KR20140067069A - 스크러버 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 선박의 선박 엔진 또는 선박 보일러로부터의 배기 가스로부터 SO2를 제거하는 방법에 관한 것이다. 상기 선박 엔진 또는 선박 보일러로부터의 배기 가스는 제1 스크러버 구역 (2)에서 해수로 냉각 및 세척되고, 이어서 제2 스크러버 구역 (4)에서 알칼리 화학물질 (11)의 첨가와 함께 순환 담수로 세척된다. 세척에 사용되는 순환 담수는 제1 스크러버 구역 (2)에서 냉각에 사용되는 해수에 비해 더 고온이다. 보다 고온의 담수는 저온 해수와 간접적으로 열 교환된다. 본 발명은 또한, 상응하는 스크러버 시스템에 관한 것이다.

Description

스크러버 시스템 및 방법 {SCRUBBER SYSTEM AND METHOD}
본 발명은, 폐기 가스로부터의 구성성분의 제거, 특히 선박 엔진 배기 가스로부터의 이산화황 (SO2) 및 미립자 물질, 예컨대 그을음, 오일 및 중금속의 제거를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
화석 연료는 황을 함유하고, 이는 연소 동안 기체 황 산화물, SOx를 형성한다. 연료 배출물 중의 SOx의 양은 연료의 황 함량의 자연적 차이에 따라 달라진다. 화석 연료의 연소로부터의 SOx 방출의 95% 초과를 구성하는 지배적인 구성성분은 이산화황, SO2이다. SO2는 동식물 둘 다에게 직접적으로 유해한 독성 기체이다. 대기로의 SO2 방출의 2차 효과는 황산염 에어로졸의 형성이고, SO2 방출의 널리 인식되는 3차적 결과는 산성비이다.
감소된 황 산화물 방출에 대한 기존의 그리고 앞으로 존재할 규제를 충족시키기 위해, 낮은 황 함량을 갖는 연료의 사용이 하나의 선택사항이다. 그러나, 천연 저황 연료의 이용가능성은 제한되어 있고, 탈황을 위한 정제 공정은 많은 비용이 들고 에너지 부담이 크다. 저황 연료의 사용에 대한 가능성 있는 지속가능한 대안은 연소 공정 후 배기 가스로부터의 구성성분의 제거이다.
법제 요건으로 인해, 특정 연도 가스 탈황 (FGD) 또는 스크러버 기술이 이들의 통상적인 육상 적용으로부터 해양 적용으로 적합화되고 있다. 소위 배기 가스 스크러버 또는 단지 스크러버는 선상에서의 적용을 위해 유망한 것으로 보인다. 일부 널리 공지된 스크러빙 기술을 하기에 간략하게 기재한다.
석회암
특히 석탄 화력 및 시멘트 플랜트로부터 습식 스크러버가 널리 공지되어 있고, 이들은 수십년간 연도 가스로부터 SO2를 제거하기 위한 바람직한 해결책이 되어 왔다. 연도 가스는 통상적으로, 물 및 석회암의 슬러리를 석고의 형성 하에 순환시킴으로써 정화되고, 이는 수집되고 탈수된다. 대부분의 석고는, 예를 들어 포틀랜드(Portland) 시멘트에서의 충전제로서 판매되고 사용된다. 98%를 초과하는 SO2 제거 효율이 이들 용도에서 전형적이다. 일어나는 화학 반응은 공식적으로 하기와 같이 나타낼 수 있다.
SO2(g) + CaCO3(s) + 1/2 O2(g) → CaSO4(s) + CO2(g) (1)
석탄 분진 입자는 통상적으로 스크러빙 공정 전에 정전기 필터 또는 백 필터에서 수집되고, 이로써 슬러리 및 그에 따른 최종 석고 생성물의 오염을 피한다. 또한, 입자 필터의 필요성 및 분말화된 석회암 반응물 및 석고 생성물의 저장 및 취급으로 인해, 석회암을 사용한 통상적 스트러빙은 선상에서 부적절한 것으로 여겨진다.
수산화나트륨이 첨가된 담수
다른 육상 설비에서는, 수성 수산화나트륨이 석회암 대신에 알칼리 중화제로서 사용된다.
SO2(g) + 2 NaOH(aq) + 1/2 O2(g) →2 Na++ + SO4 -- + H2O (2)
형성된 황산나트륨은 통상적으로 스크러버로부터의 배출수 중에서 해리된다. 공정 관점에서, 수성 수산화나트륨의 사용이 석회암 및 석고 분말의 취급을 피하기 때문에 석회암에 비해 더 용이하다. 그러나, 수산화나트륨의 비용으로 인해, 적용이 보다 소형 설비로 제한된다. 그러나, 탄산나트륨 (Na2CO3) 또는 중탄산나트륨 (NaHCO3)이 보다 저렴한 대안으로서 사용될 수 있다. 선상 사용에 있어 또 다른 주요 단점은, 조건에 따라, 다량의 담수가 요구된다는 것이다. 그러나, 담수의 이용가능성은 통상적으로 선상에서 제한된다.
해수
폐기 가스를 해수로 처리하는 것은 공지된 기술이다. 표면 해수의 pH는 통상적으로 8.1 내지 8.9의 범위이다. 이러한 천연 알칼리도를 이용하여 흡수된 이산화황을 중화시키는 것은 선상에서의 불활성 기체 시스템 (IGS)으로부터, 뿐만 아니라 여러 육상 설비로부터 널리 공지되어 있다. IGS는 40년 넘게 탱커 산업에 공급되어 왔고, 오늘날 해수 스크러버는 많은 이들 시스템에서 통합된 부분이다. SO2는, 해수 중에 흡수시, 하기 반응식에 따라 주로 물 중에서 중아황산염 및 황산염으로서 종결된다.
SO2(g) ↔ SO2(aq) (3)
SO2(aq) + H2O ↔ HSO3 - + H+ (4)
HSO3 - + O2(aq) → SO4 -- + H+ (5)
이어서, 수소 이온은 하기와 같이 물 중에서 천연 탄산염 잔여물에 "밀어 넣어진다".
H+ + CO3 -- ↔ HCO3 - (6)
H+ + HCO3 - ↔ H2CO3 (7)
H2CO3 ↔ H2O + CO2(g) (8)
최종적 결과는 물 중의 황산염 이온 및 기체 이산화탄소의 형성이고, 이는 대기로 방출된다. 탄산염 (CO3 --) 및 중탄산염 (HCO3 -) 이온 뿐만 아니라 수소 양이온과 반응하는 다른 소량의 음이온의 양은 소위 알칼리도 또는 완충능을 결정하고, 이는 또한 물 중에 흡수될 수 있는 SO2의 양의 척도이다. 담수 대신에 해수를 사용하는 것의 확실한 이점은, NaOH 또는 Na2CO3와 같은 중화 화학물질이 선상에서 요구되지 않는다는 것이다. 주요 단점은, 제한된 해수 알칼리도로 인해 매우 높은 유수량이 요구되고, 해수가 비교적 부식성이어서 스크러버 구성 물질의 비용이 증가한다는 것이다.
해양 적용에 대한 스크러버의 채택
육상 스크러버를 해양 적용에 채택하는 것의 또 다른 도전은, 법제 요건의 변화 및 또한 선박이 상이한 물을 통해 항해하는 경우 조건의 변화이다. 소위 방출 통제 지역 (ECA)은 보다 엄격한 SO2 방출 수준이 확립되어 있다. 2015년부터, 선박은 방출 통제 지역 내에서 연료 오일 중 0.1% 황에 상응하는 양 초과의 SO2를 방출시키는 것이 허용되지 않는다. 방출 통제 지역 외부에서는, 제한이 2020년까지는 3.5% 황이고, 2020년 이후에는 0.5% 황이다. 육상 설비와 달리, 이는, 선박이 방출 통제 지역으로 도입될 때 스크러버가 훨씬 더 효율적이어야 한다는 것, 뿐만 아니라 해수 알칼리도 (해수 스크러버의 경우), 해수 온도 및 엔진 부하 변화에 대응하기 위해 조정이 실행되어야 한다는 것을 의미한다.
스크러버 시스템이 선상에 설치되면, 스크러버의 작동 조정은 법제 요건 변화 및 주변 조건 변화에 따르기 위해 단지 제한된 자유도를 갖게 된다. 물론, 가능한 최악의 조건 하에서도 요구되는 효율이 충족될 수 있도록 수계 및 스크러버의 크기를 치수 초과(over-dimensioning)시키는 것이 하나의 선택사항이다. 이러한 가능한 조건의 예는, 높은 엔진 부하, 높은 연료 황 함량, 보다 낮은 수 알칼리도, 방출 통제 지역에서의 항해 및 극히 낮은 수온이다. 그러나, 이는, 이들 상황이 단지 드물게 일어나고 스크러버 시스템에서의 투자에 대한 비용을 부가시키고 또한 통상적인 항해 조건 하에서의 운용 비용을 증가시키기 때문에, 매력적인 해결책이 아니다. 통상적 항해 조건은 전형적으로 예를 들어 40 내지 80% 엔진 부하, 2.3% 연료 황 함량, 2200 μmol/kg의 해수 알칼리도, 및 5 내지 15℃의 해수 온도를 포함한다. 많은 상황에서, 매우 제한된 이용가능한 공간으로 인해 기존 선박 선상에 치수 초과된 스크러버 시스템을 새로 장착하는 것은 심지어 불가능할 것이다.
WO 2007/054615에는 해양 용도에 적용가능한 해수 스크러버 시스템이 기재되어 있다. 이 선행 기술에 따라, 해수를 역삼투에 의해 농축시킴으로써 스크러버에서 필요한 해수의 양을 감소시키는 것이 제안되었다. 또한 역삼투에 의해 생성된 담수가 엔진에서의 NOx 감소에 또는 선상에서의 다른 목적에 적용될 수 있다.
WO 2008/015487에는 해양 용도에 적용가능한 담수 스크러버 시스템이 기재되어 있다. 이 선행 기술에 따라, 미립자 물질 제거 효율을 향상시키고 스크러버 후에 배기 가스 재가열의 필요성을 피하는 것을 목적으로 한 특수 디자인된 응축 스크러버가 개시되었다.
EP 1857169 A1에도 해양 용도에 적용가능한 담수 스크러버 시스템이 기재되어 있다. 일 실시양태에서는, 2 구역 스크러버가 제안되었다. 제1 구역은 황 제거를 위한 것이고, 제2 구역은 응축을 위한 것이며, 이로써 전체 물 소비가 감소된다. 이 경우, 두 구역 모두 가성 소다의 첨가와 함께 담수 상에서 작동된다. 또한 US 5657630 A에는 나중의 응축 단계에서 청정 담수를 생성하는 방안이 제안되고 개시되었다.
WO 2010/027938 A2에는 육상 플랜트, 특히 금속 제련 작업으로부터의 연도 가스를 정화시키도록 의도된 스크러버가 기재되어 있다. 스크러버는 2 단계로 이루어지고, 여기서 제1 황 제거 단계는 해수 상에서 작업되고, 제2 물 응축 단계는 담수 생성을 위한 것이다.
또한, 습식 스크러버는 알보르그 인더스트리즈(Aalborg Industries) A/S (2011년 5월 이후로는 알파 라발 알보르그(Alfa Laval Aalborg) A/S)에 의해 선상에 설치되었고, 이는 2010년 6월 이후로 작동되어 왔다. 이 스크러버는 선박 주 엔진 이후에 설치된 세계 최초의 스크러버이다 (21 MW MAN 2-스트로크). 스크러버는, 이것이 해수 모드에서 또는 담수 모드에서 작동되는 독특한 가능성을 갖기 때문에 하이브리드 스크러버라고 불린다. 스크러버는 또한 2개 구역을 포함한다. 제1 구역에서는, 배기 가스가 냉각되고, 배기 가스에 평행한 하향 유동으로 수중 분무됨으로써 정화된다. 제2 구역에서는, 배기 가스가 하향 분무되는 유수에 대해 역류로 높은 표면 충전 부재를 통해 상향 통과됨으로써 추가로 냉각되고 정화된다. 알보르그 인더스트리즈 원형(proto-type) 스크러버 시스템에 대한 일반적 설명은 여러 학회에서 공개되었다.
알보르그 인더스트리즈 A/S에 의해 설치된 습식 스크러버에서는, 해수 모드로 작동시 제1 제트 분무기 구역에서 효율적인 SO2 제거가 나타났다. 이는, 흡수 반응에 대한 원동력인 기체 상에서의 SO2 농도가 제1 구역에서 비교적 높다는 사실로 설명될 수 있다. 그러나, 제2 흡수 구역에서는, 잔류 SO2를 제거하고 0.1% 황 당량 (SEQ)에 대한 가장 엄격한 법제에 따르기 위해 다량의 해수가 필수적이다. 알보르그 인더스트리즈 A/S에 의해 제조된 설비 이용시, 스크러버 후의 황 방출은, 엔진이 전부하 (21 MW)로 작동시, 또한 두 구역 모두에 대한 해수 공급 펌프가 최대 (1000 m3/h)로 작동시, 통상적으로 0.1 내지 0.3% SEQ이다.
담수 모드에서는, 엄격한 0.1% SEQ 제한을 따르는 것이 문제가 되지 않는다. 청정 담수에서 개시시 불량한 SO2 흡수 효율이 나타났지만, 물이 대략 10 내지 30분 동안 재순환된 경우 효율이 상당히 증가한다. 이는, 또한 빠른 반응 중탄산염 완충제가 물 중에 축적된다는 사실에 의해 설명될 수 있다. SO2 이외에 또한 이산화탄소, CO2가 엔진 배기 가스로부터 흡수된다. 이 CO2 또한 첨가된 가성 소다와 반응할 것이다.
CO2(g) + OH- → HCO3 - (9)
대부분의 물이 스크러버로 다시 순환되기 때문에, 형성된 중탄산염 (HCO3 -)은 SO2와 반응할 또 다른 기회를 가질 것이다.
SO2(g) + HCO3 - → HSO3 - + CO2(g) (10)
이로써, 특정 시간의 작업 후, 이렇게 순환된 물 중에 중탄산염 완충제가 축적될 것이다. 이 중탄산염 완충제는 전체적인 SO2 흡수 공정 동안 액체가 높은 pH를 유지하게 하고, 이로써 전체적 SO2 흡수 효율이 향상될 것이다.
실제로, 일부 해수가 담수 시스템으로 도입되기 때문에 또는 오염된 담수가 바다로 배출되기 때문에, 갑자기 해수 모드로부터 담수 모드로 전환하는 것은 어려운 것으로 나타났다.
본 발명의 목적은, 선박 엔진 또는 선박 보일러로부터의 SO2의 제거를 위한 개선된 방법 및 상응하는 시스템을 제공하는 것이다.
제1 태양에 따라, 선박의 선박 엔진 또는 선박 보일러로부터의 배기 가스로부터 SO2를 제거하는 방법이 제공된다. 방법은, 상기 선박 엔진 또는 선박 보일러로부터의 배기 가스를 제1 스크러버 구역에서 해수로 냉각 및 세척하고, 이어서 이를 제2 스크러버 구역에서 알칼리 화학물질의 첨가와 함께 순환 담수로 세척하며, 세척에 사용되는 순환 담수는 냉각에 사용되는 해수에 비해 더 고온이고, 보다 고온의 담수는 저온 해수와 간접적으로 열 교환되는 것을 특징으로 한다.
하기에서 상세히 설명되는 바와 같이, 담수를 사용하는 제2 스크러버 구역은, 일부 상황 하에서 해수를 사용하는 제1 스크러버 구역에서는 제거하기 어려운 것으로 나타난 최종의 어려운 양의 황 산화물의 제거를 향상시킨다. 이는 제2 스크러버 구역에서의 알칼리 화학물질의 첨가에 의해 이루어진다. 제1 스크러버 구역에서는, 선박 엔진 또는 선박 보일러로부터의 배기 가스가 약 180 내지 250℃로부터 약 45 내지 55℃까지 급속 냉각되면서 동시에 배기 가스 중에 함유된 SO2의 일부가 상기에서 논의된 반응식 (3) 내지 (8)에 따라 해수와 반응함으로써 해수에 의해 "세척 제거"된다. 냉각 동안, 배기 가스의 부피가 감소되어, 제2 스크러버 구역이 달리 요구되는 것보다 더 작은 치수를 가질 수 있게 한다. 이는 설비를 새로 장착하는 것을 용이하게 한다. 이렇게 부분적으로 세척된 배기 가스는 제2 스크러버 구역을 통과하면서 추가로 세척된다. 제2 스크러버 구역에서는, SO2가 상기 반응식 (2)에 따라 알칼리 화학물질과 반응함으로써 SO2가 배기 가스로부터 제거된다. 미립자 물질, 예컨대 그을음, 오일 및 중금속이 담수에 의해 세척 제거된다.
제2 스크러버 구역을 통과하는 동안, 중탄산염 완충제가 순환 담수 중에 생성되어, 순환 담수가 전체 제2 스크러버 구역에서 5.5 초과의 pH를 유지할 수 있게 하고, 이로써 전체적 SO2 흡수 효율이 향상될 수 있다. 중탄산염과 SO2 사이의 반응을 설명하는 상기에 제공된 반응식 (10)을 참조한다.
제2 담수 구역에서 가능한 한 많은 물을 응축시키기 위해, 순환 담수를 제1 구역에 공급된 저온 해수와 열 교환한다. 열 교환에 사용되는 저온 해수는 제1 스크러버 구역에 공급된 것과 동일한 해수이거나 이러한 특별한 목적을 위해 제공된 별도의 저온 해수 공급물일 수 있다. 열 교환기에 공급된 저온 해수의 온도는 주변 해수의 온도와 가까울 것이며, 따라서 항상 순환 담수보다 더 저온일 것이다. 제2 스크러버 구역에서의 물의 냉각 및 응축의 주요 이점은, 대기에 대한 정화된 배기 가스 중의 수증기 함량 감소이고, 이로써 플룸 가시성이 감소되고, 이로써 스크러버 시스템에 대한 담수의 전체적 소비가 감소되거나 최종적 물 생성으로 전환된다. 스크러버 구역 둘 다에 순환 담수가 공급된 경우에는, 냉각을 위해 훨씬 더 많은 해수 유량이 요구되었고, 이러한 해수는 스크러빙 공정에 사용되지 않고 바로 다시 배출되었을 것이다.
보다 고온의 담수는 저온 해수와 간접적으로 열 교환된다. 간접적 열 교환이란, 두 유체의 상호혼합이 일어나지 않음을 의미한다. 고온의 해수는 해수 모드 작업 동안 저온 해수에 비해 SO2 제거에 있어 약간 더 효율적인 것으로 나타났다. 실험에서는, 16℃의 온도를 갖는 해수 사용시 약 94% SO2 제거 효율이 얻어지지만, 해수 온도가 약 8℃까지 감소하는 경우 이것이 약 90%까지 감소되는 것으로 나타났다. 놀랍게도, 이러한 결과는 당업자가 예상한 것과 반대되는 것이다 (예를 들어 문헌 [Andresen A., Mayer S. "Use of Seawater Scrubbing for SO2 removal from Marine Engine Exhaust Gas", Energy & Fuels 21 (6), 2007]). 통상적으로, 전체적 SO2 흡수 효율은 기체로부터 액체 상으로의 흡수율에 의해 조절된다 (액체 내에서의 반응은 순간적으로 일어난다고 간주됨). 따라서, 흡수 효율은 통상적으로 낮은 증기압 및 그에 따른 저온에 의해 향상된다. 그러나, 이러한 경우, 스크러버 내에서의 액체의 매우 제한된 체류 시간과, 또한 겨울 기간에 매우 저온인 해수에 의해, 전체적 흡수 효율은 더이상 단지 기체-액체 상 흡수에 의해 조절되지 않고, 화학 반응에 의해서도 조절된다 (액체 해수에서 일어나야 하는 반응식 (3) 내지 (8) 참조). 나중의 화학 반응 속도는 온도 감소에 따라 감소한다.
제2 스크러버 구역에서 순환 담수로 배기 가스를 계속적으로 세척하는 동안, 제1 스크러버 구역으로의 해수 공급이 일시적으로 중단되거나 감소될 수 있다.
방법은, 제1 스크러버 구역에서 세척된 배기 가스를 제2 스크러버 구역에서 순환 담수로 세척하기 전에 데미스터 유닛으로 통과시킴으로써 해수 액적 및 해수 염이 제2 스크러버 구역으로 도입되는 것을 막는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 데미스터 유닛은, 탈염 효과로 인해, 제2 스크러버 시스템의 순환 담수에 대한 담수의 첨가를 제공할 수 있다. 이는, 담수가 통상 선상에서 희소 물품이기 때문에 유리하다.
방법은, 순환 담수를 배출시키기 전에 물 정화 유닛에서 정화시키는 단계를 추가로 포함할 수 있다. SO2 이외에, 또한 미립자 물질, 예컨대 그을음 입자, 오일 및 중금속이 물 중에 흡수된다. 물 정화 유닛은 제2 스크러버를 통한 추가 순환 전에 담수를 정화시킬 수 있다. 이는 또한, 물 배출 기준에 대한 관련 법제에 따르도록 배출 전에 담수를 정화시킬 수 있다. 물 정화 유닛으로부터의 미립자 물질을 포함하는 슬러지가 선상에서 수집되어, 선박이 입항 중일 때 적절한 설비에 배치될 수 있다. 물 정화 유닛은 예를 들어 원심분리기 또는 필터일 수 있다. 그러나, 다른 물 정화 방법이 적용가능함을 이해하여야 한다. 그러나, 해수의 유량이 매우 높기 때문에, 단지 담수 모드에서 배출수를 정화시키는 것이 가능하다. 전형적으로 해수 모드에서는 배출 유량이 약 50 m3/MWh이지만, 담수 모드에서는 전형적으로 단지 0.05 내지 0.5 m3/MWh이다.
알칼리 화학물질은 수산화나트륨 (NaOH), 탄산나트륨 (Na2CO3) 또는 중탄산나트륨 (NaHCO3)일 수 있다. 이들은 적합한 알칼리 화학물질의 비제한적 예임을 이해하여야 한다.
본 발명의 제2 태양에 따라, 선박의 선박 엔진 또는 선박 보일러로부터의 배기 가스로부터 SO2를 제거하기 위한 스크러버 시스템이 제공된다. 스크러버 시스템은 열 교환기 및 제2 스크러버 구역과 소통되도록 배열된 제1 스크러버 구역을 포함하며, 상기 선박 엔진 또는 선박 보일러로부터의 배기 가스는 제1 스크러버 구역에 공급되어 제1 스크러버 구역에 공급되는 해수로 냉각 및 세척되도록 배열되고, 이렇게 세척 및 냉각된 배기 가스는 제2 스크러버 구역에 공급되어 제2 스크러버 구역에 공급되는 알칼리 화학물질의 첨가와 함께 순환 담수로 세척되도록 배열되며, 세척에 사용되는 순환 담수는 냉각에 사용되는 해수에 비해 더 고온이고, 보다 고온인 담수는 열 교환기에 의해 저온 해수와 간접적으로 열 교환되도록 배열된다. 시스템은 상기에 논의된 방법에서와 본질적으로 동일한 특징을 포함한다. 이점과 관련한 불필요한 반복을 피하기 위해, 방법을 논의한 부분을 참조한다.
스크러버 시스템은 복수의 밸브를 추가로 포함할 수 있고, 이로써, 제2 스크러버 구역에서 순환 담수로 배기 가스를 계속적으로 세척하는 동안 상기 밸브에 의해 제1 스크러버 구역으로의 해수 공급이 일시적으로 중단되거나 감소될 수 있다.
스크러버 시스템은 제1 스크러버 구역의 출구와 제2 스크러버 구역의 입구 사이에 배열된 데미스터 유닛을 추가로 포함할 수 있다. 데미스터 유닛에 의해, 해수로부터의 염 입자가 배기 가스와 함께 제2 스크러버 구역으로 도입되는 것이 방지된다.
본 발명의 다른 목적, 특징, 태양 및 이점은 하기 상세한 설명과 도면으로부터 명백해질 것이다.
본 발명은, 첨부된 도면과 함께, 본 발명의 일 실시양태에 대한 하기 상세한 설명을 참조로 하여 보다 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시양태에 따른 스크러버 시스템을 나타낸다.
하기에서, 본 발명에 따른 스크러버 시스템의 일 실시양태를 도 1을 참조로 하여 논의할 것이다.
스크러버 시스템은 제1 스크러버 구역 (2) 및 제2 스크러버 구역 (4)을 포함하는 스크러버를 기초로 한다. 데미스터 유닛 (3)이 제1 스크러버 구역 (2)의 출구와 제2 스크러버 구역 (4)의 입구 사이에 배열된다. 비제한적 예로, 제1 스크러버 구역 (2)은 당업계에 널리 공지되어 있는 분무기 유형의 스크러버 구역일 수 있고, 제2 스크러버 구역 (4)은 또한 당업계에 널리 공지되어 있는 충전층형 스크러버 구역일 수 있다. 그러나, 다른 유형의 스크러버 구역 또는 스크러버 시스템이 가능하고, 본 발명은 이들 예로 제한되어선 안됨을 이해하여야 한다. 또한, 스크러버 구역은, 하나의 스크러버 구역이 제공할 수 있는 것과 동일한 전체 기능성을 함께 제공하는 연속된 여러 단계로 이루어질 수 있음을 이해하여야 한다. 스크러버 구역의 의도된 기능성은 하기 설명의 문맥으로부터 이해될 것이다.
제1 스크러버 구역 (2)은 선박의 선박 엔진 또는 선박 보일러 (개시되지 않음)와 소통되어 그로부터 배기 가스 (1)를 수용하도록 배열된다. 선박 엔진 또는 선박 보일러로부터 수용된 배기 가스 (1)는 제1 스크러버 구역 (2)의 상단에서 제1 스크러버 구역 (2)으로 공급되어 해수 유동으로 세척된다. 제1 스크러버 구역 (2)에는 노즐 (32)을 통해 본질적으로 제1 스크러버 구역 (2)의 탑정에서 제1 스크러버 구역 (2)으로 도입되는 해수가 공급된다. 해수 (16)는 바다로부터 직접 공급될 수 있다. 통상적 작업 하에, 제1 스크러버 구역 (2)의 하단으로부터 나오는 모든 해수는 탈기 유닛 (7)을 통과하고 밸브 (21)를 통해 배출된다. 탈기 유닛 (7)에서는, 임의의 잔류 기포가 제거된다.
제1 스크러버 구역 (2)의 주요 목적은, 선박 엔진 또는 선박 보일러로부터 수용된 배기 가스의 온도를 약 180 내지 250℃의 온도로부터 약 45 내지 60℃의 온도 범위까지 급속히 감소시키는 것이다. 감소된 온도에 의해, 배기 가스의 부피가 감소하고, 이로써 제2 스크러버 구역 (4) (하기에서 설명됨)에 보다 작은 치수가 제공될 수 있다. 제1 스크러버 구역 (2)에서의 세척 동안, SO2의 제거가 또한 일어나고, 이로써 제2 스크러버 구역 (4)에서 알칼리 화학물질의 소비가 감소된다. 세척 공정은 기체와 액체 사이의 혼합 또는 접촉이다. 해수가 정화되지 않고 직접 배출됨에 따라, 분무기 유형의 스크러버가 제1 스크러버 구역 (2)에 적용될 수 있다. 여기서, 해수 액적 크기 및 기체 및 액체의 유체 유동이 가능한 한 많은 이산화황을 여전히 흡수하면서 배기 가스로부터의 그을음 입자의 제거를 감소시키도록 최적화될 수 있다.
이렇게 세척된 배기 가스는 데미스터 유닛 (3)을 통해 제2 스크러버 구역 (4)으로 공급된다. 데미스터 유닛 (3)에서는, 증발된 해수의 액적이 배기 가스로부터 분리되고, 그 후 배기 가스가 제2 스크러버 구역 (4)에서 알칼리 중화제를 함유하는 담수로 다시 세척된다. 보다 정확하게는, 배기 가스가 제2 스크러버 구역 (4)의 하단에 배열된 입구를 통해 제2 스크러버 구역 (4)으로 도입되고, 이는 제2 스크러버 구역 (4)의 상단에서 기체 출구를 통해 나오기 전에, 노즐 (34)을 통해 제2 스크러버 구역 (4)의 상단으로부터 제2 스크러버 구역 (4) 내로 분출된 담수의 역류와 만난다. 제2 스크러버 구역으로부터의 담수는 30 내지 60℃ 범위 내의 온도 (이는 하기에서 제2 온도 범위로서 나타냄)를 갖는다. 담수가 배출되기 전에 그을음 입자에 대해 정화됨에 따라, 바람직하게는, 당업자에게 널리 공지되어 있는 기체 흡수형 및/또는 충돌형 스크러버가 제2 스크러버 구역 (4)에 적용된다. 기체 흡수형 스크러버에서는, 그을음 입자의 제거가 확산에 의해 최적화되고, 이는 큰 표면적 및 긴 접촉 시간을 필요로 한다. 충돌형 스크러버에서는, 그을음 입자가 주로 응축 성장 후 운동 에너지, 즉 높은 물 속도 또는 높은 기체 속도의 이용에 의해 제거된다.
이렇게 정화된 배기 가스가 제2 스크러버 구역 (4)의 상단에서 나올 때, 증발된 담수의 액적이 데미스터 유닛 (5)에서 세척된 배기 가스로부터 분리된다. 이렇게 세척된 청정 배기 가스 (6)이 대기로 방출된다.
제2 스크러버 구역 (4)은 순환 탱크 (9), 물 정화 유닛 (13) 및 열 교환기 (10)를 포함하는 담수 순환 시스템에 연결된다. 보다 정확하게는, 제2 스크러버 구역 (4)의 하단을 통해 나오는 담수는, 저장기로서 사용된 순환 탱크 (9)를 통과한 기포가 제거되도록 탈기 유닛 (8)에서 탈기되고, 이어서 열 교환기 (10)를 통해 펌핑되어 물로부터 그을음 입자 및 가능한 오일 잔류물이 제거된 후 물 정화 유닛 (13)에 공급되고, 이로부터 도면 번호 (14)로 예시된 바와 같이 배출되거나, 순환 탱크 (9)로 다시 공급되거나, 또는 제2 스크러버 구역 (4)으로 다시 공급된다. 담수는, 노즐 (34)을 통해 제2 스크러버 구역 (4) 내로 그의 탑정으로 다시 펌핑되기 전에, 알칼리 화학물질 (11)의 첨가에 의해 중화된다. 알칼리 화학물질은 예를 들어 수산화나트륨 (NaOH), 탄산나트륨 (Na2CO3) 또는 중탄산나트륨 (NaHCO3)일 수 있다. 이들은 적합한 알칼리 화학물질의 비제한적 예임을 이해하여야 한다. 순환수는 알칼리 화학물질의 첨가 후 6 내지 9의 pH를 가져야 한다.
물 정화 유닛 (13)은 제2 스크러버 구역 (4)의 적절한 작동을 위해, 또한 관련 법제 요건에 따르는 정화된 물 (14)의 배출을 위해 순환 담수를 미립자 물질 없이 청정하게 유지할 것이다. 물 정화 유닛은 예를 들어 고속 분리기일 수 있다. 고속 분리기 및 물 정화 유닛은 일반적으로 당업자에게 널리 공지되어 있고, 따라서 추가의 설명은 필요없다. 물 정화 유닛 (13)은 또한 청정 담수가 물 배출에 대한 관련 법제를 따르도록 배출되는 청정 담수 (14)에 대해 배열된다. 물 정화 유닛 (13)에 의해 분리된 물 및 미립자 물질 형태의 슬러지 (15)는 선상에서 조절되고, 선박이 입항 중일 때 적절한 설비에 배치될 수 있다.
열 교환기 (10)에는 제2 스크러버 구역 (4)으로부터의 담수 및 주변 바다로부터의 저온 해수 (16)가 공급된다. 제1 스크러버 구역 (2)에서 사용되는 해수가 또한 사용될 수 있음을 이해하여야 한다. 간접적 열 교환기, 바람직하게는 플레이트형 열 교환기가 적용될 수 있고, 이로써 열이 순환 담수로부터 해수로 이동된다. 용어 간접적 열 교환기는 사용된 두 유체가 서로 직접 접촉되지 않는 열 교환기를 의미한다.
열 교환기 (10)와 제1 스크러버 구역 (2) 사이에 배열된 밸브 (19a)는 통상적 작업 하에서는 모든 해수가 제1 스크러버 구역 (2)으로 도입되도록 개방될 수 있다. 제1 스크러버 구역 (2)을 통과한 후, 해수는 탈기 유닛 (7)에서 탈기된다. 제1 스크러버 구역 (2)으로부터의 해수가 황으로 완전히 포화되지 않은 경우, 또한 스크러버가 해수 수준에 비해 높은 위치에 배치된 경우에는, 그의 일부를 펌프 (22)에 의해 제1 스크러버 구역 (2)의 탑정으로 순환시키는 것이 유리할 것이다. 나머지 부분은 선외 배출 파이프 (18)를 통해 바다로 배출될 수 있다. 탈기 유닛 (7)으로부터 배출되는 해수의 pH 값은, 열 교환기 (10)의 출구를 탈기 유닛 (7)의 출구와 연결하는 파이프에 배열된 밸브 (19b)를 통해 저온 해수의 일부를 공급함으로써 이를 희석시킴으로써 조절될 수 있다. 다르게는, 탈기 유닛 (7)으로부터 배출되는 해수의 pH 값은, 유동 (18)으로서 배출되기 전에 청정 해수 (17)로의 희석에 의해 조절될 수 있다.
탈기 유닛 (7) 및 탈기 유닛 (8)은 제1 및 제2 스크러버 구역 (2), (4)에 연결되고, 이로써 배기 가스 (6)의 유동과 함께 기포가 방출된다. 물리적으로, 탈기 기능부는 제1 및 제2 스크러버 구역 (2), (4) 내에 통합된 부분일 수도 있다. 다르게는, 제2 스크러버 구역 (4), 탈기 유닛 (8) 및 순환 탱크 (9)는 (전형적으로 스크러버의 저부에 액체 저장기를 가짐으로써) 통합된 부분일 수 있다.
스크러버 시스템으로부터 산성화된 물의 배출이 허용되지 않을 수 있는 특정 민감 지역에서는, 밸브 (19a)가 폐쇄될 수 있고, 따라서 제2 스크러버 구역 (4)이 담수 모드로 계속되어야 한다. 제한된 기간 동안 스크러버를 완전한 폐회로 내에서 작동시키기 위해 밸브 (20) 또한 폐쇄될 수 있다. 스크러버 시스템의 내열성에 따라, 소량의 냉각수를 제1 스크러버 구역 (2)에, 또는 (주요 해수류가 이 구역을 우회함에 따라) 또 다른 (개시되지 않음) 냉각 유닛에 첨가하는 것이 필수적일 수 있다. 그러나, 배기 가스로부터 제거된 에너지가 물의 가열 뿐만 아니라 물의 완전한 증발에도 사용되기 때문에, 이는 단지 매우 제한된 양의 물일 것이다. 선상에서 이용가능한 충분한 담수가 존재하는 경우, 이는 바람직하게는 이러한 목적을 위해 적용될 수 있고, 증발되지 않았을 수 있는 부분은 순환 탱크 (9)로 공급될 수 있다. 순수 담수의 이용가능성이 선상에서 제한된 경우, 소량의 해수가 밸브 (19a)를 통과할 수 있게 되고, 제1 스크러버 구역 (2)에서 증발되지 않은 염 농축물이 탈기 유닛 (7)에 축적되거나, 다른 목적을 위해 사용되는 다른 곳에서 축적되거나, 또는 이는 중화되고 정화되고 배출될 수 있다 (도 1에 개시되지 않음).
밸브 (19b)가 개방된 경우, 탈기 유닛 (7)의 출구와 선외 배출 파이프 (18) 사이에 배열된 밸브 (21)가 해수 배출 파이프 중의 공기가 제거되되록 조절되어야 한다. 파이프가 가압 공기 대신에 물로 충전된 경우, 플레이트 열 교환기의 해수 출구에서 흡인력이 생성될 수 있고, 이로써 열 교환기 (10)로의 저온 해수 (16) 공급을 위한 에너지가 최소화된다.
도 1에 나타낸 스크러버 시스템에서의 또 다른 가능성은, 예를 들어 선박이 상이한 염 농도를 갖는 발트해로 항해할 때, 해수 알칼리도 감소를 보상하는 것이다. 이러한 시나리오에서는, 해수 알칼리도가 서서히 감소할 것이고, 상응하게 제2 스크러버 구역 (4)으로의 입구 SO2 농도가 서서히 증가하기 시작할 것이다. 그러나, 이는 입력 신호에 따라 방출되는 세척된 배기 가스 (6) 중 SO2 농도를 얻을 수 있고, 이어서 점차 순환 담수 회로로의 알칼리 화학물질 (11)의 투입을 증가시킬 수 있는 조절기 (30)의 보조 하에 처리된다. 조절기 (30)은, 데미스터 유닛 (5) 후의 제2 스크러버 구역 (4)의 출구에서의 센서 배열 (개시되지 않음)에 의해 배기 가스 (6) 중 SO2 농도에 대한 정보를 수신할 수 있다.
상기 반응식 (9) 및 (10)에 관한 논의를 참조하여, 중탄산염 완충제가 순환수 중에 축적될 수 있다. 이러한 중탄산염 완충제는 액체가 전체 SO2 흡수 공정 동안 높은 pH를 유지하고, 이로써 전체 SO2 흡수 효율이 향상되게 할 것이다. 중탄산염이 존재하지 않는 담수에 의한 스크러빙의 가능한 문제를 해결하기 위해, 또한 보다 간소화된 알칼리 투입의 자동 조절을 수행하기 위해, 담수가 교환될 예정인 경우, 20% 이상의 "오래된" 순환수가 시스템 내에 남아있어야 한다. 담수는 이것이 나트륨 염으로 포화되기 전에 교환되어야 한다. 황산나트륨 염을 함유하는 담수의 나머지 80%는 배출될 수 있다. 배출은 수처리 시스템에 의해 수행될 수 있다. 이렇게 방출된 탱크 부피는 청정 담수로 재충전될 수 있다. 20% 이상의 오래된 물이 유지되기 때문에, 물 중 중탄산염 완충제를 갖지 않는 청정 담수 상에서의 개시가 회피된다. 바람직하게는 가능한 공동 공간, 즉 언급된 순환 탱크 내의 액체 수준 초과의 공간 내의 CO2 수준은 중탄산염 완충제의 분해를 막기 위해 가능한 한 높게 유지되어야 한다. 실제로 이는, 순환 탱크를 배기 가스 배관 시스템에 연결함으로써 수행될 수 있다. 이러한 방식으로, 순환 탱크 내의 물로부터 방출된 또한 가능한 기체가 대기로 방출되기 전에 기존 기체 분석기에 의해 스크러빙되고 모니터링될 수 있다.
또한, 도시된 스크러버 시스템으로부터의 이점은, 통상적 작업 동안 담수 소비가 없을 수 있다는 것이다. 선박 엔진 또는 선박 보일러로부터의 배기 가스는 전형적으로 180 내지 250℃의 온도로 제1 스크러버 구역 (2)에 도입되고, 이어서 제1 스크러버 구역 (2)으로 주입된 해수에 의해 냉각될 수 있다. 이로써 다량의 해수가 기체 상으로 증발됨으로써 기체가 데미스터 유닛 (3)으로의 입구에서 수증기로 점점 포화된다. 이 물은 제2 스크러버 구역 (4)에서 응축되어 순환 담수의 부피에 첨가될 것이다. 응축되는 담수의 양은 열 교환기 (10)의 효율에 따라 증가할 것이다. 이 담수는 세척된 배기 가스 (6)로의 담수의 손실 및 정화 유닛 (13)을 통해 배출되는 황산염 함유 담수 (14)에 대해 처리될 것이다. 열 교환기 (10)의 효율이 불충분한 경우, 또는 제1 스크러버 구역 (2)에 대해 보다 저온의 해수 온도가 요구되는 경우, 순환 담수의 추가의 냉각을 위한 수단이 설치될 수 있다.
데미스터 유닛 (3)의 주요 목적은 제1 스크러버 구역 (2)으로부터 담수에 의해 작동되는 제2 스크러버 구역 (4)으로의 해수 액적의 이동을 피하는 것이다. 데미스터 유닛 (3)을 미립자 물질, 예컨대 그을음, 오일 및 중금속 없이 청정하게 유지하기 위해 정화수 (3a)가 첨가될 수 있다. 정화수 (3a) 뿐만 아니라 데미스터 유닛 (3)에서 분리된 해수 액적은 출구 (3b)를 통해 배출될 수 있다. 이 물 (3b)은, 양 및 조성에 따라, 선외 배출 파이프 (18)를 통해 배출되는 해수 또는 순환 담수와 혼합될 수 있다 (개시되지 않음). 전체적으로 데미스터 유닛 (3)은 낮은 기체 압력 강하 및 높은 액적 분리 효율을 갖도록 최적화되어야 한다. 배기 가스를 제1 스크러버 구역 (2)으로부터 제2 스크러버 구역 (4)으로 안내하기 위해, 또한 특히 제2 스크러버 구역 (4)의 입구에서 배기 가스를 분포시키기 위해 날개 (개시되지 않음)가 데미스터 유닛 (3)의 액적 분리 기능부와 통합될 수 있음을 이해하여야 한다.
상기 설명으로부터, 본 발명의 다양한 실시양태가 기재되고 나타나 있지만, 본 발명은 이들로 제한되지 않으며, 하기 특허청구범위에서 정의된 청구 대상의 범위 내에서 다른 방식으로 구현될 수도 있다.

Claims (8)

  1. 선박의 선박 엔진 또는 선박 보일러로부터의 배기 가스를 제1 스크러버 구역 (2)에서 해수로 냉각 및 세척하고, 이어서 이를 제2 스크러버 구역 (4)에서 알칼리 화학물질 (11)의 첨가와 함께 순환 담수로 세척하며, 세척에 사용되는 순환 담수는 냉각에 사용되는 해수에 비해 더 고온이고, 보다 고온의 담수는 저온 해수와 간접적으로 열 교환되는 것을 특징으로 하는, 선박의 선박 엔진 또는 선박 보일러로부터의 배기 가스로부터 SO2를 제거하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 제2 스크러버 구역 (4)에서의 순환 담수로 배기 가스 세척을 계속하면서, 제1 스크러버 구역 (2)으로의 해수 공급을 일시적으로 중단시키거나 감소시키는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 제1 스크러버 구역 (2)에서 세척된 배기 가스를 제2 스크러버 구역 (4)에서 순환 담수로 세척하기 전에 데미스터 유닛 (3)으로 통과시킴으로써 해수 액적 및 해수 염이 제2 스크러버 구역 (4)으로 도입되는 것을 막는 단계를 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 순환 담수를 배출시키기 전에 물 정화 유닛 (13)에서 정화시키는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서, 알칼리 화학물질이 수산화나트륨 (NaOH), 탄산나트륨 (Na2CO3) 또는 중탄산나트륨 (NaHCO3)인 방법.
  6. 열 교환기 (10) 및 제2 스크러버 구역 (4)과 소통되도록 배열된 제1 스크러버 구역 (2)을 포함하며, 선박의 선박 엔진 또는 선박 보일러로부터의 배기 가스는 제1 스크러버 구역 (2)에 공급되어 제1 스크러버 구역 (2)에 공급되는 해수로 냉각 및 세척되도록 배열되고, 이렇게 세척 및 냉각된 배기 가스는 제2 스크러버 구역 (4)에 공급되어 제2 스크러버 구역 (4)에 공급되는 알칼리 화학물질 (11)의 첨가와 함께 순환 담수로 세척되도록 배열되며, 세척에 사용되는 순환 담수는 냉각에 사용되는 해수에 비해 더 고온이고, 보다 고온인 담수는 열 교환기에 의해 저온 해수와 간접적으로 열 교환되도록 배열되는 것을 특징으로 하는, 선박의 선박 엔진 또는 선박 보일러로부터의 배기 가스로부터 SO2를 제거하기 위한 스크러버 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 복수의 밸브 (19a, 19b)를 추가로 포함하고, 제2 스크러버 구역 (4)에서 순환 담수로 배기 가스를 계속적으로 세척하는 동안 상기 밸브에 의해 제1 스크러버 구역 (2)으로의 해수 공급이 일시적으로 중단되거나 감소될 수 있는 스크러버 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 제1 스크러버 구역 (2)의 출구와 제2 스크러버 구역 (4)의 입구 사이에 배열된 데미스터 유닛 (3)을 추가로 포함하는 스크러버 시스템.
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