KR20140117949A - 인라인형 메탈폼 스크러버를 이용한 선박 엔진 배기가스 정화장치 - Google Patents

인라인형 메탈폼 스크러버를 이용한 선박 엔진 배기가스 정화장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 인라인형 메탈폼 스크러버를 이용한 선박엔진 배기가스 정화장치로서, 보다 상세하게는 중소형 선박엔진의 질소산화물과 황산화물 및 매연미립자를 동시에 저감시킬 수 있는 배기후처리장치로서, 선박 엔진에서 배출되는 배기가스중의 매연미립자를 최소한의 공간에서 효과적으로 제거하기 위하여 배기라인에 직접 부착되는 인라인 메탈폼 스크러버를 이용한, 선박 엔진 배기가스 정화장치에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 인라인형 메탈폼 스크러버를 이용한 선박 엔진 배기가스 정화장치는, 내부에 메탈폼이 충진되며 순환수 정화시스템(20)에서 정화된 정화수의 분사에 의해 배기가스 내의 미립자를 제거하는 매입미립자제거영역(11)과, 내부에 메탈폼이 충진되며 고온의 엔진 배기가스의 유입으로 수분을 제거하는 수분제거영역(12)으로 이루어지되, 엔진 배기라인에 설치되는 메탈폼 스크러버(10); 상기 수분제거영역에서 배출되는 배출수를 중화하고 슬러지를 제거하여, 상기 미립자제거영역으로 순환시키는 순환수 정화시스템(20); 및 상기 스크러버에서 배출되는 배기가스를 배기재순환밸브(32, EGR valve)의 제어에 의해 엔진의 흡기포트에 공급되는 배기가스재순환시스템(30);을 포함한다.

Description

인라인형 메탈폼 스크러버를 이용한 선박 엔진 배기가스 정화장치{Exhaust Gas Reduction System Using Inline Metal Form Scrubber For Marine Engines}
본 발명은 인라인형 메탈폼 스크러버를 이용한 선박엔진 배기가스 정화장치로서, 보다 상세하게는 중소형 선박엔진의 질소산화물과 황산화물 및 매연미립자를 동시에 저감시킬 수 있는 배기후처리장치로서, 선박 엔진에서 배출되는 배기가스중의 매연미립자를 최소한의 공간에서 효과적으로 제거하기 위하여 배기라인에 직접 부착되는 인라인 메탈폼 스크러버를 이용한, 선박 엔진 배기가스 정화장치에 관한 것이다.
선박디젤엔진의 주요 배출물인 질소산화물과 황산화물 및 매연미립자의 저감을 위한 종래의 기술은 주로 대형엔진을 대상으로 개발되었기 때문에 공간이 적고 복잡한 구조인 중소형 선박엔진에 적용하기에는 여러 가지 어려움이 있다.
황산과 매연미립자를 저감하기 위한 종래 스크러버시스템은 악취 및 휘발성유기화합물과 산업현장의 유해가스를 제거하기 위하여 개발된 시스템기술에 기반을 두고 있는데, 이는 유로의 구조를 활용하여 유동을 활성화시킴으로써 제거하는 가스 스크러버와 다공질의 세라믹 조각들을 쌓아 세정수를 분사함으로써 제거하는 습식시스템으로 크게 구분할 수 있다.
습식의 경우는 일정한 물을 채워놓고 처리가스를 유입시켜 분진을 제거하는 방식과 물을 가압하여 분진을 함유한 가스에 분사시켜 제거하는 방식으로 나누어진다. 이러한 시스템은 별도의 대형 탱크가 필요하며 복잡한 구조로 이루어진다. 선박에 적용되는 시스템은 주로 세정수를 가압하여 분사하는 시스템이며, 해수를 가압하여 직접분사시킴으로써 황산과 매연미립자를 제거하는 정화장치로 이용되거나 배기가스의 일부를 추출하여 스크러버시스템을 이용하여 세정한 후에 재순환시키는 배기재순환시스템에 적용되는 정도에서 이용되고 있다. 산업체에서 이용하던 방식을 변형하여 선박에 적용하고 있기 때문에 그 크기가 매우 크고 시스템이 복잡하여 선박의 좁은 공간에서 적용하기에는 많은 문제점이 있다. 특히 중소형 선박의 경우에는 공간이 더욱 협소하기 때문에 이러한 시스템을 설치하는 데에 한계가 있다.
한국특허 제1228059호(발명의 명칭: 선박용 배기가스 정화장치 및 배기가스 정화방법, 2013년 1월 30일 등록공고)
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 조밀구조의 메탈폼(Metal foam)으로 구성된 스크러버(scrubber)을 선박엔진의 배기가스라인에 직접부착하여 설치공간을 최소화하고, 격벽을 설치한 스크러버 내부의 구조를 이용하여 배기유동을 활성화함으로써 매연미립자 제거효율을 향상시키며, 스크러버에서 배출된 배출수를 정화하여 재순환시키는 순환수 정화시스템에 의해 배출수를 효과적으로 중화시키고 슬러지를 제거하여 선박의 운항중에도 연속적으로 작동시킬 수 있으며, 상기 스크러버에서 정화된 배기가스를 재순환시켜 엔진의 흡기포트로 공급됨으로 엔진에 재순환되는 배기가스를 정화하기 위한 별도의 장치가 필요없는, 인라인형 메탈폼 스크러버를 이용한 선박 엔진 배기가스 정화장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 질소산화물과 황산화물 및 매연미립자를 동시에 저감시킬 수 있는 배기후처리장치를 중소형 선박엔진의 좁은 공간에 효과적으로 설치하고자 함을 그 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또다른 목적들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위한 것으로서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 인라인형 메탈폼 스크러버를 이용한 선박 엔진 배기가스 정화장치는, 내부에 메탈폼이 충진되며 순환수 정화시스템(20)에서 정화된 정화수의 분사에 의해 배기가스 내의 미립자를 제거하는 매입미립자제거영역(11)과, 내부에 메탈폼이 충진되며 고온의 엔진 배기가스의 유입으로 수분을 제거하는 수분제거영역(12)으로 이루어지되, 엔진 배기라인에 설치되는 메탈폼 스크러버(10); 상기 수분제거영역에서 배출되는 배출수를 중화하고 슬러지를 제거하여, 상기 미립자제거영역으로 순환시키는 순환수 정화시스템(20); 및 상기 스크러버에서 배출되는 배기가스를 배기재순환밸브(32, EGR valve)의 제어에 의해 엔진의 흡기포트에 공급하는 배기가스재순환시스템(30);을 포함한다.
바람직한 실시예에 따르면, 상기 매연미립자제거영역(11)에는 배기가스의 배출경로를 연장시켜 매연미립자 제거효율을 향상시키기 위해서 다수개의 격벽(14)이 설치된다.
바람직한 실시예에 따르면, 상기 순환수 정화시스템(20)은 상기 매연미립자제거영역에서 배출되는 배출수를 저장, 중화하는 버퍼탱크(21); 상기 버퍼탱크에서 배출되는 순환수를 순환시키는 순환펌프(22); 및 상기 버퍼탱크에서 배출되는 순환수에서 슬러지를 제거하는 슬러지제거장치(23);를 포함하며, 추가로 상기 버퍼탱크에 정수를 공급하기 위한 정수용 공급 밸브(24); 상기 버퍼탱크에 NaOH를 공급하는 NaOH공급관(27); 상기 버퍼탱크의 온도를 일정하게 유지하기 위한 냉각해수공급관(26);을 추가로 포함한다.
상기에서 설명한 바와 같이 본 발명의 인라인형 메탈폼 스크러버를 이용한 선박 엔진 배기가스 정화장치는 메탈폼 스크러버(10)를 선박 엔진 배기라인에 직접부착하기 때문에 설치가 간단하고 협소한 공간에도 장착할 수 있는 효과가 있으며, 조밀구조의 메탈폼과 격벽을 이용한 유동의 활성화로 미립자 제거효율을 크게 향상하는 효과가 있다.
또한, 상기 스크러버에서 배출된 배출수를 정화하여 재순환시키는 순환수 정화시스템에 의해 배출수를 효과적으로 중화시키고 슬러지를 제거하여 선박의 운항중에도 연속적으로 작동시킬 수 있는 효과가 있으며, 아울러, 상기 스크러버에서 정화된 배기가스를 재순환시켜 엔진의 흡기포트로 공급됨으로 엔진에 재순환되는 배기가스를 정화하기 위한 별도의 장치가 필요하지 않아서 시스템을 간단화하는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에서 사용되는 메탈폼(발포금속)의 구조에 대한 사진.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 인라인형 메탈폼 스크러버를 이용한 선박 엔진 배기가스 정화장치의 개략도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 선박 엔진 배기가스 정화장치의 스크러버의 개략도
이하에서는 첨부된 도면을 참조로 하여, 본 발명의 인라인형 메탈폼 스크러버를 이용한 선박 엔진 배기가스 정화장치를 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른, 인라인형 메탈폼 스크러버를 이용한 선박 엔진 배기가스 정화장치의 개략도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 선박 엔진 배기가스 정화장치는 중소형 선박엔진의 질소산화물과 황산화물 및 매연미립자를 동시에 저감시킬 수 있는 배기후처리장치로서, 엔진에서 배출되는 배기가스중의 매연미립자를 최소한의 공간에서 효과적으로 제거하기 위하여 배기라인에 직접 부착되는 인라인 메탈폼 스크러버(10)와, 상기 스크러버를 통과하면서 미립자에 오염된 물을 정화하는 순환수 정화시스템(20), 및 상기 스크러버를 통과하여 정화된 배기가스를 재순환하여 흡입포트에 공급하는 질소산화물저감을 위한 배기재순환시스템(30)으로 구성된다.
먼저, 엔진에서 배출된 매연미립자를 포함한 엔진배기(2)는 터보차져의 터빈(3)을 지나 메탈폼 스크러버(1)로 공급되며, 메탈폼 스크러버(1)에서 정화된 후에 청정한 배기가스(4)로 배출된다.
메탈폼(metal foam)은 일명 '발포 금속'이라고도 불리우며, 금속 재료 내부에 수많은 기포를 가진 다공질(Porous) 금속을 말한다. 크게 개포형(open cell type, OC)과 폐포형(closed cell type, CC)으로 구분된다. 폐포형 발포금속(CC)의 경우 금속내부의 기포가 연결되지 않고 독립적으로 존재하며, 개포형 발포금속(OC)의 경우 재료 내부의 기공들이 서로 연결된 형태로 기체나 유체의 통과가 용이하여 폐포형 발포금속에 비하여 그 용도가 비교할 수 없을 정도로 다양하다. 개포형 발포금속(OC)는 모든 기공이 연결된 완전 개방형 다공성 금속 구조체로서, 다양한 기공 크기와 낮은 비중량, 높은 가공 용이성의 특성을 가지고 있으며, 차량, 선박용 배기 후처리, 산업용 촉매 화학공정, 산업용 패드, 산업용 필터, 가정용 필터, 2차전지등 사용 범위 가 넓다. 알류미늄, 니켈, 구리, 황동, 철등으로 작업이 가능하다.
도 1은 본 발명에서 사용되는 개포형 메탈폼(발포금속)의 구조에 대한 사진이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 금속 내부에 수많은 기공들이 서로 연결되어 불규칙적인 미세구조(조밀구조)로 되어있어서, 같은 공간에서 접촉면적을 극대화시키며, 연속적으로 가스유동방향을 변화시켜 가스유동을 활성화시키기 때문에, 크기와 비용 및 중량을 매우 작게 만들 수 있다.
스크러버(scrubber, 10)는 기체-액체 접촉형 집진장치의 하나로서, '세정 집진기'라고도 한다. 가스 중에 액적을 분무하여 가스와 액적간에 큰 속도차를 부여하면 가스 중에 부유하는 입자는 관성력으로 액적에 충돌(충돌 효율)하여 그것에 포착된다. 이러한 집진장치에서는 입자뿐만 아니라 특정한 가스성분도 액에 흡수 제거 할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 메탈폼 스크러버(10)는 내부에 메탈폼이 충진된 스크러버이다. 메탈폼 스크러버(10)는 내부에 조밀구조의 메탈폼(13)이 충진되되, 매연미립자제거영역(11)과 수분제거영역(12)으로 구분된다.
매연미집자제거영역(11)은 내부에 조밀구조의 메탈폼(13)과 격벽(14)으로 이루어지고, 순환수 정화시스템(20)에서 정화된 정화수는 물분사노즐(15)을 통해 분사되어 배기가스내의 미립자 및 황산화물을 제거한다. 분사된 정화수는 물모둠부(16)에서 포집된 후, 연결된 순환수 정화시스템으로 보내져 정화처리된 후, 다시 재순환하게 된다. 격벽(14)에 의하여 활성화된 배기유동과 조밀구조의 메탈폼(13)은 미립자 제거의 효율을 향상시켜 스크러버를 소형화시키는 역할을 수행한다.
수분제거영역(12) 또한 메탈폼(13)으로 채워지며, 효과적인 수분제거를 위하여 수분제거용 순환가스유량조절밸브(19)를 통해 고온의 엔진 배기가스가 직접 유입되어, 수분제거영역(12)을 가열시킨다. 수분제거후 반환가스(18)는 다시 선단의 매연미립자제거영역(11)으로 유입되도록 구성하게 된다.
본 발명의 메탈폼 스크러버(10)는 배기가스라인의 중간에 직접 부착되기 때문에 스크러버 설치를 위한 별도의 공간이 필요하지 않고, 메탁폼의 조밀한 구조사이를 배기가스가 통과하기 때문에 적은 공간에서도 효과적으로 매연미립자를 제거할 수 있으며, 위아래로 격벽을 설치하여 배기유동을 활성화함으로써 더욱 효율을 향상시키는 구조라 할 것이다.
한편, 스크러버의 배출수(순환수)는 순환수 정화시스템(20)으로 연결되어, 중화되고 슬러지를 제거한 후, 다시 상기 매연미립자제거영역(11)으로 순환된다.
순환수 정화시스템(20)은 버퍼탱크(21)와 순환펌프(22) 및 슬러지제거장치(23)를 포함한다. 스크러버(10) 물모둠부(16)를 통하여 미립자를 함유한 오염수(배출수)가 버퍼탱크(21)에 공급된다. 버퍼탱크(21)의 물의 수위는 청수공급밸브(24)를 제어하여 자동으로 조절되며, 순환수의 온도를 유지하기 위하여 냉각해수공급관(26)을 통해 해수가 도입되며, 배출수의 산성도 중화를 위하여 NaOH공급관(27)을 통해 NaOH가 공급된다. 배기가스의 황산화물(SOx)은 스크러버(10)에서 물에 녹아 황산이 되어 버퍼탱크(21)로 유입된 후, 버퍼탱크(21)에 NaOH(수산화나트륨:알카리)가 공급되어 중화처리된다.
버퍼탱크(21)내의 순환수는 순환펌프(22)에 의하여 슬러지제거장치(23)로 공급된다. 슬러지제거장치(23)에서 고농도의 미립자를 함유한 슬러지는 슬러지배출밸브(25)로 배출되어 외부에 저장되고, 깨끗하게 정화된 물(순환수)은 스크러버(10)의 매연미립자제거영역(11) 상부에 설치된 물분사노즐(15)로 공급되어, 다시 매연미립자제거영역(11)의 메탈폼(13)에 분사된다. 따라서, 순환수 정화시스템(20)은 스크러버(1)에서 제거된 매연미립자를 포함한 순환수를 연속적으로 정화하는 역할을 수행한다.
이와 같이, 순환수 정화시스템(20)은 스크러버(10)을 통과한 매연미립자에 오염된 물을 버퍼탱크(21)에 저장한 후에 순환펌프(22)에 의하여 슬러지제거장치(23)에 공급되고 정화된 후에 다시 스크러버(10)에 분사함으로써 매연미립자를 연속으로 제거할 수 있다.
배기재순환시스템(30)은 엔진 배기 가스 중 질소산화물 저감을 위해 도입된다. 배기재순환시스템(30)은 차단밸브(31)과 배기재순환밸브(32)로 구성된다. 스크러버(10)에서 정화되어 배출되는 배기가스의 일부가 차단밸브(31)를 지나 배기재순환밸브(32, EGR(exhast gas recirculation) valve)에서 재순환유량이 제어된 후에 흡기포트(33)로 공급된다. 스크러버(1)에서 정화된 재순환가스를 사용하기 때문에 매연미립자를 제거하기 위한 별도의 장치가 필요하지 않아서 시스템을 간단화하는 역할을 수행한다.
본 발명은 이상과 같이 배기가스중의 질소산화물과 황산화물, 매연미립자를 최소한의 공간에서 효과적으로 제거할 수 있는 인라인형 메탈폼 스크러버를 이용한 중소형 선박엔진 배기가스정화장치라 할 것이다.
선박엔진 배기 가스의 배출물의 저감원리를 다시 설명하기로 한다.
배기가스 중에 분포되어있는 매연미립자(PM(Particulate Metter)는 스크러버(10)의 상부에서 분사되는 물 액적 또는 액막에 접촉시켜 제거되며, 미립자를 포함한 배출수는 순환수 정화시스템(20)에 의하여 정화된 후에 재순환된다.
배기가스 중의 황산화물(SOx) 또한, 스크러버(10)의 상부에서 분사되는 물 액적 또는 액막에 접촉시켜 물에 녹여 제거하며, 물에 녹아 황산이 된 물은 버퍼탱크에 NaOH(수산화나트륨:알칼리)을 공급하여 중화처리된다.
그리고, 배기가스 중의 질소산화물(NOx)은 스크러버(10)에서 일부 처리되고, 대부분은 정화되어 나오는 청정한 배기가스의 일부를 배기재순환밸브(EGR valve)를 적당히 조절하여 필요한 양만큼을 엔진의 흡기에 공급하여 연소과정중에서 질소산화물을 제거하게 된다.
즉, 매연미립자(PM)과 황산화물(SOx)를 포함하는 선박엔진 배기가스는 스크러버 내부로 공급되어, 물분사노즐에 의한 물의 액적과 액막에 흡착하여 매연미립자(PM)과 황산화물(SOx)가 제거되고, 수분제거영역에서 고온의 배기 가스에 의하여 가열되면서 수분이 제거되어 청정연료로 배출된다. 이때, NOx는 엔진연소시에 원천적으로 제거하기 위하여 배기재순환시스템을 설치하여 저감시키게 된다.
이와 같은 본 발명의 인라인형 메탈폼 스크러버를 이용한 중소형 선박엔진 배기가스정화장치는 중소 선박용 엔진에 적용을 위하여 소형화할 수 있으며, 매연미립자(PM), 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx)를 동시에 저감하는 하나의 모듈로 제작이 가능하며, 이에 따라 비용의 최소화, 설치의 간소화를 구현할 수 있다는 장점이 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것도 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
2 : 엔진배기 3 : 터빈
4 : 배기가스 5 : 콤프레샤
10: 스크러버 11 : 매연미립자제거영역
12 : 수분제거영역 13 : 메탈폼
14 : 격벽 15 : 물분사노즐
16 : 물모둠부 17 : 수분제거용 고온배기가스
18 : 수분제거후 반환가스 19 : 수분제거용 순환가스유량조절밸브
20: 순환수 정화시스템 21 : 버퍼탱크
22 : 순환펌프 23 : 슬러지제거장치
24 : 청수공급밸브 25 : 슬러지배출밸브
26 : 냉각해수공급관 27 : NaOH 공급관
30: 배기재순환시스템 31 : 차단밸브
32 : 배기재순환밸브 33 : 흡기포트

Claims (4)

  1. 인라인형 메탈폼 스크러버를 이용한 선박 엔진 배기가스 정화장치에 있어서,
    내부에 메탈폼이 충진되며 순환수 정화시스템(20)에서 정화된 정화수의 분사에 의해 배기가스 내의 미립자를 제거하는 매입미립자제거영역(11)과, 내부에 메탈폼이 충진되며 고온의 엔진 배기가스의 유입으로 수분을 제거하는 수분제거영역(12)으로 이루어지되, 엔진 배기라인에 설치되는 메탈폼 스크러버(10);
    상기 수분제거영역에서 배출되는 배출수를 중화하고 슬러지를 제거하여, 상기 미립자제거영역으로 순환시키는 순환수 정화시스템(20); 및
    상기 스크러버에서 배출되는 배기가스를 배기재순환밸브(32, EGR valve)의 제어에 의해 엔진의 흡기포트에 공급하는 배기가스재순환시스템(30);을 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 엔진 배기가스 정화장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 매연미립자제거영역(11)에는 배기가스의 배출경로를 연장시켜 매연미립자 제거효율을 향상시키기 위해서 다수개의 격벽(14)이 설치되는 것을 특징으로 하는 선박 엔진 배기가스 정화장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 순환수 정화시스템(20)은
    상기 매연미립자제거영역에서 배출되는 배출수를 저장, 중화하는 버퍼탱크(21);
    상기 버퍼탱크에서 배출되는 순환수를 순환시키는 순환펌프(22); 및
    상기 버퍼탱크에서 배출되는 순환수에서 슬러지를 제거하는 슬러지제거장치(23);를 포함하는 것을 선박 엔진 배기가스 정화장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 순환수 정화시스템(20)은
    상기 버퍼탱크에 정수를 공급하기 위한 정수용 공급 밸브(24);
    상기 버퍼탱크에 NaOH를 공급하는 NaOH공급관(27); 및
    상기 버퍼탱크의 온도를 일정하게 유지하기 위한 냉각해수공급관(26);을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 엔진 배기가스 정화장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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