KR101762599B1 - 연료전지를 사용한 방한처리 및 보조전원 시스템을 구비한 극지 운항 선박 - Google Patents

연료전지를 사용한 방한처리 및 보조전원 시스템을 구비한 극지 운항 선박 Download PDF

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Abstract

연료전지를 사용한 방한처리 및 보조전원 시스템을 구비한 극지 운항 선박이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 극지 운항 선박용 방한처리 및 보조전원 시스템은, 메인 엔진에서 배출되는 고온의 배기가스가 지나가는 배기가스 주입관; 상기 배기가스 주입관에 연결되어 상기 배기가스의 폐열을 회수하는 이코노마이저; 공기와 메탄을 반응시켜 전기와 열을 생산하는 연료전지; 상기 연료전지에서 생산된 전기를 통해 충전되고 비상시 전력원으로 사용되는 배터리; 방한장치와 상기 이코노마이저 사이에 연결되어 상기 이코노마이저에서 회수한 폐열을 상기 방한장치로 공급하는 제1 공급관; 상기 방한장치와 상기 연료전지 사이에 연결되어 상기 연료전지에서 발생된 열을 상기 방한장치로 공급하는 제2 공급관을 포함할 수 있다.

Description

연료전지를 사용한 방한처리 및 보조전원 시스템을 구비한 극지 운항 선박{Arctic vessel having winterization and auxiliary power system using fuel cell}
본 발명은 연료전지를 사용한 방한처리 및 보조전원 시스템을 구비한 극지 운항 선박에 관한 것이다.
현재 극지로 운항하는 선박은 탱크 셔틀로서, 화물은 석유 혹은 천연가스이다. 이러한 선박은 저온(섭씨 영하 45도 이하)에 대한 방한처리(winterization)를 고려한 설계가 필요한 실정이다.
이 경우 방한 처리의 경우 노(櫓) 또는 방망이로 얼음을 깨는 기계적 방법과, 폐열을 활용해 주요장비의 얼음을 녹이는 열적 방법, 코팅 및 화학약품 사용 방법 등으로 크게 구분된다. 한국공개특허 제10-2013-0055086호에 개시된 것과 같이 일반적으로 전기 히터와 같은 장치를 이용하여 전열(Electrical Heat)을 발생시켜 실시하는 방법도 있다. 여기서, 전열 방법의 경우 별도의 전기 히터 설비를 필요로 하며, 전기를 이용하고 있어 그 가격이 비싼 문제점이 있다.
또한, 일반적으로 선박에 설치되는 각종 엔진은 화석연료를 연소하여 동력을 생성한다. 이 때, 연료의 연소과정에서 발생되는 배기가스는 황산화물(SOx), 질소산 화물(NOx), 미세분진(PM) 등의 유해물질을 포함하고 있으며, 이로 인해, 배기가스를 그대로 배출할 경우 대기오염을 초래할 수 있다. 이러한 이유로, 선박의 대기오염에 대한 환경규제가 강화되고 있으며, 각종 규제를 만족시키기 위해 다양한 처리장치가 선박에 적용되고 있다.
HFO (황 함유 3.5% 정도) 연료를 사용하여 극지를 운항하는 선박의 경우 현재까지 배기가스 오염에 관련된 규제가 없지만, 극지방선박 운항안전코드인 폴라코드(Polar code)가 작성되어 협의 중에 있는 실정이다. 따라서, 극지 운항 선박에 대해 배기가스 오염물 제거 역시 향후에는 필수적인 기능으로 채택될 필요성이 있다.
한국공개특허 제2013-0055086호 (2013.05.28 공개) - 동결방지용 전기히터를 이용한 보일러의 온수 예열 운전방법
본 발명은 연료전지 혹은 배터리를 사용하여 방한처리 및 비상전력 용도로 사용하여 친환경적으로 오염물 배출 부하를 줄여주고 안정적이고 효율적인 부하 운용이 가능한 시스템이 구비된 극지 운항 선박을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 방한처리와 배기가스 오염물질(질소산화물, 황산화물, 미세분진 등) 제거를 동시에 수행하는 통합 시스템이 구비된 극지 운항 선박을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 고온이 필요한 SCR, EGR 대신에 저온 작동 가능한 배기가스 처리장치를 통해 열에너지 사용이 절약되고, 이코노마이저를 메인 엔진 근처로 이동 배치할 수 있어 에너지 손실을 줄인 극지 운항 선박용 배기 오염물질 저감 및 방한처리 통합 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 메인 엔진에서 배출되는 고온의 배기가스가 지나가는 배기가스 주입관; 상기 배기가스 주입관에 연결되어 상기 배기가스의 폐열을 회수하는 이코노마이저; 공기와 메탄을 반응시켜 전기와 열을 생산하는 연료전지; 상기 연료전지에서 생산된 전기를 통해 충전되고 비상시 전력원으로 사용되는 배터리; 방한장치와 상기 이코노마이저 사이에 연결되어 상기 이코노마이저에서 회수한 폐열을 상기 방한장치로 공급하는 제1 공급관; 상기 방한장치와 상기 연료전지 사이에 연결되어 상기 연료전지에서 발생된 열을 상기 방한장치로 공급하는 제2 공급관을 포함하는 극지 운항 선박용 방한처리 및 보조전원 시스템이 제공된다.
상기 이코노마이저의 후단에 연결되어 상기 배기가스에 포함된 질소산화물과 황산화물을 흡수 제거하는 배기 오염물질 저감장치를 포함하되, 상기 배기 오염물질 저감장치는 저온 작동 가능하여, 상기 이코노마이저가 상기 메인 엔진의 후단에 위치하여 상대적으로 열에너지 손실을 최소화할 수 있다.
상기 배기 오염물질 저감장치는, 일산화질소를 이산화질소로 만드는 산화제를 생성하는 산화장치와; 해수 혹은 청수를 세정수로 분사하여 상기 배기가스에 포함된 질소산화물과 황산화물을 흡수 제거하는 스크러버를 포함할 수 있다.
상기 산화장치는 전기분해 방식으로 상기 산화제를 생성할 수 있다.
상기 산화장치는 플라즈마에 의해 오존을 상기 산화제로 생성할 수 있다.
상기 산화장치에서 만들어진 산화제는 노즐, 초음파진동자, 스프레이, 가열판 중 하나 이상을 사용하여 액체 상태에서 미립자화하거나 액적화 또는 증기화되어 상기 배기가스와 접촉하게 될 수 있다.
수증기를 생산하는 보일러를 더 포함하되, 상기 보일러에서 생성된 수증기는 설치된 관을 통해 상기 수증기를 필요로 하는 장치와 상기 방한장치로 공급될 수 있다.
상기 이노코마이저의 후단에 배치되는 열교환기를 더 포함하되, 상기 열교환기는 상기 연료전지에 공급되는 공기와 메탄을 가열시켜 반응성을 향상시킬 수 있다.
상기 연료전지는 비상시 혹은 불연속 운전의 경우 반응물로 생성된 물을 스택에서 제거하기 위해 운전 정지 시에는 상기 열교환기에 의해 습기가 제거된 고온의 비활성가스를 사용해 퍼지(purging)될 수 있다.
전기를 생산하는 발전기를 더 포함하되, 상기 배터리는 상기 연료전지 혹은 상기 발전기로부터 전기를 공급받아 비상전원으로 사용할 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 연료전지 혹은 배터리를 사용하여 방한처리 및 비상전력 용도로 사용하여 친환경적으로 오염물 배출 부하를 줄여주고 안정적이고 효율적인 부하 운용이 가능한 효과가 있다.
또한, 방한처리와 배기가스 오염물질(질소산화물, 황산화물, 미세분진 등) 제거를 동시에 수행하는 통합 시스템이 구비된 효과가 있다.
고온이 필요한 SCR, EGR 대신에 저온 작동 가능한 배기가스 처리장치를 통해 열에너지 사용이 절약되고, 이코노마이저를 메인 엔진 근처로 이동 배치할 수 있어 에너지 손실을 줄인 효과가 있다.
도 1은 종래 배기 오염물질 저감 시스템을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 극지 운항 선박용 연료전지를 사용한 방한처리 및 보조전원 시스템의 개략적인 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배기 오염물질 저감장치를 개략적으로 도시한 도면,
도 4는 도 3의 정화유닛을 확대하여 도시한 단면도,
도 5는 도 3의 연료전지모듈을 확대하여 도시한 도면,
도 6은 해수공급관으로 공급된 해수가 스크러버를 통과한 후 외부로 직접 배출되는 개루프(open loop) 방식을 도시한 것,
도 7은 해수공급관으로 공급된 해수가 스크러버를 통과한 후 순환관을 통하여 재순환되는 폐루프(close loop) 방식을 도시한 것,
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기 오염물질 저감장치를 개략적으로 도시한 도면,
도 9는 도 8의 전처리유닛을 확대하여 도시한 단면도,
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전처리유닛을 확대하여 도시한 단면도,
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전처리유닛을 확대하여 도시한 단면도,
도 12는 해수공급관으로 공급된 해수가 스크러버를 통과한 후 외부로 직접 배출되는 개루프 방식을 도시한 것,
도 13은 해수공급관으로 공급된 해수가 스크러버를 통과한 후 순환관을 통하여 재순환되는 폐루프방식을 도시한 것.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈", "…유닛" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
기존의 배기가스 오염물 제거 방식으로는 질소산화물(NOx)를 저감하는 SCR과 EGR이 개발되어 있다. SCR은 촉매와 암모니아를 사용하여 NOx를 N2로 분해함으로써 NOx를 저감시키며, EGR은 배기가스 중 일부의 질소를 연소기관으로 재순환함으로써 연소에 필요한 산소 농도를 낮추어 NOx 발생을 저감시킨다. 황산화물(SOx)을 저감하는 방식으로는 스크러버가 개발되어 있다. 스크러버는 물을 배기가스에 스프레이 함으로써 황산화물을 흡착하여 제거하게 된다. 하지만, 실제로 현재 극지를 운항하는 선박에는 배출가스 저감장치가 장착되어 있지 않고, 방한장치만 설치되어 있는 상황이다.
도 1은 종래 배기 오염물질 저감 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 기존에는 배기 오염물질 저감을 위해 SCR(2) 혹은 EGR을 사용하게 되는데, SCR(2) 혹은 EGR의 경우에는 요소수 투입에 의한 암모니아 제조 때문에 300도(℃) 이상의 고온이 필요하다. 따라서, 메인 엔진(1)의 후단에는 이코노마이저(3)가 배치되지 못하고, 배기 오염물질 저감 장치인 SCR(2) 등이 배치될 수 밖에 없는 한계가 있었다.
본 발명에서는 이러한 한계를 극복하고 이코노마이저를 메인 엔진 근처로 배치시켜 열 회수 효율을 향상시켜 극지 운항 선박에서 효율적인 방한처리가 가능하게 할 수 있게 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 극지 운항 선박용 연료전지를 사용한 방한처리 및 보조전원 시스템의 개략적인 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 극지 운항 선박용 방한처리 및 보조전원 시스템은 극지 운항 선박에 마련되어 방한이 필요한 설비에 공급되는 수증기, 열, 전력을 메인 엔진, 이코노마이저, 보일러, 발전기, 연료전지, 배터리를 통해 얻고, 이 때 연료전지와 배터리를 비상전력 용도로 사용 가능한 것을 특징으로 한다. 또한, 방한처리와 배기 오염물(질소산화물, 황산화물, 미세분진 등) 제거를 동시에 수행할 수도 있다.
본 실시예에 따른 극지 운항 선박용 방한처리 및 보조전원 시스템(100)은 메인 엔진(10)의 후단에 근접하여 배치되는 이코노마이저(20)와, 이코노마이저(20)의 후단에 배치되는 배기 오염물질 저감장치(40), 방한처리 및 비상전력 용도로 사용되는 연료전지(84) 및 배터리(86)를 기본 골격으로 포함한다.
메인 엔진(10)은 연소기관의 일종으로, 연료를 연소하여 선박에 필요한 각종 동력을 발생시키는 장치이다. 예를 들어, 메인 엔진(10)은 디젤 엔진으로 HFO를 연료로 사용하여 발전한 기계에너지로 선박의 프로렐러(추진기(15))를 구동하고, 배기가스를 배출한다.
이코노마이저(20)는 메인 엔진(10)의 후단에 설치되어 배기가스의 폐열을 회수하는 장치이다. 메인 엔진(10)의 연소 후 배출되는 배기가스는 온도가 250~300도(℃)이다. 이 열에너지를 재사용하기 위해서 메인 엔진(10)의 배기가스가 배출되는 통로(배기가스 주입관)에 열교환기(30)를 설치하여 스팀(steam)을 생산하기 위한 열원으로 사용한다.
이코노마이저(20)에서 생성된 스팀은 수증기가 필요한 설비(50)로 전송되며, 이코노마이저(20)에서 회수된 열에너지는 공급관을 통해 방한이 필요한 설비(60)와 후술할 스크러버(44)로 공급되어 동결 방지 용도로 사용될 수 있다. 여기서, 열에너지를 전달하는 과정에서 포함된 수분을 분리하기 위한 수분분리기(미도시)가 설치되어 있어, 이를 거치도록 함으로써 건조된 열에너지가 열을 필요로 하는 방한설비(60)로 공급되도록 할 수 있다.
본 실시예에서 이코노마이저(20)는 메인 엔진(10)에 근접하여 설치되어 에너지 손실을 줄일 수 있는데, 이는 후술할 배기 오염물질 저감장치(40)가 저온에서도 작동 가능하여 배기 오염물질 저감장치(40)를 이코노마이저(20)의 후단으로 배치시킬 수 있기 때문이다.
배기 오염물질 저감장치(40)는 산화장치(42)와 스크러버(44)를 포함하며, 이코노마이저(20)에서 배출된 저온의 배기가스가 이들을 거치면서 질소산화물, 황산화물, 분진과 같은 배기 오염물질이 제거된다.
산화장치(42)에는 전기분해에 의해 산화제를 생성하는 방식 혹은 플라즈마에 의한 산화제인 오존을 생성하는 방식이 적용될 수 있다. 이 경우 배기가스의 온도가 높을 필요가 없어 저온 동작이 가능하게 된다. 이러한 배기 오염물질 저감장치(40)에 대해서는 이후 관련 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
스크러버(44)의 작동에는 해수 혹은 청수가 사용되는데, 밸러스트 탱크(미도시)의 밸러스트 수(ballast water)를 스크러버 처리용액으로 사용할 경우 극지방에서 어는 것을 방지하는 효과가 있을 수 있다.
또한, 스크러버(44)는 이코노마이저(20)에서 회수된 폐열을 공급받아 사용 해수 혹은 청수의 동결 방지 용도로 사용할 수도 있다.
그리고 최종적으로 배출가스 규정을 만족한 배기가스가 배기가스 배출관을 통해 연돌을 거쳐 대기 중으로 방출된다.
이때 고온이 필요한 SCR 혹은 EGR 대신에 저온 작동 가능한 산화장치(42) 및 스크러버(44)를 이용함으로써, 이코노마이저(20)의 위치가 메인 엔진(10) 가까이로 이동하고, 물을 사용하는 스크러버(44)에는 방한 시스템이 적용될 수 있다. 여기서, 스크러버(44)는 폐회로 시스템으로 작동할 수 있다.
저온 작동 가능한 배기 오염물질 저감장치(40)를 사용함으로써 열에너지 사용이 절약되고, 이로 인해 이코노마이저(20)를 메인 엔진(10) 가까이로 이동시킬 수 있어 에너지 손실을 줄이고, 열 회수 효율을 향상시킬 수 있게 된다.
또한, 배기가스 오염물 제거를 배기 오염물질 저감장치(40)에서 한번에 처리할 수 있어 공간 절약 효과도 있을 수 있다. 그리고 스크러버(44)는 폐회로 시스템으로 작동하여 선박 외부로 해양 오염물 투기가 방지될 수 있고, SCR에 필요한 암모니아를 사용할 필요가 없는 효과가 있다.
보일러(80)에서 만들어진 수증기는 수증기 및 방한이 필요한 설비(50, 60)로 공급관을 통해 공급되어 사용된다. 방한이 필요한 설비(60)로는 거주구, 항해선교, 통신실, 주/보조 기관실, 발전기실, 스위치보드(SWBD)룸, 계류삭 저장소, 비상탈출로, 소화/소방장비 보관실, 비상소화 펌프실 등을 포함할 수 있다.
발전기(82)는 전기를 생산하고, 생산된 전기는 스위치보드(40)를 통해 방한 설비(60) 및 전력이 필요한 설비(70)로 공급될 수 있다.
연료전지(84)는 열교환기(30)를 거쳐 데워진 공기와 개질기(88)에서 연료를 개질하여 변환된 수소가 반응하여 전기를 생산한다. 연료전지(84)에서 생산된 전기는 직접적으로 혹은 배터리(86)의 충전을 통해 방한이 필요한 설비(60) 혹은 비상전력(72) 용으로 사용된다. 또한, 부수적으로 생산된 열은 방한 설비(60)에 열 형태로 공급될 수도 있다. 단지 비상시 혹은 불연속 운전의 경우 반응물로 생성된 물을 스택에서 제거하기 위해 운전 정지 시에는 습기가 제거된 고온의 비활성가스(예컨대, N2)를 사용해 퍼지(purging)할 수 있다.
배터리(86)는 연료전지(84) 혹은 발전기(82)로부터 충전되어 비상시에 전력원으로 사용된다.
본 실시예에서는 이코노마이저(20)의 후단에 열교환기(30)를 설치하여 수증기를 만들어 내지 못하는 열원(섭씨 120~130도 근처)을 사용해 연료전지용 공기와 연료를 덥히거나 비활성가스의 수분을 제거하는데 사용함으로써 에너지 절약 효과를 볼 수 있다. 또한, 연료전지의 종류(MCFC, PAFC, PEMFC)에 따라 생성되는 섭씨 70~400도에 이르는 열원을 사용해 수증기 또는 열로 이를 필요로 하는 설비에 공급함으로써 추가적인 에너지 절약 효과도 발생한다.
배기 오염물질 저감장치(40)의 제1 실시예에 대해 설명하기로 한다.
제1 실시예에 따른 배기 오염물질 저감장치는 배기가스에 포함된 각종 오염물질(질소산화물, 황산화물, 분진 등)의 농도를 줄여 배기기준에 적합한 공기를 배출함과 동시에 배기가스의 농도를 줄이는 데 사용된 세정수의 처리가 동시에 이루어질 수 있는 장치이다.
배기 오염물질 저감장치는, 해수를 전기분해하는 정화유닛에서 생성된 산화제로 배기가스에 포함된 일산화질소(NO)를 산화시키고, 동시에 동일한 정화유닛에서 생성된 중화제로 산성화된 세정수를 중화시킴으로써, 시스템의 설치 및 유지 비용이 감소할 뿐만 아니라 선박 내 공간 활용도가 증가할 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 5을 참조하여, 제1 실시예에 따른 배기 오염물질 저감장치에 관하여 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배기 오염물질 저감장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 4는 도 3의 정화유닛을 확대하여 도시한 단면도이고, 도 5는 도 3의 연료전지모듈을 확대하여 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 배기 오염물질 저감장치(11)는 배기가스관(110)과, 해수공급관(120)과, 세정수공급관(130)과, 스크러버(140)와, 정화유닛(150)과, 연료전지모듈(190) 및 세정수배출관(141)을 포함한다.
배기가스관(110)은 이코노마이저(20)를 통과한 배기가스가 이동하는 관으로, 스크러버(140)에 연결된다. 배기가스관(110)은 이코노마이저(20)의 배기관에 직접 연결되어, 이코노마이저(20)에서 열교환에 의해 배기열의 대부분을 재활용하고 남은 폐가스가 이동하는 통로가 될 수 있다.
해수공급관(120)은 외부로부터 해수를 유입받아 공급하는 관으로, 해수를 가압하는 적어도 하나의 펌프(P1)가 설치되어 해수를 스크러버(140)로 원활하게 공급 할 수 있다. 그러나, 해수공급관(120)이 해수를 스크러버(140)로 공급하는 것으로 한정될 것은 아니며, 필요에 따라 밸러스트 탱크 등으로 해수를 공급할 수도 있다.
해수공급관(120)의 일 측에는 세정수공급관(130)이 분지되어 스크러버(140)로 연결될 수 있으며, 해수공급관(120)과 세정수공급관(130)의 연결부분에는 제1 제어밸브(125)가 설치될 수 있다. 제1 제어밸브(125)는 삼방밸브 형태로 형성되어, 세정수공급관(130)을 통하여 공급되는 해수의 양을 조절하거나 세정수공급관(130)으로 분지되어 공급되는 해수와 해수공급관(120)을 통하여 유동하는 해수의 비율을 조절할 수 있다. 이러한 해수공급관(120)은 세정수공급관(130)의 후단에 혼합관(122)과 해수배출관(123)이 차례로 연결된다. 혼합관(122)은 후술할 정화유닛(150)으로부터 전기분해 반응이 끝난 해수가 유동하며, 해수배출관(123)은 외부로 해수를 배출할 수 있다.
세정수공급관(130)은 해수 또는 청수 또는 해수와 청수의 혼합수 중 적어도 하나인 세정수를 스크러버(140)로 공급하는 관으로, 일단부가 해수공급관(120) 또는 청수공급관(126)에 연결되고 타단부가 스크러버(140)에 연결될 수 있다. 즉, 세정수공급관(130)은 해수와 청수를 선택적으로 공급받을 수 있다. 이하, 세정수가 해수인 것으로 한정하여, 세정수공급관(130)을 통해 주로 해수가 유입되어 스크러버(140)로 공급되는 과정을 보다 중점적으로 설명한다.
해수공급관(120)을 통해 외부로부터 유입되는 해수는 세정수공급관(130)을 통해 유동하여 스크러버(140)로 공급된다. 스크러버(140)는 배기가스관(110)을 통해 유입되는 배기가스에 세정수공급관(130)을 통해 공급되는 세정수를 분무하여 배기가스와 세정수를 기액 접촉시키는 장치로, 통상의 습식 스크러버(scrubber)일 수 있다. 이 때, 세정수공급관(130)은 스크러버(140) 내부에 위치한 단부가 스크러버(140)의 상부에 배치되며, 복수 개로 분지되어 세정수를 미립자 형태로 분무할 수 있다. 즉, 스크러버(140)의 상부에 배치된 세정수공급관(130)은 배기가스관(110)이 위치한 스크러버(140)의 하부를 향하여 세정수를 분무하며, 이로 인해, 배기가스와 세정수를 효과적으로 접촉시킬 수 있다. 스크러버(140) 내부에서 배기가스와 세정수가 접촉함에 따라 배기가스에 포함된 질소산화물, 황산화물, 및 분진 등의 오염물질이 제거될 수 있으며, 질소산화물, 황산화물 및 분진 등의 오염물질이 제거된 배기가스는 별도의 배출관(142)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 배출관(142)을 통해 배출되는 배기가스는 질소산화물, 황산화물 및 분진 등의 오염물질이 제거된 상태이므로, 배기 기준에 적합하게 되어 연돌(40)을 통해 대기 중에 그대로 배출할 수 있다.
스크러버(140) 내부에서 오염물질이 포함된 배기가스와 접촉하여 질소산화물, 황산화물 및 분진 등이 포함된 세정수는 세정수배출관(141)을 통해 스크러버(140) 외부로 배출된다.
한편, 정화유닛(150)은 해수를 전기분해하여 수소와, 질소계산화물을 산화시키는 산화제 또는 산성화된 세정수를 중화시키는 중화제를 생성하는 것으로, 배기가스관(110) 또는 해수공급관(120) 또는 스크러버(140)에 연결될 수 있다. 다시 말해, 정화유닛(150)은 배기가스관(110) 또는 해수공급관(120) 또는 스크러버(140)에 산화제 또는 중화제를 공급할 수 있다.
또한, 정화유닛(150)은 해수를 전기분해하여 살균제를 만들 수도 있다. 이렇게 생성된 살균제는 제2 주입관(157)과 제3 주입관(158)을 통해 스크러버(140)와 해수공급관(120)에 공급되어 해수 중의 미생물을 살균할 수 있다. 이후, 살균 처리된 해수는 해수배출관(123)을 통해 해양으로 방류되기 전, 센서부(124)에서 과잉 산화제양을 확인하게 된다. 이 때, 해수에 과잉의 산화제가 포함되었을 경우, 티오황산나트륨를 첨가하여 산화제양을 낮춘 후 해양으로 방출한다.
정화유닛(150)은 전기분해조(151)와, 양전극판(152a)과 음전극판(152b), 및 정류기(153)를 포함한다.
도 4를 참조하여 설명하면, 전기분해조(151)는 내부에 수용공간이 형성된 통 또는 챔버로, 해수공급관(120)을 통해 공급된 해수가 수용된다. 전기분해조(151)는 일 측에 해수공급관(120)으로부터 분지된 해수유입관(121)이 연결되어 해수를 공급받으며, 해수유입관(121) 상에는 적어도 하나의 펌프(P2)가 설치되어 해수를 전기분해조(151)로 원활하게 공급할 수 있다. 전기분해조(151)는 내부에 양전극판(152a)과 음전극판(152b)이 설치된다.
양전극판(152a)과 음전극판(152b)은 전기분해조(151) 내부에 해수의 유동 방향으로 배치되며, 일정 간격 이격되어 서로 마주보며 배치된다. 양전극판(152a)과 음전극판(152b) 사이에는 친수성 다공질 막으로 형성된 격막(154)이 설치되어, 전기분해조(151)는 내부가 양전극판(152a)이 위치하는 제1 영역(151a)과 음전극판(152b)이 위치하는 제2 영역(151b)으로 분할될 수 있다. 그러나, 격막(154)이 친수성 다공질 막으로 형성되는 것으로 한정될 것은 아니며, 다양한 구조의 막으로 변형되거나 필요에 따라 격막(154)이 생략될 수도 있다. 이러한 양전극판(152a)과 음전극판(152b)은 각각 케이블을 통해 정류기(153)와 전기적으로 연결된다.
정류기(153)는 양전극판(152a)과 음전극판(152b)에 각각 정류된 전류를 공급한다. 도면 상에는 정류기(153)가 전기분해조(151)의 외부에 설치된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 예를 들어, 정류기(153)는 전기분해조(151)의 내부에 설치될 수도 있다.
전기분해조(151) 내부에서는 정류기(153)로부터 공급된 전류에 의해 해수에 포함된 염화나트륨(NaCl)이 전기분해되며, 이로 인해, 양전극판(152a)에서는 산화반응이 일어나면서 염소가스(Cl2)가 발생되고, 음전극판(152b)에서는 수소가스(H2)와 수산기(OH-)가 발생된다. 이 때, 염소가스(Cl2)와 수산기(OH-)가 화학반응을 일으켜 산화력이 강한 차아염소산나트륨(NaOCl)과 차아염소산(HOCl)을 생성한다. 전기분해조(151) 내부에는 생성된 산화제 또는 살균제 또는 중화제의 농도를 측정하는 농도측정센서(155)가 마련되므로, 정류기(153)는 농도측정센서(155)에서 측정된 농도값에 연계하여 공급되는 전류의 세기를 조절할 수 있다.
구체적으로, 양전극판(152a)에서는 다음과 같은 반응이 일어난다.
Figure 112015105097158-pat00001
또한, 음전극판(152b)에서는 다음과 같은 반응이 일어난다.
Figure 112015105097158-pat00002
결론적으로,
Figure 112015105097158-pat00003
즉, 산화제는 해수를 전기분해하여 생성한 차아염소산나트륨(NaOCl) 또는 차아염소산(HOCl)일 수 있으며, 정화유닛(150)은 제1 주입관(156)을 통해 배기가스관(110)에 산화제를 액상으로 미립자화하여 분사할 수 있다. 구체적으로, 정화유닛(150)은 제1 주입관(156)을 통해 배기가스관(110)에 산화제를 분사하여 배기가스에 포함된 일산화질소를 이산화질소로 산화시킬 수 있다. 이산화질소는 일산화질소에 비하여 물에 쉽게 용해되므로 스크러버(140)에서 세정수에 녹아 쉽게 제거될 수 있다. 제1 주입관(156)은 배기가스관(110)에 액체산화제를 미립자화하여 분사하거나, 배기가스관(110)에 설치된 별도의 분무유닛(111)을 통하여 배기가스에 액체산화제를 분무할 수 있다. 분무유닛(111)은 노즐, 초음파진동자, 스프레이, 가열판 등을 사용하여 액체산화제를 미립자화하거나 액적화, 또는 증기화할 수 있다.
또한, 중화제는 해수를 전기분해하여 생성한 차아염소산나트륨(NaOCl) 또는 차아염소산나트륨(NaOCl)의 희석액일 수 있으며, 정화유닛(150)은 제2 주입관(157)을 통해 스크러버(140)에 중화제를 주입할 수 있다. 구체적으로, 중화제는 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)이 세정수와 반응하여 산성화된 세정수를 중화시킬 수 있다. 질소산화물(NOx)과 황산화물(Sox)은 해수와 반응하면 각각 질산(HNO3)과 황산(H2SO4)을 생성하게 되므로, 정화유닛(150)은 차아염소산나트륨(NaOCl)을 스크러버(140)에 분사하여 산성화된 세정수를 중화시킬 수 있다. 스크러버(140) 내부에서 는 다음과 같은 반응이 일어난다.
Figure 112015105097158-pat00004
차아염소산나트륨(NaOCl)은 질산(HNO3) 및 황산(H2SO4)과 반응하여 차아염소산(HOCl)을 추가로 생성하므로, 세정수 중에 포함된 미생물을 살균할 수도 있다. 이 때, 차아염소산(HOCl)은 약한 산(acidic) 성분을 띄고 있으므로, 별도의 중화제, 예를 들어, 티오황산나트륨(Na2S2O3), 수산화나트륨(NaOH)을 첨가할 수도 있다.
이러한 정화유닛(150)은 제3 주입관(158)을 통해 해수공급관(120)에 살균제를 주입하여 혼합관(122) 및 해수배출관(123)을 통해 해상으로 배출되는 해수 중의 미생물을 살균시킬 수 있다. 한편, 정화유닛(150)은 제2 주입관(157)을 통해 스크러버(140)에 직접 중화제(NaOH)를 주입할 수도 있으며, 정화유닛(150)에서 공급된 중화제로 세정수의 중화가 충분히 이루어지지 않을 경우, 별도의 중화제 주입 유닛(미도시)을 추가하여 2차 중화단계를 거칠 수도 있다.
해수의 전기분해에 의해 생성된 수소는 물에 대한 용해도가 매우 낮으므로(수소 용해도: 0.0016g/kg), 별도의 기액분리기(도시되지 않음)를 통해 물로부터 쉽게 분리된 후 연료전지모듈(190)로 공급될 수 있으며, 연료전지모듈(190)은 산소와 정화유닛(150)으로부터 공급된 수소를 공급받아 전기를 생성할 수 있다. 예를 들어, 연료전지모듈(190)은 50℃ - 200℃의 저온에서 운전되며 소용량 출력에 적합한 고분자 전해질형 연료전지로 형성될 수 있다. 고분자 전해질형 연료전지는 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로, 발전효율이 높고 출력 밀도가 크며 부하변화에 대한 응답특성이 빠른 장점이 있다. 그러나, 연료전지모듈(190)이 고분자 전해질형 연료전지로 형성되는 것으로 한정될 것은 아니며, 저온에서 작동하는 다양한 연료전지로 변형될 수 있다. 예를 들어, 연료전지모듈(190)은 인산형 연료전지로 형성될 수도 있다.
연료전지모듈(190)은 산소를 포함하는 공기와 수소를 공급받아 전기를 생성 한다. 여기서, 공기라 함은 일반적으로 자연 상태에서 얻을 수 있는 약 80%의 질소 와 약 20%의 산소로 구성된 일반적인 공기에 한정될 것은 아니며, 산소의 농도가 일반적인 공기보다 높거나 낮을 수 있으며, 일반적인 공기의 조성물질과 다른 물질이 일부 포함될 수도 있다. 즉, 공기라 함은, 연료전지모듈(190)에서 필요한 산소를 포함하고 있는 기체를 통칭할 수 있다.
해수공급관(120) 또는 해수공급관(120)으로부터 분지된 해수유입관(121) 상에는 해수에 전해질을 공급하는 전해질탱크(199)가 마련될 수 있으며, 이때, 전해질은 염화나트륨(NaCl)일 수 있다. 선박은 전세계 해역을 운항하며, 해역에 따라 해수에 포함된 염분의 농도가 서로 다를 수 있다. 특히, 해수에 포함된 염분의 농도가 너무 낮을 경우, 중화유닛(150)에서 전기분해가 원활하게 이루어지지 않으며, 이로 인해, 적합한 농도를 갖는 산화제 또는 중화제가 생성되지 않아 배기가스가 배출기준을 만족시키지 못하는 경우가 발생할 수 있다. 해수공급관(120) 또는 해수유입관(121) 상에 전해질을 공급하는 전해질탱크(199)가 마련됨으로써, 염화나트륨이 적게 포함된 해수가 유입된 경우에도 중화유닛(150)에서 전기분해가 원활하게 이루어질 수 있으며, 이로 인해, 산화제 또는 중화제가 용이하게 생성될 수 있다.
세정수배출관(141)은 스크러버(140) 내부의 세정수를 배출하는 관으로, 필터유닛(160)을 통하여 해수공급관(120)과 다시 연결될 수 있다. 즉, 세정수배출관(141)은 필터유닛(160)을 통하여 세정수에 포함된 고체상 입자를 분리한 후, 외부로 배출할 수 있다. 세정수배출관(141)은 반드시 해수공급관(120)과 연결될 필요는 없으며, 독립적으로 선박의 외부와 연결될 수도 있다.
세정수배출관(141)에는 순환관(181)이 연결될 수 있다. 순환관(181)은 세정수배출관(141)을 통하여 배출되는 세정수를 세정수공급관(130)으로 재순환시키는 관으로, 세정수를 외부로 배출할 필요가 없는 경우 세정수를 스크러버(140)로 순환시켜 재사용할 수 있다.
세정수배출관(141)과 순환관(181) 사이에는 재순환탱크(180)가 설치될 수 있다. 재순환탱크(180)는 스크러버(140)를 통하여 배출된 세정수 중 일부를 저장할 수 있으며, 순환관(181)을 통하여 일정한 양의 세정수가 순환될 수 있도록 일종의 버퍼 탱크(buffer tank) 역할을 할 수 있다.
재순환탱크(180)는 원심분리기, 중력분리기, 필터 중 어느 하나를 포함하여 세정수에 포함된 고체상 입자를 분리하고 순환관(181)을 통해 세정수를 재순환시킬 수 있다.
세정수공급관(130)은 해수공급관(120), 청수공급관(126) 및 순환관(181)과 연결되어 있어, 배기가스의 농도, 스크러버(140)의 처리 용량, 세정수의 농도 및 오염도 등을 고려하여 해수, 청수, 순환수를 적절히 섞어 스크러버(140)로 공급할 수 있다.
필터유닛(160)은 스크러버(140)의 후단에 설치되어 스크러버(140)로부터 배출되는 세정수에 포함된 고체상 입자 등을 분리하는 장치로, 재순환탱크(180)와 같이 원심분리기, 중력분리기, 필터 중 적어도 하나를 이용하여 고체상 입자를 분리한 후 슬러지탱크(170)로 배출할 수 있다. 필터유닛(160)은 펌프(P1)와 제1 제어밸브(125) 사이의 해수공급관(120)에 연결될 수 있다. 즉, 해수공급관(120)으로부터 공급되는 해수는 필터유닛(160)을 통과한 후 세정수공급관(130)을 통해 스크러버(140)로 공급되며, 스크러버(140)를 통과한 세정수는 다시 필터유닛(160)을 통과할 수 있다. 즉, 하나의 필터유닛(160)으로 외부에서 유입된 해수와 스크러버(140)를 통과한 세정수를 모두 필터링할 수 있다. 또한, 필터유닛(160)은 하나 또는 두 개를 사용하되, 세정수배출관(141)을 통과한 세정수 또는 해수공급관(120)을 통과한 해수 속의 포함된 입자가 큰 물질 제거에 공통으로 또는 독립적으로 사용할 수도 있다.
필터유닛(160)을 통과한 세정수 또는 해수에는 제3 주입관(158)을 통해 중화제 또는 살균제가 분사될 수 있다. 필터유닛(160)과 해수배출관(123) 사이에는 해수와 세정수의 혼합수가 배출되는 혼합관(122)이 설치될 수 있으며, 제3 주입관(158)은 해수공급관(120) 또는 혼합관(122)에 연결될 수 있다. 해수배출관(123) 상에는 센서부(124)가 설치되어 있어, 배출되는 세정수와 해수 중에 포함된 총잔류산화제양(total residual oxidant), pH값, 미생물 농도 중 적어도 하나를 실시간으로 파악할 수 있다. 센서부(124)는 예를 들어, TRO(Total Residual Oxidant) 센서일 수 있으며, 정화유닛(150)은 센서부(124)의 결과값에 따라 산화제, 중화제, 살균제의 공급량을 조절할 수 있다.
혼합관(122)을 통해 배출되는 세정수와 해수는 해수배출관(123)을 통해 외부로 배출된다.
이하, 도 6 및 도 7을 참조하여, 배기 오염물질 저감장치(40)의 작동과정에 대해 좀 더 상세히 설명한다.
도 6은 해수공급관으로 공급된 해수가 스크러버를 통과한 후 외부로 직접 배출되는 개루프(open loop) 방식을 도시한 것이며, 도 7은 해수공급관으로 공급된 해수가 스크러버를 통과한 후 순환관을 통하여 재순환되는 폐루프(close loop) 방식을 도시한 것이다.
먼저, 도 6을 참조하면, 해수공급관(120)을 통하여 유입된 해수 중 일부는 세정수공급관(130)을 통하여 스크러버(140)로 공급되며, 나머지 일부는 해수유입관(121)을 통하여 정화유닛(150)으로 공급된다. 세정수는 스크러버(140) 상부에서 분사되며, 스크러버(140)의 하부에는 세정수가 일정 수위로 채워질 수 있다. 이 때, 배기가스관(110)을 통하여 공급된 배기가스는 스크러버(140)의 하부에서 분사될 수 있다.
정화유닛(150)은 해수를 전기분해하여 생성한 산화제를 배기가스가 스크러버(140)로 공급되기 전에 분사하여 일산화질소를 이산화질소로 산화시킬 수 있다.
정화유닛(150)은 세정수의 pH값을 고려하여 해수공급관(120) 또는 스크러버(140)에 중화제를 함께 분사할 수 있다.
한편, 배기가스는 스크러버(140) 하부에 채워진 세정수 속에서 분사될 수 있으며, 이로 인해, 1차로 질소산화물 황산화물, 분진 등의 오염물질이 제거될 수 있다. 또한, 스크러버(140) 상부에서 분사되는 세정수에 의해 2차로 오염물질이 제거될 수 있다. 이러한 과정을 통하여 배기가스 내부의 오염물질은 제거되며, 오염물질이 제거된 배기가스는 배출관(142)을 통하여 외부로 배출된다.
스크러버(140)를 통과한 세정수는 질소산화물, 황산화물, 분진 등의 오염물질을 포함하고 있으며, 세정수배출관(141)을 통하여 필터유닛(160)으로 이동한다. 필터유닛(160)은 세정수 내부의 고체상 입자 등의 오염물질을 분리하여 슬러지탱크(170)로 저장하며, 오염물질이 분리된 세정수는 해수배출관(123)을 통하여 외부로 배출된다. 이 때, 센서부(124)에서 측정한 해수배출관(123)을 통과하는 세정수의 총잔류산화제양과 pH값이 기준치를 벗어나는 경우, 티오황산나트륨를 혼합관(122)에 주입하거나(미도시) 제2 주입관(157)을 통해 정화유닛(150)에서 생산된 중화제를 스크러버(140)에 주입하여 총잔류산화제양과 pH값을 기준치 이내로 맞춘 후 외부로 배출한다.
정화유닛(150)에서 해수의 전기분해에 의해 생성된 수소는 연료전지모듈(190)로 공급되며, 연료전지모듈(190)에서 생성된 전기는 정화유닛(150) 또는 펌프(P1, P2)의 동력원으로 사용되거나 배터리모듈(195)에 저장될 수 있다.
한편, 해수공급관(120)을 통해 염화나트륨이 적게 포함된 해수가 유입된 경우, 전해질탱크(199)는 해수유입관(121)을 유동하는 해수에 전해질을 공급할 수 있다.
이어서, 도 7를 참조하여 설명하면, 해수공급관(120)을 통하여 유입된 해수 중 일부는 스크러버(140)로 공급되고, 일부는 정화유닛(150)으로 공급된다. 스크러버(140)를 통과하여 세정수배출관(141)으로 배출된 세정수는 재순환탱크(180)에 일시 저장되었다가 다시 순환관(181)을 통하여 세정수공급관(130)으로 순환된다. 즉, 도 7의 과정은 세정수가 순환관(181)을 통하여 재순환하는 점을 제외하면 나머지 과정은 도 6의 과정도 실질적으로 동일하다.
해수공급관(120)을 통하여 유입된 해수는 세정수공급관(130), 스크러버(140), 세정수배출관(141), 재순환탱크(180), 순환관(181)을 순차적으로 순환하며, 해수의 오염도, pH값 등을 고려하여 도 6의 과정과 도 7의 과정을 병행할 수 있다. 도 7의 과정은 해수의 배출이 제한되는 지역을 통과할 경우(예컨대, 극지 운항 중)와 같이, 외부로 해수를 배출할 수 없는 경우에 사용될 수 있다. 세정수를 다시 재순환함으로써 세정수의 오염이 심할 경우, 필터유닛(160)을 통하여 고체상 입자를 제거한 후 외부로 배출하고, 다시 새로운 해수를 스크러버(140)로 공급할 수 있다.
이하, 도 8 내지 도 13을 참조하여, 제2 실시예에 따른 배기 오염물질 저감장치에 관하여 상세히 설명한다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배기 오염물질 저감장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 9는 도 8의 전처리유닛을 확대하여 도시한 단면도이다.
본 발명에 따른 배기 오염물질 저감장치는 배기가스관(210)과, 세정수공급관(230)과, 스크러버(240)와, 산화유닛(250)과, 전처리유닛(260), 및 세정수배출관(241)을 포함한다.
배기가스관(210)은 이코노마이저(20)를 통과한 배기가스가 이동하는 관으로, 스크러버(240)에 연결된다. 배기가스관(210)은 이코노마이저(20)의 배기관에 직접 연결되어, 이코노마이저(20)에서 열교환에 의해 배기열의 대부분을 재활용하고 남은 폐가스가 이동하는 통로가 될 수 있다.
세정수공급관(230)은 해수 또는 청수 또는 해수와 청수의 혼합수 중 적어도 하나인 세정수를 스크러버(240)로 공급하는 관으로, 일단부가 해수공급관(220) 또는 청수공급관(226)에 연결되고 타단부가 스크러버(240)에 연결될 수 있다. 즉, 세정수공급관(230)은 해수와 청수를 선택적으로 공급받을 수 있다. 이하, 세정수가 해수인 것으로 한정하여, 세정수공급관(230)을 통해 주로 해수가 유입되어 스크러버(240)로 공급되는 과정을 보다 중점적으로 설명한다.
해수공급관(220)은 외부로부터 해수를 유입받아 공급하는 관으로, 해수를 가 압하는 적어도 하나의 펌프(2P1)가 설치되어 해수를 스크러버(240)로 원활하게 공급할 수 있다. 그러나, 해수공급관(220)이 해수를 스크러버(240)로 공급하는 것으로 한정될 것은 아니며, 필요에 따라 밸러스트 탱크 등으로 해수를 공급할 수도 있다.
해수공급관(220)의 일 측에는 세정수공급관(230)이 분지되어 스크러버(240)로 연결되며, 해수공급관(220)과 세정수공급관(230)의 연결부분에는 제어밸브(225)가 설치될 수 있다. 제어밸브(225)는 삼방밸브 형태로 형성되어, 세정수공급관(230)을 통하여 공급되는 해수의 양을 조절하거나 세정수공급관(230)으로 분지되어 공급되는 해수와 해수공급관(220)을 통하여 유동하는 해수의 비율을 조절할 수 있다. 이러한 해수공급관(220)은 세정수공급관(230)의 후단에 혼합관(222)과 해수배출관(223)이 차례로 연결된다. 혼합관(222)은 후술할 중화제공급부(300)의 중화제가 주입된 해수가 유동하며, 해수배출관(223)은 외부로 해수를 배출할 수 있다.
해수공급관(220)을 통해 외부로부터 유입되는 해수는 세정수공급관(230)을 통해 유동하여 스크러버(240)로 공급된다. 스크러버(240)는 배기가스관(210)을 통해 유입되는 배기가스에 세정수공급관(230)을 통해 공급되는 세정수를 분무하여 배기가스와 세정수를 기액 접촉시키는 장치로, 통상의 습식 스크러버(2scrubber)일 수 있다. 이때, 세정수공급관(230)은 스크러버(240) 내부에 위치한 단부가 스크러버(240)의 상부에 배치되며, 복수 개로 분지되어 세정수를 미립자 형태로 분무할 수 있다. 즉, 스크러버(240)의 상부에 배치된 세정수공급관(230)은 배기가스관(210)이 위치한 스크러버(240)의 하부를 향하여 세정수를 분무하며, 이로 인해, 배기가스와 세정수를 효과적으로 접촉시킬 수 있다. 스크러버(240) 내부에서 배기가스와 세정수가 접촉함에 따라 배기가스에 포함된 질소산화물, 황산화물 및 분진 등의 오염물질이 제거될 수 있으며, 질소산화물, 황산화물 및 분진 등의 오염물질이 제거된 배기가스는 별도의 배출관(242)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 배출관(242)을 통해 배출되는 배기가스는 질소산화물, 황산화물, 및 분진 등의 오염물질이 제거된 상태이므로, 배기 기준에 적합하게 되어 대기 중에 그대로 배출할 수 있다.
스크러버(240) 내부에서 오염물질이 포함된 배기가스와 접촉하여 질소산화물, 황산화물, 및 분진 등이 포함된 세정수는 세정수배출관(241)을 통해 스크러버(240) 외부로 배출된다. 이 때, 스크러버(240) 내부의 세정수는 질소산화물과 황산화물이 용해되어 강산성의 황산(H2SO4)과 질산(HNO3)을 형성하므로, 세정수에 포함된 미생물을 사멸시킬 수 있다.
한편, 배기가스관(210)을 통하여 공급되는 배기가스는 전처리유닛(260)을 통 과하여 미세분진이 제거되고, 산화유닛(250)을 통과하여 1차로 정화되며, 다시 스크 러버(240)를 통해 2차로 정화될 수 있다.
산화유닛(250)은 펄스코로나 방전을 하거나 자외선을 조사하여 배기가스를 산화시키는 장치로, 배기가스관(210)에 연결될 수 있다. 이하, 산화유닛(250)이 펄스 코로나 방전을 하여 배기가스를 산화시키는 구조를 보다 중점적으로 설명한다.
산화유닛(250)은 펄스 고전압에 의해 코로나 방전이 되면 배기가스가 플라즈 마 상태가 되어 오존과 O2, OH 등의 산화성 라디칼을 발생시켜 질소산화물이나 황산화물 등의 오염물질을 제거한다. 산화유닛(250)은 배기가스가 아래의 반응식에 따라 반응하여 배기가스 내의 오염물질, 즉, 황산화물 또는 질소산화물을 산화시킬 수 있다.
Figure 112015105097158-pat00005
전처리유닛(260)은 배기가스에 포함된 미세분진을 제거하는 장치로, 배기가 스관(210)에 연결되되 산화유닛(250)의 전단에 위치할 수 있다. 전처리유닛(260)은 미세분진에 물분자를 분사하여 배기가스의 미세분진 농도를 감소시키거나, 미세분진의 투과율이 낮은 분리막을 이용하여 미세분진 농도를 감소시키거나, 사이클론(cyclone) 방식의 원심분리기를 이용하여 미세분진 농도를 감소시킬 수 있다. 이하, 도 9를 참조하여, 전처리유닛(260)이 미세분진에 물분자를 분사하여 배기가스의 미세분진 농도를 감소시키는 구조를 보다 중점적으로 설명한다.
해수공급관(220)은 일 측이 분지되어 전처리유닛(260)에 연결될 수 있으며, 외부로부터 유입된 해수를 전처리유닛(260)에 분사할 수 있다. 이 때, 해수공급 관(220)의 단부에는 노즐유닛(262)이 결합되므로, 해수를 미립자화하여 분사할 수 있다. 또한, 청수공급관(226)은 일 측이 분지되어 전처리유닛(260)에 연결될 수 있으며, 청수를 전처리유닛(260)에 분사할 수 있다. 이 때, 청수공급관(226)의 단부에는 노즐유닛(262)이 결합되므로, 청수를 미립자화하여 분사할 수 있다. 즉, 전처리유닛(260)은 해수, 청수, 해수와 청수의 혼합수를 선택적으로 공급받을 수 있다.
전처리유닛(260)에 해수 또는 청수 또는 해수와 청수의 혼합수가 분사됨으로써, 배기가스 내 미세분진은 물분자를 흡수하여 가라앉게 되며, 이로 인해, 전처리 유닛(260)을 통과하여 산화유닛(250)으로 공급되는 배기가스의 미세분진 농도가 감소할 수 있다. 산화유닛(250)에 미세분진 농도가 감소된 배기가스가 공급됨으로써, 산화유닛(250) 내부에 위치하여 펄스 코로나 방전을 유도하는 전극(도시되지 않음)에 미세분진이 흡착되는 것을 방지할 수 있어 배기가스의 산화효율이 향상될 수 있다. 또한, 산화유닛(250)이 자외선을 조사하는 경우, 미세분진이 자외선의 조사 경로를 차단하는 것을 방지할 수 있어 산화효율이 향상될 수 있다.
그러나, 해수공급관(220) 및 청수공급관(226)의 단부에 노즐유닛(262)이 결합되는 것으로 한정될 것은 아니며, 해수 또는 청수를 미립자화하여 분사할 수 있는 다양한 구조로 변형될 수 있다. 예를 들어, 전처리유닛(260)과 해수공급관(220) 사이 또는 전처리유닛(260)과 청수공급관(226) 사이에는 수증기를 발생시키는 수증기 발생 유닛(미도시)이 결합될 수도 있다. 여기서, 수증기라 함은 물의 완전한 기체 상태만을 의미하는 것이 아니라 액체 상태의 물이 무화(霧化)되어 작은 입자를 이루는 상태를 포함할 수 있다. 수증기 발생유닛을 통해 발생된 수증기는 펌핑유닛(미도시)을 통하여 전처리유닛(260) 내부에 고압으로 분사될 수 있다.
전처리유닛(260)의 일 측에는 포집관(261)이 연결될 수 있다. 포집관(261)은 전처리유닛(260)을 통과한 해수 또는 청수를 세정수공급관(230)으로 공급하는 관으로, 필요에 따라 선택적으로 개방될 수 있다. 포집관(261)은 전처리유닛(260)을 통과한 해수 또는 청수를 후술한 순환관(291)에 공급할 수도 있다. 즉, 포집관(261)은 분지되어 세정수공급관(230)에 연결되거나 순환관(291)에 연결될 수 있다.
한편, 스크러버(240) 내부에 생성된 황산(H2SO4)과 질산(HNO3)은 중화제공급부(300)를 통하여 공급된 중화제에 의해 중화될 수 있다. 예를 들어, 중화제는 알칼리 용액, 즉, 수산화나트륨(NaOH) 또는 차아염소산나트륨(NaOCl)일 수 있으며, 해수 등을 전기분해하여 얻을 수 있다. 따라서, 중화제공급부(300)는 단순히 중화제가 저장된 중화제 탱크를 포함할 수도 있으며, 전기분해장치를 포함하여 중화제를 직접 생산하는 장치일 수도 있다. 중화제공급부(300)가 전기분해장치를 포함하여 중화제를 직접 생산하는 경우, 중화제공급부(300)의 일 측에는 해수공급관(220)으로부터 분지된 해수유입관(221)이 연결되어 해수를 공급받을 수 있다. 해수유입관(221) 상에는 적어도 하나의 펌프(P2)가 설치되어 해수를 중화제공급부(300)로 원활하게 공급할 수 있다.
중화제공급부(300)는 중화제를 스크러버(240)에 공급하거나 해수공급관(220)에 공급하거나 포집관(261)에 공급할 수 있다. 다시 말해, 중화제공급부(300)는 제1 주입관(310)을 통해 스크러버(240)에 중화제를 공급하거나, 제2 주입관(320)을 통해 해수공급관(220)에 중화제를 공급하거나, 제3 주입관(3330)을 통해 포집관(261)에 중화제를 공급할 수 있다.
중화제공급부(300)가 중화제를 스크러버(240)에 공급할 경우, 세정수가 배기가스와 접하고 난 후 순차적으로 접하도록 제어할 수 있다. 즉, 세정수 내부의 미생물 살균을 위하여 배기가스와 세정수가 먼저 접하여 황산과 질산에 의해 미생물을 사멸시킨 후, 중화제가 세정수에 섞여 세정수를 적정 pH가 되도록 중화시킬 수 있다. 이러한 과정을 통하여 스크러버(240) 내에서 배기가스 내의 오염물질을 제거하고, 세정수의 미생물을 사멸하고 세정수를 중화시키는 과정이 한번에 이루어질 수 있다.
전술한 바와 같이, 포집관(261)은 내부에 전처리유닛(260)을 통과한 해수 또 는 청수가 유동한다. 전처리유닛(260)을 통과한 해수 또는 청수는 미세분진 및 오염 물질 등을 포함하여 산성을 띄므로, 중화제공급부(300)는 중화제를 공급하여 pH를 적절하게 조절할 수 있다.
세정수배출관(241)은 스크러버(240) 내부의 세정수를 배출하는 관으로, 필터 유닛(270)을 통하여 해수공급관(220)과 다시 연결될 수 있다. 즉, 세정수배출관(241)은 필터유닛(270)을 통하여 세정수에 포함된 고체상 입자를 분리한 후, 외부로 배출할 수 있다. 그러나, 세정수배출관(241)은 반드시 해수공급관(220)과 연결될 필요는 없으며, 독립적으로 선박의 외부와 연결될 수도 있다.
세정수배출관(241)에는 순환관(291)이 연결될 수 있다. 순환관(291)은 세정수 배출관(241)을 통하여 배출되는 세정수를 세정수공급관(230)으로 재순환시키는 관으로, 세정수를 외부로 배출할 필요가 없는 경우 세정수를 스크러버(240)로 순환시켜 재사용할 수 있다. 세정수배출관(241)과 순환관(291) 사이에는 재순환탱크(290)가 설치될 수 있다. 재순환탱크(290)는 스크러버(240)를 통하여 배출된 세정수 중 일부를 저장할 수 있으며, 순환관(291)을 통하여 일정한 양의 세정수가 순환될 수 있도록 일종의 버퍼탱크(buffer tank) 역할을 할 수 있다. 재순환탱크(290)는 원심분리기, 중력분리기, 필터 중 어느 하나를 포함하여 세정수에 포함된 고체상 입자를 분리하고 순환관(291)을 통해 세정수를 재순환시킬 수 있다.
세정수공급관(230)은 해수공급관(220), 청수공급관(226), 순환관(291) 및 포집관(261)과 연결되어 있어, 배기가스의 농도, 스크러버(240)의 처리 용량, 세정수의 농도 및 오염도 등을 고려하여 해수, 청수, 순환수를 적절히 섞어 스크러버(240)로 공급할 수 있다.
필터유닛(270)은 스크러버(240)의 후단에 설치되어 스크러버(240)로부터 배출 되는 세정수에 포함된 고체상 입자 등을 분리하는 장치로, 재순환탱크(290)와 같이 원심분리기, 중력분리기, 필터 중 적어도 하나를 이용하여 고체상 입자를 분리한 후 슬러지탱크(280)로 배출할 수 있다. 필터유닛(270)은 펌프(P1)와 제어밸브(225) 사이의 해수공급관(220)에 연결될 수 있다. 즉, 해수공급관(220)으로부터 공급되는 해수는 필터유닛(270)을 통과한 후 세정수공급관(230)을 통해 스크러버(240)로 공급되며, 스크러버(240)를 통과한 세정수는 다시 필터유닛(270)을 통과할 수 있다. 즉, 하나의 필터유닛(270)으로 외부에서 유입된 해수와 스크러버(240)를 통과한 세정수를 모두 필터링할 수 있다. 또한, 필터유닛(270)은 하나 또는 두 개를 사용하되, 세정수배출관(241)을 통과한 세정수 또는 해수공급관(220)을 통과한 해수 속의 포함된 입자가 큰 물질 제거에 공통으로 또는 독립적으로 사용할 수도 있다.
필터유닛(270)을 통과한 세정수 또는 해수에는 제2 주입관(320)을 통해 중화제 또는 살균제가 분사될 수 있다. 필터유닛(270)과 해수배출관(223) 사이에는 해수와 세정수의 혼합수가 배출되는 혼합관(222)이 설치될 수 있으며, 제2 주입관(320)은 해수공급관(220) 또는 혼합관(222)에 연결될 수 있다. 해수배출관(223) 상에는 센서부(224)가 설치되어 있어, 배출되는 세정수와 해수 중에 포함된 총잔류산화제양(total residual oxidant), pH값, 미생물 농도 중 적어도 하나를 실시간으로 파악할 수 있다. 센서부(224)는 예를 들어, TRO(2otal Residual Oxidant) 센서일 수 있으며, 중화제공급부(300)는 센서부(224)의 결과값에 따라 산화제, 중화제, 살균제의 공급량을 조절할 수 있다.
혼합관(222)을 통해 배출되는 세정수와 해수는 해수배출관(223)을 통해 외부 로 배출된다.
이하, 도 10을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 전처리유닛(260a)에 관하여 상세히 설명한다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전처리유닛을 확대하여 도시한 단면도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 전처리유닛(260a)은 미세분진의 투과율이 낮은 분리막(263)을 이용하여 미세분진 농도를 감소시킨다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 전처리유닛(260a)은 미세분진의 투과율이 낮은 분리막(263)을 이용하여 미세분진 농도를 감소시키는 것을 하는 것을 제외하면, 전술한 실시예와 실질적으로 동일하다. 따라서, 이를 중점적으로 설명하되, 별도의 언급이 없는 한, 나머지 구성부에 대한 설명은 전술한 사항으로 대신한다.
전처리유닛(260a)은 적어도 하나의 분리막(263)을 이용하여 산화유닛(250)으로 유입되는 배기가스의 미세분진의 농도를 감소시킨다. 분리막(263)은 미세분진의 투과율이 낮아 미세분진의 투과를 차단하는 막을 의미한다. 본 발명에서 분리막(263)은 미세분진의 투과를 완벽하게 차단할 수 있는 막에 한정될 것은 아니며, 미세분진의 농도를 조절할 수 있을 정도의 분리막이라면 어떠한 것도 가능할 것이다.
분리막(263)은 도시된 바와 같이 전처리유닛(260a) 내부에 설치될 수도 있고, 배기가스관(210) 내부에 직접 설치될 수도 있다. 또한, 분리막(263)은 배기가스의 이 동 방향을 따라 다단으로 배치되어 미세분진의 농도를 단계적으로 감소시킬 수도 있다.
분리막(263)은 전처리유닛(260a)을 횡방향으로 분할하여 제1 영역(A1)과 제2 영역(A2)으로 분리할 수 있다. 제1 영역(A1)과 제2 영역(A2)은 분리막(263)을 사이 에 두고 각각 양 측에 형성되며, 제1 영역(A1)은 이코노마이저(20)와 연결되는 영역이며, 제2 영역(A2)은 산화유닛(250)과 연결되는 영역일 수 있다. 이 때, 제2 영역(A2)은 제1 영역(A1)보다 낮은 압력으로 설정되어 배기가스관(210)을 통해 유입된 배기가스는 제1 영역(A1)에서 분리막(263)을 통하여 제2 영역(A2)으로 이동할 수 있다. 전술한 바와 같이 분리막(263)은 미세분진의 투과율이 낮은 특성을 가지므로, 배기가스관(210)을 통하여 유입된 배기가스에 포함된 미세분진이 투과하는 것을 차단할 수 있다. 즉, 제2 영역(A2)에 존재하는 배기가스의 미세분진 농도는 제1 영역(A1)에 존재하는 배기가스의 미세분진 농도보다 낮게 유지될 수 있다.
이하, 도 11를 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 전처리유닛(260b)에 관하여 상세히 설명한다.
도 11는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전처리유닛을 확대하여 도시한 단 면도이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전처리유닛(260b)은 사이클론(cyclone) 방식의 원심분리기(264)를 이용하여 미세분진 농도를 감소시킨다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전처리유닛(260b)은 사이클론(cyclone) 방식의 원심분리기(264)를 이용하여 미세분진 농도를 감소시키는 것을 제외하면, 전술한 실시예와 실질적으로 동일하다. 따라서, 이를 중점적으로 설명하되, 별도의 언급이 없는 한, 나머지 구 성부에 대한 설명은 전술한 사항으로 대신한다.
전처리유닛(260b)은 배기가스관(210)을 통해 공급되는 배기가스를 공급받아 미세분진을 분리하는데, 이 때, 원심분리기(264)를 이용할 수 있다. 원심분리기(264)는 도시된 바와 같이, 사이클론 방식의 고체 분리 장치로 형성된다. 즉, 배기가스관(210)으로부터 공급되는 미세분진이 포함된 배기가스를 원심분리기(264) 내부에 접선 방향으로 공급하면, 밀도 차에 의해 미세분진이 제거된 배기가스와 미세분진으로 분리된다. 미세분진은 원심력에 의해 선회하면서 원추벽에 모이고, 원추부(264a)를 통하여 배출된다. 미세분진이 제거된 배기가스는 원심분리기(264)의 중심부에 모여 선회 와류를 형성하며 상승하여 원통부(264b)를 통해 배출된다. 원추부(264a)를 통해 배출된 미세분진 및 미세분진을 포함하는 배기가스는 별도의 입자제거기로 공급되며, 원통부(264b)를 통해 배출된 미세분진이 제거된 배기가스는 배기가스관(210)을 통해 산화유닛(250)으로 공급된다.
이하, 도 12 및 도 13을 참조하여, 배기 오염물질 저감장치(21)의 작동과정에 대해 좀 더 상세히 설명한다.
도 12는 해수공급관으로 공급된 해수가 스크러버를 통과한 후 외부로 직접 배출되는 개루프 방식을 도시한 것이며, 도 13은 해수공급관으로 공급된 해수가 스크러버를 통과한 후 순환관을 통하여 재순환되는 폐루프방식을 도시한 것이다.
먼저, 도 12를 참조하면, 해수공급관(220)을 통하여 유입된 해수 중 일부는 세정수공급관(230)을 통하여 스크러버(240)로 공급되며, 일부는 해수유입관(221)을 통하여 중화제공급부(300)로 공급될 수 있다. 세정수는 스크러버(240) 상부에서 분사되며, 스크러버(240)의 하부에는 세정수가 일정 수위로 채워질 수 있다. 이 때, 배기가스관(210)을 통하여 공급되는 배기가스는 전처리유닛(260)과 산화유닛(250)을 차례로 거친 후 스크러버(240)의 하부에서 분사될 수 있다. 전처리유닛(260)은 해수공급관(220)으로부터 해수를 공급받아 미세분진에 분사하며, 산화유닛(250)은 펄스코로나 방전을 하거나 자외선을 조사하여 배기가스 내 일산화질소를 이산화질소로 산화시킬 수 있다.
중화제공급부(300)는 해수를 전기분해하여 중화제를 생성할 수 있으며, 세 정수의 pH값을 고려하여 해수공급관(220) 또는 스크러버(240)에 중화제를 분사할 수 있다. 또한, 중화제공급부(300)는 전처리유닛(260)을 통과한 후 포집관(261)을 유동 하는 해수에 중화제를 분사하여 pH를 조절할 수 있다. pH가 조절된 포집관(261) 내부의 해수는 세정수공급관(230)을 통해 스크러버(240)로 공급될 수 있다.
한편, 배기가스는 스크러버(240) 하부에 채워진 세정수 속에서 분사될 수 있 으며, 이로 인해, 1차로 질소산화물 황산화물, 분진 등의 오염물질이 제거될 수 있 다. 또한, 스크러버(240) 상부에서 분사되는 세정수에 의해 2차로 오염물질이 제거 될 수 있다. 이러한 과정을 통하여 배기가스 내부의 오염물질은 제거되며, 오염물 질이 제거된 배기가스는 배출관(242)을 통하여 외부로 배출된다.
스크러버(240)를 통과한 세정수는 질소산화물, 황산화물, 분진 등의 오염물질을 포함하고 있으며, 세정수배출관(241)을 통하여 필터유닛(270)으로 이동한다. 필터유닛(270)은 세정수 내부의 고체상 입자 등의 오염물질을 분리하여 슬러지탱크(280)로 저장하며, 오염물질이 분리된 세정수는 해수배출관(223)을 통하여 외부로 배출된다. 이 때, 센서부(224)에서 측정한 해수배출관(223)을 통과하는 세정수의 총잔류산화제양과 pH값이 기준치를 벗어나는 경우, 티오황산나트륨를 혼합관(222)에 주입하거나(그림 미도시) 제1 주입관(2110)을 통해 중화제공급부(2100)에서 생성된 중화제를 스크러버(240)에 주입하여 총잔류산화제양과 pH값을 기준치 이내로 맞춘 후 외부로 배출한다.
이어서, 도 13을 참조하여 설명하면, 해수공급관(220)을 통하여 유입된 해수 중 일부는 스크러버(240)로 공급되어 세정수로 사용되고, 일부는 중화제공급부(300)로 공급되어 중화제를 생성하는데 사용된다. 배기가스관(210)을 통하여 공급되는 배기가스는 전처리유닛(260)과 산화유닛(250)을 차례로 거친 후 스크러버(240)에 분사되는데, 전처리유닛(260)은 해수공급관(220)으로부터 공급된 해수를 미세분진에 분사하여 배기가스의 미세분진 농도를 감소시킨다.
스크러버(240)를 통과하여 세정수배출관(241)으로 배출된 세정수는 재순환탱 크(290)에 일시 저장되었다가 다시 순환관(291)을 통하여 세정수공급관(230)으로 순환 한다.
중화제공급부(300)는 세정수의 pH값을 고려하여 스크러버(240)와 포집관(261)에 중화제를 분사하며, pH가 조절된 포집관(261) 내부의 해수는 순환관(291)에 공급 될 수 있다.
해수공급관(220)을 통하여 유입된 해수는 세정수공급관(230), 스크러버(240), 세정수배출관(241), 재순환탱크(290), 순환관(291)을 순차적으로 순환하며, 해수의 오 염도, pH값 등을 고려하여 도 12의 과정과 도 13의 과정을 병행할 수 있다. 도 13의 과정은 해수의 배출이 제한되는 지역을 통과할 경우와 같이, 외부로 해수를 배출할 수 없는 경우에 사용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 방한처리 및 보조전원 시스템
10; 메인 엔진 20: 이코노마이저
30: 열교환기 40: 배기 오염물질 저감장치
42: 산화장치 44: 스크러버
80: 보일러 82: 발전기
84: 연료전지 86: 배터리

Claims (10)

  1. 메인 엔진에서 배출되는 고온의 배기가스가 지나가는 배기가스 주입관;
    상기 배기가스 주입관에 연결되어 상기 배기가스의 폐열을 회수하는 이코노마이저;
    공기와 메탄을 반응시켜 전기와 열을 생산하는 연료전지;
    상기 연료전지에서 생산된 전기를 통해 충전되고 비상시 전력원으로 사용되는 배터리;
    방한장치와 상기 이코노마이저 사이에 연결되어 상기 이코노마이저에서 회수한 폐열을 상기 방한장치로 공급하는 제1 공급관;
    상기 방한장치와 상기 연료전지 사이에 연결되어 상기 연료전지에서 발생된 열을 상기 방한장치로 공급하는 제2 공급관;
    상기 이코노마이저의 후단에 연결되어 상기 배기가스에 포함된 질소산화물과 황산화물을 흡수 제거하는 배기 오염물질 저감장치를 포함하되,
    상기 배기 오염물질 저감장치는 저온 작동 가능하여, 상기 이코노마이저가 상기 메인 엔진의 후단에 위치하여 상대적으로 열에너지 손실을 최소화하며,
    상기 배기 오염물질 저감장치는,
    일산화질소를 이산화질소로 만드는 산화제를 생성하는 산화장치와;
    해수 혹은 청수를 세정수로 분사하여 상기 배기가스에 포함된 질소산화물과 황산화물을 흡수 제거하는 스크러버와;
    상기 스크러버에 연결되며, 상기 이코노마이저를 통과한 배기가스가 이동하는 배기가스관과;
    외부로부터 해수를 유입받아 공급하는 해수공급관과;
    청수탱크에 연결된 청수공급관과;
    일단이 상기 해수공급관 혹은 상기 청수공급관에 연결되고 타단이 상기 스크러버 내에 배치되는 세정수공급관과;
    상기 스크러버에서 상기 배기가스와 접촉한 세정수를 상기 스크러버 외부로 배출하는 세정수배출관과;
    상기 세정수배출관을 상기 해수공급관과 연결하며, 상기 세정수 혹은 상기 해수에 포함된 고체상 입자를 분리하는 필터유닛과;
    상기 세정수 혹은 상기 해수를 배출하는 해수배출관과;
    상기 필터유닛과 상기 해수배출관 사이에 상기 해수와 상기 세정수의 혼합수가 배출되는 혼합관을 포함하되,
    상기 산화장치는, 상기 해수공급관을 통해 공급받은 해수를 전기분해하여 수소와, 질소계산화물을 산화시키는 산화제와, 산성화된 세정수를 중화시키는 중화제와, 해수 중의 미생물을 살균하는 살균제를 생성하고, 상기 배기가스관, 상기 스크러버, 상기 해수공급관에 각각 제1 주입관, 제2 주입관, 제3 주입관을 통해 연결되는 정화유닛을 포함하며,
    상기 제1 주입관을 통해 상기 배기가스관에 산화제를 분사하여 상기 배기가스에 포함된 일산화질소를 이산화질소로 산화시키고,
    상기 제2 주입관을 통해 상기 스크러버에 중화제를 주입하여 산성화된 세정수를 중화시키며,
    상기 제3 주입관을 통해 상기 살균제를 주입하여 상기 혼합수의 미생물을 살균하고,
    상기 수소는 물로부터 분리되어 상기 연료전지로 공급되고, 상기 연료전지는 산소를 포함하는 공기와 수소를 공급받아 전기를 생성하는, 극지 운항 선박용 방한처리 및 보조전원 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 세정수배출관을 상기 세정수공급관과 연결하여, 상기 세정수를 재순환시키는 순환관과;
    상기 세정수배출관과 상기 순환관 사이에 배치되어 버퍼 탱크 역할을 수행하는 재순환탱크를 더 포함하되,
    상기 스크러버를 통과하여 상기 세정수배출관으로 배출된 세정수는 상기 재순환탱크에 일시 저장되었다가 상기 순환관을 통하여 상기 세정수공급관으로 순환되는 폐루프 구조의 해수 순환이 이루어지는 극지 운항 선박용 방한처리 및 보조전원 시스템.
  5. 메인 엔진에서 배출되는 고온의 배기가스가 지나가는 배기가스 주입관;
    상기 배기가스 주입관에 연결되어 상기 배기가스의 폐열을 회수하는 이코노마이저;
    공기와 메탄을 반응시켜 전기와 열을 생산하는 연료전지;
    상기 연료전지에서 생산된 전기를 통해 충전되고 비상시 전력원으로 사용되는 배터리;
    방한장치와 상기 이코노마이저 사이에 연결되어 상기 이코노마이저에서 회수한 폐열을 상기 방한장치로 공급하는 제1 공급관;
    상기 방한장치와 상기 연료전지 사이에 연결되어 상기 연료전지에서 발생된 열을 상기 방한장치로 공급하는 제2 공급관;
    상기 이코노마이저의 후단에 연결되어 상기 배기가스에 포함된 질소산화물과 황산화물을 흡수 제거하는 배기 오염물질 저감장치를 포함하되,
    상기 배기 오염물질 저감장치는 저온 작동 가능하여, 상기 이코노마이저가 상기 메인 엔진의 후단에 위치하여 상대적으로 열에너지 손실을 최소화하며,
    상기 배기 오염물질 저감장치는,
    해수 혹은 청수를 세정수로 분사하여 상기 배기가스에 포함된 질소산화물과 황산화물을 흡수 제거하는 스크러버와;
    상기 스크러버에 연결되며, 상기 이코노마이저를 통과한 배기가스가 이동하는 배기가스관과;
    외부로부터 해수를 유입받아 공급하는 해수공급관과;
    청수탱크에 연결된 청수공급관과;
    일단이 상기 해수공급관 혹은 상기 청수공급관에 연결되고 타단이 상기 스크러버 내에 배치되는 세정수공급관과;
    상기 스크러버에서 상기 배기가스와 접촉한 세정수를 상기 스크러버 외부로 배출하는 세정수배출관과;
    상기 세정수배출관을 상기 세정수공급관과 연결하여, 상기 세정수를 재순환시키는 순환관과;
    상기 세정수배출관을 상기 해수공급관과 연결하며, 상기 세정수 혹은 상기 해수에 포함된 고체상 입자를 분리하는 필터유닛과;
    상기 세정수 혹은 상기 해수를 배출하는 해수배출관과;
    상기 필터유닛과 상기 해수배출관 사이에 상기 해수와 상기 세정수의 혼합수가 배출되는 혼합관과;
    상기 배기가스관에 배치되어, 배기가스에 포함된 미세분진을 제거하는 전처리유닛과,
    상기 전처리유닛과 상기 스크러버 사이에 배치되어, 펄스코로나 방전 혹은 자외선 조사를 통해 상기 전처리유닛을 거친 배기가스를 산화시키는 산화유닛을 포함하되,
    상기 전처리유닛의 일 측에 연결되며 선택적으로 개방되어 상기 전처리유닛을 통과한 해수 또는 청수를 상기 세정수공급관 혹은 상기 순환관으로 공급하는 포집관을 더 포함하고,
    상기 산화유닛은, 상기 해수공급관으로부터 분지된 해수유입관을 통해 공급받은 해수를 전기분해하여 중화제를 생성하고, 상기 스크러버, 상기 해수공급관, 상기 포집관에 각각 제1 주입관, 제2 주입관, 제3 주입관이 연결되어 상기 중화제를 공급하는 중화제공급부를 포함하며,
    상기 제1 주입관을 통해 상기 세정수가 상기 배기가스와 접하고 난 후 상기 중화제가 접하도록 제어하여 상기 세정수의 미생물 사멸 및 중화 과정이 한번에 이루어지게 되고,
    상기 중화제 생성시 발생된 수소는 물로부터 분리되어 상기 연료전지로 공급되고, 상기 연료전지는 산소를 포함하는 공기와 수소를 공급받아 전기를 생성하는, 극지 운항 선박용 방한처리 및 보조전원 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 해수공급관의 일 측이 분지되어 상기 전처리유닛에 연결되되 상기 해수공급관의 단부에는 제1 노즐유닛이 결합되어 해수를 미립자화여 분사하고,
    상기 청수공급관의 일 측이 분지되어 상기 전처리유닛에 연결되되 상기 청수공급관의 단부에는 제2 노즐유닛이 결합되어 청수를 미립자화여 분사하여 상기 배기가스 내 미세분진이 물분자를 흡수하여 가라앉게 되는, 극지 운항 선박용 방한처리 및 보조전원 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 전처리유닛은,
    상기 전처리유닛을 횡방향으로 분할하여 제1 영역과 제2 영역으로 분리하며, 미세분진의 투과를 차단하는 분리막을 더 포함하되,
    상기 제1 영역은 상기 이코노마이저와 연결되고 상기 제2 영역은 상기 산화유닛과 연결되며,
    상기 제2 영역이 상기 제1 영역보다 낮은 압력으로 설정되는, 극지 운항 선박용 방한처리 및 보조전원 시스템.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 전처리유닛은 사이클론 방식의 원심분리기이며,
    상기 배기가스관으로부터 공급되는 미세분진이 포함된 배기가스를 상기 원심분리기 내부에 접선 방향으로 공급하면 밀도 차에 의해 미세분진이 분리되어 원심력에 의해 선회하면서 원추벽에 모여 원추부를 통해 배출되고,
    미세분진이 제거된 배기가스는 상기 원심분리기의 중심부에 모여 선회 와류를 형성하며 상승하여 원통부를 통해 배출되어 상기 산화유닛으로 공급되는, 극지 운항 선박용 방한처리 및 보조전원 시스템.
  9. 삭제
  10. 제1항 또는 제5항에 있어서,
    상기 스크러버는 상기 이코노마이저에서 회수된 폐열을 공급받아 상기 세정수의 동결을 방지하는 극지 운항 선박용 방한처리 및 보조전원 시스템.
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