KR102142995B1 - 원유 운반선의 연료 공급 시스템 연료 공급 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액화천연가스를 연료로 사용하는 원유 운반선의 원유 저장탱크에서 발생하는 휘발성 유기화합물을 엔진의 연료로 사용할 수 있는 연료 공급 시스템 연료 공급 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 원유 운반선의 연료 공급 시스템은, 원유 저장탱크로부터 배출되는 기체 상태의 VOC(Volatile Organic Compounds)를 상변화시키지 않고 그대로 포집하는 VOC 포집탱크; 엔진의 연료로 사용할 LNG(Liquefied Natural Gas)를 저장하는 연료 저장탱크; 상기 연료 저장탱크에 저장된 LNG를 가압하여 배출시키는 연료펌프; 및 상기 연료펌프에 의해 가압된 액체 상태의 LNG와 상기 VOC 포집탱크로부터 배출되는 기체 상태의 VOC를 혼합하는 혼합기;를 포함하고, 상기 엔진은, 2행정 디젤 사이클 엔진이며, 상기 혼합기와 엔진을 연결하고, 상기 혼합기에서 혼합된 혼합연료가 상기 엔진으로 공급되는 혼합연료 공급라인; 및 상기 VOC 포집탱크와 혼합기를 연결하여, 질소 및 중탄화수소 성분을 함유하는 VOC를 상기 VOC 포집탱크로부터 혼합기로 이송하는 VOC 공급라인;을 더 포함한다.

Description

원유 운반선의 연료 공급 시스템 연료 공급 방법 {Fuel Gas Supply System and Method for Crude Oil Eco-carrier}
본 발명은 액화천연가스를 연료로 사용하는 원유 운반선의 원유 저장탱크에서 발생하는 휘발성 유기화합물을 엔진의 연료로 사용할 수 있는 연료 공급 시스템 연료 공급 방법에 관한 것이다.
원유 운반선에는 원유(crude oil)를 저장할 수 있는 다수의 원유 저장탱크(cargo tank)가 설치된다. 원유 저장탱크에서는 저장된 원유가 증발하여 휘발성 유기 화합물(VOC; Volatile Organic Compounds)이 생성된다. 원유 저장탱크의 압력을 안전하게 유지하기 위해서는, 원유 저장탱크 내에서 생성된 VOC를 외부로 배출시켜야만 한다.
특히, 원유 저장탱크에 원유를 선적(loading)하는 공정 중에, 만선 운항(laden voyage) 중에 그리고 원유를 수요처에 하역(discharging)한 후 원유 저장탱크를 세척(cleaning)할 때 상당량의 VOC가 생성된다.
VOC의 조성은 원유 저장탱크에 저장되어 있는 원유의 거의 모든 성분 즉, 유기 화합물을 포함하고 있다. VOC를 대기 중으로 방출시킬 경우, 태양광의 작용을 받아 질소 산화물과 광화학 반응을 일으켜 오존 및 광화학 산화성 물질을 생성시켜, 광화학 스모그를 유발하거나 오존층 파괴, 온실 효과에 영향을 주는 등 환경 오염을 일으킨다.
이러한 VOC의 유해성 문제로 국제해사기구 등에서는 일부 항만에서의 VOC 하역을 일부 규제하고 있다. 그뿐 아니라 VOC의 대기 방출은 결국 그만큼의 유효 물질의 손실이 일어나는 것이므로 VOC를 대기중으로 방출하기보다는 회수하여 효과적으로 처리할 수 있는 방법을 강구해야 한다.
VOC를 효과적으로 처리하는 기술로는 크게, 화물 적재 시에 발생하는 VOC의 양을 줄이는 VOC 발생 감소 기술(VOC reduction technology)과, 생성된 VOC를 대기 중으로 방출하지 않고 회수하여 처리하는 VOC 회수 기술(VOC recovery technology)이 실선 적용되고 있다.
VOC 발생 감소 기술은, 화물을 원유 저장탱크에 적재할 때, 원유 저장탱크 내 음압이 발생하는 것을 줄여, 원유의 증기압(vapor pressure) 이하로 탱크의 압력을 조절하는 기술이 대표적이다.
VOC 회수 기술은, 생성된 VOC를 포집하여 액화시켜 저장하거나 연료로 공급하는 것으로, 패키지로 구성되는 고가의 VOC 처리 시스템 장비를 선박에 탑재하여 사용할 수 있다.
한편, 원유 운반선에서 발생하는 VOC는 중탄화수소 함량이 높아 가스 엔진의 메탄가를 충족시키지 못하므로, 개질기를 이용하여 VOC를 경질 탄화수소인 메탄으로 개질하여 공급해야 한다.
그러나, 개질기를 이용한 연료 공급은, 주기적으로 개질기의 성능 유지를 위한 보수관리가 필요하고, 개질(reforming)을 위하여 다량의 스팀 등 열에너지가 필요하기 때문에 추가적인 연료 연소가 필수적이라는 문제점이 있다.
본 발명은, LNG를 연료로 사용하면서도, 선박에서 발생하는 VOC를 보다 간편하고 저렴한 비용으로, 대기로 방출하는 일 없이 효율적으로 엔진의 연료로 공급할 수 있도록 개선된 원유 운반선의 연료 공급 시스템 연료 공급 방법을 제공하고자 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 원유 저장탱크로부터 배출되는 기체 상태의 VOC(Volatile Organic Compounds)를 상변화시키지 않고 그대로 포집하는 VOC 포집탱크; 엔진의 연료로 사용할 LNG(Liquefied Natural Gas)를 저장하는 연료 저장탱크; 상기 연료 저장탱크에 저장된 LNG를 가압하여 배출시키는 연료펌프; 및 상기 연료펌프에 의해 가압된 액체 상태의 LNG와 상기 VOC 포집탱크로부터 배출되는 기체 상태의 VOC를 혼합하는 혼합기;를 포함하고, 상기 엔진은, 2행정 디젤 사이클 엔진이며, 상기 혼합기와 엔진을 연결하고, 상기 혼합기에서 혼합된 혼합연료가 상기 엔진으로 공급되는 혼합연료 공급라인; 및 상기 VOC 포집탱크와 혼합기를 연결하여, 질소 및 중탄화수소 성분을 함유하는 VOC를 상기 VOC 포집탱크로부터 혼합기로 이송하는 VOC 공급라인;을 더 포함하는, 원유 운반선의 연료 공급 시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 혼합기에서 혼합된 액체 상태의 혼합연료를 상기 엔진에서 요구하는 고압으로 압축시키는 고압펌프; 및 상기 고압펌프에 의해 압축된 혼합연료를 기화시키는 기화기;를 더 포함하고, 상기 혼합연료 공급라인을 통해, 상기 기화기에서 기화된 기체 상태의 혼합연료가 상기 엔진의 연료로 공급될 수 있다.
바람직하게는, 상기 VOC 공급라인에 설치되며, 상기 VOC 포집탱크로부터 혼합기로 공급되는 VOC의 질소 함유량에 따라 개도량이 제어되는 VOC 밸브;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 혼합기에서 혼합된 혼합연료의 질소 함유량이 30 mol% 미만이 되도록 상기 VOC 밸브의 개도량을 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 엔진은, 100% 에탄가스, 100% 천연가스, 천연가스와 VOC의 혼합물 및 VOC를 연료로 사용할 수 있는 가스 엔진일 수 있다.
바람직하게는, 상기 고압펌프는, 상기 혼합연료를 200 bar 내지 420 bar로 압축할 수 있다.
바람직하게는, 상기 혼합기는, 상기 액체상태의 LNG를 작동유체로 하는 이덕터일 수 있다.
바람직하게는, 상기 원유 저장탱크와 VOC 포집탱크를 연결하여, 질소 및 중탄화수소 성분을 함유하는 VOC를 상기 원유 저장탱크로부터 VOC 포집탱크로 이송하는 VOC 포집라인;을 더 포함하고, 상기 VOC는, 수분, 질소를 제거하는 전처리 공정없이 상기 원유 저장탱크로부터 VOC 포집탱크로, 상기 VOC 포집탱크로부터 혼합기로 이송될 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 원유 저장탱크로부터 배출시킨, 질소 및 중탄화수소 성분을 함유하는 기체 상태의 VOC(Volatile Organic Compounds)를 상변화시키지 않고 기체 상태로 포집하여 저장하고, 엔진의 연료로 사용할 LNG를 압축하고, 상기 저장되어 있는 VOC를 배출시켜 상기 압축된 액체 상태의 LNG와 혼합하고, 상기 LNG와 VOC를 혼합한 혼합연료를 2행정 디젤 사이클 엔진으로 공급하는, 원유 운반선의 연료 공급 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 LNG와 VOC를 혼합하는 것은, 상기 LNG를 작동유체로 하여 상기 기체 상태의 VOC를 흡입하여 혼합할 수 있다.
바람직하게는, 상기 혼합연료는 상기 엔진에서 요구하는 고압으로 더 압축시키고, 상기 고압으로 압축한 혼합연료를 기화시키고, 상기 기화된 기체 상태의 혼합연료를 상기 엔진으로 공급할 수 있다.
바람직하게는, 상기 혼합연료의 질소 함유량이 30 mol% 미만이 되도록 상기 압축 LNG와 혼합할 기체 상태의 VOC의 유량을 조절할 수 있다.
본 발명의 원유 운반선의 연료 공급 시스템 연료 공급 방법은, VOC를 회수하고 재활용하는 공정을 단순화시킬 수 있다.
또한, VOC의 회수 및 재활용 공정을 단순화시킴으로써 원유의 선적 및 운항 과정에서 발생하는 VOC의 재활용도를 극대화할 수 있다.
특히, VOC를 액화시키기 위한 장비, VOC로부터 수분이나 질소를 제거하는 전처리 장비를 필요로 하지 않기 때문에, 추가 장비를 생략하여 설치 비용, 면적 및 에너지 비용을 줄일 수 있다.
또한, 전력을 사용하지 않고 VOC를 회수할 수 있어 선박의 전력 사용량을 절감할 수 있다.
회수한 VOC는 엔진의 연료로 공급함으로써, 유해한 VOC를 대기중으로 방출하지 않고 친환경적으로 처리할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 원유 운반선의 연료 공급 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 원유 운반선의 연료 공급 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 원유 운반선의 연료 공급 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시예에 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. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
후술하는 본 발명의 일 실시예에서 액화가스는, 메탄 및/또는 에탄을 포함하는 액화가스일 수 있으며, 예를 들어, LNG(Liquefied Natural Gas), LEG(Liquefied Ethane Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), 액화에틸렌가스(Liquefied Ethylene Gas)일 수 있다.
다만, 후술하는 실시예에서는 대표적인 액화가스인 LNG가 적용되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다. LNG는 메탄을 주성분으로 하며, 에탄, 프로판, 부탄 등을 포함하고, 그 조성은 생산지에 따라 달라질 수 있다.
또한, 후술하는 본 발명의 일 실시예에 따른 원유 운반선의 연료 공급 시스템 연료 공급 방법은, 선박에 적용되는 것을 예로 들어 설명하지만, 육상에서 적용될 수도 있다.
또한, 후술하는 실시예에서 선박은 생산된 원유를 화물로서 운반하는 원유 운반선(crude oil carrier 또는 crude oil tanker)의 경우를 예로 들어 설명하지만, 본 발명은 해상에서 원유를 생산하는 부유식 원유생산저장하역 설비(FPSO; Floating, Production, Storage and Offloading Unit), 생산된 원유를 운반하는 석유제품을 운반하는 석유제품 운반선(product carrier), 생산된 원유를 저장할 수 있는 부유식 저장설비(FSU; Floating and Storage Unit) 등 원유 저장탱크가 마련되며, 상당량의 VOC가 발생하여 환경적 위험성이 잠재하고, 엔진으로 연료를 공급할 필요가 있는 모든 선박 또는 해상 부유 구조물에 적용할 수 있다.
또한, 후술하는 본 발명의 일 실시예에서 선박은, LNG를 연료로 사용하는 LFS(LNG Fuelled Ship)일 수 있다.
또한, 후술하는 본 발명의 일 실시예에서 액화가스 및 액화가스의 증발가스는 엔진, 특히 선박의 엔진의 연료로 사용할 수 있다.
먼저, 도 1을 참조하여, 본 발명의 제1 실시예에 따른 원유 운반선의 연료 공급 시스템 연료 공급 방법을 설명하기로 한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 원유 운반선의 연료 공급 시스템은, 원유를 저장하는 하나 이상의 원유 저장탱크(cargo tank, 100); 원유 저장탱크(100)에서 원유가 증발하여 생성된 휘발성 유기화합물(VOC; Volatile Organic Compounds)을 상변화시키지 않고 그대로 포집하는 VOC 포집탱크(200); 선박의 엔진(1000)의 연료로 사용할 액화천연가스(LNG)를 저장하는 연료 저장탱크(300); 연료 저장탱크(300)에 저장된 LNG를 가압하여 연료 저장탱크(300)로부터 외부로 배출시키는 연료펌프(400); 연료펌프(400)에 의해 이송된 LNG를 엔진(1000)에서 요구하는 압력 범위로 압축하는 고압펌프(501); 고압펌프(501)에 의해 압축된 LNG를 천연가스로 기화시키는 기화기(601); 기화기(601)에 의해 기화된 고압의 천연가스를 작동(driving) 유체로 하여 VOC 포집탱크(200)로부터 이송된 저압의 VOC를 흡입하고 천연가스와 VOC를 혼합하여 엔진(1000)의 연료로 공급하는 혼합기(701); 및 연료 저장탱크(300)에 저장된 LNG를 기화기(601)를 이용하여 기화시킨 천연가스, VOC 포집탱크(200)에 포집된 VOC 또는 혼합기(701)에 의해 혼합된 천연가스와 VOC의 혼합연료를 연료로 사용하는 엔진(1000);을 포함한다.
VOC 포집라인(VL1)은, 원유 저장탱크(100)와 VOC 포집탱크(200)를 연결하며, 원유 저장탱크(100)로부터 배출된 VOC는 VOC 포집라인(VL1)을 따라 VOC 포집탱크(200)로 이송된다.
원유 저장탱크(100)로부터 배출된 기체 상태의 VOC는 기체 상태 그대로, VOC 포집라인(VL1)을 따라 이송되고, VOC 포집탱크(200)에 기체 상태로 저장된다.
즉, 본 실시예에서 VOC 포집탱크(200)에 저장되는 VOC는, 원유 저장탱크(100)로부터 VOC 저장탱크(200)로 이송되는 동안, VOC 저장탱크(200)에 저장되어 있는 동안 그리고 VOC 저장탱크(200)로부터 VOC 공급라인(VL2)을 따라 혼합기(701)로 이송되는 동안 상변화가 일어나지 않는다.
또한, 본 실시예의 VOC 포집탱크(200)는, 하나의 원유 저장탱크(100)보다 작은 용량의 것으로 구비된다.
원유 저장탱크(100)로부터 배출되는 VOC는 다양한 탄소수의 탄화수소 성분 뿐만 아니라 수분이나 질소 등의 불순물을 포함한다.
원유 저장탱크(100)로부터 배출되는 VOC의 조성은 원유의 조성에 따라 다르기는 하지만 일반적으로 프로판, 부탄(특히, 노멀 부탄)이 주성분이고, 그 외에 에탄, 이소 부탄, 노멀 펜탄 및 이소 펜탄, 헥산, 헵탄 등을 포함한다.
또한, 원유 저장탱크(100)로 원유를 적재(loading)하거나 원유 저장탱크(100)로부터 원유를 하역(discharging)할 때 원활한 공정이 이루어지도록 하기 위한 역할 또는 블랭킷 가스(blanket gas)의 역할로서 원유 저장탱크(100)에 질소 기체를 공급한다. 질소의 액화 온도는 VOC에 포함될 수 있는 다양한 탄화수소 중 액화 온도가 가장 낮은 메탄의 액화 온도보다 낮기 때문에, 함량은 다르지만 원유 저장탱크(100)로부터 배출되는 VOC에는 반드시 질소가 함유되어 있다.
그러나, 본 실시예에 따른 연료 공급 시스템은, 원유 저장탱크(100)로부터 VOC 포집탱크(200)로 이송되는 VOC는 수분이나 질소 등 불순물을 제거하는 전처리 장치를 포함하지 않는다.
즉, 원유 저장탱크(100)로부터 VOC 포집탱크(200)로 이송되는 VOC는 전처리 공정을 거치지 않는다. VOC 포집탱크(200)로부터 혼합기(701)로 이송되는 VOC도 전처리 공정을 거치지 않는다.
VOC 포집탱크(200)에 포집된 기체 상태의 VOC는 VOC 포집탱크(200)와 혼합기(701)를 연결하는 VOC 공급라인(VL2)을 따라 상변화없이 혼합기(701)로 이송된다.
VOC 공급라인(VL2)에는, VOC 포집탱크(200)로부터 혼합기(701)로 이송되는 VOC의 유량을 조절할 수 있는 VOC 밸브(CV);가 설치된다.
VOC 밸브(CV)는, VOC 포집탱크(200)로부터 혼합기(701)로 이송되는 VOC의 조성을 기준으로 제어될 수 있다.
예를 들어, VOC 포집탱크(200)로부터 혼합기(701)로 이송되는 VOC의 질소 함유량이 기준값을 초과하면, VOC 밸브(CV)의 개도량을 제어하여, VOC 포집탱크(200)로부터 혼합기(701)로 공급하는 VOC의 유량을 감소시킨다.
VOC 포집탱크(200)로부터 혼합기(701)로 이송되는 VOC의 질소 함유량의 기준값은, 혼합기(701)에서 혼합된 혼합 연료의 질소 함유량이 엔진에서 요구하는 질소 함유량, 예를 들어 20 mol% 미만 또는 30 mol% 미만이 되는 값일 수 있다.
예를 들어, VOC 포집탱크(200)로부터 혼합기(701)로 이송되는 VOC의 중탄화수소 함량, 특히 탄소수가 10 이상인 중탄화수소의 함량이 기준값을 초과하면, VOC 밸브(CV)의 개도량을 조절하여, VOC 포집탱크(200)로부터 혼합기(701)로 공급하는 VOC의 유량을 감소시킨다.
VOC 포집탱크(200)로부터 혼합기(701)로 이송되는 VOC의 중탄화수소의 기준값은, 혼합기(701)에서 혼합되는 혼합 연료가 다상(multi-phase)이 되지 않도록 하는 값일 수 있다. 예를 들어, 혼합 연료가 다상이 되지 않도록 하는 기준값은, VOC에 포함된 탄소수가 10 이상인 중탄화수소의 농도가 1 mol% 미만인 것일 수 있다.
본 실시예의 엔진(1000)은, 2행정(2-stroke) 사이클 엔진일 수 있다. 또한, 본 실시예의 엔진(1000)은, 고압의 가스 연료를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(diesel cycle)을 기준으로 작동하는 것일 수 있다.
또한, 본 실시예의 엔진(1000)에서 요구하는 가스 연료의 압력 조건은 약 200 bar 내지 420 bar, 또는 약 250 bar 내지 380 bar일 수 있고, 바람직하게는 약 380 barg의 고압 가스 연료를 연소시킬 수 있다.
또한, 본 실시예의 엔진(1000)에서 요구하는 가스 연료의 온도 조건은 약 35℃ 내지 45℃일 수 있고, 바람직하게는 약 45℃일 수 있다.
또한, 본 실시예의 엔진(1000)은, 100% 에탄가스, 100% 천연가스, 천연가스와 VOC의 혼합물 및 VOC를 연료로 사용할 수 있는 가스 엔진일 수 있다.
예를 들어, 본 실시예에서 엔진(1000)은, MAN ES 사의 ME-GIE(MAN Electronic Gas Injection Ethane) 엔진일 수 있다.
또한, 본 실시예의 엔진(1000)은, LNG를 주 연료로 사용하고, VOC의 발생량에 따라 LNG(또는 천연가스)와 VOC의 혼합연료 또는 VOC를 엔진의 연료로 사용한다.
즉, 본 실시예의 선박은, 평상시에는 LNG를 연료로 사용하는 천연가스 연료 선박을 기준으로 한다.
연료 저장탱크(300)에 저장된 LNG는, 연료펌프(400)에 의해 가압되어 연료펌프(400)와 고압펌프(501)를 연결하는 연료 공급라인(FL)을 따라 고압펌프(501)로 이송된다.
연료펌프(400)는 연료 저장탱크(300)에 저장된 LNG를 약 10 bar로 가압할 수 있다. 그러나, 이에 한정하는 것은 아니다.
고압펌프(501)는, 연료펌프(400)에 의해 가압된 LNG를 엔진(1000)에서 요구하는 가스 연료 압력, 즉 본 실시예에서 약 380 bar 이상의 고압으로 압축시켜 기화기(601)로 공급한다.
고압펌프(501)에 의해 고압으로 압축된 LNG는 고압펌프(501)와 기화기(601)를 연결하는 연료 공급라인(FL)을 따라 기화기(601)로 이송된다.
기화기(601)에서는 고압펌프(501)에 의해 엔진(1000)에서 요구하는 고압, 즉 본 실시예에서 약 380 bar로 압축된 LNG를 천연가스(기체상태 또는 초임계상태)로 기화시킨다.
기화기(601)에서 기화된 천연가스는 기화기(601)와 혼합기(701)를 연결하는 연료 공급라인(FL)을 따라 혼합기(701)로 공급된다.
연료펌프(400)와 고압펌프(501) 사이, 고압펌프(501)와 기화기(601) 사이 및 기화기(601)와 혼합기(701) 사이 중 어느 한 곳 이상에는 연료 저장탱크(300)로부터 혼합기(701)로 이송되는 LNG의 유량을 제어하는 LNG 밸브(미도시)가 설치될 수 있다.
LNG 밸브는, 엔진(1000)에서 요구하는 연료량, VOC 포집탱크(200)로부터 혼합기(701)로 이송되는 VOC의 중탄화수소 또는 질소 함유량에 따라서 제어될 수 있다.
본 실시예의 혼합기(701)는 베르누이 효과를 이용한 이덕터(eductor)일 수 있다. 이덕터(701)는, 엔진(1000)에서 요구하는 고압, 즉, 본 실시예에서 약 380 bar로 압축된 고압의 천연가스를 작동(driving) 유체로 사용함으로써, 전력 등 외부 동력을 사용하지 않고 무동력으로 VOC 포집탱크(200)로부터 이덕터(701)로 이송되는 VOC를 흡입하고 혼합시킬 수 있다. 혼합기(701)에서는 고압의 천연가스와 VOC가 단일상으로 혼합되어 확산 분사된다.
본 실시예와 같이 혼합기(701)로서 이덕터를 활용하면, 이덕터 내부로 확산 분사된 유체가 곡선 형태의 와류를 형성하면서 혼합을 촉진시켜주므로, 천연가스와 VOC를 전력사용없이 용이하게 균일 혼합시킬 수 있다.
이덕터(701)에서 천연가스와 VOC가 혼합된 혼합연료는 이덕터(701)와 엔진(1000)을 연결하는 혼합연료 공급라인(ML1)을 따라 엔진(1000)의 연료로 공급된다.
다음으로, 도 2를 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 원유 운반선의 연료 공급 시스템 연료 공급 방법을 설명하기로 한다. 본 실시예는 상술한 제1 실시예의 변형예로서, 혼합기(701)가 고압펌프(501)의 하류에 설치되는 제1 실시예와는 달리, 본 실시예에서는 혼합기(702)가 고압펌프(502)의 상류에 설치된다는 점에서 차이가 있다. 이하, 차이점을 중점적으로 설명하기로 하며, 동일한 부재에 대해서는 구체적인 설명을 생략하기로 한다. 구체적인 언급이나 설명이 생략되더라도 동일 부재에 대해서는 상술한 제1 실시예와 동일하게 적용될 수 있다.
본 실시예에 따른 원유 운반선의 연료 공급 시스템은, 원유를 저장하는 하나 이상의 원유 저장탱크(cargo tank, 100); 원유 저장탱크(100)에서 원유가 증발하여 생성된 휘발성 유기화합물(VOC; Volatile Organic Compounds)을 상변화시키지 않고 그대로 포집하는 VOC 포집탱크(200); 선박의 엔진(1000)의 연료로 사용할 액화천연가스(LNG)를 저장하는 연료 저장탱크(300); 연료 저장탱크(300)에 저장된 LNG를 가압하여 연료 저장탱크(300)로부터 외부로 배출시키는 연료펌프(400); 연료펌프(400)에 의해 가압된 액체 상태의 LNG를 작동(driving) 유체로 하여 VOC 포집탱크(200)로부터 이송된 기체 상태의 VOC를 흡입하여 LNG와 VOC를 혼합하는 혼합기(702); 상기 혼합기(702)에서 혼합된 액체 상태의 혼합연료를 엔진(1000)에서 요구하는 압력 범위로 압축하는 고압펌프(502); 고압펌프(502)에 의해 압축된 혼합연료를 기화시키는 기화기(602); 및 연료 저장탱크(300)에 저장된 LNG를 기화기(602)를 이용하여 기화시킨 천연가스, VOC 포집탱크(200)에 포집된 VOC 또는 기화기(602)에 의해 기화된 혼합연료를 연료로 사용하는 엔진(1000);을 포함한다.
VOC 포집라인(VL1)은, 원유 저장탱크(100)와 VOC 포집탱크(200)를 연결하며, 원유 저장탱크(100)로부터 배출된 VOC는 VOC 포집라인(VL1)을 따라 VOC 포집탱크(200)로 이송된다.
원유 저장탱크(100)에서 원유가 증발하여 생성된 VOC는 기체 상태이며, 기체 상태로 VOC 포집라인(VL1)을 따라 이송되고, VOC 포집탱크(200)에 기체 상태로 저장된다.
마찬가지로, 본 실시예에서 VOC 포집탱크(200)에 저장되는 VOC는, 원유 저장탱크(100)로부터 VOC 저장탱크(200)로 이송되는 동안, VOC 저장탱크(200)에 저장되어 있는 동안, VOC 저장탱크(200)로부터 VOC 공급라인(VL2)을 따라 혼합기(702)로 이송되는 동안 상변화가 일어나지 않는다.
또한, 본 실시예에 따른 연료 공급 시스템은, 원유 저장탱크(100)로부터 VOC 포집탱크(200)로 이송되는 VOC는 수분이나 질소 등 불순물을 제거하는 전처리 장치를 포함하지 않는다.
VOC 포집탱크(200)에 포집된 기체 상태의 VOC는 VOC 포집탱크(200)와 혼합기(702)를 연결하는 VOC 공급라인(VL2)을 따라 상변화없이 혼합기(702)로 이송된다.
VOC 공급라인(VL2)에는, VOC 포집탱크(200)로부터 혼합기(702)로 이송되는 VOC의 유량을 조절할 수 있는 VOC 밸브(CV);가 설치된다.
VOC 밸브(CV)는, VOC 포집탱크(200)로부터 혼합기(702)로 이송되는 VOC의 조성을 기준으로 제어될 수 있다. 그 제어 방법은 제1 실시예와 동일하게 적용될 수 있다.
본 실시예의 엔진(1000)은, 2행정(2-stroke) 사이클 엔진으로서, 디젤 사이클(diesel cycle)을 기준으로 작동하는 것일 수 있다.
연료 저장탱크(300)에 저장된 LNG는, 연료펌프(400)에 의해 가압되어 연료펌프(400)와 혼합기(702)를 연결하는 연료 공급라인(FL)을 따라 혼합기(702)로 이송된다.
본 실시예의 혼합기(702)는 베르누이 효과를 이용한 이덕터(eductor)일 수 있다. 이덕터(702)는, 연료펌프(400)에 의해 가압된 액체 상태의 LNG를 작동 유체로 하여, VOC 포집탱크(200)로부터 이덕터(702)로 이송되는 기체 상태의 VOC를 흡입할 수 있다.
연료펌프(400)에 의해 가압된 LNG는 약 10 barg 또는 그 이상일 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니다. 연료펌프(400)는 LNG를 혼합기(702)에서 VOC를 응축시킬 수 있을 만큼의 압력까지 압축시킨다.
혼합기(702)에서는 LNG와 VOC가 단일상으로 혼합되며 확산 분사된다. 기체 상태의 VOC는 압축된 액체 상태의 LNG로 확산 분사되어 응축되며 LNG와 액체 상태로 혼합된다.
이덕터(702)에서 LNG와 VOC가 혼합된 혼합연료는 이덕터(702)와 고압펌프(502)를 연결하는 혼합연료 공급라인(ML2)을 따라 고압펌프(502)로 이송된다.
고압펌프(502)는, 혼합기(702)에서 혼합된 LNG와 VOC의 혼합연료를 엔진(1000)에서 요구하는 가스 연료 압력, 즉 약 380 bar 이상의 고압으로 압축시켜 기화기(602)로 공급한다.
고압펌프(502)에 의해 고압으로 압축된 혼합연료는 고압펌프(502)와 기화기(602)를 연결하는 혼합연료 공급라인(ML2)을 따라 기화기(602)로 이송된다.
기화기(602)에서는 고압펌프(502)에 의해 엔진(1000)에서 요구하는 고압, 즉 본 실시예에서 약 380 bar로 압축된 혼합연료를 기체상태 또는 초임계상태로 기화시킨다.
기화기(602)에서 기화된 혼합연료 가스는 기화기(602)와 엔진(1000)을 연결하는 혼합연료 공급라인(ML2)을 따라 엔진(1000)으로 공급된다.
연료펌프(400)와 혼합기(702) 사이에는 연료 저장탱크(300)로부터 혼합기(702)로 이송되는 LNG의 유량을 제어하는 LNG 밸브(미도시)가 설치될 수 있다.
다음으로, 도 3을 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 원유 운반선의 연료 공급 시스템 연료 공급 방법을 설명하기로 한다. 본 실시예는 상술한 제2 실시예의 변형예로서, 혼합기(702)로서 이덕터가 구비되는 제2 실시예와는 달리, 혼합기(900)로서 응축기가 구비되고, VOC 압축기(800)를 더 포함한다는 점에서 차이가 있다. 이하, 차이점을 중점적으로 설명하기로 하며, 동일한 부재에 대해서는 구체적인 설명을 생략하기로 한다. 구체적인 언급이나 설명이 생략되더라도 동일 부재에 대해서는 상술한 제2 실시예와 동일하게 적용될 수 있다.
본 실시예에 따른 원유 운반선의 연료 공급 시스템은, 원유를 저장하는 하나 이상의 원유 저장탱크(cargo tank, 100); 원유 저장탱크(100)에서 원유가 증발하여 생성된 휘발성 유기화합물(VOC; Volatile Organic Compounds)을 상변화시키지 않고 그대로 포집하는 VOC 포집탱크(200); 선박의 엔진(1000)의 연료로 사용할 액화천연가스(LNG)를 저장하는 연료 저장탱크(300); 연료 저장탱크(300)에 저장된 LNG를 가압하여 연료 저장탱크(300)로부터 외부로 배출시키는 연료펌프(400); 연료펌프(400)에 의해 가압된 LNG와 VOC 포집탱크(200)로부터 이송된 VOC를 혼합하는 혼합기(900); VOC 포집탱크(200)로부터 혼합기(900)로 공급할 VOC를 압축하는 VOC 압축기(800); 상기 혼합기(900)에서 혼합된 액체 상태의 혼합연료를 엔진(1000)에서 요구하는 압력 범위로 압축하는 고압펌프(503); 고압펌프(503)에 의해 압축된 혼합연료를 기화시키는 기화기(603); 및 연료 저장탱크(300)에 저장된 LNG를 기화기(603)를 이용하여 기화시킨 천연가스, VOC 포집탱크(200)에 포집된 VOC 또는 기화기(603)에 의해 기화된 혼합연료를 연료로 사용하는 엔진(1000);을 포함한다.
VOC 포집라인(VL1)은, 원유 저장탱크(100)와 VOC 포집탱크(200)를 연결하며, 원유 저장탱크(100)로부터 배출된 VOC는 VOC 포집라인(VL1)을 따라 VOC 포집탱크(200)로 이송된다.
원유 저장탱크(100)에서 원유가 증발하여 생성된 VOC는 기체 상태이며, 기체 상태로 VOC 포집라인(VL1)을 따라 이송되고, VOC 포집탱크(200)에 기체 상태로 저장된다.
마찬가지로, 본 실시예에서 VOC 포집탱크(200)에 저장되는 VOC는, 원유 저장탱크(100)로부터 VOC 저장탱크(200)로 이송되는 동안, VOC 저장탱크(200)에 저장되어 있는 동안, 혼합기(900)로 이송되는 동안 상변화가 일어나지 않는다.
또한, 본 실시예에 따른 연료 공급 시스템은, 원유 저장탱크(100)로부터 VOC 포집탱크(200)로 이송되는 VOC 및 VOC 포집탱크(200)로부터 혼합기(900)로 이송되는 수분이나 질소 등 불순물을 제거하는 전처리 장치를 포함하지 않는다.
VOC 포집탱크(200)에 포집된 기체 상태의 VOC는 VOC 포집탱크(200)와 VOC 압축기(800)를 연결하는 VOC 공급라인(VL3)을 따라 VOC 압축기(800)로 이송된다.
VOC 공급라인(VL3)에는 VOC 포집탱크(200)로부터 VOC 압축기(800)로 이송되는 VOC의 유량을 조절할 수 있는 VOC 밸브(CV);가 설치된다.
VOC 밸브(CV)는, VOC 포집탱크(200)로부터 혼합기(900)로 이송되는 VOC의 조성을 기준으로 제어될 수 있다. 그 제어 방법은 상술한 제1 실시예와 동일하게 적용될 수 있다.
본 실시예의 엔진(1000)은, 2행정(2-stroke) 사이클 엔진으로서, 디젤 사이클(diesel cycle)을 기준으로 작동하는 것일 수 있다.
연료 저장탱크(300)에 저장된 LNG는, 연료펌프(400)에 의해 가압되어 연료펌프(400)와 혼합기(900)를 연결하는 연료 공급라인(FL)을 따라 혼합기(900)로 이송된다.
본 실시예의 혼합기(900)는 연료펌프(400)에 의해 가압된 LNG와 VOC 압축기(800)에 의해 압축된 VOC를 혼합하여 압축 VOC를 응축시키는 응축기(condensor)일 수 있다.
연료펌프(400)에 의해 가압된 LNG는 약 10 barg 또는 그 이상일 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니다. 연료펌프(400)는 LNG를 혼합기(900)에서 VOC를 응축시킬 수 있을 만큼의 압력까지 압축시킨다.
또한, VOC 압축기(800)는 압축펌프(400)가 LNG를 압축시키는 압력과 거의 동일한 압력으로 VOC를 압축시킬 수 있다.
혼합기(900)에서 LNG와 VOC가 혼합된 액체 상태의 혼합연료는 혼합기(900)와 고압펌프(503)를 연결하는 혼합연료 공급라인(ML3)을 따라 고압펌프(503)로 이송된다.
고압펌프(503)는, 혼합기(900)에서 혼합된 LNG와 VOC의 혼합연료를 엔진(1000)에서 요구하는 가스 연료 압력, 즉 약 380 bar 이상의 고압으로 압축시켜 기화기(603)로 공급한다.
고압펌프(503)에 의해 고압으로 압축된 혼합연료는 고압펌프(503)와 기화기(603)를 연결하는 혼합연료 공급라인(ML3)을 따라 기화기(603)로 이송된다.
기화기(603)에서는 고압펌프(503)에 의해 엔진(1000)에서 요구하는 고압, 즉 본 실시예에서 약 380 bar로 압축된 혼합연료를 기체상태 또는 초임계상태로 기화시킨다.
기화기(603)에서 기화된 혼합연료 가스는 기화기(603)와 엔진(1000)을 연결하는 혼합연료 공급라인(ML3)을 따라 엔진(1000)으로 공급된다.
연료펌프(400)와 혼합기(900) 사이에는 연료 저장탱크(300)로부터 혼합기(900)로 이송되는 LNG의 유량을 제어하는 LNG 밸브(미도시)가 설치될 수 있다.
종래의 VOC 처리 시스템은, 냉동 사이클을 포함하여 VOC를 액화시킨 후 저장탱크에 저장하거나, 액화시킨 VOC 즉, LVOC를 기화시켜 VOC를 연료로 사용할 수 있는 일부의 엔진으로 공급하였다. LVOC는 VOC를 액화시킨 것이므로 액화시키기 전보다 상대적으로 고농도의 중탄화수소를 포함하고, 특히 탄소수가 큰 중탄화수소를 주로 함유하고 있다.
한편, VOC를 액화시키는 과정에서 액화되지 않는 비등점이 매우 낮은 기체, 예를 들어 질소, 메탄이나 에탄 등 저탄소수의 탄화수소 등을 포함하는 SVOC는 따로 분리하여 보일러나 가스 터빈의 연료로 사용하였다.
그러므로, 종래의 VOC 처리 시스템은, 냉동 사이클 등에 소모되는 전력 소모량이 매우 높고, 많은 공간을 차지하며 고가의 패키지로 구성된다는 점에서 비용이 많이 들었다. 그뿐 아니라 VOC의 성분은 원유 저장탱크에서의 체류 시간에 따라 달라지며, 체류시간이 길수록 중탄화수소 성분의 함량이 높아지는데, 따라서 연료 공급이 원활하지 못하다는 문제점도 있었다.
또한, 대부분의 엔진은 질소 함유량이 높은 SVOC는 물론 중탄화수소 함량이 높은 LVOC를 연소시키지 못하기 때문에, VOC를 메탄으로 개질반응시켜 연료로 공급하는 방법도 제안된 바 있다. 그러나 개질반응 자체는 많은 양의 열원을 필요로 하고, 개질 반응 시스템 설비는 그 부피가 크고 선박의 적용하는 데 안전성이 보장되지 못하였기 때문에 선박에 설치하는데 많은 부담이 있었다.
그러나, 본 발명에 따르면, VOC의 전처리 공정, VOC의 개질 공정, VOC의 액화 공정을 생략하고, VOC와 LNG를 혼합하여 엔진의 연료로 공급함으로써, 전력 소모, 설치 공간에 따른 비용이나 물리적 공간 부담을 훨씬 절감할 수 있다. 또한, 유해한 VOC를 대기로 방출시키지 않고 모두 회수하여 연료로 사용할 수 있으므로 친환경적이다.
이상과 같이 본 발명에 따른 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로 상술한 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고, 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
100 : 원유 저장탱크
200 : VOC 포집탱크
300 : 연료 저장탱크
400 : 연료펌프
501, 502. 503 : 고압펌프
601. 602, 603 : 기화기
701, 702, 900 : 혼합기
800 : VOC 압축기
1000 : 엔진
VL1 : VOC 포집라인
VL2, VL3 : VOC 공급라인
FL : 연료 공급라인
ML1, ML2, ML3 : 혼합연료 공급라인

Claims (12)

  1. 원유 저장탱크로부터 배출되는 기체 상태의 VOC(Volatile Organic Compounds)를 상변화시키지 않고 그대로 포집하는 VOC 포집탱크;
    엔진의 연료로 사용할 LNG(Liquefied Natural Gas)를 저장하는 연료 저장탱크;
    상기 연료 저장탱크에 저장된 LNG를 가압하여 배출시키는 연료펌프; 및
    상기 연료펌프에 의해 가압된 액체 상태의 LNG와 상기 VOC 포집탱크로부터 배출되는 기체 상태의 VOC를 혼합하는 혼합기;를 포함하고,
    상기 엔진은, 2행정 디젤 사이클 엔진이며,
    상기 혼합기와 엔진을 연결하고, 상기 혼합기에서 혼합된 혼합연료가 상기 엔진으로 공급되는 혼합연료 공급라인; 및
    상기 VOC 포집탱크와 혼합기를 연결하여, 질소 및 중탄화수소 성분을 함유하는 VOC를 상기 VOC 포집탱크로부터 혼합기로 이송하는 VOC 공급라인;을 더 포함하여,
    상기 원유 저장탱크로부터 배출되는 기체 상태의 VOC를 상변화시키지 않고 상기 엔진의 연료로 공급하는, 원유 운반선의 연료 공급 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합기에서 혼합된 액체 상태의 혼합연료를 상기 엔진에서 요구하는 고압으로 압축시키는 고압펌프; 및
    상기 고압펌프에 의해 압축된 혼합연료를 기화시키는 기화기;를 더 포함하고,
    상기 혼합연료 공급라인을 통해, 상기 기화기에서 기화된 기체 상태의 혼합연료가 상기 엔진의 연료로 공급되는, 원유 운반선의 연료 공급 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 VOC 공급라인에 설치되며, 상기 VOC 포집탱크로부터 혼합기로 공급되는 VOC의 질소 함유량에 따라 개도량이 제어되는 VOC 밸브;를 더 포함하는, 원유 운반선의 연료 공급 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 혼합기에서 혼합된 혼합연료의 질소 함유량이 30 mol% 미만이 되도록 상기 VOC 밸브의 개도량을 제어하는 제어부;를 더 포함하는, 원유 운반선의 연료 공급 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진은, 100% 에탄가스, 100% 천연가스, 천연가스와 VOC의 혼합물 및 VOC를 연료로 사용할 수 있는 가스 엔진인, 원유 운반선의 연료 공급 시스템.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 고압펌프는, 상기 혼합연료를 200 bar 내지 420 bar로 압축하는, 원유 운반선의 연료 공급 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합기는, 상기 액체상태의 LNG를 작동유체로 하는 이덕터인, 원유 운반선의 연료 공급 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 원유 저장탱크와 VOC 포집탱크를 연결하여, 질소 및 중탄화수소 성분을 함유하는 VOC를 상기 원유 저장탱크로부터 VOC 포집탱크로 이송하는 VOC 포집라인;을 더 포함하고,
    상기 VOC는, 수분, 질소를 제거하는 전처리 공정없이 상기 원유 저장탱크로부터 VOC 포집탱크로, 상기 VOC 포집탱크로부터 혼합기로 이송되는, 원유 운반선의 연료 공급 시스템.
  9. 원유 저장탱크로부터 배출시킨, 질소 및 중탄화수소 성분을 함유하는 기체 상태의 VOC(Volatile Organic Compounds)를 상변화시키지 않고 기체 상태로 포집하여 저장하고,
    엔진의 연료로 사용할 LNG를 압축하고,
    상기 저장되어 있는 VOC를 배출시켜 상기 압축된 액체 상태의 LNG와 혼합하고,
    상기 LNG와 VOC를 혼합한 혼합연료를 2행정 디젤 사이클 엔진으로 공급하여,
    상기 원유 저장탱크로부터 배출되는 기체 상태의 VOC를 상변화시키지 않고 상기 엔진의 연료로 공급하는, 원유 운반선의 연료 공급 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 LNG와 VOC를 혼합하는 것은,
    상기 LNG를 작동유체로 하여 상기 기체 상태의 VOC를 흡입하여 혼합하는, 원유 운반선의 연료 공급 방법.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 혼합연료는 상기 엔진에서 요구하는 고압으로 더 압축시키고,
    상기 고압으로 압축한 혼합연료를 기화시키고,
    상기 기화된 기체 상태의 혼합연료를 상기 엔진으로 공급하는, 원유 운반선의 연료 공급 방법.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 혼합연료의 질소 함유량이 30 mol% 미만이 되도록 상기 압축 LNG와 혼합할 기체 상태의 VOC의 유량을 조절하는, 원유 운반선의 연료 공급 방법.
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