KR20230152897A - 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 설치되어 액상암모니아를 저장하는 연료탱크와, 연료탱크에 연결된 제1 연료공급관으로부터 액상암모니아 또는 액상암모니아가 기화되어 생성된 암모니아를 공급받아 연소하는 메인엔진과, 제1 연료공급관 상에 설치되어 액상암모니아 또는 암모니아를 가열하는 제1 히터와, 연료탱크에 연결된 제2 연료공급관으로부터 액상암모니아 또는 암모니아를 공급받아 연소하는 보일러와, 보일러에 연결된 제2 배기관에서 분기되어 보일러에서 발생된 배기가스 중 일부를 보일러의 공기공급관으로 순환시키는 배기가스순환관과, 배기가스순환관 상에 설치되어 배기가스를 냉각시키는 냉각기, 및 폐루프 독립 사이클을 구성하여 내부에 냉매가 순환하며 제1 히터와 냉각기를 경유하는 열교환라인을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 연료 선박은, 선체와, 선체에 설치되어 액상암모니아를 저장하는 연료탱크와, 연료탱크에 연결된 제1 연료공급관으로부터 액상암모니아 또는 액상암모니아가 기화되어 생성된 암모니아를 공급받아 연소하는 메인엔진과, 제1 연료공급관 상에 설치되어 액상암모니아 또는 암모니아를 가열하는 제1 히터와, 연료탱크에 연결된 제2 연료공급관으로부터 액상암모니아 또는 암모니아를 공급받아 연소하는 보일러와, 보일러에 연결된 제2 배기관에서 분기되어 보일러에서 발생된 배기가스 중 일부를 보일러의 공기공급관으로 순환시키는 배기가스순환관과, 배기가스순환관 상에 설치되어 배기가스를 냉각시키는 냉각기, 및 폐루프 독립 사이클을 구성하여 내부에 냉매가 순환하며 제1 히터와 냉각기를 경유하는 열교환라인을 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 암모니아 연료 선박에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액상암모니아 또는 암모니아를 가열하는 히터와 배기가스를 냉각하는 냉각기를 열교환하여 히터와 냉각기의 구동에 소모되는 에너지 및 비용을 줄일 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.
암모니아는 액화되어 저온 상태로 연료탱크에 저장되며, 연소기관에서 요구되는 온도 이상으로 가열된 후에 연료로 사용된다. 이러한 암모니아의 연소 시 이산화탄소는 배출되지 않으나 아산화질소와 질소산화물이 배출되므로, 배기관 상에 선택적촉매환원반응기를 설치해야 한다. 선택적촉매환원반응기는 환원제와 섞인 배기가스를 반응기 내부에 설치된 촉매층에 통과시켜 아산화질소와 질소산화물을 환원시키는데, 환원제로써 암모니아가 사용된다. 전술한 바와 같이, 연료탱크에 저장된 암모니아는 저온이므로, 일정 온도 이상으로 가열된 후에 환원제로 사용된다. 즉, 연료탱크에 저장된 저온의 암모니아는 히터에서 가열된 후 연료 또는 환원제로 사용된다. 종래에는 전기히터를 구동하여 암모니아를 가열했으며, 이로 인해, 에너지 및 비용이 많이 소모되는 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 액상암모니아 또는 암모니아를 가열하는 히터와 배기가스를 냉각하는 냉각기를 열교환하여 히터와 냉각기의 구동에 소모되는 에너지 및 비용을 줄일 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 설치되어 액상암모니아를 저장하는 연료탱크와, 상기 연료탱크에 연결된 제1 연료공급관으로부터 상기 액상암모니아 또는 상기 액상암모니아가 기화되어 생성된 암모니아를 공급받아 연소하는 메인엔진과, 상기 제1 연료공급관 상에 설치되어 상기 액상암모니아 또는 상기 암모니아를 가열하는 제1 히터와, 상기 연료탱크에 연결된 제2 연료공급관으로부터 상기 액상암모니아 또는 상기 암모니아를 공급받아 연소하는 보일러와, 상기 보일러에 연결된 제2 배기관에서 분기되어 상기 보일러에서 발생된 배기가스 중 일부를 상기 보일러의 공기공급관으로 순환시키는 배기가스순환관과, 상기 배기가스순환관 상에 설치되어 상기 배기가스를 냉각시키는 냉각기, 및 폐루프 독립 사이클을 구성하여 내부에 냉매가 순환하며, 상기 제1 히터와 상기 냉각기를 경유하는 열교환라인을 포함한다.
상기 암모니아 연료 선박은, 상기 메인엔진에 연결된 제1 배기관 상에 설치되어 상기 메인엔진에서 발생된 배기가스에 포함된 아산화질소와 질소산화물 중 적어도 하나를 저감시키는 오염물질저감장치, 상기 연료탱크와 상기 오염물질저감장치를 연결하여 상기 연료탱크 내부의 상기 액상암모니아 또는 상기 암모니아를 상기 오염물질저감장치에 환원제로 공급하는 환원제공급관, 및 상기 환원제공급관 상에 설치되어 상기 액상암모니아 또는 상기 암모니아를 가열하는 히터유닛을 더 포함하되, 상기 열교환라인은 상기 제1 히터와 상기 히터유닛, 및 상기 냉각기를 차례로 경유할 수 있다.
상기 오염물질저감장치는, 상기 아산화질소를 제거하는 제1 선택적촉매환원반응기와, 상기 제1 선택적촉매환원반응기 후단에 설치되어 상기 질소산화물을 제거하는 제2 선택적촉매환원반응기를 포함하고, 상기 히터유닛은, 상기 제1 선택적촉매환원반응기에 연결되는 제1 환원제공급관 상에 설치된 제1 히터유닛과, 상기 제2 선택적촉매환원반응기에 연결되는 제2 환원제공급관 상에 설치된 제2 히터유닛을 포함할 수 있다.
상기 제1 히터유닛과 상기 제2 히터유닛은, 상기 제1 히터 후단에서 상기 열교환라인에 직렬로 연결될 수 있다.
상기 제1 히터유닛과 상기 제2 히터유닛은, 상기 제1 히터 후단에서 상기 열교환라인에 병렬로 연결될 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.
상기 암모니아 연료 선박은, 상기 제2 연료공급관 상에 설치되어 상기 액상암모니아 또는 상기 암모니아를 가열하는 제2 히터를 더 포함하되, 상기 열교환라인은 상기 제1 히터와 상기 제2 히터, 상기 냉각기를 차례로 경유할 수 있다.
본 발명에 따르면, 액상암모니아 또는 암모니아를 가열하는 히터와 배기가스를 냉각하는 냉각기를 열교환하여 액상암모니아 또는 암모니아의 가열 및 배기가스의 냉각에 필요한 열을 공급받으므로, 히터와 냉각기의 구동에 소모되는 에너지 및 비용을 줄일 수 있어 선박을 경제적으로 운용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 연료 선박을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 제1 선택적촉매환원반응기를 확대하여 도시한 도면이다.
도 3은 암모니아 연료 선박의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 암모니아 연료 선박을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아 연료 선박을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 제1 선택적촉매환원반응기를 확대하여 도시한 도면이다.
도 3은 암모니아 연료 선박의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 암모니아 연료 선박을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아 연료 선박을 도시한 도면이다.
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 3을 참조하여, 본 발명의 일 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 액상암모니아 또는 암모니아를 가열하는 히터와 배기가스를 냉각하는 냉각기를 열교환하여 액상암모니아 또는 암모니아의 가열 및 배기가스의 냉각에 필요한 열을 공급받으므로, 히터와 냉각기의 구동에 소모되는 에너지 및 비용을 줄일 수 있어 선박을 경제적으로 운용할 수 있는 특징이 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 암모니아 연료 선박(1)에 관하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 연료 선박을 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 제1 선택적촉매환원반응기를 확대하여 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 암모니아 연료 선박(1)은 선체(10), 연료탱크(20), 메인엔진(30), 제1 히터(32), 보일러(40), 배기가스순환관(50), 냉각기(51), 및 열교환라인(60)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 메인엔진(30)에서 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 메인엔진(30)과 보일러(40)에 각각 공급될 수 있다.
메인엔진(30)은 연료탱크(20)에 연결된 제1 연료공급관(31)으로부터 액상암모니아 또는 액상암모니아가 기화되어 생성된 암모니아를 공급받고 연소하여 동력을 생성하며, 예를 들어, 암모니아 엔진일 수 있다. 이하, 메인엔진(30)이 액상암모니아를 공급받고 연소하여 동력을 생성하는 구조를 보다 중점적으로 설명한다. 제1 연료공급관(31)은 일단이 연료탱크(20)를 관통하여 연료탱크(20) 내부에 설치된 저압펌프(21)에 연결되며, 타단은 연료탱크(20) 외부로 연장되어 메인엔진(30)에 연결될 수 있다. 제1 연료공급관(31) 상에는 액상암모니아 또는 암모니아를 가압하는 승압펌프(33)와, 액상암모니아 또는 암모니아를 가열하는 제1 히터(32)가 설치될 수 있다. 즉, 연료탱크(20)에 저장된 저온의 액상암모니아 또는 암모니아는 승압펌프(33)와 제1 히터(32)를 차례로 통과하며 가압 및 가열된 후 제1 연료공급관(31)을 통해 메인엔진(30)으로 공급되어 연료로 사용된다. 도면 상에는 제1 연료공급관(31) 상에 단일 개의 승압펌프(33)와 제1 히터(32)가 설치되고, 제1 히터(32)가 승압펌프(33) 후단에 배치된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 승압펌프(33)와 제1 히터(32)의 개수 및 배치는 필요에 따라 변형될 수 있다. 한편, 메인엔진(30)으로 공급된 액상암모니아 또는 암모니아가 연소조건에 맞지 않는 경우, 메인엔진(30) 내부의 액상암모니아 또는 암모니아는 연료순환관(34)을 통해 제1 연료공급관(31)으로 순환되어 재 가압 및 가열될 수 있다. 연료순환관(34)은 승압펌프(33) 전단으로 액상암모니아 또는 암모니아를 순환시키며, 연료순환관(34) 상에는 액상암모니아 또는 암모니아를 해수, 냉매 등과 열교환하여 냉각시키는 쿨러(34a)가 설치될 수 있다.
보일러(40)는 연료탱크(20)에 연결된 제2 연료공급관(41)으로부터 액상암모니아 또는 액상암모니아가 기화되어 생성된 암모니아를 공급받고 연소하여 스팀을 생성하며, 예를 들어, 암모니아 보일러일 수 있다. 이하, 보일러(40)가 액상암모니아를 연소하여 스팀을 생성하는 구조를 보다 중점적으로 설명한다. 제2 연료공급관(41)은 일단이 연료탱크(20)를 관통하여 연료탱크(20) 내부에 설치된 저압펌프(21)에 연결되며, 타단은 연료탱크(20) 외부로 연장되어 보일러(40)에 연결될 수 있다. 제2 연료공급관(41) 상에는 액상암모니아 또는 암모니아를 가열하는 제2 히터(42)가 설치될 수 있다. 즉, 연료탱크(20)에 저장된 저온의 액상암모니아는 제2 히터(42)에서 가열된 후 제2 연료공급관(41)을 통해 보일러(40)로 공급되어 연료로 사용된다. 도면 상에는 제2 연료공급관(41) 상에 단일 개의 제2 히터(42)가 설치된 것으로 도시하였으나, 이에 한정될 것은 아니며, 제2 히터(42)의 개수는 필요에 따라 변형될 수 있다.
메인엔진(30)과 보일러(40)가 각각 액상암모니아를 연소하여 동력 및 스팀을 생성함으로써, 이산화탄소가 발생되지 않아 국제해사기구의 이산화탄소 배출규제를 만족시킬 수 있다.
메인엔진(30)과 보일러(40)에서 발생된 배기가스는 각각 제1 배기관(E1)과 제2 배기관(E2)을 통해 배출된다.
메인엔진(30)에 연결된 제1 배기관(E1) 상에는 메인엔진(30)에서 발생된 배기가스에 포함된 아산화질소와 질소산화물 중 적어도 하나를 저감시키는 오염물질저감장치(70)가 설치될 수 있다. 도면 상에 도시하진 않았으나, 필요에 따라, 보일러(40)에 연결된 제2 배기관(E2) 상에도 오염물질저감장치를 설치하여 보일러(40)에서 발생된 배기가스에 포함된 아산화질소와 질소산화물 중 적어도 하나를 저감시킬 수도 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(70)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(80)이 연결될 수 있다.
환원제공급관(80)은 연료탱크(20)와 오염물질저감장치(70)를 연결하여, 연료탱크(20) 내부의 액상암모니아 또는 액상암모니아가 기화되어 생성된 암모니아를 오염물질저감장치(70)에 환원제로 공급할 수 있다. 이하, 환원제공급관(80)이 연료탱크(20) 내부의 암모니아를 오염물질저감장치(70)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(80)을 통해 배출하여 오염물질저감장치(70)로 공급할 수 있다. 환원제공급관(80) 상에는 액상암모니아 또는 암모니아를 가열하는 히터유닛(90)이 설치될 수 있다.
오염물질저감장치(70)는, 아산화질소를 제거하는 제1 선택적촉매환원반응기(71)와, 질소산화물을 제거하는 제2 선택적촉매환원반응기(72)를 포함하고, 환원제공급관(80)은, 제1 선택적촉매환원반응기(71)에 연결되는 제1 환원제공급관(81)과, 제2 선택적촉매환원반응기(72)에 연결되는 제2 환원제공급관(82)을 포함할 수 있다. 제1 선택적촉매환원반응기(71)에서 아산화질소를 환원시키는 반응온도가, 제2 선택적촉매환원반응기(72)에서 질소산화물을 환원시키는 반응온도보다 높으므로, 제2 선택적촉매환원반응기(72)는 제1 선택적촉매환원반응기(71)에 설치될 수 있다. 제1 환원제공급관(81)과 제2 환원제공급관(82) 상에는 각각, 액상암모니아 또는 암모니아를 가열하는 제1 히터유닛(91)과 제2 히터유닛(92)이 설치될 수 있다.
제1 선택적촉매환원반응기(71)는 제1 환원제공급관(81)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(72)는 제2 환원제공급관(82)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(72)는 공지된 기술이므로, 촉매층에 대한 자세한 설명은 생략하도록 한다.
제2 배기관(E2)에는 보일러(40)에서 발생된 배기가스 중 일부를 보일러(40)의 공기공급관(43)으로 순환시키는 배기가스순환관(50)이 분기될 수 있다. 제2 배기관(E2) 상에 배기가스순환관(50)이 분기됨으로써, 순환되는 배기가스로 인해 보일러(40)의 연소실 온도가 낮아져 질소산화물의 발생이 억제될 수 있다. 배기가스순환관(50) 상에는 순환되는 배기가스를 냉각시키는 냉각기(51)가 설치될 수 있다.
전술한 제1 히터(32)와 냉각기(51)는 열교환라인(60)에 의해 서로 열교환할 수 있다. 열교환라인(60)은 폐루프 독립 사이클을 구성하여 내부에 냉매가 순환하며, 제1 히터(32)와 냉각기(51)를 경유하며 열을 전달할 수 있다. 즉, 열교환라인(60) 내부를 유동하는 냉매는 냉각기(51)에서 배기가스와 열교환하여 배기가스를 냉각시키고, 가열된 상태로 제1 히터(32)에서 액상암모니아와 열교환하여 액상암모니아를 가열시키며, 냉각된 상태로 다시 냉각기(51)로 순환된다. 제1 히터(32)와 냉각기(51)가 열교환라인(60)을 통해 서로 연결되어 열교환함으로써, 제1 히터와 냉각기(51)의 구동에 소모되는 에너지 및 비용을 줄일 수 있어 선박을 경제적으로 운용할 수 있다.
또한, 열교환라인(60)은 제1 히터(32)와 냉각기(51) 사이에 전술한 히터유닛(90)을 경유할 수 있다. 다시 말해, 열교환라인(60)은 제1 히터(32)와 히터유닛(90), 및 냉각기(51)를 차례로 경유한다. 열교환라인(60)이 히터유닛(90)도 경유함으로써, 히터유닛(90)의 구동에 소모되는 에너지와 비용도 줄일 수 있다. 제1 히터유닛(91)과 제2 히터유닛(92)은, 제1 히터(32) 후단에서 열교환라인(60)에 직렬로 연결될 수도 있고, 제1 히터(32) 후단에서 열교환라인(60)에 병렬로 연결될 수도 있다. 이하, 제1 히터유닛(91)과 제2 히터유닛(92)이, 제1 히터(32) 후단에서 열교환라인(60)에 직렬로 연결된 구조를 보다 중점적으로 설명한다. 제1 히터유닛(91)과 제2 히터유닛(92)은, 제1 히터(32) 후단에서 열교환라인(60)에 직렬로 연결될 수 있다. 전술한 바와 같이, 제1 선택적촉매환원반응기(71)에서 아산화질소를 환원시키는 반응온도가, 제2 선택적촉매환원반응기(72)에서 질소산화물을 환원시키는 반응온도보다 높다. 따라서, 열교환라인(60)이 제1 히터(32) 후단에서 제1 히터유닛(91)을 경유한 후 제2 히터유닛(92)을 경유하도록 하면, 보다 효율적으로 열이 전달될 수 있음은 물론 배관 구성도 간소화할 수 있다.
그러나, 열교환라인(60)이 제1 히터(32)와 히터유닛(90), 및 냉각기(51)를 차례로 경유하는 것으로 한정될 것은 아니며, 필요에 따라, 열교환라인(60)은 냉각기(51) 후단에서 분기되어 제1 히터(32)와 히터유닛(90)을 각각 경유하고, 다시 합류되어 냉각기(51)를 경유할 수도 있다.
이하, 도 3을 참조하여, 암모니아 연료 선박(1)의 동작에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은 암모니아 연료 선박의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
본 발명에 따른 암모니아 연료 선박(1)은 액상암모니아 또는 암모니아를 가열하는 히터와 배기가스를 냉각하는 냉각기(51)를 열교환하여 액상암모니아 또는 암모니아의 가열 및 배기가스의 냉각에 필요한 열을 공급받으므로, 히터와 냉각기(51)의 구동에 소모되는 에너지 및 비용을 줄일 수 있어 선박을 경제적으로 운용할 수 있다.
연료탱크(20)에 저장된 액상암모니아는 저압펌프(21)에 의해 가압되어 제1 연료공급관(31)과 제2 연료공급관(41)으로 각각 유입되고, 연료탱크(20)에 저장된 액상암모니아가 기화되어 생성된 암모니아는 제1 환원제공급관(81)과 제2 환원제공급관(82)으로 각각 유입된다.
제2 연료공급관(41)으로 유입된 액상암모니아는 제2 히터(42)에서 가열된 후 보일러(40)로 공급되며, 보일러(40)는 액상암모니아를 연소하여 스팀을 발생시킨다. 보일러(40)에서 액상암모니아의 연소에 따른 배기가스는 제2 배기관(E2)으로 배출되어 일부가 배기가스순환관(50)으로 분기되며, 배기가스순환관(50)으로 분기된 배기가스는 냉각기(51)에서 열교환라인(60)을 유동하는 냉매와 열교환을 통해 냉각된 후 공기공급관(43)으로 순환된다. 열교환라인(60) 내부의 냉매는 냉각기(51) 통과 후 가열된 상태로 제1 히터(32)로 이동한다.
제1 연료공급관(31)으로 유입된 액상암모니아는 승압펌프(33)에서 가압되고, 제1 히터(32)에서 열교환라인(60)을 유동하는 냉매와 열교환을 통해 가열된 후 메인엔진(30)으로 공급된다. 열교환라인(60) 내부의 냉매는 제1 히터(32) 통과 후 일부 냉각된 상태로 제1 히터유닛(91)으로 이동한다. 메인엔진(30)은 액상암모니아를 연소하여 동력을 발생시키며, 연소 조건에 맞지 않는 액상암모니아는 연료순환관(34)을 통해 쿨러(34a)로 이동하여 냉각된 후 다시 제1 연료공급관(31)으로 순환한다. 메인엔진(30)에서 액상암모니아의 연소에 따른 배기가스는 제1 배기관(E1)으로 배출되어 제1 선택적촉매환원반응기(71)로 공급되며, 제1 선택적촉매환원반응기(71)는 제1 환원제공급관(81)을 통해 공급되는 암모니아를 환원제로 하여 아산화질소를 질소와 산소로 환원시킨다. 제1 환원제공급관(81)을 통해 공급되는 암모니아는 제1 히터유닛(91)에서 열교환라인(60)을 유동하는 냉매와 열교환을 통해 가열된 것일 수 있으며, 열교환라인(60) 내부의 냉매는 제1 히터유닛(91) 통과 후 일부 냉각된 상태로 제2 히터유닛(92)으로 이동한다. 아산화질소가 제거된 배기가스는 제2 선택적촉매환원반응기(72)로 공급되며, 제2 선택적촉매환원반응기(72)는 제2 환원제공급관(82)을 통해 공급되는 암모니아를 환원제로 하여 질소산화물을 질소와 물로 환원시킨다. 제2 환원제공급관(82)을 통해 공급되는 암모니아는 제2 히터유닛(92)에서 열교환라인(60)을 유동하는 냉매와 열교환을 통해 가열된 것일 수 있으며, 열교환라인(60) 내부의 냉매는 제2 히터유닛(92) 통과 후 냉각된 상태로 다시 냉각기(51)로 순환된다. 질소산화물도 제거된 배기가스는 제1 배기관(E1)을 통해 대기 중으로 방출된다.
한편, 보일러(40)가 동작하지 않아 배기가스가 발생되지 않은 초기 구동 시에는, 별도의 히터를 구동하여 제1 연료공급관(31)을 이동하는 액상암모니아를 가열할 수도 있다.
이하, 도 4를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 암모니아 연료 선박(1-1)에 관하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 암모니아 연료 선박을 도시한 도면이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 암모니아 연료 선박(1-1)은 제1 히터유닛(91)과 제2 히터유닛(92)이, 제1 히터(32) 후단에서 열교환라인(60)에 병렬로 연결된다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 암모니아 연료 선박(1-1)은 제1 히터유닛(91)과 제2 히터유닛(92)이, 제1 히터(32) 후단에서 열교환라인(60)에 병렬로 연결되는 것을 제외하면, 전술한 실시예와 실질적으로 동일하다. 따라서, 이를 중점적으로 설명하되 별도의 언급이 없는 한 나머지 구성부에 대한 설명은 전술한 사항으로 대신한다.
제1 히터유닛(91)과 제2 히터유닛(92)은, 제1 히터(32) 후단에서 열교환라인(60)에 병렬로 연결될 수 있다. 즉, 열교환라인(60)은, 제1 히터(32)를 경유한 후 제1 히터유닛(91)을 경유하는 메인라인(60a)과, 제1 히터(32) 후단의 메인라인(60a)에서 분기되어 제2 히터유닛(92)을 경유하는 분기라인(60b)을 포함할 수 있다. 제1 히터유닛(91)과 제2 히터유닛(92)이, 제1 히터(32) 후단에서 열교환라인(60)에 병렬로 연결되는 경우, 제2 선택적촉매환원반응기(72)에서 요구되는 암모니아의 온도에 대응하여 제2 히터유닛(92)에서 보다 정밀하게 암모니아를 가열할 수 있다. 분기라인(60b)은 제2 히터유닛(92)을 경유한 후 다시 메인라인(60a)에 합류될 수 있다.
이하, 도 5를 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아 연료 선박(1-2)에 관하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아 연료 선박을 도시한 도면이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아 연료 선박(1-2)은 열교환라인(60)이 제1 히터(32), 제2 히터(42), 히터유닛(90) 및 냉각기(51)를 차례로 경유한다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아 연료 선박(1-2)은 열교환라인(60)이 제1 히터(32), 제2 히터(42), 히터유닛(90) 및 냉각기(51)를 차례로 경유하는 것을 제외하면, 전술한 실시예와 실질적으로 동일하다. 따라서, 이를 중점적으로 설명하되 별도의 언급이 없는 한 나머지 구성부에 대한 설명은 전술한 사항으로 대신한다.
열교환라인(60)은 제1 히터(32), 제2 히터(42), 히터유닛(90), 및 냉각기(51)를 차례로 경유할 수 있다. 열교환라인(60)이 제2 히터(42)도 경유함으로써, 제2 히터(42)의 구동에 소모되는 에너지와 비용도 줄일 수 있다. 그러나, 열교환라인(60)이 제1 히터(32)와 제2 히터(42), 히터유닛(90), 및 냉각기(51)를 차례로 경유하는 것으로 한정될 것은 아니며, 필요에 따라, 열교환라인(60)은 냉각기(51) 후단에서 분기되어 제1 히터(32), 제2 히터(42), 히터유닛(90)을 각각 경유하고, 다시 합류되어 냉각기(51)를 경유할 수도 있다.
한편, 열교환라인(60)이 제2 히터(42)를 경유하는 경우, 보일러(40)에서 배기가스가 발생되지 않은 초기 구동 시 제2 히터(42)에서 보일러(40)의 연료로 공급될 액상암모니아를 가열할 수 없다. 따라서, 제2 연료공급관(41) 상에 별도의 보조히터(44)와, 보조히터(44)를 우회하는 우회라인(45)을 설치하여, 초기 구동 시에만 보조히터(44)를 구동하여 액상암모니아를 가열하고, 보일러(40)에서 배기가스가 발생하여 냉각기(51)에서 가열된 냉매가 순환하면, 보조히터(44)의 구동을 멈추고 우회라인(45)을 개방하여 액상암모니아가 제2 히터(42)에서 가열되도록 할 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, 1-1, 1-2: 암모니아 연료 선박
10: 선체 20: 연료탱크
21: 저압펌프 30: 메인엔진
31: 제1 연료공급관 32: 제1 히터
33: 승압펌프 34: 연료순환관
34a: 쿨러 40: 보일러
41: 제2 연료공급관 42: 제2 히터
43: 공기공급관 44: 보조히터
45: 우회라인 50: 배기가스순환관
51: 냉각기 60: 열교환라인
60a: 메인라인 60b: 분기라인
70: 오염물질저감장치 71: 제1 선택적촉매환원반응기
72: 제2 선택적촉매환원반응기 80: 환원제공급관
81: 제1 환원제공급관 82: 제2 환원제공급관
90: 히터유닛 91: 제1 히터유닛
92: 제2 히터유닛
E1: 제1 배기관 E2: 제2 배기관
10: 선체 20: 연료탱크
21: 저압펌프 30: 메인엔진
31: 제1 연료공급관 32: 제1 히터
33: 승압펌프 34: 연료순환관
34a: 쿨러 40: 보일러
41: 제2 연료공급관 42: 제2 히터
43: 공기공급관 44: 보조히터
45: 우회라인 50: 배기가스순환관
51: 냉각기 60: 열교환라인
60a: 메인라인 60b: 분기라인
70: 오염물질저감장치 71: 제1 선택적촉매환원반응기
72: 제2 선택적촉매환원반응기 80: 환원제공급관
81: 제1 환원제공급관 82: 제2 환원제공급관
90: 히터유닛 91: 제1 히터유닛
92: 제2 히터유닛
E1: 제1 배기관 E2: 제2 배기관
Claims (7)
- 선체;
상기 선체에 설치되어 액상암모니아를 저장하는 연료탱크;
상기 연료탱크에 연결된 제1 연료공급관으로부터 상기 액상암모니아 또는 상기 액상암모니아가 기화되어 생성된 암모니아를 공급받아 연소하는 메인엔진;
상기 제1 연료공급관 상에 설치되어 상기 액상암모니아 또는 상기 암모니아를 가열하는 제1 히터;
상기 연료탱크에 연결된 제2 연료공급관으로부터 상기 액상암모니아 또는상기 암모니아를 공급받아 연소하는 보일러;
상기 보일러에 연결된 제2 배기관에서 분기되어 상기 보일러에서 발생된 배기가스 중 일부를 상기 보일러의 공기공급관으로 순환시키는 배기가스순환관;
상기 배기가스순환관 상에 설치되어 상기 배기가스를 냉각시키는 냉각기, 및
폐루프 독립 사이클을 구성하여 내부에 냉매가 순환하며, 상기 제1 히터와 상기 냉각기를 경유하는 열교환라인을 포함하는 암모니아 연료 선박. - 제1 항에 있어서,
상기 메인엔진에 연결된 제1 배기관 상에 설치되어 상기 메인엔진에서 발생된 배기가스에 포함된 아산화질소와 질소산화물 중 적어도 하나를 저감시키는 오염물질저감장치,
상기 연료탱크와 상기 오염물질저감장치를 연결하여 상기 연료탱크 내부의 상기 액상암모니아 또는 상기 암모니아를 상기 오염물질저감장치에 환원제로 공급하는 환원제공급관, 및
상기 환원제공급관 상에 설치되어 상기 액상암모니아 또는 상기 암모니아를 가열하는 히터유닛을 더 포함하되,
상기 열교환라인은 상기 제1 히터와 상기 히터유닛, 및 상기 냉각기를 차례로 경유하는 암모니아 연료 선박. - 제2 항에 있어서,
상기 오염물질저감장치는, 상기 아산화질소를 제거하는 제1 선택적촉매환원반응기와, 상기 제1 선택적촉매환원반응기 후단에 설치되어 상기 질소산화물을 제거하는 제2 선택적촉매환원반응기를 포함하고,
상기 히터유닛은, 상기 제1 선택적촉매환원반응기에 연결되는 제1 환원제공급관 상에 설치된 제1 히터유닛과, 상기 제2 선택적촉매환원반응기에 연결되는 제2 환원제공급관 상에 설치된 제2 히터유닛을 포함하는 암모니아 연료 선박. - 제3 항에 있어서,
상기 제1 히터유닛과 상기 제2 히터유닛은, 상기 제1 히터 후단에서 상기 열교환라인에 직렬로 연결되는 암모니아 연료 선박. - 제3 항에 있어서,
상기 제1 히터유닛과 상기 제2 히터유닛은, 상기 제1 히터 후단에서 상기 열교환라인에 병렬로 연결되는 암모니아 연료 선박. - 제3 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. - 제1 항에 있어서,
상기 제2 연료공급관 상에 설치되어 상기 액상암모니아 또는 상기 암모니아를 가열하는 제2 히터를 더 포함하되,
상기 열교환라인은 상기 제1 히터와 상기 제2 히터, 상기 냉각기를 차례로 경유하는 암모니아 연료 선박.
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|---|---|---|---|
| KR1020220052285A KR20230152897A (ko) | 2022-04-27 | 2022-04-27 | 암모니아 연료 선박 |
Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020220052285A KR20230152897A (ko) | 2022-04-27 | 2022-04-27 | 암모니아 연료 선박 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230152897A true KR20230152897A (ko) | 2023-11-06 |
Family
ID=88748640
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Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230152897A (ko) |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20220034270A (ko) | 2020-09-10 | 2022-03-18 | 대우조선해양 주식회사 | 선박용 연료 공급 시스템 및 동 시스템을 구비한 선박 |
-
2022
- 2022-04-27 KR KR1020220052285A patent/KR20230152897A/ko unknown
Patent Citations (1)
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