KR102538534B1 - 선박의 암모니아 처리 시스템 - Google Patents

선박의 암모니아 처리 시스템 Download PDF

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Abstract

선박의 암모니아 처리 시스템이 개시된다. 본 실시 예에 따른 선박의 암모니아 처리 시스템은 암모니아 및 암모니아의 증발가스를 저장하는 적어도 하나의 저장 탱크와, 저장 탱크의 암모니아를 제1수요처의 연료로 공급하기 위한 제1공급라인과, 저장 탱크 내의 증발된 암모니아를 흡입하기 위한 흡입구와 고압의 작동유체를 흡입하기 위한 공급구와 출구를 포함하는 이젝터와, 이젝터로부터 분출되는 암모니아를 제2수요처의 연료로 공급하는 제2공급라인과, 제1공급라인과 제2공급라인을 연결하는 보조연결라인을 포함하고, 보조연결라인은 제1공급라인과 이젝터의 작동유체 공급구를 연결하는 제1보조연결라인과, 제1공급라인과 이젝터의 출구를 연결하는 제2보조연결라인을 포함한다.

Description

선박의 암모니아 처리 시스템{AMMONIA TREATMENT SYSTEM OF VESSEL}
본 발명은 선박의 암모니아 처리 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박에서 사용되는 암모니아를 처리하기 위한 시스템에 관한 것이다.
최근 전세계적으로 지구 온난화와 대기 오염을 줄이기 위해 화석 연료보다는 친환경적인 저탄소 연료를 대체 에너지로서 사용하고자 노력하고 있다. 이러한 노력에 발맞추어 국제해사기구(International Maritime Organization, IMO)는 선박으로부터 배출되는 온실 가스와 오염 물질에 대한 규제를 점진적으로 대폭 강화할 예정이다.
친환경 선박 분야에서는 암모니아를 각종 수요처의 에너지원으로 활용하고자 하는 개발이 이루어지고 있다. 하지만, 암모니아는 농도를 조절하지 않고 대기로 방출시키면 공기보다 무거운 클라우드를 형성하여 가라앉으며 적은 농도로도 인체에 노출될 경우 유해할 수 있기 때문에, 암모니아를 연료로 사용하는 선박은 암모니아를 저장하거나 허용 기준치 이하로 처리하기 위한 시스템을 갖출 필요가 있다.
한국 등록특허 제10-2111525호(2020.05.11)
본 발명의 실시 예는 선박에 사용되는 암모니아의 처리를 용이하게 할 수 있는 선박의 암모니아 처리 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일측면에 따르면, 암모니아 및 암모니아의 증발가스를 저장하는 적어도 하나의 저장 탱크와, 저장 탱크의 암모니아를 제1수요처의 연료로 공급하기 위한 제1공급라인과, 저장 탱크 내의 증발된 암모니아를 흡입하기 위한 흡입구와 고압의 작동유체를 흡입하기 위한 공급구와 출구를 포함하는 이젝터와, 이젝터로부터 분출되는 암모니아를 제2수요처의 연료로 공급하는 제2공급라인과, 제1공급라인과 제2공급라인을 연결하는 보조연결라인을 포함하고, 보조연결라인은 제1공급라인과 이젝터의 작동유체 공급구를 연결하는 제1보조연결라인과, 제1공급라인과 이젝터의 출구를 연결하는 제2보조연결라인을 포함하는 선박의 암모니아 처리 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1공급라인은 상기 저장탱크 내에 마련되는 저압 펌프와, 그 경로 상에 마련되는 고압 펌프와, 열교환기를 포함하고, 상기 제2공급라인은 경로 상에 상기 이젝터와 열교환기를 포함하며, 상기 제1보조연결라인과 제2보조연결라인의 각 일단은 상기 제1공급라인의 상기 고압 펌프와 상기 열교환기 사이에 연결될 수 있다.
또한, 상기 제2보조연결라인의 타단은 상기 제2공급라인의 상기 이젝터와 상기 열교환기 사이에 연결될 수 있다.
또한, 상기 제1보조연결라인은 제1밸브를 포함하고, 상기 제2보조연결라인은 제2밸브를 포함하며, 상기 제2밸브는 감압 밸브일 수 있다.
또한, 상기 이젝터에는 질소혼합라인이 더 연결될 수 있다.
또한, 상기 질소혼합라인은 상기 이젝터의 흡입 측에 연결되는 질소공급라인과, 상기 이젝터의 출구 측에 연결되는 배기라인을 포함하고, 상기 질소공급라인은 질소가 저장되어 있는 질소 저장탱크를 포함하며, 상기 배기라인은 상기 이젝터로부터 분출되는 질소와 암모니아의 혼합 유체를 수용하는 버퍼 탱크와, 벤트 마스트를 포함하고, 상기 질소는 상기 이젝터의 작동유체 공급구에 선택적으로 연결될 수 있다.
또한, 상기 이젝터의 출구는 상기 질소혼합라인의 배기라인과, 상기 제2공급라인으로 분기 마련되어 암모니아를 연료로 사용할 때는 상기 제2공급라인과 선택적으로 연결되고, 암모니아를 배출할 때는 상기 배기라인과 선택적으로 연결될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 선박의 암모니아 처리 시스템은 선박에서 발생하는 암모니아 증발가스를 이젝터를 통해 연료로 재사용하거나 또는 외부로 배출되는 암모니아 가스의 농도를 질소로 희석시켜 배출시킴으로써 독성 물질에 대한 안전성을 확보할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 선박의 암모니아 처리 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 선박의 암모니아 처리 시스템에서 암모니아를 처리하는 동작의 일례를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 선박의 암모니아 처리 시스템에서 암모니아를 처리하는 동작을 다른 일례를 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 선박의 암모니아 처리 시스템(100)을 도시한 것이다.
도면을 참조하면, 본 실시 예의 암모니아 처리 시스템(100)은 선박(1)에 마련되는 것으로, 암모니아 및 암모니아의 증발가스를 저장하는 하나 이상의 저장 탱크(110)와, 암모니아를 제1수요처(E1)의 연료로 공급하기 위한 제1공급라인(L1)과, 저장 탱크(110) 내의 증발된 암모니아를 분출하기 위한 이젝터(130)와, 이젝터(130)를 통과한 암모니아를 제2수요처(E2)의 연료로 공급하기 위한 제2공급라인(L2)과, 제1공급라인(L1)을 이젝터(130) 및 제2공급라인(L2)에 각각 연결하는 보조연결라인(L3)과, 이젝터(130)에 연결 마련되는 질소혼합라인(L4)을 포함한다.
저장 탱크(110)는 단열 상태를 유지하면서 암모니아를 액화 상태로 저장하는 탱크로서, C 타입 탱크, 멤브레인 타입 탱크 등일 수 있다. 저장 탱크(110)의 내부 압력은 저장된 매체에 따라 조금씩 달라질 수 있는데 예를 들어, 암모니아의 경우 대략 1bar 전후로 유지될 수 있다. 탱크(110)의 내부 온도는 암모니아가 액화 상태를 갖는 대략 -38℃도 정도로 유지될 수 있다.
저장 탱크(110)에는 펌프(P)가 마련되어 저장된 액화 상태의 암모니아를 펌핑하여 제1공급라인(L1)을 통해 외부로 배출하거나 또는 외부로부터 유입되는 열에 의해 탱크에서 기화된 암모니아 증발가스(BOG)를 이젝터(130)를 경유해서 제2공급라인(L2)을 통해 외부로 배출할 수 있다. 여기서, 암모니아의 외부 배출은 저장 탱크로부터의 배출을 의미하며, 암모니아의 최종 도달 위치는 다를 수 있다. 또한, 저장 탱크(110)에는 도시하지는 않았지만 기화된 기체의 팽창으로 인한 내부 압력 변화를 감지하기 위해 센서가 마련되어 있을 수 있다.
제1공급라인(L1)을 통해 배출되는 암모니아는 상대적으로 고압의 연료가스를 공급받아 출력을 발생시키는 제1수요처(E1)에 공급될 수 있으며, 제2공급라인(L2)을 통해 배출되는 암모니아는 상대적으로 중저압의 연료가스를 공급받아 출력을 발생시키는 제2수요처(E2)에 공급될 수 있다. 예를 들어, 제1수요처(E1)는 상대적으로 고압의 연료가스로 출력을 발생시킬 수 있는 ME-GI 엔진 또는 X-DF 엔진일 수 있고, 제2수요처(E2)는 상대적으로 중저압의 연료가스로 출력을 발생시킬 수 있는 DFDE 엔진 등일 수 있다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 개수의 엔진 및 다양한 종류의 엔진이 이용될 수도 있음은 물론이다.
제1공급라인(L1)은 고압 펌프(122)와 열교환기(124)를 경로 상에 포함할 수 있다. 고압 펌프(122)는 액화 상태의 암모니아를 압축 이송하여 추진 엔진과 같은 고압의 제1수요처(E1)에서 연료로 사용할 수 있도록 하며, 열교환기(124)는 해수나 청수 등을 이용하여 고압 상태의 암모니아를 기화시켜 제1수요처(E1)에 공급한다.
제2공급라인(L2)은 이젝터(130)와 열교환기(134)를 경로 상에 포함할 수 있다. 이젝터(130)는 베르누이 정리에 기반하여 고압의 유체(작동유체)가 지닌 압력 에너지를 이용하여 흡입 유체를 빨아들여 이송하는 장치로, 본 실시 예의 이젝터(130)는 저장 탱크(110)에서 기화된 암모니아 증발가스가 흡입되는 유체 흡입구와, 작동유체가 공급되는 유체 공급구를 포함한다. 유체 공급구에는 제1공급라인(L1)의 고압 펌프(122)를 통해 가압된 액화 상태의 암모니아가 공급될 수 있다. 따라서, 이젝터(130)의 출구측에서는 액화 암모니아와 암모니아 증발가스가 혼합된 암모니아 혼합 유체가 배출되며, 이때 암모니아 혼합 유체의 압력은 제1공급라인(L1)의 압력 보다 상대적으로 낮아진다. 이젝터(130)의 후단에 연결되는 열교환기(134)는 해수나 청수 등을 이용하여 이젝터(130)를 통과한 암모니아 혼합 유체를 기화시켜 제2수요처(E2)에 공급한다.
보조연결라인(L3)은 제1공급라인(L1)의 고압 펌프(122) 출구측과 열교환기(124) 사이에서 분기되어 이젝터(130)의 유체 공급구에 연결되는 제1보조연결라인(L3-1)과, 제1공급라인(L1)의 고압 펌프(122) 출구측과 열교환기(124) 사이에서 분기되어 제2공급라인(L2) 구체적으로는 이젝터(130)와 열교환기(134) 사이에 연결되는 제2보조연결라인(L3-2)을 포함할 수 있다.
제1보조연결라인(L3-1)과 제2보조연결라인(L3-2)에는 각각 제1밸브(142)와, 제2밸브(144)가 마련된다. 제1밸브(142)와 제2밸브(144)는 전기적으로 개폐 제어되는 솔레노이드 밸브와 같은 전자식 밸브이며, 특히 제2밸브(144)는 개방 시 통과하는 매체의 압력을 낮추는 감압 밸브의 기능을 포함할 수 있다.
한편, 질소혼합라인(L4)은 이젝터(130)의 작동 유체로서 질소를 공급하는 질소공급라인(L4-1)과, 이젝터(130)로부터 배출되는 질소와 암모니아의 혼합 유체를 배출하기 위한 배기라인(L4-2)을 포함할 수 있다.
질소공급라인(L4-1)은 질소를 저장하고 있는 질소 저장탱크(152)를 포함할 수 있으며, 질소 저장탱크(152)는 미도시된 질소 발생기와 연결될 수 있다. 질소 저장탱크(152)의 전단과 후단에는 각각 질소 주입 제어용 밸브(151)과 질소 배출 제어용 밸브(153)가 마련될 수 있다.
배기라인(L4-2)은 이젝터(130)로부터 배출되는 암모니아와 질소의 혼합 유체를 수용하기 위한 버퍼 탱크(154)를 포함할 수 있다. 버퍼 탱크(154)에는 혼합 유체의 농도를 체크하기 위한 센서(155)가 마련되어, 암모니아와 질소를 혼합한 암모니아의 희석 농도가 기준치를 만족하면 배기밸브(156)를 개방하고 벤트 마스트(Vent Mast)(158)를 통해 대기로 배출한다. 배기밸브(156)와 벤트 마스트(158) 사이의 미설명된 참조 부호 157는 배출되는 암모니아의 농도가 기준치를 초과할 때를 감지하기 위한 부재이다. 자세히 도시하지 않았지만, 암모니아의 희석 농도를 감지하는 센서(155)는 측정된 암모니아와 질소 혼합물의 암모니아 농도가 배출허용기준을 만족하지 못하는 경우, 질소가 더 투입되도록 질소공급라인(L4-1)에 마련된 밸브(153)의 개방 정도를 조절할 수 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이 본 실시 예에 따르면 이젝터(130)의 흡입구에는 암모니아 증발가스만 흡입되지만, 이젝터(130)의 작동 유체 공급구에는 제1보조연결라인(L3-1)을 통해 암모니아가 공급되거나 질소공급라인(L4-1)을 통해 질소가 선택적으로 공급될 수 있다. 이를 위해, 제1보조연결라인(L3-1)과 질소공급라인(L4-1)에는 개폐를 조절하기 위한 밸브(133, 153)가 각각 마련되어 있다. 또한, 이젝터(130)의 출구 측에도 이젝터로부터 배출되는 암모니아와 암모니아 증발가스의 혼합 유체를 배출하기 위한 제2공급라인(L2)과, 암모니아와 질소의 혼합 유체를 배출하기 위한 배기라인(L4-2)이 선택적으로 연결될 수 있다. 이를 위해, 제2공급라인(L2)과 배기라인(L4-2)에는 개폐를 조절하기 위한 밸브(V1, V2)가 각각 마련되어 있다.
그러면, 상기와 같이 마련되는 선박의 암모니아 처리 시스템의 동작에 대해 살펴보기로 한다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이 선박은 예를 들어 운항 시 저장 탱크(110)의 암모니아 및 암모니아 증발가스를 선박의 연료로 사용할 수 있다. 구체적으로, 저장 탱크(110) 내의 액화 상태의 암모니아는 제1공급라인(L1)의 고압 펌프(122)를 통해 가압되고 열교환기(124)를 통해 기화된 후 추진 엔진과 같은 제1수요처(E1)에 연료로 공급되거나, 또는 제1공급라인(L1)의 고압 펌프(122)로부터 제2보조연결라인(L3-2)의 제2밸브(144)를 통해 감압되고 제2공급라인(L2)의 열교환기(134)를 통해 기화된 후 발전용 엔진, 보일러 등과 같은 제2수요처(E2)에 연료로 공급될 수 있다.
또 저장 탱크(110) 내에서 기화된 암모니아 증발가스에 의해 탱크 압력이 높아진 경우, 이젝터(130)는 제1보조연결라인(L3-1)의 개방된 제1밸브(142)를 통해 제1공급라인(L1)의 고압 펌프(122)로부터 고압의 암모니아 유체를 작동유체로서 공급구에 공급받는 동시에, 암모니아 증발가스를 흡입구를 통해 흡입한다. 따라서, 이젝터(130)로부터 분출되는 암모니아 혼합 유체(암모니아 증발가스(BOG)와 고압의 액화 암모니아의 혼합 유체)는 적절히 감압되며 열교환기(134)를 통해 기화된 후 제2수요처(E2)에 연료로서 공급될 수 있다. 이와 같이, 본 실시 예는 암모니아 증발가스를 처리할 때 이젝터(130)를 이용하고, 이때 이젝터(130)에는 제1공급라인(L1)의 고압의 암모니아 유체가 공급되기 때문에, 연료 수요처에서 요구되는 압력을 맞추기 위해 별도의 압축기 등을 설치할 필요가 없다. 또한, 도시하지는 않았지만, 제2공급라인(L2)의 이젝터(130)와 열교환기(134) 사이에는 감압 밸브가 마련될 수도 있다.
한편, 도 3에 도시한 바와 같이 선박은 저장 탱크의 로딩 시 또는 선박의 제2수요처(E2) 미가동 시, 저장 탱크(110)의 기화된 암모니아 증발가스를 희석하여 대기 중으로 배출할 수 있다. 이 때, 배출되는 암모니아 배기 가스의 농도는 소정의 허용 기준값 이하로 희석된 것으로 가정한다. 암모니아 배기를 위해, 이젝터(130)는 작동유체 공급구를 통해 질소공급라인(L4-1)의 질소 저장탱크(152)로부터 질소를 공급받는 동시에, 흡입구를 통해 암모니아 증발가스를 흡입한다. 따라서, 이젝터(130)로부터 분출되는 암모니아 혼합 유체(암모니아 증발가스(BOG)와 질소의 혼합 유체)는 배기라인(L4-2)의 범퍼 탱크(154) 내에 수용된 후, 탱크 내 희석 농도가 기준치를 만족하면 개방되는 배기밸브(156)와 벤트 마스트(158)를 통해 외부로 배출된다.
이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상기한 실시 예에만 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.
110..저장 탱크 122..고압 펌프
124, 134..열교환기 130..이젝터
152..질소 저장탱크 154..버퍼 탱크
L1..제1공급라인 L2..제2공급라인
L3..보조연결라인 L3-1..제1보조연결라인
L3-2..제2보조연결라인 L4..질소혼합라인
L4-1..질소공급라인 L4-2..배기라인

Claims (7)

  1. 암모니아 및 암모니아의 증발가스를 저장하는 적어도 하나의 저장 탱크와,
    상기 저장 탱크의 암모니아를 제1수요처의 연료로 공급하기 위한 제1공급라인과,
    상기 저장 탱크 내의 증발된 암모니아를 흡입하기 위한 흡입구와, 고압의 작동유체를 흡입하기 위한 공급구와, 출구를 포함하는 이젝터와,
    상기 이젝터로부터 분출되는 암모니아를 제2수요처의 연료로 공급하는 제2공급라인과,
    상기 제1공급라인과 제2공급라인을 연결하는 보조연결라인을 포함하고,
    상기 보조연결라인은 상기 제1공급라인과 상기 이젝터의 작동유체 공급구를 연결하는 제1보조연결라인과, 상기 제1공급라인과 상기 이젝터의 출구를 연결하는 제2보조연결라인을 포함하고,
    상기 이젝터에는 질소혼합라인이 더 연결되고,
    상기 질소혼합라인은 상기 이젝터의 흡입 측에 연결되는 질소공급라인과, 상기 이젝터의 출구 측에 연결되는 배기라인을 포함하고,
    상기 질소공급라인은 질소가 저장되어 있는 질소 저장탱크를 포함하며,
    상기 배기라인은 상기 이젝터로부터 분출되는 질소와 암모니아의 혼합 유체를 수용하는 버퍼 탱크와, 벤트 마스트를 포함하고,
    상기 질소는 상기 이젝터의 작동유체 공급구에 선택적으로 연결되는 선박의 암모니아 처리 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1공급라인은 상기 저장탱크 내에 마련되는 저압 펌프와, 그 경로 상에 마련되는 고압 펌프와, 열교환기를 포함하고,
    상기 제2공급라인은 경로 상에 상기 이젝터와 열교환기를 포함하며,
    상기 제1보조연결라인과 제2보조연결라인의 각 일단은 상기 제1공급라인의 상기 고압 펌프와 상기 열교환기 사이에 연결되는 선박의 암모니아 처리 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2보조연결라인의 타단은 상기 제2공급라인의 상기 이젝터와 상기 열교환기 사이에 연결되는 선박의 암모니아 처리 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1보조연결라인은 제1밸브를 포함하고,
    상기 제2보조연결라인은 제2밸브를 포함하며,
    상기 제2밸브는 감압 밸브인 선박의 암모니아 처리 시스템.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이젝터의 출구는 상기 질소혼합라인의 배기라인과, 상기 제2공급라인으로 분기 마련되어 암모니아를 연료로 사용할 때는 상기 제2공급라인과 선택적으로 연결되고, 암모니아를 배출할 때는 상기 배기라인과 선택적으로 연결되는 선박의 암모니아 처리 시스템.
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