KR101132379B1

KR101132379B1 - 배기 가스 재순환 시스템을 구비한 대형 2행정 디젤 엔진

Info

Publication number: KR101132379B1
Application number: KR1020110008001A
Authority: KR
Inventors: 페테르 스키욜다게르
Original assignee: 맨 디젤 앤드 터보 필리얼 아프 맨 디젤 앤드 터보 에스이 티스크랜드
Priority date: 2010-01-29
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2012-04-03
Also published as: JP4997336B2; JP2011157959A; KR20110089073A; CN102140978B; CN102140978A

Abstract

본 발명은 배기 가스 수용기에 각각 연결된 복수의 실린더들을 포함하는 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 디젤 엔진에 관한 것으로서, 그 디젤 엔진은 배기 가스의 일부분을 소기 공기 흐름 안으로 공급하기 위한 배기 가스 재순환 유동 경로를 포함하고, 또한 상기 배기 가스 재순환 유동 경로 내에 습식 집진기, 냉각기, 응축수를 제거하기 위한 장치, 및 송풍기를 포함한다. 또한 본 발명은 배기 가스 수용기에 각각 연결된 복수의 실린더들을 포함하는 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 디젤 엔진으로부터의 배기 가스를 재활용하는 방법에 관한 것이기도 하다.

Description

배기 가스 재순환 시스템을 구비한 대형 2행정 디젤 엔진{Large two-stroke diesel engine with exhaust gas recirculation system}

본 발명은 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 내부 연소 피스톤 엔진에 관한 것으로서, 바람직하게는 배기 가스 정화 시스템을 구비한 디젤 엔진에 관한 것이며, 특히 배기 가스 재순환 시스템을 구비한 크로스헤드 유형의 대형 2행정 디젤 엔진에 관한 것이다.

크로스헤드 유형의 대형 2행정 엔진은 대형 선박의 추진 시스템에 통상적으로 이용되거나, 또는 발전 플랜트에서의 원동기로서 통상적으로 이용된다. 특히 모노-니트로겐 산화물(mono-nitrogen oxides; NOx) 수준과 관련하여 배기 가스 요건은 충족시키기 어려워져 왔으며, 앞으로도 점점 더 충족시키기 어려워질 것이다.

배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR)은 NOx 배기를 저감시키기 위하여 디젤 엔진을 보조하기 위한 것으로 알려진 수단이다. 그러나, 현재까지는 배기 가스 재순환을 이용하여 상업적으로 작동하는 대형 2행정 디젤 엔진은 없다. 그 이유는, 배기 가스 재순환을 대형 2행정 디젤 엔진에 구현하는 것은 상당히 도전적인 과제인 것으로 드러났기 때문이다. 대형 2행정 디젤 엔진에 배기 가스 재순환을 구현하는 것이 그러한 도전인 것으로 드러난 하나의 이유는, 그 엔진들이 높은 황 함량을 갖는 중유(heavy fuel oil)로 작동되는 것이 일반적이라는 사실 때문이다. 따라서, 배기 가스의 황 함량은 황 함량이 없거나 낮은 연료유에 의하여 작동되는 소형 디젤 엔진에서보다 훨씬 높다. 황의 높은 농도는 청결화(cleaning) 방법 및 장치의 선택을 현저히 감소시키는데, 왜냐하면, 그들 대부분은 대형 2행정 디젤 엔진의 배기 가스에 존재하는 황 및 황산 수준에 견딜 수 없기 때문이다.

이러한 높은 황 수준(high sulfur level)에 견딜 수 있는 것으로 알려진 대형 2행정 디젤 엔진의 배기 가스를 청결화시키는 일 기술은 습식 집진(wet scrubbing)이다. 이 기술에서, 배기 가스는 집진 용액으로서 물을 이용하는 소위 습식 집진기를 통하여 통과된다.

그러나, 재순환되는 배기 가스를 위하여 물 기반의 배기 가스 집진기를 구비한 대형 터보차지식 2행정 디젤 엔진용 배기 가스 재순환 시스템은, 집진된 가스와 함께 하류에서 유인되는 증발된 물로 인하여 상당한 양의 물을 소비할 것이다. 예를 들어, MAN B&W 유형의 7S50MC 엔진(MAN B&W type 7S50MC engine)이 @ 20% EGR 추가(즉, 20%의 소기 가스가 배기 가스로부터 재순환된 가스를 포함)의 조건에서는: 물이, 집진된 가스 질량 유량의 13%, 즉 2.1 m³/h 정도 일 것이다. 이것은 해양 선박에서는 귀한 자원인 담수의 현저한 사용을 의미한다.

또 다른 도전은, 재순환되는 배기 가스를 배기 가스 수용기로부터 소기 공기 또는 가스 유동 안으로 이송하는데에 필요한 동력이 많이 필요하다는 것이다 (소기를 위한 압축된 공기에는 재순환되는 배기 가스 외의 다른 가스 성분이 첨가될 수 있는바, 이하에서는 명시적으로 달리 설명되지 않는 한 "소기 공기(scavenge air)" 및 "소기 가스(scavenge gas)"가 사용된다). 대형 2행정 디젤 엔진에서, 소기 공기의 압력은 배기 가스 수용기 내의 압력보다 대략 0.3 바아(bar) 높은 것이 통상적이다. 따라서, 재순환되는 배기 가스를 배기 가스 수용기로부터 소기 공기 시스템 안으로 강제하기 위하여는 송풍기 또는 다른 수단이 필요하다. MAN 12K98MC-C 엔진과 같은 대형 보어(bore)의 12 또는 14 실린더 2행정 디젤 엔진에서는, 그러한 송풍기를 구동하는데에 필요한 동력이 5 MW 에 달할 것이다. 이것은 배기 가스 정화 시스템에 사용하기에는 매우 많은 양의 에너지이다. 또한, 그러한 큰 전력 요건에 부합하는 송풍기를 구동하는 전기 모터는 매우 고가이다.

따라서, 집진기 유출구(scrubber outlet)에서의 질량 유량은 증발된 물의 질량 유량에 대응하여 증가할 것이고, 집진기의 하류 및 가압된 소기 가스 냉각기의 상류에 배치된 EGR 송풍기의 부하를 증가시킬 것이다.

문헌 DE 19809618 A1 에는 배기 가스 재순환 시스템을 구비한 대형 2행정 디젤 엔진이 개시되어 있다. 그 엔진의 각 실린더는 배기 가스를 위한 세 개의 유출구를 갖는다. 그 세 개의 유출구들 중 하나로부터의 배기 가스는 수집되고 소기 공기 안으로 재활용된다. 2행정 엔진의 실시예에서, 재활용되는 배기 가스는 냉각기 및 송풍기를 통하도록 유인되기 전에 건식 필터에서 그을음(soot)의 입자들이 없어지도록 청결화되며, 송풍기는 냉각된 재활용 배기 가스를 재사용하기 위하여 소기 공기 안으로 추진시킨다.

개시된 2행정 디젤 엔진에는 유해한 물질의 배기가 감소된다고 하고 있으나, 유해 물질 배출의 저감을 향상시킬 수 있는 터보차지식 2행정 디젤 엔진에 관한 필요성은 여전하다.

위와 같은 배경에서, 본 발명은, 효과적이고 상업적으로 실용적인 배기 가스 재순환 시스템을 구비한 대형 터보차지식 2행정 디젤 엔진을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적은, 배기 가스 수용기에 각각 연결된 복수의 실린더들, 배기 가스의 적어도 일부분을 소기 공기 흐름 안으로 공급하기 위한 배기 가스 재순환 유동 경로, 재순환되는 배기 가스를 청결화시키기 위하여 상기 배기 가스 재순환 유동 경로 내에 배치된 습식 집진기로서, 집진 용액으로서 물 기반의 액체를 이용하여 물을 재순환되는 배기 가스 안으로 증발시켜서 배기 가스의 수분 함량을 증가시키는 습신 집진기, 상기 배기 가스 재순환 유동 경로 내에서 상기 습식 집진기의 하류에 배치된 냉각기로서, 배기 가스를 재순환되는 배기 가스 내의 수증기의 적어도 일부분이 응축되게 하는 온도로 냉각시키는 냉각기, 재순환되는 배기 가스에 의하여 발생되는 응축수를 배기 가스 재순환 유동 경로로부터 이탈시키는 장치, 상기 배기 가스 재순환 유동 경로 내에서 냉각기의 하류에 그리고 응축수를 이탈시키기 위한 상기 장치의 하류에 배치된 송풍기를 포함하는 크로스헤드 유형의 대형 2행정 연소 엔진을 제공함으로써 달성된다.

습식 집진기, 냉각기, 응축수 제거 장치, 및 송풍기의 조합을 포함하는 배기 가스 재순환 유동 경로는, 배기 가스 재활용 시스템을 향상시키는 고유의 방안을 제공한다.

이와 같은 구성은, 에너지(연료) 소비의 단점없이 배기 가스를 정화시키는 것을 가능하게 한다. 집진 용액으로서 물 기반의 액체를 적용하는 습식 집진기는 재활용되는 배기 가스 내에 존재하는 유해 가스 및 그을음 입자들의 상당 부분을 제거시킬 수 있다. 그러나, 고온의 배기 가스의 집진 과정 중에, 집진 용액 내에 존재하는 물의 일부분이 불가결하게 증발되어 배기 가스 안으로 들어가게 되고 따라서 가스 질량 유량을 증가시킨다.

습식 집진기에서 처리된 고온의 배기 가스는 습식 집진기 하류의 냉각기로 인도되고 증발된 물의 상당 부분이 응축되게 하는 온도로 냉각된다. 그 다음, 응축수는 분리용 또는 이탈용 장치에 의하여 배기 가스로부터 분리되어서, 가스 질량 유량은 그 이탈된 응축수의 질량 유량만큼 감소된다. 응축수는 예를 들어 그을음 입자들 및 분해된 가스들인, 집진 과정에서 완전히 제거되지 않은 유해한 물질을 더 포함한다. 이와 같은 유해한 물질들은 응축수와 함께 제거된다. 따라서, 물의 응축과 관련된 냉각 단계는 재활용되는 배기 가스의 추가적인 청결화에 기여한다.

냉각기에서 유해 물질들을 제거시키는 것은, 예를 들어 송풍기, 소기 가스 수용기와 같은 냉각기 하류의 부품들이 유해 물질의 영향을 받지 않게 한다는 장점도 있는바, 이로써 이 부품들에서 유해 물질들에 대한 특수한 대처가 필요하지 않다. 따라서, 주로 습식 집진기, 냉각기, 및 이들을 연결하는 부품들이 보다 저항성있는 재료와 짧은 간격의 교체를 필요로 할 것이며, 수명의 향상과 재료 비용의 절감이 얻어질 수 있다.

청결화 및 냉각된 재순환되는 배기 가스는 원하는 압력을 얻기 위하여 송풍기로 인도된다. 후속하여, 집진 과정에서 배기 가스 안으로 증발되는 물의 주된 부분은 냉각기에서 제거되는바, 송풍기는 감소된 가스 질량 유량을 추진시켜서 송풍기의 에너지 소비를 저감시킨다. 종국적으로, 재활용되는 배기 가스는 예를 들어 소기 공기 수용기로 인도되고 연소 과정에서 재사용된다.

따라서, 본 발명은 대형 2행정 연소 엔진의 에너지 효율성을 열화시키지 않고서 공해를 저감시키는 방안을 제공한다.

냉각기에서는 예를 들어 가스 또는 오일과 같은 몇몇 유형의 냉각 매체를 이용하는 것이 가능하지만, 냉각기는 물, 담수, 탈염수, 해수, 및 이들의 혼합물로부터 선택된 냉각 배체를 이용하는 것이 바람직하다. 물 기반의 냉각 매체는 효과적이며 저렴하다.

배기 가스와 냉각 매체의 바람직하지 못한 혼합을 방지하기 위하여, 냉각기 내의 냉각 매체는 냉각기를 통하여 유동하는 배기 가스로부터 물리적으로 분리된다. 그 분리는 예를 티타늄 판 또는 세라믹이나 폴리머 재료에 기초한 다른 물리적 격벽에 의하여 이루어진다. 그러나, 그 재료는 우수한 열 도전성 특성을 가져야 하고 또한 부식성 환경에서 기능할 수 있어야 한다.

상업적으로 사용가능한 표준 장비가 이용되는 실시예가 사용되는 경우, 냉각기는, 바람직하게는 액체인 냉각 매체를 안내하기 위한 핀 형성 튜브를 갖는 소형 반대 흐름 열교환기 유니트(compact counter-flow heat exchanger unit)일 수 있는데, 그 핀들은 집진된 배기 가스로부터 냉각 매체로의 열 전달 능력을 증가시킨다.

냉각기에서 응축되고 배기 가스로부터 제거된 물은 그냥 폐기될 수 있다. 그러나, 물이 귀한 자원인 위치에서는, 배기 가스 재순환 유동 경로로부터 제거된 응축수가 집진기 용액으로서 재사용될 수 있다. 바람직하게는, 응축수가 집진기 용액으로서 재사용되기 전에 정화되는바, 예를 들어 그을음 입자들과 같은 유해 물질은 물로부터 제거된다. 이것은 물의 비용면에서 효율적인 사용을 제공하는바, 이것은 환경에 대하여도 친화적인 것이다.

냉각기에서의 응축 후의 물은 임의의 알려진 수단에 의하여 포획되고 이탈될 수 있지만, 액적들 및 심지어는 그보다 작은 부유하는 물 입자들을 포획하는 안개 포집기를 이용하는 것이 바람직한데, 그것은 관성 효과를 활용함으로써 기능하는 예를 들어 원심분리기이거나 또는 코너링식 흐름(cornered streaming)을 갖는 것이기 때문에, 그러한 장치는 응축수의 매우 효과적인 수집을 제공한다. 물론, 응축수의 분리된 유동의 이탈을 위한 채널이, 필요한 밸브 및/또는 펌프와 함께 제공된다.

물 안개 포집기는 냉각기의 일체적 부분이거나 또는 냉각기의 하류에 있는 별도의 장치일 수 있다.

본 발명에 따른 연소 엔진의 관리 비용을 최소화하기 위하여, 냉각기는 자체적으로 청결화되는 것이 바람직하다.

재순환되는 배기 가스가 송풍기에 도달하기 전에, 증발된 물의 소정량은 저감되는데, 이것은 송풍기의 부하를 감소시키고 또한 전력 소비를 감소시킨다. 그 송풍기는 예를 들어 상업적으로 입수가능한 원심방식의 압축기 또는 팬일 수 있다.

또한, 재순환되는 배기 가스는, 냉각으로 인하여 고밀도로 될 수 있는바, 이것은 송풍기 기능에 유리하다.

재활용되는 배기 가스가 소기 가스로서 재사용되기 전에, 배기 가스는 소기 공기 수용기로 공급된다. 그 다음, 재활용되는 배기 가스는 실린더들에 배분되고 소기 공기로서 엔진 안으로 도입된다.

본 발명은, 배기 가스 수용기에 각각 연결된 복수의 실린더들을 포함하는 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 연소 엔진로부터의 배기 가스를 재순환시키는 방법에 관한 것이기도 하다. 그 방법은, 배기 가스 수용기로부터의 배기 가스의 적어도 일부분을 배기 가스 재순환 유동 경로를 거쳐서 소기 공기 수용기로 인도시킴을 포함하는데, 그 배기 가스는: 배기 가스 재순환 유동 경로 내의 재순환되는 배기 가스를 청결화시키기 위한 집진 용액인 물 기반의 용액으로 배기 가스가 습식 집진되어 배기 가스의 수분 함량을 증가시키는 습식 집진 단계, 상기 배기 가스를 냉각시키기 위하여 상기 습식 집진 단계에 후속하여 배기 가스를 재순환되는 배기 가스 내의 수증기의 적어도 일부분이 응축되게 하는 온도로 냉각시키는 냉각 단계, 재순환되는 배기 가스 내의 응축수가 배기 가스 재순환 유동 경로 내의 배기 가스로부터 이탈되는 단계, 재순환 유동 경로 내의 배기 가스가 송풍기를 통하여 인도되어서 재순환되는 배기 가스의 압력을 증가시키는 송풍 단계를 거친다.

본 발명에 따른 방법에 의하면, 높은 효율을 가지며 유해 물질이 적게 배출되면서 구동되는 2행정 터보차지식 연소 엔진이 제공된다. 이것은 배기 가스 재순환 유동 경로 내에서 수행되는 유니트 작동의 고유한 조합에 의하여 달성된다. 집진 단계, 냉각/응축 단계, 응축수의 제거 단계, 및 송풍 단계의 조합은 예상보다 효율성을 증가시키며, 따라서 연소 엔진의 전체적인 효율에 긍정적인 영향을 제공한다. 증발된 물을 적어도 부분적으로 응축시킴에 의한 가스 질량 유량의 감소는 이와 같은 긍정적인 효과를 낳는다.

소기 공기 수용기로 인도되는 가스 질량 유량을 저감시키기 위하여, 그리고 송풍기의 부하를 저감시키기 위하여는, 습식 집진 단계 중에 배기 가스 안으로 증발된 물의 적어도 30%를 냉각 단계에서 응축시키는 것이 바람직하며, 습식 집진 단계 중에 배기 가스 안으로 증발된 물의 적어도 70%가 응축되는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, 습식 집진 단계 중에 배기 가스 안으로 증발된 물의 적어도 90%를 냉각 단계에서 응축시키는 것이 바람직하며, 습식 집진 단계 중에 배기 가스 안으로 증발되거나 또는 연소에 의하여 발생된 물의 적어도 95%가 응축되는 것이 더 바람직하다.

배기 가스 내의 물을 가능한 많이 응축시키기 위하여, 냉각 단계에서는 배기 가스의 온도를 적어도 50℃ 감소시키는 것이 바람직하며, 또한 그 온도를 냉각 매체의 온도보다 몇도, 예를 들어 5℃ 정도만 높게 되도록 감소시키는 것이 바람직하다.

일반적으로는 소기 공기의 온도를 가능한 낮게 유지시키는 것이 바람직하고, 따라서 본 발명에 따른 방법에서는, 재활용되는 배기 가스가 소기 공기 수용기로 들어가기 전에 하나 이상의 추가적인 냉각 단계를 거칠 수 있다. 이로써, 재활용되는 배기 가스는 소기 가스의 온도 제어에 기여한다.

재순환되는 배기 가스는 소기 가스 시스템 안으로 들어갈 수 있어야 하는바, 이것은 재순환되는 배기 가스를 가압하는 송풍 수단에 의하여 달성된다. 배기 가스 내의 압력은 송풍 단계에서 적어도 1 바아 증가되는 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 배기 가스 내의 압력이 송풍 단계에서 적어도 2 바아 증가된다. 따라서, 재순환되는 배기 가스의 압력은 소기 공기 수용기 내의 전체 압력보다 높게 되고, 배기 가스의 소기 공기 수용기 안으로의 압력에 의한 유동이 형성된다.

본 발명에 따른 대형 2행정 내부 연소 엔진의 다른 목적, 특징, 장점, 및 특성은 하기의 상세한 설명에 의하여 명확하게 될 것이다.

본 발명에 의하여, 효과적이고 상업적으로 실용적인 배기 가스 재순환 시스템을 구비한 대형 터보차지식 2행정 디젤 엔진이 제공된다.

하기의 상세한 설명에서, 본 발명은 아래의 도면들에 도시된 예시적인 실시예들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.
도 1 은 본 발명의 제1 실시예에 따른 엔진의 개략도이고,
도 2 는 본 발명의 제2 실시예의 개략도이다.

본 발명에 따른 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 디젤 엔진 및 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 디젤 엔진의 작동 방법에 관한 하기의 설명에서, 본 발명은 예시적인 실시예들을 참조로 하여 설명될 것이다.

크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 디젤 엔진의 구조 및 작동은 잘 알려져 있는바, 본 출원에서 별도의 설명이 필요하지 않을 것이다. 배기 가스 시스템의 작동에 관한 상세한 설명은 아래에 제공된다.

도 1 에는 본 발명에 따른 대형 2행정 디젤 엔진(1)의 예시적인 제1 실시예가 도시되어 있다. 예를 들어 엔진(1)은 발전소의 발전기를 작동시키기 위한 고정식 엔진으로서 또는 해양 선박에서의 주된 엔진으로서 이용될 수 있다. 그 엔진의 총 출력은 예를 들어 5,000 내지 110,000 kW 의 범위이다.

그 엔진에는 열을 이루어 서로의 옆에 배치된 복수의 실린더(2)들이 제공된다. 각 실린더(2)에는 실린더 커버와 관련된 배기 밸브(exhaust valve; 3)가 제공된다. 배기 채널(exhaust channel)들은 배기 밸브(3)에 의하여 개폐될 수 있다. 피스톤 로드(piston rod)를 크랭크샤프트(crankshaft)의 큰 단부에 연결시키는 엔진의 크로스헤드(cross-head; 4)도 도시되어 있다. 배기 굽힘부(exhaust bend; 5)들은 배기 가스 수용기(6)에 연결된다. 배기 가스 수용기(6)는 실린더(2)들의 열에 병렬적으로 배치된다. 배기 가스 수용기(6)로부터, 배기 가스 흐름의 대부분은 배기 도관(exhaust conduit; 8)을 거쳐서 터보차저(turbocharger; 7)의 터빈을 향하여 안내된다. 배기 가스 흐름의 다른 적은 부분은 재활용되는바, 아래에서 보다 상세힌 설명될 배기 가스 재순환 유동 경로로 들어간다. 배기 가스는 터보차저(7)의 터빈의 하류에 있는 대기(atmosphere) 내로 배치된다.

또한 터보차저(7)는 공기 흡입부(air intake)에 연결된 압축기(compressor)를 포함한다. 압축기는 가압된 소기 공기를 소기 가스 냉각기(10) 및 소기 가스 도관(11)을 거쳐서 소기 공기 수용기(9)로 전달하고, 이로써 소기 가스 흐름이 제공된다. 소기 가스는 소기 공기 수용기(9)로부터 개별 실린더(2)들의 소기 공기 포트(12)들로 통과된다.

배기 도관(8)에는 배기 가스의 일부분을 배기 가스 재순환 경로(13) 안으로 인도하는 분기부(branch; 14)가 제공된다. 소기 가스의 전체 유량에 대한 재순환되는 배기 가스의 비율을 통제하기 위한 장치가 제공될 수 있는바, 그 통제는 송풍기의 작용을 제어함으로써 이루어질 수 있다. 배기 가스 재순환 경로(13)는 배기 가스의 일부분을 소기 공기 흐름 안으로 인도한다. 배기 가스 재순환 경로(13)는 배기 가스를 청결화시키기 위한 물 기반의 집진 용액으로 작동하는 습식 집진기(15)를 포함한다. 집진 용액은 집진 용액 저장부 또는 공급원(23)으로부터 집진기로 인도된다. 집진기(15)는 집진 용액을 분무화하는바, 집지니 용액은 집진기의 내부에서 작은 액적들로서 분산된다. 집진 용액의 분무화(atomizing)는 하나 이상의 단계들에 의하여 수행될 수 있고, 집진 용액은 해수와 같은 일반적으로 가용한 품질의 물인 것이 바람직하다. 집진 용액은 가스 내의 소금 또는 다른 불순물의 침전물을 방지하도록, 적당한 잉여량이 있도록 분무화기 노즐(atomizer nozzle)들을 통하여 통과된다. 이 실시예에서 집진기 용액의 온도는 배기 가스의 온도에 따라 제어된다. 물 액적들은, 재활용되는 배기 가스와 혼합되고, 배기 가스로부터의 NOx 함유 가스들 및 황, 그리고 그을음 입자들을 흡인하기에 적합한 큰 표면적을 제공한다. 그 액적들은 집진기(15)의 저부에서 낙수 수집기(drop collector)/물 안개 포집기(water mist catcher)에 수집되고 유출구로 보내져서 재생기(regenerator; 24)로 보내진다. 재활용되는 배기 가스를 청결화시키는 외에, 집진기(15)는 재활용되는 배기 가스의 초기 냉각도 제공한다. 집진 과정 중에, 집진 용액 내에 존재하는 물의 일부는 재활용되는 배기 가스 안으로 증발되고, 재활용되는 배기 가스와 함께 운반된다. 또한, 집진기(15) 내에 분산된 작은 액적들의 양은 재활용되는 배기 가스와 함께 운반될 수 있다.

습식 집진기(15)로부터, 배기 가스는 도관(20)을 거쳐서 냉각기(16)로 인도된다. 냉각기(16)에는 통합되어 설치되어 있는 물 안개 포집기가 제공된다. 냉각기(16)는, 반대-흐름 열교환기 유형의 것일 수 있고, 또한 자체 청결식 열교환기(self cleaning heat exchanger) 유형의 것일 수 있다. 재순환되는 배기 가스는, 초기에 연소에 의하여 유발된 후에 습식 집진 과정에 의하여 증가되는 상대적으로 높은 함량의 수증기를 갖는다. 냉각기(16)에서, 재순환되는 배기 가스는 냉각되고, 냉각부(5)는 재순환되는 배기 가스 내의 수증기가 응축되게 한다. 냉각 매체의 유량(flow rate) 및/또는 온도는 응축율(condensation rate)을 제어하는 제어 유니트(미도시)에 의하여 제어된다. 통상적으로, 냉각 매체는 물이고, 15 내지 35 ℃ 범위의 온도를 갖는다. 응축된 물은 물 안개 포집기에서 포집되고 배기 가스로부터 분리된다. 또한, 그 안개 포집기도, 재활용되는 배기 가스에 의하여 집진기(15)로부터 멀리 운반되어 존재할 수 있는 액적들을 포획할 수 있다. 물 안개 포집기에 수집된 액체는 도관(18)으로 이탈되어 버려지며, 도관(19)을 통하여 재생기(24)로 재순환되거나 또는 다른 방식으로 처리된다. 재생기(24)에서는 그 액체가 청결화되고 집진 용액으로서 집진기(15)로 재도입된다. 또한, 재생기(24)는 사용된 집진 용액을 청결화를 위하여 집진기(15)로부터 수용하고, 집진기(15)에서 재사용한다. 물 안개 포집기로부터의 응축수(condensed water) 및 사용된 집진 용액은, 예를 들어 그을음 입자들, 불연소된 연료 잔류물, 및 NOx 와 황 화합물과 같은 분해된 가스를 함유할 수 있고, 응축수와 사용된 집진 용액 내에 있는 이러한 물질들은 집진기(15)에서 집진 용액으로서 재사용하기 전에 제거 또는 저감되는 것이 바람직하다.

냉각기(16) 내의 냉각 매체는 보통 물인데, 이것은 냉각기(16) 내의 분리된 구획실들 내에서 지나가고 배기 가스와는 물리적으로 접촉하지 않으므로, 교차 오염(cross contamination)이 방지된다.

도관(21)은 냉각기(16)의 유출구를 송풍기(17)의 유입구로 연결한다. 냉각 및 응축에 뒤이어, 배기 가스는 송풍기(17)로 인도되는바, 송풍기는 재활용되는 배기 가스의 압력을 증가시킨다. 송풍기(17)로부터, 처리된 배기 가스는 소기 공기 도관(11)으로 인도되는바, 여기에서 그 배기 가스는 소기 가스 흐름의 다른 흐름(other stream)과 혼합되어, (도시된 실시예에서는) 소기 공기 수용기(9)에 들어가기 전에 냉각기(10)에서 더 냉각된다. 이와 같은 방식으로, 재순환되는 배기 가스는 소기 공기 수용기의 상류 측에서 소기 가스 흐름으로 공급된다.

디젤 엔진(1)이 구동되는 때에, 배기 가스 도관(8) 내의 배기 가스의 온도는 200-450℃ 의 범위 내에 있는데, 이것은 집진기(15)에 들어가는 배기 가스의 온도이기도 하다. 집진기(15)에서 초기 냉각이 이루어지며, 도관(20)을 거쳐서 집진기(15)를 떠나는 배기 가스는 60-100℃ 범위의 온도를 갖는다. 배기 가스는 냉각기(16)에서 더 냉각되고, 도관(21) 내의 배기 가스의 온도는 20-50℃의 범위 내에 있다. 송풍기 후의 도관(22) 내의 배기 가스의 온도는 바람직하게는 20℃이고, 40-60℃ 보다 높지는 않다. 도관(22) 내의 배기 가스는 도관(11) 내의 신선한 소기 공기와 혼합된다.

도 2 에는 다른 실시예가 도시되어 있다. 도 1 에서와 동일한 부분들에 관하여는 동일한 참조 번호가 부여되었다. 이 실시예에서, 송풍기(17)로부터의 유출구는 냉각기(10) 하류의 소기 공기 도관(11)와 연결되고, 따라서 냉각기(10)를 우회하게 된다. 그러므로, 이 실시예에서는, 라인(22)로부터의 재순환되는 배기 가스의 유해할 수 있는(주로 침식성이 있는) 성분에 의하여 상대적으로 대형인 냉각기(10)가 영향을 받지 않게 함으로써, 냉각기(10)의 침식저항성이 덜 하도록 만들어질 수 있어서 재료 비용이 저감될 수 있게 된다는 장점을 갖는다.

이 실시예는, 20-60℃ 범위의 온도를 갖는 도관(22)으로부터의 재순환되는 배기 가스가 냉각기(10)로부터 나오는 소기 가스의 주된 흐름과 혼합되기 때문에, 실린더(2)들 내의 소기 가스의 온도(5)를 원하는 수준에서 안정적으로 통제될 수 있는 온도로 제어할 수 있다는 추가적인 선택을 제공한다.

본 출원의 사항들은 예시를 위하여 상세히 설명되었지만, 그러한 상세 사항은 그 예시를 위한 것이고, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 출원의 취지의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형예를 구현할 수 있다는 것이 이해되어야 할 것이다.

배기 가스 재순환 경로는 하나 이상의 집진기 또는 냉각기를 포함할 수 있고, 엔진의 기능을 향상시키기 위하여 추가적인 송풍기를 추가할 수도 있다. 예를 들어 필터와 가열기와 같은 다른 장치를 적용하는 것도 가능하다.

본 발명의 취지의 장치를 구현하는 다양한 대안적인 방식들이 있다는 것에 유의하여야 한다.

청구범위에서 사용된 "포함"이라는 용어는, 다른 구성요소들 또는 단계들을 배제하는 것이 아니다. 또한 단수형으로 기재된 용어들도, 그 용어들이 복수형일 수 있다는 것을 배제하지 않는다. 단일의 프로세서 또는 다른 유니트도 청구범위에 기재된 수단들의 기능들을 수행할 수 있다.

2: 실린더 3: 배기 밸브
4: 크로스헤드 5: 배기 굽힘부
6: 배기 가스 수용기 7: 터보차저
8: 배기 도관 9: 소기 공기 수용기
10: 소기 가스 냉각기 11: 소기 가스 도관
12: 소기 공기 포트

Claims

배기 가스 수용기(exhaust gas receiver; 6)에 각각 연결된 복수의 실린더(cylinder; 2)들;
상기 배기 가스 수용기(6)로부터 터보차저(7)의 터빈까지의 배기 도관(8);
터보차저(7)의 압축기로부터 소기 공기 수용기(9)까지의 소기 공기 도관(11)으로서, 소기 가스 흐름을 제공하는 소기 공기 도관;
소기 공기 수용기(9)의 상류에서 배기 가스의 일부분을 소기 공기 흐름(scavenging air stream) 안으로 공급하기 위한 배기 가스 재순환 유동 경로(exhaust gas recirculation flow path; 13)로서, 상기 배기 도관(8)으로부터 분기된 배기 가스 재순환 유동 경로;
상기 배기 가스 재순환 유동 경로(13) 내의 냉각기(cooler; 16); 및
상기 배기 가스 재순환 유동 경로(13) 내의 송풍기(blower; 17);를 포함하고,
재순환되는 배기 가스를 청결화시키기 위하여 상기 배기 가스 재순환 유동 경로(13) 내에 있는 습식 집진기(wet scrubber; 15)로서, 집진 용액(scrubbing solution)으로서 물 기반의 액체(water-based liquid)를 이용하여 물을 재순환되는 배기 가스 안으로 증발시키고 재순환되는 배기 가스의 수분 함량(moisture content)을 증가시키는, 습식 집진기;를 포함하는, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 연소 엔진(large turbocharged two-stroke combustion engine of the crosshead type; 1)으로서,
상기 습식 집진기(15)의 하류에 있는 상기 냉각기(16)는, 상기 배기 가스를 재순환되는 배기 가스 내의 수증기의 적어도 일부분이 응축되게 하는 온도로 냉각시키며,
상기 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 연소 엔진은, 냉각기(16)에 의하여 발생되는 응축수를 배기 가스 재순환 유동 경로(13)로부터 이탈(deviating)시키는 장치를 포함하고,
상기 배기 가스 재순환 유동 경로(13) 내의 상기 송풍기(17)는, 상기 냉각기(16)의 하류에 있고, 또한 응축수의 이탈을 위한 상기 장치의 하류에 있는 것을 특징으로 하는, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 연소 엔진.
제 1 항에 있어서,
상기 냉각기(16)는 물, 담수(freshwater), 탈염수(de-salted water), 해수(seawater), 및 이들의 혼합물로부터 선택된 냉각 매체(cooling medium)를 이용하는 것을 특징으로 하는, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 연소 엔진(1).
제 1 항에 있어서,
냉각 매체는 냉각기(16)를 통하여 유동하는 재순환되는 배기 가스로부터 물리적으로 분리된 것을 특징으로 하는, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 연소 엔진(1).
제 1 항에 있어서,
냉각기(16)는 반대-흐름 열교환기(counter-stream heat exchanger)인 것을 특징으로 하는, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 연소 엔진(1).
제 3 항에 있어서,
상기 냉각기(16)는 핀형성 튜브(finned tubing) 내에서 안내되는 냉각 매체를 구비한 것을 특징으로 하는, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 연소 엔진(1).
제 1 항에 있어서,
배기 가스 재순환 유동 경로로부터 이탈된 응축수는 집진기 용액으로서 재사용되는 것을 특징으로 하는, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 연소 엔진(1).
제 6 항에 있어서,
응축수는 집진기 용액으로서의 재사용 전에 정화되는 것을 특징으로 하는, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 연소 엔진(1).
제 1 항에 있어서,
응축수는 물 안개 포집기에 의하여 이탈되는 것을 특징으로 하는, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 연소 엔진(1).
제 8 항에 있어서,
물 안개 포집기는, 냉각기(16)의 일체적 부분이거나, 또는 냉각기의 하류에 있는 것을 특징으로 하는, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 연소 엔진(1).
배기 가스 수용기(6)에 각각 연결된 복수의 실린더(2)들을 포함하는 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 연소 엔진(1)으로부터의 배기 가스를 재순환시키는 방법으로서,
상기 방법은, 배기 가스 수용기(6)로부터의 배기 가스의 적어도 일부분을 배기 가스 재순환 유동 경로(13)를 거쳐서 소기 공기 수용기(9)로 인도시킴을 포함하고, 상기 배기 가스 재순환 유동 경로(13)는 배기 도관(8)으로부터 분기되어 상기 배기 가스 수용기(6)로부터 터보차저(7)의 터빈까지 이어지며, 배기 가스의 일부분은 상기 소기 공기 수용기(9)의 상류에서 소기 가스 흐름 안으로 들어가고,
상기 배기 가스 재순환 유동 경로(13) 안에서 상기 배기 가스는:
냉각 단계; 및
재순환 유동 경로(13) 내의 배기 가스가 배기 가스의 압력을 증가시키는 송풍기(17)를 통하여 인도되는 송풍 단계;를 거치고,
또한 상기 배기 가스는, 배기 가스 재순환 유동 경로 내의 재순환되는 배기 가스를 청결화시키기 위한 집진 용액인 물 기반의 액체에 의하여 배기 가스가 습식으로 집진되게 하여 배기 가스의 수분 함량이 증가되게 하는, 습식 집진 단계;를 거치며,
습식 집진 단계에 후속하여 배기 가스가 냉각되는 상기 냉각 단계에서는, 상기 배기 가스를, 재순환되는 배기 가스 내의 수증기의 적어도 일부분이 응축되게 하는 온도로 냉각시키며,
또한 상기 배기 가스는, 재순환되는 배기 가스 내의 응축수를 배기 가스 재순환 유동 경로 내의 배기 가스로부터 이탈시키는 단계를 거치는 것을 특징으로 하는, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 연소 엔진(1)으로부터의 배기 가스를 재순환시키는 방법.
제 10 항에 있어서,
냉각 단계는, 배기 가스 내에 존재하는 물의 적어도 50%를 응축시키는 것을 특징으로 하는, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 연소 엔진(1)으로부터의 배기 가스를 재순환시키는 방법.
제 10 항에 있어서,
냉각 단계는, 배기 가스 내의 물의 적어도 80%를 응축시키는 것을 특징으로 하는, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 연소 엔진(1)으로부터의 배기 가스를 재순환시키는 방법.
제 10 항에 있어서,
냉각 단계는, 집진된 배기 가스의 온도를 적어도 50℃ 만큼 감소시키는 것을 특징으로 하는, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 연소 엔진(1)으로부터의 배기 가스를 재순환시키는 방법.
제 13 항에 있어서,
냉각 단계는, 집진된 배기 가스의 온도를 냉각 매체의 온도보다 몇 도(a few degrees)만큼만 높은 온도로 감소시키는 것을 특징으로 하는, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 연소 엔진(1)으로부터의 배기 가스를 재순환시키는 방법.
제 11 항에 있어서,
배기 가스는 소기 공기 수용기(9)에 들어가기 전에 적어도 하나의 추가적인 냉각 단계를 거치는 것을 특징으로 하는, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 연소 엔진(1)으로부터의 배기 가스를 재순환시키는 방법.
제 11 항에 있어서,
송풍 단계에서 배기 가스 내의 압력은 적어도 1 바아(bar) 증가되는 것을 특징으로 하는, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 연소 엔진(1)으로부터의 배기 가스를 재순환시키는 방법.
제 11 항에 있어서,
송풍 단계에서 배기 가스 내의 압력은 적어도 2 바아 증가되는 것을 특징으로 하는, 크로스헤드 유형의 대형 터보차지식 2행정 연소 엔진(1)으로부터의 배기 가스를 재순환시키는 방법.
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