KR20130043760A - 수소 혼합연료 공급장치 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

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Abstract

수소 혼합연료 공급장치 및 이를 포함하는 선박이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 혼합연료 공급장치는, 액화천연가스가 수용되며, 수용된 액화천연가스로부터 발생된 보일 오프 가스를 배출하는 배출유로가 구비된 저장탱크와, 상기 배출유로로부터 분기된 제1분지유로에 의해 상기 저장탱크와 연결되며, 상기 보일 오프 가스로부터 수소를 추출하는 수소추출유닛과, 상기 배출유로로부터 분기된 제2분지유로에 의해 상기 저장탱크와 연결되며, 상기 수소추출유닛과 제1연결유로에 의해 연결되어, 상기 수소추출유닛에 의해 추출된 수소를 상기 저장탱크에서 발생된 보일 오프 가스와 혼합하여 수소 혼합연료를 생성하고, 선박의 추진장치에 공급하는 가스혼합유닛을 포함한다.

Description

수소 혼합연료 공급장치 및 이를 포함하는 선박{Hydrogen-Mixed Fuel Supplying Apparatus and Vessel Having the Same}
본 발명은 선박의 추진장치에 보일 오프 가스를 연료화하여 공급하기 위한 공급장치로서, 보다 상세하게는 보일 오프 가스로부터 수소를 추출하는 수소추출유닛이 구비되어, 추출된 수소와 보일 오프 가스를 혼합한 수소 혼합연료를 선박의 추진장치에 공급하는 수소 혼합연료 공급장치이다.
일반적으로, 천연가스는 액화천연가스(LNG, liquefied natural gas)의 형태로 다양한 운반선 등에 의해 해상으로 운반되는 경우가 많다. 특히, 이와 같은 액화천연가스는 소정의 압력으로 밀폐 및 보온되도록 다양한 형태의 저장탱크에 수용된 상태로 운반된다.
다만, 천연가스의 액화온도는 -163℃로, 그 온도가 매우 낮아 운반 시 저장탱크 내에 수용된 액화천연가스 중 소정량이 기화되며, 이를 보일 오프 가스(boil off gas)라 한다.
이와 같은 보일 오프 가스를 저장탱크 내에 밀폐된 상태로 방치할경우, 저장탱크 내의 압력이 과도하게 상승할 수 있어 일반적으로 저장탱크는 상기 보일 오프 가스를 배출할 수 있는 구조를 갖추고 있다.
그리고, 이로 인해 배출된 보일 오프 가스는 일반적으로 소각로에서 소각시켜 외부로 배출시키기는 경우가 많으나, 이와 별도로 보일 오프 가스를 선박의 추진장치에 공급하여 연료로 사용하는 기술이 다양하게 연구되고 있다.
그 중 국내 등록실용신안 제20-0441890(선행문헌 1)의 경우, 저장탱크 내에서 발생된 증발 천연가스를 추진장치의 연료로 공급하는 시스템을 제안하고 있다. 특히, 상기 특허의 명세서에는 추진장치로서 ME-GI 엔진, DFDE엔진 또는 SSD엔진을 사용하는 것을 언급하고 있다.
하지만, 이는 이후 연료 연소 시 질소산화물이 과도하게 발생하며, 질소산화물 규제치 기준인 Tier3을 만족하지 못하는 문제가 있다. 그 원인은 엔진 연소실 내의 높은 온도에 의한 것으로, 이로 인해 규제치 기준인 Tier3을 만족시키지 못해 실용화가 어려운 실정이다.
따라서, 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 방안이 요구되는 상황이다.
선행문헌 1: 한국 등록실용신안 제0441890호
본 발명의 실시예들은, 수소추출유닛 및 가스 혼합유닛이 구비되어 추출된 수소와 보일 오프 가스를 혼합하여 질소산화물 규제치 기준을 만족시키고자 한다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 수소 혼합연료 공급장치는, 일 측면에 따르면, 액화천연가스가 수용되며, 수용된 액화천연가스로부터 발생된 보일 오프 가스를 배출하는 배출유로가 구비된 저장탱크와, 상기 배출유로로부터 분기된 제1분지유로에 의해 상기 저장탱크와 연결되며, 상기 보일 오프 가스로부터 수소를 추출하는 수소추출유닛과, 상기 배출유로로부터 분기된 제2분지유로에 의해 상기 저장탱크와 연결되며, 상기 수소추출유닛과 제1연결유로에 의해 연결되어, 상기 수소추출유닛에 의해 추출된 수소를 상기 저장탱크에서 발생된 보일 오프 가스와 혼합하여 수소 혼합연료를 생성하고, 선박의 추진장치에 공급하는 가스혼합유닛을 포함할 수 있다.
또한, 상기 가스혼합유닛은 복수 개 구비될 수 있다.
또한, 상기 배출유로, 상기 제1분지유로, 상기 제2분지유로 및 상기 제1연결유로 중 적어도 어느 하나 이상에는 조절밸브가 구비될 수 있다.
또한, 상기 가스혼합유닛과 상기 추진장치 사이에는 가스압축유닛이 더 구비될 수 있다.
또한, 상기 수소추출유닛에서 추출된 수소와 상기 저장탱크에서 발생된 보일 오프 가스의 혼합 비율을 조절하는 조절유닛을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 배출유로로부터 분기된 제3분지유로에 의해 상기 저장탱크와 연결되며, 상기 수소추출유닛과 제2연결유로에 의해 연결되고, 상기 저장탱크에서 발생된 보일 오프 가스를 소각시키는 소각유닛을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 배출유로, 상기 제1분지유로, 상기 제2분지유로, 상기 제3분지유로, 상기 제1연결유로 및 상기 제2연결유로 중 적어도 어느 하나 이상에는 조절밸브가 구비될 수 있다.
또한, 상기 수소추출유닛은 상기 보일 오프 가스와 물을 전기분해하여 수소를 추출하는 방식을 가질 수 있다.
또한, 상기 수소추출유닛은 상기 보일 오프 가스를 수증기와 반응시켜 수소를 추출하는 방식을 가질 수 있다.
또한, 상기 수소 혼합연료는 천연가스에 대해 40% 이하의 가변적인 혼합비를 가질 수 있다.
그리고, 본 발명은 상기와 같은 수소 혼합연료 공급장치를 포함하는 선박으로 구현될 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 수소추출유닛 및 가스혼합유닛이 구비됨으로써, 수소와 보일 오프 가스를 혼합한 수소 혼합연료를 선박의 추진장치에 공급하여 질소산화물의 발생을 획기적으로 저감하고, 질소산화물 규제치 기준인 Tier3을 만족시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 여분의 보일 오프 가스를 소각할 시에도 수소추출유닛으로부터 추출된 수소를 제공하여 질소산화물의 발생을 저감할 수 있다는 장점이 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 제1실시예에 따른 수소 혼합연료 공급장치를 개략적으로 나타낸 도면;
도 2는 수소 혼합비에 따른 질소산화물의 발생량을 나타낸 그래프; 및
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 수소 혼합연료 공급장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
먼저, 본 발명의 각 실시예에서 설명되는 수소 혼합연료 공급장치는 운반선을 비롯한 각종 운항용, 정박용 선박 또는 다양한 해상 구조물에 적재될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 선박이라 함은 상기 다양한 선박 및 해상 구조물을 포함한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 수소 혼합연료 공급장치가 개략적으로 도시된다.
먼저, 저장탱크(10)는 다양한 선박에 적재되거나 미리 설치될 수 있으며, 내부에는 액화천연가스(LNG)가 수용된다. 이때, 저장탱크(10) 내에서는 시간의 경과에 따라 액화천연가스가 일부 기화되어 보일 오프 가스(boil off gas)가 발생되고, 이를 방치할 경우 저장탱크(10) 내의 압력이 과도하게 상승할 수 있다. 따라서, 저장탱크(10)에는 이를 배출하는 배출유로(100)가 구비된다.
그리고, 배출유로(100)는 복수 개의 유로로 분지될 수 있다. 제1실시예에서, 배출유로(100)는 한 쌍의 가스혼합유닛(30a, 30b)에 각각 연결되는 한 쌍의 제2분지유로(110a, 110b)와, 수소추출유닛(20)에 연결되는 제1분지유로(110c)로 분지된다. 상기 각 유로는 그 형태에 제한이 없으나, 내부에 중공이 형성된 관 형태로 형성되는 것이 일반적이다.
즉, 저장탱크(10)는 수소추출유닛(20), 가스혼합유닛(30a, 30b)에 각각 연통되며, 저장탱크(10)로부터 발생된 보일 오프 가스는 각각 수소추출유닛(20), 가스혼합유닛(30a, 30b)로 이송된다.
또한, 수소추출유닛(20)과 가스혼합유닛(30a, 30b)은 제1연결유로(120a, 120b)에 의해 연결된다. 따라서, 수소추출유닛(20)으로부터 추출된 수소는 가스혼합유닛(30a, 30b)으로 이송될 수 있다.
수소추출유닛(20)은 저장탱크(10)로부터 이송된 보일 오프 가스로부터 수소를 추출하며, 그 추출 방식으로는 전기분해법 또는 수증기 개질법(Steam Reforming)이 사용될 수 있다.
전기분해법의 경우, 보일 오프 가스와 물을 전기분해하여 수소 가스를 얻을 수 있으며, 수증기 개질법의 경우, 보일 오프 가스를 800~900℃ 전후의 고온에서 산화니켈 등을 촉매로 사용하여 수증기와 반응시키는 과정을 통해 CO, CO2, H2의 합성가스로 변환시키고, 이를 가스분리하여 수소 가스를 얻을 수 있다.
또한, 보일 오프 가스로부터 수소를 분리하고 남은 가스, 예컨대 일산화탄소와 같은 가스의 경우에는 외부로 배출할 경우 환경 오염의 문제가 발생할 소지가 있으므로, 이를 별도의 정화장치 또는 후술할 소각유닛 등을 이용하여 처리할 수 있다.
가스혼합유닛(30a, 30b)은 수소추출유닛(20)으로부터 추출된 수소와, 저장탱크(10)로부터 발생된 보일 오프 가스를 서로 혼합하고, 수소 혼합연료를 생성할 수 있다.
상기 수소 혼합연료는 이후 선박의 추진장치(50a, 50b)에 공급되며, 이와 같이 수소 혼합연료 사용 시 기존의 천연가스를 연료로 사용하던 것에 비해 배출되는 질소산화물을 약 80%정도까지 저감할 수 있다. 이에 관한 자세한 설명은 후술하도록 한다.
한편, 가스혼합유닛(30a, 30b)과 선박의 추진장치(50a, 50b) 사이에는, 가스압축유닛(40a, 40b)이 더 구비될 수 있다. 이는 가스혼합유닛(30a, 30b)에 의해 생성된 수소 혼합연료를 압축하여 저장하고, 수소 혼합연료가 선박 추진장치(50a, 50b)로 공급되는 과정을 중계할 수 있다.
한편, 제1실시예의 경우, 가스혼합유닛(30a, 30b) 및 가스압축유닛 (40a, 40b)은 각각 한 쌍이 구비되었으나, 이는 하나의 예시로서 하나만이 구비될 수도 있으며, 더 많은 수가 구비될 수도 있음은 물론이다.
제1실시예와 같이 가스혼합유닛(30a, 30b) 및 가스압축유닛(40a, 40b)이 두 개 이상 구비된 경우, 이들 사이에는 보조유로(130)가 형성되어 어느 하나가 동작할 수 없는 경우에도 수소 혼합연료를 교차 공급할 수 있도록 할 수 있다.
그리고, 이상 언급된 각 유로에는 모두 조절밸브(5)가 선택적으로 구비될 수 있다. 즉, 이에 따라 가스 공급을 차단하여야 할 필요가 있는 부분의 유로를 폐쇄할 수 있다. 특히, 제1분지유로(110c)에도 조절밸브(5)가 구비되어, 수소 혼합연료 공급을 중단하여야 할 경우 이를 폐쇄시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 제1실시예의 경우, 도시되지는 않았으나 수소추출유닛(20)에서 추출된 수소와 저장탱크(10)에서 발생된 보일 오프 가스의 혼합 비율을 조절하는 조절유닛을 더 포함할 수 있다. 이는 다양한 요소를 고려하여 실시간으로 혼합 비율을 제어할 수 있도록 한다. 이때, 실험 결과에 따라 혼합 비율은 천연가스에 수소 30%를 혼합하는 것이 가장 양호한 것으로 나타난다.
도 2에는, 수소의 혼합 비율에 따른 질소산화물의 발생량에 대한 실험 결과를 나타낸 그래프가 도시된다. 본 실험은 중속 중부하 조건인 1260rpm, 600Nm, MBT(Maximum Brake Torque)조건 하에서 희박 연소에 따른 연소 및 배기 특성을 나타내며, 수소 혼합비를 10~40%로 바꾸어 가며 진행하였다.
도시된 바와 같이, 수소 혼합비 30%에서는 질소산화물이 75% 이상 저감된 것을 확인할 수 있으며, 또한 이산화탄소의 발생량은 22% 저감되었다. 추가적으로, MBT 조건에서 점화시기 지각 실험을 통해 수소 혼합비 30%에서 약 3% 이내의 효율 저하를 감수한다면 질소산화물을 85%까지 저감시킬 수 있음이 확인되었다.
이때, 수소 혼합비가 30%를 초과하는 경우에는 수소 혼합비 증가에 따른 희박 연소에 의해 연소실 내에서의 연소 온도가 낮아져 매우 안정한 분자인 메탄이 불완전연소되기 때문에 메탄 성분비가 증가할 수 있다. 따라서, 수소 혼합비가 30%인 경우가 가장 이상적인 실험 결과로 분석된다.
즉, 천연가스만을 연료로 사용할 경우보다 수소를 혼합하여 연소시키게 되면 더욱 희박한 조건 하에서 엔진을 구동하는 것이 가능하고, 이에 따라 연소 과정 중에 발생하는 질소산화물의 양을 대폭 감소시킬 수 있어 질소산화물 규제치 기준인 Tier3을 만족시킬 수 있다.
다음으로 도 3에는 본 발명의 제2실시예에 따른 수소 혼합연료 공급장치가 개략적으로 도시된다. 제2실시예의 경우, 제1실시예와 수소 혼합연료 제조 과정 및 공급 과정은 동일하나, 저장탱크(10)에서 발생된 보일 오프 가스를 소각시키는 소각유닛(80)이 더 구비되는 것이 다르다. 따라서, 제1실시예와 중복되는 부분에 대해서는 설명을 생략하도록 한다.
제2실시예에서 이와 같이 소각유닛(80)이 더 구비되는 것은, 보일 오프 가스의 발생량이 필요 이상으로 많을 경우에 대비한 것으로서, 이때 배출유로(100)는 소각유닛과 연결되는 제3분지유로(110d)를 더 포함한다.
그리고, 제3분지유로(110d) 상에는 히터(60)와 블로워(70)가 더 구비될 수 있다.
한편, 제2실시예의 경우, 수소추출유닛(20)과 소각유닛(80)은 제2연결유로(120c)에 의해 연결되므로, 수소와 혼합된 보일 오프 가스를 연소하도록 할 수 있다. 이 경우 역시 소각에 따른 질소산화물의 배출량이 감소될 수 있다는 장점이 있다.
그리고, 도시되지는 않았으나 소각유닛(80)으로 이송되는 수소 및 보일 오프 가스를 혼합하는 또 다른 가스혼합유닛이 구비될 수도 있으며, 또한 이때 혼합비를 조절하는 조절유닛이 더 포함될 수 있음은 물론이다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 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.
5: 조절밸브
10: 저장탱크
20: 수소추출유닛
30a, 30b: 가스혼합유닛
40a, 40b: 가스압축유닛
50a, 50b: 선박 추진장치
60: 히터
70: 블로워
80: 소각유닛
100: 배출유로
110a, 110b: 제2분지유로
110c: 제1분지유로
110d: 제3분지유로
120a, 120b: 제1연결유로
120c: 제2연결유로
130: 보조유로

Claims (11)

  1. 액화천연가스가 수용되며, 수용된 액화천연가스로부터 발생된 보일 오프 가스를 배출하는 배출유로가 구비된 저장탱크;
    상기 배출유로로부터 분기된 제1분지유로에 의해 상기 저장탱크와 연결되며, 상기 보일 오프 가스로부터 수소를 추출하는 수소추출유닛; 및
    상기 배출유로로부터 분기된 제2분지유로에 의해 상기 저장탱크와 연결되며, 상기 수소추출유닛과 제1연결유로에 의해 연결되어, 상기 수소추출유닛에 의해 추출된 수소를 상기 저장탱크에서 발생된 보일 오프 가스와 혼합하여 수소 혼합연료를 생성하고, 선박의 추진장치에 공급하는 가스혼합유닛;
    을 포함하는 수소 혼합연료 공급장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스혼합유닛은 복수 개 구비되는 수소 혼합연료 공급장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배출유로, 상기 제1분지유로, 상기 제2분지유로 및 상기 제1연결유로 중 적어도 어느 하나 이상에는 조절밸브가 구비된 수소 혼합연료 공급장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스혼합유닛과 상기 추진장치 사이에는 가스압축유닛이 더 구비되는 수소 혼합연료 공급장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수소추출유닛에서 추출된 수소와 상기 저장탱크에서 발생된 보일 오프 가스의 혼합 비율을 조절하는 조절유닛을 더 포함하는 수소 혼합연료 공급장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배출유로로부터 분기된 제3분지유로에 의해 상기 저장탱크와 연결되며, 상기 수소추출유닛과 제2연결유로에 의해 연결되고, 상기 저장탱크에서 발생된 보일 오프 가스를 소각시키는 소각유닛을 더 포함하는 수소 혼합연료 공급장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배출유로, 상기 제1분지유로, 상기 제2분지유로, 상기 제3분지유로, 상기 제1연결유로 및 상기 제2연결유로 중 적어도 어느 하나 이상에는 조절밸브가 구비된 수소 혼합연료 공급장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수소추출유닛은 상기 보일 오프 가스와 물을 전기분해하여 수소를 추출하는 방식을 가지는 수소 혼합연료 공급장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 수소추출유닛은 상기 보일 오프 가스를 수증기와 반응시켜 수소를 추출하는 방식을 가지는 수소 혼합연료 공급장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 수소 혼합연료는 천연가스에 대해 40% 이하의 가변적인 혼합비를 가지는 수소 혼합연료 공급장치.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항의 수소 혼합연료 공급장치를 포함하는 선박.
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