KR20230152896A - 암모니아 연료 선박 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의해 암모니아 연료 선박이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 연료 선박은, 선체와, 선체에 설치되며 액상암모니아를 저장하는 연료탱크와, 제1 연료공급관을 통하여 연료탱크로부터 액상암모니아를 공급받아 동력을 발생시키는 제1 연소기관과, 제2 연료공급관을 통하여 연료탱크로부터 액상암모니아를 공급받아 동력을 발생시키는 제2 연소기관과, 제1 연소기관 및 제2 연소기관 중 적어도 하나의 배기관에 설치되어 배기가스에 포함된 아산화질소 및 질소산화물 중 적어도 하나를 저감시키는 오염물질저감장치, 및 제1 연료공급관 또는 제2 연료공급관에 잔류하거나 제1 연소기관 또는 제2 연소기관에 잔류하는 액상암모니아 또는 액상암모니아가 기화되어 생성된 암모니아를 회수하여 오염물질저감장치에 환원제로 공급하는 회수관을 포함할 수 있다.

Description

암모니아 연료 선박{Ammonia fuel vessel}
본 발명은 암모니아 연료 선박에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 엔진의 이상상황 발생 시 암모니아를 효과적으로 처리할 수 있는 암모니아 연료 선박에 관한 것이다.
일반적으로, 선박에 설치되는 각종 엔진은 화석 연료를 연소하여 동력을 생성하며, 연료의 연소과정에서 발생되는 배기가스는 질소산화물, 황산화물, 이산화탄소 등을 포함하고 있다. 배기가스에 포함된 오염물질로 인한 대기오염이 증가함에 따라 저탄소 또는 탈탄소 연료를 이용하여 동력을 생성하는 친환경 선박의 개발이 요구되고 있으며, 차세대 친환경 연료 중 하나로 연소 시 이산화탄소의 배출이 없는 암모니아가 대두되고 있다.
한편, 암모니아를 연료로 하는 종래의 선박은 엔진이 셧다운(shut-down) 또는 트립(trip, 차단기 자동 개방)되는 등 이상상황 발생 시 암모니아를 공급하는 배관, 및 엔진 사이드 쪽에 있는 연료 잔여물을 신속하게 퍼징하고 퍼징된 연료를 한데 모아 대기로 방출하였다. 그러나, 암모니아는 독성 물질이고, 대기로 방출 시 삽시간에 흩어져 퍼지는 것이 아니므로, 암모니아를 대기로 방출하는 것은 안전 상의 문제가 있다. 이에, 암모니아를 물에 용해시켜 농도를 낮춘 후 방출하는 방법이 제안되었으나, 탱크 내 일정량의 물에 다량의 암모니아를 용해시키는데 어려움이 있고, 암모니아가 용해된 물의 pH가 높아 해상에 그대로 방류할 수 없어 처리가 곤란한 문제도 있다.
이에, 엔진의 이상상황 발생 시 암모니아를 효과적으로 처리할 수 있는 선박이 필요하게 되었다.
대한민국 공개특허 제10-2022-0034270호 (2022.03.18.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 엔진의 이상상황 발생 시 암모니아를 효과적으로 처리할 수 있는 암모니아 연료 선박을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 암모니아 연료 선박은, 선체와, 상기 선체에 설치되며 액상암모니아를 저장하는 연료탱크와, 제1 연료공급관을 통하여 상기 연료탱크로부터 상기 액상암모니아를 공급받아 동력을 발생시키는 제1 연소기관과, 제2 연료공급관을 통하여 상기 연료탱크로부터 상기 액상암모니아를 공급받아 동력을 발생시키는 제2 연소기관과, 상기 제1 연소기관 및 상기 제2 연소기관 중 적어도 하나의 배기관에 설치되어 배기가스에 포함된 아산화질소 및 질소산화물 중 적어도 하나를 저감시키는 오염물질저감장치, 및 상기 제1 연료공급관 또는 상기 제2 연료공급관에 잔류하거나 상기 제1 연소기관 또는 상기 제2 연소기관에 잔류하는 상기 액상암모니아 또는 상기 액상암모니아가 기화되어 생성된 암모니아를 회수하여 상기 오염물질저감장치에 환원제로 공급하는 회수관을 포함한다.
상기 암모니아 연료 선박은, 상기 회수관으로부터 분기된 분기관으로부터 상기 액상암모니아 또는 상기 암모니아를 공급받고 연소시켜 스팀을 생성하는 보일러를 더 포함할 수 있다.
상기 암모니아 연료 선박은, 상기 제1 연소기관 또는 상기 제2 연소기관으로 공급된 상기 액상암모니아를 상기 제1 연료공급관 또는 상기 제2 연료공급관으로 순환시키는 순환관과, 상기 순환관에 잔류하는 상기 액상암모니아 또는 상기 액상암모니아가 기화되어 생성된 암모니아를 회수하여 상기 오염물질저감장치와 상기 보일러 중 적어도 하나로 공급하는 환수관을 더 포함할 수 있다.
상기 암모니아 연료 선박은, 상기 연료탱크와 상기 오염물질저감장치를 연결하여 상기 연료탱크 내부의 상기 액상암모니아 또는 상기 액상암모니아가 기화되어 생성된 암모니아를 상기 오염물질저감장치에 환원제로 공급하는 환원제공급관을 더 포함하되, 상기 회수관은 상기 환원제공급관으로 상기 액상암모니아 또는 상기 암모니아를 공급할 수 있다.
상기 오염물질저감장치는, 상기 아산화질소를 제거하는 제1 선택적촉매환원반응기와, 상기 제1 선택적촉매환원반응기 후단에 설치되어 상기 질소산화물을 제거하는 제2 선택적촉매환원반응기를 포함하고, 상기 회수관은, 상기 제1 선택적촉매환원반응기에 연결되는 제1 환원제공급관으로 상기 액상암모니아 또는 상기 암모니아를 공급하는 제1 회수관과, 상기 제2 선택적촉매환원반응기에 연결되는 제2 환원제공급관으로 상기 액상암모니아 또는 상기 암모니아를 공급하는 제2 회수관을 포함할 수 있다.
상기 제1 선택적촉매환원반응기는, 산화알루미늄(Al2O3)으로 이루어진 담체에 코발트(Co), 로듐(Rh), 세륨-코발트 복합산화물(Ce-Co-O) 중 적어도 하나가 담지된 촉매, 또는 아연이 함침된 산화알루미늄(Zn-Al2O3)으로 이루어진 담체에 로듐(Rh)이 담지된 촉매, 또는 제올라이트(zeolite)로 이루어진 담체에 철(Fe)이 담지된 촉매를 포함하여, 상기 액상암모니아 또는 상기 암모니아가 환원제로 공급되면, 상기 아산화질소가 질소와 산소로 환원될 수 있다.
본 발명에 따르면, 연소기관의 이상상황 발생 시 연료공급관 또는 연소기관에 잔류하는 액상암모니아 또는 암모니아를 회수하여 오염물질저감장치에 환원제로 공급하거나 보일러에 연료로 공급하거나 보일러에서 소각하므로, 별도의 암모니아 벤트 시스템 없이도 암모니아를 효과적으로 처리할 수 있음은 물론 선내 공간 활용도를 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 암모니아 연료 선박을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 제1 선택적촉매환원반응기를 확대하여 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 5는 암모니아 연료 선박의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 암모니아 연료 선박에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 암모니아 연료 선박은 암모니아를 연료로 사용하는 선박으로, 예를 들어, 암모니아를 연소기관 및 보일러에 연료로 공급하여 추진력, 전기, 스팀 등을 생성할 수 있다.
암모니아 연료 선박은 연소기관의 이상상황 발생 시 연료공급관 또는 연소기관에 잔류하는 액상암모니아 또는 암모니아를 회수하여 오염물질저감장치에 환원제로 공급하거나 보일러에 연료로 공급하거나 보일러에서 소각하므로, 별도의 암모니아 벤트 시스템 없이도 암모니아를 효과적으로 처리할 수 있음은 물론 선내 공간 활용도를 증대시킬 수 있는 특징이 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 암모니아 연료 선박(1)에 관하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 암모니아 연료 선박을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 제1 선택적촉매환원반응기를 확대하여 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 암모니아 연료 선박(1)은 선체(10), 연료탱크(20), 제1 연소기관(30), 제2 연소기관(40), 오염물질저감장치(50A, 50B), 및 회수관(60A, 60B)을 포함한다.
선체(10)는 암모니아 연료 선박(1)의 외형(外形)을 이루는 것으로, 외측면이 유선형(流線型)으로 형성되어 해수로 인한 저항을 최소화할 수 있다. 선체(10)는 후술할 제1 연소기관(30) 및 제2 연소기관(40) 중 적어도 하나로부터 생성된 동력으로 추진되며, 내부에 적어도 하나의 연료탱크(20)가 설치된다.
연료탱크(20)는 액상암모니아를 저장하는 탱크로, 내부 압력이 일정하게 유지되는 멤브레인 타입의 상압탱크로 형성될 수 있다. 연료탱크(20)에 저장된 액상암모니아는 제1 연소기관(30)과 제2 연소기관(40)으로 각각 공급될 수 있다.
제1 연소기관(30)과 제2 연소기관(40)은 액상암모니아를 연소하여 동력을 발생시키는 장치를 통칭하며, 예를 들어, 암모니아 엔진일 수 있다.
제1 연소기관(30)은 제1 연료공급관(31)을 통하여 연료탱크(20)로부터 액상암모니아를 공급받아 동력을 발생시키며, 제1 연료공급관(31)은 일단이 연료탱크(20)를 관통하여 연료탱크(20) 내부에 설치된 저압펌프(21)에 연결되고, 타단은 연료탱크(20) 외부로 연장되어 제1 연소기관(30)에 연결될 수 있다. 제1 연료공급관(31) 상에는 제1 승압펌프(32)와 제1 열교환기(33)가 연결된다. 제1 승압펌프(32)는 연료탱크(20)로부터 공급되는 액상암모니아의 공급압력을 높이는 것으로, 제1 연료공급관(31) 상에 적어도 하나가 설치될 수 있다. 제1 승압펌프(32)는 제1 연소기관(30)에서 요구하는 압력 이상으로 액상암모니아를 가압하며, 가압된 액상암모니아는 제1 열교환기(33)로 이동하여 가열될 수 있다. 제1 열교환기(33)는 해수, 청수, 글리콜워터 중 적어도 하나와 열교환을 통해 액상암모니아의 온도를 높일 수 있다. 즉, 연료탱크(20)에 저장된 액상암모니아는 제1 승압펌프(32)와 제1 열교환기(33)를 차례로 통과하며 가압 및 가열된 후 제1 연료공급관(31)을 통해 제1 연소기관(30)으로 공급되어 연료로 사용된다. 한편, 제1 연소기관(30)으로 공급된 액상암모니아가 연소조건에 맞지 않는 경우, 제1 연소기관(30) 내부의 액상암모니아는 제1 순환관(34)을 통해 제1 연료공급관(31)으로 순환되어 재 가압 및 가열될 수 있다. 제1 순환관(34)은 제1 승압펌프(32) 전단으로 액상암모니아를 순환시키며, 제1 순환관(34) 상에는 액상암모니아를 해수, 냉매 등과 열교환하여 냉각시키는 제1 냉각기(34a)가 설치될 수 있다.
제2 연소기관(40)은 제2 연료공급관(41)을 통하여 연료탱크(20)로부터 액상암모니아를 공급받아 동력을 발생시키며, 제2 연료공급관(41)은 일단이 연료탱크(20)를 관통하여 연료탱크(20) 내부에 설치된 저압펌프(21)에 연결되고, 타단은 연료탱크(20) 외부로 연장되어 제2 연소기관(40)에 연결될 수 있다. 도면 상에는 제2 연료공급관(41)의 일단이 제1 연료공급관(31)에 연결된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 것 아니며, 필요에 따라, 제2 연료공급관(41)은 일단이 저압펌프(21)에 직접 연결될 수도 있다. 제2 연료공급관(41) 상에는 제2 승압펌프(42)와 제2 열교환기(43)가 연결된다. 제2 승압펌프(42)는 연료탱크(20)로부터 공급되는 액상암모니아의 공급압력을 높이는 것으로, 제2 연료공급관(41) 상에 적어도 하나가 설치될 수 있다. 제2 승압펌프(42)는 제2 연소기관(40)에서 요구하는 압력 이상으로 액상암모니아를 가압하며, 가압된 액상암모니아는 제2 열교환기(43)로 이동하여 가열될 수 있다. 제2 열교환기(43)는 해수, 청수, 글리콜워터 중 적어도 하나와 열교환을 통해 액상암모니아의 온도를 높일 수 있다. 즉, 연료탱크(20)에 저장된 액상암모니아는 제2 승압펌프(42)와 제2 열교환기(43)를 차례로 통과하며 가압 및 가열된 후 제2 연료공급관(41)을 통해 제2 연소기관(40)으로 공급되어 연료로 사용된다. 한편, 제2 연소기관(40)으로 공급된 액상암모니아가 연소조건에 맞지 않는 경우, 제2 연소기관(40) 내부의 액상암모니아는 제2 순환관(44)을 통해 제2 연료공급관(41)으로 순환되어 재 가압 및 가열될 수 있다. 제2 순환관(44)은 제2 승압펌프(42) 전단으로 액상암모니아를 순환시키며, 제2 순환관(44) 상에는 액상암모니아를 해수, 냉매 등과 열교환하여 냉각시키는 제2 냉각기(44a)가 설치될 수 있다.
제1 연소기관(30)과 제2 연소기관(40)이 액상암모니아를 연소하여 동력을 생성함으로써, 이산화탄소가 발생되지 않아 국제해사기구의 이산화탄소 배출규제를 만족시킬 수 있다. 도면 상에는 제1 열교환기(33)와 제2 열교환기(43)가 각각 제1 승압펌프(32)와 제2 승압펌프(42) 후단에 설치된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 필요에 따라, 제1 열교환기(33)와 제2 열교환기(43)는 각각 제1 승압펌프(32)와 제2 승압펌프(42) 전단에 설치될 수도 있다.
제1 연소기관(30)과 제2 연소기관(40)에서 발생된 배기가스는 각각 제1 배기관(E1)과 제2 배기관(E2)을 통해 배출되며, 제1 배기관(E1)과 제2 배기관(E2) 중 적어도 하나에는 배기가스에 포함된 아산화질소 및 질소산화물 중 적어도 하나를 저감시키는 오염물질저감장치(50A, 50B)가 설치될 수 있다. 액상암모니아를 연소하는 경우, 이산화탄소는 발생되지 않으나 질소산화물과 아산화질소가 발생되는 문제가 있다. 질소산화물은 식물의 고사 및 산성비의 원인이 되는 대기오염 물질이고, 아산화질소는 지구온난화의 원인이 되는 온실가스이므로, 배기가스로부터 제거가 요구된다. 오염물질저감장치(50A, 50B)는 액상암모니아 또는 암모니아를 환원제로 하여 배기가스에 포함된 아산화질소 및 질소산화물 중 적어도 하나를 환원시키는 촉매반응기로 형성되며, 일 측에 액상암모니아 또는 암모니아의 공급을 위한 환원제공급관(80A, 80B)이 연결될 수 있다.
환원제공급관(80A, 80B)은 연료탱크(20)와 오염물질저감장치(50A, 50B)를 연결하여, 연료탱크(20) 내부의 액상암모니아 또는 액상암모니아가 기화되어 생성된 암모니아를 오염물질저감장치(50A, 50B)에 환원제로 공급할 수 있다. 이하, 환원제공급관(80A, 80B)이 연료탱크(20) 내부의 암모니아를 오염물질저감장치(50A, 50B)로 공급하는 구조를 보다 중점적으로 설명한다. 전술한 바와 같이, 연료탱크(20)가 상압탱크로 형성되면, 탱크 설계 비용과 중량을 줄일 수 있는 장점이 있으나 내부 압력이 높지 않아 액상암모니아가 쉽게 자연 기화할 수 있다. 또는, 슬로싱(sloshing) 등의 이유로 액상암모니아가 자연 기화할 수도 있다. 액상암모니아가 기화되어 생성된 암모니아는 탱크 내압을 증가시켜 액상암모니아의 기화를 촉진시키는 등 여러 가지 문제를 유발하므로, 환원제공급관(80A, 80B)을 통해 배출하여 오염물질저감장치(50A, 50B)로 공급할 수 있다.
오염물질저감장치(50A, 50B)는, 아산화질소를 제거하는 제1 선택적촉매환원반응기(51a, 51b)와, 질소산화물을 제거하는 제2 선택적촉매환원반응기(52a, 52b)를 포함하고, 환원제공급관(80A, 80B)은, 제1 선택적촉매환원반응기(51a, 51b)에 연결되는 제1 환원제공급관(81a, 81b)과, 제2 선택적촉매환원반응기(52a, 52b)에 연결되는 제2 환원제공급관(82a, 82b)을 포함할 수 있다. 제1 선택적촉매환원반응기(51a, 51b)에서 아산화질소를 환원시키는 반응온도가, 제2 선택적촉매환원반응기(52a, 52b)에서 질소산화물을 환원시키는 반응온도보다 높으므로, 제2 선택적촉매환원반응기(52a, 52b)는 제1 선택적촉매환원반응기(51a, 51b) 후단에 설치될 수 있다. 제1 선택적촉매환원반응기(51a, 51b)는 제1 환원제공급관(81a, 81b)을 통해 공급된 액상암모니아 또는 암모니아와 섞인 배기가스를 반응기에 설치된 촉매층에 통과시켜 아산화질소를 질소와 산소로 환원시킬 수 있다. 촉매층은 도 2에 도시된 바와 같이, 허니컴(honeycomb) 구조 또는 플레이트(plate) 구조로 형성될 수 있으며, 적어도 하나가 반응기 내부에 설치될 수 있다. 촉매층은, 산화알루미늄(Al2O3)으로 이루어진 담체에 코발트(Co), 로듐(Rh), 세륨-코발트 복합산화물(Ce-Co-O) 중 적어도 하나가 담지된 촉매, 또는 아연이 함침된 산화알루미늄(Zn-Al2O3)으로 이루어진 담체에 로듐(Rh)이 담지된 촉매, 또는 제올라이트(zeolite)로 이루어진 담체에 철(Fe)이 담지된 촉매를 포함할 수 있다.
제2 선택적촉매환원반응기(52a, 52b)는 제2 환원제공급관(82a, 82b)을 통해 공급된 액상암모니아 또는 암모니아와 섞인 배기가스를 반응기에 설치된 촉매층에 통과시켜 질소산화물을 질소와 물로 환원시킬 수 있다. 촉매층은 허니컴 구조 또는 플레이트 구조로 형성될 수 있으며, 적어도 하나가 반응기 내부에 설치될 수 있다. 질소산화물을 환원시키는 제2 선택적촉매환원반응기(52a, 52b)는 공지된 기술이므로, 촉매층에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
한편, 제1 연소기관(30)과 제2 연소기관(40)은 셧다운 또는 트립될 수 있으며, 이 때, 제1 연료공급관(31) 및 제1 연소기관(30), 제2 연료공급관(41) 및 제2 연소기관(40)에 잔류하는 액상암모니아 또는 액상암모니아가 기화되어 생성된 암모니아를 신속하게 처리해야 한다. 회수관(60A, 60B)은 제1 연료공급관(31) 또는 제2 연료공급관(41)에 잔류하거나 제1 연소기관(30) 또는 제2 연소기관(40)에 잔류하는 액상암모니아 또는 액상암모니아가 기화되어 생성된 암모니아를 회수하여 오염물질저감장치(50A, 50B)에 환원제로 공급할 수 있다. 예를 들어, 제1 연소기관(30)이 셧다운 또는 트립된 경우, 회수관(60A)은 제1 연료공급관(31) 또는 제1 연소기관(30)에 잔류하는 액상암모니아 또는 암모니아를 제2 연소기관(40)에 연결된 오염물질저감장치(50B)에 환원제로 공급할 수 있다. 만약, 제1 연소기관(30)이 셧다운 또는 트립된 상태에서 제1 연소기관(30)에 연결된 오염물질저감장치(50A)가 동작하는 경우, 회수관(60A)은 제1 연료공급관(31) 또는 제1 연소기관(30)에 잔류하는 액상암모니아 또는 암모니아를 제1 연소기관(30)에 연결된 오염물질저감장치(50A)에 환원제로 공급할 수도 있다. 반대로, 제2 연소기관(40)이 셧다운 또는 트립된 경우, 회수관(60B)은 제2 연료공급관(41) 또는 제2 연소기관(40)에 잔류하는 액상암모니아 또는 암모니아를 제1 연소기관(30)에 연결된 오염물질저감장치(50A)에 환원제로 공급할 수 있다. 만약, 제2 연소기관(40)이 셧다운 또는 트립된 상태에서 제2 연소기관(40)에 연결된 오염물질저감장치(50B)가 동작하는 경우, 회수관(60B)은 제2 연료공급관(41) 또는 제2 연소기관(40)에 잔류하는 액상암모니아 또는 암모니아를 제2 연소기관(40)에 연결된 오염물질저감장치(50B)에 환원제로 공급할 수도 있다. 회수관(60A, 60B)은 환원제공급관(80A, 80B)으로 액상암모니아 또는 암모니아를 공급할 수 있으며, 제1 환원제공급관(81a, 81b)으로 액상암모니아 또는 암모니아를 공급하는 제1 회수관(61a, 61b)과, 제2 환원제공급관(82a, 82b)으로 액상암모니아 또는 암모니아를 공급하는 제2 회수관(62a, 62b)을 포함할 수 있다.
또한, 회수관(60A, 60B)에는 분기관(63A, 63B)이 분기될 수 있으며, 분기관(63A, 63B)으로 분기된 액상암모니아 또는 암모니아는 보일러(70)로 공급되어 연료로 사용될 수 있다. 보일러(70)는 액상암모니아 또는 암모니아를 공급받고 연소시켜 선내 필요한 스팀을 생성하는 것으로, 분기관(63A, 63B)으로부터 액상암모니아 또는 암모니아를 공급받거나 제3 연료공급관(71)을 통하여 연료탱크(20)로부터 액상암모니아를 공급받을 수 있다. 제3 연료공급관(71)은 일단이 연료탱크(20)를 관통하여 연료탱크(20) 내부에 설치된 저압펌프(21)에 연결되고, 타단은 연료탱크(20) 외부로 연장되어 보일러(70)에 연결될 수 있다. 도면 상에는 제3 연료공급관(71)의 일단이 제2 연료공급관(41)에 연결된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 필요에 따라, 제3 연료공급관(71)은 일단이 저압펌프(21)에 직접 연결될 수도 있다. 제3 연료공급관(71) 상에는 해수, 청수, 글리콜워터 중 적어도 하나와 열교환을 통해 액상암모니아의 온도를 높이는 제3 열교환기(72)가 연결되므로, 연료탱크(20)에 저장된 액상암모니아는 제3 열교환기(72)에서 가열된 후 보일러(70)로 공급되어 연료로 사용될 수 있다. 분기관(63A, 63B)은 제3 열교환기(72) 전단의 제3 연료공급관(71)으로 액상암모니아 또는 암모니아를 공급하며, 액상암모니아 또는 암모니아는 제3 열교환기(72)에서 가열된 후 보일러(70)로 공급될 수 있다. 한편, 제1 연소기관(30)과 제2 연소기관(40)의 구동이 중단되어 오염물질저감장치(50A, 50B)가 구동되지 않고, 동시에, 보일러(70)도 구동되지 않는 경우, 회수관(60A, 60B)으로 회수된 액상암모니아 또는 암모니아는 분기관(63A, 63B)을 통해 보일러(70)로 공급되어 소각될 수 있다. 즉, 보일러(70)는 스팀을 생성하는 본래의 기능이 아닌 가스소각장치(GCU, Gas Combustion Unit)로 활용되어 액상암모니아 또는 암모니아를 소각할 수 있다. 이처럼, 연료공급관(31, 41) 또는 연소기관(30, 40)에 잔류하는 액상암모니아 또는 암모니아를 회수하여 오염물질저감장치(50A, 50B)에 환원제로 공급하거나 보일러(70)에 연료로 공급하거나 보일러(70)에서 소각함으로써, 별도의 암모니아 벤트 시스템 없이도 암모니아를 효과적으로 처리할 수 있음은 물론 선내 공간 활용도를 증대시킬 수 있다.
한편, 전술한 제1 순환관(34)과 제2 순환관(44)에 잔류하는 액상암모니아 또는 액상암모니아가 기화되어 생성된 암모니아도 환수관(35, 45)을 통해 회수되어 오염물질저감장치(50A, 50B)와 보일러(70) 중 적어도 하나로 공급될 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 암모니아 연료 선박(1)의 동작에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 3 내지 도 5는 암모니아 연료 선박의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
본 발명에 따른 암모니아 연료 선박(1)은 연소기관의 이상상황 발생 시 연료공급관 또는 연소기관에 잔류하는 액상암모니아 또는 암모니아를 회수하여 오염물질저감장치(50A, 50B)에 환원제로 공급하거나 보일러(70)에 연료로 공급하거나 보일러(70)에서 소각하므로, 별도의 암모니아 벤트 시스템 없이도 암모니아를 효과적으로 처리할 수 있음은 물론 선내 공간 활용도를 증대시킬 수 있다.
도 3은 제1 연소기관과 제2 연소기관이 정상적으로 구동될 때의 동작을 설명하기 위한 작동도이고, 도 4는 제1 연소기관의 이상상황 발생 시 동작을 설명하기 위한 작동도이며, 도 5는 제1 연소기관과 제2 연소기관의 이상상황 발생 시 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
먼저, 도 3을 참조하면, 연료탱크(20)에 저장된 액상암모니아는 저압펌프(21)에 의해 가압되어 제1 연료공급관(31)과 제2 연료공급관(41), 및 제3 연료공급관(71)으로 각각 유입되고, 연료탱크(20)에 저장된 액상암모니아가 기화되어 생성된 암모니아는 제1 환원제공급관(81a, 81b)과 제2 환원제공급관(82a, 82b)으로 각각 유입된다.
제1 연료공급관(31)으로 유입된 액상암모니아는 제1 승압펌프(32)와 제1 열교환기(33)를 차례로 통과하며 가압 및 가열된 후 제1 연소기관(30)으로 공급되며, 제1 연소기관(30)으로 공급된 액상암모니아가 연소조건에 맞지 않는 경우, 제1 순환관(34)을 통해 제1 연료공급관(31)으로 순환시켜 재 가압 및 가열한다. 제1 연소기관(30)은 액상암모니아를 연소하여 동력을 발생시키며, 액상암모니아의 연소에 따른 배기가스는 제1 배기관(E1)을 통해 배출된다. 제1 배기관(E1)으로 배출된 배기가스는 제1 선택적촉매환원반응기(51a)로 공급되며, 제1 선택적촉매환원반응기(51a)는 제1 환원제공급관(81a)을 통해 공급되는 암모니아를 환원제로 하여 아산화질소를 질소와 산소로 환원시킨다. 아산화질소가 제거된 배기가스는 제2 선택적촉매환원반응기(52a)로 공급되며, 제2 선택적촉매환원반응기(52a)는 제2 환원제공급관(82a)을 통해 공급되는 암모니아를 환원제로 하여 질소산화물을 질소와 물로 환원시킨다. 질소산화물도 제거된 배기가스는 제1 배기관(E1)을 통해 대기 중으로 방출된다.
제2 연료공급관(41)으로 유입된 액상암모니아는 제2 승압펌프(42)와 제2 열교환기(43)를 차례로 통과하며 가압 및 가열된 후 제2 연소기관(40)으로 공급되며, 제2 연소기관(40)으로 공급된 액상암모니아가 연소조건에 맞지 않는 경우, 제2 순환관(44)을 통해 제2 연료공급관(41)으로 순환시켜 재 가압 및 가열한다. 제2 연소기관(40)은 액상암모니아를 연소하여 동력을 발생시키며, 액상암모니아의 연소에 따른 배기가스는 제2 배기관(E2)을 통해 배출된다. 제2 배기관(E2)으로 배출된 배기가스는 제1 선택적촉매환원반응기(51b)로 공급되며, 제1 선택적촉매환원반응기(51b)는 제1 환원제공급관(81b)을 통해 공급되는 암모니아를 환원제로 하여 아산화질소를 질소와 산소로 환원시킨다. 아산화질소가 제거된 배기가스는 제2 선택적촉매환원반응기(52b)로 공급되며, 제2 선택적촉매환원반응기(52b)는 제2 환원제공급관(82b)을 통해 공급되는 암모니아를 환원제로 하여 질소산화물을 질소와 물로 환원시킨다. 질소산화물도 제거된 배기가스는 제2 배기관(E2)을 통해 대기 중으로 방출된다.
제3 연료공급관(71)으로 유입된 액상암모니아는 제3 열교환기(72)를 통과하며 가열된 후 보일러(70)로 공급되며, 보일러(70)는 액상암모니아를 연소하여 스팀을 생성한다.
이어서, 도 4를 참조하면, 제2 연소기관(40)은 정상 구동되고, 제1 연소기관(30)이 셧다운 또는 트립된 경우, 제1 연료공급관(31)과 제1 연소기관(30)에 각각 잔류하는 액상암모니아 또는 암모니아는 회수관(60A)으로 회수될 수 있다. 또한, 제1 순환관(34)에 잔류하는 액상암모니아 또는 암모니아도 환수관(35)을 통해 회수관(60A)으로 회수될 수 있다. 회수관(60A)으로 회수된 액상암모니아 또는 암모니아는 제1 회수관(61a)과 제2 회수관(62a)으로 분기되어 제2 배기관(E2) 상에 설치된 제1 선택적촉매환원반응기(51b)와 제2 선택적촉매환원반응기(52b)에 각각 연결된 제1 환원제공급관(81b)과 제2 환원제공급관(82b)으로 각각 공급될 수 있다. 이 때, 제1 환원제공급관(81b)과 제2 환원제공급관(81b)은 연료탱크(20)로부터의 암모니아 공급이 중단될 수 있다. 제1 선택적촉매환원반응기(51b)와 제2 선택적촉매환원반응기(52b)로 각각 공급된 액상암모니아 또는 암모니아는 아산화질소와 질소산화물을 환원시키는 환원제로 사용될 수 있다.
이이서, 도 5를 참조하면, 제1 연소기관(30)과 제2 연소기관(40)이 모두 셧다운 또는 트립된 경우, 제1 연료공급관(31)과 제1 연소기관(30), 및 제1 순환관(34)에 각각 잔류하는 액상암모니아 또는 암모니아는 회수관(60A)으로 회수되고, 제2 연료공급관(41)과 제2 연소기관(40), 및 제2 순환관(44)에 각각 잔류하는 액상암모니아 또는 암모니아도 회수관(60B)으로 회수될 수 있다. 회수관(60A, 60B)으로 회수된 액상암모니아 또는 암모니아는 분기관(63A, 63B)을 통해 제3 열교환기(72) 전단의 제3 연료공급관(71)으로 공급되어 보일러(70)의 연료로 사용될 수 있다. 이 때, 제3 연료공급관(71)은 연료탱크(20)로부터의 암모니아 공급이 중단될 수 있다. 한편, 보일러(70)가 구동되지 않는 경우에도, 회수관(60A, 60B)으로 회수된 액상암모니아 또는 암모니아는 분기관(63A, 63B)을 통해 제3 열교환기(72) 전단의 제3 연료공급관(71)으로 공급되어 보일러(70)에서 소각될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 암모니아 연료 선박
10: 선체 20: 연료탱크
21: 저압펌프 30: 제1 연소기관
31: 제1 연료공급관 32: 제1 승압펌프
33: 제1 열교환기 34: 제1 순환관
34a: 제1 냉각기 35: 환수관
40: 제2 연소기관 41: 제2 연료공급관
42: 제2 승압펌프 43: 제2 열교환기
44: 제2 순환관 44a: 제2 냉각기
45: 환수관 50A, 50B: 오염물질저감장치
51a, 51b: 제1 선택적촉매환원반응기
52a, 52b: 제2 선택적촉매환원반응기
60A, 60B: 회수관 61a, 61b: 제1 회수관
62a, 62b: 제2 회수관 63A, 63B: 분기관
70: 보일러 71: 제3 연료공급관
72: 제3 열교환기 80A, 80B: 환원제공급관
81a, 81b: 제1 환원제공급관 82a, 82b: 제2 환원제공급관
E1: 제1 배기관 E2: 제2 배기관

Claims (6)

  1. 선체;
    상기 선체에 설치되며 액상암모니아를 저장하는 연료탱크;
    제1 연료공급관을 통하여 상기 연료탱크로부터 상기 액상암모니아를 공급받아 동력을 발생시키는 제1 연소기관;
    제2 연료공급관을 통하여 상기 연료탱크로부터 상기 액상암모니아를 공급받아 동력을 발생시키는 제2 연소기관;
    상기 제1 연소기관 및 상기 제2 연소기관 중 적어도 하나의 배기관에 설치되어 배기가스에 포함된 아산화질소 및 질소산화물 중 적어도 하나를 저감시키는 오염물질저감장치, 및
    상기 제1 연료공급관 또는 상기 제2 연료공급관에 잔류하거나 상기 제1 연소기관 또는 상기 제2 연소기관에 잔류하는 상기 액상암모니아 또는 상기 액상암모니아가 기화되어 생성된 암모니아를 회수하여 상기 오염물질저감장치에 환원제로 공급하는 회수관을 포함하는 암모니아 연료 선박.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 회수관으로부터 분기된 분기관으로부터 상기 액상암모니아 또는 상기 암모니아를 공급받고 연소시켜 스팀을 생성하는 보일러를 더 포함하는 암모니아 연료 선박.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제1 연소기관 또는 상기 제2 연소기관으로 공급된 상기 액상암모니아를 상기 제1 연료공급관 또는 상기 제2 연료공급관으로 순환시키는 순환관과,
    상기 순환관에 잔류하는 상기 액상암모니아 또는 상기 액상암모니아가 기화되어 생성된 암모니아를 회수하여 상기 오염물질저감장치와 상기 보일러 중 적어도 하나로 공급하는 환수관을 더 포함하는 암모니아 연료 선박.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 연료탱크와 상기 오염물질저감장치를 연결하여 상기 연료탱크 내부의 상기 액상암모니아 또는 상기 액상암모니아가 기화되어 생성된 암모니아를 상기 오염물질저감장치에 환원제로 공급하는 환원제공급관을 더 포함하되,
    상기 회수관은 상기 환원제공급관으로 상기 액상암모니아 또는 상기 암모니아를 공급하는 암모니아 연료 선박.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 오염물질저감장치는, 상기 아산화질소를 제거하는 제1 선택적촉매환원반응기와, 상기 제1 선택적촉매환원반응기 후단에 설치되어 상기 질소산화물을 제거하는 제2 선택적촉매환원반응기를 포함하고,
    상기 회수관은, 상기 제1 선택적촉매환원반응기에 연결되는 제1 환원제공급관으로 상기 액상암모니아 또는 상기 암모니아를 공급하는 제1 회수관과, 상기 제2 선택적촉매환원반응기에 연결되는 제2 환원제공급관으로 상기 액상암모니아 또는 상기 암모니아를 공급하는 제2 회수관을 포함하는 암모니아 연료 선박.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 제1 선택적촉매환원반응기는,
    산화알루미늄(Al2O3)으로 이루어진 담체에 코발트(Co), 로듐(Rh), 세륨-코발트 복합산화물(Ce-Co-O) 중 적어도 하나가 담지된 촉매, 또는 아연이 함침된 산화알루미늄(Zn-Al2O3)으로 이루어진 담체에 로듐(Rh)이 담지된 촉매, 또는 제올라이트(zeolite)로 이루어진 담체에 철(Fe)이 담지된 촉매를 포함하여,
    상기 액상암모니아 또는 상기 암모니아가 환원제로 공급되면, 상기 아산화질소가 질소와 산소로 환원되는 암모니아 연료 선박.
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