KR20230037918A - Energy-efficient Exhaust Gas Cleaning Combined System for Reducing Greenhouse Gas Emissions from LNG fuelled Ship - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an energy-saving exhaust gas treatment complex system for reducing greenhouse gas originated from an LNG-powered ship in response to stricter exhaust gas regulations by an International Maritime Organization. More specifically, the energy-saving exhaust gas treatment complex system for efficiently removing greenhouse gas such as CH_4, CO, THC, and NO_x emitted from an LNG-powered ship and air pollutants.

Description

LNG 추진 선박 유래 온실가스 저감을 위한 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템{Energy-efficient Exhaust Gas Cleaning Combined System for Reducing Greenhouse Gas Emissions from LNG fuelled Ship}Energy-efficient Exhaust Gas Cleaning Combined System for Reducing Greenhouse Gas Emissions from LNG fueled Ship}

본 발명은 국제해사기구 배출가스 규제 강화 대응을 위한 LNG 추진 선박 유래 온실가스 저감을 위한 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 LNG 추진 선박에서 배출되는 CH4, CO2, CO, THC, NOx의 온실가스 및 대기오염물질을 효율적으로 제거할 수 있는 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an energy-saving exhaust gas treatment complex system for reducing greenhouse gases derived from LNG-powered ships in response to stricter emission regulations by the International Maritime Organization, and more particularly, CH 4 , CO 2 , and CO emitted from LNG-powered ships. , it relates to an energy-saving exhaust gas treatment complex system that can efficiently remove greenhouse gases and air pollutants such as THC and NOx.

최근 지구온난화 및 기후변화로 인한 국제 사회적 문제가 크게 대두되면서 국제해사기구(International Maritime Organization)에서는 대표적인 선박 배출가스 물질인 질소산화물(Nitrogen Oxide; NOx), 황산화물(Sulphur Oxide; SOx), 입자상물질(Particulate Matter; PM), 온실가스(GHG)에 대한 규제를 강화하고 있다. 국제해사기구의 해양오염방지협약 마폴(MARPOL) 부속서 VI에서는 NOx, SOx, PM, CO2 등 오염물질에 대한 규제를 단계적으로 적용하도록 하고 있으며, 최근 LNG 추진 선박에서 배출되는 메탄슬립(Methane slip)에 대한 추가적인 규제 법안도 계획하고 있다. 특히 엄격한 규제가 적용되는 배출가스 통제구역(Emission Control Area; ECA)을 미국, 캐나다, 북해, 발트해 등 대표적으로 설정하여 운영 중에 있다. 또한 선박에 의한 환경오염 문제에 대한 관심이 높아지면서 향후에는 배출가스 통제구역이 멕시코, 지중해, 말라카 해협 및 일본 등까지 여러 지역으로 확장될 것으로 예상되고 있으며, 배출가스 통제구역을 통과하거나 통과할 예정인 선박들은 강력한 규제 기준을 반드시 준수해야 한다.Recently, as international social problems caused by global warming and climate change have emerged, the International Maritime Organization (Imaritime Organization) has published a report on nitrogen oxide (NOx), sulfur oxide (SOx), and particulate matter, which are representative ship exhaust gases. (Particulate Matter; PM) and greenhouse gas (GHG) regulations are being strengthened. The International Maritime Organization's MARPOL Convention for the Prevention of Marine Pollution Annex VI stipulates the step-by-step application of regulations on pollutants such as NOx, SOx, PM, and CO 2 . Additional regulatory legislation is also being planned. In particular, emission control areas (ECAs), which are subject to strict regulations, have been established and operated in the United States, Canada, the North Sea, and the Baltic Sea. In addition, as interest in the issue of environmental pollution by ships increases, it is expected that the emission control zone will be expanded to various regions such as Mexico, the Mediterranean Sea, the Strait of Malacca and Japan in the future, and the emission control zone is expected to pass or pass through. Ships must comply with strong regulatory standards.

마폴 부속서 VI 제13조에 따른 NOx에 대한 규제는 출력 130 kW 이상 디젤선박에 적용되며, 2000년 1월부터 전세계 모든 해역에 Tier I이 적용되었으며, 2011년 1월에는 전 해역에 Tier II가 적용되었다. 최근 2016년 1월부터는 배출가스 통제구역 내 Tier III 기준을 Tier I의 NOx 배출 제한 기준 대비 80% 저감된 수준으로 강화되었으며, 기존 북미 및 카리브해 지역 외에도 2021년부터 북해와 발트해 지역까지 확대될 전망이다.NOx regulation according to Article 13 of Annex VI of Marpole is applied to diesel ships with an output of 130 kW or more. Tier I was applied to all sea areas around the world from January 2000, and Tier II was applied to all sea areas in January 2011. . Recently, from January 2016, the Tier III standard within the emission control area was strengthened to a level that was reduced by 80% compared to the Tier I NOx emission limit standard, and it is expected to expand to the North Sea and Baltic Sea regions from 2021 in addition to the existing North American and Caribbean regions. .

마폴 부속서 VI 제14조에 따른 SOx에 대한 규제는 2005년 1월부터 전 해역에 황 함유량 4.5% 이하 선박연료유를 사용하도록 했고, 2012년 1월부터는 황 함유량 3.5% 이하 선박연료유를 사용하도록 하고 있다. 그리고 2015년 1월부터는 배출가스 통제구역(북미 연안, 카리브해, 발트해, 북해)에서는 0.1% 이하 저유황유를 사용하도록 하고 있으며, 2020년 1월부터는 전 해역에서 0.5% 이하 저유황유를 사용해야 한다. 예외적으로 스크러버(Scrubber)를 통해 SOx 배출 제한 기준 이하로 배출할 수도 있다.Regulations on SOx according to Article 14 of Annex VI of Marpol require the use of marine fuel oil with a sulfur content of 4.5% or less in all sea areas from January 2005, and the use of marine fuel oil with a sulfur content of 3.5% or less from January 2012. there is. And from January 2015, low sulfur oil of 0.1% or less must be used in emission control areas (North American coast, Caribbean Sea, Baltic Sea, North Sea), and from January 2020, low sulfur oil of 0.5% or less must be used in all sea areas. Exceptionally, it is possible to discharge below the SOx emission limit through a scrubber.

또한, 마폴 부속서 VI 제12조에 따라 2020년부터 적용되는 2단계 선박의 선종 및 크기별 기준 대비 20% CO2 저감을, 2025년부터 적용되는 3단계는 기준 대비 30% CO2를 저감해야 한다. 특히, 2022년에 채택 예정인 국제해사기구의 온실가스(GHG, Greenhouse Gas) 감축을 위한 로드맵에 따라 2030년부터 적용이 예상되는 4단계에서는 기준 대비 40% CO2 저감, 2050년 5단계에서는 70% CO2를 저감해야 한다.In addition, according to Article 12 of Annex VI of Marpol, the 2nd stage, which will be applied from 2020, must reduce CO 2 by 20% compared to the standard for each ship type and size, and the 3rd stage, which will be applied from 2025, must reduce 30% CO 2 compared to the standard. In particular, according to the International Maritime Organization's roadmap for greenhouse gas (GHG) reduction scheduled to be adopted in 2022, 40% CO 2 reduction compared to the standard in the 4th stage, which is expected to be applied from 2030, and 70% in the 5th stage in 2050 CO 2 needs to be reduced.

국제해사기구는 2020년 1월부터 선박배출가스 규제를 강화하여 연료 내 포함하는 SOx를 3.5% 미만에서 0.5% 미만으로 낮추도록 규제하였다. 이에 따라 선박들은 저유황유를 사용 또는 SOx를 줄이는 스크러버를 설치하거나 액화천연가스(Liquefied Natural Gas; LNG)를 연료로 하는 LNG 추진 선박으로 바꿔야 한다. 하지만 선주들은 저유황유보다는 스크러버나 LNG 추진 선박을 선호하고 있으며, 최근 스크러버 장착 추세가 주춤하는 사이 LNG 추진 선박에 대한 관심이 증가하고 있다. 특히, 친환경 청정연료인 LNG 사용으로 인해 기존 중유 대비 PM과 SOx는 거의 100%, NOx는 약 80%, CO2는 약 30% 감소시킴에 따라 'IMO 2020 선박 환경규제'를 대응할 수 있는 LNG 추진 선박이 가장 효율적인 것으로 평가되고 있으며 전 세계적으로 그 수요가 급증하고 있다.Since January 2020, the International Maritime Organization has strengthened ship exhaust gas regulations to reduce SOx contained in fuel from less than 3.5% to less than 0.5%. Accordingly, ships must use low-sulfur oil, install scrubbers that reduce SOx, or change to LNG-powered ships that use liquefied natural gas (LNG) as fuel. However, ship owners prefer scrubbers or LNG-powered ships rather than low-sulfur oil, and interest in LNG-powered ships is increasing while the trend of installing scrubbers has recently slowed. In particular, the use of LNG, an eco-friendly clean fuel, reduces PM and SOx by almost 100%, NOx by about 80%, and CO 2 by about 30% compared to conventional heavy oil, promoting LNG that can respond to the 'IMO 2020 Ship Environmental Regulations' Ships are rated as the most efficient and demand for them is rapidly increasing worldwide.

하지만, LNG 추진 선박에서도 적절한 형태의 배출가스 후처리 설비가 장착하지 않으면 오히려 국제해사기구에서 제시한 환경규제 제한을 준수하지 못하게 된다. LNG 추진 선박은 SOx나 CO2 배출량은 기존 중유보다 낮지만 탄화수소(Hydrocarbon; HC)나 일산화탄소(Carbon Monoxide; CO)의 배출량은 높다. 이 중 HC 배출량의 85%는 CH4이며, 이는 LNG 엔진에서 불완전 연소된 메탄(Methane; CH4)이 대기로 방출되는 메탄슬립(Methane Slip)의 문제가 발생하기 때문이다. CH4은 지구온난화에 미치는 영향력이 100년 기준으로 CO2의 28배, 20년간 기준으로는 무려 84배나 된다. 따라서 LNG는 디젤과 HFO(Heavy Fuel Oil)에 비해 상대적으로 오염물질 배출은 현저히 낮지만 지구온난화 관점에서는 매우 심각할 수 있다. However, even in LNG-powered ships, if an appropriate type of exhaust gas post-treatment facility is not installed, it will rather fail to comply with the environmental regulatory restrictions presented by the International Maritime Organization. LNG propulsion ships have lower SOx or CO 2 emissions than conventional heavy oil, but hydrocarbon (HC) or carbon monoxide (CO) emissions are high. Of these, 85% of HC emissions are CH 4 , which is due to the problem of methane slip in which incompletely burned methane (CH 4 ) is released into the atmosphere in the LNG engine. CH 4 has an impact on global warming that is 28 times greater than CO 2 over 100 years and 84 times over 20 years. Therefore, although LNG has significantly lower pollutant emissions compared to diesel and HFO (Heavy Fuel Oil), it can be very serious from a global warming point of view.

또한, 불완전 연소된 CH4으로 인해 NOx를 처리하는 선택적환원촉매(Selective Reduction Catalyts, SCR) 공정에 악영향을 줌에 따라 Tier III 기준에 만족하는 NOx 배출 기준을 만족하지 못하는 문제도 함께 발행한다. 그리고 LNG 연소를 통해 발생되는 CO2 경우, 2030년 40%, 2040년 70% 기준을 준수도 해야 하지만 LNG 추진 선박으로부터 배출되는 CO2를 처리할 수 있는 기술도 함께 마련되어야 한다.In addition, as the incompletely burned CH 4 adversely affects the Selective Reduction Catalysts (SCR) process for treating NOx, the problem of not meeting the NOx emission standard that meets the Tier III standard is also issued. In addition, in the case of CO 2 generated through LNG combustion, 40% by 2030 and 70% by 2040 standards must be complied with, but technology capable of handling CO 2 emitted from LNG-powered ships must also be prepared.

국제해사기구에서도 상기에서 기술한 CH4 배출량 감소 및 CO2 처리 문제를 해결하기 위해 기술적인 방안을 모색하고 있으며, IMO 2020 규제 대응을 만족하기 위해서는 LNG 추진 선박용 배출가스 처리 복합 시스템 기술 개발이 매우 시급한 실정에 있다. 특히, LNG 추진 선박에 집적화된 배출가스 처리 시스템과 선체유동 및 한정된 공간에서의 선박 특성에 최적화된 콤팩트한 CO2 처리, 저장, 활용 등에 대한 해결방안 제시가 반드시 필요하다.The International Maritime Organization is also seeking technical solutions to solve the problems of reducing CH 4 emissions and treating CO 2 described above. In order to meet the IMO 2020 regulatory response, it is very urgent to develop exhaust gas treatment complex system technology for LNG-powered ships. there is a fact In particular, it is necessary to propose a solution for an exhaust gas treatment system integrated in an LNG-powered ship and a compact CO 2 treatment, storage, and utilization optimized for hull flow and ship characteristics in a limited space.

한국 등록특허 제10-214729호(선박용 고압 배기가스 처리장치)Korean Patent Registration No. 10-214729 (high-pressure exhaust gas treatment device for ships) 한국 공개특허 제2018-0086566호(선박의 배기가스 유해물질 저감 장치)Korean Patent Publication No. 2018-0086566 (Device for reducing harmful substances in exhaust gas from ships) 한국 등록특허 제10-2141729호(선박용 고압 배기가스 처리장치)Korean Patent Registration No. 10-2141729 (high-pressure exhaust gas treatment device for ships)

이에 본 발명은 상기와 같은 제반 사항을 고려하여 제안된 것으로, 본 발명은 점차 강화되는 국제해사기구의 선박 배출가스 규제에 효과적으로 대응할 수 있는 LNG 추진 선박 유래 온실가스 저감을 위한 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템을 제공하고자 한다.Therefore, the present invention has been proposed in consideration of the above matters, and the present invention is an energy saving exhaust gas treatment complex for reducing greenhouse gases derived from LNG-powered ships that can effectively respond to the gradually strengthening regulations on ship emissions by the International Maritime Organization. We want to provide a system.

즉, 복합 산화/환원 촉매공정과 LNG 냉열을 이용한 CO2 액화공정을 통해 CH4, CO, THC, NOx, CO2를 효과적으로 저감할 수 있는 LNG 추진 선박 유래 온실가스 저감을 위한 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템을 제공하고자 한다.In other words, through a complex oxidation/reduction catalytic process and a CO 2 liquefaction process using LNG cold heat, CH 4 , CO, THC, NOx, and CO 2 can be effectively reduced through energy-saving exhaust gas treatment to reduce greenhouse gases derived from LNG-powered ships. We want to provide a complex system.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the above-mentioned technical problem, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below. will be.

본 발명의 실시예들에 따른 LNG 추진 선박 유래 온실가스 저감을 위한 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템은 LNG를 저장하는 LNG 탱크부, 상기 LNG를 연료로 사용하는 LNG 선박의 엔진부로부터 배출되는 배출가스에 포함된 CH4, CO, THC 및 NOx 중 어느 하나 이상을 N2 또는 O2로 전환하는 촉매부, 상기 촉매부에서 CH4, CO, THC 및 NOx 중 어느 하나 이상을 N2 또는 O2 로 전환 시 발생하는 CO2를 열교환기를 포함하는 BOG 냉열 열교환부에서 상기 LNG 탱크부에서 자연 발생된 BOG(Boil-Off Gas)와 열교환하여 액화 포집하는 CO2 액화부를 포함한다.An energy saving exhaust gas treatment complex system for reducing greenhouse gases derived from an LNG-powered vessel according to embodiments of the present invention is an LNG tank unit for storing LNG, and an exhaust gas discharged from an engine unit of an LNG vessel using the LNG as fuel. A catalyst unit for converting any one or more of CH 4 , CO, THC and NOx included in to N 2 or O 2 , wherein the catalyst unit converts any one or more of CH 4 , CO, THC and NOx to N 2 or O 2 and a CO 2 liquefaction unit for liquefying and collecting CO 2 generated during conversion by heat-exchanging heat with BOG (Boil-Off Gas) naturally generated in the LNG tank unit in a BOG cold-heat heat exchange unit including a heat exchanger.

그리고 상기 촉매부는 CH4, CO, THC 및 NOx 중 어느 하나 이상을 복합 산화/환원 촉매를 이용하여 CO2와 N2로 산화/환원시키는 복합 산화/환원 촉매부를 포함한다.The catalyst unit includes a complex oxidation/reduction catalyst unit that oxidizes/reduces any one or more of CH 4 , CO, THC, and NOx to CO 2 and N 2 using the complex oxidation/reduction catalyst.

그리고 상기 LNG 추진 선박 유래 온실가스 저감을 위한 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템은, 상기 촉매부에서 생성된 CO2를 건식으로 포집하는 건식 CO2 포집부를 더 포함한다.In addition, the energy saving exhaust gas treatment complex system for reducing greenhouse gas originating from the LNG-powered vessel further includes a dry CO 2 collecting unit that collects the CO 2 generated in the catalyst unit in a dry manner.

그리고 상기 CO2 액화부에서 액화된 CO2를 상기 선박 내 냉동공조시스템 적용 CO2 냉매로 사용하거나 소화전에 공급하여 소화액으로 사용하는 CO2 활용부를 더 포함한다.The CO 2 liquefaction unit further includes a CO 2 utilization unit that uses the CO 2 liquefied in the CO 2 liquefaction unit as a CO 2 refrigerant applied to the in-ship refrigeration and air conditioning system or supplied to a fire hydrant and used as a digestive fluid.

그리고 상기 선박이 배출가스 통제구역(ECA)을 운항하는 경우에는, 상기 LNG 추진 선박 유래 온실가스 저감을 위한 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템이 활성화되도록 제어하는 제어부를 더 포함한다.And when the ship operates in an emission control area (ECA), the control unit further includes a control unit for controlling an energy saving exhaust gas treatment complex system for reducing greenhouse gases derived from the LNG-powered ship to be activated.

본 발명의 실시예에 의한 LNG 추진 선박 유래 온실가스 저감을 위한 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템은 열화학 촉매와 전기화학 촉매를 사용하여 LNG 선박 배출가스 처리 과정에서 유래되는 부생성물(황화암모늄, 질산암모늄 등)을 전혀 발생시키지 않는 매우 우수한 효과가 있다.Energy-saving exhaust gas treatment complex system for reducing greenhouse gas originating from LNG-powered ships according to an embodiment of the present invention uses a thermochemical catalyst and an electrochemical catalyst to treat by-products (ammonium sulfide and ammonium nitrate) derived from the process of treating LNG ship exhaust gas etc.), there is a very excellent effect that does not occur at all.

그리고 발생된 CO2는 선박의 선체유동에 전혀 영향을 받지 않는 건식 포집공정을 통해 CO2를 포집 및 압축하고, LNG 탱크에서 자연 발생되는 BOG의 냉열로부터 고효율 열교환기를 통해 CO2를 액화하여 액화된 CO2를 저장탱크에 액화저장하고, 저장된 CO2를 활용함으로써 LNG 추진 선박에서 배출되는 온실가스 배출을 효과적으로 제어할 수 있다.In addition, the generated CO 2 is captured and compressed through a dry capture process that is not affected by the flow of the ship's hull, and liquefied by liquefying CO 2 from the cold heat of BOG naturally generated in the LNG tank through a high-efficiency heat exchanger. By storing CO 2 as a liquid in a storage tank and utilizing the stored CO 2 , greenhouse gas emissions from LNG-propelled ships can be effectively controlled.

본 발명의 실시예에 의한 LNG 추진 선박 유래 온실가스 저감을 위한 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템은 이를 통해 IMO 선박 배출가스 규제에 대응할 수 있는 새로운 선박 건조기술에 기여하며, 국내 조선업체의 수주 능력 제고 및 수입 대체 효과를 통해 조선해양산업의 재도약을 기대할 수 있다.The energy-saving exhaust gas treatment complex system for reducing greenhouse gas originating from LNG-powered ships according to an embodiment of the present invention contributes to a new shipbuilding technology that can respond to IMO ship emission regulations through this, and improves the ability of domestic shipbuilders to win orders. and import substitution effect, the shipbuilding and marine industry can be expected to take off again.

도 1 내지 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LNG 추진 선박 유래 온실가스 저감을 위한 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템이 적용된 선박을 나타낸 참조도이다.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LNG 추진 선박 유래 온실가스 저감을 위한 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템의 구성도이다.1 and 2 are reference views showing a ship to which an energy saving exhaust gas treatment complex system for reducing greenhouse gases derived from an LNG-powered ship according to a preferred embodiment of the present invention is applied.
3 to 4 are configuration diagrams of an energy saving exhaust gas treatment complex system for reducing greenhouse gases derived from LNG-powered ships according to a preferred embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 실시예에 대하여 구체적으로 설명하기 전에, 본 발명은 이하의 상세한 설명 또는 첨부 도면에 도시된 구성에 한정되지 않으며 다양한 방식으로 사용되거나 수행될 수 있다. Before describing the embodiments according to the present invention in detail, the present invention is not limited to the configurations shown in the following detailed description or accompanying drawings and can be used or carried out in various ways.

또한, 본 명세서에 사용되는 표현이나 용어는, 단지 설명을 위한 것이며, 한정을 위한 것으로 간주되어서는 안 된다는 것을 알아야 한다. Also, it should be understood that the expressions or terminology used herein are for descriptive purposes only and should not be regarded as limiting.

즉, 본 명세서에 사용되는, "장착된", "설치된", "접속된", "연결된", "지지된", "결합된" 등의 표현은, 다른 것을 나타내는 것으로 지시하거나 한정하고 있는 않는 한, 직접적인 그리고 간접적인 장착, 설치, 접속, 연결, 지지, 및 결합을 모두 포함하는 광범위한 표현으로 사용되고 있다. "접속된", "연결된", "결합된"이라고 하는 표현은, 물리적인 또는 기계적인 접속, 연결 또는 결합에 한정되지 않는다.That is, expressions such as "mounted", "installed", "connected", "connected", "supported", "coupled", etc., used herein, do not indicate or limit to indicate something else. However, it is used as a broad expression that includes both direct and indirect mounting, installation, connection, connection, support, and coupling. The expressions "connected", "connected", and "coupled" are not limited to physical or mechanical connections, connections, or couplings.

그리고 본 명세서에서, 상부, 하부, 하향, 상향, 후방, 바닥, 전방, 후부 등과 같이 방향을 나타내는 용어는 도면을 설명하기 위해 사용되고 있지만, 이러한 용어는, 편의를 위해 도면에 대해 상대적인 방향(정상적으로 봤을 때)을 나타내는 것이다. 이러한 방향을 나타내는 용어는, 어떠한 형태로든 본 발명을 그 문자대로 한정하거나 제한하는 것으로 받아들여져서는 안 된다. And in this specification, terms indicating directions such as top, bottom, downward, upward, rear, bottom, front, rear, etc. are used to describe the drawings, but these terms are relative to the drawings for convenience (normally viewed). when) indicates. These directional terms are not to be taken as literally limiting or limiting the invention in any way.

또한, 본 명세서에서 사용되는 "제1", "제2", "제3" 등의 용어는, 단지 설명을 위한 것이며, 상대적인 중요도를 의미하는 것으로 고려되어서는 안 된다. In addition, terms such as "first", "second", and "third" used in this specification are only for description and should not be considered as meaning relative importance.

이하에서는 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조로 하여 자세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1 내지 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LNG 추진 선박 유래 온실가스 저감을 위한 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템(100)이 구비된 선박(10)을 나타낸 참조도이고, 도 3 내지 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LNG 추진 선박 유래 온실가스 저감을 위한 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템(100)의 구성도로서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LNG 추진 선박 유래 온실가스 저감을 위한 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템(100)은 가스연료로 사용하는 엔진인 이중연료 엔진과 가스 엔진이 설치된 LNG, LPG, LNH3, LH2 등의 가스연료운반선(Gas Carrier Ships)와 액화저장탱크(Liquefied Storage Tank) 및 연료가스 공급시스템(FGSS: Fuel Gas Supply System)이 설치 및 운영되는 일반 상선 중 어느 하나에 포함될 수 있다.1 and 2 are reference views showing a ship 10 equipped with an energy saving exhaust gas treatment complex system 100 for reducing greenhouse gases derived from an LNG-powered ship according to a preferred embodiment of the present invention, and FIGS. 3 to 4 is a configuration diagram of an energy saving exhaust gas treatment complex system 100 for reducing greenhouse gases derived from LNG-powered ships according to a preferred embodiment of the present invention, for reducing greenhouse gases derived from LNG-powered ships according to a preferred embodiment of the present invention The energy-saving exhaust gas treatment complex system 100 is a dual-fuel engine, which is an engine used as gas fuel, and gas carrier ships such as LNG, LPG, LNH 3 , LH 2 , etc. in which the gas engine is installed, and a liquefied storage tank ( Liquefied Storage Tank) and fuel gas supply system (FGSS: Fuel Gas Supply System) can be included in any one of the general merchant ships installed and operated.

그리고 선박(10)의 엔진은, DFDE(Dual Fuel Diesel Electric), X-DF(Extra Long Stroke Duel Fuel), ME-GI(Main engine Electronic control Gas Injection) 엔진 중 어느 하나를 포함한다.And the engine of the vessel 10 includes any one of a Dual Fuel Diesel Electric (DFDE), Extra Long Stroke Duel Fuel (X-DF), and Main engine Electronic Control Gas Injection (ME-GI) engine.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LNG 추진 선박 유래 온실가스 저감을 위한 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템(100)은 이와 같이 다양한 가스연료 및 엔진에 적용 가능하지만, 아래 설명에서는 LNG를 연료로 사용하는 LNG 엔진부(20)를 실시예로하여 설명하기로 한다. The energy saving exhaust gas treatment complex system 100 for reducing greenhouse gases derived from LNG-powered ships according to a preferred embodiment of the present invention is applicable to various gas fuels and engines, but in the following description, LNG is used as fuel. The engine unit 20 will be described as an example.

다음으로 선박(10)에는 LNG를 저장하는 LNG 탱크부(30)를 포함한다.Next, the vessel 10 includes an LNG tank unit 30 for storing LNG.

다음으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LNG 추진 선박 유래 온실가스 저감을 위한 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템(100)은 복합 산화/환원 촉매부(200), 건식 CO2 포집부(300), CO2 압축 저장부(310), CO2 액화부(320), 액화 CO2 저장부(330), BOG 냉열 열교환부(400) 및 제어부(500)을 포함한다.Next, the energy saving exhaust gas treatment complex system 100 for reducing greenhouse gases derived from LNG-powered ships according to a preferred embodiment of the present invention includes a complex oxidation/reduction catalyst unit 200, a dry CO 2 capture unit 300, a CO 2 Compression storage unit 310, CO 2 liquefaction unit 320, liquefied CO 2 storage unit 330, BOG cold-heat heat exchange unit 400 and control unit 500 are included.

먼저 복합 산화/환원 촉매부(200)는 상기 LNG를 연료로 사용하는 LNG 선박의 엔진부(20)로부터 배출되는 상기 배출가스에 포함된 메탄(CH4), 일산화탄소(CO), 총탄화수소(THC), 질소산화물(NOx)를 복합 산화/환원 촉매를 이용하여 동시에 이산화탄소(CO2)와 질소(N2)로 산화/환원시킨다.First, the complex oxidation/reduction catalyst unit 200 contains methane (CH 4 ), carbon monoxide (CO), and total hydrocarbons (THC) contained in the exhaust gas discharged from the engine unit 20 of the LNG ship using the LNG as fuel. ) and nitrogen oxides (NOx) are simultaneously oxidized/reduced to carbon dioxide (CO 2 ) and nitrogen (N 2 ) using a complex oxidation/reduction catalyst.

상기 복합 산화/환원 촉매는 활성금속과 활성금속 담지 지지체로 구성되며, 활성금속은 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 몰리브데늄(Mo), 텅스텐(W), 망간(Mn), 구리(Cu), 철(Fe), 세리움(Ce)으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 하는 활성금속과 활성금속 담지 지지체는 제올라이트(Zeolite), 알루미나(Al2O3), 실리카(SiO2), 지르코니아(ZrO2), 타이타니아(TiO2), 세리아(CeO2)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 원소를 포함하는 것을 특징으로 한다. The composite oxidation/reduction catalyst is composed of an active metal and an active metal support, and the active metal is platinum (Pt), palladium (Pd), rhodium (Rh), molybdenum (Mo), tungsten (W), manganese ( Mn), copper (Cu), iron (Fe), cerium (Ce), characterized in that the active metal and the active metal support comprising at least one element selected from the group consisting of zeolite (Zeolite), alumina (Al 2 O 3 ), silica (SiO 2 ), zirconia (ZrO 2 ), titania (TiO 2 ), and ceria (CeO 2 ).

상기 복합 산화/환원 촉매는 상압조건에서 반응온도 300 ℃에서 450 ℃ 범위 내에서 배출가스에 포함된 CH4, CO, THC, NOx를 동시에 CO2와 N2로 산화/환원시킨다.The complex oxidation/reduction catalyst simultaneously oxidizes/reduces CH 4 , CO, THC, and NOx contained in exhaust gas into CO 2 and N 2 within a reaction temperature range of 300° C. to 450° C. under normal pressure conditions.

아래는 이에 대한 참조 도식이다.Below is a reference diagram for this.

CH4 + 1/2O2 → CO + 2H2 CH 4 + 1/2O 2 → CO + 2H 2

CH4 + O2 → CO2 + 2H2OCH 4 + O 2 → CO 2 + 2H 2 O

CO + 1/2O2 → CO2 CO + 1/2O 2 → CO 2

CxHy + (x+y/4)O2 → xCO2 + (y/2)H2O C x H y + (x+y/4)O 2 → xCO 2 + (y/2)H 2 O

4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O4NO + 4NH 3 + O 2 → 4N 2 + 6H 2 O

그리고 건식 CO2 포집부(300)는 복합 산화/환원 촉매부(200)에서 생성된 CO2를 건식으로 포집한다. 상기 건식법을 이용한 CO2 포집방법은 다양한 방법으로 구현가능하다.In addition, the dry CO 2 collecting unit 300 collects CO 2 generated in the complex oxidation/reduction catalyst unit 200 in a dry manner. The CO 2 capture method using the dry method can be implemented in various ways.

하나의 실시예에 대하여 설명하면, 두개의 반응기를 이용하여 CO2를 포집하는 것으로, 회수반응기에 공급된 CO2를 고체흡수제(건식흡수제)에 흡착하고, 상기 고체흡수제는 재생반응기로 유입되어 흡착된 CO2를 분리 배출하고, 전처리 반응기에서 고체흡수제에 H2O를 흡습시켜 다시 회수반응기에 공급하는 과정으로 이루어진다.Referring to one embodiment, CO 2 is captured using two reactors, CO 2 supplied to the recovery reactor is adsorbed on a solid absorbent (dry absorbent), and the solid absorbent is introduced into the regeneration reactor and adsorbed It consists of a process of separating and discharging the produced CO 2 , absorbing H 2 O into the solid absorbent in the pretreatment reactor, and supplying it to the recovery reactor again.

이와 같이 건식 CO2 포집부(400)에서 분리 포집된 CO2는 CO2 압축 저장부(310)로 이송되어 압축 저장된다.The CO 2 separated and collected in the dry CO 2 collecting unit 400 is transported to the CO 2 compression storage unit 310 and compressed and stored.

CO2 압축 저장부(310)는 다양한 방법으로 CO2를 압축 저장이 가능하다. The CO 2 compression storage unit 310 can compress and store CO 2 in various ways.

하나의 실시예에 대하여 설명하면, CO2는 컴프레셔(도시하지 않음)을 거쳐 압축 저장된다. Describing one embodiment, CO 2 is compressed and stored through a compressor (not shown).

이와 같이 CO2 압축 저장부(310)에서 압축 저장된 CO2는 BOG 냉열 열교환부(400)를 이용하여 CO2 액화부(320)에서 액화 저장된다.As such, the CO 2 compressed and stored in the CO 2 compression storage unit 310 is liquefied and stored in the CO 2 liquefaction unit 320 using the BOG cold-heat heat exchanger 400 .

천연가스의 액화온도는 상압 -163℃의 극저온이므로, LNG는 그 온도가 상압 -163℃ 보다 약간만 높아도 쉽게 증발된다. LNG 저장탱크의 경우 단열처리가 되어 있기는 하지만, 외부의 열이 LNG 저장탱크에 지속적으로 전달되므로, LNG 저장탱크 내 LNG가 지속적으로 자연 기화되어 LNG 저장 탱크 내에 증발가스(Boil-Off Gas, BOG)가 발생한다.Since the liquefaction temperature of natural gas is a cryogenic temperature of -163 ° C under atmospheric pressure, LNG is easily evaporated even if the temperature is slightly higher than the atmospheric pressure of -163 ° C. Although the LNG storage tank is insulated, external heat is continuously transferred to the LNG storage tank, so the LNG in the LNG storage tank is continuously vaporized and boil-off gas (BOG) is generated in the LNG storage tank. ) occurs.

이와 같이 발생된 BOG는 CO2 액화에 이용된다. 즉 BOG 냉열 열교환부(400)로 각각의 유로를 통하여 공급되는 BOG와 CO2는 상호 열교환이 이루어짐으로써 CO2는 액화되며 액화된 CO2는 CO2 액화부(320)에 저장된다.BOG thus generated is used for CO 2 liquefaction. That is, mutual heat exchange is performed between BOG and CO 2 supplied to the BOG cold-heat heat exchange unit 400 through respective passages, so that the CO 2 is liquefied and the liquefied CO 2 is stored in the CO 2 liquefaction unit 320 .

여기서 사용자는 고압가스 압축기를 이용하여 BOG를 고압으로 압축하여 BOG 냉열 열교환부(400)로 공급할 수 있다.Here, the user can compress the BOG to a high pressure using a high-pressure gas compressor and supply it to the BOG cold-heat heat exchanger 400 .

본 실시예에서는 BOG 냉열 열교환부(400)와 CO2 액화부(320)를 별도로 구분하여 설명하였지만 이는 설명의 이해를 돕기 위한 것으로 사용자의 선택에 따라서는 하나의 시스템으로 구성할 수 있다. In this embodiment, the BOG cold-heat heat exchanger 400 and the CO 2 liquefaction unit 320 have been separately described, but this is to aid understanding of the description and may be configured as one system depending on the user's choice.

이와 같이 액화된 CO2는 CO2 활용부(410)를 통해 선박(10)의 냉동공조시스템에 공급하여 친환경 CO2 냉매제로 활용하거나, 소화전에 공급하여 CO2 소화액으로 사용이 가능하다. Thus, the liquefied CO 2 is supplied to the refrigeration and air conditioning system of the ship 10 through the CO 2 utilization unit 410 to be used as an eco-friendly CO 2 refrigerant, or supplied to a fire hydrant to be used as a CO 2 extinguishing fluid.

즉, CO2 활용부(410)는 액화된 CO2를 선박 내 냉동공조시스템의 친환경 CO2 냉매제로 공급하여 선박 내 공조 중심의 냉방시스템 및 쾌적한 환경을 조성하는 효과가 있다. 또는 액화된 CO2를 화재 발생시 재기화하여 선박(10)의 소화전 등 공급하여 줌으로써 선박(10)의 소화전은 CO2를 보관하기 위한 저장탱크를 별도로 필요로 하지 않아 선박(10)의 공간 사용 효율성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.That is, the CO 2 utilization unit 410 supplies the liquefied CO 2 as an eco-friendly CO 2 refrigerant for the refrigeration and air conditioning system in the ship, thereby creating an air conditioning-oriented cooling system and a pleasant environment in the ship. Alternatively, by regasifying liquefied CO 2 in the event of a fire and supplying the fire hydrant of the ship 10, etc., the fire hydrant of the ship 10 does not require a separate storage tank for storing CO 2 , so the space usage efficiency of the ship 10 has the effect of improving

또는 액화 CO2 저장부(330)에 저장 후 냉동물류산업이 집약된 항만에 정박하여 액화 CO2를 필요로 하는 대형 냉동창고, 식품가공산업 등에 냉매제로 공급할 수 있다.Alternatively, after storing in the liquefied CO 2 storage unit 330, it is anchored in a port where the refrigeration logistics industry is concentrated, and liquefied CO 2 can be supplied as a refrigerant to large refrigerated warehouses, food processing industries, etc. requiring liquefied CO 2 .

다음으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LNG 추진 선박 유래 온실가스 저감을 위한 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템(100)은 제어부(500)를 통해 상기 선박이 배출가스 통제구역(ECA)을 운항하는 경우에는, 상기 LNG 추진 선박 유래 온실가스 저감을 위한 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템(100)이 활성화되도록 제어 가능하다. Next, in the energy saving exhaust gas treatment complex system 100 for reducing greenhouse gas originating from an LNG-powered ship according to a preferred embodiment of the present invention, when the ship operates in an emission control area (ECA) through the control unit 500 In , the energy saving exhaust gas treatment complex system 100 for reducing greenhouse gases derived from the LNG-powered ship can be controlled to be activated.

다음으로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 LNG 추진 선박 유래 온실가스 저감을 위한 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템(100)은 이와 같은 구성을 통하여 기존 공정에 비해 후처리 시스템 콤팩트화 및 공정 개선 가능하다. Next, the energy saving exhaust gas treatment complex system 100 for reducing greenhouse gases derived from LNG-powered ships according to a preferred embodiment of the present invention can make the post-treatment system more compact and improve the process compared to the existing process through such a configuration.

즉, 기존의 LNG 선박 배기가스 처리시스템(한국 등록특허 제10-2141729호)에 개시된 기술내용을 살펴보면, 엔진으로부터 배기관으로 나온 배출가스는, 상기 배기관 내에 배치된 환원촉매를 먼저 통과하면서 메탄과 질소산화물이 동시에 제거된 후, 반응기의 후단 공간에 모이며, 상기 후단 공간에서 산화촉매를 통과하면서 산화 반응을 통해 잔류하는 메탄이 추가로 더 제거되며, 상기 산화촉매를 통과한 배출가스는 배출관을 따라 터보차저의 전단으로 배출되는 것을 특징으로 한다.That is, looking at the technology disclosed in the existing LNG ship exhaust gas treatment system (Korean Patent Registration No. 10-2141729), the exhaust gas from the engine to the exhaust pipe first passes through the reduction catalyst disposed in the exhaust pipe, while methane and nitrogen After the oxides are simultaneously removed, they are collected in the rear space of the reactor, and methane remaining through an oxidation reaction is further removed while passing through an oxidation catalyst in the rear space, and the exhaust gas passing through the oxidation catalyst is discharged along the discharge pipe. It is characterized in that it is discharged to the front end of the turbocharger.

즉, 선행기술에서는 메탄과 질소산화물만을 처리할 뿐 CO2의 처리에 대해서는 개시되어 있지 않다. 그러나 본 발명은 CO2를 액화 저장하여 선박 내 공조시스템 냉매제 및 소화가스로 사용하는 등 CO2를 배출하지 않고 저장 및 재사용함으로써 온실가스 배출을 효과적으로 제어할 수 있는 효과가 있다.That is, in the prior art, only methane and nitrogen oxides are treated, and CO 2 treatment is not disclosed. However, the present invention has an effect of effectively controlling greenhouse gas emissions by storing and reusing CO 2 without emitting CO 2 , such as storing liquefied CO 2 and using it as a refrigerant and fire extinguishing gas in an air conditioning system in a ship.

그리고 온실가스 및 대기오염물질 저감을 통해 연안선박에 적용된 환경규제에 대응함으로써 PM 2.5 및 온실가스 배출 감소와 함께 연안 대기오염 감소 효과도 기대할 수 있다.In addition, by responding to environmental regulations applied to coastal ships through reduction of greenhouse gases and air pollutants, reduction of PM 2.5 and greenhouse gas emissions as well as reduction of coastal air pollution can be expected.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention can use various changes, modifications, and equivalents. It is clear that the present invention can be equally applied by appropriately modifying the above embodiment. Therefore, the above description does not limit the scope of the present invention, which is defined by the limits of the following claims.

10: 선박 20: LNG 엔진부 30: LNG 탱크부
100: LNG 선박용 콤팩트 배출가스 후처리 복합시스템
200: 복합 산화/환원 촉매부 300: 건식 CO2 포집부
310: CO2 압축 저장부 320: CO2 액화부 330: 액화 CO2 저장부
400: BOG 냉열 열교환부 410: CO2 활용부
420: 배출가스 배출부 10: vessel 20: LNG engine unit 30: LNG tank unit
100: Compact exhaust gas post-treatment complex system for LNG ships
200: complex oxidation/reduction catalyst unit 300: dry CO 2 collection unit
310: CO 2 compression storage unit 320: CO 2 liquefaction unit 330: liquefied CO 2 storage unit
400: BOG cold and hot heat exchange unit 410: CO 2 utilization unit
420: exhaust gas discharge unit

Claims (5)

LNG를 저장하는 LNG 탱크부(30);
상기 LNG를 연료로 사용하는 LNG 선박의 엔진부(20)로부터 배출되는 배출가스에 포함된 CH4, CO, THC 및 NOx 중 어느 하나 이상을 CO2, N2 및 H2O로 전환하는 복합 산화/환원 촉매부(200);
상기 복합 산화/환원 촉매부(200)에서 CH4, CO, THC 및 NOx 중 어느 하나 이상을 CO2, N2 및 H2O로 전환 시 발생하는 CO2를 열교환기를 포함하는 BOG 냉열 열교환부(400)에서 상기 LNG 탱크부(30)에서 자연 발생된 BOG(Boil-Off Gas)와 열교환하여 CO2를 액화 포집하는 CO2 액화부(320);를 포함하는, LNG 추진 선박 유래 온실가스 저감을 위한 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템.LNG tank unit 30 for storing LNG;
Complex oxidation for converting any one or more of CH 4 , CO, THC, and NOx contained in the exhaust gas discharged from the engine unit 20 of the LNG ship using the LNG as fuel into CO 2 , N 2 and H 2 O. / reduction catalyst unit 200;
A BOG cold-heat heat exchanger including a heat exchanger for CO 2 generated when at least one of CH 4 , CO, THC, and NOx is converted into CO 2 , N 2 and H 2 O in the complex oxidation/reduction catalyst unit 200 ( In 400), a CO 2 liquefaction unit 320 for liquefying and collecting CO 2 by exchanging heat with BOG (Boil-Off Gas) naturally generated in the LNG tank unit 30; energy-saving exhaust gas treatment complex system for 제 1항에 있어서,
상기 촉매부는 CH4, CO, THC 및 NOx 중 어느 하나 이상을 복합 산화 촉매를 이용하여 CO2, N2 및 H2O로 산화/환원시키는 복합 산화/환원 촉매부(200);를 포함하는, LNG 추진 선박 유래 온실가스 저감을 위한 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템.According to claim 1,
The catalyst unit CH 4 , CO, THC and NOx using a complex oxidation catalyst to oxidize / reduce any one or more of CO 2 , N 2 and H 2 O complex oxidation / reduction catalyst unit 200; including, An energy-saving exhaust gas treatment complex system for reducing greenhouse gases from LNG-powered ships. 제 1항에 있어서,
상기 복합 산화/환원 촉매부(200)에서 생성된 CO2를 건식으로 포집하는 건식 CO2 포집부(300);를 더 포함하는, LNG 추진 선박 유래 온실가스 저감을 위한 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템.According to claim 1,
A dry CO 2 collecting unit 300 that collects the CO 2 generated in the complex oxidation/reduction catalyst unit 200 in a dry way; further comprising an energy saving exhaust gas treatment complex system for reducing greenhouse gases derived from LNG-powered ships. . 제 1항에 있어서,
상기 CO2 액화부(320)에서 액화된 CO2를 상기 선박(10)의 공조시스템 친환경 CO2 냉매제 또는 소화전에 공급하여 소화액으로 사용하는 CO2 활용부(410);를 더 포함하는, LNG 추진 선박 유래 온실가스 저감을 위한 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템.According to claim 1,
A CO 2 utilization unit 410 supplying the CO 2 liquefied in the CO 2 liquefaction unit 320 as an eco-friendly CO 2 refrigerant to the air conditioning system of the ship 10 or a hydrant to use as a extinguishing liquid; LNG propulsion further comprising Energy-saving exhaust gas treatment complex system for reducing ship-derived greenhouse gases. 제 1항에 있어서,
상기 선박이 배출가스 통제구역(ECA)을 운항하는 경우에는, 상기 LNG 추진 선박 유래 온실가스 저감을 위한 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템이 활성화되도록 제어하는 제어부(500);를 더 포함하는 LNG 추진 선박 유래 온실가스 저감을 위한 에너지 절감 배출가스 처리 복합 시스템.According to claim 1,
When the ship operates in an emission control area (ECA), a control unit 500 for controlling an energy saving exhaust gas treatment complex system for reducing greenhouse gases derived from the LNG-powered ship to be activated; an LNG-powered ship further comprising Energy-saving exhaust gas treatment complex system for reducing greenhouse gas emissions.
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