KR20240010674A - 암모니아 처리 시스템 및 그를 포함하는 암모니아 추진 선박 - Google Patents

암모니아 처리 시스템 및 그를 포함하는 암모니아 추진 선박 Download PDF

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KR20240010674A
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의해암모니아 처리 시스템이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템은, 중화탱크와, 중화탱크로 암모니아를 직접 또는 수용액 상태로 공급하는 암모니아공급관과, 중화탱크로 나트륨염을 직접 또는 수용액 상태로 공급하는 나트륨염공급관, 및 중화탱크로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소공급관을 포함하여, 중화탱크 내에서 암모니아를 중화시킬 수 있다.

Description

암모니아 처리 시스템 및 그를 포함하는 암모니아 추진 선박{Ammonia treatment system and Ammonia fuel vessel having the same}
본 발명은 암모니아 처리 시스템 및 그를 포함하는 암모니아 추진 선박에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 염기성의 폐암모니아 또는 폐암모니아가 물에 용해되어 생성된 암모니아수를 효과적으로 중화시킬 수 있는 암모니아 처리 시스템 및 그를 포함하는 암모니아 추진 선박에 관한 것이다.
화석 연료의 연소 과정에서 발생되는 배기가스에 포함된 오염물질로 인한 대기 오염이 증가함에 따라 저탄소 또는 탈탄소 연료를 이용하여 동력을 생성하는 친환경 선박의 개발이 요구되고 있으며, 차세대 친환경 연료 중 하나로 연소 시 이산화탄소의 배출이 없고 액화점이 높아 저장이 용이한 암모니아가 대두되고 있다.
암모니아는 액상의 상태로 연료탱크에 저장되어 필요 시 배관을 통해 연소기관에 공급되며, 배관 상에 설치된 복수의 펌프와 다수의 열교환기를 통과하며 연소기관에서 요구되는 압력 및 온도 조건으로 설정된 후 연소기관에 공급된다.
한편, 선박의 구조 상 연료탱크와 연소기관 사이가 멀어 복수 개의 배관을 플랜지(flange)로 연결하여 액상암모니아를 이송시키고 있다. 액상암모니아는 배관을 따라 유동하면서 배관에 형성된 틈새(crack) 또는 플랜지 사이로 누출될 수 있으며, 누출된 후 암모니아로 기화된다. 또한, 액상암모니아를 공급하는 도중, 펌프, 열교환기와 같은 연료공급설비를 수리해야 하거나, 연소기관이 셧다운되는 상황이 발생할 수 있다. 이 때, 배관 및 연료공급설비에 채워진 액상암모니아를 질소 등의 불활성가스를 이용하여 신속하게 퍼지(purge)해야 하며, 이 과정 중 필연적으로 기상의 암모니아가 외부로 노출될 수 있다. 암모니아는 독성 물질이고 쉽게 흩어져 퍼지는 것이 아니므로, 종래에는 누출된 액상암모니아 또는 암모니아를 물에 용해시켜 농도를 낮춘 후 대기 중에 방출하였다. 또한, 연소기관의 배기가스에 포함된 미연소 암모니아인 암모니아 슬립도 물에 용해시켜 농도를 낮춘 후 배기하였다. 이러한 폐암모니아 또는 암모니아슬립이 물에 용해되어 생성된 암모니아수는 pH가 높을 뿐만 아니라 해양계의 부영양화를 유발하는 암모늄 및 질소를 포함하고 있어 해상에 그대로 방출 시 환경 오염을 유발하므로 처리가 곤란한 문제가 있다.
대한민국 공개특허 제10-2022-0034270호 (2022.03.18.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 염기성의 폐암모니아 또는 폐암모니아가 물에 용해되어 생성된 암모니아수를 효과적으로 중화시킬 수 있는 암모니아 처리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 염기성의 암모니아 또는 암모니아수를 효과적으로 중화시킬 수 있는 암모니아 처리 시스템을 포함하는 암모니아 추진 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 처리 시스템은, 중화탱크와, 상기 중화탱크로 암모니아를 직접 또는 수용액 상태로 공급하는 암모니아공급관과, 상기 중화탱크로 나트륨염을 직접 또는 수용액 상태로 공급하는 나트륨염공급관, 및 상기 중화탱크로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소공급관을 포함하여, 상기 중화탱크 내에서 상기 암모니아를 중화시킨다.
상기 중화탱크 내에서,
<반응식 1>
NH3 +CO2 + H2O + NaCl ↔ NaHCO3 + NH4Cl
또는,
<반응식 2>
Na2SO4 + 2NH3 + 2H2O + 2CO2 ↔ (NH4)2SO4 + 2NaHCO3
중 적어도 하나의 중화 반응이 일어날 수 있다.
상기 암모니아와 상기 나트륨염이 물과 함께 먼저 섞인 후 상기 이산화탄소가 공급될 수 있다.
상기 암모니아공급관과 상기 나트륨염공급관은 상기 중화탱크로 연결되기 전에 서로 연결되어 상기 암모니아와 상기 나트륨염이 물과 함께 혼합되어 상기 중화탱크로 공급될 수 있다.
상기 암모니아 처리 시스템은, 상기 암모니아공급관과 상기 중화탱크 사이에 형성되며 상기 나트륨염공급관도 연결되어, 상기 암모니아와 상기 나트륨염과 물을 미리 혼합하는 예혼합탱크를 더 포함할 수 있다.
상기 암모니아공급관은, 폐암모니아를 물에 녹여 형성하거나 암모니아 연소기관의 배기가스에 포함된 암모니아 슬립을 처리하여 형성한 암모니아수를 상기 중화탱크로 공급할 수 있다.
상기 나트륨염공급관은, 해수 또는 염화나트륨(NaCl), 황산나트륨(Na2SO4)을 포함하는 나트륨염을 물과 혼합하여 형성하거나 상기 해수를 탈수과정을 통해 농축한 염수를 상기 중화탱크에 공급할 수 있다.
상기 염수는 선박의 역삼투압 방식의 담수설비를 통해 생성한 것일 수 있다.
상기 이산화탄소공급관은, 탄화수소를 연료로 하는 연소기관에서 배출하는 배기가스 또는 순수 이산화탄소 또는 탄산염 알칼리나 알칼리 토금속을 물에 용해시킨 수용액 상태로 이산화탄소를 공급할 수 있다.
상기 이산화탄소공급관은, 기체 상태의 이산화탄소를 상기 중화탱크 내부에 분사하거나 상기 중화탱크에 채워진 용액 속에 분사할 수 있다.
상기 암모니아 처리 시스템은, 상기 중화탱크와 상기 이산화탄소공급관 사이에 형성되고, 내부에 타공판 또는 다공성 충전재로 이루어진 믹싱부재를 포함하며, 상기 암모니아공급관과 상기 나트륨염공급관이 연결되어 상기 암모니아, 상기 나트륨염, 및 상기 이산화탄소를 혼합하는 혼합유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소공급관은 상기 믹싱부재 하부로 상기 이산화탄소를 공급하고 상기 암모니아공급관과 상기 나트륨염공급관은 상기 믹싱부재 상부로 상기 암모니아, 상기 나트륨염, 및 물을 공급할 수 있다.
상기 암모니아 처리 시스템은, 상기 중화탱크로부터 중화된 폐수용액을 상기 암모니아공급관과 상기 나트륨염공급관 중 적어도 하나를 통하여 다시 상기 중화탱크로 순환시키는 순환관을 더 포함할 수 있다.
상기 암모니아 처리 시스템은, 상기 중화탱크 내부를 냉각하여 중화반응을 촉진시키는 냉각부를 더 포함할 수 있다.
상기 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의실시예에 따른암모니아 처리 시스템을 포함하는 암모니아 추진 선박은, 선체와, 상기 선체에 설치되며 암모니아를 저장하는 저장탱크와, 상기 암모니아를 연소하여 동력을 발생시키는 제1 연소기관, 및 중화탱크와, 상기 중화탱크로 상기 암모니아를 직접 또는 수용액 상태로 공급하는 암모니아공급관과, 상기 중화탱크로 나트륨염을 직접 또는 수용액 상태로 공급하는 나트륨염공급관과, 상기 중화탱크로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소공급관을 포함하여, 상기 중화탱크 내에서 상기 암모니아를 중화시키는 암모니아 처리 시스템을 포함한다.
상기 암모니아공급관은, 상기 선체 내부에서 발생하는 폐암모니아를 물에 녹여 형성하거나 상기 제1 연소기관의 배기가스에 포함된 암모니아 슬립을 처리하여 형성한 암모니아수를 상기 중화탱크로 공급할 수 있다.
상기 나트륨염공급관은, 상기 선체 외부로부터 유입된 해수 또는 염화나트륨(NaCl), 황산나트륨(Na2SO4)을 포함하는 나트륨염을 물과 혼합하여 형성하거나 상기 해수를 탈수과정을 통해 농축한 염수를 상기 중화탱크로에 공급할 수 있다.
상기 이산화탄소공급관은, 상기 선체에 설치되며 탄화수소를 연료로 하는 제2 연소기관에서 배출하는 배기가스 또는 순수 이산화탄소 또는 탄산염 알칼리나 알칼리 토금속을 물에 용해시킨 수용액 상태로 이산화탄소를 공급할 수 있다.
본 발명에 따르면, 폐암모니아 또는 암모니아 슬립을 물에 용해시켜 형성한 암모니아수를 중화시키는 중화제로 이산화탄소와 나트륨염을 사용하므로, 종래와 같이, 다루기 어려운 염산, 황산과 같은 강산성의 중화제를 보관할 필요가 없어 작업자의 안전을 확보하면서 암모니아수를 중화시킬 수 있다. 특히, 선박에서 쉽게 구할 수 있는 탄화수소를 연료로 하는 보일러와 같은 연소기관에서 배출하는 배기가스나 해수 또는 해수를 탈수시켜 농축한 염수도 중화제로 활용 가능하므로, 중화제의 구매 및 저장을 위한 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 중화제의 보관에 사용되는 탱크를 생략하거나 최소화할 수 있어 선내 공간 활용도도 증대시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 추진 선박을 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 5는 암모니아 처리 시스템의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 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 일 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템 및 그를 포함하는 암모니아 추진 선박에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 암모니아 처리 시스템, 및 암모니아 추진 선박은 폐암모니아 또는 암모니아 슬립을 물에 용해시켜 형성한 암모니아수를 중화시키는 중화제로 이산화탄소와 나트륨염을 사용하므로, 종래와 같이, 다루기 어려운 염산, 황산과 같은 강산성의 중화제를 보관할 필요가 없어 작업자의 안전을 확보하면서 암모니아수를 중화시킬 수 있다. 특히, 선박에서 쉽게 구할 수 있는 탄화수소를 연료로 하는 보일러와 같은 연소기관에서 배출하는 배기가스나 해수 또는 해수를 탈수시켜 농축한 염수도 중화제로 활용 가능하므로, 중화제의 구매 및 저장을 위한 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 중화제의 보관에 사용되는 탱크를 생략하거나 최소화할 수 있어 선내 공간 활용도도 증대시킬 수 있는 특징이 있다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 암모니아 처리 시스템(1), 및 암모니아 추진 선박(100)에 관하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 추진 선박을 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 암모니아 처리 시스템(1)은 중화탱크(10)와, 암모니아공급관(20)과, 나트륨염공급관(30), 및 이산화탄소공급관(40)을 포함하여, 중화탱크(10) 내에서 암모니아를 중화시킬 수 있다.
중화탱크(10)는 암모니아 또는 암모니아수의 중화 반응이 이루어지는 탱크로, 일 측에 암모니아공급관(20), 나트륨염공급관(30), 이산화탄소공급관(40)이 각각 직접 또는 간접 연결될 수 있다.
암모니아공급관(20)은 중화탱크(10)로 암모니아를 직접 또는 수용액 상태로 공급하는 관으로, 예를 들어, 제1 연소기관(4)의 셧다운 등의 이유로 퍼지라인(3f)의 퍼지 시 펌프, 열교환기와 같은 연료공급설비(도시되지 않음)에서 벤트라인(3e)으로 벤트된 폐암모니아, 또는 배관이나 플랜지(3c)에서 누출된 액상암모니아가 기화되어 생성된 폐암모니아, 또는 배기가스에 포함된 미연소 암모니아인 암모니아 슬립을 직접 중화탱크(10)로 공급하거나, 퍼지라인(3f)의 퍼지 시 연료공급설비에서 벤트라인(3e)으로 벤트된 폐암모니아 또는 배관이나 플랜지(3c)에서 누출된 폐암모니아를 물에 녹여 형성하거나 암모니아 슬립을 처리하여 형성한 암모니아수를 중화탱크(10)로 공급할 수 있다. 여기서, 물이라 함은, 청수에 한정되지 않고 폐암모니아 또는 암모니아를 용해시킬 수 있는 해수, 청수, 데미워터를 통칭할 수 있다. 필요에 따라, 암모니아공급관(20)은 폐암모니아와 암모니아수를 동시에 중화탱크(10)로 공급할 수도 있다. 이하, 암모니아공급관(20)이 폐암모니아를 물에 녹여 형성하거나 암모니아 슬립을 처리하여 형성한 암모니아수를 중화탱크(10)로 공급하는 구조를 보다 중점적으로 설명한다.
암모니아공급관(20)은, 급유라인(3a) 또는 연료공급관(3b)의 플랜지(3c) 하부에 형성된 트레이(3d)로부터 암모니아수를 공급받거나, 암모니아를 연소하는 제1 연소기관(4)의 배기관(도면부호 미도시)에 설치된 후처리유닛(4a)으로부터 암모니아수를 공급받거나, 용해탱크(4b)로부터 암모니아수를 공급받을 수 있다. 트레이(3d)는 플랜지(3c) 하부에 위치하며 내부에 희석수가 수용되므로, 플랜지(3c)로 누출되어 낙하한 액상암모니아가 희석수에 용해되어 암모니아수를 형성할 수 있다. 후처리유닛(4a)은 제1 연소기관(4)에서 배출된 배기가스와 해수 또는 청수를 기액 접촉시키므로, 배기가스에 포함된 암모니아 슬립이 해수 또는 청수에 용해되어 암모니아수를 형성할 수 있다. 용해탱크(4b) 역시 내부에 연료공급설비에서 벤트라인(3e)으로 벤트된 폐암모니아를 희석할 희석수가 수용되므로, 암모니아수를 형성할 수 있다. 트레이(3d)에서 형성된 암모니아수와, 후처리유닛(4a)에서 생성된 암모니아수, 및 용해탱크(4b)에서 생성된 암모니아수는 각각 암모니아공급관(20)으로 배출되어 중화탱크(10)로 공급될 수 있다. 필요에 따라, 암모니아공급관(20)은 트레이(3d)와 후처리유닛(4a), 및 용해탱크(4b)로부터 동시에 또는 순차적으로 암모니아수를 공급받을 수도 있다.
나트륨염공급관(30)은 중화탱크(10)로 나트륨염을 직접 또는 수용액 상태로 공급하는 관으로, 예를 들어, 염화나트륨(NaCl) 또는 황산나트륨(Na2SO4)을 직접 중화탱크(10)로 공급하거나, 해수 또는 염화나트륨(NaCl), 황산나트륨(Na2SO4)을 포함하는 나트륨염을 물과 혼합하여 형성하거나 해수를 탈수과정을 통해 농축한 염수를 중화탱크(10)로 공급할 수 있다. 여기서, 물이라 함은, 청수에 한정되지 않고 나트륨염을 용해시킬 수 있는 해수, 청수, 데미워터를 통칭할 수 있다. 필요에 따라, 나트륨염공급관(30)은 나트륨염과 해수, 및 염수를 동시에 중화탱크(10)로 공급할 수도 있다. 이하, 나트륨염공급관(30)이 나트륨염을 수용액 상태로 중화탱크(10)로 공급하는 구조를 보다 중점적으로 설명한다.
나트륨염공급관(30)은 해수공급관(90)으로부터 해수를 공급받거나, 염화나트륨(NaCl), 황산나트륨(Na2SO4)을 포함하는 나트륨염과 물을 혼합하는 혼합탱크(도시되지 않음)로부터 염수를 공급받거나, 해수를 탈수시켜 염수를 생성하는 선박의 역삼투압 방식의 담수설비(도시되지 않음)로부터 염수를 공급받을 수 있다. 해수공급관(90)으로 유입된 해수와, 혼합탱크에서 생성된 염수, 및 담수설비에서 생성된 염수는 각각 나트륨염공급관(30)으로 배출되어 중화탱크(10)로 공급될 수 있다. 필요에 따라, 나트륨염공급관(30)은 해수공급관(90)으로부터 해수를 공급받는 동시에 또는 순차적으로 혼합탱크와 담수설비로부터 각각 염수를 공급받을 수도 있다.
이산화탄소공급관(40)은 중화탱크(10)로 이산화탄소를 공급하는 관으로, 예를 들어, 탄화수소를 연료로 하는 보일러와 같은 제2 연소기관(도시되지 않음)에서 배출하는 배기가스 또는 순수 이산화탄소 또는 탄산염 알칼리나 알칼리 토금속을 물에 용해시킨 수용액 상태로 이산화탄소를 중화탱크(10)로 공급할 수 있다. 여기서, 물이라 함은, 청수에 한정되지 않고 배기가스, 순수 이산화탄소, 탄산염 알칼리나 알칼리 토금속을 용해시킬 수 있는 해수, 청수, 데미워터를 통칭할 수 있다. 필요에 따라, 이산화탄소공급관(40)은 배기가스와 순수 이산화탄소, 및 탄산염 알칼리나 알칼리 토금속을 물에 용해시킨 수용액을 동시에 또는 순차적으로 중화탱크(10)로 공급할 수도 있다. 이산화탄소공급관(40)이 기체 상태의 이산화탄소를 공급하는 경우, 이산화탄소가 암모니아수에 용이하게 용해되도록 관의 끝단부에 분사노즐을 설치하여 중화탱크(10) 내부에 분사하거나 중화탱크(10)에 채워진 용액 속에 분사할 수 있다.
이산화탄소공급관(40)은 암모니아와 나트륨염이 물과 함께 먼저 섞인 후에 이산화탄소를 공급할 수 있다. 보다 구체적으로, 암모니아공급관(20)과 나트륨염공급관(30)은 중화탱크(10)로 연결되기 전에 서로 연결되어 암모니아와 나트륨염이 물과 함께 혼합되어 중화탱크(10)로 공급되며, 이산화탄소공급관(40)은 독립적으로 중화탱크(10)에 연결되어 이산화탄소를 공급할 수 있다. 암모니아와 나트륨염이 물과 함께 먼저 중화탱크(10)로 공급되면, 중화탱크(10)에 설치된 농도센서(11)가 암모니아와 나트륨염, 및 물이 혼합된 혼합수의 농도를 실시간으로 측정하여 제어부(80)로 전송하고, 제어부(80)는 농도센서(11)가 측정한 농도값에 대응하여 암모니아공급관(20)과 나트륨염공급관(30), 및 이산화탄소공급관(40)의 개폐를 조절할 수 있다. 암모니아와 나트륨염이 물과 함께 섞인 후 이산화탄소가 공급됨으로써, 암모니아의 농도 및 염도를 원하는 수치로 맞춘 상태에서 중화반응을 진행시킬 수 있다.
폐암모니아 또는 암모니아수는 중화탱크(10) 내에서 아래의 <반응식1> 또는 <반응식2>에 따라 중화반응이 일어날 수 있다.
<반응식1>
NH3 +CO2 + H2O+ NaCl ↔ NaHCO3 + NH4Cl
<반응식2>
Na2SO4 + 2NH3 + 2H2O + 2CO2↔ (NH4)2SO4 + 2NaHCO3
중화탱크(10)는 내부가 냉각부(17)에 의해 냉각될 수 있으며, 냉각부(17)는 중화탱크(10) 내부를 일정한 온도, 예를 들어, 약 20~22℃로 냉각시켜 중화반응을 촉진시킬 수 있다. 암모니아와 나트륨염 및 이산화탄소의 반응은 평형 반응이므로, 온도를 낮출 경우 생성물 중 일부가 탄산수소나트륨(NaHCO3)으로 석출되면서 정반응이 지속적으로 일어날 수 있다. 보다 구체적으로, 중화탱크(10)에 설치된 온도센서(13)가 중화탱크(10) 내부 또는 암모니아와 나트륨염과, 물, 및 이산화탄소가 혼합된 폐수용액의 온도를 실시간으로 측정하여 제어부(80)로 전송하면, 제어부(80)가 온도센서(13)에서 측정한 온도값에 대응하여 냉각부(17)의 구동을 제어할 수 있다. 냉각부(17)는 예를 들어, 냉매가 유동하는 열교환관 형태로 형성될 수 있으며, 냉매로는 냉각수, 외부 냉각 사이클, 액상암모니아 등이 사용될 수 있다.
한편, 제어부(80)는 중화탱크(10)에 설치된 pH센서(12)가 측정한 폐수용액의 pH값이 적정 pH가 되면, 이산화탄소공급관(40)을 폐쇄하고, 중화탱크(10) 내 폐수용액을 해상으로 배출하는 배수관(14)을 개방할 수 있다. 필요에 따라, 중화탱크(10) 내 암모니아를 대기 중으로 방출하는 벤트관(16)도 개방할 수 있다. 배수관(14) 상에는 폐수용액의 암모늄 또는 질소 농도를 측정하는 센서부(15)가 설치되고, 센서부(15) 전단의 배수관(14) 상에는 해수공급관(90)이 연결되므로, 중화탱크(10)에서 배수관(14)으로 배출된 폐수용액에 해수를 혼합하여 폐수용액의 암모늄 또는 질소 농도를 일정 값 이하로 낮춘 후 방류할 수 있다.
본 발명에 따른 암모니아 추진 선박(100)은선체(2)와, 저장탱크(3)와, 제1 연소기관(4), 및 중화탱크(10)와 암모니아공급관(20)과 나트륨염공급관(30)과 이산화탄소공급관(40)을 포함하는 암모니아 처리 시스템(1)을 포함한다.
선체(2)는 암모니아 추진 선박(100)의 외형(外形)을 이루는 것으로, 외측면이 유선형(流線型)으로 형성되어 해수로 인한 저항을 최소화할 수 있다. 선체(2)는 후술할 제1 연소기관(4)에서 생성된 동력으로 추진되며, 내부에 저장탱크(3)와 제1 연소기관(4), 및 암모니아 처리 시스템(1)이 설치된다.
저장탱크(3)는 암모니아, 보다 구체적으로 액상암모니아를 저장하는 탱크로, 예를 들어, 내부 압력이 일정하게 유지되는 멤브레인 타입의 상압탱크로 형성될 수 있다. 저장탱크(3)는 급유라인(3a)으로부터 액상암모니아를 공급받으며, 급유라인(3a)은 급유터미널(도시되지 않음)과 저장탱크(3) 사이를 연결하여 급유터미널로부터 저장탱크(3)로 액상암모니아를 공급할 수 있다. 급유라인(3a)은 복수 개의 관이 플랜지(3c)로 연결되어 형성될 수 있으며, 각각의 플랜지(3c) 하부에는 내부에 희석수가 수용된 트레이(3d)가 위치하여, 플랜지(3c)로부터 누출되어 낙하한 액상암모니아가 희석수에 용해되어 암모니아수를 형성할 수 있다. 저장탱크(3) 내부의 액상암모니아는 제1 연소기관(4)으로 공급된다.
제1 연소기관(4)은 액상암모니아를 공급받아 연소하여 동력을 발생시키는 것으로, 예를 들어, 메인 엔진일 수 있다. 제1 연소기관(4)은 연료공급관(3b)으로부터 연료를 공급받으며, 연료공급관(3b)은 저장탱크(3)와 제1 연소기관(4) 사이를 연결하여 저장탱크(3) 내부의 액상암모니아를 제1 연소기관(4)으로 공급할 수 있다. 연료공급관(3b)은 복수 개의 관이 플랜지(3c)로 연결되어 형성될 수 있으며, 각각의 플랜지(3c) 하부에는 내부에 희석수가 수용된 트레이(3d)가 위치하여, 플랜지(3c)로 누출되어 낙하한 액상암모니아가 희석수에 용해되어 암모니아수를 형성할 수 있다.
암모니아 처리 시스템(1)은 암모니아 또는 암모니아수의 중화 반응이 이루어지는 중화탱크(10)와, 중화탱크(10)로 암모니아를 직접 또는 수용액 상태로 공급하는 암모니아공급관(20)과, 중화탱크(10)로 나트륨염을 직접 또는 수용액 상태로 공급하는 나트륨염공급관(30)과, 중화탱크(10)로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소공급관(40)을 포함하여, 중화탱크(10) 내에서 암모니아를 중화시킬 수 있다.
암모니아공급관(20)은 선체(2) 내부에서 발생하는 폐암모니아를 물에 녹여 형성하거나 제1 연소기관(4)의 배기가스에 포함된 암모니아 슬립을 처리하여 형성한 암모니아수를 중화탱크(10)로 공급할 수 있다. 폐암모니아는 제1 연소기관(4)의 셧다운 등의 이유로 퍼지라인(3f)의 퍼지 시 연료공급설비에서 벤트라인(3e)으로 벤트되거나, 배관이나 플랜지(3c)에서 누출된 액상암모니아가 기화되어 생성된 것일 수 있으며, 암모니아 슬립은 제1 연소기관(4)에 공급된 액상암모니아 중 일부가 미연소되어 형성된 것일 수 있다. 나트륨염공급관(30)은 해수공급관(90)을 통해 선체(2) 외부로부터 유입된 해수를 공급받거나, 염화나트륨(NaCl), 황산나트륨(Na2SO4)을 포함하는 나트륨염과 물을 혼합하는 혼합탱크부터 염수를 공급받거나, 해수를 탈수시켜 염수를 생성하는 역삼투압 방식의 담수설비로부터 염수를 공급받을 수 있다. 이산화탄소공급관(40)은 선체(2)에 설치되며 탄화수소를 연료로 하는 보일러와 같은 제2 연소기관에서 배출하는 배기가스 또는 순수 이산화탄소 또는 탄산염 알칼리나 알칼리 토금속을 물에 용해시킨 수용액 상태로 이산화탄소를 중화탱크(10)로 공급할 수 있다. 이산화탄소공급관(40)은 암모니아수와, 해수 또는 염수가 먼저중화탱크(10)로 공급되어 섞인 후에 제2 연소기관에서 배출된 배기가스 또는 순수이산화탄소 또는 탄산염 알칼리나 알칼리 토금속을 물에 용해시킨 수용액을 공급할 수 있다.
암모니아수는 중화탱크(10) 내에서 이산화탄소 및 나트륨염과 반응하여 중화될 수 있으며, 이 때, 냉각부(17)는 중화탱크(10) 내부를 일정한 온도, 예를 들어, 약 20~22℃로 냉각시켜 중화반응을 촉진시킬 수 있다. 암모니아수가 중화되어 pH센서(12)에서 측정된 폐수용액의 pH값이 적정 pH가 되면, 제어부(80)는 이산화탄소공급관(40)을 폐쇄하고, 중화된 폐수용액이 배출되도록 배수관(14)을 개방할 수 있다. 필요에 따라, 제어부(80)는 중화탱크(10) 내 암모니아가 대기 중으로 방출되도록 벤트관(16)을 개방할 수도 있다. 센서부(15)는 배수관(14)으로 배출된 폐수용액의 암모늄 또는 질소 농도를 측정하여 제어부(80)로 전송하며, 제어부(80)는 센서부(15)의 측정값에 대응하여 해수공급관(90)으로부터 해수를 공급받아 폐수용액에 혼합하여 수용액의 암모늄 또는 질소 농도를 일정 값 이하로 낮춘 후 방류할 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여, 암모니아 처리 시스템(1)의 동작에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 3 내지 도 5는 암모니아 처리 시스템의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
본 발명에 따른 암모니아 처리 시스템(1) 및 암모니아 추진 선박(100)은 폐암모니아 또는 암모니아 슬립을 물에 용해시켜 형성한 암모니아수를 중화시키는 중화제로 이산화탄소와 나트륨염을 사용하므로, 종래와 같이, 다루기 어려운 염산, 황산과 같은 강산성의 중화제를 보관할 필요가 없어 작업자의 안전을 확보하면서 암모니아수를 중화시킬 수 있다. 특히, 선박에서 쉽게 구할 수 있는 탄화수소를 연료로 하는 보일러와 같은 연소기관에서 배출하는 배기가스나 해수 또는 해수를 탈수시켜 농축한 염수도 중화제로 활용 가능하므로, 중화제의 구매 및 저장을 위한 비용을 절감할 수 있을 뿐만 아니라 중화제의 보관에 사용되는 탱크를 생략하거나 최소화할 수 있어 선내 공간 활용도도 증대시킬 수 있다.
먼저, 도 3을 참조하면, 암모니아공급관(20)은 폐암모니아를 물에 녹여 형성하거나 제1 연소기관(4)의 배기가스에 포함된 암모니아 슬립을 처리하여 형성한 암모니아수를 중화탱크(10)로 공급하고, 이와 동시에 또는 순차적으로, 나트륨염공급관(30)은 해수 또는 염화나트륨(NaCl), 황산나트륨(Na2SO4)을 포함하는 나트륨염을 물과 혼합하여 형성하거나 해수를 탈수과정을 통해 농축한 염수를 중화탱크(10)로 공급할 수 있다. 이 때, 농도센서(11)는 암모니아수와 해수 또는 염수가 혼합된 혼합수의 농도를 실시간으로 측정하여 제어부(80)로 전송하며, 제어부(80)는 농도센서(11)가 측정한 농도값에 대응하여 암모니아공급관(20) 및 나트륨염공급관(30)의 개폐를 조절할 수 있다. 제어부(80)는 해수공급관(90)으로부터 공급받은 해수가 먼저 중화탱크(10)로 유입되도록 제어하며, 혼합탱크 또는 담수설비로부터 공급받은 염수가 추가로 공급되어 농도를 조절하도록 제어할 수 있다.
농도센서(11)에서 측정한 암모니아의 농도 및 염도가 적정 수치가 되면, 도 4에 도시된 바와 같이, 제어부(80)는 암모니아공급관(20)과 나트륨염공급관(30)을 폐쇄하고, 이산화탄소공급관(40)을 개방할 수 있다. 이산화탄소공급관(40)은 탄화수소를 연료로 하는 제2 연소기관에서 배출하는 배기가스 또는 순수 이산화탄소 또는 탄산염 알칼리나 알칼리 토금속을 물에 용해시킨 수용액 상태로 이산화탄소를 중화탱크(10)로 공급할 수 있다. 이산화탄소가 공급됨에 따라 암모니아수는 중화탱크(10) 내에서 이산화탄소 및 나트륨염과 반응하여 중화될 수 있다. 이 때, 냉각부(17)는 중화탱크(10) 내부를 일정한 온도로 냉각시켜 중화반응을 촉진시키며, 제어부(80)는 온도센서(13)에서 측정한 온도값에 대응하여 냉각부(17)의 구동을 제어할 수 있다.
pH센서(12)에서 측정한 폐수용액의 pH값이 적정 pH가 되면, 도 5에 도시된 바와 같이, 제어부(80)는 이산화탄소공급관(40)을 폐쇄하고, 배수관(14)과 벤트관(16)을 개방할 수 있다. 센서부(15)는 배수관(14)으로 배출된 폐수용액의 암모늄 또는 질소 농도를 측정하여 제어부(80)로 전송하며, 제어부(80)는 센서부(15)의 측정값에 대응하여 해수공급관(90)으로부터 해수를 공급받아 폐수용액에 혼합하여 폐수용액의 암모늄 또는 질소 농도를 일정 값 이하로 낮춘 후 방류할 수 있다.
이하, 도 6을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템(1-1)에 관하여 구체적으로 설명한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템(1-1)은 암모니아와 나트륨염, 물, 및 이산화탄소를 혼합하는 혼합유닛(60)과, 중화탱크(10)로부터 중화된 폐수용액을 다시 중화탱크(10)로 순환시키는 순환관(70)을 더 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템(1-1)은 암모니아와 나트륨염, 물, 및 이산화탄소를 혼합하는 혼합유닛(60)과, 중화탱크(10)로부터 중화된 폐수용액을 다시 중화탱크(10)로 순환시키는 순환관(70)을 더 포함하는 것을 제외하면, 전술한 실시예와 실질적으로 동일하다. 따라서, 이를 중점적으로 설명하되 별도의 언급이 없는 한 나머지 구성부에 대한 설명은 전술한 사항으로 대신한다.
이산화탄소공급관(40)은 제2 연소기관에서 배출하는 배기가스 또는 순수 이산화탄소를 중화탱크(10)로 공급하고, 중화탱크(10)와 이산화탄소공급관(40) 사이에는 혼합유닛(60)이 형성될 수 있다. 혼합유닛(60)은 내부에 타공판 또는 다공성 충전재로 이루어진 믹싱부재(61)를 포함하며, 암모니아공급관(20)과 나트륨염공급관(30)이 연결되어 암모니아, 나트륨염, 물, 및 이산화탄소를 혼합할 수 있다. 이 때, 이산화탄소공급관(40)은 믹싱부재(61) 하부로 배기가스 또는 순수 이산화탄소를 공급하고, 암모니아공급관(20)과 나트륨염공급관(30)은 믹싱부재(61) 상부로 암모니아, 나트륨염, 및 물을 공급할 수 있다. 이산화탄소공급관(40)이 믹싱부재(61) 하부로 배기가스 또는 순수 이산화탄소를 공급하고, 암모니아공급관(20)과 나트륨염공급관(30)이 믹싱부재(61) 상부로 암모니아, 나트륨염, 및 물을 공급함으로써, 상방으로 이동하는 이산화탄소가 하방으로 이동하는 암모니아, 나트륨염, 및 물에 보다 오랜 시간 접촉할 수 있으며, 이로 인해, 이산화탄소의 용해도가 증가하여 암모니아수의 중화 반응이 보다 원활하게 이루어질 수 있다. 벤트관(16)은 중화탱크(10) 내 암모니아가 믹싱부재(61)를 통과하며 용해 또는 중화될 수 있도록 믹싱부재(61) 상부에 연결될 수 있다.
중화탱크(10) 하단에는 순환관(70)이 연결될 수 있다. 순환관(70)은 중화탱크(10)로부터 중화된 폐수용액 중 일부를 암모니아공급관(20)과 나트륨염공급관(30) 중 적어도 하나를 통하여 다시 중화탱크(10)로 순환시키는 관으로, 나트륨염공급관(30)에 연결되어 나트륨염공급관(30)을 통해 폐수용액을 중화탱크(10)로 순환시킬 수 있다. 순환관(70)이 중화된 폐수용액 중 일부를 다시 중화탱크(10)로 순환시킴으로써, 암모니아를 중화시키기 위해 공급되어야 하는 나트륨염과 이산화탄소의 양을 줄일 수 있어 암모니아 처리 시스템(1-1)을 보다 경제적으로 운용할 수 있으며, 배수관(14)으로 배출되는 폐수용액의 양도 줄일 수 있는 장점이 있다.
이하, 도 7을 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템(1-2)에 관하여 구체적으로 설명한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템(1-2)은 암모니아와 나트륨염과 물을 미리 혼합하는 예혼합탱크(50)를 더 포함한다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템(1-2)은 암모니아와 나트륨염과 물을 미리 혼합하는 예혼합탱크(50)를 더 포함하는 것을 제외하면, 전술한 실시예와 실질적으로 동일하다. 따라서, 이를 중점적으로 설명하되 별도의 언급이 없는 한 나머지 구성부에 대한 설명은 전술한 사항으로 대신한다.
예혼합탱크(50)는 암모니아공급관(20)과 중화탱크(10) 사이에 형성되며 나트륨염공급관(30)도 연결되어 암모니아와 나트륨염과 물을 미리 혼합할 수 있다. 예혼합탱크(50)에는 암모니아와 나트륨염과 물이 혼합되어 생성된 혼합수의 농도를 실시간으로 측정하는 농도센서(51)가 설치되며, 제어부(80)는 농도센서(51)가 측정한 농도값에 대응하여 암모니아공급관(20)과 나트륨염공급관(30)의 개폐를 조절할 수 있다. 예혼합탱크(50)가 설치되는 경우, 중화탱크(10)에는 농도센서가 생략될 수 있다. 예혼합탱크(50)가 암모니아와 나트륨염과 물을 미리 혼합함으로써, 암모니아의 농도 및 염도를 원하는 수치로 보다 용이하게 맞출 수 있다. 예혼합탱크(50)에서 암모니아와 나트륨염과 물이 혼합되어 생성된 혼합수는 별도의 배관을 통해 중화탱크(10)로 공급되며, 이산화탄소공급관(40)을 통해 공급되는 이산화탄소에 의해 중화될 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 처리 시스템 2: 선체
3: 저장탱크 3a: 급유라인
3b: 연료공급관 3c: 플랜지
3d: 트레이 3e: 벤트라인
3f: 퍼지라인 4: 제1 연소기관
4a: 후처리유닛 4b: 용해탱크
10: 중화탱크 11: 농도센서
12: pH센서 13: 온도센서
14: 배수관 15: 센서부
16: 벤트관 17: 냉각부
20: 암모니아공급관 30: 나트륨염공급관
40: 이산화탄소공급관 50: 예혼합탱크
60: 혼합유닛 61: 믹싱부재
70: 순환관 80: 제어부
90: 해수공급관 100: 암모니아 추진 선박

Claims (18)

  1. 중화탱크;
    상기 중화탱크로 암모니아를 직접 또는 수용액 상태로 공급하는 암모니아공급관;
    상기 중화탱크로 나트륨염을 직접 또는 수용액 상태로 공급하는 나트륨염공급관, 및
    상기 중화탱크로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소공급관을 포함하여,
    상기 중화탱크 내에서 상기 암모니아를 중화시키는 암모니아 처리 시스템.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 중화탱크 내에서,
    <반응식 1>
    NH3+CO2 + H2O + NaCl ↔ NaHCO3 + NH4Cl
    또는,
    <반응식 2>
    Na2SO4 + 2NH3 + 2H2O + 2CO2↔ (NH4)2SO4 + 2NaHCO3
    중 적어도 하나의 중화 반응이 일어나는 암모니아 처리 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 암모니아와 상기 나트륨염이 물과 함께 먼저 섞인 후 상기 이산화탄소가 공급되는 암모니아 처리 시스템.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 암모니아공급관과 상기 나트륨염공급관은 상기 중화탱크로 연결되기 전에 서로 연결되어 상기 암모니아와 상기 나트륨염이 물과 함께 혼합되어 상기 중화탱크로 공급되는 암모니아 처리 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 암모니아공급관과 상기 중화탱크 사이에 형성되며 상기 나트륨염공급관도 연결되어, 상기 암모니아와 상기 나트륨염과 물을 미리 혼합하는 예혼합탱크를 더 포함하는 암모니아 처리 시스템.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 암모니아공급관은,
    폐암모니아를 물에 녹여 형성하거나 암모니아 연소기관의 배기가스에 포함된 암모니아 슬립을 처리하여 형성한 암모니아수를 상기 중화탱크로 공급하는 암모니아 처리 시스템.
  7. 제1 항에 있어서, 상기 나트륨염공급관은,
    해수 또는 염화나트륨(NaCl), 황산나트륨(Na2SO4)을 포함하는 나트륨염을 물과 혼합하여 형성하거나 상기 해수를 탈수과정을 통해 농축한 염수를 상기 중화탱크에 공급하는 암모니아 처리 시스템.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 염수는 선박의 역삼투압 방식의 담수설비를 통해 생성한 것인 암모니아 처리 시스템.
  9. 제1 항에 있어서, 상기 이산화탄소공급관은,
    탄화수소를 연료로 하는 연소기관에서 배출하는 배기가스 또는 순수 이산화탄소 또는 탄산염 알칼리나 알칼리 토금속을 물에 용해시킨 수용액 상태로 이산화탄소를 공급하는 암모니아 처리 시스템.
  10. 제1 항에 이어서, 상기 이산화탄소공급관은,
    기체 상태의 이산화탄소를 상기 중화탱크 내부에 분사하거나 상기 중화탱크에 채워진 용액 속에 분사하는 암모니아 처리 시스템.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 중화탱크와 상기 이산화탄소공급관 사이에 형성되고, 내부에 타공판 또는 다공성 충전재로 이루어진 믹싱부재를 포함하며, 상기 암모니아공급관과 상기 나트륨염공급관이 연결되어 상기 암모니아, 상기 나트륨염, 및 상기 이산화탄소를 혼합하는 혼합유닛을 더 포함하는 암모니아 처리 시스템.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 이산화탄소공급관은 상기 믹싱부재 하부로 상기 이산화탄소를 공급하고 상기 암모니아공급관과 상기 나트륨염공급관은 상기 믹싱부재 상부로 상기 암모니아, 상기 나트륨염, 및 물을 공급하는 암모니아 처리 시스템.
  13. 제1 항에 있어서,
    상기 중화탱크로부터 중화된 폐수용액을 상기 암모니아공급관과 상기 나트륨염공급관 중 적어도 하나를 통하여 다시 상기 중화탱크로 순환시키는 순환관을 더 포함하는 암모니아 처리 시스템.
  14. 제1 항에 있어서,
    상기 중화탱크 내부를 냉각하여 중화반응을 촉진시키는 냉각부를 더 포함하는 암모니아 처리 시스템.
  15. 선체;
    상기 선체에 설치되며 암모니아를 저장하는 저장탱크;
    상기 암모니아를 연소하여 동력을 발생시키는 제1 연소기관, 및
    중화탱크와,
    상기 중화탱크로 상기 암모니아를 직접 또는 수용액 상태로 공급하는 암모니아공급관과,
    상기 중화탱크로 나트륨염을 직접 또는 수용액 상태로 공급하는 나트륨염공급관과,
    상기 중화탱크로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소공급관을 포함하여, 상기 중화탱크 내에서 상기 암모니아를 중화시키는 암모니아 처리 시스템을 포함하는 암모니아 추진 선박.
  16. 제15 항에 있어서, 상기 암모니아공급관은,
    상기 선체 내부에서 발생하는 폐암모니아를 물에 녹여 형성하거나 상기 제1 연소기관의 배기가스에 포함된 암모니아 슬립을 처리하여 형성한 암모니아수를 상기 중화탱크로 공급하는 암모니아 추진 선박.
  17. 제15 항에 있어서, 상기 나트륨염공급관은,
    상기 선체 외부로부터 유입된 해수 또는 염화나트륨(NaCl), 황산나트륨(Na2SO4)을 포함하는 나트륨염을 물과 혼합하여 형성하거나 상기 해수를 탈수과정을 통해 농축한 염수를 상기 중화탱크로에 공급하는 암모니아 추진 선박.
  18. 제15 항에 있어서, 상기 이산화탄소공급관은,
    상기 선체에 설치되며 탄화수소를 연료로 하는 제2 연소기관에서 배출하는 배기가스 또는 순수 이산화탄소 또는 탄산염 알칼리나 알칼리 토금속을 물에 용해시킨 수용액 상태로 이산화탄소를 공급하는 암모니아 추진 선박.
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