KR20170030981A - 배기 및 배수 오염물질의 동시 저감 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의해 배기 및 배수 오염물질의 동시 저감방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 및 배수 오염물질의 동시 저감방법은, 연소기관의 배기가스와 외부로부터 해수를 유입받는 (a) 단계와, 배기가스에 산화제를 분사하여 질소계산화물을 산화시켜 스크러버로 공급하는 (b) 단계, 및 스크러버에 해수를 분사하여 배기가스에 포함된 오염물질을 제거하고 동시에 해수에 포함된 미생물을 사멸시키는 (c) 단계를 포함하되, 연소기관으로부터 유입되는 배기가스와 외부로부터 유입되는 해수의 양을 가변하여 배기가스와 해수를 선택적으로 정화할 수 있다.

Description

배기 및 배수 오염물질의 동시 저감 방법{Method for reducing water and air pollutant}

본 발명은 배기 및 배수 오염물질의 동시 저감 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연소기관의 배기가스에 포함된 오염물질과 해수에 포함된 미생물을 사멸하여 배출할 수 있는 배기 및 배수 오염물질의 동시 저감 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 선박에 설치되는 각종 엔진은 화석연료를 연소하여 동력을 생성한다. 이 때, 연료의 연소과정에서 발생되는 배기가스는 황산화물(SOx), 질소계산화물(NOx), 미세분진(PM) 등의 유해물질을 포함하고 있으며, 이로 인해, 배기가스를 그대로 배출할 경우 대기오염을 초래할 수 있다.

또한, 선박은 균형 및 흘수를 유지하기 위해 선체에 마련된 평형수 탱크에 평형수를 저장한다. 평형수는 출발지의 해상에서 채워진 후 목적지의 해상에 배출되므로, 별도의 수처리를 하지 않고 배출할 경우 수질오염과 해양 생태계 변화를 유발할 수 있다.

이러한 이유로, 선박의 대기오염 및 수질오염에 대한 환경규제가 강화되고 있으며, 각종 규제를 만족시키기 위해 다양한 처리장치가 선박에 적용되고 있다. 대기오염에 관한 환경규제 중 해양 배기가스 배출통제지역(ECA; Emission Control Area)의 운항 및 정박 시 엔진에서 배출되는 배기가스에 포함된 황산화물을 0.1% 이하로 규정하는 규제가 발효되어 있으며, 황산화물의 제거를 위해 일반적으로 습식 스크러버(wet scrubber)가 사용되고 있다. 습식 스크러버는 해수, 청수 또는 알칼리 용액과 배기가스를 기액 접촉하여 황산화물을 제거한다. 또한, 수질오염에 관한 환경규제 중 선박의 평형수에 포함된 일정 크기 이상의 미생물들을 사멸시켜야 하는 규제가 발효되어 있으며, 미생물의 살균을 위해 전기분해, 오존, 자외선 등의 처리 방식이 사용되고 있다.

그러나, 종래의 시스템은 배기가스를 정화하기 위한 시스템과 평형수를 처리하기 위한 시스템이 각각 독립적으로 동작하여 비효율적이며, 시스템의 설치 및 유지 비용이 증가할 뿐만 아니라 시스템의 배치를 위해 넓은 설치공간이 요구되어 선박 내 공간 활용도가 저하되는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허 제10-2014-0123665호 2014. 10. 23.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 연소기관의 배기가스에 포함된 오염물질과 해수에 포함된 미생물을 사멸하여 배출할 수 있는 배기 및 배수 오염물질의 동시 저감 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 배기 및 배수 오염물질의 동시 저감 방법은, 연소기관의 배기가스와 외부로부터 해수를 유입받는 (a) 단계와, 상기 배기가스에 산화제를 분사하여 질소계산화물을 산화시켜 스크러버로 공급하는 (b) 단계, 및 상기 스크러버에 상기 해수를 분사하여 상기 배기가스에 포함된 오염물질을 제거하고 동시에 상기 해수에 포함된 미생물을 사멸시키는 (c) 단계를 포함하되, 상기 연소기관으로부터 유입되는 상기 배기가스와 외부로부터 유입되는 상기 해수의 양을 가변하여 상기 배기가스와 상기 해수를 선택적으로 정화한다.

상기 (b) 단계는, 상기 해수를 전기분해하여 상기 산화제를 생산하거나 상기 배기가스에 코로나 방전을 하여 상기 산화제를 생산하거나 또는 오존발생기를 통하여 상기 산화제를 생산할 수 있다.

상기 산화제는 차아염소산나트륨, 차아염소산, 오존 중 적어도 하나일 수 있다.

상기 (c) 단계는, 상기 배기가스에 포함된 상기 질소계산화물과 황산화물을 상기 해수에 용해시켜 제거하고, 상기 해수에 상기 질소계산화물과 상기 황산화물이 용해되어 생성된 질산과 황산이나 상기 (b) 단계에서 생성된 오존으로 상기 해수에 포함된 미생물을 사멸시킬 수 있다.

상기 스크러버 내부에 존재하는 상기 해수의 pH값을 4 ~ 5.5로 유지할 수 있다.

상기 (c) 단계에서, 상기 연소기관으로부터 공급되는 상기 배기가스에 포함된 질소계산화물과 황산화물의 농도가 기준 농도 이상이거나 상기 배기가스의 양이 기준 양 이상인 경우, 상기 스크러버로 분사되는 상기 해수의 양을 증가시키거나 상기 스크러버를 통과한 상기 해수를 다시 재순환하여 상기 스크러버 내부로 분사할 수 있다.

외부로부터 유입되는 상기 해수의 양이 증가하면, 상기 (c) 단계에서, 상기 스크러버로 주입되는 살균제의 양을 증가시킬 수 있다.

상기 (c) 단계를 거친 상기 해수를 선박의 평형수로 사용하되, 상기 선박이 상기 평형수를 평형수탱크에 유입시키거나 배출시킬 때, 상기 (c) 단계에서 살균제의 주입량을 증가시키고, 상기 선박이 배출하는 상기 배기가스의 농도를 낮추어야 할 때, 상기 (b) 단계에서 상기 산화제의 주입량을 증가시킬 수 있다.

상기 배기 및 배수 오염물질의 동시 저감 방법은, 상기 (c) 단계 이후에, 상기 스크러버를 통과한 상기 해수에 포함된 고체상 입자를 분리하는 (d) 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 (d) 단계를 거친 상기 해수를 직접 선박의 평형수로 사용하거나, 외부로 직접 배출하거나, 다시 상기 스크러버로 재순환시키거나, 또는 상기 (d) 단계를 거친 상기 해수를 외부에서 직접 유입된 해수와 혼합하여 상기 선박의 평형수로 사용하거나 외부로 직접 배출할 수 있다.

상기 배기 및 배수 오염물질의 동시 저감 방법은, 상기 (d) 단계 이후에, 상기 고체상 입자가 분리된 상기 해수 또는 상기 (c) 단계 이후의 상기 스크러버 안에 산성화된 세정수에 중화제를 주입하는 (e) 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 정화유닛에서 생산된 살균제를 사용해 평형수 중의 미생물을 사멸함과 동시에 동일한 정화유닛에서 생산된 산화제로 배기가스를 산화해 습식 스크러버로 공급되는 질소산화물을 제거할 수 있다. 즉, 하나의 평형수 처리 시스템으로 살균과 산화를 동시에 수행할 수 있으며, 이로 인해, 여과장치, 펌프 등이 생략될 수 있어 시스템의 설치 및 유지 비용이 감소할 뿐만 아니라 선박 내 공간 활용도가 증가할 수 있다. 또한, 종래의 전기분해 방식을 사용한 평형수 처리 시스템에서 배관만 추가하여 구현이 가능하므로, 기존 선박에 용이하게 적용될 수 있다.

또한, 해수를 전기분해하는 정화유닛을 통해 일산화질소를 산화시키고, 동시에 산성화된 세정수를 중화시키며, 해수의 미생물을 살균시킴으로써, 비용을 절감하고 공간 활용에서 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 및 배수 오염물질 저감방법이 적용되는 배기 및 배수 오염물질 저감장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2 내지 도 7은 도 1의 배기 및 배수 오염물질 저감장치의 작동도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 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.

이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 및 배수 오염물질 저감방법 및, 이를 적용하는 배기 및 배수 오염물질 저감장치에 관하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 및 배수 오염물질 저감방법이 적용되는 배기 및 배수 오염물질 저감장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

배기 및 배수 오염물질 저감장치(1)는 배기가스에 포함된 각종 오염물질(질소계산화물, 황산화물, 분진 등)의 농도를 줄여 배기기준에 적합한 공기를 배출할 수 있으며, 해수에 포함된 미생물의 살균처리가 동시에 이루어져 평형수로 사용하거나 해수로 배출할 수 있는 장치이다.

배기 및 배수 오염물질 저감장치(1)는 주로 선박에 탑재되어 선박에서 발생하는 배기가스의 오염물질을 제거하면서 평형수로 사용하는 해수에 포함된 미생물을 동시에 사멸할 수 있다. 또한, 배기 및 배수 오염물질 저감장치(1)는 배기가스의 오염물질 제거 기능과 평형수의 미생물 사멸 기능을 각각 작동시키거나 작동비율을 필요에 따라 조절할 수 있으며, 종래의 배기가스 처리 시스템에 포함된 여과장치, 펌프 등이 생략될 수 있는 장점이 있다.. 이러한 장치는 종래의 전기분해 방식을 사용한 평형수 처리 시스템에서 배관만 추가하여 구현이 가능하므로, 기존 선박에 용이하게 적용될 수 있는 특징이 있다.

배기 및 배수 오염물질 저감장치(1)는 배기가스관(10)과, 세정수공급관(20)과, 스크러버(40)와, 정화유닛(50), 및 세정수배출관(41)을 포함한다.

배기가스관(10)은 연소기관(도시되지 않음)으로부터 배기가스가 이동하는 관으로, 후술할 스크러버(40)에 연결된다. 배기가스관(10)은 연소기관의 배기관에 직접 연결되어, 고온의 배기가스가 직접 이동하거나 각종 열교환기를 통과하여 배기열의 대부분을 재활용하고 남은 폐가스가 이동하는 통로가 될 수 있다. 여기서, 연소기관은 연료를 연소하여 선박에 필요한 각종 동력을 발생시키는 장치로서, 예를 들어, 메인 엔진, 발전기 엔진 등으로 형성될 수 있다. 배기가스관(10)에는 복수 개의 연소기관의 배기관이 연결될 수 있으며, 복수 개의 연소기관은 필요에 따라 선택적으로 동작할 수 있다. 이러한 연소기관은 통상, 화석 연료를 연소하여 동력을 발생시키므로, 화석 연료의 연소에 따른 배기가스를 발생시킨다. 발생된 배기가스는 다량의 질소계산화물, 황산화물 및 분진 등을 포함하고 있으며, 연소기관의 일 측에 연결된 배기가스관(10)을 통해 스크러버(40)로 공급된다.

한편, 세정수공급관(20)은 해수 또는 청수 또는 해수와 청수의 혼합수 중 적어도 하나인 세정수를 스크러버(40)에 공급하는 관으로, 일단부가 해수공급관(30) 또는 청수공급관(21)에 연결되고 타단부가 스크러버(40)에 연결될 수 있다. 즉, 세정수공급관(20)은 해수와 청수를 선택적으로 공급받을 수 있다. 이하, 세정수가 해수인 것으로 한정하여, 세정수공급관(30)을 통해 주로 해수가 유입되어 스크러버(40)로 공급되는 과정을 보다 중점적으로 설명한다.

해수공급관(30)에는 펌프(36)가 설치되어 세정수를 스크러버(40)로 원활하게 공급할 수 있다. 특히, 세정수공급관(20)은 해수공급관(30)으로부터 분지되어 스크러버(40)로 연결될 수 있으며, 세정수공급관(20)과 해수공급관(30)의 연결부분에는 제어밸브(31)가 설치될 수 있다. 제어밸브(31)는 삼방밸브 형태로 형성되어, 세정수공급관(20)을 통하여 공급되는 해수의 양을 조절하거나, 세정수공급관(20)으로 분지되어 공급되는 해수와 해수공급관(30)을 통하여 평형수탱크(60)로 공급되는 해수의 비율을 조절할 수 있다.

스크러버(40)는 배기가스관(10)을 통해 유입되는 배기가스에 세정수공급관(20)을 통해 공급되는 세정수, 즉, 해수를 분무하여 배기가스와 세정수를 기액 접촉시키는 장치로, 통상의 습식 스크러버(scrubber)일 수 있다. 이 때, 세정수공급관(20)은 스크러버(40) 내부에 위치한 단부가 스크러버(40)의 상부에 배치되며, 복수 개로 분지되어 세정수를 미립자 형태로 분무할 수 있다. 즉, 스크러버(40)의 상부에 배치된 세정수공급관(20)은 배기가스관(10)이 위치한 스크러버(40)의 하부를 향하여 세정수를 분무하며, 이로 인해, 배기가스와 세정수를 효과적으로 접촉시킬 수 있다.

스크러버(40) 내부에서 배기가스와 세정수가 접촉함에 따라 배기가스에 포함된 질소계산화물, 황산화물, 및 분진 등의 오염물질이 해수에 용해되어 제거될 수 있으며, 질소계산화물, 황산화물, 및 분진 등의 오염물질이 제거된 배기가스는 별도의 배출관(42)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 배출관(42)을 통해 배출되는 배기가스는 질소계산화물, 황산화물, 및 분진 등의 오염물질이 제거된 상태이므로, 배기기준에 적합하게 되어 대기 중에 그대로 배출할 수 있다.

한편, 질소계산화물(NOx)과 황산화물(SOx)이 세정수, 즉, 해수에 용해되어 생성된 질산(HNO₃)과 황산(H₂SO₄)은 산성을 띄고 있어, 스크러버(40)에 수용된 해수에 포함된 미생물을 사멸시킬 수 있다. 이 때, 스크러버(40) 내부에 존재하는 세정수, 즉, 해수의 pH값은 살균력이 극대화되는 4 ~ 5.5로 유지될 수 있다.

스크러버(40) 내부에서 오염물질이 포함된 배기가스와 접촉하여 질소계산화물, 황산화물, 및 분진 등이 포함된 세정수는 세정수배출관(41)을 통해 스크러버(40) 외부로 배출된다.

정화유닛(50)은 배기가스관(10) 또는 스크러버(40)에 연결되어 물리적 또는 화학적인 방법으로 질소계산화물을 산화시키거나 산성화된 세정수를 중화시키거나 세정수에 포함된 미생물을 사멸시킬 수 있다. 즉, 정화유닛(50)은 배기가스관(10) 또는 스크러버(40)에 산화제를 공급하거나 중화제를 공급하거나 살균제를 공급할 수 있다. 예를 들어, 정화유닛(50)은 해수를 전기분해하여 산화제, 중화제, 살균제를 모두 생산하는 장치이거나, 플라즈마를 이용하여 산화제와 살균제를 생산하는 장치일 수 있다. 그러나, 정화유닛(50)이 전기분해장치 또는 플라즈마장치로 형성되는 것으로 한정될 것은 아니며, 질소계산화물을 산화시키거나 산성화된 세정수를 중화시키거나 세정수에 포함된 미생물을 사멸시킬 수 있는 장치라면 어떠한 구성도 가능할 것이다.

정화유닛(50)은 배기가스관(10)에 산화제를 분사하여 배기가스에 포함된 일산화질소를 이산화질소로 산화시킬 수 있다. 이산화질소는 일산화질소에 비하여 물에 쉽게 용해되므로 스크러버(40)에서 세정수에 녹아 쉽게 제거될 수 있다. 정화유닛(50)은 배기가스관(10)에 액체산화제를 미립자화하여 직접 분사하거나, 배기가스관(10)에 설치된 별도의 분무유닛(11)을 통하여 배기가스에 액체산화제를 분무할 수 있다. 배기가스에 분사되는 산화제는, 전술한 바와 같이 해수를 전기분해하여 생산되거나, 배기가스에 코로나 방전을 하여 생산되거나 별도의 오존발생기를 통해 생산될 수 있으며, 예를 들어, 차아염소산나트륨(NaOCl), 차아염소산(HOCl), 오존 중 적어도 하나일 수 있다. 즉, 산화제가 해수를 전기분해하여 생산될 경우, 차아염소산나트륨(NaOCl), 차아염소산(HOCl)일 수 있으며, 산화제가 배기가스에 코로나 방전을 하여 생산되거나 오존발생기를 통해 생산될 경우, 오존일 수 있다. 오존은 살균력이 뛰어나므로 해수에 포함된 미생물을 사멸시킬 수 있다. 그러나, 산화제가 차아염소산나트륨(NaOCl), 차아염소산(HOCl), 오존 중 적어도 하나인 것으로 한정될 것은 아니며, 예를 들어, 산화제는 과산화수소(H₂O₂), 이산화염소(ClO₂) 등의 화학약품일 수도 있다. 정화유닛(50)은 선박이 배출하는 배기가스의 농도를 낮추어야 할 때, 배기가스관(10)에 주입되는 산화제의 양을 증가시킬 수 있다.

또한, 정화유닛(50)은 배기가스관(10)에 중화제를 함께 분무하거나 스크러버(40)에 중화제를 분무할 수 있다. 중화제는 배기가스에 포함된 질소계산화물과 황산화물이 세정수, 즉, 해수와 반응하여 산성화된 세정수를 중화시킬 수 있다. 질소계산화물과 황산화물은 해수에 용해되어 각각 질산과 황산을 생성하게 되므로, 정화유닛(50)은 차아염소산나트륨을 스크러버(40)에 분사하여 산성화된 세정수를 중화시킬 수 있다.

이러한 정화유닛(50)은 평형수탱크(60)에 중화제를 분사하거나 해수배출관(37)에 중화제를 분사하여 평형수를 중화 또는 과잉의 총잔류산화제양을 감소시킬 수도 있다. 이 때, 정화유닛(50)은 평형수 탱크(60)에 중화제를 분사함과 동시에 추가적으로 티오황산나트륨()을 분사할 수도 있다. 또한, 정화유닛(50)은 외부로부터 유입되는 해수의 양이 증가하면, 스크러버(40)로 주입되는 살균제의 양을 증가시켜 미생물을 사멸시킬 수 있다. 이 때, 스크러버(40) 내부에 자외선을 조사하거나 광촉매를 주입하여 살균력을 향상시킬 수도 있다.

한편, 정화유닛(50)은 스크러버(40)에 직접 중화제(NaOH)를 주입할 수도 있으며, 정화유닛(50)에서 공급된 중화제로 세정수의 중화가 충분히 이루어지지 않을 경우, 별도의 중화제 주입 유닛(도시되지 않음)을 추가하여 2차 중화단계를 거칠 수도 있다.

세정수배출관(41)은 스크러버(40) 내부의 세정수를 배출하는 관으로, 필터유닛(70)을 통하여 해수공급관(30)과 다시 연결될 수 있다. 즉, 세정수배출관(41)은 필터유닛(70)을 통하여 세정수에 포함된 고체상 입자를 분리한 후, 평형수탱크(60)로 저장하여 평형수로 사용하거나 외부로 배출할 수 있다. 세정수배출관(41)은 반드시 해수공급관(30)과 연결될 필요는 없으며, 독립적으로 평형수탱크(60)와 연결되거나 선박의 외부로 연결될 수도 있다.

세정수배출관(41)에는 순환관(91)이 연결될 수 있다. 순환관(91)은 세정수배출관(41)을 통하여 배출되는 세정수를 세정수공급관(20)으로 재순환시키는 관으로, 세정수를 평형수로 사용하지 않거나 외부로 배출할 필요가 없는 경우 세정수를 스크러버(40)로 순환시켜 재사용할 수 있다. 또한, 연소기관으로부터 공급되는 배기가스의 농도가 기준 농도 이상이거나 배기가스의 양이 기준 양 이상인 경우, 스크러버(40)를 통과한 세정수를 재순환하여 스크러버(40) 내부로 분사할 수도 있다. 그러나, 연소기관으로부터 공급되는 배기가스의 농도가 기준 농도 이상이거나 배기가스의 양이 기준 양 이상인 경우, 세정수를 재순환하는 것으로 한정될 것은 아니며, 예를 들어, 스크러버(40)로 분사되는 해수의 양을 증가시킬 수도 있다.

세정수배출관(41)과 순환관(91) 사이에는 재순환탱크(90)가 설치될 수 있다. 재순환탱크(90)는 스크러버(40)를 통하여 배출된 세정수 중 일부를 저장할 수 있으며, 순환관(91)을 통하여 일정한 양의 세정수가 순환될 수 있도록 일종의 버퍼탱크(buffer tank) 역할을 할 수 있다. 재순환탱크(90)는 원심분리기, 중력분리기, 필터 중 어느 하나를 포함하여 세정수에 포함된 고체상 입자를 분리하고 순환관(91)을 통해 세정수를 재순환시킬 수 있다.

세정수공급관(20)은 해수공급관(30)과, 청수공급관(21), 및 순환관(91)과 연결되어 있어, 배기가스의 농도, 스크러버(40)의 처리 용량, 세정수의 농도 및 오염도 등을 고려하여 해수, 청수, 순환수를 적절히 섞어 스크러버(40)로 공급할 수 있다.

필터유닛(70)은 스크러버(40)의 후단에 설치되어 스크러버(40)로부터 배출되는 세정수에 포함된 고체상 입자 등을 분리하는 장치로, 재순환탱크(90)와 같이 원심분리기, 중력분리기, 필터 중 적어도 하나를 이용하여 고체상 입자를 분리한 후 슬러지탱크(80)로 배출할 수 있다. 필터유닛(70)은 펌프(36)와 제어밸브(31) 사이의 해수공급관(30)에 연결될 수 있다. 즉, 해수공급관(30)으로부터 공급되는 해수는 필터유닛(70)을 통과한 후 세정수공급관(20)을 통해 스크러버(40)로 공급되며, 스크러버(40)를 통과한 세정수는 다시 필터유닛(70)을 통과할 수 있다. 즉, 하나의 필터유닛(70)으로 외부에서 유입된 해수와 스크러버(40)를 통과한 세정수를 모두 필터링할 수 있다. 또한, 필터유닛(70)의 일 측에는 제어밸브(31)의 후단의 해수공급관(30)에 직접 연결되는 합류관(도 6의 38 참조)이 설치될 수 있다.

필터유닛(70)을 통과한 세정수 또는 해수에는 정화유닛(50)에서 공급하는 중화제 또는 살균제가 분사될 수 있다. 필터유닛(70)과 해수배출관(37) 사이에는 해수와 세정수의 혼합수가 배출되는 혼합관(34)이 설치될 수 있으며, 혼합관(34) 상에는 정화유닛(50)으로부터 공급되는 중화제나 살균제를 주입하는 주입유닛(33)이 설치될 수 있다. 주입유닛(33)은 중화제나 살균제를 액체 또는 기체 상태로 해수와 세정수에 주입할 수 있다. 주입유닛(33)의 후단에는 센서부(32)가 설치되어 있어, 혼합관(34)을 통하여 배출되는 세정수와 해수 중에 포함된 총잔류산화제양(total residual oxidant), pH값, 미생물 농도 중 적어도 하나를 실시간으로 파악할 수 있다. 정화유닛(50)은 센서부(32)의 결과값에 따라 산화제, 중화제, 살균제의 공급량을 적절히 조절할 수 있다. 혼합관(34)을 통해 배출되는 세정수와 해수는 평형수탱크(60)로 유입되거나 해수배출관(37)을 통해 외부로 배출된다.

평형수탱크(60)는 세정수배출관(41)을 통해 배출되는 세정수를 저장하여 선박의 평형을 유지한다. 선박에는 적어도 하나의 평형수탱크(60)가 설치될 수 있으며, 전술한 바와 같이, 세정수배출관(41)을 통해 배출되는 세정수는 배기가스에 포함된 질소계산화물, 황산화물, 및 분진 등을 흡수한 상태이므로, 세정수배출관(41) 내부를 유동하는 세정수의 수소이온농도지수, 즉, pH값은 세정수공급관(20)을 유동하는 세정수의 pH값보다 더 낮다. 다시 말해, 세정수배출관(41) 내부를 유동하는 세정수는 황산화물로 인해 산성화되어, 세정수공급관(20) 내부를 유동하는 세정수보다 pH값이 더 낮다. 따라서, 세정수배출관(41) 내부를 유동하는 세정수에 포함된 미생물의 생존률은 세정수공급관(20) 내부를 유동하는 세정수에 포함된 미생물의 생존률보다 더 낮다.

즉, 세정수배출관(41) 내부를 유동하는 세정수는 산성화로 인해 미생물의 생존률이 낮아 일정 크기 이상의 미생물들을 사멸시켜야 하는 평형수 규제 조건을 만족시키므로, 평형수로 사용하게 적합하다. 스크러버(40)에서 배출된 미생물이 사멸한 세정수를 평형수로 사용함으로써, 미생물을 사멸하기 위한 별도의 평형수 처리 시스템이 생략될 수 있으며, 이로 인해, 시스템의 설치 및 유지 비용이 감소할 뿐만 아니라 선박 내 공간 활용도가 증가할 수 있다. 또한, 종래의 습식 크러버 시스템에서 배관만 추가하여 구현이 가능하므로, 기존 선박에 용이하게 적용될 수 있는 장점이 있다.한편, 정화유닛(50)은 평형수탱크(60)에 직접 살균제를 공급할 수도 있다. 평형수탱크(60) 내부에 저장된 평형수의 미생물의 농도가 높으면 평형수탱크(60)에 직접 살균제를 분사하여 미생물 농도를 조절할 수 있다. 따라서, 평형수탱크(60)에 저장된 평형수를 외부로 배출하기 전에 미생물 허용 기준치 이내로 조절할 수 있어, 해양오염이나 생태계 교란을 막을 수 있다. 특히, 정화유닛(50)은 평형수를 평형수탱크(60)에 유입시키거나 배출시킬 때, 살균제의 주입양을 증가시킬 수 있다.

본 발명에 따른 배기 및 배수 오염물질 저감방법은 연소기관의 배기가스와 외부로부터 해수를 유입받는 (a) 단계와, 배기가스에 산화제를 분사하여 질소계산화물을 산화시켜 스크러버(40)로 공급하는 (b) 단계, 및 스크러버(40)에 해수를 분사하여 배기가스에 포함된 오염물질을 제거하고 동시에 해수에 포함된 미생물을 사멸시키는 (c) 단계를 포함하며, 연소기관으로부터 유입되는 배기가스의 양과 외부로부터 유입되는 해수의 양을 가변하여 배기가스와 해수를 선택적으로 정화할 수 있다.

또한, 배기 및 배수 오염물질 저감방법은 스크러버(40)를 통과한 해수에 포함된 고체상 입자를 분리하는 (d) 단계와, 고체상 입자가 분리된 해수 또는 상기 (C) 단계 이후의 스크러버 안에 산성화된 세정수에 중화제를 주입하는 (e) 단계를 더 포함할 수 있다.

연소기관의 배기가스는 배기가스관(10)을 통해 스크러버(40)로 유입되며, 해수는 해수공급관(30) 및 세정수공급관(20)을 통해 스크러버(40)로 유입될 수 있다((a) 단계). 이 때, 정화유닛(50)은 배기가스가 스크러버(40)로 유입되기 전에 산화제를 분사하여 질소계산화물을 산화시킬 수 있다((b) 단계). 산화제는 해수를 전기분해하여 생산되거나, 배기가스에 코로나 방전을 하여 생산되거나, 별도의 오존 발생기를 통해 생산될 수 있으며, 차아염소산나트륨(NaOCl), 차아염소산(HOCl), 오존 중 적어도 하나일 수 있다. 또한, 정화유닛(50)은 배출관(42)을 통해 배출되는 배기가스의 농도를 낮추어야 하는 경우, 예를 들어, 선박이 ECA(Emission Control Area; 배출규제지역)에 진입한 경우, 배기가스관(10)에 주입되는 산화제의 양을 증가시킬 수 있다.

스크러버(40)는 배기가스관(10)을 통해 유입된 배기가스에 해수를 분사하여 배기가스에 포함된 질소계산화물, 황산화물, 분진 등의 오염물질을 제거하며, 이와 동시에, 해수에 포함된 미생물을 사멸시킬 수 있다((c) 단계). 즉, 배기가스에 포함된 질소계산화물, 황산화물은 해수에 용해되어 제거되며, 질소계산화물과 황산화물이 해수에 용해되어 생성된 질산과 황산은 해수에 포함된 미생물을 사멸시킬 수 있다. 이 때, 배기가스에 코로나 방전을 하여 생산되거나 오존 발생기를 통해 생산된 오존으로 해수에 포함된 미생물을 사멸시킬 수도 있다. 스크러버(40) 내부에 존재하는 해수의 pH값은 살균력이 극대화되는 4 ~ 5.5로 유지될 수 있다.

또한, 해수에 포함된 미생물은 정화유닛(50)으로부터 공급된 살균제에 의해 사멸될 수도 있다. 정화유닛(50)은 외부로부터 유입되는 해수의 양이 증가하면, 스크러버(40)로 유입되는 살균제의 양을 증가시켜 해수에 포함된 미생물을 사멸시킬 수 있다. 미생물이 사멸된 해수는 선박의 평형수로 사용될 수 있으며, 선박이 평형수를 평형수탱크(60)에 유입시키거나 배출시킬 때, 정화유닛(50)은 살균제의 주입량을 증가시킬 수 있다.

스크러버(40)를 통과한 해수는 필터유닛(70)을 통해 고체상 입자가 분리될 수 있으며((d) 단계), 고체상 입자가 분리된 해수는 직접 선박의 평형수로 사용되거나, 외부로 직접 배출되거나, 다시 스크러버(40)로 재순환할 수 있다. 또는, 고체상 입자가 분리된 해수는 외부에서 직접 유입된 해수와 혼합되어 평형수로 사용되거나 외부로 배출될 수도 있다. 이 때, 필터유닛(70)을 통과하여 고체상 입자가 분리된 해수에는 정화유닛(50)으로부터 중화제가 주입될 수도 있다.이하, 도 2 내지 도 7을 참조하여, 배기 및 배수 오염물질 저감장치(1)의 작동과정에 대해 좀 더 상세히 설명한다.

도 2 및 도 3은 해수공급관을 통해 유입된 해수가 평형수로 공급되는 과정을 도시한 것으로, 도 2는 평형수 공급되는 해수 전체에 살균제가 투입되는 직접식 살균방식을 도시한 것이며, 도 3은 평형수 공급되는 해수 중 일부분에 살균제가 투입되고 외부에서 공급된 해수와 섞어서 사용하는 간접식 살균방식을 도시한 것이다.

먼저, 도 2를 참조하면, 해수공급관(30)을 통하여 공급되는 해수는 필터유닛(70)을 통과하며 입자가 큰 미생물이 제거된다. 예를 들어, 필터유닛(70)은 살균제로 쉽게 사멸되지 않는 직경이 50μm 이상의 미생물을 분리할 수 있다.

필터유닛(70)을 통과한 해수에는 정화유닛(50)으로부터 공급되는 살균제가 분사될 수 있다. 살균제가 분사되어 미생물이 사멸한 해수는 평형수탱크(60)로 공급되어 평형수로 사용될 수 있다.

이어서, 도 3을 참조하여 설명하면, 해수공급관(30)을 통하여 공급된 해수는 필터유닛(70)을 통과하면서 입자가 큰 미생물이 제거되고, 해수는 혼합관(34)을 통하여 일부가 배출되며, 나머지는 우회관(35)을 통하여 배출될 수 있다. 혼합관(34)은 정화유닛(50)으로부터 살균제가 분사되는 관이며, 우회관(35)은 필터유닛(70)을 통과하여 고체상 입자가 분리된 해수가 직접 평형수탱크(60)로 유입되거나 외부로 배출되는 관이다. 혼합관(34)을 통과한 해수는 살균제가 분사되어 미생물이 사멸되며, 우회관(35)을 따라 유동하는 해수와 혼합되어 우회관(35)을 따라 유동한 해수에 포함된 미생물을 사멸시킬 수 있다. 이 때, 혼합관(34)과 우회관(35)을 통과하는 해수의 양이나 비율은 해수에 포함된 미생물의 농도 등에 따라 선택적으로 조절될 수 있다.

도 2와 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 배기 및 배수 오염물질 저감장치(1)는 배기가스를 제거하는 기능을 사용하지 않더라도 독립적으로 평형수를 처리할 수 있다. 도 2 와 도 3의 과정은 주로 선박이 항구에서 평형수를 평형수탱크(60)에 채워 넣거나 비울 때 운용될 수 있다.

이하, 도 4 및 도 5를 참조하여, 배기 및 배수 오염물질 저감장치(1)가 배기가스의 오염물질을 제거하기 위하여 동작하는 과정을 설명한다.

도 4는 해수공급관으로 공급된 해수가 스크러버를 통과한 후 외부로 직접 배출되는 방식을 도시한 것이며, 도 5는 해수공급관으로 공급된 해수가 스크러버를 통과한 후 순환관을 통하여 재순환되는 방식을 도시한 것이다.

먼저, 도 4를 참조하여 설명하면, 해수공급관(30)을 통하여 유입된 해수는 세정수공급관(20)을 통하여 스크러버(40)로 공급된다. 세정수는 스크러버(40) 상부에서 분사되며, 스크러버(40)의 하부에는 세정수가 일정 수위로 채워질 수 있다. 이 때, 배기가스관(10)을 통하여 공급된 배기가스는 스크러버(40)의 하부에서 분사될 수 있다.

정화유닛(50)은 배기가스가 스크러버(40)로 공급되기 전에 산화제를 분사하여 일산화질소를 이산화질소로 산화시킬 수 있다. 정화유닛(50)은 세정수의 pH값을 고려하여 세정수의 pH값을 고려하여 배기가스관(10) 또는 스크러버(40)에 중화제를 함께 분사할 수 있다.

한편, 배기가스는 스크러버(40) 하부에 채워진 세정수 속에서 분사될 수 있으며, 이로 인해, 1차로 질소계산화물 황산화물, 분진 등의 오염물질이 제거될 수 있다. 또한, 스크러버(40) 상부에서 분사되는 세정수에 의해 2차로 오염물질이 제거될 수 있다. 이러한 과정을 통하여 배기가스 내부의 오염물질은 제거되며, 오염물질이 제거된 배기가스는 배출관(42)을 통하여 외부로 배출된다.

스크러버(40)를 통과한 세정수는 질소계산화물, 황산화물, 분진 등의 오염물질을 포함하고 있으며, 세정수배출관(41)을 통하여 필터유닛(70)으로 이동한다. 필터유닛(70)은 세정수 내부의 고체상 입자 등의 오염물질을 분리하여 슬러지탱크(80)로 저장하며, 오염물질이 분리된 세정수는 혼합관(34)과 해수배출관(37)을 통하여 외부로 배출된다. 이 때, 혼합관(34)을 통과하는 세정수의 총잔류산화제양과 pH값이 기준치를 벗어나는 경우, 정화유닛(50)은 중화제를 혼합관(34)에 주입하여 총잔류산화제양과 pH값을 기준치 이내로 맞춘 후 외부로 배출한다.

이어서, 도 5를 참조하여 설명하면, 해수공급관(30)을 통하여 유입된 해수는 스크러버(40)를 통과하여 세정수배출관(41)으로 배출되고, 세정수배출관(41)으로 배출된 세정수는 재순환탱크(90)에 일시 저장되었다가 다시 순환관(91)을 통하여 세정수공급관(20)으로 순환된다. 즉, 도 5의 과정은 세정수가 순환관(91)을 통하여 재순환하는 점을 제외하면 나머지 과정은 도 4의 과정과 실질적으로 동일하다.

해수공급관(30)을 통하여 유입된 해수는 세정수공급관(20), 스크러버(40), 세정수배출관(41), 재순환탱크(90), 순환관(91)을 순차적으로 순환하며, 해수의 오염도, pH값 등을 고려하여 도 4의 과정과 도 5의 과정을 병행할 수 있다. 도 5의 과정은 해수의 배출이 제한되는 지역을 통과할 경우와 같이, 외부로 해수를 배출할 수 없는 경우에 사용될 수 있다. 세정수를 다시 재순환함으로써 세정수의 오염이 심할 경우, 필터유닛(70)을 통하여 고체상 입자를 제거한 후 외부로 배출하고, 다시 새로운 해수를 스크러버(40)로 공급할 수 있다.

도 4와 도 5의 과정은 필요에 따라 선택적 또는 순차적으로 사용될 수 있으며, 주로 선박이 ECA 지역에 진입한 경우에 운용되되 필요에 따라 선박이 항구에 정박한 경우에 운용될 수 있다.

이하, 도 6 및 도 7을 참조하여, 배기 및 배수 오염물질 저감장치(1)가 배기가스의 오염물질 제거와 평형수 처리를 동시에 수행하는 과정을 설명한다.

도 6은 개루프(open loop) 타입의 오염물질 제거방식과 직접 살균방식의 평형수 처리 과정을 도시한 것이며, 도 7은 폐루프(close loop) 타입의 오염물질 제거방식과 간접 살균방식의 평형수 처리 과정을 도시한 것이다.

먼저, 도 6을 참조하면, 해수공급관(30)을 통하여 유입된 해수는 세정수공급관(20)을 통하여 스크러버(40)로 공급된다. 세정수는 스크러버(40) 상부에서 분사되며, 스크러버(40) 하부에는 세정수가 일정 수위로 채워질 수 있다. 이 때, 배기가스관(10)을 통하여 공급되는 배기가스는 스크러버(40)의 하부에서 분사될 수 있으며, 정화유닛(50)은 배기가스가 스크러버(40)로 공급되기 전에 산화제를 분사하여 일산화질소를 이산화질소로 산화시킬 수 있다. 정화유닛(50)은 세정수의 pH값을 고려하여 스크러버(40)에 중화제를 함께 분사할 수 있다.

한편, 배기가스는 스크러버(40) 하부에 채워진 세정수 속에서 분사될 수 있으며, 이로 인해, 1차로 질소계산화물 황산화물, 분진 등의 오염물질이 제거될 수 있다. 또한, 스크러버(40) 상부에서 분사되는 세정수에 의해 2차로 오염물질이 제거될 수 있다. 이러한 과정을 통하여 배기가스 내부의 오염물질은 제거되며, 오염물질이 제거된 배기가스는 배출관(42)을 통하여 외부로 배출된다.

스크러버(40)를 통과한 세정수는 질소계산화물, 황산화물, 분진 등의 오염물질을 포함하고 있으며, 세정수배출관(41)을 통하여 필터유닛(70)으로 이동한다. 필터유닛(70)은 세정수에 포함된 고체상 입자 등의 오염물질을 분리하여 슬러지탱크(80)로 저장하며, 오염물질이 제거된 세정수는 해수공급관(30) 및 혼합관(34)을 통과하여 평형수탱크(60)로 유입되거나 해수배출관(37)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 이 때, 필터유닛(70)의 일 측에 설치된 합류관(38)을 통해 스크러버(40)를 통과하지 않은 외부에서 유입된 해수가 해수공급관(30)으로 합류되어, 해수공급관(30)을 유동하는 오염물질이 제거된 세정수에 혼합될 수도 있다.

한편, 해수공급관(30)을 유동하는 세정수와 해수의 혼합수에는 주입유닛(33)을 통해 정화유닛(50)으로부터 생성된 살균제가 주입될 수 있다.

이어서, 도 7을 참조하여 설명하면, 해수공급관(30)을 통하여 유입된 해수는 세정수공급관(20)을 통하여 스크러버(40)로 공급된다. 스크러버(40)를 통과한 세정수 중 일부는 재순환탱크(90)와 순환관(91), 및 세정수공급관(20)을 거쳐 스크러버(40)로 재순환되고, 나머지 일부는 필터유닛(70)으로 이동할 수 있다. 즉, 도 7의 과정은 스크러버(40)를 통과한 세정수 중 일부가 재순환탱크(90)와 순환관(91), 및 세정수공급관(20)을 거쳐 스크러버(40)로 재순환되는 것을 제외하면, 나머지 과정은 도 6의 과정과 실질적으로 동일하다.

한편, 해수공급관(30)을 유동하는 해수는 주입유닛(33)에 의해 살균되고, 나머지 일부는 우회관(35)을 따라 유동하여 주입유닛(33)을 통과한 후 혼합관(34)을 따라 유동하는 해수의 흐름에 섞일 수 있다.

도 6의 과정과 도 7의 과정은 해수에 포함되어 있는 미생물의 양이나 종류 또는 필요한 평형수의 양 등을 고려하여 선택적 또는 순차적으로 사용될 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 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.

1: 배기 및 배수 오염물질 저감장치
10: 배기가스관 11: 분무유닛
20: 세정수공급관 21: 청수공급관
30: 해수공급관 31: 제어밸브
32: 센서부 33: 주입유닛
34: 혼합관 35: 우회관
36: 펌프 37: 해수배출관
38: 합류관 40: 스크러버
41: 세정수배출관 42: 배출관
50: 정화유닛 60: 평형수탱크
70: 필터유닛 80: 슬러지탱크
90: 재순환탱크 91: 순환관

Claims (11)

1. 연소기관의 배기가스와 외부로부터 해수를 유입받는 (a) 단계;
   상기 배기가스에 산화제를 분사하여 질소계산화물을 산화시켜 스크러버로 공급하는 (b) 단계; 및
   상기 스크러버에 상기 해수를 분사하여 상기 배기가스에 포함된 오염물질을 제거하고 동시에 상기 해수에 포함된 미생물을 사멸시키는 (c) 단계를 포함하되,
   상기 연소기관으로부터 유입되는 상기 배기가스와 외부로부터 유입되는 상기 해수의 양을 가변하여 상기 배기가스와 상기 해수를 선택적으로 정화하는 배기 및 배수 오염물질의 동시 저감방법.
2. 제1 항에 있어서, 상기 (b) 단계는, 상기 해수를 전기분해하여 상기 산화제를 생산하거나 상기 배기가스에 코로나 방전을 하여 상기 산화제를 생산하거나 또는 오존발생기를 통하여 상기 산화제를 생산하는 배기 및 배수 오염물질의 동시 저감방법.
3. 제2 항에 있어서, 상기 산화제는 차아염소산나트륨, 차아염소산, 오존 중 적어도 하나인 배기 및 배수 오염물질의 동시 저감방법.
4. 제1 항에 있어서, 상기 (c) 단계는, 상기 배기가스에 포함된 상기 질소계산화물과 황산화물을 상기 해수에 용해시켜 제거하고, 상기 해수에 상기 질소계산화물과 상기 황산화물이 용해되어 생성된 질산과 황산이나 상기 (b) 단계에서 생성된 오존으로 상기 해수에 포함된 미생물을 사멸시키는 배기 및 배수 오염물질의 동시 저감방법.
5. 제4 항에 있어서, 상기 스크러버 내부에 존재하는 상기 해수의 pH값을 4 ~ 5.5로 유지하는 배기 및 배수 오염물질의 동시 저감방법.
6. 제1 항에 있어서, 상기 (c) 단계에서, 상기 연소기관으로부터 공급되는 상기 배기가스에 포함된 질소계산화물과 황산화물의 농도가 기준 농도 이상이거나 상기 배기가스의 양이 기준 양 이상인 경우, 상기 스크러버로 분사되는 상기 해수의 양을 증가시키거나 상기 스크러버를 통과한 상기 해수를 다시 재순환하여 상기 스크러버 내부로 분사하는 배기 및 배수 오염물질의 동시 저감방법.
7. 제1 항에 있어서, 외부로부터 유입되는 상기 해수의 양이 증가하면, 상기 (c) 단계에서, 상기 스크러버로 주입되는 살균제의 양을 증가시키는 배기 및 배수 오염물질의 동시 저감방법.
8. 제1 항에 있어서, 상기 (c) 단계를 거친 상기 해수를 선박의 평형수로 사용하되,
   상기 선박이 상기 평형수를 평형수탱크에 유입시키거나 배출시킬 때, 상기 (c) 단계에서 살균제의 주입량을 증가시키고,
   상기 선박이 배출하는 상기 배기가스의 농도를 낮추어야 할 때, 상기 (b) 단계에서 상기 산화제의 주입량을 증가시키는 배기 및 배수 오염물질의 동시 저감방법.
9. 제1 항에 있어서, 상기 (c) 단계 이후에, 상기 스크러버를 통과한 상기 해수에 포함된 고체상 입자를 분리하는 (d) 단계를 더 포함하는 배기 및 배수 오염물질의 동시 저감방법.
10. 제9 항에 있어서, 상기 (d) 단계를 거친 상기 해수를 직접 선박의 평형수로 사용하거나, 외부로 직접 배출하거나, 다시 상기 스크러버로 재순환시키거나, 또는
    상기 (d) 단계를 거친 상기 해수를 외부에서 직접 유입된 해수와 혼합하여 상기 선박의 평형수로 사용하거나 외부로 직접 배출하는 배기 및 배수 오염물질의 동시 저감방법.
11. 제9 항에 있어서, 상기 (d) 단계 이후에, 상기 고체상 입자가 분리된 상기 해수 또는 상기 (c) 단계 이후의 상기 스크러버 안에 산성화된 세정수에 중화제를 주입하는 (e) 단계를 더 포함하는 배기 및 배수 오염물질의 동시 저감방법.

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