KR101486892B1 - 유증기 처리 시스템 및 이를 이용한 유증기 처리방법 - Google Patents

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박재철
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남연우
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사단법인 한국선급
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 유증기 처리 시스템은 유류가 저장되는 탱크유닛; 상기 탱크유닛의 상부면에 연결되어, 상기 유류가 탱크유닛에 저장 또는 하역되는 과정 중에 발생하는 유증기를 배출하는 유증기 배출유닛; 일단이 상기 유증기 배출유닛에 연결되어 유증기 내부의 질소, 이산화탄소, 산소 및 탄화수소 중 적어도 하나 이상의 유량 및 농도 정보를 감지하는 유량계 및 센서유닛 중 적어도 하나 이상을 포함하는 유증기 감지모듈; 상기 유증기 감지모듈의 후단에 제 1 밸브유닛으로 유로 개폐 제어 가능하게 연결되는 유증기 연소 유닛(Vapor Combustion Unit); 상기 유증기 감지모듈의 후단에 제 2 밸브유닛으로 유로 개폐 제어 가능하게 연결되는 유증기 회수 유닛(Vapor Recovery Unit); 및 상기 유증기 감지모듈에서 획득된 정보에 따라 상기 제 1 및 제 2 밸브유닛의 개폐 동작과 유증기 회수 유닛 및 유증기 연소 유닛의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 제어부는 상기 유증기 감지모듈에서 획득된 탄화수소의 농도가 최초 탄화수소 농도 대비 50% 이상일 경우, 제 1 밸브유닛을 폐쇄하면서 유증기 연소 유닛을 정지하고, 제 2 밸브유닛을 오픈 하면서 유증기 회수 유닛을 작동할 수 있다.

Description

유증기 처리 시스템 및 이를 이용한 유증기 처리방법{VOCs processing system and processing method thereof}
본 실시예는 선박의 유류 화물의 선적 및 하역 시 발생하는 유증기를 효과적으로 처리할 수 있는 처리 시스템 및 처리방법에 관한 것이다.
휘발성유기화합물(Volatile Organic Compounds, 이하 VOC)은 증기압이 높아 대기압 상온조건에서 쉽게 증발하는 액상 또는 기상의 유기화합물을 총칭하는 것이다. VOC는 대기 중으로 방출될 경우 햇빛과 광화학반응을 일으켜, 오존 등 광화학 산화성 물질을 생성하여 광화학 스모그를 유발한다. 또한, VOC의 일부 물질은 일부 물질은 광화학반응을 통해 독성물질을 생성시켜 인체 및 생태계를 오염시키는 것으로 알려지고 있다. VOC에 속하는 물질 중 많은 물질이 발암성 물질이며, 지구온난화와도 연관이 있기 때문이다. 대표적인 VOC로는 휘발유, 납사(Naphtha), BTX(Benzene, Toluene, Xylene) 등이 있으며, 탄화수소류의 물질은 대부분 VOC에 포함된다.
이러한 VOC의 위험성을 고려하여, IMO에서는 MARPOL 부속서 6 15 규칙에서 선박에서 배출되는 VOC의 감축하기 위한 요건을 정하고 있으며, 이에 따라 선박에는 VOC관리계획(VOC Management Plan)을 비치하여야 하고, 육상에는 선박에서 배출되는 VOC를 회수하여 처리할 수 있는 설비인 유증기 처리설비를 갖추어야 한다.
다만, 육상에 설치되는 유증기 처리설비는 IMO의 관할 구역인 해양이 아니 육상에 설치되기 때문에 유증기 처리설비의 설치여부를 각 국가별 주무관청이 결정하도록 규정하고 있다.
대한민국은 해양환경관리법 47조 및 선박에서의 오염방지에 관한 규칙 37조에 따라 부산항, 인천항, 평택-당진항, 울산항, 대산항, 여수항, 광양항을 휘발성유기화합물 배출 규제 항만으로 지정하고 있다(휘발성유기화합물규제항만 지정 등에 관한 기준(해양수산부고시 제2013-55호, 2013.5.7.)). 이에 따라 국내에는 10곳에 유증기 처리설비가 설치되어 있으며, 향후 유증기 처리설비의 설치장소는 증가될 예정이다.
현재 알려진 유증기 처리 장치는 다음과 같은 종류로 나누어질 수 있다.
1) 연소방식(Combustion, thermal oxidation)
2) 냉각액체를 이용한 흡수방식(Absorption in chilled liquid)
3) 흡착방식(Adsorption, Carbon bed 등을 이용)
4) 멤브레인 방식(Membranes)
5) 응축방식(Condensation, Cryogenic나 Compressor 등을 이용)
상기한 5가지 방식을 다시 크게 2가지로 분류하면, VCU(vapor combustion unit)와, VRU(vapor recovery unit)로 나눌 수 있다. VCU는 유증기를 연소를 통해 태워 없애는 방식이고, VRU는 유증기를 사용 가능한 상태로 회수하여 연료로 재사용하거나, 사용을 위해 저장 가능하도록 회수하는 방식이다.
한국공개특허 제10-2014-0096446호(2014.08.06. 공개) 등에는 유증기 회수장치의 일반적인 구조 등이 개시되어 있으며, 회수된 유증기의 기상 성분을 비활성 가스(inert gas)로 활용하는 기술 등이 언급되어 있다.
유증기는 적하(loading) 상태에 따라 유증기 내 탄화수소(HC)의 농도 차이가 크기 때문에, 단일 유증기 처리 장치로 유증기를 제거하거나 회수할 때, 장비 운영의 경제성(전기 및 유지/운영비)이 떨어지는 문제점이 있다. 일반적으로 터미널 및 선박용 유증기 처리 설비는 처리용량이 5000㎥/h 이상의 설계치가 요구된다. 그러나 단일 유증기 처리 장치로 대용량의 장비를 구성할 경우, 용량 증가에 따른 설비 설치비용이 급격히 증가하는 문제가 있다.
또한, 선박 탑재용 유증기 처리 장치를 구성할 경우, 유증기 처리장치의 크기를 일정 수준 이하로 구성해야 하며, 선박 운항에 있어 안정성 및 내진동성을 만족하기 위해서는 VCU 또는 VRU 단일 구성만으로는 효과적인 유증기 처리가 불가능하다는 문제 또한 있다.
한국공개특허 제10-2014-0096446호(2014.08.06. 공개)
본 발명의 실시예들은 선박에 탑재할 수 있을 정도로 소형화가 가능하며, 유증기에 포함된 탄화수소의 농도 변화에 따라 유증기 연소 유닛(VCU)와 유증기 회수 유닛(VRU)을 선택적으로 작동하여 유증기 회수 효과를 극대화할 수 있도록 구조가 개선된 유증기 처리 시스템 및 이를 이용한 유증기 처리방법을 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 유증기 처리 시스템은 유류가 저장되는 탱크유닛; 상기 탱크유닛의 상부면에 연결되어, 상기 유류가 탱크유닛에 저장 또는 하역되는 과정 중에 발생하는 유증기를 배출하는 유증기 배출유닛; 일단이 상기 유증기 배출유닛에 연결되어 유증기 내부의 질소, 이산화탄소, 산소 및 탄화수소 중 적어도 하나 이상의 유량 및 농도 정보를 감지하는 유량계 및 센서유닛 중 적어도 하나 이상을 포함하는 유증기 감지모듈; 상기 유증기 감지모듈의 후단에 제 1 밸브유닛으로 유로 개폐 제어 가능하게 연결되는 유증기 연소 유닛(Vapor Combustion Unit); 상기 유증기 감지모듈의 후단에 제 2 밸브유닛으로 유로 개폐 제어 가능하게 연결되는 유증기 회수 유닛(Vapor Recovery Unit); 및 상기 유증기 감지모듈에서 획득된 정보에 따라 상기 제 1 및 제 2 밸브유닛의 개폐 동작과 유증기 회수 유닛 및 유증기 연소 유닛의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하며, 상기 제어부는 상기 유증기 감지모듈에서 획득된 탄화수소의 농도가 최초 탄화수소 농도 대비 50% 이상일 경우, 또는 유증기 내 탄화수소의 비율이 20% 이상일 경우, 제 1 밸브유닛을 폐쇄하면서 유증기 연소 유닛을 정지하고, 제 2 밸브유닛을 오픈 하면서 유증기 회수 유닛을 작동할 수 있다.
상기 탱크유닛, 유증기 연소 유닛 및 유증기 회수 유닛은 선박 및 육상 중 어느 한 곳에 배치될 수 있다.
상기 제어부는 상기 산소 센서에서 측정된 산소 농도가 8% 이상일 경우, 제 2 밸브유닛을 폐쇄하면서 유증기 회수 유닛을 정지하고, 제 1 밸브유닛을 오픈 하면서 유증기 연소 유닛을 작동할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 질소센서, 유량계 및 이산화탄소 유량계 또는 센서에서 감지된 질소 및 이산화탄소가 다른 가스들과 비교하여 상대적으로 작은 용량(capacity)을 차지할 경우, 제 2 밸브유닛을 폐쇄하면서 유증기 회수 유닛을 정지하고, 제 1 밸브유닛을 오픈 하면서 유증기 연소 유닛을 작동할 수 있다.
또한, 상기 제어부는 상기 질소센서 및 이산화탄소 센서에서 측정된 질소 및 이산화탄소의 양 또는 농도가 최초 불활성 가스 대비 80% 미만일 경우, 제 1 밸브유닛을 폐쇄하면서 유증기 연소 유닛을 정지하고, 제 2 밸브유닛을 오픈 하면서 유증기 회수 유닛을 작동할 수 있다.
상기 유증기 배출유닛은 일단은 탱크유닛에 연결되는 제 1 배관과 연결되어 유증기의 폭발을 방지하는 폭발방지유닛; 상기 폭발방지유닛 후단에 연결되어 상기 제 1 배관에 마이너스 압력을 형성하여 유증기를 흡입하고, 상기 유증기 감지모듈로 흡입된 유증기를 배출하는 블로워; 및 상기 블로워 후단에 연결되어 긴급 상황 시에 유증기를 대기 중으로 배출하는 벤트유닛;을 포함할 수 있다.
이때, 일측 단부는 상기 유증기 감지모듈의 출구측과 연결되고, 그 타단은 분기되어 각각 유증기 연소 유닛과 유증기 회수 유닛과 제 1 및 제 2 밸브유닛의 개재 하여 연결되는 제 2 배관;을 더 포함할 수 있다.
상기 유증기 감지모듈은 유증기가 유입되는 전단부에 근접한 위치에 배치되는 산소센서 또는 유량계; 유증기가 배출되는 후단부에 근접한 위치에 배치되는 탄화수소 센서 또는 유량계; 상기 산소센서와 탄화수소 센서 사이에 개재되는 질소센서 또는 유량계; 및 상기 질소센서 후단에 설치되는 이산화탄소센서 또는 유량계서;를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 유증기 처리방법은 유류를 탱크유닛에 저장/하역하는 중에 발생된 유증기를 상기 탱크유닛의 상측 공간부로부터 취출하여 유증기 성분을 측정하는 단계; 유증기 성분 중에 산소 농도가 8%를 넘는지의 여부를 감지하는 단계; 탄화수소의 비율이 20%를 넘는지의 여부를 감지하는 단계; 탄화수소의 농도가 최초 농도 대비 50%를 넘는지의 여부를 감지하는 단계; 및 비활성 가스의 비율이 80%를 넘는지의 여부를 감지하는 단계;를 포함하여, 상기 산소 농도가 8% 이상이거나, 탄화수소의 비율이 20% 이하이거나, 비활성 가스의 비율이 80% 이상일 경우에는 유증기 연소 유닛을 작동하고, 그 반대의 경우에는 유증기 회수 유닛을 작동할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 유증기 내부에 포함된 탄화수소(HC)의 농도에 따라 VCU장치와 VRU장치의 동작 시점을 제어하여, 유증기 내 탄화수소의 농도가 높지 않을 때에는 유증기를 태워서 제거하고, 유증기 내 탄화수소의 농도가 높아질 경우에는 유증기를 회수 처할 수 있으므로, 장비 운영의 경제성을 확보할 수 있다.
또한, 산소량의 농도를 모니터링 하여, 산소량의 농도가 일정 수준 이상일 경우, 그 즉시 VRU의 인입을 차단하고, VCU로 유증기를 전달하여 태워서 제거하여 처리 과정 중의 폭발사고 등의 위험인자를 제거할 수 있다.
또한, 탄화수소의 농도 모니터링 이외에 C3, C4와 같은 탄화수소 센서를 추가할 경우, 해당 탄소화합물의 증감 여부를 그래프 등과 같은 시각적인 방법으로 모니터링하여, 탄화수소의 급격한 증가시점에 VRU의 가동을 개시할 수도 있다.
한편, 본 실시예에 따른 유증기 처리장치 및 처리방법은 선박은 물론 자동차 및 육상 플랜트 등 다양한 기술영역의 유증기 처리 장치에 적용할 수 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 유증기 처리장치가 설치된 선박을 개략적으로 도시한 도면,
도 2는 도 1의 유증기 처리 시스템의 개략적인 도면,
도 3은 유류의 적하율에 따른 유증기 내의 휘발성유기화합물의 농도 변화 곡선을 도시한 그래프,
도 4는 본 실시예에 따른 유증기 처리 시스템의 제어 블록도, 그리고,
도 5는 본 실시예에 따른 유증기 처리방법의 개략적인 제어 흐름도 이다.
이하, 본 실시예에 따른 유증기 처리 시스템 및 처리방법을 도면을 참고하여 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
한편, 제 1 또는 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들이 상기 용어들에 의해 한정되지 않으며, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별시키는 목적으로만 사용된다.
도 1은 본 실시예에 따른 유증기 처리장치가 설치된 선박을 개략적으로 도시한 도면, 도 2는 도 1의 유증기 처리 시스템의 개략적인 도면, 도 3은 유류의 적하율에 따른 유증기 내의 휘발성유기화합물의 농도 변화 곡선을 도시한 그래프, 도 4는 본 실시예에 따른 유증기 처리 시스템의 제어 블록도, 그리고, 도 5는 본 실시예에 따른 유증기 처리방법의 개략적인 제어 흐름도 이다.
도 1에 도시된 바와 같이 유류가 저장되는 탱크유닛(100)을 가지는 선박(10)에는 유류의 선적 및 하역 시 발생하는 유증기를 처리하기 위한 유증기 처리 시스템을 필요로 한다. 통상 유류를 운반하는 유조선(tanker ship)은 선박의 대부분의 공간에는 탱크유닛(100)이 마련되고, 상대적으로 작은 면적에 펌프실(11), 엔진실(12), 연료탱크(13) 등이 마련될 수 있다. 이때, 함교(14)에는 다양한 제어부가 설치될 수 있는데, 본 실시예에 따른 유증기 처리장치의 제어부(400)도 함교(14)에 설치될 수 있으나, 이를 한정하는 것은 아니며, 별도의 시설물에 마련되는 것도 가능하다.
한편, 본 실시예에 따른 유증기 처리장치(1000)는 유증기 연소 유닛(1100, VCU)과 유증기 회수 유닛(1200, VRU)을 포함할 수 있으며, 이들은 제 1 및 제 2 밸브유닛(1110)(1210)의 개폐 동작에 따라 선택적으로 유증기를 공급 받을 수 있다. 본 실시예의 특징은 유증기의 기체 상태에 따라 유증기 연소 유닛(1100)이나 유증기 회수 유닛(1200) 중 어느 하나를 선택하여 작동하는 것에 있다. 이에 대해서는 뒤에 다시 설명한다.
도 2는 본 실시예에 따른 유증기 처리 시스템의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, 유증기 처리 시스템은 탱크유닛(100), 유증기 배출유닛(200), 유증기 감지모듈(300), 제어부(400) 및 유증기 처리장치(1000)를 포함할 수 있다.
탱크유닛(100)은 선박 내부에 설치되어, 유류가 공급/저장되는 장소이다. 그러나 이를 한정하는 것은 아니며, 선박 이외에도 육상에 설치되는 경우에도 동일하게 적용 가능하다. 탱크유닛(100)의 상부측에는 유류가 공급되기 위한 유류 공급 파이프(110)가 연결 설치될 수 있다. 유류 공급 파이프(110)의 유류 공급구는 도시된 바와 같이 탱크유닛(100)의 바닥면과 최대한 근접한 위치에 배치하여, 유류가 공급되는 과정 중에 공급되는 유류가 최대한 공기와 접촉하지 않도록 할 수 있다.
유증기 배출유닛(200)은 상기 탱크유닛(100)에 유류가 저장 또는 하역되는 과정 중에 발생하는 휘발성유기화합물(VOCs, Volatile organic compounds)이 포함된 유증기를 탱크유닛(100)으로부터 배출하기 위해 마련될 수 있다. 즉, 탱크유닛(100)에 유류를 선적하는 과정 중에는 휘발성유기화합물이 적하량의 대략 0.105% 정도 발생하게 되고, 이는 불활성 가스(inert gas)와 함께, 대기 중으로 방출될 수 있다. 또한, 탱크유닛(100)에 적재된 후에도, 선박의 항해 중에 탱크유닛(100)에 대한 지속적인 원유 예열 및 외부 환경변화에 따라, 적하량의 대략 0.041% 정도의 휘발성유기화합물이 추가로 발생될 수 있다. 이에 따라, 최근에는 국제해사기구 휘발성유기화합물 규정(IMO VOC regulation) MARPOL Annex VI Reg. 15에 따라 탱크유닛(100)을 가지는 선박은 유증기 처리를 위한 장치(VECS, vapor emission control system)를 반드시 설치하도록 규정되고 있다.
유증기 배출유닛(200)은 폭발방지유닛(210), 블로워(220) 및 벤트유닛(230)을 포함할 수 있다.
폭발방지유닛(210, detonation arrestor)은 선박(10)에 유류를 선적 또는 하역하는 과정 중에 발생할 수 있는 폭발을 방지하기 위한 장치이다. 우리나라의 경우 선박에서의 오염방지에 관한 규칙 제37조 3항의 별표 26의 (바)항에서는 화재 또는 폭발로부터의 보호 관련 사항이 규정되어 있다. 이 규정에 따르면 유증기회수장치로 처리 시 화재 또는 폭발을 방지하기 위하여, 불활성화 된 탱크유닛(100)으로부터 유증기 회수할 경우 유증기를 수집하는 제 1 배관(120)을 불활성가스로 충전하여야 한다. 또한, 6m 이내에는 후술할 산소센서(310)를 설치하거나 동등한 조치를 취할 필요가 있다. 본 실시예에 따른 폭발방지유닛(210)은 불활성화 되지 않은 탱크유닛(100)으로부터 유증기를 회수할 경우에 설치되는 것으로, 상기 탱크유닛(100)으로부터 6m 이내에 설치될 수 있다.
폭발방지유닛(210)은 유증기가 진출입되는 제 1 배관(120)의 연결구에 불활성화된 선박 또는 불활성화되지 않은 선박 모두 연결되는 것을 고려하여, 상대적으로 위험성이 높은 불활성화되지 않은 선박을 기준으로 화재 또는 폭발을 방지하기 위하여 설치될 수 있다.
블로워(220)는 폭발방지유닛(210) 후단에 연결되어 상기 제 1 배관(120)에 부압을 형성하여 유증기를 흡입하고, 상기 유증기 감지모듈(300)로 흡입된 유증기를 배출할 수 있다.
벤트유닛(230)은 블로워(220) 후단에 연결되어 긴급 상황 시에 유증기를 대기 중으로 배출할 수 있다.
유증기 감지모듈(300)은 일단은 상기 블로워(220)와 연결되어, 탱크유닛(100)에서 배출되는 유증기가 유입되고, 타단은 유증기 처리장치(1000)와 연결되어, 유증기를 연소 또는 회수할 수 있다.
유증기 감지모듈(300)에는 도 2에 도시된 바와 같이, 유증기가 유입되는 전단부에 근접한 위치에 배치되는 산소센서(310)와, 유증기가 배출되는 후단부에 근접한 위치에 배치되는 탄화수소 센서(320), 상기 산소센서(310)와 탄화수소 센서 (340) 사이에 개재되는 질소센서(330) 및 상기 질소센서(330) 후단에 설치되는 이산화탄소센서(340)를 포함할 수 있다. 이와 같은 센서유닛들에 의해, 유증기 내부의 질소, 이산화탄소, 산소 및 탄화수소 중 적어도 하나 이상의 유량정보 및 농도정보 등을 감지할 수 있다. 각각의 센서들은 상용화된 공지의 센서들로서 감지방법에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
한편, 상기 유증기 처리장치(1000)는 제 2 배관(130)으로 유증기 감지모듈(300)과 연결될 수 있다. 이때, 제 2 배관(130)은 유증기 연소 유닛(1100) 측으로 연결되는 연소배관(131)과 유증기 회수 유닛(1200) 측으로 연결되는 회수배관(132)으로 분기될 수 있다. 이때, 연소배관(131)은 제 1 밸브유닛(1110)과 연결되고, 회수배관(132)은 제 2 밸브유닛(1210)과 연결될 수 있다.
유증기 처리장치(1000)는 유증기 연소 유닛(1100)과 유증기 회수 유닛(1200)을 포함할 수 있다. 유증기 연소 유닛(1100)과 유증기 회수 유닛(1200)은 기존에 공지된 영역의 기술로, 구체적인 설명은 생략한다. 대표적으로 유증기 연소 유닛(1100)으로는 한국 등록특허 제10-1304574호(2013.08.30. 등록)이 있으며, 유증기 회수 유닛(1200)으로는 한국 공개특허 제10-2014-0096446호(2014.08.06. 공개) 등이 있다.
유증기 연소 유닛(1100)은 탱크유닛(100)에서 발생된 유증기를 연소하여 제거하고, 유증기 회수 유닛(1200)은 유증기를 연료 및 에너지원으로 사용 가능한 상태로 회수하여 보조 동력으로 사용할 수 있도록 처리할 수 있다.
유증기는 적하(積荷, loading) 상태 및 적하량에 따라 유증기 내 탄화수소(HC)의 농도 차이가 크게 발생한다. 따라서 상기한 유증기 연소 유닛(1100) 또는 유증기 회수 유닛(1200) 중 어느 하나의 단일 유증기 처리장치(1000)로 유증기를 제거 또는 회수할 경우에는 장비 운영의 경제성이 떨어진다. 특히 유증기 연소 유닛(1100)의 경우, 유증기를 대기 중으로 태우기 위한 일정 높이의 스택을 구성해야 하므로, 선박에 적용할 경우에는 그 크기와 설치 공간의 제약 때문에 배치에 어려움이 있다. 또한, 유증기 회수 유닛(1200)의 경우에는 유증기 내부에 포함된 탄화수소의 농도가 낮을 경우에는 회수 효율이 매우 떨어지므로, 유증기 회수 유닛(1200)의 에너지 소모가 심하다.
따라서 본 실시예는 유증기 감지모듈(300)에서 유증기의 상태를 다양한 감지센서들을 이용하여 파악하여, 유증기에 포함된 탄화수소의 농도, 산소, 질소, 이산화탄소 등의 농도 정보를 이용하여, 유증기 연소 유닛(1100)과 유증기 회수 유닛(1200)을 선택적으로 작동하여 선박의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 실시예에 따른 시스템에 적용된 유류 적하율에 따른 유증기에 포함된 휘발성 유기화합물(VOCs)의 농도 변화 곡선을 나타낸 그래프이다.
도시된 그래프와 같이 유류 적하율이 증가함에 따라, 초기에는 유증기 내부에 포함되어 있는 탄화수소의 비율이 20% 미만을 유지한다. 그러나 유류가 탱크유닛(100)에 일정 용량 이상 차기 시작하는 특정 유류 적하율 시점부터 갑작스럽게 탄화수소(HC)의 비율이 급증함을 확인할 수 있다. 이러한 시점을 기준점으로 하여 제어부(400)는 적하 초기에는 유증기 연소 유닛(1100)을 이용하여 발생된 유증기를 태워서 제거하고, 적하 후반기로 접어들면, 유증기 회수 유닛(1200)을 이용하여 유증기를 사용가능한 연료 상태로 회수하여 보조 동력원으로 사용할 수 있다.
도 4는 본 실시예에 따른 제어부(400)를 포함한 유증기 회수 시스템의 개략적인 블록도 이다.
도시된 바와 같이 제어부(400)는 산소센서(310), 탄화수소 센서(320), 질소센서(330) 및 이산화탄소센서(340)와 각각 연결되어, 이들의 감지 시그널을 전달 받을 수 있다. 이와 같은 감지 시그널들은 데이터로 저장될 수 있으며, 모니터링 장치(410)를 통해 출력되어, 그래프 등으로 사용자가 시각적으로 모니터링 할 수도 있다.
제어부(400)는 상기 유증기 감지모듈(300)에서 획득된 정보에 따라 상기 제 1 및 제 2 밸브유닛(1110)(1210)의 개폐 동작과 유증기 연소 유닛(1100) 및 유증기 회수 유닛(1200)의 작동을 제어할 수 있다.
즉, 제어부(400)는 상기 유증기 감지모듈(300)에 설치된 탄화수소 센서(320)에서 획득된 탄화수소(HC)의 농도가 최초 탄화수소 대비 50% 이상일 경우, 또는 유증기 내부 탄화수소 비율이 20% 이상일 경우, 제 1 밸브유닛(1110)을 폐쇄하면서 유증기 연소 유닛(1100)을 정지하고, 제 2 밸브유닛(1210)을 오픈 하면서 유증기 회수 유닛(1200)을 작동할 수 있다.
또한, 제어부(400)는 산소 센서(310)에서 측정된 산소 농도가 8% 이상일 경우, 폭발 위험이 있기 때문에, 다른 모드로 작동 중이더라도 우선적으로 유증기 연소 유닛(1100)을 통해 유증기가 제거될 수 있도록 제어한다. 예컨대, 상기한 바와 같이 탄화수소의 농도가 최초 탄화수소 농도 대비 50% 이상이어서 유증기 회수 유닛(1200)을 이용하여 유증기를 회수 처리하고 있더라도, 산소센서(310)에서 감지된 산소 농도가 8% 이상이라면, 제 2 밸브유닛(1210)을 폐쇄하면서 유증기 회수 유닛(1200)을 정지하고, 제 1 밸브유닛(1110)을 오픈 하면서 유증기 연소 유닛(1100)을 작동할 수 있다.
또한, 제어부(400)는 불활성 가스인 질소의 유량과 이산화탄소 유량계에서 측정된 이산화탄소의 유량이 다른 가스들과 비교하여 상대적으로 작은 용량(capacity)을 차지할 경우, 제 2 밸브유닛(1210)을 폐쇄하면서 유증기 회수 유닛(1200)을 정지하고, 제 1 밸브유닛(1110)을 오픈 하면서 유증기 연소 유닛(1100)을 작동할 수도 있다. 유증기 내부에 질소나 이산화탄소가 차지하는 비율이 매우 작은 경우에는 유증기 회수 유닛(1200)을 작동 하더라도, 회수되는 휘발성유기화발물의 양이 매우 적이 때문이다.
또한, 상기 제어부(400)는 상기 질소센서 및 이산화탄소 센서에서 측정된 질소 및 이산화탄소의 양 또는 농도가 최초 불활성 가스 대비 80% 미만일 경우, 제 1 밸브유닛(1110)을 폐쇄하면서 유증기 연소 유닛(1100)을 정지하고, 제 2 밸브유닛(1210)을 오픈 하면서 유증기 회수 유닛(1200)을 작동할 수 있다. 유증기 내부에 불활성 가스의 양이 줄었다는 것은, 반대로 탄화수소의 양이 늘었다는 것을 의미하며, 회수할 수 있는 가스화된 유류의 양이 증가하였음을 나타내는 지표이기 때문이다.
상기한 제어부(400)의 제어에 따른 유증기 처리방법을 도 5의 흐름도와 함께 설명한다.
유류를 탱크유닛(100)에 저장 또는 하역하면, 그 과정 중에 유증기가 발생하게 된다. 발생된 유증기는 탱크유닛(100)에 채워진 불활성가스를 밀어내면서 유류가 채워진 탱크유닛(100)의 나머지 공간부에 채워지게 된다. 이와 같은 유증기는 상기한 바와 같이 유증기 배출유닛(200)에 의해 탱크유닛(100)의 내부에서 제거된다. 제거된 유증기는 유증기 배출유닛(200)을 통해 유증기 감지모듈(300)에 유입되어, 유증기 내부의 성분이 다양하게 측정될 수 있다(S10).
S10 단계에서 다양한 감지센서들에 의해 유증기의 상태를 확인할 수 있는데, 우선적으로 유증기 내부에 포함되어 있는 산소의 농도를 산소센서(310)를 통해 확인할 수 있다(S20).
상기 S20단계에서 산소의 농도가 8% 이내일 경우에는 다음 단계로 진행하여, 유증기 내부의 탄화수소의 비율이 20%를 넘었는지의 여부를 확인하게 된다. 탄화수소의 비율은 유증기 내부에 회수할 수 있는 휘발성유기화합물이 충분히 포함되어 있는지를 알려주는 지표로서, 20% 이상일 경우에는 유증기 회수 유닛(1200)의 작동 시 효과적으로 휘발성유기화합물을 회수하여 사용 가능한 보조 에너지원으로 변환할 수 있다(S30).
상기 S30단계에서 탄화수소의 비율이 회수에 적합한 수준으로 판단되면, 비활성가스인 질소 및/또는 이산화탄소의 비율이 80%를 넘지 않는지의 여부를 확인하여(S40), 이를 만족할 경우 유증기 회수 유닛(VRU)(1200)을 작동하여 유증기에 포함되어 있는 휘발성유기화합물을 회수하는 과정을 통해 유증기를 처리할 수 있다(S50).
한편, 유증기 연소 유닛(VCU)(1100)은 유증기를 태워서 제거하는 것으로, 상기한 S20 단계에서 유증기에 8% 이상의 산소가 포함되어 있을 경우나, S30 단계에서 탄화수소의 양이 회수에 충분할 정도로 확보되지 않을 경우, 그리고, S40단계에서 비활성 가스의 비율이 80%를 넘어갈 경우, 작동될 수 있다. 이와 같이 유증기 연소 유닛(1100)을 사용하여 유증기를 연소하여 제거하면, 연소 과정에서 발생된 산물을 불활성 가스로 다시 탱크유닛(100)에 공급하여 사용하는 것도 가능하다(S60).
이상과 같은 본 실시예에 따르면, 유증기에 포함되어 있는 탄화수소(HC)의 양에 따라 에너지 소모는 줄이면서 효과적인 휘발성유기화합물의 제거가 가능한 유증기 처리장치(1000)를 선택하여 가동할 수 있다.
또한, 유증기 연소 방식과 유증기 회수 방식의 2가지 방식의 유증기 처리장치를 병행하여 사용하기 때문에, 유증기 연소 유닛(1100) 또는 유증기 회수 유닛(1200) 중 어느 하나의 방식의 유증기 처리장치만을 사용하는 것에 비해 각각의 유증기 연소 유닛(1100)과 유증기 회수 유닛(1200)의 크기를 소형화하는 것이 가능하다.
특히, 선박에 적용할 경우, 스택을 반드시 필요로 하는 유증기 연소 유닛(1100)은 용량을 상대적으로 작게 구성할 수 있기 때문에, 스택의 높이를 낮출 수 있어 선박의 운항 안정성을 확보하고 공기저항을 낮추기가 용이하다.
한편, 상기한 실시예는 선박에 적용된 것을 일 예로 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 육상에 설치되는 유류 저장시설을 가지는 화학 플랜트에도 동일하게 적용될 수도 있다. 또한 모든 가스감지모듈은 센서 및 유량계를 모두 포함할 수 있다. 또한 탄화수소 센서는 C3, C4뿐 아니라, 모든 종류의 탄화수소 농도를 측정할 수 있는 장치를 포함할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
10; 선박 11; 펌프실
12; 엔진실 13; 연료탱크
14; 함교 100; 탱크유닛
200; 유증기 배출유닛 210; 폭발방지유닛
220; 블로워 230; 벤트유닛
300; 유증기 감지모듈 310; 산소센서
320; 탄화수소 센서 330; 질소센서
340; 이산화탄소 센서 400; 제어부
1000; 유증기 처리부 1100; 유증기 연소 장치(VCU)
1100; 제 1 밸브유닛 1200; 유증기 회수 장치(VRU)
1210; 제 2 밸브유닛

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 유류가 저장되는 탱크유닛;
    상기 탱크유닛의 상부면에 연결되어, 상기 유류가 탱크유닛에 저장 또는 하역되는 과정 중에 발생하는 유증기를 배출하는 유증기 배출유닛;
    일단이 상기 유증기 배출유닛에 연결되어 유증기 내부의 질소, 이산화탄소, 산소 및 탄화수소 중 적어도 하나 이상의 유량 및 농도 정보를 감지하는 유량계 및 센서유닛 중 적어도 하나 이상을 포함하는 유증기 감지모듈;
    상기 유증기 감지모듈의 후단에 제 1 밸브유닛으로 유로 개폐 제어 가능하게 연결되는 유증기 연소 유닛(Vapor Combustion Unit);
    상기 유증기 감지모듈의 후단에 제 2 밸브유닛으로 유로 개폐 제어 가능하게 연결되는 유증기 회수 유닛(Vapor Recovery Unit); 및
    상기 유증기 감지모듈에서 획득된 정보에 따라 상기 제 1 및 제 2 밸브유닛의 개폐 동작과 유증기 회수 유닛 및 유증기 연소 유닛의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 유증기 감지모듈에서 획득된 탄화수소의 농도가 최초 탄화수소 대비 20% 이상일 경우,
    제 1 밸브유닛을 폐쇄하면서 유증기 연소 유닛을 정지하고, 제 2 밸브유닛을 오픈 하면서 유증기 회수 유닛을 작동하고,
    상기 산소 센서에서 측정된 산소 농도가 8% 이상일 경우,
    제 2 밸브유닛을 폐쇄하면서 유증기 회수 유닛을 정지하고, 제 1 밸브유닛을 오픈 하면서 유증기 연소 유닛을 작동하며,
    상기 탱크유닛, 유증기 연소 유닛 및 유증기 회수 유닛은 선박 및 육상 중 어느 한 곳에 배치되는 유증기 처리 시스템.
  4. 유류가 저장되는 탱크유닛;
    상기 탱크유닛의 상부면에 연결되어, 상기 유류가 탱크유닛에 저장 또는 하역되는 과정 중에 발생하는 유증기를 배출하는 유증기 배출유닛;
    일단이 상기 유증기 배출유닛에 연결되어 유증기 내부의 질소, 이산화탄소, 산소 및 탄화수소 중 적어도 하나 이상의 유량 및 농도 정보를 감지하는 유량계 및 센서유닛 중 적어도 하나 이상을 포함하는 유증기 감지모듈;
    상기 유증기 감지모듈의 후단에 제 1 밸브유닛으로 유로 개폐 제어 가능하게 연결되는 유증기 연소 유닛(Vapor Combustion Unit);
    상기 유증기 감지모듈의 후단에 제 2 밸브유닛으로 유로 개폐 제어 가능하게 연결되는 유증기 회수 유닛(Vapor Recovery Unit); 및
    상기 유증기 감지모듈에서 획득된 정보에 따라 상기 제 1 및 제 2 밸브유닛의 개폐 동작과 유증기 회수 유닛 및 유증기 연소 유닛의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 유증기 감지모듈에서 획득된 탄화수소의 농도가 최초 탄화수소 대비 20% 이상일 경우,
    제 1 밸브유닛을 폐쇄하면서 유증기 연소 유닛을 정지하고, 제 2 밸브유닛을 오픈 하면서 유증기 회수 유닛을 작동하며,
    상기 센서유닛에서 감지된 질소 및 이산화탄소가 다른 가스들과 비교하여 상대적으로 작은 용량(capacity)을 차지할 경우,
    제 2 밸브유닛을 폐쇄하면서 유증기 회수 유닛을 정지하고, 제 1 밸브유닛을 오픈 하면서 유증기 연소 유닛을 작동하며,
    상기 탱크유닛, 유증기 연소 유닛 및 유증기 회수 유닛은 선박 및 육상 중 어느 한 곳에 배치되는 유증기 처리 시스템.
  5. 유류가 저장되는 탱크유닛;
    상기 탱크유닛의 상부면에 연결되어, 상기 유류가 탱크유닛에 저장 또는 하역되는 과정 중에 발생하는 유증기를 배출하는 유증기 배출유닛;
    일단이 상기 유증기 배출유닛에 연결되어 유증기 내부의 질소, 이산화탄소, 산소 및 탄화수소 중 적어도 하나 이상의 유량 및 농도 정보를 감지하는 유량계 및 센서유닛 중 적어도 하나 이상을 포함하는 유증기 감지모듈;
    상기 유증기 감지모듈의 후단에 제 1 밸브유닛으로 유로 개폐 제어 가능하게 연결되는 유증기 연소 유닛(Vapor Combustion Unit);
    상기 유증기 감지모듈의 후단에 제 2 밸브유닛으로 유로 개폐 제어 가능하게 연결되는 유증기 회수 유닛(Vapor Recovery Unit); 및
    상기 유증기 감지모듈에서 획득된 정보에 따라 상기 제 1 및 제 2 밸브유닛의 개폐 동작과 유증기 회수 유닛 및 유증기 연소 유닛의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 유증기 감지모듈에서 획득된 탄화수소의 농도가 최초 탄화수소 대비 20% 이상일 경우,
    제 1 밸브유닛을 폐쇄하면서 유증기 연소 유닛을 정지하고, 제 2 밸브유닛을 오픈 하면서 유증기 회수 유닛을 작동하고,
    상기 센서유닛에서 측정된 질소 및 이산화탄소의 양 또는 농도가 최초 불활성 가스 대비 80% 미만일 경우,
    제 1 밸브유닛을 폐쇄하면서 유증기 연소 유닛을 정지하고, 제 2 밸브유닛을 오픈 하면서 유증기 회수 유닛을 작동하며,
    상기 탱크유닛, 유증기 연소 유닛 및 유증기 회수 유닛은 선박 및 육상 중 어느 한 곳에 배치되는 유증기 처리 시스템.
  6. 유류가 저장되는 탱크유닛;
    상기 탱크유닛의 상부면에 연결되어, 상기 유류가 탱크유닛에 저장 또는 하역되는 과정 중에 발생하는 유증기를 배출하는 유증기 배출유닛;
    일단이 상기 유증기 배출유닛에 연결되어 유증기 내부의 질소, 이산화탄소, 산소 및 탄화수소 중 적어도 하나 이상의 유량 및 농도 정보를 감지하는 유량계 및 센서유닛 중 적어도 하나 이상을 포함하는 유증기 감지모듈;
    상기 유증기 감지모듈의 후단에 제 1 밸브유닛으로 유로 개폐 제어 가능하게 연결되는 유증기 연소 유닛(Vapor Combustion Unit);
    상기 유증기 감지모듈의 후단에 제 2 밸브유닛으로 유로 개폐 제어 가능하게 연결되는 유증기 회수 유닛(Vapor Recovery Unit); 및
    상기 유증기 감지모듈에서 획득된 정보에 따라 상기 제 1 및 제 2 밸브유닛의 개폐 동작과 유증기 회수 유닛 및 유증기 연소 유닛의 작동을 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 유증기 감지모듈에서 획득된 탄화수소의 농도가 최초 탄화수소 대비 20% 이상일 경우,
    제 1 밸브유닛을 폐쇄하면서 유증기 연소 유닛을 정지하고, 제 2 밸브유닛을 오픈 하면서 유증기 회수 유닛을 작동하며,
    상기 유증기 배출유닛은,
    일단은 탱크유닛에 연결되는 제 1 배관과 연결되어 유증기의 폭발을 방지하는 폭발방지유닛;
    상기 폭발방지유닛 후단에 연결되어 상기 제 1 배관에 마이너스 압력을 형성하여 유증기를 흡입하고, 상기 유증기 감지모듈로 흡입된 유증기를 배출하는 블로워; 및
    상기 블로워 후단에 연결되어 긴급 상황 시에 유증기를 대기 중으로 배출하는 벤트유닛;을 포함하는 유증기 처리 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    일측 단부는 상기 유증기 감지모듈의 출구측과 연결되고, 그 타단은 분기되어 각각 유증기 연소 유닛과 유증기 회수 유닛과 제 1 및 제 2 밸브유닛의 개재 하여 연결되는 제 2 배관;을 더 포함하는 유증기 처리 시스템.
  8. 제 3 항에 있어서, 상기 유증기 감지모듈은,
    유증기가 유입되는 전단부에 근접한 위치에 배치되는 산소센서;
    유증기가 배출되는 후단부에 근접한 위치에 배치되는 탄화수소 센서;
    상기 산소센서와 탄화수소 센서 사이에 개재되는 질소센서; 및
    상기 질소센서 후단에 설치되는 이산화탄소센서;를 포함하는 유증기 처리 시스템.
  9. 유류를 탱크유닛에 저장/하역하는 중에 발생된 유증기를 상기 탱크유닛의 상측 공간부로부터 취출하여 유증기 성분을 측정하는 단계;
    유증기 성분 중에 산소 농도가 8%를 넘는지의 여부를 감지하는 단계;
    탄화수소의 농도 비율이 초기 대비 50%를 넘는지의 여부를 감지하는 단계;
    유증기 내 탄화수소의 비율이 20%를 넘는지의 여부를 감지하는 단계; 및
    비활성 가스의 비율이 80%를 넘는지의 여부를 감지하는 단계;를 포함하여,
    상기 산소 농도가 8% 이상이거나, 탄화수소의 비율이 20% 이하이거나, 비활성 가스의 비율이 80% 이상일 경우에는 유증기 연소 유닛을 작동하고, 그 반대의 경우에는 유증기 회수 유닛을 작동하는 유증기 처리 방법.
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