KR20230061125A - 배기가스 전처리 장치 및 이산화탄소 저감 구조를 갖는 동력 발생 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의해 배기가스 전처리 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 전처리 장치는, 연소기관에서 배출되어 이산화탄소포집장치로 공급되는 배기가스를 전처리하며, 일단이 연소기관에 연결되고 타단이 이산화탄소포집장치에 연결되는 배기관과, 배기관에서 분기되는 분기관과, 분기관으로 분기된 분기가스의 배기열과, 연료공급관으로부터 공급되는 연료를 연소하여 생산한 연소열로 스팀을 생산하는 보일러부와, 보일러부로 물을 공급하는 급수관, 및 보일러부에서 생산하는 스팀을 이산화탄소포집장치로 공급하는 스팀공급관을 포함할 수 있다.

Description

배기가스 전처리 장치 및 이산화탄소 저감 구조를 갖는 동력 발생 시스템 {Exhaust gas pre-treatment device and power generating system having apparatus for reducing CO2}

본 발명은 배기가스 전처리 장치 및 이산화탄소 저감 구조를 갖는 동력 발생 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이산화탄소포집장치가 목표로 하는 이산화탄소 저감량을 만족시키면서, 이산화탄소포집장치로 공급되는 배기가스의 유량을 줄여 이산화탄소포집장치의 크기를 줄일 수 있도록 하는 배기가스 전처리 장치 및 이산화탄소 저감 구조를 갖는 동력 발생 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 선박에 설치되는 각종 엔진은 연료를 연소하여 동력을 생성하며, 연료의 연소과정에서 발생되는 배기가스는 질소산화물, 황산화물, 이산화탄소 등을 포함하고 있다. 대기오염이 증가함에 따라 배기가스에 포함된 각종 유해물질에 대한 규제가 엄격해지고 있는 실정이며, 질소산화물과 황산화물뿐만 아니라 이산화탄소도 유엔산하기관인 국제 해사기구(IMO; International Maritime Organization)로부터 배출규제를 받고 있다. 선박 내 엔진에서 배출되는 배기가스는 압력이 상압 수준이고 이산화탄소 농도가 낮으므로, 아민 계열의 흡수제를 이용한 습식 포집 방식이 효과적이다. 습식 포집 방식은, 흡수제가 존재하는 흡수부에 배기가스를 통과시켜 배기가스에 포함된 이산화탄소를 흡수제에 흡수시키고, 재생부에 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 통과시켜 이산화탄소와 흡수제를 분리하는 방식으로, 이산화탄소포집장치를 통해 공정이 진행된다.

그러나, 전술한 바와 같이, 선박 내 엔진에서 배출되는 배기가스는 이산화탄소 농도가 4~5% 수준으로 낮고 산소 농도는 15% 수준으로 높으므로, 효율적인 공정 설계에 어려움이 있다. 또한, 흡수제에 흡수된 이산화탄소의 분리 시 흡수제의 온도를 높이기 위해 고온의 스팀이 필요한데, 스팀 생성을 위해 보일러가 가동되므로, 보일러 가동에 필요한 연료로부터 발생하는 이산화탄소의 양을 고려하여 이산화탄소포집장치의 설계 용량을 결정해야 한다. 즉, 이산화탄소포집장치 가 목표로 하는 이산화탄소 저감량을 만족시키기 위해 포집되는 이산화탄소 양이 증가할수록 보일러 가동에 필요한 연료 소모량이 증가하여 더 많은 양의 이산화탄소를 포집해야 하는 문제가 발생되는 것이다. 포집되는 이산화탄소의 양이 증가하려면, 이산화탄소포집장치로 공급되는 배기가스의 유량도 증가해야 하므로, 이산화탄소포집장치의 크기가 커져 선내 공간 활용도를 저하시키는 문제도 있다. 또한, 배기가스의 높은 산소 농도는 흡수제를 산화시켜 변질을 유발하므로 별도의 산화방지제를 사용해야 하는 번거로움이 있으며, 액화천연가스를 연료로 사용 시 메탄 슬립 현상의 발생으로 인한 하이드로카본(hydrocarbon) 성분이 흡수제와 반응하여 포밍(foaming)을 발생시키는 문제도 있다.

이에, 이산화탄소포집장치가 목표로 하는 이산화탄소 저감량을 만족시키면서, 이산화탄소포집장치로 공급되는 배기가스의 유량을 줄여 이산화탄소포집장치의 크기를 줄일 수 있도록 하는 전처리 장치 및 및 이산화탄소 저감 구조를 갖는 동력 발생 시스템이 필요하게 되었다.

대한민국 등록특허 제10-2121670호 (2020.06.04.)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 이산화탄소포집장치가 목표로 하는 이산화탄소 저감량을 만족시키면서, 이산화탄소포집장치로 공급되는 배기가스의 유량을 줄여 이산화탄소포집장치의 크기를 줄일 수 있도록 하는 배기가스 전처리 장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 이산화탄소포집장치가 목표로 하는 이산화탄소 저감량을 만족시키면서, 이산화탄소포집장치로 공급되는 배기가스의 유량을 줄여 이산화탄소포집장치의 크기를 줄일 수 있도록 하는 이산화탄소 저감 구조를 갖는 동력 발생 시스템을 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 전처리 장치는, 연소기관에서 배출되어 이산화탄소포집장치로 공급되는 배기가스를 전처리하며, 일단이 상기 연소기관에 연결되고 타단이 상기 이산화탄소포집장치에 연결되는 배기관과, 상기 배기관에서 분기되는 분기관과, 상기 분기관으로 분기된 분기가스의 배기열과, 연료공급관으로부터 공급되는 연료를 연소하여 생산한 연소열로 스팀을 생산하는 보일러부와, 상기 보일러부로 물을 공급하는 급수관, 및 상기 보일러부에서 생산하는 상기 스팀을 상기 이산화탄소포집장치로 공급하는 스팀공급관을 포함한다.

상기 배기가스 전처리 장치는, 상기 보일러부로 연결되기 전단의 상기 급수관을 상기 배기관과 열교환하여 상기 보일러로 공급되는 물을 예열하는 예열부를 더 포함할 수 있다.

상기 분기관은, 상기 보일러부를 경유하여 상기 예열부 전단의 상기 배기관에 다시 연결될 수 있다.

상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 저감 구조를 갖는 동력 발생 시스템은, 연료를 연소하여 동력을 발생시키는 연소기관과, 상기 연소기관에서 배출된 배기가스를 냉각하는 냉각탑과, 상기 냉각탑으로부터 공급된 상기 배기가스에 흡수제를 분사하는 흡수탑, 및 상기 흡수탑으로부터 이산화탄소가 흡수된 상기 흡수제를 공급받아 상기 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하는 재생탑을 포함하여, 상기 배기가스에 포함된 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소포집장치, 및 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항의 배기가스 전처리 장치를 포함한다.

상기 분기관은, 상기 냉각탑과 상기 흡수탑을 연결하는 상기 배기관에서 분기되거나, 상기 흡수탑 상단에 연결된 상기 배기관에서 분기될 수 있다.

본 발명에 따르면, 연소기관에서 배출된 배기가스 중 일부가 보일러부로 우회하여 스팀 생산을 위한 공기를 대체하고, 보일러부에서 배출된 배기가스가 다시 연소기관에서 배출된 배기가스에 합류되어 이산화탄소포집장치로 공급된다. 보일러부에서 배출되는 배기가스는 보일러부의 완전 연소 특성으로 인해 연소기관에서 배출되는 배기가스보다 이산화탄소 농도가 높고 산소 농도가 낮으므로, 연소기관에서 배출되는 배기가스와 보일러부에서 배출되는 배기가스를 혼합하여 이산화탄소포집장치로 공급할 경우, 연소기관에서 배출되는 배기가스만 공급하는 종래의 경우보다 배기가스 내 이산화탄소 농도가 증가하고 산소 농도는 감소하게 된다. 배기가스 내 이산화탄소 농도가 증가하면, 이산화탄소포집장치로 공급되는 배기가스의 유량이 줄더라도 이산화탄소포집장치가 목표로 하는 이산화탄소 저감량을 만족시킬 수 있으며, 이에 따라, 이산화탄소포집장치의 크기를 줄일 수 있어 선내 공간 활용도를 증대시킬 수 있다. 또한, 배기가스 내 산소 농도가 감소하면, 흡수제가 산화되어 변질될 가능성이 낮으므로 산화 방지제를 생략할 수 있어 공정이 간소화되는 장점이 있다.

또한, 연소기관에서 액화천연가스를 연료로 사용하더라도, 연소기관에서 배출된 배기가스 중 일부가 보일러부에서 한번 더 연소되므로, 배기가스의 메탄 농도를 낮출 수 있어 메탄 슬립 현상의 발생을 줄일 수 있으며, 이에 따라, 선박의 온실가스 배출량을 줄일 수 있음은 물론 하이드로카본(hydrocarbon) 성분이 흡수제와 반응하여 포밍(foaming)이 발생되는 것을 줄일 수 있다.

또한, 보일러부에서 배출된 고온의 배기가스가 연소기관에서 배출된 배기가스와 혼합되면, 배기가스의 온도가 일부 상승하게 되어 폐열 회수가 보다 효과적으로 이루어질 수 있으며, 이에 따라, 장치 효율이 증대될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 전처리 장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 이산화탄소포집장치를 확대하여 도시한 도면이다.
도 3은 배기가스 전처리 장치의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
도 4는 이산화탄소 저감 구조를 갖는 동력 발생 시스템을 도시한 도면이다.

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 배기가스 전처리 장치에 관하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 배기가스 전처리 장치는 연소기관에서 배출되어 이산화탄소포집장치로 공급되는 배기가스를 전처리하는 장치로, 선박에 적용될 수 있다.

배기가스 전처리 장치는 연소기관에서 배출된 배기가스 중 일부가 보일러부로 우회하여 스팀 생산을 위한 공기를 대체하고, 보일러부에서 배출된 배기가스가 다시 연소기관에서 배출된 배기가스에 합류되어 이산화탄소포집장치로 공급된다. 보일러부에서 배출되는 배기가스는 보일러부의 완전 연소 특성으로 인해 연소기관에서 배출되는 배기가스보다 이산화탄소 농도가 높고 산소 농도가 낮으므로, 연소기관에서 배출되는 배기가스와 보일러부에서 배출되는 배기가스를 혼합하여 이산화탄소포집장치로 공급할 경우, 연소기관에서 배출되는 배기가스만 공급하는 종래의 경우보다 배기가스 내 이산화탄소 농도가 증가하고 산소 농도는 감소하게 된다. 배기가스 내 이산화탄소 농도가 증가하면, 이산화탄소포집장치로 공급되는 배기가스의 유량이 줄더라도 이산화탄소포집장치가 목표로 하는 이산화탄소 저감량을 만족시킬 수 있으며, 이에 따라, 이산화탄소포집장치의 크기를 줄일 수 있어 선내 공간 활용도를 증대시킬 수 있다. 또한, 배기가스 내 산소 농도가 감소하면, 흡수제가 산화되어 변질될 가능성이 낮으므로 산화 방지제를 생략할 수 있어 공정이 간소화되는 장점이 있다. 또한, 연소기관에서 액화천연가스를 연료로 사용하더라도, 연소기관에서 배출된 배기가스 중 일부가 보일러부에서 한번 더 연소되므로, 배기가스의 메탄 농도를 낮출 수 있어 메탄 슬립 현상의 발생을 줄일 수 있으며, 이에 따라, 선박의 온실가스 배출량을 줄일 수 있음은 물론 하이드로카본(hydrocarbon) 성분이 흡수제와 반응하여 포밍(foaming)이 발생되는 것을 줄일 수 있다. 또한, 보일러부에서 배출된 고온의 배기가스가 연소기관에서 배출된 배기가스와 혼합되면, 배기가스의 온도가 일부 상승하게 되어 폐열 회수가 보다 효과적으로 이루어질 수 있으며, 이에 따라, 장치 효율이 증대될 수 있는 특징이 있다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 배기가스 전처리 장치(1)에 관하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 전처리 장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 이산화탄소포집장치를 확대하여 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 배기가스 전처리 장치(1)는 배기관(10), 분기관(20), 보일러부(30), 급수관(40), 및 스팀공급관(50)을 포함한다.

배기관(10)은 연소기관(EG)에서 배출된 배기가스를 이산화탄소포집장치(CCS)로 공급하는 관으로, 일단이 연소기관(EG)에 연결되고 타단이 이산화탄소포집장치(CCS), 보다 구체적으로, 이산화탄소포집장치(CCS)의 냉각탑(C1)에 연결될 수 있다. 이산화탄소포집장치(CCS)의 구조에 대해서는 후술하여 보다 구체적으로 설명한다. 배기관(10) 상에는 분기관(20)이 분기된다.

분기관(20)은 배기관(10)을 유동하는 배기가스 중 일부를 분기하여 후술할 보일러부(30)로 공급하는 관으로, 연소기관(EG)과 인접한 배기관(10)의 입구단에서 분기될 수 있다. 분기관(20)이 분기되는 지점의 배기관(10) 상에는 제1 분기밸브(10a)가 설치되어, 배기관(10) 측 배기가스의 유동과 분기관(20) 측 분기가스의 유동이 동시에 제어될 수 있다. 예를 들어, 연소기관(EG)에서 배출된 배기가스는, 온도가 약 180℃, 이산화탄소 농도가 약 4.9%, 산소 농도가 약 16.1%, 메탄 농도가 약 0.04%일 수 있으며, 이 중, 약 18%가 분기관(20)으로 분기되고, 나머지 약 82%가 배기관(10)을 유동할 수 있다. 그러나, 분기관(20)이 배기관(10)의 입구단에서 분기되는 것으로 한정될 것은 아니며, 분기관(20)의 분기 지점은 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들어, 분기관(20)은 냉각탑(C1)과 흡수탑(C2)을 연결하는 배기관(10)에서 분기될 수도 있고, 흡수탑(C2) 상단에 연결된 배기관(10)에서 분기될 수도 있다.

보일러부(30)는 분기관(20)으로 분기된 분기가스의 배기열과, 연료공급관(31)으로부터 공급되는 연료를 연소하여 연소열을 생산하고, 생산된 연소열을 이용하여 급수관(40)으로부터 공급되는 물을 가열하여 스팀을 생산할 수 있다. 즉, 보일러부(30)에는 분기가스를 공급하는 분기관(20)과, 연료를 공급하는 연료공급관(31), 및 물을 공급하는 급수관(40)이 각각 연결된다. 전술한 바와 같이, 연소기관(EG)에서 배출된 배기가스는 산소 농도가 약 16%이므로, 분기관(20)으로 분기된 분기가스는 보일러부(30)에서 스팀 생산을 위한 공기를 대체할 수 있다. 급수관(40)은 보일러부(30)로 공급되기 전에 예열부(60)를 거치며, 예열부(60)는 보일러부(30)로 연결되기 전단의 급수관(40)을 배기관(10)과 열교환하여 보일러부(30)로 공급되는 물을 예열할 수 있다. 보일러부(30)의 특성 상, 분기가스를 공기 대신 주입할 경우 충분한 연소 효율이 발생하지 않을 수도 있으므로, 필요에 따라, 보일러부(30)의 효율을 높이기 위해 공기 또는 순산소를 추가로 보일러부(30)에 공급할 수도 있으며, 분기가스를 냉각한 후 보일러부(30)로 공급할 수도 있다. 설명의 편의를 위해, 예열부(60)를 보일러부(30)와 구분하여 설명하였으나, 예열부(60)는 보일러부(30)와 일체로 형성될 수도 있다.

보일러부(30)에서 생산된 스팀은 스팀공급관(50)을 통해 이산화탄소포집장치(CCS), 보다 구체적으로 리보일러(C4)로 공급되어 흡수제의 재생 공정에 활용될 수 있다.

한편, 보일러부(30)를 경유한 분기관(20)은 배기관(10)에 다시 연결될 수 있다. 즉, 보일러부(30)에서 연소 후 배출된 분기가스는 분기관(20)을 통해 다시 배기관(10)에 합류되어 연소기관(EG)에서 배출된 배기가스에 혼합된 후 이산화탄소포집장치(CCS)로 공급된다. 분기관(20)이 다시 연결되는 지점의 배기관(10) 상에는 제2 분기밸브(10b)가 설치되어, 배기관(10) 측 배기가스의 유동과 분기관(20) 측 분기가스의 유동이 동시에 제어될 수 있다. 예를 들어, 보일러부(30)에서 배출된 분기가스는 온도가 약 450℃, 이산화탄소 농도가 약 13.2%, 산소 농도가 약 3%일 수 있으며, 연소기관(EG)에서 배출된 배기가스와, 보일러부(30)에서 배출된 분기가스가 혼합된 배기가스는, 온도가 약 214℃, 이산화탄소 농도가 약 7.3%, 산소 농도가 13.6%, 메탄 농도가 약 0.03%일 수 있다. 연소기관(EG)에서 배출된 배기가스와, 보일러부(30)에서 배출된 분기가스가 혼합됨으로써, 연소기관(EG)에서 배출되는 배기가스보다 온도가 증가하고, 배기가스 내 이산화탄소 농도도 약 2.5% 증가하며, 산소 농도는 약 2.5% 감소하고, 메탄 농도도 약 0.01% 감소할 수 있다. 배기가스의 온도가 증가하면, 예열부(60) 후단의 배기관(10) 상에 설치된 터빈(도시되지 않음), 이코노마이저(도시되지 않음) 등을 통한 폐열 회수가 보다 효과적으로 이루어질 수 있어 장치 효율이 증대될 수 있다. 이 때, 폐열 회수가 극대화될 수 있도록 분기관(20)은 보일러부(30)를 경유하여 예열부(60) 전단의 배기관(10)에 다시 연결될 수 있다. 또한, 배기가스 내 이산화탄소 농도가 증가하면, 이산화탄소포집장치(CCS)로 공급되는 배기가스의 유량이 줄더라도 이산화탄소포집장치(CCS)가 목표로 하는 이산화탄소 저감량을 만족시킬 수 있으며, 이에 따라, 이산화탄소포집장치(CCS)의 크기를 줄일 수 있어 선내 공간 활용도가 증대될 수 있다. 또한, 배기가스 내 산소 농도가 감소하면, 흡수제가 산화되어 변질될 가능성이 낮으므로 산화 방지제를 생략할 수 있어 공정이 간소화될 수 있다. 또한, 배기가스 내 메탄 농도가 감소하면, 메탄 슬립 현상의 발생을 줄일 수 있어 선박의 온실가스 배출량을 줄일 수 있음은 물론 하이드로카본 성분이 흡수제와 반응하여 포밍이 발생되는 것을 줄일 수 있다.

도 2를 참조하면, 이산화탄소포집장치(CCS)는 습식 포집 방법으로 배기가스에 포함된 이산화탄소를 포집하는 장치로, 냉각탑(C1)과, 흡수탑(C2), 및 재생탑(C3)을 포함한다.

냉각탑(C1)은 배기관(10)을 통해 공급된 배기가스를 냉각하는 것으로, 배기가스에 냉각수를 분사하여 배기가스를 냉각시킬 수 있다. 배기관(10)을 통해 공급되는 배기가스는 고온이므로, 별도의 냉각 없이 후술할 흡수탑(C2)으로 공급할 경우 이산화탄소가 흡수제에 제대로 흡수되지 않는다. 다시 말해, 흡수탑(C2)에서 분사되는 흡수제는 약 30~50℃에서 이산화탄소의 흡수 효율이 높으므로, 냉각탑(C1)에서 미리 배기가스를 냉각시키는 것이다. 냉각탑(C1)으로 공급된 배기가스는 냉각수와 열교환을 통해 적정 온도로 냉각되며, 배기가스와 열교환을 통해 온도가 증가한 냉각수는 냉각탑(C1)에서 배출된 후 일련의 냉각 과정을 거쳐 다시 냉각탑(C1)으로 순환된다. 예를 들어, 냉각탑(C1)에서 배출된 냉각수는 가압된 후 냉각매체와 열교환을 통해 냉각되어 다시 냉각탑(C1)으로 순환될 수 있다. 냉각탑(C1)에서 냉각된 배기가스는 흡수탑(C2)으로 공급된다.

흡수탑(C2)은 냉각탑(C1)으로부터 공급되는 배기가스에 이산화탄소를 흡수하는 흡수제를 무화(霧化) 또는 미립자(微粒子化)하여 분사하는 것으로, 여기서, 흡수제라 함은, 이산화탄소를 흡수하는 성질이 있는 용액, 예를 들어, 아민(amine) 화합물이나 암모니아 수용액일 수 있다. 배기가스는 흡수탑(C2) 하부로 공급되어 흡수탑(C2)의 상부에서 분사되는 흡수제와 기액 접촉하며, 이로 인해, 배기가스에 포함된 이산화탄소가 흡수제에 흡수되어 배기가스로부터 제거될 수 있다. 흡수탑(C2)에서 이산화탄소가 흡수제에 흡수될 때 발열 반응이 일어나므로, 이산화탄소가 제거된 배기가스는 흡수탑(C2) 상부에서 별도의 냉각 과정을 거쳐 외부로 배치될 수 있다. 예를 들어, 이산화탄소가 제거된 배기가스는 흡수탑(C2) 상부에서 분사되는 청수 등의 냉각매체와 접촉하여 냉각된 후 배기될 수 있으며, 배기가스와 접촉한 냉각매체는 집수되어 흡수탑(C2) 외부로 배출된 후 가압 및 냉각 과정을 거쳐 다시 흡수탑(C2)으로 순환될 수 있다. 흡수탑(C2)에서 이산화탄소를 흡수한 흡수제는 재생탑(C3)으로 공급된다.

재생탑(C3)은 흡수탑(C2)으로부터 공급받은 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 가열하여 흡수제로부터 이산화탄소를 분리한다. 보다 구체적으로, 이산화탄소가 흡수된 흡수제는 재생탑(C3) 상부로 공급되어, 재생탑(C3)의 상부에서 하부로 흐르면서 열에너지에 의해 이산화탄소가 분리될 수 있다. 이 때, 재생탑(C3) 내부의 흡수제 중 일부는 순환라인(L3)을 통해 리보일러(C4)로 유입되어 가열되며, 리보일러(C4)의 가열에 의해 흡수제로부터 발생한 이산화탄소와 증기는 순환라인(L3)을 통해 재생탑(C3)으로 순환되어 열에너지를 추가로 제공하면서 이산화탄소의 분리 효율을 높일 수 있다. 리보일러(C4)는 보일러부(30)에서 생산되어 스팀공급관(50)을 통해 공급되는 스팀을 이용하여 흡수제를 가열할 수 있다. 흡수제로부터 분리된 고농도의 이산화탄소는 재생탑(C3) 상부로 배출되어 응축기(C7)와 환류드럼(C8)을 차례로 통과하며 수분이 제거되고, 별도의 압축 과정을 거쳐 필요처로 공급될 수 있다. 환류드럼(C8)에서 이산화탄소로부터 분리된 수분은 가압되어 다시 재생탑(C3)으로 순환될 수 있다. 재생탑(C3)은 제1 라인(L1)을 통해 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 공급받고, 후술할 제2 라인(L2)을 통해 이산화탄소가 분리된 흡수제를 흡수탑(C2)으로 순환시킬 수 있다.

제1 라인(L1)은 흡수탑(C2)과 재생탑(C3) 사이를 연결하여 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 재생탑(C3)으로 공급할 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 라인(L1)은 일단이 흡수탑(C2) 하부에 연결되고 타단이 재생탑(C3) 상부에 연결되어, 흡수탑(C2)에서 배출된 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 재생탑(C3) 상부로 공급할 수 있다. 제1 라인(L1) 상에는 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 가압하는 적어도 하나의 펌프(도면부호 미도시)와, 열교환기(C5)가 설치될 수 있다.

열교환기(C5)는 제1 라인(L1)과 제2 라인(L2)을 열교환하여 재생탑(C3)으로 공급되는 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 가열한다. 즉, 열교환기(C5)는 제1 라인(L1)을 통해 흡수탑(C2)에서 재생탑(C3)으로 공급되는 약 40~50℃의 흡수제와, 제2 라인(L2)을 통해 재생탑(C3)에서 흡수탑(C2)으로 순환되는 약 80~150℃의 흡수제를 열교환하여, 재생탑(C3)으로 공급되는 흡수제의 온도는 높이고 흡수탑(C2)으로 순환되는 흡수제의 온도는 낮춘다. 재생탑(C3)으로 공급되는 흡수제의 온도가 증가함에 따라 재생탑(C3)에서 이산화탄소의 분리가 보다 효과적으로 이루어질 수 있으며, 흡수탑(C2)으로 순환되는 흡수제의 온도가 감소함에 따라 흡수탑(C2)에서 이산화탄소가 흡수제에 보다 용이하게 흡수될 수 있다.

제2 라인(L2)은 재생탑(C3)과 흡수탑(C2) 사이를 연결하여 이산화탄소가 분리된 흡수제를 흡수탑(C2)으로 순환시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 제2 라인(L2)은 일단이 재생탑(C3) 하부에 연결되고 타단이 흡수탑(C2) 상부에 연결되어, 재생탑(C3)에서 배출된 이산화탄소가 분리된 흡수제를 흡수탑(C2) 상부로 공급할 수 있다. 제2 라인(L2) 상에는 전술한 열교환기(C5)를 비롯하여 펌프(도면부호 미도시), 및 냉각기(C6)가 설치되므로, 재생탑(C3)에서 제2 라인(L2)으로 배출된 약 80~150℃의 이산화탄소가 분리된 흡수제는 다단으로 냉각되어 약 30~50℃의 상태로 흡수탑(C2)에 공급될 수 있다.

이하, 도 3을 참조하여, 배기가스 전처리 장치(1)의 동작에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

도 3은 배기가스 전처리 장치의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.

본 발명에 따른 배기가스 전처리 장치(1)는 연소기관(EG)에서 배출된 배기가스 중 일부가 보일러부(30)로 우회하여 스팀 생산을 위한 공기를 대체하고, 보일러부(30)에서 배출된 배기가스가 다시 연소기관(EG)에서 배출된 배기가스에 합류되어 이산화탄소포집장치(CCS)로 공급된다. 보일러부(30)에서 배출되는 배기가스는 보일러부(30)의 완전 연소 특성으로 인해 연소기관(EG)에서 배출되는 배기가스보다 이산화탄소 농도가 높고 산소 농도가 낮으므로, 연소기관(EG)에서 배출되는 배기가스와 보일러부(30)에서 배출되는 배기가스를 혼합하여 이산화탄소포집장치(CCS)로 공급할 경우, 연소기관(EG)에서 배출되는 배기가스만 공급하는 종래의 경우보다 배기가스 내 이산화탄소 농도가 증가하고 산소 농도는 감소하게 된다. 배기가스 내 이산화탄소 농도가 증가하면, 이산화탄소포집장치(CCS)로 공급되는 배기가스의 유량이 줄더라도 이산화탄소포집장치(CCS)가 목표로 하는 이산화탄소 저감량을 만족시킬 수 있으며, 이에 따라, 이산화탄소포집장치(CCS)의 크기를 줄일 수 있어 선내 공간 활용도를 증대시킬 수 있다. 또한, 배기가스 내 산소 농도가 감소하면, 흡수제가 산화되어 변질될 가능성이 낮으므로 산화 방지제를 생략할 수 있어 공정이 간소화되는 장점이 있다. 또한, 연소기관(EG)에서 액화천연가스를 연료로 사용하더라도, 연소기관(EG)에서 배출된 배기가스 중 일부가 보일러부(30)에서 한번 더 연소되므로, 배기가스의 메탄 농도를 낮출 수 있어 메탄 슬립 현상의 발생을 줄일 수 있으며, 이에 따라, 선박의 온실가스 배출량을 줄일 수 있음은 물론 하이드로카본(hydrocarbon) 성분이 흡수제와 반응하여 포밍(foaming)이 발생되는 것을 줄일 수 있다. 또한, 보일러부(30)에서 배출된 고온의 배기가스가 연소기관(EG)에서 배출된 배기가스와 혼합되면, 배기가스의 온도가 일부 상승하게 되어 폐열 회수가 보다 효과적으로 이루어질 수 있으며, 이에 따라, 장치 효율이 증대될 수 있다.

도 3을 참조하면, 연소기관(EG)에서 발생된 배기가스는 배기관(10)으로 배출되어, 일부가 분기관(20)으로 분기되고 나머지 일부가 배기관(10)을 유동할 수 있다. 분기관(20)으로 분기된 분기가스는 보일러부(30)로 공급되며, 보일러부(30)는 분기가스의 배기열과, 연료공급관(31)으로부터 공급되는 연료를 연소하여, 급수관(40)으로부터 공급되는 물을 가열하여 스팀을 생산할 수 있다. 이 때, 급수관(40)을 통해 보일러부(30)로 공급되는 물은, 예열부(60)에서 배기관(10)을 유동하는 배기가스와 열교환하여 예열된 것일 수 있다. 보일러부(30)에서 생산된 스팀은 스팀공급관(50)을 통해 이산화탄소포집장치(CCS)의 리보일러(C4)로 공급되며, 보일러부(30)에서 연소 후 배출된 배기가스는 분기관(20)을 통해 예열부(60) 전단의 배기관(10)에 합류되어 연소기관(EG)에서 배출된 배기가스와 혼합된 후 이산화탄소포집장치(CCS)의 냉각탑(C1)으로 공급될 수 있다.

이하, 도 4를 참조하여, 이산화탄소 저감 구조를 갖는 동력 발생 시스템(100)에 관하여 구체적으로 설명한다.

도 4는 이산화탄소 저감 구조를 갖는 동력 발생 시스템을 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 이산화탄소 저감 구조를 갖는 동력 발생 시스템(100)은 연소기관(EG), 이산화탄소포집장치(CCS), 및 배기가스 전처리 장치(1)를 포함한다.

연소기관(EG)은 연료를 연소하여 동력을 발생시키는 것으로, 예를 들어, 내연기관 또는 외연기관 또는 기타 열기관일 수 있다. 연소기관(EG)은 연료를 연소하여 선박에 필요한 각종 동력을 발생시키며, 이로 인해, 연료의 연소에 따른 배기가스가 생성된다. 생성된 배기가스에는 이산화탄소가 포함되어 있으므로, 이산화탄소포집장치(CCS)를 통과시켜 이산화탄소를 분리할 필요가 있다.

이산화탄소포집장치(CCS)는 배기가스에 포함된 이산화탄소를 분리하는 것으로, 연소기관(EG)에서 배출된 배기가스를 냉각하는 냉각탑(C1)과, 냉각탑(C1)으로부터 공급된 배기가스에 흡수제를 분사하는 흡수탑(C2), 및 흡수탑(C2)으로부터 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 공급받아 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하는 재생탑(C3)을 포함한다. 이산화탄소포집장치(CCS)에 관한 설명은 전술한 사항으로 대신한다.

연소기관(EG)과 이산화탄소포집장치(CCS)는 배기관(10)으로 연결되고, 배기관(10)은 연소기관(EG)에서 배출된 배기가스를 이산화탄소포집장치(CCS)의 냉각탑(C1)으로 공급될 수 있다. 배기관(10)은 연소기관(EG)과 냉각탑(C1) 사이, 냉각탑(C1)과 흡수탑(C2) 사이를 각각 연결하며, 흡수탑(C2) 상단으로 연장될 수 있다.

분기관(20a, 20b)은 배기관(10)을 유동하는 배기가스 중 일부를 분기하여 보일러부(30)로 공급하는 관으로, 냉각탑(C1)과 흡수탑(C2)을 연결하는 배기관(10)에서 분기되거나 흡수탑(C2) 상단에 연결된 배기관(10)에서 분기될 수 있다. 분기관(20a, 20b)이 냉각탑(C1)과 흡수탑(C2)을 연결하는 배기관(10)에서 분기되거나 흡수탑(C2) 상단에 연결된 배기관(10)에서 분기됨으로써, 냉각탑(C1) 또는 흡수탑(C2)에서 냉각된 배기가스가 보일러부(30)로 유입될 수 있어 보일러부(30)의 운전 효율이 향상될 수 있다. 분기관(20a, 20b)이 분기되는 지점의 배기관(10) 상에는 각각 분기밸브(도면부호 미도시)가 설치되어, 배기관(10) 측 배기가스의 유동과 분기관(20a, 20b) 측 분기가스의 유동이 동시에 제어될 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 전처리 장치
10: 배기관 20, 20a, 20b: 분기관
30: 보일러부 31: 연료공급관
40: 급수관 50: 스팀공급관
60: 예열부
100: 이산화탄소 저감 구조를 갖는 동력 발생 시스템
CCS: 이산화탄소포집장치 EG: 연소기관

Claims (5)

1. 연소기관에서 배출되어 이산화탄소포집장치로 공급되는 배기가스를 전처리하는 배기가스 전처리 장치에 있어서,
   일단이 상기 연소기관에 연결되고 타단이 상기 이산화탄소포집장치에 연결되는 배기관;
   상기 배기관에서 분기되는 분기관;
   상기 분기관으로 분기된 분기가스의 배기열과, 연료공급관으로부터 공급되는 연료를 연소하여 생산한 연소열로 스팀을 생산하는 보일러부;
   상기 보일러부로 물을 공급하는 급수관, 및
   상기 보일러부에서 생산하는 상기 스팀을 상기 이산화탄소포집장치로 공급하는 스팀공급관을 포함하는 배기가스 전처리 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 보일러부로 연결되기 전단의 상기 급수관을 상기 배기관과 열교환하여 상기 보일러로 공급되는 물을 예열하는 예열부를 더 포함하는 배기가스 전처리 장치.
3. 제3 항에 있어서,
   상기 분기관은, 상기 보일러부를 경유하여 상기 예열부 전단의 상기 배기관에 다시 연결되는 배기가스 전처리 장치.
4. 연료를 연소하여 동력을 발생시키는 연소기관;
   상기 연소기관에서 배출된 배기가스를 냉각하는 냉각탑과, 상기 냉각탑으로부터 공급된 상기 배기가스에 흡수제를 분사하는 흡수탑, 및 상기 흡수탑으로부터 이산화탄소가 흡수된 상기 흡수제를 공급받아 상기 흡수제로부터 이산화탄소를 분리하는 재생탑을 포함하여, 상기 배기가스에 포함된 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소포집장치, 및
   제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항의 배기가스 전처리 장치를 포함하는 이산화탄소 저감 구조를 갖는 동력 발생 시스템.
5. 제4 항에 있어서, 상기 분기관은,
   상기 냉각탑과 상기 흡수탑을 연결하는 상기 배기관에서 분기되거나, 상기 흡수탑 상단에 연결된 상기 배기관에서 분기되는 이산화탄소 저감 구조를 갖는 동력 발생 시스템.

Images