KR20230083367A - Ammonia Decomposition System And Method For Ship - Google Patents
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Abstract
선박의 암모니아 분해 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 암모니아 분해 시스템은, 액체 암모니아를 공급받아 기화시키는 기화기; 상기 기화기에서 기화된 암모니아를 공급받아 열분해하여 수소, 질소 및 미분해 암모니아를 포함하는 분해가스를 생성하는 분해기; 상기 분해가스로부터 미분해 암모니아를 포집하는 미분해 암모니아 제거부; 상기 미분해 암모니아 제거부를 거친 분해가스를 공급받아 질소를 제거하여 수소로 정제하는 수소 정제기; 및 상기 분해기에서 암모니아 열분해로 발생하는 연소가스를 탈질하는 선택적촉매환원부(SCR):를 포함하고, 상기 기화기에서 기화된 기체 암모니아가 상기 선택적촉매환원부에 환원제로 공급되는 것을 특징으로 한다.A system and method for decomposing ammonia of a ship are disclosed. The ammonia decomposition system of the present invention includes a vaporizer for receiving and vaporizing liquid ammonia; A decomposer that receives the vaporized ammonia supplied from the vaporizer and thermally decomposes it to generate a decomposition gas containing hydrogen, nitrogen, and undecomposed ammonia; an undecomposed ammonia removal unit collecting undecomposed ammonia from the decomposed gas; a hydrogen purifier receiving the cracked gas that has passed through the undecomposed ammonia removal unit and purifying it into hydrogen by removing nitrogen; and a selective catalytic reduction unit (SCR) for denitrifying combustion gas generated by thermal decomposition of ammonia in the decomposer, wherein gaseous ammonia vaporized in the vaporizer is supplied as a reducing agent to the selective catalytic reduction unit.
Description
본 발명은 선박의 암모니아 분해 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액체 암모니아를 기화시키고, 기화된 암모니아를 분해기에서 열분해하고 미분해 암모니아와 질소를 제거하여 정제한 수소를 선내 연료전지에 연료로 공급하고, 암모니아 열분해로 발생하는 연소가스를 기체 상태의 암모니아와 함께 선택적촉매환원부(SCR)로 보내 탈질하는 선박의 암모니아 분해 시스템 및 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a system and method for decomposing ammonia in a ship, and more particularly, to vaporize liquid ammonia, thermally decompose the vaporized ammonia in a decomposer, and remove undecomposed ammonia and nitrogen to obtain purified hydrogen as fuel for an onboard fuel cell. It relates to a system and method for decomposing ammonia of a ship that supplies combustion gas generated by thermal decomposition of ammonia and sends it to a selective catalytic reduction unit (SCR) together with gaseous ammonia for denitrification.
지구온난화 현상의 심화에 따라 전세계적으로 온실가스 배출을 감축하려는 노력이 이루어지고 있고, 선진국들의 온실가스 감축 의무를 담았던 1997년 교토의정서가 2020년 만료됨에 따라, 2015년 12월 프랑스 파리에서 열린 제21차 유엔기후변화협약에서 채택되고 2016년 11월 발효된 파리기후변화협약(Paris Climate Change Accord)에 의해 협정에 참여한 195개 당사국들은 온실가스 감축을 목표로 다양한 노력을 기울이고 있다. Efforts are being made to reduce greenhouse gas emissions worldwide as the global warming phenomenon intensifies, and as the Kyoto Protocol in 1997, which contained the obligations of developed countries to reduce greenhouse gases, expired in 2020, the conference was held in Paris, France in December 2015. According to the Paris Climate Change Accord, which was adopted in the 21st United Nations Framework Convention on Climate Change and entered into force in November 2016, the 195 Parties participating in the agreement are making various efforts to reduce greenhouse gases.
이러한 세계적인 추세와 함께 화석연료와 원자력을 대체할 수 있는 무공해에너지로서 풍력, 태양광, 태양열, 바이오에너지, 조력, 지열 등과 같은 재생가능에너지(또는 재생에너지)에 대한 관심이 높아지고 다양한 기술 개발이 이루어지고 있다. Along with this global trend, interest in renewable energy (or renewable energy) such as wind power, solar power, solar heat, bioenergy, tidal power, and geothermal heat has increased and various technologies have been developed as pollution-free energy that can replace fossil fuels and nuclear power. are losing
액화천연가스를 비롯한 액화가스는 액화공정 중에 대기오염 물질을 제거하거나 줄일 수 있어, 연소 시 대기오염 물질 배출이 적은 친환경 연료로도 볼 수 있다. 그에 따라 근래 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG)나 LPG(Liquefied Petroleum Gas) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다. 가스를 저온에서 액화시킨 액화가스는 가스에 비해 부피가 매우 작아지므로 저장 및 이송 효율을 높일 수 있는 장점이 있다. Liquefied gas, including liquefied natural gas, can remove or reduce air pollutants during the liquefaction process, so it can be seen as an eco-friendly fuel with less air pollutant emissions during combustion. Accordingly, consumption of liquefied natural gas such as liquefied natural gas (LNG) or liquefied petroleum gas (LPG) is rapidly increasing worldwide. Since liquefied gas obtained by liquefying gas at a low temperature has a very small volume compared to gas, it has the advantage of increasing storage and transfer efficiency.
액화천연가스(LNG)는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 가진다. 따라서, 천연가스를 액화시켜 이송할 경우 매우 효율적으로 이송할 수 있게 된다.Liquefied natural gas (LNG) is a colorless and transparent liquid obtained by liquefying natural gas containing methane as a main component by cooling it to about -162 ° C., and has a volume of about 1/600 compared to natural gas. Therefore, when the natural gas is liquefied and transported, it can be transported very efficiently.
액화석유가스(LPG)는 조성에 따라 액화 온도의 차이는 있으나 프로판을 주성분으로 하는 석유가스의 경우 상압 약 -42℃의 저온에서 액화되고, 18 bar에서는 약 45℃의 온도까지, 7 bar에서는 20℃까지 액체 상태로 저장가능하다.Liquefied petroleum gas (LPG) has a difference in liquefaction temperature depending on its composition, but in the case of petroleum gas whose main component is propane, it is liquefied at a low temperature of about -42 ℃ at atmospheric pressure, up to about 45 ℃ at 18 bar, and 20 ℃ at 7 bar. It can be stored in liquid state up to °C.
한편, 종래의 LPG 운반선 등에는 선박의 추진 연료로서 상대적으로 가격이 저렴한 벙커C유 등의 중유를 사용하는 연료 공급 시스템을 채용하고 있는데, 이러한 중유 연료 공급 시스템은 중유 연료 사용에 대한 국제적인 배기가스 배출규제 강화로 황 성분이 적은 중유 연료 탱크(LSHFO tank)를 별도로 설치해야 했고, 국제적인 환경규제 기준에 적합한 친환경적인 연료 공급 시스템의 요구가 커졌다.On the other hand, conventional LPG carriers adopt a fuel supply system using heavy oil such as bunker C oil, which is relatively inexpensive as a propulsion fuel for ships. Due to stricter regulations, a separate heavy fuel oil fuel tank (LSHFO tank) with low sulfur content had to be installed, and the demand for an eco-friendly fuel supply system that meets international environmental regulatory standards has increased.
최근에는 LPG 또는 LNG 운반선에서 LPG 또는 LNG 및 그로부터 발생하는 증발가스를 추진 연료로 사용하는 연료공급시스템의 적용이 늘어나고 있고, 국제적인 배기가스 배출규제 강화에 따라 LPG 또는 LNG 운반선 외에 일반 선박에서도 LNG 등을 추진 연료로 사용하는 선박이 증가하고 있다.In recent years, the application of fuel supply systems that use LPG or LNG and boil-off gas generated from them as propulsion fuel in LPG or LNG carriers is increasing, and in accordance with the strengthening of international exhaust gas emission regulations, general ships in addition to LPG or LNG carriers are also using LNG. Ships using it as a propulsion fuel are increasing.
그러나 LNG나 LPG는 기존에 선박 연료로 사용되던 다른 화석 연료에 비해 친환경 연료로 평가받지만 연소 시 여전히 이산화탄소가 발생하며, 이를 연료로 사용하는 선박에서는 여전히 운항 중 이산화탄소를 배출하게 된다. However, although LNG or LPG is evaluated as an eco-friendly fuel compared to other fossil fuels previously used as ship fuel, carbon dioxide is still generated during combustion, and ships that use it as fuel still emit carbon dioxide during operation.
선박의 항로, 교통규칙, 항만시설 등을 국제적으로 통일하기 위해 설치된 유엔 전문기구인 IMO(International Maritime Organization, 국제해사기구) 역시 온실가스에 대해 08년과 대비하여 2050년 50% 저감, 2100년 100% 저감(GHG Zero Emission)을 목표로 제시하고, 그에 따라 각 국가 및 지역의 규제가 강화될 것으로 예상된다. IMO (International Maritime Organization), a UN specialized organization established to internationally unify ship routes, traffic rules, port facilities, etc., also reduced greenhouse gas emissions by 50% in 2050 compared to 2008 and 100% in 2100. % reduction (GHG Zero Emission) is presented as a goal, and regulations in each country and region are expected to be strengthened accordingly.
IMO가 신조 선박에 적용하는 강제성 있는 이산화탄소 저감 규정인 EEDI(Energy Efficiency Design Index, 에너지효율설계지수)에 따르면, 초기 EEDI 발표에서는 2013 내지 2015년의 이산화탄소 배출량을 기준으로 2015년 이산화탄소 배출량을 10% 저감하는 EEDI Phase 1이 적용되고, 5년 마다 1 단계씩 강화·적용하여 2025년 Phase 3를 적용하도록 예정되어 있었으나, LPG 운반선에 대해서는 EEDI Phase 2 적용 후 2년만인 2022년부터 EEDI Phase 3를 조기 적용하도록 하고 있다. 이와 같이 선박의 이산화탄소 배출에 대한 규제가 급격히 강화되고 있는 추세이므로, 향후에는 LNG나 LPG만을 연료로 사용하는 것으로는 이산화탄소 배출 규정 달성이 어려울 수 있다.According to EEDI (Energy Efficiency Design Index), a compulsory carbon dioxide reduction regulation applied by IMO to new ships, in the initial EEDI announcement, CO2 emissions in 2015 were reduced by 10% based on the CO2 emissions from 2013 to 2015 EEDI Phase 1 was applied, and it was scheduled to apply Phase 3 in 2025 by strengthening and applying one step every 5 years. are making it As such, since regulations on carbon dioxide emission from ships are being rapidly strengthened, it may be difficult to achieve carbon dioxide emission regulations by using only LNG or LPG as fuel in the future.
그에 따라 이산화탄소 배출을 줄일 수 있는 친환경 선박 연료에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있고, 최근에는 LNG나 LPG 등의 연료와 함께 암모니아를 연료로 사용할 수 있는 선박 엔진에 관한 기술이 연구·개발되고 있다. Accordingly, various studies on eco-friendly ship fuels that can reduce carbon dioxide emissions have been conducted, and recently, research and development have been conducted on technologies related to ship engines that can use ammonia as a fuel along with fuels such as LNG or LPG.
암모니아(NH3)는 1개의 질소에 3개의 수소가 결합된 물질로, 분자 사이에 강한 수소 결합을 형성할 수 있어 액화가 용이하며, 상압에서 끓는점 -33.34℃, 녹는점 -77.73℃이다. Ammonia (NH 3 ) is a substance in which three hydrogens are bonded to one nitrogen, and it is easy to liquefy because it can form a strong hydrogen bond between molecules, and has a boiling point of -33.34 ° C and a melting point of -77.73 ° C under normal pressure.
이러한 암모니아는 LNG보다 저장이 용이하면서, 기존 HFO와 비교해 SPECIFIC ENERGY와 ENERGY DENSITY에서는 조금 떨어지지만 이산화탄소가 전혀 배출되지 않아 국제적인 온실가스 배출기준의 강화 추세에 대응할 수 있는 친환경 선박 연료로 주목받고 있다. This ammonia is easier to store than LNG, and although it is slightly lower in SPECIFIC ENERGY and ENERGY DENSITY compared to existing HFO, it does not emit carbon dioxide at all, so it is attracting attention as an eco-friendly ship fuel that can respond to the strengthening trend of international greenhouse gas emission standards.
또한 암모니아는 분자당 3개의 수소 원자를 포함하고 있으며 수소에 비해 액화 및 저장이 용이하므로, 대표적인 친환경 연료인 수소를 연료로 사용하기 위한 수소 운반 수단으로의 가치도 인정되어 다양한 연구가 이루어지고 있다. In addition, since ammonia contains three hydrogen atoms per molecule and is easier to liquefy and store than hydrogen, its value as a hydrogen transport means for using hydrogen, a representative eco-friendly fuel, as a fuel has been recognized and various studies have been conducted.
본 발명은 선박에서 암모니아로부터 수소를 생산하여 선내 연료로 공급하고, 수소 생산 과정에서 발생하는 연소가스 중의 질소산화물을 저감시켜 선외 배출 규제 기준에 맞추어 연소가스를 배출할 수 있도록 하는 방안을 제안하고자 한다. The present invention proposes a method for producing hydrogen from ammonia in a ship, supplying it as inboard fuel, and reducing nitrogen oxides in the combustion gas generated in the hydrogen production process so that the combustion gas can be discharged in accordance with the overboard emission regulation standard. .
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 액체 암모니아를 공급받아 기화시키는 기화기;According to one aspect of the present invention for solving the above problems, a vaporizer for receiving and vaporizing liquid ammonia;
상기 기화기에서 기화된 암모니아를 공급받아 열분해하여 수소, 질소 및 미분해 암모니아를 포함하는 분해가스를 생성하는 분해기; A decomposer that receives the vaporized ammonia supplied from the vaporizer and thermally decomposes it to generate a decomposition gas containing hydrogen, nitrogen, and undecomposed ammonia;
상기 분해가스로부터 미분해 암모니아를 포집하는 미분해 암모니아 제거부;an undecomposed ammonia removal unit collecting undecomposed ammonia from the decomposed gas;
상기 미분해 암모니아 제거부를 거친 분해가스를 공급받아 질소를 제거하여 수소로 정제하는 수소 정제기; 및a hydrogen purifier receiving the cracked gas that has passed through the undecomposed ammonia removal unit and purifying it into hydrogen by removing nitrogen; and
상기 분해기에서 암모니아 열분해로 발생하는 연소가스를 탈질하는 선택적촉매환원부(SCR):를 포함하고, A selective catalytic reduction unit (SCR) for denitrifying combustion gas generated by thermal decomposition of ammonia in the decomposer;
상기 기화기에서 기화된 기체 암모니아가 상기 선택적촉매환원부에 환원제로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 분해 시스템이 제공된다. There is provided an ammonia decomposition system of a ship, characterized in that gaseous ammonia vaporized in the vaporizer is supplied as a reducing agent to the selective catalytic reduction unit.
바람직하게는, 상기 분해기에서 발생하는 연소가스를 상기 선택적촉매환원부로 공급하는 배기배출라인; 상기 배기배출라인에 마련되어 상기 연소가스를 상기 선택적촉매환원부에서 필요한 온도로 냉각하는 연소가스냉각기; 및 상기 기화기로부터 상기 배기배출라인의 연소가스냉각기 전단으로 연결되는 환원제공급라인:을 더 포함할 수 있다. Preferably, an exhaust discharge line for supplying the combustion gas generated in the decomposer to the selective catalytic reduction unit; a combustion gas cooler provided in the exhaust discharge line to cool the combustion gas to a temperature required by the selective catalytic reduction unit; and a reducing agent supply line connected from the vaporizer to a front end of the combustion gas cooler of the exhaust discharge line.
바람직하게는, 상기 수소 정제기에서 수소 정제로 발생하는 테일가스(tail gas)를 상기 분해기로 공급하는 테일가스공급라인:을 더 포함하고, 상기 수소 정제기에서는 압력교대흡착(Pressure Swing Adsorption, PSA)에 의해 수소를 정제할 수 있다.Preferably, a tail gas supply line for supplying tail gas generated by hydrogen purification in the hydrogen purifier to the cracker further includes, and in the hydrogen purifier, pressure swing adsorption (PSA) Hydrogen can be purified by
바람직하게는, 상기 미분해 암모니아 제거부는 상기 분해기로부터 상기 분해가스를 공급받아 미분해 암모니아를 물에 녹여 포집하는 워터포트; 및 상기 워터포트에서 생성된 암모니아수용액으로부터 암모니아를 제거하고 상기 워터포트로 물을 순환시키는 재생라인:을 포함할 수 있다.Preferably, the undecomposed ammonia removal unit receives the decomposed gas from the decomposer, and includes a water port for dissolving and collecting the undecomposed ammonia in water; and a regeneration line for removing ammonia from the aqueous ammonia solution generated in the water port and circulating water to the water port.
바람직하게는, 상기 미분해 암모니아 제거부는 상기 재생라인에 마련되며 상기 테일가스공급라인을 통해 상기 수소 정제기로부터 상기 분해기로 공급될 테일가스를 공급받아 상기 암모니아수용액으로부터 암모니아를 막 분리하는 멤브레인분리기; 상기 재생라인에 마련되며 상기 멤브레인분리기를 거쳐 암모니아가 제거된 물을 냉각하는 쿨러; 및 상기 재생라인에 마련되며 상기 쿨러에서 냉각된 물을 상기 워터포트로 이송하는 펌프:를 더 포함할 수 있다. Preferably, the undecomposed ammonia removal unit is provided in the regeneration line and receives the tail gas to be supplied to the cracker from the hydrogen purifier through the tail gas supply line and separates ammonia from the aqueous ammonia solution; a cooler provided in the regeneration line and cooling water from which ammonia has been removed through the membrane separator; and a pump provided in the regeneration line and transporting the water cooled by the cooler to the water port.
바람직하게는, 상기 미분해 암모니아 제거부에서는 열교대흡착(Thermal Swing Adsorption, TSA)에 의해 상기 분해가스로부터 미분해 암모니아를 제거할 수 있다. Preferably, the undecomposed ammonia removal unit may remove undecomposed ammonia from the decomposed gas by thermal swing adsorption (TSA).
바람직하게는, 상기 수소 정제기에서 정제된 수소는 선내 추진 또는 발전을 위한 연료전지에 연료로 공급될 수 있다. Preferably, the hydrogen purified in the hydrogen purifier may be supplied as fuel to a fuel cell for onboard propulsion or power generation.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 액체 암모니아를 기화시키고, 기화된 암모니아를 분해기에서 열분해하여 수소, 질소 및 미분해 암모니아를 포함하는 분해가스를 생성하고, 상기 분해가스로부터 미분해 암모니아를 포집하여 제거한 후 수소 정제기를 거쳐 질소를 제거하고 정제한 수소를 선내 연료전지에 연료로 공급하고, 상기 분해기에서 암모니아 열분해로 발생하는 연소가스를 선택적촉매환원부(SCR)에서 탈질하여 선외 배출하되, 액체 암모니아에서 기화된 암모니아를 상기 선택적촉매환원부에 환원제로 공급하는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 분해 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, liquid ammonia is vaporized, and the vaporized ammonia is thermally decomposed in a decomposer to generate a decomposition gas containing hydrogen, nitrogen, and undecomposed ammonia, and the decomposed ammonia is collected and removed from the decomposition gas. Nitrogen is removed through a hydrogen purifier, and the purified hydrogen is supplied as fuel to the onboard fuel cell, and the combustion gas generated from the thermal decomposition of ammonia in the decomposer is denitrated in the selective catalytic reduction unit (SCR) and discharged overboard, and the liquid ammonia is vaporized There is provided an ammonia decomposition method of a ship, characterized in that for supplying the ammonia to the selective catalytic reduction unit as a reducing agent.
바람직하게는, 상기 수소 정제기에서는 압력교대흡착(Pressure Swing Adsorption, PSA)에 의해 수소를 정제하고, 상기 수소 정제기에서 수소 정제로 발생하는 테일가스(tail gas)는 상기 분해기로 공급할 수 있다. Preferably, the hydrogen purifier purifies hydrogen by pressure swing adsorption (PSA), and tail gas generated by hydrogen purification in the hydrogen purifier may be supplied to the cracker.
바람직하게는, 상기 분해기에서 생성된 상기 분해가스를 워터포트로 공급하여 미분해 암모니아를 물에 녹여 포집하고, 상기 워터포트에서 생성된 암모니아수용액과 상기 수소 정제기로부터 상기 분해기로 공급될 테일가스를 멤브레인분리기에서 공급받아 상기 암모니아수용액으로부터 암모니아를 막 분리한 후 암모니아가 제거된 물은 냉각하여 상기 워터포트로 순환시킬 수 있다. Preferably, the decomposed gas generated in the cracker is supplied to a water port to dissolve undecomposed ammonia in water and collected, and the aqueous ammonia solution generated in the water port and the tail gas to be supplied from the hydrogen purifier to the cracker are transferred to the membrane. After being supplied from the separator and separating ammonia from the aqueous ammonia solution, the water from which the ammonia is removed may be cooled and circulated to the water port.
본 발명에서는 액체 암모니아를 기화시키고, 기화된 암모니아를 분해기에서 열분해한 후 미분해 암모니아와 질소를 제거하여 정제한 수소를 선내 연료전지에 연료로 공급함으로써, 선내에서 보관 및 운반이 용이한 액체 상태의 암모니아를 저장하면서, 암모니아로부터 효과적으로 수소를 생성하여 연료전지에 필요한 수소 연료를 공급할 수 있다. In the present invention, liquid ammonia is vaporized, the vaporized ammonia is pyrolyzed in a decomposer, and hydrogen purified by removing undecomposed ammonia and nitrogen is supplied as fuel to a fuel cell on board, thereby providing a liquid state that is easy to store and transport on board. While storing ammonia, it is possible to effectively generate hydrogen from ammonia to supply hydrogen fuel required for a fuel cell.
특히, 암모니아 열분해 시 발생한 연소가스를 기화기에서 기화된 암모니아와 함께 선택적촉매환원부(SCR)로 보내 탈질함으로써, 질소산화물(NOx)을 저감하여 선외 배출 기준을 충족할 수 있고, 대기 오염 물질 배출을 최소화할 수 있다. In particular, the combustion gas generated during ammonia pyrolysis is sent to the selective catalytic reduction unit (SCR) along with vaporized ammonia from the vaporizer to denitrify, thereby reducing nitrogen oxides (NOx) to meet overboard emission standards and reducing air pollutant emissions. can be minimized.
또한, 통상 SCR 적용 시 환원제로 사용되는 요소수(Urea) 대신, 수소 생산 공정 중에 생성된 기체 암모니아를 선택적촉매환원부의 환원제로 적용함으로써, 이산화탄소 발생을 줄이고, 요소수의 보관 및 공급을 위한 장치들의 설치 공간과 설치 비용을 줄일 수 있다. In addition, instead of urea, which is normally used as a reducing agent when applying SCR, gas ammonia generated during the hydrogen production process is applied as a reducing agent in the selective catalytic reduction unit, thereby reducing carbon dioxide generation and providing devices for storing and supplying urea water. Installation space and installation cost can be reduced.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 암모니아 분해 시스템을 개략적으로 도시한다. 1 schematically shows an ammonia decomposition system of a ship according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.In order to fully understand the operational advantages of the present invention and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings illustrating preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.Hereinafter, the configuration and operation of a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same components are marked with the same numerals as much as possible, even if they are displayed on different drawings.
이하 본 발명에서의 선박은, 후술하는 암모니아를 분해하여 생성된 수소를 연료로 사용할 수 있는 연료전지가 마련되는 모든 종류의 선박을 가리키며, 대표적으로 LNG 운반선(LNG Carrier), 액체수소 운반선, LNG RV(Regasification Vessel)와 같은 자체 추진 능력을 갖춘 선박을 비롯하여, LNG FPSO(Floating Production Storage Offloading), LNG FSRU(Floating Storage Regasification Unit)와 같이 추진 능력을 갖추지는 않지만 해상에 부유하고 있는 해상 구조물도 포함하며, 수소를 연료로 하는 연료전지는 선박의 추진 또는 발전을 위해 구비된 것일 수 있다. Hereinafter, ships in the present invention refer to all types of ships equipped with fuel cells capable of using hydrogen generated by decomposing ammonia to be described later as fuel, and are representative of LNG carriers, liquid hydrogen carriers, and LNG RVs. It includes ships with self-propelled capabilities such as (Regasification Vessel), as well as offshore structures floating on the sea that do not have propulsion capabilities, such as LNG FPSO (Floating Production Storage Offloading) and LNG FSRU (Floating Storage Regasification Unit). In other words, a fuel cell using hydrogen as fuel may be provided for propulsion or power generation of a ship.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 암모니아 분해 시스템을 개략적으로 도시하였다. 1 schematically shows an ammonia decomposition system of a ship according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이 본 실시예의 선박의 암모니아 분해 시스템은, 액체 암모니아를 공급받아 기화시키는 기화기(100), 기화기에서 기화된 암모니아를 공급받아 열분해하여 수소, 질소 및 미분해 암모니아를 포함하는 분해가스를 생성하는 분해기(200), 상기 분해가스로부터 미분해 암모니아를 포집하는 미분해 암모니아 제거부, 미분해 암모니아 제거부를 거친 분해가스를 공급받아 질소를 제거하여 수소로 정제하는 수소 정제기(400)를 포함하여, 액체 상태의 암모니아를 저장하고 이를 기화시켜 열분해한 후 정제하여 선내에 마련되는 연료전지로 수소 연료를 공급하는 시스템이다. As shown in FIG. 1, the ship's ammonia decomposition system of this embodiment includes a
특히 본 실시예 시스템에서는 분해기에서 암모니아를 분해하면서 발생하는 연소가스를 선택적촉매환원부(Selective Catalytic Reduction, SCR)(500)를 거쳐 연소가스에 포함된 질소산화물을 탈질하되, 통상 SCR에서 환원제로 사용하는 요소수 대신 기화기(100)에서 생성된 기체 암모니아 일부를 연소가스에 분사하여 탈질을 위한 환원제로 사용하도록 구성한 것이 특징이다. In particular, in the system of this embodiment, the combustion gas generated while decomposing ammonia in the decomposer passes through the Selective Catalytic Reduction (SCR) 500 to denitrate the nitrogen oxides contained in the combustion gas, but is usually used as a reducing agent in SCR. It is characterized in that it is configured to spray a portion of gas ammonia generated in the
먼저 본 시스템에서 암모니아로부터 수소를 생산하는 과정을 살펴본다. First, we look at the process of producing hydrogen from ammonia in this system.
선내 저장탱크 등에 액체 상태로 저장된 암모니아를 기화기(100)로 공급하여 기화시켜 기체 암모니아를 생성한다. 암모니아는 암모니아는 20bar에서 약 50℃의 온도까지, 10bar에서는 25.7℃까지 액체 상태로 저장할 수 있으므로, 부피가 작은 액체 상태로 선내에서 저장하고 기화기로 이송하여 기화시킨 후 수소 생성에 사용할 수 있다. Ammonia stored in a liquid state, such as in a storage tank on board, is supplied to the
기체 상태의 암모니아는 배관(HL)을 따라 분해기(200)로 공급되어 열분해되면서 수소와 질소로 분리된다. 분해가스 중에는 분해기에서 미분해된 기체 암모니아가 일부 포함된다. 분해기는 암모니아를 열분해하기 위한 연소챔버를 포함하여 구성될 수 있다. Gaseous ammonia is supplied to the
분해기(200)에서 생성된 수소, 질소 및 미분해 암모니아를 포함한 분해가스는 미분해 암모니아 제거부로 공급된다. The decomposed gas including hydrogen, nitrogen, and undecomposed ammonia generated in the
미분해 암모니아 제거부는, 분해기로부터 분해가스를 공급받아 미분해 암모니아를 물에 녹여 포집하는 워터포트(300)와, 워터포트에서 미분해 암모니아가 용해되어 생성된 암모니아수용액으로부터 암모니아를 제거하여 워터포트로 물을 순환시키는 재생라인(UL)을 포함한다.The undecomposed ammonia removal unit includes a
암모니아는 물에 대한 용해도가 약 89.5로 매우 높은 반면, 수소와 질소는 물에 대한 용해도가 각각 0.0002와 0.003으로 매우 낮으므로, 분해기에서 생성된 분해가스를 워터포트(300)로 이송하여, 분해가스에 포함된 미분해 암모니아를 물에 녹여 포집하고, 워터포트를 통과한 분해가스는 워터포트 상부를 통해 수소 정제기(400)로 보내 정제한다.Ammonia has a very high water solubility of about 89.5, while hydrogen and nitrogen have very low water solubility of 0.0002 and 0.003, respectively. The undecomposed ammonia contained in is dissolved in water and collected, and the decomposed gas passing through the water port is sent to the
미분해 암모니아 제거부는 열교대흡착(Thermal Swing Adsorption, TSA) 방식에 의해 분해가스로부터 미분해 암모니아를 포집하여 제거한 후 수소 정제기로 공급하는 것일 수도 있다. The undecomposed ammonia removal unit may collect and remove undecomposed ammonia from cracked gas by a thermal swing adsorption (TSA) method, and then supply the undecomposed ammonia to a hydrogen purifier.
한편, 수소 정제기(400)에서는 분해가스를 공급받아 질소를 제거하여 순수한 수소로 정제한 후 선내 연료전지에 연료로 공급한다. 수소 정제기(400)는 예를 들어 압력교대흡착(Pressure Swing Adsorption, PSA) 방식에 의해 분해가스 중의 질소를 제거하여 수소를 정제할 수 있다.On the other hand, in the
수소 정제기(400)에서 수소 정제 시 발생하는 테일가스(tail gas)는 테일가스공급라인(TL)을 통해 분해기(200)로 공급하여 암모니아 분해를 위한 열원으로 사용할 수 있다. Tail gas generated during hydrogen purification in the
한편, 미분해 암모니아 제거부의 재생라인(UL)에는, 암모니아수용액으로부터 암모니아를 막 분리하는 멤브레인분리기(310)와, 멤브레인분리기를 거쳐 암모니아가 제거된 물을 냉각하는 쿨러(320), 쿨러에서 냉각된 물을 워터포트로 이송하는 펌프(330)가 마련되어, 암모니아수용액에 용해된 암모니아를 막 분리로 제거한 후 물은 냉각시켜 워터포트로 순환시켜 암모니아 포집에 재이용한다.On the other hand, in the regeneration line UL of the undecomposed ammonia removal unit, a
멤브레인분리기(310)에서는 암모니아수용액으로부터 암모니아를 막 분리로 제거하는데, 이를 위해 멤브레인분리기에는 워터포트(300)에서 생성된 암모니아수용액과 함께 수소 정제기(400)에서 생성된 테일가스가 공급된다. 수소 정제기에서 발생하여 테일가스공급라인(TL)을 통해 분해기(200)로 공급될 테일가스는 멤브레인분리기(310)를 지나면서 분압차에 의해 암모니아수용액으로부터 암모니아를 흡수한 후 분해기(200)로 공급된다. 멤브레인분리기를 거쳐 암모니아 농도가 높아진 고온의 테일가스는 분해기의 열원으로 사용되는 동시에, 테일가스 중의 암모니아는 수소 생성을 위한 원료로 사용된다. In the
한편, 분해기(200)에서 암모니아 열분해로 발생하는 연소가스는 선택적촉매환원부(SCR)(500)로 공급되어 탈질된다. 연소가스 중에는 질소산화물이 상당량 포함될 수 있는데, 이는 대표적인 대기오염물질로 IMO에서 선외 배출을 규제하는 물질이다. On the other hand, the combustion gas generated from the thermal decomposition of ammonia in the
선택적촉매환원부의 환원제로는 통상 유레아(Urea) 수용액((NH2)2CO), 즉 요소수를 사용하는 경우가 많은데, 유레아는 수용액 상태로 저장 시 시간이 지나면서 사용 수명이 줄어들고 일정한 온도를 유지해야 하므로 이를 위한 설치 공간과 설치 비용의 문제가 있다.As the reducing agent in the selective catalytic reduction unit, an aqueous solution of urea ((NH 2 ) 2 CO), that is, urea water, is often used. Since it needs to be maintained, there is a problem of installation space and installation cost.
본 실시예에서는 유레아 대신 암모니아를 직접 선택적촉매환원부의 환원제로 사용하도록 구성하고, 기화기에서 기화된 기체 암모니아 일부를 분기하여 선택적촉매환원부에 환원제로 공급할 수 있도록 구성한다. In this embodiment, ammonia is directly used as a reducing agent in the selective catalytic reduction unit instead of urea, and a portion of gaseous ammonia vaporized in the vaporizer is branched to supply the selective catalytic reduction unit as a reducing agent.
이를 위해 분해기(200)에서 발생하는 연소가스를 선택적촉매환원부를 거쳐 선외 배출하는 배기배출라인(EL)이 마련되며, 배기배출라인에는 연소가스를 선택적촉매환원부에서 필요한 온도로 냉각하는 연소가스냉각기(510)가 마련되고, 기화기(100)로부터 배기배출라인의 연소가스냉각기 전단으로 환원제공급라인(RL)이 연결된다. 환원제공급라인에는 배관을 개폐하며 기체 암모니아 공급량을 조절할 수 있는 밸브(V)가 마련된다. To this end, an exhaust discharge line (EL) is provided to discharge the combustion gas generated from the
환원제공급라인(RL)을 통해 기화기(100)에서 생성된 기체 암모니아가 연소가스로 분사되고, 연소가스냉각기(510)를 거쳐 촉매 환원반응에 적합한 온도, 예를 들어 280 내지 500 ℃ 내외로 냉각된 후 선택적촉매환원부(500)에 유입된다. 선택적촉매환원부에서는 Reactor 내부에서 암모니아가 촉매 존재하에서 NOx와 반응하여 N2와 H2O로 변해, 연소가스 내 NOx 함량이 감소되며, 그 반응식은 다음과 같다.Gaseous ammonia generated in the
연소가스 중에 포함된 미반응 암모니아 역시 선택적촉매환원부에서 환원제로 활용될 수 있다. Unreacted ammonia included in the combustion gas can also be used as a reducing agent in the selective catalytic reduction unit.
이와 같이 분해기에서 생성된 연소가스를 탈질하여, 연소가스 중 질소산화물(NOx)을 저감함으로써 선외 배출 기준을 충족할 수 있고, 대기 오염 물질 배출을 최소화할 수 있다. In this way, by denitrifying the combustion gas generated in the decomposer and reducing nitrogen oxides (NOx) in the combustion gas, it is possible to meet the overboard emission standards and minimize the emission of air pollutants.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다. It is obvious to those skilled in the art that the present invention is not limited to the above embodiments and can be variously modified or modified without departing from the technical gist of the present invention. it did
100: 기화기
200: 분해기
300: 워터포트
310: 멤브레인분리기
320: 쿨러
330: 펌프
400: 수소 정제기
500: 선택적촉매환원부
510: 연소가스냉각기
RL: 환원제공급라인
TL: 테일가스공급라인100: vaporizer
200: decomposer
300: Waterport
310: membrane separator
320: cooler
330: pump
400: hydrogen purifier
500: selective catalytic reduction unit
510: combustion gas cooler
RL: reducing agent supply line
TL: Tail gas supply line
Claims (10)
상기 기화기에서 기화된 암모니아를 공급받아 열분해하여 수소, 질소 및 미분해 암모니아를 포함하는 분해가스를 생성하는 분해기;
상기 분해가스로부터 미분해 암모니아를 포집하는 미분해 암모니아 제거부;
상기 미분해 암모니아 제거부를 거친 분해가스를 공급받아 질소를 제거하여 수소로 정제하는 수소 정제기; 및
상기 분해기에서 암모니아 열분해로 발생하는 연소가스를 탈질하는 선택적촉매환원부(SCR):를 포함하고,
상기 기화기에서 기화된 기체 암모니아가 상기 선택적촉매환원부에 환원제로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 분해 시스템. A vaporizer for receiving and vaporizing liquid ammonia;
A decomposer that receives the vaporized ammonia supplied from the vaporizer and thermally decomposes it to generate a decomposition gas containing hydrogen, nitrogen, and undecomposed ammonia;
an undecomposed ammonia removal unit collecting undecomposed ammonia from the decomposed gas;
a hydrogen purifier receiving the cracked gas that has passed through the undecomposed ammonia removal unit and purifying it into hydrogen by removing nitrogen; and
A selective catalytic reduction unit (SCR) for denitrifying combustion gas generated by thermal decomposition of ammonia in the decomposer;
Ammonia decomposition system of a ship, characterized in that gaseous ammonia vaporized in the vaporizer is supplied as a reducing agent to the selective catalytic reduction unit.
상기 분해기에서 발생하는 연소가스를 상기 선택적촉매환원부로 공급하는 배기배출라인;
상기 배기배출라인에 마련되어 상기 연소가스를 상기 선택적촉매환원부에서 필요한 온도로 냉각하는 연소가스냉각기; 및
상기 기화기로부터 상기 배기배출라인의 연소가스냉각기 전단으로 연결되는 환원제공급라인:을 더 포함하는 선박의 암모니아 분해 시스템.According to claim 1,
an exhaust discharge line supplying the combustion gas generated in the decomposer to the selective catalytic reduction unit;
a combustion gas cooler provided in the exhaust discharge line to cool the combustion gas to a temperature required by the selective catalytic reduction unit; and
The ship's ammonia decomposition system further comprising: a reducing agent supply line connected from the vaporizer to the front end of the combustion gas cooler of the exhaust discharge line.
상기 수소 정제기에서 수소 정제로 발생하는 테일가스(tail gas)를 상기 분해기로 공급하는 테일가스공급라인:을 더 포함하고,
상기 수소 정제기에서는 압력교대흡착(Pressure Swing Adsorption, PSA)에 의해 수소를 정제하는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 분해 시스템. According to claim 2,
Further comprising a tail gas supply line for supplying tail gas generated by hydrogen purification in the hydrogen purifier to the cracker,
In the hydrogen purifier, the ship's ammonia decomposition system, characterized in that for purifying hydrogen by pressure swing adsorption (PSA).
상기 분해기로부터 상기 분해가스를 공급받아 미분해 암모니아를 물에 녹여 포집하는 워터포트; 및
상기 워터포트에서 생성된 암모니아수용액으로부터 암모니아를 제거하고 상기 워터포트로 물을 순환시키는 재생라인:을 포함하는 선박의 암모니아 분해 시스템. The method of claim 3, wherein the undecomposed ammonia removal unit
a water port receiving the decomposition gas from the decomposer and dissolving and collecting undecomposed ammonia in water; and
Ammonia decomposition system of a ship comprising: a regeneration line for removing ammonia from the aqueous ammonia solution generated in the water port and circulating water to the water port.
상기 재생라인에 마련되며 상기 테일가스공급라인을 통해 상기 수소 정제기로부터 상기 분해기로 공급될 테일가스를 공급받아 상기 암모니아수용액으로부터 암모니아를 막 분리하는 멤브레인분리기;
상기 재생라인에 마련되며 상기 멤브레인분리기를 거쳐 암모니아가 제거된 물을 냉각하는 쿨러; 및
상기 재생라인에 마련되며 상기 쿨러에서 냉각된 물을 상기 워터포트로 이송하는 펌프:를 더 포함하는 선박의 암모니아 분해 시스템. The method of claim 4, wherein the undecomposed ammonia removal unit
a membrane separator provided in the regeneration line and configured to separate ammonia from the aqueous ammonia solution by receiving the tail gas to be supplied to the cracker from the hydrogen purifier through the tail gas supply line;
a cooler provided in the regeneration line and cooling water from which ammonia has been removed through the membrane separator; and
Ammonia decomposition system of a ship further comprising: a pump provided in the regeneration line and transporting the water cooled in the cooler to the water port.
상기 미분해 암모니아 제거부에서는 열교대흡착(Thermal Swing Adsorption, TSA)에 의해 상기 분해가스로부터 미분해 암모니아를 제거하는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 분해 시스템.According to claim 3,
The ammonia decomposition system of a ship, characterized in that the undecomposed ammonia removal unit removes undecomposed ammonia from the decomposition gas by thermal swing adsorption (TSA).
상기 수소 정제기에서 정제된 수소는 선내 추진 또는 발전을 위한 연료전지에 연료로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 분해 시스템. According to any one of claims 1 to 6,
Ammonia decomposition system of a ship, characterized in that the hydrogen purified in the hydrogen purifier is supplied as fuel to a fuel cell for onboard propulsion or power generation.
상기 분해기에서 암모니아 열분해로 발생하는 연소가스를 선택적촉매환원부(SCR)에서 탈질하여 선외 배출하되,
액체 암모니아에서 기화된 암모니아를 상기 선택적촉매환원부에 환원제로 공급하는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 분해 방법. The liquid ammonia is vaporized, and the vaporized ammonia is thermally decomposed in a cracker to generate a cracked gas containing hydrogen, nitrogen, and undecomposed ammonia, and after collecting and removing the undecomposed ammonia from the cracked gas, nitrogen is removed through a hydrogen purifier, Purified hydrogen is supplied as fuel to the onboard fuel cell,
The combustion gas generated by the thermal decomposition of ammonia in the decomposer is denitrated in a selective catalytic reduction unit (SCR) and discharged overboard,
Ammonia decomposition method of a ship, characterized in that for supplying ammonia vaporized from liquid ammonia as a reducing agent to the selective catalytic reduction unit.
상기 수소 정제기에서는 압력교대흡착(Pressure Swing Adsorption, PSA)에 의해 수소를 정제하고,
상기 수소 정제기에서 수소 정제로 발생하는 테일가스(tail gas)는 상기 분해기로 공급하는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 분해 방법. According to claim 8,
In the hydrogen purifier, hydrogen is purified by pressure swing adsorption (PSA),
Ammonia decomposition method of a ship, characterized in that the tail gas generated by hydrogen purification in the hydrogen purifier is supplied to the cracker.
상기 분해기에서 생성된 상기 분해가스를 워터포트로 공급하여 미분해 암모니아를 물에 녹여 포집하고,
상기 워터포트에서 생성된 암모니아수용액과 상기 수소 정제기로부터 상기 분해기로 공급될 테일가스를 멤브레인분리기에서 공급받아 상기 암모니아수용액으로부터 암모니아를 막 분리한 후 암모니아가 제거된 물은 냉각하여 상기 워터포트로 순환시키는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 분해 방법. According to claim 8,
Supplying the decomposed gas generated in the decomposer to a water port to dissolve and collect undecomposed ammonia in water,
The membrane separator receives the aqueous ammonia solution generated in the water port and the tail gas to be supplied to the cracker from the hydrogen purifier, separates ammonia from the aqueous ammonia solution, and then cools and circulates the water from which the ammonia is removed to the water port. Ammonia decomposition method of a ship, characterized in that.
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