JP2024039088A - アンモニア冷却システムおよびアンモニア冷却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料又は貨物として液化アンモニアを搭載する船舶において、余剰アンモニアを安定的に冷却し得るアンモニア冷却システムおよびアンモニア冷却方法を提供する。【解決手段】燃料又は貨物として、液化アンモニアを搭載する船舶に接続される、余剰アンモニアの冷却システムであって、液化アンモニアを減圧する減圧部１１と、減圧された液化アンモニアを冷媒として、余剰アンモニアを冷却する熱交換部２１と、熱交換部の前段で余剰アンモニアを減圧する減圧部１２と、熱交換部の後段で、熱交換部で冷却された余剰アンモニアをさらに減圧する減圧部１３と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、アンモニア冷却システムおよびアンモニア冷却方法に関する。

船舶は、重油や天然ガス等の化石燃料をエンジンの燃料として利用しているが、昨今のカーボンニュートラルの潮流から、水素やアンモニア等のカーボンレスなエネルギー源を燃料とする船舶の開発が進められている。その中でも、高い体積エネルギー密度と、貯蔵および輸送の容易性から、船舶の燃料として液化アンモニアが有力視されている。

しかし、アンモニアは有毒物質であるためそのまま大気へ放出することができず、また、アンモニアは化石燃料に比べ高価であるため、燃料等用途のアンモニアのうち余剰分を回収して再利用することが検討されている。

特許文献１には、メインエンジンからリターンされる気体状態のアンモニアを、海水を利用して冷却する船舶用燃料供給システムが開示されている。

実用新案登録第３２３４３９９号公報

しかしながら、海水は海域や季節等によって海水温が変動するため、海水を冷熱源として利用した場合、余剰アンモニアを安定的に冷却することができない。また、液化アンモニアを貯蔵するタンクの冷熱を活用する手段では、特にエンジン起動時において、低温の液化アンモニアの燃料利用における事前の昇温プロセスへ活用するため、温度調整のタイムラグが生じ得る。

上記事情に鑑み、本発明は、燃料又は貨物として液化アンモニアを搭載する船舶において、余剰アンモニアを安定的に冷却し得るアンモニア冷却システムおよびアンモニア冷却方法を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点は、燃料又は貨物として、液化アンモニアを搭載する船舶に接続される、余剰アンモニアの冷却システムであって、
前記冷却システムは、第１減圧部と熱交換部を備え、
前記第１減圧部は、前記液化アンモニアを減圧し、
前記熱交換部は、減圧された前記液化アンモニアを冷媒として、前記余剰アンモニアを冷却する、
アンモニア冷却システムである。

また、本発明の第２の観点は、燃料又は貨物として、液化アンモニアを搭載する船舶における余剰アンモニアの冷却方法であって、
前記冷却方法は、第１減圧ステップと熱交換ステップを備え、
前記第１減圧ステップは、前記液化アンモニアを減圧し、
前記熱交換ステップは、減圧された前記液化アンモニアを冷媒として、前記余剰アンモニアを冷却する、
アンモニア冷却方法である。

本発明のアンモニア冷却システムおよびアンモニア冷却方法によれば、燃料又は貨物として液化アンモニアを搭載する船舶において、余剰アンモニアを安定的に冷却し得るアンモニア冷却システムおよびアンモニア冷却方法を提供することができる。

アンモニア冷却システム１の全体図 熱交換部２１のイメージ図その１ 熱交換部２１のイメージ図その２ アンモニア冷却システム１の構成図 アンモニア冷却システム２の構成図 アンモニア冷却システム３の構成図

以下、本発明の実施形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下に示す実施形態中で示した各種特徴事項は、互いに組み合わせ可能である。

図１は、アンモニア冷却システム１の全体図を示す。アンモニア冷却システム１は、主として、減圧部１１と、熱交換部２１を備える。減圧部１１は、熱交換部２１で冷媒として用いられる液化アンモニアを、熱交換部２１に供給される前段で所定の圧力まで調整する。熱交換部２１は、減圧部１１にて圧力を調整した液化アンモニアを冷媒として、当該液化アンモニアの気化熱を利用して余剰アンモニアを冷却する。そして、冷媒として利用された液化アンモニアは、アンモニアガスおよび気化しなかった液化アンモニアとして熱交換部２１から排出される。

減圧部１１は、圧力調整器といった減圧弁を採用することができるが、これに限られない。減圧部１１で液化アンモニアを所定の圧力に調整するにあたって、目的とする圧力である操作圧力は、冷却対象である余剰アンモニアの状態、流量、圧力、および温度等により適宜設定される。

熱交換部２１は、多管式熱交換器、プレート式熱交換器、スパイラル式熱交換器等を採用することが考えられるが、これに限られず、図２や図３に示すような、分散器具として内部に螺旋板や入口にミキサー等が設けられ、横向きに複数本のチューブラを保持した多段型反応器を採用することもできる。

＜第１の実施形態＞
上述の通り、海水を利用したアンモニアの冷却システムは知られているが、海水の温度は船舶の航行区域によって変動するため、安定した冷却能が得られない場合がある。
また、燃料又は貨物として、液化アンモニアを搭載する船舶においては、液化アンモニアタンクの冷熱を利用する手段が考えられるが、特にエンジン起動時において、低温の液化アンモニアの燃料利用における事前の昇温プロセスへ活用するため、温度調整のタイムラグが生じ得る。

そこで、液化アンモニアの気化熱を利用したアンモニア冷却システム１が考えられる。利用する液化アンモニアの温度は、タンク内に貯蔵されているものであるため変動が少なく冷媒として安定しており、また、液化アンモニアの気化熱を利用する場合、海水を利用する場合に比べ高い冷却能を有するため、熱交換部１１をコンパクトにすることが可能となる。

図４は、アンモニアを燃料とする推進機関（以下、主機関という。）を搭載した船舶における、アンモニア冷却システム１の構成図を示す。

燃料タンク３１に貯留される、主として主機関３５の燃料として利用される液化アンモニアは、１次タンク３２に一部貯留され、高圧ポンプ３３を介して主機関３５へ供給される。

１次タンクから供給された液化アンモニアは高圧ポンプ３３において昇圧され、その圧力は、４．０ＭＰａから１２．０ＭＰａであり、より好ましくは６．０ＭＰａから１０．０ＭＰａである。

主機関３５に供給された燃料アンモニアのうち、燃料として利用されなかった一部の液化アンモニアが、余剰アンモニアとして、後段に設けられた熱交換部２１へ供給される。

前述の高圧ポンプ３３で圧力調整された液化アンモニアの一部は、減圧部１１で所定の圧力へ調整された後、冷媒として熱交換部２１へ供給される。高圧ポンプ３３の種類は特に限定されないが、アンモニア漏洩防止の観点から、好ましくはキャンドモーターポンプが採用され、当該ポンプのモータ冷却用として利用した高圧液化アンモニアの一部を有効活用することができる。ここで、モータ冷却用として利用した高圧液化アンモニアの圧力は、１．０ＭＰａから３．５ＭＰａであり、より好ましくは、１．５ＭＰａから３．０ＭＰａである。なお、他の種類の高圧ポンプにおいても、圧力調整または流量調整のために燃料として供給されなかった高圧液化アンモニアの一部を有効活用することができる。

また、減圧部１１における液化アンモニアの圧力は、０．１ＭＰａから１．０ＭＰａであり、より好ましくは０．４ＭＰａから０．６ＭＰａである。

熱交換部２１へ供給された余剰アンモニアは、冷媒として熱交換部２１へ供給された液化アンモニアの気化熱を利用して冷却され、液体状態で燃料タンク３１または１次タンク３２へ供給される。そして、冷媒として利用された液化アンモニアは、熱交換部２１を介して、一部がアンモニアガスとなる。このとき、アンモニアガスは後段に設けられた再液化装置３６にて液化させることで、再度燃料等として利用することが可能となる。また、熱交換部２１で気化しなかった、冷媒として利用された液化アンモニアの残液は、高圧ポンプ３４を介して、所定の圧力で１次タンク３２へ供給される。

＜その他の実施形態＞
図５に示すように、余剰アンモニアの排出源である主機関と熱交換部２１との間に、減圧部１２がさらに設けられても良い。

冷却対象である余剰アンモニアを、熱交換部２１へ供給される前段で所定圧力に調整することで、熱交換部２１の設計圧力を下げ、装置のコンパクト化とコストダウンが可能となる。

また図６に示すように、熱交換部２１と燃料タンク３１との間に、減圧部１３がさらに設けられても良い。

主機関３５で燃料として利用されなかった余剰アンモニアは、主機関における燃焼熱により供給前の温度よりも高温となる。そのため、減圧部１２において、当該余剰アンモニアを一定以上減圧した場合、余剰アンモニアは気液混合状態となり、熱交換部２１における冷熱源が大量に必要となる。そこで、減圧部１２において、余剰アンモニアが液体状態を維持できる圧力まで調整し、熱交換部２１を経過後、減圧部１３でさらに圧力を調整することで、減圧部１３から燃料タンク３１までの配管に要求される耐圧性能が緩和され、当該配管のコストダウンが可能となる。

また、本発明の別の観点は、アンモニア冷却方法であって、上記アンモニア冷却システムの各ステップは、上記アンモニア冷却システムの実行により行われる。

本実施形態の方法では、燃料又は貨物として液化アンモニアを搭載する船舶において、海水を冷媒として利用した場合に比べ、余剰アンモニアを安定的に、かつ、高い冷却能をもって冷却することができる。

なお、上述の実施形態は例として示したものであり、発明の範囲を限定することは意図しておらず、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。当該実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１、２、３ アンモニア冷却システム
１１、１２、１３ 減圧部
２１ 熱交換部
３１ 燃料タンク
３２ １次タンク
３３、３４ 高圧ポンプ
３５ 主機関
３６ 再液化装置

Claims (8)

1. 燃料又は貨物として、液化アンモニアを搭載する船舶に接続される、余剰アンモニアの冷却システムであって、
   前記冷却システムは、第１減圧部と熱交換部を備え、
   前記第１減圧部は、前記液化アンモニアを減圧し、
   前記熱交換部は、減圧された前記液化アンモニアを冷媒として、前記余剰アンモニアを冷却する、
   アンモニア冷却システム。
2. 燃料又は貨物として、液化アンモニアを搭載する船舶に接続される、余剰アンモニアの冷却システムであって、
   前記冷却システムは、第１減圧部と熱交換部を備え、
   前記第１減圧部は、前記船舶の有する主機関部の燃料として供給される、燃料アンモニアの一部を減圧し、
   前記熱交換部は、減圧された前記燃料アンモニアを冷媒として、前記余剰アンモニアを冷却する、
   アンモニア冷却システム。
3. 前記アンモニア冷却システムは、第２減圧部をさらに備え、
   前記第２減圧部は、前記熱交換部の前段で前記余剰アンモニアを減圧する、
   請求項１または２に記載のアンモニア冷却システム。
4. 前記アンモニア冷却システムは、第３減圧部をさらに備え、
   前記第３減圧部は、前記熱交換部の後段で、前記熱交換部で冷却された余剰アンモニアをさらに減圧する、
   請求項３に記載のアンモニア冷却システム。
5. 燃料又は貨物として、液化アンモニアを搭載する船舶における余剰アンモニアの冷却方法であって、
   前記冷却方法は、第１減圧ステップと熱交換ステップを備え、
   前記第１減圧ステップは、前記液化アンモニアを減圧し、
   前記熱交換ステップは、減圧された前記液化アンモニアを冷媒として、前記余剰アンモニアを冷却する、
   アンモニア冷却方法。
6. 燃料又は貨物として、液化アンモニアを搭載する船舶における余剰アンモニアの冷却方法であって、
   前記冷却方法は、第１減圧ステップと熱交換ステップを備え、
   前記第１減圧ステップは、前記船舶の有する主機関部の燃料として供給される、燃料アンモニアの一部を減圧し、
   前記熱交換ステップは、減圧された前記燃料アンモニアを冷媒として、前記余剰アンモニアを冷却する、
   アンモニア冷却方法。
7. 前記アンモニア冷却方法は、第２減圧ステップをさらに備え、
   前記第２減圧ステップは、前記熱交換ステップの前段で、前記余剰アンモニアを減圧する、
   請求項５または６に記載のアンモニア冷却方法。
8. 前記アンモニア冷却方法は、第３減圧ステップをさらに備え、
   前記第３減圧ステップは、前記熱交換ステップの後段で、前記熱交換ステップで冷却された余剰アンモニアをさらに減圧する、
   請求項７に記載のアンモニア冷却方法。

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