KR102503175B1 - 암모니아를 연료로 이용하는 선박 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 선박은, 암모니아를 연료로 이용하여 추진하는 것으로서, 암모니아 저장탱크에 저장된 암모니아를 암모니아 엔진에 공급하는 암모니아 공급라인; 상기 암모니아 엔진에서 배출되며 오일이 혼합된 리턴가스를 상기 암모니아 공급라인으로 전달하는 리턴가스 회수라인; 상기 리턴가스 회수라인을 통해 유동하는 리턴가스에 혼합된 상기 오일을 분리하는 수집탱크; 상기 암모니아 엔진에서 배출되는 배기가스 중의 질소 산화물을 환원시키는 SCR을 구비하는 배기가스 배출라인; 및 상기 암모니아 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 상기 SCR로 공급하는 증발가스 공급라인을 포함한다.

Description

암모니아를 연료로 이용하는 선박{Vessel using ammonia as fuel}
본 발명은 암모니아를 연료로 이용하는 선박에 관한 것이다.
일반적으로 선박은 디젤유를 이용하여 구동력을 발생시키는 디젤엔진, LNG와 같은 가스를 이용하여 구동력을 발생시키는 가스엔진, 디젤유와 가스를 혼용하여 구동력을 발생시키는 이종연료엔진(Dual Fuel Engine) 등을 사용하여 추진한다.
최근에는 IMO 환경규제 강화에 따른 친환경/고효율 엔진에 대한 요구가 증대하면서, 다양한 연료를 이용한 추진시스템에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
암모니아는 탄소를 포함하지 않기 때문에 친환경적인 연료로 주목받고 있다. 그러나, 암모니아는 종래에 사용되어온 연료 대비 상대적으로 연소 효율이 낮으며, 엔진 내부에서 연소하지 않은 암모니아가 배기가스 중에 혼합되어 대기로 배출되는 암모니아 슬립 현상이 발생할 수 있고, 암모니아 연소에 따라 질소 산화물(NOx)의 배출량이 증가하여 환경을 오염시키게 되는 문제가 있었다.
종래에는 배기가스 중에 포함된 질소 산화물을 처리하기 위해 암모니아를 배기가스에 분사하는 SCR(Selective Catalytic Reduction)을 사용하였는데, 암모니아 공급원으로는 암모니아 대비 독성이 낮고 취급이 용이한 요소수를 사용하였다. 다만, 이러한 경우에는 요소수를 정기적으로 구매하여 사용해주어야 하고, 요소수를 저장하고 이를 고온에서 분해하여 암모니아로 전환하기 위한 별도의 설비를 더 필요로 하는 한계가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은 암모니아를 연료로 이용하여 추진하는 선박으로서, 암모니아를 연소하는 엔진에서 배출되는 배기가스 중의 암모니아와 질소 산화물의 처리가 가능한 선박을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박은, 암모니아를 연료로 이용하여 추진하는 선박으로서, 암모니아 저장탱크에 저장된 암모니아를 암모니아 엔진에 공급하는 암모니아 공급라인, 상기 암모니아 엔진에서 배출되며 오일이 혼합된 리턴가스를 상기 암모니아 공급라인으로 전달하는 리턴가스 회수라인, 상기 리턴가스 회수라인을 통해 유동하는 리턴가스에 혼합된 상기 오일을 분리하는 수집탱크, 상기 암모니아 엔진에서 배출되는 배기가스 중의 질소 산화물을 환원시키는 SCR을 구비하는 배기가스 배출라인, 및 상기 암모니아 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 상기 SCR로 공급하는 증발가스 공급라인을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 암모니아 공급라인은, 암모니아를 열매로 가열하는 열교환기 및 고압 펌프를 포함하며, 상기 리턴가스 회수라인은, 상기 수집탱크의 하류에 마련되는 리턴가스 쿨러를 포함하고, 상기 고압 펌프의 상류에서 상기 암모니아 공급라인에 연결되는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 선박은, 상기 배기가스 중에 포함된 질소 산화물의 양이 미리 정해진 값보다 많으면 상기 SCR을 작동시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 배기가스 배출라인은, 상기 SCR의 하류에 마련되며 배기가스 중의 암모니아를 분해시키는 촉매부를 더 포함하며, 상기 선박은, 상기 배기가스 중에 포함된 암모니아의 양이 미리 정해진 값보다 많으면 상기 촉매부를 작동시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 선박은, 상기 배기가스 중에 포함된 암모니아의 양에 따라 상기 증발가스 공급라인을 통해 상기 SCR로 공급되는 증발가스의 유량을 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 선박은, 상기 암모니아 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 회수하는 증발가스 처리부를 더 포함하며, 상기 제어부는, 상기 배기가스 중에 포함된 암모니아의 양이 미리 정해진 값보다 많으면 상기 증발가스 처리부로 공급되는 증발가스의 유량을 증가시키는 것일 수 있다.
구체적으로, 상기 선박은, 상기 수집탱크에서 분리되는 기상의 암모니아를 상기 증발가스 공급라인에 전달하는 리턴가스 공급라인, 및 상기 암모니아 저장탱크에서 발생하는 증발가스의 유량이 미리 정해진 값보다 적으면 상기 리턴가스 공급라인을 통해 공급되는 암모니아의 유량을 증가시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 선박은, 상기 암모니아 공급라인에서 분기하며 암모니아를 기화시켜 상기 증발가스 공급라인에 전달하는 암모니아 분기라인, 및 상기 암모니아 엔진에서 배출되는 리턴가스의 유량에 따라 상기 암모니아 분기라인으로 공급되는 암모니아의 유량을 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 선박은 암모니아 엔진의 배기가스 중에 포함된 질소 산화물을 SCR에서 처리하되, 연료로 사용하기 위한 암모니아를 SCR에서 사용할 수 있도록 구성하여, 질소 산화물 처리를 위한 요소수 저장 및 공급 시스템을 생략하고, 전체 시스템의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 선박은 암모니아 저장탱크에서 발생하는 증발가스와 암모니아 엔진에서 배출되는 리턴가스에서 분리된 기상의 암모니아를 SCR에서 사용할 수 있도록 구성하여, 암모니아 저장탱크의 내압 관리가 가능하며 암모니아의 기화에 필요한 에너지를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에서 암모니아를 이용하여 추진하는 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 선박에서 암모니아 엔진의 운전에 따른 제어 실시예를 나타낸 순서도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하에서, 고압, 저압, 고온, 저온, 고부하, 저부하 및 유량은 상대적인 것으로서, 절대적인 수치를 나타내는 것은 아님을 알려둔다.
이하에서, 선박은 암모니아를 화물로 운반하는 암모니아 운반선뿐만 아니라, 암모니아를 이용하여 추진할 수 있는 컨테이너선, 상선, 해양에서 천연 가스를 생산할 수 있는 선박, 가스 플랫폼과 해양 부유물을 비롯한 해양 구조물을 모두 포괄하는 표현임을 알려둔다.
이하에서, 증발가스(BOG, Boil Off Gas)는 자연기화 또는 강제기화된 암모니아로 기상의 암모니아를 의미할 수 있다. 다만 증발가스는 기체 상태의 암모니아뿐만 아니라 다시 액화된 암모니아의 증발가스까지 포함하는 의미로 사용될 수 있다. 또한, 이하에서 암모니아는, 액체 상태 또는 자연기화되거나 강제기화된 기체 상태 등을 모두 포괄하는 용어로 사용될 수 있음을 알려둔다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박을 설명한다.
본 실시예에 따른 선박은, 암모니아 저장탱크(10), 암모니아 엔진(20), SCR(23), 증발가스 압축기(30), 증발가스 처리부(31), 암모니아 공급라인(L10), 배기가스 배출라인(L20), 증발가스 공급라인(L30), 리턴가스 회수라인(L40) 등을 포함한다. 이하에서, 각각의 라인은 해당 라인을 통해 유동하는 유체의 유량을 제어하기 위한 밸브를 더 구비할 수 있다.
암모니아 저장탱크(10)는 선체의 내부에 배치될 수 있다. 예를 들어, 암모니아 저장탱크(10)는 엔진룸의 전방에 3개 또는 4개로 마련될 수 있다. 암모니아 저장탱크(10)는 일례로 멤브레인형 탱크이나, 이에 한정되지 않고 독립형 탱크 등 다양한 형태로 그 종류를 특별히 한정하지는 않는다.
암모니아 공급라인(L10)은 일단이 암모니아 저장탱크(10)에 연결되고, 타단이 암모니아 엔진(20)에 연결되어, 암모니아 저장탱크(10)에 저장된 액상의 암모니아를 암모니아 엔진(20)으로 공급할 수 있다. 암모니아 공급라인(L10)은 암모니아 저장탱크(10)의 하단까지 연장되어 액상의 암모니아에 잠기도록 마련될 수 있으며, 암모니아를 인출하기 위한 펌프(11)를 포함할 수 있다.
도시하지 않았으나, 펌프(11)는 암모니아 저장탱크(10)의 내부에 배치되는 펌프 타워의 하단에 마련될 수 있으며, 암모니아 저장탱크(10)에 저장되는 액상의 암모니아 중에 잠기도록 설치될 수 있다. 펌프(11)는 암모니아 저장탱크(10)의 내부 바닥면으로부터 이격되도록 설치될 수 있으며, 복수 개로 마련될 수 있다. 펌프(11)는 후술할 열교환기(12) 등에서 액상의 암모니아를 암모니아 엔진(20)에서 요구하는 온도까지 가열되는 경우에도 기화되지 않을 수 있는 압력까지 가압하여 공급할 수 있다.
암모니아 공급라인(L10)은 제1 밸브(V1), 열교환기(12), 고압 펌프(13)를 더 포함할 수 있다. 제1 밸브(V1)는 후술할 암모니아 분기라인(L11) 상에 마련되는 제2 밸브(V2)와 함께 암모니아 공급라인(L10)을 통해 공급되는 암모니아의 유량을 조절할 수 있다. 열교환기(12)와 고압 펌프(13)는 제1 밸브(V1)의 하류에 마련되어 암모니아 공급라인(L10)을 통해 공급되는 암모니아를 암모니아 엔진(20)에서 요구하는 조건으로 처리하여 공급할 수 있다.
열교환기(12)는 액상의 암모니아를 공급받아 암모니아 엔진(20)에서 요구하는 온도 이상으로 가열할 수 있다. 암모니아 엔진(20)에서는 연소 과정에서 반응하지 않은 암모니아와 암모니아 엔진(20) 내부의 오일을 포함하는 리턴가스가 배출되어 나올 수 있는데, 오일은 그 빙점이 암모니아 대비 상대적으로 높은 것일 수 있다. 리턴가스는 암모니아 공급라인(L10)에 다시 합류하여 암모니아 엔진(20)으로 재공급될 수 있는데, 열교환기(12)에서 가열된 액상의 암모니아와 리턴가스를 혼합되면 리턴가스 중에 포함된 오일이 결빙되는 문제 없이 암모니아 엔진(20)으로 공급될 수 있다. 예를 들어, 열교환기(12)는 암모니아가 아닌 다른 열매로 액상의 암모니아와 열교환하여 암모니아를 가열하는 것일 수 있으며, 바람직하게는 열매는 글리콜워터와 같은 비폭발성 열매일 수 있다. 열교환기(12)에서 가열된 암모니아는 고압 펌프(13)로 공급될 수 있다.
고압 펌프(13)는 암모니아를 암모니아 엔진(20)에 공급하며, 전술한 펌프(11) 대비 상대적으로 높은 압력으로 암모니아를 가압할 수 있다. 예를 들어, 펌프(11)는 대략 10 내지 30 bar의 압력으로 암모니아를 가압하며, 고압 펌프(13)는 대략 60 내지 100 bar의 압력으로 암모니아를 가압할 수 있다.
암모니아 공급라인(L10)은 암모니아 공급라인(L10)으로부터 분기하여 후술할 증발가스 공급라인(L30) 또는 SCR(23)에 연결되는 암모니아 분기라인(L11)을 더 포함할 수 있다. 암모니아 분기라인(L11)에는 제2 밸브(V2)와 기화기(14)가 마련될 수 있다. 바람직하게는, 암모니아 분기라인(L11)은 암모니아 공급라인(L10)의 제1 밸브(V1) 상류에서 분기하여 증발가스 공급라인(L30)에 연결될 수 있다. 암모니아 분기라인(L11)으로 공급되는 액상의 암모니아는 기화기(14)로 공급되어 강제 기화되어 증발가스 공급라인(L30)으로 공급될 수 있다. 기화기(14)는 암모니아를 열매로 가열하여 암모니아의 적어도 일부를 강제기화시키는 것일 수 있으며, 바람직하게는 해수 또는 선체 내부에서 생산되는 스팀을 이용하여 암모니아의 전부를 기화시키는 것일 수 있다.
암모니아 엔진(20)은 암모니아를 연소시켜 추진력을 발생시키거나, 전력 또는 기타 동력을 발생시키기 위한 내연기관을 포괄하여 의미한다. 바람직하게는, 암모니아 엔진(20)은 암모니아를 연소시켜 동력을 생성하며, 생성되는 동력을 암모니아 엔진(20)에 연결되는 프로펠러(도시하지 않음)로 전달하여 선박을 추진시킬 수 있다. 예를 들어, 암모니아 엔진(20)은 암모니아를 포함하는 두 가지 이상의 연료를 연소시켜 구동력을 발생시킬 수 있는 이종연료 엔진일 수 있으며, 2행정 또는 4행정으로 마련될 수 있다.
암모니아 엔진(20)은 작동 메커니즘에 의해 공급되는 암모니아 중 일부가 분사되지 않고 복귀하는 리턴 가스를 배출한다. 암모니아 엔진(20)은 암모니아 공급라인(L10)을 통해 암모니아를 공급받으며, 암모니아와 암모니아 엔진(20)의 운전시, 고압 인젝터의 내압 유지를 위한 밀봉 오일이 혼합된 리턴가스를 리턴가스 회수라인(L40)을 통해 배출할 수 있다.
리턴가스 회수라인(L40)은 암모니아 엔진(20)에서 배출되는 리턴가스를 암모니아 공급라인(L10)으로 이송하여 재순환시킬 수 있다. 리턴가스는 대부분 액상의 암모니아와 기화된 암모니아로 이루어져 있으나, 오일이 혼합되어 있어서, 상대적으로 저온인 암모니아 저장탱크(10)로 회수하기 보다는, 암모니아 엔진(20)에 재공급하여 연료로 사용하는 것이 바람직하다. 리턴가스 회수라인(L40)은 일단이 암모니아 엔진(20)에 연결되고 타단이 암모니아 공급라인(L10)에 연결될 수 있으며, 바람직하게는 암모니아 공급라인(L10)에서 열교환기(12)의 하류 또는 고압 펌프(13)의 상류에 연결되어 리턴가스를 공급할 수 있다.
리턴가스 회수라인(L40)은 리턴가스 쿨러(40), 수집탱크(41)를 더 포함할 수 있다. 리턴가스 쿨러(40)는 암모니아 엔진(20)을 거치면서 분사되지는 않았으나 상대적으로 고온으로 가열된 암모니아를 암모니아 엔진(20)에 공급하기에 적합한 온도로 냉각시킬 수 있다. 리턴가스 쿨러(40)는 열매를 리턴가스와 열교환시켜 리턴가스를 냉각시키는 것일 수 있으며, 바람직하게는 열매는 해수일 수 있다.
도시하지 않았으나, 수집탱크(41)는 리턴가스 회수라인(L40) 상에 마련되거나, 리턴가스 분기라인(L41)을 통해 리턴가스 회수라인(L40)에 연결될 수 있다. 수집탱크(41)는 리턴가스 회수라인(L40)을 통해 리턴가스를 공급받아 임시로 저장할 수 있다. 암모니아 엔진(20)은 정상적으로 운전을 정지하는 경우에도 리턴가스를 배출할 수 있으며, 리턴가스의 배출량은 암모니아 엔진(20)의 운전 상태에 따라 달라질 수 있다. 수집탱크(41)는 암모니아 엔진(20)의 정지시 회수되는 리턴가스를 암모니아 저장탱크(10)로 전달하는 대신, 상온에서 액체 상태를 유지할 수 있는 고압 조건에서 임시로 저장하기 위한 것이다. 또한, 수집탱크(41)는 암모니아 엔진(20)의 정지시 발생하는 질소 퍼지 작동으로부터 질소 기체와 액상의 암모니아를 분리하기 위해 사용되는 것일 수 있다. 수집탱크(41)로 공급되는 리턴가스의 유량은 제7 밸브(V7)에 의해 조절될 수 있다.
수집탱크(41) 내부에 리턴가스가 공급되는 경우, 리턴가스는 수집탱크(41) 내에서 상이 분리될 수 있다. 예를 들어, 리턴가스 중에 포함된 액상의 암모니아는 기상의 암모니아와 오일 대비 상대적으로 무거워 수집탱크(41)의 하부에 모이고, 오일은 액상의 암모니아층 위에 층을 형성하고, 기상의 암모니아는 수집탱크(41)의 상부에 모일 수 있다. 수집탱크(41)는 액상의 암모니아와 오일, 바람직하게는 액상의 암모니아를 다시 리턴가스 회수라인(L40)으로 전달할 수 있다. 수집탱크(41)는 기상의 암모니아를 수집탱크(41)의 상부에 연결되는 리턴가스 공급라인(L42)을 통해 후술할 증발가스 공급라인(L30)으로 전달할 수 있다. 리턴가스 공급라인(L42)에는 제8 밸브(V8)가 마련되어, 기상의 암모니아와 증발가스 공급라인(L30)을 통해 공급되는 증발가스의 혼합을 조절할 수 있다.
암모니아 엔진(20)으로부터 배출되는 리턴가스는 리턴가스 분기라인(L41)을 통해 수집탱크(41)를 거쳐 기상의 암모니아의 적어도 일부를 분리해낸 뒤 리턴가스 쿨러(40)를 통해 암모니아 공급라인(L10)으로 공급될 수 있다. 이때, 수집탱크(41)에서 리턴가스 중의 기상의 암모니아가 모두 분리되지 않을 수 있고, 리턴가스는 수집탱크(41)를 거치지 않을 수도 있는 바, 리턴가스 중에 혼합된 기상의 암모니아는 전술한 리턴가스 쿨러(40)에서 적어도 일부가 응축 또는 액화될 수 있다. 액상의 암모니아를 포함하는 리턴가스는 암모니아 공급라인(L10)을 통해 공급되는 액상의 암모니아와 혼합되어 고압 펌프(13)를 거쳐 암모니아 엔진(20)으로 재공급될 수 있다.
암모니아 엔진(20)은 암모니아 연소의 결과로 질소 산화물을 포함하는 배기가스를 생성한다. 암모니아 엔진(20)에서 생성된 배기가스를 유동시키는 배기가스 배출라인(L20)은 암모니아 엔진(20)과 배기가스 배출부(25)를 연결할 수 있다. 배기가스 배출부(25)는 선박에 마련되는 연돌과 같이 배기가스를 선외 배출하기 위한 구성일 수 있다.
배기가스 배출라인(L20)은 배기가스 중에 포함된 질소 산화물과 암모니아를 감지하여, 그 정보를 송신하는 센서를 포함할 수 있다. 암모니아 엔진(20)에서 생성되는 배기가스 중에는 암모니아의 산화에 의한 질소 산화물뿐만 아니라, 암모니아 엔진(20)에서 연소하지 못하고 슬립되는 암모니아도 포함될 수 있다. 질소 산화물 센서(또는 NOx 센서, 21)와 암모니아 센서(또는 NH3 센서, 22)는 배기가스 배출라인(L20)에서 암모니아 엔진(20)의 하류에 마련되어 배기가스 중의 질소 산화물과 암모니아의 양에 대한 정보를 후술할 제어부(도시하지 않음)에 송신할 수 있다.
배기가스 배출라인(L20)은 배기가스 중의 질소 산화물을 저감하기 위한 SCR(23)을 포함할 수 있다. SCR(23)은 내부에 질소 산화물의 환원을 위한 촉매와 배기가스가 연통하기 위한 통로를 제공하는 것일 수 있으며, 암모니아를 공급받아 배기가스와 접촉시킴으로서 배기가스 중에 포함된 질소 산화물을 질소로 환원시킬 수 있다. SCR(23)은 배기가스 배출라인(L20) 상에 마련되어, 암모니아와 배기가스를 접촉시키는 동작을 수행하거나 접촉을 차단하고 배기가스를 그대로 유동시키는 방식으로 정지하는 것일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. SCR(23)은 도 1에 도시한 것과 같이 배기가스 배출라인(L20)에 마련되는 제3 밸브(V3)를 통해 배기가스의 적어도 일부를 공급받아 배기가스 중의 질소 산화물을 환원시킨 뒤 이를 다시 배기가스 배출라인(L20)으로 전달하는 것일 수도 있다. 제3 밸브(V3)는 삼방밸브일 수 있다.
SCR(23)은 후술할 증발가스 공급라인(L30)으로부터 증발가스를 공급받아 이를 배기가스에 분사하는 것일 수 있다. 또는 암모니아 분기라인(L11)으로부터 강제기화된 암모니아를 공급받아 이를 배기가스에 분사하는 것일 수 있다. SCR(23)은 배기가스 배출라인(L20)을 통해 유동하는 배기가스 중에 포함된 질소 산화물의 양이 미리 정해진 값보다 많은 경우에 작동하는 것일 수 있다. 예를 들어, 선박이 질소 산화물의 배출 규제 지역에 있고, 배기가스 중의 질소 산화물의 양이 배출기준보다 많은 경우, SCR(23)이 작동할 수 있으며 배기가스 배출부(25)로 공급되는 배기가스는 배출기준보다 적은 양의 질소 산화물을 포함할 수 있게 된다.
배기가스 배출라인(L20)은 배기가스 중의 암모니아를 저감하기 위한 촉매부(24)를 포함할 수 있다. 촉매부(24)는 내부에 암모니아의 분해를 위한 촉매와 배기가스가 연통하기 위한 통로를 제공하는 것일 수 있으며, 배기가스를 촉매와 접촉시킴으로써 배기가스 중에 포함된 암모니아를 질소와 수소로 분해시킬 수 있다. 촉매부(24)는 배기가스 배출라인(L20) 상에 마련되어, 배기가스와 촉매를 접촉시키는 동작을 수행하거나 접촉을 차단하고 배기가스를 그대로 유동시키는 방식으로 정지하는 것일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 촉매부(24)는 도 1에 도시한 것과 같이 배기가스 배출라인(L20)에 마련되는 제4 밸브(V4)를 통해 배기가스의 적어도 일부를 공급받아 배기가스 중의 암모니아를 분해한 뒤 이를 다시 배기가스 배출라인(L20)으로 전달하는 것일 수도 있다. 제4 밸브(V4)는 삼방밸브일 수 있다.
촉매부(24)는 암모니아 엔진(20)에서 슬립되어 나오는 암모니아, SCR(23)에서 슬립되어 나오는 암모니아와 후술할 증발가스 분기라인(L32)으로부터 공급되는 증발가스를 공급받아 이를 처리하는 것일 수 있다. 촉매부(24)는 배기가스 배출라인(L20)을 통해 유동하는 배기가스 중에 포함된 암모니아의 양이 미리 정해진 값보다 많은 경우에 작동하는 것일 수 있다. 예를 들어, 선박이 암모니아의 배출 규제 지역에 있고, 배기가스 중의 암모니아의 양이 배출기준보다 많은 경우, 촉매부(24)가 작동할 수 있으며 배기가스 배출부(25)로 공급되는 배기가스는 배출기준보다 적은 양의 암모니아를 포함할 수 있게 된다.
증발가스 공급라인(L30)은 일단이 암모니아 저장탱크(10)에 연결되고, 타단이 SCR(23) 또는 배기가스 배출라인(L20)에 연결될 수 있다. 바람직하게는, 증발가스 공급라인(L30)은 암모니아 저장탱크(10) 내에서 자연증발한 암모니아의 증발가스를 인출하여 SCR(23)에 공급할 수 있으며, 증발가스는 배기가스 중에 포함된 질소 산화물의 환원에 사용될 수 있다.
암모니아 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스는 자체의 압력에 의해 증발가스 공급라인(L30) 내에서 자유 흐름을 구성할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 증발가스의 발생량은 선박이 처한 환경과 운항 조건에 따라 달라질 수 있는 바, 증발가스 발생량이 적은 경우에는 증발가스 압축기(30)를 이용하여 증발가스를 SCR(23)에 공급할 수 있다. 예를 들어, 증발가스 공급라인(L30)은 증발가스 압축기(30)를 구비하는 라인과 구비하지 않는 라인을 포함하는 복수 개의 라인으로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 증발가스 압축기(30)는 SCR(23)에서 요구하는 압력으로 증발가스를 가압하여 공급할 수 있다.
증발가스 공급라인(L30)에는 증발가스의 적어도 일부를 증발가스 처리부(31)로 공급하기 위한 증발가스 회수라인(L31)이 마련될 수 있다. 증발가스 처리부(31)는 배기가스 중에 포함된 질소 산화물의 양이 미리 정해진 값보다 적은 등으로 SCR(23)이 작동할 필요가 없는 경우, 증발가스를 회수하여 처리할 수 있다. 예를 들어, 증발가스 처리부(31)는 증발가스를 재액화시켜 암모니아 저장탱크(10)로 리턴하는 재액화부이거나, 증발가스를 개질하여 수소 가스를 생산하는 개질부일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 증발가스 회수라인(L31)은 증발가스 공급라인(L30)에서 증발가스 압축기(30)의 상류에서 분기하는 것일 수 있으며, 제5 밸브(V5)를 통해 증발가스 처리부(31)로의 공급을 조절할 수 있다.
증발가스 공급라인(L30)에는 증발가스의 적어도 일부를 촉매부(24)로 공급하기 위한 증발가스 분기라인(L32)이 마련될 수 있다. 증발가스 분기라인(L32)은 증발가스 처리부(31)에서의 증발가스 처리 상황에 따라 증발가스 적어도 일부를 촉매부(24)로 공급하여 처리할 수 있다. 증발가스 분기라인(L32)은 증발가스 공급라인(L30)에서 증발가스 압축기(30)의 상류에서 분기하는 것일 수 있으며, 제6 밸브(V6)를 통해 촉매부(24)로의 공급을 조절할 수 있다.
도시하지 않았으나, 제어부는 전술한 본 발명에 따른 선박 구성의 작동을 조절하여, 암모니아 엔진(20)의 운전에 따라 생성되는 배기가스 중에 포함된 질소 산화물과 암모니아를 각각의 배출기준보다 적은 양이 되도록 처리하여 배출할 수 있다. 제어부는 배기가스 배출라인(L20)에 마련되는 질소 산화물 센서(21)와 암모니아 센서(22)로부터 배기가스 중에 포함된 질소 산화물과 암모니아의 양에 대한 정보를 수신할 수 있으며, 미리 입력되거나 입력되는 각각의 배출 규제에 의한 배출기준과 수신한 정보를 비교할 수 있다.
예를 들어, 제어부는 배기가스 중에 포함된 질소 산화물의 양이 미리 정해진 값보다 많으면 SCR(23)을 작동할 수 있다. SCR(23)을 작동한다는 것은 SCR(23)로 배기가스를 공급하여 암모니아와 접촉하도록 하는 것을 의미한다. 또한, 제어부는 배기가스 중에 포함된 질소 산화물의 양을 바탕으로 증발가스 공급라인(L30)을 통해 SCR(23)로 공급되는 증발가스의 유량을 결정할 수 있다. 또한, 제어부는 배기가스 중에 포함된 암모니아의 양에 따라 증발가스 공급라인(L30)을 통해 SCR(23)로 공급되는 증발가스의 유량을 결정할 수 있다.
예를 들어, 제어부는 배기가스 중에 포함된 암모니아의 양이 미리 정해진 값보다 많으면 촉매부(24)를 작동할 수 있다. 촉매부(24)를 작동한다는 것은 촉매부(24)로 배기가스를 공급하여 암모니아 분해 촉매와 접촉하도록 하는 것을 의미한다. 또한, 제어부는 SCR(23)의 작동시 발생할 수 있는 암모니아 슬립에 대한 정보를 저장하였다가, 배기가스 중에 포함된 암모니아의 양을 함께 고려하여 촉매부(24)의 작동 여부를 결정할 수 있다.
예를 들어, 제어부는 배기가스 중에 포함된 암모니아의 양이 미리 정해진 값보다 많으면 증발가스 공급라인(L30)에서 증발가스 회수라인(L31)을 통해 증발가스 처리부(31)로 공급되는 증발가스의 유량을 증가시킬 수 있다. 배기가스 중에 포함된 암모니아의 양이 많으면 SCR(23)에서는 상대적으로 적은 양의 증발가스만을 더 공급받아 배기가스 중의 질소 산화물을 처리할 수 있게 된다. 암모니아 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스는 증발가스 처리부(31)로 회수하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 제어부는 암모니아 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스의 유량이 미리 정해진 값보다 적으면 리턴가스 공급라인(L42)을 통해 증발가스 공급라인(L30)으로 공급되는 암모니아의 유량을 증가시킬 수 있다. 수집탱크(41) 내부에 리턴가스가 공급되어 임시저장됨에 따라, 리턴가스 중의 기상의 암모니아가 분리되며, 액상의 암모니아가 자연 증발하여 증발가스를 생성할 수 있다. 수집탱크(41)에 모아지는 기상의 암모니아를 리턴가스 공급라인(L42)을 통해 SCR(23)로 공급하여 사용함으로써, 암모니아 공급라인(L10)에 대한 리턴가스 재공급을 원활하게 하고, 리턴가스 쿨러(40)에 가해지는 부하를 저감할 수 있게 된다.
예를 들어, 제어부는 암모니아 엔진(20)에서 배출되는 리턴가스의 유량에 따라 암모니아 분기라인(L11)으로 공급되는 암모니아의 유량을 조절할 수 있다. 구체적으로, 암모니아 엔진(20)에서 배출되는 리턴가스의 유량은 선박의 운항 조건에 따라 변동할 수 있고, 암모니아 엔진(20)에서 배출되는 리턴가스의 유량이 적으면, 수집탱크(41)를 통해 분리할 수 있는 기상의 암모니아 유량 또한 적어질 수 있다. 제어부는 암모니아 분기라인(L11)을 통해 액상의 암모니아를 기화기(14)로 공급하여 강제기화시켜 SCR(23)로 공급할 수 있다.
이처럼, 제어부는 배기가스 중에 포함된 질소 산화물과 암모니아의 양, 암모니아 엔진(20)으로부터 배출되는 리턴가스의 양, 암모니아 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스의 양에 따라 SCR(23), 촉매부(24), 기화기(14)의 운전을 조절하는 제어를 구현하여, 암모니아 증발가스의 불필요한 낭비가 최소화하면서 배기가스 배출기준을 만족할 수 있는 선박을 제공할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명에 따른 선박에서 암모니아 엔진의 운전에 따른 제어 실시예를 나타낸 순서도이다.
암모니아 엔진 구동 및 배기가스 배출 단계는, 암모니아 엔진(20)이 암모니아 공급라인(L10)을 통해 암모니아를 공급받아 이를 연소하고, 리턴가스와 배기가스를 각각 배출하는 일련의 동작을 모두 포함하여 의미한다.
배기가스 중의 NOx와 배출기준을 비교하는 단계는, 제어부가 암모니아 엔진(20)에 연결되는 배기가스 배출라인(L20) 상에 마련되는 질소 산화물 센서(21)를 통해 배기가스 중에 포함되는 질소 산화물의 양에 대한 정보를 수집하고, 이를 질소 산화물 배출 규제에 정해진 배출기준과 비교하는 것을 포함한다.
배기가스 중의 NOx 양이 배출기준에 미리 정해진 값보다 많으면, 제어부는 SCR(23)로 배기가스를 공급할 수 있다.
이후, 제어부는 배기가스 중의 NH3 양과 배출기준을 비교하는 단계를 더 수행할 수 있다. 제어부는 암모니아 센서(22)를 통해 배기가스 중에 포함되는 암모니아의 양에 대한 정보를 수집하고, 이를 암모니아 배출 규제에 정해진 배출기준과 비교할 수 있다.
배기가스 중의 NH3 양이 배출기준에 미리 정해진 값보다 많으면, 제어부는 배기가스 중의 NH3 양과 SCR(23)이 요구하는 NH3 양을 비교하는 단계를 더 수행할 수 있다. 배기가스 중의 NH3 양이 SCR(23)이 요구하는 NH3 양보다 많은 경우에는, 배기가스만을 그대로 SCR(23)에 공급하여도 질소 산화물을 환원시킬 수 있게 되므로 증발가스 공급라인(L30)을 통해 SCR(23)로 공급되는 증발가스의 유량을 줄이거나 공급을 중단할 수 있다. 이러한 경우, 암모니아 엔진(20)에서 배출되는 리턴가스는 리턴가스 회수라인(L40) 및 암모니아 공급라인(L10)을 거치면서 액화되어 암모니아 엔진(20)으로 재순환되는 과정을 거칠 수 있게 된다.
배기가스 중의 NH3 양이 배출기준에 미리 정해진 값보다 적거나, 배기가스 중의 NH3 양이 배출기준에 미리 정해진 값보다 많더라도 SCR(23)이 요구하는 NH3 양보다 적은 경우에는, 제어부는 촉매부(24)로 공급되는 배기가스의 유량을 줄이거나 공급을 중단하여 촉매부(24) 내부의 촉매를 보호할 수 있다. 제어부는 증발가스 공급라인(L30)을 통해 증발가스를 SCR(23)로 공급하여 배기가스 중의 질소 산화물을 처리할 수 있게 된다. 이때, 제어부는 암모니아 저장탱크(10)에서의 증발가스 발생량과 SCR(23)로 공급되어야 하는 증발가스의 공급량을 비교하는 단계를 더 수행할 수 있다. 증발가스의 발생량이 더 많으면, 암모니아 엔진(20)에서 배출되는 리턴가스는 리턴가스 회수라인(L40) 및 암모니아 공급라인(L10)을 거치면서 액화되어 암모니아 엔진(20)으로 재순환되는 과정을 거칠 수 있게 된다. 증발가스의 발생량이 적으면, 리턴가스는 리턴가스 공급라인(L42)을 통해 증발가스 공급라인(L30)을 거쳐 SCR(23)로 공급될 수 있다. 추가적으로, 제어부는 암모니아 엔진(20)에서 배출되는 리턴가스의 양, 즉 리턴가스 발생량과 리턴가스 공급라인(L42)을 통해 SCR(23)로 공급되는 리턴가스 공급량을 비교하는 단계를 더 수행할 수 있다. 리턴가스의 발생량이 충분하면 리턴가스를 SCR(23)로 공급하며, 리턴가스의 발생량이 부족하면 암모니아 저장탱크(10)의 암모니아를 암모니아 분기라인(L11)으로 공급하여 기화기(14)에서 강제 기화시킨 뒤, 이를 증발가스 공급라인(L30)을 거쳐 SCR(23)로 공급할 수 있게 된다.
배기가스 중의 NOx 양이 배출기준에 미리 정해진 값보다 적으면, 제어부는 SCR(23)로 배기가스의 공급을 중단할 수 있다.
이후, 제어부는 배기가스 중의 NH3 양과 배출기준을 비교하는 단계를 더 수행할 수 있다. 배기가스 중의 NH3 양이 배출기준에 미리 정해진 값보다 많으면, 제어부는 배기가스를 촉매부(24)로 공급하여 배기가스 중의 암모니아를 분해할 수 있다. 배기가스 중의 NH3 양이 배출기준에 미리 정해진 값보다 적으면, 제어부는 배기가스를 촉매부(24)로 공급하는 양을 줄이거나 공급을 중단할 수 있다. 어느 경우든 SCR(23)을 작동하지는 않으므로, 암모니아 저장탱크(10)에서 발생하는 증발가스는 증발가스 공급라인(L30)을 통해 SCR(23)로 공급되는 대신, 증발가스 회수라인(L31)을 통해 증발가스 처리부(31)로 공급될 수 있다. 또한, 암모니아 엔진(20)에서 배출되는 리턴가스는 리턴가스 공급라인(L42)으로 공급되지 않고 리턴가스 회수라인(L40) 및 암모니아 공급라인(L10)을 거치면서 액화되어 암모니아 엔진(20)으로 재순환되는 과정을 거칠 수 있게 된다.
이상과 같은 순서도를 통해 본 발명의 선박의 조건에 따른 배기가스 처리 과정을 설명하였으나, 제어부의 처리 단계가 전술한 실시예로 한정되지 않음이 이해될 것이다.
본 발명은 상기에서 설명한 실시예로 한정되지 않으며, 상기 실시예들의 조합 또는 상기 실시예 중 적어도 어느 하나와 공지 기술의 조합을 또 다른 실시예로서 포함할 수 있음은 물론이다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 중심으로 본 발명을 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 기술내용을 벗어나지 않는 범위에서 실시예에 예시되지 않은 여러 가지의 조합 또는 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들로부터 용이하게 도출가능한 변형과 응용에 관계된 기술내용들은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: 암모니아 저장탱크 11: 펌프
12: 열교환기 13: 고압 펌프
14: 기화기 20: 암모니아 엔진
21: 질소 산화물 센서 22: 암모니아 센서
23: SCR 24: 촉매부
25: 배기가스 배출부 30: 증발가스 압축기
31: 증발가스 처리부 40: 리턴가스 쿨러
41: 수집탱크
L10: 암모니아 공급라인 L11: 암모니아 분기라인
L20: 배기가스 배출라인 L30: 증발가스 공급라인
L31: 증발가스 회수라인 L32: 증발가스 분기라인
L40: 리턴가스 회수라인 L41: 리턴가스 분기라인
L42: 리턴가스 공급라인 V1~V8: 제1~제8 밸브

Claims (8)

  1. 암모니아를 연료로 이용하여 추진하는 선박으로서,
    암모니아 저장탱크에 저장된 암모니아를 암모니아 엔진에 공급하는 암모니아 공급라인;
    상기 암모니아 엔진에서 배출되며 오일이 혼합된 리턴가스를 상기 암모니아 공급라인으로 전달하는 리턴가스 회수라인;
    상기 리턴가스 회수라인을 통해 유동하는 리턴가스에 혼합된 상기 오일을 분리하는 수집탱크;
    상기 암모니아 엔진에서 배출되는 배기가스 중의 질소 산화물을 환원시키는 SCR을 구비하는 배기가스 배출라인; 및
    상기 암모니아 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 상기 SCR로 공급하는 증발가스 공급라인을 포함하며,
    상기 SCR은,
    상기 증발가스 공급라인으로부터 증발가스를 공급받아, 상기 암모니아 엔진에서 배출되는 배기가스에 분사하여 배기가스와 혼합되도록 하는 선박.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 암모니아 공급라인은,
    암모니아를 열매로 가열하는 열교환기 및 고압 펌프를 포함하며,
    상기 리턴가스 회수라인은,
    상기 수집탱크의 하류에 마련되는 리턴가스 쿨러를 포함하고, 상기 고압 펌프의 상류에서 상기 암모니아 공급라인에 연결되는 것인, 선박.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기가스 중에 포함된 질소 산화물의 양이 미리 정해진 값보다 많으면 상기 SCR을 작동시키는 제어부를 더 포함하는 선박.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기가스 배출라인은,
    상기 SCR의 하류에 마련되며 배기가스 중의 암모니아를 분해시키는 촉매부를 더 포함하며,
    상기 배기가스 중에 포함된 암모니아의 양이 미리 정해진 값보다 많으면 상기 촉매부를 작동시키는 제어부를 더 포함하는 선박.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 배기가스 중에 포함된 암모니아의 양에 따라 상기 증발가스 공급라인을 통해 상기 SCR로 공급되는 증발가스의 유량을 조절하는 제어부를 더 포함하는 선박.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 암모니아 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 회수하는 증발가스 처리부를 더 포함하며,
    상기 제어부는,
    상기 배기가스 중에 포함된 암모니아의 양이 미리 정해진 값보다 많으면 상기 증발가스 처리부로 공급되는 증발가스의 유량을 증가시키는 것인, 선박.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 수집탱크에서 분리되는 기상의 암모니아를 상기 증발가스 공급라인에 전달하는 리턴가스 공급라인; 및
    상기 암모니아 저장탱크에서 발생하는 증발가스의 유량이 미리 정해진 값보다 적으면 상기 리턴가스 공급라인을 통해 공급되는 암모니아의 유량을 증가시키는 제어부를 더 포함하는 선박.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 암모니아 공급라인에서 분기하며 암모니아를 기화시켜 상기 증발가스 공급라인에 전달하는 암모니아 분기라인; 및
    상기 암모니아 엔진에서 배출되는 리턴가스의 유량에 따라 상기 암모니아 분기라인으로 공급되는 암모니아의 유량을 조절하는 제어부를 더 포함하는 선박.
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