KR20100108802A - 선박용 배기가스 처리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선박용 배기가스 처리장치에 관한 것으로, 선박의 배기가스 중 질소산화물과 황산화물 처리 장치를 개발함에 있어, 선박에 적용이 용이하게 에너지 효율이 높고 부피가 작아 공간 활용도가 높은 선박용 배기가스 처리장치를 제공함에 있다.
상기 목적 달성을 위한 본 발명은 선박용 디젤엔진에 연결되어 질소산화물과 황산화물 및 검댕을 제거해주는 플라즈마반응기; 상기 플라즈마 반응기와 선박용 디젤엔진 사이에 설치되어 선박용 디젤엔진에서 발생되는 배기가스 폐열을 이용하여 전기에너지를 발생시키고 발생된 전기에너지를 플라즈마 반응기에 공급하여 플라즈마 발생에 필요한 전기에너지를 자체 조달할 수 있도록 하는 에너지 회수장치; 상기 플라즈마 반응기에서 황산화물과 질소산화물을 제거할 수 있도록 플라즈마 반응기에 암모니아 혹은 우레아를 공급하는 우레아 저장설비; 상기 플라즈마 반응기와 직렬로 연결되어 플라즈마 반응기에서 제거되지 못한 질소산화물을 제거하되, 200~300cpi의 고밀도 SCR촉매를 장착함으로써 부피가 줄어들어 배기가스 배출관내에 설치되는 SCR 반응기;를 포함하여 구성되는 것을 그 기술적 요지로 한다.
선박 배기가스, 탈질, 탈황

Description

선박용 배기가스 처리장치{Treatment unit of exhaust gas from ship}
본 발명은 선박용 배기가스 처리장치에 관한 것으로, 선박용 디젤엔진에서 발생되는 질소산화물과 황산화물을 제거할 수 있도록 플라즈마 반응기와 SCR 반응기를 직렬로 연결하여 선박용 디젤엔진에 연결하되, SCR 반응기를 배기가스 배출관내에 설치하여 공간활용도를 높여주는 선박용 배기가스 처리장치에 관한 것이다.
선박에서 배출되는 배기가스 중 질소산화물과 황산화물은 UN (United Nation, 국제 연합)의 산하기관인 IMO (International Maritime Organization, 국제 해사기구)로부터 배출규제를 받고 있는 대표적인 대기 오염물질들이다. 질소 산화물의 경우는 Tier III가 발효되는 시점인 2016년에 2g/kwh이하로 규제하고 있으며 황산화물을 2010년 7월부터 SECA(sulfur Emission Control Area)에서 1%이하로 배출규제 하기로 하였다.
질소산화물은 NO, NO2, NO3, N2O, N2O3, N2O4, N2O5를 통칭하지만 대부분의 질소산화물은 NO와 NO2이다. 황산화물은 석탄과 석유와 같은 연료에 포함된 황성분이 연소과정에서 산화된 것으로 주로 SO2이다.
질소산화물의 발생 기구는 고온 영역에서 공기 중 질소와 산소가 반응하여 생성되는 Thermal NOx, 연료에서 발생되는 탄화수소가 공기 중의 질소와 반응하여 생성되는 Prompt NOx, 연료에 포함된 질소성분이 연소과정에서 산화되어 생성된 Fuel NOx로 구분된다.
화석연료의 연소반응으로 생성된 질소산화물을 제거하는 공정으로는 SCR (Selective Catalytic Reduction)과 SNCR (Selective Non Catalytic Reduction)이 대표적이다. SCR은 (식 1), (식 2)에서 보듯이 V2O5-TiO2 계 촉매에 질소산화물과 환원제인 암모니아 혹은 우레아를 주입하여 질소산화물을 질소와 물로 변환하여 제거하는 장치이다. 장치의 운전온도는 350도에서 400도 사이에서 효과적이며 질소산화물의 제거효율은 90%로 높은 제거 효율을 보인다.
4NO + 4NH3 + O2 -> 4N2 + 6H2O (식 1)
6NO2 + 8NH3 -> 7N2 + 12H2O (식 2)
반면 SNCR은 고온의 배기가스에 직접 환원제인 암모니아를 직접 주입하여 질소산화물을 제거하는 공정이다. SNCR은 별도의 촉매 반응기가 필요하지 않아 설치비와 운전비가 저렴한 장점이 있는 반면 반응온도가 높게 유지되어야 하고 질소산화물 제거 효율이 60%이하로 낮은 단점이 있다.
황산화물을 제거하는 공정은 크게 습식과 건식으로 나누어진다. 습식 방법은 물 또는 알카리 용액으로 세정하는 것으로 황산화물 제거 효율이 90%로 높고 오랜 시간 동안 연구과정을 거쳐 공정 신뢰도가 우수하다. 그러나 다량의 용수가 필요하고 2차 오염물질이 발생되는 단점이 있다. 건식 방법은 수산화칼슘이나 Na계 흡수제를 사용하여 황산화물을 제거 하는 공정으로 습식공정에 비해 2차 오염물질 발생이 저감되고 배기가스 재가열이 필요 없는 장점이 있지만, 낮은 제거 효율과 흡수제가 고가인 단점이 있다.
도 1 은 종래의 SCR과 스크러버를 이용한 배기가스 처리장치를 나타낸 예시도로서, 선박의 디젤엔진(10)에 SCR반응기(50)를 연결하고, 상기 SCR 반응기(50)에 스크러버(100)가 연결된다.
이러한 스크러버(100)는 질소산화물과 황산화물을 제거하기 위해 다량의 물이 필요하고, 질소산화물과 황산화물의 제거 후 발생되는 2차 오염물질(폐수)을 처리하기 위해 별도의 2차 오염물질 처리장치(110)를 구비해야 하기 때문에 넓은 후처리장치 설치공간이 필요하고 설치공간의 제약으로 선박 적용성의 문제점이 있다.
한편 종래의 SCR반응기에서는 배기가스에 포함된 검댕(soot)이 SCR 촉매층에 쌓여 촉매층이 막히는 현상이 발생됨으로써 25~30cpi(cell per inch)의 저밀도 촉매를 SCR 반응기에 장착할 수밖에 없고, 이로 인해 SCR반응기의 부피가 커짐으로써 선박의 공간 활용도가 줄어드는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 선박의 배기가스 중 질소산화물과 황산화물 처리 장치를 개발함에 있어, 선박에 적용이 용이하게 에너지 효율이 높고 부피가 작아 공간 활용도가 높은 선박용 배기가스 처리장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은, 선박용 디젤엔진에 연결되어 질소산화물과 황산화물 및 검댕을 제거해주는 플라즈마반응기; 상기 플라즈마 반응기와 선박용 디젤엔진 사이에 설치되어 선박용 디젤엔진에서 발생되는 배기가스 폐열을 이용하여 전기에너지를 발생시키고 발생된 전기에너지를 플라즈마 반응기에 공급하여 플라즈마 발생에 필요한 전기에너지를 자체 조달할 수 있도록 하는 에너지 회수장치; 상기 플라즈마 반응기에서 황산화물과 질소산화물을 제거할 수 있도록 플라즈마 반응기에 암모니아 혹은 우레아를 공급하는 우레아 저장설비; 상기 플라즈마 반응기와 직렬로 연결되어 플라즈마 반응기에서 제거되지 못한 질소산화물을 제거하되, 200~300cpi의 고밀도 SCR촉매를 장착함으로써 부피가 줄어들어 배기가스 배출관내에 설치되는 SCR반응기; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 스크러버를 설치하지 않고, 플라즈마 반응기에서 질소산화물과 황산화물 및 검댕을 제거해줌으로써 SCR 반응기에 고밀도의 촉매를 설치함으로써 SCR반응기의 크기를 줄여 엔진의 배기가스 배출관에 설치함으로써 설치공간의 제약을 받지 않아 공간 활용도가 뛰어나고, 에너지 회수장치를 통해 플라즈마 반응기를 작동하기 위한 전기를 생산하여 공급해줌으로써 에너지 효율을 극대화 할 수 있는 매우 유용한 발명이다.
이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2 는 본 발명에 의한 선박 배기가스 처리장치를 나타낸 예시도로서, 본 발명은 선박용 디젤엔진(10)에 연결되어 질소산화물과 황산화물 및 검댕을 제거해주는 플라즈마 반응기(40)와, 상기 플라즈마 반응기(40)와 선박용 디젤엔진(10) 사이에 설치되어 선박용 디젤엔진(10)에서 발생되는 배기가스 폐열을 이용하여 전기에너지를 발생시키고 발생된 전기에너지를 플라즈마 반응기(40)에 공급하여 플라즈마 발생에 필요한 전기에너지를 자체 조달할 수 있도록 하는 에너지 회수장치(20)와, 상기 플라즈마 반응기(40)에서 황산화물과 질소산화물을 제거할 수 있도록 플라즈마 반응기(40)에 우레아 및 암모니아를 공급해주는 우레아 저장설비(30)와, 상 기 플라즈마 반응기(40)의 후단에 직렬로 연결되어 플라즈마 반응기(40)에서 제거되지 못한 질소산화물을 제거해주되, 배기가스 배출관(70)내에 설치되는 SCR 반응기(50)를 포함하여 구성된다.
상기 SCR 반응기(50)는 200~300cpi(cell per inch)의 고밀도 SCR촉매를 장착함으로서 전체적인 부피가 줄어들어 배기가스 배출관(70) 내부에 설치가 가능하게 되는 것이다.
이는 상기 플라즈마 반응기(40)에서 검댕(soot)을 제거함으로써 촉매층에 검댕이 쌓이지 않게 되어 200~300cpi(cell per inch)의 고밀도 SCR촉매를 사용할 수 있게 되고, 고밀도 SCR촉매를 사용함으로써 SCR 반응기(50)의 부피가 줄어들게 되어 배기가스 배출관(70)의 내부에 설치가 가능하게 되는 것이다.
이와 같은 본 발명은 SCR 반응기(50)를 배기가스 배출관(70) 내부에 설치함으로써 선박의 공간 활용도를 높여주게 되는 것이다.
한편 상기 에너지 회수장치(20)는 통상적으로 선박용 디젤엔진(10)에서 배출되는 350℃~400℃의 고온의 배기가스를 이용하여 전기에너지를 생산하고 생산된 전력은 플라즈마 반응기(40)에 공급하게 되어 에너지 효율이 향상된다.
또한 에너지 회수장치(20)는 고온의 배기가스 온도를 플라즈마 반응기(40) 운전에 적당한 150℃~200℃ 사이로 저감시켜 준다. 따라서 플라즈마 반응기(40)에서의 질소산화물과 황산화물의 제거 효율이 향상된다.
또한 본 발명은 SCR 반응기(50)의 후단에 위치하고 배기가스 배출관(70)에 연결되어 NOx, SOx의 잔량을 측정하는 NOx, SOx 분석장치(60)를 더 포함하여 구성 된다.
이러한 NOx, SOx 분석장치(60)는 NOx, SOx의 잔량을 측정하여 배기가스의 처리가 원활하게 이루어지고 있는지는 확인하고 점검할 수 있도록 하는 것이다.
이와 같이 구성되는 본 발명을 통한 배기가스의 탈질 탈황 반응을 설명하면 다음과 같다.
선박의 디젤엔진(10)에서 배기가스가 배출되면 에너지 회수장치(20)를 거치게 되고, 이때 에너지 회수장치(20)에서는 배기가스의 폐열을 이용하여 전기에너지를 발생시킨다.
이후 에너지 회수장치(20)에서는 이렇게 발생되는 전기에너지를 플라즈마 전력공급라인(90)을 통해 플라즈마 반응기(40)로 공급한다.
이때 선박의 디젤엔진(10)에서 배출되는 350ㅀC ~ 400ㅀC의 고온의 배기가스가 상기 에너지 회수장치(20)를 통과하면서 에너지 회수장치(20)에서 전기 생산에 필요한 열을 사용하게 됨으로써 플라즈마 반응기(40)의 운전에 적당한 150ㅀC ~ 200ㅀC의 온도로 저하된 상태로 이동되어 질소산화물과 황산화물의 제거효율이 향상되도록 한다.
한편 플라즈마 반응기(40)에서는 에너지 회수장치(20)를 통해 공급받은 전기에너지를 통해 플라즈마를 발생하여 (식 3), (식 4) 와 같이 배기가스에 포함된 질소산화물과 황산화물 및 검댕을 동시에 제거한다.
SO2 + O -> SO3 + H2O -> H2SO4 + 2NH3 -> (NH4)2SO4 (식 3)
NO + O -> NO2 + OH -> HNO3 + NH3 -> NH4NO3 (식 4)
한편 상기 플라즈마 반응기(40)에는 우레아 저장설비(30)에서 우레아 및 암모니아 공급라인(80)을 통해 환원제인 암모니아 혹은 우레아가 주입되고, 이렇게 주입된 환원제가 황산화물과 질소산화물과 반응하여 황산화물과 질소산화물이 황산암모늄과 질산암모늄 형태로 각각 제거되는 것이다.
또한 상기 플라즈마 반응기(40)에서 제거되지 못한 질소산화물은 배기가스 배출관(70)의 내부에 설치되는 SCR 반응기(50)에서 (식 5)와 같이 물과 질소로 변환되어 제거되며 제거효율은 90% 이상이다.
NO + NO2 +NH3 -> 2N2 + 3H2O (식 5)
여기서 SCR 반응기(50)는 플라즈마 반응기(40)에서 검댕을 제거해줌으로써 촉매의 막힘현상이 줄어들어 200~300cpi의 고밀도의 SCR촉매를 사용할 수 있게 되고, 이로 인해 SCR 반응기(50)의 부피가 줄어들어 배기가스 배출관(70) 내부에 설치가 가능하게 되어 공간 활용도 및 질소산화물의 제거 효율이 향상되는 것이다.
이와 같은 본 발명은 플라즈마 반응기(40)와 SCR 반응기(50)를 이용하여 질소산화물과 황산화물을 제거하는 공정에서, 배기가스의 폐열을 에너지 회수장치(20)를 통해 전기에너지 발생시켜 주고 이렇게 발생된 전기에너지를 이용하여 플라즈마 반응기(40)를 작동시켜 줌으로써 플라즈마 발생에 필요한 전기에너지를 자 체 생산 조달할 수 있게 되어 에너지 효율이 극대화 되는 것이다.
또한 고온의 배기가스가 에너지 회수장치(20)를 통과하면서 플라즈마 반응기(40)의 운전에 적당한 온도로 낮아짐으로써, 질소산화물과 황산화물의 제거 효율 또한 향상되는 것이다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
도 1 은 종래의 SCR과 스크러버를 이용한 배기가스 처리장치를 나타낸 예시도,
도 2 는 본 발명에 의한 선박 배기가스 처리장치를 나타낸 예시도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(10) : 선박용 디젤엔진 (20) : 에너지 회수장치
(30) : 우레아 저장설비 (40) : 플라즈마 반응기
(50) : SCR 반응기 (60) : NOx SOx 분석장치
(70) : 배기가스 배출관 (80) : 우레아 및 암모니아 공급라인
(90) : 플라즈마 전력공급라인(100) : 스크러버
(110) : 2차 오염물질 처리장치

Claims (2)

  1. 선박용 디젤엔진에 연결되어 질소산화물과 황산화물 및 검댕을 제거해주는 플라즈마반응기;
    상기 플라즈마 반응기와 선박용 디젤엔진 사이에 설치되어 선박용 디젤엔진에서 발생되는 배기가스 폐열을 이용하여 전기에너지를 발생시키고 발생된 전기에너지를 플라즈마 반응기에 공급하여 플라즈마 발생에 필요한 전기에너지를 자체 조달할 수 있도록 하는 에너지 회수장치;
    상기 플라즈마 반응기에서 황산화물과 질소산화물을 제거할 수 있도록 플라즈마 반응기에 암모니아 혹은 우레아를 공급하는 우레아 저장설비;
    상기 플라즈마 반응기와 직렬로 연결되어 플라즈마 반응기에서 제거되지 못한 질소산화물을 제거하되, 200~300cpi의 고밀도 SCR촉매를 장착함으로써 부피가 줄어들어 배기가스 배출관내에 설치되는 SCR반응기;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 선박용 배기가스 처리장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기가스 배출관에 설치되어 플라즈마 반응기와 SCR 반응기를 통해 제거된 배기가스의 NOx, SOx의 잔량을 측정해주는 NOx, SOx 분석장치를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 선박용 배기가스 처리장치.
KR1020090027015A 2009-03-30 2009-03-30 선박용 배기가스 처리장치 KR20100108802A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103452624A (zh) * 2013-09-25 2013-12-18 詹朝润 用于大功率柴油机的尾气净化系统
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KR20160009349A (ko) 2014-07-16 2016-01-26 현대중공업 주식회사 선박 배기가스 처리장치
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