KR20220022133A - 선박의 온실가스 배출 저감장치 및 이를 구비한 선박 - Google Patents

선박의 온실가스 배출 저감장치 및 이를 구비한 선박 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 해수와 청수를 각각 전기분해하여 NaOH(aq)를 생성하고, Na의 환원 및 산화를 통해 전력을 생산하여 전기분해를 위해 인가되는 전력 일부를 공급하는, NaOH 생성부(110), 선박 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스와 NaOH 생성부(110)로부터의 NaOH(aq)를 반응시켜서, CO2를 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)로 전환하여 배기가스로부터 CO2를 흡수제거하는 CO2 제거부(121)와, CO2 제거부(121)의 하단에 형성되어 배기가스와 NaOH(aq)가 주입되어 순환하는 세정수를 반응시켜 냉각하면서 SOx를 용해시켜 제거하고 CO2를 일부 흡수하는 SOx 흡수부(123)로 구성되는 이산화탄소 흡수타워(120), CO2 제거부(121)로부터 CO2 흡수제거 후 배액되는 흡수액을 침전물과 청수로 분리하는, 침전물 분리부(130), 및 SOx 흡수부(123)로부터 배기가스를 세정한 후 배액되는 세정수를 수처리하는 수처리부(140), 수처리부(140)로부터의 세정수를 SOx 흡수부(123)로 세정수를 공급하는 제1순환로에 의해 순환시키는 세정수 공급부(150)를 포함하여, 해수와 청수를 전기분해하여 생성된 NaOH(aq)를 통해 CO2를 제거하며, NaOH(aq)가 주입되어 순환하는 세정수에 의해 CO2를 일부 제거하고, Na의 환원과 산화를 통해 전력을 생산하여 전기분해에 사용할 수 있는, 선박의 온실가스 배출 저감장치를 개시한다.

Description

선박의 온실가스 배출 저감장치 및 이를 구비한 선박{APPARATUS FOR REDUCING GREENHOUSE GAS EMISSION IN VESSEL AND VESSEL INCLUDING THE SAME}
본 발명은 해수를 전기분해하여 생성된 NaOH(aq)을 통해 CO2를 흡수 제거하고, NaOH(aq)가 주입되어 순환하는 세정수에 의해 CO2를 일부 제거하여 CO2 제거부의 장치 크기 및 부피를 줄일 수 있는, 선박의 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 CO2 포집 기술은 대상 공정의 CO2 발생 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.
또한, 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 있고, 특히, CO2의 제거를 위해 별도의 소모성의 흡수액 원료를 사용하여서 온실가스 제거비용이 증가하는 문제점이 있다.
이에, 별도의 소모성인 흡수액 원료를 구비하지 않고, 화석연료를 사용하는 선박에 대해 선박의 엔진에서 배출되는 배출가스 중 CO2를 환경에 영향을 주지 않는 물질로 전환하여 배출하거나, 유용한 물질로 전환하여 저장하고, CO2 제거를 위한 장치의 크기를 최적화하여 여유공간을 확보하도록 할 수 있는, 기술을 선박에 적용할 필요성이 제기된다.
한국 등록특허공보 제2031210호 (선박용 배기가스 저감장치 및 오염물질 제거방법, 2019.10.11) 한국 등록특허공보 제1201426호 (선박용 온실가스 저감장치, 2012.11.14)
본 발명의 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는, 해수를 전기분해하여 생성된 NaOH(aq)을 통해 CO2를 흡수 제거하며, NaOH(aq)가 주입되어 순환하는 세정수에 의해 CO2를 일부 제거하여 CO2 제거부의 장치 크기 및 부피를 줄일 수 있으며, Na의 환원과 산화를 통해 전력을 생산하여 전기분해에 사용하는 전력소모량을 절감할 수 있는, 선박의 온실가스 배출 저감장치 및 이를 구비한 선박을 제공하는 데 있다.
전술한 목적을 달성하고자, 본 발명은 해수와 청수를 각각 전기분해하여 NaOH(aq)를 생성하고, Na의 환원과 산화를 통해 전력을 생산하여 전기분해를 위해 인가되는 일정 비율의 전력을 공급하는, NaOH 생성부; 선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스와 상기 NaOH 생성부로부터의 NaOH(aq)를 반응시켜서, CO2를 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)로 전환하여 배기가스로부터 CO2를 흡수제거하는 CO2 제거부와, 상기 CO2 제거부의 하단에 형성되어 배기가스와 NaOH(aq)가 주입되어 순환하는 세정수를 반응시켜 냉각하면서 SOx를 용해시켜 제거하고 CO2를 일부 흡수하는 SOx 흡수부를 포함하는 이산화탄소 흡수타워; 상기 CO2 제거부로부터 CO2 흡수제거 후 배액되는 흡수액을 침전물과 청수로 분리하는, 침전물 분리부; 및 상기 SOx 흡수부로부터 배기가스를 세정한 후 배액되는 세정수를 수처리하는 수처리부; 상기 수처리부로부터의 세정수를, 상기 SOx 흡수부로 세정수를 공급하는 제1순환로에 의해 순환시키는 세정수 공급부;를 포함하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치를 제공한다.
또한, 상기 이산화탄소 흡수타워는, 상기 선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 NOx를 흡수하여 제거하는 NOx 흡수부를 더 포함하고, 상기 NOx가 제거된 배기가스를, 순환하는 세정수와 반응시켜 냉각하면서 CO2를 일부 흡수하고, 상기 냉각된 배기가스와 상기 NaOH 생성부로부터의 NaOH(aq)를 반응시켜서, CO2를 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)로 전환하여 배기가스로부터 CO2를 흡수 제거할 수 있다.
또한, 상기 NOX 흡수부와 상기 SOX 흡수부 사이에 형성되어 상기 선박 엔진의 폐열과 보일러수를 열교환시키는 EGE를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 NOX 흡수부와 상기 SOX 흡수부와 상기 CO2 제거부와 상기 EGE는, 통합되어 단일 흡수타워 형태로 구성되거나, 병렬 배치된 복수개의 흡수타워 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상기 세정수 공급부는, 상기 침전물 분리부로부터의 청수를 상기 SOX 흡수부로 직접 공급하거나, 상기 침전물 분리부 또는 상기 SOx 흡수부로부터 상기 수처리부로 집액된 세정수에 NaOH(aq)를 주입하여 상기 제1순환로를 통해 상기 SOX 흡수부로 순환시키고, 상기 SOx 흡수부는 순환하는 세정수에 의해 배기가스의 CO2를 일부 흡수하여 제거할 수 있다.
또한, 상기 세정수 공급부는, NaOH(aq)가 주입된 세정수를 펌핑하여 공급하는 세정수 펌프와, 냉각수 또는 해수를 사용하여 상기 SOx 흡수부로 공급되는 세정수를 일정 온도로 냉각하는 세정수냉각기와, 배기가스의 양에 따라 상기 SOx 흡수부로 공급되는 세정수의 유량을 조절하는 세정수조절밸브를 포함할 수 있다.
또한, 상기 SOX 흡수부는, 세정수를 하방으로 분사하는 다단의 세정수 분사노즐과, 상기 세정수가 배기가스 유입관으로 역류하지 않도록 상기 배기가스 유입관을 커버하는 우산형태의 격벽을 포함하고, 상기 세정수 분사노즐 하부에 형성되어, 세정수가 배기가스의 SOX 및 일부 CO2를 용해시키도록, 배기가스가 통과하는 유로가 형성된 다단의 다공성 상판, 또는 상기 세정수 분사노즐 하부에 형성되어 세정수와 배기가스가 접촉하도록 하는 충진재가 채워진 흡수탑을 선택적으로 포함하여 SOX 및 일부 CO2를 흡수 제거할 수 있다.
또한, 상기 SOX 흡수부는, 상기 SOX 흡수부의 전단부에 배치되어 세정수 분사 전 CO2농도를 측정하는 제1 CO2센서와, 상기 SOX 흡수부의 후단부에 배치되어 세정수 분사 후 CO2농도를 측정하는 제2 CO2센서와, 상기 SOX 흡수부의 후단부에 배치되어 세정수 분사 후 SOX농도를 측정하는 제1 SOX센서와, 상기 CO2 제거부의 후단부에 배치되어 CO2를 흡수 제거한 후 최종 배출되는 SOX의 농도를 측정하는 제2 SOX센서를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 SOX센서와 상기 제1 CO2센서에 의한 전단부의 제1 SOX/CO2비율과, 상기 제1 SOX센서와 상기 제2 CO2센서에 의한 후단부의 제2 SOX/CO2비율과, 상기 제2 SOX센서와 상기 제2 CO2센서에 의한 최종단의 제3 SOX/CO2비율을 상호 비교하여, 최종 배출되는 배기가스의 소정의 SOX/CO2비율 배출기준 초과 여부에 따라, 세정수 분사량을 조절하여 상기 배출기준을 충족하도록 할 수 있다.
또한, 상기 NaOH 생성부는, NaCl이 포함된 해수를 전기분해하여 Na+를 생성하는 제1전극과, 상기 제1전극으로부터 이동된 Na+가 환원되어 Na 금속형태로 축적되는 제2전극과, 청수를 전기분해하여 OH-를 생성하는 제3전극과, 상기 제1전극의 해수 전기분해영역과 상기 제2전극의 유기액체금속영역을 분리하고 Na+를 상기 제2전극 방향으로 이동시키는 고체전해질의 제1전해질막과, 상기 제2전극의 유기액체금속영역과 상기 제3전극의 청수 전기분해영역을 분리하고 Na+를 상기 제3전극 방향으로 이동시키는 고체전해질의 제2전해질막과, 상기 제1전극 및 상기 제2전극으로 정전류를 인가하는 정류기와, 상기 제2전극 및 상기 제3전극과 각각 전기적으로 연결되어 Na의 산화를 통해 e-를 포집하여 전력을 생산하는 로더와, 상기 제1전극 및 상기 제2전극으로 전류를 인가하고, 상기 로더로부터 전력을 공급받아 저장하는 에너지 저장유닛과, 상기 제3전극의 전기분해영역에서 생성된 NaOH(aq)을 저장하는 NaOH 저장탱크와, 전기분해시 생성되는 Cl2(g)와 H2(g)를 사용처 또는 외부 안전영역으로 각각 배출하는 블로워와, 상기 NaOH 저장탱크로부터 상기 CO2 제거부로 NaOH(aq)를 공급하는 NaOH 이송펌프와, 상기 제1전극의 해수 전기분해영역으로 해수를 공급하는 해수펌프를 포함할 수 있다.
또한, 상기 NaOH 생성부는 적어도 둘 이상 병렬로 구성되어 NaOH(aq)을 생성할 수 있다.
또한, 상기 NaOH 생성부는, 상기 제1전극의 해수 전기분해영역의 전기전도도를 측정하여 NaCl의 농도를 파악하는 전기전도도 센서와, 상기 NaCl 농도에 따라 해수 유입량을 조절하는 해수조절밸브와, 상기 제3전극의 청수 전기분해영역의 pH를 측정하는 pH센서와, 상기 pH에 따라 청수의 유입량을 조절하는 청수조절밸브를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 NOX 흡수부는, 요소수저장탱크로부터의 요소수를 요소수 공급펌프를 통해 요소수분사노즐로 공급하여서, NOX와 반응시켜 N2로 환원시켜 NOX를 제거할 수 있다.
또한, 상기 CO2 제거부는, 상단에 형성되어 NaOH 이송펌프에 의해 이송된 NaOH(aq)를 분사하는 제1NaOH 분사노즐과, NaOH(aq)와 CO2를 접촉시켜 CO2를 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)와 H2O의 반응물로 전환하는 충진재와, 상기 충진재가 채워진 흡수탑의 구간마다 다단으로 형성되어 CO2제거반응으로 인한 발열을 냉각하는 쿨링재킷과, 상기 제1NaOH 분사노즐 상단에 굴곡진 다판 형태로 형성되어 NaOH(aq)를 상기 충진재 방향으로 드랍시키는 미스트 제거판과, 상기 반응물이 하단의 배기가스 유입홀로 역류하지 않도록 형성된 격벽과, 상기 격벽 상단에 형성되어 상기 배기가스 유입홀을 커버하여 상기 반응물의 유입을 차단하는 우산형태의 차단판으로 구성되는, 제1단 제거부;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 CO2 제거부는, 상단에 형성되어 NaOH(aq)와 상기 반응물을 분사하는 제2NaOH 분사노즐과, 상기 제1단 제거부로부터 NaOH(aq)와 상기 반응물을 상기 제2NaOH 분사노즐로 이송하는 흡수액 이송펌프와, NaOH(aq)와 CO2를 접촉시켜 CO2를 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)의 반응물로 전환하는 충진재와, 상기 충진재가 채워진 흡수탑의 구간마다 다단으로 형성되어 CO2제거반응으로 인한 발열을 냉각하는 쿨링재킷과, 상기 제2NaOH 분사노즐 상단에 굴곡진 다판 형태로 형성되어 NaOH(aq)를 상기 충진재 방향으로 드랍시키는 미스트 제거판과, 상기 반응물이 하단의 배기가스 유입홀로 역류하지 않도록 형성된 격벽과, 상기 격벽 상단에 형성되어 상기 배기가스 유입홀을 커버하여 상기 반응물의 유입을 차단하는 우산형태의 차단판과, 하단에 집액된 흡수액을 배출하는 흡수액 배출구로 구성되는, 제2단 제거부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 CO2 제거부는, NaOH(aq)의 분사 초기시에는 OH-에 의해, [화학식 1]에 의해 배기가스의 CO2와 NaOH(aq)를 반응시켜 Na2CO3(aq)로 전환하는 제1흡수단계, 및 분사 초기 이후 OH-의 소진시에는 [화학식 2]에 의해 NaHCO3(aq)로 전환하는 제2흡수단계에 의해 CO2를 흡수하여 제거할 수 있다.
[화학식 1]
2NaOH(aq) + CO2(g) -> Na2CO3(aq) + H2O(l)
[화학식 2]
Na2CO3(aq) + H2O(l) -> 2NaHCO3(aq)
또한, 상기 CO2 제거부는, 상기 제1단 제거부 및 상기 제2단 제거부의 CO2 흡수단계에서의 pH변화를 각각 감지하는 pH센서를 더 포함하고, 상기 pH센서에 의해 모니터링된 pH에 따라 상기 NaOH 이송펌프 또는 상기 흡수액 이송펌프에 의한 이송량을 결정하여 Na2CO3가 침전되지 않도록 일정 용해도를 유지할 수 있다.
또한, 상기 CO2 제거부는, 상기 제1단 제거부의 쿨링재킷과 상기 제2단 제거부의 쿨링재킷은 각 상기 흡수탑의 내부온도를 80℃ 내지 100℃를 유지하도록 냉각할 수 있다.
또한, 상기 NaOH 생성부로부터 상기 CO2 제거부로 이송되는 NaOH(aq)의 온도를 10℃ 내지 20℃ 낮춰 공급하도록 냉각하는 수용액냉각기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1단 제거부 및 상기 제2단 제거부 중 어느 하나 이상의 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 침전물 분리부는, 상기 이산화탄소 흡수타워의 상기 CO2 제거부로부터 CO2 흡수제거 후 배액되는 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)와 H2O의 흡수액을 저장하는 흡수액 드레인탱크와, 상기 흡수액을 냉각하여 Na2CO3(s)와 NaHCO3(s)의 침전물로 전환하는 흡수액냉각기와, 상기 흡수액을 침전물과 청수로 분리하는 멤브레인필터와, 상기 흡수액을 상기 멤브레인필터로 고압이송하는 고압펌프를 포함하고, 상기 분리된 침전물은 슬러리 또는 고체 상태로 저장하거나 선외배출하고, 상기 분리된 청수와 저농도 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)는 상기 NaOH 생성부, 상기 SOx 흡수부 및 상기 수처리부 중 어느 이상으로 공급하는 제2순환로를 통해 순환시킬 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 조절밸브가 포함된, 증기 생성부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 수처리부는, 상기 SOx 흡수부로부터의 세정수 또는 상기 침전물 분리부로부터의 청수를 저장하는 세정수드레인탱크, 상기 세정수드레인탱크로부터 이송펌프에 의해 이송된 세정수의 선외배출조건을 충족하도록 탁도를 조절하는 필터링유닛과 pH를 조절하는 중화제 주입기를 구비하는 수처리장치, 및 고형의 배출물을 분리 저장하는 슬러지저장탱크를 포함할 수 있다.
또한, 상기 중화제 주입기는 상기 NaOH 생성부로부터 공급되는 NaOH(aq)를 세정수에 주입하는 NaOH 주입기일 수 있다.
또한, 상기 수처리장치에 의해 수처리된 청수를, 상기 NaOH 생성부로 공급하는 제3순환로에 의해 순환시킬 수 있다.
또한, 상기 제1전극의 해수 전기분해영역의 해수 전기분해에 따라 생성된 청수를, 상기 제1전극의 해수 전기분해영역으로부터 상기 제3전극의 청수 전기분해영역으로 청수공급펌프를 통해 공급하는 제4순환로에 의해 순환시킬 수 있다.
한편, 전술한 목적을 달성하고자, 본 발명은 상기한 선박의 온실가스 배출 저감장치를 구비한 선박을 제공한다.
본 발명에 의하면, 별도의 CO2 흡수액 원료 사용없이, 해수를 전기분해하여 생성된 NaOH(aq)을 통해 CO2를 흡수 제거하여 제거비용을 절감하며, NaOH(aq)가 주입되어 순환하는 세정수에 의해 CO2를 일부 제거하여 CO2 제거부의 장치 크기 및 부피를 줄일 수 있고, Na의 환원과 산화를 통해 전력을 생산하여 전기분해에 사용하는 전력소모량을 절감할 수 있으며, 청수를 재사용하여 청수의 소모량을 최소화하고, NOX와 SOX와 CO2를 동시에 제거하며, Na2CO3와 NaHCO3를 불순물이 적은 고체상태로 저장할 수 있고, SOX를 제거한 후 CO2를 제거하여 배기가스에 잔존하는 SOX로 인한 부반응을 억제하여서 CO2 용해도와 CO2 제거효율성을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 선박의 온실가스 배출 저감장치의 개략적인 구성도를 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 선박의 온실가스 배출 저감장치의 시스템 회로도를 도시한 것이다.
도 3 및 도 4는 도 2의 시스템 회로도의 NaOH 생성부를 분리도시한 것이다.
도 5는 도 2의 시스템 회로도의 이산화탄소 흡수타워를 분리도시한 것이다.
도 6은 도 5의 이산화탄소 흡수타워의 SOX 흡수부를 분리 도시한 것이다.
도 7은 도 2의 시스템 회로도의 세정수 공급부와 침전물 분리부와 수처리부를 분리도시한 것이다.
도 8은 도 2의 시스템 회로도의 증기 생성부를 분리도시한 것이다.
도 9는 화학평형상태에서의 pH에 따른 탄산염 종류 비율 및 NaOH(aq) 농도에 따른 탄산염 종류 생성비율과 pH변화를 각각 그래프로 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 실시예에 따른 선박의 온실가스 배출 저감장치는, 해수와 청수를 각각 전기분해하여 NaOH(aq)를 생성하고, Na의 환원 및 산화를 통해 전력을 생산하여 전기분해를 위해 인가되는 전력 일부를 공급하는, NaOH 생성부(110), 선박 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스와 NaOH 생성부(110)로부터의 NaOH(aq)를 반응시켜서, CO2를 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)로 전환하여 배기가스로부터 CO2를 흡수제거하는 CO2 제거부(121)와, CO2 제거부(121)의 하단에 형성되어 배기가스와 NaOH(aq)가 주입되어 순환하는 세정수를 반응시켜 냉각하면서 SOx를 용해시켜 제거하고 CO2를 일부 흡수하는 SOx 흡수부(123)로 구성되는 이산화탄소 흡수타워(120), CO2 제거부(121)로부터 CO2 흡수제거 후 배액되는 흡수액을 침전물과 청수로 분리하는, 침전물 분리부(130), 및 SOx 흡수부(123)로부터 배기가스를 세정한 후 배액되는 세정수를 수처리하는 수처리부(140), 수처리부(140)로부터의 세정수를, SOx 흡수부(123)로 세정수를 공급하는 제1순환로에 의해 순환시키는 세정수 공급부(150)를 포함하여, 해수와 청수를 전기분해하여 생성된 NaOH(aq)를 통해 CO2를 제거하며, NaOH(aq)가 주입되어 순환하는 세정수에 의해 CO2를 일부 제거하고, Na의 환원과 산화를 통해 전력을 생산하여 전기분해에 사용하는 것을 요지로 한다.
한편, 선박 엔진(10)의 종류 및 사양(저압엔진 또는 고압엔진), 또는 선박 엔진(10)에 공급되는 연료의 종류(HFO, MDO, MGO, LNG, 암모니아 등)에 따라 이산화탄소 흡수타워(120)는 NOx 흡수부(122)를 선택적으로 포함하도록 구성될 수 있다.
특히, SOx 흡수부(123)와 관련하여서는 후술하는 바와 같이, NaOH 생성부(110)로부터의 NaOH(aq)를 세정수에 주입하여 SOx 흡수부(123)로 순환시켜서, SOx를 용해하고 냉각하면서 동시에 CO2를 흡수하여 일부 제거할 수 있다.
이하에서는 이산화탄소 흡수타워(120)에 NOx 흡수부(122), SOx 흡수부(123) 및 CO2 제거부(121)가 적층 형성된 실시예를 기술하나, 이에 한정되는 것은 아니며, 전술한 바와 같이 NOx 흡수부(122)는 엔진과 연료의 종류에 따라 구비여부를 결정할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 9를 참조하여, 전술한 본 실시예의 선박의 온실가스 배출 저감장치의 구성을 구체적으로 상술하면 다음과 같다.
우선, NaOH 생성부(110)는 해수와 청수(H2O)를 각각 전기분해하여 CO2를 흡수하기 위한 흡수액으로서 NaOH(aq)를 생성하고, Na의 환원과 산화를 통해 전력을 생산하여 전기분해를 위해 인가되는 일정 비율의 전력을 보완적으로 공급하도록 하여서, NaOH(aq) 생성에 필요한 전력 일부를 절감할 수 있다.
구체적으로, NaOH 생성부(110)는, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, NaCl이 포함된 해수를 전기분해하여 Na+를 생성하고 Cl-를 산화시켜 Cl2(g)를 생성하는 양극의 제1전극(111)과, 제1전극(111)으로부터 이동된 Na+가 환원되어 Na 금속형태로 축적되는 음극의 제2전극(112)과, 청수를 전기분해하여 OH-를 생성하고 H+를 환원시켜 H2(g)를 생성하는 음극의 제3전극(113)과, 제1전극(111)의 해수 전기분해영역과 제2전극(112)의 유기액체금속영역을 분리하고 Na+를 제2전극(112) 방향으로 이동시키는 고체전해질의 제1전해질막(electrolyte membrane)(114)과, 제2전극(112)의 유기액체금속영역과 제3전극(113)의 청수 전기분해영역을 분리하고 Na+를 제3전극(113) 방향으로 이동시키는 고체전해질의 제2전해질막(115)과, 제1전극(111) 및 제2전극(112)으로 정전류를 인가하는 정류기(rectifier)(116)와, 제2전극(112) 및 제3전극(113)과 각각 전기적으로 연결되어 Na의 산화를 통해 e-를 포집하는 로더(loader)(117)와, 제1전극(111) 및 제2전극(112)으로 전류를 인가하고, 로더(117)로부터 e-를 공급받아 전력을 저장하는 에너지 저장유닛(118)과, 제3전극(113)의 전기분해영역에서 생성된 NaOH(aq)을 저장하는 NaOH 저장탱크(119)와, 전기분해시 생성되는 Cl2(g)와 H2(g)를 사용처 또는 외부 안전영역으로 각각 배출하는 블로워(119a)와, NaOH 저장탱크(119)로부터 CO2 제거부로 NaOH(aq)를 펌핑하여 공급하는 NaOH 이송펌프(119b)와, 제1전극(11)의 해수 전기분해영역으로 해수를 공급하는 해수펌프(119c)로 구성된다.
참고로, 해수펌프(119c)는 선외로부터 씨체스트(sea chest)(미도시)를 통해 해수를 흡입하여 제1전극(111)의 해수 전기분해영역으로 공급하는데, 선박의 접안시 또는 항해시에 따라, 수심에 따라 상부의 해수를 흡입하는 하이 씨체스트 또는 하부의 해수를 흡입하는 로우 씨체스트로부터 해수펌프(119c)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 있다.
여기서, 제2전극(112)은 Na 전극으로서 제1전해질막(114)과 제2전해질막(115) 사이의 유기액체금속으로 둘러쌓여, 제1전해질막(114)을 통해 이동된 Na+를 정류기(116)로부터 인가된 전류에 의해 환원시켜 Na 금속형태로 축적하고, 일정 농도에 도달하면 이와 같은 과정은 정지한다.
이후, 제2전극(112)에 축적된 Na는 산화하여 Na+는 제2전해질막(115)을 통과하고 제3전극(113)의 청수 전기분해영역에 생성된 OH-와 화학반응하여 NaOH(aq)을 생성하고, Na의 산화에 의한 e-는 로더(117)에 의해 포집되어 전력을 생산하게 되고 에너지 저장유닛(118)에 저장된다.
이와 같이 생산된 전력은, 전기분해를 위해 필요한 에너지 저장유닛(118)로부터 로더(117)로 인가되는 일정 비율의 전력을 담당할 수 있어서, NaCl(aq)에 전기를 인가하는 과정에 필요한 전력을 NaOH(aq)을 생성하는 과정에서는 발생하는 전력으로 일부 공급하면, 기존의 전기분해방식과 비교하여 NaOH(aq) 생성에 필요한 전력 일부를 절감할 수 있다.
한편, NaOH(aq) 생성에 필요한 전력을 생산하기 위한 Na+의 일정 농도에 도달하기 위해서는 시간이 소요되므로, 도 4에 도시된 바와 같이, NaOH 생성부(110)는 적어도 둘 이상 병렬로 구성되어 NaOH(aq) 생성용량을 증가시키는 것이 바람직할 수 있고, 이를 위해, NaOH 생성부(110)는, 제1전극(111)의 해수 전기분해영역의 전기전도도를 측정하여 NaCl의 농도를 파악하는 전기전도도 센서(S1)와, NaCl 농도에 따라 해수 유입량을 조절하는 해수조절밸브(V1)와, 제3전극(113)의 청수 전기분해영역의 pH를 측정하는 pH센서(S2)와, pH에 따라 청수의 유입량을 조절하는 청수조절밸브(V2)를 더 포함하여서, 해수 또는 청수의 공급량을 조절하도록 할 수 있다.
예컨대, 제1전극(111)의 해수 전기분해영역에서의 NaCl의 전기분해로 Cl2(g)가 생성되어 사용처 또는 안전영역으로 배출되고, Na+가 제1전해질막(114)을 통과하여 NaCl의 농도가 낮아지면 전기전도도 센서(S1)가 이를 측정하여 해수조절밸브(V1)를 개방하여 해수 유입량을 증가시키고, 제3전극(113)의 청수 전기분해영역에서의 pH가 높아지면 pH센서(S2)가 이를 측정하여 청수조절밸브(V2)를 개방하여 청수 유입량을 증가시킬 수 있다.
또한, 제1전극(111)의 해수 전기분해영역의 전기분해 후 잔존하는 H2O를 제3전극(113)의 청수 전기분해영역으로 회귀시키는 제4순환로를 통해 추가 공급하는 청수공급펌프(119d)를 더 포함할 수도 있다.
한편, 침전물 분리부(130)로터 저농도 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)와 H2O를 제1전극(111)의 해수 전기분해영역으로 공급하는 제2순환로에 의해 순환시키고, 제1전극(111)의 해수 전기분해영역의 해수 전기분해에 따라 생성된 청수(H2O)를, 제1전극(111)의 해수 전기분해영역으로부터 제3전극(113)의 청수 전기분해영역으로 청수공급펌프(119d)를 통해 공급하는 제4순환로에 의해 순환시켜서, 청수의 전기분해에 필요한 청수를 절감할 수 있다.
또한, 수처리부(140)에 의해 수처리된 청수를 NaOH 생성부(110)로 공급하는 제3순환로에 의해 순환시켜서 해수의 전기분해에 필요한 해수를 절감할 수 있다.
한편, NaOH 생성부(110)는 다음의 [화학식 1]에 의해 Na+와 Cl2(g)를 생성하고, 다음의 [화학식 2]에 의해 OH-와 H2(g)를 생성하고, 제2전해질막(115)을 통과한 Na+와 OH-가 이온결합하여 수용액 상태의 NaOH를 생성하게 된다.
Figure pat00001
Figure pat00002
한편, NaOH 이송펌프(119b)는 대량의 NaOH(aq)를 원활하게 이송하도록 원심펌프(centrifugal pump)로 구성되어 CO2 제거부(121)로 공급할 수 있다.
다음, 이산화탄소 흡수타워(120)는 CO2 제거부(121)와 NOX 흡수부(122)와 SOx 흡수부(123)와 EGE(124)로 구성되어, 배기가스로 요소수(UREA)를 분사하여 NOX을 제거하며, 해수를 분사하여 SOx과 슈트(soot)를 제거하고, NaOH(aq)를 분사하여 CO2를 순차적으로 제거한다.
도 5에 도시된 바와 같이, CO2 제거부(121)는 제1단 제거부(121A) 및 제2단 제거부(121B)의 다단으로 분리 구성되어 배기가스로 각각 NaOH(aq)를 분사하여 CO2를 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)의 해양환경에 영향을 주지 않는 물질로 전환하여 배기가스로부터 CO2를 흡수제거한다.
예컨대, 전단부의 제1단 제거부(121A)는 NaOH(aq)와 배기가스를 1차적으로 반응시켜 CO2를 제거하며, 제1단 제거부(121A)에서의 반응으로 생성된 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)와 H2O, 및 NaOH 생성부(110)로부터의 NaOH(aq)를 후단부의 제2단 제거부(121B)로 이송하고, 제2단 제거부(121B)는 NaOH(aq)와 배기가스를 2차적으로 반응시켜 CO2를 제거한다.
구체적으로, 제1단 제거부(121A)는, 상단에 형성되어 NaOH 이송펌프(119b)에 의해 이송된 NaOH(aq)를 하향 분사하는 제1NaOH 분사노즐(121a)과, 분사된 NaOH(aq)와 배기가스의 CO2를 접촉시켜 CO2를 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)와 H2O의 반응물로 전환하는 충진재(121b)와, 충진재(121b)가 채워진 흡수탑의 구간마다 다단으로 형성되어 CO2제거반응으로 인한 흡수탑의 발열을 냉각하는 쿨링재킷(cooling jacket)(미도시)과, 제1NaOH 분사노즐(121a) 상단에 굴곡진 다판 형태로 형성되어 NaOH(aq)를 충진재(121b) 방향으로 드랍시키는 미스트 제거판(mist eliminator)(121c)과, 반응물이 하단의 배기가스 유입홀로 역류하지 않도록 형성된 격벽(121d)과, 격벽(121d) 상단에 형성되어 배기가스 유입홀 상단을 커버하여 반응물의 유입을 차단하는 우산형태의 차단판(121e)으로 구성된다.
한편, 제1NaOH 분사노즐(121a)는 주배관으로부터 분기되어 연결된 다수의 분사홀을 구비한 보조배관이 다수로 설치된 형태로 구성되어 NaOH(aq)를 충진재(121b)로 균일하게 분사하도록 할 수 있다.
충진재(121b)는 단위 부피당 접촉면적이 크도록 설계된, 증류 칼럼 패킹(distilling column packing)이 다단으로 구성된 형태로 형성될 수 있고, 단위면적당 접촉면적과 기체의 압력강하와 범람속도(flooding velocity)를 고려하여 적절한 증류 칼럼 패킹을 선정할 수 있고, 다단으로 구성된 증류 칼럼 패킹 사이에 용액 재분배기가 형성되어서, 용액의 채널링(channeling) 현상을 방지하도록 할 수 있다.
미스트 제거판(121c)은 미스트형태로 분사된 NaOH(aq)가 배기가스를 통해 외부로 배출될 수 있으므로 미스트가 굴곡 표면에 접촉하여 액적(droplet)이 커져 자중에 의해 하부의 충진재(121b) 방향으로 낙하되어 배액되도록 할 수 있다.
또한, 충진재(121b)를 통과하여 하단에 집액된 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)와 H2O의 반응물과, CO2와 반응하지 않은 잔여 NaOH(aq)의 흡수액은 배출구(121f)를 통해 제2단 제거부(121B)로 이송된다.
제2단 제거부(121B)는, 상단에 형성되어 잔여 NaOH(aq)와 반응물을 분사하는 제2NaOH 분사노즐(121g)과, 제1단 제거부(121A)로부터 NaOH(aq)와 반응물의 흡수액을 제2NaOH 분사노즐(121g)로 이송하는 흡수액 이송펌프(121h)와, 분사된 NaOH(aq)와 CO2를 접촉시켜 CO2를 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)의 반응물로 전환하는 충진재(121i)와, 충진재(121i)가 채워진 흡수탑의 구간마다 다단으로 형성되어 CO2제거반응으로 인한 흡수탑의 발열을 냉각하는 쿨링재킷(미도시)과, 제2NaOH 분사노즐(121g) 상단에 굴곡진 다판 형태로 형성되어 NaOH(aq)를 충진재(121i) 방향으로 드랍시키는 미스트 제거판(121j)과, 반응물이 하단의 배기가스 유입홀로 역류하지 않도록 형성된 격벽(121k)과, 격벽(121k) 상단에 형성되어 배기가스 유입홀을 커버하여 반응물의 유입을 차단하는 우산형태의 차단판(121l)과, 충진재(121i)를 통과하여 하단에 집액된 흡수액을 침전물 분리부(130)로 배출하는 흡수액 배출구(121m)로 구성된다.
한편, 제2NaOH 분사노즐(121g)는 주배관으로부터 분기되어 연결된 다수의 분사홀을 구비한 보조배관이 다수로 설치된 형태로 구성되어 NaOH(aq)를 충진재(121i)로 균일하게 분사하도록 할 수 있다.
충진재(121i)는 단위 부피당 접촉면적이 크도록 설계된, 증류 칼럼 패킹이 다단으로 구성된 형태로 형성될 수 있고, 단위면적당 접촉면적과 기체의 압력강하와 범람속도를 고려하여 적절한 증류 칼럼 패킹을 선정할 수 있고, 다단으로 구성된 증류 칼럼 패킹 사이에 용액 재분배기가 형성되어서, 용액의 채널링 현상을 방지하도록 할 수 있다.
미스트 제거판(121j)은 미스트형태로 분사된 NaOH(aq)가 배기가스를 통해 외부로 배출될 수 있으므로 미스트가 굴곡 표면에 접촉하여 액적이 커져 자중에 의해 하부의 충진재(121i) 방향으로 낙하되어 배액되도록 할 수 있다.
한편, NaOH(aq)을 이용하여 배기가스의 CO2를 포집하는(capturing) 과정을 구체적으로 후술하면, CO2 제거부(121)는, NaOH(aq)의 분사 초기시에는 OH-에 의해 흡수하는 다음의 [화학식 3]에 의해 배기가스의 CO2와 NaOH(aq)를 반응시켜 Na2CO3(aq)로 전환하는 제1흡수단계 및 분사 초기 이후 OH-의 소진시에는 CO3 2-에 의해 흡수하는 다음의 [화학식 4]에 의해 NaHCO3(aq)로 전환하는 제2흡수단계에 의해 CO2를 흡수하여 제거한다.
Figure pat00003
Figure pat00004
여기서, [화학식 3] 및 [화학식 4]에 의한 화학반응은 NaOH 2몰이 CO2 1몰을 제거하는 발열반응이고, [화학식 3]의 화학반응의 깁스자유에너지가 [화학식 4]의 화학반응보다 커서 반응속도가 더 빠르다.
도 9는 화학평형상태에서의 pH에 따른 탄산염 종류 비율 및 NaOH(aq) 농도에 따른 탄산염 종류 생성비율과 pH변화를 각각 그래프로 도시한 것으로서, 이를 참조하면, NaOH(aq)의 분사 초기시 대량의 OH-에 의해 pH가 높은 상태에서, 다음의 [화학식 5]의 화학반응에 의해 CO2가 CO3 2-의 형태로 전환되어 존재하게 되는데,
Figure pat00005
즉, CO2 흡수 초기(Section 1)에는 CO2(g)가 용해되어 CO2(aq)로 전환되고, [화학식 3]의 화학반응이 지배적으로 일어난다.
이후, CO2가 지속적으로 흡수되면 OH-의 농도가 감소하여 거의 소모된 상태(Section 2)에서는 다음의 [화학식 6]의 화학반응에 의해 CO3 2-의 농도가 감소하기 시작하고 HCO3 -의 농도가 증가하기 시작하여 OH-가 CO2(aq)와 즉시 반응하여 HCO3 -의 농도가 증가하고 pH가 다시 한번 더 감소하게 되고, 이는 전체적으로 다음의 [화학식 7]의 전체반응으로 정리될 수 있다.
Figure pat00006
Figure pat00007
CO2 흡수과정을 통해, 흡수액에는 OH-의 농도가 감소하여 pH가 점점 감소하게 되며, HCO3 -가 지배적으로 존재하게 되고, OH-의 농도, pH가 가장 중요한 변수임을 알 수 있다.
한편, NaOH(aq)의 분사량이 많아 배기가스의 CO2를 충분히 흡수하고도 OH-가 여전히 존재하는 경우에는 [화학식 2] 또는 다음의 [화학식 8]의 화학반응이 우세하여 Na+와 CO3 2-가 대부분 차지하고, Na+와 CO3 2-의 농도가 용해도를 초과하면 Na2CO3(s)의 형태로 침전된다.
Figure pat00008
또한, 대부분의 OH-이 반응하여 소모되면 [화학식 4] 또는 다음의 [화학식 9]의 화학반응이 우세하고 NaHCO3의 농도가 용해도를 초과하면 NaHCO3(s)의 형태로 침전된다.
Figure pat00009
이와 같이, NaOH(aq)를 통한 CO2 흡수의 주요 인자는 NaOH(aq)의 농도, 배기가스의 CO2 농도 및 CO2 제거부(121)의 효율(배기가스/수용액의 접촉으로 인한 탄산염으로의 전환)이고, OH-가 모두 소모되는 시점에서 Na2CO3가 침전되는데, Na2CO3가 최대한 이온상태로 존재하여야 [화학식 7]과 같이 CO3 2-가 CO2를 지속적으로 흡수할 수 있다.
이를 위해, 배기가스가 CO2 제거부(121)를 통과하는 동안 Na+와 CO3 2-의 용해도를 높이기 위해 H2O의 손실을 허용하는 한도내에서 흡수액의 온도를 최대한 높게, 예컨대 80℃ 내지 100℃, 바람직하게는 80℃로 유지하여 H2O의 기화 또는 증발로 인한 손실을 최소화할 수 있다.
또한, 앞서 언급한 바와 같이, pH가 반응의 정도를 나타내는 주요 변수이므로, CO2 제거부(121)를 통과하는 동안의 pH 변화를 모니터링하여 NaOH(aq)의 이송량을 결정할 필요가 있는데, 이를 위해, CO2 제거부(121)는, 제1단 제거부(121A) 및 제2단 제거부(121B)의 CO2 흡수단계에서의 pH변화를 각각 감지하는 pH센서(P1 내지 P5)를 더 포함하고, pH센서(P1 내지 P5)에 의해 모니터링된 pH에 따라 NaOH 이송펌프(119b) 또는 흡수액 이송펌프(121h)에 의한 이송량을 결정하여 제1NaOH 분사노즐(121a) 및 제2NaOH 분사노즐(121g)의 분사량을 조절하여 Na2CO3가 침전되지 않도록 일정 용해도를 유지하도록 할 수 있다.
여기서, P1 및 P2의 pH센서는 제2단 제거부(121B)의 충진재(121i)의 하단 및 충진재(121i)의 중단에 각각 형성되어, P2의 pH센서를 통해 충진재(121i)에 의한 화학반응으로 인한 pH를 모니터링하고, P1의 pH센서를 통해 충진재(121i)를 통과하여 배출구(121m)로 배출되는 흡수액의 pH를 모니터링하도록 할 수 있다.
예컨대, 앞서 언급한 바와 같이, CO2는 OH-에 의한 흡수과정 및 CO3 2-에 의한 흡수과정을 통해 제거되는데, P2의 pH센서에 의해 pH 9가 모니터링되면, 현 배기가스 유량 기준으로 NaOH(aq)의 분사량을 증가시켜 CO2를 더 흡수할 수 있고, P1의 pH센서에 의해 pH 10 이상이 모니터링되면, CO3 2-에 의한 흡수과정에서 충진재(121i)를 통과하면서 CO2 흡수가 모두 이루어지지 않은 것으로 NaOH 생성부(110)에서 NaOH(aq)의 농도를 높여 생성하거나, NaOH(aq)의 이송량 또는 분사량을 증가시킬 수 있다.
또한, P3 내지 P5의 pH센서는 제1단 제거부(121A)의 충진재(121b)의 하단 및 충진재(121b)의 중단에 각각 형성되어, P4 및 P5의 pH센서를 통해 충진재(121b)에 의한 화학반응으로 인한 pH를 각각 모니터링하고, P3의 pH센서를 통해 충진재(121b)를 통과한 흡수액의 pH를 모니터링하도록 할 수 있다.
또한, CO2 제거부(121)는, 제1단 제거부(121A)의 쿨링재킷과 제2단 제거부(121B)의 쿨링재킷은 각 흡수탑의 내부온도를 80℃ 내지 100℃를 유지하도록 냉각하여서, Na+와 CO3 2-의 용해도를 높이기 위해 H2O의 손실을 허용하는 한도내에서 흡수액의 온도를 최대한 높게 유지하여서, Na+와 CO3 2-를 최대한 이온상태로 유지하면서 H2O의 기화 또는 증발로 인한 손실을 최소화할 수 있다.
또는, NaOH 생성부(110)로부터 CO2 제거부(121)로 이송되는 NaOH(aq)의 온도를 10℃ 내지 20℃ 낮춰 공급하도록 냉각하는 수용액냉각기(119e)(도 4 참조)를 제1NaOH 분사노즐(121a) 전단부에 구성하여서, 각 흡수탑의 내부온도를 80℃ 내지 100℃를 유지하도록 하여 Na+와 CO3 2-의 용해도를 높이면서 H2O의 기화 또는 증발로 인한 소실을 줄일 수 있다.
또한, CO2제거과정은, 앞서 언급한 바와 같이, OH-에 의해 흡수하는 제1흡수단계 및 CO3 2-에 의해 흡수하는 제2흡수단계로 이루어져 반응시간이 매우 길어서, 충진재(121b,121i)가 채워진 흡수탑은 다수개로 병렬 배치되거나, 흡수액 통과시간이 길도록 높이가 높도록 구성될 수 있다.
앞서 언급한 바와 같이, 이산화탄소 흡수타워(120)는, 선박 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스의 NOX를 흡수하여 제거하는 NOX 흡수부(122)와, NOX 흡수부(122) 상단에 형성되어, NOX가 제거된 배기가스와 NaOH(aq)가 주입되어 순환하는 세정수를 반응시켜 냉각하면서 SOx를 용해시켜 제거하고 CO2를 일부 흡수하는 SOX 흡수부(123)와, SOX가 제거된 배기가스와 NaOH 생성부(110)로부터의 NaOH(aq)를 반응시켜서 CO2를 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)로 전환하여 배기가스로부터 CO2를 흡수제거하는 CO2 제거부(121)와, NOX 흡수부(122)와 SOX 흡수부(123) 사이에 형성되어 선박 엔진(10)의 폐열과 보일러수를 열교환시키는 EGE(124)를 더 포함하여서, NOX와 SOX와 CO2를 순차적으로 각각 흡수하여 제거할 수 있다.
여기서, NaOH 생성부(110)와 NOX 흡수부(122)와 SOX 흡수부(123)와 CO2 제거부(121)와 EGE(124)는, 통합되어 단일 흡수타워 형태로 구성되거나, 분리 배치된 복수개의 흡수타워 형태로 구성될 수 있다.
한편, NOX 흡수부(122)는, 구체적으로, 요소수저장탱크(122a)로부터의 요소수를 요소수 공급펌프(122b)를 통해 요소수분사노즐(122c)로 공급하여서, 배기가스에 포함된 NOX와 반응시켜 N2로 환원시켜 NOX를 제거할 수 있다.
또한, SOX 흡수부(123)는 세정수와 1차로 접촉하는 섹션으로서, 구체적으로, 침전물 분리부(130)로부터 공급되는 청수와 세정수 공급부(150)로부터 공급되는 세정수를 하방으로 분사하여 배기가스와 접촉하도록 하는 다단의 세정수 분사노즐(123a)과, 세정수가 역류하지 않도록 배기가스 유입관(123b)을 커버하는 우산형태의 격벽(123c)을 포함하여, SOX를 용해시키고 슈트(soot)의 분진을 제거하면서, 세정수 분사노즐(123a) 또는 별도의 쿨링재킷(미도시)을 통해 배기가스의 온도를 CO2 제거부(121)에서 요구되는 30℃ 전후로 냉각할 수 있다.
여기서, 세정수 분사노즐(123a)로 침전물 분리부(130)로부터의 청수를 공급하는 제2순환로를 통해 순환시켜 청수를 재사용하도록 하여 청수를 절감할 수 있다.
한편, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 세정수 분사노즐(123a) 하부에, 배기가스가 통과하는 유로가 형성된 다공성 상판(123d)이 다단으로 각각 형성되어, 해수와 배기가스가 원활하게 접촉하도록 하거나, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 세정수 분사노즐(123a) 하부에, 해수와 배기가스가 접촉하도록 하는 충진재(123e)가 채워진 흡수탑이 각각 형성되어, 세정수가 SOX를 용해시켜 제거하도록 할 수도 있다. 한편, SOX의 용해도를 보다 높이기 위해 알칼리 이온을 형성하는 화합물, 예컨대 NaOH 또는 MgO의 염기성 약품을 투입하도록 구성할 수도 있다.
예컨대, 수처리부(140)로부터의 세정수에 NaOH 생성부(110)의 NaOH(aq)를 주입하여 세정수 분사노즐(123a)로 공급하여 SOX의 용해도를 높이면서 CO2를 일부 흡수하여 제거할 수 있다.
이에, SOX 흡수부(123)를 통해 SOX와 일부 CO2를 먼저 제거한 후에 CO2 제거부(121)를 통해 잔여 CO2를 제거하도록 하여서, SOX의 용해도가 커서 Na2SO4 등의 화합물로 먼저 변하여 SOX의 용해가 모두 이루어지기 전까지는 CO2의 제거가 어려운 문제점을 해결하여서 CO2의 제거 효율성을 향상시킬 수 있다.
참고로, SOX 흡수부(123)의 하단으로부터 수처리부(140)로 배액되는 세정수에는 SO3-, SO4 2-, 슈트, NaSO3, NaSO4, MgCO3, MgSO4 및 이외의 이온 화합물이 함께 포함되어 있다.
한편, 도 5를 참고하면, SOX 흡수부(123)는, SOX 흡수부의 전단부에 배치되어 세정수 분사전 CO2농도를 측정하는 제1 CO2센서(CS1)와, SOX 흡수부(123)의 후단부에 배치되어 세정수 분사후 CO2농도를 측정하는 제2 CO2센서(CS2)와, SOX 흡수부(123)의 후단부에 배치되어 세정수 분사후 SOX농도를 측정하는 제1 SOX센서(SS1)와, CO2 제거부(121)의 후단부에 배치되어 CO2를 흡수 제거한 후 최종 배출되는 SOX의 농도를 측정하는 제2 SOX센서(SS2)를 더 포함하여, 제1 SOX센서(SS1)와 제1 CO2센서(CS1)에 의한 전단부의 제1 SOX/CO2비율과, 제1 SOX센서(SS1)와 제2 CO2센서(CS2)에 의한 후단부의 제2 SOX/CO2비율과, 제2 SOX센서(SS2)와 제2 CO2센서(CS2)에 의한 최종단의 제3 SOX/CO2비율을 상호 비교하여, 최종 배출되는 배기가스의 소정의 SOX/CO2비율 배출기준 초과 여부에 따라, 세정수조절밸브(153)에 의해 세정수 분사량을 조절하여 배출기준을 충족하도록 할 수 있다.
즉, 국제규약에서 요구하는 SO2의 제거정도는 다음의 [표 1]에 제시된 바와 같이 SO2와 CO2의 비율을 통해 강제하는데, CO2센서(CS1,CS2)와 SOX센서(SS1,SS2)에 의해 제1 내지 제3 SOX/CO2비율을 모니터링하여 달성할 수 있다.
연료 황 함유량(fuel oil sulphur content)
(% m/m)		 SO2배출비율(ratio emission SO2)
(ppm)/CO2(% v/v)
4.50 195.0
3.50 151.7
1.50 65.0
1.00 43.3
0.50 21.7
0.10 4.3
이에, [표 1]에 제시된 SOX/CO2비율 배출기준을 초과하면, 세정수조절밸브(153)의 개도를 조절하여 세정수 분사량을 증가시켜 SOX의 흡수비율을 높이고 SOX/CO2비율을 낮춰 SOX/CO2비율 배출기준을 충족하도록 한다.참고로, 개방루프가 적용된 SOx 흡수부(123)는 해수만을 분사하여 SOX를 흡수하여 용해속도가 느려 다량의 해수분사가 요구되지만, 폐쇄루프가 적용된 SOx 흡수부(123)는 NaOH(aq)를 주입하여 SOX를 용해시키므로 세정수의 양이 상대적으로 적고 이로 인해 SOx 흡수부(123)의 장치의 크기 및 부피를 작게 설계할 수 있어 여유공간을 확보할 수 있고, NaOH(aq)의 투입량을 조절하여 CO2 일부를 흡수할 수 있는 이점이 있어 순환식 세정수 방식을 사용하는 것이 바람직하다.
이와 같은 순환식 세정수 시스템(closed loop system)을 사용하기 위한 전제조건을 고려하여야 하는데 구체적으로 다음과 같다.
MEPS 259(68)에는 선박의 배기가스상 SOx 흡수장치의 성능을 평가하는 방법을 SO2(ppm)/CO2(%v/v)로 규정하고 있다. 이는 연료 중의 황 함유량은 연소시 황산화물과 이산화탄소의 비율이 일정한 비율을 가지는 상관관계가 있어서, SOx의 농도를 ppm 단위로 측정하고, CO2의 농도를 Volume 단위로 측정하여 SO2(ppm)/CO2(%v/v) 비율이 일정 수준 내에 있도록 SOx 흡수부(SOx Scrubber) 설계를 강제하고 있다.
예를 들어, 위의 [표 1]과 같이, 4.5% 황함유량을 가진 연료를 연소한 배기가스는 21.7의 SO2(ppm)/CO2(%v/v) 비율 값 이하가 되도록 SOx 흡수부 설계를 하면, 0.5%의 황함유량 연료를 사용한 것과 동일한 배출가스 조건을 만족할 수 있다.
여기서, SOx 배출제한을 만족하는지 여부는 CO2?簾捉돤平ㅐ? 필요하므로, NaOH(aq)를 사용하는 방법은 경우에 따라 사용량이 많을 경우 CO2가 흡수되므로, O2(ppm)/CO2(%v/v) 비율로 측정하는 방식에서 SOx가 많은 것으로 측정된다. 이것은 실제 SOx를 제한된 수준 내에서 제거함에도 불구하고, 규정을 만족하지 못하는 것으로 결과를 보여줄 수 있다. 이러한 사항을 방지하기 위해 제1 CO2센서(CS1)는 세정수를 분사하기 전인 SOx 흡수부(123) 입구 측에 설치하는 것이 바람직하고, SOx의 경우는 SOx 흡수부(123) 출구 측에 제1 SOX센서(SS1)를 또는 최종 배기가스 출구 측에 제2 SOX센서(SS2)설치하는 것이 바람직하다.
또한, 세정수는 고온의 배기가스에 의해 일부 소실되기도 하지만 연소로 생성된 H2O가 응축되는 양이 더 많아서 점점 그 양이 늘어나고, 배기가스 내의 슈트 및 미연소 유분 등이 지속 유입되므로 이러한 물질의 농도가 점점 높아진다.
따라서, 증가하는 배기가스의 불순물과 H2O를 제거하기 위해 일정량의 세정수를 수처리부(140)를 통해 처리하고, 처리된 세정수는 선외 배출하거나 NaOH(aq) 생성에 필요한 청수로 재사용해야 하는데, 세정수에서 불리한 슈트 등의 불순물(슬러지)는 별도의 세정수드레인탱크(141)에 보관하고, 수처리된 세정수를 청수로 사용하거나 선외로 배출하기 위해서는 NaOH를 주입하여 선외배출조건을 충족하는 pH, 예컨대 pH6.5로 높여서 목적을 달성할 수 있다.
다음, 침전물 분리부(130)는 이산화탄소 흡수타워(120)로부터 CO2 흡수제거 후 배액되는 흡수액을 침전물과 청수로 전환하고, 청수와 저농도 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)를 NaOH 생성부(110) 또는 SOX 흡수부(123) 또는 수처리부(140)로 공급하는 제2순환로롤 통해 순환시켜서, NaOH(aq)를 생성하고, SOX와 CO2를 흡수하고, 세정수를 보충한다.
구체적으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 침전물 분리부(130)는, 이산화탄소 흡수타워(120)의 CO2 제거부(121)의 제2단 제거부(121B)로부터 CO2 흡수제거 후 배액되는 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)와 H2O의 흡수액을 저장하는 흡수액 드레인탱크(131)와, 흡수액을 냉각하여 Na2CO3(s)와 NaHCO3(s)의 침전물로 전환하는 흡수액냉각기(132)와, 흡수액을 침전물과 청수로 분리하여 전환하는 멤브레인필터(133)와, 흡수액냉각기(132)에 의해 냉각된 흡수액을 멤브레인필터(133)로 고압이송하는 고압펌프(134)로 구성되어서, 분리된 청수와 저농도 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)를 NaOH 생성부(110)의 제3전극(113)의 청수 전기분해영역으로 공급하여 NaOH(aq)를 생성하도록 하거나, 또는 SOX 흡수부(123)의 세정수 분사노즐(123a)을 통해 배기가스로 분사하여 냉각하면서 SOX를 용해시키고 분진을 제거하면서 CO2 일부를 흡수하여 제거하도록 하거나, 또는 수처리부(140)로 공급하여 세정수를 보충하도록 할 수 있다.
즉, 침전물 분리부(130)에 의해 분리된 침전물은 슬러리 또는 고체 상태로 저장하거나 선외배출하고, 분리된 청수와 저농도 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)는 NaOH 생성부(110), 또는 SOx 흡수부(123), 또는 수처리부(140)로 공급하는 제2순환로를 통해 순환시켜서 청수를 재활용하도록 하여 청수를 절감할 수 있다.
여기서, CO3 2-에 의한 CO2 흡수가 모두 일어난 경우에 HCO3 -의 농도가 높고 CO3 2-의 농도는 상대적으로 작으며, 흡수액은 대부분 이온형태로 존재하여 흡수액 드레인탱크(131)에 침전물의 양은 적게 존재한다.
또한, 흡수액냉각기(132)는 선외 해수 또는 선내 청수의 냉각수를 통해 흡수액을 냉각하여 Na2CO3(s)와 NaHCO3(s)의 침전물로 전환하여서, 멤브레인필터(133)에 의해 흡수액으로부터 고체상태의 Na2CO3(s)와 NaHCO3(s) 및 청수로 쉽게 분리하도록 하되, 해수를 사용하는 경우에는 수온에 따라 10℃ 내지 50℃ 범위로 냉각할 수 있고, 청수를 사용하는 경우에는 40℃ 내지 50℃ 범위로 냉각할 수 있다.
또한, 멤브레인필터(133)는 고압펌프(134)에 의해 흡수액 드레인탱크(131)로부터 흡수액을 흡입하여 Na2CO3(s)와 NaHCO3(s) 및 청수로 분리하고, 건조기(dryer)(미도시)로 이송하여 고체상태로 저장하거나 슬러리(slurry) 형태로 별도의 탱크(미도시)에 저장하고, 선외배출조건을 충족하는 경우에 해상으로 바로 방류할 수도 있다.
또한, 멤브레인필터(133)에 의해 분리된 청수에는 Na+와 HCO3 -와 CO3 2-이 포함되고, 청수와 저농도 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)는 제2순환로를 통해 NaOH 생성부(110) 또는 SOX 흡수부(123)로 공급되어 재사용되도록 하여 청수의 소모량을 최소화할 수 있다. 여기서, NaOH 생성부(110)로 공급된 HCO3 -와 CO3 2-는 수소와 결합하여 소량의 CO2(g)가 발생하여 NaOH(aq) 생성속도가 다소 감소하기는 하지만 청수를 재활용할 수 있는 이점이 있다.
한편, 흡수액을 분리하는 구성으로 멤브레인필터를 예시하였으나, 원심분리기가 적용될 수도 있다.
다음, 수처리부(140)는 이산화탄소 흡수타워(120)로부터 배기가스와 세정수의 반응에 의해 생성된 세정수를 수처리하여, 선외배출조건을 충족하는 세정수는 선외배출하고, 선외배출조건을 충족하지 못하는 슈트 등의 고형의 배출물은 별도로 저장 보관할 수 있다.
구체적으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 수처리부(140)는, SOX 흡수부(123)로부터의 세정수를 저장하고 침전물 분리부(130)의 청수를 세정수로 보충하도록 저장하는 세정수드레인탱크(141), 세정수드레인탱크(141)로 이송펌프(142)에 의해 이송된 세정수의 선외배출조건을 충족하도록 탁도를 조절하는 필터링유닛과 pH조절을 위한 중화제 주입기(143)를 구비하는 수처리장치(144), 및 고형의 배출물을 분리 저장하는 슬러지저장탱크(145)로 구성될 수 있다.
한편, 중화제 주입기(143)는 NaOH 생성부(110)로부터 공급되는 NaOH(aq)를 세정수에 주입하는 NaOH 주입기일 수 있으며, 선외배출조건을 충족하기 위한 중화제로 NaOH를 예로 들 수 있으나, 이산화탄소 흡수타워(120)로부터 배출되는 물질이 산성 또는 염기성인 경우를 모두 상정하여 필요에 따라 산성 또는 염기성을 각각 중화시킬 수 있는 별도의 중화제가 선택되어 사용될 수도 있다.
또한, 수처리장치(144)에 의해 수처리된 청수를 선외배출하거나 선택적으로 NaOH 생성부(110)로 공급하는 제3순환로에 의해 순환시켜서, 청수 전기분해에 재사용하도록 하여 청수를 절감할 수 있다.
다음, 세정수 공급부(150)는, 침전물 분리부(130)로부터의 청수와 저농도 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)를 SOX 흡수부(123)로 직접 공급하거나, 침전물 분리부(130) 및 SOx 흡수부(123)로부터 수처리부(140)의 세정수드레인탱크(141)로 집액된 세정수에 NaOH(aq)를 주입하여 제1순환로를 통해 SOX 흡수부(123)로 순환시키고, SOx 흡수부(123)는 순환하는 세정수에 의해 배기가스의 CO2를 일부 흡수하여 제거하여, CO2제거 효율성을 보다 높일 수 있다.
구체적으로, 세정수 공급부(150)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 중화제 주입기(143)에 의해 NaOH(aq)가 주입된 세정수를 펌핑하여 공급하는 세정수 펌프(151)와, 냉각수 또는 해수를 사용하여 SOx 흡수부(123)로 공급되는 세정수를 일정 온도로 냉각하는 세정수냉각기(152)와, 배기가스의 양에 따라 SOx 흡수부(123)로 공급되는 세정수의 유량을 조절하는 세정수조절밸브(153)로 구성되어, SOx 흡수부(123)는 세정수에 의해 배기가스를 냉각하면서 배기가스의 SOX와 일부 CO2를 흡수하여 제거할 수 있다.
여기서, 세정수는 고온의 배기가스와 지속적인 접촉으로 온도가 높아지므로, 세정수냉각기(152)는 SOX 또는 CO2의 흡수율과 냉각수 온도를 고려하여 세정수를 25℃ 내지 45℃로 냉각하는 것이 바람직할 수 있다.
다음, 증기 생성부(160)는, 도 8에 도시된 바와 같이, EGE(124)를 통과하여 열교환된 증기(steam)와 포화수 형태의 혼합물을 공급받아 스팀드럼(steam drum)(미도시)에 의해 증기를 분리하여 선내 증기 소모처로 공급하는 보조보일러(161)와, 보조보일러(161)로부터 EGE(124)로 보일러수를 순환 공급하는 보일러수 순환수펌프(162)와, 증기 소모처로부터 소모된 후 응축되어 상이 바뀐 응축수를 회수하는 케스케이드탱크(cascade tank)(163)와, 케스케이드탱크(163)로부터 보조보일러(161)로 보일러수의 양을 조절하여 공급하는 공급펌프(164) 및 조절밸브(165)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(124)를 통해 충분히 생산할 수 있지만, 그렇지 못한 경우에는 보조보일러(161) 자체에 연료를 연소시켜 필요한 증기를 생산할 수도 있다.
참고로, 10,000kW급 LNGC에 사용되는 MEGI엔진을 전제로 CO2제거공정을 예시하면 다음과 같다.
위 MEGI 엔진은 배기가스 중 약 5,000kg/h(=11363.6 mol/h)의 CO2를 포함하고, 이중 10%인 500kg/h(=11363.6 mol/h)를 제거하는 공정을 목표로 하면, NaOH 생성부(110)에 의한 전기분해시, Cl2 1톤(=1,000,000g/17g/mol=58824mol)을 생성하는데 약 2200kw가 소모되며, Cl2 1 몰 생성시 각각 2 몰의 OH-와 Na+이 생성되므로, 1 몰의 NaOH 생성에 필요한 전력은 53.476 mol/kW(=(58824/2200)*2)이 소모되고, 다음의 [화학식 10]에 의한 공정 전체반응에 의하면 NaOH 2 몰이 CO2 1 몰을 제거할 수 있다.
Figure pat00010
여기서, CO2는 11363.6 mol/h이므로 NaOH는 22727.2 mol/h가 필요하여서, 전기분해장치인 NaOH 생성부(110)의 용량은 425.0kW/h(=22727.2mol/h / 53.476mol/kW)가 필요하다.
한편, NaOH 1M로 운전할 경우 NaOH 909.1kg/h(=22727.2mol/h = 22727.2 * 40)와 H2O 9091kg/h로 산출되므로, NaOH 수용액은 10000.1kg/h, 약 10m3/h로 공정을 운전해야 한다.
CO2 제거부를 통과후 흡수된 용액에는 CO2가 500kg/h(=11363.6mol/h)이 포함되므로, NaHCO3의 양은 1409.1kg/h(=909.1 + 500)이고, 총 유량은 10m3/h이므로, NaHCO3의 농도는 104.91kg/m3가 된다.
침전물 분리부(130)의 흡수액냉각기에 의해 흡수액을 40℃까지 냉각할 경우, NaHCO3의 용해도는 127kg/m3이므로, 13.91kg/h(140.91-127)의 침전이 발생하고, NaOH를 30wt%로 운전하면, 다음의 [수학식 1]에 의해 역산되어 산출된 2121kg/h 유량의 H2O가 요구된다.
Figure pat00011
2.1m3/h의 H2O 유량에서, NaHCO3의 농도는 664.36kg/m3(=1409.1kg/h / 2.121m3/h)이고 흡수액을 40℃까지 냉각할 경우 537.36kg/m3(664.36kg/m3 - 127kg/m3)의 NaHCO3 침전물이 생성된다.
한편, 앞서 언급한 선박의 온실가스 배출 저감장치의 구성을 구비한 선박을 제공할 수 있다.
위와 같이, 제1 내지 제4순환로에 의해, 청수와 NaOH(aq)가 주입된 세정수와 저농도 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)를 순환시켜 공급하여서, CO2를 일부 제거하고, 청수를 재사용하여 청수의 소모량을 최소화할 수 있다.
따라서, 전술한 바와 같은 선박의 온실가스 배출 저감장치의 구성에 의해서, 별도의 CO2 흡수액 원료 사용없이, 해수를 전기분해하여 생성된 NaOH(aq)을 통해 CO2를 흡수 제거하여 제거비용을 절감하며, NaOH(aq)가 주입되어 순환하는 세정수에 의해 CO2를 일부 제거하여 CO2 제거부의 장치 크기 및 부피를 줄일 수 있으며, Na의 환원과 산화를 통해 전력을 생산하여 전기분해에 사용하는 전력소모량을 절감할 수 있으며, 청수를 재사용하여 청수의 소모량을 최소화하며, NOX와 SOX와 CO2를 동시에 제거하며, Na2CO3와 NaHCO3를 불순물이 적은 고체상태로 저장할 수 있고, SOX를 제거한 후 CO2를 제거하여 배기가스에 잔존하는 SOX로 인한 부반응을 억제하여서 CO2 용해도와 CO2 제거효율성을 높일 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 : NaOH 생성부 111 : 제1전극
112 : 제2전극 113 : 제3전극
114 : 제1전해질막 115 : 제2전해질막
116 : 정류기 117 : 로더
118 : 에너지 저장유닛 119 : 에너지 저장유닛
120 : 이산화탄소 흡수타워 121 : CO2 제거부
122 : NOX 흡수부 123 : SOx 흡수부
124 : EGE 130 : 침전물 분리부
131 : 흡수액 드레인탱크 132 : 흡수액냉각기
133 : 멤브레인필터 134 : 고압펌프
140 : 수처리부 141 : 세정수드레인탱크
142 : 이송펌프 143 : 중화제 주입기
144 : 수처리장치 145 : 슬러지저장탱크
150 : 세정수 공급부 151 : 세정수 펌프
152 : 세정수냉각기 153 : 세정수조절밸브
160 : 증기 생성부 161 : 보조보일러
162 : 보일러수 순환수펌프 163 : 케스케이드탱크
164 : 공급펌프 165 : 조절밸브

Claims (28)

  1. 해수와 청수를 각각 전기분해하여 NaOH(aq)를 생성하고, Na의 환원과 산화를 통해 전력을 생산하여 전기분해를 위해 인가되는 일정 비율의 전력을 공급하는, NaOH 생성부;
    선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스와 상기 NaOH 생성부로부터의 NaOH(aq)를 반응시켜서, CO2를 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)로 전환하여 배기가스로부터 CO2를 흡수제거하는 CO2 제거부와, 상기 CO2 제거부의 하단에 형성되어 배기가스와 NaOH(aq)가 주입되어 순환하는 세정수를 반응시켜 냉각하면서 SOx를 용해시켜 제거하고 CO2를 일부 흡수하는 SOx 흡수부를 포함하는 이산화탄소 흡수타워;
    상기 CO2 제거부로부터 CO2 흡수제거 후 배액되는 흡수액을 침전물과 청수로 분리하는, 침전물 분리부; 및
    상기 SOx 흡수부로부터 배기가스를 세정한 후 배액되는 세정수를 수처리하는 수처리부;
    상기 수처리부로부터의 세정수를, 상기 SOx 흡수부로 세정수를 공급하는 제1순환로에 의해 순환시키는 세정수 공급부;를 포함하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 흡수타워는, 상기 선박 엔진으로부터 배출되는 배기가스의 NOx를 흡수하여 제거하는 NOx 흡수부를 더 포함하고,
    상기 NOx가 제거된 배기가스를, 순환하는 세정수와 반응시켜 냉각하면서 CO2를 일부 흡수하고, 상기 냉각된 배기가스와 상기 NaOH 생성부로부터의 NaOH(aq)를 반응시켜서, CO2를 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)로 전환하여 배기가스로부터 CO2를 흡수제거하는 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 NOX 흡수부와 상기 SOX 흡수부 사이에 형성되어 상기 선박 엔진의 폐열과 보일러수를 열교환시키는 EGE를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 NOX 흡수부와 상기 SOX 흡수부와 상기 CO2 제거부와 상기 EGE는, 통합되어 단일 흡수타워 형태로 구성되거나, 병렬 배치된 복수개의 흡수타워 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 세정수 공급부는, 상기 침전물 분리부로부터의 청수를 상기 SOX 흡수부로 직접 공급하거나, 상기 침전물 분리부 또는 상기 SOx 흡수부로부터 상기 수처리부로 집액된 세정수에 NaOH(aq)를 주입하여 상기 제1순환로를 통해 상기 SOX 흡수부로 순환시키고,
    상기 SOx 흡수부는 순환하는 세정수에 의해 배기가스의 CO2를 일부 흡수하여 제거하는 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 세정수 공급부는,
    NaOH(aq)가 주입된 세정수를 펌핑하여 공급하는 세정수 펌프와, 냉각수 또는 해수를 사용하여 상기 SOx 흡수부로 공급되는 세정수를 일정 온도로 냉각하는 세정수냉각기와, 배기가스의 양에 따라 상기 SOx 흡수부로 공급되는 세정수의 유량을 조절하는 세정수조절밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 SOX 흡수부는,
    세정수를 하방으로 분사하는 다단의 세정수 분사노즐과, 상기 세정수가 배기가스 유입관으로 역류하지 않도록 상기 배기가스 유입관을 커버하는 우산형태의 격벽을 포함하고,
    상기 세정수 분사노즐 하부에 형성되어, 세정수가 배기가스의 SOX 및 일부 CO2를 용해시키도록, 배기가스가 통과하는 유로가 형성된 다단의 다공성 상판, 또는 상기 세정수 분사노즐 하부에 형성되어 세정수와 배기가스가 접촉하도록 하는 충진재가 채워진 흡수탑을 선택적으로 포함하여 SOX 및 일부 CO2를 흡수 제거하는 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 SOX 흡수부는, 상기 SOX 흡수부의 전단부에 배치되어 세정수 분사 전 CO2농도를 측정하는 제1 CO2센서와, 상기 SOX 흡수부의 후단부에 배치되어 세정수 분사 후 CO2농도를 측정하는 제2 CO2센서와, 상기 SOX 흡수부의 후단부에 배치되어 세정수 분사 후 SOX농도를 측정하는 제1 SOX센서와, 상기 CO2 제거부의 후단부에 배치되어 CO2를 흡수 제거한 후 최종 배출되는 SOX의 농도를 측정하는 제2 SOX센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 SOX센서와 상기 제1 CO2센서에 의한 전단부의 제1 SOX/CO2비율과,
    상기 제1 SOX센서와 상기 제2 CO2센서에 의한 후단부의 제2 SOX/CO2비율과,
    상기 제2 SOX센서와 상기 제2 CO2센서에 의한 최종단의 제3 SOX/CO2비율을 상호 비교하여, 최종 배출되는 배기가스의 소정의 SOX/CO2비율 배출기준 초과 여부에 따라, 세정수 분사량을 조절하여 상기 배출기준을 충족하도록 하는 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 NaOH 생성부는, NaCl이 포함된 해수를 전기분해하여 Na+를 생성하는 제1전극과, 상기 제1전극으로부터 이동된 Na+가 환원되어 Na 금속형태로 축적되는 제2전극과, 청수를 전기분해하여 OH-를 생성하는 제3전극과, 상기 제1전극의 해수 전기분해영역과 상기 제2전극의 유기액체금속영역을 분리하고 Na+를 상기 제2전극 방향으로 이동시키는 고체전해질의 제1전해질막과, 상기 제2전극의 유기액체금속영역과 상기 제3전극의 청수 전기분해영역을 분리하고 Na+를 상기 제3전극 방향으로 이동시키는 고체전해질의 제2전해질막과, 상기 제1전극 및 상기 제2전극으로 정전류를 인가하는 정류기와, 상기 제2전극 및 상기 제3전극과 각각 전기적으로 연결되어 Na의 산화를 통해 e-를 포집하여 전력을 생산하는 로더와, 상기 제1전극 및 상기 제2전극으로 전류를 인가하고, 상기 로더로부터 전력을 공급받아 저장하는 에너지 저장유닛과, 상기 제3전극의 전기분해영역에서 생성된 NaOH(aq)을 저장하는 NaOH 저장탱크와, 전기분해시 생성되는 Cl2(g)와 H2(g)를 외부 안전영역으로 각각 배출하는 블로워와, 상기 NaOH 저장탱크로부터 상기 CO2 제거부로 NaOH(aq)를 공급하는 NaOH 이송펌프와, 상기 제1전극의 해수 전기분해영역으로 해수를 공급하는 해수펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 NaOH 생성부는 적어도 둘 이상 병렬로 구성되어 NaOH(aq)을 생성하는 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 NaOH 생성부는,
    상기 제1전극의 해수 전기분해영역의 전기전도도를 측정하여 NaCl의 농도를 파악하는 전기전도도 센서와, 상기 NaCl 농도에 따라 해수 유입량을 조절하는 해수조절밸브와, 상기 제3전극의 청수 전기분해영역의 pH를 측정하는 pH센서와, 상기 pH에 따라 청수의 유입량을 조절하는 청수조절밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
  13. 제 2 항에 있어서,
    상기 NOX 흡수부는, 요소수저장탱크로부터의 요소수를 요소수 공급펌프를 통해 요소수분사노즐로 공급하여서, NOX와 반응시켜 N2로 환원시켜 NOX를 제거하는 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 CO2 제거부는,
    상단에 형성되어 NaOH 이송펌프에 의해 이송된 NaOH(aq)를 분사하는 제1NaOH 분사노즐과, NaOH(aq)와 CO2를 접촉시켜 CO2를 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)와 H2O의 반응물로 전환하는 충진재와, 상기 충진재가 채워진 흡수탑의 구간마다 다단으로 형성되어 CO2제거반응으로 인한 발열을 냉각하는 쿨링재킷과, 상기 제1NaOH 분사노즐 상단에 굴곡진 다판 형태로 형성되어 NaOH(aq)를 상기 충진재 방향으로 드랍시키는 미스트 제거판과, 상기 반응물이 하단의 배기가스 유입홀로 역류하지 않도록 형성된 격벽과, 상기 격벽 상단에 형성되어 상기 배기가스 유입홀을 커버하여 상기 반응물의 유입을 차단하는 우산형태의 차단판으로 구성되는, 제1단 제거부;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출저감장치.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 CO2 제거부는,
    상단에 형성되어 NaOH(aq)와 상기 반응물을 분사하는 제2NaOH 분사노즐과, 상기 제1단 제거부로부터 NaOH(aq)와 상기 반응물을 상기 제2NaOH 분사노즐로 이송하는 흡수액 이송펌프와, NaOH(aq)와 CO2를 접촉시켜 CO2를 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)의 반응물로 전환하는 충진재와, 상기 충진재가 채워진 흡수탑의 구간마다 다단으로 형성되어 CO2제거반응으로 인한 발열을 냉각하는 쿨링재킷과, 상기 제2NaOH 분사노즐 상단에 굴곡진 다판 형태로 형성되어 NaOH(aq)를 상기 충진재 방향으로 드랍시키는 미스트 제거판과, 상기 반응물이 하단의 배기가스 유입홀로 역류하지 않도록 형성된 격벽과, 상기 격벽 상단에 형성되어 상기 배기가스 유입홀을 커버하여 상기 반응물의 유입을 차단하는 우산형태의 차단판과, 하단에 집액된 흡수액을 배출하는 흡수액 배출구로 구성되는, 제2단 제거부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 CO2 제거부는, NaOH(aq)의 분사 초기시에는 OH-에 의해, [화학식 1]에 의해 배기가스의 CO2와 NaOH(aq)를 반응시켜 Na2CO3(aq)로 전환하는 제1흡수단계, 및 분사 초기 이후 OH-의 소진시에는 [화학식 2]에 의해 NaHCO3(aq)로 전환하는 제2흡수단계에 의해 CO2를 흡수하여 제거하는 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
    [화학식 1]
    2NaOH(aq) + CO2(g) -> Na2CO3(aq) + H2O(l)
    [화학식 2]
    Na2CO3(aq) + H2O(l) -> 2NaHCO3(aq)
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 CO2 제거부는, 상기 제1단 제거부 및 상기 제2단 제거부의 CO2 흡수단계에서의 pH변화를 각각 감지하는 pH센서를 더 포함하고, 상기 pH센서에 의해 모니터링된 pH에 따라 상기 NaOH 이송펌프 또는 상기 흡수액 이송펌프에 의한 이송량을 결정하여 Na2CO3가 침전되지 않도록 일정 용해도를 유지하도록 하는 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
  18. 제 15 항에 있어서,
    상기 CO2 제거부는, 상기 제1단 제거부의 쿨링재킷과 상기 제2단 제거부의 쿨링재킷은 각 상기 흡수탑의 내부온도를 80℃ 내지 100℃를 유지하도록 냉각하는 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 NaOH 생성부로부터 상기 CO2 제거부로 이송되는 NaOH(aq)의 온도를 10℃ 내지 20℃ 낮춰 공급하도록 냉각하는 수용액냉각기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
  20. 제 15 항에 있어서,
    상기 제1단 제거부 및 상기 제2단 제거부 중 어느 하나 이상의 충진재는, 단위 부피당 접촉면적이 크도록 설계된, 증류 칼럼 패킹이 다단으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    다단으로 구성된 상기 증류 칼럼 패킹 사이에 용액 재분배기가 더 형성되는 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 침전물 분리부는,
    상기 이산화탄소 흡수타워의 상기 CO2 제거부로부터 CO2 흡수제거 후 배액되는 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)와 H2O의 흡수액을 저장하는 흡수액 드레인탱크와, 상기 흡수액을 냉각하여 Na2CO3(s)와 NaHCO3(s)의 침전물로 전환하는 흡수액냉각기와, 상기 흡수액을 침전물과 청수로 분리하는 멤브레인필터와, 상기 흡수액을 상기 멤브레인필터로 고압이송하는 고압펌프를 포함하고,
    상기 분리된 침전물은 슬러리 또는 고체 상태로 저장하거나 선외배출하고, 상기 분리된 청수와 저농도 Na2CO3(aq)와 NaHCO3(aq)는 상기 NaOH 생성부, 상기 SOx 흡수부 및 상기 수처리부 중 어느 이상으로 공급하는 제2순환로를 통해 순환시키는 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
  23. 제 3 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 조절밸브가 포함된, 증기 생성부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
  24. 제 1 항에 있어서,
    상기 수처리부는,
    상기 SOx 흡수부로부터의 세정수 또는 상기 침전물 분리부로부터의 청수를 저장하는 세정수드레인탱크, 상기 세정수드레인탱크로부터 이송펌프에 의해 이송된 세정수의 선외배출조건을 충족하도록 탁도를 조절하는 필터링유닛과 pH를 조절하는 중화제 주입기를 구비하는 수처리장치, 및 고형의 배출물을 분리 저장하는 슬러지저장탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 중화제 주입기는 상기 NaOH 생성부로부터 공급되는 NaOH(aq)를 세정수에 주입하는 NaOH 주입기인 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 수처리장치에 의해 수처리된 청수를, 상기 NaOH 생성부로 공급하는 제3순환로에 의해 순환시키는 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
  27. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1전극의 해수 전기분해영역의 해수 전기분해에 따라 생성된 청수를, 상기 제1전극의 해수 전기분해영역으로부터 상기 제3전극의 청수 전기분해영역으로 청수공급펌프를 통해 공급하는 제4순환로에 의해 순환시키는 것을 특징으로 하는, 선박의 온실가스 배출 저감장치.
  28. 제 1 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 기재된 선박의 온실가스 배출 저감장치를 구비한 선박.
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