KR102559320B1 - 우레아 저장탱크 온도 제어시스템 - Google Patents

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Abstract

우레아 저장탱크 온도 제어시스템이 개시된다. 본 발명은 선박의 배기가스 중에 포함된 질소산화물 저감 장치로써 구비되는 SCR 시스템에 공급되는 우레아(urea)가 저장되는 우레아 저장탱크의 온도를 일정하게 유지하는 것을 목적으로 함에 있어서, 우레아 저장탱크와의 사이에 빈 공간이 형성되도록 우레아 저장탱크를 둘러싸는 코퍼댐(cofferdam)을 설치하고, 코퍼댐 내부의 유체의 온도를 조절함으로써 우레아 저장탱크의 온도 제어가 가능하다.

Description

우레아 저장탱크 온도 제어시스템 {Urea Storage Tank Temperature Control System}
본 발명은 선박의 배기가스 중에 포함된 질소산화물 저감 장치로써 구비되는 SCR 시스템에 공급되는 우레아를 저장함에 있어서, 우레아가 항시 일정한 온도를 유지할 수 있도록 우레아 저장탱크 온도를 제어하는 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 선박에 설치되는 각종 엔진은 화석연료를 연소하여 동력을 생성한다. 이때 연료의 연소 과정에서 발생하는 배기가스는 황산화물(SOx), 질소산화물(NOx), 미세분진(PM) 등의 유해물질을 포함하고 있으며, 이러한 배기가스를 그대로 배출할 경우 대기오염을 초래할 수 있다.
선박의 배기가스에 포함되어 있는 황산화물 및 질소산화물은 국제해사기구(IMO: International Maritime Organization)에 의해 배출규제를 받고 있는 대표적인 대기오염물질이다.
최근 전세계적으로 선박의 환경 규제가 강화됨에 따라, 2016년에 발효된 TIER Ⅲ에서는 질소산화물의 배출을 2.3g/KWh 이하로 규제하고 있으며, 황산화물의 경우에도 2020년부터 전세계 해역에 대하여 선박 연료유의 SOx 함유량을 3.5%에서 0.5%로 제한하는 규제가 시행된다.
질소산화물의 저감을 위한 대표적인 장치로는, 선택적 환원 촉매(Selective Catalytic Reduction, 이하 'SCR') 시스템을 들 수 있다.
SCR 시스템은 환원제와 혼합된 배기가스를 SCR 반응기에 설치된 촉매층으로 통과시켜, 질소산화물을 인체에 무해한 물(H2O)과 질소(N2)로 환원시킨다.
이때 환원제로는 암모니아(NH3)가 사용되지만, 암모니아는 부식성과 안전성 문제 등으로 보관과 보급이 용이하지 않기 때문에, 통상적으로 암모니아의 전구체인 우레아(urea, CO(NH2)2)가 사용된다. 우레아는 열분해 또는 가수분해에 의해 암모니아로 변환된다.
한편, SCR 반응기가 엔진 과급기(Turbo Charger)의 전단에 설치되는 고압 SCR(HP SCR) 시스템의 경우에는, SCR 반응기로 유입되는 배기가스의 높은 온도를 이용하여 우레아가 암모니아로 변환될 수 있으므로, 우레아를 수용액 형태로 배기가스 중에 바로 분사하는 것이 가능하다.
반면, SCR 반응기가 엔진 과급기의 후단에 설치되는 저압 SCR(LP SCR) 시스템의 경우에는, SCR 반응기로 유입되는 배기가스가 과급기를 거치면서 온도가 저하되기 때문에 우레아를 배기가스 중에 바로 분사하는 것이 불가능하다. 이에 우레아를 미리 암모니아로 분해한 후 배기가스 중에 분사하는 방식을 이용한다.
따라서 SCR 시스템은 질소산화물을 저감시키기 위한 환원제로 우레아를 수용액 형태로 배기가스 중에 직접 분사하거나, 우레아 수용액을 열분해 또는 가수분해시켜 생성된 암모니아를 배기가스에 분사하고 있다.
이처럼 엔진 배기가스의 정화를 위한 환원제(암모니아)를 생성하는 용도로 사용되는 우레아를 공급하는 장치는, SCR 시스템에서 가장 중요한 장치 중 하나라고 할 수 있다.
우레아를 SCR 시스템에 안정적으로 공급하기 위해서는, 수용액 형태로 우레아가 저장되는 저장탱크를 일정한 온도로 유지시킬 필요성이 있다.
우레아의 저장과 취급에 관한 지침은 ISO 18611에 따른다.
ISO 18611-3 4.2.1에 따르면, 우레아는 1℃ 이하에서는 결정화가 일어나므로, 우레아의 저장온도는 반드시 1℃ 이상으로 유지되어야 한다.
또한, ISO 18611-3 4.2.2에 따르면, 우레아는 0 내지 25℃에서 저장되는 것이 가장 바람직하며, 그 이상의 온도에서 저장되는 경우 저장수명이 점점 줄어들게 된다. 구체적으로는 0 내지 25℃에서 저장시 우레아의 최소 저장수명(shelf life)이 18개월, 30℃ 이하에서는 12개월, 35℃ 이하에서는 6개월이며, 35℃ 이상에서 저장하는 경우에는 저장수명에 심각한 손실이 발생할 수 있다고 되어 있다. 이는 우레아가 35℃ 이상으로 가열되면 층분리가 발생하여 제대로 된 역할을 하지 못하기 때문이다.
따라서 SCR 시스템에 공급되기 위한 우레아를 저장하는 저장탱크는, 1 내지 35℃의 온도를 항시 유지해야 하고, 바람직하게는 1 내지 25℃의 온도로 유지되는 것이 가장 좋다.
우레아 저장탱크의 온도를 제어하기 위한 종래기술로서, 선박에서 사용되는 냉각수를 이용하여 우레아 저장탱크를 냉각시키는 기술이 개시된 바 있다.
그러나 통상 선박의 냉각수는 해수(최대 32℃)를 이용한 것으로서, 약 36℃ 내외로 유지되며 선박의 각종 장비를 냉각시키는 용도로 사용된다.
약 36℃의 냉각수는 온도가 낮은 겨울철이나 극지방에서는 가열용으로 사용될 수 있을지 몰라도, 여름철이나 냉각이 필요한 상황에서는 사용될 수 없으며, 따라서 우레아 저장탱크의 냉각을 위해서는 별도의 냉각 장치가 구비되어야 하는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 선박의 배기가스 중에 포함된 질소산화물 저감 장치로써 구비되는 SCR 시스템에 공급되는 우레아를 저장함에 있어서, 우레아가 항시 일정한 온도를 유지할 수 있도록, 우레아 저장탱크의 온도를 최적으로 제어하는 우레아 저장탱크 온도 제어시스템을 제공하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 내부에 우레아가 저장되는 우레아 저장탱크; 상기 우레아 저장탱크와의 사이에 빈 공간이 형성되도록 상기 우레아 저장탱크의 외부에 설치되는 코퍼댐; 상기 코퍼댐 내부의 공기 일부가 분기되어 순환되는 공기순환통로; 및 상기 공기순환통로 상에 설치되며, 상기 코퍼댐으로부터 상기 공기순환통로로 유입된 공기를 가열 또는 냉각한 후 상기 코퍼댐으로 리턴시키는 온도조절장치를 포함하고, 상기 코퍼댐 내부의 공기의 온도를 조절함으로써 상기 우레아 저장탱크의 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는, 우레아 저장탱크 온도 제어시스템을 제공한다.
상기 온도조절장치는, 상기 코퍼댐으로부터 상기 공기순환통로로 유입된 공기가, 상기 공기순환통로를 순환한 후, 다시 상기 코퍼댐 내측으로 리턴될 수 있도록 송풍하는 팬; 내부에 고온의 스팀이 흐르는 열교환부를 포함하여, 상기 공기순환통로를 순환하는 공기를 가열하는 가열유닛; 및 냉동 사이클에 의해 압축 및 냉각된 냉매를 증발시키는 증발기를 포함하여, 상기 공기순환통로를 순환하는 공기를 냉각하는 냉각유닛을 포함하고, 상기 가열유닛과 상기 냉각유닛은 선택적으로 운전될 수 있다.
상기 온도조절장치는, 외기가 유입되는 외기유입부를 더 포함할 수 있다.
상기 가열유닛에 의해 상기 공기순환통로를 순환하는 공기를 가열하여 상기 우레아 저장탱크의 온도 제어를 수행하는 가열모드; 상기 냉각유닛에 의해 상기 공기순환통로를 순환하는 공기를 냉각하여 상기 우레아 저장탱크의 온도 제어를 수행하는 냉각모드; 상기 외기유입부를 통해 유입되는 외기를 상기 코퍼댐으로 순환시켜 상기 우레아 저장탱크의 온도 제어를 수행하는 외기순환모드; 및 상기 코퍼댐 내부의 공기를 체류시키는 비순환모드; 중 어느 하나로 운전될 수 있다.
상기 코퍼댐과 및 상기 공기순환통로의 외측에는 단열재가 설치될 수 있다.
상기 열교환부에는 다수의 방열핀이 설치되고, 상기 증발기에는 다수의 냉각핀이 설치될 수 있다.
본 발명은 상기 코퍼댐으로부터 상기 공기순환통로로 공기가 유입되는 순환공기유입부에 설치되는 제1 댐퍼; 상기 외기유입부에 설치되는 제2 댐퍼; 및 상기 공기순환통로로부터 상기 코퍼댐으로 순환공기가 리턴되는 순환공기리턴부에 설치되는 제3 댐퍼를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 코퍼댐 내부의 공기의 부피 변화를 보상하기 위해, 공기의 유출입이 가능하도록 코퍼댐에 마련되는 공기유출입부; 및 상기 공기유출입부에 설치되는 제4 댐퍼를 더 포함할 수 있다.
상기 가열모드 및 상기 냉각모드에서는 상기 제1 댐퍼 및 상기 제3 댐퍼를 개방하되 상기 제2 댐퍼는 차단하고, 상기 외기순환모드에서는 상기 제1 내지 제3 댐퍼를 모두 개방하며, 상기 비순환모드에서는 상기 제1 댐퍼 및 상기 제 3 댐퍼를 차단할 수 있다.
본 발명은 상기 순환공기유입부에 설치되는 제1 온도센서; 상기 외기유입부에 설치되는 제2 온도센서; 상기 온도조절장치 내부에서 상기 가열유닛 및 상기 냉각유닛의 전단에 설치되는 제3 온도센서; 상기 순환공기 리턴부에 설치되는 제4 온도센서; 및 상기 우레아 저장탱크 내부에 설치되는 제5 온도센서를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 선박의 배기가스 중에 포함된 질소산화물 저감 장치로써 구비되는 SCR 시스템에 공급되는 우레아(urea)가 저장되는 우레아 저장탱크의 온도 제어시스템에 있어서, 기 우레아 저장탱크와의 사이에 빈 공간이 형성되도록 우레아 저장탱크를 둘러싸는 코퍼댐(cofferdam)을 설치하고, 상기 코퍼댐 내부의 유체의 온도를 조절함으로써 상기 우레아 저장탱크의 온도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기 코퍼댐 내부의 유체의 온도 조절은, 상기 코퍼댐 내부의 유체 일부를 상기 코퍼댐으로 분기된 유체순환통로로 순환시키는 과정에서, 상기 유체순환통로 상에 설치된 온도조절장치에 의해 가열 또는 냉각되는 것에 의해 이루어지거나, 또는 상기 코퍼댐에 외기를 순환시키는 것에 의해 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 온도조절장치의 내부에는, 상기 유체순환통로를 순환하는 유체를 가열하는 가열유닛과, 상기 유체순환통로를 순환하는 유체를 냉각하는 냉각유닛이 설치되고, 상기 가열유닛과 상기 냉각유닛은 선택적으로 운전되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 선박의 배기가스 중에 포함된 질소산화물 저감 장치로써 구비되는 SCR 시스템의 운전에 필수적인 우레아 수용액의 저장온도를 일정한 온도로 유지하는 것이 가능하다.
따라서 본 발명은, 고온(35℃ 이상)으로 인해 우레아의 저장수명이 저하되는 것을 방지함은 물론, 저온(1℃ 이하)으로 인해 우레아가 결정화되는 현상을 방지함으로써, 우레아의 잦은 벙커링(bunkering)을 방지하고, 우레아의 농도가 지속적으로 유지된 상태에서 오랜 기간동안 보관이 가능하다.
또한, 본 발명은 필요한 경우에만 순환공기의 가열 또는 냉각을 수행하고, 나머지는 외기를 사용하여 우레아 저장탱크의 온도 제어를 수행하므로, 시스템의 운전 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 온도조절장치에 구비되는 가열유닛 및 냉각유닛이 고장 등에 의해 사용불능이 되더라도, 코퍼댐의 단열구조에 의해 우레아 저장탱크의 온도가 오랫동안 유지될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 우레아 저장탱크 온도 제어시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명은 선박의 배기가스 중에 포함된 질소산화물 저감 장치로써 구비되는 SCR 시스템에 공급되는 우레아(urea)가 저장되는 우레아 저장탱크의 온도를 일정하게 유지하는 것을 목적으로 함에 있어서, 우레아 저장탱크와의 사이에 빈 공간이 형성되도록 우레아 저장탱크를 둘러싸는 코퍼댐(cofferdam)을 설치하고, 코퍼댐 내부의 유체의 온도를 조절함에 따라 결과적으로 우레아 저장탱크의 온도가 제어될 수 있도록 구현된다.
이와 같은 구현을 위해 제안된 본 발명에 따른 우레아 저장탱크 온도 제어시스템이 도 1에 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 우레아 저장탱크 온도 제어시스템은, 내부에 수용액 상태의 우레아가 저장되는 우레아 저장탱크(100); 우레아 저장탱크(200)의 외부에 설치되는 코퍼댐(200); 코퍼댐(200) 내부의 공기 일부가 분기되어 순환되는 공기순환통로(210); 공기순환통로(210) 상에 설치되어 코퍼댐(200)으로부터 공기순환통로(210)로 유입된 공기를 가열 또는 냉각하는 온도조절장치(300);를 포함한다.
우레아 저장탱크(100)는 SUS316 계열의 스테인리스강 재질로 제작되거나, 우레아의 저장에 적합하도록 내부가 도장(coating)된 저장탱크로 마련될 수 있다.
코퍼댐(200)은 우레아 저장탱크(100)와의 사이에 빈 공간이 형성되도록 우레아 저장탱크를 둘러싸도록 마련되는 구조물로서, 우레아 저장탱크(100)를 외부의 충격으로부터 보호하고, 외부의 열이 우레아 저장탱크(100)로 전달되는 것을 방지하는 역할을 한다.
이를 위해 코퍼댐(200)의 외측에는 단열재가 설치되어, 코퍼댐(200) 내부의 공기의 열손실을 최소화할 수 있다. 단열재는 글라스울(glass wool) 또는 폴리우레탄폼(PUF) 등으로 이루어질 수 있다.
코퍼댐(200) 내부의 빈 공간에는 유체(공기)가 존재하게 되는데, 본 발명은 코퍼댐(200) 내부의 유체의 온도를 조절하는 것에 의해 우레아 저장탱크(100)의 온도 제어가 가능하도록 구현된다. 본 실시예에서는 코퍼댐(200) 내부의 빈 공간에 채워지는 유체로 공기를 예로 들어 설명하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명에서 코퍼댐(200) 내부의 공기의 온도 조절은, 코퍼댐(200) 내부의 공기 일부가 분기되어 순환하는 공기순환통로(210) 상에 설치되는 온도조절장치(300)에 의해 이루어질 수 있다.
공기순환통로(210)는 에어 덕트(air duct) 형태로 마련되며, 코퍼댐(200)의 일측과 연통되어 코퍼댐(200) 내부의 공기 일부를 공급받는다. 공기순환통로(210)로 유입된 공기는 코퍼댐(200)의 외측으로 연장된 공기순환통로(210)가 형성하는 경로를 따라 순환하며, 후술하는 온도조절장치(300)에 의해 온도가 조절된 후, 다시 코퍼댐(200)의 내측으로 리턴될 수 있다.
코퍼댐(200)으로부터 공기순환통로(210)로 순환공기가 유입되는 순환공기유입부(211) 상에는 제1 댐퍼(D1)가 설치될 수 있으며, 공기순환통로(210)로부터 코퍼댐(200)으로 순환공기가 리턴되는 순환공기리턴부(212) 상에는 제3 댐퍼(D3)가 설치되어, 각각의 위치에서 공기의 흐름을 조절할 수 있다.
공기순환통로(210)의 외측에도 글라스울 또는 폴리우레탄폼 등으로 이루어진 단열재가 설치되어, 공기순환통로(210) 내부를 순환하는 공기의 열손실을 최소화할 수 있다.
온도조절장치(300)는 공기순환통로(210) 상에 설치되어, 공기순환통로(210)로 유입된 순환공기를 전달받아, 이를 가열 또는 냉각함으로써 온도를 조절하는 장치이다.
온도조절장치(300)는 내부가 다수개의 섹션(section)으로 구획되고, 각 섹션에 팬(fan, 310), 가열유닛(heating unit, 320) 및 냉각유닛(cooling unit, 330)이 설치될 수 있다.
팬(310)은 코퍼댐(200)으로부터 유입된 공기가 공기순환통로(210)를 순환한 후 다시 코퍼댐(200) 내측으로 리턴될 수 있도록 송풍한다.
가열유닛(320)은, 온도조절장치(300)의 내부에 배치되는 열교환부(321)를 포함하고, 라디에이터(radiator) 형태의 열교환부(321)에 스팀(steam)을 흐르게 하여, 온도조절장치(300) 내부로 유입된 순환공기를 가열시킨다. 이때 열전달 효과를 높이기 위해 열교환부(321)에는 다수의 방열핀(radiation fin)이 설치될 수 있다.
가열유닛(320)은, 열교환부(321)에 고온의 스팀을 공급하는 스팀공급라인(SL)과, 열교환부(321)에서 외부(온도조절장치의 내부)의 순환공기와의 열교환에 의해 응축된 응축수를 배출하는 응축수배출라인(CL)을 더 포함한다. 스팀공급라인(SL)에는 열교환부(321)로 공급되는 스팀의 양을 조절하는 스팀조절밸브(SV)가 설치될 수 있다.
냉각유닛(330)은, 온도조절장치(300)의 내부에 배치되는 증발기(evaporator, 331)를 포함하는 냉매순환라인(RL)과, 냉매순환라인(RL) 상에 설치되는 압축기(compressor, 332), 응축기(condenser, 333) 및 팽창밸브(expansion valve, EV)를 포함한다.
냉각유닛(330)은 일반적으로 잘 알려진 냉동 사이클을 이용하는 것으로서, '증발→압축→응축→팽창'의 네 가지 행정으로 이루어지며, 냉매순환라인(RL)을 순환하는 냉매(冷媒)는 액체에서 기체로, 기체에서 액체로 상태 변화를 반복하면서 순환하게 된다.
증발기(331)는 압축/냉각된 냉매를 증발시켜 증발열을 주위로부터 흡수함으로써 온도조절장치(300) 내부로 유입된 순환공기를 냉각시킨다. 이때 열전달 효과를 높이기 위해 증발기(331)에는 다수의 냉각핀(cooling fin)이 설치될 수 있다.
증발기(331)에서 증발이 완료된 기체 상태의 냉매는, 압축기(332)로 회수되어 고압의 기체로 압축되고, 응축기(333)에서 액체로 상변화된 후, 팽창밸브(EV)에 의해 감압되어 증발하기 쉬운 상태가 되며, 다시 증발기(331) 측으로 순환하여 외부(온도조절장치의 내부)의 순환공기와 열교환될 수 있다.
상술한 바와 같이 온도조절장치(300)의 내부에 구획을 나누어 설치되는 가열유닛(320)과 냉각유닛(330)은 선택적으로 운전되어, 온도조절장치(330) 내부로 유입된 순환공기의 가열 또는 냉각이 선택적으로 이루어지게 할 수 있다.
온도조절장치(300)의 가열 또는 냉각에 의해 온도가 조절된 순환공기는, 순환공기통로(210)를 따라 코퍼댐(200)의 내측으로 리턴될 수 있으며, 온도가 조절된 순환공기에 의해 코퍼댐(200)의 내부온도가 조절될 수 있다. 따라서 결과적으로는 코퍼댐(200) 내부에 배치되는 우레아 저장탱크(100)의 온도를 일정하게 유지시키는 것이 가능하다.
한편, 온도조절장치(300)는 코퍼댐(200)으로부터 유입되는 공기 외에 외기(外氣)를 공급받을 수도 있으며, 외기가 유입되는 외기유입부(301) 상에는 제2 댐퍼(D2)가 설치될 수 있다. 온도조절장치(300)는 순환되는 공기를 보충할 필요가 있거나, 또는 온도조건에 따라 순환되는 공기의 가열 또는 냉각이 필요하지 않은 경우, 제2 댐퍼(D2)를 개방하여 외기를 코퍼댐(200) 내부로 순환시킬 수 있다.
또한, 코퍼댐(200)에는 순환되는 공기의 수축/팽창 또는 외기의 유입에 따른 공기의 부피 변화를 보상하기 위해, 공기가 유출입할 수 있는 공기유출입부(201)가 마련될 수 있다. 공기유출입구(201)에는 제4 댐퍼(D4)가 설치되어 공기의 유출입을 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 우레아 저장탱크 온도 제어시스템은, 공기순환통로(210)의 순환공기유입부(211)에 설치되는 제1 온도센서(TT1), 온도조절장치(300)의 외기유입부(301)에 설치되는 제2 온도센서(TT2), 온도조절장치(300)의 내부에는 설치되는 제3 온도센서(TT3), 공기순환통로(210)의 순환공기 리턴부(212)에 설치되는 제4 온도센서(TT4), 우레아 저장탱크(100)의 내부에 설치되는 제5 온도센서(TT5)를 포함할 수 있다.
제1 온도센서(TT1)는 코퍼댐(200)으로부터 공기순환통로(210)로 유입되는 공기의 온도를 측정하고, 제2 온도센서(TT2)는 외부로부터 온도조절장치(300)로 유입되는 외기의 온도를 측정하고, 제3 온도센서(TT3)는 코퍼댐(200)으로부터 유입된 공기와 외기가 혼합된 공기(제2 댐퍼가 차단된 경우에는 코퍼댐으로부터 유입된 공기만)의 온도를 측정하고, 제4 온도센서(TT4)는 온도조절장치(300)에 의해 온도가 조절된 순환공기의 온도를 측정하며, 제5 온도센서(TT5)는 우레아 저장탱크(100) 내부에 저장되는 우레아 수용액의 온도를 측정한다.
또한, 공기순환통로(210) 상에는 순환되는 공기의 양을 측정하는 유량계(FT)가 설치될 수 있다.
우레아 저장탱크(100)는 제5 온도센서(TT1 ~ TT5)에 의해 실시간으로 또는 주기적으로 온도 측정이 이루어질 수 있으며, 우레아 저장탱크(100)의 내부온도가 조절될 필요성이 발생하는 경우, 상술한 제1 내지 제4 댐퍼(D1 ~ D4) 및 온도조절장치(300)가 적절히 제어될 수 있다. 또한, 이 과정에서 제1 내지 제5 온도센서(TT1 ~ TT4)에 의해 각 지점에서 측정된 온도값에 의하여 온도조절장치(300)의 운전모드가 결정되고, 공기순환통로(210)를 순환하는 공기가 목표온도에 도달할 수 있도록 가열유닛(320) 또는 냉각유닛(330)이 제어될 수 있다.
상술한 온도조절장치(300), 제1 내지 제4 댐퍼(D1 ~ D4), 제1 내지 제5 온도센서(TT1 ~ TT5) 및 유량계(FT)의 제어는, ECU 등의 제어부(미도시)에 의해 이루어질 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 우레아 저장탱크 온도 제어시스템에 의한 우레아 저장탱크의 온도 제어방법에 대하여 설명한다.
본 발명에 따른 우레아 저장탱크 온도 제어시스템은, 우레아 저장탱크(100)의 내부의 온도조건과 외기의 온도조건에 따라, '가열모드', '냉각모드', '외기순환모드', 그리고 '비순환모드'의 네 가지 운전모드로 운전될 수 있다.
가열모드
본 발명에 따른 우레아 저장탱크 온도 제어시스템은, 우레아 저장탱크(100)의 내부온도가 1℃ 이하로 떨어지거나, 1℃ 이하로 떨어질 염려가 있는 경우, 가열모드로 운전될 수 있다.
가열모드에서 온도조절장치(300)는 제1 댐퍼(D1) 및 제3 댐퍼(D3)를 개방하고 팬(310)을 가동하여, 코퍼댐(200) 내부의 공기 일부를 공기순환통로(210) 측으로 순환시킨다.
또한, 온도조절장치(300)는 가열유닛(320)을 가동하여, 코퍼댐(200)으로부터 공기순환통로(210)로 유입된 순환공기를 목표온도로 가열시킨다. 순환공기의 가열은 가열유닛(320)의 열교환부(321)를 흐르는 스팀과의 열교환에 의해 이루어질 수 있다.
상기와 같이 온도조절장치(300)에 의해 목표온도로 가열된 순환공기는, 공기순환통로(210)를 따라 다시 코퍼댐(200)의 내측으로 리턴되고, 가열된 순환공기에 의해 코퍼댐(200)의 내부온도가 상승하며, 이에 따라 우레아 저장탱크(100)의 온도를 일정한 온도로 유지시킬 수 있다.
가열모드에서 제1 댐퍼(D1) 및 제3 댐퍼(D3)는 개방되고, 제2 댐퍼(D2)는 차단된다. 제4 댐퍼(D4)는 순환되는 공기의 팽창에 따른 공기의 부피 변화를 보상하기 위해 개방될 수 있다.
냉각모드
본 발명에 따른 우레아 저장탱크 온도 제어시스템은, 우레아 저장탱크(100)의 내부온도가 25℃ 이상으로 올라가거나, 25℃ 이상으로 올라갈 염려가 있는 경우, 냉각모드로 운전될 수 있다.
냉각모드에서 온도조절장치(300)는 제1 댐퍼(D1) 및 제3 댐퍼(D3)를 개방하고 팬(310)을 가동하여, 코퍼댐(200) 내부의 공기 일부를 공기순환통로(210) 측으로 순환시킨다.
또한, 온도조절장치(300)는 냉각유닛(320)을 가동하여, 코퍼댐(200)으로부터 공기순환통로(210)로 유입된 순환공기를 목표온도로 냉각시킨다. 순환공기의 냉각은 냉동 사이클에 의해 압축/냉각된 냉매를 증발시키는 증발기(331)에 의해 이루어질 수 있다.
상기와 같이 온도조절장치(300)에 의해 목표온도로 냉각된 순환공기는, 공기순환통로(210)를 따라 다시 코퍼댐(200)의 내측으로 리턴되고, 냉각된 순환공기에 의해 코퍼댐(200)의 내부온도가 하강하며, 이에 따라 우레아 저장탱크(100)의 온도를 일정한 온도로 유지시킬 수 있다.
냉각모드에서 제1 댐퍼(D1) 및 제3 댐퍼(D3)는 개방되고, 제2 댐퍼(D2)는 차단된다. 제4 댐퍼(D4)는 순환되는 공기의 수축에 따른 공기의 부피 변화를 보상하기 위해 개방될 수 있다.
외기순환모드
본 발명에 따른 우레아 저장탱크 온도 제어시스템은, 우레아 저장탱크(100)의 온도를 조절(가열 또는 냉각)할 필요가 있고, 외기의 온도가 우레아 저장탱크(100)의 온도를 조절하기에 적합한 경우, 외기순환모드로 운전될 수 있다.
외기순환모드에서 온도조절장치(300)는 제2 댐퍼(D2)를 개방하여 외기를 유입시키고, 유입된 외기는 온도조절장치(300) 내부에 설치되는 팬(310)에 의해 공기순환통로(210)를 통해 코퍼댐(200)으로 공급된다.
코퍼댐(200)은 외기가 유입됨에 따라 내부온도가 외기의 온도와 맞춰지고, 이에 따라 우레아 저장탱크(100)의 온도도 외기와 근사한 정도로 일정하게 유지될 수 있다.
외기순환모드에서 제1 댐퍼(D1), 제2 댐퍼(D2), 제3 댐퍼(D3)는 모두 개방된다. 제4 댐퍼(D4)는 새롭게 유입되는 외기에 따른 공기의 부피 변화를 보상하기 위해 개방될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 우레아 저장탱크 온도 제어시스템은, 우레아 저장탱크(100)의 가열 또는 냉각이 필요하지 않은 경우에도, 외기의 온도가 적합한 온도라면 외기순환모드로 운전될 수 있다.
비순환모드
본 발명에 따른 우레아 저장탱크 온도 제어시스템은, 우레아 저장탱크(100)가 적절한 온도로 유지되고 있는 경우, 비순환모드로 운전될 수 있다.
비순환모드에서 온도조절장치(300)는 제1 댐퍼(D1), 제3 댐퍼(D3) 및 제4 댐퍼(D4)를 차단하여 코퍼댐(200) 내부의 공기를 체류시킨다.
비순환모드에서는 코퍼댐(200)의 단열구조에 의해 우레아 저장탱크(100)가 본래 유지되고 있던 온도가 오랫동안 유지될 수 있다.
바람직한 실시예
이하에서는 실제로 바람직한 수치를 적용하여, 본 발명에 따른 우레아 저장탱크의 온도 제어방법에 대하여 설명한다.
본 실시예에서는 우레아 저장탱크(100)의 적절한 온도로 '5℃ 내지 18℃'의 온도를 제안한다. 즉, 본 실시예는 우레아 저장탱크(100)의 내부온도가 5℃ 이하로 내려가거나, 또는 18℃ 이상으로 올라가는 것을 방지하도록 시스템을 설정한다.
여기서 5℃ 와 18℃로 설정된 온도는, 우레아 저장탱크(100)의 내부온도가 일정수준(5℃) 이하로 떨어지는 경우, 1℃까지 도달하기 전에 장비의 가동에 필요한 시간을 충분히 확보할 수 있도록 계산된 것이며, 마찬가지로 우레아 저장탱크(100)의 내부온도가 일정수준(18℃) 이상으로 올라가는 경우, 25℃까지 도달하기 전에 장비의 가동에 필요한 시간을 충분히 확보할 수 있도록 계산된 것이다.
그러나 본 발명이 이러한 수치(5℃, 18℃)에 한정되는 것은 아니며, 우레아 저장탱크(100)의 내부온도가 1℃ 또는 25℃에 근접되기 전에 장비의 가동에 필요한 충분한 시간을 확보할 수 있는 범주 내에서 적절한 온도로 설정될 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 온도조절장치(300)에 의해 순환공기가 가열 또는 냉각되는 목표온도를 10℃로 설정한다.
그러나 이것 또한 하나의 실시예에 불과할 뿐이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 온도조절장치(300)에 의해 조절되는 순환공기의 목표온도는 1℃ 내지 25℃의 범위 내에서 적절히 선택될 수 있을 것이다.
상기의 내용을 고려하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하도록 한다.
<1> 우레아 저장탱크의 내부온도가 5℃ 이하로 내려가는 경우
우레아 저장탱크(100)의 내부온도가 5℃ 이하로 내려가는 경우, 우레아 저장탱크(100)는 가열을 필요로 하게 된다.
① 이때 외기의 온도가 5℃ 내지 18℃ 사이라면, 외기를 이용하여 우레아 저장탱크(100)의 온도를 조절하는 것이 가능하므로, 본 발명에 따른 우레아 저장탱크 온도 제어시스템은 '외기순환모드'로 운전된다.
이에 따라 온도조절장치(300)의 외기유입부(301)를 통해 유입된 5℃ 내지 18℃의 외기가 코퍼댐(200) 측으로 순환되어, 코퍼댐(200)의 내부온도 및 우레아 저장탱크(100)의 온도가 조절될 수 있다.
② 그런데 외기의 온도 또한 5℃ 이하인 경우에는, 외기를 이용하여 우레아 저장탱크(100)의 온도를 조절하는 것이 용이하지 않으므로, 온도조절장치(300)의 가열유닛(320)을 가동하여 코퍼댐(200) 내부의 공기를 가열시켜야 한다.
즉, 본 발명에 따른 우레아 저장탱크 온도 제어시스템은, 우레아 저장탱크(100)의 내부온도가 5℃ 이하이고 외기의 온도 역시 5℃ 이하인 경우, '가열모드'로 운전된다.
이때 가열유닛(320)은 순환공기를 약 10℃ 내외가 되도록 조절한다. 이는 열교환부(321)로 공급되는 스팀의 양을 조절함으로써 이루어질 수 있다.
온도조절장치(300)에 의해 약 10℃ 내외로 조절(가열)된 순환공기는, 공기순환통로(210)를 따라 다시 코퍼댐(200)의 내측으로 리턴되고, 이에 따라 코퍼댐(200)의 내부온도가 약 10℃ 내외로 유지될 수 있으며, 결과적으로 우레아 저장탱크(100) 또한 약 10℃ 내외로 온도가 유지될 수 있다.
'가열모드'에 의해 우레아 저장탱크(100)의 온도가 목표온도(10℃ 내외)에 도달한 이후에는, '비순환모드'로 전환되어 코퍼댐(200)의 단열구조에 의해 우레아 저장탱크(100)의 온도가 오랫동안 유지되도록 할 수 있다.
③ 한편, 우레아 저장탱크(100)의 내부온도가 5℃ 이하이고 외기의 온도가 18℃ 이상인 경우에는, 본 발명에 따른 우레아 저장탱크 온도 제어시스템을 '외기순환모드'로 운전하여 코퍼댐(200)의 내부 및 우레아 저장탱크(100)의 온도를 상승시키고, 이후 코퍼댐(200) 및 우레아 저장탱크(100)의 온도가 적절한 수준에 도달하면 '비순환모드'로 전환한다.
여기서 적절한 수준이란 상술한 바와 같이 5℃ 내지 18℃ 사이의 온도를 의미하는 것이며, 본 실시예에서는 위에서 순환공기의 목표온도인 10℃와 동일한 수준으로 설정할 수 있다.
'외기순환모드'에 의해 우레아 저장탱크(100)의 온도가 목표온도(10℃ 내외)에 도달한 이후에는, '비순환모드'로 전환되어 코퍼댐(200)의 단열구조에 의해 우레아 저장탱크(100)의 온도가 오랫동안 유지되도록 할 수 있다.
<2> 우레아 저장탱크의 내부온도가 18℃ 이상으로 올라가는 경우
우레아 저장탱크(100)의 내부온도가 18℃ 이상으로 올라가는 경우에는, 우레아 저장탱크(100)는 냉각을 필요로 하게 된다.
① 이때 외기의 온도가 5℃ 내지 18℃ 사이라면, 외기를 이용하여 우레아 저장탱크(100)의 온도를 조절하는 것이 가능하므로, 본 발명에 따른 우레아 저장탱크 온도 제어시스템은 '외기순환모드'로 운전된다.
이에 따라 온도조절장치(300)의 외기유입부(301)를 통해 유입된 5℃ 내지 18℃의 외기가 코퍼댐(200) 측으로 순환되어, 코퍼댐(200)의 내부온도 및 우레아 저장탱크(100)의 온도가 조절될 수 있다.
② 그런데 외기의 온도 또한 18℃ 이상인 경우에는, 외기를 이용하여 우레아 저장탱크(100)의 온도를 조절하는 것이 용이하지 않으므로, 온도조절장치(300)의 냉각유닛(330)을 가동하여 코퍼댐(200) 내부의 공기를 냉각시켜야 한다.
즉, 본 발명에 따른 우레아 저장탱크 온도 제어시스템은, 우레아 저장탱크(100)의 내부온도가 18℃ 이상이고 외기의 온도 역시 18℃ 이상인 경우, '냉각모드'로 운전된다.
이때 가열유닛(320)과 마찬가지로 냉각유닛(330)은 순환공기를 약 10℃ 내외가 되도록 온도를 조절한다.
온도조절장치(300)에 의해 약 10℃ 내외로 조절(냉각)된 순환공기는, 공기순환통로(210)를 따라 다시 코퍼댐(200)의 내측으로 리턴되고, 이에 따라 코퍼댐(200)의 내부온도가 약 10℃ 내외로 유지될 수 있으며, 결과적으로 우레아 저장탱크(100) 또한 약 10℃ 내외로 온도가 유지될 수 있다.
'냉각모드'에 의해 우레아 저장탱크(100)의 온도가 목표온도(10℃ 내외)에 도달한 이후에는, '비순환모드'로 전환되어 코퍼댐(200)의 단열구조에 의해 우레아 저장탱크(100)의 온도가 오랫동안 유지되도록 할 수 있다.
③ 한편, 만약 우레아 저장탱크(100)의 내부온도가 18℃ 이상이고 외기의 온도가 5℃ 이하인 경우에는, 본 발명에 따른 우레아 저장탱크 온도 제어시스템을 '외기순환모드'로 운전하여 코퍼댐(200)의 내부 및 우레아 저장탱크(100)의 온도를 하강시키고, 이후 코퍼댐(200) 및 우레아 저장탱크(100)의 온도가 적합한 수준에 도달하면 '비순환모드'로 전환한다.
여기서 적절한 수준이란 상술한 바와 같이 5℃ 내지 18℃ 사이의 온도를 의미하는 것이며, 본 실시예에서는 위에서 순환공기의 목표온도인 10℃와 동일한 수준으로 설정할 수 있다.
'외기순환모드'에 의해 우레아 저장탱크(100)의 온도가 목표온도(10℃ 내외)에 도달한 이후에는, '비순환모드'로 전환되어 코퍼댐(200)의 단열구조에 의해 우레아 저장탱크(100)의 온도가 오랫동안 유지되도록 할 수 있다.
<3> 우레아 저장탱크의 내부온도가 5℃ 내지 18℃인 경우
우레아 저장탱크(100)의 온도가 5℃ 내지 18℃의 범주 내에 있는 경우에는, 본 발명에 따른 우레아 저장탱크 온도 제어시스템은 '외기순환모드'로 운전되거나 또는 '비순환모드'로 운전될 수 있다.
이때 외기의 온도 역시 5℃ 내지 18℃ 사이인 경우에는, '외기순환모드'와 '비순환모드'를 적절히 선택하여 적용할 수 있을 것이나, 외기의 온도가 5℃ 이하이거나 18℃ 이상인 경우에는 반드시 '비순환모드'로 운전되어야 할 것이다.
위와 같은 실시예에서 우레아 저장탱크(100)의 내부온도는 상술한 제5 온도센서(TT5)에 의해, 외기의 온도는 상술한 제2 온도센서(TT2)에 의해 측정될 수 있으며, 온도조절장치(300)에 의해 순환공기의 온도가 목표온도로 맞춰졌는지 여부는 제4 온도센서(TT4)에 의해 측정될 수 있다.
본 발명에 따른 우레아 저장탱크 온도 제어시스템의 온도조건에 따른 운전모드를 아래의 표와 같이 정리해보았다.
온도조건(℃) 운전모드 우레아 저장탱크의
목표온도 도달 후 운전모드
저장탱크(T) 외기(T')

T≤5		 T'≤5 가열모드 비순환모드
5＜T'＜18 외기순환모드 외기순환모드(유지)
18≤T' 외기순환모드 비순환모드

5＜T＜18		 T'≤5 비순환모드
5＜T'＜18 비순환모드 또는 외기순환모드
18≤T' 비순환모드

18≤T		 T'≤5 외기순환모드 비순환모드
5＜T'＜18 외기순환모드 외기순환모드(유지)
18≤T' 냉각모드 비순환모드
본 발명에 따르면, 선박의 배기가스 중에 포함된 질소산화물 저감 장치로써 구비되는 SCR 시스템의 운전에 필수적인 우레아 수용액의 저장온도를 일정한 온도로 유지하는 것이 가능하다.
따라서 본 발명은, 고온(35℃ 이상)으로 인해 우레아의 저장수명이 저하되는 것을 방지함은 물론, 저온(1℃ 이하)으로 인해 우레아가 결정화되는 현상을 방지함으로써, 우레아의 잦은 벙커링(bunkering)을 방지하고, 우레아의 농도가 지속적으로 유지된 상태에서 오랜 기간동안 보관이 가능하다.
또한, 본 발명은 필요한 경우에만 순환공기의 가열 또는 냉각을 수행하고, 나머지는 외기를 사용하여 우레아 저장탱크의 온도 제어를 수행하므로, 시스템의 운전 비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 온도조절장치에 구비되는 가열유닛 및 냉각유닛이 고장 등에 의해 사용불능이 되더라도, 코퍼댐의 단열구조에 의해 우레아 저장탱크의 온도가 오랫동안 유지될 수 있다.
이와 같은 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100 : 우레아 저장탱크
200 : 코퍼댐 210 : 공기순환통로
300 : 온도조절장치 310 : 팬
320 : 가열유닛 321 : 열교환부
SL : 스팀공급라인 CL : 응축수배출라인
SV : 스팀조절밸브
330 : 냉각유닛 331 : 증발기
332 : 압축기 333 : 응축기
RL : 냉매순환라인 EV : 팽창밸브

Claims (13)

  1. 내부에 우레아가 저장되는 우레아 저장탱크;
    상기 우레아 저장탱크와의 사이에 빈 공간이 형성되도록 상기 우레아 저장탱크의 외부에 설치되는 코퍼댐;
    상기 코퍼댐 내부의 공기 일부가 분기되어 순환되는 공기순환통로; 및
    상기 공기순환통로 상에 설치되며, 상기 코퍼댐으로부터 상기 공기순환통로로 유입된 공기를 가열 또는 냉각한 후 상기 코퍼댐으로 리턴시키는 온도조절장치를 포함하고,
    상기 온도조절장치는,
    상기 코퍼댐으로부터 상기 공기순환통로로 유입된 공기가 상기 공기순환통로를 순환한 후 다시 상기 코퍼댐 내측으로 리턴될 수 있도록 송풍하는 팬;
    내부에 고온의 스팀이 흐르는 열교환부를 포함하여 상기 공기순환통로를 순환하는 공기를 가열하는 가열유닛; 및
    냉동 사이클에 의해 압축 및 냉각된 냉매를 증발시키는 증발기를 포함하여 상기 공기순환통로를 순환하는 공기를 냉각하는 냉각유닛을 포함하며,
    상기 코퍼댐 내부의 공기의 온도를 조절함으로써 상기 우레아 저장탱크의 온도를 조절하되,
    상기 가열유닛과 상기 냉각유닛은 선택적으로 운전되는 것을 특징으로 하는,
    우레아 저장탱크 온도 제어시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 온도조절장치는,
    외기가 유입되는 외기유입부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    우레아 저장탱크 온도 제어시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 가열유닛에 의해 상기 공기순환통로를 순환하는 공기를 가열하여 상기 우레아 저장탱크의 온도 제어를 수행하는 가열모드;
    상기 냉각유닛에 의해 상기 공기순환통로를 순환하는 공기를 냉각하여 상기 우레아 저장탱크의 온도 제어를 수행하는 냉각모드;
    상기 외기유입부를 통해 유입되는 외기를 상기 코퍼댐으로 순환시켜 상기 우레아 저장탱크의 온도 제어를 수행하는 외기순환모드; 및
    상기 코퍼댐 내부의 공기를 체류시키는 비순환모드; 중 어느 하나로 운전되는 것을 특징으로 하는,
    우레아 저장탱크 온도 제어시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 코퍼댐과 및 상기 공기순환통로의 외측에는 단열재가 설치되는 것을 특징으로 하는,
    우레아 저장탱크 온도 제어시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 열교환부에는 다수의 방열핀이 설치되고,
    상기 증발기에는 다수의 냉각핀이 설치되는 것을 특징으로 하는,
    우레아 저장탱크 온도 제어시스템.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 코퍼댐으로부터 상기 공기순환통로로 공기가 유입되는 순환공기유입부에 설치되는 제1 댐퍼;
    상기 외기유입부에 설치되는 제2 댐퍼; 및
    상기 공기순환통로로부터 상기 코퍼댐으로 순환공기가 리턴되는 순환공기리턴부에 설치되는 제3 댐퍼를 더 포함하는,
    우레아 저장탱크 온도 제어시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 코퍼댐 내부의 공기의 부피 변화를 보상하기 위해, 공기의 유출입이 가능하도록 코퍼댐에 마련되는 공기유출입부; 및
    상기 공기유출입부에 설치되는 제4 댐퍼를 더 포함하는,
    우레아 저장탱크 온도 제어시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 가열모드 및 상기 냉각모드에서는 상기 제1 댐퍼 및 상기 제3 댐퍼를 개방하되 상기 제2 댐퍼는 차단하고,
    상기 외기순환모드에서는 상기 제1 내지 제3 댐퍼를 모두 개방하며,
    상기 비순환모드에서는 상기 제1 댐퍼 및 상기 제 3 댐퍼를 차단하는 것을 특징으로 하는,
    우레아 저장탱크 온도 제어시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 순환공기유입부에 설치되는 제1 온도센서;
    상기 외기유입부에 설치되는 제2 온도센서;
    상기 온도조절장치 내부에서 상기 가열유닛 및 상기 냉각유닛의 전단에 설치되는 제3 온도센서;
    상기 순환공기 리턴부에 설치되는 제4 온도센서; 및
    상기 우레아 저장탱크 내부에 설치되는 제5 온도센서를 더 포함하는,
    우레아 저장탱크 온도 제어시스템.
  11. 선박의 배기가스 중에 포함된 질소산화물 저감 장치로써 구비되는 SCR 시스템에 공급되는 우레아(urea)가 저장되는 우레아 저장탱크의 온도 제어시스템에 있어서,
    상기 우레아 저장탱크와의 사이에 빈 공간이 형성되도록 우레아 저장탱크를 둘러싸는 코퍼댐(cofferdam)을 설치하고, 상기 코퍼댐 내부의 유체의 온도를 조절함으로써 상기 우레아 저장탱크의 온도를 제어하고,
    상기 코퍼댐 내부의 유체의 온도 조절은 상기 코퍼댐 내부의 유체 일부를 상기 코퍼댐으로 분기된 유체순환통로로 순환시키는 과정에서 상기 유체순환통로 상에 설치된 온도조절장치에 의해 가열 또는 냉각되는 것에 의해 이루어지거나 또는 상기 코퍼댐에 외기를 순환시키는 것에 의해 이루어지되,
    상기 온도조절장치의 내부에는 상기 유체순환통로를 순환하는 유체를 가열하는 가열유닛과 상기 유체순환통로를 순환하는 유체를 냉각하는 냉각유닛이 설치되고,
    상기 가열유닛과 상기 냉각유닛은 선택적으로 운전되는 것을 특징으로 하는,
    우레아 저장탱크 온도 제어시스템.
  12. 삭제
  13. 삭제
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