KR102141730B1 - 선박용 저압 배기가스 처리장치 - Google Patents

선박용 저압 배기가스 처리장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx) 및 황산화물(SOx)을 동시에 제거 처리할 수 있도록 하면서 아울러 배기가스에 포함된 메탄(CH4)도 함께 제거 처리할 수 있도록 하여 액화천연가스를 추진 연료로 사용하고 있는 선박에서 배출되는 배기가스에 포함된 메탄(CH4), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx)을 통합된 하나의 반응기로 제거 처리할 수 있도록 한 것으로, 본 발명에서는 반응기의 내부에 메탄을 제거하기 위한 산화촉매가 배기가스의 배기 흐름을 가로 막는 배치 방향으로 반응기에 지지고정되어 있고, 상기 산화촉매의 하부에 메탄과 질소산화물을 제거하기 위한 환원촉매가 배기가스의 배기 흐름을 가로 막는 배치 방향으로 반응기에 지지고정되어 있는 선박용 저압 배기가스 처리장치가 제공된다.

Description

선박용 저압 배기가스 처리장치{Apparatus of Treating Exhaust GAS for Ship}
본 발명은 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx) 및 황산화물(SOx)을 동시에 제거 처리할 수 있도록 하고, 아울러 배기가스에 포함된 메탄(CH4)도 함께 동시 제거 처리할 수 있도록 함으로써, 액화천연가스를 추진 연료로 사용하거나 동시에 사용하는 선박의 배기가스에 포함된 메탄(CH4), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx)을 하나의 반응기로 동시 제거 처리할 수 있도록 한 것이다.
선박용 엔진에 일반적으로 장착되고 있는 저압 배기가스 처리장치는 엔진 터보차저(Turbo Charger)의 터보차저 후단에 설치되고, 이 경우 유입되는 배기가스의 압력이 낮기 때문에 저압 배기가스 처리장치라 불린다.
이러한 저압 배기가스 처리장치는 연료유를 사용할 경우 고유황이 함유된 연료를 사용하므로 엔진에서 연소 후 배기 되는 황산화물(SOx)을 제거하기 위한 스크러버 반응기와, 질소산화물(NOx)을 제거하기 위한 SCR 반응기를 갖추고 있다. 따라서, 황산화물과 질소산화물(NOx)을 모두 제거하기 위해서는 스크러버 반응기와 SCR 반응기가 모두 장착 연결된다.
예컨대, 상기 스크러버 반응기와 SCR 반응기가 모두 장착 연결될 경우, 높은 황산화물의 영향으로 배기가스의 온도가 높아 황에 의한 촉매의 피독이 낮은 고압 SCR 반응기를 거친 후 스크러버를 거쳐 질소산화물과 황산화물을 제거한다.
따라서, 선박용 엔진에서 배출되는 배기가스를 처리하기 위하여 일반적으로 장착되고 있는 저압 배기가스 처리장치는 앞서 설명된 바와 같이 황산화물(SOx)을 제거하기 위한 스크러버 반응기와 질소산화물(NOx)을 제거하기 위한 SCR 반응기의 개별적인 설치가 불가피하여 설치 공간의 확보에 따른 어려움과 설치비용이 많이 소요되는 문제가 있었다.
또한, 선박용 엔진에 일반적으로 장착되고 있는 저압 배기가스 처리장치는 앞서 설명된 바와 같이 황산화물과 질소산화물에 대해서만 제거 처리가 가능하여 천연가스를 추진 연료로 사용하고 있는 선박의 배기가스에 포함되어 있는 메탄에 대해서는 전혀 제거하지 못한 상태로 방출되는 문제가 있었다.
따라서, 가스연료 혹은 가스와 연료유를 혼합하여 사용하는 엔진의 배기가스에 포함된 메탄을 안정적으로 제거하기 위한 처리 기술이 필요하다. 가스연료를 사용하는 엔진은 가스연료뿐만 아니라 점화를 위한 고유황이 함유된 연료를 파일럿 연료로 사용하고 있어 배기가스 중 황산화물을 포함하고 있다.
따라서 황산화물에 대한 영향을 최소화하면서 질소산화물과 황산화물을 동시 제거하는 통합된 저압 배기가스 처리장치의 개발이 시급한 실정이다.
대한민국공개특허공보 공개번호 10-2018-0028132호 대한민국공개특허공보 공개번호 10-2015-0077802호
본 발명은 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)과 메탄(CH4)을 동시 제거 처리할 수 있도록 함으로써, 액화천연가스를 추진 연료로 사용하고 있는 선박의 배기가스에 포함된 메탄(CH4), 질소산화물(NOx)을 저감하며, 황산화물(SOx)의 영향을 최소화하는 하나의 반응기로 동시 제거 처리할 수 있도록 한 선박용 저압 배기가스 처리장치를 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 엔진에서 연소 후 배기 되는 배기가스를 처리하도록 반응기를 구비하고 있는 선박용 저압 배기가스 처리장치로서, 상기 반응기의 내부에 메탄을 제거하기 위한 산화촉매가 배기가스의 배기 흐름을 가로 막는 배치 방향으로 반응기에 지지고정되어 있고, 상기 산화촉매의 하부에 메탄과 질소산화물을 제거하기 위한 환원촉매가 배기가스의 배기 흐름을 가로 막는 배치 방향으로 반응기에 지지고정되어 있고, 상기 산화촉매 하부에 황산화물을 흡착할 수 있는 황산화물 흡착부재가 배기가스의 배기 흐름을 가로 막는 배치 방향으로 반응기에 지지고정되어 있는 선박용 저압 배기가스 처리장치를 통해 목적을 달성할 수 있다.
또한, 환원촉매로부터 하향 이격 된 위치에는 루버 댐퍼가 반응기에 지지 고정되어 있으며, 상기 루버 댐퍼에 회동 가능하게 구비되는 복수의 날개는 닫힘 회동시 배기가스의 흐름을 가로막는 배열구조로 구비되어 있는 선박용 저압 배기가스 처리장치를 통해 목적을 달성할 수 있다.
또한, 루버 댐퍼로부터 하향 이격된 위치에는 면을 따라 복수의 통공이 형성된 다공판이 배기가스의 흐름을 가로막는 배치 방향으로 반응기에 지지고정되는 선박용 저압 배기가스 처리장치를 통해 목적을 달성할 수 있다.
또한, 황산화물 흡착부재와 다공판의 사이의 반응기 일 측에는 황산화물 탈착을 위한 버너를 투입시킬 수 있는 제1관체가 연결되어 있고, 상기 반응기 타 측에는 황산화물 흡착부재와 루버 댐퍼 사이에 제2관체가 연결되어 있는 선박용 저압 배기가스 처리장치를 통해 목적을 달성할 수 있다.
또한, 황산화물 흡착부재는 활성탄 또는 알루미나 중 선택되는 어느 하나의 재질로 이루어진 선박용 저압 배기가스 처리장치를 통해 목적을 달성할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 선박용 저압 배기가스 처리장치를 사용하게 되면, 가스연료 연소시 발생하는 저농도의 황산화물(SOx)의 영향을 최소화하면서 질소산화물(NOx)과 메탄을 동시에 저감할 수 있고 T/C 후단에 설치됨으로써 엔진룸 외부의 공간을 효율적으로 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박용 저압 배기가스 처리장치를 사용하게 되면, 통합된 하나의 반응기를 통해 황산화물의 영향을 최소화하면서 질소산화물 제거와 천연가스를 추진 연료로 사용하고 있는 선박의 배기가스에 포함된 메탄에 대해서도 효과적으로 제거할 수 있는 효과가 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 선박용 저압 배기가스 처리장치를 보여주는 도면으로서, 도 1a는 배기가스 파이패스 모드시 배기가스의 배기 흐름을 보여주는 것이고, 도 1b는 배기가스 처리 모드시 배기가스의 배기 흐름을 보여주는 것이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명에 따른 선박용 저압 배기가스 처리장치에서 루버 댐퍼의 닫힘과 열림을 상태를 각각 개략적으로 보여주는 도면으로서, 도 2a는 루버 댐퍼 및 제2밸브의 닫힘 상태를 나타낸 것이고, 도 2b는 루버 댐퍼의 열림 상태를 나타낸 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 선박용 저압 배기가스 처리장치에 대한 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1a 내지 도 2a에 도시된 바와 같이 선박용 엔진(10)과 연결되고 상기 엔진(10)에서 연소 된 배기가스가 배기 되는 배기관(12)에는 배기관(12)의 상부와 하부를 소통 연결하는 배기가스 처리관(14)이 설치되며, 이러한 상기 배기가스 처리관(14)에는 저압 배기가스 처리장치(16)가 연결 설치된다.
상기 저압 배기가스 처리장치(16)의 연결을 위하여 배기가스 처리관(14)의 상부 연결관(18)은 저압 배기가스 처리장치(16)의 상부와 소통 연결되고, 배기가스 처리관(14)의 하부 연결관(20)은 저압 배기가스 처리장치(16)의 하부와 소통 연결된다.
또한, 상기 상부 및 하부 연결관(18, 20)에는 상부 및 하부 연결관(18, 20)의 개폐를 위하여 제1밸브(22)와 제2밸브(24)가 각각 설치되어 있다. 이러한 제1밸브(22)와 제2밸브(24) 관로에 대한 개방과 폐쇄가 가능하다면 그 어떤 개폐 밸브의 적용도 무방하다.
상기 저압 배기가스 처리장치(16)는 반응기(26)와, 산화촉매(28)와, 환원촉매(30)와, 루버 댐퍼(32)와, 황산화물 흡착부재(34)와, 다공판(36)을 포함하여 구성된다.
구체적으로, 상기 반응기(26)는 내부에 공간을 형성하고 있으며 원형 또는 사각형 구조로 형성될 수 있다. 또한, 상기 반응기(26)의 하단에는 반응기(26)의 내부와 소통하며 상기 하부 연결관(20)과 연결되는 유입관(38)이 연결되어 있고, 상기 반응기(26)의 상단에는 반응기(26)의 내부와 소통하며 상기 상부 연결관(18)과 연결되는 배출관(40)이 연결되어 있다.
따라서, 배기가스 바이패스 모드인 경우, 도 1a에 도시된 바와 같이 배기관(12)의 개폐밸브(42)는 열림 상태로 동작 되고, 제1 및 제2밸브(22, 24)는 닫힘 상태로 동작 된다. 그에 따라 엔진(10)에서 연소 후 배기 되는 배기가스는 엔진(10)과 연결된 배기관(12)을 따라 흐르게 된다.
또한, 배기가스 처리 모드인 경우, 배기관(12)의 개폐밸브(42)는 닫힘 상태로 동작 되고, 제1 및 제2밸브(22, 24)는 열림 상태로 동작 된다. 그에 따라 엔진(10)에서 연소 후 배기 되는 배기가스는 배기가스 처리관(14)을 따라 흐르게 되며 그 흐름 과정에서 저압 배기가스 처리장치(16)의 반응기(26)를 통과하게 된다.
상기 반응기(26)의 내부에는 상부에 산화촉매(28)(망간(Mn) 백금(Pt) 코발트(Co) 팔라듐(Pd)을 함유한 혼합산화물촉매)가 배기가스 흐름을 가로막는 배치형태로 반응기(26)에 지지 고정되어 있다.
상기 산화촉매(28)로부터 하부 방향으로 이격된 위치에는 환원촉매(30)(코발트(Co) 및 망간(Mn) 인듐(In), 백금(Pt), 팔라듐(Pd)을 함유한 제올라이트, 알루미나(Al2O3) 등의 촉매)가 배기가스 흐름을 가로막는 배치 형태로 반응기(26)에 지지고정되어 있다.
상기 환원촉매(30)로부터 하향 이격된 위치에는 루버 댐퍼(32)가 고정 설치되어 있다. 이러한 루버 댐퍼(32)에 힌지(44)를 중심으로 회동 가능하게 구비되는 복수의 날개(46)가 구비되어 있으며, 상기 날개(46)는 닫힘 회동시 배기가스의 흐름을 가로막는 배열구조로 구비되어 있다.
또한, 상기 루버 댐퍼(32)는 일반적으로 루버 댐퍼를 그대로 채용한 것이므로 구체적인 구성에 대해서는 생략한다.
상기 루버 댐퍼(32)로부터 하향 이격된 위치에는 황산화물 흡착부재(34)가 배기가스 흐름을 가로막는 배치형태로 반응기(26)에 지지고정되어 있다.
이러한 상기 황산화물 흡착부재(34)는 활성탄 또는 알루미나 중 선택되는 어느 하나의 재질로 이루어져 있다.
상기 루버 댐퍼(32)로부터 하향 이격된 위치에는 면을 따라 복수의 통공(48)이 형성된 다공판(36)이 배기가스의 흐름을 가로막는 배치방향으로 반응기에 지지 고정되어 있으며 이는 촉매 전단 배기가스의 유동을 균일하게 분포하기 위해 설치된다.
또한, 상기 황산화물 흡착부재(34)와 다공판(34)의 사이에서 반응기(26) 일 측에는 상기 반응기(26)의 내부와 소통하는 제1관체(50)가 연결되어 있고, 상기 제1관체(50)와 대응하는 반응기(26) 타 측에서 황산화물 흡착부재(34)와 루버 댐퍼(32) 사이에는 배출되는 가스를 조절하기 위한 유량조절밸브(52)를 구비하고 있는 제2관체(54)가 연결되어 있다.
따라서, 액화천연가스를 추진 연료로 사용하고 있는 선박에서 배기 되는 배기가스에 대한 배기가스 처리 모드시, 엔진(10)에서 배기 되는 배기가스는 유입관(38)을 통해 반응기(26)의 내부로 유입된다. 이와 같이 반응기(26)의 내부로 유입되는 배기가스에는 메탄(CH4), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx)이 포함되어 있다.
위와 같이 유입관(38)을 통해 유입되는 배기가스는 먼저 다공판(36)에 형성된 통공(48)을 통과하는 과정에서 불균일한 흐름을 억제하거나 촉매 전단의 배기가스를 균일하게 만들어 준다. 즉, 배기가스가 균일한 분포를 이루면서 황산화물 흡착부재(34)에 균일한 농도와 속도로 통과할 수 있게 하는 기능을 제공하게 된다.
또한, 상기 배기가스가 황산화물 흡착부재(34)를 통과하게 되면, 이 과정에서 배기가스에 포함된 미량의 황산화물은 황산화물 흡착부재(34)에 분진이 달라붙는 형태로 걸러지게 되어 배기가스에 포함된 황산화물이 제거되게 된다. 황산화물을 제거하는 이유는 환원촉매와 산화촉매에 사용되는 촉매의 황산화물 피독을 최소화하기 위함이다.
상기 황산화물 흡착부재(34)를 통과한 배기가스는 환원촉매(30)를 통과하게 되고 이 과정에서 환원촉매(30)는 메탄 및 일산화질소와 반응을 하게 되어 메탄과 질소산화물을 동시에 제거하게 된다.
위와 같이 환원촉매(30)를 통과하면서 메탄과 질소산화물이 제거된 배기가스는 산화촉매(28)를 통과하게 되는데, 이때 배기가스가 산화촉매(28)를 통과하는 과정에서 메탄의 산화 반응으로 인해 메탄만을 더 제거하게 됨으로써 잔류하는 메탄을 확실하게 제거하게 된다.
따라서, 배기가스가 하나로 통합된 저압 배기가스 처리장치(16)를 통과하게 되면서 메탄과 질소산화물과 황산화물이 동시 제거되게 된다.
본 발명에 따른 메탄과 질소산화물과 황산화물을 동시 저감하는 선박용 저압 배기가스 처리장치를 사용하게 되면, 황산화물(SOx)의 영향을 최소화하면서 질소산화물(NOx)과 메탄을 효율적으로 저감 하면서 T/C 후단에 설치하여 선박의 공간 활용을 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 메탄과 질소산화물과 황산화물을 동시 억제하는 선박용 저압 배기가스 처리장치를 사용하게 되면, 황산화물과 질소산화물 제거는 물론, 천연가스를 추진 연료로 사용하고 있는 선박의 배기가스에 포함된 메탄에 대해서도 제거할 수 있게 된다.
한편, 황산화물 흡착부재(34)에 달라붙은 분진 형태의 황산화물을 제거하고자 할 경우, 도 2a에 도시된 바와 같이 제2밸브(24)를 닫고, 루버 댐퍼(32)의 날개(46)를 수평으로 회동 배열시켜 배기가스가 루버 댐퍼(32)를 통과하지 못하는 상태를 취하게 한다.
이러한 상태에서 버너(56)를 제1관체(50)에 투입하고 약 400℃ 이상의 배기가스 온도를 제공하여 황산화물 흡착부재(34)에 부착된 황산화물을 탈착시키면서 탈착된 황산화물과 배기가스를 제2관체(54)로 배출하는 제1운전을 마치게 된다. 이러한 제1운전을 마치게 도면 도 2b에 도시된 바와 같이 배기가스가 루버 댐버(32)를 통과할 수 있는 상태를 취하도록 루버 댐퍼(32)의 날개(46)를 수직으로 회동 배열시킨 상태에서 버너(56)로부터 열원을 제공하게 된다.
이와 같이 제공되는 열원을 통해 제2관체(54)로 가스를 배출시키는 제2운전을 수행하게 된다. 이에 따라 황산화물 흡착부재(34)에서 황산화물 탈착시 발생하는 황산화물의 영향을 산화촉매(28)와 환원촉매(30)에서의 촉매 영향을 최소화할 수 있으며, 미량의 황산화물에 의해 피독된 산화촉매(28)와 환원촉매(30)를 효과적으로 재생할 수 있게 된다.
나아가, 메탄의 추가적인 제거가 더 필요할 경우, 도 1a에서 보듯이 상기 반응기(26) 내에 가스검출기(58)를 설치하고, 상기 가스검출기(58)를 통해 메탄의 양을 검출하여 그 검출 값을 제어부(60)로 입력하고, 상기 제어부(60)에서 검출된 메탄 양과 제어부(60)에 설정된 메탄 양을 서로 비교하여 검출된 메탄 양이 초과할 경우, 상기 제어부(60)에서 발생한 해당 제어신호로 주입장치(62)를 동작시켜 환원제 또는 연료를 하부 연결관(20)으로 분사 공급함으로써, 환원촉매(30)에서 미반응 메탄을 산화반응시켜 메탄의 제거 효율을 더 높일 수 있다. (참고로 환원 촉매에서 2NO + CH4 +O2 → 2H2O + N2 + CO2로 만들어줌)
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 아니하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재된 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형 가능함은 물론이다.
10 : 엔진
12 : 배기관
14 : 배기가스 처리관
16 : 저압 배기가스 처리장치
18 : 상부 연결관
20 : 하부 연결관
22 : 제1밸브
24 : 제2밸브
26 : 반응기
28 : 산화촉매
30 : 환원촉매
32 : 루버 댐퍼
34 : 황산화물 흡착부재
36 : 다공판
38 : 유입관
40 : 배출관
42 : 개폐밸브
44 : 힌지
46 : 날개
48 : 통공
50 : 제1관체
52 : 유량조절밸브
54 : 제2관체
56 : 버너
58 : 가스검출기
60 : 제어부
62 : 주입장치

Claims (5)

  1. 엔진에서 연소 후 배기 되는 배기가스를 처리하도록 반응기를 구비하고 있는 선박용 저압 배기가스 처리장치로서,
    상기 반응기(26)의 내부에 메탄을 제거하기 위한 산화촉매(28)가 배기가스의 배기 흐름을 가로막는 배치 방향으로 반응기(26)에 지지고정되어 있고,
    상기 배기가스의 진행방향에 있어 상기 산화촉매(28)의 상류 쪽에 메탄과 질소산화물을 제거하기 위한 환원촉매(30)가 배기가스의 배기 흐름을 가로막는 배치 방향으로 반응기(26)에 지지고정되어 있고,
    상기 산화촉매(28)의 상류 쪽에 황산화물을 흡착할 수 있는 황산화물 흡착부재(34)가 배기가스의 배기 흐름을 가로막는 배치 방향으로 반응기(26)에 지지고정되어 있는 것을 특징으로 하는 선박용 저압 배기가스 처리장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 환원촉매(30)로부터 하향 이격된 위치에는 루버 댐퍼(32)가 반응기(26)에 지지 고정되어 있으며, 상기 루버 댐퍼(32)에 회동 가능하게 구비되는 복수의 날개(46)는 닫힘 회동시 배기가스의 흐름을 가로막는 배열구조로 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 선박용 저압 배기가스 처리장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 루버 댐퍼(32)로부터 하향 이격된 위치에는 면을 따라 복수의 통공(48)이 형성된 다공판(36)이 배기가스의 흐름을 가로막는 배치 방향으로 반응기(26)에 지지고정되는 것을 특징으로 하는 선박용 저압 배기가스 처리장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 황산화물 흡착부재(34)와 다공판(36)의 사이의 반응기(26) 일 측에는 황산화물 탈착을 위한 버너(56)를 투입시킬 수 있는 제1관체(50)가 연결되어 있고, 상기 반응기(26) 타 측에는 황산화물 흡착부재(34)와 루버 댐퍼(32) 사이에 제2관체(54)가 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 선박용 저압 배기가스 처리장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 황산화물 흡착부재(34)는 활성탄 또는 알루미나 중 선택되는 어느 하나의 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 선박용 저압 배기가스 처리장치.
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