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KR-102961177-B1 - Exhaust Gas Recirculation System And Method Using SCR In Ship

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Abstract

선박의 SCR 시스템를 이용한 배기가스 재순환 시스템 및 방법이 제공된다. 본 발명의 선박의 SCR 시스템를 이용한 배기가스 재순환 시스템은, 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스에 포함된 질소산화물로부터 질소를 생성하는 SCR 시스템; 및 상기 SCR 시스템를 통과한 배기가스로부터 황산화물을 제거하는 탈황장치:를 포함한다.

Inventors

  • 김충환

Assignees

  • 한화오션 주식회사

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20210413

Claims (10)

  1. 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스에 포함된 질소산화물로부터 질소를 생성하는 SCR 시스템; 상기 SCR 시스템를 통과한 배기가스로부터 황산화물을 제거하는 탈황장치; 상기 탈황장치를 통과한 배기가스를 냉각시키는 쿨러; 및 상기 쿨러를 통과하여 얻은 응축수를 분리하는 수분세퍼레이터(Seperator):를 포함하며, 상기 SCR 시스템, 탈황장치, 쿨러 및 수분세퍼레이터를 거친 배기가스로부터 질소를 회수하여 상기 선박 내의 불활성가스 수요처로 공급하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 수분세퍼레이터를 통과한 배기가스로부터 회수된 질소를 압축하는 압축기:를 더 포함하며, 상기 SCR 시스템, 탈황장치, 쿨러, 수분세퍼레이터 및 압축기를 거친 배기가스로부터 회수된 질소를 상기 선박 내의 불활성가스 수요처에 공급하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 시스템.
  4. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 불활성가스 수요처는 Purging 용 불활성가스 또는 Inerting 용 불활성가스를 필요로 하는 곳인 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 시스템.
  5. 청구항 1 또는 청구항 3에 있어서, 상기 수분세퍼레이터에 의해 분리된 응축수를 생활용수로 공급하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 시스템.
  6. 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스 중 질소산화물을 질소로 환원하는 SCR 단계; 상기 SCR 단계 후 배기가스 중 황산화물을 제거하는 탈황단계; 상기 탈황단계를 통과한 배기가스를 쿨러에 통과시켜 냉각하는 단계; 및 상기 쿨러를 통과하여 얻은 응축수를 수분세퍼레이터로 분리하는 단계:를 포함하며, 상기 SCR 단계, 탈황단계, 냉각단계 및 응축수를 분리하는 단계를 거친 배기가스로부터 질소를 회수하여 상기 선박 내의 불활성가스 수요처로 공급하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 방법.
  7. 삭제
  8. 청구항 6에 있어서, 상기 수분세퍼레이터를 통과한 배기가스로부터 회수된 질소를 압축하는 단계:를 더 포함하며, 상기 SCR 단계, 탈황단계, 냉각단계, 응축수를 분리하는 단계 및 압축단계를 거친 배기가스로부터 회수된 질소를 상기 선박 내의 불활성가스 수요처에 공급하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 방법.
  9. 청구항 6 또는 청구항 8에 있어서, 상기 불활성가스 수요처는 Purging 용 불활성가스 또는 Inerting 용 불활성가스를 필요로 하는 곳인 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 방법.
  10. 청구항 6 또는 청구항 8에 있어서, 상기 수분세퍼레이터에 의해 분리된 응축수를 생활용수로 공급하는 것을 특징으로 하는 배기가스 재순환 방법.

Description

SCR을 이용한 배기가스 재순환 시스템 및 방법{Exhaust Gas Recirculation System And Method Using SCR In Ship} 본 발명은 SCR을 이용한 선박의 배기가스 재순환 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선택적촉매환원장치 및 탈황장치를 거친 선박의 배기가스가 N2와 응축수(H2O)로 최종 분리되어 각각 선박내에서 불활성가스와 생활용수로서 공급되는, SCR을 이용한 선박의 배기가스 재순환 시스템 및 방법에 관한 것이다. 최근 선박에서 각종 엔진의 연료로서 중유, MDO(Marine Diesel Oil) 등을 사용할 경우 배기가스에 포함된 각종 유해물질로 인한 환경오염의 심각성이 대두되고 있다. 특히 질소산화물(NOx) 배출은 대기 중 광화학스모그를 일으키는 주요 물질로 신체적, 환경적으로 영향을 미치며 최근 황산화물(SOx)을 비롯하여 암모니아 등과 함께 초 미세먼지를 형성하는 2차 오염물질로 알려져 있다. 이러한 질소산화물이 대기환경에 미치는 영향은 심각하기 때문에 전 세계 각국의 환경당국에서 법적인 규제를 만들어 질소산화물의 배출량을 저감하고자 노력하고 있으며, 선박의 각종 엔진에 대한 규제가 강화되고 있다. 일반적으로, 선박에서 배출되는 배기가스 성분 중 UN 산하 국제 해사 기구(International Maritime Organization, IMO)의 규제를 받는 것은 질소산화물(NOx)과 황산화물(SOx)이고, IMO는 해상 디젤엔진 내 배기오염 배출물질의 제어를 강화하기 위하여 선박 엔진 배기가스 중 질소산화물의 농도를 일정 기준 이하로 감소시킬 것을 규정하는 해양오염방지협약인 MARPOL (marine pollution treaty) Annex VI 협약을 시행 중이다. 질소산화물에 대해서는 2016년부터 북미와 하와이 연안 지역, 2021년부터 북유럽과 발트해 지역의 ECA(Emission Control Area)에서는 IMO Tier Ⅲ가 적용되고, 그 외의 다른 지역에서는 Tier Ⅱ가 적용되어, 디젤엔진에서 배출되는 배기 중 질소산화물의 양을 규제하고 있다. Tier Ⅱ 또는 Tier Ⅲ를 만족하기 위해 선박의 엔진에 적용되는 대표적인 시스템으로는 배기가스 재순환 (Exhaust Gas Recirculation, EGR) 장치 및 선택적 환원촉매(Selective Catalytic Reduction, SCR) 장치를 들 수 있다. EGR 기술은 디젤엔진에서 발생하는 배기가스를 재순환 시키는 장치로서 배가스를 순환시킴에 따라 배가스 온도 및 산소농도를 감소시켜 NOx 생성을 억제한다. 그러나 연소 온도를 낮추기 위해 별도의 냉각장치가 필요하고 그로 인해 EGR 기술의 경우 전체적으로 복잡하고 장치 부피가 커지며 엔진의 출력 및 효율이 감소되는 단점을 나타낸다. 선택적 촉매환원 기술(SCR)은 디젤 엔진의 배기가스에 포함된 NOx를 무해한 N2와 H2O로 전환시키는 기술이다. 이는 우레아(H2N-CO-NH2, urea)와 같은 환원제를 사용하여 우수한 탈질효율을 나타낸다. 상용촉매로는 주로 바나듐계 촉매가 널리 사용되고 있으며, 이는 기술적 및 경제적으로 가장 우수한 질소산화물 제거기술로 알려져 있다. 한편, 불활성가스는 선박 내 액화가스 저장탱크에 블랭킷 가스, 퍼징용 가스 및 워밍업용 가스 등으로 공급될 수 있으며, 불활성가스 농도가 풍부한 가스이거나 또는 불활성가스일 수 있고, 액화가스가 저장된 액화가스 저장탱크는 물론 액화가스가 저장되지 않은 액화가스 저장탱크에 공급하더라도 안전성에 문제가 없는 적합한 조건을 갖는 가스이다. 불활성가스로 많이 사용되는 것으로 N2가 있다. 도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR을 이용한 배기가스 재순환 시스템을 개략적으로 도시하였다. 본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. 이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 후술하는 본 발명의 실시예에서 선박은, 추진용 엔진의 연료 또는 발전용 엔진의 연료로 HFO(Heavy Fuel Oil), MDO(Marine Diesel Oil), MGO(Marine Gas Oil) 등 연료유를 단독으로 사용하거나 LNG(Liquefied Natural Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas) 등 다른 연료와 함께 사용할 수 있는 엔진이 설치되거나 연료유를 사용하는 기관이 마련되어 배기가스를 처리하기 위한 선택적촉매환원장치(SCR)가 적용되는 모든 종류의 선박일 수 있다. 대표적으로 LPG 운반선, LNG 운반선(LNG Carrier), 액체수소 운반선, LNG RV(Regasification Vessel)와 같은 자체 추진 능력을 갖춘 선박을 비롯하여, LNG FPSO(Floating Production Storage Offloading), LNG FSRU(Floating Storage Regasification Unit)와 같이 추진 능력을 갖추지는 않지만 배기가스가 배출되며 해상에 부유하고 있는 해상 구조물도 포함될 수 있다. 이하에서 도 1을 참조하여 본 실시예의 배기가스 재순환 시스템을 살펴본다. 본 발명의 일 실시예는, 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스에 포함된 질소산화물로부터 질소를 생성하는 SCR 시스템(10)과 SCR 시스템(10)를 통과한 배기가스로부터 황산화물을 제거하는 탈황장치(20)를 포함하여 구성된 배기가스 재순환 시스템이다. SCR 시스템(10)은 선박의 엔진으로부터 배출된 NOx, SOx 등이 포함된 배기가스의 SCR반응을 진행하므로, 배기가스가 지나는 적절한 곳에 위치할 수 있다. SCR 시스템(10)은 SCR 반응이 이루어지며 촉매층을 포함하는 SCR Reactor, SCR Reactor 내부의 그을음을 제거하기 위한 Soot Blowing Unit, 환원제공급부, SCR 컨트롤 시스템 등으로 구성될 수 있다. 상기 환원제공급부는 환원제 저장탱크, 환원제 Dosing Unit 및 환원제 Injection 등으로 구성될 수 있다. SCR 시스템(10)은 추가적으로 NO2모니터링 시스템을 갖출 수 있다. SCR 시스템(10)는 연료의 연소로 발생한 배기가스가 지나는 배기파이프에 SCR Reactor를 설치하여 환원 반응에 의해 질소산화물을 감소시키는 방식이다. 보다 구체적으로는 SCR Reactor 내부에서 분사된 암모니아(Ammonia)와 NOx가 촉매 존재하에 반응하여 N2와 H2O로 변해 NOx 함량이 감소하며, 안전을 위해 암모니아는 유레아 수용액((NH2)2CO) 형태로 SCR 시스템에 공급된다. 그 반응식은 다음과 같다. 본 발명의 일 실시예로서, SCR 시스템은 우수한 촉매 활성요구의 달성을 위한 바나듐 기반 촉매가 널리 쓰이며, 특히 V2O5/TiO2 촉매는 높은 NOx 제거 효율과 내구성 때문에 상용 촉매로서 널리 사용된다. 환원제로서 NH3를 사용하는 SCR 기술은 NOx를 제거하기 위한 BACT(best available control technology)로 알려져 있다. 사용하는 연료유의 황 함유량에 따라 HP-SCR 또는 LP-SCR을 각각 또는 함께 선택할 수 있다. 최근 Engine-integrated SCR 기술이 개발되는 바 향후 SCR 시스템(10)에 대응하여 적용될 수 있다. 선박의 엔진 측에서 배출된 배기가스는 SCR 시스템(10)를 거치면서 N2, H2O 및 SO3와 같은 황산화물을 포함하는 배기가스를 배출하게 된다. 본 발명에 일 구성요소인 탈황장치(20)는 SCR 시스템(10)을 거친 배기가스를 해수 또는 청수로 세정하는 스크러버(Scrubber)일 수 있다. 스크러버는 개방형(Open Loop Scrubber), 폐쇄형(Closed Loop Scrubber) 또는 하이브리드형(Hybrid Loop Scrubber)일 수 있고, 개방형 스크러버를 주로 채택하고 있다. 개방형 스크러버는 탈황을 위해 해수를 사용하며, 해수는 전용펌프에 의해 공급된다. 표면 해수의 pH는 통상적으로 8.1~8.9 이어서 산성을 띠는 황산화물을 세정하는데 효과적이다. 해수에서의 황산화물의 용해도는 청수와 비교하여 약 2~3배 높은 것으로 알려져 있다. 개방형 스크러버에 배기가스가 유입되면 해수가 분무되고, 황산화물은 물과 반응해 황산을 형성한다. 이 경우 NaOH는 필요하지 않으며, 주변 해수의 고유pH에 맞춰 배출하기 위해 필터 시스템을 거쳐 폐수를 희석한다. 희석수의 양은 선박이 운항중인 지역에 따라 달라진다. 여과 후 잔류물은 슬러지 탱크로 회수되며, 폐기물 관리 장치가 구비된 항구에서 폐기처리될 수 있다. 엔진에서 배출되는 황산화물의 생성과 스크러버(개방형)에서 황산화물의 처리 과정은 아래의 반응에 의한다. SO3와 같은 황산화물은 해수 또는 청수에 쉽게 용해되므로 탈황장치(20)를 거친 배기가스는 황산화물이 세정되어 N2와 H2O를 포함한 채로 대기로 배출되거나, 카고탱크에서 연료폭발을 방지하기 위한 Purging과 선박이 하역하는 동안 카고탱크의 산소가 8%이하로 유지될 수 있도록 하기 위한 Inerting 등의 용도로 불활성가스 수요처에 공급되어 이용될 수 있다. SCR 시스템에서는 유입되는 배기가스의 온도가 중요하다. SCR의 최저 요구 온도는 연료의 황 함유량과 그에 따른 배기가스 내의 황산화물 형성에 따라 달라진다. 저온에서는 황산화물이 암모니아에 의해 중화되며, 반응물로 ABS(ammonium bisulphate, NH4HSO4), AS(ammonium sulfate, (NH4)2SO4)를 형성하는데 이는 SCR Reactor 내부에 달라붙어 축적될 수 있다. 너무 높은 온도에 도달하는 때에는 촉매 내부에 SO3가 형성될 수 있는데, SO3는 나중에 물과 반응해서 황산으로 변하고 원치 않는 흰색의 에어로졸을 형성한다. 따라서 이러한 탈질촉매의 효율을 감소시