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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
[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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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