KR20220160262A - 배기가스 처리장치 - Google Patents

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박희준
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의해 배기가스 처리장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 처리장치는, 연소기관에서 발생된 배기가스를 배출하는 배기관과, 배기관 상에 설치되어 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 선택적촉매환원반응기와, 선택적촉매환원반응기로 공급될 요소수를 저장하는 요소수탱크와, 요소수탱크와 선택적촉매환원반응기를 연결하는 요소수공급관과, 고체요소를 저장하는 요소탱크와, 조수기에서 생성되어 청수저장탱크에 저장된 청수를 공급하는 청수공급관과, 청수공급관 상에 설치되며 청수를 배기가스와 열교환하여 가열하는 히터부와, 고체요소와 청수를 혼합하여 농도조절용 요소수를 생성하는 요소수생성탱크, 및 요소수생성탱크에서 생성된 농도조절용 요소수를 요소수공급관에 주입하는 주입관을 포함하여, 요소수를 기준 농도로 조절하는 농도조절부, 및 배기관에서 분기되어 히터부를 경유하는 분기관을 포함할 수 있다.

Description

배기가스 처리장치{Exhaust gas treatment apparatus}
본 발명은 배기가스 처리장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선박이 해수 온도가 낮은 지역을 운항하더라도 용이하게 요소수를 생성하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 효과적으로 저감시킬 수 있는 배기가스 처리장치에 관한 것이다.
일반적으로, 선박에 설치되는 각종 엔진은 화석 연료를 연소하여 동력을 생성하며, 화석 연료의 연소 과정에서 발생되는 배기가스는 질소산화물, 황산화물, 이산화탄소 등을 포함하고 있다. 대기오염이 증가함에 따라 배기가스에 포함된 각종 유해물질에 대한 규제가 엄격해지고 있는 실정이며, 이에 따라, 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 선택적촉매환원반응기(SCR; Selective Catalytic Reduction)의 설치가 필수적이다.
선택적촉매환원반응기는 환원제와 섞인 배기가스를 반응기 내부에 설치된 촉매층에 통과시켜 질소산화물을 질소와 물로 환원시키는데, 환원제로써 기상의 암모니아가 사용된다. 기상의 암모니아는 폭발 위험성과 부식성이 높아 저장과 사용이 어려운 문제가 있으며, 이로 인해, 종래에는 암모니아를 생성할 수 있는 요소수를 탱크에 보관하고, 필요 시 선택적촉매환원반응기에서 요소수를 열분해하여 기상의 암모니아로 변환시켜 사용하였다. 그러나, 요소수는 저장 시 0~35℃의 온도 조건을 유지해야 하고, 온도 조건을 유지하더라도 장시간 경과 시 성층화로 인해 균일도가 변하여 성능이 저하되므로, 온도 유지 및 주기적인 벙커링(bunkering)으로 인해 많은 비용이 소요되는 문제가 있었다. 따라서, 필요 시 요소와 청수를 혼합하여 요소수를 제조하는 시스템이 도입되었으나, 선박이 해수 온도가 낮은 지역을 운항하는 경우 저장된 청수의 낮은 온도로 인해 요소의 용해도가 저하되어 청수를 별도로 가열해야 하고, 이에 따른 제조 비용 및 시간이 증대되는 문제가 있다.
이에, 선박이 해수 온도가 낮은 지역을 운항하더라도 용이하게 요소수를 생성하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 효과적으로 저감시킬 수 있는 장치가 필요하게 되었다.
대한민국 공개특허 제10-2020-0084286호 (2020.07.10.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 선박이 해수 온도가 낮은 지역을 운항하더라도 용이하게 요소수를 생성하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 효과적으로 저감시킬 수 있는 배기가스 처리장치를 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 배기가스 처리장치는, 연소기관에서 발생된 배기가스를 배출하는 배기관과, 상기 배기관 상에 설치되어 상기 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 선택적촉매환원반응기와, 상기 선택적촉매환원반응기로 공급될 요소수를 저장하는 요소수탱크와, 상기 요소수탱크와 상기 선택적촉매환원반응기를 연결하는 요소수공급관과, 고체요소를 저장하는 요소탱크와, 조수기에서 생성되어 청수저장탱크에 저장된 청수를 공급하는 청수공급관과, 상기 청수공급관 상에 설치되며 상기 청수를 상기 배기가스와 열교환하여 가열하는 히터부와, 상기 고체요소와 상기 청수를 혼합하여 농도조절용 요소수를 생성하는 요소수생성탱크, 및 상기 요소수생성탱크에서 생성된 상기 농도조절용 요소수를 상기 요소수공급관에 주입하는 주입관을 포함하여, 상기 요소수를 기준 농도로 조절하는 농도조절부, 및 상기 배기관에서 분기되어 상기 히터부를 경유하는 분기관을 포함한다.
상기 배기가스 처리장치는, 상기 요소수공급관에 설치되어 상기 요소수의 농도를 측정하는 농도센서와, 상기 농도센서로부터 센싱신호를 전달받아 상기 농도조절부를 제어하는 제어부를 더 포함하되, 상기 주입관은 상기 농도센서 후단의 상기 요소수공급관에 연결될 수 있다.
상기 배기가스 처리장치는, 해수유입부에 연결되어 해수를 상기 조수기로 공급하는 해수공급관과, 상기 해수공급관으로부터 분기된 상기 해수가 유동하며 상기 요소수탱크와 상기 요소수생성탱크를 경유하는 열교환라인을 더 포함할 수 있다.
상기 배기가스 처리장치는, 상기 해수공급관으로부터 분기되어 상기 요소수탱크에 인접한 상기 열교환라인에 연결되는 제1 해수유입관과, 상기 해수공급관으로부터 분기되어 상기 요소수생성탱크에 인접한 상기 열교환라인에 연결되며, 상기 제1 해수유입관과 선택적으로 개방되는 제2 해수유입관, 및 상기 열교환라인 내부의 상기 해수를 배출하는 배수관을 더 포함할 수 있다.
상기 배기가스 처리장치는, 상기 해수유입부 또는 상기 해수공급관에 설치되며, 상기 해수의 온도를 측정하여 상기 제어부로 전송하는 제1 온도센서를 더 포함하되, 상기 제어부는, 상기 해수의 온도가 상기 요소수를 냉각 가능한 제1 온도범위인 경우 상기 제1 해수유입관을 개방하고, 상기 해수의 온도가 상기 제1 온도범위를 벗어난 경우 상기 제2 해수유입관을 개방할 수 있다.
상기 배기가스 처리장치는, 상기 청수저장탱크 또는 상기 히터부 전단의 상기 청수공급관에 설치되며, 상기 청수의 온도를 측정하여 상기 제어부로 전송하는 제2 온도센서를 더 포함하되, 상기 제어부는, 상기 청수의 온도가 기준 온도 미만인 경우, 상기 분기관을 개방하여 상기 청수를 가열할 수 있다.
본 발명에 따르면, 선박이 해수 온도가 낮은 지역을 운항하여 저장된 청수의 온도가 낮더라도 히터부가 청수를 적정 온도로 가열하므로, 농도조절용 요소수가 용이하게 생성될 수 있다. 특히, 히터부가 청수를 배기가스와 열교환하여 가열하므로, 청수의 가열에 소모되는 에너지를 줄일 수 있어 장치를 경제적으로 운용할 수 있다.
또한, 선택적촉매환원반응기에 요소수 공급 시 농도조절용 요소수가 주입되어 요소수의 농도가 기준 농도로 조절되므로, 요소수의 성능이 유지될 수 있어 배기가스에 포함된 질소산화물을 효과적으로 제거할 수 있음은 물론 벙커링도 최소화할 수 있어 이에 따른 비용도 절감할 수 있다.
또한, 요소수탱크와 요소수생성탱크를 열교환하여 요소수의 냉각에 필요한 열과 요소수의 생성에 필요한 열을 각각 공급받으므로, 요소수탱크와 요소수생성탱크의 온도 유지를 위해 소요되던 비용을 절감할 수 있어 장치를 경제적으로 운용할 수 있다. 특히, 요소수탱크만 순환하는 별도의 독립 냉각 사이클이 형성되므로, 요소수생성탱크가 동작하지 않더라도 요소수를 냉각시킬 수 있어 요소수의 성층화로 인해 균일도가 변하여 성능이 저하되는 것을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 처리장치의 구성을 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 5는 배기가스 처리장치의 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 5를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 처리장치에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 배기가스 처리장치는 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 장치로, 선박에 설치될 수 있다.
배기가스 처리장치는, 선박이 해수 온도가 낮은 지역을 운항하여 저장된 청수의 온도가 낮더라도 히터부가 청수를 적정 온도로 가열하므로, 농도조절용 요소수가 용이하게 생성될 수 있다. 특히, 히터부가 청수를 배기가스와 열교환하여 가열하므로, 청수의 가열에 소모되는 에너지를 줄일 수 있어 장치를 경제적으로 운용할 수 있다. 또한, 선택적촉매환원반응기에 요소수 공급 시 농도조절용 요소수가 주입되어 요소수의 농도가 기준 농도로 조절되므로, 요소수의 성능이 유지될 수 있어 배기가스에 포함된 질소산화물을 효과적으로 제거할 수 있음은 물론 벙커링도 최소화할 수 있어 이에 따른 비용도 절감할 수 있다. 또한, 요소수탱크와 요소수생성탱크를 열교환하여 요소수의 냉각에 필요한 열과 요소수의 생성에 필요한 열을 각각 공급받으므로, 요소수탱크와 요소수생성탱크의 온도 유지를 위해 소요되던 비용을 절감할 수 있어 장치를 경제적으로 운용할 수 있다. 특히, 요소수탱크만 순환하는 별도의 독립 냉각 사이클이 형성되므로, 요소수생성탱크가 동작하지 않더라도 요소수를 냉각시킬 수 있어 요소수의 성층화로 인해 균일도가 변하여 성능이 저하되는 것을 최소화할 수 있는 특징이 있다.
이하, 도 1을 참조하여, 배기가스 처리장치(1)에 관하여 구체적으로 설명한다.
배기가스 처리장치(1)는 배기관(10)과, 선택적촉매환원반응기(20)와, 요소수탱크(30)와, 요소수공급관(40)과, 농도조절부(50), 및 분기관(60)을 포함한다.
배기관(10)은 연소기관(EG)에서 발생된 배기가스를 배출하는 관으로, 일단이 연소기관(EG)에 연결되고 타단이 대기 중으로 연장된다. 연소기관(EG)은 연료를 연소하여 동력을 생성하는 장치를 통칭하며, 예를 들어, 액상암모니아를 연소하여 동력을 생성하는 암모니아 엔진일 수 있다. 배기관(10) 상에는 선택적촉매환원반응기(20)가 설치된다.
선택적촉매환원반응기(20)는 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 것으로, 배기가스에 요소수를 분사하고 반응기 내부에 설치된 촉매층을 통과시켜 질소산화물을 질소와 물로 환원시킨다. 보다 구체적으로, 선택적촉매환원반응기(20)는 배기가스에 후술할 요소수탱크(30)로부터 공급받은 요소수를 분사하며, 이로 인해, 요소수가 배기가스의 열에 의해 열분해되어 암모니아로 전환될 수 있다. 전환된 암모니아는 배기가스와 함께 반응기 내부에 설치된 촉매층을 통과하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 질소와 물로 환원시키고, 질소산화물이 제거된 배기가스는 배기관(10)을 통해 대기 중으로 방출될 수 있다. 필요에 따라, 선택적촉매환원반응기(20) 후단의 배기관(10) 상에 정화장치(도시되지 않음)가 설치될 수도 있으며, 정화장치가 설치된 경우, 배기가스는 정화과정을 추가로 거친 후 대기 중으로 방출될 수 있다.
요소수탱크(30)는 선택적촉매환원반응기(20)로 공급될 요소수를 저장하는 탱크로, 요소수의 열이 외부로 방출되어 어는점 이하의 저온에서 요소수가 동결되는 것을 방지하기 위해 열전도율이 낮은 합성수지 등으로 제작될 수 있다. 요소수탱크(30)는 단열 효과의 증대를 위해 단열재가 추가로 설치될 수 있으며, 단열재로는 예를 들어, 폴리우레탄, 폴리스틸렌, 중공 형태의 실리카겔 등이 사용될 수 있다. 요소수탱크(30)에 저장된 요소수는 요소수공급관(40)을 통해 선택적촉매환원반응기(20)로 공급된다.
요소수공급관(40)은 요소수탱크(30)와 선택적촉매환원반응기(20)를 연결하는 관으로, 일단이 요소수탱크(30)의 하부에 연결되고 타단이 선택적촉매환원반응기(20)에 연결된다. 도면 상에는 요소수공급관(40)의 일단이 요소수탱크(30) 내부에 설치된 펌프(도면부호 미도시)에 연결된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 예를 들어, 요소수탱크(30) 외부로 노출된 요소수공급관(40) 상에 펌프가 설치될 수도 있다. 요소수공급관(40) 상에는 요소수의 농도를 측정하는 농도센서(41)가 설치된다.
농도센서(41)는 요소수탱크(30)로부터 선택적촉매환원반응기(20)로 공급되는 요소수의 농도를 측정하며, 후술할 제어부(70)와 연계되어 측정값을 제어부(70)에 전송할 수 있다. 농도센서(41) 후단의 요소수공급관(40)에는 농도조절부(50)가 연결된다.
농도조절부(50)는 요소수공급관(40)에 농도조절용 요소수를 주입하여 요소수의 농도를 기준 농도로 조절하는 것으로, 제어부(70)에 의해 동작이 제어될 수 있다. 농도조절부(50)는 요소탱크(51)와, 청수공급관(52)과, 히터부(53)와, 요소수생성탱크(54), 및 주입관(55)을 포함한다.
요소탱크(51)는 화학식이 CH4N2O이고 무색무취의 결정성 물질인 고체요소를 저장하는 탱크로, 고체요소는 분말 또는 알갱이 또는 펠렛(pellet) 형태일 수 있다. 예를 들어, 고체요소는 일정한 크기의 분말 또는 알갱이 또는 펠렛 형태일 수도 있고, 서로 다른 크기의 분말 또는 알갱이 또는 펠렛 형태일 수도 있으며, 서로 다른 크기의 분말, 알갱이, 펠렛이 혼합된 형태일 수도 있다. 요소탱크(51)에 저장된 고체요소는 필요 시 후술할 요소수생성탱크(54)로 공급되며, 고체요소의 공급은 제어부(70)에 의해 제어된다. 도면 상에는 요소탱크(51)가 요소수생성탱크(54)의 상단에 연결된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 요소탱크(51)와 요소수생성탱크(54)의 형상 및 배치는 다양하게 변형될 수 있다.
청수공급관(52)은 조수기(100)에서 생성되어 청수저장탱크(110)에 저장된 청수를 공급하는 관으로, 일단이 청수저장탱크(110)에 연결되고 타단이 요소수생성탱크(54)에 연결된다. 조수기(100)는 해수로부터 청수를 생산하는 장치로, 통상, 해수를 가열하여 증발시키는 증발기, 증발기로부터 발생한 증기를 응축하여 청수를 제조하는 응축기로 구성된다. 조수기(100)는 이미 공지된 기술이므로, 자세한 설명은 생략하도록 한다. 조수기(100)는 해수공급관(80)으로부터 청수 생성에 필요한 해수를 공급받으며, 해수공급관(80)은 일단이 해수유입부(SC)에 연결되고 타단이 조수기(100)에 연결되어 해수를 조수기(100)로 공급할 수 있다. 여기서, 해수유입부(SC)라 함은, 선박의 흘수선 아래에 위치하여 해수가 출입되는 씨체스트(sea chest)일 수 있다. 조수기(100)에서 생성된 청수는 청수저장탱크(110)에 저장되어 필요 시 청수공급관(52)을 통해 요소수생성탱크(54)로 공급되며, 청수공급관(52)은 제어부(70)에 의해 개폐가 제어될 수 있다. 청수공급관(52) 상에는 적어도 하나의 히터부(53)가 설치된다.
히터부(53)는 청수를 배기가스와 열교환하여 일정 온도 이상으로 가열하는 것으로, 청수공급관(52)을 유동하는 청수와, 배기관(10)에서 분기된 분기관(60)을 유동하는 배기가스를 열교환할 수 있다. 히터부(53)가 청수를 배기가스와 열교환하여 일정 온도 이상으로 가열함으로써, 선박이 해수 온도가 낮은 지역을 운항하여 청수저장탱크(110)에 저장된 청수의 온도가 낮더라도 요소가 용이하게 용해될 수 있어 농도조절용 요소수가 원활하게 생성될 수 있고, 청수의 가열에 소모되는 에너지도 줄일 수 있어 장치를 경제적으로 운용할 수 있다. 분기관(60)은 배기관(10)에서 분기되어 히터부(53)를 경유하며, 히터부(53)를 통과한 후 다시 배기관(10)에 합류될 수 있다. 분기관(60)이 배기관(10)으로부터 분기되는 지점에는 제어부(70)에 의해 개폐가 조절되는 조절밸브(60a)가 설치되어, 배기관(10) 측 배기가스와 유동과 분기관(60) 측 배기가스의 유동이 동시에 제어될 수 있다. 청수저장탱크(110) 또는 히터부(53) 전단의 청수공급관(52) 상에는 제2 온도센서(111)가 설치되며, 제2 온도센서(111)는 청수저장탱크(1110)에 저장된 청수 또는 청수공급관(52)을 유동하는 청수의 온도를 측정하여 제어부(70)로 전송할 수 있다. 제어부(70)는 청수의 온도가 기준 온도 미만인 경우 분기관(60)이 개방되도록 조절밸브를 제어하여 청수를 가열할 수 있다. 도면 상에는 단일 개의 히터부(53)가 청수저장탱크(110)와 별도로 형성된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 필요에 따라, 히터부(53)는 복수 개로 형성될 수도 있고 청수저장탱크(110)와 일체로 형성될 수도 있다.
요소수생성탱크(54)는 요소탱크(51)로부터 공급받은 고체요소와, 청수공급관(52)으로부터 공급받은 청수를 혼합하여 농도조절용 요소수를 생성한다. 요소수생성탱크(54)는 고체요소가 용해되어 생성된 농도조절용 요소수의 열이 외부로 방출되어 어는점 이하의 저온에서 농도조절용 요소수가 동결되는 것을 방지하기 위해 열전도율이 낮은 합성수지 등으로 제작될 수 있으며, 단열 효과의 증대를 위해 단열재가 추가로 설치될 수 있다. 요소탱크(51)와 청수공급관(52)으로부터 각각 고체요소와 청수가 공급되면, 교반기(도면부호 미도시)가 구동된다. 교반기는 요소수생성탱크(54) 내부에 회전 가능하게 설치되어 고체요소와 물을 혼합하는 것으로, 교반날개와, 회전축, 및 구동모터를 포함할 수 있다. 도면 상에는 구동모터가 요소수생성탱크(54) 외측에 설치된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 필요에 따라 구동모터는 요소수생성탱크(54) 내부에 설치될 수도 있다.
요소수생성탱크(54)에서 생성된 농도조절용 요소수는 주입관(55)을 통해 요소수공급관(40)에 주입된다. 주입관(55)은 농도센서(41) 후단의 요소수공급관(40)에 연결되며, 주입관(55)이 요소수공급관(40)에 연결되는 지점 또는 주입관(55) 상에는 제어부(70)에 의해 개폐가 조절되는 조절밸브(55a)가 설치되어 농도조절용 요소수의 주입이 제어될 수 있다.
전술한 바와 같이, 제어부(70)는 농도센서(41)로부터 센싱정보를 전달받아 농도조절부(50)를 제어한다. 예를 들어, 농도센서(41)에서 측정된 요소수의 농도가 기준 농도 미만일 경우, 제어부(70)는 요소수생성탱크(54)로 공급되는 고체요소의 양을 증가시켜 농도조절용 요소수의 농도를 증가시킬 수 있다. 생성된 고농도의 농도조절용 요소수가 주입관(55)을 통해 요소수공급관(40)에 주입됨에 따라, 요소수의 농도가 기준 농도로 조절되어 선택적촉매환원반응기(20)로 공급될 수 있으며, 이로 인해, 배기가스에 포함된 질소산화물을 효과적으로 제거할 수 있음은 물론 벙커링을 최소화할 수 있어 이에 따른 비용을 절감할 수 있다. 반대로, 농도센서(41)에서 측정된 요소수의 농도가 기준 농도를 초과할 경우, 제어부(70)는 요소수생성탱크(54)로 공급되는 청수의 양을 증가시켜 농도조절용 요소수의 농도를 감소시킬 수 있다. 생성된 저농도의 농도조절용 요소수가 요소수공급관(40)에 주입됨에 따라, 요소수의 농도가 기준 농도로 조절되어 선택적촉매환원반응기(20)로 공급될 수 있다.
한편, 요소수탱크(30)는 요소수의 냉각을 위해 냉열이 요구되고, 요소수생성탱크(54)는 농도조절용 요소수의 생성, 보다 구체적으로, 고체요소의 용해를 위해 흡열이 요구된다. 이를 위해, 열교환라인(90)이 설치될 수 있다. 열교환라인(90)은 해수공급관(80)으로부터 분기된 해수가 유동하며, 요소수탱크(30)와 요소수생성탱크(54)를 경유할 수 있다. 즉, 요소수탱크(30)에서 요소수와 열교환하여 가열된 해수는 열교환라인(90)을 따라 요소수생성탱크(54)로 이동하여 농도조절용 요소수 또는 고체요소 또는 청수에 열을 전달하며, 농도조절용 요소수 또는 고체요소 또는 청수에 열을 전달하여 냉각된 해수는 열교환라인(90)을 따라 다시 요소수탱크(30)로 순환한다. 열교환라인(90)을 통해 요소수탱크(30)와 요소수생성탱크(54)가 열교환함으로써, 요소수탱크(30)와 요소수생성탱크(54)의 온도 유지를 위해 소요되던 비용을 절감할 수 있어 장치를 경제적으로 운용할 수 있다. 이러한 열교환라인(90)에는 제1 해수유입관(81)과, 제2 해수유입관(72)과, 배수관(91), 및 순환관(92)이 연결된다.
제1 해수유입관(81)은 해수공급관(80)으로부터 분기되어 요소수탱크(30)에 인접한 열교환라인(90)에 연결되고, 제2 해수유입관(82)은 해수공급관(80)으로부터 분기되어 요소수생성탱크(54)에 인접한 열교환라인(90)에 연결되되 제1 해수유입관(81)과 선택으로 개방되며 해수를 유입할 수 있다.
제1 해수유입관(81)과 제2 해수유입관(82)은 제어부(70)에 의해 개폐가 조절되며, 제어부(70)는 해수유입부(SC) 또는 해수공급관(80)에 설치된 제1 온도센서(83)에서 측정된 해수의 온도에 따라 제1 해수유입관(81) 또는 제2 해수유입관(82)을 개방할 수 있다. 예를 들어, 제1 온도센서(83)에서 측정된 해수의 온도가 요소수를 냉각 가능한 제1 온도범위인 경우, 예를 들어, 0~25℃인 경우, 제어부(70)는 제1 해수유입관(81)을 개방하여 해수가 요소수탱크(30)에 저장된 요소수에 냉열을 전달하도록 할 수 있다. 요소수에 냉열을 전달하여 온도가 26℃ 이상으로 증가한 해수는 요소수생성탱크(54) 측으로 이동할 수 있다. 반대로, 제1 온도센서(83)에서 측정된 해수의 온도가 제1 온도범위를 벗어난 경우, 예를 들어, 26℃ 이상인 경우, 제어부(70)는 제2 해수유입관(82)을 개방하여 해수가 요소수생성탱크(54)에 저장된 농도조절용 요소수 또는 고체요소 또는 청수에 열을 전달하도록 할 수 있다. 농도조절용 요소수 또는 고체요소 또는 청수에 열을 전달하여 온도가 25℃ 이하로 감소한 해수는 요소수탱크(30) 측으로 이동할 수 있다. 제1 해수유입관(81)이 열교환라인(90)에 연결되는 부분과, 제2 해수유입관(82)이 열교환라인(90)에 연결되는 부분에는 각각 제어밸브(81a, 82a)가 설치되어 제1 해수유입관(81) 또는 제2 해수유입관(82) 측 해수의 유동과 열교환라인(90) 측 해수의 유동이 동시에 제어될 수 있다.
배수관(91)은 열교환라인(90) 내부의 해수를 배출하는 것으로, 제어부(70)에 의해 개폐가 조절될 수 있다. 예를 들어, 제어부(70)는 농도조절용 요소수의 생성 및 주입이 완료되어 농도조절부(50)의 동작이 중단된 경우, 배수관(91)을 개방하여 열교환라인(90) 내부의 해수를 배출할 수 있다. 또한, 제어부(70)는 후술할 순환관(92)에 의한 독립 냉각 사이클을 순환하는 해수의 온도가 제1 온도범위, 다시 말해, 0~25℃를 벗어난 경우 배수관(91)을 개방할 수 있다. 이 때, 제어부(70)는 요소수탱크(30)에 설치된 온도센서(31)에서 측정된 요소수의 온도가 기준 온도인 0~35℃를 벗어난 경우 해수의 온도가 제1 온도범위를 벗어난 것으로 판단할 수 있으며, 해수의 온도가 제1 온도범위를 벗어난 것으로 판단되면, 배수관(91)을 개방하여 해수를 배출한 후 제1 해수유입관(81)을 개방하여 해수를 다시 유입시킬 수 있다. 그러나, 제어부(70)가 요소수탱크(30)에 설치된 온도센서(31)에 의해 해수의 온도를 간접적으로 판단하는 것으로 한정될 것은 아니며, 독립 냉각 사이클을 구성하는 열교환라인(90) 또는 순환관(92)에 설치된 온도센서(도시되지 않음)에 의해 해수의 온도를 직접적으로 측정할 수도 있다. 한편, 배수관(91)을 통해 배출된 해수는 필요처에 활용되거나 별도의 처리 과정을 거쳐 해상에 방류될 수 있다. 이러한 배수관(91)은 요소수탱크(30)에 인접한 열교환라인(90)에 연결될 수 있으며, 배수관(91)이 열교환라인(90)에 연결되는 부분에는 제어밸브(91a)가 설치되어 배수관(91) 측 해수의 유동과 열교환라인(90) 측 해수의 유동이 동시에 제어될 수 있다.
순환관(92)은 해수를 요소수탱크(30)에만 순환시키기 위한 것으로, 양단이 각각 열교환라인(90)에 연결되어 제1 해수유입관(81)과 배수관(91)을 포함하는 독립 냉각 사이클을 구성할 수 있다. 요소수탱크(30)만 순환하는 독립 냉각 사이클이 구성됨으로써, 농도조절부(50)가 동작하지 않는 경우에도 요소수탱크(30)에 저장된 요소수를 용이하게 냉각시킬 수 있어 요소수의 성층화로 인해 균일도가 변하여 성능이 저하되는 것을 최소화할 수 있다. 순환관(92)은 제어부(70)에 의해 개폐가 조절되며, 제어부(70)는 농도조절부(50)의 동작이 중단된 경우 순환관(92)을 개방하여 해수를 요소수탱크(30)에만 순환시킬 수 있다. 순환관(92)이 열교환라인(90)에 연결되는 부분에는 각각 제어밸브(92a, 92b)가 설치되어 순환관(92) 측 해수의 유동과 열교환라인(90) 측 해수의 유동이 동시에 제어될 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여, 배기가스 처리장치(1)의 동작에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 2 내지 도 5는 배기가스 처리장치의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
본 발명에 따른 배기가스 처리장치(1)는 선박이 해수 온도가 낮은 지역을 운항하여 저장된 청수의 온도가 낮더라도 히터부(53)가 청수를 적정 온도로 가열하므로, 농도조절용 요소수가 용이하게 생성될 수 있다. 특히, 히터부(53)가 청수를 배기가스와 열교환하여 가열하므로, 청수의 가열에 소모되는 에너지를 줄일 수 있어 장치를 경제적으로 운용할 수 있다. 또한, 선택적촉매환원반응기(20)에 요소수 공급 시 농도조절용 요소수가 주입되어 요소수의 농도가 기준 농도로 조절되므로, 요소수의 성능이 유지될 수 있어 배기가스에 포함된 질소산화물을 효과적으로 제거할 수 있음은 물론 벙커링도 최소화할 수 있어 이에 따른 비용도 절감할 수 있다. 또한, 요소수탱크(30)와 요소수생성탱크(54)를 열교환하여 요소수의 냉각에 필요한 열과 요소수의 생성에 필요한 열을 각각 공급받으므로, 요소수탱크(30)와 요소수생성탱크(54)의 온도 유지를 위해 소요되던 비용을 절감할 수 있어 장치를 경제적으로 운용할 수 있다. 특히, 요소수탱크(30)만 순환하는 별도의 독립 냉각 사이클이 형성되므로, 요소수생성탱크(54)가 동작하지 않더라도 요소수를 냉각시킬 수 있어 요소수의 성층화로 인해 균일도가 변하여 성능이 저하되는 것을 최소화할 수 있다.
도 2 및 도 3은 농도센서에서 측정된 요소수의 농도가 기준 농도인 경우의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
연소기관(EG)에서 연료가 연소하여 발생된 배기가스는 배기관(10)을 통해 배출되며, 배기관(10) 상에 설치된 선택적촉매환원반응기(20)로 공급된다. 이와 동시에 또는 순차적으로, 요소수탱크(30)에 저장된 요소수가 요소수공급관(40)을 통해 선택적촉매환원반응기(20)로 공급된다. 요소수공급관(40) 상에 설치된 농도센서(41)는 요소수공급관(40)을 유동하는 요소수의 농도를 측정하며, 농도센서(41)의 센싱정보는 제어부(70)로 전송된다. 농도센서(41)에서 측정된 요소수의 농도가 기준 농도인 경우, 제어부(70)는 농도조절부(50)의 동작을 제한하며, 이로 인해, 요소수는 별도의 농도 조절 없이 선택적촉매환원반응기(20)로 공급되어 배기가스의 열에 의해 열분해된다. 열분해된 요소수는 암모니아로 전환된 후, 배기가스와 함께 반응기 내부에 설치된 촉매층을 통과하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 질소와 물로 환원시킨다. 질소산화물이 제거된 배기가스는 배기관(10)을 통해 대기 중으로 방출된다.
한편, 조수기(100)는 해수공급관(80)으로부터 공급받은 해수를 가열 및 응축시켜 청수를 생성하고, 생성된 청수는 청수저장탱크(110)에 공급된다. 이 때, 제어부(70)는 제1 온도센서(83)에서 측정된 해수의 온도가 제1 온도 범위, 즉, 0~25℃인 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 해수유입관(81)을 개방하여 해수를 유입시킨다. 동시에 또는 순차적으로, 순환관(92)을 개방하고 배수관(91)은 폐쇄하여 해수가 요소수탱크(30)만 순환하도록 할 수 있다. 요소수탱크(30)에 저장된 요소수는 순환관(92)에 의한 독립 냉각 사이클을 순환하는 해수에 의해 적정 온도로 냉각되어 선택적촉매환원반응기(20)로 공급 시 질소산화물을 효과적으로 환원시킬 수 있다.
또한, 제어부(70)는 요소수탱크(30)에 설치된 온도센서(31)에서 측정하는 요소수의 온도를 실시간으로 전송받아 요소수의 상태를 모니터링하며, 요소수의 온도가 기준 온도인 0~35℃를 벗어난 경우 해수의 온도가 제1 온도 범위를 벗어난 것으로 판단한다. 해수의 온도가 제1 온도 범위를 벗어나면 요소수가 적정 온도로 냉각되지 않으므로, 제어부(70)는 도 3에 도시된 바와 같이, 배수관(91)을 개방하여 순환관(92)에 의한 독립 냉각 사이클을 순환하는 해수를 배출할 수 있다. 독립 냉각 사이클을 순환하는 해수가 전부 또는 일부 배출되면, 제어부(70)는 다시 제1 해수유입관(81)을 개방하여 해수를 유입시킨다.
도 4 및 도 5는 농도센서에서 측정된 요소수의 농도가 기준 농도를 벗어난 경우의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
농도센서(41)에서 측정된 요소수의 농도가 기준 농도를 벗어난 경우, 예를 들어, 기준 농도 미만일 경우, 제어부(70)는 농도조절부(50)를 구동하여 고농도의 농도조절용 요소수를 생성한다. 보다 구체적으로, 제어부(70)는 요소탱크(51)로부터 요소수생성탱크(54)로 공급되는 고체요소의 양을 증가시키고 청수공급관(52)을 통해 요소수생성탱크(54)로 공급되는 청수의 양을 감소시켜 고농도의 농도 조절용 요소수를 생성할 수 있다. 청수는 청수저장탱크(110)에 연결된 청수공급관(52)을 통해 공급되며, 이 때, 제어부(70)는 제2 온도센서(111)에서 측정된 청수의 온도를 전달받아 히터부(53)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제2 온도센서(111)에서 측정된 청수의 온도가 기준 온도 미만이면 고체요소의 용해도가 저하되므로, 제어부(70)는 분기관(60)을 개방하여 배기가스가 히터부(53)로 공급되도록 유도할 수 있다. 분기관(60)으로 분기되어 히터부(53)를 경유한 배기가스는 다시 배기관(10)에 합류되어 선택적촉매환원반응기(20)로 공급될 수 있다.
또한, 제어부(70)는 제1 온도센서(83)에서 측정된 해수의 온도가 제1 온도 범위, 즉, 0~25℃인 경우, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 해수유입관(81)을 개방하여 해수를 유입하고, 해수의 온도가 제1 온도범위를 벗어난 경우, 즉, 26℃ 이상인 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 해수유입관(82)을 개방하여 해수를 유입할 수 있다. 제1 해수유입관(81) 또는 제2 해수유입관(82)으로 해수가 유입될 때, 배수관(91)과 순환관(92)은 모두 폐쇄되어 해수가 열교환라인(90)을 통해 요소수탱크(30)와 요소수생성탱크(54) 사이를 순환하도록 할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 해수가 제1 해수유입관(81)을 통해 열교환라인(90)으로 유입된 경우, 해수는 요소수탱크(30)에 저장된 요소수와 열교환하여 가열된 후 요소수생성탱크(54)로 이동하여 농도조절용 요소수 또는 고체요소 또는 청수에 열을 전달하며 고체요소의 용해를 도울 수 있다. 요소수생성탱크(54)에서 생성된 고농도의 농도조절용 요소수는 주입관(55)을 통해 요소수공급관(40)에 주입되며, 이로 인해, 요소수의 농도가 기준 농도로 조절되어 선택적촉매환원반응기(20)로 공급될 수 있다.
반대로, 농도센서(41)에서 측정된 요소수의 농도가 기준 농도를 초과할 경우, 제어부(70)는 농도조절부(50)를 구동하여 저농도의 농도조절용 요소수를 생성한다. 보다 구체적으로, 제어부(70)는 요소수생성탱크(54)로 공급되는 청수의 양을 증가시키고 요소수생성탱크(54)로 공급되는 고체요소의 양을 감소시켜 저농도의 농도조절용 요소수를 생성할 수 있다. 이 때, 제2 온도센서(111)에서 측정된 청수의 온도가 기준 온도 이상인 경우, 제어부(70)는 분기관(60)을 폐쇄하여 히터부(53)의 동작을 중단할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 해수가 제2 해수유입관(82)을 통해 열교환라인(90)으로 유입된 경우, 해수는 요소수생성탱크(54)에 저장된 농도조절용 요소수 또는 고체요소 또는 청수에 열을 전달하여 냉각된 후 요소수탱크(30)로 이동하여 요소수를 냉각시킬 수 있다. 요소수생성탱크(54)에서 생성된 저농도의 농도조절용 요소수는 주입관(55)을 통해 요소수공급관(40)에 주입되며, 이로 인해, 요소수의 농도가 기준 농도로 조절되어 선택적촉매환원반응기(20)로 공급될 수 있다.
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: 배기가스 처리장치
10: 배기관 20: 선택적촉매환원반응기
30: 요소수탱크 40: 요소수공급관
41: 농도센서 50: 농도조절부
51: 요소탱크 52: 청수공급관
53: 히터부 54: 요소수생성탱크
55: 주입관 60: 분기관
70: 제어부 80: 해수공급관
81: 제1 해수유입관 82: 제2 해수유입관
83: 제1 온도센서 90: 열교환라인
91: 배수관 92: 순환관
100: 조수기 110: 청수저장탱크
111: 제2 온도센서
EG: 연소기관 SC: 해수유입부

Claims (6)

  1. 연소기관에서 발생된 배기가스를 배출하는 배기관;
    상기 배기관 상에 설치되어 상기 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 선택적촉매환원반응기;
    상기 선택적촉매환원반응기로 공급될 요소수를 저장하는 요소수탱크;
    상기 요소수탱크와 상기 선택적촉매환원반응기를 연결하는 요소수공급관;
    고체요소를 저장하는 요소탱크와, 조수기에서 생성되어 청수저장탱크에 저장된 청수를 공급하는 청수공급관과, 상기 청수공급관 상에 설치되며 상기 청수를 상기 배기가스와 열교환하여 가열하는 히터부와, 상기 고체요소와 상기 청수를 혼합하여 농도조절용 요소수를 생성하는 요소수생성탱크, 및 상기 요소수생성탱크에서 생성된 상기 농도조절용 요소수를 상기 요소수공급관에 주입하는 주입관을 포함하여, 상기 요소수를 기준 농도로 조절하는 농도조절부, 및
    상기 배기관에서 분기되어 상기 히터부를 경유하는 분기관을 포함하는 배기가스 처리장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 요소수공급관에 설치되어 상기 요소수의 농도를 측정하는 농도센서와,
    상기 농도센서로부터 센싱신호를 전달받아 상기 농도조절부를 제어하는 제어부를 더 포함하되,
    상기 주입관은 상기 농도센서 후단의 상기 요소수공급관에 연결되는 배기가스 처리장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    해수유입부에 연결되어 해수를 상기 조수기로 공급하는 해수공급관과,
    상기 해수공급관으로부터 분기된 상기 해수가 유동하며 상기 요소수탱크와 상기 요소수생성탱크를 경유하는 열교환라인을 더 포함하는 배기가스 처리장치.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 해수공급관으로부터 분기되어 상기 요소수탱크에 인접한 상기 열교환라인에 연결되는 제1 해수유입관과,
    상기 해수공급관으로부터 분기되어 상기 요소수생성탱크에 인접한 상기 열교환라인에 연결되며, 상기 제1 해수유입관과 선택적으로 개방되는 제2 해수유입관, 및
    상기 열교환라인 내부의 상기 해수를 배출하는 배수관을 더 포함하는 배기가스 처리장치.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 해수유입부 또는 상기 해수공급관에 설치되며, 상기 해수의 온도를 측정하여 상기 제어부로 전송하는 제1 온도센서를 더 포함하되,
    상기 제어부는, 상기 해수의 온도가 상기 요소수를 냉각 가능한 제1 온도범위인 경우 상기 제1 해수유입관을 개방하고, 상기 해수의 온도가 상기 제1 온도범위를 벗어난 경우 상기 제2 해수유입관을 개방하는 배기가스 처리장치.
  6. 제2 항에 있어서,
    상기 청수저장탱크 또는 상기 히터부 전단의 상기 청수공급관에 설치되며, 상기 청수의 온도를 측정하여 상기 제어부로 전송하는 제2 온도센서를 더 포함하되,
    상기 제어부는, 상기 청수의 온도가 기준 온도 미만인 경우, 상기 분기관을 개방하여 상기 청수를 가열하는 배기가스 처리장치.
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