KR101616318B1 - 가연성 가스 저감장치 - Google Patents

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Abstract

가연성 가스 저감장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 가연성 가스 저감장치는 천연가스를 연료로 사용하는 엔진의 배기가스 내 가연성 가스를 저감하기 위한 것으로서, 배기가스가 이동하는 배기 파이프 내에서 화염을 발생시켜 가연성 가스를 연소하는 연소부; 및 배기 파이프 내를 이동하는 배기가스의 폐열을 회수하는 이코노마이저를 포함한다.

Description

가연성 가스 저감장치{APPARATUS FOR REDUCING COMBUSTIBLE GAS}
본 발명은 가연성 가스 저감장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배기가스 내 가연성 가스를 저감하는 장치에 관한 것이다.
현존하는 천연가스운반선은 천연가스와 디젤유를 모두 연료로 사용할 수 이중연료엔진(Duel Fuel Engine)을 주로 사용하는데, 이중연료엔진은 천연가스 저장탱크에서 증발하는 가스와 일부 기화한 가스를 연료로 사용할 수 있는 장점이 있다.
그리고 이중연료엔진은 천연가스를 주 연료로 사용하는 모드에서는 오토 사이클(Otto cycle)을 기반으로 하는 연소 과정을 거치기 때문에 질소산화물 배출이 적어 국제 기준(Tier III)을 만족하며 천연가스 연료 특성상 황산화물 배출도 디젤에 비해 작아 국제 기준(Tier III)을 만족한다.
그러나 이중연료엔진은 오토 사이클(Otto cycle)의 특징 및 낮은 엔진 회전수로 인하여 배기밸브 개폐시간이 길어 다 타지 않은 천연가스가 그대로 배출되는 문제가 있다. 이 때 타지 않고 배기가스로 배출되는 가연성 가스 예컨대 메탄의 양은 투입 양의 2~4%에 이른다.
메탄은 이산화탄소에 비해 온실효과가 23배나 강한 기체이다. 따라서 배기가스 내에서 메탄을 제거하기 위한 기술 개발이 시급한 실정이다.
일본공개특허 2001-182530(2001.7.6)
본 발명의 실시예는, 배기가스 내 가연성 가스를 효과적으로 저감하는 가연성 가스 저감장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 엔진의 배기가스 내 가연성 가스를 저감하기 위한 장치로서, 상기 배기가스가 이동하는 배기 파이프 내에서 화염을 발생시키는 연소부; 및 상기 배기 파이프 내를 이동하는 배기가스의 폐열을 회수하는 이코노마이저를 포함하는, 가연성 가스 저감장치가 제공될 수 있다.
상기 연소부는, 상기 배기 파이프 내에서 스파크를 발생시키는 스파크 발생부를 포함할 수 있다.
상기 연소부는, 상기 스파크에 인접하여 가스 연료를 분사하는 노즐부; 상기 배기가스의 가연성가스농도를 감지하는 센서; 및 상기 센서의 감지값이 LEL(폭발하한치)보다 작으면 상기 가스 연료를 분사하여 상기 스파크를 발생시키고, 상기 센서의 감지값이 LEL(폭발하한치) 이상이면 상기 가스 연료의 분사없이 상기 스파크를 발생시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 연소부는, 상기 화염을 안정화시키기 위한 전기장을 발생시키는 전기장 발생부를 더 포함할 수 있다.
상기 이코노마이저의 열교환부는 상기 배기 파이프 내에서 상기 화염의 하류 측에 위치할 수 있다.
상기 가연성 가스 저감장치는 상기 배기가스의 폐열을 회수하여 전기를 발생시키는 열전소자를 더 포함할 수 있다.
상기 열전소자는, 상기 배기 파이프의 외측면에 부착될 수 있다.
상기 열전소자의 고온부는 상기 배기 파이프와 접하여 상기 배기가스의 폐열에 의해 가열되고, 상기 열전소자의 저온부는 냉각수에 의해 냉각될 수 있다.
상기 냉각수는, 상기 이코노마이저의 열교환부로 유입되어 상기 배기가스와 열교환할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 천연가스를 연료로 사용하는 엔진의 배기가스 내 가연성 가스를 태워 연소함으로써 가연성 가스를 효과적으로 제거함과 동시에, 배기가스 내 폐열을 회수함으로써 에너지 회수 측면에서 효율적이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가연성 가스 저감장치를 나타내는 도면이고,
도 2는 도 1의 B부분을 확대한 도면이고,
도 3은 도 2의 열전소자의 일 변형례를 나타내는 도면이고,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가연성 가스 저감장치를 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가연성 가스 저감장치를 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 가연성 가스 저감장치(100)는 연소부(110)와 이코노마이저(130)를 포함한다. 이와 같이 구성된 가연성 가스 저감장치(100)는 천연가스를 연료로 사용하는 엔진(미도시)의 배기가스 내 가연성 가스 예컨대 메탄을 태워 연소하여 제거하고, 배기가스 내 폐열을 회수한다.
여기서 엔진은 천연가스와 디젤을 모두 연료로 사용하는 이중연료엔진을 포함할 수 있으나 이에 국한되지 않는다. 그리고 가연성 가스로 메탄을 예로 들어 설명하나 이에 국한되지 않는다.
연소부(110)는 배기가스가 이동하는 배기 파이프(10) 내에서 화염(F)을 발생시켜 배기가스 내 메탄을 연소시킨다. 연소부(110)는 스파크 발생부(111), 노즐부(113), 센서(115) 및 제어부(117)를 포함한다.
스파크 발생부(111)는, 배기 파이프(10) 내에서 스파크를 발생시킨다. 배기가스의 가연성가스농도가 LEL(폭발하한치)를 넘으면 스파크 발생부(111)에서 발생된 스파크에 의해 배기가스가 폭발하여 화염(F)이 발생하고 배기가스 내 메탄이 연소된다.
연소부(110)는 노즐부(113), 센서(115) 및 제어부(117)를 더 포함할 수 있다.
노즐부(113)는 가스 연료를 분사한다. 노즐부(113)에 의해 배기 파이프(10) 내부로 분사된 가스 연료가 스파크에 노출되면 화염(F)이 발생한다. 노즐부(113)는 배기 파이프(10) 내에서 스파크 발생부(111)에서 발생되는 스파크와 인접하여 배치된다. 가스 연료 저장 탱크(112)에 저장된 가스 연료는 펌프(미도시) 등에 의해 펌핑되어 노즐부(113)로 공급될 수 있다. 가스 연료 저장 탱크(112)와 노즐부(113) 사이에 밸브(114)가 개재될 수 있다.
센서(115)는 배기가스(G)의 가연성가스농도를 감지한다.
제어부(117)는 센서(115)의 감지값이 LEL(폭발하한치)보다 작으면 배기가스(G)가 스파크에 노출되어도 화염(F)이 발생하지 않는다. 따라서 제어부(117)는 센서(115)의 감지값이 LEL(폭발하한치)보다 작으면 가스 연료를 분사하고 스파크를 발생시켜 배기가스(G)를 연소한다.
또한 제어부(117)는 센서(115)의 감지값이 LEL(폭발하한치) 이상이면 배기가스(G)에 스파크가 노출되면 화염(F)이 발생한다. 따라서 제어부(117)는 센서(115)의 감지값이 LEL(폭발하한치)이상이면 가스 연료의 분사없이 스파크를 발생시켜 배기가스(G)를 연소한다.
제어부(117)는 가스 연료의 분사 여부를 제어하기 위해 가스 연료 저장 탱크(112)와 노즐부(113) 사이에 개재된 밸브(114)를 제어할 수 있다. 또는 가스 연료 저장 탱크(112)에 저장된 가스 연료를 펌핑하는 펌프(미도시)를 제어할 수 있다.
이와 같이 스파크 발생부(111), 노즐부(113), 센서(115) 및 제어부(117)를 포함하는 연소부(110)는, 배기가스(G)의 가연성가스농도에 따라 선택적으로 가스 연료를 분사할 수 있어 에너지를 효율적이다.
연소부(110)는, 전기장 발생부(118)를 더 포함할 수 있다. 전기장 발생부(118)는 연소부(110)에 의해 발생한 화염(F)을 안정화시키기 위해 배기 파이프(10) 내에 전기장을 발생시킨다. 전기장 발생부(118)는, 배기 파이프(10) 내에 전기장을 형성하는 전극(118a)과 전극(118a)에 고전압을 인가하기 위한 전원 공급부(118b)를 포함하여 구성될 수 있으나 이에 국한되지 않는다.
이코노마이저(130)는 배기 파이프(10) 내를 이동하는 배기가스의 폐열을 회수한다. 이코노마이저(130)는 물 탱크(131), 열교환부(133) 및 스팀 드럼(135)을 포함할 수 있다.
물 탱크(131)는 열교환부(133)로 공급되는 물을 저장한다. 물 탱크(131)의 물은 펌프(132)에 의해 열교환부(133)로 펌핑된다. 열교환부(133)는 배기 파이프(10) 내에 배치된다. 열교환부(133)는 예컨대 지그재그로 연장된 파이프 형태를 가진다. 물 탱크(131)에서 펌핑된 물은 열교환부(133)를 따라 이동하면서 고온의 배기가스와 열교환한 후 스팀으로 변한다. 열교환부(133)를 지난 스팀은 스팀 드럼(135)에 임시 저장된다.
열교환부(133)는 연소부(110)에 의해 발생된 화염(F)의 하류측에 위치한다. 화염(F)의 하류측에서 배기가스는 더 높은 고온을 가지게 되어 열교환부(133)에서 효과적인 열교환이 이루어질 수 있다.
본 실시예에 따른 가연성 가스 저감장치(100)는, 열전소자(150)를 더 포함한다. 도 2는 도 1의 B부분을 확대한 도면이다. 도 2를 참조하면, 열전소자(150)는 고온부(151)와 저온부(153)를 포함한다. 고온부(151)와 저온부(153) 사이에 온도차가 발생하면 전기가 생성된다.
열전소자(150)는 배기 파이프(10)의 외측면에 부착될 수 있다. 이때, 열전소자(150)의 고온부(151)는 배기 파이프(10)와 접하여 배기가스(G)의 폐열에 의해 가열된다. 그리고 열전소자(150)의 저온부(153)는 외기에 노출되어 냉각된다. 배기가스(G)의 폐열에 의해 가열된 고온부(151)와 냉각수에 의해 냉각된 저온부(153)의 온도차에 의해 전기가 생성된다.
대안적으로 열전소자(150)의 저온부(153)는 도 3에 도시된 바와 같이 냉각수 파이프(134)와 접할 수 있다. 이 경우, 냉각수 파이프(134)를 지나는 냉각수에 의해 저온부(153)가 더욱 냉각된다. 이때, 배기가스(G)의 폐열에 의해 가열된 고온부(151)와 냉각수에 의해 냉각된 저온부(153) 사이의 온도차가 더욱 커져 열전소자(150)는 더 많은 전기를 만들 수 있다. 참고로, 도 3은 도 2의 열전소자의 일 변형례를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 열교환부(133), 스파크 발생부(111), 노즐부(113) 등은 모듈(M)로 제공되어 배기 파이프(10)에 설치될 수 있다. 이 경우, 가연성 가스 저감장치(100)의 설치 및 유지 보수가 용이하다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가연성 가스 저감장치를 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 가연성 가스 저감장치(200)는 연소부(210), 이코노마이저(230) 및 열전소자(250) 등을 포함한다. 이하, 도 4에 도시된 연소부(210), 스파크 발생부(211), 가스 연료 저장 탱크(212), 노즐부(213), 밸브(214), 센서(215), 제어부(217), 전기장 발생부(218), 전극(218a), 전원 공급부(218b), 이코노마이저(230), 물 탱크(231), 열교환부(233), 펌프(234), 스팀 드럼(235)은 도 1의 연소부(110), 스파크 발생부(111), 가스 연료 저장 탱크(112), 노즐부(113), 밸브(114), 센서(115), 제어부(117), 전기장 발생부(118), 전극(118a), 전원 공급부(118b), 이코노마이저(130), 물 탱크(131), 열교환부(133), 펌프(134), 스팀 드럼(135)과 동일하여 설명을 생략한다.
열전소자(250)는 배기 파이프(10)의 외측면에 부착된다. 열전소자(250)의 고온부(251)는 배기 파이프(10)와 접하여 배기가스(G)의 폐열에 의해 가열되고, 열전소자(250)의 저온부(253)는 냉각수에 의해 냉각된다.
본 실시예에 따르면 이코노마이저(230)의 물 탱크(231)에서 열교환부(233)로 공급되는 물은 열전소자(250)를 경유한다. 즉, 물 탱크(231)에서 열교환부(233)로 공급되는 물은 열전소자(250)의 저온부(253)를 냉각시키는 냉각수로 사용된다.
이 경우, 열전소자(250)의 저온부(253)를 냉각시킨 물은 미리 예열된 상태로 열교환부(233)로 유입되고, 예열되어 열교환부(233)를 지나는 물은 배기가스(G)와 열교환하여 쉽게 스팀으로 변할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100 : 가연성 가스 저감장치 110 : 연소부
111 : 스파크 발생부 112 : 가스 연료 저장 탱크
113 : 노즐부 114 : 밸브
115 : 센서 117 : 제어부
118 : 전기장 발생부 118a : 전극
118b : 전원 공급부 130 : 이코노마이저
131 : 물탱크 133 : 열교환부
135 : 스팀 드럼 150 : 열전소자
151 : 고온부 153 : 저온부

Claims (9)

  1. 엔진의 배기가스 내 가연성 가스를 저감하기 위한 장치로서,
    상기 배기가스가 이동하는 배기 파이프 내에서 화염을 발생시키는 연소부; 및
    상기 배기 파이프 내를 이동하는 배기가스의 폐열을 회수하는 이코노마이저를 포함하고,
    상기 연소부는,
    상기 화염을 안정화시키기 위한 전기장을 발생시키는 전기장 발생부;
    상기 배기 파이프 내에서 스파크를 발생시키는 스파크 발생부;
    가스 연료를 분사하는 노즐부;
    상기 배기가스의 가연성가스농도를 감지하는 센서; 및
    상기 센서의 감지값이 LEL(폭발하한치)보다 작으면 상기 가스 연료를 분사하여 상기 스파크를 발생시키고, 상기 센서의 감지값이 LEL(폭발하한치) 이상이면 상기 가스 연료의 분사없이 상기 스파크를 발생시키는 제어부를 더 포함하는, 가연성 가스 저감장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이코노마이저의 열교환부는 상기 배기 파이프 내에서 상기 화염의 하류 측에 위치하는, 가연성 가스 저감장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스의 폐열을 회수하여 전기를 발생시키는 열전소자를 더 포함하는, 가연성 가스 저감장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 열전소자는,
    상기 배기 파이프의 외측면에 부착되는, 가연성 가스 저감장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 열전소자의 고온부는 상기 배기 파이프와 접하여 상기 배기가스의 폐열에 의해 가열되고,
    상기 열전소자의 저온부는 냉각수에 의해 냉각되는, 가연성 가스 저감장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 냉각수는,
    상기 이코노마이저의 열교환부로 유입되어 상기 배기가스와 열교환하는, 가연성 가스 저감장치.
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