成果報告書詳細
管理番号20090000000046
タイトル平成18年度-平成20年度成果報告書 エネルギー使用合理化技術戦略的開発 エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発 「環境調和型高性能ハイブリッド熱交換器による高効率舶用排熱回収システムの研究開発」
公開日2009/7/10
報告書年度2006 - 2008
委託先名独立行政法人海上技術安全研究所
プロジェクト番号P03033
部署名省エネルギー技術開発部 研究開発グループ
和文要約高効率のディーゼルエンジンを使用している内航船舶の省エネをエンジンサイドから実現するための有力な手段が排熱回収である。舶用排熱回収システムにおける課題として、低質燃料(重油)使用に起因する排ガス性状の問題(SOx、スート)があげられる。これらは排熱回収量を制限(硫酸結露を防ぐため)するとともに、低伝熱面積密度(スート付着によるスートファイアを防ぐため)による機器の大型化をもたらす等、熱回収の阻害要因となっている。そこで本研究では、SOx・スートといった、舶用エンジンの重油使用に起因する問題に対応しながら排熱回収を行う舶用排熱回収用循環流動層を開発することを目的とした。流動層内部の固気混相流れの状態は脱硫、伝熱それぞれの性能に影響を及ぼす。その流れへの船体動揺の影響を調べるため、循環式流動層コールドモデルを動揺台に設置し、圧力損失、流動様式、熱伝達率等を計測した。陸上機器は正立状態にあるため、動揺・傾斜の流動層内の粒子挙動等の固気混相流れへの影響を調べた事例はない。実験の結果、動揺・傾斜により圧力損失が増大すること、ライザー部での熱伝達率が大きく向上することがわかった。特に熱伝達の向上については、その主たる要因が傾斜時に粒子が安定的に伝熱面に付着しながらダウンフローを形成することにあることが明らかになった。また、脱硫用粒子を検討するため、反応管、熱天秤および流動層を用いた実験を行った。実験では模擬排ガスを使用した。広範囲な実験の結果、排ガス温度より低い温度領域でCa(OH)2の脱硫性能が高いことがわかった。また、スートに起因する重大事故であるスートファイアの検出および損害低減手法を見いだすため、局所非均一加熱による冷媒の不安定流動とバーンアウト領域との関係を明らかにし伝熱管焼損箇所の特定を可能とするための実験を行った。均一に加熱(排ガスによる熱負荷を模擬)した並列管にスート燃焼を模擬する局所的な非均一加熱(スート燃焼に対応した熱負荷)を加えた実験を行い、ドライアウトに先だって並列管上流側の圧力変動に変化が見られ、トラブルの予兆として利用することが可能であることがわかった。また、その予兆を検出し流量を増大させることでドライアウトの予防が可能であることがわかった。さらにスート付着防止法についても検討を行い、EHDを利用したスート付着防止手法を提案した。舶用循環流動層の実証試験として中速ディーゼルエンジンを用いた実験を行った。実験では、蒸気発生量、蒸気条件(温度・圧力)、脱硫性能等を計測した。排熱回収については小型装置(陸上機器の1/10程度の大きさ)固有の問題からループシールバルブが充分な性能を発揮できず、結果的に十分な循環粒子量を得られなかったため(想定の1/10以下)期待していたほどの排熱回収は実現できなかった。エンジン出力40%負荷の場合、主機出力の7-8%の動力回収に相当する蒸気発生が得られたものの、65%負荷においては4-5%に留まった(目標値は75%負荷で8%以上)。75%負荷で実験が行えなかった理由は、分散板における圧力損失が想定していた3倍に達したためである。シール方式の改善による粒子循環の増大と分散板における圧力損失低減が、課題として明らかになった。一方、脱硫剤としてCa(OH)2を用いた場合、目標値を超える最大90%以上の脱硫を確認した。循環粒子量が少なかったことを考えると、非常に高い脱硫性能を有する粒子を開発できたと言える。
英文要約This research aims to develop a marine heat recovery system with a circulating fluidized bed (CFB) heat-exchanger. In general, exhaust gases from marine diesel engines contain soot and sulfuric oxides originating from the low quality fuel oils, so that recovering heat in exhaust gases is limited and heat exchangers are vulnerable. In this heat recovery system, heat recovery from exhaust gases is enhanced as well as, the exhaust gases are desulfurized thanks to the CFB heat-exchanger. Particles working as desulfurizer circulate along with gases in the CFB heat-exchanger and the gas-solid flow field influences heat transfer rates and desulfurization. However there is no engineering information on the flow field that might be influenced by the ship motion. In order to study how the ship motion influences the gas-solid flow, experiments were conducted with a CFB cold model installed on a swinging platform which is able to simulate the oscillation of a ship passing in the ocean waves. When the CFB undergoes the rolling motion, downflow of particles, a part of the particles going down along the riser walls of the CFB, periodically changes and the falling particles accumulate much more on the distributor down in the CFB. As a result, total pressure drop through the CFB under rolling motion is larger than that at upright attitude. In addition, heat transfer between the riser wall and gas-particle flow is increased by the rolling motion. When the CFB is inclined constantly, the heat transfer increases because the inclination makes the solid particles contact the heat transfer surface stably. Finally, a demonstration heat recovery system was manufactured and combined with a medium speed diesel engine which delivers about 1,000kW and verification runs on the heat recovery performance and desulfurization were conducted. The following results were obtained. 1) Heat recovery performance of the system fell below the expectation. Although the target value of heat recovery was 8% of the engine output at 75% load, actually recovered heat was about 8% at 40% load, 6.7% at 50% load, and 5.4% at 65% load, respectively. The cause of the lower performance was the malfunction of the loop seal valve of the CFB, and hence the solid circulation flux was held to a lower value than expected. Lower solid circulation fluxes caused fewer contacts between the particles and the heat transfer walls, and resulted in lower heat transfer rates of the whole system. 2) The total pressure drop through the CFB was three times as large as a designed value due to improper design of the distributor. This large pressure drop made verification test at 75% load impracticable. 3) The solid particle newly developed in this research achieved 90% desulfurization of the exhaust gas.
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