KR101303139B1 - 원유 운반선의 휘발성 유기 화합물 저감 장치 - Google Patents

원유 운반선의 휘발성 유기 화합물 저감 장치 Download PDF

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Abstract

원유 운반선의 휘발성 유기 화합물 저감 장치가 개시된다. 본 발명의 실시예들에 따른 휘발성 유기 화합물 저감 장치는, 원유 선적용 수직 배관에 설치되어 수직 배관의 단면을 부분적으로 확장시키는 적어도 하나의 단면확장부재와, 단면확장부재의 상단에 설치되어 수직 배관을 통해 단면확장부재로 유입되는 원유의 유동을 나선형의 하방 유동으로 만들어 주는 스월 제너레이터를 구비한다. 그리고, 단면확장부재의 하단에는 단면확장부재로부터 배출되는 원유의 유동을 층류로 바꾸어 주는 스월 스테이터가 설치될 수 있다.

Description

원유 운반선의 휘발성 유기 화합물 저감 장치{VOC reducing apparatus for oil tanker}
본 발명은 원유 운반선에 관한 것으로, 보다 상세하게는 원유의 선적 시 휘발성 유기 화합물의 발생을 저감하는 원유 운반선의 휘발성 유기 화합물 저감 장치에 관한 것이다.
원유 운반선(oil tanker)은 생산지에서 채굴된 원유를 다수의 원유 저장용 화물창 내에 선적하여 소비처까지 해상을 통해 수송하는 선박을 말한다. 이러한 원유 운반선에 있어서, 원유를 화물창 내에 선적하거나 운항하는 기간 중에 원유로부터 상당량의 휘발성 유기 화합물(Volatile Organic Compound; 이하, VOC라 칭한다)이 발생하게 된다.
특히, VOC는 원유의 선적 시 수직 배관 내에서 많이 발생하게 된다. 원유 운반선에는, 원유를 저장하기 위한 화물창이 마련되고, 화물창 내에 원유를 선적하기 위한 배관들로서, 화물창의 상부에 수평으로 배치된 수평 배관과, 수평 배관으로부터 화물창의 내부까지 수직으로 하향 연장된 수직 배관이 마련되어 있다. 상기 수평 배관을 통해 공급된 원유는 수직 배관에서 중력에 의해 급격히 낙하하게 되는데, 이때 수직 배관 내의 상단부에서 과도한 압력 강하가 일어나게 된다. 이때, 수직 배관 내의 상단부 압력이 증기압보다 낮아지게 되고, 이에 따라 수직 배관 내의 상단부에서 원유로부터 VOC가 발생하게 된다.
이와 같이 발생된 VOC는 다양한 유기 화합물을 포함하고 있으며, 이들은 인체에 유해하고, 대기 중으로 배출될 경우 스모그 등의 원인이 되어 대기오염을 유발하게 된다. 구체적으로, VOC는 대기 중에서 이동성이 강하고, 냄새를 유발할 뿐만 아니라, 잠재적인 독성 및 발암성을 가지고 있으며, 산화질소 및 다른 화합물질과 광화학적으로 반응하여 오존을 형성하기 때문에 이들에 의한 환경오염은 특별히 관심을 집중시키고 있는 실정이다. 또한, 선박 내에서 발생된 VOC를 대기 중으로 배출할 경우, 그만큼 운송하는 원유의 손실이 일어나는 것이다.
따라서, 선박 내에서 VOC의 발생을 저감하여, VOC의 선외 배출을 억제할 필요가 있다.
한편, 한국공개특허 제10-2005-0044687호에는, 저장/수송 탱크 내에 넓은 횡단면을 가진 로딩 칼럼을 설치하고, 로딩 칼럼의 상단부에 공급 파이프를 비스듬하게 접선 방향으로 연결함으로써, 공급되는 석유가 로딩 칼럼 내에서 나선형의 하방 유동을 하도록 한 구성이 개시되어 있다. 그런데, 상기한 선행기술의 경우에는, 종래의 수직 배관 대신에 넓은 횡단면을 가진 로딩 칼럼(수직 배관)을 설치하여야 하며, 로딩 칼럼 상단에 공급 파이프를 비스듬하게 연결하여야 하는 등 종래의 원유 선적용 배관들의 기본 구조를 대부분 변경해야 하는 문제점이 있다.
특허문헌 1 : 한국공개특허 제10-2005-0044687호 (2005. 5. 12. 공개)
본 발명의 실시예들은, 화물창에 원유를 선적할 때 수직 배관 내에서 발생하는 휘발성 유기 화합물을 저감하는 것으로, 종래의 원유 선적용 배관들의 기본 구조를 변경하지 않은 상태로 적용이 가능한 원유 운반선의 휘발성 유기 화합물 저감 장치를 제공한다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면, 원유를 저장하는 화물창의 상부에 수평으로 설치된 수평 배관과, 상기 수평 배관으로부터 상기 화물창의 내부까지 수직으로 하향 연장된 수직 배관을 구비한 원유 운반선의 휘발성 유기 화합물 저감 장치에 있어서,
상기 수직 배관에 설치되어, 상기 수직 배관의 단면을 부분적으로 확장시키는 적어도 하나의 단면확장부재; 및 상기 단면확장부재의 상단에 설치되어, 상기 수직 배관을 통해 상기 단면확장부재로 유입되는 원유의 유동을 나선형의 하방 유동으로 만들어 주는 스월 제너레이터;를 구비하는 것을 특징으로 하는 원유 운반선의 휘발성 유기 화합물 저감 장치가 제공된다.
그리고, 상기 단면확장부재의 하단에 설치되어, 상기 단면확장부재로부터 배출되는 원유의 유동을 층류로 바꾸어 주는 스월 스테이터;를 더 구비할 수 있다.
또한, 상기 스월 제너레이터와 상기 스월 스테이터는 각각 회전축과, 상기 회전축의 둘레에 등간격으로 배치된 다수의 베인을 포함할 수 있다.
또한, 상기 단면확장부재는, 상기 수직 배관의 직경보다 큰 일정한 직경을 가진 중간부와, 상기 중간부와 위쪽의 수직 배관을 연결하는 상부 경사부와, 상기 중간부와 아래쪽의 수직 배관을 연결하는 하부 경사부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 단면확장부재와 상기 수직 배관은 볼트를 사용하여 서로 결합될 수 있다.
또한, 상기 단면확장부재와 상기 수직 배관은 용접에 의해 서로 결합될 수 있다.
또한, 상기 단면확장부재는 상기 수직 배관에 수직 방향으로 간격을 두고 복수로 설치될 수 있다.
또한, 상기 복수의 단면확장부재는 아래쪽에 설치된 것일수록 보다 긴 길이를 가질 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 원유 운반선의 휘발성 유기 화합물 저감 장치에 의하면, 수직 배관에 설치된 단면확장부재 내에서 원유와 VOC가 분리되어 빠른 시간 내에 압력이 상승하게 되므로, 원유의 선적 시 수직 배관 내에서의 VOC의 발생이 저감될 수 있다. 또한, 기존의 원유 선적용 배관들, 즉 수평 배관과 수직 배관의 기본 구조를 변경하지 않은 상태로 적용이 가능하므로, 선행기술에 비해 구성이 단순하며 비용도 절감될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원유 운반선의 휘발성 유기 화합물 저감 장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 단면확장 부재를 부분 절개하여 도시한 사시도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 실시예들에 따른 원유 운반선의 휘발성 유기 화합물 저감 장치에 대해 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 가리킨다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 원유 운반선의 휘발성 유기 화합물 저감 장치의 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 단면확장 부재를 부분 절개하여 도시한 사시도이다.
도 1과 도 2를 함께 참조하면, 원유 운반선은 원유를 저장하여 해상을 통해 운송하기 위한 선박으로서, 원유를 저장하는 화물창(10)을 구비하고 있다. 그리고, 상기 화물창(10)에는 화물창(10) 내에 원유를 선적하기 위한 배관들로서, 상기 화물창(10)의 상부에 수평으로 배치된 수평 배관(20)과, 상기 수평 배관(20)으로부터 화물창(10)의 내부까지 수직으로 하향 연장된 수직 배관(30)이 마련된다. 상기 수평 배관(20)은, 원유 운반선의 외부로부터, 예컨대 생산지의 원유 저장 탱크와 연결되며, 이를 통해 원유가 공급된다.
상기 원유 운반선에는 일반적으로 다수의 화물창(10)이 마련되지만, 도 1에는 설명의 편의와 명료한 도시를 위해 하나의 화물창(10)만 도시되어 있으며, 이하 도면들에서도 마찬가지이다.
전술한 바와 같이, 상기 화물창(10)에 원유를 선적할 때, 상기 수직 배관(30) 내의 상단부(A로 표시된 부분)에서 중력에 의한 가속에 의해 압력이 증기압 아래로 떨어지는 현상이 발생하고, 이로 인해 VOC가 비교적 많이 발생된다.
이를 방지하기 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 저감 장치(100)는, 상기 수직 배관(30)에 설치되어 상기 수직 배관(30)의 단면을 부분적으로 확장시키는 적어도 하나의 단면확장부재(110, 120)를 구비한다.
그리고, 상기 단면확장부재(110, 120)의 상단에는 단면확장부재(110, 120)로 유입되는 원유의 유동을 나선형의 하방 유동으로 만들어 주는 스월 제너레이터(swirl generator, 112, 122)가 설치된다. 또한, 상기 단면 확장부재(110, 120)의 하단에는 단면확장부재(110, 120)로부터 배출되는 원유의 유동을 층류로 바꾸어 주는 스월 스테이터(swirl stator, 114, 124)가 설치될 수 있다.
구체적으로, 상기 단면확장 부재(110, 120)는 수직 배관(30)의 단면을 부분적으로 확장시키는 것으로, 수직 배관(30)에 하나만 설치될 수도 있으며, 수직 방향으로 간격을 두고 두 개 이상의 복수로 설치될 수도 있다. 예컨대, 상기 수직 배관(30)에 하나의 단면확장부재(110)만 설치되는 경우에는, 그 단면확장부재(110)는 수직 배관(30)의 상부에 설치될 수 있다. 상기 수직 배관(30)에 두 개 이상의 단면확장부재(110, 120)가 설치되는 경우에는, 아래쪽에 설치된 것일수록 그 길이가 길어질 수 있으며, 또한 그 직경도 적정한 수준에서 커질 수 있다. 그리고, 상기 수직 배관(30)의 직경과 길이에 따라 VOC가 발생하는 위치와 양이 다를 수 있으며, 이러한 점을 고려하여 단면확장부재(110, 120)의 설치 수와 위치가 정해질 수 있다.
이하에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 수직 배관(30)에 두 개의 단면확장부재(110, 120)가 설치된 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.
상기 두 개의 단면확장부재(110, 120) 중 위쪽에 배치되는 제1 단면확장부재(110)는 수직 배관(30)의 상부에 설치되고, 아래쪽에 배치되는 제2 단면확장부재(120)는 수직 배관(30)의 중간부 또는 하부에 설치될 수 있다.
상기 제1 및 제2 단면확장부재(110, 120)는, 수직 배관(30)의 직경보다 큰 직경의 원통 형상을 가지되, 그 상단부와 하단부에는 수직 배관(30)과의 연결을 위해 경사부(110b, 110c, 120b, 120c)가 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 및 제2 단면확장부재(110, 120)는, 수직 배관(30)의 직경보다 큰 일정한 직경을 가진 중간부(110a, 120a)와, 상기 중간부(110a, 120a)와 위쪽의 수직 배관(30)을 연결하는 상부 경사부(110b, 120b)와, 상기 중간부(110a, 120a)와 아래쪽의 수직 배관(30)을 연결하는 하부 경사부(110c, 120c)를 포함할 수 있다. 그리고, 상기한 바와 같이, 제2 단면확장부재(120)의 길이는 제1 단면확장부재(110)의 길이보다 길어질 수 있다. 또한, 상기 제2 단면확장부재(120)의 직경도 제1 단면확장부재(110)의 직경보다 적정한 수준에서 커질 수 있다. 이에 대해서는 뒤에서 상세하게 설명된다.
상기 제1 단면확장부재(110)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 볼트(118)를 사용하여 수직 배관(30)에 결합될 수 있다. 이를 위해, 상기 제1 단면확장부재(110)의 상단과 하단에는 각각 플랜지(116)가 마련되고, 이와 결합되는 상기 수직 배관(30)의 단부에도 플랜지(32)가 마련되며, 상기 플랜지들(116, 32)은 볼트(118)를 사용하여 서로 결합될 수 있다. 그리고, 도시되지는 않았지만, 상기 제2 단면확장부재(120)도 위와 마찬가지로 수직 배관(30)에 결합될 수 있다.
한편, 상기 제1 및 제2 단면확장부재(110, 120)와 수직 배관(30)은, 상기한 플랜지(116, 32)와 볼트(118)를 사용하는 결합 방식뿐만 아니라, 다양한 결합 방식에 의해 결합될 수 있다. 예컨대, 상기 제1 및 제2 단면확장부재(110, 120)와 수직 배관(30)은 용접에 의해 서로 결합될 수 있다.
상기 스월 제너레이터(112, 122)는 상기 제1 및 제2 단면확장부재(110, 120) 각각의 상단에 설치되어, 수직 배관(30)을 통해 제1 및 제2 단면확장부재(110, 120) 내부로 유입되는 원유의 유동을 나선형의 하방 유동으로 만들어 주는 역할을 하게 된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 단면확장부재(110)의 상단에 설치된 스월 제너레이터(112)는, 회전축(112a)과 상기 회전축(112a)의 둘레에 등간격으로 배치된 다수의 베인(vane, 112b)을 포함하는 구성을 가질 수 있다. 상기 회전축(112a)은 다수의 베인(112b)을 둘러싸는 링 부재(112c)와 회전축(112a)을 연결하는 다수의 지지대(미도시)에 의해 지지될 수 있다. 그리고, 도시되지는 않았지만, 상기 제2 단면확장부재(120)의 상단에 설치된 스월 제너레이터(122)도 위와 마찬가지의 구성을 가질 수 있다. 한편, 상기 스월 제너레이터(112, 122)는 상기한 구성뿐만 아니라, 유체를 나선형으로 유동시킬 수 있는 다양한 구성을 가질 수 있다.
상기 스월 스테이터(114, 124)는 상기 제1 및 제2 단면확장부재(110, 120) 각각의 하단에 설치되어, 제1 및 제2 단면확장부재(110, 120)로부터 배출되는 원유의 유동을 층류로 바꾸어 주는 역할을 하게 된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 단면확장부재(110)의 하단에 설치된 스월 스테이터(114)는, 회전축(114a)과 상기 회전축(114a)의 둘레에 등간격으로 배치된 다수의 베인(vane, 114b)을 포함하는 구성을 가질 수 있다. 상기 회전축(114a)은 다수의 베인(114b)을 둘러싸는 링 부재(114c)와 회전축(114a)을 연결하는 다수의 지지대(미도시)에 의해 지지될 수 있다. 그리고, 도시되지는 않았지만, 상기 제2 단면확장부재(120)의 하단에 설치된 스월 스테이터(124)도 위와 마찬가지의 구성을 가질 수 있다. 한편, 상기 스월 스테이터(114, 124)는 상기한 구성뿐만 아니라, 유체의 나선형 유동을 층류로 바꾸어 주는 다양한 구성을 가질 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 저감 장치(100)는, 기존의 원유 선적용 배관들, 즉 수평 배관(20)과 수직 배관(30)의 기본 구조를 변경하지 않은 상태로 적용이 가능한 장점이 있다. 즉, 상기 수직 배관(30)의 일부분을 제거한 후, 그 부분에 상기 제1 및 제2 단면확장부재(110, 120)를 결합함으로써, 상기 휘발성 유기 화합물 저감 장치(100)를 용이하게 구성할 수 있으므로, 선행기술에 비해 구성이 단순하며 비용도 절감될 수 있다.
이하에서는, 상기한 구성을 가진 본 발명의 일 실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 저감 장치(100)의 작용에 대해 설명하기로 한다.
상기 화물창(10) 내에 원유를 선적하기 위해 상기 수평 배관(20)을 통해 원유가 공급된다. 상기 수평 배관(20)을 통해 공급되는 원유는 상기 수직 배관(30)의 상단부에서 수직으로 낙하하게 되며, 이때 가속에 의해 압력 강하가 발생되고, 이로 인해 원유로부터 VOC가 발생된다.
상기한 바와 같이 발생된 VOC는 원유와 함께 상기 제1 단면확장부재(110) 내로 유입되며, 이 과정에서 상기 스월 제너레이터(112)에 의해 나선형의 하방 유동을 하게 된다. 이때, 발생되는 원심력에 의해, 액상의 원유는 제1 단면확장부재(110)의 벽측으로 몰려 나선형의 유동을 형성하면서 아래로 내려가고, 제1 단면확장부재(110)의 중심부(S1)에는 부압이 형성된다. 이에 따라, 기상의 VOC는 제1 단면확장부재(110)의 중심부(S1)에 모이게 되며, 또한, 이 과정에서 원유 중에 기화되기 쉬운 VOC 성분이 추가적으로 기화되어 상기 중심부(S1)로 모이게 된다.
상기 수직 배관(30)을 통해 계속적으로 유입되는 액상의 원유는 나선형으로 하방 유동하면서 제1 단면확장부재(110)의 하단을 통해 배출되지만, 기상의 VOC는 제1 단면확장부재(110)의 중심부(S1)에 계속 모이게 된다. 이에 따라, 제1 단면확장부재(110)의 내부 압력이 빠르게 상승하게 되고, 이러한 압력의 상승에 의해 VOC의 발생량이 감소하게 된다. 다시 설명하면, 수직 배관(30)을 통한 원유 공급의 초기에는, 제1 단면확장부재(110)의 중심부(S1)에 형성된 부압에 의해 원유로부터 VOC가 분리되어 상기 중심부(S1)에 모이게 되고, 소정 시간이 경과한 후에는, 상기 중심부(S1)에 모이는 VOC에 의해 제1 단면확장부재(110)의 내부 압력이 상승함에 따라 VOC의 발생이 억제되는 것이다.
상기 제1 단면확장부재(110)의 하단을 통해 배출되는 원유는 상기 스월 스테이터(114)에 의해 층류로 바뀌어 수직 배관(30) 내로 유입된 후, 상기 수직 배관(30)을 거쳐 다시 제2 단면확장부재(120) 내로 유입된다. 이후의 과정은 위에서 설명한 바와 같다.
상기 제1 단면확장부재(110) 내에서 원유로부터 분리된 VOC가 중심부(S1)에 모이게 되지만, 일부의 VOC는 원유와 함께 제1 단면확장부재(110)의 하단을 통해 배출되어 수직 배관(30)을 거쳐 제2 단면확장부재(120) 내로 유입된다. 그리고, 이 과정에서, 원유가 수직 배관(30)을 통해 낙하하게 되면서 압력 강하에 의해 VOC가 발생하게 되므로, 상기 제2 단면확장부재(120) 내로 유입되는 VOC의 양이 제1 단면확장부재(110)에 비해 증가할 수 있다. 이에 따라, 전술한 바와 같이, 제2 단면확장부재(120)의 길이는 상기 제1 단면확장부재(110)의 길이보다 길어질 수 있으며, 제2 단면확장부재(120)의 중심부(S2) 체적도 제1 단면확장부재(110)의 중심부(S1) 체적보다 커질 수 있다. 그리고, 상기 제2 단면확장부재(120)의 직경도 상기 제1 단면확장부재(110)의 직경보다 커질 수 있으나, 이는 적정한 수준으로 한정된다. 이는, 상기 제2 단면확장부재(120)의 직경이 수직 배관(30)의 직경에 비해 너무 커지게 되면, 원유의 유동이 나선형으로 형성되기 힘들기 때문이다.
상기 제2 단면확장부재(120)로부터 배출되는 원유는 수직 배관(30)의 하단부를 통해 화물창(10) 내로 유입된다. 이때, 화물창(10) 내로 유입되는 원유가 나선형으로 유동하게 되면, 난류가 발생될 수 있다. 그러나, 상기 제2 단면확장부재(120)의 하단에 설치된 스월 스테이터(124)가 원유의 유동을 층류로 바꾸어 주게 되므로, 화물창(10) 내로 유입되는 원유에 의한 난류의 발생이 억제될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10...화물창 20...수평 배관
30...수직 배관 32...플랜지
100...휘발성 유기 화합물 저감 장치
110...제1 단면확장부재 120...제2 단면확장부재
112,122...스월 제너레이터 114,124...스월 스테이터
116...플랜지 118...볼트

Claims (8)

  1. 원유를 저장하는 화물창의 상부에 수평으로 설치된 수평 배관과, 상기 수평 배관으로부터 상기 화물창의 내부까지 수직으로 하향 연장된 수직 배관을 구비한 원유 운반선의 휘발성 유기 화합물 저감 장치에 있어서,
    상기 수직 배관에 설치되는 것으로, 상기 수직 배관의 직경보다 큰 직경을 가지며 그 상단과 하단이 상기 수직 배관에 연결되어 상기 수직 배관의 단면을 부분적으로 확장시키는 적어도 하나의 단면확장부재;
    상기 단면확장부재의 상단에 설치되어, 상기 수직 배관을 통해 상기 단면확장부재로 유입되는 원유의 유동을 나선형의 하방 유동으로 만들어 주는 스월 제너레이터; 및
    상기 단면확장부재의 하단에 설치되어, 상기 단면확장부재로부터 배출되는 원유의 나선형 유동을 층류로 바꾸어 주는 스월 스테이터;를 포함하는 원유 운반선의 휘발성 유기 화합물 저감 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 스월 제너레이터와 상기 스월 스테이터는 각각 회전축과, 상기 회전축의 둘레에 등간격으로 배치된 다수의 베인을 포함하는 것을 특징으로 하는 원유 운반선의 휘발성 유기 화합물 저감 장치.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 단면확장부재는, 상기 수직 배관의 직경보다 큰 일정한 직경을 가진 중간부와, 상기 중간부와 위쪽의 수직 배관을 연결하는 상부 경사부와, 상기 중간부와 아래쪽의 수직 배관을 연결하는 하부 경사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 원유 운반선의 휘발성 유기 화합물 저감 장치.
  5. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 단면확장부재와 상기 수직 배관은 볼트를 사용하여 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 원유 운반선의 휘발성 유기 화합물 저감 장치.
  6. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 단면확장부재와 상기 수직 배관은 용접에 의해 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 원유 운반선의 휘발성 유기 화합물 저감 장치.
  7. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 단면확장부재는 상기 수직 배관에 수직 방향으로 간격을 두고 복수로 설치된 것을 특징으로 하는 원유 운반선의 휘발성 유기 화합물 저감 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 복수의 단면확장부재는 아래쪽에 설치된 것일수록 보다 긴 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 원유 운반선의 휘발성 유기 화합물 저감 장치.
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