JP7380946B2 - 排ガス処理装置および排ガス処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、排ガス処理装置および排ガス処理方法に関する。
海水等のスクラバー液によって排ガス内の硫黄成分を中和させて浄化するスクラバー装置といわれる排ガス処理装置が広く用いられている。スクラバー装置の動作には、開ループ動作および閉ループ動作がある。開ループ動作では、スクラバー装置は、排ガスの浄化に用いられた使用済みスクラバー液を外部に排出する。閉ループ動作では、スクラバー装置は、使用済みスクラバー液にアルカリ剤を投入することによって使用済みスクラバー液の浄化能力を復活させ、浄化能力を復活させた使用済みスクラバー液を循環させる。水酸化マグネシウムまたは酸化マグネシウムを用いた閉ループ動作を実行する船舶用のスクラバー装置が知られている（例えば、特許文献１）。陸上で使用されるボイラー排ガス等を浄化するスクラバー装置において、浄化済みの排ガス中の硫黄成分量（ＳＯＸ）濃度に基づいて、水酸化マグネシウムの投入量を制御する技術が知られている（例えば、特許文献２から４）。関連する技術として、スクラバー装置において、アルカリ剤を用いたｐＨ制御の技術が知られている（例えば、特許文献５および６）。関連する技術として、スクラバー液が吸収する硫黄成分量を推定する技術（例えば、特許文献７および８）が知られている。
特許文献１ 国際公開ＷＯ２０１７／１９４６４５号
特許文献２ 特開平９－６６２１９号公報
特許文献３ 特開平７－２７５６４９号公報
特許文献４ 特開平８－１９６８６３号公報
特許文献５ 国際公開ＷＯ２０１２／０００７９０号
特許文献６ 特開平３－２６７１１４号公報
特許文献７ 国際公開ＷＯ２０１４／１１９５１３号
特許文献８ 国際公開ＷＯ２０１６／００９５４９号
特許文献１ 国際公開ＷＯ２０１７／１９４６４５号
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特許文献６ 特開平３－２６７１１４号公報
特許文献７ 国際公開ＷＯ２０１４／１１９５１３号
特許文献８ 国際公開ＷＯ２０１６／００９５４９号
閉ループ動作において、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、および炭酸水素ナトリウム等のナトリウム含有アルカリ剤に比べて溶解度、すなわち反応速度が小さいアルカリ剤を用いる場合には、アルカリ剤をスクラバー液に溶解させるために、より長い時間を要する。したがって、ナトリウム含有アルカリ剤を用いる場合に比べて、アルカリ剤を溶解するためにスクラバー液を貯めておくためのバッファタンク（貯留部）を大型化する必要が生じたり、複数のタンクを設ける必要が生じたりする。しかしながら、排ガス処理装置において、貯留部の容量を小型化することが望ましい。
上記課題を解決するために、本発明の一の態様においては、排ガスの処理に使用された使用済み液体を循環させる閉ループ動作と、使用済み液体を外部に排出する開ループ動作との間で動作モードを切り替え可能な排ガス処理装置を提供する。排ガス処理装置は、反応塔を備えてよい。反応塔は、排ガスが供給されて、液体によって排ガスを浄化する。排ガス処理装置は、貯留部を備えてよい。貯留部は、排ガスの浄化に使用された使用済み液体を貯留してよい。貯留部は、閉ループ動作中にアルカリ剤によって浄化能力を回復した使用済み液体を反応塔内に供給してよい。排ガス処理装置は、投入部を備えてよい。閉ループ動作を開始する場合に、投入部は、使用済み液体を貯留部から反応塔内に供給開始する前に貯留部内にアルカリ剤を投入してよい。
投入部は、アルカリ剤として、酸化マグネシウムおよび水酸化マグネシウムの少なくとも一方を貯留部内に投入してよい。
投入部は、アルカリ剤として、酸化マグネシウムおよび水酸化マグネシウムの少なくとも一方のうちの固体粉末を貯留部内に投入してよい。
投入部は、アルカリ剤として、酸化マグネシウムを貯留部内に投入してよい。
動作モードが閉ループ動作に切り替えられた場合、閉ループ動作での第１のタイミングで、投入部は、一回の循環で液体が吸収する硫黄成分量と中和反応できる量よりも多い量の酸化マグネシウムを貯留部内に投入してよい。
動作モードが閉ループ動作に切り替えられた場合、第１のタイミングで、投入部は、一回の循環で液体が吸収する硫黄成分量と中和反応できる量の２倍以上４００倍以下の量の酸化マグネシウムを貯留部内に投入してよい。
動作モードが閉ループ動作に切り替えられた場合、第１のタイミングで、投入部は、一回の循環で液体が吸収する硫黄成分量と中和反応できる量よりも多い量の酸化マグネシウムを貯留部内に投入してよい。
投入部は、閉ループ動作の継続中における、第１のタイミングよりも後の第２のタイミングにおいて、第１のタイミングにおける投入量に比べて少ない量の酸化マグネシウムを貯留部内に補充してよい。
排ガス処理装置は、調整部をさらに備えてよい。調整部は、動作モードが開ループ動作から閉ループ動作に切り替えられた場合に、使用済み液体を貯留部から反応塔内に供給開始する前に貯留部内に投入される酸化マグネシウムの投入量を調整してよい。
調整部は、排ガスを生じさせる燃焼装置の出力と、燃焼装置に使用される燃料油に含まれる硫黄分濃度とに基づいて、一回の循環で液体が吸収する硫黄成分量を推定してよい。調整部は、推定された硫黄成分量に基づいて、投入量を調整してよい。
調整部は、開ループ動作中に反応塔から放出されるガスの硫黄成分量と、動作モードが閉ループ動作に切り替えられた後に排ガスを生じさせる燃焼装置の出力計画値とに基づいて投入量を調整してよい。
調整部は、開ループ動作中に反応塔に供給される液体および反応塔から外部に排出される使用済み液体のそれぞれの水素イオン指数（ｐＨ）と、動作モードが閉ループ動作に切り替えられた後に排ガスを生じさせる燃焼装置の出力計画値とに基づいて投入量を調整してよい。
調整部は、動作モードが開ループ動作から閉ループ動作に切り替えられた場合に、前回の閉モード動作中に貯留部内に残存している酸化マグネシウムの量に基づいて、投入量を調整してよい。
排ガス処理装置は、貯留部洗浄機構をさらに備えてよい。貯留部洗浄機構は、貯留部内を洗浄してよい。
排ガス処理装置は、配管洗浄機構をさらに備えてよい。配管洗浄機構は、反応塔と貯留部との間の配管内を洗浄してよい。
本発明の第２の態様においては、排ガスの処理に使用された使用済み液体を循環させる閉ループ動作と、使用済み液体を外部に排出する開ループ動作との間で動作モードを切り替え可能な排ガス処理方法を提供する。排ガス処理方法は、排ガスの浄化に使用された使用済み液体を貯留する段階を備えてよい。排ガス処理方法は、閉ループ動作中にアルカリ剤によって浄化能力を回復した使用済み液体を排ガスに接触させる段階を備えてよい。排ガス処理方法は、閉ループ動作を開始する場合に、使用済み液体を排ガスに接触させるように供給する前に、貯蔵された使用済み液体にアルカリ剤を投入する段階を備えてよい。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
図１は、本発明の一実施形態の排ガス処理装置１の概略構成を説明する図である。排ガス処理装置１は、燃焼装置３において生じた排ガス１００中の硫黄成分を低減して、排ガス１００を浄化する。燃焼装置３は、エンジンまたはボイラーであってよく、好ましくはエンジンであり、特に船舶用のエンジンであってよい。硫黄成分は、ＳＯｘ（酸化硫黄）等の硫黄化合物を含んでよい。
排ガス処理装置１は、反応塔１０を備える。反応塔１０において、燃焼装置３からの排ガス１００と、海水であるスクラバー液とを接触させる。スクラバー液は、海水またはアルカリ性水溶液などの液体であってよい。燃焼装置３からの排ガス１００は、燃焼ガス排気管１２を経て反応塔１０内に導入される。スクラバー液は、反応塔１０内においてスプレーノズル１３から噴霧される。スクラバー液は、スクラバー液管１４を介してスプレーノズル１３に導入される。
排ガス１００とスクラバー液とが気液接触すると、排ガス１００中の硫黄成分がスクラバー液中に吸収される。硫黄成分が、スクラバー中に溶けることによって、亜硫酸Ｈ２ＳＯ３が生じる。実際には、亜硫酸Ｈ２ＳＯ３は、水素イオンＨ＋と亜硫酸水素イオンＨＳＯ３
－に解離し、酸性を呈する。硫黄成分がスクラバー液中に吸収されることによって排ガス１００中の硫黄成分が軽減される。硫黄成分が軽減された浄化済みのガスは、ガス排出部１５から外部に放出される。
スクラバー液が海水の場合、海水中のアルカリ成分である、炭酸水素イオン（ＨＣＯ３
－）および炭酸イオン（ＣＯ３
２－）と亜硫酸Ｈ２ＳＯ３とが中和する。中和反応によりアルカリ成分が不足する状態となったスクラバー液は使用済みスクラバー液（使用済み液体）となり、反応塔１０の下部に集められる。使用済みスクラバー液は、使用済みスクラバー配管１６を通過する。
排ガス処理装置１は、開ループ動作と閉ループ動作との間で動作モードを切り替え可能に構成されている。動作モードが開ループ動作である場合には、使用済みスクラバー配管１６と排出管１７との間のバルブ１８が開けられ、使用済みスクラバー配管１６と循環管１９との間のバルブ２０が閉じられる。開ループ動作においては、使用済みスクラバー液は、使用済みスクラバー配管１６から排出管１７に送られて、使用済みスクラバー液は、海水排出口２１から排出される。また、開ループ動作では、海水がスクラバー液として海水取入口２２から取り入れられる。開ループ動作では、海水は、海水管２４、バルブ３２、およびスクラバー液用のポンプ２３を経て、スクラバー液管１４に導入される。開ループ動作では、海水管２４とスクラバー液管１４との間のバルブ３２が開かれる。一方、後述するバルブ３３は閉じられる。このように、開ループ動作においては、使用済みスクラバー液が外部に排出される。
排ガス処理装置１は、貯留部３０および投入部４０を備える。動作モードが閉ループ動作である場合には、使用済みスクラバー配管１６と循環管１９との間のバルブ２０が開けられ、使用済みスクラバー配管１６と排出管１７との間のバルブ１８が閉じられる。
使用済みスクラバー液は、使用済みスクラバー配管１６から循環管１９を介して、貯留部３０に貯留される。そして、投入部４０は、貯留部３０内にアルカリ剤を投入する。投入部４０が、貯留部３０内の使用済みスクラバー液にアルカリ剤を投入することによって、貯留部３０内における使用済みスクラバー液による排ガス１００の浄化能力が回復する。排ガス１００の浄化能力とは、排ガス１００中の亜硫酸等の中和能力を指してよい。貯留部３０は、閉ループ動作中にアルカリ剤によって浄化能力を回復した使用済みスクラバー液を反応塔１０内に供給する。具体的には、貯留部３０内において、浄化能力を回復した使用済みスクラバー液が、循環スクラバー液供給管３４、バルブ３３、ポンプ２３、およびスクラバー液管１４を介して反応塔１０に供給される。
閉ループ動作中には、基本的に、循環スクラバー液供給管３４とスクラバー液管１４との間のバルブ３３が開かれて、海水管２４とスクラバー液管１４との間のバルブ３２が閉じられる。但し、閉ループ動作の過程で使用済みスクラバーの液量が減った場合に、一時的にバルブ３２を開いて海水を取得して液量を適正水準まで補ってもよい。
貯留部３０は、使用済みスクラバー液を貯留し、浄化能力を回復した使用済み液体を反応塔１０内に供給するタンクである。貯留部３０は、バッファタンクであってよい。反応塔１０、使用済みスクラバー配管１６、循環管１９、貯留部３０、循環スクラバー液供給管３４、スクラバー液管１４という循環経路をなして、スクラバー液が循環的に流動している経路において、貯留部３０が設けられる。
閉ループ動作を開始する場合に、投入部４０は、使用済みスクラバー液を貯留部３０から反応塔１０内に供給開始する前に貯留部３０内にアルカリ剤を投入する。例えば、バルブ３３を閉じた状態のまま、投入部４０は、貯留部３０内にアルカリ剤を投入する。
投入部４０は、アルカリ剤として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）および水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）２）の少なくとも一方を貯留部３０内に投入してよい。酸化マグネシウムおよび水酸化マグネシウムは、排ガス１００の浄化に必要な薬品体積が、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、および炭酸水素ナトリウム等のナトリウム含有アルカリ剤に比べて小さいので、アルカリ剤の保存スペースを省スペース化できる。
特に、投入部４０は、アルカリ剤として、酸化マグネシウムおよび水酸化マグネシウムの少なくとも一方のうちの固体粉末を貯留部３０内に投入してよい。したがって、酸化マグネシウムまたは水酸化マグネシウムを予めスクラバー液に溶かしてスラリー状にしておかなくてもよい。これによって、酸化マグネシウムまたは水酸化マグネシウムを予めスクラバー液に溶かしてスラリー状にしておくためのスペースが不要になる。投入部４０は、アルカリ剤として、酸化マグネシウムを貯留部３０内に投入する．水酸化マグネシウムよりも、酸化マグネシウムの方が、薬品コストが安くて済む。
酸化マグネシウムを、水を主成分とするスクラバー液にとかすと、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）＋Ｈ２Ｏ（水）→Ｍｇ（ＯＨ）２（水酸化マグネシウム）という水和反応が生じる。そして、Ｍｇ（ＯＨ）２（水酸化マグネシウム）＋Ｈ２ＳＯ３（亜硫酸）→ＭｇＳＯ３（亜硫酸マグネシウム）＋２Ｈ２Ｏ（水）という中和反応が生じる。ＭｇＳＯ３（亜硫酸マグネシウム）は、酸化によりＭｇＳＯ４（硫酸マグネシウム）になる。
アルカリ剤として、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を用いる場合には、Ｍｇ（ＯＨ）２（水酸化マグネシウム）への水和反応が存在するため、Ｍｇ（ＯＨ）２（水酸化マグネシウム）の溶解度に影響される。Ｍｇ（ＯＨ）２（水酸化マグネシウム）の溶解度は、以下のとおり算出される。
Ｍｇ（ＯＨ）２（水酸化マグネシウム）の飽和水溶液のｐＨは、１０．５である。Ｍｇ（ＯＨ）２（水酸化マグネシウム）の飽和水溶液のｐＯＨは、下記式１で表される。
上記式１より、Ｍｇ（ＯＨ）２（水酸化マグネシウム）の飽和水溶液のＯＨ－イオン（水酸化物イオン）濃度は、下記式２で表される。
Ｍｇ（ＯＨ）２（水酸化マグネシウム）におけるＯＨ－イオン（水酸化物イオン）の価数は２価である。このため、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）の溶解度をＣｓとすると、Ｃｓは、下記式３で表される。
上記式３より、ＭｇＯ（酸化マグネシウム）の溶解度は０．１５８×１０－３ｍｏｌ／Ｌ（リットル）である。この溶解度は、ナトリウム含有アルカリ剤と比べて小さい。そのため、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を酸化剤として、スクラバー液（循環水）のｐＨを増加させるのには時間がかかる。酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の濃度（投入量）を増加させることで、固体表面積Ｓを増加させることができる。次の反応速度式のとおり、アルカリ剤の粉末の固定表面積（Ｓ）を増加させることで、水和反応を促進できる。なお、Ｃ：Ｍｇ（ＯＨ）２濃度、ｋ：反応速度定数、Ｓ：固体表面積である。
スクラバー液にはＨ２ＳＯ４が含まれるので、スクラバー液に溶解したＭｇ（ＯＨ）２（水酸化マグネシウム）は、スクラバー液と中和する。このため、式４においてＣ＝０とできる。また、実験結果より算出された純水１Ｌに対するＭｇＯ（酸化マグネシウム）の溶解速度から、ｋＳは２．７×１０－４と算出できる（後述）。以上より、式４は、下記式５のとおり表される。
上記式３および式５より、下記式６が得られる。
スクラバー液に、時間ｔでＭ［ｍ・ｍｏｌ／Ｌ］のＭｇＯ（酸化マグネシウム）を溶解することを目標とすると、溶解速度ｄＣ／ｄｔの目標値は、下記式７で表される。
上記式６、７より、目標ｄＣ／ｄｔに届くアルカリ剤の粉末の固定表面積（Ｓ）は、下記式８で表される。
アルカリ剤の粉末の固定表面積（Ｓ）を、式８により算出される値以上とすることで、溶解速度ｄＣ／ｄｔは目標ｄＣ／ｄｔに到達できる。その結果、水和反応が促進される。これにより、ＭｇＯに起因して、使用済みスクラバー液のｐＨが高まって、浄化能力（中和能力）を回復した使用済みスクラバー液が得られるまでの時間を短縮することができる。
図２は、ＭｇＯの濃度に基づくｐＨ増加速度の実験値を示す図である。横軸が経過時間を示している。縦軸が水素イオン指数（ｐＨ）を示している。本実験例では、スクラバー液として水を用いた。スクラバー液は、ｐＨが６程度であったが、２ｍｍｏｌ／Ｌの硫黄成分（ＳＯｘ）を吸収した結果、ｐＨが３程度に低下した。このようにｐＨが低下して、排ガス１００の浄化能力が落ちたスクラバー液に対して、濃度ＡのＭｇＯを加えた場合と、濃度２Ａ（濃度Ａの２倍）のＭｇＯを加えた場合とで、スクラバー液のｐＨが元の水準に戻るまでの時間を比較した。本実験によれば、ＭｇＯ濃度を２倍にすることで、スクラバー液のｐＨが元の水準に復帰して排ガス１００の浄化能力が回復するまでの時間を１／２以下に短縮できることが示された。
動作モードが閉ループ動作に切り替えられた場合、閉ループ動作での第１のタイミングｔ１で、投入部４０は、一回の循環でスクラバー液が吸収する硫黄成分量と中和反応できる量よりも多い量の酸化マグネシウムを、貯留部３０に投入してよい。中和反応できる量よりも多い量とは、当該硫黄成分量と中和反応できる量の２倍以上４００倍以下の量であってよい。第１のタイミングｔ１は、閉ループ動作での動作開始時であってよい。
このような酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の超過的な投入によって、固体表面積を増加させることにより、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）からＭｇ（ＯＨ）２（水酸化マグネシウム）への水和反応を促進することができる。したがって、貯留部３０への酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の超過的な投入によって、スクラバー液のｐＨが元の水準に復帰して排ガス１００の浄化能力が回復するまでの時間を短縮することができる。
図３は、反応速度定数の実験値の一例を示す図である。図３の横軸は、経過時間（ｓ）であり、縦軸は、Ｉｎ（Ｃｓ／（Ｃｓ－Ｃ））である。図３に示される純水１Ｌ（リットル）に対するＭｇＯ２ｍｍｏｌの溶解速度の実験結果によって、反応速度定数ｋと固体表面積Ｓの積であるｋＳを算出すると、ｋＳ＝２．７×１０－４（ｓ－１）が得られた。また、スクラバー液には、Ｈ２ＳＯ３（亜硫酸）が存在しており、溶解したＭｇ（ＯＨ）２（水酸化マグネシウム）は即時に中和反応により消費される。したがって、反応速度式（数１）においてＣ＝０とすることができるので、溶解速度ｄＣ／ｄｔ＝ｋＳ×Ｃｓとなる。
スクラバー液のｐＨを海水と同等のｐＨにするべく、スクラバー液のｐＨの目標値を８．１とした。貯留部３０内に滞留できる滞留時間を１２０秒とし、一回の循環でスクラバー液が吸収する硫黄成分濃度を２ｍｍｏｌ／Ｌとした。これらの条件に基づいて、溶解速度ｄＣ／ｄｔ＝ｋＳ×Ｃｓを計算する。ｋＳの値２．７×１０－４（ｓ－１）を用い、一回の循環でスクラバー液が吸収する硫黄成分濃度２ｍｍｏｌ／Ｌと中和反応できる量の酸化マグネシウムの濃度をＣｓとすると、溶解速度ｄＣ／ｄｔは、４．２７×１０－８（ｍｏｌ／Ｌ／ｓ）となる。一方、１２０秒で、２ｍｍｏｌ／ＬのＭｇＯを溶解することを目標とすると、溶解速度ｄＣ／ｄｔの目標値は、０．００２ｍｏｌ／Ｌ÷１２０（ｓ）＝１．６７×１０－５（ｍｏｌ／Ｌ／ｓ）となる。
目標とするｐＨの値等にも影響を受けるが、投入部４０は、使用済みスクラバー液を貯留部３０から反応塔１０内に供給開始する前に、一回の循環でスクラバー液が吸収する硫黄成分量と中和反応できる量よりも多い量の酸化マグネシウムを貯留部３０内に投入してよい。一回の循環でスクラバー液が吸収する硫黄成分量と中和できる量よりも多い量の酸化マグネシウムとは、一回の循環でスクラバー液が吸収する硫黄成分量と中和反応できる量の２倍以上４００倍以下の量の酸化マグネシウムであってよく、１００倍以上４００倍以下の量の酸化マグネシウムであってもよく、さらに好ましくは、３００倍以上４００倍以下の量の酸化マグネシウムであってもよい。
図４は、比較例の排ガス処理装置２の概略構成を説明する図である。比較例の排ガス処理装置２は、反応塔１０、使用済みスクラバー配管１６、循環管１９、貯留部３０、循環スクラバー液供給管３４、スクラバー液管１４という循環経路の外にある調剤部６２および貯蔵部６４において、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を投入部６０が投入する。調剤部６２は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を溶かすためのタンクであり、貯蔵部６４は、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を溶かして水和反応により生成した水酸化マグネシウムＭｇ（ＯＨ）２を貯蔵するタンクである。調剤部６２により溶かされた酸化マグネシウム（ＭｇＯ）は、ポンプ６３により貯蔵部６４に導入される。貯蔵部６４に貯蔵された水酸化マグネシウムＭｇ（ＯＨ）２は、ポンプ６５により循環管１９に導入される。
このように、貯留部３０とは異なる循環経路の外の複数のタンクにおいて、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）を溶かし、水酸化マグネシウムＭｇ（ＯＨ）２（水酸化マグネシウム）を保存しておけば、すでに十分に水和反応を進行させておくことができる。したがって、閉ループ動作を開始する場合に、使用済みスクラバー液を貯留部３０から反応塔１０内に供給開始する前に、超過的な酸化マグネシウムを投入する必要がない。しかし、比較例によれば、バッファタンクである貯留部３０に加えて、さらに調剤部６２および貯蔵部６４が必要となり、省スペース化を実現することが困難になる。
図１に示されるとおり、排ガス処理装置１は、調整部５０、制御部５１、記憶部５３、設定部５４を備えてよい。制御部５１は、バルブ１８、２０、３２、３３等の排ガス処理装置１全体の制御を実行する。制御部５１は、コンピュータであってよい。
調整部５０は、使用済みスクラバー液を貯留部３０から反応塔１０内に供給開始する前に貯留部３０内に投入される酸化マグネシウムの投入量を調整する。但し、排ガス処理装置１は、閉ループ動作中に、超過的にアルカリ剤を投入するものであればよく、必ずしも投入量を調整するものに限定されない。
設定部５４は、燃焼装置３で使用される燃料油の硫黄分濃度、および動作モードが閉ループ動作に切り替えられた後に排ガス１００を生じさせる燃焼装置３の出力計画値等を設定する。一例において、閉ループ動作では、船舶が港の近くを航行していることに起因して、燃焼装置３の出力を定格の８０％から４０％に低下させる場合がある。出力計画値は、このように船舶の航路に起因して予定されている燃焼装置３の出力値の情報を含んでよい。設定部５４は、利用者の入力情報に基づいて、燃料油の硫黄分濃度および出力計画値等を設定してもよく、測定装置に基づいて、燃料油の硫黄分濃度および出力計画値等を設定してもよい。記憶部５３は、設定部５４によって設定された各種情報である燃料油の硫黄分濃度、燃焼装置３の出力計画値をデータベースとして記憶してよい。
調整部５０は、設定部５４によって設定されて記憶部５３に記憶されている情報、燃焼装置３の出力の情報（エンジン負荷等）、および各種センサによる検出値についての情報を取得する。調整部５０は、取得した情報に応じて、投入部４０によるアルカリ剤である酸化マグネシウムの投入量を調整する。排ガス処理装置１は、各種センサとして、ｐＨセンサ３５、ｐＨセンサ３６、および硫黄成分センサ３７を備えてよい。ｐＨセンサ３５は、開ループ動作中に反応塔１０に供給されるスクラバー液（海水）のｐＨを測定する。例えば、ｐＨセンサ３５は、船舶の航行中の海水のｐＨを測定する。ｐＨセンサ３６は、反応塔１０から外部に排出される使用済みスクラバー液のｐＨを測定する。硫黄成分センサ３７は、開ループ動作中に反応塔１０から放出されるガスの硫黄成分量を測定する。
調整部５０は、排ガス１００を生じさせる燃焼装置３の出力と、燃焼装置３に使用される燃料油に含まれる硫黄分濃度とに基づいて、一回の循環で液体が吸収する硫黄成分量を推定し、推定された硫黄成分量に基づいて、投入量を調整してよい。これにより、一回の循環で液体が吸収する硫黄成分量の推定値に基づいて、吸収する硫黄成分量の推定値が大きくなるほど、アルカリ剤の投入量を増加させることができ、よりきめ細かい調整が可能となる。
調整部５０は、開ループ動作中に反応塔１０から放出されるガスの硫黄成分量と、動作モードが閉ループ動作に切り替えられた後に排ガス１００を生じさせる燃焼装置３の出力計画値とに基づいて投入量を調整してよい。開ループ動作中に反応塔１０から放出されるガスの硫黄成分量が多い場合には、アルカリ剤の投入量を増加させて、硫黄成分の吸収を高めてよい。また、出力計画値が低くなるほど、アルカリ剤の投入量を少なくしてもよい。
調整部５０は、開ループ動作中に反応塔１０に供給されるスクラバー液（海水）および反応塔１０から外部に排出される使用済みスクラバー液のそれぞれの水素イオン指数（ｐＨ）と、動作モードが閉ループ動作に切り替えられた後に排ガス１００を生じさせる燃焼装置３の出力計画値とに基づいて投入量を調整してよい。開ループ動作中に反応塔１０に供給されるスクラバー液（海水）のｐＨ値が高くなるほど、アルカリ剤の投入量を少なくしてもよい。反応塔１０から外部に排出される使用済みスクラバー液のｐＨが低くなるほど、アルカリ剤の投入量を多くしてもよい。調整部５０は、開ループ動作における情報からでも、閉ループ動作における硫黄成分量を推測することができる。
調整部５０は、動作モードが開ループ動作から閉ループ動作に切り替えられた場合に、前回の閉モード動作中に貯留部３０内に残存している酸化マグネシウムの量に基づいて、投入量を調整してよい。前回の閉モード動作中の酸化マグネシウムが多く残存している場合には、新たに投入する酸化マグネシウムの投入量を少なくしてもよい。
排ガス処理装置１は、貯留部洗浄機構３８および配管洗浄機構３９を備えてよい。排ガス処理装置１は、酸化マグネシウムを超過的に投入して、酸化マグネシウム等のアルカリ剤の固体表面積を増加させて、水和反応を促進する。したがって、貯留部３０、循環スクラバー液供給管３４、バルブ３３、ポンプ２３、およびスクラバー液管１４には、水酸化マグネシウムおよび酸化マグネシウムが凝集しやすい。貯留部洗浄機構３８は、閉ループ動作が終了するたびに、貯留部３０を洗浄してよい。貯留部洗浄機構３８は、凝集物質を貯留部３０内から外へ除去してよい。貯留部洗浄機構３８は、貯留部３０に洗浄液を注入して洗浄してよい。
配管洗浄機構３９は、閉ループ動作が終了するたびに、反応塔１０へのスクラバー液の導入口と貯留部３０からの供給口との間の循環スクラバー液供給管３４、バルブ３３、ポンプ２３、およびスクラバー液管１４を洗浄してよい。
以上のように構成される排ガス処理装置１は以下のように処理を実行する。
図５は、排ガス処理装置１における排ガス処理方法の一例を示すフローチャートである。制御部５１は、開ループ動作指示があった場合（ステップＳ１０：ＹＥＳ）、開ループ動作を実行する（ステップＳ１２）。具体的は、制御部５１は、バルブ１８およびバルブ３２を開いて、バルブ２０およびバルブ３３を閉じる。
開ループ動作指示がなく（ステップＳ１０：ＮＯ）、閉ループ動作指示もない場合には（ステップＳ１４：ＮＯ）、制御部５１の処理は、ステップＳ１０に戻る。開ループ動作指示がなく（ステップＳ１０：ＮＯ）、閉ループ動作指示があった場合には（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、排ガス処理装置１は、ステップＳ１６からＳ２８の処理を実行する。
制御部５１は、バルブ２０を開いて、バルブ１８を閉じる。但し、制御部５１は、閉ループ動作指示があっても、予め定められた時間の間は、バルブ３３を閉じたままに維持し、バルブ３２を開いたままに維持する。この結果、貯留部３０は、使用済みスクラバー液を貯留する（ステップＳ１６）。
貯留部３０内に、予め定められた貯留量まで、使用済みスクラバー液の貯留が完了するのを待つ（ステップＳ１８：ＹＥＳ）。調整部５０は、アルカリ剤、好ましくは酸化マグネシウムの初期投入量を調整してよい（ステップＳ２０）。ステップＳ１８とステップＳ２０の処理は、並行して実行されてよい。
投入部４０は、アルカリ剤、好ましくは酸化マグネシウムを、貯留されている使用済みスクラバー液に第１のタイミングｔ１で投入する（ステップＳ２２）。第１のタイミングｔ１とは、上述したとおり、閉ループ動作での一のタイミングであってよく、閉ループ動作での動作開始時であってもよい。特に、投入部４０は、使用済みスクラバー液を排ガス１００に接触させるように供給する前に、アルカリ剤、好ましくは酸化マグネシウムを、貯留されている使用済みスクラバー液に投入する。具体的には、バルブ３３が閉じられたままであり貯留部３０から循環スクラバー液供給管３４に使用済みスクラバー液が供給開始される前に、投入部４０は、アルカリ剤、好ましくは酸化マグネシウムを、貯留されている使用済みスクラバー液に投入する。
制御部５１は、予定時間が経過するのを待って（ステップＳ２４：ＹＥＳ）、バルブ３２を閉じて、バルブ３３を開ける。この結果、貯留部３０は、アルカリ剤の投入により浄化能力を回復したスクラバー液を反応塔１０に供給する（ステップＳ２６）。スクラバー液は、貯留部３０から循環スクラバー液供給管３４、バルブ３３、ポンプ２３、およびスクラバー液管１４を介して反応塔１０内に供給される。これにより、スクラバー液が排ガス１００に接触して排ガス１００を浄化する。
使用済みスクラバー液が、貯留部３０、循環スクラバー液供給管３４、スクラバー液管１４反応塔１０、使用済みスクラバー配管１６、および循環管１９を経て貯留部３０に戻ってくる。投入部４０は、閉ループ動作の継続中における、第１のタイミングｔ１よりも後の第２のタイミングｔ２において、第１のタイミングｔ１における投入量に比べて少ない量の酸化マグネシウムを貯留部内に補充してよい（ステップＳ２８）。ステップＳ２８の処理は、閉ループ動作の継続中において繰り返し実行されてよい。
図６は、排ガス処理装置１における排ガス処理方法の他例を示すフローチャートである。制御部５１は、開ループ動作指示があった場合（ステップＳ３０：ＹＥＳ）、開ループ動作を実行する（ステップＳ３２）。但し、貯留部３０に、予め定められた量の使用済みスクラバー液が貯留されていない場合には（ステップＳ３４：ＮＯ）、制御部５１は、バルブ１８を閉じて、バルブ２０を開く。この結果、貯留部３０は、使用済みスクラバー液を貯留する（ステップＳ３６）。貯留部３０に、予め定められた量の使用済みスクラバー液が貯留されるのを待って（ステップＳ３４：ＹＥＳ）、制御部５１は、バルブ１８を開いて、バルブ２０を閉じてよい。制御部５１は、閉ループ動作の準備が完了した旨の信号である閉ループ動作準備完了信号を生成する。
閉ループ動作の準備が完了している状態において、制御部５１は、閉ループ動作指示を受け付ける（ステップＳ４０）。閉ループ動作指示がされていない場合には（ステップＳ４０：ＮＯ）、処理はステップＳ３０に戻る。制御部５１が、閉ループ動作指示を受けた場合には（ステップＳ４０：ＹＥＳ）、ステップＳ４２からステップＳ４９の処理が実行される。ステップＳ４２からステップＳ４９の処理は、図５のステップＳ２０からステップＳ２８の処理と同様なので、繰り返しの説明を省略する。
図７は、投入量調整処理の一例を示すフローチャートである。図７は、図５のステップＳ２０、または図６のステップＳ４２の処理のサブルーチンであってよい。
調整部５０は、燃焼装置３、例えば、船舶のエンジンの出力値を取得する（ステップＳ５０）。また、調整部５０は、記憶部５３から、燃焼装置３に使用される燃料油に含まれる硫黄分濃度の情報を取得する（ステップＳ５２）。燃料油に含まれる硫黄分濃度の情報は、利用者が設定部５４を用いて予め入力しておいてよい。
調整部５０は、燃焼装置３の出力値と燃料油に含まれる硫黄分濃度とに基づいて、一回の循環でスクラバー液が吸収する硫黄成分量を推定する（ステップＳ５４）。一回の循環でスクラバー液が吸収する硫黄成分量とは、スクラバー液が、貯留部３０、循環スクラバー液供給管３４、スクラバー液管１４反応塔１０、使用済みスクラバー配管１６、および循環管１９を経て貯留部３０に戻ってくるときに、吸収する硫黄成分量である。調整部５０は、スクラバー液の時間あたりの流量、単位時間あたりに反応塔１０に流れる排ガス１００の流量、および排ガス１００に含まれる硫黄成分量を用いて、硫黄成分量を推定してよい。
調整部５０は、一回の循環で液体が吸収する硫黄成分量を推定し、推定された硫黄成分量に基づいて、酸化マグネシウム（アルカリ剤）の投入量を調整する（ステップＳ５６）。調整部５０は、一回の循環で液体が吸収する硫黄成分量の推定量と中和反応できる量の所定倍になるように酸化マグネシウム（アルカリ剤）の投入量を調整する。所定倍は、例えば、２倍から４００倍の範囲で決められる値であってよい。
図８は、投入量調整処理の他例を示すフローチャートである。図８は、図５のステップＳ２０、または図６のステップＳ４２の処理のサブルーチンであってよい。
調整部５０は、開ループ動作中に反応塔１０から放出されるガスの硫黄成分量を硫黄成分センサ３７から取得する（ステップＳ６０）。調整部５０は、動作モードが閉ループ動作に切り替えられた後に排ガス１００を生じさせる燃焼装置３の出力計画値を記憶部５３等から取得する。調整部５０は、開ループ動作中に反応塔１０から放出されるガスの硫黄成分量と、閉ループ動作中における燃焼装置３の出力計画値とから酸化マグネシウム（アルカリ剤）の投入量を調整する（ステップＳ６４）。
図９は、投入量調整処理の他例を示すフローチャートである。図９は、図５のステップＳ２０、または図６のステップＳ４２の処理のサブルーチンであってよい。
調整部５０は、開ループ動作中に反応塔１０に供給されるスクラバー液（海水）のｐＨをｐＨセンサ３５から取得する（ステップＳ７０）。調整部５０は、反応塔１０から外部に排出される使用済みスクラバー液のｐＨをｐＨセンサ３６から取得する（ステップＳ７２）。調整部５０は、動作モードが閉ループ動作に切り替えられた後に排ガス１００を生じさせる燃焼装置３の出力計画値を記憶部５３等から取得する（ステップＳ７４）。
調整部５０は、開ループ動作中に反応塔１０に供給されるスクラバー液（海水）および反応塔１０から外部に排出される使用済みスクラバー液のそれぞれのｐＨと、動作モードが閉ループ動作に切り替えられ後の燃焼装置３の出力計画値とに基づいて酸化マグネシウム（アルカリ剤）の投入量を調整する（ステップＳ７６）。
図１０は、投入量調整処理の他例を示すフローチャートである。図１０は、図５のステップＳ２０、または図６のステップＳ４２の処理のサブルーチンであってよい。
調整部５０は、前回の閉モード動作中に貯留部３０内に残存していた酸化マグネシウム（アルカリ剤）の量を取得する（ステップＳ８０）。調整部５０は、残存していた酸化マグネシウム（アルカリ剤）の量に基づいて、新たに投入する酸化マグネシウム（アルカリ剤）の投入量を調整してよい。
調整部５０は、図７から図１０の投入量調整処理の一又は複数の処理を複合的に用いて、投入量調整を調整してもよい。
図１１は、洗浄処理の一例を示すフローチャートである。制御部５１は、閉ループ動作から開ループ動作に切り替わったか否かを判断する（ステップＳ９０）。閉ループ動作から開ループ動作に切り替わった場合には（ステップＳ９０：ＹＥＳ）、貯留部洗浄機構３８は、貯留部３０を洗浄する（ステップＳ９２）。閉ループ動作から開ループ動作に切り替わった場合には（ステップＳ９０：ＹＥＳ）、配管洗浄機構３９は、反応塔１０へのスクラバー液の導入口と貯留部３０からの供給口との間の循環スクラバー液供給管３４、バルブ３３、ポンプ２３、およびスクラバー液管１４を洗浄してよい。
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。
請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。
１・・・排ガス処理装置、２・・・排ガス処理装置、３・・・燃焼装置、１０・・・反応塔、１２・・・燃焼ガス排気管、１３・・・スプレーノズル、１４・・・スクラバー液管、１５・・・ガス排出部、１６・・・スクラバー配管、１７・・・排出管、１８・・・バルブ、１９・・・循環管、２０・・・バルブ、２１・・・海水排出口、２２・・・海水取入口、２３・・・ポンプ、２４・・・海水管、３０・・・貯留部、３２・・・バルブ、３３・・・バルブ、３４・・・循環スクラバー液供給管、３５・・・ｐＨセンサ、３６・・・ｐＨセンサ、３７・・・硫黄成分センサ、３８・・・貯留部洗浄機構、３９・・・配管洗浄機構、４０・・・投入部、５０・・・調整部、５１・・・制御部、５３・・・記憶部、５４・・・設定部、６０・・・投入部、６２・・・調剤部、６３・・・ポンプ、６４・・・貯蔵部、６５・・・ポンプ、１００・・・排ガス
Claims (14)
- 排ガスの処理に使用された使用済み液体を循環させる閉ループ動作と、前記使用済み液体を外部に排出する開ループ動作との間で動作モードを切り替え可能な排ガス処理装置であって、
前記排ガスが供給されて、液体によって前記排ガスを浄化する反応塔と、
前記排ガスの浄化に使用された前記使用済み液体を貯留し、前記閉ループ動作中にアルカリ剤によって浄化能力を回復した使用済み液体を前記反応塔内に供給する貯留部と、
前記閉ループ動作を開始する場合に、前記使用済み液体を前記貯留部から前記反応塔内に供給開始する前に前記貯留部内に前記アルカリ剤を投入する投入部と、
を備える排ガス処理装置。 - 前記投入部は、前記アルカリ剤として、酸化マグネシウムおよび水酸化マグネシウムの少なくとも一方を前記貯留部内に投入する、請求項１に記載の排ガス処理装置。
- 前記投入部は、前記アルカリ剤として、前記酸化マグネシウムおよび前記水酸化マグネシウムの少なくとも一方のうちの固体粉末を前記貯留部内に投入する、請求項２に記載の排ガス処理装置。
- 前記投入部は、前記アルカリ剤として、酸化マグネシウムを前記貯留部内に投入する、請求項１から３の何れか一項に記載の排ガス処理装置。
- 前記動作モードが前記閉ループ動作に切り替えられた場合、前記閉ループ動作での第１のタイミングで、前記投入部は、一回の循環で液体が吸収する硫黄成分量と中和反応できる量よりも多い量の酸化マグネシウムを前記貯留部内に投入する、請求項４に記載の排ガス処理装置。
- 前記投入部は、前記閉ループ動作の継続中における、前記第１のタイミングよりも後の第２のタイミングにおいて、前記第１のタイミングにおける投入量に比べて少ない量の前記酸化マグネシウムを前記貯留部内に補充する、請求項５に記載の排ガス処理装置。
- 前記動作モードが前記開ループ動作から前記閉ループ動作に切り替えられた場合に、前記使用済み液体を前記貯留部から前記反応塔内に供給開始する前に前記貯留部内に投入される前記酸化マグネシウムの投入量を調整する調整部をさらに備える、請求項４から６の何れか一項に記載の排ガス処理装置。
- 前記調整部は、前記排ガスを生じさせる燃焼装置の出力と、前記燃焼装置に使用される燃料油に含まれる硫黄分濃度とに基づいて、一回の循環で液体が吸収する硫黄成分量を推定し、推定された硫黄成分量に基づいて、前記投入量を調整する、請求項７に記載の排ガス処理装置。
- 前記調整部は、前記開ループ動作中に前記反応塔から排出されるガスの硫黄成分量と、前記動作モードが前記閉ループ動作に切り替えられた後に前記排ガスを生じさせる燃焼装置の出力計画値とに基づいて前記投入量を調整する、請求項７に記載の排ガス処理装置。
- 前記調整部は、前記開ループ動作中に前記反応塔に供給される液体および前記反応塔から外部に排出される使用済み液体のそれぞれの水素イオン指数（ｐＨ）と、前記動作モードが前記閉ループ動作に切り替えられた後に前記排ガスを生じさせる燃焼装置の出力計画値とに基づいて前記投入量を調整する、請求項７に記載の排ガス処理装置。
- 前記調整部は、前記動作モードが前記開ループ動作から前記閉ループ動作に切り替えられた場合に、前回の閉モード動作中に前記貯留部内に残存している酸化マグネシウムの量に基づいて、前記投入量を調整する、請求項７に記載の排ガス処理装置。
- 前記動作モードが前記閉ループ動作から前記開ループ動作に切り替えられる毎に、前記貯留部内を洗浄する貯留部洗浄機構をさらに備える、請求項１から１０の何れか一項に記載の排ガス処理装置。
- 前記動作モードが前記閉ループ動作から前記開ループ動作に切り替えられた場合に、前記反応塔と前記貯留部との間の配管内を洗浄する配管洗浄機構をさらに備える、請求項１から１２の何れか一項に記載の排ガス処理装置。
- 排ガスの処理に使用された使用済み液体を循環させる閉ループ動作と、前記使用済み液体を外部に排出する開ループ動作との間で動作モードを切り替え可能な排ガス処理方法であって、
排ガスの浄化に使用された前記使用済み液体を貯留する段階と、
前記閉ループ動作中にアルカリ剤によって浄化能力を回復した使用済み液体を前記排ガスに接触させる段階と、
前記閉ループ動作を開始する場合に、前記使用済み液体を前記排ガスに接触させるように供給する前に、貯蔵された前記使用済み液体に前記アルカリ剤を投入する段階と、を備える排ガス処理方法。
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