KR20190106020A - 해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템 - Google Patents

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Abstract

해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템은, 해수의 전기분해에 의해 생성되는 수산화나트륨(NaOH), 차아염소산나트륨(NaOCl) 및 수소(H2) 가스를 선박 내 다양한 장치에 활용하여 에너지 자원을 낭비 없이 효율적으로 사용하며, 해수의 전기분해에 의해 생성되는 수소 가스와 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG를 일정한 비율로 혼합한 HCNG를 연료로 하여 전력을 생산하는 추가 발전설비를 마련하여 에너지 효율을 극대화한다.

Description

해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템 {Linkage system using seawater electrolysis module}
본 발명은 해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 해수의 전기분해에 의해 생성되는 수산화나트륨(NaOH), 차아염소산나트륨(NaOCl) 및 수소(H2) 가스를 선박 내 여러 장치에 활용하는, 해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템에 관한 것이다.
유조선, 컨테이너선 또는 LNG 화물선과 같은 대형선박의 경우 선박의 안정성 및 균형을 확보하기 수단으로서 선박의 내부에 밸러스트(Ballast) 탱크를 구비하고 있다. 통상적으로 펌프를 이용하여 주변의 해수를 필요에 따라 밸러스트 탱크로 유입하거나 밸러스트 탱크 내의 해수를 유출시키게 되는데, 이와 같이 선박의 밸런스(balance)를 맞추기 위한 해수를 평형수(ballast water, 밸러스트수라고도 함)라 한다. 즉, 화물이 하역되는 경우에는 평형수가 밸러스트 탱크로 유입되도록 하고, 화물이 적재되는 경우에는 밸러스트 탱크에 저장되어 있던 평형수가 배출되도록 하여 선박의 밸런스를 맞출 수 있다.
이처럼 밸러스트수는 부력 조절을 통한 선박의 안전한 운전 및 마찰 감소를 통한 최적 항해를 위해 선박의 흘수를 조절하는 하기 위해 이용된다.
이러한 밸러스트수의 가장 큰 문제점은 기본적으로 밸러스트수가 외래 해양 생물종을 전파하는 매체로 이용된다는 점인데, 즉 밸러스트수 내에 포함된 특정 해역의 생물 또는 병원균 등이 밸러스트수를 담고 있는 선박에 의해 전혀 다른 타 해역으로 이송되어 그 해역의 환경과 생태계를 교란시키는 부작용을 유발하게 된다.
따라서 국제해사기구(IMO, International Maritime Organization)에서는 새로운 환경 기준을 제정하여 유해생물종의 국가간 이동을 방지하기 위해 밸러스트수에 대하여 수처리를 하도록 하고 있다.
밸러스트수의 처리 방법으로는 필터링법, 자외선 소독법, 가열법, 화학처리법 및 전기적인 처리방법 등이 이용되고 있는데, 경제적 측면 및 안정성 측면 그리고 처리 효율면에서 전기분해 처리장치가 가장 효과적이라 할 수 있다.
종래의 전기분해를 이용한 밸러스트수 처리장치로는 국내특허출원 제10-2002-36086호(2002.06.26)호의 "하수처리장의 방류수 전해소독설비, 국내출원특허 제10-2005-0085605(2005.09.14)호의 "선박용 밸러스트수의 전해소독장치", 국내출원특허 제10-2006-0113865(2006.10.14)호의 "복극식 전기분해시스템을 이용한 선박 밸러스트수 살균장치" 등이 있다.
또한, 종래 국내출원특허 제10-0982195 “고효율 전기분해장치를 이용한 밸러스트수 처리시스템”, 제10-09850415 “담수 또는 해수의 전기분해장치” 그리고 제10-1063592 “음전극판 보호부재를 설치한 전기분해장치”에서 보다 효율적이고 이물질 부착 방지를 위한 밸러스트수 전기분해 장치에 관한 내용이 있다. 그리고 제10-1309373 “하이브리드형 전기분해장치를 이용한 밸러스트수 처리장치”에서 중화장치를 사용하고 전기효율을 증대시키기 위한 장치 설계에 관한 연구 결과도 있다.
종래의 전기분해를 이용한 밸러스트수 처리방식은, 해수를 전기분해하여 산화제(통상적으로, 차아염소산)를 생성하고, 생성된 산화제를 해양으로부터 밸러스트 탱크로 유입되는 평형수에 혼합시켜 평형수를 살균하는 것이다.
그러나 일반적으로 이러한 전기분해 설비는 해양생물의 살균에 영향을 주는 활성물질인 차아염소산나트륨(NaOCl) 생성에 대응하는 부가 생성물인 폭발의 위험성이 있는 수소(Hydrogen) 가스를 생성하므로, 수소 가스가 배관 내부, 선내 그리고 밸러스트수 탱크 내부에 잔존할 경우 폭발의 위험이 있으므로 안전한 형태로 선외로 배출할 필요성이 있다.
이러한 안전상의 문제로 수소 가스는 외부 공기를 사용해 1%의 부피비로 희석된 후 외부로 배출되어야 하며, 이를 위해 전기분해된 밸러스트수로부터 분리된 수소 가스에 다량의 공기를 공급하기 위한 대용량 블로워(blower)가 요구되고, 이 대용량 블로워를 작동시키기 위해 다량의 전력이 소비된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 해수의 전기분해에 의해 생성되는 수산화나트륨(NaOH), 차아염소산나트륨(NaOCl) 및 수소(H2) 가스를 선박 내 다양한 장치에 활용하여 에너지 자원을 낭비 없이 효율적으로 사용하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명은 해수의 전기분해에 의해 생성되는 수소 가스와 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG를 일정한 비율로 혼합한 HCNG를 연료로 하여 전력을 생산하는 추가 발전설비를 마련함으로써 그 효율성을 극대화시키고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 해수 공급부로부터 공급되는 해수를 전기분해하여 수산화나트륨(NaOH, Sodium Hydroxide), 차아염소산나트륨(NaOCl, Sodium Hypochlorite), 및 수소(H2) 가스 중 적어도 하나를 생성하는 전기분해모듈(100); 상기 전기분해모듈(100)에서 생성된 차아염소산나트륨을 저장하고 수소 가스를 배출하는 제2 저장탱크(120); 및 상기 제2 저장탱크(120)에 저장된 차아염소산나트륨을 탈황용 산화제로 공급받는 배기가스 정화장치(200);를 포함하는, 해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템을 제공한다.
본 발명에 따른 해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템은, 상기 전기분해모듈(100)에서 생성된 수산화나트륨을 저장하고 수소 가스를 배출하는 제1 저장탱크(110);를 더 포함하고, 상기 배기가스 정화장치(200)에 탈황용 산화제로써 공급되는 차아염소산나트륨의 양이 부족한 경우, 상기 제1 저장탱크(110)에 저장된 수산화나트륨을 상기 배기가스 정화장치(200)에 탈황용 산화제로 추가 공급할 수 있다.
상기 제1 저장탱크(110)에 저장된 수산화나트륨 중 일부는 역삼투 방식의 조수시스템으로 공급되어 청수의 pH 농도를 조절하는데 이용될 수 있다.
상기 제2 저장탱크(120)에 저장된 차아염소산나트륨 중 일부는 밸러스트 수 처리시스템으로 공급되어 해수 중의 해양 생물을 사멸시키는데 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템은, 상기 전기분해모듈(100)에서 생성된 수소 가스와 질소 가스를 반응시켜 암모니아(NH3)를 생성하고, 이를 상기 배기가스 정화장치(200)에 탈질용 환원제로써 공급하는 암모니아 생성부(300);를 더 포함하고, 상기 배기가스 정화장치(200)는, 황산화물의 저감이 이루어지는 스크러버부(210)와, 상기 스크러버부(210)의 하류에 마련되며 질소산화물의 저감이 이루어지는 SCR 촉매부(220)가 일체형으로 마련되고, 상기 암모니아 생성부(300)로부터 공급되는 암모니아는, 상기 배기가서 정화장치(200) 내부에서 상기 SCR 촉매부(220)의 상류 측에 분사될 수 있다.
본 발명에 따른 해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템은, 상기 제1 저장탱크(110)에 저장된 수산화나트륨 또는 상기 제2 저장탱크(120)에 저장된 차아염소산나트륨을 공급받아 저장하는 산화제 저장탱크(130); 및 상기 산화제 저장탱크(130)에 저장된 수산화나트륨 또는 차아염소산나트륨을 상기 스크러버부(210)로 공급하는 산화제 주입라인(DL)을 더 포할 수 있다.
상기 산화제 주입라인(DL)은 상기 스크러버부(210)로 세정액을 공급하는 세정액 공급라인(WL) 상으로 합류될 수 있다.
상기 배기가스 정화장치(200)에서 배출되는 세정수는 선외로 배출되거나 상기 산화제 저장탱크(130)에 저장된 후, 상기 산화제 공급탱크(130)에 저장된 수산화나트륨 및 차아염소산나트륨과 혼합된 후, 다시 상기 산화제 주입라인(DL)을 통해 상기 스크러부(210)로 순환 공급될 수 있다.
상기 산화제 주입라인(DL) 상에는 이송력을 제공하기 위한 펌프와, 순환되는 세정수의 온도를 저감하기 위한 냉각기가 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템은, 상기 전기분해모듈(100)에서 생성된 수소 가스와 선박에 구비되는 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG(Boil-Off Gas)를 일정한 비율로 혼합한 HCNG를 연료로 사용하여 전력을 생산하는 발전설비(400);를 더 포함할 수 있다.
상기 발전설비(400)는, 상기 전기분해모듈(100)에서 생성된 수소 가스와 상기 LNG 저장탱크에서 발생한 BOG를 일정한 비율로 혼합하여 HCNG를 생성하는 제2 혼합 챔버(410); 상기 제2 혼합 챔버(410)로부터 HCNG를 공급받아 연소시키는 연소 챔버(420); 상기 연소 챔버(420)에서 발생한 고압의 가스를 공급받아 발전하는 가스터빈부(430); 및 상기 연소 챔버(420)에서 생성된 스팀을 공급받아 발전하는 스팀터빈부(440);를 포함한다.
상기 가스터빈(430)과 상기 스팀터빈(440) 중 적어도 하나로부터 배출되는 고온의 배기가스를 상기 배기가스 정화장치(200)의 내부에서 상기 스크러버부(210)의 하류 측에 공급할 수 있다.
본 발명의 다른 태양에 따른 해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템은, 해수의 전기분해에 의해 생성된 수산화나트륨(NaOH)과 차아염소산나트륨(NaOCl) 중 적어도 하나를 선박의 연소기관에서 배출되는 배기가스를 정화하는 배기가스 정화장치(200)에 탈황용 산화제로써 공급하고, 해수의 전기분해에 의해 생성된 수소 가스는 질소 가스와 반응시켜 암모니아를 생성한 후, 암모니아를 상기 배기가스 정화장치(200)에 탈질용 환원제로써 공급하는 것을 특징으로 한다.
해수의 전기분해에 의해 생성된 수소 가스 중 일부는, 선박에 구비되는 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG(Boil-Off Gas)와 일정한 비율로 혼합하여 HCNG를 생성하고, 상기 HCNG의 연소에 의해 전력을 생산하는 것을 특징으로 한다.
상기 배기가스 정화장치(200)는, 배기가스 중의 황산화물의 저감이 이루어지는 스크러버부(210)와, 상기 스크러버부(210)의 하류에 마련되어 질소산화물의 저감이 이루어지는 SCR 촉매부(220)가 일체형으로 마련되고, 상기 스크러버부(210)를 거치고 나온 저온의 배기가스가 상기 SCR 촉매부(220)로 유입되기 전에, 상기 HCNG의 연소에 의해 발생하는 고온의 배기가스와 혼합되도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 밸러스트 수의 처리를 위하여 해수를 전기분해하는 과정에서 생성되는 수산화나트륨(NaOH), 차아염소산나트륨(NaOCl) 및 수소(H2) 가스를 선박 내 다양한 장치에 활용하여 에너지 자원을 낭비 없이 효율적으로 사용할 수 있다.
본 발명은 해수의 전기분해에 의해 생성되는 부산물을 배기가스 정화장치의 산화제 및 환원제로 활용하기 때문에, 별도의 산화제 저장탱크 또는 환원제 저장탱크를 구비할 필요가 없으므로 선박 내 공간 활용도가 증가한다.
또한, 본 발명은 해수의 전기분해에 의해 생성된 수소 가스를 종래와 같이 외기로 배출하지 않고, LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG와 일정량 혼합하여 HCNG 연료로 활용함으로써 에너지의 이용 효율을 극대화할 수 있다.
또한, HCNG를 연료로 사용하는 발전설비에서 배출되는 고온의 배기가스는 황산화물을 거의 포함하고 있지 않으므로, 배기가스 정화장치에서 스크러버부를 거친 저온의 배기가스와 혼합시켜, 이후에 진행되는 SCR 촉매부에서의 촉매 반응 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템을 나타낸 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하기로 한다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템은, 해수 공급부로부터 공급되는 해수를 전기분해하여 수산화나트륨(NaOH, Sodium Hydroxide), 차아염소산나트륨(NaOCl, Sodium Hypochlorite), 및 수소(H2) 가스를 생성하는 전기분해모듈(100); 전기분해모듈(100)에서 생성된 수산화나트륨을 저장하고 수소 가스를 배출하는 제1 저장탱크(110); 전기분해모듈(100)에서 생성된 차아염소산나트륨을 저장하고 수소 가스를 배출하는 제2 저장탱크(120); 및 전기분해모듈(100)에서 생성된 수산화나트륨 및 차아염소산나트륨을 탈황용 산화제로 공급받는 배기가스 정화장치(200);를 포함한다.
전기분해모듈(100)은 씨 체스트(sea chest) 등 외부로부터 취수된 해수를 공급받아 전기분해한다. 전기분해모듈(100)로 해수를 공급하는 해수공급라인(SL) 상에는 해수의 이송력을 제공하기 위한 해수 펌프(sea water feed pump, 11)와, 해수 내의 이물질을 1차적으로 제거하는 필터(12)가 설치될 수 있다.
전기분해모듈(100)은 음극판과 양극판으로 이루어지며, 변압기/정류기(20, Transformer/Rectifier)로부터 공급되는 전기를 이용하여 해수로부터 수산화나트륨(NaOh, Sodium Hydroxide), 차아염소산나트륨(NaOCl, Sodium Hypochlorite) 및 수소(H2) 가스를 생성한다.
전기분해모듈(100)에서의 반응을 살펴보면 다음과 같다.
[양극 반응] 2Cl- → Cl2 + 2e-
[음극 반응] 2H2O + 2Na+ + 2e- → 2NaOH + H2
[전체 반응] 2NaCl + H2O → NaOCl + NaCl + H2
전기분해모듈(100)에서 생성된 수산화나트륨과 차아염소산나트륨은 제1 저장탱크(110)와 제2 저장탱크(120)에 각각 저장되며, 수소 가스는 제1 저장탱크(110)와 제2 저장탱크(120)로 유입된 후, 제1 저장탱크(110)와 제2 저장탱크(120) 각각에 마련된 수소배출라인(HL)을 통해 배출될 수 있다.
제1 저장탱크(110)에 저장된 수산화나트륨은 선박 내 각종 수요처로 공급되어 사용될 수 있다. 예를 들어, 역삼투식 조수시스템(Reverse Osmosis Type Fresh Water Generating System)으로 공급되어 청수의 pH 농도를 조절하는 데 이용될 수 있다.
제2 저장탱크(120)에 저장된 차아염소산나트륨 역시 선박 내 각종 수요처로 공급되어 사용될 수 있다. 예를 들어, 해양 생물 성장 방지시스템(Marine Growth Prevention System) 또는 밸러스트수 처리시스템(Ballast Water Treatment System)으로 공급되어 해수 중의 해양 생물을 사멸시키는데 이용될 수 있다.
위에서 언급된 예는 본 발명이 적용될 수 있는 다양한 실시예 중 하나에 불과하며, 제1 저장탱크(110)에 저장된 수산화나트륨 및 제2 저장탱크(120)에 저장된 차아염소산나트륨은 필요로 하는 선박 내 다양한 장치에 공급될 수 있다.
또한, 수산화나트륨 및/또는 차아염소산나트륨은 특정한 장치 하나에만 공급되는 것이 아니라, 하기에서 설명할 산화제 이송라인(TL)을 통해 다양한 수요처에 분산 공급될 수 있다.
본 발명은 해수의 전기분해에 의해 생성되는 부산물의 바람직한 활용 방안으로, 선박의 연소기관에서 배출되는 배기가스를 정화하는 배기가스 정화장치(200)와 연계된 시스템을 제공하고자 한다.
본 실시예의 배기가스 정화장치(200)는, 황산화물(SOx)의 저감이 이루어지는 스크러버부(210)와 질소산화물(NOx)의 저감이 이루어지는 SCR(Selective Catalytic Reduction) 촉매부(220)가 일체형으로 마련될 수 있다.
스크러버부(210)는 배기가스 중에 세정수를 분사하여 배기가스 중에 포함된 황산화물을 제거할 뿐만 아니라 배기가스 중의 분진성분 등 입자상 물질을 분리한다. 이때 사용되는 세정수는 해수일 수 있으며, 도 1과 같이 해수공급라인(SL)으로부터 분기된 세정수 공급라인(WL)을 통해 스크러버부(210) 내부로 분사될 수 있다.
SCR 촉매부(220)는 스크러버부(210)의 하류 측에 마련되며, 선택적 촉매환원법에 의해 배기가스 중의 질소산화물을 제거한다. 구체적으로는 질소산화물을 포함하는 배기가스 중에 암모니아를 분사하여 200 ~ 400 ℃ 하에서 Al2O3, TiO2을 담체로 쓰는 촉매나 담체를 쓰지 않는 산화철계, 합금촉매와 접촉시킴으로써, 질소산화물을 N2와 H2O로 환원시키는 방식이다.
선박의 연소기관으로부터 배출되는 배기가스는 배기가스 정화장치(200)의 하부로 유입되어 스크러버부(210)와 SCR 촉매부(220)를 순차적으로 거치면서 정화된 후, 배기가스 정화장치(200)의 상부에 마련된 배출구를 통해 외부로 배출된다.
배기가스 정화장치(200)는 제1 저장탱크(110)와 제2 저장탱크(120)에 각각 저장된 수산화나트륨과 차아염소산나트륨 중 어느 하나를 탈황용 산화제로써 공급받을 수 있다.
구체적으로 살펴보면, 제1 저장탱크(110)에 저장된 수산화나트륨 및/또는 제2 저장탱크(120)에 저장된 차아염소산나트륨은, 산화제 이송라인(TL)을 통해 산화제 저장탱크(130)로 이송되어 저장된 후, 산화제 주입라인(DL)을 따라 배기가스 정화장치(200)의 스크러버부(210)로 공급될 수 있다. 산화제 이송라인(TL)과 산화제 주입라인(DL) 상에는 각각 이송력을 제공하기 위한 펌프(p1, p2, p3)가 설치될 수 있다.
산화제 주입라인(DL)은 도 1에 도시된 바와 같이 해수가 공급되는 세정수 공급라인(WL) 상으로 합류되도록 마련될 수도 있고, 스크러버부(210)로 바로 연결되도록 마련될 수도 있다.
산화제 저장탱크(130)는 스크러버부(210)에 공급될 산화제(수산화나트륨 및/또는 차아염소산나트륨)를 보관하는 동시에, 배기가스 정화장치(200)에서 배출되는 세정수를 일시 저장하는 역할을 한다.
한편, 본 실시예에서 산화제로써 주로 공급되는 것은 차아염소산나트륨이며, 수산화나트륨은 산화제로써 공급되는 차아염소산나트륨의 양이 부족한 경우 등, 보충이 필요한 경우에 한해서 음극부에서 추출하여 사용될 수 있다.
배기가스 정화장치(200)에서 배출되는 세정수는, 선외로 배출되거나 또는 산화제 저장탱크(130)로 이송되어 산화제 저장탱크(130)에 저장된 산화제(수산화나트륨 및/또는 차아염소산나트륨)와 혼합된 후 다시 스크러버부(210)로 순환 공급될 수 있다. 산화제 주입라인(DL) 상에는 순환되는 세정수의 온도를 저감하기 위한 냉각기(230, Cooler)가 설치될 수 있다.
산화제 저장탱크(130)로 배출된 세정수 중에 포함된 슬러지 또는 입자상 물질은 분리 후 배출될 수 있다.
또한, 본 발명은 제1 저장탱크(110) 및/또는 제2 저장탱크(120)에서 배출되는 수소 가스와 질소 가스를 반응시켜 생성된 암모니아(NH3)를 생성하고, 이를 배기가스 정화장치(200)에 탈질용 환원제로써 공급하는 암모니아 생성부(300);를 더 포함할 수 있다.
암모니아 생성부(300)는 수소 가스와 질소 가스를 혼합시키는 제1 혼합 챔버(310)와, 혼합된 가스를 Fe 계열의 촉매제와 함께 고온, 고압 하에 반응시켜 암모니아를 생성하는 반응기(320)로 구성될 수 있다.
제1 혼합 챔버(310)는 수소배출라인(HL)을 통해 공급되는 수소 가스와 질소 가스를 기체 상태로 혼합한다. 이때 사용되는 질소 가스는 공기 중의 질소를 이용하여 제조된 것일 수 있다.
반응기(320)는 혼합된 상태의 수소 가스와 질소 가스를 고온으로 가열하여 암모니아를 생성한다. 반응기(320)에서 생성된 암모니아는 환원제 저장탱크(330)로 이송되어 저장된다.
환원제 저장탱크(330)에 저장된 암모니아는 환원제 공급장치(340)를 통해 배기가스 정화장치(200) 내부로 분사될 수 있다. 이때 환원제 공급장치(340)에 의해 분사되는 암모니아는 배기가스 중의 질소산화물을 제거하기 위한 것이므로, SCR 촉매부(220)의 상류 측에 분사되는 것이 바람직하다.
상기와 같이, 본 발명은 전기분해모듈(100)에서 생성된 수산화나트륨과 차아염소산나트륨은 배기가스 정화장치(200)에 탈황용 산화제로써 공급하고, 전기분해모듈(100)에서 생성된 수소 가스는 질소 가스와 반응시켜 암모니아를 생성한 후, 이를 배기가스 정화장치(200)에 탈질용 환원제로써 공급하는 것이라 할 수 있다.
한편, 본 발명은 전기분해모듈(100)에서 생성된 수소 가스를 이용하여 추가적인 전력을 생산할 수 있는 발전설비(400);를 더 포함할 수 있다.
본 발명이 LNG 추진선 또는 LNG 운반선에 적용되는 경우, 선박의 운항 중에 LNG 저장탱크에서 BOG(Boil Off Gas)가 발생하는데, 이를 전기분해모듈(100)에서 생성된 수소 가스와 혼합하여 새로운 에너지원으로 이용하는 것이다.
천연가스에 수소를 일정량 혼합한 가스를 HCNG라 하는데, HCNG는 수소의 연소 촉진 특성으로 연소안정성 및 노팅 안정성이 크게 증가하고, 수소의 높은 반응성과 빠른 화염 전파속도로 인해 연소 지속시간이 매우 짧으며 이는 희박연소에 유리하다.
따라서 선박의 엔진에 공급되는 연료로 HCNG를 사용하는 것은, 안정된 희박연소로 엔진 효율이 증가하고, 연소온도 저감에 따라 황산화물, 질소산화물 등의 배출이 거의 없고, 연료 자체의 탄소비율이 감소함에 따라 이산화탄소의 배출량도 적다.
본 실시예에서 발전설비(400)는, LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG와 전기분해모듈(100)에서 생성된 수소 가스를 일정한 비율로 혼합하는 제2 혼합 챔버(410)와, 혼합된 가스를 연소시키는 연소 챔버(420)를 포함한다.
연소 챔버(420)에서 연소된 고압의 가스를 이용하여 전력을 생산하는 발전설비(400)는 크게 가스터빈부(430)와 스팀터빈부(440)로 구성될 수 있다.
가스터빈부(430)는 압축기(431), 가스터빈(432) 및 가스터빈 발전기(433)를 포함한다.
압축기(431)에 의해 압축된 공기가 연소 챔버(420)로 공급되며, 이러한 고압의 공기와 제2 혼합 챔버(410)로부터 공급된 HCNG가 연소 챔버(420)에서 연소되어 가스터빈(432)으로 고압의 가스가 공급된다. 고압의 가스를 공급받은 가스터빈(432)의 운전에 의해 회전력이 발생하고, 가스터빈 발전기(433)는 가스터빈(432)의 회전력을 이용하여 전기를 발생시킨다.
이때 가스터빈(432)에서 배출되는 고온의 배기가스는 배기가스 정화장치(200)에서 스크러버부(210)의 하류 측으로 공급될 수 있다.
배기가스 정화장치(200)의 하부로 유입된 배기가스는 스크러버부(210)를 거치면서 온도가 낮아지기 때문에, SCR 촉매부(220)에서 촉매 반응 효율이 떨어질 수 있으므로, 가스터빈(432)에서 배출되는 고온의 배기가스를 스크러버부(210)를 거치고 나온 저온의 배기가스와 혼합하여 SCR 촉매부(220)에서의 촉매 반응 효율을 높일 수 있도록 구성한 것이다.
가스터빈(432)은 HCNG를 연료로 사용하기 때문에 배기가스 중에 황산화물이 거의 포함되어 있지 않으므로, 상기와 같이 스크러버부(210)를 거치지 않고 스크러버부(210)의 하류 측으로 공급되도록 구성할 수 있는 것이다.
스팀터빈부(440)는 스팀터빈(441), 스팀터빈 발전기(442) 및 복수기(443, Condenser)를 포함한다.
스팀터빈(441)은 연소 챔버(420)의 연소 과정에서 생산된 스팀을 공급받아 운전되며, 스팀터빈 발전기(442)가 스팀터빈(441)의 운전에 의한 회전력을 전달받아 전기를 발생시킨다. 스팀터빈(441)에서 배출된 스팀은 복수기(443)를 통해 응축되어 물로 변환된 후 다시 연소 챔버(420)로 공급되어 랭킨 사이클(Rankine Cycle)을 완성할 수 있다.
도 1에는 가스터빈(432)에서 배출되는 배기가스가 배기가스 정화장치(200)에서 스크러버부(210)의 하류 측으로 공급되는 것으로만 도시되어 있으나, 스팀터빈(441)에서 배출되는 배기가스에도 황산화물이 거의 포함되어 있지 않으므로, 스팀터빈(441)에서 배출되는 배기가스를 스크러버부(210) 하류 측의 배기가스 정화장치(200)로 공급하는 것도 가능하다.
즉, 가스터빈(432)과 스팀터빈(441) 중 적어도 하나로부터 나오는 고온의 배기가스를 스크러버부(210)를 통과한 저온의 배기가스와 혼합되도록 할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 특정 실시예를 중심으로 하여 설명하였지만, 본 발명의 취지 및 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 변형, 변경 또는 수정이 당해 기술 분야에 있을 수 있으며, 따라서 전술한 설명 및 도면은 본 발명의 기술사상을 한정하는 것이 아닌 본 발명을 예시하는 것으로 해석되어야 한다.
100 : 전기분해모듈 110 : 제1 저장탱크
120 : 제2 저장탱크 130 : 산화제 저장탱크
200 : 배기가스 정화장치 210 : 스크러버부
220 : SCR 촉매부 230 : 냉각기
300 : 암모니아 생성부 310 : 제1 혼합 챔버
320 : 반응기 330 : 환원제 저장탱크
340 : 환원제 공급장치
400 : 발전설비
410 : 제2 혼합 챔버 420 : 연소 챔버
430 : 가스터빈부 431 : 압축기
432 : 가스터빈 433 : 가스터빈 발전기
440 : 스팀터빈 441 : 스팀터빈
442 : 스팀터빈 발전기 443 : 복수기
SL : 해수공급라인 HL : 수소배출라인
WL : 세정수공급라인 TL : 산화제 이송라인
DL : 산화제 주입라인

Claims (15)

  1. 해수 공급부로부터 공급되는 해수를 전기분해하여 수산화나트륨(NaOH, Sodium Hydroxide), 차아염소산나트륨(NaOCl, Sodium Hypochlorite), 및 수소(H2) 가스 중 적어도 하나를 생성하는 전기분해모듈(100);
    상기 전기분해모듈(100)에서 생성된 차아염소산나트륨을 저장하고 수소 가스를 배출하는 제2 저장탱크(120); 및
    상기 제2 저장탱크(120)에 저장된 차아염소산나트륨을 탈황용 산화제로 공급받는 배기가스 정화장치(200);를 포함하는,
    해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기분해모듈(100)에서 생성된 수산화나트륨을 저장하고 수소 가스를 배출하는 제1 저장탱크(110);를 더 포함하고,
    상기 배기가스 정화장치(200)에 탈황용 산화제로써 공급되는 차아염소산나트륨의 양이 부족한 경우, 상기 제1 저장탱크(110)에 저장된 수산화나트륨을 상기 배기가스 정화장치(200)에 탈황용 산화제로 추가 공급하는 것을 특징으로 하는,
    해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 저장탱크(110)에 저장된 수산화나트륨 중 일부는 역삼투 방식의 조수시스템으로 공급되어 청수의 pH 농도를 조절하는데 이용되는 것을 특징으로 하는,
    해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 저장탱크(120)에 저장된 차아염소산나트륨 중 일부는 밸러스트 수 처리시스템으로 공급되어 해수 중의 해양 생물을 사멸시키는데 이용되는 것을 특징으로 하는,
    해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 전기분해모듈(100)에서 생성된 수소 가스와 질소 가스를 반응시켜 암모니아(NH3)를 생성하고, 이를 상기 배기가스 정화장치(200)에 탈질용 환원제로써 공급하는 암모니아 생성부(300);를 더 포함하고,
    상기 배기가스 정화장치(200)는, 황산화물의 저감이 이루어지는 스크러버부(210)와, 상기 스크러버부(210)의 하류에 마련되며 질소산화물의 저감이 이루어지는 SCR 촉매부(220)가 일체형으로 마련되고,
    상기 암모니아 생성부(300)로부터 공급되는 암모니아는, 상기 배기가서 정화장치(200) 내부에서 상기 SCR 촉매부(220)의 상류 측에 분사되는 것을 특징으로 하는,
    해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1 저장탱크(110)에 저장된 수산화나트륨 또는 상기 제2 저장탱크(120)에 저장된 차아염소산나트륨을 공급받아 저장하는 산화제 저장탱크(130); 및
    상기 산화제 저장탱크(130)에 저장된 수산화나트륨 또는 차아염소산나트륨을 상기 스크러버부(210)로 공급하는 산화제 주입라인(DL)을 더 포함하는,
    해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 산화제 주입라인(DL)은 상기 스크러버부(210)로 세정액을 공급하는 세정액 공급라인(WL) 상으로 합류되는 것을 특징으로 하는,
    해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 배기가스 정화장치(200)에서 배출되는 세정수는 선외로 배출되거나 상기 산화제 저장탱크(130)에 저장된 후, 상기 산화제 공급탱크(130)에 저장된 수산화나트륨 및 차아염소산나트륨과 혼합된 후, 다시 상기 산화제 주입라인(DL)을 통해 상기 스크러부(210)로 순환 공급되는 것을 특징으로 하는,
    해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 산화제 주입라인(DL) 상에는 이송력을 제공하기 위한 펌프와, 순환되는 세정수의 온도를 저감하기 위한 냉각기가 설치되는 것을 특징으로 하는,
    해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 전기분해모듈(100)에서 생성된 수소 가스와 선박에 구비되는 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG(Boil-Off Gas)를 일정한 비율로 혼합한 HCNG를 연료로 사용하여 전력을 생산하는 발전설비(400);를 더 포함하는,
    해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 발전설비(400)는,
    상기 전기분해모듈(100)에서 생성된 수소 가스와 상기 LNG 저장탱크에서 발생한 BOG를 일정한 비율로 혼합하여 HCNG를 생성하는 제2 혼합 챔버(410);
    상기 제2 혼합 챔버(410)로부터 HCNG를 공급받아 연소시키는 연소 챔버(420);
    상기 연소 챔버(420)에서 발생한 고압의 가스를 공급받아 발전하는 가스터빈부(430); 및
    상기 연소 챔버(420)에서 생성된 스팀을 공급받아 발전하는 스팀터빈부(440);를 포함하는,
    해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 가스터빈(430)과 상기 스팀터빈(440) 중 적어도 하나로부터 배출되는 고온의 배기가스를 상기 배기가스 정화장치(200)의 내부에서 상기 스크러버부(210)의 하류 측에 공급하는 것을 특징으로 하는,
    해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템.
  13. 해수의 전기분해에 의해 생성된 수산화나트륨(NaOH)과 차아염소산나트륨(NaOCl) 중 적어도 하나를 선박의 연소기관에서 배출되는 배기가스를 정화하는 배기가스 정화장치(200)에 탈황용 산화제로써 공급하고,
    해수의 전기분해에 의해 생성된 수소 가스는 질소 가스와 반응시켜 암모니아를 생성한 후, 암모니아를 상기 배기가스 정화장치(200)에 탈질용 환원제로써 공급하는 것을 특징으로 하는,
    해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    해수의 전기분해에 의해 생성된 수소 가스 중 일부는, 선박에 구비되는 LNG 저장탱크에서 발생하는 BOG(Boil-Off Gas)와 일정한 비율로 혼합하여 HCNG를 생성하고, 상기 HCNG의 연소에 의해 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는,
    해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 배기가스 정화장치(200)는, 배기가스 중의 황산화물의 저감이 이루어지는 스크러버부(210)와, 상기 스크러버부(210)의 하류에 마련되어 질소산화물의 저감이 이루어지는 SCR 촉매부(220)가 일체형으로 마련되고,
    상기 스크러버부(210)를 거치고 나온 저온의 배기가스가 상기 SCR 촉매부(220)로 유입되기 전에, 상기 HCNG의 연소에 의해 발생하는 고온의 배기가스와 혼합되도록 하는 것을 특징으로 하는,
    해수의 전기분해모듈을 활용한 연계 시스템.
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