KR20190080358A - 해수 전해장치로부터 생성된 수소 처리 시스템 - Google Patents

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KR20190080358A
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성상경
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Abstract

해수 전해장치로부터 생성된 수소를 처리하기 위한 시스템이 개시된다.
본 실시형태의 수소 처리 시스템은, 해수를 전기분해하여 생성된 치아염소산나트륨(sodium hypochlorite) 및 수소 중 상기 치아염소산나트륨을 해양생물 성장 방지 시스템(Marine Growth Preventing System, 이하 MGPS) 및 밸러스트수 처리 시스템(Ballast Water Treatment System, 이하 BWTS)으로 공급하는 제1 유닛(10); 액체화물창 내의 LNG로부터 발생하는 BOG(Boil Off Gas)와 상기 제1 유닛으로부터 생성된 수소를 혼합하여 가스터빈 발전기의 연소원으로 공급하는 제2 유닛(20); 및 상기 제1 유닛으로부터 생성된 수소를 산화제와 전기화학적으로 반응시켜 그 반응에너지를 전기로 변환시킴으로써 발전을 수행하는 제3 유닛(30); 을 포함할 수 있다.

Description

해수 전해장치로부터 생성된 수소 처리 시스템 {TREATMENT SYSTEM OF HYDROGEN FROM SEA WATER ELECTROLYZER}
본 발명은 해수 전해장치(해수 전기분해장치)로부터 생성된 수소를 처리하는 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해수 전해장치로부터 생성된 수소를 각 용처로 공급하여 전기분해 산물의 효율적 사용 및 관리를 도모할 수 있도록 한 수소 처리 시스템에 관한 것이다.
부유식 플랜트나 선박 등의 해양구조물에는 해양생물의 흡착 및 성장으로 인한 장치의 고장이나 열교환기의 효율을 저하시키는 여러가지 문제가 발생하고 있다.
이러한 문제의 해결 및 개선을 위하여 등록특허 제10-0542895호의 "치아염소산나트륨을 이용한 전해식 밸러스트수 처리방법및 처리장치"(이하 선행기술) 등과 같은 여러 가지 장치 및 방법들이 연구 개발되어 적용되고 운용된다.
아울러, 최근에는 선박의 평형수(Ballast Water)에 선박 운항 과정에서 해양생물의 생장과 번식함에 따라 생태계 교란 등의 요인으로 작용하는만큼, 이를 해결하기 위한 BWTS (Ballast Water Treatment System)가 상용화 단계에 있다.
이러한 BWTS는 가까운 미래에 이를 의무적으로 설치, 운용해야 하는 시기가 도래할 수 있는 만큼, 해양생물의 흡착 및 성장을 억제하는 기술의 수요는 점차 증가할 것으로 판단된다.
해수의 전기분해를 통해 생성되는 치아염소산염(Hypochlorite)은 해양생물의 생장 및 번식을 억제하기 위한 용도로서 사용하지만, 치아염소산염을 생성하기 위한 전기분해 과정에서 치아염소산염과 함께 발생된 수소의 경우엔 선행기술을 포함한 대부분의 장치가 블로워(Blower)를 통하여 대기중으로 방출시켜 버리는 것이 일반적이다.
따라서, 해수의 전기분해 과정에서 생성되는 치아염소산염은 물론, 부산물로 함께 생성되는 수소의 활용 방안까지 도모할 수 있는 장치의 개발이 절실한 것이다.
등록특허 제10-0542895호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 발명된 것으로, 해수 전해장치로부터 생성된 수소를 각 용처로 공급하여 전기분해 산물의 효율적 사용 및 관리를 도모할 수 있도록 하는 해수 전해장치로부터 생성된 수소 처리 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 해수 전해장치로부터 생성된 수소를 처리하기 위한 시스템으로서, 해수를 전기분해하여 생성된 치아염소산나트륨(sodium hypochlorite) 및 수소 중 상기 치아염소산나트륨을 해양생물 성장 방지 시스템(Marine Growth Preventing System, 이하 MGPS) 및 밸러스트수 처리 시스템(Ballast Water Treatment System, 이하 BWTS)으로 공급하는 제1 유닛; 액체화물창 내의 LNG로부터 발생하는 BOG(Boil Off Gas)와 상기 제1 유닛으로부터 생성된 수소를 혼합하여 가스터빈 발전기의 연소원으로 공급하는 제2 유닛; 및 상기 제1 유닛으로부터 생성된 수소를 산화제와 전기화학적으로 반응시켜 그 반응에너지를 전기로 변환시킴으로써 발전을 수행하는 제3 유닛; 을 포함하는, 수소 처리 시스템이 제공될 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 제1 유닛은, 상기 해수를 변압정류기(Transformer Rectifier)로부터 공급받은 전력으로써 상기 치아염소산나트륨 및 상기 수소로 전기분해시키는 치아염소산나트륨 생성기(Sodium Hypochlorite Generator, 이하 SHG)를 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 제1 유닛은, 상기 SHG로부터 생성된 유리염소(free chlorine)를 보관하고 상기 수소 가스를 일방향으로 배출시키는 경로를 형성하는 치아염소산 저장배출 탱크(Hypochlorite Storage & Degassing Tank, 이하 HSD 탱크)와, 상기 유리염소를 상기 HSD 탱크로부터 상기 MGPS 또는 상기 BWTS측으로 가압 이송하는 치아염소산 공급 펌프(Hypochlorite Dosing Pump, 이하 HD 펌프)를 더 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 제1 유닛은, 외부로부터 상기 해수를 상기 SHG측으로 공급하는 해수공급 펌프를 더 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 제1 유닛은, 상기 해수로부터 이물질을 제거하여 상기 SHG측으로 공급하는 스트레이너를 더 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 제2 유닛은, 상기 제1 유닛으로부터 생성된 수소와 상기 BOG를 혼합하여 제1 혼합유체를 생성하는 제1 혼합 챔버와, 상기 제1 혼합 챔버로부터 생성된 상기 제1 혼합유체를 연소시켜 발생되는 증기를 응축시키는 과정을 순환 반복하는 랭킨 엔진과, 상기 랭킨 엔진측으로 압축공기를 이송시킴과 동시에 상기 랭킨 엔진에서 상기 제1 혼합유체의 연소로 발생된 연소가스와 상기 압축공기가 혼합된 제2 혼합유체를 발전 에너지원으로 사용하는 가스터빈 발전기를 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 랭킨 엔진은, 상기 제1 혼합유체를 연소시키는 연소 공간을 형성하며 상기 가스터빈 발전기와 연결되는 연소챔버와, 상기 연소챔버로부터 발생되는 증기를 팽창시켜 회전력으로 변환시키는 증기 터빈과, 상기 증기 터빈을 통과하여 상기 연소챔버보다 낮은 압력과 온도로 팽창된 증기를 응축시키는 응축기를 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 가스터빈 발전기는 상기 연소챔버측으로 상기 압축공기를 이송시킴과 동시에 상기 연소챔버로부터 배출되는 상기 제2 혼합유체를 발전 에너지원으로 공급받고, 상기 응축기로부터 응축된 증기는 상기 연소챔버로 복귀할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 랭킨 엔진은, 상기 응축기와 상기 연소챔버 사이에 배치되어 상기 응축기로부터 응축된 증기를 상기 연소챔버측으로 이송시키는 증기이송 펌프를 더 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 제3 유닛은, 상기 제1 유닛으로부터 생성된 수소를 공급받아, 상기 수소를 산화제와 전기화학적으로 반응시켜 그 반응에너지를 전기로 직접 변환시키는 연료전지를 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 제3 유닛은, 고순도의 수소를 제조하기 위하여 천연가스 내에 포함되어 있는 황성분을 제거하는 탈황반응기와, 히터를 거쳐 가열된 담수와 상기 탈황반응기를 통과한 천연가스를 혼합시켜 제3 혼합유체를 만드는 가습기와, 상기 가습기로부터 상기 제3 혼합유체를 공급받아 개질 촉매를 이용하는 개질반응에 의해 수소가 주성분인 되는 제4 혼합유체를 생성시키는 개질기를 포함할 수 있다.
일 실시형태에 있어서, 상기 개질기에서 생성된 상기 제4 혼합유체는, 상기 제1 유닛으로부터 생성된 수소와 합류되어 상기 연료전지에 공급될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 해수를 전기분해하여 치아염소산나트륨(sodium hypochlorite)를 생성하는 해수 전기분해장치를 포함하는 해양구조물로서, 상기 전기분해장치는 해수로부터 치아염소산나트륨 및 수소를 생성하며, 상기 전기분해장치로부터 생성된 상기 치아염소산나트륨은 해양생물 성장 방지 시스템(Marine Growth Preventing System) 및 밸러스트수 처리 시스템(Ballast Water Treatment System)의 처리용으로 공급하고, 상기 수소는 가스터빈 발전기의 연소원과, 연료전지의 연료로서 공급되도록 구성되는, 해양구조물이 제공될 수 있다.
상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 도모할 수 있다.
우선, 본 발명은 해수를 전기분해하여 생성된 치아염소산나트륨(sodium hypochlorite) 및 수소 중 치아염소산나트륨을 해양생물 성장 방지 시스템(Marine Growth Preventing System, 이하 MGPS) 및 밸러스트수 처리 시스템(Ballast Water Treatment System, 이하 BWTS)으로 공급하는 제1 유닛; 액체화물창 내의 LNG로부터 발생하는 BOG(Boil Off Gas)와 제1 유닛으로부터 생성된 수소를 혼합하여 가스터빈 발전기의 연소원으로 공급하는 제2 유닛; 및 제1 유닛(10)으로부터 생성된 수소와 산소를 전기화학적으로 반응시켜 그 반응에너지를 전기로 변환시킴으로써 발전을 수행하는 제3 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하여, 해수 전해장치로부터 생성된 수소를 각 용처로 공급하여 전기분해 산물의 효율적 사용 및 관리를 도모할 수 있게 된다.
그리고, 본 발명에 따른 제1 유닛은, 해수를 변압정류기(Transformer Rectifier)로부터 공급받은 전력으로써 치아염소산나트륨 및 수소로 전기분해시키는 치아염소산나트륨 생성기(Sodium Hypochlorite Generator, 이하 SHG)를 구비함으로써, 해양구조물의 운항이 지속되는 한 계속하여 해수의 전기분해에 따른 치아염소산 및 수소의 생산이 원활하게 이루어질 수 있게 된다.
그리고, 본 발명에 따른 제1 유닛은, SHG로부터 생성된 유리염소(free chlorine)를 보관하고 수소 가스를 일방향으로 배출시키는 경로를 형성하는 치아염소산 저장배출 탱크(Hypochlorite Storage & Degassing Tank, 이하 HSD 탱크)와, 유리염소를 HSD 탱크로부터 MGPS 또는 BWTS측으로 가압 이송하는 치아염소산 공급 펌프(Hypochlorite Dosing Pump, 이하 HD 펌프)를 더 구비함으로써, MGPS 및 BWTS의 효율적인 관리 및 운용이 가능하게 될 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 제1 유닛은, 외부로부터 해수를 SHG측으로 공급하는 해수공급 펌프를 더 구비함으로써, 전기분해에 따른 치아염소산 및 수소 생성의 원료로서 해수를 SHG측에 지속적으로 공급할 수 있게 된다.
그리고, 본 발명에 따른 제1 유닛은, 해수로부터 이물질을 제거하여 SHG측으로 공급하는 스트레이너를 더 구비함으로써, 해양생물 및 이물질의 혼입을 방지하여 SHG 및 각종 배관의 막힘 사고 및 오작동을 미연에 방지할 수 있게 된다.
그리고, 본 발명에 따른 제2 유닛은, 제1 유닛으로부터 생성된 수소와 BOG를 혼합하여 제1 혼합유체를 생성하는 제1 혼합 챔버와, 제1 혼합 챔버로부터 생성된 제1 혼합유체를 연소시켜 발생되는 증기를 응축시키는 과정을 순환 반복하는 랭킨 엔진과, 랭킨 엔진측으로 압축공기를 이송시킴과 동시에 랭킨 엔진에서 제1 혼합유체의 연소로 발생된 연소가스와 압축공기가 혼합된 제2 혼합유체를 발전 에너지원으로 사용하는 가스터빈 발전기를 포함함으로써, 가동부하를 줄이고 불필요한 연료 및 에너지 낭비를 최소화함은 물론 발전설비 효율성을 대폭적으로 향상시킬 수 있다.
그리고, 제3 유닛은, 제1 유닛으로부터 생성된 수소(즉, 연료)를 공급받아, 이 수소를 산화제(즉, 산소)와 전기화학적으로 반응시켜 그 반응에너지를 전기로 직접 변환시키는 연료전지를 포함함으로써, 전기분해의 생성 부산물인 수소를 이용하여 환경 친화적인 연료전지에 의한 발전에 적극적인 활용이 가능하게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전해장치로부터 생성된 수소 처리 시스템의 전체적인 구성을 나타낸 개념도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다. 본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.
또한, 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭하고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함하며, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다.
또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해수 전해장치로부터 생성된 수소 처리 시스템의 전체적인 구성을 나타낸 개념도이다.
우선, 본 발명은 해수로부터 치아염소산나트륨(sodium hypochlorite) 및 수소를 생성하기 위한 전기분해장치(Sodium Hypochlorite Generator, 이하 SHG(11))를 포함하는 것을 알 수 있다.
여기서, SHG(11)로부터 생성된 치아염소산나트륨은 해양생물 성장 방지 시스템(Marine Growth Preventing System) 및 밸러스트수 처리 시스템(Ballast Water Treatment System)의 처리용으로 공급하고, 수소는 가스터빈 발전기(23)의 연소원과, 엔진 및 보일러 등의 연소 배가스에 포함된 NOx 및 SOx 제거용으로 공급할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명은 제1 유닛(10)으로부터 생산된 수소를 제2 유닛(20)과 제3 유닛(30)이 활용하는 구조임을 알 수 있다.
우선, 제1 유닛(10)은 해수를 전기분해하여 생성된 치아염소산나트륨(sodium hypochlorite) 및 수소 중 치아염소산나트륨을 해양생물 성장 방지 시스템(Marine Growth Preventing System, 이하 MGPS) 및 밸러스트수 처리 시스템(Ballast Water Treatment System, 이하 BWTS)으로 공급하는 것이다.
그리고, 제2 유닛(20)은 액체화물창 내의 LNG 또는 LNG로부터 발생하는 BOG(Boil Off Gas)와 제1 유닛(10)으로부터 생성된 수소를 혼합하여 가스터빈 발전기(23)의 연소원으로 공급하는 것이다.
또한, 제3 유닛(30)은 제1 유닛(10)으로부터 생성된 수소(즉, 연료)와 산화제(즉, 산소)를 전기화학적으로 반응시켜 그 반응에너지를 전기로 직접 변환시키는 연료전지 발전 시스템이다. 연료전지 발전 시스템은 기존의 발전기술에 비해 90%에 이르는 높은 에너지 효율을 달성할 수 있으며, NOx 및 SOx 등을 배출하지 않는 무공해 발전장치로, 공기극(Cathode)에는 산소가 공급되고 연료극(Anode)에는 수소가 공급되어 물의 전기분해 역반응으로 전기 화학반응이 진행되어 전기, 열, 물이 발생하게 된다.
본 발명은 상기와 같은 실시예의 적용이 가능하며 다음과 같은 다양한 실시예의 적용 또한 가능함은 물론이다.
우선, 제1 유닛(10)은, 해수를 변압정류기(12, Transformer Rectifier)로부터 공급받은 전력으로써 치아염소산나트륨 및 수소로 전기분해시키는 치아염소산나트륨 생성기(11, Sodium Hypochlorite Generator, 이하 SHG)를 포함할 수 있다.
여기서, 제1 유닛(10)은, SHG(11)로부터 생성된 유리염소(free chlorine)를 보관하고 수소 가스를 일방향으로 배출시키는 경로를 형성하는 치아염소산 저장배출 탱크(13, Hypochlorite Storage & Degassing Tank, 이하 HSD 탱크)를 더 구비할 수 있다.
이때, 제1 유닛(10)은, 유리염소를 HSD 탱크(13)로부터 MGPS 또는 BWTS측으로 가압 이송하는 치아염소산 공급 펌프(14, Hypochlorite Dosing Pump, 이하 HD 펌프)를 더 구비할 수도 있을 것이다.
그리고, 제1 유닛(10)은, 외부로부터 해수를 SHG(11)측으로 공급하는 해수공급 펌프(15)와, 해수로부터 이물질을 제거하여 SHG(11)측으로 공급하는 스트레이너(16)를 더 구비할 수도 있을 것이다.
제2 유닛(20)은, 제1 유닛(10)으로부터 생성된 수소와 BOG를 혼합하여 제1 혼합유체를 생성하는 제1 혼합 챔버(21)와, 제1 혼합 챔버(21)로부터 생성된 제1 혼합유체를 연소시켜 발생되는 증기를 응축시키는 과정을 순환 반복하는 랭킨 엔진(22)과, 가스터빈 발전기(23)를 포함할 수 있다.
여기서, 가스터빈 발전기(23)는 랭킨 엔진(22)측으로 압축공기를 이송시킴과 동시에 랭킨 엔진(22)에서 제1 혼합유체의 연소로 발생된 연소가스와 압축공기가 혼합된 제2 혼합유체를 발전 에너지원으로 사용하는 것이다.
이때, 랭킨 엔진(22)은, 제1 혼합유체를 연소시키는 연소 공간을 형성하며 가스터빈 발전기(23)와 연결되는 연소챔버(22c)와, 연소챔버(22c)로부터 발생되는 증기를 팽창시켜 회전력으로 변환시키는 증기 터빈(22t)과, 증기 터빈(22t)을 통과하여 연소챔버(22c)보다 낮은 압력과 온도로 팽창된 증기를 응축시키는 응축기(22d)를 포함하여 랭킨 사이클(Rankine Cycle)을 형성하게 된다.
아울러, 가스터빈 발전기(23)는 연소챔버(22c)측으로 압축공기를 이송시킴과 동시에 연소챔버(22c)로부터 배출되는 제2 혼합유체를 발전 에너지원으로 공급받고, 응축기(22d)로부터 응축된 증기는 연소챔버(22c)로 복귀하게 되는 것이다.
또한, 랭킨 엔진(22)은, 응축기(22d)와 연소챔버(22c) 사이에 배치되어 응축기(22d)로부터 응축된 증기를 연소챔버(22c)측으로 이송시키는 증기이송 펌프(22p)를 더 구비할 수도 있을 것이다.
제1 유닛(10)으로부터 생성된 수소와 혼합되어 제1 혼합유체를 생성하기 위하여 제1 혼합 챔버(21)에 공급되는 BOG는 응축기(22d)를 경유하여 제1 혼합 챔버(21)에 공급될 수 있다. 응축기(22d)에는 기체 상태의 천연가스(즉, BOG) 또는 액체 상태의 천연가스(즉, LNG)가 열교환 매체로서 공급될 수 있으며, 응축기(22d)에 공급된 열교환 매체로서의 천연가스는 증기를 냉각시켜 응축시키고, 자신은 가열되어 기체 상태(즉, BOG)로 제1 혼합 챔버(21)에 공급될 수 있다.
또한, 증기 터빈(22t)으로부터 배출된 증기는 곧바로 응축기(22d)에 공급되지 않고, 연소챔버(22c)에서 재가열되고, 후술하는 바와 같이 제3 유닛(30)측으로 공급되어 사용된 후, 응축기(22d)에 공급되도록 구성될 수 있다.
제3 유닛(30)은 연료전지 발전 시스템으로서, 제3 유닛(30)은, 제1 유닛(10)으로부터 생성된 수소(즉, 연료)를 공급받아, 이 수소를 산화제(즉, 산소)와 전기화학적으로 반응시켜 그 반응에너지를 전기로 직접 변환시키는 연료전지(35)를 포함할 수 있다.
연료전지(35)는, 기존의 발전기술에 비해 90%에 이르는 높은 에너지 효율을 달성할 수 있으며, NOx 및 SOx 등을 배출하지 않는 무공해 발전장치로, 공기극(Cathode)에는 산소가 공급되고 연료극(Anode)에는 수소가 공급되어 물의 전기분해 역반응으로 전기 화학반응이 진행되어 전기, 열, 물이 발생하게 된다. 발전용 연료전지 시스템 내 MBOP, Stack 및 EBOP는 통상적으로 모두 포함하고 있는 구조이다. MBOP는, 기계적 장치를 통칭하며 연료와 산소를 공급하기 위한 가스 탈황반응기, 가스 히터, 물탱크, 연료 가습기, 블로어 등을 포함할 수 있다. Stack은, 전극 및 전해질, 그리고 분리판으로 이루어진 셀이 적층되어 구성되고, 수소와 산소의 전기화학적 반응으로 전기를 생산하는 구성요소이다. EBOP는, Stack에서 생산되는 직류를 교류로 변화시키주는 인버터, 컨버터, 및 제어패널 등으로 구성될 수 있다.
제3 유닛(30)은, 고순도의 수소를 제조하기 위하여 천연가스 내에 포함되어 있는 황성분을 제거하는 탈황반응기(31)와, 히터(33)를 거쳐 가열된 담수를 탈황반응기(31)를 통과하면서 황성분이 제거된 천연가스와 혼합시켜 제3 혼합유체를 만드는 가습기(32)와, 가습기(32)로부터 제3 혼합유체를 공급받아 개질 촉매를 이용하는 개질반응에 의해 수소가 주성분인 되는 제4 혼합유체를 생성시키는 개질기(34)를 포함할 수 있다.
탈황반응기(31) 내에서 황성분을 제거하는 방법으로는, 수소화탈황(Hydro- Desulfurization, HDS) 공정에 의한 방법 또는 탈황 선택 흡착(Selective Adsorption for Removing Sulfur, SARS) 공정에 의한 방법 등을 활용할 수 있다.
가습기(32)에는 가스터빈 발전기(23)에 포함된 압축기에 의해 압축된 공기가 공급될 수 있으며, 그에 따라 가습기(32)에서 담수, 천연가스 및 공기를 혼합시킨 후 개질기(34)에 공급할 수 있다.
담수는, 역삼투(Reverse Osmosis) 방식의 담수 발생기에서 생성된 정수의 잔류이온을 제거하는 EDI (Electro De Ionization) 공정을 통해 제조된 초순수일 수 있다.
히터(33)에서 담수를 가열하기 위한 열원은, 제2 유닛(20)의 연소챔버(22c)로부터 공급받을 수 있다.
개질기(34)에서의 높은 흡열 반응에 필요한 열원은 제2 유닛(20)의 연소챔버(22c)로부터 공급될 수 있다. 또는, 개질기(34)는, 가스터빈 발전기(23)에 포함된 압축기에서 생성된 압축공기를 활용한 산소 또는 수증기-산소 혼합가스를 BOG와 함께 개질반응 시킴으로써 수소 가스를 만들어 낼 수도 있다.
개질기(34)에서 생성된 수소를 주성분으로 하는 제4 혼합유체는, 제1 유닛(10)으로부터 생성된 수소와 합류되어 연료전지(35)에 공급될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, SHG(11)에서 해수의 전기분해가 이루어진 결과 생성된 치아염소산은 BWTS나 MGPS로 보내져 해양생물의 부착에 따른 생장 및 번식을 막는데 이용될 것이며, SHG(11)로부터 생성된 수소의 일부는 제2 유닛(20)의 랭킨 엔진(22)을 통하여 가스터빈 발전기(23)의 동력원 중 일부로 활용될 수 있고, SHG(11)로부터 생성된 수소의 일부는 제3 유닛(30)측에 공급되어 연료전지에서의 발전에 활용될 수 있는 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 해수 전해장치로부터 생성된 수소 처리 시스템의 작용 및 효과에 대하여 다음과 같이 살펴보고자 한다.
우선, 본 발명은 해수를 전기분해하여 생성된 치아염소산나트륨 및 수소 중 치아염소산나트륨을 MGPS 및 BWTS로 공급하는 제1 유닛(10); 액체화물창 내의 LNG로부터 발생하는 BOG와 제1 유닛(10)으로부터 생성된 수소를 혼합하여 가스터빈 발전기(23)의 연소원으로 공급하는 제2 유닛(20); 및 제1 유닛(10)으로부터 생성된 수소(즉, 연료)와 산화제(즉, 산소)를 전기화학적으로 반응시켜 그 반응에너지를 전기로 변환시킴으로써 발전을 수행하는 제3 유닛(30)을 포함하는 것을 특징으로 하여, 해수 전해장치로부터 생성된 수소를 각 용처로 공급하여 전기분해 산물의 효율적 사용 및 관리를 도모할 수 있게 될 것이다.
그리고, 본 발명에 따른 제1 유닛(10)은, 해수를 변압정류기(12)로부터 공급받은 전력으로써 치아염소산나트륨 및 수소로 전기분해시키는 SHG(11)를 구비함으로써, 해양구조물의 운항 또는 운전이 지속되는 한 계속하여 해수의 전기분해에 따른 치아염소산 및 수소의 생산이 원활하게 이루어질 수 있을 것이다.
본 명세서에서 해양구조물이란, 해상의 일 지점에 계류 혹은 고정되어 사용되는 각종 구조물이나 플랜트 이외에도, 자력으로 항해가 가능한 선박까지 포함하는 개념이다.
그리고, 본 발명에 따른 제1 유닛(10)은, SHG(11)로부터 생성된 유리염소를 보관하고 수소 가스를 일방향으로 배출시키는 경로를 형성하는 HSD 탱크(13)와, 유리염소를 HSD 탱크(13)로부터 MGPS 또는 BWTS측으로 가압 이송하는 HD 펌프(14)를 더 구비함으로써, MGPS 및 BWTS의 효율적인 관리 및 운용이 가능하게 될 것이다.
그리고, 본 발명에 따른 제1 유닛(10)은, 외부로부터 해수를 SHG(11)측으로 공급하는 해수공급 펌프(15)를 더 구비함으로써, 전기분해에 따른 치아염소산 및 수소 생성의 원료로서 해수를 SHG(11)측에 지속적으로 공급할 수 있게 될 것이다.
그리고, 본 발명에 따른 제1 유닛(10)은, 해수로부터 이물질을 제거하여 SHG(11)측으로 공급하는 스트레이너(16)를 더 구비함으로써, 해양생물 및 이물질의 혼입을 방지하여 SHG(11) 및 각종 배관의 막힘 사고 및 오작동을 미연에 방지할 수 있게 될 것이다.
그리고, 본 발명에 따른 제2 유닛(20)은, 제1 유닛(10)으로부터 생성된 수소와 BOG를 혼합하여 제1 혼합유체를 생성하는 제1 혼합 챔버(21)와, 제1 혼합 챔버(21)로부터 생성된 제1 혼합유체를 연소시켜 발생되는 증기를 응축시키는 과정을 순환 반복하는 랭킨 엔진(22)과, 랭킨 엔진(22)측으로 압축공기를 이송시킴과 동시에 랭킨 엔진(22)에서 제1 혼합유체의 연소로 발생된 연소가스와 압축공기가 혼합된 제2 혼합유체를 발전 에너지원으로 사용하는 가스터빈 발전기(23)를 포함함으로써, 가동부하를 줄이고 불필요한 연료 및 에너지 낭비를 최소화함은 물론 발전설비 효율성을 대폭적으로 향상시킬 수 있게 될 것이다.
그리고, 제3 유닛(30)은, 제1 유닛(10)으로부터 생성된 수소(즉, 연료)를 공급받아, 이 수소를 산화제(즉, 산소)와 전기화학적으로 반응시켜 그 반응에너지를 전기로 직접 변환시키는 연료전지(35)를 포함함으로써, 전기분해의 생성 부산물인 수소를 이용하여 환경 친화적인 연료전지에 의한 발전에 적극적인 활용이 가능하게 될 것이다.
이상과 같이 본 발명은 해수 전해장치로부터 생성된 수소를 각 용처로 공급하여 전기분해 산물의 효율적 사용 및 관리를 도모할 수 있도록 하는 해수 전해장치로부터 생성된 수소 처리 시스템을 제공하는 것을 기본적인 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다.
그리고, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당해 업계 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형 및 응용 또한 가능함은 물론이다.
10: 제1 유닛
11: 치아염소산나트륨 생성기(SHG)
12: 변압정류기
13: 치아염소산 저장배출 탱크(HSD 탱크)
14: 치아염소산 공급 펌프(HD 펌프)
15: 해수공급 펌프
16: 스트레이너
20: 제2 유닛
21: 제1 혼합 챔버
22: 랭킨 엔진
22c: 연소챔버
22d: 응축기
22p: 증기이송 펌프
22t: 증기 터빈
23: 가스터빈 발전기
30: 제3 유닛
31: 탈황반응기
32: 가습기
33: 히터
34: 개질기
35: 연료전지

Claims (13)

  1. 해수 전해장치로부터 생성된 수소를 처리하기 위한 시스템으로서,
    해수를 전기분해하여 생성된 치아염소산나트륨(sodium hypochlorite) 및 수소 중 상기 치아염소산나트륨을 해양생물 성장 방지 시스템(Marine Growth Preventing System, 이하 MGPS) 및 밸러스트수 처리 시스템(Ballast Water Treatment System, 이하 BWTS)으로 공급하는 제1 유닛;
    액체화물창 내의 LNG로부터 발생하는 BOG(Boil Off Gas)와 상기 제1 유닛으로부터 생성된 수소를 혼합하여 가스터빈 발전기의 연소원으로 공급하는 제2 유닛; 및
    상기 제1 유닛으로부터 생성된 수소를 산화제와 전기화학적으로 반응시켜 그 반응에너지를 전기로 변환시킴으로써 발전을 수행하는 제3 유닛;
    을 포함하는, 수소 처리 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 유닛은, 상기 해수를 변압정류기(Transformer Rectifier)로부터 공급받은 전력으로써 상기 치아염소산나트륨 및 상기 수소로 전기분해시키는 치아염소산나트륨 생성기(Sodium Hypochlorite Generator, 이하 SHG)를 포함하는, 수소 처리 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 유닛은,
    상기 SHG로부터 생성된 유리염소(free chlorine)를 보관하고 상기 수소 가스를 일방향으로 배출시키는 경로를 형성하는 치아염소산 저장배출 탱크(Hypochlorite Storage & Degassing Tank, 이하 HSD 탱크)와,
    상기 유리염소를 상기 HSD 탱크로부터 상기 MGPS 또는 상기 BWTS측으로 가압 이송하는 치아염소산 공급 펌프(Hypochlorite Dosing Pump, 이하 HD 펌프)
    를 더 포함하는, 수소 처리 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 유닛은, 외부로부터 상기 해수를 상기 SHG측으로 공급하는 해수공급 펌프를 더 포함하는, 수소 처리 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 유닛은, 상기 해수로부터 이물질을 제거하여 상기 SHG측으로 공급하는 스트레이너를 더 포함하는, 수소 처리 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 유닛은,
    상기 제1 유닛으로부터 생성된 수소와 상기 BOG를 혼합하여 제1 혼합유체를 생성하는 제1 혼합 챔버와,
    상기 제1 혼합 챔버로부터 생성된 상기 제1 혼합유체를 연소시켜 발생되는 증기를 응축시키는 과정을 순환 반복하는 랭킨 엔진과,
    상기 랭킨 엔진측으로 압축공기를 이송시킴과 동시에 상기 랭킨 엔진에서 상기 제1 혼합유체의 연소로 발생된 연소가스와 상기 압축공기가 혼합된 제2 혼합유체를 발전 에너지원으로 사용하는 가스터빈 발전기
    를 포함하는, 수소 처리 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 랭킨 엔진은,
    상기 제1 혼합유체를 연소시키는 연소 공간을 형성하며 상기 가스터빈 발전기와 연결되는 연소챔버와,
    상기 연소챔버로부터 발생되는 증기를 팽창시켜 회전력으로 변환시키는 증기 터빈과,
    상기 증기 터빈을 통과하여 상기 연소챔버보다 낮은 압력과 온도로 팽창된 증기를 응축시키는 응축기
    를 포함하는, 수소 처리 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 가스터빈 발전기는 상기 연소챔버측으로 상기 압축공기를 이송시킴과 동시에 상기 연소챔버로부터 배출되는 상기 제2 혼합유체를 발전 에너지원으로 공급받고,
    상기 응축기로부터 응축된 증기는 상기 연소챔버로 복귀하는, 수소 처리 시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 랭킨 엔진은, 상기 응축기와 상기 연소챔버 사이에 배치되어 상기 응축기로부터 응축된 증기를 상기 연소챔버측으로 이송시키는 증기이송 펌프를 더 포함하는, 수소 처리 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 유닛은, 상기 제1 유닛으로부터 생성된 수소를 공급받아, 상기 수소를 산화제와 전기화학적으로 반응시켜 그 반응에너지를 전기로 직접 변환시키는 연료전지를 포함하는, 수소 처리 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제3 유닛은,
    고순도의 수소를 제조하기 위하여 천연가스 내에 포함되어 있는 황성분을 제거하는 탈황반응기와,
    히터를 거쳐 가열된 담수와 상기 탈황반응기를 통과한 천연가스를 혼합시켜 제3 혼합유체를 만드는 가습기와,
    상기 가습기로부터 상기 제3 혼합유체를 공급받아 개질 촉매를 이용하는 개질반응에 의해 수소가 주성분인 되는 제4 혼합유체를 생성시키는 개질기
    를 포함하는, 수소 처리 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 개질기에서 생성된 상기 제4 혼합유체는, 상기 제1 유닛으로부터 생성된 수소와 합류되어 상기 연료전지에 공급되는, 수소 처리 시스템.
  13. 해수를 전기분해하여 치아염소산나트륨(sodium hypochlorite)를 생성하는 해수 전기분해장치를 포함하는 해양구조물로서,
    상기 전기분해장치는 해수로부터 치아염소산나트륨 및 수소를 생성하며,
    상기 전기분해장치로부터 생성된 상기 치아염소산나트륨은 해양생물 성장 방지 시스템(Marine Growth Preventing System) 및 밸러스트수 처리 시스템(Ballast Water Treatment System)의 처리용으로 공급하고, 상기 수소는 가스터빈 발전기의 연소원과, 연료전지의 연료로서 공급되도록 구성되는, 해양구조물.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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