KR20220097723A - 해수 또는 염수 전기분해를 이용한 고효율 배연 미세먼지, NOx, SOx 및 CO 동시 제거 시스템 - Google Patents

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Abstract

본원발명은 배가스 미세먼지, NOx, SOx, CO동시 저감 시스템에 관한 것으로 보다 상세하게는 부생수소를 이용하여 직류 전기를 생산하는 전기 생산부(100), 외부 전원과 직류 전기 생산부 양쪽으로부터 충전이 가능한 전기 저장부(160), 해수 또는 염수를 전기 분해하는 전기 분해부(200), 상기 전기 분해부(200)의 양극에서 공급받은 산화제를 분사하여 NO 가스를 산화시키는 1차 스크러버(300) 및 상기 전기 분해부(200)의 음극에서 공급받은 염기성 수용액을 배가스 산화부(300)에서 공급받은 NO2, SO2, 및 CO를 최종 흡수하는 2차 스크러버(400);를 포함하고, 상기 전기 분해부(200)는 상기 전기 생산부(100)에서 생산되는 전기를 보조 전력으로 이용하며, 상기 배가스 2차 스크러버(400)는 상기 전기 분해부(200)에서 공급되는 흡수제를 분사하여 NO2, SO2, 및 CO 흡수하는 것을 특징으로 하는 배가스 미세먼지, NOx, SOx 및 CO 동시 저감 시스템에 관한 것이다.

Description

해수 또는 염수 전기분해를 이용한 고효율 배연 미세먼지, NOx, SOx 및 CO 동시 제거 시스템 {A high-efficient simultaneous removal system of multi-pollutants such as fine dust, nitrogen oxide, sulfur oxide, and carbon monoxide in flue gas using seawater or salt water electrolysis}
본원발명은 해수 또는 염수 전기분해를 이용하여 고효율 배연 미세먼지, NOx, SOx, 및 CO 동시 제거 시스템에 관한 것이다. 구체적으로 해수 전기분해를 통해 얻어지는 산화제와 흡수제를 이용하여 배가스 내 NO와 CO를 NO2와 CO2로 산화시키고, 이 산화물과 SOx를 흡수, 제거할 수 있을 뿐만 아니라, 미세먼지도 제거가 가능한 고효율 배연 미세먼지, NOx, SOx, 및 CO 동시 제거 시스템에 관한 것이다.
최근 환경에 대한 관심이 고조되면서 화력발전소, 소각로, 디젤엔진 등 다양한 오염원에서 발생하는 폐가스는 대기오염의 원인으로 지목되고 있다. 현재 대기 오염 물질 중 가장 많은 비율을 차지하고 있는 것은 CO, NOx, SOx, dioxine, VOC, 분진 등이고, 상기 물질들은 대기로 배출되기 전에 제거되어야 한다.
황산화물은 이산화황(SO2) 또는 삼산화황(SO3)을 통칭하여 SOx로 표시한다. 상기 이산화황을 제거하기 위한 습식 또는 건식 공정이 있으며, 배가스 온도를 필요 이상으로 떨어뜨리는 습식보다는 건식공정이 운전 비용 측면에서 효율적이다. 다만, 적은 양의 용액을 분사하여 배가스 온도를 필요 이상으로 떨어뜨리지 않는다면 습식공정 또한 효율적으로 수행 가능하다. 일반적으로 물을 세정액으로 사용하는 경우에는 배가스 내에 존재하는 다수의 유해물질 중에 황산화물과 입자상 물질을 제거하는 효과는 뛰어나지만, 질소산화물을 제거하는 효과가 뛰어나지 못하다.
질소산화물은 고온 연소 과정에서 일반적으로 생성되어 외부로 배출되는데, 일산화질소(NO), 삼산화이질소(N2O3), 이산화질소(NO2) 등을 포함하여 통상적으로 NOx로 나타낸다. 질소산화물은 공기중에서 쉽게 산화하여 NO2로 변하고, 물에 녹으면 질산(HNO3)이 되므로 황산화물과 마찬가지로 산성비의 발생원이 된다. 일반적으로 배가스 중 NOx는 90~95% 이상이 NO로 존재하고 나머지는 NO2로 이루어져 있다. 배가스 중의 일산화질소를 제거하는 공정으로는 선택적 촉매환원법 및 습식 스크러버가 있다. 선택적 촉매 환원법 및 습식 스크러버는 전체 질소산화물(NOx) 중에 이산화질소(NO2)의 비율이 커질수록 제거 성능이 향상되는 특징이 있다. 따라서, 대기오염 방지 설비의 성능을 향상시키기 위하여 일정 부분의 일산화질소를 이산화질소로 산화시키는 시도가 진행되고 있다.
미세먼지는 인체에 유입되어 호흡기 질환을 유발시킬 뿐만 아니라 식물의 성장을 억제하는 등 환경에 유해한 영향을 미친다. 이러한 대기오염물질 중 특히 유해한 것으로 알려져 있는 지름이 2.5 ㎛보다 작은 미세먼지(PM2.5)를 관리하기 위하여, 미환경보호국(EPA)과 유럽연합(EU)은 2013년, 우리나라는 2015년부터 법을 개정하여 이들 물질에 대한 환경 규제를 강화 실시하고 있는 상황이다. 중력집진, 관성력 집진, 여과집진, 세정집진, 전기집진 기술들은 일반적으로 알려져 있는 집진 기술이다. 중력집진기술은 입자가 갖는 중력을 이용하여 공기가 이동하면서 자연적으로 입자를 침전시키는 기술이고, 관성력 집진기술은 기체의 흐름 방향을 급변시켜 전환점 부분에서 관성에 의하여 먼지를 집진하는 원리를 이용한 기술이다.
특허문헌1은 연소로에서 발생하는 배가스 내의 먼지를 제거하는 1차 집진기; 펠렛화된 SCR 촉매가 적층된 금속 필터를 구비하고, 상기 배가스에 대하여 집진, 탈황, 탈질 공정이 수행되는 단일 반응기 모듈; 및 암모니아 가스 또는 요소를 배가스에 분사하기 위한 환원제 공급 장치를 포함하고, 상기 환원제 공급 장치는 단일 반응기 모듈 내에 존재하는 NH3와 NOx의 몰비가 0.5 내지 1.5가 되도록 환원제를 공급하는 것인 일체형 배가스 처리 장치를 개시 하였다. 그러나 다양한 화학물질을 다량 사용해야 함으로 공정이 복잡할 뿐만 아니라 2차 오염을 유발하는 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제2093799호 ('특허문헌 1')
본원발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 미세먼지, NOx, SOx, 및 CO 동시에 제거할 수 있는 고효율 배연 미세먼지, NOx, SOx, 및 CO 동시 제거 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본원발명에서는 해수 또는 염수 전기분해를 통하여 생성된 산화제를 이용하여 CO를 CO2로 산화시키고, NO를 NO2로 산화시켜 NOx 제거율을 증가시키는 고효율 배연 미세먼지, NOx, SOx, 및 CO 동시 제거 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본원발명에서는 해수 또는 염수 전기분해를 통해 생성된 흡수제를 이용하여 상기 산화제에 의해 산화된 산화물과 SOx 흡수율 및 제거율을 증가시키는 고효율 배연 미세먼지, NOx, SOx, 및 CO 동시 제거 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본원발명에서는 해수 또는 염수 전기분해를 통하여 생성된 수소를 연료전지에 공급하여 생산된 전기를 해수 전기분해용 전원으로 사용하는 고효율 배연 미세먼지, NOx, SOx, 및 CO 동시 제거 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본원발명은 부생수소를 이용하여 직류 전기를 생산하는 전기 생산부(100), 외부 전원과 직류 전기 생산부 양쪽으로부터 충전이 가능한 전기 저장부(160), 해수 또는 염수를 전기 분해하는 전기 분해부(200), 상기 전기 분해부(200)의 양극에서 공급받은 산화제를 분사하여 NO 가스를 산화시키는 1차 스크러버(300) 및 상기 전기 분해부(200)의 음극에서 공급받은 염기성 수용액을 배가스 산화부(300)에서 공급받은 NO2, SO2, 및 CO를 최종 흡수하는 2차 스크러버(400)를 포함하고, 상기 전기 분해부(200)는 상기 전기 생산부(100)에서 생산되는 전기를 보조 전력으로 이용하며, 상기 배가스 2차 스크러버(400)는 상기 전기 분해부(200)에서 공급되는 흡수제를 분사하여 NO2, SO2, 및 CO 흡수하는 것을 특징으로 하는 배가스 미세먼지, NOx, SOx 및 CO를 동시 저감 시스템이다.
본원발명에 따른 배가스 미세먼지, NOx, SOx, 및 CO 동시 저감 시스템의 상기 전기 생산부는 상기 전기 분해부에서 공급되는 수소를 이용할 수 있다.
본원발명에 따른 배가스 미세먼지, NOx, SOx, 및 CO 동시 저감 시스템의 상기 전기 생산부에 생산된 전기는 해수 또는 염수 전기 분해부로 공급될 수 있다.
본원발명에 따른 배가스 미세먼지, NOx, SOx, 및 CO 동시 저감 시스템의 상기 전기 생산부는 생산된 전기를 저장하는 배터리 모듈을 포함할 수 있다.
본원발명에 따른 배가스 미세먼지, NOx, SOx, 및 CO 동시 저감 시스템의 상기 배가스 흡수부(400)는 알칼리염기 수용액에 해수 또는 염수를 혼합하여 분사하여 배가스를 흡수할 수 있다.
본원발명은 또한 상기 과제의 해결 수단을 조합할 수 있는 가능한 조합으로도 제공이 가능하다.
본원발명에 따른 고효율 배연 미세먼지, NOx, SOx, 및 CO 동시 제거 시스템 및 그 방법은 해수 또는 염수를 전기분해하여 발생하는 산화제를 이용하여 배가스 중 NO를 NO2로 산화시켜서 NOx, SOx 제거 효율을 향상시킬 수 있다.
또한 본원발명에서는 추가적인 화학물질 사용이 없이 미세먼지, NOx, SOx, 및 CO 동시에 제거할 수 있어 운영비용을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 2차오염을 최소화 할 수 있는 이점이 있다.
또한, 해수 또는 염수를 전기분해하여 발생하는 수소를 이용하여 연료전지 발전하여 생산되는 전기를 해수 또는 염수 전기분해반응에 사용함으로써 전체 공정의 전기 사용량을 현저히 낮출 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본원발명의 일 실시예에 따른 배가스 미세먼지, NOx, SOx, 및 CO 동시 저감 시스템 블럭도이다.
도 2는 본원발명의 일 실시예에 따른 배가스 미세먼지, NOx, SOx, 및 CO 동시 저감 시스템 개요도이다.
본 출원에서 "포함한다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본원발명에 따른 배연 미세먼지, NOx, SOx, 및 CO 동시 제거 시스템에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.
도 1은 본원발명의 일 실시예에 따른 배가스 미세먼지, NOx, SOx, 및 CO 동시 저감 시스템 블록도이고, 도 2는 본원발명의 일 실시예에 따른 배가스 미세먼지, NOx, SOx, 및 CO 동시 저감 시스템 개요도이다.
도 1을 참조하면, 본원발명에 따른 배연 미세먼지, NOx, SOx, 및 CO 동시 제거 시스템은 주로 직류 전기 생산부(100), 해수 또는 염수 전기 분해부(200), 배가스 산화부(300), 배가스 흡수부(400) 및 제어부(미도시)를 포함할 수 있다. 제어부는 후술 각각의 설비들과 전기적으로 연결되어 유량 또는 설비의 온/오프를 제어할 수 있다.
우선 직류 전기 생산부(100)에 관해서 상세하게 설명하기로 한다.
본원발명에서 전기 생산부(100)는 공기 공급 유닛(110), 연료전지모듈(120), 수소 공급 유닛(130), 수소 저장부(140), 컨버터(150) 및 전기 저장부(160)를 포함하여 구성될 수 있다.
연료전지모듈(120)은 공기 내 산소와 후술 전기 분해부(200)으로부터 공급된 부생 수소를 공급받아 분리막 좌우에 도포되어 있는 촉매를 통해 수소 프로톤과 산소 이온으로 변환시켜 직접 직류 전류를 생성할 수 있다. 여기서 연료전지모듈(120)은 50℃ ~ 200℃에서 운전되며 소용량 출력에 적합한 고분자 전해질형 연료전지로 형성될 수 있다. 고분자 전해질형 연료전지는 수소이온교환 특성을 갖는 고분자막을 전해질로 사용하는 연료전지로, 발전효율이 높고 출력밀도가 크며 부하변화에 대한 응답특성이 빠른 장점이 있다. 여기서 저온에서 운전이 가능하다면 연료전지모듈(120)이 고분자 전해질형 연료전지로 형성되는 것으로 한정 되지 않는다. 본원발명에서 연료전지모듈(120)은 상세하게는 인산형 연료전지로 형성될 수도 있다. 인산형 연료전지는 기술적 성숙도가 우수하고, 장시간 안정적으로 운전이 가능할 뿐만 아니라, 상대적으로 저렴한 전해질을 사용함으로, 상업용 연소시설에서 배출되는 배가스를 장시간 처리하는데 유리하다.
연료전지모듈(120)은 산소를 포함하는 공기와 전해조에서 부생되는 수소를 공급받아 제어부의 배터리를 충전할 수 있을 정도의 전압과 DC 전류를 생산함으로써 전해조를 운전할 때 외부로부터 공급하는 전력의 AC-DC 혹은 DC-DC 컨버팅 손실을 줄여줄 수 있다. 여기서, 공기는 일반적으로 자연 상태에서 얻을 수 있는 자연적인 공기를 사용할 있고, 산소 농도가 자연공기보다 낮거나 높을 수도 있으며, 연료전지모듈(120)의 운전에 필요한 산소를 포함하는 다양한 혼합가스를 사용할 수도 있으며, 특히 한정되지 않는다.
수소는 후술 전기 분해부(200)에서 생산되어 소정의 압력으로 압축된 후, 수소 저장조(140)에 공급되어 저장된다. 수소 저장부(140)는 하나 이상 마련될 수 있고, 수소 공급 유닛(130)을 통해 상기 연료전지모듈(120)에 공급된다. 수소 공급은 재순환 폐루프로 구성되며, 중간에 수소 기체 내 수분이 증가할 경우 별도로 물을 빼내는 퍼지 탱크가 삽입되어 있다.
제어부(미도시)는 수소 저장부(140)의 수소 연료량, 상기 연료전지모듈(120)로 공급되는 수소 연료량 및 산소량을 제어하여 최적의 전기 생산시스템을 구성하도록 한다.
연료전지모듈(120)에는 연료극(미도시)과 공기극(미도시)이 형성될 수 있다. 상기 연료극은 후술 전기 분해부(200)로부터 공급된 수소가 공급되며, 연료전지모듈(120)의 일 측에 형성될 수 있다. 상기 공기극은 산소 또는 산소를 포함하는 공기 또는 산소를 포함하는 배기가스가 공급되며, 연료전지모듈(120)의 타 측에 형성될 수 있다. 상기 연료극에 공급된 수소와 상기 공기극에 공급된 산소는 화학적으로 반응하여 전기를 생성하며, 수소와 산소가 반응하는 반응식은 다음과 같다.
연료극(Anode) 반응: H2 → 2H++2e-
공기극(Cathode) 반응: 1/2O2 + 2H++2e- → H2O
전체반응: H2 +1/2O2 → H2O
상기 연료극에서는 연료인 수소(H₂)의 전기적 산화가 일어나며, 수소이온(2H+)은 이온전도막을 통해 전자(2e-)는 외부의 전선을 통해 상기 공기극으로 이동한다. 수소이온(2H+)은 상기 연료극과 상기 공기극 사이에 위치하는 고분자막을 통하여 상기 연료극에서 상기 공기극으로 이동하고, 전자(2e-)는 상기 연료극과 상기 공기극을 외부로 이어주는 전기회로를 통해 상기 연료극에서 상기 공기극으로 이동한다. 상기 공기극에서는 산화제인 산소(O₂)의 전기화학적 환원이 일어나며, 최종적으로 산소(O₂)는 수소이온(2H+)과 전자(2e-)와 반응하여 물(H₂O)로 변한다. 이와 동시에 직류전력이 발생하며, 부수적으로 열도 발생한다.
또한 연료전지에서 발생된 전력은 컨버터(150)를 통하여 전기 저장부(160)에 전기를 저장하였다가 후술 전기 분해부(200)의 보조 전원으로 사용될 수 있다. 여기서 전기 저장부(160)는 배터리 모듈, 배터리 팩 등 전기를 저장할 수 있다면 특히 한정되지 않는다.
다음은 전기 분해부(200)에 관해서 상세하게 설명하기로 한다.
본원발명에서 전기 분해부(200)는 전기분해 유닛(210) 및 공급 유닛(220)을 포함하여 구성될 수 있다.
여기서 전기분해 유닛(210)에 필요한 전기는 배터리를 통해 항상 일정하게 공급이 되며, 배터리를 충전하기 위한 전원은 일반적인 상용전원을 사용할 수 있고, 전기 생산부(100)에서 생산된 전기를 보조 전원으로 사용할 수 있다.
본원발명에서 제어부(미도시)는 전기 생산부(100)에서 생산되는 전력량에 따라 상용전원 전력을 조정, 정류하여 전기분해 유닛(210)에 필요한 전력량을 공급함과 동시에 배가스 유량, 배가스 내 미세먼지, NOx, SOx, 및 CO 농도, 해수 내 염화나트륨 농도 등을 각 센서(미도시)들을 이용하여 측정, 설정 값들을 통하여 제어가 가능하도록 구성한다.
전기분해 유닛(210)은 내부에 수용공간이 형성된 통 또는 챔버로, 공급관(미도시)을 통해 공급된 해수 또는 염수가 수용된다.
본원발명에 따른 해수 또는 염수 전기분해를 이용한 고효율 배연 미세먼지, NOx, SOx, CO 동시 제거 시스템은 선박과 같은 바다와 인접한 지역에 위치하여 해수를 용이하게 사용가능할 때는 해수를 이용하여 전기분해를 하고, 바다와 멀리 떨어진 내륙에 위치하는 설비에서는 염수를 사용할 수 있다.
전기분해 유닛(210)은 일 측에 상기 공급관으로부터 분지된 유입관이 연결되어 해수 또는 염수를 공급받으며, 상기 유입관 상에는 적어도 하나의 펌프(미도시)가 설치되어 해수 또는 염수를 전기분해 유닛(210)으로 원활하게 공급할 수 있다. 전기분해 유닛(210)은 내부에 양전극판(212), 음전극판(214) 설치된다. 이때 양전극판과 음전극판은 백금, 이리듐, 스테인레스 스틸, 산화납(PbO2), 산화백금(PtO2), 산화팔라듐(PdO2), 산화이리듐(IrO2), 산화루테늄(RuO2), 산화망간(MnO2), 탄소강, 금, 은, 동, 흑연, 유리질 카본 재질로 된 것이거나 혹은 티타늄에 산화납(PbO2), 산화백금(PtO2), 산화팔라듐(PdO2), 산화이리듐(IrO2), 산화루테늄(RuO2) 또는 산화망간(MnO2) 등을 도금한 것과 같이 해수 및 염수의 부식에 강한 재료로 구성되어 있다.
양전극판(212)과 음전극판(214)은 전기분해 유닛(210) 내부에 해수 또는 염수의 유동 방향으로 배치되며, 일정 간격 이격되어 서로 마주보며 배치된다. 양전극판(212)과 음전극판(214) 사이에는 친수성 다공질 막으로 형성된 이온격막(216)이 설치되어, 전기분해 유닛(210)는 내부가 양전극판(212)이 위치하는 제1 영역(미도시)과 음전극판(214)이 위치하는 제2 영역(미도시)으로 분할될 수 있다. 그러나, 이온격막(216)이 친수성 다공질 막으로 형성되는 것으로 한정될 것은 아니며, 다양한 구조의 막으로 변형되거나 필요에 따라 이온격막(216)이 생략될 수도 있다. 이러한 양전극판(212)과 음전극판(214)은 각각 케이블을 통해 정류기(미도시)와 전기적으로 연결된다.
상기 정류기는 양전극판(212)과 음전극판(214)에 각각 정류된 전류를 공급한다. 상기 정류기는 전기분해 유닛(210)의 외부에 설치될 수 있으나 이에 한정되지 아니며, 예를 들어, 상기 정류기는 전기분해 유닛(210)의 내부에 설치될 수도 있다.
전기분해 유닛(210) 내부에서는 상기 정류기로부터 공급된 전류에 의해 해수 또는 염수에 포함된 염화나트륨(NaCl)이 전기분해 되며, 이로 인해, 양전극판(212)에서는 산화 반응이 일어나면서 염소가스(Cl₂)가 발생되고, 음전극판(214)에서는 수소가스(H₂)와 수산기(OH-)가 발생된다. 이 때, 염소가스(Cl₂)와 수산기(OH-)가 화학반응을 일으켜 산화력이 강한 차아염소산나트륨(NaOCl)과 차아염소산(HOCl)을 생성한다. 전기분해 유닛(210) 내부에는 생성된 산화제 또는 살균제 또는 중화제의 농도를 측정하는 농도측정센서(미도시)가 마련되므로, 정류기(미도시)는 농도측정센서에서 측정된 농도 값에 연계하여 공급되는 전류의 세기를 조절할 수 있다.
전기분해 유닛(210) 내부에서 발생하는 반응은 주로 아래와 같다.
양극 (anode)
2Cl- + H2O → HOCl (aq) + HCl (aq)
음극 (cathode)
2H+ + 2e- → H2 (g)
Na+ + OH- → NaOH (aq)
본원발명에서 상기 양극에서 생성되는 HOCl 용액 또는 NaOCl 용액은 배가스 내에 NO 및/혹은 CO를 산화시킬 수 있는 후술 산화제이고, 음극에서 생성되는 NaOH 용액은 후술 흡수제이다.
다음은 산화부(300)에 관해 상세하게 설명한다.
본원발명에서 해수 또는 염수를 전기 분해부(200)에서 전기분해하여 발생한 흡수제는 차아염소산(HOCl) 또는 차아염소산나트륨(NaOCl)일 수 있고, 상기 차아염소산(HOCl) 또는 차아염소산나트륨(NaOCl)을 산화제로 칭한다. 상기 산화제는 배관을 통해 산화부(300)에 액상으로 이송시킨 후 산화 반응기 내에서 미립자화하여 분사할 수 있다. 본원발명에서 산화부(300)는 1차 스크러버일 수 있다.
본원발명에서는 전기 분해부(200)에서 해수 또는 염수 전기분해를 통해 발생한 산화제인 차아염소산(HOCl) 또는 차아염소산나트륨(NaOCl)을 별도로 분리하여 산화부(300)에 공급할 수 있다.
본원발명에서 산화부 분사 유닛(340)을 통해 산화 반응기(360)에 상기 산화제를 분사하여 배기가스에 포함된 일산화질소를 이산화질소로 산화시킬 수 있다. 산화부 분사 유닛(340)은 산화 반응기(360) 내부의 상부측 및/또는 중간 위치에 위치할 수 있고, 산화부 분사 유닛(340)의 분사구(미도시)는 하향 위치할 수 있다. 산화부 분사 유닛(340)은 내부에 산화제 용액이 흐르는 배관일 수 있고, 일자형 배관 또는 환형 배관으로 구성될 수 있다.
산화부 분사 유닛(340)의 하부에는 산화부 가스 분산판(330)이 위치하여 공급되는 배가스가 산화 반응기(360)에서 균일한 유동장을 형성하여 산화부 가스 입구(310)을 통해 유입되는 배가스 내 일산화질소와 산화부 분사 유닛(340)에서 분사되는 상기 산화제와의 접촉효과를 향상시킬 수 있다.
산화부 가스 분산판(330)은 다공형, 다층형, 관통형, 노즐형 일 수 있고, 다수의 분사공이 형성 되어 있거나 메쉬형태 일 수 있다.
산화 반응기(360)의 하단부에는 산화부 가스 입구(310)가 설치되어 화력발전소, 소각시설, 제철소 또는 선박엔진 등에서 배출되는 배가스를 산화 반응기(360)의 내부로 공급할 수 있다. 산화 반응기(360)의 하단에는 산화부 가스 유도 유닛(320)이 위치하여 공급되는 배가스가 산화 반응기(360)의 상부로의 확산 유동을 유도하는 역할을 할 수 있다. 산화부 가스 유도 유닛(320)은 복수개의 가이드 베인이 조합된 형태일 수 있다.
산화부 가스 유도 유닛(320)을 통과한 배가스는 산화부 가스 분산판(330)을 통과한 후 산화부 분사 유닛(340)에서 분사되는 상기 산화제와 접촉하면서 배가스 내 일산화질소를 이산화질소로 전환시킨다.
또한 산화부(300)에 유입되기 전 고온의 배가스의 온도를 해수 냉각시킬 수 있다. 상세하게는 33℃ 이상으로 냉각할 수 있다. 이는 33℃ 이상에서 일산화질소가 OCl-에 의한 산화 전환율이 높아 배가스 내 일산화질소를 이산화질소로 전환시키는데 유리하다.
여기서 주요 반응은 아래와 같다.
HOCl (aq) + NO (g) ↔ NO2 (g) + HCl (aq)
산화부 분사 유닛(340)과 산화부 가스 분산판(330)은 산화 반응기(360) 내부에 한 세트 이상 위치할 수 있고, 배가스 유량, 배가스 내 일산화질소 농도 및 산화 반응기(360)의 규모에 따라 산화부 분사 유닛(340)과 산화부 가스 분산판(330)의 수량을 변경할 수 있다.
또한 산화부 분사 유닛(340)에서 분사되는 상기 산화제 용액에 의해 배가스 내 미세먼지를 제거할 수 있다.
해수 전기 분해부(200)에서 전기분해하여 발생한 산화제는 pH가 낮음으로써 부식의 염려가 있으므로 비금속 다이아프램 펌프를 이용하여 비금속 재질의 배관을 통해 산화 반응기(360)의 내부로 공급될 수 있다.
또한 산화 반응기(360)의 전단에 싸이클론(미도시)이 위치하여 배가스 내 미세먼지를 제거할 수 있고, 블로워 또는 압축기를 이용하여 배가스를 산화 반응기(360)로 공급할 수 있다.
도면에는 도시되지 않았지만, 제어부(미도시)는 해수 전기 분해부(200)를 제어하여 해수 또는 염수에 포함된 유효염소농도를 조절한다. 해수 또는 염수의 pH가 약 7~10 범위이고 유효염소농도가 500~10,000 ppm 범위가 되도록 설정된다. 유효염소농도가 500 ppm보다 낮으면 배가스에 포함된 NO를 충분히 산화시키지 못하여 배출구로 배출되는 가스에 NO가 잔류한다. 유효염소농도가 높으면 NO를 산화하는 효과가 증가하지만, 전기분해 시간과 비용이 증가하므로 농도를 10,000 ppm 이하의 범위로 조절하는 것이 좋다.
다음은 흡수부(400)에 관해 상세한 설명을 한다.
본원발명에서 흡수부(400)는 2차 스크러버일 수 있다.
상기 산화부(300)에서 배출되는 배가스가 흡수부 가스 입구(410)로 유입되어 흡수 반응기(460)에 공급된다.
흡수부 가스 입구(410)의 전단에는 블로워(미도시)가 마련될 수 있다.
흡수 반응기(460) 내부의 하단에는 흡수부 가스 유도 유닛(420)이 위치하여 공급되는 배가스가 흡수 반응기(460)의 상부로의 확산 유동을 유도하는 역할을 할 수 있다. 흡수부 가스 유도 유닛(420)은 복수개의 가이드 베인이 조합된 형태일 수 있다.
흡수부 가스 유도 유닛(420)을 통과하여 상승하는 배가스는 흡수부 가스 분산판(430)을 통과하면서 안정적인 유동장을 형성할 수 있다. 흡수부 가스 분산판(430)은 다공형, 다층형, 관통형, 노즐형 일 수 있고, 다수의 분사공이 형성 되어 있거나 메쉬 형태일 수 있다.
흡수부 가스 분산판(430)을 통과한 배가스는 상단에 위치하는 흡수부 분사 유닛(440)에서 분사되는 흡수 용액과 접촉하여 배가스 중의 미세먼지, SOx, NOx 및 CO2가 반응한다.
흡수부 분사 유닛(440)과 흡수부 가스 분산판(430)은 전술한 산화부 분사 유닛(340) 및 산화부 가스 분산판(430)과 같은 형태일 수 있다.
흡수부 분사 유닛(440)에서 분사하는 용액은 전술한 전기분해 유닛(210)의 음전극판(214)에서 생산되는 NaOH 용액이다.
또한 흡수부 분사 유닛(440)에 해수 또는 염수를 혼합 공급하여 분사할 수 있다. 제어부는 흡수부(400)에서 분사되는 해수 또는 염수와 NaOH 수용액의 양을 제어한다.
또한 본원발명에서 흡수제인 NaOH 용액은 흡수부의 pH를 높임으로써 이온상태로 용해되어 있는 SOx 및 NOx의 흡수효율을 크게 증가시키는 효과가 있다.
NO2 (g) + SO2 (g) → SO3 2- (aq) + NO3 - (aq)
상기 주요 반응 외에 부 반응으로 배가스 내 존재하는 일산화탄소(CO)가 산화제에 의해 이산화탄소(CO2)로 산화되어 NaOH 수용액에 흡수되는 반응도 발생할 수 있다.
이상과 같이 흡수부(400)에서 미세먼지, NOx 및 SOx 뿐만 아니라 CO2를 포함하는 오염물질을 제거 할 수 있고, 오염물질이 제거된 배가스는 흡수 반응기(460)의 상부쪽에 위치하는 흡수부 배출구(450)를 통해서 배출된다.
도면에 도시 되지 않았지만 본원발명에 따른 배연 미세먼지, NOx, SOx, 및 CO 동시 제거 시스템은 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 주로 해수 또는 염수 유량 제어부, 산화부(300)로 공급되는 산화제 유량 제어부, 흡수부(400)로 공급되는 흡수제의 유량 제어부를 포함할 수 있다.
해수 또는 염수 유량 제어부는 전기 분해부(200)에 유입되는 NaCl의 농도, 유입되는 배가스의 온도 및 배가스에 포함되는 오염물의 농도에 따라 해수 또는 염수 유량을 제어할 수 있다. 상기 NaCl의 농도, 유입되는 배가스의 온도 및 배가스에 포함되는 오염물의 농도는 각각에 대한 센서를 설치하여 측정할 수 있다.
여기서 전기 분해부(200)의 전해수(해수 또는 염수)의 이온농도를 제어하는 전해수 이온농도 제어부를 더 포함할 수 있다. 상기 전해수 이온농도 제어부는 전기분해 유닛(210)으로 유입되는 해수의 염도와 pH를 측정하여 염도와 pH가 높으면 해수가 체류하는 시간과 전류량을 낮추고, 반대의 경우는 체류하는 시간과 전류량을 높이는 방식으로 이루어진다.
산화제 유량 제어부는 산화부(300)에 공급되는 산화제의 이온 농도, 유입 배가스의 유량 및 배출 배가스의 유량, 유입 배가스의 오염물질의 농도 및 배출 배가스의 오염물질 농도에 따라 산화제 유량을 제어할 수 있다.
흡수제 유량 제어부는 흡수부(400)에 공급되는 흡수제의 이온 농도, 유입 배가스의 유량 및 배출 배가스의 유량, 유입 배가스의 오염물질의 농도 및 배출 배가스의 오염물질 농도에 따라 산화제 유량을 제어할 수 있다.
여기서 흡수제 유량 제어부는 추가로 혼합되는 해수 또는 염수의 유량을 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본원발명에서 산화부 가스 입구, 산화부 배출구(350)의 후단, 흡수부 배출구(450)의 후단에 가스 센서를 설치하여 배가스 내 오염물질 농도를 측정할 수 있다.
본원발명에서 산화부(300)에서 배출되는 산성 폐액과 흡수부(400)에서 배출되는 염기성 폐액은 발생하는 후단 배출부(미도시)에 공급되어 중화반응을 진행하게 된다. 필요시 추가의 염기 또는 산을 첨가하여 pH 조절할 수 있다. pH외 탁도 및 탄화수소(PAH) 등이 배출기준 규정에 부합되도록 처리한다.
또한 상기 배출부는 사이클론과 폐수처리조로 구성되며, 디캔터 혹은 사이클론에서 슬러지를 분리하고 폐수처리조에서 증발 혹은 중화반응에 의한 침전과 희석 등의 후처리를 수행할 수 있다.
이상으로 본원발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본원발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본원발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연하다.
100: 전기 생산부
110: 공기 공급 유닛
120: 연료전지모듈
130: 수소 공급 유닛
140: 수소 저장부
150: 컨버터
160: 전기 저장부
200: 전기 분해부
210: 전기분해 유닛
212: 양전극판
214: 음전극판
216: 격막
220: 공급 유닛
300: 1차 스크러버
310: 산화부 가스 입구
320: 산화부 가스 유도 유닛
330: 산화부 가스 분산판
340: 산화부 분사 유닛
350: 산화부 배출구
360: 산화 반응기
400: 2차 스크러버
410: 흡수부 가스 입구
420: 흡수부 가스 유도 유닛
430: 흡수부 가스 분산판
440: 흡수부 분사 유닛
450: 흡수부 배출구
460: 흡수 반응기

Claims (6)

  1. 부생수소를 이용하여 직류 전기를 생산하는 전기 생산부(100);
    외부 전원과 직류 전기 생산부 양쪽으로부터 충전이 가능한 전기 저장부(160);
    해수 또는 염수를 전기 분해하는 전기 분해부(200);
    상기 전기 분해부(200)의 양극에서 공급받은 산화제를 분사하여 NO 가스를 산화시키는 1차 스크러버(300); 및
    상기 전기 분해부(200)의 음극에서 공급받은 염기성 수용액을 배가스 산화부(300)에서 공급받은 NO2, SO2, 및 CO를 최종 흡수하는 2차 스크러버(400);를 포함하고,
    상기 전기 분해부(200)는 상기 전기 생산부(100)에서 생산되는 전기를 보조 전력으로 이용하며,
    상기 배가스 2차 스크러버(400)는 상기 전기 분해부(200)에서 공급되는 흡수제를 분사하여 NO2, SO2, 및 CO 흡수하는 것을 특징으로 하는 배가스 미세먼지, NOx, SOx 및 CO 동시 저감 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기 분해부(200)에서 공급받은 산화제는 NaOCl 용액과 HOCl 용액이고, 상기 전기 분해부(200)에서 공급되는 흡수제는 NaOH 용액인 것을 특징으로 하는 배가스 미세먼지, NOx, SOx 및 CO 동시 저감 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전기 생산부(100)는 상기 전기 분해부(200)에서 공급되는 수소를 이용하는 것을 특징으로 하는 배가스 미세먼지, NOx, SOx 및 CO 동시 저감 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전기 생산부에 생산된 전기는 해수 또는 염수 전기 분해부로 공급되는 것을 특징으로 하는 배가스 미세먼지, NOx, SOx 및 CO 동시 저감 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전기 생산부는 생산된 전기를 저장하는 전기 저장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 배가스 미세먼지, NOx, SOx 및 CO 동시 저감 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배가스 2차 스크러버(400)는 알칼리염기 수용액에 해수 또는 염수를 혼합하여 분사하여 배가스를 흡수하는 것을 특징으로 하는 배가스 미세먼지, NOx, SOx 및 CO 동시 저감 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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