KR20150056104A - 배기가스의 황산화물，질소산화물 및 이산화탄소 동시 저감장치 - Google Patents

배기가스의 황산화물，질소산화물 및 이산화탄소 동시 저감장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 배기가스의 황산화물，질소산화물 및 이산화탄소 동시 저감장치에 관한 것으로, 엔진의 배기가스를 흡입하도록 흡입파이프를 구비한 배기통; 상기 배기통 내에 설치되어 배기가스에 포함된 질소산화물 및 황산화물을 제거하기 위한 스크럽부재; 액체를 공급받아 상기 배기통 내에서 분사가 이루어지는 액체공급수단; 상기 액체공급수단과 연통되며 화학물을 공급하는 화학물공급수단; 상기 배기통에 연결되며 액체에 의해 포집된 질소산화물 및 황산화물을 배출시키는 배출파이프; 상기 스크럽부재의 상부에는 이산화탄소를 포집하기 위한 이산화탄소 흡착부재를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 배기가스의 황산화물과 질소산화물의 포집 효율을 한층 향상시키는 것과 동시에 온실가스의 주범인 이산화탄소가 대기로 배출되는 것을 억제시킬 수 있을 뿐만 아니라, 배기가스 후처리를 위한 공간 및 설비(SCR)규모 등을 효율적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.

Description

배기가스의 황산화물，질소산화물 및 이산화탄소 동시 저감장치{Apparatus for simultaneously Reduce Nox，SOx and CO₂of Exhaust Gas}
본 발명은 배기가스의 황산화물, 질소산화물 및 이산화탄소 동시 저감장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 엔진 연소시 배기가스에서 발생하는 황산화물, 질소산화물뿐만 아니라 온실가스의 주범인 이산화탄소 배출량도 동시에 저감시킬 수 있는 배기가스의 황산화물, 질소산화물 및 이산화탄소 동시 저감장치에 관한 것이다.
일반적으로, 선박에 사용되는 에너지의 대부분은 선박을 추진시키는 메인 엔진에서 소비된다. 상기 메인 엔진이 가동되는 중에는 폐기가스가 발생되어 선박의 외부로 배출되는데, 폐기가스에는 상당량의 열에너지가 포함된 상태로 대기중으로 배출되고 있는 실정이다.
최근에는 선박의 배기가스에 의해 생성되는 이산화탄소(CO₂), 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx) 등의 대기오염물질을 줄이도록 국제해사기구(IMO)에서 규정을 강화하고 있으며, 이에 대한 규제도 나날이 증가하고 있는 추세이다.
상기 질소산화물은 고온 영역에서 공기 중의 질소와 산소가 반응하여 생성되는 Thermal NOx, 연료에서 발생되는 탄화수소가 공기 중의 질소와 반응하여 생성되는 Prompt NOx, 연료에 포함된 질소성분이 연소과정에서 산화되어 생성된 Fuel NOx로 구분되지만, 연료의 연소과정에서 발생한 NO와 NO2가 대부분을 차지하며, 황산화물은 석유나 석탄과 같은 연료에 포함된 황성분이 연소과정에서 산화된 것으로서 SO2가 주된 비중을 차지한다.
상기와 같이 화석연료의 연소반응으로 생성된 배기가스중의 질소산화물을 제거하는 방식으로서, V2O5-TiO2 계열의 촉매에 질소산화물과 환원제인 암모니아 혹은 우레아를 주입하여 질소산화물을 질소와 물로 변환시켜 제거하는 SCR(Selective Catalytic Reduction) 방식이 대표적으로 사용된다.
상기 SCR 방식은 350 ~ 400도 사이의 운전온도 조건하에서 질소산화물의 제거효율이 90% 수준이 되지만, 배기가스에 포함된 분진이나 검댕(Soot)이 SCR 촉매층에 부착되어 촉매층이 막히는 현상이 발생하므로, 저밀도 촉매를 SCR 반응기에 장착할 수 밖에 없으며, 이로 인하여 SCR 반응기의 부피가 필요 이상으로 크게 되어 선박에서의 공간활용도가 줄어드는 단점이 있다.
또한, 질소산화물의 다른 제거방식인 SNCR(Selective Non Catalytic Reduction) 방식은, 고온의 배기가스에 환원제인 암모니아를 직접 주입하여 질소산화물을 제거하는 방식이며, 별도의 촉매반응기가 필요하지 않아 설치비용과 운전비용이 저렴한 장점이 있는 반면, 반응온도가 높게 유지되어야 하고 질소산화물의 제거효율이 60%이하로 낮은 단점이 있다.
이와 같이, 종래기술은 배기가스 처리방식을 통해 엔진 연소시 발생하는 질소산화물이나 황산화물을 적절히 저감시킬 수 있었으나, 실제 지구온난화의 주범이 되는 온실가스인 이산화탄소는 저감시키지 못하고 대기로 방출시키는 문제점이 있었다.
한국등록특허공보 제1168664호(2012.07.19)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 발명의 목적은 엔진 연소시 배기가스에서 발생하는 황산화물, 질소산화물뿐만 아니라 온실가스의 주범인 이산화탄소 배출량도 동시에 저감시킬 수 있는 배기가스의 황산화물, 질소산화물 및 이산화탄소 동시 저감장치를 제공하는데 있다.
전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 배기가스의 황산화물, 질소산화물 및 이산화탄소 동시 저감장치는, 엔진의 배기가스를 흡입하도록 흡입파이프를 구비한 배기통; 상기 배기통 내에 설치되어 배기가스에 포함된 질소산화물 및 황산화물을 제거하기 위한 스크럽부재; 액체를 공급받아 상기 배기통 내에서 분사가 이루어지는 액체공급수단; 상기 액체공급수단과 연통되며 화학물을 공급하는 화학물공급수단; 상기 배기통에 연결되며 액체에 의해 포집된 질소산화물 및 황산화물을 배출시키는 배출파이프; 상기 스크럽부재의 상부에는 이산화탄소를 포집하기 위한 이산화탄소 흡착부재를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 액체공급수단은 해수를 저장하는 해수저장부와, 상기 해수저장부에 연결되어 해수의 이동을 안내하는 해수파이프와, 상기 해수파이프에 설치되어 해수의 공급압력을 조절하는 해수펌프로 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 해수파이프는 해수저장부로부터 유입된 해수를 분기하여 상기 배기통으로 배출시키도록 복수의 분기배출구가 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 액체공급수단은 해수를 저장하는 해수저장부와, 상기 해수저장부에 연결되어 해수의 이동을 안내하는 해수파이프와, 상기 해수파이프에 설치되어 해수의 공급압력을 조절하는 해수펌프와, 청수를 저장하는 청수저장부와, 상기 청수저장부에 연결되어 청수의 이동을 안내하는 청수파이프와, 상기 청수파이프에 설치되어 청수의 공급압력을 조절하는 청수펌프와, 상기 해수파이프와 청수파이프를 수용하여 상호 열교환시키는 열교환기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 청수공급라인은 청수저장부로부터 유입된 청수를 분기하여 상기 배기통으로 배출시키도록 복수의 분기배출구가 형성된 것을 특징으로 한다.
상기 배출파이프에는 배출되는 청수를 진공 또는 가열로 탈기시키는 탈기기와, 상기 탈기기를 거친 청수에 포함된 슬러지를 분리하는 슬러지 분리기와, 상기 슬러지 분리기로부터 분리된 슬러지를 저장하는 슬러지탱크 및 상기 슬러지 분리기로부터 분리된 청수를 상기 청수저장부로 안내하는 청수회수라인이 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 액체공급수단과 화학물공급수단이 연결되는 일 지점에는 액체가 공급되는 배출압력에 비례하여 화학물을 정량으로 공급하는 정량공급펌프가 설치된 것을 특징으로 한다.
상기 이산화탄소 흡착부재는 산화칼슘을 일정 크기의 단위블록으로 제작하며, 상기 산화칼슘은 이산화탄소와 접촉시 탄산칼슘으로 가변되는 것을 특징으로 한다.
전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 화학물을 투입하는 화학물공급수단 및 이산화탄소를 포집하기 위한 이산화탄소 흡착부재를 각각 단일 공간내에 구성함으로써, 배기가스의 황산화물과 질소산화물의 포집 효율을 한층 향상시키는 것과 동시에 온실가스의 주범인 이산화탄소가 대기로 배출되는 것을 억제시킬 수 있을 뿐만 아니라, 배기가스 후처리를 위한 공간 및 설비(SCR)규모 등을 효율적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스의 황산화물, 질소산화물 및 이산화탄소 동시 저감장치의 구성을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배기가스의 황산화물, 질소산화물 및 이산화탄소 동시 저감장치의 구성을 나타낸 흐름도이다.
도 3은 도 1의 배기통 내에 설치되어 이산화탄소를 포집하는 이산화탄 흡착부재 구성을 나타낸 확대도이다.
이하, 첨부된 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 배기가스의 황산화물, 질소산화물 및 이산화탄소 동시 저감장치는 엔진(10)의 배기가스를 흡입하도록 흡입파이프(110)를 구비한 배기통(100)과, 상기 배기통(100) 내에 설치되어 배기가스에 포함된 질소산화물 및 황산화물을 제거하기 위한 스크럽부재(200)와, 액체를 공급받아 상기 배기통(100) 내에서 분사가 이루어지는 액체공급수단(300)과, 상기 액체공급수단(300)과 연통되며 화학물을 공급하는 화학물공급수단(400)과, 상기 배기통(100)에 연결되며 액체에 의해 포집된 질소산화물 및 황산화물을 배출시키는 배출파이프(500)와, 상기 스크럽부재(200)의 상부에는 이산화탄소를 포집하기 위한 이산화탄소 흡착부재(600)를 포함하여 구성된다.
먼저, 상기 배기통(100)은 선박의 엔진(10) 작동시 발생하는 배기가스를 한 곳으로 유입시킨 후 대기로 방출하는 원통형 구조물로써, 상기 배기통(100)의 하부 일측에는 상기 엔진(10)과 연결되어 배기가스를 흡입하는 흡입파이프(110)가 설치되며, 타측에는 후술할 배출파이프(500)가 결합되는 배출구(120)가 형성된다.
상기 스크럽부재(200)는 상기 배기통(100) 내에 설치되는 것으로, 배기가스에 포함된 질소산화물 및 황산화물을 제거하기 위한 구성이다.
여기서, 상기 스크럽부재(200)는 배기가스가 상기 배기통(100) 내에 머무르는 체류시간 및 액체와 접촉하는 면적을 늘려 탈황 효과를 높이는 역할을 수행한다.
이를 위해, 상기 스크럽부재(200)는 일정 길이를 가지는 플레이트의 중심부를 구부려서 상부가 뾰족한 대략 '∧'자 형태로 형성하는 것이 바람직하나(도 3참조), 반드시 이에 한정하지 않으며 다양한 형태 및 구조로 형성할 수 있다.
이러한 상기 스크럽부재(200)는 다수로 구성하고 일정 간격을 두고 병렬방향으로 배치한다.
상기 액체공급수단(300)은 액체를 공급받아 상기 배기통(100) 내부에서 분사가 이루어지도록 하는 것으로, 액체가 배기가스와 접촉하여 질소산화물 및 황산화물 등의 유해성분을 포집한다.
여기서, 상기 액체공급수단(300)은 해수를 저장하는 해수저장부(310)와, 상기 해수저장부(310)에 연결되어 해수의 이동을 안내하는 해수파이프(320)와, 상기 해수파이프(320)에 설치되어 해수의 공급압력을 조절하는 해수펌프(330)로 구성된다.
즉, 액체공급수단(300)은 해수를 세척액으로 활용하여 배기가스의 황산화물 및 질소산화물을 제거한다.
상기 해수파이프(320)는 해수저장부(310)로부터 유입된 해수를 분기하여 상기 배기통으로 배출시키도록 복수의 분기배출구(321)가 형성된 구조로 이루어진다.
또한, 상기 분기배출구(321)에는 다수의 분사노즐(321a)이 설치되며 상기 분사노즐(321a)은 고압분사 및 저압분사가 가능한 구성으로 이루어진다.
상기 분사노즐(321a)은 분기배출구(321)로부터 유입되는 해수를 작은 물방울 입자로 분해하고 이를 방사방향으로 토출시킴으로써 배기가스의 황산화물 및 질소산화물을 용이하게 포집하는 기능을 제공한다.
그리고, 도면에는 도시하지 않았지만 상기 액체공급수단(300)은 해수 대신 청수를 단독으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 해수와 청수를 동시에 공급하거나, 해수와 청수를 선택적으로 택일할 수 있는 구조로도 설치할 수 있다.
한편, 도 2는 액체공급수단(300)의 다른 실시예를 나타낸 것으로, 청수와 해수를 모두 활용한 구성이다.
이를 위한 상기 액체공급수단(300)은 해수를 저장하는 해수저장부(310)와, 상기 해수저장부(310)에 연결되어 해수의 이동을 안내하는 해수파이프(320)와, 상기 해수파이프(320)에 설치되어 해수의 공급압력을 조절하는 해수펌프(330)와, 청수를 저장하는 청수저장부(340)와, 상기 청수저장부(340)에 연결되어 청수의 이동을 안내하는 청수파이프(350)와, 상기 청수파이프(350)에 설치되어 청수의 공급압력을 조절하는 청수펌프(360)와, 상기 해수파이프(320)와 청수파이프(350)를 수용하여 상호 열교환시키는 열교환기(370)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 액체공급수단(300)은 청수가 배기가스의 황산화물 및 질소산화물을 제거하기 위한 세척액으로 활용되며, 해수는 상기 청수를 열교환시키는 목적으로 활용된다.
즉, 상기 해수는 청수의 온도를 낮추도록 상기 열교환기(370)를 통과한 후 배출파이프(500)로 배출된다.
그리고, 상기 청수파이프(350)은 청수저장부(340)로부터 유입된 청수를 분기하여 상기 배기통(100)으로 배출시키도록 복수의 분기배출구(351)가 형성된 구조로 이루어진다.
물론, 상기 분기배출구(351)에는 다수의 분사노즐(351a)이 설치되며 상기 분사노즐(351a)은 고압분사 및 저압분사가 가능한 구성으로 이루어진다.
아울러, 후술할 배출파이프(500)에는 배출되는 청수를 진공 또는 가열로 탈기시키는 탈기기(510)와, 상기 탈기기(510)를 거친 청수에 포함된 슬러지를 분리하는 슬러지 분리기(520)와, 상기 슬러지 분리기(520)로부터 분리된 슬러지를 저장하는 슬러지탱크(530) 및 상기 슬러지 분리기(520)로부터 분리된 청수를 상기 청수저장부(340)로 안내하는 청수회수라인(540)이 설치된다.
즉, 상기 청수저장부(340)에 저장된 청수는 청수파이프(350), 배기통(100), 탈기기(510), 슬러지 분리기(520)를 순차적으로 통과한 후 상기 청수회수라인(540)을 통해 유입되는 순환하는 구조이다.
상기 화학물공급수단(400)은 상기 액체공급수단(300)과 연통되며 화학물을 공급하는 것으로, 배기가스의 황산화물 및 질소산화물의 포집율을 한층 향상시키는 역할을 수행한다.
상기 화학물공급수단(400)은 화학물을 저장하는 화학저장부(410)와, 일단이 상기 화학저장부(410)에 연결되고 타단이 상기 액체공급수단(300)에 연결되는 화학공급파이프(420)와, 상기 화학공급파이프(420)에 설치되어 화학물에 대한 공급압력을 조절하는 화학펌프(430)로 구성된다.
여기서, 상기 화학저장부(410)에 저장되는 화학물은 요소수 이며, 질소산화물과 반응하여 질소, 이산화탄소, 물로 가변이 이루어진다. 이러한 가변 생성물은 유해물질이 아니기 때문에 배출이 가능하다는 측면에 있어 큰 이점을 가지고 있다. 물론 액체와 화학물에 반응하지 않는 잔류물이 남아 있을 수도 있지만, 잔류물은 배출규제에 포함되지 않을 만큼 미비하므로 배출이 가능하다.
또한, 상기 액체공급수단(300)과 화학물공급수단(400)이 연결되는 일 지점에는 액체가 공급되는 배출압력에 비례하여 화학물을 정량으로 공급하는 정량공급펌프(440)가 설치된다.
상기 배출파이프(500)는 상기 배기통(100)에 연결되는 것으로 액체에 의해 포집된 질소산화물 및 황산화물을 외부로 배출시키는 역할을 수행한다.
한편, 상기 이산화탄소 흡착부재(600)는 상기 배기통(100) 내에 설치되는 것으로, 상기 스크럽부재(200)의 상부에 위치하여 대기로 방출되는 이산화탄소를 포집하는 역할을 수행한다.
상기 이산화탄소 흡착부재(600)는 산화칼슘을 일정 크기의 단위블록으로 제작하며, 상기 산화칼슘은 이산화탄소와 접촉시 탄산칼슘으로 가변이 이루어지는 특성을 제공한다.
즉, 산화칼슘과 이산화탄소는 화학반응시 탄산칼슘을 생성하는 기본적 화학반응을 이용한 것으로, 이때 가변된 탄산칼슘은 유해한 물질이 아니므로 배출이 가능한 큰 이점이 있다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 화학물을 투입하는 화학물공급수단(400) 및 이산화탄소를 포집하기 위한 이산화탄소 흡착부재(600)를 각각 단일 공간내에 구성함으로써, 배기가스의 황산화물과 질소산화물의 포집 효율을 한층 향상시키는 것과 동시에 온실가스의 주범인 이산화탄소가 대기로 배출되는 것을 억제시킬 수 있을 뿐만 아니라, 배기가스 후처리를 위한 공간 및 설비(SCR) 규모 등을 효율적으로 줄일 수 있는 장점이 있다.
10 : 엔진
100 : 배기통
200 : 스크럽부재
300 : 액체공급수단
310 : 해수저장부
320 : 해수파이프
330 : 해수펌프
340 : 청수저장부
350 : 청수파이프
360 : 청수펌프
370 : 열교환기
400 : 화학물공급수단
500 : 배출파이프
600 : 이산화탄소 흡착부재

Claims (8)

  1. 엔진의 배기가스를 흡입하도록 흡입파이프를 구비한 배기통;
    상기 배기통 내에 설치되어 배기가스에 포함된 질소산화물 및 황산화물을 제거하기 위한 스크럽부재;
    액체를 공급받아 상기 배기통 내에서 분사가 이루어지는 액체공급수단;
    상기 액체공급수단과 연통되며 화학물을 공급하는 화학물공급수단;
    상기 배기통에 연결되며 액체에 의해 포집된 질소산화물 및 황산화물을 배출시키는 배출파이프;
    상기 스크럽부재의 상부에는 이산화탄소를 포집하기 위한 이산화탄소 흡착부재를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 배기가스의 황산화물, 질소산화물 및 이산화탄소 동시 저감장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액체공급수단은,
    해수를 저장하는 해수저장부와,
    상기 해수저장부에 연결되어 해수의 이동을 안내하는 해수파이프와,
    상기 해수파이프에 설치되어 해수의 공급압력을 조절하는 해수펌프로 구성된 것을 특징으로 하는 배기가스의 황산화물, 질소산화물 및 이산화탄소 동시 저감장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 해수파이프는 해수저장부로부터 유입된 해수를 분기하여 상기 배기통으로 배출시키도록 복수의 분기배출구가 형성된 것을 특징으로 하는 배기가스의 황산화물, 질소산화물 및 이산화탄소 동시 저감장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 액체공급수단은,
    해수를 저장하는 해수저장부와,
    상기 해수저장부에 연결되어 해수의 이동을 안내하는 해수파이프와,
    상기 해수파이프에 설치되어 해수의 공급압력을 조절하는 해수펌프와,
    청수를 저장하는 청수저장부와,
    상기 청수저장부에 연결되어 청수의 이동을 안내하는 청수파이프와,
    상기 청수파이프에 설치되어 청수의 공급압력을 조절하는 청수펌프와,
    상기 해수파이프와 청수파이프를 수용하여 상호 열교환시키는 열교환기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 배기가스의 황산화물, 질소산화물 및 이산화탄소 동시 저감장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 청수공급라인은 청수저장부로부터 유입된 청수를 분기하여 상기 배기통으로 배출시키도록 복수의 분기배출구가 형성된 것을 특징으로 하는 배기가스의 황산화물, 질소산화물 및 이산화탄소 동시 저감장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 배출파이프에는 배출되는 청수를 진공 또는 가열로 탈기시키는 탈기기와,
    상기 탈기기를 거친 청수에 포함된 슬러지를 분리하는 슬러지 분리기와,
    상기 슬러지 분리기로부터 분리된 슬러지를 저장하는 슬러지탱크 및
    상기 슬러지 분리기로부터 분리된 청수를 상기 청수저장부로 안내하는 청수회수라인이 설치되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 황산화물, 질소산화물 및 이산화탄소 동시 저감장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체공급수단과 화학물공급수단이 연결되는 일 지점에는 액체가 공급되는 배출압력에 비례하여 화학물을 정량으로 공급하는 정량공급펌프가 설치된 것을 특징으로 하는 배기가스의 황산화물, 질소산화물 및 이산화탄소 동시 저감장치.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 흡착부재는 산화칼슘을 일정 크기의 단위블록으로 제작하며, 상기 산화칼슘은 이산화탄소와 접촉시 탄산칼슘으로 가변되는 것을 특징으로 하는 배기가스의 황산화물, 질소산화물 및 이산화탄소 동시 저감장치.
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