KR20210156890A - 선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치 및 이를 구비한 선박 - Google Patents

선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치 및 이를 구비한 선박 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 해수를 공급하는 해수 공급부(110), 청수와 NH3를 반응시켜 암모니아수를 제조하여 공급하는 암모니아수 제조부(120), 선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 해수 공급부(110)로부터 공급된 해수와 반응시켜 후단의 CO2의 흡수효율을 높이기 위해 배기가스를 냉각하는 냉각부(132)와, 냉각된 배기가스와 암모니아수 제조부(120)로부터의 암모니아수를 반응시켜 CO2를 NH4HCO3(aq)로 전환하여 CO2를 흡수하여 제거하는 CO2 제거부(133)가 형성된, 흡수타워(130), 및 흡수타워(130)로부터 배출된 NH4HCO3(aq)를 NaCl(s) 및 Ca(OH)2와 순차적으로 반응시켜 NH3를 재생하여서 암모니아수 제조부(120)로 회귀시켜 공급하는, 암모니아 재생부(140)를 포함하여, 배기가스로부터 CO2를 분리 배출하여 IMO 온실가스 배출규제를 충족시키며, CO2의 흡수효율을 최적화할 수 있는 온도로 냉각하여 CO2를 제거하여 CO2제거효율성을 높이고, 암모니아 회수시 불순물이 포함되지 않도록 할 수 있는, 선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치를 개시한다.

Description

선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치 및 이를 구비한 선박{APPARATUS FOR REDUCING GREENHOUSE GAS EMISSION CAPABLE OF REGULATING COOLING TEMPERATURE EXHAUST GAS IN VESSEL AND VESSEL INCLUDING THE SAME}
본 발명은 부하보상 예측제어를 수행하여 선박 엔진의 부하변화를 사전에 감지하여 해수 분사량을 좀 더 빠른 시기에 대응하도록 하고, 해수 분사량을 조절하여 CO2흡수율을 최대화할 수 있는 배기가스 온도를 유지하도록 할 수 있는, 선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치 및 이를 구비한 선박에 관한 것이다.
최근, 무분별한 화석연료 사용에 따른 온실가스 배출의 영향으로 지구 온난화 현상과 이와 연계된 환경 재해들이 발생하고 있다.
이에, 대표적 온실가스인 이산화탄소를 방출하지 않고 포집하여 저장하는데 관련된 일련의 기술들을 CCS(Carbon dioxide Capture and Storage) 기술이라 하여 최근 매우 큰 주목을 받고 있는데, CCS 기술 중에서 화학 흡수법(chemical absorption)은 대규모 처리가 가능하다는 측면에서 그 중에서 가장 많이 상용화된 기술이다
또한, 이산화탄소 배출 규제는 IMO의 EEDI를 통해 규제하는데, 2050년에는 2008년 배출량의 50% 이상의 절감을 목표로 하고 있고, 2030년에도 2008년 배출량의 40%를 절감해야 하므로 CO2를 배출하지 않거나, 배출된 CO2를 포집하는 기술이 주목을 받고 있다.
참고로, 이산화탄소를 직접적으로 포집 및 저장하는 CCS 기술 중 CO2포집 기술은 대상 공정의 CO2발생 조건에 따라 다양하게 접근할 수가 있는데, 현재 대표적인 기술은 흡수법과 흡착법과 막분리법이 있으며, 이 중 습식흡수법은 육상플랜트에 있어서 기술적 성숙도가 높고, CO2의 대량처리가 용이하여 CCS 기술의 상용화에 가장 근접한 포집 기술이라 할 수 있고 흡수제로는 아민 계열과 암모니아를 주로 사용한다.
한편, 앞서 언급한 이산화탄소의 배출을 절감, 또는 생성된 이산화탄소를 포집하는 기술은 현재 선박에서는 상용화된 사례가 없는 실정이고, 수소나 암모니아를 연료로 사용하는 방법도 현재는 개발 중이며 상업화 수준의 단계에 이르지 못한 실정이다.
특히, 고유황유를 사용하기 위해 스크러버(scrubber)를 구비한 선박에서는, SOX의 용해도가 커서 NaSO3의 화합물로 먼저 변하기 때문에 SOX의 용해가 모두 이루어지기 전까지는 CO2의 제거가 어려운 단점이 있다.
이에, 화석연료를 사용하는 선박에 대해 선박의 엔진에서 배출되는 배출가스 중 CO2를 환경에 영향을 주지 않는 물질로 전환하여 배출하거나, 유용한 물질로 전환하여 저장하면서, CO2의 제거효율을 최대화하도록 배기가스의 온도를 일정수준으로 냉각하도록 제어할 수 있는 기술을 선박에 적용할 필요성이 제기된다.
(선행문헌1) 한국 등록특허공보 제2031210호 (선박용 배기가스 저감장치 및 오염물질 제거방법, 2019.10.11) (선행문헌2) 한국 등록특허공보 제1201426호 (선박용 온실가스 저감장치, 2012.11.14)
본 발명의 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 부하보상 예측제어를 수행하여 선박 엔진의 부하변화를 사전에 감지하여 해수 분사량을 좀 더 빠른 시기에 대응하도록 하고, 해수 분사량을 조절하여 CO2흡수율을 최대화할 수 있는 배기가스 온도를 유지하도록 할 수 있는, 선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치 및 이를 구비한 선박을 제공하는 데 있다.
전술한 목적을 달성하고자, 본 발명은 해수를 공급하는 해수 공급부; 청수와 NH3를 반응시켜 암모니아수를 제조하여 공급하는 암모니아수 제조부; 선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 상기 해수 공급부로부터 공급된 해수와 접촉시켜 CO2의 흡수효율을 높이기 위해 배기가스를 냉각하는 냉각부와, 상기 냉각된 배기가스와 상기 암모니아수 제조부로부터의 암모니아수를 반응시켜 CO2를 NH4HCO3(aq)로 전환하여 CO2를 흡수하여 제거하는 CO2 제거부가 형성된, 흡수타워; 및 상기 흡수타워로부터 배출된 NH4HCO3(aq)를 NaCl(s) 및 Ca(OH)2와 순차적으로 반응시켜 NH3를 재생하여서 상기 암모니아수 제조부로 회귀시켜 공급하는, 암모니아 재생부;를 포함하되, 상기 냉각부는 상기 CO2 제거부로 이송되는 배기가스의 온도를 감지하여 상기 해수 공급부로부터 공급되는 해수 분사량을 조절하여 상기 배기가스의 온도가 소정범위로 유지되도록 하는, 선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치를 제공한다.
또한, 상기 흡수타워는, 상기 선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 NOx를 흡수하여 제거하는 NOx 흡수부를 더 포함하고, 상기 NOx가 제거된 배기가스를 상기 해수 공급부로부터 공급된 해수와 반응시켜 냉각하고 상기 냉각된 배기가스와 상기 암모니아수 제조부로부터의 암모니아수를 반응시켜 CO2를 NH4HCO3(aq)로 전환하여 CO2를 제거하며, 상기 암모니아 재생부는 NH3를 재생하여서 상기 암모니아수 제조부 및 상기 NOX 흡수부로 회귀시켜 공급할 수 있다.
또한, 상기 흡수타워의 냉각부는, 상기 선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 상기 해수 공급부로부터 공급된 해수와 반응시켜 냉각하면서 SOx를 용해시켜 제거하고, 상기 흡수타워의 CO2 제거부는 상기 SOx가 제거된 배기가스와 상기 암모니아수 제조부로부터의 암모니아수를 반응시켜 CO2를 NH4HCO3(aq)로 전환하여 CO2를 제거할 수 있다.
또한, 상기 흡수타워는, 상기 선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 NOX를 흡수하여 제거하는 NOX 흡수부를 더 포함하고, 상기 흡수타워의 냉각부는 상기 NOX가 제거된 배기가스를 상기 해수 공급부로부터 공급된 해수와 반응시켜 냉각하면서 SOX를 용해시켜 제거하며, 상기 흡수타워의 CO2 제거부는 상기 SOX가 제거된 배기가스와 상기 암모니아수 제조부로부터의 암모니아수를 반응시켜 CO2를 NH4HCO3(aq)로 전환하여 CO2를 제거하고, 상기 NOx 흡수부, 상기 냉각부 및 상기 CO2 제거부는 적층 형성되고, 상기 암모니아 재생부는 NH3를 재생하여서 상기 암모니아수 제조부 및 상기 NOX 흡수부로 회귀시켜 공급할 수 있다.
또한, 상기 해수 공급부는, 선외로부터 씨체스트를 통해 해수를 공급받아 상기 냉각부로 펌핑하는 해수펌프; 및 배기가스의 양에 따라 상기 해수펌프로부터 공급되는 해수의 유량을 조절하는 조절밸브;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 냉각부는, 상기 조절밸브와 연결되어 해수를 하방으로 분사하는 다단의 해수 분사노즐을 포함하고, 상기 냉각부의 전단에 설치되어, 상기 선박 엔진의 부하 변화를 사전에 감지하여 상기 조절밸브의 개도를 조절하여 상기 해수 분사노즐을 통한 해수 분사량을 조절하도록 하는 제1 온도센서와, 상기 냉각부의 후단에 설치되어, 냉각되어 상기 CO2 제거부로 이송되는 배기가스의 온도를 감지하여 상기 조절밸브의 개도를 조절하여 상기 해수 분사노즐을 통한 해수 분사량을 조절하여 20℃ 내지 50℃의 온도범위로 유지되도록 하는 제2 온도센서를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 온도센서를 통해 상기 해수 분사노즐을 통한 해수 분사량을 조절하여 26℃로 유지되도록 할 수 있다.
또한, 상기 해수 공급부는, 선외로부터 씨체스트를 통해 해수를 공급받아 상기 냉각부로 펌핑하는 해수펌프; 및 배기가스의 양에 따라 상기 해수펌프로부터 공급되는 해수의 유량을 조절하는 조절밸브;를 포함하고, 상기 냉각부는, 상기 조절밸브와 연결되어 해수를 하방으로 분사하는 다단의 해수 분사노즐을 포함하며, 상기 냉각부의 후단에 SOx 감지센서 및 CO2 감지센서를 더 포함하고, 상기 SOx 감지센서에 의해 배기가스에 포함된 SOx와 상기 CO2 감지센서에 의해 측정된 CO2 를 통해 SOx/CO2의 비율이 소정의 배출기준을 초과하는지 여부를 판단하여 소정의 배출기준을 초과하면 상기 조절밸브의 개도를 조절하여서 상기 해수 분사노즐을 통한 해수 분사량을 증가시켜 SOx의 흡수비율을 높일 수 있다.
또한, 상기 암모니아수 제조부는, 청수를 저장하는 청수탱크; 상기 청수탱크로부터 청수를 펌핑하여 공급하는 청수펌프; 타워탱크와, 상기 타워탱크 하단에 형성되어 NH3를 상방으로 분사하는 NH3 분사노즐과, 상기 타워탱크 상단에 형성되어 상기 청수펌프로부터의 청수를 하방으로 분사하는 청수 분사노즐과, 상기 NH3 분사노즐과 상기 청수 분사노즐 사이에 형성되어 청수와 NH3를 접촉시켜 NH3를 용해하여 암모니아수를 생성하는 충진재와, 용해반응으로 인한 상기 타워탱크의 발열을 냉각하는 쿨링재킷으로 구성되는 암모니아수 제조타워; 및 상기 암모니아수 제조타워의 하단으로 배액된 암모니아수를 상기 CO2 제거부의 상단으로 공급하는 암모니아수 펌프;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 암모니아수 제조타워는, 상기 타워탱크의 상부에 굴곡진 다판 형태로 형성되어 청수로부터 비산되는 미스트를 상기 충진재 방향으로 회귀시키는 미스트 제거판을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 암모니아수 제조타워의 상단으로 배기되는 NH3를 상기 CO2 제거부의 하단으로 공급하는 NH3 공급파이프를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 충진재는, 단위 부피당 접촉면적이 크도록 설계된, 증류 칼럼 패킹이 다단으로 구성될 수 있다.
또한, 다단으로 구성된 상기 증류 칼럼 패킹 사이에 용액 재분배기가 더 형성될 수 있다.
또한, 상기 타워탱크의 직경 및 높이는, 청수의 유속 및 NH3의 유속이 범람속도의 1/2이 되도록 설계될 수 있다.
또한, 상기 암모니아 재생부로부터 블로워 또는 압축기를 통해 상기 NH3 분사노즐로 NH3를 직접 공급하거나, NH3의 손실 및 부족시에는 별도의 NH3저장탱크로부터 NH3를 공급하여 손실 및 부족분을 대체할 수 있다.
또한, 상기 NOX 흡수부는, 상기 암모니아 재생부로부터 블로워 또는 압축기를 통해 제1 NH3 분사노즐로 NH3를 직접 공급받거나, 또는 NH3의 부족시에는 요소수저장탱크의 요소수를 요소수 공급펌프를 통해 제2 NH3 분사노즐로 공급받아 부족분을 대체할 수 있다.
또한, 상기 해수 분사노즐 하부에, 배기가스가 통과하는 유로가 형성된 다공성 상판이 다단으로 각각 형성되어, 해수와 배기가스가 접촉할 수 있다.
또한, 상기 해수 분사노즐 하부에, 해수와 배기가스가 접촉하도록 하는 충진재가 채워진 흡수탑이 각각 형성되어, 해수가 SOX를 용해시킬 수 있다.
또한, 상기 냉각부는, 상기 흡수타워로부터 배출되는 세정수가 역류하지 않도록 배기가스 유입관을 커버하는 우산형태의 격벽을 포함할 수 있다.
또한, 상기 CO2 제거부는, 상기 암모니아수 펌프와 연결되어 암모니아수를 하방으로 분사하는 암모니아수 분사노즐; CO2와 암모니아수를 접촉시켜 CO2를 NH4HCO3(aq)로 전환시키는 충진재; 상기 충진재가 채워진 흡수탑의 구간마다 다단으로 형성되어 CO2제거반응으로 인한 발열을 냉각하는 쿨링재킷; CO2와 반응하지 않고 외부로 배출되는 NH3를 포집하는 워터 스프레이; 굴곡진 다판 형태로 형성되어 암모니아수를 상기 충진재 방향으로 회귀시키는 미스트 제거판; 암모니아수가 역류하지 않도록 형성된 격벽; 상기 격벽의 배기가스 유입홀을 커버하는 우산형태의 차단판; 및 상기 충진재 하단에 형성되어 배기가스에 포함된 CO2를 감지하는 CO2감지센서;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 흡수타워는, 상기 NOX 흡수부와 상기 냉각부 사이에 형성되어 상기 선박 엔진의 폐열과 보일러수를 열교환시키고 배기가스를 냉각하는 EGE를 더 포함할 수 있다.
또한, 열교환된 증기와 포화수 형태의 혼합물을 공급받아 증기를 분리하여 증기 소모처로 공급하는 보조보일러와, 상기 보조보일러로부터 상기 EGE로 보일러수를 순환 공급하는 보일러수 순환수펌프와, 상기 증기 소모처로부터 응축된 응축수를 회수하는 케스케이드탱크와, 상기 케스케이드탱크로부터 상기 보조보일러로 보일러수의 양을 조절하여 공급하는 공급펌프 및 조절밸브를 포함하는, 증기 생성부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 암모니아 재생부는, NaCl 고체분말을 저장하고 공급하는 NaCl 사일로; 상기 흡수타워로부터 배출된 NH4HCO3(aq)와 NaCl(s)를 교반기에 의해 교반하여 NaHCO3(s)와 NH4Cl을 생성하는 혼합탱크; 상기 혼합탱크로부터 NaHCO3(s)와 NH4Cl을 흡입하여 NH4Cl을 분리하는 멤브레인필터; NaHCO3(s)와 NH4Cl의 혼합물을 상기 멤브레인필터로 고압으로 이송하는 고압펌프; 슬러리 또는 고체 상태의 NaHCO3를 저장하는 NaHCO3저장탱크; Ca(OH)2를 저장하는 Ca(OH)2저장탱크; 및 NH4Cl과 Ca(OH)2를 교반기에 의해 반응시켜 NH3를 재생하는 NH3재생탱크;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 흡수타워로부터 배출되는 세정수를 저장하는 세정수탱크, 상기 세정수탱크로 이송펌프에 의해 이송된 세정수의 선외배출조건을 충족하도록 탁도를 조절하는 필터링유닛과 pH조절을 위한 중화제 주입유닛을 구비하는 수처리장치, 및 고형의 배출물을 분리 저장하는 슬러지저장탱크를 포함하는, 배출부를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명은 선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치를 구비한 선박을 제공할 수 있다.
본 발명에 의하면, 배기가스로부터 NOX와 SOX와 CO2를 분리 배출하여 IMO 온실가스 배출규제를 충족시키며, SOX를 제거한 후 CO2를 제거하여 CO2용해도와 CO2제거효율성을 높이고, 부하보상 예측제어를 수행하여 선박 엔진의 부하변화를 사전에 감지하여 해수 분사량을 좀 더 빠른 시기에 대응하도록 하고, 해수 분사량을 조절하여 CO2흡수율을 최대화할 수 있는 배기가스 온도를 유지하도록 하고, NaCl 고체분말을 사용하여 NH3 재생비용을 절감할 수 있고, 멤브레인필터 후단부의 장치 크기를 줄일 수 있고, CO2제거시 NH3와 Ca(OH)2만 소모되어 제거비용을 절감할 수 있고, 불순물이 적은 NaHCO3를 고체로 저장할 수 있고, NH3 재생시 잔존하는 SOX로 인한 부반응을 제거하여 암모니아 회수시 불순물이 포함되지 않도록 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치의 개략적인 구성도를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치를 구현한 시스템 회로도를 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치의 해수 공급부를 분리 도시한 것이다.
도 4는 도 2의 선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치의 암모니아수 제조부를 분리 도시한 것이다.
도 5는 도 2의 선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치의 흡수타워를 분리 도시한 것이다.
도 6은 도 5의 흡수타워의 냉각부를 분리 도시한 것이다.
도 7은 도 2의 선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치의 증기 생성부를 분리 도시한 것이다.
도 8은 도 2의 선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치의 암모니아 재생부를 분리 도시한 것이다.
도 9는 도 2의 선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치에 적용되는 다양한 충진재를 예시한 것이다.
도 10은 도 2의 선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치의 CO2 제거부에 의한 흡수온도변화에 따른 CO2흡수용량의 그래프를 예시한 것이다.
도 11은 해양환경보호위원회(MEPC)에서 요구하는 선박 배기가스에 포함된 SO2의 제거정도를 SO2와 CO2의 비율로 도시한 것이다.
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.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치는, 해수를 공급하는 해수 공급부, 청수와 NH3를 반응시켜 암모니아수를 제조하여 공급하는 암모니아수 제조부, 선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 상기 해수 공급부로부터 공급된 해수와 접촉시켜 CO2의 흡수효율을 높이기 위해 배기가스를 냉각하는 냉각부와, 냉각된 배기가스와 암모니아수 제조부로부터의 암모니아수를 반응시켜 CO2를 NH4HCO3(aq)로 전환하여 CO2를 흡수하여 제거하는 CO2 제거부가 형성된, 흡수타워, 및 흡수타워로부터 배출된 NH4HCO3(aq)를 NaCl(s) 및 Ca(OH)2와 순차적으로 반응시켜 NH3를 재생하여서 상기 암모니아수 제조부로 회귀시켜 공급하는, 암모니아 재생부;를 포함한다.
이때, 엔진의 종류 및 사양(저압엔진 또는 고압엔진), 엔진에 공급되는 연료의 종류(HFO, MDO, MGO, LNG, 암모니아 등)에 따라 흡수타워는 NOx 흡수부를 선택적으로 포함하도록 구성할 수 있다.
특히, 냉각부와 관련하여서는 후술하는 바와 같이, 해수와 반응시켜 SOx를 용해할 수 있는 바, CO2 제거부에 의해 CO2흡수효율을 높이도록 배기가스를 냉각하면서 동시에 SOx 흡수를 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박은, 앞서 언급한 선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치를 구비한 선박을 제공할 수 있다.
이하에서는 흡수타워에 NOx 흡수부, SOx를 흡수할 수 있는 냉각부, CO2 제거부가 적층 형성된 실시예를 기술하나, 이에 한정되는 것은 아니며, 전술한 바와 같이 NOx 흡수부의 유무, 냉각부에 있어서 SOx의 흡수 기능 구비 여부는 엔진과 연료의 종류에 따라 구비여부를 결정할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치는, 전체적으로, 해수를 공급하는 해수 공급부(110), 청수와 NH3를 반응시켜 암모니아수를 제조하여 공급하는 암모니아수 제조부(120), 선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 해수 공급부(110)로부터 공급된 해수와 반응시켜 후단의 CO2의 흡수효율을 높이기 위해 배기가스를 냉각하는 냉각부(132)와, 냉각된 배기가스와 암모니아수 제조부(120)로부터의 암모니아수를 반응시켜 CO2를 NH4HCO3(aq)로 전환하여 CO2를 흡수하여 제거하는 CO2 제거부(133)가 형성된, 흡수타워(130), 및 흡수타워(130)로부터 배출된 NH4HCO3(aq)를 NaCl(s) 및 Ca(OH)2와 순차적으로 반응시켜 NH3를 재생하여서 암모니아수 제조부(120)로 회귀시켜 공급하는, 암모니아 재생부(140)를 포함하여, 배기가스로부터 CO2를 분리 배출하여 IMO 온실가스 배출규제를 충족시키며, CO2의 흡수효율을 최적화할 수 있는 온도로 냉각하여 CO2를 제거하여 CO2제거효율성을 높이고, 암모니아 회수시 불순물이 포함되지 않도록 하는 것을 요지로 한다.
이하, 도 1 내지 도 10을 참조하여, 전술한 선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치의 구성을 구체적으로 상술하면 다음과 같다.
우선, 해수 공급부(110)는 해수를 흡수타워(130)의 냉각부(132)로 공급하는데, 구체적으로, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 씨체스트(sea chest)(미도시)를 통해 선외로부터 해수를 흡입하여 공급받아 냉각부(132)로 펌핑하는 해수펌프(111)와, 배기가스의 양에 따라 해수펌프(111)로부터 공급되는 해수의 유량을 조절하는 조절밸브(112)로 구성될 수 있다.
참고로, 선박의 접안시 또는 항해시에 따라 구분하여, 수심에 따라 상부의 해수를 흡입하는 하이 씨체스트 또는 하부의 해수를 흡입하는 로우 씨체스트로부터 해수펌프(111)로 선택적으로 공급할 수 있다. 즉, 선박의 접안시에는 하부의 해수보다는 상부의 해수가 깨끗하므로 하이 씨체스트를 사용하고, 선박의 항해시에는 상부의 해수보다는 하부의 해수가 깨끗하므로 로우 씨체스트를 사용할 수 있고, 국제규약에서 요구하는 SOX의 흡수를 위해 해수의 양을 일정수준으로 유지하여야 하는데, 최소 해수량이 배기가스를 과냉각할 수도 있으나, 겨울 해수의 온도가 영하 4℃로 CO2의 흡수에는 저해가 되지 않는다.
여기서, 조절밸브(112)는 해수의 유량을 조절하는 수동조작형 다이아프램 밸브 또는 솔레노이드 타입 밸브일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 배기가스의 양에 따라 해수 분사노즐(132a)을 통한 해수 분사량을 조절할 수 있는 것이라면, 어떠한 형태의 밸브라도 적용 가능하다.
다음, 암모니아수 제조부(120)는 청수(fresh water)와 NH3를 반응시켜 암모니아수(NH4OH)를 제조하여 CO2 제거부(133)의 상단으로 공급하고 NH3의 용해도를 초과하여 청수와 반응하지 않고 잔존하는 NH3를 CO2 제거부(133)의 하단으로 공급한다.
구체적으로, 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 암모니아수 제조부(120)는, 청수를 저장하는 청수탱크(121), 청수탱크(121)로부터 청수를 펌핑하여 암모니아수 제조타워(123) 상단으로 공급하는 청수펌프(122), 타워탱크(123a)와, 타워탱크(123a) 하단에 형성되어 NH3를 상방으로 분사하는 NH3 분사노즐(123b)과, 타워탱크(123a) 상단에 형성되어 청수펌프(122)로부터의 청수를 하방으로 분사하는 청수 분사노즐(123c)과, 하단의 NH3 분사노즐(123b)과 상단의 청수 분사노즐(123c) 사이에 형성되어 마주보고 상호 분사되는 청수와 NH3를 물리적으로 접촉시켜 청수에 의해 NH3를 용해하여 암모니아수를 생성하는 증류 칼럼 패킹(distilling column packing) 구조물인 충진재(123d)와, 다음의 [화학식 1]에 의한 용해반응으로 인한 타워탱크(123a)의 발열을 냉각하는 쿨링재킷(cooling jacket)(123e)으로 구성되는, 암모니아수 제조타워(123), 및 암모니아수 제조타워(123)의 하단의 아웃릿(outlet)으로 배액된 암모니아수를 CO2 제거부(133)의 상단에 형성된 암모니아수 분사노즐(133a)로 펌핑하여 공급하는 암모니아수 펌프(124)로 이루어질 수 있다.
Figure pat00001
여기서, 청수탱크(121)는 선내에서 생산된 증기가 응축된 증류수(distilled water)를 저장할 수도 있다.
한편, 암모니아수 제조타워(123)는, 도 4를 참고하면, 타워탱크(123a)의 상부 청수 분사노즐(123c) 상단에 울록불록 굴곡진 다판 형태로 형성되어 청수 분사노즐(123c)에 의한 청수의 분사시 비산되는 미스트(mist)를 충진재(123d) 방향으로 회귀시키는 미스트 제거판(123f)을 더 포함하여서, 미스트가 배기가스의 배기와 더불어 타워탱크(123a) 상단 외부로 배출될 수 있어서 미스트가 굴곡에 충돌하고 접착되어 다판 아래로 모여 액적(droplet)이 커져서 하부의 충진재(123d) 방향으로 자중에 의해 배액되도록(drain) 하여 청수의 낭비를 최소화할 수 있다.
또한, 암모니아수 제조타워(123)의 상단의 아웃릿으로 배기되는 NH3(g)를 CO2 제거부(133)의 하단으로 공급하는 NH3 공급파이프(123g)를 더 포함하여서, 청수에 용해되지 못하고 배기된 잉여 NH3(g)를 CO2 제거부(133)로부터 흘러내리는 암모니아수에 흡수되도록 하여 NH3의 손실을 최소화하도록 할 수도 있다.
한편, 타워탱크(123a)는 방추형으로 형성될 수 있는데, 타워탱크(123a)의 직경 및 높이는, 청수의 유속 및 NH3의 유속이 범람속도(flooding velocity)의 1/2이 되도록 설계되는 것이 바람직한데, 이를 통해, NH3 분사노즐(123b)을 통해 NH3는 상압보다 약간 높은 압력으로 분사되는 상태에서, 타워탱크(123a)의 젖은 상태에서의 압력강하를 상쇄시킬 수 있다.
또한, 충진재(123d)는, 단위 부피당 접촉면적이 크도록 설계된, 증류 칼럼 패킹이 다단으로 구성될 수 있고, 단위면적당 접촉면적과 기체의 압력강하와 범람속도를 고려하여 도 9에 예시된 바와 같은 공정에 적절한 증류 칼럼 패킹을 선정할 수 있다.
한편, 다단으로 구성된 증류 칼럼 패킹 사이에 용액 재분배기(미도시)가 형성되어서, 청수의 채널링(channeling) 현상을 방지하도록 할 수도 있다.
또한, 암모니아수 펌프(124)는 원심펌프(centrifugal pump)로 구성되어, 암모니아수 제조타워(123)로부터 CO2 제거부(133)로 다량의 암모니아수를 펌핑하여 역류없이 효과적으로 공급할 수 있다.
또한, 쿨링재킷(123e)은 청수와 NH3의 용해반응으로 반응온도가 30℃ 내지 50℃로 유지되도록 냉각하여서, 발열반응으로 인한 발열(1650J/Kg)을 냉각하여 NH3의 용해도를 최대화하여 암모니아수 생성량을 최대화할 수 있다.
또한, 후단의 암모니아 재생부(140)로부터 블로워(blower)(125) 또는 압축기를 통해 NH3 분사노즐(123b)로 NH3를 직접 공급하거나, NH3의 부족 또는 자체 손실시에는 압력계 밸브(126)를 통해 별도의 NH3저장탱크(미도시)로부터 NH3를 공급받아 부족분 또는 손실분을 대체하도록 할 수도 있다.
예컨대, 암모니아수 재생부(140)에 의해 재생된 NH3가 암모니아수 제조부(120)에 의해 암모니아수를 생성하거나 NOX 흡수부(131)의 제1 NH3 분사노즐(131b)로 공급하기에 양이 미달하여, NH3 부족분이 발생하거나 NH3 자체의 손실분이 발생하면, 별도의 NH3저장탱크를 구비하여 NH3를 공급하여서 손실 및 부족분을 보상하도록 할 수도 있다. 즉, 암모니아 재생부(140)로부터 암모니아수 제조부(120)의 NH3 분사노즐(123b), 또는 블로워(131a) 또는 압축기를 통해 NOX 흡수부(131)의 제1 NH3 분사노즐(131b)로 NH3를 직접 공급하거나, NH3의 손실 또는 부족시에는 NH3저장탱크로부터 NH3를 공급받아 손실분 또는 부족분을 보상하여 대체하도록 할 수 있다.
다음, 흡수타워(130)는, 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이, 주엔진 또는 발전용 엔진의 선박 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스의 NOX를 흡수하여 제거하는 NOX 흡수부(131)와, NOX가 제거된 배기가스를 해수와 반응시켜 냉각하면서 SOX를 용해시켜 제거하는 냉각부(132)와, SOX가 제거된 배기가스와 암모니아수 제조부(120)로부터의 암모니아수를 반응시켜 CO2를 NH4HCO3(aq)로 전환하여 CO2를 제거하는 CO2 제거부(133)가 수직방향으로 적층 형성되어서, NOX와 SOX와 CO2를 순차적으로 흡수하여 제거한다.
여기서, 흡수타워(130)는, NOX 흡수부(131)와 냉각부(132)와 CO2 제거부(133)와 후술하는 EGE(134)를 포함하여 일체화되어 단일 타워로 구성될 수 있으며, 각각 개별모듈로 구성되어 모듈화되어 결합 구성될 수도 있고 단일의 타워 형태로 통합되어 구성될 수도 있고, 또한, 흡수타워(130) 자체는 단일 타워 또는 복수의 타워로 그룹핑되어 CO2제거용량을 높이도록 구성될 수도 있다.
구체적으로, NOX 흡수부(131)는 SCR(Selective Catalyst Reactor; 선택적 촉매저감장치)로서, 암모니아 재생부(140)로부터 블로워(131a) 또는 압축기를 통해 제1 NH3 분사노즐(131b)로 NH3를 상방으로 직접 공급하거나, NH3의 부족 또는 손실시에는 요소수저장탱크(131c)의 요소수(UREA)를 요소수 공급펌프(131d)를 통해 제2 NH3 분사노즐(131e)로 공급하여 부족 또는 손실분을 보상하도록 대체할 수 있다.
여기서, 요소수를 분해하면 NH3와 CO2가 발생하므로, NH3를 직접 공급하여 CO2발생량을 줄이는 것이 바람직할 수 있고, NOX 흡수부(131)의 상단에는 NOX 농도를 감지하는 NOX 센서(131f)가 형성될 수 있다.
또한, 냉각부(132)는 해수와 1차로 접촉하는 섹션으로서 해수와 접촉시켜 배기가스를 냉각하면서 해수와 반응시켜 SOX를 용해시켜 제거하는데, 구체적으로, 조절밸브(112)와 연결되어 해수를 하방으로 분사하는 다단의 해수 분사노즐(132a)로 구성되어 SOX를 용해시키고 슈트(soot)의 분진을 제거하면서, 해수 분사노즐(132a) 또는 별도의 쿨링재킷(미도시)을 통해 배기가스의 온도를 CO2 제거부(133)에서 요구되는 20℃ 내지 50℃ 내로 냉각할 수 있다.
한편, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 해수 분사노즐(132a) 하부에, 배기가스가 통과하는 유로가 형성된 다공성 상판(132b)이 다단으로 각각 형성되어, 해수와 배기가스가 원활하게 접촉하도록 하거나, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 해수 분사노즐(132a) 하부에, 해수와 배기가스가 접촉하도록 하는 충진재가 채워진 흡수탑(132c)이 각각 형성되어, 해수가 SOX를 용해시키도록 할 수도 있다.
한편, SOX의 용해도를 보다 높이기 위해 알칼리 이온을 형성하는 화합물, 예컨대 NaOH 또는 MgO의 염기성 약품을 투입하는 폐회로 시스템(closed loop system)으로 구성할 수 있다.
참고로, 폐회로 시스템은 추가적인 염기성 약품 소모를 수반하지만 순환하는 해수의 양이 적은 장점이 있고, 해수만을 분사하여 용해된 SOX를 선외로 배출하는 개회로 시스템(open loop system)은 추가 염기성 약품 소모가 없고 간소한 장점이 있어서, 개회로 및 폐회로를 결합한 하이브리드 시스템으로 구성할 수도 있다.
또한, 냉각부(132)는 CO2 제거부(133)에서의 CO2흡수율을 높이기 위해 CO2 제거부(133)에서 요구되는 배기가스 온도수준을 유지하도록 해수의 분사량을 조절할 수 있는데, 구체적으로, 냉각부(132)의 전단에 설치되어 선박 엔진(10)의 부하 변화를 사전에 감지하여 조절밸브(112)의 개도를 조절하여 해수 분사노즐(132a)을 통한 해수 분사량을 조절하도록 하는 제1 온도센서(132f)와, 냉각부(132)의 후단에 설치되어 SOx가 제거되어 CO2 제거부(133)로 이송되는 배기가스의 온도를 감지하여 조절밸브(112)의 개도를 조절하여 해수 분사노즐(132a)을 통한 해수 분사량을 조절하여 20℃ 내지 50℃의 온도범위로 유지되도록 하는 제2 온도센서(132g)를 더 포함할 수 있다.
즉, 제1 온도센서(132f)는 부하보상 예측제어(feed forward control)를 수행하여 선박 엔진(10)의 부하변화가 있을 경우 이를 사전에 감지하여 해수 분사량을 좀 더 빠른 시기에 대응할 수 있다. 예컨대, 선박 엔진(10)의 부하가 증가되어 배기가스의 온도가 변할 경우 선박 엔진(10)의 부하는 통합적으로 고려하여서 조절밸브(112)의 개도를 조절하여 해수 분사량을 조절할 수 있다.
또한, 제2 온도센서(132g)는 CO2 제거부(133)의 입구측에 설치되어 CO2 제거부(133)로 배기되는 배기가스의 최종 온도를 조절하도록 해수 분사노즐(132a)을 통한 해수 분사량을 조절하여 26℃로 유지되도록 할 수 있다.
한편, 도 10은 도 2의 선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치의 CO2 제거부에 의한 흡수온도변화에 따른 암모니아수를 이용한 CO2흡수용량의 그래프를 예시한 것으로, 도 10의 (a)는 온도변화에 따른 CO2로딩(loading)을 나타낸 것이고 도 10의 (b)는 흡수온도에 따른 파과점(break through point)에서의 CO2로딩의 변화를 나타낸 것이다.
이를 참고하면, 배기가스의 온도가 낮을수록, 예컨대 20℃ 내지 50℃ 범위내에서 CO2흡수율이 대체로 높고, 특히 26℃ 전후에서 CO2흡수율이 가장 높은 것을 실험적으로 확인할 수 있으며, 10℃에서도 CO2흡수율이 상당히 높지만 현실적으로 상당한 양의 해수 분사량이 요구되어 비효율적이고, 50℃ 이상에서는 CO2흡수율이 급격히 저하되어 배기가스의 온도를 20℃ 내지 50℃의 온도범위로 유지하는 것이 바람직하다.
또한, 냉각부(132)는 후단에 SOx 감지센서(132h)와 CO2감지센서(133g)를 더 포함하여, SOx 감지센서(132h)에 의해 배기가스에 포함된 SOx와 CO2감지센서(133g)에 의해 감지된 CO2의 비율을 통해 SOx/CO2의 비율이 배출기준을 초과하는지 여부를 판단하여 배출기준을 초과하면 조절밸브(112)의 개도를 조절하여서 해수 분사노즐(132a)을 통한 해수 분사량을 증가시켜 SOx의 흡수비율을 높이도록 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, SOx 감지센서(132h)는 SO2 감지센서일 수 있고, CO2감지센서(133g)는 CO2 제거부(133) 전단에 설치될 수 있으며, SO2/CO2의 비율이 소정의 배출기준을 초과하면 조절밸브(112)의 개도를 조절하여서 해수 분사노즐(132a)을 통한 해수 분사량을 증가시켜 SO2의 흡수비율을 높이도록 할 수 있다.
즉, 국제규약에서 요구하는 SO2의 제거정도는 SO2와 CO2의 비율을 통해 강제하고 있고, 냉각부(132) 후단의 SOx 감지센서(132h) 및 CO2 제거부(133) 전단의 CO2감지센서(133g)를 통해 달성할 수 있다(도 11 참고).
이에, 냉각부(132)를 통해 SOX를 먼저 제거한 후에 후속하여 CO2 제거부(133)를 통해 CO2를 제거하도록 하여서, SOX의 용해도가 커서 Na2SO3 등의 화합물로 먼저 변하여 SOX의 용해가 모두 이루어지기 전까지는 CO2의 제거가 어려운 문제점을 해결하여서 CO2의 제거 효율성을 향상시킬 수 있고, 냉각부(132)를 통해 배기가스를 냉각하여 CO2 제거부(133)에 의한 CO2흡수율을 최대화하기 위한 배기가스의 최적의 온도를 효율적으로 유지하도록 할 수 있다.
여기서, 냉각부(132)의 하단으로부터 배출부(160)로 배액되는 세정수에는 SO3-, SO4 2-, 슈트, NaSO3, NaSO4, MgCO3, MgSO4 및 이외의 이온 화합물이 함께 포함되어 있고, 냉각부(132)는, 세정수가 NOX 흡수부(131) 또는 EGE(134)로 역류하여 흘러들어가지 않도록 배기가스 유입관(132d)을 커버하는 우산형태의 격벽(132e)을 포함할 수 있다.
또한, CO2 제거부(133)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 암모니아수 펌프(124)와 연결되어 암모니아수를 하방으로 분사하는 암모니아수 분사노즐(133a)과, CO2와 암모니아수를 접촉시켜 다음의 [화학식 2] 또는 [화학식 3]에 의해 CO2를 NH4HCO3(aq)로 전환시키는 충진재(133b)와, 충진재(133b)가 채워진 흡수탑의 구간마다 다단으로 형성되어 CO2제거반응으로 인한 발열을 냉각하여 30℃ 내지 50℃로 유지하도록 하는 쿨링재킷(미도시)과, CO2와 반응하지 않고 외부로 배출되는 NH3를 포집하는 워터 스프레이(133c)와, 굴곡진 다판 형태로 형성되어 암모니아수를 충진재(133b) 방향으로 회귀시키는 미스트 제거판(133d)과, 암모니아수가 냉각부(132)로 역류하여 흘러들어가지 않도록 형성된 격벽(133e)과, 격벽(133e)의 배기가스 유입홀(133e-1)을 커버하는 우산형태의 차단판(133f)으로 구성될 수 있다.
Figure pat00002
Figure pat00003
여기서, CO2 제거부(133)는 앞서 NOX와 SOX가 제거된 배기가스와 암모니아수를 반응시켜서, CO2제거 공정 중에 잔존하는 NOX와 SOX로 인한 부반응이 발생하지 않아 불순물 발생을 최소화할 수 있어 후속 공정에서 불순물이 거의 없는 NaHCO3를 얻을 수 있다.
또한, 충진재(133b)는, 단위 부피당 접촉면적이 크도록 설계된, 증류 칼럼 패킹이 다단으로 구성될 수 있고, 단위면적당 접촉면적과 기체의 압력강하와 범람속도를 고려하여 도 9에 예시된 바와 같은 공정에 적절한 증류 칼럼 패킹을 선정할 수 있다.
한편, 흡수타워(130)는, NOX 흡수부(131)와 냉각부(132) 사이에 형성되어 선박 엔진(10)의 폐열과 보일러수를 열교환시키는 EGE(Exhaust Gas Economizer)(134)를 더 포함할 수 있다.
여기서, EGE(134)는 선박 엔진(10)으로부터 배기되는 300℃ 전후의 배기가스를 열교환시켜 190℃ 전후의 배기가스로 전환할 수 있다.
다음, 암모니아 재생부(140)는 흡수타워(130)로부터 배출된 NH4HCO3(aq)를 NaCl(s) 및 Ca(OH)2와 순차적으로 반응하여 NH3를 재생시켜 암모니아수 제조부(120) 및 NOX 흡수부(131)로 회귀시켜 공급하여 재사용하도록 한다.
구체적으로, 도 2 및 도 8에 도시된 바와 같이, 암모니아 재생부(140)는, NaCl 고체분말을 저장하고 공급하는 NaCl 사일로(silo)(141)와, 흡수타워(130)로부터 배출된 NH4HCO3(aq)와 NaCl 사일로(141)로부터 공급된 NaCl(s)를 교반기(142)에 의해 교반하여 다음의 [화학식 4]에 의해 침전물인 NaHCO3(s)와 NH4Cl(aq)을 생성하는 혼합탱크(143)와, 혼합탱크(143)로부터 NaHCO3(s)와 NH4Cl을 흡입하여 NH4Cl을 분리하는 멤브레인필터(membrane filter)(144)와, NaHCO3(s)와 NH4Cl의 혼합물을 멤브레인필터(144)로 고압으로 이송하는 고압펌프(145)와, 슬러리 또는 고체 상태의 NaHCO3를 저장하는 NaHCO3저장탱크(미도시)와, Ca(OH)2를 저장하는 Ca(OH)2저장탱크(146)와, NH4Cl과 Ca(OH)2를 교반기(147)에 의해 다음의 [화학식 5]에 의해 반응시켜 NH3를 재생하는 NH3재생탱크(148)로 구성될 수 있다.
Figure pat00004
Figure pat00005
여기서, NaCl 사일로(141)는 모터(141a)에 의해 회전하는 스크류(141b)에 의해 NaCl 고체분말을 혼합탱크(143)로 이송하여 공급할 수 있고, 공기중의 수분에 의해 NaCl 고체분말이 뭉치는 현상을 방지하기 위해 건조공기를 주기적으로 균일하게 NaCl 사일로(141) 내에 분사할 수도 있다.
한편, NaCl을 포화수용액으로 공급하는 경우에는 수분을 포함하여 암모니아수의 농도를 묽게 만들고 NH3 재생비용을 증가시켜서, 포화 NaCl 수용액 또는 해수를 사용하는 것과 달리, NaCl 고체분말을 직접 사용하면, 물의 추가 투입이 필요없으며, 암모니아수의 농도 감소가 없고, 멤브레인필터(144) 후단부의 장치 크기를 줄일 수 있고, NH3 재생에 사용되는 Ca(OH)2의 소모량도 줄일 수 있다.
또한, 멤브레인필터(144)는 혼합탱크(143)로부터 용액과 침전물을 흡입하여 NaHCO3와 그 외 부산물의 침전물을 고압펌프(145)에 의한 고압으로 이송하여 분리한다.
또한, NH3재생탱크(148)에 저장된 NH3를 암모니아수 제조부(120)의 NH3 분사노즐(123b)과 NOX 흡수부(131)의 제1 NH3 분사노즐(131b)로 공급하여 재사용하도록 하여, 비교적 고가의 NH3를 절감하여 비용을 절약할 수 있고, 반응물인 CaCl2(aq)와 잔존하는 NaCl 또는 NH4Cl이 포함된 수용액은 선외로 배출된다.
다음, 증기 생성부(150)는, 도 7에 도시된 바와 같이, EGE(134)를 통과하여 열교환된 증기(steam)와 포화수 형태의 혼합물을 공급받아 스팀드럼(steam drum)(미도시)에 의해 증기를 분리하여 증기 소모처로 공급하는 보조보일러(151)와, 보조보일러(151)로부터 EGE(134)로 보일러수를 순환 공급하는 보일러수 순환수펌프(152)와, 증기 소모처로부터 소모된 후 응축되어 상이 바뀐 응축수를 회수하는 케스케이드탱크(cascade tank)(153)와, 케스케이드탱크(153)로부터 보조보일러(151)로 보일러수의 양을 조절하여 공급하는 공급펌프(154) 및 조절밸브(155)로 구성되어서, 선내의 가열장비에 필요한 증기를 생성하여 공급한다.
여기서, 선박 엔진(10)의 부하가 클 경우에는 배기가스로부터 제공받을 수 있는 열량이 높아 선내 필요한 증기의 양을 EGE(134)를 통해 충분히 생산할 수 있지만, 그렇지 못한 경우에는 보조보일러(151) 자체에 연료를 연소시켜 필요한 증기를 생산할 수도 있다.
다음, 배출부(160)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 흡수타워(130)로부터 배출되는 세정수를 저장하는 세정수탱크(161), 세정수탱크(161)로 이송펌프(162)에 의해 이송된 세정수의 선외배출조건을 충족하도록 탁도를 조절하는 필터링유닛과 pH조절을 위한 중화제 주입유닛을 구비하는 수처리장치(163), 및 슈트 등의 고형의 배출물을 분리 저장하는 슬러지저장탱크(164)로 구성되어서, 수처리장치(163)를 통과하여 선외배출조건을 충족하는 세정수는 선외배출하고, 선외배출조건을 충족하지 못하는 슈트 등의 고형의 배출물은 별도로 저장 보관할 수 있다.
한편, 선외배출조건을 충족하기 위한 중화제로 NaOH를 예로 들 수 있으나, 흡수타워(130)로부터 배출되는 물질이 산성 또는 염기성인 경우를 모두 상정하여 필요에 따라 이들 산성 또는 염기성을 각각 중화시킬 수 있는 중화제가 선택되어 사용될 수 있다.
따라서, 전술한 바와 같은 선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치의 구성에 의해서, 배기가스로부터 NOX와 SOX와 CO2를 분리 배출하여 IMO 온실가스 배출규제를 충족시키며, SOX를 제거한 후 CO2를 제거하여 CO2용해도와 CO2제거효율성을 높이고, 부하보상 예측제어를 수행하여 선박 엔진의 부하변화를 사전에 감지하여 해수 분사량을 좀 더 빠른 시기에 대응하도록 하고, 해수 분사량을 조절하여 CO2흡수율을 최대화할 수 있는 배기가스 온도를 유지하도록 하고, NaCl 고체분말을 사용하여 NH3 재생비용을 절감할 수 있고, 멤브레인필터 후단부의 장치 크기를 줄일 수 있고, CO2제거시 NH3와 Ca(OH)2만 소모되어 제거비용을 절감할 수 있고, 불순물이 적은 NaHCO3를 고체로 저장할 수 있고, NH3 재생시 잔존하는 SOX로 인한 부반응을 제거하여 암모니아 회수시 불순물이 포함되지 않도록 할 수 있다.
이상, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명과 균등한 범위에 속하는 다양한 변형예 또는 다른 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 이어지는 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
110 : 해수 공급부 111 : 해수펌프
112 : 조절밸브 120 : 암모니아수 제조부
121 : 청수탱크 122 : 청수펌프
123 : 암모니아수 제조타워 124 : 암모니아수 펌프
125 : 블로워 126 : 압력계 밸브
130 : 흡수타워 131 : NOX 흡수부
132 : 냉각부 133 : CO2제거부
134 : EGE 140 : 암모니아 재생부
141 : NaCl 사일로 142 : 교반기
143 : 혼합탱크 144 : 멤브레인필터
145 : 고압펌프 146 : Ca(OH)2저장탱크
147 : 교반기 148 : NH3재생탱크
150 : 증기 생성부 151 : 보조보일러
152 : 보일러수 순환수펌프 153 : 케스케이드탱크
154 : 공급펌프 155 : 조절밸브
160 : 배출부 161 : 세정수탱크
162 : 이송펌프 163 : 수처리장치
164 : 슬러지저장탱크 10 : 선박 엔진

Claims (25)

  1. 해수를 공급하는 해수 공급부;
    청수와 NH3를 반응시켜 암모니아수를 제조하여 공급하는 암모니아수 제조부;
    선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 상기 해수 공급부로부터 공급된 해수와 접촉시켜 CO2의 흡수효율을 높이기 위해 배기가스를 냉각하는 냉각부와, 상기 냉각된 배기가스와 상기 암모니아수 제조부로부터의 암모니아수를 반응시켜 CO2를 NH4HCO3(aq)로 전환하여 CO2를 흡수하여 제거하는 CO2 제거부가 형성된, 흡수타워; 및
    상기 흡수타워로부터 배출된 NH4HCO3(aq)를 NaCl(s) 및 Ca(OH)2와 순차적으로 반응시켜 NH3를 재생하여서 상기 암모니아수 제조부로 회귀시켜 공급하는, 암모니아 재생부;를 포함하되,
    상기 냉각부는 상기 CO2 제거부로 이송되는 배기가스의 온도를 감지하여 상기 해수 공급부로부터 공급되는 해수 분사량을 조절하여 상기 배기가스의 온도가 소정범위로 유지되도록 하는,
    선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡수타워는, 상기 선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 NOx를 흡수하여 제거하는 NOx 흡수부를 더 포함하고, 상기 NOx가 제거된 배기가스를 상기 해수 공급부로부터 공급된 해수와 반응시켜 냉각하고 상기 냉각된 배기가스와 상기 암모니아수 제조부로부터의 암모니아수를 반응시켜 CO2를 NH4HCO3(aq)로 전환하여 CO2를 제거하며,
    상기 암모니아 재생부는 NH3를 재생하여서 상기 암모니아수 제조부 및 상기 NOX 흡수부로 회귀시켜 공급하는,
    선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡수타워의 냉각부는, 상기 선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 상기 해수 공급부로부터 공급된 해수와 반응시켜 냉각하면서 SOx를 용해시켜 제거하고,
    상기 흡수타워의 CO2 제거부는 상기 SOx가 제거된 배기가스와 상기 암모니아수 제조부로부터의 암모니아수를 반응시켜 CO2를 NH4HCO3(aq)로 전환하여 CO2를 제거하는,
    선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡수타워는, 상기 선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 NOX를 흡수하여 제거하는 NOX 흡수부를 더 포함하고,
    상기 흡수타워의 냉각부는 상기 NOX가 제거된 배기가스를 상기 해수 공급부로부터 공급된 해수와 반응시켜 냉각하면서 SOX를 용해시켜 제거하며,
    상기 흡수타워의 CO2 제거부는 상기 SOX가 제거된 배기가스와 상기 암모니아수 제조부로부터의 암모니아수를 반응시켜 CO2를 NH4HCO3(aq)로 전환하여 CO2를 제거하고
    상기 NOx 흡수부, 상기 냉각부 및 상기 CO2 제거부는 적층 형성되고,
    상기 암모니아 재생부는 NH3를 재생하여서 상기 암모니아수 제조부 및 상기 NOX 흡수부로 회귀시켜 공급하는,
    선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 해수 공급부는,
    선외로부터 씨체스트를 통해 해수를 공급받아 상기 냉각부로 펌핑하는 해수펌프; 및
    배기가스의 양에 따라 상기 해수펌프로부터 공급되는 해수의 유량을 조절하는 조절밸브;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 냉각부는,
    상기 조절밸브와 연결되어 해수를 하방으로 분사하는 다단의 해수 분사노즐을 포함하고,
    상기 냉각부의 전단에 설치되어, 상기 선박 엔진의 부하 변화를 사전에 감지하여 상기 조절밸브의 개도를 조절하여 상기 해수 분사노즐을 통한 해수 분사량을 조절하도록 하는 제1 온도센서와,
    상기 냉각부의 후단에 설치되어, 냉각되어 상기 CO2 제거부로 이송되는 배기가스의 온도를 감지하여 상기 조절밸브의 개도를 조절하여 상기 해수 분사노즐을 통한 해수 분사량을 조절하여 20℃ 내지 50℃의 온도범위로 유지되도록 하는 제2 온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제2 온도센서를 통해 상기 해수 분사노즐을 통한 해수 분사량을 조절하여 26℃로 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치.
  8. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 해수 공급부는,
    선외로부터 씨체스트를 통해 해수를 공급받아 상기 냉각부로 펌핑하는 해수펌프; 및
    배기가스의 양에 따라 상기 해수펌프로부터 공급되는 해수의 유량을 조절하는 조절밸브;를 포함하고,
    상기 냉각부는, 상기 조절밸브와 연결되어 해수를 하방으로 분사하는 다단의 해수 분사노즐을 포함하며,
    상기 냉각부의 후단에 SOx 감지센서 및 CO2 감지센서를 더 포함하고, 상기 SOx 감지센서에 의해 배기가스에 포함된 SOx와 상기 CO2 감지센서에 의해 측정된 CO2 를 통해 SOx/CO2의 비율이 소정의 배출기준을 초과하는지 여부를 판단하여 소정의 배출기준을 초과하면 상기 조절밸브의 개도를 조절하여서 상기 해수 분사노즐을 통한 해수 분사량을 증가시켜 SOx의 흡수비율을 높이도록 하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 암모니아수 제조부는,
    청수를 저장하는 청수탱크;
    상기 청수탱크로부터 청수를 펌핑하여 공급하는 청수펌프;
    타워탱크와, 상기 타워탱크 하단에 형성되어 NH3를 상방으로 분사하는 NH3 분사노즐과, 상기 타워탱크 상단에 형성되어 상기 청수펌프로부터의 청수를 하방으로 분사하는 청수 분사노즐과, 상기 NH3 분사노즐과 상기 청수 분사노즐 사이에 형성되어 청수와 NH3를 접촉시켜 NH3를 용해하여 암모니아수를 생성하는 충진재와, 용해반응으로 인한 상기 타워탱크의 발열을 냉각하는 쿨링재킷으로 구성되는 암모니아수 제조타워; 및
    상기 암모니아수 제조타워의 하단으로 배액된 암모니아수를 상기 CO2 제거부의 상단으로 공급하는 암모니아수 펌프;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 암모니아수 제조타워는,
    상기 타워탱크의 상부에 굴곡진 다판 형태로 형성되어 청수로부터 비산되는 미스트를 상기 충진재 방향으로 회귀시키는 미스트 제거판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 암모니아수 제조타워의 상단으로 배기되는 NH3를 상기 CO2 제거부의 하단으로 공급하는 NH3 공급파이프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 충진재는,
    단위 부피당 접촉면적이 크도록 설계된, 증류 칼럼 패킹이 다단으로 구성되는 것을 특징으로 하는,
    선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    다단으로 구성된 상기 증류 칼럼 패킹 사이에 용액 재분배기가 더 형성되는 것을 특징으로 하는,
    선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 타워탱크의 직경 및 높이는,
    청수의 유속 및 NH3의 유속이 범람속도의 1/2이 되도록 설계되는 것을 특징으로 하는,
    선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 암모니아 재생부로부터 블로워 또는 압축기를 통해 상기 NH3 분사노즐로 NH3를 직접 공급하거나, NH3의 손실 및 부족시에는 별도의 NH3저장탱크로부터 NH3를 공급하여 손실 및 부족분을 대체하도록 하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치.
  16. 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 NOX 흡수부는,
    상기 암모니아 재생부로부터 블로워 또는 압축기를 통해 제1 NH3 분사노즐로 NH3를 직접 공급받거나, 또는 NH3의 부족시에는 요소수저장탱크의 요소수를 요소수 공급펌프를 통해 제2 NH3 분사노즐로 공급받아 부족분을 대체하도록 하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치.
  17. 제 8 항에 있어서,
    상기 해수 분사노즐 하부에, 배기가스가 통과하는 유로가 형성된 다공성 상판이 다단으로 각각 형성되어, 해수와 배기가스가 접촉하도록 하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치.
  18. 제 8 항에 있어서,
    상기 해수 분사노즐 하부에, 해수와 배기가스가 접촉하도록 하는 충진재가 채워진 흡수탑이 각각 형성되어, 해수가 SOX를 용해시키도록 하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치.
  19. 제 8 항에 있어서,
    상기 냉각부는,
    상기 흡수타워로부터 배출되는 세정수가 역류하지 않도록 배기가스 유입관을 커버하는 우산형태의 격벽을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치.
  20. 제 9 항에 있어서,
    상기 CO2 제거부는,
    상기 암모니아수 펌프와 연결되어 암모니아수를 하방으로 분사하는 암모니아수 분사노즐;
    CO2와 암모니아수를 접촉시켜 CO2를 NH4HCO3(aq)로 전환시키는 충진재;
    상기 충진재가 채워진 흡수탑의 구간마다 다단으로 형성되어 CO2제거반응으로 인한 발열을 냉각하는 쿨링재킷;
    CO2와 반응하지 않고 외부로 배출되는 NH3를 포집하는 워터 스프레이;
    굴곡진 다판 형태로 형성되어 암모니아수를 상기 충진재 방향으로 회귀시키는 미스트 제거판;
    암모니아수가 역류하지 않도록 형성된 격벽;
    상기 격벽의 배기가스 유입홀을 커버하는 우산형태의 차단판; 및
    상기 충진재 하단에 형성되어 배기가스에 포함된 CO2를 감지하는 CO2감지센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치.
  21. 제 4 항에 있어서,
    상기 흡수타워는,
    상기 NOX 흡수부와 상기 냉각부 사이에 형성되어 상기 선박 엔진의 폐열과 보일러수를 열교환시키고 배기가스를 냉각하는 EGE를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치.
  22. 제 21 항에 있어서,
    열교환된 증기와 포화수 형태의 혼합물을 공급받아 증기를 분리하여 증기 소모처로 공급하는 보조보일러와, 상기 보조보일러로부터 상기 EGE로 보일러수를 순환 공급하는 보일러수 순환수펌프와, 상기 증기 소모처로부터 응축된 응축수를 회수하는 케스케이드탱크와, 상기 케스케이드탱크로부터 상기 보조보일러로 보일러수의 양을 조절하여 공급하는 공급펌프 및 조절밸브를 포함하는, 증기 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치.
  23. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 암모니아 재생부는,
    NaCl 고체분말을 저장하고 공급하는 NaCl 사일로;
    상기 흡수타워로부터 배출된 NH4HCO3(aq)와 NaCl(s)를 교반기에 의해 교반하여 NaHCO3(s)와 NH4Cl을 생성하는 혼합탱크;
    상기 혼합탱크로부터 NaHCO3(s)와 NH4Cl을 흡입하여 NH4Cl을 분리하는 멤브레인필터;
    NaHCO3(s)와 NH4Cl의 혼합물을 상기 멤브레인필터로 고압으로 이송하는 고압펌프;
    슬러리 또는 고체 상태의 NaHCO3를 저장하는 NaHCO3저장탱크;
    Ca(OH)2를 저장하는 Ca(OH)2저장탱크; 및
    NH4Cl과 Ca(OH)2를 교반기에 의해 반응시켜 NH3를 재생하는 NH3재생탱크;를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치.
  24. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 흡수타워로부터 배출되는 세정수를 저장하는 세정수탱크, 상기 세정수탱크로 이송펌프에 의해 이송된 세정수의 선외배출조건을 충족하도록 탁도를 조절하는 필터링유닛과 pH조절을 위한 중화제 주입유닛을 구비하는 수처리장치, 및 고형의 배출물을 분리 저장하는 슬러지저장탱크를 포함하는, 배출부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치.
  25. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 선박의 배기가스 온도조절가능한 온실가스 배출 저감장치를 구비한 선박.
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KR102031210B1 (ko) 2018-05-02 2019-10-11 한국에너지기술연구원 선박용 배기가스 저감장치 및 오염물질 제거방법

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