KR102064100B1

KR102064100B1 - 선박의 배출배기와 평형수 병합처리장치 및 방법

Info

Publication number: KR102064100B1
Application number: KR1020190000027A
Authority: KR
Inventors: 손을택; 손덕순
Original assignee: (주) 나노에스텍수산
Priority date: 2019-01-01
Filing date: 2019-01-01
Publication date: 2020-01-09
Also published as: WO2020141791A1

Abstract

본 발명은 선박의 배출배기와 평형수를 병합처리하는 장치와 방법에 관한 것으로서, 선박의 연료유 연소에서 발생하는 배출배기를 극미세배기기포로 생성시켜 수중에 토출시킬 때 물분자가 분해되면서 생성시키는 수산기(OH-)에 의해서 미생물은 사멸되고, 배출배기중에 함유된 이산화탄소(CO₂)는 탄산수소칼슘(Ca(HCO3)2), 탄산수소마그네슘(Mg(HCO3)2) 등으로 결합시켜 수중에 용해시키게 된다.

Description

선박의 배출배기와 평형수 병합처리장치 및 방법 {APPARATUS AND METHOD FOR MERGING PROCESSING BALLASTER WATER AND EXHAUSTING EMISSION OF VESSEL}

본 발명은 선박의 평형수 처리와 배출배기 처리에 관한 것으로서, 단일 장치에서 평형수중의 미생물과 배출배기를 병합처리하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

종래로부터 선박은 공기로서 액체연료를 연소시켜 동력을 발생시키고, 선박의 안정성 확보를 위해 평형수를 적재하며, 항구에 입항하여 화물의 적하시에 평형수를 배출하거나 적재를 반복하게 된다.

그런데, 연료유 연소배기에는 지구온난화의 원인 물질인 이산화탄소(CO₂)가 함유되어 있고, 미생물이 함유된 평형수를 배출하여 해양생태계를 교란시키는 문제점을 가지고 있다.

이러한 문제점 해결을 위해, 세계는 이산화탄소의 대기중 배출 삭감을 위한 지구 온난화방지조약과 평형수중의 미생물체 제거를 위한 평형수관리협약 등을 체결하면서 공동으로 노력하고 있다.

이와 같은 문제점 해결을 위한 기술개발이 요구되고, 이에 따라 선박의 배기가스처리장치 및 방법(공개번호 10-2015-0028136), 선박 평형수처리장치 및 방법(공개번호 10-2014-0108740) 등의 기술이 개발되어 특허출원으로 제시되고 있다.

그리고, 근래에 와서, 액체연료유 대신 LNG등 천연가스 연료를 이용하는 선박건조가 제안되고 있다.

그런데, 선박은 선내면적이 한정되고, 한정된 면적에서 평형수처리, 배기처리 장치를 각각 설치하게 되면 소요면적과 비용이 많이 소요되는 문제점을 가지고 있고, 천연가스를 연료로 이용하더라도 배출배기는 발생하게 된다.

본 발명은 선박의 연료유 연소과정에서 발생한 배출배기중에 함유된 이산화탄소(CO₂)를 극미세기포로 분해하여 평형수 수중에 토출확산시키며, 수중에 확산된 극미세기포는 고유의 작용에 의해 파열하면서 극한반응장(Hotspots)을 형성시키고, 극한반응장에서 물분자가 분해되어 수산기(OH-)가 생성되어 미생물을 사멸시키고, 배기중의 이산화탄소(CO₂)는 탄산수소칼슘(Ca(HCO3)2), 탄산수소마그네슘(Mg(HCO3)2) 등으로 합성되어 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 등과 함께 수중에 용해되어, 평형수중의 미생물과 배출배기를 병합처리하는데 목적이 있다.

그리고, 본 발명은 액체연료를 공기로 연소시킨 배출배기, 액체연료를 산소로 연소시킨 배출배기, 천연가스를 공기로 연소시킨 배출배기, 천연가스를 산소로 연소시킨 배출배기를 공히 처리할 수 있게 하는데 목적이 있다.

본 발명은 위의 과제해결을 위해, 선박내부에 아래와 같이 장치를 설치한다.

배기를 압축시키는 배기압축장치(C); 극미세기포를 생성시키는 1번 극미세기포발생장치(A)와 2번 극미세기포발생장치(B); 유입실(14), 반응실(15), 안정화실(16)로 구획되는 처리탱크(D); 가 주장치로 구성된다.

배기압축장치(C)는 배기유입관(1)에 연결되고, 압축배기이송관(2)이 부설된다.

1번 극미세기포발생장치(A)는 압축배기공급관(3)이 부설되어 개폐밸브(4)를 통해 압축배기이송관(2)에 연결되고, 반대측에서 처리탱크(D)로 연결되어 극미세배기기포수를 토출시키는 토출관(5)이 부설되며, 동일측에서 평형수공급관(6)이 부설되어 개폐밸브(7)를 통해서 평형수이송관(8)에 연결된다.

2번 극미세기포발생장치(B)는 압축배기공급관(3-1)이 부설되어 개폐밸브(4-1)를 통해서 압축배기이송관(2)에 연결되고, 반대측에서 처리탱크(D)로 연결되어 극미세배기기포수를 토출시키는 토출관(9)이 부설되며, 동일측에서 평형수공급관(6-1)이 부설되어 개폐밸브(7-1)을 통해서 평형수이송관(8)에 연결되고,

평형수이송관(8)은 유입측에서 2개의 관으로 분기되어 개폐밸브(17)과 개폐밸브(19)가 각각 부설되어 개폐밸브(17)에 평형수유입관(18), 개폐밸브(19)에 해수유입관(20)이 연결된다.

처리탱크(D)는 구획격판(12,13)에 의해서 유입실(14), 반응실(15), 안정화실(16)로 구획되며, 유입실(14)에는 평형수공급관(11)이 부설되어 개폐밸브(10)를 통해서 평형수이송관(8)에 연결되고, 1번 극미세기포발생장치(A)에 부설된 토출관(5)이 연결되며, 반응실(15)에는 2번 극미세기포발생장치(B)에 부설된 토출관(9)이 연결되고, 안정화실(16)에는 후미에 평형수배출관(22)에 연결되는 개폐밸브(21)와 바다로 향하는 해수방류관(24)에 연결된 개폐밸브(23)가 근접해서 부설되어 장치는 구성된다.

위에서, 평형수는 해수 또는 담수가 평형수탱크에 저장된 물을 말하며, 평형수는 해수로 한정하지 않고 담수로 대체시켜 이용할 수 있다.

위에서, 해수유입관(20) 과 해수방류관(24)은 평형수 공급이 어려울 때 해수를 유입시켜 배출배기를 해수에 용해시켜 바다의 해수중으로 방류시키게 된다.

이하에서 장치의 작용에 대하여 설명한다.

선박의 평형수탱크로부터 처리탱크(D)에 평형수가 공급되어 만재되고, 1번과 2번 극미세기포발생장치에 평형수가 공급되어 장치가 작동되는 단계;

1번과 2번 극미세기포발생장치의 작동에 의해서 평형수는 8기압 이상으로 가압되고, 배기압축장치로부터 압축배기가 압입되어 미세하게 분해되는 과정을 거쳐 극미세배기기포수로 가공되는 단계;

1번, 2번 극미세기포발생장치(A,B)로부터 8기압 이상의 고압으로 가압된 극미세배기기포수가 처리탱크의 유입실 및 반응실 수중에 상압으로 각각 토출되어 확산되는 단계;

유입실 및 반응실 수중에 토출된 극미세배기기포는 수축하고 축소되어 파열되면서 극미세배기기포 경계면에 극한반응장(Hotspots)이 형성되는 단계;

극한반응장(Hotspots)에서 물분자(H₂O)가 수소이온(H+), 수산기(OH-)로 분해되어 수중의 미생물을 사멸시키는 단계;

극미세배기기포의 파열에 의해서 이산화탄소(CO₂)는 수중의 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg)등의 무기물과 반응하여 탄산수소칼슘(Ca(HCO3)2), 탄산수소마그네슘(Mg(HCO3)2) 등으로 결합되어 수중에 용해되는 단계;

미생물이 사멸되고, 이산화탄소(CO₂)가 용해된 평형수가 배출관을 통해서 선박의 평형수탱크로 배출되는 단계;

위와 같은 단계를 거치면서 평형수중의 미생물의 사멸과 이산화탄소(CO₂)는 병합처리 된다.

위에서, 평형수가 감소하여 공급이 부족할 때는 해수유입관을 통해 해수를 유입하여 위와 같은 단계를 거쳐서 해수방류관을 통해 바다의 해수중으로 방류시킨다.

본 발명은 평형수중의 미생물을 사멸시키면서 이산화탄소를 함유한 연소배기를 수중에 용해시키는 병합처리를 행함으로서 비용절감은 물론, 생태계 보호와 이산화탄소의 대기중 배출을 방지하여 지구온난화 방지에 기여할 수 있게 된다.

도 1은 장치의 연결 평면도이다.

본 발명은 발명자가 이미 출원한 연소배기용해 나노산소 액체비료 합성장치 및 방법(10-2018-0001995)의 기술을 응용하며, 장치는 이온물질이 용해된 수중에 산소기체를 압입시켜 분자집단(Cluster)이 나노사이즈의 극히 미세한 극미세기포로 분해되어 액체비료로 합성된다.

본 발명은 도면상에서 구체적인 설명을 한다.

도 1은 장치의 연결 평면도로서, A는 1번 극미세기포발생장치, B는 2번 극미세기포발생장치이며, C는 배기압축장치, D는 처리탱크이다.

1번 극미세기포발생장치(A)는 압축배기공급관(3)이 부설되어 개폐밸브(4)를 통해서 압축배기이송관(2)에 연결되어 배기압축장치(C)로부터 압축배기를 공급받게 되고, 반대측에는 극미세배기기포수를 토출시키는 토출관(5)이 부설되어 처리탱크(D)의 유입실(14)로 연결되며, 평형수를 공급하는 평형수공급관(6)이 부설되어 개폐밸브(7)를 통해서 평형수이송관(8)에 연결되어 평형수를 공급받게 된다.

2번 극미세기포발생장치(B)는 압축배기공급관(3-1)이 부설되어 개폐밸브(4-1)를 통해서 압축배기이송관(2)으로 연결되어 압축배기를 공급받고, 반대측에 극미세배기기포수를 토출시키는 토출관(9)이 부설되어 처리탱크(C)의 반응실(15)로 연결되며, 평형수를 공급하는 평형수공급관(6-1)이 부설되어 개폐밸브(7-1)를 통해서 평형수이송관(8)에 연결되어 평형수를 공급받게 된다.

위에서, 개폐밸브(7-1)에 연결된 평형수이송관(8)은 유입측에서 두개의 관으로 분기되어 개폐밸브(17)과 개폐밸브(19)가 부설되어 개폐밸브(17)에 평형수유입관(18)이 연결되고, 개폐밸브(19)에 해수유입관(20)이 연결되며, 평형수의 공급이 어려울 때, 해수유입관을 통해 해수를 유입시키게 된다.

위에서, 평형수는 평형수탱크에 저장된 상태의 물을 말하며, 해수, 담수 구별없이 평형수로 이용될 수 있다.

위에서, 평형수유입관(18)은 도시되지 않았지만 선박의 평형수탱크로 연결되며, 해수유입관(20)은 바다의 해수중으로 연결된다.

위에서, 개폐밸브(17)은 평형수유입시에 개방되고 해수유입시에 폐쇄되며, 반대로 개폐밸브(19)는 평형수 유입시에는 폐쇄되고 해수유입시에 개방되어 평형수유입과 해수유입을 선택하게 된다.

위에서, 1번, 2번 극미세기포발생장치(A,B)는 한국 특허청에 등록된 극미세기포발생장치(10-1022612)의 장치가 이용되며, 장치는 가압펌프, 금구가 내장된 혼합관, 구경을 달리하면서 수축 및 팽창을 행하는 복수의 관으로 구성되고, 액체와 기체를 혼합, 가압, 분쇄, 팽창, 충돌, 선회를 반복하면서 분자집단(Cluster)을 극히 미세한 기포로 분해시키는 작용을 행한다.

위에서, 1번, 2번 극미세기포발생장치(A,B)는 제시된 극미세기포발생장치(10-1022612)보다 우수한 장치로 대체시킬 수도 있다.

위에서, 극히 미세하게 분해된 극미세기포는 수중에서 수축되면서 축소가 진행되어 한계점에 도달하면 파열하게 되고, 파열시에는 극미세기포 외주면에 극한반응장(Hotspots)을 형성시키며, 이 극한반응장에 존재하는 물질을 분해시키게 되고, 이 때 물분자도 수소이온(H+), 수산기(OH-)로 분해된다.

위에서, 극미세기포는 나노사이즈(nano size)의 기포를 말한다.

배기압축장치(C)는 유입되는 배기의 냉각과 여과를 시키는 설비를 서로 연결하여 일체화시키고, 배기유입관(1)과 압축배기이송관(2)이 부설되고, 배기유입관(1)은 선박 배기발생원의 배출관으로 연결되어 연소배기를 유입시키며, 유입되는 배기를 8기압 이상의 고압으로 압축시켜 압축배기이송관(2)을 통해서 1번, 2번 극미세기포발생장치(A,B)에 공급하게 된다.

위에서, 배기는 액체연료를 공기로 연소시킨 배출배기, 액체연료를 산소로 연소시킨 배출배기, 천연가스를 공기로 연소시킨 배출배기, 천연가스를 산소로 연소시킨 배출배기 등으로 구분 될 수 있고, 액체연료, 천연가스 연료 공히 공기 대신 산소로 연소시키면 공기중에 함유된 질소량 만큼 배기는 감소하게 되고, 특히 천연가스를 산소로 연소시키면 배출배기는 크게 감소하게 되어, 배기압축장치(C)는 소형화할 수 있다. 따라서, 배기압축장치(C)의 크기는 배출배기량에 따라 조정하여 구성한다.

본 발명은 액체연료를 공기로 연소시킨 배출배기, 액체연료를 산소로 연소시킨 배출배기, 천연가스를 공기로 연소시킨 배출배기, 천연가스를 산소로 연소시킨 배출배기를 공히 처리할 수 있다.

처리탱크(D)는 구획격판(12,13)에 의해서 유입실(14), 반응실(15), 안정화실(15)로 구획되고, 구획격판(12,13)은 유입되는 평형수가 상부측으로 원활하게 월류할 수 있게 높이가 조정되며, 하부에는 도시되지 않은 드레인관이 부설된다.

위에서, 유입실(14)에는 1번 극미세기포발생장치(B)의 토출관(5)이 연결되고, 평형수공급관(11)이 부설되어 개폐밸브(10)을 통해 평형수이송관(8)에 연결되며, 반응실(15)에는 2번 극미세기포발생장치(B)의 토출관(9)이 연결되고, 안정화실(16) 후미에 개폐밸브(21)와 개폐밸브(23)가 부설되어 개폐밸브(21)에 평형수탱크로 연결되는 평형수배출관(22), 개폐밸브(23)에 바다로 향하는 해수방류관(24)이 각각 연결된다.

위에서, 유입실(14)과 반응실(15)에는 1번, 2번 극미세기포발생장치(A,B)에서 극미세배기기포수가 토출되어 확산된다.

위에서, 해수유입관(20)을 연결하고 있는 개폐밸브(19)와 해수방류관(24)을 연결하고 있는 개폐밸브(23)는 평형수가 유입될 때는 폐쇄되고, 해수를 유입시킬 때 개방되고, 개폐밸브(17)과 개폐밸브(21)는 폐쇄된다.

위에서, 해수의 유입은 선박에 평형수 보유량이 소량으로 감소하거나, 또는 평형수를 이용할 수 없을 때 유입시키며, 평형수 유입 때와 동일한 처리 단계를 거쳐 이산화탄소를 함유한 배출배기를 해수에 용해시켜 바다의 해수중으로 방류하게 된다.

이하 본 발명의 작용에 대하여 설명한다

먼저, 장치를 작동시켜 유입실(14), 반응실(15), 안정화실(16)에 평형수가 유입되어 만재되면서 안정화실(16)의 평형수배출관(22)에서 평형수가 배출되도록 조정한다.

그리고, 유입실(14)과 반응실(15)에는 1번, 2번 극미세기포발생장치(A,B)로부터 극미세배기기포수가 토출되어 확산되고, 유입실(14)과 반응실(15)에 확산된 극미세배기기포는 수축이 진행되면서 축소되어 한계점에 도달하여 파열되며, 파열되는 극미세배기기포의 외측면 경계면에는 극한반응장(Hotspots)이 형성되고, 극한반응장에 존재하는 물은 수소이온(H+)과 수산기(OH-)로 분해되며, 이 수산기(OH-)는 미생물의 세포를 공격하여 미생물을 사멸시키게 된다.

다음으로, 유입실(14)과 반응실(15)에 확산된 극미세배기기포에 함유된 이산화탄소(CO₂)는 해수중에 함유된 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg) 등의 무기물과 결합하여 탄산칼슘(Ca(CO₃)), 탄산수소칼슘(Ca(HCO₃)₂), 또는 탄산마그네슘(Mg(CO₃)), 탄산수소마그네슘(Mg(HCO3)2)으로 결합되어 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 등과 함께 안정화실(16)의 평형수배출관(22)을 통해 배출되어 평형수탱크로 유입된다.

한편, 평형수를 이용할 수 없을 때, 해수를 유입시켜도 평형수처리와 동일한 처리단계를 거치면서 배기를 해수중에 용해시켜 바다의 해수중으로 방류한다.

본 발명은 평형수중의 미생물을 사멸시키면서 이산화탄소(CO₂)를 수중에 용해시키는 병합처리를 행하여 비용을 절감시키고, 평형수방류에 의한 생태계교란을 방지하면서 대기중으로 이산화탄소(CO₂)의 배출이 방지되어 지구온난화 예방에 기여하게 된다.

본 발명에서 선박의 평형수는 해수로 한정하지 않으며, 무기물질을 함유한 담수도 평형수로 이용할 수 있다.

본 발명은 선박에 한정되지 않고, 연소배기를 발생시키는 모든 연소장치에 이용이 가능하다.

A,B: 극미세기포발생장치 C: 배기압축장치
D : 처리탱크 1 : 배기유입관
2 : 압축배기이송관 3,3-1: 압축배기공급관
4,4-1,7,7-1,10 : 개폐밸브 5,9 : 토출관
6,6-1,11 : 평형수공급관 8 : 평형수이송관
12,13 : 구획격판 14 : 유입실
15 : 반응실 16 : 안정화실
17,19,21,23 : 개폐밸브 18 : 평형수유입관
20 : 해수유입관 22 : 평형수배출관
24 : 해수방류관

Claims

배기유입관(1)에 연결되고, 압축배기이송관(2)이 부설된 배기압축장치(C);
압축배기공급관(3)이 부설되어 개폐밸브(4)를 통해 압축배기이송관(2)에 연결되고, 반대측에서 처리탱크(D)로 연결되는 토출관(5)이 부설되며, 동일측에서 평형수 공급관(6)이 부설되어 개폐밸브(7)를 통해서 평형수이송관(8)에 연결된 1번 극미세기포발생장치(A);
압축배기공급관(3-1)이 부설되어 개폐밸브(4-1)를 통해서 압축배기이송관(2)에 연결되고, 반대측에서 처리탱크(D)로 연결되는 토출관(9)이 부설되고, 동일측에서 평형수공급관(6-1)이 부설되어 개폐밸브(7-1)를 통해서 평형수이송관(8)에 연결된 2번 극미세기포발생장치(B);
유입측에서 2개의 관으로 분기되어 개폐밸브(17)과 개폐밸브(19)에 각각 연결되고, 개폐밸브(17)에 선박의 평형수탱크로 연결되는 평형수유입관(18), 개폐밸브(19)에 바다로 향하는 해수유입관(20)이 연결된 평형수이송관(8);
구획격판(12,13)에 의해서 유입실(14), 반응실(15), 안정화실(16)로 구획되며, 유입실(14)에는 평형수공급관(11)이 부설되어 개폐밸브(10)를 통해서 평형수이송관(8)에 연결되고, 1번 극미세기포발생장치(A)에 부설된 토출관(5)이 연결되며, 반응실(15)에는 2번 극미세기포발생장치(B)에 부설된 토출관(9)이 연결되고, 안정화실(16)에는 후미에 평형수배출관(22)에 연결되는 개폐밸브(21)와 해수방류관(24)에 연결된 개폐밸브(23)가 근접 부설된 처리탱크(D); 가 서로 연결되어 구성되는 것을 특징으로 하는 선박의 배출배기와 평형수 병합처리장치.
배기를 압축시키는 배기압축장치(C); 극미세기포를 생성시키는 1번 극미세기포발생장치와 2번 극미세기포발생장치; 유입실(14), 반응실(15), 안정화실(16)로 구획되는 처리탱크(D); 가 소요의 연결관으로 연결되어 구성되는 장치에서,

선박의 평형수탱크로부터 처리탱크에 평형수가 공급되어 만재되고, 1번과 2번 극미세기포발생장치에 평형수가 공급되어 장치가 작동되는 단계;
1번과 2번 극미세기포발생장치의 작동에 의해서 평형수는 8기압 이상으로 가압되고, 배기압축장치로부터 압축배기가 압입되어 미세하게 분해되는 과정을 거쳐 극미세배기기포수로 가공되는 단계;
1번, 2번 극미세기포발생장치(A,B)로부터 8기압 이상의 고압으로 가압된 극미세배기기포수가 처리탱크의 유입실 및 반응실 수중에 상압으로 각각 토출되어 확산되는 단계;
유입실 및 반응실 수중에 토출된 극미세배기기포는 수축하고 축소되어 파열되면서 극미세배기기포 경계면에 극한반응장(Hotspots)이 형성되는 단계;
극한반응장(Hotspots)에서 물분자(H₂O)가 수소이온(H+), 수산기(OH-)로 분해되어 수중의 미생물을 사멸시키는 단계;
극미세배기기포의 파열에 의해서 이산화탄소(CO₂)는 수중의 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg) 무기물과 반응하여 탄산수소칼슘(Ca(HCO3)2), 탄산수소마그네슘(Mg(HCO3)2) 으로 결합되어 수중에 용해되는 단계;
미생물이 사멸되고, 이산화탄소(CO₂)가 용해된 평형수가 배출관을 통해서 선박의 평형수탱크로 배출되는 단계; 를 거치면서 평형수중의 미생물의 사멸과 이산화탄소(CO₂)의 수중 용해처리를 병합처리하는 것을 특징으로 하는 선박의 배출배기와 평형수 병합처리방법.
제 2항에 있어서, 선박의 평형수 이용이 불가능시에 해수를 유입시켜 평형수처리와 동일한 처리단계를 거쳐 이산화탄소(CO₂)를 함유한 배출배기를 해수에 용해시켜 바다의 해수로 방류시키는 것을 특징으로 하는 선박의 배출배기와 평형수 병합처리방법.