KR102415706B1 - 선박의 온실가스 배출 저감장치 및 동 장치 구비한 선박 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 해수를 공급하는 해수 공급부(110), 고농도 CO2 흡수액을 제조하여 공급하는 흡수액 제조부(120), 선박 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스의 적어도 일부를 분기시켜 해수 공급부(110)로부터 공급된 해수와 반응시켜 냉각하고, 냉각된 배기가스와 흡수액 제조부(120)로부터의 흡수액을 반응시켜 CO2를 암모늄염 수용액으로 전환하여 CO2를 제거하는 CO2 제거부(131)가 형성된, 흡수타워(130), 흡수타워(130)로부터 배출된 암모늄염 수용액을 2가 금속수산화물 수용액과 반응시켜 흡수액과 NH3를 재생하여 흡수타워(130)로 순환 공급하여 흡수액으로 재사용하도록 하는 흡수액 재생부(140), 및 흡수타워(130) 하단으로부터 배출된 암모늄염 수용액과 미반응 흡수액 일부를 흡수액 순환라인(A)을 통해 흡수타워(130) 상단으로 순환시키는 흡수액 순환부(150)를 포함하여, 암모늄염 수용액 일부만을 탄산염으로 전환하고 잔존 미반응 흡수액을 흡수타워(130)로 순환시켜 CO2 흡수율을 유지하고, 선박 엔진(10)의 부하변화에 따라 흡수타워(130)에 의해 배기가스의 적어도 일부만으로부터 CO2를 흡수하도록 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치를 개시한다.
Description
본 발명은 CO2 포집시 사용하는 흡수액의 일부만을 취해 흡수된 CO2를 제거처리하여 흡수액 재생부 및 흡수액 순환부의 장치 크기를 작게 유지하며 선박 엔진의 부하 변화에 따른 CO2 흡수율에 유연하게 대처하도록 할 수 있고, 흡수타워의 배압 제한을 극복하고, 흡수타워의 크기를 최적화하여 설치 공간 상의 제약을 극복하도록 할 수 있는, 선박의 온실가스 배출 저감장치 및 동 장치 구비한 선박에 관한 것이다.
최근, 무분별한 화석연료 사용에 따른 온실가스 배출의 영향으로 지구 온난화 현상과 이와 연계된 환경 재해들이 발생하고 있다.
이에, 대표적 온실가스인 이산화탄소를 방출하지 않고 포집하여 저장하는데 관련된 일련의 기술들을 CCS(Carbon dioxide Capture and Storage) 기술이라 하여 최근 매우 큰 주목을 받고 있는데, CCS 기술 중에서 화학 흡수법(chemical absorption)은 대규모 처리가 가능하다는 측면에서 그 중에서 가장 많이 상용화된 기술이다.
또한, 이산화탄소 배출 규제는 IMO의 EEDI를 통해 규제하는데, 2050년에는 2008년 배출량의 50% 이상의 절감을 목표로 하고 있고, 2030년에도 2008년 배출량의 40%를 절감해야 하므로 CO2를 배출하지 않거나, 배출된 CO2를 포집하는 기술이 주목을 받고 있다.
참고로, 이산화탄소를 직접적으로 포집 및 저장하는 CCS 기술 중 CO2 포집 기술은 대상 공정의 CO2 발생 조건에 따라 다양하게 접근할 수가 있는데, 현재 대표적인 기술은 흡수법과 흡착법과 막분리법이 있으며, 이 중 습식흡수법은 육상플랜트에 있어서 기술적 성숙도가 높고, CO2의 대량처리가 용이하여 CCS 기술의 상용화에 가장 근접한 포집 기술이라 할 수 있고 흡수제로는 아민 계열과 암모니아를 주로 사용한다.
한편, 앞서 언급한 이산화탄소의 배출을 절감, 또는 생성된 이산화탄소를 포집하는 기술은 현재 선박에서는 상용화된 사례가 없는 실정이고, 수소나 암모니아를 연료로 사용하는 방법도 현재는 개발 중이며 상업화 수준의 단계에 이르지 못한 실정이다.
또한, 선박 엔진으로부터 배출되는 배출가스 중 온실가스인 CO2를 흡수액으로 흡수하여 환경에 영향을 주지 않는 물질로 전환하여 배출하거나, 유용한 물질로 전환하여 저장하고, 운전 중 배기가스 배출에 따른 흡수액의 감소와 기타 소모로 인한 흡수액의 농도변화로 인한 흡수성능 저하를 방지할 수 있는, 기술을 선박에 적용할 필요성이 제기된다.
본 발명의 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, CO2 포집시 사용하는 흡수액의 일부만을 취해 흡수된 CO2를 제거처리하여 흡수액 재생부 및 흡수액 순환부의 장치 크기를 작게 유지하며 선박 엔진의 부하 변화에 따른 CO2 흡수율에 유연하게 대처하도록 할 수 있고, 흡수타워의 배압 제한을 극복하고, 흡수타워의 크기를 최적화하여 설치 공간 상의 제약을 극복하도록 할 수 있는, 선박의 온실가스 배출 저감장치 및 동 장치 구비한 선박을 제공하는 데 있다.
전술한 목적을 달성하고자, 본 발명은, 해수를 공급하는 해수 공급부; 고농도 CO2 흡수액을 제조하여 공급하는 흡수액 제조부; 선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 적어도 일부를 분기시켜 상기 해수 공급부로부터 공급된 해수와 반응시켜 냉각하고, 상기 냉각된 배기가스와 상기 흡수액 제조부로부터의 흡수액을 반응시켜 CO2를 암모늄염 수용액으로 전환하여 CO2를 제거하는 CO2 제거부가 형성된, 흡수타워; 상기 흡수타워로부터 배출된 암모늄염 수용액을 2가 금속수산화물 수용액과 반응시켜 흡수액과 NH3를 재생하여 상기 흡수타워로 순환 공급하여 흡수액으로 재사용하도록 하는 흡수액 재생부; 및 상기 흡수타워 하단으로부터 배출된 암모늄염 수용액 또는 미반응 흡수액 일부를 흡수액 순환라인을 통해 상기 흡수타워 상단으로 순환시키는 흡수액 순환부;를 포함하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치를 제공한다.
여기서, 분기되는 상기 배기가스의 적어도 일부를 상기 CO2 제거부로 공급하는 송풍수단을 구비할 수 있다.
또한, 상기 송풍수단은 블로워일 수 있다.
또한, 상기 선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스 중 상기 CO2 제거부로 분기되지 않는 잔여 배기가스는 주배기관을 통해 배출되고, 상기 CO2 제거부로 분기되는 상기 적어도 일부의 배기가스는 CO2가 제거된 후 상기 주배기관으로 합류되어 배출되거나, 또는 별도의 배출관을 통해 배출될 수 있다.
또한, 상기 흡수액 순환부는, 상기 흡수액 순환라인을 통해 암모늄염 수용액 또는 미반응 흡수액 일부를 순환시키는 암모니아수 순환펌프와, 상기 흡수타워 상단으로 공급되는 흡수액의 농도를 측정하는 pH센서를 포함할 수 있다.
또한, 상기 흡수액 재생부는, 2가 금속수산화물 수용액을 저장하는 저장탱크와, 상기 흡수타워로부터 배출된 암모늄염 수용액과 2가 금속수산화물 수용액을 교반기에 의해 교반하여 NH3(g)와 탄산염을 생성하는 혼합탱크와, 상기 혼합탱크로부터 용액 및 침전물을 흡입하여 탄산염을 분리하는 필터를 포함할 수 있다.
또한, 상기 혼합탱크에 의해 생성된 NH3(g)를 상기 흡수타워로 공급하거나, 또는 상기 필터에 의해 분리된 흡수액을 상기 흡수액 순환부로 공급할 수 있다.
또한, 상기 저장탱크에 저장된 상기 2가 금속수산화물 수용액은 청수와, CaO 또는 MgO를 반응시켜 생성된 Ca(OH)2 또는 Mg(OH)2일 수 있다.
또한, 상기 필터에 의해 분리된 암모니아수 또는 청수를 상기 흡수액 제조부로 공급하거나, 총순환 청수 대비 상기 혼합탱크에 의해 추가 생성된 잉여 청수를 청수탱크에 저장하여 상기 저장탱크에서의 2가 금속수산화물 수용액 생성시 재활용할 수 있다.
또한, 상기 흡수타워는, 상기 선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 상기 해수 공급부로부터 공급된 해수와 반응시켜 냉각하면서 SOx를 용해시켜 제거하는 SOx 흡수부를 더 포함하고, 상기 CO2 제거부는 상기 SOx가 제거된 배기가스와 상기 해수 공급부로부터 공급된 해수와 반응시켜 냉각하고, 상기 냉각된 배기가스와 상기 흡수액 제조부로부터의 흡수액을 반응시켜 CO2를 암모늄염 수용액으로 전환하여 CO2를 제거할 수 있다.
또한, 상기 흡수타워는, 상기 선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 NOx를 흡수하여 제거하는 NOx 흡수부를 더 포함하고, 상기 NOx가 제거된 배기가스를 상기 해수 공급부로부터 공급된 해수와 반응시켜 냉각하고 상기 냉각된 배기가스와 상기 흡수액 제조부로부터의 흡수액을 반응시켜 CO2를 암모늄염 수용액으로 전환하여 CO2를 제거할 수 있다.
또한, 상기 흡수타워는, 상기 선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 NOX를 흡수하여 제거하는 NOX 흡수부와, 상기 NOX가 제거된 배기가스를 상기 해수 공급부로부터 공급된 해수와 반응시켜 냉각하면서 SOX를 용해시켜 제거하는 SOX 흡수부와, 상기 SOX가 제거된 배기가스와 상기 흡수액 제조부로부터의 흡수액을 반응시켜 CO2를 암모늄염 수용액으로 전환하여 CO2를 제거하는 상기 CO2 제거부가 순차적으로 적층 형성될 수 있다.
또한, 상기 흡수액 재생부에 의해 재생된 NH3를 상기 NOX 흡수부로 공급하고, 상기 NOX 흡수부는 NH3로 NOX를 흡수하거나, 요소수를 사용하여 NOX를 흡수할 수 있다.
또한, 상기 해수 공급부는, 선외로부터 씨체스트를 통해 해수를 공급받아 상기 SOX 흡수부로 펌핑하는 해수펌프와, 배기가스의 양에 따라 상기 해수펌프로부터 상기 SOX 흡수부로 공급되는 해수의 분사량을 조절하는 해수조절밸브를 포함할 수 있다.
또한, 상기 흡수액 제조부는, 청수를 저장하는 청수탱크; 상기 청수탱크로부터 청수를 공급하는 청수조절밸브; 고압의 NH3를 저장하는 NH3저장소; 상기 청수조절밸브에 의해 공급되는 청수에 상기 NH3저장소로부터 공급되는 NH3를 분사하여 흡수액인 고농도 암모니아수를 제조하여 저장하는 암모니아수탱크; 상기 암모니아수탱크 내의 암모니아수 농도를 측정하는 pH센서; 및 상기 암모니아수탱크로부터 상기 흡수액 순환부로 암모니아수를 공급하는 암모니아수 공급펌프;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 암모니아수탱크 내에 일정압력의 압축공기를 주입하여 NH3의 증발손실을 방지할 수 있다.
또한, 상기 SOX 흡수부는, 상기 해수 공급부로부터 공급되는 해수를 하방으로 분사하는 다단의 해수 분사노즐; 및 세정수가 역류하지 않도록 하는, 격벽 형태의 배기가스 유입관 또는 상기 배기가스 유입관을 커버하는 우산형태의 차단판;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 해수 분사노즐 하부에, 배기가스가 통과하는 유로가 형성된 다공성 상판이 다단으로 각각 형성되어, 해수와 배기가스가 접촉할 수 있다.
또한, 상기 해수 분사노즐 하부에, 해수와 배기가스가 접촉하도록 하는 충진재가 채워진 흡수탑이 형성되어, 해수가 SOX를 용해시킬 수 있다.
또한, 상기 SOX 흡수부로 공급되는 해수에 중화제를 투입할 수 있다.
또한, 상기 CO2 제거부는, 상기 흡수액을 하방으로 분사하는 암모니아수 분사노즐; CO2와 흡수액인 암모니아수와 접촉시켜 CO2를 NH4HCO3(aq)로 전환시키는 충진재; 상기 충진재가 채워진 흡수탑의 구간마다 다단으로 형성되어 CO2제거반응으로 인한 발열을 냉각하는 쿨링재킷; CO2와 반응하지 않고 외부로 배출되는 NH3를 포집하는 워터 스프레이; 굴곡진 다판 형태로 형성되어 암모니아수를 상기 충진재 방향으로 회귀시키는 미스트 제거판; 암모니아수가 역류하지 않도록 형성된 격벽; 및 상기 격벽으로 둘러싸인 배기가스 유입홀을 커버하는 우산형태의 차단판;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 충진재는 단위 부피당 접촉면적이 크도록 설계된 다단의 증류 칼럼 패킹으로 구성되고, 상기 증류 칼럼 패킹 사이에 용액 재분배기가 형성될 수 있다.
또한, 상기 흡수타워는, 상기 NOX 흡수부와 상기 SOX 흡수부 사이에 형성되어 상기 선박 엔진의 폐열과 보일러수를 열교환시키는 EGE를 더 포함할 수 있다.
또한, 열교환된 증기와 포화수 형태의 혼합물을 공급받아 증기를 분리하여 증기 소모처로 공급하는 보조보일러와, 상기 보조보일러로부터 상기 EGE로 보일러수를 순환 공급하는 보일러수 순환수펌프와, 상기 증기 소모처로부터 응축된 응축수를 회수하는 케스케이드탱크와, 상기 케스케이드탱크로부터 상기 보조보일러로 보일러수의 양을 조절하여 공급하는 공급펌프 및 조절밸브가 포함된, 증기 생성부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 흡수타워로부터 배출되는 세정수를 저장하는 세정수탱크, 상기 세정수탱크로 이송펌프에 의해 이송된 세정수의 선외배출조건을 충족하도록 탁도를 조절하는 필터링유닛과 pH조절을 위한 중화제 주입유닛을 구비하는 수처리장치, 및 고형의 배출물을 분리 저장하는 슬러지저장탱크로 구성되는, 배출부를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은 앞서 열거한 선박의 온실가스 배출 저감장치를 구비한 선박을 제공할 수 있다.
본 발명에 의하면, CO2 포집시 사용하는 흡수액의 일부만을 취해 흡수된 CO2를 제거처리하여 흡수액 재생부 및 흡수액 순환부의 장치 크기를 작게 유지하고 연속 운전이 가능하고, 선박 엔진의 부하 변화에 따른 CO2 흡수율에 유연하게 대처하도록 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 흡수타워의 배압 제한을 극복하여 기존의 흡수타워 설치가 불가능한 선박에 설치하도록 하고, 흡수타워의 크기를 최적화하여 설치 공간 상의 직경 또는 높이의 제약을 극복하도록 할 수 있는 효과가 있다.
더 나아가, 고농도 흡수액을 공급하여 온실가스 흡수성능이 저하되는 것을 방지할 수 있고, 가압시스템을 적용하여 고농도 흡수액의 자연증발로 인한 흡수액 손실을 방지하고, IMO 온실가스 배출규제를 충족시키도록 환경에 영향을 주지 않는 자연상태의 탄산염 형태로 전환하여 분리 배출하거나 유용한 물질로 전환하여 저장하며, NH3를 재생하여 비교적 고가의 NH3의 소모를 최소화하고, 필터 후단부의 용량 크기를 줄일 수 있고, NH3 재생시 잔존하는 SOX로 인한 부반응을 제거하여 NH3의 손실을 최소화하고 암모니아 회수시 불순물이 포함되지 않도록 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 선박의 온실가스 배출 저감장치의 개략적인 구성도를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 선박의 온실가스 배출 저감장치를 구현한 시스템 회로도를 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 선박의 온실가스 배출 저감장치의 해수 공급부를 분리 도시한 것이다.
도 4는 도 2의 선박의 온실가스 배출 저감장치의 흡수액 제조부와 흡수액 재생부와 흡수액 순환부를 분리 도시한 것이다.
도 5는 도 2의 선박의 온실가스 배출 저감장치의 흡수타워를 분리 도시한 것이다.
도 6은 도 5의 흡수타워의 SOX 흡수부를 분리 도시한 것이다.
도 7은 도 2의 선박의 온실가스 배출 저감장치의 증기 생성부 및 배출부를 분리 도시한 것이다.
도 8은 도 2의 선박의 온실가스 배출 저감장치에 적용되는 다양한 충진재를 예시한 것이다.
도 9는 도 2의 선박의 온실가스 배출 저감장치에 적용되는 암모니아수 분사노즐을 예시한 것이다.
도 2는 도 1의 선박의 온실가스 배출 저감장치를 구현한 시스템 회로도를 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 선박의 온실가스 배출 저감장치의 해수 공급부를 분리 도시한 것이다.
도 4는 도 2의 선박의 온실가스 배출 저감장치의 흡수액 제조부와 흡수액 재생부와 흡수액 순환부를 분리 도시한 것이다.
도 5는 도 2의 선박의 온실가스 배출 저감장치의 흡수타워를 분리 도시한 것이다.
도 6은 도 5의 흡수타워의 SOX 흡수부를 분리 도시한 것이다.
도 7은 도 2의 선박의 온실가스 배출 저감장치의 증기 생성부 및 배출부를 분리 도시한 것이다.
도 8은 도 2의 선박의 온실가스 배출 저감장치에 적용되는 다양한 충진재를 예시한 것이다.
도 9는 도 2의 선박의 온실가스 배출 저감장치에 적용되는 암모니아수 분사노즐을 예시한 것이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 온실가스 배출 저감장치는, 해수를 공급하는 해수 공급부(110), 고농도 CO2 흡수액을 제조하여 공급하는 흡수액 제조부(120), 선박 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스의 적어도 일부를 분기시켜 해수 공급부(110)로부터 공급된 해수와 반응시켜 냉각하고, 냉각된 배기가스와 흡수액 제조부(120)로부터의 흡수액을 반응시켜 CO2를 암모늄염 수용액으로 전환하여 CO2를 제거하는 CO2 제거부(131)가 형성된, 흡수타워(130), 흡수타워(130)로부터 배출된 암모늄염 수용액을 2가 금속수산화물 수용액과 반응시켜 흡수액과 NH3를 재생하여 흡수타워(130)로 순환 공급하여 흡수액으로 재사용하도록 하는 흡수액 재생부(140), 및 흡수타워(130) 하단으로부터 배출된 암모늄염 수용액과 미반응 흡수액 일부를 흡수액 순환라인(A)을 통해 흡수타워(130) 상단으로 순환시키는 흡수액 순환부(150)를 포함하여, 암모늄염 수용액 일부만을 탄산염으로 전환하고 잔존 미반응 흡수액을 흡수타워(130)로 순환시켜 CO2 흡수율을 유지하고, 선박 엔진(10)의 부하변화에 따라 흡수타워(130)에 의해 배기가스의 적어도 일부만으로부터 CO2를 흡수하도록 하는 것을 요지로 한다.
여기서, 주엔진 또는 발전용엔진으로 사용되는 선박 엔진의 종류 및 사양(저압엔진 또는 고압엔진), 선박 엔진에 공급되는 연료의 종류(HFO, MDO, LNG, MGO, LSMGO, 암모니아 등)에 따라 흡수타워(130)는, CO2 제거부 이외에, 질소산화물을 제거하는 NOx 흡수부 또는 황산화물을 제거하는 SOx 흡수부를 선택적으로 포함하거나, 모두 포함하도록 구성될 수 있다.
특히, 선박 엔진의 연료로 저유황유(LSMGO)를 사용하는 경우에, 배기가스의 냉각과 SOx의 용해에 의한 흡수제거를 동시에 수행할 수 있는 SOx 흡수부를 추가로 구비할 수 있다.
이하에서는 흡수타워(130)에 NOx 흡수부, SOx 흡수부 및 CO2 제거부가 순차적으로 적층 형성된 실시예를 기술하나, 이에 한정되는 것은 아니며, 전술한 바와 같이 NOx 흡수부 및/또는 SOx 흡수부는 선박 엔진 스펙과 연료의 종류에 따라 구비여부를 선택적으로 결정할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 9를 참조하여, 전술한 선박의 온실가스 배출 저감장치의 구성을 구체적으로 상술하면 다음과 같다.
우선, 해수 공급부(110)는 해수를 흡수타워(130)로 공급하여 고온고압 배기가스의 온도를 낮춰 흡수액에 의한 CO2 흡수를 원활하게 한다.
구체적으로, 해수 공급부(110)는, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 선외로부터 씨체스트(sea chest)(미도시)를 통해 해수를 흡입하여 공급받아 흡수타워(130)의 SOX 흡수부(132)로 펌핑하는 해수펌프(111)와, 배기가스의 양에 따라 SOX 흡수부(132)로 공급되는 해수의 분사량을 조절하는 해수조절밸브(112)로 구성될 수 있다. 여기서, 해수펌프(111)는 선외로부터 해수를 흡입하는 흡인펌프(suction pump)와 해수를 SOX 흡수부(132)로 펌핑하여 이송하는 해수이송펌프로 분리 구성될 수도 있다.
참고로, 선박의 접안시 또는 항해시에 따라, 수심에 따라 상부의 해수를 흡입하는 하이(high) 씨체스트 또는 하부의 해수를 흡입하는 로우(low) 씨체스트로부터 해수펌프(111)로 선택적으로 공급할 수 있다. 즉, 선박의 접안시에는 하부의 해수보다는 상부의 해수가 깨끗하므로 하이 씨체스트를 사용하고, 선박의 항해시에는 상부의 해수보다는 하부의 해수가 깨끗하므로 로우 씨체스트를 사용할 수 있다.
여기서, 해수조절밸브(112)는 해수의 유량을 조절하는 수동조작형 다이아프램 밸브 또는 솔레노이드 타입 밸브일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 배기가스의 양에 따라 SOX 흡수부(132)의 해수 분사노즐(132a)을 통한 해수 분사량을 조절할 수 있는 것이라면, 어떠한 형태의 밸브라도 적용 가능하다.
다음, 흡수액 제조부(120)는 흡수액의 농도 유지를 위해 고농도 흡수액을 공급하고자, 다음의 [화학식 1]과 같이 청수(fresh water)와 NH3를 반응시켜 고농도 CO2 흡수액인 고농도 암모니아수(NH4OH(aq))를 제조하여 흡수액 순환부(150)를 거쳐 흡수타워(130)의 상단에 형성된 CO2 제거부(131)로 공급한다.
구체적으로, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 흡수액 제조부(120)는, 청수를 저장하는 청수탱크(미도시), 청수탱크로부터 청수를 암모니아수탱크(123)로 공급하는 청수조절밸브(121), 고압의 NH3를 저장하는 NH3저장소(122), 청수조절밸브(121)에 의해 공급되는 청수에 NH3저장소(122)로부터 공급되는 NH3를 분사하여 고농도 암모니아수를 제조하여 저장하는 암모니아수탱크(123), 암모니아수탱크(123) 내의 암모니아수 농도를 측정하는 pH센서(124), 및 암모니아수탱크(123)로부터 흡수액 순환부(150)로 고농도 암모니아수를 공급하는 암모니아수 공급펌프(125)로 구성될 수 있다.
흡수액 순환라인(A)을 따라 흡수타워(130)와 흡수액 재생부(140)를 순환하는 흡수액인 암모니아수는 운전을 거듭하면서 농도가 변하게 되는데, 예컨대, NOX 흡수부(133)로 NH3가 공급되어 NOX 흡수제거에 사용되거나, 흡수타워(130)를 통과하여 배기가스와 같이 대기중으로 NH3가 배출되어서, 암모니아수의 농도가 낮아지게 되고, 이와 같이 농도가 낮아지는 경우에, 흡수액 제조부(120)는 고농도의 암모니아수를 흡수액 순환부(150)의 흡수액 순환라인(A)에 공급하여서, 낮아진 암모니아수 농도를 보상하여 설계된 암모니아수 농도로 일정하게 유지하도록 할 수 있다.
한편, 고농도 암모니아수는 동일 온도에서 저농도 암모니아수에 대비하여 NH3(g)의 분압(partial pressure)이 높아서, 대기압 상태에서는 NH3가 상대적으로 증발이 더 잘 일어나 손실이 증가한다. 이에, 고농도 암모니아수를 저장하기 위해서는 용해도가 높고 NH3(g)의 증기압이 낮아지도록 온도를 낮추고 가압 시스템 하에서 운전해야 한다.
즉, NH3(g)가 대기 중으로 증발 손실되는 현상을 방지하기 위해 암모니아수탱크(123) 내에 일정압력의 압축공기를 주입하여서, 암모니아수탱크(123) 내의 압력을 높은 상태로 유지하여 NH3의 증발손실을 효과적으로 방지할 수 있다.
예를 들면, NH3는 -34℃, 8.5bar에서 액체 상태로 저장이 가능하므로 선내에서 가용한 7bar 압축공기를 사용하여 암모니아수탱크(123) 내부를 일정압력으로 유지하여서, 50% 농도의 암모니아수를 암모니아수탱크(123)에 저장할 수 있다.
또한, 암모니아수탱크(123)의 과압방지를 위한 안전밸브(safety valve)(123a)가 설치될 수 있다.
다음, 흡수타워(130)에는 선박 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스의 적어도 일부를 분기시켜 해수 공급부(110)로부터 공급된 해수와 반응시켜 냉각하고, 냉각된 배기가스의 CO2와, 흡수액 제조부(120)로부터의 암모니아수 또는 흡수액 순환라인(A)을 순환하는 암모니아수를 반응시켜서, 다음의 [화학식 2]와 같이 CO2를 고농도 암모늄염 수용액(NH4HCO3(aq))으로 전환하여 CO2를 제거하는 CO2 제거부(131)가 형성된다.
즉, 선박 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스로부터 일부 CO2만을 흡수하여도, 대부분의 경우에 온실가스 배출기준을 충족할 수 있으므로, 선박 엔진(10)과 연결된 주배기관(135)으로부터 분지(branched) 또는 분기되는 제1우회관(136)을 통해 선박 엔진(10)의 부하변화에 따라 배기가스의 적어도 일부만을 흡수타워(130)로 투입하여 CO2를 흡수하도록 하여서, 선박 엔진(10)의 부하변화에 따라 CO2 흡수율을 유연하게 변화시킬 수 있다.
구체적으로, CO2 제거부(131)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 흡수액 순환부(150)로부터 공급되는 암모니아수를 하방으로 분사하는 암모니아수 분사노즐(131a), 제1우회관(136)을 통해 투입되는 배기가스의 CO2와 암모니아수와 접촉시켜 CO2를 고농도 NH4HCO3(aq)로 전환시키는 충진재(131b), 충진재(131b)가 채워진 흡수탑의 구간마다 다단으로 형성되어 CO2흡수반응으로 인한 발열을 냉각하는 쿨링재킷(cooling jacket)(미도시), CO2와 반응하지 않고 대기중으로 배출되는 NH3를 포집하는 워터 스프레이(131c), 굴곡진 다판 형태로 형성되어 암모니아수 분사노즐(131a)에 의한 분사시 비산되는 암모니아수를 충진재(131b) 방향으로 회귀시키는 미스트 제거판(131d), 충진재(131b)를 통과한 암모니아수가 SOX 흡수부(132)로 역류하지 않도록 형성된 격벽(131e), 및 격벽(131e)으로 둘러싸인 배기가스 유입홀을 커버하는 우산형태의 차단판(131f)으로 구성될 수 있다.
여기서, 쿨링재킷은 물질전단이 가장 원활한 30℃ 내지 50℃로 냉각하여 CO2흡수율을 일정수준으로 유지하면서 NH3가 기화되어 소실되지 않도록 할 수 있다.
한편, CO2 제거부(131)는 배기가스와 NH3와의 접촉면적을 늘리면서도 엔진 스펙에서 요구되는 배기관의 허용 압력강하(pressure drop) 내에서 운전되도록 다양한 형태가 고려될 수 있는데, 예컨대, 충진재(131b)는 단위 부피당 접촉면적이 크도록 설계된 다단의 증류 칼럼 패킹으로 구성되고, 단위면적당 접촉면적과 기체의 압력강하와 범람속도를 고려하여 도 8에 예시된 바와 같은 흡수공정에 적합한 증류 칼럼 패킹을 선정할 수 있고, 도 9에 예시된 바와 같이 암모니아수 분사노즐(131a)은 래더 파이프(ladder pipe) 형태(a) 또는 스프레이 형태(b)로 구성될 수 있다.
또한, 암모니아수는 충진재(131b)를 하향 통과하고 배기가스는 충진재(131b)를 상향 통과하여 접촉하게 되어 채널링 현상을 방지하기 위한 증류 칼럼 패킹 사이에 용액 재분배기(미도시)가 형성될 수 있다.
또한, 미스트 제거판(131d)은 비산된 암모니아수가 굴곡진 다판에 점착되어 액적(droplet)이 커지도록 하여 자중에 의해 충진재(131b) 방향으로 배액되도록(drain) 한다.
한편, LNG를 연료로 사용하는 경우에 SOx의 발생량이 없을 수 있으나, 선박 엔진(10)이 저유황유를 연료로 사용하는 경우에 흡수타워(130)는 SOx 흡수부(132)를 추가로 구비할 수도 있다.
즉, SOx 흡수부(132)는 선박 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스를 해수 공급부(110)로부터 공급된 해수와 반응시켜 냉각하면서 SOx를 용해시켜 제거하고, CO2 제거부(131)는 SOx가 제거된 배기가스와 해수 공급부(110)로부터 공급된 해수와 반응시켜 냉각하고, 냉각된 배기가스와 흡수액 제조부(120)로부터의 흡수액을 반응시켜 CO2를 암모늄염 수용액으로 전환하여 CO2를 흡수 제거할 수 있다.
구체적으로, SOx 흡수부(132)는 해수와 1차로 접촉하는 섹션으로서, 도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이, 해수 공급부(110)로부터 공급되는 해수를 하방으로 분사하여 SOX를 용해시키고 슈트(soot)의 분진을 제거하는 다단의 해수 분사노즐(132a), 및 세정수가 역류하지 않도록 하는, 격벽 형태의 배기가스 유입관(132b) 또는 배기가스 유입관(132b)을 커버하는 우산형태의 차단판(132c)을 포함할 수 있다.
한편, 해수 분사노즐(132a) 또는 별도의 쿨링재킷(미도시)을 통해 배기가스의 온도를 CO2 제거부(131)에서 요구되는 27℃ 내지 33℃, 바람직하게는, 30℃ 전후로 냉각할 수 있는데, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 해수 분사노즐(132a) 하부에, 배기가스가 통과하는 유로가 형성된 다공성 상판(132d)이 다단으로 각각 형성되어, 해수와 배기가스가 원활하게 접촉하도록 하거나, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 해수 분사노즐(132a) 하부에, 해수와 배기가스가 접촉하도록 하는 충진재가 채워진 흡수탑(132e)이 각각 형성되어, 해수가 SOX를 용해시키도록 할 수도 있다.
한편, SOX의 용해도를 보다 높이기 위해 알칼리 이온을 형성하는 화합물, 예컨대 NaOH 또는 MgO의 염기성 약품을 SOx 흡수부(132)로 공급되는 해수에 투입하는 폐회로 시스템(closed loop system)으로 구성할 수 있다.
참고로, 폐회로 시스템은 추가적인 염기성 약품 소모를 수반하지만 순환하는 해수의 양이 적은 장점이 있고, 해수만을 분사하여 용해된 SOX를 선외로 배출하는 개회로 시스템(open loop system)은 추가 염기성 약품 소모가 없고 간소한 장점이 있어서, 이러한 장점을 극대화하고자 개회로 및 폐회로를 결합한 하이브리드 시스템으로 구성할 수도 있다.
이에, SOX 흡수부(132)를 통해 SOX를 먼저 제거한 후에 후속하여 CO2 제거부(131)를 통해 CO2를 제거하도록 하여서, SOX의 용해도가 커서 Na2SO3 등의 화합물로 먼저 변하여 SOX의 용해가 모두 이루어지기 전까지는 CO2의 제거가 어려운 문제점을 해결하여서 CO2의 용해도 및 CO2의 제거 효율성을 향상시킬 수 있다.
여기서, SOX 흡수부(132)에 의해 SOX를 흡수하여 배출부(170)로 배액되는 세정수에는 SO3 -, SO4 2-, 슈트, NaSO3, NaSO4, MgCO3, MgSO4 및 이외의 이온 화합물이 함께 포함되어 있다.
한편, 앞서 언급한 바와 같이, 흡수타워(130)는, 선박 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스의 NOx를 흡수하여 제거하는 NOx 흡수부(133)를 더 포함하고, NOx가 제거된 배기가스를 해수 공급부(110)로부터 공급된 해수와 반응시켜 냉각하고 냉각된 배기가스와 흡수액 제조부(120)로부터의 흡수액을 반응시켜 CO2를 암모늄염 수용액으로 전환하여 CO2를 제거할 수 있다.
즉, 흡수타워(130)는 선박 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스의 NOX를 흡수하여 제거하는 NOX 흡수부(133)와, NOX가 제거된 배기가스를 해수와 반응시켜 냉각하면서 SOX를 용해시켜 제거하는 SOX 흡수부(132)와, SOX가 제거된 배기가스와 흡수액 제조부(120)로부터 공급된 암모니아수를 반응시켜 CO2를 NH4HCO3(aq)로 전환하여 CO2를 제거하는 CO2 제거부(131)가 적층 형성되어서, NOX와 SOX와 CO2를 순차적으로 흡수하여 제거한다.
이에 따라, CO2 제거부(131)는 앞서 NOX와 SOX가 제거된 배기가스와 암모니아수를 반응시켜 먼저 NOX와 SOX를 제거하여서, CO2 제거 공정 중에 NOX와 SOX으로 인한 부반응이 발생하지 않아 불순물 발생을 최소화할 수 있어 후속 공정에서 불순물이 적은 NH4HCO3를 얻을 수 있다.
여기서, 흡수타워(130)는, CO2 제거부(131)와 SOX 흡수부(132)와 NOX 흡수부(133)와 후술하는 EGE(134)를 포함하여 구성되되, 각각 개별 모듈로 구성되어 모듈화되어 결합 구성될 수도 있고, 단일의 타워 형태로 통합되어 구성될 수도 있고, 흡수타워(130) 자체는 단일 타워 또는 복수의 타워로 그룹핑되어 구성될 수도 있다.
구체적으로, NOX 흡수부(133)는 SCR(Selective Catalyst Reactor)로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 흡수액 재생부(140)로부터 블로워(133a) 또는 압축기를 통해 제1 NH3 분사노즐(133b)로 NH3를 직접 공급하거나, NH3의 부족시에는 요소수저장탱크(133c)의 요소수(UREA)를 요소수 공급펌프(133d)를 통해 제2 NH3 분사노즐(133e)로 공급받아 부족분을 보상하도록 대체할 수도 있다.
한편, 요소수를 분해하면 NH3와 CO2가 발생하므로, NH3를 직접 공급하여 CO2 발생량을 줄이는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 흡수타워(130)는, NOX 흡수부(133)와 SOX 흡수부(132) 사이에 형성되어 선박 엔진(10)의 폐열과 보일러수를 열교환시키는 EGE(Exhaust Gas Economizer)(134)를 더 포함할 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 선박 엔진(10)과 흡수타워(130) 사이의 배관 시스템은, 선박 엔진(10)의 배기관과 연결되어 CO2 제거없이 대기로 직접 배출하도록 하는 주배기관(135)과, 주배기관(135)로부터 분기되어 흡수타워(130)의 하단으로 연결되어 배기가스의 적어도 일부가 투입되도록 하는 제1우회관(136)과, 흡수타워(130)를 통과하여 CO2가 제거된 배기가스를 별도로 직접 배출하도록 하는 제2우회관(137)과, 제2우회관(137)으로부터 분기되어 주배기관(135)과 연결되어 주배기관(135)을 통해 CO2가 제거된 배기가스를 합류시켜 대기로 배출하도록 하는 제3우회관(138)으로 구성될 수 있다.
이와 같은 배관 시스템을 통해서, 선박 엔진(10)으로부터의 일부 배기가스로부터 CO2를 제거한 후 주배기관(135)에 합류시켜 대기로 배출하거나, 제2우회관(137)을 통해 별도로 대기로 배출하도록 하여서, 온실가스 처리용량을 최적화하여 흡수타워(130)의 크기를 최소화하여 설치공간 상의 제약을 극복하도록 할 수 있다.
또한, 도 2 및 도 3을 참고하면, 주배기관(135)으로부터 분기되어 배기가스의 적어도 일부를 CO2 제거부(131)로 공급하는 송풍수단(139)을 제1우회관(136) 중간에 구비하여, 흡수타워(130)의 CO2 제거부(131)와 SOX 흡수부(132)와 NOX 흡수부(133)와 EGE(134), 및 배관 시스템의 구성으로 인해 생성되는 배압(back pressure)을 최소화하여서 흡수타워(130)의 직경은 최소화하고 높이는 높도록 설계하여 설치공간 상의 제약을 극복하도록 할 수도 있다.
여기서, 송풍수단(139)을 블로워(blower)로 구성할 수 있고, 블로워는 스크러버(scrubber) 즉, SOx 흡수부(132)가 설치되는 경우에는 40℃ 내지 50℃의 배기가스를 송풍 또는 가압이송하도록 설계되고, SOx 흡수부(132)가 설치되지 않은 경우에는 300℃ 전후의 배기가스를 송풍 또는 가압이송하도록 설계되는 것이 바람직하다.
또한, 블로워는 선박 엔진(10)의 부하에 따라 송풍량을 가변적으로 조절할 수 있는데, 흡수타워(130)로 송풍해야 하는 배기가스의 양을 결정하는 단계를 거쳐 운전점을 결정할 수 있다.
참고로, 선박 엔진(10)은 배기가스를 사용하여 터보 과급기(turbo charger)의 터빈을 구동하고, 터빈축에 연결된 컴프레서를 통해 연소에 필요한 공기를 압축하고, 압축되는 공기의 양은 터보 과급기로 유입되는 배기가스의 온도와 압력과 유량, 및 터보 과급기로부터 배출되는 온도와 압력과 유량에 의한 엔탈피 변화량에 영향을 받는다.
특히, 배관 시스템 상에서의 배압은 터보 과급기의 성능에 직결되는 요인으로 배압의 총합을 450mmAq 내지 600mmAq로 제한을 두는데, EGE(134) 및 SOx 흡수부(132)가 설치되는 경우 CO2 제거부의 설치로 발생하는 추가 배압으로 인해 설치 상에 제약을 받거나, 배압을 최소화하도록 흡수타워을 제작하여야 하는 어려움이 있다.
예컨대, CO2 제거부(131)가 배압의 제한을 받는 경우, 배기가스가 유입되는 직경을 확장하여 배압을 작게 할 수 있으나 장치의 크기가 커져 설치에 제약을 받으므로, 블로워를 설치하여서 CO2 제거부(131)의 직경은 작도록 하고 높이는 크게 하여 설치 상에 상당한 이점을 제공할 수 있다.
또한, 앞서 언급한 바와 같이, 선박 엔진(10)으로부터의 일부 배기가스로부터 CO2를 제거한 후 주배기관(135)에 합류시켜 대기로 배출하는 경우에는 주배기관(135)에만 1개의 CO2 센서가 구성될 수 있고, 주배기관(135) 및 제2우회관(137)을 통해 각각 대기로 배출하는 경우에는 각각 CO2 센서가 구성될 수 있다.
다음, 흡수액 재생부(140)는 암모늄염 수용액으로부터 NH3를 재생하여 흡수액 순환부(150)를 통해 흡수타워(130)의 CO2 제거부(131)로 회귀시켜 CO2 흡수액으로 재사용하도록 하고, CO2를 CaCO3(s) 또는 MgCO3(s) 형태로 저장하거나 선외 배출하도록 하거나, NOX 흡수부(133)로 NH3를 공급하여 NOX를 흡수하도록 할 수 있다.
구체적으로, 흡수액 재생부(140)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 2가 금속수산화물 수용액을 저장하는 저장탱크(141), 흡수타워(130)로부터 배출된 암모늄염 수용액과 2가 금속수산화물 수용액을 교반기에 의해 교반하여 다음의 [화학식 3]와 같이 NH3(g)와 탄산염을 생성하는 혼합탱크(142)와, 혼합탱크(142)로부터 용액 및 침전물을 흡입하여 탄산염을 분리하는 필터(143)로 구성될 수 있다.
또한, 저장탱크(141)에 저장된 2가 금속수산화물 수용액은 청수와, CaO 또는 MgO를 반응시켜 생성된 Ca(OH)2 또는 Mg(OH)2일 수 있다.
또한, 흡수액 순환라인(A)을 순환하는 암모니아수의 농도가 낮을 경우에는 앞선 [화학식 2]의 (NH4)2CO3의 생성이 줄어 CO2 배출량이 증가하게 되고, 농도가 높을 경우에는 과다한 CO2 흡수로 인해 탄산염 생산량이 필요 이상으로 증가하게 되므로, 암모니아수의 농도를 일정하게 유지하여 흡수타워(130)의 CO2 흡수성능이 지속되도록 하여야 한다. 이를 구현하기 위해, 암모니아수의 농도를 질량기준 12%로 조절하도록 설계할 수 있으나, 이에 한정되지 않고 사용조건에 따라 변경될 수 있다.
또한, 필터(143)에 의해 분리된 탄산염(CaCO3(s), MgCO3(s))을 슬러리 상태로, 또는 건조기(dryer)(미도시)로 이송되어 고형화된 고체 상태로, 저장하는 별도의 저장탱크(미도시)를 구비할 수도 있고, 저장없이 선외로 배출할 수도 있다. 여기서, 필터(143)의 일례로서, 고압 유체 이송에 의한 침전물 분리에 적합한 멤브레인 필터가 적용될 수 있다.
한편, 필터(143)에 의해 분리된 암모니아수 또는 청수를 흡수액 순환부(150)로 공급하거나, 총순환 청수 대비 혼합탱크(142)에 의해 추가 생성된 잉여 청수를 청수탱크(미도시)에 저장하여 저장탱크(141)에서의 2가 금속수산화물 수용액 생성시 재활용하도록 하여 청수를 절감할 수도 있다.
이를 통해, 비교적 저렴한 금속산화물(CaO 또는 MgO) 또는 2가 금속수산화물 수용액(Ca(OH)2 또는 Mg(OH)2)만을 투입하여 물의 추가 투입이 필요 없으며, 암모니아수의 농도 감소가 없고, 필터(143)의 용량 크기를 줄일 수 있고, NH3 재생비용을 줄일 수 있다. 즉, 이론적으로는 금속산화물만 소모하고, NH3와 청수를 재사용하도록 하여, CO2 제거비용을 상당히 절감할 수 있다.
또한, 혼합탱크(142)에서 발생하는 암모니아 가스는 흡수타워(130)의 CO2 제거부(131)로 공급되거나 또는 NOx 흡수부(133)로 공급될 수 있다.
다음, 흡수액 순환부(150)는 흡수액을 흡수타워(130)로 지속적으로 순환시켜 CO2 흡수를 최대로 수행하고자, 흡수타워(130)의 CO2 제거부(131)로부터 배출된 고농도 암모늄염 수용액과, CO2와 반응하지 않은 미반응 흡수액 일부를 CO2 제거부(131)의 암모니아수 분사노즐(131a)로 순환시키도록 하여, 암모늄염 수용액 일부만을 흡수액 재생부(140)에 의해 탄산염으로 전환하고 잔존 미반응 흡수액을 흡수타워(130)로 순환시켜 CO2 흡수율을 유지하도록 한다.
구체적으로, 흡수액 순환부(150)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 흡수액 순환라인(A)을 통해 암모늄염 수용액과 미반응 흡수액 일부를 순환시키는 원심펌프 타입의 암모니아수 순환펌프(151)와, CO2 제거부(131) 상단으로 공급되는 흡수액의 농도를 측정하는 pH센서(152)를 포함할 수 있다.
여기서, 흡수액 중 HCO3 -의 농도가 높을 경우 CO2 흡수량이 줄어들어 CO2 배출량이 증가하게 되고, HCO3 -의 농도가 낮을 경우 과다한 CO2 흡수로 인해 탄산염 생산량이 필요 이상으로 증가하게 되므로, pH센서(152)를 통해 흡수액의 농도를 지속적으로 모니터링하여 흡수액의 HCO3 -의 농도 또는 OH-의 농도, 즉 pH를 적정수준으로 유지할 수 있다.
이를 통해, 흡수액 순환라인(A)을 유동하는 암모늄염 수용액 일부는 흡수액 재생부(140)의 혼합탱크(142)로 이송되어 탄산염으로 전환하여 CO2 일부만을 제거처리하고, 필터(143)에 의해 재생된 암모니아수를 흡수액 순환라인(A)으로 공급하여 OH-의 농도가 높고 HCO3 -의 농도가 낮아진 흡수액을 공급하여 CO2 흡수율을 유지하도록 할 수 있다.
이에 따라, CO2 포집시 사용하는 흡수액의 일부만을 취해 흡수된 CO2를 제거처리하여 흡수액 재생부(140) 및 흡수액 순환부(150)의 장치 크기를 작게 유지하고 연속 운전이 가능하고, 선박 엔진(10)의 부하 변화에 따른 CO2 흡수율에 유연하게 대처하도록 할 수 있다.
다음, 증기 생성부(160)는, 도 7에 도시된 바와 같이, EGE(134)를 통과하여 열교환된 증기(steam)와 포화수 형태의 혼합물을 공급받아 스팀드럼(steam drum)(미도시)에 의해 증기를 분리하여 증기 소모처로 공급하는 보조보일러(161)와, 보조보일러(161)로부터 EGE(134)로 보일러수를 순환 공급하는 보일러수 순환수펌프(162)와, 증기 소모처로부터 소모된 후 응축되어 상이 바뀐 응축수를 회수하는 케스케이드탱크(cascade tank)(163)와, 케스케이드탱크(163)로부터 보조보일러(161)로 보일러수의 양을 조절하여 공급하는 공급펌프(164) 및 조절밸브(165)로 구성되어서, 선내의 가열장비에 필요한 증기를 생성하여 공급한다.
여기서, 선박 엔진(10)의 부하가 클 경우에는 배기가스로부터 제공받을 수 있는 열량이 높아 선내 필요한 증기의 양을 EGE(134)를 통해 충분히 생산할 수 있지만, 그렇지 못한 경우에는 보조보일러(161) 자체에 연료를 연소시켜 필요한 증기를 생산할 수도 있다.
다음, 배출부(170)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 흡수타워(130)로부터 배출되는 세정수를 저장하는 세정수탱크(171), 세정수탱크(171)로부터 이송펌프(172)에 의해 이송된 세정수의 선외배출조건을 충족하도록 탁도를 조절하는 필터링유닛과 pH조절을 위한 중화제 주입유닛을 구비하는 수처리장치(173), 및 슈트 등의 고형의 배출물을 분리 저장하는 슬러지저장탱크(174)로 구성되어서, 수처리장치(173)를 통과하여 선외배출조건을 충족하는 세정수는 선외배출하고, 선외배출조건을 충족하지 못하는 슈트 등의 고형의 배출물은 별도로 슬러지저장탱크(174)에 저장 보관할 수 있다.
한편, 선외배출조건을 충족하기 위한 중화제로 NaOH를 예로 들 수 있으나, 흡수타워(130)로부터 배출되는 물질이 산성 또는 염기성인 경우를 모두 상정하여 필요에 따라 이들 산성 또는 염기성을 각각 중화시킬 수 있는 중화제가 선택되어 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박은, 앞서 언급한 선박의 온실가스 배출 저감장치를 구비한 선박을 제공할 수 있다.
이에, IMO의 해양오염방지협약(Marpol 73/78) 부속서 VI에 의해 선박 배기가스에 포함된 NOx 및 SOx의 배출제한을 강화한 기준 IMO Tier Ⅲ인 NOx 배출량 대비 80% 이상의 저감 요구를 충족시킬 수도 있다.
따라서, 전술한 바와 같은 선박의 온실가스 배출 저감장치의 구성에 의해서, CO2 포집시 사용하는 흡수액의 일부만을 취해 흡수된 CO2를 제거처리하여 흡수액 재생부 및 흡수액 순환부의 장치 크기를 작게 유지하고 연속 운전이 가능하고, 선박 엔진의 부하 변화에 따른 CO2 흡수율에 유연하게 대처하도록 할 수 있고, 흡수타워의 배압 제한을 극복하여 기존의 흡수타워 설치가 불가능한 선박에 설치하도록 하고, 흡수타워의 크기를 최적화하여 설치 공간 상의 직경 또는 높이의 제약을 극복하도록 하고, 고농도 흡수액을 공급하여 온실가스 흡수성능이 저하되는 것을 방지할 수 있고, 가압시스템을 적용하여 고농도 흡수액의 자연증발로 인한 흡수액 손실을 방지하고, IMO 온실가스 배출규제를 충족시키도록 환경에 영향을 주지 않는 자연상태의 탄산염 형태로 전환하여 분리 배출하거나 유용한 물질로 전환하여 저장하며, NH3를 재생하여 비교적 고가의 NH3의 소모를 최소화하고, 필터 후단부의 용량 크기를 줄일 수 있고, NH3 재생시 잔존하는 SOX로 인한 부반응을 제거하여 NH3의 손실을 최소화하고 암모니아 회수시 불순물이 포함되지 않도록 할 수 있다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
110 : 해수 공급부 111 : 해수펌프
112 : 해수조절밸브 120 : 흡수액 제조부
121 : 청수조절밸브 122 : NH3저장소
123 : 암모니아수탱크 124 : pH센서
125 : 암모니아수 공급펌프 130 : 흡수타워
131 : CO2 제거부 132 : SOx 흡수부
133 : NOx 흡수부 134 : EGE
135 : 주배기관 136 : 제1우회관
137 : 제2우회관 138 : 제3우회관
139 : 송풍수단 140 : 흡수액 재생부
141 : 저장탱크 142 : 혼합탱크
143 : 필터 150 : 흡수액 순환부
151 : 암모니아수 순환펌프 152 : pH센서
160 : 증기 생성부 161 : 보조보일러
162 : 보일러수 순환수펌프 163 : 케스케이드탱크
164 : 공급펌프 165 : 조절밸브
170 : 배출부 171 : 세정수탱크
172 : 이송펌프 173 : 수처리장치
174 : 슬러지저장탱크
112 : 해수조절밸브 120 : 흡수액 제조부
121 : 청수조절밸브 122 : NH3저장소
123 : 암모니아수탱크 124 : pH센서
125 : 암모니아수 공급펌프 130 : 흡수타워
131 : CO2 제거부 132 : SOx 흡수부
133 : NOx 흡수부 134 : EGE
135 : 주배기관 136 : 제1우회관
137 : 제2우회관 138 : 제3우회관
139 : 송풍수단 140 : 흡수액 재생부
141 : 저장탱크 142 : 혼합탱크
143 : 필터 150 : 흡수액 순환부
151 : 암모니아수 순환펌프 152 : pH센서
160 : 증기 생성부 161 : 보조보일러
162 : 보일러수 순환수펌프 163 : 케스케이드탱크
164 : 공급펌프 165 : 조절밸브
170 : 배출부 171 : 세정수탱크
172 : 이송펌프 173 : 수처리장치
174 : 슬러지저장탱크
Claims (26)
- 해수를 공급하는 해수 공급부;
고농도 CO2 흡수액을 제조하여 공급하는 흡수액 제조부;
선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 적어도 일부를 분기시켜 상기 해수 공급부로부터 공급된 해수와 반응시켜 냉각하고, 상기 냉각된 배기가스와 상기 흡수액 제조부로부터의 흡수액을 반응시켜 CO2를 암모늄염 수용액으로 전환하여 CO2를 제거하는 CO2 제거부가 형성된, 흡수타워;
상기 흡수타워로부터 배출된 암모늄염 수용액을 2가 금속수산화물 수용액과 반응시켜 흡수액과 NH3를 재생하여 상기 흡수타워로 순환 공급하여 흡수액으로 재사용하도록 하는 흡수액 재생부; 및
상기 흡수타워 하단으로부터 배출된 암모늄염 수용액 또는 미반응 흡수액 일부를 흡수액 순환라인을 통해 상기 흡수타워 상단으로 순환시키는 흡수액 순환부;를 포함하는,
선박의 온실가스 배출 저감장치. - 제 1 항에 있어서,
분기되는 상기 배기가스의 적어도 일부를 상기 CO2 제거부로 공급하는 송풍수단을 구비하는 것을 특징으로 하는,
선박의 온실가스 배출 저감장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 송풍수단은 블로워인 것을 특징으로 하는,
선박의 온실가스 배출 저감장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스 중 상기 CO2 제거부로 분기되지 않는 잔여 배기가스는 주배기관을 통해 배출되고,
상기 CO2 제거부로 분기되는 상기 적어도 일부의 배기가스는 CO2가 제거된 후 상기 주배기관으로 합류되어 배출되거나, 또는 별도의 배출관을 통해 배출되는 것을 특징으로 하는,
선박의 온실가스 배출 저감장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 흡수액 순환부는, 상기 흡수액 순환라인을 통해 암모늄염 수용액 또는 미반응 흡수액 일부를 순환시키는 암모니아수 순환펌프와, 상기 흡수타워 상단으로 공급되는 흡수액의 농도를 측정하는 pH센서를 포함하는 것을 특징으로 하는,
선박의 온실가스 배출 저감장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 흡수액 재생부는, 2가 금속수산화물 수용액을 저장하는 저장탱크와, 상기 흡수타워로부터 배출된 암모늄염 수용액과 2가 금속수산화물 수용액을 교반기에 의해 교반하여 NH3(g)와 탄산염을 생성하는 혼합탱크와, 상기 혼합탱크로부터 용액 및 침전물을 흡입하여 탄산염을 분리하는 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는,
선박의 온실가스 배출 저감장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 혼합탱크에 의해 생성된 NH3(g)를 상기 흡수타워로 공급하거나, 또는 상기 필터에 의해 분리된 흡수액을 상기 흡수액 순환부로 공급하는 것을 특징으로 하는,
선박의 온실가스 배출 저감장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 저장탱크에 저장된 상기 2가 금속수산화물 수용액은 청수와, CaO 또는 MgO를 반응시켜 생성된 Ca(OH)2 또는 Mg(OH)2인 것을 특징으로 하는,
선박의 온실가스 배출 저감장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 필터에 의해 분리된 암모니아수 또는 청수를 상기 흡수액 제조부로 공급하거나, 총순환 청수 대비 상기 혼합탱크에 의해 추가 생성된 잉여 청수를 청수탱크에 저장하여 상기 저장탱크에서의 2가 금속수산화물 수용액 생성시 재활용하는 것을 특징으로 하는,
선박의 온실가스 배출 저감장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 흡수타워는, 상기 선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 상기 해수 공급부로부터 공급된 해수와 반응시켜 냉각하면서 SOx를 용해시켜 제거하는 SOx 흡수부를 더 포함하고,
상기 CO2 제거부는 상기 SOx가 제거된 배기가스와 상기 해수 공급부로부터 공급된 해수와 반응시켜 냉각하고, 상기 냉각된 배기가스와 상기 흡수액 제조부로부터의 흡수액을 반응시켜 CO2를 암모늄염 수용액으로 전환하여 CO2를 제거하는 것을 특징으로 하는,
선박의 온실가스 배출 저감장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 흡수타워는, 상기 선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 NOx를 흡수하여 제거하는 NOx 흡수부를 더 포함하고, 상기 NOx가 제거된 배기가스를 상기 해수 공급부로부터 공급된 해수와 반응시켜 냉각하고 상기 냉각된 배기가스와 상기 흡수액 제조부로부터의 흡수액을 반응시켜 CO2를 암모늄염 수용액으로 전환하여 CO2를 제거하는 것을 특징으로 하는,
선박의 온실가스 배출 저감장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 흡수타워는, 상기 선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 NOX를 흡수하여 제거하는 NOX 흡수부와, 상기 NOX가 제거된 배기가스를 상기 해수 공급부로부터 공급된 해수와 반응시켜 냉각하면서 SOX를 용해시켜 제거하는 SOX 흡수부와, 상기 SOX가 제거된 배기가스와 상기 흡수액 제조부로부터의 흡수액을 반응시켜 CO2를 암모늄염 수용액으로 전환하여 CO2를 제거하는 상기 CO2 제거부가 순차적으로 적층 형성되는 것을 특징으로 하는,
선박의 온실가스 배출 저감장치. - 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 흡수액 재생부에 의해 재생된 NH3를 상기 NOX 흡수부로 공급하고,
상기 NOX 흡수부는 NH3로 NOX를 흡수하거나, 요소수를 사용하여 NOX를 흡수하는 것을 특징으로 하는,
선박의 온실가스 배출 저감장치. - 제 10 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 해수 공급부는,
선외로부터 씨체스트를 통해 해수를 공급받아 상기 SOX 흡수부로 펌핑하는 해수펌프와, 배기가스의 양에 따라 상기 해수펌프로부터 상기 SOX 흡수부로 공급되는 해수의 분사량을 조절하는 해수조절밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는,
선박의 온실가스 배출 저감장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 흡수액 제조부는,
청수를 저장하는 청수탱크;
상기 청수탱크로부터 청수를 공급하는 청수조절밸브;
고압의 NH3를 저장하는 NH3저장소;
상기 청수조절밸브에 의해 공급되는 청수에 상기 NH3저장소로부터 공급되는 NH3를 분사하여 흡수액인 고농도 암모니아수를 제조하여 저장하는 암모니아수탱크;
상기 암모니아수탱크 내의 암모니아수 농도를 측정하는 pH센서; 및
상기 암모니아수탱크로부터 상기 흡수액 순환부로 암모니아수를 공급하는 암모니아수 공급펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
선박의 온실가스 배출 저감장치. - 제 15 항에 있어서,
상기 암모니아수탱크 내에 일정압력의 압축공기를 주입하여 NH3의 증발손실을 방지하는 것을 특징으로 하는,
선박의 온실가스 배출 저감장치. - 제 10 항 또는 제 12 항에 있어서,
상기 SOX 흡수부는,
상기 해수 공급부로부터 공급되는 해수를 하방으로 분사하는 다단의 해수 분사노즐; 및
세정수가 역류하지 않도록 하는, 격벽 형태의 배기가스 유입관 또는 상기 배기가스 유입관을 커버하는 우산형태의 차단판;을 포함하는 것을 특징으로 하는,
선박의 온실가스 배출 저감장치. - 제 17 항에 있어서,
상기 해수 분사노즐 하부에, 배기가스가 통과하는 유로가 형성된 다공성 상판이 다단으로 각각 형성되어, 해수와 배기가스가 접촉하도록 하는 것을 특징으로 하는,
선박의 온실가스 배출 저감장치. - 제 17 항에 있어서,
상기 해수 분사노즐 하부에, 해수와 배기가스가 접촉하도록 하는 충진재가 채워진 흡수탑이 형성되어, 해수가 SOX를 용해시키도록 하는 것을 특징으로 하는,
선박의 온실가스 배출 저감장치. - 제 17 항에 있어서,
상기 SOX 흡수부로 공급되는 해수에 중화제를 투입하는 것을 특징으로 하는,
선박의 온실가스 배출 저감장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 CO2 제거부는,
상기 흡수액을 하방으로 분사하는 암모니아수 분사노즐;
CO2와 흡수액인 암모니아수와 접촉시켜 CO2를 NH4HCO3(aq)로 전환시키는 충진재;
상기 충진재가 채워진 흡수탑의 구간마다 다단으로 형성되어 CO2제거반응으로 인한 발열을 냉각하는 쿨링재킷;
CO2와 반응하지 않고 외부로 배출되는 NH3를 포집하는 워터 스프레이;
굴곡진 다판 형태로 형성되어 암모니아수를 상기 충진재 방향으로 회귀시키는 미스트 제거판;
암모니아수가 역류하지 않도록 형성된 격벽; 및
상기 격벽으로 둘러싸인 배기가스 유입홀을 커버하는 우산형태의 차단판;을 포함하는 것을 특징으로 하는,
선박의 온실가스 배출 저감장치. - 제 21 항에 있어서,
상기 충진재는 단위 부피당 접촉면적이 크도록 설계된 다단의 증류 칼럼 패킹으로 구성되고,
상기 증류 칼럼 패킹 사이에 용액 재분배기가 형성되는 것을 특징으로 하는,
선박의 온실가스 배출 저감장치. - 제 12 항에 있어서,
상기 흡수타워는,
상기 NOX 흡수부와 상기 SOX 흡수부 사이에 형성되어 상기 선박 엔진의 폐열과 보일러수를 열교환시키는 EGE를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
선박의 온실가스 배출 저감장치. - 제 23 항에 있어서,
열교환된 증기와 포화수 형태의 혼합물을 공급받아 증기를 분리하여 증기 소모처로 공급하는 보조보일러와, 상기 보조보일러로부터 상기 EGE로 보일러수를 순환 공급하는 보일러수 순환수펌프와, 상기 증기 소모처로부터 응축된 응축수를 회수하는 케스케이드탱크와, 상기 케스케이드탱크로부터 상기 보조보일러로 보일러수의 양을 조절하여 공급하는 공급펌프 및 조절밸브가 포함된, 증기 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
선박의 온실가스 배출 저감장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 흡수타워로부터 배출되는 세정수를 저장하는 세정수탱크, 상기 세정수탱크로 이송펌프에 의해 이송된 세정수의 선외배출조건을 충족하도록 탁도를 조절하는 필터링유닛과 pH조절을 위한 중화제 주입유닛을 구비하는 수처리장치, 및 고형의 배출물을 분리 저장하는 슬러지저장탱크로 구성되는, 배출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
선박의 온실가스 배출 저감장치. - 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 선박의 온실가스 배출 저감장치를 구비한 선박.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| KR1020210030109A KR102415706B1 (ko) | 2021-03-08 | 2021-03-08 | 선박의 온실가스 배출 저감장치 및 동 장치 구비한 선박 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210030109A KR102415706B1 (ko) | 2021-03-08 | 2021-03-08 | 선박의 온실가스 배출 저감장치 및 동 장치 구비한 선박 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR102415706B1 true KR102415706B1 (ko) | 2022-07-04 |
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| KR1020210030109A KR102415706B1 (ko) | 2021-03-08 | 2021-03-08 | 선박의 온실가스 배출 저감장치 및 동 장치 구비한 선박 |
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| WO2024038978A1 (ko) * | 2022-08-17 | 2024-02-22 | 대우조선해양 주식회사 | 선박의 온실가스 배출 저감장치 및 이를 구비한 선박 또는 해양 구조물 |
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| KR20240025434A (ko) * | 2022-08-17 | 2024-02-27 | 한화오션 주식회사 | 선박의 온실가스 배출 저감장치 및 이를 구비한 선박 또는 해양 구조물 |
Citations (2)
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| KR102232540B1 (ko) * | 2020-10-13 | 2021-03-29 | 대우조선해양 주식회사 | 선박의 온실가스 배출 저감장치 및 이를 구비한 선박 |
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