KR102566451B1 - Ammonia Boil-Off Gas Reliquefaction System And Method For Ship - Google Patents

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Abstract

선박의 암모니아 증발가스 재액화 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 선박의 암모니아 증발가스 재액화 시스템은 선박에 마련되며 선내 엔진의 연료로 공급될 암모니아를 저장하는 암모니아저장탱크; 상기 암모니아저장탱크로부터 상기 엔진으로 연결되어 암모니아를 공급하는 연료공급라인; 상기 연료공급라인에 마련되어 상기 엔진으로 공급될 암모니아를 열매체와 열교환으로 가열하는 히터; 상기 암모니아저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 공급받아 압축하는 압축기; 및 상기 압축기에서 압축된 증발가스를 냉각하는 냉각기:를 포함하되, 상기 냉각기에서는 상기 히터에서 엔진 연료로 공급될 암모니아를 가열하며 냉각된 열매체를 공급받아 상기 증발가스를 냉각하는 것을 특징으로 한다.A system and method for re-liquefying ammonia boil-off gas of a ship are disclosed. The ammonia boil-off gas re-liquefaction system of the ship of the present invention is provided in the ship and includes an ammonia storage tank for storing ammonia to be supplied as fuel for an engine in the ship; a fuel supply line connected to the engine from the ammonia storage tank to supply ammonia; a heater provided in the fuel supply line to heat ammonia to be supplied to the engine through heat exchange with a heat medium; a compressor for receiving and compressing the boil-off gas generated from the ammonia storage tank; and a cooler for cooling the boil-off gas compressed by the compressor. The cooler heats ammonia to be supplied as engine fuel from the heater and cools the boil-off gas by receiving the cooled heat medium.

Description

선박의 암모니아 증발가스 재액화 시스템 및 방법{Ammonia Boil-Off Gas Reliquefaction System And Method For Ship}Ammonia Boil-Off Gas Reliquefaction System And Method For Ship}

본 발명은 선박의 암모니아 증발가스 재액화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선내 엔진의 연료로 암모니아를 사용하는 선박에서 암모니아저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 압축하고 엔진으로 공급될 암모니아를 가열하면서 냉각된 열매체에 의해 냉각하여 재액화하는 선박의 암모니아 증발가스 재액화 시스템 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a system and method for re-liquefying ammonia boil-off gas of a ship, and more particularly, in a ship using ammonia as a fuel for an onboard engine, compresses boil-off gas generated from an ammonia storage tank and heats the ammonia to be supplied to the engine. It relates to a system and method for re-liquefying ammonia boil-off gas of a ship that re-liquefies by cooling by a cooling heat medium while doing so.

지구온난화 현상의 심화에 따라 전세계적으로 온실가스 배출을 감축하려는 노력이 이루어지고 있고, 선진국들의 온실가스 감축 의무를 담았던 1997년 교토의정서가 2020년 만료됨에 따라, 2015년 12월 프랑스 파리에서 열린 제21차 유엔기후변화협약에서 채택되고 2016년 11월 발효된 파리기후변화협약(Paris Climate Change Accord)에 의해 협정에 참여한 195개 당사국들은 온실가스 감축을 목표로 다양한 노력을 기울이고 있다. Efforts are being made to reduce greenhouse gas emissions worldwide as the global warming phenomenon intensifies, and as the Kyoto Protocol in 1997, which contained the obligations of developed countries to reduce greenhouse gases, expired in 2020, the conference was held in Paris, France in December 2015. According to the Paris Climate Change Accord, which was adopted in the 21st United Nations Framework Convention on Climate Change and entered into force in November 2016, the 195 Parties participating in the agreement are making various efforts to reduce greenhouse gases.

이러한 세계적인 추세와 함께 화석연료와 원자력을 대체할 수 있는 무공해에너지로서 풍력, 태양광, 태양열, 바이오에너지, 조력, 지열 등과 같은 재생가능에너지(또는 재생에너지)에 대한 관심이 높아지고 다양한 기술 개발이 이루어지고 있다. Along with this global trend, interest in renewable energy (or renewable energy) such as wind power, solar power, solar heat, bioenergy, tidal power, and geothermal heat has increased and various technologies have been developed as pollution-free energy that can replace fossil fuels and nuclear power. are losing

액화천연가스를 비롯한 액화가스는 액화공정 중에 대기오염 물질을 제거하거나 줄일 수 있어, 연소 시 대기오염 물질 배출이 적은 친환경 연료로도 볼 수 있다. 그에 따라 근래 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG)나 LPG(Liquefied Petroleum Gas) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다. 가스를 저온에서 액화시킨 액화가스는 가스에 비해 부피가 매우 작아지므로 저장 및 이송 효율을 높일 수 있는 장점이 있다. Liquefied gas, including liquefied natural gas, can remove or reduce air pollutants during the liquefaction process, so it can be seen as an eco-friendly fuel with less air pollutant emissions during combustion. Accordingly, consumption of liquefied natural gas such as liquefied natural gas (LNG) or liquefied petroleum gas (LPG) is rapidly increasing worldwide. Since liquefied gas obtained by liquefying gas at a low temperature has a very small volume compared to gas, it has the advantage of increasing storage and transfer efficiency.

액화천연가스(LNG)는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 가진다. 따라서, 천연가스를 액화시켜 이송할 경우 매우 효율적으로 이송할 수 있게 된다.Liquefied natural gas (LNG) is a colorless and transparent liquid obtained by liquefying natural gas containing methane as a main component by cooling it to about -162 ° C., and has a volume of about 1/600 compared to natural gas. Therefore, when the natural gas is liquefied and transported, it can be transported very efficiently.

액화석유가스(LPG)는 조성에 따라 액화 온도의 차이는 있으나 프로판을 주성분으로 하는 석유가스의 경우 상압 약 -42℃의 저온에서 액화되고, 18 bar에서는 약 45℃의 온도까지, 7 bar에서는 20℃까지 액체 상태로 저장가능하다.Liquefied petroleum gas (LPG) has a difference in liquefaction temperature depending on its composition, but in the case of petroleum gas whose main component is propane, it is liquefied at a low temperature of about -42 ℃ at atmospheric pressure, up to about 45 ℃ at 18 bar, and 20 ℃ at 7 bar. It can be stored in liquid state up to °C.

한편, 종래의 LPG 운반선 등에는 선박의 추진 연료로서 상대적으로 가격이 저렴한 벙커C유 등의 중유를 사용하는 연료 공급 시스템을 채용하고 있는데, 이러한 중유 연료 공급 시스템은 중유 연료 사용에 대한 국제적인 배기가스 배출규제 강화로 황 성분이 적은 중유 연료 탱크(LSHFO tank)를 별도로 설치해야 했고, 국제적인 환경규제 기준에 적합한 친환경적인 연료 공급 시스템의 요구가 커졌다.On the other hand, conventional LPG carriers adopt a fuel supply system using heavy oil such as bunker C oil, which is relatively inexpensive as a propulsion fuel for ships. Due to stricter regulations, a separate heavy fuel oil fuel tank (LSHFO tank) with low sulfur content had to be installed, and the demand for an eco-friendly fuel supply system that meets international environmental regulatory standards has increased.

최근에는 LPG 또는 LNG 운반선에서 LPG 또는 LNG 및 그로부터 발생하는 증발가스를 추진 연료로 사용하는 연료공급시스템의 적용이 늘어나고 있고, 국제적인 배기가스 배출규제 강화에 따라 LPG 또는 LNG 운반선 외에 일반 선박에서도 LNG 등을 추진 연료로 사용하는 선박이 증가하고 있다.In recent years, the application of fuel supply systems that use LPG or LNG and boil-off gas generated from them as propulsion fuel in LPG or LNG carriers is increasing, and in accordance with the strengthening of international exhaust gas emission regulations, general ships in addition to LPG or LNG carriers are also using LNG. Ships using it as a propulsion fuel are increasing.

LNG를 연료로 사용할 수 있는 대표적인 선박용 엔진으로 DFDE, X-DF 엔진, ME-GI 엔진 등의 가스연료엔진이 있다.Representative marine engines that can use LNG as fuel include gas fueled engines such as DFDE, X-DF engines, and ME-GI engines.

DFDE은, 4행정으로 구성되며, 비교적 저압인 5.5 barg 정도의 압력을 가지는 천연가스를 연소공기 입구에 주입하여, 피스톤이 올라가면서 압축을 시키는 오토 사이클(Otto Cycle)을 채택하고 있다.DFDE is composed of 4 strokes, and adopts an Otto Cycle in which natural gas having a relatively low pressure of about 5.5 barg is injected into the combustion air inlet and compressed while the piston rises.

X-DF 엔진은, 2행정으로 구성되고, 15 barg 정도의 천연가스를 연료로 사용하며, 오토 사이클을 채택하고 있다.The X-DF engine is composed of two strokes, uses about 15 barg of natural gas as fuel, and adopts an Otto cycle.

ME-GI 엔진은, 2행정으로 구성되며, 300 barg 부근의 고압 천연가스를 피스톤의 상사점 부근에서 연소실에 직접 분사하는 디젤 사이클(Diesel Cycle)을 채택하고 있다.The ME-GI engine consists of two strokes and adopts a diesel cycle in which high-pressure natural gas of around 300 barg is directly injected into the combustion chamber near the top dead center of the piston.

그런데 LNG나 LPG는 기존에 선박 연료로 사용되던 다른 화석 연료에 비해 친환경 연료로 평가받지만 연소 시 여전히 이산화탄소가 발생하며, 이를 연료로 사용하는 선박에서는 여전히 운항 중 이산화탄소를 배출하게 된다. However, although LNG or LPG is evaluated as an eco-friendly fuel compared to other fossil fuels previously used as ship fuel, carbon dioxide is still generated during combustion, and ships that use it as fuel still emit carbon dioxide during operation.

선박의 항로, 교통규칙, 항만시설 등을 국제적으로 통일하기 위해 설치된 유엔 전문기구인 IMO(International Maritime Organization, 국제해사기구) 역시 온실가스에 대해 08년과 대비하여 2050년 50% 저감, 2100년 100% 저감(GHG Zero Emission)을 목표로 제시하고, 그에 따라 각 국가 및 지역의 규제가 강화될 것으로 예상된다. IMO (International Maritime Organization), a UN specialized organization established to internationally unify ship routes, traffic rules, port facilities, etc., also reduced greenhouse gas emissions by 50% in 2050 compared to 2008 and 100% in 2100. % reduction (GHG Zero Emission) is presented as a goal, and regulations in each country and region are expected to be strengthened accordingly.

IMO가 신조 선박에 적용하는 강제성 있는 이산화탄소 저감 규정인 EEDI(Energy Efficiency Design Index, 에너지효율설계지수)에 따르면, 초기 EEDI 발표에서는 2013 내지 2015년의 이산화탄소 배출량을 기준으로 2015년 이산화탄소 배출량을 10% 저감하는 EEDI Phase 1이 적용되고, 5년 마다 1 단계씩 강화·적용하여 2025년 Phase 3를 적용하도록 예정되어 있었으나, LPG 운반선에 대해서는 EEDI Phase 2 적용 후 2년만인 2022년부터 EEDI Phase 3를 조기 적용하도록 하고 있다. 이와 같이 선박의 이산화탄소 배출에 대한 규제가 급격히 강화되고 있는 추세이므로, 향후에는 LNG나 LPG만을 연료로 사용하는 것으로는 이산화탄소 배출 규정 달성이 어려울 수 있다.According to EEDI (Energy Efficiency Design Index), a compulsory carbon dioxide reduction regulation applied by IMO to new ships, in the initial EEDI announcement, CO2 emissions in 2015 were reduced by 10% based on the CO2 emissions from 2013 to 2015 EEDI Phase 1 was applied, and it was scheduled to apply Phase 3 in 2025 by strengthening and applying one step every 5 years. are making it As such, since regulations on carbon dioxide emission from ships are being rapidly strengthened, it may be difficult to achieve carbon dioxide emission regulations by using only LNG or LPG as fuel in the future.

그에 따라 이산화탄소 배출을 줄일 수 있는 친환경 선박 연료에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있고, 최근에는 LNG나 LPG 등의 연료와 함께 암모니아를 연료로 사용할 수 있는 선박 엔진에 관한 기술이 연구·개발되고 있다. Accordingly, various studies on eco-friendly ship fuels that can reduce carbon dioxide emissions have been conducted, and recently, research and development have been conducted on technologies related to ship engines that can use ammonia as a fuel along with fuels such as LNG or LPG.

암모니아(NH3)는 1개의 질소에 3개의 수소가 결합된 물질로, 분자 사이에 강한 수소 결합을 형성할 수 있어 액화가 용이하며, 상압에서 끓는점 -33.34℃, 녹는점 -77.73℃이다. Ammonia (NH 3 ) is a substance in which three hydrogens are bonded to one nitrogen, and it is easy to liquefy because it can form a strong hydrogen bond between molecules, and has a boiling point of -33.34 ° C and a melting point of -77.73 ° C under normal pressure.

이러한 암모니아는 LNG보다 저장이 용이하면서, 기존 HFO와 비교해 SPECIFIC ENERGY와 ENERGY DENSITY에서는 조금 떨어지지만 이산화탄소가 전혀 배출되지 않아 국제적인 온실가스 배출기준의 강화 추세에 대응할 수 있는 친환경 선박 연료로 주목받고 있다. This ammonia is easier to store than LNG, and although it is slightly lower in SPECIFIC ENERGY and ENERGY DENSITY compared to existing HFO, it does not emit carbon dioxide at all, so it is attracting attention as an eco-friendly ship fuel that can respond to the strengthening trend of international greenhouse gas emission standards.

암모니아는 LNG보다는 끓는점이 높지만 역시 상온보다 끓는점이 높으므로, 선내 연료로 공급하기 위해 암모니아를 저장하는 저장탱크에서는 증발가스가 발생한다. Ammonia has a higher boiling point than LNG, but is also higher than room temperature, so boil-off gas is generated in a storage tank storing ammonia to be supplied as fuel on board.

본 발명은 이와 같이 연료로 공급될 암모니아로부터 발생하는 증발가스를 효과적으로 재액화하여 연료 낭비를 막고 저장탱크 압력을 안전하게 유지할 수 있는 방안을 제안하고자 한다. The present invention intends to propose a method for effectively re-liquefying boil-off gas generated from ammonia to be supplied as fuel in this way to prevent fuel waste and safely maintain the storage tank pressure.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 선박에 마련되며 선내 엔진의 연료로 공급될 암모니아를 저장하는 암모니아저장탱크;According to one aspect of the present invention for solving the above problems, an ammonia storage tank provided on a ship and storing ammonia to be supplied as fuel for an inboard engine;

상기 암모니아저장탱크로부터 상기 엔진으로 연결되어 암모니아를 공급하는 연료공급라인;a fuel supply line connected to the engine from the ammonia storage tank to supply ammonia;

상기 연료공급라인에 마련되어 상기 엔진으로 공급될 암모니아를 열매체와 열교환으로 가열하는 히터; a heater provided in the fuel supply line to heat ammonia to be supplied to the engine through heat exchange with a heat medium;

상기 암모니아저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 공급받아 압축하는 압축기; 및a compressor for receiving and compressing the boil-off gas generated from the ammonia storage tank; and

상기 압축기에서 압축된 증발가스를 냉각하는 냉각기:를 포함하되,A cooler for cooling the boil-off gas compressed by the compressor: Including,

상기 냉각기에서는 상기 히터에서 엔진 연료로 공급될 암모니아를 가열하며 냉각된 열매체를 공급받아 상기 증발가스를 냉각하는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 증발가스 재액화 시스템이 제공된다.In the cooler, there is provided a system for re-liquefying ammonia boil-off gas of a ship, characterized in that for heating ammonia to be supplied as engine fuel from the heater and receiving a cooled heat medium to cool the boil-off gas.

바람직하게는, 상기 압축기 및 냉각기가 마련되며 상기 암모니아저장탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화하여 상기 암모니아저장탱크로 회수하는 재액화라인; 및 상기 재액화라인에 마련되며 상기 냉각기에서 냉각된 증발가스를 감압하는 감압밸브:를 더 포함할 수 있다. Preferably, the compressor and the cooler are provided and the re-liquefying line for re-liquefying the boil-off gas generated in the ammonia storage tank and recovering it to the ammonia storage tank; and a pressure reducing valve provided in the reliquefaction line and reducing the boil-off gas cooled in the cooler.

바람직하게는, 상기 냉각기에서 냉각된 증발가스를 상기 암모니아저장탱크로부터 압축기로 공급될 미압축 증발가스와 열교환으로 추가 냉각하는 냉열회수냉각기:를 더 포함하고, 상기 냉열회수냉각기에서 추가 냉각된 증발가스는 상기 감압밸브로 공급될 수 있다. Preferably, a cold heat recovery cooler further cools the boil-off gas cooled in the cooler by heat exchange with uncompressed boil-off gas to be supplied from the ammonia storage tank to the compressor; may be supplied to the pressure reducing valve.

바람직하게는, 상기 암모니아저장탱크로부터 압축기로 공급될 미압축 증발가스는 상기 냉각기를 거쳐 상기 압축기로 공급되어, 상기 냉각기에서는 상기 압축기에서 압축된 증발가스가 상기 히터를 거친 열매체 및 상기 암모니아저장탱크로부터의 미압축 증발가스에 의해 냉각될 수 있다. Preferably, the uncompressed evaporation gas to be supplied from the ammonia storage tank to the compressor is supplied to the compressor via the cooler, so that the evaporation gas compressed in the compressor passes through the heater and is supplied to the compressor from the heat medium and the ammonia storage tank. can be cooled by uncompressed boil-off gas.

바람직하게는, 상기 엔진으로 공급된 암모니아 중 소비되지 않은 암모니아를 회수하여 재순환시키는 연료회수라인; 및 상기 연료회수라인에 마련되어 상기 엔진에서 회수되는 암모니아를 수용하는 캐치탱크:를 더 포함하며, 상기 연료회수라인을 통해 회수되는 암모니아는 상기 캐치탱크를 거쳐 상기 연료공급라인의 히터 전단으로 공급될 수 있다. Preferably, a fuel recovery line for recovering and recycling non-consumed ammonia among ammonia supplied to the engine; and a catch tank provided in the fuel recovery line to accommodate ammonia recovered from the engine, wherein the ammonia recovered through the fuel recovery line may be supplied to a front end of the heater of the fuel supply line via the catch tank. there is.

바람직하게는, 상기 암모니아저장탱크에 마련되며 상기 연료공급라인으로 암모니아를 이송하는 공급펌프; 상기 연료공급라인의 히터 하류에 마련되어 상기 엔진으로 공급될 암모니아를 상기 엔진의 연료 공급 압력에 맞추어 압축하는 압축펌프:를 더 포함할 수 있다. Preferably, a supply pump provided in the ammonia storage tank and transferring ammonia to the fuel supply line; A compression pump provided downstream of the heater of the fuel supply line and compressing ammonia to be supplied to the engine according to the fuel supply pressure of the engine may be further included.

바람직하게는, 상기 재액화라인에서 상기 압축기 및 냉각기를 거쳐 재액화된 증발가스는 상기 연료공급라인의 히터 전단으로 공급되어 상기 엔진으로 공급될 수 있다. Preferably, the boil-off gas re-liquefied in the re-liquefaction line through the compressor and the cooler may be supplied to a front end of the heater of the fuel supply line and supplied to the engine.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 선내 엔진의 연료로 공급될 암모니아를 저장하는 암모니아저장탱크로부터 상기 엔진으로 암모니아를 공급하고, According to another aspect of the present invention, supplying ammonia to the engine from an ammonia storage tank for storing ammonia to be supplied as fuel for the onboard engine,

상기 암모니아저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 압축하고 냉각기에서 냉각하여 재액화한 후 암모니아저장탱크로 회수하되, The boil-off gas generated from the ammonia storage tank is compressed, cooled in a cooler, re-liquefied, and then returned to the ammonia storage tank,

상기 냉각기에서는 상기 엔진으로 공급될 암모니아를 가열하면서 냉각된 열매체를 공급받아 상기 증발가스를 냉각하는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 증발가스 재액화 방법이 제공된다. In the cooler, there is provided a method of re-liquefying ammonia boil-off gas of a ship, characterized in that for heating the ammonia to be supplied to the engine and receiving a cooled heat medium to cool the boil-off gas.

본 발명에서는 선박용 엔진의 연료로 친환경 연료인 암모니아를 공급하여 선박 운항 시 온실가스 배출량을 감축하고 국제협약이 정하는 규제기준을 충족하도록 한다. In the present invention, ammonia, which is an eco-friendly fuel, is supplied as fuel for a ship engine to reduce greenhouse gas emissions during ship operation and to meet regulatory standards set by international agreements.

특히, 엔진 연료로 공급될 암모니아가 저장된 암모니아저장탱크에서 발생하는 증발가스를 압축하여, 엔진으로 공급될 암모니아 연료를 가열하면서 냉각된 열매체의 냉열로 냉각하여 재액화한 후 회수하거나 연료로 공급함으로써, 연료로 공급될 암모니아의 냉열을 효과적으로 활용하며 재액화 효율을 높일 수 있다. In particular, by compressing the boil-off gas generated in the ammonia storage tank in which ammonia to be supplied as engine fuel is stored, re-liquefying it by heating the ammonia fuel to be supplied to the engine, cooling it with the cold heat of the cooled heat medium, and then recovering or supplying it as fuel, It can effectively utilize the cold heat of ammonia to be supplied as fuel and increase the re-liquefaction efficiency.

또한 증발가스의 재액화를 통해 암모니아저장탱크의 압력을 안전하게 유지하며, 암모니아 연료의 낭비를 방지할 수 있다. In addition, the pressure of the ammonia storage tank can be safely maintained through re-liquefaction of boil-off gas, and waste of ammonia fuel can be prevented.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 암모니아 증발가스 재액화 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 암모니아 증발가스 재액화 시스템을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박의 암모니아 증발가스 재액화 시스템을 개략적으로 도시한다.
1 schematically shows an ammonia boil-off gas re-liquefaction system of a ship according to a first embodiment of the present invention.
2 schematically shows a system for re-liquefying ammonia boil-off gas of a ship according to a second embodiment of the present invention.
3 schematically shows a system for re-liquefying ammonia boil-off gas of a ship according to a third embodiment of the present invention.

본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.In order to fully understand the operational advantages of the present invention and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings illustrating preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.

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.Hereinafter, the configuration and operation of a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same components are marked with the same numerals as much as possible, even if they are displayed on different drawings.

이하 본 발명에서의 선박은 암모니아를 선내 엔진의 연료로 사용할 수 있는 엔진이 설치되는 모든 종류의 선박을 가리키며, 대표적으로 LPG 운반선(LNG Carrier), LNG 운반선(LNG Carrier), 액체수소 운반선, 액체수소운반선, 암모니아운반선, 컨테이너운반선, 원유운반선, 광물이나 곡물 등의 벌크운반선, 해상풍력발전기설치선(Wind Turbine Installation Vessel)과 같은 특수선, Ro-Ro(Roll on/Roll off)선 등과 같은 자체 추진 능력을 갖춘 선박을 비롯하여, 추진 능력을 갖추지는 않지만 해상에 부유하고 있는 해상 구조물도 포함될 수 있다. Hereinafter, the ship in the present invention refers to all types of ships in which an engine capable of using ammonia as a fuel for an inboard engine is installed, and is representative of an LPG carrier, an LNG carrier, a liquid hydrogen carrier, and a liquid hydrogen carrier. Carriers, ammonia carriers, container carriers, crude oil carriers, bulk carriers such as minerals or grains, special vessels such as wind turbine installation vessels, and self-propelled capabilities such as Ro-Ro (Roll on/Roll off) vessels It may also include ships with propulsion, but offshore structures floating on the sea that do not have propulsion capability.

엔진의 연료로 암모니아를 공급받는 엔진이라 함은 LNG, LPG, HFO, MGO, Diesel Oil 등의 다른 선박용 연료와 함께 연료로 공급받는 것과 암모니아를 단독으로 연료로 공급받는 것을 포함하는 의미이고, 선박의 추진용 엔진 및 발전용 엔진을 모두 포함한다. 추진용 엔진 및 발전용 엔진은 필요에 따라 2대 이상의 복수 개로 마련될 수 있다. An engine supplied with ammonia as a fuel of an engine means that it is supplied as a fuel together with other marine fuel such as LNG, LPG, HFO, MGO, and Diesel Oil, and ammonia is supplied as a single fuel. Includes both engines for propulsion and engines for power generation. The engine for propulsion and the engine for power generation may be provided in a plurality of two or more units as needed.

도 1 내지 도 3에는 본 발명의 제1 내지 3 실시예에 따른 선박의 암모니아 증발가스 재액화 시스템을 각각 개략적으로 도시하였다. 1 to 3 schematically show the ammonia boil-off gas re-liquefaction system of the ship according to the first to third embodiments of the present invention, respectively.

도 1 내지 3에 도시된 바와 같이 본 실시예들의 암모니아 증발가스 재액화 시스템은, 선박에 마련되며 선내 엔진의 연료로 공급될 암모니아를 저장하는 암모니아저장탱크(AT)로부터 엔진(미도시)으로 암모니아를 공급하면서, 암모니아저장탱크에 저장된 암모니아로부터 발생하는 증발가스를 재액화하여 탱크로 회수하거나 엔진 연료로 공급하는 것이다. As shown in FIGS. 1 to 3, the ammonia boil-off gas re-liquefaction system of the present embodiments is provided on a ship and supplies ammonia from an ammonia storage tank (AT) to an engine (not shown) for storing ammonia to be supplied as fuel for an engine on board. While supplying, the evaporation gas generated from ammonia stored in the ammonia storage tank is re-liquefied and recovered to the tank or supplied as engine fuel.

이를 위해 암모니아저장탱크(AT)로부터 엔진으로 연결되어 암모니아를 공급하는 연료공급라인(FSL)과, 암모니아저장탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화하여 암모니아저장탱크로 회수하는 재액화라인(GL)이 마련된다. To this end, a fuel supply line (FSL) connected to the engine from the ammonia storage tank (AT) and supplying ammonia, and a re-liquefaction line (GL) that re-liquefies the boil-off gas generated in the ammonia storage tank and recovers it to the ammonia storage tank provided

특히 본 실시예들의 재액화 시스템에서는 암모니아 증발가스 재액화에, 엔진으로 공급될 암모니아 연료를 가열하면서 냉각된 열매체의 냉열을 이용할 수 있도록 구성한 것이 특징이다. In particular, the re-liquefaction system of the present embodiments is characterized in that it is configured to use the cooling heat of the cooled heat medium while heating the ammonia fuel to be supplied to the engine to re-liquefy the ammonia boil-off gas.

암모니아저장탱크(AT)에는 공급펌프(P)가 마련되어 암모니아를 연료공급라인(FSL)으로 이송하고, 연료공급라인을 따라 엔진으로 공급될 암모니아를 열매체와 열교환으로 가열하는 히터(200)와, 엔진의 연료 공급 압력에 맞추어 암모니아를 압축하는 압축펌프(220)가 마련된다. 히터 상류에는 공급펌프에서 이송된 암모니아를 펌핑하여 히터로 공급하는 부스터펌프(210)가 추가로 마련될 수도 있다. In the ammonia storage tank (AT), a supply pump (P) is provided to transfer ammonia to the fuel supply line (FSL), and a heater 200 for heating the ammonia to be supplied to the engine along the fuel supply line by heat exchange with the heat medium, and the engine A compression pump 220 for compressing ammonia according to the fuel supply pressure of is provided. A booster pump 210 may be additionally provided upstream of the heater to pump ammonia transported from the supply pump and supply it to the heater.

암모니아저장탱크(AT)의 설계 압력에 따라 저장탱크 내 암모니아의 온도는 달라질 수 있으며, 예를 들어 독립형 B-Type 탱크가 적용된 경우에는 -30℃ 내외로 저장되고, 압력용기인 C-Type 탱크로 마련된 경우라면 25℃ 내외의 실온으로 저장될 수 있다. Depending on the design pressure of the ammonia storage tank (AT), the temperature of ammonia in the storage tank can vary. If provided, it can be stored at room temperature around 25 ° C.

암모니아저장탱크(AT)로부터 공급펌프(P)를 통해 이송된 액체 암모니아는 히터(200)와 압축펌프(220)를 거쳐 엔진에서 필요한 온도 및 압력에 맞추어 고압 액체 상태로 엔진에 공급된다. Liquid ammonia transferred from the ammonia storage tank (AT) through the supply pump (P) is supplied to the engine in a high-pressure liquid state according to the temperature and pressure required by the engine through the heater 200 and the compression pump 220.

압력을 가하여도 부피의 변화가 없거나 적은 비압축성 유체, 즉 액체 상태의 연료가 엔진으로 공급되는 경우, 엔진의 부하 변동에 대응하며 캐비테이션을 방지하기 위해서 과잉의 연료가 엔진에 공급된다. 그리고 엔진에 공급된 연료 중 연료로 소비되고 남은 연료는 엔진 상류로 회수된다. When an incompressible fluid having little or no change in volume even when pressure is applied, that is, fuel in a liquid state is supplied to the engine, excess fuel is supplied to the engine to respond to engine load fluctuations and prevent cavitation. Among the fuel supplied to the engine, the remaining fuel after being consumed as fuel is recovered upstream of the engine.

이를 위해 본 실시예들의 시스템에는 엔진으로 과잉 공급된 연료 중 엔진에서 소비되지 않은 암모니아를 회수하여 재순환시키는 연료회수라인(RL)이 마련되며, 연료회수라인에는 엔진으로부터 회수되는 암모니아를 수용하는 캐치탱크(300)가 마련된다.To this end, in the systems of the present embodiments, a fuel recovery line (RL) for recovering and recirculating ammonia that is not consumed by the engine among fuel that is excessively supplied to the engine is provided, and a catch tank for accommodating ammonia recovered from the engine is provided in the fuel recovery line. 300 is provided.

연료회수라인(RL)을 통해 회수되는 암모니아는 캐치탱크(300)를 거쳐 연료공급라인(SL)의 히터(110) 전단으로 공급되어 재순환된다. Ammonia recovered through the fuel recovery line RL is supplied to the front end of the heater 110 of the fuel supply line SL via the catch tank 300 and recycled.

이러한 연료공급시스템에서 히터(200)에서는 열매체와의 열교환을 통해 암모니아의 온도를 조절하는데, 히터로 공급되는 열매체의 온도는 35℃ 내외이며, 암모니아와 히터에서 열교환을 거친 후 30℃ 이하로 냉각된다. In this fuel supply system, the heater 200 controls the temperature of ammonia through heat exchange with the heat medium. .

본 실시예들에서는 이와 같이 히터에서 암모니아 연료와 열교환을 거쳐 냉각된 후 배출되는 열매체를 암모니아 증발가스 재액화에 활용한다. In the present embodiments, the heat medium discharged after being cooled through heat exchange with ammonia fuel in the heater is utilized for re-liquefying ammonia boil-off gas.

이를 위해 암모니아저장탱크(AT)로부터 증발가스가 배출되는 재액화라인(GL)에는 암모니아 증발가스를 공급받아 압축하는 압축기(100)와, 압축기에서 압축된 증발가스를 냉각하는 냉각기(110A, 110B, 110C)가 마련되며, 냉각기에서는 히터로부터 배출되는 열매체를 공급받아 암모니아 증발가스를 냉각한다. 열매체라인(HL)의 히터 하류에서 냉각기로 연결되는 열매체분기라인(HBL)을 통해 냉각기에 히터에서 냉각된 열매체가 공급된다. To this end, in the re-liquefaction line GL through which boil-off gas is discharged from the ammonia storage tank AT, a compressor 100 for receiving and compressing ammonia boil-off gas, and coolers 110A, 110B for cooling the boil-off gas compressed by the compressor, 110C) is provided, and the cooler cools the ammonia boil-off gas by receiving the heat medium discharged from the heater. The heat medium cooled by the heater is supplied to the cooler through the heat medium branch line HBL connected to the cooler at the downstream of the heater of the heat medium line HL.

냉각기(110A, 110B, 110C)에서 냉각된 증발가스는 감압밸브를 거쳐 팽창 냉각되어 재액화되고 암모니아저장탱크(AT)로 회수된다. 예를 들어 암모니아 증발가스는 압축기에서 18 bar 내외로 가압되고, 냉각기를 통해 상온으로 냉각된 후 감압밸브를 거쳐 팽창 냉각시키면 건도 0.2 이하가 되어, 별도의 추가 장치없이 재액화될 수 있다. The boil-off gas cooled in the coolers 110A, 110B, and 110C is expanded and cooled through a pressure reducing valve to be re-liquefied and returned to the ammonia storage tank AT. For example, ammonia evaporation gas is pressurized to around 18 bar in a compressor, cooled to room temperature through a cooler, and then expanded and cooled through a pressure reducing valve to have a dryness of 0.2 or less, so that it can be re-liquefied without a separate additional device.

제1 내지 제3 실시예 시스템들은 압축기에서 압축된 증발가스의 냉각 방식에 차이가 있으며, 먼저 도 1에 도시된 제1 실시예 시스템에서는 전술한 바와 같이 압축기에서 압축된 증발가스가 냉각기(110A)로 공급되어, 히터를 통과한 열매체와 열교환을 통해 냉각된 후 감압밸브(130)에서 감압된다. The systems of the first to third embodiments differ in the cooling method of the boil-off gas compressed by the compressor. First, in the first embodiment system shown in FIG. 1, the boil-off gas compressed by the compressor is cooled by the cooler 110A is supplied to, cooled through heat exchange with the heat medium passing through the heater, and then reduced in pressure by the pressure reducing valve 130.

도 2에 도시된 제2 실시예 시스템에서는 암모니아저장탱크에서 발생하는 암모니아 증발가스 냉열을 활용할 수 있도록 냉각기 후단에 냉열회수냉각기(140)를 추가로 마련한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이 암모니아저장탱크에서 발생한 암모니아 증발가스는 냉열회수냉각기(140)에서 냉열 회수 후 압축기(100)로 도입되어 압축된다. 압축된 증발가스는 냉각기(110B)에서 열매체와 열교환을 통해 냉각되고, 냉열회수냉각기(140)에서 미압축 증발가스에 의해 추가 냉각된 후 감압밸브(130)를 거쳐 팽창 냉각되어 암모니아저장탱크로 회수된다. 이처럼 본 실시예는 별도의 추가 냉매없이 재액화될 미압축 증발가스 자체의 냉열을 활용하여 재액화될 가스를 추가 냉각시킴으로써 재액화 효율을 높일 수 있다. In the system of the second embodiment shown in FIG. 2, a cold heat recovery cooler 140 is additionally provided at the rear end of the cooler to utilize the cooling heat of ammonia evaporation gas generated in the ammonia storage tank. As shown in FIG. 2, the ammonia evaporation gas generated in the ammonia storage tank is introduced into the compressor 100 and compressed after recovering cold heat in the cold heat recovery cooler 140. The compressed evaporation gas is cooled through heat exchange with a heating medium in the cooler 110B, further cooled by the uncompressed evaporation gas in the cold heat recovery cooler 140, and then expanded and cooled through the pressure reducing valve 130 to be recovered to the ammonia storage tank. do. As such, the present embodiment can increase re-liquefaction efficiency by additionally cooling the gas to be re-liquefied using the cooling heat of the uncompressed boil-off gas itself to be re-liquefied without a separate additional refrigerant.

도 3에 도시된 제3 실시예 시스템에서는 제2 실시예 시스템과 같이 미압축 증발가스의 냉열을 활용하되 별도의 냉열회수냉각기를 설치하지 않고, 냉각기(110C)에서 열매체와 미압축 증발가스를 냉열원으로 활용할 수 있도록 구성하였다. 그에 따라 도 3에 도시된 바와 같이 암모니아저장탱크(AT)에서 발생한 암모니아 증발가스는 냉각기(110C)를 거쳐 압축기(100)에서 압축되고, 압축된 증발가스는 냉각기(110C)에서 냉각된다. 냉각기(110C)에서는 압축된 증발가스, 히터로부터 공급되는 열매체, 미압축 증발가스의 세 흐름이 열교환된다. 냉각기를 거쳐 냉각된 압축가스는 감압밸브(130)를 거쳐 암모니아저장탱크(AT)로 회수된다. 전술한 제2 실시예와 같이 미압축 증발가스 냉열을 활용하여 재액화 효율을 높일 수 있으면서. 별도의 추가 열교환기를 설치하지 않아 설치비용을 낮추고 선내 공간 확보에도 기여할 수 있다. In the system of the third embodiment shown in FIG. 3, the cooling heat of the uncompressed boil-off gas is utilized like the system of the second embodiment, but a separate cold-heat recovery cooler is not installed, and the heat medium and the uncompressed boil-off gas are cooled and cooled in the cooler 110C. It is designed to be used as a circle. Accordingly, as shown in FIG. 3, the ammonia evaporation gas generated in the ammonia storage tank (AT) is compressed in the compressor 100 through the cooler 110C, and the compressed evaporation gas is cooled in the cooler 110C. In the cooler 110C, three streams of compressed boil-off gas, heat medium supplied from the heater, and uncompressed boil-off gas are heat-exchanged. The compressed gas cooled through the cooler is returned to the ammonia storage tank (AT) through the pressure reducing valve 130. As in the second embodiment described above, the re-liquefaction efficiency can be increased by utilizing the cooling heat of the uncompressed boil-off gas. By not installing an additional heat exchanger, it can reduce installation costs and contribute to securing space in the ship.

각 실시예들에서 재액화라인을 따라 암모니아저장탱크로부터 압축기 및 냉각기를 거쳐 재액화된 암모니아는 저장탱크로 회수될 수 있고, 연료공급라인의 히터 전단으로 보내 바로 엔진 연료로 공급할 수도 있다. In each embodiment, the ammonia re-liquefied from the ammonia storage tank along the re-liquefaction line through the compressor and the cooler may be recovered to the storage tank, and may be sent to the front end of the heater of the fuel supply line and directly supplied as engine fuel.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 실시예들에서는 연료로 공급될 암모니아의 냉열을 활용하며 암모니아저장탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화함으로써, 암모니아의 낭비를 방지하고 저장탱크 압력을 유지할 수 있다. As described above, in the present embodiments, by utilizing the cooling heat of ammonia to be supplied as fuel and re-liquefying boil-off gas generated in the ammonia storage tank, it is possible to prevent waste of ammonia and maintain the storage tank pressure.

본 발명은 상기 실시예들에 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.The present invention is not limited to the above embodiments, and it can be practiced with various modifications or variations within a range that does not deviate from the technical gist of the present invention to those skilled in the art to which the present invention belongs. It is self-evident.

AT: 암모니아저장탱크
P: 공급펌프
FSL: 연료공급라인
RL: 연료회수라인
GL: 재액화라인
100: 압축기
110A, 110B, 110C: 냉각기
130: 감압밸브
140: 냉열회수냉각기
200: 히터
210: 부스터펌프
220: 압축펌프
AT: Ammonia storage tank
P: feed pump
FSL: fuel supply line
RL: fuel return line
GL: reliquefaction line
100: compressor
110A, 110B, 110C: Cooler
130: pressure reducing valve
140: cold heat recovery cooler
200: heater
210: booster pump
220: compression pump

Claims (8)

선박에 마련되며 선내 엔진의 연료로 공급될 암모니아를 저장하는 암모니아저장탱크;
상기 암모니아저장탱크로부터 상기 엔진으로 연결되어 암모니아를 공급하는 연료공급라인;
상기 연료공급라인에 마련되어 상기 엔진으로 공급될 암모니아를 열매체와 열교환으로 가열하는 히터;
상기 암모니아저장탱크로부터 발생하는 증발가스를 공급받아 압축하는 압축기;
상기 압축기에서 압축된 증발가스를 냉각하는 냉각기;
상기 엔진으로 공급된 암모니아 중 소비되지 않은 암모니아를 회수하여 재순환시키는 연료회수라인; 및
상기 연료회수라인에 마련되어 상기 엔진에서 회수되는 암모니아를 수용하는 캐치탱크:를 포함하되,
상기 연료회수라인을 통해 회수되는 암모니아는 상기 캐치탱크를 거쳐 상기 연료공급라인의 히터 전단으로 공급되고,
상기 냉각기에서는 상기 히터에서 엔진 연료로 공급될 암모니아를 가열하며 냉각된 열매체를 공급받아 상기 증발가스를 냉각하는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 증발가스 재액화 시스템.
An ammonia storage tank provided in the ship and storing ammonia to be supplied as fuel for the ship's engine;
a fuel supply line connected to the engine from the ammonia storage tank to supply ammonia;
a heater provided in the fuel supply line to heat ammonia to be supplied to the engine through heat exchange with a heat medium;
a compressor for receiving and compressing the boil-off gas generated from the ammonia storage tank;
a cooler for cooling the boil-off gas compressed by the compressor;
a fuel recovery line for recovering and recirculating ammonia that is not consumed among the ammonia supplied to the engine; and
A catch tank provided in the fuel recovery line and accommodating ammonia recovered from the engine;
The ammonia recovered through the fuel recovery line is supplied to the front end of the heater of the fuel supply line through the catch tank,
The cooler heats ammonia to be supplied as engine fuel from the heater and receives a cooled heat medium to cool the boil-off gas.
제 1항에 있어서,
상기 압축기 및 냉각기가 마련되며 상기 암모니아저장탱크에서 발생하는 증발가스를 재액화하여 상기 암모니아저장탱크로 회수하는 재액화라인; 및
상기 재액화라인에 마련되며 상기 냉각기에서 냉각된 증발가스를 감압하는 감압밸브:를 더 포함하는 선박의 암모니아 증발가스 재액화 시스템.
According to claim 1,
a re-liquefaction line provided with the compressor and the cooler and re-liquefying boil-off gas generated in the ammonia storage tank and returning it to the ammonia storage tank; and
The vessel's ammonia boil-off gas re-liquefaction system further comprising: a pressure-reducing valve provided in the re-liquefaction line and reducing the boil-off gas cooled in the cooler.
제 2항에 있어서,
상기 냉각기에서 냉각된 증발가스를 상기 암모니아저장탱크로부터 압축기로 공급될 미압축 증발가스와 열교환으로 추가 냉각하는 냉열회수냉각기:를 더 포함하고,
상기 냉열회수냉각기에서 추가 냉각된 증발가스는 상기 감압밸브로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 증발가스 재액화 시스템.
According to claim 2,
A cold heat recovery cooler for additionally cooling the evaporation gas cooled in the cooler by heat exchange with uncompressed evaporation gas to be supplied from the ammonia storage tank to the compressor;
Ammonia boil-off gas re-liquefaction system of a ship, characterized in that the boil-off gas additionally cooled in the cold heat recovery cooler is supplied to the pressure reducing valve.
제 2항에 있어서,
상기 암모니아저장탱크로부터 압축기로 공급될 미압축 증발가스는 상기 냉각기를 거쳐 상기 압축기로 공급되어,
상기 냉각기에서는 상기 압축기에서 압축된 증발가스가 상기 히터를 거친 열매체 및 상기 암모니아저장탱크로부터의 미압축 증발가스에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 증발가스 재액화 시스템.
According to claim 2,
The uncompressed boil-off gas to be supplied from the ammonia storage tank to the compressor is supplied to the compressor through the cooler,
In the cooler, the evaporation gas compressed in the compressor is cooled by the heat medium passing through the heater and the uncompressed evaporation gas from the ammonia storage tank.
삭제delete 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 암모니아저장탱크에 마련되며 상기 연료공급라인으로 암모니아를 이송하는 공급펌프;
상기 연료공급라인의 히터 하류에 마련되어 상기 엔진으로 공급될 암모니아를 상기 엔진의 연료 공급 압력에 맞추어 압축하는 압축펌프:를 더 포함하는 선박의 암모니아 증발가스 재액화 시스템.
According to any one of claims 2 to 4,
a supply pump provided in the ammonia storage tank and transferring ammonia to the fuel supply line;
Ship's ammonia boil-off gas re-liquefaction system further comprising: a compression pump provided downstream of the heater of the fuel supply line and compressing ammonia to be supplied to the engine according to the fuel supply pressure of the engine.
제 6항에 있어서,
상기 재액화라인에서 상기 압축기 및 냉각기를 거쳐 재액화된 증발가스는 상기 연료공급라인의 히터 전단으로 공급되어 상기 엔진으로 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 증발가스 재액화 시스템.
According to claim 6,
Ammonia boil-off gas re-liquefaction system of a ship, characterized in that the boil-off gas re-liquefied in the re-liquefaction line through the compressor and the cooler is supplied to the front end of the heater of the fuel supply line and supplied to the engine.
삭제delete
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