초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치

초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치{Apparatus for Propelling Ship using Supercritical Carbon Dioxide and Ship}

본 발명은 초임계 이산화탄소를 이용하여 선박을 추진시키기 위한 선박 추진장치에 관한 것이다.

연소로, 보일러 등은 소정의 연료를 연소시키면서 이산화탄소(Carbon Dioxide)가 포함된 배가스를 배출한다. 이산화탄소는 지구온난화 등과 같이 환경오염을 초래하는 물질로 알려져 있다. 이에 따라, 이산화탄소로 인한 환경오염을 줄이기 위한 방안으로, 이산화탄소에 대한 배출 규제를 강화하는 방안, 태양력, 풍력 등과 같은 친환경 에너지원으로 대체하는 방안 등이 시도되고 있다.

그러나, 이산화탄소에 대한 배출 규제를 강화하는 방안은 이산화탄소가 포함된 배가스를 정화하기 위한 설비를 필요로 하기 때문에 각 국가의 산업발전, 경제적 사정 등을 이유로 제대로 시행되지 못하고 있는 실정이다. 태양력, 풍력 등과 같은 친환경 에너지원으로 대체하는 방안은, 기존에 이산화탄소 배출을 통해 생산하는 에너지량을 대체하기에 개발이 부족한 상태이다.

최근에는 배가스로부터 이산화탄소를 포집하여 저장하는 CCS(Carbon Capture & Storage) 기술에 대한 개발이 활발하게 진행되면서, 포집한 이산화탄소를 에너지로 변환하는 기술에 대한 개발로 이어지고 있다.

예를 들면, 포집한 이산화탄소를 드라이아이스로 제조하여 기존의 냉각물질인 얼음을 대체하는 기술, 포집한 이산화탄소를 탄산가스로 제조하여 맥주, 탄산음료, 조선용접, 산화방지제 등으로 이용하는 기술 등에 대한 개발로 이어지고 있다.

이와 같이 이산화탄소를 다른 용도로 이용하는 기술이 활발하게 개발되면서, 환경오염물질인 이산화탄소에 대한 처리 기술이 새로운 전환점을 맞고 있다. 따라서, 선박을 추진시키기 위한 추진장치에 있어서도 이산화탄소를 이용하여 선박을 추진시킬 수 있는 기술의 개발이 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하고자 안출된 것으로, 초임계 이산화탄소를 이용하여 선박에 대한 추진력을 발생시킬 수 있는 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치를 제공하기 위한 것이다.

상술한 바와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 하기와 같은 구성을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치는 연료를 연소시켜서 초임계 이산화탄소를 생성하는 연소부; 상기 연소부로부터 배출되는 초임계 이산화탄소를 이용하여 선박을 추진시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부; 상기 터빈부에 연결되게 설치되고, 상기 터빈부가 발생시키는 동력을 이용하여 선박에 대한 추진력을 발생시키는 추진부; 상기 터빈부를 거친 이산화탄소를 액체 상태의 이산화탄소로 변환시키기 위한 액화부; 및 상기 액화부에 의해 액화된 이산화탄소를 상기 연소부로 공급하는 재순환부를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치는 연료를 연소시켜서 초임계 이산화탄소를 생성하는 연소부; 상기 연소부로부터 배출되는 초임계 이산화탄소를 이용하여 선박을 추진시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부; 상기 터빈부에 연결되게 설치되고, 상기 터빈부가 발생시키는 동력을 이용하여 선박에 대한 추진력을 발생시키는 추진부; 상기 터빈부를 거친 이산화탄소를 액체 상태의 이산화탄소로 변환시키기 위한 액화부; 및 상기 액화부에 의해 액화된 이산화탄소를 저장하기 위한 저장부를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 도모할 수 있다.

본 발명은 연료를 연소시켜 발생하는 초임계 이산화탄소를 작동유체로 이용하여 선박에 대한 추진력을 발생시키도록 구현됨으로써, 선박에 대한 친환경 추진장치를 구현할 수 있을 뿐만 아니라 환경오염을 줄이는데 기여할 수 있다.

본 발명은 환경오염물질인 이산화탄소를 이용하여 선박에 대한 추진력을 발생시키므로, 환경오염물질인 이산화탄소를 정화하는데 필요한 설비 및 운영비용을 줄이는데 기여할 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치의 개략적인 블록도
도 3은 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치에 있어서 액화부를 설명하기 위한 개략적인 블록도
도 4는 본 발명의 변형된 실시예에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치의 개략적인 블록도
도 5는 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치에 있어서 유체냉각부 설명하기 위한 개략적인 블록도

이하에서는 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치의 개략적인 블록도, 도 3은 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치에 있어서 액화부를 설명하기 위한 개략적인 블록도, 도 4는 본 발명의 변형된 실시예에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치의 개략적인 블록도, 도 5는 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치에 있어서 유체냉각부 설명하기 위한 개략적인 블록도이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)는 연료를 연소시켜 발생하는 초임계 이산화탄소로 선박을 추진시키기 위한 것이다. 이산화탄소는 임계 온도 및 임계 압력 이상의 조건에서 초임계 이산화탄소로 된다. 초임계 이산화탄소는 밀도가 높은 특성을 가짐과 동시에 점도가 낮은 특성을 갖는다. 즉, 초임계 이산화탄소는 밀도가 높은 기체 특성을 갖는다.

본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)는 연료를 연소시키는 연소부(2), 선박을 추진시키기 위한 동력을 발생시키는 터빈부(3), 선박을 추진시키는 추진부(4), 및 상기 터빈부(3)를 거친 이산화탄소를 액화시키는 액화부(5)를 포함한다.

도 1 내지 도 3을 참고하며, 상기 연소부(2)는 연료를 연소시킨다. 이를 위해, 상기 연소부(2)에는 연료 및 연소가스가 공급될 수 있다. 예컨대, 상기 연료는 주성분이 메탄(CH ₄ )인 천연가스일 수 있다. 상기 연소가스는 질소(N ₂ )와 같은 기체가 포함되지 않은 순산소(O ₂ )일 수 있다. 이 경우, 상기 연소부(2)는 메탄 및 순산소를 연소시킴으로써, 초임계 이산화탄소(SCO ₂ )를 생성한다. 이산화탄소는 31℃의 임계온도 및 74bar의 임계압력 이상의 임계조건에서 초임계 이산화탄소로 상변화한다. 연료 및 연소가스를 연소시키는 연소부(2)의 내부는 이산화탄소가 초임계 이산화탄소로 상변화하기 위한 임계조건을 만족하는 환경이 조성된다. 따라서, 상기 연소부(2)로부터 초임계 이산화탄소가 배출된다.

상기 연소부(2)에는 순산소공급부(21)가 설치될 수 있다. 상기 순산소공급부(21)는 상기 연소부(2)에 연소를 위한 순산소를 공급한다. 이에 따라, 상기 연소부(2)는 순산소 연소를 통해 초임계 이산화탄소를 생성할 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)는 산소 연소를 통해 초임계 이산화탄소를 생성하는 실시예와 대비할 때, 상기 연소부(2)로부터 배출되는 배가스 중에서 초임계 이산화탄소의 농도를 높일 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)는 상기 추진부(4)를 통해 발생되는 선박에 대한 추진효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)는 상기 연소부(2)로부터 초임계 이산화탄소 및 물 이외에 질소 등과 같은 추가 생성물이 배출되지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)는 산소 연소를 통해 초임계 이산화탄소를 생성하는 실시예와 대비할 때, 질소 등과 같은 추가 생성물을 처리하기 위한 설비를 없앨 수 있으므로, 구축비용 및 운영비용을 절감할 수 있다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 상기 터빈부(3)는 상기 추진부(4)에 연결된다. 상기 터빈부(3)는 상기 연소부(2)로부터 배출되는 초임계 이산화탄소를 이용하여 동력을 발생시킨다. 상기 연소부(2)로부터 배출되는 초임계 이산화탄소는, 초임계 상태로 상기 터빈부(3)를 통과하면서 상기 터빈부(3)가 갖는 임펠러를 회전시킴으로써 동력을 발생시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)는 초임계 이산화탄소를 이용하여 선박에 대한 추진력을 발생시킬 수 있다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)는 다음과 같은 작용 효과를 도모할 수 있다.

첫째, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)는 연료를 연소시켜 발생하는 초임계 이산화탄소를 작동유체로 이용하여 선박에 대한 추진력을 발생시키도록 구현된다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)는 기존에 선박에 설치된 엔진을 대체하는 선박에 대한 친환경 추진장치를 구현할 수 있을 뿐만 아니라 환경오염을 줄이는데 기여할 수 있다.

둘째, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)는 환경오염물질인 이산화탄소를 이용하여 선박에 대한 추진력을 발생시키므로, 환경오염물질인 이산화탄소를 정화하는데 필요한 설비 및 운영비용을 줄이는데 기여할 수 있다.

셋째, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)는 초임계 이산화탄소를 이용하여 상기 터빈부(3)가 동력을 발생시키도록 구현됨으로써, 상기 터빈부(3)를 소형화할 수 있을 뿐만 아니라 상기 터빈부(3) 및 상기 추진부(4)를 통해 발생되는 선박에 대한 추진효율을 향상시킬 수 있다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 상기 추진부(4)는 상기 터빈부(3)에 연결되게 설치된다. 상기 추진부(4)는 상기 터빈부(3)가 제공하는 동력을 이용하여 회전함으로써, 선박에 대한 추진력을 발생시킨다. 상기 추진부(4)는 선박에 대한 추진력을 발생시키는 프로펠러를 포함할 수 있다. 상기 추진부(4)는 샤프트 등을 이용하여 상기 터빈부(3)에 연결될 수 있다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 상기 액화부(5)는 상기 터빈부(3)를 거친 이산화탄소를 액화시킨다. 상기 연소부(2)로부터 배출된 초임계 이산화탄소는 상기 터빈부(3)를 통과하면서 기체 상태로 상변화할 수 있다. 상기 액화부(5)는 상기 터빈부(3)를 거친 기체 상태의 이산화탄소를 액체 상태의 이산화탄소로 변환시킨다. 이에 따라, 상기 액화부(5)는 이산화탄소를 재사용 가능한 상태로 변환시킬 수 있다. 상기 액화부(5)는 파이프 등과 같은 배관을 통해 상기 터빈부(3)에 연결되게 설치된다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 상기 액화부(5)는 분리기구(51), 압축기구(52), 및 냉각기구(53)를 포함할 수 있다.

상기 분리기구(51)는 상기 터빈부(3)를 거친 물과 이산화탄소의 혼합물을 액체 상태의 물과 기체 상태의 이산화탄소로 분리한다. 상기 분리기구(51)는 밀도 차이를 이용하여 액체 상태의 물과 기체 상태의 이산화탄소를 분리하는 기액분리기를 포함할 수 있다. 상기 분리기구(51)는 액체 상태의 물과 기체 상태의 이산화탄소를 끓는점 차이를 이용하여 분리할 수도 있다. 상기 분리기구(51)는 일측이 상기 터빈부(3)에 연결되고, 타측이 상기 압축기구(52)에 연결된다. 상기 분리기구(51)는 파이프 등과 같은 배관을 통해 상기 터빈부(3) 및 상기 압축기구(52) 각각에 연결될 수 있다. 상기 분리기구(51)는 기체 상태의 이산화탄소를 상기 압축기구(52)로 공급할 수 있다. 상기 분리기구(51)는 액체 상태의 물을 선박 외부로 배출할 수 있다.

상기 압축기구(52)는 상기 분리기구(51)로부터 배출되는 기체 상태의 이산화탄소를 압축한다. 상기 압축기구(52)는 컴프레서(Compressor)일 수 있다. 상기 압축기구(52)는 일측이 상기 분리기구(51)에 연결되고, 타측이 상기 냉각기구(53)에 연결된다. 상기 압축기구(52)는 파이프 등과 같은 배관을 통해 상기 분리기구(51) 및 상기 냉각기구(53) 각각에 연결될 수 있다.

상기 냉각기구(52)는 상기 압축기구(52)로부터 배출되는 이산화탄소를 냉각한다. 이에 따라, 상기 분리기구(51)로부터 배출되는 기체 상태의 이산화탄소가 액화된다. 상기 분리기구(51)로부터 배출되는 기체 상태의 이산화탄소는 상기 압축기구(52)를 거치면서 액체 상태로의 변환이 진행되고, 상기 냉각기구(52)를 거치면서 액체 상태의 이산화탄소로 변환될 수 있다. 상기 냉각기구(52)는 전기 등에 의해 동작하는 쿨러(Cooler)를 이용하여 이산화탄소를 냉각할 수 있다. 상기 냉각기구(52)는 이산화탄소를 냉각할 수 있는 냉각매체 및 이산화탄소를 열교환시킴으로써, 이산화탄소를 냉각할 수도 있다. 상기 냉각기구(52)는 파이프 등과 같은 배관을 통해 상기 압축기구(52)에 연결될 수 있다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)는 재순환부(6)를 포함할 수 있다.

상기 재순환부(6)는 상기 액화부(5)에 의해 액화된 이산화탄소를 상기 연소부(2)로 공급한다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)는 상기 연소부(2)에서 생성된 이산화탄소를 상기 연소부(2)로 재공급함으로써, 선박에 대한 추진력을 발생시키는 과정에서 환경오염물질인 이산화탄소를 외부로 배출시키지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)는 기존에 선박에 설치된 엔진을 대체하는 선박에 대한 친환경 추진장치를 구현할 수 있을 뿐만 아니라 환경오염을 줄이는데 기여할 수 있다.

상기 재순환부(6)는 일측이 상기 냉각기구(53)에 연결되고, 타측이 상기 연소부(2)에 연결된다. 상기 재순환부(6)는 파이프 등과 같은 배관을 통해 상기 냉각기구(53) 및 상기 연소부(2) 각각에 연결될 수 있다.

상기 재순환부(6)는 상기 냉각기구(53)로부터 배출되는 액체 상태의 이산화탄소를 압축시켜서 상기 연소부(2)에 공급할 수 있다. 이에 따라, 액체 상태의 이산화탄소는 압축되면서 온도가 상승한 후에 상기 연소부(2)에 공급된다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)는 연료와 연소가스를 연소시키기 위해 상기 연소부(2) 내부의 온도를 높이는데 드는 비용을 절감할 수 있다. 상기 재순환부(6)는 펌프(Pump)를 포함할 수 있다.

도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)는 저장부(7)를 포함할 수 있다.

상기 저장부(7)는 상기 액화부(5)에 의해 액화된 이산화탄소를 저장한다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)는 상기 연소부(2)에서 생성된 이산화탄소를 외부로 배출시키지 않는다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)는 기존에 선박에 설치된 엔진을 대체하는 선박에 대한 친환경 추진장치를 구현할 수 있을 뿐만 아니라 환경오염을 줄이는데 기여할 수 있다. 상기 저장부(7)는 파이프 등과 같은 배관을 통해 상기 액화부(5)에 연결될 수 있다. 상기 저장부(7)는 상기 냉각기구(53)에 연결될 수 있다.

상기 저장부(7)는 저장된 이산화탄소를 상기 연소부(2)에 공급할 수 있다. 이 경우, 상기 저장부(7)는 일측이 상기 액화부(5)에 연결되고, 타측이 상기 연소부(2)에 연결될 수 있다. 상기 저장부(7)는 파이프 등과 같은 배관을 통해 상기 액화부(5) 및 상기 연소부(2) 각각에 연결될 수 있다. 상기 저장부(7)에 저장된 이산화탄소는 선박에서 화재 진압용으로 사용될 수도 있다. 상기 저장부(7)에 저장된 이산화탄소는 드라이아이스, 산화방지제 등을 제조하는데 사용될 수도 있다.

본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)는 상기 재순환부(6) 및 상기 저장부(7) 중에서 어느 하나만을 포함할 수 있다. 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)는 상기 재순환부(6) 및 상기 저장부(7) 모두를 포함할 수도 있다. 이 경우, 상기 저장부(7)는 상기 연소부(2) 및 상기 재순환부(6) 사이에 위치되게 설치될 수 있다. 상기 재순환부(6)가 상기 연소부(2) 및 상기 저장부(7) 사이에 위치되게 설치될 수도 있다.

도 5를 참고하면, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)는 유체냉각부(8)를 포함할 수 있다.

상기 유체냉각부(8)는 상기 분리기구(51)로부터 배출되는 액체 상태의 물을 이용하여 상기 압축기구(52)를 냉각시킨다. 이에 따라, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)는 상기 압축기구(52)가 작동하는 과정에서 과열로 인해 손상 내지 파손되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)는 상기 분리기구(51)로부터 배출되는 물을 이용하여 상기 압축기구(52)를 냉각시키도록 구현됨으로써, 상기 압축기구(52)를 냉각시키기 위한 별도의 냉각설비를 없애거나 감축시킬 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)는 구축비용 및 운영비용을 절감할 수 있다.

상기 유체냉각부(8)는 일측이 상기 분리기구(51)에 연결되고, 타측이 상기 압축기구(52)에 연결된다. 상기 유체냉각부(8)는 파이프 등과 같은 배관을 통해 상기 분리기구(51) 및 상기 압축기구(52) 각각에 연결될 수 있다. 상기 분리기구(51)는 상기 터빈부(3)로부터 거친 물과 이산화탄소의 혼합물을 액체 상태의 물과 기체 상태의 이산화탄소로 분리한 후에, 액체 상태의 물을 상기 유체냉각부(8)로 공급하고, 기체 상태의 이산화탄소를 상기 압축기구(52)로 공급할 수 있다.

도 5에는 상기 유체냉각부(8)가 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)에 있어서 상기 재순환부(6)를 포함하는 실시예에 적용되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않으며 상기 유체냉각부(8)는 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)에 있어서 상기 저장부(7)를 포함하는 실시예에도 적용될 수 있다. 상기 유체냉각부(8)는 본 발명에 따른 초임계 이산화탄소를 이용한 선박 추진장치(1)에 있어서 상기 재순환부(6) 및 상기 저장부(7)를 모두 포함하는 실시예에도 적용될 수 있다.

1 : 선박 추진장치 2 : 연소부
3 : 터빈부 4 : 추진부
5 : 액화부 6 : 재순환부
7 : 저장부 8 : 유체냉각부