されていることを特徴とする。
【０００７】
アンモニア生成器は、水から水素を製造する水素製造部と、空気から窒素を製造する窒素製造部とを有し、水素製造部および窒素製造によって製造された水素および窒素によってアンモニアを生成する。このように、水および空気を原料として船舶上にてアンモニアを生成できるので、液体アンモニア（例えばアンモニア水溶液）や尿素等の還元剤を貯蔵するスペースを船舶上に設ける必要がない。したがって、大きなスペースを確保することなく舶用脱硝システムを船舶内に設置することができる。
また、メインエンジンの排気エネルギーを用いて発電する発電機がアンモニア生成器に対して電力を供給する電力系統に接続されており、発電機の発電出力がアンモニア生成器に対して供給されるので、アンモニア生成器を少ない消費エネルギーで運転することができる。また、メインエンジンの排気エネルギーを有効利用できるので、別途設けられたディーゼルエンジン発電機等の発電用補機の容量増大や増台を回避することができる。
また、アンモニア生成器に対して電力を供給する電力系統に接続された蓄電池を備えているので、メインエンジンに負荷変動が生じて発電機の発電出力に変動が生じても、蓄電池の電力を用いることができる。特に、メインエンジンの低負荷時に発電機からの発電出力が十分に得られない場合に有用である。したがって、アンモニア生成器に対して安定して電力を供給することができる。さらに、蓄電池は発電機と同じ電力系統に接続されているので、発電機で発生した余剰電力を蓄電することができる。
また、船舶に発電用エンジンが設けられている場合には、蓄電池を備えることによって負荷変動を抑えることができるので、発電用エンジンの容量およびサイズを低減することができる。
【０００８】
さらに、本発明の舶用脱硝システムでは、前記脱硝触媒部に導入される排ガスを加熱する電気ヒータを備え、該電気ヒータは前記電力系統から電力供給が行われると、さらに好適である。
【０００９】
脱硝触媒部として主に用いられている選択接触還元法（ＳＣＲ）のＳＣＲ触媒では、排ガス温度が低温になるほど被毒のおそれがある。本発明によれば、電気ヒータによって排ガス温度が上昇するのでＳＣＲ触媒の被毒を防止することができる。
また、電気ヒータには、発電機および蓄電池が接続された電力系統から安定した電力供給が行われる。
【００１０】
さらに、本発明の舶用脱硝システムでは、前記電力系統には、太陽光発電装置を接続することができる。
【００１１】
電力系統に対して太陽光発電装置が接続されているので、太陽光発電装置の発電出力を蓄電池に供給することができる。これにより、さらに安定した電力供給が可能となる。
【００１２】
さらに、本発明の舶用脱硝システムでは、前記電力系統には、船舶の外部の電源から電力の供給を受ける外部電力入力部を接続することができる。
【００１３】
船舶の外部の電源から電力の供給を受ける外部電力入力部が電力系統に接続されているので、例えば船舶の接岸時に外部（陸側）から電力の供給を受けることができる。これにより、船舶の接岸時には発電用エンジンを起動する必要がなくなり、いわゆるゼロエミッションを達成することができる。
【００１４】
さらに、本発明の舶用脱硝システムでは、前記メインエンジンの排気タービン過給機の回転出力を得て発電する過給機側発電機を、前記発電機として用いることを特徴とする。
【００１５】
メインエンジンの排気タービン過給機の回転出力を得て発電する過給機側発電機を備えた過給機として、ハイブリッド排気タービン過給機が知られている。この過給機側発電機をアンモニア生成器に対して電力供給する発電機として用いることとした。これにより、メインエンジンの排気エネルギーを有効に利用することができる。
【００１６】
さらに、本発明の舶用脱硝システムでは、前記メインエンジンの排ガスを駆動源とするパワータービンによって発電するパワータービン側発電機を、前記発電機として用いることを特徴とする。
【００１７】
メインエンジンの排ガスを駆動源とするパワータービンによって発電するパワータービン側発電機の出力電力をアンモニア生成器に用いることとした。これにより、メインエンジンの排気エネルギーを有効に利用することができる。
【００１８】
さらに、本発明の舶用脱硝システムでは、前記メインエンジンの排ガスを駆動源とするパワータービン、及び、前記メインエンジンの排ガスを用いた排ガスボイラによって生成された蒸気を駆動源とする蒸気タービンによって発電する異種タービン側発電機を、前記発電機として用いることを特徴とする。
【００１９】
異種タービン側発電機には、パワータービン及び蒸気タービンといった異なる種類（異種）のタービンが接続されている。この異種タービン側発電機を用いることにより、メインエンジンの排ガスを駆動源とするパワータービンに加えて、メインエンジンの排ガスを用いた排ガスボイラによって生成された蒸気を駆動源とする蒸気タービンをも用いて発電することとしたので、さらにメインエンジンの排気エネルギーを有効に利用することができる。
【００２０】
また、本発明の舶用脱硝システムでは、前記メインエンジンの排ガスを用いた排ガスボイラによって生成された蒸気を駆動源とする蒸気タービンによって発電する蒸気タービン側発電機を、前記発電機として用いることを特徴とする。
【００２１】
さらに、本発明の舶用脱硝システムでは、前記メインエンジンのジャケットや空気冷却器の冷却水及び／または排ガスと熱交換した加熱水と熱交換され、蒸気化した熱媒体を駆動源とするタービンによって発電する熱媒体タービン側発電機を、前記発電機として用いることを特徴とする。
前記熱媒体は、水よりも沸点の低い代替フロン（例えばＲ−２４５ｆａ、Ｒ−１３４ａなど）や、ペンタン、ブタンなどの有機熱媒体を使ったシステムが一般的に知られており、ランキンサイクルと呼ばれている。
【００２２】
また、本発明の船舶は、船舶推進用のメインエンジン及び／または発電用エンジンと、上記のいずれかの舶用脱硝システムとを備えていることを特徴とする。
【００２３】
上記のいずれかの舶用脱硝システムは、安定した電力供給が可能とされているので、船舶に搭載するのに好適である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、メインエンジンの排気エネルギーを用いて発電する発電機の発電出力をアンモニアの生成に用いることとしたので、少ない消費エネルギーで舶用脱硝システムを運転することができる。
また、蓄電池を備えているので、メインエンジンに負荷変動が生じて発電機の発電出力に変動が生じても、蓄電池の電力を用いることができ、安定した電力供給が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる舶用脱硝システムが設けられたディーゼルエンジンまわりを示した概略構成図である。
【図２】図１に示したアンモニア生成器の概略を示した概略構成図である。
【図３】本発明の第２実施形態にかかる舶用脱硝システムが設けられたディーゼルエンジンまわりを示した概略構成図である。
【図４】本発明の第３実施形態にかかる舶用脱硝システムが設けられたディーゼルエンジンまわりを示した概略構成図である。
【図５】本発明の第４実施形態にかかる舶用脱硝システムが設けられたディーゼルエンジンまわりを示した概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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を用いて説明する。
図１には、本実施形態にかかる舶用脱硝システム１が設けられたディーゼルエンジン３まわりの概略構成が示されている。
船舶内には、船舶推進用のディーゼルエンジン（メインエンジン）３と、ディーゼルエンジン３からの排ガスを脱硝するための脱硝システム１と、ディーゼルエンジン３の排ガスによって駆動されるハイブリッド排気タービン過給機５と、ディーゼルエンジン３の排ガスによって蒸気を生成する排ガスエコノマイザ（排ガスボイラ）１１とを備えている。
【００２７】
ディーゼルエンジン３からの出力は、プロペラ軸を介してスクリュープロペラに直接的または間接的に接続されている。また、ディーゼルエンジン３の各気筒のシリンダ部１３の排気ポートは排ガス集合管としての排気マニホールド１５に接続されている。排気マニホールド１５は、第１排気管Ｌ１を介してハイブリッド排気タービン給機５のタービン部５ａの入口側と接続されている。
なお脱硝システム１は、発電用エンジン６１，６３の排ガスを脱硝するために用いられてもよい。
【００２８】
一方、各シリンダ部１３の給気ポートは給気マニホールド１７に接続されており、給気マニホールド１７は、給気管Ｋ１を介してハイブリッド排気タービン過給機５のコンプレッサ部５ｂと接続している。また、給気管Ｋ１には空気冷却器（インタークーラ）１８が設置されている。
【００２９】
ハイブリッド排気タービン過給機５は、タービン部５ａと、コンプレッサ部５ｂと、ハイブリッド発電機モータ（過給機側発電機）５ｃとを備えている。タービン部５ａ、コンプレッサ部５ｂ及びハイブリッド発電機モータ５ｃは、回転軸５ｄによって同軸にて連結されている。
ハイブリッド発電機モータ５ｃは、タービン部５ａによって得られる回転出力を得て発電する一方で、船内系統３０から電力を得てコンプレッサ部５ｂの回転を加勢する。ハイブリッド発電機モータ５ｃと船内系統（電力系統）３０との間には、ハイブリッド発電機モータ５ｃ側から順に、交流電力を直流電力に変換するコンバータ１９と、直流電力を交流電力に変換するインバータ２０と、開閉スイッチ２１とが設けられている。
【００３０】
船内系統３０には、発電機６２を備えた第１発電用ディーゼルエンジン６１、発電機６４を備えた第２発電用ディーゼルエンジン６３、蓄電池６７、太陽光発電装置６９、外部電力入力部７１が並列に接続されている。
蓄電池６７としては、例えばリチウムイオン二次電池が好適に用いられる。蓄電池６７には、第１発電用ディーゼルエンジン６１、第２発電用ディーゼルエンジン６３、太陽光発電装置６９、ハイブリッド発電機モータ５ｃからの電力が蓄電されるようになっている。また、蓄電池６７の放電および充電は、図示しない制御部によって行われる。
外部電力入力部７１には、船舶の外部（すなわち陸上）の電源から電力供給が行われるようになっている。外部電力入力部７１から供給された電力によって、蓄電池６７が充電される。
船内系統３０は、アンモニア生成器２および後述する電気ヒータ７３に接続されており、これらアンモニア生成器２および電気ヒータ７３に電力が供給されるようになっている。
【００３１】
排ガスエコノマイザ１１は、ハイブリッド排気タービン過給機５のタービン部５ａの出口側の第２排気管Ｌ２に接続されており、ディーゼルエンジン３から排出される排ガスと、給水管２３によって供給された水とを熱交換させて蒸気を発生させる。排ガスエコノマイザ１１の上流側には、排ガスの流出入を制御する排ガスエコノマイザ用開閉弁２２が設けられている。排ガスエコノマイザ用開閉弁２２の切替タイミングは、図示しない制御部によって決定される。
【００３２】
舶用脱硝システム１は、アンモニア生成器２と、選択接触還元法（SCR；Selective Catalytic Reduction）に用いられるＳＣＲ触媒部４とを備えている。アンモニア生成器２及びＳＣＲ触媒部４は、第２排気管Ｌ２に接続されており、排ガス流れの上流側にアンモニア生成器２が配置され、下流側にＳＣＲ触媒部４が配置されている。
図２に示されているように、アンモニア生成器２は、水から水素を製造する水素製造部８１と、空気から窒素を製造する窒素製造部８３と、水素および窒素からアンモニアを生成するアンモニア生成部８０とを備えている。
水素製造部８１に用いられる水は、船舶に搭載された造水機８５によって海水から製造された真水を、更に、船舶に搭載された純水製造機８７によって製造された純水が用いられる。水素製造部８１には、電解質としてイオン交換膜を用いて純水を電気分解する固体高分子電解質膜法が用いられる。水素製造部８１から発生した水素は、水素ドライヤー（図示せず）で脱湿された後、アンモニア生成部８０へと送られる。
窒素製造部８３では、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）法等によって空気から窒素が得られる。窒素製造部８３で得られた窒素は、アンモニア生成部８０へと送られる。
アンモニア生成部８０では、水素と窒素とが混合加熱され、ルテニウム触媒等の反応触媒の下でアンモニアが生成される。
【００３３】
アンモニア生成器２では、水素製造部８１の電気分解等のように電力を消費するため、この電力として、上述したハイブリッド発電機モータ５ｃからの電力が利用される。
アンモニア生成器２にて生成されたアンモニア（ガス）は、図１に示すように、アンモニア生成器用開閉弁２４を介して、第２排気管Ｌ２に直接供給される。このように、生成されたアンモニアは、途中で貯留されることなく排ガス中に供給されるようになっている。アンモニア生成器用開閉弁２４の切替タイミングは、図示しない制御部によって決定される。
【００３４】
ＳＣＲ触媒部４には、ＳＣＲ用開閉弁２６を介して第２排気管Ｌ２から排ガスが導入されるようになっている。ＳＣＲ用開閉弁２６の切替タイミングは、図示しない制御部によって決定される。ＳＣＲ触媒部４では、排ガス中のNOxが触媒により選択的に還元され、無害な窒素と水蒸気に分解される。
ＳＣＲ触媒部４の上流側には、導入される排ガスを加熱するための電気ヒータ７３が設けられている。
【００３５】
ＳＣＲ用開閉弁２６と排ガスエコノマイザ用開閉弁２２とは、択一的に選択されて開閉が行われる。すなわち、排ガスのNOx規制が厳格とされている海域を航行する際のように排ガス脱硝が必要な場合は、ＳＣＲ用開閉弁２６を開き、排ガスエコノマイザ用開閉弁２２を閉じる。一方、排ガスのNOx規制が比較的緩やかな海域を航行する際のように排ガス脱硝を行わない場合は、ＳＣＲ用開閉弁２６を閉じ、排ガスエコノマイザ用開閉弁２２を開ける。
なお、ＳＣＲ用開閉弁２６及び排ガスエコノマイザ用開閉弁２２は、１つの三方弁で代用することも可能である。
【００３６】
次に、上記構成の舶用脱硝システム１の運用方法について説明する。
ディーゼルエンジン３から排出された排ガスは、排気マニホールド１５から第１排気管Ｌ１を介してハイブリッド排気タービン過給機５のタービン部５ａへと導かれる。タービン部５ａは、排ガスエネルギーを得て回転させられ、その回転出力を回転軸５ｄを介してコンプレッサ部５ｂ及びハイブリッド発電機モータ５ｃへと伝達する。コンプレッサ部５ｂでは、吸入した空気（外気）を圧縮して空気冷却器１８を介して給気マニホールド１７へと送る。
ハイブリッド発電機モータ５ｃでは、タービン部５ａから得た回転出力によって発電し、その発電出力を船内系統３０へと供給する。供給されたハイブリッド発電機モータ５ｃからの電力は、アンモニア生成器２へと送られ、水素製造部８１の電気分解や、中間生成ガスおよび生成されたアンモニアを搬送する搬送ポンプ等に用いられる。
また、ハイブリッド発電機モータ５ｃからの発電出力は、船内系統３０に接続された蓄電池６７に供給される。
船内系統３０には、太陽光発電装置６９が接続されており、太陽光によって発電された電力が船内系統３０に供給され、船内系統３０に接続された図示しない負荷にて利用されるとともに、蓄電池６７に充電される。
発電用ディーゼルエンジン６１，６３にて発電された電力も同様に船内系統３０に供給され、船内系統３０に接続された図示しない負荷にて利用されるとともに、蓄電池６７に充電される。
船舶が接岸した場合には、外部電力入力部７１を介して陸上から電力の供給を受け、船内系統３０に接続された図示しない負荷にて利用されるとともに、蓄電池６７に充電される。この場合には、発電用ディーゼルエンジン６１，６３が停止されていることが好ましい。
【００３７】
アンモニア生成器２では、船内系統３０からの電力を用いて、水素製造部８１にて製造された水素と窒素製造部８３にて製造された窒素とからアンモニアが生成される。
【００３８】
排ガスNOx規制が厳格な海域（ＥＣＡ；Emission Control Area）を航行する場合には、排ガス脱硝を行う。この場合、排ガスエコノマイザ用開閉弁２２を閉とし、アンモニア生成器用開閉弁２４及びＳＣＲ用開閉弁２６を開とする。
ハイブリッド排気タービン過給機５のタービン部５ａから排出された排ガスは、第２排気管Ｌ２を通り、アンモニア生成器２から供給されるアンモニア（ガス）と混合される。アンモニアと混合された排ガスは、ＳＣＲ用開閉弁２６を介してＳＣＲ触媒部４へと導かれる。ＳＣＲ触媒部４へ導かれる前に、排ガス温度が所定値未満の場合には図示しない制御部によって電気ヒータ７３が起動され、排ガスが加熱される。一方、排ガス温度が所定値以上の場合には、図示しない制御部によって電気ヒータ７３が停止される。電気ヒータ７３を通過した排ガスは、ＳＣＲ触媒部４にて脱硝された後、図示しない煙突から外部へと排出される。
【００３９】
排ガスNOx規制が比較的緩やかな海域を航行する場合には、排ガス脱硝を行わない。この場合、排ガスエコノマイザ用開閉弁２２を開とし、アンモニア生成器用開閉弁２４及びＳＣＲ用開閉弁２６を閉とする。
ハイブリッド排気タービン過給機５のタービン部５ａから排出された排ガスは、第２排気管Ｌ２を通り、排ガスエコノマイザ用開閉弁２２を介して、排ガスエコノマイザ１１へと導かれる。排ガスエコノマイザ１１では、給水管２３から供給される水が排ガスによって加熱されて蒸気が生成される。生成された蒸気は、船内の各所にて使用される。排ガスエコノマイザ１１から排出された排ガスは、図示しない煙突から外部へと排出される。
【００４０】
上述の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
アンモニア生成器２により、水および空気を原料として船舶上にてアンモニアを生成できるので、液体アンモニア（例えばアンモニア水溶液）や尿素等の還元剤を貯蔵するスペースを船舶上に設ける必要がない。したがって、大きなスペースを確保することなく舶用脱硝システムを船舶内に設置することができる。
【００４１】
ディーゼルエンジン３の排気ガスによって発電するハイブリッド排気タービン過給機５のハイブリッド発電機モータ５ｃの発電出力がアンモニア生成器２に対して供給されるので、アンモニア生成器２を少ない消費エネルギーで運転することができる。また、ディーゼルエンジン３の排気エネルギーを有効利用できるので、別途設けられたディーゼルエンジン発電機等の発電用補機の容量増大や増台を回避することができる。
【００４２】
アンモニア生成器２に対して電力を供給する船内系統３０に接続された蓄電池６７を備えているので、ディーゼルエンジン３に負荷変動が生じてハイブリッド排気タービン過給機５の発電出力に変動が生じても、蓄電池６７の電力を用いることができる。特に、ディーゼルエンジン３の低負荷時にハイブリッド排気タービン過給機５からの発電出力が十分に得られない場合に有用である。したがって、アンモニア生成器２に対して安定して電力を供給することができる。さらに、蓄電池６７はハイブリッド排気タービン過給機５と同じ船内系統３０に接続されているので、発電機で発生した余剰電力を蓄電することができる。
また、蓄電池を備えることによって負荷変動を抑えることができるので、発電用ディーゼルエンジン６１，６３の容量およびサイズを低減することができる。
【００４３】
電気ヒータ７３によってＳＣＲ触媒部４に流入する排ガス温度を上昇させることができるので、ＳＣＲ触媒の被毒を防止することができる。さらに、電気ヒータ７３には、蓄電池６７が接続された船内系統３０からの電力が用いられるので、安定した電力供給を受けることができる。
【００４４】
船内系統３０に対して太陽光発電装置６９を接続し、太陽光発電装置６９の発電出力を蓄電池６７に供給することとしたので、さらに安定した電力供給が可能となる。
【００４５】
陸上から電力の供給を受ける外部電力入力部７１が船内系統３０に接続されているので、船舶の接岸時に電力の供給を受けることができる。これにより、船舶の接岸時には発電用ディーゼルエンジン６１，６３を起動する必要がなくなり、いわゆるゼロエミッションを達成することができる。
【００４６】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図３を用いて説明する。上述した第１実施形態では、ハイブリッド排気タービン過給機５（図１参照）からの発電出力を船内系統３０に接続して脱硝システムに利用する構成としたのに対して、本実施形態では、パワータービン（ガスタービン）からの発電出力を船内系統３０に接続して脱硝システムに利用する構成とした点が異なる。したがって、その他の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。
【００４７】
第１実施形態のハイブリッド排気タービン過給機５（図１参照）に代えて、図３に示すように、排気タービン過給機５’が設けられている。排ガスによって駆動されるタービン部５ａ及び空気を圧縮するコンプレッサ部５ｂについては第１実施形態と同様である。
【００４８】
排気マニホールド１５には、第３排気管Ｌ３が接続されており、この第３排気管Ｌ３を介してパワータービン７の入口側へとディーゼルエンジン３の排ガスが導かれる。このように、ディーゼルエンジン３の排ガスの一部が、排気タービン過給機５’に供給される前に抽ガスされてパワータービン７に供給されるようになっている。この抽ガスされた排ガスによって、パワータービン７が回転駆動される。
パワータービン７の出口側から排出された排ガスは、第４排気管Ｌ４を介して、第２排気管Ｌ２へと導かれるようになっている。
【００４９】
パワータービン７からの回転出力は、回転軸３２を介して、パワータービン側発電機３３に伝達されるようになっている。パワータービン側発電機３３にて発電された出力は、周波数変換器３５及び開閉スイッチ３６を介して船内系統３０へと供給されるようになっている。これにより、パワータービン側発電機３３の出力電力がアンモニア生成器２へと供給される。
パワータービン側発電機３３と周波数変換器３５との間には、ロードバンク４４が設けられている。ロードバンク４４としては、負荷抵抗装置が用いられ、パワータービン側発電機３３からの余剰電力を消費し、出力変動を低減するために用いられる。
【００５０】
また、第３排気管Ｌ３には、パワータービン７に導入するガス量を制御する排ガス量調整弁３７が設けられている。また、排ガス量調整弁３７が遮断したときに、排気タービン過給機５’のタービン部５ａへの過過給（エンジンの最適運転圧力を超えての過給）を防止するためにバイパス弁４０及びオリフィス４２が、第３排気管Ｌ３と第４排気管Ｌ４との間に設けられている。
【００５１】
本実施形態によれば、第１実施形態の作用効果に加え、以下の作用効果を奏する。
ディーゼルエンジン３の排ガスを駆動源とするパワータービン７によって発電するパワータービン側発電機３３の出力電力を、船内系統３０を介してアンモニア生成器２に用いることとしたので、ディーゼルエンジン３の排気エネルギーを有効に利用することができる。
【００５２】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について、図４を用いて説明する。上述した第２実施形態では、パワータービン７（図３参照）から得られた発電出力を船内系統３０に接続して脱硝システムに利用する構成としたのに対して、本実施形態では、パワータービン及び蒸気タービンからの発電出力を船内系統３０に接続して脱硝システムに利用する構成とした点が異なる。したがって、その他の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。
【００５３】
図４に示すように、蒸気タービン９は、排ガスエコノマイザ１１によって生成された蒸気が第１蒸気管Ｊ１を介して供給されて回転駆動されるようになっている。
排ガスエコノマイザ１１には、排気タービン過給機５’のタービン部５ａの出口側から第２排気管Ｌ２を介して排出される排ガスと、パワータービン７の出口側から第４排気管Ｌ４を介して排出される排ガスとが、導入されるようになっている。排ガスエコノマイザ１１で生成された蒸気は第１蒸気管Ｊ１を介して蒸気タービン９に導入される。蒸気タービン９で仕事を終えた蒸気は、第２蒸気管Ｊ２によって排出されて図示しないコンデンサ（復水器）に導かれるようになっている。
【００５４】
パワータービン７と蒸気タービン９とは直列に結合されて異種タービン側発電機５０を駆動するようになっている。すなわち、発電機５０には、パワータービン７及び蒸気タービン９といった異なる種類（異種）のタービンが同軸上に接続されている。異種タービン側発電機５０にて発電された出力は、周波数変換器３５及び開閉スイッチ３６を介して船内系統３０へと供給されるようになっている。これにより、異種タービン側発電機５０の出力電力がアンモニア生成器２へと供給される。
【００５５】
蒸気タービン９の回転軸５２は図示しない減速機およびカップリングを介して異種タービン側発電機５０に接続され、また、パワータービン７の回転軸３２は図示しない減速機およびクラッチ５３を介して蒸気タービン９の回転軸５２と連結されている。クラッチ５３としては、所定の回転数にて嵌脱されるクラッチが用いられ、例えばSSS（Synchro-Self-Shifting）クラッチが好適に用いられる。
【００５６】
第１蒸気管Ｊ１には、蒸気タービン９に導入する蒸気量を制御する蒸気量調整弁５４と、非常時に蒸気タービン９への蒸気の供給を遮断する非常停止用緊急遮断弁５５とが設置されている。また、第１蒸気管Ｊ１と第２蒸気管Ｊ２との間には、蒸気タービン７をバイパスする蒸気流量を調整するための蒸気バイパス弁５７が設けられている。
【００５７】
本実施形態によれば、第１実施形態および第２実施形態の作用効果に加え、以下の作用効果を奏する。
ディーゼルエンジン３の排ガスを駆動源とするパワータービン７に加えて、ディーゼルエンジン３の排ガスを用いた排ガスエコノマイザ１１によって生成された蒸気を駆動源とする蒸気タービン９をも用いて発電することとしたので、さらにディーゼルエンジンの排気エネルギーを有効に利用することができる。
【００５８】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について、図５を用いて説明する。上述した第３実施形態では、パワータービン７及び蒸気タービン９から得られた発電出力を船内系統３０に接続して脱硝システムに利用する構成としたのに対して、本実施形態では、熱媒体タービンからの発電出力を船内系統３０に接続して脱硝システムに利用する構成とした点が異なる。したがって、その他の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。
【００５９】
図５に示すように、第２冷却水管Ｃ２に、ジャケット水用熱交換器９０が設けられている。ジャケット水用熱交換器９０には、循環ポンプ４８によって第１冷却水管Ｃ１およびシリンダ部１３を通過して循環するジャケット水が導かれるようになっており、冷却水タンク４６から導かれる冷却水を加熱するようになっている。
熱交換器８９には、冷却水タンク４６から循環ポンプ４７により押し出され、熱交換器９０及び第２冷却水管Ｃ２を介して第２空気冷却器１６を通り段階的に加熱された冷却水が、第３冷却水管Ｃ３により導入される。
熱媒体タービン８は、熱交換器８９によって蒸気化した熱媒体が第１熱媒体管Ｒ１を介して供給されて回転駆動するようになっている。熱媒体タービン８で仕事を終えた蒸気状の熱媒体は、エコノマイザ９５で低温の熱媒体と熱交換した後、コンデンサ９７で液化され、系内を循環ポンプ９９で循環する。
なお、図５では熱媒体はジャケット水用熱交換器９０及び第２空気冷却器１６を通過した冷却水と熱交換する構成としたが、エンジン排ガスと熱交換した加熱水と熱交換した構成としても良い。
【００６０】
熱媒体タービン８からの回転出力は、回転軸９１を介して、熱媒体タービン側発電機９３に伝達されるようになっている。熱媒体タービン側発電機９３にて発電された出力は、周波数変換器３５及び開閉スイッチ３６を介して船内系統３０へと供給されるようになっている。これにより、熱媒体タービン側発電機９３の出力電力がアンモニア生成器２へと供給される。
【００６１】
本実施形態によれば、第１実施形態および第２実施形態、第３実施形態の作用効果に加え、以下の作用を奏する。
ディーゼルエンジン３の冷却水と熱交換され、蒸気化した熱媒体を駆動源とする熱媒体タービン８によって発電する熱媒体タービン側発電機９３の出力電力を、船内系統３０を介してアンモニア生成器２に用いることとしたので、ディーゼルエンジン３の低温排熱エネルギーを有効に利用することができる。
【００６２】
なお、上述した第１実施形態および第２実施形態では、排ガスエコノマイザ１１を用いた構成としたが、排ガスエコノマイザ１１を省略した構成としても良い。
【００６３】
また、第３実施形態では、パワータービン７及び第３排気管Ｌ３、第４排気管Ｌ４を省略し、蒸気タービン９のみを用いて発電する構成としても良い。
【符号の説明】
【００６４】
１ 舶用脱硝システム
２ アンモニア生成器
３ ディーゼルエンジン（メインエンジン）
４ ＳＣＲ触媒部
５ ハイブリッド排気タービン過給機
５’ 排気タービン過給機
５ｃ ハイブリッド発電機モータ（過給機側発電機）
７ パワータービン
８ 熱媒体タービン
９ 蒸気タービン
１１ 排ガスエコノマイザ（排ガスボイラ）
３０ 船内系統（電力系統）
３３ パワータービン側発電機
５０ 異種タービン側発電機
６７ 蓄電池
６９ 太陽光発電装置
７１ 外部電力入力部
７３ 電気ヒータ
８１ 水素製造部
８３ 窒素製造部
９３ 熱媒体タービン側発電機
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばディーゼルエンジンからの排ガスの脱硝に用いて好適な船舶に搭載される舶用脱硝システムおよびこれを備えた船舶に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
船舶推進用のディーゼルエンジン（メインエンジン）から発生する窒素酸化物（NOx）を除去するために、船舶に脱硝装置が搭載される。
下記特許文献１には、脱硝触媒の還元剤として用いるアンモニアを船舶上にて生成可能とした発明が開示されている。アンモニアが船舶上で生成できるので、液体アンモニアを船舶へと運搬し、船舶内で貯蔵する必要がない。また、液体アンモニアは危険物として扱われるので、漏洩検知センサや二重配管といった特別な貯蔵設備を設ける必要があるが、船舶上にてアンモニアを必要量だけ生成すれば特別な貯蔵設備を設ける必要がない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２９２５３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
船舶上でアンモニアを生成するには水電気分解や搬送ポンプ等を駆動するための電気エネルギーが必要とされる。上記特許文献１では、補機としてのディーゼルエンジン発電機からの電力を利用することが示されている。
しかし、一般的にディーゼルエンジン発電機はメインエンジンよりも熱効率が低いため、ディーゼルエンジン発電機から電力を得るのでは、アンモニアを生成するためにエネルギーを更に浪費することになり、省エネルギーの観点から好ましくない。
また、アンモニア生成に必要とされる電力は、船内需要電力やメインエンジン負荷等に関係なく安定して供給することが望まれる。
【０００５】
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、脱硝用還元剤としてアンモニアを生成する際に必要な電気エネルギーを低い消費エネルギーで安定して供給できる舶用脱硝システムおよびこれを備えた船舶を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の舶用脱硝システムおよびこれを備えた船舶は、以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかる舶用脱硝システムは、水から水素を製造する水素製造部、及び、空気から窒素を製造する窒素製造部を有し、前記水素製造部によって製造された水素および前記窒素製造部によって製造された窒素からアンモニアを生成するアンモニア生成器と、舶用推進用のメインエンジン及び／または発電用エンジンの排ガス通路に設けられ、前記アンモニア生成器によって生成されたアンモニアとともに排ガス脱硝を行う脱硝触媒部とを備えた舶用脱硝システムにおいて、前記メインエンジンの排気エネルギーを用いて発電する発電機と、該発電機に対して電気的に接続された蓄電池とを備え、前記発電機および前記蓄電池は、前記アンモニア生成器に対して電力を供給する電力系統に接続されていることを特徴とする。
【０００７】
アンモニア生成器は、水から水素を製造する水素製造部と、空気から窒素を製造する窒素製造部とを有し、水素製造部および窒素製造によって製造された水素および窒素によってアンモニアを生成する。このように、水および空気を原料として船舶上にてアンモニアを生成できるので、液体アンモニア（例えばアンモニア水溶液）や尿素等の還元剤を貯蔵するスペースを船舶上に設ける必要がない。したがって、大きなスペースを確保することなく舶用脱硝システムを船舶内に設置することができる。
また、メインエンジンの排気エネルギーを用いて発電する発電機がアンモニア生成器に対して電力を供給する電力系統に接続されており、発電機の発電出力がアンモニア生成器に対して供給されるので、アンモニア生成器を少ない消費エネルギーで運転することができる。また、メインエンジンの排気エネルギーを有効利用できるので、別途設けられたディーゼルエンジン発電機等の発電用補機の容量増大や増台を回避することができる。
また、アンモニア生成器に対して電力を供給する電力系統に接続された蓄電池を備えているので、メインエンジンに負荷変動が生じて発電機の発電出力に変動が生じても、蓄電池の電力を用いることができる。特に、メインエンジンの低負荷時に発電機からの発電出力が十分に得られない場合に有用である。したがって、アンモニア生成器に対して安定して電力を供給することができる。さらに、蓄電池は発電機と同じ電力系統に接続されているので、発電機で発生した余剰電力を蓄電することができる。
また、船舶に発電用エンジンが設けられている場合には、蓄電池を備えることによって負荷変動を抑えることができるので、発電用エンジンの容量およびサイズを低減することができる。
【０００８】
さらに、本発明の舶用脱硝システムでは、前記脱硝触媒部に導入される排ガスを加熱する電気ヒータを備え、該電気ヒータは前記電力系統から電力供給が行われると、さらに好適である。
【０００９】
脱硝触媒部として主に用いられている選択接触還元法（ＳＣＲ）のＳＣＲ触媒では、排ガス温度が低温になるほど被毒のおそれがある。本発明によれば、電気ヒータによって排ガス温度が上昇するのでＳＣＲ触媒の被毒を防止することができる。
また、電気ヒータには、発電機および蓄電池が接続された電力系統から安定した電力供給が行われる。
【００１０】
さらに、本発明の舶用脱硝システムでは、前記電力系統には、太陽光発電装置を接続することができる。
【００１１】
電力系統に対して太陽光発電装置が接続されているので、太陽光発電装置の発電出力を蓄電池に供給することができる。これにより、さらに安定した電力供給が可能となる。
【００１２】
さらに、本発明の舶用脱硝システムでは、前記電力系統には、船舶の外部の電源から電力の供給を受ける外部電力入力部を接続することができる。
【００１３】
船舶の外部の電源から電力の供給を受ける外部電力入力部が電力系統に接続されているので、例えば船舶の接岸時に外部（陸側）から電力の供給を受けることができる。これにより、船舶の接岸時には発電用エンジンを起動する必要がなくなり、いわゆるゼロエミッションを達成することができる。
【００１４】
さらに、本発明の舶用脱硝システムでは、前記メインエンジンの排気タービン過給機の回転出力を得て発電する過給機側発電機を、前記発電機として用いることを特徴とする。
【００１５】
メインエンジンの排気タービン過給機の回転出力を得て発電する過給機側発電機を備えた過給機として、ハイブリッド排気タービン過給機が知られている。この過給機側発電機をアンモニア生成器に対して電力供給する発電機として用いることとした。これにより、メインエンジンの排気エネルギーを有効に利用することができる。
【００１６】
さらに、本発明の舶用脱硝システムでは、前記メインエンジンの排ガスを駆動源とするパワータービンによって発電するパワータービン側発電機を、前記発電機として用いることを特徴とする。
【００１７】
メインエンジンの排ガスを駆動源とするパワータービンによって発電するパワータービン側発電機の出力電力をアンモニア生成器に用いることとした。これにより、メインエンジンの排気エネルギーを有効に利用することができる。
【００１８】
さらに、本発明の舶用脱硝システムでは、前記メインエンジンの排ガスを駆動源とするパワータービン、及び、前記メインエンジンの排ガスを用いた排ガスボイラによって生成された蒸気を駆動源とする蒸気タービンによって発電する異種タービン側発電機を、前記発電機として用いることを特徴とする。
【００１９】
異種タービン側発電機には、パワータービン及び蒸気タービンといった異なる種類（異種）のタービンが接続されている。この異種タービン側発電機を用いることにより、メインエンジンの排ガスを駆動源とするパワータービンに加えて、メインエンジンの排ガスを用いた排ガスボイラによって生成された蒸気を駆動源とする蒸気タービンをも用いて発電することとしたので、さらにメインエンジンの排気エネルギーを有効に利用することができる。
【００２０】
また、本発明の舶用脱硝システムでは、前記メインエンジンの排ガスを用いた排ガスボイラによって生成された蒸気を駆動源とする蒸気タービンによって発電する蒸気タービン側発電機を、前記発電機として用いることを特徴とする。
【００２１】
さらに、本発明の舶用脱硝システムでは、前記メインエンジンのジャケットや空気冷却器の冷却水及び／または排ガスと熱交換した加熱水と熱交換され、蒸気化した熱媒体を駆動源とするタービンによって発電する熱媒体タービン側発電機を、前記発電機として用いることを特徴とする。
前記熱媒体は、水よりも沸点の低い代替フロン（例えばＲ−２４５ｆａ、Ｒ−１３４ａなど）や、ペンタン、ブタンなどの有機熱媒体を使ったシステムが一般的に知られており、ランキンサイクルと呼ばれている。
【００２２】
また、本発明の船舶は、船舶推進用のメインエンジン及び／または発電用エンジンと、上記のいずれかの舶用脱硝システムとを備えていることを特徴とする。
【００２３】
上記のいずれかの舶用脱硝システムは、安定した電力供給が可能とされているので、船舶に搭載するのに好適である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、メインエンジンの排気エネルギーを用いて発電する発電機の発電出力をアンモニアの生成に用いることとしたので、少ない消費エネルギーで舶用脱硝システムを運転することができる。
また、蓄電池を備えているので、メインエンジンに負荷変動が生じて発電機の発電出力に変動が生じても、蓄電池の電力を用いることができ、安定した電力供給が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる舶用脱硝システムが設けられたディーゼルエンジンまわりを示した概略構成図である。
【図２】図１に示したアンモニア生成器の概略を示した概略構成図である。
【図３】本発明の第２実施形態にかかる舶用脱硝システムが設けられたディーゼルエンジンまわりを示した概略構成図である。
【図４】本発明の第３実施形態にかかる舶用脱硝システムが設けられたディーゼルエンジンまわりを示した概略構成図である。
【図５】本発明の第４実施形態にかかる舶用脱硝システムが設けられたディーゼルエンジンまわりを示した概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
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を用いて説明する。
図１には、本実施形態にかかる舶用脱硝システム１が設けられたディーゼルエンジン３まわりの概略構成が示されている。
船舶内には、船舶推進用のディーゼルエンジン（メインエンジン）３と、ディーゼルエンジン３からの排ガスを脱硝するための脱硝システム１と、ディーゼルエンジン３の排ガスによって駆動されるハイブリッド排気タービン過給機５と、ディーゼルエンジン３の排ガスによって蒸気を生成する排ガスエコノマイザ（排ガスボイラ）１１とを備えている。
【００２７】
ディーゼルエンジン３からの出力は、プロペラ軸を介してスクリュープロペラに直接的または間接的に接続されている。また、ディーゼルエンジン３の各気筒のシリンダ部１３の排気ポートは排ガス集合管としての排気マニホールド１５に接続されている。排気マニホールド１５は、第１排気管Ｌ１を介してハイブリッド排気タービン給機５のタービン部５ａの入口側と接続されている。
なお脱硝システム１は、発電用エンジン６１，６３の排ガスを脱硝するために用いられてもよい。
【００２８】
一方、各シリンダ部１３の給気ポートは給気マニホールド１７に接続されており、給気マニホールド１７は、給気管Ｋ１を介してハイブリッド排気タービン過給機５のコンプレッサ部５ｂと接続している。また、給気管Ｋ１には空気冷却器（インタークーラ）１８が設置されている。
【００２９】
ハイブリッド排気タービン過給機５は、タービン部５ａと、コンプレッサ部５ｂと、ハイブリッド発電機モータ（過給機側発電機）５ｃとを備えている。タービン部５ａ、コンプレッサ部５ｂ及びハイブリッド発電機モータ５ｃは、回転軸５ｄによって同軸にて連結されている。
ハイブリッド発電機モータ５ｃは、タービン部５ａによって得られる回転出力を得て発電する一方で、船内系統３０から電力を得てコンプレッサ部５ｂの回転を加勢する。ハイブリッド発電機モータ５ｃと船内系統（電力系統）３０との間には、ハイブリッド発電機モータ５ｃ側から順に、交流電力を直流電力に変換するコンバータ１９と、直流電力を交流電力に変換するインバータ２０と、開閉スイッチ２１とが設けられている。
【００３０】
船内系統３０には、発電機６２を備えた第１発電用ディーゼルエンジン６１、発電機６４を備えた第２発電用ディーゼルエンジン６３、蓄電池６７、太陽光発電装置６９、外部電力入力部７１が並列に接続されている。
蓄電池６７としては、例えばリチウムイオン二次電池が好適に用いられる。蓄電池６７には、第１発電用ディーゼルエンジン６１、第２発電用ディーゼルエンジン６３、太陽光発電装置６９、ハイブリッド発電機モータ５ｃからの電力が蓄電されるようになっている。また、蓄電池６７の放電および充電は、図示しない制御部によって行われる。
外部電力入力部７１には、船舶の外部（すなわち陸上）の電源から電力供給が行われるようになっている。外部電力入力部７１から供給された電力によって、蓄電池６７が充電される。
船内系統３０は、アンモニア生成器２および後述する電気ヒータ７３に接続されており、これらアンモニア生成器２および電気ヒータ７３に電力が供給されるようになっている。
【００３１】
排ガスエコノマイザ１１は、ハイブリッド排気タービン過給機５のタービン部５ａの出口側の第２排気管Ｌ２に接続されており、ディーゼルエンジン３から排出される排ガスと、給水管２３によって供給された水とを熱交換させて蒸気を発生させる。排ガスエコノマイザ１１の上流側には、排ガスの流出入を制御する排ガスエコノマイザ用開閉弁２２が設けられている。排ガスエコノマイザ用開閉弁２２の切替タイミングは、図示しない制御部によって決定される。
【００３２】
舶用脱硝システム１は、アンモニア生成器２と、選択接触還元法（SCR；Selective Catalytic Reduction）に用いられるＳＣＲ触媒部４とを備えている。アンモニア生成器２及びＳＣＲ触媒部４は、第２排気管Ｌ２に接続されており、排ガス流れの上流側にアンモニア生成器２が配置され、下流側にＳＣＲ触媒部４が配置されている。
図２に示されているように、アンモニア生成器２は、水から水素を製造する水素製造部８１と、空気から窒素を製造する窒素製造部８３と、水素および窒素からアンモニアを生成するアンモニア生成部８０とを備えている。
水素製造部８１に用いられる水は、船舶に搭載された造水機８５によって海水から製造された真水を、更に、船舶に搭載された純水製造機８７によって製造された純水が用いられる。水素製造部８１には、電解質としてイオン交換膜を用いて純水を電気分解する固体高分子電解質膜法が用いられる。水素製造部８１から発生した水素は、水素ドライヤー（図示せず）で脱湿された後、アンモニア生成部８０へと送られる。
窒素製造部８３では、ＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）法等によって空気から窒素が得られる。窒素製造部８３で得られた窒素は、アンモニア生成部８０へと送られる。
アンモニア生成部８０では、水素と窒素とが混合加熱され、ルテニウム触媒等の反応触媒の下でアンモニアが生成される。
【００３３】
アンモニア生成器２では、水素製造部８１の電気分解等のように電力を消費するため、この電力として、上述したハイブリッド発電機モータ５ｃからの電力が利用される。
アンモニア生成器２にて生成されたアンモニア（ガス）は、図１に示すように、アンモニア生成器用開閉弁２４を介して、第２排気管Ｌ２に直接供給される。このように、生成されたアンモニアは、途中で貯留されることなく排ガス中に供給されるようになっている。アンモニア生成器用開閉弁２４の切替タイミングは、図示しない制御部によって決定される。
【００３４】
ＳＣＲ触媒部４には、ＳＣＲ用開閉弁２６を介して第２排気管Ｌ２から排ガスが導入されるようになっている。ＳＣＲ用開閉弁２６の切替タイミングは、図示しない制御部によって決定される。ＳＣＲ触媒部４では、排ガス中のNOxが触媒により選択的に還元され、無害な窒素と水蒸気に分解される。
ＳＣＲ触媒部４の上流側には、導入される排ガスを加熱するための電気ヒータ７３が設けられている。
【００３５】
ＳＣＲ用開閉弁２６と排ガスエコノマイザ用開閉弁２２とは、択一的に選択されて開閉が行われる。すなわち、排ガスのNOx規制が厳格とされている海域を航行する際のように排ガス脱硝が必要な場合は、ＳＣＲ用開閉弁２６を開き、排ガスエコノマイザ用開閉弁２２を閉じる。一方、排ガスのNOx規制が比較的緩やかな海域を航行する際のように排ガス脱硝を行わない場合は、ＳＣＲ用開閉弁２６を閉じ、排ガスエコノマイザ用開閉弁２２を開ける。
なお、ＳＣＲ用開閉弁２６及び排ガスエコノマイザ用開閉弁２２は、１つの三方弁で代用することも可能である。
【００３６】
次に、上記構成の舶用脱硝システム１の運用方法について説明する。
ディーゼルエンジン３から排出された排ガスは、排気マニホールド１５から第１排気管Ｌ１を介してハイブリッド排気タービン過給機５のタービン部５ａへと導かれる。タービン部５ａは、排ガスエネルギーを得て回転させられ、その回転出力を回転軸５ｄを介してコンプレッサ部５ｂ及びハイブリッド発電機モータ５ｃへと伝達する。コンプレッサ部５ｂでは、吸入した空気（外気）を圧縮して空気冷却器１８を介して給気マニホールド１７へと送る。
ハイブリッド発電機モータ５ｃでは、タービン部５ａから得た回転出力によって発電し、その発電出力を船内系統３０へと供給する。供給されたハイブリッド発電機モータ５ｃからの電力は、アンモニア生成器２へと送られ、水素製造部８１の電気分解や、中間生成ガスおよび生成されたアンモニアを搬送する搬送ポンプ等に用いられる。
また、ハイブリッド発電機モータ５ｃからの発電出力は、船内系統３０に接続された蓄電池６７に供給される。
船内系統３０には、太陽光発電装置６９が接続されており、太陽光によって発電された電力が船内系統３０に供給され、船内系統３０に接続された図示しない負荷にて利用されるとともに、蓄電池６７に充電される。
発電用ディーゼルエンジン６１，６３にて発電された電力も同様に船内系統３０に供給され、船内系統３０に接続された図示しない負荷にて利用されるとともに、蓄電池６７に充電される。
船舶が接岸した場合には、外部電力入力部７１を介して陸上から電力の供給を受け、船内系統３０に接続された図示しない負荷にて利用されるとともに、蓄電池６７に充電される。この場合には、発電用ディーゼルエンジン６１，６３が停止されていることが好ましい。
【００３７】
アンモニア生成器２では、船内系統３０からの電力を用いて、水素製造部８１にて製造された水素と窒素製造部８３にて製造された窒素とからアンモニアが生成される。
【００３８】
排ガスNOx規制が厳格な海域（ＥＣＡ；Emission Control Area）を航行する場合には、排ガス脱硝を行う。この場合、排ガスエコノマイザ用開閉弁２２を閉とし、アンモニア生成器用開閉弁２４及びＳＣＲ用開閉弁２６を開とする。
ハイブリッド排気タービン過給機５のタービン部５ａから排出された排ガスは、第２排気管Ｌ２を通り、アンモニア生成器２から供給されるアンモニア（ガス）と混合される。アンモニアと混合された排ガスは、ＳＣＲ用開閉弁２６を介してＳＣＲ触媒部４へと導かれる。ＳＣＲ触媒部４へ導かれる前に、排ガス温度が所定値未満の場合には図示しない制御部によって電気ヒータ７３が起動され、排ガスが加熱される。一方、排ガス温度が所定値以上の場合には、図示しない制御部によって電気ヒータ７３が停止される。電気ヒータ７３を通過した排ガスは、ＳＣＲ触媒部４にて脱硝された後、図示しない煙突から外部へと排出される。
【００３９】
排ガスNOx規制が比較的緩やかな海域を航行する場合には、排ガス脱硝を行わない。この場合、排ガスエコノマイザ用開閉弁２２を開とし、アンモニア生成器用開閉弁２４及びＳＣＲ用開閉弁２６を閉とする。
ハイブリッド排気タービン過給機５のタービン部５ａから排出された排ガスは、第２排気管Ｌ２を通り、排ガスエコノマイザ用開閉弁２２を介して、排ガスエコノマイザ１１へと導かれる。排ガスエコノマイザ１１では、給水管２３から供給される水が排ガスによって加熱されて蒸気が生成される。生成された蒸気は、船内の各所にて使用される。排ガスエコノマイザ１１から排出された排ガスは、図示しない煙突から外部へと排出される。
【００４０】
上述の通り、本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
アンモニア生成器２により、水および空気を原料として船舶上にてアンモニアを生成できるので、液体アンモニア（例えばアンモニア水溶液）や尿素等の還元剤を貯蔵するスペースを船舶上に設ける必要がない。したがって、大きなスペースを確保することなく舶用脱硝システムを船舶内に設置することができる。
【００４１】
ディーゼルエンジン３の排気ガスによって発電するハイブリッド排気タービン過給機５のハイブリッド発電機モータ５ｃの発電出力がアンモニア生成器２に対して供給されるので、アンモニア生成器２を少ない消費エネルギーで運転することができる。また、ディーゼルエンジン３の排気エネルギーを有効利用できるので、別途設けられたディーゼルエンジン発電機等の発電用補機の容量増大や増台を回避することができる。
【００４２】
アンモニア生成器２に対して電力を供給する船内系統３０に接続された蓄電池６７を備えているので、ディーゼルエンジン３に負荷変動が生じてハイブリッド排気タービン過給機５の発電出力に変動が生じても、蓄電池６７の電力を用いることができる。特に、ディーゼルエンジン３の低負荷時にハイブリッド排気タービン過給機５からの発電出力が十分に得られない場合に有用である。したがって、アンモニア生成器２に対して安定して電力を供給することができる。さらに、蓄電池６７はハイブリッド排気タービン過給機５と同じ船内系統３０に接続されているので、発電機で発生した余剰電力を蓄電することができる。
また、蓄電池を備えることによって負荷変動を抑えることができるので、発電用ディーゼルエンジン６１，６３の容量およびサイズを低減することができる。
【００４３】
電気ヒータ７３によってＳＣＲ触媒部４に流入する排ガス温度を上昇させることができるので、ＳＣＲ触媒の被毒を防止することができる。さらに、電気ヒータ７３には、蓄電池６７が接続された船内系統３０からの電力が用いられるので、安定した電力供給を受けることができる。
【００４４】
船内系統３０に対して太陽光発電装置６９を接続し、太陽光発電装置６９の発電出力を蓄電池６７に供給することとしたので、さらに安定した電力供給が可能となる。
【００４５】
陸上から電力の供給を受ける外部電力入力部７１が船内系統３０に接続されているので、船舶の接岸時に電力の供給を受けることができる。これにより、船舶の接岸時には発電用ディーゼルエンジン６１，６３を起動する必要がなくなり、いわゆるゼロエミッションを達成することができる。
【００４６】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について、図３を用いて説明する。上述した第１実施形態では、ハイブリッド排気タービン過給機５（図１参照）からの発電出力を船内系統３０に接続して脱硝システムに利用する構成としたのに対して、本実施形態では、パワータービン（ガスタービン）からの発電出力を船内系統３０に接続して脱硝システムに利用する構成とした点が異なる。したがって、その他の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。
【００４７】
第１実施形態のハイブリッド排気タービン過給機５（図１参照）に代えて、図３に示すように、排気タービン過給機５’が設けられている。排ガスによって駆動されるタービン部５ａ及び空気を圧縮するコンプレッサ部５ｂについては第１実施形態と同様である。
【００４８】
排気マニホールド１５には、第３排気管Ｌ３が接続されており、この第３排気管Ｌ３を介してパワータービン７の入口側へとディーゼルエンジン３の排ガスが導かれる。このように、ディーゼルエンジン３の排ガスの一部が、排気タービン過給機５’に供給される前に抽ガスされてパワータービン７に供給されるようになっている。この抽ガスされた排ガスによって、パワータービン７が回転駆動される。
パワータービン７の出口側から排出された排ガスは、第４排気管Ｌ４を介して、第２排気管Ｌ２へと導かれるようになっている。
【００４９】
パワータービン７からの回転出力は、回転軸３２を介して、パワータービン側発電機３３に伝達されるようになっている。パワータービン側発電機３３にて発電された出力は、周波数変換器３５及び開閉スイッチ３６を介して船内系統３０へと供給されるようになっている。これにより、パワータービン側発電機３３の出力電力がアンモニア生成器２へと供給される。
パワータービン側発電機３３と周波数変換器３５との間には、ロードバンク４４が設けられている。ロードバンク４４としては、負荷抵抗装置が用いられ、パワータービン側発電機３３からの余剰電力を消費し、出力変動を低減するために用いられる。
【００５０】
また、第３排気管Ｌ３には、パワータービン７に導入するガス量を制御する排ガス量調整弁３７が設けられている。また、排ガス量調整弁３７が遮断したときに、排気タービン過給機５’のタービン部５ａへの過過給（エンジンの最適運転圧力を超えての過給）を防止するためにバイパス弁４０及びオリフィス４２が、第３排気管Ｌ３と第４排気管Ｌ４との間に設けられている。
【００５１】
本実施形態によれば、第１実施形態の作用効果に加え、以下の作用効果を奏する。
ディーゼルエンジン３の排ガスを駆動源とするパワータービン７によって発電するパワータービン側発電機３３の出力電力を、船内系統３０を介してアンモニア生成器２に用いることとしたので、ディーゼルエンジン３の排気エネルギーを有効に利用することができる。
【００５２】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態について、図４を用いて説明する。上述した第２実施形態では、パワータービン７（図３参照）から得られた発電出力を船内系統３０に接続して脱硝システムに利用する構成としたのに対して、本実施形態では、パワータービン及び蒸気タービンからの発電出力を船内系統３０に接続して脱硝システムに利用する構成とした点が異なる。したがって、その他の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。
【００５３】
図４に示すように、蒸気タービン９は、排ガスエコノマイザ１１によって生成された蒸気が第１蒸気管Ｊ１を介して供給されて回転駆動されるようになっている。
排ガスエコノマイザ１１には、排気タービン過給機５’のタービン部５ａの出口側から第２排気管Ｌ２を介して排出される排ガスと、パワータービン７の出口側から第４排気管Ｌ４を介して排出される排ガスとが、導入されるようになっている。排ガスエコノマイザ１１で生成された蒸気は第１蒸気管Ｊ１を介して蒸気タービン９に導入される。蒸気タービン９で仕事を終えた蒸気は、第２蒸気管Ｊ２によって排出されて図示しないコンデンサ（復水器）に導かれるようになっている。
【００５４】
パワータービン７と蒸気タービン９とは直列に結合されて異種タービン側発電機５０を駆動するようになっている。すなわち、発電機５０には、パワータービン７及び蒸気タービン９といった異なる種類（異種）のタービンが同軸上に接続されている。異種タービン側発電機５０にて発電された出力は、周波数変換器３５及び開閉スイッチ３６を介して船内系統３０へと供給されるようになっている。これにより、異種タービン側発電機５０の出力電力がアンモニア生成器２へと供給される。
【００５５】
蒸気タービン９の回転軸５２は図示しない減速機およびカップリングを介して異種タービン側発電機５０に接続され、また、パワータービン７の回転軸３２は図示しない減速機およびクラッチ５３を介して蒸気タービン９の回転軸５２と連結されている。クラッチ５３としては、所定の回転数にて嵌脱されるクラッチが用いられ、例えばSSS（Synchro-Self-Shifting）クラッチが好適に用いられる。
【００５６】
第１蒸気管Ｊ１には、蒸気タービン９に導入する蒸気量を制御する蒸気量調整弁５４と、非常時に蒸気タービン９への蒸気の供給を遮断する非常停止用緊急遮断弁５５とが設置されている。また、第１蒸気管Ｊ１と第２蒸気管Ｊ２との間には、蒸気タービン７をバイパスする蒸気流量を調整するための蒸気バイパス弁５７が設けられている。
【００５７】
本実施形態によれば、第１実施形態および第２実施形態の作用効果に加え、以下の作用効果を奏する。
ディーゼルエンジン３の排ガスを駆動源とするパワータービン７に加えて、ディーゼルエンジン３の排ガスを用いた排ガスエコノマイザ１１によって生成された蒸気を駆動源とする蒸気タービン９をも用いて発電することとしたので、さらにディーゼルエンジンの排気エネルギーを有効に利用することができる。
【００５８】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態について、図５を用いて説明する。上述した第３実施形態では、パワータービン７及び蒸気タービン９から得られた発電出力を船内系統３０に接続して脱硝システムに利用する構成としたのに対して、本実施形態では、熱媒体タービンからの発電出力を船内系統３０に接続して脱硝システムに利用する構成とした点が異なる。したがって、その他の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。
【００５９】
図５に示すように、第２冷却水管Ｃ２に、ジャケット水用熱交換器９０が設けられている。ジャケット水用熱交換器９０には、循環ポンプ４８によって第１冷却水管Ｃ１およびシリンダ部１３を通過して循環するジャケット水が導かれるようになっており、冷却水タンク４６から導かれる冷却水を加熱するようになっている。
熱交換器８９には、冷却水タンク４６から循環ポンプ４７により押し出され、熱交換器９０及び第２冷却水管Ｃ２を介して第２空気冷却器１６を通り段階的に加熱された冷却水が、第３冷却水管Ｃ３により導入される。
熱媒体タービン８は、熱交換器８９によって蒸気化した熱媒体が第１熱媒体管Ｒ１を介して供給されて回転駆動するようになっている。熱媒体タービン８で仕事を終えた蒸気状の熱媒体は、エコノマイザ９５で低温の熱媒体と熱交換した後、コンデンサ９７で液化され、系内を循環ポンプ９９で循環する。
なお、図５では熱媒体はジャケット水用熱交換器９０及び第２空気冷却器１６を通過した冷却水と熱交換する構成としたが、エンジン排ガスと熱交換した加熱水と熱交換した構成としても良い。
【００６０】
熱媒体タービン８からの回転出力は、回転軸９１を介して、熱媒体タービン側発電機９３に伝達されるようになっている。熱媒体タービン側発電機９３にて発電された出力は、周波数変換器３５及び開閉スイッチ３６を介して船内系統３０へと供給されるようになっている。これにより、熱媒体タービン側発電機９３の出力電力がアンモニア生成器２へと供給される。
【００６１】
本実施形態によれば、第１実施形態および第２実施形態、第３実施形態の作用効果に加え、以下の作用を奏する。
ディーゼルエンジン３の冷却水と熱交換され、蒸気化した熱媒体を駆動源とする熱媒体タービン８によって発電する熱媒体タービン側発電機９３の出力電力を、船内系統３０を介してアンモニア生成器２に用いることとしたので、ディーゼルエンジン３の低温排熱エネルギーを有効に利用することができる。
【００６２】
なお、上述した第１実施形態および第２実施形態では、排ガスエコノマイザ１１を用いた構成としたが、排ガスエコノマイザ１１を省略した構成としても良い。
【００６３】
また、第３実施形態では、パワータービン７及び第３排気管Ｌ３、第４排気管Ｌ４を省略し、蒸気タービン９のみを用いて発電する構成としても良い。
【符号の説明】
【００６４】
１ 舶用脱硝システム
２ アンモニア生成器
３ ディーゼルエンジン（メインエンジン）
４ ＳＣＲ触媒部
５ ハイブリッド排気タービン過給機
５’ 排気タービン過給機
５ｃ ハイブリッド発電機モータ（過給機側発電機）
７ パワータービン
８ 熱媒体タービン
９ 蒸気タービン
１１ 排ガスエコノマイザ（排ガスボイラ）
３０ 船内系統（電力系統）
３３ パワータービン側発電機
５０ 異種タービン側発電機
６７ 蓄電池
６９ 太陽光発電装置
７１ 外部電力入力部
７３ 電気ヒータ
８１ 水素製造部
８３ 窒素製造部
９３ 熱媒体タービン側発電機
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水から水素を製造する水素製造部、及び、空気から窒素を製造する窒素製造部を有し、前記水素製造部によって製造された水素および前記窒素製造部によって製造された窒素からアンモニアを生成するアンモニア生成器と、
舶用推進用のメインエンジン及び／または発電用エンジンの排ガス通路に設けられ、前記アンモニア生成器によって生成されたアンモニアとともに排ガス脱硝を行う脱硝触媒部と、
を備えた舶用脱硝システムにおいて、
前記メインエンジン及び／または発電用エンジンの排気エネルギーを用いて発電する発電機と、
該発電機に対して電気的に接続された蓄電池と、
を備え、
前記発電機および前記蓄電池は、前記アンモニア生成器に対して電力を供給する電力系統に接続されていることを特徴とする舶用脱硝システム。
【請求項２】
前記脱硝触媒部に導入される排ガスを加熱する電気ヒータを備え、
該電気ヒータは前記電力系統から電力供給が行われることを特徴とする請求項１に記載の舶用脱硝システム。
【請求項３】
前記電力系統には、太陽光発電装置が接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の舶用脱硝システム。
【請求項４】
前記電力系統には、船舶の外部の電源から電力の供給を受ける外部電力入力部が接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の舶用脱硝システム。
【請求項５】
前記メインエンジン及び／または発電用エンジンの排気タービン過給機の回転出力を得て発電する過給機側発電機を、前記発電機として用いることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の舶用脱硝システム。
【請求項６】
前記メインエンジン及び／または発電用エンジンの排ガスを駆動源とするパワータービンによって発電するパワータービン側発電機を、前記発電機として用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舶用脱硝システム。
【請求項７】
前記メインエンジン及び／または発電用エンジンの排ガスを駆動源とするパワータービン、及び、前記メインエンジン及び／または発電用エンジンの排ガスを用いた排ガスボイラによって生成された蒸気を駆動源とする蒸気タービンによって発電する異種タービン側発電機を、前記発電機として用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舶用脱硝システム。
【請求項８】
前記メインエンジン及び／または発電用エンジンの排ガスを用いた排ガスボイラによって生成された蒸気を駆動源とする蒸気タービンによって発電する蒸気タービン側発電機を、前記発電機として用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舶用脱硝システム。
【請求項９】
前記メインエンジン及び／または発電用エンジンのジャケットや空気冷却器の冷却水及び／または排ガスと熱交換した加熱水と熱交換され、蒸気化した熱媒体を駆動源とするタービンによって発電する熱媒体タービン側発電機を、前記発電機として用いることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の舶用脱硝システム。
【請求項１０】
船舶推進用のメインエンジン及び／または発電用エンジンと、
請求項１から９のいずれかに記載の舶用脱硝システムと、
を備えていることを特徴とする船舶。
【請求項１】
水から水素を製造する水素製造部、及び、空気から窒素を製造する窒素製造部を有し、前記水素製造部によって製造された水素および前記窒素製造部によって製造された窒素からアンモニアを生成するアンモニア生成器と、
舶用推進用のメインエンジン及び／または発電用エンジンの排ガス通路に設けられ、前記アンモニア生成器によって生成されたアンモニアとともに排ガス脱硝を行う脱硝触媒部と、
を備えた舶用脱硝システムにおいて、
前記メインエンジン及び／または発電用エンジンの排気エネルギーを用いて発電する発電機と、
該発電機に対して電気的に接続された蓄電池と、
を備え、
前記発電機および前記蓄電池は、前記アンモニア生成器に対して電力を供給する電力系統に接続されていることを特徴とする舶用脱硝システム。
【請求項２】
前記脱硝触媒部に導入される排ガスを加熱する電気ヒータを備え、
該電気ヒータは前記電力系統から電力供給が行われることを特徴とする請求項１に記載の舶用脱硝システム。
【請求項３】
前記電力系統には、太陽光発電装置が接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の舶用脱硝システム。
【請求項４】
前記電力系統には、船舶の外部の電源から電力の供給を受ける外部電力入力部が接続されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の舶用脱硝システム。
【請求項５】
前記メインエンジン及び／または発電用エンジンの排気タービン過給機の回転出力を得て発電する過給機側発電機を、前記発電機として用いることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の舶用脱硝システム。
【請求項６】
前記メインエンジン及び／または発電用エンジンの排ガスを駆動源とするパワータービンによって発電するパワータービン側発電機を、前記発電機として用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舶用脱硝システム。
【請求項７】
前記メインエンジン及び／または発電用エンジンの排ガスを駆動源とするパワータービン、及び、前記メインエンジン及び／または発電用エンジンの排ガスを用いた排ガスボイラによって生成された蒸気を駆動源とする蒸気タービンによって発電する異種タービン側発電機を、前記発電機として用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舶用脱硝システム。
【請求項８】
前記メインエンジン及び／または発電用エンジンの排ガスを用いた排ガスボイラによって生成された蒸気を駆動源とする蒸気タービンによって発電する蒸気タービン側発電機を、前記発電機として用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舶用脱硝システム。
【請求項９】
前記メインエンジン及び／または発電用エンジンのジャケットや空気冷却器の冷却水及び／または排ガスと熱交換した加熱水と熱交換され、蒸気化した熱媒体を駆動源とするタービンによって発電する熱媒体タービン側発電機を、前記発電機として用いることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の舶用脱硝システム。
【請求項１０】
船舶推進用のメインエンジン及び／または発電用エンジンと、
請求項１から９のいずれかに記載の舶用脱硝システムと、
を備えていることを特徴とする船舶。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−４７０９５（Ｐ２０１２−４７０９５Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８９５０４（Ｐ２０１０−１８９５０４）
【出願日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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