KR101399993B1 - 선박용 엔진의 배기가스 저감장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선박용 엔진의 배기가스 저감장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 엔진의 배기가스 저감장치는 엔진의 배기가스를 배출시키는 배기라인, 압축공기를 엔진에 공급하는 흡기라인, 상기 배기라인에 연결되는 터빈부와 상기 흡기라인에 연결되는 압축부를 가지며, 상기 배기라인 및 상기 흡기라인에 장착되는 터보차저 및 상기 흡기라인에 연결되어 상기 터보차저의 상기 압축부에 의해 압축된 공기로 질소를 공급하는 질소발생모듈을 포함한다.

Description

선박용 엔진의 배기가스 저감장치 및 그 방법{Apparatus and Method For Exhaust Gas Purification of Marine Engine}
본 발명은 엔진에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배기가스의 질소산화물을 저감시킬 수 있는 선박용 엔진의 배기가스 저감장치에 관한 것이다.
선박에서 배출되는 배기가스 중 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)은 UN(United Nation, 국제 연합)의 산하기관인 IMO(International Maritime Organization, 국제 해사기구)로부터 배출규제를 받고 있는 대표적인 대기 오염물질들이다. 질소 산화물의 경우는 Tier III가 발효되는 시점인 2016년에 2 g/kWh이하로 규제하고 있으며 황산화물을 2010년 7월부터 SECA(Sulfur Emission Control Area)에서 1 % 이하로 배출규제 하기로 하였다.
배기가스 중 질소산화물을 줄이기 위해 사용하는 방법 중 대표적으로 SCR(Selective Catalytic Reduction), EGR(Exhaust Gas Recirculation)이 알려져 있다.
SCR은 선택적 촉매 환원법으로서, 선택적으로 작용하는 암모니아, 우레아 등의 환원제를 사용하여 산화질소를 질소 분자(N2)로 환원시키는 장치이다.
EGR은 배기가스를 재순환하는 장치로서, 연소가 끝난 배기가스를 EGR을 통해 엔진 흡기구로 순환시켜 혼합기의 연소를 완만하게 하고 최고 연소온도를 내려 질소산화물의 생성을 낮추는 장치이다.
한편, 선박용 엔진의 경우에는 배기가스 오염이 적은 LNG(Liquid Natural Gas)를 연료로 사용하는 LNG 추진선의 제작이 증가하고 있으므로 Tier III 기준을 달성하는 데는 문제가 없다.
그러나, 기존의 중유(HFO, Heavy Fuel Oil)를 연료로 사용하는 선박용 엔진의 경우에는 Tier III 기준을 달성시키 위해 질소산화물을 저감시킬 수 있는 EGR의 사용을 유력하게 고려하고 있다.
그러나 선박용 엔진은 자동차 엔진과 달리 EGR의 적용시 황산염(Sulpahte) 및 석고(Gypsum) 등의 침전물이 발생하는 심각한 문제가 있기 때문에 침전물을 처리할 수 있는 복잡하며 고가의 설비를 함께 구비해야 하는 등의 문제점이 있다.
따라서 본 발명은 침전물의 발생을 억제하며 배기가스 중의 질소산화물을 경제적으로 저감시킬 수 있는 선박용 엔진의 배기가스 저감장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 엔진의 배기가스를 배출시키는 배기라인, 압축공기를 엔진에 공급하는 흡기라인, 상기 배기라인에 연결되는 터빈부와 상기 흡기라인에 연결되는 압축부를 가지며, 상기 배기라인 및 상기 흡기라인에 장착되는 터보차저 및 상기 흡기라인에 연결되어 상기 터보차저의 상기 압축부에 의해 압축된 공기로 질소를 공급하는 질소발생모듈을 포함하는 선박용 엔진의 배기가스 저감장치가 제공될 수 있다.
그리고, 상기 질소발생모듈은 상기 흡기라인에 연결되며 상기 질소발생모듈로 공급되는 공기의 유량을 조절하는 제1유량조절밸브 및 상기 흡기라인에 연결되며 상기 질소발생모듈을 통과한 질소의 유량을 조절하는 제2유량조절밸브를 포함할 수 있다. 또한, 질소발생모듈은 서로 연결되는 복수 개의 질소발생기를 포함할 수 있다.
상기 질소발생모듈은 유입된 공기를 압축하는 제1압축기 및 상기 제1압축기와 연결되어 상기 공기를 질소와 산소로 분리하는 제1멤브레인을 가지는 제1질소발생기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 질소발생모듈은 공기를 압축하는 제2압축기, 상기 제2압축기와 연결되어 상기 공기를 질소와 산소로 분리하며 상기 제1멤브레인과 병렬 연결되는 제2멤브레인을 가지는 제2질소발생기를 포함할 수 있다.
상기 질소발생모듈은 상기 배기라인을 통과하는 산소를 측정하여 상기 제1압축기 및 상기 제2압축기로 유입되는 공기의 양을 제어하도록 하는 산소센서를 더 포함할 수 있다.
상기 질소발생모듈로부터 공급되는 질소는 상기 흡기라인 내부의 압축공기의 2 %가 되도록 유량이 조절될 수 있다.
상기 질소발생모듈로부터 발생된 산소는 선실, 보일러 중 적어도 어느 하나에 공급될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 엔진의 배기가스가 배기라인을 따라 터보차저의 터빈부로 유입되는 단계, 상기 터보차저의 압축부에서 압축되어 흡기라인을 이동하는 압축공기로 질소발생모듈을 가동하는 단계 및 상기 질소발생모듈에서 생성된 질소를 상기 흡기라인으로 공급하여 상기 엔진으로 유입시키는 단계를 포함하는 선박용 엔진의 배기가스 저감방법이 제공될 수 있다.
상기 질소발생모듈은 서로 연결되는 복수 개의 질소발생기를 포함할 수 있다.
상기 질소발생모듈로부터 발생된 산소는 선실, 보일러 중 적어도 어느 하나에 공급될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 선박용 엔진의 배기가스 저감장치 및 그 방법에 따르면 배기가스를 순환시켜 질소 부화(富化)된 압축공기를 엔진에 공급함으로써 경제적으로 배기가스의 질소산화물을 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라 황산염(Sulpahte) 및 석고(Gypsum) 등의 침전물 발생을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 엔진의 배기가스 저감장치에 대한 구성도; 및
도 2는 당량비에 따른 질소산화물의 변화를 보여주는 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 엔진의 배기가스 저감장치에 대한 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 실시예의 선박용 엔진의 배기가스 저감장치(1)는 엔진(100), 터보차저(200) 및 질소발생모듈(300)을 포함하여 구성될 수 있다.
엔진(100)은 황(S) 함유량이 높은 연료, 예를 들어 중유를 사용하는 선박용 디젤엔진일 수 있다. 물론, 엔진(100)은 경유를 사용하는 엔진일 수 있으며 배기가스로 질소산화물을 발생시키는 연료를 사용하는 다양한 엔진을 의미할 수 있다. 엔진(100)에는 자세히 도시하지는 않았지만 압축된 공기가 유입되는 흡기구와, 연소후 배기가스가 배출되는 배기구가 형성될 수 있다.
엔진(100)은 배기가스를 배출시키는 배기라인(L1)과 압축공기가 공급되는 흡기라인(L2)에 연결된다. 배기라인(L1)은 엔진(100)의 배기가스를 배출시키도록 엔진(100)의 배기구에 연결되며, 흡기라인(L2)은 엔진(100)에 압축공기를 공급하도록 엔진(100)의 흡기구에 연결될 수 있다.
터보차저(200)는 엔진(100)의 출력을 높이기 위해 연료가 연소된 후 발생되는 배기가스의 흐름에너지를 이용하여 엔진(100)의 흡기구로 공기를 압송하는 과급기이다. 터보차저(200)는 배기라인(L1)과 흡기라인(L2)을 연결하는 부위에 장착된다.
터보차저(200)는 배기라인(L1)에 연결되는 터빈부(210)와, 흡기라인(L2)에 연결되는 압축부(220)를 구비할 수 있다. 따라서 배기라인(L1)은 엔진(100)의 배기구와 터보차저(200)의 터빈부(210)를 연결하며, 흡기라인(L2)은 엔진(100)의 흡기구와 터보차저(200)의 압축부(220)를 연결할 수 있다.
흡기라인(L2)에는 터보차저(200)의 압축부(220)를 통해 압축된 공기를 냉각시키는 에어쿨러(150)가 장착될 수 있다. 따라서 흡기라인(L2)은 터보차저(200)와 에어쿨러(150)를 연결하는 제1흡기라인(L21)과, 에어쿨러(150)와 엔진(100)을 연결하는 제2흡기라인(L22)으로 이루어질 수 있다.
질소발생모듈(300)은 흡기라인(L2)에 연결되어, 터보차저(200)의 압축부(220)에 의해 압축되어 엔진(100)으로 이동하는 공기에 질소를 공급한다. 질소발생모듈(300)은 보다 상세하게는 흡기라인(L2) 중 제1흡기라인(L21)에 연결될 수 있다.
상기 질소발생모듈(300)은, 제1유량조절밸브, 복수 개의 질소발생기, 제2유량조절밸브 및 산소센서를 포함하여 구성될 수 있다.
제1유량조절밸브(331)는 흡기라인(L2), 보다 상세하게는 제1흡기라인(L21)에 연결되며, 제1흡기라인(L21)으로부터 유입되는 공기의 유량을 조절하여 제1압축기(311)로 유입시킨다. 여기서 제1흡기라인(L21)을 통해 제1압축기(311)에 공급되는 공기는 터보차저(200)의 압축부(220)에 의해서 압축된 공기로서, 3~5 bar 정도로 압축된 상태일 수 있다.
이와 같이, 본 실시예에 따른 배기가스 저감장치(1)는 상기 제1유량조절밸브(331)를 통해 압축기(311)로의 공기 유입량을 조절할 수 있다.
질소발생기는 공기를 질소와 산소로 분리하여 질소를 발생시킨다. 질소발생기는 다양한 형태로 이루어질 수 있는데, 본 실시예처럼 압축기 및 멤브레인을 포함하는 분리막 방식으로 이루어지는 공기분리장치(ASU, Air Seperation Unit)일 수 있다. 분리막 방식의 질소발생기는 순도 97 %의 질소를 생성할 수 있으며, 가격이 저렴한 장점이 있다.
질소발생기에서 압축기(311, 321)가 공기를 압축하면, 멤브레인(313, 323)은 압축공기를 질소와 산소로 분리할 수 있다.
본 실시예에서 질소발생모듈(300)은 서로 연결되는 제1질소발생기(310) 및 제2질소발생기(320)를 포함하며, 서로 병렬로 연결된다. 물론, 질소발생모듈(300)은 더 많은 개수의 질소발생기를 가질 수 있으며, 다수 개의 질소발생기들은 서로 직렬로도 연결될 수 있다.
제1질소발생기(310)는 제1압축기(311), 제1멤브레인(313)을 포함하여 구성될 수 있다.
질소 발생을 위해서 제1압축기(311)는 6~12 bar 상당의 고압이 요구되는데, 터보차저(200)에 의해 3~5 bar 정도로 압축된 공기가 제1압축기(311)로 공급되므로 제1압축기(311)는 고압을 달성하는데 소요되는 에너지를 절감할 수 있다.
제1압축기(311)는 제1유량조절밸브(331)를 통해 유입된 공기를 압축하여 제1멤브레인(313)으로 전달한다. 제1압축기(311)와 연결된 제1멤브레인(313)은 압축된 공기를 질소와 산소로 분리하여 질소를 생성한다. 제1멤브레인(323)에서 생성된 질소는 흡기라인(L2)을 통해 엔진(100)에 공급될 수 있다.
제2질소발생기(320)는 제2압축기(321), 제2멤브레인(323)을 포함하여 구성될 수 있다.
제2압축기(321)는 전술한 바와 같이 흡기라인(L2)을 통해 압축된 공기가 유입되지 않고 외부의 공기를 압축하여 제2압축기(321)와 연결된 제2멤브레인(323)으로 전달할 수 있다. 제2멤브레인(323)은 압축된 공기를 질소와 산소로 분리하여 질소를 생성한다. 제2멤브레인(323)에서 생성된 질소는 흡기라인(L2)을 통해 엔진(100)으로 공급될 수 있다.
이때, 제2멤브레인(323)은 제1질소발생기(320)의 제1멤브레인(313)과 병렬 연결된다. 예를 들어 제1멤브레인(313)과 제2멤브레인(323)은 제1멤브레인(313) 및 제2멤브레인(323)에서 각각 생성된 질소와 산소가 유동할 수 있도록 질소공급라인(L3)과 산소공급라인(L4)을 통해 서로 병렬 연결될 수 있다.
이로써 제1멤브레인(313) 및 제2멤브레인(323)으로부터 각각 생성되는 질소와 산소는 각각 질소공급라인(L3)과 산소공급라인(L4)에서 합류될 수 있다.
제1질소발생기(310) 및 제2질소발생기(320)가 병렬 연결되면 제1질소발생기(310)에서 손실된 산소 유량만큼 제2질소발생기(320)에서 질소가 보충될 수 있다. 즉, 제1질소발생기(310)를 거친 공기는 산소와 질소로 분리되는데, 분리된 산소는 엔진(100)에 다시 투입되지 않고 외부로 방출되므로 방출된 산소 유량만큼 제2질소발생기(200)에서 분리된 질소로 유량을 보충할 수 있는 것이다.
즉, 배기가스의 유량이 다르면 압력이 달라지기 때문에 터보차저(200)와 연결된 흡기라인(L2)으로부터 빼낸 배기가스의 유량만큼 보충해줌으로써 압력 유지와 밸런스를 맞출 수 있다. 그러나 배기가스의 유량이 꼭 같을 필요는 없으므로 이에 한정되지는 않는다.
또한, 질소발생기는 앞서 언급한 바와 같이 2개 이상으로 마련될 수 있는데, 예를 들어 질소발생기는 병렬로 3개 이상이 될 수도 있다. 이 경우에는 제3멤브레인(미도시)도 압축된 공기와 연결되는 형태로 구성될 수 있다,
이처럼 서로 병렬 연결되는 제1질소발생기(310) 및 제2질소발생기(320)에 의해 질소를 효율적으로 생산하여 흡기라인(L2)에 공급할 수 있으며, 질소발생모듈(300)의 유지보수 측면에서도 이점을 가질 수 있다.
제2유량조절밸브(333)는 질소공급라인(L3) 및 흡기라인(L2)에 연결되며, 제1멤브레인(313) 및 제2멤브레인(323)에서 생성된 질소의 유량을 조절하여 흡기라인(L2), 보다 상세하게는 제1흡기라인(L21)으로 공급한다.
즉, 본 실시예의 배기가스 저감장치(1)는 질소발생모듈(300)를 통해 질소부화된 압축공기를 엔진(100)에 공급함으로써 배기가스 중의 질소산화물을 저감시킬 수 있으며 침전물의 발생을 미연에 방지할 수 있다.
이때, 질소발생모듈(300)들로부터 흡기라인(L2)으로 공급되는 질소의 양은 제2유량제어밸브(333)를 통해 압축공기의 2 %가 되도록 조절될 수 있다.
도 2는 당량비에 따른 질소산화물의 변화를 보여주는 그래프이다.
2010년에 출간된 Journal of Engineering for Gas Tubines and Power 라는 문헌의 132 페이지에는 "Air separation membranes: An alternative to EGR in Large Bore natural gas engines" 라는 제목으로 당량비에 따른 질소산화물의 변화 실험을 보여주는 그래프가 도 2와 같이 기재되어 있다.
도 2의 그래프를 참조하면 실험결과 당량비(equivalent ratio, 當量比)가 0.8인 부분에서 약 33 %의 질소산화물의 저감 효과를 보였으며, 이러한 결과를 토대로 공기 중에 2 % 질소를 첨가했을 때 질소산화물은 Tier III 기준을 달성시킬 수 있도록 상당한 저감효과를 보임을 이해할 수 있다. 또한 너무 많은 양의 질소를 첨가할 경우, 예를 들어 공기 중에 4 %를 초과하는 질소가 첨가되었을 때는, 희박연소에 의한 점화 등의 문제로 인하여 엔진의 효율이 저감될 수 있다.
산소센서(340, 도 1 참조)는 흡기라인(L2)을 통과하는 압축공기가 갖고 있는 산소의 양을 측정하여, 그에 따라 제1압축기(311) 및 제2압축기(321)로 유입되는 공기의 양을 제어하도록 한다. 산소센서(340)에 의해 흡기라인(L2)을 따라 엔진(100)에 유입되는 질소부화된 압축공기의 함량비를 제어할 수 있다.
한편, 제1질소발생기(310)와 제2질소발생기(320)로부터 발생된 산소는 산소공급라인(L4)을 따라 외부공간(400)에 공급되어 사용될 수 있다. 예를 들어, 외부공간(400)이 선실(船室)인 경우, 공급된 산소는 승무원의 쾌적한 항해에 도움이 되도록 활용될 수 있다. 또한, 외부공간(400)이 보일러인 경우, 공급된 산소는 연소에 필요한 기체로 활용이 가능하다. 이처럼 상기 외부공간(400)은 선실이나 보일러 등 다양한 선박 내 공간이 될 수 있어, 공급된 산소를 여러 장소에 효과적으로 사용될 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따른 선박용 엔진의 배기가스 저감장치(1)는 배기가스를 순환시켜 적정한 함량비(예를 들어 2 %)를 갖도록 질소부화된 압축공기를 엔진에 공급함으로써 배기가스 중 질소산화물의 함량을 현저하게 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라 황산염(Sulpahte) 및 석고(Gypsum) 등의 침전물 발생 문제를 미연에 방지할 수 있다.
따라서 본 실시예의 선박용 엔진의 배기가스 저감방법에 따르면, 배기가스를 순환시켜 보다 저렴한 비용으로 생성된 질소부화된 압축공기를 엔진에 공급함으로써 배기가스 중 질소산화물의 함량을 현저하게 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라 황산염(Sulpahte) 및 석고(Gypsum) 등의 침전물 발생 문제를 미연에 방지할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 배기가스 저감장치 100: 엔진
150: 에어쿨러 200: 터보차저
210: 터빈부 220: 압축부
300: 질소발생모듈 310: 제1질소발생기
311: 제1압축기 313: 제1멤브레인
331: 제1유량조절밸브 320: 제2질소발생기
321: 제2압축기 323: 제2멤브레인
333: 제2유량조절밸브 340: 산소센서
400: 외부공간 L1: 배기라인
L2: 흡기라인

Claims (11)

  1. 엔진의 배기가스를 배출시키는 배기라인;
    압축공기를 엔진에 공급하는 흡기라인;
    상기 배기라인에 연결되는 터빈부와 상기 흡기라인에 연결되는 압축부를 가지며, 상기 배기라인 및 상기 흡기라인에 장착되는 터보차저; 및
    상기 흡기라인에 연결되어 상기 터보차저의 상기 압축부에 의해 압축된 공기를 공급받아 질소를 분리하고, 분리된 질소를 흡기라인에 공급하는 질소발생모듈을 포함하며,
    상기 질소발생모듈은,
    상기 흡기라인에 연결되며 상기 질소발생모듈로 공급되는 공기의 유량을 조절하는 제1유량조절밸브;
    상기 흡기라인에 연결되며 상기 질소발생모듈을 통과한 질소의 유량을 조절하는 제2유량조절밸브;
    상기 제1유량조절밸브를 통해 유입된 공기를 압축하는 제1압축기 및 상기 제1압축기와 연결되어 상기 공기를 질소와 산소로 분리하는 제1멤브레인을 가지는 제1질소발생기; 및
    공기를 압축하는 제2압축기 및 상기 제2압축기와 연결되어 상기 공기를 질소와 산소로 분리하며 상기 제1멤브레인과 병렬 연결되는 제2멤브레인을 가져, 상기 제1질소발생기에서 분리된 산소의 양만큼 질소를 보충하는 제2질소발생기를 포함하는 선박용 엔진의 배기가스 저감장치.
  2. 삭제
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  4. 삭제
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  6. 제1항에 있어서,
    상기 질소발생모듈은 상기 흡기라인을 통과하는 압축공기에 포함된 산소량을 측정하고, 측정된 산소량에 기초하여 상기 제1압축기 및 상기 제2압축기로 유입되는 공기의 양을 제어하도록 하는 산소센서를 더 포함하는 선박용 엔진의 배기가스 저감장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 질소발생모듈로부터 공급되는 질소의 양이 상기 흡기라인 내부의 압축공기의 0~4 % 범위로 조절 가능한 선박용 엔진의 배기가스 저감장치.
  8. 엔진의 배기가스를 배출시키는 배기라인;
    압축공기를 엔진에 공급하는 흡기라인;
    상기 배기라인에 연결되는 터빈부와 상기 흡기라인에 연결되는 압축부를 가지며, 상기 배기라인 및 상기 흡기라인에 장착되는 터보차저;
    상기 흡기라인에 연결되어 상기 터보차저의 상기 압축부에 의해 압축된 공기를 공급받아 질소를 분리하고, 분리된 질소를 흡기라인에 공급하는 질소발생모듈; 및
    상기 질소발생모듈로부터 발생된 산소를 선실 및 보일러 중 적어도 어느 하나 이상에 공급하는 선박용 엔진의 배기가스 저감장치.
  9. 제1항 또는 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항의 선박용 엔진의 배기가스 저감장치를 이용한 선박용 엔진의 배기가스 저감방법에 있어서,
    엔진의 배기가스가 배기라인을 따라 터보차저의 터빈부로 유입되는 단계;
    상기 터보차저의 압축부에서 압축되어 흡기라인을 이동하는 압축공기로 질소발생모듈을 가동하는 단계; 및
    상기 질소발생모듈에서 생성된 질소를 상기 흡기라인으로 공급하여 상기 엔진으로 유입시키는 단계;
    를 포함하는 선박용 엔진의 배기가스 저감방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 질소발생모듈은 하나 이상의 질소발생기를 포함하는 선박용 엔진의 배기가스 저감방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 질소발생모듈로부터 발생된 산소는 선실 및 보일러 중 적어도 어느 하나 이상에 공급되는 선박용 엔진의 배기가스 저감방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20080001867A (ko) * 2006-06-30 2008-01-04 현대자동차주식회사 디젤매연 촉매여과필터의 재생 제어장치

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