KR20160085787A - 스크러버 및 엔진 시스템 - Google Patents

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KR20160085787A
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시게카즈 카네다
타카미치 호소노
카츠히로 요시자와
마사노리 히가시다
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카와사키 주코교 카부시키 카이샤
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Abstract

본 발명에 따른 스크러버(40)는 분사 노즐(41)에서 분사된 세정액을 회수하여 저장함과 함께 저장된 세정액의 일부를 외부로 배출하는 저수부(42), 순환 배관(43)의 유로에 중화제를 투입하는 중화제 투입 장치(44), 및 제어 장치(70)를 구비하고 있다. 제어 장치(70)는 분사 노즐(41)로부터 분사되는 세정액의 pH 값과 소정의 목표 분사 pH 값의 편차, 및 저수부(42)에 저장된 세정액의 pH 값과 소정의 목표 저수 pH 값의 편차에 따라 중화제 투입 장치(44)로부터 투입되는 중화제의 투입량을 결정한다.

Description

스크러버 및 엔진 시스템{SCRUBBER AND ENGINE SYSTEM}
본 발명은 엔진에서 배출된 배기 가스를 세정하는 스크러버(습식 가스 세정장치) 및 상기 스크러버를 구비한 엔진 시스템에 관한 것이다.
엔진에서 배출되는 질소산화물(NOx)의 양을 감소시키는 방법으로, 배기 가스의 일부를 엔진으로 돌려보내는 배기재순환(EGR: Exhaust Gas Recirculation)이 알려져 있다. 배기 가스의 일부를 엔진으로 돌려보냄으로써 산소 농도가 낮은 상태에서 연소가 이루어지고 그 결과 연소 온도가 낮아져서 NOx의 생성이 억제된다. 다만, 사용하는 연료에 따라서는 배기 가스에 입자형 물질(PM: Particulate Matter)이나 황산화물(SOx)이 다량으로 포함되는 경우가 있으며, 이러한 경우에는 재순환시키는 배기 가스에서 PM이나 SOx를 제거할 필요가 있다. 배기 가스에서 PM이나 SOx를 제거하려면 세정액을 사용하는 스크러버가 효과적이다(특허문헌 1의 도 2의 도면부호 15 참조).
또한, 환경 보호의 관점에서, 엔진으로 돌려보내는 배기 가스(EGR 가스)뿐만 아니라 대기로 배출되는 배기 가스에 대해서도 PM이나 SOx를 제거하는 것이 바람직하다. 이러한 경우에도 배기 가스에서 PM이나 SOx를 제거하려면 세정액을 사용하는 스크러버가 효과적이다.
스크러버에 사용되는 세정액에는 SOx를 제거하기(탈황을 하기) 위해 탈황용 중화제(가성소다 등 알칼리 용제)를 투입하여 세정액의 pH 값이 일정 이상이 되도록 조절한다. 다만, 세정액이 배기 가스와 접촉하면 pH 값이 낮아지기 때문에 세정액을 반복 사용하는 경우에는 중화제를 계속 투입하여 세정액의 pH 값을 유지할 필요가 있다. 또한, 세정액을 외부로 배출하는 경우 pH 값의 배출 규제가 있으면 이러한 배출 규제를 통과할 수 있도록 세정액의 pH 값을 조절할 필요가 있다. 이러한 탈황 성능의 유지와 배출 규제의 적합을 고려하면 중화제를 여유있게 투입하는 것이 안전하지만 중화제의 사용량을 줄이고자 하는 요구도 있다.
일본공개특허 특개 2011-157959호 공보
본 발명은 위와 같은 사정을 고려하여 이루어진 것으로, 세정액에의 중화제 투입량을 줄이면서 충분한 탈황 성능을 유지함과 함께 세정액의 배출 규제를 통과할 수 있는 스크러버를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 예에 따른 스크러버는 엔진에서 배출되는 배기 가스를 세정하는 스크러버이며, 상기 배기 가스에 세정액을 분사하는 분사 노즐과, 상기 분사 노즐에서 분사된 세정액을 회수하여 저장함과 함께 저장된 세정액의 일부를 외부로 배출하는 저수부와, 상기 저수부에 저장된 세정액을 상기 분사 노즐에 공급하는 순환 배관과, 상기 순환 배관의 유로에 중화제를 투입하는 중화제 투입 장치와, 상기 중화제 투입 장치에서 투입하는 중화제의 투입량을 결정하는 제어 장치를 구비하고, 상기 제어 장치는 상기 분사 노즐로부터 분사되는 세정액의 pH 값과 소정의 목표 분사 pH 값의 편차 및 상기 저수부에 저장된 세정액의 pH 값과 소정의 목표 저수 pH 값의 편차에 따라 상기 중화제 투입 장치로부터 투입되는 중화제의 투입량을 결정하도록 구성되어 있다.
이러한 구성에서는 분사 노즐에서 분사되는 세정액에 중화제를 직접 투입하여 분사 노즐에서 분사되는 세정액의 pH 값을 조절할 수 있다. 따라서 실질적으로 분사 노즐에서 분사하는 세정액의 pH 값과 소정의 목표 분사 pH 값의 편차에 따라 중화제의 투입량이 결정되는 경우 저수부에 저장된 세정액의 pH 값을 불필요하게 상승시키지 않을 수 있으므로 중화제의 투입량을 줄일 수 있다. 또한, 중화제의 투입량은 분사 노즐에서 분사하는 세정액의 pH 값과 소정의 목표 분사 pH 값의 편차, 및 저수부에 저장된 세정액의 pH 값과 소정의 목표 저수 pH 값의 편차에 따라 결정되기 때문에 충분한 탈황 성능(목표 분사 pH 값)을 유지함과 함께 세정액의 배출 규제(목표 저수 pH 값)를 통과하는 것이 가능하다.
또한, 상기 스크러버에 있어서, 상기 배기 가스는 상기 엔진으로 돌려보내는 EGR 가스일 수 있다. 이러한 구성에 따르면, 엔진에는 정화된 EGR 가스가 돌려보내지기 때문에 엔진을 부식시키는 리스크를 줄일 수 있다.
또한, 상기 스크러버에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 엔진에 사용하는 연료의 황 성분과 해당 스크러버를 통과하는 배기 가스의 유량에 따라 상기 목표 분사 pH 값을 설정하도록 구성될 수 있다.
이러한 구성에 따르면, 목표 분사 pH 값을 적정한 값으로 설정할 수 있기 때문에 목표 분사 pH 값이 지나치게 커지는 것을 방지할 수 있고 그 결과 세정액에의 중화제 투입량을 줄일 수 있다.
또한, 상기 스크러버에 있어서, 상기 제어 장치는 미리 정해진 고정 값을 상기 목표 저수 pH 값으로 설정하도록 구성될 수 있다.
이러한 구성에 따르면, 목표 저수 pH 값으로 배출 규제에서 정해진 pH 값을 설정함으로써 세정액의 배출 규제를 확실하게 통과할 수 있다.
또한, 상기 스크러버에 있어서, 상기 제어 장치는 상기 엔진에 사용하는 연료의 황 성분과, 해당 스크러버를 통과하는 배기 가스의 유량에 따라 탈황 성능의 유지에 필요하다고 예측되는 중화제의 투입량인 기본 중화제 투입량을 산출하고, 상기 분사 노즐에서 분사하는 세정액의 pH 값과 소정의 목표 분사 pH 값의 편차, 상기 저수부에 저장된 세정액의 pH 값과 소정의 목표 저수 pH 값의 편차, 및 상기 기본 중화제 투입량에 따라 상기 중화제 투입 장치가 투입하는 중화제의 투입량을 결정하도록 구성될 수 있다.
이러한 구성에 따르면, 중화제 투입 장치가 투입하는 중화제의 투입량에 대해 기본 중화제 투입량을 이용한 이른바 피드포워드 제어를 할 수 있다. 따라서 엔진의 운전 상황 등이 변화해도 중화제의 투입량을 신속하게 적절한 값으로 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 예에 따른 엔진 시스템은 상기한 스크러버를 구비하고 있다.
위와 같이, 본 발명의 스크러버에 따르면, 세정액에의 중화제 투입량을 줄이면서 충분한 탈황 성능을 유지함과 함께 세정액의 배출 규제를 통과할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 엔진 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시 예에 따른 스크러버의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 스크러버의 제어계의 블록도이다.
도 4는 중화제 투입량 제어 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 5는 EGR 가스 유량과 기본 중화제 투입량의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 6은 EGR 가스 유량과 목표 분사 pH 값의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 중화제 투입량 제어 방법을 보여주는 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 이하에서는 모든 도면에 걸쳐 동일하거나 동등한 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복되는 설명은 생략한다.
(제1 실시 예)
먼저, 본 발명의 제1 실시 예에 대해 설명한다. 또한, 이하에서는 배기 가스 중 엔진으로 돌려보내는 EGR 가스를 세정하는 경우에 대해 설명하지만, 대기로 배출하는 배기 가스를 세정하는 경우도 동일하게 생각할 수 있다.
<엔진 시스템의 전체 구성>
우선, 본 실시 예에 따른 엔진 시스템(100)의 전체 구성에 대해 설명한다. 도 1은 엔진 시스템(100)의 블록도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 엔진 시스템(100)은 엔진(10), 과급기(20), EGR 블로워(30), 스크러버(40), 및 폐수 처리 장치(60)를 구비하고 있다.
본 실시 예의 엔진(10)은 선박의 추진용 주기로, 대형의 2스트로크 디젤 엔진이다. 엔진(10)에는 과급기(20)에서 소기(掃氣) 유로(11)를 통해 소기 가스(4스트로크 엔진의 경우에는 "급기 가스")가 공급된다. 또한, 엔진(10)에서 배출된 배기 가스는 배기 유로(12)를 통해 과급기(20)에 공급된다. 또한, 엔진(10)은 4스트로크 엔진일 수도 있고 가스 엔진이나 가솔린 엔진일 수도 있다. 또한, 엔진(10)은 선박에 사용되는 것에 한정되지 않고 발전 설비에 사용되는 것일 수도 있다.
과급기(20)는 공기를 승압하여 엔진(10)에 공급하는 장치이다. 과급기(20)는 터빈부(21)와 컴프레서부(22)를 구비하고 있다. 터빈부(21)에는 엔진(10)에서 배출된 배기 가스가 공급되고, 배기 가스의 에너지에 의해 터빈부(21)가 회전한다. 터빈부(21)와 컴프레서부(22)는 연결 샤프트(23)에 의해 연결되어 있으며, 터빈부(21)의 회전에 따라 컴프레서부(22)도 회전한다. 컴프레서부(22)가 회전하면 외부에서 받아들인 공기(대기)가 승압되고, 승압된 공기는 소기 유로(11)를 통해 엔진(10)으로 공급된다.
EGR 블로워(30)는 배기 유로(12)와 소기 유로(11)를 연결하는 EGR 유로(31)에 설치되어 있으며, 배기 유로(12)의 배기 가스 중 일부를 추출하고(이하, 배기 유로(12)에서 추출한 배기 가스를 "EGR 가스"라고 칭함), 그 EGR 가스를 승압하여 소기 유로(11)에 보내는 장치이다. 소기 유로(11)에 보낸 EGR 가스는 과급기(20)에서 승압된 공기와 혼합되어 소기 가스로서 엔진(10)에 공급된다. 이로써 엔진(10)에 공급되는 소기 가스의 산소 농도가 감소하여 NOx의 배출량을 줄일 수 있다. 또한, EGR 블로워(30)의 구조는 특별히 한정되지 않지만, 본 실시 예에서는 용적형을 채용하고 있다.
스크러버(40)는 EGR 유로(31)에 설치되어 있으며, 세정액을 이용하여 EGR 가스에서 SOx 및 PM을 제거하는 장치이다. 특히 대형 디젤 엔진의 배기 가스에는 다량의 SOx 및 PM이 포함되기 때문에 대형 디젤 엔진에서 EGR을 하는 경우 그 엔진 시스템에 스크러버를 설치하는 것은 매우 효과적이다. 또한, 본 실시 예에 따른 스크러버(40)는 후술하는 바와 같이 EGR 가스를 냉각하는 냉각 기능이 있기 때문에 EGR 유로(31)에 냉각 장치가 설치되어 있지 않지만, 본 실시 예에서는 EGR 유로(31)에 냉각 장치를 설치할 수도 있다. 그 외에 스크러버(40)의 상세 구성에 대해서는 후술한다.
폐수 처리 장치(60)는 스크러버(40)에 사용된 세정액을 정화 처리하는 장치이다. 폐수 처리 장치(60)에서 정화 처리된 세정액의 전부 또는 일부는 바다로 배출된다. 세정액을 바다로 배출할 때 문제가 되는 것이 폐수(세정액)의 배출 규제이다. 배출 규제에는 탁도의 배출 규제와 pH 값의 배출 규제가 포함된다. 폐수 처리 장치(60)는 이 중 탁도의 배출 규제를 통과하기 위한 것이다. 구체적으로는 스크러버(40)에 사용된 세정액에는 PM이 굳어져서 형성된 분진이 많이 포함되어 있어 탁도가 매우 높다. 그래서 폐수 처리 장치(60)로서 예를 들어 원심 분리기를 이용하여 세정액에서 분진을 분리하여 세정액의 탁도를 낮춘다. 이로써 폐수(세정액)의 탁도 배출 규제를 통과할 수 있다. 한편, pH 값의 배출 규제에 대해서는 후술하는 바와 같이 스크러버(40)로 대응하게 된다. 또한, 세정액의 최종적인 pH 값을 확인하기 위한 폐수 pH 센서(61)(도 2 참조)를 폐수 처리 장치(60)의 하류에 설치할 수도 있다.
<스크러버의 구성>
이어 스크러버(40)의 상세 구성에 대해 설명한다. 도 2는 본 실시 예에 따른 스크러버(40)의 개략도이다. 도면의 굵은 화살표는 EGR 가스의 흐름을 나타내고 있다. 본 실시 예에 따른 스크러버(40)는 EGR 가스를 세정하는 세정 기능, 세정액을 저장해두는 저수 기능, 및 EGR 가스를 냉각하는 냉각 기능이 모두 있는 일체형 스크러버이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 스크러버(40)는 분사 노즐(41), 저수부(42), 순환 배관(43), 및 중화제 투입 장치(44)를 구비하고 있다.
분사 노즐(41)은 EGR 가스에 세정액을 분사하는 부분이다. 분사 노즐(41)은 스크러버(40)의 입구 부근에 설치되어 있으며, 스크러버(40)에 방금 유입된 EGR 가스에 세정액을 분사한다. 이와 같이, 본 실시 예에 따른 스크러버(40)는 분사식을 채용하고 있기 때문에 순환 배관(43)의 유로에 중화제를 투입하는 것이 가능하게 된다.
저수부(42)는 분사 노즐(41)에서 분사된 세정액을 회수하여 저장하는 부분이다. 저수부(42)는 스크러버(40)의 아래쪽 부분에 위치하고 있으며, 분사 노즐(41)에서 분사된 세정액은 자중에 의해 저수부(42)로 낙하한다. 또한, 세정액이 분사된 EGR 가스는 냉각부(45)를 통과하며 열교환에 의해 냉각됨과 함께 미스트 캐처(46)에 의해 EGR 가스에 포함된 안개형 세정액이 제거된다. 냉각부(45)에서 발생한 응축수, 및 미스트 캐처(46)에 의해 포획된 세정액은 자중에 의해 저수부(42)로 낙하한다. 또한, 냉각부(45) 및 미스트 캐처(46)를 통과한 EGR 가스는 스크러버(40)를 나와서 EGR 블로워(30)(도 1 참조)를 향해 흐른다.
순환 배관(43)은 저수부(42)에 저장된 세정액을 분사 노즐(41)에 공급하는 부재이다. 순환 배관(43)에는 순환 펌프(47)가 설치되어 있다. 또한, 순환 배관(43)은 중화제 투입 장치(44)에서 투입되는 중화제를 받아들이기 위한 중화제 투입부(48)를 가지고 있다. 또한, 순환 배관(43)의 중화제 투입부(48)보다 상류 측의 부분에는 저수 pH 센서(49)가 설치됨과 함께 중화제 투입부(48)보다 하류 측의 부분에는 분사 pH 센서(50)가 설치되어 있다. 저수 pH 센서(49)는 저수부(42)에 저장된 세정액의 pH 값 (이하, "저수 pH 값"이라고 칭함)을 측정할 수 있고, 분사 pH 센서(50)는 분사 노즐(41)에서 분사되는 세정액의 pH 값(이하, "분사 pH 값"이라고 칭함)을 측정할 수 있다.
중화제 투입 장치(44)는 순환 배관(43)의 중화제 투입부(48)를 통해 순환 배관(43)의 유로에 중화제를 투입하는 장치이다. 본 실시 예에서는 중화제로서 가성 소다를 사용하고 있다. 본 실시 예의 중화제 투입 장치(44)는 저수부(42)에 저장된 세정액이 아니라 순환 배관(43)을 흐르는 세정액에 중화제를 투입하게 된다. 이와 같이 구성함으로써 저수부(42)에 저장된 세정액 전체를 반드시 탈황에 필요한 pH 값까지 증가시킬 필요가 없어진다. 따라서 중화제의 사용량을 줄일 수 있다.
<제어계의 구성>
다음으로, 스크러버의 제어계의 구성에 대해 설명한다. 도 3은 제어계의 구성의 블록도이다. 본 실시 예에 따른 스크러버는 제어 장치(70)를 구비하고 있다. 제어 장치(70)는 시피유(CPU), 롬(ROM), 램(RAM) 등으로 구성되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제어 장치(70)는 저수 pH 센서(49), 분사 pH 센서(50), 및 EGR 블로워(30)와 전기적으로 연결되어 있다. 제어 장치(70)는 이러한 계기 및 장치로부터 전송받는 신호에 따라 저수 pH 값, 분사 pH 값 및 EGR 가스 유량(EGR 블로워(30)의 회전수로부터 구할 수 있음)을 취득한다. 또한, EGR 가스 유량은 EGR 유로(31)에 유량계를 설치하고 그 유량계가 전송하는 신호에 따라 취득하게 할 수도 있다.
또한, 제어 장치(70)는 엔진 시스템(100)이 탑재되어 있는 선체의 운전실에 설치된 운전 조작부(71)와도 전기적으로 연결되어 있다. 운전 조작부(71)는 운전자에 의해 엔진(10)에 사용하는 연료의 황 성분(질량%)을 입력할 수 있고, 그 값을 저장할 수 있도록 구성되어 있다. 제어 장치(70)는 이 운전 조작부(71)로부터 전송받는 신호에 따라, 엔진(10)에 사용하는 연료의 황 성분을 취득한다. 또한, 운전 조작부(71)는 엔진(10)에 사용하는 연료의 유종을 선택할 수 있도록 하고 그 유종에 해당하는 황 성분을 저장하고 전송하도록 구성될 수도 있다.
또한, 제어 장치(70)는 중화제 투입 장치(44)와 전기적으로 연결되어 있다. 제어 장치(70)는 취득된 저수 pH 값, 분사 pH 값, EGR 가스 유량, 및 황 성분에 따라 다양한 연산을 수행하여 중화제 투입 장치(44)에 제어 신호를 전송한다. 이에 따라 제어 장치(70)는 중화제 투입 장치(44)가 순환 배관(43)의 유로에 투입하는 중화제의 투입량(이하, "중화제 투입량"이라고 칭함)을 제어한다.
<중화제 투입량 제어 방법>
다음으로, 중화제 투입량 제어 방법을 설명한다. 도 4는 중화제 투입량 제어 방법을 보여주는 흐름도이다. 이하 설명하는 연산 및 제어는 제어 장치(70)에 의해 수행된다. 먼저, 처리가 시작되면 제어 장치(70)는 저수 pH 센서(49), 분사 pH 센서(50), EGR 블로워(30), 및 운전 조작부(71)로부터 전송받는 신호를 판독하고 이러한 신호에 따라 저수 pH 값, 분사 pH 값, EGR 가스 유량, 및 황 성분 등 각종 정보를 취득한다(단계(S1)).
이어 제어 장치(70)는 EGR 가스 유량 및 황 성분에 따라 기본 중화제 투입량을 산출한다(단계(S2)). 기본 중화제 투입량은 탈황 성능을 유지하기 위해 필요하다고 예측되는 중화제 투입량이다. 제어 장치(70)는 도 5에 도시된 바와 같은 그래프에 해당하는 맵데이터를 가지고 있으며, 이 맵데이터로부터 기본 중화제 투입량을 산출한다. 도 5는 각 황 성분의 EGR 가스 유량과 기본 중화제 투입량의 관계를 나타내고 있다. 예를 들어, 도 5에서 황 성분이 2.0%이고 EGR 가스 유량이 Q1이면 기본 중화 투입량은 W1이 된다. 기본 중화제 투입량은 황 성분이 증가할수록 그리고 EGR 가스 유량이 증가할수록 증가한다. 또한, 도 5는 개념도로, 실제의 값과는 반드시 일치하지 않는다(도 6도 마찬가지).
이어 제어 장치(70)는 EGR 가스 유량 및 황 성분에 따라 목표 분사 pH 값을 설정한다(단계(S3)). 제어 장치(70)는 도 6에 도시된 바와 같은 그래프에 해당하는 맵데이터를 가지고 있으며, 이 맵데이터에서 목표 분사 pH 값을 취득할 수 있다. 도 6은 각 황 성분의 EGR 가스 유량과 목표 분사 pH 값의 관계를 나타내고 있다. 예를 들어, 도 6에서 황 성분이 2.0%이고 EGR 가스 유량이 Q1이면 목표 분사 pH 값은 PH1이 된다. 목표 분사 pH 값은 황 성분이 증가할수록 그리고 EGR 가스 유량이 증가할수록 증가한다.
이어 제어 장치(70)는 목표 저수 pH 값을 설정한다(단계(S4)). 목표 저수 pH 값은 미리 정해진 고정 값이다. 환경 보호의 관점에서, 폐수(세정액)는 규정 범위의 pH 값이 아니면 외부(바다)로 배출할 수가 없다. 본 실시 예에서는 이 규정 범위의 하한값보다 약간만 큰 값을 목표 저수 pH 값으로 설정한다. 예를 들어, 제어 장치(70)는 규정 범위의 하한값이 6.5인 경우, 목표 저수 pH 값을 "6.8"로 설정한다.
이어 제어 장치(70)는 분사 pH 값과 목표 분사 pH 값의 편차에 따라 분사 측 보정 값을 산출한다(단계(S5)). 구체적으로는 분사 pH 값과 목표 분사 pH 값의 차이(편차)가 없어지는 분사 측 보정 값을 산출한다. 이와 같이, 단계(S5)는 분사 pH 값에 대한 피드백 제어에 해당한다. 이 피드백 제어로는 PID 제어를 채용할 수 있다. 또한, 분사 측 보정 값은 앞서 언급한 기본 중화제 투입량을 보정하기 위한 것이다.
이어 제어 장치(70)는 저수 pH 값과 목표 저수 pH 값의 편차에 따라 저수 측 보정 값을 산출한다(단계(S6)). 구체적으로는 저수 pH 값과 목표 저수 pH 값의 차이(편차)가 없어지는 저수 측 보정 값을 산출한다. 이와 같이, 단계(S6)는 저수 pH 값에 대한 피드백 제어에 해당한다. 이 피드백 제어로는 PID 제어를 채용할 수 있다. 또한, 저수 측 보정 값은 앞서 언급한 기본 중화제 투입량을 보정하기 위한 것이다.
이어 제어 장치(70)는 기본 중화제 투입량, 분사 측 보정 값, 및 저수 측 보정 값에 따라 중화제 투입량을 결정한다(단계(S7)). 구체적으로는 분사 측 보정 값 및 저수 측 보정 값 중 큰 쪽(중화제 투입량이 많아지는 쪽)의 값(마이너스의 경우도 있다)을 기본 중화제 투입량에 더하고 그 값을 중화제 투입량으로 한다. 이와 같이, 본 실시 예의 중화제 투입량 제어에서는 피드포워드 제어에 의해 기본 중화제 투입량을 결정하고 목표 pH 값을 충족하도록 피드백 제어로 중화제 투입량을 조절하고 있다.
이어 제어 장치(70)는 중화제 투입 장치(44)의 중화제 투입량이 단계(S7)에서 산출한 중화제 투입이 되도록 중화제 투입 장치(44)에 제어 신호를 전송한다(단계(S8)). 이에 따라 세정액에는 적절한 양의 중화제가 투입된다. 제어 장치(70)는 단계(S8)가 완료되면 단계(S1)로 되돌아가서 단계(S1~S8)를 반복한다.
이상이 본 실시 예의 중화제 투입량 제어 방법이다. 이상과 같은 제어를 수행함으로써 분사 노즐(41)에서 분사되는 세정액이 탈황 능력을 유지하기 위해 필요한 중화제 투입량(이하, "탈황 필요 투입량"이라고 칭함)과, 저수부(42)에 저장된 세정액이 배출 규제를 통과하기 위해 필요한 중화제 투입량(이하, "배출 필요 투입량"이라고 칭함) 중 많은 양의 중화제가 순환 배관(43)의 유로에 투입되게 된다.
다만, 일반적으로는 탈황 필요 투입량이 배출 필요 투입량보다 많다. 이는 분사 노즐(41)에서 분사하는 세정액의 pH 값을 탈황 성능을 유지할 수 있을 정도의 값으로 하면 분사 노즐(41)에서 분사된 세정액은 EGR 가스에 의해 pH 값을 낮출 수 있기는 하지만, 일반적으로 그 값은 배수 규정의 pH 값(목표 저수 pH 값 = 6.8)보다 크기 때문이다. 이러한 경우 탈황 성능을 유지하기 위한 pH 값으로 할 필요가 있는 것은 분사 노즐(41)에서 분사되는 세정액만으로도 충분하며 저수부(42)에 저장된 세정액은 탈황 성능을 유지하기 위한 pH 값에 맞출 필요가 없다. 본 실시 예에 따른 스크러버(40)에서는 순환 배관(43)에 중화제를 투입함으로써 분사 노즐(41)에서 분사되는 세정액만이 탈황 성능을 유지하기 위한 pH 값이 되도록 할 수 있다. 따라서, 본 실시 예에 따른 스크러버(40)는 저수부(42)에 중화제를 투입하는 스크러버에 비해 중화제 투입량을 줄일 수 있다.
다만, 본 실시 예에서는 EGR 가스 유량 등의 조건에 따라 배출 필요 투입량의 쪽이 탈황 필요 투입량보다 많아졌을 경우에는 배출 필요 투입량의 중화제가 순환 배관(43)의 유로에 투입된다. 이에 따라 저수부(42)에 저장된 세정액이 배출 규정 값을 밑도는(규정 범위를 벗어나는) 경우가 없게 된다.
(제2 실시 예)
다음으로, 본 발명의 제2 실시 예에 대해 설명한다. 제1 실시 예에서는 중화제 투입량은 도 4에 도시된 방법으로 제어하고 있는 반면, 본 실시 예에서는 도 7에 도시된 법으로 제어하는 점에서 두 실시 예는 다르다. 다만, 그 밖의 구성에 대해서는 두 실시 예는 기본적으로 동일하다. 이하, 본 실시 예의 중화제 투입량 제어 방법에 대해 설명한다.
도 7에 도시된 제어 방법 중 단계(S11 ~ S14)는 제1 실시 예의 단계(S1 ~ S4)와 동일하기 때문에 여기서는 설명을 생략한다. 단계(S15)에서는 제어 장치(70)는 분사 pH 값과 목표 분사 pH 값의 편차에 따라 분사 측 필요 투입량을 산출한다. 구체적으로는 분사 pH 값과 목표 분사 pH 값의 차이(편차)가 없어지는 분사 측 필요 투입량을 산출한다. 여기서 말하는 "분사 측 필요 투입량"이란 분사 pH 값이 목표 분사 pH 값이 되기 위해 필요할 것으로 예측되는 중화제 투입량이다. 이와 같이, 단계(S15)는 분사 pH 값에 대한 피드백 제어에 해당한다. 이 피드백 제어로는 PID 제어를 채용할 수 있다.
이어 제어 장치(70)는 저수 pH 값 및 목표 저수 pH 값에 따라 저수 측 필요 투입량을 산출한다(단계(S16)). 구체적으로는 저수 pH 값과 목표 저수 규제 pH 값의 차이(편차)가 없어지는 저수 측 필요 투입량을 산출한다. 여기서 말하는 "저수 측 필요 투입량"이란 저수 pH 값이 목표 저수 pH 값이 되기 위해 필요할 것으로 예측되는 중화제 투입량이다. 또한, 앞서 언급한 바와 같이, 목표 저수 pH 값 = 6.8이다. 단계(S16)는 저수 pH 값에 대한 피드백 제어에 해당한다. 이 피드백 제어로는 PID 제어를 채용할 수 있다.
이어 제어 장치(70)는 기본 중화제 투입량, 분사 측 필요 투입량, 및 저수 측 필요 투입량에 따라 중화제 투입량을 결정한다(단계(S17)). 구체적으로는 기본 중화제 투입량, 분사 측 필요 투입량, 및 저수 측 필요 투입량 중 가장 값이 큰 것을 중화제 투입량으로 한다. 이렇게 하여 중화제 투입량은 결정되기 때문에 중화제 투입량이 기본 중화제 투입량을 밑도는 경우는 없다. 이상과 같이, 본 실시 예의 중화제 투입량 제어에서는 피드포워드 제어에 의해 결정하는 기본 중화제 투입량을 하한값으로 하면서 피드백 제어에 의해 결정하는 분사 측 필요 투입량 또는 저수 측 필요 투입량이 상기 하한값을 웃돌면 이를 중화제 투입량으로 결정하고 있다.
이어 제어 장치(70)는 중화제 투입 장치(44)의 중화제 투입량이 단계(S17)에서 산출한 중화제 투입량이 되도록 중화제 투입 장치(44)에 제어 신호를 전송한다(단계(S18)). 이에 따라 세정액에는 적절한 양의 중화제가 투입된다. 제어 장치(70)는 단계(S18)가 완료되면 단계(S11)로 되돌아가서 단계(S11~S18)를 반복 수행한다.
이상과 같이, 중화제 투입량 제어 방법은 제1 실시 예에서 설명한 방법에 한정되지 않으며 본 실시 예에서 설명한 방법일 수도 있다. 본 실시 예는 제1 실시 예와 중화제 투입량 제어 방법이 일부 다르지만, 세정액에의 중화제 투입량을 줄이면서 충분한 탈황 성능을 유지함과 함께 세정액의 배출 규제를 통과할 수 있음에 변함없다.
이상이 제1 실시 예 및 제2 실시 예의 설명이다. 이상에서는 스크러버(40)가 세정 기능, 냉각 기능, 저수 기능이 모두 있는 일체형인 경우에 대해 설명했지만, 각 기능을 독립적인 장치로 실현하는 구조일 수도 있다. 예를 들어, 스크러버는 세정 기능만이 있도록 구성하고 냉각 기능이 있는 냉각 장치 및 저수 기능이 있는 저수 탱크를 스크러버와는 별도로 설치할 수도 있다.
또한, 이상에서는 피드백 제어와 피드포워드 제어를 조합하여 중화제 투입량을 제어하는 경우에 대해 설명했지만, 피드백 제어만으로 중화제 투입량을 제어할 수도 있다.
또한, 이상에서는 엔진 시스템이 선박용의 것이며 배출 규제가 있는 바다에 세정액을 배출하는 경우에 대해 설명했지만, 육상에 설치하는 엔진 시스템 또는 가스 정화 시스템이어도 세정액의 배출 규제가 있는 경우에는 본 발명의 적용이 가능하다. 또한, 여기서 말하는 "가스 정화 시스템"이란 엔진에서 배출된 배기 가스를 대기로 방출되기 전에 세정하는 시스템이다. 즉, 실시 예에서 설명한 스크러버는 예를 들어 엔진 시스템보다 하류의 배기 가스 유로에 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 스크러버에 따르면, 세정액에의 중화제 투입량을 줄이면서 충분한 탈황 성능을 유지함과 함께 세정액의 배출 규제를 통과할 수 있다. 따라서 스크러버의 기술 분야에서 유익하다.
10: 엔진
40: 스크러버
41: 분사 노즐
42: 저수부
43: 순환 배관
44: 중화제 투입 장치
70: 제어 장치
100: 엔진 시스템

Claims (6)

  1. 엔진에서 배출되는 배기 가스를 세정하는 스크러버로서,
    상기 배기 가스에 세정액을 분사하는 분사 노즐;
    상기 분사 노즐에서 분사된 세정액을 회수하여 저장함과 함께 저장된 세정액의 일부를 외부로 배출하는 저수부;
    상기 저수부에 저장된 세정액을 상기 분사 노즐에 공급하는 순환 배관;
    상기 순환 배관의 유로에 중화제를 투입하는 중화제 투입 장치; 및
    상기 중화제 투입 장치로부터 투입되는 중화제의 투입량을 결정하는 제어 장치를 포함하고,
    상기 제어 장치는,
    상기 분사 노즐에서 분사하는 세정액의 pH 값과 소정의 목표 분사 pH 값의 편차 및 상기 저수부에 저장된 세정액의 pH 값과 소정의 목표 저수 pH 값의 편차에 기초하여 상기 중화제 투입 장치로부터 투입되는 중화제의 투입량을 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스크러버.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배기 가스는 상기 엔진으로 되돌아가는 EGR 가스인 것을 특징으로 하는 스크러버.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 장치는 상기 엔진에 사용하는 연료의 황 성분과 상기 스크러버를 통과하는 배기 가스의 유량에 따라 상기 목표 분사 pH 값을 설정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스크러버.
  4. 제1항 내지 제3항 중 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는 미리 정해진 고정 값을 상기 목표 저수 pH 값으로 설정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스크러버.
  5. 제1항 내지 제4항 중 한 항에 있어서,
    상기 제어 장치는,
    상기 엔진에 사용하는 연료의 황 성분과, 상기 스크러버를 통과하는 배기 가스의 유량에 따라 탈황 성능의 유지에 필요하다고 예측되는 중화제의 투입량인 기본 중화제 투입량을 산출하고,
    상기 분사 노즐에서 분사하는 세정액의 pH 값과 소정의 목표 분사 pH 값의 편차, 상기 저수부에 저장된 세정액의 pH 값과 소정의 목표 저수 pH 값의 편차, 및 상기 기본 중화제 투입량에 따라 상기 중화제 투입 장치가 투입하는 중화제의 투입량을 결정하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스크러버.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 스크러버를 구비하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템.
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