KR101381833B1 - 중소선박 엔진용 배기가스 정화시스템 - Google Patents

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KR101381833B1
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이희준
김철진
박권하
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한국해양대학교 산학협력단
선박안전기술공단
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Abstract

본 발명은 중소선박 엔진용 배기가스 정화시스템에 관한 것으로, 중소 선박의 엔진(1) 배기라인에 직접 설치되는 인라인 스크러버(11); 상기 인라인 스크러버(11)에서 배출되는 배출수를 중화하고, 슬러지를 제거하여 상기 인라인 스크러버(11)로 재순환시키는 순환수 정화장치(21); 및 상기 인라인 스크러버(11)에서 배출되는 배기가스 중 일부를 회수하여 상기 엔진(1)의 흡기포트(6)로 공급하는 배기재순환장치(41);를 포함하는 중소선박 엔진용 배기가스 정화시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 선박 엔진 배기라인에 직접부착하기 때문에 설치가 간단하고 협소한 공간에도 장착할 수 있고, 별도의 구조가 필요하지 않기 때문에 설치비용을 절감하는 효과를 얻을 수 있다.

Description

중소선박 엔진용 배기가스 정화시스템{EXHAUST GAS PURIFICATION SYSTEM FOR MARINE ENGINES}
본 발명은 중소선박 엔진용 배기가스 정화시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 중소형 선박엔진의 질소산화물과 황산화물 및 매연미립자를 동시에 저감시킬 수 있는 배기후처리장치의 구성과 스크러버에서 제거된 황산화물과 미립자를 처리하는 수처리장치로서, 선박 엔진에서 배출되는 배기가스중의 매연미립자를 최소한의 공간에서 효과적으로 제거하기 위하여 배기라인에 직접 부착되는 인라인 스크러버를 이용한 중소선박 엔진용 배기가스 정화시스템에 관한 것이다.
선박디젤엔진의 주요 배출물인 질소산화물과 황산화물 및 매연미립자의 저감을 위한 종래의 기술은 주로 대형엔진을 대상으로 개발되었기 때문에 공간이 적고 복잡한 구조인 중소형 선박엔진에 적용하기에는 여러 가지 어려움이 있다.
황산화물과 매연미립자를 저감하기 위한 종래 스크러버 시스템은 악취 및 휘발성유기화합물과 산업현장의 유해가스를 제거하기 위하여 개발된 시스템 기술에 기반을 두고 있는데, 이는 유로의 구조를 활용하여 유동을 활성화시킴으로써 제거하는 가스 스크러버와, 다공질의 세라믹 조각들을 쌓아 세정수를 분사함으로써 제거하는 습식시스템으로 크게 구분할 수 있다.
이때, 습식의 경우는 일정한 물을 채워놓고 처리가스를 유입시켜 분진을 제거하는 방식과 물을 가압하여 분진을 함유한 가스에 분사시켜 제거하는 방식으로 나누어진다.
이러한 시스템은 별도의 대형 탱크가 필요하며 복잡한 구조로 이루어진다.
선박에 적용되는 시스템은 주로 세정수를 가압하여 분사하는 시스템이며, 해수를 가압하여 직접 분사시킴으로써 황산과 매연미립자를 제거하는 정화장치로 이용되거나 배기가스의 일부를 추출하여 스크러버 시스템을 이용하여 세정한 후에 재순환시키는 배기재순환시스템에 적용되는 정도에서 이용되고 있다.
이러한 방식은 산업체에서 이용하던 방식을 변형하여 선박에 적용하고 있기 때문에 그 크기가 매우 크고 시스템이 복잡하여 선박의 좁은 공간에서 적용하기에는 많은 문제점이 있다.
특히, 중소형 선박의 경우에는 공간이 더욱 협소하기 때문에 이러한 시스템을 설치하는 데에 한계가 있다.
또한, 이러한 스크러버 시스템에서 처리된 황산과 미립자에 의하여 오염된 세척수를 처리하기 위하여 사이클론을 이용하는 원심분리방식과 조밀필터를 이용한 방식이 사용되고 있다.
이 중에서, 사이클론 방식이 효과적이지만, 이 방식은 장치가 크고 고가의 비용이 요구되며 필터방식은 필터의 교환비용이 많이 들어가는 문제가 있어, 영세한 규모의 중소선박에 적용하는 데에는 한계가 있다.
1. 등록특허 제1228059호(2013.01.24)
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 인라인으로 구성된 스크러버(scrubber)를 선박엔진의 배기가스라인에 직접부착하여 설치공간을 최소화하고, 스크러버에서 배출된 배출수를 선회유동과 필터를 복합하여 정화시킴으로서 비용과 크기를 최소화하며, 정화된 세정수를 재순환시키는 순환수 정화시스템에 의해 배출수를 효과적으로 중화시키고 슬러지를 제거하여 선박의 운항중에도 연속적으로 작동시킬 수 있고, 이 스크러버에서 정화된 배기가스를 재순환시켜 엔진의 흡기포트로 공급됨으로 재순환 공기를 정화하기 위한 별도의 장치가 필요없는 인라인형 스크러버를 이용한 중소선박 엔진용 배기가스 정화시스템을 제공함에 그 주된 목적이 있다.
또한, 본 발명은 질소산화물과 황산화물 및 매연미립자를 동시에 저감시킬 수 있는 배기후처리장치를 중소형 선박의 좁은 공간에 저비용으로 효과적으로 설치할 수 있는 중소선박 엔진용 배기가스 정화시스템을 제공함에 그 다른 목적이 있다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 중소 선박의 엔진(1) 배기라인에 직접 설치되는 인라인 스크러버(11); 상기 인라인 스크러버(11)에서 배출되는 배출수를 중화하고, 슬러지를 제거하여 상기 인라인 스크러버(11)로 재순환시키는 순환수 정화장치(21); 및 상기 인라인 스크러버(11)에서 배출되는 배기가스 중 일부를 회수하여 상기 엔진(1)의 흡기포트(6)로 공급하는 배기재순환장치(41);를 포함하는 중소선박 엔진용 배기가스 정화시스템을 제공한다.
이때, 상기 순환수 정화장치(21)는 슬러지 제거장치(24)를 더 포함하며, 상기 인라인 스크러버(11)로부터 배출되는 배출수를 집수하는 버퍼탱크(22); 상기 버퍼탱크(22)에 집수된 배출수를 상기 슬러지 제거장치(24)로 공급하는 순환펌프(23);로 구성된 것에도 그 특징이 있다.
또한, 상기 슬러지 제거장치(24)는 배출 공급된 배출수를 사이클론과 필터를 조합하여 슬러지와 순환수로 분리시키는 것에도 그 특징이 있다.
뿐만 아니라, 상기 버퍼탱크(22)의 일측에는 순환수 중화장치(31)가 더 설치되되, 상기 순환수 중화장치(31)는 버퍼탱크(22)에 집수된 배출수의 PH를 측정하는 PH센서(32), 상기 PH센서(32)의 검출값에 따라 투입되는 중화제 양을 조절하는 중화제어부(33), 상기 중화제어부(33)의 제어신호에 따라 개도가 조절되는 중화개도밸브(34);를 포함하는 것에도 그 특징이 있다.
아울러, 상기 버퍼탱크(22)에 집수된 배출수는 해수냉각장치(28)를 통해 일정온도로 유지되는데, 상기 해수냉각장치(28)는 해수를 도입하여 열교환시키는 방식으로 이루어진 것에도 그 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 선박 엔진 배기라인에 직접부착하기 때문에 설치가 간단하고 협소한 공간에도 장착할 수 있는 효과가 있다.
또한, 별도의 구조가 필요하지 않기 때문에 설치비용을 절감하는 효과도 있다.
뿐만 아니라, 스크러버에서 배출된 배출수를 정화하여 재순환시키는 순환수 정화시스템에 의해 배출수를 효과적으로 중화시키고 순환유동을 이용하여 슬러지를 효과적으로 제거하여 선박의 운항중에도 연속적으로 작동시킬 수 있는 효과도 있다.
아울러, 스크러버에서 정화된 배기가스를 재순환시켜 엔진의 흡기포트로 공급됨으로 엔진에 유입되는 재순환가스를 정화하기 위한 별도의 장치가 필요하지 않아서 시스템을 간소화하는 효과도 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에서 바람직한 실시예에 따른, 인라인형 스크러버를 이용한 선박 엔진 배기가스 정화장치의 개략도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 자체유동와 필터를 조합한 슬러지 제거장치의 개략도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 버퍼탱크의 세정수 온도를 유지하기 위하여 해수를 이용한 세정수 냉각시스템의 개략도.
이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 중소선박 엔진용 배기가스 정화시스템은 중소형 선박엔진의 질소산화물과 황산화물 및 매연미립자를 동시에 저감시킬 수 있는 배기후처리시스템으로서, 엔진(1)에서 배출되는 배기가스중의 매연미립자를 최소한의 공간에서 효과적으로 제거하기 위하여 배기라인에 직접 부착되는 인라인 스크러버(11)와, 상기 인라인 스크러버(11)를 통과하면서 미립자에 오염된 물을 정화하는 순환수 정화장치(21), 황산화물에 의하여 산성화된 순환수를 중화하기 위한 순환수 중화장치(31) 및 상기 인라인 스크러버(11)를 통과하여 정화된 배기가스를 재순환시켜 흡기포트(6)로 공급하는 질소산화물 저감을 위한 배기재순환장치(41)를 포함한다.
먼저, 엔진(1)에서 배출된 매연미립자를 포함한 엔진배기(2)는 터보차져의 터빈(3)을 지나 배기라인(4)으로 배출된다.
이때, 본 발명에 따른 정화시스템이 가동되면 배출되는 배기가스가 인라인 스크러버(11)의 내부로 공급되며, 상기 인라인 스크러버(11) 내부에 설치된 다수의 분사노즐(12)을 통해 분사되는 세정수에 의하여 정화된 후에 청정한 배기가스로 배출된다.
그리고, 상기 인라인 스크러버(11)의 배출수, 즉 분사노즐(12)을 통해 분사되었던 세정수는 파선으로 묶음 표시된 순환수 정화장치(21)로 배출되어, 슬러지를 제거한 후 다시 상기 인라인 스크러버(11)로 순환되어 재사용된다.
한편, 순환수 정화장치(21)는 버퍼탱크(22)와 순환펌프(23) 및 슬러지제거장치(24)를 포함하며, 청수공급장치(29), 해수냉각장치(28)를 추가로 포함할 수 있다.
아울러, 상기 인라인 스크러버(11)의 배출수, 즉 미립자를 함유한 오염된 배출수는 그 하부에 설치된 물모둠부(14)를 통하여 버퍼탱크(22)로 공급된다.
그리고, 상기 버퍼탱크(22)의 물의 수위는 청수공급장치(29)에 의하여 자동으로 조절되며, 순환수의 온도를 유지하기 위하여 해수냉각장치(28)가 설치된다.
이 경우, 상기 해수냉각장치(28)는 도 3과 같이, 열교환기(61), 세정수 온도센서(64), 냉각수조절밸브(63), 냉각수제어유닛(65)으로 구성되며, 세정수의 온도가 규정온도 이상으로 상승하면 냉각수조절밸브(63)를 열어 엔진해수냉각라인(62)의 냉각수를 열교환기(61)에 공급하여 세정수의 온도를 유지시킨다.
또한, 매연미립자에 의하여 오염된 세정수의 슬러지제거장치(24)는 도 2에서 상세하게 도식화된다.
그리고, 상기 순환수 정화장치(21)는 상기 버퍼탱크(22)의 세정수를 순환펌프(23)로 가압하여 슬러지제거장치(24)로 공급하는데, 공급된 세정수는 상기 슬러지제거장치(24)에서 선회유동에 의하여 미립자가 분리되어 슬러지저장탱크(27)로 모아지며, 청정하게 된 순환수는 다시 상기 인라인 스크러버(11)로 공급된다.
이때, 상기 슬러지제거장치(24)는 일종의 미립자 분리기로서, 반경방향으로 공급된 순환수는 강한 선회운동을 하면서 순환하게 되는데, 이때 발생한 원심력에 의하여 물보다 높은 밀도의 미립자가 슬러지제거장치(24)의 표면으로 쌓이게 되고 경사를 따라 아랫방향으로 이동하게 된다.
이 경우, 힘의 분포는 도 2에서 '54'로 표시한 바와 같으며, 미립자의 이동을 향상시키기 위하여 표면에 나선형홈(55)을 더 형성할 수 있다.
따라서, 미립자는 상기 슬러지제거장치(24)의 내표면을 따라 나선형을 그리면서 아래로 이동하여 포집부(25)에 모아지며, 적정량이 되면 밸브(26)을 열고 배출하도록 구성된다.
아울러, 상기 슬러지제거장치(24)의 필터가 규정치 이상으로 막히게 되면 재생과정을 수행해야 하는데, 필터의 막힘 정도를 판단하기 위하여 스크러버 공급라인(51)에 압력센서(57)와 경고등(58)을 설치하고, 경고등(58)이 표시되면 순환수 공급라인(52)과 스크러버 공급라인(51)을 바이패스되게 설치된 재생라인(56)과 포집부(25)의 드레인에 설치된 배출조절용 밸브(26)를 열고, 고압으로 역필터링하여 필터 내의 오염물질을 제거함으로써 슬러지제거장치(24)의 재생과정을 수행한다.
다른 한편, 순환수 중화장치(31)는 도 1에서와 같이, 버퍼탱크(22)에 설치된 PH센서(32)에서 취득한 데이터에 의하여 규정치 이하의 PH값을 나타내면 중화제어부(33)가 중화개도밸브(344)를 개방하여 중화제인 알칼리성 물질을 공급하여 세정수를 중화시킨다.
그리고, 배기재순환장치(41)는 엔진(1) 배기가스 중 질소산화물의 저감을 위해 도입되는 것으로, 배기라인에 설치된 산소센서(42), 제어부(43) 및 조절밸브(44)를 포함한다.
그리하여, 상기 인라인 스크러버(11)에서 정화되어 배출되는 배기가스의 일부가 회수되어 재사용되되, 상기 조절밸브(44, EGR(exhast gas recirculation) valve)에서 재순환 유량이 제어된 후에 흡기포트(6)로 공급된다.
이와 같이, 본 발명에서는 상기 인라인 스크러버(11)에서 정화된 재순환가스를 사용하기 때문에 매연미립자를 제거하기 위한 별도의 장치가 필요하지 않아서 시스템을 간소화시킬 수 있다.
이러한 구성으로 이루어진 본 발명은 엔진(1)의 배기가스에 함유된 질소산화물과 황산화물, 매연미립자를 최소한의 공간에서 효과적으로 제거할 수 있는 인라인형 스크러버(11)를 이용한 중소형 선박엔진 배기가스 정화시스템이라 할 것이다.
덧붙여, 본 발명에 따른 배기가스의 배출물의 저감 원리를 좀 더 부연 설명하자면 다음과 같다.
배기가스 중에 분포되어 있는 매연미립자(PM:Particulate Matter)는 인라인 스크러버(11)의 상부에서 분사되는 물 액적 또는 액막과 접촉되면서 제거되고, 미립자를 포함한 배출수는 순환수 정화장치(21)에 의해 정화된 후 재순환된다.
아울러, 배기가스 중의 황산화물(SOx) 또한, 인라인 스크러버(11)의 상부에서 분사되는 물 액적 또는 액막과 접촉되면서 물에 녹아 제거하며, 물에 녹아 황산이 된 물은 버퍼탱크(22)에 NaOH(수산화나트륨:알칼리)을 공급하여 중화처리한다.
그리고, 배기가스 중의 질소산화물(NOx)은 인라인 스크러버(11)에서 소량 처리되고, 정화되어 나오는 청정한 배기가스의 일부를 조절밸브(EGR valve)(44), 즉 배기 재순환밸브를 적당히 조절하여 필요한 양만큼만 엔진(1)의 흡기포트(6)로 공급하여 연소과정 중에서 질소산화물을 제거하도록 구성된다.
다시 말해, 매연미립자(PM)와 황산화물(SOx)을 포함하는 선박 엔진 배기가스는 인라인 스크러버(11) 내부로 공급되어, 물 분사노즐(12)로부터 분사 공급되는 물의 액적과 액막에 흡착되어 매연미립자(PM)와 황산화물(SOx)이 제거되고 배출된다.
이때, 질산화물(NOx)은 엔진(1) 연소시에 원천적으로 제거하기 위하여 배기재순환장치(41)를 설치하여 저감시키게 된다.
덧붙여, 도면중 미설명 부호 '5'는 흡기라인이다.
이와 같이, 본 발명에 따른 인라인 스크러버(11)를 이용한 중소형 선박엔진 배기가스 정화시스템은 중소 선박용 엔진에 적용을 위하여 소형화할 수 있으며, 매연미립자(PM), 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx)을 동시에 저감하는 하나의 모듈로 제작이 가능하므로 비용의 최소화, 설치의 간소화를 구현할 수 있다는 장점이 있다.
1: 엔진 11: 인라인 스크러버
21: 순환수 정화장치 31: 순환수 중화장치
41: 배기재순환장치

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 중소 선박의 엔진(1) 배기라인에 직접 설치되는 인라인 스크러버(11); 상기 인라인 스크러버(11)에서 배출되는 배출수를 중화하고, 슬러지를 제거하여 상기 인라인 스크러버(11)로 재순환시키는 순환수 정화장치(21); 및 상기 인라인 스크러버(11)에서 배출되는 배기가스 중 일부를 회수하여 상기 엔진(1)의 흡기포트(6)로 공급하는 배기재순환장치(41);를 포함하는 중소선박 엔진용 배기가스 정화시스템에 있어서;
    상기 순환수 정화장치(21)는 슬러지 제거장치(24)를 더 포함하며, 상기 인라인 스크러버(11)로부터 배출되는 배출수를 집수하는 버퍼탱크(22); 상기 버퍼탱크(22)에 집수된 배출수를 상기 슬러지 제거장치(24)로 공급하는 순환펌프(23);로 구성된 것을 특징으로 하는 중소선박 엔진용 배기가스 정화시스템.
  3. 청구항 2에 있어서;
    상기 슬러지 제거장치(24)는 배출 공급된 배출수를 사이클론과 필터를 조합하여 슬러지와 순환수로 분리시키는 것을 특징으로 하는 중소선박 엔진용 배기가스 정화시스템.
  4. 청구항 2에 있어서;
    상기 버퍼탱크(22)의 일측에는 순환수 중화장치(31)가 더 설치되되, 상기 순환수 중화장치(31)는 버퍼탱크(22)에 집수된 배출수의 PH를 측정하는 PH센서(32), 상기 PH센서(32)의 검출값에 따라 투입되는 중화제 양을 조절하는 중화제어부(33), 상기 중화제어부(33)의 제어신호에 따라 개도가 조절되는 중화개도밸브(34);를 포함하는 것을 특징으로 하는 중소선박 엔진용 배기가스 정화시스템.
  5. 청구항 2에 있어서;
    상기 버퍼탱크(22)에 집수된 배출수는 해수냉각장치(28)를 통해 일정온도로 유지되는데, 상기 해수냉각장치(28)는 해수를 도입하여 열교환시키는 방식으로 이루어진 것을 특징으로 하는 중소선박 엔진용 배기가스 정화시스템.
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