KR101801501B1 - 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 사용하는 선박용 디젤 엔진의 배기가스 정화 장치 - Google Patents

고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 사용하는 선박용 디젤 엔진의 배기가스 정화 장치 Download PDF

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Abstract

특히 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 사용하는 선박용 디젤 엔진의 배기 가스 처리에 있어서, 처리 배수의 특별 해역 및 특별 해역 밖의 항행 중이어도 폐기 처리수의 해양으로의 배출을 가능하게 하는 선박용 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치를 제공한다. 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 사용하는 선박용 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치에 있어서, 엔진의 배기 매니폴드에 연속되는 배기관에 가스와 입자의 확산 속도의 차이를 이용하여 PM을 거의 제거하지 않는 스크러버를 설치하는 것을 특징으로 한다.

Description

고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 사용하는 선박용 디젤 엔진의 배기가스 정화 장치{EXHAUST GAS PURIFICATION DEVICE FOR MARINE DIESEL ENGINE THAT USES LOW-QUALITY FUEL SUCH AS HEAVY OIL CONTAINING HIGH CONCENTRATION OF SULFUR COMPONENT}
본 발명은 선박용 디젤 엔진의 배기 가스에 포함되는 황 산화물 등의 유해 가스를 제거하여 정화하는, 선박용, 발전용, 산업용 등의 특히 고농도로 황 성분을 함유하는 중유[중유(Fuel Oil)는 선박용 공업계에서, 디젤유(Diesel Oil: DO), 선박용 디젤 연료(Marine Diesel Fuel: MDF) 또는 선박용 디젤유(Marine Diesel Oil: MDO), 선박용 연료유(Marine Fuel Oil: MFO), 중질 연료유(Heavy Fuel Oil: HFO), 잔사 연료유(Residual Fuel Oil: RFO)라고 표기되지만, 본 발명에서는 이들의 표기를 총칭하여 중유라고 칭함] 등의 저질 연료를 사용하는 대배기량 선박용 디젤 엔진의 배기 가스 처리 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 높은 온도의 배기 가스를 배출하는 대배기량 선박용 디젤 엔진에 있어서의 가스와 입자의 확산 속도의 차이를 이용한 스크러버를 배치한 배기 가스의 정화 장치에 관한 것이다.
각종 선박이나 발전기 및 대형 건설 기계, 나아가서는 각종 자동차 등의 동력원으로서 디젤 엔진이 광범위하게 채용되고 있으나, 이 디젤 엔진으로부터 배출되는 배기 가스에 포함되는 카본을 주체로 하는 입자형 물질(Particulate Matter: 이하 「PM」이라고 칭함)이나 황 산화물(이하 「SOx」라고 칭함), 질소 산화물(이하 「NOX」라고 칭함)은, 주지하는 바와 같이 대기 오염을 초래할 뿐만이 아니라, 인체에 매우 유해한 물질이기 때문에, 그 배기 가스의 정화는 매우 중요하다. 이 때문에, 디젤 엔진의 연소 방식의 개선이나 각종 배기 가스 필터의 채용, 배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation: 이하 「EGR」이라고 칭함)법, 선택식 환원 촉매 탈초법(Selective Catalytic Reduction: 이하 「SCR」이라고 칭함), 그리고 코로나 방전을 이용하여 전기적으로 처리하는 방법 등, 이미 수많은 제안이 이루어졌고, 그 일부는 실용에 제공되고 있다.
여기서, 디젤 엔진의 배기 가스 중의 PM(입자형 물질)의 성분은, 유기 용제 가용분(SOF: Soluble Organic Fractions, 이하 「SOF」라고 칭함)과 유기 용제 불용분(ISF: Insoluble Organic Fractions, 이하 「ISF」라고 칭함)의 2가지로 나누어지는데, 그 중 SOF분은, 연료나 윤활유의 미연분이 주된 성분으로, 발암 작용이 있는 다환 방향족 등의 유해 물질이 포함된다. 한편, ISF분은, 전기 저항률이 낮은 카본(그을음)과 설페이트(Sulfate: 황산염) 성분을 주성분으로 하는 것으로, 이 SOF분 및 ISF분은, 그의 인체, 환경에 미치는 영향으로, 가능한 한 적은 배기 가스가 요망되고 있다. 특히, 생체에서의 PM의 악영향의 정도는, 그 입자 직경이 ㎚ 사이즈가 되는 경우에 특히 문제라고도 한다.
코로나 방전을 이용하여 전기적으로 처리하는 방법으로서는, 예컨대 이하에 기재하는 방법 및 장치(특허문헌 1∼2)가 제안되어 있다.
즉, 본원 출원인은 특허문헌 1에 있어서, 도 16에 그의 개략을 도시한 바와 같이, 배기 가스 통로(121)에 코로나 방전부(122-1)와 대전부(122-2)로 이루어지는 방전 대전부(122)를 설치하여, 코로나 방전된 전자(129)를 배기 가스(G1) 중의 카본을 주체로 하는 PM(128)에 대전시키고, 상기 배기 가스 통로(121)에 배치한 포집판(123)에 의해 상기 대전한 PM(128)을 포집하는 방식으로서, 방전 대전부(122)에서의 전극침(124)은 배기 가스 흐름의 유동 방향 길이가 짧고, 또한 포집판(123)은 배기 가스 흐름의 유동 방향에 대해 직각 방향으로 배치된 구성으로 한 디젤 엔진의 배기 가스용 전기식 처리 방법 및 장치를 제안하고 있다. 한편 도면 중, 125는 시일 가스관, 126은 고압 전원 장치, 127은 배기 가스 유도관이다.
또한, 본원 출원인은 특허문헌 2의 제1 실시예에 있어서, 도 17에 그 개략을 도시한 바와 같이, 선박용 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치는, 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 연료로서 사용하는 디젤 엔진(E)(111)의 배기 매니폴드(E/M)(112) 하류의 배기관의 터보차저(T/C)(114)의 터빈(도시하지 않음) 하류에 배기 가스 쿨러(G/C)(115)를 배치하고, 또한 상기 배기 가스 쿨러(G/C)(115)의 하류에 정전 사이클론 배기 가스 정화 장치[ES/C/DPF(Diesel Particulate Filter)](116)를 배치하며, 그의 하류측 배관에 배기 가스 중의 SOx를 그 처리수에 용해하지만 PM은 처리수에 거의 용해·제거하지 않는 스크러버(이하 「PM 프리 스크러버」라고 칭함)(113)를 배치하고, 에어 필터(A/F)(117) 하류의 흡기관에 터보차저(T/C)(114)의 컴프레서(도시하지 않음) 및 인터쿨러(I/C)(118)를 경유하여 엔진의 흡기 매니폴드(I/M)(119)로 외부의 공기를 흡기시키도록 구성되는 장치를 제안하고 있다.
한편, 도 18에 도시된 바와 같이 배기 가스를 전혀 처리하지 않고 배출시키고 있는 경우도 있다.
또한, 석탄이나 중유 등의 연료를 사용하는 보일러를 구비한 화력 발전 설비, 화학품 제조 플랜트, 금속 처리 플랜트, 소결 플랜트, 제지 플랜트 등이나 가스 터빈, 엔진, 소각로 등으로부터 배출되는 배기 가스 중의 SOx를 제거하는 장치로서는, 평판형의 평판 활성 탄소 섬유 시트와 V자형으로 골이 연속되는 골판형의 골판 활성 탄소 섬유 시트를 교대로 적층하여 형성되는 비교적 작은 직선형의 공간인 통로를 다수 가진 활성 탄소 섬유층이 촉매조(觸媒槽) 내에 형성되고, 촉매조 상부의 물 공급 수단으로부터 물을 적하하며, 배기 가스를 시트 사이의 통로를 통과시켜 황분을 황산으로서 제거하는 배연 처리 장치(특허문헌 3)가 제안되어 있다.
한편, 비특허문헌 1에는, 제3장 「모든 선박의 기관 구역 요건」에서의 PartC 「오일의 배출 규제」의 제15 규칙 「오일의 배출 규제」에 있어서, 특별 해역 밖 및 특별 해역에서의 희석하지 않는 경우의 유성 혼합물의 유분 농도가 규정되어 있다.
또한, 비특허문헌 2에는, 제2장 「IMO의 3차 NOX 규제에 대한 대응 기술과 남겨진 과제」에서의 2-2 「IMO의 3차 NOX 규제에 대한 대응하는 엔진 기술」의 2-2-2 「배기 순환」의 P14∼16에 있어서, 터보차저의 터빈에 대한 배기관으로부터 분류(分流)한 EGR 가스를 스크러버로 정화한 후 EGR 쿨러로 냉각하고, 또한 물방울(水滴) 포집기를 통과시키고 나서 터보차저의 컴프레서로부터 압송되는 흡기의 인터쿨러에 EGR 블로워에 의해 환류시킨 디젤 엔진을 컨테이너선에 탑재하는 기술이 나타나 있다. 한편, 비특허문헌 2 중의 IMO란, 국제 해사 기관; International Maritime Organization의 약호이다.
또한, 비특허문헌 3에는, 알파·라발사가 덴마크의 피칼리아·시웨이즈호 탑재의 출력 21,000 ㎾, MAN B&W 제조 2스트로크 엔진을 사용한 SOX 대응 기술의 예로서, 황 함유율 2.2 퍼센트의 중유를 사용하면서 배기 가스를 해수와 맑은 물의 양방을 상황에 따라 구분해서 사용하는 스크러버로 처리함으로써, IMO(국제 해사 기관)의 2015년 시행 예정 요구 레벨인 배출 가스 중의 황 함유율 0.1 퍼센트의 중유 사용시와 동등한 레벨까지 세정 제거하는 기술이 소개되어 있다.
또한, 공지의 NOX 저감 기술로서 촉매 반응을 이용한 상기 SCR 방식이 일반적으로 알려져 있다.
특허문헌 1: WO2006/064805호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 출원 제2014-78668호 공보 특허문헌 3: 일본 특허 공개 제2003-126690호 공보
비특허문헌 1: 1973년의 선박에 의한 오염 방지를 위한 국제 조약, 부속서 I 「오일에 의한 오염 방지를 위한 규칙」 비특허문헌 2: 사단법인 일본 마린 엔지니어링 학회편: 평성 21년도 선박 배출 대기 오염 물질 삭감 기술 검토 조사 보고서 비특허문헌 3: 2011년 11월 30일 발행의 알파·라발 인터내셔널 매거진 「here」 No.30 P6∼P14 「클린 솔루션의 골」
그러나, 상기한 종래의 디젤 엔진 배기 가스 정화 장치에는, 이하에 기재하는 과제나 문제점이 있다.
상기 특허문헌 1에 기재된 코로나 방전 등을 이용하여 전기적으로 배기 가스 중의 PM을 처리하는 디젤 엔진의 배기 가스 처리 기술(예컨대 도 16에 도시된 디젤 엔진의 배기 가스용 전기식 처리 방법 및 장치)에서는, 이하에 기재하는 과제가 발생하고 있다.
즉, 선박용 디젤 엔진에 있어서는, 황 성분의 함유량이 적은 경유를 사용하는 자동차용 디젤 엔진과 비교하여 현격히 큰 배기량을 가지며 또한 고농도로 황 성분을 함유하는 중유[중유는 경유에 대해 100배∼3500배 정도의 황분을 함유: JIS K2204:2007 「경유」; 0.0010 질량% 이하, K2205-1990 「중유」; 0.5 질량%∼3.5 질량% 이하에 의거함] 등의 저질 연료를 사용하는 대배기량 선박용 디젤 엔진에서, 예컨대 상기 특허문헌 1에 기재된 배기 가스 정화 장치를 이용한 경우에는, 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료 중의 황 성분이 배기 가스나 EGR 가스 중에 SOF로서 포함될 뿐만이 아니라 설페이트가 되어 엔진 구성 부품, 특히 배기 관계 부품을 부식시킨다고 하는 과제를 극복할 필요가 있다. 또한, 황 성분에 기초하는 SOx를 전혀 포집할 수 없다.
또한, 상기 특허문헌 2(본원 출원인에 의해 앞서 제안된 것)에 기재된 특히 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 사용하는 대배기량으로서 고속 및/또는 대유량의 배기 가스가 배출되는 디젤 엔진의 배기 가스용 전기식 처리 방법 및 장치(도 17)는, 터보차저(T/C)(114)의 터빈(도시하지 않음)을 구동하여 수냉의 배기 가스 쿨러(115)에 의해 냉각되는 배기 가스는, 정전 사이클론 배기 가스 정화 장치(통형 포집부: 내부 직경 φ400 ㎜×길이 3000 ㎜, 정전 전압: DC-45000 V, 사이클론 포집부: 몸통 직경 φ260 ㎜)(116)에 의해 상기 배기 가스 중의 PM(SOF, ISF)의 함유량이 저감되고, 그 후 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버를 통과하여 배기 가스 정화 장치로부터 사일런서(도시하지 않음)를 경유해서 선외로 배출되는 배출 가스가 된다. 이 배기 가스 정화 장치에 있어서, 유기 용제 가용분을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(113)에서는 상기 PM 프리 스크러버를 구성하는 각 벽면에 존재(일부 흘러내림(流下))하는 처리수의 박막층에 의해, 배기 가스 중의 SOX는 각 벽면의 처리수의 표면 부근을 따라 흐르는 동안에 처리수에 흡착되고 용해되어 그 농도를 격감시켜 배출되지만, 배기 가스 중의 PM은 처리수의 표면을 따라 흐를 뿐이며, 스크러버 처리수의 표면에 대해 배기 가스가 격하게 충돌하는 일이 거의 없고, PM 프리 스크러버 처리수의 표면 부근에 일부가 접하고 또한 따르면서 순조롭게 흐를 뿐이기 때문에, 서로 혼합되는 일이 없다.
한편, 종래 기술의 처리수와 배기 가스(특히 입자 성분)가 통상 스크러버 즉 제트 스크러버, 벤투리 스크러버, 스프레이탑 등의 가압수식이나, 충전탑, 유동층 스크러버 등의 충전식의 스크러버(저자; 공해 방지의 기술과 법규 편집 위원회, 발행소; 사단법인 산업 환경 관리 협회, 2011년 1월 20일 발행, 서명: 신·공해 방지의 기술과 법규 2011 〔대기편〕 분책 II) II-278 도 4.2.3-8∼II-282 도 4.2.3-10 참조)와 같이 스크러버 처리수의 표면에 대해 배기 가스가 격하게 충돌하여, 서로 혼합된다.
따라서, 이 배기 가스 정화 장치의 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(113)에서는, 처리수에는 주로 SOX만이 용해되고 연료 또는 윤활유 유래의 n-헥산 추출물을 주성분으로 하는 유성 혼합물은 극히 약간밖에 용해·함유되지 않기 때문에, 이 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(113)의 폐기 처리수의 후처리는, 황 기원 성분은 중화·여과 등 단순한 공정과 적은 공정수 및 소형의 처리 장치에 의해 처리할 수 있고, 복잡하고 고도의 제어를 수반하는 제어부를 구비한 고가이며 또한 대형으로서 설치 자유도가 낮은 처리 장치(유분을 포함한 처리 배수를 해양으로 배출하지 않기 위한 저장 설비를 포함함)에 의한 PM의 처리 기능을 필요로 하지 않고 특별 해역 및 특별 해역 밖의 항행 중이어도 해양으로의 배출이 가능해지며, 또한 스크러버·스루 운전[스크러버 탱크의 물(해수)이 배수 규제 기준값(pH, 유분, 중금속류의 규제 기준값)에 근접하면, 해수를 퍼올려 탱크의 물(해수)을 적절히 보급하여 교체한다. 즉, 스크러버 폐수의 처리(pH 조정, 오탁물의 회수 등)는 행하지 않음]을 하는 것도 가능해진다.
그러나, 상기 정전 사이클론 배기 가스 정화 장치(116)의 운전에는 길이가 길고 고전압을 필요로 하는 정전 포집관부와 사이클론 포집부, 고전압 전원 장치와 상기 장치군의 설치를 위한 큰 스페이스와 상기 장치군을 작동시키기 위한 고도의 조업 기술이 필요하고, EGR 시스템을 갖지 않기 때문에 배기 가스에는 질소 산화물이 함유되어 있다.
한편, 도 18에 도시된 바와 같이 배기 가스가 전혀 처리되지 않고 배출되는 경우에는 스크러버 처리수의 폐기 처리의 문제를 갖지는 않으나, 배기 가스에 함유되는 모든 유해 성분이 그대로 배출되어 환경 보전에 악영향을 미치는 것은 말할 것도 없다.
또한, 상기 특허문헌 3에 기재된 배연 처리 장치는, 황 산화물을 함유하는 배기 가스가 유통되는 장치탑 내에 설치되며 활성 탄소 섬유층으로 형성되는 촉매조와, 촉매조의 상부에 있어서의 장치탑 내에 설치되고 촉매조에 황산 생성용의 물을 공급하는 물 공급 수단을 포함하며, 이 물 공급 수단은 모세 침투 부재를 통해 물을 활성 탄소 섬유층의 상부에 살포하여 공급하는 침투 수단 또는 스프링클러나 파이프형의 샤워(분무 수단) 등을 이용하여 활성 탄소 섬유층의 상부 벽면에 안개 형상으로 물을 직접 분무하는 분무 수단이고, 활성 탄소 섬유층은, 평판형의 평판 활성 탄소 섬유 시트와 V자형으로 골이 연속되는 골판형의 골판 활성 탄소 섬유 시트를 교대로 적층하여 형성되는 비교적 작은 직선형의 공간인 다수의 통로[도 4의 실시예에서는 평판 활성 탄소 섬유 시트 사이의 피치는 4 ㎜ 정도, 골판 활성 탄소 섬유 시트의 산부의 폭(h)은 10 ㎜ 정도인 단면 형상이 V자형]가 상하로 연장되는 상태로 하며, 위로부터 입자 직경이 200 ㎛ 정도인 물이 분무되어 공급되고, 배기 가스가 아래로부터 보내지는 구성이다. 따라서, 배기 가스는 비교적 작은 직선형의 공간인 통로의 축심을 따라 통로 내부를 아래로부터 위로 축 방향으로 흐르고, 위로부터 입자 직경이 200 ㎛ 정도의 크기로 분무되어 공급되는 물은 단속적으로 물방울이 구슬 형상이 되어 굴러 떨어짐으로써, 활성 탄소 섬유 표면에 수분이 과부족 없이 공급되어 통로의 벽면을 수분이 과잉이 되어 활성 탄소 섬유의 표면에 수막이나 수벽(水壁)을 형성하지 않도록 통로의 축 방향 위로부터 아래로 축 방향으로 흐르며, 일부는 스프링클러나 파이프형의 샤워(분무 수단) 등을 이용하여 평판 활성 탄소 섬유 시트 및 골판 활성 탄소 섬유 시트의 상부에 직접 물을 공급받음으로써 물방울의 일부는, 통로 내부를 아래로부터 위로 축 방향으로 흐르는 배기 가스와 충돌하면서 유로 내부를 축 방향으로 위로부터 아래로 대향하여 흐르게 된다. 즉, 활성 탄소 섬유의 표면에 수막이나 수벽을 형성하지 않도록 하면서(후술하는 본 발명에서는 표면에 수막이나 수벽을 형성함) 배기 가스와 물은 비교적 작은 직선형의 공간인 통로의 공통의 축심에 대해 함께 따르고 있으나 통로 내부를 서로 반대 방향으로 흘러 충돌하는 경우도 있을 수 있는 구성이며, 배기 가스에 PM이 함유되어 있는 경우, 처리수에는 SOX가 용해될 뿐만이 아니라 PM까지 함유되게 되어, 스크러버 처리수의 폐기 처리의 문제를 가지며, 그대로 배출하면 환경 보전에 악영향을 미치는 것은 말할 것도 없다.
한편, 비특허문헌 1의 제3장 「모든 선박의 기관 구역 요건」에서의 PartC 「오일의 배출 규제」의 제15 규칙 「오일의 배출 규제」에 있어서는, A. 「특별 해역 밖에서의 배출」 조항의 2 「총 톤수 400톤 이상의 선박으로부터의 오일 또는 유성 혼합물의 해양으로의 배출은 금지한다. 단, 다음의 모든 조건을 만족시키는 경우는 제외한다.」라고 하는 규정의. 3에는 「희석을 하지 않는 경우의 유성 혼합물의 유분 농도가 100만분의 15 이하일 것.」이라고 규정되고, B. 「특별 해역에서의 배출」 조항의 3 「총 톤수 400톤 이상의 선박으로부터의 오일 또는 유성 혼합물의 해양으로의 배출은 금지한다. 단, 다음의 모든 조건을 만족시키는 경우는 제외한다.」라고 하는 규정의. 3에는 「희석을 하지 않는 경우의 유성 혼합물의 유분 농도가 100만분의 15 이하일 것.」이라고 규정되어 있다.
한편, 여기서 「오일」이란, 원유, 중유 및 윤활유를 말하고, 「유성」이란, 이 의미에 따라 해석하는 것으로 하며, 「유성 혼합물」이란, 오일을 함유하는 혼합물을 말한다.
또한, 비특허문헌 2에 기재된 선박용 디젤 엔진에 있어서는, 배기 가스로부터 분류한 EGR 가스를 흡기로 환류함으로써, 배기 가스로부터 NOX의 80% 저감과 EGR 가스로부터의 100%에 가까운 SOX 제거가 가능하지만, 스크러버를 통과하는 매진(煤塵), PM에 또한 포함되는 황분의 디젤 기관 본체나 시스템에 대한 영향에 대해서는, 장기간의 실제 선박 시험이 필요할 뿐만이 아니라, 스크러버로부터 선외 배출되는 세정수에 대해서는 환경이나 생태계에 영향을 미치지 않도록 할 필요가 있으며, 특히 이 스크러버의 세정수에 있어서는 PM의 용해·부유, SO2의 용해 등에 따르는 이들 환경 오염 성분 혹은 생태계 영향 성분의 제거나 pH 조정 등, 폐수 처리가 큰 문제가 될 것이 예상된다. 그러나, 대배기량의 선박용 디젤 엔진의 장시간에 걸친 항해에 있어서는, 적어도 EGR 가스 흐름을, 바람직하게는 EGR 가스 흐름을 포함하는 배기 가스 흐름의 전량의 처리는, 스크러버만에 의한 처리는 장치의 크기(유분을 포함한 처리 배수를 해양으로 배출하지 않기 위한 저장 설비를 포함함)의 점에서 전혀 현실적이지 않다.
한편, 비특허문헌 3에 기재된 「클린 솔루션의 골」에 있어서는, 「해운업계의 환경 영향의 삭감이나, 해양 오염에 대한 보다 엄격한 법률에의 적합에, 깨끗한 신기술이 공헌한다」라고 하여, 이하와 같이 기재되어 있다.
요약 (I) 기술적 배경:
(I) IMO는 선박에 의한 오염에 대한 규제를 강화합니다
(가) 황 산화물(SOX)(신조선 및 기존선 양방에 적용)
연료유의 황 농도의 상한을 정하는 세계적인 규제가 적용됩니다. 엄격화된 규제가 배출 규제 해역에 적용됩니다. 상한값은 2012년부터 단계적으로 변경됩니다. 이 규제값에 적합하기 위해서는, 저(低)황 연료의 사용이나 배기 가스 정화 장치가 필요합니다.
(나) 질소 산화물(NOX)(신조선에만 적용)
기존의 규제 요구 사항은, 출력 130 KW 이상의 선박용 디젤 기관에 적용됩니다. 선박의 건조일에 따라 상이한 규제값이 적용됩니다. 배출 규제 해역을 항행하는 신조선에 대해, 2016년부터 엄격화된 규제(Tier III)가 적용됩니다.
(다) 빌지 수(bilge water)(신조선 및 기존선 양방에 적용)
선외로 배출하는 빌지 수의 규제값은 15 ppm입니다.
요약 (II) 수처리 기술:
(II) 알파·라발의 수처리 기술:
(가) 선박의 빌지 탱크의 유성 폐수만을 처리하는 Pure Bilge 솔루션은, 일단계의 고속 원심 분리 시스템에 의해, 화학 물질이나 흡착 필터, 막을 사용하지 않고 대량의 물을 정화하여, 수중 유분은 5 ppm 미만이 됩니다.
(나) IMO가 선박에 요구하는 NOX 배출의 80 퍼센트 삭감을 가능하게 하기 위해서, 알파·라발은 MAN 디젤사와 협력하여 대형 2스트로크 디젤 엔진용의 배기 재순환(EGR) 시스템을 개발하였습니다.
(다) SOX 배출에 대해서는, 알파·라발이 완전한 배기 가스 정화 프로세스를 개발하였습니다. 현재 선상에서의 시험이 행해지고 있는 이 시스템에서도 알파·라발 분리기를 사용하여, 스크러버로부터의 오수를 바다로의 배수 전에 정화하고 있습니다.
요약 (III) SOX 대응 기술:
(III) 알파·라발의 SOX 대응 기술:
(피칼리아·시웨이즈호(덴마크)=출력 21,000 ㎾, MAN B&W 2스트로크 엔진)에 탑재
(가) 연료는 황 함유율 2.2 퍼센트의 중유이고, 배출 가스는, 2015년에 시행되는 IMO(국제 해사 기관)의 요구 레벨인 황 함유율 0.1 퍼센트와 동등한 레벨까지 세정 제거됩니다.
(나) 알파·라발의 Pure SOX는, 해수와 맑은 물의 양방을 상황에 따라 구분해서 사용합니다.
「해수 혹은 담수를 가성소다와 수용액을 사용하여 주기(主機)의 배기 가스를 세정합니다」
● 제1 단계에서는, 가스 도입 부분에서 물을 분사함으로써 배기 가스를 냉각하고, 그리고 배기 가스 중의 매진의 대부분도 여기서 제거됩니다.
● 제2 단계에서는, 스크러버 타워 내에서 배기 가스 중의 황 산화물 등을 더욱 세정합니다. 배기 가스 중의 물방울의 가지고 감이나 부식을 방지하기 위해서, 굴뚝으로부터 배출되기 전에 가스 중의 물방울은 데미스터에 의해 제거됩니다.
● 제3 단계에서는, 배기 가스에 잔류하고 있는 황 산화물을 더욱 정화합니다. 선박의 굴뚝으로부터 배출하기 전에, 응축이나 부식을 방지하기 위해서, 배기 가스로부터 작은 물방울이 제거됩니다(배기 가스의 황분을 98% 이상 제거).
이 비특허문헌 3의 12페이지 제2란 16행∼제3란 1행 「스크러버는, 배의 펀넬에 설치된 큰 샤워실이라고 말할 수 있습니다」라고 하는 기재 및 14페이지에 게재된 사진 중의 주기(注記) 「배의 굴뚝에 설치된 스크러버는, 큰 샤워실에 비유할 수 있습니다.」라고 하는 기재와, 하이브리드 시스템도(도시하지 않음)의 스크러버 상부로부터 물·해수가 공급되어 최하부로부터 함께 배수되고, 배기 가스가 바이패스 댐퍼로부터 스크러버 하부에 공급되어 최상부에 직결된 굴뚝으로 배출되기 때문에, 제트 스크러버 타입의 것임을 알 수 있다. 즉, 스크러버 처리수의 표면에 대해 배기 가스가 격하게 충돌하는 타입으로서, 배기 가스 중의 입자형 성분도 가스형 성분과 함께 제거할 수 있는 기능을 갖는 것을 알 수 있다. 따라서 스크러버수의 후처리에는 하이브리드 시스템도(도시하지 않음)에 기재된 각 구성 장치를 갖추며, 이들을 고도로 조작하여 조업할 필요가 있다.
또한, 공지의 NOX 저감 기술로서 촉매 반응을 이용한 SCR 방식이 일반적으로 알려져 있다. 이 SCR 방식은, 엔진의 배기 가스의 온도가 충분히 높은 상태에서 촉매가 활성화되고, 또한 촉매 표면이 그을음 등에 덮이지 않고 확실하게 노출되어 있으면 촉매가 정상적으로 기능하여 높은 NOX 저감을 달성할 수 있다. 그러나, 일반적인 선박용 엔진에 있어서는 연료 소비율의 향상을 확보하기 위해서, 자동차용 엔진 등과 비교하면 롱 스트로크의 저속 엔진이 주류이고, 실린더 내에서 연소 가스의 에너지를, 천천히 시간을 들여 확실하게 동력으로서 추출함에 따라, 장시간에 걸친 연소 가스의 실린더 벽면 등에의 접촉에 따르는 방열에 의해 배기 가스의 온도는 저온이 되는 경우가 많으며, 엔진 시동 직후의 난기 중 뿐만이 아니라 정상 운전 중이어도 촉매 온도가 300도를 하회하면 그 기능을 충분히 발휘하지 않아, NOX 저감률이 불충분한 경우가 많다. 또한, 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 이하의 저질 연료를 사용하는 디젤 엔진의 SCR 방식의 배기 정화 시스템에 있어서는, 배기 가스 중에 함유되는 PM에 의해 촉매가 피복되고, 연료에 다량으로 함유되는 황에 의해 촉매가 피독되어 그 NOX 정화 기능이 장기간에 걸쳐 안정적으로 기능하지 않는다고 하는 문제가 지적되어, 그 개선책으로서 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 이하의 저질 연료로부터 황분을 탈황하는 것이 요망되고 있으나, 제유 장치에의 대규모의 탈황 장치의 설치에 따른 방대한 설비 투자에 따르는 연료의 앙등이 예상되어 아직 실현되고 있지 않다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제를 감안하여, 특히 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 사용하는 대배기량으로서 고속 및/또는 대유량의 배기 가스가 배출되는 선박용 디젤 엔진의 배기 가스 중의 PM의 처리수에의 혼합을 저지하면서 SOX를 고효율로 제거하여 배기 가스를 정화하고, 스크러버 처리수에의 PM의 혼합이 저지됨으로써, SOX를 중화 여과 등 단순한 공정과 적은 공정수 및 소형의 처리 장치에 의해 처리하여, 특별 해역 및 특별 해역 밖의 항행 중이어도 해양으로의 배출이 가능해지는 장치, 즉, 스크러버 처리수의, 복잡하고 고도의 제어를 수반하는 제어부를 구비한 고가이며 또한 대형의 처리 장치(유분을 포함한 처리 배수를 해양으로 배출하지 않기 위한 저장 설비를 포함함)로서 설치 자유도가 낮은 설비를 필요로 하지 않고, 저렴하고 보수가 용이한 소형으로서 설치 자유도가 높은 설비이면서 처리수의 관리가 용이하고, 또한, 때로는 스크러버·스루 운전도 가능하며, 제유 업계에서의 대규모의 탈황 장치의 설치에 따른 방대한 설비 투자를 필요로 하지 않고, 따라서 연료비를 저렴하게 할 수 있는, 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 사용하는 선박용 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명에 따른 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 사용하는 선박용 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치는, 제1 발명으로서, 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 사용하는 선박용 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치에 있어서, 엔진의 배기 매니폴드에 연속되는 배기관에, 스크러버를 구성하는 각 벽면에 존재하며 흘러내리는 처리수의 박막층 표면에 대해 배기 가스가 격하게 충돌하는 일이 거의 없고 처리수의 표면 부근을 따르면서 순조롭게 흐르며, 가스와 입자의 확산 속도의 차이를 이용하여 PM을 거의 제거하지 않는 스크러버를 배치한 구성으로 한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 사용하는 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치는, 제2 발명으로서, 엔진의 배기 매니폴드에 연속되는 배기관에, 스크러버를 구성하는 각 벽면에 존재하며 흘러내리는 처리수의 박막층 표면에 대해 배기 가스가 격하게 충돌하는 일이 거의 없고 처리수의 표면 부근을 따르면서 순조롭게 흐르며, 가스와 입자의 확산 속도의 차이를 이용하여 PM을 거의 제거하지 않는 스크러버를 설치하고, 상기 스크러버의 하류측 배기관에 상기 배기 가스의 일부를 EGR 가스로서 분류하는 분기부를 형성하며, 상기 분기부에 연속되는 EGR 배관 및 EGR 밸브를 통해 상기 EGR 가스를 엔진의 흡기로 환류시키는 구성으로 한 것을 특징으로 한다.
상기한 제2 본 발명의 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 사용하는 선박용 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치에 있어서, 제3 발명으로서, 상기 EGR 배관에, 스크러버를 구성하는 각 벽면에 존재하며 흘러내리는 처리수의 박막층 표면에 대해 배기 가스가 격하게 충돌하는 일이 거의 없고 처리수의 표면 부근을 따르면서 순조롭게 흐르며, 가스와 입자의 확산 속도의 차이를 이용하여 PM을 거의 제거하지 않는 스크러버를 배치한 구성으로 한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 내지 제3 발명의 배기 가스 정화 장치에 있어서, PM을 거의 제거하지 않는 스크러버로서는, 배기관 혹은 EGR 배관에 우수한 흡수성을 갖는 유리 섬유를 골격으로 한 다공질 세라믹 소재로 이루어지는 골판과 평판을 교대로 적층한 허니컴 구조의 코어부를 수직으로 배치하고, 코어 상부에 코어부 표면이 항상 습윤하도록 코어의 거의 전체 길이에 걸친 급수부를 설치하며, 코어부에 대해 대략 직교하는 방향(수평 방향)으로 배기 가스 혹은 EGR 가스가 유입 및 유출되어 허니컴 코어부의 다수의 터널형의 미소 단면의 가스 유로를 갖는 코어 내부를 통과하도록 배치하고, 코어 하부에 배기 가스를 정화한 처리수를 받는 코어의 거의 전체 길이에 걸친 트레이를 설치하는 구성으로 하는 것, 또는, 배기관 혹은 EGR 배관 내의 상부에 처리수 공급 노즐을 하부에 하부 탱크를 설치하고, 상기 처리수 공급 노즐 및 하부 탱크 사이에 평판형 및/또는 골판형의 처리판을 상하 방향에 대해 연직 또는 경사지게 복수 매 배치하며, 처리판의 배치가 연직인 경우에는 각 처리판의 양면측에, 배치가 경사져 있는 경우에는 각 처리판의 상면측에 처리수 공급 노즐을 각각 구비해서 처리수를 공급하여 상기 표면을 항상 습윤시키고, 또한 처리판 설치 방향에 대해 대략 직교하는 방향(수평 방향)으로 배기 가스 혹은 EGR 가스가 유입 및 유출되는 구성으로 하는 것, 혹은 배기관 혹은 EGR 배관의 하부에서 트레이의 수면 아래에 복수의 하측 롤을 배치하고, 이것과 대응한 복수의 상측 롤과의 사이에 엔드리스 벨트를 서펜타인형(serpentine shape)으로 배치해서 각 롤 중 적어도 하나를 구동하여 배기 가스 혹은 EGR 가스 유로에 다수의 젖은 가동 벽면을 수직으로 형성하며, 또한 가동 벽면 형성 방향에 대해 대략 직교하는 방향(수평 방향)으로 배기 가스 혹은 EGR 가스가 유입 및 유출되는 구성으로 하는 것을 바람직한 양태로 한다.
본 발명에 따른 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 사용하는 선박용 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치는, 이하에 기재하는 효과를 나타낸다.
1. 배기 가스 통로에, PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(No-SOF Scrubber)를 설치하고, 또한 상기 PM 프리 스크러버를 구성하는 각 벽면에 존재(일부 흘러내림)하는 처리수의 박막층에 의해, 배기 가스 중의 기체인 SOX는 확산 계수가 1.5×10-5(㎡/s) 정도로 커서 각 벽면 부근을 따라 흐르는 동안에 처리수에 흡착되고 상기 처리수에 용해되어 그 농도를 격감시켜 배출되지만, 배기 가스 중의 입자 직경이 0.01 ㎛∼0.5 ㎛ 정도로 큰 PM은 확산 계수의 오더가 3∼6 자릿수 정도 작아 10-8∼10-11(㎡/s) 정도로 매우 작기 때문에 처리수의 표면을 따라 흐를 뿐 스크러버 처리수의 표면에 대해 배기 가스가 격하게 충돌하는 일이 거의 없고, PM 프리 스크러버 처리수의 표면 부근에 일부가 접하여 따르면서 순조롭게 흐를 뿐이기 때문에, 서로 혼합되는 일이 없으며, 처리수에는 주로 SOX만이 용해되고 PM은 극히 약간밖에 용해·함유되지 않기 때문에, 이 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버의 폐기 처리수의 후처리에서는, SOx는 중화·여과 등 단순한 공정과 적은 공정수 및 소형의 처리 장치에 의해 처리할 수 있고, 복잡하고 고도의 제어를 수반하는 제어부를 구비한 고가이며 또한 대형으로서 설치 자유도가 낮은 처리 장치(유분을 포함한 처리 배수를 해양으로 배출하지 않기 위한 저장 설비를 포함함)에 의한 PM의 처리 기능을 필요로 하지 않고 특별 해역 및 특별 해역 밖의 항행 중이어도 해양으로의 배출이 가능해지며, 또한, 스크러버·스루 운전이 가능한 경우도 있을 수 있다.
2. 선박용 연료는 황의 함유량이 많기 때문에 배기 가스에는 높은 농도의 설페이트가 함유되어 있어, 그대로 EGR 가스로서 연소실에 공급하면 배기 가스 중의 황분이 더욱 농화(濃化)되어 피스톤, 피스톤 링, 실린더, 실린더 헤드, 급배기 밸브·밸브 스템 등의 엔진 구성 부품, 배기관, 머플러, 에코노마이저, 리큐퍼레이터 등의 배기 관련 부품을 SOX가 부식시키거나 마모시켜, 엔진 및 관련 부품의 내구성을 손상시키는 것이 염려되지만, 본 발명 장치에 의하면 배기 가스 통로에, PM을 거의 용해·제거하지 않는 상기 PM 프리 스크러버를 설치하고, 기체인 SOX와, 입자인 PM 중, SOX는 확산 계수가 1.5×10-5(㎡/s) 정도로 크기 때문에 PM 프리 스크러버에 의해 제거되어 배기 가스에 거의 함유되지 않게 되고, 배기 가스는 PM은 함유하지만 SOX의 함유량을 감소시키며, 처리수에는 주로 SOX만이 용해되고 입자 직경이 0.1 ㎛∼0.5 ㎛ 정도로 큰 PM은 확산 계수의 오더가 3∼6 자릿수 정도 작아 10-8∼10-11(㎡/s) 정도로 매우 작기 때문에 극히 약간밖에 용해·함유되지 않으므로, 이 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버의 처리수의 후처리는, SOX는 중화·여과 등 단순한 공정과 적은 공정수 및 소형의 처리 장치에 의해 처리할 수 있고, 복잡하고 고도의 제어를 수반하는 제어부를 구비한 고가이며 또한 대형으로서 설치 자유도가 낮은 처리 장치(유분을 포함한 처리 배수를 해양으로 배출하지 않기 위한 저장 설비를 포함함)에 의한 PM의 처리 기능을 필요로 하지 않고 특별 해역 및 특별 해역 밖의 항행 중이어도 폐기 처리수의 해양으로의 배출이 가능해지며, 또한, 스크러버·스루 운전이 가능한 경우도 있을 수 있다.
3. 배기관에, 배기 가스 중의 기체인 SOx는 확산 계수가 1.5×10-5(㎡/s) 정도로 크기 때문에 그 처리수에 용해되지만 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버를 설치하고, 그 하류에 분기부를 배치하여 배기 가스의 일부를 EGR 가스로서 분류하는 EGR 배관을 설치하며, 상기 EGR 배관에 EGR 가스 중의 SOX를 그 처리수에 용해하지만 입자 직경이 0.01 ㎛∼0.5 ㎛ 정도로 큰 PM은 확산 계수의 오더가 3∼6 자릿수 정도 작아 10-8∼10-11(㎡/s) 정도로 매우 작기 때문에 거의 용해·제거하지 않는 상기 PM 프리 스크러버를 더 배치하여 EGR 가스를 흡기관으로 환류시킴으로써, SOX는 PM 프리 스크러버에 의해 2회에 걸쳐 제거되어 깨끗한 EGR 가스가 되고, 배기 가스는 SOX 및 NOX의 함유량은 감소하고, 분류된 EGR 가스 온도가 PM 프리 스크러버에서 처리수와 접촉함으로써 EGR 가스의 온도가 저하되어 높은 EGR율의 확보가 용이해지며, 연소실에서의 연소 온도가 저하되어 질소 산화물의 발생이 억제되고, 실린더 벽면 등으로부터의 방열이 감소되어 연료 소비율이 향상되며, EGR 가스에 함유되는 SOX가 감소됨으로써, 엔진 구성 부품, 배기 관련 부품이 SOX에 의해 마모가 촉진되거나 부식되어 엔진 및 관련 부품의 내구성을 손상시키는 것이 염려되지 않게 된다. 한편, EGR 배관에 설치하는 PM 프리 스크러버는 EGR 가스만을 처리할 수 있는 처리 능력을 가지면 되기 때문에 배기 가스의 전량을 처리하는 경우보다는 적은 처리 능력이어도 됨에 따라 소형·소용량이며 저렴한 장치가 되고, 또한 처리수의 양도 적어져 슬러지의 감소, 항행 중의 해양으로의 폐기 처리수의 배출량도 감소시킬 수 있으며, 스크러버·스루 운전이 가능한 경우도 있다.
4. PM 프리 스크러버가, 배기관 혹은 EGR 배관에 우수한 흡수성을 갖는 유리 섬유를 골격으로 한 다공질 세라믹 소재로 이루어지는 골판과 평판을 교대로 적층한 허니컴 구조의 코어부를 수직으로 배치하고, 코어 상부에 코어부 표면이 항상 습윤하도록 코어의 거의 전체 길이에 걸친 급수부를 설치하며, 코어부에 대해 대략 직교하는 방향(수평 방향)으로 7 m/sec 이하의 유속으로 배기 가스 혹은 EGR 가스 흐름이 유입 및 유출되어 허니컴 코어부의 다수의 터널형의 미소 단면의 가스 유로 내부를 통과하도록 배치하며, 코어 하부에 배기 가스를 정화한 처리수를 받는 코어의 거의 전체 길이에 걸친 트레이를 설치하는 구성으로 하는 것, 또는, 배기관 혹은 EGR 배관 내의 상부에 처리수 공급 노즐을 하부에 하부 탱크를 설치하고, 상기 양 처리수 공급 노즐 및 하부 탱크 사이에 평판형 및/또는 골판형의 처리판을 상하 방향에 대해 연직 또는 경사지게 복수 매를 배치하며, 처리판의 배치가 연직인 경우에는 처리판의 양면측에, 배치가 경사져 있는 경우에는 처리판의 상면측에 처리수 공급 노즐을 각각 구비해서 처리수를 공급하여 상기 표면을 항상 습윤시키고, 또한 처리판 설치 방향에 대해 대략 직교하는 방향(수평 방향)으로 7 m/sec 이하의 유속으로 배기 가스 혹은 EGR 가스가 유입 및 유출되는 구성으로 하는 것, 혹은 배기관 혹은 EGR 배관의 하부에서 트레이의 수면 아래에 복수의 하측 롤을 배치하고, 이것과 대응한 복수의 상측 롤과의 사이에 엔드리스 벨트를 서펜타인형으로 배치해서 각 롤 중 적어도 하나를 구동하여 배기 가스 혹은 EGR 가스 유로에 다수의 젖은 가동 벽면을 수직으로 형성하며, 또한 가동 벽면 형성 방향에 대해 대략 직교하는 방향(수평 방향)으로 7 m/sec 이하의 유속으로 배기 가스 혹은 EGR 가스가 유입 및 유출되는 구성으로 함으로써, 처리수에 의해 터널형의 미소 단면의 가스 유로를 갖는 코어 내표면 혹은 처리판의 표면 혹은 가동 벽면의 표면은 위로부터 아래를 향해 흐르는 수막의 수류로 덮여 있고, 배기 가스 및 EGR 가스는 이들 표면의 수막의 흐름에 대해 대략 직교하는 수평 방향으로 유입·유출되지만 유속이 7 m/sec 이하의 저유속인 것과 더불어, 서로의 유동 방향으로서는 직교하고 있으나 물의 피막에 접하면서 흐를 뿐이기 때문에, 특허문헌 3과 같이 배기 가스와 처리수가 비교적 작은 단면의 직선형의 공간인 통로의 공통의 축심에 대해 함께 따르며 또한 상기 통로 내부를 서로 반대 방향으로 흘러 서로 충돌하는 일이 없어, 처리수에 PM 입자가 함유될 염려는 매우 적다.
5. 공지의 NOX 저감 기술로서 알려져 있는 촉매 반응을 이용한 SCR 방식은, 엔진의 배기 가스의 온도가 충분히 높은 상태에서는 촉매가 활성화되고, 또한, 촉매 표면이 그을음 등에 덮이지 않고 확실하게 노출되어 있으면 촉매가 정상적으로 기능하여 높은 NOX 저감을 달성할 수 있으나, 일반적인 선박용 엔진에 있어서는 연료 소비율의 향상을 확보하기 위해서 자동차용 엔진 등과 비교하면 롱 스트로크의 저속 엔진이 주류이고, 실린더 내에서 연소 가스의 에너지를, 천천히 시간을 들여 확실하게 동력으로서 추출함에 따라, 장시간에 걸쳐 연소 가스가 실린더 벽면 등에 접촉함으로써 방열되어 배기 가스의 온도는 저온이 되는 경우가 많으며, 엔진 시동 직후의 난기 중 뿐만이 아니라 정상 운전 중이어도 촉매 온도가 300도를 하회하여 촉매 기능을 충분히 발휘할 수 없고, NOX 저감률이 불충분한 경우가 많으며, 또한, 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 사용하는 디젤 엔진의 SCR 방식의 배기 정화 시스템에 있어서는, 배기 가스 중에 함유되는 PM에 의해 촉매가 피복되고, 연료에 다량으로 함유되는 황에 의해 촉매가 피독되어 그 NOX 정화 기능이 장기간에 걸쳐 안정적으로 기능하지 않는다고 하는 문제가 지적되어, 그 개선책으로서 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료로부터 황분을 탈황하는 것이 요망되고는 있으나, 제유 장치에의 대규모의 탈황 장치의 설치에 따른 방대한 설비 투자에 따르는 연료의 앙등이 예상되기 때문에 유효한 개선책이라고는 말하기 어렵다. 본 발명 장치에서는 각 구성 부품은 SCR 정도의 온도 의존성이 없고, 배기 가스 중의 PM에도 영향을 받지 않으며, 또한, 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료 사용에 따른 SOX에 의한 열화도 거의 없고, 엔진 시동 직후부터 장기간에 걸쳐 안정적으로 배기 가스 정화 기능을 발휘할 수 있어 높은 NOX 저감률을 달성할 수 있으며, 환경 개선에 확실하게 기여할 수 있다. 또한, 제유 업계에서의 대규모의 탈황 장치의 설치에 따른 방대한 설비 투자를 필요로 하지 않고, 따라서 연료비를 저렴하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예 장치의 전체 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예 장치의 전체 구성을 도시한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예 장치의 전체 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 PM 프리 스크러버의 제1 실시예를 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 PM 프리 스크러버의 제2 실시예를 도시한 개념도이다.
도 6은 본 발명에 따른 PM 프리 스크러버의 제3 실시예를 도시한 개념도이다.
도 7은 본 발명에 따른 PM 프리 스크러버의 제4 실시예를 도시한 개념도이다.
도 8은 본 발명에 따른 PM 프리 스크러버의 작동 원리를 도시한 설명도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에서의 기본 특성을 얻기 위해서 이용한 배기 가스 정화 장치의 전체 구성을 도시한 블록도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 있어서, 종래예로서 이용한 배기 가스 정화 장치의 전체 구성을 도시한 블록도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에서의 SO2의 농도 상황을 기본 특성, 종래예와 비교하여 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에서의 NOX의 농도 상황을 기본 특성과 비교하여 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에서의 PM 프리 스크러버 처리수 중의 n-헥산 추출값을 종래예와 비교하여 도시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에서의 종래예의 스크러버 처리수의 투시도(透視度)를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에서의 본 발명 1의 PM 프리 스크러버 처리수의 투시도를 도시한 도면이다.
도 16은 종래의 디젤 엔진 배기 가스 정화 장치의 일례를 도시한 개략도이다.
도 17은 종래의 중유 이하의 저질 연료를 사용하는 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치의 구성예를 도시한 블록도이다.
도 18은 종래의 중유 이하의 저질 연료를 사용하는 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치를 갖지 않는 구성예를 도시한 블록도이다.
먼저, 본 발명자들이 앞서 제안한 특허문헌 2에 기재되어 있는 PM 프리 스크러버의 원리에 대해 설명한다.
(1) 가스 분자와 미립자의 확산 계수:
·가스 분자(본원 기술 분야에서 특히 문제가 되는 것은 SO2)와 미립자(본원 기술 분야에서 특히 문제가 되는 것은 PM=ISF, Sulfate, SOF)의 확산 속도는 크게 상이하다. 가스 분자 쪽이 미립자보다 현격히 확산되기 쉽다. 확산 속도의 지표는 확산 계수 D이다.
·상온 20℃, 1기압의 공기 중에서의 확산 계수를 비교해 본다.
SO2: D=1.5×10-5(㎡/s)
미립자(PM)의 확산 계수(브라운 확산)는 입자 직경 d에 의존하며, d가 작을수록 확산 계수는 크다.
미립자의 확산 계수[에어로졸학의 기초: 다카하시 칸지 저술, 모리키타 출판, (2004년), P215]를 하기 표에 나타낸다.
Figure 112016068706772-pct00001
·한편, PM의 입자 직경 범위는 0.01 ㎛∼0.5 ㎛의 범위이다.
·SO2 가스의 확산 계수는 PM의 확산 계수보다 오더가 3∼6 자릿수 정도 크다.
(2) PM 프리 스크러버:
·PM 프리 스크러버는 SO2(가스)와 PM(입자)의 확산 속도의 차에 주목한 것이다.
·평행판형 PM 프리 스크러버를 도 8에 기초하여 설명한다.
도 8에 있어서, 21은 대략 수직으로 배치된 평행판, 22는 처리수, 23은 처리수(22)에 용해된 황산 이온, 24는 PM이고, 25는 SO2로서, 모두 배기 가스 및 EGR 가스에 포함된다. 26은 가스 유로이다. 즉, PM 프리 스크러버의 경우, 평행판(21)의 벽면의 표면은 위로부터 아래를 향해 흐르는 수막의 수류로 덮여 있고, PM(24) 및 SO2(25)를 함유하는 배기 가스 및 EGR 가스는 평행판(21)에 대해 대략 직교하는 방향(수평 방향)으로부터 가스 유로(26)에 유입되고, 유출된다. 그러나, 평행판(21)의 벽면의 표면을 위로부터 아래를 향해 얇은 피막으로서 흐르는 수류의 유동 방향과, 평행판(21) 표면의 물의 피막과 피막 사이를 흐르는 배기 가스 및 EGR 가스의 유동 방향은, 서로의 유동 방향으로서는 직교하고 있으나 물의 피막에 접하면서 흐를 뿐이기 때문에, 특허문헌 3과 같이 배기 가스와 처리수가 비교적 작은 직선형의 공간인 통로의 공통의 축심에 대해 함께 따르며 또한 상기 통로 내부를 서로 반대 방향으로 흘러 서로 충돌하는 일은 없다.
또한, SO2(25)는 물에 대한 흡수성이 좋고, 물에 대한 용해도는 매우 크다. SO2(25)는 확산 계수가 매우 크다. 따라서, 가스 유로(26)를 형성하는 평행판(21)을 통과할 때에 판의 벽면을 덮어 흐르는 수막 표면 부근을 교차하여 흐르는 배기 가스 및 EGR 가스가 함유하는 SO2(25)는 흡수성이 좋은 수류에 그 표면으로부터 용해되고, 이 용해에 의해 수막 표면 부근을 흐르는 배기 가스는 SO2(25)의 농도가 순간 저하되지만 확산 계수가 매우 큰 SO2(25)는 배기 가스 흐름 내의 인접하는 농도가 높은 흐름으로부터 수막 표면 부근으로 즉시 고속으로 확산·이동해 와서 수막 표면에 공급되게 되고, 이 수막 표면에서의 용해와 배기 가스 흐름으로부터의 수막 표면으로의 고속 확산의 연속 반복 현상에 의해, SO2(25)는 거의 물에 흡수되어 버린다. 한편, PM(24)은 입자 직경이 크고 확산 계수가 매우 작다. 따라서, 입자형인 PM은 수막 표면에서의 용해와 배기 가스 흐름으로부터의 수막 표면으로의 확산의 연속 반복 현상이 발생하지 않기 때문에, 그 대부분이 흡수되지 않고 PM 프리 스크러버를 그냥 지나쳐 배출되어 버린다. 한편, 배기 가스 유속은 7 m/sec 이하로 할 필요가 있으며, 7 m/sec를 초과하면 평행판(21)의 표면을 덮는 수막 표면에 골침이 발생하여 비말(飛沫)이 발생할 염려가 있기 때문이다.
(3) PM 프리 스크러버의 효과:
·PM 프리 스크러버에서는 SO2(25)를 흡수하고, PM(24)은 그냥 지나치게 하기 때문에, 스크러버수의 PM(24)에 의한 오탁을 저감할 수 있다. SO2(25)를 흡수하여 아황산수가 되고 그 후 황산수가 된 스크러버수는, 가성소다 등으로 중화 처리하여 바다로 배출한다.
·그에 비해, 종래의 샤워 방식이나 벤투리 방식의 스크러버의 경우에는, SO2(25)뿐만이 아니라 PM(24)도 스크러버수에 흡수되어 버리기 때문에, 스크러버수의 오탁이 심하고, PM 프리 스크러버에 비해 폐수 처리의 공정수가 많아진다.
도 1에 본 발명의 제1 실시예 장치로서 도시한 선박용 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치는, 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 연료로서 사용하는 디젤 엔진(E)(1)의 배기 매니폴드(E/M)(2) 하류의 배기관에, 배기 가스 중의 SOX를 그 처리수에 용해하지만 PM은 처리수에 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(3)를 배치하고, 상기 PM 프리 스크러버(3)의 하류에 배치한 머플러(도시하지 않음)를 경유하여 배출하며, 에어 필터(A/F)(4)를 경유하여 엔진의 흡기 매니폴드(I/M)(5)에 외부의 공기를 흡기시키는 구성으로 한 것이다.
도 1에 도시된 구성의 배기 가스 정화 장치의 경우, 배기 가스는 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(3)를 통과하여 PM은 함유하지만 SOX가 격감된 가스로서 배기 가스 정화 장치로부터 사일런서(도시하지 않음)를 경유하여 굴뚝(도시하지 않음)으로부터 선외로 배출된다. 이 배기 가스 정화 장치에 있어서, PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(3)에서는 상기 PM 프리 스크러버를 구성하는 각 벽면에 존재(일부 흘러내림)하는 처리수의 박막층에 의해, 배기 가스 중의 기체인 SOX는 확산 계수가 1.5×10-5(㎡/s) 정도로 커서 각 벽면을 따라 흐르는 동안에 처리수 표면에 흡착되고 상기 처리수에 용해되어 그 농도를 격감시켜 배출되지만, 배기 가스 중의 입자 직경이 0.01 ㎛∼0.5 ㎛ 정도로 큰 PM은 기체인 SOX와 비교하여 확산 계수의 오더가 3∼6 자릿수 정도 작아 10-8∼10-11(㎡/s) 정도로 매우 작기 때문에 처리수의 표면 부근을 따라 흐르는 것만으로는, 제트 스크러버, 벤투리 스크러버, 스프레이탑 등의 가압수식이나, 충전탑, 유동층 스크러버 등의 충전식의 스크러버와 같이 스크러버 처리수의 표면에 대해 배기 가스가 격하게 충돌하는 일이 거의 없고, PM 프리 스크러버 처리수의 표면에는 일부가 접하고 또한 따르면서 순조롭게 흐를 뿐이기 때문에, 서로 혼합되는 일이 없다.
따라서, 이 배기 가스 정화 장치의 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(3)에서는, 처리수에는 주로 SOX만이 용해되고 PM은 극히 약간밖에 용해·함유되지 않기 때문에, 이 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(3)의 폐기 처리수의 후처리는, SOX는 중화·여과 등 단순한 공정과 적은 공정수 및 소형의 처리 장치에 의해 처리할 수 있고, 복잡하고 고도의 제어를 수반하는 제어부를 구비한 고가이며 또한 대형으로서 설치 자유도가 낮은 처리 장치(유분을 포함한 처리 배수를 해양으로 배출하지 않기 위한 저장 설비를 포함함)에 의한 연료 또는 윤활유 유래의 PM 처리 기능을 극히 간소·소형화 혹은 필요로 하지 않고 특별 해역 및 특별 해역 밖의 항행 중이어도 해양으로의 배출이 가능해지며, 또한, 스크러버·스루 운전이 가능한 경우도 있을 수 있다.
도 2에 본 발명의 제2 실시예 장치로서 도시한 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치는, 마찬가지로 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 연료로서 사용하는 디젤 엔진(1)의 배기 매니폴드(2) 하류의 배기관에 배기 가스 중의 SOX를 그 처리수에 용해하지만 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(3)를 설치하고, 또한 그 하류에 머플러(도시하지 않음)로의 배기관에 분기부(6)를 형성하여 EGR 가스를 분류하는 EGR 배관을 접속하며, 분류한 EGR 가스를 EGR 밸브(7)에 의해 유량 제어하면서 흡기 매니폴드(5) 혹은 에어 필터(4)로부터의 흡기관으로 환류시키는 구성으로 한 것이다.
상기 도 2에 도시된 구성의 배기 가스 정화 장치의 경우에는, 도 1에 도시된 제1 실시예 장치와 마찬가지로, 배기 가스가 깨끗해져 PM은 함유하지만 SOX가 격감되며, NOX도 감소된 가스로 된다. 이 배기 가스 정화 장치에 있어서, 배기관에 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(3)와 그 후류의 분기부(6)로부터 EGR 가스를 분류하여 흡기로 환류하는 EGR 배관을 설치함으로써, 배기 가스 및 EGR 가스 중의 기체이며 확산 계수가 1.5×10-5(㎡/s) 정도로 큰 SOX가 거의 제거되고, 입자 직경이 0.01 ㎛∼0.5 ㎛ 정도로 크고 확산 계수의 오더가 3∼6 자릿수 정도 작아 10-8∼10-11(㎡/s) 정도로 매우 작은 입자인 PM은 거의 제거되지 않는다. 즉, PM은 함유하지만 SOX는 PM 프리 스크러버(3)에 의해 제거되어 배기 가스에도 EGR 가스에도 거의 함유되지 않게 되어, 배기 가스는 PM을 함유하지만 기체인 SOX의 함유량을 감소시키고, SOX를 감소시킨 EGR 가스의 환류에 의해 엔진 구성 부품의 마모 촉진 및 부식의 방지나, 배기 관계 부품의 부식을 방지하여 메인터넌스 간격의 연장이나 장수명화가 도모되어 내구성을 손상시키는 것이 염려되지 않게 되고, 또한 연소실에서의 연소 온도가 저하되어 질소 산화물의 발생이 억제되어 배기 가스도 깨끗해진다.
또한, 이 배기 가스 정화 장치에 있어서도 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(3)에서는, 처리수에는 주로 SOX만이 용해되고 PM은 극히 약간밖에 용해·함유되지 않기 때문에, 이 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(3)의 처리수의 후처리는, SOX는 중화·여과 등 단순한 공정과 적은 공정수 및 소형의 처리 장치에 의해 처리할 수 있고, 복잡하고 고도의 제어를 수반하는 제어부를 구비한 고가이며 또한 대형으로서 설치 자유도가 낮은 처리 장치(유분을 포함한 처리 배수를 해양으로 배출하지 않기 위한 저장 설비를 포함함)에 의한 연료 또는 윤활유 유래의 PM 처리 기능을 극히 간소화·소형화 혹은 필요로 하지 않고 특별 해역 및 특별 해역 밖의 항행 중이어도 폐기 처리수의 해양으로의 배출이 가능해지며, 또한, 스크러버·스루 운전이 가능한 경우도 있을 수 있다.
도 3에 본 발명의 제3 실시예 장치로서 도시된 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치는, 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 연료로서 이용하는 디젤 엔진(1)의 배기 매니폴드(2) 하류에 터보차저(8)가 장착되고, 상기 터보차저(8)의 터빈 휠(도시하지 않음)의 하류의 배기관에 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(메인 스크러버)(3)를 설치하며, 또한 그 하류의 배기관에 분기부(6)를 형성하고, 배기 가스의 일부를 EGR 가스로서 분류하는 EGR 배관을 상기 분기부(6)에 접속하며, 상기 EGR 배관에 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(서브 스크러버)(9), EGR 가스를 승압하여 공급·압송하는 블로워(B/W)(10), EGR 밸브(7)를 이 순서로 배치하고, EGR 가스를 EGR 밸브(7)에 의해 유량 제어하면서 인터쿨러(11) 앞의 흡기관으로 환류 또는 상기 터보차저(8)의 컴프레서 휠(도시하지 않음)의 상류로 환류시키는 구성으로 한 것이다. 즉, 본 실시예 장치는, 터보차저(8)의 터빈 휠(도시하지 않음)을 가속한 후의 배기 가스 전량을 먼저 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(메인 스크러버)(3)에 의해 정화한 후, 상기 전량의 배기 가스로부터 분류한 EGR 가스만을 또한 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(서브 스크러버)(9)에 의해 처리하고, 그 후 블로워(B/W)(10)에 의해 압송하여 인터쿨러(11) 앞의 흡기관 또는 상기 터보차저(8)의 컴프레서 휠(도시하지 않음)의 상류로 정확한 양의 EGR 가스를 환류시키는 구성으로 한 것이다.
상기 도 3에 도시된 구성의 배기 가스 정화 장치의 경우에는, 도 2에 도시된 제2 실시예 장치와 마찬가지로 PM 프리 스크러버(메인 스크러버)(3)에 의해 배기 가스가 깨끗해져 PM은 함유하지만 SOX가 격감되고, NOX도 감소된 가스로 된다. 이 배기 가스 정화 장치에 있어서, 분류한 EGR 가스를 또한, PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(서브 스크러버)(9)에 의해 2회째의 처리를 하 도록, EGR 배관에 EGR 가스 중의 기체이며 확산 계수가 1.5×10-5(㎡/s) 정도로 큰 SOX를 그 처리수에 용해하지만, 입자 직경이 0.01 ㎛∼0.5 ㎛ 정도로 크고 확산 계수의 오더가 3∼6 자릿수 정도 작아 10-8∼10-11(㎡/s) 정도로 매우 작은 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(서브 스크러버)(9) 및 블로워(10)를 설치함으로써, EGR 가스로부터 기체이며 확산 계수가 큰 SOX를 거의 제거하지만, 입자 직경이 크고 확산 계수가 매우 작은 입자인 PM은 거의 제거하지 않는다. 즉, PM은 함유하지만, 기체이며 확산 계수가 1.5×10-5(㎡/s) 정도로 큰 SOX는 PM 프리 스크러버(서브 스크러버)(9)에 의해 더욱 제거되어 EGR 가스에는 약간밖에 함유되지 않는 깨끗한 EGR 가스가 되어 환류하고, 배기 가스는 질소 산화물의 함유량은 감소되고 또한 PM 프리 스크러버 처리되어 PM은 많이 함유하지만 SOX는 거의 함유하는 일은 없으며, 분류된 EGR 가스 온도가 PM 프리 스크러버(서브 스크러버)(9)에서 처리수와 접촉함으로써 EGR 가스의 온도가 저하되게 되어 블로워에 의해 압송하는 것과 더불어 높은 EGR율의 확보가 용이해지고, 또한 연소실에서의 연소 온도가 저하되어 질소 산화물의 발생이 억제되며, 실린더 벽면 등으로부터의 방열이 감소되어 연료 소비율이 향상되고, EGR 가스에 함유되는 SOX가 매우 감소됨으로써, 엔진 구성 부품, 배기 관련 부품이 SOX에 의해 마모가 촉진되거나 부식되어 엔진 및 관련 부품의 내구성을 손상시키는 것이 염려되지 않게 된다.
한편, EGR 배관에 설치하는 PM 프리 스크러버(서브 스크러버)(9)는 EGR 가스만을 처리할 수 있는 처리 능력을 가지면 되기 때문에, 배기 가스의 전량을 처리하는 PM 프리 스크러버(메인 스크러버)(3)보다는 적은 처리 능력이어도 좋아 소형·소용량이며 저렴한 장치가 되고, 또한 처리수의 양도 적어져 슬러지의 감소, 항행 중의 해양으로의 폐기 처리수의 배출량도 감소시킬 수 있다.
또한, 이 배기 가스 정화 장치에 있어서도 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(3 및 9)에서는, 처리수에는 주로 SOX만이 용해되고 PM은 극히 약간밖에 용해·함유되지 않기 때문에, 이 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(3 및 9)의 처리수의 후처리는, SOX는 중화·여과 등 단순한 공정과 적은 공정수 및 소형의 처리 장치에 의해 처리할 수 있고, 복잡하고 고도의 제어를 수반하는 제어부를 구비한 고가이며 또한 대형으로서 설치 자유도가 낮은 처리 장치(유분을 포함한 처리 배수를 해양으로 배출하지 않기 위한 저장 설비를 포함함)에 의한 PM의 처리 기능을 극히 간소·소형화 혹은 필요로 하지 않고 특별 해역 및 특별 해역 밖의 항행 중이어도 폐기 처리수의 해양으로의 배출이 가능해지며, 또한, 스크러버·스루 운전이 가능한 경우도 있을 수 있다.
또한, 본 발명에서 사용하는 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버는, 상기한 바와 같이 배기 가스 또는 EGR 가스 통로 내에 설치되는 것이지만, 그 PM 프리 스크러버로서는 예컨대 도 4 내지 도 7에 도시된 것을 채용할 수 있다.
도 4에 도시된 PM 프리 스크러버는, 우수한 흡수성을 가지며 유리 섬유나 카본 섬유, 아라미드 섬유 등을 골격으로 한 바람직하게는 다공질의 세라믹제 소재로 이루어지는 골판과 평판을 교대로 적층하고, 평판과 골판 사이에 구성되는 터널형의 미소 단면의 배기 가스 유로(12-10)가 다수 형성되는 허니컴 구조의 허니컴 코어[예컨대, 세로 250 ㎜×가로 250 ㎜×깊이 100 ㎜(니치아스 가부시키가이샤 제조, 상품명; 허니컴 워셔)]를 요구되는 매수 적층하여 허니컴 유닛 코어부(12-1)로서 대략 수직으로 설치하며, 상기 허니컴 유닛 코어부(12-1)의 전체 폭·전체 길이에 걸쳐 대략 균일하게 급수하도록 급수 노즐 혹은 급수 덕트로 이루어지는 급수부(12-2)를 상기 허니컴 유닛 코어부(12-1)의 상부에 배치하여 급수하고, 급수된 처리수(세정수)(W)는 상기 허니컴 유닛 코어부(12-1)의 각 미소 단면의 배기 가스 유로(12-10)의 표면을 습윤하면서 낙하하여, 상기 허니컴 유닛 코어부의 하부에 거의 동일한 길이 및 폭으로 설치된 언더 트레이(12-3)에 이르고 그 후 처리수 탱크(12-4)에 수용(시스템 수량: 20 L)되는데, 처리수(W)는 탱크로부터 각 미소 단면의 배기 가스 유로(12-10)의 표면이 건조되지 않고 습윤을 유지할 수 있도록 펌프(P)에 의해 급수부(12-2)로 보내져(수류 속도; 35 L/min 정도), 순환 사용되는 구성으로 하고 있다. 도면 중, 12-2-1은 살수 탱크, 12-2-2는 노즐 구멍, 화살표 A는 배기 가스 혹은 EGR 가스이며, 수직으로 설치된 허니컴 유닛 코어부(12-1)에 대해 대략 직교하는 방향(수평 방향)으로 7 m/sec 이하의 유속으로 배기 가스 유로(12-10)에 유입되고, 화살표 B는 황분(S)이 제거된 배기 가스 혹은 EGR 가스(PM은 거의 잔류하고 있음)이며 허니컴 유닛 코어부(12-1)로부터 대략 직교하여 유출되고, M은 펌프(P)를 구동하는 모터, W는 처리수를 나타낸다.
이 PM 프리 스크러버의 경우, 배기 가스 혹은 EGR 가스는 허니컴 유닛 코어부(12-1)에 다수 형성되는 각 미소 단면의 배기 가스 유로의 벽면의 습윤한 표면 부근에 접하고 또한 따르면서 순조롭게 흐를 뿐이기 때문에, 통상 스크러버와 같이 처리수(W)의 표면에 대해 배기 가스가 격하게 교차·충돌하는 일이 거의 없고, 온화하게 따라 접촉하면서 흐르기 때문에 서로 혼합되는 일이 없으므로, 배기 가스 또는 EGR 가스 성분 중에서, 기체이며 확산 계수가 큰 물과의 친화성이 높은 SOX를 그 처리수에 용해하지만, 입자 직경이 크고 확산 계수가 매우 작은 PM은 처리수에는 거의 용해되지 않고 흘러 통과하며, 따라서 배기 가스 및 EGR 가스는 SOX가 확실하게 제거되고, PM은 거의 잔류하여 함유된 상태로 배출되게 된다. 이 처리수에, SOX는 함유하지만, PM을 거의 함유하지 않음으로써, 특별 해역 및 특별 해역 밖의 항행 중이어도 해양으로의 처리수의 배출이 약간의 처리로 가능해지고 특히 배 안에서의 처리수의 배수 처리가 현격히 용이해지며 처리 장치의 제어도 심플해지고 장치도 소형화되며 레이아웃성도 좋아지고 저렴한 설비도 된다. 또한 스크러버·스루 운전이 가능한 경우도 있을 수 있다.
또한, 상기 PM 프리 스크러버와 동일한 구성을 갖는 다른 타입으로서, SUS316L 등의 오스테나이트계 스테인리스제 박판 소재 혹은 스테인리스제 망판 소재이며 처리수가 표면으로 스며나올 수 있는 미세한 관통 구멍을 갖는 평판이나 엠보스판을 다수의 볼록부를 가진 골판형으로 주름(corrugate) 가공하여 골판을 성형하고, 그 골판을 교대로 적층하여 적층한 골판들 사이에 구성되는 터널형의 미소 단면의 배기 가스 유로가 다수 형성되는 허니컴 구조의 허니컴 유닛 코어, 혹은 상기 평판을 다수의 볼록부를 가진 골판형으로 주름 가공하여 골판을 성형하고, 그러한 골판들을 교대로 적층할 때, 사이에 상기 평판을 적층시켜, 골판과 평판 사이에 구성되는 터널형의 미소 단면의 배기 가스 유로가 다수 형성되는 허니컴 구조의 허니컴 유닛 코어를 요구되는 매수 적층하여 구성한 허니컴 유닛 코어부를 채용한 것이 있다(도면 생략). 이 허니컴 유닛 코어부를 채용한 PM 프리 스크러버도 상기 다공질 세라믹제의 허니컴 코어 구조의 것과 마찬가지로, 배기 가스 혹은 EGR 가스는 상기 허니컴 유닛 코어부를 다수 형성된 각 미소 단면의 배기 가스 유로의 벽면의 습윤한 표면 부근에 접하고 또한 따르면서 순조롭게 흐를 뿐이기 때문에, 통상 스크러버(제트 스크러버, 벤투리 스크러버, 스프레이탑)와 같이 처리수의 표면에 대해 배기 가스가 격하게 교차·충돌하는 일이 거의 없고, 온화하게 따라 접촉하면서 흐를 뿐이기 때문에 서로 혼합되는 일이 없으므로, 배기 가스 또는 EGR 가스 성분 중에서 물과의 친화성이 높은 SOX를 그 처리수에 용해하지만, 물과의 친화성이 없는 PM은 처리수에는 거의 용해되지 않는다. 이 처리수는, SOX는 함유하고 있으나 PM을 함유하고 있지 않음으로써, 특별 해역 및 특별 해역 밖의 항행 중이어도 해양으로의 처리수의 배출이 가능해지고 특히 배 안에서의 처리수의 배수 처리가 현격히 용이해지며 처리 장치의 제어도 심플해지고 장치도 소형화되며 레이아웃성도 좋아지고 저렴한 설비도 된다. 또한 스크러버·스루 운전이 가능한 경우도 있을 수 있다.
한편, 허니컴 유닛 코어부(12-1)에 다수 형성되는 각 미소 단면의 배기 가스 유로는, 배기 가스 혹은 EGR 가스의 흐르는 방향에 대해 약간 하강하는 방향, 좌우 방향, 혹은 이들을 조합하여 비스듬히 하측 방향으로 횡단(斜交)시키면 미소 단면의 배기 가스 유로의 길이가 길어져 접촉 면적 및 접촉 시간이 증가하여 바람직하다.
도 5에 도시된 PM 프리 스크러버는, 배기 가스 또는 EGR 가스 통로에 설치된 스크러버 하우징(12-5) 내에, SUS316L 등의 오스테나이트계 스테인리스제 박판 소재 혹은 스테인리스제 망판 소재로 이루어지는 평판형의 처리판(12-6)을 상하 방향 연직으로 또한 가스의 흐름과 대략 평행하게 좁은 간격을 유지하여 다수 매 배치한 것으로, 각 처리판(12-6)의 상단에는 각 처리판의 양벽면의 전체 표면을 습윤하도록 처리수 공급 노즐(12-7)을 설치하고, 각 처리판의 하단에는 탱크부(12-8)를 설치하며, 배관 및 모터에 의해 구동되는 순환 펌프(도시하지 않음)에 의해 처리수(세정수)(W)를 순환시켜 상기 처리판(12-6)의 표리 벽면의 전체 표면을 흘러내림으로써 항상 습윤시키고 있다. 12-10은 배기 가스 유로이며, 배기 가스는 각 처리판(12-6)의 양벽면의 전체 표면을 처리수(W)가 상하로 흐르는 데 대해 대략 직교하는 방향(수평 방향)으로 7 m/sec 이하의 유속으로 유입되어 배기 가스 유로(12-10) 내부를 흐른다.
이 PM 프리 스크러버에 의해 처리되는 배기 가스 및 EGR 가스는, 상기 항상 습윤한 처리판(12-6)의 벽표면을 흘러내리는 물의 표면 부근에 접하고 또한 따르면서 순조롭게 흐를 뿐이기 때문에, 통상 스크러버와 같이 처리수의 표면에 대해 배기 가스가 격하게 교차·충돌하는 일이 거의 없고, 온화하게 따라 접촉하면서 흐를 뿐이기 때문에 서로 혼합되는 일이 없으므로, 배기 가스 혹은 EGR 가스 성분 중에서 기체이며 확산 계수가 크고 물과의 친화성이 높은 SOX를 그 처리수에 용해하지만, 입자 직경이 크고 확산 계수가 작으며 물과의 친화성이 없는 PM은 처리수에는 거의 용해되지 않는다. 이 처리수에는, SOX는 함유하지만, PM을 거의 함유하지 않음으로써, 특별 해역 및 특별 해역 밖의 항행 중이어도 해양으로의 처리수의 배출이 가능해지고 특히 배 안에서의 처리수의 배수 처리가 현격히 용이해지며 처리 장치의 제어도 심플해지고 장치도 소형화되며 레이아웃성도 좋아지고 저렴한 설비도 된다. 또한 스크러버·스루 운전이 가능한 경우도 있을 수 있다.
한편, 상기 처리판(12-6)의 표면 형상은 평판형에 한정되는 것은 아니며, 처리수가 흘러내리는 방향으로 파형(波形) 성형된 주름판(도시하지 않음), 배기 가스 또는 EGR 가스가 흐르는 방향으로 파형 성형된 주름판(도시하지 않음), 혹은 처리수가 흘러내리는 방향과 교차하는 방향으로 파형 성형된 주름판(도시하지 않음), 처리수의 흘러내림 방향 및 배기 가스·EGR 가스의 유동 방향의 양방향으로 요철을 가진 엠보스형의 처리판(도시하지 않음) 중 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있다. 이들 처리판도, 통상 스크러버와 같이 처리수의 표면에 대해 배기 가스가 격하게 교차·충돌하는 일이 거의 없고, 온화하게 따라 접촉하면서 흐를 뿐이기 때문에 서로 혼합되는 일이 없다.
도 6에 도시된 PM 프리 스크러버는, 스크러버 하우징(12-5) 내에 평판형의 처리판(12-6)을 수직이 아니라 상하 방향으로 경사지게 하고 또한 가스의 흐름과 대략 평행하게 좁은 간격을 유지하여 다수 매 배치한 것으로, 각 처리판(12-6)의 경사벽면의 상면측 상단에는 각 처리판의 상면의 전체 표면을 습윤하도록 처리수 공급 노즐(12-7)을 설치하고, 각 처리판의 하단에는 탱크부(12-8)를 설치하며, 배관 및 모터에 의해 구동되는 순환 펌프(도시하지 않음)에 의해 처리수(세정수)(W)를 순환시켜 상기 경사진 처리판(12-6)의 상면의 전체 표면을 흘러내림으로써 항상 습윤시키고 있다. 12-10은 배기 가스 유로이며, 배기 가스는 각 처리판(12-6)의 상면의 전체 표면을 처리수(W)가 상하로 흐르는 데 대해 대략 직교하는 방향(수평 방향)으로 7 m/sec 이하의 유속으로 유입되어 배기 가스 유로(12-10) 내부를 흐른다. 한편, 상기 처리판(12-6)의 경사 각도는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 통상은 수직으로부터 5°∼20°가 바람직하다.
이 PM 프리 스크러버에 의해 처리되는 배기 가스 및 EGR 가스는, 상기 항상 습윤한 처리판(12-6)의 상측 표면을 흘러내리는 물의 표면 부근을 따르면서 순조롭게 흐를 뿐이기 때문에, 통상 스크러버와 같이 처리수의 표면에 대해 배기 가스가 격하게 교차·충돌하는 일이 거의 없고, 온화하게 따라 접촉하면서 흐를 뿐이기 때문에 서로 혼합되는 일이 없으므로, 배기 가스 또는 EGR 가스 성분 중에서 기체이며 확산 계수가 크고 물과의 친화성이 높은 SOX를 그 처리수에 용해하지만, 입자 직경이 크고 확산 계수가 작으며 물과의 친화성이 없는 PM은 처리수에는 거의 용해되지 않는다. 또한, 처리판(12-6)을 상하 방향으로 경사지게 하고 또한 각 처리판(12-6)의 경사벽면의 상면측 상단에는 각 처리판의 상면의 전체 표면을 습윤하도록 처리수 공급 노즐(12-7)을 상면측에만 설치하고 있기 때문에, 가령 배가 흔들려도 처리수의 비산에 따른 처리수에 대한 PM의 교차·충돌 등이 발생하기 어려우며, 이 처리수에는, SOX는 함유하지만, PM을 거의 함유하지 않음으로써, 특별 해역 및 특별 해역 밖의 항행 중이어도 해양으로의 처리수의 배출이 가능해지고 특히 배 안에서의 처리수의 배수 처리가 현격히 용이해지며 처리 장치의 제어도 심플해지고 장치도 소형화되며 레이아웃성도 좋아지고 저렴한 설비도 된다. 또한 스크러버·스루 운전이 가능한 경우도 있을 수 있다.
한편, 상기 처리판(12-6)을 상하 방향으로 경사지게 설치함으로써, 가령 배가 흔들려 처리수 공급 노즐(12-7)로부터 유출되는 처리수 흐름의 유출 방향에 다소의 흔들림이 발생해도 상기 처리판(12-6)의 상면측 전체 표면을 확실하게 습윤하기 쉬워진다. 또한, 상기 처리판(12-6)의 표면 형상은 평판형에 한정되는 것은 아니며, 처리수가 흘러내리는 방향으로 파형 성형된 주름판(도시하지 않음), 배기 가스 또는 EGR 가스가 흐르는 방향으로 파형 성형된 주름판(도시하지 않음), 혹은 처리수가 흘러내리는 방향과 교차하는 방향으로 파형 성형된 주름판(도시하지 않음), 처리수의 흘러내림 방향 및 배기 가스·EGR 가스의 유동 방향의 양방향으로 요철을 가진 엠보스형의 처리판(도시하지 않음) 중 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있다. 이들 처리판도, 통상 스크러버와 같이 처리수의 표면에 대해 배기 가스가 격하게 교차·충돌하는 일이 거의 없고, 온화하게 따라 접촉하면서 흐를 뿐이기 때문에 서로 혼합되는 일이 없다.
도 7에 도시된 PM 프리 스크러버는, 배기 가스 또는 EGR 가스 통로에 설치된 스크러버 하우징(도시하지 않음) 내에, 섬유질이며 흡수성이 있는 엔드리스 벨트(12-12)를 처리수 탱크(12-11) 내의 하부에 설치한 구동 롤(12-13) 및 상하 양쪽 부분에 설치한 종동 롤(12-14) 사이에 배기 가스 유로(12-10)를 확보하면서 서펜타인형(구불구불한 형상)으로 대략 수직으로 배치하고, 배관 및 모터에 의해 구동되는 순환 펌프에 의해 처리수(W)를 공급 노즐(모두 도시하지 않음)에 의해 상기 엔드리스 벨트(12-12)의 표리 양면의 종동 롤(12-14) 바로 아래로부터 처리수(W)를 흘러내리게 하여 표리의 전체 표면을 항상 습윤시키는 구성으로 한 것이다. 한편, 하방에 설치되는 종동 롤(12-14)을 처리수 탱크(12-11) 내의 수면 아래에 설치함으로써 상기 급수 노즐 등을 생략해도 좋다. 도면 중, 화살표 A는 배기 가스 혹은 EGR 가스이며, 수직으로 설치된 엔드리스 벨트(12-12)에 대해 대략 직교하는 방향(수평 방향)으로 7 m/sec 이하의 유속으로 배기 가스 유로(12-10)에 유입되고, 화살표 B는 PM은 거의 잔류하고 있으나 황분(S)이 제거된 배기 가스 혹은 EGR 가스이며 엔드리스 벨트(12-12)로부터 대략 직교하여 배기 가스 유로(12-10)로부터 유출된다.
이 PM 프리 스크러버의 경우에도, 통상 스크러버와 같이 처리수의 표면에 대해 배기 가스가 격하게 교차·충돌하는 일이 거의 없고, 온화하게 배기 가스 유로(12-10)의 엔드리스 벨트(12-12) 표면의 물 표면 부근을 따라 접촉하면서 흐를 뿐이기 때문에 서로 혼합되는 일이 없으므로, 배기 가스 또는 EGR 가스 성분 중에서 기체이며 확산 계수가 크고 물과의 친화성이 높은 SOX를 그 처리수에 용해하지만, 입자 직경이 크고 확산 계수가 작으며 물과의 친화성이 없는 PM은 처리수에는 거의 용해되지 않는다. 이 처리수에, SOX는 함유하고 있으나 PM을 거의 함유하고 있지 않음으로써, 특별 해역 및 특별 해역 밖의 항행 중이어도 해양으로의 처리수의 배출이 가능해지고 특히 배 안에서의 처리수의 배수 처리가 현격히 용이해지며 처리 장치의 제어도 심플해지고 장치도 소형화되며 레이아웃성도 좋아지고 저렴한 설비도 된다. 또한, 스크러버·스루 운전이 가능한 경우도 있을 수 있다.
또한, 상기 도 7에 도시된 PM 프리 스크러버와 동일한 구성을 갖는 다른 타입으로서, 섬유질이며 흡수성이 있는 엔드리스 벨트(12-12)를 대신하여, SUS316L 등의 오스테나이트계 스테인리스제 박판 또는 박(箔)형 소재나, 박판이나 박에 처리수가 표면으로 스며나올 수 있는 미세한 관통 구멍을 형성한 것, 혹은 가는 선으로 짜여지고 모세관 현상으로 그물코가 물에 의해 젖는 가늘게 짠 눈의 오스테나이트계 스테인리스강제 망 소재 등으로 이루어지는 엔드리스 벨트를 채용한 것이 있다(도면 생략). 이 SUS316L 등의 오스테나이트계 스테인리스강제 망 소재로 이루어지는 엔드리스 벨트를 채용한 PM 프리 스크러버도 상기 섬유질이며 흡수성이 있는 엔드리스 벨트(12-12)를 채용한 것과 동일한 작용 효과가 얻어지는 것은 말할 것도 없다.
실시예
다음으로, 실시예를 이용하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
본 발명의 효과를 확인하기 위해서, 선박용 디젤 엔진을 표 1에 나타낸 조건으로 이하의 시험을 실시하고, 각 실시예 및 종래예의 배기 가스의 여러 특성 및 스크러버 처리수의 특성을 이하에 나타낸다. 기본 특성은 배기 가스 정화 장치를 갖지 않는 도 9에 도시된 구성의 장치를, 종래예는 도 9의 기본 구성에 제트 스크러버 형식의 통상 스크러버를 설치하여 구성한 도 10에 도시된 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치를, 각각 이용한 경우의 결과이다. 또한, 본 발명 1은 도 1에 도시된 제1 실시예 장치를, 본 발명 2는 도 2에 도시된 제2 실시예 장치를, 마찬가지로 본 발명 3은 도 3에 도시된 제3 실시예 장치를 각각 이용한 경우의 결과이다.
본 발명 1에 상당하는 본 실시예는, 상기 도 1에 도시된 제1 실시예 장치, 즉, 배기 매니폴드(E/M)(2) 하류의 배기관의 하류에, 스크러버를 구성하는 각 벽면에 존재하며 흘러내리는 처리수의 박막층 표면에 대해 배기 가스가 격하게 충돌하는 일이 거의 없고 처리수의 표면 부근을 따르면서 순조롭게 흘러, 배기 가스 중의 기체인 SOX를 그 처리수에 용해하지만 PM은 처리수에 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(3)를 배치하고, 또한 그 하류에 배치한 머플러(도시하지 않음)를 경유하여 배출하며, 또한 에어 필터(A/F)(4)를 경유하여 엔진의 흡기 매니폴드(I/M)(5)로 외부의 공기를 흡기시키는 구성으로 한 배기 가스 정화 장치에 있어서, PM 프리 스크러버(3)의 상류의 위치에서 배기 가스 중의 PM과, SO2의 각 농도 및 PM 프리 스크러버(3)의 처리수 중의 n-헥산값을 각각 측정하였다.
여기서, 기체이며 확산 계수가 1.5×10-5(㎡/s) 정도로 큰 이산화황은 물이나 해수에 대한 용해도가 높고, 스크러버에 의한 이산화황의 흡수 기술은 확립되어 있다. 즉, 스크러버 처리수를 가성소다(수산화나트륨) 등에 의해 pH=12 정도의 알칼리성으로 유지 관리하여 사용함으로써, 이산화황의 제거율 95% 이상을 실현할 수 있다. 본 실시예의 주목적은 본 배기 가스 정화 장치의 스크러버 처리수의 입자 직경이 0.01 ㎛∼0.5 ㎛ 정도로 크고 확산 계수의 오더가 3∼6 자릿수 정도 작아 10-8∼10-11(㎡/s) 정도로 매우 작은 PM 기인의 오물을 저감하여, 스크러버 처리수의 배수 처리 공정을 간소화할 수 있는 것을 실증하는 것이다. 따라서, 본 실시예에서는, 스크러버 처리수로서 수돗물을 사용하고, 이산화황의 흡수에 의해 스크러버 처리수가 산성을 나타내어도, 가성소다 공급 등의 pH 관리는 하지 않고 시험을 행하였다. 이산화황(SO2)에 관한 본 발명 1∼3 및 종래예의 측정 결과를 도 11에 정리하여 나타낸다.
또한, 도 1에 도시된 제1 실시예 장치에서의 PM 농도의 측정에서는 PM 프리 스크러버(3)의 상류의 측정 부위에서는 72 ㎎/N㎥였던 PM 농도는, PM 프리 스크러버(3)의 하류에서는 69 ㎎/N㎥로 거의 변화가 없었다.
본 발명 2에 상당하는 본 실시예는, 상기 도 2에 도시된 제2 실시예 장치, 즉, 배기 매니폴드(2) 하류의 배기관에, 스크러버를 구성하는 각 벽면에 존재하며 흘러내리는 처리수의 박막층 표면에 대해 배기 가스가 격하게 충돌하는 일이 거의 없고 처리수의 표면 부근을 따르면서 순조롭게 흘러, 배기 가스 중의 SOX를 그 처리수에 용해하지만 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(3)를 설치하고, 또한 그 하류의 머플러(도시하지 않음)로의 배기관에 분기부(6)를 형성하여 EGR 가스를 분류하는 EGR 배관을 접속하며, 분류한 EGR 가스를 EGR 밸브(7)에 의해 유량 제어하면서 흡기 매니폴드(5) 혹은 에어 필터(4)로부터의 흡기관으로 환류시키는 구성으로 한 것이다.
따라서 본 발명 2의 장치는, 배기 가스를, 배기 가스 중의 SOX는 그 처리수에 용해하지만 PM은 처리수에 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(3)에 의해 처리하고, 또한 분기된 EGR 가스를 흡기관에 직접 또는 에어 필터를 경유하여 환류시키는 구성으로 한 배기 가스 정화 장치에 있어서, 본 발명 1과 마찬가지로 PM 프리 스크러버의 상류 위치에서 PM과 SO2를, PM 프리 스크러버(3) 하류의 위치에서 SO2와 NOX의 각 농도를, PM 프리 스크러버(3)의 스크러버 처리수 중의 투시도(透視度) 상황을 각각 측정·관찰하였다.
본 발명 3에 상당하는 본 실시예는, 상기 도 3에 도시된 제3 실시예 장치, 즉, 배기 매니폴드(2) 하류에 터보차저(8)가 장착되고, 상기 터보차저(8)의 터빈 휠(도시하지 않음)의 하류의 배기관에, 스크러버를 구성하는 각 벽면에 존재하며 흘러내리는 처리수의 박막층 표면에 대해 배기 가스가 격하게 충돌하는 일이 거의 없고 처리수의 표면 부근을 따르면서 순조롭게 흘러, 배기 가스 중의 SOX를 그 처리수에 용해하지만 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(메인 스크러버)(3)를 설치하며, 또한 그 하류의 배기관에 분기부(6)를 형성하고, 배기 가스의 일부를 EGR 가스로서 분류하는 EGR 배관을 상기 분기부(6)에 접속하며, 상기 EGR 배관에, 스크러버를 구성하는 각 벽면에 존재하며 흘러내리는 처리수의 박막층 표면에 대해 배기 가스가 격하게 충돌하는 일이 거의 없고 처리수의 표면 부근을 따르면서 순조롭게 흘러, 배기 가스 중의 SOX를 그 처리수에 용해하지만 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(서브 스크러버)(9), EGR 가스를 승압하여 공급·압송하는 블로워(B/W)(10), EGR 밸브(7)를 이 순서로 배치하고, EGR 가스를 EGR 밸브(7)에 의해 유량 제어하면서 인터쿨러(11) 앞의 흡기관으로 환류 또는 상기 터보차저(8)의 컴프레서 휠(도시하지 않음)의 상류로 환류시키는 구성으로 한 것이다. 즉, 본 실시예 장치는, 터보차저(8)의 터빈 휠(도시하지 않음)을 가속한 후의 배기 가스 전량을 먼저 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(메인 스크러버)(3)에 의해 정화한 후, 상기 전량의 배기 가스로부터 분류한 EGR 가스만을 또한 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(서브 스크러버)(9)에 의해 처리하고, 그 후 블로워(B/W)(10)에 의해 압송하여 인터쿨러(11) 앞의 흡기관 또는 상기 터보차저(8)의 컴프레서 휠(도시하지 않음)의 상류로 정확한 양의 EGR 가스를 환류시키는 구성으로 한 것이다.
따라서 본 발명 3의 장치는, 배기 가스는 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(메인 스크러버)(3)에 의해 먼저 처리하고, 상기 처리한 배기 가스로부터 분기된 EGR 가스를 또한 PM을 거의 용해·제거하지 않는 PM 프리 스크러버(서브 스크러버)(9)에 의해 재차 처리하여, 매우 깨끗해진 EGR 가스를 환류시키는 구성으로 한 배기 가스 정화 장치에 있어서, 상기 터보차저(8) 하류이며 PM 프리 스크러버(메인 스크러버)(3) 상류의 배기관에서 NOX와 SO2를, EGR 배관의 PM 프리 스크러버(서브 스크러버)(9)의 하류이며 블로워(10) 상류에서 NOX 및 SO2를, PM 프리 스크러버(9)의 처리수 중의 투시도 상황을 각각 측정·관찰하였다.
[기본 특성]
배기 가스 정화 장치를 갖지 않는 도 9에 도시된 구성의 장치에 있어서, 디젤 엔진의 터보차저(114)의 하류의 배기관에서 배기 가스 중의 PM, SO2, NOX의 각 농도값을 측정하였다.
[종래예]
본 종래예는, 도 10에 도시된 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치, 즉, 터보차저(114)의 하류에, 그 후 표 1에 기재된 충전층의 상부로부터 살수하는 구조의 충전탑 타입(도시하지 않음)의 충전층식이라고 칭하는 통상 스크러버(113a)에 의해 배기 가스를 세정 처리하는 구성으로 한 배기 가스 정화 장치에 있어서, 배기관의 터보차저(114)의 하류이며 통상 스크러버(113a)의 상류 위치에서 배기 가스 중의 PM, SO2와 NOX를, 통상 스크러버(113a)의 후류 위치에서 PM, SO2와 NOX의 각 농도값을, 통상 스크러버(113a)의 처리수 중의 투시도 상황을 각각 측정·관찰하였다.
●엔진:
스트로크: 4스트로크 타입
기통수: 3
보어 스트로크: 130 ㎜×160 ㎜
터보차저와 인터쿨러: 장착
출력: 100 PS×1200 rpm
EGR율: 10%, 20%, 25%
연료: A 중유＋황 첨가(황분의 토탈 질량%: 2.1)
부하율: 50%
배기관으로부터 분류한 200 N㎥/Hr의 배기 가스를 처리
●통상 스크러버:
타입: 충전층식(충전층의 상부로부터 살수하는 충전탑)
제조업자: 가부시키가이샤 산키 세이사쿠쇼
형식: S-40형
평균 가스 유속: 0.35 m/sec
수량: 20 L
수류 속도: 35 L/min
처리 시간: 5시간
●PM 프리 스크러버:
타입: 보수 허니컴식(상품명: 허니컴 워셔)
허니컴 코어 제조업자: 니치아스 가부시키가이샤
허니컴 사이즈: 세로 250×가로 250×깊이 100 ㎜×2층
평균 가스 유속: 0.9 m/sec
처리수: 수돗물(가성소다 등에 의한 pH 조정 없음)
수량: 20 L
수류 속도: 35 L/min
처리 시간: 5시간
상기 실시예로부터 명백한 바와 같이, 이하에 기재하는 사항이 판명되었다.
(1). 기본 특성에 의한 기술에서는, 배기 가스 정화 장치를 전혀 장비하고 있지 않기 때문에, PM, SO2, NOX는 당연히 저감되지 않는다. 한편, 상기 SO2의 농도 상황을 도 11에, NOX의 농도 상황을 기본 특성의 농도를 기준(100%)으로 하여 도 12에 각각 도시한다.
(2). 종래예는, 본 발명 1과 마찬가지로 PM 프리 스크러버의 앞 위치에서의 PM 측정에서는 72 ㎎/N㎥였던 PM 농도는 통상 스크러버에 의해 대폭 저하된다. 그러나, EGR을 실시하고 있지 않기 때문에 NOX는 저감되지 않는다. 또한, 가성소다 등에 의한 pH 조정을 하지 않고 수돗물을 사용한 시판의 통상의 스크러버를 장비하고 있기 때문에 SO2는 도 11에 도시된 바와 같이 저감되지만, 스크러버의 처리수(세정수)에는 SOX뿐만이 아니라 PM이 함유되게 되어 환경 혹은 생태계에 악영향을 미치는 성분의 완전한 제거는 기대할 수 없다. 한편, 2.5시간 및 5시간 운전시의 상기 스크러버 처리수 중의 n-헥산값을 도 13에, 또한, 5시간 운전시의 상기 스크러버 처리수의 투시도 비교를 도 14, 도 15에 도시하는데, 도 14에 투시도를 도시한 종래예의 스크러버 처리수에서는 PM에 의해 현저히 오염되어 있어 스크러버 처리수의 배수 처리에는 많은 공정수와 고도의 설비가 필수인 것은 상상하기에 어렵지 않다.
(3). 본 발명 1에서는, 배기 가스는 PM 프리 스크러버의 앞 위치에서의 PM 측정에서는 72 ㎎/N㎥였던 PM 농도는, PM 프리 스크러버(3)의 하류에서는 69 ㎎/N㎥로 거의 변화가 없었다. 또한, EGR을 실시하고 있지 않기 때문에 NOX는 저감되지 않으나, 배기 가스 중의 SOX는 그 처리수에 용해하지만 PM을 거의 용해시키지 않는 PM 프리 스크러버를 설치함으로써 배기 가스 중의 SOX는 도 11에 도시된 바와 같이 대폭 저감되고, 또한 스크러버의 처리수에는 PM이 거의 함유되지 않기 때문에, 2.5시간 및 5시간 운전시의 상기 스크러버 처리수 중의 n-헥산 추출값은 도 13에 도시된 바와 같이 매우 작고, 또한, 5시간 운전시의 상기 스크러버 처리수의 투시도는 도 15에 도시된 바와 같이 클리어하여, PM 프리 스크러버의 배수 처리의 문제도 해결할 수 있는 것을 간파할 수 있다.
(4). 본 발명 2에서는, 배기 가스는 PM 프리 스크러버의 앞 위치에서의 PM 측정에서는 72 ㎎/N㎥였던 PM 농도는, PM 프리 스크러버(3)의 하류에서는 69 ㎎/N㎥로 거의 변화가 없었다. 또한 EGR을 실시하고 있기 때문에, 배기 가스 중의 NOX는 도 12에 도시된 바와 같이 EGR율을 높게 해 감으로써 크게 저감할 수 있고, 배기 가스 중의 SOX도 도 11에 도시된 바와 같이 대폭 저감되며, PM은 저감되지 않으나 NOX를 저감할 수 있을 뿐만이 아니라, EGR 가스도 EGR 가스 중의 SOX를 그 처리수에 용해하지만 PM을 거의 용해시키지 않는 PM 프리 스크러버를 경유시키고 있기 때문에, 엔진의 신뢰성을 위협하는 SOX의 함유를 대폭 저감하고, 또한 PM 프리 스크러버의 처리수는 PM을 거의 함유하고 있지 않기 때문에, 스크러버의 배수 처리의 문제도 본 발명 1과 마찬가지로 해결할 수 있다.
(5). 본 발명 3은, 배기 가스는 PM 프리 스크러버의 앞 위치에서의 PM 측정에서는 72 ㎎/N㎥였던 PM 농도는, PM 프리 스크러버(메인 스크러버)(3)의 하류에서는 69 ㎎/N㎥로 거의 변화가 없었다. 배기 가스 중의 NOX는 도 13에 도시된 바와 같이 본 발명 2와 마찬가지로 저감되고, EGR 배관에는 EGR 가스 중의 SO2는 SOx를 그 처리수에 용해하지만 PM을 거의 용해시키지 않는 PM 프리 스크러버(서브 스크러버)(9)를 더 구비하고 있기 때문에 본 발명 1 이상으로 저하되어 엔진의 신뢰성을 위협하는 SOx의 함유를 없애며, 또한 스크러버가 SOx를 그 처리수에 용해하지만 PM을 거의 용해시키지 않는 PM 프리 스크러버이기 때문에, 그 처리수는 PM을 거의 함유하고 있지 않아, 스크러버의 배수 처리의 문제도 본 발명 1 및 2와 마찬가지로 해결할 수 있다.
한편, 본 발명의 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 연료로서 사용하는 선박용 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치의 구성은, 상기 제1 실시예 장치 내지 제3 실시예 장치의 것에 한정하는 것은 아니며, EGR 쿨러, PM 프리 스크러버, 과급기 등의 각종 장치나 설비의 배치, 조합을 여러 가지로 변경하여 구성하는 것을 모두 포함하는 것은 말할 것도 없다.
또한, 여기서는 선박용 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치에 대해 설명하였으나, 발전기용이나 대형 건설 기계용 등, 선박용 이외의 용도의 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치에도 적용할 수 있는 것은 말할 것도 없다.
1: 디젤 엔진 2: 배기 매니폴드
3: PM 프리 스크러버(메인 스크러버) 4: 에어 필터
5: 흡기 매니폴드 6: 분기부
7: EGR 밸브 8: 터보차저
9: PM 프리 스크러버(서브 스크러버) 10: 블로워
11: 인터쿨러 12-1: 허니컴 유닛 코어부
12-2: 급수부 12-2-1: 살수 탱크
12-2-2: 노즐 구멍 12-3: 언더 트레이
12-4, 12-11: 처리수 탱크 12-5: 스크러버 하우징
12-6: 처리판 12-7: 처리수 공급 노즐
12-8: 탱크부 12-10: 배기 가스 유로
12-12: 엔드리스 벨트 12-13: 구동 롤
12-14: 종동 롤 21: 평행판
22: 처리수 23: 황산 이온
24: PM 25: SO2
26: 가스 유로 W: 처리수
M: 모터 P: 펌프

Claims (6)

  1. 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 사용하는 선박용 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치에 있어서, 엔진의 배기 매니폴드에 연속되는 배기관에, 스크러버를 구성하는 각 벽면에 존재하며 흘러내리는 처리수의 박막층 표면에 대해 배기 가스가 격하게 충돌하는 일이 없고 처리수의 표면 부근을 따르면서 순조롭게 흐르며, 가스와 입자의 확산 속도의 차이를 이용하여 PM을 제거하지 않는 스크러버를 배치한 구성으로 한 것을 특징으로 하는 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 사용하는 선박용 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치.
  2. 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 사용하는 선박용 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치에 있어서, 엔진의 배기 매니폴드에 연속되는 배기관에, 스크러버를 구성하는 각 벽면에 존재하며 흘러내리는 처리수의 박막층 표면에 대해 배기 가스가 격하게 충돌하는 일이 없고 처리수의 표면 부근을 따르면서 순조롭게 흐르며, 가스와 입자의 확산 속도의 차이를 이용하여 PM을 제거하지 않는 스크러버를 배치하고, 상기 스크러버의 하류측 배기관에 상기 배기 가스의 일부를 EGR 가스로서 분류하는 분기부를 형성하며, 상기 분기부에 연속되는 EGR 배관을 통해 상기 EGR 가스를 엔진의 흡기로 환류시키는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 사용하는 선박용 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 EGR 배관에, 스크러버를 구성하는 각 벽면에 존재하며 흘러내리는 처리수의 박막층 표면에 대해 배기 가스가 격하게 충돌하는 일이 없고 처리수의 표면 부근을 따르면서 순조롭게 흐르며, 가스와 입자의 확산 속도의 차이를 이용하여 PM을 제거하지 않는 스크러버를 배치한 구성으로 한 것을 특징으로 하는 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 사용하는 선박용 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    가스와 입자의 확산 속도의 차이를 이용하여 PM을 제거하지 않는 상기 스크러버는, 배기관 혹은 EGR 배관에 우수한 흡수성을 갖는 유리 섬유를 골격으로 한 다공질 세라믹 소재로 이루어지는 골판과 평판을 교대로 적층한 허니컴 구조의 코어부를 수직으로 배치하고, 코어부 상부에 코어부 표면이 항상 습윤하도록 코어부의 전체 길이에 걸친 급수부를 설치하며, 코어부에 대해 직교하는 방향으로 배기 가스 혹은 EGR 가스가 유입 및 유출되어 허니컴 코어부의 다수의 터널형의 미소 단면의 가스 유로를 갖는 코어부 내부를 통과하도록 배치하고, 코어부 하부에 배기 가스를 정화한 처리수를 받는 코어부의 전체 길이에 걸친 트레이를 갖는 것을 특징으로 하는 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 사용하는 선박용 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    가스와 입자의 확산 속도의 차이를 이용하여 PM을 제거하지 않는 상기 스크러버는, 배기관 혹은 EGR 배관 내의 상부에 처리수 공급 노즐을 하부에 하부 탱크를 구비하고, 상기 처리수 공급 노즐 및 하부 탱크 사이에, 평판형, 또는 골판형, 또는 평판형 및 골판형의 처리판을 상하 방향에 대해 연직 또는 경사지게 복수 매 배치하며, 처리판의 배치가 연직인 경우에는 각 처리판의 양면측에, 배치가 경사져 있는 경우에는 각 처리판의 상면측에 처리수 공급 노즐을 각각 구비해서 처리수를 공급하여 상기 표면을 항상 습윤시키고, 또한 처리판 설치 방향에 대해 직교하는 방향으로 배기 가스 혹은 EGR 가스가 유입 및 유출되는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 사용하는 선박용 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치.
  6. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    가스와 입자의 확산 속도의 차이를 이용하여 PM을 제거하지 않는 상기 스크러버는, 배기관 혹은 EGR 배관의 하부에 트레이의 수면 아래에 복수의 하측 롤이 배치되고, 이것과 대응한 복수의 상측 롤과의 사이에 엔드리스 벨트가 서펜타인(serpentine)형으로 배치되어 각 롤 중 적어도 하나를 구동함으로써 배기 가스 혹은 EGR 가스 유로에 다수의 젖은 가동 벽면이 수직으로 형성되며, 또한 가동 벽면 형성 방향에 대해 직교하는 방향으로 배기 가스 혹은 EGR 가스가 유입 및 유출되는 구성으로 한 것을 특징으로 하는 고농도로 황 성분을 함유하는 중유 등의 저질 연료를 사용하는 선박용 디젤 엔진의 배기 가스 정화 장치.
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