KR20160079231A - 배관형 선박평형수 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 배관형 선박평형수 처리장치에 관한 것으로서 종래 전기분해방식의 전해셀 구조상 이온화물의 적체로 통로가 막히던 문제점과 다수의 전극을 채용함으로 인한 공간비중과 과다한 소비전력이 들어가던 문제점을 해결하는 목적을 가지고 있다. 이를 좀더 자세히 설명하면,
나선형 정적믹서 구조물형태로된 전도체소재로 내부전극이 구성되고 상기 나선형 정적믹서 구조물 전극을 내부에 수용하고 대응하도록 하는 외부배관형 전극을 구성하는것과 상기 각 전극이 통전되지 않도록 나선형 정적믹서 구조물 내부전극의 외각이 절연되어 외부배관형 전극내부에 채용되는데 각 전극이 장치를 완성하는 위치에 조립되기전에 나선형 정적믹서 구조물 내부전극과 외부배관형 전극의 크기에 따라 전력이 비례하는 직류전원을 연결하여 인가하면서 이리듐으로된 플라즈마 전극의 양단에 대기압상에서 30,000V이상의 전압으로 발생시킨 플라즈마를 에어로 날라가게 하여 각 전극의 표면에 접촉시켜 차후 인가될 전원에 습성화 시키고 표면을 개질한 다음에 전극을 조립하여 배관에 직접채용하고 각,각의 전극에 연결된 전원선과 연결된 전원인가수단이 배관외부에 마련되는 특징으로 이루어진 배관형 선박평형수 처리장치를 제공한다.
상기와 같은 본 발명은 종래 선박평형수 처리 기술방식의 문제점들을 해결하고 가동 에너지와 설치비를 절감하는 것은 물론 현존선에도 별도의 공간을 요구하거나 설치를 변경 하지 않고 배관에 연결하여 사용할 수 있는 범용성과 빠르고 큰 물량의 평형수를 처리하는 효과가 있다.

Description

배관형 선박평형수 처리장치{ballast Water treatment system}

선박평형수 처리장치

선박평형수(Ballast Water)는 선박의 안정성 유지를 위한 필수 요소로서, 군함등과 같이 적재화물의 변동이 작은 경우 적재량이 작으나, 일반 상선과 같이 적재화물의 변동량이 큰 경우 필요한 선박 평형수양도 비례적으로 많아진다. 일반 화물선의 경우에는 화물 적재량의 약 30～40％에 해당하는 선박평형수를 적재한다.

선박평형수는 화물의 적하시 부력에 의해 무게중심이 높아져서, 선박안정성이 낮아지는 것을 방지하기 위해, 적하량에 비례하여 싣는다. 반대로 화물 적재시에는 선박의 흘수 깊이를 조절하기 위해, 선박평형수를 배출하게 되는데, 배출량 역시, 화물의 적재량에 비례하게 된다. 이와 같이, 선박운항에 반드시 필요한 선박 평형수는 국제 교역량의 증가와 함께, 선박평형수에 포함된 생물개체의 지리적 이동을 수반하게 되었으며, 이러한 생물개체의 이동이 해양 생태계를 교란하는 원인으로 지목되고 있다. 수천종의 해양생물 종이 선박평형수에 의해 이동될 수 있으며, 이동되는 생물은 박테리아와 같은 미생물, 작은 무척추동물 그리고, 다양한 종의 유생, 알 등이 주를 이룬다. 물론, 육안으로 볼 수 있는 크기의 물고기와 같은 큰 생물은 유입펌프 또는 유입부의 strainer등을 통과하는 과정에서 제거되지만, 문제가 되는 해양 생물은 대부분 수 ～ 수십 ㎛ 크기의 유생 이전단계에서 이동되기 때문에 문제가 되고 있다. 선박의 이동과 함께, 새로운 해양환경에 배출된 외래 해양생물은 토착생물과 경쟁하게 되며, 환경에 적응하여 생존한 외래종이 번성하게 되는 경우, 토착 생물로 구성된 해양생태계를 교란하고, 심한 경우 토착생물을 멸종시킬 수 있기 십문에, 생물다양성에 대한 위협 요인이라고 할 수 있다.

자료에 의하면, 외래 생물종의 유입은 생물의 종 다양성 감소에 가장 큰 영향을 미치는 요인으로 지적되고 있으며, 멸종 위기 생물의 상당수는 외래 유입 생물종의 영향이라는 보고도 있다. 또한, 외래 유입생물은 생태계의 생물 다양성뿐만 아니라, 연안의 어족자원 변화와 같은 경제적인 피해를 주고 있는 것으로 보고되고 있다.

선박 평형수 이동에 의해 발생될 수 있는 생태적, 경제적 피해를 막고, 생물 다양성을 보전하기 위해 국제해사기구(IMO)는 2004년 2월 '선박의 선박평형수와 침전물의 통제 및 관리를 위한 국제협약'을 채택하였다. 선박평형수의 교환 방법은 sequential, dilution, flow-through 세 가지 방법이 있으며, 이중 sequential 방법은 부피기준으로 95％이상을 교환해야 하고, 나머지 두 가지 방법은 Tank 부피의 3배 이상을 교환하여 부피기준 95％이상을 교환한 효과와 동등한 수준을 달성해야 한다. 교환에 사용하는 해수는 해안에서 200 해리 이상 떨어진 200미터 이상의 수심지역에서 교환해야 하지만, 지역의 특성에 따라, 수심 50 미터 이상 지역과 항만국의 지정지역 등에서 교환이 가능하도록 규정되어 있다. 선박평형수의 교환을 의무화한 국가의 경우, 별도의 지침이 마련되어 있다.

채택된 협약에 따라, 선박평형수 교환기준의 적용 후에는 처리기준의 적용이 예정되어 있으며, 생물의 크기 기준으로 50㎛이상의 생물의 경우 1입방미터당 10개체 미만의 생존 생물이 남아 있도록 처리해야 하며, 10에서 50㎛ 생물의 경우, 1㎖당 10개체 미만의 생존 생물이 남아 있도록 처리해야 한다. 또한 인간에 영향을 미칠 수 있는 지표 미생물에 대한 기준도 설정되어 있다. 국제해사기구의 협약채택으로 각국의 비준절차가 진행중이며, 채택된 협약의 발효는 35％ 이상의 상선 선복량을 상회하는 30개국 이상의 비준 1년 후로 규정되었다.

현재 선박 평형수를 처리하는 기술로 크게 두 가지로 분류할 수 있다. 첫 번째는 관로(in-line) 처리방식이며, 두 번째는 탱크(in-tank) 처리방식이다. 관로 처리방법은 선박평형수의 유입 배출 시점에 처리하는 방법이며, 탱크 처리방법은 선박평형수가 유입된 이후, 항해 중에 처리하는 방법이다. 현재 국제적인 평형수 처리 기술들은 관로 처리방법이며, 탱크 처리방법은 관로 처리방법에 비해, 처리장치의 크기는 작아질 수 있지만, 항해시간을 고려하여 처리속도가 조건되어야 하므로 사실적으로는 효율이 재고 되고 있다. 선박평형수 처리장치는 국제해사기구에서 규정된 요구사항 외에도 조선소, 선급, 선주사, 정부 등 다양한 단체들의 요구사항을 고려하여, 선박환경에서 간단하게 설치 되면서도 원활히 운전, 유지, 보수될 수 있도록 개발되어야 수 많은 처리장치와의 비교에서 경쟁력을 가질 수 있고 시장 지배력을 높일 수 있는데 여기에 더하여 선박평형수 처리장치의 인증절차와 제도가 있다. 선박평형수 처리장치는 다른 선박용 기기와 마찬가지로 형식승인절차를 필요로 하는데, 선박평형수 처리장치의 인증절차는 협약의 부속서에 별도로 규정되어 있다. 또한 각국의 정부는 선박평형수 처리장치(시스템)의 형식승인에 관한 인증절차를 국제협약의 발효시기에 맞춰 준비하고 있다. 형식승인 시험절차는 크게 3단계로 구분되며 환경 및 적합성 시험, 육상시험, 선상시험으로 구성된다.

상기와 같은 배경에서 진행되고 있는 선박평형수 처리시장은 우리나라 국토해양부에서 내놓은 전망에 의하면 2011년부터 2016년까지 선박평형수처리 국제시장의 규모는 약 15조 원에 이를 것이라고 한다. 다만 신조시장에 비해 설치비용이 포함된 현존선 시장이 훨씬 크게 형성될 것으로 추정된다.

시장의 규모만큼 각국의 제품개발 경쟁이 치열하지만 다음과 같은 육상의 통상적인 기술을 접목하여 사용함으로 인한 선박상에서의 문제점이 발생되고 있다.

선박평형수 처리에 사용할 수 있는 처리기술은 크게 물리적 처리기술과 화학적 처리기술로 분류 할 수 있다. 물리적 처리기술에는 여과 또는 막(membrane) 분리, 원심분리, 자외선 조사, 가열, 초음파 처리, 캐비테이션(cavitation), 탈 산소 등의 기술이 있으며, 화약적 처리기술에는 염소처리와 오존처리, 그리고 과산화수소, 이산화염소 등 화학약품으로 처리하는 기술이 있다. 화학적 처리방법 중에는 염소, 오존, 이산화 염소 등을 현장에서 생성시켜 처리하는 기술과 미리 조제된 화학약품을 투입하는 기술이 사용되고 있다. 또한 개발되고 있는 처리장치는 단일 기술을 적용하는 처리장치 외에 몇 가지 물리적, 화학적 처리기술을 혼용한 처리장치가 개발되고도 있다.그 중에서 객관적인 실용성이 있고 수요업체위주로 선호도나 시장 점유율이 높은 처리방식으로 전기분해 , 오존처리, 자외선 조사 세가지로 분류 되고 있다.

서로 장, 단점 들이 있지만 선박의 구조변경과 많은 면적을 차지하거나 중량이 무거운 것은 고장시 수리나 관리가 용이 하지 않다는 점이 공통적이다. 방식별로 구조나 메카니즘이 거의 같으므로 세가지 기술별로 대표적인 제품의 형태와 구조를 나열해 보면 설치나 관리의 용이성을 예측해볼 수 있으며 실제로 각 방식별로 문제점이 나타나고 있는 있으므로 국제해사기구에서는 많은 제품을 형식승인 해 놓고도 옛날 화학약품의 투여 방식으로 복귀하려는 움직임도 서서히 나타나고 있는 실정이다.

세가지 방식 모두 비대하고 높은 소비전력을 요구 하므로 발라스팅 타임중에 주변기기에 영향을 미치고 있으며 전기분해의 경우는 이온화물들이 환원되어 전극간의 수로를 막아 잦은 내부 청소와 관리가 필요한 문제점이 발견되었으며 오존처리방식에서는 오존의 수중 용해시간이 필요하여 발라스팅타임을 지체하는 문제점이 발견되고 있으며 자외선방식에서는 조사원으로 사용되는 램프의 수정관에 다당체 적체로 시간이 지나면 기능이 떨어지고 잦은 조사원의 교체가 필요한 문제점이 발견되고 있기 때문이다 특히 이들 문임점에 비례하여 설비들이 차지하는 공간과 부피는 현존선에 용이하게 설치할 수 없는 비실용적이라는 비판이 선박업계에서 일고 있고 국제해사기구의 제품 검증하자에 이의를 내고 있기 때문이다.

앞으로 신조선이나 현존선이나 선박평형수처리는 필수적이이지만 상기와 같이 대두 되고 있는 문제점을 해결하지 못하면 그동안 국제해사기구나 우리나라뿐만이 아니라 전세계의 평형수 처리시장의 형성예은 물거품이 되고 불가피하게 화학약품을 발라스트탱크에 투입하여 처리 하는 재래의 방식으로 복귀 하게 되므로 세계 관련 기업들의 도산은 물론 국내 산업에도 큰영향을 미치게 되는 실정에 있으므로 과제 해결은 시급한 문제 이다.

본 발명은 상기의 공통적인 종래 방식의 문제점인 장치의 공간을 필요로 하지 않게 하여 현존선에도 쉽게 장착하고 설치가 되게 하는 과제를 해결하며, 상기전기분해방식에서 발견되고 있는 전극의 이온화물 퇴적으로 인한 내부 관리가 필요 없게 하며, 상기방식들처럼 높은 소비전력이 없어도 장치를 가동하여 빠른 시간에 많은 양의 평형수를 처리 할 수 있는 과제를 해결하는 것이다.

나선형 정적믹서 구조물형태로된 전도체소재로 내부전극이 구성되고 상기 나선형 정적믹서 구조물 전극을 내부에 수용하고 대응하도록 하는 외부배관형 전극을 구성하는것과 상기 각 전극이 통전되지 않도록 나선형 정적믹서 구조물 내부전극의 외각이 절연되어 외부배관형 전극내부에 채용되는데 각 전극이 장치를 완성하는 위치에 조립되기전에 나선형 정적믹서 구조물 내부전극과 외부배관형 전극의 크기에 따라 전력이 비례하는 직류전원을 연결하여 인가하면서 이리듐으로된 플라즈마 전극의 양단에 대기압상에서 30,000V이상의 전압으로 발생시킨 플라즈마를 에어로 날라가게 하여 각 전극의 표면에 접촉시켜 차후 인가될 전원에 습성화 시키고 표면을 개질한 다음에 전극을 조립하여 배관에 직접채용하고 각, 각의 전극에 연결된 전원선과 연결된 전원인가수단이 배관외부에 마련되는 특징으로 이루어진 배관형 선박평형수 처리장치를 제공한다.

종래 선박평형수 처리 기술방식의 문제점들을 해결하고 가동 에너지와 설치비를 절감하는 것은 물론 현존선에도 별도의 공간을 요구하거나 설치를 변경 하지 않고 배관에 연결하여 사용할 수 있는 범용성과 빠르고 큰 물량의 평형수를 처리하는 효과가 있다.

도1.은 종래 통상적인 전기분해 평형수 처리장치의 전극 구조도.
도2.는 본 발명의 구조도
도3.는 본 발명의 내부전극 제작공정 설명도
도4.는 본 발명의 외부전극 구성도
도5.는 나선형 정적 믹서(static mixer)의 구조도

본 발명을 실시하기 위하여 첨부된 도면을 통하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

도1.은 종래 통상적인 전기분해 평형수 처리장치의 구조도로 전기분해 방식의 평형수 처리장치에 제일 많이 쓰이는 방식인데 평판 전극(101)이 물이 흐르는 방향으로 수평으로 서로 대응하여 수중에서 방전을 하게 되는 것으로 전극간의 간격이 평행을 이루고 면적이 평탄한것이 특징이다. 이와 같이 물이 흐르는 방향과 수평이되면 물의 유속이 빨라지면 전기분해의 반응속도가 유속을 감당하지 못하므로 평판전극(101)간의 거리가 ?아지고 통과하는 물의 부피에 비례하여 도면과 같이 복수의 전극을 배치하여 흐르는물에 대응하게 하므로 다수의 전극과 다수의 전극에 인가하는 복수 전원이 필요하게 된다. 이러한 종래의 전기분해셀은 유수의 속도에 많은 저항을 발생시키고 설치비 및 관리비가 높은 단점이 있어왔다.

이에 반하여 도 5.와 같은 나선형 정적믹서는 대표적인 케닉스 믹서형태로서 흐르는 물의 흐름을 두갈래로 나누어 교차하여 흐르게 하는 것을 반복하게하는 인위적 구조물로 유체의 통로상에 설치하여 유체의 혼합에 가장 많이 사용해오던 정적 믹서이다. 본 발명에서는 이 정적믹서와 비슷하지만 전극으로서의 기능을 부여하기 위하여 개조와 창작을 하여야 한다. 나선형 정적믹서 구조물 형태가 바탕이 되는 이유는 흐르는 물의 전기분해와 혼합을 동시에 하며 통과 시킬 수 있어 전극간의 대응 거리가 ?지 않더라도 물의 혼합으로 전기분해가 골고루 잘 이루어지는 효과가 생기게 되기 때문이다. 다만 종래의 정적 믹서구조상으로서는 전극의 역할을 하기엔는 부적절 하므로 적절하게 개조 하는 단계를 거쳐야 한다. 우선 도3.의 종래 믹서 마디(201)와 마디를 연결하는 부위가 (202)와 같이 직각이 되어야 하고 끝단의 중심에 ㄷ 자의 홈(203)을 내어 마디를 연결할 때 서로 맛물려(204) 연결 되어야 한다. 이 이유는 종래의 믹서는 마디(201)와 마디를 연결하는 부위가 맛물리지 않고 단순하게 접촉 되어 용접 되어 있어서 전하의 흐름이 이부분에서 저항을 받아서 결국 여러개의 마디를 거치면 전하는 유실되고 전극의 기능은 유발 되지 못하기 때문이다.전극은 전도체 이기 때문에 전선처럼 부피와 면적에 따른 전하의 일정한 흐를 수 있는 양이 있는데 전하가 흐르는 면적이 마디(201)와 마디를 연결하는 부위 처럼 갑자기 작아지면 저항으로 순탄한 전하가 전달 되지 않기 때문인 것이다.여기에서 알수 있듯이 ㄷ 자의 홈(203)을 내어 접속 연결 하려면 최적의 조건은 자연이 직각이 되어야 서로 맛물려(204) 연결된다.이렇게 서로 맛물려(204)있는 부위는 접촉 면적이 커지므로 전하의 이동과 전도에서 저항을 작게 받게 되어 마디가 여러개가 연결 되더라도 순탄한 전기전도 현상을 유도하게 되기 때문이다.또하나의 이유는 신선박상에서의 평형수 처리장치의 설치는

제조하는 단계에서 설계시부터 고려하여 설비공간을 마련하지만 구선은 이미 건조되어 운항중인 선박을 지칭하는 것으로 평형수 처리장치의 부피나 중량이 크면 갑판을 뜯고 장치를 도입하거나 설치를 해야하는 어려움이 있다.상기와 같이 서로 맛물려(204)연결되면 용접이 필요 없고 현장에서 조립을 할 수 있으므로 아무리 배관 길이가 길어야 하는 큰 선박의 경우도 구태어 갑판을 뜯거나 별도의 설비를 변경하여 장치를 기관실내로 도입하지 않아도 되게된다.

이와 같이 제작되는 구조물은 내부전극(A)이 된다. 이 내부 전극(A)과 대응하는 외부전극(B)을 구성하는데 외부전극(B)은 내부전극(A)을 내부에 삽입하는 크기이고 원통형으로 구성하여 배관(C)에 알맞게 장착이 되도록 하게 된다.이 외부전극(B)은 메쉬로된 소재의 불용성 소재의 금속을 사용하여 제작하는데 산화전극이되므로 불용성이어야 하며 외부전극(B)역시 구선장착을 위해서는 조립이 가능하여야 하므로 도4.와 같이 마디와 마디를 연결 결합하는 결합부(501)와 내부전극(A)를 지지하는 지지부(502)가 구성된다. 각,전극(A)(B)의 말단에는 배관(C) 외부로부터 전원(D)을 인가받는 전원 인출선(E)이 연결되어 전원이 인가 되면 전극의 역할을 하게 되는데 각,전극(A)(B)이 모두 해수라는 수중에 있게 되므로 해수에 견딜 수 있는 내구성을 부여 하지 않으면 해수에 산화 되어 전도대가 형성되지 않고 전극기능을 잃게 되므로 이내 교체해야 하는 문제점이 발생되기도 하지만 해수에 존재하고 있다 환원되는 이온화물들이 전극에 적체되는 현상도 방지 하여야 관리가 용이하다.이를 해결하기 위하여 각 전극이 장치를 완성하는 위치에 조립되기전에 내부전극(A)과 외부배관형 전극(B)의 크기에 따라 전력이 비례하는 직류전원을 연결하여 인가하면서 이리듐으로된 플라즈마 전극의 양단에 대기압상에서 30,000V이상의 전압으로 발생시킨 플라즈마를 에어로 날라가게 하여 각 전극의 표면에 접촉시켜 차후 인가될 전원에 습성화 시키고 표면을 개질한 다음에 전극을 조립하여 배관에 장착하고 해수를 흐르게 하면 해수속의 나트륨성분이 전극표면에 박막을 형성하여 전극을 보호하게 되며 미리 습성화된 전극은 대량의 전류에도 열화 되지 않게 된다.마지막 단계로 상기 각 전극(A)(B)이 통전되지 않도록 내부전극(A)의 외각은 절연되어 외부배관형 전극(B)내부에 채용되는데 이리듐으로된 플라즈마 전극의 양단에 대기압상에서 30,000V이상의 전압으로 발생시킨 플라즈마를 에어로 날라가게 하는 이유는 이리듐은 불활성 합금이고 30,000V로 플라즈마를 발생시키면 플라즈마 중심 즉. 이리듐 전극의 중심은 온도가 높아 이리듐 금속의 용융이 일어나며 가스가 발생되는데 이 가스 분자가 플라즈마에 실려져서 전극표면을 충격하면서 표면개질이 되기 때문이다. 이렇게 표면이 개질 되면 해수속에서도 내구성이 증가하게 된다.상기와 같이 구성된 유닛은 발라스팅되는 선박의 배관(C)에 장착 되고 전원(D)이 배관외부에 마련되어 배관형 선박평형수 처리장치를 제공한다.

실시예1)

본 발명의 시제품을 제작하여 신뢰성 평가를한 결과 해수속 15미크론 이하의 미생물 감소율이 1회 통과 후 99.9％가 됨을 확인하였다.

Claims (3)

1. 나선형 정적믹서 구조물형태로된 전도체소재로 내부전극이 구성되고 상기 나선형 정적믹서 구조물 전극을 내부에 수용하고 대응하도록 하는 외부배관형 전극을 구성하는것과 상기 각 전극이 통전되지 않도록 나선형 정적믹서 구조물 내부전극의 외각이 절연되어 외부배관형 전극내부에 채용되는데 각 전극이 장치를 완성하는 위치에 조립되기전에 나선형 정적믹서 구조물 내부전극과 외부배관형 전극의 크기에 따라 전력이 비례하는 직류전원을 연결하여 인가하면서 이리듐으로된 플라즈마 전극의 양단에 대기압상에서 30,000V이상의 전압으로 발생시킨 플라즈마를 에어로 날라가게 하여 각 전극의 표면에 접촉시켜 차후 인가될 전원에 습성화 시키고 표면을 개질한 다음에 전극을 조립하여 배관에 직접채용하고 각, 각의 전극에 연결된 전원선과 연결된 전원인가수단이 배관외부에 마련되는 특징으로 이루어진 배관형 선박평형수 처리장치
2. 상기 청구항 1에서 외부배관형 전극은 불용성으로 산화전극인 것을 특징으로하는 배관형 선박평형수 처리장치
3. 상기 청구항 1에서 전원인가수단은 직류또는 교류중 하나이거나 직류와 교류를 복합하는 것을 특징으로하는 배관형 선박평형수 처리장치

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