KR101803368B1

KR101803368B1 - 배출 물질 제어 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101803368B1
Application number: KR1020127005862A
Authority: KR
Inventors: 지안핑 파울 첸
Original assignee: 내셔널 유니버시티 오브 싱가포르; 더 마리타임 앤드 포트 오소리티 오브 싱가포르; 에이피엘 코퍼레이션 피티이 엘티디
Priority date: 2009-08-03
Filing date: 2010-08-03
Publication date: 2017-12-28
Anticipated expiration: 2030-08-03
Also published as: CN102933504B; SG178259A1; KR20120139663A; CN102933504A; WO2011016781A1

Abstract

양극 구획 및 음극 구획을 포함하는 전해 전지, 선박 탑재 엔진으로부터의 배출 물질을 처리하기 위한 알칼리성 스크러버(scrubber) 장치 및 물 유입구와 밸러스트 탱크(ballast tank) 사이에 위치한 살균 장치를 포함하고,
상기 전해 전지는 염수를 수용하기 위한 유입구를 가지며, 상기 양극 구획 내에서 살균 용액이 생산되고 상기 음극 구획 내에서 알칼리성 용액이 생산될 수 있도록 배치되고;
상기 알칼리성 스크러버 장치는 상기 알칼리성 용액과 상기 배출 물질이 혼합될 수 있도록, 상기 알칼리성 용액과 상기 배출 물질을 제1챔버로 수용시키고;
상기 살균 장치는 물이 밸러스트 탱크(ballast tank)로 전달되기 전에 살균될 수 있도록 살균 용액 및 물 유입구로부터의 물을 수용할 수 있도록 배치되는 것인, 처리 시스템.

Description

배출 물질 제어 시스템 및 방법{EMISSIONS CONTROL SYSTEM AND METHOD}

본 발명은 운항 선박을 둘러싼 환경 문제, 예를 들면 엔진 배출물질의 제어 및 밸러스트 수의 관리에 관한 것이다.

선박 및 승무원의 안전을 보장하기 위해서는 선박의 안정성이 필수적이다. 이를 위해, 선박들은 항해 동안 "밸러스트 수 (ballast water)"를 사용한다. 고체 물질들 (예를 들면, 모래 및 암석)을 밸러스트로서 사용할 수도 있으나, 1880년대 이후에는 밸러스트의 설치와 제거에서의 편의를 위해 (해수 뿐만 아니라 담수를 포함하는) 물을 사용해 왔다 (Carlton, 1985). 전 세계적으로 매년 30억 내지 120 억 톤의 밸러스트 수가 배출되는 것으로 추정되고 있다 (Rose, 2005).

밸러스트 수는 세계 곳곳에서 다량 방출된다. 상기 밸러스트 수는 해안 환경을 위협하는 존재로 인식되어 왔다. 밸러스트 수 및 해수와 함께 펌프되는 해안 퇴적물을 통해 침투성 생물(Invasive organism)들이 도입된다. 밸러스트 수와 함께 운반될 수 있는 해양 종들로는 박테리아와 기타 미생물들을 포함하는 매우 다양한 생물들, 다양한 종들의 알(eggs)들, 낭(cyst)들 및 유충(larvae)들이 있다. 새로-정착된 종들은 인간의 건강에 유해할 수 있으며 (예를 들면, 비브리오 콜레라), 해양 환경의 생물 다양성에 위협이 될 수도 있고, 따라서 환경, 경제 및 보건 상에 영향을 미칠 수 있다.

선박들의 밸러스트 수에 의한 비-고유 생물 전달에 대한 우려가 1980년대 후반부터 증가해 왔다 (Drake et at., 2007]). 밸러스트 수의 배출 속도는 단 시간에 걸쳐 매우 높을 수 있다. 엔지니어들이 일반적으로 사용해 온 전통 방식으로는 버퍼 시설을 시스템 내에 설계하는 것이 있다. 하지만, 그러한 설계는 종종 시스템의 크기를 매우 증가시키고, 물이 상기 버퍼 내에 머무는 동안에도 수질의 변화 가능성을 고려하지 못하게 한다. 더욱이, 경제적인 이유로, 완충하지 않고 가급적 신속하게 배출하는 것이 바람직한 예들이 있을 것이다.

몇몇 조사 기관들과 회사들이 밸러스트 수 처리 (ballast water treatment; BWT) 기술을 개발하고 있다. 가열 (Rigby et at., 1999), 전처리와 함께 UV 조사 (Sutherland et at., 2001), 막 여과, 염소처리 (Zhang et at., 2001; da Silva et at., 2004), 전자-이온화 (electro-ionization), 전해 (electrolysis), 및 오존처리 (ozonation) (Herwig) et at., 2006)와 같은 처리 기술들이 연구되어 왔다. 표 1에서는 몇몇 이용 가능한 밸러스트 수 처리 기술들을 보여주고 있다.

수많은 연구 집단이 열 처리 기술을 제안하였다. 독성 와편모충류(dinoflagellates)는 플랑크톤과 같은 대형 해양 생물이지만, 일반적으로 담수 서식지에서 발견된다. 그들의 분포는 온도 및 염도(salinity)에 따라 달라진다. 실험실 규모 연구들에서는, 상기 독성 와편모충류는 35℃에서 2시간 동안 접촉된 이후에 완전히 비활성화될 수 있음이 보고되어 있다. 상기 연구자들 중 일부는 45℃와 같은 높은 온도에서 허용가능한 수준까지 생물들을 죽이기 위해, 수 분과 같은 좀 더 짧은 접촉 시간을 사용하기를 시도하였다. 이 기술은 밸러스트 수 처리를 위하여 선박의 엔진으로부터의 폐열을 이용할 수 있다. 하지만, 실제 적용에 있어서, 산업계에서 주된 관심은 생성된 열의 양이 의도하는 목적에 충분한지 여부이다. 더욱이, 높은 온도로 인해 탱크의 몸체에 부식이 상당히 촉진될 수 있기 때문에, 가열된 물에 의해 밸러스트 탱크 코팅에 생길 수 있는 피해를 실물 규모 시험들에서 보여주었다.

자외선(UV) 조사는 다양한 종류의 박테리아를 살균할 수 있다. 하지만, 일반적으로 상기 밸러스트 수의 탁도가 높고 종종 상기 살균 시간이 길어지기 때문에 UV 만으로는 성능을 잘 발휘할 수 없다. 또한, 종래의 밸러스트 탱크 내에 그것을 설치하는 것은 종종 선박 소유주들에게는 적절하지 않다고 여겨져 왔으며, 일반적으로 그 비용이 높다.

이용 가능한 밸러스트 수 처리 기술

처리 기술	시간	비활성화 효율 (%)
가열	2-4 시간	90-99
오존처리	5-10 시간	96-99.9
여과와 UV	15 분	90-99

전자-이온화는 생물상을 혼합된 산화 기체들을 갖는 반응성 종들에 노출시키는 것을 포함한다. 실험실-규모 연구들에서, 90%가 넘는 박테리아가 2분의 접촉 시간 내에 사멸된다고 보고되고 있다. 여전히 선내 시험들이 실시되어야 하며, 여러 대-규모 기체 발생기들을 사용하는 것은 본 기술에서 해결해야 할 문제이다.

오존 처리는 상기 밸러스트 수 문제에 대한 해결책으로 보고되어 왔다. 이 기술은 현미경 규모의 생물들을 죽이는 데에는 효과적이지만, 대형 생물들을 제거하는 데에는 덜 효과적이다. 방대한 부피의 밸러스트 수를 처리하기 위해서는 대형 오존 발생기들이 요구된다. 오존 및 그것의 부산물들은 인간에게 유독할 수도 있다. 따라서, 그것의 작동은 종종 안전하지 않다.

다양한 종류의 살생제(biocide)들이 상기 밸러스트 수 처리용으로 조사되고 있다. 하나의 선박 내에 많은 양의 밸러스트 수 첨가와 같은 실질적 난점으로 인해, 살생제의 운송 및 처리 장치들의 작동은 산업계에 덜 매력적인 것으로 여겨지고 있다. 또한, 효율성 및 부식 유발 가능성이 종종 매우 우려되고 있다. 예를 들면, Husain과 동료들은 (2006) 이산화탄소를 사용해서 박테리아의 생장을 제어하였다. 상기 방법은 그들의 실험실-규모 연구에서는 효과적인 것처럼 보인다. 예측 가능한 문제로는 밸러스트 수 탱크의 부식 및 대형 생물체들과 혐기성 박테리아에 대한 낮은 효율이 포함될 수 있다.

상기 종래 기술들은 더욱 낮은 제거 효율, 더욱 긴 체류 시간, 살균된 생물들의 더욱 높은 재활 가능성, 및 더욱 높은 비용이라는 공통된 단점들을 가지고 있다. 상기 기술들은 종종 파일럿- 또는 실험실-규모 시험들을 기반으로 하고 있고 있으며, 상기 연구들에서 유속은 보통 느리다. 상기 밸러스트 수는 극히 높은 유속을 갖는다. 예를 들면, 한번의 밸러스트 수 펌프는 600 m³/시간에 이르는 유속을 가진다. 현재 이용가능한 BWT 기술들의 대부분이 적합하지 않을 수도 있다. 또한, 대부분의 기술들은 상기 밸러스트 탱크 및/또는 기타 종래의 선박내 시설물들에 변화를 요구하는데; 이것들은 상기 기술들이 산업계에 더욱 적합하지 않게 만든다. 이것들 전부가 밸러스트 수 처리에 대한 실물 규모 적용들을 제한한다.

선박들에 실행되고 있는, 유일하게 실현 가능한 방안은 외해(mid-ocean) 밸러스트 수 교환이다. 외해에서, 상기 선박 내 밸러스트 수는 밸러스트 탱크를 비우고 다시 채우거나, 유동 투과 희석에 의해, 공해 수(open ocean water)로 교체된다. 작동 후 상기 밸러스트 수에는 오염원들이 덜 함유되므로, 다음 항구에서 배출될 때 환경 오염을 덜 야기하게 될 것이다. 비록 그것은 매우 효과적이지만, 이 기술의 문제점들에는 다음과 같은 것들이 있다: 미생물 오염들의 불완전 제거, 및 안전성. 예를 들면, 일부 생물들, 특히 미생물들이 상기 밸러스트 탱크에 부착되고, 제거하기가 어렵다.

선박 엔진으로부터의 배출 가스들은 또 다른 부상하는 환경 문제이다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 배출 가스들은 CO₂, NO_x, SO_x, CO, 및 분진 물질로 이루어진다. NO_x 및 SO_x는 높은 산성이며, 보다 큰 헨리 상수(Henry Law constant)를 가지고, 물에서 쉽게 용해된다. 그 결과, 그들은 수용액에서 강산을 형성함으로써, 산성비의 주요 원인이 된다. 더욱이, 이산화탄소는 가장 중요한 온실효과 기체 중 하나이다. 지난 20-30년에 걸쳐 CO₂ 농도의 급격한 증가로 인하여, 지구 온난화는 우리에게 직면한 가장 심각한 환경 문제들 중 하나가 되었다. 국제해사기구(International Maritime Organisation; IMO)에서는 상기 요소들 중 일부를 관리하고 제어하기 위한 규정들을 제정하였다. 예를 들면, SO_x 배출은 점진적으로 저감되어야 한다. 세계적인 황 함량 저감 강화기준(Global sulphur cap)에 따르면, 2012년 1월 1일부터 4.5 % (현재 기준임)에서 3.5 %로 저감되어야 한다. 또한, 2020년 1월 1일부터 0.5 %로 저감될 수도 있다. 이 퍼센트들은 황 배출 통제지역들(Sulphur Emission Control Areas) (예를 들면, 미국 캘리포니아)에서는 더욱 엄격하게 적용된다. 그 지역들에서 황 함량 저감 강화기준은 2010년 7월 1일부터 1.0 %로 줄어들고 2015년 1월 1일부터 0.1 %로 줄어들고 있다. 현재, 보다 높은 황 함량을 갖는 중 연료는(저가) 보다 낮은 황 함량을 갖는 연료로(고가) 교체되고 있는데, 분명히 선박 소유주들에게는 매우 고비용이다.

흡착(adsorption) 및 흡수(absorption) 기술들은 배출 가스들의 처리에 일반적으로 이용되고 있다. 상기 흡착에 있어서, 활성화 탄소와 같은 흡착제들이 사용될 수 있다. 그러나, 사용된 흡착제들의 재생과 같은 요인들로 인해, 흡착 기술은 해양 산업에서 덜 매력적으로 되었다. 상기 흡수에 있어서, 스크러버(scrubber)를 이용하여 산성 가스들을 흡수하기 위해 해수가 사용된다. 이러한 상업적인 스크러버 기술은 현재 세계적으로 많은 선박에서 사용된다. 해수의 pH는 약 8로, 매우 약한 염기성을 나타낸다. 따라서, 상기 산성 가스들의 중화 효율은 낮다. SO₂제거의 처리 효율은 20% 미만으로 보고되고 있다. 따라서, 스크러버의 효율과 배출량(foot-print)은 그다지 매력적이지 않다. 선내 가스 처리를 위한 새로운 기술 개발은 과학적으로 상업적으로 더욱 가치를 갖게 될 것이다.

디젤 엔진으로부터의 배출 가스들 내 가스 종들의 예상 함량

배출 가스	CO₂	NO_X	SO_X	CO	HC	분진
양	0.5 kg/kwh	17.0 g/kwh	13.6 g/kwh	0.4 g/kwh	0.4 g/kwh	0.6 g/kwh
퍼센트	6.25%	2125 ppm	1700 ppm	50 ppm	50 ppm	75 ppm

제1 측면에서, 본 발명은 양극 구획(anode compartment) 및 음극 구획(cathode compartment)를 포함하는 전해 전지(electrolytic cell), 선박 탑재 엔진으로부터의 배출 가스를 처리하기 위한 알칼리성 스크러버 장치(akaline scrubber unit), 및 물 유입구와 밸러스트 탱크 사이에 위치한 살균 장치(disinfection unit)를 포함하는 처리 시스템을 제공하기 위한 것으로,

상기 전해 전지는 염수를 수용하기 위한 유입구를 가지며, 상기 음극 구획 내에서 알칼리성 용액이 생산되고 상기 양극 구획 내에서 살균 용액이 생산될 수 있도록 배치되고;

상기 알칼리성 스크러버 장치는 상기 알칼리성 용액과 상기 배출 가스가 혼합될 수 있도록 상기 알칼리성 용액과 상기 배출 가스를 제1 챔버로 수용시키고; 그리고

상기 살균 장치는 밸러스트 탱크로 전달되기 전에 물이 살균될 수 있도록 살균 용액 및 염수 유입구로부터의 염수를 수용할 수 있도록 배치된다.

제 2 측면에서, 본 발명은 처리 방법을 제공하기 위한 것으로, 상기 방법은:

염수를 양극 및 음극으로 전달하는 단계;

상기 염수를 전기분해 하는 것에 의해, 상기 양극에서는 살균 용액을 생산하고, 상기 음극에서는 알칼리성 용액을 생산하는 단계;

선박 탑재 엔진으로부터의 배출 가스와 상기 알칼리성 용액을 제1 챔버로 전달하는 단계;

상기 배출 가스를 상기 제1 챔버 내에서 상기 알칼리성 용액과 혼합하는 것에 의해 처리하는 단계;

유입구로부터의 염수 및 상기 살균 용액을 살균 장치로 전달하는 단계; 및

상기 염수를 상기 살균 장치 내에서 상기 살균 용액과 혼합하는 것에 의해 처리하는 단계를 포함한다.

따라서, 본 발명은 염수의 도입으로부터 알칼리성 용액을 생산하는 것에 의해 배출 가스를 제거함으로써, 노출시에 환경적으로 안전할 수도 있는 액체를 생산할 수 있고, (염소, OCl^-, HOCl 등과 같은 살균 용액을 포함하는) 화학물질들을 생산하는 것에 의해 상기 밸러스트 탱크에 유입, 유출 및/또는 체류되는 물을 살균함으로써, 잠재적으로 환경적으로 민감한 지역들에 밸러스트 해제하기 전에 생물상을 죽일 수 있는 전해 전지에 관한 것이다.

일 구현예에서, 본 발명은 밸러스트 수 뿐만 아니라 배출 가스도 처리하기 위한 통합 기술을 제공한다. 일련의 전해 전지들은 상기 밸러스트 수 내의 미생물들을 죽일 수 있고 알칼리성 용액을 생성하기 위한 살균제들, 및 상기 스크러버들 내의 배출 가스(SO_x, NO_x 및 CO₂)를 제거하기 위한 환원제(Cl₂)를 제공한다.

상기 시스템이 설치된 선박이 항구에 정박하게 되면, 상기 전해 전지들이 작동되어, 기준 시방서를 충족하도록 0.006 내지 0.01 kwh/m³범위의 극히 낮은 에너지를 소비하여 상기 IMO 규제 미생물들을 죽일 일련의 살균제를 생산하게 된다.

상기 선박이 바다를 운행하고 그리고/또는 상기 선박이 항구에 정박될 때, 알칼리성 용액이 생산되는 방식으로 상기 전해 전지들이 작동되어, 엔진(들) 연소로부터의 배출 가스 내 가스 종들을 중화시킨다. 또한, 상기 전해 전지들로부터 염소를 함유하는 물줄기가 상기 배출 가스 내 NO를 산화시킬 수 있다. 상기 가스 제거 효율은 현재 이용 가능한 기술들보다 훨씬 높다.

운하, 강 및 호수와 같은 담수에 있는 배들의 경우, 염수의 유입을 상기 전해 전지에 제공하기 위하여, 담수에 염을 첨가해서 사용될 수도 있음을 이해해야 할 것이다. 담수를 적용하는 경우, 염도를 필요한 수준으로 올리기 위하여 염을 유입구에 첨가할 것이 요구된다. 예를 들면, 상기 시스템의 경우, 작동하기 위해서는 20 PSU의 염도가 요구될 수도 있다. 상기 염은 혼합 구역 내 유입구에 첨가될 수도 있다. 추가 구현예에서, 상기 혼합 구역은 염을 만족스럽게 용해될 수 있도록 충분한 난류, 체류 시간 또는 기타 인자를 제공하기 위하여, 용액 탱크에 첨가되는 염과 함께, 담수가 유입되는 용액 탱크를 포함할 수 있다. 상기 물의 염도를 측정하기 위하여, 염도 센서가 상기 탱크나, 출구 근처에 제공될 수도 있다. 상기 염도 센서는 상기 탱크로의 염의 양을 조절하는 제어 시스템에 연결될 수도 있다.

본 기술의 장점으로는: 1. 환경 유해물질들: 밸러스트 수 및 배출 가스 전부를 처리하기 위한 단일 시스템; 2. 화학물질이 선적될 필요가 없음; 3. 상기 유해물질들의 높은 제거 효율; 4. 작동 편의성을 포함한다.

본 처리 시스템을 작동할 경우, 상기 전해 전지의 전극들은 물 내의 마그네슘과 칼슘 존재로 인해서 표면에 달라붙는 스케일(scale)이 생기게 될 수도 있다. 이 스케일은 상기 전해 전지의 작동에 역효과를 미쳐 효율을 떨어트리고, 확인되지 않은 채 남겨둘 경우에는 작동을 방해하게 될 것이다. 이 효과를 경감시키기 위해, 상기 물을 이온 교환 프로세스를 통해 전처리될 수도 있다.

추가적인 구현예에서, 상기 전극들은 극성 전환(polarity switching)을 통해서 스케일이 벗겨질 수도 있다. 이 과정에서, 상기 전극들의 극성이 전환, 즉 상기 양극은 음극이 되고, 상기 음극은 양극으로 되는 것에 의해 전극들의 전위가 반대가 될 수도 있다. 이러한 전환은 예를 들면, 매 0.5 내지 1 시간 마다, 5 내지 190 분 동안과 같은 제한된 시간 동안, 상기 전극들에 스케일이 제거될 때까지, 또는 실질적으로 제거될 때까지 주기적으로 일어날 수도 있다. 이는 스케일을 물리적으로 제거하기 위한 전극의 전-처리 비용 뿐만 아니라, 후처리 비용을 차단하는 이점을 가진다.

본 발명의 가능한 구조들을 도해하는 첨부된 도면들에 대하여 본 발명을 더욱 설명하는 것이 편리할 것이다. 본 발명의 다른 구조들이 가능하고, 결과적으로 첨부된 도면들의 구체성이 본 발명의 상술한 설명의 일반성을 초과하는 것으로 이해되어선 안 된다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 전해 전지의 개략적인 도시이다;
도 2는 본 발명의 추가 구현예에 따른 집진기 시스템의 개략적인 도시이다.
도 3은 본 발명의 추가 구현예에 따른 밸러스트 수 처리 시스템의 개략적인 도시이다.

도 1은 배출 가스의 처리를 위한 알칼리성 용액 및 밸러스트 수의 처리를 위한 (염소, OCl^-, HOCl 등과 같은) 살균 용액을 생산하는데 사용되는 전해 전지(5)의 개략적인 도시이다. 일반적으로, 배출 가스와 밸러스트 수의 처리를 위한 알칼리성 용액 및 살균 용액이 충분히 생산될 수 있도록, 일련의 전해 전지(다중 전지)가 요구될 수 있음에 주목하여야 한다. 그러나, 단일 전해 전지도 배출 가스 및/또는 밸러스트 수의 양이 적을 경우에는 충분할 수 있다.

상기 전해 전지는 전해 전지(5) 내의 양극 구획(10) 및 음극 구획(15)에 각각 위치하는 양극(20) 및 음극(25)를 포함한다. 상기 구획들(10, 15)은 막(65) (예를 들면, 다이아프램 및 이온 교환 막)에 의해 분리된다. 상기 전극들은 미량의 IrO₂와 함께 Ti, 및/또는 RuO₂로 이루어질 수 있다. MnO₂는 Cl₂의 생산이 요구되지 않는 경우 1회 사용될 수도 있다. 상기 기술이 해수 환경에 사용될 수 있으며, 염이 담수 유입부에 첨가되는 경우에는, 담수 환경에도 사용될 수 있다. Ni 코팅된 Ti 전극이 알칼리성 용액 및 수산화 이온의 생산을 증가시키기 위해 음극 구획(15)에서 사용될 수도 있다.

상기 전해 전지(5)는 하나의 유입부를 통한 (염이 첨가된 해수 또는 담수와 같은) 염수(30) 및 염소 및/또는 산소가 용해된 배출 염수(예를 들면, 해수)(40)를 수용할 수 있도록 배치된다.

상기 음극(15)은 염수(35)를 수용하고, 수산화 나트륨 및 수소 가스(58)가 용해된 염수의 알칼리성 용액을 전달한다. 상기 알칼리성 용액(58)은 가스/물 분리기(60)을 통과하여 수소(70)가 제거되고,분리된 알칼리성 용액(56)은 배출부(45)를 통해 전달하기 전에 대기중에 배출된 다음 스크러버 시스템(도 2에 도시함)에서 사용된다. 이는 알칼리 수용액으로부터 수소를 분리할 수 있는, 어느 표준 가스/물 분리기로도 충분히 달성될 것으로 이해될 것이다. 상기 수소 가스는 그 다음 수거되어 에너지 발생을 위해, 연소되거나 연료 전지로 사용될 수 있다.

각각의 구획들(10, 15)로부터 염소처리 염수(예를 들면, 해수)(40) 및 알칼리성 용액(56)을 생성할 수 있는 능력은 상기 챔버들의 막 분리를 통해 제공될 수 있다.

배출 가스의 처리장치가 작동될 때, 양극 구획의 경우, 교대 밸브(50)가 열리는 동안 한 밸브(55)는 닫히게 된다. 중요한 반응이 하기와 같이 양극 및 음극에서 발생한다.

양극(10)에서, 하기의 산화 반응이 발생한다:

캐소드(15)에서, 하기의 반응이 발생한다:

과다한-전위가 존재하기 때문에, 공식 (1b)의 실재 전위는 (1a) 보다 높다. 따라서, 공식 (1a)가 지배적인 반응이 된다. 즉, 염소는 양극 구획에서 생산된다.

수소 이온이 공식 (2b)에 의해 소비됨에 따라, 수산화물(OH^-)의 농도는 공식 (2a)로 인해 증가하게 될 것이다. 그 결과, 알칼리성 용액 (주로 수산화 나트륨)이 음극 구획에서 발생된다. 가스-물 분리기(60)가 음극 구획(15)으로부터의 물로부터 수소 가스를 분리하기 위해 요구될 수 있음에 주목하여야 한다.

전체적인 반응은 하기와 같다.

도 1에서 (Cl₂를함유하는) 양극 구획(10)으로부터의 흐름(40)이 두 종류의 가스 SO₂ 및 NO와 Cl₂ 간의 반응으로 인해, 배출 가스 내의 SO₂ 및 NO를 제거하기 위하여 사용될 수 있다. 더 높은 pH를 갖는 음극 구획으로부터의 흐름(45)은 산(H₂SO₃, H₂SO₄, HNO₂, 및 HNO₃)을 더욱 중화할 수 있다.

또한, 본 발명은 전해 전지(들)에 의해 생성된 살균 용액과 혼합하는 것에 의해, 밸러스트 탱크로 유입, 잔류 또는 배출되는 밸러스트 수의 살균 시스템을 제공한다. 양극 구획(10)으로부터 배출되는 경우, 하나의 밸브(50)가 닫히면 교대 밸브(55)가 열리게 되는 것에 의해, 하나의 상기 살균 용액이 제조될 수 있다. 양극 구획(10)으로부터의 염소처리 염수(57)는 음극 구획(15)으로부터의 (높은 pH를 갖는) 물(56)과 혼합되는 것에 의해, 밸러스트 수의 처리에 사용되기 위한, 살균제(주로 OCl^-, HOCl, 및 Cl₂)(45)을 생산할 수 있다. 선택적으로, 상기 양극 구획(10)으로부터의 염소처리 물이 살균 용액으로 사용될 수도 있다. 이러한 작동 동안, 음극(15)에 의해 생성된 NaOH는 스크러버로 사용되기 위해 저장될 수도 있다. 따라서, 밸러스트 수의 처리는 선박이 입항하는 동안, 더욱 상세하기는 밸러스트 탱크의 유입 및/또는 유출 동안 이루어질 수 있다. 이것은 선박의 엔진의 작동과 비교해 볼 때, 상대적으로 짧은 시간이 소요될 수도 있다. 그러므로, NaOH의 저장 요구는 제한적이며, 항구 사이에서 선박이 항해하는 동안, 또는 심지어 항구 내에서 선박을 작동하기 위하여 엔진이 사용되는 동안에도 단시간에 사용될 수 있다.

물 내의 다른 성분들로 인해, 다른 성분들은 NaOCl(45) 이외에, 밸러스트 수 처리에 공헌할 수 있는 HOCl, Mg(OCl)₂, KOCl, Ca(OCl)₂, O₃ 및 자유 래디컬을 형성할 수도 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 2 및 3에 도시한 바와 같이 두개의 다른 시스템 하에서 작용될 수 있도록, 상기 전해 전지는 작동이 변경되기에 적합하여야 한다.

선박이 바다를 순항하는 동안, 엄청난 양의 배출 가스들이 표 2에 나타낸 바와 같이 생산된다. 스크러버 시스템은 상기 표에 나타낸 여러 종류의 배출 가스들의 제거를 충분히 수행할 수 있도록 설계되었다.

도 1에 설명한 바와 같이, 살균 용액 및 NaOH 용액은 양극 및 음극 구획에서 전해 전지에 의해 생산되어 각각 배출구 (40) 및 (45)로부터 배출된다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 배출 가스들은 염소처리 물(49), 그 다음 알칼리 수(45), 마지막으로 물(95)을 사용하는, 세개의 다른 스크러버 (80, 85, 90)를 포함하는 스크러버 시스템(75)에 의해 처리된다. 상기 세개의 스크러버는 염소처리 스크러버 장치 (80)의 (제2) 챔버를 통과하는 배출 가스(100)와, 그 다음 알칼리성 스크러버 장치 (85)의 (제1) 챔버를 통과하는 나머지 배출 가스(130)에 의한 처리 공정으로 진행되도록 작용한다. 여전히 남아있는 배출 가스들은 그 다음 최종 배출(130)되기 전에 용해될 물 스크러버 장치(90)의 (제3) 챔버를 통과 (140)하는 것에 의해, 배출된다 (145). 처리된 용액은 물(105)과 혼합된 이후에, 각 단계(80, 85, 90)를 거친 다음 해수(150)로 배출(110, 120 및 130) 된다. 배출된 물(130)은 여전히 낮은 pH를 가질 수 있기 때문에, 상기 물(105)은 국제적인 규정에 따라 pH가 6 내지 7까지 증가되도록, 배출(130) 산도를 희석하기 위하여 첨가하여 사용될 수도 있다. 최종적으로, 첨가된 물(105)은 상기 목적에 영향을 주지 함량으로 염을 포함하고 있는 한, 어느 원료로부터 유래될 수도 있다. 그러므로, 담수에 적용을 위하여, 희석 수(105)에는 어느 염도 요구되지 않는다.

상기 염소처리 스크러버(80) 및 상기 물 스크러버 (90)이 본 발명에 있어서 임의적인 것이며, 상당한 배출 조절을 위한 주요 이점은, 알칼리성 스크러버 (80)에 의해 제공되는 것으로 이해될 것이다.

배출 가스의 처리는 일반적으로 선박 내에 설치되어 사용되는 스크러버에서 수행된다. 화학 반응을 표 3에 나열하였다. 그러한 시스템의 경우, 배출 가스의 처리에 적고 및/또는 작은 스크러버가 요구된다.

그것은 사용되는 스크러버의 종류는 표준 배출 스크러버를 포함하고, 이는 어느 그러한 적합한 스크러버에 적용가능한 본 발명과 함께, 습윤 스크러버로 알려져 있다.

상기 밸러스트 수 처리(155)는 잔류 산화제의 여과, 전기-살균 및 중화를 사용하는 것에 의해 달성된다. 상기 공정의 개략도(155)를 도 3에 나타내었다.

상기 처리에서 제1 장치는 여과부(165)이다. 상기 여과부는 물 유입부(160)로부터 유입되는 동안, 하나 또는 두개의 자동 세척(self-cleaning) 마이크로-스트레이너(190)를 사용하는 것이 의해, 유기물 및 고체를 효과적으로 제거할 수 있고, 유기물 및 미생물이 생존하고 성장할 수 있는 잠재 영역인, 밸러스트 수 탱크에서 침전물이 생성되는 것을 감소시킨다. 그것은 염소의 존재시 살균 부산물들(DBPs)의 형성을 야기할 수 있는, 다양한 바이오-고체(콜로이달 물질들)를 효과적으로 제거할 수 있다. 여과 시스템(190)의 경우, 요구되는 살균제의 양은 감소될 것이며, DBPs의 농도 또한 감소될 수 있다.

상기 살균은 전해 전지(215)에서 염수의 전기분해에 의해 발생된다. 총 잔류 산화제(TRO)는 TRO 분석기 175, 230)에 의해 측정되고, 컴퓨터(182)를 통한 미리-설정된 값에 의해 조절된다. 하나 이하의 정류기(220)가 하나 이하의 칠러(225)와 함께 사용될 수도 있다. 제어 컴퓨터(182), 총 잔류 산화제(TRO)를 측정하기 위한 TRO 분석기(175, 230), 및 유량 송신기가 사용될 것이다. 해수가 부식성이 있기 때문에, 반응기의 제조에 내식성 물질들이 사용될 것이다.

밸러스트를 해제(185)하기 전에, 중화 용액(티오황산 나트륨, Na₂S₂O₃)이 밸러스트 수 펌프 (170) 전에 주입 (177)되어 잔류 산화제와 반응하는 것에 의해 중화 이후의 TRO는 0.1 mg/L (Cl₂) (최대 허용가능한 농도) 이상이 되지 않을 것이다. 상기 티오황산 나트륨의 양은 하기와 같이 계산된다:

[Na₂S₂O₃] (mg/L) = [총 잔류 산화제 (염소)] x 인수

총 잔류 산화제(mg/L, 염소)의 농도는 TRO 농도의 실-시간 측정을 제공하는, TRO 분석기(175)에 의해 된다. 상기 인수는 0.65 - 0.75이다. 상기 중화 시스템(180)은 화학물질 저장 용기, 화학물질 분사용 측정 펌프, 및 컴퓨터(182)로 이루어져 있다.

밸러스트 공정: 밸브들(183, 243, 192, 및 208)이 닫힌다. 밸브들(169, 179 & 212)이 열린다. (적용하는 바에에 따라, 해수 또는 담수일 수도 있는) 물은 스트레이너(165), 밸브(169), 및 밸러스트 수 펌프(170), 밸브 (179), 자동-세척 마이크로 스트레이너(190), 전기화학 소독 장치(205) 및 밸브 (212)를 순서대로 지나간 이후에 밸러스트 탱크 (240)에 채워진다. 전기분해로 발생된 수소 가스 및/또는 염소 가스가 이론적 계산양 및 실험적 측정량이 극히 적은 경우에도, 신속하게 제거될 수 있도록, (선택적인) 배출기(235)가 켜진다.

밸러스트 해제 공정: 밸브들(169, 179 & 212)이 닫힌다. 선택될 공정의 대상, 유출 밸브들(183 또는 192 또는 208)중 하나가 열리거나 밸브(243)와 함께 열린다. 물이 여과되고(190) 또는 블러스트 해제 전에 다시 살균될 수 있도록(205) 밸브들(192 또는 208)이 열릴 수도 있다.

물은 밸러스트 탱크(240)으로부터 펌프되고, 밸브(243), 펌프(170), 및 밸브 (183)(또는 192 또는 208)을 순서대로 지나간 이후에 배출된다(185)(또는 195 또는 210). 펌프(170) 이전에, 중화 용액이 주입되어(177) 0.1 mg/L 이하로 총 잔류 산화제 (염소)가 제거된다. 중화 농도는 상기 공식에 의해 계산된다. 밸브(183)가 열리고 밸브 (192 및 208)가 닫히는 경우, 물은 여과 및 소독 없이도 물 환경(예를 들면, 바다, 호수, 운하 등)으로 배출된다(185). 그러나, 두개의 선택사항 제공된다. 밸브(192)가 열리고 두개의 밸브(183 및 208)이 닫히는 경우, 물은 여과되어(190) 배출된다(195). 밸브(208)가 열리고 밸브(183 및 192)가 닫히는 경우, 물은 여과되고(190), 소독된 후 (205) 배출된다(210).

배출 가스 처리시 Cl₂ 및 NaOH 소비의 이론적 계산

가스	반응	몰 농도 관계
CO₂	CO₂ + 2NaOH = Na₂CO₃ + H₂O	CO₂ ~ 2 NaOH
SO₂	SO₂ + 2NaOH = Na₂SO₃ + H₂O	SO₂ ~ 2 NaOH
SO₂	SO₃ ² ^- + Cl₂ + H₂O = 2H⁺ + SO₄ ² ^- + 2Cl^-	SO₃ ² ^- ~ Cl₂
NO	2NO + 2Cl₂ +3H₂O = HNO₃ + HNO₂ + 4HCl	NO ~ Cl₂
NO₂	6NO₂+2Cl₂+5H₂O = 5HNO₃ + HNO₂ + 4HCl	NO₂ ~ 1/3 Cl₂

통상적인 5000TEU 컨테이너 선박의 경우, 엔진 파워는 50,000 kW이다. CO₂, SO_x, 및 NO_x의 양을 표 4에 나타내었다.

5000TEU 선택으로부터 배출 가스 내의 가스 종류들의 추정 양

배출 가스	CO₂	NO_X	SO₂
양	25,000 kg	850 kg	630 kg

SO₂ 및100% NO_x(소비된 NO)를 100% 제거하기 위한, 이론적인 NaOH 및 Cl₂의 소비량은 표 3을 기준으로, 각각 787.5 kg 및 2,010 kg이다. 2010 kg Cl₂ 의 발생은 3,522 kg NaOH의 생성을 야기할 수 있음이 표 2에 나타낸 시스템을 통해 알 수 있다. NaOH 및 SO₂ 사이의 반응 이후의 NaOH의 양은 2734.5 kg(3,522-787.5=2734.5 kg)일 것이고, 이는 NO₂ 및CO₂.를 제거하기 위해 사용될 수도 있다.

SO₂는 NO_x 및 CO₂ 보다 해수 및 알칼리성 용액에서 더 쉽게 용해될 것이다. NO_x및CO₂의 제거를 고려하지 않으면, 본 발명자들은 엔진의 파워(50,000 kW) 중 2700 kW 또는 5%의 에너지를 요구하는, 787.5 kg NaOH 만을 필요로 한다. 상기의 이점들은: 1. 저 비용의 중유가 여전히 사용될 수 있으며, 2. 스크러버의 크기가 현저히 줄어들 수 있다는 점이다.

추가적인 구현예에서:

1) 전해 전지의 소비는 Cl₂ 및 NaOH를 각각 생산하는, 전지를 양극 구획 및 음극 구획으로 분리하는 막을 포함한다. 두 구획들(10, 15)로부터의 흐름이 모아져서 OCl^- 및 HOCl를 생산할 수 있다.

2) 상기 시스템은 염을 도 1의 유입구(30 및 35)에 첨가하는 것에 의해, 담수에서도 사용될 수 있다. 그것은 NaCl이 통상적으로 상기 공정에서 사용되는 염이지만, KCl, CaCl₂ 및 MgCl₂에 의존하는 공정들에도 사용될 수도 있을 것으로 이해될 것이다.

실험 데이타

3 내지 12 mg/l(Cl₂)의 TRO로 수행한 본 발명자들의 실험실- 및 파일럿 규모 연구들로 IMO 규정 미생물들이 약 0.006 kwh/m³의 극히 낮은 에너지 소비량으로 충분히 죽을 수 있음을 확인하였다. 그러한 작동 이후의 pH는 변하지 않으며, pH는 7.5 내지 8.5에서 유지되었다.

전극들이 (Ru 및/또는 Ir 산화물로 코팅된 Ti와 같이, Pt 군으로부터의 금속들 및 그것들의 금속 산화물들) 살균제를 충분히 생산하고 심각한 부식 문제를 피하기 위하여 사용되었다. 상기 전극들은 많은 양의 염소 생산 및 저 에너지 소비를 갖는 자유 라디칼, 및 높은 내식성이라는 이점을 가진다. RuO_m, Ti, IrO_n, 및 Pt가 바람직하다. MnO_x 전극은 산소를 생산하지 않으므로, 염소의 생산이 요구되지 않는 경우 사용될 수도 있다.

그러한 농도를 갖는 소독제는 고려되지 않아야 한다.

그것은 부패 (약 1일) 및 살균제가 존재하지 않는 조건과 유사한 조건에서의 부식을 야기할 수 있는 농도의 소독제는 고려되지 않아야 하며, 이는 실험적으로 확인되었다 (표 5). 밸러스트 탱크의 부식에 작용하는 효과는 미미하다.

밸러스트 탱브의 부식에 미치는 전기-살균의 효과

종류	중량 감소(g)	부식율(mm/yr)
밸러스트 수	0.062 (4일 후)	0.0156
염화처리 밸러스트 수	0.065 4일 후)	0.0157

게다가, 밸러스트 탱크 내의 부식 및 바이오-부식은 물 내의 염소의 존재 및 효과로 인해 예방될 수도 있다.

상기 살균 이후의 해수는 전체 항해 동안 밸러스트 탱크 내에 머무를 것이다. 선박이 다음 항구에 도착할 때, 밸러스트 수는 제거될 것이다. 일련의 살균 부산물 측정, 모델링 연구 및 자연-독성 연구들에 의해, 배출된 처리 밸러스트 수가 해양 환경의 독성에 거의 영향을 미치지 않음을 확인하였다. 본 기술은 사용하기에 안전하다.

Claims

양극 구획 및 음극 구획을 포함하는 전해 전지, 선박 탑재 엔진으로부터의 배출 물질을 처리하기 위한 알칼리성 스크러버(scrubber) 장치, 및 물 유입구와 밸러스트 탱크(ballast tank) 사이에 위치한 살균 장치를 포함하고,
상기 전해 전지는 염수를 수용하기 위한 유입구를 가지며, 상기 양극 구획 내에서 살균 용액이 생산되고 상기 음극 구획 내에서 알칼리성 용액이 생산될 수 있도록 배치되고;
상기 알칼리성 스크러버 장치는 상기 알칼리성 용액과 상기 배출 물질이 혼합될 수 있도록, 상기 알칼리성 용액과 상기 배출 물질을 제1챔버로 수용시키고;
상기 살균 장치는 물이 밸러스트 탱크로 전달되기 전에 살균될 수 있도록 살균 용액 및 물 유입구로부터의 물을 수용할 수 있도록 배치되는 것인, 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 전해 전지는 양극 및 음극이 상기 양극 구획 및 상기 음극 구획으로 분리될 수 있도록 막에 의하여 나누어지는 중앙 구획을 포함하는 것인, 처리 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 배출 물질과 염소화 염수가 혼합될 수 있도록, 상기 양극 구획으로부터의 염소화 염수와 상기 배출 물질을 제2챔버로 수용하기 위한 염소화 스크러버 장치를 더욱 포함하고,
상기 염소화 스크러버 장치는 잔여 배출 물질을 알칼리성 스크러버 장치의 챔버로 전달하기 위한 배출구를 포함하는 것인, 처리 시스템.
제1항에 있어서,
잔여 배출 물질과 물이 혼합될 수 있도록, 물과 알칼리성 스크러버 장치로부터의 잔여 배출 물질을 제3챔버로 수용하기 위한 물 스크러버 장치를 더욱 포함하고,
상기 물 스크러버 장치는 처리액을 배출하기 위한 배출구를 포함하는 것인, 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 살균 장치는 배출수를 상기 밸러스트 탱크로 전달하기 전에 배출하기 위하여, 상기 밸러스트 탱크로부터의 상기 배출수를 수용할 수 있도록 배치되는 것인, 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 살균 용액은 양극 챔버로부터의 염소화 염수인 것인, 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 살균 용액은 양극 챔버로부터의 염소화 염수와 음극 챔버로부터의 알칼리성 용액을 혼합하는 것에 의하여 생성되는 하이포아염소산나트륨 염수인 것인, 처리 시스템.
제1항에 있어서,
중화 시스템을 더욱 포함하고, 상기 중화시스템은 물 유입구로부터의 물의 총 잔류 산화제를 측정하기 위한 분석 장치를 포함하는 것인 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 배출 물질의 처리는 SO_x, CO₂및 NO_x 중 적어도 하나의 분해를 포함하는 것인, 처리 시스템.
제1항에 있어서,
일정 농도의 염수를 공급하기 위하여 담수를 수용할 수 있고, 염이 추가될 수 있도록 배치된 혼합 영역을 더욱 포함하는 것인, 처리 시스템.
제1항에 있어서,
상기 처리 시스템은 일련의 전해 전지들을 포함하고, 상기 전해 전지들은 상기 알칼리성 용액을 각각의 음극으로부터 상기 제1챔버로 전달하고, 상기 살균 용액을 각각의 양극으로부터 상기 살균 장치로 전달하도록 배치되는 것인, 처리 시스템.
염수를 양극 구획 내의 양극 및 음극 구획 내의 음극으로 전달하는 단계;
염수를 전기 분해하는 것에 의하여 상기 양극에서 살균 용액을 생산하고, 상기 음극에서 알칼리성 용액을 생산하는 단계;
선박 탑재 엔진으로부터의 배출 물질과 상기 알칼리성 용액을 제1챔버로 전달하는 단계;
상기 배출 물질을 상기 제1챔버에서 상기 알칼리성 용액과 혼합하는 것에 의하여 처리하는 단계;
유입구로부터의 물과 상기 살균 용액을 살균 장치로 전달하는 단계, 및;
상기 물을 상기 살균 장치에서 상기 살균 용액과 혼합하는 것에 의하여 처리하는 단계를 포함하는 것인, 방법.
제12항에 있어서,
상기 제1챔버로의 전달 단계 이전에,
상기 양극 구획으로부터의 염소화 염수 및 상기 배출 물질을 제2챔버로 전달하는 단계;
상기 배출 물질과 상기 염소화 염수를 혼합하는 것에 의하여 처리하는 단계, 및;
잔여 배출 물질을 상기 제1챔버로 전달하는 단계를 더욱 포함하는 것인, 방법.
제12항 또는 제13항에 있어서,
상기 제1챔버에서의 상기 처리 단계 이후에,
잔여 배출 물질을 상기 제1챔버로부터 제3챔버로 전달하는 단계;
상기 제3챔버로 물을 전달하는 단계;
상기 잔여 배출 물질을 상기 물과 혼합하는 것에 의하여 처리하는 단계, 및;
폐수를 배출하는 단계를 더욱 포함하는 것인, 방법.
제12항에 있어서,
처리된 상기 물을 상기 살균 장치로부터 밸러스트 탱크로 전달하는 단계를 더욱 포함하는 것인, 방법.
제15항에 있어서,
상기 밸러스트 탱크로부터의 상기 물을 분석하는 단계;
총 잔류 산화제의 양을 감소시키기 위하여 물에 첨가될 중화 용액의 요구량을 결정하는 단계, 및;
상기 결정된 양의 중화 용액을 상기 물에 주입하는 단계를 더욱 포함하는 것인, 방법.
제12항에 있어서,
전극들로부터 스케일(scale)을 제거하기 위하여, 일정 시간 동안 전해 전지 내부에서 전극의 극성을 반대로 하는 단계를 더욱 포함하는 것인, 방법.