KR20240102292A

KR20240102292A - Lng 운반선의 연료공급시스템

Info

Publication number: KR20240102292A
Application number: KR1020220184206A
Authority: KR
Inventors: 이윤주
Original assignee: 한화오션 주식회사
Priority date: 2022-12-26
Filing date: 2022-12-26
Publication date: 2024-07-03

Abstract

LNG 운반선의 연료공급시스템이 개시된다. 본 발명의 LNG 운반선의 연료공급시스템은, 선박의 화물로 운송되는 LNG를 저장하는 카고탱크; 메탄, 이산화탄소 및 물을 공급받아 수소와 일산화탄소를 포함한 합성가스를 생성하는 개질부; 상기 개질부에서 생성된 합성가스를 공급받아 액체탄화수소로 전환하는 FT공정부; 및 상기 카고탱크로부터 상기 개질부로 연결되는 가스공급라인:을 포함하며, 상기 카고탱크의 LNG에서 발생하는 증발가스는 상기 가스공급라인을 통해 상기 개질부로 배출되고, 상기 FT공정부에서 생성된 액체탄화수소는 선내 소비처의 연료로 공급되는 것을 특징으로 한다.

Description

LNG 운반선의 연료공급시스템{Fuel Supply System For LNG Carrier}

본 발명은 LNG 운반선의 연료공급시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 카고탱크의 LNG에서 발생하는 증발가스를 개질부로 배출하여 합성가스를 생성하고 FT공정부에서 액체탄화수소로 전환하여 선내 소비처의 연료로 공급하는 LNG 운반선의 연료공급시스템에 관한 것이다.

지구온난화 현상의 심화에 따라 전세계적으로 온실가스 배출을 감축하려는 노력이 이루어지고 있다.

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 195개의 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.

선박의 항로, 교통규칙, 항만시설 등을 국제적으로 통일하기 위해 설치된 유엔 전문기구인 국제 해사 기구(IMO: International Maritime Organization)는 선박에 의한 전세게 온실가스 배출량이 2007년 기준 2.7% 수준에서 2050년에는 12~18%로 증가할 것으로 예상하고, 선박에 의한 대기오염 방지를 위해 MARPOL 협약 Annex VI에 '대기오염 방지'를 부가하여 SOx(황산물질), NOx(질소산화물), ODS(오존층파괴유발물질) 등을 규제 대상물질로 정한 바 있다.

이에 따라 최근 LNG, LPG, CNG, DME 등의 액화가스를 선박의 연료로 사용하는 기술이 각광받고 있다. 특히, LNG는 이산화탄소 배출량이 벙커C유 등 석탄계 연료에 비하여 20% 이상 적고, 나아가 대기오염의 주범 물질인 질소산화물과 황산화물은 거의 배출되지 않기 때문에 다른 화석 연료에 비해 친환경 연료로 평가받으면서, 국제적인 배기가스 배출규제 강화 추세에 따라 LPG 또는 LNG 운반선 외에 일반 선박에서도 LNG 등을 추진 연료로 사용하는 선박이 증가하고 있다.

LNG는 다른 화석 연료에 비해 친환경 연료로 평가받지만 연소 시 여전히 이산화탄소가 발생하며, 이를 연료로 사용하는 선박에서는 운항 중 이산화탄소를 배출하게 된다.

IMO(International Maritime Organization, 국제해사기구)는 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 강화되는 추세이다.

이러한 규제 강화 추세에 따라, 이산화탄소 배출이 없는 친환경 연료 기술 개발, 화석연료 연소가스 중의 이산화탄소를 포집하여 메탄이나 메탄올 등으로 전환하거나 액화하는 기술 등 다양한 기술들이 연구되고 있다. 특히 경제성 있는 신재생에너지 기술의 개발이 이루어질 때까지는 화석연료 사용이 불가피하므로, 화석연료 사용으로 발생한 이산화탄소를 포집하여 효과적으로 처리할 수 있는 기술 개발도 필요하다.

한편, 저장 및 수송을 용이하게 하기 위해 LNG, LPG, 액화이산화탄소 등과 같이 냉각으로 액화시켜 선박을 통해 운송되는 액화가스는 수송 과정에서 카고탱크에 전달되는 열에 의해 지속적으로 자연 기화되어 증발가스(BOG; Boil-Off Gas)가 발생한다. 증발가스가 생성되면서 카고탱크의 내압을 상승시키는데, 탱크의 내압이 설정된 안전압력 이상이 되면 탱크 파손(rupture) 등 위급상황을 초래할 수 있다. 증발가스는 일종의 화물 손실로서 액화가스의 수송 효율에 있어 중요한 문제이므로, 카고탱크에서 발생하는 증발가스를 안전하고 효과적으로 처리하기 위한 방안이 필요하다.

본 발명은 이산화탄소를 효과적으로 처리하면서 카고탱크에서 발생하는 증발가스를 효과적으로 처리할 수 있는 방안을 제안하고자 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 선박의 화물로 운송되는 LNG를 저장하는 카고탱크;

메탄, 이산화탄소 및 물을 공급받아 수소와 일산화탄소를 포함한 합성가스를 생성하는 개질부;

상기 개질부에서 생성된 합성가스를 공급받아 액체탄화수소로 전환하는 FT공정부; 및

상기 카고탱크로부터 상기 개질부로 연결되는 가스공급라인:을 포함하며,

상기 카고탱크의 LNG에서 발생하는 증발가스는 상기 가스공급라인을 통해 상기 개질부로 배출되고, 상기 FT공정부에서 생성된 액체탄화수소는 선내 소비처의 연료로 공급되는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 연료공급시스템이 제공된다.

상기 선박에 마련되며 액화이산화탄소를 저장하는 이산화탄소탱크; 및 상기 이산화탄소탱크로부터 상기 개질부로 연결되어 상기 이산화탄소탱크에서 발생하는 이산화탄소 증발가스를 상기 개질부로 공급하는 연료공급라인:을 더 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 이산화탄소탱크에 마련되어 액화이산화탄소를 펌핑하는 이송펌프; 및 상기 연료공급라인에 마련되는 인라인믹서:를 더 포함하며, 상기 개질부에서 필요한 이산화탄소의 양보다 상기 이산화탄소탱크에서 발생하는 이산화탄소 증발가스의 양이 적은 경우 상기 이송펌프에서 이송된 액화이산화탄소를 상기 인라인믹서에서 이산화탄소 증발가스에 혼합하여 상기 개질부로 공급할 수 있다.

바람직하게는, 상기 카고탱크에 저장된 LNG를 상기 카고탱크 외부로 공급하는 리퀴드공급라인; 및 상기 카고탱크에 마련되어 상기 리퀴드공급라인으로 LNG를 이송하는 LNG공급펌프:를 더 포함하고, 상기 개질부에서 필요한 메탄의 양보다 상기 카고탱크에서 발생하는 증발가스의 양이 적은 경우 상기 LNG공급펌프에서 이송된 LNG를 상기 개질부로 공급할 수 있다.

바람직하게는, 상기 리퀴드공급라인에 마련되어 추진용 주엔진의 연료공급압력에 따라 LNG를 가압하는 LNG압축펌프; 및 상기 LNG압축펌프에서 가압된 LNG를 상기 주엔진의 연료공급온도에 따라 가열하여 상기 주엔진으로 공급하는 강제기화기:를 더 포함하며, 상기 선내 소비처는 발전엔진 및 보일러를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 선내 소비처는 추진용 주엔진, 발전엔진 및 보일러를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 추진용 주엔진, 발전엔진 및 보일러에서 발생하는 배기가스에 포함된 이산화탄소는 포집되어 상기 개질부로 공급될 수 있다.

본 발명에서는 카고탱크의 LNG에서 발생하는 증발가스로부터 합성가스를 생성하고 액체탄화수소로 전환하여 선내 소비처의 연료로 공급하여 처리한다.

이와 같이 카고탱크에서 발생하는 증발가스를 효과적으로 처리하여 카고탱크의 내압 상승을 막고 선박 안전을 확보할 수 있다.

나아가, 주엔진, 발전엔진 등에서 발생하는 배기가스로부터 이산화탄소를 포집하여 합성가스 생성에 활용함으로써, 선박 운항 시 이산화탄소 배출을 최소화하고, 선박의 에너지 효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 운반선의 연료공급시스템을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LNG 운반선의 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.

후술하는 본 발명의 실시예에서 선박은, 증발가스로 메탄이 생성되는 LNG 카고탱크가 구비된 것으로, 대표적으로 LNG 운반선(LNG Carrier), 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 부유하는 해상 구조물 등도 포함할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 LNG 운반선의 연료공급시스템을, 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 LNG 운반선의 연료공급시스템을 각각 개략적으로 도시한다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 실시예의 연료공급시스템은, 선박의 화물로 운송되는 LNG를 저장하는 복수의 카고탱크(CTa, CTb, CTc)와, 메탄, 이산화탄소 및 물을 공급받아 수소와 일산화탄소를 포함한 합성가스를 생성하는 개질부(100)와, 개질부에서 생성된 합성가스를 공급받아 액체탄화수소로 전환하는 FT공정부(200)와, 카고탱크로부터 개질부로 연결되는 가스공급라인(GL)을 포함한다.

카고탱크(CTa, CTb, CTc)의 LNG에서 발생하는 증발가스는 가스공급라인을 통해 개질부(100)로 배출되어 처리되고, FT공정부(200)에서 생성된 액체탄화수소는 선내 소비처(C)의 연료로 공급되는 것을 특징으로 한다.

선박에는 개질부(100)로 합성가스 생성을 위해 사용될 이산화탄소를 공급하기 위한 액화이산화탄소를 저장하는 이산화탄소탱크(FT)가 마련된다.

이산화탄소탱크(FT)는 이산화탄소의 삼중점 이상으로 내부 압력을 유지할 수 있는 압력용기로 마련될 수 있고, 이산화탄소를 액체 상태로 저장한다. 이산화탄소의 삼중점은 약 5.18 bara, -56.7℃이므로, 통상 대기압 하에서는 냉각 시 고체로 상변화하여 드라이아이스를 형성한다. 따라서 압력용기로 된 이산화탄소탱크(FT)를 구비하고 탱크 내부 압력을 이산화탄소의 삼중점 이상으로 압력을 유지하면서, 해당 압력에서의 이산화탄소 끓는점 이하의 저온으로 탱크 온도를 유지함으로써 고체보다 저장 및 수송에 보다 효율적인 액체 상태로 이산화탄소를 저장할 수 있다.

이산화탄소탱크(FT)에서 발생하는 이산화탄소 증발가스를 탱크에서 배출하여 개질부(100)에 합성가스 생성을 위해 공급한다. 이를 위해 이산화탄소탱크로부터 개질부로 연료공급라인(FL)이 연결된다.

개질부(100)에서는 카고탱크로부터 가스공급라인(GL)을 통해 공급되는 LNG 증발가스의 메탄과, 이산화탄소탱크로부터 연료공급라인을 통해 공급되는 이산화탄소와, 물을 공급받아 다음과 같이 개질(reforming) 가스화를 통해 수소와 일산화탄소를 포함한 합성가스를 생성한다.

2CH₄ + CO₂+H₂O -> 5H₂ + 3CO

개질부에서 생성된 합성가스는 FT공정부(200)로 공급되어 코발트(Co), 철(Fe) 등의 촉매하에서 피셔 트롭시 공정(Fischer Tropsch Synthesis Reaction)을 통해 디젤, 나프타 등의 액체탄화수소(GTL, Gas to Liquid)로 전환된다. FT공정부에서는 디젤을 포함하여 선내 소비처에서 필요한 액체탄화수소를 생산하여 연료로 공급할 수 있다.

5H₂ + 3CO -> GTL Fuel

본 실시예에서는 선박의 추진용 주엔진(ME)에는 카고탱크의 LNG가 연료로 공급되고, 발전엔진, 보일러(Aux. Boiler) 등의 소비처(C)에는 개질부 및 FT공정부를 거쳐 생성된 액체탄화수소가 연료로 공급될 수 있다.

카고탱크(CTa, CTb, CTc)에 저장된 LNG를 카고탱크 외부로 공급하는 리퀴드공급라인(LL)과, 카고탱크에는 리퀴드공급라인으로 LNG를 이송하는 LNG공급펌프(CP)가 마련된다. 리퀴드공급라인에는 추진용 주엔진의 연료공급압력에 따라 LNG를 가압하는 LNG압축펌프(300)와, LNG압축펌프에서 가압된 LNG를 주엔진의 연료공급온도에 따라 가열하여 주엔진으로 공급하는 강제기화기(350)가 마련되어, 카고탱크의 LNG를 압축 및 가열하여 주엔진 연료로 공급할 수 있다.

개질부에서 필요한 메탄의 양보다 카고탱크에서 발생하는 증발가스의 양이 적은 경우 LNG공급펌프에서 이송된 LNG를 개질부에 공급할 수 있다. 이를 위해 리퀴드공급라인(LL)은 LNG압축펌프(300) 상류에서 분기되어 각각 개질부와(LL1) LNG압축펌프로(LL2) 연결될 수 있다.

이산화탄소탱크에서 발생하는 이산화탄소 증발가스를 개질부로 공급하되, 개질부에서 필요한 이산화탄소의 양보다 이산화탄소탱크에서 발생하는 이산화탄소 증발가스의 양이 적은 경우 이산화탄소탱크에 마련된 이송펌프(FP)에서 이송된 액화이산화탄소를 연료공급라인(FL)에 마련된 인라인믹서(150)에서 이산화탄소 증발가스에 혼합하여 개질부로 공급할 수 있다.

추진용 주엔진, 발전엔진 및 보일러에서 탄화수소계 연료를 사용함에 따라 배기가스에는 이산화탄소가 포함된다. 이와 같이 배기가스에 포함된 이산화탄소는 포집되어 개질부로 공급되거나, 포집 후 액화되어 이산화탄소탱크에 저장될 수 있다.

도 2에 도시된 실시예 시스템은 추진용 주엔진도 FT공정부에서 생성된 액체탄화수소를 공급받도록 구성한 것이다.

즉, 전술한 실시예에서는 주엔진에는 카고탱크의 LNG를 공급하고, 발전엔진, 보일러 등으로 액체탄화수소를 공급하도록 구성하였으나, 본 실시예에서는 액체탄화수소가 공급되는 선내 소비처로 발전엔진, 보일러 외에 주엔진도 포함된다.

카고탱크(CTa, CTb, CTc)로부터 연결된 리퀴드공급라인(LL)은 분기할 필요없이 개질부(100)로만 연결되고, LNG공급펌프(CP)를 통해 이송된 LNG는 개질부에 합성가스 및 액체탄화수소 생산을 위한 연료로 공급된다.

복수의 카고탱크에서 발생하는 증발가스를 우선 개질부로 공급하고, 개질부에서 필요로 하는 메탄의 양보다 카고탱크에서 발생하는 증발가스의 양이 적은 경우 LNG공급펌프에서 이송된 LNG를 개질부에 공급하는 방식으로 운용할 수 있다.

이와 같이 본 실시예 시스템들을 통해 LNG 운반선의 카고탱크에서 발생하는 증발가스를 효과적으로 처리하여 카고탱크의 내압을 안전하게 유지하면서, 선내에 필요한 연료를 생산하여 소비처로 공급함으로써 선박 운항 비용을 절감하고 선박 운항으로 인한 이산화탄소 배출을 저감할 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.

CTa, CTb, CTc: 카고탱크
FT: 이산화탄소탱크
100: 개질부
150: 인라인믹서
200: FT공정부
300: LNG압축펌프
350: 강제기화기

Claims

선박의 화물로 운송되는 LNG를 저장하는 카고탱크;
메탄, 이산화탄소 및 물을 공급받아 수소와 일산화탄소를 포함한 합성가스를 생성하는 개질부;
상기 개질부에서 생성된 합성가스를 공급받아 액체탄화수소로 전환하는 FT공정부; 및
상기 카고탱크로부터 상기 개질부로 연결되는 가스공급라인:을 포함하며,
상기 카고탱크의 LNG에서 발생하는 증발가스는 상기 가스공급라인을 통해 상기 개질부로 배출되고, 상기 FT공정부에서 생성된 액체탄화수소는 선내 소비처의 연료로 공급되는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 연료공급시스템.
제 1항에 있어서,
상기 선박에 마련되며 액화이산화탄소를 저장하는 이산화탄소탱크; 및
상기 이산화탄소탱크로부터 상기 개질부로 연결되어 상기 이산화탄소탱크에서 발생하는 이산화탄소 증발가스를 상기 개질부로 공급하는 연료공급라인:을 더 포함하는 LNG 운반선의 연료공급시스템.
제 2항에 있어서,
상기 이산화탄소탱크에 마련되어 액화이산화탄소를 펌핑하는 이송펌프; 및
상기 연료공급라인에 마련되는 인라인믹서:를 더 포함하며,
상기 개질부에서 필요한 이산화탄소의 양보다 상기 이산화탄소탱크에서 발생하는 이산화탄소 증발가스의 양이 적은 경우 상기 이송펌프에서 이송된 액화이산화탄소를 상기 인라인믹서에서 이산화탄소 증발가스에 혼합하여 상기 개질부로 공급하는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 연료공급시스템.
제 3항에 있어서,
상기 카고탱크에 저장된 LNG를 상기 카고탱크 외부로 공급하는 리퀴드공급라인; 및
상기 카고탱크에 마련되어 상기 리퀴드공급라인으로 LNG를 이송하는 LNG공급펌프:를 더 포함하고,
상기 개질부에서 필요한 메탄의 양보다 상기 카고탱크에서 발생하는 증발가스의 양이 적은 경우 상기 LNG공급펌프에서 이송된 LNG를 상기 개질부로 공급할 수 있는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 연료공급시스템.
제 4항에 있어서,
상기 리퀴드공급라인에 마련되어 추진용 주엔진의 연료공급압력에 따라 LNG를 가압하는 LNG압축펌프; 및
상기 LNG압축펌프에서 가압된 LNG를 상기 주엔진의 연료공급온도에 따라 가열하여 상기 주엔진으로 공급하는 강제기화기:를 더 포함하며,
상기 선내 소비처는 발전엔진 및 보일러를 포함하는 LNG 운반선의 연료공급시스템.
제 4항에 있어서,
상기 선내 소비처는 추진용 주엔진, 발전엔진 및 보일러를 포함하는 LNG 운반선의 연료공급시스템.
제 5항 또는 제 6항에 있어서,
상기 추진용 주엔진, 발전엔진 및 보일러에서 발생하는 배기가스에 포함된 이산화탄소는 포집되어 상기 개질부로 공급될 수 있는 것을 특징으로 하는 LNG 운반선의 연료공급시스템.