KR20210110951A - 연소기관의 배기장치 - Google Patents

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KR20210110951A
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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, 복수 개의 연소실린더 중 일부로부터 배출되는 배기가스를 수용하는 제1 가스리시버와, 복수 개의 연소실린더 중 나머지로부터 배출되는 배기가스를 수용하는 적어도 하나의 제2 가스리시버와, 제1 가스리시버와 이산화탄소포집장치 사이를 연결하여 제1 가스리시버에 수용된 배기가스를 이산화탄소포집장치로 공급하는 제1 배기관과, 제2 가스리시버와 연통 사이를 연결하여 제2 가스리시버에 수용된 배기가스를 연통으로 배출시키는 적어도 하나의 제2 배기관과, 제2 배기관과 연통 중 적어도 하나와 제1 배기관 사이를 연결하는 연결배기관, 및 연결배기관 상에 설치되어 제1 배기관과 연통 사이의 압력을 조절하는 압력조절밸브를 포함할 수 있다.

Description

연소기관의 배기장치{Exhaust system of combustion engine}
본 발명은 연소기관의 배기장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 가스 리시버에 수용된 배기가스를 연통과 이산화탄소포집장치에 각각 공급할 수 있는 연소기관의 배기장치에 관한 것이다.
일반적으로, 연소기관과 연통 사이에는 가스 리시버(gas receiver)라 불리는 일종의 버퍼탱크가 설치된다. 가스 리시버는 연소기관에서 실린더 왕복 운동에 의해 불균일하게 배출되는 배기가스에 의한 맥동을 줄이기 위한 것으로, 연소기관에서 배출되는 배기가스를 수용하여 맥동을 줄인 후에 연통으로 배출시킨다. 선박에는 복수 개의 연소기관이 설치되어 있으므로, 가스 리시버 또한 복수 개가 마련되며, 통상, 하나의 가스 리시버에 2~4개의 연소기관이 연결된다.
한편, 연소기관은 연료를 연소하여 동력을 생성하므로, 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, 흡수제가 존재하는 흡수부에 배기가스를 통과시켜 배기가스에 포함된 이산화탄소를 흡수제에 흡수시키고, 재생부에 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 통과시켜 이산화탄소와 흡수제를 분리하는 방식이다. 그러나, 종래의 가스 리시버는 연통으로만 연결되어 배기가스를 모두 연통으로 배출하므로, 배기가스에 포함된 이산화탄소의 분리가 용이하지 않은 문제점이 있다.
이에, 가스 리시버에 수용된 배기가스를 연통과 이산화탄소포집장치로 각각 공급할 수 있는 배기장치가 필요하게 되었다.
대한민국 등록특허 제10-2017347호 (2019. 08. 27.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 가스 리시버에 수용된 배기가스를 연통과 이산화탄소포집장치에 각각 공급할 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, 복수 개의 연소실린더 중 일부로부터 배출되는 배기가스를 수용하는 제1 가스리시버와, 복수 개의 상기 연소실린더 중 나머지로부터 배출되는 배기가스를 수용하는 적어도 하나의 제2 가스리시버와, 상기 제1 가스리시버와 이산화탄소포집장치 사이를 연결하여 상기 제1 가스리시버에 수용된 배기가스를 상기 이산화탄소포집장치로 공급하는 제1 배기관과, 상기 제2 가스리시버와 연통 사이를 연결하여 상기 제2 가스리시버에 수용된 배기가스를 상기 연통으로 배출시키는 적어도 하나의 제2 배기관과, 상기 제2 배기관과 상기 연통 중 적어도 하나와 상기 제1 배기관 사이를 연결하는 연결배기관, 및 상기 연결배기관 상에 설치되어 상기 제1 배기관과 상기 연통 사이의 압력을 조절하는 압력조절밸브를 포함한다.
상기 연소기관의 배기장치는, 상기 제1 배기관 상에 설치되어 상기 이산화탄소포집장치로 공급되는 배기가스의 유동을 제어하는 개폐밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 연소기관의 배기장치는, 상기 연통에 설치되어 배기가스의 열로 스팀을 생성하는 이코노마이저와, 상기 이코노마이저에서 생성된 상기 스팀을 상기 이산화탄소포집장치로 공급하는 스팀공급관을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 가스 리시버에 수용된 배기가스를 연통과 이산화탄소포집장치에 각각 공급할 수 있다. 특히, 제1 가스리시버에 수용된 배기가스를 이산화탄소포집장치로 공급하는 제1 배기관과, 제2 가스리시버에 수용된 배기가스를 연통으로 공급하는 제2 배기관 사이를 연결하는 연결배기관 상에 제1 배기관과 연통 사이의 압력을 조절하는 압력조절밸브가 설치되므로, 제1 배기관과 연통의 압력을 일치시킬 수 있다. 따라서, 제1 가스리시버에 수용된 배기가스는 이산화탄소포집장치로 공급되고, 제2 가스리시버에 수용된 배기가스는 연통으로 배출될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기관의 배기장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연소기관의 배기장치의 구성을 도시한 도면이다.
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 가스 리시버에 배기가스를 연통(도 1의 F 참조)과 이산화탄소포집장치(도 1의 90 참조)에 각각 공급할 수 있다. 특히, 제1 가스리시버(도 1의 10 참조)에 수용된 배기가스를 이산화탄소포집장치(90)로 공급하는 제1 배기관(도 1의 30 참조)과, 제2 가스리시버(도 1의 20 참조)에 수용된 배기가스를 연통(F)으로 공급하는 제2 배기관(도 1의 40 참조) 사이를 연결하는 연결배기관(도 1의 50 참조) 상에 제1 배기관(30)과 연통(F) 사이의 압력을 조절하는 압력조절밸브(도 1의 60 참조)가 설치되므로, 제1 배기관(30)과 연통(F)의 압력을 일치시킬 수 있다. 따라서, 제1 가스리시버(10)에 수용된 배기가스는 이산화탄소포집장치(90)로 공급되고, 제2 가스리시버(20)에 수용된 배기가스는 연통(F)으로 배출될 수 있는 특징이 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 연소기관의 배기장치(1)에 관하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기관의 배기장치의 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 연소기관의 배기장치의 구성을 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 연소기관의 배기장치(1)는 제1 가스리시버(10)와, 적어도 하나의 제2 가스리시버(20)와, 제1 배기관(30)과, 적어도 하나의 제2 배기관(40)과, 연결배기관(50), 및 압력조절밸브(60)를 포함한다.
제1 가스리시버(10)는 복수 개의 연소실린더(EG) 중 일부로부터 배출되는 배기가스를 수용하는 탱크로, 단일 개가 마련될 수 있다. 여기서, 연소실린더(EG)라 함은, 연료의 연소가 이루어지는 통 형상의 부재로, 복수 개가 연소기관에 설치될 수 있다. 제1 가스리시버(10)는 복수 개의 연소실린더(EG) 중 일부에서 실린더 왕복 운동에 의해 불균일하게 배출되는 배기가스를 수용하여 맥동을 줄인 후 후술할 제1 배기관(30)으로 배출시킨다. 도면 상에는 제1 가스리시버(10)에 3개의 연소실린더(EG)가 연결된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 제1 가스리시버(10)에 연결되는 연소실린더(EG)의 개수는 필요에 따라 가감될 수 있다.
제2 가스리시버(20)는 복수 개의 연소실린더(EG) 중 나머지로부터 배출되는 배기가스를 수용하는 탱크로, 적어도 하나가 마련될 수 있다. 제2 가스리시버(20)는 복수 개의 연소실린더(EG) 중 제1 가스리시버(10)에 연결된 일부를 제외한 나머지에서 실린더 왕복 운동에 의해 불균일하게 배출되는 배기가스를 수용하여 맥동을 줄인 후 후술할 제2 배기관(40)으로 배출시킨다. 도면 상에는 2개의 제2 가스리시버(20)가 마련되고, 각각의 제2 가스리시버(20)에 3개의 연소실린더(EG)가 연결된 것으로 도시하였으나, 제2 가스리시버(20)의 개수 및 제2 가스리시버(20)에 연결되는 연소실린더(EG)의 개수는 필요에 따라 가감될 수 있다. 이러한 제1 가스리시버(10)와 제2 가스리시버(20)는 도 1에 도시된 바와 같이, 서로 독립된 탱크로 형성될 수도 있고, 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 탱크 내부가 구획되어 형성될 수도 있다.
제1 가스리시버(10)와 제2 가스리시버(20)에는 각각, 제1 배기관(30)과 제2 배기관(40)이 연결된다.
제1 배기관(30)은 제1 가스리시버(10)와 이산화탄소포집장치(90) 사이를 연결하여 제1 가스리시버(10)에 수용된 배기가스를 이산화탄소포집장치(90)로 공급하는 관으로, 일단이 제1 가스리시버(10)에 연결되고 타단이 이산화탄소포집장치(90)에 연결된다. 여기서, 이산화탄소포집장치(90)라 함은, 흡수제를 이용하여 습식 포집 방식으로 배기가스에 포함된 이산화탄소를 분리하는 장치로, 흡수제가 존재하는 흡수부에 배기가스를 통과시켜 배기가스에 포함된 이산화탄소를 흡수제에 흡수시키고, 재생부에 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 통과시켜 이산화탄소와 흡수제를 분리한다. 이산화탄소포집장치(90)는 공지된 기술이므로 자세한 설명은 생략한다.
제2 배기관(40)은 제2 가스리시버(20)와 연통(F) 사이를 연결하여 제2 가스리시버(20)에 수용된 배기가스를 연통(F)으로 배출시키는 관으로, 일단이 제2 가스리시버(20)에 연결되고 타단이 연통(F)에 연결된다. 여기서, 연통(F)이라 함은, 배기가스를 외부로 배출하는 관(管) 형상의 부재로, 공지된 기술이므로 자세한 설명은 생략한다. 연통(F) 상에는 배기가스의 열로 스팀을 생성하는 적어도 하나의 이코노마이저(70)가 설치될 수 있으며, 이코노마이저(70)에서 생성된 스팀은 스팀공급관(80)을 통해 이산화탄소포집장치(90)로 공급될 수 있다. 스팀공급관(80)은 이산화탄소포집장치(90)의 리보일러에 스팀을 공급하며, 리보일러는 이코노마이저(70)로부터 공급받은 스팀을 이용하여 재생부에 공급되는 흡수제를 가열할 수 있다.
한편, 제2 배기관(40)과 연통(F) 중 적어도 하나와 제1 배기관(30) 사이는 연결배기관(50)에 의해 연결될 수 있다. 연결배기관(50)은 연통(F)의 내부 압력과 제1 배기관(30)의 내부 압력을 동일하게 보정하기 위한 관으로, 일단부가 제2 배기관(40)과 연통(F) 중 적어도 하나에 연결되고 타단부가 제1 배기관(30)에 연결된다. 도시된 바와 같이, 복수 개의 제2 배기관(40)이 마련된 상태에서 연결배기관(50)이 제2 배기관(40)에 연결되는 경우, 연결배기관(50)은 복수 개의 제2 배기관(40)이 연통(F)에 연결되는 끝단 부분에 연결될 수 있다. 연결배기관(50)이 제2 배기관(40)과 연통(F) 중 적어도 하나와 제1 배기관(30) 사이를 연결함으로써, 제2 배기관(40) 또는 연통(F)을 유동하는 배기가스가 제1 배기관(30)으로 이동하거나, 반대로 제1 배기관(30)을 유동하는 배기가스가 제2 배기관(40) 또는 연통(F)으로 이동할 수 있으며, 이로 인해, 연통(F)의 내부 압력과 제1 배기관(30)의 내부 압력을 용이하게 일치시킬 수 있다. 연결배기관(50) 상에는 압력조절밸브(60)가 설치될 수 있다.
압력조절밸브(60)는 제1 배기관(30)과 연통(F) 사이의 압력을 조절하는 것으로, 배기가스의 유동 방향 및 유량을 제어하여 제1 배기관(30)과 연통(F)의 내부 압력을 일치시킬 수 있다. 전술한 바와 같이, 제1 가스리시버(10)와 제2 가스리시버(2)에는 각각 복수 개의 연소실린더(EG)가 연결되므로, 제1 가스리시버(10)와 제2 가스리시버(20) 사이에 압력 차이가 크게 발생할 경우, 연소실린더(EG) 간의 출력 불균형으로 회전 타이밍이 어긋나 연소기관이 고장날 수 있다. 압력조절밸브(60)는 이와 같이 가스리시버 사이의 압력 차가 발생한 경우 동작하며, 배기가스의 유동 방향과 유량을 적절하게 조절하여 가스리시버 사이의 압력 차를 줄여 연소기관의 고장을 방지할 수 있다. 압력조절밸브(60)는 제1 배기관(30) 상에 설치된 개폐밸브(31)와 함께 동작할 수 있다.
개폐밸브(31)는 이산화탄소포집장치(90)로 공급되는 배기가스의 유동을 제어하는 것으로, 압력조절밸브(60)의 동작 시 필요에 따라 동작하여 제1 배기관(30)을 개방 또는 폐쇄할 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여, 연소기관의 배기장치(1)의 동작에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은 연소기관의 배기장치의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
본 발명에 따른 연소기관의 배기장치(1)는 가스 리시버에 수용된 배기가스를 연통(F)과 이산화탄소포집장치(90)에 각각 공급할 수 있다. 특히, 제1 가스리시버(10)에 수용된 배기가스를 이산화탄소포집장치(90)로 공급하는 제1 배기관(30)과, 제2 가스리시버(20)에 수용된 배기가스를 연통(F)으로 공급하는 제2 배기관(40) 사이를 연결하는 연결배기관(50) 상에 제1 배기관(30)과 연통(F) 사이의 압력을 조절하는 압력조절밸브(60)가 설치되므로, 제1 배기관(30)과 연통(F)의 압력을 일치시킬 수 있다. 따라서, 제1 가스리시버(10)에 수용된 배기가스는 이산화탄소포집장치(90)로 공급되고, 제2 가스리시버(20)에 수용된 배기가스는 연통(F)으로 배출될 수 있다.
복수 개의 연소실린더(EG) 중 일부는 제1 가스리시버(10)에 연결되어 배기가스를 배출하고, 나머지는 제2 가스리시버(20)에 연결되어 배기가스를 배출한다. 제1 가스리시버(10)에 수용된 배기가스는 제1 배기관(30)을 통해 이산화탄소포집장치(90)로 공급되며, 제2 가스리시버(20)에 수용된 배기가스는 제2 배기관(40)을 통해 연통(F)으로 배출된다. 제2 배기관(40)과 연통(F) 중 적어도 하나와 제1 배기관(30)은 연결배기관(50)에 의해 서로 연결되며, 연결배기관(50) 상에는 압력조절밸브(60)가 설치된다.
예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이, 제2 가스리시버(20)와 연결된 연통(F)에 A mmH2O의 차압이 걸리고, 제1 가스리시버(10)와 연결된 제1 배기관(30)에 A보다 큰 B mmH2O의 차압이 걸리는 경우, 압력조절밸브(60)는 제1 가스리시버(10)와 제2 가스리시버(20)의 압력 차가 완화될 때까지 제1 배기관(30) 내부의 배기가스를 연통(F) 측으로 유동시킬 수 있다. 이 때, 제1 배기관(30) 상에 설치된 개폐밸브(31)는 제1 배기관(30)을 폐쇄할 수 있다. 반대로, 제1 가스리시버(10)와 연결된 제1 배기관(30)에 A mmH2O의 차압이 걸리고, 제2 가스리시버(20)와 연결된 연통(F)에 A보다 큰 B mmH2O의 차압이 걸리는 경우, 압력조절밸브(60)는 제1 가스리시버(10)와 제2 가스리시버(20)의 압력 차가 완화될 때까지 연통(F) 내부의 배기가스를 제1 배기관(30) 측으로 유동시킬 수 있다. 제1 가스리시버(10)와 연결된 제1 배기관(30)과, 제2 가스리시버(20)와 연결된 연통(F) 내부의 압력이 일치됨에 따라, 제1 가스리시버(10)에 수용된 배기가스는 이산화탄소포집장치(90)로 원활하게 공급되고, 제2 가스리시버(20)에 수용된 배기가스는 연통(F)으로 원활하게 배출될 수 있다.
한편, 연통(F) 상에 설치된 이코노마이저(70)는 배기가스의 열로 스팀을 생성하며, 이코노마이저(70)에서 생성된 스팀은 스팀공급관(80)을 통해 이산화탄소포집장치(90)의 리보일러로 공급될 수 있다.
1: 연소기관의 배기장치
10: 제1 가스리시버 20: 제2 가스리시버
30: 제1 배기관 31: 개폐밸브
40: 제2 배기관 50: 연결배기관
60: 압력조절밸브 70: 이코노마이저
80: 스팀공급관 90: 이산화탄소포집장치
EG: 연소실린더 F: 연통

Claims (3)

  1. 복수 개의 연소실린더 중 일부로부터 배출되는 배기가스를 수용하는 제1 가스리시버;
    복수 개의 상기 연소실린더 중 나머지로부터 배출되는 배기가스를 수용하는 적어도 하나의 제2 가스리시버;
    상기 제1 가스리시버와 이산화탄소포집장치 사이를 연결하여 상기 제1 가스리시버에 수용된 배기가스를 상기 이산화탄소포집장치로 공급하는 제1 배기관;
    상기 제2 가스리시버와 연통 사이를 연결하여 상기 제2 가스리시버에 수용된 배기가스를 상기 연통으로 배출시키는 적어도 하나의 제2 배기관;
    상기 제2 배기관과 상기 연통 중 적어도 하나와 상기 제1 배기관 사이를 연결하는 연결배기관, 및
    상기 연결배기관 상에 설치되어 상기 제1 배기관과 상기 연통 사이의 압력을 조절하는 압력조절밸브를 포함하는 연소기관의 배기장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 배기관 상에 설치되어 상기 이산화탄소포집장치로 공급되는 배기가스의 유동을 제어하는 개폐밸브를 더 포함하는 연소기관의 배기장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 연통에 설치되어 배기가스의 열로 스팀을 생성하는 이코노마이저와,
    상기 이코노마이저에서 생성된 상기 스팀을 상기 이산화탄소포집장치로 공급하는 스팀공급관을 더 포함하는 연소기관의 배기장치.
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