KR101505575B1 - 배기가스 유해물질 저감시스템 - Google Patents

배기가스 유해물질 저감시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 교반부를 포함하는 배기가스 유해물질 저감시스템은, 내부에 고체석회가 수용되는 석회탱크, 내부에 고체요소가 수용되는 요소탱크, 배기가스의 유입경로와 유출경로 사이에 구비되며, 상기 배기가스에 포함된 분진, 황산화물 및 질산화물을 제거하는 하나 이상의 필터를 포함하는 필터부, 상기 고체석회 및 상기 고체요소에 용매를 공급하고 교반하여 고체석회를 용해시키고, 상기 고체석회의 용해 시 발생하는 반응열로 상기 고체요소를 용해시켜 혼합물을 형성하는 교반부 및 상기 혼합물을 상기 필터부로 공급하는 공급부를 포함한다.

Description

배기가스 유해물질 저감시스템{Toxic Substance Reduction System of Treating Exhaust Gas}
본 발명은 배기가스의 유해물질을 저감시키는 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고체요소와 고체석회를 교반하는 교반부를 이용해 분진, 황산화물 및 질산화물을 동시에 저감시킬 수 있는 저감시스템에 관한 것이다.
최근 선박의 엔진에서 발생되는 배기가스의 오염물질에 대한 환경규제가 점차 강화되고 있으며, 이에 따라 다양한 엔진 배기가스 후처리 기술 및 장치가 개발 및 적용되고 있다.
2016년부터 발효되는 티어(Tier) III의 경우 현재의 티어 II 대비 질산화물(NOx)을 80%이상 줄여야 하며, 2013년부터 온실가스인 이산화탄소가 EEDI(Energy Efficiency Design Index)와 연계되어 규제의 적용 대상이 된다.
또한 황산화물(SOx)에 대한 규제도 점차 강화되는 추세에 있으며, 분진(Particulate Matter, PM)은 현재 규제대상은 아니지만, 이 역시 규제에 대한 논의가 진행되고 있어, 빠른 시일 내에 규제 대상에 포함될 가능성이 있다.
질소산화물 저감을 위한 대표적인 후처리 장치로는 SCR(Selective Catalytic Reduction)장치가 있으며, 현재 티어 III의 유일한 대안으로 평가되고 있다. 그리고 현재는 메인 엔진에의 적용을 위한 저온촉매 기술의 개발이 진행 중이다.
한편 전술한 바와 같이 황산화물에 대한 규제도 점차 강화되는 추세에 있으며, 황산화물 배출을 줄이기 위한 방법은 크게 두 가지로 나뉘어질 수 있다.
첫째는 황산화물을 화학적으로 후처리하는 방법으로 석회(Lme)를 이용한 반건식 방법 또는 수산화나트륨(NaOH)를 이용하는 습식방식이며, 두 번째 방법은 연료 자체를 저유황 연료로 사용하는 방식이다. 최근에는 ECA(Emission Control Area)에서 저유황 연료를 사용하는 방식이 널리 사용되고 있다.
분진(PM)의 경우 자동차에서 이미 개발된 DPF(Diesel Particulate Filter)기술이 널리 쓰이고 있다. 이는 DPF에 분진이 여과되어 쌓이게 되고, 이후 일정량이 쌓인 후 연소를 통해 분진을 제거하는 방식이다.
이와 같이 질산화물, 황산화물, 분진에 대한 각각의 후처리장치가 존재하고 있으나, 이러한 각각의 장치를 별도로 선박에 적용할 경우 설비를 구축하기 위한 비용 문제, 설치공간에 대한 문제 및 압력손실에 대한 문제로 인해 큰 부담이 따르게 된다.
따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.
한국등록특허 제10-0999571호
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 고체요소 및 고체석회를 이용하여 효율성을 제고하고, 설비 설치에 따른 비용이 저렴하며, 점유하는 부피가 적고 효율적인 유해물질 저감시스템을 제공하기 위함이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 교반부를 포함하는 배기가스 유해물질 저감시스템은, 내부에 고체석회가 수용되는 석회탱크, 내부에 고체요소가 수용되는 요소탱크, 배기가스의 유입경로와 유출경로 사이에 구비되며, 상기 배기가스에 포함된 분진, 황산화물 및 질산화물을 제거하는 하나 이상의 필터를 포함하는 필터부, 상기 고체석회 및 상기 고체요소에 용매를 공급하고 교반하여 고체석회를 용해시키고, 상기 고체석회의 용해 시 발생하는 반응열로 상기 고체요소를 용해시켜 혼합물을 형성하는 교반부 및 상기 혼합물을 상기 필터부로 공급하는 공급부를 포함한다.
그리고 상기 공급부는, 상기 석회탱크에 연결되어 고체석회를 상기 교반부로 유동시키는 석회유로와, 상기 요소탱크에 연결되어 고체요소를 상기 교반부로 유동시키는 요소유로를 포함할 수 있다.
또한 상기 공급부는, 상기 교반부에 연결되어 상기 혼합물을 유동시키는 공급유로를 포함할 수 있다.
그리고 상기 공급부는, 상기 혼합물을 상기 배기가스 유입경로에 공급할 수 있다.
또한 상기 공급부는, 상기 혼합물을 상기 필터 전단에 공급할 수 있다.
그리고 상기 교반부는 상기 교반부 내를 승온시키는 제1히팅유닛을 포함할 수 있다.
또한 상기 교반부와 연결되고, 상기 교반부에 용매를 공급하는 용매저장부를 더 포함할 수 있다.
그리고 상기 유출경로에 유동되는 배기가스의 황산화물 및 질산화물 농도를 감지하여 상기 공급부의 상기 혼합물의 양을 조절하기 위한 감지센서를 더 포함할 수 있다.
또한 상기 필터부는 복수 개가 구비될 수 있다.
그리고 상기 공급부는, 상기 혼합물을 상기 복수의 필터부 각각에 공급할 수 있다.
또한 상기 필터부에는 상기 필터 표면에 발생된 집진물을 제거하는 진동유닛 또는 압축공기분사유닛이 구비될 수 있다.
그리고 상기 배기가스의 유입경로 및 상기 필터부 중 적어도 어느 일측에 유동되는 배기가스를 승온시키는 제2히팅유닛을 더 포함할 수 있다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 교반부를 포함하는 배기가스 유해물질 저감시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 적은 비용으로 배기가스에 포함된 유해물질을 효율적으로 저감시킬 수 있다는 장점이 있다.
둘째, 설비 시 소요되는 비용이 저렴하다는 장점이 있다.
셋째, 설비가 점유하는 부피가 작다는 장점이 있다.
넷째, 필터부에서 황피독에 의한 눈막힘 현상이 발생하지 않는다는 장점이 있다.
다섯째, 석회 용해에 따른 반응열에 의해 고체요소를 용해시키므로, 고체요소 용해 시 요구되는 별도의 에너지 사용을 최소화시킬 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 유해물질 저감시스템의 각 구성을 나타낸 도면;
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 유해물질 저감시스템에 있어서, 필터부 내에 구비된 필터의 모습을 나타낸 도면;
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스 유해물질 저감시스템의 각 구성을 나타낸 도면;
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 배기가스 유해물질 저감시스템의 각 구성을 나타낸 도면; 및
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 배기가스 유해물질 저감시스템의 각 구성을 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 유해물질 저감시스템의 각 구성을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 유해물질 저감시스템은 석회탱크(300)와, 요소탱크(200)와, 공급부와, 필터부(100)와, 교반부(250)를 포함한다.
석회탱크(300)는 내부에 고체석회가 수용되며, 이는 생석회(CaO) 또는 소석회(Ca(OH)2) 중 어떤 것이라도 무방하다. 그리고 요소탱크(200)의 내부에는 고체요소가 수용된다.
그리고 상기 공급부는, 교반부(250)에 의해 교반된 석회 및 요소의 혼합물을 상기 필터부(100)에 공급한다. 본 실시예에서 상기 공급부는 혼합물을 분사하는 공급노즐(220)을 포함할 수 있다.
또한 본 실시예의 경우, 상기 공급부는 상기 석회탱크(300)에 연결되어 고체석회를 상기 교반부(250)로 유동시키는 석회유로(310)와, 상기 요소탱크(200)에 연결되어 고체요소를 상기 교반부(250)로 유동시키는 요소유로(210)와, 상기 교반부(250)에 연결되어 교반된 혼합물을 유동시키는 공급유로(230)를 포함할 수 있다.
즉 공급부는 배기가스 유입경로(10a)에 혼합물을 공급할 수도 있으며, 필터부(100) 내측에서 필터(110) 전단에 혼합물을 공급할 수도 있다. 본 실시예에서는 공급노즐(220)이 배기가스 유입경로(10a) 측에 위치된다.
그리고 본 실시예의 경우, 공급노즐(220)은 하나가 구비되나, 이와 달리 공급노즐(220)의 개수는 하나, 또는 복수 개 등 다양하게 형성될 수 있음은 물론이다.
이와 같이 공급노즐(220)에 의해 분사된 혼합물은 배기가스에 혼합된다. 이중 석회의 경우 배기가스에 포함된 황산화물(SOx)과 반응하고, 반응물의 입도가 보다 증가된다. 이는 일반적으로 당업자에게 자명한 사항이므로, 본 반응에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
그리고 분사된 요소는 배기가스에 혼합된 상태로 필터(110) 측으로 유동된다.
교반부(250)는 석회탱크(300) 및 요소탱크(200)로부터 유동된 고체석회 및 고체요소에 용매를 공급하고 교반하여 용해시키는 역할을 수행한다. 상기 용매는 석회 및 요소를 용해시키는 다양한 물질일 수 있으며, 본 실시예의 경우 물이 사용된다.
특히 이 과정에서 녹는점이 보다 낮은 고체석회가 1차적으로 용해되며, 상기 고체석회의 용해 시 발생하는 반응열에 의해 이후 고체요소가 2차적으로 용해된다.
즉 석회 용해에 따른 반응열에 의해 고체요소를 용해시킬 수 있으므로, 고체요소 용해 시 요구되는 별도의 에너지 사용을 최소화시킬 수 있다는 장점이 있다.
한편 본 실시예에서는 상기 고체요소 승화부(250)에 연결되어, 상기 고체요소 승화부(250)에 용매를 공급하는 용매저장부(500)가 더 포함될 수 있다. 용매저장부(500)는 생석회와 반응을 위한 용매가 저장되며, 이는 용매유로(510)를 통해 유동될 수 있다.
다만, 본 실시예와 달리 용매저장부(500)는 용매를 저장하는 형태가 아니라 용매를 외부로부터 끌어 공급하는 형태로 형성될 수 있음은 물론이다.
한편 본 실시예의 경우, 상기 유출경로(10b)에 유동되는 배기가스의 황산화물 및 질산화물 농도를 감지하여 상기 공급부의 혼합물 공급량을 조절하기 위한 감지센서(410)를 더 포함할 수 있다.
그리고 이를 위해 감지센서(410)와 공급노즐(220)을 연결하는 공급제어배선(412) 상에는 제어유닛(414)이 구비될 수 있다.
추가적으로, 도시되지는 않았으나, 상기 배기가스의 유입경로(10a) 및 상기 필터부(100) 중 적어도 어느 일측에 유동되는 배기가스를 승온시키는 제2히팅유닛을 더 포함할 수 있다. SCR(Selective Catalytic Redection) 시스템의 경우 일반적으로 발생하는 배기가스의 온도 수준인 280~510℃에서 반응이 일어나기는 하나, 유동되는 배기가스의 온도가 충분치 못할 경우 상기 제2히팅유닛으로 배기가스를 승온시킬 수 있도록 할 수 있다.
필터부(100)는 배기가스의 유입경로(10a)와 유출경로(10b) 사이에 구비되며, 내측에는 하나 이상의 필터(110)가 구비된다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 배기가스 유해물질 저감시스템에 있어서, 필터부 내에 구비된 필터(110)의 모습을 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서는 필터부 내측에 복수 개의 필터(110)가 횡 방향 및 종 방향으로 배열되고, 이는 지지체(120)에 장착된다. 그리고 필터(110)는 배기가스에 포함된 분진, 황산화물 및 질산화물을 저감시킬 수 있다. 그리고 상기 필터(110)는 세라믹필터일 수 있다.
구체적으로, 전술한 바와 같이 석회와 반응하여 입도가 증가된 황산화물은 필터(110)의 표층에서 분진과 함께 집진되며, 필터(110)의 내측에서는 요소와 충분히 혼합된 질산화물이 필터(110)에 코팅 또는 담지된 촉매에 의해 반응이 활성화되어 제거된다.
한편 필터부에는 상기 필터 표면에 발생된 집진물을 제거하는 집진물 제거수단이 구비될 수 있으며, 이는 다양한 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 집진물 제거수단은 진동유닛 형태로 구비되어 진동에 의해 집진물을 제거할 수도 있으며, 압축공기분사유닛 형태로 구비되어 집진물을 제거할 수도 있는 등 다양한 방법이 사용될 수 있다. 또는 전기집진장치가 사용될 수도 있다.
이하에서는, 본 발명의 다른 실시 형태에 대해 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스 유해물질 저감시스템의 각 구성을 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 따른 배기가스 유해물질 저감시스템은 전체적으로 모든 구성이 전술한 제1실시예의 경우와 동일하게 형성된다.
다만, 본 실시예에서 공급부는 상기 혼합물을 상기 필터(110) 전단에 더 공급한다는 것이 제1실시예와 다르다. 즉 공급유로(230)는 필터(100) 측으로 분지되고, 배기가스가 필터(110)를 통과하기 이전에 복수 단계에 걸쳐 혼합물을 배기가스에 충분히 혼합시킬 수 있다.
이를 위해 공급부는 보조공급노즐(222)을 더 포함할 수 있으며, 또한 이 경우 공급제어배선(412)은 보조공급노즐(222) 측에도 연결되어 공급량을 조절하도록 할 수 있음은 물론이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 배기가스 유해물질 저감시스템의 각 구성을 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 따른 배기가스 유해물질 저감시스템은 전체적으로 모든 구성이 전술한 제2실시예의 경우와 동일하게 형성된다.
다만, 본 실시예에서 상기 필터부(100a, 100b)는 복수 개가 연속적으로 구비되고, 상기 공급부는 상기 혼합물을 상기 복수의 필터부(100a, 100b) 각각에 더 공급한다는 점이 제2실시예와 다르다. 즉 필터부(100a, 100b)는 복수 개가 다단으로 구비되어 배기가스에 포함된 유해물질의 제거 효과를 더욱 향상시킬 수 있다.
그리고 공급부는 전방의 필터부(100a)에 구비된 필터(110)를 통과한 배기가스에 혼합물을 재혼합하여, 미처 제거되지 않은 황산화물 및 질산화물을 후방의 필터부(100b)에 구비된 필터(110)에서 제거하도록 할 수 있다.
또한 이를 위해 공급부는 복수의 필터부 사이의 보조공급노즐(222)을 더 포함할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 배기가스 유해물질 저감시스템의 각 구성을 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제4실시예에 따른 배기가스 유해물질 저감시스템은 전체적으로 모든 구성이 전술한 제1실시예의 경우와 동일하게 형성된다.
다만, 본 실시예에서 교반부(250)는 상기 교반부(250) 내를 승온시키는 제1히팅유닛(252)을 포함한다. 즉 석회 용해에 따른 반응열이 충분하지 않을 경우, 제1히팅유닛(252)을 이용하여 추가적인 열을 안정적으로 공급할 수 있다.
상기 제1히팅유닛(252)은 다양한 가열 수단으로 형성될 수 있으며, 열전소자 등이 이용될 수도 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
10a: 배기가스 유입경로 10b: 배기가스 유출경로
100: 필터부 110: 필터
120: 지지체 200: 요소탱크
210: 요소유로 220: 공급노즐
222: 보조공급노즐 230: 공급유로
250: 교반부 252: 제1히팅유닛
300: 석회탱크 310: 석회유로
410: 감지센서 412: 공급제어배선
414: 제어유닛 500: 용매저장부
510: 용매유로 520: 용매분사노즐

Claims (12)

  1. 내부에 고체석회가 수용되는 석회탱크;
    내부에 고체요소가 수용되는 요소탱크;
    배기가스의 유입경로와 유출경로 사이에 구비되며, 상기 배기가스에 포함된 분진, 황산화물 및 질산화물을 제거하는 하나 이상의 세라믹필터를 포함하는 필터부;
    상기 고체석회 및 상기 고체요소에 용매를 공급하고 교반하여 고체석회를 용해시키고, 상기 고체석회의 용해 시 발생하는 반응열로 상기 고체요소를 용해시켜 액체 상태의 혼합물을 형성하는 교반부;
    상기 교반부와 연결되어, 상기 교반부에 상기 고체석회의 용해를 위한 용매를 공급하는 용매저장부; 및
    상기 액체 상태의 혼합물을 상기 필터부로 공급하는 공급부; 를 포함하는 배기가스 유해물질 저감시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 공급부는,
    상기 석회탱크에 연결되어 고체석회를 상기 교반부로 유동시키는 석회유로와, 상기 요소탱크에 연결되어 고체요소를 상기 교반부로 유동시키는 요소유로를 포함하는 배기가스 유해물질 저감시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공급부는,
    상기 교반부에 연결되어 상기 혼합물을 유동시키는 공급유로를 포함하는 배기가스 유해물질 저감시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공급부는,
    상기 혼합물을 상기 배기가스 유입경로에 공급하는 배기가스 유해물질 저감시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 공급부는,
    상기 혼합물을 상기 필터 전단에 공급하는 배기가스 유해물질 저감시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 교반부는 상기 교반부 내를 승온시키는 제1히팅유닛을 포함하는 배기가스 유해물질 저감시스템.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유출경로에 유동되는 배기가스의 황산화물 및 질산화물 농도를 감지하여 상기 공급부의 상기 혼합물의 양을 조절하기 위한 감지센서를 더 포함하는 배기가스 유해물질 저감시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 필터부는 복수 개가 구비된 배기가스 유해물질 저감시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 공급부는,
    상기 혼합물을 상기 복수의 필터부 각각에 공급하는 배기가스 유해물질 저감시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 필터부에는 상기 필터 표면에 발생된 집진물을 제거하는 진동유닛 또는 압축공기분사유닛이 구비된 배기가스 유해물질 저감시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 배기가스의 유입경로 및 상기 필터부 중 적어도 어느 일측에 유동되는 배기가스를 승온시키는 제2히팅유닛을 더 포함하는 배기가스 유해물질 저감시스템.
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