KR20190032168A - 배기가스 오염물질 저감장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의해 배기가스 오염물질 저감장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 오염물질 저감장치는, 해양 구조물에 탑재된 연소기관의 배기가스를 공급하는 배기가스관과, 세정수를 공급하는 세정수공급관과, 배기가스관과 세정수공급관이 연결되며, 내부에 배기가스관으로부터 공급된 배기가스에 세정수를 분사하는 분사노즐이 설치된 스크러버와, 배기가스관에 제1 산화제를 분사하여 배기가스를 1차 산화시키는 제1 산화유닛, 및 스크러버 내부로, 전이금속 수산화물을 포함하는 무기금속화합물과, 술폭시드를 포함하는 유기화합물의 혼합물인 산화촉매를 제2 산화제로 분사하여 배기가스를 2차 산화시키고 역반응을 방지시키는 제2 산화유닛을 포함할 수 있다.

Description

배기가스 오염물질 저감장치{Apparatus for reducing air pollutant}
본 발명은 배기가스 오염물질 저감장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 조선, 해양 분야에서 발생하는 배기가스에 포함된 오염물질, 및 배기가스의 정화로 오염된 세정수를 효과적으로 처리할 수 있는 배기가스 오염물질 저감장치에 관한 것이다.
일반적으로, 선박에 설치되는 각종 엔진은 연료를 연소하여 동력을 생성하며, 연료의 연소과정에서 발생되는 배기가스는 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 미세분진(PM) 등의 유해물질을 포함하고 있다. 환경에 대한 인식이 점차 증가함에 따라 배기가스에 포함된 각종 유해물질에 대한 규제가 엄격해지고 있으며, 특히, 배기가스 중 질소산화물과 황산화물은 유엔 산화기관인 국제 해사기구(IMO, International Maritime Organization)로부터 배출규제를 받고 있는 대표적인 대기 오염물질들이다. 질소산화물의 경우, Tier III가 발효되는 시점인 2016년부터 3.4g/kwh 이하로 배출량을 규제하고 있으며, 황산화물의 경우, 2015년부터 SECA(Sulfur Emission Control Area)에서 0.1%이하로 배출이 규제되고 있다. 이에 따라, 선박의 배기가스 처리를 위한 다양한 장치 및 방법들이 도입되고 있는 실정이다.
황산화물의 경우, 습식 스크러버를 이용하여 제거하는 방식이 일반적이며, 오존, 자외선 등을 이용하여 배기가스를 미리 산화시킨 후에 세정수와 기액 접촉시킬 경우 황산화물과 질소산화물을 동시에 저감시킬 수 있다.
그러나, 오존, 자외선을 발생시키는 장치는 부피가 너무 커 좁은 선박 내 공간 활용도를 저하시키며, 소모되는 전기량 또한 많아 장치 효율을 저하시키는 문제점이 있다. 또한, 세정수와 기액 접촉 전에 산화시킨 황산화물과 질소산화물이 쉽게 환원되어 오염물질의 저감 효과가 저하되는 문제점도 있다.
대한민국 등록특허 제10-1489657호 (2015. 01. 29)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 조선, 해양 분야에서 발생하는 배기가스에 포함된 오염물질, 및 배기가스의 정화로 오염된 세정수를 효과적으로 처리할 수 있는 배기가스 오염물질 저감장치를 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 배기가스 오염물질 저감장치는, 해양 구조물에 탑재된 연소기관의 배기가스를 공급하는 배기가스관과, 세정수를 공급하는 세정수공급관과, 상기 배기가스관과 상기 세정수공급관이 연결되며, 내부에 상기 배기가스관으로부터 공급된 상기 배기가스에 상기 세정수를 분사하는 분사노즐이 설치된 스크러버와, 상기 배기가스관에 제1 산화제를 분사하여 상기 배기가스를 1차 산화시키는 제1 산화유닛, 및 상기 스크러버 내부로, 전이금속 수산화물을 포함하는 무기금속화합물과, 술폭시드를 포함하는 유기화합물의 혼합물인 산화촉매를 제2 산화제로 분사하여 상기 배기가스를 2차 산화시키고 역반응을 방지시키는 제2 산화유닛을 포함한다.
상기 전이금속 수산화물은 실리카나노입자에 담지될 수 있다.
상기 실리카나노입자와 상기 전이금속 수산화물은 술폭시드를 포함한 유기화합물과 물의 혼합물 중에 부유하는 형태로 존재할 수 있다.
상기 전이금속 수산화물은, 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 철(Fe), 망간(Mn), 크롬(Cr), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 몰리브덴(Mo), 오스뮴(Os), 백금(Pt), 텅스텐(W), 아연(Zn), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir) 중에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함할 수 있다. 상기 배기가스 오염물질 저감장치는, 상기 스크러버 하부에 연결되며, 상기 스크러버로부터 배출되는 상기 세정수와 상기 산화촉매를 저장하는 저장부와, 상기 저장부와 상기 세정수공급관 사이를 연결하여 상기 세정수와 상기 산화촉매를 재순환하는 순환관을 더 포함할 수 있다.
상기 배기가스 오염물질 저감장치는, 상기 스크러버로부터 배출되는 상기 세정수와 상기 산화촉매의 혼합액으로부터 염을 제거하고, 상기 세정수와 상기 산화촉매를 다시 상기 스크러버로 재순환시키는 수처리유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 수처리유닛은, 상기 혼합액을 공급받아 비중 차이를 이용하여 상기 산화촉매와, 염을 포함하는 세정수로 분리하는 산화촉매분리유닛을 포함할 수 있다.
상기 수처리유닛은, 상기 염을 포함하는 세정수를 공급받아 1차 냉각시켜 황산염을 석출하는 제1 냉각유닛과, 상기 제1 냉각유닛 후단에 연결되어 상기 염을 포함하는 세정수에서 고체 상의 황산염을 분리하는 필터유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 수처리유닛은, 상기 제1 냉각유닛과 상기 필터유닛 사이에 설치되어 비중 차이를 이용하여 상기 고체 상의 황산염을 포함하지 않는 세정수를 분리하는 분리유닛과, 상기 분리유닛으로부터 분리된 상기 고체 상의 황산염을 포함하지 않는 세정수를 상기 제1 냉각유닛보다 낮은 온도로 2차 냉각시켜 황산염을 석출하는 제2 냉각유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 제2 냉각유닛을 통과한 세정수는 다시 상기 분리유닛으로 공급될 수 있다.
상기 스크러버는, 상부가 상기 배기가스관과 연통되며, 상기 배기가스의 유동 방향을 따라 상기 배기가스와 상기 세정수 및 상기 산화촉매를 혼합하는 교반패널과 혼합기가 적어도 하나 설치되는 제1 접촉부와, 상기 제1 접촉부와 연통되어 굴절부를 이루며, 상기 배기가스와 접하여 수분입자를 응축시키는 액적분리기가 설치된 제2 접촉부를 포함할 수 있다.
상기 스크러버는, 상기 액적분리기의 상단에 설치되어 상기 배기가스를 외부로 배출하는 배기팬을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 오존, 자외선을 이용하여 배기가스를 산화시키는 대신 제1 산화제로 배기가스를 1차 산화하고, 제2 산화제로 배기가스를 2차 산화하여 배기가스의 산화 효율 및 선박 내 공간 활용도를 증가시킬 수 있다. 또한, 산화촉매인 제2 산화제가 배기가스를 산화시킴과 동시에 산화된 배기가스가 다시 환원되는 것을 방지하므로, 오염물질 저감 효과가 극대화될 수 있다.
또한, 배기가스의 정화로 오염된 세정수에 포함되어 있는 황산염을 석출하여 세정수로부터 분리할 수 있어, 질산 또는 질산염이 포함된 세정수만 추출하여 따로 저장할 수 있다. 따라서, 황산염과 질산염을 모두 저장하는 종래의 경우보다 저장탱크의 크기 및 개수를 줄일 수 있으며, 이로 인해, 탱크의 설치 및 유지를 위한 비용이 절감되고, 선박 내 공간 활용도가 증가될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 오염물질 저감장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 스크러버에 설치된 교반패널과 혼합기를 확대하여 도시한 도면이다.
도 3은 배기가스 오염물질 저감장치의 동작을 설명하기 위한 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 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 오염물질 저감장치에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 배기가스 오염물질 저감장치는 배기가스에 포함된 각종 오염물질(질소산화물, 황산화물, 미세분진 등)의 농도를 줄여 배기기준에 적합한 공기를 배출함과 동시에 배기가스의 농도를 줄이는데 사용된 세정수의 처리가 동시에 이루어질 수 있는 장치로서, 주로, 선박에 탑재되어 조선, 해양 분야에서 발생하는 배기가스를 처리하는 데 사용될 수 있다.
배기가스 오염물질 저감장치는 오존, 자외선을 이용하여 배기가스를 산화시키는 대신 제1 산화제로 배기가스를 1차 산화하고, 제2 산화제로 배기가스를 2차 산화하여 배기가스의 산화 효율 및 선박 내 공간 활용도를 증가시킬 수 있다. 또한, 산화촉매인 제2 산화제가 배기가스를 산화시킴과 동시에 산화된 배기가스가 다시 환원되는 것을 방지하므로, 오염물질 저감 효과가 극대화될 수 있다. 또한, 배기가스의 정화로 오염된 세정수에 포함되어 있는 황산염을 석출하여 세정수로부터 분리할 수 있어, 질산 또는 질산염이 포함된 세정수만 추출하여 따로 저장할 수 있다. 따라서, 황산염과 질산염을 모두 저장하는 종래의 경우보다 저장탱크의 크기 및 개수를 줄일 수 있으며, 이로 인해, 탱크의 설치 및 유지를 위한 비용이 절감되고, 선박 내 공간 활용도가 증가될 수 있는 특징이 있다.
이하, 도 1 및 도 2을 참조하여, 배기가스 오염물질 저감장치에 관하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 오염물질 저감장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 스크러버에 설치된 교반패널과 혼합기를 확대하여 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 배기가스 오염물질 저감장치(1)는 배기가스관(10)과, 세정수공급관(20)과, 스크러버(30)와, 제1 산화유닛(40), 및 제2 산화유닛(50)을 포함한다.
배기가스관(10)은 해양 구조물에 탑재된 연소기관(도시되지 않음) 또는 보일러(도시되지 않음)의 배기가스를 공급하는 관으로, 후술할 스크러버(30)에 연결된다. 배기가스관(10)은 연소기관의 배기구에 직접 연결되어 고온의 배기가스가 직접 이동하거나, 각종 열교환기를 통과하여 배기열의 대부분을 재활용하고 남은 폐가스가 이동할 수 있다. 여기서, 연소기관이라 함은, 연료를 연소하여 선박에 필요한 각종 동력을 발생시키는 장치로서, 예를 들어, 메인 엔진, 발전기 등으로 형성될 수 있다. 배기가스관(10)은 복수 개의 연소기관의 배기구에 연결될 수 있으며, 복수 개의 연소기관은 선택적으로 동작할 수 있다. 연소기관은 통상, 화석 연료를 연소하여 동력을 발생시키므로, 화석 연료의 연소에 따른 배기가스를 발생시킨다. 발생된 배기가스는 다량의 질소산화물, 황산화물, 미세분진 등을 포함하고 있으며, 연소기관의 일 측에 연결된 배기가스관(10)을 통해 스크러버(30)로 공급된다.
세정수공급관(20)은 해수 또는 청수 또는 해수와 청수의 혼합수 중 적어도 하나인 세정수를 스크러버(30)로 공급하는 관으로, 일단부가 해수유입구(sea-chest)와 청수저장탱크(21) 중 적어도 하나에 연결되고 타단부가 스크러버(30)에 연결될 수 있다. 즉, 세정수공급관(20)은 해수와 청수를 선택적으로 공급받아 스크러버(30)에 공급할 수 있다. 이하, 세정수가 청수인 경우로 한정하여, 세정수공급관(20)을 통해 주로 청수가 유입되어 스크러버(30)로 공급되는 과정을 보다 중점적으로 설명한다. 세정수공급관(20)은 일단부가 청수저장탱크(21)에 연결되고, 타단부가 스크러버(30)에 연결된다. 이 때, 세정수공급관(20) 상에는 청수를 가압하는 적어도 하나의 펌프(P1)가 설치되어 청수를 스크러버(30)로 원활하게 공급할 수 있다. 도면 상에는 펌프(P1) 후단의 세정수공급관(20)에 해수유입구로부터 공급되는 해수가 합류되는 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 해수유입구로부터 공급되는 해수는 스크러버(30)로 직접 공급될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 배기가스관(10)과 세정수공급관(20)은 각각 스크러버(30)에 연결되며, 스크러버(30)는 내부에 배기가스관(10)으로부터 공급된 배기가스에 세정수를 분사하는 분사노즐(30a)이 설치되어 배기가스와 세정수를 기액 접촉시킬 수 있다. 분사노즐(30a)은 세정수를 미립자 형태로 분무하며, 복수 개로 분지되어 배기가스의 유동 방향을 따라 일렬로 배치될 수 있다. 복수 개의 분사노즐(30a)이 배기가스의 유동 방향을 따라 일렬로 배치됨으로써, 배기가스와 세정수의 접촉 면적 및 접촉 횟수가 증대되어 배기가스에 포함된 질소산화물, 황산화물, 미세 분진 등의 오염물질이 효과적으로 제거될 수 있다. 질소산화물, 황산화물, 미세 분진 등의 오염물질이 제거된 배기가스는 배기관(34)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 배기관(34)을 통해 배출되는 배기가스는 질소산화물, 황산화물, 미세 분진 등의 오염물질이 제거된 상태이므로, 배기 기준에 적합하게 되어 대기 중에 그대로 방출할 수 있다. 스크러버(30)는 제1 접촉부(31)와 제2 접촉부(32)를 포함한다.
제1 접촉부(31)는 스크러버(30)의 일 측을 이루는 통 형상의 부재로, 상부가 배기가스관(10)과 연통될 수 있다. 제1 접촉부(31)의 상부가 배기가스관(10)과 연통됨으로써, 제1 접촉부(31)로 유입된 배기가스는 하방으로 유동할 수 있다. 제1 접촉부(31)는 내부에 회전 유동을 유도하는 교반패널(31b)과 혼합기(31a) 중 적어도 하나가 설치되어 배기가스와, 세정수, 및 후술할 제2 산화유닛(50)에서 공급되는 산화촉매를 혼합할 수 있다. 배기가스와, 세정수, 및 산화촉매가 혼합됨으로써, 배기가스가 산화됨과 동시에 배기가스에 포함된 오염물질이 제거될 수 있다. 또한, 세정수 및 산화촉매에 의해 배기가스의 온도가 저하되어 배기가스의 유속과 부피를 감소시킬 수 있으며, 교반패널(31b)과 혼합기(31a)가 배기가스의 역 방향 유동을 차단하여 배기가스관(10)으로의 역류를 방지할 수 있다.
도 2의 (a)를 참조하여 설명하면, 혼합기(31a)는 금속선(wire, 311a)를 종횡(縱橫)으로 엮어서 체(sieve)를 형성한 망(net) 형상의 부재로, 복수 개가 제1 접촉부(31) 내부에 서로 어긋나게 배치될 수 있다. 서로 엮어지는 금속선(311a) 사이에는 제1 지지체(312a)가 개재되어 단위 체를 형성하며, 서로 중첩 배치된 단위 체 사이에는 제2 지지체(313a)가 개재되어 서로 이격 배치될 수 있다. 혼합기(31a)가 망 형상의 부재로 형성됨으로써, 배기가스와 세정수 및 산화촉매의 접촉 면적이 증가하여 오염물질의 제거효율이 증대될 수 있으며, 스크러버(30)의 소형화를 구현할 수 있다. 또한, 스크러버(30) 내 압력손실이 적어 소형화된 스크러버(30)로 다량의 배기가스를 처리할 수 있으며, 배기가스를 스크러버(30)로 유도하는 인입팬(도시되지 않음)의 동력을 절감할 수 있다. 또한, 종횡으로 엮어지는 금속선(311a) 외에는 폐쇄된 면이 없고, 망 구조에 의해 일정한 간격으로 공극을 줄 수 있어 개공비(開孔比)가 높은 장점도 있다. 또한, 배기가스의 조건에 따라 혼합기(31a) 또는 단위 체의 개수를 조절하여 제거효율 및 압력 변화도 용이하게 조절할 수 있다.
이어서, 도 2의 (b)를 참조하여 설명하면, 교반패널(31b)은 내부에 와류 유동을 유도하는 날개가 형성된 통 형상의 부재로, 복수 개가 동일 평면 상에 배치될 수 있다. 이 때, 복수 개의 교반패널(31b)은 별도의 고정판(311b)에 의해 제1 접촉부(31)에 고정될 수 있다, 그러나, 제1 접촉부(31)에 복수 개의 교반패널(31b)이 배치되는 것으로 한정될 것은 아니며, 예를 들어, 단일의 교반패널(31b)이 배치될 수도 있다. 교반패널(31b)에 형성된 날개는 유선형의 단면을 가지며, 일정 각도로 비틀어져 일 측과 타 측이 서로 어긋날 수 있다. 따라서, 배기가스와 세정수, 및 산화촉매가 와류 유동을 하며 원활하게 혼합될 수 있으며, 서로 다른 압력을 가진 배기가스 중 일부가 역 방향으로 유도하여 역류하는 것을 방지할 수 있다.
도면 상에는 제1 접촉부(31) 내부에 배기가스의 유동 방향을 따라 분사노즐(30a)과, 교반패널(31b)과, 혼합기(31a), 및 분사노즐(30a)이 차례로 배치된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 배치는 다양하게 변형될 수 있다. 제1 접촉부(31)는 제2 접촉부(32)와 연통된다.
제2 접촉부(32)는 스크러버(30)의 타 측을 이루는 통 형상의 부재로, 하측이 제1 접촉부(31)와 연통되어 굴절부를 이루고 상측이 배기관(34)과 연통될 수 있다. 제2 접촉부(32)의 하측이 제1 접촉부(31)와 연통되고 상측이 배기관(34)과 연통됨으로써, 제1 접촉부(31)를 따라 하방으로 유동하여 제2 접촉부(32)로 유입된 배기가스는 상방으로 유동하여 배기관(34)을 통해 배출될 수 있다. 또한, 제2 접촉부(32)가 제1 접촉부(31)와 연통되어 U자형의 굴절부를 이룸으로써, 스크러버(30) 내부의 배기가스의 유동 경로가 길어지고 배기가스와 세정수가 접촉하는 시간이 증대되어 오염물질의 저감 효과가 극대화될 수 있다. 제2 접촉부(32)는 제1 접촉부(31)와 연통되는 하측에 혼합기(31a)가 설치될 수 있으며, 제1 접촉부(31)와 같이 배기가스의 유동 방향을 따라 복수 개의 분사노즐(30a)이 배치될 수 있다. 또한, 제2 접촉부(32)는 배기관(34)과 근접한 상부에 배기가스와 접하여 수분입자를 응축시키는 액적분리기(32a)가 설치될 수 있다. 액적분리기(32a)가 설치됨으로써, 세정수와 접촉하여 수분입자를 함유하고 있는 배기가스로부터 수분입자가 제거되어 배기가스가 건조된 상태로 배기관(34)을 통해 배출될 수 있다. 또한, 배기가스로부터 제거된 수분입자가 하방으로 낙하하며 상부로 유동하는 배기가스와 다시 기액 접촉할 수 있어 잔존하는 오염물질이 추가로 제거될 수도 있다. 액적분리기(32a) 상단의 제2 접촉부(32) 또는 배기관(34) 상에는 배기가스를 외부로 배출하는 배기팬(32b)이 설치되어, 교반패널(31b), 혼합기(31a)를 통과하며 증가된 배기가스의 압력을 일부 감소시킬 수 있다.
한편, 배기가스관(10)을 유동하는 배기가스는 제1 산화유닛(40)에 의해 1차로 산화될 수 있다. 제1 산화유닛(40)은 배기가스관(10)에 제1 산화제를 분사하여 배기가스를 1차 산화시키는 것으로, 여기서, 제1 산화제라 함은, 과산화수소(H2O2), 과망간산염(HMnO4), 하이포브롬산(HBrO), 이산화염(ClO2), 차아염소산소다(NaOCl), 삼종염(KHSO5), 오존(O3) 중 하나일 수 있다. 제1 산화유닛(40)이 배기가스관(10)에 제1 산화제를 분사하여 배기가스를 1차 산화시킴으로써, 배기가스에 포함된 일산화질소가 이산화질소로 산화될 수 있다. 이산화질소는 일산화질소에 비하여 물에 쉽게 용해되므로, 스크러버(30)에서 세정수에 쉽게 녹아 제거될 수 있다. 제1 산화유닛(40)은 노즐, 초음파진동자, 스프레이, 가열판 등을 사용하여 제1 산화제를 미립자화하거나 액적화 또는 증기화하며 배기가스의 산화 효율을 높일 수 있다. 배기가스에 포함된 질소산화물은 아래의 반응식에 따라 반응하여 1차 산화된다.
<반응식>
H2O2 → H2O + O-
NO + O- → NO2
제1 산화유닛(40)에 의해 1차로 산화된 후 스크러버(30)로 공급된 배기가스는 제2 산화유닛(50)에 의해 2차로 산화될 수 있다.
제2 산화유닛(50)은 스크러버(30) 내부로 제2 산화제를 분사하여 배기가스를 2차 산화시키고 역반응을 방지시키는 것으로, 여기서, 제2 산화제라 함은, 전이금속을 포함하는 무기금속하합물과, 술폭시드를 포함하는 유기화합물의 혼합물인산화촉매를 의미할 수 있다. 제1 산화제에 의해 인위적으로 산화된 배기가스는 다시 원래의 상태로 쉽게 환원될 수 있다. 배기가스가 다시 환원되면 세정수에 쉽게 녹아 제거되지 않으므로, 제2 산화유닛(50)은 제2 산화제를 주입하여 배기가스를 2차로 산화시킴과 동시에 배기가스가 다시 환원되는 것을 방지할 수 있다. 제2 산화제가 배기가스를 2차로 산화시킴과 동시에 다시 환원되는 것을 방지함으로써, 제1 산화제에 의한 산화효율이 일부 저하되더라도 배기가스에 포함된 오염물질이 세정수에 쉽게 녹아 제거될 수 있다. 제2 산화제는 세정수공급관(20)을 통해 제1 접촉부(31)와 제2 접촉부(32)에 각각 분사되거나 노즐, 스프레이 등의 별도의 분사장치를 통해 제1 접촉부(31)와 제2 접촉부(32)에 각각 분사될 수 있다.
제2 산화제는 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 철(Fe), 망간(Mn), 크롬(Cr), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 몰리브덴(Mo), 오스뮴(Os), 백금(Pt), 텅스텐(W), 아연(Zn), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir) 중에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 전이금속 수산화물이 튜브(tube) 형상의 담체인 실리카나노입자에 담지된 것으로, 이 때, 실리카나노입자의 크기는 4~10nm일 수 있다. 산화 기능이 있는 전이금속 수산화물이 실리카나노입자에 담지됨으로써, 배기가스와의 접촉 면적이 증대되어 산화 및 역반응 방지가 효과적으로 이루어질 수 있다. 또한, 실리카나노입자와 전이금속 수산화물은 술폭시드(sulfoxide)를 포함하는 유기화합물과 물의 혼합물 중에 부유하는 형태로 존재할 수 있다. 실리카나노입자와 전이금속 수산화물이 술폭시드를 포함하는 유기화합물과 물의 혼합물 중에 존재함으로써, 제2 산화제가 액상의 유무기혼합물 형태가 되어 미립자화하거나 액적화 또는 증기화할 수 있어 산화 효율 및 역반응 방지 효율이 증대될 수 있다.
배기가스에 포함된 질소산화물은 아래의 반응식에 따라 반응하여 2차 산화되고 역반응이 방지된다.
<반응식>
2차 산화: LPC·Co/SiO2 + NO + 1/2 O2 → NO2
역반응 방지: 2NO2 + H2O + 1/2O2 → 2HNO2
HNO2 + LPC·Co/SiO2 → LPC·Co/SiO2·HNO2
LPC·Co/SiO2·HNO2 + 1/2 O2 → HNO3 + LPC·Co/SiO2·HNO3
(여기서, LPC는 화학식이 RCO·Co/SiO2=OHR인 산화촉매를 의미하고, LPC·Co/SiO2는 실리카나노입자에 담지된 전이금속 수산화물을 포함하는 유무기혼합물인 산화촉매를 의미한다. 또한, R은 알킬기로, 사슬모양 포화탄화수소에서 1개의 수소를 제외한 나머지 원자단을 의미한다.)
일산화질소(NO)는 제2 산화제(LPC·Co/SiO2)와 반응하여 이산화질소(NO2)로 2차 산화되며, 이산화질소(NO2)와 물(H2O)이 반응하여 생성된 아질산(HNO2)이 제2 산화제(LPC·Co/SiO2) 및 산소(O2)와 반응함에 따라 질산(HNO3)이 되며 여기에 알카리 약품(Na+, NH4 +, Mg2+, Ca2+)등과 반응하여 염이 형성이 되어 역반응이 방지된다.
배기가스에 포함된 황산화물은 아래의 반응식에 따라 반응하여 아황산이 되고, 산화촉매에서 아황산은 산화되어 황산이 된다.
<반응식>
SO2 + H2O → H2SO3
H2SO3 + LPC·Co/SiO2 → LPC·Co/SiO2·H2SO3
LPC·Co/SiO2·H2SO3 + O2 → H2SO4 + LPC·Co/SiO2·H2SO4
스크러버(30)는 하부에 세정수배출관(33)이 연결된다. 세정수배출관(33)은 스크러버(30) 내부의 세정수, 및 제2 산화제인 산화촉매를 배출하는 관으로, 일단부가 제1 접촉부(31)와 제2 접촉부(32) 사이에 연결되고 타단부가 저장부(60)에 연결될 수 있다.
저장부(60)는 스크러버(30) 하부에 연결되어 스크러버(30)로부터 배출되는 세정수와 산화촉매를 저장하는 것으로, 내부에 교반기가 마련될 수 있다. 전술한 바와 같이, 제2 산화제는 Co(OH)2/SiO2와 같은 전이금속 수산화물을 포함하는 무기화합물과, 술폭시드를 포함하는 유기화합물의 혼합물인 산화촉매이므로, 저장부(60)에 저장 시 세정수와의 비중 차로 인해 세정수로부터 상분리될 수 있다. 저장부(60) 내부에 교반기가 마련됨으로써, 제2 산화제가 세정수로부터 상분리되는 것을 방지할 수 있으며, 제2 산화제가 세정수로부터 상분리되더라도 다시 세정수에 혼합될 수 있다. 제2 산화유닛(50)은 도시된 바와 같이, 저장부(60)에 제2 산화제를 공급할 수 있으며, 저장부(60)에 공급된 제2 산화제는 후술할 순환관(61)을 통해 스크러버(30) 내부로 공급될 수 있다.
저장부(60)의 일 측에는 중화제공급부(70)가 연결될 수 있다. 중화제공급부(70)는 저장부(60)에 중화제를 공급하여 산성화된 세정수를 중화시키는 것으로, 예를 들어, 중화제는 수산화나트륨(NaOH) 또는 차아염소산나트륨(NaOCl) 또는 암모니아수와 같은 알칼리 용액으로, 해수 등을 전기분해하여 얻을 수 있다. 중화제공급부(70)는 단순히 중화제가 저장된 탱크이거나, 전기분해장치를 포함하여 중화제를 직접 생산하는 장치일 수 있다. 이 때, 중화제공급부(70)는 저장부(60) 또는 스크러버(30) 제2 접촉부(32)의 상단에 중화제를 공급할 수 있다. 세정수는 아래의 반응식에 따라 중화된다.
<반응식>
HNO3 + LPC·Co/SiO2·HNO3 + NaOH → NaNO3 + H2O + LPC·Co/SiO2
H2SO4 + LPC·Co/SiO2·H2SO4 + NaOH → Na2SO4 + 2H2O + LPC·Co/SiO2
스크러버(30) 내부로 공급된 세정수는 배기가스와 기액 접촉하며 질소산화물과 황산화물이 용해되어 강산성의 질산과 황산을 형성할 수 있다. 중화제공급부(70)가 중화제를 공급하여 강산성의 세정수를 중화시킴으로써, 세정수의 수소이온농도 지수(pH)가 스크러버(30)로 순환시켜 재사용하거나 해상에 방류하기에 적합한 상태, 예를 들어, 약 pH 6.0~7로 조절될 수 있다. 저장부(60)는 내부에 pH를 측정하는 센서부(71)가 설치될 수 있으며, 중화제공급부(70)는 센서부(71)에서 측정된 pH값에 대응하여 저장부(60)에 공급되는 중화제의 양을 조절할 수 있다. 중화제공급부(70)와 센서부(71)는 각각 제어부(72)와 연계될 수 있으며, 제어부(72)는 센서부(71)에서 측정된 pH값을 전달받아 중화제공급부(70)의 동작을 제어할 수 있다. 저장부(60)와 세정수공급관(20) 사이에는 순환관(61)이 연결될 수 있다. 순환관(61)은 저장부(60)에 저장된 세정수와 산화촉매 중 일부, 예를 들어, 약 90%를 재순환하는 관으로, 순환관(61) 상에는 제1 여과유닛(62)과 펌프(P2)가 마련될 수 있다. 제1 여과유닛(62)은 순환관(61)을 유동하는 세정수와 산화촉매의 혼합액으로부터 입자가 큰 고체 상의 물질을 제거하는 것으로, 원심분리기, 중력분리기, 필터 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 세정수와 산화촉매의 혼합액에 포함된 고체 상의 물질은 유기물질, 산화촉매 등으로 인해 점도(viscosity)가 높아 끈적거리는 성질이 있다. 따라서, 고체상의 물질을 제거하지 않을 경우, 유동관(63) 및 각종 장치 내부에 쌓이게 되어 배관의 막힘 또는 부식, 장치의 부식 또는 고장을 유발할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 제1 여과유닛(62)은 저장부(60)와 근접한 순환관(61)의 전단 측에 배치되어 입자가 큰 고체 상의 물질을 제거할 수 있다. 제1 여과유닛(62) 후단의 순환관(61) 상에는 펌프(P2)가 마련되며, 펌프(P2)는 고체 상의 물질이 제거된 세정수와 산화촉매의 혼합액을 가압하여 세정수공급관(20)으로 공급할 수 있다.
한편, 저장부(60)에 저장된 세정수와 산화촉매 중 나머지 일부, 예를 들어, 약 10%는 유동관(63)을 통해 수처리유닛(80)에 공급될 수 있다. 이 때, 유동관(63) 상에도 펌프(P3)가 마련되며, 펌프(P3)는 세정수와 산화촉매의 혼합액을 가압하여 수처리유닛(80)으로 공급할 수 있다. 수처리유닛(80)은 스크러버(30)로부터 배출되는 세정수와 산화촉매의 혼합액으로부터 염을 제거하고, 염이 제거된 세정수와 산화촉매를 다시 스크러버(30)로 재순환시킬 수 있다. 수처리유닛(80)은 제2 여과유닛(81)과, 산화촉매분리유닛(82)과, 제1 냉각유닛(84)과, 분리유닛(85)과, 제2 냉각유닛(86), 및 필터유닛(88)을 포함한다.
제2 여과유닛(81)은 세정수와 산화촉매의 혼합액에 포함된 고체상 입자를 분리하는 장치로, 저장부(60)와 후술할 산화촉매분리유닛(82) 사이의 유동관(63) 상에 연결될 수 있다. 전술한 바와 같이, 세정수와 산화촉매의 혼합액에 포함된 고체상 입자는 유기물질, 산화촉매 등으로 인해 점도(viscosity)가 높아 끈적거리는 성질이 있다. 따라서, 제2 여과유닛(81)은 저장부(60)와 근접한 유동관(63)의 전단 측에 배치되어 세정수와 산화촉매의 혼합액에 포함된 고체상 입자를 미리 제거할 수 있다. 제2 여과유닛(81)은 제1 여과유닛(62)과 같이, 원심분리기, 중력분리기, 필터 중 어느 하나를 포함할 수 있으며, 제2 여과유닛(81)에서 제거된 고체상 입자는 별도의 슬러지 탱크(81a)에 저장될 수 있다. 예를 들어, 제2 여과유닛(81)이 필터를 이용하여 고체상 입자를 분리할 경우, 고체상 입자는 케이크(cake) 형태로 걸러질 수 있다. 제2 여과유닛(81)에서 고체상 입자가 분리된 세정수와 산화촉매의 혼합액은 산화촉매분리유닛(82)으로 이동한다.
산화촉매분리유닛(82)은 세정수와 산화촉매의 혼합액을 공급받아 산화촉매와, 염을 포함하는 세정수로 분리하는 것으로, 제2 여과유닛(81)과 후술할 제1 냉각유닛(84) 사이의 유동관(63) 상에 연결될 수 있다. 스크러버(30) 내부에서 배기가스와 접촉한 세정수에는 산화된 황산화물, 질소산화물이 용해되어 생성된 황산염과 질산염, 및 산화촉매가 포함될 수 있으며, 산화촉매분리유닛(82)은 비중 차이를 이용하여 혼합액으로부터 산화촉매를 분리할 수 있다. 즉, 산화촉매분리유닛(82)은 통상의 중력 분리기일 수 있다. 제2 산화제는 전술한 바와 같이, 전이금속 수산화물을 포함하는 무기금속화합물과, 술폭시드를 포함하는 유기화합물의 혼합물인 산화촉매로, 기름 성분이 포함되어 있어 비중이 약 0.9로 세정수의 비중보다 작다. 따라서, 세정수와 산화촉매의 혼합액을 산화촉매분리유닛(82)으로 공급할 경우, 상대적으로 비중이 큰 세정수는 아래로 가라앉고 상대적으로 비중이 작은 산화촉매는 위로 떠오르게 되어 세정수와 산화촉매가 서로 분리될 수 있다. 분리된 산화촉매는 별도의 배관을 통해 제2 산화유닛(50) 또는 스크러버(30) 또는 저장부(60) 또는 세정수공급관(20)으로 공급될 수 있다.
산화촉매분리유닛(82)은 내부에 적어도 하나의 격벽(82a)이 수직하게 설치되므로, 산화촉매가 분리된 세정수 중 염을 포함하는 세정수와 염을 포함하지 않는 세정수를 분리할 수 있다. 산화촉매가 분리된 세정수 중 염을 포함하는 세정수는 유동관(63)을 통해 후술할 염저장탱크(83)로 공급되고, 염을 포함하지 않는 세정수는 별도의 배관을 통해 세정수공급관(20) 또는 저장부(60) 또는 스크러버(30)로 공급될 수 있다. 그러나, 산화촉매분리유닛(82)이 중력 분리기로 형성되는 것으로 한정될 것은 아니며, 세정수와 산화촉매의 혼합액으로부터 산화촉매를 분리할 수 있는 다양한 장치로 변형될 수 있다. 산화촉매가 제거되고 염을 포함하는 세정수는 유동관(63)을 통해 염저장탱크(83)로 공급될 수 있다.
염저장탱크(83)는 산화촉매가 제거되고 염을 포함하는 세정수를 저장하는 것으로, 유동관(63)을 통해 일정량의 세정수가 순환될 수 있도록 일종의 버퍼탱크(buffer tank) 역할도 할 수 있다. 세정수에 포함된 고체 상의 황산염과 질산염은 비중이 약 1.2로 세정수의 비중보다 클 뿐만 아니라 용해도 또한 차이가 있어 세정수로부터 분리된 후 염저장탱크(83)에 가라앉게 되며, 고체 상의 염이 제거된 세정수는 유동관(63)을 통해 제1 냉각유닛(84)으로 공급될 수 있다. 그러나, 산화촉매분리유닛(82) 후단의 유동관(63) 상에 염저장탱크(83)가 연결되는 것으로 한정될 것은 아니며, 필요에 따라 염저장탱크(83)는 생략될 수도 있다. 고체 상의 염이 제거되고, 액체 상의 염을 포함하는 세정수는 제1 냉각유닛(84)으로 공급된다.
제1 냉각유닛(84)은 액체 상의 염을 포함하는 세정수를 공급받아 1차 냉각시켜 황산염을 석출하는 것으로, 염저장탱크(83)와 분리유닛(85) 사이의 유동관(63) 상에 연결될 수 있다. 제1 냉각유닛(84)은 액체 상의 염을 포함하는 세정수를 외부에서 유입된 해수와 열교환하여 약 20℃로 냉각시킬 수 있다. 외부에서 유입되어 스크러버(30)에 세정수의 용도로 공급되는 해수는 약 20℃이며, 스크러버(30) 내부에서 고온의 배기가스와 기액 접촉한 후 배출되는 세정수는 약 50~55℃이다. 제1 냉각유닛(84)은 외부에서 유입된 약 20℃의 해수와 약 50~55℃의 세정수를 열교환하여 세정수를 약 20℃로 냉각시키며, 세정수를 약 20℃로 냉각시킬 경우, 세정수에 액체 상태로 용해되어 있던 황산염 중 일부가 고체 상태로 석출될 수 있다. 즉, 온도에 따른 용해도의 변화가 상대적으로 큰 황산염은 세정수를 냉각시킬 경우 일부가 고체 상태로 석출되며, 온도에 따른 용해도의 변화가 상대적으로 작은 질산염은 세정수를 냉각시키더라도 액체 상태로 존재하게 된다. 제1 냉각유닛(84)이 해수와 세정수의 열교환을 통해 세정수를 자연 냉각시킴으로써, 세정수의 냉각에 소요되는 비용은 줄이면서 황산염을 석출시킬 수 있다.
필터유닛(88)은 염을 포함하는 세정수에서 고체 상의 황산염을 분리하는 것으로, 제1 냉각유닛(84) 후단의 유동관(63)에 연결될 수 있다. 필터유닛(88)은 예를 들어, 상분리기로 형성되어 고체 상의 황산염을 분리할 수 있으며, 분리된 황산염을 해상에 방류할 수 있다. 황산염은 물에 대한 용해도가 높아 별도의 규제가 발효되어 있지 않으므로, 해상에 그대로 배출하더라도 무방하다. 특히, 전술한 제2 여과유닛(81)과 산화촉매분리유닛(82)에서 각각 세정수에 포함된 고체상 입자와 산화촉매를 미리 제거한 상태이므로, 필터유닛(88)에서 분리된 황산염은 불순물이 거의 포함되지 않은 순수한 상태일 수 있다. 그러나, 필터유닛(88)이 상분리기로 형성되는 것으로 한정될 것은 아니며, 석출된 황산염을 세정수로부터 분리할 수 있는 다양한 장치로 변형될 수 있다. 예를 들어, 필터유닛(88)은 제2 여과유닛(81)과 같이, 원심분리기, 중력분리기, 필터 중 어느 하나를 포함할 수 있으며, 필터유닛(88)은 황산염뿐만 아니라 제1 냉각유닛(84)에서 일부가 고체 상태로 석출된 질산염도 같이 분리할 수 있다. 필터유닛(88)에서 고체 상의 황산염이 제거된 세정수는 저장탱크(89)에 저장된다.
저장탱크(89)는 고체 상의 황산염이 제거되고 질산 또는 질산염이 포함된 세정수를 저장하는 것으로, 필터유닛(88) 후단의 유동관(63) 상에 연결될 수 있다. 즉, 저장탱크(89)에는 질산 또는 액체 상태의 질산염이 고농도로 농축된 세정수가 저장된다. 대부분의 황산염이 제거되고 질산 또는 질산염이 포함된 세정수만 저장탱크(89)에 저장됨으로써, 황산염과 질산염이 모두 포함된 세정수를 저장하는 종래의 경우에 비해 필요한 탱크의 크기 및 개수를 줄일 수 있으며, 이로 인해, 탱크의 설치, 및 유지를 위한 비용을 절감할 수 있다. 또한, 탱크의 배치를 위해 필요한 공간도 줄일 수 있어 좁은 선박 내 공간 활용도가 증가할 수 있다.
저장탱크(89)에 저장된 세정수는 선박이 항구 등에 도달한 경우, 별도의 처리시설로 공급되어 처리될 수 있다. 예를 들어, 세정수에 포함된 질산염은 농업용 비료로 활용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 저장탱크(89)에 저장된 세정수는 불순물은 제거되고 질산 또는 질산염이 고농도로 농축된 상태이므로, 비료로서 가치가 높은 장점이 있다. 또한, 저장된 세정수는 공해 상에서 해수 또는 청수와 희석되어 규제치 농도 이하의 질산염을 포함하는 상태로 배출될 수도 있다.
한편, 제1 냉각유닛(84)과 필터유닛(88) 사이의 유동관(63) 상에는 분리유닛(85)이 설치될 수 있다.
분리유닛(85)은 비중 차이를 이용하여 고체 상의 황산염을 포함하는 세정수와 황산염을 포함하지 않는 세정수로 분리하는 것으로, 예를 들어, 상분리기로 형성될 수 있다. 분리유닛(85)은 황산염을 포함하는 세정수를 필터유닛(88)으로 공급하고, 황산염을 포함하지 않는 세정수를 제2 냉각유닛(86)으로 공급할 수 있다.
제2 냉각유닛(86)은 분리유닛(85)으로부터 분리된 고체 상의 황산염을 포함하지 않는 세정수를 제1 냉각유닛(84)보다 낮은 온도로 2차 냉각시켜 황산염을 추가로 석출하는 것으로, 분리유닛(85)과 필터유닛(88) 사이의 유동관(63) 상에 연결될 수 있다. 제2 냉각유닛(86)은 일 측이 분리유닛(85)과 연결되고 타 측이 냉각기(87)와 연결되어, 고체 상의 황산염을 포함하지 않는 세정수를 냉매와 열교환하여 약 0~10℃로 냉각시킬 수 있다. 세정수가 약 0~10℃로 냉각됨으로써, 액체 상태로 용해되어 있던 황산염이 90% 이상 석출되고, 동시에, 질산염이 약 30% 석출될 수 있다. 다시 말해, 0~10℃로 냉각된 세정수에는 고체 상태의 황산염(90% 이상)과, 고체 상태의 질산염(약 30%)과, 황산 또는 액체 상태의 황산염(10% 미만), 및 질산 또는 액체 상태의 질산염(약 70%)이 포함될 수 있다.
제2 냉각유닛(86)을 통과한 세정수는 고체 상의 황산염과 질산염을 포함한 상태로 다시 분리유닛(85)으로 공급되며, 분리유닛(85)은 제2 냉각유닛(86)을 통과한 세정수를 고체 상태의 황산염과 질산염을 포함하는 세정수와, 고체 상태의 황산염과 질산염을 포함하지 않는 세정수로 분리한다. 이 때, 고체 상태의 황산염과 질산염을 포함하는 세정수는 필터유닛(88)으로 공급되고, 고체 상태의 황산염과 질산염을 포함하지 않는 세정수는 다시 제2 냉각유닛(86)으로 공급될 수 있다. 즉, 분리유닛(85)은 제1 냉각유닛(84)과 제2 냉각유닛(86)을 각각 통과한 세정수를 혼합하여, 고체 상태의 황산염과 질산염을 포함하는 세정수와, 고체 상태의 황산염과 질산염을 포함하지 않는 세정수로 분리한다. 분리유닛(85)이 제1 냉각유닛(84)과 제2 냉각유닛(86)을 각각 통과한 세정수를 혼합함으로써, 제1 냉각유닛(84)을 통과한 세정수에 포함된 황산 또는 액체 상태의 황산염과 질산 또는 액체 상태의 질산염 중 일부가 추가로 석출될 수 있다.
분리유닛(85)은 필요에 따라 내부에 교반기를 구비할 수도 있으며, 교반기가 구비될 경우, 제1 냉각유닛(84)을 통과한 세정수와 제2 냉각유닛(86)을 통과한 세정수의 혼합이 보다 용이하게 이루어질 수 있다. 또한, 필터유닛(88)은 석출된 황산염과 질산염을 분리하여 해상에 방류할 수 있다. 전술한 바와 같이, 질산염은 약 30%만 석출된 상태이므로, 질산염 농도를 측정, 제어한 후, 해상에 배출할 수 있는 양 만큼만 해상에 방류할 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여, 배기가스 오염물질 저감장치(1)의 작동 과정에 대해 좀 더 상세히 설명한다.
도 3은 배기가스 오염물질 저감장치의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
본 발명에 따른 배기가스 오염물질 저감장치(1)는 오존, 자외선을 이용하여 배기가스를 산화시키는 대신 제1 산화제로 배기가스를 1차 산화하고, 제2 산화제로 배기가스를 2차 산화하여 배기가스의 산화 효율 및 선박 내 공간 활용도를 증가시킬 수 있다. 또한, 산화촉매인 제2 산화제가 배기가스를 산화시킴과 동시에 산화된 배기가스가 다시 환원되는 것을 방지하므로, 오염물질 저감 효과가 극대화될 수 있다. 또한, 배기가스의 정화로 오염된 세정수에 포함되어 있는 황산염을 석출하여 세정수로부터 분리할 수 있어, 질산 또는 질산염이 포함된 세정수만 추출하여 따로 저장할 수 있다. 따라서, 황산염과 질산염을 모두 저장하는 종래의 경우보다 저장탱크의 크기 및 개수를 줄일 수 있으며, 이로 인해, 탱크의 설치 및 유지를 위한 비용이 절감되고, 선박 내 공간 활용도가 증가될 수 있다.
배기가스관(10)을 유동하는 배기가스는 제1 산화유닛(40)에서 분사되는 제1 산화제에 의해 1차 산화되어 스크러버(30)로 공급되고, 청수저장탱크(21)에 저장된 세정수는 세정수공급관(20)을 통해 스크러버(30)로 공급된다. 스크러버(30)는 배기가스와 세정수를 기액 접촉시켜 배기가스에 포함된 질소산화물, 황산화물, 미세분진 등을 제거하며, 이와 동시에, 제2 산화유닛(50)은 스크러버(30) 내부로 전이금속 수산화물을 포함하는 무기금속화합물과, 술폭시드를 포함하는 유기화합물의 혼합물인 산화촉매를 제2 산화제로 분사하여 배기가스를 산화시키고 산화된 배기가스가 다시 환원되는 역반응을 방지한다. 이 때, 제2 산화유닛(50)은 제2 산화제를 스크러버(30) 내부로 직접 공급할 수도 있고, 세정수공급관(20) 또는 저장부(60)에 주입하여 스크러버(30)로 공급되도록 할 수도 있다. 배기가스와 세정수, 및 산화촉매는 스크러버(30)의 제1 접촉부(31)에 설치된 혼합기(31a)와 교반패널(31b)에 의해 혼합될 수 있으며, 이로 인해, 배기가스가 산화된 상태로 유지되며 오염물질의 제거가 이루어질 수 있다. 오염물질이 제거된 배기가스는 제2 접촉부(32)에 설치된 액적분리기(32a)에 의해 수분입자가 제거된 후 배기관(34)을 통해 배출될 수 있다.
배기가스와 접촉하여 오염물질이 포함된 세정수는 세정수배출관(33)을 통해 저장부(60)에 저장되며, 저장부(60)에 저장된 세정수와 산화촉매의 혼합액은 중화제공급부(70)에서 공급되는 중화제에 의해 적정 pH로 중화될 수 있다. 중화된 세정수와 산화촉매의 혼합액은 일부가 순환관(61)을 통해 스크러버(30)로 순환되고, 일부가 유동관(63)을 통해 수처리될 수 있다. 순환관(61)과 유동관(63) 상에는 각각 제1 여과유닛(62)과 제2 여과유닛(81)이 설치되어 입자가 큰 고체 상의 물질이 제거될 수 있다.
제2 여과유닛(81)에서 고체상 입자가 제거된 세정수는 산화촉매분리유닛(82)으로 공급되어 산화촉매가 분리되며, 세정수로부터 분리된 산화촉매는 별도의 배관을 통해 제2 산화유닛(50) 또는 스크러버(30) 또는 저장부(60) 또는 세정수공급관(20)으로 공급되어 재사용될 수 있다. 또한, 산화촉매가 제거된 세정수 중 염을 포함하지 않는 세정수는 별도의 배관을 통해 세정수공급관(20) 또는 저장부(60) 또는 스크러버(30)로 공급될 수 있다.
산화촉매가 제거된 세정수 중 염을 포함하는 세정수는 유동관(63)을 통해 염저장탱크(83)로 공급되어 고체 상의 염이 제거될 수 있다. 염저장탱크(83)에서 고체 상의 염이 제거된 세정수는 제1 냉각유닛(84)에서 해수와 열교환을 통해 1차로 냉각되는데, 이 때, 세정수에 액체 상태로 용해되어 있던 황산염 중 약 30%가 고체 상태로 석출될 수 있다. 석출된 황산염은 세정수에 포함되어 분리유닛(85)으로 공급되며, 분리유닛(85)은 고체 상태의 황산염을 포함하는 세정수와 고체 상태의 황산염을 포함하지 않는 세정수로 분리하여, 고체 상태의 황산염을 포함하는 세정수를 필터유닛(88)으로 공급하고, 고체 상태의 황산염을 포함하지 않는 세정수를 제2 냉각유닛(86)으로 공급한다.
제2 냉각유닛(86)은 고체 상태의 황산염을 포함하지 않는 세정수를 냉매와 열교환을 통해 2차로 냉각하여 황산염을 추가로 석출하는데, 이 때, 세정수는 제1 냉각유닛(84)의 냉각 온도보다 낮은 온도인 0~10℃로 냉각될 수 있다. 세정수가 0~10℃로 냉각됨으로써, 세정수에 액체 상태로 용해되어 있던 황산염 중 90% 이상이 고체 상태로 석출되고, 액체 상태로 용해되어 있던 질산염 중 약 30%가 고체 상태로 석출될 수 있다. 제2 냉각유닛(86)을 통과한 세정수는 석출된 황산염과 질산염을 포함한 상태로 분리유닛(85)으로 다시 공급되며, 분리유닛(85)은 제1 냉각유닛(84)을 통과한 세정수와 제2 냉각유닛(86)을 통과한 세정수를 혼합하여, 고체 상태의 황산염과 질산염을 포함하는 세정수를 필터유닛(88)으로 공급한다.
필터유닛(88)은 고체 상태의 황산염과 질산염을 세정수로부터 분리하여 해상에 방류하고, 고체 상태의 황산염과 질산염이 분리된 세정수, 구체적으로, 황산 또는 액체 상태의 황산염, 및 질산 또는 액체 상태의 질산염이 포함된 세정수를 저장탱크(89)로 공급한다. 세정수에 액체 상태로 용해되어 있던 황산염은 90% 이상이 석출되어 해상에 방류된 상태이므로, 저장탱크(89)에는 질산 또는 액체 상태의 질산염이 고농도로 농축된 세정수가 저장될 수 있다. 저장탱크(89)에 저장된 고농도의 질산염은 항구 등에서 처리되거나, 공해 상에서 세정수와 혼합되어 희석된 상태로 방류될 수 있다.
한편, 스크러버(30)만 작동하여 황산화물만 제거하는 경우, 제1 산화유닛(40)과 제2 산화유닛(50)은 작동하지 않고, 배기가스관(10)을 통과한 배기가스와 세정수공급관(20)을 통해 공급된 청수 또는 해수 또는 청수와 해수의 혼합수가 스크러버(30)에서 기액 접촉한다. 기액반응에 의해 배기가스에 포함된 황산화물이 제거되고, 황산화물이 제거된 세정수는 세정수배출관(33)과 별도의 유동관(도시되지 않음)을 통해 해상으로 방류된다.
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: 배기가스 오염물질 저감장치
10: 배기가스관 20: 세정수공급관
21: 청수저장탱크 30: 스크러버
30a: 분사노즐 31: 제1 접촉부
31a: 혼합기 31b: 교반패널
32: 제2 접촉부 32a: 액적분리기
32b: 배기팬 33: 세정수배출관
34: 배기관 40: 제1 산화유닛
50: 제2 산화유닛 60: 저장부
61: 순환관 62: 제1 여과유닛
63: 유동관 70: 중화제공급부
71: 센서부 72: 제어부
80: 수처리유닛 81: 제2 여과유닛
82: 산화촉매분리유닛 82a: 격벽
83: 염저장탱크 84: 제1 냉각유닛
85: 분리유닛 86: 제2 냉각유닛
87: 냉각기 88: 필터유닛
89: 저장탱크

Claims (12)

  1. 해양 구조물에 탑재된 연소기관의 배기가스를 공급하는 배기가스관;
    세정수를 공급하는 세정수공급관;
    상기 배기가스관과 상기 세정수공급관이 연결되며, 내부에 상기 배기가스관으로부터 공급된 상기 배기가스에 상기 세정수를 분사하는 분사노즐이 설치된 스크러버;
    상기 배기가스관에 제1 산화제를 분사하여 상기 배기가스를 1차 산화시키는 제1 산화유닛; 및
    상기 스크러버 내부로, 전이금속 수산화물을 포함하는 무기금속화합물과, 술폭시드를 포함하는 유기화합물의 혼합물인 산화촉매를 제2 산화제로 분사하여 상기 배기가스를 2차 산화시키고 역반응을 방지시키는 제2 산화유닛을 포함하는 배기가스 오염물질 저감장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 전이금속 수산화물은 실리카나노입자에 담지된 배기가스 오염물질 저감장치.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 실리카나노입자와 상기 전이금속 수산화물은 술폭시드를 포함한 유기화합물과 물의 혼합물 중에 부유하는 형태로 존재하는 배기가스 오염물질 저감장치.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 전이금속 수산화물은, 코발트(Co), 니켈(Ni), 구리(Cu), 철(Fe), 망간(Mn), 크롬(Cr), 로듐(Rh), 루테늄(Ru), 몰리브덴(Mo), 오스뮴(Os), 백금(Pt), 텅스텐(W), 아연(Zn), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 팔라듐(Pd), 이리듐(Ir) 중에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 배기가스 오염물질 저감장치.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 스크러버 하부에 연결되며, 상기 스크러버로부터 배출되는 상기 세정수와 상기 산화촉매를 저장하는 저장부와,
    상기 저장부와 상기 세정수공급관 사이를 연결하여 상기 세정수와 상기 산화촉매를 재순환하는 순환관을 더 포함하는 배기가스 오염물질 저감장치.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 스크러버로부터 배출되는 상기 세정수와 상기 산화촉매의 혼합액으로부터 염을 제거하고, 상기 세정수와 상기 산화촉매를 다시 상기 스크러버로 재순환시키는 수처리유닛을 더 포함하는 배기가스 오염물질 저감장치.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 수처리유닛은,
    상기 혼합액을 공급받아 비중 차이를 이용하여 상기 산화촉매와, 염을 포함하는 세정수로 분리하는 산화촉매분리유닛을 포함하는 배기가스 오염물질 저감장치.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 수처리유닛은,
    상기 염을 포함하는 세정수를 공급받아 1차 냉각시켜 황산염을 석출하는 제1 냉각유닛과,
    상기 제1 냉각유닛 후단에 연결되어 상기 염을 포함하는 세정수에서 고체 상의 황산염을 분리하는 필터유닛을 더 포함하는 배기가스 오염물질 저감장치.
  9. 제8 항에 있어서, 상기 수처리유닛은,
    상기 제1 냉각유닛과 상기 필터유닛 사이에 설치되어 비중 차이를 이용하여 상기 고체 상의 황산염을 포함하지 않는 세정수를 분리하는 분리유닛과,
    상기 분리유닛으로부터 분리된 상기 고체 상의 황산염을 포함하지 않는 세정수를 상기 제1 냉각유닛보다 낮은 온도로 2차 냉각시켜 황산염을 석출하는 제2 냉각유닛을 더 포함하는 배기가스 오염물질 저감장치.
  10. 제9 항에 있어서, 상기 제2 냉각유닛을 통과한 세정수는 다시 상기 분리유닛으로 공급되는 배기가스 오염물질 저감장치.
  11. 제1 항에 있어서, 상기 스크러버는,
    상부가 상기 배기가스관과 연통되며, 상기 배기가스의 유동 방향을 따라 상기 배기가스와 상기 세정수 및 상기 산화촉매를 혼합하는 교반패널과 혼합기가 적어도 하나 설치되는 제1 접촉부와,
    상기 제1 접촉부와 연통되어 굴절부를 이루며, 상기 배기가스와 접하여 수분입자를 응축시키는 액적분리기가 설치된 제2 접촉부를 포함하는 배기가스 오염물질 저감장치.
  12. 제11 항에 있어서, 상기 스크러버는,
    상기 액적분리기의 상단에 설치되어 상기 배기가스를 외부로 배출하는 배기팬을 더 포함하는 배기가스 오염물질 저감장치.
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