KR101254915B1 - 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치 - Google Patents

선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치 Download PDF

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두산엔진주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예는 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 동력 시스템을 포함한 선박용 동력 장치에 관한 것으로, 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 선박의 주동력원으로 사용되는 엔진과, 엔진의 배기 가스를 배출하는 메인 배기 유로와, 메인 배기 유로 상에 설치되며 촉매를 포함하는 선택적 촉매 환원 반응기와, 엔진과 선택적 촉매 환원 반응기 사이의 메인 배기 유로 상에 설치된 메인 밸브와, 선박의 보조 동력원으로 사용되는 보조 발전용 연료 전지와, 연료 전지의 배출 가스를 선택적 촉매 환원 반응기에 공급하는 온도 조절 유로, 그리고 온도 조절 유로 상에 설치된 온도 조절 밸브를 포함한다.

Description

선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치{POWER PLANT FOR SHIP WITH SELECTIVE CATALYTIC REUCTION SYSTEM AND AUXILIARY POWER GENERATION SYSTEM}
본 발명의 실시예는 선박용 동력 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치에 관한 것이다.
일반적으로 선박용 동력 장치는 저속 디젤 엔진과 과급기(turbocharger) 등을 포함한다. 그리고 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템은 엔진에서 발생된 배기 가스를 정화하여 질소산화물을 저감시키기 위한 시스템이다.
선택적 촉매 환원 시스템은 촉매가 내부에 설치된 반응기에 배기 가스와 환원제를 함께 통과시키면서 배기 가스에 함유된 질소산화물과 환원제를 반응시켜 질소와 수증기로 환원 처리한다.
선택적 촉매 환원 시스템은 질소산화물을 저감시키기 위한 환원제로 암모니아(NH3)와 우레아(urea) 등을 이용하고 있다. 또한, 선택적 촉매 환원 시스템은 일반적으로 섭씨 250도 내지 섭씨 400도의 활성 온도 범위를 갖는 고온 촉매를 이용하고 있다.
반면, 선택적 촉매 환원 시스템에 의해 정화되는 배기 가스의 온도가 섭씨 250도 이하로 낮아질 경우 디젤 엔진의 연료에 함유된 황 성분에 의한 촉매 피독 및 고형물의 침척 등으로 촉매의 활성이 지속적으로 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 필요에 따라 효과적으로 피독된 촉매를 재생할 수 있는 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 선박의 주동력원으로 사용되는 엔진과, 상기 엔진의 배기 가스를 배출하는 메인 배기 유로와, 상기 메인 배기 유로 상에 설치되며 촉매를 포함하는 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 반응기와, 상기 엔진과 상기 선택적 촉매 환원 반응기 사이의 상기 메인 배기 유로 상에 설치된 메인 밸브와, 선박의 보조 동력원으로 사용되는 보조 발전용 연료 전지와, 상기 연료 전지의 배출 가스를 상기 선택적 촉매 환원 반응기에 공급하는 온도 조절 유로, 그리고 상기 온도 조절 유로 상에 설치된 온도 조절 밸브를 포함한다.
상기 선택적 촉매 환원 반응기에 유입되는 상기 연료 전지의 배출 가스는 상기 선택적 촉매 환원 반응기에 유입되는 상기 엔진의 배기 가스 보다 상대적으로 높은 온도를 가질 수 있다.
상기 온도 조절 유로는 상기 메인 밸브와 상기 선택적 촉매 환원 반응기 사이의 상기 메인 배기 유로와 연결될 수 있다.
상기 온도 조절 유로에는 역류를 방지하기 위한 체크 밸브(check valve)와, 상기 선택적 촉매 환원 반응기의 허용 압력 이하로 상기 선택적 촉매 환원 반응기에 공급되는 상기 연료 전지의 배출 가스의 압력을 조절하기 위한 압력 조정 밸브(pressure regulating valve) 중 하나 이상의 밸브가 설치될 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 상기 메인 밸브는 열리고 상기 온도 조절 밸브는 닫힌 정상 모드 및 상기 메인 밸브는 닫히고 상기 온도 조절 밸브는 열린 재생 모드 중 하나의 모드로 필요에 따라 선택적으로 가동될 수 있다.
상기 정상 모드에서 상기 선택적 촉매 환원 반응기로 향하던 상기 엔진의 배기 가스를 상기 재생 모드에서 상기 선택적 촉매 환원 반응기에 대해 우회시키는 바이패스 유로와 상기 바이패스 유로 상에 설치되어 상기 재생 모드에서 열리는 바이패스 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 정상 모드에서 상기 연료 전지의 배출 가스를 배출하기 위한 연료 전지 배출 유로 및 상기 연료 전지 배출 유로 상에 설치되어 상기 정상 모드에서 열리는 연료 전지 배출 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 상기 선택적 촉매 환원 반응기의 온도를 측정하는 반응기 온도 센서와, 상기 온도 조절 유로를 통과하는 상기 연료 전지의 배기 가스의 유량을 조절하는 온도 조절 컨트롤 밸브, 그리고 상기 반응기 온도 센서의 정보 신호를 전달받아 상기 온도 조절 컨트롤 밸브를 제어하여 상기 선택적 촉매 환원 반응기의 내부 온도를 일정하게 유지하는 온도 조절 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 온도 조절 제어부는 상기 선택적 촉매 환원 반응기의 내부 온도를 섭씨 300도 내지 섭씨 500도 범위 내로 유지시킬 수 있다.
또한, 상기한 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 상기 온도 조절 컨트롤 밸브를 통과한 상기 연료 전지의 배출 가스의 온도를 측정하는 유로 온도 센서를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 온도 조절 제어부는 상기 반응기 온도 센서와 상기 유로 온도 센서로부터 각각 전달받은 정보 신호를 비교 연산하여 상기 온도 조절 컨트롤 밸브를 제어할 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 상기 엔진에 공기를 공급하는 소기 리시버와, 상기 소기 리시버와 상기 온도 조절 유로를 연결하는 유량 조절 유로, 그리고 상기 유량 조절 유로 상에 설치되어 상기 재생 모드에서 열리는 유량 조절 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 유량 조절 유로는 상기 소기 리시버로부터 공급받은 공기를 상기 온도 조절 유로에 전달하여 상기 온도 조절 유로를 통해 상기 선택적 촉매 환원 반응기로 향하는 상기 연료 전지의 배출 가스의 유량을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기한 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 상기 선택적 촉매 환원 반응기의 온도를 측정하는 반응기 온도 센서와, 상기 온도 조절 유로를 통과하는 상기 연료 전지의 배기 가스의 유량을 조절하는 온도 조절 컨트롤 밸브와, 상기 유량 조절 유로를 통과하는 상기 공기의 유량을 조절하는 유량 조절 컨트롤 밸브, 그리고 상기 반응기 온도 센서의 정보 신호를 전달받아 상기 온도 조절 컨트롤 밸브 및 상기 유량 조절 컨트롤 밸브를 제어하여 상기 선택적 촉매 환원 반응기의 내부 온도를 일정하게 유지하는 온도 조절 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 온도 조절 제어부는 상기 선택적 촉매 환원 반응기의 내부 온도를 섭씨 300도 내지 섭씨 500도 범위 내로 유지시킬 수 있다.
상기한 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 상기 온도 조절 컨트롤 밸브와 상기 유량 조절 컨트롤 밸브를 각각 통과하여 혼합된 상기 연료 전지의 배출 가스와 상기 공기의 온도를 측정하는 유로 온도 센서를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 온도 조절 제어부는 상기 반응기 온도 센서와 상기 유로 온도 센서로부터 각각 전달받은 정보 신호를 비교 연산하여 상기 온도 조절 컨트롤 밸브 및 상기 유량 조절 컨트롤 밸브를 제어할 수 있다.
상기 유량 조절 유로에는 역류를 방지하기 위한 체크 밸브(check valve)가 설치될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치는 효과적으로 피독된 촉매를 재생할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치의 정상 모드를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치의 재생 모드를 나타낸 구성도이다.
도 1은 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치의 정상 모드를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치의 재생 모드를 나타낸 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 제2 실시예에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치(101)를 설명한다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치(101)는 엔진(10), 메인 배기 유로(61), 메인 밸브(81), 선택적 촉매 환원 반응기(30), 연료 전지(50), 온도 조절 유로(67), 및 온도 조절 밸브(87)를 포함한다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치(101)는 반응기 온도 센서(71), 온도 조절 컨트롤 밸브(91), 온도 조절 제어부(40), 및 유로 온도 센서(77)를 더 포함한다.
그리고 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치(101)는 바이패스 유로(62), 바이패스 밸브(82), 연료 전지 배출 유로(69), 및 연료 전지 배출 밸브(89)를 더 포함할 수 있다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치(101)는 배기 리시버(exhaust gas receiver)(11), 과급기(turbo charger)(15), 소기 리시버(scavenge air receiver)(19) 및, 환원제 공급부(37)를 더 포함할 수 있다.
엔진(10)은 선박의 주동력원으로 사용된다. 엔진(10)은 통상적으로 선박에 사용되는 저속 디젤 엔진일 수 있으며, 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 엔진이 사용될 수 있다. 과급기 (15)는 엔진(10)의 배기 가스가 갖는 압력으로 터빈을 돌려 엔진(10)에 새로운 외부 공기를 공급한다. 배기 리시버(11)는 엔진(10)의 실린더 왕복 운동으로 불균형한 압력을 가지고 배출된 엔진(10)의 배기 가스를 고르게 완화시킨다. 소기 리시버(19)는 과급기(15)가 엔진(10)에 공급하는 새로운 외부 공기의 불균일한 압력을 고르게 완화시킨다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에서, 선박의 주동력원으로 사용되는 엔진(10)이 배출하는 배기 가스는 섭씨 250도 내지 섭씨 450도 범위 내의 온도를 가질 수 있다. 그러나, 배기 가스의 온도는 과급기(15)를 거치면 섭씨 150도 이상 섭씨 250도 미만으로 낮아질 수 있다.
선택적 촉매 환원 반응기(30)는 엔진(10)의 배기 가스를 정화하여 배기 가스에 함유된 질소산화물을 저감시킨다. 선택적 촉매 환원 반응기(30)는 엔진(10)의 배기 가스에 함유된 질소산화물과 환원제를 반응시켜 질소와 수증기로 환원 처리한다.
선택적 촉매 환원 반응기(30)는 촉매를 포함한다. 구체적으로, 제올라이트(Zeolite), 바나듐(Vanadium), 및 백금(Platinum) 등과 같이 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 소재를 사용하여 만들어진 촉매가 촉매 담체를 통해 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부에 설치된다. 또한, 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 하우징은 일례로 스테인레스 스틸(stainless steel)을 소재로 만들어질 수 있다.
메인 배기 유로(61)는 엔진(10)의 배기구와 연결되어 엔진(10)의 배기 가스를 배출한다. 또한, 메인 배기 유로(61)는 엔진(10)과 과급기(15) 그리고 선택적 촉매 환원 반응기(30)를 순차적으로 연결한다. 즉, 과급기(15)와 선택적 촉매 환원 반응기(30)는 메인 배기 유로(51) 상에 차례로 설치된다.
메인 밸브(81)는 엔진(10)과 선택적 촉매 환원 반응기(30) 사이의 메인 배기 유로(61)에 설치된다. 즉, 메인 밸브(81)는 엔진(10)의 배기 가스를 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 유입시키거나 차단한다.
환원제 공급부(37)는 선택적 촉매 환원 반응기(30) 전단의 메인 배기 유로(61)에 설치되어 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 유입되기 전의 배기 가스에 환원제를 분사한다. 분사된 환원제는 배기 가스와 섞여 선택적 촉매 환원 반응기(30)로 유입된다. 환원제는 암모니아(NH3) 및 우레아(urea) 등과 같이 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 환원제를 포함한다.
연료 전지(50)은 선박의 보조 동력원으로 사용된다. 연료 전지(50)는 연료의 산화에 의해서 생기는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 장치이다. 연료의 산화 과정에서는 전기 및 물과 함께 다량의 열이 방출된다.
본 발명의 제1 실시예에서, 연료 전지(50)는 고온형 연료 전지이다. 일례로, 연료 전지(50)는 용융 탄산염형 연료 전지(MCFC, 운전온도 650℃)나 고체 산화물형 연료 전지(SOFC, 운전온도 1000℃)일 수 있다. 이와 같은 연료 전지(50)는 해당 기술 분야의 종사자에게 공지되어 있다.
온도 조절 유로(67)는 연료 전지(50)에서 발생된 고온의 배출 가스를 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 공급한다. 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 유입되는 연료 전지(50)의 배출 가스는 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 유입되는 엔진(10)의 배기 가스 보다 상대적으로 높은 온도를 갖는다.
온도 조절 유로(67)는, 도 1에 나타난 바와 같이, 메인 밸브(81)와 선택적 촉매 환원 반응기(30) 사이의 메인 배기 유로(61)와 연결된다. 즉, 연료 전지(50)의 배출 가스는 온도 조절 유로(67) 및 메인 배기 유로(61)를 순차적으로 거쳐 선택적 촉매 환원 반응기(30)로 유입된다. 하지만, 본 발명의 제1 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 온도 조절 유로(67)가 선택적 촉매 환원 반응기(30)와 직접 연결될 수도 있다.
온도 조절 밸브(87)는 온도 조절 유로(67) 상에 설치된다. 즉, 온도 조절 밸브(87)는 연료 전지(50)의 배출 가스를 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 유입시키거나 차단한다.
또한, 온도 조절 유로(67)에는 역류를 방지하기 위한 체크 밸브(check valve)(97)와, 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 허용 압력 이하로 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 공급되는 연료 전지(50)의 배출 가스의 압력을 조절하기 위한 압력 조정 밸브(pressure regulating valve)(95) 중 하나 이상의 밸브가 설치될 수 있다. 여기서, 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 허용 압력은 일례로 3bar 이하일 수 있다.
바이패스 유로(62)는 선택적 촉매 환원 반응기(30)를 우회하여 엔진(10)의 배기 가스를 배출한다. 그리고 바이패스 밸브(82)는 바이패스 유로(62) 상에 설치된다. 즉, 메인 밸브(81)가 닫히면 바이패스 밸브(82)가 열리면서 엔진(10)의 배기 가스를 우회시킨다.
연료 전지 배출 유로(69)는 연료 전지(50)의 배출 가스를 선택적 촉매 환원 반응기(30)가 아닌 다른 곳 또는 외부로 배출할 수 있게 한다. 그리고 연료 전지 배출 밸브(89)는 연료 전지 배출 유로(69) 상에 설치된다. 즉, 온도 조절 밸브(87)가 닫히면 연료 전지 배출 밸브(89)가 열리면서 연료 전지(50)의 배출 가스가 선택적 촉매 환원 반응기(30)가 아닌 다른 곳 또는 외부로 배출된다.
반응기 온도 센서(71)는 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부 온도를 측정한다. 그리고 온도 조절 제어부(40)는 반응기 온도 센서(71)로부터 정보 신호를 전달받아 온도 조절 유로(67) 상에 설치된 온도 조절 컨트롤 밸브(91)를 제어하여 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부 온도를 일정하게 유지할 수 있다. 이때, 온도 조절 제어부(40)에 의해 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부는 섭씨 300도 내지 섭씨 500도 범위 내의 온도로 유지될 수 있다.
또한, 유로 온도 센서(77)는 온도 조절 컨트롤 밸브(91)를 통과한 연료 전지(50)의 배출 가스의 온도를 측정하여 온도 조절 제어부(40)에 전달한다. 온도 조절 제어부(40)는 반응기 온도 센서(71)와 유로 온도 센서(77)로부터 각각 전달받은 정보 신호를 비교 연산하여 온도 조절 컨트롤 밸브(91)를 더욱 정밀하고 효과적으로 제어할 수 있다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 동력 장치(101)는 정상 모드 및 재생 모드 중 하나의 모드로 필요에 따라 선택적으로 가동된다.
선택적 촉매 환원 반응기(30)의 촉매에 피독 물질(Ammonium Bi-sulfate)이 흡착되면, 촉매의 활성을 저하시킨다. 이러한 피독 물질은 환원제의 암모니아가 배기 가스 중의 황성분과 반응하여 생성되는 물질이다. 그러나 이러한 피독 물질은 외부 열원에 의해 분해되므로, 피독된 촉매를 가열하면 재생시킬 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 촉매가 피독되지 않은 정상 모드에서는 메인 밸브(81)가 열리고 온도 조절 밸브(87)는 닫힌 상태가 된다. 또한, 정상 모드에서는 바이패스 밸브(82)는 닫히고, 연료 전지 배출 밸브(89)는 열린 상태가 된다. 따라서, 정상 모드에서는 엔진(10)의 배기 가스는 선택적 촉매 환원 반응기(30)를 거쳐 배출되고, 연료 전지(50)의 배출 가스는 선택적 촉매 환원 반응기로 향하지 않는다.
도 2에 도시한 바와 같이, 촉매가 피독되어 가동되는 재생 모드에서는 메인 밸브(81)는 닫히고 온도 조절 밸브(87)는 열린 상태가 된다. 또한, 재생 모드에서는 바이패스 밸브(82)는 열리고, 연료 전지 배출 밸브(89)는 닫힌 상태가 된다. 따라서, 재생 모드에서는 엔진(10)의 배기 가스가 선택적 촉매 환원 반응기(30)를 우회하여 배출되고, 연료 전지(50)의 배출 가스가 선택적 촉매 환원 반응기(30)로 향하여 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 촉매를 재생시킨다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 동력 장치(101)의 정상 모드의 구체적인 동작 과정을 설명한다.
정상 모드에서는 메인 밸브(81)가 열리고 바이패스 밸브(82)는 닫히므로, 과급기(15)를 통과한 상대적으로 저온, 즉 섭씨 150도 이상 섭씨 250도 미만의 온도를 갖는 엔진(10)의 배기 가스가 선택적 촉매 환원 반응기(30)로 유입된다.
엔진(10)의 배기 가스는 환원제 공급부(37)가 분사한 환원제와 섞인 후 선택적 촉매 환원 반응기(30)로 유입된다. 배기 가스에 함유된 질소산화물은 선택적 촉매 환원 반응기(30) 내에서 촉매의 도움을 받아 환원제와 반응하여 질소와 수증기로 환원 처리된다. 즉, 선택적 촉매 환원 반응기(30)를 통과한 배기 가스가 함유한 질소산화물이 저감된다.
선택적 촉매 환원 반응기(30)를 거쳐 정화된 배기 가스는 다시 메인 배기 유로(61)를 통해 배출된다.
한편, 정상 모드로 운전 시간이 경과하면서 환원 반응을 촉진시키기 위해 선택적 촉매 환원 반응기(30) 내부에 배치된 촉매는 엔진(10)의 연료에 함유된 황성분에 의해 피독되면서 활성이 지속적으로 저하된다.
본 발명의 제1 실시예에서는, 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 촉매가 피독되면 재생 모드로 전환하여 촉매를 재생시킬 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템을 포함한 동력 장치(101)의 재생 모드의 구체적인 동작 과정을 설명한다.
재생 모드에서는 메인 밸브(81)가 닫히고 바이패스 밸브(82)는 열리므로, 과급기(15)를 통과한 상대적으로 저온, 즉 섭씨 150도 이상 섭씨 250도 미만의 온도를 갖는 배기 가스가 선택적 촉매 환원 반응기(30)로 유입되는 것을 차단한다. 과급기(15)를 거친 상대적으로 저온의 배기 가스는 바이패스 유로(62)를 통해 선택적 촉매 환원 반응기(30)를 우회하여 배출된다.
그리고 온도 조절 밸브(87)가 열리면서 온도 조절 유로(67)를 통해 연료 전지(50)에서 배출된 상대적으로 고온의 배출 가스가 선택적 환원 촉매 반응기(30)로 유입된다. 그리고 연료 전지(50)의 배출 가스가 갖는 열에너지에 의해 피독 물질이 분해되면서 촉매가 재생된다.
이때, 온도 조절 제어부(40)는 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부 온도를 섭씨 300도 내지 섭씨 500도 범위 내로 조절한다. 온도 조절 제어부(40)는 반응기 온도 센서(71)가 측정한 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부 온도를 피드백 받아 온도 조절 컨트롤 밸브(91)를 제어하여 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부 온도를 섭씨 300도 내지 섭씨 500도 범위 내의 온도로 유지한다.
이때, 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부 온도가 섭씨 300도보다 낮으면, 촉매가 원활하게 재생되지 못한다. 반면, 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부 온도가 섭씨 500도를 초과하면, 선택적 촉매 환원 반응기(30)가 고온 부식되거나 열충격에 의해 손상될 수 있다.
또한, 온도 조절 제어부(40)는 유로 온도 센서(77)가 측정한 온도 조절 컨트롤 밸브(91)를 통과한 연료 전지(50)의 배출 가스의 온도를 전달받아 반응기 온도 센서(71)로부터 전달받은 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부 온도와 비교 연산하여 온도 조절 컨트롤 밸브(91)를 더욱 정밀하고 효과적으로 제어할 수 있다. 하지만, 본 발명의 제1 실시예에서, 유로 온도 센서(77)는 생략될 수도 있다.
선택적 촉매 환원 반응기(30)의 피독된 촉매가 재생되면, 다시 정상 모드로 전환하여 엔진(10)의 배기 가스가 함유한 질소산화물을 저감시킨다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 동력 시스템을 포함한 선박용 동력 장치(101)는 촉매의 피독 여부에 따라 정상 모드와 재생 모드 중 하나의 모드를 선택 적용하여 촉매의 수명을 연장하고, 촉매의 이용 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치(102)를 설명한다.
도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치(102)는 유량 조절 유로(68), 유량 조절 밸브(88), 및 유량 조절 컨트롤 밸브(92)를 더 포함한다.
유량 조절 유로(68)는 소기 리시버(19)와 온도 조절 유로(67)를 연결한다. 그리고 유량 조절 밸브(88)는 유량 조절 유로(68) 상에 설치된다. 유량 조절 밸브(88)는 재생 모드에서 열린다.
유량 조절 유로(68)는 소기 리시버(19)로부터 공급받은 공기를 온도 조절 유로(67)에 전달하여 온도 조절 유로(67)를 통해 선택적 촉매 환원 반응기(30)로 향하는 연료 전지(50)의 배출 가스의 유량을 증가시킨다.
대형 선박에 사용되는 엔진(10)은 그 크기가 상당하며, 대형 엔진(10)의 배기 가스를 정화하기 위해서는 상당한 크기의 선택적 촉매 환원 반응기(30)가 요구된다. 따라서, 연료 전지(50)의 배출 가스는 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부에 설치된 촉매를 효과적으로 재생할 수 있을 만큼 충분한 유량을 갖지 못할 수 있다. 이때, 유량 조절 유로(68)는 연료 전지(50)의 배출 가스가 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부에 설치된 촉매를 재생하기에 충분한 유량을 확보할 수 있도록 돕는다.
유량 조절 컨트롤 밸브(92)는 유량 조절 유로(68) 상에 설치되어 유량 조절 유로(68)를 통과하는 공기의 유량을 조절한다. 그리고 유량 조절 컨트롤 밸브(92)는 온도 조절 제어부(40)에 의해 제어된다.
온도 조절 제어부(40)는 반응기 온도 센서(71)로부터 정보 신호를 전달받아 온도 조절 컨트롤 밸브(91) 및 유량 조절 컨트롤 밸브(92)를 제어하여 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부 온도를 일정하게 유지할 수 있다. 이때, 온도 조절 제어부(40)에 의해 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부는 섭씨 300도 내지 섭씨 500도 범위 내의 온도로 유지될 수 있다.
또한, 유로 온도 센서(77)는 온도 조절 컨트롤 밸브(91) 및 유량 조절 컨트롤 밸브(92)를 각각 통과하여 혼합된 연료 전지(50)의 배출 가스와 공기의 온도를 측정한다.
온도 조절 제어부(40)는 반응기 온도 센서(71)와 유로 온도 센서(77)로부터 각각 전달받은 정보 신호를 비교 연산하여 온도 조절 컨트롤 밸브(91) 및 유량 조절 컨트롤 밸브(92)를 더욱 정밀하고 효과적으로 제어할 수 있다.
또한, 유량 조절 유로(68)에는 역류를 방지하기 위한 체크 밸브(check valve)(98)가 설치될 수 있다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 동력 장치(102)의 정상 모드와 재생 모드의 구체적인 동작 과정을 설명한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 정상 모드에서는, 제1 실시예와 동일하게 동작한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 재생 모드에서는 온도 조절 밸브(87)가 열리면서 온도 조절 유로(67)를 통해 연료 전지(50)에서 배출된 상대적으로 고온의 배출 가스가 선택적 환원 촉매 반응기(30)로 유입되다. 이때, 유량 조절 밸브(88)도 함께 열리면서 선택적 촉매 환원 반응기(30)로 공급되는 고온의 배출 가스가 충분한 유량을 확보할 수 있게 한다. 따라서 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 동력 장치(102)의 재생 모드에서는 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 대해 상대적으로 고온의 배출 가스가 충분한 유량을 가지고 공급되므로, 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 촉매를 더욱 효과적이고 안정적으로 재생할 수 있다.
또한, 온도 조절 제어부(40)는 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부 온도를 섭씨 300도 내지 섭씨 500도 범위 내로 조절한다. 온도 조절 제어부(40)는 반응기 온도 센서(71)가 측정한 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부 온도를 피드백 받아 온도 조절 컨트롤 밸브(91)와 유량 조절 컨트롤 밸브(92)를 제어한다. 또한, 본 발명의 제2 실시예에서, 온도 조절 제어부(40)는 온도 조절 컨트롤 밸브(91)와 유량 조절 컨트롤 밸브(92)를 각각 통과하여 혼합된 연료 전지(50)의 배기 가스와 공기의 온도를 유로 온도 센서(77)를 통해 피드백 받아 혼합 비율을 조절할 수 있다.
선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부 온도가 섭씨 300도보다 낮으면, 촉매가 원활하게 재생되지 못한다. 반면, 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부 온도가 섭씨 500도를 초과하면, 선택적 촉매 환원 반응기(30)가 고온 부식되거나 열충격에 의해 손상될 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 동력 시스템을 포함한 선박용 동력 장치(102)는 촉매의 피독 여부에 따라 정상 모드와 재생 모드 중 하나의 모드를 선택 적용하여 더욱 효과적으로 촉매의 수명을 연장하고 촉매의 이용 효율을 향상시킬 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 엔진 11: 배기 리시버
15: 과급기 19: 소기 리시버
30: 선택적 촉매 환원 반응기 37: 환원제 공급부
40: 온도 조절 제어부 50: 연료 전지
61: 메인 배기 유로 62: 바이패스 유로
67: 온도 조절 유로 68: 유량 조절 유로
69: 연료 전지 배출 유로 71: 반응기 온도 센서
77: 유로 온도 센서 81: 메인 밸브
82: 바이패스 밸브 87: 온도 조절 밸브
88: 유량 조절 밸브 89: 연료 전지 배출 밸브
91: 온도 조절 컨트롤 밸브 92: 유량 조절 컨트롤 밸브
95: 압력 조정 밸브
97, 98: 체크 밸브

Claims (16)

  1. 선박의 주동력원으로 사용되는 엔진(10);
    상기 엔진(10)의 배기 가스를 배출하는 메인 배기 유로(61);
    상기 메인 배기 유로(61) 상에 설치되며 내부에 촉매가 배치된 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 반응기(30);
    상기 엔진(10)과 상기 선택적 촉매 환원 반응기(30) 사이의 상기 메인 배기 유로(61) 상에 설치된 메인 밸브(81);
    선박의 보조 동력원으로 사용되는 보조 발전용 연료 전지(50);
    상기 연료 전지(50)의 배출 가스를 상기 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부로 공급하는 온도 조절 유로(67);
    상기 온도 조절 유로(67) 상에 설치된 온도 조절 밸브(87);
    상기 엔진(10)에 공기를 공급하는 과급기(15);
    상기 과급기(15)가 배출한 공기의 불균일한 압력을 완화시키는 소기 리시버(19);
    상기 소기 리시버(19)와 상기 온도 조절 유로(67)를 연결하여 상기 과급기가 이동시키는 공기의 일부를 상기 온도 조절 유로(67)에 전달하여 상기 온도 조절 유로(67)를 통해 상기 선택적 촉매 환원 반응기(30)로 향하는 상기 연료 전지(50)의 배출 가스의 유량을 증가시키는 유량 조절 유로(68); 및
    상기 유량 조절 유로(68) 상에 설치된 유량 조절 밸브(88)
    를 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 유입되는 상기 연료 전지(50)의 배출 가스는 상기 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 유입되는 상기 엔진(10)의 배기 가스 보다 상대적으로 높은 온도를 갖는 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
  3. 제1항에서,
    상기 온도 조절 유로(67)는 상기 메인 밸브(81)와 상기 선택적 촉매 환원 반응기(30) 사이의 상기 메인 배기 유로(61)와 연결된 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 온도 조절 유로(67)에는 역류를 방지하기 위한 체크 밸브(check valve)(97)와 상기 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 허용 압력 이하로 상기 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 공급되는 상기 연료 전지(50)의 배출 가스의 압력을 조절하기 위한 압력 조정 밸브(pressure regulating valve)(95) 중 하나 이상의 밸브가 설치되며,
    상기 유량 조절 유로(68)에는 역류를 방지하기 위한 체크 밸브(check valve)(98)가 설치된 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에서,
    상기 메인 밸브(81)는 열리고 상기 온도 조절 밸브(87)는 닫힌 정상 모드 및 상기 메인 밸브(81)는 닫히고 상기 온도 조절 밸브(87)는 열린 재생 모드 중 하나의 모드로 필요에 따라 선택적으로 가동되는 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
  6. 제5항에서,
    상기 유량 조절 밸브(88)는 상기 재생 모드에서 열리는 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
  7. 제5항에서,
    상기 정상 모드에서 상기 선택적 촉매 환원 반응기(30)로 향하던 상기 엔진(10)의 배기 가스를 상기 재생 모드에서 상기 선택적 촉매 환원 반응기(30)에 대해 우회시키는 바이패스 유로(62)와, 상기 바이패스 유로(62) 상에 설치되어 상기 재생 모드에서 열리는 바이패스 밸브(82)와, 상기 정상 모드에서 상기 연료 전지(50)의 배출 가스를 배출하기 위한 연료 전지 배출 유로(69), 그리고 상기 연료 전지 배출 유로(69) 상에 설치되어 상기 정상 모드에서 열리는 연료 전지 배출 밸브(89)를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
  8. 제5항에서,
    상기 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 온도를 측정하는 반응기 온도 센서(71)와;
    상기 온도 조절 유로(67)를 통과하는 상기 연료 전지(50)의 배기 가스의 유량을 조절하는 온도 조절 컨트롤 밸브(91)와;
    상기 유량 조절 유로(68)를 통과하는 상기 공기의 유량을 조절하는 유량 조절 컨트롤 밸브(92); 그리고
    상기 반응기 온도 센서(71)의 정보 신호를 전달받아 상기 온도 조절 컨트롤 밸브(91) 및 상기 유량 조절 컨트롤 밸브(92)를 제어하여 상기 선택적 촉매 환원 반응기(30)의 내부 온도를 섭씨 300도 내지 섭씨 500도 범위 내로 유지시키는 온도 조절 제어부(40)
    를 더 포함하는 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
  9. 제8항에서,
    상기 온도 조절 컨트롤 밸브(91)를 통과한 상기 연료 전지(50)의 배출 가스의 온도를 측정하는 유로 온도 센서(77)를 더 포함하며,
    상기 온도 조절 제어부(40)는 상기 반응기 온도 센서(71)와 상기 유로 온도 센서(77)로부터 각각 전달받은 정보 신호를 비교 연산하여 상기 온도 조절 컨트롤 밸브(91)를 제어하는 선택적 촉매 환원 시스템 및 보조 발전 시스템을 포함한 선박용 동력 장치.
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