KR102334647B1 - Power generating apparatus - Google Patents

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KR102334647B1
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이승재
박희준
박건일
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의해 동력발생장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 동력발생장치는, 연소기관과, 공기를 압축하여 압축공기를 생성하는 압축부와, 압축부에 연결되어 압축공기를 단열 팽창시켜 공기 중 적어도 일부를 액화시키는 팽창부, 및 팽창부에 연결되어 액화된 공기를 분리하여 연소기관의 흡기관으로 공급되는 연소용 공기의 산소 및 질소의 농도비를 조절하는 연소공기 공급부를 포함할 수 있다.A power generator is provided by an embodiment of the present invention.
A power generating device according to an embodiment of the present invention includes a combustion engine, a compression unit for compressing air to generate compressed air, and an expansion unit connected to the compression unit to adiabically expand compressed air to liquefy at least part of the air. , and a combustion air supply unit connected to the expansion unit to separate the liquefied air to adjust a concentration ratio of oxygen and nitrogen of the combustion air supplied to the intake pipe of the combustion engine.

Description

동력발생장치{Power generating apparatus}Power generating apparatus

본 발명은 동력발생장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연소기관의 배기가스에 포함된 유해가스인 질소산화물의 발생을 줄일 수 있는 동력발생장치에 관한 것이다.The present invention relates to a power generating device, and more particularly, to a power generating device capable of reducing the generation of nitrogen oxide, which is a harmful gas contained in exhaust gas of a combustion engine.

환경에 대한 인식이 점차 증가하면서, 연소기관의 배기가스에 포함된 각종 유해가스에 대한 규제가 엄격해지고 있다. 특히, 배기가스에 포함된 유해물질 중 질소산화물(NOx)이 대기 오염의 주범으로 인식됨에 따라 연소기관에서 배출하는 질소산화물의 양을 줄이기 위한 각종 규제가 강화되고 있는 실정이다.As awareness of the environment is gradually increasing, regulations on various harmful gases included in exhaust gas of combustion engines are becoming stricter. In particular, as nitrogen oxide (NOx) among harmful substances contained in exhaust gas is recognized as the main culprit of air pollution, various regulations for reducing the amount of nitrogen oxide emitted from combustion engines are being strengthened.

연소기관에서 배출하는 질소산화물의 양을 줄이기 위해서는 연소온도를 낮추는 것이 가장 효과적이다. 따라서, 각종 연소기관은 배기가스 중 일부를 다시 흡기관으로 주입하여 연소온도를 낮추는 배기가스 재순환장치(EGR, Exhaust Gas Recirculation system)를 포함하고 있다. 배기가스 재순환장치는 이미 연소된 배기가스 중 일부를 흡입공기에 섞어 다시 연소실로 주입하여 연소실 내부의 산소농도를 줄여 연소온도가 급격하게 상승하는 것을 방지한다.In order to reduce the amount of nitrogen oxides emitted from combustion engines, it is most effective to lower the combustion temperature. Accordingly, various combustion engines include an exhaust gas recirculation system (EGR) that lowers the combustion temperature by injecting some of the exhaust gas back into the intake pipe. The exhaust gas recirculation device mixes some of the exhaust gas already burned with intake air and injects it back into the combustion chamber to reduce the oxygen concentration inside the combustion chamber to prevent the combustion temperature from rising rapidly.

그러나, 배기가스 재순환장치는 배기가스에 포함된 황산화물(SOx)이나 각종 입자성물질을 제거하기 위한 별도의 장치가 필요하여 장치가 복잡해지고, 황산화물을 중화시키기 위한 약품이 소비되면서 비용이 증가하는 문제가 있다.However, the exhaust gas recirculation device requires a separate device for removing sulfur oxides (SOx) or various particulate matter contained in the exhaust gas, which makes the device complicated and increases the cost as chemicals to neutralize the sulfur oxides are consumed. there is a problem with

대한민국 등록특허 제10-0915346호 2009. 8. 27Republic of Korea Patent Registration No. 10-0915346 2009. 8. 27

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 연소기관의 배기가스에 포함된 유해가스인 질소산화물의 발생을 줄일 수 있는 동력발생장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a power generating device capable of reducing the generation of nitrogen oxide, which is a harmful gas contained in exhaust gas of a combustion engine.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 동력발생장치는, 연소기관과, 공기를 압축하여 압축공기를 생성하는 압축부와, 상기 압축부에 연결되어 상기 압축공기를 단열 팽창시켜 상기 공기 중 적어도 일부를 액화시키는 팽창부, 및 상기 팽창부에 연결되어 액화된 공기를 분리하여 상기 연소기관의 흡기관으로 공급되는 연소용 공기의 산소 및 질소의 농도비를 조절하는 연소공기 공급부를 포함하되, 상기 연소공기 공급부는, 상기 팽창부를 통과한 상기 공기 중 상기 액화된 공기를 분리하는 기액분리기를 포함한다.A power generating device according to an embodiment of the present invention for achieving the above technical problem includes a combustion engine, a compression unit that compresses air to generate compressed air, and is connected to the compression unit and adiabatically expands the compressed air to adiabatic expansion of the compressed air. An expansion unit for liquefying at least a portion of the air, and a combustion air supply unit connected to the expansion unit to separate the liquefied air to adjust the oxygen and nitrogen concentration ratio of the combustion air supplied to the intake pipe of the combustion engine, , The combustion air supply unit includes a gas-liquid separator for separating the liquefied air from the air that has passed through the expansion unit.

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상기 팽창부는 상기 압축공기가 팽창하여 질소의 비등점과 산소의 비등점 사이의 온도가 되도록 조절할 수 있다.The expansion unit may be adjusted so that the compressed air expands to a temperature between the boiling point of nitrogen and the boiling point of oxygen.

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상기 동력발생장치는, 상기 압축부와 상기 팽창부 사이에 위치하여 상기 압축부를 통과한 상기 압축공기를 냉각하는 냉각부와, 상기 흡기관 내부로 외부의 공기를 직접 공급하는 외기 공급관과, 상기 외기공급관을 통해 공급되는 공기와 상기 연소공기 공급부를 통해 공급되는 상기 연소용 공기를 혼합하여 상기 흡기관으로 공급하는 공기조절부를 더 포함하되, 상기 압축부는 상기 연소기관의 배기가스를 동력으로 상기 공기를 과급하는 과급유닛을 포함할 수 있다.The power generator includes a cooling unit positioned between the compression unit and the expansion unit to cool the compressed air passing through the compression unit, an outside air supply pipe for directly supplying external air into the intake pipe, and the outside air Further comprising an air conditioning unit for mixing the air supplied through the supply pipe and the combustion air supplied through the combustion air supply unit and supplying it to the intake pipe, wherein the compression unit uses the exhaust gas of the combustion engine as power to convert the air It may include a supercharging unit for supercharging.

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본 발명에 따르면, 심냉 분리법을 이용하여 흡기관으로 유입되는 공기에 포함된 산소의 농도를 효과적으로 감소시킬 수 있으며, 이로 인해, 배기가스에 포함된 질소산화물을 현저하게 감소시킬 수 있다.According to the present invention, it is possible to effectively reduce the concentration of oxygen contained in the air flowing into the intake pipe by using the deep cooling separation method, thereby remarkably reducing the nitrogen oxide contained in the exhaust gas.

또한, 비교적 장치 구성이 간단하여 제어가 용이하고, 운전 및 유지를 위한 비용이 적게 들어가 비용 대비 질소산화물의 제거 효과가 현저하다.In addition, the device configuration is relatively simple, so control is easy, and the cost for operation and maintenance is low, so that the effect of removing nitrogen oxides is remarkable compared to the cost.

또한, 운전 과정에서 유독한 화학물질을 사용하지 않으며, 슬러지와 같은 부산물이 발생하지 않는 장점이 있다.In addition, there is an advantage that no toxic chemicals are used in the operation process and no by-products such as sludge are generated.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동력발생장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 동력발생장치의 동작 과정을 설명하기 위한 작동도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 동력발생장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동력발생장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동력발생장치를 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a view schematically showing a power generating device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an operation diagram for explaining an operation process of the power generator of FIG. 1 .
3 is a view schematically showing a power generating device according to another embodiment of the present invention.
4 is a view schematically showing a power generating device according to another embodiment of the present invention.
5 is a view schematically showing a power generating device according to another embodiment of the present invention.

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.Advantages and features of the present invention and methods of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the art to which the present invention pertains It is provided to fully inform those who have the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 동력발생장치에 관하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a power generator according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 and 2 .

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동력발생장치를 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a view schematically showing a power generating device according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 동력발생장치(1)는 선박, 자동차, 항공기, 발전기 등 각종 장치에 동력을 제공하기 위한 장치로, 외부에서 유입된 공기와 연료를 연소하여 동력을 발생시키는 연소기관(10)을 포함한다.The power generating device 1 according to an embodiment of the present invention is a device for providing power to various devices such as ships, automobiles, aircraft, and generators, and is a combustion engine that generates power by burning air and fuel introduced from the outside. (10) is included.

연소기관(10)은 연료를 연소하여 기계적 에너지를 발생시키는 장치로서, 가솔린엔진, 디젤엔진, 가스엔진 등의 내연기관뿐만 아니라 가스터빈, 증기기관, 증기터빈 등의 외연기관 및 기타 열기관을 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 연소기관(10)은 연료를 연소하여 동력을 발생시키는 원동기는 어떠한 구조도 적용이 가능할 것이다.Combustion engine 10 is a device for generating mechanical energy by burning fuel, and includes not only internal combustion engines such as gasoline engines, diesel engines, and gas engines, but also external combustion engines such as gas turbines, steam engines, steam turbines, and other heat engines. can That is, in the combustion engine 10 of the present invention, any structure may be applied to the prime mover for generating power by burning fuel.

연소기관(10)은 흡기관(100)을 통하여 흡입한 공기를 연료와 혼합한 후 연소시켜 동력을 얻으며, 연소과정에서 발생한 배기가스는 배기관(200)을 통해 외부로 배출한다. 연소기관(10)에서 배출하는 배기가스는 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 등 각종 유해가스를 포함하고 있다. 이러한 배기가스에 포함된 각종 유해가스를 줄이기 위하여 동력발생장치(1)에는 유해가스 저감장치(E)가 설치된다.The combustion engine 10 mixes the air sucked in through the intake pipe 100 with fuel and then burns it to obtain power, and exhaust gas generated in the combustion process is discharged to the outside through the exhaust pipe 200 . The exhaust gas discharged from the combustion engine 10 contains various harmful gases such as nitrogen oxides (NOx) and sulfur oxides (SOx). In order to reduce various harmful gases contained in the exhaust gas, a harmful gas reduction device E is installed in the power generating device 1 .

유해가스 저감장치(E)는 배기가스에 포함된 유해가스 중 질소산화물을 줄이기 위한 것으로, 연소기관(10)의 흡기관(100) 상에 배치되어 연소기관(10)으로 흡입되는 공기의 산소 농도를 감소시킬 수 있다.The harmful gas reduction device (E) is for reducing nitrogen oxides among harmful gases contained in exhaust gas, and is disposed on the intake pipe 100 of the combustion engine 10 and oxygen concentration of air sucked into the combustion engine 10 . can reduce

질소산화물은 연소온도가 높을 때 발생량이 현저하게 증가한다. 따라서, 연소기관(10)의 연소온도를 낮추기 위해 흡기관(100)으로 유입되는 공기 중에 포함된 산소의 농도를 줄일 필요가 있다.The amount of nitrogen oxides generated remarkably increases when the combustion temperature is high. Therefore, in order to lower the combustion temperature of the combustion engine 10 , it is necessary to reduce the concentration of oxygen contained in the air flowing into the intake pipe 100 .

유해가스 저감장치(E)는 심냉 분리법을 이용하여 연소기관(10)으로 흡입되는 공기의 산소 농도를 감소시키며, 압축부(20)와 팽창부(30), 및 연소공기 공급부(40)를 포함한다.The harmful gas reduction device (E) reduces the oxygen concentration of the air sucked into the combustion engine 10 by using a deep cooling separation method, and includes a compression unit 20 and an expansion unit 30 , and a combustion air supply unit 40 . do.

본 발명에 따른 동력발생장치(1)는 심냉 분리법을 이용하여 흡기관(100)으로 유입되는 공기에 포함된 산소의 농도를 효과적으로 감소시킬 수 있으며, 이로 인해, 배기가스에 포함된 질소산화물을 현저하게 감소시킬 수 있다. 또한, 비교적 장치 구성이 간단하여 제어가 용이하고, 운전 및 유지를 위한 비용이 적게 들어가 비용 대비 질소산화물의 제거 효과가 현저하다. 또한, 운전 과정에서 유독한 화학물질을 사용하지 않으며, 슬러지와 같은 부산물이 발생하지 않는 장점이 있다.The power generator 1 according to the present invention can effectively reduce the concentration of oxygen contained in the air flowing into the intake pipe 100 by using the deep cooling separation method, and thereby significantly reduce nitrogen oxides contained in the exhaust gas. can be significantly reduced. In addition, the device configuration is relatively simple, so control is easy, and the cost for operation and maintenance is low, so that the effect of removing nitrogen oxides is remarkable compared to the cost. In addition, there is an advantage that no toxic chemicals are used in the operation process and no by-products such as sludge are generated.

동력발생장치(1)는 연소기관(10)과, 압축부(20)와, 팽창부(30), 및 연소공기 공급부(40)를 포함한다.The power generating device 1 includes a combustion engine 10 , a compression unit 20 , an expansion unit 30 , and a combustion air supply unit 40 .

연소기관(10)은 전술한 바와 같이, 흡기관(100)을 통해 흡입된 공기를 연료와 혼합하여 연소시키고, 연소과정에서 발생한 배기가스를 배기관(200)을 통해 외부로 배출한다. 이 때, 흡기관(100) 상에는 압축부(20)와, 팽창부(30), 및 연소공기 공급부(40)를 포함하는 유해가스 저감장치(E)가 설치될 수 있다.As described above, the combustion engine 10 mixes the air sucked in through the intake pipe 100 with fuel and burns it, and discharges exhaust gas generated in the combustion process to the outside through the exhaust pipe 200 . At this time, the harmful gas reduction device E including the compression unit 20 , the expansion unit 30 , and the combustion air supply unit 40 may be installed on the intake pipe 100 .

압축부(20)는 공기를 압축하여 고온 고압의 압축공기를 생성하는 것으로, 기체에 운동 에너지를 주어 압력을 상승시키는 터보형(turbo type) 압축기가 사용되거나, 용적을 감소시켜 압력을 상승시키는 용적형(screw type) 압축기 등이 사용될 수 있다. 압축부(20)에서 생성된 고온 고압의 압축공기는 흡기관(100)을 따라 이동하여 팽창부(30)로 유입된다. 이 때, 압축부(20)와 팽창부(30) 사이의 흡기관(100) 상에는 압축부(20)를 통과한 압축공기를 냉각시키는 냉각부(50)가 설치될 수 있다. 냉각부(50)는 압축공기를 냉각하여 온도를 일부 하강시킴과 동시에 압축공기에 포함된 수분을 제거할 수 있다. 냉각부(50)를 통과하여 냉각된 압축공기는 팽창부(30)로 유입된다.The compression unit 20 compresses air to generate high-temperature and high-pressure compressed air. A turbo-type compressor that increases the pressure by giving kinetic energy to the gas is used, or a positive displacement type that increases the pressure by decreasing the volume. A (screw type) compressor or the like may be used. The high-temperature and high-pressure compressed air generated by the compression unit 20 moves along the intake pipe 100 and flows into the expansion unit 30 . At this time, a cooling unit 50 for cooling the compressed air passing through the compression unit 20 may be installed on the intake pipe 100 between the compression unit 20 and the expansion unit 30 . The cooling unit 50 may cool the compressed air to partially lower the temperature and at the same time remove moisture contained in the compressed air. Compressed air cooled by passing through the cooling unit 50 is introduced into the expansion unit 30 .

팽창부(30)는 압축공기를 단열 팽창시켜 공기 중 적어도 일부를 액화시키는 것으로, 흡기관(100)을 통해 압축부(20)에 연결된다. 도면 상에는 팽창부(30)가 팽창 터빈 형태로 형성된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 예를 들어, 팽창부(30)는 줄-톰슨 밸브(Jule-Thompson valve)와 같은 팽창 밸브 형태로 형성될 수도 있다. 팽창부(30)가 고온 고압의 압축공기를 단열 팽창시킴으로써, 압축공기의 온도가 급감하여 공기 중 적어도 일부가 액화될 수 있다. 전술한 바와 같이, 압축부(20)를 통과한 압축공기는 냉각부(50)에 의해 일부 냉각된 상태이므로, 팽창부(30)에서 원활하게 액화될 수 있다.The expansion unit 30 adiabatically expands compressed air to liquefy at least a portion of the air, and is connected to the compression unit 20 through the intake pipe 100 . Although the drawing shows that the expansion unit 30 is formed in the form of an expansion turbine, the present invention is not limited thereto. For example, the expansion unit 30 is formed in the form of an expansion valve such as a Jule-Thompson valve. it might be By adiabatically expanding the high-temperature and high-pressure compressed air by the expansion unit 30 , the temperature of the compressed air may drop sharply, so that at least a portion of the air may be liquefied. As described above, since the compressed air passing through the compression unit 20 is partially cooled by the cooling unit 50 , it may be smoothly liquefied in the expansion unit 30 .

이 때, 팽창부(30)는 압축공기가 팽창하여 질소의 비등점(-196℃)과 산소의 비등점(-183℃) 사이의 온도가 되도록 조절할 수 있다. 팽창부(30)가 압축공기의 온도를 질소의 비등점과 산소의 비등점 사이가 되도록 조절함으로써, 상대적으로 비등점이 높은 산소는 액화되어 액체 상태로 상변화(相變化)하고, 상대적으로 비등점이 낮은 질소는 기체 상태로 유지될 수 있다. 즉, 공기는 액체산소와 기체질소를 포함할 수 있다. 한편, 압축공기는 전술한 바와 같이, 냉각부(50)에 의해 수분이 미리 제거된 상태이므로, 팽창부(30)에 의해 온도가 급감하더라도 결빙 등이 발생하지 않는다. 팽창부(30)를 통과하여 적어도 일부가 액화된 공기는 연소공기 공급부(40)로 유입된다.At this time, the expansion unit 30 may be adjusted so that the compressed air expands to a temperature between the boiling point of nitrogen (-196° C.) and the boiling point of oxygen (-183° C.). The expansion unit 30 adjusts the temperature of the compressed air to be between the boiling point of nitrogen and the boiling point of oxygen, so that oxygen with a relatively high boiling point is liquefied and phase-changed into a liquid state, and nitrogen with a relatively low boiling point is liquefied. can be maintained in a gaseous state. That is, the air may include liquid oxygen and gaseous nitrogen. On the other hand, since the compressed air is in a state in which moisture has been previously removed by the cooling unit 50 as described above, icing does not occur even if the temperature is sharply decreased by the expansion unit 30 . At least partially liquefied air passing through the expansion unit 30 is introduced into the combustion air supply unit 40 .

연소공기 공급부(40)는 흡기관(100)을 통해 팽창부(30)에 연결되며, 액화된 공기를 분리하여 연소기관(10)의 흡기관(100)으로 공급되는 연소용 공기의 산소 및 질소의 농도비를 조절할 수 있다. 여기서, 연소용 공기라 함은, 공기 중 산소의 농도가 상대적으로 낮고, 질소의 농도가 상대적으로 높은 공기로, 예를 들어, 공기 중 산소의 농도가 15~20 vol%이고, 질소의 농도가 78~85 vol%인 공기를 의미할 수 있다. 연소공기 공급부(40)가 액화된 공기를 분리하여 연소용 공기의 산소 및 질소의 농도비를 조절함으로써, 산소 농도가 낮은 연소용 공기가 연소기관(10)으로 공급되어 연소기관(10)의 연소온도가 낮춰질 수 있으며, 이로 인해, 질소산화물의 발생량이 줄어들 수 있다.The combustion air supply unit 40 is connected to the expansion unit 30 through the intake pipe 100 , and oxygen and nitrogen of the combustion air supplied to the intake pipe 100 of the combustion engine 10 by separating the liquefied air. concentration ratio can be adjusted. Here, the combustion air is air having a relatively low oxygen concentration in the air and a relatively high nitrogen concentration, for example, the oxygen concentration in the air is 15 to 20 vol%, and the nitrogen concentration is It may mean air of 78-85 vol%. The combustion air supply unit 40 separates the liquefied air and adjusts the concentration ratio of oxygen and nitrogen in the combustion air, so that combustion air having a low oxygen concentration is supplied to the combustion engine 10 and the combustion temperature of the combustion engine 10 . can be lowered, thereby reducing the amount of nitrogen oxides generated.

연소공기 공급부(40)는 팽창부(30)를 통과한 공기 중 액화된 공기를 분리하는 기액분리기(41)를 포함하며, 기액분리기(41)는 공기 중 액체산소를 분리할 수 있다. 즉, 기액분리기(41)로 유입된 액체산소와 기체질소는 비중 차에 의해 중력 분리되어, 액체산소는 기액분리기(41)의 하부에 연결된 배출관(42)을 통해 기액분리기(41) 외부로 배출되고, 기체질소를 포함하는 연소용 공기는 기액분리기(41)의 상부에 연결된 흡기관(100)을 통해 연소기관(10)으로 공급될 수 있다. 이 때, 기액분리기(41)의 하부와 상부에 각각 연결된 배출관(42)과 흡기관(100) 상에는 액체산소와 연소용 공기의 유동을 제어하는 제어밸브(도시되지 않음)가 설치될 수 있다. 또한, 기액분리기(41) 내부에는 응축기(43)가 마련되어 공기에 포함된 산소를 추가로 액화시킬 수 있다.The combustion air supply unit 40 includes a gas-liquid separator 41 that separates liquefied air from the air that has passed through the expansion unit 30 , and the gas-liquid separator 41 can separate liquid oxygen from the air. That is, the liquid oxygen and gaseous nitrogen introduced into the gas-liquid separator 41 are gravity-separated by the difference in specific gravity, and the liquid oxygen is discharged to the outside of the gas-liquid separator 41 through the discharge pipe 42 connected to the lower part of the gas-liquid separator 41 . and the combustion air containing gaseous nitrogen may be supplied to the combustion engine 10 through the intake pipe 100 connected to the upper portion of the gas-liquid separator 41 . At this time, a control valve (not shown) for controlling the flow of liquid oxygen and combustion air may be installed on the exhaust pipe 42 and the intake pipe 100 respectively connected to the lower and upper portions of the gas-liquid separator 41 . In addition, a condenser 43 is provided inside the gas-liquid separator 41 to further liquefy oxygen contained in the air.

그러나, 기액분리기(41) 내부에 응축기(43)가 마련되는 것으로 한정될 것은 아니며, 설계 또는 운전조건에 따라 응축기(43)는 생략될 수도 있다. 또한, 기액분리기(41)에 유입된 액체산소와 기체질소가 비중 차에 의해 중력 분리되는 것으로 한정될 것은 아니며, 액체산소와 기체질소를 분리할 수 있는 다양한 구조로 변형될 수 있다. 예를 들어, 기액분리기(41)는 원심력을 이용하여 액체산소와 기체질소를 분리할 수도 있다.However, the condenser 43 is not limited to being provided in the gas-liquid separator 41, and the condenser 43 may be omitted depending on design or operating conditions. In addition, the liquid oxygen and gaseous nitrogen introduced into the gas-liquid separator 41 are not limited to gravity separation due to a specific gravity difference, and may be transformed into various structures capable of separating liquid oxygen and gaseous nitrogen. For example, the gas-liquid separator 41 may separate liquid oxygen and gaseous nitrogen using centrifugal force.

한편, 연소공기 공급부(40)와 연소기관(10) 사이의 흡기관(100) 상에는 가열유닛(60)이 설치될 수 있다. 가열유닛(60)은 연소공기 공급부(40)로부터 배출된 연소용 공기를 연소하기에 적합한 온도 및 압력으로 가온 및 가압한다.Meanwhile, the heating unit 60 may be installed on the intake pipe 100 between the combustion air supply unit 40 and the combustion engine 10 . The heating unit 60 heats and pressurizes the combustion air discharged from the combustion air supply unit 40 to a temperature and pressure suitable for combustion.

이하, 도 2를 참조하여, 동력발생장치(1)의 동작에 대해 좀 더 구체적으로 설명한다.Hereinafter, with reference to FIG. 2, the operation of the power generating device 1 will be described in more detail.

도 2는 도 1의 동력발생장치의 동작 과정을 설명하기 위한 작동도이다.FIG. 2 is an operation diagram for explaining an operation process of the power generator of FIG. 1 .

본 발명의 일 실시예에 따른 동력발생장치(1)는 심냉 분리법을 이용하여 흡기관(100)으로 유입되는 공기에 포함된 산소의 농도를 효과적으로 감소시킬 수 있으며, 이로 인해, 배기가스에 포함된 질소산화물을 현저하게 감소시킬 수 있다. 또한, 비교적 장치 구성이 간단하여 제어가 용이하고, 운전 및 유지를 위한 비용이 적게 들어가 비용 대비 질소산화물의 제거 효과가 현저하다. 또한, 운전 과정에서 유독한 화학물질을 사용하지 않으며, 슬러지와 같은 부산물이 발생하지 않는 특징이 있다.The power generator 1 according to an embodiment of the present invention can effectively reduce the concentration of oxygen contained in the air flowing into the intake pipe 100 by using the deep cooling separation method, and thereby, Nitrogen oxide can be significantly reduced. In addition, the device configuration is relatively simple, so control is easy, and the cost for operation and maintenance is low, so that the effect of removing nitrogen oxides is remarkable compared to the cost. In addition, toxic chemicals are not used in the operation process, and by-products such as sludge are not generated.

연소기관(10)은 일 측에 흡기관(100)과 배기관(200)이 형성되며, 흡기관(100) 상에는 공기의 유동 방향을 따라 압축부(20)와, 냉각부(50)와, 팽창부(30)와, 연소공기 공급부(40), 및 가열유닛(60)이 순차적으로 설치된다.The combustion engine 10 has an intake pipe 100 and an exhaust pipe 200 formed on one side, and a compression unit 20, a cooling unit 50, and an expansion along the air flow direction on the intake pipe 100. The unit 30, the combustion air supply unit 40, and the heating unit 60 are sequentially installed.

도 2를 참조하여 구체적으로 설명하면, 흡기관(100)을 통해 유입된 공기는 압축부(20)를 통과하여 고온 고압의 압축공기가 되며, 고온 고압의 압축공기는 압축부(20)의 후방에 배치된 냉각부(50)에서 일부 냉각된 후 팽창부(30)로 유입된다. 팽창부(30)는 압축공기를 단열팽창시켜 압축공기의 온도가 질소의 비등점과 산소의 비등점 사이가 되도록 조절하므로, 공기에 포함된 산소는 액화되어 액체 상태가 되고, 질소는 기체 상태로 유지된다.2 , the air introduced through the intake pipe 100 passes through the compression unit 20 to become high-temperature and high-pressure compressed air, and the high-temperature and high-pressure compressed air is located at the rear of the compression unit 20 . After being partially cooled by the cooling unit 50 disposed in the , it flows into the expansion unit 30 . The expansion unit 30 adiabatically expands the compressed air so that the temperature of the compressed air is adjusted to be between the boiling point of nitrogen and the boiling point of oxygen. .

팽창부(30)를 통과한 액체산소와 기체질소를 포함하는 공기는 흡기관(100)을 통해 연소공기 공급부(40)로 공급되며, 연소공기 공급부(40)는 기액분리기(41)로 형성되어 액체산소와 기체질소를 분리한다. 기액분리기(41) 내부에는 응축기(43)가 마련되므로, 공기에 포함된 산소가 추가로 액화될 수 있다. 액체산소는 기액분리기(41)의 하부에 연결된 배출관(42)을 통해 외부로 배출되며, 기체질소를 포함하는 연소용 공기는 기액분리기(41)의 상부에 연결된 흡기관(100)을 통해 연소기관(10)으로 공급된다. 연소공기 공급부(40)와 연소기관(10) 사이에는 가열유닛(60)이 배치되므로, 연소용 공기는 연소하기에 적합한 온도 및 압력으로 가온 및 가압된 후 연소기관(10)에 유입될 수 있다.The air containing liquid oxygen and gaseous nitrogen passing through the expansion unit 30 is supplied to the combustion air supply unit 40 through the intake pipe 100, and the combustion air supply unit 40 is formed as a gas-liquid separator 41, Separate liquid oxygen and gaseous nitrogen. Since the condenser 43 is provided inside the gas-liquid separator 41, oxygen contained in the air may be further liquefied. Liquid oxygen is discharged to the outside through the discharge pipe 42 connected to the lower part of the gas-liquid separator 41, and the combustion air containing gaseous nitrogen is the combustion engine through the intake pipe 100 connected to the upper part of the gas-liquid separator 41. (10) is supplied. Since the heating unit 60 is disposed between the combustion air supply unit 40 and the combustion engine 10, the combustion air may be heated and pressurized to a temperature and pressure suitable for combustion and then introduced into the combustion engine 10. .

산소가 제거되어 산소 농도가 낮고 질소 농도가 높은 연소용 공기가 연소기관(10)으로 공급됨으로써, 연소온도가 낮아져 질소산화물의 발생량이 줄어들 수 있다.Since oxygen is removed and the combustion air having a low oxygen concentration and a high nitrogen concentration is supplied to the combustion engine 10 , the combustion temperature is lowered and the amount of nitrogen oxides generated can be reduced.

이하, 도 3을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 동력발생장치(1a)에 관하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to FIG. 3, a power generating device 1a according to another embodiment of the present invention will be described in detail.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 동력발생장치를 개략적으로 도시한 도면이다.3 is a view schematically showing a power generating device according to another embodiment of the present invention.

본 발명의 다른 실시예에 따른 동력발생장치(1a)는 연소공기 공급부(40)가 액화된 공기 중 일부를 재기화하여 기체 상태의 산소 및 질소의 농도비를 조절하는 재기화부(44)를 더 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 동력발생장치(1a)는 연소공기 공급부(40)가 액화된 공기 중 일부를 재기화하여 기체 상태의 산소 및 질소의 농도비를 조절하는 재기화부(44)를 더 포함하는 것을 제외하면, 전술한 실시예와 실질적으로 동일하다. 따라서, 이를 중점적으로 설명하되, 별도의 언급이 없는 한 나머지 구성부에 대한 설명은 전술한 사항으로 대신한다.The power generating device 1a according to another embodiment of the present invention further includes a regasification unit 44 for controlling the concentration ratio of oxygen and nitrogen in gaseous state by regasifying a portion of the liquefied air by the combustion air supply unit 40 . do. The power generating device 1a according to another embodiment of the present invention further includes a regasification unit 44 for controlling the concentration ratio of oxygen and nitrogen in gaseous state by regasifying a portion of the liquefied air by the combustion air supply unit 40 . Except that, it is substantially the same as the above-described embodiment. Therefore, it is mainly described, but unless otherwise noted, the description of the remaining components is replaced with the above.

연소공기 공급부(40)는 팽창부(30)를 통과한 액화된 공기 중 일부를 재기화하여 기체 상태의 산소 및 질소의 농도비를 조절하는 재기화부(44)를 더 포함하며, 재기화부(44)는 기액분리기(41)에 저장된 액체산소를 기체산소로 재기화할 수 있다. 팽창부(30)에서 기준치 이상으로 공기 중에 포함된 산소가 액화된 경우, 즉, 다량의 액체산소가 생성된 경우, 연소용 공기 내 기체산소가 부족하여 연소가 제대로 이루어지지 않을 수 있다. 따라서, 재기화부(44)가 액체산소 중 일부를 기체산소로 재기화함으로써, 연소에 적합한 기체질소와 기체산소의 농도비를 갖는 연소용 공기를 공급할 수 있으며, 이로 인해, 연소기관(10)의 연소효율이 향상될 수 있다.The combustion air supply unit 40 further includes a regasification unit 44 that regasifies some of the liquefied air that has passed through the expansion unit 30 to adjust the concentration ratio of gaseous oxygen and nitrogen, and the regasification unit 44 may re-gas the liquid oxygen stored in the gas-liquid separator 41 into gaseous oxygen. When the oxygen contained in the air is liquefied in the expansion unit 30 more than the reference value, that is, when a large amount of liquid oxygen is generated, the combustion may not be performed properly due to insufficient gaseous oxygen in the combustion air. Accordingly, the regasification unit 44 regasifies some of the liquid oxygen into gaseous oxygen, so that combustion air having a concentration ratio of gaseous nitrogen and gaseous oxygen suitable for combustion can be supplied, and thereby, combustion of the combustion engine 10 Efficiency can be improved.

그러나, 재기화부(44)가 액체산소를 기체산소로 재기화하는 것으로 한정될 것은 아니며, 예를 들어, 질소가 액화된 경우, 액체질소를 기체질소로 재기화할 수도 있다.However, the regasification unit 44 is not limited to regasification of liquid oxygen into gaseous oxygen. For example, when nitrogen is liquefied, liquid nitrogen may be regasified into gaseous nitrogen.

이하, 도 4를 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동력발생장치(1b)에 관하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to FIG. 4, a power generating device 1b according to another embodiment of the present invention will be described in detail.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동력발생장치를 개략적으로 도시한 도면이다.4 is a view schematically showing a power generating device according to another embodiment of the present invention.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동력발생장치(1b)는 압축부(20)가 연소기관(10)의 배기가스를 동력으로 공기를 과급하는 과급유닛을 포함한다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동력발생장치(1b)는 압축부(20)가 연소기관(10)의 배기가스를 동력으로 공기를 과급하는 과급유닛을 포함하는 것을 제외하면, 전술한 실시예와 실질적으로 동일하다. 따라서, 이를 중점적으로 설명하되, 별도의 언급이 없는 한 나머지 구성부에 대한 설명은 전술한 사항으로 대신한다.The power generating device 1b according to another embodiment of the present invention includes a supercharging unit in which the compression unit 20 supercharges air by using the exhaust gas of the combustion engine 10 as power. The power generating device 1b according to another embodiment of the present invention is the above-described embodiment, except that the compression unit 20 includes a supercharging unit for supercharging air by using the exhaust gas of the combustion engine 10 as power. is practically the same as Therefore, it is mainly described, but unless otherwise noted, the description of the remaining components is replaced with the above.

압축부(20)는 연소기관(10)의 배기가스를 동력으로 공기를 과급하는 과급유닛을 포함한다. 과급유닛은 터보차저(turbo charger) 형태로 형성되어, 배기관(200) 상에 설치되어 배기가스의 유동에너지로 구동되는 터빈과, 흡기관(100) 상에 배치되되 터빈과 축(shaft)으로 연결되어 공기를 압축하는 압축기를 포함할 수 있다. 압축부(20)가 배기가스를 동력으로 공기를 과급하는 과급유닛을 포함함으로써, 별도의 동력원을 공급받지 않더라도 공기를 압축하여 압축공기를 생성할 수 있으며, 이로 인해, 효율적으로 장치를 운용할 수 있다.The compression unit 20 includes a supercharging unit for supercharging air by using the exhaust gas of the combustion engine 10 as power. The supercharging unit is formed in the form of a turbocharger, is installed on the exhaust pipe 200 and is driven by the flow energy of the exhaust gas, is disposed on the intake pipe 100, and is connected to the turbine and a shaft It may include a compressor for compressing the air. Since the compression unit 20 includes a supercharging unit that supercharges air by using exhaust gas as power, it is possible to generate compressed air by compressing air without receiving a separate power source, thereby efficiently operating the device. have.

그러나, 과급유닛이 연소기관(10)의 배기가스의 압력으로 구동하는 터보차저(turbo charger)로 형성되는 것으로 한정될 것은 아니며, 예를 들어, 과급유닛은 연소기관(10)의 동력을 직접 사용하거나 별도의 동력원을 이용하는 수퍼차저(super charger)로 형성될 수도 있다. However, the supercharging unit is not limited to being formed of a turbo charger driven by the pressure of the exhaust gas of the combustion engine 10 , and for example, the supercharging unit directly uses the power of the combustion engine 10 . Alternatively, it may be formed as a super charger using a separate power source.

이하, 도 5를 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동력발생장치(1c)에 관하여 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to FIG. 5, a power generating device 1c according to another embodiment of the present invention will be described in detail.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동력발생장치를 개략적으로 도시한 도면이다.5 is a view schematically showing a power generating device according to another embodiment of the present invention.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동력발생장치(1c)는 외기공급관(70)과 공기조절부(80)를 더 포함한다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 동력발생장치(1c)는 외기공급관(70)과 공기조절부(80)를 더 포함하는 것을 제외하면, 전술한 실시예와 실질적으로 동일하다. 따라서, 이를 중점적으로 설명하되, 별도의 언급이 없는 한 나머지 구성부에 대한 설명은 전술한 사항으로 대신한다.The power generating device 1c according to another embodiment of the present invention further includes an outdoor air supply pipe 70 and an air conditioning unit 80 . The power generating device 1c according to another embodiment of the present invention is substantially the same as the above-described embodiment, except that it further includes an outdoor air supply pipe 70 and an air conditioning unit 80 . Therefore, it is mainly described, but unless otherwise noted, the description of the remaining components is replaced with the above.

외기공급관(70)은 흡기관(100) 내부로 외부의 공기를 직접 공급하는 것으로, 흡기관(100)의 일 측에 연결되어 내부가 흡기관(100)과 연통될 수 있다. 흡기관(100)의 일 측에 외기공급관(70)이 연결됨으로써, 연소기관(10)에는 산소 및 질소의 농도비가 조절되지 않은 외부 공기와, 산소 및 질소의 농도비가 78~85 : 15~20으로 조절된 연소용 공기가 함께 유입될 수 있다. 이 때, 흡기관(100)과 외기공급관(70) 상에는 공기조절부(80)가 설치될 수 있으며, 공기조절부(80)는 외기공급관(70)을 통해 공급되는 외부 공기와 연소공기 공급부(40)를 통해 공급되는 연소용 공기를 적당한 비율로 혼합하여 흡기관(100)으로 공급할 수 있다. 외부 공기와 연소용 공기를 적정 비율로 혼합하여 공급함으로써, 연소기관(10)에 산소 농도가 낮은 공기를 공급하면서도 유해가스 저감장치(E)의 운용에 따른 비용을 절감할 수 있다.The outdoor air supply pipe 70 directly supplies external air into the intake pipe 100 , and may be connected to one side of the intake pipe 100 so that the inside communicates with the intake pipe 100 . As the outdoor air supply pipe 70 is connected to one side of the intake pipe 100 , in the combustion engine 10 , the concentration ratio of oxygen and nitrogen is not adjusted to external air, and the concentration ratio of oxygen and nitrogen is 78 to 85: 15 to 20 Combustion air conditioned by this can be introduced together. At this time, the air conditioning unit 80 may be installed on the intake pipe 100 and the outdoor air supply pipe 70 , and the air conditioning unit 80 includes external air supplied through the outdoor air supply pipe 70 and the combustion air supply unit ( 40) may be supplied to the intake pipe 100 by mixing the combustion air supplied through the mixture in an appropriate ratio. By mixing and supplying external air and combustion air in an appropriate ratio, it is possible to reduce the cost of operating the harmful gas reduction device E while supplying air with a low oxygen concentration to the combustion engine 10 .

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.Although embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can realize that the present invention can be embodied in other specific forms without changing its technical spirit or essential features. you will be able to understand Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive.

1, 1a, 1b, 1c: 동력발생장치 10: 연소기관
20: 압축부 30: 팽창부
40: 연소공기 공급부 41: 기액분리기
42: 배출관 43: 응축기
44: 재기화부 50: 냉각부
60: 가열유닛 70: 외기공급관
80: 공기조절부
100: 흡기관 200: 배기관
E: 유해가스 저감장치1, 1a, 1b, 1c: power generator 10: combustion engine
20: compression part 30: expansion part
40: combustion air supply 41: gas-liquid separator
42: discharge pipe 43: condenser
44: regasification unit 50: cooling unit
60: heating unit 70: outdoor air supply pipe
80: air conditioning unit
100: intake pipe 200: exhaust pipe
E: Harmful gas reduction device

Claims (8)

연소기관;
공기를 압축하여 압축공기를 생성하는 압축부;
상기 압축부에 연결되어 상기 압축공기를 단열 팽창시켜 상기 공기 중 적어도 일부를 액화시키는 팽창부; 및
상기 팽창부에 연결되어 액화된 공기를 분리하여 상기 연소기관의 흡기관으로 공급되는 연소용 공기의 산소 및 질소의 농도비를 조절하는 연소공기 공급부를 포함하되,
상기 연소공기 공급부는, 상기 팽창부를 통과한 상기 공기 중 상기 액화된 공기를 분리하는 기액분리기와,
상기 액화된 공기 중 일부를 재기화하고 상기 기액분리기로 순환시켜 기체 상태의 산소 및 질소의 농도비를 조절하는 재기화부를 포함하는 동력발생장치.combustion engine;
Compression unit for generating compressed air by compressing the air;
an expansion unit connected to the compression unit to thermally expand the compressed air to liquefy at least a portion of the air; and
A combustion air supply unit connected to the expansion unit to separate the liquefied air and control the concentration ratio of oxygen and nitrogen of the combustion air supplied to the intake pipe of the combustion engine,
The combustion air supply unit includes a gas-liquid separator that separates the liquefied air from the air that has passed through the expansion unit;
and a regasification unit configured to regasify a portion of the liquefied air and circulate it to the gas-liquid separator to adjust a concentration ratio of gaseous oxygen and nitrogen. 제1 항에 있어서, 상기 팽창부는 상기 압축공기가 팽창하여 질소의 비등점과 산소의 비등점 사이의 온도가 되도록 조절하는 동력발생장치.The power generating device according to claim 1, wherein the expansion unit controls the compressed air to expand to a temperature between a boiling point of nitrogen and a boiling point of oxygen. 제1 항에 있어서, 상기 압축부와 상기 팽창부 사이에 위치하여 상기 압축부를 통과한 상기 압축공기를 냉각하는 냉각부와,
상기 흡기관 내부로 외부의 공기를 직접 공급하는 외기 공급관과,
상기 외기공급관을 통해 공급되는 공기와 상기 연소공기 공급부를 통해 공급되는 상기 연소용 공기를 혼합하여 상기 흡기관으로 공급하는 공기조절부를 더 포함하되,
상기 압축부는 상기 연소기관의 배기가스를 동력으로 상기 공기를 과급하는 과급유닛을 포함하는 동력발생장치.The method according to claim 1, wherein the cooling unit is located between the compression unit and the expansion unit to cool the compressed air passing through the compression unit;
an external air supply pipe for directly supplying external air into the intake pipe;
Further comprising an air conditioning unit for mixing the air supplied through the outdoor air supply pipe and the combustion air supplied through the combustion air supply unit and supplying the air to the intake pipe,
The compression unit includes a supercharging unit for supercharging the air by using the exhaust gas of the combustion engine as power. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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