KR20130011256A - 선박의 배기가스 정화 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선박의 배기가스 정화 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기관에 설치되며, 상기 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는 필터; 상기 배기관에 설치되며, 배기가스에 산소 및 연료를 공급하는 산소-연료 공급부; 상기 배기관에 설치되며, 상기 산소-연료 공급부에서 공급된 산소와 연료가 섞인 배기가스를 통과시키고, 상기 배기관 내부에서 플라즈마 반응을 일으켜 상기 연료를 점화할 수 있는 플라즈마 생성부를 포함하는 선박의 배기가스 정화 장치를 제공할 수 있다.

Description

선박의 배기가스 정화 장치{Exhaust gas purification apparatus for vessel}
본 발명은 선박의 배기가스 정화 장치에 관한 것이다.
일반적으로 디젤 엔진은 가솔린 엔진에 비해 열효율과 내구성이 높고, 가솔린 엔진에 비하여 탄화수소의 배출량이 적어 지구 온난화를 덜 유발하는 장점이 있는 바, 선박의 추진체로는 대부분 디젤 엔진이 사용되고 있다.
그러나, 디젤 엔진의 배기가스에 포함된 질소산화물은 광화학 스모그, 산성비 및 오존(O3) 발생의 원인이 되고, 매연(SOOT) 등의 입자상 물질은 도시에서 발생하는 다른 어떤 입자보다 많은 빛을 흡수하기 때문에 대기 및 시야를 탁하게 만든다.
또한, 선박에 사용되는 디젤 엔진은 비용 절감을 위해서 점도성이 높고, 휘발성이 낮으며 가연성이 낮은 저급 연료인 HFO(HeavyFuel Oil)를 일반적으로 사용하고 있다. HFO를 사용할 경우, 이로 인해, 불완전 연소로 인한 입자상 물질(PM, Particulate Material)이 많이 발생한다.
이러한 입자상 물질은 일반적으로 크기가 수 마이크로 정도로 매우 작기 때문에 공중에 부유하게 되어 건물에 흡착하여 건물의 미관을 해치기도 하고, 생태계에도 나쁜 영향을 미칠 뿐만 아니라 사람의 몸에 흡입되어 폐암을 일으키기도 한다.
디젤 엔진에서 발생되는 입자상 물질을 제거하기 위해, 대한민국 공개특허공보 10-2009-0065809호와 같은 플라즈마 버너를 이용하는 기술이 제시된 바 있으나, 자동차용 배기가스 정화 장치를 제공하는 것을 목적으로 제안된 기술이어서 선박용 엔진과 같은 대용량의 배기가스를 배출하는 경우에는, 플라즈마로 화염을 안정화시키기 어려워 입자상 물질을 효과적으로 제거하기 어렵다는 문제가 있다.
또한, 배기가스를 가열시켜 산화 반응을 촉진하는 것으로서 입자상 물질을 제거하는 것인 바, 입자상 물질의 제거 효율을 향상시키는 데 한계가 있다.
본 발명의 실시예들은 배기가스에 포함된 입자상 물질을 효과적으로 제거할 수 있는 선박의 배기가스 정화 장치를 제공하고자 한다.
또한, 입자상 물질을 필터링함으로써 배기관에서 발생될 수 있는 배압 문제를 해결할 수 있는 선박의 배기가스 정화 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기관에 설치되며, 상기 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는 필터; 상기 배기관에 설치되며, 배기가스에 산소 및 연료를 공급하는 산소-연료 공급부; 상기 배기관에 설치되며, 상기 산소-연료 공급부에서 공급된 산소와 연료가 섞인 배기가스를 통과시키고, 상기 배기관 내부에서 플라즈마 반응을 일으켜 상기 연료를 점화할 수 있는 플라즈마 생성부를 포함하는 선박의 배기가스 정화 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 산소-연료 공급부는, 산소를 발생시키는 산소 발생기; 연료를 저장하는 연료 탱크; 및 상기 산소 발생기에서 공급되는 산소와 상기 연료 탱크에서 공급되는 연료를 상기 배기관 내부로 분사하는 분사부를 포함하는 선박의 배기가스 정화 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 분사부는 산소와 연료를 혼합하여 분사하는 것을 특징으로 하는 선박의 배기가스 정화 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 생성부는, 상기 배기관에 고정 설치되는 하우징; 플라즈마를 발생시키는 전극; 및 상기 전극에 전기를 공급하는 전원공급부를 포함하는 선박의 배기가스 정화 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 하우징과 상기 전극 사이에는 절연체가 배치되는 것을 특징으로 하는 선박의 배기가스 정화 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 전극에는 상기 전극의 전압 및 주파수를 검출하는 모니터링 장치가 연결되는 것을 특징으로 하는 선박의 배기가스 정화 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 필터의 상류 측에 제공되는 제 1 압력센서; 및 상기 필터의 하류 측에 제공되는 제 2 압력센서를 더 포함하고, 상기 플라즈마 생성부는 상기 제 1 압력센서의 압력 값과 상기 제 2 압력센서의 압력 값의 차이에 따라 플라즈마 반응을 일으키는 것을 특징으로 하는 선박의 배기가스 정화 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 산소-연료 공급부는 상기 압력 값의 차이에 따라 산소 및 연료의 분사량을 조절하는 것을 특징으로 하는 선박의 배기가스 정화 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 필터는 상기 플라즈마 생성부의 내부 또는 하류측에 배치되는 것을 특징으로 하는 선박의 배기가스 정화 장치를 제공할 수 있다.
또한, 상기 필터는 산화 촉매를 포함하는 다공성 필터인 것을 특징으로 하는 선박의 배기가스 정화 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 배기가스와 연료, 산소가 혼합된 혼합가스를 플라즈마로 발화시켜 필터에 포집된 입자상 물질을 연소시킴으로써 효과적으로 입자상 물질을 제거할 수 있는 선박의 배기가스 정화 장치를 제공할 수 있다.
또한, 필터를 통과하기 전후의 배기가스의 압력 차이에 따라 엔진에 부하가 가해지는 것을 예방할 수 있는 선박의 배기가스 정화 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선박의 배기가스 정화 장치를 간략하게 보여주는 도면.
도 2는 도 1의 I-I'으로 절개되는 단면도.
도 3은 도 2의 II-II'으로 절개되는 단면도.
도 4는 분사 노즐의 다른 실시예를 보여주는 도면.
이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선박의 배기가스 정화 장치를 간략하게 보여주는 도면이고, 도 2는 도 1의 I-I'으로 절개되는 단면도이고, 도 3은 도 2의 II-II'으로 절개되는 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 선박의 배기가스 정화 장치(1)는 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스에 포함된 입자상 물질(PM, Particulate Material)을 제거하기 위해 마련된 것으로서, 엔진의 배기관(10)에 제공된다.
상기 배기가스 정화 장치(1)는 상기 배기관(10)에 설치되는 플라즈마 생성부와 산소-연료 공급부를 포함한다.
상기 플라즈마 생성부는 상기 배기관(10)에 고정 설치되는 하우징(110), 플라즈마를 발생시키는 전극(130), 및 상기 전극(130)에 전기를 공급하는 전원공급부(190)를 포함한다.
상기 하우징(110)은 상기 전극(130)을 수용하기 위해 마련된 것으로, 본 실시예에서는 원통형으로 제공되는 것을 예로 들어 도시하였으나 이에 한정되는 것은 아니며, 사각통의 형상 또는 그 외의 형상을 취할 수도 있다.
상기 하우징(110)의 양단에는, 상기 하우징(110)을 상기 배기관(10)에 연결 고정시키기 위한 플랜지(112)가 제공될 수 있다. 상기 플랜지(112)는 상기 배기관(10)의 일단에 마련된 플랜지(12)에 볼트(114) 및 너트(116)에 의해 결합될 수 있다.
상기 전극(130)은 플라즈마 반응을 위한 방전전압을 생성하기 위해 마련된 것이고, 상기 전원공급부(190)는 상기 전극(130)에 전원을 공급하기 위해 마련된 것이다.
상기 전극(130)은 상기 하우징(110)의 내에 설치되는데, 이 경우, 상기 전극(130)과 상기 하우징(110)을 전기적으로 절연시키기 위하여, 상기 하우징(110)과 상기 전극(130) 사이에는 절연체(120)가 개재될 수 있다.
상기 절연체(120)는 세라믹 재질의 애자일 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 실시예에서, 상기 전극(130) 및 상기 절연체(120)는, 상기 하우징(110)의 형상과 동일한 원통형 형상을 취하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 전극(130) 및 상기 절연체(120)의 형상은 상기 하우징(110)의 형상에 따라 다른 형상을 취할 수도 있다.
상기 전극(130)은 상기 전원공급부(190)에 전기적으로 연결되어 있다. 상기 전원공급부(190)로부터의 교류 또는 직류의 고압의 전압이 상기 전극(130)에 인가되면, 상기 하우징(110) 내로 흐르는 배기가스를 향하여 전기장이 유도된다.
유도된 전기장이 코로나 방전을 일으키는 방전 전기장 이상이 되면, 고압기체 전리현상에 의해 코로나 방전이 일어나 고 밀도의 플라즈마 반응이 발생하게 되고, 이 플라즈마 반응에 의해 후술할 혼합가스가 점화될 수 있다.
상기 산소-연료 공급부는 상기 플라즈마 생성부의 상류 측에 배치되며, 상기 플라즈마 생성부로 유입되는 배기가스에 연료와 산소가 혼합된 혼합가스를 분사한다.
구체적으로, 상기 산소-연료 공급부는 상기 배기관(10) 내부로 연료와 산소를 분사하는 분사부(160), 상기 분사부(160)로 공급되는 산소를 발생시키는 산소 발생기(162), 상기 산소 발생기(162)와 상기 분사부(160)를 연결하는 산소 유로(164), 상기 분사부(160)로 공급되는 연료를 저장하는 연료 탱크(168), 상기 연료 탱크(168)와 상기 분사부(160)를 연결하는 연료 유로(166)를 포함할 수 있다.
상기 분사부(160)는 노즐 형태로 제공될 수 있으며, 산소와 연료를 혼합하여 분사하거나, 산소와 연료를 각각 분사할 수도 있다. 산소와 연료를 혼합하여 분사하는 경우 상기 분사부(160)는 혼합을 위한 챔버(미도시)를 포함할 수도 있다. 상소와 연료를 각각 분사하는 경우 상기 분사부(160)는 상기 산소 유로(164)와 상기 연료 유로(166)에 각각 연결되는 복수의 노즐을 포함할 수 있다. 본 실시예에서는, 상기 분사부(160)는 산소와 연료를 혼합하여 하나의 노즐로 분사하는 것을 예로 들어 도시하였다.
상기 분사부(160)는 상기 플라즈마 생성부의 중심을 향하여 설치될 수 있으며, 본 실시예에서는 상기 플라즈마 생성부의 상기 하우징(110)의 중심(C)을 향하도록 배치되는 것을 예로 도시하였다.
또한, 상기 분사부(160)는 상기 배기관(10)의 외주를 따라 이격되어 배치될 수 있으며, 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같이, 2개의 상기 분사부(160)가 상기 중심(C)을 향해 서로 대향하는 위치에 마련될 수 있다.
다른 예로, 상기 분사부(160)는 4개가 제공될 수 있으며 도 4에 도시된 바와 같이 상기 배기관(10)의 외주를 따라 동일한 간격(α의 사이 각도)으로 이격되어 배치될 수 있다.
이러한 상기 분사부(160)의 배치에 의해, 상기 배기관(10) 내로 흐르는 배기가스와 혼합가스의 혼합이 보다 효율적으로 이루어질 수 있다.
상기 연료 탱크(168)에 저장된 연료는 HFO, 경유, 천연가스, VOC(Volatile Organic Compound) 등의 화석연료 일 수 있다.
한편, 상기 배기가스 정화 장치(1)는 입자상 물질을 포집하는 필터(140), 상기 필터(140)의 상류 측에 배치되는 제 1 압력센서(150), 상기 필터(140)의 하류 측에 배치되는 제 2 압력센서(152), 상기 전극(130)에 연결되는 모니터링 장치(180), 및 제어부(170)를 포함할 수 있다.
상기 필터(140)는 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하기 위해 제공되는 것으로서, 상기 하우징(110) 내에 수납되는 원통형 형상을 가질 수 있다. 또한, 상기 필터(140)는 혼합가스의 점화에 의해 포집된 입자상 물질이 제거될 수 있도록 상기 플라즈마 생성부의 내부 또는 하류 측에 배치된다. 본 실시예에서는 상기 필터(140)는 상기 하우징(110)의 내측, 특히 상기 전극(130)의 사이에 배치되는 것을 예로 들어 설명한다.
상기 필터(140)는 다공성 필터일 수 있으며, 입자상 물질을 산화시킬 수 있는 산화촉매를 포함할 수 있다.
상기 제 1 압력센서(150) 및 상기 제 2 압력센서(152)는 상기 필터(140)에 포집된 입자상 물질의 양에 따른 압력 강하를 측정하기 위해 제공된 것이다. 구체적으로, 상기 필터(140)에 포집된 입자상 물질의 양이 증가할 수록 배기가스의 통과를 방해하게 되므로, 상기 필터(140)를 통과할 때 상기 배기가스의 압력이 더 낮아지게 된다. 즉, 상기 제 1 압력센서(150)에서 측정한 압력 값과 상기 제 2 압력센서(152)에서 측정한 압력 값의 차이가 일정 수준 이상이면, 상기 필터(140)에 많은 양의 입자상 물질이 포집되어 있다는 것을 알 수 있다.
상기 모니터링 장치(180)는 상기 전극(130)의 전압 및 주파수를 검출하여 상기 플라즈마 생성부의 상태를 확인할 수 있는 것으로서, 일 예로 오실로스코프(oscilloscope)일 수 있다.
상기 제어부(170)는 상기 플라즈마 생성부, 상기 산소-연료 공급부를 제어할 수 있다.
구체적으로, 상기 제어부(170)는 상기 산소-연료 공급부를 제어하여 배기가스와 함께 혼합가스가 상기 플라즈마 생성부로 유입될 수 있도록 한다. 또한 상기 플라즈마 생성부를 제어하여 플라즈마 반응을 일으켜 상기 혼합가스에 포함된 연료를 점화시킬 수 있다.
상기와 같은 혼합가스 공급, 플라즈마 발생은 일정 시간을 주기로 이뤄질 수 있으며, 작업자에 의한 별도로 제공된 제어 장치의 신호에 의해 이뤄질 수도 있다.
또는, 상기 제어부(170)는 엔진의 구동을 제어하는 ECU(Engine Contro Unit; 미도시)와의 통신에 의해 현재 엔진의 부하를 입력받고, 엔진의 부하에 따라, 상기 산소-연료 공급부 및 플라즈마 생성부를 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부(170)는 상기 압력센서(150, 152)에서 얻은 값을 바탕으로 상기 산소-연료 공급부와 상기 플라즈마 생성부를 제어할 수도 있다.
구체적으로, 상기 제어부(170)는 상기 제 1 압력센서(150)와 상기 제 2 압력센서(152)에서 얻은 값의 차이를 구하고, 그 차이가 기 설정된 범위 외인 경우 상기 산소-연료 공급부를 제어하여 배기가스와 함께 상기 혼합가스가 상기 플라즈마 생성부로 유입되도록 하고, 상기 플라즈마 생성부를 제어하여 플라즈마를 일으켜 상기 혼합가스를 점화함으로써 화염이 발생하도록 한다.
또한, 상기 제어부(170)는 상기 압력 차이 값에 따라 상기 분사부(160)를 제어하여 연료, 산소의 공급량을 조절함으로써 화염의 강도를 조절할 수도 있다.
상기 혼합가스의 점화에 의해 발생된 화염은 상기 필터(140)에 포집된 입자상 물질을 태워서 제거한다.
한편, 상기 제어부(170)는 상기 모니터링 장치(180)가 측정한 상기 전극(130)의 실제 전압 및 주파수를 입력받고, 상기 전극(130)에 필요 전압이 실제적으로 공급되도록 상기 전원공급부(190)를 피드백 제어할 수 있다.
이하에서는 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 실시예에 따른 상기 배기가스의 정화 장치(1)의 작용에 대해 설명하겠다.
상기 필터(140)는 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집한다. 상기 필터(140)에 포함된 산화 촉매는 포집된 입자상 물질의 일부를 산화시킬 수 있다.
상기 필터(140)에 포집된 입자상 물질은 상기 산소-연료 공급부에서 공급되는 혼합가스의 연소에 의해 제거될 수 있다.
구체적으로, 상기 산소-연료 공급부의 상기 분사부(160)는 연료와 산소를 혼합한 혼합가스를 상기 배기관(10) 내부로 분사한다. 상기 배기관(10) 내부로 분사된 혼합가스는 배기가스와 섞여 상기 필터(140) 영역으로 진입한다.
상기 플라즈마 생성부는 상기 전극(130)에 전압을 인가해 플라즈마를 발생시키고, 이에 의해 상기 필터(140) 영역으로 진입한 혼합가스가 점화되어 화염이 발생된다.
상기 혼합가스의 연소에 의해 발생된 화염이 입자상 물질을 태워버림으로써 상기 필터(140)에 포집되어 있는 입자상 물질이 제거될 수 있다.
한편, 상기 혼합가스의 공급과 상기 플라즈마의 발생은, 상기 압력 센서(150, 152)에서 얻은 압력 차이가 큰 경우 상기 제어부(170)에 의해 선택적으로 수행되어, 상기 필터(140)에 포집되어 있는 입자상 물질을 제거할 수도 있다.
상기와 같이 화염 발생을 위해 연료와 함께 산소를 공급함으로써, 상기 배기관(10) 내부를 산화 상태로 만들어 줄 수 있으며, 강한 화염을 발생시킬 수 있다. 따라서, 선박의 엔진에서 대용량의 배기가스가 배출되더라도 안정적으로 입자상 물질을 제거할 수 있다.
특히, 상기 필터(140)를 상기 전극(130)의 내부에 배치하여 화염에 의해 직접적으로 입자상 물질이 태워 없어지도록 함으로써 더욱 효과적으로 입자상 물질을 제거할 수 있다.
또한, 산소를 이용하여 화염을 강화하는 바, 추가적인 유해 가스의 배출을 방지하며 효과적으로 입자상 물질을 제거할 수 있다.
또한, 상기 필터(140)의 전후의 압력 차이를 계산해 일정 수준 이상의 압력 차이가 발생할 경우 상기 필터(140)에 누적되어 포집된 입자상 물질을 제거하는 바, 배압에 따른 엔진 부하를 방지할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 선박의 배기가스 정화 장치의 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
10: 배기관 12: 플랜지
110: 하우징 112: 플랜지
114: 볼트 116: 너트
120: 절연체 130: 전극
140: 필터 150: 제 1 압력센서
152: 제 2 압력센서 160: 분사부
162: 산소 발생기 168: 연료탱크
170: 제어부 180: 모니터링 장치
190: 전원공급부

Claims (10)

  1. 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스가 통과하는 배기관에 설치되며, 상기 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는 필터;
    상기 배기관에 설치되며, 배기가스에 산소 및 연료를 공급하는 산소-연료 공급부;
    상기 배기관에 설치되며, 상기 산소-연료 공급부에서 공급된 산소와 연료가 섞인 배기가스를 통과시키고, 상기 배기관 내부에서 플라즈마 반응을 일으켜 상기 연료를 점화할 수 있는 플라즈마 생성부를 포함하는 선박의 배기가스 정화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 산소-연료 공급부는,
    산소를 발생시키는 산소 발생기;
    연료를 저장하는 연료 탱크; 및
    상기 산소 발생기에서 공급되는 산소와 상기 연료 탱크에서 공급되는 연료를 상기 배기관 내부로 분사하는 분사부를 포함하는 선박의 배기가스 정화 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 분사부는 산소와 연료를 혼합하여 분사하는 것을 특징으로 하는 선박의 배기가스 정화 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 생성부는,
    상기 배기관에 고정 설치되는 하우징;
    플라즈마를 발생시키는 전극; 및
    상기 전극에 전기를 공급하는 전원공급부를 포함하는 선박의 배기가스 정화 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 하우징과 상기 전극 사이에는 절연체가 배치되는 것을 특징으로 하는 선박의 배기가스 정화 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 전극에는 상기 전극의 전압 및 주파수를 검출하는 모니터링 장치가 연결되는 것을 특징으로 하는 선박의 배기가스 정화 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터의 상류 측에 제공되는 제 1 압력센서; 및
    상기 필터의 하류 측에 제공되는 제 2 압력센서를 더 포함하고,
    상기 플라즈마 생성부는 상기 제 1 압력센서의 압력 값과 상기 제 2 압력센서의 압력 값의 차이에 따라 플라즈마 반응을 일으키는 것을 특징으로 하는 선박의 배기가스 정화 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 산소-연료 공급부는 상기 압력 값의 차이에 따라 산소 및 연료의 분사량을 조절하는 것을 특징으로 하는 선박의 배기가스 정화 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터는 상기 플라즈마 생성부의 내부 또는 하류측에 배치되는 것을 특징으로 하는 선박의 배기가스 정화 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터는 산화 촉매를 포함하는 다공성 필터인 것을 특징으로 하는 선박의 배기가스 정화 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20230085284A (ko) * 2021-12-06 2023-06-14 한화오션 주식회사 선박의 연료공급시스템

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