KR20120003214A

KR20120003214A - 선박용 유증기 회수설비

Info

Publication number: KR20120003214A
Application number: KR1020100063959A
Authority: KR
Inventors: 이경우
Original assignee: 사단법인 한국선급
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2012-01-10
Also published as: KR101265902B1

Abstract

본 발명은 기존에 새로운 개념의 선박용 유증기 회수설비를 제안하는 것으로, 기존에 육상에서 유증기 회수를 위해 사용되는 흡착법, 분리막법 및 심냉법이 여러가지 단점으로 인해 선박용으로 적용하기가 곤란한 점을 고려하여, 질소와 이산화탄소를 분리하기 위한 분리막법, 심냉법 및 흡수법을 조합한 신개념 선박용 유증기 회수설비 기술을 제안한다.
특히 본 발명에서 제안하는 선박용 유증기 회수설비는 기존의 유증기 회수설비로서는 회수가 불가능하거나 곤란했던 C1(메탄) 및 C2(에탄 등) 계열의 탄화수소 까지 회수할 수 있는 기술이므로, 유증기 및 휘발성유기화합물의 회수효율을 극대화할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 지구온난화를 야기하는 6대 온실가스인 이산화탄소와 메탄을 전량 포집 또는 회수할 수 있어, 선박의 온실가스 배출량 감축에 도움을 줄 수 있으며, 지구온난화지수가 3~20 정도인 것으로 평가되는 휘발성유기화합물들을 회수하여, 지구온난화 방지에 기여할 수 있는 기술이다.

Description

선박용 유증기 회수설비{Ship’s Vapor Recovery Unit}

원유 또는 석유류 제품유를 화물로 운송하는 선박에서 화물유의 이송과정 및 선박의 운항과정에서 화물탱크에서 발생하는 유증기는 기존에 대기 중으로 방출하여 왔으나, 이를 회수하여 대기오염을 방지하고, 회수된 유증기를 연료유로 사용하여 선박의 연료비를 절감할 수 있도록 하는 기술

휘발성유기화합물(VOC, Volatile Organic Compounds)는 대기 중에 방출되는 경우에 발암물질, 독성물질 등을 생성시키는 대기오염 물질로서, 최근에는 온실효과를 나타내는 물질로서도 다뤄지고 있는 물질이다.

원유 또는 석유류 제품을 화물로 운송하는 선박인 탱커선에서 화물유를 보관하는 화물유탱크에서는 많은 양의 유증기가 발생하게 되는데, 현재에는 [도 2] 및 [도 3]과 같이 화물탱크 내부에서 발생하는 유증기를 대기중에 배출하고 있다.

[도 2]에서 탱커선의 화물탱크에 화물유를 적재하는 경우에 1번 지점에서 화물유는 속도, 압력 등의 일정한 유동에너지를 가지게 되는데, 2번 지점에서는 정지하게 되며, 1번 지점과 2번 지점 사이의 유동에너지 차이는 대부분 마찰에너지로 손실되게 된다. 이때 손실되는 마찰에너지로 발생하는 열로 인해 다량의 유증기 발생하게 된다.

또한, [도 3]에서와 같이, 화물유를 화물탱크에 적재한 탱커선이 운항하는 과정에서 햇빛 등에 의해 화물탱크 내부로 지속적으로 열량이 유입되며, 또한, 유동점이 낮은 화물유의 경우에는 화물유가 굳는 것을 방지하기 위해 가열관장치를 이용하여 화물유를 가열하기 때문에 열량이 유입되며, 이렇게 유입되는 열량으로 인해 화물탱크 내부에 유증기가 발생하게 된다.

특히, 탱커선의 유증기는 다양한 종류의 휘발성유기화합물을 포함하고 있어, 국제적으로 선박에서 발생하는 휘발성유기화합물의 대기 배출을 감축하기 위한 다양한 논의가 진행되었으며, 그 결과로 [도 4]와 같이 선박에서 발생하는 휘발성유기화합물을 포함하고 있는 유증기를 육상의 유증기 회수설비로 이송하도록 요구하고 있다.

하지만, 육상의 처리시설의 설치는 의무적인 사항이 아니어서, 육상의 유증기 회수설비를 설치하고 있는 항구가 그리 많지 않아, 현재에도 많은 선박들이 다량의 휘발성유기화합물을 배출하여 대기오염을 유발하고 있다.

탱커선의 화물탱크에서 발생하는 휘발성유기화합물이 포함되어 있는 유증기를 대기중으로 방출하지 않고, 회수하여 선박에서 사용되는 연료유로 사용하여, 휘발성유기화합물의 대기방출에 따른 대기오염 및 지구온난화 방지, 회수된 유증기를 연료유로 사용하여 선박의 연료비 절감 및 유증기와 함께 대기로 방출되는 이산화탄소를 포집하여 보관함으로 지구온난화의 방지를 이룰 수 있는 기술의 개발

탱커선의 화물탱크에 화물을 적재하는 경우에는, 가연성 물질인 화물유로 인한 화재 또는 폭발을 방지하기 위해, 화물을 적재하기 전의 빈 화물탱크를 산소농도가 5% 미만인 불활성가스(Intert Gas)로 채우고, 화물탱크 내의 산소농도가 5% 미만이라는 것을 확인한 이후에 화물유를 적재하며, 화물탱크에 화물유를 적재하는 과정 중 및 적재가 완료된 후에 화물탱크의 상부의 기상부는 불활성가스와 유증기 혼합물로 채워지게 된다.

[도 2]와 같이 화물유의 적재중에 발생한 유증기는 [도 4]와 같이 육상의 유증기 처리설비로 회송하는 경우를 제외하고는 모두 대기로 방출하고 있으며, [도 3]에서와 같이 운항중에 발생하는 유증기는 전량 대기중으로 방출되고 있다. 또한, [도 4]와 같이 육상의 유증기 처리설비가 설치되어 있는 국가는 우리나라를 비롯하여, 미국, 노르웨이 정도로서, 극히 미미한 실정이다.

화물탱크로 부터 방출되는 불활성가스와 유증기의 혼합물에서 불활성가스와 유증기의 비율은 일반적으로 8:2 정도이며, 불활성가스는 일반적으로 질소 80%, 이산화탄소 20%로 알려져 있다.

기존의 유증기 회수설비의 개념이 흡착제, 분리막 등을 이용하여 유증기와 다른 기체와의 혼합물질에서 유증기를 분리해 내는 기술이지만, 본 발명에서는 유증기의 회수효율을 극대화하기 위해, 유증기를 분리해 내는 방법과 불활성가스를 분리해내는 방법을 동시에 적용하고자 한다.

유증기는 탄화수소로서, 탄소와 수소 분자의 화학적 결합물이며, 탄화수소는 일반적으로 탄소분자의 분자량으로 구분하며, 탄소분자가 하나인 것을 C1계열, 탄소분자가 n개 인 것을 Cn계열이라 지칭하며, C1계열은 메탄, C2계열은 에탄, C3계열은 프로판, C4계열은 부탄 등이 대표적이다.

일반적으로 유증기 회수에 적용되는 방법은 흡착법, 분리막법 및 심냉법이 있으며, 육상에서는 흡착법이 가장 널리 사용된다. 하지만, 흡착법은 흡착제로 주로 사용되는 활성탄의 특성상 C1 및 C2 계열의 탄화수소는 회수할 수가 없으며, 활성탄은 일반적으로 경도가 매우 높아, 선박에서 발생하는 진동에 매우 취약하여, 흡착효율이 떨어질 가능성이 높다. 또한, 흡착제는 주기적으로 교체를 하여야 하는 문제점이 있어, 대양을 항해하기 때문에 주기적인 유지보수가 어려운 선박의 특성상 흡착법을 이용한 유증기 회수설비는 선박에 적용하기가 어려울 것으로 판단된다.

분리막법은 혼합물 중에서 탄화수소 만을 분리해 내야 하기 때문에 여러가지 종류의 분리막을 사용하여하여야 하고, 분자량이 가벼운 C1 및 C2 계열의 경우에는 적합한 분리막이 개발되어 있으나, 매우 고가이어서 실질적인 경제성을 가지기가 어려운 실정이다.

또한, 심냉법은 비교적 간단한 설비로서 탄화수소를 액화할 수 있으나, [도 5]에서 알 수 있듯이 C1계열인 메탄은 대기압에서 약 -162℃, C2계열인 에탄은 대기압에서 약 -89℃까지 냉각시켜야 하기 때문에 매우 많은 동력이 소모되며, 특히 CO2는 대기압에서 약 -78℃에서 액화 되므로, 불활성가스와 유증기의 혼합물을 같이 냉각 또는 압축하는 경우에는 액화된 물질에서 CO2가 다량으로 포함되므로, 회수된 유증기를 연료유 등과 같은 다른 용도로 사용하기가 어려워지는 문제점이 있다.

흡착법, 분리막법 및 심냉법의 이러한 문제점을 고려하여, 본 발명에서는 [도 1]과 같이 프로세스와 같이, 분리막법, 심냉법 및 스크러버(Scrubber)를 이용한 흡수법을 조합하여, 불활성가스와 유증기의 혼합물에서 탄소분자함유량이 높은 탄화수소는 흡수법과 심냉법으로 회수하고, 탄소분자함유량이 낮아 심냉법을 적용하기 어려운 C1 및 C2계열 탄화수소는 분리막법을 이용하여 불활성가스(질소 및 이산화탄소)를 제거하여 회수하는 형태의 새로운 개념의 선박용 유증기 회수설비를 제안하고자 한다.

화물탱크에서 배출되는 유증기는 불활성가스와 유증기의 혼합물이므로, [도 1]에서와 같이, 녹아웃용기(2)와 연료유스크러버(5)를 통해 유증기 중에 포함되어 있는 유증기를 일부 회수한다. 이때 안전설비(1)는 선박의 화물유 탱크 구역과 회수설비가 설치되는 구역을 격리할 수 있도록 설비되어야 한다.또한, 필터링설비(4)는 불활성가스와 유증기의 혼합물에 포함되어 있는 이물질과 수분 등을 제거하기 위해 사용되는 것이다. 녹아웃용기(2)와 연료유스크러버(5)에서 회수된 탄화수소는 쉽게 액화되는 탄화수소들이므로, 연료유탱크(3)로 직접 주입하여, 선박용 연료유로 활용할 수 있다.

또한, 압축/냉각설비(6)는 C3 및 C4계열의 탄화수소를 회수하기 위한 것으로 C3 및 C4 계열은 선박의 통상적인 최고 설계 온도인 45℃에서 5~20 bar 정도에서 액화로 회수가 가능하다. 또한, 1차분리막(7)과 2차분리막(8)에서 각각 이산화탄소와 질소를 분리해 내기 위해서는 불활성가스와 유증기(이 단계에서는 C1 및 C2 계열만이 존재한다.)를 약 10 bar 이상으로 압축하여야 하는데, 이때 필요한 압력을 압축/냉각설비(6)에서 얻을 수 있다.

최종적으로 불활성가스와 유증기(C1 및 C2 계열)에서 C1 및 C2를 분리해 낼 수 있는 분리막은 매우 고가이므로, 이미 기술이 개발되어 상용활 되어 있는 CO2 분리막과 질소 분리막을 적용하여, 1차분리막(7)과 2차분리막(8)을 통해 질소와 이산화탄소를 분리해 내면, 최종적으로 남는 C1 및 C2 계열 탄화수소를 완전하게 회수할 수 있다.

또한, 연료유스크러버(5) 이후의 공정인 압축/냉각설비(6), 1차분리막(7) 및 2차분리막(8)에서 회수된 탄화수소들은 대기압 상온하에서는 가스 상태로 존재하기 때문에 CH4및LPG보관용기(9)에 저장하여, 탱커선에서 필요한 불활성가스를 제조하기 위한 불활성가스제조장치(10) 또는 보일러 등과 같은 다른 용도로 사용할 수 있다.

본 발명을 적용하면, 그동안 탱커선의 화물탱크에서 대기중으로 방출되어 대기오염을 유발하던 휘발성유기화합물을 포함한 유증기를 회수할 수 있으며, 그동안의 기술로는 회수가 불가능하거나 어려웠던 C1 및 C2 계열 탄화수소까지 회수하여 선박의 연료유로 사용할 수 있어, 대기오염 방지 및 선박의 연료비 절감에 도움을 줄 수 있다.

또한, 온실가스 측면에서 이산화탄소와 지구온난화지수가 23 정도로 평가되는 메탄을 모두 포집 또는 회수할 수 있으며, 지구온난화지수가 상당히 높은 것으로 평가되는 기타 탄화수소 또한 모두 회수할 수 있어, 선박에서 배출되는 온실가스 배출량을 저감하는데 많은 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.

[도 1]은 본 발명에서 제안하는 선박용 유증기회수설비의 작동원리를 표현하는 배관계통도이다.
[도 2]는 탱커선에서 화물탱크에 화물유를 적재하는 과정에서 유증기가 발생하는 원인을 설명하는 것이다.
[도 3]은 화물유를 화물탱크에 적재한 탱커선이 운항시에 유증기가 발생하는 원인을 설명하는 것이다.
[도 4]는 탱커선에서 화물탱크에 화물유를 적재하는 과정에서, 육상에 유증기 처리설비가 설치되어 있는 경우에, 탱커선에 육상으로 유증기를 회송하는 시스템을 나타낸 것이다.
[도 5]는 다양한 탄화수소에 대해 탄화수소가 액화되는 조건인 증기압을 온도변화에 따라 나타낸 것이다.

본 발명은 기존의 개발되어 각기 다른 분야에서 사용되고 있는 기술을 조합하여, 탱커선의 화물탱크에서 발생하는 유증기를 회수하는 기술을 제안하는 것이다.

선박의 화물탱크에서 발생한 유증기는 일반적으로 불활성가스 배관장치를 통해 대기로 방출되게 되는데, 불활성가스 배관장치에서 배관을 연결하여, 화물탱크로 부터 배출되는 불활성가스와 유증기의 혼합가스를 [도 1]과 같이, 녹아웃용기(2), 필터링설비(4) 및 연료유스크러버(5)로 유도한다. 녹아웃용기(2)와 연료유스크러버(5)를 통과하는 과정에서 쉽게 액화되는 탄소함유량이 높은 탄화수소는 액화되어 회수될 것이며, 회수된 탄화수소는 선박의 일반적인 연료유인 중질유(HFO, Heavy Fuel Oil)과 혼합하여 연료유탱크(3)로 이송시킨다. 연료유스크러버(5)에서 연료유를 회수하기 위해 사용되는 것은 연료유탱크(3)에 보관되어 있는 연료유를 사용하며, 필터링설비(4)를 통해 불활성가스와 유증기의 혼합가스에 포함되어 있는 여러가지 불순물과 수분을 제거해 준다.

연료유스크러버(5)를 통과한 불활성가스와 유증기의 혼합가스를 압축/냉각설비(6)로 유도하여, C3계열(프로판 등)과 C4계열(부탄 등)의 탄화수소를 액화할 수 있는 압력과 온도 조건으로 조절하여 C3 및 C4 계열의 탄화수소를 액화하여 회수한다.

압축/냉각설비(6)를 통과한 이후에 혼합가스는 불활성가스와 C1 및 C2 계열 탄화수소의 혼합가스이며, 1차분리막(7)인 이산화탄소용 분리막을 통해 불활성가스 중 이산화탄소를 분리하고, 2차분리막(8)인 질소용 분리막을 통해, 질소를 분리한다.

1차분리막(7) 및 2차분리막(8)을 통과한 이후에는 C1 및 C2 계열의 탄화수소만 남게되며, 이를 압축/냉각설비(6)에서 회수한 C3 및 C4계열 탄화수소와 함께 CH4및LPG보관용기(9)인 고압가스용기에 보관한다.

연료유스크러버(5) 이전의 단계에서 회수된 분자량이 높은 유증기는 선박의 일반적인 연료유인 중질유에 희석하여 선박의 일반적인 연료유로 사용가능하며, 압축냉각설비(6) 이후에 회수된 C1 ~ C4 계열의 탄화수로는 불활성가스제조장치(10) 또는 보일러용 연료로 사용할 수 있다.

특히, 정제유 등을 운반하는 제품유운반선의 경우에는 화물유의 오염을 방지하기 위해, 불활성가스제조장치(10)에 그을음(Soot) 등과 같은 연소산화물이 작게 발생하는 선박용디젤유(MDO, Marine Diesel Oil) 등을 사용하고 있으며, 본 발명에서 제안하는 선박용 유증기 회수설비로 회수한 C1 ~ C4 계열의 회수 유증기를 불활성가스제조장치에 적용하면 기존에 사용되던 선박용디젤유에 비해 연소산화물이 줄게 되어, 양질의 불활성가스를 제조할 수 있는 장점이 있다.

1 : 안전설비
2 : 녹아웃용기
3 : 연료유탱크
4 : 필터링설비
5 : 연료유스크러버
6 : 압축/냉각설비
7 : 1차분리막
8 : 2차분리막
9 : CH4및LPG보관용기
10 : 불활성가스제조장치

Claims

선박의 화물유 탱크 구역과의 격리를 위해 구비되는 안전설비,
화물유 탱크로부터 회수되는 탄화수소를 액화하여 연료유탱크로 주입하는 녹아웃용기 및 연료유스크러버,
녹아웃용기와 연료유스크러버 사이에 설치되어 불활성가스와 유증기의 혼합물에 포함되어 있은 이물질과 수분을 제거하는 필터링설비,
상기 연료유 스크러버와 연결되며, C3 및 C4 계열의 탄화수소를 액화시켜 회수하는 압축 및 냉각설비,
상기 압축 및 냉각설비에 연결되어 이산화탄소와 질소를 각각 분리하는 1차 및 2차 분리막 및
상기 1차 및 2차 분리막을 통과한 가스상의 탄화수소를 보관하는 고압가스용기를 포함하여 구성되되,
상기 고압가스용기에 보관된 탄화수소는 불활성가스를 제조하는 불활성가스제조장치 또는 보일러에 공급되도록 구성되는 것을 특징으로 하는
선박용 유증기 회수설비