KR20220146193A - 요소수 공급 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의해 요소수 공급 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 요소수 공급 시스템은, 요소수를 저장하는 요소수탱크와, 요소수탱크로부터 요소수를 공급받아 선박의 연소기관에서 발생된 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 선택적촉매환원반응기와, 요소수탱크와 선택적촉매환원반응기를 연결하는 요소수공급관과, 요소수공급관 상에 설치되어 요소수의 농도를 측정하는 센서부와, 센서부 후단의 요소수공급관에 농도 조절용 요소수를 주입하여 요소수의 농도를 기준 농도로 조절하는 농도조절부, 및 센서부와 연계되어 농도조절부의 동작을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

요소수 공급 시스템{Urea supply system}

본 발명은 요소수 공급 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 요소수의 온도 유지 및 벙커링에 소요되는 비용을 최소화할 수 있는 요소수 공급 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 선박에 설치되는 각종 엔진은 화석 연료를 연소하여 동력을 생성하며, 화석 연료의 연소 과정에서 발생되는 배기가스는 질소산화물, 황산화물, 이산화탄소 등을 포함하고 있다. 대기오염이 증가함에 따라 배기가스에 포함된 각종 유해물질에 대한 규제가 엄격해지고 있는 실정이며, 실제, 유엔 산하기관인 국제해사기구(IMO; International Maritime Organization)는 2020년부터 배출통제지역(ECA; Emission Control Area)뿐만 아니라 글로벌지역(global area)에서도 연료의 황함유량을 0.5%로 제한하고 있다. 이에 따라, 저탄소 또는 탈탄소 연료를 이용하여 동력을 생성하는 친환경 선박의 개발이 요구되고 있으며, 차세대 친환경 연료 중 하나로 연소 시 이산화탄소의 배출이 없는 액상의 암모니아가 대두되고 있다.

액상의 암모니아는 연소 시 이산화탄소의 배출이 없는 장점이 있으나, 질소산화물의 배출량이 화석 연료보다 배가(倍加)되는 단점이 있으므로, 질소산화물을 저감시키는 선택적촉매환원반응기(SCR; Selective Catalytic Reduction)의 설치가 필수적이다. 선택적촉매환원반응기는 환원제와 섞인 배기가스를 반응기 내부에 설치된 촉매층에 통과시켜 질소산화물을 질소와 물로 환원시키는데, 환원제로써 기상의 암모니아가 사용된다. 기상의 암모니아는 폭발 위험성과 부식성이 높아 저장과 사용이 어려운 문제가 있으며, 이로 인해, 종래에는 암모니아를 생성할 수 있는 요소수를 탱크에 보관하고, 필요 시 선택적촉매환원반응기에서 요소수를 열분해하여 기상의 암모니아로 변환시켜 사용하였다. 그러나, 요소수는 저장 시 0~35℃의 온도 조건을 유지해야 하고, 온도 조건을 유지하더라도 장시간 경과 시 성층화로 인해 균일도가 변하여 성능이 저하되므로, 온도 유지 및 주기적인 벙커링(bunkering)으로 인해 많은 비용이 소요되는 문제가 있다.

이에, 요소수의 온도 유지 및 벙커링에 소요되는 비용을 최소화할 수 있는 요소수 공급 시스템이 필요하게 되었다.

대한민국 공개특허 제10-2018-0089402호 (2018. 08. 08.)

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 요소수의 온도 유지 및 벙커링에 소요되는 비용을 최소화할 수 있는 요소수 공급 시스템을 제공하는 것이다.

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

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 요소수 공급 시스템은, 요소수를 저장하는 요소수탱크와, 상기 요소수탱크로부터 상기 요소수를 공급받아 선박의 연소기관에서 발생된 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 선택적촉매환원반응기와, 상기 요소수탱크와 상기 선택적촉매환원반응기를 연결하는 요소수공급관과, 상기 요소수공급관 상에 설치되어 상기 요소수의 농도를 측정하는 센서부와, 상기 센서부 후단의 상기 요소수공급관에 농도 조절용 요소수를 주입하여 상기 요소수의 농도를 기준 농도로 조절하는 농도조절부, 및 상기 센서부와 연계되어 상기 농도조절부의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.

상기 농도조절부는, 고체요소를 저장하는 요소탱크와, 청수를 공급하는 청수공급관, 및 상기 요소탱크로부터 공급받은 상기 고체요소에 상기 청수를 혼합하여 상기 농도 조절용 요소수를 생성하는 요소수생성탱크를 포함할 수 있다.

상기 요소수 공급 시스템은, 내부에 해수가 순환하며 상기 요소수탱크와 상기 요소수생성탱크를 경유하는 열교환라인을 더 포함할 수 있다.

상기 요소수 공급 시스템은, 상기 요소수탱크에 인접하여 상기 열교환라인에 연결되어 상기 해수를 유입하는 제1 유입관과, 상기 요소수생성탱크에 인접하여 상기 열교환라인에 연결되어 상기 제1 유입관과 선택적으로 상기 해수를 유입하는 제2 유입관, 및 상기 열교환라인 내부의 상기 해수를 배출하는 배수관을 더 포함할 수 있다.

상기 제어부는, 유입되는 상기 해수의 온도가 상기 요소수를 냉각 가능한 제1 온도 범위인 경우 상기 제1 유입관을 개방하고, 유입되는 상기 해수의 온도가 상기 제1 온도 범위를 벗어난 경우 상기 제2 유입관을 개방할 수 있다.

상기 배수관은 상기 요소수탱크에 인접한 상기 열교환라인에 연결되고, 상기 요소수 공급 시스템은, 양단이 각각 상기 열교환라인에 연결되어 상기 제1 유입관과 상기 배수관을 포함하는 독립 냉각 사이클을 구성하는 순환관을 더 포함할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 독립 냉각 사이클을 순환하는 상기 해수의 온도가 상기 요소수를 냉각 가능한 제1 온도 범위를 벗어난 경우 상기 배수관을 개방할 수 있다.

상기 제어부는, 상기 센서부에서 측정된 상기 요소수의 농도가 기준 농도 미만일 경우, 상기 요소수생성탱크에 공급되는 상기 고체요소의 양을 증가시켜 상기 농도 조절용 요소수의 농도를 증가시키고, 상기 센서부에서 측정된 상기 요소수의 농도가 기준 농도를 초과할 경우, 상기 요소수생성탱크에 공급되는 상기 청수의 양을 증가시켜 상기 농도 조절용 요소수의 농도를 감소시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 요소수탱크와 요소수생성탱크를 열교환하여 요소수의 냉각에 필요한 열과 요소수의 생성에 필요한 열을 각각 공급받으므로, 요소수탱크와 요소수생성탱크의 온도 유지를 위해 소요되던 비용을 절감할 수 있어 장치를 경제적으로 운용할 수 있다. 특히, 요소수탱크만 순환하는 별도의 독립 냉각 사이클이 형성되므로, 요소수생성탱크가 동작하지 않더라도 요소수를 냉각시킬 수 있어 요소수의 성층화로 인해 균일도가 변하여 성능이 저하되는 것을 최소화할 수 있다.

또한, 선택적촉매환원반응기에 요소수 공급 시 농도 조절용 요소수가 주입되어 요소수가 기준 농도로 조절되므로, 요소수의 성능이 유지될 수 있어 배기가스에 포함된 질소산화물을 효과적으로 제거할 수 있음은 물론 벙커링도 최소화할 수 있어 이에 따른 비용도 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 요소수 공급 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 열교환라인을 확대하여 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 6은 요소수 공급 시스템의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 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 구성 요소를 지칭한다.

이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 요소수 공급 시스템에 관하여 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 요소수 공급 시스템은 선택적촉매환원반응기에 요소수를 공급하는 시스템으로, 선박에 설치될 수 있다.

요소수 공급 시스템은 요소수탱크와 요소수생성탱크를 열교환하여 요소수의 냉각에 필요한 열과 요소수의 생성에 필요한 열을 각각 공급받으므로, 요소수탱크와 요소수생성탱크의 온도 유지를 위해 소요되던 비용을 절감할 수 있어 장치를 경제적으로 운용할 수 있다. 특히, 요소수탱크만 순환하는 별도의 독립 냉각 사이클이 형성되므로, 요소수생성탱크가 동작하지 않더라도 요소수를 냉각시킬 수 있어 요소수의 성층화로 인해 균일도가 변하여 성능이 저하되는 것을 최소화할 수 있다. 또한, 선택적촉매환원반응기에 요소수 공급 시 농도 조절용 요소수가 주입되어 요소수가 기준 농도로 조절되므로, 요소수의 성능이 유지될 수 있어 배기가스에 포함된 질소산화물을 효과적으로 제거할 수 있음은 물론 벙커링도 최소화할 수 있어 이에 따른 비용도 절감할 수 있는 특징이 있다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 요소수 공급 시스템(1)에 관하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 요소수 공급 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 열교환라인을 확대하여 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 요소수 공급 시스템(1)은 요소수탱크(10)와, 선택적촉매환원반응기(20)와, 요소수공급관(30)과, 센서부(40)와, 농도조절부(50), 및 제어부(60)를 포함한다.

요소수탱크(10)는 요소수를 저장하는 탱크로, 요소수의 열이 외부로 방출되어 어는점 이하의 저온에서 요소수가 동결되는 것을 방지하기 위해 열전도율이 낮은 합성수지 등으로 제작될 수 있다. 요소수탱크(10)는 단열 효과의 증대를 위해 단열재가 추가로 설치될 수 있으며, 단열재로는 예를 들어, 폴리우레탄, 폴리스틸렌, 중공 형태의 실리카겔 등이 사용될 수 있다. 요소수탱크(10)에 저장된 요소수는 선택적촉매환원반응기(20)에 공급될 수 있다.

선택적촉매환원반응기(20)는 선박의 연소기관(100)에서 발생된 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 것으로, 연소기관(100)에서 발생된 배기가스를 배출하는 배기관(110) 상에 연결된다. 연소기관(100)은 연료를 연소하여 동력을 생성하는 장치를 통칭하며, 예를 들어, 액상암모니아를 연소하여 동력을 생성하는 암모니아 엔진일 수 있다. 선택적촉매환원반응기(20)는 배기가스에 요소수탱크(10)로부터 공급받은 요소수를 분사하며, 이로 인해, 요소수가 배기가스의 열에 의해 열분해되어 암모니아로 전환될 수 있다. 전환된 암모니아는 배기가스와 함께 반응기 내부에 설치된 촉매층을 통과하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 질소와 물로 환원시키고, 질소산화물이 제거된 배기가스는 배기관(110)을 통해 대기 중으로 방출될 수 있다. 한편, 연소기관(100)으로부터 배출된 배기가스가 280℃ 이상의 고온일 경우, 전술한 바와 같이, 배기가스에 요소수를 직접 분사하여 배기가스의 열로 요소수를 분사하는 것이 가능하지만, 배기가스가 280℃ 미만의 저온일 경우, 배기가스의 열로 요소수를 열분해할 수 없다. 따라서, 저온의 배기가스를 정화하기 위해 선택적촉매환원반응기(20) 내부에는 촉매층 전단에 요소수를 암모니아로 전환시키기 위한 별도의 가열기가 설치될 수 있다.

요소수탱크(10)와 선택적촉매환원반응기(20)는 요소수공급관(30)에 의해 연결된다. 요소수공급관(30)은 일단이 요소수탱크(10)의 하부에 연결되고 타단이 선택적촉매환원반응기(20)에 연결되어 요소수탱크(10)에 저장된 요소수를 선택적촉매환원반응기(20)에 공급할 수 있다. 도면 상에는 요소수공급관(30)의 일단이 요소수탱크(10) 내부에 설치된 펌프(도면부호 미도시)에 연결된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 예를 들어, 요소수탱크(10) 외부로 노출된 요소수공급관(30) 상에 펌프가 설치될 수도 있다. 요소수공급관(30) 상에는 요소수의 농도를 측정하는 센서부(40)가 설치된다.

센서부(40)는 요소수탱크(10)로부터 선택적촉매환원반응기(20)로 공급되는 요소수의 농도를 측정하며, 후술할 제어부(60)와 연계되어 측정된 농도값을 제어부(60)에 전송할 수 있다. 센서부(40) 후단의 요소수공급관(30)에는 농도조절부(50)가 연결된다.

농도조절부(50)는 요소수공급관(30)에 농도 조절용 요소수를 주입하여 요소수의 농도를 기준 농도로 조절하는 것으로, 센서부(40)와 연계된 제어부(60)에 의해 동작이 제어될 수 있다. 농도조절부(50)는 요소탱크(51)와, 청수공급관(52), 및 요소수생성탱크(53)를 포함한다.

요소탱크(51)는 화학식이 CH4N2O이고 무색무취의 결정성 물질인 고체요소를 저장하는 탱크로, 고체요소는 분말 또는 알갱이 또는 펠렛(pellet) 형태일 수 있다. 예를 들어, 고체요소는 일정한 크기의 분말 또는 알갱이 또는 펠렛 형태일 수도 있고, 서로 다른 크기의 분말 또는 알갱이 또는 펠렛 형태일 수도 있으며, 서로 다른 크기의 분말, 알갱이, 펠렛이 혼합된 형태일 수도 있다. 요소탱크(51)에 저장된 고체요소는 필요 시 요소수생성탱크(53)으로 공급된다. 도면 상에는 요소탱크(51)가 요소수생성탱크(53)의 상단에 연결된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 요소탱크(51)와 요소수생성탱크(53)의 형상 및 배치는 다양하게 변형될 수 있다.

요소수생성탱크(53)는 요소탱크(51)로부터 공급받은 고체요소에, 청수공급관(52)으로부터 공급받은 청수를 혼합하여 농도 조절용 요소수를 생성하며, 생성된 농도 조절용 요소수를 주입관(55)을 통해 요소수공급관(30)으로 주입한다. 요소수공급관(30)과 주입관(55)의 연결 지점 또는 주입관(55) 상에는 제어부(60)에 의해 개폐되는 조절밸브(31)가 설치되므로, 농도 조절용 요소수의 주입이 제어될 수 있다. 요소수생성탱크(53)는 고체요소가 용해되어 생성된 농도 조절용 요소수의 열이 외부로 방출되어 어는점 이하의 저온에서 농도 조절용 요소수가 동결되는 것을 방지하기 위해 열전도율이 낮은 합성수지 등으로 제작될 수 있으며, 단열 효과의 증대를 위해 단열재가 추가로 설치될 수 있다. 요소탱크(51)와 요소수생성탱크(53)를 연결하는 연결관(51a), 및 청수공급관(52) 상에는 각각 고체요소와 청수의 공급을 제어하는 밸브(도시되지 않음)가 설치되며, 각각의 밸브는 제어부(60)에 의해 개폐될 수 있다. 연결관(51a)과 청수공급관(52)을 통해 각각 요소수생성탱크(53) 내부로 고체요소와 청수가 공급되면, 교반기(54)가 구동된다. 교반기(54)는 요소수생성탱크(53) 내부에 회전 가능하게 설치되어 고체요소와 물을 혼합하는 것으로, 교반날개(54a)와, 회전축(54b), 및 구동모터(54c)를 포함한다. 교반날개(54a)는 요소수생성탱크(53) 내부에 배치되며, 구동모터(54c)에 연결된 회전축(54b)을 통해 회전력을 전달받아 회전할 수 있다. 도면 상에는 구동모터(54c)가 요소수생성탱크(53) 외측에 설치된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 필요에 따라 구동모터(54c)는 요소수생성탱크(53) 내부에 설치될 수도 있다.

전술한 바와 같이, 제어부(60)는 센서부(40)와 연계되어 농도조절부(50)의 동작을 제어한다. 예를 들어, 센서부(40)에서 측정된 요소수의 농도가 기준 농도 미만일 경우, 제어부(60)는 요소수생성탱크(53)로 공급되는 고체요소의 양을 증가시켜 농도 조절용 요소수의 농도를 증가시킬 수 있다. 생성된 고농도의 농도 조절용 요소수가 요소수공급관(30)에 주입됨에 따라, 요소수의 농도가 기준 농도로 조절되어 선택적촉매환원반응기(20)로 공급될 수 있으며, 이로 인해, 배기가스에 포함된 질소산화물을 효과적으로 제거할 수 있음은 물론 벙커링을 최소화할 수 있어 이에 따른 비용을 절감할 수 있다. 반대로, 센서부(40)에서 측정된 요소수의 농도가 기준 농도를 초과할 경우, 제어부(60)는 요소수생성탱크(53)로 공급되는 청수의 양을 증가시켜 농도 조절용 요소수의 농도를 감소시킬 수 있다. 생성된 저농도의 농도 조절용 요소수가 요소수공급관(30)에 주입됨에 따라, 요소수의 농도가 기준 농도로 조절되어 선택적촉매환원반응기(20)로 공급될 수 있다.

한편, 요소수탱크(10)는 요소수의 냉각을 위해 냉열이 요구되고, 요소수생성탱크(53)는 요소수의 생성, 보다 구체적으로, 고체요소의 용해를 위해 흡열이 요구된다. 이를 위해, 열교환라인(70)이 설치될 수 있다. 열교환라인(70)은 내부에 해수가 순환하며, 요소수탱크(10)와 요소수생성탱크(53)를 경유할 수 있다. 즉, 요소수탱크(10)에서 요소수와 열교환하여 가열된 해수는 열교환라인(70)을 따라 요소수생성탱크(53)로 이동하여 농도 조절용 요소수 또는 고체요소 또는 청수에 열을 전달하며, 농도 조절용 요소수 또는 고체요소 또는 청수에 열을 전달하여 냉각된 해수는 열교환라인(70)을 따라 다시 요소수탱크(10)로 순환한다. 열교환라인(70)은 예를 들어, 요소수탱크(10)와 요소수생성탱크(53)의 외부를 각각 둘러싸며 요소수 및 농도 조절용 요소수 또는 고체요소 또는 청수와 해수를 비접촉식으로 열교환할 수 있다. 또는, 열교환라인(70)은 요소수탱크(10)와 요소수생성탱크(53)를 각각 관통하여 요소수 및 농도 조절용 요소수 또는 고체요소 또는 청수와 해수를 접촉식으로 열교환할 수도 있다. 또는, 열교환라인(70)은 요소수탱크(10)와 요소수생성탱크(53) 중 어느 하나는 외부를 둘러싸며 비접촉식으로 열교환하고, 나머지 하나는 관통하여 접촉식으로 열교환할 수도 있다. 열교환라인(70)을 통해 요소수탱크(10)와 요소수생성탱크(53)이 열교환함으로써, 요소수탱크(10)와 요소수생성탱크(53)의 온도 유지를 위해 소요되던 비용을 절감할 수 있어 장치를 경제적으로 운용할 수 있다. 이러한 열교환라인(70)에는 제1 유입관(71)과, 제2 유입관(72)과, 배수관(73), 및 순환관(74)이 연결된다.

제1 유입관(71)은 요소수탱크(10)에 인접한 열교환라인(70)에 연결되어 해수를 유입하고, 제2 유입관(72)은 요소수생성탱크(53)에 인접한 열교환라인(70)에 연결되어 제1 유입관(71)과 선택적으로 개방되며 해수를 유입할 수 있다. 제1 유입관(71)과 제2 유입관(72)은 제어부(60)에 의해 개폐가 조절되며, 제어부(60)는 씨체스트(sea-chest, 도시되지 않음) 또는 씨체스트에 연결된 해수유입관(도시되지 않음)에 설치된 온도센서(도시되지 않음)에서 측정된 해수의 온도에 따라 제1 유입관(71) 또는 제2 유입관(72)을 개방할 수 있다. 예를 들어, 씨체스트 또는 해수유입관으로 유입되는 해수의 온도가 요소수를 냉각 가능한 제1 온도 범위인 경우, 예를 들어, 0~25℃인 경우, 제어부(60)는 제1 유입관(71)을 개방하여 해수가 요소수탱크(10)에 저장된 요소수에 냉열을 전달하도록 할 수 있다. 요소수에 냉열을 전달하여 온도가 26℃ 이상으로 증가한 해수는 요소수생성탱크(53) 측으로 이동할 수 있다. 반대로, 씨체스트 또는 해수유입관으로 유입되는 해수의 온도가 제1 온도 범위를 벗어난 경우, 예를 들어, 26℃ 이상인 경우, 제어부(60)는 제2 유입관(72)을 개방하여 해수가 요소수생성탱크(53)에 저장된 농도 조절용 요소수 또는 고체요소 또는 청수에 열을 전달하도록 할 수 있다. 농도 조절용 요소수 또는 고체요소 또는 청수에 열을 전달하여 온도가 25℃ 이하로 감소한 해수는 요소수탱크(10) 측으로 이동할 수 있다. 제1 유입관(71)이 열교환라인(70)에 연결되는 부분과, 제2 유입관(72)이 열교환라인(70)에 연결되는 부분에는 각각 삼방밸브(3-way valve) 형태의 제어밸브(71a, 72a)가 설치되어 제1 유입관(71) 또는 제2 유입관(72) 측 해수의 유동과 열교환라인(70) 측 해수의 유동이 동시에 제어될 수 있다.

배수관(73)은 열교환라인(70) 내부의 해수를 배출하는 것으로, 제어부(60)에 의해 개폐가 조절될 수 있다. 예를 들어, 제어부(60)는 농도 조절용 요소수의 생성 및 주입이 완료되어 농도조절부(50)의 동작이 중단된 경우, 배수관(73)을 개방하여 열교환라인(70) 내부의 해수를 배출할 수 있다. 또한, 제어부(60)는 후술할 순환관(74)에 의한 독립 냉각 사이클을 순환하는 해수의 온도가 제1 온도 범위, 다시 말해, 0~25℃를 벗어난 경우 배수관(73)을 개방할 수 있다. 이 때, 제어부(60)는 요소수탱크(10)에 설치된 온도센서(11)에서 측정된 요소수의 온도가 기준 온도인 0~35℃를 벗어난 경우 해수의 온도가 제1 온도 범위를 벗어난 것으로 판단할 수 있으며, 해수의 온도가 제1 온도 범위를 벗어난 것으로 판단되면, 배수관(73)을 개방하여 해수를 배출한 후 제1 유입관(71)을 개방하여 해수를 유입시킬 수 있다. 그러나, 제어부(60)가 요소수탱크(10)에 설치된 온도센서(11)에 의해 해수의 온도를 간접적으로 판단하는 것으로 한정될 것은 아니며, 독립 냉각 사이클을 구성하는 열교환라인(70) 또는 순환관(74)에 설치된 온도센서(도시되지 않음)에 의해 해수의 온도를 직접적으로 측정할 수도 있다. 한편, 배수관(73)을 통해 배출된 해수는 필요처에 활용되거나 별도의 처리 과정을 거쳐 해상에 방류될 수 있다. 이러한 배수관(73)은 요소수탱크(10)에 인접한 열교환라인(70)에 연결될 수 있으며, 배수관(73)이 열교환라인(70)에 연결되는 부분에는 삼방밸브 형태의 제어밸브(73a)가 설치되어 배수관(73) 측 해수의 유동과 열교환라인(70) 측 해수의 유동이 동시에 제어될 수 있다.

순환관(74)은 해수를 요소수탱크(10)에만 순환시키기 위한 것으로, 양단이 각각 열교환라인(70)에 연결되어 제1 유입관(71)과 배수관(73)을 포함하는 독립 냉각 사이클을 구성할 수 있다. 요소수탱크(10)만 순환하는 독립 냉각 사이클이 구성됨으로써, 농도조절부(50)가 동작하지 않는 경우에도 요소수를 용이하게 냉각시킬 수 있어 요소수의 성층화로 인해 균일도가 변하여 성능이 저하되는 것을 최소화할 수 있다. 순환관(74)은 제어부(60)에 의해 개폐가 조절되며, 제어부(60)는 농도조절부(50)의 동작이 중단된 경우 순환관(74)을 개방하여 해수를 요소수탱크(10)에만 순환시킬 수 있다. 순환관(74)이 열교환라인(70)에 연결되는 부분에는 각각 삼방밸브 형태의 제어밸브(74a, 74b)가 설치되어 순환관(74) 측 해수의 유동과 열교환라인(70) 측 해수의 유동이 동시에 제어될 수 있다.

이하, 도 3 내지 도 6을 참조하여, 요소수 공급 시스템(1)의 동작에 대해 보다 구체적으로 설명한다.

도 3 내지 도 6은 요소수 공급 시스템의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.

본 발명에 따른 요소수 공급 시스템(1)은 요소수탱크(10)와 요소수생성탱크(53)를 열교환하여 요소수의 냉각에 필요한 열과 요소수의 생성에 필요한 열을 각각 공급받으므로, 요소수탱크(10)와 요소수생성탱크(53)의 온도 유지를 위해 소요되던 비용을 절감할 수 있어 장치를 경제적으로 운용할 수 있다. 특히, 요소수탱크(10)만 순환하는 별도의 독립 냉각 사이클이 형성되므로, 요소수생성탱크(53)가 동작하지 않더라도 요소수를 냉각시킬 수 있어 요소수의 성층화로 인해 균일도가 변하여 성능이 저하되는 것을 최소화할 수 있다. 또한, 선택적촉매환원반응기(20)에 요소수 공급 시 농도 조절용 요소수가 주입되어 요소수가 기준 농도로 조절되므로, 요소수의 성능이 유지될 수 있어 배기가스에 포함된 질소산화물을 효과적으로 제거할 수 있음은 물론 벙커링도 최소화할 수 있어 이에 따른 비용도 절감할 수 있다.

도 3 및 도 4는 센서부에서 측정된 요소수의 농도가 기준 농도인 경우의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

연소기관(100)에서 연료가 연소하여 발생된 배기가스는 배기관(110)을 통해 배출되며, 배기관(110) 상에 설치된 선택적촉매환원반응기(20)로 공급된다. 이와 동시에 또는 순차적으로 요소수탱크(10)에 저장된 요소수가 요소수공급관(30)을 통해 선택적촉매환원반응기(20)로 공급된다. 요소수공급관(30) 상에 설치된 센서부(40)는 요소수공급관(30)을 유동하는 요소수의 농도를 측정하며, 측정된 요소수의 농도 값은 제어부(60)에 전송된다. 센서부(40)에서 측정된 요소수의 농도가 기준 농도인 경우, 제어부(60)는 농도조절부(50)의 동작을 제한하며, 이로 인해, 요소수는 별도의 농도 조절 없이 선택적촉매환원반응기(20)로 공급되어 배기가스의 열에 의해 열분해된다. 열분해된 요소수는 암모니아로 전환된 후, 배기가스와 함께 반응기 내부에 설치된 촉매층을 통과하여 배기가스에 포함된 질소산화물을 질소와 물로 환원시킨다. 질소산화물이 제거된 배기가스는 배기관(110)을 통해 대기 중으로 방출된다.

한편, 제어부(60)는 씨체스트 또는 해수유입관으로 유입되는 해수의 온도가 제1 온도 범위, 즉, 0~25℃인 경우, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 유입관(71)을 개방하여 해수를 유입시킨다. 동시에 또는 순차적으로 배수관(73)은 폐쇄하며 순환관(74)도 개방하여 해수가 요소수탱크(10)만 순환하도록 할 수 있다. 요소수탱크(10)에 저장된 요소수는 순환관(74)에 의한 독립 냉각 사이클을 순환하는 해수에 의해 적정 온도로 냉각되어 선택적촉매환원반응기(20)로 공급 시 질소산화물을 효과적으로 환원시킬 수 있다.

제어부(60)는 요소수탱크(10)에 설치된 온도센서(11)에서 측정하는 요소수의 온도를 실시간으로 전송받아 요소수의 상태를 모니터링하며, 요소수의 온도가 기준 온도인 0~35℃를 벗어난 경우 해수의 온도가 제1 온도 범위를 벗어난 것으로 판단한다. 해수의 온도가 제1 온도 범위를 벗어나면 요소수가 적정 온도로 냉각되지 않으므로, 제어부(60)는 도 4에 도시된 바와 같이, 배수관(73)을 개방하여 순환관(74)에 의한 독립 냉각 사이클을 순환하는 해수를 배출한다. 독립 냉각 사이클을 순환하는 해수가 전부 또는 일부 배출되면, 제어부(60)는 제1 유입관(71)을 개방하여 해수를 유입시킨다.

도 5 및 도 6은 센서부에서 측정된 요소수의 농도가 기준 농도를 벗어난 경우의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

센서부(40)에서 측정된 요소수의 농도가 기준 농도를 벗어난 경우, 예를 들어, 기준 농도 미만일 경우, 제어부(60)는 농도조절부(50)를 구동하여 고농도의 농도 조절용 요소수를 생성한다. 보다 구체적으로, 제어부(60)는 요소수생성탱크(53)로 공급되는 고체요소의 양을 증가시키고 요소수생성탱크(53)로 공급되는 청수의 양을 감소시켜 고농도의 농도 조절용 요소수를 생성할 수 있다. 이 때, 제어부(60)는 씨체스트 또는 해수유입관으로 유입되는 해수의 온도가 제1 온도 범위, 즉, 0~25℃인 경우, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 유입관(71)으로 해수를 유입하고, 해수의 온도가 제1 온도 범위를 벗어난 경우, 즉, 26℃ 이상인 경우, 도 6에 도시된 바와 같이, 제2 유입관(72)으로 해수를 유입한다. 제1 유입관(71) 또는 제2 유입관(72)으로 해수가 유입될 때, 배수관(73)과 순환관(74)은 모두 폐쇄되어 해수가 요소수탱크(10)와 요소수생성탱크(53) 사이를 순환하도록 할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 해수가 제1 유입관(71)을 통해 열교환라인(70)으로 유입된 경우, 해수는 요소수탱크(10)에 저장된 요소수와 열교환하여 가열된 후 요소수생성탱크(53)로 이동하여 농도 조절용 요소수 또는 고체요소 또는 청수에 열을 전달하며 고체요소의 용해를 도울 수 있다. 요소수생성탱크(53)에서 생성된 고농도의 농도 조절용 요소수는 주입관(55)을 통해 요소수공급관(30)에 주입되며, 이로 인해, 요소수의 농도가 기준 농도로 조절되어 선택적촉매환원반응기(20)로 공급될 수 있다.

반대로, 센서부(40)에서 측정된 요소수의 농도가 기준 농도를 초과할 경우, 제어부(60)는 농도조절부(50)를 구동하여 저농도의 농도 조절용 요소수를 생성한다. 보다 구체적으로, 제어부(60)는 요소수생성탱크(53)로 공급되는 청수의 양을 증가시키고 요소수생성탱크(53)로 공급되는 고체요소의 양을 감소시켜 저농도의 농도 조절용 요소수를 생성할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 해수가 제2 유입관(72)을 통해 열교환라인(70)으로 유입된 경우, 해수는 요소수생성탱크(53)에 저장된 농도 조절용 요소수 또는 고체요소 또는 청수에 열을 전달하여 냉각된 후 요소수탱크(10)로 이동하여 요소수를 냉각시킬 수 있다. 요소수생성탱크(53)에서 생성된 저농도의 농도 조절용 요소수는 주입관(55)을 통해 요소수공급관(30)에 주입되며, 이로 인해, 요소수의 농도가 기준 농도로 조절되어 선택적촉매환원반응기(20)로 공급될 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 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.

1: 요소수 공급 시스템
10: 요소수탱크 20: 선택적촉매환원반응기
30: 요소수공급관 40: 센서부
50: 농도조절부 51: 요소탱크
52: 청수공급관 53: 요소수생성탱크
54: 교반기 55: 주입관
60: 제어부 70: 열교환라인
71: 제1 유입관 72: 제2 유입관
73: 배수관 74: 순환관
100: 연소기관 110: 배기관

Claims (8)

1. 요소수를 저장하는 요소수탱크;
   상기 요소수탱크로부터 상기 요소수를 공급받아 선박의 연소기관에서 발생된 배기가스에 포함된 질소산화물을 저감시키는 선택적촉매환원반응기;
   상기 요소수탱크와 상기 선택적촉매환원반응기를 연결하는 요소수공급관;
   상기 요소수공급관 상에 설치되어 상기 요소수의 농도를 측정하는 센서부;
   상기 센서부 후단의 상기 요소수공급관에 농도 조절용 요소수를 주입하여 상기 요소수의 농도를 기준 농도로 조절하는 농도조절부, 및
   상기 센서부와 연계되어 상기 농도조절부의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 요소수 공급 시스템.
2. 제1 항에 있어서, 상기 농도조절부는,
   고체요소를 저장하는 요소탱크와,
   청수를 공급하는 청수공급관, 및
   상기 요소탱크로부터 공급받은 상기 고체요소에 상기 청수를 혼합하여 상기 농도 조절용 요소수를 생성하는 요소수생성탱크를 포함하는 요소수 공급 시스템.
3. 제2 항에 있어서,
   내부에 해수가 순환하며, 상기 요소수탱크와 상기 요소수생성탱크를 경유하는 열교환라인을 더 포함하는 요소수 공급 시스템.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 요소수탱크에 인접하여 상기 열교환라인에 연결되어 상기 해수를 유입하는 제1 유입관;
   상기 요소수생성탱크에 인접하여 상기 열교환라인에 연결되어 상기 제1 유입관과 선택적으로 상기 해수를 유입하는 제2 유입관, 및
   상기 열교환라인 내부의 상기 해수를 배출하는 배수관을 더 포함하는 요소수 공급 시스템.
5. 제4 항에 있어서, 상기 제어부는,
   유입되는 상기 해수의 온도가 상기 요소수를 냉각 가능한 제1 온도 범위인 경우 상기 제1 유입관을 개방하고,
   유입되는 상기 해수의 온도가 상기 제1 온도 범위를 벗어난 경우 상기 제2 유입관을 개방하는 요소수 공급 시스템.
6. 제4 항에 있어서,
   상기 배수관은 상기 요소수탱크에 인접한 상기 열교환라인에 연결되고,
   양단이 각각 상기 열교환라인에 연결되어 상기 제1 유입관과 상기 배수관을 포함하는 독립 냉각 사이클을 구성하는 순환관을 더 포함하는 요소수 공급 시스템.
7. 제6 항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 독립 냉각 사이클을 순환하는 상기 해수의 온도가 상기 요소수를 냉각 가능한 제1 온도 범위를 벗어난 경우 상기 배수관을 개방하는 요소수 공급 시스템.
8. 제2 항에 있어서, 상기 제어부는,
   상기 센서부에서 측정된 상기 요소수의 농도가 기준 농도 미만일 경우, 상기 요소수생성탱크에 공급되는 상기 고체요소의 양을 증가시켜 상기 농도 조절용 요소수의 농도를 증가시키고,
   상기 센서부에서 측정된 상기 요소수의 농도가 기준 농도를 초과할 경우, 상기 요소수생성탱크에 공급되는 상기 청수의 양을 증가시켜 상기 농도 조절용 요소수의 농도를 감소시키는 요소수 공급 시스템.

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