KR20160084527A - 질소산화물과 황산화물을 저감하는 선박의 배기가스 처리 장치 - Google Patents

질소산화물과 황산화물을 저감하는 선박의 배기가스 처리 장치 Download PDF

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Abstract

선박의 배기가스 처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)을 저감하는 선박의 배기가스 처리 장치에 관하여 개시한다.
본 발명은 선박용 디젤엔진에 구비되는 배기가스 처리장치에 있어서, 배기가스에 포함된 황산화물(SOx)을 제거하기 위한 스크러버 반응기와, 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 제거하기 위한 SCR 반응기를 포함하되, 배기가스가 상기 스크러버 반응기를 거친 후, 상기 SCR 반응기를 거치도록 하여 상기 SCR 반응기가 황산화물에 의하여 피독되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리장치를 제공한다.

Description

질소산화물과 황산화물을 저감하는 선박의 배기가스 처리 장치{EXHAUST GAS TREATMENT DEVICE REDUCING NOx AND SOx}
본 발명은 선박의 배기가스 처리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)을 저감하는 선박의 배기가스 처리 장치에 관한 것이다.
선박용 중 대형 엔진에 황의 함량이 많은 중유(Heavy Fuel Oil, HFO) 등을 연료로 사용하면, 배기가스 처리 장치인 선택적 촉매 환원 반응기(Selective Catalytic Reduction, SCR)의 촉매가 황에 피독되어 사용할 수 없게 된다. 따라서 선박용 엔진은 반드시 황 함유량이 적은 디젤유(Marine Diesel Oil, MDO)나 가스유(Marine Gas Oil, MGO)를 사용할 수 밖에 없었다.
관련선행기술로는 대한민국 공개특허 10-2010-0137220호 (공개일자 2010년 12월 30일) '선박용 배기가스의 탈황 탈질 처리장치'가 있다.
본 발명의 목적은 황 함유량이 높은 연료를 사용하더라도 SCR 장치가 원활하게 운전될 수 있는 선박의 배기가스 처리 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 배기가스 자체를 열교환시킴으로써 별도의 추가 가열 없이 SCR 반응기의 반응조건을 만족할 수 있는 선박의 배기가스 처리 장치를 제공함에 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 선박용 디젤엔진에 구비되는 배기가스 처리장치에 있어서, 배기가스에 포함된 황산화물(SOx)을 제거하기 위한 스크러버 반응기와, 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 제거하기 위한 SCR 반응기를 포함하되, 배기가스가 상기 스크러버 반응기를 거친 후, 상기 SCR 반응기를 거치도록 하여 상기 SCR 반응기가 황산화물에 의하여 피독되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리장치를 제공한다.
본 발명에 따른 배기가스 처리장치는 선박엔진에 배출되는 배기가스를 상기 스크러버 반응기로 안내하는 제1배기관과, 상기 스크러버 반응기에서 처리된 배기가스를 상기 SCR 반응기로 안내하는 제2배기관을 포함하며, 상기 제1배기관을 통과하는 배기가스를 이용하여, 상기 제2배기관을 통과하는 배기가스를 가열하는 열교환기를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 스크러버 반응기에서 배출되는 배기가스를 상기 SCR 반응기로 이송하는 압력을 제공하는 팬을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 스크러버 반응기는 암모니아와 이산화황을 반응시켜 입자상물질을 핵으로 염이 생성되도록 함으로써, 입자상물질과 황산화물을 제거하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 제1배기관에 환원제를 분사하여 상기 스크러버 반응기로 암모니아가 공급되도록 할 수도 있다. 분사되는 환원제는 우레아, 암모니아, 탄산암모늄, 암모늄 카바메이트 등이 바람직하다.
본 발명에 따른 배기가스 처리 장치는 황산화물을 저감하기 위한 스크러버 반응기와 질소산화물을 저감하기 위한 SCR 반응기를 구비하여, 배기가스의 황산화물과 질소산화물을 처리하여 배출할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 배기가스 처리 장치는 배기가스에서 황산화물을 제거한 후 SCR 반응기로 유입되도록 함으로써 SCR 반응기가 황에 피독되는 것을 방지하는 효과를 가져온다.
또한, 스크러버 반응기로 유입되는 배기가스와 스크러버 반응기에서 배출되는 배기가스가 열교환될 수 있도록 함으로써 SCR 반응기로 유입되는 배기가스가 적정온도를 유지할 수 있도록 하는 효과를 가져온다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물과 황산화물을 저감하는 선박의 배기가스 처리 장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스크러버 반응기를 나타낸 구성도이다.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물과 황산화물을 저감하는 선박의 배기가스 처리 장치를 나타낸 구성도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 질소산화물과 황산화물을 저감하는 선박의 배기가스 처리 장치는 탈황 처리를 위한 스크러버 반응기(140)와, 탈질 처리를 위한 SCR 반응기(180)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
두 개의 반응기중 스크러버 반응기(140)를 SCR 반응기(180)의 상류에 배치하는 것이 바람직하다.
SCR 반응기(180)의 촉매는 황(S)에 피독되면 사용할 수 없게 되므로, 스크러버 반응기(140)를 SCR 반응기(180)의 상류에 배치하여, 스크러버 반응기(140)에서 황산화물을 제거한 후, SCR 반응기(180)에서 질소산화물을 제거하도록 하는 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 선박의 배기가스 처리 장치는 엔진(110)에서 배출되는 배기가스가 터보챠저(120)를 거친 후 스크러버 반응기(140)과 SCR 반응기(180)를 순차적으로 거치면서 처리될 수 있도록 하는 것으로, 터보챠저(120)에서 배출되는 배기가스를 스크러버 반응기(140)로 안내하는 제1배기관(130)과, 상기 스크러버 반응기(140)에서 배출되는 배기가스를 SCR 반응기(180)로 안내하는 제2배기관(150)을 포함한다.
또한 제1배기관(130)과 제2배기관(150) 사이에 열교환이 이루어지도록 하는 열교환기(170)를 포함한다. 스크러버 반응기(140)에서 황산화물 제거를 위한 반응은 SCR 반응기(180)의 반응온도 보다 낮은 온도를 가지기 때문에, 스크러버 반응기(140)에서 배출되는 배기가스를 그대로 SCR 반응기(180)로 보낼 경우 SCR 반응기(180)의 반응온도까지 승온시켜야 한다. 본 발명은 이를 스크러버 반응기(140) 배기가스를 유입시키는 제1배기관(130)과, 스크러버 반응기(140)에서 배기가스를 배출하는 제2배기관(150)이 열교환하도록 함으로써, 스크러버 반응기(140)에서 배출되는 배기가스가 상기 열교환기(170)를 거치며 승온된 후 SCR 반응기(180)로 공급될 수 있도록 한 것이다.
열교환기(170)는 스크러버 반응기(140) 입측의 배기가스와, SCR 반응기(180) 입측의 배기가스가 열교환하도록 함으로써, SCR 반응기(180)로 유입되는 배기가스의 온도를 적정온도 범위로 유지시키는 역할을 수행한다.
SCR 반응기(180)는 적정 반응온도로 150~250 ℃ 범위를 가지는데, 스크러버 반응기(140) 출측의 온도는 상기 범위보다 낮은 온도를 가지게 된다. 또한, 스크러버 반응기(140)로 유입되는 배기가스의 온도는 상기 범위보다 높은 온도를 가지므로, 이들을 열교환시킴으로써, SCR 반응기(180)로 적정 온도의 배기가스가 유입될 수 있도록 하는 것이다.
또한, 제2배기관(150)에 스크러버 반응기(140)의 기체를 흡입하여 SCR 반응기로 공급하는 팬(160)을 더 포함할 수 있다.
또한, 제1배기관(130)에는 환원제 분사부(135)를 구비할 수 있다.
환원제 분사부(135)에서 분사되는 환원제는 암모니아로 분해되어, 암모니아는 스크러버 반응기(140)에서 이산화황과 수증기와 반응하여 염을 생성하게 된다.
이러한 반응은 NOx 슬립시에 발생하는 중황산암모늄염(Ammonium Bisulfate, ABS) 생성 반응을 역이용하여 SOx를 제거하는 것으로, 입자상물질(Particle Matter, PM)이 염 생성 반응의 핵으로 작용함으로써, 배기가스에 포함된 입자상물질과 SOx 성분을 제거하게 된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스크러버 반응기를 나타낸 구성도이다.
도시된 실시예는 스크러버 반응기 내부를 나타낸 것이다.
도시된 바와 같이, 배기가스에 공급된 환원제와, 환원제가 분해되어 생성된 암모니아(NH3)에 의하여 황과 입자상물질이 제거된다.
스크러버 반응기(140) 내부의 처리된 배기가스는 상술한 팬(도 1의 160)의 압력에 의하여 SCR 반응기(180)로 보내지게 된다.
스크러버 반응기에서 이루어지는 반응식은 다음과 같다.
2NH3(g) + SO3(g) + H20(g) -> [NH4]2SO4(s)
2NH3(g) + SO2(g) + H20(g) -> [NH4]2SO3(s)
NH3(g) + SO2(g) + H20(g) -> NH4HSO3(s)
상기와 같은 반응은 NOx 슬립시에 발생하는 ABS 생성반응을 역이용하여 SOx를 제거하게 되는데, 이 때 입자상물질이 염 생성 반응의 핵으로 작용하게 됨으로써 입자상물질을 핵으로 염이 생성되어 하부로 침전되므로, 입자상물질과 황성분이 제거된 배기가스만이 배출되어 SCR 반응기로 보내지게 된다.
본 발명은 이러한 스크러버 반응기(140)를 SCR 반응기(180)의 전단에 배치함으로써, 황이 다량 함유된 연료를 사용하더라도 배기가스에서 황산화물이 제거된 후 SCR 반응기로 보내지게 됨으로써, SCR 반응기가 황성분에 의하여 피독되는 것을 방지할 수 있고, 결과적으로 고가의 탈황 연료를 사용하지 않고도 요구되는 배기가스 처리 기준을 충족시킬 수 있는 효과를 가져온다.
전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 후술될 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110 : 디젤엔진
120 : 터보차저
130 : 제1배기관
135 : 우레아 분사부
140 : 스크러버 반응기
150 : 제2배기관
160 : 팬
170 : 열교환기
180 : SCR 반응기

Claims (6)

  1. 선박용 디젤엔진에 구비되는 배기가스 처리장치에 있어서,
    배기가스에 포함된 황산화물(SOx)을 제거하기 위한 스크러버 반응기와,
    배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 제거하기 위한 SCR 반응기를 포함하되,
    배기가스가 상기 스크러버 반응기를 거친 후, 상기 SCR 반응기를 거치도록 하여 상기 SCR 반응기가 황산화물에 의하여 피독되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    선박엔진에 배출되는 배기가스를 상기 스크러버 반응기로 안내하는 제1배기관과,
    상기 스크러버 반응기에서 처리된 배기가스를 상기 SCR 반응기로 안내하는 제2배기관을 포함하며,
    상기 제1배기관을 통과하는 배기가스를 이용하여, 상기 제2배기관을 통과하는 배기가스를 가열하는 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 스크러버 반응기에서 배출되는 배기가스를 상기 SCR 반응기로 이송하는 압력을 제공하는 팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 스크러버 반응기는
    암모니아와 이산화황을 반응시켜 입자상물질을 핵으로 염이 생성되도록 함으로써, 입자상물질과 황산화물을 제거하는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1배기관에 환원제를 분사하는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 환원제는
    우레아 수용액, 암모니아 수용액, 암모니아 가스, 탄산암모늄 수용액, 고체상의 탄산암모늄, 암모늄 카바메이트 수용액 중 하나로 하는 것을 특징으로 하는 배기가스 처리장치.
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