KR20120091864A - 엔진 폐열 회수장치를 이용한 브라운가스 생산시스템 - Google Patents

엔진 폐열 회수장치를 이용한 브라운가스 생산시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔진 폐열 회수장치를 이용한 브라운가스 생산시스템에 관한 것이다. 이는 순환라인을 따라 작동유체를 순환시키며, 순환 중의 작동유체를 엔진의 배기가스와 열교환시켜 과열증기를 생산하는 폐열회수부와; 폐열회수부로부터 배출되는 과열증기에 의해 회전하며 회전토오크를 발생하는 증기터어빈과; 증기터어빈에 연동하여 전기를 생산하는 메인발전기와; 메인발전기에서 발생한 전기를 공급받아 브라운가스를 생산하는 브라운가스 발생유니트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

엔진 폐열 회수장치를 이용한 브라운가스 생산시스템{Brown gas generating system using waste heat collecting device of engine}
본 발명은 엔진 폐열 회수장치를 이용한 브라운가스 생산시스템에 관한 것이다.
브라운가스는 산소원자와 수소원자가 2:1로 혼합된 상태의 연소성 가스로서, 물의 전기분해시 산소원자와 수소원자의 해리작용으로 발생된다. 상기한 브라운가스는 기존 화석연료에 비해 발열량이 3배에 이를 정도로 크고 화염전파속도도 현저히 빨라, 기존 화석연료와 혼소시 화석연료의 연소를 촉진시켜 완전연소에 도움을 주고, 화석연료의 가연한계를 넓히는 화염안정제의 역할을 하며, 더 나아가 화석연료의 초희박 연소를 가능케하여 연소온도를 낮추어 NOx를 저감시킴은 물론 CO2, SOx도 감소시킨다.
상기한 바와 같은 브라운가스의 여러 장점을 활용하기 위해, 브라운가스를 엔진에 공급하여 화석연료와 혼소시킴으로써 엔진의 고효율을 도모하는 기술이 개발되어 있다.
도 1은 종래 브라운가스 생산시스템 및 상기 브라운가스를 원료의 일부로 사용하는 엔진을 함께 도시한 도면이다.
도시한 바와같이, 종래의 브라운가스 생산시스템은, 외부로부터 제공된 전력에 의해 동작하여 브라운가스를 발생하는 브라운가스 발생유니트(19)와, 상기 브라운가스 발생유니트(19)에 전기를 공급하기 위한 것으로서, 다수의 발전엔진(13)과, 각 발전엔진(13)에 연결되며 발전엔진(13)에 의해 회전하며 전기를 생산하는 발전기(15)와, 상기 발전기(15)에서 생산된 전력을 브라운가스 발생유니트(19)로 인가하는 배전반(switchboard)(17)으로 구성된다. 상기 발전엔진(13)은 화석연료로 구동되는 디젤엔진이다.
상기 브라운가스 발생유니트(19)는 배전반(17)과 전기적으로 접속되며 배전반(17)으로부터 전력을 인가받아 브라운가스를 생산한다. 상기 브라운가스 발생유니트(19)에서 생산된 브라운가스는 브라운가스 공급파이프(21)를 통해 메인엔진(11)으로 공급된다. 상기 메인엔진(11)으로 공급되는 브라운가스는 엔진의 연소실 내에서 화석연료와 함께 혼소된다.
그런데 상기한 종래의 브라운가스 생산시스템은, 브라운가스를 생산하기 위하여, 다량의 디젤엔진을 소모하는 발전용 엔진(13)을 사용해야 한다는 문제를 갖는다. 이는 메인엔진(11)의 연료소모를 줄이기 위해 발전엔진(13)의 연료소모를 증가시킨다는, 브라운가스 사용의 근본 취지에 어긋나는 것이다.
본 발명은 상기 문제점을 해소하고자 창출한 것으로서, 메인엔진에서 발생하는 폐열을 이용하여 전기를 생산하고 이를 브라운가스 생산에 사용하므로 브라운가스를 얻기 위한 연료의 소모가 없는 엔진 폐열 회수장치를 이용한 브라운가스 생산시스템을 제공함에 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 엔진 폐열 회수장치를 이용한 브라운가스 생산시스템은, 순환라인을 따라 작동유체를 순환시키며, 순환 중의 작동유체를 엔진의 배기가스와 열교환시켜 과열증기를 생산하는 폐열회수부와; 상기 폐열회수부로부터 배출되는 과열증기에 의해 회전하며 회전토오크를 발생하는 증기터어빈과; 상기 증기터어빈에 연동하여 전기를 생산하는 메인발전기와; 상기 메인발전기에서 발생한 전기를 공급받아 브라운가스를 생산하는 브라운가스 발생유니트를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메인발전기에서 생산된 전기를 저장하며, 필요시 상기 브라운가스 발생유니트로 전기를 공급하는 축전부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 브라운가스 발생유니트에는, 상기 메인발전기의 비동작시 작동하여 전기를 생산하고, 생산된 전기를 상기 브라운가스 발생유니트로 인가하는 예비발전부가 더 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 폐열회수부는; 상기 엔진의 배기가스가 배출되는 배기관에 장착되며, 그 내부에 작동유체를 배기가스와 접촉시켜 과열증기를 발생하는 증기과열부를 갖는 이코노마이저와, 상기 증기과열부에서 발생한 과열증기를 상기 증기터어빈으로 공급하는 증기공급라인과, 상기 증기터어빈을 통과한 증기를 응축시키는 응축기와, 상기 응축기를 통과한 작동유체를 상기 증기과열부로 유도하는 회수라인과, 상기 작동유체를 펌핑하여 순환시키는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이코노마이저의 내부에는 상기 작동유체를 배기가스와 열교환시켜 가열하기 위한 증발부가 더 구비되며, 상기 회수라인에는 회수라인을 따라 증기과열부로 향하는 작동유체가 그 내부를 경유하는 드럼이 배치되고, 상기 드럼과 상기 증발부의 사이에는, 상기 증기과열부로 유입되기 전의 작동유체를 가열 증발시키는 것으로서, 드럼에 유입된 작동유체를 상기 증발뷰로 보내어 증발시키고, 상기 증발부를 통과한 작동유체를 드럼으로 귀환시키는 순환라인이 배치된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 순환라인은, 상기 작동유체가 상기 증발부로 유입되도록 펌핑하는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 증기과열부와 증발부는 하나의 세트를 이루되, 상기 배기관의 하류 방향으로, 제 1증기과열부, 제 1증발부, 제 2증기과열부, 제 2증발부가 차례로 배치되며, 상기 드럼은; 제 1순환라인을 통해 상기 제 1증발부와 연결되는 고압드럼과, 제 2순환라인을 통해 상기 제 2증발부와 연결되는 저압드럼으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 회수라인은; 상기 엔진에 구비되어 있는 에어쿨러를 통과하도록 배관되어, 회수라인을 내부 유동하는 작동유체는 에어쿨러를 통과하며 엔진에서 발생하는 열을 받아 가열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 회수라인은; 상기 엔진에 구비되어 있는 냉각재킷을 통과하도록 배관되어, 회수라인을 내부 유동하는 작동유체는 냉각재킷을 통과하며 냉각재킷의 열을 전달받아 가열되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명의 엔진 폐열 회수장치를 이용한 브라운가스 생산시스템은, 메인엔진에서 발생하는 폐열을 이용하여 전기를 생산하고 이를 브라운가스 생산에 사용하므로 브라운가스를 얻기 위하여 추가적인 발전기 엔진을 구동할 필요가 없게 되므로 그만큼 연료의 소모가 없다.
도 1은 종래 브라운가스 생산시스템 및 상기 브라운가스를 원료의 일부로 사용하는 엔진을 함께 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 폐열 회수장치를 이용한 브라운가스 생산시스템을 설명하기 위하여 도시한 계통도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 폐열 회수장치를 이용한 브라운가스 생산시스템의 다른 예를 나타내 보인 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 하나의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 폐열 회수장치를 이용한 브라운가스 생산시스템을 설명하기 위하여 도시한 계통도이다.
도시한 바와같이, 본 실시예에 따른 브라운가스 생산시스템(31)은, 메인엔진(33)으로부터 배출되는 폐열을 회수하는 폐열회수부(71)와, 상기 폐열회수부(71)로부터 회수된 과열증기에 의해 동작하는 증기터어빈(43)과, 상기 증기터어빈(43)에 연동하며 전기를 생산하는 메인발전기(45)와, 상기 메인발전기(45)에서 생산된 전력을 분배하는 배전반(17)과, 상기 배전반(17)의 전기를 인가받아 브라운가스를 생산하는 브라운가스 발생유니트(19)와, 상기 배전반(17)에 전기를 공급하는 예비발전부(73)를 포함한다.
상기 메인엔진(33)은 화석연료를 사용하는 박용엔진으로서 선박의 추진을 담당한다. 상기 메인엔진(33)에서 발생하는 고온의 배기가스는 배기관(35)을 통해 외부로 배출된다. 아울러 상기 메인엔진(33)에는 에어쿨러(33a)와 냉각재킷(33b)이 구비된다.
한편, 상기 폐열회수부(71)는, 상기 배기관(35)에 장착되며 배기관을 통과하는 배기가스의 열을 전달받는 이코노마이저(37)와, 작동유체를 그 내부에 순환시키며 이코노마이저를 통과시키는 제 1,2증기공급라인(55,57)과 회수라인(53,59,61)과, 응축기(49)와 펌프(50,52) 등을 포함한다. 상기 작동유체는 물이다.
상기 이코노마이저(37)는 그 내부에, 배기관(35)의 하류 방향으로, 제 1증기과열부(37a), 제 1증발부(37b), 제 2증기과열부(37c), 제 2증발부(37d)를 갖는다. 상기 제 1,2증기과열부(37a,37c) 및 제 1,2증발부(37b,37d)는 모두 배기가스로부터 전달받은 열을 작동유체로 전달하는 역할을 한다.
상기 제 1,2증발부(37b,37d)는 증발기(evaporator)로서 그 내부를 통과하는 작동유체를 증발시킨다. 또한 제 1,2증기과열부(37a,37c)는 과열기(superheater)이며, 증기상태로 유입한 증기를 끓는점 이상의 온도로 가열한다.
상기 제 1,2증기과열부(37a,37c)를 통과하며 과열된 증기는 제1,2증기공급라인(55,57)을 내부 유동하여 증기터어빈(43)으로 이동하고 증기터어빈(43)을 회전시킨다. 상기 증기터어빈(43)이 동작함에 따라 증기터어빈(43)에 연결되어 있는 메인발전기(45)가 전기를 생산하게 됨은 물론이다. 아울러 과열증기를 이용해 증기터어빈을 회전시키는 원리는 공지의 증기터어빈 구동원리와 같다.
상기 증기터어빈(43)을 동작시킨 과열증기는 응축기(49)를 통과하며 응축되고, 펌프(50)에 의해 온수챔버(hot well)(51)로 이동한다.
상기 온수챔버(51)에 임시 저장되어 있는 작동유체는 펌프(52)의 작동에 의해 회수라인(53)을 따라 이동한다. 상기 회수라인(53)은 작동유체를, 후술할 고압드럼(39) 및 저압드럼(41)으로 유도하는 파이프로서, 메인엔진(33)의 에어쿨러(33a)와 냉각재킷(33b)을 경유한다. 따라서 상기 회수라인(53)을 내부 유동하는 작동유체는 유동 중 에어쿨러(33a)와 냉각재킷(33b)의 열을 전달받아 가열된다. 본 도면에서는 상기 회수라인(53)이 에어쿨러(33a)와 냉각재킷(33b)에 직렬로 연결되어 있으나, 회수라인(53)의 배관방식은 얼마든지 변경 가능하다. 가령 회수라인(53)을 에어쿨러(33a) 및 냉각재킷(33b)에 병렬로 연결할 수도 있음은 물론이다.
상기 고압드럼(39)은 외부로부터 밀폐된 케이스로서, 회수라인(53)을 따라 공급된 작동유체를 받아들여 그 내부에 임시 저장하고 제 1회수라인(59)을 통해 제 1증기과열부(37a)로 보낸다. 또한 상기 저압드럼(41)도 밀폐케이스로서 상기 회수라인(53)을 통해 회수된 작동유체의 일부를 그 내부에 일단 받아들인 후 제 2회수라인(61)을 통해 제 2증기과열부(37c)로 보낸다.
한편, 상기 고압드럼(39)은 제 1순환라인(63)을 통해 제 1증발부(37b)와 연결된다. 상기 제 1순환라인(63)은 상기 제 1증발부(37b)를 통과하고 양단부가 고압드럼(39)에 연통하는 파이프이다. 따라서 상기 고압드럼(39)에 수용되어 있는 작동유체는 제 1순환라인(63)상에 설치되어 있는 펌프를 통해 배출되어 제 1증발부(37b)에 다녀와 증기상태가 된다.
상기 과정을 통해 증기상태가 된 작동유체는 제 1회수라인(59)을 통해 제 1증기과열부(37a)로 이동하여 과열증기가 된 후 상기 증기터어빈(43)으로 이동한다.
또한 상기 저압드럼(41)도 제 2순환라인(65)을 통해 제 2증발부(37d)와 연통한다. 상기 제 2순환라인(65)은 상기 제 2증발부(37d)를 통과하고 양단부가 저압드럼(41)에 연결된 파이프이다. 상기 저압드럼(41)에 수용되어 있는 작동유체는 제 2순환라인(65)상에 설치되어 있는 펌프를 통해 배출되어 제 2증발부(37d)를 거쳐 증기상태로 변화한 후 저압드럼(41)으로 돌아온다.
상기 과정을 통해 증기상태로 변화한 작동유체는 제 2회수라인(61)을 통해 제 2증기과열부(37c)로 이동하여 과열증기로 바뀐 후 증기터어빈(43)으로 이동한다.
결국 상기 폐열회수부(71)에 의해 메인발전기(45)가 작동하여 전기가 발생한다.
상기 메인발전기(45)에서 생산된 전기는 배전반(17)을 거쳐 브라운가스 발생유니트(19)로 전달된다. 상기 브라운가스 발생유니트(19)는 공지의 장치로서, 외부로부터 인가된 전기에 의해 동작하여 상기한 브라운 가스를 발생한다.
도면부호 67은 브라운가스 공급파이프이다. 상기 브라운가스 공급파이프(67)는 생산된 브라운가스를 메인엔진(33)의 연소실로 공급하는 통로이다.
또한 도면부호 73은 예비발전부이다. 상기 예비발전부(73)는, 평상시 사용되지 않고, 폐열회수부(71)가 동작하지 않을 때나 또는 가령 메인엔진(33)의 시동 초기에 폐열회수부(71)의 기능이 정상상태로 올라서지 않았을 때 작동하여 브라운가스를 생산한다.
상기 예비발전부(73)는, 다수의 발전엔진(13)과, 각 발전엔진(13)에 연결되며 발전엔진(13)으로부터 회전력을 받아 작동하여 전기를 생산하고 이를 상기 배전반(17)으로 전달하는 다수의 발전기(15)를 포함한다. 상기 발전엔진(13)은 디젤엔진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 엔진 폐열 회수장치를 이용한 브라운가스 생산시스템의 다른 예를 나타내 보인 도면이다.
상기한 도면부호와 동일한 도면부호는 동일한 기능의 동일한 부재를 가리킨다.
도면을 참조하면, 상기 배전반(17)에 축전부(69)가 연결되어 있음을 알 수 있다. 상기 축전부(69)는 배전반(17)으로부터 전기를 공급받아 그 내부에 저장하고 필요시 브라운가스 발생유니트(19)로 공급한다. 상기 축전부(69)로서 2차전지를 사용할 수 있다.
이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정하지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
11:메인엔진　　　　　 13:발전엔진　　　　　　　　 15:발전기
17:배전반　　　　　　　 19:브라운가스발생유니트　 21:공급파이프
31:브라운가스생산시스템　　 33:메인엔진　　　　 33a:에어쿨러
33b:냉각재킷　　　　　　　 35:배기관　　　　　　　 37:이코노마이저
37a:제 1증기과열부　 37b:제 1증발부　　 37c:제 2증기과열부
37d:제 2증발부　　　　　 39:고압드럼　　　　　 41:저압드럼
43:증기터어빈　　　　　　 45:메인발전기　　　 49:응축기
50:펌프　　　　　　　　　　　　 51:온수챔버　　　　　 52:펌프
53:회수라인　　　　　　　　 55:제 1증기공급라인　　　 57:제 2증기공급라인
59:제 1회수라인　　　　 61:제 2회수라인　 63:제 1순환라인
65:제 2순환라인　　　　 67:브라운가스공급파이프　　 69:축전부
71:폐열회수부　　　　　　 73:예비발전부

Claims (9)

  1. 순환라인을 따라 작동유체를 순환시키며, 순환 중의 작동유체를 엔진의 배기가스와 열교환시켜 과열증기를 생산하는 폐열회수부와;
    상기 폐열회수부로부터 배출되는 과열증기에 의해 회전하며 회전토오크를 발생하는 증기터어빈과;
    상기 증기터어빈에 연동하여 전기를 생산하는 메인발전기와;
    상기 메인발전기에서 발생한 전기를 공급받아 브라운가스를 생산하는 브라운가스 발생유니트를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 폐열 회수장치를 이용한 브라운가스 생산시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 메인발전기에서 생산된 전기를 저장하며, 필요시 상기 브라운가스 발생유니트로 전기를 공급하는 축전부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 폐열 회수장치를 이용한 브라운가스 생산시스템.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 브라운가스 발생유니트에는,
    상기 메인발전기의 비동작시 작동하여 전기를 생산하고, 생산된 전기를 상기 브라운가스 발생유니트로 인가하는 예비발전부가 더 구비된 것을 특징으로 하는 엔진 폐열 회수장치를 이용한 브라운가스 생산시스템.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 폐열회수부는;
    상기 엔진의 배기가스가 배출되는 배기관에 장착되며, 그 내부에 작동유체를 상기 배기가스와 접촉시켜 과열증기를 발생하는 증기과열부를 갖는 이코노마이저와,
    상기 증기과열부에서 발생한 과열증기를 상기 증기터어빈으로 공급하는 증기공급라인과,
    상기 증기터어빈을 통과한 증기를 응축시키는 응축기와,
    상기 응축기를 통과한 작동유체를 상기 증기과열부로 유도하는 회수라인과,
    상기 작동유체를 펌핑하여 순환시키는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 폐열 회수장치를 이용한 브라운가스 생산시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 이코노마이저의 내부에는 상기 작동유체를 배기가스와 열교환시켜 가열하기 위한 증발부가 더 구비되며,
    상기 회수라인에는 회수라인을 따라 증기과열부로 향하는 작동유체가 그 내부를 경유하는 드럼이 배치되고,
    상기 드럼과 상기 증발부의 사이에는, 상기 증기과열부로 유입되기 전의 작동유체를 가열 증발시키는 것으로서, 드럼에 유입된 작동유체를 상기 증발부로 보내어 증발시키고, 상기 증발부를 통과한 작동유체를 드럼으로 귀환시키는 순환라인이 배치된 것을 특징으로 하는 엔진 폐열 회수장치를 이용한 브라운가스 생산시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 순환라인은,
    상기 작동유체가 상기 증발부로 유입되도록 펌핑하는 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 폐열 회수장치를 이용한 브라운가스 생산시스템.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 증기과열부와 증발부는 하나의 세트를 이루되, 상기 배기관의 하류 방향으로, 제 1증기과열부, 제 1증발부, 제 2증기과열부, 제 2증발부가 차례로 배치되며,
    상기 드럼은;
    제 1순환라인을 통해 상기 제 1증발부와 연결되는 고압드럼과,
    제 2순환라인을 통해 상기 제 2증발부와 연결되는 저압드럼으로 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진 폐열 회수장치를 이용한 브라운가스 생산시스템.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 회수라인은;
    상기 엔진에 구비되어 있는 에어쿨러를 통과하도록 배관되어, 회수라인을 내부 유동하는 작동유체는 에어쿨러를 통과하며 엔진에서 발생하는 열을 받아 가열되는 것을 특징으로 하는 엔진 폐열 회수장치를 이용한 브라운가스 생산시스템.
  9. 제 4항에 있어서,
    상기 회수라인은;
    상기 엔진에 구비되어 있는 냉각재킷을 통과하도록 배관되어, 회수라인을 내부 유동하는 작동유체는 냉각재킷을 통과하며 냉각재킷의 열을 전달받아 가열되는 것을 특징으로 하는 엔진 폐열 회수장치를 이용한 브라운가스 생산시스템.
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