KR20230097567A - 선박의 배기가스 폐열회수시스템 - Google Patents

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Abstract

선박의 배기가스 폐열회수시스템이 개시된다. 본 발명의 선박의 배기가스 폐열회수시스템은, 선박에 마련되며 작동유체가 순환하는 열매체순환라인; 상기 열매체순환라인에 마련되며 저인화점 액화가스를 연료로 공급받는 상기 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스와 상기 작동유체가 열교환되는 기화부; 상기 열매체순환라인에 마련되며 상기 기화부에서 가열된 작동유체를 공급받아 기액분리하는 기액분리기; 상기 기액분리기에서 분리된 기체 상태의 작동유체를 공급받아 팽창시키면서 축동력을 생산하는 팽창터빈; 상기 팽창터빈을 통과하여 팽창냉각된 작동유체를 공급받아 냉각하여 액체로 상변화시키는 응축기; 상기 열매체순환라인에 마련되며 상기 응축기에서 응축된 작동유체를 공급받아 가압하는 공급펌프; 상기 공급펌프에서 가압된 작동유체 일부를 공급받아 가열하여 상기 기화부로 공급하는 제1 환열기; 및 상기 제1 환열기와 병렬로 마련되며 상기 공급펌프에서 가압된 작동유체의 나머지 일부를 공급받아 가열하여 상기 기화부로 공급하는 제2 환열기:를 포함하되, 상기 제1 환열기에서는 상기 공급펌프에서 가압된 작동유체가, 상기 팽창터빈에서 팽창냉각 후 상기 응축기로 공급될 작동유체와 열교환되고, 상기 제2 환열기에서는 상기 공급펌프에서 가압된 작동유체가, 선내 압축장치 또는 냉각장치로부터 폐열을 공급받아 가열되는 것을 특징으로 한다.

Description

선박의 배기가스 폐열회수시스템{Exhaust Gas Heat Recovery System Of Ship}
본 발명은 선박의 배기가스 폐열회수시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저인화점 액화가스를 연료로 사용하는 엔진에서 배출되는 배기가스를 열원으로, 폐루프(closed loop)의 열매체순환라인을 순환하는 작동유체를 상변화시켜 축동력을 생산하는 선박의 배기가스 폐열회수시스템에 관한 것이다.
종래 선박의 추진 연료로는 상대적으로 가격이 저렴한 벙커C유 등의 중유를 사용하는 연료 공급 시스템을 주로 채용해왔는데, 이러한 중유 연료 공급 시스템은 연소 시 이산화탄소 등 온실가스와 황산화물 및 질소산화물 등 IMO(International Maritime Organization, 국제해사기구)의 배출 규제물질을 다량 배기가스로 배출하게 된다.
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. 이러한 온실가스 및 대기오염 물질 배출에 대한 각국의 관심 증가와 그에 따른 국제적인 환경규제 기준의 급격한 강화에 따라 선박에서도 친환경 선박 연료 기술 개발에 활발히 이루어지고 있다.
액화가스는 액화공정 중에 대기오염 물질을 제거하거나 줄일 수 있어 대기오염 물질 배출이 중유, MDO(Marine Diesel Oil) 등에 비하여 적은 친환경 연료로 볼 수 있다. 대표적인 액화가스로 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG)는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -163℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 가져 저장 및 이송 효율이 우수하여 선박 연료로 개발 및 보급이 활발히 이루어지고 있다. 또다른 대표적인 액화가스인 LPG(Liquefied Petroleum Gas)는 원유 중 프로판(propane) 및 부탄(butane) 등 끓는점이 낮은 탄화수소를 주성분으로 하는 석유가스를 액화한 것으로, 극저온에서 액화되는 LNG보다 저장이 용이하고 기존 HFO에 견주어 SPECIFIC ENERGY와 ENERGY DENSITY에서 크게 떨어지지 않으면서 기존 HFO 대비 SOX, NOX, CO2, PM등의 절감 효과가 탁월한 장점이 있어, 선박 연료로 활발히 개발 및 보급이 이루어지고 있다.
최근에는 완전한 탈탄소화를 위한 선박 연료로 암모니아를 사용하기 위한 연구와 개발이 활발히 이루어지고 있는데, 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. 암모니아는 특히 저장 및 운송이 용이하고, 하버-보슈법을 통한 대량 생산이 용이하며, 타 탄소 중립 연료 대비 우수한 경제성을 가지고 있는 것으로 평가된다.
한편, 엔진으로 연료 공급을 위해서는 연료유, LNG 등 액화가스를 엔진 연료 공급 조건에 맞추어 가열하게 된다. HFO를 사용하는 선박에서는 엔진 연료로 공급될 오일을 가열하기 위해 엔진 등에서 발생하는 배기가스 폐열을 회수하여 스팀(Steam)을 만들고 이를 이용하였고, LNG를 연료로 사용하는 선박에서도 연료로 공급될 LNG를 기화하기 위해 스팀을 주로 이용하였다. 이와 같이 배기가스 폐열을 회수하여 연료 가열에 이용함으로써 선박의 열효율을 높일 수 있다. 다만, 연료유 자체에 황(Sulfur) 성분을 포함하여, 배기가스 중에 포함되는 SO2가 황산(H2SO4)으로 응축되면서 금속을 부식시키는 황산노점부식(Sulfuric Acid Dew Point Corrosion)현상을 일으키게 되고, 배기가스 폐열을 이용하여 열교환기를 설치하는 경우 장치의 금속 표면 온도가 노점 이하가 되기 쉬워 현저하게 부식이 진행될 수 있는 저온부식 문제를 피하기 위해 150 ℃ 이상의 폐열만 회수하였다.
그런데, 저인화점 연료(Low Flashpoint fuel)에 속하면서 끓는점(Boiling point)이 비교적 높은 LPG나 암모니아의 경우, 연료 공급 시 가열에 필요한 열량이 매우 낮고 연료 공급용 히터에서 Icing 우려가 거의 없으므로 엔진 냉각수 등을 이용하여 가열할 수도 있고, 연료 가열을 위해 배기가스 폐열을 사용할 필요가 없다.
또한, 이러한 연료에는 황 성분이 포함되어 있지 않아 150 ℃ 이하의 폐열을 회수하더라도 저온 부식 문제가 발생할 가능성이 낮다.
본 발명은 이러한 점에 착안하여 엔진으로 액화가스 연료 공급, 특히 LPG, 암모니아 등 저인화점 액화가스 공급 시 발생하는 배기가스 폐열로부터 많은 에너지를 회수하여 선내에서 활용할 수 있는 방안을 제안하고자 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 선박에 마련되며 작동유체가 순환하는 열매체순환라인;
상기 열매체순환라인에 마련되며 저인화점 액화가스를 연료로 공급받는 상기 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스와 상기 작동유체가 열교환되는 기화부;
상기 열매체순환라인에 마련되며 상기 기화부에서 가열된 작동유체를 공급받아 기액분리하는 기액분리기;
상기 기액분리기에서 분리된 기체 상태의 작동유체를 공급받아 팽창시키면서 축동력을 생산하는 팽창터빈;
상기 팽창터빈을 통과하여 팽창냉각된 작동유체를 공급받아 냉각하여 액체로 상변화시키는 응축기;
상기 열매체순환라인에 마련되며 상기 응축기에서 응축된 작동유체를 공급받아 가압하는 공급펌프;
상기 공급펌프에서 가압된 작동유체 일부를 공급받아 가열하여 상기 기화부로 공급하는 제1 환열기; 및
상기 제1 환열기와 병렬로 마련되며 상기 공급펌프에서 가압된 작동유체의 나머지 일부를 공급받아 가열하여 상기 기화부로 공급하는 제2 환열기:를 포함하되,
상기 제1 환열기에서는 상기 공급펌프에서 가압된 작동유체가, 상기 팽창터빈에서 팽창냉각 후 상기 응축기로 공급될 작동유체와 열교환되고,
상기 제2 환열기에서는 상기 공급펌프에서 가압된 작동유체가, 선내 압축장치 또는 냉각장치로부터 폐열을 공급받아 가열되는 것을 특징으로 하는 선박의 배기가스 폐열회수시스템이 제공된다.
바람직하게는 상기 기화부는, 공급펌프에서 이송된 작동유체가 흐르는 방향을 따라 마련되는 기화기와 과열기를 포함하되, 상기 기화부로 상기 작동유체와 열교환될 배기가스를 공급하는 배기가스공급라인은 상기 과열기와 기화기를 순차 통과하고, 상기 기화기에서 상기 배기가스와 열교환된 작동유체는 상기 기액분리기로 도입되어 기액분리되고 기체 상태의 작동유체는 상기 과열기를 거쳐 추가 가열되어 상기 팽창터빈으로 이송될 수 있다.
바람직하게는, 상기 응축기에 상기 작동유체의 냉각을 위한 냉각수를 공급하는 냉각수공급라인; 상기 기액분리기에서 분리된 액체 상태의 작동유체를 상기 열매체순환라인의 팽창터빈 후단으로 공급하는 리퀴드라인:을 더 포함하며, 상기 기액분리기에서 분리된 액체는 상기 리퀴드라인을 따라 상기 팽창터빈을 통과한 작동유체와 함께 상기 제1 환열기를 지나 응축기로 공급될 수 있다.
바람직하게는, 상기 팽창터빈에서 생산된 축동력에 의해 공기를 압축하는 압축기; 및 상기 압축기로 공기를 공급하는 공기공급라인:을 더 포함하고, 상기 압축기에서 압축된 압축공기는 공기공급라인을 따라 상기 제2 환열기를 거쳐 상기 작동유체와 열교환 후 선내 소비처로 공급될 수 있다.
상기 열매체순환라인에 마련되며 상기 공급펌프에서 가압 후 상기 제1 또는 제2 환열기에서 열교환된 작동유체를 공급받아 가열하여 상기 기화기로 공급하는 제3 환열기를 더 포함할 수 있다.
상기 제3 환열기에서는 상기 공급펌프에서 가압 후 상기 제1 또는 제2 환열기를 통과한 작동유체가 상기 기액분리기에서 분리되어 리퀴드라인을 흐르는 액체 상태의 작동유체와 열교환으로 가열될 수 있다.
바람직하게는 상기 기화부는, 상기 배기가스공급라인을 통해 상기 과열기와 기화기를 순차 통과한 배기가스가 작동유체와 열교환되는 배열히터를 더 포함하고, 상기 공급펌프에서 가압 후 상기 제1 환열기에서 열교환된 작동유체를 분기하여 상기 배열히터를 거쳐 상기 열매체순환라인의 제3 환열기 후단으로 공급하는 분기라인을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 팽창터빈에서 생산된 축동력에 의해 공기를 압축하는 압축기; 및 상기 압축기로 공기를 공급하는 공기공급라인:을 더 포함하고, 상기 압축기에서 압축된 압축공기는 공기공급라인을 따라 상기 제2 환열기를 거쳐 상기 작동유체와 열교환 후 선내 소비처로 공급될 수 있다.
바람직하게는, 상기 작동유체는 암모니아수용액일 수 있다.
바람직하게는, 상기 저인화점 액화가스는 LPG 및 암모니아를 포함하는 군에서 선택될 수 있다.
본 발명에서는 저인화점 액화가스를 연료로 사용하는 엔진에서 배출되는 배기가스 폐열을 효과적으로 회수하여 선박의 열효율을 높일 수 있다.
특히, 저온 폐열 회수에 적합한 유기랭킨사이클을 적용하고 복수의 환열기를 통해 시스템 내 열효율을 높일 수 있도록 열매체순환라인을 구성하여, 저인화점 연료를 사용한 엔진에서 발생하는 배기가스 폐열을 효과적으로 회수하여 동력으로 전환하고 전력을 생산하거나 압축공기를 생산하여 선내 소비처로 공급함으로써, 배기가스 폐열을 효과적으로 활용하고 선박의 에너지효율을 높일 수 있다.
또한, 기화부를 배기가스 온도에 따라 과열기와 기화기로 구분하여 구성하고, 기화기에서 기화 후 상분리된 기체 상태의 작동유체를 과열기에서 고온 배기가스로 추가 가열하여 과열 상태로 팽창터빈에 공급함으로써 액적 발생을 방지하고, 폐열 회수효율 및 시스템 안정성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 배기가스 폐열회수시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 배기가스 폐열회수시스템을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박의 배기가스 폐열회수시스템을 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 선박의 배기가스 폐열회수시스템을 개략적으로 도시한다.
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.
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.
후술하는 본 발명의 실시예에서 선박은, 액화가스를 추진용 엔진의 연료 또는 발전용 엔진의 연료로 사용할 수 있는 엔진이 설치되는 모든 종류의 선박일 수 있다. 대표적으로 LPG 운반선, 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 포함될 수 있다.
또한, 본 실시예는 저온으로 액화시켜 수송될 수 있고, 엔진 연료로 공급될 수 있는 모든 종류의 액화가스에 적용될 수 있다. 이러한 액화가스는 예를 들어 LNG(Liquefied Natural Gas), LEG(Liquefied Ethane Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), 액화에틸렌가스(Liquefied Ethylene Gas), 액화프로필렌가스(Liquefied Propylene Gas) 등과 같은 액화석유화학가스 및 암모니아 등일 수 있다. 다만, 후술하는 실시예들에서는 액화가스 중에서 인화점(flash point)이 낮은 저인화점 액화가스 중 끓는점(boiling point)이 상대적으로 높은 Ammonia 또는 LPG가 엔진 연료로 공급되는 경우를 예로 들어 설명한다.
도 1 내지 4에는 각각 본 발명의 제1 내지 제4 실시예에 따른 선박의 배기가스 폐열회수시스템을 개략적으로 도시하였다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이 본 실시예들의 배기가스 폐열회수시스템은, 선박에 마련되며 작동유체가 순환하는 열매체순환라인(RCL), 열매체순환라인에 마련되며 상기 작동유체가 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스와 열교환으로 기화되는 기화기(100), 기화기에서 가열된 작동유체를 공급받아 기액분리하는 기액분리기(200), 열매체순환라인에 마련되며 작동유체를 공급받아 팽창시키면서 축동력을 생산하는 팽창터빈(300)을 포함한다.
본 실시예들에서 엔진(미도시)은 저인화점 액화가스를 연료로 공급받고, 저인화점 액화가스를 연료로 하여 엔진에서 배출되는 배기가스를 열원으로 작동유체가 액체에서 기체로 상변화되면서 폐루프(closed loop)의 열매체순환라인을 순환하는 것을 특징으로 한다.
암모니아(Ammonia) 또는 LPG의 경우 저인화점 액화가스 중 끓는점(boiling point)이 상대적으로 높은 편이다. 프로판을 주성분으로 하는 LPG는 인화점 -105℃, 대기압에서의 끓는점 -42℃이고, 암모니아의 끓는점은 대기압에서 -33℃로, 대기압에서 끓는점이 -161℃인 메탄(LNG)이나 -253℃인 수소에 비해 상대적으로 끓는점이 높다. 이와 같은 암모니아나 LPG를 엔진 연료로 공급 시 가열에 필요한 열량이 매우 낮아 엔진에서 발생하는 고온의 배기가스로부터 생성된 스팀을 이용하지 않더라도 엔진 냉각수 등으로 가열하여 연료로 공급할 수 있다. 또한 연료 중 황 성분을 포함하고 있지 않아 저온 부식 문제가 발생할 가능성이 낮으므로 150 ℃ 이하의 폐열도 회수할 수 있다. 따라서 본 실시예들에서는 이와 같이 엔진에서 배출되는 배기가스 폐열을 저온 폐열 회수에 적합한 유기랭킨사이클(ORC, Organic Rankine Cycle)을 적용한 열매체순환라인에 의해 회수할 수 있도록 한다.
열매체순환라인(RCL)에는, 작동유체가 배기가스와 열교환으로 가열되는 기화부(100), 기화부에서 가열된 작동유체를 공급받아 기액분리하는 기액분리기(200), 기액분리기에서 분리된 기체 상태의 작동유체를 공급받아 팽창시키면서 축동력을 생산하는 팽창터빈(300), 팽창터빈을 통과하여 팽창냉각된 작동유체를 공급받아 냉각하여 액체로 상변화시키는 응축기(400)와, 응축기에서 응축된 작동유체를 가압하여 기화부로 이송하는 공급펌프(500), 공급펌프에서 가압된 작동유체를 공급받아 가열하여 기화부로 공급하는 제1 및 제2 환열기(recuperator)(600, 650)가 마련된다. 제1 및 제2 환열기는 공급펌프에서 가압되어 기화부로 공급될 작동유체를 예열하는 장치로, 제1 환열기(600)에서는 공급펌프에서 가압된 작동유체가, 팽창터빈에서 팽창냉각 후 응축기로 공급될 작동유체와 열교환되고, 제2 환열기(650a, 650b, 650c, 650d)에서는 공급펌프에서 가압된 작동유체가, 선내 압축장치 또는 냉각장치로부터 폐열을 공급받아 가열된다. 기액분리기에서 분리된 액체 상태의 작동유체는 리퀴드라인(LL, LLc, LLd)을 통해 열매체순환라인의 팽창터빈(300) 후단으로 공급되어, 팽창터빈을 통과한 작동유체와 함께 제1 환열기를 지나 응축기(400)로 공급된다.
본 실시예들에서 기화부(100)는 공급펌프에서 이송된 작동유체가 흐르는 방향을 따라 마련되는 기화기(110)와 과열기(120)를 포함한다. 배기가스공급라인(HL)을 통해 공급된 배기가스는 기화부의 과열기(120)와 기화기(110)를 순차 통과함으로써, 과열기를 통과하는 배기가스는 기화기를 통과하는 배기가스보다 상대적으로 고온이다.
그에 따라, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 우선 제1 및 제2 실시예에서는 공급펌프(500)에서 가압된 작동유체가 제1 또는 제2 환열기(600, 650a, 650b)를 지나면서 예열되고, 기화기(110)에서 상대적으로 저온인 배기가스와 열교환으로 기화된 후 기액분리기(200)로 도입되어 기액분리되고, 상분리된 기체 상태의 작동유체는 다시 기화부의 과열기(120)를 거쳐 고온 배기가스에 의해 추가 가열되어 팽창터빈(300)으로 이송된다. 이와 같이 팽창터빈으로 공급될 작동유체를 과열기(120)에서 고온 배기가스로 추가 가열하여 과열 상태로 팽창터빈에 공급함으로써 액적 발생을 방지하고, 폐열 회수효율 및 시스템 안정성을 높일 수 있다.
먼저, 도 1 및 2의 제1 및 제2 실시예 시스템에서 열매체순환라인을 순환하는 작동유체로는 저온 폐열 회수에 적합하도록 물보다 끓는점이 낮은 유체가 적용될 수 있다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 응축기(500)에서 응축된 액체 상태의 작동유체는 공급펌프(500)에 의해 팽창터빈 구동에 필요한 압력으로 가압되어 제1 또는 제2 환열기(600, 650a, 650b)를 거쳐 기화부(100)의 기화기(110)로 이송된다. 공급펌프에서 가압된 작동유체는 분기되어 제1 환열기(450)에서는 열매체순환라인의 리퀴드라인 합류지점 하류에서 응축기로 공급될 작동유체와 열교환으로 가열되고, 제2 환열기(650a, 650b)에서는 선내 압축장치 또는 냉각장치로부터 배출되는 공기, 냉각수 등의 폐열을 공급받아 가열된다. 즉, 제1 환열기(600)에서는 공급펌프(500) 후단의 가압된 작동유체와 응축기(400) 전단의 작동유체가 열교환되고, 제2 환열기에서는 선내 다른 장치의 폐열을 회수한다. 제1 또는 제2 환열기를 거쳐 예열된 작동유체는 기화기(110)로 공급되어, 배기가스공급라인(HL)을 따라 공급되어 과열기를 거친 배기가스(HM) 폐열을 공급받아 가열되어 상변화되고, 기액분리기(200)를 거쳐 기체 상태의 작동유체는 다시 기화부의 과열기로 도입되어 배기가스공급라인(HL)을 따라 공급되는 고온 배기가스에 의해 가열되어 과열상태로 팽창터빈(300)에 공급된다. 기체 상태의 작동유체는 팽창터빈(300)을 통과하여 팽창되면서 터빈을 구동시켜 축동력을 생산하고, 팽창으로 일부 냉각된 후 제1 환열기(600)를 거쳐 열교환하고 응축기(500)로 이송된다. 작동유체는 응축기(500)에서 냉각수공급라인(CL)을 따라 공급되는 냉각수에 의해 추가 냉각되면서 응축되어 액체 상태로 공급펌프(500)로 공급된다. 이와 같이 작동유체는 폐루프로 된 열매체순환라인(RCL)에서 상변화하면서 순환하며, 배기가스 폐열을 회수하여 동력으로 전환한다.
배기가스 폐열을 통해 팽창터빈(300)에서 생산된 축동력(SP)을 이용하여 발전기를 구동해 전력을 얻을 수도 있고, 축동력에 의해 압축기에서 공기를 압축하여 압축공기를 선내 소비처로 공급할 수도 있다.
도 2에 도시된 제2 실시예 시스템은 이와 같이 팽창터빈(300)과 축(shaft)으로 연결된 압축기(350)를 추가한 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이 제2 실시예 시스템은, 팽창터빈(300)에서 생산된 축동력에 의해 공기를 압축하는 압축기(350)와, 압축기로 공기를 공급하는 공기공급라인(AL)을 더 포함한다.
압축기(350)에서 압축된 압축공기는 공기공급라인(AL)을 따라 제2 환열기(650b)를 거쳐 작동유체와 열교환 후 선내 소비처(CS)로 공급하도록 구성하였다. 즉 본 제2 실시예 및 후술하는 제4 실시예 시스템에서는 팽창터빈(300)과 축(shaft) 연결된 압축기(350)를 마련하여, 축동력에 의해 압축공기를 생성하여 선내 소비처(CS)로 공급하면서 압축기 출구에서의 압축공기 열을 제2 환열기(650b, 650d)에서 회수하여 작동유체 예열에 활용한다.
압축공기가 공급되는 선내 압축공기 소비처(CS)는 예를 들어, 선박의 선체 외부 바닥면에 공기를 분사하여 선체 이동 시 마찰저항을 감소시키는 공기 윤활시스템(Air Lubrication System)일 수 있다. 공기 윤활시스템은 선체 외부 바닥면으로 공기를 주입하여 선체와 바닷물 사이에 공기층을 연속으로 형성함으로써, 선박이 진행할 때 바닷물과 선체 사이의 마찰저항을 줄여 선박의 연비를 향상시킬 수 있도록 한다.
이러한 공기 윤활시스템은, 선박 바닥으로 공기를 분사하기 위한 공기압축기(미도시), 공기이동을 위한 배관, 공기분사유닛(Air Injection Unit, 미도시), 선체 바닥 표면부에 형성되는 레이어부(air layer, 미도시), 제어부(미도시) 등을 포함하여 구성될 수 있는데, 공기 윤활시스템으로 압축공기를 공급할 수 있다. 본 실시예 시스템에서 팽창터빈의 축동력으로 압축기에서 공기를 압축하고, 생성된 압축공기를 공기 윤활시스템으로 공급할 수 있으며, 공기 윤활시스템에 별도의 공기압축기를 마련하지 않고 폐열회수시스템의 압축기로 대체할 수도 있고, 공기 윤활시스템에 공기압축기를 구성하되 기존보다 용량을 줄여 설치하면서 폐열회수시스템에서 생성된 압축공기에 의해 부족한 용량을 보충 공급할 수 있다. 공기 윤활시스템으로 압축공기를 공급하는 경우 압축기의 압축비는 2 정도일 수 있으며, 이 경우 압축기(300)로 1단 원심형 압축기(centrifugal compressor)를 구성할 수 있다.
이와 같이 본 실시예들 시스템은 복수의 환열기가 마련된 열매체순환라인(RCL)과, 배기가스 온도에 따라 순차로 폐열을 회수할 수 있도록 구성된 기화부(100)를 통해 저인화점 연료를 사용한 엔진에서 발생하는 배기가스 폐열을 회수하여 동력으로 전환하고 전력을 생산하거나 압축공기를 생산하여 선내 소비처로 공급함으로써, 선박의 에너지 효율을 높일 수 있다.
다음으로, 도 3 및 4에 도시된 제3 및 제4 실시예는 전술한 제1 및 제2 실시예 시스템에, 기액분리기에서 분리되어 리퀴드라인(LLc, LLd)으로 흐르는 액체 상태의 작동유체 열에너지를 회수할 수 있는 제3 환열기(700)와 저온 배기가스의 배열을 회수할 수 있는 기화부(100)의 배열히터(130)를 추가로 구성한 것이다. 전술한 실시예 시스템들과 중복된 설명은 생략하고 추가되거나 차이가 있는 구성만을 설명한다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 본 실시예 시스템들에서는 열매체순환라인(RCL)에 공급펌프(500)에서 가압 후 제1 또는 제2 환열기(600, 650c, 650d)에서 열교환으로 예열된 작동유체를 공급받아 가열하여 기화기(110)로 공급하는 제3 환열기(700)가 마련된다. 제3 환열기(700)에서는 공급펌프에서 가압 후 분기되어 제1 또는 제2 환열기를 통과한 작동유체가 합류되어 제3 환열기를 지나면서, 기액분리기(200)에서 분리되어 리퀴드라인(LLc, LLd)을 흐르는 액체 상태의 작동유체와 열교환으로 가열된다.
이와 같이 제3 환열기(700)의 위치를 구성함으로써 기화기(110)를 거쳐 배기가스 폐열로 가열되었으나 상변화되지 않고 액체 상태로 남아있는 작동유체의 열에너지를, 공급펌프와 제1 또는 제2 환열기를 거쳐 기화기로 공급될 작동유체가 흡수하여 예열될 수 있다.
본 실시예들에서 열매체순환라인(RCL)의 작동유체는 예를 들어 암모니아수용액일 수 있다. 암모니아수용액이 기화기(110)에서 저온 배기가스와 열교환되어 가열되는 경우 끓는점이 낮은 암모니아는 기화되어 기체 상태로 상변화되나 물은 기화되지 않고 액체 상태로 남아있을 수 있다. 이 경우 기액분리기(200)에서 상분리 후 과열기(120)를 거쳐 팽창터빈(300)에는 과열된 기체 상태의 암모니아 가스를 공급하고, 기액분리기에서 분리된 물은 리퀴드라인(LLc, LLd)으로 보내 제3 환열기(700)에서 열에너지를 회수한 후 팽창터빈(300) 후단으로 이송하여 팽창터빈(300)을 통과한 암모니아와 함께 제1 환열기(600)을 거쳐 응축기(400)로 공급한다.
한편, 본 실시예들에서 기화부에는, 배기가스공급라인을 통해 과열기(120)와 기화기(110)를 순차 통과한 저온 배기가스가 작동유체와 열교환되는 배열히터(130)가 추가로 마련된다. 공급펌프(500)에서 가압 후 제1 환열기(600)에서 열교환된 작동유체 일부를 분기라인(RCLc, RCLd)을 통해 분기하여 배열히터(130)를 거쳐 저온 배기가스로 가열한 후 열매체순환라인(RCL)의 제3 환열기(700) 후단으로 공급할 수 있다. 그에 따라 공급펌프(500)에서 가압 후 제1 환열기(600)를 거쳐 예열된 작동유체 중 일부는 제2 환열기(650c, 65d)에서 예열된 작동유체와 합류되어 제3 환열기(700)에서 리퀴드라인(LLc, LLd)의 유체 흐름을 통해 가열되고, 다른 일부는 배열히터(130)에서 저온 배기가스 흐름을 통해 가열된 후 제3 환열기(700) 후단에서 합류되어 기화부의 기화기(130)로 공급됨으로써, 배기가스 폐열 회수량을 더욱 높일 수 있다.
제4 실시예 시스템은 전술한 바와 같이 제3 실시예 시스템에 제2 실시예 시스템과 마찬가지로 축동력을 이용하여 압축기(350)에 의해 압축공기를 생성하여 선내 소비처(CS)로 공급하면서, 압축기(350) 출구 측에서 제2 환열기(650d)를 거쳐 선내 소비처로 압축공기가 이송되도록 공기공급라인(AL)을 구성함으로써 압축공기의 폐열을 작동유체 예열에 활용할 수 있도록 한 것이다. 중복된 설명은 생략한다.
이와 같이 본 실시예 시스템들은 제3 환열기와 배열히터를 통해 열효율 효율을 보다 높여 배기가스 폐열을 효과적으로 흡수할 수 있다. 또한 열매체순환라인의 작동유체로 암모니아수용액을 적용함으로써 작동유체의 보충 및 관리가 용이하다. 특히 엔진 연료로 암모니아를 공급하는 암모니아 연료추진선이나 암모니아 운반선의 경우, 화물 또는 연료를 열매체순환라인의 작동유체로 바로 사용할 수 있어 별도의 냉매 관리가 필요없고 냉매 탱크 등 관련 장치 설치비용을 줄일 수 있는 장점이 있다.
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.
RCL: 열매체순환라인
LL, LLc, LLd: 리퀴드라인
100: 기화부
110: 기화기
120: 과열기
130: 배열히터
200: 기액분리기
300: 팽창터빈
400: 응축기
500: 공급펌프
600: 제1 환열기
650a, 650b, 650c, 650d: 제2 환열기
700: 제3 환열기

Claims (10)

  1. 선박에 마련되며 작동유체가 순환하는 열매체순환라인;
    상기 열매체순환라인에 마련되며 저인화점 액화가스를 연료로 공급받는 상기 선박의 엔진에서 배출되는 배기가스와 상기 작동유체가 열교환되는 기화부;
    상기 열매체순환라인에 마련되며 상기 기화부에서 가열된 작동유체를 공급받아 기액분리하는 기액분리기;
    상기 기액분리기에서 분리된 기체 상태의 작동유체를 공급받아 팽창시키면서 축동력을 생산하는 팽창터빈;
    상기 팽창터빈을 통과하여 팽창냉각된 작동유체를 공급받아 냉각하여 액체로 상변화시키는 응축기;
    상기 열매체순환라인에 마련되며 상기 응축기에서 응축된 작동유체를 공급받아 가압하는 공급펌프;
    상기 공급펌프에서 가압된 작동유체 일부를 공급받아 가열하여 상기 기화부로 공급하는 제1 환열기; 및
    상기 제1 환열기와 병렬로 마련되며 상기 공급펌프에서 가압된 작동유체의 나머지 일부를 공급받아 가열하여 상기 기화부로 공급하는 제2 환열기:를 포함하되,
    상기 제1 환열기에서는 상기 공급펌프에서 가압된 작동유체가, 상기 팽창터빈에서 팽창냉각 후 상기 응축기로 공급될 작동유체와 열교환되고,
    상기 제2 환열기에서는 상기 공급펌프에서 가압된 작동유체가, 선내 압축장치 또는 냉각장치로부터 폐열을 공급받아 가열되는 것을 특징으로 하는 선박의 배기가스 폐열회수시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기화부는, 공급펌프에서 이송된 작동유체가 흐르는 방향을 따라 마련되는 기화기와 과열기를 포함하되, 상기 기화부로 상기 작동유체와 열교환될 배기가스를 공급하는 배기가스공급라인은 상기 과열기와 기화기를 순차 통과하고,
    상기 기화기에서 상기 배기가스와 열교환된 작동유체는 상기 기액분리기로 도입되어 기액분리되고 기체 상태의 작동유체는 상기 과열기를 거쳐 추가 가열되어 상기 팽창터빈으로 이송되는 것을 특징으로 하는 선박의 배기가스 폐열회수시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 응축기에 상기 작동유체의 냉각을 위한 냉각수를 공급하는 냉각수공급라인;
    상기 기액분리기에서 분리된 액체 상태의 작동유체를 상기 열매체순환라인의 팽창터빈 후단으로 공급하는 리퀴드라인:을 더 포함하며,
    상기 기액분리기에서 분리된 액체는 상기 리퀴드라인을 따라 상기 팽창터빈을 통과한 작동유체와 함께 상기 제1 환열기를 지나 응축기로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박의 배기가스 폐열회수시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 팽창터빈에서 생산된 축동력에 의해 공기를 압축하는 압축기; 및
    상기 압축기로 공기를 공급하는 공기공급라인:을 더 포함하고,
    상기 압축기에서 압축된 압축공기는 공기공급라인을 따라 상기 제2 환열기를 거쳐 상기 작동유체와 열교환 후 선내 소비처로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박의 배기가스 폐열회수시스템.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 열매체순환라인에 마련되며 상기 공급펌프에서 가압 후 상기 제1 또는 제2 환열기에서 열교환된 작동유체를 공급받아 가열하여 상기 기화기로 공급하는 제3 환열기를 더 포함하는 선박의 배기가스 폐열회수시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제3 환열기에서는 상기 공급펌프에서 가압 후 상기 제1 또는 제2 환열기를 통과한 작동유체가 상기 기액분리기에서 분리되어 리퀴드라인을 흐르는 액체 상태의 작동유체와 열교환으로 가열되는 것을 특징으로 하는 선박의 배기가스 폐열회수시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 기화부는, 상기 배기가스공급라인을 통해 상기 과열기와 기화기를 순차 통과한 배기가스가 작동유체와 열교환되는 배열히터를 더 포함하고,
    상기 공급펌프에서 가압 후 상기 제1 환열기에서 열교환된 작동유체를 분기하여 상기 배열히터를 거쳐 상기 열매체순환라인의 제3 환열기 후단으로 공급하는 분기라인을 더 포함하는 선박의 배기가스 폐열회수시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 팽창터빈에서 생산된 축동력에 의해 공기를 압축하는 압축기; 및
    상기 압축기로 공기를 공급하는 공기공급라인:을 더 포함하고,
    상기 압축기에서 압축된 압축공기는 공기공급라인을 따라 상기 제2 환열기를 거쳐 상기 작동유체와 열교환 후 선내 소비처로 공급되는 것을 특징으로 하는 선박의 배기가스 폐열회수시스템.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 작동유체는 암모니아수용액인 것을 특징으로 하는 선박의 배기가스 폐열회수시스템.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 저인화점 액화가스는 LPG 및 암모니아를 포함하는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 선박의 배기가스 폐열회수시스템.
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