KR101566936B1 - 선박 연료가스의 탈황 방법 및 장치 - Google Patents

선박 연료가스의 탈황 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선박의 연료가스 탈황 방법 및 연료가스 탈황 장치에 관한 것으로, 해수를 이용하여 선박으로부터 배출된 이산화황 등의 오염물질을 저감시킨다. 그 방법은 해수 세정, 산성 해수 이송, 탈산 처리 및 배수 등의 단계를 포함한다. 그 장치는 세정기와 절수 탈산기를 가진다. 세정기의 상부는 세정층이며, 배관을 통해 세정 해수 펌프와 연결된다. 세정기의 하부는 냉각층이다. 세정기의 일단은 세정 흡기관을 통해 선박 엔진의 배연관과 연결되고, 타단은 세정 배기관과 연결된다. 세정기의 하부는 절수 탈산기와 연결된다. 절수 탈산기는 해수 혼입 펌프와, 송풍기와, 탈산 처리된 배출 규제에 적합한 해수의 총합 배수관과 연결된다. 본 발명에 의하면, 탈황 효율이 높고 해수의 사용량이 적은 한편, 설비의 제조와 운전 비용이 낮다.

Description

선박 연료가스의 탈황 방법 및 장치{A METHOD AND DEVICE FOR DESULFURIZATION OF THE SMOKE DISCHARGED FROM SHIP}
본 발명은, 선박 연료가스 탈황(FGD) 방법 및 장치에 관한 것으로, 해수를 이용하여 선박 엔진에서 배출된 이산화황(SO2) 등의 오염물질을 제거하고, 대기환경의 보호, 해양자원의 개발 이용 및 선박 배기가스 오염 방지 관리의 기술분야에 속한다.
선박의 이산화황 배출 저감 문제는 보다 진지해져 전세계 사람들의 주목을 받고 있으며, 그에 관한 국제입법은 더욱 엄밀하고 완비화되고 있다. 현대 글로벌 경제를 유지하는 해상 운수업은 연료유(fuel oil) 엔진이 탑재된 선박들을 대량으로 보유하고 있다. 이 때문에, 산황화물의 배출 저감을 모두 저황 연료의 사용에 의해 실현할 경우, 해상 운수업의 경제 코스트가 큰 폭으로 상승할 수 있다. 따라서, 선박에 경제적이고 실용적인 연료가스 탈황(FGD) 프로세스를 제공하는 것이 요구되고 있다.
가스의 온도가 200∼490℃의 고온이고, 게다가 여러 해역들을 항해하는 상태에 있는 선박에 사용되는 연료가스 탈황(FGD) 기술들은, 육상 석탄연소 공업설비에서 사용되는 FGD 기술들에 비해, 경제적인 문제 때문에 기술들의 실용성에 대하여 더 관심을 가져야 한다. 즉, 제조비 및 운전비를 포함한 선박의 연료가스 탈황 설비의 총비용은 저황 연료로 대체함으로써 절감된 총비용보다 현저하게 적지 않으면 안된다.
그 때문에, 2005년에 IMO(국제해사기관)이 선박의 탈황 규정을 제출한 직후, 해수 FGD 기술들의 잠재적인 경제적 이점들을 인식하게 되었다. 2007년에 4개의 국제적인 유명 대학에서 공동으로 수행한 연구는 해양 자원, 즉 해수를 이용한 선박에서의 이산화황의 배출 저감을 사람들이 장기간에 걸쳐 실현하려고 했지만 실현될 수 없었던 기대였다고 명확하게 결론내렸다.
미국의 메사추세츠 공과대학(Massachusetts Institute of Technology), 일본의 도쿄대학(University of Tokyo;東京大學), 스웨덴의 샤르마즈 공과대학(Chalmers University of Technology) 및 스위스의 연방공과대학 취리히교(Swiss Federal Institute of Technology Zurich)의 4개 대학기금연합회의 「해수 세정에 의한 선박의 폐가스로 배출되는 SOX의 저감」이라고 하는 명칭의 연구 보고서(ISBN: 978-91-976534-1-1)에서는 「선박으로부터 배출되는 황산화물의 저감에 대하여, 해수 세정은 상당히 장래성이 있는 기술이다. …… 자세한 실례의 연구를 한층 더 실시할 필요가 있다. …… 더 연구를 하고 나서 확정할 수 있다」라고 지적되고 있다.
현재, 해수 세정 방법에 의해 선박으로부터의 연료가스 오염을 저감시키는 종래 기술로서는 이하의 것이 알려져 있다.
1. 2008년 1월 16일에 공개된 중국특허출원 제200710012371.1호로, 명칭이 「선박의 배기가스에 대하여 해수 세정 처리를 하는 장치 및 방법」인 기술에 있어서, 세정기로서의 중공 섬유막 접촉기 내에서 제진(除塵) 사전 처리된 선박의 배기가스에 대하여 해수 세정 처리를 하고 있다. SO2 농도 감시계, 수질 감시계 및 PLC 프로그래밍 제어장치로 구성된 제어시스템으로 처리 완료된 선박의 배기가스의 SO2 농도와 폐수 수질을 실시간으로 검출·기록하고 배수를 제어한다. 그러나, 상기 기술에는 다음의 문제가 있다.
1) 상기 기술 방안에서는, 세정기는 중공 섬유막 접촉기에 의해 세정 기능을 실현하고 있지만, 이 중공 섬유막의 내열성은 섭씨 수십 ℃ 밖에 되지 않기 때문에 해당 기술방안은 연료가스 온도가 200∼490℃인 고온의 선박 엔진의 연료가스 처리에 응용할 수 없다.
2) 동시에, 세정기는 중공 섬유막 접촉기에 의해 세정 기능을 실현하고 있어 그 압력 강하 및 저항력이 매우 크기 때문에, 부스터 팬을 증설하면 시스템 운전비 및 에너지 손실이 매우 높아진다.
2. 2007년의 미국 문헌으로, 명칭이 「해수 세정에 의한 선박의 폐가스로부터 배출되는 SOx의 저감」인 연구 보고서(ISBN: 978-91-976534-1-1)에는 다음의 내용이 공개되어 있다. 「선박으로부터 배출되는 황산화물의 저감에 대하여 해수 세정은 꽤 장래성이 있는 기술이다. 상기 문헌에서는 12조 와트의 엔진으로 황 함유량 3%의 연료를 연소하는 것을 계산 기초로, 선박에서의 해수 세정에 대한 해양 화학 분석을 실시하여 다른 탈황 효율과, 다른 수온의 다른 6종류의 수역에서 필요로 하는 수량을 얻었다. 구체적으로, 1)SOx를 흡수하는(세정 과정중에), 2)pH값이 6.5가 될 때까지 세정수를 희석하는, 3)환경 해수의 pH값의 0.2 단위 이내가 되도록 하고 용존 산소 농도의 저감이 1% 이하가 되도록 한층 더 희석한다. 일정한 세정 효율을 유지하기 위해, …… 세정 및 희석하는데 상당히 많은 수량(water volumes)을 필요로 한다. …… 따라서, 자세한 실례의 연구를 더 할 필요가 있다. 예를 들면, 세정수 속에 공기를 통과시키고 산성의 황산화물을 중화시키기 위해서 염기를 부가하는데 필요한 희석수의 양을 저감시킬 수 있는지에 대한 결론을 짓기 위해서는 한층 더 연구가 필요하다.」
상기 문헌은 해수 세정 방식에 관한, 선박으로부터 배출되는 이산화황의 저감을 위한 최근 연구의 대표적인 것이며, 그 연구는 아직 기술원리의 탐색 단계에 있어 그 직면하는 문제, 즉 흡수 효율이 낮은 문제와 많은 희석수가 필요한 문제에 관해서는 더 연구하여 해결하지 않으면 안된다. 배수에 의한 환경의 파괴를 방지하기 위해, 세정 배수와 환경 해수의 혼합에 대하여는 이미 미국 국가환경보호국(EPA)과 국제해사기관(IMO)에 의해 법규로 규범화되어 있다. 즉, 혼합 과정은 급성 혼합구와 만성 혼합구의 두 개의 영역으로 나누어 정의된다. 급성 혼합구의 경계에 대하여는 pH값은 6.5이고 15분 이내에 경계 pH값에 이르도록 요구되고, 만성 혼합구에 대하여는 경계 pH값과 환경 해수 pH값의 차이가 0.2 이하가 되어야 한다. 상기 문헌에서는, 연구 계산한 엔진이 12조 와트인 선박의 배기가스 탈황 시스템은 연료가스 및 해수 배출의 환경보호 요구를 충족시키기 위해, 선박에 1시간마다 수천 톤의 해수를 제공할 필요가 있으며, 또한 해수가 선박으로부터 배출된 후 해수를 40,000배 이상의 환경 해수와 혼합해 계속해서 희석할 필요가 있다. 상기 문헌에 기재된 연구는 아직도 실용 프로세스 및 실용 장치의 기술 방안을 제시하지 못하였다.
3. 2006년 2월의 캐나다 문헌 「에코 소음기 배기가스 세정 소개(EcoSilencer Exhaust Gas Cleaning Presentation)」에는 에코 소음기 방식에 의한 해수 세정 프로세스 시스템 및 장치가 소개되어 있고(문헌의 도면 5), 상기 프로세스 장치는 2006년까지 6년 이상에 걸쳐 실험을 하였으며, 그 핵심 부품인 세정기는 미국 특허번호 US7,056,367호로, 명칭이 「혼합 날개를 이용한 기체 세정 방법 및 장치」(문헌의 도면 4)에 제시된 특허 기술 방안을 채용하고 있다.
선박 엔진으로부터 배출되는 고온의 배기가스는 냉각하지 않으면 그 중의 이산화황을 흡수할 수 없기 때문에, 세정기(US7,056,367호)는 「배기가스를 저수조의 세정액에 도입하는」방식, 즉 기포 세정(bubbling scrubbing) 방식을 채용하고 있다. 그러나, 고온의 배기가스의 냉각 공정과 세정 흡수 공정이 동시에 동일 저수조에서 행해지기 때문에 그 물질 이동 효율이 매우 낮고, 또한 냉각 공정과 흡수 공정이 상호 모순된다. 흡수율을 높이기 위해서는 세정 용수량과 압력 손실을 증대시킬 수 밖에 없다. 그러나, 그렇다면 에너지 손실과 운전 비용의 대폭적인 증대를 초래하게 된다. 따라서, 상기 세정기를 채용한 해수 세정 프로세스 시스템과 장치에는, 고온의 연료가스의 냉각과 이산화황의 저온 흡수가 상호 모순되는 문제, 및 세정 효과와 비용 절감이 상호 모순되는 문제 등이 존재하고 있음이 분명하다.
상술한 바와 같이, 실용화할 때 종래의 연구와 실험 기술은 직면하는 공통의 문제가 주로 아래와 같다.
1) 현재 받아들여지는 비용 조건으로는, 연료가스와 해수의 배출의 환경 요구를 충족시키기 어렵다. 현재 배수 규제 조건을 만족시키기 위해서는 소비하는 세정 용수량과 희석 용수량이 많아, 에너지 손실과 비용이 매우 높다. 향후, 배수 조건이 더욱 높게 요구되면 그 비용도 더욱 높아질 것이다.
2) 현재의 기술은 선박의 항해에 적합하지 않다. 여러 해역 및 여러 규제 구역(control area)들은 각각의 서로 다른 환경 조건과 규제 조건을 갖는다. 이 때문에, 선박은 다른 해역과 규제 구역 사이를 항해할 때, 그 환경조건, 예를 들어 해수의 수질, 여러 연료 배치에서의 황 함유량, 여러 환경에서의 배출 규제 조건 등이 항상 변화하고 있다. 프로세스 파라미터(process parameter)가 일정해 변화하지 않는 배기가스 탈황 시스템은 선박에 실제로 응용할 수 없다.
따라서, 상술의 문제를 해결하지 않는 한, 해양자원을 이용해 선박에 의한 대기오염을 제거하는 소망이 실현될 수 없는 것은 분명하다.
선박으로부터의 이산화황의 배출 저감에 관한 국제 법령이 나날이 엄격해지고 완비되어 감에 따라, 해양자원을 이용해 선박에 의한 대기오염을 제거하는 소망을 실현하기 위해서는 해수를 이용하여 이산화황의 배출을 저감하는 실용성이 있는 선박의 연료가스 탈황 방법 및 장치를 제안할 필요가 있다.
본 발명의 첫 번째 목적은, 종래의 선박의 배기가스 탈황 방법이 가지는 결함을 극복하여, 탈황 효율이 높고 세정과 희석용의 해수 사용량이 적으며 에너지 손실과 비용이 낮은 동시에, 여러 해역, 규제 구역의 사이에서의 항해에 적용하는 선박의 배기가스 탈황 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 종래의 선박의 배기가스 탈황 장치가 가지는 결함을 극복하여, 탈황 효율이 높고 세정과 희석용의 해수사용량이 적으며, 설비의 제조와 운전 비용이 낮고 크기가 소형이며, 수명이 긴 동시에 좁은 유효공간과 넓은 항해 범위에 적용할 수 있는 선박의 연료가스 탈황 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 선박의 배기가스 탈황 방법의 기술 방안에는 이하의 단계들이 포함된다.
a. 선박 엔진으로부터 배출된 SO2를 함유하는 고온의 연료가스를 냉각한 후, 세정기 내에서 해수에 의한 세정을 하고, 세정에 의한 정화된 연료가스를 배출하는 세정 단계;
b. 세정 과정에서 SO2를 흡수하여 산성이 된 산성 해수를 세정기로부터 절수 탈산기(water-saving deacidification device)로 이송하는 산성 해수 이송 단계;
c. 절수 탈산기에 유입된 산성 해수에 알카리성 해수를 혼입하여 혼합 해수를 형성하는 동시에, 혼합 해수에 공기를 도입하는 탈산 처리 단계; 및
d. 탈산 처리된 후 배출 규제에 적합하게 된 해수를 해역에 배출하는 해수 배수 단계.
또한, 상술한 선박의 연료가스 탈황 방법의 기술 방안에 추가하여 보다 부가적인 기술 특징을 가지는 기술 방안은 아래와 같다.
상기 선박의 연료가스 탈황 방법에서, 세정 단계의 세정기 내에서의 해수에 의한 세정이 충전재 세정층을 가지는 세정기 내에서 행해지고 있다.
상기 선박의 연료가스 탈황 방법에서, 탈산 처리 단계에서 절수 탈산기에 혼입되는 알카리성 해수의 유량이 조절기에 의해 조절되어, 상기 조절기에 의한 조절이 개도(開度)를 조정할 수 있는 밸브 및/또는 출력을 조정할 수 있는 펌프에 의한 조절이고, 절수 탈산기 내의 혼합 해수에 도입되는 공기의 유량이 조절기에 의해 조절되어, 상기 조절기에 의한 조절이 개도를 조정할 수 있는 밸브, 댐퍼 및/또는 출력을 조정할 수 있는 송풍기에 의한 조절이다.
상기 선박의 연료가스 탈황 방법에서, 세정 단계에서 사용되는 세정용 해수의 유량이 조절기에 의해 조절되어 상기 조절기에 의한 조절이 개도를 조정할 수 있는 밸브 및/또는 출력을 조정 가능한 펌프에 의한 조절이다.
상기 선박의 연료가스 탈황 방법에서, 상기 조절기에 의한 조절은 선박의 항해 해역의 연료가스 배출과 해수 배출의 환경요구에 근거하여, 인력 및/또는 탈황 제어기에 의해 제어되고 있다.
상기 선박의 연료가스 탈황 방법에서, 세정 단계와 탈산처리 단계 사이에, 분리기를 이용해 불순물을 분리하고, 분리된 불순물을 오염물 배출관으로부터 배출하는 불순물 분리 단계를 가지고 있다.
본 발명의 상기 선박의 연료가스 탈황 방법에 이용되는 선박의 연료가스 탈황 장치이며, 세정기와 절수 탈산기를 가지고 있고, 상기 세정기는 그 상부가 세정층이며, 배관을 통해 세정 해수 펌프와 연결되고, 그 하부가 냉각층이며, 세정기의 일단은 세정 흡기관을 통해 선박 엔진의 배연관과 연결되고, 타단은 세정 배기관과 연결되어 있어 세정기의 하부는 절수 탈산기와 연결되고, 절수 탈산기는 해수 혼입 펌프와 송풍기와 탈산 처리된 배출 규제에 적합한 해수의 총합 배수관과 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 선박의 연료가스 탈황 장치의 기술 방안에 추가하여 보다 부가적인 기술 특징을 갖는 기술 방안은 하기와 같다.
상기 선박의 연료가스 탈황 장치는, 상기 절수 탈산기가 알카리성 해수 혼입 통로와 공기 도입 통로를 가지고 있어 알카리성 해수 혼입 통로에는 개도(開度)를 조정할 수 있는 밸브 및/또는 출력을 조정할 수 있는 펌프로부터 선택되는 알카리성 해수 유량 조절기가 설치되어 있고, 공기 도입 통로에는 개도를 조정할 수 있는 밸브, 댐퍼 및/또는 출력을 조정할 수 있는 송풍기로부터 선택되는 공기유량조절기가 설치되어 있다.
상기 선박의 연료가스 탈황 장치는, 상기 세정기가 세정 해수 주입 통로를 가지고 있어 세정 해수 주입 통로에는 개도를 조정할 수 있는 밸브 및/또는 출력을 조정할 수 있는 펌프로부터 선택되는 세정 해수 유량 조절기가 설치되어 있다.
상기 선박의 연료가스 탈황 장치는, 상기 밸브와 상기 댐퍼에는 제어 레버가 설치되고 상기 펌프와 상기 송풍기에는 전기식 속도조절기가 설치되며, 상기 제어 레버와 상기 전기식 속도조절기는 상기 탈황 제어기에 접속되어 있다.
상기 선박의 연료가스 탈황 장치는, 상기 세정기가 하우징과 냉각층과 충전재 세정층과 저수조를 가지며, 그 중 상기 냉각층이 상기 충전재 세정층의 하부에 배치되어 있다.
상기 선박의 연료가스 탈황 장치는, 상기 세정기와 상기 절수 탈산기의 사이에 불순물을 분리하는 분리기가 설치되어 있다.
상기 선박의 연료가스 탈황 장치는, 상기 탈황 제어기가 지령기(commanding unit)와 센서와 중앙처리장치와 액츄에이터와 전세계 해역 위치 측정 장치를 가지고 있다.
본 발명의 선박의 연료가스 탈황 방법 및 연료가스 탈황 장치의 기술원리와 종합적인 기술효과는 하기와 같다.
기술원리: 선박의 연료가스 탈황 방법 및 연료가스 탈황 장치의 주된 기능과 해결하고자 하는 문제는, 세정 흡수, 배수 처리 및 항해의 세 가지 면에 있다.
1) 세정 흡수: 선박의 오일 엔진으로부터의 배기가스에 포함되는 이산화황 등의 오염물질을 제거하기 위해 해수의 세정을 실시해 연료가스를 정화한다. 해수는 그 물리화학적 성질로부터 이산화황에 대해 강한 용해 흡수 능력을 가지고 있는 동시에, 질소산화물과 입자상 물질을 효율적으로 세정 흡수할 수 있다. 그러나, 선박의 유효 공간이 좁기 때문에 선박의 실용 기술 방법과 실용 공업 장치로서의 연료가스 탈황 장치의 사이즈가 동일하게 작고, 처리 시간이 항상 짧으므로 상기 흡수 및 세정을 단시간에 종료시키지 않으면 안된다. 즉, 프로세스 장치는 높은 총흡수율 뿐만 아니라, 높은 흡수 속도도 요구되고 있어 흡수와 세정의 효율은 높게 하여야 한다. 이 때문에, 해수의 강대한 용해 흡수 능력과 대응하여 연료가스로부터 해수에 오염물질을 수송시키는 강대한 물질 이동 능력도 필요하다.
한편, 선박 디젤 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 온도는 490℃의 고온까지 도달할 수 있으므로, 배기가스의 이산화황을 흡수하여 세정하기 위해서도, 프로세스 장치를 보호하기 위해서도, 고온의 연료가스는 세정을 하기 전에 냉각되지 않으면 안된다. 그 때문에, 본 발명 방법의 세정 공정에서는 역류식의 충전재 세정 및 냉각과 세정을 분단하여 실시하는 고효율의 방법 및 장치를 채용하여 해수를 세정액으로 이용하고, 세정 기능구가 충전재층으로 구성되어 세정액 해수는 수분배기에 의해 균일하게 분배되어 위쪽에서 아래쪽으로 충전재를 세정하고, 배기가스의 고온 기체는 냉각된 후, 아래쪽에서 위쪽으로 충전재층을 통과하고, 세정 해수는 위쪽에서 아래쪽으로 충전재층을 통과한다. 충전재에 의해 형성된 거대한 표면적은 기체와 액체 사이에 거대한 접촉 면적을 제공하고 있으므로, 강대한 물질 이동 능력과 세정 흡수 효율을 가지며, 효율적인 배출 저감의 발명의 목적을 달성할 수 있다. 동시에, 충전재를 이용하는 기술 방안은, 통과하는 기체에 대한 저항력을 현저하게 저감할 수 있어 흡수와 세정을 고효율로 실시함과 동시에, 프로세스 장치의 운전 코스트(cost)를 강하시키는 기술 경제 성능의 실현을 확보할 수 있다.
2) 배수 처리: 세정을 하고 이산화황을 흡수해서 산성이 된 해수는, 자연 해역에 배출하기 위해서 그 pH값을 올리는 처리를 할 필요가 있다. 종래 기술의 단순한 희석 방식으로 존재하는 희석 수량의 소비가 많아，대응하는 에너지 손실과 비용이 높은 결점을 극복하기 위해서, 본 발명은 절수 탈산기를 설치하여 필요한 희석 수량을 저감시킨다. 이산화황은 세정 해수에 흡수되어 아황산기 등의 산성 물질을 생성하고, 새로운 알카리성 해수가 혼입되면 탄산 등의 산성 물질이 생성된다. 이 때문에, 단순한 희석 방식에 의한 pH값의 상승은 늦고, 필요한 희석 수량도 많다. 본 발명에서는, 설치된 절수 탈산기 내에 새로운 알카리성 해수를 혼입하면서 공기를 도입하는 것으로, 탄산이 바로 휘발되어 세정 해수의 pH값의 상승도 신속하기 때문에 필요한 희석 수량이 대폭 저감된다.
3) 이동 조정: 선박은, 항상 다른 해역에서 항해하기 때문에 다른 해역의 해수 수질, 다른 일단의 연료의 황 함유량 및 다른 환경의 배출 규제 조건 등이 항상 변화하고 있다. 따라서, 프로세스 파라미터(process parameter)의 기준이 일정하여 변화하지 않는 탈황 프로세스 시스템은 선박에 실용할 수 없다. 본 발명에서는, 세정 해수와 절수 탈산기의 혼합 해수에 대하여 유량을 조절하고, 절수 탈산기에 도입되는 공기에 대하여 풍량을 조절하며, 아울러 중앙처리장치를 가지는 제어기에 의해 상기 조절을 제어하는 방식을 채용하는 것으로, 연료가스 탈황 방법 및 연료가스 탈황 장치를 선박의 끊임없는 항해에 적합하게 한다.
본 발명의 선박의 연료가스 탈황 방법 및 연료가스 탈황 장치의 성능 지표는 환경보호 법규에 합치하고 있으며, 현저한 기술 효과가 있다.
1. 배출 저감의 효율이 높고, 황 산화물을 99%, 질소 산화물을 20%, 및 입자상 물질을 80% 저감시키는 기술 효과를 달성할 수 있다. 이것은, 국제 해운업의 환경 목표의 실현에 대단히 중요한 의미를 가지고 있다. IMO는, 2005년에 이미 SECA(황산화물의 배출규제 구역) 선박에 사용되는 연료유의 황 함유량을 1.5% 이하로, 혹은 연료가스 탈황 설비의 장착에 의해 배출된 배기가스의 황 배출량을 황 함유량이 1.5% 이하인 연료유의 황 배출량이 되도록, 즉 「탈황에 상당하는 연료유의 황 함유량」을 1.5% 이하로 한정하였다. 또한, 어느 국제 조직은 상기의 연료유의 황 함유량을 0.1%까지 저감시키는 목표를 실현하기 위해서도 노력하고 있다. 현재, 전 세계의 중유의 평균 황 함유량은 3%에 근접하고 있으므로, 탈황에 상당하는 연료유의 황 함유량 1.5%를 실현하기 위해 필요한 세정 효율은 50%이며, 탈황에 상당하는 연료유의 황 함유량 0.1%를 실현하기 위해 필요한 세정 효율은 96.7%이다.
2. 다른 해역의 사이를 항해할 때, 해수 수질, 연료유의 황 함유량, 환경의 배출 규제 조건 등의 요소가 항상 변화하는 경우에도, 뛰어난 배출 저감 효과와 환경보호 성능을 확보할 수 있다. 이것은 실시예에 의해 표명되고 있다.
3. 선박 배수는 친환경적이다. 상술한 대로, 선박의 배수가 해양 환경에의 손해를 방지, 저감하기 위해 선박으로부터 배출되는 세정수는 급성 혼합구 경계 pH값을 15분 이내에 6.5까지 도달시키지 않으면 안되도록 EPA 및 IMO에 의해 규정되어 있다. 본 발명의 방법 및 장치의 배수는, pH값이 6.5에 도달한 후 선박보다 해역에 배출되기 때문에 급성 혼합구가 필요하지 않게 되어, 처음부터 해양 환경에의 15분간의 악영향을 피할 수 있다. 또한, 만성 혼합구 내의 희석 배율을 1:40,000에서 1:2,000으로 강하시킬 수 있다. 즉, 종래 기술의 20분의 1의 혼입용 환경 해수 밖에 필요로 하지 않기 때문에, 만성 혼합구의 범위가 대폭 축소되고, 선박으로부터의 배수와 환경 간의 우호성을 대폭 향상시켰다.
4. 운전을 위한 에너지 손실과 해수량의 저감을 포함한 제조와 운전 비용이 대폭 저감되어 총코스트가 저황 연료를 대체해서 증가한 총코스트보다 현저히 낮다고 하는 우량한 기술 경제 지표의 실현을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 선박의 연료가스 탈황 방법 및 연료가스 탈황 장치를 나타내는 도면이며, 본 실시예에 있어서 탈황 제어기를 갖추고 있다.
도 2는 본 발명의 선박의 연료가스 탈황 방법 및 연료가스 탈황 장치의 다른 실시예를 나타내는 도면이며, 본 실시예에 있어서 탈황 제어기를 갖추고, 세정기(3)는 바이패스(by-pass) 배연관을 갖추어, 즉 세정기(3)를 교체하기 쉽도록 선박 엔진(1)과 세정 배기관(4)에 직접 연통 배연관이 설치되어 있다.
도 3은 본 발명의 선박의 연료가스 탈황 장치의 세정기(3)의 일 실시예의 구성을 나타내는 도면이며, 흡기관(3.1)은 세정기(3)의 하부로부터 고온의 연료가스(3.2)를 도입하고, 연료가스가 수직으로 위쪽을 향해 세정기에 들어가는 경우의 실시에 적용한다.
도 4는 본 발명의 선박의 연료가스 탈황 장치의 세정기(3)의 다른 실시예의 구성을 나타내는 도면이며, 흡기관(3.1)은 세정기(3)의 하부의 측벽으로부터 고온의 연료가스(3.2)를 도입하고, 연료가스가 횡방향으로부터 세정기에 들어와 위쪽으로 향하는 경우의 실시에 적용한다.
도 5는 본 발명의 선박의 연료가스 탈황 장치의 탈황 제어기의 프로세스를 나타내는 블록도이다.
도 6은 종래 기술의 「에코 소음기 해수 세정 시스템(EcoSilencer sea water scrubbing system)」을 나타내는 도면이며, 그 세정기는 미국 US7,056,367호의 특허기술 방안의 것을 채용하고 있으며, 동일 축에 삽입되는 흡기 파이프와, 열전도관과, 배출 파이프와 역방향으로 통과하는 연료가스와, 세정액을 저장하는 수조를 구비하고, 그 열전도관의 말단과 출구 파이프를 서로 연통시키는 한편 수조의 세정액에 잠겨 있어, 열전도관은 성형 단면을 가짐으로써 그 열전도 면적을 늘려, 보다 많은 열량으로 연료가스를 재가열하여 연료가스 온도를 노점(露点)보다 적어도 30℃ 이상 상승시키는 것을 목표로 한다.
이하, 본 발명의 선박의 연료가스 탈황 방법 및 연료가스 탈황 장치에 대하여 도면 및 실시예를 참조하면서 더욱 상세히 설명한다.
A: 본 발명의 선박의 연료가스 탈황 방법에 대하여 추가로 설명한다.
실시예 1
도 1에 도시하는 바와 같이, 탈황 제어기를 구비하고 있다. 본 실시예의 선박의 연료가스 탈황 방법은, 이하의 단계가 포함된다.
a. 세정: 선박 엔진으로부터 배출된 SO2를 함유하는 고온의 연료가스를 냉각한 후, 세정기 내에서 해수에 의한 세정 후 세정 정화된 연료가스를 배출하는 단계;
b. 산성 해수 이송: 세정 과정으로 SO2를 흡수하여 산성이 된 산성 해수가 세정기로부터 절수 탈산기로 이송되는 단계;
c. 탈산 처리: 절수 탈산기에 도입된 산성 해수에 알카리성 해수를 혼입하여 혼합 해수를 형성하고, 혼합 해수에 공기를 도입하는 단계; 및
d. 배수: 탈산 처리된 배출 규제에 적합한 해수가 해역에 배출되는 단계.
상기 세정 단계의 세정기 내에서의 해수에 의한 세정은, 충전재 세정층을 구비한 세정기 내에서 행해졌다.
선박이 항해할 때의 해역의 조건 변화와, 다른 일단의 연료유의 황 함유량의 차이, 및 연료가스와 배수에 대한 다른 국가와 지역의 배출 규제 환경 요구에 적응하기 위해, 본 발명의 탈산 처리 단계에서 절수 탈산기에 혼입되는 알카리성 해수의 유량은 조절기에 의해 조절되고, 상기 조절기에 의한 조절은 출력을 조정할 수 있는 펌프에 의한 조절이지만, 개도를 조정할 수 있는 밸브에 의한 조절이어도 좋고, 개도를 조정할 수 있는 밸브와 출력을 조정할 수 있는 펌프에 의한 조절이어도 좋다.
절수 탈산기 내의 혼합 해수에 도입되는 공기의 유량은, 조절기에 의해 조절되어 상기 조절기에 의한 조절은 출력을 조정할 수 있는 송풍기에 의한 조절이지만, 개도를 조정할 수 있는 밸브 또는 댐퍼에 의한 조절이어도 좋고, 밸브와 송풍기에 의한 조절, 또는 댐퍼와 송풍기에 의한 조절이어도 좋다.
세정 단계에서 사용되는 세정 해수의 유량은, 조절기에 의해 조절되어 상기 조절기에 의한 조절은 출력을 조정할 수 있는 펌프에 의한 조절이지만, 개도를 조정할 수 있는 밸브에 의한 조절이어도 좋고, 개도를 조정할 수 있는 밸브와 출력을 조정할 수 있는 펌프에 의한 조절이어도 좋다.
상기 조절기에 의한 조절은, 선박의 항해 해역의 연료가스와 해수 배출의 환경 요구에 근거하여 탈황 제어기에 의해 제어되고 있다. 인력 수동으로 조절을 제어하는 것은 또 하나의 실시예이다.
세정 단계와 탈산 처리 단계의 사이에 불순물 분리 단계를 가지고, 상기 단계는 분리기를 이용하여 불순물을 분리하고, 분리된 불순물을 오염물 배출관으로부터 배출하였다.
본 실시예에 응용된 선박은, 12MW의 디젤 엔진이 탑재되어 연료가스의 온도가 200∼490℃이고, 연료가스의 양이 약 67,095Nm3/h이다. 본 발명의 탈황 방법을 실시하면, 연료유의 황 함유량이 3%일 때 탈황에 상당하는 연료유의 황 함유량이 0.1%가 될 때까지 이산화황의 배출이 저감되고, 배수의 pH값이 6.5이상이 될 경우, 다른 해역의 해수의 소비량은 다음과 같다.
발트해 세정용 해수량 300m3/h 혼입용 해수량 1,100m3/h
북해 세정용 해수량 280m3/h 혼입용 해수량 950m3/h
실시예 2
도 2에 도시하는 바와 같이, 본 실시예는 실시예 1과 다른 점이 세정기(3)와 병렬되는 바이패스 배연관을 갖춘, 즉 세정기(3)를 바꾸기 쉽도록 선박 엔진(1)과 세정 배기관(4)을 직접 연통시키는 배연관이 설치되어 있는 것에 있다. 또한, 탈황의 제어는 인력 수동에 의해 행해지고 있다.
본 실시예가 응용되는 선박은, 그 용적 톤수가 비교적 크고, 60MW의 디젤 엔진이 탑재되어 연료가스의 온도가 200∼430℃이고, 연료가스의 양이 약310,100Nm3/h이다. 본 발명의 탈황 방법을 실시하면, 연료유의 황 함유량이 3%일 때 탈황에 상당하는 연료유의 황 함유량이 SECA 규제 표준(2005년)의 1.5%를 만족시킬 때까지 이산화황의 배출이 저감되고, 배수의 pH값이 6.5 이상이 될 경우, 다른 해역의 해수의 소비량은 다음과 같다.
발트해 세정용 해수량 980m3/h 혼입용 해수량 3,600m3/h
태평양 세정용 해수량 880m3/h 혼입용 해수량 2,600m3/h
B: 본 발명의 선박의 연료가스 탈황 장치의 기술 방안에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.
실시예 3
도 1 및 도 3에 도시하는 것은 본 발명에 기재된 방법에 이용되는 선박의 연료가스 탈황 장치이며, 세정기(3)의 흡기관(3.1)은 세정기(3)의 하부에서 고온의 연료가스(3.2)를 도입하고, 연료가스가 수직으로 위쪽을 향해 세정기에 들어갈 경우의 실시에 적용한다.
일종의 선박의 연료가스 탈황 장치는, 하나의 세정기(3)와 절수 탈산기(10)를 가지고 있다. 세정기(3)는 그 상부가 세정층(3.3)이며, 배관을 통해 세정 해수 펌프(5)와 연결된다. 세정기(3)의 하부는 냉각층(3.2)이다. 세정기(3)의 일단은 세정 흡기관(2)을 통해 선박 엔진(1)의 배연관과 연결되고, 타단은 세정 배기관(4)에 접속된다. 세정기(3)의 하부는 절수 탈산기(10)와 연결된다. 절수 탈산기(10)는 해수 혼입 펌프(9)와, 송풍기(11)와, 탈산 처리된 배출 규제에 적합한 해수의 총배수관(14)과 연결된다.
절수 탈산기(10)는 알카리성 해수 혼입 통로를 가지며, 알카리성 해수 혼입 통로에는 알카리성 해수 유량 조절기가 설치되어 있다. 상기 알카리성 해수 유량 조절기는 출력을 조정할 수 있는 펌프이지만, 개도를 조정할 수 있는 밸브이어도 좋으며, 밸브와 출력을 조정할 수 있는 펌프를 동시에 설치한 것이어도 좋다.
절수 탈산기(10)는 공기 도입 통로를 가지며, 공기 도입 통로에는 공기유량조절기가 설치되어 있다. 상기 공기유량조절기는 출력을 조정할 수 있는 송풍기이지만, 개도를 조정할 수 있는 밸브 또는 댐퍼여도 좋으며, 밸브와 송풍기 또는 댐퍼와 송풍기이어도 좋다.
세정기(3)는 세정 해수 주입 통로를 가지며, 세정 해수 주입 통로에는 세정 해수 유량 조절기가 설치되어 있고, 상기 세정 해수 유량 조절기는 출력을 조정할 수 있는 펌프이지만, 개도를 조정할 수 있는 밸브이어도 좋으며, 밸브와 출력을 조정할 수 있는 펌프를 동시에 설치한 것이어도 좋다.
밸브와 댐퍼에는 제어 레버가 설치되고, 펌프와 송풍기에는 전기식 속도조절기가 설치되어 있으며, 제어 레버와 전기식 속도조절기는 탈황 제어기(15)에 접속되어 있다.
세정기(3)는 동체(3.1)와, 냉각층(3.2)과, 충전재 세정층(3.3)과, 저수조(3.7)를 가지며, 그 중 냉각층(3.2)이 충전재 세정층(3.3)의 하부에 배치되어 있다. 세정기(3)와 절수 탈산기(10)의 사이에 불순물을 분리하는 분리기(7)가 설치되어 있다. 탈황 제어기(15)는 지령기(15.1)와, 센서(15.2)와, 중앙처리장치(15.3)와, 액츄에이터(15.4)와, 전세계 해역 위치측정 장치(15.5)를 갖추고 있다.
실시예 4
도 2 및 도 4에 도시된 것은 본 발명에 기재된 방법에 이용되는 다른 선박의 연료가스 탈황 장치이며, 상기 실시예와 다른 점은 고온의 연료가스가 측면에 있는 연료가스 입구(3.4)로부터 수평 방향으로 세정기(3)에 도입되고, 연료가스가 횡방향으로부터 세정기로 들어가 위쪽을 향해 유동하는 경우의 실시에 적용하는 것에 있다. 또한, 탈황 제어의 조절은 수동에 의해 행하여지고 있다.
본 발명의 보호 범위는, 상기 실시예에 한정되는 것이 아니다.
도면의 부호 표기에 대응하는 부재 또는 구성의 명칭은 다음과 같다.
도 1 및 도 2:
1 : 선박 엔진
2 : 세정 흡기관
3 : 세정기
도 3 및 도 4:
3.1 : 동체
3.2 : 냉각층
3.3 : 충전재 세정층
3.4 : 연료가스 입구
3.5 : 정화된 연료가스
3.6 : 세정 해수 도입관
3.7 : 저수조
도 1 및 도 2:
4 : 세정 배기관
5 : 세정 해수 펌프
6 : 세정 조속 모터
7 : 분리기
8 : 분리기의 오염물 배출관
9 : 해수 혼입 펌프
10 : 절수 탈산기
11 : 송풍기
12 : 배기관
13 : 총급수관
14 : 총배수관
15 : 탈황 제어기
도 5:
15.1 : 지령기
15.2 : 센서
15.3 : 중앙처리장치
15.4 : 액츄에이터
15.5 : 전세계 해역 위치 측정 장치
도 6:
16.1 : 세정 및 재가열된 연료가스
16.2 : 세정 가스 재가열구
16.3 : 세정기 내에서 연료가스와 해수를 혼합
16.4 : 해수 도입
16.5 : 해수를 분리기 및 열교환기로 배출
16.6 : 폐가스
16.7 : 분리· 필터 장치
16.8 : 맑은 물 배출
16.9 : 오염물의 흙탕물 배출

Claims (14)

  1. 선박의 연료가스 탈황 장치로서,
    세정기(3)와 절수 탈산기(10)를 포함하고; 상기 세정기(3)의 상부는 배관을 통해 세정 해수 펌프(5)와 연결되는 세정층(3.3)이고, 상기 세정기(3)의 하부는 냉각층(3.2)이며; 상기 세정기(3)의 일단은 세정 흡기관(2)을 통해 선박 엔진(1)의 배연관과 연결되고, 타단은 세정 배기관(4)과 연결되며; 상기 세정기(3)의 하부는 상기 절수 탈산기(10)와 연결되고; 상기 절수 탈산기(10)는 해수 혼입 펌프(9), 송풍기(11), 및 탈산 처리된 배출 규제에 적합한 해수의 총합 배수관(14)과 연결되고; 상기 세정기(3)는 동체(3.1)와, 냉각층(3.2)과, 충전재 세정층(3.3)과, 저수조(3.7)를 포함하고, 상기 냉각층 (3.2)은 상기 충전재 세정층(3.3)의 하부에 배치된 것을 특징으로 하는 선박의 연료가스 탈황 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 절수 탈산기(10)는 알카리성 해수 혼입 통로를 가지며, 상기 알카리성 해수 혼입 통로에는 개도를 조정할 수 있는 밸브와 출력을 조정할 수 있는 펌프 중 적어도 하나로부터 선택되는 알카리성 해수 유량 조절기가 설치되고; 상기 절수 탈산기(10)는 공기 도입 통로를 가지며, 상기 공기 도입 통로에는 개도를 조정할 수 있는 밸브, 개도를 조정할 수 있는 댐퍼, 및 출력을 조정할 수 있는 송풍기 중 적어도 하나로부터 선택되는 공기유량조절기가 설치되는 것을 특징으로 하는 선박의 연료가스 탈황 장치.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 세정기(3)는 세정 해수 주입 통로를 가지며, 상기 세정 해수 주입 통로에는 개도를 조정할 수 있는 밸브와 출력을 조정할 수 있는 펌프 중 적어도 하나로부터 선택되는 세정 해수 유량 조절기가 설치된 것을 특징으로 하는 선박의 연료가스 탈황 장치.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 세정기(3)와 상기 절수 탈산기(10)의 사이에 불순물을 분리하는 분리기(7)가 장착된 것을 특징으로 하는 선박의 연료가스 탈황 장치.
  7. 삭제
  8. 제 1항에 따른 선박의 연료가스 탈황 장치를 이용한 선박의 연료가스 탈황 방법으로서,
    a. 선박 엔진으로부터 배출된 SO2를 함유하는 고온의 연료가스를 냉각한 후, 세정기 내에서 상기 연료가스를 해수에 의한 세정을 하고 나서, 세정 정화된 연료가스를 배출하는 세정 단계;
    b. 세정 과정에서 상기 SO2를 흡수해 산성이 된 산성 해수를 상기 세정기로부터 절수 탈산기로 이송하는 산성 해수 이송 단계;
    c. 상기 절수 탈산기에 도입된 상기 산성 해수에 알카리성 해수를 혼입하여 혼합 해수를 형성하는 한편, 상기 혼합 해수에 공기를 도입하는 탈산 처리 단계; 및
    d. 탈산 처리된 배출 규제에 적합한 해수를 해역으로 배출하는 배수 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 연료가스 탈황 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 세정 단계의 상기 세정기 내에서의 해수에 의한 세정은, 충전재 세정층을 가지는 상기 세정기 내에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 선박의 연료가스 탈황 방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 탈산 처리 단계에서 상기 절수 탈산기에 혼입되는 상기 알카리성 해수의 유량은 조절기에 의해 조절되고, 상기 조절기에 의한 조절은 개도를 조정할 수 있는 밸브와 출력을 조정할 수 있는 펌프 중 적어도 하나에 의한 조절이며,
    상기 절수 탈산기 내의 상기 혼합 해수에 도입되는 공기의 유량은 조절기에 의해 조절되고, 상기 조절기에 의한 조절은 개도를 조정할 수 있는 밸브, 개도를 조정할 수 있는 댐퍼 및 출력을 조정할 수 있는 송풍기 중 적어도 하나에 의한 조절인 것을 특징으로 하는 선박의 연료가스 탈황 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 조절기에 의한 알카리성 해수 유량 조절 및 상기 조절기에 의한 공기 유량 조절은, 선박의 항해 해역의 연료가스 배출과 해수 배출의 환경요구에 기초하여 인력 및 탈황 제어기 중 적어도 하나에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 선박의 연료가스 탈황 방법.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 세정 단계에서 사용되는 세정 해수의 유량은 조절기에 의해 조절되고, 상기 조절기에 의한 조절은 개도를 조정할 수 있는 밸브와 출력을 조정할 수 있는 펌프 중 적어도 하나에 의한 조절인 것을 특징으로 하는 선박의 연료가스 탈황 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 조절기에 의한 조절은, 선박의 항해 해역의 연료가스 배출과 해수 배출의 환경 요구에 기초하여 인력 및 탈황 제어기 중 적어도 하나에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 선박의 연료가스 탈황 방법.
  14. 삭제
KR1020117000968A 2008-06-13 2008-06-13 선박 연료가스의 탈황 방법 및 장치 KR101566936B1 (ko)

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