KR102466873B1 - 선박용 탈황 스크러버를 이용한 이산화탄소 저감장치 - Google Patents

선박용 탈황 스크러버를 이용한 이산화탄소 저감장치 Download PDF

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Abstract

선박용 탈황 스크러버를 이용한 이산화탄소 저감 장치가 제시된다. 본 발명의 실시예에 따른 선박용 탈황 스크러버를 이용한 이산화탄소 저감 장치는 선박용 탈황 스크러버 전단에 설치되어 엔진에서 배출되는 배기가스를 엔진에서 배출된 배기가스를 처리하는 장치로서, 배출되는 배기가스의 이산화탄소를 변환하기 위한 반응부;와 수산화나트륨 용액을 보관하면서 상기 반응부에 공급하는 주입부;와 상기 반응부에서 처리된 후 상기 스크러버를 통하여 상부로 배출되는 배기가스의 이산화탄소 농도를 측정하여 그 수치에 따라서 상기 주입부를 제어하는 제어부;를 포함하는 것을 구성의 요지로 한다.
본 발명의 선박용 탈황 스크러버를 이용한 이산화탄소 저감장치에 따르면, 선박용 엔진에서 배출되는 배기가스 중에 포함된 이산화탄소를 수산화나트륨 용액을 이용하여 중화시켜 해수에서 용해도가 높은 중간 물질로 변환하고, 이 중간물질을 최종 해수를 통해서 용해시켜 배출하게 함으로서 배출되는 이산화탄소의 양을 현저하게 낮출 수 있는 효과가 있다. 따라서 국제해사기구에서 규제하고 있는 이산화탄소 배출량을 기준을 큰 설비비용의 증가 없이 만족할 수 있는 장점이 있다

Description

선박용 탈황 스크러버를 이용한 이산화탄소 저감장치{CO2 Reduction Equipment Using Scrubber For Ship}
본 발명은 이산화탄소 저감장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 선박용 탈황 스크러버를 이용한 이산화탄소 저감장치에 관한 것이다.
화학 공장뿐만 아니라 자동차, 선박과 같은 운송 수단 등에서 배출되는 배기 가스는 유독성, 폭발성 및 부식성이 강하기 때문에 인체에 유해할 뿐만 아니라 그대로 대기 중으로 방출될 경우에는 환경 오염을 유발하는 원인이 되기도 한다. 따라서, 이러한 배기 가스는 유해 성분의 함량을 허용 농도 이하로 낮추는 정화 처리 과정이 반드시 필요하며, 이와 같이 독성 물질을 제거하는 정화 처리 과정을 거친 배기 가스만이 대기 중으로 배출되도록 의무화되어 있기도 하다.
각종 유해성 배기 가스를 처리하는 방법에는 연소(burning) 방식, 습식(Wetting) 방식, 흡착(absorption) 방식 등이 있다. 연소 방식은 주로 수소기 등을 함유한 발화성 가스를 고온의 연소실에서 약 500℃내지 800℃의 고온에서 분해시켜 배기 가스를 처리하는 방식이고, 습식 방식은 주로 수용성 가스를 물에 통과시켜 용해되게 함으로써 배기 가스를 처리하는 방식이며, 흡착 방식은 발화되지 않거나 물에 녹지 않는 유해성 가스를 흡착제에 통과시켜 물리적 또는 화학적인 흡착에 의하여 정화되게 하는 방식이다.
국제해사기구에서는 선박의 내연기관에서 발생하는 황산화물의 배출 규제를 시행하고 있으며, 다수의 선박이 탈황 스크러버를 설치하여 황산화물의 배출을 저감할 수 있도록 함으로써 낮은 가격의 고황유를 사용하면서도 황산화물 배출 규제를 만족하고 있다. 이들 스크러버는 해수를 분사하여 황산화물을 용해시킴으로써 대기중으로 배출되는 황산화물의 양을 저감하고 있다.
한편, 국제해사기구의 규정에 따르면 국제항해를 하는 선박들은 상기 황산화물의 배출량뿐만 아니라 이산화탄소의 배출량을 2030년 까지는 40%, 2050년 까지는 70%를 감소하여야 한다. 이 규정은 기존 선박의 에너지효율지수 EEXI(Energy Efficiency Existing Ship Index)라고 한다.
선박에서의 이산화탄소 배출 저감은 매우 어려운 기술이다. 현실적으로 가능한 방법은 엔진 출력을 줄이거나, 연료를 LNG와 같은 친환경 연료를 사용하는 것이다, 이는 선주들에게는 실질적으로 어려움이 있는 방법이다. 따라서 이산화탄소 배출량의 저감을 위해 연료소모량을 줄이는 간접적인 방법만 강구해오고 있었다.
육상에서 사용하는 이산화탄소 포집(CCS) 기술은 그 설비 규모가 워낙 방대하고 사용하는 에너지가 너무 많은 관계로 이산화탄소를 다량으로 배출하는 대규모 공장에서만 시범적으로 설치하고 있다. 즉, 선박에서 발생하는 배기가스 내에 포함된 이산화탄소의 포집에 적합한 기술은 없는 실정이다.
따라서, 상기 언급한 종래 기술에 따른 문제점을 해결할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.
본 발명의 목적은, 기존 선박의 운항시 엔진의 출력을 감소하지 않고, 사용 연료를 친환경 연료로 변경하지 않으면서 선박 엔진에서 나오는 이산화탄소 배출량을 저감하는 선박용 이산화탄소 저감장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 선박용 탈황 스크러버를 이용한 이산화탄소 저감 장치는, 선박용 탈황 스크러버 전단에 설치되어 엔진에서 배출된 배기가스를 처리하는 장치로서, 배출되는 배기가스 내의 이산화탄소를 변환하기 위한 반응부;와 수산화나트륨 용액을 보관하면서 상기 반응부에 공급하는 주입부;와 상기 반응부에서 처리된 후 상기 스크러버를 통하여 배출되는 배기가스의 이산화탄소 농도를 측정하여 그 수치에 따라서 상기 주입부를 제어하는 제어부;를 포함하는 구성일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 반응부는, 상기 탈황 스크러버 입구에 설치되고, 고속으로 통과하는 배기가스에 액상의 수산화나트륨이 노즐에 의해서 미스트로 분사되는 구조로 형성될 수 있다.
또한, 상기 주입부는, 상기 수산화나트륨 용액을 보관하는 보관탱크와, 보관된 수산화나트륨 용액을 반응부에 가압하여 공급하는 펌프로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 제어부는, 탈황 스크러버를 통해서 배출되는 배기가스의 이산화탄소 농도를 측정하는 측정센서와, 상기 측정센서의 신호를 받아서 연산하여 결과를 디스플레이하는 측정기와, 그 값에 따라서 주입부의 펌프를 제어하는 펌프제어기로 구성될 수 있다.
또한, 상기 반응부에 도입되는 배기가스는 반응부 저면 일측에서 벽면을 따라 비스듬히 도입되도록 도입관이 형성되고, 액상의 수산화나트륨이 미스트로 분사되는 상기 노즐은 반응부 하우징의 측면벽에서 배기가스의 흐름을 거스르는 방향으로 일정 각도로 분사되는 구조를 가질 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 선박용 탈황 스크러버를 이용한 이산화탄소 저감장치에 따르면, 선박용 엔진에서 배출되는 배기가스의 이산화탄소 양을 줄이기 위하여 탈황 스크러버 전단에서 수산화나트륨 용액을 이용하여 배출가스 내의 이산화탄소와 반응시켜 이산화탄소를 용해도가 높은 중간물질(Na2CO3)로 변환한 후, 이 중간물질을 탈황 스크러버 내부로 유입되게 함으로서 최종적으로 탈황 스크러버에서 황산화물과 함께 중간물질을 용해시켜 바다로 배출하도록 함으로서 대기로 배출되는 이산화탄소를 획기적으로 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 선박용 탈황 스크러버를 이용한 이산화탄소 저감장치를 포함하는 선박의 배출가스 저감관련 장치 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 탈황 스크러버를 이용한 이산화탄소 저감장치를 나타내는 개략도이다.
도 3(a)는 본 발명인 선박용 탈황 스크러버를 이용한 이산화탄소 저감장치의 구성인 반응부의 전면도이다.
도 3(b)는 본 발명인 선박용 탈황 스크러버를 이용한 이산화탄소 저감장치의 구성인 반응부의 저면도이다.
도 4는 도 3(a)의 A-A 절단면도이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 선박용 탈황 스크러버를 이용한 이산화탄소 저감장치를 포함하는 선박의 배출가스 저감관련 장치 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 탈황 스크러버를 이용한 이산화탄소 저감장치를 나타내는 개략도이다. 도 3(a)는 본 발명인 선박용 탈황 스크러버를 이용한 이산화탄소 저감장치의 구성인 반응부의 전면도이고, 도 3(b)는 본 발명인 선박용 탈황 스크러버를 이용한 이산화탄소 저감장치의 구성인 반응부의 저면도이고, 도 4는 도 3(a)의 A-A 절단면에서 위에서 바라본 구조를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 선박용 탈황 스크러버를 이용한 이산화탄소 저감장치를 포함하는 선박의 배출가스 저감 장치는 선박용 엔진(1)에서 배출되는 배기가스에 포함되는 이산화탄소를 제거하기 위한 장치로서, 선박용 엔진(1)과 탈황 스크러버(2) 사이에 설치되게 된다. 한편 탈황 스크러버(2)를 통해서 제거된 황산화물 등의 폐기물들은 폐수처리 장치(3)를 통해서 최종 처리되는 과정을 거치게 된다.
본 발명에서 사용되는 이산화탄소 저감장치(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 선박용 엔진(1)에서 배출되는 배기가스를 도입하여 그 배기가스에 포함된 이산화탄소를 용해도가 높은 중간물질로 변환하는 반응부(10)와, 수산화나트륨 용액을 보관하면서 상기 반응부(10)에 공급하는 주입부(20)와, 상기 반응부(10)에서 처리된 후 상기 스크러버를 통하여 상부로 배출되는 배기가스의 이산화탄소 농도를 측정하여 그 수치에 따라서 상기 주입부(20)를 제어하는 제어부(30)를 포함하여 구성된다.
위 구성 중 상기 반응부(10)는, 상기 탈황 스크러버(2) 전단에 설치되고, 반응부 내부를 흐르는 배기가스에 액상의 수산화나트륨이 노즐에 의해서 미스트로 분사되어, 상기 배기 가스에 포함된 이산화탄소가 분사된 수산화나트륨과 반응하여 탄산나트륨과 물로 변환되게 된다. 통상 탄산나트륨은 수용성이어서 탈황 스크러버(2)에 보내지게 되고, 스크러버(2)에서 해수에 의해서 용해되어 나트륨과 탄산 또는 중탄산염 형태로 최종적으로 바다에 배출되게 된다.
도 3은 본 발명의 구성인 반응부(10)를 도시한 것으로서 반응부(10)는 일 실시예로서, 반응부(10)는 원통형상의 하우징(13)과, 하우징(13) 저면 일측에 위치하여 선박 엔진으로부터 배기가스가 도입되는 도입관(11)과, 하우징 상면에 위치하는 배기가스 유출관(14)과, 하우징 내부를 향해서 액상의 수산화나트륨 용액을 분사하는 다수의 분사노즐(15)로 구성된다. 도입관(11)과 유출관(14)의 끝단에는 배기가스 파이프가 연결될 수 있는 플랜지로 구성되는 것이 바람직하다. 여기서 수산화나트륨은 강염기성 물질의 하나의 예로서 기재한 것으로서 수산화나트륨 용액이 아닌 다른 강염기성 물질을 사용할 수 있으나, 이때 사용하는 물질에 따라서 성능에는 차이가 있을 수 있다.
상기 주입부(20)는, 수산화나트륨 용액을 보관하는 보관탱크(22)와, 보관된 수산화나트륨 용액을 반응부(10)의 분사노즐(15)에 가압하여 공급하는 펌프(22)로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제어부(30)는, 탈황 스크러버(2)를 통과하여 배출된 배기가스의 이산화탄소 농도를 측정하는 측정센서(31)와, 상기 측정센서(31)의 신호를 받아서 연산하여 결과를 디스플레이하는 측정기(32)와, 그 값에 따라서 주입부(20)의 펌프(21)를 제어하는 펌프제어기(33)로 구성될 수 있다.
여기서 측정센서(31)은 탈황 스크러버(2) 후단에 설치되어 탈황 스크러버(2)를 통과한 이후의 배기가스의 이산화탄소 농도를 측정하는 것이 바람직하다. 하나의 예로서 펌프 제어기(33)은 측정센서(31)에 의해서 측정된 이산화탄소 농도가 높아져서 배출량이 IMO 기준을 초과하게 될 가능성이 있는 경우 주입부(20)의 펌프(21)에 제어신호를 보내 펌프(21) 작동을 제어하여 분사되는 수산화나트륨의 양을 증가시키는 쪽으로 제어하게 된다.
한편, 반응부(10)의 하우징(13) 내부는 다수의 분사노즐(15)에 의해서 분사된 미스트 상태의 수산화나트륨 용액과 배기가스 혼합이 이루어질 수 있는 반응 공간을 구성하게 된다. 이때, 배기가스 내부의 이산화탄소와 분사된 수산화나트륨 용액이 충분히 반응할 수 있는 시간이 필요하다.
반응부(10) 내부는 반응 시간을 확보할 수 있도록 배기가스가 하우징(13)의 도입관(11)을 통해서 유입될 시 하우징(13) 내부에서 회오리 형태로 유동하는 것이 바람직하다. 이를 위하여 도 3(b)와 같이 도입관(11)은 반응부(10)의 저면 일측에서 벽면을 따라 비스듬하게 도입하는 것이 필요하다. 이렇게 하우징(13) 내부로 유입되는 배기가스는 하우징(13)의 내벽을 따라서 회오리 유동을 형성하면서 흐르게 되고, 하우징(13) 측면에서 분사되는 분사노즐(15)은 도 4와 같이 벽면을 따라서 흐르는 배기가스 회오리 유동을 거스르는 방향으로 일정한 각도로 분사되게 설치하는 것이 바람직하다. 필요에 따라서 분사노즐(15)는 하우징(13)의 저면과 상면에도 설치될 수 있다. 이 경우 분사노즐의 분사 각도는 분사노즐이 설치되는 상면과 저면에 수직한 방향으로 설치하는 것이 바람직하다.
이하에서는 도 1 내지 도 4를 참조하여 본 실시예에 따른 선박용 탈황 스크러버를 이용한 이산화탄소 저감장치(100)의 작동에 대해서 상세히 설명하기로 한다.
선박에서 배출되는 배기 가스에 포함되는 이산화 탄소의 배출량을 줄이기 위해서 선박용 엔진(1)에서 배출되는 배기가스는 이산화탄소 저감장치(100)의 반응부(10)의 도입관(11)을 통해서 유입된다. 유입되는 배기가스는 반응부(10) 하우징(13)의 내벽을 따라서 회오리 유동을 형성하게 되는 데, 이때 주입부(20)를 통해서 수산화나트륨 탱크(22)에 보관된 용액은 펌프(21)을 통해서 반응부(10) 하우징(13) 내부로 분사노즐(15)에 의해서 분사되게 된다. 이때 분사노즐(15)의 방향은 배기가스의 회오리 유동 방향과 거스르는 방향으로 분사된다. 이렇게 분사된 미스트 상태의 강염기성의 수산화나트륨 용액은 배기가스 내의 산성인 이산화탄소와 중화반응하여 해수에 용해가 쉬운 탄산나트륨이 생성되게 된다. 이렇게 생성된 탄산나트륨 용액은 배기 가스와 함께 탈황 스크러버(2)로 보내지게 되어, 그 내부에서 분사되는 해수에 의해서 용해되어 최종적으로 바다에 배출되게 된다.
이 과정에서 제어부(30)는 탈황 스크러버(2) 처리 후 배출되는 배기가스의 이산화 탄소의 농도를 측정센서(31)을 이용하여 측정하고, 측정기(32)에 의해서 분석된 측정값이 기 설정된 값과 비교하여 이산화탄소 농도가 높아져서 배출량이 IMO 기준을 초과하게 될 가능성이 있는 경우 주입부(20)의 펌프(21)에 제어신호를 보내 펌프(21) 작동을 제어하여 분사되는 수산화나트륨의 양을 증가시키는 쪽으로 제어하게 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 선박용 탈황 스크러버를 이용한 이산화탄소 저감장치에 따르면, 선박용 엔진에서 배출되는 배기가스 중에 포함된 이산화탄소를 수산화나트륨 용액을 이용하여 중화시켜 해수에서 용해도가 높은 중간 물질로 변환하고, 이 중간물질을 최종 해수를 통해서 용해시켜 배출하게 함으로서 배출되는 이산화탄소의 양을 현저하게 낮출 수 있는 효과가 있다. 따라서 국제해사기구에서 규제하고 있는 이산화탄소 배출량을 기준을 큰 설비비용의 증가 없이 만족할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 반응부(10) 내에서 배출가스의 체류시간을 최대한 길게하여 수산화나트륨 용액과 반응시간을 증가시킴으로서, 이산화탄소 제거효과를 극대화시킬 수 있으며, 결과적으로 콤팩트한 구조만으로 이산화탄소 배출량을 크게 저감할 수 있는 장점이 있다.
이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
1: 선박용 엔진
2: 탈황 스크러버
3: 폐수처리 장치
100: 이산화탄소 저감장치
10: 반응부
11: 도입관 13: 하우징 14: 유출관 15: 분사노즐
20: 주입부
21: 펌프 22: 수산화나트륨 탱크
30: 제어부
31: 측정센서 32:측정기 33: 펌프제어기

Claims (5)

  1. 선박용 탈황 스크러버 전단에 설치되어 엔진에서 배출되는 배기가스를 처리하는 장치로서,
    배출되는 배기가스 내의 이산화탄소를 변환하기 위한 반응부;와
    수산화나트륨 용액을 보관하면서 상기 반응부에 공급하는 주입부;와
    상기 반응부에서 처리된 후 상기 스크러버를 통하여 상부로 배출되는 배기가스의 이산화탄소 농도를 측정하여 그 수치에 따라서 상기 주입부를 제어하는 제어부;를
    포함하여 구성되는 선박용 탈황 스크러버를 이용한 이산화탄소 저감 장치.
  2. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 반응부는,
    상기 탈황 스크러버 입구에 설치되고, 고속으로 통과하는 배기가스에액상의 수산화나트륨이 노즐에 의해서 미스트로 분사되는 것을 특징으로 하는 선박용 탈황스크러버를 이용한 이산화탄소 저감 장치.
  3. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 주입부는,
    상기 수산화나트륨 용액을 보관하는 보관탱크와, 보관된 수산화나트륨 용액을 반응부에 가압하여 공급하는 펌프로 구성되는 것을 특징으로 하는 선박용 탈황 스크러버를 이용한 이산화탄소 저감 장치.
  4. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    탈황 스크러버를 통해서 배출되는 배기가스의 이산화탄소 농도를 측정하는 측정센서와, 상기 측정센서의 신호를 받아서 연산하여 결과를 디스플레이하는 측정기와, 그 값에 따라서 주입부의 펌프를 제어하는 펌프제어기로 구성되는 것을 특징으로 하는 선박용 탈황 스크러버를 이용한 이산화탄소 저감 장치.
  5. 청구항 제2항에 있어서,
    상기 반응부에 도입되는 배기가스는 반응부 저면 일측에서 벽면을 따라 비스듬히 도입되도록 도입관이 형성되고, 액상의 수산화나트륨이 미스트로 분사되는 상기 노즐은 반응부 하우징의 측면벽에서 배기가스의 흐름을 거스르는 방향으로 일정 각도로 분사되는 것을 특징으로 하는 선박용 탈황 스크러버를 이용한 이산화탄소 저감 장치.
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