KR20150112824A - 내연기관 및 배기가스로부터 황산화물을 제거하는 방법 - Google Patents

내연기관 및 배기가스로부터 황산화물을 제거하는 방법 Download PDF

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Abstract

해양 선박용 내연 기관은 적어도 하나의 염기 저장 탱크, 버퍼 탱크 및 세척 유닛을 포함하는 배기 시스템을 갖는다. 염기 저장 탱크는 염기 주입 라인을 통해 버퍼 탱크로 염기를 공급하는 주입 장치를 갖는다. 버퍼 탱크는 세척수 공급 라인을 통해 세척 유닛의 준비된 세척수 유입물에 연결된 알칼리성 세척수 공급 라인 유출물을 갖고, 세척수 유입물을 더 갖는다. 세척 유닛은 스플리터를 통해 세척수 유입물에 연결된 소비된 세척수 유출물과, 연소실로부터의 하나 이상의 가스 유입물과, sox가 감소된 배기가스 유출물을 더 포함한다.

Description

내연기관 및 배기가스로부터 황산화물을 제거하는 방법{An internal combustion engine, and a method of removing sulphur oxides from exhaust gas}
본 발명은 연소실을 갖는 복수의 실린더 및 배기 시스템을 갖는 해양 선박용 내연 기관으로서, 상기 배기 시스템은 적어도 염기 저장 탱크, 버퍼 탱크 및 세척 유닛을 포함하고, 상기 염기 저장 탱크는 염기 주입 라인을 통해 버퍼 탱크에 염기를 공급하기 위한 주입 장치를 가지고; 상기 버퍼 탱크는 준비된 세척수 공급 라인을 통해 세척 유닛의 준비된 세척수 유입물에 연결된 알칼리성 세척수 공급 유출물을 더 구비하고 상기 버퍼 탱크는 세척수 유입물을 더 포함하고; 상기 세척 유닛은 스플리터를 통해 세척수 유입물에 연결된 소비된 세척수 유출물을 더 포함하고, 상기 세척 유닛은 연소실로부터 유래하는 하나 이상의 배기가스 유입물 및 SOx가 감소된 배기가스 유출물을 더 포함하는 내연 기관에 관한 것이고, 다른 면에서 본 발명은 배기가스로부터 황산화물을 제거하는 방법에 관한 것이다.
황 함량이 낮은 연료 오일을 연소하거나 배기가스를 세정함으로써 선박으로부터 SOx 배출을 줄이는 것이 요구된다. 지난 수년간, 대형의 내연 디젤 엔진의 배기 배출에 관한 국제적 및 국내적 법적 요건이 더 엄격해져 왔다. 일반적으로 배기가스를 세정하는 것이 더 세정된 연료 오일을 사용하는 것보다 비용 면에서 더 효율적임이 인정된다.
습식 SOx 세척은 배기가스로부터 황산화물을 제거하는 방법이다. 전반적으로, 두 가지 형태의 습식 세척 기술이 있다: "개방형 루프 가동"이라 명칭되는 한 형태의 세척에서는, 바다로부터 해수가 세척기로 끌어올려져 이후 다시 바다로 방출된다. 해수는 바다로 다시 방출되기 전에 개방형 루프 가동 내 산성 가스들을 중화시키는 탄산염 및 다른 염들을 자연발생적으로 포함한다. 이는 WO 2008/015487호에 기술되어 있다.
"폐쇄형 루프 가동"이라 명칭되는 다른 형태의 세척에서는, 폐쇄형 루프 내 세척기를 통해 담수가 끌어올려진다. 세척수의 pH 값은 세척수에 염기를 첨가함으로써 원하는 범위의 pH 내로 유지되고 이를 재순환하여 실질적으로 세척수가 바다로 배출되지 않는다.
SOx 제거를 용이하게 하는 화학 반응은 개방형 루프 세척기이든 폐쇄형 루프 세척기이든 동일하다. SOx는 물 및 산소와 반응하여 황산염 및 하이드로늄 이온(H3O+)를 형성하고, (또는 황산(H2SO4) 및 아황산(H2SO3)을 형성한다). 배기가스 내 황의 대부분은 이산화황(SO2)의 형태이다(약 95%). 이산화황이 물과 혼합될 때 하기의 반응이 일어난다:
Figure pat00001
염기와의 반응에 의해 아황산수소(HSO3 -) 및 아황산(SO3 2 -) 이온이 형성된다:
Figure pat00002
이산화황이 용해될 때, 아황산수소염과 아황산염은 또한 산소를 포함하는 물에서 황산염(SO4 2 -)으로 바로 산화된다.
배기가스 내 황의 약 5%는 SO3의 형태이다. SO3가 물과 혼합될 때 하기의 반응이 일어난다:
Figure pat00003
결과로 나오는 H3O+ 는 황을 효과적으로 제거하고 세척 시스템의 부식을 방지하기 위해 중화되어야 한다. 폐쇄형 루프 가동에서는, 중화는 대부분의 경우 수산화나트륨(NaOH)와 같은 수성 강염기를 첨가함으로써 이루어진다.
폐쇄형 루프 가동 내 세척기는 US 2008/004435호에 개시되어 있는데, 여기서 담수와 수산화나트륨과 같은 첨가된 황 제거제로 이루어진 세척용액이 세척수 내를 순환한다. 황 제거제의 양은 과량의 세척용액이 순환하지 않도록 최적화되고, pH는 약 pH 6 정도 수치로 낮게 유지되는데 이는 황산화물을 효과적으로 제거하는데 필요한 양 만큼의 첨가된 황 제거제만이 사용되기 때문이다.
개방형 루프 배열에서는 이는 해수의 자연적인 부분인 탄산수소염(HCO3 -)에 의해 얻어진다.
그러므로 궁극적으로 SO2는 가능한 한 바다로 방출되거나 연안에 배치되는 염 형태인 황산염으로서 제거된다.
폐쇄형 루프 세척기 배열에서는, SOx를 고효율적으로 제거하기 위해서 pH를 일정 정도 내로 유지하는 것이 필수적이다. 그러나, 산성 가스가 세척 유닛으로 들어가 중화 첨가제와 반응할 때, pH는 떨어진다.
현재, 이중 알칼리 시스템이 석회암(탄산칼슘) 세척기 또는 소석회(수산화칼슘)세척기를 능가하는데, 이는 이중 알칼리 세척기가 작동하기 더 쉽고 시약 비용이 더 낮기 때문이다.
탄산나트륨 또는 탄산수소나트륨과 같은 각종 알칼리 시약이 사용되어 왔다. 나트륨염의 용해도는 칼슘염의 용해도보다 훨씬 높고, 따라서 세척기에서 모든 염들은 용액상태로서 액체에는 고체가 실질적으로 없다. 아황산나트륨을 포함하는 액체는 세척기에서 회수하여, 반응 탱크에서 석회(CaO) 또는 석회암을 이용하여 알칼리도가 재생되고 폐기물로서 석고 및 탄산나트륨(또는 탄산수소나트륨) 세척액을 형성한다. 탄산나트륨 일부는 폐기물 스트림으로서 손실되며 오버플로우 탱크 내에 첨가될 필요가 있다. 칼슘은 슬러리 내의 석고 또는 미반응 탄산칼슘으로서 제거된다.
비록 이중 시스템이 통상적인 석회암 세척기에서 일어나는 주된 스케일링을 극복하여 왔으나, 아황산염, 황산염 및 탄산염과 같은 가스와 세척수간의 반응 산물을 포함하는 침전된 고체가 여전히 형성된다. 비록 폐기물의 일부가 재가공되고 재사용될 수 있으나, 석고와 같은 다른 것들은 세척 시스템의 응고를 야기하거나 대형 저장 챔버를 요구할 수 있다.
US 3,913,394호에는 산화칼슘 또는 수산화칼슘을 사용하는 경우의 스케일링 문제를 수산화칼슘 세척 시스템에 수산화마그네슘을 첨가함으로써 극복하는 방법이 기술되어 있다. 마그네슘 이온은 염기를 덜 첨가하면서 더 높은 알칼리도(pH 5.5-10.0)의 세척수를 제공한다. 마그네슘염이 칼슘염보다 용해도가 높기 때문에, 칼슘염의 형성은 감소할 것이고, 따라서 세척 시스템 내 스케일링은 덜 일어나다. 그러나 pH 10.0보다 높을 경우, 수산화마그네슘은 세척수에 용해되지 않으므로 감소된는 스케일링 효과는 얻어질 수 없을 것이다. 따라서, 이 시스템은 전통적인 칼슘 세척기에 기반한다.
현재 알칼리 폐쇄형 루프 세척기에 관련된 다른 문제는 산의 공격으로 인한 부식으로서, 따라서 장치는 내산성일 것이 요구된다. 부식을 방지하기 위해 알칼리성 제제가 첨가되어 산도를 완화시키다. 흔히 사용되는, 예를 들어 수산화나트륨을 사용하는 것의 한 문제는 배기가스로부터의 산성 가스를 중화시키기 위해 대량으로 이를 첨가하는 것이 필요하지만, 수산화나트륨은 비싸다.
따라서, 본 발명은 세척의 효율성을 양보할 필요 없이 부식 문제를 줄이고 동시에 가동 및 설치 비용을 감소시키는 것을 목적으로 한다.
이 목적을 위해, 본 발명의 일 측면은 배기가스로부터 황산화물(SOx)을 제거하는 방법으로서, 상기 방법은
a. 버퍼 탱크(A1)에 담수에 기초한 세척수 스트림(L1)을 제공하는 단계;
b. 상기 세척수 스트림(L1)에 강염기, 즉 알칼리 수산화물, 알칼리토 수산화물 또는 임의의 적용가능한 강염기를 첨가하여 알칼리성 세척수 스트림(L2)을 얻는 단계;
c. 세척 유닛(A2)에 상기 알칼리성 세척수 스트림을 공급하는 단계;
d. 상기 세척 유닛 내의 알칼리성 세척수 스트림(2)에 이산화탄소를 포함하는 배기가스(G1)를 제공하여 황산화물이 감소된 세척된 가스(G2)와 황산화물 및 알칼리 수산화물의 양이온으로부터 형성된 침전염을 포함하는 소비된 세척수 스트림(L3)을 얻는 단계; 및
e. 상기 소비된 세척수 스트림(L3)으로부터 침전염을 제거하여 단계 a에서 사용되는 세척수(L1)를 발생시키는 단계를 포함하고,
지배적인 조건에서 상기 알칼리성 세척수의 pH가 탄산수소염/탄산염 평형의 pKa 근처 또는 그 위에 유지되도록 하는 속도로 상기 강염기, 즉 알칼리 수산화물, 알칼리토 수산화물 또는 임의의 적용가능한 강염기가 상기 세척수 스트림(L1)에 첨가된다.
지배적인 조건에서 탄산수소염/탄산염의 버퍼 용량 내에 pH를 유지할 때, 배기가스 중의 CO2는 세척수 내의 물과 반응하여 CO3 2 - 및 HCO3 - 가 된다. 따라서 세척수 내에 존재하는 CO3 2 - 는 배기가스의 황산화물에서 유래하는 산을 중화시켜, 부식이 방지된다.
탄산수소염 버퍼 시스템의 pKa는 약 10이고, 시스템 내 바람직한 pH는 10 초과, 더욱 바람직하게는 10, 11 또는 12와 같은 10-12이다. 상기 강염기는 높은 pH를 유지하고 알칼리성 세척수를 탄산수소염/탄산염 평형의 pKa 근처 또는 그 위로 유지하기에 적절할 것이다.
강염기는 용액에서 완전히 해리되는 염기이다. 따라서, 염기와 용매의 반응은 충분히 완전해서 수용액 중에 해리되지 않은 용질 분자를 남기지 않는다.
일 구현예에서 상기 강염기는 알칼리 수산화물 또는 알칼리토 수산화물, 또는 비수산화물 염기이다. 세척수를 알칼리화하기에 적절한 알칼리 수산화물의 예로는 수산화칼륨(KOH), 수산화세슘(CsOH), 수산화나트륨(NaOH), 수산화리튬(LiOH), 수산화루비듐(RbOH)이고, 바람직한 염기는 NaOH 및 KOH이고, 가장 바람직하기로는 NaOH이다. 세척수를 알칼리화하기에 적절한 알칼리토 수산화물의 예로는 수산화스트론튬(Sr(OH)2), 수산화마그네슘(Mg(OH)2), 수산화칼슘(Ca(OH)2) 및 수산화바륨(Ba(OH)2)이다. 암모니아(NH3)와 같은 비수산화물 강염기 또한 사용될 수 있다. 알칼리 수산화물, 알칼리토 수산화물 및 비수산화물 염기의 조합 또한 고려된다.
일 구현예에서 배기가스는 세척 유닛에 제공되기 전에 또는 그와 동시에 냉각된다. 배기가스가 냉각될 때, 배기가스로 가는 알칼리 세척수의 유속은 감소될 수 있다.
다른 일 구현예에서, 내연 기관에 의해 생산되는 에너지에 대한 알칼리성 세척수의 유속은 2,0 내지 3.0 l/kWh, 바람직하게는 2.5 l/kWh의 범위이다. 이는 충분한 냉각 및 배기가스의 세척 모두를 보증할 것이다.
알칼리성 세척수의 pH가 25℃, 1기압에서 9-12의 범위, 또는 바람직하게는 10-12의 범위, 더욱 바람직하게는 10-11의 범위가 되도록 세척수에 염기가 첨가된다.
일 구현예에서 단계 c)의 알칼리성 세척수 스트림에 배기가스를 제공하기 전에 세척수에 하나 이상의 CO2, H2CO3, HCO3 - 및 CO3 2 -가 첨가되어 탄산수소염/탄산염 버퍼 시스템을 만든다. 공정 중에 탄산염의 첨가는 보통 공정을 시작할 때 행해진다.
배기가스 내의 산성 가스로 인한 배기 시스템의 부식을 억제하기 위해서, 산성가스가 알칼리성 세척수에 용해될 때 세척 시스템에 염기를 주입함으로써 pH 값이 충분히 높게 유지된다.
배기가스 내 이산화탄소가 물과 반응하여 탄산수소염 및 탄산염을 형성할 수 있도록 하는 조건을 제공함으로써, 탄산수소염/탄산염 산/염기 쌍의 반응의 버퍼링 효과에 의해 알칼리 영역 내에서 실질적으로 일정한 pH 값이 세척 과정 내내 얻어지는 조건이 제공된다.
그것은 종래 기술의 방법보다 더 낮은 비율의 알칼리 수산화물의 사용에 의해 배기가스 자체로부터 생기는 버퍼 시스템이다. 따라서 시스템은 가스에 존재하는 SOx 및 NOx를 위해 배기가스를 처리할 수 있고 동시에 가스의 산도에 의한 pH의 변동을 완화시킨다. 이는 그러지 않은 경우의 산성 환경에 의한 장비의 부식 위험 및 시스템 내 다량의 슬러지 생산이 없다.
다른 이점은 배기가스 내 이산화탄소의 일부가 물에 용해되어 이산화탄소의 방출이 감소되는 것이다.
세척된 가스는 선택적으로 여과된 후, 환경으로 배출되거나, 또는 추가로 세정된다. 대안적으로, 세척된 가스는 다시 한번 세척되어 SOx의 완벽한 제거를 더욱보장하거나, 혹은 배기가스의 재순환이 적절한 경우 내연 기관의 주입구 공기 측으로 부분적으로 재순환 될 수 있다.
폐쇄형 루프의 세척기 시스템에 적용되는 물은 담수로서, 이는 임의의 탄산염을 포함하지 않는다는 의미이다. 그러므로, 종래 기술에서 개시된 높은 pH에서의 많은 침전물에 관한 문제는 피할 수 있다. 배기가스를 발생하는 내연 기관에 의해 추진되는 선박에서 담수는 통상적으로 담수 발생기에서 낮은 압력에서 해수의 증발에 의해 발생된다.
배기가스는 통상적으로 약 5-7 부피%의 이산화탄소를 포함한다. 약 10-11을초과하는 높은 pH에서, 하기 반응식에 따라 이산화탄소는 물과 반응하여 탄산수소염/탄산염을 형성한다.
Figure pat00004
여기서 평형은 H+ 이온을 소비하는 수산화물의 다량 존재로 인해 탄산염 쪽으로 치우칠 것이다.
버퍼 효과 내에서, (상기에서 기술한 대로) 물에서 산을 형성하는 배기가스 내의 산성 가스(SOx, CO2, NOx)는 하기 식에서 예시되는 바와 같이 물에 용해된 탄산수소염/탄산염의 알칼리화도에 의해 초기에 중성화된다:
Figure pat00005
따라서 이와 같이 형성된 탄산수소염은 본 발명에 따른 염기의 첨가로 인해 그의 염기 형태(탄산염 및 물)로 변형된다. 반응식 참조:
Figure pat00006
배기가스 자체로부터 유래한 탄산수소염/탄산염의 버퍼 용량을 이용하는 것이 유리하고, 또한 수산화나트륨과 같은 알칼리 수산화물의 소비는 중화가 알칼리 수산화물만으로 이루어지는 표준 세척기 가동에 비해 작을 것이다. 보다 소량의 염기가 공급되기 때문에 종래기술의 방법에 비해 방출이 최소화될 것이다. 최종적으로 세척기 내의 보다 높은 평균값의 안정적인 pH 수치로 인해 SOx의 제거가 보다 효율적이 된다.
탄산수소염/탄산염 버퍼 용량을 사용하는 다른 이점은 pH의 국소적 저하를 방지함으로써 부식을 방지하는 것이다. 이는 부식을 피할 수 있어, 보다 저렴한 장비가 채용될 수 있음을 의미한다.
본 발명의 다른 측면에서, 연소실을 갖는 복수의 실린더 및 배기 시스템을 갖는 해양 선박용 내연 기관으로서, 상기 배기 시스템은 적어도 염기 저장 탱크, 버퍼 탱크 및 세척 유닛을 포함하고,
상기 염기 저장 탱크가 염기 주입 라인을 통해 버퍼 탱크에 염기를 공급하는 주입 장치를 가지고; 상기 버퍼 탱크는 준비된 세척수 공급 라인을 통해 상기 세척 유닛의 준비된 세척수 유입물에 연결된 알칼리성 세척수 공급 라인 유출물을 더 구비하고, 상기 버퍼 탱크는 세척수 유입물을 더 포함하고; 상기 세척 유닛은 스플리터를 통해 세척수 유입물에 연결된 소비된 세척수 유출물을 더 포함하고, 상기 세척 유닛은 연소실로부터의 하나 이상의 배기가스 유입물 및 SOx가 감소된 배기가스 유출물을 더 포함하고, 상기 배기 시스템이 pH 센서를 더 구비하고, 상기 배기 시스템은 pH 센서로부터 측정된 pH 값을 수신하도록 개조된 제어 유닛을 가지고, 상기 제어 유닛은 염기 저장 탱크로부터 염기를 첨가하는 주입 장치를 제어하도록 개조되어 지배적인 조건에서 알칼리성 세척수의 pH가 탄산수소염/탄산염의 버퍼 용량 내로 유지되는 내연 기관이 제공된다.
탄산수소염/탄산염 버퍼 용량을 사용하는 이점은 pH의 국소적 저하를 방지함으로써 부식을 방지하는 것이다. 이는 부식을 피할 수 있고 따라서 보다 저렴한 장비가 채용될 수 있음을 의미한다.
일 구현예에서, 배기 시스템의 부품들의 파이프 및 장비는 비내부식성 강철, 플라스틱 물질, 강화 플라스틱 물질, 섬유 강화 물질 또는 유리섬유 강화 플라스틱 중 하나로부터 선택되는 물질로 만들어진다.
다른 일 구현예에서 상기 세척 유닛은 비내부식성 강철(non-corrosion resistant steel), 플라스틱 물질, 강화 플라스틱 물질, 섬유 강화 물질 또는 유리섬유 강화 플라스틱 중 하나로부터 선택되는 물질로 만들어진 벽을 포함한다.
배기가스는 다양한 고온으로서, 보통 약 450℃이다. 알칼리성 세척수의 차가운 담수가 배기가스를 냉각시키기는 하나, 세척기 유동을 감소시키기 위해 배기가스를 더 냉각시키는 것이 유리하다. 이는 예를 들어 세척 유닛의 상류에 적어도 하나의 배기가스 냉각기를 제공하는 것에 의해 얻어진다. 배기가스를 냉각함으로써, 세척 유닛에 공급되는 배기가스는 온도가 40 내지 100℃ 범위의 떨어질 수 있고 이로 인해 세척 유닛에 더 가볍고 더 저렴한 장비를 사용하는 것이 가능하다.
일 구현예에서, 배기가스 유입물을 통해 배기가스에 물을 주입함으로써 냉각이 행해진다. 이 물의 주입은 또한 시스템 내의 물 평형(water balance)을 보장한다.
다른 일 구현예에서, 세척기 장치로 유동하는 배기가스에 알칼리성 세척수를 분무하기 위한 하나 이상의 분무 장치가 구비된 세척 유닛에 의해 냉각이 행해진다. 세척 유닛 내로 알칼리성 세척수를 분무함으로써 세척 유닛 내의 압력 강하가 방지되고 따라서 세척 유닛을 통해 가스를 구동(drive) 시키는데 필요한 동력이 최소화된다. 또한, 알칼리성 세척수 액적의 운동은 있을 수 있는 스케일의 퇴적 또는 침전된 슬러지의 막음(plugging)을 방지한다.
상기 세척 유닛이 세척 유닛 내의 배기가스 유동 경로를 지나 연장되는 제1 부피의 충전 물질 위에 위치하는 제1열 분무 장치가 구비된 챔버를 가지고, 선택적으로 상기 챔버가 세척 유닛 내의 배기가스 유동 경로를 지나 연장되는 적어도 하나의 제2 부피의 충전 물질 위에 위치한 적어도 하나의 제2열 분무 장치를 갖는 것이 또한 고려된다.
상기의 조합, 즉 세척 유닛의 상류 및 세척 유닛 내 양쪽에 냉각기가 구비되는 것이 또한 고려된다.
상기 충전 물질은 가스와 접촉하는 액체 표면을 개량한다. 이는 평형을 향상시켜 세척 효율을 증가시킨다. 일 구현예에서, 상기 충전 물질은 플라스틱 바디 또는 플라스틱 시트로 만들어진다.
또한, 강력한 냉각이 60℃ 미만, 예를 들어 30-55℃, 35-50℃, 40-55℃, 예를 들어 40℃의 온도를 제공하므로, 표면적이 더 넓어 보다 더 효율적인 배기가스의 세척이 가능한 플라스틱으로 만들어진 충전 물질을 사용하는 것이 유리하다. 플라스틱 충전 물질은 또한 60℃보다 높은 온도에서 사용될 수 있다.
다른 일 구현에에서, 세척 유닛과 버퍼 탱크를 연결하는 스플리터가 존재한다. 이는 사용된 버퍼를 방출하는 것을 허용할 것이다.
이하에서 본 발명에 따른 구현예들이 도면을 참조하여 보다 더 자세히 기술될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 배기 시스템의 흐름도이다.
도 2는 세척 유닛의 상류에 위치한 간접 배기가스 냉각기가 구비된 본 발명에 따른 배기 시스템의 흐름도이다.
도 3은 세척 유닛 내에 통합된 본 발명에 따른 배기 시스템의 흐름도이다.
도 1에 도시된 배기 시스템 또는 폐쇄형의 루프 세척기를 작동시키기 위해서, 배기 시스템(B)에 담수가 공급되고, 이 담수는 임의의 지점으로 공급될 수 있으나, 초기에 버퍼 탱크(A1)로 공급되는 것이 바람직하다. 염기, 예를 들면 알칼리 수산화물이 염기 주입 라인(L0)을 통해 버퍼 탱크(A1) 내의 물에 첨가되어, CO2가 물과 반응하여 탄산염이 되는 pH 값에 도달한다. 이러한 방법으로 준비된 세척수 스트림(L2)이 얻어진다. 염기, 예를 들어 알칼리 수산화물을 담수에 첨가하는 것은 pH가 9-12의 범위, 또는 적절하게는 10-12의 범위, 더욱 바람직하게는 10-11의 범위가 될 때까지 계속되는 것이 바람직하다. 탄산염/탄산수소염 평형의 pKa는 실온에서 10.23이고, 그러므로 온도에 따라서, pH 값은 평형이 탄산염쪽으로 치우치는 한 변할 수 있다(pKa 는 -log10Ka이고, 여기서 Ka가 산도 상수임).
염기는 보통 고체 또는 수용액으로 제공되는데 이는 화학산업에서 대량으로 입수 가능하기 때문이다. NaOH는 통상적으로 사용하기 전에 물에 용해될 수 있는 펠릿 혹은 플레이크 형태이거나 50% 이하의 수용액으로 입수 가능하다. 안전성 면에서 수용액이 바람직하다.
알칼리성 세척수의 제조 후 또는 알칼리성 세척수의 재도입과 동시에, 복수의 실린더를 갖고 각각이 연소실(A4)을 갖는 내연 기관은 낮은 엔진 부하에서 정적 상태에서 시동되고 가동된다. 복수의 연소실이 있고, 그 개수가 정수 n으로 표시되며, 이는 통상적으로 크로스헤드 타입의 2행정 연소 엔진의 경우 4 내지 15이고, 4행정 중속 연소 기관의 4 내지 36이다. 2행정 타입의 내연 기관은 MC 또는 ME 타입과 같은 MAN Diesel and Turbo사 제품일 수 있고, RTA 또는 RTA-flex 타입과 같은 Wartsila사 제품일 수 있고, 또는 Mitsubishi사 제품일 수 있다. 이들 기관들은 컨테이너 선박, 벌크 화물선, 오일 운반선, 제품유 운반선, 자동차 화물선, 연락선, 가스 운반선, 로로선(Ro-Ro Vessels), 공급선 등과 같은 선박의 추진 기관으로 사용된다. 4행정 타입의 내연 기관은 상기 언급된 선박 타입의 기관실의 보조 기관이거나, 혹은 여객선, 크루즈선, 해상 크레인 설치(offshore installation) 등의 선박의 추진 기관이다. 내연 기관은 또한 전기를 그리드에 공급하는 정치형 발전소의 원동기로도 사용될 수 있다. 내연 기관은 보통 터보 엔진이며, 보통 중유 타입 또는 솔라유 타입의 연료 오일이 공급되거나, 연료 가스가 공급된다.
배기가스(G1n, 여기서 n은 연소실로부터의 가스 스트림의 개수임)가 세척 유닛(A2)으로 향한다.
세척 유닛(A2)에 하나 이상의 층에서 하나 이상의 분무 장치가 구비되어 알칼리성 세척수 스트림(L2)이 제1열 분무 장치 등으로 인도될 수 있다.
배기가스가 세척수와 접촉할 때 산성 가스가 세척수에 용해되어 특히 SOx로부터 형성되는 황산을 중화시키는데 사용되는 버퍼를 제공한다.
세척으로부터 세척된 가스(G2)와 소비된 세척수(L3)가 제공된다.
세척된 가스(G2)는 함량이 4.0 내지 5.0 부피-%, 바람직하게는 약 4.5 부피-% 범위의 CO2와, 함량이 0 내지 10 ppm인 SOx와 함께 세척 유닛(A2)을 떠난다. 세척 유닛(A2)의 이 배출구로부터 세척된 가스(G2)는 배기가스 파이프로 유동한다.
세척된 가스(G2)가 하나 이상의 부가 세척 단계를 거치는 것이 또한 고려된다. 그러므로 사용된 세척기 가스 배출구는 제2 세척 유닛에 연결된다. 제2 세척 유닛에는 버퍼 탱크, 바람직하게는 버퍼 탱크(A1)로부터 제공되는 본 발명에 따른 세척수가 공급된다. 세개 이상의 연속적인 세척 유닛이 고안될 수 있다. 또한 사용된 세척기 가스 배출구가 NOx 세척기에 연결되거나 또는 배기가스의 일부가 내연 기관의 공기 주입구 측으로 재순환되는 배기가스 재순환 시스템에 연결되는 것이 또한 고려된다.
수산화염기, 탄산염 버퍼 및 황산염을 포함하는 소비된 세척수 스트림(L3)은 세척 유닛(A2)으로부터 통상적으로 중간 스플리터(A3)를 거쳐 버퍼 탱크(A1)로 향한다.
스플리터(A3)는 소비된 세척수(L4)의 일부를 정화기(clarifier), 여과 유닛, 응집 유닛, 원심분리기 또는 침전조(미도시)일 수 있는 정화 유닛(clarifying unit)으로 향하게 할 수 있다.
다른 일 구현예(미도시)에서, 버퍼 탱크 및/또는 세척 유닛 내 침강 침전물은 개별 유닛으로부터 수거하여 정화 유닛으로 향하게 하는 것이 또한 고려된다.
정화 유닛은 농축조, 원심분리기 또는 다른 그러한 고체-액체 분리기 또는 단순 침강 탱크일 수 있다.
정화 유닛에서, 소비된 세척수(L4)의 일부가 유지되어 소비된 세척수로부터 고체가 침전할 것이고, 이 고체는 탄산염, 아황산염 및 황산염과 같은 화합물이다. 이 침전물은 정화 유닛에서 소비된 세척수의 하부의 진한 부분을 형성하고 이 분획은 폐기될 수 있고, 상층액은 배기 시스템으로 돌아갈 수 있다.
소비된 세척수(L3)는 버퍼 탱크로 돌아간다. 서로에 대한 탱크의 위치에 따라 하나 이상의 액체 펌프가 액체의 순환을 용이하게 하기 위해 위치할 수 있다.
아황산염, 황산염 및 탄산염의 침전 슬러리의 방출을 보상하기 위해서, 가동 중에 버퍼 탱크 등의 시스템에 보충수가 공급될 수 있다.
세척하는 동안 형성된 고체의 재현탁용 슬러지 탱크가 있을 수 있다. 만일 알칼리 수산화물이 수산화나트륨이면, 세척동안 형성되는 염들은 다음과 같다:
Figure pat00007
세척기 내의 칼슘 이온의 농도는 담수의 사용으로 인해 매우 낮으며 이는 해수의 사용에 대비된다.
알칼리성 세척수의 높은 알칼리도로 인하여, 탄산수소염 및 탄산염 사이의 평형은 탄산염 쪽으로 치우친다. 이로 인해 원하지 않은 탄산칼슘 침전 형성의 위험이 보통 있다. 그러나 특히 나트륨염은 칼슘염에 비해 용해도가 높아서, 보다 더 신속히 침전하여 용액에 칼슘 이온을 남길 것이다. 그러므로, 소량의 칼슘의 존재에도 불구하고, 석회자국(scale)(주로 CaCO3) 또는 석고(CaSO4·2H2O)의 형성은 본 발명에 따른 시스템에서는 무시될 수 있다.
공정 중 임의의 지점에서 pH는 측정될 수 있다. 가장 적절하게는 pH는 버퍼 탱크(A1) 및/또는 세척 유닛(A2) 내에서 측정된다. pH에 관한 정보는 버퍼탱크에 수산화나트륨의 주입을 평가하는데 사용되어, 적절한 알칼리 pH가 세척 유닛에 제공되는 것을 보장하고, 세척시 추가로 모니터링할 경우 원하는 반응을 구동하기에 충분히 높은 알카리도를 보장할 수 있다.
다른 일 구현예에서 배기가스(G1)는 세척 유닛(A2)에 도입되기 전 또는 세척 유닛(A2)에 있는 동시에 냉각된다.
세척 유닛으로부터 상류의 배기가스 냉각기(A5) 위치는 도 2에 도시되어 있다. 세척 유닛(A2)에 통합된 배기가스 냉각기는 도 3에 도시되어 있다. 나머지 스트림 및 유닛은 도 1에 도시된 것과 동일하다.
배기가스 냉각기(A5)는 간접 열교환기, 예를 들어 가스를 냉각하기 위해 해수 또는 물을 사용하는 판상 열교환기와 같은 직접 또는 간접 열 교환기일 수 있다. 전달되는 열은 필요한 경우 선박 내 다른 곳을 가열하는데 사용될 수 있다.
만일 배기가스 냉각기가 직접 냉각기이면, 물은 세척 유닛으로 들어오기 전 또는 들어옴과 동시에 가스 스트림 내로 단순히 분무될 것이다. 만일 물이 냉각에 사용된다면, 이는 시스템의 보충수를 구성할 수 있다.
냉각기로의 유입구에서 배기가스는 통상적으로 온도가 약 450℃이다. 세척 유닛으로의 유입구에서 배기가스는 냉각 후에 약 100℃의 범위의 온도를 가질 것이다.
냉각이 세척 유닛에 제공되는 것이 또한 고려될 수도 있으며, 이는 단독 냉각수단으로서 제공될 수도 있고 또는 세척 유닛(A2)에 가스를 공급하기 전 또는 그와 동시에 하는 냉각에 더해서 제공될 수 있다. 세척 유닛(A2)에서의 냉각은 소정 부피의 알칼리성 세척수 또는 담수를 분무하는 하나 이상의 분무 장치를 세척 유닛에 제공함으로써 얻어질 수 있다. 이런 방식으로 표면은 더 커질 것이고 온도는 약 40℃와 같은 60℃ 미만으로 감소할 것이다.
상기 언급한 구현예들의 상세는 본 발명의 범위 내에서 추가의 구현예들에 결합될 것이다.

Claims (20)

  1. 배기가스로부터 황산화물(SOx)을 제거하는 방법으로서,
    a. 버퍼 탱크(A1)에 담수에 기초한 세척수 스트림(L1)을 제공하는 단계;
    b. 상기 세척수 스트림(L1)에 강염기를 첨가하여 알칼리성 세척수 스트림(L2)을 얻는 단계;
    c. 세척 유닛(A2)에 상기 알칼리성 세척수 스트림(L2)을 공급하는 단계;
    d. 상기 세척 유닛(A2) 내의 알칼리성 세척수 스트림(L2)에 CO2를 포함하는 배기가스(G1)를 제공하여, 황산화물(SOx)이 감소된 세척된 가스(G2)와, 상기 황산화물 및 상기 강염기로부터의 양이온으로부터 형성된 침전염을 포함하는 소비된 세척수 스트림(L3)을 얻는 단계; 및
    e. 상기 소비된 세척수 스트림(L3)으로부터 침전염을 제거하여 단계 a에서 사용되는 세척수 스트림(L1)을 발생시키는 단계를 포함하고,
    지배적인 조건에서 상기 알칼리성 세척수의 pH가 탄산수소염/탄산염 평형의 pKa의 근처 또는 그 위로 유지되도록 하는 속도로 상기 세척수 스트림(L1)에 상기 강염기가 첨가되는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 강염기는 알칼리 수산화물, 알칼리토 수산화물 또는 비수산화물 염기, 또는 이들의 임의의 조합인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 알칼리 수산화물이 수산화나트륨 또는 수산화칼륨 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 배기가스(G1)가 상기 세척 유닛(A1)에 제공되기 전 또는 제공됨과 동시에 냉각되는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내연 기관에 의해 생산되는 에너지에 대한 알칼리성 세척수의 유속이 2.0 내지 3.0 l/kWh인 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 알칼리성 세척수(L2)의 pH가 25℃, 1기압에서 9-12, 바람직하게는 9-11, 더욱 바람직하게는 10-11의 범위가 되도록 상기 세척수(L1)에 상기 알칼리 수산화물이 첨가되는 방법.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 알칼리성 세척수(L2)의 pH가 25℃, 1기압에서 9-11의 범위가 되도록 상기 세척수(L1)에 상기 알칼리 수산화물이 첨가되는 방법.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 알칼리성 세척수(L2)의 pH가 25℃, 1기압에서 10-11의 범위가 되도록 상기 세척수(L1)에 상기 알칼리 수산화물이첨가되는 방법.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 단계 c)의 상기 알칼리성 세척수 스트림에 상기 배기가스(G2)를 제공하기 전에 상기 세척수(L1)에 CO2, H2CO3, HCO3 - 및 CO3 2 - 중 적어도 하나가 첨가되어 탄산수소염/탄산염 버퍼 시스템을 만드는 방법.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 e에서 원심분리(centrifugation), 정화(clarification), 침강(sedimentation), 여과(filtration) 또는 응집(flocculation)으로부터 선택되는 방법에 의해 상기 소비된 세척수로부터 침전염이 제거되는 방법.
  11. 연소실(A4)n을 갖는 복수의 실린더 및 배기 시스템(B)을 가지는 해양 선박용 내연 기관으로서, 상기 배기 시스템은 적어도 염기 저장 탱크(A0), 버퍼 탱크(A1) 및 세척 유닛(A2)을 포함하고,
    상기 염기 저장 탱크(A0)는 염기 주입 라인(L0)을 통해 상기 버퍼 탱크(A1)에 염기를 공급하기 위한 주입 장치를 가지고;
    상기 버퍼 탱크(A1)는 준비된 세척수 공급 라인을 통해 상기 세척 유닛(A2)의 준비된 세척수 유입물에 연결된 알칼리성 세척수 공급 라인 유출물(L2)을 더 구비하고, 상기 버퍼 탱크는 세척수 유입물(L1)을 더 포함하고;
    상기 세척 유닛은 스플리터(A3)를 통해 상기 세척수 유입물(L1)에 연결된 소비된 세척수 유출물(L3)을 더 포함하고, 상기 세척 유닛(A2)은 상기 연소실(A4)n로부터 유래되는 하나 이상의 배기가스 유입물(G1)n 및 SOx가 감소된 배기가스 유출물(G2)을 더 포함하고, 상기 배기 시스템(B)이 pH 센서를 더 구비하고, 상기 배기 시스템은 pH 센서로부터 측정된 pH 값을 수신하는 제어 유닛을 가지고, 상기 제어 유닛은 상기 염기 저장 탱크(A0)로부터 염기를 첨가하는 상기 주입 장치를 제어하여 지배적인 조건에서 알칼리성 세척수의 pH가 탄산수소염/탄산염의 버퍼 용량 내로 유지되는 내연 기관.
  12. 제11항에 있어서, 상기 세척수 라인이 비내부식성 강철, 플라스틱, 강화 플라스틱 물질, 섬유 강화 물질 또는 유리 섬유 강화 플라스틱 중 적어도 하나로부터 선택되는 물질로 만들어진 파이프로 만들어진 것을 특징으로 하는 내연 기관.
  13. 제11항에 있어서, 상기 세척 유닛(A2)은 비내부식성 강철, 플라스틱 물질, 강화 플라스틱 물질, 섬유 강화 물질 또는 유리섬유 강화 플라스틱 중 적어도 하나로부터 선택되는 물질로 만들어진 벽을 포함하는 내연 기관.
  14. 제12항에 있어서, 상기 세척 유닛(A2)은 비내부식성 강철, 플라스틱 물질, 강화 플라스틱 물질, 섬유 강화 물질 또는 유리섬유 강화 플라스틱 중 적어도 하나로부터 선택되는 물질로 만들어진 벽들을 포함하는 내연 기관.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 배기가스 냉각기(A5)가 구비된 내연 기관.
  16. 제15항에 있어서, 상기 적어도 하나의 배기가스 냉각기(A5)는 상기 세척 유닛(A2)의 상류에 위치하고 상기 배기가스 공급 라인(G1)을 통해 상기 세척 유닛(A2)에 연결된 내연 기관.
  17. 제15항에 있어서, 상기 배기가스 냉각기는 간접 또는 직접 접촉 냉각기인 내연 기관.
  18. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 세척 유닛(A2)으로 유동하는 배기가스로 세척수를 분무하기 위한 제1 분무 장치가 구비된 상기 세척 유닛(A2) 내로 상기 배기가스 냉각기(A5)가 통합된 내연 기관.
  19. 제11항에 있어서, 상기 세척 유닛(A2)이 상기 세척 유닛(A2) 내의 배기가스 유동 경로를 지나 연장되는 제1 부피의 충전 물질 위에 위치하는 제1열 분무 장치가 구비된 챔버를 가지고, 선택적으로 상기 챔버가 상기 세척 유닛(A2) 내의 배기가스 유동 경로를 지나 연장되는 적어도 하나의 제2 부피의 충전 물질 위에 위치하는 적어도 하나의 제2열 분무 장치를 갖는 내연 기관
  20. 제19항에 있어서, 상기 충전 물질이 플라스틱 바디 또는 플라스틱 시트로 만들어진 내연 기관.
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