KR20150045133A - 휘발성 유기 화합물 저감 장치 - Google Patents

휘발성 유기 화합물 저감 장치 Download PDF

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Abstract

휘발성 유기 화합물 저감 장치가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 저감 장치는, 선박 내 저장 탱크; 및 상기 저장 탱크에서 발생되는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 수증기와 개질 반응시켜 메탄을 생성하는 개질 반응기를 포함한다.

Description

휘발성 유기 화합물 저감 장치{APPARATUS FOR REDUCING VOLATILE ORGANIC COMPOUNDS}
본 발명은 휘발성 유기 화합물 저감 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수증기 개질법(Steam Reforming)을 이용하여 휘발성 유기 화합물(VOC)을 저감하기 위한 휘발성 유기 화합물 저감 장치에 관한 것이다.
최근 들어 전세계적 차원에서 환경 오염에 대한 관심과 우려가 높아지면서 대기 및 해양 오염에 대한 관심 또한 높아지고 있다. 이러한 세계적 추세에 따라 유조선 등에서 배출되는 휘발성 유기 화합물(VOC; Volatile Organic Compounds)를 의무적으로 규제하고자 하는 움직임도 활발히 진행되고 있다.
휘발성 유기 화합물(VOC)은 액체 또는 기체상의 휘발성을 가진 유기 화합물로서, 증기압이 높아 대기 중으로 쉽게 증발되며 대기 중에서 질소 산화물과 공존하면 햇빛의 작용으로 광화학 반응을 일으켜 오존 및 팬(PAN:퍼옥시아세틸 나이트레이트) 등 광화학 산화성 물질을 생성시켜 광화학 스모그를 유발한다. VOC는 대기 오염 물질일 뿐만 아니라 발암성을 지닌 독성 화학 물질이며, 광화학 산화물의 전구 물질로 지구 온난화의 원인 물질인바, 환경과 인체에 큰 영향을 끼치므로 대부분의 국가들이 배출을 줄이기 위하여 정책적으로 규제하고 있다.
일반적으로, 원유(Crude Oil)는 생산지에서 채굴된 후 원유 운반선에 의해 목적지까지 원거리에 걸쳐 수송된다. 원유 운반선의 저장 탱크의 경우, 원유의 선적 중에 또는 원유를 수송하는 도중에 원유가 지속적으로 기화되어 원유 저장 탱크 내에 VOC가 발생한다. 이렇게 원유 저장 탱크 내에 VOC가 발생하면, 원유 저장탱크의 압력이 상승하여 위험하게 된다.
기존의 CRUDE OIL TANKER, OIL FPSO, LNG FPSO 의 경우, 카고 탱크(cargo tank)내 일정한 압력 이상이 발생하면 벤트 파이프 라인(Vent pipe line)을 거쳐 Flaring되거나 Vent되도록 설계되어 있다. 즉, 종래에는 카고 탱크의 압력을 안전한 상태로 유지하기 위해서 카고 탱크에서 발생된 VOC를 대기 중으로 배출했다. 이렇게 VOC를 대기중으로 배출하면, 환경을 오염시키는 문제점이 있을 뿐만 아니라 에너지의 손실을 야기하는 문제점이 있다. 또한, VOC의 배출은 환경 문제를 야기할 뿐만 아니라, 그 손실로 인한 금전적 손해도 상당하다.
그러므로, 선박의 원유 운송시에 탱크에서 발생하는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 줄일 필요가 있다.
한국공개특허 제2013-0016479호 (2013.02.18. 공개)
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수증기 개질법(Steam Reforming)을 이용하여 휘발성 유기 화합물(VOC)을 저감하기 위한 휘발성 유기 화합물 저감 장치를 제공하는 것이다.
또한, 수증기 개질법(Steam Reforming)을 이용하여 휘발성 유기 화합물(VOC)을 저감하는 과정에서 생성되는 메탄을 연료로 사용 가능한 휘발성 유기 화합물 저감 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 저감 장치는, 선박 내 저장 탱크; 및 상기 저장 탱크에서 발생되는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 수증기와 개질 반응시켜 메탄을 생성하는 개질 반응기를 포함한다.
상기 휘발성 유기 화합물 저감 장치는, 상기 개질 반응기에서 생성된 메탄을 연료로 사용하는 연소기를 더 포함한다.
상기 저장 탱크는, 오일 또는 액화가스를 저장할 수 있다.
상기 휘발성 유기 화합물 저감 장치는, 수증기를 공급하는 수증기 공급기를 더 포함할 수 있다.
상기 수증기 공급기는, 온도가 300~400℃이고, 압력이 5~10bar의 상태로 수증기를 공급할 수 있다.
상기 개질 반응기는, 상기 휘발성 유기 화합물과 상기 수증기의 반응을 통해 수소, 일산화탄소, 이산화탄소를 생성하는 제1 반응부, 및 상기 제1 반응부에서 생성된 상기 수소와 상기 일산화탄소의 반응을 통해 메탄, 물을 생성하는 제2 반응부를 포함할 수 있다.
상기 개질 반응기는, 상기 제1 반응부에서 생성된 이산화탄소 및 상기 제2 반응부에서 생성되는 물을 외부로 배출하는 배출부를 포함할 수 있다.
상기 개질 반응기는, 상기 메탄을 냉각하는 냉각부 및 상기 메탄의 냉각 과정에서 생성되는 탄화수소를 상기 저장 탱크로 공급하는 공급부를 포함할 수 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 저감 장치는, 선박 내 저장 탱크에서 개질 반응이 일어나는 개질 반응기로 휘발성 유기 화합물(VOC)을 공급하는 VOC 이송관; 상기 개질 반응기로 수증기를 공급하는 수증기 이송관; 상기 개질 반응기에서 생성된 메탄을 연료로 공급하는 메탄 이송관; 및 상기 개질 반응기에서 생성된 물 및 이산화탄소를 외부로 배출하는 배출관을 포함한다.
상기 휘발성 유기 화합물 저감 장치는, 상기 메탄을 냉각하는 과정에서 생성되는 탄화수소를 상기 저장 탱크로 회수하는 회수관을 더 포함할 수 있다.
상기 수증기 이송관은, 상기 선박에 설치된 보일러를 이용하여 300~400℃의 온도 및 5~10bar의 압력으로 수증기를 상기 개질 반응기에 공급할 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명에 따르면, 수증기 개질법(Steam Reforming)을 이용하여 선박의 저장 탱크에서 발생하는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 줄일 수 있다.
또한, 수증기 개질법(Steam Reforming)을 이용하여 휘발성 유기 화합물(VOC)을 저감하는 과정에서 생성되는 메탄을 선박의 엔진(engine)이나 제너레이터(generator) 등의 연료로 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 저감 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 휘발성 유기 화합물 저감 장치의 개질 반응기의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 저감 장치의 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 따라 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 저감 장치의 구성도이다. 또한, 도 2는 도 1의 휘발성 유기 화합물 저감 장치의 개질 반응기의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 저감 장치는, 저장 탱크(10), 개질 반응기(20), 연소기(30)를 포함한다. 또한, 상기 휘발성 유기 화합물 저감 장치는, 수증기 공급기(40)를 더 포함한다.
저장 탱크(10)는 선박에 설치되어, 오일(oil) 또는 액화가스(liquid gas)를 저장하는 역할을 한다. 이러한 저장 탱크(10)는 액상 화물(5)을 적재(loading)하기 위한 배관들(미도시)을 구비할 수 있다.
개질 반응기(20)는 저장 탱크(10)에서 발생되는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 수증기(steam)와 개질 반응시켜 메탄(CH4)을 생성한다. 일반적인, 수증기 개질기(Steam reformer)는 하이드로 카본(Hydro Carbon)과 추가로 공급되는 물로 화학반응을 일으켜 수소를 생산하는 장치로서, 다양한 수소 생산 장치 중의 하나인데, 이러한 수증기 개질법을 이용하여 휘발성 유기 화합물(VOC)을 수증기(Steam)와 개질 반응시키는 것이다. 개질 반응기(20)의 구체적 구성에 대해서는 후술하여 살펴 보도록 한다.
연소기(30)는 개질 반응기(20)에서 생성된 메탄(Methane)을 연료로 사용한다. 예를 들어, 연료를 필요로 하는 가스 연료 엔진(Gas fueled engine)이나 제너레이터(Generator)를 통해 메탄(CH4)을 소모할 수 있다.
수증기 공급기(40)는 고온의 수증기(Steam)를 개질 반응기(20)에 공급한다. 예를 들어, 수증기 공급기(40)는 온도가 200~500℃이고, 압력이 5~10bar의 상태로 수증기를 공급할 수 있다. 더 바람직하게는, 수증기 공급기(40)는 온도가 300~400℃이고, 압력이 7bar의 상태로 수증기를 공급할 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 저장 탱크(10)에 액상 화물(5)을 적재(loading)하면, 휘발성 유기 화합물(VOC)이 발생하고, 이러한 휘발성 유기 화합물을 개질 반응기(20)로 보내 수증기(Steam)와 개질 반응시켜 메탄(CH4)을 얻어 선박의 연료로 사용하고, 부수물인 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)을 외부로 배출하고, 하이드로 카본(Hydro Carbon)은 다시 저장 탱크(10)로 돌려 보내게 된다.
이러한 개질 반응기(20)에서의 수증기 개질(Steam reforming)의 반응 단계는 다음과 같이 도식화할 수 있다.
① CnHm + n(H2O) ↔ (n+m/2)H2 +n(CO)
② H2O + CO ↔ H2 + CO2
③ CO + 3(H2) ↔ CH4 + H2O
여기에서, 상기 n, m은 임의의 자연수를 의미한다.
도 2를 참조하면, 개질 반응기(20)는, 제1 반응부(201), 제2 반응부(203), 배출부(205), 냉각부(207), 공급부(209)를 포함할 수 있다.
제1 반응부(201)는 휘발성 유기 화합물(VOC)과 수증기(Steam)의 반응을 통해 수소(H2), 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2)를 생성한다. 즉, 상기 수증기 개질(Steam reforming)의 반응 단계에서 상기 ①, ②가 제1 반응부(201)에서 이루어진다. 상기 ①, ②에서 생성되는 수소(H2)와 일산화탄소(CO)는 제2 반응부(203)로 제공되고, 이산화탄소(CO2)는 배출부(205)에 의해 배출된다.
제2 반응부(203)는 제1 반응부(201)에서 생성된 수소(H2)와 일산화탄소(CO)의 반응을 통해 메탄(CH4), 물(H2O)을 생성한다. 즉, 상기 수증기 개질(Steam reforming)의 반응 단계에서 상기 ③이 제2 반응부(203)에서 이루어진다. 상기 ③에서 생성되는 메탄(CH4)은 냉각부(207)로 제공되고, 물(H2O)은 배출부(205)에 의해 배출된다.
배출부(205)는, 상술한 바와 같이, 제1 반응부(201)에서 생성된 이산화탄소 및 제2 반응부(203)에서 생성되는 물을 외부로 배출한다. 특히, 배출부(205)를 통해 배출되는 물은 선박에서 다시 재사용될 수 있다.
냉각부(207)는 제2 반응부(203)로부터 전달되는 메탄(CH4)을 냉각한다. 메탄(CH4)은 실온에서 기체 상태이며, 이러한 기체 상태의 메탄을 바로 연료로 사용할 수도 있으나, 메탄(CH4)을 액화하여 액체 상태의 메탄을 연료로 사용하거나 액체 상태의 메탄을 따로 보관할 수도 있다.
공급부(209)는 메탄의 냉각 과정에서 생성되는 탄화수소(Hydro Carbon)를 저장 탱크(10)로 다시 공급한다. 즉, 메탄을 제외한 부산물인 탄화수소(Hydro Carbon)를 저장 탱크(10)로 돌려 보내 다시 이용할 수 있다.
그러므로, 본 발명의 일 실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 저감 장치를 통해, 고온의 수증기(Steam)을 이용하여 휘발성 유기 화합물(VOC)의 배출을 조절할 수 있다. 특히, 선박에 설치된 보일러(e.g., Super steamed boiler)를 이용하여 고온의 수증기(Steam)을 얻을 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 저감 장치의 구성도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 휘발성 유기 화합물 저감 장치는, 선박 내 저장 탱크(10)에서 개질 반응이 일어나는 개질 반응기(20)로 휘발성 유기 화합물(VOC)을 공급하는 VOC 이송관(110), 상기 개질 반응기(20)로 수증기(Steam)를 공급하는 수증기 이송관(120), 상기 개질 반응기(20)에서 생성된 메탄(CH4)을 연료로 공급하는 메탄 이송관(130), 및 상기 개질 반응기(20)에서 생성된 물(H2O) 및 이산화탄소(CO2)를 외부로 배출하는 배출관(140)을 포함한다. 또한, 상기 휘발성 유기 화합물 저감 장치는, 메탄(CH4)을 냉각하는 과정에서 생성되는 탄화수소(Hydro Carbon)를 개질 반응기(20)에서 저장 탱크(10)로 회수하는 회수관(150)을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 저장 탱크(10)로 오일(Oil)이나 액화 가스(Gas) 등의 액상 화물(5)을 적재배관(105)을 통해 적재(loading)하는 경우, 휘발성 유기 화합물(VOC)이 발생하며, 이러한 휘발성 유기 화합물(VOC)을 VOC 이송관(110)을 통해 개질 반응기(20)로 이송하여, 수증기 이송관(120)을 통해 개질 반응기(20)로 공급된 수증기(Steam)와 개질 반응시켜, 연료로 사용할 수 있는 메탄(CH4)과, 부산물들인 물(H2O) 및 이산화탄소(CO2)를 얻게 된다. 메탄(CH4)은 메탄 이송관(130)을 통해 선박 엔진 등의 연료로 공급하고, 물(H2O) 및 이산화탄소(CO2)는 배출관(140)을 통해 배출한다. 또한, 메탄(CH4)을 냉각하는 과정에서 생성되는 부산물인 탄화수소(Hydro Carbon)를 회수관(150)을 통해 저장 탱크(10)로 돌려 보내 다시 이용할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 저장 탱크 20: 개질 반응기
30: 연소기 40: 수증기 공급기
110: VOC 이송관 120: 수증기 이송관
130: 메탄 이송관 140: 배출관
150: 회수관

Claims (11)

  1. 선박 내 저장 탱크; 및
    상기 저장 탱크에서 발생되는 휘발성 유기 화합물(VOC)을 수증기와 개질 반응시켜 메탄을 생성하는 개질 반응기를 포함하는 휘발성 유기 화합물 저감 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 개질 반응기에서 생성된 메탄을 연료로 사용하는 연소기를 더 포함하는, 휘발성 유기 화합물 저감 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 저장 탱크는, 오일 또는 액화가스를 저장하는, 휘발성 유기 화합물 저감 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 수증기를 공급하는 수증기 공급기를 더 포함하는, 휘발성 유기 화합물 저감 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 수증기 공급기는, 온도가 300~400℃이고, 압력이 5~10bar의 상태로 수증기를 공급하는, 휘발성 유기 화합물 저감 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 개질 반응기는, 상기 휘발성 유기 화합물과 상기 수증기의 반응을 통해 수소, 일산화탄소, 이산화탄소를 생성하는 제1 반응부, 및 상기 제1 반응부에서 생성된 상기 수소와 상기 일산화탄소의 반응을 통해 메탄, 물을 생성하는 제2 반응부를 포함하는, 휘발성 유기 화합물 저감 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 개질 반응기는, 상기 제1 반응부에서 생성된 이산화탄소 및 상기 제2 반응부에서 생성되는 물을 외부로 배출하는 배출부를 포함하는, 휘발성 유기 화합물 저감 장치.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 개질 반응기는, 상기 메탄을 냉각하는 냉각부 및 상기 메탄의 냉각 과정에서 생성되는 탄화수소를 상기 저장 탱크로 공급하는 공급부를 포함하는, 휘발성 유기 화합물 저감 장치.
  9. 선박 내 저장 탱크에서 개질 반응이 일어나는 개질 반응기로 휘발성 유기 화합물(VOC)을 공급하는 VOC 이송관;
    상기 개질 반응기로 수증기를 공급하는 수증기 이송관;
    상기 개질 반응기에서 생성된 메탄을 연료로 공급하는 메탄 이송관; 및
    상기 개질 반응기에서 생성된 물 및 이산화탄소를 외부로 배출하는 배출관을 포함하는, 휘발성 유기 화합물 저감 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 메탄을 냉각하는 과정에서 생성되는 탄화수소를 상기 저장 탱크로 회수하는 회수관을 더 포함하는, 휘발성 유기 화합물 저감 장치.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 수증기 이송관은, 상기 선박에 설치된 보일러를 이용하여 300~400℃의 온도 및 5~10bar의 압력으로 수증기를 상기 개질 반응기에 공급하는, 휘발성 유기 화합물 저감 장치.
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