KR20210109752A - 연소기관의 배기장치 - Google Patents

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KR20210109752A
KR20210109752A KR1020200024741A KR20200024741A KR20210109752A KR 20210109752 A KR20210109752 A KR 20210109752A KR 1020200024741 A KR1020200024741 A KR 1020200024741A KR 20200024741 A KR20200024741 A KR 20200024741A KR 20210109752 A KR20210109752 A KR 20210109752A
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pipe
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성용욱
김재관
박성종
이대희
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의해 연소기관의 배기장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연소기관의 배기장치는, 연소기관에서 발생된 배기가스를 배출하는 배기관과, 배기관으로부터 분기되어 이산화탄소포집장치로 연결되는 분기관과, 분기관 이후의 배기관에 설치되어 배기가스와 열교환하여 스팀을 생성하는 이코노마이저와, 이코노마이저와 분기관 사이의 배기관에 설치되는 송풍팬, 및 송풍팬의 회전속도를 제어하여 이코노마이저와 이산화탄소포집장치로 유입되는 배기가스의 유량을 동시에 조절하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

연소기관의 배기장치{Exhaust system of combustion engine}
본 발명은 연소기관의 배기장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연소기관에서 생성된 배기가스를 분기하여 이코노마이저와 이산화탄소포집장치에 각각 공급할 수 있고, 이코노마이저와 이산화탄소포집장치로 유입되는 배기가스의 유량을 동시에 조절할 수 있는 연소기관의 배기장치에 관한 것이다.
일반적으로, 연소기관은 연료를 연소하여 동력을 생성하며, 연료의 연소과정에서 발생하는 배기가스에는 질소산화물, 황산화물, 이산화탄소 등이 포함되어 있다. 대기오염이 증가함에 따라 배기가스에 포함된 각종 유해물질에 대한 규제가 엄격해지고 있는 실정이며, 질소산화물과 황산화물뿐만 아니라 이산화탄소도 유엔 산화기관인 국제 해사기구(IMO; International Maritime Organization)로부터 배출규제를 받고 있다. 배기가스에 포함된 이산화탄소를 포집하는 방법으로는 크게, 흡수제를 이용한 습식 포집 방법과, 멤브레인을 이용한 건식 포집 방법이 있으며, 주로, 습식 포집 방법이 이용된다. 습식 포집 방법은, 배기가스를 흡수제가 존재하는 흡수부에 통과시켜 배기가스에 포함된 이산화탄소를 흡수제에 흡수시키고, 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 재생부에 통과시켜 이산화탄소와 흡수제를 분리하는 방식이다. 그러나, 종래에는 연소기관 내부의 배기가스를 배출하는 배기관이 외부와 연결된 연통으로만 연결되므로, 배기가스에 포함된 이산화탄소의 분리가 용이하지 않은 문제점이 있다. 또한, 재생부에서 이산화탄소와 흡수제를 분리하는 데 필요한 고온의 스팀 생성을 위해 리보일러를 가동하므로, 많은 에너지가 소모될 뿐만 아니라 또 다른 이산화탄소가 생성되는 문제가 있다.
이에, 배기가스를 연통 측과 이산화탄소포집장치 측으로 분기하여 배출하면서 동시에 흡수제의 온도를 높이는데 소모되는 에너지를 절감할 수 있는 구조의 배기장치가 필요하게 되었다.
대한민국 등록특허 제10-2017347호 (2019. 08. 27.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 연소기관에서 생성된 배기가스를 분기하여 이코노마이저와 이산화탄소포집장치에 각각 공급할 수 있고, 이코노마이저와 이산화탄소포집장치로 유입되는 배기가스의 유량을 동시에 조절할 수 있는 연소기관의 배기장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 연소기관의 배기장치는, 연소기관에서 발생된 배기가스를 배출하는 배기관과, 상기 배기관으로부터 분기되어 이산화탄소포집장치로 연결되는 분기관과, 상기 분기관 이후의 상기 배기관에 설치되어 배기가스와 열교환하여 스팀을 생성하는 이코노마이저와, 상기 이코노마이저와 상기 분기관 사이의 상기 배기관에 설치되는 송풍팬, 및 상기 송풍팬의 회전속도를 제어하여 상기 이코노마이저와 상기 이산화탄소포집장치로 유입되는 배기가스의 유량을 동시에 조절하는 제어부를 포함한다.
상기 연소기관의 배기장치는, 상기 송풍팬 후단의 상기 배기관과 상기 분기관 중 적어도 하나에 설치되어 배기가스의 유량을 측정하는 센서부를 더 포함할 수 있다.
상기 연소기관의 배기장치는, 상기 분기관 상에 설치되어 상기 이산화탄소포집장치로 공급되는 배기가스의 유동을 제어하는 개폐밸브를 더 포함할 수 있다,
상기 연소기관의 배기장치는, 상기 이코노마이저에서 생성된 상기 스팀을 상기 이산화탄소포집장치로 공급하는 스팀공급관을 더 포함할 수 있다.
상기 송풍팬과 상기 이코노마이저 사이의 상기 배기관 상에는 상기 배기관 중 적어도 일부가 개구되어 형성된 배출구가 형성되고, 상기 배출구의 외측에는 포집공간이 형성되어, 상기 송풍팬이 배기가스를 회전시켜 원심력을 발생시키면, 배기가스에 포함된 수트(soot)가 상기 포집공간에 포집될 수 있다.
본 발명에 따르면, 연소기관에서 생성된 배기가스를 분기하여 이코노마이저와 이산화탄소포집장치에 각각 공급할 수 있고, 송풍팬의 회전속도를 제어하여 이코노마이저와 이산화탄소포집장치로 유입되는 배기가스의 유량을 동시에 조절할 수 있다.
또한, 이코노마이저에서 생성된 스팀을 이산화탄소포집장치로 공급하여 활용하므로, 스팀 생성을 위한 별도의 보일러를 가동할 필요가 없어 이에 따른 에너지를 절감할 수 있으며 보일러의 가동에 따른 또 다른 이산화탄소의 생성도 방지할 수 있다.
또한, 송풍팬과 이코노마이저 사이의 배기관 외측에 포집공간이 형성되므로, 이코노마이저로 공급되는 배기가스에 포함된 수트를 제거할 수 있어 수트가 이코노마이저 내부에 접착되어 스팀 생성을 방해하는 것을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연소기관의 배기장치를 도시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 연소기관의 배기장치의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
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.
이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 연소기관의 배기장치에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 연소기관의 배기장치는 연소기관에서 생성된 배기가스를 분기하여 이코노마이저와 이산화탄소포집장치에 각각 공급할 수 있고, 송풍팬의 회전속도를 제어하여 이코노마이저와 이산화탄소포집장치로 유입되는 배기가스의 유량을 동시에 조절할 수 있다. 또한, 이코노마이저에서 생성된 스팀을 이산화탄소포집장치로 공급하여 활용하므로, 스팀 생성을 위한 별도의 보일러를 가동할 필요가 없어 이에 따른 에너지를 절감할 수 있으며 보일러의 가동에 따른 또 다른 이산화탄소의 생성도 방지할 수 있다. 또한, 송풍팬과 이코노마이저 사이의 배기관 외측에 포집공간이 형성되므로, 이코노마이저로 공급되는 배기가스에 포함된 수트(soot; 연료의 불완전 연소에 따른 인화성 물질)를 제거할 수 있어 수트가 이코노마이저 내부에 접착되어 스팀 생성을 방해하는 것을 방지할 수 있는 특징이 있다.
이하, 도 1을 참조하여, 연소기관의 배기장치(1)에 관하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 연소기관의 배기장치를 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 연소기관의 배기장치(1)는 배기관(10)과, 분기관(20)과, 이코노마이저(30)와, 송풍팬(40), 및 제어부(50)를 포함한다.
배기관(10)은 연소기관(100)에서 발생된 배기가스를 배출하는 관으로, 연소기관(100)에서 배출되어 탈질(SCR; Selective Catalytic Reduction) 설비, 집진 설비, 및 탈황 설비 등의 배기가스 전처리 설비(도시되지 않음)를 통과한 배기가스를 외부로 배출할 수 있다. 배기관(10) 상에는 분기관(20)이 분기된다.
분기관(20)은 배기관(10)으로부터 분기되어 이산화탄소포집장치(200)에 연결되는 관으로, 일단이 배기관(10)에 연결되고 타단이 이산화탄소포집장치(200)에 연결된다. 여기서, 이산화탄소포집장치(200)라 함은, 흡수제를 이용하여 습식 포집 방식으로 배기가스에 포함된 이산화탄소를 분리하는 장치로, 배기가스를 흡수제가 존재하는 흡수부에 통과시켜 배기가스에 포함된 이산화탄소를 흡수제에 흡수시키고, 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 재생부에 통과시켜 이산화탄소와 흡수제를 분리한다. 이산화탄소포집장치(200)는 공지된 기술이므로, 자세한 설명은 생략한다. 분기관(20) 상에는 개폐밸브(21)가 설치된다. 개폐밸브(21)는 이산화탄소포집장치(200)로 공급되는 배기가스의 유동을 제어하는 것으로, 필요에 따라 동작하여 분기관(20)을 개방 또는 폐쇄할 수 있다. 분기관(20) 이후의 배기관(10)에는 이코노마이저(30)가 설치된다.
이코노마이저(30)는 배기가스와 열교환하여 스팀을 생성하는 것으로, 적어도 하나가 분기관(20) 이후의 배기관(10) 상에 설치될 수 있다. 이코노마이저(30)에서 생성된 스팀은 스팀공급관(31)을 통해 이산화탄소포집장치(200)로 공급된다. 스팀공급관(31)은 이산화탄소포집장치(200)의 리보일러에 스팀을 공급하며, 리보일러는 이코노마이저(30)로부터 공급받은 스팀을 이용하여 재생부에 공급되는 흡수제를 가열할 수 있다. 필요에 따라 스팀공급관(31) 상에는 유량센서(도시되지 않음)가 설치되어, 리보일러로 공급되는 스팀량을 실시간으로 모니터링하면서 후술할 송풍팬(40)을 제어할 수도 있다. 이코노마이저(30)로부터 공급받은 스팀을 이용하여 흡수제를 가열함으로써, 스팀 생성을 위한 별도의 보일러를 가동할 필요가 없어 이에 따른 에너지를 절감할 수 있으며 보일러의 가동에 따른 또 다른 이산화탄소의 생성도 방지할 수 있다. 또한, 배기가스의 폐열을 이용하여 스팀을 생성함에 따라 전체적인 장치 효율이 향상될 수 있다. 이코노마이저(30)와 분기관(20) 사이의 배기관(10)에는 송풍팬(40)이 설치된다.
송풍팬(40)은 회전하여 배기가스를 유동시키는 것으로, 제어부(50)에 의해 회전속도가 제어될 수 있다. 제어부(50)는 송풍팬(40)의 회전속도를 제어하여 이코노마이저(30)와 이산화탄소포집장치(200)로 유입되는 배기가스의 유량을 동시에 조절하는 것으로, 센서부(60)와 연계되어 송풍팬(40)의 회전속도를 제어할 수 있다. 센서부(60)는 송풍팬(40) 후단의 배기관(10)과 분기관(20) 중 적어도 하나에 설치되어 배기가스의 유량을 측정할 수 있다. 도면 상에는 센서부(60)가 이코노마이저(30) 후단에 설치된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 예를 들어, 센서부(60)는 이코노마이저(30) 전단에 설치될 수도 있다.
본 발명은 배기관(10)에서 분기관(20)이 분기되므로, 이코노마이저(30)로 유입되는 배기가스와 이산화탄소포집장치(200)로 유입되는 배기가스의 유량을 조절하기가 쉽지 않다. 이코노마이저(30)와 이산화탄소포집장치(200) 전단에 각각 유량조절밸브를 설치할 경우, 유량을 조절할 수 있긴 하나, 이코노마이저(30)와 이산화탄소포집장치(200)에 걸리는 압력이 서로 다르므로, 배압(back pressure) 작용에 의해 유량 조절에 어려움이 따른다. 통상, 이산화탄소포집장치(200)는 이코노마이저(30)보다 차압이 높게 걸리므로, 이코노마이저(30) 전단에 설치된 송풍팬(40)의 회전속도를 제어하면 압력이 가변되어 유량이 조절될 수 있다. 예를 들어, 센서부(60)에서 측정된 배기가스의 유량이 기준량보다 감소한 경우, 제어부(50)가 송풍팬(40)의 회전속도를 증가시켜 이코노마이저(30)로 유입되는 배기가스의 유량을 증가시킬 수 있다. 이코노마이저(30)로 유입되는 배기가스의 유량이 증가됨에 따라 이산화탄소포집장치(200)로 유입되는 배기가스의 유량은 감소할 수 있다. 반대로, 센서부(60)에서 측정된 배기가스의 유량이 기준량보다 증가한 경우, 제어부(50)가 송풍팬(40)의 회전속도를 감소시켜 이코노마이저(30)로 유입되는 배기가스의 유량을 감소시킬 수 있다. 이코노마이저(30)로 유입되는 배기가스의 유량이 감소됨에 따라 이산화탄소포집장치(200)로 유입되는 배기가스의 유량은 증가할 수 있다.
한편, 송풍팬(40)과 이코노마이저(30) 사이의 배기관(10) 상에는 배기관(10) 중 적어도 일부가 개구되어 형성된 배출구(11)가 형성되고, 배출구(11)의 외측에는 포집공간(12)이 형성될 수 있다. 송풍팬(40)과 이코노마이저(30) 사이의 배기관(10) 상에 배출구(11)와 포집공간(12)이 형성됨으로써, 송풍팬(40)이 회전하여 배기가스에 원심력을 발생시키면, 배기가스에 포함된 수트가 배출구(11)를 통과하여 포집공간(12)에 포집될 수 있다. 배기가스에 포함된 수트는 상대적으로 무겁고 입자가 크므로, 송풍팬(40)을 통과하며 원심력에 의해 배기가스로부터 분리되어 배기관(10) 측으로 유동하게 된다. 포집공간(12)은 배기관(10)의 일부가 개구되어 형성된 배출구(11)의 외측에 형성되므로, 배기관(10) 측으로 유동한 수트는 포집공간(12)에 용이하게 포집될 수 있다. 수트가 포집공간(12)에 포집됨에 따라 이코노마이저(30) 내부에 수트가 접착되어 스팀 생성을 방해하는 것을 방지할 수 있다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여, 연소기관의 배기장치(1)의 동작에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 2 및 도 3은 연소기관의 배기장치의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
본 발명에 따른 연소기관의 배기장치(1)는 연소기관(100)에서 생성된 배기가스를 분기하여 이코노마이저(30)와 이산화탄소포집장치(200)에 각각 공급할 수 있고, 송풍팬(40)의 회전속도를 제어하여 이코노마이저(30)와 이산화탄소포집장치(200)로 유입되는 배기가스의 유량을 동시에 조절할 수 있다. 또한, 이코노마이저(30)에서 생성된 스팀을 이산화탄소포집장치(200)로 공급하여 활용하므로, 스팀 생성을 위한 별도의 보일러를 가동할 필요가 없어 이에 따른 에너지를 절감할 수 있으며 보일러의 가동에 따른 또 다른 이산화탄소의 생성도 방지할 수 있다. 또한, 송풍팬(40)과 이코노마이저(30) 사이의 배기관(10) 외측에 포집공간(12)이 형성되므로, 이코노마이저(30)로 공급되는 배기가스에 포함된 수트를 제거할 수 있어 수트가 이코노마이저(30) 내부에 접착되어 스팀 생성을 방해하는 것을 방지할 수 있다.
먼저, 도 2를 참조하면, 연소기관(100)에서 발생된 배기가스는 배기관(10)을 통해 배출되며, 일부가 분기관(20)으로 분기되어 이산화탄소포집장치(200)로 유입되고 나머지 일부가 배기관(10)을 통해 이코노마이저(30)로 유입된다. 이 때, 센서부(60)에서 측정된 배기가스의 유량이 기준량보다 감소한 경우, 제어부(50)가 송풍팬(40)의 회전속도를 증가시킬 수 있다. 송풍팬(40)의 회전속도가 증가하면, 이코노마이저(30)로 유입되는 배기가스의 유량이 증가하고, 이산화탄소포집장치(200)로 유입되는 배기가스의 유량은 감소한다. 송풍팬(40)이 회전함에 따라 원심력에 의해 배기가스에 포함된 수트가 배출구(11)를 통과하여 포집공간(12)에 포집되며, 이코노마이저(30)에는 수트가 제거된 배기가스가 유입된다. 이코노마이저(30)는 배기가스와 열교환하여 스팀을 생성하고, 생성된 스팀은 스팀공급관(31)을 통해 이산화탄소포집장치(200)의 리보일러로 공급된다.
도 3을 참조하면, 센서부(60)에서 측정된 배기가스의 유량이 기준량보다 증가한 경우, 제어부(50)가 송풍팬(40)의 회전속도를 감소시킬 수 있다. 송풍팬(40)의 회전속도가 감소하면, 배기관(10)을 통해 이코노마이저(30)로 유입되는 배기가스의 유량이 감소하고, 분기관(20)을 통해 이산화탄소포집장치(200)로 유입되는 배기가스의 유량은 증가한다. 송풍팬(40)이 회전함에 따라 원심력에 의해 배기가스에 포함된 수트가 배출구(11)를 통과하여 포집공간(12)에 포집되며, 이코노마이저(30)에는 수트가 제거된 배기가스가 유입된다. 이코노마이저(30)는 배기가스와 열교환하여 스팀을 생성하고, 생성된 스팀은 스팀공급관(31)을 통해 이산화탄소포집장치(200)의 리보일러로 공급된다.
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.
1: 연소기관의 배기장치
10: 배기관 11: 배출구
12: 포집공간 20: 분기관
21: 개폐밸브 30: 이코노마이저
31: 스팀공급관 40: 송풍팬
50: 제어부 60: 센서부
100: 연소기관 200: 이산화탄소포집장치

Claims (5)

  1. 연소기관에서 발생된 배기가스를 배출하는 배기관;
    상기 배기관으로부터 분기되어 이산화탄소포집장치로 연결되는 분기관;
    상기 분기관 이후의 상기 배기관에 설치되어 배기가스와 열교환하여 스팀을 생성하는 이코노마이저;
    상기 이코노마이저와 상기 분기관 사이의 상기 배기관에 설치되는 송풍팬, 및
    상기 송풍팬의 회전속도를 제어하여 상기 이코노마이저와 상기 이산화탄소포집장치로 유입되는 배기가스의 유량을 동시에 조절하는 제어부를 포함하는 연소기관의 배기장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 송풍팬 후단의 상기 배기관과 상기 분기관 중 적어도 하나에 설치되어 배기가스의 유량을 측정하는 센서부를 더 포함하는 연소기관의 배기장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 분기관 상에 설치되어 상기 이산화탄소포집장치로 공급되는 배기가스의 유동을 제어하는 개폐밸브를 더 포함하는 연소기관의 배기장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 이코노마이저에서 생성된 상기 스팀을 상기 이산화탄소포집장치로 공급하는 스팀공급관을 더 포함하는 연소기관의 배기장치.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 송풍팬과 상기 이코노마이저 사이의 상기 배기관 상에는 상기 배기관 중 적어도 일부가 개구되어 형성된 배출구가 형성되고,
    상기 배출구의 외측에는 포집공간이 형성되어,
    상기 송풍팬이 배기가스를 회전시켜 원심력을 발생시키면, 배기가스에 포함된 수트(soot)가 상기 포집공간에 포집되는 연소기관의 배기장치.
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