KR102329151B1 - 내연기관 또는 산업용 가스터빈의 배연 가스로부터 고상 성분을 제거하는 장치 - Google Patents

내연기관 또는 산업용 가스터빈의 배연 가스로부터 고상 성분을 제거하는 장치 Download PDF

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Abstract

내연기관(7) 또는 산업용 가스터빈의 배연 가스로부터 고상 성분을 제거하는 장치가 제공된다. 그 장치는 금속 입자들을 갖는 구조체를 포함하며 그 금속 입자들은 연결되어 펠티드 또는 펠트형 금속 구조체(1)로 되고 편평한 기판 구조체(2) 상에 배치된다.

Description

내연기관 또는 산업용 가스터빈의 배연 가스로부터 고상 성분을 제거하는 장치{DEVICE FOR REMOVAL OF SOLID CONTENTS FROM THE SMOKE GAS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE OR INDUSTRIAL GAS TURBINES}
본 발명은, 청구항 제1항의 전제부에 따른 금속 입자를 갖는 구조체를 포함하는, 내연기관이나 산업용 가스터빈의 배연 가스로부터 고상 성분을 제거하는 장치에 관한 것이다.
입자 필터에 의한 내연기관의 배연 가스로부터의 고상 성분의 제거는 예를 들면 자동차 분야에 공지되어 있다. 발전소에서 배연 가스의 정화를 위해 이용되고 있는 펠티드 필터 구조체(felted filter structure) 또한 이미 알려져 있는데, 이 필터 구조체는 필터 구조체 상에 필터 케이크의 과도한 축적으로 인한 압력 손실의 증가를 피하고자 주기적으로 압축 공기에 의해 정화되고 있다. 이러한 용도로 이용되는 필터 재료는 통상 약 200 내지 250 ℃ 범위에서 내온성을 갖는 한편, 발전 기술분야에서 점점 이용이 증가되고 있는 내연기관의 배기가스 온도는 약 380 내지 400℃ 범위이이며, 발전 기술분야에서 역시 이용되고 있는 산업용 가스터빈의 배기가스 온도는 약 500 내지 600℃ 범위이다.
오늘날까지 이용되고 있는 그러한 필터 구조체는 내연기관과 산업용 가스터빈의 상기한 온도 범위에 사용하기에는 적합하지 못하다. 이러한 이유로, 소결 필터 또는 금속 포옴 필터(metal foam filter) 형태의 고온 가스 여과용 필터 구조체가 역시 이미 공지되어 있지만, 그러한 필터에 의해 생성되는 압력 손실에 비한 분리 정도가 바람직하지 못하고, 그들의 제조에는 비용이 많이 든다.
DE 11 2008 003 152 T5를 통해, 디젤 엔진의 배기가스로부터 그을음 입자를 분리하는 데에 이용되고 있는, 길이 방향으로 배향된 금속 섬유 형태의 금속 입자를 갖는 필터가 이미 공지되어 있다.
본 발명은, 내연기관 또는 산업용 가스터빈의 배연 가스로부터 고상 성분을 제거하는 장치를 창안하되, 금속 입자를 포함하고 비용 효율적으로 제조할 수 있으며, 그 장치의 필터 표면이 배기가스의 추가적 처리를 위해 표면 처리될 수 있으며, 또한 그 장치가 발전 기술분야에 이용될 때에 현대의 엔진과 산업용 가스터빈에 대해 동시에 온도 안정성을 충족할 수 있는 그러한 장치를 창안한다는 과제에 기초한다. 또한 본 발명에 따른 장치의 표면 처리 방법 또한 창안한다.
그러한 장치와 관련한 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 청구항 제1항에 기재된 특징들 포함한다. 그 유리한 구성들이 다른 청구항들에 기재되어 있다. 이에 더하여, 본 발명은 청구항 제6항에 따른 펠티드(felted) 또는 펠트형(felt-like) 금속 구조체를 제조하는 방법 및 청구항 제7항에 따른 펠티드 또는 펠트형 금속 구조체의 표면 처리 방법을 창안한다.
본 발명은 내연기관 또는 산업용 가스터빈의 배연 가스로부터 고상 성분을 제거하는 장치로서, 금속 입자를 갖는 구조체를 포함하고, 이 금속 입자는 연결되어 펠티드 또는 펠트형 금속 구조체로 되고 편평한 기판 구조체 상에 배치되는, 제거 장치를 제공한다.
여기서, 펠티드 또는 펠트형 금속 구조체란 용어는 본 발명에 따른 장치의 금속 입자가 서로에 대해 방향성이 없이 배치된 상태로 존재하고, 그 결과 그 장치에 의해 요구되는 설치 용적에 기초하여 배연 가스 여과를 위해 이용 가능한 큰 표면적을 달성함으로 의미하는 것이다. 이에 더하여, 그로 인해 금속 구조체를 형성하는 데에 요구되는 금속 입자들이 특수한 제조 공정을 이용하여 서로에 대해 정렬된 위치로 놓여질 필요가 없어, 제조비용을 감소시키고, 또한 금속 입자의 사용이 산업용 가스터빈의 배기가스 온도 범위에 그 장치가 내구성 좋게 견디게 한다는 점이 추가적으로 달성된다.
본 발명의 다른 개선점에 따르면, 그 금속 구조체는 비대칭적으로 설계되고 금속 입자들은 기판 구조체의 커버측에 주로 배치되게 마련된다. 공지의 필터 구조체에 있어서, 필터 플리스(filter fleece)가 2개의 커버층 사이에 배치되며, 이들 커버층은 필터 플리스를 보호하고 그 플리스로부터 재료의 제어되지 않은 누설을 방지하도록 기능한다. 본 발명에 따른 장치에 있어서는 개별 입자들의 서로 간의 큰 접착력으로 인해 펠티드 금속 구조체로부터 금속 입자의 제어되지 않은 누설이 예상되지 않기 때문에, 금속 구조체의 비대칭적 구조가 얻어지도록 기판 구조체가 단지 한쪽에만 마련된다.
따라서, 금속 구조체는 커버측에 기판 구조체를 갖는 매트 바디로서 설계될 수 있고, 이와 같이 형성된 매트 바디는 배연 가스가 스며들 수 있는 관형 섹션형 라인을 에워싸, 그 배연 가스가 매트 구조체에 반경 방향으로 유입되어 펠티드 금속 입자들 사이의 중공 공간 내에 고상 성분이 축적되게 할 수 있다. 이러한 비대칭적 구조를 통해, 중공 공간이 반경 방향 외측 방향으로 갈수록 작아져 특히 배연 가스 자체는 통과할 수 있지만 그 내에 함유된 고상 성분은 금속 구조체 내에 유지되도록 될 수 있다.
비대칭적 구조를 달성하기 위해, 본 발명의 다른 개선점에 따르면, 금속 구조체의 패킹 밀도가 기판 구조체의 방향으로 가면서 감소하도록 된다. 여기서, 패킹 밀도(packing density)는 금속 구조체의 단위 체적당 금속 입자의 개수를 의미한다. 단위 체적당 많은 수의 금속 입자는 입자들 사이에 존재하는 금속 공간이 작은 용적을 갖게 하고 배연 가스로부터의 고상 성분이 통과하기 위해 이용될 면적은 작도록 보장하는 한편, 보다 적은 수의 금속 입자는 중공 공간이 크고 이에 따라 금속 구조체에서의 고상 성분의 침투 깊이도 크도록 보장한다. 따라서, 고상 성분은 기판 구조체에서부터 시작하여 펠티드 또는 펠트형 금속 구조체 내로 들어갈 수는 있지만, 그 금속 구조체를 관통하진 못한다.
본 발명의 다른 개선점에 따르면, 금속 구조체는 금속 필라멘트 및/또는 섬유를 포함하도록 마련된다. 그 필라멘트 및/또는 섬유들은 상이한 길이 및 상이한 직경을 가져, 전술한 패킹 밀도가 특정적으로 제어될 수, 다시 말해 보다 큰 직경의 필라멘트 및/또는 섬유가 예를 들어 보다 작은 직경의 필라멘트 및/또는 섬유보다 기판 구조체에 근접하도록 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 개선점에 따르면, 금속 구조체는 예를 들어 세라믹 또는 석영 성분을 포함한 필라멘트 및/또는 섬유일 수 있는 비금속 필라멘트 및/또는 섬유를 포함하여, 단위 체적당 금속 구조체의 질량이 마찬가지로 특정적으로 제어될 수 있도록 마련된다.
본 발명은 또한 금속 섬유 및/또는 필라멘트를 열 소결하는 단계를 포함하는 펠티드 또는 펠트형 금속 구조체를 제조하는 방법을 창안한다. 열 소결로 인해, 섬유 및/또는 필라멘트들은 그들이 서로 접촉하고 있는 지점에서 서로 연결된 상태로 되어, 기계적 적재 가능 구조를 생성하며, 이에 의해 필라멘트 및/또는 섬유가 그 구조체로부터 분리될 우려가 감소하여 금속 구조체의 양 커버측에 커버층을 더 이상 마련할 필요성이 없어진다.
또한, 상기한 방법의 다른 개선점에 따르면, 펠티드 또는 펠트형 금속 구조체 상에 갈바니 도금에 의한 코팅을 수행하거나 및/또는 물리적 기상 증착에 의해 금속 구조체에 코팅을 수행하는 표면 처리를 그 금속 구조체 상에 수행하도록 마련된다.
이로 인해, 예를 들어 그 금속 구조체가 배연 가스로부터의 입자 분리에 적합할 뿐만 아니라, 예를 들어 배연 가스 내의 질소산화물의 산화 또는 환원을 통한 배연 가스의 후처리에도 적합하도록 금속 구조체의 촉매 코팅이 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 다른 개선점에 따르면, 상이한 단면적을 갖는 필라멘트 및/또는 섬유들을 금속 구조체의 형성에 이용하도록 마련된다. 따라서, 예를 들면, 금속 구조체를 형성하는 데에 단면도에서 십자형 또는 사다리꼴 형상을 갖는 필라멘트 및 섬유를 이용할 수 있다. 이러한 상이한 단면적의 이용은, 섬유 및/또는 필라멘트들이 상이한 단면적으로 인해 서로에 걸려 그 자체만으로 튼튼한 구조체가 이미 달성될 수 있기 때문에 상이하게 형성된 개개의 섬유 및/또는 필라멘트들 간의 양호한 접착 연결이 그 금속 구조체가 열 소결 작업을 통해 강화되기 전에 이미 달성될 수 있다는 이점을 갖는다.
또한, 본 발명에 따른 방법의 다른 개선점에 따르면, 연신된 형태로부터 벗어난 형태를 갖는 섬유 및/또는 필라멘트가 이용되도록 마련된다. 따라서, 예를 들면, 코일 형상이나 코르크스크루와 유사하게 코일 형상이나 꼬인 형상의 섬유 및/또는 필라멘트가 금속 구조체를 형성하는 데에 이용된다. 이러한 구성은 개별 섬유 및/또는 필라멘트가 서로 걸려 튼튼한 구조체를 형성하도록 보장한다.
또한, 본 발명에 따른 방법의 다른 개선점에 따르면, 매끈한 면의 외부 윤곽으로부터 벗어난 외부 윤곽을 갖는 섬유 및/또는 필라멘트가 금속 구조체를 형성하는 데에 이용되도록 마련된다. 이들 섬유 및/또는 필라멘트는 예를 들면 그 외부 윤곽에 비늘(scale)이 마련되거나 다공성 구조를 가질 수 있다. 이러한 구조는 그 금속 구조체의 표면이 매끈한 면의 섬유 및/또는 필라멘트로 형성된 금속 구조체의 표면과 비교해 확실히 증가하고 분리될 고상 성분이 정착될 흡착 면적을 증가시키도록 보장한다.
마지막으로, 본 발명은 또한 전술한 장치를 구비하고 촉매 컨버터 장치가 결합된 내연기관으로서, 그 장치가 내연기관의 하류측 그리고 촉매 컨버터 장치의 상류측에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연기관을 창안한다.
따라서, 내연기관의 배연 가스는 배기 트랙에서의 유체적으로 제1 장치로서의 본 발명에 따른 장치로 들어가, 다량의 고상 성분을 함유한 배연 가스가 촉매 컨버터 장치로 들어가게 되는 것을 방지할 수 있다. 이러한 구성은 공지의 방식으로 유체적으로 내연기관 바로 다음에 배치되는 촉매 컨버터에 비해 그 촉매 컨버터를 보다 작게 설계할 수 있도록 보장한다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 펠티드 금속 구조체의 부분 단면도이며,
도 2는 도 1에서의 섹션 "A"의 확대도이고,
도 3은 금속 구조체를 형성하는 상이한 섬유 및/또는 필라멘트들을 나타낸 도면이며,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 펠티드 금속 구조체의 부분 단면도이고,
도 5는 본 발명에 따른 장치, 촉매 컨버터, 열교환기 및 배연 가스 추출기를 포함하는 배기 트랙이 연결된 내연기관의 구조의 개략도이다.
도면에서 도 1은 본 발명에 따른 실시예에 따른 금속 구조체의 부분 단면도를 도시하며, 그 섹션 "A"는 도 2에 보다 상세하게 확대하여 도시하고 있다.
금속 구조체(1)는 예를 들면 온도에 대해 안정한 편평한 직물일 수 있는 기판 구조체(2)를 구비한다. 이 직물은 예를 들면 보강 와이어(4) 등을 갖는 금속 메쉬일 수 있다.
도면에서 기판 구조체의 좌측에는 기판 구조체(2)의 방향으로 가면서 감소하는 패킹 밀도를 갖는 비대칭적 섬유 구조체 구조(3)가 배치된다. 이 패킹 밀도는 기판 구조체(2)로부터 가장 멀리 떨어진 영역에서 가장 큰데, 다시 말해 거기에 위치한 중공 공간이 가장 작도록 구성되고 그 중공 공간은 기판 구조체(2)의 방향으로 가면서 커지도록 구성된다.
섬유 구조체(3)는 도 2에 의해 보다 상세하게 도시한 바와 같이 펠트와 유사하게 형성된 구조를 갖는다. 이 구조는 특히 섬유들이 서로에 대해 특정하게 배향된 코스(course)를 각각 갖는 것이 아니라 랜덤하게 배치된 것을 특징으로 한다.
도 2에 확대 도시한 섹션 "A"에서는 서로에 대해 랜덤하게 연장하는 배향으로 배치된 복수의 금속 섬유(5)를 도시하고 있는데, 이들 금속 섬유는 확대 도시한 연결점(6)에서 서로 접촉하여 거기에서 열 소결 작업에 의해 서로에 고정되어, 이와 같이 형성된 섬유 구조체(3)가 후속 공정에서 예를 들면 기계적 성형 작업에 의해 추가적으로 처리, 예를 들면 압착될 수 있다. 이로 인해, 금속 구조체(1)의 패킹 밀도가 또한 제어된 방식으로 영향을 받을 수 있다.
이에 더하여, 섬유 구조체(3)는, 도 5에 도시한 내연기관(7)의 배연 가스로부터 고상 성분의 분리에 추가하여, 예를 들어 질소산화물의 산화 또는 환원에 의한 배연 가스의 추가적인 처리가 가능하도록 촉매 코팅에 의해 처리되어 있다.
도 3은 본 발명에 따른 금속 구조체를 형성하는 데에 이용될 수 있는, 금속 재료로 이루어진 섬유 및/또는 필라멘트의 복수의 가능한 구성을 도시하고 있다.
용이하게 알 수 있는 바와 같이, 필라멘트(8)는 매끈한 외부 윤곽을 갖고 길게 연장하는 형태를 가지며 원형 디스크의 단면 형상으로 형성될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 코일과 유사한 형상을 갖고 단면도에서 편평하게 형성된 필라멘트(9) 또한 이용될 수 있다.
마찬가지로, 대안적으로 또는 추가로, 평면도에서 지그재그 형상으로 형성되고 단면도에서 십자형으로 이루어진 필라멘트(10) 또한 이용될 수 있다. 마지막으로, 도 3에서는 또한 서로 꼬인 상태로 존재하고 단면도에서 다이아몬드 형상으로 이루어지며 마찬가지로 금속 구조체를 형성하는 섬유 및/필라멘트의 기타 모든 형태에 대해 추가적으로 또는 대안적으로 이용될 수 있는, 다른 실시예의 필라멘트(11)를 도시하고 있다.
도면에서의 도 4는, 내연기관(7)의 배연 가스로부터 고상 성분을 제거하는 필터 구조체(12)를 형성하도록, 기판 구조체(2) 및 그 상에 배치된 섬유 구조체(3)를 구비하고 그 섬유 구조체가 지그재그 형상으로 형성된 복수의 필라멘트(10)를 갖고 있는 금속 구조체(1)의 다른 실시예를 도시하고 있다. 필라멘트(10)에 추가하여, 도 4에 따른 실시예는 길이가 길게 연장하고 매끈한 외면으로 이루어지며 기판 구조체(2)의 보강 구조로서 기능하는 필라멘트(8)를 더 포함한다. 마지막으로, 도 4에서는, 외면에 비늘(14)이 마련되어 큰 표면을 갖고, 금속 구조체(1)를 형성하는 데에 도 3에 도시한 모든 섬유 형태에 대해 대안적으로 또는 추가적으로 이용될 수 있으며, 그 비늘(14)로 인해 배연 가스로부터 고상 성분을 분리시키고 촉매에 의해 효과적으로 코팅된 표면을 형성하는 큰 외면을 갖는, 금속 재료의 다른 필라멘트(13)를 도시하고 있다.
도면에서 도 5는 내연기관(7)의 개략도를 도시하는 것으로서, 그 내연기관의 바로 하류측에 내연기관(7)의 배연 가스를 탈황 처리하는 기능도 동시에 하는 배기가스 필터(15)가 마련된다. 이 경우에, 탈황 처리는 예를 들면 재생에 필요한 활성화 온도를 달성하는 데에 이용 가능한 탄화수소를 배연 가스 내에 생성하기 위해 내연기관의 적어도 하나의 작동 실린더에서 연료 분사의 개시를 일시적으로 전치시키는(pre-positioning) 것과 같은 내연기관 내에서 또는 내연기관 하류에서의 조치를 통해 달성할 수 있다. 이 경우, 기타 조치 또한 가능하다.
배기가스 필터(15)의 하류에는, 배연 가스의 추가적 처리를 위한 촉매 컨버터가 배치되고, 이에 후속하여 열교환기(17)가 마련되며, 이 열교환기를 통해 예를 들어 연료를 예열하거나 건물을 난방하는 데에 이용하도록 하도록 배연 가스 내에 함유된 열에너지를 추출할 수 있다. 마지막으로, 배연 가스는 배연 가스 추출기(18)를 통해 배기 트랙을 빠져나간다. 배연 가스가 배기가스 필터(15)에서 미리 탈황 처리될 수 있다는 점에서, 배연 가스가 미리 탈황 처리되어 이슬점에 도달시에 황산 부식에 대한 우려가 더 이상 존재하지 않기 때문에, 배연 가스는 공지의 시스템의 경우에 비해 후속 열교환기(17)에서 실질적으로 더 강력한 열 추출기에 노출될 수 있다.
고상 성분도 배기가스 필터(15)에서 배연 가스로부터 미리 추출된다는 점에서, 촉매 컨버터 및 열교환기가 배연 가스 내의 고체 입자에 의해 막힐 우려가 더 이상 없기 때문에, 그 촉매 컨버터(16)뿐만 아니라 열 교환기(17)를 공지의 시스템의 경우에 비해 실질적으로 더 작게 형성할 수 있다.
예를 들면 비늘, 침출(leaching)을 통한 다공성 표면의 형성과 같은 금속 필라멘트의 특정 표면 구조로 인해, 금속 구조체의 유효 표면이 현저히 확대될 수 있고, 이에 의해 입자의 접착을 개선시킨다.
금속 필라멘트는 촉매에 의해 코팅되어 고상 성분의 제거와 배연 가스의 산화를 동시에 수행할 수 있도록 될 수 있다. 예를 들어 웨이브 형상을 형성하도록 금속 필라멘트를 소성 변형시킴으로써, 그 금속 구조체의 기계적 특성 및 분리에 관한 특성을 개선시킬 수 있다. 게다가, 금속 구조체는 그 형성 후에 예를 들어 패킹 밀도에 영향을 미치도록 기계적 성형을 위해 추가적으로 재가공될 수 있다. 열 소결 공정을 통해 금속 구조체의 기계적 강도가 개선될 수 있으며, 상이한 두께 및 상이한 형상을 갖는 섬유 및/또는 필라멘트의 조합을 통해 한편으로는 금속 구조체의 강도에 영향을 줄 수 있고 다른 한편으로는 패킹 밀도도 조절할 수 있다. 마지막으로, 예를 들어 그 금속 구조체로 형성된 필터 구조체의 질량을 감소시키도록 금속 구조체를 형성하기 위해 금속 필라멘트 및/또는 섬유와 비금속 필라멘트 및/또는 섬유를 조합할 수도 있다.
보다 상세하게 설명하지 않은 본 발명의 특징들에 대해서는 각 도면을 참조함으로써 명백해질 것이다.
1: 금속 구조체
2: 기판 구조체
3: 섬유 구조체 구조, 섬유 구조체
4: 보강 와이어
5: 금속 섬유
6: 연결점
7: 내연기관
8: 섬유, 필라멘트
9: 섬유, 필라멘트
10: 섬유, 필라멘트
11: 섬유, 필라멘트
12: 필터 구조체
13: 섬유, 필라멘트
14: 비늘
15: 배기가스 필터
16: 촉매 컨버터
17: 열교환기
18: 배연 가스 추출기

Claims (11)

  1. 내연기관(7) 또는 산업용 가스터빈의 배연 가스로부터 고상 성분을 제거하는 장치로서,
    상기 장치는 금속 입자들을 갖는 구조체를 포함하고,
    상기 금속 입자들은 연결되어 펠티드(felted) 금속 구조체(1)로 되고, 편평한 기판 구조체(2)가 상기 금속 구조체(1)의 상류측에만 마련되며, 상기 금속 구조체(1)는, 코일 형상, 지그재그 형상 또는 꼬인 형상이거나 외부 윤곽에 비늘(scale)들이 마련된 1종 이상의 섬유(8, 9, 10, 11, 13) 및 필라멘트(8, 9, 10, 11, 13) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 배연 가스로부터의 고상 성분 제거 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 구조체(1)는 비대칭적으로 설계되고, 상기 금속 입자들은 상기 기판 구조체(2)의 커버측에 배치되게 마련되는 것을 특징으로 하는 배연 가스로부터의 고상 성분 제거 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속 구조체(1)의 패킹 밀도는 상기 기판 구조체(2)의 방향으로 가면서 감소하는 것을 특징으로 하는 배연 가스로부터의 고상 성분 제거 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속 구조체(1)는 금속 필라멘트(8, 9, 10, 11, 13), 금속 섬유(8, 9, 10, 11, 13) 또는 이들 둘 모두를 포함하는 것을 특징으로 하는 배연 가스로부터의 고상 성분 제거 장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속 구조체(1)는 비금속 필라멘트, 비금속 섬유 또는 이들 둘 모두를 포함하는 것을 특징으로 하는 배연 가스로부터의 고상 성분 제거 장치.
  6. 내연기관(7)으로서,
    상기 내연기관(7)은 제1항 또는 제2항에 따른 제거 장치와, 상기 내연기관(7)에 결합된 촉매 컨버터 장치(15)를 구비하고,
    상기 제거 장치는 상기 내연기관(7)의 하류측에서 상기 촉매 컨버터 장치(15)의 상류측에 배치되는 것을 특징으로 하는 내연기관.
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