KR20230084008A - 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

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KR20230084008A
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이동진
성창경
박재현
한상호
김현석
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에이치디현대중공업 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 가스 처리 시스템은, 이산화탄소를 재액화하기 위한 재액화유닛을 포함하는 가스 처리 시스템에 관한 것으로, 상기 재액화유닛은, 냉매를 이용하여 이산화탄소를 냉각하는 열교환기, 냉매를 압축하는 냉매압축기, 냉매의 온도를 낮추는 냉매콘덴서, 냉매를 팽창시켜 온도를 낮추는 감압밸브, 및 이산화탄소를 액체와 기체로 분리하는 기액분리기를 포함하고, 상기 재액화유닛에서 사용되는 냉매는 비폭발성 물질이고, 상기 열교환기, 상기 냉매압축기, 상기 냉매콘덴서, 상기 감압밸브 및 상기 기액분리기는 비방폭 장치일 수 있다.

Description

가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박{Gas treatment system and ship having the same}
본 발명은 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.
화석 연료의 사용 증가에 따라 대량으로 배출되는 이산화탄소는 지구온난화 현상을 야기하는 온실가스 중 하나로 지정되어 있다. 이산화탄소는 지구 온난화 지수가 다른 온실가스에 비해 낮으나, 전체 온실가스 배출량의 약 80%가 이산화탄소이며 이산화탄소의 배출량이 규제될 수 있다는 점에서, 이산화탄소는 지구 온난화를 억제하는 측면에서 중심적으로 다뤄지고 있다.
교토 의정서와 같은 이산화탄소를 규제하기 위한 다양한 국제 협약이 체결되었으며, 공기 중의 이산화탄소의 양을 저감시키기 위한 기술들이 개발되고 있다. 대표적으로, 배출가스에서 분리된 이산화탄소를 해양, 지중, 지표 등의 지하장소에 주입하여 저장하는 CCS(Carbon Capture and Storage)기술과 이를 운송하는 기술이 대두되고 있다.
이산화탄소는 이송 파이프나 차량에 의해 육상에서 운반될 수 있고, 이송 파이프나 선박에 의해 해상에서 운반될 수 있다. 육상에서 이산화탄소를 운반하는 것과 달리 선박을 이용하여 이산화탄소를 운반하는 경우 이산화탄소의 밀도를 높여서 많이 운송하는 것이 유리하다.
이산화탄소는 삼중점 근처에서 가장 밀도가 높으므로 삼중점 근처의 상태에서 액화된 이산화탄소를 운송하는 것이 가장 이상적이라 할 수 있다.
그러나 이산화탄소가 운송된 후 하역시에 밸브나 좁은 배관을 지나갈 때 급격한 압력차이로 인해 이산화탄소의 온도가 떨어지면서 이산화탄소가 드라이아이스가 되는 문제가 있다.
예를 들면, 탱크에 저장되었던 액화이산화탄소를 펌프로 이송할 경우 펌프 후단에 밸브를 전후로 전단에는 고압의 액화이산화탄소가 존재하고, 후단에는 상압의 빈 배관이 존재한다. 이때, 밸브를 열고 펌프를 작동시켜 액화 이산화탄소를 운송할 경우 밸브 전후의 전, 후단 배관의 압력차가 발생하고, 줄-톰슨 효과에 의해 온도가 떨어지게 되어 액화이산화탄소가 고체로 상이 변해서 드라이아이스가 되는 것이다.
배관에서 드라이아이스가 생길 경우 배관을 막아서 유체의 흐름을 막을 수 있고, 배관파손 등의 사고를 유발할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 이산화탄소의 온도 및 압력을 일정 수준으로 유지하여 이산화탄소 운반선에서 드라이아이스가 발생하여 배관이 막히는 것을 방지하기 위한 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 가스 처리 시스템은, 이산화탄소를 재액화하기 위한 재액화유닛을 포함하는 가스 처리 시스템에 있어서, 상기 재액화유닛은, 냉매를 이용하여 이산화탄소를 냉각하는 열교환기, 냉매를 압축하는 냉매압축기, 냉매의 온도를 낮추는 냉매콘덴서, 냉매를 팽창시켜 온도를 낮추는 감압밸브, 및 이산화탄소를 액체와 기체로 분리하는 기액분리기를 포함하고, 상기 재액화유닛에서 사용되는 냉매는 비폭발성 물질이고, 상기 열교환기, 상기 냉매압축기, 상기 냉매콘덴서, 상기 감압밸브 및 상기 기액분리기는 비방폭 장치일 수 있다.
구체적으로, 상기 재액화유닛으로 공급되는 이산화탄소를 압축하는 증발가스 압축기를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 증발가스 압축기는 비방폭 장치일 수 있다.
구체적으로, 이산화탄소의 압력은 삼중점 압력보다 적어도 0.5 barg 크고, 20 barg보다 작을 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박은, 상기 가스 처리 시스템을 포함할 수 있다.
본 발명의 가스 처리 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명에 따른 가스 처리 시스템은, 이산화탄소의 압력 및 온도를 일정 수준으로 유지할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 기설정 압력 범위를 표현한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 측면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 제1 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 제2 평면도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 재액화룸의 개략도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 재액화룸의 개략도이다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 재액화룸의 개략도이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 재액화룸의 개략도이다.
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 기설정 압력 범위를 표현한 그래프이다.
도 1을 참조하여 보면, 가스 처리 시스템(1)은, 저장탱크(10), 재액화장치(20) 및 기화기(30)를 포함할 수 있다.
저장탱크(10)는 복수 개로 마련되며 제1 내지 제n 저장탱크(10)를 포함한다. 또한 저장탱크(10)는 선체의 내부에 종방향으로 배열될 수 있지만, 배열 방식이나 구조 등은 한정하지 않는다. 또한 적어도 일부의 저장탱크(10)는 선외에 배치될 수도 있다.
화물은 선박이 출발지에서 목적지까지 운반하는 물질로 저장탱크(10) 내에 저장될 수 있고, 연료는 선박이 목적지까지 이동하기 위해 엔진에서 소비하는 물질로 후술할 연료탱크(80)에 저장될 수 있다.
또한 액화가스는 이산화탄소 외에 LPG, LNG, 암모니아 등일 수 있고, 다만 액화가스는 하기에서 설명하는 가스연료보다 비등점이 높은 것일 수 있다. 즉 액화가스가 이산화탄소, LPG, 암모니아 등이고 가스연료는 LNG 등일 수 있다. 이하에서는 본 발명의 일 실시예로서 액화가스가 이산화탄소인 것으로 하여 설명한다.
도 3을 참고하여 보면, 저장탱크(10)는 이산화탄소를 삼중점의 압력 이상으로 저장함으로써, 이산화탄소를 액상으로 유지할 수 있다. 이를 위해 저장탱크(10)는 압력용기로서 Type C 등의 형태를 이룰 수 있지만, 상기의 압력을 유지할 수 있는 다양한 형태/구조를 가질 수 있음은 물론이다.
저장탱크(10)는 설계압력을 갖는다. 즉 저장탱크(10)가 구조적으로 견딜 수 있는 압력값이 존재하며, 내압이 지속적으로 올라갈 경우 설계압력에 도달하는 것을 방지하기 위해, 저장탱크(10)에는 일정 압력에서 자동 개방되는 safety valve가 마련될 수 있다.
저장탱크(10)는 삼중점보다 높은 압력을 하한으로 하고, 저장탱크(10)가 구조적으로 견딜 수 있는 압력을 상한으로 하여 저장탱크(10)의 압력 범위가 설정되고, 저장탱크(10)는 이와 같이 설정된 압력 범위 내에서 운영될 수 있다.
관련하여, 이산화탄소의 고체화를 방지하기 위하여 이산화탄소는 압력이 삼중점(Triple point) 보다 높아야 한다. 그런데 예측하지 못한 사고로 인해 저장탱크(10)의 압력이 낮아질 수 있다. 이때 기화기를 작동하거나, 안전밸브를 조작하여 저장탱크(10)의 압력을 조절하여 저장탱크(10)의 압력이 삼중점에 도달하는 것을 방지할 수 있다. 다만, 기화기를 작동하거나, 밸브를 조작하기 위해 일정 시간이 필요하므로, 저장탱크(10)의 하한 압력을 조절하여 기화기를 작동하기 위한 시간 등을 확보할 필요가 있다.
일례로 5,800 m3의 저장탱크(10)의 안전밸브가 개방된 상태에서 약 53 t/h의 이산화탄소 누출이 발생하면, 이산화탄소의 압력이 0.5 barg 하강할 때까지, 하강 시간은 Laden(98 % filling) 운항 조건에서 약 100분, Ballast (1% liquid remaining) 조건에서 약 10분이다.
삼중점보다 0.5 barg의 압력을 높게 설정하면 이산화탄소의 누출 발생 시 기화기를 작동하거나, 밸브를 조작할 수 있는 시간을 확보할 수 있으므로 선박의 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 저장탱크(10)는 저장탱크(10)가 견딜 수 있는 압력 범위인 탱크 설계압력(Tank design pressure) 범위 내에서 운용되어야 하므로, 이산화탄소가 유지되는 기설정압은 저장탱크(10)의 설계압력의 상한보다 낮게 설정되어야 한다.
탱크 설계압력(또는 최대 허용 릴리프 밸브 설정(Maximum Allowable Relief Valve Setting, MARVs))은 저장탱크(10)의 용량, 재질 및 선체 및 벽의 두께 등에 따라 결정되는 것으로, 일례로 LT36 강 40T의 저장탱크(10)의 경우 지름 약 10.9 m의 저장탱크(10)는 설계압력이 8 barg이고, 지름 약 9.3 m의 저장탱크(10)는 설계압력이 10 barg일 수 있다. P690 혹은 니켈강 등 고강도강이 적용되는 경우에는, 저장탱크(10)의 압력이 20 barg가 될 수 있다.
선박의 운항 기간 중 재액화 시스템 사용을 최소화하거나, 재액화 시스템을 구비하지 않고 저장탱크(10)의 축압만으로 이산화탄소를 재액화하면서 운항하기 위해서, 설계압력이 일정 수준 이상인 저장탱크(10)를 사용할 필요도 있다.
본 발명에서 저장탱크(10)의 기설정압은 4.68 barg 이상(삼중점이 4.18 barg), 20 barg 이하(저장탱크의 설계압력이 20 barg)인 것이 바람직하다.
이와 같이 저장탱크(10)가 설정된 압력 범위 내에서 운영될 수 있도록, 가스 처리 시스템(1)은 재액화장치(20)와 기화기(30)를 포함할 수 있다.
재액화장치(20)는 선박이 화물(Cargo)을 싣고 운항할 때(Laden condition 또는 Laden voyage) 저장탱크(10) 내에서 발생하는 증발가스를 액화하기 위해 사용된다. 재액화장치(20)는 냉매를 이용하여 이산화탄소를 비등점 이하로 냉각하여 액화시킬 수 있으며, 이때 재액화장치(20)에 유입되는 이산화탄소는 삼중점에서의 압력보다 높은 압력을 가지므로, 액화될 수 있다.
재액화장치(20)의 냉매는 특별히 제한되지 않는다. 일례로 냉매는 질소, 혼합냉매(Mixed Refrigerant), 액화가스 등일 수 있고, 선박의 추진을 위해 사용되는 연료일 수도 있다.
기화기(30)는 액상 이산화탄소를 가열하여 액상 이산화탄소를 이산화탄소 기체로 변화시키는 장치이다. 기화기(30)의 가열 수단은 특별히 제한되지 않는다.
도 1을 참고하여 보면, 저장탱크(10) 내 이산화탄의 증발가스가 생겨서 저장탱크(10)의 압력이 높은 경우에는, 저장탱크(10)의 압력을 낮추기 위해서, 저장탱크(10) 내 증발가스를 재액화장치(20)로 보내 재액화장치(20)에서 증발가스를 액화시켜 저장탱크(10)로 순환시킬 수 있다. 저장탱크(10) 내 증발가스의 양을 줄여 저장탱크(10)의 압력을 조절하여, 이산화탄소의 압력이 설계 압력보다 커지는 것을 방지할 수 있다.
도 2를 참고하여 보면, 저장탱크(10)의 압력이 낮은 경우에, 저장탱크(10)의 압력을 높이기 위해서, 저장탱크(10) 내 액화가스의 일부를 기화기(30)로 보내 기화기(30)에서 액화가스를 증발시켜 저장탱크(10)로 순환시킬 수 있다. 저장탱크(10) 내 증발가스의 양을 늘려 저장탱크(10)의 압력을 조절하여 이산화탄소의 압력이 삼중점보다 낮아지는 것을 방지할 수 있다.
즉, 재액화장치(20)를 이용하여 저장탱크(10) 내 이산화탄소의 압력을 일정 수준 이하로 유지하여 저장탱크(10)의 설계 압력보다 이산화탄소의 압력이 더 커지는 것을 방지하고, 기화기(30)를 이용하여 저장탱크(10) 내 이산화탄소의 압력을 일정 수준 이상으로 유지하여, 이산화탄소가 드라이아이스로 변하는 것을 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
저장탱크(10)에 이산화탄소를 로딩하기 전에 저장탱크(10) 내부는 드라잉(Drying), 가싱업(Gassing up/pressurizing) 및 쿨다운(Cool-down)될 수 있다.
드라잉은 저장탱크(10) 내 수분을 제거하는 과정이며, 가싱업은 이산화탄소를 로딩할 때 이산화탄소가 드라이아이스로 변하는 것을 방지하기 위해 저장탱크(10)에 이산화탄소의 일부를 공급하여 저장탱크(10) 내 압력을 높이는 과정이며, 쿨다운은 저장탱크(10)의 온도를 일정 수준 이하로 낮추는 과정이다.
쿨다운은, 저장탱크(10)의 온도가 높은 상태에서 이산화탄소가 로딩되면 로딩 과정에서 이산화탄소의 증발가스가 다량 발생할 수 있으므로, 이를 방지하기 위해 저장탱크(10)의 온도를 낮추는 것이다.
쿨다운을 위해 재액화장치(20)가 저장탱크(10) 내 이산화탄소 증발가스를 흡입하고 이산화탄소를 재액화시키고, 재액화장치(20)에서 재액화된 액상 이산화탄소를 저장탱크(10)의 상부에서 분사하거나, 저장탱크(10)의 하부에 주입할 수 있다.
그러나, 액상 이산화탄소가 저장탱크(10)의 상부에서 분사되거나, 저장탱크(10)의 하부에 주입되면, 액상 이산화탄소가 저장탱크(10)의 벽에서 증발하면서 전체 저장탱크(10)가 냉각될 수 있는데, 저장탱크(10)는 그 체적이 크고, 저장탱크(10)를 구성하는 소재의 비열이 크기 때문에 저장탱크(10)의 벽 전체의 온도를 낮추는 것은 시간이 오래 걸리고, 냉각에 액상 이산화탄소가 많이 필요하다.
따라서 저장탱크(10) 벽 전체의 온도를 낮추기보다는, 국소적으로 저장탱크(10)의 온도를 낮춰 쿨다운 시간과 쿨다운에 필요한 액상 이산화탄소의 양을 줄이고, 쿨다운의 효율을 높일 수 있다.
또한, 이산화탄소 운반선에서 저장탱크(10)로 사용될 수 있는 Type C tank는 이산화탄소의 저장 온도 범위에서 열충격(Thermal shock)에 의해 손상되지 않으나, 상기 오프로딩 펌프(11)는 내부에 구비된 임펠러(impeller) 등이 열충격에 의해 손상될 수 있으므로, 이산화탄소의 로딩 전에 오프로딩라인(L7) 또는 오프로딩 펌프(11)로 이산화탄소를 공급함으로써, 오프로딩 펌프(11)를 서서히 냉각하여 오프로딩 펌프(11)의 손상도 방지할 수 있다.
도 4를 참고하여 보면, 저장탱크(10)에는 액상 이산화탄소를 배출하기 위한 오프로딩 펌프(11), 액상 이산화탄소가 저장탱크(10) 외부로 배출되는 오프로딩라인(L7) 및 액상 이산화탄소가 저장탱크(10) 내부로 주입되는 로딩라인(L6)이 구비될 수 있다.
저장탱크(10) 내 증발가스가 증발가스라인(L1), 기상 공통라인(L2) 및 재액화장치 주입라인(L3)을 따라 재액화장치(20)로 전달되면, 재액화장치(20)에서 이산화탄소가 재액화되고, 액상 이산화탄소는 재액화장치 배출라인(L4), 액상 공통라인(L5) 및 로딩라인(L6)을 따라 저장탱크(10)로 공급된다.
이때 로딩라인(L6)에는 스프레이 노즐과 같이 오프로딩라인(L7)으로 액상 이산화탄소를 공급하기 위한 배출수단(12)이 구비되며, 배출수단(12)은 액상 이산화탄소의 일부를 오프로딩라인(L7)으로 공급하여 오프로딩라인(L7)의 온도를 낮출 수 있다. 이때 오프로딩라인(L7)과 연결된 오프로딩 펌프(11)도 함께 냉각될 수 있다. 또한, 배출수단(12)이 오프로딩 펌프(11)로 이산화탄소를 공급하여, 오프로딩 펌프(11)의 온도도 낮출 수 있으며, 로딩라인(L6) 및 오프로딩라인(L7)은 타워일 수 있으며, 각각 로딩타워 및 오프로딩타워일 수 있다.
이와 같이, 재액화장치(20)에서 저장탱크(10) 내 증발가스를 재액화시켜 액상 이산화탄소를 오프로딩라인(L7)에 공급하여 저장탱크(10)의 온도를 국소적으로 낮춰 저장탱크(10)를 쿨다운할 수 있다.
다만, 쿨다운시 증발가스를 액화시키는 과정에서 저장탱크(10) 내 압력이 일정 수준 이하로 떨어지면 드라이아이스가 발생할 수 있으므로, 저장탱크(10)의 압력을 일정 수준 이상으로 유지하면서 저장탱크(10)를 쿨다운할 수 있다.
쿨다운시 저장탱크(10)의 압력이 하한 압력 이하로 떨어지면, 기화기(30)를 사용하여 이산화탄소를 기화시켜 공급하여 저장탱크(10)의 압력을 높일 수 있다. 상기 기화기(30)는 외부로부터 공급받은 이산화탄소 또는 저장탱크(10)에 저장된 이산화탄소를 기화시킬 수 있다.
화물을 오프로딩하는 단계에서 추후에 있을 저장탱크(10)의 쿨다운을 위해 일부 화물(heel)을 남겨놓는데, 이산화탄소 증발가스를 이용하여 저장탱크(10)를 쿨다운할 수 있으므로 저장탱크(10)에 남겨놓는 화물의 양을 줄일 수 있다.
또한, 쿨다운을 위해 터미널로부터 소량의 이산화탄소를 저장탱크(10)로 공급할 수 있는데, 저장탱크(10) 내 증발가스를 재액화하여 저장탱크(10)를 쿨다운을 할 수 있으므로, 로딩 터미널에서 액화가스를 로딩하기 위해 로딩 터미널에서 체류하는 시간을 줄일 수 있고, 나아가 로딩 터미널에 정박하지 않고, 자체적으로 저장탱크(10)를 쿨다운할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 측면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 제1 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박의 제2 평면도이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 재액화룸(50)의 개략도이다.
도 5 내지 7을 참고하여 보면, 선박(100)의 갑판에는 매니폴드(40, manifold), 재액화룸(50), 벙커스테이션(60, bunker station), 벤트마스트(70, vent mast), 연료탱크(80) 및 연료공급부(90)가 구비될 수 있다.
도 5 내지 7은 빗금, 격자 또는 원 표시가 되어 있는데, 상기 표시는 위험 구역을 나타낸다. 위험 구역은 폭발성 물질으로 인해 폭발이 일어날 가능성이 있는 구역이다. 벙커스테이션(60), 벤트마스트(70), 연료탱크(80) 및 연료공급부(90)는 위험 구역이며, 재액화룸(50)은 비위험 구역일 수 있다.
즉, 위험 구역은 폭발이 일어날 수 있는 구역으로, 위험 구역에서는 폭발성 물질이 취급되며, 방폭 장치가 설치될 수 있고, 비위험 구역은 폭발이 일어날 가능성이 낮은 구역으로 비위험 구역에서는 비폭발성 물질이 취급되며, 비방폭 장치가 설치될 수 있다. 위험 구역은 방폭 장치가 설치되는 방폭 구역이 되며, 비위험 구역은 방폭 장치가 구비되지 않는 비방폭 구역이 될 수 있다.
매니폴드(40)는, 저장탱크(10)의 화물을 외부로 전달하거나 외부로부터 화물을 저장탱크(10) 내로 전달하기 위한 구성으로서, 화물이 원유 등의 유체일 때 마련될 수 있다. 매니폴드(40)는 육상 등의 화물 처리 설비와 연결되기 위한 연결단을 가지며, 매니폴드(40)의 연결단은 육상에 마련되는 로딩암 등과 연결될 수 있다.
매니폴드(40)는 선박(100)에서 종방향으로 중앙부분에 마련될 수 있으며, 저장탱크(10)의 각 구획공간에 대응되도록 하나 이상의 연결단을 구비할 수 있다.
재액화룸(50)은 이산화탄소, LPG 또는 LNG 같은 액화가스를 운반하는 선박에 구비되어, 재액화유닛(53)을 통해 액화가스의 증발가스를 재액화할 수 있다. 재액화룸(50)은 선내에서 엔진룸(110) 전방의 격리된 일정 공간 상에 형성될 수 있다.
도 8을 참고하여 보면, 재액화룸(50)은 냉각룸(51) 및 컴프레서룸(52)으로 구성될 수 있다. 냉각룸(51)에는 화물을 재액화하기 위한 재액화유닛(53)이 구비된다. 냉각룸(51) 및 컴프레서룸(52)은 취급하는 물질에 따라 방폭 구역과 비방폭 구역이 될 수 있으며, 방폭 구역과 비방폭 구역은 별도의 공간으로 분리될 수 있다.
화물이 이산화탄소인 경우에는, 이산화탄소가 비폭발성 물질이므로 이산화탄소를 취급하는 냉각룸(51)은 비방폭 구역이 되고, 냉각룸(51)에 구비되는 재액화유닛(53)은 비방폭 장치로 설치될 수 있다.
이때 재액화유닛(53)은 이산화탄소 재액화에 비폭발성 물질을 냉매로 사용하며, 재액화유닛(53)은 냉매를 이용하여 이산화탄소를 냉각하는 열교환기(531), 냉매를 압축하는 냉매압축기(532), 냉매의 온도를 낮추는 냉매콘덴서(533), 냉매를 팽창시켜 온도를 낮추는 감압밸브(534) 및 이산화탄소를 액체와 기체로 분리하는 기액분리기(535)를 모두 포함하고, 상기 장치들은 모두 비방폭 장치가 될 수 있다.
이산화탄소의 증발가스를 가압하기 위한 컴프레서룸(52)도 비방폭 구역이 될 수 있고, 상기 컴프레서룸(52)에 구비된 증발가스 압축기(5211, 5212)도 비방폭 장치가 될 수 있다.
다만, 저장탱크(10)에 폭발성 물질이 저장되거나, 복수의 저장탱크(10) 중 일부 저장탱크(10)에 폭발성 물질이 저장되고, 나머지 일부 저장탱크(10)에 비폭발성 물질이 저장되는 경우, 컴프레서룸(52)에서는 저장탱크(10)에 저장된 폭발성 물질도 처리해야 하므로, 컴프레서룸(52)은 방폭 구역이 되고, 증발가스 압축기(5211, 5212)도 방폭 장치가 될 수 있다.
벙커스테이션(60)은 육상 또는 벙커링 선박으로부터 연료를 공급받아 연료탱크(80)에 연료를 로딩할 수 있다. 벙커스테이션(60)은 연료탱크(80) 및 연료공급부(90) 전방에 마련될 수 있으며 매니폴드(40) 후방에 배치될 수 있다. 벙커스테이션(60)은 선박(100)이 벙커링 선박 등에 접안하는 방향을 제한하지 않도록 선박(100)의 좌우에 한 쌍으로 마련될 수 있다.
벤트마스트(70)는, 벙커스테이션(60), 연료탱크(80) 및 연료공급부(90) 등으로부터 가스연료를 전달받아 대기로 방출한다. 연료탱크(80)가 지나치게 고압 상태가 되어 대기 중으로 연료를 방출해야 하거나, 벙커스테이션(60)에서 가스연료가 누출되거나, 연료공급부(90) 경우 등에 벤트마스트(70)는 기체 상태의 연료를 대기 중으로 방출할 수 있다.
벤트마스트(70)는 연료의 대기 중 방출이 필요한 구성들의 사이에 위치하므로, 벙커스테이션(60), 연료탱크(80) 및 연료공급부(90) 등과 벤트마스트(70)를 연결하는 라인의 길이를 줄일 수 있다.
도 5 및 6을 참고하여 보면, 벤트마스트(70)는 폭발성 물질인 연료를 대기 중으로 방출하므로, 연료가 배출되는 벤트마스트(70)의 상부는 위험 구역일 수 있다.
연료탱크(80)는 선박(100)의 추진에 사용되는 연료를 저장할 수 있다. 연료는 LNG, LPG, 에탄, 암모니아 등일 수 있다. 도 5를 참고하여 보면, 연료탱크(80)의 상부에는 안전밸브(81)가 구비될 수 있으며 안전밸브(81)도 위험 구역이 될 수 있다.
연료공급부(90)는, 연료탱크(80)에서 배출되는 가스연료를 엔진에 공급한다. 연료공급부(90)는 연료탱크(80)에서 배출되는 가스연료를 엔진에서 요구하는 온도/압력으로 맞춰주기 위한 구성들을 수용할 수 있다.
일례로 연료공급부(90)는, 압력을 맞춰주기 위한 부스팅펌프 압축기, 온도를 맞춰주기 위한 열교환기, 히터등을 포함할 수 있으며, 연료를 기화시키기 위한 기화기 등이 추가로 구비될 수도 있다.
선박(100)의 선미에는 엔진룸(110)이 구비될 수 있고, 엔진룸(110)에는 엔진이 수용될 수 있다. 이때 엔진은 추진엔진, 발전엔진, 가스터빈, 연료전지 등 선박을 추진하기 위한 장치를 모두 포함하는 개념일 수 있다.
도 5 및 도 6을 참고하여 보면, 엔진룸(110)에는 엔진룸 벤트장치(120)가 구비될 수 있고, 엔진룸 벤트장치(120)를 통해 연료가 배출될 수 있으므로, 엔진룸 벤트장치(120)의 상부는 위험 구역이 될 수 있다.
엔진룸(110)의 상부에는 선실(130)이 구비될 수 있다.
벙커스테이션(60), 벤트마스트(70), 연료탱크(80) 및 연료공급부(90) 사이를 연결하는 라인에서는 폭발성 물질이 이동할 수 있으나, 상기 라인은 하나의 관으로 형성되어, 폭발성 물질이 외부로 노출될 수 없는 비위험 구역으로 볼 수 있다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 재액화룸(50)의 개략도이다.
선박(100)은 여러 종류의 화물을 운반할 수 있다. 예를 들어 선박(100) 내 저장탱크(10) 중 일부는 LPG 또는 암모니아를 저장하고, 저장탱크(10) 중 일부는 이산화탄소를 저장할 수 있다. LPG 또는 암모니아의 경우, LPG 또는 암모니아를 20배 압축하고, 해수와 열교환시키는 직접 냉각 방식으로 LPG 또는 암모니아를 냉각하고, LPG 또는 암모니아를 감압하여 재액화할 수 있다.
그런데, 이산화탄소는 저장 압력이 LPG 또는 암모니아 보다 크기 때문에 이산화탄소를 LPG 등을 재액화할 때처럼 20배 압축하면, 재액화룸(50)에 구비되는 배관 및 열교환기 등이 고압용 장치가 되어야 하고, 그에 따라 재액화 시스템을 구성하거나 가동할 때 재액화 효율이 떨어질 수 있다.
따라서, 재액화 효율을 고려하여 이산화탄소를 재액화하는 경우 이산화탄소를 약 4배로 압축하되, 해수보다 저온의 냉매를 사용하는 간접 냉각 방식으로 이산화탄소를 냉각하고, 이산화탄소를 감압하여 재액화하는 것이다.
이산화탄소 냉각에는 저장탱크에 저장되지 않은 별도의 물질이 냉매로 사용될 수 있으며, 저장탱크에 저장된 물질이 냉매로 사용될 수 있으며, 본 발명은 상기 냉매에 제한되지 않는다.
선박(100)에 여러 종류의 화물이 있는 경우에, 각각의 화물의 재액화에 사용되는 냉각 및 가압 방식은 서로 상이할 수 있으며, 냉각 및 가압에 사용되는 장치도 서로 상이할 수 있다.
도 9를 참고하여 보면, 냉각룸(51)은 제1 냉각룸(511)과 제2 냉각룸(512)으로 구성될 수 있으며, 제1 냉각룸(511)에서는 제1 재액화유닛(536)이 LPG 또는 암모니아(제1 화물)를 냉각하며, 제2 냉각룸(512)에서는 제2 재액화유닛(537)이 이산화탄소(제2 화물)를 냉각할 수 있다. 이때 제1 냉각룸(511)에서는 직접 냉각 방식으로 냉각이 이루어지고 재액화가 이루어지는 반면 제2 냉각룸(512)에서는 간접 냉각 방식으로 냉각이 이루어지고 재액화가 이루어질 수 있다.
LPG 또는 암모니아를 재액화하는 제1 증발가스 압축기(5211)에서 LPG 또는 암모니아가 압축되고, 제1 재액화유닛(536)에서는 해수에 의해 LPG 또는 암모니아가 냉각될 수 있다. 이산화탄소를 재액화하는 제2 증발가스 압축기(5212)에서 이산화탄소가 압축되고, 제2 재액화유닛(537)에서는 냉매에 의해 이산화탄소가 냉각될 수 있다.
제1 증발가스 압축기(5211) 및 제2 증발가스 압축기(5212)의 가동 압력은 서로 다를 수 있고, 제1 재액화유닛(536) 및 제2 재액화유닛(537)의 가동 온도는 서로 다를 수 있다.
저장탱크(10) 중 일부가 LPG 또는 암모니아를 저장하고, 저장탱크(10) 중 일부가 이산화탄소를 저장하고 있는 경우에, 컴프레서룸(52)에서는 LPG, 암모니아 및 이산화탄소가 모두 압축될 수 있다.
도 10은 본 발명의 제3 실시예에 따른 재액화룸(50)의 개략도이다.
이산화탄소를 운반하는 선박(100)의 경우, 화물의 냉각을 위해 간접 냉각 방식을 사용할 수 있으며, 이때 비방폭성 물질을 냉매로 사용할 수 있다. 예를 들어, 비폭발성 물질인 암모니아, 이산화탄소 및 질소 등을 사용하는 경우 재액화유닛(53)에서는 비방폭 장치가 사용될 수 있다.
한편, 이산화탄소의 재액화를 위해 2개 이상의 재액화유닛(536, 537)을 사용하는 경우, 상기 재액화유닛(536, 537)을 하나의 공간에 두면 하나의 재액화유닛(536, 537)에서 누출이 발생하면 안전을 위해서 모든 재액화유닛(536, 537)의 가동을 중지시켜야 하는 문제가 발생하며, 이로 인해 선박(100)의 저장탱크(10)의 압력 유지 수단이 상실될 수 있다.
이를 방지하기 위해 도 10을 참고하여 보면, 비폭발성 물질을 냉매로 사용하는 제1 냉각룸(511)과 제2 냉각룸(512)을 별도의 공간으로 분리할 수 있다. 예를 들어, 제1 냉각룸(511)과 제2 냉각룸(512)을 별도의 공간으로 분리하여 제1 냉각룸(511) 내 제1 재액화유닛(536)에서 암모니아 누출이 발생할 때 제2 냉각룸(512) 내 제2 재액화유닛(537)이 가동될 수 있도록 한다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 재액화룸(50)의 개략도이다.
도 11을 참고하여 보면, 이산화탄소를 운반하기 위한 선박(100)의 경우에, 이산화탄소가 누출되면 재액화룸(50)에 있거나, 재액화룸(50)의 수리를 위해 들어가는 선원이 질식할 수 있으므로, 재액화룸(50)에는 재액화룸(50)에 산소를 공급하기 위한 산소공급부(54)가 구비될 수 있다. 물론, 산소공급부(54)는 재액화룸(50) 내에 구비된 냉각룸(51) 또는 컴프레서룸(52)로 산소를 공급할 수 있다.
산소공급부(54)는 산소 탱크와 같은 산소를 저장하고 있는 장치와 연결될 수 있고, 재액화룸(50)에 구비된 센서(미도시)에서 이산화탄소의 누출이 감지되면 자동으로 산소를 분출할 수 있다. 산소공급부(54)는, 노즐의 형태일 수 있다.
팬(55)은 바람을 일으키는 장치로, 산소공급부(54)에서 분출되는 산소가 재액화룸(50) 내부로 전달되도록 산소공급부(54)에 바람을 일으킬 수 있다. 산소공급부(54)는, 상기 팬(55)이 일으킨 바람의 방향에 위치하여, 팬(55)을 통해 산소를 재액화룸(50) 내부로 공급할 수 있다.
팬(55)은 재액화룸(50) 내부에 누출된 이산화탄소를 상기 재액화룸(50) 외부로 배출하기 위해 구비된 환풍팬(Ventilation fan)일 수 있다.
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 12를 참고하여 보면, 가스 처리 시스템(1)에는 복수의 저장탱크(10)가 구비될 수 있다. 이때 제2 저장탱크(102)의 제2 오프로딩 펌프(112)가 고장난 경우에 가동이 가능한 제1 오프로딩 펌프(111)를 이용하여 제1 저장탱크(101) 내 액화가스를 기화기(30)로 전달하고, 상기 기화기(30)에서 액화가스를 기화시켜 제2 저장탱크(102)로 기상 액화가스를 전달할 수 있다.
이에 따라, 제2 저장탱크(102) 내 압력이 상승하고, 압력 차이에 의해 제2 저장탱크(102)에 저장된 액화가스가 외부 배출라인(L11)을 따라 외부로 배출되거나, 로딩라인(L6)을 따라 제3 저장탱크(103)로 전달될 수 있다.
또한, 제2 저장탱크(102)로부터 액화가스를 공급받은 제3 저장탱크(103)는 상기 제3 저장탱크(103)에 구비된 제3 오프로딩 펌프(113)를 이용하여 외부로 액화가스를 배출할 수 있다.
위에서는 액화가스가 제2 저장탱크(102)에서 제3 저장탱크(103)로 공급되는 것으로 설명하였으나, 액화가스는 제2 저장탱크(102)에서 제1 저장탱크(101)로 공급될 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 저장탱크(10) 내 이산화탄소의 압력을 일정 수준 이상으로 유지하여 이산화탄소가 드라이아이스가 되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 오프로딩라인(L7)에 저온의 이산화탄소를 공급하여 저장탱크(10)에 효율적인 쿨다운이 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)이 이산화탄소를 운반하는 선박(100)에 적용되는 경우, 상기 가스 처리 시스템(1)에 구비되는 장치가 비방폭 장치가 될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)에는, 둘 이상의 재액화유닛(53)이 구비되고, 상기 재액화유닛(53)에서 이산화탄소가 재액화 되는 제2 재액화유닛(537)은 간접 냉각 방식으로 이산화탄소를 냉각하여 재액화시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)에는, 둘 이상의 재액화유닛(53)이 구비되고, 상기 재액화유닛(53)에서 이산화탄소의 냉각을 위해 암모니아 냉매를 사용되는 경우에, 가스 처리 시스템(1)은 재액화유닛(53)이 배치되는 공간을 분리하여 하나의 재액화유닛(53)에서 발생한 암모니아 누출에 의해 다른 재액화유닛(53)의 가동이 중단되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 재액화룸(50)에서 이산화탄소의 누출이 일어나는 경우 재액화룸(50)에 산소를 공급하여 선원이 재액화룸(50)에 들어갈 수 있는 환경을 조성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 둘 이상의 저장탱크(10) 중 어느 하나에 구비된 오프로딩 펌프(11)가 가동되지 않을 경우 기화기(30)를 이용하여 액화가스를 기화시켜 오프로딩 펌프(11)가 가동되지 않는 저장탱크(10)의 압력을 높여 저장탱크(10)에 저장된 액화가스를 하역할 수 있다.
본 발명은 상기에서 설명한 실시예로 한정되지 않으며, 상기 실시예들의 조합 또는 상기 실시예 중 적어도 어느 하나와 공지 기술의 조합을 또 다른 실시예로서 포함할 수 있음은 물론이다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 중심으로 본 발명을 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 기술내용을 벗어나지 않는 범위에서 실시예에 예시되지 않은 여러 가지의 조합 또는 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들로부터 용이하게 도출가능한 변형과 응용에 관계된 기술내용들은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 가스 처리 시스템
10: 저장탱크 101: 제1 저장탱크
102: 제2 저장탱크 103: 제3 저장탱크
11: 오프로딩 펌프 111: 제1 오프로딩 펌프
112: 제2 오프로딩 펌프 113: 제3 오프로딩 펌프
12: 배출수단
20: 재액화장치 30: 기화기
40: 매니폴드 50: 재액화룸
51: 냉각룸 511: 제1 냉각룸
512: 제2 냉각룸 52: 컴프레서룸
5211: 제1 증발가스 압축기 5212: 제2 증발가스 압축기
53: 재액화유닛
531: 열교환기 532: 냉매압축기
533: 냉매콘덴서 534: 감압밸브
535: 기액분리기 536: 제1 재액화유닛
537: 제2 재액화유닛 54: 산소공급부
55: 팬
60: 벙커스테이션 70: 벤트마스트
80: 연료탱크 81: 안전밸브
90: 연료공급부
100: 선박 110: 엔진룸
120: 엔진룸 벤트장치 130: 선실
L1: 증발가스라인 L2: 기상 공통라인
L3: 재액화장치 주입라인 L4: 재액화장치 배출라인
L5: 액상 공통라인 L6: 로딩라인
L7: 오프로딩라인 L8: 기화기 주입라인
L9: 기화기 배출라인 L10: 스프레이 공통라인
L11: 외부 배출라인

Claims (5)

  1. 이산화탄소를 재액화하기 위한 재액화유닛을 포함하는 가스 처리 시스템에 있어서,
    상기 재액화유닛은,
    냉매를 이용하여 이산화탄소를 냉각하는 열교환기,
    냉매를 압축하는 냉매압축기,
    냉매의 온도를 낮추는 냉매콘덴서,
    냉매를 팽창시켜 온도를 낮추는 감압밸브, 및
    이산화탄소를 액체와 기체로 분리하는 기액분리기를 포함하고,
    상기 재액화유닛에서 사용되는 냉매는 비폭발성 물질이고,
    상기 열교환기, 상기 냉매압축기, 상기 냉매콘덴서, 상기 감압밸브 및 상기 기액분리기는 비방폭 장치인 가스 처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 재액화유닛으로 공급되는 이산화탄소를 압축하는 증발가스 압축기를 포함하는 가스 처리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 증발가스 압축기는 비방폭 장치인 가스 처리 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    이산화탄소의 압력은 삼중점 압력보다 적어도 0.5 barg 크고, 20 barg보다 작은 가스 처리 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 따른 상기 가스 처리 시스템을 포함하는 선박.
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