KR20220026692A

KR20220026692A - 선박

Info

Publication number: KR20220026692A
Application number: KR1020200107518A
Authority: KR
Inventors: 문성재
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2020-08-26
Filing date: 2020-08-26
Publication date: 2022-03-07

Abstract

순산소로 구성되는 공기를 엔진에 공급하여 연료의 연소 과정에서 오염 물질이 생성되는 것을 방지하는 선박을 제공한다. 상기 선박은, 선체; 액체 가스를 저장하는 연료 탱크; 액체 가스를 이용하여 선체를 추진시키는 메인 엔진; 액체 가스를 이용하여 선체 내에 전력을 공급하는 제너레이터 엔진; 및 공기를 액체 산소와 기체 질소로 분리하며, 액체 산소로부터 얻은 기체 산소를 메인 엔진이 액체 가스를 연소시킬 때에 제공하는 연료 처리 시스템을 포함하며, 연료 처리 시스템은 공기를 액체 산소와 기체 질소로 분리할 때 액체 가스의 냉열을 이용한다.

Description

선박 {Ship}

본 발명은 선박에 관한 것이다. 보다 상세하게는, LNG와 같이 액체 가스를 추진 연료로 이용하는 선박에 관한 것이다.

지구 온난화 및 기후 변화 방지를 위한 환경 규제 대비 측면에서 국제적인 선박 배출 가스 규제 강화로 인해 세계 각국은 친환경, 저탄소 연료 사용 선박 개발에 주력하고 있다. 그리고, 전세계적인 기후 변화와 대기 오염 증대에 따라 국제 해사 기구(IMO), 유럽 연합, 미국 등에서 선박으로부터 배출되는 오염 물질에 대한 규제가 대폭 강화될 예정이다.

선박에서의 온실 가스 배출 저감을 위해, 국제 해사 기구는 2005년 선박 배출량 기준으로 2020년까지 20%, 2050년까지 50% 배출량 감축을 목표로 제시한 바 있다.

이와 관련하여, 가장 유력한 대안으로 공해 물질이 다량 배출되는 디젤 연료 대신에 선박의 추진 연료로 액화 천연 가스(LNG; Liquefied Natural Gas)가 고려되고 있다.

한국등록특허 제10-1978331호 (공고일: 2019.08.28.)

LNG를 추진 연료로 이용하는 선박과 같이 액체 가스 연료 추진선에서는, 엔진에서 연료를 연소하기 위해 공기가 같이 공급되며, 연소 과정을 통해 배출되는 배기 가스에는 H2O, CO2, NOx 등이 존재하게 된다.

그런데, NOx는 환경 규제에 의해 배출이 제한되는 것이므로, 질소 산화물 저감 장치(SCR; Selective, Catalytic Reduction)를 통해 제거해야 한다. 즉, 종래의 액체 가스 연료 추진선은 NOx가 생성되면 이후 이를 제거하는 후처리 방식을 이용하고 있다.

그러나, 이와 같은 후처리 방식을 이용하게 되면, 선박이 질소 산화물 저감 장치 등과 같이 오염 물질을 제거하는 장치를 갖추어야 하는 문제가 있다.

본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 순산소로 구성되는 공기를 엔진에 공급하여 연료의 연소 과정에서 오염 물질이 생성되는 것을 방지하는 선박을 제공하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 선박의 일 면(aspect)은, 선체; 액체 가스를 저장하는 연료 탱크; 상기 액체 가스를 이용하여 상기 선체를 추진시키는 메인 엔진; 상기 액체 가스를 이용하여 상기 선체 내에 전력을 공급하는 제너레이터 엔진; 및 공기를 액체 산소와 기체 질소로 분리하며, 상기 액체 산소로부터 얻은 기체 산소를 상기 메인 엔진이 상기 액체 가스를 연소시킬 때에 제공하는 연료 처리 시스템을 포함하며, 상기 연료 처리 시스템은 상기 공기를 상기 액체 산소와 상기 기체 질소로 분리할 때 상기 액체 가스의 냉열을 이용한다.

상기 연료 처리 시스템은, 상기 공기를 압축하는 공기 압축부; 상기 공기가 압축되면, 상기 공기를 냉각시키는 열 교환부; 상기 공기가 냉각되면, 상기 공기를 감압시키는 공기 팽창부; 및 상기 공기가 감압되면, 상기 공기를 상기 액체 산소와 상기 기체 질소로 분리하는 산소 분리부를 포함하며, 상기 열 교환부는 상기 액체 가스의 냉열을 이용하여 상기 공기를 냉각시킬 수 있다.

상기 공기 압축부 및 상기 공기 팽창부 중 적어도 하나는 상기 액체 가스의 냉열을 이용하여 쿨링될 수 있다.

상기 연료 처리 시스템은, 상기 기체 질소를 다시 응축시켜 상기 액체 산소를 추가로 분리하는 응축기를 더 포함하며, 상기 응축기는 상기 액체 가스의 냉열을 이용하여 상기 기체 질소를 다시 응축시킬 수 있다.

상기 연료 처리 시스템은, 상기 메인 엔진으로부터 배출되는 배기 가스에서 CO2 성분을 포집하는 포집부를 더 포함하며, 상기 연료 처리 시스템은 상기 포집부와의 열 교환을 이용하여 상기 액체 산소를 기화시킬 수 있다.

상기 포집부는 상기 액체 산소와의 열 교환 및 상기 액체 가스와의 열 교환 중 적어도 하나의 열 교환을 이용하여 상기 배기 가스에서 상기 CO2 성분을 포집할 수 있다.

상기 연료 처리 시스템은 산소 성분의 액화점과 질소 성분의 액화점 간 차이값을 이용하여 상기 공기를 상기 액체 산소와 상기 기체 질소로 분리할 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 내부 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박을 구성하는 연료 처리 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 연료 처리 시스템을 구성하는 공기 분리부의 구조를 개략적으로 도시한 제1 예시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 연료 처리 시스템을 구성하는 공기 분리부의 구조를 개략적으로 도시한 제2 예시도이다.
도 5는 도 2에 도시된 연료 처리 시스템을 구성하는 공기 분리부의 구조를 개략적으로 도시한 제3 예시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박을 구성하는 연료 처리 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 연료 처리 시스템을 구성하는 포집부의 내부 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

선박의 엔진에서 연료를 연소하기 위해서는 엔진에 공기가 같이 공급되어야 한다. 그런데, 기존의 연료 처리 방식은 연료의 연소 과정에서 외부로 배출하면 안되는 NOx 등의 오염 물질을 생성하고 있다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해 엔진에 공급할 공기에서 산소와 질소를 분리한 후, 순산소를 연소에 사용하도록 공급하는 선박을 제공한다. 본 발명에 따르면, 연료의 연소 과정에서 NOx 등의 오염 물질이 생성되는 것을 방지할 수 있으며, 이에 따라 선박이 질소 산화물 저감 장치(SCR) 등을 구비하지 않아도 되므로, 비용 절감 효과와 공간 확보 효과를 얻을 수 있다.

이하에서는 도면 등을 참조하여 본 발명을 자세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 내부 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1에 따르면, 선박(100)은 선체(Hull; 110), 연료 탱크(Fuel Tank; 120), 추진 장비(130), 메인 엔진(Main Engine; 140), 부하 장비(150), 제너레이터 엔진(Generator Engine; 160) 및 연료 처리 시스템(200)을 포함하여 구성될 수 있다.

선박(100)은 액체 가스를 연료로 이용하는 선박으로 구현될 수 있다. 선박(100)은 예를 들어, 액화 천연 가스(LNG), 액화 석유 가스, 액체 산소 등을 연료로 이용하는 선박으로 구현될 수 있다.

선박(100)은 해상에서 사람이나 화물을 목적지까지 운송하는 선박으로 구현될 수 있다. 선박(100)은 예를 들어, LNG 탱커(LNG Tanker), LNG 캐리어(LNG Carrier) 등 액화 천연 가스를 운반하는 선박으로 구현될 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 선박(100)은 원유, 천연가스 등의 해양 자원을 개발하기 위해 해상에 건설되는 해양 구조물(또는 해양 플랜트(Off-Shore Plant))로 구현되는 것도 가능하다. 선박(100)은 예를 들어, FSRU(Floating, Storage and Regasification Unit), FPSO(Floating, Production, Storage and Offloading), FLNG(Floating LNG) 등으로 구현될 수 있다.

선체(110)는 상부에 데크(Deck)를 갖추고 있는 선박(100)의 몸체를 구성하는 것이다. 이러한 선체(110)는 그 내부에 연료 탱크(120), 추진 장비(130), 메인 엔진(140), 부하 장비(150), 제너레이터 엔진(160), 연료 처리 시스템(200) 등을 구비할 수 있다.

연료 탱크(120)는 주요 전력원을 생산하는 데에 이용되는 연료를 저장하는 것이다. 이러한 연료 탱크(120)는 선체(110)에 적어도 한 개 설치될 수 있다.

추진 장비(130)는 선체(110)의 운항이 가능하도록 추진력을 발생시키는 것이다. 이러한 추진 장비(130)는 연료 탱크(120)에 저장된 연료를 이용하여 추진력을 발생시킬 수 있다. 추진 장비(130)는 추진기(Propeller; 미도시) 등을 포함하여 구성되어 추진력을 발생시킬 수 있다.

메인 엔진(140)은 추진용 엔진으로서, 약 15bar 정도의 연료 가스를 이용하는 저압 가스 분사 엔진(예를 들어, X-DF(eXtra long stroke Dual Fuel) 엔진), 약 16bar 내지 45bar 정도의 연료 가스를 이용하는 중압 가스 분사 엔진, 약 150bar 내지 300bar 정도의 연료 가스를 이용하는 고압 가스 분사 엔진(예를 들어, MEGI(Main engine Electronic control Gas Injection) 엔진) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

부하 장비(150)는 선내 유지를 위한 것이다. 부하 장비(150)는 이를 위해 선체(110)의 내부나 데크 상에 구비될 수 있으며, 배수 설비용 펌프, 연료 공급용 펌프, 블로워(Blower), 공조 장치, 전등, GPS 수신기, 레이더 장치, 선박 자동 식별 장치, 자기 나침반, 무선 설비, 선박 위치 발신 장치 등을 포함할 수 있다.

한편, 선체(110)는 부하 장비(150)가 원활하게 작동할 수 있도록 전력을 공급하기 위해 제너레이터 엔진(160)을 포함할 수 있다. 제너레이터 엔진(160)은 발전용 엔진을 말한다.

선박(100)은 주요 전력원과 보조 전력원을 모두 갖춘 하이브리드 선박으로 구현될 수 있다. 이 경우, 연료 탱크(120)에 저장된 연료가 주요 전력원을 생산하는 데에 이용될 수 있으며, 복수 개의 배터리 모듈이 탑재되는 배터리 룸(Battery Room), 복수 개의 연료 전지(Fuel Cell), 복수 개의 태양광 패널 등이 보조 전력원을 생산하는 데에 이용될 수 있다.

다음으로, 메인 엔진(140)에 공급할 공기에서 산소 성분과 질소 성분을 분리하여 순산소 성분을 연료의 연소 과정에 이용하는 연료 처리 시스템(200)에 대하여 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박을 구성하는 연료 처리 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2에 따르면, 연료 처리 시스템(200)은 펌프(210), 공기 공급부(220), 공기 분리부(230), 제1 제어 밸브(240a), 제2 제어 밸브(240b), 제1 기화기(250a), 제2 기화기(250b) 및 배기 가스 배출부(260)를 포함하여 구성될 수 있다.

펌프(210)는 연료 탱크(120)에 저장되어 있는 액체 가스(예를 들어, 액화 천연 가스(CxHx))를 연료로 이용하기 위해, 액체 가스를 추진용 엔진인 메인 엔진(140) 및 발전용 엔진인 제너레이터 엔진(160)에 각각 공급시키는 것이다. 펌프(210)는 이를 위해 연료 탱크(120)의 내부에 설치될 수 있다.

펌프(210)는 파이프 라인을 통해 공기 분리부(230)와 연결될 수 있다. 그런데, 펌프(210)가 연료 탱크(120)의 내부에 설치되면, 펌프(210)가 고압으로 가압한다 하더라도 액체 가스가 공기 분리부(230)에 원활하게 공급되지 못할 수 있다.

따라서 액체 가스가 공기 분리부(230)에 원활하게 공급될 수 있도록, 펌프(210)와 공기 분리부(230)를 연결하는 파이프 라인 상에 적어도 하나의 펌프가 더 설치될 수 있다. 펌프(210)와 공기 분리부(230)를 연결하는 파이프 라인 상에 설치되는 펌프는 연료 탱크(120) 내에 설치되는 펌프와 마찬가지로 고압 펌프일 수 있으나, 저압 펌프인 것도 가능하다.

공기 공급부(220)는 메인 엔진(140)이 연료를 연소시킬 때에 메인 엔진(140)으로 제공될 수 있도록 외부의 공기를 공급하는 것이다. 공기 공급부(220)에 의해 공급되는 공기에는 질소 성분이 포함될 수 있다.

공기 분리부(230)는 공기 공급부(220)로부터 공급되는 공기로부터 오염 물질 생성에 관여하는 성분을 분리하는 것이다. 공기 분리부(230)는 예를 들어, 공기 공급부(220)로부터 공급되는 공기(Air(N2+O2))로부터 질소 성분(N2)을 분리할 수 있다.

공기 분리부(230)는 공기로부터 오염 물질 생성에 관여하는 성분이 제거되면, 오염 물질 생성에 관여하지 않는 성분(즉, 산소 성분을 포함하는 나머지 성분)을 메인 엔진(140)에 공급할 수 있으며, 메인 엔진(140)으로부터 배기 가스가 생성될 때 이 배기 가스에 오염 물질이 포함되는 것을 방지할 수 있다.

공기 분리부(230)는 공기 공급부(220)로부터 공급되는 공기로부터 산소 성분을 분리하는 것도 가능하다. 공기 분리부(230)는 공기로부터 산소 성분이 분리되면, 순수한 산소 성분을 메인 엔진(140)에 공급하여 메인 엔진(140)으로부터 오염 물질이 생성되는 것을 방지하게 할 수 있다.

공기 분리부(230)는 공기 공급부(220)로부터 공급되는 공기로부터 오염 물질 생성에 관여하는 성분을 분리하는 경우, 액화 분리 방식(Cryogenic Air Separation)을 이용할 수 있다. 액화 분리 방식은 공기 액화에 의한 분리 방식으로서, 질소의 끓는점(액화점)이 -196℃로 산소가 액화되는 -183℃보다 낮은 점을 이용하여 공기의 온도를 낮춰 액체 상태의 산소와 기체 상태의 질소를 분리하는 방식을 말한다. 액화 분리 방식은 PSA(Pressure Swing Adsorption) 분리 방식, 멤브레인(Membrane) 분리 방식 등에 비해 대용량 산소 생산에 적합하며, 순도를 높일 수 있어 질소 산화물이 적게 생성되는 잇점이 있다.

이하에서는 액화 분리 방식을 이용하는 공기 분리부(230)에 대해 자세하게 설명한다.

도 3은 도 2에 도시된 연료 처리 시스템을 구성하는 공기 분리부의 구조를 개략적으로 도시한 제1 예시도이다.

도 3에 따르면, 공기 분리부(230)는 공기 압축부(310), 열 교환부(320), 공기 팽창부(330) 및 산소 분리부(340)를 포함하여 구성될 수 있다.

공기 압축부(310)는 공기 공급부(220)로부터 공급되는 공기를 압축하는 기능을 한다. 공기 압축부(310)는 압축기를 이용하여 공기 자체를 단열 압축할 수 있다.

한편, 공기 압축부(310)는 연료 탱크(120)로부터 공급되는 액체 가스의 냉열을 이용하여 압축기의 회전에 의해 발생하는 마찰열을 낮출 수 있다. 이때, 액체 가스의 냉열을 쿨링용 냉열로 이용될 수 있다.

열 교환부(320)는 공기 압축부(310)에 의해 공기의 온도가 상승하면, 이 공기를 냉각하는 기능을 한다. 열 교환부(320)는 연료 탱크(120)로부터 공급되는 액체 가스의 냉열을 이용하여 열 교환을 통해 공기 압축부(310)에 의해 온도 상승된 공기를 냉각시킬 수 있다.

공기 팽창부(330)는 열 교환부(320)에 의해 공기가 냉각되면, 산소가 액화되는 온도까지 이 공기의 온도를 떨어뜨리는 기능을 한다. 공기 팽창부(330)는 이를 위해 터빈으로 구현될 수 있으며, 고온 고압의 가스를 저온 저압으로 낮추는 감압 방식의 JT(Joule-Thomson) 밸브로 구현되는 것도 가능하다.

한편, 공기 팽창부(330)는 연료 탱크(120)로부터 공급되는 액체 가스의 냉열을 이용하여 터빈의 회전에 의해 발생하는 마찰열을 낮출 수 있다. 이때, 액체 가스의 냉열을 쿨링용 냉열로 이용될 수 있다.

산소 분리부(340)는 공기 팽창부(340)에 의해 산소가 액화되는 온도까지 공기의 온도가 낮아지면, 공기에서 액체 산소(O2(Liquid))와 기체 질소(N2)를 분리하는 기능을 한다.

액체 가스는 초기 생산지에서 액화되는 과정에서 많은 에너지를 주입하게 된다. 그런데, 액체 가스에 이와 같이 냉열 에너지가 있음에도 불구하고 제대로 활용하지 못하고, 단순히 기화하여 연료로만 사용하고 있다.

본 실시예에서 공기 분리부(230)는 공기를 압축한 후 쿨링하는 과정에서 연료 탱크(120)로부터 공급되는 액체 가스(예를 들어, LNG)의 냉열을 활용하여 열 교환을 통해 공기의 온도를 낮출 수 있다. 즉, 공기 분리부(230)는 자가 액화 방식을 이용하는 시스템으로 구현되어, 액체 가스의 냉열 에너지를 이용하여 공기를 액체 산소와 기체 질소로 분리함으로써, 순수한 산소 성분을 메인 엔진(140)에 공급하여 메인 엔진(140)으로부터 오염 물질이 생성되는 것을 방지하게 할 수 있으며, 액체 가스의 냉열 에너지를 효율적으로 이용하는 효과도 얻을 수 있다.

한편, 메인 엔진(140)이 연료를 연소하기 위해서는 기체 산소가 필요하다. 그런데, 공기 분리부(230)는 액체 가스의 냉열을 이용하여 공기를 액체 산소와 기체 질소로 분리할 수 있다. 따라서 공기 분리부(230)는 기체 산소를 메인 엔진(140)에 공급하기 위해 도 4에 도시된 바와 같이 기화부(350)를 더 포함할 수 있다. 도 4는 도 2에 도시된 연료 처리 시스템을 구성하는 공기 분리부의 구조를 개략적으로 도시한 제2 예시도이다.

그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 공기 분리부(230)에 의해 분리된 액체 산소는 CCS(Carbon Capture and Storage) 시스템과의 열 교환을 통해 기체 산소로 변환되는 것도 가능하다. 이 경우, 공기 분리부(230)는 기화부(350)를 더 포함하지 않아도 무방하다. 이와 관련하여 보다 자세한 설명은 후술하기로 한다.

한편, 산소 분리부(340)에 의해 액체 산소와 기체 질소로 분리되더라도, 외부로 배출되는 기체 질소(N2 vapor) 내에는 미량의 산소(Small O2)가 포함될 수 있다. 따라서 본 실시예에서는 도 5에 도시된 바와 같이 기체 질소가 외부로 배출되는 통로 상에 제1 응축기(First Condenser; 360)를 추가로 배치하고, 연료 탱크(120)로부터 공급되는 액체 가스의 냉열을 이용하여 기체 질소를 한번 더 응축 처리함으로써, 액체 산소를 추가로 생성할 수 있다. 도 5는 도 2에 도시된 연료 처리 시스템을 구성하는 공기 분리부의 구조를 개략적으로 도시한 제3 예시도이다.

다시 도 2를 참조하여 설명한다.

제1 제어 밸브(240a)는 제1 파이프 라인(270a) 상에 설치되며, 제1 파이프 라인(270a)을 개폐시키거나, 제1 파이프 라인(270a) 내에서 이동하는 액체 가스의 압력이나 유량을 조절할 수 있다. 상기에서, 제1 파이프 라인(270a)은 공기 분리부(230)와 메인 엔진(140)을 연결하는 파이프 라인을 말한다.

제2 제어 밸브(240b)는 제2 파이프 라인(270b) 상에 설치되며, 제2 파이프 라인(270b)을 개폐시키거나, 제2 파이프 라인(270b) 내에서 이동하는 액체 가스의 압력이나 유량을 조절할 수 있다. 상기에서, 제2 파이프 라인(270b)은 공기 분리부(230)와 제너레이터 엔진(160)을 연결하는 파이프 라인을 말한다.

제1 기화기(250a)는 제1 파이프 파인(270a)을 통해 공급되는 액체 가스를 기화시키는 것(Vaporizer for M/E, 10℃ ~ 30℃)이다. 이러한 제1 기화기(250a)는 액체 가스를 기화시켜 얻은 기체 성분을 메인 엔진(140)에 제공할 수 있다. 액체 가스가 예를 들어, 액화 천연 가스인 경우, 제1 기화기(250a)는 액화 천연 가스(LNG)를 기화시켜 메인 엔진(140)에 천연 가스(NG; Natural Gas)가 공급되도록 할 수 있다.

제1 제어 밸브(240a)는 제1 파이프 라인(270a) 상에서 제1 기화기(250a)에 선행하여 설치될 수 있다. 즉, 제1 제어 밸브(240a)는 제1 파이프 라인(270a) 상에서 연료 탱크(120)에 제1 기화기(250a)보다 더 가깝게 설치될 수 있으며, 제1 기화기(250a)는 제1 파이프 라인(270a) 상에서 메인 엔진(140)에 제1 제어 밸브(240a)보다 더 가깝게 설치될 수 있다. 제1 제어 밸브(240a) 및 제1 기화기(250a)가 이와 같이 설치되면, 제1 파이프 라인(270a) 상에서 제1 제어 밸브(240a)를 이용하여 액체 가스의 압력 및 유량을 적절하게 조절한 후, 제1 기화기(250a)에서 액체 가스를 기화시켜 메인 엔진(140)에 공급할 수 있다.

제2 기화기(250b)는 제2 파이프 라인(270b)을 통해 공급되는 액체 가스를 기화시키는 것(Vaporizer for G/E, 10℃ ~ 30℃)이다. 이러한 제2 기화기(250b)는 액체 가스를 기화시켜 얻은 기체 성분을 제너레이터 엔진(160)에 제공할 수 있다. 액체 가스가 예를 들어, 액화 천연 가스인 경우, 제2 기화기(250b)는 액화 천연 가스(LNG)를 기화시켜 제너레이터 엔진(160)에 천연 가스(NG; Natural Gas)가 공급되도록 할 수 있다.

제2 제어 밸브(240b)는 제2 파이프 라인(270b) 상에서 제2 기화기(250b)에 선행하여 설치될 수 있다. 즉, 제2 제어 밸브(240b)는 제2 파이프 라인(270b) 상에서 연료 탱크(120)에 제2 기화기(250b)보다 더 가깝게 설치될 수 있으며, 제2 기화기(250b)는 제2 파이프 라인(270b) 상에서 제너레이터 엔진(160)에 제2 제어 밸브(240b)보다 더 가깝게 설치될 수 있다. 제2 제어 밸브(240b) 및 제2 기화기(250b)가 이와 같이 설치되면, 제2 파이프 라인(270b) 상에서 제2 제어 밸브(240b)를 이용하여 액체 가스의 압력 및 유량을 적절하게 조절한 후, 제2 기화기(250b)에서 액체 가스를 기화시켜 제너레이터 엔진(160)에 공급할 수 있다.

메인 엔진(140)은 제1 기화기(250a)로부터 기화된 액체 가스가 연료로 제공되면, 이 연료를 연소시켜 내연 기관(예를 들어, 2행정 기관, 4행정 기관 등)을 통해 기계적 에너지를 생성한다. 이후, 메인 엔진(140)은 기계적 에너지로 샤프트(Shaft; 280a) 및 추진기(Propeller; 280b)를 회전시켜 선체(110)에 추진력을 발생시킨다.

배기 가스 배출부(260)는 메인 엔진(140)의 연소 과정에서 발생되는 배기 가스를 외부로 배출하는 것이다.

본 실시예에서는 공기 분리부(230)에 의해 공기 중 오염 물질 생성에 관여하는 성분이 메인 엔진(140)에 공급되지 않으므로, 메인 엔진(140)의 연소 과정에서 발생되는 배기 가스에는 오염 물질이 포함되어 있지 않다. 따라서 본 실시예에서는 배기 가스 배출부(260)와 메인 엔진(140) 사이에 질소 산화물 저감 장치(SCR)가 구비되지 않아도 되는 잇점이 있다.

제너레이터 엔진(160)은 제2 기화기(250b)로부터 기화된 액체 가스가 연료로 제공되면, 이 연료를 연소시켜 내연 기관(주로 4행정 기관)을 통해 기계적 에너지를 생성한다. 이후, 제너레이터 엔진(160)은 기계적 에너지로 발전하여 PMS(Power Management System; 290)로 공급한다. PMS(290)는 선체(110) 내에 설치되어, 선박(100)의 전력 계통을 제어하는 것을 말한다.

이상 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한 바와 같이, 공기 공급부(220) 및 공기 분리부(230)는 연료의 연소 과정에 순수한 산소 성분을 제공하기 위해 메인 엔진(140)과 연결될 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 공기 공급부(220) 및 공기 분리부(230)는 메인 엔진(140)뿐만 아니라 제너레이터 엔진(160)과 연결되는 것도 가능하다.

다음으로, CCS 시스템을 이용하여 공기 분리부(230)에 의해 분리된 액체 산소를 기체 산소로 변환하는 시스템에 대하여 설명한다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박을 구성하는 연료 처리 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 6에 따르면, 연료 처리 시스템(200)은 펌프(210), 공기 공급부(220), 공기 분리부(230), 제1 제어 밸브(240a), 제2 제어 밸브(240b), 제1 기화기(250a), 제2 기화기(250b), 배기 가스 배출부(260), 포집부(410) 및 저장부(420)를 포함하여 구성될 수 있다.

펌프(210), 공기 공급부(220), 공기 분리부(230), 제1 제어 밸브(240a), 제2 제어 밸브(240b), 제1 기화기(250a), 제2 기화기(250b), 배기 가스 배출부(260) 등에 대해서는 도 2를 참조하여 전술하였으므로, 여기서는 그 자세한 설명을 생략한다.

포집부(410)는 메인 엔진(140)으로부터 배출되는 배기 가스에서 CO2 성분을 포집하는 것이다. 포집부(410)는 예를 들어, H2O 성분, CO2 성분 등을 포함하는 배기 가스에서 CO2 성분을 포집하고, 그 외 나머지 성분(즉, H2O 성분 등을 포함하는 배기 가스)을 배기 가스 배출부(260)로 이송시킬 수 있다.

포집부(410)는 공기 분리부(230)로부터 액체 산소가 유입되면, 열 교환을 통해 배기 가스의 온도를 낮추고, 액체 산소를 기화시킬 수 있다. 포집부(410)는 액체 산소가 기화되면, 그 기체 산소를 메인 엔진(140)에 공급하여, 메인 엔진(140)이 연료를 연소할 때에 기체 산소를 이용하게 할 수 있다.

한편, 포집부(410)는 연료 탱크(120)로부터 공급되는 액체 가스의 냉열을 이용하여 배기 가스의 온도를 낮추는 것도 가능하다.

포집부(410)는 도 7에 도시된 바와 같이 제1 쿨러(First Cooler; 510), 제2 응축기(520), 제3 응축기(530), 제3 제어 밸브(540a), 제4 제어 밸브(540b), 제5 제어 밸브(540c), 흡수기(Absorber; 550), 스트리퍼(Stripper; 560), 열 교환기(Cross Heat Exchanger; 570), 펌프(Pump; 580) 및 리보일러(Reboiler; 590)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 7은 도 6에 도시된 연료 처리 시스템을 구성하는 포집부의 내부 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 이하 설명은 도 7을 참조한다.

제1 쿨러(510), 제2 응축기(520), 제3 응축기(530) 등은 온도를 낮추기 위한 냉열이 필요하다. 따라서 본 실시예에서는 공기 분리부(230)로부터 유입된 액체 산소와 열 교환을 하도록 구성될 수 있다. 이를 통해 액체 산소는 연료로 사용하기 위한 온도까지 기화하는 데에 필요한 열을 제공받을 수 있으며, 제1 쿨러(510), 제2 응축기(520), 제3 응축기(530) 등은 필요한 냉열을 제공받을 수 있게 된다.

마찬가지로, 제1 쿨러(510), 제2 응축기(520), 제3 응축기(530) 등은 연료 탱크(120)로부터 공급되는 액체 가스와 열 교환을 하도록 구성될 수도 있다. 이 경우, 액체 가스는 연료로 사용하기 위한 온도까지 기화하는 데에 필요한 열을 제공받을 수 있으며, 제1 쿨러(510), 제2 응축기(520), 제3 응축기(530) 등은 필요한 냉열을 제공받을 수 있게 된다.

한편, 제3 제어 밸브(540a), 제4 제어 밸브(540b), 제5 제어 밸브(540c) 등은 제1 쿨러(510), 제2 응축기(520), 제3 응축기(530) 등으로 들어가는 파이프 라인 상에 설치될 수 있으며, 제1 쿨러(510), 제2 응축기(520), 제3 응축기(530) 등에 필요한 냉열을 조절하는 기능을 할 수 있다.

다시 도 6을 참조하여 설명한다.

저장부(420)는 포집부(410)에 의해 포집된 CO2 성분을 저장하는 것이다.

포집부(410) 및 저장부(420)는 연료 처리 시스템(200) 내에 일체형으로 구비될 수 있다. 포집부(410) 및 저장부(420)는 예를 들어, CCS 시스템으로 구현될 수 있다. 그러나 본 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 포집부(410) 및 저장부(420)는 연료 처리 시스템(200) 내에 분리형으로 구비되는 것도 가능하다.

본 실시예에서는 공기 분리부(230)를 통해 전처리 방식으로 질소를 제거하여 메인 엔진(140)에 공급할 수 있다. 따라서 메인 엔진(140) 내에서 이루어지는 연소 공정은 순산소 연소 공정이 될 수 있다.

메인 엔진(140) 내에서 순산소 연소 공정이 수행되면, 이때 배출되는 배기 가스는 고온의 H2O와 CO2 등으로 구성되어 있다. 따라서 온도만 낮추면 H2O가 응축되어 CO2를 쉽게 분리할 수 있으며, CO2 포집 및 저장이 용이해진다. 본 실시예에서는 이와 같이 간단한 방식의 포집부(410) 및 저장부(420)를 이용하여 온실 가스 저감에도 기여할 수 있다.

이상 도 2 내지 도 7를 참조하여 연료 처리 시스템(200)에 대하여 설명하였다. 연료 처리 시스템(200)은 본 실시예에서 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 전처리로 공기에서 N2를 분리하므로, 연소 반응 이후의 배기 가스(연료 + 공기)에서 분리하는 후처리 방식보다 처리 용량이 적어 비용이 적게 든다.

둘째, 순산소 연소 반응에 의해 연소 온도가 올라가서 엔진 출력 효율이 좋아진다.

셋째, 액체 가스(예를 들어, LNG)의 냉열을 활용하여 냉각/쿨링시 사용할 수 있어 효율적이다.

넷째, 배기 가스의 열도 활용할 수 있어 효율적이다.

다섯째, CO2 포집 및 저장에 용이하므로 이산화탄소 저감에도 장점이 있다.

이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

100: 선박 110: 선체
120: 연료 탱크 130: 추진 장비
140: 메인 엔진 150: 부하 장비
160: 제너레이터 엔진 200: 연료 처리 시스템
210: 펌프 220: 공기 공급부
230: 공기 분리부 240a: 제1 제어 밸브
240b: 제2 제어 밸브 250a: 제1 기화기
250b: 제2 기화기 260: 배기 가스 배출부
280a: 샤프트 280b: 추진기
290: PMS 310: 공기 압축부
320: 열 교환부 330: 공기 팽창부
340: 산소 분리부 350: 기화부
360: 제1 응축기 410: 포집부
420: 저장부

Claims

선체;
액체 가스를 저장하는 연료 탱크;
상기 액체 가스를 이용하여 상기 선체를 추진시키는 메인 엔진;
상기 액체 가스를 이용하여 상기 선체 내에 전력을 공급하는 제너레이터 엔진; 및
공기를 액체 산소와 기체 질소로 분리하며, 상기 액체 산소로부터 얻은 기체 산소를 상기 메인 엔진이 상기 액체 가스를 연소시킬 때에 제공하는 연료 처리 시스템을 포함하며,
상기 연료 처리 시스템은 상기 공기를 상기 액체 산소와 상기 기체 질소로 분리할 때 상기 액체 가스의 냉열을 이용하는 선박.
제 1 항에 있어서,
상기 연료 처리 시스템은,
상기 공기를 압축하는 공기 압축부;
상기 공기가 압축되면, 상기 공기를 냉각시키는 열 교환부;
상기 공기가 냉각되면, 상기 공기를 감압시키는 공기 팽창부; 및
상기 공기가 감압되면, 상기 공기를 상기 액체 산소와 상기 기체 질소로 분리하는 산소 분리부를 포함하며,
상기 열 교환부는 상기 액체 가스의 냉열을 이용하여 상기 공기를 냉각시키는 선박.
제 2 항에 있어서,
상기 공기 압축부 및 상기 공기 팽창부 중 적어도 하나는 상기 액체 가스의 냉열을 이용하여 쿨링되는 선박.
제 1 항에 있어서,
상기 연료 처리 시스템은,
상기 기체 질소를 다시 응축시켜 상기 액체 산소를 추가로 분리하는 응축기를 더 포함하며,
상기 응축기는 상기 액체 가스의 냉열을 이용하여 상기 기체 질소를 다시 응축시키는 선박.
제 1 항에 있어서,
상기 연료 처리 시스템은,
상기 메인 엔진으로부터 배출되는 배기 가스에서 CO2 성분을 포집하는 포집부를 더 포함하며,
상기 연료 처리 시스템은 상기 포집부와의 열 교환을 이용하여 상기 액체 산소를 기화시키는 선박.
제 5 항에 있어서,
상기 포집부는 상기 액체 산소와의 열 교환 및 상기 액체 가스와의 열 교환 중 적어도 하나의 열 교환을 이용하여 상기 배기 가스에서 상기 CO2 성분을 포집하는 선박.