KR102513849B1 - 암모니아 연료 추진 엔진을 위한 연료 공급관 부식 방지 시스템 - Google Patents

암모니아 연료 추진 엔진을 위한 연료 공급관 부식 방지 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 암모니아 연료 또는 혼소엔진의 연료 공급관 부식을 방지하는 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 암모니아 연료 추진 엔진 정지 시 엔진과 연료탱크를 연결하는 연료공급관 내에 잔류하는 암모니아를 흡착제를 이용해 흡착한 후 엔진 가동 시 배출가스의 열을 이용하여 흡착된 암모니아를 탈착시켜 엔진 후단에 장착되는 촉매환원장치(SCR)의 환원제로서 공급하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.

Description

암모니아 연료 추진 엔진을 위한 연료 공급관 부식 방지 시스템{System and method for preventing corrosion at the fuel supply line for engine using ammonia as fuels}
본 발명은 암모니아 연료 또는 혼소엔진의 연료 공급관 부식을 방지하는 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 암모니아 연료 추진 엔진 정지 시 엔진과 연료탱크를 연결하는 연료공급관 내에 잔류하는 암모니아를 흡착제를 이용해 흡착한 후 엔진 가동 시 배출가스의 열을 이용하여 흡착된 암모니아를 탈착시켜 엔진 후단에 장착되는 촉매환원장치(Selective Catalytic Reduction, SCR)의 환원제로서 공급하는 시스템에 관한 것이다.
탄소 배출규제가 강화됨에 따라 화석연료의 사용이 줄고 암모니아와 같은 대체 연료에 대한 관심이 높아지고 있다. 이에 따라 경유 또는 가솔린을 사용하던 차량 또는 선박 등의 운송수단에서 암모니아를 연료로 하는 엔진이 개발되고 있다. 그러나 암모니아는 부식성이 있고 흡입 시 점액질과 상부 기도 조직에 심한 해를 입힌다. 또한 피부에 접촉 시 통증, 발적을 일으키고 눈에 노출 시 흐릿한 시야, 통증, 눈의 손상을 가져올 수 있다. 따라서 엔진으로 유입되는 연료 배관 내에 암모니아가 잔류할 경우 배관을 부식시킬 수 있고 이는 암모니아 유출 사고로 이어질 수 있어 이를 방지하기 위한 방법이 필요하다. 또한 배관 부식 방지만을 목적으로 배관 내 암모니아를 질소 등의 비활성 가스를 이용해 제거할 경우 암모니아는 그대로 공기 중에 유출되는 문제점이 있다.
대한민국 특허공개번호 10-2014-0089229에는 엔진에서 미연소되는 암모니아(NH3)의 슬립 방지를 위한 시스템 제어방법으로서, 연료로 암모니아를 사용하는 ＤＵＡＬ 또는 ＢＩ―ＦＵＥＬ 엔진에서 발생되는 배기가스의 암모니아 슬립을 설정기준에 맞추는 방법이 개시되나, 엔진 시동이 정지된 후, 엔진과 연료탱크를 연결하는 연료공급관 내에 잔류하는 암모니아의 정화 및 처리 방안에 대하여는 설명되지 않는다. 또한, 대한민국 특허번호 10-2111525에는 기존의 연료와 암모니아 연료를 선택적으로 또는 혼합하여 선박의 추진엔진 및 발전엔진의 연료로 사용하는 친환경 선박의 연료공급시스템으로서, 이산화탄소(CO2)를 포함하는 온실가스의 농도를 검출하여, 기존의 연료와 암모니아 연료의 공급 비율을 제어하는 시스템이 개시되지만, 엔진으로 유입되는 암모니아 연료공급관 내에 잔존하는 암모니아를 흡착하고 이를 이용하는 시스템 및 방법에 대하여는 언급되지 않는다.
본 발명의 목적은 종래 문제점을 해결하고 선행기술에서 언급되거나 개시되지 않는 방안으로서 암모니아 연료 단독 또는 혼소엔진과 연결되는 암모니아 연료 공급관 부식을 방지하는 시스템 및 방법을 제안하는 것으로, 암모니아 연료 추진 엔진 정지 시 엔진과 연료탱크를 연결하는 연료공급관 내에 잔류하는 암모니아를 흡착제를 이용해 흡착한 후 엔진 가동 시 배출가스의 열을 이용하여 흡착된 암모니아를 탈착시켜 엔진 후단에 장착되는 촉매환원장치의 환원제로서 활용하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 목적은 암모니아 연료 추진 엔진을 위한 연료 공급관 부식 방지 시스템에 의해 달성되고, 구체적으로 엔진; 상기 엔진에 연료로써 공급되는 제1연료가 저장되는 연료 저장탱크; 및 상기 엔진에 암모니아 연료공급관을 통해 공급되는 연료로써 암모니아가 저장되는 암모니아 저장탱크; 및 상기 엔진으로부터 배기가스가 배출되는 배기가스 배출라인 상에 설치되어 상기 배기가스 중에 포함된 질소산화물을 제거하는 촉매환원장치; 를 포함하되,
상기 암모니아 연료공급관과 각각 연결되는 질소 저장탱크 및 암모니아 흡착장치를 더욱 포함하고, 상기 암모니아 흡착장치는 상기 배기가스 배출라인과 배기가스 공급관 및 탈착암모니아 공급관을 통해 연결되는, 부식 방지 시스템에 의해 달성될 수 있다.
또한 본 발명은 암모니아 연료 추진 엔진을 위한 연료 공급관 부식 방지 방법에 의해 달성되고, 암모니아 연료 추진 엔진을 위한 연료 공급관 부식 방지 시스템의 암모니아 연료공급관에 잔류하는 암모니아 제거 단계 및 암모니아 이용 단계를 포함하고, 구체적으로 상기 암모니아 제거단계는,
엔진 정지 확인 단계 (S100);
암모니아 연료공급관에 잔류하는 암모니아 연료를 암모니아 흡착장치로 퍼징 (purging) 단계 및 퍼징 중단 단계 (S200);를 포함하고,
상기 암모니아 이용 단계는,
엔진 시동 확인 단계 (S300);
배기가스 배출라인을 통과하는 배기가스를 암모니아 흡착장치로 바이패스 (bypass)시키고 탈착 암모니아를 촉매환원장치로 공급하는 단계 (S400);
배기가스의 바이패스 중단 단계 (S500);를 포함한다.
본 발명에 의해 제공되는 시스템 및 방법에 의해 엔진으로 유입되는 연료 배관 내에 잔류하는 암모니아에 의한 배관 부식을 방지할 수 있고 이는 암모니아 유출 사고를 예방할 수 있다.
도 1은 본 발명의 암모니아 연료공급관 부식 방지 시스템을 간략하게 도시한 것이다.
도 2a는 본 발명의 암모니아 연료공급관 부식 방지 방법에서 암모니아 연료공급관에 잔류하는 암모니아 제거 순서도이다.
도 2b는 본 발명의 암모니아 연료공급관 부식 방지 방법에서 암모니아 흡착장치에 흡착된 암모니아를 탈착시켜 SCR에서 활용할 수 있는 암모니아 이용 순서도이다.
이하 본 발명을 도면을 참고하여 상세히 설명한다. 그러나 본원에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
정의
본원에서 암모니아 연료 추진 엔진이란 연료로써 암모니아가 단독 또는 기존 연료와 혼합하여 사용되는 예컨대 가솔린-암모니아, 천연가스-암모니아 등의 엔진을 의미하며, 혼소 엔진의 경우 기존 연료와 암모니아 액상 연료를 각각(Bi fuel) 또는 혼합(Dual)하여 사용되는 차량용 또는 선박용 엔진이 예시될 수 있고, 엔진은 오일엔진 또는 가스엔진일 수 있다. 오일엔진의 경우, 액상의 암모니아 연료는 연료탱크로부터 이송펌프에 의해 암모니아 공급관을 통해 엔진 연결부까지 액체 상태의 70 bar로 공급되며, 부스터 연료주입 밸브를 통하여 600-700 bar로 가압되어 실린더에 주입된다. 본원에서는 암모니아 연료공급관 부식 방지 시스템을 구현하는 것이므로 실시예에서 혼소 엔진 중 각각의 연료가 사용되는 엔진을 예시하되 암모니아 연료에 의해 구동되는 주기에 대하여 설명한다. 한편, 배기가스 저감장치로서 촉매환원장치(SCR)란 촉매를 이용하여 NOx를 제어하는 장치로 직접 NOx를 분해하는 방법(환원제 미사용)과 환원제 이용 촉매환원법이 있으나, 본원에서는 암모니아 흡착장치에서 회수되는 암모니아를 환원제로서 활용하는 환원제 이용 촉매환원장치를 의미한다.
암모니아 연료 추진 엔진이 미래형 엔진으로 평가되는 이유는 일반적으로 질소와 물을 발생시키는 암모니아 발열 연소는 다음의 반응에 의해 설명되고, 온실가스 배출 규제에 대응이 가능하기 때문이다.
4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O + Heat
그러나 암모니아는 구리, 구리 합금, 니켈 농도가 6% 이상인 합금 및 플라스틱에 부식성이 있으므로 연료 시스템에서의 부식 문제 특히 연료공급관 부식 문제가 대두된다.
도 1은 본 발명인 암모니아 연료 추진 엔진을 위한 연료 공급관 부식 방지 시스템의 구성도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명에 의한 암모니아 연료 추진 엔진을 위한 연료 공급관 부식 방지 시스템 (System, S)은, 엔진 (E); 상기 엔진에 연료로써 공급되는 제1연료가 저장되는 연료 저장탱크 (100); 및 상기 엔진에 대체 연료로서 암모니아 연료공급관 (L10)을 통해 공급되는 암모니아가 저장되는 암모니아 저장탱크 (200); 및 상기 엔진으로부터 배기가스가 배출되는 배기가스 배출라인 (L20) 상에 설치되어 배기가스 중에 포함된 질소산화물 (NOx)을 제거하는 촉매환원장치 (SCR); 를 포함하되, 상기 암모니아 연료공급관과 각각 연결되는 질소 저장탱크 (300) 및 암모니아 흡착장치 (400)를 더욱 포함하고, 상기 암모니아 흡착장치는 상기 배기가스 배출라인과 배기가스 공급관 (L21) 및 탈착암모니아 공급관 (L26)을 통해 연결될 수 있다.
상기 암모니아 연료공급관 (L10)과 질소 저장탱크 (300)는 질소 공급관 (L11)을 통해 연결되고 암모니아 연료공급관 (L10)과 암모니아 흡착장치 (400)는 잔류 암모니아 이송관 (L16)을 통해 연결된다.
물론 혼소 엔진이 예시된 시스템 (S)에는 연료로써 공급되는 제1연료, 예컨대 가솔린, 경유, 천연가스 등이 엔진으로 공급되는 제1 연료 공급관 및 밸브가 구비된다. 또한 암모니아 연료 공급관 (L10)에는 암모니아 및 질소의 공급을 조절하는 제어밸브(V11) 및 암모니아 연료공급관 내에 잔류하는 암모니아의 이송을 조절하는 제어밸브 (V16)가 각각 설치될 수 있고, 암모니아 연료 공급관 (L10) 상에는 암모니아를 엔진(E)에 적합한 온도로 조절하는 히터 (미도시)가 설치될 수 있다. 한편, 배기가스 공급관 (L21)에는 배기가스의 공급을 조절하는 제어밸브(V21)이 설치될 수 있고, 탈착 암모니아 공급관 (L26)에는 배기가스에 의해 흡착장치에서 탈착된 암모니아의 공급을 조절하는 제어밸브 (V26)가 설치될 수 있다. 또한, 도 1에 도시되지 않지만, 암모니아 흡착장치(400) 전단 및 후단에는 흡착장치 전단 및 후단의 온도 및 암모니아 농도를 검출할 수 있는 전단센서 및 후단센서가 각각 구비될 수 있다.
암모니아 흡착장치 (400)에는 암모니아 흡착제 예컨대 제올라이트가 내장되어 엔진 정지 시 암모니아 연료공급관에서 이송되는 암모니아를 흡착하며 흡착제의 형태는 펠렛 (pellet), 모노리스 (monolith) 등 흡착 조건에 맞춰 제작될 수 있다. 더불어, 암모니아 탈착 시에는 고온의 엔진 배기가스 중 일부를 이용해 흡착된 암모니아를 탈착시켜 흡착장치에서 별도 히터가 필요하지 않고 탈착된 암모니아는 SCR장치에서 환원제로 재활용되어 외부로 유출되지 않는다.
연료 저장탱크(100)에 저장되는 제1연료와 암모니아 저장탱크(200)에 저장되는 암모니아를 엔진(E)의 연료로써 사용할 수 있고, 이때 제1연료와 암모니아는 엔진(E)으로 선택적으로 공급되거나 또는 함께 공급될 수 있다. 즉, 본 발명에서 엔진(E)은, 연료 저장탱크(100)로부터 제1연료를 단독으로 공급받아 구동되거나, 암모니아 저장탱크(200)에 저장되는 암모니아 연료를 단독으로 공급받아 구동되거나, 또는 제1연료와 암모니아 연료를 함께 공급받아 혼합된 연료로 구동될 수 있으나, 설명을 간소화하기 위하여, 본 발명에 따른 암모니아 연료 추진 엔진을 위한 연료 공급관 부식 방지 시스템은, 암모니아 연료만을 엔진(E)의 연료로써 공급하는 암모니아 공급모드로 운전되는 경우를 예시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 연료로서 암모니아를 사용하는 엔진에서 발생되는 암모니아 연료공급관 부식 방지 제어 순서도로서, 도 2a는 본 발명의 암모니아 연료공급관 부식 방지 방법에서 암모니아 연료공급관에 잔류하는 암모니아 제거 순서도이고, 도 2b는 본 발명의 암모니아 연료공급관 부식 방지 방법에서 암모니아 흡착장치에 흡착된 암모니아를 탈착시켜 SCR에 공급하여 활용할 수 있는 암모니아 이용 순서도이다.
도 2a에 도시한 바와 같이, 암모니아 연료공급관에 잔류하는 암모니아 제거단계는,
엔진 정지 확인 단계 (S100);
암모니아 연료공급관 (L10)에 잔류하는 암모니아 연료 잔량을 암모니아 흡착장치 (400)로 퍼지 (purging) 및 퍼지 중단 단계 (S200); 를 포함한다.
우선, 엔진이 정지된 상태인지를 확인한다 (S100). 암모니아 연료 추진 엔진이 정지되면 엔진 (E)과 암모니아 연료 저장탱크 (200)를 연결하는 암모니아 연료공급관 (L10) 내에 상당량의 암모니아가 잔류하여 부식의 원인이 된다. 따라서 엔진이 정지하면, 제어밸브 (V11, V16)을 조절하여 비활성가스 예컨대 질소를 이용하여 암모니아 연료공급관 (L10) 내에 잔류하는 암모니아를 퍼징하여 잔류 암모니아 이송관 (L16)을 통해 암모니아 흡착장치 (400)로 이송한다. 구체적으로 밸브 (V11)를 조절하여 암모니아 연료 저장탱크 (200)로부터의 암모니아 연료 유입을 차단하고 밸브 (V16)를 조절하면서 질소 저장탱크 (300)에 채워진 질소를 암모니아 연료공급관 (L10) 및 잔류 암모니아 이송관 (L16)을 통해 유동시킴으로써 잔류 암모니아는 암모니아 흡착장치 (400)로 강제로 이송된다 (S201). 바람직하게는, 밸브들 (V11, V16)은 동시에 개폐될 수 있으나, 이에 국한되지 않고, V11 또는 V16이 먼저 개폐되고 이어 타 밸브의 개폐가 진행될 수 있다. 다음, 암모니아 흡착장치 (400)의 전단센서 (미도시)의 암모니아 농도를 검출하여 10ppm 이하이면 암모니아 연료공급관 (L10) 내에 잔류하는 암모니아는 전부 이송되어 암모니아 흡착장치 내의 흡착제 예컨대 제올라이트에 흡착된 상태라고 판단한다. 이어, 밸브 (V11)를 조절하여 질소 저장탱크 (300)로부터의 질소 유입을 차단하고 밸브 (V16)를 조절하여 암모니아 연료공급관 (L10) 및 잔류 암모니아 이송관 (L16)의 경로를 차단시킴으로써 (S202) 잔류 암모니아 제거 단계는 완료된다.
암모니아 흡착장치 (400) 내부에서 암모니아는 흡착제에 의해 흡착되고 엔진 가동 시 배출가스의 열을 활용하여 흡착된 암모니아를 탈착시켜 엔진 후단에 장착된 촉매환원장치(SCR)의 환원제로서 공급된다.
도 2b에 도시한 바와 같이, 상기 암모니아 활용 단계는,
엔진 시동 확인 단계 (S300);
배기가스 배출라인을 통과하는 배기가스를 암모니아 흡착장치로 바이패스 (bypass)시키고 탈착 암모니아를 촉매환원장치로 공급하는 단계 (S400);
배기가스의 바이패스 중단 단계 (S500)를 포함한다.
우선, 엔진 시동 상태인지를 확인한다 (S300). 흡착 암모니아는 엔진 배기가스의 열을 이용하여 탈착시킬 수 있다. 따라서 엔진이 작동하면, 제어밸브 (V21, V26)를 조절하여 고온의 배기가스를 이용하여 암모니아 흡착장치 (400) 내부에 흡착된 암모니아를 탈착시켜 SCR의 환원제로 활용한다. 구체적으로 밸브 (V21)를 개방하여 배기가스 중 일부를 암모니아 흡착장치 (400)로 유입시키고 동시에 밸브 (V26)을 개방하면서 탈착된 암모니아를 배기가스 배출라인 (L20)으로 공급함으로써 탈착 암모니아는 SCR로 공급될 수 있다. 바람직하게는, 밸브들 (V21, V26)은 동시에 개폐될 수 있으나, 이에 국한되지 않고, V21 또는 V26이 먼저 개폐되고 이어 타 밸브의 개폐가 진행될 수 있다. 다음, 암모니아 흡착장치 (400)의 후단센서 (미도시)의 암모니아 농도를 검출하여 10ppm 이하이면 흡착장치 (400) 내에 흡착된 암모니아는 전부 탈리되어 탈착 암모니아 공급관 (L26)을 통해 SCR로 공급된 상태라고 판단한다. 이어, 밸브 (V21)를 조절하여 배기가스의 바이패스를 차단하고 밸브 (V26)를 차단하여 SCR로의 탈착 암모니아 공급을 중단시킴으로써 탈착 암모니아 활용 단계를 완료된다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 따라서 본 발명의 범위는 하기 청구범위에 의하여 나타내며, 청구범위 의미 및 범위 그리고 그 균등개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (8)

  1. 암모니아 연료 추진 엔진의 연료 공급관 부식 방지 시스템으로서,
    엔진;
    상기 엔진에 연료로써 공급되는 제1연료가 저장되는 연료 저장탱크;
    상기 엔진에 암모니아 연료공급관을 통해 공급되는 연료로써 암모니아가 저장되는 암모니아 저장탱크; 및
    상기 엔진으로부터 배기가스가 배출되는 배기가스 배출라인 상에 설치되어 상기 배기가스 중에 포함된 질소산화물을 제거하는 촉매환원장치; 를 포함하되,
    상기 암모니아 연료공급관과 각각 연결되는 질소 저장탱크 및 암모니아 흡착장치를 더욱 포함하고, 상기 암모니아 흡착장치는 상기 배기가스 배출라인과 배기가스 공급관 및 탈착암모니아 공급관을 통해 연결되는, 부식 방지 시스템.
  2. 암모니아 연료 추진 엔진의 연료 공급관 부식 방지 시스템으로서,
    엔진;
    상기 엔진에 암모니아 연료공급관을 통해 공급되는 연료로써 암모니아가 저장되는 암모니아 저장탱크; 및
    상기 엔진으로부터 배기가스가 배출되는 배기가스 배출라인 상에 설치되어 상기 배기가스 중에 포함된 질소산화물을 제거하는 촉매환원장치; 를 포함하되,
    상기 암모니아 연료공급관과 각각 연결되는 질소 저장탱크 및 암모니아 흡착장치를 더욱 포함하고, 상기 암모니아 흡착장치는 상기 배기가스 배출라인과 배기가스 공급관 및 탈착암모니아 공급관을 통해 연결되는, 부식 방지 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 암모니아 흡착장치에는 펠렛 (pellet), 또는 모노리스 (monolith) 형태의 흡착제가 내장되는, 부식 방지 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 흡착제는 제올라이트인, 부식 방지 시스템.
  5. 암모니아 연료 추진 엔진의 연료 공급관 부식 방지 방법으로서,
    제1항에 의한 부식 방지 시스템의 암모니아 연료공급관에 잔류하는 암모니아 제거 단계 및 제거된 암모니아 이용 단계를 포함하는, 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 암모니아 제거단계는,
    엔진 정지 확인 단계 (S100);
    암모니아 연료공급관에 잔류하는 암모니아 연료를 암모니아 흡착장치로 퍼징 (purging) 단계 및 퍼징 중단 단계 (S200); 를 포함하는, 방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 암모니아 이용 단계는,
    엔진 시동 확인 단계 (S300);
    배기가스 배출라인을 통과하는 배기가스를 암모니아 흡착장치로 바이패스 (bypass)시키고 탈착 암모니아를 촉매환원장치로 공급하는 단계 (S400);
    배기가스의 바이패스 중단 단계 (S500)를 포함하는, 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 퍼징 단계는 질소 저장탱크에서 유입되는 질소에 의한 퍼징인, 방법.
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