KR102201255B1

KR102201255B1 - 선박의 scr용 요소수용액 제조 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR102201255B1
Application number: KR1020190049883A
Authority: KR
Inventors: 남병탁; 임주호; 정용진
Original assignee: 주식회사 동화엔텍; 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2019-04-29
Filing date: 2019-04-29
Publication date: 2021-01-11
Also published as: KR20200126201A

Abstract

선박의 SCR용 요소수용액 제조 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 선박의 SCR용 요소수용액 제조 시스템은, 선박에 마련되며 요소 분말을 저장하는 요소공급탱크; 상기 요소공급탱크로부터 공급되는 상기 요소 분말과 청수가 혼합되어 요소수용액이 생성되는 교반탱크; 상기 교반탱크로부터 상기 요소수용액을 공급받아 저장하고, 상기 선박에 마련되는 선택적촉매환원장치부로 공급하는 요소수용액탱크; 상기 요소수용액탱크 내부의 액위를 감지하는 제1 액위센서; 및 상기 교반탱크에서의 상기 요소수용액 생성 및 상기 요소수용액탱크로의 이송을 제어하는 컨트롤패널을 포함하되, 상기 컨트롤패널에서는 상기 제1 액위센서에서 감지된 상기 요소수용액탱크 내부의 액위 값에 따라 상기 교반탱크에서의 상기 요소수용액 생성을 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

선박의 SCR용 요소수용액 제조 시스템 및 방법{Producing System And Method Of Urea Solution For SCR In Ship}

본 발명은 선박의 SCR용 요소수용액 제조 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 요소수용액탱크에서 탱크 내부의 액위 값을 감지하고 그에 따라 컨트롤패널에서 각 장치를 제어하여 교반탱크에서 요소수용액을 생성하는 것을 특징으로 하는 선박의 SCR용 요소수용액 제조 시스템 및 방법에 관한 것이다.

최근 선박에서 각종 엔진의 연료로서 종래 사용하고 있는 중유, MDO(Marine Diesel Oil) 등을 연소시킬 경우 배기가스에 포함된 각종 유해물질로 인한 환경오염의 심각성이 대두되어, 중유 등의 오일을 연료로서 사용하는 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, EU(European Union), CARB(California Air Resources Board) 등 각 기관 및 단체에서도 황산화물(SOx) 배출에 제한을 두고 있다. 1973년 작성되고 1978년 수정, 보완하여 작성된 해양오염 방지협약(MARPOL 1973/1978; The Prevention of Marine Pollution from Ships) 의정서도 발효되어 있다.

일부 기관 및 단체에서 규정하는 황산화물 배출 통제지역 내에서 운항하는 선박은 적용시기에 따라 황 함유량 최대 0.1% 이하의 저유황 연료유 (Low Sulphur Marine Gas Oil)의 사용을 의무화하고 있고, 2020년 발효되는 IMO의 선박 황산화물 배출규제(Global Sulphur Cap 2020)에서는 선박 연료의 황산화물 함유기준이 기존 3.5%에서 0.5%로 강화된다.

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.

SCR은 연료의 연소 후 발생한 배기가스가 지나는 배기파이프에 SCR 반응기(reactor)를 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, 그 반응식은 다음과 같다.

안전을 위해 암모니아는 유레아 수용액((NH₂)₂CO) 형태로 SCR 시스템에 공급되는데, 이 유레아(Urea) 수용액에서, 유레아는 하기 반응을 통해 암모니아와 이산화탄소로 분해된다.

SCR 장치에서는 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)를 형성하는데 이는 SCR 반응기 내부에 달라붙기 쉬워 축적될 수 있다. 이러한 반응은 높은 온도를 유지함으로써 어느 정도 방지할 수 있다. 만약 연료유 내 황함유량이 0.1 또는 그 이하라면, SCR reactor 내의 온도는 310℃로도 충분하다. 배기가스 압력이 낮을수록, 필요한 최저 요구 온도도 낮아진다.

이와 반대로 너무 높은 온도에 도달하는 때에는 촉매 내부에 SO₃가 형성될 수 있는데, SO₃는 나중에 물과 반응해서 황산으로 변하고 원치 않는 흰색의 에어로졸을 형성한다. 또 다른 원치 않는 반응은 NH₃의 산화로, 배기가스 온도가 500℃에 가까워질 때 일어나며, 500 내지 550℃일 경우에는 촉매가 규산질화(소결) 되기 시작하므로, 이러한 점을 감안하여 SCR 가동의 최대 허용 온도가 결정된다.

이와 같이 확실한 SCR 가동을 위해서는 배기가스의 온도를 적정한 영역 내에서 유지하는 것이 중요하다.

도 1 및 2에는 각각 종래 SCR 시스템을 개략적으로 도시하였다.

도 1에 도시된 SCR 시스템은, Combined vaporizer/mixer unit(20)과 SCR 반응기(10)가 설치된 HP(High Pressure) SCR 시스템이다. Vaporizer(20)에서는 환원제를 분사하여 배기가스와 혼합된 후 촉매 반응이 시작되고, 혼합된 배기가스는 SCR 반응기로 유입된다.

SCR 공정은 상대적으로 높은 반응 온도를 요구하기 때문에 2 행정 디젤 엔진의 경우 SCR 배관은 High Pressure Side(터보차저(T/C) 전단)에 위치하는 것이 유리하다. 엔진(50) 부하에 따라 다르지만 배기가스 온도는 Low Pressure Side(T/C 후단)보다 50 내지 175℃가량 더 높다. Tier II mode로 운전 시 Reactor Sealing Valve(RSV)와 Reactor Throttle Valve(RTV)를 닫아 SCR 시스템을 차단(cut off)한다. 또한, Reactor Bypass Valve(RBV)를 열어 배기가스를 바로 T/C로 보낸다. SCR 시스템은 저 부하 배기 우회 터닝(Low Load EGB turning)을 제공하기 위해 Exhaust Gas Bypass Valve(EGB)를 구비한다. SCR 배관을 개방할 경우에는 RSV, RTV를 열고 RBV를 닫는다.

반응기가 T/C 전단에 설치되어 있지만, 엔진이 저 부하 운전일 경우에는 배기가스 온도가 낮으므로, 배기가스의 온도를 높이기 위해서 소기 리시버(Scavenge Air Receiver)(40)에서 T/C로의 실린더 우회 배관(Cylinder Bypass line)을 설치하고 Cylinder Bypass Valve(CBV)를 통해 제어한다. Bypass Valve를 열면, 소기의 압력 저하 없이 실린더 내로 유입되는 공기의 양을 줄일 수 있고, 배기가스의 온도는 상승하게 된다. 이 시스템은 엔진의 전 부하 영역에서 배기가스의 온도를 요구 수준 이상으로 유지할 수 있게 해준다. 그러나 실린더 우회는 연료 소비량 SFOC(Specific Fuel Oil Consumption)를 일정 부분 증가시킨다.

HP SCR 반응기와 Vaporizer는 매우 큰 열 용량을 가지고 있어, T/C와 배기 리시버 사이의 열 정체현상을 가져올 수 있는데, 이로 인해 Tier III 작동 동안에는 SCR의 열용량으로 엔진과 T/C의 불안정함이 야기될 수 있어, 이러한 불안정성을 줄이기 위해 보조 송풍기(Auxiliary blower)로 차지 에어(Charge Air)를 추가로 공급하여 시스템을 안정화시킨다.

도 2에 도시된 SCR 시스템은, LP(Low Pressure) SCR 시스템으로, 연료유의 황 함유량을 0.1% 또는 그 이하로 제한하면 LP SCR를 설치할 수 있다. LP SCR 배관은 T/C 후단부에 설치할 수 있어 설치 위치에서 유연성을 가질 수 있다.

도 2에 도시된 것과 같이 LP SCR 시스템은 3개의 주요 구성요소를 포함하는데, SCR Reactor(10), 믹서(Ammonia Injection Grid, AIG), 분해 유닛(Decomposition Unit, DCU)이다. DCU는 반응기 출구와 믹서 입구 사이에 위치하며 송풍기(22), 히터(Burner, 21) 및 Vaporizer(20)로 구성된다. 환원제는 Vaporizer(20) 내에 분사되어 암모니아 증기의 혼합물을 형성하며 믹서(AIG)로 유입된 후 송풍기에 의해 SCR 반응기(10)로 이송된다. 저황 연료를 사용하더라도 엔진이 저 부하로 운전되거나 외기온도가 낮을 경우에는 배기 온도가 낮을 수가 있는데, 이 경우 배기의 온도를 높이기 위해 High pressure side의 배기가스를 배기가스 우회 배관의 밸브(EGB)를 열어 터보차저(T/C)를 우회시킬 수 있는데, 이러한 과정에서 SFOC가 일정 부분 증가하게 된다.

SCR 장치에서는 환원제로 무수 암모니아(NH3), NH₃ 수용액(25% NH₃) 또는 유레아수용액(32.5% 또는 40% 수용액) 등을 사용할 수 있다. 그중 무수 암모니아는 독성 물질로 위험성이 있고, 암모니아 수용액은 강한 부식성과 인체 및 환경 유해성으로 인해 선박에서는 유레아가 선호된다.

도 3에는 종래 선박의 SCR 장치로 유레아를 공급하기 위한 유레아 공급시스템의 일 예를 개략적으로 도시하였다.

도 3에 도시된 바와 같이 유레아, 즉 요소수용액을 저장탱크(Urea Tank)에 저장해 두고, 펌프(P)를 포함한 공급 유닛(SU)을 거쳐 Vaporizer/mixer(20)로 이송한다. 제어부(미도시)를 통해 유레아의 주입 양과 Vaporizer/mixer 내로 공급되는 압축 공기의 양을 제어한다. SCR 공정이 셧다운(Shutdown)될 경우에는 유레아 주입 노즐이 막히는 것을 방지하기 위해 공급 유닛에서 탱크에 저장된 물을 사용하여 유레아 주입 노즐(IU) 등을 퍼징(Purging)한다.

이러한 종래의 유레아 공급시스템의 경우, 요소수용액을 육상으로부터 공급받아 저장해두고 SCR 장치로 공급하기 때문에 이를 저장하기 위한 탱크의 크기가 커지는데, 기존 IMO Tier Ⅱ 규정이 적용되던 때에는 이러한 탱크를 설치할 필요가 없었으므로, 한정된 선내 공간에서 탱크 설치를 위한 추가 공간을 확보하는데 설계상 어려움이 있다. 또한, 선박 제작 기준을 충족하면서, 요소수용액 저장 시 분해되며 발생하는 암모니아와의 반응성 등을 고려하면 저장탱크의 재질은 스테인리스 스틸 등 일부로 제한되며 탱크 내부에 특수 도장을 적용해야 할 수도 있어 저장탱크 및 관련 배관 제작 비용도 높은 문제가 있다.

한편, 요소수용액은 35℃ 이상에서는 저장탱크 내에서 요소수용액의 농도가 균일하지 않고 높이별로 농도 구배가 나타나는 문제가 있고(성층화), 저장온도에 사용 수명이 달라지는데 선박의 1회 운항이 평균적으로 30일 정도인 점을 고려하면 온도를 35℃도 이하로 유지해야 한다. 또한, 저장탱크 내부에서 요소수용액의 빙결을 방지하기 위해서는 1℃ 이상으로 유지해야 하므로, 온도 조절을 위해 가열장치와 냉각장치가 모두 필요하여 이들의 설치 공간 및 설치 비용도 문제된다.

또한, 요소수용액 상태로 저장 시 시간이 지남에 따라 계속해서 사용 수명이 줄어드는 문제도 있다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하여, 탱크 및 배관, 관련 장치 등의 설치 비용 및 설치 공간을 절감하고, 성층화를 해결하여 요소수용액을 공급할 수 있는 시스템을 제안하고자 한다.

상술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 선박에 마련되며 요소 분말을 저장하는 요소공급탱크;

상기 요소공급탱크로부터 공급되는 상기 요소 분말과 청수가 혼합되어 요소수용액이 생성되는 교반탱크;

상기 교반탱크로부터 상기 요소수용액을 공급받아 저장하고, 상기 선박에 마련되는 선택적촉매환원장치부로 공급하는 요소수용액탱크;

상기 요소수용액탱크 내부의 액위를 감지하는 제1 액위센서; 및

상기 교반탱크에서의 상기 요소수용액 생성 및 상기 요소수용액탱크로의 이송을 제어하는 컨트롤패널을 포함하되,

상기 컨트롤패널에서는 상기 제1 액위센서에서 감지된 상기 요소수용액탱크 내부의 액위 값에 따라 상기 교반탱크에서의 상기 요소수용액 생성을 제어하는 것을 특징으로 하는 선박의 SCR용 요소수용액 제조 시스템이 제공된다.

바람직하게는, 상기 교반탱크 내부에 마련되어 상기 요소 분말과 청수를 혼합하는 교반기; 상기 교반탱크 내부에 마련되며 상기 선박의 냉각수와 열교환시켜 상기 요소수용액이 생성될 때 흡열 반응에 의한 용해열을 보상하는 냉각수 열교환기; 및 상기 교반탱크에 마련되며 상기 요소수용액이 생성될 때 과냉방지를 위한 열 에너지를 공급하는 가열기;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 요소공급탱크로부터 상기 교반탱크로 상기 요소 분말이 공급되는 요소공급라인; 상기 선박의 청수공급시스템으로부터 상기 교반탱크로 청수가 공급되는 청수공급라인; 상기 교반탱크로부터 상기 요소수용액탱크로 상기 요소수용액이 공급되는 요소수용액공급라인; 상기 요소공급라인에 마련되는 요소공급밸브; 상기 청수공급라인에 마련되는 청수공급밸브; 및 상기 요소수용액공급라인에 마련되어 상기 요소수용액을 이송하는 이송교반펌프;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 이송교반펌프의 하류에서 상기 요소수용액공급라인으로부터 분기되며 상기 요소수용액탱크로 공급된 상기 요소수용액을 상기 교반탱크로 복귀시키는 순환라인; 및 상기 순환라인에서 상기 요소수용액탱크 내부에 마련되며 상기 요소수용액탱크에 저장된 상기 요소수용액을, 상기 교반탱크로부터 이송된 요소수용액과 열교환시키는 열교환기;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 교반탱크에서 상기 요소수용액이 생성될 때 상기 이송교반펌프로 상기 요소수용액을 이송하여 상기 열교환기를 거쳐 상기 순환라인을 통해 상기 교반탱크로 복귀시켜, 상기 요소수용액 생성시의 용해열로 상기 요소수용액탱크에 저장된 요소수용액을 냉각시킴으로써 상기 요소수용액탱크 내 온도 상승에 의한 상기 요소수용액의 성층화를 방지할 수 있다.

바람직하게는, 상기 요소공급탱크에 저장된 상기 요소 분말의 중량을 감지하는 중량센서; 상기 요소공급탱크로 상기 요소 분말의 고착 및 뭉침을 방지하기 위한 건조 공기를 공급하는 공기공급부; 상기 교반탱크 내부의 액위를 감지하는 제2 액위센서; 상기 요소수용액탱크 내부의 온도를 감지하는 제1 온도센서; 상기 교반탱크 내부의 온도를 감지하는 제2 온도센서; 상기 교반탱크에 마련되어 상기 교반탱크에서 생성된 상기 요소수용액의 농도를 감지하는 농도센서;를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 요소수용액탱크로부터 상기 선택적촉매환원장치부로 상기 요소수용액을 공급하는 환원제공급라인; 상기 환원제공급라인에 마련되어 상기 요소수용액을 펌핑하는 공급펌프; 및 상기 공급펌프의 하류로부터 상기 요소수용액탱크로 상기 요소수용액을 복귀시키는 재순환라인;을 더 포함하며, 상기 공급펌프에 의해 펌핑된 상기 요소수용액을 상기 요소수용액탱크로 공급하여 요소수용액탱크 내 상기 요소수용액의 성층화를 방지할 수 있다.

바람직하게는, 상기 컨트롤패널은 상기 선박의 통합자동제어시스템에 연계되어, 상기 선택적촉매환원장치부의 운전 시 자동으로 상기 요소수용액 제조를 시작하도록 제어할 수 있다.

바람직하게는 상기 컨트롤패널에서는,

1) 상기 제2 액위센서로부터 상기 교반탱크의 액위 값 및 상기 중량센서로부터 상기 요소공급탱크의 상기 요소 분말 중량 값을 수신하고 상기 교반탱크로 투입될 청수 및 요소 분말의 양을 결정하는 단계;

2) 상기 제2 액위센서로부터 상기 교반탱크의 액위 값을 수신하면서 상기 청수공급밸브를 열어 상기 단계 1)에서 결정된 양만큼 상기 교반탱크로 청수를 공급하는 단계;

3) 상기 교반기를 작동하는 단계;

4) 상기 중량센서로부터 상기 요소공급탱크의 상기 요소 분말 중량 값을 수신하면서 상기 요소공급밸브를 열어 상기 단계 1)에서 결정된 양만큼 상기 교반탱크로 상기 요소 분말을 공급하는 단계;

5) 상기 제1 온도센서로 상기 요소수용액탱크 내 온도 값을 수신하면서 상기 이송교반펌프를 작동하여 상기 교반탱크로부터 요소수용액을 상기 요소수용액공급라인 및 상기 순환라인을 거쳐 상기 교반탱크로 복귀시키는 단계; 및

6) 상기 제2 온도센서로 상기 교반탱크 내 온도 값을 수신하면서 상기 가열기를 작동하여 상기 교반탱크 내부 온도를 1 내지 25℃로 가열하는 단계;로 제어하여 상기 요소수용액을 제조할 수 있다.

바람직하게는, 상기 컨트롤패널에서는 상기 제1 액위센서에서 상기 요소수용액탱크 내부의 액위 값을 수신하여, 상기 액위 값이 20% 미만이면 상기 이송교반펌프를 작동시켜 상기 교반탱크로부터 상기 요소수용액탱크로 상기 요소수용액을 이송하고, 상기 액위 값이 50% 미만이면 상기 단계 1) 내지 6)을 거쳐 상기 요소수용액을 제조하도록 각 장치를 제어할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면 선박에 마련되는 선택적촉매환원장치(SCR)로 공급하기 위한 요소수용액의 제조 방법에 있어서,

1) 교반탱크로 투입될 청수 및 요소 분말의 양을 결정하는 단계;

2) 상기 교반탱크의 액위를 감지하면서 상기 단계 1)에서 결정된 양만큼 상기 교반탱크로 청수를 공급하는 단계;

3) 상기 교반탱크 내에 설치되는 교반기를 작동하는 단계;

4) 요소 분말이 저장된 요소공급탱크에서 상기 요소 분말 변화를 감지하면서 상기 단계 1)에서 결정된 양만큼 상기 교반탱크로 상기 요소 분말을 공급하는 단계;

5) 상기 SCR로 공급될 상기 요소수용액을 저장하는 요소수용액탱크 내 온도를 감지하면서 상기 교반탱크로부터 상기 요소 분말 및 청수로부터 생성된 요소수용액을 상기 요소수용액탱크를 거쳐 상기 교반탱크로 복귀시키는 단계; 및

6) 상기 교반탱크 내 온도를 감지하면서 상기 교반탱크에 설치되는 가열기를 작동하여 상기 교반탱크 내부 온도를 1 내지 25℃로 가열하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박의 SCR용 요소수용액 제조 방법이 제공된다.

바람직하게는, 상기 요소수용액탱크에서 감지된 탱크 내부의 액위 값에 따라 컨트롤패널에서 상기 교반탱크에서의 상기 요소수용액 생성을 제어하되,

상기 컨트롤패널에서는 상기 요소수용액탱크 내부의 액위 값이 20% 미만이면 상기 교반탱크로부터 상기 요소수용액탱크로 상기 요소수용액을 이송하고, 상기 액위 값이 50% 미만이면 상기 단계 1) 내지 6)을 거쳐 상기 요소수용액을 제조하도록 각 장치를 제어할 수 있다.

바람직하게는, 상기 요소수용액 생성시 상기 교반탱크로부터 상기 요소수용액을 상기 요소수용액탱크를 거쳐 상기 교반탱크로 복귀시켜 상기 요소수용액 생성시의 용해열로 상기 요소수용액탱크에 저장된 요소수용액을 냉각시키고, 상기 요소수용액탱크로부터 상기 SCR로 공급하기 위해 공급펌프에 의해 펌핑된 상기 요소수용액 일부를 상기 요소수용액탱크로 재순환시켜, 탱크 내 상기 요소수용액의 성층화를 방지할 수 있다.

본 발명의 SCR용 요소수용액 제조 시스템 및 방법에 따르면, 요소를 분말 상태로 저장하고 필요한 때에 선내에서 요소수용액을 생성하고 SCR로 공급함으로써, 요소수용액을 저장하기 위한 대규모 저장탱크를 설치할 필요가 없어 탱크 및 배관 등의 제작 및 설치 비용을 절감하고 선박의 생산성을 향상시키며 선내 공간 확보에 기여할 수 있다.

또한, 요소수용액 제조 시 요소수용액을 교반탱크 외부로 펌핑하였다가 요소수용액탱크를 거쳐 복귀시킴으로써, 교반 효율을 높이고 요소의 용해열을 이용하여 요소수용액탱크에 저장된 요소수용액을 냉각하여 성층화를 해결할 수 있다.

특히 요소수용액 상태로 장기간 보관하지 않고 필요한 경우에 요소수용액을 제조하여 SCR로 공급함으로써, 장기간 보관 시 탱크 내부에서 요소수용액이 농도 구배에 따라 성층화되거나 해리되어 환원제로서 성능이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.

도 1 및 2에는 각각 종래 SCR 시스템 중 HP(High Pressure) SCR 시스템과 LP(Low Pressure) SCR 시스템을 개략적으로 도시하였다.
도 3에는 종래 선박의 SCR 장치로 유레아를 공급하기 위한 유레아 공급시스템의 일 예를 개략적으로 도시하였다.
도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 SCR용 요소수용액 제조 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 실시예들에서 선박은, 추진용 엔진의 연료 또는 발전용 엔진의 연료로 저유황유 및 고유황유 등 연료유를 단독으로 사용하거나 LNG 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 해상에 부유하고 있는 해상 구조물도 포함될 수 있다.

도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR용 요소수용액 제조 시스템을 개략적으로 도시하였다.

도 4에 도시된 바와 같이 본 실시예의 시스템은, 선박에 마련되며 요소 분말을 저장하는 요소공급탱크(100), 요소공급탱크로부터 공급되는 요소 분말과 청수가 혼합되어 요소수용액이 생성되는 교반탱크(200), 교반탱크로부터 요소수용액을 공급받아 저장하고, 선박에 마련되는 선택적촉매환원장치부(700)로 공급하는 요소수용액탱크(300)를 포함하여 구성된다.

본 실시예에서 요소수용액 생성 및 이송을 위한 각 장치들은 컨트롤패널(400)에 의해 제어되는데, 요소수용액탱크(300)에 탱크 내부에는 액위를 감지하는 제1 액위센서(LT1), 탱크 내 온도를 감지하는 제1 온도센서(TT1)가 마련되며, 컨트롤패널에서 제1 액위센서에서 감지된 요소수용액탱크 내부의 액위 값에 따라 교반탱크에서의 요소수용액 생성을 제어하는 것을 특징으로 한다.

교반탱크(200)의 내부에는, 요소 분말과 청수를 혼합하는 교반기(210), 선박의 냉각수와 열교환을 통해 요소수용액이 생성될 때 흡열 반응에 의한 용해열을 보상할 수 있는 냉각수 열교환기(220), 요소수용액이 생성될 때 과냉방지를 위한 열 에너지를 공급하는 가열기(230), 교반탱크 내부의 액위를 감지하는 제2 액위센서(LT2), 교반탱크 내부의 온도를 감지하는 제2 온도센서(TT2), 교반탱크에서 생성된 요소수용액의 농도를 감지하는 농도센서(C)가 마련될 수 있다. 추가로 액위계, 온도계 등이 교반탱크에 마련될 수 있다.

요소공급탱크로부터 교반탱크로 요소 분말이 공급되는 요소공급라인(UL)이 연결되고, 요소공급라인에는 요소 분말 공급을 조절하기 위한 요소공급밸브(V1)가 마련된다. 요소공급밸브를 통해 정량의 분말 요소를 교반탱크로 공급하며, 스크류타입 이송 장치(미도시)가 마련될 수도 있다.

선박의 청수공급시스템(미도시)으로부터 교반탱크로 청수가 공급되는 청수공급라인(WL)이 마련되며, 청수공급라인에는 청수공급을 조절하기 위한 청수공급밸브(V2)가 마련된다. 청수공급라인을 통해 선내 청수 탱크로부터 청수가 교반탱크로 공급될 수 있고, 청수 탱크에는 조수기로 증류수를 생성하여 채울 수 있다. 청수의 공급 또한, 컨트롤패널(400)에서 청수공급밸브(V2)를 제어하여 조절한다. 청수공급라인에의 밸브 상류에 이온제거필터(240)가 마련되어, 청수는 이온제거필터를 거쳐 불필요한 Ca, Mg 등의 이온을 제거 후 교반탱크로 공급될 수 있다.

청수공급라인 및 요소공급라인을 통해 공급된 청수와 요소 분말이 교반탱크(200)에서 혼합되어 요소수용액이 생성된다. 요소의 용해는 흡열 반응이므로, 과냉을 방지하고 용해 속도를 높이기 위해 가열기(230)를 통해 열에너지를 공급한다. 예를 들어 500kg의 AUS40(40% Urea 용액)을 제조할 경우 용해열은 - 61.1 kcal/kg x 500 kg x 0.4 = -12220kcal이다. 가열기는 전기 히터나 스팀 히터 타입 등으로 설치될 수 있다. 교반탱크에 설치된 냉각수 열교환기(220)는 36℃ 내외인 선내 냉각수를 순환시켜 용해열을 보상한다.

교반탱크(200)로부터 요소수용액탱크(300)로 요소수용액이 공급되는 요소수용액공급라인(SL)이 마련되며, 요소수용액공급라인에는 이송교반펌프(250)가 마련된다.

이송교반펌프의 하류에서 요소수용액공급라인으로부터 분기되는 순환라인(CL)을 마련하여 요소수용액탱크로 공급된 요소수용액을 교반탱크로 복귀시킬 수 있다.

순환라인(CL)에는 요소수용액탱크 내측을 통과할 때 요소수용액탱크에 저장된 요소수용액과 교반탱크로부터 이송되어 순환라인을 통해 교반탱크로 복귀될 요소수용액을 열교환시키는 열교환기(310)가 구비될 수 있다.

즉, 이송교반펌프(250)를 통해 교반탱크 내의 요소수용액을 요소수용액탱크로 이송하고, 요소수용액 제조 시 차가운 교반탱크로부터 요소수용액탱크의 열교환기로 요소수용액을 순환시켜 요소수용액탱크의 온도 상승을 방지하고, 교반 효율을 높이고 요소수용액 제조 시간을 단축한다.

이와 같이 본 실시예에서는 교반탱크에서 요소수용액이 생성될 때 이송교반펌프로 요소수용액을 이송하여 열교환기를 거쳐 순환라인을 통해 교반탱크로 복귀시켜, 요소수용액 생성시의 흡열반응에 의한 용해열로 요소수용액탱크에 저장된 요소수용액을 냉각시킴으로써 요소수용액탱크 내 온도 상승에 의해 요소수용액의 농도 구배에 따른 성층화가 발생하는 것을 방지할 수 있다. 이를 위해 요소수용액공급라인(SL) 및 순환라인(CL)에는 온도조절을 위한 밸브(V4, V5)가 마련될 수 있다.

또한, 순환라인을 통해 요소수용액탱크에 저장된 요소수용액으로부터 열에너지 일부를 공급받음으로써 교반탱크 내 가열기 및 냉각수 열교환기의 사용을 줄일 수 있다.

요소공급탱크(100)에는 요소 분말의 중량을 감지하는 중량센서(110)가 마련되고, 요소공급탱크로 요소 분말의 고착 및 뭉침을 방지하기 위한 건조 공기를 공급하는 공기공급부가 요소공급탱크로 연결된다. 공기공급부는 선박의 제어공기시스템(AS)과 연결되어 건조 공기를 요소공급탱크로 공급하며, 이를 조절하는 제어밸브(V3)가 마련된다.

요소수용액탱크(300)로부터 선택적촉매환원장치부(700)로 요소수용액을 공급하는 환원제공급라인(RL)이 마련되고, 환원제공급라인에는 필터(500) 및 요소수용액을 펌핑하는 공급펌프(600)가 마련된다.

본 실시예에서는 공급펌프의 하류로부터 요소수용액탱크로 요소수용액을 복귀시키는 재순환라인(RCL)을 더 구비하여, 공급펌프(600)에 의해 펌핑된 요소수용액을 요소수용액탱크(300)로 공급하여 순환시킴으로써 생성된 요소수용액을 요소수용액탱크에 저장해 둘 때 탱크 내 요소수용액이 농도 구배에 따라 층을 형성하는 성층화를 방지할 수 있다. 요소수용액탱크에는 추가로 탱크 내 액위 및 온도를 측정하는 액위계, 온도계 등이 구비될 수 있다.

보다 구체적으로, 컨트롤패널에서는 다음과 같은 단계로 요소수용액 생성을 제어하게 된다.

1) 제2 액위센서로부터 교반탱크의 액위 값 및 중량센서로부터 요소공급탱크의 요소 분말 중량 값을 수신하고 교반탱크로 투입될 청수 및 요소 분말의 양을 결정하는 단계;

2) 제2 액위센서로부터 교반탱크의 액위 값을 수신하면서 청수공급밸브를 열어 단계 1)에서 결정된 양만큼 교반탱크로 청수를 공급하는 단계;

3) 교반기를 작동하여 교반탱크 내에 유체의 유동을 발생시키는 단계;

4) 중량센서로부터 요소공급탱크의 요소 분말 중량 값을 수신하면서 요소공급밸브를 열어 단계 1)에서 결정된 양만큼 교반탱크로 요소 분말을 공급하는 단계;

5) 제1 온도센서로 요소수용액탱크 내 온도 값을 수신하면서 이송교반펌프를 작동하여 교반탱크로부터 요소수용액을 요소수용액공급라인 및 순환라인을 거쳐 교반탱크로 복귀시켜 요소수용액탱크의 온도를 유지하면서 요소수용액을 교반시켜 제조하는 단계; 및

6) 제2 온도센서로 교반탱크 내 온도 값을 수신하면서 가열기 및/또는 냉각수 열교환기를 작동하여 교반탱크 내부 온도를 1 내지 25℃로 가열하는 단계;로 요소수용액을 제조할 수 있다. 컨트롤패널은 제1 및 제2 액위센서, 제1 및 제2 온도센서, 중량센서, 압력센서 등에서 감지된 측정값을 수신하고, 이를 통해 청수공급밸브, 요소공급밸브, 교반기, 이송교반펌프 등의 작동을 제어하여 필요한 농도 및 양의 요소수용액을 제조하고, 저장된 요소수용액의 온도를 적절히 조절할 수 있다.

컨트롤패널에서는 제1 액위센서에서 수신된 요소수용액탱크 내부의 액위 값을 기준으로, 액위 값이 20% 미만이면 이송교반펌프를 작동시켜 교반탱크로부터 요소수용액탱크로 요소수용액을 이송하여 요소수용액탱크를 채우고, 액위 값이 50% 미만이면 상술한 단계 1) 내지 6)의 제조단계를 거쳐 요소수용액을 제조하도록 각 장치를 제어할 수 있다.

이와 같은 컨트롤패널은 선박의 통합자동제어시스템(Integrated Automation System, IAS)에 연계되어, 선택적촉매환원장치부의 운전 시 자동으로 요소수용액 제조를 시작하도록 제어할 수 있다. 선택적촉매환원장치부(700)를 제어하는 제어패널(SCP1 ~ SCP4)도 통합자동제어시스템(IAS)에 연계되어 제어될 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 요소수용액탱크에서 감지된 탱크 내부의 액위 값에 따라 컨트롤패널에서 교반탱크에서의 요소수용액 생성을 제어하고, 요소수용액탱크로 요소수용액을 공급하여 SCR로 공급함으로써, 필요한 경우 적절히 요소수용액을 제조하여 공급할 수 있어 다량의 요소수용액을 저장해두기 위한 저장탱크를 설치할 필요가 없어, 탱크 및 배관 등의 설치 비용 및 설치 공간을 줄일 수 있다.

요소수용액 제조 시 요소수용액을 교반탱크 외부로 펌핑하였다가 요소수용액탱크를 거쳐 복귀시키도록 구성함으로써, 요소수용액 제조 시 교반 효율을 높여 제조 시간을 단축하고 요소의 용해열을 이용하여 요소수용액탱크에 저장된 요소수용액을 냉각하여 성층화를 해결할 수 있다. 또한, 요소수용액탱크로부터 SCR로 공급하기 위해 공급펌프에 의해 펌핑된 요소수용액 일부를 요소수용액탱크로 재순환시킴으로써, 탱크 내 요소수용액의 성층화를 방지할 수 있도록 한다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.

100: 요소공급탱크
110: 중량센서
200: 교반탱크
210: 교반기
220: 냉각수 열교환기
230: 가열기
250: 이송교반펌프
300: 요수수용액탱크
310: 열교환기
400: 컨트롤패널
500: 필터
600: 공급펌프
700: 선택적촉매환원장치부

Claims

선박에 마련되며 요소 분말을 저장하는 요소공급탱크;
상기 요소공급탱크로부터 공급되는 상기 요소 분말과 청수가 혼합되어 요소수용액이 생성되는 교반탱크;
상기 교반탱크로부터 상기 요소수용액을 공급받아 저장하고, 상기 선박에 마련되는 선택적촉매환원장치부로 공급하는 요소수용액탱크;
상기 요소수용액탱크 내부의 액위를 감지하는 제1 액위센서;
상기 교반탱크에서의 상기 요소수용액 생성 및 상기 요소수용액탱크로의 이송을 제어하는 컨트롤패널;
상기 교반탱크로부터 상기 요소수용액탱크로 상기 요소수용액이 공급되는 요소수용액공급라인;
상기 요소수용액공급라인에 마련되어 상기 요소수용액을 이송하는 이송교반펌프;
상기 이송교반펌프의 하류에서 상기 요소수용액공급라인으로부터 분기되며 상기 요소수용액탱크로 공급된 상기 요소수용액을 상기 교반탱크로 복귀시키는 순환라인; 및
상기 순환라인에서 상기 요소수용액탱크 내부에 마련되며 상기 요소수용액탱크에 저장된 상기 요소수용액을, 상기 교반탱크로부터 이송된 요소수용액과 열교환시키는 열교환기:를 포함하되,
상기 컨트롤패널에서는 상기 제1 액위센서에서 감지된 상기 요소수용액탱크 내부의 액위 값에 따라 상기 교반탱크에서의 상기 요소수용액 생성을 제어하는 것을 특징으로 하는 선박의 SCR용 요소수용액 제조 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 교반탱크 내부에 마련되어 상기 요소 분말과 청수를 혼합하는 교반기;
상기 교반탱크 내부에 마련되며 상기 선박의 냉각수와 열교환시켜 상기 요소수용액이 생성될 때 흡열 반응에 의한 용해열을 보상하는 냉각수 열교환기; 및
상기 교반탱크에 마련되며 상기 요소수용액이 생성될 때 과냉방지를 위한 열 에너지를 공급하는 가열기;를 더 포함하는 선박의 SCR용 요소수용액 제조 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 요소공급탱크로부터 상기 교반탱크로 상기 요소 분말이 공급되는 요소공급라인;
상기 선박의 청수공급시스템으로부터 상기 교반탱크로 청수가 공급되는 청수공급라인;
상기 요소공급라인에 마련되는 요소공급밸브; 및
상기 청수공급라인에 마련되는 청수공급밸브:를 더 포함하는 선박의 SCR용 요소수용액 제조 시스템.
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제 3항에 있어서,
상기 교반탱크에서 상기 요소수용액이 생성될 때 상기 이송교반펌프로 상기 요소수용액을 이송하여 상기 열교환기를 거쳐 상기 순환라인을 통해 상기 교반탱크로 복귀시켜, 상기 요소수용액 생성시의 용해열로 상기 요소수용액탱크에 저장된 요소수용액을 냉각시킴으로써 상기 요소수용액탱크 내 온도 상승에 의한 상기 요소수용액의 성층화를 방지하는 것을 특징으로 하는 선박의 SCR용 요소수용액 제조 시스템.
제 5항에 있어서,
상기 요소공급탱크에 저장된 상기 요소 분말의 중량을 감지하는 중량센서;
상기 요소공급탱크로 상기 요소 분말의 고착 및 뭉침을 방지하기 위한 건조 공기를 공급하는 공기공급부;
상기 교반탱크 내부의 액위를 감지하는 제2 액위센서;
상기 요소수용액탱크 내부의 온도를 감지하는 제1 온도센서;
상기 교반탱크 내부의 온도를 감지하는 제2 온도센서;
상기 교반탱크에 마련되어 상기 교반탱크에서 생성된 상기 요소수용액의 농도를 감지하는 농도센서;를 더 포함하는 선박의 SCR용 요소수용액 제조 시스템.
제 6항에 있어서,
상기 요소수용액탱크로부터 상기 선택적촉매환원장치부로 상기 요소수용액을 공급하는 환원제공급라인;
상기 환원제공급라인에 마련되어 상기 요소수용액을 펌핑하는 공급펌프; 및
상기 공급펌프의 하류로부터 상기 요소수용액탱크로 상기 요소수용액을 복귀시키는 재순환라인;을 더 포함하며,
상기 공급펌프에 의해 펌핑된 상기 요소수용액을 상기 요소수용액탱크로 공급하여 요소수용액탱크 내 상기 요소수용액의 성층화를 방지하는 것을 특징으로 하는 선박의 SCR용 요소수용액 제조 시스템.
제 7항에 있어서,
상기 컨트롤패널은 상기 선박의 통합자동제어시스템에 연계되어, 상기 선택적촉매환원장치부의 운전 시 자동으로 상기 요소수용액 제조를 시작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 선박의 SCR용 요소수용액 제조 시스템.
제 6항에 있어서, 상기 컨트롤패널에서는,
1) 상기 제2 액위센서로부터 상기 교반탱크의 액위 값 및 상기 중량센서로부터 상기 요소공급탱크의 상기 요소 분말 중량 값을 수신하고 상기 교반탱크로 투입될 청수 및 요소 분말의 양을 결정하는 단계;
2) 상기 제2 액위센서로부터 상기 교반탱크의 액위 값을 수신하면서 상기 청수공급밸브를 열어 상기 단계 1)에서 결정된 양만큼 상기 교반탱크로 청수를 공급하는 단계;
3) 상기 교반기를 작동하는 단계;
4) 상기 중량센서로부터 상기 요소공급탱크의 상기 요소 분말 중량 값을 수신하면서 상기 요소공급밸브를 열어 상기 단계 1)에서 결정된 양만큼 상기 교반탱크로 상기 요소 분말을 공급하는 단계;
5) 상기 제1 온도센서로 상기 요소수용액탱크 내 온도 값을 수신하면서 상기 이송교반펌프를 작동하여 상기 교반탱크로부터 요소수용액을 상기 요소수용액공급라인 및 상기 순환라인을 거쳐 상기 교반탱크로 복귀시키는 단계; 및
6) 상기 제2 온도센서로 상기 교반탱크 내 온도 값을 수신하면서 상기 가열기를 작동하여 상기 교반탱크 내부 온도를 1 내지 25℃로 가열하는 단계;로 제어하여 상기 요소수용액을 제조하는 것을 특징으로 하는 선박의 SCR용 요소수용액 제조 시스템.
제 9항에 있어서,
상기 컨트롤패널에서는 상기 제1 액위센서에서 상기 요소수용액탱크 내부의 액위 값을 수신하여, 상기 액위 값이 20% 미만이면 상기 이송교반펌프를 작동시켜 상기 교반탱크로부터 상기 요소수용액탱크로 상기 요소수용액을 이송하고, 상기 액위 값이 50% 미만이면 상기 단계 1) 내지 6)을 거쳐 상기 요소수용액을 제조하도록 각 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 선박의 SCR용 요소수용액 제조 시스템.
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