엔진의 배기가스 재순환 시스템 및 방법{System And Method For Exhaust Gas Recirculation Of Engine}

본 발명은 엔진의 배기가스 재순환 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 엔진에서 배출되는 배기가스를 분기하여, 각각 다른 열교환기에 공급하되, 제1 열교환기에는 터보차저를 통과한 배기가스를 공급하고, 제2 열교환기에는 터보차저를 통과하지 않은 배기가스를 공급하며, 제1 또는 제2 열교환기에서는 청수가 열교환되어 스팀을 생성하며, 제2 열교환기를 통과한 배기가스는 재처리되어 다시 엔진에 공급되어 재순환되는, 엔진의 배기가스 재순환 시스템 및 방법에 관한 것이다.

질소산화물은 여러 요인에 의해 엔진의 연소 과정에서 발생하나, 대부분은 실린더내에서 연료가 연소할 때 발생하는 고온에 의해 연소공기를 통해 유입된 산소와 질소가 반응하여 생성된다. 연소공기를 통해 유입되는 공기 중 산소는 일부가 연소에 사용이 되어 CO ₂ 와 H ₂ O를 생성하고, 나머지는 의도하지 않은 질소산화물 및 황산화물 등의 생성에 사용된다. 이러한 질소산화물이나 황산화물에 대한 IMO Tier III NOx 배출기준을 만족하기 위한 방법으로, 배기가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation, EGR)기술은 질소산화물 생성을 억제하기 위해 연소에 필요한 최소의 양에 해당하는 산소만을 실린더 내에 공급함으로써, 질소산화물 생성에 사용되는 산소의 양이 최소화되도록 하여 그 생성량을 줄이는 방법으로, 연소 후 CO ₂ 가 다량 포함된 배기가스를 냉각, 클리닝(Cleaning)하여 연소공기에 함께 엔진에 공급하여, 연소공기 자체에 CO ₂ 농도를 높이고, 산소의 농도를 낮춤으로서 질소산화물 생성을 억제하는 방법이다. 이때 배기가스를 재순환하는 정도는 전체 배기가스의 약 30~40% 정도이다.

한편, 선박에는 각종 연료의 가열, 난방, 각 탱크의 온도 유지를 위한 열원이 필요하고, 보통 그 열원으로 스팀을 사용한다. 스팀은 연료를 연소하여 생성된 열을 이용하여 스팀을 생성하는 보일러와 엔진을 구동할 때 발생하는 배기가스의 폐열을 사용하여 스팀을 생성하는 배기가스 절탄기(Exhaust Gas Economizer, EGE)를 통해 생산한다. 일반 항해시에는 엔진에서 배출되는 배기가스의 폐열이 충분하여, 선박에 요구되는 스팀양을 초과하는 양이 생산되며, 그 양이 부족한 경우나, 엔진을 구동하지 않는 항내 정박 시에는 보일러를 가동하여 부족한 스팀을 생산한다.

그런데, 배기가스 절탄기(EGE)는 배기가스의 온도와 유량에 의해 그 스팀 생산량이 결정되며, 배기가스 재순환 기술(EGR)를 사용하는 경우에는 전체 배기가스의 약 30~40%를 연소공기 측으로 재순환하므로, 기존 대비 약 70~60%의 배기가스가 배기가스 절탄기(EGE)를 통해 스팀 생산에 사용된다. 따라서, 종래와 같은 배기가스 재순환 기술(EGR)을 적용할 경우 기존 대비 약 30~40%의 스팀생성량이 감소하는 문제점이 발생한다.

더군다나, 최근 엔진 자체의 효율이 증가하게 되면서 배기가스로 배출되는 폐열이 감소되는 추세에 있다. 그래서, 배기가스 재순환 기술(EGR)을 적용하지 않은 선박도 주 추진 엔진에 설치된 배기가스 절탄기(EGE)를 통한 스팀생산이 충분하지 못하여 발전용 엔진에도 배기가스 절탄기(EGE)를 추가 설치하여 부족한 스팀을 보충하고자 하는 경우가 종종 발생하고 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 엔진에서 배출되는 배기가스의 일부를 바로 재순환하지 않고, 배기 가스의 폐열로 스팀을 생성한 후 배출되는 배기가스를 재순환하여 스팀의 생산량을 높이는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 선박에 설치되는 엔진; 상기 엔진에서 배출되는 배기가스로 구동되는 터빈에 의해 흡입공기를 압축하는 터보 차저; 상기 엔진에서 배출되는 배기가스가 청수와 열교환되는 제1 열교환기; 상기 엔진에서 배출되는 배기가스가 상기 터보차저를 통과한 후 상기 제1 열교환기를 거쳐 배출되는 배기가스 배출 라인; 상기 엔진에서 배출되는 배기가스가 통과하는 제2 열교환기; 상기 엔진에서 배출되는 배기가스가 상기 제2 열교환기를 통과한 후 다시 엔진으로 공급되는 배기가스 재순환 라인; 및 청수가 상기 제2 열교환기를 통과한 후 상기 제1 열교환기에서 열교환되어 스팀을 생성하는 스팀 생성 라인;을 포함하는, 엔진의 배기가스 재순환 시스템을 제공한다.

상기 배기가스 재순환 라인에 설치되고, 상기 엔진 후단에 설치되는 유량 조절 밸브를 포함하며, 상기 유량 조절 밸브가 개방되면 상기 엔진에서 배출되는 배기가스가 상기 제2 열교환기에서 상기 스팀 생성 라인을 통과하는 청수와 열교환되며, 상기 유량 조절 밸브가 패쇄되면 상기 엔진에서 배출되는 배기가스가 배기가스 재순환 라인에 공급되지 않아, 청수가 제2 열교환기에서 열교환되지 않고 그대로 통과한 후, 제1 열교환기에서 상기 배기가스 배출 라인으로 공급되는 배기가스와 열교환되는 것이 바람직하다.

상기 제1 열교환기와 상기 제2 열교환기는 일체형으로 이루어지거나, 상기 제1 열교환기와 상기 제2 열교환기는 각각 분리되어 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 엔진에서 배출되는 배기가스가 상기 제1 열교환기로 공급되기 전에, 상기 배기가스로 구동되는 터빈에 의해 흡입공기를 압축하는 상기 터보 차저를 통과하는 것이 바람직하다.

상기 배기가스 재순환 라인에는 배기가스 재순환 유닛이 배치되며, 상기 배기가스 재순환 유닛은, 상기 제2 열교환기에서 배출되는 배기가스에 물을 분사하여 냉각하는 프리-스프레이; 상기 프리-스프레이에서 냉각된 배기가스를 냉각수로 다시 냉각하는 쿨러; 상기 쿨러에서 냉각된 배기가스에 포함된 물을 분리하는 워터 미스트 캐쳐(Water Mist Catcher); 및 상기 워터 미스트 캐쳐에서 물이 제거된 배기가스를 압축하는 블로워;를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 엔진에서 배출되는 배기가스를 저장하는 배기가스 리시버를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스가 제1 열교환기에서 열교환된 후 배출되는 열교환 단계; 및 상기 엔진에서 배출되는 배기가스가 제2 열교환기를 통과한 후 다시 상기 엔진으로 공급되는 재순환 단계;를 포함하며, 상기 엔진에서 배출되는 배기가스는 분기되어 제1 열교환기와 제2 열교환기에 동시에 공급되거나, 분기되지 않고 제1 열교환기에만 공급되는, 엔진의 배기가스 재순환 방법을 제공한다.

상기 재순환 단계는, 상기 제2 열교환기를 통과한 배기가스를 상기 엔진으로 공급될 수 있도록 처리하는 전처리 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 열교환 단계는, 상기 엔진에서 배출되는 배기가스로 구동되는 터빈에 의해 흡입공기를 압축하는 공기 압축 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 엔진에서 배출되는 배기가스의 일부를 바로 재순환하지 않고, 배기 가스의 폐열로 스팀을 생성한 후 배출되는 배기가스를 재순환하여 스팀의 생산량을 높이는 효과가 있다.

또한, 스팀의 생산량이 높아짐으로써, 추가로 배기가스 절탄기를 설치하지 않아도 되며, 보일러 운전을 감소시켜 연료비를 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 배기가스 절탄기를 거친, 온도가 상대적으로 낮아진 배기가스를 재순환에 사용함으로써, 배기가스 냉각 공정에 필요한 장치들의 크기가 감소하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템을 도시한 도면이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시례에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한, 하기 실시례는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템을 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시례에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템(100)은 선박에 설치되는 엔진(110), 엔진(110)에서 배출되는 배기가스가 청수와 열교환되는 제1 열교환기(121), 엔진(110)에서 배출되는 배기가스가 터보차저(130)를 통과한 후 제1 열교환기(121)를 거쳐 배출되는 배기가스 배출 라인(150), 엔진(110)에서 배출되는 배기가스가 통과하는 제2 열교환기(122), 엔진(110)에서 배출되는 배기가스가 제2 열교환기(122)를 통과한 후, 다시 엔진(110)에 공급되는 배기가스 재순환 라인(152), 및 청수가 제2 열교환기(122)를 통과한 후 제1 열교환기(121)에서 열교환되어 스팀을 생성하는 스팀 생성 라인(165)을 포함할 수 있다.

또한, 엔진(110)에서 배출되는 배기가스로 구동되는 터빈(131)에 의해 흡입공기를 압축하는 터보 차저(130)를 포함할 수 있으며, 터보 차저(130)에서 압축된 소기(scavenge air)를 엔진(110)에 공급하는 소기 리시버(112)를 포함할 수 있다.

제1 열교환기(121)와 제2 열교환기(122)는 일체형으로 이루어진 열교환기(120)이거나, 제1 열교환기(121)와 제2 열교환기(122)는 각각 분리되어 이루어질 수 있으며, 배기가스 절탄기(Exhaust Gas Economizer, EGE)일 수 있다.

본 실시례에 따른 엔진(110)의 배기가스 재순환 시스템(100)은 엔진(110)에서 배출되는 배기가스를 분기하여, 각각 다른 열교환기(121,122)에 공급하되, 제1 열교환기(121)에는 터보차저(130)를 통과한 배기가스를 공급하고, 제2 열교환기(122)에는 터보차저(130)를 통과하지 않은 배기가스를 공급하며, 제1 또는 제2 열교환기(121, 122)에서는 청수가 열교환되어 스팀을 생성하며, 제2 열교환기(122)를 통과한 배기가스는 재처리되어 다시 엔진(110)에 공급되어 재순환될 수 있다.

제2 열교환기(122)를 통과한 배기가스는 엔진(110)에 공급되기 전에, 소기 리시버(112)로 공급하여 압축된 흡입 공기와 혼합시켜 엔진(110)에 유입되는 연소 공기의 이산화탄소 농도를 높이고 산소 농도를 낮추어 질소 산화물의 생성을 억제하도록 한다.

엔진(110)에서 배출되는 배기가스는 분기되기 전에 배기가스 리시버(111)에 저장될 수 있으며, 하나의 분기라인인 배기가스 배출 라인(150)을 통해 터보 차저(130)를 통과한 후 제1 열교환기(121)로 공급되거나, 다른 분기라인인 배기가스 재순환 라인(152)을 통해 터보 차저(130)를 통과하지 않고 제2 열교환기(122)로 공급된 후 엔진(110)에 다시 공급될 수 있다.

배기가스 배출 라인(150)을 통해 공급되는 배기가스는 터보 차저(130)로 공급되어 구동력을 발생시킬 수 있으며, 터보 차저(130)는 배기가스로 구동되는 터빈(131)과 터빈(131)에 의해 흡입공기(외기)를 압축하는 압축기(132)를 포함한다.

터보 차저(130)의 압축기(132)에서 압축된 소기(scavenge air)는 소기 리시버(scavenge air receiver, 112)로 공급될 수 있으며, 제2 열교환기에서 배출되는 배기가스는 전처리되어 소기 리시버(112)로 공급되어 압축된 소기와 혼합되어 엔진(110)에 공급될 수 있다.

배기가스 재순환 라인(152)을 통해 공급되는 배기가스는 배기가스 재순환 라인(152)에 설치되는 유량 조절 밸브(154)에 의해 배기가스 공급을 조절할 수 있다.

유량 조절 밸브(154)가 개방되면 배기가스 재순환 라인(152)을 통해 배기가스가 제2 열교환기(122)에 공급되며, 제2 열교환기(122)에서 스팀 생성 라인(165)을 통과하는 청수와 열교환되며, 유량 조절 밸브(154)가 패쇄되면 엔진(110)에서 배출되는 배기가스가 배기가스 재순환 라인(152)에 공급되지 않아, 청수가 제2 열교환기(122)에서 열교환되지 않고 그대로 통과한 후, 제1 열교환기(121)에서 배기가스 배출라인으로 공급된 배기가스와 열교환될 수 있다.

한편, 제2 열교환기(122)에서 배출되는 배기가스는 소기 리시버(112)로 공급될 수 있으며, 소기 리시버(112)에 공급되기 전에 전처리 과정을 수행하여 엔진(110)에 공급될 수 있다.

전처리를 위한 장치인, 배기가스 재순환 유닛(140)은 배기가스 재순환 라인(152)에 배치되며, 제2 열교환기(122)에서 배출되는 배기가스에 물을 분사하여 냉각하는 프리-스프레이(141), 프리-스프레이(141)에서 냉각된 배기가스를 냉각수로 다시 냉각하는 쿨러(142), 쿨러(142)에서 냉각된 배기가스에 포함된 물을 분리하는 워터 미스트 캐쳐(Water Mist Catcher, 143), 및 워터 미스트 캐쳐(143)에서 배출되는 배기가스를 압축하는 블로워(144)를 포함할 수 있다.

프리-스프레이(141)는 약 400~500℃ 내외의 배기가스에 물을 분사하여 약 200~300℃ 로 냉각시키며, 배기가스 내에 포함된 수트(Soot) 등과 같은 불순물을 제거할 수 있다.

프리-스프레이(141)를 통과한 배기가스는 쿨러(142)를 통과하면서 약 45℃ 내외로 냉각되며, 워터 미스트 캐쳐(143)에서 배기가스 내에 포함된 수분이 제거된 후, 블로워(144)를 통과하면서 압축되어 소기 리시버(112)로 공급된다.

한편, 선박에 필요한 스팀을 생성하기 위한 방법으로, 케스케이드 탱크(170)에서 배출되는 보일러수 또는 청수는 청수펌프(171)에 의해 적어도 하나 이상의 보조 보일러(160)에 공급되며, 보조 보일러(160)에서 생성된 스팀은 스팀소비처(162)로 공급될 수 있다.

스팀소비처(162)로 공급된 스팀의 일부는 열매체로 사용된 후 재순환 하기 위해 응축기(172)에서 응축된 후 다시 케스케이드 탱크(170)로 공급될 수 있다. 소모된 보일러수 또는 청수는 케스케이트 탱크(170)에 지속적으로 보충될 수 있다.

보조 보일러(160)에서 배출되는 청수는 순환펌프(161)를 이용하여 제2 열교환기로 공급되며, 유량 조절 밸브(154)가 개방되면 엔진(110)에서 배출되는 배기가스가 제2 열교환기(122)에서 스팀 생성 라인(165)을 통과하는 청수와 열교환되며, 유량 조절 밸브(154)가 패쇄되면 엔진(110)에서 배출되는 배기가스가 배기가스 재순환 라인(152)에 공급되지 않아, 청수가 제2 열교환기(122)에서 열교환되지 않고 그대로 통과한 후, 제1 열교환기(121)에서 배기가스와 열교환될 수 있다.

즉, 유량 조절 밸브(154)의 개폐 여부에 따라 제2 열교환기(122)에서 열교환되거나 열교환없이 그대로 통과한 청수는 제1 열교환기(121)로 공급되며, 배기가스 배출 라인(150)을 통해 공급된, 엔진(110)에서 배출되어 터보 차저(130)를 통과한 배기가스와 열교환되어 스팀으로 상변화될 수 있다.

제1 열교환기(210)에서 배출된 스팀은 보조 보일러(160)로 공급되어, 보조 보일러(160)에서 생성된 스팀과 함께 스팀 소비처(162)로 공급될 수 있다.

이하에서는 전술한 엔진의 배기가스 재순환시스템을 사용하는 본 발명의 일 실시례에 따른 엔진의 배기가스 재순환 방법에 대해서 설명한다. 전술한 동일 구성요소들에 대한 상세한 작용에 대한 중복적인 설명을 생략한다.

본 발명의 일 실시례에 따른 엔진의 배기가스 재순환 방법은, 선박의 엔진(110)에서 배출되는 배기가스가 제1 열교환기(121)에서 열교환된 후 배출되는 열교환 단계, 및 엔진(110)에서 배출되는 배기가스가 제2 열교환기(122)를 통과한 후 다시 엔진(110)으로 공급되는 재순환 단계를 포함하며, 엔진(110)에서 배출되는 배기가스는 분기되어 제1 열교환기(121)와 제2 열교환기(122)에 동시에 공급되거나, 분기되지 않고 제1 열교환기(121)에만 공급될 수 있다.

재순환 단계는, 제2 열교환기(121)를 통과한 배기가스를 엔진(110)으로 공급될 수 있도록 처리하는 전처리 단계를 포함하며, 전처리 단계에서는 배기가스를 냉각하고 불순물을 제거하며 압축하는 과정을 포함할 수 있다.

열교환 단계는 엔진(110)에서 배출되는 배기가스로 구동되는 터빈(131)에 의해 흡입공기를 압축하는 공기 압축 단계를 포함할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 엔진의 배기가스 재순환 시스템은 엔진에서 배출되는 배기가스의 일부를 바로 재순환하지 않고, 배기 가스의 폐열로 스팀을 생성한 후 배출되는 배기가스를 재순환하여 스팀의 생산량을 높일 수 있다.

또한, 스팀의 생산량이 높아짐으로써, 추가로 배기가스 절탄기를 설치하지 않아도 되며, 보일러 운전을 감소시켜 연료비를 절감할 수 있다.

또한, 배기가스 절탄기를 거친, 온도가 상대적으로 낮아진 배기가스를 재순환에 사용함으로써, 배기가스 냉각 공정에 필요한 장치들의 크기가 감소되는 이점이 있다.

본 발명은 상기 실시례에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.

110 : 엔진 111 : 배기가스 리시버
112 : 소기 리시버 120 : 열교환기
121 : 제1 열교환기 122 : 제2 열교환기
130 : 터보 차저 140 : 배기가스 재순환 유닛
150 : 배기가스 배출 라인 152 : 배기가스 재순환 라인
154 : 유량 조절 밸브 160 : 보조 보일러
161 : 순환 펌프 165 : 스팀 생성 라인
170 : 케스케이드 탱크 171 : 청수 펌프
172 : 응축기