KR102128754B1 - 중공사 분리막을 이용한 선박용 배기가스 탈황 처리시스템 및 처리방법 - Google Patents

중공사 분리막을 이용한 선박용 배기가스 탈황 처리시스템 및 처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 분리막을 이용한 탈황처리장치, 그 탈황처리장치를 이용한 선박용 배기가스 탈황 처리시스템 및 처리방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는, 하우징와, 상기 하우징으로 배기가스가 유입되도록 구성된 배기가스 유입부와, 상기 하우징으로 반응제가 유입되도록 구성된 반응제 유입부와, 상기 하우징 내부에 구비되어 상기 배기가스 유입부를 통해 유입된 배기가스가 중공사 분리막모듈의 내부 또는 외부로 유입되고 상기 반응제 유입부를 통해 유입된 반응제가 상기 중공사 분리막모듈의 외부 또는 내부로 유입되어 상기 반응제가 상기 배기가스의 이산화항을 흡수하여 제거하는 탈황반응부와, 상기 탈황반응부로부터 이산화황이 일부 제거된 상태의 배기가스가 배출되는 배기가스 배출부와, 상기 탈황반응부로부터 이산화황이 흡수된 상태로 반응제가 배출되는 반응제배출부를 포함하는 중공사 분리막을 이용한 탈황처리장치; 및 상기 탈황처리장치의 반응제 배출부로부터 나오는 반응제의 pH를 기준치에 적합하도록 조절하는 pH 조절부;를 구비하고, 중공사막 탈황 반응부에서 배기가스 내의 이산화황이 해수로 흡수되어 최종적으로 이산화황이 저감된 배기가스가 선박으로부터 배출되는 것을 특징으로 하는 중공사 분리막을 이용한 선박용 배기가스 탈황 처리장치에 관한 것이다.

Description

중공사 분리막을 이용한 선박용 배기가스 탈황 처리시스템 및 처리방법{Apparatus of desulfurization from marine exhaust gas using membranes}
본 발명은 분리막을 이용한 탈황처리장치, 그 탈황처리장치를 이용한 선박용 배기가스 탈황 처리시스템 및 처리방법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 선박 등에서 배출되는 배기가스중 주요 대기오염물질인 황산화물을 분리막을 이용하여 탈황 처리하기 위한 배기가스 탈황 처리장치에 관한 것이다.
최근 들어 육상의 고정배출설비, 자동차 외에도 선박으로부터 배출되는 배기가스에 의해 환경오염 문제가 대두되어 배기가스 처리 방법에 대해 많은 관심 및 연구가 진행되고 있다. 세계 무역의 85%가 해상 운송에 의해 이루어지고 있으며 이로 인해 지구상에서 배출되고 있는 SOx 3~7%, 온난화 가스 2.5~4%, NOx의 15% 이상 모든 자동차 배출량을 초과, black carbon 배출량의 5% 정도가 선박으로부터 배출되고 있으며 2050년까지 50~250%가 증가할 것으로 예상하고 있다. 이와 같은 해상 운송의 70%는 연안 400km이내에서 이루어지고 있으므로 인류에게는 더욱 위협적이 될 수 있다. 국제해사기구(international marine organization, IMO)의 해양환경보호위원회(marine environment protection committee, MEPC) 70차 회의(2016.10.20.)에서 온실가스 배출량 규제를 위해 5,000톤급 이상 선박은 연료 유형과 소비량, 운항시간 등을 수집해야 한다고 결정하였다. 이에 따라 해당 선박은 1년 단위로 선박이 속한 국가에 합산한 데이터를 제출하고, 각국은 적합성을 확인한 후 IMO 중앙 데이터베이스로 송부해야 한다.
또한, MEPC 70차 회의에서는 2020년부터 선박에서 사용되는 연료 황산화물 함유량을 0.5% 이하로 규제하기로 결정하였다. 연료 중에 포함된 황성분은 연소 중에 황산화물(SOx)로 전환되며, 이것이 대기 중으로 배출되면 산성비의 원인이 되며 사람의 건강을 해치게 된다. 이에 따라 선박 회사는 강화된 국제 황산화물 규제를 만족시키기 위해서 저유황유나 LNG를 선박용 주연료로 사용하든지 또는 황산화물 저감장치를 추가로 장착하는 방법 등의 조치를 강구할 수밖에 없는 상황이 되었다. 일반적으로 선박에서의 배기가스중 황산화물 저감장치로는 습식 스크러버 기술이 대표적으로 사용되고 있으며 이들은 개방형과 페쇄형으로 분류된다.
개방형 스크러버 방식은 자연적으로 알카리성을 갖는 해수(바닷물)를 이용한 배기가스 세정을 통해 중화반응이 이루어지게 함으로써 황산화물을 저감하고 아울러 입자상물질도 저감시킨다. 또한 중화반응후 스크러버에서 배출되는 해수는 해양오염 방지를 위해 pH 조절과정을 거쳐 다시 선박 외부인 바다로 배출된다.
폐쇄형 스크러버는 별도의 담수와 중화반응제를 혼합한 반응제수용액을 이용하여 배기가스를 세정함으로써 중화반응에 의한 황산화물의 저감과 더불어 입자상 물질을 저감시키는 방법으로 황산화물의 중화반응을 위한 반응제 수용액은 맑은 물(청수)에 수산화나트륨(NaOH) 용액을 첨가하여 제조한다. 이 과정에서 발생하는 열은 해수를 이용하여 냉각하고 냉각된 반응제 수용액을 세정탑으로 공급하여 배기가스 세정에 사용하고 세정후 세정탑에서 배출되는 용액중 일부는 원심분리 및 pH 조정과정을 거쳐서 선박 외부로 배출되고 나머지 대부분의 용액은 배기가스 세정을 위해 알칼리 반응제를 첨가하여 재순환된다.
이러한 스크러버를 이용한 선박 배출 배기가스 탈황법은 저유황유를 선박용 주연료로 사용하는 방법에 비해서 엔진 출력에 따라 선박 한척당 100~1,000만불의 설비 투자비용과 함께 50~700kW에 달하는 추가전력이 요구된다. 또한 배기관 상에 설치된 스크러버에 의해서 배압(back pressure)이 증가하여 엔진 성능이 저하될 수 있고, 이로 인해 연료소모량이 증가할 가능성이 있다.
선박용 주연료로써 저유황유를 사용하는 방법은 추가적인 설비가 요구되지 않아 선박의 SOx 규제를 만족시킬 수 있는 가장 간단한 방법으로 간주된다. 하지만 현재로서는 저유황유 가격이 고유황유에 비해 가격이 40~80% 이상 비싼 단점이 있다. 게다가 정류사별로 제조 방법에 따라 유황 함량이 다르기 때문에 사용할 때 주의가 필요하다. 이러한 이유로 현재는 SOx 규제를 만족시키기 위한 가장 안정적인 대응 방안으로 스크러버를 추가적 설치하는 방법이 가장 경제적이라고 평가되고 있다. 하지만 스크러버를 설치하여 운영하는 경우에는 중화반응용 알칼리제와 배기가스 세정에 이용된 처리수의 저장을 위한 화물 적재 공간 감소 및 연료 소모에 의한 선박운영비용이 상승하고, 스크러버 운전 중 발생되는 슬러지 처리 문제와 배관 라인의 부식에 대한 우려가 있어 선박용 탈황에 대한 새로운 기술 개발이 시급한 실정이다.
기존 선박용 배기가스 탈황 특허로서, 등록특허 10-1630074(선박용 배기가스 탈황장치)은, 선박용 배기가스 탈황장치에 관한 것으로 배기가스 처리시 일차적으로 배기가스를 습식 오존에 의하여 전처리하여, 배기가스의 온도를 낮추며 황산화물의 처리 효율을 향상시킬 수 있는 선박용 배기가스 탈황장치에 대해 기재하고 있다.
또한, 공개특허 10-2015-0024071(선박용 배기가스 탈황 장치)은, 해수를 이용하여 배기가스를 탈황 처리하기 위한 선박용 배기가스 탈황 장치에 있어서, 상기 배기가스가 유입되는 가스 공급관과 배출되는 배출관을 가지는 몸체; 상기 몸체로 유입되는 배기가스를 선회시키기 위한 선회 처리부; 상기 배기가스를 상기 해수 중으로 통과시키기 위한 용해 처리부; 상기 배기가스의 오염물질을 포집하기 위한 충진물을 가지는 포집 처리부; 상기 선회 처리부, 상기 용해 처리부, 및 상기 포집 처리부에 상기 해수를 분무 공급하기 위한 분사관; 및 상기 선회 처리부, 상기 용해 처리부, 및 상기 포집 처리부에 상기 해수를 배출하기 위한 배출관을 포함하고, 상기 분사관의 상기 해수는 바다로부터 직접 공급되고, 상기 배출관의 해수는 재사용되지 않을 수 있다는 것에 대해 기재하고 있다.
또한, 등록특허 10-1117677(선박용 배기가스의 탈황 탈질 처리장치)은, 오존과 과산화수소 및 중화제를 이용하여 선박용 디젤엔진으로부터 배출되는 배가스를 처리하기 위한 장치에 관한 것으로서, 기류분배용 다공판에 의하여 구획된 반응공간의 내부에서 오존처리와 과산화수소처리 및 중화처리가 각각 독립적으로 이루어지도록 함에 따라, 배기가스 기류의 균일한 분배조건하에서 각각의 반응이 보다 더 효율적으로 수행될 수 있도록 하는 한편, 암모늄염을 반응탱크의 바닥부에 구비된 드레인 배관을 통하여 집진기와는 별로로 회수토록 함으로서, 암모늄염의 회수율과 재활용률을 보다 향상시킬 수 있도록 한 선박용 배기가스의 탈황 탈질 장치에 대해 기재하고 있다.
대한민국 등록특허 제1630074호 대한민국 공개특허 제2015-0024071호 대한민국 등록특허 제1117677호
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 선박용 배기가스 내의 이산화황을 보다 더 합리적이고 경제적으로 처리하는 탈황 처리장치를 제공토록 한 것으로서, 중공사막 모듈 내부 또는 외부로 해수를 흐르게 하고 그 반대쪽으로는 선박으로부터 발생한 배기가스를 흐르게 함으로써 중공사막 경계면에서 기체 및 액체의 접촉에 의하여 배기가스 내의 이산화황이 해수에 대량으로 흡수하여 이산화황을 신속하게 분리할 수 있는 탈황 처리장치 및 그 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다. 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면 배기가스의 중화처리 과정이 필요 없기 때문에 기존의 스크러버 탈황 처리장치에서 중화처리를 위해 필요한 설비 및 중화제가 필요 없어져 이에 해당하는 만큼 선박의 용적 활용율 및 비용이 절감될 수 있는 기술을 제공하는데 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은, 탈황처리장치에 있어서, 하우징; 상기 하우징으로 배기가스가 유입되도록 구성된 배기가스 유입부; 상기 하우징으로 반응제가 유입되도록 구성된 반응제 유입부; 상기 하우징 내부에 구비되어, 상기 배기가스 유입부를 통해 유입된 배기가스가 중공사 분리막모듈의 내부 또는 외부로 유입되고, 상기 반응제 유입부를 통해 유입된 반응제가 상기 중공사 분리막모듈의 외부 또는 내부로 유입되어, 상기 반응제가 상기 배기가스의 이산화항을 흡수하여 제거하는 탈황반응부; 상기 탈황반응부로부터 이산화황이 일부 제거된 상태의 배기가스가 배출되는 배기가스 배출부; 및 상기 탈황반응부로부터 이산화황이 흡수된 상태로 반응제가 배출되는 반응제배출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사 분리막을 이용한 탈황처리장치로서 달성될 수 있다.
그리고, 분리막 모듈은, 분리막이 내장되고, 일단은 폐쇄되고, 양단부에 반응제가 이동가능한 관통홀이 각각 형성되며, 타단은 이산화황을 흡수한 반응제가 토출되는 반응제배출부와 연결되는 분리막케이싱; 상기 분리막케이싱의 일단부에 외주면의 주위로 설치되고, 상기 분리막케이싱의 길이방향으로 개방되는 제1개방홀이 형성되며, 상기 제1개방홀과 상기 관통홀이 연통되도록 제1연통공간을 가지는 제1연통케이싱; 및 상기 분리막케이싱의 타단부에 외주면의 주위로 설치되고, 상기 분리막케이싱의 길이방향으로 개방되는 제2개방홀이 형성되며, 상기 제2개방홀과 상기 관통홀이 연통되도록 제2연통공간을 가지고, 상기 반응제 유입부와 관통되도록 배치되는 제1연통케이싱을 포함하고, 상기 복수의 분리막 모듈은 인접하는 제2연통케이싱이 서로 연결되고, 인접하는 제2연통케이싱이 서로 연결되어 상기 분리막케이싱이 서로 평행하게 배치되며, 상기 분리막케이싱의 사이에는 공극이 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 분리막은 복수의 중공사막으로 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 분리막은 평막이고, 한쌍의 평막이 양측에 배치되는 평막스페이서와 내부에 유체가 이동하는 공급스페이서가 상기 분리막케이싱의 내부에서 분리공이 형성된 중심관의 주위로 감겨지고, 상기 중심관은 상기 평막스페이서에만 연통되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은, 탈황처리방법에 있어서, 배기가스 유입부를 통해 배기가스가 하우징으로 유입되고, 반응제 유입부를 통해 반응제가 하우징 내로 유입되는 단계; 상기 배기가스 유입부를 통해 유입된 배기가스가 탈황반응부의 중공사 분리막모듈 내부 또는 외부로 유입되고, 반응제 유입부를 통해 유입된 반응제가 상기 중공사 분리막모듈의 외부 또는 내부로 유입되어, 상기 반응제가 상기 배기가스의 이산화황을 흡수하여 제거하는 단계; 및 배기가스 배출부를 통해 탈황반응부로부터 이산화황이 일부 제거된 상태의 배기가스가 배출되고, 상기 탈황반응부로부터 이산화황이 흡수된 상태로 반응제가 반응제 배출부를 통해 배출되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사 분리막을 이용한 탈황처리방법으로서 달성될 수 있다.
본 발명의 제3목적은 탈황처리시스템에 있어서, 앞서 언급한 제 1목적에 따른 분리막을 이용한 탈황처리장치; 및 상기 탈황처리장치의 반응제 배출부로부터 나오는 반응제의 pH를 기준치에 적합하도록 조절하는 pH 조절부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사 분리막을 이용한 탈황처리시스템으로서 달성될 수 있다.
그리고, 배기가스는 선박용 배기가스이고, 상기 반응제는 해수인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 배기가스 유입부 일측에 구비되어 상기 탈황처리장치로 유입되는 배기가스의 압력을 조절하는 가스압력조절부와, 반응제 유입부 일측에 구비되어 상기 탈황처리장치로 유입되는 반응제의 압력을 조절하는 반응제 압력조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, 상기 반응제에 가해지는 압력이 상기 배기가스에 가해지는 압력보다 높게 유지되도록 상기 가스압력조절부와 상기 반응제 압력조절부를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 반응제 배출부를 통해 배출되는 반응제의 pH를 실시간으로 측정하는 pH 측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고, pH 조절부는, 반응제 배출부를 통해 배출되는 반응제가 유입되는 해수혼합기; 및 상기 해수혼합기로 해수를 유입시키는 해수투입수단;을 포함하고, 상기 제어부는 상기 pH 측정부에서 측정된 pH값이 설정된 기준값 이하인 경우, 상기 해수투입수단을 제어하여 상기 반응제의 pH가 상기 기준값 이상이되도록 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제4목적은 선박용 배기가스의 탈황처리방법에 있어서, 배기가스 유입부를 통해 선박용 배기가스가 하우징으로 유입되고, 반응제 유입부를 통해 반응제인 해수가 하우징 내로 유입되는 단계; 상기 배기가스 유입부를 통해 유입된 배기가스가 탈황반응부의 중공사 분리막모듈 내부 또는 외부로 유입되고, 반응제 유입부를 통해 유입된 반응제가 상기 중공사 분리막모듈의 외부 또는 내부로 유입되어, 상기 반응제가 상기 배기가스의 이산화황을 흡수하여 제거하는 단계; 배기가스 배출부를 통해 탈황반응부로부터 이산화황이 일부 제거된 상태의 배기가스가 배출되고, 상기 탈황반응부로부터 이산화황이 흡수된 상태로 반응제가 반응제 배출부를 통해 배출되는 단계; 및 pH 조절부가 상기 탈황처리장치의 반응제 배출부로부터 나오는 반응제의 pH를 기준치에 적합하도록 조절하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사 분리막을 이용한 선박용 배기가스 탈황처리방법으로서 달성될 수 있다.
그리고 배기가스 유입부 일측에 구비된 가스압력조절부가 상기 탈황처리장치로 유입되는 배기가스의 압력을 조절하는 단계와, 반응제 유입부 일측에 구비된 반응제 압력조절부가 상기 탈황처리장치로 유입되는 반응제의 압력을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 제어부가 상기 반응제에 가해지는 압력이 상기 배기가스에 가해지는 압력보다 높게 유지되도록 상기 가스압력조절부와 상기 반응제 압력조절부를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 pH 측정부가 상기 반응제 배출부를 통해 배출되는 반응제의 pH를 실시간으로 측정하는 단계를 더 포함하고, 상기 pH를 기준치에 적합하도록 조절하는 단계는, 상기 반응제 배출부를 통해 배출되는 반응제가 해수혼합기에 유입되고, 상기 제어부가 상기 pH 측정부에서 측정된 pH값이 설정된 기준값 이하인 경우, 해수투입수단을 제어하여 상기 해수혼합기로 해수를 유입시켜 상기 반응제의 pH가 상기 기준값 이상이되도록 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 액체로 해수를 이용하고 기체인 배기가스를 중공사막에 흘려보내면 기체-액체 반응기 역할로 인해 배기가스 내에 있던 이산화황 가스가 해수로 흡수되어 이산화황 농도를 신속히 제거할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 탈황 장치에 따르면 이산화황뿐만 아니라 이산화탄소 등의 수용성 기체도 같이 저감시킬 수 있기 때문에 전체적인 관점에서 온실가스 배출량을 줄일 수 있는 효과도 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에서는 기존의 스크러버 탈황 장치에 있는 설비(스크러버, 중화제 등)들이 필요 없기 때문에 선박의 용적 활용율이 증가하고 비용이 절감되는 등 경제성이 높아지는 효과도 있다. 이러한 중공사막 이용 탈황장치는 새롭게 만들어지는 선박에 단독으로 설치될 수 있을 것이다. 하지만 기존 선박에 대해서도 설치가 가능하다. 앞서 설명하였듯이, 규정선박은 2020년부터 황산화물 함유량을 0.5% 이하로 감소시켜야 하는데, 이를 위해 추가적인 탈황 설비가 필요하며, 이곳에 중공사막 탈황 장치를 설치하는 것도 하나의 방안이 될 수 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 중공사 분리막을 이용한 선박용 배기가스 탈황 처리시스템의 구성도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 중공사 분리막을 이용한 선박용 배기가스 탈황 처리시스템의 블록도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 중공사 분리막을 이용한 선박용 배기가스 탈황 처리시스템의 제어부에 따른 신호흐름을 나타낸 블록도,
도 5, 도 6 및 도 7은 분리막 모듈로 구성된 중공사막 탈황 반응부 사시도,
도 8은 분리막 모듈의 부분절개사시도
도 9는 도 8의 분해사시도
도 10은 도 8의 단면도
도 11은 분리막 모듈을 적층한 상태의 사시도
도 12는 도 11의 부분절개사시도
도 13은 도 12의 분해사시도
도 14는 사각형 형태의 분리막 모듈을 나타낸 사시도
도 15는 본 발명의 실험예에 따라 반응제로 물을 이용한 SO2 제거 효율 및 pH 변화 그래프
도 16은 본 발명의 실험예에 따라 반응제로 해수를 이용한 SO2 제거 효율 및 pH 변화 그래프
도 17은 본 발명의 실험예에 따라 반응제로 해수 및 을을 이용한 SO2 제거 효율 비교 그래프
도 18은 본 발명의 실험예에 따라 분리막 면적에 따른 SO2 제거 효율 그래프를 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 중공사 분리막을 이용한 선박용 배기가스 탈황 처리시스템(1)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 도 1 및 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 중공사 분리막을 이용한 선박용 배기가스 탈황 처리시스템(1)의 구성도를 도시한 것이다. 그리고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 중공사 분리막을 이용한 선박용 배기가스 탈황 처리시스템(1)의 블록도를 도시한 것이다. 또한, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 중공사 분리막을 이용한 선박용 배기가스 탈황 처리시스템(1)의 제어부(400)에 따른 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.
도 1, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 중공사 분리막을 이용한 선박용 배기가스 탈황 처리시스템(1)은 전체적으로 중공사 분리막을 갖는 탈황처리장치(200), 하우징, 배기가스 유입부(10), 배기가스 배출부(20), 반응제 유입부(30), 반응제 배출부(40), pH조절부(300) 등을 포함하여 구성됨을 알 수 있다.
배기가스 유입부(10)는 하우징으로 배기가스가 유입되도록 구성되며, 반응제 유입부(30)는 하우징으로 반응제가 유입되도록 구성된다. 분리막으로 구성된 탈황반응부는 하우징 내부에 구비되어, 배기가스 유입부(10)를 통해 유입된 배기가스가 중공사 분리막모듈의 내부 또는 외부로 유입되고, 상기 반응제 유입부(30)를 통해 유입된 반응제가 상기 중공사 분리막모듈의 외부 또는 내부로 유입되어, 상기 반응제가 상기 배기가스의 이산화항을 흡수하여 제거하게 된다.
그리고, 배기가스 배출부(20)는 탈황반응부로부터 이산화황이 일부 제거된 상태의 배기가스가 배출되며, 반응제배출부(40)는 탈황반응부로부터 이산화황이 흡수된 상태로 반응제가 배출되게 된다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 중공사 분리막 모듈로 구성된 탈황반응부에 주입되는 액체 반응제 및 기체 배기가스는 어느 쪽으로 주입해도 가능하다.
따라서 배기가스 유입부(10)를 통해 배기가스가 하우징으로 유입되고, 반응제 유입부(30)를 통해 반응제가 하우징 내로 유입되게 된다. 이러한 배기가스 유입부(10)를 통해 배기가스는 도 1에 도시된 바와 같이, 분리막 모듈로 구성된 탈황반응부 외부로 유입될 수도 있고 외부로 유입된 경우 액체 반응제는 탈황반응부 내부로 유입되게 된다. 또한, 배기가스 유입부(10)를 통해 배기가스가 도 1에 도시된 바와 같이, 분리막 모듈로 구성된 탈황반응부 내부로 유입되는 경우 액체 반응제는 반응제유입부(30)를 통해 탈황반응부 외부로 유입되게 된다.
그리고, 배기가스 유입부(10)를 통해 유입된 배기가스가 탈황반응부의 중공사 분리막모듈 내부 또는 외부로 유입되고, 반응제 유입부(30)를 통해 유입된 반응제가 상기 중공사 분리막모듈의 외부 또는 내부로 유입되어, 상기 반응제가 상기 배기가스의 이산화황을 흡수하여 제거하게 된다.
그리고, 배기가스 배출부(20)를 통해 탈황반응부로부터 이산화황이 일부 제거된 상태의 배기가스가 배출되고, 상기 탈황반응부로부터 이산화황이 흡수된 상태로 반응제가 반응제 배출부(40)를 통해 배출되게 된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 선박용 배기가스를 미세다공성 중공사막(microporous hollow fiber membranes) 모듈로 구성된 탈황처리장치(200)에 연결하여 중공사막 내부 또는 외부로 흐르게 하고, 반대편(배기가스가 모듈 내부일 경우 해수는 외부로, 배기가스가 모듈 외부일 경우 해수는 내부로 흐름)으로 해수를 흐르게 하여 배기가스 내에 존재하는 이산화황을 제거함으로써 해결된다.
폴리프로필렌(polyprolyene), 폴리에틸렌(polyethylene) 등의 고분자로 만들어진 다공성 중공사막은 소수성 성질을 가지는데, 중공사막 내부 또는 외부의 한쪽에 액체인 해수를 접촉시키고 반대쪽에 이산화황을 포함한 배기가스를 접촉시킬 경우 미세 기공을 통해 해수가 통과되지는 못하지만 이산화황 같은 수용성 기체는 통과가 가능하여 기공을 통과한 이산화황 기체가 해수에 흡수된다. 이러한 원리를 이용하면 미세다공성 중공사막을 통해 배기가스로부터 이산화황 기체를 분리 처리할 수 있다.
이러한 기체 흡수 중공사막은 기체와 흡수제인 액체의 접촉을 인위적으로 제어할 수 있는 장점이 있다. 즉, 기체와 액체의 흐름을 독립적으로 조절할 수 있고 다른 공정들에 비해 매우 큰 기체-액체 접촉면적을 갖으며 scale-up이 용이한 장점들도 있다. 그러므로 중공사막을 이용한 이산화황 제거 효율 성능은 막 재료, 흡수액의 물리화학적인 특성, 막의 기공크기, 막의 기공률, 시스템의 운전조건(가스 압력, 액체의 유속, 운전 온도 등), 막 기공을 기체로 채우는지 또는 액체로 채우는지에 따른 운전모드 등에 의하여 많은 차이를 나타낼 수 있다.
선박용 탈황장치에 사용되는 막은 (친수성의) 액체가 기체측으로 넘어가지 않아야 하므로 소수성 성질을 가진 고분자가 사용되는 것이 바람직하며, 소수성 성질이 크면 클수록 액체 압력을 크게 적용할 수 있어 성능 향상에 도움이 된다. 또한, 막 내부에 존재하는 기공 크기가 작고 고르게 분포하여 기공률이 클수록 기체-액체 접촉면적이 넓어지기 때문에 성능 향상에 바람직하다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 중공사 분리막을 이용한 선박용 배기가스 탈황처리시스템(1)은 반응제 배출부(40)로부터 나오는 반응제의 pH를 기준치에 적합하도록 조절하는 pH 조절부(300)를 포함하여 구성된다.
선박으로부터의 배수는 친환경적이어야 한다. 선박의 배수가 해양을 오염시키지 않게 하기 위해 선박으로부터 배출되는 물은 급성 혼합구 경계 pH 값을 15분 이내에 6.5까지 도달시켜야 한다고 EPA 및 IMP에 의해 규정되어 있다. 본 발명에서의 탈황 장치에서는 해수를 사용하여 이산화황을 제거하는데, 이산화황을 흡수한 해수는 산성으로 변하기 때문에 본 발명 장치에서도 배출수를 자연 해역에 배출하기 위해서는 그 pH 값을 높이는 처리를 할 필요가 있다.
다만, 일반적인 담수는 pH가 7.0이지만 해수의 pH 범위는 7.4~8.4이고, 평균 pH는 약 8 정도로 약한 염기성을 띄고 있다. 이러한 이유로는 해수 속에는 염화나트륨(NaCl), 염화마그네슘(MgCl), 황산마그네슘(MgSO4), 황산칼슘(CaSO4), 브롬화나트륨(NaBr), 염화칼륨(KCl), 탄산칼슘(CaCO3) 등이 존재한다. 이러한 성분이 물에 녹으면 음이온(Cl-, SO4 2-, Br-, CO3 2-) 등이 생기는데 이런 음이온은 소량의 비율로 수소양이온(H+)과 결합하게 되며, 이렇게 줄어든 수소양이온은 물속에 있는 물분자로부터 분리되어 평형을 이루고 있는 수소양이온에서 가져오게 된다. 그래서 수소양이온 농도가 줄어들면서 pH가 높아지게 되는 것이다. 또한, 평형을 위해 물은 지속적으로 수소양이온과 수산화음이온(OH-)으로 해리되는데 이 때 해리된 수산화음이온이 물속의 전체 수산화이온 농도를 증가시키기 때문에 pH가 추가로 높아진다.
그렇기 때문에 일반 담수에 비해 이산화황을 흡수해도 pH가 많이 낮아지지 않는다는 특징이 있다. 게다가 실시예의 실험결과에도 나와 있듯이, 이산화황을 흡수한 후의 배출수는 일반 담수보다 pH 값이 1.55~1.58 범위에서 높게 나타났다. 이는 초기 상태의 해수가 담수보다 pH가 약 1 정도 높다는 이유와 해수에 존재하는 알칼리 이온들이 이산화황 흡수에 대한 버퍼 역할을 수행한 결과일 것이다.
본 발명에서는 배출수의 pH를 15분 이내에 6.5까지 도달시켜 배출하기 위해 배출기 후단에 새로운 알칼리성 해수를 혼합하여 희석시킴으로써 신속하게 pH를 기준치 이상으로 올리는 pH조절부(300)를 포함한다.
또한, 배기가스 유입부(10) 일측에 구비되어 상기 탈황처리장치(200)로 유입되는 배기가스의 압력을 조절하는 가스압력조절부(11)와, 반응제 유입부(30) 일측에 구비되어 상기 탈황처리장치(200)로 유입되는 반응제의 압력을 조절하는 반응제 압력조절부(31)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한 도 4에 도시된 바와 같이, 제어부(400)는 반응제에 가해지는 압력이 상기 배기가스에 가해지는 압력보다 높게 유지되도록 상기 가스압력조절부(11)와 상기 반응제 압력조절부(31)를 제어하게 된다.
그리고, 반응제 배출부(40)를 통해 배출되는 반응제의 pH를 실시간으로 측정하는 pH 측정부(310)를 포함할 수 있다. 또한, pH 조절부(300)는 반응제 배출부(40)를 통해 배출되는 반응제가 유입되는 해수혼합기(320)와, 해수혼합기(320)로 해수를 유입시키는 해수투입수단(330)을 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 제어부(400)는 도 4에 도시된 바와 같이, pH 측정부(310)에서 측정된 pH값이 설정된 기준값 이하인 경우, 상기 해수투입수단(330)을 제어하여 상기 반응제의 pH가 상기 기준값 이상이되도록 조절하게 된다.
따라서 선박용 배기가스의 탈황처리방법은, 배기가스 유입부(10)를 통해 선박용 배기가스가 하우징으로 유입되고, 반응제 유입부(30)를 통해 반응제인 해수가 하우징 내로 유입되게 된다.
그리고, 배기가스 유입부(10)를 통해 유입된 배기가스가 탈황반응부의 중공사 분리막모듈 내부 또는 외부로 유입되고, 반응제 유입부(30)를 통해 유입된 반응제가 상기 중공사 분리막모듈의 외부 또는 내부로 유입되어, 상기 반응제가 상기 배기가스의 이산화황을 흡수하여 제거하게 된다.
그리고, 배기가스 배출부(20)를 통해 탈황반응부로부터 이산화황이 일부 제거된 상태의 배기가스가 배출되고, 상기 탈황반응부로부터 이산화황이 흡수된 상태로 반응제가 반응제 배출부(40)를 통해 배출되게 된다.
또한, pH 조절부(300)가 상기 탈황처리장치(200)의 반응제 배출부(40)로부터 나오는 반응제의 pH를 기준치에 적합하도록 조절하게 된다.
또한, 배기가스 유입부(10) 일측에 구비된 가스압력조절부(11)가 상기 탈황처리장치(200)로 유입되는 배기가스의 압력을 조절하게 되고 반응제 유입부(30) 일측에 구비된 반응제 압력조절부(31)가 상기 탈황처리장치(200)로 유입되는 반응제의 압력을 조절하게 된다.
그리고, 제어부(400)는 반응제에 가해지는 압력이 상기 배기가스에 가해지는 압력보다 높게 유지되도록 상기 가스압력조절부(11)와 상기 반응제 압력조절부(31)를 제어하게 된다.
또한, pH 측정부(310)는 반응제 배출부(40)를 통해 배출되는 반응제의 pH를 실시간으로 측정하며, pH를 기준치에 적합하도록 조절하는 단계는, 반응제 배출부(40)를 통해 배출되는 반응제가 해수혼합기(320)에 유입되고, 상기 제어부(400)가 상기 pH 측정부(310)에서 측정된 pH값이 설정된 기준값 이하인 경우, 해수투입수단(330)을 제어하여 상기 해수혼합기(320)로 해수를 유입시켜 상기 반응제의 pH가 상기 기준값 이상이되도록 조절하게 된다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 분리막 모듈로 구성된 중공사막 탈황반응부의 구성에 대해 설명하도록 한다. 도 5, 도 6 및 도 7은 분리막 모듈로 구성된 중공사막 탈황 반응부 사시도를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 분리막 모듈로 구성된 탈황처리장치(200)의 사시도를 도시한 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 분리막 모듈(210)은 복수의 중공사막(211)과, 상기 중공사막(211)의 양단부에 설치된 커넥터(212)을 포함한다. 상기 커넥터(212)는 상기 중공사막(211)의 내부와 연통된다. 따라서, 상기 커넥터(212)와 부압챔버를 연통시키면, 부압챔버(270)는 상기 중공사막(211)의 내부와 연통될 수 있다. 따라서, 부압챔버(270)를 도 5에 도시된 바와 달리, 상기 하우징(201)의 상하에 모두 설치하고, 서로 연결시키는 것도 가능하다.
상기 중공사막(211)은 수분에 대한 우수한 선택성을 지닌 속이 빈 섬유와 같은 구조로 제조되는 고분자막 섬유(이하 중공사막(211))를 일정 길이로 절단한 것이며, 이러한 중공사막(211) 각각 복수개를 커넥터(212)에 의해 균일하게 분포시킨 군집 형태를 구성한 후 그 양단을 고정하여 모듈화함으로써 분리막 모듈을 구성하게 된다. 이와 같은 분리막모듈(210)은 군집화된 중공사막과 중공사막의 내부에 부압을 작용시킬 수 있는 부압챔버(270)가 필수적인 구성요소로서 반드시 복수개의 커넥터로 구성되어야 하는 것은 아니며 부압챔버(270)도 군집화된 중공사막(211)의 양단에 위치시키는 것도 가능하다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 분리막 모듈로 구성된 탈황처리장치(200)의 사시도를 도시한 것이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 제2실시예에 따른 탈황처리장치(200)는 하우징(201), 부압챔버(270), 분리관(271)의 형태는 제1실시예에 따른 탈황처리장치(200)와 동일하나, 중공사막(211)의 양단에 설치되는 커넥터(212)가 모두 상기 부압챔버(270)에 연통되는 차이가 있다.
도 8는 본 발명의 제3실시예에 따른 탈황처리장치(200)에 적용되는 분리막 모듈의 부분절개사시도를 도시한 것이다. 도 9는 도 8의 분해사시도를 도시한 것이고, 도 10은 도 8의 단면도를 도시한 것이다. 또한, 도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 분리막 모듈을 적층한 상태의 사시도를 도시한 것이다.
본 발명의 제3실시예에 따른 탈황처리장치(200)는 복수의 분리막 모듈과, 상기 복수의 분리막 모듈에 연결되는 부압챔버(270)를 포함하여 이루어진다. 분리막 모듈은 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 중심부에 배치되고 복수의 중공사막(211)이 내장되는 분리막케이싱(220)과, 상기 분리막케이싱(220)의 양단부에 설치되는 제1연통케이싱(230) 및 제2연통케이싱(240)을 포함하여 이루어진다.
중공사막(211)은 앞서 언급한 제1,제2실시예에 기재된 중공사막(211)과 동일하다. 분리막케이싱(220)은 일단은 폐쇄되고, 타단에는 분리유체공급관(260)이 연결된다. 상기 분리막케이싱(220)의 일단은 밀폐커버(234)에 의해 폐쇄되거나, 상기 분리막케이싱(220)이 일단이 폐쇄되고 타단이 개방된 관 형태로 구성되는 것도 가능하다. 그리고, 상기 분리막케이싱(220)의 양단부에는 유체가 이동가능한 관통홀이 각각 형성된다. 상기 관통홀이 형성된 영역인 제1설치면(221)과 제2설치면(224)에 상기 제1연통케이싱(230) 및 상기 제2연통케이싱(240)이 각각 설치된다.
관통홀은 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 분리막케이싱(220)의 원주면을 따라 방사상을 이루는 것과 동시에 상기 분리막케이싱(220)의 길이방향을 따라 복수개가 배치되어, 유체의 유입이 균일하게 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
제1연통케이싱(230)은 상기 분리막케이싱(220)의 일단부에서 상기 제1설치면(221)의 주위로 설치되고, 상기 분리막케이싱(220)의 길이방향으로 개방되는 제1개방홀(232)이 형성된다. 이 결과, 상기 제1개방홀(232)과 상기 관통홀을 연통시키는 제1연통공간(231)이 형성된다.
상기 제1연통케이싱(230)의 일측에는 상기 분리막케이싱(220)이 삽입되고, 상기 분리막케이싱(220)의 외주면에 고정되는 제1삽입홀(233)이 형성된다.
상기 커버(234)는 상기 분리막케이싱(220)에 형성된 나사부(223)에 나사결합되거나, 끼움결합, 또는 용접 등의 다양한 방법으로 결합될 수 있다. 또는, 상기 제1연통케이싱(230)에 일체로 고정된 상태로 상기 분리막케이싱(220)의 일단에 결합되는 것도 가능하다.
상기 제2연통케이싱(240)은 상기 분리막케이싱(220)의 타단부에서 상기 제2설치면(224)의 주위로 설치되고, 상기 분리막케이싱(220)의 길이방향으로 개방되는 제2개방홀(242)이 형성된다. 이 결과, 상기 제2개방홀(242)과 상기 제1관통홀(222)을 연통시키는 제2연통공간(241)이 형성된다.
제2연통케이싱(240)의 일측에는 상기 분리막케이싱(220)이 삽입되고, 상기 분리막케이싱(220)의 외주면에 고정되는 제2삽입홀(243)이 형성된다. 그리고, 상기 제2연통케이싱(240)의 상기 제2개방홀(242)을 통해 상기 반응제유입부(30)가 돌출되어 연장되도록 배치된다.
반응제유입부(30)는 상기 분리막케이싱(220)에 형성된 나사부(223)에 나사결합되거나, 끼움결합, 또는 용접 등의 다양한 방법으로 결합될 수 있다.
앞서 언급한 제1실시예에 따른 탈황처리장치(200)를 구성하는 분리막 모듈의 유체의 이동경로를 설명하면 다음과 같다. 먼저, 상기 제1연통케이싱(230)을 통하여 유체인 반응제가 상기 제1연통공간(231)을 경유하여 상기 제1관통홀(222)로 유입된다. 그리고, 상기 분리막케이싱(220)의 내부로 유입된 유체는, 도 10에 도시된 바와 같이, 중공사막(211) 주위의 공극을 지나면서 중공사막(211)에 의해 배기가스의 이산화황이 흡수되고, 타측의 제2관통홀(225)을 통해 상기 제2연통케이싱(240)의 제2연통공간(241)을 경유하여 이산화황이 흡수된 반응제가 배출된다.
이 결과, 유체가 상기 분리막 모듈(210)의 길이방향으로 유입되어, 상기 분리막 모듈(210)의 길이방향으로 배출되므로 유체의 흐름방향이 유입전후가 동일한 방향성을 가지는 특징이 있다.
도 11은 상기 분리막케이싱(220)을 적층하여 탈황처리장치(200)를 구성한 모습이며, 따라서, 상기 제1연통케이싱(230)과 상기 제2연통케이싱(240)은 적층이 용이하도록 단면이 다각형, 더욱 바람직하게는 직사각형 또는 정사각형으로 형성될 수 있다.
도 12는 본 발명의 제4실시예에 따른 분리막 모듈의 부분절개사시도를 도시한 것이다. 도 13은 도 12의 단면도를 도시한 것이다.
본 발명의 제4실시예에 따른 분리막 모듈은 앞서 언급한 제1 내지 제3실시예에 따른 분리막 모듈과 달리 평막(251)을 이용한다.
상기 분리막 모듈(210)은 중심부에 배치되고 평막어셈블리(250)가 내장되는 분리막케이싱(220)과, 상기 분리막케이싱(220)의 양단부에 설치되는 제1연통케이싱(230) 및 제2연통케이싱(240)을 포함하여 이루어진다.
상기 평막어셈블리(250)는 한쌍의 평막(251)이 양측에 배치되는 평막스페이서(255)와 내부에 유체가 이동하는 공급스페이서(254)가 상기 분리막케이싱(220)의 내부에서 분리공(253)이 형성된 중심관(252)의 주위로 감겨져 이루어진다. 이때, 상기 중심관(252)은 상기 평막스페이서(255)에만 연통된다.
상기 평막(251)은 공지의 기술에 따른 평막을 사용할 수 있으며, 여기서는 자세한 설명은 생략한다. 또한, 상기 공급스페이서(254)와 상기 평막스페이서(255)도 공지의 스페이서를 사용할 수 있다.
상기 분리막케이싱(220)은 일단은 폐쇄되고, 타단에는 분리유체공급관(260)이 연결된다. 상기 분리막케이싱(220)의 일단은 밀폐커버(234)에 의해 폐쇄되거나, 상기 분리막케이싱(220)이 일단이 폐쇄되고 타단이 개방된 관 형태로 구성되는 것도 가능하다. 그리고, 상기 분리막케이싱(220)의 일단부에는 유체가 이동가능한 제1관통홀(222)이 형성되고, 타단부에는 제2관통홀(225)을 가지는 관통커버(256)가 연결된다. 상기 제2관통홀(225)은 상기 중심관(252)에 근접하여 배치되고, 상기 관통커버(256)의 중심부는 상기 중심관(252)과 연통되도록 분리유체공급관(260)이 배치된다. 상기 분리막케이싱(220)의 양단부에는 상기 제1연통케이싱(230) 및 상기 제2연통케이싱(240)이 각각 설치된다.
상기 제1관통홀(222)은 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 분리막케이싱(220)의 원주면을 따라 방사상을 이루는 것과 동시에 상기 분리막케이싱(220)의 길이방향을 따라 복수개가 배치되어, 유체의 유입이 균일하게 이루지도록하는 것이 바람직하다. 또, 상기 제2관통홀(225)은 복수개가 상기 중심관(252)의 주위로 근접하여 방사상으로 배치된다. 이 결과, 상기 제1관통홀(222)을 통과한 유체가 상기 공급스페이서(254)를 경유하면서 상기 평막(251)에 의해 분리되어 상기 평막스페이서(255)로 이동되는 충분한 체류 시간과 평막(251)과의 접촉면적을 제공할 수 있다.
상기 제1연통케이싱(230)은 상기 분리막케이싱(220)의 일단부에서 상기 제1설치면(221)의 주위로 설치되고, 상기 분리막케이싱(220)의 길이방향으로 개방되는 제1개방홀(232)이 형성된다. 이 결과, 상기 제1개방홀(232)과 상기 관통홀을 연통시키는 제1연통공간(231)이 형성된다.
상기 제1연통케이싱(230)의 일측에는 상기 분리막케이싱(220)이 삽입되고, 상기 분리막케이싱(220)의 외주면에 고정되는 제1삽입홀(233)이 형성된다. 상기 밀폐커버(234)는 상기 분리막케이싱(220)에 형성된 나사부(223)에 나사결합되거나, 끼움결합, 또는 용접 등의 다양한 방법으로 결합될 수 있다. 또는, 상기 제1연통케이싱(230)에 일체로 고정된 상태로 상기 분리막케이싱(220)의 일단에 결합되는 것도 가능하다.
상기 제2연통케이싱(240)은 상기 분리막케이싱(220)의 타단부에서로 설치되고, 상기 분리막케이싱(220)의 길이방향으로 개방되는 제2개방홀(242)이 형성된다. 이 결과, 상기 제2개방홀(242)과 상기 제2관통홀(225)을 연통시키는 제2연통공간(241)이 형성된다.
상기 제2연통케이싱(240)의 일측에는 상기 분리막케이싱(220)이 제2삽입홀(243)을 통해 삽입되어 고정된다. 따라서, 상기 제2연통공간(241)과 상기 분리막케이싱(220)의 상기 제1 및 제2연통케이싱(240)에 삽입되지 않고 노출되는 표면은 제1 및 제2연통공간(241)과 격리상태가 된다. 그리고, 상기 제2연통케이싱(240)의 상기 제2개방홀(242)을 통해 상기 분리유체공급관(260)이 돌출되어 연장되도록 배치된다.
분리유체공급관(260)은 상기 관통커버(256)에 나사결합되거나, 끼움결합, 또는 용접 등의 다양한 방법으로 결합될 수 있다.
상술한 바와 같이 구성되는 분리막 모듈(210)의 공기의 이동경로를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 제1연통케이싱(230)을 통하여 유체가 상기 제1연통공간(231)을 경유하여 상기 관통홀로 유입된다. 그리고, 상기 분리막케이싱(220)의 내부로 유입된 유체는, 도 13 및 도 14에 도시된 바와 같이, 분리막어셈블리(250)의 공급스페이서(254)의 외주측으로부터 중심측까지 지나면서 상기 평막(251)에 의해 목적하는 이산화황이 반응제로 흡수되고, 이산화황을 흡수한 반응제는 분리공(253)을 가지는 중심관(252)을 거쳐서 상기 제2관통홀(225)을 통해 상기 제2연통케이싱(240)의 제2연통공간(241)을 경유하여 클린 챔버 측으로 배출된다.
[실험예]
도 15는 본 발명의 실험예에 따라 반응제로 물을 이용한 SO2 제거 효율 및 pH 변화 그래프를 도시한 것이다. 그리고, 도 16은 본 발명의 실험예에 따라 반응제로 해수를 이용한 SO2 제거 효율 및 pH 변화 그래프를 도시한 것이다. 또한, 도 17은 본 발명의 실험예에 따라 반응제로 해수 및 을을 이용한 SO2 제거 효율 비교 그래프를 도시한 것이다. 그리고, 도 18은 본 발명의 실험예에 따라 분리막 면적에 따른 SO2 제거 효율 그래프를 도시한 것이다.
본 발명의 실험예에서는 직경 2.54 cm, 유효길이 30 cm인 원통형 모듈에 폴리프로필렌 중공사막 개수를 달리하여 중공사막 유효면적이 다른 중공사막 모듈을 만들고 이들 모듈을 이산화황 분리 시스템에 설치한 후, 가스 압력, 반응제 종류(물, 해수), 중공사막 면적 등을 달리하여 이때의 이산화황 제거 효율을 측정한 것이다. 액체 반응제는 중공사막 내부로 흘려주며, 중공사막 외부로는 이산화황이 포함된 가스를 흘려주었다.
도 15은, 유효면적이 0.29 m2인 모듈을 이산화황 분리 시스템에 체결한 후 반응제로 물을 사용하고 이산화황 가스 유속을 2 L/min, 반응제 액체 유속을 40 L/min, 반응제 액체 압력을 0.5 bar로 고정한 후 가스 압력을 변화시키면서 이에 따른 이산화황 제거효율 및 반응 후 이산화황을 포함한 반응제의 pH를 측정한 결과이다. 가스 압력이 증가할수록 이산화황 제거 효율은 점차 증가하였으며, 가스 압력이 2.92 bar일 때 93.8%의 높은 제거효율을 보였다. 이렇게 제거된 이산화황은 반응제에 포함되기 때문에 반응제가 점차 산성으로 변하며, 이에 따라 이산화황 제거 효율이 증가되면서 pH 값도 점차 감소하였다.
도 16은, 도 15의 실험에서 단지 반응제만 물에서 해수로 변화시켜 이에 따른 이산화황 제거 효율 및 pH 값을 측정한 결과이다. 해수는 물에다가 Sigma-Aldrich사로부터 구입한 sea salts 시약을 녹여 해수 농도와 같게 만들었다. 해수를 이용한 반응제에서도 가스 압력이 증가할수록 이산화황 제거 효율이 점차 증가하였으며, 가스 압력이 2.48 bar일 때 94.3%의 제거 효율을 나타내었다. 가스 압력이 증가할수록 pH 값도 점차 감소하였는데, 물을 반응제로 사용했을 때의 pH 값은 3.07 ~ 2.98 범위를 나타냈으나, 해수를 반응제로 사용했을 때의 pH는 4.65 ~ 4.53 범위로, 물보다 높게 나타남을 확인하였다. 이는 해수의 평균 pH는 8.0으로써 담수의 pH인 7.0보다 약 1.0이 높아 배출되는 반응제의 pH도 높게 나타난 것이다. 또한, 해수에 존재하는 알칼리 이온들이 이산화황 흡수에 대한 버퍼 역할을 수행하여 이산화황 제거 효율이 더 높게 나타났다.
도 17에는 도 15 및 도 16 결과로부터 이산화황 제거 효율만을 분리하여 비교한 그래프이다. 도면 17에 나와 있듯이, 같은 가스 압력에서 해수 반응제에 대한 이산화황 제거 효율은 물 반응제에 대한 이산화황 제거 효율보다 2.8 ~ 0.8% 더 높았다. 특이사항으로는, 가스 압력이 낮을수록 해수 반응제에 대한 이산화황 제거 효율이 물 반응제에 대한 이산화황 제거 효율보다 훨씬 높았다는 것이다. 그러므로 가스 압력을 낮게 유지하면서(에너지가 적게 소모) 이산화황 제거 효율을 높이기 위해서는 물 보다는 해수를 반응제로 사용하는 것이 더욱 효과적임을 확인 할 수 있다.
도 18은, 반응제로 물을 사용하고 중공사막 개수를 조절함으로써 유효면적이 다른(0.16, 0.23, 0.29 m2) 모듈을 만들어 성능을 평가한 결과이다. 중공사막 면적이 증가할수록 이산화황 제거 효율이 증가하였으며, 이로부터 중공사막 유효면적을 더 높이면 이산화황 제거 효율이 더욱 높아질 수 있음을 알 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로, 목표로 하는 이산화황 제거 효율에 필요한 중공사막 유효면적 및 이에 따른 중공사막 필요 모듈 개수 등을 계산할 수 있게 된다.
즉 본 발명에 의하면, 분리막을 이용하여 물 및 해수 반응제와 이산화황 가스를 접촉하게 하면 이산화황을 신속하게 제거할 수 있으며 물보다 해수를 이용하면 이산화황을 더 많이 제거할 수 있게 된다.
또한, 도 15, 도 16, 도 17, 도 18은 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 이산화황의 제거 효율은 가스(기체) 압력이 높을수록 증가한다. 이 때, 액체 압력은 가스 압력보다 0.5 bar 높게 설정하였다. 이러한 이유로는 가스 압력만 높이면 기체-액체 접촉면에서 기체가 액체쪽으로 넘어와 기포(bubble)가 발생하기 때문이다. 그러므로 기포 발생을 방지하기 위하여 액체 압력을 가스 압력보다 높게 설정하였으며, 운전 중에도 가스 압력을 증가시킬 경우 액체 압력도 그만큼 증가시키면서 운전해야 하는 것이 중요하다.
또한, 도 18을 참조하면 알 수 있는 바와 같이, 이산화황 제거 효율은 분리막의 면적이 넓을수록 증가한다. 이러한 이유로는 이산화황의 제거는 기체-액체 접촉면에서 발생하기 때문이며 분리막 면적이 넓을수록 접촉면적이 커지기 때문이다. 또한, 같은 분리막 면적을 가진 중공사막을 사용할 경우에도 기공률이 큰 분리막을 사용하면 이산화항 제거 효율을 높일 수 있으므로 기계적 강도가 우수하면서도 기공률이 큰 중공사막을 개발하면 이산화황 제거 효율이 월등히 증가될 수 있게 된다.
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
1:중공사 분리막을 이용한 선박용 배기가스 탈황 처리시스템
10:배기가스유입부
11:가스압력조절부
20:배기가스배출부
30:반응제유입부
31:반응제압력조절부
40:반응제배출부
200:분리막 모듈을 이용한 탈황처리장치
201:하우징
210:분리막 모듈
211:중공사막
212:커넥터
220:분리막케이싱
221:제1설치면
222:제1관통홀
223:나사부
224:제2설치면
225:제2관통홀
230:제1연통케이싱
231:제1연통공간
232:제1개방홀
233:제1삽입홀
234:밀폐커버
240:제2연통케이싱
241:제2연통공간
242:제2개방홀
243:제2삽입홀
250:평막어셈블리
251:평막
252:중심관
253:분리공
254:공급스페이서
255:평막스페이서
256:관통커버
260:분리유체공급관
270:부압챔버
300:pH 조절부
310:pH 측정부
320:해수혼합기
330:해수투입수단
400:제어부

Claims (15)

  1. 중공사 분리막을 이용한 탈황처리시스템에 있어서,
    하우징; 상기 하우징으로 배기가스가 유입되도록 구성된 배기가스 유입부; 상기 하우징으로 반응제가 유입되도록 구성된 반응제 유입부; 상기 하우징 내부에 구비되어, 상기 배기가스 유입부를 통해 유입된 배기가스가 중공사 분리막모듈의 내부 또는 외부로 유입되고, 상기 반응제 유입부를 통해 유입된 반응제가 상기 중공사 분리막모듈의 외부 또는 내부로 유입되어, 상기 반응제가 상기 배기가스의 이산화항을 흡수하여 제거하는 탈황반응부; 상기 탈황반응부로부터 이산화황이 일부 제거된 상태의 배기가스가 배출되는 배기가스 배출부; 상기 탈황반응부로부터 이산화황이 흡수된 상태로 반응제가 배출되는 반응제배출부; 상기 반응제 배출부로부터 나오는 반응제의 pH를 기준치에 적합하도록 조절하는 pH 조절부; 배기가스 유입부 일측에 구비되어 상기 탈황처리시스템로 유입되는 배기가스의 압력을 조절하는 가스압력조절부와, 반응제 유입부 일측에 구비되어 상기 탈황처리시스템으로 유입되는 반응제의 압력을 조절하는 반응제 압력조절부; 상기 반응제에 가해지는 압력이 상기 배기가스에 가해지는 압력보다 높게 유지되도록 상기 가스압력조절부와 상기 반응제 압력조절부를 제어하는 제어부; 및 상기 반응제 배출부를 통해 배출되는 반응제의 pH를 실시간으로 측정하는 pH 측정부;를 포함하고,
    배기가스는 선박용 배기가스이고, 상기 반응제는 해수이며,
    상기 pH 조절부는, 상기 반응제 배출부를 통해 배출되는 반응제가 유입되는 해수혼합기와, 상기 해수혼합기로 해수를 유입시키는 해수투입수단을 포함하고,
    상기 제어부는 상기 pH 측정부에서 측정된 pH값이 설정된 기준값 이하인 경우, 상기 해수투입수단을 제어하여 상기 반응제의 pH가 상기 기준값 이상이되도록 조절하며,
    상기 분리막 모듈은,
    분리막이 내장되고, 일단은 폐쇄되고, 양단부에 반응제가 이동가능한 관통홀이 각각 형성되며, 타단은 이산화황을 흡수한 반응제가 토출되는 반응제배출부와 연결되는 분리막케이싱; 상기 분리막케이싱의 일단부에 외주면의 주위로 설치되고, 상기 분리막케이싱의 길이방향으로 개방되는 제1개방홀이 형성되며, 상기 제1개방홀과 상기 관통홀이 연통되도록 제1연통공간을 가지는 제1연통케이싱; 및 상기 분리막케이싱의 타단부에 외주면의 주위로 설치되고, 상기 분리막케이싱의 길이방향으로 개방되는 제2개방홀이 형성되며, 상기 제2개방홀과 상기 관통홀이 연통되도록 제2연통공간을 가지고, 상기 반응제 유입부와 관통되도록 배치되는 제2연통케이싱을 포함하고, 복수의 상기 분리막 모듈은 인접하는 제1연통케이싱이 서로 연결되고, 인접하는 제2연통케이싱이 서로 연결되어 상기 분리막케이싱이 서로 평행하게 배치되며, 상기 분리막케이싱의 사이에는 공극이 형성되는 것을 특징으로 하는 중공사 분리막을 이용한 탈황처리시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 분리막은 복수의 중공사막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 중공사 분리막을 이용한 탈황처리시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 분리막은 평막이고,
    한쌍의 평막이 양측에 배치되는 평막스페이서와 내부에 유체가 이동하는 공급스페이서가 상기 분리막케이싱의 내부에서 분리공이 형성된 중심관의 주위로 감겨지고, 상기 중심관은 상기 평막스페이서에만 연통되는 것을 특징으로 하는 중공사 분리막을 이용한 탈황처리시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 1항에 따른 탈황처리시스템을 이용한, 선박용 배기가스 탈황처리방법에 있어서,
    배기가스 유입부를 통해 선박용 배기가스가 하우징으로 유입되고, 반응제 유입부를 통해 반응제인 해수가 하우징 내로 유입되는 단계;
    상기 배기가스 유입부를 통해 유입된 배기가스가 탈황반응부의 중공사 분리막모듈 내부 또는 외부로 유입되고, 반응제 유입부를 통해 유입된 반응제가 상기 중공사 분리막모듈의 외부 또는 내부로 유입되어, 상기 반응제가 상기 배기가스의 이산화황을 흡수하여 제거하는 단계;
    배기가스 배출부를 통해 탈황반응부로부터 이산화황이 일부 제거된 상태의 배기가스가 배출되고, 상기 탈황반응부로부터 이산화황이 흡수된 상태로 반응제가 반응제 배출부를 통해 배출되는 단계; 및
    pH 조절부가 상기 반응제 배출부로부터 나오는 반응제의 pH를 기준치에 적합하도록 조절하는 단계;를 포함하고,
    배기가스 유입부 일측에 구비된 가스압력조절부가 탈황처리시스템으로 유입되는 배기가스의 압력을 조절하는 단계와, 반응제 유입부 일측에 구비된 반응제 압력조절부가 상기 탈황처리시스템으로 유입되는 반응제의 압력을 조절하는 단계를 포함하며,
    제어부가 상기 반응제에 가해지는 압력이 상기 배기가스에 가해지는 압력보다 높게 유지되도록 상기 가스압력조절부와 상기 반응제 압력조절부를 제어하고,
    pH 측정부가 상기 반응제 배출부를 통해 배출되는 반응제의 pH를 실시간으로 측정하는 단계를 포함하고,
    상기 pH를 기준치에 적합하도록 조절하는 단계는,
    상기 반응제 배출부를 통해 배출되는 반응제가 해수혼합기에 유입되고, 상기 제어부가 상기 pH 측정부에서 측정된 pH값이 설정된 기준값 이하인 경우, 해수투입수단을 제어하여 상기 해수혼합기로 해수를 유입시켜 상기 반응제의 pH가 상기 기준값 이상이되도록 조절하는 것을 특징으로 하는 중공사 분리막을 이용한 선박용 배기가스 탈황처리방법.
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