KR20190114318A - 배기 오염물질 처리장치 - Google Patents

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KR20190114318A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의해 배기 오염물질 처리장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 오염물질 처리장치는, 연소기관으로부터 공급되는 배기가스에 세정수를 공급받아 기액 접촉시키는 스크러버와, 스크러버 내부로 분사되어 배기가스를 산화시키고 산화된 배기가스의 환원을 방지하는 산화촉매를 저장하는 산화촉매저장탱크와, 세정수배출관을 통해 스크러버와 연결되어 스크러버에서 배출되는 세정수와 산화촉매를 저장하는 세정수저장탱크와, 세정수저장탱크에 중화제를 공급하는 중화제공급부와, 세정수저장탱크 후단의 세정수배출관에 연결되며, 세정수저장탱크 내부에서 세정수와 중화제가 반응하여 생성된 염을 화학적으로 흡착하여 세정수로부터 분리하는 이온교환수지를 포함하는 염분리유닛, 및 염분리유닛에 재생수를 공급하여 이온교환수지에 흡착된 염을 탈리시키는 재생수공급관을 포함하되, 염분리유닛은 세정수배출관과 재생수공급관 중 어느 하나로부터 세정수와 상기 산화촉매의 혼합액 또는 재생수를 공급받을 수 있다.

Description

배기 오염물질 처리장치{Apparatus for reducing air pollutant}
본 발명은 배기 오염물질 처리장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에너지 소모를 줄이면서 배기가스, 및 배기가스의 정화로 오염된 세정수를 처리할 수 있는 배기 오염물질 처리장치에 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 있는 실정이며, 특히, 배기가스 중 질소산화물과 황산화물은 유엔 산하기관인 국제 해사기구(IMO; International Maritime Organization)로부터 배출규제를 받고 있는 대표적인 대기 오염물질들이다. 질소산화물의 경우, Tier III가 발효되는 시점인 2016년에 3.4g/kwh 이하로 그 배출량을 규제하고 있으며, 황산화물의 경우, 2015년부터 SECA(Sulfur Emission Control Area)에서 0.1%이하로 그 배출이 규제된다. 이에 따라, 선박의 배기가스 처리를 위한 다양한 장치 및 방법들이 도입되고 있다. 황산화물의 경우, 습식 스크러버를 이용하여 제거하는 방식이 일반적이며, 과산화수소, 오존, 자외선 등을 이용하여 배기가스를 미리 산화시킨 후에 세정수와 기액 접촉시킬 경우, 황산화물과 질소산화물을 동시에 저감시킬 수 있다.
한편, 황산화물과 질소산화물이 산화되어 세정수에 용해될 경우, 황산염과 질산염(Nitrates and Nitrites)이 생성된다. 질산염은 해상에 배출할 수 있는 양에 대한 규제가 발효되어 있으므로, 일정 농도 이상의 질산염이 포함된 세정수는 배출될 수 없다. 그러나, 선박에 설치된 각종 엔진은 필요한 동력을 생성하기 위해 지속적으로 연료를 연소하고, 이에 따라 배출되는 배기가스를 처리하는 과정에서 황산염과 질산염이 계속 생성되므로, 이를 저장하기 위한 탱크가 복수 개 마련되어야 한다. 따라서, 탱크의 설치 및 유지를 위한 비용이 증가되고, 복수 개의 탱크를 배치하기 위해 넓은 공간이 요구되어 선박 내 공간 활용도가 저하되는 문제점이 있다. 이에, 세정수를 냉각시켜 황산염을 석출한 후, 질산염이 포함된 세정수만 저장하였으나, 세정수를 강제 냉각시키는 과정에서 에너지 소모가 큰 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제10-1489657호 (2014. 11. 26.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 에너지 소모를 줄이면서 배기가스, 및 배기가스의 정화로 오염된 세정수를 처리할 수 있는 배기 오염물질 처리장치를 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 오염물질 처리장치는, 연소기관으로부터 공급되는 배기가스에 세정수를 공급받아 기액 접촉시키는 스크러버와, 상기 스크러버 내부로 분사되어 상기 배기가스를 산화시키고 산화된 상기 배기가스의 환원을 방지하는 산화촉매를 저장하는 산화촉매저장탱크와, 세정수배출관을 통해 상기 스크러버와 연결되어 상기 스크러버에서 배출되는 상기 세정수와 상기 산화촉매를 저장하는 세정수저장탱크와, 상기 세정수저장탱크에 중화제를 공급하는 중화제공급부와, 상기 세정수저장탱크 후단의 상기 세정수배출관에 연결되며, 상기 세정수저장탱크 내부에서 상기 세정수와 상기 중화제가 반응하여 생성된 염을 화학적으로 흡착하여 상기 세정수로부터 분리하는 이온교환수지를 포함하는 염분리유닛, 및 상기 염분리유닛에 재생수를 공급하여 상기 이온교환수지에 흡착된 염을 탈리시키는 재생수공급관을 포함하되, 상기 염분리유닛은 상기 세정수배출관과 상기 재생수공급관 중 어느 하나로부터 상기 세정수와 상기 산화촉매의 혼합액 또는 상기 재생수를 공급받는다.
상기 염분리유닛은 복수 개가 병렬로 설치되어, 각각 선택적으로 구동될 수 있다.
상기 이온교환수지는 음이온 교환수지로 형성되어 염 중 질산이온을 흡착할 수 있다.
상기 이온교환수지는 복수 개가 챔버 내부에 수용될 수 있다.
상기 재생수공급관은 상기 스크러버에 상기 세정수를 공급하는 세정수공급관에서 분기되며, 일 측이 상기 중화제공급부에 연결되어 상기 중화제를 상기 염분리유닛에 공급할 수 있다.
상기 배기 오염물질 처리장치는, 상기 염분리유닛에 연결되어 상기 염분리유닛에서 탈리된 염을 저장하는 염저장탱크를 더 포함할 수 있다.
상기 산화촉매는 유기 술폭시드를 포함하는 유기화합물과 무기금속화합물의 혼합물일 수 있다.
상기 배기 오염물질 처리장치는, 상기 염분리유닛 후단의 상기 세정수배출관에 연결되며, 비중 차이를 이용하여 상기 세정수와 상기 산화촉매의 혼합액으로부터 상기 산화촉매를 분리하는 산화촉매분리유닛과, 상기 산화촉매분리유닛과 상기 산화촉매저장탱크를 연결하여 상기 혼합액에서 분리된 상기 산화촉매를 상기 산화촉매저장탱크로 회수하는 산화촉매회수관을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 이온교환수지의 화학적 흡착 성질을 이용하여 세정수로부터 질산염을 분리하므로, 질산염이 포함된 세정수를 강제로 냉각하여 석출시키는 종래의 방식에 비해 질산염의 분리 효율이 높고 소비되는 에너지도 절감할 수 있다.
또한, 염이 흡착된 이온교환수지에 재생수를 공급하면 염이 탈리되므로, 반 영구적인 사용이 가능하여 장치 운용비를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기 오염물질 처리장치를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 2는 이온교환수지에 질산염이 흡착 및 탈리되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4는 배기 오염물질 처리장치의 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 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 오염물질 처리장치에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 배기 오염물질 처리장치는 연소기관(도시되지 않음)에서 배출되는 배기가스에 포함된 오염물질을 정화하고, 동시에, 배기가스의 정화로 오염된 세정수를 처리하는 장치로, 주로, 선박과 같은 해양구조물에 탑재될 수 있다.
배기 오염물질 처리장치는, 이온교환수지(도 1의 51 참조)의 화학적 흡착 성질을 이용하여 세정수로부터 질산염을 분리하므로, 질산염이 포함된 세정수를 강제로 냉각하여 석출시키는 종래의 방식에 비해 질산염의 분리 효율이 높고 소비되는 에너지도 절감할 수 있다. 또한, 염이 흡착된 이온교환수지(51)에 재생수를 공급하면 염이 탈리되므로, 반 영구적인 사용이 가능하여 장치 운용비를 절감할 수 있는 특징이 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 배기 오염물질 처리장치(1)에 관하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기 오염물질 처리장치를 개략적으로 도시한 블록도이고, 도 2는 이온교환수지에 질산염이 흡착 및 탈리되는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 배기 오염물질 처리장치(1)는 스크러버(10)와, 산화촉매저장탱크(20)와, 세정수저장탱크(30)와, 중화제공급부(40)와, 염분리유닛(50A, 50B), 및 재생수공급관(60)을 포함한다.
스크러버(10)는 연소기관으로부터 공급되는 배기가스에 세정수를 공급받아 기액 접촉시키는 통상의 습식 스크러버(wet scrubber)로, 배기가스관(100)과 세정수공급관(200)이 각각 연결된다.
배기가스관(100)은 선박에 탑재된 연소기관 또는 보일러(도시되지 않음)의 배기가스를 공급하는 관으로, 단부가 스크러버(10)에 연결된다. 여기서, 연소기관이라 함은, 연료를 연소하여 선박에 필요한 각종 동력을 발생시키는 장치로서, 예를 들어, 메인 엔진, 발전기 등으로 형성될 수 있다. 배기가스관(100)은 연소기관의 배기구에 직접 연결되어 고온의 배기가스가 직접 이동하는 통로가 되거나, 보일러 또는 각종 열교환기를 통과하여 배기열을 대부분 재활용하고 남은 폐가스가 이동하는 통로가 될 수 있다. 또한, 배기가스관(100)은 복수 개의 연소기관의 배기구에 연결될 수 있으며, 복수 개의 연소기관은 선택적으로 동작하여 배기가스를 배출할 수 있다. 연소기관은 통상, 화석 연료를 연소하여 동력을 발생시키므로, 이에 따른 배기가스를 발생시킨다. 이 때, 발생된 배기가스는 다량의 질소산화물, 황산화물, 유기물질, 미세분진 등을 포함하고 있으며, 연소기관의 일 측에 연결된 배기가스관을 통해 스크러버(10)로 공급된다.
세정수공급관(200)은 해수 또는 청수 또는 해수와 청수의 혼합수 중 적어도 하나인 세정수를 스크러버(10)로 공급하는 관으로, 일단부가 해수유입구(도시되지 않음)와 청수저장탱크(도시되지 않음) 중 적어도 하나에 연결되고, 타단부가 스크러버(10)에 연결된다. 즉, 세정수공급관(200)은 해수와 청수를 선택적으로 공급받거나 동시에 공급받아 스크러버(10)로 공급한다.
스크러버(10)는 배기가스관(100)을 통해 공급되는 배기가스에 세정수공급관(200)을 통해 공급되는 세정수를 분사하여 기액 접촉시킨다. 스크러버(10)는 내부에 세정수를 미립자 형태로 분사하는 분사노즐(13)이 설치되며, 분사노즐(13)은 복수 개가 배기가스의 유동 방향을 따라 배치될 수 있다. 복수 개의 분사노즐(13)이 배기가스의 유동 방향을 따라 배치됨으로써, 배기가스와 세정수의 접촉 면적 및 횟수가 증대되어 배기가스에 포함된 질소산화물, 황산화물, 유기물질, 미세분진 등의 오염물질이 효과적으로 제거될 수 있다. 질소산화물, 황산화물, 유기물질, 미세분진 등의 오염물질이 제거된 배기가스는 배기관(110)을 통해 외부로 배출된다. 배기관(110)을 통해 배출되는 배기가스는 오염물질이 배기기준에 적합한 수준으로 제거되어 대기 중에 그대로 방류할 수 있다.
스크러버(10)는 제1 스크러버(11)와 제2 스크러버(12)를 포함한다.
제1 스크러버(11)는 스크러버(10)의 일 측을 이루는 통 형상의 부재로, 상부가 배기가스관(100)과 연통된다. 제1 스크러버(11)의 상부가 배기가스관(100)과 연통됨으로써, 제1 스크러버(11)로 유입된 배기가스는 하방으로 유동하며 세정수와 기액 접촉할 수 있다. 이 때, 스크러버(10) 내부에는 산화촉매저장탱크(20)로부터 산화촉매가 포함된 용액이 분사되므로, 배기가스는 산화촉매와도 기액 접촉하며 산화될 수 있다. 배기가스가 산화촉매와 기액 접촉하면, 배기가스에 포함된 일산화질소가 이산화질소로 산화된다. 이산화질소는 일산화질소에 비해 물에 쉽게 용해되므로, 스크러버(10)에서 세정수와 기액 접촉 시 쉽게 녹아 제거될 수 있다.
산화촉매저장탱크(20)에서 분사되는 산화촉매는, 유기 술폭시드를 포함하는 유기화합물과, Co(OH)/SiO2와 같은 무기금속화합물의 혼합물로, 배기가스를 산화시킴과 동시에 산화된 배기가스의 환원을 방지할 수 있다. 다시 말해, 산화촉매의 무기금속화합물은 배기가스를 산화시키고, 유기화합물은 산화된 배기가스가 다시 환원되려고 하는 역반응을 방지한다. 인위적으로 산화된 배기가스는 다시 원래의 상태로 쉽게 환원될 수 있다. 배기가스가 다시 환원되면, 세정수에 쉽게 녹아 제거되지 않으므로, 산화촉매를 이용하여 배기가스를 산화시킴과 동시에 역반응을 방지할 수 있다. 보다 구체적으로, 산화촉매는 실리카 나노입자에 담지된 전이금속 수산화물이 물과 유기 술폭시드를 포함한 유기화합물에 부유되어 있는 형태이며, 전이금속은 코발트, 이켈, 구리, 처리, 망간, 크롬, 로듐, 루테늄, 몰리브덴, 오스뮴, 백금, 텅스텐, 아연, 바나듐, 지르코늄, 팔라듐, 이리듐 중 적어도 하나일 수 있다. 이러한 산화촉매는 산소와 반응하여 활성산소를 생성하고, 생성된 활성산소는 일산화질소를 이산화질소로 산화시킬 수 있다.
제1 스크러버(11)는 내부에 교반패널(14)과 혼합기(15)가 설치될 수 있다. 교반패널(14)은 배기가스의 회전 유동을 유도하며, 혼합기(15)는 세정수와 산화촉매, 및 배기가스를 혼합한다. 교반패널(14)에 의해 회전 유동하는 배기가스가 혼합기(15)에 의해 세정수 및 산화촉매와 혼합됨으로써, 배기가스에 포함된 오염물질이 보다 효과적으로 제거될 수 있으며, 배기가스의 온도가 저하되어 배기가스의 유속과 부피가 감소될 수 있다. 또한, 서로 다른 연소기관에서 공급되어 상이한 압력을 갖는 배기가스가 혼합될 때 압력 차이로 인해 배기가스 중 일부가 흐름과 반대 방향으로 역류하는 것도 방지할 수 있다. 도면 상에는 제1 스크러버(11) 내부에 배기가스의 유동 방향을 따라 분사노즐(13), 교반패널(14), 혼합기(15)가 차례로 배치된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 배치 구조는 다양하게 변형될 수 있다. 제1 스크러버(11)는 제2 스크러버(12)와 연통된다.
제2 스크러버(12)는 스크러버(10)의 타 측을 이루는 통 형상의 부재로, 하부가 제1 스크러버(11)와 연통되어 굴절부를 이루고 상부가 배기관(110)과 연통된다. 즉, 제1 스크러버(11)를 따라 하방으로 유동하여 제2 스크러버(12)로 유입된 배기가스는 상방으로 유동하여 배기관(110)을 통해 배출된다. 제2 스크러버(12)가 제1 스크러버(11)와 연통되어 U자형의 굴절부를 이룸으로써, 스크러버(10) 내부의 배기가스의 유동 경로가 길어지고 배기가스와 세정수가 접촉하는 시간이 연장되어 오염물질의 제거 효과가 극대화될 수 있다. 제2 스크러버(12)는 내부에 혼합기(15)와 분사노즐(13)이 배치되며, 배기관(110)과 접하는 상부에는 배기가스에 포함된 수분입자를 응축시키는 액적분리기(16)가 설치될 수 있다. 배기관(110)과 근접하게 액적분리기(16)가 설치됨으로써, 세정수와 접촉하여 수분입자를 포함하고 있는 배기가스로부터 수분입자가 제거되어 배기가스가 건조된 상태로 배출될 수 있다. 또한, 배기가스로부터 제거된 수분입자가 낙하하면서 상부로 유동하는 배기가스와 다시 기액 접촉할 수 있어 오염물질이 추가로 제거되는 효과도 얻을 수 있다. 그러나, 스크러버(10)가 제1 스크러버(11)와 제2 스크러버(12)를 포함하는 것으로 한정될 것은 아니며, 스크러버(10)의 형상은 다양하게 변형될 수 있다.
스크러버(10) 내부의 세정수는 세정수배출관(17)을 통해 배출된다. 세정수배출관(17)은 제1 스크러버(11)와 제2 스크러버(12) 사이의 굴절부에 연결되어 스크러버(10) 하부에 고인 세정수를 배출하며, 단부가 세정수저장탱크(30)에 연결된다.
세정수저장탱크(30)는 세정수배출관(17)을 통해 스크러버(10)와 연결되어 스크러버(10)에서 배출되는 세정수와 산화촉매를 저장하며, 필요에 따라 내부에 교반기(도시되지 않음)와 외부에 레벨 게이지(도시되지 않음)가 설치될 수 있다. 전술한 바와 같이, 산화촉매는 실리카 나노입자에 담지된 전이금속 수산화물이 물과 유기 술폭시드를 포함하는 유기화합물에 부유되어 있는 형태이므로, 세정수저장탱크(30)에 저장 시 비중 차이로 인해 세정수와 상분리될 수 있다. 세정수저장탱크(30)에 교반기가 마련되는 경우, 산화촉매가 세정수로부터 상분리되는 것을 방지할 수 있으며, 상분리되더라도 다시 세정수에 혼합될 수 있다. 세정수저장탱크(30)는 일 측에 세정수순환관(31)과 중화제공급부(40)가 각각 연결된다.
세정수순환관(31)은 세정수저장탱크(30)와 스크러버(10)를 연결하는 관으로, 세정수저장탱크(30)에 저장된 세정수와 산화촉매의 혼합액 중 일부를 스크러버(10)로 순환시킬 수 있다. 세정수순환관(31)을 통해 세정수와 산화촉매의 혼합액 중 일부가 스크러버(10)로 순환됨으로써, 배기가스의 정화를 위해 외부로부터 공급되어야 하는 세정수 및 산화촉매의 양을 줄일 수 있어 이에 따른 비용을 절감할 수 있다.
중화제공급부(40)는 세정수저장탱크(30) 내부에 중화제를 공급하여, 배기가스와 접촉함에 따라 질소산화물과 황산화물이 용해되어 산성화된 세정수를 중화시킨다. 예를 들어, 중화제는 수산화나트륨(NaOH) 또는 차아염소산나트륨(NaOCl) 또는 암모니아수와 같은 알칼리 용액으로, 해수 등을 전기분해하여 얻을 수 있다. 중화제공급부(40)는 단순히 중화제가 저장된 탱크일 수도 있고, 전기분해장치를 포함하여 중화제를 직접 생산하는 장치일 수도 있다. 중화제공급부(40)로부터 중화제가 공급되어 세정수를 중화시킴으로써, 세정수의 수소이온농도지수(pH)가 해상에 방류하기 적합한 상태로 조절될 수 있다. 세정수저장탱크(30) 또는 스크러버(10) 내부에는 세정수의 pH를 측정하는 센서(도시되지 않음)가 설치될 수 있으며, 중화제공급부(40)는 센서와 연계되어 중화제의 공급량을 조절할 수 있다. 중화제공급부(40)에서 공급되는 중화제는 세정수에 용해된 질소산화물, 황산화물과 반응하여 질산염(NaNO3)과 황산염(Na2SO4)을 생성한다. 즉, 세정수저장탱크(30)에 저장된 세정수는 용해된 오염물질이 중화제와 반응하여 염을 포함하는 상태가 되며, 일부가 세정수순환관(31)을 통해 스크러버(10)로 순환되고, 나머지 일부가 세정수배출관(17)을 통해 염분리유닛(50A, 50B)으로 이동한다.
염분리유닛(50A, 50B)은 세정수저장탱크(30) 후단의 세정수배출관(17)에 연결되며, 세정수저장탱크(30) 내부에서 세정수와 중화제가 반응하여 생성된 염을 세정수로부터 분리한다. 보다 구체적으로, 염분리유닛(50A, 50B)은 세정수에 포함된 염이온을 화학적으로 흡착하여 세정수로부터 분리하는 이온교환수지(51)를 포함하여, 세정수에 포함된 질산염을 분리할 수 있다. 염분리유닛(50A, 50B)이 세정수에 포함된 염을 분리함으로써, 해상에 배출할 수 있는 질산염의 양에 대한 규제를 만족시키는 범위 내에서 질산염을 배출할 수 있다.
염분리유닛(50A, 50B)은 적어도 하나의 이온교환수지(51)와, 내부에 이온교환수지(51)를 수용하는 챔버(52)를 포함한다. 즉, 염분리유닛(50A, 50B)은 챔버(52) 내부에 복수 개의 이온교환수지(51)가 수용되어 있는 형태일 수 있다. 이온교환수지(51)는 분자의 이온을 교환시킬 수 있는 불용성 합성수지로, 플라스틱 볼(ball) 형상으로 형성될 수 있다.
도 2의 (a)를 참조하여 구체적으로 설명하면, 이온교환수지(51)는 음이온 교환수지(anion exchange resin)로 형성되어, 세정수에 포함된 질산염(NaNO3) 중 질산이온(NO3 -, inorganic nitrate)을 흡착할 수 있다. 다시 말해, 질산염(NaNO3)은 세정수에 나트륨이온(Na+)과 질산이온(NO3 -) 형태로 용해되어 있는데, 이 중 질산이온(NO3 -)이 동일한 극성인 이온교환수지(51)에 흡착되어 분리되는 것이다. 질산이온(NO3 -)이 이온교환수지(51)에 흡착되면, 이온교환수지(51)의 표면에 결합되어 있던 수산화이온(OH-)이 탈리되며, 탈리된 수산화이온(OH-)은 나트륨(Na+)이온과 결합되어 수산화나트륨(NaOH)을 생성할 수 있다. 수산화나트륨이 생성됨으로써, 세정수는 중화된 상태로 유지될 수 있다.
이러한 염분리유닛(50A, 50B)은 복수 개가 병렬로 설치되어, 각각 선택적으로 구동될 수 있다. 염분리유닛(50A, 50B)을 장 시간 사용하면, 이온교환수지(51)의 표면에 질산이온(NO3 -)이 과도하게 흡착되어 이온교환수지(51)의 흡착 능력이 저하될 수 있다. 복수 개의 염분리유닛(50A, 50B)이 병렬로 연결되어 선택적으로 구동됨으로써, 일부는 흡착공정이 진행되고 나머지 일부는 재생공정이 진행되어 지속적으로 염을 분리할 수 있다.
이온교환수지(51)의 흡착 능력이 저하된 염분리유닛(50A, 50B)은 재생수공급관(60)으로부터 재생수를 공급받을 수 있다. 즉, 염분리유닛(50A, 50B)에는 세정수배출관(17)과 재생수공급관(60)이 각각 연결되어, 세정수배출관(17)과 재생수공급관(60) 중 어느 하나로부터 세정수와 산화촉매의 혼합액 또는 재생수를 공급받을 수 있다. 예를 들어, 세정수배출관(17)이 개방되어 염분리유닛(50A, 50B)에 세정수와 산화촉매의 혼합액이 공급되는 경우, 재생수공급관(60)은 폐쇄된다. 반대로, 재생수공급관(60)이 개방되어 염분리유닛(50A, 50B)에 재생수가 공급되는 경우, 세정수배출관(17)은 폐쇄된다. 재생수공급관(60)은 염분리유닛(50A, 50B)에 재생수를 공급하여 이온교환수지(51)에 흡착된 염, 특히, 질산이온(NO3 -)을 탈리시키며, 스크러버(10)에 세정수를 공급하는 세정수공급관(200)으로부터 분기될 수 있다. 재생수공급관(60)은 예를 들어, 해수를 염분리유닛(50A, 50B)에 공급할 수 있으며, 일 측이 중화제공급부(40)와 연결되어 중화제도 염분리유닛(50A, 50B)에 공급할 수 있다.
도 2의 (b)를 참조하여 구체적으로 설명하면, 재생수공급관(60)을 통해 염분리유닛(50A, 50B)으로 공급된 해수(NaCl)의 염소이온(Cl-) 또는 중화제(NaOH)의 수산화이온(OH-)은 동일한 극성인 이온교환수지(51)에 흡착된다. 염소이온(Cl-) 또는 수산화이온(OH-)이 이온교환수지(51)에 흡착되면, 이온교환수지(51)의 표면에 결합되어 있던 질산이온(NO3 -)이 탈리되며, 탈리된 질산이온(NO3 -)은 나트륨이온(Na+)과 결합되어 질산염(NaNO3)을 생성할 수 있다. 이렇게 생성된 질산염(NaNO3) 또는 고농축된 질산이온(NO3 -) 용액은 염분리유닛(50A, 50B)에 연결된 염저장탱크(70)에 저장될 수 있다. 즉, 세정수저장탱크(30)에서 배출된 세정수에 포함되어 있는 질산염(NaNO3)을 형성하는 질산이온(NO3 -)은 이온교환수지(51)에 흡착되어 세정수로부터 분리되고, 이온교환수지(51)의 재생과정에서 생성된 질산염(NaNO3) 또는 고농축된 질산이온(NO3 -) 용액은 염저장탱크(70)에 저장된다.
한편, 세정수저장탱크(30)와 염분리유닛(50A, 50B) 사이에는 입자분리유닛(80)이 설치될 수 있다. 입자분리유닛(80)은 세정수에 포함된 고체상 입자를 제거하는 것으로, 세정수를 접선 방향으로 공급받아 원심 분리하는 사이클론 방식의 원심분리기일 수 있다. 즉, 입자분리유닛(80) 내부에 고체상 입자를 포함하는 세정수가 접선 방향으로 공급되면, 비중 차에 의해 고체상 입자와 세정수로 분리된다. 세정수에 포함된 고체상 입자는 배기가스의 오염물질을 포함하고 있어 점도(viscosity)가 높아 끈적거릴 수 있는데, 이를 미리 제거하지 않을 경우, 각종 배관 및 장치 내부에 쌓이게 되어 배관의 막힘, 부식, 장치의 고장 등을 유발할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 입자분리유닛(80)이 설치되며, 입자분리유닛(80)에서 분리된 고체상 입자는 슬러지탱크(81)로 배출될 수 있다. 슬러지탱크(81)에 저장된 고체상 입자는 선박이 규제 해역을 벗어난 경우, 해수 또는 청수와 희석되어 방류 기준 이내에서 해상에 방류될 수 있다. 입자분리유닛(80)에서 고체상 입자가 제거된 세정수는 염분리유닛(50A, 50B)으로 이동한다.
또한, 염분리유닛(50A, 50B) 후단의 세정수배출관(17)에는 산화촉매분리유닛(90)이 연결된다. 즉, 세정수배출관(17)은 세정수저장탱크(30), 입자분리유닛(80), 염분리유닛(50A, 50B)을 차례로 통과하여 산화촉매분리유닛(90)에 연결된다. 염분리유닛(50A, 50B)에서 염이 분리된 세정수와 산화촉매의 혼합액은 세정수배출관(17)을 통해 산화촉매분리유닛(90)으로 공급되며, 산화촉매분리유닛(90)은 비중 차이를 이용하여 혼합액으로부터 산화촉매를 분리한다. 산화촉매분리유닛(90)은 통상의 중력분리기로 형성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 산화촉매는 실리카 나노입자에 담지된 전이금속 수산화물이 물과 유기 술폭시드를 포함하는 혼합물에 부유되어 있는 형태이므로, 비중이 세정수보다 크다. 따라서, 세정수와 산화촉매의 혼합액이 산화촉매분리유닛(90)으로 공급될 경우, 상대적으로 비중이 큰 산화촉매가 아래로 가라앉게 되어 세정수와 산화촉매가 상분리될 수 있다. 분리된 산화촉매는 산화촉매회수관(91)을 통해 산화촉매저장탱크(20)로 회수될 수 있다.
산화촉매회수관(91)은 산화촉매분리유닛(90)과 산화촉매저장탱크(20)를 연결하여 혼합액으로부터 분리된 산화촉매를 산화촉매저장탱크(20)로 회수할 수 있다. 산화촉매회수관(91)은 산화촉매분리유닛(90)의 하부에 연결되며, 적어도 하나의 펌프가 설치되어 산화촉매를 산화촉매저장탱크(20)로 원활하게 회수할 수 있다.
산화촉매가 분리된 세정수는 배출관(92)을 통해 해상에 방류되거나 선박 내 다양한 필요처에 활용될 수 있다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여, 배기 오염물질 처리장치(1)의 작동 과정에 대해 좀 더 상세히 설명한다.
도 3 및 도 4는 배기 오염물질 처리장치의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
본 발명에 따른 배기 오염물질 처리장치(1)는 이온교환수지(51)의 화학적 흡착 성질을 이용하여 세정수로부터 질산염을 분리하므로, 질산염이 포함된 세정수를 강제로 냉각하여 석출시키는 종래의 방식에 비해 질산염의 분리 효율이 높고 소비되는 에너지도 절감할 수 있다. 또한, 염이 흡착된 이온교환수지에 재생수를 공급하면 염이 탈리되므로, 반 영구적인 사용이 가능하여 장치 운용비를 절감할 수 있다.
도 3과 도 4는 복수 개의 염분리유닛이 선택적으로 구동되며 세정수에 포함된 질산이온을 분리하는 과정을 도시한 도면이다.
먼저, 도 3을 참조하면, 배기가스관(100)을 유동하는 배기가스는 스크러버(10)로 공급되며, 해수유입구로 유입되거나 청수저장탱크에 저장된 세정수는 세정수공급관(200)을 통해 스크러버(10)로 공급된다. 이 때, 산화촉매저장탱크(20)는 스크러버(10) 내부로 유기 술폭시드를 포함하는 유기화합물과 무기금속화합물의 혼합물인 산화촉매를 포함하는 용액을 분사하여 배기가스를 산화시킴과 동시에 산화된 배기가스의 환원을 방지한다. 스크러버(10)는 배기가스와, 세정수, 및 산화촉매를 기액 접촉시켜 배기가스에 포함된 질소산화물, 황산화물, 유기물질, 미세분진 등의 오염물질을 제거하며, 오염물질이 제거된 배기가스는 배기관(110)을 통해 외부로 배출된다.
배기가스와 기액 접촉하여 질소산화물, 황산화물, 유기물질, 미세분진 등의 오염물질이 포함된 세정수는 세정수배출관(17)을 통해 세정수저장탱크(30)에 저장되며, 중화제공급부(40)에 공급되는 중화제에 의해 적정 pH로 중화될 수 있다. 중화제는 질소산화물, 황산화물과 반응하여 질산염, 황산염을 생성하며, 생성된 염은 고체 또는 액체 상태로 세정수에 포함될 수 있다. 염을 포함하는 세정수는 일부가 세정수순환관(31)을 통해 스크러버(10)로 순환되고, 나머지 일부가 세정수배출관(17)을 통해 입자분리유닛(80)으로 이동한다. 입자분리유닛(80)은 세정수에 포함된 고체상 입자를 분리하고, 세정수로부터 분리된 고체상 입자는 슬러지탱크(81)에 저장된다.
고체상 입자가 분리된 세정수는 세정수배출관(17)을 통해 염분리유닛(50A, 50B) 중 어느 하나로 공급되며, 세정수가 공급된 염분리유닛(50A)은 세정수에 포함된 염, 특히 질산염을 분리한다. 염분리유닛(50A)에 포함된 이온교환수지(51)는 세정수에 용해된 질산이온을 흡착하여 분리한다. 질산이온이 흡착됨에 따라 이온교환수지(51)에 결합되어 있던 수산화이온이 분리되어 나트륨이온과 결합되고, 이로 인해, 수산화나트륨이 생성될 수 있다. 세정수는 질산이온이 분리되고 수산화나트륨을 포함하는 상태로 산화촉매분리유닛(90)으로 이동하며, 산화촉매분리유닛(90)은 세정수에 포함된 산화촉매를 분리한다. 산화촉매분리유닛(90)에서 분리된 산화촉매는 산화촉매회수관(91)을 통해 산화촉매저장탱크(20)로 회수되고, 산화촉매가 분리된 세정수는 배출관(92)을 통해 해상에 방류되거나 필요처에 활용된다.
한편, 세정수가 공급되지 않은 염분리유닛(50B)은 폐쇄되거나 재생수공급관(60)을 통해 해수 또는 해수와 중화제의 혼합액을 공급받을 수 있다.
이어서, 도 4를 참조하면, 염분리유닛(50A)을 장 시간 사용하는 경우, 이온교환수지(51)의 표면에 질산이온이 과도하게 흡착되어 이온교환수지(51)의 흡착 능력이 저하될 수 있다. 이온교환수지(51)의 흡착 능력이 저하된 염분리유닛(50A)은 세정수배출관(17)을 통해 세정수와 산화촉매의 혼합액을 공급받지 않고, 재생수공급관(60)을 통해 해수 또는 해수와 중화제의 혼합액을 공급받아 이온교환수지(51)에 흡착된 질산이온을 탈리시킬 수 있다. 재생수공급관(60)을 통해 공급되는 해수의 염소이온 또는 중화제의 수산화이온은 동일한 극성인 이온교환수지(51)에 흡착되며, 이로 인해, 이온교환수지(51)의 표면에 결합되어 있던 질산이온이 탈리된다. 탈리된 질산이온은 나트륨이온과 결합되어 질산염을 형성할 수 있으며, 형성된 질산염 또는 고농축된 질산이온 용액은 염저장탱크(70)에 저장된다.
한편, 염분리유닛(50A)에서 재생공정이 진행되는 동안, 나머지 염분리유닛(50B)은 세정수배출관(17)을 통해 세정수와 산화촉매의 혼합액을 공급받아 질산염을 분리할 수 있다. 염분리유닛(50B)에서 질산이온이 분리된 세정수는 산화촉매분리유닛(90)으로 이동하며, 산화촉매분리유닛(90)은 세정수에 포함된 산화촉매를 분리한다. 산화촉매분리유닛(90)에서 분리된 산화촉매는 산화촉매회수관(91)을 통해 산화촉매저장탱크(20)로 회수되고, 산화촉매가 분리된 세정수는 배출관(92)을 통해 해상에 방류되거나 필요처에 활용된다.
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 오염물질 처리장치
10: 스크러버 11: 제1 스크러버
12: 제2 스크러버 13: 분사노즐
14: 교반패널 15: 혼합기
16: 액적분리기 17: 세정수배출관
20: 산화촉매저장탱크 30: 세정수저장탱크
31: 세정수순환관 40: 중화제공급부
50A, 50B: 염분리유닛 51: 이온교환수지
52: 챔버 60: 재생수공급관
70: 염저장탱크 80: 입자분리유닛
81: 슬러지탱크 90: 산화촉매분리유닛
91: 산화촉매회수관 92: 배출관
100: 배기가스관 110: 배기관
200: 세정수공급관

Claims (8)

  1. 연소기관으로부터 공급되는 배기가스에 세정수를 공급받아 기액 접촉시키는 스크러버;
    상기 스크러버 내부로 분사되어 상기 배기가스를 산화시키고 산화된 상기 배기가스의 환원을 방지하는 산화촉매를 저장하는 산화촉매저장탱크;
    세정수배출관을 통해 상기 스크러버와 연결되어 상기 스크러버에서 배출되는 상기 세정수와 상기 산화촉매를 저장하는 세정수저장탱크;
    상기 세정수저장탱크에 중화제를 공급하는 중화제공급부;
    상기 세정수저장탱크 후단의 상기 세정수배출관에 연결되며, 상기 세정수저장탱크 내부에서 상기 세정수와 상기 중화제가 반응하여 생성된 염을 화학적으로 흡착하여 상기 세정수로부터 분리하는 이온교환수지를 포함하는 염분리유닛; 및
    상기 염분리유닛에 재생수를 공급하여 상기 이온교환수지에 흡착된 염을 탈리시키는 재생수공급관을 포함하되,
    상기 염분리유닛은 상기 세정수배출관과 상기 재생수공급관 중 어느 하나로부터 상기 세정수와 상기 산화촉매의 혼합액 또는 상기 재생수를 공급받는 배기 오염물질 처리장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 염분리유닛은 복수 개가 병렬로 설치되어, 각각 선택적으로 구동되는 배기 오염물질 처리장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 이온교환수지는 음이온 교환수지로 형성되어 염 중 질산이온을 흡착하는 배기 오염물질 처리장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 이온교환수지는 복수 개가 챔버 내부에 수용되는 배기 오염물질 처리장치.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 재생수공급관은 상기 스크러버에 상기 세정수를 공급하는 세정수공급관에서 분기되며, 일 측이 상기 중화제공급부에 연결되어 상기 중화제를 상기 염분리유닛에 공급하는 배기 오염물질 처리장치.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 염분리유닛에 연결되어 상기 염분리유닛에서 탈리된 염을 저장하는 염저장탱크를 더 포함하는 배기 오염물질 처리장치.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 산화촉매는 유기 술폭시드를 포함하는 유기화합물과 무기금속화합물의 혼합물인 배기 오염물질 처리장치.
  8. 제7 항에 있어서, 상기 염분리유닛 후단의 상기 세정수배출관에 연결되며, 비중 차이를 이용하여 상기 세정수와 상기 산화촉매의 혼합액으로부터 상기 산화촉매를 분리하는 산화촉매분리유닛과,
    상기 산화촉매분리유닛과 상기 산화촉매저장탱크를 연결하여 상기 혼합액에서 분리된 상기 산화촉매를 상기 산화촉매저장탱크로 회수하는 산화촉매회수관을 더 포함하는 배기 오염물질 처리장치.
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