KR101815086B1

KR101815086B1 - 배기 오염물질 저감장치

Info

Publication number: KR101815086B1
Application number: KR1020150128596A
Authority: KR
Inventors: 이승재; 박희준; 박건일
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2015-09-10
Filing date: 2015-09-10
Publication date: 2018-01-04
Anticipated expiration: 2035-09-10
Also published as: KR20170030982A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의해 배기 오염물질 저감장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배기 오염물질 저감장치는, 연소기관의 배기가스를 공급하는 배기가스관과, 외부로부터 해수를 유입받는 해수공급관과, 해수공급관으로부터 분지되어 세정수를 공급하는 세정수공급관과, 배기가스관을 통해 유입되는 배기가스에 세정수공급관을 통해 공급되는 세정수를 분무하는 스크러버와, 배기가스관 또는 해수공급관 또는 스크러버에 연결되며, 해수를 전기분해하여 수소와, 질소계산화물을 산화시키는 산화제 또는 산성화된 세정수를 중화시키는 중화제를 생성하는 정화유닛과, 정화유닛으로부터 수소를 공급받아 전기를 생성하는 연료전지모듈, 및 스크러버 내부의 세정수를 배출하는 세정수배출관을 포함할 수 있다.

Description

배기 오염물질 저감장치{Apparatus for reducing air pollutant}

본 발명은 배기 오염물질 저감장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연소기관의 배기가스에 포함된 오염물질을 정화하여 배출할 수 있는 배기 오염물질 저감장치에 관한 것이다.

일반적으로, 선박에 설치되는 각종 엔진은 화석연료를 연소하여 동력을 생성한다. 이 때, 연료의 연소과정에서 발생되는 배기가스는 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 미세분진(PM) 등의 유해물질을 포함하고 있으며, 이로 인해, 배기가스를 그대로 배출할 경우 대기오염을 초래할 수 있다.

이러한 이유로, 선박의 대기오염에 대한 환경규제가 강화되고 있으며, 각종 규제를 만족시키기 위해 다양한 처리장치가 선박에 적용되고 있다. 대기오염에 관한 환경규제 중 해양 배기가스 배출통제지역(ECA; Emission Control Area)의 운항 및 정박 시 엔진에서 배출되는 배기가스에 포함된 황산화물을 0.1% 이하로 규정하는 규제가 발효되어 있으며, 황산화물의 제거를 위해 일반적으로 습식 스크러버(wet scrubber)가 사용되고 있다. 습식 스크러버는 해수, 청수 또는 알칼리 용액과 배기가스를 기액 접촉하여 황산화물을 제거한다..

그러나, 종래의 시스템은 배기가스를 정화하기 위한 시스템을 구동하기 위한 별도의 동력 장치를 구비해야 하므로, 시스템의 설치 및 유지 비용이 증가할 뿐만 아니라 시스템의 배치를 위해 넓은 설치공간이 요구되어 선박 내 공간 활용도가 저하되는 문제점이 있다.

대한민국 공개특허 제10-2014-0123665호 2014. 10. 23.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 연소기관의 배기가스에 포함된 오염물질을 정화하여 배출할 수 있는 배기 오염물질 저감장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 배기 오염물질 저감장치는, 연소기관의 배기가스를 공급하는 배기가스관과, 외부로부터 해수를 유입받는 해수공급관과, 상기 해수공급관으로부터 분지되어 세정수를 공급하는 세정수공급관과, 상기 배기가스관을 통해 유입되는 배기가스에 상기 세정수공급관을 통해 공급되는 세정수를 분무하는 스크러버와, 상기 배기가스관 또는 상기 해수공급관 또는 상기 스크러버에 연결되며, 해수를 전기분해하여 수소와, 질소계산화물을 산화시키는 산화제 또는 산성화된 세정수를 중화시키는 중화제를 생성하는 정화유닛과, 상기 정화유닛으로부터 상기 수소를 공급받아 전기를 생성하는 연료전지모듈, 및 상기 스크러버 내부의 세정수를 배출하는 세정수배출관을 포함한다.

상기 연료전지모듈은 생성된 전기를 상기 정화유닛으로 공급할 수 있다.

상기 해수공급관에 해수를 가압하여 상기 스크러버로 공급하는 펌프를 더 포함하되, 상기 연료전지모듈은 상기 펌프에 전기를 공급할 수 있다.

상기 배기 오염물질 저감장치는, 상기 연료전지모듈은 생성된 전기를 저장하는 배터리모듈을 더 포함할 수 있다.

상기 배기 오염물질 저감장치는, 상기 해수공급관에서 분지되어 상기 스크러버에 연결되는 해수유입관에 설치되어 해수에 전해질을 공급하는 전해질탱크를 더 포함할 수 있다.

상기 전해질은 염화나트륨일 수 있다.

상기 산화제는 해수를 전기분해하여 생성한 차아염소산나트륨 또는 차아염소산일 수 있다.

상기 중화제는 해수를 전기분해하여 생성한 차아염소산나트륨 또는 차아염소산나트륨의 희석액일 수 있다.

본 발명에 따르면, 해수를 전기분해하는 정화유닛에서 생성된 산화제로 배기가스에 포함된 일산화질소를 산화시키고, 동시에 동일한 정화유닛에서 생성된 중화제로 산성화된 세정수를 중화시킴으로써, 시스템의 설치 및 유지 비용이 감소할 뿐만 아니라 선박 내 공간 활용도가 증가할 수 있다.

또한, 정화유닛에서 해수의 전기분해에 의해 생성된 수소를 연료전지모듈로 공급하여 전기를 생성하는데 사용하고, 생성된 전기를 정화유닛 및 기타 장치의 구동원으로 사용함으로써, 시스템을 보다 효율적으로 운용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기 오염물질 저감장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 정화유닛을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1의 연료전지모듈을 확대하여 도시한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배기 오염물질 저감장치의 작동도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 배기 오염물질 저감장치에 관하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 배기 오염물질 저감장치는 배기가스에 포함된 각종 오염물질(질소산화물, 황산화물, 분진 등)의 농도를 줄여 배기기준에 적합한 공기를 배출함과 동시에 배기가스의 농도를 줄이는 데 사용된 세정수의 처리가 동시에 이루어질 수 있는 장치로서, 주로 선박에 탑재되어 선박에서 발생하는 배기가스의 오염물질을 제거할 수 있다.

배기 오염물질 저감장치는, 해수를 전기분해하는 정화유닛에서 생성된 산화제로 배기가스에 포함된 일산화질소를 산화시키고, 동시에 동일한 정화유닛에서 생성된 중화제로 산성화된 세정수를 중화시킴으로써, 시스템의 설치 및 유지 비용이 감소할 뿐만 아니라 선박 내 공간 활용도가 증가할 수 있다. 또한, 정화유닛에서 해수의 전기분해에 의해 생성된 수소를 연료전지모듈로 공급하여 전기를 생성하는데 사용하고, 생성된 전기를 정화유닛 및 기타 장치의 구동원으로 사용함으로써, 시스템을 보다 효율적으로 운용할 수 있는 특징이 있다.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 배기 오염물질 저감장치에 관하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기 오염물질 저감장치를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 정화유닛을 확대하여 도시한 단면도이고, 도 3은 도 1의 연료전지모듈을 확대하여 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 배기 오염물질 저감장치(1)는 배기가스관(10)과, 해수공급관(20)과, 세정수공급관(30)과, 스크러버(40)와, 정화유닛(50)과, 연료전지모듈(90), 및 세정수배출관(41)을 포함한다.

배기가스관(10)은 연소기관(도시되지 않음)으로부터 배기가스가 이동하는 관으로, 후술할 스크러버(40)에 연결된다. 배기가스관(10)은 연소기관의 배기관에 직접 연결되어, 고온의 배기가스가 직접 이동하거나 각종 열교환기를 통과하여 배기열의 대부분을 재활용하고 남은 폐가스가 이동하는 통로가 될 수 있다. 여기서, 연소기관은 연료를 연소하여 선박에 필요한 각종 동력을 발생시키는 장치로서, 예를 들어, 메인 엔진, 발전기 엔진 등으로 형성될 수 있다. 배기가스관(10)에는 복수 개의 연소기관의 배기관이 연결될 수 있으며, 복수 개의 연소기관은 필요에 따라 선택적으로 동작할 수 있다. 이러한 연소기관은 통상, 화석 연료를 연소하여 동력을 발생시키므로, 화석 연료의 연소에 따른 배기가스를 발생시킨다. 발생된 배기가스는 다량의 질소산화물, 황산화물 및 분진 등을 포함하고 있으며, 연소기관의 일 측에 연결된 배기가스관(10)을 통해 스크러버(40)로 공급된다.

해수공급관(20)은 외부로부터 해수를 유입받아 공급하는 관으로, 해수를 가압하는 적어도 하나의 펌프(P1)가 설치되어 해수를 스크러버(40)로 원활하게 공급할 수 있다. 그러나, 해수공급관(20)이 해수를 스크러버(40)로 공급하는 것으로 한정될 것은 아니며, 필요에 따라 평형수탱크(도시되지 않음) 등으로 해수를 공급할 수도 있다.

해수공급관(20)의 일 측에는 세정수공급관(30)이 분지되어 스크러버(40)로 연결될 수 있으며, 해수공급관(20)과 세정수공급관(30)의 연결부분에는 제1 제어밸브(25)가 설치될 수 있다. 제1 제어밸브(25)는 삼방밸브 형태로 형성되어, 세정수공급관(30)을 통하여 공급되는 해수의 양을 조절하거나 세정수공급관(30)으로 분지되어 공급되는 해수와 해수공급관(20)을 통하여 유동하는 해수의 비율을 조절할 수 있다. 이러한 해수공급관(20)은 세정수공급관(30)의 후단에 혼합관(22)과 해수배출관(23)이 차례로 연결된다. 혼합관(22)은 후술할 정화유닛(50)으로부터 전기분해 반응이 끝난 해수가 유동하며, (23) 해수배출관(23)은 외부로 해수를 배출할 수 있다.

세정수공급관(30)은 해수 또는 청수 또는 해수와 청수의 혼합수 중 적어도 하나인 세정수를 스크러버(40)로 공급하는 관으로, 일단부가 해수공급관(20) 또는 청수공급관(26)에 연결되고 타단부가 스크러버(40)에 연결될 수 있다. 즉, 세정수공급관(30)은 해수와 청수를 선택적으로 공급받을 수 있다. 이하, 세정수가 해수인 것으로 한정하여, 세정수공급관(30)을 통해 주로 해수가 유입되어 스크러버(40)로 공급되는 과정을 보다 중점적으로 설명한다.

해수공급관(20)을 통해 외부로부터 유입되는 해수는 세정수공급관(30)을 통해 유동하여 스크러버(40)로 공급된다. 스크러버(40)는 배기가스관(10)을 통해 유입되는 배기가스에 세정수공급관(30)을 통해 공급되는 세정수를 분무하여 배기가스와 세정수를 기액 접촉시키는 장치로, 통상의 습식 스크러버(scrubber)일 수 있다. 이 때, 세정수공급관(30)은 스크러버(40) 내부에 위치한 단부가 스크러버(40)의 상부에 배치되며, 복수 개로 분지되어 세정수를 미립자 형태로 분무할 수 있다. 즉, 스크러버(40)의 상부에 배치된 세정수공급관(30)은 배기가스관(10)이 위치한 스크러버(40)의 하부를 향하여 세정수를 분무하며, 이로 인해, 배기가스와 세정수를 효과적으로 접촉시킬 수 있다. 스크러버(40) 내부에서 배기가스와 세정수가 접촉함에 따라 배기가스에 포함된 질소산화물, 황산화물, 및 분진 등의 오염물질이 제거될 수 있으며, 질소산화물, 황산화물, 및 분진 등의 오염물질이 제거된 배기가스는 별도의 배출관(42)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 배출관(42)을 통해 배출되는 배기가스는 질소산화물, 황산화물, 및 분진 등의 오염물질이 제거된 상태이므로, 배기기준에 적합하게 되어 대기 중에 그대로 배출할 수 있다.

스크러버(40) 내부에서 오염물질이 포함된 배기가스와 접촉하여 질소산화물, 황산화물, 및 분진 등이 포함된 세정수는 세정수배출관(41)을 통해 스크러버(40) 외부로 배출된다.

한편, 정화유닛(50)은 해수를 전기분해하여 수소와, 질소계산화물을 산화시키는 산화제 또는 산성화된 세정수를 중화시키는 중화제를 생성하는 것으로, 배기가스관(10) 또는 해수공급관(20) 또는 스크러버(40)에 연결될 수 있다. 다시 말해, 정화유닛(50)은 배기가스관(10) 또는 해수공급관(20) 또는 스크러버(40)에 산화제 또는 중화제를 공급할 수 있다. 또한, 정화유닛(50)은 해수를 전기분해하여 살균제를 만들 수도 있다. 이렇게 생성된 살균제는 제2 주입관(57)과 제3 주입관(58)을 통해 스크러버(40)와 해수공급관(20)에 공급되어 해수 중의 미생물을 살균할 수 있다. 이후, 살균 처리된 해수는 해수배출관(23)을 통해 해양으로 방류되기 전, 센서부(24)에서 과잉 산화제양을 확인하게 된다. 이 때, 해수에 과잉의 산화제가 포함되었을 경우, 티오황산나트륨를 첨가하여 산화제양을 낮춘 후 해양으로 방출한다.

정화유닛(50)은 전기분해조(51)와, 양전극판(52a)과 음전극판(52b), 및 정류기(53)를 포함한다.

도 2를 참조하여 설명하면, 전기분해조(51)는 내부에 수용공간이 형성된 통 또는 챔버로, 해수공급관(20)을 통해 공급된 해수가 수용된다. 전기분해조(51)는 일 측에 해수공급관(20)으로부터 분지된 해수유입관(21)이 연결되어 해수를 공급받으며, 해수유입관(21) 상에는 적어도 하나의 펌프(P2)가 설치되어 해수를 전기분해조(51)로 원활하게 공급할 수 있다. 전기분해조(51)는 내부에 양전극판(52a)과 음전극판(52b)이 설치된다.

양전극판(52a)과 음전극판(52b)은 전기분해조(51) 내부에 해수의 유동 방향으로 배치되며, 일정 간격 이격되어 서로 마주보며 배치된다. 양전극판(52a)과 음전극판(52b) 사이에는 친수성 다공질 막으로 형성된 격막(54)이 설치되어, 전기분해조(51)는 내부가 양전극판(52a)이 위치하는 제1 영역(51a)과 음전극판(52b)이 위치하는 제2 영역(51b)으로 분할될 수 있다. 그러나, 격막(54)이 친수성 다공질 막으로 형성되는 것으로 한정될 것은 아니며, 다양한 구조의 막으로 변형되거나 필요에 따라 격막(54)이 생략될 수도 있다. 이러한 양전극판(52a)과 음전극판(52b)은 각각 케이블을 통해 정류기(53)와 전기적으로 연결된다.

정류기(53)는 양전극판(52a)과 음전극판(52b)에 각각 정류된 전류를 공급한다. 도면 상에는 정류기(53)가 전기분해조(51)의 외부에 설치된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 예를 들어, 정류기(53)는 전기분해조(51)의 내부에 설치될 수도 있다.

전기분해조(51) 내부에서는 정류기(53)로부터 공급된 전류에 의해 해수에 포함된 염화나트륨(NaCl)이 전기분해되며, 이로 인해, 양전극판(52a)에서는 산화 반응이 일어나면서 염소가스(Cl₂)가 발생되고, 음전극판(52b)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. 전기분해조(51) 내부에는 생성된 산화제 또는 살균제 또는 중화제의 농도를 측정하는 농도측정센서(55)가 마련되므로, 정류기(53)는 농도측정센서(55)에서 측정된 농도값에 연계하여 공급되는 전류의 세기를 조절할 수 있다.

구체적으로, 양전극판(52a)에서는 다음과 같은 반응이 일어난다.

또한, 음전극판(52b)에서는 다음과 같은 반응이 일어난다.

결론적으로,

즉, 산화제는 해수를 전기분해하여 생성한 차아염소산나트륨(NaOCl) 또는 차아염소산(HOCl)일 수 있으며, 정화유닛(50)은 제1 주입관(56)을 통해 배기가스관(10)에 산화제를 액상으로 미립자화하여 분사할 수 있다. 구체적으로, 정화유닛(50)은 제1 주입관(56)을 통해 배기가스관(10)에 산화제를 분사하여 배기가스에 포함된 일산화질소를 이산화질소로 산화시킬 수 있다. 이산화질소는 일산화질소에 비하여 물에 쉽게 용해되므로 스크러버(40)에서 세정수에 녹아 쉽게 제거될 수 있다. 제1 주입관(56)은 배기가스관(10)에 액체산화제를 미립자화하여 분사하거나, 배기가스관(10)에 설치된 별도의 분무유닛(11)을 통하여 배기가스에 액체산화제를 분무할 수 있다. 분무유닛(11)은 노즐, 초음파진동자, 스프레이, 가열판 등을 사용하여 액체산화제를 미립자화하거나 액적화, 또는 증기화할 수 있다.

또한, 중화제는 해수를 전기분해하여 생성한 차아염소산나트륨(NaOCl) 또는 차아염소산나트륨(NaOCl)의 희석액일 수 있으며, 정화유닛(50)은 제2 주입관(57)을 통해 스크러버(40)에 중화제를 주입할 수 있다. 구체적으로,중화제는 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)이 세정수와 반응하여 산성화된 세정수를 중화시킬 수 있다. 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)은 해수와 반응하면 각각 질산(HNO₃)과 황산(H₂SO₄)을 생성하게 되므로, 정화유닛(50)은 차아염소산나트륨(NaOCl)을 스크러버(40)에 분사하여 산성화된 세정수를 중화시킬 수 있다. 스크러버(40) 내부에서는 다음과 같은 반응이 일어난다.

차아염소산나트륨(NaOCl)은 질산(HNO₃) 및 황산(H₂SO₄)과 반응하여 차아염소산(HOCl)을 추가로 생성하므로, 세정수 중에 포함된 미생물을 살균할 수도 있다. 이 때, 차아염소산(HOCl)은 약한 산(acidic) 성분을 띄고 있으므로, 별도의 중화제, 예를 들어, 티오황산나트륨(Na₂S₂O₃), 수산화나트륨(NaOH)을 첨가할 수도 있다.

이러한 정화유닛(50)은 제3 주입관(58)을 통해 해수공급관(20)에 살균제를 주입하여 혼합관(22) 및 해수배출관(23)을 통해 해상으로 배출되는 해수 중의 미생물을 살균시킬 수 있다.한편, 정화유닛(50)은 제2 주입관(57)을 통해 스크러버(40)에 직접 중화제(NaOH)를 주입할 수도 있으며, 정화유닛(50)에서 공급된 중화제로 세정수의 중화가 충분히 이루어지지 않을 경우, 별도의 중화제 주입 유닛(도시되지 않음)을 추가하여 2차 중화단계를 거칠 수도 있다.

해수의 전기분해에 의해 생성된 수소는 물에 대한 용해도가 매우 낮으므로(수소 용해도: 0.0016g/kg), 별도의 기액분리기(도시되지 않음)를 통해 물로부터 쉽게 분리된 후 연료전지모듈(90)로 공급될 수 있으며, 연료전지모듈(90)은 산소와 정화유닛(50)으로부터 공급된 수소를 공급받아 전기를 생성할 수 있다. 예를 들어, 연료전지모듈(90)은 50℃ ~ 200℃의 저온에서 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. 그러나, 연료전지모듈(90)이 고분자 전해질형 연료전지로 형성되는 것으로 한정될 것은 아니며, 저온에서 작동하는 다양한 연료전지로 변형될 수 있다. 예를 들어, 연료전지모듈(90)은 인산형 연료전지로 형성될 수도 있다.

연료전지모듈(90)은 산소를 포함하는 공기와 수소를 공급받아 전기를 생성한다. 여기서, 공기라 함은 일반적으로 자연 상태에서 얻을 수 있는 약 80%의 질소와 약 20%의 산소로 구성된 일반적인 공기에 한정될 것은 아니며, 산소의 농도가 일반적인 공기보다 높거나 낮을 수 있으며, 일반적인 공기의 조성물질과 다른 물질이 일부 포함될 수도 있다. 즉, 공기라 함은, 연료전지모듈(90)에서 필요한 산소를 포함하고 있는 기체를 통칭할 수 있다.

도 3을 참조하여 설명하면, 연료전지모듈(90)에는 연료극(90a)과 공기극(90b)이 형성될 수 있다. 연료극(90a)은 정화유닛(50)으로부터 공급된 수소가 공급되며, 연료전지모듈(90)의 일 측에 형성될 수 있다. 공기극(90b)은 산소 또는 산소를 포함하는 공기 또는 산소를 포함하는 배기가스가 공급되며, 연료전지모듈(90)의 타 측에 형성될 수 있다. 연료극(90a)에 공급된 수소와 공기극(90b)에 공급된 산소는 화학적으로 반응하여 전기를 생성하며, 수소와 산소가 반응하는 반응식은 다음과 같다.

연료극(90a)에서는 연료인 수소(H₂)의 전기적 산화가 일어나며, 수소이온(2H+)과 전자(2e-)는 공기극(90b)으로 이동한다. 수소이온(2H+)은 연료극(90a)과 공기극(90b) 사이에 위치하는 고분자막을 통하여 연료극(90a)에서 공기극(90b)으로 이동하고, 전자(2e-)는 연료극(90a)과 공기극(90b)를 외부로 이어주는 전기회로를 통해 연료극(90a)에서 공기극(90b)으로 이동한다. 공기극(90b)에서는 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. 발생된 직류전력은 직류 전동기의 동력으로 사용되거나, 인버터(inverter)에 의해 교류전력으로 바뀌어 사용될 수 있다.

이러한 과정을 통해 생성된 전기는 정화유닛(50), 해수공급관(20) 상에 설치된 펌프(P1), 해수유입관(21) 상에 설치된 펌프(P2) 등으로 공급되어 각각의 동력원으로 사용되거나 다른 설비의 동력원으로 사용될 수 있다. 연료전지모듈(90)로부터 생성된 전기가 정화유닛(50)에 공급되는 경우, 전기는 해수를 전기분해하는 데 필요한 동력원 중 일부로 사용될 수 있다.

연료전지모듈(90)의 일 측에는 생성된 전기를 저장하는 배터리모듈(100)이 마련될 수 있으며, 배터리모듈(100)에 저장된 전기는 필요에 따라 다양한 사용처에 공급될 수 있다.

해수공급관(20) 또는 해수공급관(20)으로부터 분지된 해수유입관(21) 상에는 해수에 전해질을 공급하는 전해질탱크(110)가 마련될 수 있으며, 이 때, 전해질은 염화나트륨(NaCl)일 수 있다. 선박은 전세계 해역을 운항하며, 해역에 따라 해수에 포함된 염분의 농도가 서로 다를 수 있다. 특히, 해수에 포함된 염분의 농도가 너무 낮을 경우, 중화유닛(50)에서 전기분해가 원활하게 이루어지지 않으며, 이로 인해, 적합한 농도를 갖는 산화제 또는 중화제가 생성되지 않아 배기가스가 배출기준을 만족시키지 못하는 경우가 발생할 수 있다. 해수공급관(20) 또는 해수유입관(21) 상에 전해질을 공급하는 전해질탱크(110)가 마련됨으로써, 염화나트륨이 적게 포함된 해수가 유입된 경우에도 중화유닛(50)에서 전기분해가 원활하게 이루어질 수 있으며, 이로 인해, 산화제 또는 중화제가 용이하게 생성될 수 있다.

세정수배출관(41)은 스크러버(40) 내부의 세정수를 배출하는 관으로, 필터유닛(60)을 통하여 해수공급관(20)과 다시 연결될 수 있다. 즉, 세정수배출관(41)은 필터유닛(60)을 통하여 세정수에 포함된 고체상 입자를 분리한 후, 외부로 배출할 수 있다. 세정수배출관(41)은 반드시 해수공급관(20)과 연결될 필요는 없으며, 독립적으로 선박의 외부와 연결될 수도 있다.

세정수배출관(41)에는 순환관(81)이 연결될 수 있다. 순환관(81)은 세정수배출관(41)을 통하여 배출되는 세정수를 세정수공급관(30)으로 재순환시키는 관으로, 세정수를 외부로 배출할 필요가 없는 경우 세정수를 스크러버(40)로 순환시켜 재사용할 수 있다.

세정수배출관(41)과 순환관(81) 사이에는 재순환탱크(80)가 설치될 수 있다. 재순환탱크(80)는 스크러버(40)를 통하여 배출된 세정수 중 일부를 저장할 수 있으며, 순환관(81)을 통하여 일정한 양의 세정수가 순환될 수 있도록 일종의 버퍼탱크(buffer tank) 역할을 할 수 있다.

재순환탱크(80)는 원심분리기, 중력분리기, 필터 중 어느 하나를 포함하여 세정수에 포함된 고체상 입자를 분리하고 순환관(81)을 통해 세정수를 재순환시킬 수 있다.

세정수공급관(30)은 해수공급관(20), 청수공급관(26), 및 순환관(81)과 연결되어 있어, 배기가스의 농도, 스크러버(40)의 처리 용량, 세정수의 농도 및 오염도 등을 고려하여 해수, 청수, 순환수를 적절히 섞어 스크러버(40)로 공급할 수 있다.

필터유닛(60)은 스크러버(40)의 후단에 설치되어 스크러버(40)로부터 배출되는 세정수에 포함된 고체상 입자 등을 분리하는 장치로, 재순환탱크(80)와 같이 원심분리기, 중력분리기, 필터 중 적어도 하나를 이용하여 고체상 입자를 분리한 후 슬러지탱크(70)로 배출할 수 있다. 필터유닛(60)은 펌프(P1)와 제1 제어밸브(25) 사이의 해수공급관(20)에 연결될 수 있다. 즉, 해수공급관(20)으로부터 공급되는 해수는 필터유닛(60)을 통과한 후 세정수공급관(30)을 통해 스크러버(40)로 공급되며, 스크러버(40)를 통과한 세정수는 다시 필터유닛(60)을 통과할 수 있다. 즉, 하나의 필터유닛(60)으로 외부에서 유입된 해수와 스크러버(40)를 통과한 세정수를 모두 필터링할 수 있다. 또한, 필터유닛(60)은 하나 또는 두 개를 사용하되, 세정수배출관(41)을 통과한 세정수 또는 해수공급관(20)을 통과한 해수 속의 포함된 입자가 큰 물질 제거에 공통으로 또는 독립적으로 사용할 수도 있다.

필터유닛(60)필터유닛(60)을 통과한 세정수 또는 해수에는 제3 주입관(58)을 통해 중화제 또는 살균제가 분사될 수 있다. 필터유닛(60)과 해수배출관(23) 사이에는 해수와 세정수의 혼합수가 배출되는 혼합관(22)이 설치될 수 있으며, 제3 주입관(58)은 해수공급관(20) 또는 혼합관(22)에 연결될 수 있다. 해수배출관(23) 상에는 센서부(24)가 설치되어 있어, 배출되는 세정수와 해수 중에 포함된 총잔류산화제양(total residual oxidant), pH값, 미생물 농도 중 적어도 하나를 실시간으로 파악할 수 있다. 센서부(24)는 예를 들어, TRO(Total Residual Oxidant) 센서일 수 있으며, 정화유닛(50)은 센서부(24)의 결과값에 따라 산화제, 중화제, 살균제의 공급량을 조절할 수 있다.

혼합관(22)을 통해 배출되는 세정수와 해수는 해수배출관(23)을 통해 외부로 배출된다.

이하, 도 4 및 도 5를 참조하여, 배기 오염물질 저감장치(1)의 작동과정에 대해 좀 더 상세히 설명한다.

도 4는 해수공급관으로 공급된 해수가 스크러버를 통과한 후 외부로 직접 배출되는 개루프(open loop) 방식을 도시한 것이며, 도 5는 해수공급관으로 공급된 해수가 스크러버를 통과한 후 순환관을 통하여 재순환되는 폐루프(close loop) 방식을 도시한 것이다.

먼저, 도 4를 참조하면, 해수공급관(20)을 통하여 유입된 해수 중 일부는 세정수공급관(30)을 통하여 스크러버(40)로 공급되며, 나머지 일부는 해수유입관(21)을 통하여 정화유닛(50)으로 공급된다. 세정수는 스크러버(40) 상부에서 분사되며, 스크러버(40)의 하부에는 세정수가 일정 수위로 채워질 수 있다. 이 때, 배기가스관(10)을 통하여 공급된 배기가스는 스크러버(40)의 하부에서 분사될 수 있다.

정화유닛(50)은 해수를 전기분해하여 생성한 산화제를 배기가스가 스크러버(40)로 공급되기 전에 분사하여 일산화질소를 이산화질소로 산화시킬 수 있다. 정화유닛(50)은 세정수의 pH값을 고려하여 해수공급관(20) 또는 스크러버(40)에 중화제를 함께 분사할 수 있다.

한편, 배기가스는 스크러버(40) 하부에 채워진 세정수 속에서 분사될 수 있으며, 이로 인해, 1차로 질소산화물 황산화물, 분진 등의 오염물질이 제거될 수 있다. 또한, 스크러버(40) 상부에서 분사되는 세정수에 의해 2차로 오염물질이 제거될 수 있다. 이러한 과정을 통하여 배기가스 내부의 오염물질은 제거되며, 오염물질이 제거된 배기가스는 배출관(42)을 통하여 외부로 배출된다.

스크러버(40)를 통과한 세정수는 질소산화물, 황산화물, 분진 등의 오염물질을 포함하고 있으며, 세정수배출관(41)을 통하여 필터유닛(60)으로 이동한다. 필터유닛(60)은 세정수 내부의 고체상 입자 등의 오염물질을 분리하여 슬러지탱크(70)로 저장하며, 오염물질이 분리된 세정수는 해수배출관(23)을 통하여 외부로 배출된다. 이 때, 센서부(24)에서 측정한 해수배출관(23)을 통과하는 세정수의 총잔류산화제양과 pH값이 기준치를 벗어나는 경우, 티오황산나트륨를 혼합관(22)에 주입하거나(그림 미도시) 제2 주입관(57)을 통해 정화유닛(50)에서 생산된 중화제를 스크러버(40)에 주입하여 총잔류산화제양과 pH값을 기준치 이내로 맞춘 후 외부로 배출한다.

정화유닛(50)에서 해수의 전기분해에 의해 생성된 수소는 연료전지모듈(90)로 공급되며, 연료전지모듈(90)에서 생성된 전기는 정화유닛(50) 또는 펌프(P1, P2)의 동력원으로 사용되거나 배터리모듈(100)에 저장될 수 있다.

한편, 해수공급관(20)을 통해 염화나트륨이 적게 포함된 해수가 유입된 경우, 전해질탱크(110)는 해수유입관(21)을 유동하는 해수에 전해질을 공급할 수 있다.

이어서, 도 5를 참조하여 설명하면, 해수공급관(20)을 통하여 유입된 해수 중 일부는 스크러버(40)로 공급되고, 일부는 정화유닛(50)으로 공급된다. 스크러버(40)를 통과하여 세정수배출관(41)으로 배출된 세정수는 재순환탱크(80)에 일시 저장되었다가 다시 순환관(81)을 통하여 세정수공급관(30)으로 순환된다. 즉, 도 5의 과정은 세정수가 순환관(81)을 통하여 재순환하는 점을 제외하면 나머지 과정은 도 4의 과정과 실질적으로 동일하다.

해수공급관(20)을 통하여 유입된 해수는 세정수공급관(30), 스크러버(40), 세정수배출관(41), 재순환탱크(80), 순환관(81)을 순차적으로 순환하며, 해수의 오염도, pH값 등을 고려하여 도 4의 과정과 도 5의 과정을 병행할 수 있다. 도 5의 과정은 해수의 배출이 제한되는 지역을 통과할 경우와 같이, 외부로 해수를 배출할 수 없는 경우에 사용될 수 있다. 세정수를 다시 재순환함으로써 세정수의 오염이 심할 경우, 필터유닛(60)을 통하여 고체상 입자를 제거한 후 외부로 배출하고, 다시 새로운 해수를 스크러버(40)로 공급할 수 있다.

도 4와 도 5의 과정은 필요에 따라 선택적 또는 순차적으로 사용될 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 배기 오염물질 저감장치
10: 배기가스관 11: 분무유닛
20: 해수공급관 21: 해수유입관
22: 혼합관 23: 해수배출관
24: 센서부 25: 제1 제어밸브
26: 청수공급관 30: 세정수공급관
40: 스크러버 41: 세정수배출관
42: 배출관 50: 정화유닛
51: 전기분해조 52a: 양전극판
52b: 음전극판 53: 정류기
54: 격막 55: 농도측정센서
56: 제1 주입관 57: 제2 주입관
58: 제3 주입관 60: 필터유닛
70: 슬러지탱크 80: 재순환탱크
81: 순환관 90: 연료전지모듈
90a: 연료극 90b: 공기극
100: 배터리모듈 110: 전해질탱크

Claims

연소기관의 배기가스를 공급하는 배기가스관;
외부로부터 해수를 유입받는 해수공급관;
상기 해수공급관으로부터 분지되어 세정수를 공급하는 세정수공급관;
상기 배기가스관을 통해 유입되는 배기가스에 상기 세정수공급관을 통해 공급되는 세정수를 분무하는 스크러버;
상기 배기가스관과 상기 해수공급관과 상기 스크러버에 각각 연결되고 해수를 전기분해하여, 수소와, 질소계산화물을 산화시키는 산화제 또는 산성화된 세정수를 중화시키는 중화제를 생성하는 정화유닛;
상기 정화유닛과 상기 배기가스관을 연결하여 상기 배기가스관에 상기 산화제를 주입하는 제1 주입관;
상기 정화유닛과 상기 스크러버를 연결하여 상기 스크러버에 상기 중화제를 주입하는 제2 주입관;
상기 정화유닛으로부터 상기 수소를 공급받아 전기를 생성하는 연료전지모듈;
상기 스크러버 내부의 세정수를 배출하는 세정수배출관; 및
상기 세정수배출관으로 배출된 세정수에 포함된 고체상 입자를 분리하며, 상기 세정수배출관과 상기 해수공급관을 연결하는 필터유닛을 포함하는 배기 오염물질 저감장치.
제1 항에 있어서, 상기 연료전지모듈은 생성된 전기를 상기 정화유닛으로 공급하는 배기 오염물질 저감장치.
제1 항에 있어서, 상기 해수공급관에 해수를 가압하여 상기 스크러버로 공급하는 펌프를 더 포함하되,
상기 연료전지모듈은 상기 펌프에 전기를 공급하는 배기 오염물질 저감장치.
제1 항에 있어서, 상기 연료전지모듈은 생성된 전기를 저장하는 배터리모듈을 더 포함하는 배기 오염물질 저감장치.
제1 항에 있어서, 상기 해수공급관에서 분지되어 상기 스크러버에 연결되는 해수유입관에 설치되어 해수에 전해질을 공급하는 전해질탱크를 더 포함하는 배기 오염물질 저감장치.
제5 항에 있어서, 상기 전해질은 염화나트륨인 배기 오염물질 저감장치.
제1 항에 있어서, 상기 산화제는 해수를 전기분해하여 생성한 차아염소산나트륨 또는 차아염소산인 배기 오염물질 저감장치.
제1 항에 있어서, 상기 중화제는 해수를 전기분해하여 생성한 차아염소산나트륨 또는 차아염소산나트륨의 희석액인 배기 오염물질 저감장치.