배기가스 처리장치

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 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 처리장치에 관하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 배기가스 처리장치는 연소기관에서 연료의 연소에 따라 생성된 배기가스에 포함된 이산화탄소의 농도를 줄이는 장치로, 선박에 설치되어 조선, 해양 분야에서 발생되는 배기가스를 처리하는데 사용될 수 있다.

배기가스 처리장치는 배기가스로부터 분리된 이산화탄소를 연소기관의 흡기관으로 공급하므로, 연료의 메탄가가 조절되고 연소온도가 낮아져 배기가스에 포함되는 질소산화물의 양을 줄일 수 있다. 따라서, 선택적촉매환원반응기, 요소수 탱크 등의 설비가 생략될 수 있으며, 이에 따라, 유지 비용을 절감할 수 있음은 물론 선내 공간 활용도가 증대될 수 있다. 또한, 액화된 이산화탄소의 냉열을 이용하여 흡수제를 냉각하므로, 흡수제의 냉각에 소모되던 에너지를 절감할 수 있어 장치의 효율적인 운용이 가능한 특징이 있다.

이하, 도 1을 참조하여, 배기가스 처리장치(1)에 관하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 처리장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 배기가스 처리장치(1)는 배기관(10)과, 이산화탄소포집유닛(20), 및 이산화탄소액화유닛(30)을 포함한다.

배기관(10)은 연소기관(100)에서 생성된 배기가스가 배출되는 관으로, 일단이 연소기관(100)에 연결되고 타단이 연통(도시되지 않음)에 연결된다. 연소기관(100)은 연료를 연소하여 동력을 생성하므로, 연료의 연소에 따른 배기가스가 발생되며, 발생된 배기가스는 배기관(10)을 통해 배출된다. 배기관(10) 상에는 이산화탄소포집유닛(20)이 설치된다.

이산화탄소포집유닛(20)은 배기가스에 포함된 이산화탄소를 제거하는 것으로, 흡수부(21)와, 재생부(22), 및 인터쿨러(23)를 포함한다.

흡수부(21)는 배기관(10)을 통해 공급받은 배기가스에 이산화탄소를 흡수하는 흡수제를 무화(霧化) 또는 미립자화(微粒子化)하여 분사하는 것으로, 여기서, 흡수제라 함은, 이산화탄소를 흡수하는 성질이 있는 용액, 예를 들어, 아민(amine) 화합물 또는 암모니아의 수용액일 수 있다. 흡수부(21)는 선박의 요동에 용이하게 대처할 수 있도록 기체 접촉 방식의 흡수탑로 형성될 수 있으나, 이에 한정될 것은 아니며, 다양한 방식이 적용될 수도 있다. 배기가스는 흡수부(21) 하부로 공급되어 흡수부(21) 상부에서 분사되는 흡수제와 접촉하며, 이로 인해, 배기가스에 포함된 이산화탄소가 흡수제에 흡수되어 배기가스로부터 제거될 수 있다. 이산화탄소가 제거된 배기가스는 흡수부(21) 상부를 통해 외부로 배출되는데, 이산화탄소가 흡수제에 흡수될 때 발열 반응이 일어나므로, 흡수부(21) 상부에서 별도의 냉각과정을 거친 후 배출될 수 있다. 예를 들어, 배기가스는 흡수부(21) 상부에서 분사되는 청수 등의 냉각매체와 기액 접촉하여 냉각된 후 배출될 수 있으며, 배기가스와 접촉한 냉각매체는 집수되어 흡수부(21) 외부로 배출된 후 가압 및 냉각 과정을 거쳐 다시 흡수부(21)로 순환될 수 있다. 흡수부(21)에서 이산화탄소를 흡수한 흡수제는 공급라인(21a)을 따라 재생부(22)로 공급된다.

공급라인(21a)은 일단이 흡수부(21) 하부에 연결되고 타단이 재생부(22) 상부에 연결되어, 흡수부(21)에서 배출된 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 재생부(22) 상부로 공급할 수 있다. 공급라인(21a) 상에는 이산화탄소를 흡수하는 흡수제를 가압하는 펌프(21b)와, 공급라인(21a)과 후술할 제2 순환라인(22b)을 열교환하는 열교환기(21c)가 설치될 수 있다. 열교환기(21c)는 흡수부(21)에서 배출된 약 40~50℃의 이산화탄소를 흡수한 흡수제를, 재생부(22)에서 배출된 약 80~150℃의 이산화탄소가 분리된 흡수제와 열교환하여 가열한다. 즉, 열교환기(21c)는 공급라인(21a)을 통해 흡수부(21)에서 재생부(22)로 공급되는 흡수제와, 제2 순환라인(22b)을 통해 재생부(22)에서 흡수부(21)로 순환되는 흡수제를 열교환하여, 재생부(22)로 공급되는 흡수제의 온도는 높이고 흡수부(21)로 순환되는 흡수제의 온도는 낮추는 역할을 한다. 따라서, 흡수부(21)에서 이산화탄소가 흡수제에 용이하게 흡수될 수 있고, 재생부(22)에서 이산화탄소가 흡수제로부터 용이하게 분리될 수 있다. 열교환기(21c)에서 가열된 이산화탄소를 흡수한 흡수제는 재생부(22) 상부로 유입될 수 있다.

재생부(22)는 흡수부(21)로부터 이산화탄소가 흡수된 흡수제를 공급받아 흡수제로부터 이산화탄소를 분리한다. 보다 구체적으로, 열교환기(21c)에서 가열된 후 재생부(22) 상부로 공급된 이산화탄소를 흡수한 흡수제는, 재생부(22) 상부에서 하부로 흐르면서 열에너지에 의해 이산화탄소가 분리된다. 이 때, 재생부(22) 내 흡수제 중 일부는 제1 순환라인(22a)을 통해 리보일러(26)로 유입되어 가열되며, 리보일러(26)의 가열에 의해 흡수제로부터 발생된 이산화탄소와 증기는 제1 순환라인(22a)을 통해 재생부(22)로 공급되어 열에너지를 추가로 제공하면서 이산화탄소의 분리 효율을 높일 수 있다. 전술한 바와 같이, 재생부(22)로 공급되는 흡수제는 열교환기(21c)에서 가열된 상태이고, 리보일러(26)에서 가열된 흡수제로부터 발생된 이산화탄소와 증기가 열에너지를 추가로 제공하므로, 이산화탄소가 흡수제로부터 용이하게 분리될 수 있다. 흡수제로부터 분리된 고농도의 이산화탄소는 재생부(22) 상부로 배출되어 응축기(22c)와 환류드럼(22d)을 차례로 통과하며 수분이 제거되고, 이산화탄소로부터 분리된 수분은 가압되어 다시 재생부(22)로 순환될 수 있다.

전술한 제2 순환라인(22b)은 재생부(22)에서 배출되는 흡수제를 흡수부(21)으로 순환시키며, 제2 순환라인(22b) 상에는 전술한 열교환기(21c)와, 펌프(221), 및 인터쿨러(23)가 설치될 수 있다. 재생부(22)에서 배출되어 제2 순환라인(22b)을 유동하는 약 80~150℃의 이산화탄소가 분리된 흡수제는 열교환기(21c)에서 공급라인(21a)을 유동하는 흡수제와 열교환하여 1차로 냉각되며, 펌프(221)에서 가압된 후 인터쿨러(23)에서 2차로 냉각되어 약 30~50℃로 흡수부(21)에 공급될 수 있다. 인터쿨러(23)에 대해서는 후술하여 보다 구체적으로 설명한다.

한편, 환류드럼(22d)에서 배출된 이산화탄소는 이산화탄소액화유닛(30)으로 공급되어 액화되며, 이산화탄소액화유닛(30)에서 생성된 액화이산화탄소 중 적어도 일부는 연소기관(100)의 흡기관(110)으로 공급된다. 이 때, 액화이산화탄소는 흡기관(110)으로 공급되기 전에 기화하여 기체 상태의 이산화탄소가 연소기관(100)으로 공급될 수 있다. 이산화탄소액화유닛(30)에서 생성된 액화이산화탄소가 기화되어 흡기관(110)으로 공급됨으로써, 연료의 메탄가가 조절되고 연소온도가 낮아져 배기가스에 포함되는 질소산화물의 양을 줄일 수 있다. 배기가스에 포함된 질소산화물의 양이 줄어듦에 따라, 선택적촉매환원반응기, 요소수 탱크 등의 설비가 생략될 수 있으며, 이에 따라, 유지 비용을 절감할 수 있음은 물론 선내 공간 활용도가 증대될 수 있다.

이산화탄소액화유닛(30)에서 생성된 액화이산화탄소는 이산화탄소액화유닛(30) 후단에 설치된 저장탱크(40)에 저장되고, 저장탱크(40)에 저장된 액화이산화탄소와 액화이산화탄소가 기화된 이산화탄소 중 적어도 하나는 필요 시 인터쿨러(23)에 냉열을 전달한 후 흡기관(110)으로 공급될 수 있다. 액화이산화탄소와 액화이산화탄소가 기화된 이산화탄소 중 적어도 하나가 인터쿨러(23)에 냉열을 전달함으로써, 흡수제의 냉각에 소모되던 에너지를 절감할 수 있어 장치 효율이 증대될 수 있다. 보다 구체적으로, 인터쿨러(23)는 재생부(22)에서 흡수부(21)로 순환되는 이산화탄소가 분리된 흡수제를, 흡기관(110)으로 공급되는 액화이산화탄소와 직접 또는 간접적으로 열교환하여 냉각할 수 있다. 이하, 인터쿨러(23)가 흡수제와 액화이산화탄소를 간접적으로 열교환하는 구조를 보다 중점적으로 설명한다. 인터쿨러(23)에는 순환관(24)이 경유하고, 순환관(24)은 폐루프 독립 사이클을 구성하여 흡수제와 열교환하는 냉매가 순환할 수 있다. 즉, 인터쿨러(23)는 제2 순환라인(22b)을 유동하는 이산화탄소가 분리된 흡수제와, 순환관(24)을 유동하는 냉매를 열교환하여 흡수제를 냉각시킨다. 순환관(24)은 보조인터쿨러(25)를 경유하고, 보조인터쿨러(25)는 저장탱크(40)로부터 공급되는 액화이산화탄소 또는 기화된 이산화탄소 중 적어도 하나와 냉매를 열교환하므로, 흡수제와 열교환하여 가열된 냉매는 다시 냉각될 수 있다. 보조인터쿨러(25)에서 액화이산화탄소와 냉매가 열교환하는 경우, 액화이산화탄소는 냉열을 뺏겨 기화될 수 있으며, 기화된 이산화탄소와 냉매가 열교환하는 경우, 이산화탄소는 온도가 상승할 수 있다. 저장탱크(40)에 저장된 액화이산화탄소는 제1 유동관(41)을 따라 유동하고, 저장탱크(40)에 저장된 액화이산화탄소가 기화된 이산화탄소는 제2 유동관(42)을 따라 유동하며, 제1 유동관(41)과 제2 유동관(42)은 합류관(43)에 합류될 수 있다. 합류관(43)은 보조인터쿨러(25)를 관통하여 흡기관(110)에 연결되므로, 보조인터쿨러(25)를 통과한 액화이산화탄소는 기화되어 연소기관(100)으로 공급될 수 있다.

이하, 도 2를 참조하여, 배기가스 처리장치(1)의 동작에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

도 2는 배기가스 처리장치의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.

본 발명에 따른 배기가스 처리장치(1)는 배기가스로부터 분리된 이산화탄소를 연소기관(100)의 흡기관(110)으로 공급하므로, 연료의 메탄가가 조절되고 연소온도가 낮아져 배기가스에 포함되는 질소산화물의 양을 줄일 수 있다. 따라서, 선택적촉매환원반응기, 요소수 탱크 등의 설비가 생략될 수 있으며, 이에 따라, 유지 비용을 절감할 수 있음은 물론 선내 공간 활용도가 증대될 수 있다. 또한, 액화된 이산화탄소의 냉열을 이용하여 흡수제를 냉각하므로, 흡수제의 냉각에 소모되던 에너지를 절감할 수 있어 장치의 효율적인 운용이 가능하다.

연소기관(100)에서 생성된 배기가스는 배기관(10)을 통해 이산화탄소포집유닛(20)의 흡수부(21)로 공급되어 흡수제와 기액 접촉하며, 이로 인해, 배기가스에 포함된 이산화탄소가 흡수제에 흡수된다. 이산화탄소가 제거된 배기가스는 흡수부(21) 상부에서 별도의 냉각과정을 거친 후 외부로 배출되고, 이산화탄소를 흡수한 흡수제는 공급라인(21a)을 통해 배출된다. 공급라인(21a)으로 배출된 이산화탄소를 흡수한 흡수제는 펌프(21b)에서 가압된 후 열교환기(21c)에서 제2 순환라인(22b)을 통해 흡수부(21)로 순환되는 흡수제와 열교환하여 가열된 후 재생부(22)로 공급된다. 재생부(22)로 공급된 이산화탄소를 흡수한 흡수제는 재생부(22)의 상부에서 하부로 흐르는 열에너지에 의해 이산화탄소가 분리되고, 이산화탄소가 분리된 흡수제 중 일부는 제1 순환라인(22a)을 통해 리보일러(26)로 유입되어 가열된 후 다시 재생부(22)로 공급된다. 이산화탄소가 분리된 흡수제 중 나머지 일부는 제2 순환라인(22b)을 통해 열교환기(21c)를 통과한 후 인터쿨러(23)를 경유하여 다단으로 냉각된 후 흡수부(21)로 공급된다.

한편, 흡수제로부터 분리된 고농도의 이산화탄소는 재생부(22) 상부로 배출되어 수분이 제거된 후 이산화탄소액화유닛(30)으로 이동하여 액화된다. 이산화탄소액화유닛(30)에서 생성된 액화이산화탄소는 저장탱크(40)에 저장되며, 저장탱크(40)에 저장된 액화이산화탄소 또는 기화된 이산화탄소는 필요 시 제1 유동관(41) 또는 제2 유동관(42)을 통해 합류관(43)으로 유동하여 보조인터쿨러(25)로 공급된다. 보조인터쿨러(25)는 합류관(43)을 유동하는 액화이산화탄소 또는 기화된 이산화탄소와, 순환관(24)을 유동하는 냉매를 열교환하며, 인터쿨러(23)에서 냉각된 냉매는 순환관(24)을 따라 인터쿨러(23)로 이동하여 흡수제에 냉열을 전달한다. 인터쿨러(23)에서 냉매와 열교환한 액화이산화탄소 또는 기화된 이산화탄소는 기화 또는 온도가 상승된 상태로 합류관(43)을 따라 이동하여 흡기관(110)에 공급된다. 연소기관(100)으로 공급된 외기와 이산화탄소는 연료의 메탄가를 조절하고 연소온도를 낮추는 역할을 하며, 이로 인해, 배기가스에 포함된 질소산화물의 양이 감소할 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.