KR20220066458A - 이종연료엔진 배기가스 처리장치 - Google Patents

이종연료엔진 배기가스 처리장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이종연료엔진의 가스모드 운전시 바이패스 배관을 통해 SCR챔버와 바이패스 배관 사이의 격벽을 향해 공기를 분사함으로써 SCR챔버가 일정 온도 이상으로 가열되는 것을 방지할 수 있는 이종연료엔진 배기가스 처리장치에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 이종연료엔진 배기가스 처리장치는 격벽을 사이에 두고 결합된 SCR챔버와 바이패스 배관을 포함하여 구성되는 SCR장치; 및 상기 바이패스 배관 내부의 격벽을 향해 공기를 분사하는 공기분사장치;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하며, 상기 공기분사장치는 단수 또는 복수의 노즐공을 구비하는 공기분사노즐을 포함하여 구성되며, 상기 공기분사노즐은 격벽에 근접한 형태 수평 방향으로 배치되며, 단수 또는 복수의 노즐공을 통해 분사되는 공기는 격벽을 가리는 에어커튼을 형성한다.

Description

이종연료엔진 배기가스 처리장치{Apparatus for purifying exhaust gas of dual fuel engine}
본 발명은 이종연료엔진 배기가스 처리장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이종연료엔진의 가스모드 운전시 바이패스 배관을 통해 SCR챔버와 바이패스 배관 사이의 격벽을 향해 공기를 분사함으로써 SCR챔버가 일정 온도 이상으로 가열되는 것을 방지할 수 있는 이종연료엔진 배기가스 처리장치에 관한 것이다.
일반적으로 선박 등에 탑재되는 대형 엔진으로는 디젤엔진(Diesel Engine), 가스엔진(Gas Engine), 이종연료 엔진(Dual Fuel Engine) 등 다양한 엔진이 개발되어 있다. 이 중에서 이종연료 엔진(Dual Fuel Engine)은, 2가지 연료, 예컨대, 가스(LNG 등)와 디젤을 병행하여 사용할 수 있는 장점으로 인해 선박에 많이 사용된다.
이종연료 엔진은, 가스를 주연료로 이용하여 추진구동력을 발생시키는 가스모드와, 디젤을 주연료로 이용하여 추진구동력을 발생시키는 디젤모드 중 하나를 이용하여 운전한다.
이러한 이종연료 엔진이 디젤모드로 운전하는 경우에는 고온에서 공기와 연료의 연소가 일어나게 되므로 유해물질인 질소산화물(NOx)이 다량으로 배출되는데, 환경규제로 인해 유해물질을 제거할 필요가 있다. 이를 위해, 엔진 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물을 제거하기 위해 SCR장치가 구비된다.
LNG 등의 가스를 주원료로 이용하는 가스모드인 경우에는, 엔진 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물의 양이 작고 환경규제를 만족하기 때문에 엔진 배기가스는 SCR장치로 공급되지 않고 바이패스 배관을 통해 배출된다.
즉, 이종연료 엔진에서 디젤모드인 경우에는 엔진 배기가스가 SCR장치로 공급되어 엔진 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물이 제거되며, 가스모드인 경우에는 엔진 배기가스가 SCR장치를 우회하여 바이패스 배관을 통해 배출된다.
한편, 최근의 SCR장치(20)는 SCR챔버(21)와 바이패스 배관(22)이 일체형을 이루는 구조가 널리 이용되고 있다. 일체형 구조의 SCR장치는 여러 형태로 제시된 바 있는데 통상, 격벽(23)을 사이에 두고 SCR챔버(21)와 바이패스 배관(22)이 일체형을 이루는 구조가 일반적이다(도 1 참조).
이러한 일체형 SCR장치를 이종연료 엔진에 적용함에 있어서, 가스모드 운전시 고온의 배기가스에 의해 SCR챔버가 가열되어 SCR촉매에 의한 질소산화물 환원효율이 저하되는 문제점이 발생된다.
가스모드시 배기가스의 온도는 운전 특성이 다르므로 디젤모드 배기가스의 온도보다 약 100℃ 이상 높다.
가스모드 운전시 고온의 배기가스에 의해 SCR챔버가 가열되어 SCR촉매의 질소산화물 환원효율이 저하되면 품질문제가 발생하므로 고온용 SCR챔버 또는 고온에서도 질소산화물 환원효율이 우수한 고가의 고온용 SCR촉매를 사용해야 함에 따라 운전비용이 상승된다.
한국공개특허공보 제2019-0008791호(2019. 1. 25. 공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 이종연료엔진의 가스모드 운전시 바이패스 배관을 통해 SCR챔버와 바이패스 배관 사이의 격벽을 향해 공기를 분사함으로써 SCR챔버가 일정 온도 이상으로 가열되는 것을 방지할 수 있는 이종연료엔진 배기가스 처리장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 이종연료엔진 배기가스 처리장치는 격벽을 사이에 두고 결합된 SCR챔버와 바이패스 배관을 포함하여 구성되는 SCR장치; 및 상기 바이패스 배관 내부의 격벽을 향해 공기를 분사하는 공기분사장치;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 공기분사장치는 단수 또는 복수의 노즐공을 구비하는 공기분사노즐을 포함하여 구성되며, 상기 공기분사노즐은 격벽에 근접한 형태 수평 방향으로 배치되며, 단수 또는 복수의 노즐공을 통해 분사되는 공기는 격벽을 가리는 에어커튼을 형성한다.
이종연료엔진은 디젤모드와 가스모드로 운전되며, 디젤모드 운전시, 이종연료엔진의 배기가스는 SCR챔버로 공급되며, 가스모드 운전시, 이종연료엔진의 배기가스는 바이패스 배관에 공급되며, 공기분사노즐의 단수 또는 복수의 노즐공을 통해 공기가 분사되어 격벽을 가리는 에어커튼이 형성된다.
상기 공기분사장치는 공기공급장치, 공기공급배관 및 공기분사노즐을 포함하여 구성되며, 공기공급장치의 공기가 공기공급배관을 거쳐 공기분사노즐로 공급되며, 공기공급장치의 공기공급원은 선박 내에 구비된 공기관(yard air) 이거나 외부의 공기이다.
본 발명에 따른 이종연료엔진 배기가스 처리장치는 다음과 같은 효과가 있다.
이종연료엔진의 가스모드 운전시 바이패스 배관 내부에 격벽을 가리는 에어커튼이 형성됨에 따라, 바이패스 배관을 통과하는 고온의 배기가스에 의해 격벽이 가열되는 것을 최소화할 수 있어 SCR챔버 내부의 온도를 일정 수준으로 제어할 수 있게 된다. 이를 통해 고온용 SCR챔버 또는 고온에서도 동작되는 고가의 SCR촉매를 사용하지 않아도 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 이종연료엔진 배기가스 처리장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이종연료엔진 배기가스 처리장치의 구성도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공기분사노즐의 구성도.
도 4a 및 도 4b는 각각 디젤모드 운전시와 가스모드 운전시의 배기가스 처리방법을 설명하기 위한 참고도.
본 발명은 이종연료엔진의 배기가스를 처리하기 위해 SCR챔버와 바이패스 배관이 일체형을 이루는 일체형 SCR장치를 적용함과 함께 바이패스 배관 내부에 공기분사노즐을 구비시키고 공기분사노즐에 의해 SCR챔버와 바이패스 배관 사이의 격벽에 에어커튼(air curtain)이 형성되도록 함으로써 바이패스 배관을 통과하는 배기가스의 열에 의해 SCR챔버가 일정 온도 이상 가열되는 것을 효과적으로 방지할 수 있는 기술을 제시한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 이종연료엔진 배기가스 처리장치를 상세히 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이종연료엔진 배기가스 처리장치는 일체형 SCR장치(20) 및 공기분사장치를 포함하여 이루어진다.
상기 일체형 SCR장치(20)는 이종연료엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물 정확히는, 디젤모드시 이종연료엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물을 질소(N2)로 환원시키는 역할을 하며, SCR챔버(21)와 바이패스 배관(22)을 구비한다.
SCR챔버(21) 내에는 질소산화물의 환원반응을 촉진시키는 SCR촉매가 구비되며, SCR챔버(21) 내로 배기가스가 유입되면 배기가스의 질소산화물은 환원제 및 SCR촉매와의 반응에 의해 질소로 환원된다.
바이패스 배관(22)은 SCR챔버(21)에 결합된 형태로 구비되어 이종연료엔진(10) 배기가스를 SCR챔버(21)를 우회하여 배출시키는 경로이다. SCR장치(20)는 선박이 환경규제지역에 위치하는 경우 등에 한하여 선택적으로 작동되는 것이 일반적이며, SCR장치(20)의 가동이 요구되지 않는 경우 배기가스는 SCR챔버(21)로 공급되지 않고 바이패스 배관(22)을 통해 곧바로 배출된다.
전술한 바와 같이 SCR챔버(21)와 바이패스 배관(22)은 일체형을 이룬다. 구체적으로, 격벽(23)을 사이에 두고 SCR챔버(21)와 바이패스 배관(22)이 결합된 형태를 이룬다. 달리 표현하여 격벽(23)을 기준으로 SCR챔버(21) 내부공간과 바이패스 배관(22) 내부공간이 구분된다고 할 수 있다. 이와 같이, 통상의 일체형 SCR장치(20)가 격벽(23)을 사이에 두고 SCR챔버(21)와 바이패스 배관(22)이 결합되는 형태임으로 인해 바이패스 배관(22)을 통과하는 고온의 배기가스에 의해 격벽(23)이 쉽게 가열되고, 그에 따라 SCR챔버(21) 내부공간의 온도가 상승되는 문제가 발생된다.
상기 공기분사장치는 바이패스 배관(22)을 통과하는 고온의 배기가스에 의해 격벽(23)이 가열되는 것을 최소화하여 SCR챔버(21) 내부공간이 일정 온도 이상으로 상승되는 것을 억제하는 역할을 한다.
상기 공기분사장치는 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 공기공급장치(110), 공기공급배관(120) 및 공기분사노즐(130)을 포함하여 구성된다. 공기공급장치(110)의 공기가 공기공급배관(120)을 거쳐 공기분사노즐(130)로 공급되며, 공기분사노즐(130)은 격벽(23) 하부에서 격벽(23) 상부를 향해 공기를 분사한다.
공기공급장치(110)의 공기공급원은 선박 내에 구비된 공기관(yard air) 이거나 외부의 공기일 수 있다. 공기분사노즐(130)은 바이패스 배관(22) 내부에 장착되며, 격벽(23)에 근접한 형태로 수평 방향으로 배치된다. 또한, 공기분사노즐(130)은 일정 간격을 두고 배치되는 단수 또는 복수의 노즐공(131)을 구비하며, 노즐공(131)이 상부로 향하도록 배치된다.
이와 같은 상태에서, 공기공급장치(110)의 공기가 공기공급배관(120)을 거쳐 공기분사노즐(130)로 공급되면 공기분사노즐(130)에 구비된 단수 또는 복수의 노즐공(131)을 통해 공기가 상부를 향해 분사된다. 공기분사노즐(130)이 격벽(23) 하부에 격벽(23)에 근접한 형태로 수평 방향으로 배치되어 있음에 따라, 단수 또는 복수의 노즐공(131)을 통해 분사되는 공기는 격벽(23)을 가리는 일종의 에어커튼(air curtain)을 이루게 된다.
격벽(23)에 에어커튼이 형성됨에 따라, 바이패스 배관(22)을 통과하는 배기가스의 열이 에어커튼에 의해 차단되어 배기가스에 의한 격벽(23)의 온도 상승을 억제시킬 수 있게 된다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 이종연료엔진(10) 배기가스 처리장치에 대해 설명하였다. 다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이종연료엔진(10) 배기가스 처리방법에 대해 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이종연료엔진(10) 배기가스 처리방법은 상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 이종연료엔진(10) 배기가스 처리장치 하에서 진행된다.
구체적으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 이종연료엔진(10) 배기가스 처리방법은 이종연료엔진(10)의 디젤모드 운전시와 가스모드 운전시로 구분된다. 먼저, 디젤모드 운전시, 이종연료엔진(10)의 배기가스는 SCR챔버(21)로 공급되며, SCR챔버(21) 내에서 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물은 질소(N2)로 환원된다. 디젤모드 운전시 바이패스 배관(22)은 차단된 상태를 이룬다.
가스모드 운전시, 이종연료엔진(10)의 배기가스는 SCR챔버(21)를 우회하여 바이패스 배관(22)으로 공급된다. 이 때, 바이패스 배관(22) 내부에 격벽(23)에 근접한 형태로 평행하게 배치된 공기분사노즐(130)을 통해 수직 방향으로 공기가 분사되며, 공기분사노즐(130)을 통해 분사된 공기는 격벽(23)을 가리는 에어커튼을 이룬다.
가스모드 운전시 공기분사노즐(130)에 의해 격벽(23)을 가리는 에어커튼이 형성됨에 따라, 바이패스 배관(22)을 통과하는 배기가스의 열이 에어커튼에 의해 차단되고 그에 따라 바이패스 배관(22)을 통과하는 고온의 배기가스에 의해 격벽(23)이 가열되는 것을 최소화할 수 있다. 격벽(23)의 가열이 최소화됨에 따라 SCR챔버(21) 내부공간이 일정 온도 이상으로 상승되는 것을 억제시킬 수 있게 된다.
상기 공기분사노즐(130)에 공급되는 공기는 선박 내에 구비된 공기관(yard air)을 이용하거나 외부의 공기를 이용할 수 있다.
10 : 이종연료엔진 20 : SCR장치
21 : SCR챔버 22 : 바이패스 배관
23 : 격벽 110 : 공기공급장치
120 : 공기공급배관 130 : 공기분사노즐
131 : 노즐공

Claims (4)

  1. 격벽을 사이에 두고 결합된 SCR챔버와 바이패스 배관을 포함하여 구성되는 SCR장치; 및
    상기 바이패스 배관 내부의 격벽을 향해 공기를 분사하는 공기분사장치;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이종연료엔진의 배기가스 처리장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공기분사장치는 단수 또는 복수의 노즐공을 구비하는 공기분사노즐을 포함하여 구성되며,
    상기 공기분사노즐은 격벽에 근접한 형태 수평 방향으로 배치되며, 단수 또는 복수의 노즐공을 통해 분사되는 공기는 격벽을 가리는 에어커튼을 형성하는 것을 특징으로 하는 이종연료엔진의 배기가스 처리장치.
  3. 제 2 항 에 있어서, 이종연료엔진은 디젤모드와 가스모드로 운전되며,
    디젤모드 운전시, 이종연료엔진의 배기가스는 SCR챔버로 공급되며,
    가스모드 운전시, 이종연료엔진의 배기가스는 바이패스 배관에 공급되며, 공기분사노즐의 단수 또는 복수의 노즐공을 통해 공기가 분사되어 격벽을 가리는 에어커튼이 형성되는 것을 특징으로 하는 이종연료엔진의 배기가스 처리장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 공기분사장치는 공기공급장치, 공기공급배관 및 공기분사노즐을 포함하여 구성되며,
    공기공급장치의 공기가 공기공급배관을 거쳐 공기분사노즐로 공급되며,
    공기공급장치의 공기공급원은 선박 내에 구비된 공기관(yard air) 이거나 외부의 공기인 것을 특징으로 하는 이종연료엔진의 배기가스 처리장치.
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