KR101775053B1 - 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치 및 질소산화물 배출 저감운용 방법 - Google Patents

선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치 및 질소산화물 배출 저감운용 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치 및 질소산화물 배출 저감운용 방법에 관한 것으로, 선박의 운항구역, 또는 해양플랜트의 운전구역에 따라 엔진을 구동하기 위하여 연료의 산화제로서 공기와 산소 중에서 적어도 어느 하나를 택일하여 공급하여 선박 엔진의 배기가스 질소산화물 배출문제를 해결할 수 있음은 물론, 배출가스 통제구역에서 연료의 산화제인 산소만을 공급하는 경우는, 엔진에서 배출되는 배출가스로부터 이산화탄소를 회수하여, 그 이산화탄소와 산소를 재공급하여 상기 엔진의 배기가스에서의 질소산화물 배출을 0(zero)으로 하되, 상기 선박 및 상기 해양플랜트 상에 설치된 산소 생산 공급유닛에서 산소를 생산 공급한다.

Description

선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치 및 질소산화물 배출 저감운용 방법{NITROGENOUS COMPOUND EMISSION REDUCTION APPARATUS AND OPERATION METHOD IN SHIP AND OFFSHORE STRUCTURE}
본 발명은 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치 및 질소산화물 배출 저감운용 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 선박 및 해양플랜트의 운항 및 운전시, 선박의 운항구역 또는 해양플랜트의 운전구역에 따라 엔진에 공급되는 연료의 산화제인 공기(air)와 선박 및 해양플랜트의 산소 발생기에서 공급하는 산소(O2) 중에서 어느 하나를 택일하여 그 엔진에 공급하거나, 또는 공기와 산소를 소정비율로 혼합하여 그 엔진에 공급함으로써, 기존 엔진을 그대로 선박이나 해양플랜트에 사용하면서도 엔진의 배기가스 질소산화물(NOx) 배출규정 Tier 3을 충족할 수 있는 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치 및 질소산화물 배출 저감운용 방법에 관한 것이다.
천연가스는 통상 액화되어 액화천연가스(LNG; Liquefied Natural Gas) 상태로 원거리에 걸쳐 수송된다. 액화천연가스는 천연가스를 대략 상압 -163℃ 근처의 극저온으로 냉각하여 얻어지는 것으로, 가스 상태일 때보다 그 부피가 대폭 감소하므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.
액화천연가스 저장탱크를 단열하여도 외부의 열을 완벽하게 차단하는 데에는 한계가 있고, 액화천연가스 내부로 전달되는 열에 의해 액화천연가스는 저장탱크 내에서 지속적으로 기화(氣化)된다.
저장탱크 내부에서 기화된 액화천연가스를 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)라고 한다. 증발가스의 발생으로 인하여 저장탱크의 압력이 설정된 안전 압력 이상으로 상승하면, 증발가스는 안전밸브를 통하여 저장탱크의 외부로 배출된다. 저장탱크 외부로 배출된 증발가스는 선박의 연료로 사용되거나 재 액화되어 다시 저장탱크로 돌려 보내진다.
한편, 국제해사기구(International Maritime Organization)는 미국 캐나다 및 북해/발트해 주변국가의 승인 하에, 배출가스 통제구역(ECA: Emission Control Area)를 설정하여 운영 중에 있다. 배출가스 통제구역(ECA)이란, 환경보호를 위해서 선박의 SOx 및 NOx 배출을 규제하는 지역을 말한다.
최근 선박에 의한 환경문제에 관심이 높아지면서, 향후에는 배출가스 통제구역이 멕시코, 지중해, 말라카 해협 및 일본까지 확장될 것으로 예상된다. 그러므로 위 배출가스 통제구역을 통과하거나 통과할 예정인 선박들은, 배출가스 통제구역 배출기준을 맞추는 것이 매우 중요하다.
질소산화물(NOx) 배출 규제는, 국제 해사기구에서(IMO) 하기와 같은 규제를 통해 질소산화물 배출량을 규제하고 있으며, 그 기준은 하기 [표1]과 같이 강화되는 추세이다.
[표1]
Figure 112016047637491-pat00001
여기서, Tier(티어) 규제는 미국환경보호국(EPA) 및 캘리포니아주 대기 보전국(CARB)의 배출가스 규제 제도의 단계 또는 수준을 의미하는 것으로서, 숫자가 높을수록 규제 강도가 높고, 선박 대기오염 규제 기준 중 질소산화물(NOx) 규제기준은 Tier 1, Tier 2, Tier 3으로 구분될 수 있다.
[표1]의 규제를 충족시키기 위하여 엔진업체와 조선소는 많은 관심과 노력을 기울이고 있으며, 현재 적용 중인 Tier 2의 규정은 경우 엔진의 설계개선을 통해서 충족될 수 있다.
그러나 질소산화물 저감 규정 Tier 3의 규정은 현재의 선박기술로서는 엔진의 설계 최적화를 통해서 충족할 수 없는 정도의 수준이다. Tier 3의 규제지역이 배기가스 통제지역(ECA : Emission Control Area)으로 한정적이지만, 그 배기가스 통제지역의 범위가 점점 증가하는 추세이며, 현재의 배기가스 통제지역을 고려한다 할지라도 Tier 3 규정을 충족하지 못한다면, 선박 운항이 불가능한 실정이다. 따라서 질소산화물 저감 규정 Tier 3 규정을 충족하기 위해서는 엔진의 폐기 가스의 처리가 불가피한 실정이다.
ECA NOx의 경우, 선박용 연료로 MDO(Marine Diesel Oil)와 LNG 연료를 사용해도 별도의 NOx 저감 설비를 추가로 설치하지 않으면, ECA NOx Tire 3 기준을 초과하여 선박의 운항이 불가하다.
2016년부터 ECA 구역에서, 질소산화물 저감 규정 Tier 3의 엄격한 기준이 적용된다. 질소산화물 저감 규정 Tier 3 기준은 Tier 1보다 약 80%를 추가로 저감해야 한다.
1997년 해상오염 방지협약(MARPOL; The Prevention of Marine Pollution from Ships) 의정서를 통하여 제기되고, 2005년 5월에 발효 요건을 만족하여 현재 강제규정으로 이행되고 있는데, 이러한 규정을 충족시키기 위하여 질소산화물(NOx) 배출량을 저감하기 위한 선박엔진이 개발되고 있다.
선박에 사용되는 엔진 중 천연가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진으로는 DFDE(Dual Fuel Diesel Electric) 엔진, X-DF(Extra Long Stroke Duel Fuel), ME-GI(Main engine Electronic control Gas Injection) 엔진 등이 있다.
DFDE 엔진은 4 행정으로 구성되며, 비교적 저압인 6.5 bar 정도의 압력을 가지는 천연가스를 연소공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축을 시키는 오토 사이클(Otto Cycle)을 채택하고 있다.
ME-GI 엔진은 2 행정으로 구성되며, 300 bar 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택하고 있다.
ME-GI 엔진은 LNG(Liquefied Natural Gas)를 극저온에 견디는 저장탱크에 저장하여 운반하도록 하는 LNG 운반선 등에 설치될 수 있으며, 이 경우 천연가스를 연료로 사용하며, 그 부하에 따라 대략 150 ∼250 bara (절대압력)의 가스 공급 압력이 요구된다. ME-GI 엔진의 경우는, 배기가스(폐기가스) 중 약 6g/kWh의 NOx를 저감해야 ECA 질소산화물 저감 규정 Tier 3을 만족할 수 있다.
엔진 폐기가스의 후처리 방법에는 몇 가지 방법이 알려져 있는데, 그 중 현재까지 그 효과가 검증된 방법은 선택적 촉매 환원장치(SCR: Selective Catalytic Reduction)를 이용하는 방법과, 배기가스 일부를 순환시키는 EGR(Exhausted Gas Re circulation) 등이 있다. 선택적 촉매 환원장치 및 배기가스 일부를 순환시키는 EGR은 공지기술에 해당하므로 이에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
그러나 종래 방법은 선박에 ME-GI 엔진 적용 시, NOx Tier 3 기준을 만족시키기 위해서 추가로 질소산화물(NOx) 배출 저감장치, 예를 들어 EGR(Exhausted Gas Re circulation), SCR(Selective Catalytic Reduction)의 설치가 필요하다. EGR의 경우는, 질소산화물(NOx) 저감률이 약 70%이고, EGR 적용 시 최대 전력 생산이 불가능한 단점이 있다. 또한 운전비용(OPEX)이 높으며, 대형 Urea 탱크가 필요하다.
또한, FGSS의 HP Vaporizer에서 Heating Medium(해수(海水))을 이용하여, LNG를 NG로 기화(Vaporizing)하면서, 극저온의 Cooling Source(-163 ℃)를 바다에 버리게 되어 환경을 오염시키는 문제점이 있다.
국내 공개특허 제10-2005-0017291호 국내 등록번호 제10-1157127호
본 발명은 전술한 문제점을 해소하기 위한 것으로, 본 발명의 첫 번째 목적은 선박 및 해양플랜트의 운항 및 운전시, 선박의 운항구역 또는 해양플랜트의 운전구역에 따라 연료의 산화제인 공기(air)와 선박 및 해양플랜트의 산소 발생기에서 공급하는 산소 중에서 어느 하나를 택일하여 엔진에 공급하거나, 또는 산소와 공기를 소정비율로 혼합하여 그 엔진에 공급함으로써, 기존 엔진을 그대로 선박이나 해양플랜트에 사용하면서도 엔진의 배기가스 질소산화물 저감 규정 Tier 3을 충족할 수 있음은 물론, 배출가스 통제구역에서 연료의 산화제인 산소만을 공급하는 경우는, 엔진에서 배출되는 배출가스로부터 이산화탄소를 회수하여, 그 이산화탄소와 산소를 엔진에 재공급하여 그 엔진의 배기가스에서의 질소산화물 배출을 0(zero)로 할 수 있는 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치 및 질소산화물 배출 저감운용 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 두 번째 목적은 질소산화물 배출을 Zero(또는 저감) 뿐만 아니라, 엔진의 배출되는 배기가스에서 이산화탄소를 분리한 후 저장도 가능하기 때문에, 이산화탄소 배출에 대한 배기가스 규제에도 만족할 수 있어 향후 다양한 선박에 적용 및 응용 가능한 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치 및 질소산화물 배출 저감운용 방법을 제공함에 있다.
전술한 문제점을 해소하기 위하여 본 발명은 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치 및 질소산화물 배출 저감운용 방법을 제공한다.
선박 엔진 및 해양플랜트 엔진에 어떤 연료를 사용하더라도 공기(air)를 연료의 산화제로 사용하는 경우는, 그 공기 안에 포함된 질소의 연소 때문에 Thermal NOx가 발생하게 되는데, 본 발명에서는 질소산화물(NOx) 생성을 원천적으로 감소 내지는 제거시키기 위해서 산소를 연료의 산화제로 사용함으로써, ECA 질소산화물 저감 규정 Tier 3을 충족할 수 있다.
본 발명은 공해 구역에서 연료의 산화제로서 공기(air)를 엔진에 공급하여 선박과 해양플랜트를 운항 및 운전하고, 배출가스 통제구역(ECA: Emission Control Area) 구역에서는 엔진에 연료의 산화제로서 산소만을 공급하거나, 연료의 산화제로서 산소와 공기를 소정비율로 혼합 공급함으로써, 엔진 배기가스 질소산화물(NOx) 배출문제를 해결할 수 있다.
엔진은 ME-GI 엔진과 XDF, DFDE의 가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진을 포함한다.
위와 같은 원리를 이용하여 기존 엔진, 예를 들어 ME-GI 엔진의 교체 내지는 설계변경 없이도 엔진의 배기가스 질소산화물(NOx) 배출문제를 원천적으로 해소할 수 있다.
추가로, 배출가스 공해구역에서 산소를 액체로 저장하기 위한 냉매는 ME-GI에 공급되는 LNG의 Cooling Source를 활용할 수 있다.
또한, 질소산화물(NOx) 생성량을 더 많이 저감해야 하는 경우는, 연료의 산화제로서 순 산소(99.9%)를 사용하고, 엔진에서 배출되는 배기가스 내에서 이산화탄소를 분리 회수한 후, 분리한 그 이산화탄소와 산소를 엔진에 재공급하면, 질소산화물 배출을 0(Zero)으로 할 수 있다.
만약, 국제해사기구에서 환경적 측면을 고려하여 이산화탄소(CO2)를 규제하는 경우, 위에서 언급한 방법으로 이산화탄소를 회수하므로, 이산화탄소(CO2)규제에 대해서 충분히 대응할 수 있다.
한편, 본 발명의 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치는 액화가스 저장탱크의 가스연료 및 증발가스(BOG: Boil-Off Gas)를 연료로 사용하는 엔진; 상기 액화가스 저장탱크에서 상기 엔진에 연료를 공급하는 연료 공급라인; 및 상기 엔진에 산화제를 공급하기 위한 산화제 공급라인을 포함한다.
본 발명의 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치는 상기 산화제 공급라인에 연결되어 연료의 산화제로서 공기(air)를 공급하는 공기 공급 유닛; 상기 산화제 공급라인에 연결되어 연료의 산화제로서 산소를 생산 저장 공급하는 산소 생산 공급 유닛; 및 상기 엔진에서 배출되는 배기가스 중 이산화탄소를 분리하여 상기 산화제 공급라인으로 공급하는 이산화탄소 회수 유닛을 포함하고, 상기 공기 공급 유닛에 의한 공기 공급과 상기 산소 생산 공급 유닛에 의한 산소 공급 중 적어도 어느 하나가 선택적으로 상기 산화제 공급라인에 유지되도록 구성된다.
이산화탄소 회수 유닛은 상기 산소 생산 공급 유닛에 의한 산소 공급만이 상기 산화제 공급라인에 유지되어야 작동되도록 구성된다.
이산화탄소 회수 유닛은, 상기 엔진의 배기가스에서 분리한 이산화탄소 중 일부분이 상기 산화제 공급라인으로 공급되고, 나머지 부분이 대기중으로 배출하도록 구성될 수 있다.
이산화탄소 회수유닛은 엔진에서 배출되는 배기가스를 물과 이산화탄소로 분리하여 이산화탄소를 회수하고, 회수한 이산화탄소를 엔진으로 공급하기 위하여 산화제 공급라인에 연결된다.
이산화탄소 회수유닛은 엔진의 배기 라인으로부터 우회하는 배기가스 우회 라인, 배기가스 우회 라인의 냉각장치(열교환기)를 거쳐서 배기가스로부터 물과 이산화탄소를 분리하여 이산화탄소를 회수하는 기액 분리기, 및 상기 기액 분리기에 의해 회수된 이산화탄소를 엔진에서 요구하는 압력으로 압축하는 컴프레서를 포함한다. 냉각장치(열교환기)는 배기가스 우회 라인에 설치되어 배기가스를 냉각하는 역할을 한다.
이산화탄소 회수 유닛은 이산화탄소 저장장치를 더 포함하고, 엔진의 배기가스에서 분리한 이산화탄소 중 일부분은 산화제 공급라인으로 공급되고, 나머지 부분은 이산화탄소 저장장치에 저장되도록 구성될 수 있다. 이산화탄소 저장장치에 저장되는 액화 이산화탄소는 극저온 액화가스의 쿨링소스를 이용할 수 있다.
제어부는 상기 산화제 공급라인으로 공급되는 공기와 산소와 이산화탄소 등의 공급을 제어한다.
본 발명에 있어 액화가스는 LNG, LEG, LPG, DME를 포함하는 액화된 연료 가스이며, 엔진은 ME-GI 엔진과 XDF, DFDE의 가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진을 포함하며, 선박은 LNGC, LPGC, LEGC 등의 가스 운반선은 물론 가스를 연료로 사용하는 엔진이 설치된 컨테이너선(Containership) 및 엘앤지 저장탱크(LNG Storage Tank)와 연료가스 공급 시스템(FGSS: Fuel Gas Supply System) 등이 설치 및 운영되는 일반 상선도 포함한다.
연료 공급라인은 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스(Boil-Off Gas)를 엔진에 공급하는 증발가스 공급라인, 및 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 기화시켜 엔진에 공급하는 액화가스 공급라인을 구비한다.
증발가스 공급라인에는 증발가스를 엔진에서 필요로 하는 공급압력으로 압축하는 컴프레서가 설치될 수 있다.
선박 및 해양플랜트가 공해구역을 운항 및 운전하는 경우, 제어부는 엔진에 연료의 산화제로서 공기만을 공급하도록 공기 공급 유닛을 제어한다.
공기 공급 유닛은 공기를 압축하는 컴프레서, 공기에 포함된 이물질을 걸러내기 위한 필터, 및 상기 컴프레서에 의해 압축된 공기를 냉각하기 위한 쿨러를 구비한다.
선박 및 해양플랜트가 배출가스 통제구역을 운항 및 운전하는 경우는, 제어부는 엔진에 연료의 산화제로서 공기와 산소를 공급하도록 공기 공급 유닛과 산소 생산 공급 유닛을 제어한다.
산소 생산 공급 유닛은 상기 공기 공급유닛에서 공급하는 공기를 공급받아 산소를 분리 생산하는 산소 발생기; 산소 농도를 높이기 위하여 상기 산소 발생기에 연결되는 흡착 부재; 상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스의 극저온을 이용하여 상기 산소 발생기에서 발생한 산소를 냉각 액화시키기 위하여 상기 연료 공급라인에 설치되는 산소 쿨러; 액화된 산소를 저장하는 산소 저장탱크; 및 상기 산소 저장탱크의 액화 산소를 기화시켜서 상기 엔진에 공급하기 위하여 상기 산화제 공급라인과 연결되는 산소 기화기를 포함한다.
상기 산소 발생기는 공기를 원료로 하여 산소 농도를 높이는 방법으로 PSA(Pressure Swing Absorption)방식, VSA(Vacuum Swing Absorption)방식, VPSA(Vacuum Pressure Swing Adsoption) 방식을 포함한다.
참고로, 공기는 산소와 질소 외에 아르곤과 소량의 기타 기체를 포함하는 일종의 혼합기체이며, 보통의 공기 중에는 약 21% 정도의 산소가 함유되어 있는데, 산소발생기는 이러한 공기를 원료로 하여 외부의 공기를 흡착탑 내부로 전송해 주는 공기압축기나 송풍기, 그리고 압축공기의 온도와 습기를 조절해 주는 냉각기와 건조기, 공기나 산소를 저장할 수 있는 저장탱크 및 압축공기로부터 산소와 질소를 분리해 주는 흡착탑(absorber)으로 구성될 수 있다. 흡착탑 내부에 공급된 압축공기로부터 흡착제(Zeolite Molecular Sieve)를 이용하여 산소와 질소를 분리해 내는 공기분리방식으로, 그 분리공정은 가압→가압·생산→균압→탈착·세정→균압→가압의 형태로 진행된다.
선박 및 해양플랜트가 배출가스 통제구역을 운항 및 운전하는 경우, 제어부는 엔진에 연료의 산화제로 산소만을 공급하도록 산소 생산 공급 유닛을 제어한다.
엔진에 연료의 산화제로서 산소만을 공급하는 경우는, 엔진에서 배출되는 배기가스에서 이산화탄소를 회수하여 그 이산화탄소와 산소를 혼합하여 엔진에 재공급하도록 구성된다.
한편, 본 발명은 공해구역과 배출가스 통제구역(ECA: Emission Control Area)을 운항 및 운전하며 엔진에 연료를 공급하기 위하여 액화가스 저장탱크에 연결되는 연료 공급라인을 구비하는 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감운용 방법으로서, 선박 및 해양플랜트의 운항 및 운전시, 선박 및 상기 해양플랜트의 운항 및 운전구역에 따라 엔진에 연료의 산화제로서 공기와 산소 중에서 어느 하나를 택일하여 공급하거나 또는 공기와 산소를 소정비율로 혼합하여 공급하도록 하되, 선박 및 해양플랜트가 공해구역을 운항 및 운전하는 경우는 엔진에 연료의 산화제로서 공기만을 공급하도록 하며, 선박 및 해양플랜트가 배출가스 통제구역을 운항 및 운전하는 경우는 엔진에 연료의 산화제로서 공기와 산소를 소정비율로 혼합하여 공급하거나, 또는 산소만을 공급하여 엔진의 배기가스에서의 질소산화물을 저감하되, 상기 선박 및 상기 해양플랜트 상에 설치된 산소 생산 공급유닛에서 산소를 생산 공급한다.
다시 말해서, 선박 및 해양플랜트가 공해구역을 운항 및 운전하는 경우는, 엔진에 연료의 산화제로서 공기만을 공급하되, 이때의 반응식은 CH4 + 2 O2 + 8 N2 → CO2 + 2 H2O + (8-α)N2 + 2 αNOx 이다.
선박 및 해양플랜트가 배출가스 통제구역을 운항 및 운전하는 경우는, 엔진에 연료의 산화제로서 공기와 산소를 혼합하여 공급하되, 이때의 반응식은 CH4 + 2 O2 + 0.5 N2 → CO2 + 2 H2O + (0.5-a) N2 + a NOx이며, 예를 들어 산소와 공기의 비는 4:1로 설정할 수 있다.
그리고 선박 및 해양플랜트가 배출가스 통제구역을 운항 및 운전하는 경우는, 엔진에 연료의 산화제로서 산소를 공급하며, 엔진에서 배출되는 배기가스에서 이산화탄소를 회수하고 그 이산화탄소와 산소를 혼합하여 엔진에 재공급하되, 엔진의 배기가스에서의 질소산화물 배출을 0(zero)으로 할 수 있다. 이때의 반응식은 CH4+ 2 O2+ 8 CO2 → 9 CO2 + 2 H2O이다.
이와 같이 배출가스 통제구역에서 연료의 산화제로서 산소를 공급하는 경우는, 엔진에서 배출되는 배출가스로부터 이산화탄소를 회수하여, 그 이산화탄소와 산소를 재공급하여 엔진의 배기가스에서의 질소산화물 배출을 0(zero)으로 할 수 있기 때문에 가장 친환경적이라 할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 선박 및 해양플랜트의 운항 및 운전시, 선박의 운항구역 또는 해양플랜트의 운전구역에 따라 연료의 산화제인 공기(air)와 터미널에서 공급되는 산소 중에서 어느 하나를 택일하여 그 엔진에 공급하거나, 또는 공기와 산소를 소정비율로 혼합하여 그 엔진에 공급함으로써, 기존 엔진을 그대로 선박이나 해양플랜트에 사용하면서도 엔진의 배기가스 질소산화물 배출규정 Tier 3을 충족할 수 있다.
또한, 배출가스 통제구역에서 연료의 산화제인 산소만을 공급하는 경우는, 엔진에서 배출되는 배출가스로부터 이산화탄소를 회수하여, 그 이산화탄소와 산소를 엔진에 재공급하여 그 엔진의 배기가스에서의 질소산화물 배출을 0(zero)으로 할 수 있어 매우 친환경적이다.
또한, 질소산화물 배출을 Zero(또는 저감) 뿐만 아니라, 엔진의 배출되는 배기가스에서 이산화탄소를 분리한 후 저장도 가능하기 때문에, 이산화탄소 배출에 대한 배기가스 규정에도 만족할 수 있어 향후 다양한 선박이나 해양플랜트에 적용 및 응용 가능하다.
또한, 엔진의 배기가스 질소산화물 배출규정 Tier 3을 충족하면서 연료의 효율적 연소가 가능하고, 선박이나 해양플랜트 상에 설치된 산소 생산 공급유닛을 이용하여 공기로부터 산소를 생산하여 산소를 직접 공급하되, 액화가스의 극저온을 이용하여 산소를 냉각 액화시켜 저장할 수 있으며, 산소 생산시 발생하는 부산물인 질소를 선박이나 해양플랜트의 각 소요처에 공급할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가스운반선의 질소산화물 배출 저감장치를 보인 구성도
도 2는 본 발명의 공기 공급 유닛을 보인 구성도
도 3은 본 발명의 산소 생산 공급 유닛을 보인 구성도
도 4는 본 발명의 이산화탄소 회수유닛을 보인 구성도
도 5는 VPSA의 원리를 보인 도면
도 6은 CMS의 원리를 보인 도면
도 7은 가스운반선을 제외한, 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치를 보인 구성도
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 따른 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치 및 질소산화물 배출 저감운용 방법을 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감운용 방법은 선박 및 해양플랜트의 운항 및 운전시, 연료가스의 연소와 함께 산화제를 엔진 안으로 공급하게 되는데, 선박의 운항구역 또는 해양플랜트의 운전구역에 따라 엔진의 연료 산화제로서 공기와 산소를 공급하되, 공기와 산소 중에서 어느 하나를 택일하여 공급하거나, 또는 공기와 산소를 소정비율로 혼합 공급하여 선박 엔진의 배기가스 질소산화물 배출저감 규정 Tier 3을 만족할 수 있는 방법이다.
즉, 공해구역에서는 엔진에 공급되는 연료의 산화제로서 공기만을 사용한다. 반면에, ECA 배출가스 통제구역에서는 연료의 산화제로서 공기와 산소를 소정비율로 혼합하여 공급하거나, 또는 순 산소(99.9%의 O2)만을 공급하여 엔진의 배기가스에서의 질소산화물 배출저감 규정 Tier 3을 만족하도록 한다. 여기서 산소의 공급은 터미널(terminal)에서 이루어질 수 있다.
본 발명의 기술에 있어 선박은 물론 해양플랜트에도 적용될 수 있는데, 선박은 운반을 주 목적으로 하므로 운항구역이라 하고, 해양플랜트는 생산 및 저장을 주 목적으로 하므로 운전구역이라 표현한다.
액화가스는 LNG, LEG, LPG, DME 등을 포함하는 액화된 연료 가스이다. 엔진은 ME-GI 엔진과 XDF, DFDE의 가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진 등을 모두 포함하며, 본 발명의 기술은 해양플랜트는 물론 선박에 적용되는데, 선박은 LNGC, LPGC, LEGC의 가스 운반선, 가스를 연료로 사용하는 엔진이 설치된 컨테이너선(Containership), 및 엘앤지 저장탱크(LNG Storage Tank)와 연료가스 공급시스템(FGSS: Fuel Gas Supply System)이 설치 및 운영되는 일반 상선을 포함한다.
본 발명에 따른 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감운용 방법에 대하여 좀 더 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
본 실시 예에서는 산화제(공기, 산소)를 엔진, 예를 들어 ME-GI 엔진에 공급하는 과정을 일 실시 예로 설명한다.
본 발명은 공해구역과 배출가스 통제구역(ECA: Emission Control Area)을 운항 및 운전하며 ME-GI 엔진에 연료를 공급하기 위하여 액화가스 저장탱크에 연결되는 연료 공급라인을 구비하는 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감운용 방법으로서, 선박 및 해양플랜트의 운항 및 운전시, 선박 및 해양플랜트의 운항 및 운전구역에 따라 엔진(예를 들어, ME-GI 엔진)에 연료의 산화제를 공급함에 있어 ME-GI 엔진에 산화제인 공기와 산소 중에서 어느 하나를 택일하여 공급하거나, 공기와 산소를 소정비율로 혼합하여 공급하도록 함으로써, 기존 엔진, 예를 들어 ME-GI 엔진을 그대로 선박에 사용하면서도 선박 엔진의 배기가스 질소산화물(NOx) 배출 저감 규정 Tier 3을 만족할 수 있다.
즉, 선박 및 해양플랜트가 공해구역을 운항 및 운전하는 경우는, ME-GI 엔진에 연료의 산화제로서 공기만을 공급하되, 반응식은 CH4 + 2 O2 + 8 N2 → CO2 + 2 H2O + (8-α) N2 + 2α NOx로 공해구역에서 허용하는 질소산화물을 배출한다.
또한, 선박 및 상기 해양플랜트가 배출가스 통제구역을 운항 및 운전하는 경우는, ME-GI 엔진에 연료의 산화제로서 공기와 산소를 소정비율로 혼합 공급하여, 엔진의 배기가스에서의 질소산화물을 저감할 수 있다.
엔진에 연료의 산화제로서 공기와 산소를 혼합하여 공급하는 경우, 반응식은 CH4 + 2 O2 + 0.5 N2 → CO2 + 2 H2O + (0.5-a) N2 + a NOx이며, 예를 들어, 산소와 공기의 비는 3∼5:1로 설정할 수 있으며, 바람직하게는 4:1로 설정할 수 있다.
또한, 선박 및 해양플랜트가 배출가스 통제구역을 운항 및 운전하는 경우는, ME-GI 엔진에 연료의 산화제로서 순 산소만을 공급하여, ME-GI 엔진의 배기가스에서의 질소산화물 배출을 0(zero)으로 할 수 있다.
이때, ME-GI 엔진에서 배출되는 배기가스에서 이산화탄소를 회수하고 그 이산화탄소와 산소를 혼합하여 ME-GI 엔진에 재공급하되, ME-GI 엔진의 배기가스에서의 질소산화물 배출을 0(zero)으로 할 수 있다. 이때의 반응식은 CH4+ 2 O2+ 8 CO2 → 9 CO2 + 2 H2O이다.
이와 같이 배기가스의 이산화탄소 중 약 89%(70-100%)를 회수하여 ME-GI 엔진에 재주입하면, 그 재주입한 이산화탄소의 양만큼 ME-GI 엔진으로 공급되는 공기 내에서 질소(N2)를 대체하므로, ME-GI 엔진의 배기가스에서의 질소산화물 배출을 0(zero)으로 할 수 있는 것이다.
한편, 도 1은 본 발명에 따른 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치를 보인 구성도, 도 2는 본 발명의 공기 공급 유닛을 보인 구성도, 도 3은 본 발명의 산소 생산 공급 유닛을 보인 구성도, 및 도 4는 본 발명의 이산화탄소 회수유닛을 보인 구성도이다.
위 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 선박 및 해양플랜트에는 공해구역과 배출가스 통제구역(ECA)을 운항 및 운전하며 연료로 사용 가능한 액화가스 저장탱크(1)가 구비된다. ME-GI 엔진(111)과 DFDE 엔진(112)으로 액화가스 저장탱크(1)의 연료를 공급하기 위하여 연료 공급라인(120)이 액화가스 저장탱크(1)에 연결되는데, 연료 공급라인(120)은 액화가스 저장탱크(1)에서 발생하는 BOG(Boil-Off Gas)를 엔진에 공급하는 BOG 공급라인(121)과, 액화가스 저장탱크(1)에 저장된 액화가스를 기화시켜 ME-GI 엔진(111)과 DFDE 엔진(112)으로 공급하는 액화가스 공급라인(122)을 구비한다. 액화가스 공급라인(122)에는 고압 펌프(122a)와 기화기(122b)가 설치될 수 있다.
BOG 공급라인(121)에는 증발가스(BOG)를 ME-GI 엔진(111), DFDE 엔진(112)에서 필요로 하는 공급 압력으로 압축하는 컴프레서, 예를 들어 제1 내지 제5 컴프레서(11∼15)가 설치될 수 있다.
액화가스 저장탱크(1)로부터 배출된 증발가스(BOG)는 제1 내지 제5 컴프레서(11∼15)를 지나면서 여러 번의 압축 과정을 거치도록 구성된다. 증발가스가 압축되면 압력뿐만 아니라 온도도 높아지게 되므로 각 제1 내지 제5 컴프레서(11∼15) 후단에 열교환기(21∼25)가 설치되어 통과한 증발가스(BOG)의 온도를 낮출 수 있도록 구성된다.
액화가스 저장탱크(1)로부터 배출된 증발가스가 다단의 압축 과정을 거치고 나면, 대략 300 bar, 40℃ 상태의 증발가스가 되는데, 이 상태의 증발가스는 일부가 ME-GI 엔진(111)으로 보내져(B 라인) 연료로 사용되고, 나머지가 자가 열교환기(20)로 보내진다(C 라인). 대략 300 bar, 40℃ 상태의 증발가스는 자가 열교환기(20)에서 액화가스 저장탱크(1)로부터 배출(D 라인)되는 대략 상압, -160℃ 상태의 증발가스와 열 교환되어 대략 300 bar -120℃ 상태가 된다. 대략 300 bar -120℃ 상태의 증발가스는 감압밸브에 의하여 팽창되어 일부 액화되고, 기액 분리기(50)에 의하여 액화된 증발가스와 기체상태의 증발가스가 분리되어, 기체 상태의 증발 가스는 저장탱크(1)로부터 배출되는 증발가스(D 라인)와 섞여서 다시 자가 열교환기(20)로 보내지고, 액화된 증발가스는 저장탱크(1)로 다시 보내진다.
한편, 대략 상압, -160℃ 상태의 증발가스는, 다섯 번의 압축 과정을 거친 대략 300 bar, 40℃ 상태의 증발가스와 자가 열교환기(20)에서 열 교환된 후, 대략 1.05 bar, -72℃ 상태가 된다. 대략 1.05 bar, -72℃ 상태의 증발가스는 일부 DFDE 엔진(112)으로 보내져(A 라인) 연료로 사용되고, DFDE 엔진(112)으로 보내지고 남은 증발가스는 ME-GI 엔진(111)의 연료로 사용되고, 남은 일부는 자가 열교환기(20)에서 증발가스를 액화시킬 수 있는 냉각 유체로 사용된다. A 라인에는 감압밸브를 설치하여 DFDE 엔진(112)으로 공급되는 압축 증발가스의 압력을 낮추도록 할 수도 있다.
또한, 액화가스 저장탱크(1)의 피딩 펌프(P1)에 의해 펌핑된 액화가스는 액화가스 공급라인(122)으로 공급되고, 고압 펌프(122a)에 의해 가압된 후 기화기(122b)를 거친 후 기화되어 ME-GI 엔진(111) 및 DFDE 엔진(112)으로 공급된다.
리던던시(Redundancy)로서, DFDE 엔진(112) 또는 ME-GI 엔진(111)에 연료유(Fuel Oil) 탱크(60)가 연결되는데, 펌프(Pump, 70) 및 히터(Heater, 80)에 의해서 DFDE 엔진(112) 또는 ME-GI 엔진(111)에서 사용될 수 있는 압력 및 온도 상태가 되어 DFDE 엔진(112) 또는 ME-GI 엔진(111)에 연료가스를 공급하도록 구성된다.
한편, 본 발명에 따른 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치는 엔진(111,112), 연료 공급라인(120), 산화제 공급라인(130), 공기 공급 유닛(140), 산소 생산 공급 유닛(150), 이산화탄소 회수유닛(160), 및 제어부(170)를 포함한다.
본 발명의 실시 예에서는, 엔진에서 추진용의 ME-GI 엔진(111)과 발전용의 DFDE 엔진(112)을 함께 사용하는 실시 예를 하나 예로 설명하기로 한다. ME-GI 엔진(111)과 DFDE 엔진(112)은 액화가스 저장탱크(1)의 가스연료 및 증발가스(BOG: Boil-Off Gas)를 연료로 사용한다.
산화제 공급라인(130)은 ME-GI 엔진(111)으로 산화제(공기, 산소)를 공급하기 위한 라인이다. 도면에 도시하지는 않았으나, DFDE 엔진(112)에도 산화제 공급라인(130)이 연결되고, 그 산화제 공급라인(130)을 통해서 산화제(공기, 산소)를 공급할 수도 있다.
공기 공급 유닛(140)은 ME-GI 엔진(111)으로 연료의 산화제로서 공기를 공급하기 위하여 산화제 공급라인(130)에 연결되는 데, 공기 공급 유닛(140)은 공기를 압축하는 컴프레서(141), 공기에 포함된 이물질을 걸러내기 위한 필터(142), 및 컴프레서(141)에 의해 압축된 공기를 냉각하기 위한 쿨러(143)를 구비한다.
산소 생산 공급 유닛(150)은 ME-GI 엔진(111)으로 연료의 산화제로서 산소를 공급하기 위하여 산화제 공급라인(130)에 연결되는 데, 산소 생산 공급 유닛(150)은 공기 공급유닛(140)에서 공급하는 압축의 공기를 공급받아 산소를 생산하는 산소 발생기(151); 산소 농도를 높이기 위하여 산소 발생기(151)에 연결되는 흡착 부재(152); 저장탱크(1)에 저장된 액화가스의 극저온을 이용하여 산소 발생기(151)에서 발생한 산소를 냉각하여 액화시키기 위하여 연료 공급라인(122)에 설치되는 산소 쿨러(153); 액화된 산소를 저장하는 산소 저장탱크(154); 및 산소 저장탱크(154)의 액화 산소를 기화시켜서 엔진(111)에 연료의 산화제로서 공급하기 위하여 산화제 공급라인(130)과 연결되는 산소 기화기(155)를 포함한다.
산소 발생기(151)는 공기를 원료로 하여 산소 농도를 높이는 방법으로 PSA(Pressure Swing Absorption)방식, VSA(Vacuum Swing Absorption)방식, VPSA(Vacuum Pressure Swing Adsoption) 방식을 포함한다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 산소발생기(151)는 외부의 공기를 흡착탑 내부로 전송해 주는 공기압축기나 송풍기, 그리고 압축공기의 온도와 습기를 조절해 주는 냉각기와 건조기, 공기나 산소를 저장할 수 있는 저장탱크 및 압축공기로부터 산소와 질소를 분리해 주는 흡착탑으로 구성될 수 있다. 흡착탑 내부에 공급된 압축공기로부터 흡착제(Zeolite Molecular Sieve)를 이용하여 산소와 질소를 분리해 내는 공기분리방식으로, 그 분리공정은 가압→가압·생산→균압→탈착·세정→균압→가압의 형태로 진행된다. 생성된 질소는 퍼지시스템, 인스트루먼트, 서비스, 인설레이션 등에 사용될 수 있다.
이산화탄소 회수유닛(160)은 ME-GI 엔진(111)에서 배출되는 배기가스를 물과 이산화탄소로 분리하여 이산화탄소를 회수하고, 회수한 이산화탄소를 ME-GI 엔진(111)으로 공급하기 위하여 산화제 공급라인(130)에 연결된다.
이산화탄소 회수유닛(160)은 엔진(111)의 배기 라인(L 1)으로부터 우회하는 배기가스 우회 라인(161), 배기가스 우회 라인(161)의 냉각장치(열교환기)(162)를 거쳐서 배기가스로부터 물과 이산화탄소를 분리하여 이산화탄소를 회수하는 기액 분리기(163), 및 기액 분리기(163)에 의해 회수된 이산화탄소를 엔진(11)에서 요구하는 압력으로 압축하는 컴프레서(164)를 포함한다. 냉각장치(열교환기)(162)는 배기가스 우회 라인(161)에 설치되어 배기가스를 냉각하는 역할을 한다.
이산화탄소 회수 유닛(160)은 이산화탄소 저장장치(165)를 더 포함하고, 엔진(11)의 배기가스에서 분리한 이산화탄소 중 일부분은 산화제 공급라인(130)으로 공급되고, 나머지 부분은 이산화탄소 저장장치(165)에 저장되도록 구성될 수 있다.
이산화탄소 저장장치(165)에 저장되는 액체의 이산화탄소는 냉각기(166)에 의해서 액화될 수 있는데, 극저온 액화가스를 운반하는 선박의 경우는 극저온 액화가스를 Cooling Source(-163 ℃)로 할 수 있으며, 그 외의 가스를 연료로 사용하는 엔진이 설치된 컨테이너선(Containership), 및 LNG Storage Tank와 FGSS(Fuel Gas Supply System)이 설치 및 운영되는 일반 상선의 경우는 별도 구비될 수 있다.
본 발명에서는, NOx Zero 또는 저감 뿐만 아니라, 엔진의 배기가스에서 이산화탄소의 분리한 후 저장도 가능하기 때문에, 이산화탄소 배출에 대한 선박 배기가스 규제에도 만족할 수 있어 향후 다양한 선박 및 해양플랜트에 적용 및 응용 가능하다.
제어부(170)는 선박 및 해양플랜트의 운항 및 운전구역에 따라, ME-GI 엔진(111)으로 연료의 산화제로서 공기와 산소 중에서 어느 하나를 택일하여 공급하거나, 공기와 산소를 혼합하여 공급하도록 공기 공급 유닛(140)과 산소 생산 공급 유닛(150)을 제어한다.
본 발명에서, 선박 및 상기 해양플랜트가 공해구역을 운항 및 운전하는 경우, 제어부(170)는 ME-GI 엔진(111)으로 연료의 산화제로서 공기만을 공급하도록 공기 공급 유닛(140)을 제어한다.
선박 및 해양플랜트가 배출가스 통제구역을 운항 및 운전하는 경우, 제어부(170)는 ME-GI 엔진(111)으로 연료의 산화제로서 산소만을 공급하도록 산소 생산 공급 유닛(150)을 제어한다.
선박 및 해양플랜트가 배출가스 통제구역을 운항 및 운전하는 경우, 제어부(170)는 ME-GI 엔진(111)으로 연료의 산화제로서 산소만을 공급하도록 산소 생산 공급 유닛(150)을 제어하거나, ME-GI 엔진(111)으로 연료의 산화제로서 공기와 산소를 공급하도록 공기 공급 유닛(140)과 산소 생산 공급 유닛(150)을 제어한다.
ME-GI 엔진(111)으로 연료의 산화제로서 산소만을 공급하는 경우, 제어부(170)는 ME-GI 엔진(111)에서 배출되는 배기가스에서 이산화탄소를 회수하여 그 이산화탄소와 산소를 혼합하여 ME-GI 엔진(111)으로 재공급한다. 이때의 반응식은 CH4+ 2 O2+ 8 CO2 → 9 CO2+ 2 H2O로서, ME-GI 엔진(111)의 배기가스에서의 질소산화물 배출을 0(zero)으로 할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 선박 및 해양플랜트의 연료 공급과정과, 질소산화물 배출 저감 과정을 설명한다.
액화가스 저장탱크를 구비하는 선박 및 해양플랜트에서, 연료 공급과정은 액화가스 저장탱크(1)로부터 배출된 증발가스가 제1 내지 제5 컴프레서(11∼15)를 지나면서 여러 번의 압축 과정을 거친다. 증발가스(BOG)가 압축되면 압력뿐만 아니라 온도도 높아지게 되므로, 각 제1 내지 제5 컴프레서(11∼15) 후단에 열교환기(21∼25)가 설치되어 통과한 증발가스의 온도를 낮추어 준다.
액화가스 저장탱크(1)로부터 배출된 증발가스가 다섯 번의 압축 과정을 거치고 나면, 대략 300 bar, 40℃ 상태의 증발가스가 된다. 이 상태의 증발가스는 일부가 ME-GI 엔진(111)으로 보내져(B 라인) 연료로 사용되고, 나머지가 자가 열교환기(20)로 보내진다(C 라인). 대략 300 bar, 40℃ 상태의 증발가스는 자가 열교환기(20)에서 저장탱크(1)로부터 배출(D 라인)되는 대략 상압, -160℃ 상태의 증발가스와 열 교환되어 대략 300 bar -120℃ 상태가 된다. 대략 300 bar -120℃ 상태의 증발가스는 감압밸브에 의하여 팽창되어 일부 액화되고, 기액 분리기(50)에 의하여 액화된 증발가스와 기체상태의 증발가스가 분리되어, 기체상태의 증발가스는 저장탱크(1)로부터 배출되는 증발가스(D 라인)와 섞여 다시 자가 열교환기(20)로 보내지고, 액화된 증발가스는 저장탱크(1)로 다시 보내진다.
증발가스를 냉각시키기 위하여 냉각 유체와 열교환을 하는 방법으로서, 증발가스를 자체를 냉각 유체로 사용하여 자가 열교환 시키는 방법인 부분 재액화 시스템(PRS; Partial Re-liquefaction System)이 사용되고 있는데, 부분 재액화 시스템은 가격이 비싼 재액화 장치를 별도로 설치하지 않고도 증발가스를 재 액화할 수 있기 때문에, 액화가스 저장탱크의 전체적인 자연 기화율(BOR; Boil-off Rate)을 효율적으로 감소시킬 수 있다.
대략 상압, -160℃ 상태의 증발가스는, 다섯 번의 압축 과정을 거친 대략 300 bar, 40℃ 상태의 증발가스와 자가 열교환기(20)에서 열 교환된 후, 대략 1.05 bar, -72℃ 상태가 된다. 증발가스는 일부 DFDE 엔진(112)으로 보내져(A 라인) 연료로 사용되고, DFDE 엔진(112)으로 보내지고 남은 증발가스는 ME-GI 엔진(111)의 연료로 사용되고, 남은 일부는 자가 열교환기(20)에서 증발가스를 액화시킬 수 있는 냉각 유체로 사용된다. A 라인에는 감압밸브(미도시)를 설치하여 DFDE 엔진(112)으로 공급되는 압축 증발가스의 압력을 낮추도록 할 수 있다.
또한, 연료 탱크(2)의 피딩 펌프(P2)에 의해 펌핑된 액화가스는 액화가스 공급라인(122)으로 공급되고, 고압 펌프(122a)에 의해 가압된 후 기화기(122b)를 거친 후 기화되어 ME-GI 엔진(111) 및 DFDE 엔진(112)으로 공급된다.
연료유(Fuel Oil) 탱크(60)로부터 공급되는 연료유 공급은 리던던시(Redundancy)로서, 다수개의 펌프(Pump, 70) 및 히터(Heater, 80)에 의해 DFDE 엔진(112) 또는 ME-GI 엔진(111)에서 사용될 수 있는 압력 및 온도 상태가 되어, DFDE 엔진(112) 또는 ME-GI 엔진(111)에 공급될 수도 있다.
한편, 질소산화물 배출 저감장치의 작동은 다음과 같다.
선박 및 해양플랜트가 공해구역을 운항 및 운전하는 경우, 제어부(170)는 ME-GI 엔진(111)으로 연료의 산화제로서 공기만을 공급하도록 공기 공급 유닛(140)을 제어한다.
즉, 공기 공급과정을 살펴보면, 컴프레서(141)가 공기를 압축하여 산화제 공급라인(130)으로 공급하고, 필터(142)는 공기에 포함된 이물질을 걸러내며, 쿨러(143)는 컴프레서(141)에 의해 압축된 공기를 냉각한다.
또한, 선박 및 해양플랜트가 배출가스 통제구역을 운항 및 운전하는 경우, 제어부(170)는 ME-GI 엔진(111)으로 연료의 산화제로서 공기와 산소를 소정비율로 공급하도록 공기 공급 유닛(140)과 산소 생산 공급 유닛(150)을 제어할 수 있다. 예를 들어, 산소(75%)와 공기(산소 20%+질소 80%)의 비는 3∼5:1로 설정할 수 있으며, 바람직하게는 4:1로 설정할 수 있다.
즉, 공기 공급 유닛(140)과 산소 생산 공급 유닛(150)이 각각 연료의 산화제로서 공기와 산소를 산화제 공급라인(130)으로 공급하는데, 이때의 반응식은 CH4 + 2 O2 + 0.5 N2 → CO2 + 2 H2O + (0.5-a) N2 + a NOx로, ME-GI 엔진(111)에서 소량의 질소산화물을 배출하여 선박 엔진의 배기가스 질소산화물 배출 저감 규정 Tier 3을 만족할 수 있다.
선박 및 해양플랜트가 배출가스 통제구역을 운항 및 운전하는 경우, 제어부(170)는 ME-GI 엔진(111)으로 연료의 산화제로서 산소만을 공급하도록 산소 생산 공급 유닛(150)을 제어할 수 있다.
즉, 산소 생산 공급 과정을 살펴보면, 산소 발생기(151)는 공기 공급유닛(140)에서 공급하는 압축의 공기를 공급받아 산소를 생산한다. 산소 생산은 공기를 원료로 하여 산소 농도를 높이는 방법으로 PSA(Pressure Swing Absorption)방식, VSA(Vacuum Swing Absorption)방식, VPSA(Vacuum Pressure Swing Absorption) 방식이 있다. 산소발생기(151)는 흡착탑(151a: 도 5 참조) 내부에 공급된 압축공기로부터 흡착제(Zeolite Molecular Sieve)를 이용하여 산소와 질소를 분리해 내는 공기분리방식으로, 그 분리공정은 가압→가압·생산→균압→탈착·세정→균압→가압의 형태로 진행된다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 흡착탑(151a) 안으로 압축 공기가 공급되면 흡착제(Zeolite Molecular Sieve)를 이용하여 산소와 질소를 분리해 내고, 분리된 산소는 산소 버퍼 탱크(151b)를 거쳐서 산소 저장탱크(154) 안에 저장된다. 분리된 질소 및 잔여 가스는 진공 펌프(151c)에 의해서 이송하여 여과된 후 대기중으로 배출된다.
흡착 부재(152)는 산소 농도를 높이는 역할을 한다. 산소발생기(151)에서 발생하는 산소 가스는 산소 쿨러(153)를 거치면서 저장탱크(1)의 액화가스의 극저온을 이용하여 냉각 액화된 후, 산소 저장탱크(154)에 저장된다. 산소 기화기(155)는 산소 저장탱크(154)의 액화 산소를 기화시켜서 엔진(111)에 연료의 산화제로서 공급한다.
한편, ME-GI 엔진(111)으로 연료의 산화제로서 산소만을 공급하는 경우, 제어부(170)는 ME-GI 엔진(111)에서 배출되는 배기가스에서 이산화탄소를 회수하고, 그 회수한 이산화탄소와 산소를 혼합하여 ME-GI 엔진(111)으로 재공급할 수 있다.
이산화탄소 회수과정을 살펴보면, ME-GI 엔진(111)에서 배출되는 배기가스를 배기가스 우회 라인(161)으로 우회시킨 후, 열교환기(162)를 거쳐서 배기가스를 냉각시킨다. 배기가스의 냉각에 의해서 배기가스는 기액 분리기(163)를 거치면서 물과 이산화탄소로 분리된다. 기액 분리기(163)에 의해 회수된 이산화탄소는 컴프레서(164)에 의해서 ME-GI 엔진(111)에서 요구하는 압력으로 압축된 후, 산소와 혼합되어 ME-GI 엔진(111)으로 재공급된다. 이때 반응식이 CH4+ 2 O2+ 8 CO2 → 9 CO2+ 2 H2O 되어, ME-GI 엔진(111)의 배기가스에서의 질소산화물 배출을 0(zero)으로 할 수 있다.
한편, 도 7은 가스운반선을 제외한 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치를 보인 구성도이다.
도 7을 참조하면, 가스운반선을 제외한 선박 및 해양플랜트에서는 액화가스 저장탱크를 구비하지 않는바, 연료 공급과정은 피딩 펌프(P2)에 의해서 연료 탱크(2)로부터 펌핑된 연료가 고압 펌프(P3)에 의해서 가압된 후 기화기(125)를 거쳐서 ME-GI 엔진(111)으로 공급된다(F 라인). 연료 탱크(2)에 발생한 증발가스(BOG)는 기액 분리기(126)에 의하여 액화된 증발가스와 기체상태의 증발가스가 분리되어, 액화된 증발가스는 연료 탱크(2)로 피드백되고, 기체상태의 증발가스는 히터(127)를 거쳐 가열된 후 DFDE 엔진(112)으로 공급될 수 있다(G 라인).
이상에서 설명한 바와 같이, 선박의 운항 및 해양플랜트의 운전시, 선박의 운항구역 또는 해양플랜트의 운전구역에 따라 연료의 산화제인 공기(air)와 산소 발생기에서 공급하는 산소 중에서 어느 하나를 택일하여 그 엔진에 공급하거나, 공기와 산소를 소정비율로 혼합하여 그 엔진에 공급함으로써, 기존 엔진을 그대로 선박이나 해양플랜트에 사용하면서도 엔진의 배기가스 질소산화물 배출규정 Tier 3을 충족할 수 있다.
또한, 배출가스 통제구역에서 연료의 산화제인 산소만을 공급하는 경우는, 엔진에서 배출되는 배출가스로부터 이산화탄소를 회수하여, 그 이산화탄소와 산소를 엔진에 재공급하여 그 엔진의 배기가스에서의 질소산화물 배출을 0(zero)로 할 수 있어 매우 친환경적이다.
또한, 질소산화물 배출을 Zero(또는 저감) 뿐만 아니라, 엔진의 배출되는 배기가스에서 이산화탄소를 분리한 후 저장도 가능하기 때문에, 이산화탄소 배출에 대한 배기가스 규제에도 만족할 수 있어 향후 다양한 선박 및 해양플랜트에 적용 및 응용 가능하다.
또한, 엔진의 배기가스 질소산화물 배출규정 Tier 3을 충족하면서 연료의 효율적 연소가 가능하고, 선박이나 해양플랜트 상에 설치된 산소 생산 공급유닛을 이용하여 공기로부터 산소를 생산하여 산소를 직접 공급하되, 액화가스의 극저온을 이용하여 산소를 액화 저장할 수 있으며, 산소 생산시 발생하는 부산물인 질소를 선박이나 해양플랜트 각 소요처에 공급하여 활용할 수 있다.
1: 액화가스 저장탱크
2: 연료 탱크
20: 자가 열교환기
11∼15: 제1 내지 제5 컴프레서
21∼25: 열교환기
50: 기액 분리기
60: 연료유(Fuel Oil) 탱크
70: 펌프
111: ME-GI 엔진
112: DFDE 엔진
120: 연료 공급라인
130: 산화제 공급라인
140: 공기 공급 유닛
141: 컴프레서
142: 필터
143: 쿨러
150: 산소 생산 공급 유닛
151: 산소 발생기
152: 흡착 부재
153: 산소 쿨러
154: 산소 저장탱크
155: 산소 기화기
160: 이산화탄소 회수유닛
161: 배기가스 우회 라인
162: 열교환기
163: 기액 분리기
164: 컴프레서
165: 이산화탄소 저장탱크
166: 냉각기
170: 제어부

Claims (26)

  1. 액화가스 저장탱크의 가스연료 및 증발가스(BOG: Boil-Off Gas)를 연료로 사용하는 엔진; 상기 액화가스 저장탱크에서 상기 엔진에 연료를 공급하는 연료 공급라인; 및 상기 엔진에 산화제를 공급하기 위한 산화제 공급라인을 포함하는 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치에 있어서,
    상기 산화제 공급라인에 연결되어 연료의 산화제로서 공기를 상기 엔진에 공급하는 공기 공급 유닛; 상기 산화제 공급라인에 연결되어 연료의 산화제로서 산소를 상기 엔진에 공급하도록 산소를 생산하고 저장 공급하는 산소 생산 공급 유닛; 및 상기 엔진에서 배출되는 배기가스 중 이산화탄소를 분리하여 상기 산화제 공급라인으로 공급하는 이산화탄소 회수 유닛을 포함하고,
    상기 공기 공급유닛에 의한 공기 공급과 상기 산소 생산 공급 유닛에 의한 산소 공급 중 적어도 어느 하나가 선택적으로 상기 산화제 공급라인에 유지되는 것을 특징으로 하며,
    상기 산소 생산 공급 유닛은 상기 공기 공급유닛을 통해 유입되는 공기를 공급받아 산소를 생산하는 산소 발생기; 산소 농도를 높이기 위하여 상기 산소 발생기에 연결되는 흡착 부재; 상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스의 극저온을 이용하여 상기 산소 발생기에서 발생한 산소를 냉각 액화시키기 위하여 상기 연료 공급라인에 설치되는 산소 쿨러; 액화된 산소를 저장하는 산소 저장탱크; 및 상기 산소 저장탱크의 액화 산소를 기화시켜서 상기 엔진에 연료의 산화제로서 공급하기 위하여 상기 산화제 공급라인과 연결되는 산소 기화기를 포함하는, 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이산화탄소 회수 유닛은 상기 산소 생산 공급 유닛에 의한 산소 공급만이 상기 산화제 공급라인에 유지되어야 작동되는 것을 특징으로 하는, 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 이산화탄소 회수 유닛은,
    상기 엔진의 배기가스에서 분리한 이산화탄소 중 일부분은 상기 산화제 공급라인으로 공급되고, 나머지 부분은 대기중으로 배출하는 것을 특징으로 하는, 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 이산화탄소 회수 유닛은,
    열교환에 의해 냉각하는 냉각장치; 및
    상기 냉각장치와 연결된 저장장치를 포함하고,
    상기 엔진의 배기가스에서 분리한 이산화탄소 중 일부분은 상기 산화제 공급라인으로 공급되고, 나머지 부분은 상기 냉각장치에 의해 액화되어 상기 저장장치에 저장되는 것을 특징으로 하는, 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 산화제 공급라인으로 공급되는 공기와 산소와 이산화탄소의 공급을 제어하는 제어부를 더 포함하는, 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 액화가스는 LNG, LEG, LPG, DME를 포함하는 액화된 연료 가스이며,
    상기 엔진은 ME-GI 엔진과 XDF, DFDE의 가스를 연료로 사용할 수 있는 엔진을 포함하며,
    상기 선박은 LNGC, LPGC, LEGC의 가스운반선, 가스를 연료로 사용하는 엔진이 설치된 컨테이너선(Containership), 및 엘앤지 저장탱크(LNG Storage Tank)와 연료가스 공급시스템(FGSS: Fuel Gas Supply System)이 설치 및 운영되는 일반 상선을 포함하는, 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 선박 및 상기 해양플랜트가 공해구역을 운항 및 운전하는 경우, 상기 엔진에 연료의 산화제로서 공기만을 공급하도록 상기 공기 공급 유닛을 제어하는 것을 특징으로 하는, 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 선박 및 상기 해양플랜트가 배출가스 통제구역을 운항 및 운전하는 경우, 상기 엔진에 연료의 산화제로서 산소만을 공급하도록 상기 산소 생산 공급 유닛을 제어하는 것을 특징으로 하는, 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 선박 및 상기 해양플랜트가 배출가스 통제구역을 운항 및 운전하는 경우, 상기 엔진에 산소만을 공급하도록 상기 산소 생산 공급 유닛을 제어하거나,
    상기 엔진에 공기와 산소를 공급하도록 상기 공기 공급 유닛과 상기 산소 생산 공급 유닛을 제어하는 것을 특징으로 하는, 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진에 연료의 산화제로서 산소만을 공급하는 경우, 상기 엔진에서 배출되는 배기가스에서 이산화탄소를 회수하여 그 이산화탄소와 산소를 혼합하여 상기 엔진에 재공급하는 것을 특징으로 하는, 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료 공급라인은
    상기 액화가스 저장탱크에서 발생하는 증발가스(BOG: Boil-Off Gas)를 상기 엔진에 공급하는 증발가스 공급라인; 및
    상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스를 기화시켜 상기 엔진에 공급하는 액화가스 공급라인을 구비하는 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 증발가스 공급라인에는 상기 증발가스를 상기 엔진에서 필요로 하는 공급압력으로 압축하는 컴프레서가 설치되는 것을 특징으로 하는, 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기 공급 유닛은
    공기를 압축하는 컴프레서;
    공기에 포함된 이물질을 걸러내기 위한 필터; 및
    상기 컴프레서에 의해 압축된 공기를 냉각하기 위한 쿨러를 구비하는 것을 특징으로 하는, 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치.
  14. 삭제
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 산소 발생기는 공기를 원료로 하여 산소 농도를 높이는 방법으로 PSA(Pressure Swing Absorption)방식, VSA(Vacuum Swing Absorption)방식, VPSA(Vacuum Pressure Swing Adsoption) 방식을 포함하는 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 이산화탄소 회수유닛은
    상기 엔진의 배기 라인으로부터 우회하는 배기가스 우회 라인;
    상기 배기가스 우회 라인에서 설치되어 배기가스를 냉각하는 열교환기;
    상기 열교환기를 거쳐서 배기가스로부터 물과 이산화탄소를 분리하여 이산화탄소를 회수하는 기액 분리기; 및
    상기 기액 분리기에 의해 회수된 이산화탄소를 상기 엔진에서 요구하는 압력으로 압축하는 컴프레서를 포함하는, 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치.
  17. 삭제
  18. 청구항 1 또는 16에 있어서,
    리던던시(Redundancy)로서 상기 엔진에 연료유(Fuel Oil) 탱크가 연결되는 것을 특징으로 하는, 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 엔진에서 사용될 수 있는 압력 및 온도 상태로 연료가스를 공급하도록 상기 연료유(Fuel Oil) 탱크에는 펌프(Pump) 및 히터(Heater)가 연결되는 것을 특징으로 하는, 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치.
  20. 공해구역과 배출가스 통제구역(ECA: Emission Control Area)을 운항 및 운전하며 엔진에 연료를 공급하기 위하여 액화가스 저장탱크에 연결되는 연료 공급라인을 구비하는 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감운용 방법에 있어서,
    선박 및 상기 해양플랜트의 운항 및 운전시, 상기 선박 및 상기 해양플랜트의 운항 및 운전구역에 따라 상기 엔진에 공기와 산소 중에서 적어도 어느 하나를 택일하여 공급하되,
    상기 선박 및 상기 해양플랜트가 상기 공해구역을 운항 및 운전하는 경우, 상기 엔진에 연료의 산화제로서 공기만을 공급하도록 하며,
    상기 선박 및 상기 해양플랜트가 상기 배출가스 통제구역을 운항 및 운전하는 경우, 상기 엔진에 연료의 산화제로서 공기와 산소를 혼합하여 공급하거나 또는 산소만을 공급하여, 상기 엔진의 배기가스에서의 질소산화물을 저감하되,
    상기 선박 및 상기 해양플랜트 상에 설치된 산소 생산 공급유닛에서 산소를 생산 공급하되,
    상기 산소 생산 공급 유닛은 공기 공급유닛을 통해 유입되는 공기를 공급받아 산소를 생산하는 산소 발생기; 산소 농도를 높이기 위하여 상기 산소 발생기에 연결되는 흡착 부재; 상기 액화가스 저장탱크에 저장된 액화가스의 극저온을 이용하여 상기 산소 발생기에서 발생한 산소를 냉각 액화시키기 위하여 상기 연료 공급라인에 설치되는 산소 쿨러; 액화된 산소를 저장하는 산소 저장탱크; 및 상기 산소 저장탱크의 액화 산소를 기화시켜서 상기 엔진에 연료의 산화제로서 공급하기 위한 산화제 공급라인과 연결되는 산소 기화기를 포함하는 것을 특징으로 하는, 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감운용 방법.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 선박 및 상기 해양플랜트가 상기 공해구역을 운항 및 운전하는 경우, 상기 엔진에 연료의 산화제로서 공기만을 공급하되, 반응식은 CH4 + 2 O2 + 8 N2 → CO2 + 2 H2O + (8-α) N2 + 2 α NOx인 것을 특징으로 하는, 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감운용 방법.
  22. 청구항 20에 있어서,
    상기 선박 및 상기 해양플랜트가 상기 배출가스 통제구역을 운항 및 운전하는 경우,
    상기 엔진에 연료의 산화제로서 공기와 산소를 혼합하여 공급하되, 반응식은 CH4 + 2 O2+ 0.5 N2 → CO2 + 2 H2O + (0.5-a) N2 + a NOx이며, 산소와 공기의 비는 4:1로 설정하는 것을 특징으로 하는 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감운용 방법.
  23. 청구항 20에 있어서,
    상기 선박 및 상기 해양플랜트가 상기 배출가스 통제구역을 운항 및 운전하는 경우,
    상기 엔진에 연료의 산화제로서 산소를 공급하며, 상기 엔진에서 배출되는 배기가스에서 이산화탄소를 회수하고 그 이산화탄소와 산소를 혼합하여 상기 엔진에 재공급하되, 반응식은 CH4+ 2 O2+ 8 CO2 → 9 CO2 + 2 H2O이며, 상기 엔진의 배기가스에서의 질소산화물 배출을 0(zero)으로 하는 것을 특징으로 하는, 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감운용 방법.
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  25. 삭제
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KR1020160060848A 2016-05-18 2016-05-18 선박 및 해양플랜트의 질소산화물 배출 저감장치 및 질소산화물 배출 저감운용 방법 KR101775053B1 (ko)

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