KR20150020965A

KR20150020965A - 선박의 폐열 회수 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20150020965A
Application number: KR20130098162A
Authority: KR
Inventors: 양헌용; 송영은
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2013-08-19
Filing date: 2013-08-19
Publication date: 2015-02-27
Also published as: KR102087169B1

Abstract

선박의 폐열 회수 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 선박의 폐열 회수 시스템은, 선박의 엔진에서 발생하는 배기가스가 도입되는 이코노마이저; 물이 순환하며 이코노마이저의 배기가스 입구측에서 배기가스와 열교환하여 고압 스팀이 생성되는 고압 스팀 라인; 물이 순환하며 고압 스팀을 생성한 배기가스와 열교환하여 저압 스팀이 생성되는 저압 스팀 라인; 및 저압 스팀이 저압 스팀 라인에 공급되는 물과 혼합된 후 분리된 스팀이 흐르며 선박의 엔진에 연료로 공급되는 LNG를 열교환으로 기화시키는 열교환 라인을 포함한다.

Description

선박의 폐열 회수 시스템 및 방법{Waste Heat Recovery System And Method For Ship}

본 발명은 선박의 폐열 회수 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선박의 엔진에서 발생하는 배기가스가 도입되는 이코노마이저와, 물이 순환하며 이코노마이저의 배기가스 입구측에서 배기가스와 열교환하여 고압 스팀이 생성되는 고압 스팀 라인과, 물이 순환하며 고압 스팀을 생성한 배기가스와 열교환하여 저압 스팀이 생성되는 저압 스팀 라인과, 저압 스팀이 저압 스팀 라인에 공급되는 물과 혼합된 후 분리된 스팀이 흐르며 선박의 엔진에 연료로 공급되는 LNG를 열교환으로 기화시키는 열교환 라인을 포함하는 선박의 폐열 회수 시스템에 관한 것이다.

천연가스(natural gas)는 메탄(methane)을 주성분으로 하고, 소량의 에탄(ethane), 프로판(propane) 등을 포함하는 화석연료로서, 최근 다양한 기술 분야에서 저공해 에너지원으로서 각광받고 있다.

천연가스는 경제성이 있고 친환경적인 에너지로 많이 소비되고 있으나, 기체인 천연가스 상태로 이송하기에는 부피가 커서 운송 및 저장 효율이 떨어진다.

이러한 점을 보완하기 위해, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG) 상태로 운송 및 저장하는 방법이 제시되었다. 액화천연가스는 메탄을 주성분으로 한 천연가스를 대기압에서 -163℃의 극저온 상태로 냉각시켜 그 부피를 600분의 1로 줄인 무색 투명한 초저온 액체로서, 기체상태보다 수송성과 저장성이 우수한 것으로 알려져 있다.

LNG는 엔진 또는 발전 등의 연료로 공급하기에 앞서 기화시켜야 한다. 이를 위해 LNG를 연료로 이용하는 시스템에는 -163℃의 극저온 상태인 LNG에 열에너지를 공급하여 기화시키는 기화기(vaporizer) 또는 히터(heater)가 마련될 수 있다. 기화기나 히터에 열에너지를 공급하기 위해서 전기 등의 에너지가 필요하다.

한편, 선박에서는 보조 보일러(auxiliary boiler)와 배기가스 이코노마이저(Exhaust Gas Economizer, EGE)의 운전에 의해 스팀(steam)을 발생시키는데, 이러한 스팀은 6 ~ 7 bar 정도의 압력을 가지며, 각종 장비의 운전, 연료유 탱크의 히팅, 각종 히터의 히팅, 선내 난방용 등의 용도로 사용된다.

이와 같은 스팀은 LNG를 연료로 이용하는 선박에서 LNG의 기화를 위해 공급될 수도 있다.

한국특허출원번호 특1984-0007800호(1984.12.10)

도 1에는 배기가스의 폐열을 이용하여 생성된 스팀으로 엔진에 연료로 공급되는 LNG를 기화시키는 일 예를 도시하였다.

도 1에서 도시된 바와 같이, 배기가스를 이코노마이저(20)로 도입시키고, 펌프(10)로 펌핑하여 이코노마이저로 도입된 물과 열교환시켜 스팀을 생성한다. 생성된 스팀은 스팀 드럼(30)에서, 이코노마이저로 공급될 물과 혼합된 후 스팀과 물을 분리하여 스팀은 기화기(40)로 공급하게 된다. 선박의 연료 공급을 위해 저장탱크에 저장된 LNG는 엔진의 필요압력을 충족하기 위해 펌프로 압축되어 기화기로 도입되고, 기화기에서 스팀과 열교환을 통해 기화되어 엔진으로 공급된다. 스팀은 LNG와의 열교환을 통해 물로 응축되어 저장조(50)를 거치고 스팀 드럼으로 공급된다.

그러나, 최근 엔진의 효율이 개선됨에 따라 이코노마이저로 공급되는 배기가스의 양이 감소하고 있으며, 배기가스는 이코노마이저에서 물과 열교환을 거친 이후에도 고온이므로, 이코노마이저로 도입되는 배기가스의 폐열을 보다 효과적으로 활용할 수 있는 개선된 폐열 회수 시스템이 필요하다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 선박의 폐열 회수 시스템에 있어서,

상기 선박의 엔진에서 발생하는 배기가스가 도입되는 이코노마이저;

물이 순환하며 상기 이코노마이저의 상기 배기가스 입구측에서 상기 배기가스와 열교환하여 고압 스팀이 생성되는 고압 스팀 라인;

물이 순환하며 상기 고압 스팀을 생성한 상기 배기가스와 열교환하여 저압 스팀이 생성되는 저압 스팀 라인; 및

상기 저압 스팀이 상기 저압 스팀 라인에 공급되는 물과 혼합된 후 분리된 스팀이 흐르며 선박의 엔진에 연료로 공급되는 LNG를 열교환으로 기화시키는 열교환 라인을 포함하는 선박의 폐열 회수 시스템이 제공된다.

바람직하게는 폐열 회수 시스템은, 상기 열교환 라인을 거쳐 열교환된 스팀이 응축된 물이 흐르며 상기 고압 스팀 라인 및 저압 스팀 라인으로 물을 공급하는 물공급 라인; 상기 고압 스팀 라인에 마련되며, 상기 물공급 라인으로부터 상기 고압 스팀 라인에 공급되는 물과 상기 고압 스팀이 혼합되고 물과 스팀이 분리되는 스팀 드럼; 및 상기 저압 스팀 라인에 마련되며, 상기 물공급 라인으로부터 상기 저압 스팀 라인에 공급되는 물과 상기 저압 스팀이 혼합되고 물과 스팀이 분리되는 세퍼레이터를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는 폐열 회수 시스템은, 상기 고압 스팀 라인에 마련되며 상기 스팀 드럼에서 분리된 물을 고압으로 펌핑하여 상기 이코노마이저로 도입시키는 고압 펌프; 상기 저압 스팀 라인에 마련되며 상기 세퍼레이터에서 분리된 물을 저압으로 펌핑하여 상기 이코노마이저로 도입시키는 저압 펌프; 및 상기 물공급 라인에 마련되어 상기 고압 스팀 라인 및 저압 스팀 라인으로 공급되는 물을 펌핑하는 물공급 펌프를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는 폐열 회수 시스템은, 상기 열교환 라인에서 LNG와 열교환으로 스팀으로부터 응축된 물이 저장되는 응축수 탱크; 및 상기 스팀 드럼에서 분리된 스팀의 적어도 일부를 상기 응축수 탱크로 공급하는 스팀 보충 라인을 더 포함할 수 있다.

바람직하게는 폐열 회수 시스템은, 상기 선박에 마련되며 상기 세퍼레이터에서 분리된 스팀이 LNG를 열교환으로 기화시키는 강제 기화기; 및 상기 강제 기화기로 도입되는 LNG를 펌핑하여 압축하는 연료압축 펌프를 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 스팀 드럼에서 분리된 스팀은 상기 선박의 스팀 필요 장치로 공급될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 선박의 폐열 회수 방법에 있어서,

1) 상기 선박의 엔진에서 발생하는 배기가스를 이코노마이저로 도입시켜, 물을 고압으로 펌핑하고 상기 배기가스 입구측에서 상기 배기가스와 열교환시켜 고압 스팀을 생성하는 단계;

2) 물을 저압으로 펌핑하고 상기 이코노마이저도 도입시켜, 상기 고압 스팀을 생성한 상기 배기가스와 열교환으로 저압 스팀을 생성하는 단계; 및

3) 상기 저압 스팀을 상기 단계 2)로 공급되는 물과 혼합한 후 스팀을 분리하여 상기 선박의 엔진에 연료로 공급되는 LNG와 열교환시켜, 상기 LNG를 기화시키는 단계를 포함하는 선박의 폐열 회수 방법이 제공된다.

본 발명의 선박의 폐열 회수 시스템 및 방법은, 선박의 엔진에서 발생하는 배기가스를 이코노마이저로 도입시켜, 물을 고압으로 펌핑하고 배기가스 입구측에서 배기가스와 열교환시켜 고압 스팀을 생성하고, 물을 저압으로 펌핑하여 이코노마이저도 도입시켜, 고압 스팀을 생성한 배기가스와 열교환으로 저압 스팀을 생성한 후, 저압 스팀을 이용하여 선박의 엔진에 연료로 공급되는 LNG의 기화시킨다.

이처럼 배기가스를 통해 고압 스팀과 저압 스팀을 생성함으로써, 배기가스의 폐열을 효과적으로 활용하여 에너지 효율을 높일 수 있고, 배기가스를 통해 선박에 열원을 필요로 하는 장치들에 많은 스팀을 생성하여 공급할 수 있다.

도 1에는 배기가스의 폐열을 이용하여 생성된 스팀으로 엔진에 연료로 공급되는 LNG를 기화시키는 일 예를 도시하였다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 폐열 회수 시스템을 개략적으로 도시한다.

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.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 폐열 회수 시스템을 개략적으로 도시한다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 실시예의, 선박의 폐열 회수 시스템은, 선박의 엔진에서 발생하는 배기가스가 도입되는 이코노마이저(100)와, 물이 순환하며 이코노마이저(100)의 배기가스 입구측에서 배기가스와 열교환하여 고압 스팀이 생성되는 고압 스팀 라인(HL)과, 물이 순환하며 고압 스팀을 생성한 배기가스와 열교환하여 저압 스팀이 생성되는 저압 스팀 라인(LL)과, 저압 스팀이 저압 스팀 라인(LL)에 공급되는 물과 혼합된 후 분리된 스팀이 흐르며 선박의 엔진(미도시)에 연료로 공급되는 LNG를 열교환으로 기화시키는 열교환 라인(EL)을 포함한다.

최근 선박 엔진 효율이 크게 향상됨에 따라 엔진에 필요한 연료의 양이 감소하고 있으며, 이에 따라 엔진에서 발생하는 배기의 양도 감소하는 추세이다. 그러나, 선박에는 열원을 필요로 하는 장치들이 많이 있으므로, 선박의 엔진에서 발생하는 210℃ 이상의 고온인 배기가스 폐열을 보다 효과적으로 회수하여 활용할 수 있는 폐열 회수 시스템이 요구되는데, 본 실시예는 이를 위해 이코노마이저(100)에서 다단으로 스팀을 생성할 수 있도록 시스템을 구성하였다.

물을 압축하면 끓는점이 상승하여 고온 고압의 스팀을 생성할 수 있는데, 본 실시예는 압력변화에 따른 끓는점 차이를 이용하여, 고압 스팀을 생성하는 고압 스팀 라인(HL)과 저압 스팀을 생성하는 저압 스팀 라인(LL)을 구성함으로써 배기가스의 폐열을 이코노마이저(100)에서 효과적으로 이용할 수 있도록 한다.

본 실시예는, 고압 스팀 라인(HL)에 마련되며 스팀 드럼(200)에서 분리된 물을 고압으로 펌핑하여 이코노마이저(100)로 도입시키는 고압 펌프(400)와, 저압 스팀 라인(LL)에 마련되며 세퍼레이터(300)에서 분리된 물을 저압으로 펌핑하여 이코노마이저(100)로 도입시키는 저압 펌프(500)를 더 포함한다. 고압 펌프(400)는 물을 5 내지 9 bar, 바람직하게는 7 bar로 펌핑하여 고압 스팀 라인(HL)을 통해 이코노마이저(100)의 배기가스가 유입되는 입구측으로 공급한다. 저압 펌프(500)는 고압 스팀 라인(HL)보다 저온에서도 스팀을 형성할 수 있도록, 고압 펌프(400)보다 낮은 압력, 1.5 내지 4 bar, 바람직하게는 2 내지 3 bar로 물을 펌핑하여 저압 스팀 라인(LL)을 통해 이코노마이저(100)로 도입시킨다. 저압 스팀 라인(LL)은 이코노마이저(100)에서 고압 스팀 라인(HL)보다 배기가스 입구측에 먼 위치에서 배기가스와 열교환된다.

한편, 본 실시예는 열교환 라인(EL)을 거쳐 열교환된 스팀이 응축된 물이 흐르며 고압 스팀 라인(HL) 및 저압 스팀 라인(LL)으로 물을 공급하는 물공급 라인(WL)과, 고압 스팀 라인(HL)에 마련되며, 물공급 라인(WL)으로부터 고압 스팀 라인(HL)에 공급되는 물과 고압 스팀이 혼합되고 물과 스팀이 분리되는 스팀 드럼(200)과, 저압 스팀 라인(LL)에 마련되며, 물공급 라인(WL)으로부터 저압 스팀 라인(LL)에 공급되는 물과 저압 스팀이 혼합되고 물과 스팀이 분리되는 세퍼레이터(300)를 더 포함할 수 있다. 스팀 드럼(200)과 세퍼레이터(300)는 각각 고압 스팀 라인(HL)과 저압 스팀 라인(LL)으로부터 도입된 스팀과 물공급 라인(WL)으로부터 공급된 물이 혼합된 후, 스팀과 물이 분리된다. 스팀 드럼(200)과 세퍼레이터(300)에서 분리된 물은 각각 고압 펌프(400)와 저압 펌프(500)를 거쳐 이코노마이저(100)로 스팀 생성을 위해 재도입된다.

물공급 라인(WL)에는 고압 스팀 라인(HL) 및 저압 스팀 라인(LL)으로 공급되는 물을 펌핑하는 물공급 펌프(600)가 마련된다. 각각의 펌프들은 리던던시 충족을 위해 도면에서와 같이 2개의 펌프를 마련할 수 있다.

본 실시예에서는, 열교환 라인(EL)에서 LNG와 열교환으로 스팀으로부터 응축된 물이 저장되는 응축수 탱크(700)가 마련되며, 스팀 드럼(200)에서 분리된 스팀의 적어도 일부는 스팀 보충 라인(SL)을 통해 응축수 탱크(700)로 공급된다. 스팀 드럼(200)에서 분리된 스팀은 선박의 스팀 필요 장치로 공급될 수 있다. 스팀 필요 장치는 가열 장치, 난방 장치 등을 포함하여, 선박에서 스팀을 열원으로 이용하는 각종 장치일 수 있다.

본 실시예는, 선박에 마련되며 세퍼레이터(300)에서 분리된 스팀이 LNG를 열교환으로 기화시키는 강제 기화기(800)와, 선박의 LNG 저장탱크(T)로부터 LNG를 공급받아 강제 기화기(800)로 도입되기에 앞서 LNG를 펌핑하여 압축하는 연료압축 펌프(900)를 더 포함할 수 있다. 연료압축 펌프(900)는 선박의 엔진에서 필요로 하는 압력에 맞추어 LNG를 압축하며, 예를 들어 ME-GI 엔진인 경우 150 내지 350 bar의 고압으로 압축할 수 있다.

세퍼레이터(300)에서 분리된 스팀은 열교환 라인(EL)을 통해 강제 기화기(800)로 도입되어 LNG와 열교환하며 LNG를 기화시킨다. 예를 들어 ME-GI 엔진인 경우 150 내지 350 bar로 압축된 LNG가 강제 기화기(800)로 도입되므로, 이 경우 LNG는 초임계 상태이므로 LNG의 기화는 액체에서 기체로의 상 변화를 의미하는 것이 아니라 열에너지를 공급한다는 의미이다.

1) 선박의 엔진에서 발생하는 배기가스를 이코노마이저(100)로 도입시켜, 물을 고압으로 펌핑하고 배기가스 입구측에서 배기가스와 열교환시켜 고압 스팀을 생성하는 단계;

2) 물을 저압으로 펌핑하고 이코노마이저(100)도 도입시켜, 고압 스팀을 생성한 배기가스와 열교환으로 저압 스팀을 생성하는 단계; 및

3) 저압 스팀을 상기 단계 2)로 공급되는 물과 혼합한 후 스팀을 분리하여 선박의 엔진에 연료로 공급되는 LNG와 열교환시켜, LNG를 기화시키는 단계를 포함하는 선박의 폐열 회수 방법이 제공된다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 선박의 폐열 회수 시스템 및 방법은, 선박의 엔진에서 발생하는 배기가스를 이코노마이저(100)로 도입시켜, 물을 고압으로 펌핑하고 이코노마이저(100)의 배기가스 입구측에서 배기가스와 열교환시켜 고압 스팀을 생성하고, 저압으로 펌핑한 물을 이코노마이저(100)도 도입시켜, 고압 스팀을 생성한 배기가스와 열교환으로 저압 스팀을 생성한 후, 저압 스팀을 이용하여 선박의 엔진에 연료로 공급되는 LNG의 기화시킨다.

이처럼 압력에 따른 끓는점 차이를 이용하여 고온의 배기가스를 통해 고압 스팀과 저압 스팀을 생성함으로써, 배기가스의 폐열을 효과적으로 활용하여 에너지 효율을 높일 수 있다. 또한 최근 엔진 효율 향상으로 배기가스 발생량이 감소하고 있는데, 배기가스를 활용하여 많은 스팀을 생성할 수 있으므로, 선박 엔진의 연료공급을 위한 LNG를 기화시키는 열원을 공급할 수 있을 뿐만 아니라, 선박에 열원을 필요로 하는 장치들에도 스팀을 공급할 수 있다.

이와 같이 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.

HL: 고압 스팀 라인
LL: 저압 스팀 라인
EL: 열교환 라인
WL: 물공급 라인
SL: 스팀 보충 라인
100: 이코노마이저
200: 스팀 드럼
300: 세퍼레이터
400: 고압 펌프
500: 저압 펌프
600: 물공급 펌프
700: 응축수 탱크
800: 강제 기화기
900: 연료압축 펌프
T: LNG 저장탱크

Claims

선박의 폐열 회수 시스템에 있어서,
상기 선박의 엔진에서 발생하는 배기가스가 도입되는 이코노마이저;
물이 순환하며 상기 이코노마이저의 상기 배기가스 입구측에서 상기 배기가스와 열교환하여 고압 스팀이 생성되는 고압 스팀 라인;
물이 순환하며 상기 고압 스팀을 생성한 상기 배기가스와 열교환하여 저압 스팀이 생성되는 저압 스팀 라인; 및
상기 저압 스팀이 상기 저압 스팀 라인에 공급되는 물과 혼합된 후 분리된 스팀이 흐르며 선박의 엔진에 연료로 공급되는 LNG를 열교환으로 기화시키는 열교환 라인을 포함하는 선박의 폐열 회수 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 열교환 라인을 거쳐 열교환된 스팀이 응축된 물이 흐르며 상기 고압 스팀 라인 및 저압 스팀 라인으로 물을 공급하는 물공급 라인;
상기 고압 스팀 라인에 마련되며, 상기 물공급 라인으로부터 상기 고압 스팀 라인에 공급되는 물과 상기 고압 스팀이 혼합되고 물과 스팀이 분리되는 스팀 드럼; 및
상기 저압 스팀 라인에 마련되며, 상기 물공급 라인으로부터 상기 저압 스팀 라인에 공급되는 물과 상기 저압 스팀이 혼합되고 물과 스팀이 분리되는 세퍼레이터를 더 포함하는 선박의 폐열 회수 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 고압 스팀 라인에 마련되며 상기 스팀 드럼에서 분리된 물을 고압으로 펌핑하여 상기 이코노마이저로 도입시키는 고압 펌프;
상기 저압 스팀 라인에 마련되며 상기 세퍼레이터에서 분리된 물을 저압으로 펌핑하여 상기 이코노마이저로 도입시키는 저압 펌프; 및
상기 물공급 라인에 마련되어 상기 고압 스팀 라인 및 저압 스팀 라인으로 공급되는 물을 펌핑하는 물공급 펌프를 더 포함하는 선박의 폐열 회수 연료공급 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 열교환 라인에서 LNG와 열교환으로 스팀으로부터 응축된 물이 저장되는 응축수 탱크; 및
상기 스팀 드럼에서 분리된 스팀의 적어도 일부를 상기 응축수 탱크로 공급하는 스팀 보충 라인을 더 포함하는 선박의 폐열 회수 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 선박에 마련되며 상기 세퍼레이터에서 분리된 스팀이 LNG를 열교환으로 기화시키는 강제 기화기; 및
상기 강제 기화기로 도입되는 LNG를 펌핑하여 압축하는 연료압축 펌프를 더 포함하는 선박의 폐열 회수 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 스팀 드럼에서 분리된 스팀은 상기 선박의 스팀 필요 장치로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박의 폐열 회수 시스템.
선박의 폐열 회수 방법에 있어서,
1) 상기 선박의 엔진에서 발생하는 배기가스를 이코노마이저로 도입시켜, 물을 고압으로 펌핑하고 상기 배기가스 입구측에서 상기 배기가스와 열교환시켜 고압 스팀을 생성하는 단계;
2) 물을 저압으로 펌핑하고 상기 이코노마이저도 도입시켜, 상기 고압 스팀을 생성한 상기 배기가스와 열교환으로 저압 스팀을 생성하는 단계; 및
3) 상기 저압 스팀을 상기 단계 2)로 공급되는 물과 혼합한 후 스팀을 분리하여 상기 선박의 엔진에 연료로 공급되는 LNG와 열교환시켜, 상기 LNG를 기화시키는 단계를 포함하는 선박의 폐열 회수 방법.