KR20190072252A - 배기가스 후처리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템은 질소산화물 및 황산화물을 함유한 배기가스가 이동하는 배기 유로와, 상기 배기 유로를 따라 이동하는 배기가스에 암모니아를 분사하는 암모니아 분사부와, 상기 암모니아와 혼합된 배기가스에 자외선, 플라스마, 또는 전자빔 중 하나 이상을 조사하여 질산암모늄 및 황산암모늄을 생성하는 광반응기와, 상기 광반응기에서 생성된 질산암모늄 및 황산암모늄을 포집하는 염 포집기, 그리고 수산화나트륨을 공급받아 상기 염 포집기에서 포집된 질산암모늄 및 황산암모늄을 분해하여 암모니아를 재생산하여 상기 암모니아 분사부에 공급하는 암모니아 생성기를 포함한다.

Description

배기가스 후처리 시스템{EXHAUST GAS TREATMENT SYSTEM}
본 발명은 배기가스에 함유된 질소산화물과 황산화물을 저감시키는 배기가스 후처리 시스템에 관한 것이다.
산업화가 급속하게 진전됨에 따라 석유나 석탄과 같은 각종 화석연료의 사용량이 증가하게 되었다. 이로 인하여 화석 연료의 연소 과정에서 배출되는 각종 유해 가스가 심각한 대기 오염을 야기하고 있다. 대표적인 예로서 스모그(Smog) 현상이나 산성비 등을 들 수 있다.
대기 오염의 주범은 차량 및 선박의 엔진 또는 화력 발전소나 공장 등으로부터 배출되는 배기가스의 황산화물(SOx)이나 질소산화물(NOx)이 있다.
근래에는 환경 보존에 대한 인식이 높아짐에 따라 이러한 황산화물과 질소산화물에 대한 배출규제가 도입되고 있다.
우선, 가장 영향이 큰 황산화물의 경우에는 주로 연료의 연소로 발생되는 황산화물이 문제가 된다. 황산화물의 발생을 줄이는 방법으로는 황성분이 포함되지 않은 연료를 선택하여 사용하거나 연료 중의 황 성분을 제거하여 연소 중에 황산화물이 발생하는 것을 방지하는 방법과 배기가스 후처리 시스템을 통해 배기가스를 후처리하여 탈황시키는 방법이 있다.
하지만, 경제적인 측면에서 불가피하게 황 성분이 포함된 연료를 사용하여야 할 경우에는, 연소 후 배출되는 황산화물 가스를 중화시키는 탈황 설비를 통해 황성분을 제거하게 된다.
그러나 탈황 설비를 거쳐도 질소산화물의 일부는 제거되지 않고 대기 중으로 배출되므로, 탈황 설비와 함께 탈질 설비를 모두 갖추어야만 한다. 특히, 선박의 경우 국제 해사 기구(International Maritime Organization)에서 규정한 엔진 국제 대기 오염 방지 3차 규제(IMO Tier-III)를 만족시켜야 하므로, 저비용 고효율의 효과적인 탈질 설비가 요구되고 있다.
예를 들어, 배기가스 후처리 시스템에 사용되는 대표적인 탈황 설비로는 스크러버(scrubber)가 있으며, 탈질 설비로는 선택적 촉매 환원(selective catalytic reduction, SCR) 시스템이 있다.
한편으로는, 배기가스에 자외선 또는 전자빔을 조사하여 질소산화물과 황산화물을 제거하는 방법도 사용되고 있다. 구체적으로, 배기가스에 암모니아(NH3)를 분사한 후 광반응기에서 자외선(UV)이나 플라스마를 조사하면, 배기가스에 함유된 질소산화물과 황산화물이 질산암모늄과 황산암모늄으로 변환되면서, 배기가스 내 질소산화물과 황산화물이 저감된다.
그런데, 질산암모늄과 황산암모늄을 생성하기 위해서는 암모니아가 지속적으로 소비되어야 한다. 또한, 암모니아는 그 자체가 오염 물질로 보관과 운반이 용이하지 않기 때문에 안정적인 우레아 수용액으로 보관하다가 이를 암모니아로 분해하여 사용하고 있다. 구체적으로, 우레아(urea, CO(NH2)2) 수용액을 가수분해 또는 열분해시키면 암모니아(NH3)와 이소시안산(Isocyanic acid, HNCO)을 생성할 수 있다. 그리고 이소시안산(HNCO)은 다시 암모니아(NH3)와 이산화탄소(CO2)로 분해할 수 있다.
전술한 바와 같이, 종래의 배기가스 후처리 시스템에서는 우레아를 분해하여 암모니아를 생성하기 위한 장치가 별도로 필요할 뿐만 아니라 우레아를 저장하기 위한 공간이 과대해지는 문제점이 있다. 또한, 우레아와 암모니아의 지속적인 소비가 요구됨으로써 배기가스 후처리 시스템의 운영 비용을 상승시키는 원인이 되고 있다.
본 발명의 실시예는 배기가스에 함유된 질소산화물 및 황산화물을 효율적으로 저감시킬 수 있는 배기가스 후처리 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배기가스 후처리 시스템은 질소산화물 및 황산화물을 함유한 배기가스가 이동하는 배기 유로와, 상기 배기 유로를 따라 이동하는 배기가스에 암모니아를 분사하는 암모니아 분사부와, 상기 암모니아와 혼합된 배기가스에 자외선(UV), 플라스마(plasma), 또는 전자빔(electron beam) 중 하나 이상을 조사하여 질산암모늄 및 황산암모늄을 생성하는 광반응기와, 상기 광반응기에서 생성된 질산암모늄 및 황산암모늄을 포집하는 염 포집기, 그리고 수산화나트륨(NaOH)을 공급받아 상기 염 포집기에서 포집된 질산암모늄 및 황산암모늄을 분해하여 암모니아를 재생산하여 상기 암모니아 분사부에 공급하는 암모니아 생성기를 포함한다.
상기 광반응기는 자외선(UV), 플라스마(plasma), 또는 전자빔(electron beam)을 반응 에너지로 사용하여 배기가스 중의 수분(H2O)을 분해하여 라디칼(radical)을 생성하고, 상기 라디칼로 질소산화물과 황산화물을 질산과 황산으로 변환시키며, 상기 질산과 상기 황산은 상기 암모니아와 반응하여 질산암모늄(NH4NO3) 및 황산암모늄((NH4)2SO4)을 생성할 수 있다.
상기한 배기가스 후처리 시스템은 해수를 전기 분해하여 수산화나트륨을 생성하는 해수 전기 분해 장치를 더 포함할 수 있다. 그리고 상기 암모니아 생성기는 상기 해수 전기 분해 장치로부터 수산화나트륨을 공급받을 수 있다.
상기한 배기가스 후처리 시스템은 상기 배기 유로를 따라 이동하는 배기가스에 물을 분사하여 황산화물을 황산용액으로 변환시켜 제거하는 스크러버(scrubber)를 더 포함할 수 있다.
상기 스크러버에서 생성된 황산용액은 상기 해수 전기 분해 장치에서 생성된 수산화나트륨을 사용하여 중화시킬 수 있다.
상기한 배기가스 후처리 시스템에서, 상기 염 포집기는 전기집진기(electrostatic precipitator, ESP) 또는 백필터(bag filter) 중 하나일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배기가스 후처리 시스템은 배기가스에 함유된 질소산화물 및 황산화물을 효율적으로 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템의 구성도이다.
도 2는 도 1의 배기가스 후처리 시스템에서 광반응기를 통해 질소산화물과 황산화물을 저감시키는 원리를 나타낸 그래프이다.
도 3은 도 1의 염 포집기로 사용될 수 있는 백필터를 나타낸다.
도 4는 도 1의 염 포집기로 사용될 수 있는 전기집진기를 나타낸다.
도 5는 도 1의 해수 전기 분해 장치의 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면들은 개략적이고 축척에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 축소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.
본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템(101)을 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템(101)은 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx) 및 황산화물(SOx)을 저감시킨다.
일례로, 배기가스는 동력 장치에서 배출될 수 있다. 동력 장치는 선박에 사용되는 사용되는 2행정 저속 디젤 엔진 또는 4행정 중속 디젤 엔진일 수 있다. 하지만, 본 발명의 일 실시예가 이에 한정되는 것은 아니며, 동력 장치는 플랜트용 내연기관이거나 차량용 엔진일 수도 있다. 즉, 동력 장치로는 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공지된 다양한 종류의 엔진이 사용될 수 있다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템(101)은 배기 유로(610), 암모니아 분사부(570), 광반응기(300), 염 포집기(400), 및 암모니아 생성기(500)를 포함한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템(101)은 해수 전기 분해 장치(800) 및 스크러버(scrubber, 200)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템(101)은 황산용액 보관 처리부(250), 부산물 저장부(550), 물분사부(270), 및 암모니아 공급 라인(650)을 더 포함할 수 있다.
배기 유로(610)는 질소산화물(NOx) 및 황산화물(SOx)을 함유한 배기가스를 이동시킨다. 그리고 배기 유로(610)를 따라 이동하는 배기가스는 후술할 스크러버(200), 광반응기(300), 및 염 포집기(400)를 거쳐 외부로 배출된다. 일례로, 배기 유로(610)는 엔진의 배기구와 연결되어 엔진에서 배출된 배기가스를 배출시킬 수 있다.
스크러버(200)는 배기가스에 함유된 황산화물(SOx)을 저감시킨다. 물분사부(270)는 스크러버(200) 내부에서 배기가스를 향해 물을 분사할 수 있다. 이에, 스크러버(200) 내부에서 배기가스에 함유된 황산화물과 물이 반응하여 황산용액이 형성될 수 있다. 황산용액은 스크러버(200)의 하부에서 배출되어 황산용액 보관 처리부(250)에 보관될 수 있다.
황산용액 보관 처리부(250)는 수산화나트륨(NaOH)을 공급받아 황산용액을 중화시킬 수 있다. 그리고 환산용액의 중화 과정에서 생성된 물(H2O)을 다시 물분사부(270)로 공급할 수 있다.
암모니아 분사부(570)는 배기 유로(610)를 따라 이동하는 배기가스에 암모니아(NH3)를 분사한다. 구체적으로, 암모니아 분사부(570)는 스크러버(200)를 통과한 배기가스에 암모니아를 분사할 수 있다.
광반응기(300)는 암모니아 분사부(570)에서 분사된 암모니아(NH3)가 혼합된 배기가스에 자외선(UV), 플라스마(plasma), 또는 전자빔(electron beam) 중 하나 이상을 조사하여 질산암모늄 및 황산암모늄을 생성한다.
구체적으로, 도 2를 참조하여 광반응기(300)에서 질소산화물(NOx) 및 황산화물(SOx)을 저감시키는 원리를 설명하면, 광반응기(300)는 자외선(UV), 플라스마(plasma), 또는 전자빔(electron beam)을 반응 에너지로 사용하여 배기가스 중의 수분(H2O)을 분해하여 라디칼(radical)을 생성한다. 이와 같이 생성된 라디칼로 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)을 질산(HNO3)과 황산(H2SO4)으로 변환시키게 된다. 그리고 질산(HNO3)과 황산(H2SO4)은 암모니아 분사부(570)를 통해 분사된 암모니아(NH3)와 반응하여 질산암모늄(NH4NO3) 및 황산암모늄((NH4)2SO4)을 생성하게 된다. 질산암모늄(NH4NO3) 및 황산암모늄((NH4)2SO4)이 생성된 만큼 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)은 저감된다.
질소산화물(NOx)이 질산암모늄(NH4NO3)으로 변환되는 원리는 아래 화학식 1 내지 화학식 3과 같다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
또한, 황산화물(SOx)가 황산암모늄((NH4)2SO4)으로 변환되는 원리는 아래 화학식 4 내지 화학식 6과 같다.
Figure pat00004
Figure pat00005
Figure pat00006
염 포집기(400)는 광반응기(300)에서 생성된 질산암모늄(NH4NO3) 및 황산암모늄((NH4)2SO4)을 포집한다. 그리고 염 포집기(400)를 거친 배기가스는 외부를 향해 배출된다.
또한, 염 포집기(400)로는 해당 기술분야에서 종사하는 자에게 공지된 다양한 장비가 사용될 수 있다. 예를 들어, 염 포집기(400)는 백필터(bag filter, 401) 또는 전기집진기(electro static precipitator, ESP)(402) 중 하나일 수 있다.
도 3에 도시한 바와 같이, 백필터(401)는 여과 집진 장치의 일종으로 글라스 섬유나 솜, 양모, 합성 섬유, 석면 등 짬이 미세한 자루 모양의 여재(411)에 의해 분진 기류를 거르는 거르개를 말한다. 자루 모양의 여재(411) 내면에 부착한 진애는 차츰 퇴적하여 압력 손실을 증가시키기 때문에 일정한 부하가 되면 떨어버리기를 한다. 떨어버리는 데는 역기류나 진동, 분류 등의 방법을 사용하고, 일반적으로 압력 손실을 150㎜Aq 이하로 억제하도록 운전한다. 떨어뜨리는 방식은 간헐식과 연속식으로 나누어진다. 전자는 구분된 몇 개의 방 중 하나를 순서대로 차단하여 떨어버리고, 후자는 처리 가스의 차단을 하지 않고, 일부의 거름천 떨어버리기를 차례로 연속해서 하는 방식이다. 일반적으로 고온 가스에는 부적당하지만, 통풍 면적이 넓어서 집진 효과가 높다.
도 4에 도시한 바와 같이, 전기 집진기(402)는 정전 응집 작용을 이용한 집진 장치의 일종이다. 정전 집진기로도 불리우며, 2단 전하식으로서 분진 입자의 하전(荷電)과 집진이 2개의 전계로 나뉘어 이루어진다. 고전압 공급 장치(425)가 공급하는 전압에 의해 생성된 12,000~15,000 볼트(V)의 강한 코로나 방전을 통해서 분진은 플러스 전기를 띠고, 다음에 3,000~8,000 볼트(V)의 직류 전압을 가진 마이너스의 전극판(421)에 흡착되어, 기체는 정화된다. 전극판(421)에 부착된 분진은 해머로 두드려 떨어뜨리거나 물로 씻어낸다. 보통은 전극판(421)을 정지시켜 세정하지만 세정 후에 건조 시간을 취할 수 없는 경우에는 전극판(421)의 회전 세정, 또는 부분적 세정 등의 자동 장치(422)를 사용한다. 공기 청정기 등 함진 농도가 비교적 낮은 경우의 처리에 주로 사용된다.
암모니아 생성기(500)는 염 포집기(400)에서 포집된 질산암모늄(NH4NO3) 및 황산암모늄((NH4)2SO4)을 전달받아 암모니아(NH3)를 재생산한다.
구체적으로, 암모니아 생성기(500)는 수산화나트륨(NaOH)을 공급받아 염 포집기(400)에서 포집된 질산암모늄(NH4NO3) 및 황산암모늄((NH4)2SO4)을 분해하여 암모니아(NH3)를 재생산한다. 이렇게 암모니아 생성기(500)에서 재생산된 암모니아(NH3)는 암모니아 공급 라인(650)을 통하여 암모니아 분사부(570)에 공급된다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 배기가스 후처리 시스템(101)은 질소산화물(NOx) 및 황산화물(SOx)을 저감시키는 과정에서 요구되는 암모니아(NH3)를 재생산하여 반복적으로 사용함으로써, 최종적으 소모되는 암모니아(NH3)를 최소화할 수 있다.
해수 전기 분해 장치(800)는 해수(海水)를 전기 분해하여 수산화나트륨(NaOH)을 생성하고, 생성된 수산화나트륨(NaOH)을 암모니아 생성기(500)에 공급한다.
해수 전기 분해 장치(800)는 멤브레인(850)을 사이에 두고 분리된 공간의 일측에 염화나트륨(NaCl)을 포함하는 해수를 주입하고 타측에 물(H2O)을 주입하여 이들을 반응시킴으로써 수산화나트륨(NaOH)을 생성한다.
구체적으로, 해수를 전기 분해하여 수산화나트륨(NaOH)을 생성하는 원리는 아래 화학식 7과 같다.
Figure pat00007
또한, 해수 전기 분해 장치(800)는 생성된 수산화나트륨(NaOH)을 황산용액 저장 처리부(250)에 공급하여 황산용액을 중화시킬 수 있다.
또한, 질산암모늄(NH4NO3)이 수산화나트륨(NaOH)과 반응하여 암모니아(NH3)를 생성하는 원리는 아래 화학식 8과 같다.
Figure pat00008
또한, 황산암모늄((NH4)2SO4)이 수산화나트륨(NaOH)과 반응하여 암모니아(NH3)를 생성하는 원리는 아래 화학식 9와 같다.
Figure pat00009
부산물 저장부(550)는 암모니아 생성기(500)에서 암모니아(NH3)를 재생산하는 과정 중 생성된 부산물을 저장한다. 일례로, 부산물은 질산나트륨(NaNO3)을 포함할 수 있다.
이와 같은 구성에 의하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템(101)은 배기가스에 함유된 질소산화물(NOx) 및 황산화물(SOx)을 효율적으로 제거할 수 있다.
구체적으로, 암모니아(NH3)를 재생산하여 사용함으로써, 배기가스를 후처리하는 과정에서 최종적으로 소모되는 암모니아(NH3)의 양을 미미한 수준으로 줄일 수 있다. 즉, 배기가스 후처리 시스템(101)의 암모니아(NH3) 소모를 최소화할 수 있다.
또한, 해수를 전기 분해하여 생성된 수산화나트륨(NaOH)을 사용하여 암모니아(NH3)를 생성하고 황산용액을 중화시킴으로써, 배기가스 후처리 시스템의 운용 효율을 극대화할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명은 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
101: 배기가스 후처리 시스템
200: 스크러버
250: 황산용액 보관 처리부
270: 물분사부
300: 광반응기
400: 염 포집기
401: 백필터
402: 전기집진기
500: 암모니아 생성기
550: 부산물 저장부
570: 암모니아 분사부
610: 배기 유로
650: 암모니아 공급 라인
800: 해수 전기 분해 장치

Claims (6)

  1. 질소산화물 및 황산화물을 함유한 배기가스가 이동하는 배기 유로;
    상기 배기 유로를 따라 이동하는 배기가스에 암모니아를 분사하는 암모니아 분사부;
    상기 암모니아와 혼합된 배기가스에 자외선(UV), 플라스마(plasma), 또는 전자빔(electron beam) 중 하나 이상을 조사하여 질산암모늄 및 황산암모늄을 생성하는 광반응기;
    상기 광반응기에서 생성된 질산암모늄 및 황산암모늄을 포집하는 염 포집기; 및
    수산화나트륨(NaOH)을 공급받아 상기 염 포집기에서 포집된 질산암모늄 및 황산암모늄을 분해하여 암모니아를 재생산하여 상기 암모니아 분사부에 공급하는 암모니아 생성기
    를 포함하는 배기가스 후처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광반응기는 자외선(UV), 플라스마(plasma), 또는 전자빔(electron beam)을 반응 에너지로 사용하여 배기가스 중의 수분(H2O)을 분해하여 라디칼(radical)을 생성하고, 상기 라디칼로 질소산화물과 황산화물을 질산과 황산으로 변환시키며, 상기 질산과 상기 황산은 상기 암모니아와 반응하여 질산암모늄(NH4NO3) 및 황산암모늄((NH4)2SO4)을 생성하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    해수를 전기 분해하여 수산화나트륨을 생성하는 해수 전기 분해 장치를 더 포함하며,
    상기 암모니아 생성기는 상기 해수 전기 분해 장치로부터 수산화나트륨을 공급받는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배기 유로를 따라 이동하는 배기가스에 물을 분사하여 황산화물을 황산용액으로 변환시켜 제거하는 스크러버(scrubber)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 스크러버에서 생성된 황산용액은 상기 해수 전기 분해 장치에서 생성된 수산화나트륨을 사용하여 중화시키는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 염 포집기는 전기집진기(electrostatic precipitator, ESP) 또는 백필터(bag filter) 중 하나인 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
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