KR101997312B1 - 동력 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 동력 장치에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 동력 장치는 동력 발생 과정에서 배출된 배기가스가 이동하는 배기 유로와, 상기 배기 유로 상에 설치되어 배기가스의 압력으로 터빈을 돌려 흡입된 공기를 압축시켜 공급하는 과급기와, 상기 과급기를 거친 상기 배기 유로에 설치되어 배기가스의 열에너지를 회수하는 이코노마이저(economizer)와, 상기 과급기 전방의 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 이코노마이저와 연결된 분기 유로, 그리고 상기 분기 유로 상에 설치된 분기 가열 장치를 포함한다.

Description

동력 장치{POWER PLANT}
본 발명은 동력 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동력 발생 과정에서 배출된 배기가스로부터 에너지를 효과적으로 회수하기 위한 동력 장치에 관한 것이다.
일반적으로 선박 또는 플랜트에서 사용되는 다양한 동력 장치는 배기가스를 발생시킨다. 그리고 동력 장치에는 배기가스로부터 운동에너지 및 열에너지를 회수하여 에너지의 이용 효율을 높이는 기술이 적용되고 있다.
예를 들어, 과급기를 통해 운동 에너지를 회수하거나 이코노마이저(economizer)를 통해 열에너지를 회수하고 있다.
또한, 근래에 환경 규제가 점점 강화되면서 동력 장치는 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 기술도 적용되고 있다.
예를 들어, 배기가스에 함유된 질소산화물을 저감시키기 위한 기술로 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템이 있다. 선택적 촉매 환원 시스템은 촉매가 내부에 설치된 반응기에 배기가스와 환원제를 함께 통과시키면서 배기가스에 함유된 질소산화물과 환원제를 반응시켜 질소와 수증기로 환원 처리한다. 여기서, 환원제로는 암모니아(NH3)가 직접 사용되거나 우레아(urea)를 분해하여 생성된 암모니아가 사용될 수 있다.
또한, 선택적 촉매 환원 시스템은 경제성과 방사능 규제 등을 고려하여 섭씨 250도 내지 섭씨 350도 범위 내의 활성 온도를 갖는 고온 활성 촉매를 주로 이용하고 있다. 여기서, 활성 온도는 촉매가 피독되지 않고 안정적으로 질소산화물을 환원시킬 수 있는 온도를 말한다.
그런데, 촉매가 활성 온도 범위 밖에서 반응할 경우, 촉매가 피독되면서 지속적으로 촉매의 활성도가 저하된다. 특히, 고온 활성 촉매가 설치된 반응기에 섭씨 250도 미만의 상대적으로 낮은 온도를 갖는 배기 가스가 유입되면, 배기가스의 황산화물(SOx)과 환원제인 암모니아(NH4)가 반응하여 촉매 피독 물질이 생성된다. 촉매 피독 물질은 황산암모늄(Ammonium sulfate, (NH4)2SO4)과 아황산수소암모늄(Ammonium bisulfate, NH4HSO4) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
이러한 촉매 피독 물질은 촉매에 흡착되어 촉매의 활성을 저하시킨다. 그리고 촉매 피독 물질은 촉매뿐만 아니라 이코노마이저에도 부착되어 열교환 효율을 저하시킬 수 있다.
이코노마이저는 촉매 피독 물질 외에도 배기가스에 포함된 각종 이물질에 오염되어 열교환 효율이 저하되거나 허용 압력 이상의 차압이 발생될 수 있다. 이러한 이물질은 먼지, 수트(soot), 탄화수소(Hydro-carbon)계 물질 등을 포함할 수 있다.
종래에는 동력 장치의 가동이 정지되었을 때, 작업자가 이코노마이저를 물세척(Water Cleaning)하는 방법으로 이물질을 제거하였다.
하지만, 작업자에 의한 물세척 방법은 반드시 동력 장치의 가동 정지가 수반되어야 하므로 이코노마이저의 열교환 효율이 저하되거나 허용 압력 이상의 차압이 발생되었을 때, 즉각적인 문제 해결이 어렵다.
또한, 물세척을 수행하더라도 물세척 과정에서 발생된 폐수를 별도로 처리해야 하는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예는 사용 중인 이코노마이저(economizer)를 효과적으로 유지 보수할 수 있는 동력 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 동력 발생 과정에서 배출된 배기가스가 이동하는 배기 유로와, 상기 배기 유로 상에 설치되어 배기가스의 압력으로 터빈을 돌려 흡입된 공기를 압축시켜 공급하는 과급기와, 상기 과급기를 거친 상기 배기 유로에 설치되어 배기가스의 열에너지를 회수하는 이코노마이저(economizer)와, 상기 과급기 전방의 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 이코노마이저와 연결된 분기 유로, 그리고 상기 분기 유로 상에 설치된 분기 가열 장치를 포함한다.
상기 이코노마이저에 이물질이 부착되어 열교환 효율이 저하되면, 상기 분기 유로를 통해 상기 이코노마이저로 배기가스의 일부를 이동시키고 상기 분기 가열 장치를 가동하여 상기 분기 유로를 통해 이동하는 배기가스의 온도를 승온시킬 수 있다.
상기 분기 가열 장치는 가동되면 상기 이코노마이저의 내부 온도를 섭씨 250도 내지 섭씨 500도 범위 내의 온도로 승온시킬 수 있다.
상기 분기 유로 상에 설치되어 상기 분기 유로를 개폐하는 분기 밸브를 더 포함할 수 있다.
상기한 동력 장치는 상기 이코노마이저의 내부 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함할 수 있다.
상기한 동력 장치는 상기 온도 센서로부터 온도 정보를 전달받고 상기 분기 밸브의 개폐 및 상기 분기 가열 장치의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기한 동력 장치는 상기 과급기 전방의 상기 배기 유로 상에 설치되어 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)를 저감시키는 선택적 촉매 환원 반응기를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 분기 유로는 상기 선택적 촉매 환원 반응기 전방의 상기 배기 유로에서 분기될 수 있다.
또한, 상기한 동력 장치는 상기 선택적 촉매 환원 반응기에 유입될 배기가스에 환원제를 분사하는 환원제 분사부와, 상기 선택적 촉매 환원 반응기 전방의 상기 배기 유로에 설치되어 상기 환원제 분사부가 분사한 환원제를 기화시키는 기화기를 더 포함할 수 있다.
상기한 동력 장치는 상기 선택적 촉매 환원 반응기 전방의 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 선택적 촉매 환원 반응기를 우회한 후 다시 상기 배기 유로에 합류하는 반응기 바이패스 유로를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기한 동력 장치는 상기 과급기와 상기 이코노마이저 사이의 상기 배기 유로 상에 설치되어 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)를 저감시키는 선택적 촉매 환원 반응기를 더 포함할 수 있다.
상기한 동력 장치는 상기 선택적 촉매 환원 반응기와 상기 이코노마이저 사이의 상기 배기 유로에서 분기하여 상기 선택적 촉매 환원 반응기와 상기 과급기 사이의 상기 배기 유로에 합류하는 재순환 유로와, 상기 재순환 유로 상에 설치된 블로워와, 상기 재순환 유로 상에 설치된 재순환 가열 장치와, 상기 재순환 유로 상에 설치된 분해 챔버, 그리고 상기 분해 챔버에 환원제를 공급하는 환원제 공급부를 더 포함할 수 있다.
상기한 동력 장치는 상기 선택적 촉매 환원 반응기 전방의 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 선택적 촉매 환원 반응기를 우회한 후 다시 상기 배기 유로에 합류하는 반응기 바이패스 유로를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 동력 장치는 사용 중인 이코노마이저(economizer)를 효과적으로 유지 보수할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 동력 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 동력 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 동력 장치의 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
또한, 여러 실시예들에 있어서, 동일한 구성을 가지는 구성요소에 대해서는 동일한 부호를 사용하여 대표적으로 제1 실시예에서 설명하고, 그 외의 실시예들에서는 제1 실시예와 다른 구성에 대해서만 설명하기로 한다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 축소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 동력 장치(101)를 설명한다.
도 1에서는 동력 장치(101)로 선박용 디젤 엔진(100)을 나타낸다. 선박용 디젤 엔진(100)은 2행정 저속 디젤 엔진일 수 있다. 하지만, 본 발명의 제1 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 동력 장치(101)는 플랜트용 내연기관이거나 차량용 엔진일 수도 있다.
도 1에서 참조부호 190은 디젤 엔진(100)의 배기 리시버를 나타낸다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 동력 장치(101)는 배기 유로(610), 과급기(200), 이코노마이저(economizer)(800), 분기 유로(670), 및 분기 가열 장치(850)를 포함한다.
또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 동력 장치(101)는 온도 센서(780), 분기 밸브(770), 및 제어부(700)를 더 포함할 수 있다.
배기 유로(610)는 동력 발생 과정에서 배출된 배기가스가 이동한다. 이때, 동력 발생 과정에서 배출된 배기가스에는 질소산화물(NOx)이 함유된 상태일 수 있다.
과급기(200)는 배기 유로(610) 상에 설치되어 배기가스의 압력으로 터빈을 돌려 흡입된 공기를 압축시켜 공급한다. 즉, 과급기(200)는 배기가스가 갖는 운동 에너지를 회수하여 재활용한다. 일례로, 과급기(200)는 배기가스가 갖는 압력으로 터빈을 돌려 엔진에 새로운 외부 공기를 압축하여 공급할 수 있다.
또한, 배기가스는 과급기(200)를 거치면서 온도가 낮아질 수 있다. 일례로, 동력 발생 과정에서 배출된 배기가스가 섭씨 250도 내지 섭씨 500도 범위 내의 온도를 갖는다면, 과급기(200)를 거치면서 배기가스의 온도는 섭씨 150도 이상 섭씨 250도 미만으로 낮아질 수 있다.
이코노마이저(economizer, 800)는 과급기(200)를 거친 배기 유로(610)에 설치되어 열 에너지를 회수한다. 즉, 이코노마이저(800)는 과급기(200)를 거친 배기가스로부터 폐열을 회수한다. 일례로, 도시하지는 않았으나, 이코노마이저(800)는 과열기와 증발기 등을 포함할 수 있다. 배기가스는 이코노마이저(800)의 과열기와 증발기를 순차로 통과하면서 열교환을 하게 된다. 증발기는 액체 상태의 작동 유체를 기체 상태로 상변화시키며, 과열기는 작동 유체를 과열 증기로 만든다. 이와 같이 생성된 증기는 증기 터빈에 공급되어 운동 에너지를 생성하거나 증기가 필요한 곳에 공급될 수 있다.
이코너마이저(800)를 통과하는 배기가스는 다양한 이물질을 포함한다. 이러한 이물질은 동력 발생 과정에서 생성된 먼지, 수트(soot), 탄화수소(Hydro-carbon)계 물질 등을 포함할 수 있다.
따라서, 이코노마이저(800)의 사용 시간이 경과함에 따라, 이코노마이저(800)에는 각종 이물질이 부착될 수 있다. 그리고 이코노마이저(800)에 부착된 이물질은 이코노마이저(800)의 열교환 효율을 저하시킬 수 있다.
분기 유로(670)는 과급기(200) 전방의 배기 유로(610)에서 분기되어 이코노마이저(800)와 연결된다. 이때, 이코노마이저(800)와 분기 유로(670)의 연결은 분기 유로(670)가 이코너마이저(800) 전방에서 배기 유로(610)에 다시 합류함으로써 간접적으로 연결되거나 분기 유로(670)가 이코너마이저(800)와 직접 연결될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 전방은 배기가스의 흐름을 기준으로 상류 측을 의미하며 후방은 하류 측을 의미한다.
분기 가열 장치(850)는 분기 유로(670) 상에 설치된다. 분기 가열 장치(850)가 가동되면 분기 유로(670)를 흐르는 유체, 즉 동력 발생 과정에서 배출된 배기가스의 분기된 일부를 가열하여 승온시킨다. 일례로, 분기 가열 장치(850)는 오일 버너(oil burner) 또는 플라스마 버너(plasma burner)일 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에서, 분기 가열 장치(850)가 공급하는 열 에너지는 이코노마이저(800)의 재생에 사용될 수 있다.
구체적으로, 이코노마이저(800)에 이물질이 부착되어 열교환 효율이 저하되면 분기 유로(670)를 통해 이코노마이저(800)로 배기가스의 일부를 과급기(200)를 우회하여 이동시키고, 분기 가열 장치(850)를 가동하여 분기 유로(670)를 통해 이동하는 배기가스의 온도를 승온시킨다. 이때, 분기 가열 장치(850)는 이코노마이저(800)의 내부 온도를 섭씨 250도 내지 섭씨 500도 범위 내의 온도로 승온시킨다.
이때, 분기 가열 장치(850)가 가열하는 분기 유로(670)를 따라 이코노마이저(800)로 이동하는 배기가스는 과급기(200)를 거치기 전의 배기가스이다. 그리고 과급기(200)를 거치기 전의 배기가스는 과급기(200)를 거친 후의 배기가스보다 상대적으로 높은 온도를 갖는다. 따라서 분기 가열 장치(850)는 최소한의 연료를 소모하여 이코노마이저(800)를 목표 온도까지 승온시킬 수 있다.
이코노마이저(800)의 내부 온도가 섭씨 250도 내지 섭씨 500도 범위 내의 온도로 승온되면, 이코노마이저(800)에 부착된 먼지, 수트(soot), 탄화수소(Hydro-carbon)계 물질 등의 이물질을 태워 제거하거나 분해시킬 수 있다.
분기 밸브(770)는 분기 유로(670)를 개폐한다. 분기 밸브(770)는 이코노마이저(800)가 정상 가동할 때에는 분기 유로(670)를 폐쇄하다가, 이코노마이저(800)가 비정상 가동 상태가 되면 분기 유로(670)를 개방한다. 비정상 가동 상태는 이코노마이저(800)의 열교환 효율이 기준치 이하거나 이코노마이저(800)의 전후단 차압이 기준치 이상인 경우에 해당할 수 있다. 여기서, 이코노마이저(800)의 전후단 차압이 기준치 이상인 경우는 이코노마이저(800)에 이물질이 부착되어 배기가스의 흐름을 방해한 것이 주요 원인일 수 있다. 이러한 비정상 가동 상태의 판단은 작업자 또는 제어부(700)가 수행할 수 있다.
온도 센서(780)는 이코노마이저(800)의 내부 온도를 측정한다. 즉, 제어부(700)는 온도 센서(780)로부터 온도 정보를 제공받아 분기 가열 장치(850)의 가동 정도를 제어한다.
이와 같이, 제어부(700)는 이코노마이저(800)가 비정상 가동 상태로 판단되면, 분기 밸브(770)를 개방하고 분기 가열 장치(850)를 가동시킨다. 그리고 제어부(700)는 온도 센서(780)로부터 실시간으로 온도 정보를 제공받아 이코노마이저(800)의 온도가 섭씨 250도 내지 섭씨 500도 범위 내에 들도록 분기 가열 장치(850)를 가동시킨다.
하지만, 본 발명의 제1 실시예에서, 제어부(700)는 생략될 수 있으며, 이 경우 분기 밸브(770)가 분기 유로(670)를 개방하면 분기 가열 장치(850)가 온도 센서(780)의 온도 정보를 직접 전달받아 이코노마이저(800)의 온도가 섭씨 250도 내지 섭씨 500도 범위 내에 들도록 가동될 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 동력 장치(101)는 사용 중인 이코노마이저(economizer, 800)를 효과적으로 유지 보수할 수 있다.
구체적으로, 열교환 효율이 저하된 이코노마이저(800)를 동력 장치(100)의 중단 없이도 재생시켜 성능을 회복시킬 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 동력 장치(102)를 설명한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 동력 장치(102)는, 제1 실시예에서, 선택적 촉매 환원 반응기(300)를 더 포함한다. 여기서, 선택적 촉매 환원 반응기(300)는 과급기(200) 전방의 배기 유로(610) 상에 설치된다. 즉, 동력 발생 과정에서 배출된 배기가스는 선택적 촉매 환원 반응기(300)를 먼저 거친 후 과급기(200)를 거쳐 이코노마이저(800)로 향하게 된다.
그리고 본 발명의 제2 실시예에서, 분기 유로(670)는 선택적 촉매 환원 반응기(300) 전방의 배기 유로(610)에서 분기된다. 즉, 분기 유로(670)를 통해 이동하는 배기가스는 선택적 촉매 환원 반응기(300)와 과급기(200)를 모두 우회하여 이코노마이저(800)로 향하게 된다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따른 동력 장치(102)는 환원제 분사부(570)와, 기화기(560)를 더 포함할 수 있다.
선택적 촉매 환원 반응기(300)는 동력 발생 과정에서 배출된 배기가스가 함유한 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 촉매를 포함한다. 촉매는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)과 환원제의 반응을 촉진시켜 질소산화물(NOx)을 질소와 수증기로 환원 처리한다.
촉매는 제올라이트(Zeolite), 바나듐(Vanadium), 및 백금(Platinum) 등과 같이 해당 기술 분야의 종사자에게 공지된 다양한 소재로 만들어질 수 있다. 일례로, 촉매는 섭씨 250도 내지 섭씨 350도 범위 내의 활성 온도를 가질 수 있다. 여기서, 활성 온도는 촉매가 피독되지 않고 안정적으로 질소산화물을 환원시킬 수 있는 온도를 말한다. 촉매가 활성 온도 범위를 벗어난 환경에서 반응하면, 촉매가 피독되면서 효율이 저하된다.
예를 들어, 섭씨 150도 이상 섭씨 250도 미만의 상대적으로 낮은 온도에서 배기가스가 함유한 질소산화물을 저감시키기 위한 환원 반응이 일어나면, 배기가스의 황산화물(SOx)과 환원제인 암모니아(NH3)가 반응하여 촉매 피독 물질이 생성된다.
구체적으로, 촉매를 피독시키는 촉매 피독 물질은 황산암모늄(Ammonium sulfate, (NH4)2SO4)과 아황산수소암모늄(Ammonium bisulfate, NH4HSO4) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이러한 촉매 피독 물질은 촉매에 흡착되어 촉매의 활성을 저하시킨다. 촉매 피독 물질은 상대적으로 높은 온도, 즉 섭씨 350도 내지 섭씨 450도 범위 내의 온도에서 분해되므로, 반응기(300) 내의 촉매를 승온시켜 피독된 촉매를 재생할 수 있다.
또한, 촉매 피독 물질은 촉매를 피독시킬 뿐만 아니라 발생된 촉매 피독 물질의 일부가 배기가스와 함께 이동하여 이코노마이저(800)에 부착될 수 있다. 즉, 본 발명의 제2 실시예에서는, 이코노마이저(800)에 부착되어 이코노마이저(800)의 열교환 효율을 저하시키는 이물질에 촉매 피독 물질이 포함된다.
환원제로는 암모니아(NH3) 또는 우레아(urea, CO(NH2)2)가 사용될 수 있다. 환원제로 우레아(urea)가 사용될 경우, 우레아(urea, CO(NH2)2)를 가수분해 또는 열분해시켜 암모니아(NH3)와 이소시안산(Isocyanic acid, HNCO)을 생성한다. 그리고 이소시안산(HNCO)은 다시 암모니아(NH3)와 이산화탄소(CO2)로 분해한다. 즉, 우레아를 분해시켜 최종적으로 암모니아를 생성한다. 그리고 암모니아(NH3)는 질소산화물과 직접 반응하는 최종적인 환원제의 역할을 한다. 우레아(urea, CO(NH2)2)와 이소시안산(Isocyanic acid, HNCO)은 환원제 전구체에 해당한다.
환원제 분사부(570)는 선택적 촉매 환원 반응기(300)에 유입될 배기가스에 전술한 환원제 또는 환원제 전구체를 분사한다.
기화기(560)는 선택적 촉매 환원 반응기(300) 전방의 배기 유로(610)에 설치되어 환원제 분사부(570)가 분사한 환원제 또는 환원제 전구체를 기화시킨다. 기화기(570)에서 기화된 환원제는 배기가스와 혼합되어 선택적 촉매 환원 반응기(300)의 촉매에서 질소산화물과 반응하게 된다.
바이패스 유로(620)는 선택적 촉매 환원 반응기(300) 전방의 배기 유로(610)에서 분기되어 선택적 촉매 환원 반응기(300)를 우회한 후 다시 배기 유로(610)에 합류한다.
또한, 본 발명의 제2 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 반응기(300)를 가동하지 않을 때, 바이패스 유로(620)를 통해 배기가스를 이동시킬 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에서도, 이코노마이저(800)에 이물질이 부착되어 열교환 효율이 저하되면 분기 유로(670)를 통해 이코노마이저(800)로 배기가스의 일부를 이동시키고, 분기 가열 장치(850)를 가동하여 분기 유로(670)를 통해 이동하는 배기가스의 온도를 승온시킨다. 이때, 분기 가열 장치(850)는 이코노마이저(800)의 내부 온도를 섭씨 250도 내지 섭씨 500도 범위 내의 온도로 승온시킨다. 이때, 분기 가열 장치(850)가 가열하는 분기 유로(670)를 따라 이코노마이저(800)로 이동하는 배기가스는 과급기(200)를 거치기 전의 배기가스이다. 그리고 과급기(200)를 거치기 전의 배기가스는 과급기(200)를 거친 후의 배기가스보다 상대적으로 높은 온도를 갖는다. 따라서 분기 가열 장치(850)는 최소한의 연료를 소모하여 이코노마이저(800)를 목표 온도까지 승온시킬 수 있다.
이코노마이저(800)의 내부 온도가 섭씨 250도 내지 섭씨 500도 범위 내의 온도로 승온되면, 이코노마이저(800)에 부착된 이물질을 태워 제거하거나 분해시킬 수 있다.
다만, 본 발명의 제2 실시예에서는, 이물질이 먼지, 수트(soot), 탄화수소(Hydro-carbon)계 물질뿐만 아니라 전술한 촉매 피독 물질을 포함할 수 있다. 촉매 피독 물질은 섭씨 250도 내지 섭씨 500도 범위 내의 온도에서 분해되어 제거된다.
분기 밸브(770)는 분기 유로(670)를 개폐한다. 분기 밸브(770)는 이코노마이저(800)가 정상 가동할 때에는 분기 유로(670)를 폐쇄하다가, 이코노마이저(800)가 비정상 가동 상태가 되면 분기 유로(670)를 개방한다. 비정상 가동 상태는 이코노마이저(800)의 열교환 효율이 기준치 이하거나 이코노마이저(800)의 전후단 차압이 기준치 이상인 경우에 해당할 수 있다. 여기서, 이코노마이저(800)의 전후단 차압이 기준치 이상인 경우는 이코노마이저(800)에 이물질이 부착되어 배기가스의 흐름을 방해한 것이 주요 원인일 수 있다. 이러한 비정상 가동 상태의 판단은 작업자 또는 제어부(700)가 수행할 수 있다.
온도 센서(780)는 이코노마이저(800)의 내부 온도를 측정한다. 즉, 제어부(700)는 온도 센서(780)로부터 온도 정보를 제공받아 분기 가열 장치(850)의 가동 정도를 제어한다.
이와 같이, 제어부(700)는 이코노마이저(800)가 비정상 가동 상태로 판단되면, 분기 밸브(770)를 개방하고 분기 가열 장치(850)를 가동시킨다. 그리고 제어부(700)는 온도 센서(780)로부터 실시간으로 온도 정보를 제공받아 이코노마이저(800)의 온도가 섭씨 250도 내지 섭씨 500도 범위 내에 들도록 분기 가열 장치(850)를 가동시킨다.
하지만, 본 발명의 제2 실시예에서도, 제어부(700)는 생략될 수 있으며, 이 경우 분기 밸브(770)가 분기 유로(670)를 개방하면 분기 가열 장치(850)가 온도 센서(780)의 온도 정보를 직접 전달받아 이코노마이저(800)의 온도가 섭씨 250도 내지 섭씨 500도 범위 내에 들도록 가동될 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 동력 장치(102)는 사용 중인 이코노마이저(economizer, 800)를 효과적으로 유지 보수할 수 있다.
구체적으로, 열교환 효율이 저하된 이코노마이저(800)를 동력 장치(102)의 중단 없이도 재생시켜 성능을 회복시킬 수 있다. 특히, 이코노마이저(800)에 부착된 촉매 피독 물질도 효과적으로 제거할 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 동력 장치(103)를 설명한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 동력 장치(103)는, 제1 실시예에서, 선택적 촉매 환원 반응기(300)를 더 포함한다. 여기서, 선택적 촉매 환원 반응기(300)는 과급기(200)와 이코노마이저(800) 사이의 배기 유로(610) 상에 설치된다. 즉, 동력 발생 과정에서 배출된 배기가스는 과급기(200)를 먼저 거친 후 선택적 촉매 환원 반응기(300)를 거쳐 이코노마이저(800)로 향하게 된다.
그리고 본 발명의 제3 실시예에서, 분기 유로(670)는 선택적 촉매 환원 반응기(300) 전방의 배기 유로(610)에서 분기된다. 즉, 분기 유로(670)를 통해 이동하는 배기가스는 선택적 촉매 환원 반응기(300)와 과급기(200)를 모두 우회하여 이코노마이저(800)로 향하게 된다.
또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 동력 장치(103)는 재순환 유로(680), 블로워(400), 재순환 가열 장치(450), 분해 챔버(500), 환원제 분사부(570), 및 환원제 공급부(550)를 더 포함할 수 있다.
선택적 촉매 환원 반응기(300)는 동력 발생 과정에서 배출된 배기가스가 함유한 질소산화물(NOx)을 저감시키기 위한 촉매를 포함한다. 촉매는 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)과 환원제의 반응을 촉진시켜 질소산화물(NOx)을 질소와 수증기로 환원 처리한다.
재순환 유로(680)는 선택적 촉매 환원 반응기(300)와 이코너마이저(800) 사이의 배기 유로(610)에서 분기하여 선택적 촉매 환원 반응기(300)와 과급기(200) 사이의 배기 유로에 합류한다. 즉, 선택적 촉매 환원 반응기(300)를 거친 배기가스가 재순환 유로(680)를 통해 다시 선택적 촉매 환원 반응기(300)로 유입될 수 있다.
재순환 가열 장치(450)는 재순환 유로(680) 상에 설치되어 재순환 유로(680)를 흐르는 유체를 승온시킨다. 재순환 가열 장치(450)가 공급하는 열 에너지는 환원제를 분해 생성하거나 촉매를 재생시키는데 사용될 수 있다.
재순환 가열 장치(450)에 의해 승온된 유체는 배기 유로(610)와 재순환 유로(680)를 순환하면서, 후술할 분해 챔버(500)의 내부 온도를 승온시키거나 선택적 촉매 환원 반응기(300) 내부에 설치된 촉매를 승온시킬 수 있다.
이때, 재순환 가열 장치(450)는 순환하는 유체를 지속적으로 가열하므로, 상대적으로 적은 에너지를 사용하여 유체를 승온시킬 수 있다. 즉, 후술할 분해 챔버(500)의 내부 온도를 승온시키거나 선택적 촉매 환원 반응기(300) 내부에 설치된 촉매를 승온시키는데 소모되는 에너지를 최소화할 수 있다.
이와 같이, 재순환 가열 장치(450)에 의해 선택적 촉매 반응기(300)에 설치된 촉매의 온도가 촉매 피독 물질의 분해 온도까지 상승하면, 촉매에 부착된 촉매 피독 물질이 제거된다.
또한, 재순환 가열 장치(450)에 의해 후술할 분해 챔버(500)의 온도가 상승하면 분해 챔버(500) 내 분사된 환원제 전구체가 열분해 또는 가수분해되면서 환원제가 생성된다.
일례로, 재순환 가열 장치(450)도 오일 버너(oil burner) 또는 플라스마 버너(plasma burner)일 수 있다.
블로워(400)는 재순환 유로(680) 상에 설치된다. 블로워(400)는 재순환 유로(680)를 따라 선택적 촉매 환원 반응기(300) 후방에서 반응기(300) 전방으로 유체를 재순환시킬 수 있다.
분해 챔버(500)는 환원제 전구체인 우레아(urea, CO(NH2)2)를 공급받아 이를 분해하여 질소산화물(NOx)을 환원시킬 환원제로 사용되는 암모니아(NH3)를 생성한다.
구체적으로, 분해 챔버(500) 내의 온도가 섭씨 300도 내지 섭씨 500도 범위 내로 유지되면, 우레아(urea, CO(NH2)2)가 용이하게 가수분해되면서 암모니아(NH3)와 이소시안산(Isocyanic acid, HNCO)이 생성된다. 그리고 이소시안산(HNCO)은 다시 암모니아(NH3)와 이산화탄소(CO2)로 분해된다. 즉, 우레아가 분해되면 최종적으로 암모니아가 생성될 수 있다.
환원제 분사부(570)는 분해 챔버(500)에서 생성된 암모니아(NH3)를 공급받아 반응기(300)에 유입될 배기가스에 분사한다. 환원제 분사부(570)를 통해 분사된 암모니아는 배기가스와 혼합되어 반응기(300)의 촉매를 거치면서 배기가스에 함유된 질소산화물을 환원시킨다. 환원제 분사부(570)는 선택적 촉매 환원 반응기(300) 전방의 배기 유로(610)에 설치될 수 있다. 또한, 경우에 따라 환원제 분사부(570)는 선택적 촉매 환원 반응기(300)의 전단에 설치될 수도 있다.
환원제 공급부(550)는 환원제 전구체인 우레아를 분해 챔버(500)에 공급한다. 일례로, 환원제 공급부(550)는 엔진(100)의 부하에 따라 변동하는 환원제 요구량을 고려하여 적절한 양의 우레아를 분해 챔버(500)에 공급할 수 있다.
환원제 공급부(550)는 저장 탱크, 분무용 압축 공기 공급 장치 등 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다양한 구성을 포함할 수 있다.
바이패스 유로(620)는 선택적 촉매 환원 반응기(300) 전방의 배기 유로(610)에서 분기되어 선택적 촉매 환원 반응기(300)를 우회한 후 다시 배기 유로(610)에 합류한다.
또한, 본 발명의 제3 실시예에 따르면, 선택적 촉매 환원 반응기(300)를 가동하지 않을 때, 바이패스 유로(620)를 통해 배기가스를 이동시킬 수 있다.
본 발명의 제3 실시예에서도, 이코노마이저(800)에 이물질이 부착되어 열교환 효율이 저하되면 분기 유로(670)를 통해 이코노마이저(800)로 배기가스의 일부를 이동시키고, 분기 가열 장치(850)를 가동하여 분기 유로(670)를 통해 이동하는 배기가스의 온도를 승온시킨다. 이때, 분기 가열 장치(850)는 이코노마이저(800)의 내부 온도를 섭씨 250도 내지 섭씨 500도 범위 내의 온도로 승온시킨다. 이때, 분기 가열 장치(850)가 가열하는 분기 유로(670)를 따라 이코노마이저(800)로 이동하는 배기가스는 과급기(200)를 거치기 전의 배기가스이다. 그리고 과급기(200)를 거치기 전의 배기가스는 과급기(200)를 거친 후의 배기가스보다 상대적으로 높은 온도를 갖는다. 따라서 분기 가열 장치(850)는 최소한의 연료를 소모하여 이코노마이저(800)를 목표 온도까지 승온시킬 수 있다.
이코노마이저(800)의 내부 온도가 섭씨 250도 내지 섭씨 500도 범위 내의 온도로 승온되면, 이코노마이저(800)에 부착된 이물질을 태워 제거하거나 분해시킬 수 있다.
다만, 본 발명의 제3 실시예에서는 이물질이 먼지, 수트(soot), 탄화수소(Hydro-carbon)계 물질뿐만 아니라 전술한 촉매 피독 물질을 포함할 수 있다. 촉매 피독 물질은 섭씨 250도 내지 섭씨 500도 범위 내의 온도에서 분해되어 제거된다.
특히, 본 발명의 제3 실시예에서는 과급기(200)를 거치면서 온도가 낮아진 배기가스가 선택적 촉매 환원 반응기(300)에 유입되므로, 제2 실시예보다 상대적으로 촉매 피독 물질이 발생되기 쉽다.
분기 밸브(770)는 분기 유로(670)를 개폐한다. 분기 밸브(770)는 이코노마이저(800)가 정상 가동할 때에는 분기 유로(670)를 폐쇄하다가, 이코노마이저(800)가 비정상 가동 상태가 되면 분기 유로(670)를 개방한다. 비정상 가동 상태는 이코노마이저(800)의 열교환 효율이 기준치 이하거나 이코노마이저(800)의 전후단 차압이 기준치 이상인 경우에 해당할 수 있다. 여기서, 이코노마이저(800)의 전후단 차압이 기준치 이상인 경우는 이코노마이저(800)에 이물질이 부착되어 배기가스의 흐름을 방해한 것이 주요 원인일 수 있다. 이러한 비정상 가동 상태의 판단은 작업자 또는 제어부(700)가 수행할 수 있다.
온도 센서(780)는 이코노마이저(800)의 내부 온도를 측정한다. 즉, 제어부(700)는 온도 센서(780)로부터 온도 정보를 제공받아 분기 가열 장치(850)의 가동 정도를 제어한다.
이와 같이, 제어부(700)는 이코노마이저(800)가 비정상 가동 상태로 판단되면, 분기 밸브(770)를 개방하고 분기 가열 장치(850)를 가동시킨다. 그리고 제어부(700)는 온도 센서(780)로부터 실시간으로 온도 정보를 제공받아 이코노마이저(800)의 온도가 섭씨 250도 내지 섭씨 500도 범위 내에 들도록 분기 가열 장치(850)를 가동시킨다.
하지만, 본 발명의 제3 실시예에서도, 제어부(700)는 생략될 수 있으며, 이 경우 분기 밸브(770)가 분기 유로(670)를 개방하면 분기 가열 장치(850)가 온도 센서(780)의 온도 정보를 직접 전달받아 이코노마이저(800)의 온도가 섭씨 250도 내지 섭씨 500도 범위 내에 들도록 가동될 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 동력 장치(103)는 사용 중인 이코노마이저(economizer, 800)를 효과적으로 유지 보수할 수 있다.
구체적으로, 열교환 효율이 저하된 이코노마이저(800)를 동력 장치(103)의 중단 없이도 재생시켜 성능을 회복시킬 수 있다. 특히, 이코노마이저(800)에 부착된 촉매 피독 물질도 효과적으로 제거할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
101, 102, 103: 동력 장치
100: 엔진
190: 배기 리시버
200: 과급기
300: 선택적 촉매 환원 반응기
400: 블로워
450: 재순환 가열 장치
500: 분해 챔버
550: 환원제 공급부
560: 기화기
570: 환원제 분사부
610: 배기 유로
620: 바이패스 유로
670: 분기 유로
680: 재순환 유로
700: 제어부
770: 분기 밸브
780: 온도 센서
800: 이코노마이저
850: 분기 가열 장치

Claims (12)

  1. 동력 발생 과정에서 배출된 배기가스가 이동하는 배기 유로;
    상기 배기 유로 상에 설치되어 배기가스의 압력으로 터빈을 돌려 흡입된 공기를 압축시켜 공급하는 과급기;
    상기 과급기를 거친 상기 배기 유로에 설치되어 배기가스의 열에너지를 회수하는 이코노마이저(economizer);
    상기 과급기 전방의 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 이코노마이저와 연결된 분기 유로; 및
    상기 분기 유로 상에 설치된 분기 가열 장치
    를 포함하며,
    상기 이코노마이저에 이물질이 부착되어 열교환 효율이 저하되면, 상기 분기 유로를 통해 상기 이코노마이저로 배기가스의 일부를 이동시키고 상기 분기 가열 장치를 가동하여 상기 분기 유로를 통해 이동하는 배기가스의 온도를 승온시키는 동력 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 분기 가열 장치는 가동되면 상기 이코노마이저의 내부 온도를 섭씨 250도 내지 섭씨 500도 범위 내의 온도로 승온시키는 동력 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 분기 유로 상에 설치되어 상기 분기 유로를 개폐하는 분기 밸브를 더 포함하는 동력 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 이코노마이저의 내부 온도를 측정하는 온도 센서를 더 포함하는 동력 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 온도 센서로부터 온도 정보를 전달받고 상기 분기 밸브의 개폐 및 상기 분기 가열 장치의 동작을 제어하는 제어부를 더 포함하는 동력 장치.
  7. 동력 발생 과정에서 배출된 배기가스가 이동하는 배기 유로;
    상기 배기 유로 상에 설치되어 배기가스의 압력으로 터빈을 돌려 흡입된 공기를 압축시켜 공급하는 과급기;
    상기 과급기를 거친 상기 배기 유로에 설치되어 배기가스의 열에너지를 회수하는 이코노마이저(economizer);
    상기 과급기 전방의 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 이코노마이저와 연결된 분기 유로;
    상기 분기 유로 상에 설치된 분기 가열 장치; 및
    상기 과급기 전방의 상기 배기 유로 상에 설치되어 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)를 저감시키는 선택적 촉매 환원 반응기
    를 포함하며,
    상기 분기 유로는 상기 선택적 촉매 환원 반응기 전방의 상기 배기 유로에서 분기되는 동력 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 선택적 촉매 환원 반응기에 유입될 배기가스에 환원제를 분사하는 환원제 분사부와;
    상기 선택적 촉매 환원 반응기 전방의 상기 배기 유로에 설치되어 상기 환원제 분사부가 분사한 환원제를 기화시키는 기화기
    를 더 포함하는 동력 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 선택적 촉매 환원 반응기 전방의 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 선택적 촉매 환원 반응기를 우회한 후 다시 상기 배기 유로에 합류하는 반응기 바이패스 유로를 더 포함하는 동력 장치.
  10. 동력 발생 과정에서 배출된 배기가스가 이동하는 배기 유로;
    상기 배기 유로 상에 설치되어 배기가스의 압력으로 터빈을 돌려 흡입된 공기를 압축시켜 공급하는 과급기;
    상기 과급기를 거친 상기 배기 유로에 설치되어 배기가스의 열에너지를 회수하는 이코노마이저(economizer);
    상기 과급기 전방의 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 이코노마이저와 연결된 분기 유로;
    상기 분기 유로 상에 설치된 분기 가열 장치;
    상기 과급기와 상기 이코노마이저 사이의 상기 배기 유로 상에 설치되어 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)를 저감시키는 선택적 촉매 환원 반응기;
    상기 선택적 촉매 환원 반응기와 상기 이코노마이저 사이의 상기 배기 유로에서 분기하여 상기 선택적 촉매 환원 반응기와 상기 과급기 사이의 상기 배기 유로에 합류하는 재순환 유로;
    상기 재순환 유로 상에 설치된 블로워;
    상기 재순환 유로 상에 설치된 재순환 가열 장치;
    상기 재순환 유로 상에 설치된 분해 챔버; 및
    상기 분해 챔버에 환원제를 공급하는 환원제 공급부
    를 포함하는 동력 장치.
  11. 삭제
  12. 제10항에 있어서,
    상기 선택적 촉매 환원 반응기 전방의 상기 배기 유로에서 분기되어 상기 선택적 촉매 환원 반응기를 우회한 후 다시 상기 배기 유로에 합류하는 반응기 바이패스 유로를 더 포함하는 동력 장치.
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