KR101938685B1 - 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의해 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치는, 가스연료를 연소하여 동력을 발생시키는 연소기관과, 연소기관의 배기가스가 유동하는 배기가스관과, 배기가스관에 연결되며 코로나 방전을 하여 플라즈마를 발생시켜 배기가스를 산화시키는 제1 플라즈마 정화유닛과, 제1 플라즈마 정화유닛 후단의 배기가스관에 연결되며, 요소수와 가스연료를 공급받고 화염을 분사해 열플라즈마를 발생시켜 요소수로부터 환원물질인 암모니아를 생성하고, 암모니아로 산화된 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원시켜 제거하는 제2 플라즈마 정화유닛, 및 제2 플라즈마 정화유닛에 수분을 공급하는 수분공급부를 포함할 수 있다.

Description

배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치{Power generating device having apparatus for reducing air pollutant}
본 발명은 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연소기관의 배기가스에 포함된 유해가스인 질소산화물의 발생을 효과적으로 줄일 수 있는 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 선박에 설치되는 각종 엔진은 연료를 연소하여 동력을 생성하며, 연료의 연소과정에서 발생되는 배기가스는 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 미세분진(PM) 등의 유해물질을 포함하고 있다. 환경에 대한 인식이 점차 증가함에 따라, 배기가스에 포함된 각종 유해물질에 대한 규제가 엄격해지고 있는 실정이다. 특히, 배기가스 중 질소산화물과 황산화물은 유엔 산하기관인 국제 해사기구(IMO; International Maritime Organization)로부터 배출규제를 받고 있는 대표적인 대기 오염물질들이다. 질소산화물의 경우, Tier III가 발효되는 시점인 2016년 1월 1일 이후 용골 거치(keel laying)한 선박부터 3.4g/ kwh이하로 그 배출량을 규제하고 있으며, 황산화물의 경우, 2015년 1월 1일 이후 SECA(Sulfur Emission Control Area)에서 0.1%황 이하로, 2020년 1월 1일 이후 전세계 모든 지역에서 0.5%황 이하로 그 배출이 규제된다. 이에 따라, 선박의 배기가스 처리를 위한 다양한 장치 및 방법들이 도입되고 있다.
종래의 배기가스 처리장치는 습식 스크러버를 이용하여 황산화물을 저감시키고, 선택적 환원촉매 시스템(SCR: Selective Catalytic Reduction)을 이용하여 질소산화물을 저감시킨다. 선택적 환원촉매 시스템은 배기가스에 요소수를 분사한 후 선택적 환원 촉매를 통과하도록 하여, 요소수가 열분해되어 생성된 암모니아와 질소산화물을 반응시켜 물과 질소로 변환시킨다. 요소수는 약 300℃ 이상에서 분해되어 암모니아를 생성하므로, 종래에는 별도의 전기히터를 사용하여 배기가스의 온도를 전체적으로 높이고 있다. 따라서, 전력 소비가 큰 문제점이 있으며, 촉매를 주기적으로 교체해야 하므로 이에 따른 비용이 증가하는 문제점도 있다. 또한, 습식 스크러버에서 배출되는 산성화된 세정수로 인해 배관, 장비 등이 부식되는 문제점도 있다.
이에, 보다 저렴하고 간단하게 배기가스를 처리할 수 있는 장치가 필요하게 되었다.
대한민국 등록특허 제10-1582625호 2015. 12. 29
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 연소기관의 배기가스에 포함된 유해가스인 질소산화물의 발생을 효과적으로 줄일 수 있는 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치는, 가스연료를 연소하여 동력을 발생시키는 연소기관과, 상기 연소기관의 배기가스가 유동하는 배기가스관과, 상기 배기가스관에 연결되며, 코로나 방전을 하여 플라즈마를 발생시켜 상기 배기가스를 산화시키는 제1 플라즈마 정화유닛과, 상기 제1 플라즈마 정화유닛 후단의 상기 배기가스관에 연결되며, 요소수와 상기 가스연료를 공급받고 화염을 분사해 열플라즈마를 발생시켜 상기 요소수로부터 환원물질인 암모니아를 생성하고, 상기 암모니아로 산화된 상기 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원시켜 제거하는 제2 플라즈마 정화유닛, 및 상기 제2 플라즈마 정화유닛에 수분을 공급하는 수분공급부를 포함한다.
상기 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치는, 상기 가스연료를 액화하여 저장하는 연료저장탱크, 및 상기 연료저장탱크에 저장된 연료가 자연적으로 기화하여 생성된 자연증발가스나 상기 연료저장탱크에 저장된 연료를 강제적으로 기화하여 생성한 강제증발가스를 상기 연소기관에 공급하는 연료공급관을 더 포함할 수 있다.
상기 수분공급부는 상기 배기가스관과 열교환하여 청수를 수증기로 변환하거나 보일러에서 청수를 수증기로 변환하여 상기 제2 플라즈마 정화유닛으로 수분을 공급할 수 있다.
상기 제2 플라즈마 정화유닛은 수분이 변환된 OH 라디칼과 O 라디칼로 연료를 연소시킬 수 있다.
상기 제2 플라즈마 정화유닛은 상기 연소기관의 연료로 공급되는 메탄, 에탄, LPG, 메탄올 중 적어도 하나를 공급받아 화염을 생성할 수 있다.
상기 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치는, 상기 제1 플라즈마 정화유닛 전단의 상기 배기가스관에 연결되어, 상기 배기가스에 포함된 미세분진을 제거하는 전처리유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 전처리유닛은 상기 수분공급부로부터 수분을 공급받아 상기 배기가스에 분사할 수 있다.
상기 전처리유닛은 상기 연소기관의 연료로 공급되는 메탄, 에탄, LPG, 메탄올 중 적어도 하나를 공급받아 연소하여 축적된 상기 미세분진을 제거할 수 있다.
상기 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력발생장치는, 상기 연료공급관으로부터 분지되어 상기 제2 플라즈마 정화유닛에 상기 가스연료를 공급하는 제1 연료주입관과, 상기 연료공급관 또는 상기 제1 연료주입관으로부터 분지되어 상기 전처리유닛에 상기 가스연료를 공급하는 제2 연료주입관을 더 포함할 수 있다.
상기 수분공급부는 상기 배기가스관과 열교환하여 청수를 수증기로 변환하거나 보일러에서 청수를 수증기로 변환하여 상기 제1 플라즈마 정화유닛으로 수분을 공급할 수 있다.
상기 연소기관은 ME-GI 엔진이거나 ME-LGI 엔진으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 선택적 환원촉매 시스템 대신 토치 형태의 플라즈마 장치를 이용하여 요소수를 열분해하므로, 배기가스의 온도를 전체적으로 높이기 위한 별도의 전기히터를 생략할 수 있다. 따라서, 전기히터의 사용에 따른 전력 소비를 줄일 수 있으며, SCR 촉매를 사용하지 않으므로, SCR 촉매의 주기적인 교체에 따른 비용도 절감할 수 있다.
또한, 연료가 자연적으로 기화하여 발생된 증발가스(BOG; Boil Off Gas)를 토치 플라즈마장치의 연료로 사용함으로써, 증발가스의 경제적 활용을 통해 히팅 비용을 절감하고, 예열 시간 및 열량을 절감할 수 있다. 또한, 토치 플라즈마장치의 산화제로서 공기 대신 스팀을 사용함으로써, 질소산화물의 추가 발생을 차단할 수 있다.
또한, 장기간 사용으로 인해 전처리유닛, 및 플라즈마 장치 내부에 불순물이 쌓인 경우, 자가 세정할 수 있어 오염물질의 정화 효율이 향상될 수 있다.
또한, 플라즈마 모듈을 배기관 내부에 설치함으로써, 장치의 부피를 저감할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 제1 플라즈마 정화유닛을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 3은 제2 플라즈마 정화유닛을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 4는 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치는 연료를 연소하여 동력을 발생시키고, 연료의 연소로 발생되는 배기가스에 포함된 각종 오염물질(질소산화물, 미세분진 등)의 농도를 줄여 배출기준에 적합한 공기를 배출할 수 있는 장치로, 예를 들어, 액화천연가스(LNG, Liquefied Natural Gas)와 같은 가스연료를 연소하여 선박에 필요한 각종 동력을 발생시키는 연소기관을 포함할 수 있다.
배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치는 선택적 환원촉매 시스템 대신 토치 형태의 플라즈마 장치를 이용하여 요소수를 열분해하므로, 배기가스의 온도를 전체적으로 높이기 위한 별도의 전기히터를 생략할 수 있다. 따라서, 전기히터의 사용에 따른 전력 소비를 줄일 수 있으며, SCR 촉매를 사용하지 않으므로, SCR 촉매의 주기적인 교체에 따른 비용도 절감할 수 있다. 또한, 연료가 자연적으로 기화하여 발생된 증발가스(BOG)를 토치 플라즈마장치의 연료로 사용함으로써, 증발가스의 경제적 활용을 통해 히팅 비용을 절감하고, 예열 시간 및 열량을 절감할 수 있다. 또한, 토치 플라즈마장치의 산화제로서 공기 대신 스팀을 사용함으로써, 질소산화물의 추가 발생을 차단할 수 있다. 또한, 장기간 사용으로 인해 전처리유닛, 및 플라즈마 장치 내부에 불순물이 쌓인 경우, 자가 세정할 수 있어 오염물질의 정화 효율이 향상될 수 있는 장점이 있다.
이하, 도 1 내지 3을 참조하여, 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치(1)에 관하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이고, 도 2는 제1 플라즈마 정화유닛을 확대하여 도시한 단면도이며, 도 3은 제2 플라즈마 정화유닛을 확대하여 도시한 단면도이다.
본 발명에 따른 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치(1)는, 연소기관(10)과, 배기가스관(20)과, 제1 플라즈마 정화유닛(30)과, 제2 플라즈마 정화유닛(40), 및 수분공급부(50)를 포함한다.
연소기관(10)은 가스연료를 연소하여 기계적 에너지를 발생시키는 장치로서, 가스엔진과 같은 내연기관뿐만 아니라 가스터빈과 같은 외연기관, 및 기타 열기관을 포함할 수 있다. 즉, 본원 발명의 연소기관(10)은 가스연료를 연소하여 동력을 발생시키는 원동기를 통칭하며, 예를 들어, 이중연료기관(Dual Fuel Engine), 특히, 메탄 또는 에탄을 연료로 사용하는 ME-GI 엔진 또는 LPG 또는 메탄올 중 어느 하나를 연료로 사용하는 ME-LGI 엔진일 수 있다. 이하, 연소기관(10)이 메탄을 연료로 사용하는 ME-GI 엔진인 것으로 한정하여 보다 구체적으로 설명한다.
연소기관(10)은 연료공급관(110)을 통해 연료저장탱크(100)에 저장된 연료, 특히, 연료가 자연적으로 기화하여 생성된 자연증발가스(nBOG, natural Boil Off Gas)나 저장된 연료를 강제적으로 기화하여 생성한 강제증발가스(fBOG, forced Boil Off Gas)를 공급받으며, 액화되어 연료저장탱크(100)에 저장된 연료는 일련의 처리과정, 예를 들어, 압축 및 냉각 과정을 거쳐 기화되어 연소에 적합한 압력과 온도로 연소기관(10)에 공급될 수 있다. 예를 들어, 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas)는 1.06bar, -161℃의 상태로 연료저장탱크(100)에 저장되며, 연료공급관(110) 상에 설치된 열교환기(110a)를 통과하여 1.06bar, 40℃의 상태로 가온된 후, 다단 압축기(110b)와 냉각기(110c)를 통과하여 300bar, 40℃의 가스 상태로 연소기관(10)에 공급될 수 있다. 보다 구체적으로, 연소기관(10)에는 약 95~98%의 가스연료, 예를 들어, 메탄(CH₄)과, 파일럿 연료인 약 2~5%의 액체 연료, 예를 들어, 경유(MGO, Marine Gas Oil) 또는 디젤유(MDO, Marine Diesel Oil) 또는 중유(HFO, Heavy Fuel Oil)가 공급될 수 있다.
연소기관(10)은 흡기관(10a)을 통해 흡입된 공기와 연료공급관(110)을 통해 공급된 가스연료를 혼합하고 연소시켜 동력을 얻으며, 연소 과정에서 발생한 배기가스를 배기가스관(20)으로 공급한다. 전술한 바와 같이, 연소기관(10)에는 약 95~98%의 메탄(CH₄)과 약 2~5%의 액체 연료가 공급되므로, 연료의 연소로 발생된 배기가스에는 다량의 질소산화물(NOx)과 소량의 황산화물(SOx), 및 미세분진(PM) 등이 포함될 수 있다.
배기가스관(20)은 연소기관(10)에 연결되어 배기가스가 유동하는 통로를 제공하는 관으로, 후술할 제1 플라즈마 정화유닛(30)에 연결된다. 배기가스관(20)은 복수 개의 연소기관(10)에 연결될 수 있으며, 복수 개의 연소기관(10)은 선택적으로 동작하여 배기가스를 배출할 수 있다. 또한, 배기가스관(20)은 연소기관(10)에 직접 연결되어 고온의 배기가스가 이동하는 통로가 되거나, 적어도 하나의 폐열회수부(50a)를 통과하여 배기열의 대부분이 회수되고 남은 폐가스가 이동하는 통로가 될 수 있다. 이하, 배기가스관(20)이 폐열회수부(50a)를 통과하여 제1 플라즈마 정화유닛(30)에 연결되는 구조를 보다 중점적으로 설명한다.
폐열회수부(50a)는 배기가스관(20)을 유동하는 배기가스의 배기열을 회수하여 재사용하는 장치로, 예를 들어, 조수기모듈(70)에서 공급되는 청수와 배기가스관(20)을 유동하는 배기가스를 열교환하여 배기열을 회수할 수 있다. 조수기모듈(70)은 해수를 청수로 변환하여 배출하는 장치로, 일 측이 연소기관(10)과 연결될 수 있다. 즉, 조수기모듈(70)은 연소기관(10)과의 열교환을 통해 해수를 증발 및 응축시켜 청수를 생성할 수 있다. 조수기모듈(70)에서 생성된 청수는 필요에 따라 청수저장탱크(70a)에 저장되며, 청수저장탱크(70a)는 별도의 배관을 통해 폐열회수부(50a)에 연결되어 저장된 청수 중 일부를 공급할 수 있다. 다시 말해, 폐열회수부(50a)는 조수기모듈(70)에서 공급되는 청수와 배기가스관(20)을 유동하는 배기가스의 열교환을 통해 청수를 증발시켜 수증기를 생성한다. 폐열회수부(50a)가 청수를 증발시켜 수증기를 생성함으로써, 이온이 전혀 없는 순수한 기체 상태의 수증기가 생성될 수 있다. 폐열회수부(50a)에서 생성된 수증기는 다양한 필요처에 사용될 수 있으며, 폐열회수부(50a)를 통과한 배기가스는 제1 플라즈마 정화유닛(30)에 공급된다.
제1 플라즈마 정화유닛(30)은 코로나 방전을 하여 플라즈마를 발생시켜 배기가스를 산화시키는 장치로, 폐열회수부(50a) 후단의 배기가스관(20) 상에 연결된다. 도면 상에는 제1 플라즈마 정화유닛(40)이 배기가스관(30)의 외측에 노출되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 제1 플라즈마 정화유닛(40)은 배기가스관(30) 내부에 수용될 수도 있다. 제1 플라즈마 정화유닛(30)은 펄스 고전압에 의해 코로나 방전이 되면 배기가스가 플라즈마 상태가 되어 ㆍOH, ㆍO, ㆍN 등의 산화성 라디칼과 오존(O₃ )을 발생시키는데, 이러한 산화성 라디칼과 오존이 배기가스에 포함된 질소산화물을 제거할 수 있다.
도 2를 참조하여 구체적으로 설명하면, 제1 플라즈마 정화유닛(30)은 제1 전극(31)과 제2 전극(32)을 포함하여 플라즈마를 생성한다. 제1 전극(31)은 내부에 공간이 형성된 통 형상 또는 서로 평행하게 배치된 한 쌍의 플레이트 형상으로 형성되며, 제2 전극(32)은 와이어 형상으로 형성되어 복수 개가 통 형상의 제1 전극(31) 내부 또는 플레이트 형상의 제1 전극(31) 사이에 이격되어 배치된다. 제1 플라즈마 정화유닛(30)은 제1 전극(31)과 제2 전극(32) 사이를 통과하는 배기가스에 포함된 질소산화물을 산화시켜 직접 정화할 수 있으며, 질소산화물은 아래의 반응식에 따라 산화된다.
<반응식>
NO + O -> NO₂
NO + H₂O -> NO₂ + OH
NO + OH -> HNO₂
HNO₂ + OH -> NO₂ + H₂O
NO + O₃ -> NO₂ + O₂
즉, 배기가스에 포함된 다량의 일산화질소(NO)는 제1 플라즈마 정화유닛(30)에서 이산화질소(NO₂) 등으로 산화된다. 제1 플라즈마 정화유닛(30)에서 산화된 배기가스는 제2 플라즈마 정화유닛(40)으로 공급되어 추가로 정화된다. 따라서, 제1 플라즈마 정화유닛(30)은 배기가스에 포함된 일산화질소와 이산화황을 전부 산화시키지 않고 일부만 산화시킨다. 제1 플라즈마 정화유닛(30)이 배기가스를 일부만 산화시킴으로써, 제1 플라즈마 정화유닛(30)의 구동에 필요한 전력을 줄일 수 있는 장점이 있다.
제2 플라즈마 정화유닛(40)은 요소수와 가스연료를 공급받고 화염을 분사해 열플라즈마를 발생시켜 요소수로부터 환원물질인 암모니아를 생성하고, 암모니아로 산화된 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원시켜 제거하는 장치로, 제1 플라즈마 정화유닛(30) 후단의 배기가스관(20)에 적어도 하나가 연결될 수 있다. 제2 플라즈마 정화유닛(40)은 예를 들어, 플라즈마 토치 또는 플라즈마 버너로 형성될 수 있다. 도면 상에는 제2 플라즈마 정화유닛(50)이 배기가스관(30)의 외측에 노출되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 제2 플라즈마 정화유닛(50)은 배기가스관(30) 내부에 수용될 수도 있다.
요소수는 상온에서 고체 상태로 존재하며, 약 300℃ 이상에서 분해되어 암모니아(NH₃)를 생성한다. 요소수의 분해로 생성된 암모니아(NH₃)는 환원제로 작용하여 아래의 반응식에 따라 이산화질소(NO₂)를 질소로 환원시킨다.
<반응식>
(NH₂) ₂CO + H₂O -> 2NH₃ + CO₂
NO + NO₂ + 2NH₃ -> 2 N₂ + 3H₂O
즉, 제2 플라즈마 정화유닛(40)은 공급받은 요소수와 가스연료에 화염을 분사하여 열플라즈마를 발생시켜 요소수를 암모니아(NH₃)와 이산화탄소(CO₂)로 분해한다. 이 때, 요소수의 분해로 생성된 암모니아(NH₃)는 이산화질소(NO₂)와 반응하여 질소(N₂)와 물(H₂O)을 생성한다. 이산화질소(NO₂)가 제거되고 대기 중에 방출이 가능한 질소((N₂)가 포함된 배기가스는 배기 기준에 적합하므로, 배기가스관(20)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 이 때, 배기가스관(20) 상에는 별도의 폐열회수장치(90)가 마련되어 배기열을 추가로 회수할 수도 있다.
전술한 바와 같이, 요소수는 약 300℃ 이상에서 분해된다. 따라서, 제2 플라즈마 정화유닛(40)은 내부 온도를 요소수의 분해에 적합한 온도로 높이기 위해 연료저장탱크(100)와 수분공급부(50)로부터 각각 연료와 수분을 공급받을 수 있다.
도 1 및 도 3을 참조하여 구체적으로 설명하면, 제2 플라즈마 정화유닛(40)은 연료공급관(110)으로부터 분지되어 제2 플라즈마 정화유닛(40)의 제1 챔버(41)에 연결되는 제1 연료주입관(120)을 통해 가스연료, 즉, 메탄(CH₄), 에탄, LPG, 메탄올 중 적어도 하나를 공급받아 화염을 생성하고 화염의 크기를 키운다. 이 때, 연소기관(10)이 ME-GI엔진일 경우 메탄 또는 에탄을 공급받고, ME-LGI엔진일 경우 LPG 또는 메탄올을 공급받을 수 있다. 제1 연료주입관(120) 상에는 액체 상태의 연료를 기체 상태의 메탄(CH₄)으로 기화시키는 적어도 하나의 기화기(120a)와, 연료를 펌핑하는 펌프유닛(120b)이 연결될 수 있다. 즉, 액체 상태의 연료는 강제적으로 기화되어 강제증발가스로 제2 플라즈마 정화유닛(40)에 공급되거나, 자연적으로 기화되어 자연증발가스로 제2 플라즈마정화유닛(40)에 공급될 수 있다. 제2 플라즈마 정화유닛(40)에 기체 상태의 메탄(CH₄)이 공급됨으로써, 열플라즈마에 의해 연소가 보다 용이하게 이루어질 수 있으며, 이로 인해, 화염의 크기도 쉽게 커져 요소수의 분해에 적합한 온도로 원활하게 높일 수 있다. 제2 플라즈마 정화유닛(40)에 공급되는 연료는 연소가 목적이므로, 제1 연료주입관(120)은 열교환기(110a)와 다단 압축기(110b) 사이의 연료공급관(110)으로부터 분지되어 가온된 연료를 공급할 수 있다. 요소수저장탱크(80)에 저장된 요소수는 화염의 크기가 커지는 부분, 즉, 제2 챔버(42)를 향해 공급되어, 화염에 의해 쉽게 분해될 수 있다. 제2 플라즈마 정화유닛(40)이 가스연료를 공급받아 연소함으로써, 화염의 크기가 커 화력과 열량이 크므로, 요소수의 분해가 용이할 뿐만 아니라 예열이 필요없거나 예열시간이 단축되어 신속한 운용이 가능한 장점이 있다.
또한, 제2 플라즈마 정화유닛(40)은 수분공급부(50)와 제2 플라즈마 정화유닛(40)을 연결하는 제1 수분공급관(51)을 통해 수분을 공급받아 메탄(CH₄)을 연소시킨다. 이 때, 제1 연료주입관(120)과 제1 수분공급관(51)은 제2 플라즈마 정화유닛(40), 특히, 제1 챔버(41) 내부의 동일 지점을 향해 각각 메탄(CH₄)과 수분을 공급하고, 토치(40a)도 동일 지점을 향해 점화하여, 메탄(CH₄)의 연소와 화염의 생성, 및 화염의 크기 증가가 원활하게 이루어질 수 있다.
구체적으로, 제2 플라즈마 정화유닛(40) 내부로 공급된 수분은 화염에 의한 열플라즈마에 의해 OH 라디칼과 O 라디칼로 변환되며, OH 라디칼과 O 라디칼은 제2 플라즈마 정화유닛(40)으로 공급되는 가스연료, 즉, 메탄(CH₄)을 연소시키는 반응제로 작용한다. 제2 플라즈마 정화유닛(40)이 대기 중의 공기를 이용하여 연료를 연소시키지 않고, 수분공급부(50)로부터 공급된 수분이 변환된 OH 라디칼과 O 라디칼을 반응제로 연료를 연소시킴으로써, 연소가 촉진됨과 동시에 질소산화물의 추가 발생을 방지할 수 있다. 다시 말해, 약 78%의 질소와 약 21%의 산소로 이루어진 공기를 공급받아 연료를 연소할 경우, 질소산화물이 추가로 발생하게 되는데, 수분을 공급받아 연료를 연소시킴으로써, 질소산화물의 추가 발생을 방지할 수 있다. 또한, 제2 플라즈마 정화유닛(40) 내부로 공급된 수분은 화염에 의한 열플라즈마에 의해 수소와 산소로 분해되는데, 이 때, 분해 생성된 수소도 화염을 생성하는 연료로 사용할 수 있어 가스연료의 투입량을 줄이고 경제성을 향상시킬 수 있다. 또한, 처리해야 할 배기가스 또는 질소산화물의 양이 증가하거나 배기가스의 온도가 낮아질 경우, 토치(40a)에 전원을 공급하는 마이크로파 전력(microwave power)은 그대로 유지시키고 가스연료와 수분의 공급량을 증가시키면 되므로, 경제적인 운전이 가능하다. 특히, 토치(40a)에 전원을 공급하는 마이크로파 전력이 그대로 유지됨으로써, 제2 플라즈마 정화유닛(40)의 반응 공간, 즉, 메탄과 수분이 공급되고 토치(40a)가 점화하는 제1 챔버(41)의 크기가 작아질 수 있어 장치의 소형화를 구현할 수 있다.
메탄(CH₄)과 수분이 공급된 제2 플라즈마 정화유닛(40)은 화염의 크기가 증가하여 내부 온도가 약 1200℃까지 증가될 수 있다. 따라서, 요소수의 분해가 용이하게 이루어질 수 있으며, 이와 동시에, 요소수의 분해로 생성된 일산화탄소(CO) 중 카본(C, Carbon)이 연소되어 제거될 수도 있다. 카본은 600℃ 이상에서 연소되므로, 제2 플라즈마 정화유닛(40)은 장기간 사용하더라도 불순물이 과도하게 쌓이지 않아 별도의 세정 작업이 생략될 수 있다. 제2 플라즈마 정화유닛(40) 내부 온도가 약 1200℃까지 증가함에 따라 배기가스의 온도도 일부 증가하게 되며, 이로 인해, 외부로 배출되는 배기가스관(20) 상에 마련된 폐열회수장치(90)에서 회수되는 배기열이 증가하여 전체 장치 효율이 향상될 수 있다.
수분공급부(50)는 전술한 폐열회수부(50a)로 형성되어, 배기가스관(20)과 열교환하여 청수를 증발시켜 수증기로 변환하여 제2 플라즈마 정화유닛(40)으로 수분을 공급할 수 있다. 그러나, 수분공급부(50)가 폐열회수부(50a)로 형성되는 것으로 한정될 것은 아니며, 제2 플라즈마 정화유닛(40)에 수분을 공급할 수 있는 다양한 장치로 형성될 수 있다. 예를 들어, 수분공급부(50)는 청수를 수증기로 변환하는 보일러(50b)로 형성되거나, 폐열회수부(50a)와 보일러(50b)를 모두 포함할 수 있다. 수분공급부(50)가 폐열회수부(50a)와 보일러(50b)를 모두 포함하는 경우, 제2 플라즈마 정화유닛(40)은 폐열회수부(50a)와 보일러(50b) 중 적어도 하나로부터 수분을 공급받거나 폐열회수부(50a)와 보일러(50b)로부터 동시에 수분을 공급받을 수 있다.
수분공급부(50)는 제1 플라즈마 정화유닛(30)에도 수분을 공급할 수 있다. 수분공급부(50)는 제2 수분공급관(52)을 통해 제1 플라즈마 정화유닛(30)에 수분을 공급하며, 제2 수분공급관(52)은 제1 수분공급관(51)으로부터 분지되어 제1 플라즈마 정화유닛(30)에 연결될 수 있다. 제1 플라즈마 정화유닛(30)은 장기간 사용 시, 제2 전극(32)의 표면에 불순물이 쌓이게 된다. 이는 제2 전극(32)이 제1 전극(31)보다 배기가스와의 접촉이 많고 고온이 발생하며 이온화 반응이 주로 일어나기 때문이다. 제2 전극(32)에 쌓인 불순물은 배기가스에 포함된 질소산화물과 제2 전극(32)이 접촉하는 면적을 감소시켜 제1 플라즈마 정화유닛(30)의 성능을 저하시키고 장치의 오작동 및 고장을 유발할 수 있다. 이러한 제1 플라즈마 정화유닛(30)에 수분이 공급됨으로써, 수분이 변환된 OH 라디칼과 O 라디칼을 반응제로 내부의 불순물을 산화시킬 수 있다. 구체적으로, 제1 플라즈마 정화유닛(30)에 수분이 공급되면, 코로나 방전을 하여 발생된 플라즈마에 의해 수분이 분해되어 OH 라디칼과 O 라디칼과 같은 이온을 생성한다. 생성된 이온은 제2 전극(32)의 표면에 쌓인 불순물, 예를 들어, 카본 등과 반응하며, 이로 인해, 카본이 이산화탄소로 산화되어 제2 전극(32)으로부터 탈리될 수 있다. 제1 플라즈마 정화유닛(30)이 수분을 공급받아 내부에 쌓인 불순물을 산화시켜 제거함으로써, 질소산화물의 정화 효율이 향상될 수 있다. 그러나, 제2 수분공급관(52)이 제1 수분공급관(51)으로부터 분지되어 제1 플라즈마 정화유닛(30)에 연결되는 구조로 한정될 것은 아니며, 예를 들어, 제2 수분공급관(52)은 일단이 수분공급부(50)에 연결되고 타단이 제1 플라즈마 정화유닛(30)에 연결될 수도 있다.
한편, 제1 플라즈마 정화유닛(30) 전단의 배기가스관(20)에는 전처리유닛(60)이 연결될 수 있다. 전처리유닛(60)은 배기가스에 포함된 미세분진을 제거하는 장치로, 예를 들어, 물분자를 분사하여 미세분진의 농도를 감소시키거나, 미세분진의 투과율이 낮은 분리막을 이용하여 미세분진의 농도를 감소시키거나, 압력 강하가 적은 금속 메쉬(metal mesh)를 복수 개 중첩하여 사용하거나 다공성막을 이용하여 미세분진의 농도를 감소시킬 수 있다. 전처리유닛(60)이 배기가스에 포함된 미세분진을 제거함으로써, 제1 플라즈마 정화유닛(30)으로 공급되는 배기가스의 미세분진 농도가 감소하게 된다. 따라서, 플라즈마 방전을 유도하는 제2 전극(32) 또는 제1 전극(31)에 미세분진이 흡착되는 것을 방지하여 배기가스의 산화효율을 향상시킬 수 있다.
수분공급부(50)는 전처리유닛(60)에도 수분을 공급할 수 있다. 수분공급부(50)는 제3 수분공급관(53)을 통해 전처리유닛(60) 내부의 배기가스에 수분을 분사하며, 제3 수분공급관(53)은 제1 수분공급관(51)으로부터 분지되어 전처리유닛(60)에 연결될 수 있다. 전처리유닛(60)에 수분이 공급됨으로써, 수분입자가 미세분진에 흡착되어 미세분진의 농도를 감소시킴과 동시에 미세분진이 쌓인 내부를 세척할 수 있다.
또한, 전처리유닛(60)은 연료저장탱크(100)로부터 연료를 공급받아 내부를 세척할 수도 있다. 전처리유닛(60)은 연료공급관(110) 또는 제1 연료주입관(120)으로부터 분지되어 전처리유닛(60)에 연결되는 제2 연료주입관(130)을 통해 연료, 즉, 메탄(CH₄), 에탄, LPG, 메탄올 중 적어도 하나를 공급받으며, 연료를 연소하여 내부에 축적된 미세분진을 태워 세척할 수 있다. 전처리유닛(60)이 연료를 연소하여 내부를 세척하는 경우, 내부에 별도의 점화장치가 설치될 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여, 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치(1)의 동작에 관해 좀 더 상세히 설명한다.
도 4는 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
본 발명에 따른 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치(1)는 토치 형태의 제2 플라즈마 정화유닛(40)을 이용하여 요소수를 열분해하므로, 배기가스의 온도를 전체적으로 높이기 위한 별도의 전기히터를 생략할 수 있다. 따라서, 전기히터의 사용에 따른 전력 소비를 줄일 수 있으며, SCR 촉매를 사용하지 않으므로, SCR 촉매의 주기적인 교체에 따른 비용도 절감할 수 있다. 또한, 연료가 자연적으로 기화하여 발생된 증발가스를 토치 플라즈마장치의 연료로 사용함으로써, 증발가스의 경제적 활용을 통해 히팅 비용을 절감하고, 예열 시간 및 열량을 절감할 수 있다. 또한, 토치 플라즈마장치의 산화제로서 공기 대신 스팀을 사용함으로써, 질소산화물의 추가 발생을 차단할 수 있다. 또한, 장기간 사용으로 인해 전처리유닛(60), 및 제1 플라즈마 정화유닛(30) 내부에 불순물이 쌓인 경우, 자가 세정할 수 있어 오염물질의 정화 효율이 향상될 수 있다.
도 4를 참조하면, 연료저장탱크(100)에 저장된 연료는 연료공급관(110) 상에 설치된 열교환기(110a)와, 다단 압축기(110b), 및 냉각기(110c)를 통과하여 연소에 적합한 압력과 온도로 연소기관(10)에 공급된다. 연소기관(10)은 흡기관(10a)을 통해 공급되는 공기와 연료공급관(110)을 통해 공급되는 연료를 혼합하고 연소시켜 동력을 발생시키며, 연소과정에서 발생하는 배기가스를 배기가스관(20)을 통해 배출시킨다. 연소기관(10)에 공급되는 연료는 약 95~98%의 메탄과 약 2~5%의 파일럿 연료가 공급되므로, 배기가스에는 다량의 질소산화물과 소량의 황산화물, 미세분진 등이 포함될 수 있다.
배기가스관(20)으로 배출된 배기가스는 폐열회수부(50a)에서 청수와 열교환하여 배기열이 회수되고, 폐열회수부(50a)는 배기열로 청수를 증발시켜 수증기로 변환한다. 폐열회수부(50a)를 통과한 배기가스는 전처리유닛(60)에 공급되며, 전처리유닛(60)은 배기가스에 포함된 미세분진을 제거한다. 이 때, 전처리유닛(60)은 폐열회수부(50a) 또는 보일러(50b)로부터 제3 수분공급관(53)을 통해 수분, 특히, 수증기를 공급받아 미세분진에 분사할 수 있다. 전처리유닛(60) 내부에 다량의 미세분진이 쌓인 경우, 전처리유닛(60)은 제3 수분공급관(53)을 통해 공급되는 수분을 이용하여 내부를 세척하거나, 제2 연료주입관(130)을 통해 공급되는 연료를 연소하여 미세분진을 태울 수 있다. 그러나, 전처리유닛(60)에서 미세분진이 제거되는 것으로 한정될 것은 아니며, 예를 들어, 제2 플라즈마 정화유닛(30)에 표준의 10배에 대응하는 가스연료와 양론비의 2배에 대응하는 환원제를 공급하여 미세분진을 태울 수도 있다.
미세분진이 제거된 배기가스는 배기가스관(20)을 통해 제1 플라즈마 정화유닛(30)에 공급된다. 제1 플라즈마 정화유닛(30)은 코로나 방전을 하여 플라즈마를 발생시켜, 배기가스에 포함된 질소산화물을 산화시킨다. 제1 플라즈마 정화유닛(30)은 제2 수분공급관(52)을 통해 공급되는 수분을 ㅡOH 라디칼과 O 라디칼로 변환하며, 변환된 OH 라디칼과 O 라디칼을 반응제로 내부에 쌓인 불순물을 산화시킨다. OH 라디칼과 O 라디칼에 의해 산화된 불순물은 제1 플라즈마 정화유닛(30) 내부에서 탈리되어 제거될 수 있다.
산화된 배기가스는 배기가스관(20)을 통해 제2 플라즈마 정화유닛(40)에 공급된다. 제2 플라즈마 정화유닛(40)은 요소수저장탱크(80)와, 제1 연료주입관(120)과, 제1 수분공급관(51)으로부터 각각 요소수와, 연료와, 수분을 공급받으며, 연료와 수분이 공급되는 지점에 화염을 분사하여 열플라즈마를 발생시켜 배기가스를 정화한다. 제2 플라즈마 정화유닛(40)으로 공급되는 가스연료는 화염의 크기를 키우고 불꽃의 온도를 높이며 질소산화물을 환원시키는 역할을 하며, 수분은 열플라즈마에 의해 OH 라디칼과 O 라디칼로 변환되어 연료를 연소시키는 역할을 한다. 연료의 연소에 의해 요소수는 분해되어 암모니아를 생성하며, 암모니아는 이산화질소와 반응하여 질소와 물을 생성한다. 질소를 포함하는 배기가스는 배기 기준에 적합하므로, 배기가스관(20)을 통해 외부로 배출된다. 이 때, 제2 플라즈마 정화유닛(40) 후단의 배기가스관(20) 상에는 폐열회수장치(90)가 마련되어 배기열을 추가로 회수할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치
10: 연소기관 10a: 흡기관
20: 배기가스관 30: 제1 플라즈마 정화유닛
31: 제1 전극 32: 제2 전극
40: 제2 플라즈마 정화유닛 50: 수분공급부
50a: 폐열회수부 50b: 보일러
51: 제1 수분공급관 52: 제2 수분공급관
53: 제3 수분공급관 60: 전처리유닛
70: 조수기모듈 70a: 청수저장탱크
80: 요소수저장탱크 90: 폐열회수장치
100: 연료저장탱크 110: 연료공급관
110a: 열교환기 110b: 압축기
110c: 냉각기 120: 제1 연료주입관
120a: 기화기 120b: 펌프유닛
130: 제2 연료주입관

Claims (11)

  1. 가스연료를 연소하여 동력을 발생시키는 연소기관;
    상기 연소기관의 배기가스가 유동하는 배기가스관;
    상기 배기가스관에 연결되며, 코로나 방전을 하여 플라즈마를 발생시켜 상기 배기가스를 산화시키는 제1 플라즈마 정화유닛;
    상기 제1 플라즈마 정화유닛 후단의 상기 배기가스관에 연결되며, 요소수와 상기 가스연료를 공급받고 화염을 분사해 열플라즈마를 발생시켜 상기 요소수로부터 환원물질인 암모니아를 생성하고, 상기 암모니아로 산화된 상기 배기가스에 포함된 질소산화물을 환원시켜 제거하는 제2 플라즈마 정화유닛;
    상기 제2 플라즈마 정화유닛에 수분을 공급하는 수분공급부;
    상기 가스연료를 액화하여 저장하는 연료저장탱크;
    상기 연료저장탱크에 저장된 연료가 자연적으로 기화하여 생성된 자연증발가스나 상기 연료저장탱크에 저장된 연료를 강제적으로 기화하여 생성한 강제증발가스를 상기 연소기관에 공급하는 연료공급관; 및
    상기 제1 플라즈마 정화유닛 전단의 상기 배기가스관에 연결되어, 상기 배기가스에 포함된 미세분진을 제거하는 전처리유닛을 포함하되,
    상기 전처리유닛은 상기 수분공급부로부터 상기 수분을 공급받아 상기 배기가스에 분사하는 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서, 상기 수분공급부는 상기 배기가스관과 열교환하여 청수를 수증기로 변환하거나 보일러에서 청수를 수증기로 변환하여 상기 제2 플라즈마 정화유닛으로 수분을 공급하는 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 제2 플라즈마 정화유닛은 상기 수분이 변환된 OH 라디칼과 O 라디칼로 상기 가스연료를 연소시키는 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 제2 플라즈마 정화유닛은 상기 연소기관의 상기 가스연료로 공급되는 메탄, 에탄, LPG, 메탄올 중 적어도 하나를 공급받아 화염을 생성하는 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제1 항에 있어서, 상기 전처리유닛은 상기 연소기관의 상기 가스연료로 공급되는 메탄, 에탄, LPG, 메탄올 중 적어도 하나를 공급받아 연소하여 축적된 상기 미세분진을 제거하는 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 연료공급관으로부터 분지되어 상기 제2 플라즈마 정화유닛에 상기 가스연료를 공급하는 제1 연료주입관과,
    상기 연료공급관 또는 상기 제1 연료주입관으로부터 분지되어 상기 전처리유닛에 상기 가스연료를 공급하는 제2 연료주입관을 더 포함하는 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치.
  10. 제1 항에 있어서, 상기 수분공급부는 상기 배기가스관과 열교환하여 청수를 수증기로 변환하거나 보일러에서 청수를 수증기로 변환하여 상기 제1 플라즈마 정화유닛으로 수분을 공급하는 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치.
  11. 제1 항에 있어서, 상기 연소기관은 ME-GI 엔진이거나 ME-LGI 엔진인 배기 오염물질 저감장치를 포함하는 동력 발생 장치.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210004423A (ko) * 2019-07-04 2021-01-13 한국기계연구원 스크러버 및 과불화합물과 질소산화물 제거 시스템
KR20210006645A (ko) * 2019-07-09 2021-01-19 한국기계연구원 과불화합물과 질소산화물 제거 시스템
KR102350269B1 (ko) * 2021-09-15 2022-01-12 주식회사 용호기계기술 Sncr 기반 선박용 플라즈마 질소산화물 제어 방법 및 장치

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4151645B2 (ja) * 2004-11-29 2008-09-17 トヨタ自動車株式会社 排ガス浄化装置及びその制御方法
KR20150135157A (ko) * 2014-05-23 2015-12-02 현대중공업 주식회사 액화가스 처리 시스템
KR101582625B1 (ko) 2014-05-16 2016-01-05 한국기계연구원 플라즈마를 이용한 디젤엔진의 질소산화물과 피엠 동시 저감 시스템

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4151645B2 (ja) * 2004-11-29 2008-09-17 トヨタ自動車株式会社 排ガス浄化装置及びその制御方法
KR101582625B1 (ko) 2014-05-16 2016-01-05 한국기계연구원 플라즈마를 이용한 디젤엔진의 질소산화물과 피엠 동시 저감 시스템
KR20150135157A (ko) * 2014-05-23 2015-12-02 현대중공업 주식회사 액화가스 처리 시스템

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210004423A (ko) * 2019-07-04 2021-01-13 한국기계연구원 스크러버 및 과불화합물과 질소산화물 제거 시스템
KR102248261B1 (ko) 2019-07-04 2021-05-04 한국기계연구원 스크러버 및 과불화합물과 질소산화물 제거 시스템
KR20210006645A (ko) * 2019-07-09 2021-01-19 한국기계연구원 과불화합물과 질소산화물 제거 시스템
KR102284143B1 (ko) 2019-07-09 2021-07-30 한국기계연구원 과불화합물과 질소산화물 제거 시스템
KR102350269B1 (ko) * 2021-09-15 2022-01-12 주식회사 용호기계기술 Sncr 기반 선박용 플라즈마 질소산화물 제어 방법 및 장치

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