KR20230165990A - 선박의 암모니아 연료공급시스템 - Google Patents

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KR20230165990A
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김영수
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Abstract

선박의 암모니아 연료공급시스템이 개시된다. 본 발명의 선박의 암모니아 연료공급시스템은, 암모니아가 저장된 암모니아탱크로부터 선내 엔진으로 연결되는 연료공급라인; 상기 연료공급라인에 마련되며 상기 엔진으로 필요한 압력으로 암모니아를 압축하는 압축펌프; 상기 엔진으로 공급된 암모니아 중 소비되지 않은 암모니아가 엔진으로부터 배출되는 연료회수라인; 상기 연료회수라인에 마련되어 상기 엔진으로부터 배출되는 암모니아를 수용하는 세퍼레이터; 상기 세퍼레이터로부터 상기 연료공급라인으로 연결되어 액체 상태의 암모니아를 상기 엔진으로 재순환시키는 재순환라인; 상기 암모니아탱크로부터 암모니아 증발가스를 배출하고 재액화하여 상기 암모니아탱크로 회수하는 재액화라인; 상기 세퍼레이터로부터 기체 상태의 암모니아를 배출하여 상기 재액화라인으로 이송하는 가스배출라인; 및 상기 재액화라인에 마련되는 오일 필터:를 포함하며, 상기 재액화라인을 따라 재액화된 암모니아는 상기 오일 필터를 거쳐 오일을 제거한 후 상기 암모니아탱크로 회수되는 것을 특징으로 한다.

Description

선박의 암모니아 연료공급시스템{Ammonia Fuel Supply System For Ship}
본 발명은 선박의 암모니아 연료공급시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 암모니아탱크로부터 엔진으로 암모니아를 공급하고, 엔진에서 소비되지 않은 암모니아를 배출시켜 엔진으로 재순환시키거나, 암모니아탱크로 회수하는 선박의 암모니아 연료공급시스템에 관한 것이다.
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 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.
LNG는 다른 화석 연료에 비해 친환경 연료로 평가받지만 연소 시 여전히 이산화탄소가 발생하며, 이를 연료로 사용하는 선박에서는 운항 중 이산화탄소를 배출하게 된다.
선박 운항 시 이산화탄소 배출을 줄일 수 있는 친환경 연료에 대한 여러 연구가 이루어지고 있고, 최근에는 수소, 암모니아 등을 연료로 사용할 수 있는 선박 엔진에 관한 기술이 개발되고 있다.
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.
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 있고, 2030년 이후 발주 선박은 2008년 발주 선박 대비 탄소배출량을 40%, 2050년까지는 50%까지 감축하도록 결정하는 등 기후변화와 온실가스 배출에 대한 국제적 관심이 커지면서 선박에 대해서도 이산화탄소 배출에 대한 규제가 급격히 강화되고 있어 대체 연료에 대한 필요성이 높아지고 있다.
특히, 향후 Phase 4 (이산화탄소 배출량 40% 저감) 이상의 기준이 적용되면 현재의 LNG나 LPG를 연료로 사용하는 선박으로는 이산화탄소 배출 규정 달성이 어려울 수 있어, 장기적인 관점에서 해운의 완전한 탈탄소화를 위해 선박 연료를 탄소 중립 연료로 교체하는 것이 필연적이므로, 친환경 선박 연료에 대한 기술의 개발 및 실선에의 적용을 더욱 서두를 필요가 있다.
탄소 중립 연료 중 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 있어, 선박 연료로 암모니아를 사용하기 위한 연구와 개발이 활발히 이루어지고 있다.
MAN-ES 등 엔진제작업체에서 2025년까지 암모니아 연료를 사용하는 암모니아 엔진에 대한 개발을 완료할 것이라고 발표하였으며, 암모니아 연료 특성에 대한 연구와 더불어 선급 등에서 관련 규정에 대한 발표가 이루어지고 있다.
암모니아를 연료로 사용할 경우 극복해야할 과제로는 독성물질로 정의된 암모니아의 취급방법과 연료로 사용 시 낮은 반응성, 높은 질소 산화물 생성 등이 있다.
암모니아는 유독성으로 인해 일정농도 이상일 경우 선원 생명에 치명적인 영향을 줄 수 있어 취급에 주의를 요하는 물질이다.
최근 한국선급에서 배포한 “암모니아 연료선박에 대한 지침서”에서도 “대기오염을 방지하기 위해서 밴트관을 통해 대기로 직접 방출되는 암모니아를 최소화하여야 한다”라고 정의되어 있으며, 기본적으로 연료공급시스템에서 처리하되 외부방출을 최소화하여 구성하도록 제시하고 운전 중에 적용될 수 있는 다양한 안전 수단을 강구하도록 하고 있다.
또한, 암모니아의 낮은 반응성을 극복하기 위해 가압 액화암모니아 또는 기화암모니아와 다양한 선박연료와의 혼합연소를 통해 연소 효율을 높이는 방법이 제시되고 있다.
저온으로 액화된 연료를 가압하여 사용하는 경우 발생하는 문제점으로는, 가압을 위해 통상적으로 적용하는 펌프나 압축기 운영에서 윤활유 등의 누유로 인한 배관 등의 막힘으로 성능저하나 장비이상을 일으키거나, 암모니아탱크 및 화물창으로 순환되어 암모니아탱크 및 화물창을 오염시킬 수 있다
최근 선박 연료로 적용되고 있는 LPG의 경우에도 이러한 윤활유 등 오일에 의한 오염이나 성능저하를 막기 위해 연료 공급부를 폐쇄 루프형으로 건조 운용되고 있다.
본 발명은 암모니아와 같은 친환경 연료를 선박 엔진의 연료로 적용하는 경우, 효과적으로 엔진으로 암모니아 연료를 공급하면서, 엔진에서 회수되는 암모니아와 퍼징 또는 비상 시 각 배관에서 배출시킨 암모니아 및 그로부터 발생하는 암모니아 가스를 효과적으로 처리할 수 있는 연료공급시스템을 제안하고자 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 암모니아가 저장된 암모니아탱크로부터 선내 엔진으로 연결되는 연료공급라인;
상기 연료공급라인에 마련되며 상기 엔진으로 필요한 압력으로 암모니아를 압축하는 압축펌프;
상기 엔진으로 공급된 암모니아 중 소비되지 않은 암모니아가 엔진으로부터 배출되는 연료회수라인;
상기 연료회수라인에 마련되어 상기 엔진으로부터 배출되는 암모니아를 수용하는 세퍼레이터;
상기 세퍼레이터로부터 상기 연료공급라인으로 연결되어 액체 상태의 암모니아를 상기 엔진으로 재순환시키는 재순환라인;
상기 암모니아탱크로부터 암모니아 증발가스를 배출하고 재액화하여 상기 암모니아탱크로 회수하는 재액화라인;
상기 세퍼레이터로부터 기체 상태의 암모니아를 배출하여 상기 재액화라인으로 이송하는 가스배출라인; 및
상기 재액화라인에 마련되는 오일 필터:를 포함하며,
상기 재액화라인을 따라 재액화된 암모니아는 상기 오일 필터를 거쳐 오일을 제거한 후 상기 암모니아탱크로 회수되는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 연료공급시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 재액화라인에는 상기 암모니아탱크로부터 배출되는 암모니아 증발가스를 압축하는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 암모니아 증발가스를 상기 암모니아탱크로부터 압축기로 공급될 미압축 암모니아 증발가스와 열교환으로 냉각하는 열교환기; 및 상기 열교환기를 통과하며 냉각된 암모니아를 감압하여 상기 암모니아탱크로 이송하는 감압밸브:가 마련되며, 상기 오일 필터는 상기 열교환기와 감압밸브 사이에 배치될 수 있다.
바람직하게는 상기 재액화라인에는, 상기 암모니아탱크로부터 배출되는 암모니아 증발가스를 압축하는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 암모니아 증발가스를 상기 암모니아탱크로부터 압축기로 공급될 미압축 암모니아 증발가스와 열교환으로 냉각하는 열교환기; 및 상기 열교환기를 통과하며 냉각된 암모니아를 감압하여 상기 암모니아탱크로 이송하는 감압밸브:가 마련되며, 상기 오일 필터는 상기 감압밸브의 후단에 배치될 수 있다.
바람직하게는, 상기 엔진은 선박의 추진용 엔진이며, 상기 선박에는 추진용 엔진보다 저압인 기체 상태의 암모니아를 공급받는 발전용 엔진이 마련되고, 상기 연료공급라인의 상기 압축펌프 상류에서 분기되어 상기 발전용 엔진으로 연결되는 연료분기라인; 및 상기 연료분기라인에 마련되어 상기 발전용 엔진의 연료공급조건에 맞추어 암모니아를 가열하는 연료기화기:를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 연료공급라인에서 상기 압축펌프의 전단에 마련되어 상기 암모니아탱크에서 이송되는 암모니아의 온도를 상기 엔진의 연료공급조건에 맞추어 조절하는 온도조절기; 및 상기 연료공급라인에서 상기 온도조절기와 압축펌프 사이에 마련되는 수직관부(vertical pipe):를 더 포함하고, 상기 수직관부에서는 상기 온도조절기를 거친 암모니아로부터 기체가 분리되어 수직관부 상부로 배출되고, 액체 상태의 암모니아가 상기 압축펌프로 이송될 수 있다.
바람직하게는, 상기 암모니아탱크로부터 상기 연료공급라인으로 암모니아를 이송하는 연료공급펌프:를 더 포함하고, 상기 연료공급펌프는 상기 암모니아탱크의 내부 또는 상기 연료공급라인의 온도조절기 상류에 마련될 수 있다.
바람직하게는, 상기 암모니아탱크, 엔진 및 연료공급시스템에서 배출되는 벤트 가스(vent gas)를 공급받아 대기배출기준에 맞추어 처리하는 후처리부; 및 상기 가스배출라인으로부터 분기되어 상기 후처리부로 연결되는 벤트라인:을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 후처리부는, 상기 암모니아탱크, 엔진 및 연료공급시스템으로부터 배출되는 벤트 가스를 수용하는 캐치탱크; 및 상기 캐치탱크에 수용된 벤트 가스로부터 분리된 기체를 공급받아, 기체 중의 암모니아를 물에 용해시켜 제거하는 암모니아 스크러버:를 포함하고, 상기 캐치탱크에 수용된 벤트 가스로부터 분리된 액체는 상기 암모니아탱크로 회수되고, 상기 암모니아 스크러버를 통과한 기체는 선외 배출될 수 있다.
바람직하게는, 상기 연료공급라인에서 상기 압축펌프의 후단에 마련되어 상기 암모니아탱크에서 이송되는 암모니아의 온도를 상기 엔진의 연료공급조건에 맞추어 조절하는 온도조절기를 더 포함하되, 상기 연료회수라인을 통해 상기 엔진에서 배출되는 암모니아는 상기 온도조절기를 거쳐 상기 세퍼레이터로 이송될 수 있다.
바람직하게는, 상기 연료회수라인을 통해 상기 엔진에서 배출되는 암모니아는 상기 온도조절기 전단으로부터 상기 연료분기라인의 연료기화기 전단으로 이송되어 상기 발전용 엔진의 연료로 공급될 수 있다.
본 발명에서는 선박용 엔진의 연료로 친환경 연료인 암모니아를 공급하여 선박 운항 시 온실가스 배출량을 감축하고 국제협약이 정하는 규제기준을 충족하도록 한다.
특히, 오일 필터를 마련하여 엔진으로부터 배출되는 암모니아로부터 오일을 분리하여 제거함으로써 배관 및 밸브 등 장치막힘과 성능저하를 방지하고, 암모니아탱크 내 암모니아 오염을 방지하고 암모니아탱크의 내부 오염을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 선박의 암모니아 연료공급시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선박의 암모니아 연료공급시스템을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 선박의 암모니아 연료공급시스템을 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 따른 선박의 암모니아 연료공급시스템을 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 참조하여야 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.
이하 본 발명에서의 선박은 암모니아를 선내 엔진의 연료로 사용할 수 있는 엔진이 설치되는 모든 종류의 선박을 가리키며, 대표적으로 LPG 운반선(LNG Carrier), LNG 운반선(LNG Carrier), 액체수소 운반선, 암모니아운반선, 컨테이너운반선, 원유운반선, 광물이나 곡물 등의 벌크운반선, Ro-Ro(Roll on/Roll off)선 등과 같은 자체 추진 능력을 갖춘 선박을 비롯하여, 추진 능력을 갖추지는 않지만 해상에 부유하고 있는 해상 구조물도 포함될 수 있다.
엔진의 연료로 암모니아를 공급받는 엔진이라 함은 LNG, LPG, HFO, MGO, Diesel Oil 등의 다른 선박용 연료와 함께 연료로 공급받는 것과 암모니아를 단독으로 연료로 공급받는 것을 포함하는 의미이고, 선박의 추진용 엔진 및 발전용 엔진을 모두 포함한다.
도 1 내지 4에는 각각 본 발명의 제1 내지 제4 실시예에 따른 선박의 암모니아 연료공급시스템을 개략적으로 도시하였다.
도 1 내지 4에 도시된 바와 같이 본 실시예들의 연료공급시스템은, 암모니아가 저장된 암모니아탱크로부터 선내 엔진으로 연결되는 연료공급라인과, 엔진으로 공급된 암모니아 중 소비되지 않은 암모니아가 엔진으로부터 배출되는 연료회수라인, 연료회수라인에 마련되어 엔진으로부터 배출되는 암모니아를 수용하는 세퍼레이터, 세퍼레이터로부터 연료공급라인으로 연결되어 액체 상태의 암모니아를 엔진으로 재순환시키는 재순환라인을 포함한다.
암모니아탱크는 갑판 인근에 배치되는 연료탱크이거나, 화물창이 될 수도 있으며, 또는 화물창과 연료탱크가 연계되어 운용될 수도 있다.
암모니아탱크(FT)로부터 암모니아는 연료공급라인(FSL)을 따라 엔진(E)에 공급된다. 암모니아탱크의 암모니아를 엔진으로 이송하기 위한 연료공급펌프는 제1 실시예 및 제3 실시예 시스템에서와 같이 암모니아탱크 내부에 마련될 수도 있고, 제2 실시예 및 제4 실시예 시스템에서와 같이 암모니아탱크 외부의 연료공급라인에 설치될 수도 있다. 제2 및 제4 실시예 시스템은 각각 제1 및 제3 실시예 시스템과 연료공급펌프의 배치 위치 및 후술하는 오일 필터 배치 위치를 다르게 구성한 것이다.
본 실시예들에서는 선박의 추진용 엔진뿐만 아니라, 선내 전력 공급을 위한 발전용 엔진 또한 암모니아를 연료로 공급받을 수 있다.
이러한 추진용 엔진은 50 내지 100 bar, 30 내지 100℃ 내외의 고압 액체 상태의 암모니아를 연료로 공급받는 엔진일 수 있고, 발전용 엔진은 추진용 엔진보다 저압인 기체 상태의 암모니아를 공급받는 엔진으로 마련될 수 있다.
먼저, 제1 및 제2 실시예 시스템을 살펴보면, 연료공급라인에는 연료공급펌프를 따라 이송된 암모니아를 엔진에서 필요로 하는 연료 공급 조건으로 맞추기 위해 암모니아의 온도를 엔진의 연료공급조건에 맞추어 조절하는 온도조절기와, 엔진의 연료공급조건에 맞추어 암모니아를 가압하여 엔진으로 공급하는 압축펌프가 마련된다. 온도조절기와 압축펌프 사이에는 수직관부(vertical pipe)가 마련된다. 펌프 흡입부(suction side)에 베이퍼(vapor)가 유입되면 펌프 성능 저하, 장치 이상을 초래할 위험이 있는데, 본 실시예들에서는 온도조절기와 압축펌프 사이에 수직관부를 마련하여 수직관부에서 온도조절기를 거친 암모니아로부터 기체를 분리하여 수직관부 상부로 배출시키고, 액체 상태의 암모니아가 압축펌프로 이송될 수 있도록 한다.
연료공급라인의 압축펌프 상류에서 연료공급라인으로부터 발전용 엔진으로 연결되는 연료분기라인이 분기되며, 연료분기라인에는 발전용 엔진의 연료공급조건에 맞추어 암모니아를 가열하는 연료기화기가 마련된다.
제1 및 제2 실시예에서는 온도조절기와 압축펌프 순으로 연료공급라인에 배치하였으나, 필요에 따라 압축펌프, 온도조절기 순으로 배치될 수도 있다.
암모니아탱크에서 연료공급펌프로 이송된 암모니아는 온도조절기 및 압축펌프를 거쳐 고압 액체 상태로 추진용 엔진에 연료로 공급된다. 연료공급라인을 통해 연료공급펌프, 온도조절기 및 압축펌프를 거쳐 추진용 엔진으로 공급되는 암모니아는 50 내지 100 bar, 30 내지 100℃ 내외의 고압 액체 상태일 수 있다.
이때, 압력을 가하여도 부피의 변화가 없거나 적은 비압축성 유체, 즉 액체 상태의 연료가 엔진으로 공급되는 경우, 엔진의 부하 변동에 대응하며 캐비테이션을 방지하기 위해서 과잉의 액체 연료가 엔진으로 공급된다. 엔진에 공급된 액체 연료 중 연료로 소비되고 남은 연료 및 엔진 정지 시 엔진에 잔류하는 액체 연료 등은 엔진으로부터 배출되는데, 이를 위해 엔진으로부터 소비되지 않은 암모니아를 회수하여 재순환시키는 연료회수라인(FRL)이 마련된다.
엔진에서 소비되지 않고 배출된 연료는 연료회수라인을 따라 세퍼레이터(200)로 회수된 후, 세퍼레이터에서 기액분리 후 재순환라인을 통해 액체 상태의 암모니아는 다시 연료공급라인으로 이송되어 엔진으로 재순환될 수 있다.
세퍼레이터에서 분리된 기체 상태의 암모니아는 가스배출라인을 따라 세퍼레이터에서 배출된다. 가스배출라인을 통해, 세퍼레이터에서 분리된 기체 상태의 암모니아는 암모니아탱크로 회수되거나, 후술하는 재액화부를 거쳐 재액화시킨 후 암모니아탱크로 회수되거나 엔진 연료로 공급될 수 있다.
본 실시예들에는 연료공급시스템의 제어를 위해 연료공급펌프 후단 압력을 제어하는 제1 제어부, 세퍼레이터의 액위 및 압력을 제어하는 제2 제어부, 압축펌프 후단 압력을 제어하는 제3 제어부가 구비된다.
또한, 제1 제어부에 의해 제어되며 연료공급펌프 후단으로부터 암모니아탱크로 회수되는 암모니아를 조절하는 제1 컨트롤밸브, 가스배출라인에 마련되며 제2 제어부에 의해 제어되는 제2 컨트롤밸브, 제3 제어부에 의해 제어되며 압축펌프 후단으로부터 연료회수라인으로 배출되는 암모니아를 조절하는 제3 컨트롤밸브가 각각 마련된다.
한편, 암모니아탱크에 저장된 암모니아로부터 자연 발생하는 증발가스 및 세퍼레이터로부터 도입되는 가스 등에 의해 암모니아탱크의 온도 및 압력이 상승할 수 있다. 본 실시예들에서는 이와 같이 암모니아탱크로부터 암모니아 증발가스를 배출하여 재액화시킨 후 암모니아탱크로 회수하여, 암모니아탱크의 압력을 안전하게 유지·조절할 수 있다.
이를 위해 암모니아탱크로부터 암모니아 증발가스를 배출하고 재액화하여 암모니아탱크로 회수하는 재액화라인이 마련되며, 재액화라인에는 암모니아 증발가스를 재액화하는 재액화부가 마련된다.
재액화부는, 암모니아탱크로부터 배출되는 암모니아 증발가스를 압축하는 압축기, 압축기에서 압축된 암모니아 증발가스를 암모니아탱크로부터 압축기로 공급될 미압축 암모니아 증발가스와 열교환으로 냉각하는 열교환기, 열교환기를 통과하며 냉각된 암모니아를 감압하여 암모니아탱크로 이송하는 감압밸브를 포함한다.
재액화부의 압축기 및 열교환기를 거친 암모니아는 감압밸브를 거쳐 감압 후 암모니아탱크로 회수될 수도 있고, 연료공급라인으로 공급되어 엔진 연료로 공급될 수도 있다.
가스배출라인을 통해 세퍼레이터에서 배출되는 기체 상태의 암모니아는 암모니아탱크로 회수될 수 있는데, 재액화라인의 재액화부 전단으로 이송되어 재액화부를 거쳐 재액화된 후 암모니아탱크로 이송되거나 엔진 연료로 공급될 수 있다.
그런데 엔진으로부터 회수되는 암모니아에는, 연료 공급을 위한 압축 및 가열을 통해 발생하게 된 증발가스 등의 기체와 함께 엔진에서 유입된 엔진 오일, 윤활유(sealing oil)가 섞여 있을 수 있다. 이러한 윤활유가 암모니아탱크에 유입되면 탱크 내 암모니아를 오염시키고 암모니아탱크 내부를 오염시키며 결정화되어 탱크 내 배관을 막을 우려도 있다.
또한, 재액화부의 압축기 역시 윤활유를 사용하는데, 재액화를 위한 압축 중 암모니아에 이러한 압축기 윤활유가 혼입될 수 있다.
본 실시예들에서는 이러한 암모니아에 혼입된 엔진 오일 및 압축기용 윤활유를 제거하기 위한 오일 필터를 재액화라인에 마련하여, 엔진으로부터 배출되어 암모니아탱크로 회수될 암모니아 및 암모니아탱크로부터 재액화부를 거쳐 암모니아탱크로 회수될 암모니아로부터 오일을 제거하고 암모니아탱크로 이송한다.
오일 필터는 도 1에 도시된 제1 실시예에서와 같이 열교환기와 감압밸브 사이에 배치될 수도 있고, 도 2에 도시된 제2 실시예에서와 같이 감압밸브 후단에 배치될 수도 있다.
한편, 암모니아를 연료로 사용할 경우 배기가스에는 다량의 질소산화물이 포함될 수 있다.
이러한 배기 중 질소산화물을 처리하기 위해 본 실시예들에서는 도시하지 않았으나 질소산화물 처리 설비인 SCR(Selective Catalytic Reactor)이 배기배출부에 배치될 수 있으며, 환원제인 무수 암모니아(NH3), NH3 Solution(25% NH3) 또는 Urea 수용액(32.5% 또는 40% 수용액)를 통해 환원 반응에 의해 질소산화물을 저감시킨다. 대표적인 환원제인 유레아 수용액을 사용하는 경우, 유레아는 질소산화물과 반응하여 암모니아와 이산화탄소로 분해된다. 유레아 대신, 암모니아탱크 또는 세퍼레이터, 압축펌프 후단, 재액화부로부터 암모니아를 배출하여 후술하는 후처리부를 거쳐 SCR에 환원제로 공급할 수도 있다.
본 실시예 시스템들에는 암모니아탱크, 엔진 및 연료공급시스템에서 배출되는 벤트 가스(vent gas)를 공급받아 대기배출기준에 맞추어 처리하는 후처리부가 마련될 수 있다. 세퍼레이터 및 가스배출라인의 벤트가스 처리를 위해 가스배출라인으로부터 분기되어 후처리부로 연결되는 벤트라인(VL)이 마련된다. 재액화부에서 벤트가스의 처리가 불가능할 경우 암모니아탱크에서 발생하는 벤트가스는 재액화라인(RL)으로부터 또는 암모니아탱크로부터 바로 후처리부로 이송되어 처리될 수 있다.
후처리부는, 암모니아탱크, 엔진 및 연료공급시스템으로부터 배출되는 벤트 가스를 수용하는 캐치탱크, 캐치탱크에 수용된 벤트 가스로부터 분리된 기체를 공급받아, 기체 중의 암모니아를 물에 용해시켜 제거하는 암모니아 스크러버를 포함하여 구성될 수 있다.
암모니아는 물에 잘 녹는 수용성 물질이다. 후처리부로 배출된 암모니아는 캐치탱크로 수용되고, 캐치탱크에서 액체는 분리해 연료로 재사용할 수 있도록 암모니아탱크로 회수할 수 있고, 기체는 암모니아 스크러버로 보내 물에 용해시켜 암모니아수를 생성하여 처리할 수 있다. 암모니아의 용해도는 0℃의　물에서 89.9g/100ml, 20℃의 물에 52.0g/100ml, 96℃의 물에 7.4g/100ml이며, 저온의 물에 잘 용해되고, 온도가 높아지면 용해도가 낮아진다. 암모니아의 물에 대한 용해는 발열반응으로 온도가 낮아야 용해도가 높으므로 저온의 물을 암모니아 스크러버로 공급하거나, 암모니아 스크러버의 냉각을 위한 냉각장치를 마련하여 암모니아 용해도를 높일 수 있다.
암모니아 스크러버의 암모니아수가 포화상태에 이른 때에는 스크러버 내 암모니아수를 배출한 후 새로운 물로 교환하고, 암모니아 스크러버의 액위를 감지하여 스크러버 내 암모니아수 액위가 일정값보다 높아지면 스크러버 내 암모니아수를 배출하여 액위를 조절할 수 있다. 배출된 암모니아수는 오수 탱크나 빌지 시스템으로 이송하여, 선내에서 배출 기준에 맞게 처리 후 선외배출하거나 선박 정박 시 육상시설로 보내 처리할 수 있다. 포화상태에 이른 암모니아수를 암모니아 스크러버에서 배출하지 않고 암모니아의 끓는점보다 높고 물의 끓는점보다는 낮은 온도로 가열하여 암모니아수로부터 순수한 암모니아를 분리해낸 후 이를 스크러버에서 배출시켜 냉각하여 액화한 후 연료로 재사용하는 방식으로 처리할 수도 있다.
암모니아 스크러버를 통과하여 암모니아를 제거한 기체는 선외 배출될 수 있다.
후처리부에서 분리된 암모니아는 SCR의 환원제로 공급될 수 있으며, 후처리부는 SCR에 환원제로 공급하기 위하여 암모니아수의 온도 및 농도조절을 위한 구성을 포함할 수 있다. 이와 같이 암모니아 탱크 및 세퍼레이터 등에서 공급되는 암모니아 벤트가스로부터 환원제를 제조하여 SCR로 공급하여, 배기가스 중 질소산화물을 저감시킬 수 있다.
다음으로, 도 3 및 4에 도시된 제3 및 제4 실시예 시스템은 전술한 제1 및 제2 실시예 시스템과 달리, 추진용 엔진으로 공급되는 암모니아의 온도 조절을 위한 온도조절기를 압축펌프 후단에 배치하고, 연료회수라인을 통해 엔진에서 배출되는 암모니아의 폐열을 온도조절기에서 활용할 수 있도록 구성한 것이다.
도 3 및 4에 도시된 바와 같이 본 실시예들에서는 온도조절기가 연료공급라인의 압축펌프 하류에 배치된다. 또한, 엔진 등에서 연료회수라인을 통해 세퍼레이터로 이송되는 암모니아는 온도조절기를 거쳐 열교환 후 세퍼레이터로 이송된다.
온도조절기에는 연료회수라인의 암모니아 외에도 추가 열원 공급을 위한 열매체도 공급될 수 있다. 이와 같이 연료회수라인을 통해 엔진에서 배출되는 Hot 암모니아의 폐열을 활용함으로써 연료로 공급될 암모니아의 온도 조절을 위해 외부에서 공급해야 할 열에너지의 양을 줄이고, 선박의 에너지 효율을 높일 수 있다. 또한 압축펌프 후단에 온도조절기를 배치하여 암모니아의 온도를 조절함으로써, 전술한 제1 및 제2 실시예 시스템과 달리 수직관부를 설치하지 않더라도 압축펌프 흡입부에서의 베이퍼 발생 우려를 낮출 수 있다.
한편, 연료회수라인을 통해 엔진에서 배출되는 고온 암모니아는 온도조절기 전단으로부터 연료분기라인의 연료기화기 전단으로 이송하여 발전용 엔진의 연료로 공급될 수도 있다. 발전용 엔진은 전술한 바와 같이 기체 상태의 암모니아를 연료로 공급받을 수 있으므로 연료회수라인의 고온 암모니아를 연료분기라인으로 보내 발전용 엔진 연료로 공급 시 연료기화기에서 암모니아 기화에 필요한 열에너지를 줄일 수 있다.
연료회수라인을 통해 엔진에서 배출된 암모니아는 온도조절기를 거쳐 열교환 후 세퍼레이터로 이송되며, 액체 상태의 암모니아는 재순환라인을 따라 연료공급라인의 압축펌프 전단으로 이송되어 추진용 엔진 연료로 공급되고, 세퍼레이터에서 분리된 기체 상태의 암모니아는 가스배출라인으로 배출되어 암모니아탱크로 회수되거나, 재액화부를 거쳐 재액화된다.
전술한 바와 같이 오일 필터는 도 3의 제3 실시예 시스템처럼 재액화라인의 열교환기와 감압밸브 사이에 배치될 수도 있고, 도 4에 도시된 제4 실시예 시스템에서와 같이 감압밸브 후단에 배치될 수도 있다.
이와 같이 재액화라인에 오일 필터를 구성하여 엔진으로부터 배출되어 재액화되는 암모니아 및 암모니아탱크로부터 배출되어 재액화되는 암모니아에 혼입된 엔진 오일 및 압축기 윤활유를 제거함으로써 암모니아탱크 내 암모니아 오염을 방지하고 암모니아탱크의 내부 오염과 관로 막힘을 방지할 수 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.
FT: 암모니아탱크
E1: 추진용 엔진
E2: 발전용 엔진
FSL: 연료공급라인
FRL: 연료회수라인
LL: 재순환라인
RL: 재액화라인
GL: 가스배출라인
100A, 100B: 연료공급펌프
110: 온도조절기
120: 압축펌프
130: 수직관부
150: 연료기화기
200: 세퍼레이터
300: 재액화부
310: 압축기
320: 열교환기
330: 감압밸브
340A, 340B: 오일 필터
400: 후처리부

Claims (10)

  1. 암모니아가 저장된 암모니아탱크로부터 선내 엔진으로 연결되는 연료공급라인;
    상기 연료공급라인에 마련되며 상기 엔진으로 필요한 압력으로 암모니아를 압축하는 압축펌프;
    상기 엔진으로 공급된 암모니아 중 소비되지 않은 암모니아가 엔진으로부터 배출되는 연료회수라인;
    상기 연료회수라인에 마련되어 상기 엔진으로부터 배출되는 암모니아를 수용하는 세퍼레이터;
    상기 세퍼레이터로부터 상기 연료공급라인으로 연결되어 액체 상태의 암모니아를 상기 엔진으로 재순환시키는 재순환라인;
    상기 암모니아탱크로부터 암모니아 증발가스를 배출하고 재액화하여 상기 암모니아탱크로 회수하는 재액화라인;
    상기 세퍼레이터로부터 기체 상태의 암모니아를 배출하여 상기 재액화라인으로 이송하는 가스배출라인; 및
    상기 재액화라인에 마련되는 오일 필터:를 포함하며,
    상기 재액화라인을 따라 재액화된 암모니아는 상기 오일 필터를 거쳐 오일을 제거한 후 상기 암모니아탱크로 회수되는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 연료공급시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 재액화라인에는
    상기 암모니아탱크로부터 배출되는 암모니아 증발가스를 압축하는 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 암모니아 증발가스를 상기 암모니아탱크로부터 압축기로 공급될 미압축 암모니아 증발가스와 열교환으로 냉각하는 열교환기; 및
    상기 열교환기를 통과하며 냉각된 암모니아를 감압하여 상기 암모니아탱크로 이송하는 감압밸브:가 마련되며,
    상기 오일 필터는 상기 열교환기와 감압밸브 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 연료공급시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 재액화라인에는
    상기 암모니아탱크로부터 배출되는 암모니아 증발가스를 압축하는 압축기;
    상기 압축기에서 압축된 암모니아 증발가스를 상기 암모니아탱크로부터 압축기로 공급될 미압축 암모니아 증발가스와 열교환으로 냉각하는 열교환기; 및
    상기 열교환기를 통과하며 냉각된 암모니아를 감압하여 상기 암모니아탱크로 이송하는 감압밸브:가 마련되며,
    상기 오일 필터는 상기 감압밸브의 후단에 배치되는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 연료공급시스템.
  4. 제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 엔진은 선박의 추진용 엔진이며, 상기 선박에는 추진용 엔진보다 저압인 기체 상태의 암모니아를 공급받는 발전용 엔진이 마련되고,
    상기 연료공급라인의 상기 압축펌프 상류에서 분기되어 상기 발전용 엔진으로 연결되는 연료분기라인; 및
    상기 연료분기라인에 마련되어 상기 발전용 엔진의 연료공급조건에 맞추어 암모니아를 가열하는 연료기화기:를 더 포함하는 선박의 암모니아 연료공급시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 연료공급라인에서 상기 압축펌프의 전단에 마련되어 상기 암모니아탱크에서 이송되는 암모니아의 온도를 상기 엔진의 연료공급조건에 맞추어 조절하는 온도조절기; 및
    상기 연료공급라인에서 상기 온도조절기와 압축펌프 사이에 마련되는 수직관부(vertical pipe):를 더 포함하고,
    상기 수직관부에서는 상기 온도조절기를 거친 암모니아로부터 기체가 분리되어 수직관부 상부로 배출되고, 액체 상태의 암모니아가 상기 압축펌프로 이송되는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 연료공급시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 암모니아탱크로부터 상기 연료공급라인으로 암모니아를 이송하는 연료공급펌프:를 더 포함하고,
    상기 연료공급펌프는 상기 암모니아탱크의 내부 또는 상기 연료공급라인의 온도조절기 상류에 마련되는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 연료공급시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 암모니아탱크, 엔진 및 연료공급시스템에서 배출되는 벤트 가스(vent gas)를 공급받아 대기배출기준에 맞추어 처리하는 후처리부; 및
    상기 가스배출라인으로부터 분기되어 상기 후처리부로 연결되는 벤트라인:을 더 포함하는 선박의 암모니아 연료공급시스템.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 후처리부는
    상기 암모니아탱크, 엔진 및 연료공급시스템으로부터 배출되는 벤트 가스를 수용하는 캐치탱크; 및
    상기 캐치탱크에 수용된 벤트 가스로부터 분리된 기체를 공급받아, 기체 중의 암모니아를 물에 용해시켜 제거하는 암모니아 스크러버:를 포함하고,
    상기 캐치탱크에 수용된 벤트 가스로부터 분리된 액체는 상기 암모니아탱크로 회수되고, 상기 암모니아 스크러버를 통과한 기체는 선외 배출되는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 연료공급시스템.
  9. 제 4항에 있어서,
    상기 연료공급라인에서 상기 압축펌프의 후단에 마련되어 상기 암모니아탱크에서 이송되는 암모니아의 온도를 상기 엔진의 연료공급조건에 맞추어 조절하는 온도조절기를 더 포함하되,
    상기 연료회수라인을 통해 상기 엔진에서 배출되는 암모니아는 상기 온도조절기를 거쳐 상기 세퍼레이터로 이송되는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 연료공급시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 연료회수라인을 통해 상기 엔진에서 배출되는 암모니아는 상기 온도조절기 전단으로부터 상기 연료분기라인의 연료기화기 전단으로 이송되어 상기 발전용 엔진의 연료로 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 선박의 암모니아 연료공급시스템.
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