KR102654819B1 - 선박의 온실가스 배출 저감 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기가스에 포함된 이산화탄소 및 질소산화물 등 온실가스의 배출량을 없게 하거나 최소한으로 절감할 수 있고, 추진용 엔진을 사용하지 않을 때에 발전용 엔진만 운전할 수도 있는 선박의 온실가스 배출 저감 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 선박의 온실가스 배출 저감 시스템은, 선박의 추진력을 생산하는 추진용 엔진과 전력을 생산하는 발전용 엔진을 포함하는 엔진; 상기 엔진에 공급할 연소용 공기로서 공기를 압축하는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 공기를 냉각시켜 연소용 공기로서 상기 엔진에 공급하는 연소공기 냉각기; 액체 상태의 암모니아를 저장하는 암모니아 탱크; 상기 암모니아 탱크로부터 배출된 액체 상태의 암모니아를 기화시켜 상기 연소공기 냉각기로 공급되는 공기와 혼합시키는 암모니아 공급부; 및 상기 암모니아 탱크에서 생성된 증발가스를 상기 발전용 엔진에 공급하는 증발가스 공급부;를 포함한다.

Description

선박의 온실가스 배출 저감 시스템 및 방법 {Green House Gas Emission Reduction System and Method for Ships}
본 발명은 배기가스에 포함된 이산화탄소 및 질소산화물 등 온실가스의 배출량을 없게 하거나 최소한으로 절감할 수 있고, 추진용 엔진을 사용하지 않을 때에는 발전용 엔진만 운전할 수도 있는 선박의 온실가스 배출 저감 시스템 및 방법에 관한 것이다.
선박에 설치되는 엔진으로부터 배출되는 배기가스는 질소산화물(NOx), 황산화물(SOx), 미세분진(PM) 등의 유해물질을 포함하고 있다. 특히 질소산화물과 황산화물은 국제해사기구(IMO; International Maritime Organization)의 규제를 받고 있다.
환경에 대한 인식이 점차 증가함에 따라, 배기가스에 포함된 각종 유해물질에 대한 규제도 엄격해지고 있다. IMO에서는, 2030년 이후에 발주하는 선박에 대하여 탄소배출량을 2008년에 발주한 선박에 비해 40% 감축하고, 2050년까지는 50%까지 감축할 것을 결정하였다.
또한, IMO는 선박으로부터의 온실가스 배출량 저감 목표 달성을 관리하기 위하여, 이산화탄소 배출 허용값을 제한하는 EEDI(Energy Efficiency Design Index) 규제를 시행하고 있다.
종래에는 EEDI 규제를 충족시키기 위하여 주로 선박을 대형화하거나, 선형 및 추진장치의 효율을 개선하는 등 기술적 조치를 통해 선박을 효율화 시킴으로써 대응하여 왔다. 그러나, 이미 많은 기술적 조치들이 적용되어 있으므로 점차 강화되는 규제를 만족하기 위해서 더 저감할 수 있을 것으로 기대되는 온실가스 배출량은 높지 않다.
또 다른 온실가스 저감 방법으로는 운항적 조치가 있다. 선박의 연료 소모량이 운항 속도가 증가함에 따라 급격히 증가한다는 점을 감안하여 저속으로 운항하는 것은 가장 대표적인 이산화탄소 저감 수단 중 하나이다. 이미 해운업계에서는 선박에서 소모하는 연료를 절약하기 위하여, 과거보다 운항 속도를 낮추고 있고, 또한, 저속 운항의 효과는 이미 충분히 입증되었다.
그러나 선박의 저속 운항은 선박 당 화물 운송량을 감소시킨다는 문제점이 있다. 따라서, 수요만큼의 화물을 적시에 배송하기 위해서는 추가 선박을 투입해야 하며, 결과적으로 선사의 투자비용이 증가할 수밖에 없다. 또한, 선박용 엔진의 최소 부하 수준 이하로 저속 운항할 경우, 엔진에 악영향을 줄 수 있고, 낮출 수 있는 엔진의 부하는 한계가 있으므로, 운항적 조치만으로는 완전한 탈탄소화가 불가능하다.
선박으로부터의 온실가스 배출을 저감할 수 있는 또 다른 방법은, 이산화탄소 배출량이 적은 대체 연료를 사용하는 것이다. LNG(Liquefied Natural Gas)는 2020년 기준 황 규제 대응이 가능하고, 미세먼지 및 이산화탄소 저감이 가능하여 차세대 청정 선박 연료로서 주목받고 있었다. 기존에는 LNG 운송선에서 발생하는 증발가스(Boil Off Gas)를 선박의 주 연료로서 이용하였으나, LNG의 친환경성이 부각됨에 따라 LNG 운송선이 아닌 선박에서도 LNG를 연료로 사용하는 사례가 증가하는 추세이다.
탄소배출량을 비교해보았을 때, LNG 연료는 연료유를 사용하는 것에 비해 약 20%의 저감 효과가 입증되기는 하였지만, LNG는 본질적으로 화석연료이므로 이산화탄소를 배출할 수밖에 없어 완전한 탈탄소화에는 한계가 있다.
본 발명은, 완전한 탈탄소화를 목표로 하는 선박의 온실가스 배출 규제를 만족할 수 있도록, 엔진에서 사용되는 화석연료의 양을 줄이면서도, 온실가스를 배출하지 않거나, 적어도 온실가스 배출량을 최소화할 수 있는 선박의 온실가스 배출 저감 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
또한, 선박이 항구에 정박하는 등 추진용 엔진은 구동하지 않을 때에는 추진용 엔진을 구동시키기 위한 장비들을 사용하지 않고 발전용 엔진만을 구동할 수 있는 선박의 온실가스 배출 저감 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 선박의 추진력을 생산하는 추진용 엔진과 전력을 생산하는 발전용 엔진을 포함하는 엔진; 상기 엔진에 공급할 연소용 공기로서 공기를 압축하는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 공기를 냉각시켜 연소용 공기로서 상기 엔진에 공급하는 연소공기 냉각기; 액체 상태의 암모니아를 저장하는 암모니아 탱크; 상기 암모니아 탱크로부터 배출된 액체 상태의 암모니아를 기화시켜 상기 연소공기 냉각기로 공급되는 공기와 혼합시키는 암모니아 공급부; 및 상기 암모니아 탱크에서 생성된 증발가스를 상기 발전용 엔진에 공급하는 증발가스 공급부;를 포함하는, 선박의 온실가스 배출 저감 시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 증발가스 공급부는, 상기 암모니아 탱크와 증발가스 공급부를 연결하는 증발가스 라인; 상기 증발가스 라인에 구비되며, 개폐 제어에 의해 상기 암모니아 탱크로부터 증발가스 공급부로 증발가스가 공급되는 것을 허용 또는 차단하고, 상기 추진용 엔진은 작동하지 않고 발전용 엔진만 작동할 때 개방되는 증발가스 공급밸브; 및 상기 증발가스를 상기 발전용 엔진에서 요구하는 온도 조건으로 조절하는 증발가스 열교환기;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 연소공기 냉각기는, 상기 압축공기를 냉각시켜 추진용 엔진에 공급하는 주 연소공기 냉각기; 및 상기 압축공기를 냉각시켜 발전용 엔진에 공급하는 보조 연소공기 냉각기;를 포함하고, 상기 암모니아 공급부는, 상기 기화된 암모니아 기체를 상기 주 연소공기 냉각기로 공급되는 공기에 혼합시키는 주 암모니아 유지부; 및 상기 기화된 암모니아 기체 또는 상기 증발가스 공급부로부터 공급받은 증발가스를 상기 보조 연소공기 냉각기로 공급되는 공기에 혼합시키는 보조 암모니아 유지부;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 암모니아 공급부는, 상기 암모니아 탱크로부터 배출된 액체 상태의 암모니아를 기화시키는 기화기; 상기 기화기에서 기화되지 못한 액체 상태의 암모니아를 분리하여 기체 상태의 암모니아가 상기 주 암모니아 유지부 또는 보조 암모니아 유지부로 공급되도록 하는 기액분리기; 및 상기 기액분리기로부터 배출되는 기체 상태의 암모니아를 상기 엔진에서 요구하는 온도로 가열하여 상기 주 암모니아 유지부 및 보조 암모니아 유지부에 공급하는 열교환기;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스에 포함된 질소산화물을 제거하는 촉매 반응기; 및 상기 촉매 반응기로부터 배출된 배기가스를 작동유체로 하여 상기 압축기의 구동력을 생성하는 터빈;을 포함할 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 상기 선박의 온실가스 배출 저감 시스템을 포함하는 선박의 온실가스 배출 저감 방법에 있어서, 상기 선박의 온실가스 배출 저감 방법은, 상기 추진용 엔진과 발전용 엔진을 모두 운전하는 동시모드; 및 상기 추진용 엔진은 운전하지 않고 발전용 엔진만 운전하는 단독모드; 중 어느 하나의 모드로 운전하고, 상기 동시모드는, 상기 암모니아 공급부를 가동하여 기화시킨 암모니아를 상기 추진용 엔진 및 발전용 엔진에 공급하는 것;을 포함하고, 상기 단독모드는, 상기 암모니아 공급부는 가동하지 않고 상기 증발가스 공급부를 이용하여 암모니아 증발가스를 상기 발전용 엔진에 공급하는 것;을 포함하는, 선박의 온실가스 배출 저감 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 선박은, 개폐 제어에 의해 상기 암모니아 공급부로부터 상기 추진용 엔진에 공급할 공기를 냉각하는 주 연소공기 냉각기로의 암모니아 기체의 공급을 허용 또는 차단하는 주 마스터 밸브; 및 개폐 제어에 의해 상기 암모니아 공급부로부터 상기 발전용 엔진에 공급할 공기를 냉각하는 보조 연소공기 냉각기로의 암모니아 기체의 공급을 허용 또는 차단하는 보조 마스터 밸브;를 포함하며, 상기 동시모드는, 상기 증발가스 공급밸브는 폐쇄하고, 상기 주 마스터 밸브 및 상기 보조 마스터 밸브는 개방하는 것;을 포함하고, 상기 단독모드는, 상기 증발가스 공급밸브 및 보조 마스터 밸브는 개방하고, 상기 주 마스터 밸브는 폐쇄하는 것;을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 선박의 온실가스 배출 저감 시스템 및 방법은, 추진용 엔진으로 공급되는 연소용 공기에 암모니아를 첨가함으로써, 연소 후 배출되는 배기가스 중에 이산화탄소를 포함하지 않거나, 적어도 그 양을 최소화할 수 있다.
또한, 추진용 엔진을 사용하지 않는 항구(port)에서는 암모니아의 증발가스를 발전용 엔진에 공급할 수 있도록 함으로써, 기화기 등의 추진용 엔진에 연료를 공급하기 위한 설비를 운전하지 않고, 필터를 사용하지 않으면서 발전용 엔진을 운전할 수 있어 경제적이다.
또한, 저가의 암모니아를 사용함으로써 연료비를 절감할 수 있으며, 암모니아 사용량만큼 화석연료를 사용하지 않아도 되고 엔진의 연료를 선택적으로 사용할 수 있어 엔진의 화석연료 사용량을 줄일 수 있다.
또한, 기존의 장치들을 최대한 활용할 수 있고 제어 및 장치의 구성이 간단하므로, 현재 운항되고 있는 선박에도 비교적 쉽게 개조하여 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 온실가스 배출 저감 시스템의 구성을 간략하게 도시한 도면이다.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시예에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
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. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
이하, 도 1을 참고하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 온실가스 배출 저감 시스템 및 방법을 설명한다.
본 발명에 따른 선박의 온실가스 배출 저감 시스템은, 엔진(400, 500)과, 엔진(400, 500)에 연료를 공급하는 연료 공급부(미도시)와, 엔진(400, 500)에 연소용 공기를 공급하는 연소공기 공급부(200, 520)와, 엔진(400, 500)으로 공급하는 연소용 공기에 암모니아(NH3)를 주입하는 암모니아 공급부(100)를 포함한다.
본 실시예에서 엔진(400, 500)은, 추진용 엔진(400)과 발전용 엔진(500)을 포함할 수 있다. 도 1에는 1대의 추진용 엔진(400)과 1대의 발전용 엔진(500) 만이 도시되어 있으나, 발전용 엔진(500)은 1대 이상 마련될 수 있다.
추진용 엔진(400)은, 2행정 디젤사이클 기관으로서, 연료로서 디젤(연료유)을 사용하여 동력을 발생시킬 수 있다. 추진용 엔진(400)은 다수개의 실린더를 포함하며, 출력 측에는 선박의 프로펠러(propeller)가 연결되어 구동력을 선체에 전달한다. 본 실시예의 추진용 엔진(400)은, 다수개의 실린더로 연소용 공기가 공급되는 경로에 암모니아 공급부(100)가 연결될 수 있다.
발전용 엔진(500)은, 4행정 오토사이클 기관으로서 연료를 연소시켜 전력을 발생시킬 수 있다. 본 실시예의 발전용 엔진(500)은 연료로서 디젤(연료유)만 사용하거나, 또는 선택적으로 가스연료를 연료로서 사용할 수 있는 이중연료 엔진(dual fuel engine)일 수 있다. 또한, 본 실시예의 발전용 엔진(500)에는 암모니아를 연소용 공기 흡입구에 직접 공급하기 위한 분사밸브가 구비되거나 또는 발전용 엔진(500)으로 연소용 공기가 공급되는 경로에 암모니아 공급부(100)가 연결될 수 있다.
본 실시예에서 엔진(400, 500)은, 연소용 공기의 종류에 따라, 연소용 공기로서 압축공기를 사용하는 디젤모드와, 연소용 공기로서 압축공기와 암모니아를 혼합한 혼합가스를 사용하는 혼소모드 중에서 선택적으로 운전될 수 있다.
한편, 본 실시예의 발전용 엔진(500)은 사용하는 연료의 종류에 따라, 디젤(연료유)을 연료로서 사용하는 오일모드와, 천연가스나 암모니아 가스 또는 천연가스와 암모니아 가스의 혼합연료를 연료로서 사용하는 가스모드 중에서 선택적으로 운전될 수 있다.
예를 들어, 발전용 엔진(500)은 연료의 공급은 디젤모드로 운전하면서 연소용 공기의 공급은 혼소모드로 운전할 수 있고, 연료의 공급은 가스모드로 운전하면서 연소용 공기의 공급은 혼소모드로 운전할 수도 있다.
본 실시예의 암모니아 공급부(100)는, 액체 상태의 암모니아를 저장하는 암모니아 탱크(110)와, 암모니아 탱크(110)로부터 배출된 액체 상태의 암모니아를 연소용 공기에 혼합하기에 적합한 조건으로 조절하는 암모니아 조절부(120)와, 암모니아가 암모니아 조절부(120)로부터 연소공기 공급부(200, 520)로 일정한 조건을 유지하면서 공급되도록 하는 암모니아 유지부(130, 510)를 포함한다.
본 실시예에서 암모니아 유지부(130, 510)는 암모니아 조절부(120)로부터 공급받은 암모니아를 추진용 엔진(400)에 공급하는 주 암모니아 유지부(130)와, 발전용 엔진(500)에 공급하는 보조 암모니아 유지부(510)를 포함할 수 있다.
또한, 본 실시예에서 연소공기 공급부(200, 520)는, 연소용 공기를 추진용 엔진(400)에 공급하는 주 연소공기 공급부(200)와, 발전용 엔진(500)에 공급하는 보조 연소공기 공급부(520)를 포함할 수 있다.
후술하는 주 암모니아 유지부(130), 보조 암모니아 유지부(510), 주 연소공기 공급부(200) 및 보조 연소공기 공급부(520)를 구성하는 장치들은 동일한 기능을 가지나 주 암모니아 유지부(130) 및 주 연소공기 공급부(200)는 추진용 엔진(400)에서 요구하는 조건에 맞게 추진용 엔진(400)에 연소용 공기를 공급하도록 조절되고, 보조 암모니아 유지부(510) 및 보조 연소공기 공급부(520)는 발전용 엔진(500)에서 요구하는 조건에 맞게 발전용 엔진(400)에 연소용 공기를 공급하도록 조절된다는 점에서 목표로 하는 압력, 온도 등의 조건이 다를 수 있다.
다만, 보조 암모니아 유지부(510) 및 보조 연소공기 공급부(520)는 추진용 엔진(400)은 운전하지 않고 발전용 엔진(500)만 운전할 때 주 암모니아 유지부(130) 및 주 연소공기 공급부(200)를 작동하지 않는 상태에서 단독으로 작동하여 발전용 엔진(500)에 연소용 공기를 공급할 수 있도록 제어될 수 있다.
본 실시예에서 추진용 엔진(400)과 발전용 엔진(500)을 모두 운전하는 것을 동시모드, 추진용 엔진(400)은 운전하지 않고 발전용 엔진(500)만 운전하는 것을 단독모드라 하기로 한다.
먼저, 주 암모니아 유지부(130) 및 보조 암모니아 유지부(510)를 구분하지 않고 암모니아 유지부(130, 510)로 설명하고, 주 연소공기 공급부(200) 및 보조 연소공기 공급부(520)를 구분하지 않고 연소공기 공급부(200, 520)로 설명하며, 이들을 구성하는 장치와 기능에 대해서도 공통으로 설명하는 것을 기본으로 하되, 필요한 경우에는 구분해서 설명하기로 한다.
본 실시예의 암모니아 탱크(110)는 암모니아가 액체 상태로 저장될 수 있는 압력 및 온도조건으로 유지될 수 있다. 본 실시예에서 암모니아 탱크(110)의 저장 조건은 약 18 bar 및 약 -30℃인 것을 예로 들어 설명한다.
암모니아 탱크(110)에는, 개폐 제어에 의해 암모니아 탱크(110)로부터 암모니아 조절부(120)로 액체 상태의 암모니아가 유입되도록 하거나 암모니아의 유입을 차단할 수 있는 1차 셧오프 밸브(111)가 구비될 수 있다.
본 실시예의 암모니아 조절부(120)는, 암모니아 탱크(110)로부터 이송된 액체 상태의 암모니아를 기화시키는 기화기(124)와, 기화기(124)로부터 암모니아 유지부(130, 510)로 이송되는 유체에 포함되어 있는 액상을 분리하여 기체 상태의 암모니아만이 공급될 수 있도록 하는 기액분리기(125)와, 기액분리기(125)로부터 배출된 기체 상태의 암모니아를 엔진(400, 500)에서 요구하는 온도로 조절하는 열교환기(910, 920)를 포함한다.
또한, 암모니아 조절부(120)는, 기액분리기(125)로부터 암모니아 유지부(130, 510)로 이송되는 암모니아 기체의 압력을 암모니아 유지부(130, 510) 또는 연소공기 공급부(200, 520)에서 요구하는 압력으로 조절하는 1차 압력 조절밸브(128, 528)와, 개폐 제어에 의해 암모니아 조절부(120)로부터 암모니아 유지부(130, 510)로 기체 상태의 암모니아가 유입되도록 하거나 또는 암모니아의 유입을 차단할 수 있는 마스터 밸브(129, 529)를 포함할 수 있다.
기화기(124)의 상류에는, 기화기(124)로 공급되는 액체 상태의 암모니아에 포함되어 있는 이물질을 분리제거하여 엔진(400, 500)에서 요구하는 순도를 충족하기 위한 암모니아 필터(123)가 마련될 수 있다.
기액분리기(125)에는, 기화기(124)에서 기화되지 못하고 기액분리기(125)로 섞여 들어온 액상의 암모니아를 완전히 기화시키기 위한 가열 장치(미도시)가 구비될 수 있다.
1차 압력 조절밸브(128, 528)는 기액분리기(125)로부터 이송된 기체 상태의 암모니아가 일정한 압력으로 마스터 밸브(129, 529)를 통해 암모니아 유지부(130, 510)로 이송되도록 압력을 조절하는 기능을 가진다.
예를 들어, 추진용 엔진(400)에 암모니아를 공급하는 주 1차 압력 조절밸브(128)는 주 마스터 밸브(129)를 통해 주 암모니아 유지부(130)로 이송되는 암모니아 기체의 압력을 약 5 barg로 유지시킬 수 있다.
마스터 밸브(129, 529)는, 엔진(400, 500)이 혼소모드로 운전되며 시스템이 정상적으로 운영되고 있는 등 암모니아를 연소공기 공급부(200, 520)로 공급할 때 개방된다. 마스터 밸브(129, 529)가 개방되면, 암모니아가 암모니아 조절부(120)로부터 암모니아 유지부(130, 510)를 통해 연소공기 공급부(200, 520)로 공급된다.
한편, 엔진(400, 500)이 디젤모드로 운전되거나, 시스템에 이상이 생겨 중단되는 등 비정상 상태일 때에는, 마스터 밸브(129, 529)가 폐쇄되어 암모니아가 암모니아 유지부(130, 510)로 공급되는 것을 완전히 차단할 수 있다.
본 실시예의 암모니아 조절부(120)는, 암모니아 조절부(120)의 압력이 안전 범위 이상으로 상승하면 배관 내 유체를 외부로 배출시킴으로써 배관을 보호하기 위한 릴리프 밸브(121)를 더 포함한다. 릴리프 밸브(121)가 개방되어 배관으로부터 배출된 암모니아는 후술하는 녹아웃 드럼(150)으로 이송될 수 있다.
또한, 본 실시예의 암모니아 조절부(120)는, 시스템 이상이 발생하면 폐쇄되어 암모니아의 공급을 차단하기 위한 것으로서 직렬로 설치되는 2개의 1차 차단밸브와, 시스템 이상이 발생하면 개방되어 2개의 1차 차단밸브 사이에 잔여 암모니아를 외부로 배출시키는 1개의 1차 벤팅밸브로 이루어지는 1차 이중차단 밸브(122)를 더 포함할 수 있다.
1차 이중차단 밸브(122)는 릴리프 밸브(121)와 암모니아 필터(123) 사이에 배치될 수 있다. 1차 이중차단 밸브(122)의 1차 벤팅밸브가 개방되어 배관으로부터 배출된 암모니아는 후술하는 녹아웃 드럼(150)으로 이송될 수 있다.
한편, 본 실시예의 기액분리기(125)에는, 평상시에는 폐쇄되어 있다가 유지보수를 실시할 때 개방되어 기액분리기(125)에 모인 액상 유체를 배출시키기 위한 유지보수용 밸브(126)와, 평상시에는 폐쇄되어 있다가 퍼징을 실시할 때 개방되어 기액분리기(125)로부터 기상 유체를 배출시키기 위한 퍼징용 밸브(127)가 구비될 수 있다.
유지보수용 밸브(126)가 개방되어 기액분리기(125)로부터 배출된 액상의 암모니아는 암모니아 탱크(110)로 회수될 수 있다. 또한, 퍼징용 밸브(127)가 개방되어 기액분리기(125)로부터 배출된 기상의 암모니아는 후술하는 녹아웃 드럼(150)으로 공급될 수 있다.
본 실시예에서 퍼징을 실시할 때 주입하는 유체는 기체 상태의 질소(N2)일 수 있다.
도 1을 참고하면, 암모니아 조절부(120)의 퍼징을 실시하기 위해 질소를 주입하는 위치는, 1차 셧오프 밸브(111)와 릴리프 밸브(121) 사이, 기화기(124)와 기액분리기(125)사이 및 마스터 밸브(129, 529)의 하류 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 선박의 온실가스 배출 저감 시스템은, 시스템으로부터 벤트시킨 암모니아를 수집하는 녹아웃 드럼(150)을 더 포함할 수 있다.
릴리프 밸브(121)가 개방되어 배관으로부터 배출된 암모니아, 1차 이중차단 밸브(122)의 1차 벤팅밸브가 개방되어 배관으로부터 배출된 암모니아, 퍼징용 밸브(127)가 개방되어 기액분리기(125)로부터 배출된 암모니아는 녹아웃 드럼(150)에 수집될 수 있다.
또한, 녹아웃 드럼(150)에 수집된 암모니아는 암모니아 탱크(110)로 회수되거나 외부로 벤팅될 수 있다.
본 실시예의 암모니아 조절부(120)는, 선내 별도의 밀실에 배치될 수 있으며, 암모니아 조절부(120)가 배치되는 밀실을 연료 준비실(fuel preparation room)이라고 칭하기로 한다. 한편, 녹아웃 드럼(150)은 선내 개방공간, 예를 들어 데크 상에 배치될 수 있다.
본 실시예의 암모니아 유지부(130, 510)는, 연소공기 공급부(200, 520)로부터 엔진(400, 500)에 공급되는 연소용 공기에, 암모니아 조절부(120)로부터 공급받은 암모니아를 분사하고, 연소공기 공급부(200, 520)로 암모니아의 공급 및 차단 여부를 제어하기 위한 수단이다. 또한, 암모니아 유지부(130, 510)는 암모니아를 퍼징 및 벤팅하는 기능을 더 가질 수 있다.
암모니아 유지부(130, 510)는, 암모니아를 연소공기 공급부(200, 520)로부터 엔진(400, 500)에 공급되는 연소용 공기의 압력보다 높은 압력으로 유지시켜 연소공기 공급부(200, 520)에 공급하기 위한 2차 압력 조절밸브(134, 534)와, 개폐 제어에 의해 암모니아 유지부(130, 510)로부터 연소공기 공급부(200, 520)로 기체 상태의 암모니아가 유입되도록 하거나 또는 암모니아의 유입을 차단할 수 있는 2차 셧오프 밸브(135, 535)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서 2차 압력 조절밸브(134, 534)는 암모니아의 압력을 연소공기 공급부(200, 520)로부터 엔진(400, 500)에 공급되는 연소용 공기의 압력보다 약 1 barg 높은 압력으로 조절하여 공급하는 것을 예로 들어 설명한다.
또한, 본 실시예의 암모니아 유지부(130, 510)는, 시스템 이상이 발생하면 폐쇄되어 암모니아의 공급을 차단하며 직렬로 설치되는 2개의 2차 차단밸브와, 시스템 이상이 발생하면 개방되어 2개의 2차 차단밸브 사이에 잔여 암모니아를 외부로 배출시키는 1개의 2차 벤팅밸브로 이루어지는 2차 이중 차단밸브(132, 532)와, 암모니아 유지부(130, 510)를 퍼징할 때 질소를 주입하기 위한 제1 퍼징 주입밸브(133, 533)와, 제1 퍼징 주입밸브(l33, 533)를 통해 질소가 주입됨에 따라 배관 내 유체를 배출시키기 위한 제1 퍼징 배출밸브(131, 531)를 더 포함할 수 있다.
제1 퍼징용 주입밸브(133)는, 암모니아 유지부(130)와 연소공기 공급부(200) 또는 암모니아 유지부(130)와 엔진(400) 사이의 배관을 퍼징하기 위한 수단으로서, 2차 이중 차단밸브(132)와 2차 압력 조절밸브(134) 사이에 배치될 수 있다.
암모니아 유지부(130, 510)의 제1 퍼징 배출밸브(131, 531) 및 2차 이중 차단밸브(132, 532)의 2차 벤팅밸브에 의해 배관으로부터 벤팅된 유체는 외부로 배출될 수 있다.
본 실시예의 암모니아 유지부(130, 510)는, 암모니아 조절부(120)가 배치되는 연료 준비실과 구별되는 가스밸브유닛룸(GVU Room; Gas Valve Unit Room)에 배치될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 선박의 온실가스 배출 저감 시스템은, 암모니아 유지부(130, 510)로부터 연소공기 공급부(200, 520)로 기체 상태의 암모니아가 이송되는 배관으로서, 내부 배관(내관)을 외부 배관(외관)이 둘러싸고 있는 형태의 이중관(double wall gas pipe)(140, 540)을 더 포함할 수 있다.
암모니아 유지부(130, 510)로부터 배출된 기체 상태의 암모니아는 이중관(140, 540)의 내관을 따라 흘러 연소공기 공급부(200, 520)로 공급되고, 이중관(140, 540)의 외관에는 환기용 공기(ventilation air)를 흐르게 한다.
이중관(140, 540)의 외관에는 암모니아의 누출을 감지하기 위한 가스 탐지기(gas detector)(141, 541)와, 외관에 흐르는 환기용 공기를 교환해주기 위하여 외관으로 새로운 공기를 공급해주기 위한 공기 유입부(142, 542)와, 외관으로부터 환기용 공기를 배출시키기 위한 공기 배출부(143, 543)가 마련된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 공기 유입부(142, 542)는 이중관(140, 540)의 하류에서 상단부에 마련되고, 공기 배출부(143, 543)는 이중관(140, 540)의 상류에서 하단부에 마련됨으로써 환기용 공기의 흐름을 원활하게 할 수 있다.
가스 탐지기(141, 541)는 하나 이상 마련될 수 있고, 적어도 하나의 가스 탐지기(141, 541)는 공기 유입부(142, 542)와 인접하게 배치하고, 또한 적어도 하나의 가스 탐지기(141, 541)는 공기 배출부(143, 543)와 인접하게 배치할 수 있다.
또한, 이중관(140, 540)의 내관에는 엔진(400, 500)의 트립이나 멈춤이 발생하거나, 가스 탐지기(141, 541)에 의해 암모니아 기체의 누출이 감지되었을 때 내관으로부터 암모니아 기체를 배출시키기 위한 누출 벤팅밸브(144, 544)가 마련될 수 있다.
누출 벤팅밸브(144, 544)가 개방되어 내관으로부터 배출된 암모니아 기체는 대기 중으로 벤팅될 수 있다. 누출 벤팅밸브(144, 544)를 개방할 때에는, 상술한 제1 퍼징용 주입밸브(133, 533)를 통해 질소를 공급하여 내관을 질소로 치환하는 과정이 동반됨으로써, 시스템을 안전하게 제어할 수 있다.
본 실시예의 연소공기 공급부(200, 520)는, 엔진(400, 500)으로부터 배출된 고온 고압의 배기가스의 에너지를 이용하여 터빈(211, 611)을 회전시키고, 터빈(211, 611)의 회전축에 연결된 압축기(212, 612)를 구동하여 공기를 압축하는 과급기(210, 610)와, 압축기(212, 612)에 의해 압축된 공기를 냉각하는 연소공기 냉각기(230, 630)를 포함한다.
본 실시예의 연소공기 공급부(200, 520)는 엔진(400, 500)으로부터 배출된 배기가스를 모아 일정한 유량으로 터빈(211, 611)에 공급하기 위한 배기가스 리시버(410, 710)를 더 포함할 수 있다. 배기가스 리시버(410, 710)는 큰 실린더 형태로서, 보온이 되어 있을 수 있다. 또한, 배기가스 리시버(410, 710)의 입구는 엔진(400, 500)의 다수개의 실린더의 배기가스 배출구와 연결되고, 출구는 과급기(210, 610)의 터빈(211, 611) 입구와 연결된다.
엔진(400, 500)은 다수개의 실린더를 가지고 있으며, 배기행정에서 실린더로부터 배기가스가 배출된다. 다수개의 실린더는 점화순서가 각기 다르므로 각 실린더로부터 배기가스의 배출시점이 다르다. 따라서, 엔진(400, 500)의 실린더로부터 과급기(210, 610)의 터빈(211, 611)으로 배기가스를 직접 공급하게 되면 맥동현상이 발생할 수 있다. 터빈(211, 611)으로 공급되는 배기가스 압력 변동에 의한 맥동 현상을 방지하기 위하여, 배기가스 리시버(410, 710)를 다수개의 실린더와 연결하여 배기가스가 배기가스 리시버(410, 710)를 통해 터빈(211, 611)으로 공급할 수 있다.
배기가스 리시버(410, 710)와 터빈(211, 611)을 연결하는 배기 파이프에는 후술하는 촉매 반응기(310, 320)가 구비될 수 있으며, 배기가스는 배기가스 리시버(410, 710)로부터 배출되어 촉매 반응기(310, 320)를 통과한 후 터빈(211, 611)으로 공급되거나 터빈(211, 611)을 우회하여 외부로 배출될 수 있다.
본 실시예에 따른 연소공기 공급부(200, 520)는, 터빈(211, 611)의 출구 측에 설치되며 터빈(211, 611) 출구 측의 압력을 조절함으로써, 터빈(211, 611)으로 유입되는 배기가스의 유량을 조절하기 위한 배압밸브(미도시)를 더 포함할 수 있다.
배압밸브를 제어하여 터빈(211, 611)으로 공급되는 배기가스의 유량을 조절함으로써 압축기(212, 612)에서 압축되는 연소용 공기의 압력을 조절할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 엔진(400, 500)으로부터 배출되는 배기가스에 함유되어 있는 질소산화물을 촉매 반응에 의해 제거하는 촉매 반응기(310, 320)를 더 포함할 수 있다.
즉, 엔진(400, 500) 또는 배기가스 리시버(410, 710)로부터 배출되는 배기가스는 촉매 반응기(310, 320)에서 질소산화물이 제거된 후 터빈(211, 611)을 구동시킨 후 외부로 배출되거나, 터빈(211, 611)을 우회하여 외부로 배출될 수 있다.
촉매 반응기(310, 320)는, 배기가스가 배출되는 배기파이프에 설치되며, 촉매 반응기(310, 320)의 내부에 암모니아를 분사하는 분사장치와 촉매 반응기(310, 320)의 내부에 설치되는 촉매를 포함한다.
촉매 반응기(310, 320) 내 촉매 존재 하에, 암모니아를 분사하여 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물 반응함으로써, 질소산화물(NOx)이 질소(N2)와 물(H2O)로 분해된다.
촉매 반응기(310, 320) 내부에 설치되는 촉매는, 다수의 채널(channel)을 가지는 블록(block) 형태를 가질 수 있다.
분사장치를 통해 촉매 반응기(310, 320) 내부로 분사하는 암모니아는, 안전을 위해서 수용액, 즉 우레아(urea, (NH2)2CO)) 상태로 분사할 수 있다.
한편, 본 실시예의 과급기(210, 610)의 압축기(212, 612)는 배기가스를 작동유체로 하여 구동되는 터빈(211, 611)의 회전력을 이용하여, 엔진(400, 500)의 연소용 공기로 공급할 공기를 압축한다. 과급기(210, 610)의 압축기(212, 612)에는 압축기(212, 612)로 공급되는 공기에 포함된 불순물을 제거하는 공기흡입필터(213, 613)가 설치될 수 있다.
압축기(212, 612)에서 압축된 압축공기의 압력은 약 3 barg일 수 있다.
본 실시예의 연소공기 공급부(200, 520)는, 압축기(212, 612)에서 압축된 압축공기를 엔진(400, 500)에서 요구하는 온도 조건으로 냉각시키는 연소공기 냉각기(230, 630)와, 연소공기 냉각기(230, 630)에서 냉각된 압축공기와 암모니아 유지부(130, 510)로부터 이송받은 암모니아가 혼합된 혼합가스를 혼합하여 엔진(400, 500)에 연소용 공기로서 공급하는 연소공기 리시버(420, 720)를 더 포함할 수 있다.
상술한 이중관(140, 540)의 입구는 암모니아 유지부(130, 510)에 연결되고, 이중관(140, 540)의 출구는 압축기(212, 612)로부터 연소공기 냉각기(230, 630)로 압축공기가 이송되는 공기 라인(도면부호 미부여)에 연결될 수 있다.
즉, 암모니아 공급부(100)로부터 이송된 암모니아는, 압축기(212, 612)로부터 연소공기 냉각기(230, 630)로 이송되는 압축공기 흐름에 혼합되고, 압축공기와 암모니아 기체의 혼합가스가 엔진(400, 500) 또는 연소공기 리시버(420, 720)로 공급된다.
연소공기 냉각기(230, 630)에서는, 냉각수(cooling water)와의 열교환에 의해 압축공기가 냉각될 수 있다. 여기서 냉각수는 선내 냉각수 공급부(미도시)로부터 이송되는 저온의 냉각수가 이용될 수 있다. 연소공기 냉각기(230, 630)를 구비하여 압축공기를 냉각시킴으로써 과급기(210, 610)의 효율을 높이고, 엔진(400, 500)에 공급되는 연소용 공기의 밀도를 높여 엔진(400, 500)의 연소 효율이 향상될 수 있다.
연소공기 냉각기(230, 630)는 1단 또는 2단 이상으로 구비될 수 있다.
한편, 엔진(400, 500)은 다수개의 실린더를 가지고 있고, 각 실린더의 흡입행정에서 연소용 공기가 실린더로 유입되는데, 실린더별 점화순서가 다르기 때문에, 연소용 공기의 흡입 시점이 달라져 맥동 현상이 일어날 수 있다. 따라서, 본 실시예의 연소공기 리시버(420, 720)는 엔진(400, 500)으로 공급되는 연소용 공기의 맥동 현상을 방지하기 위하여 구비될 수 있다.
연소공기 리시버(420, 720)는 큰 실린더 형태로서, 엔진(400, 500)의 다수개의 실린더의 연소용 공기 흡입구와 연결된다.
연소공기 리시버(420, 720)에는, 연소공기 리시버(420, 720)로 유입된 연소용 공기(압축공기 또는 압축공기와 암모니아 기체 혼합가스)의 암모니아 농도를 측정하는 암모니아 농도센서(421, 721)가 구비된다.
암모니아 농도센서(421, 721)의 농도 측정값에 따라 1차 셧오프 밸브(111), 마스터 밸브(129, 529) 및 2차 셧오프 밸브(135, 535) 중 어느 하나 이상을 제어하여, 연소공기 리시버(420, 720) 내 암모니아 농도를 조절할 수 있다.
연소공기 리시버(420, 720)로 유입되는 암모니아의 농도는, 암모니아의 폭발이 일어나지 않는 범위인 약 15% 이하로 유지하는 것이 바람직하나, 이보다 농도가 높더라도 제약이 되지는 않는다.
연소공기 리시버(420, 720)에는 폭발 시 과압을 제거할 수 있도록 파열판(bursting disc) 또는 릴리프 밸브(미도시)가 구비될 수 있다.
또한, 엔진의 트립이나 운전 정지 등 비상상황에서, 연소공기 냉각기(230, 630)와, 공기 라인을 퍼징하기 위하여 불활성 가스를 주입하는 제2 퍼징 주입밸브(422, 622)와, 연소공기 리시버(420, 720)를 퍼징하기 위하여 불활성 가스를 주입하는 제3 퍼징 주입밸브(423, 623)를 더 포함할 수 있다.
제2 퍼징 주입밸브(422, 622)는 과급기(210, 610)로부터 연소공기 냉각기(230, 630)로 연결되는 공기 라인에 배치될 수 있다. 또한, 제3 퍼징 주입밸브(423, 623)는 연소공기 리시버(420, 720)에 배치될 수 있다.
즉, 연소공기 냉각기(230, 630) 및 공기 라인을 퍼징할 때에는, 공기 라인의 상류에서 제2 퍼징 주입밸브(422, 622)를 통해 불활성 가스(질소)를 주입하여, 주입된 질소가 연소공기 냉각기(230, 630)를 거치면서 잔여 유체들을 퍼징시킬 수 있다.
또한, 연소공기 리시버(420, 720)를 퍼징할 때에는, 제3 퍼징 주입밸브(423, 623)를 통해 불활성 가스(질소)를 주입하여, 주입된 질소가 연소공기 리시버(420, 720) 내부의 잔여 유체들을 퍼징시킬 수 있다.
선박이 항구에 정박해 있는 등 추진하지 않을 때에는 추진용 엔진(400)을 운전하지 않는데, 추진하지 않더라도 화물을 하역하는 등의 작업을 실시하기 위해서 발전용 엔진(500)은 가동되어야 한다.
본 실시예에 따른 발전용 엔진(500)은 연소용 공기에 암모니아를 혼합하여 사용하도록 구비되어 있고, 암모니아 공급부(100)는 추진용 엔진(400)과 발전용 엔진(500)의 공통 장비이므로, 추진용 엔진(400)을 운전하지 않더라도 암모니아 공급부(100)를 가동시킬 수 밖에 없을 것이다.
본 실시예는 발전용 엔진(500)만 가동할 때에는 암모니아 공급부(100)를 가동하지 않고도 발전용 엔진(500)에 암모니아를 공급할 수 있도록 증발가스 공급부를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 증발가스 공급부를 이용하여, 암모니아 탱크(110)에 저장된 액체 상태의 암모니아는 자연기화하여 생성된 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)를 발전용 엔진(500)에 공급할 수 있다.
본 실시예의 증발가스 공급부는, 암모니아 탱크(110)로부터 증발가스를 배출시키는 증발가스 라인(BL)과, 증발가스 라인(BL)에 설치되며 개폐 제어에 의해 암모니아 탱크(110)로부터 발전용 엔진용 암모니아 유지부, 즉 보조 암모니아 유지부(510)로 증발가스의 공급을 허용 또는 차단하는 증발가스 공급밸브(930)와, 암모니아 탱크(110)로부터 보조 암모니아 유지부(510)로 공급되는 증발가스의 온도를 발전용 엔진(500)에서 요구하는 조건으로 조절하는 증발가스 열교환기(920)를 포함한다.
증발가스 라인(BL)은 암모니아 탱크(110)로부터 발전용 엔진용 1차 압력 조절밸브, 즉 보조 1차 압력 조절밸브(528)의 상류로 연결될 수 있다.
증발가스 공급밸브(930)는, 평상시에는 폐쇄되어 있다가 추진용 엔진(400)은 운전하지 않고 발전용 엔진(500)만을 가동할 때 개방될 수 있다. 또는, 암모니아 탱크(110)의 압력을 제어하기 위하여 암모니아 탱크(110)로부터 증발가스를 배출시켜야 할 때도 개방될 수 있다.
증발가스 공급밸브(930)가 개방되면 암모니아 탱크(110)로부터 증발가스가 보조 암모니아 유지부(510)로 이송되는데, 따라서 증발가스 공급밸브(930)가 개방되면 발전용 엔진(500)은 연소용 공기로서 압축공기에 암모니아를 혼합한 혼합가스를 사용하는 혼소모드로 운전될 수 있다.
또한, 추진용 엔진(400)은 운전하지 않고 발전용 엔진(500)만을 가동할 때 발전용 엔진(500)은 연료로서 암모니아 증발가스 또는 천연가스와 암모니아 증발가스를 혼합한 혼합연료를 연료로서 사용할 수도 있다.
발전용 엔진(500)으로 증발가스를 공급할 때, 증발가스 공급밸브(930)는, 암모니아 탱크(110)로부터 액체 상태의 암모니아 배출을 제어하는 1차 셧오프 밸브(111), 암모니아 조절부(120)로부터 추진용 엔진용 암모니아 유지부, 즉 주 암모니아 유지부(130)로 공급되는 암모니아의 압력을 조절하는 주 1차 압력 조절밸브(128)와, 암모니아 조절부(120)로부터 주 암모니아 유지부(130)로 암모니아의 공급을 제어하는 주 마스터 밸브(129)는 폐쇄된 상태에서 개방될 수 있다.
또한, 발전용 엔진(500)으로 증발가스를 공급할 때, 증발가스 공급밸브(930)는 기화기(124), 기액분리기(125) 및 주 열교환기(610)를 가동하지 않는 상태에서 개방될 수 있다.
증발가스 공급밸브(930)가 개방되면, 암모니아 조절부(120)로부터 발전용 엔진용 암모니아 유지부, 즉 보조 암모니아 유지부(510)로 암모니아의 공급을 제어하는 보조 마스터 밸브(529)는 개방된 상태에 있다.
즉, 증발가스 공급밸브(930)가 개방되면, 증발가스 열교환기(920)로 공급된 암모니아 증발가스는 온도가 조절된 후, 보조 암모니아 유지부(510)로 공급되는 암모니아의 압력을 조절하는 보조 1차 압력 조절밸브(528)에 의해 압력이 조절되고, 보조 마스터 밸브(529)를 통해 보조 암모니아 유지부(510)로 이송되고, 보조 이중관(540)의 내관을 통해, 보조 압축기(612)로부터 보조 연소공기 냉각기(630)로 연결되는 보조 공기라인에 합류되어, 보조 압축기(612)에 의해 압축된 압축공기와 함께 발전용 엔진(500)에 공급될 수 있다.
본 발명에 따르면, 추진용 엔진(400) 및 발전용 엔진(500)에 암모니아를 연소용 공기에 혼합하여 공급함으로써, 엔진에서 암모니아가 연료유와 함께 연소하도록 한다. 암모니아를 연료유와 함께 연소시킴으로써 연료유의 사용량을 줄일 수 있고, 탄소를 포함하지 않는 암모니아는 연소하여도 이산화탄소를 발생시키지 않으므로 온실가스 배출량을 없게 하거나 줄일 수 있다.
엔진(400, 500)에서 암모니아가 연소되면 배기가스 중에 질소산화물이 증가할 수 있는데, 배기가스가 배출되는 배기 파이프 상에 촉매 반응기(310, 320)를 구비함으로써 배출되는 질소산화물의 양도 저감할 수 있다.
또한, 선박이 정박하는 등 추진용 엔진(400)은 가동하지 않고 발전용 엔진(500)만 가동할 때에는 추진용 엔진(400)에 암모니아를 공급하는 암모니아 공급부(100)를 가동하지 않거나 최소한의 장비들만 가동하여, 증발가스 공급부(900)를 이용하여 암모니아 증발가스를 발전용 엔진(500)에 공급할 수 있어 연료 비용을 저감할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로 상술한 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고, 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
100 : 암모니아 공급부
110 : 암모니아 탱크 111 : 1차 셧오프 밸브
150 : 녹아웃 드럼
120 : 암모니아 조절부
121 : 릴리프 밸브 122 : 1차 이중차단 밸브
123 : 암모니아 필터 124 : 기화기
125 : 기액분리기 126 : 유지보수용 밸브
127 : 퍼징용 밸브
BL, BL1, BL2 : 증발가스 라인
920 : 증발가스 열교환기 930 : 증발가스 공급밸브
400 : 추진용 엔진 500 : 발전용 엔진
[추진용 엔진용] [발전용 엔진용]
410 : 주 배기가스 리시버 710 : 보조 배기가스 리시버
310 : 주 촉매 반응기 320 : 보조 촉매 반응기
128 : 주 1차 압력조절 밸브 528 : 보조 1차 압력조절 밸브
129 : 주 마스터 밸브 529 : 보조 마스터 밸브
130 : 주 암모니아 유지부 510 : 보조 암모니아 유지부
131 : 주 제1 퍼징 배출밸브 531 : 보조 제1 퍼징 배출밸브
132 : 주 2차 이중차단 밸브 532 : 보조 2차 이중차단 밸브
133 : 주 제1 퍼징 주입밸브 533 : 보조 제1 퍼징 주입밸브
134 : 주 2차 압력 조절밸브 534 : 보조 2차 압력 조절밸브
135 : 주 2차 셧오프 밸브 535 : 보조 2차 셧오프 밸브
140 : 주 이중관 540 : 보조 이중관
141 : 주 가스탐지기 541 : 보조 가스탐지기
142 : 주 공기 유입부 542 : 보조 공기 유입부
143 : 주 공기 배출부 543 : 보조 공기 배출부
144 : 주 누출 벤팅밸브 544 : 보조 누출 벤팅밸브
200 : 주 연소공기 공급부 520 : 보조 연소공기 공급부
210 : 주 과급기 610 : 보조 과급기
211 : 주 터빈 611 : 보조 터빈
212 : 주 압축기 612 : 보조 압축기
213 : 주 공기흡입필터 613 : 보조 공기흡입필터
230 : 주 연소공기 냉각기 630 : 보조 연소공기 냉각기
420 : 주 연소공기 리시버 720 : 보조 연소공기 리시버
421 : 주 암모니아 농도센서 721 : 보조 암모니아 농도센서
422 : 주 제1 퍼징 주입밸브 722 : 보조 제1 퍼징 주입밸브
423 : 주 제2 퍼징 주입밸브 723 : 보조 제2 퍼징 주입밸브

Claims (7)

  1. 선박의 추진력을 생산하는 추진용 엔진과 전력을 생산하는 발전용 엔진을 포함하는 엔진;
    상기 엔진에 공급할 연소용 공기로서 공기를 압축하는 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 공기를 냉각시켜 연소용 공기로서 상기 엔진에 공급하는 연소공기 냉각기;
    액체 상태의 암모니아를 저장하는 암모니아 탱크;
    상기 암모니아 탱크로부터 배출된 액체 상태의 암모니아를 기화시켜 상기 연소공기 냉각기로 공급되는 공기와 혼합시키는 암모니아 공급부; 및
    상기 암모니아 탱크에서 생성된 증발가스를 상기 발전용 엔진에 공급하는 증발가스 공급부;를 포함하고,
    상기 선박은,
    상기 추진용 엔진과 발전용 엔진을 모두 운전하여, 상기 암모니아 공급부를 가동하여 기화시킨 암모니아를 상기 추진용 엔진 및 발전용 엔진에 공급하는 동시모드; 및
    상기 추진용 엔진은 운전하지 않고 발전용 엔진만 운전하여, 상기 암모니아 공급부는 가동하지 않고 상기 증발가스 공급부를 이용하여 암모니아 증발가스를 상기 발전용 엔진에 공급하는 단독모드; 중 어느 하나의 모드로 운전되는, 선박의 온실가스 배출 저감 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 증발가스 공급부는,
    상기 암모니아 탱크와 증발가스 공급부를 연결하는 증발가스 라인;
    상기 증발가스 라인에 구비되며, 개폐 제어에 의해 상기 암모니아 탱크로부터 증발가스 공급부로 증발가스가 공급되는 것을 허용 또는 차단하고, 상기 추진용 엔진은 작동하지 않고 발전용 엔진만 작동할 때 개방되는 증발가스 공급밸브; 및
    상기 증발가스를 상기 발전용 엔진에서 요구하는 온도 조건으로 조절하는 증발가스 열교환기;를 포함하는, 선박의 온실가스 배출 저감 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 연소공기 냉각기는,
    상기 압축된 공기를 냉각시켜 추진용 엔진에 공급하는 주 연소공기 냉각기; 및
    상기 압축된 공기를 냉각시켜 발전용 엔진에 공급하는 보조 연소공기 냉각기;를 포함하고,
    상기 암모니아 공급부는,
    상기 기화된 암모니아 기체를 상기 주 연소공기 냉각기로 공급되는 공기에 혼합시키는 주 암모니아 유지부; 및
    상기 기화된 암모니아 기체 또는 상기 증발가스 공급부로부터 공급받은 증발가스를 상기 보조 연소공기 냉각기로 공급되는 공기에 혼합시키는 보조 암모니아 유지부;를 포함하는, 선박의 온실가스 배출 저감 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 암모니아 공급부는,
    상기 암모니아 탱크로부터 배출된 액체 상태의 암모니아를 기화시키는 기화기;
    상기 기화기에서 기화되지 못한 액체 상태의 암모니아를 분리하여 기체 상태의 암모니아가 상기 주 암모니아 유지부 또는 보조 암모니아 유지부로 공급되도록 하는 기액분리기; 및
    상기 기액분리기로부터 배출되는 기체 상태의 암모니아를 상기 엔진에서 요구하는 온도로 가열하여 상기 주 암모니아 유지부 및 보조 암모니아 유지부에 공급하는 열교환기;를 포함하는, 선박의 온실가스 배출 저감 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스에 포함된 질소산화물을 제거하는 촉매 반응기; 및
    상기 촉매 반응기로부터 배출된 배기가스를 작동유체로 하여 상기 압축기의 구동력을 생성하는 터빈;을 포함하는, 선박의 온실가스 배출 저감 시스템.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 선박은,
    개폐 제어에 의해 상기 암모니아 공급부로부터 상기 추진용 엔진에 공급할 공기를 냉각하는 주 연소공기 냉각기로의 암모니아 기체의 공급을 허용 또는 차단하는 주 마스터 밸브; 및
    개폐 제어에 의해 상기 암모니아 공급부로부터 상기 발전용 엔진에 공급할 공기를 냉각하는 보조 연소공기 냉각기로의 암모니아 기체의 공급을 허용 또는 차단하는 보조 마스터 밸브;를 포함하며,
    상기 동시모드는, 상기 증발가스 공급부를 개폐하는 증발가스 공급밸브는 폐쇄하고, 상기 주 마스터 밸브 및 상기 보조 마스터 밸브는 개방하는 것;을 포함하고,
    상기 단독모드는, 상기 증발가스 공급밸브 및 보조 마스터 밸브는 개방하고, 상기 주 마스터 밸브는 폐쇄하는 것;을 포함하는, 선박의 온실가스 배출 저감 시스템.
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210069972A (ko) * 2019-12-04 2021-06-14 에이치에스디엔진 주식회사 암모니아 공급 시스템
KR20210137341A (ko) * 2020-05-08 2021-11-17 삼성중공업 주식회사 암모니아 연료 공급 장치
KR20210145044A (ko) * 2020-05-22 2021-12-01 대우조선해양 주식회사 선박용 연료 공급 시스템
KR20220051100A (ko) * 2020-10-16 2022-04-26 한국조선해양 주식회사 암모니아를 연료로 이용하는 선박
KR20220051103A (ko) * 2020-10-16 2022-04-26 한국조선해양 주식회사 암모니아를 연료로 이용하는 선박
KR20220112889A (ko) * 2021-02-04 2022-08-12 대우조선해양 주식회사 선박의 연료공급시스템 및 방법

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210069972A (ko) * 2019-12-04 2021-06-14 에이치에스디엔진 주식회사 암모니아 공급 시스템
KR20210137341A (ko) * 2020-05-08 2021-11-17 삼성중공업 주식회사 암모니아 연료 공급 장치
KR20210145044A (ko) * 2020-05-22 2021-12-01 대우조선해양 주식회사 선박용 연료 공급 시스템
KR20220051100A (ko) * 2020-10-16 2022-04-26 한국조선해양 주식회사 암모니아를 연료로 이용하는 선박
KR20220051103A (ko) * 2020-10-16 2022-04-26 한국조선해양 주식회사 암모니아를 연료로 이용하는 선박
KR20220112889A (ko) * 2021-02-04 2022-08-12 대우조선해양 주식회사 선박의 연료공급시스템 및 방법

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