KR101818525B1 - 선박의 배기가스 회수 시스템 및 방법 - Google Patents

선박의 배기가스 회수 시스템 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101818525B1
KR101818525B1 KR1020160138595A KR20160138595A KR101818525B1 KR 101818525 B1 KR101818525 B1 KR 101818525B1 KR 1020160138595 A KR1020160138595 A KR 1020160138595A KR 20160138595 A KR20160138595 A KR 20160138595A KR 101818525 B1 KR101818525 B1 KR 101818525B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
exhaust gas
engine
combustion air
supply line
ege
Prior art date
Application number
KR1020160138595A
Other languages
English (en)
Inventor
남병탁
임선일
김재익
Original Assignee
대우조선해양 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 대우조선해양 주식회사 filed Critical 대우조선해양 주식회사
Priority to KR1020160138595A priority Critical patent/KR101818525B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101818525B1 publication Critical patent/KR101818525B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63J—AUXILIARIES ON VESSELS
    • B63J2/00—Arrangements of ventilation, heating, cooling, or air-conditioning
    • B63J2/12—Heating; Cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K23/00—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids
    • F01K23/02—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled
    • F01K23/06—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle
    • F01K23/10—Plants characterised by more than one engine delivering power external to the plant, the engines being driven by different fluids the engine cycles being thermally coupled combustion heat from one cycle heating the fluid in another cycle with exhaust fluid of one cycle heating the fluid in another cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/02—EGR systems specially adapted for supercharged engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/22—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with coolers in the recirculation passage
    • F02M26/23—Layout, e.g. schematics
    • F02M26/28—Layout, e.g. schematics with liquid-cooled heat exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M26/00—Engine-pertinent apparatus for adding exhaust gases to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture, e.g. by exhaust gas recirculation [EGR] systems
    • F02M26/13—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories
    • F02M26/35—Arrangement or layout of EGR passages, e.g. in relation to specific engine parts or for incorporation of accessories with means for cleaning or treating the recirculated gases, e.g. catalysts, condensate traps, particle filters or heaters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B63—SHIPS OR OTHER WATERBORNE VESSELS; RELATED EQUIPMENT
    • B63J—AUXILIARIES ON VESSELS
    • B63J2/00—Arrangements of ventilation, heating, cooling, or air-conditioning
    • B63J2/12—Heating; Cooling
    • B63J2002/125—Heating; Cooling making use of waste energy
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ocean & Marine Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Exhaust-Gas Circulating Devices (AREA)

Abstract

본 발명은 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스로부터 폐열을 회수하는 선박의 배기가스 회수 시스템 및 방법에 관한 것으로, 선박의 배기가스 배출 규제를 만족시키면서도 배기가스로부터 효율적으로 폐열을 회수하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 선박의 배기가스 회수 시스템은, 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스를 이용하여 상기 엔진으로 연소공기를 공급하는 제1 과급기(Turbo Charger); 및 상기 제1 과급기를 통과한 배기가스를 이용하여 스팀(Steam)을 생산하는 EGE(Exhaust Gas Economizer);를 포함하고, 상기 엔진에서 배출되는 배기가스를 냉각 및 정제하여 상기 엔진의 연소공기로 공급하는 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 유닛; 및 상기 EGR 유닛 전단에 마련되며 EGR 유닛으로 공급되는 배기가스를 1차 냉각시키는 열교환기;를 더 포함하여, 상기 열교환기에서 열 교환하는 매체는, 상기 EGR 유닛으로 공급될 배기가스; 및 상기 EGE로 공급되는 스팀 생성용 물(Water);인 것을 특징으로 한다.

Description

선박의 배기가스 회수 시스템 및 방법 {Exhaust Gas Recovery System and Method for Ship}
본 발명은 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스로부터 폐열을 회수하는 선박의 배기가스 회수 시스템 및 방법에 관한 것으로, 선박의 배기가스 배출 규제를 만족시키면서도 배기가스로부터 효율적으로 폐열을 회수하는 것을 목적으로 한다.
최근 국제해사기구(IMO; International Maritime Organization) 산하 해양환경보호위원회(MEPC; Marine Environment Protection Committee)의 대기오염 규제 협약에 의하면, 2011년부터 적용된 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)의 배출량이 약 14.4g/kWh를 만족시키도록 규제하는 Tier Ⅱ보다 더 엄격한 요건이 적용되는 Tier Ⅲ가 2016년 1월 1일부터 제한적으로 시행됨에 따라, 2016년 이후에 건조되어 북미 및 캐리비안 해역을 포함하는 미국의 ECA(Emission Control Area) 지역을 운항하는 선박은 약 3.4g/kWh의 질소산화물 배출량을 만족시켜야 하며, 향후 ECA 지역(Future ECA)의 지정 및 발효가 지속적으로 진행될 예정이다.
Tier Ⅲ를 만족시키기 위한 추가 장비를 선박에 탑재해야 하는데, EGR(Exhaust Gas Recirculation) 및 SCR(Selective Catalytic Reduction)이 대표적으로 적용가능한 기술이다.
질소산화물은 주로 엔진의 연소 과정에서 실린더 대 연료가 연소할 때 발생하는 고온에 의해 연소공기 내의 산소와 질소가 반응하여 생성되는데, 상술한 EGR은 이러한 질소산화물의 생성을 억제하기 위해 연료의 연소에 필요한 만큼의 산소만을 엔진의 실린더 내로 공급하여 질소산화물 생성에 사용되는 산소의 양을 최소화시킴으로써 질소산화물의 생성량을 줄이는 방법이다. 보다 구체적으로, 연소 후 이산화탄소가 다량 포함된 배기가스를 냉각(Cooling) 및 세정(Cleaning)하여 연소공기와 혼합하여 엔진으로 공급하여 연소공기 내 이산화탄소 농도는 높이고 산소의 농도는 낮춤으로써 질소산화물의 생성을 억제하는 것이다. 이때, EGR로 재순환되는 배기가스량은 엔진으로부터 배출되는 전체 배기가스량의 약 30~40% 정도이다.
한편, 선박에서는 각종 연료의 가열, 난방 및 각 탱크의 온도 유지 등을 위한 열원이 있어야 하는데, 그 열원은 주로 스팀(Steam)을 사용한다. 선박에서 스팀은 연료의 연소열을 이용하여 스팀을 생성시키는 보일러(Boiler)와 엔진 배기가스의 폐열을 이용하여 스팀을 생성시키는 EGE(Exhaust Gas Economizer)를 마련하여 생산한다. 이러한 선박의 일반 항해시에는 엔진에서 배출되는 배기가스의 폐열이 충분하므로 EGE만을 활용하여 선박 내 스팀 요구량을 초과할 만큼 충분한 양의 스팀을 생산할 수 있는데, 폐열이 부족하거나 엔진을 구동하지 않는 항구 내 정박 시에는 보일러를 가동하여, 즉 연료를 연소시켜 부족한 만큼의 스팀을 생성시킨다.
대한민국 공개특허공보 제10-2010-0136151호 (2010.12.28. 공개)
이와 같이, 선박에 EGE와 EGR 유닛이 모두 마련되는 경우, EGR 유닛은 상술한 바와 같이 전체 배기가스량의 약 30~40%의 배기가스량을 연소공기에 혼합하기 위해 재순환시키고, 나머지 약 60~70%의 배기가스가 EGE를 통해 스팀 생산에 사용된다. EGE에서의 스팀 생산량은 배기가스의 온도와 유량에 의해 결정되며, 따라서 EGE가 EGR 유닛과 함께 선박에 적용되는 경우에는, 그렇지 않을 때와 비교하여 약 30~40%의 스팀 생성량이 감소하게 되는 것이다.
그뿐만 아니라, 최근 선박에 탑재되는 엔진은 기존 대비 효율이 향상되면서, 배기가스로 배출되는 폐열 또한 감소함에 따라 EGR 기술을 적용하지 않는 선박에서도 주 추진 엔진에 설치되는 EGE를 활용한 스팀 생성량이 충분하지 못하여 발전 엔진에도 EGE를 추가로 더 설치하여 부족한 스팀 생성량만큼을 보충 생산하는 경우도 많다.
따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 더욱 구체적으로는, 선박에 EGR 기술과 EGE를 함께 적용하는 경우 EGE에서의 스팀 생성량이 감소하는 문제를 개선할 수 있으면서도 배기가스 배출 규제를 만족시킬 수 있는 선박의 배기가스 회수 시스템 및 방법을 제공하고자 하는 것을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스를 이용하여 상기 엔진으로 연소공기를 공급하는 제1 과급기(Turbo Charger); 및 상기 제1 과급기를 통과한 배기가스를 이용하여 스팀(Steam)을 생산하는 EGE(Exhaust Gas Economizer);를 포함하고, 상기 엔진에서 배출되는 배기가스를 냉각 및 정제하여 상기 엔진의 연소공기로 공급하는 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 유닛; 및 상기 EGR 유닛 전단에 마련되며 EGR 유닛으로 공급되는 배기가스를 1차 냉각시키는 열교환기;를 더 포함하여, 상기 열교환기에서 열 교환하는 매체는, 상기 EGR 유닛으로 공급될 배기가스; 및 상기 EGE로 공급되는 스팀 생성용 물(Water);인 것을 특징으로 하는, 선박의 배기가스 회수 시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 과급기와 구별되며, 상기 엔진에서 배출되는 배기가스를 이용하여 상기 엔진으로 연소공기를 공급하는 제2 과급기;를 더 포함하여, 상기 제2 과급기에서 압축된 압축공기는 상기 EGR 유닛으로 공급되고, 상기 제1 과급기에서 압축된 압축공기는 상기 제1 과급기 후단에 마련되는 쿨러에서 냉각된 후 상기 엔진의 연소공기로 공급될 수 있다.
바람직하게는, 상기 엔진에서 배출되는 배기가스를 수용하는 배기가스 리시버; 상기 제1 과급기가 마련되며 상기 제1 과급기를 통과한 배기가스를 상기 EGE로 공급하는 제1 배기가스 공급라인; 상기 열교환기가 마련되며 상기 배기가스 리시버로부터 공급받은 배기가스를 냉각시킨 후 상기 EGR 유닛으로 공급하는 제2 배기가스 공급라인; 및 상기 제2 과급기가 마련되며 상기 제2 과급기를 통과한 배기가스를 상기 EGE로 공급하는 제3 배기가스 공급라인;을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 운전모드에 따라 상기 제2 배기가스 공급라인의 개폐를 조절하는 제2 밸브; 및 운전모드에 따라 상기 제3 배기가스 공급라인의 개폐를 조절하는 제3 밸브;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 열교환기가 마련되며 상기 EGE로 상기 스팀 생성용 물을 공급하는 제1 물 공급라인; 및 상기 열교환기를 우회하여 상기 EGE로 스팀 생성용 물을 공급하는 제2 물 공급라인;을 포함하여, 운전모드에 따라 상기 제1 물 공급라인 및 제2 물 공급라인의 개폐를 조절하는 밸브;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 과급기로 외기를 공급하고, 상기 제1 과급기에서 압축된 외기를 상기 엔진의 연소공기로 공급하는 제1 연소공기 공급라인;을 더 포함하고, 상기 제1 연소공기 공급라인으로부터 분기되며 상기 제1 과급기에서 압축된 압축공기를 상기 배기가스 리시버로 공급하는 제1 바이패스 라인; 및 운전모드에 따라 상기 제1 바이패스 라인의 개폐를 조절하는 제1 밸브;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 배기가스 공급라인에 마련되며, 상기 열교환기에서 1차 냉각된 배기가스로 유체를 분사하여 냉각 및 정제시키는 프리 스프레이;를 더 포함하여, 상기 제2 배기가스 공급라인을 유동하는 배기가스는 상기 열교환기, 프리 스프레이 및 EGR 유닛을 순차적으로 통과하여 상기 엔진의 연소공기로 공급될 수 있다.
바람직하게는, 상기 EGE로 공급되는 스팀 생성용 물은, 상기 열교환기에서 상기 배기가스 리시버로부터 공급받은 배기가스와 1차 열교환하고, 상기 EGE에서 상기 제1 과급기에서 배출되는 배기가스와 2차 열 교환하여 스팀 수요처로 공급될 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스를 제1 배기가스 공급라인으로 공급하여 외기(Air)를 압축시키는 단계; EGE로 상기 외기를 압축시킨 후 배출되는 배기가스와 스팀 생성용 물을 공급하는 단계; 및 상기 EGE에서 상기 배기가스를 열원으로 하여 스팀을 생성시키는 단계;를 포함하되, 제1 운전모드일 때에는, 제2 배기가스 공급라인은 폐쇄하고, 제3 배기가스 공급라인은 개방하며, 제2 운전모드일 때에는, 제3 배기가스 공급라인은 폐쇄하고, 제2 배기가스 공급라인은 개방하는 것을 특징으로 하는, 선박의 배기가스 회수 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 제2 운전모드일 때에는, 상기 제1 배기가스 공급라인으로 공급하고 남은 배기가스의 적어도 일부를 제2 배기가스 공급라인으로 공급하여 스팀 생성용 물을 가열시키는 단계; 및 상기 배기가스와 열 교환하여 온도가 상승한 스팀 생성용 물을 상기 EGE로 공급하는 단계;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2 운전모드일 때에는, 상기 스팀 생성용 물과 열 교환한 배기가스는 EGR 유닛으로 공급하는 단계; 및 상기 EGR 유닛에서 냉각 및 세정시킨 배기가스를 상기 제1 배기가스 공급라인에서 압축된 압축공기와 혼합하여 상기 엔진의 연소공기로 공급하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 운전모드일 때에는, 상기 제1 배기가스 공급라인으로 공급하고 남은 배기가스의 적어도 일부를 제3 배기가스 공급라인으로 공급하여 외기를 압축시키는 단계; 및 상기 제3 배기가스 공급라인에서 외기를 압축시킨 후 배출되는 배기가스는 상기 EGE로 공급하고, 상기 제3 배기가스 공급라인에서 압축된 압축공기는 상기 EGR 유닛으로 공급하여 상기 엔진의 연소공기로 공급하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스는 상기 제1, 제2 및 제3 배기가스 공급라인으로 공급하기 전에 배기가스 리시버에 수용하는 단계;를 더 포함하고, 상기 제1 배기가스 공급라인의 압축공기를 쿨러로 공급하여 냉각시키거나, 상기 쿨러를 우회하여 상기 배기가스 리시버로 연결되는 바이패스 라인으로 공급하는 단계;를 더 포함하여, 상기 제1 운전모드일 때에는, 상기 바이패스 라인을 폐쇄하고, 상기 제2 운전모드일 때에는, 상기 바이패스 라인을 폐쇄하거나 적어도 일부만 개방할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 배기가스 공급라인의 쿨러에서 냉각시킨 압축공기 중에 미스트를 제거하는 단계; 및 상기 미스트를 제거한 압축공기를 연소공기 리시버로 공급하는 단계;를 포함하되, 상기 제2 운전모드일 때에는, 상기 제2 배기가스 공급라인으로 공급한 배기가스를 상기 스팀 생성용 물로 냉각시키는 단계; 상기 냉각시킨 배기가스를 EGR 유닛으로 공급하여 냉각 및 세정시키는 단계; 및 상기 냉각 및 세정시킨 배기가스를 상기 연소공기 리시버로 공급하는 단계;를 포함하여, 상기 냉각 및 세정시킨 배기가스와 상기 압축공기를 혼합하여 상기 엔진의 연소공기로 공급할 수 있다.
본 발명에 따르면, 선박에 EGR 유닛과 EGE를 함께 적용하여, 선박의 엔진으로부터 배출되는 배기가스에 포함된 질소산화물 배출량을 감소시킬 수 있고, 배기가스를 이용하여 선박에서 활용되는 열원인 스팀을 생산할 수 있다.
또한, 선박에 EGR 유닛과 EGE를 함께 적용함으로써 EGE에서의 스팀 생성량이 감소하는 문제를 개선할 수 있어 부족한 양의 스팀을 생성시키기 위해 발전 엔진용 EGE를 추가 설치하거나 보일러를 가동시키는 일 없이 스팀 생성량을 증가시킬 수 있고, 선박의 배기가스 배출 규제를 만족시킬 수 있다.
또한, 추가적인 EGE를 설치하지 않아도 되므로, 비용 및 공간 활용성 측면에서 유리하고, 연료를 연소시키는 방식인 보일러의 가동을 억제할 수 있으므로 연료를 절약할 수 있다.
또한, Tier Ⅱ 규제가 적용되는 지역을 운항할 때에는 Tier Ⅱ 모드로 운전하고, Tier Ⅲ 규제가 적용되는 지역을 운항할 때에는 Tier Ⅲ 모드로 운전할 수 있어 연료를 효율적으로 활용할 수 있다.
또한, EGR의 배기가스 냉각 공정 전에 배기가스의 폐열을 일부 회수함으로써 EGR 쿨러에서 냉각시켜야 하는 열량이 감소하고, 따라서 쿨러, 펌프 등의 냉각 장치들의 크기 및 용량을 감소시킬 수 있고, 설치비(CAPEX) 및 운영비(OPEX)를 절약할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 EGR 유닛 시스템을 보다 상세하게 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 배기가스 회수 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 또한, 하기 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 배기가스 회수 시스템 및 방법은 IMO Tier Ⅲ NOx 배출 기준을 만족하기 위한 것으로, 선박에 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 기술을 적용하였을 때, 배기가스를 EGR 유닛으로 재순환시킴으로써 EGE(Exhaust Gas Economizer)로 공급되는 배기가스의 유량이 줄어듦에 따라 EGE에서 스팀(Steam) 생산량이 감소하는 것을 극복할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 EGR 유닛 시스템을 보다 상세하게 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 배기가스 회수 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다. 이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 배기가스 회수 시스템 및 방법을 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 배기가스 회수 시스템은, 선박의 엔진(100)에서 배출되는 배기가스를 이용하여 엔진(100)으로 연소공기(Scavenge Air)를 공급하는 제1 과급기(Turbo Charger)(200), 엔진(100)에서 배출되는 배기가스를 이용하여 스팀(Steam)을 생성시키는 EGE(Exhaust Gas Economizer)(400) 및 엔진(100)에서 배출되는 배기가스 중의 질소산화물을 저감시키기 위해 엔진(100)에서 배출되는 배기가스의 일부를 냉각 및 정제시켜 연소공기의 일부로 엔진(100)으로 공급하는 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 유닛(600) 및 운전 모드에 따라 스팀을 생성하기 위해 EGE(400)로 공급되는 스팀 생성용 물을 배기가스를 이용하여 1차 가열시키는 열교환기(500)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
먼저, 도 2에 도시한 바와 같이, 선박에는 일반적으로 선박 추진용 메인엔진(Main Engine)(100)과 선박에 필요한 전기 에너지를 생산하는 발전엔진(Generator Engine)(800)이 마련되는데, 종래에는 선박에 EGE(400)와 EGR 유닛(600)을 모두 마련하여 배기가스를 회수함으로써, 배기가스의 약 30~40%는 EGR 유닛으로 순환시키고, 나머지 배기가스의 폐열을 회수하여 EGE에서 스팀을 생성시킴에 따라 스팀 생성량이 스팀 수요처에서 필요로 하는 양보다 부족한 현상이 발생하고, 이에 대응하여 메인엔진(100)과 더불어 발전엔진(800)에도 발전엔진용 EGE(820)를 별도로 설치하여 스팀을 추가 생성시켰다.
후술할 본 발명의 일 실시예에서는, 메인엔진(100)에서 배출되는 배기가스의 회수 시스템인 것을 예로 들어 설명하기로 하며, 상술한 바와 같은 발전엔진용 EGE(820)는 추가로 마련하지 않거나, 리던던시(redundancy)의 개념으로 마련되더라도 선박의 배기가스, 특히 질소산화물의 배출 규제를 만족시키면서도 메인엔진(100)에서 배출되는 배기가스만으로도 선박의 스팀 수요처(450)에 공급량을 충분히 충족시킬 수 있으므로 발전엔진용 EGE(820) 및 발전엔진용 EGE(820)에 스팀 생성용 물을 공급하는 펌프(830), 연료를 연소시켜 스팀을 추가 생성시키는 보조보일러(430) 등의 작동을 최대한 억제할 수 있다.
도 2에는 발전엔진(800), 발전엔진용 과급기(810), 발전엔진용 EGE(820), 물 공급 펌프(830) 등을 도시하였지만, 이는 삭제할 수 있는 구성이고, 또한 그 대수 역시 필요에 따라 달리 적용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 엔진(100)은 2행정 주 추진 엔진으로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 회수 시스템은 피스톤(Piston)이 80bore 이상인 ME-GI 엔진(100)에 적용하는 것이 바람직하며, 본 발명의 일 실시예에 따르면 선박의 배기가스 배출 규제를 만족시키기 위한 운전 모드에 따라 스팀 생성량을 증대시킬 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, EGR 시스템 및 EGE 시스템을 함께 적용하여 엔진(100)의 배기가스를 회수하고, 회수한 배기가스의 일부를 활용하여 엔진(100)의 배기가스 중의 질소산화물을 저감시키면서도 배기가스의 폐열을 이용하여 스팀을 생성시키는데, 배기가스를 EGR 유닛(600) 및 EGE(400)에서 함께 사용하여도 EGE(400)에서의 스팀 생성량이 감소하지 않고, 오히려 기존 대비 증가시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
EGE(400)는 배기가스의 폐열을 열원으로 하여 스팀을 생성시키는 열교환장치로써, EGE(400)에서 생성된 스팀은 스팀 생성용 물을 공급하는 제1 물 공급라인(WL1) 및 스팀 생성용 물과 열교환하여 스팀 생성용 물을 기화시키기 위한 열원으로써 배기가스를 공급하는 후술할 제1 내지 제2 배기가스 공급라인(EL1, EL2)과 연결될 수 있고, 2단 열교환기로 마련될 수 있으며, EGE(400)에서 생성된 스팀은 스팀 공급라인(SL1)을 따라 선박 내 스팀 수요처(450)로 공급된다.
EGE(400)로 공급되는 스팀 생성용 물은 도 2에 도시한 바와 같이, 캐스케이드 탱크(Cascade Tank)(410)에 수용된 보일러 수가 보일러 수 공급펌프(420)에 의해 흡입되어 제1 물 공급라인(WL1)을 따라 공급될 수 있고, 스팀 수요처(450)에서 사용된 후 응축기(Condenser)(460)로 회수되어 응축된 후, 적어도 일부는 캐스케이드 탱크(460)로 재순환될 수 있다.
또한, 제1 물 공급라인(WL1)에는 상술한 열교환기(500)가 마련되어, EGE(400)로 공급되는 스팀 생성용 물은 EGE(400)로 공급되기 전에 열교환기(500)에서 후술할 제2 배기가스 공급라인(EL2)을 유동하는 배기가스와 열교환하여 1차 가열된 후 EGE(400)로 공급되어 스팀으로 생성될 수 있다.
또한, 제1 물 공급라인(WL1)에는 EGE(400)로 공급되는 스팀 생성용 물이 열교환기(500)를 우회하도록 도 2에 도시한 바와 같이 제2 물 공급라인(WB1)이 분기될 수 있고, EGE(400)로 공급되는 스팀 생성용 물은 후술할 운전 모드에 따라 열교환기(500)에서 1차 가열된 후 EGE(400)로 공급되거나 열교환기(500)를 통과하지 않고 바로 EGE(400)로 공급될 수도 있다.
EGR 유닛(600)은 배기가스를 냉각(Cooling) 및 정제(Cleaning)하여 이산화탄소 풍부 가스를 생성시키며, EGR 유닛(600)을 통과한 배기가스는 후술할 연소공기 공급라인(AL1, AL2, AL3)을 통해 엔진(100)으로 공급되는 연소공기와 혼합되어 엔진(100)의 연소실로 공급됨으로써 엔진(100)의 연소실에 과도한 양의 산소 농도로 인해 질소산화물이 생성하는 것을 억제할 수 있다.
EGR 유닛(600)은 도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이, 물(Water) 등을 분사하여 1차적으로 배기가스를 냉각시키고, 배기가스에 포함된 Soot 등의 불순물을 정제하는 EGR 스프레이(Spray)(610), 냉각수 등을 통해 배기가스를 2차 냉각시키는 EGR 쿨러(Cooler)(620) 및 1차 및 2차 냉각과정에서 발생하는 응축수 등 배기가스 내에 포함된 미스트(Mist) 성분을 분리하는 워터 미스트 캐쳐(Water Mist Catcher)(630) 등을 포함할 수 있다.
즉, EGR 유닛(600)을 통과하면서 냉각 및 정제된 배기가스는 엔진(100)의 연소실로 공급할 연소공기를 수용하는 연소공기 리시버(Scavenge Air Receiver)(700)로 공급될 수 있고, 연소공기 리시버(700)에서 후술할 연소공기 공급라인(AL1, AL2, AL3)을 통해 공급된 외기와 혼합되어 공급됨으로써 엔진(100)의 연소실로 공급되는 최종 연소공기는 비교적 이산화탄소 농도가 높고 산소 농도는 낮은 상태가 되어 질소산화물이 생성되는 것을 억제할 수 있다.
EGR 유닛(600)에는 EGR 유닛(600)으로부터 냉각 및 정제된 배기가스의 공급을 제어하는 정지밸브(미도시)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 배기가스 회수 시스템은, 도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이, 엔진(100)에서 배출되는 배기가스를 유동시키는 제1 배기가스 공급라인(EL1), 제2 배기가스 공급라인(EL2) 및 제3 배기가스 공급라인(EL3)을 포함할 수 있고, 엔진(100)에서 배출되는 배기가스를 수용하는 배기가스 리시버(Exhaust Gas Receiver)(110)를 더 포함하여, 제1 내지 제3 배기가스 공급라인인(EL1, EL2, EL3)을 유동하는 배기가스는 도시하지 않은 제어부(미도시)에 의해 배기가스 리시버(110)로부터 분배되어 제1 내지 제3 배기가스 공급라인(EL1, EL2, EL3)을 통해 상술한 EGE(400) 또는 EGR 유닛(600)을 통해 회수될 수 있다.
먼저, 제1 배기가스 공급라인(EL1)에는 배기가스를 작동유체로 하여 터빈(210)을 구동시키고, 터빈(210)의 운동에너지를 이용하여 압축기(220)를 구동시키는 제1 과급기(200)가 마련되고, 터빈(210)을 구동시킨 후의 배기가스는 제1 배기가스 공급라인(EL1)을 따라 EGE(400)로 공급되며, EGE(400)로 공급된 스팀 생성용 물을 가열시켜 스팀을 생성시킨다.
제1 과급기(200)의 압축기(220)로는 엔진(100)의 연소실로 연료의 연소를 위해 연소공기를 공급하는 제1 연소공기 공급라인(AL1)이 연결되고, 제1 연소공기 공급라인(AL1)을 통해 공급되는 외기는 배기가스를 작동유체로 하는 터빈(210)에 의해 구동되는 압축기(220)에서 압축된다.
제1 연소공기 공급라인(AL1)에는 압축기(220)에서 압축된 연소공기를 냉각시키는 쿨러(230) 및 냉각된 연소공기 중의 미스트를 제거하는 워터 미스트 캐쳐(240)가 더 마련될 수 있고, 제1 연소공기 공급라인(AL1)을 통해 압축 및 냉각된 연소공기는 연소공기 리시버(700)로 공급될 수 있고, 연소공기 리시버(700)에 수용된 연소공기는 EGR 유닛(600)을 통과한 배기가스와 혼합되어 엔진(100)의 연소실로 공급된다.
제1 연소공기 공급라인(AL1)에는 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 과급기(200)의 압축기(220)에서 압축된 연소공기의 적어도 일부를 배기가스 리시버(110)로 분기시켜 공급하는 제1 바이패스 라인(AB1)이 연결될 수 있고, 제1 바이패스 라인(AB1)에는 제1 바이패스 라인(AB1)을 개방하거나 폐쇄하는 제1 밸브(V1)가 마련되어, 후술할 운전모드에 따라 제1 밸브(V1)의 개폐를 조절함으로써 배기가스 리시버(110) 또는 연소공기 리시버(700)로 유입되는 공기의 유량을 조절할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제2 배기가스 공급라인(EL2)에는 배기가스 리시버(110)로부터 공급받은 배기가스를 열원으로 하여, 제1 물 공급라인(WL1)을 통해 EGE(400)로 공급되는 스팀 생성용 물을 1차 가열하는 열교환기(500)가 마련된다.
후술할 운전 모드에 따라 열교환기(500)에서 스팀 생성용 물을 1차 가열시킨 배기가스 또는 스팀 생성용 물이 제2 물 공급라인(WL2)을 통해 열교환기(500)를 우회한 경우 스팀 생성용 물과 열교환하지 않은 배기가스는 열교환기(500) 후단에 마련된 프리-스프레이(Pre-Spray)(510)에 의해 분사되는 유체에 의해 냉각 내지는 배기가스 중에 포함된 불순물이 1차 정제될 수 있다.
프리-스프레이(510) 후단에는 도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이 상술한 EGR 유닛(600) 및 연소공기 리시버(700)와 연결되는 제2 연소공기 공급라인(AL2)이 연결되고, 제2 배기가스 공급라인(EL2)을 따라 유동하는 배기가스는 열교환기(500) 및 프리-스프레이(510)를 통과하여 이산화탄소 풍부가스로 생성된다. 이산화탄소 풍부가스는 제2 연소공기 공급라인(AL2)을 따라 EGR 유닛(600)에서 냉각 및 정제되어 연소공기 리시버(700)로 수용된다.
즉, 제2 배기가스 공급라인(EL2)을 유동하는 배기가스는 열교환기(500)에서 1차 냉각되고, EGR 유닛(600)에서 2차 냉각 및 정제되어 연소공기 리시버(700)로 이산화탄소 풍부가스를 제공한다.
또한, 제2 배기가스 공급라인(EL2)에는 운전모드에 따라 제2 배기가스 공급라인(EL2)의 개폐를 조절하는 제2 밸브(V2)가 더 마련되어 운전모드에 따라 제2 배기가스 공급라인(EL2)으로의 배기가스 공급을 조절하여 EGE(400)에서의 스팀 생성량을 증가시키고 및 엔진(100)으로 공급되는 연소공기의 산소 농도를 조절하여 질소산화물이 생성되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제3 배기가스 공급라인(EL3)에는 배기가스 리시버(110)로부터 공급받은 배기가스를 작동유체로 하여 터빈(310)을 구동시키고, 터빈(310)의 운동에너지를 이용하여 압축기(320)를 구동시키는 제2 과급기(300)가 마련되고, 터빈(310)을 구동시킨 후의 배기가스는 제3 배기가스 공급라인(EL3)을 따라 EGE(400)로 공급되며, EGE(400)로 공급된 스팀 생성용 물을 가열시켜 스팀을 생성시킨다.
제3 배기가스 공급라인(EL3)에는 후술할 운전모드에 따라 제3 배기가스 공급라인(EL3)의 개폐를 조절하는 제3 밸브(V3)가 더 마련될 수 있다.
제3 배기가스 공급라인(EL3)은 제2 과급기(300) 후단으로부터 EGE(400)로 연결되는 상술한 제1 배기가스 공급라인(EL1)과 구별되는 라인으로 마련될 수도 있고, 도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이, 제1 배기가스 공급라인(EL1)과 하나의 라인으로 병합되어 EGE(400)로 연결될 수도 있다.
제2 과급기(300)의 압축기(320)로는 엔진(100)으로 연소공기를 공급하기 위해 압축기(320)로 외기를 공급하는 제2 연소공기 공급라인(AL2)이 연결되고, 제2 연소공기 공급라인(AL2)을 통해 공급되는 외기는 배기가스를 작동유체로 하는 터빈(310)에 의해 구동되는 압축기(320)에서 압축된다.
제2 연소공기 공급라인(AL2)에는 압축기(320)에서 압축된 연소공기를 냉각 및 정제하는 EGR 유닛(600)이 마련되고, EGR 유닛(600)에서 냉각 및 정제된 연소공기는 연소공기 리시버(700)로 공급되는데, EGR 유닛(600) 후단에는 EGR 유닛(600)을 통과한 연소공기를 연소공기 리시버(700)로 공급되는 블로워(Blower)(640)가 더 마련될 수 있다.
또한, 제2 연소공기 공급라인(AL2)에는 EGR 유닛(600)을 통과한 연소공기가 블로워(640)를 통해 흡입되지 않고 압력 변화없이 연소공기 리시버(700)로 공급되도록 하여 연소공기 리시버(700)로 공급되는 연소공기의 밸런스를 조절하거나, 블로워(640)가 운전하지 않을 때, 블로워(640)를 거치지 않고 제2 과급기(200)에서 압축된 연소공기를 연소공기 리시버(700)로 공급하도록 하는 제2 바이패스 라인(AB2)이 분기되어 연소공기 리시버(700)로 연결될 수 있다.
이하, 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 배기가스 회수 시스템을 바탕으로 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 배기가스 회수 방법을 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 운전모드와 제2 운전모드에 따라 상술한 제1 내지 제3 배기가스 공급라인(EL3)의 개폐를 달리 적용할 수 있다.
제1 운전모드로 작동할 때에는, 상술한 제2 배기가스 공급라인(EL2)을 사용하지 않으며, 즉 제2 배기가스 공급라인(EL2)의 개폐를 조절하는 제2 밸브(V2)는 폐쇄하도록 제어한다.
즉, 제1 운전모드에 의하면, 제1 배기가스 공급라인(EL1)과 제3 배기가스 공급라인(EL3)을 개방하여, 제1 과급기(200) 및 제2 과급기(300)로 연소공기를 압축하고, 압축된 연소공기를 연소공기 리시버(700)로 공급하여 엔진(100)으로 유입시킨다.
바람직하게는, 제1 배기가스 공급라인(EL1)으로는 엔진(100)으로 공급되는 연소공기의 약 60%가 공급되고, 나머지 연소공기량은 제3 배기가스 공급라인(EL3)을 이용하여 공급하는데, 제3 배기가스 공급라인(EL3)은 도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이 하나의 제2 과급기(300)만을 이용하여 연소공기를 압축할 수도 있고, 제3 배기가스 공급라인(EL3)이 분기되어 다수 개의 과급기를 구비하여 운전할 수도 있다.
또한, 제1 운전모드에 의하면, 제1 및 제3 배기가스 공급라인(EL1, EL3)을 통해 유동하는 배기가스는 별도의 냉각 등의 처리 없이 제1 과급기(200) 및 제2 과급기(300)에서 수행한 연소공기 압축일 만큼 엔탈피가 감소된 상태로 EGE(400)로 공급된다.
또한, 제1 운전모드에서 EGE(400)로는 열교환기(500)를 바이패스하는 제2 물 공급라인(WB1)을 이용하여 스팀 생성용 물을 공급한다. 즉, 제2 물 공급라인(WB1)의 밸브를 개방하도록 제어한다.
제1 운전모드에서는, 제1 바이패스 라인(AB1)을 사용하지 않으며, 제1 밸브(V1)는 폐쇄할 수 있다.
또한, 제1 운전모드는 Tier Ⅱ 규제가 적용되는 지역을 운항할 때 적용하는 것이 바람직하다.
다음으로, 제2 운전모드로 작동할 때에는, 상술한 제1 배기가스 공급라인(EL1) 및 제2 배기가스 공급라인(EL2)을 사용하고, 제3 배기가스 공급라인(EL3)은 사용하지 않는다. 즉, 제3 배기가스 공급라인(EL3)의 개폐를 조절하는 제3 밸브(V3)는 폐쇄하도록 제어한다.
즉, 제2 운전모드에 의하면, 제1 배기가스 공급라인(EL1)과 제2 배기가스 공급라인(EL2)을 개방하여, 배기가스 리시버(110)에 저장된 배기가스의 적어도 일부는 제1 배기가스 공급라인(EL1)의 제1 과급기(200)를 구동하고, 제1 과급기(200)에 의해 압축된 연소공기는 연소공기 리시브(700)로 수용된다.
압축되면서 온도가 상승한 연소공기는 제1 연소공기 공급라인(AL1)의 쿨러(230)에서 냉각되고, 냉각 과정에서 발생하는 응축수는 워터 미스트 캐쳐(240)를 통과하면서 연소공기로부터 분리된다.
또한, 배기가스 리시버(110)에 저장된 배기가스의 적어도 일부는, 제2 배기가스 공급라인(EL2)의 열교환기(500)로 공급되어 제1 물 공급라인(WL1)을 통해 EGE(400)로 공급되는 스팀 생성용 물을 1차 가열시키고, 열교환기(500)에서 스팀 생성용 물에 의해 1차 냉각된 배기가스를 프리-스프레이(510)를 통해 분사되는 유체에 의하여 추가 냉각시키며, 이와 동시에 배기가스에 포함된 불순물을 정제시킨다.
프리 스프레이(510)를 통과한 배기가스는 EGR 유닛(600)으로 공급되어 2차로 냉각 및 정제시키고, 배기가스 내 포함된 물을 분리시키며, 제2 바이패스 라인(AB2)을 통해 연소공기 리시버(700)로 유입시킨다. 제2 운전모드에서는 블로워(640)가 동작하지 않을 수 있다.
연소공기 리시버(700)에서 제1 연소공기 공급라인(AL1)을 통해 공급된 연소공기와 혼합시켜, 엔진(100)의 연소실로 상대적으로 이산화탄소 농도는 높고 산소 농도는 낮은 연소공기를 공급함으로써 질소산화물의 생성을 억제할 수 있다.
이 때, 배기가스 리시버(110)에서 제2 배기가스 공급라인(EL2)으로 유입되는 배기가스의 온도는 약 400 내지 500℃, 프리-스프레이(510)를 통과한 배기가스는 약 200 내지 300℃, EGR 유닛(600)을 통과한 배기가스는 약 45℃일 수 있다.
제2 운전모드에서는, EGE(400)로 공급하는 스팀 생성용 물이 열교환기(500)에서 제2 배기가스 공급라인(EL2)을 따라 유동하는 배기가스와 1차 열교환하도록 제2 물 공급라인(WB1)을 폐쇄한다.
제2 운전모드에서는, 엔진(100)이 고부하 또는 저부하일 때에는 제1 바이패스 라인(AB1)을 사용하지 않으며, 제1 밸브(V1)는 폐쇄할 수 있고, 그 외에는 제1 밸브(V1)의 개폐정도를 조절하여 제1 과급기(200)를 통과한 연소공기의 적어도 일부를 배기가스 리시버(110)로 유입시킴으로써 연소공기 리시버(700)로 유입되는 압축 연소공기의 유량을 조절할 수 있다.
또한, 제2 운전모드는 Tier Ⅲ 규제가 적용되는 지역을 운항할 때 적용하는 것이 바람직하다.
즉, 본 발명의 제2 운전모드에 따른 선박의 배기가스 회수 방법은, 배기가스 리시버(110)에 저장된 배기가스의 적어도 일부는 제1 배기가스 공급라인(EL1)을 통해 엔진(100)으로 압축된 연소공기를 공급하여 연소 효율을 높일 수 있고, 연소공기를 압축시킨 후 배출되는 배기가스는 EGE(400)로 공급하여 선박의 스팀 수요처(450)에서 필요로하는 스팀을 생성시킬 수 있으며, 배기가스 리시버(110)에 저장된 배기가스의 적어도 일부는 제2 배기가스 공급라인(EL2)을 통해 EGR 유닛(600) 등에 의해 냉각 및 정제되어 엔진(100)으로 공급되는 연소공기가 더 높은 이산화탄소 농도와 더 낮은 산소 농도를 가지도록 하여 질소산화물의 생성을 방지할 수 있으면서도, EGR 유닛(600)으로 공급되는 배기가스가 EGE(400)로 공급되는 스팀 생성용 물을 열교환기(500)에서 1차 가열시킴으로써 EGE(400)에서 스팀 생성량을 증가시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 열교환기(500)에서 스팀 생성용 물을 1차 가열시킨 후 EGE(400)로 공급함으로써 스팀 생성량이 증가하므로, 발전 엔진용 EGE 등 EGE를 추가로 설치하지 않아도 되므로 설비 비용이 절감되고 공간 효율이 증대되며, 또한 스팀의 추가 생성을 위해 연료를 연소시켜 스팀을 생성시키는 보조보일러의 운전을 억제할 수 있으므로 연료비가 감소되며 연료 연소 사용이 절감됨에 따라 배기가스의 배출이 감소되어 친환경적이며 환경 규제를 만족시킬 수 있다.
또한, 운전모드에 따라 환경 규제가 보다 덜 엄격한 Tier Ⅱ로 운전할 때에는 배기가스를 최대한 제1 배기가스 공급라인(EL1)으로 공급할 수 있으므로 Tier Ⅲ 규제 대상 지역을 운항하지 않을 때에는 엔진의 효율 및 스팀 생성량을 증대시킬 수 있고, Tier Ⅲ 규제 대상 지역을 운항할 때에는 제2 배기가스 공급라인(EL2)을 통해 배기가스를 이용하여 EGE(400)로 공급하기 전에 스팀 생성용 물을 1차 가열시키므로 EGR 유닛(600)으로 공급되는 배기가스의 유량이 많더라도 스팀 생성량이 감소하는 문제를 해결할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 실시 예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시 예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로 상술한 실시 예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고, 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
100 : 엔진
200 : 제1 과급기
300 : 제2 과급기
400 : EGE
500 : 열교환기
600 : EGR 유닛
700 : 연소공기 리시버
EL1 : 제1 배기가스 공급라인
EL2 : 제2 배기가스 공급라인
EL3 : 제3 배기가스 공급라인
V1, V2, V3 : 제1, 제2 및 제3 밸브
WL1 : 제1 물 공급라인
WB1 : 제2 물 공급라인
AL1 : 제1 연소공기 공급라인
AL2 : 제2 연소공기 공급라인

Claims (14)

  1. 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스를 이용하여 상기 엔진으로 연소공기를 공급하는 제1 과급기(Turbo Charger);
    상기 제1 과급기를 통과한 배기가스를 이용하여 스팀(Steam)을 생산하는 EGE(Exhaust Gas Economizer);
    상기 엔진에서 배출되는 배기가스를 냉각 및 정제하여 상기 엔진의 연소공기로 공급하는 EGR(Exhaust Gas Recirculation) 유닛;
    상기 제1 과급기가 마련되며 상기 EGE와 엔진을 연결하고 상기 EGE로 배기가스가 유입되는 경로인 제1 배기가스 공급라인;
    상기 EGR 유닛과 엔진을 연결하며 상기 EGR 유닛으로 배기가스가 유입되는 경로인 제2 배기가스 공급라인;
    상기 EGE로 스팀 생성용 물이 유입되는 경로인 제1 물 공급라인; 및
    상기 제2 배기가스 공급라인과 상기 제1 물 공급라인이 통과하며, 상기 EGR 유닛으로 공급되는 배기가스에 의해 상기 EGE로 공급되는 스팀 생성용 물이 가열되는 열교환기;를 포함하여,
    상기 제2 배기가스 공급라인을 따라 엔진의 연소공기로 배기가스는, 상기 열교환기에서 1차 냉각된 후 상기 EGR 유닛에서 2차 냉각되고,
    상기 배기가스가 상기 제2 배기가스 공급라인을 따라 엔진의 연소공기로 공급될 때 상기 EGE로 공급되는 스팀 생성용 물은, 상기 열교환기에서 1차 가열된 후 상기 EGE에서 2차 가열됨으로써,
    상기 제1 배기가스 공급라인 및 제2 배기가스 공급라인을 흐르는 배기가스의 열에너지가 상기 스팀을 생산하기 위해 사용되는, 선박의 배기가스 회수 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 과급기와 구별되며, 상기 엔진에서 배출되는 배기가스를 이용하여 상기 엔진으로 연소공기를 공급하는 제2 과급기;를 더 포함하여,
    상기 제2 과급기에서 압축된 압축공기는 상기 EGR 유닛으로 공급되어 냉각된 후 상기 엔진의 연소공기로 공급되고,
    상기 제1 과급기에서 압축된 압축공기는 상기 제1 과급기 후단에 마련되는 쿨러에서 냉각된 후 상기 엔진의 연소공기로 공급되는, 선박의 배기가스 회수 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 과급기가 마련되며 상기 제2 과급기를 통과한 배기가스를 상기 EGE로 공급하는 제3 배기가스 공급라인;을 더 포함하는, 선박의 배기가스 회수 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    운전모드에 따라 상기 제2 배기가스 공급라인의 개폐를 조절하는 제2 밸브; 및
    운전모드에 따라 상기 제3 배기가스 공급라인의 개폐를 조절하는 제3 밸브;를 더 포함하는, 선박의 배기가스 회수 시스템.
  5. 청구항 3 또는 4에 있어서,
    상기 열교환기를 우회하여 상기 EGE로 스팀 생성용 물을 공급하는 제2 물 공급라인;을 포함하여,
    운전모드에 따라 상기 제1 물 공급라인 및 제2 물 공급라인의 개폐를 조절하는 밸브;를 더 포함하는, 선박의 배기가스 회수 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 과급기로 외기를 공급하고, 상기 제1 과급기에서 압축된 외기를 상기 엔진의 연소공기로 공급하는 제1 연소공기 공급라인;을 더 포함하고,
    상기 제1 연소공기 공급라인으로부터 분기되며 상기 제1 과급기에서 압축된 압축공기를 배기가스 리시버로 공급하는 제1 바이패스 라인; 및
    운전모드에 따라 상기 제1 바이패스 라인의 개폐를 조절하는 제1 밸브;를 더 포함하는, 선박의 배기가스 회수 시스템.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 배기가스 공급라인에 마련되며, 상기 열교환기에서 1차 냉각된 배기가스로 유체를 분사하여 냉각 및 정제시키는 프리 스프레이;를 더 포함하여,
    상기 제2 배기가스 공급라인을 유동하는 배기가스는 상기 열교환기, 프리 스프레이 및 EGR 유닛을 순차적으로 통과하여 상기 엔진의 연소공기로 공급되는 것을 특징으로 하는, 선박의 배기가스 회수 시스템.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 제2 밸브 및 제3 밸브를 제어하는 제어부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 선박이 운항하는 해역에 따라 상기 배기가스 회수 시스템을 제1 운전모드 및 제2 운전모드로 제어하되,
    상기 제1 운전모드에서는, 상기 제2 밸브를 폐쇄하고 상기 열교환기는 동작하지 않도록 제어하여 상기 배기가스의 열에너지가 EGE에서 회수되도록 하고,
    상기 제2 운전모드에서는, 상기 제2 밸브를 개방하고 상기 열교환기를 동작시켜 상기 배기가스의 열에너지가 열교환기 및 EGE에서 회수되어 스팀 생성용으로 활용되도록 하는, 선박의 배기가스 회수 시스템.
  9. 선박의 운항 해역에 따라 제1 운전모드 및 제2 운전모드를 선택하여 상기 선박의 배기가스를 회수하는 방법에 있어서,
    상기 제1 운전모드는,
    상기 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스를 과급기로 공급하는 단계;
    상기 과급기로부터 배출되는 배기가스와, 스팀을 생산하기 위한 스팀 생성용 물을 EGE로 공급하는 단계; 및
    상기 EGE에서 상기 배기가스의 열에너지로 스팀을 생산하는 단계;를 포함하고,
    상기 제2 운전모드는,
    상기 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스의 일부를 상기 엔진의 연소공기로 공급하는 단계; 및
    상기 엔진의 연소공기로 공급하고 남은 나머지 일부는 상기 과급기로 공급하는 단계;를 포함하고,
    상기 연소공기로 공급되는 배기가스와 상기 스팀 생성용 물을 열교환시켜, 상기 연소공기로 공급되는 배기가스에 의해 상기 스팀 생성용 물을 예열하는 단계;
    상기 과급기로부터 배출되는 배기가스와, 상기 연소공기로 공급되는 배기가스에 의해 가열된 스팀 생성용 물을, 상기 EGE로 공급하는 단계; 및
    상기 EGE에서 상기 과급기로부터 공급된 배기가스와 상기 가열된 물을 열교환시켜 스팀을 생산하는 단계;를 포함하는, 선박의 배기가스 회수 방법.
  10. 삭제
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2 운전모드일 때에는,
    상기 스팀 생성용 물과 열 교환한 배기가스는 EGR 유닛으로 공급하는 단계; 및
    상기 EGR 유닛에서 냉각 및 세정시킨 배기가스를 상기 엔진의 연소공기로 공급하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 선박의 배기가스 회수 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 과급기는 제1 과급기와 제2 과급기를 포함하여 2개 이상 구비되고,
    상기 제1 운전모드일 때에는,
    상기 제1 과급기 및 제2 과급기로 상기 배기가스를 분배하여 공급하고 상기 제1 및 제2 과급기의 컴프레서에서 외기를 압축시키는 단계; 및
    상기 제1 및 제2 과급기에서 외기를 압축시킨 후 배출되는 배기가스는 상기 EGE로 공급하고,
    상기 제2 과급기에서 압축된 압축공기는 상기 EGR 유닛을 이용하여 냉각시켜 상기 엔진의 연소공기로 공급하는 단계;를 더 포함하는, 선박의 배기가스 회수 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스를 배기가스 리시버에 수용하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 제1 과급기에서 압축된 연소공기를 쿨러로 공급하여 냉각시키거나, 상기 쿨러를 우회하여 상기 배기가스 리시버로 연결되는 바이패스 라인으로 공급하는 단계;를 더 포함하여,
    상기 제1 운전모드일 때에는,
    상기 바이패스 라인을 폐쇄하고,
    상기 제2 운전모드일 때에는,
    상기 바이패스 라인을 폐쇄하거나 적어도 일부만 개방하는 것을 특징으로 하는, 선박의 배기가스 회수 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제2 운전모드일 때에는,
    상기 연소공기로 공급할 배기가스를 상기 스팀 생성용 물로 냉각시키는 단계;
    상기 냉각시킨 배기가스를 EGR 유닛으로 공급하여 냉각 및 세정시키는 단계; 및
    상기 냉각 및 세정시킨 배기가스를 연소공기 리시버로 공급하는 단계;를 포함하여,
    상기 냉각 및 세정시킨 배기가스와 상기 압축공기를 혼합하여 상기 엔진의 연소공기로 공급하는, 선박의 배기가스 회수 방법.
KR1020160138595A 2016-10-24 2016-10-24 선박의 배기가스 회수 시스템 및 방법 KR101818525B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160138595A KR101818525B1 (ko) 2016-10-24 2016-10-24 선박의 배기가스 회수 시스템 및 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160138595A KR101818525B1 (ko) 2016-10-24 2016-10-24 선박의 배기가스 회수 시스템 및 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101818525B1 true KR101818525B1 (ko) 2018-01-15

Family

ID=61001334

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160138595A KR101818525B1 (ko) 2016-10-24 2016-10-24 선박의 배기가스 회수 시스템 및 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101818525B1 (ko)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190114286A (ko) 2018-03-29 2019-10-10 삼성중공업 주식회사 선박의 연소 공기 처리 시스템
WO2020091299A1 (ko) * 2018-10-31 2020-05-07 대우조선해양 주식회사 극지용 선박의 공기 공급 시스템
CN111605667A (zh) * 2020-06-01 2020-09-01 江苏科技大学 一种多能互补型船舶冷热水系统
KR20200111348A (ko) 2019-03-19 2020-09-29 대우조선해양 주식회사 극지운항선박의 빙저항 감소를 위한 온수분사장치
KR102176993B1 (ko) * 2019-09-18 2020-11-12 삼보모터스주식회사 응축수 분리 유닛 및 이를 포함하는 egr 모듈
CN112377339A (zh) * 2020-12-01 2021-02-19 广西玉柴机器股份有限公司 一种分离出egr废气中水汽的方法及系统
WO2022073900A1 (en) * 2020-10-09 2022-04-14 Maersk A/S Steam assisted air supply system for a hull of a vessel and a vessel comprising the air supply system
RU2796128C2 (ru) * 2018-10-31 2023-05-17 Дэу Шипбилдинг Энд Марин Инжиниринг Ко., Лтд. Система подачи воздуха для полярного судна

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101185444B1 (ko) * 2010-12-02 2012-10-02 삼성중공업 주식회사 배기가스 재순환 장치를 적용한 선박 엔진의 폐열 회수 시스템
KR101356005B1 (ko) * 2012-03-09 2014-01-29 대우조선해양 주식회사 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감장치

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101185444B1 (ko) * 2010-12-02 2012-10-02 삼성중공업 주식회사 배기가스 재순환 장치를 적용한 선박 엔진의 폐열 회수 시스템
KR101356005B1 (ko) * 2012-03-09 2014-01-29 대우조선해양 주식회사 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감장치

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20190114286A (ko) 2018-03-29 2019-10-10 삼성중공업 주식회사 선박의 연소 공기 처리 시스템
WO2020091299A1 (ko) * 2018-10-31 2020-05-07 대우조선해양 주식회사 극지용 선박의 공기 공급 시스템
RU2796128C2 (ru) * 2018-10-31 2023-05-17 Дэу Шипбилдинг Энд Марин Инжиниринг Ко., Лтд. Система подачи воздуха для полярного судна
KR20200111348A (ko) 2019-03-19 2020-09-29 대우조선해양 주식회사 극지운항선박의 빙저항 감소를 위한 온수분사장치
KR102176993B1 (ko) * 2019-09-18 2020-11-12 삼보모터스주식회사 응축수 분리 유닛 및 이를 포함하는 egr 모듈
WO2021054497A1 (ko) * 2019-09-18 2021-03-25 삼보모터스주식회사 응축수 분리 유닛 및 이를 포함하는 egr 모듈
CN111605667A (zh) * 2020-06-01 2020-09-01 江苏科技大学 一种多能互补型船舶冷热水系统
WO2022073900A1 (en) * 2020-10-09 2022-04-14 Maersk A/S Steam assisted air supply system for a hull of a vessel and a vessel comprising the air supply system
CN112377339A (zh) * 2020-12-01 2021-02-19 广西玉柴机器股份有限公司 一种分离出egr废气中水汽的方法及系统
CN112377339B (zh) * 2020-12-01 2023-12-15 广西玉柴机器股份有限公司 一种分离出egr废气中水汽的方法及系统

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101818525B1 (ko) 선박의 배기가스 회수 시스템 및 방법
JP6309190B2 (ja) 内燃機関および船舶ならびに内燃機関の運転方法
CN204253221U (zh) 船舶柴油机NOx和SOx联合减排装置
US8627662B2 (en) Exhaust gas recirculation heat recovery system and method
CN104358627A (zh) 船舶柴油机NOx和SOx联合减排装置及控制方法
KR101607654B1 (ko) 크로스헤드 및 배기가스 재순환 기능을 구비한 대형 저속 터보차지 2-행정 내연 기관 및 이의 작동 방법
WO2012026302A1 (ja) エンジン排気ガス浄化装置
US20070220885A1 (en) EGR energy recovery system
JP2014129790A5 (ko)
US11149592B2 (en) Combined power generation apparatus
KR20150004939A (ko) 엔진 배기가스 정화 장치
KR101867032B1 (ko) 선박의 배기가스 회수 시스템 및 방법
JP2014137050A (ja) エンジンシステム及び船舶
CA2814222A1 (en) System and method for enhancing engine performance
KR20130126507A (ko) 내연 기관
KR100982225B1 (ko) 가습공기 디젤 엔진
CN112196703B (zh) 船用低速双燃料主机扫气空气氧浓度的动态控制系统和方法
KR20180006059A (ko) 엔진의 배기가스 재순환 시스템 및 방법
KR20180006055A (ko) 엔진의 배기가스 재순환 시스템 및 방법
KR20180021588A (ko) 선박의 폐열을 이용한 에너지 절감 시스템 및 방법
KR102463199B1 (ko) 엔진 시스템
KR101300714B1 (ko) 선박의 재순환되는 배기가스와 폐열을 이용한 에너지 절감 장치
KR101734247B1 (ko) 엔진 시스템
KR20160035255A (ko) 선박용 엔진의 배기가스 재순환 시스템 및 방법
CN204253220U (zh) 一种船舶二冲程柴油机废气再循环系统

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant