使用高濃度地含有硫成分的重油等低質(zhì)燃料的船舶用柴油發(fā)動機(jī)的排出氣體凈化裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及將包含在船舶用柴油發(fā)動機(jī)的排出氣體中的以碳為主體的顆粒狀物 質(zhì)（Particulate Matter，下面稱為"PM"）、硫氧化物（下面稱為"SOx"。）、氮氧化物（下 面稱為"NOx"）等有害氣體除去并凈化的船舶用、發(fā)電用、產(chǎn)業(yè)用等的特別是使用重油[重 油（Fuel oil)在舶用工業(yè)界中被標(biāo)記為柴油（Diesel oil :D0)、舶用柴油燃料（Marine Diesel Fuel :MDF)或舶用柴油（Marine Diesel oil :MD0)、舶用燃料油（Marine Fuel oil : MFO)、重質(zhì)燃料油（Heavy Fuel oil :HF0)、殘余燃料油（Residual Fuel oil :RF0)，但在本 發(fā)明中，將這些標(biāo)記統(tǒng)稱，稱為重油（Diesel oil)]以下的低質(zhì)燃料的大排氣量船舶用柴油 發(fā)動機(jī)的排出氣體處理技術(shù)，更詳細(xì)地說，涉及將高的溫度的排出氣體排出的大排氣量船 舶用柴油發(fā)動機(jī)中的利用了電暈放電的排出氣體的凈化裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為各種船舶、發(fā)電機(jī)以及大型建筑機(jī)械、各種汽車等的動力源，柴油發(fā)動機(jī)被廣 泛采用，但包含在從此柴油發(fā)動機(jī)排出的排出氣體中的PM、NOx，因為如周知的那樣不僅帶 來大氣污染，而且是對人體極其有害的物質(zhì)，所以該排出氣體的凈化極其重要。為此，柴 油發(fā)動機(jī)的燃燒方式的改善、各種排出氣體過濾器的采用、排出氣體再循環(huán)（Exhaust Gas Recirculation:下面稱為"EGR"。）法、選擇性還原催化劑脫硝法（Selective Catalytic Reduction :下面稱為"SCR"。）、還有利用電暈放電電氣性地進(jìn)行處理的方法等很多方案已 被提出，其一部分已被實際使用。
[0003] 在這里，柴油發(fā)動機(jī)的排出氣體中的PM(顆粒狀物質(zhì)）的成分被分為有機(jī)溶劑 可溶組分（S0F:Soluble Organic Fractions，下面稱為"S0F"。）和有機(jī)溶劑不可溶組分 (ISF:Insoluble Organic Fractions，下面稱為"ISF"）這 2 個，但其中 SOF 組分是燃料、 潤滑油的未燃燒組分為主的成分，包含具有致癌作用的多環(huán)芳香族等有害物質(zhì)。另一方面， ISF組分是以電阻率低的碳（煤煙）和硫酸鹽（Sulfate :硫酸鹽）成分為主成分的組分，此 SOF組分及ISF組分，從對其人體、環(huán)境的影響看，希望排出氣體盡量少。特別是，活體中的 PM的不良影響的程度，可以認(rèn)為在其粒子徑成為nm尺寸的情況下特別是一個問題。
[0004] 作為利用電暈放電電氣性地處理的方法，例如，提出了下面記載的方法及裝置 (專利文獻(xiàn)1~2)。
[0005] 即，本申請人在專利文獻(xiàn)1中，提出了柴油發(fā)動機(jī)的排出氣體用電氣式處理方法 及裝置，所述柴油發(fā)動機(jī)的排出氣體用電氣式處理方法及裝置如圖27表示其概略的那樣， 是如下的方式：在排出氣體通路21中設(shè)置由電暈放電部22 - 1和帶電部22 - 2構(gòu)成的放 電帶電部22,使被進(jìn)行了電暈放電的電子29在排出氣體Gl中的以碳為主體的PM28帶電， 由配置在該排出氣體通路21中的捕集板23捕集前述帶電的PM28 ;做成了如下的結(jié)構(gòu)：放 電帶電部22中的電極針24的排出氣體流的流動方向長度短，且捕集板23相對于排出氣體 流的流動方向配設(shè)在直角方向。另外，在圖中，25是密封氣體管，26是高壓電源裝置，27是 排出氣體引導(dǎo)管。
[0006] 另外，本申請人在專利文獻(xiàn)2的第六實施例中，提出了一種裝置，它是柴油發(fā)動機(jī) 的排出氣體凈化裝置，如圖28表示其概略的那樣，柴油發(fā)動機(jī)的排出氣體凈化裝置構(gòu)成如 下：在將重油以下的低質(zhì)燃料作為燃料使用的柴油發(fā)動機(jī)31的排氣歧管32下游的排氣管 上配設(shè)排出氣體冷卻器33、靜電旋風(fēng)排出氣體凈化裝置34及通常的洗滌器40,在前述通常 的洗滌器40的下游的排氣管上設(shè)置分支部35,在前述分支部35上連接將排出氣體的一部 分作為EGR氣體分流的EGR配管，在該EGR配管上設(shè)置汽水分離器38, 一面由EGR閥36對 EGR氣體進(jìn)行流量控制，一面使之向進(jìn)氣歧管37或者來自空氣過濾器39的進(jìn)氣管回流。
[0007] 另一方面，非專利文獻(xiàn)1中，在第三章"所有的船舶的機(jī)艙要件"中的C部分"油的 排出限制"的第十五規(guī)則"油的排出限制"中，規(guī)定了特別海域外及在特別海域中的不稀釋 的情況下的油性混合物的油分濃度。
[0008] 另外，在非專利文獻(xiàn)2中，在第二章"對IMO的3次NOx限制的應(yīng)對技術(shù)和剩下的課 題"中的2 - 2 "對頂0的3次NOx限制的應(yīng)對的發(fā)動機(jī)技術(shù)"的2 - 2 - 2 "排氣循環(huán)"的 P14~P16中，公開了將柴油發(fā)動機(jī)搭載于集裝箱船的技術(shù)，該柴油發(fā)動機(jī)在由洗滌器將從 通往渦輪增壓器的渦輪的排氣管分流的EGR氣體凈化后，由EGR冷卻器冷卻，進(jìn)而在通過水 滴捕集機(jī)后，使之由EGR鼓風(fēng)機(jī)向從渦輪增壓器的壓縮機(jī)壓送的進(jìn)氣的中間冷卻器回流。 另外，非專利文獻(xiàn)2中的IMO是國際海事組織；是International Maritime Organization 的簡稱。
[0009] 另外還有，作為公知的降低NOx的技術(shù)，一般已知利用了催化劑反應(yīng)的前述SCR方 式。
[0010] 在先技術(shù)文獻(xiàn)
[0011] 專利文獻(xiàn)
[0012] 專利文獻(xiàn)I :W02006/064805號公報
[0013] 專利文獻(xiàn)2 :日本特開2012 - 140928號公報
[0014] 非專利文獻(xiàn)
[0015] 非專利文獻(xiàn)I :1973年的用于防止由船舶造成的污染的國際條約、附則I "用于防 止由油造成的污染的規(guī)則"
[0016] 非專利文獻(xiàn)2 :社團(tuán)法人日本海洋工程學(xué)會編：平成21年度船舶排出大氣污染物 質(zhì)減少技術(shù)研究調(diào)查報告書

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 發(fā)明所要解決的課題
[0018] 然而，在上述的以往的柴油發(fā)動機(jī)排出氣體凈化裝置中，存在下面記載的問題點。
[0019] 即，前述專利文獻(xiàn)1記載的柴油發(fā)動機(jī)的排出氣體用電氣式處理方法及裝置（圖 27)，具有如下的問題：由于放電帶電部22中的電極針24的排出氣體流的流動方向長度短， 且捕集板23相對于排出氣體流的流動方向配設(shè)在直角方向，另外，排出氣體流相對于捕集 板23直接抵接，所以流過阻力（壓力損失；壓損）大；由于捕集板23薄，排出氣體流的流動 方向長度短，所以擔(dān)心PM無阻礙地通過，存在不能充分提高PM捕集效率的危險；一旦通過 了捕集板23的PM不會因再次電暈放電而帶電地被捕集，而是原樣不變地被排出。
[0020] 另外，在利用電暈放電等電氣性地處理排出氣體中的PM的柴油發(fā)動機(jī)的排出氣 體處理技術(shù)中，產(chǎn)生下面記載的課題。
[0021] 即，需要克服下述的課題，在船舶用柴油發(fā)動機(jī)中，與使用硫組分少的輕油的汽車 用柴油發(fā)動機(jī)比較，具有格外大的排氣量，且使用重油以下的低質(zhì)且包含硫組分多（重油 相對于輕油含有500~3500倍左右的硫組分：根據(jù)JIS K2204 :2007"輕油";0. 0010質(zhì)量％ 以下，K2205 - 1990 "重油";0. 5~3. 5質(zhì)量％以下）的燃料，在此大排氣量船舶用柴油發(fā) 動機(jī)中，例如在使用前面的專利文獻(xiàn)1記載的排出氣體凈化裝置的情況下，重油以下的低 質(zhì)燃料中的硫組分不僅作為SOF包含在排出氣體和/或EGR氣體中，還成為硫酸鹽，腐蝕發(fā) 動機(jī)構(gòu)成零件，特別是排氣相關(guān)零件。
[0022] 另外，前述專利文獻(xiàn)2記載的特別是使用重油以下的低質(zhì)燃料的大排氣量且排出 高速和/或大流量的排出氣體的柴油發(fā)動機(jī)的排出氣體用電氣式處理方法及裝置（圖28)， 在作為發(fā)動機(jī)采用EGR系統(tǒng)來降低排出氣體中的NOx，并且通過向排氣管或EGR配管設(shè)置通 常的洗滌器40，將未由靜電旋風(fēng)排出氣體凈化裝置34除凈的二氧化硫氣體、PM (煤煙、S0F、 硫酸鹽）等的殘存成分有效地除去，使之進(jìn)一步減少，由此能夠得到清潔的排出氣體及EGR 氣體，且在EGR氣體被冷卻而成為低溫的情況下，也容易確保高的EGR率，使在燃燒室中的 燃燒溫度下降，進(jìn)一步抑制氮氧化物的產(chǎn)生，并且使來自缸壁面等的散熱減少，謀求燃料費 用的降低，進(jìn)而，SO x腐蝕發(fā)動機(jī)構(gòu)成零件、排氣關(guān)聯(lián)零件或促進(jìn)磨損的情況減少，但在前述 通常的洗滌器40的處理水中也包含SOF組分、作為粒子的PM。
[0023] 另一方面，在非專利文獻(xiàn)1的第三章"所有的船舶的機(jī)艙要件"中的C部分"油的 排出限制"的第十五則"油的排出限制"中，A. "在特別海域中的排出"條目之2 "來自總噸 數(shù)400噸以上的船舶的油或油性混合物禁止向海洋排出。但是，滿足下述所有條件的情況 除外。"的規(guī)定的.3中規(guī)定了 "在不稀釋的情況下的油性混合物的油分濃度在100萬分之 15以下。"，B. "在特別海域中的排出"條目之3 "來自總噸數(shù)400噸以上的船舶的油或油性 混合物禁止向海洋排出。但是，滿足下述所有條件的情況除外。"的規(guī)定的.3中規(guī)定了"在 不稀釋的情況下的油性混合物的油分濃度在100萬分之15以下。"。
[0024] 另外，在這里，"油"是指原油、重油及潤滑油，"油性"是指按照此意思解釋的油性， "油性混合物"是指包含油的混合物。
[0025] 另一方面，在非專利文獻(xiàn)2記載的舶用柴油發(fā)動機(jī)中，通過使從排出氣體分流了 的EGR氣體向進(jìn)氣回流，可從排出氣體降低80% NOx和除去來自EGR氣體的接近100%的 SOx，但存在不能將EGR氣體中的PM，特別是硫酸鹽成分完全除去而是殘留這樣的缺點，另 外，至于通過洗滌器的煤塵、另外包含在PM中的硫組分對柴油發(fā)動機(jī)主體、系統(tǒng)的影響，不 僅需要長期的實船試驗，至于從洗滌器向船外排出的清洗水，還需要不會給環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng) 帶來影響，特別是在此洗滌器的清洗水中，與作為粒子的PM的溶解、PM的浮游、SO x的溶解 等相伴的這些環(huán)境污染成分或生態(tài)系統(tǒng)影響成分的除去、PH調(diào)整等，廢水處理成為大的問 題。這是可以預(yù)想的。但是，在大排氣量的船舶用柴油發(fā)動機(jī)的長時間的航海中，至少EGR 氣體流，優(yōu)選是包含EGR氣體流在內(nèi)的排出氣體流的全量的處理，在僅由洗滌器進(jìn)行的處 理中，從裝置的大?。òㄓ糜诓粚头衷趦?nèi)的處理排水向海洋排出的儲藏設(shè)備）的 方面看，完全不現(xiàn)實。另外，在本申請人提出的專利文獻(xiàn)1的技術(shù)中，即使設(shè)置后段的旋風(fēng) 集塵機(jī)捕集PM，進(jìn)而在其后方設(shè)置通常的洗滌器，排出氣體中的油分也混合于其處理水中， 該處理裝置的大?。òㄓ糜诓粚头衷趦?nèi)的處理排水向海洋排出的儲藏設(shè)備）也不 是現(xiàn)實的大小。另外還有，即使在本申請人提出的專利文獻(xiàn)2的技術(shù)中，排出氣體中的NOx 減少，但沒有避免油分向通常的洗滌器的處理水中混合，其處理裝置的大?。òㄓ糜诓?將包含油分在內(nèi)的處理排水向海洋排出的儲藏設(shè)備）也不是現(xiàn)實的大小。另外，通常的洗 滌器作為壓水式有文丘里洗滌器、噴射洗滌器、旋風(fēng)洗滌器、噴灑塔等，作為充填層式，有充 填塔、流動層洗滌器等各種形態(tài)的洗滌器，因為哪個通常的洗滌器都是排出氣體流相對于 處理水的表面相互交叉地激烈地接觸，所以不能避免排出氣體中的作為粒子的PM向處理 水的混合，作為該排水處理，需要很多的工時和大規(guī)模裝置（包括用于不將包含油分在內(nèi) 的處理排水向海洋排出的儲藏設(shè)備）。
[0026] 另外，作為公知的降低NOx的技術(shù)，一般利用了催化劑反應(yīng)的SCR方式已被公知。 此SCR方式若在發(fā)動機(jī)的排出氣體的溫度十分高的狀態(tài)下將催化劑活化，且催化劑表面未 被煤等覆蓋而是確實地露出，則催化劑正常地發(fā)揮功能，能夠?qū)崿F(xiàn)高的NOx降低。但是，在 一般的舶用發(fā)動機(jī)中，為了確保降低燃料消耗率，與汽車用發(fā)動機(jī)等相比，長行程的低速發(fā) 動機(jī)是主流，在缸內(nèi)緩慢地花費時間將燃燒氣體的能量確實地作為動力取出的情況和通過 與燃燒氣體長時間與缸壁面等的接觸相伴的散熱，排出氣體的溫度成為低溫的情況多，不 僅在發(fā)動機(jī)剛剛起動后的暖機(jī)中，即使在穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)中，若催化劑溫度低于300度，則不充分 地發(fā)揮其功能，NOx降低率不充分的情況多。另外，在使用重油以下的低質(zhì)燃料的柴油發(fā)動 機(jī)中，被指出了如下的問題，希望得到改善：催化劑由包含在排出氣體中的PM包覆，并且因 在燃料中大量含有的硫而中毒，其NOx凈化功能不長期穩(wěn)定地發(fā)揮功能。
[0027] 本發(fā)明鑒于上述的以往技術(shù)的問題，欲提供一種使用高濃度地含有硫成分的重油 等低質(zhì)燃料的船舶用柴油發(fā)動機(jī)的排出氣體凈化裝置，其降低特別是使用重油以下的低質(zhì) 燃料的大排氣量且排出高速和/或大流量的排出氣體的舶用柴油發(fā)動機(jī)的排出氣體中的 NOx，進(jìn)而一面阻止PM向處理水的混合一面將SOx高效率地除去，將排出氣體凈化，并且通 過阻止PM向PM自由洗滌器處理水的混合和乳化，由中和過濾等單純的工序和少的工時及 小型且控制簡易的處理裝置來處理SO x，即使在特別海域及特別海域外的航行中也可以向 海洋排出。即，所述船舶用柴油發(fā)動機(jī)的排出氣體凈化裝置，不是具備PM自由洗滌器處理 水的、伴隨復(fù)雜且高度的控制的控制部的高價且大型的處理裝置（包括用于不將包含油分 在內(nèi)的處理排水向海洋排出的儲藏設(shè)備），不需要設(shè)置自由度低的設(shè)備，而是低價且保養(yǎng)容 易的小型且設(shè)置自由度高的設(shè)備，且處理水的管理容易，另外，有時還可進(jìn)行洗滌器直通運(yùn) 轉(zhuǎn)，不需要與制油行業(yè)中的大規(guī)模的脫硫裝置的設(shè)置相伴的龐大的設(shè)備投資，因此，能夠使 燃料費成為低價。
[0028] 為了解決課題的手段
[0029] 有關(guān)本發(fā)明的使用重油以下的低質(zhì)燃料的船舶用柴油發(fā)動機(jī)的排出氣體凈化裝 置，作為第一發(fā)明，其特征在于，做成了如下的結(jié)構(gòu)，即，在與發(fā)動機(jī)的排氣歧管相連的排氣 管上設(shè)置排出氣體冷卻器，在該排出氣體冷卻器的下游側(cè)設(shè)置將包含在該排出氣體中的以 有機(jī)溶劑可溶組分（SOF)、有機(jī)溶劑不可溶組分（ISF)為主體的PM(顆粒狀物質(zhì)）除去的電 氣集塵組件，且在該電氣集塵組件的下游側(cè)排氣管上配設(shè)幾乎不除去PM的PM自由洗滌器。
[0030] 有關(guān)本發(fā)明的使用重油以下的低質(zhì)燃料的船舶用柴油發(fā)動機(jī)的排出氣體凈化裝 置，作為第二發(fā)明，其特征在于，做成了如下的結(jié)構(gòu)，即，在與發(fā)動機(jī)的排氣歧管相連的排氣 管上設(shè)置排出氣體冷卻器，在該排出氣體冷卻器的下游側(cè)設(shè)置將包含在該排出氣體中的以 有機(jī)溶劑可溶組分（SOF)、有機(jī)溶劑不可溶組分（ISF)為主體的PM(顆粒狀物質(zhì)）除去的電 氣集塵組件，在該電氣集塵組件的下游側(cè)排氣管上設(shè)置將前述排出氣體的一部分作為EGR 氣體分流的分支部，使前述EGR氣體經(jīng)與該分支部相連的EGR配管系統(tǒng)向發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣回 流，并且在前述電氣集塵組件的下游側(cè)排氣管的前述分支部的上游側(cè)或者下游側(cè)或EGR配 管系統(tǒng)中配設(shè)幾乎不除去PM的PM自由洗滌器。
[0031] 有關(guān)本發(fā)明的使用重油以下的低質(zhì)燃料的柴油發(fā)動機(jī)的排出氣體凈化裝置，作為 第三發(fā)明，其特征在于，做成了如下的結(jié)構(gòu)，即，在與發(fā)動機(jī)的排氣歧管相連的排氣管上設(shè) 置將排出氣體的一部分作為EGR氣體分流的分支部，在與該分支部相連的EGR配管系統(tǒng)中 設(shè)置排出氣體冷卻器，在該排出氣體冷卻器的下游側(cè)設(shè)置將包含在該排出氣體中的以有機(jī) 溶劑可溶組分（SOF)、有機(jī)溶劑不可溶組分（ISF)為主體的PM (顆粒狀物質(zhì)）除去的電氣集 塵組件，使EGR氣體經(jīng)該電氣集塵組件的下游側(cè)EGR配管系統(tǒng)向發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣回流，并且在 前述電氣集塵組件的下游側(cè)的EGR配管系統(tǒng)中配設(shè)幾乎不除去PM的PM自由洗滌器。
[0032] 有關(guān)本發(fā)明的使用重油以下的低質(zhì)燃料的船舶用柴油發(fā)動機(jī)的排出氣體凈化裝 置，作為第四發(fā)明，其特征在于，做成了如下的結(jié)構(gòu)，即，在發(fā)動機(jī)的排氣歧管下游的排氣管 上設(shè)置排出氣體冷卻器，在該排出氣體冷卻器的下游側(cè)設(shè)置將包含在該排出氣體中的以有 機(jī)溶劑可溶組分（SOF)、有機(jī)溶劑不可溶組分（ISF)為主體的PM(顆粒狀物質(zhì)）除去的電氣 集塵組件，且在該電氣集塵組件的下游側(cè)排氣管上配設(shè)幾乎不除去PM的主PM自由洗滌器， 進(jìn)而在前述主PM自由洗滌器的下游側(cè)設(shè)置將前述排出氣體的一部分作為EGR氣體分流的 分支部，在與該分支部相連的EGR配管系統(tǒng)中配設(shè)與前述相同的幾乎不除去PM的副PM自 由洗滌器。
[0033] 有關(guān)本發(fā)明的使用重油以下的低質(zhì)燃料的船舶用柴油發(fā)動機(jī)的排出氣體凈化裝 置，作為第五發(fā)明，其特征在于，做成了如下的結(jié)構(gòu)，即，在發(fā)動機(jī)的排氣歧管下游的排氣管 上，作為2級增壓系統(tǒng)，在排出氣體的流動方向前段設(shè)置高壓渦輪增壓器，在排出氣體的流 動方向后段設(shè)置低壓渦輪增壓器，在低壓渦輪增壓器下游的排氣管上設(shè)置排出氣體冷卻 器，進(jìn)而在其下游側(cè)配設(shè)將包含在該排出氣體中的以有機(jī)溶劑可溶組分（SOF)、有機(jī)溶劑不 可溶組分（ISF)為主體的PM(顆粒狀物質(zhì)）除去的電氣集塵組件和幾乎不除去PM的主PM 自由洗滌器，另外還有，在前述主PM自由洗滌器的下游側(cè)設(shè)置將前述排出氣體的一部分作 為EGR氣體分流的分支部，在與該分支部連接的EGR配管系統(tǒng)中配設(shè)與前述相同的幾乎不 除去PM的副PM自由洗滌器，使該排出氣體的一部分向前述低壓渦輪增壓器及高壓渦輪增 壓器回流。
[0034] 有關(guān)本發(fā)明的使用重油以下的低質(zhì)燃料的船舶用柴油發(fā)動機(jī)的排出氣體凈化裝 置，作為第六發(fā)明，其特征在于，做成了如下的結(jié)構(gòu)，即，在發(fā)動機(jī)的排氣歧管下游的排氣管 上配設(shè)幾乎不除去PM的主PM自由洗滌器，在該主PM自由洗滌器的下游側(cè)設(shè)置將前述排 出氣體的一部分作為EGR氣體分流的分支部，在與該分支部連接的EGR配管系統(tǒng)中配設(shè)排 出氣體冷卻器、將包含在該排出氣體中的以有機(jī)溶劑可溶組分（SOF)、有機(jī)溶劑不可溶組分 (ISF)為主體的PM(顆粒狀物質(zhì)）除去的電氣集塵組件和與前述相同的幾乎不除去PM的副 PM自由洗滌器，使該排出氣體的一部分向發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣歧管回流。
[0035] 另外，在上述第一~第六發(fā)明的排出氣體凈化裝置中，做成下述優(yōu)選的樣態(tài)，其特 征在于，前述幾乎不除去PM的PM自由洗滌器在排氣管或EGR配管系統(tǒng)中垂直地配置傾斜 走向蜂窩構(gòu)造的芯部，該傾斜走向蜂窩構(gòu)造的芯部是將具有優(yōu)異的吸水性的以玻璃纖維為 骨架的由多孔質(zhì)陶瓷原材料構(gòu)成的波板和平板交替地層疊了的芯部，在芯上部設(shè)置遍及芯 的大致全長的供水部，以便芯部表面總是濕潤，并且配置成排出氣體或EGR氣體流通過蜂 窩芯部的多個隧道狀的微小芯內(nèi)，在芯下部具有接收將排出氣體進(jìn)行了凈化的處理水的遍 及芯的大致全長的托盤；或在排氣管或EGR配管系統(tǒng)中設(shè)置上部箱及下部箱，在前述兩箱 之間相對于上下方向鉛