WO2023101523A1 - 암모니아 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

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김문규
허희승
백은성
이경원
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to an ammonia treatment system and a vessel including the same.
  • IMO International Maritime Organization
  • European Union the European Union
  • United States are strengthening regulations on pollutants discharged from ships to reduce air pollution. there is.
  • non-fossil fuels such as ammonia (NH3), biofuel, solar energy, and wind energy are being considered.
  • ammonia is a chemical that can be produced, stored, transported, and supplied, and ammonia ships using ammonia as fuel are being developed.
  • ammonia has a boiling point lower than room temperature (atmospheric pressure, -33 ° C)
  • the ammonia storage tank must also have certain specifications in order to store ammonia as a liquid.
  • the inside of the tank must be kept at a low temperature in order to maintain ammonia in a liquid state, the storage tank must be cooled and a lot of energy is consumed in the cooling process.
  • liquid ammonia storage tank may generate evaporation gas in the tank, and the pressure inside the storage tank increases due to the evaporation gas, so there is a risk of the tank exploding, and an explosion occurs when liquid ammonia leaks out of the tank. It can happen, and there is a risk of human injury due to the toxicity of ammonia.
  • the present invention was created to solve the problems of the prior art as described above, and provides an ammonia treatment system that guarantees stable and reliable fuel supply and efficient exhaust treatment in supplying ammonia as fuel to an engine and a ship including the same It is to do.
  • An ammonia treatment system includes a fuel supply unit supplying ammonia discharged from an ammonia storage tank to an engine; a fuel recovery unit that recovers excess ammonia returned from the engine; an exhaust processing unit that processes exhaust exhaust from the engine; and a vent unit for discharging ammonia discharged from the fuel supply unit or the fuel recovery unit to the outside, wherein the vent unit includes: a low-pressure discharge drum for collecting low-pressure ammonia discharged from the ammonia storage tank or the fuel supply unit; a high-pressure discharge drum for collecting high-pressure ammonia discharged from the fuel supply unit or the fuel recovery unit; and an exhaust treatment unit that treats ammonia and transfers it to the vent mast, wherein the low-pressure discharge drum or the high-pressure discharge drum transfers ammonia to the exhaust treatment unit or the exhaust treatment unit.
  • the exhaust treatment unit may use at least a portion of ammonia supplied to the engine by the fuel supply unit as a reducing agent.
  • the low-pressure discharge drum and the high-pressure discharge drum may transfer at least a portion of the collected ammonia to the ammonia storage tank.
  • a re-liquefaction unit for re-liquefying boil-off gas discharged from the ammonia storage tank may be further included, and the re-liquefaction unit may deliver at least a portion of the boil-off gas to the low-pressure discharge drum or the exhaust treatment unit.
  • the fuel supply unit a low pressure pump for transporting ammonia; a high-pressure pump pressurizing the ammonia pressurized by the low-pressure pump to correspond to the required pressure of the engine; and a heat exchanger for adjusting the temperature of ammonia, wherein the fuel recovery unit cools the surplus ammonia discharged from the engine and transfers it between the low pressure pump and the high pressure pump in the fuel supply unit; and a catch drum provided in parallel with the cooler and temporarily storing ammonia.
  • An ammonia treatment system includes a fuel supply unit supplying ammonia discharged from an ammonia storage tank to an engine; a fuel recovery unit that recovers excess ammonia returned from the engine; an exhaust processing unit that processes exhaust exhaust from the engine; and a vent unit discharging ammonia discharged from the fuel supply unit or the fuel recovery unit to the outside, wherein the exhaust treatment unit oxidizes ammonia, and the vent unit includes the ammonia storage tank, the fuel supply unit, or the fuel recovery unit. and an exhaust treatment unit that collects ammonia discharged from the unit, mixes the ammonia with water, and transfers it to the exhaust processing unit.
  • the vent unit further includes a discharge drum that collects ammonia discharged from the ammonia storage tank, the fuel supply unit, or the fuel recovery unit and transfers it to the exhaust treatment unit or the exhaust treatment unit, and the exhaust treatment unit, Ammonia may be collected using water, and the ammonia water may be delivered to the exhaust treatment unit.
  • it further includes a purging unit for purging the fuel supply unit or the fuel recovery unit using a non-explosive gas, wherein the purging unit transfers the non-explosive gas to the discharge drum to reduce the pressure of the discharge drum to the discharge processor or the discharge drum. It can be adjusted higher than the exhaust treatment section.
  • An ammonia treatment system includes a fuel supply unit supplying ammonia discharged from an ammonia storage tank to an engine; a fuel recovery unit that recovers excess ammonia returned from the engine; an exhaust processing unit that processes exhaust exhaust from the engine; and a vent unit discharging ammonia discharged from the fuel supply unit or the fuel recovery unit to the outside, wherein the fuel supply unit includes: a low pressure pump transporting ammonia; a high-pressure pump pressurizing the ammonia pressurized by the low-pressure pump to correspond to the required pressure of the engine; and a heat exchanger for adjusting the temperature of ammonia, wherein the fuel recovery unit cools the surplus ammonia discharged from the engine and transfers it between the low pressure pump and the high pressure pump in the fuel supply unit; and a pressure control valve provided downstream of the cooler to maintain ammonia flowing from the fuel recovery unit toward the fuel supply unit at a saturation pressure or higher at a corresponding temperature.
  • the fuel recovery unit further includes a mixer for mixing surplus ammonia discharged from the engine with ammonia between the low pressure pump and the high pressure pump in the fuel supply unit, and the pressure control valve is connected to the cooler and the mixer can be arranged in between.
  • the cooler may include a first cooler for cooling ammonia using a medium provided separately from ammonia; and a second cooler provided downstream or upstream of the first cooler and using ammonia from the fuel supply unit.
  • the heat exchanger may include a first heat exchanger provided between the low pressure pump and the high pressure pump; and a second heat exchanger provided between the high-pressure pump and the engine, wherein the first heat exchanger is provided between the mixer and the high-pressure pump, and the second heat exchanger is provided between the second cooler and the engine. can be provided.
  • a vessel according to one aspect of the present invention includes the ammonia treatment system.
  • ammonia treatment system and a ship including the same can efficiently supply ammonia to an ammonia engine and exhibit excellent performance in venting, purging, exhaust treatment, and the like.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of an ammonia treatment system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram of an ammonia treatment system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram of an ammonia treatment system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram of an ammonia treatment system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram of an ammonia treatment system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram of an ammonia treatment system according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram of an ammonia treatment system according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram of an ammonia treatment system according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the present invention includes a vessel equipped with an ammonia treatment system described below.
  • the ship is a concept that includes all ammonia carriers, merchant ships that carry non-ammonia cargoes or people, FSRUs, FPSOs, bunkering vessels, and offshore plants.
  • the pressure sensor (PT), the temperature sensor (TT), the flow sensor (FT), etc. may be provided at appropriate positions without limitation, and the measured values by each sensor are described below. It can be used in various ways without limitation to the operation of the described components.
  • straight lines in the drawings of the present invention represent passages through which various fluids such as ammonia, heat, and non-explosive gases move, and can be interpreted as pipelines.
  • FIGS. 1 to 4 are conceptual diagrams of an ammonia treatment system according to a first embodiment of the present invention.
  • the ammonia treatment system 1 includes an ammonia storage tank 10, a fuel supply unit 20, a fuel recovery unit, an exhaust treatment unit 40, a vent It includes a unit 50, a re-liquefying unit 60, a drain processing unit 70, and a purging unit 80.
  • the ammonia storage tank 10 stores ammonia.
  • Ammonia is used as a fuel consumed by the engine E, and in this case, the engine E may be an ammonia-only engine E or an ammonia combined combustion engine E.
  • the engine E is an engine that obtains energy by consuming ammonia, and is interpreted as encompassing a turbine and the like.
  • the ammonia storage tank 10 stores ammonia in a liquid state, and for this purpose, insulation may be applied to at least one side of the inside or outside of the ammonia storage tank 10 .
  • the ammonia storage tank 10 may prevent liquefaction of ammonia by storing ammonia at a high pressure, and in this case, the low pressure pump 21 of the fuel supply unit 20 to be described later may be reduced or omitted.
  • the ammonia storage tank 10 may be provided to form a cargo hold inside the ship, or may be a fuel tank separately provided inside the ship or on the deck. One or more ammonia storage tanks 10 are provided, and when a plurality of ammonia storage tanks 10 are provided, ammonia may be consumed alternatively or simultaneously.
  • a bunkering unit 11 is connected to the ammonia storage tank 10.
  • the bunkering unit 11 delivers ammonia from an external fueling source to the ammonia storage tank 10.
  • the external fueling source may be an ammonia supply source on land or an ammonia bunkering ship on the sea.
  • the bunkering unit 11 may connect the ammonia storage tank 10 and the fueling source using a manifold, loading arm, etc., and the fueling source delivers ammonia to the ammonia storage tank 10 at a certain pressure. However, as ammonia evaporates in the ammonia storage tank 10, evaporation gas may be generated, and this causes the internal pressure of the ammonia storage tank 10 to rise, so that the pressure of the ammonia storage tank 10 is higher than that of the fuel source. .
  • the bunkering unit 11 may use a bunkering compressor (not shown) to solve this situation.
  • the bunkering compressor compresses the boil-off gas generated in the ammonia storage tank 10 and delivers it to the filling station to increase the pressure of the filling station to secure a differential pressure between the filling source and the ammonia storage tank 10. Through this, the bunkering unit 11 can ensure that ammonia is smoothly supplied from the gas station to the ammonia storage tank 10.
  • the bunkering compressor may use the boil-off gas generated in the fuel source in addition to the boil-off gas of the ammonia storage tank 10.
  • the bunkering compressor may increase the pressure of the fueling source by using a gas other than ammonia.
  • the fueling source may have a structure in which only ammonia is delivered to the ammonia storage tank 10.
  • a pressure regulator 12 may be provided in the ammonia storage tank 10 .
  • the pressure control unit 12 heats or vaporizes ammonia discharged from the ammonia storage tank 10 and then injects it into the ammonia storage tank 10 to increase the internal pressure of the ammonia storage tank 10 (Pressure Build-up Unit). ), or a subcooler that cools/subcools and returns ammonia.
  • the pressure control unit 12 may be the re-liquefaction unit 60, and the pressure control unit 12 may increase or decrease the internal pressure of the ammonia storage tank 10 to ensure stability of ammonia fuel supply.
  • the fuel supply unit 20 supplies ammonia from the ammonia storage tank 10 to the engine E.
  • the fuel supply unit 20 may supply liquid ammonia from among ammonia stored in the ammonia storage tank 10 to the engine E.
  • the fuel supply unit 20 is provided to supply ammonia to the engine E in liquid form.
  • the fuel supply unit 20 may adjust the state of ammonia in various ways in response to changes in engine E specifications.
  • the fuel supply unit 20 may be divided into a low pressure part and a high pressure part, and the low pressure part and the high pressure part may be configured as a skid.
  • the skid (LP Skid) provided with the low-pressure part and the skid (HP Skid) provided with the high-pressure part may be provided separately and may have a mutually connectable structure.
  • an ammonia storage tank 10 may be provided in addition to the configuration of the fuel supply unit 20, while in the case of the high pressure skid (HP Skid), in addition to the configuration of the fuel supply unit 20, a fuel to be described later Components of the recovery unit may be provided together.
  • the low pressure part of the fuel supply unit 20 includes a low pressure pump 21 .
  • the low-pressure pump 21 is responsible for withdrawing the ammonia stored in the ammonia storage tank 10 to the outside, and may be provided as a fixed capacity type or a variable capacity type (VFD).
  • VFD variable capacity type
  • the low-pressure pump 21 may be disposed downstream of the ammonia storage tank 10 as shown in the drawing, but may also be disposed within the ammonia storage tank 10. Furthermore, as described above, the low pressure pump 21 may be omitted depending on the type and internal pressure of the ammonia storage tank 10 .
  • a plurality of low pressure pumps 21 may be provided to form a structure capable of backing up each other, and the plurality of low pressure pumps 21 may operate simultaneously and share loads.
  • a plurality of low pressure pumps 21 may be provided in series to utilize a multi-stage pressurization method.
  • a constant flow of ammonia must be continuously introduced into the low pressure pump 21 , which is essential for stable operation of the low pressure pump 21 .
  • This flow rate is referred to as the effective suction head (NPSHr), and a flow rate equal to or higher than the effective suction head flows into the low pressure pump 21 .
  • a flow path for returning ammonia to the ammonia storage tank 10 may be provided downstream of the low pressure pump 21 .
  • the return passage connected to the ammonia storage tank 10 downstream of the low pressure pump 21 may be connected to the pressure controller 12 .
  • the high-pressure part of the fuel supply unit 20 includes a high-pressure pump 22 and a heat exchanger 23 .
  • the high-pressure pump 22 pressurizes the ammonia pressurized by the low-pressure pump 21 to correspond to the required pressure of the engine E.
  • One or more high-pressure pumps 22 may be provided in series or parallel, as in the case of the low-pressure pump 21 .
  • the high-pressure pump 22 may be provided as a variable displacement type, and the load may be variable according to the measured value of a flowmeter that may be provided between the low-pressure pump 21 and the high-pressure pump 22 . At this time, the flow meter may be provided at a position where the flow rate of surplus ammonia recovered by the fuel recovery unit is reflected.
  • the fuel recovery unit which will be described later, may transfer surplus ammonia discharged from the engine E to the high-pressure pump 22, and the high-pressure pump 22 does not preferably inflow gaseous phase due to its specifications. Accordingly, it is required that ammonia upstream of the high-pressure pump 22 exist only in a liquid phase, and for this purpose, temperature and pressure upstream of the high-pressure pump 22 may be effectively controlled.
  • ammonia recovered by the fuel recovery unit may be cooled, and the ammonia pressure upstream of the high-pressure pump 22 may be maintained high to increase the boiling point of ammonia, thereby suppressing vaporization.
  • the high-pressure pump 22 continuously introduces a minimum flow to satisfy the effective suction head, and returns downstream of the high-pressure pump 22 in case a surplus occurs line is provided.
  • the return line allows an excess of the flow rate to be supplied to the engine E to be circulated from downstream to upstream of the high-pressure pump 22, and may be connected to the mixer 33 of the fuel recovery unit.
  • the heat exchanger 23 regulates the temperature of ammonia.
  • the heat exchanger 23 may be provided between the low pressure pump 21 and the high pressure pump 22 and may be disposed on a high pressure skid.
  • the heat exchanger 23 may adjust the temperature of ammonia in response to the required temperature of the engine E using a heat medium such as glycol water GW.
  • the heat exchanger 23 may be a heater for heating ammonia.
  • the required temperature of the engine E is higher than the storage temperature of the ammonia storage tank 10 (below the boiling point of ammonia at atmospheric pressure), and only the temperature rise generated when the low pressure pump 21 and the high pressure pump 22 are pressurized Since it is insufficient to meet the required temperature of (E), a heat exchanger 23 may be used.
  • the heat exchanger 23 is provided upstream of the high-pressure pump 22 so that the ammonia gas phase does not flow into the high-pressure pump 22, so that the temperature of ammonia can be properly adjusted. At this time, the heat exchanger 23 controls the heating temperature of ammonia in consideration of the recovery of ammonia by the fuel recovery unit.
  • the fuel supply unit 20 includes a heat supply unit 25 for supplying heat to the heat exchanger 23 and the like.
  • the fruit supply unit 25 may circulate and supply fruit such as glycol water to the heat exchanger 23, and if necessary, the fruit may be replenished or discharged on the circulation passage of the fruit.
  • the fruit supply unit 25 may be provided in a form of continuously supplying new fruit to pass through the heat exchanger 23 .
  • the heat supply unit 25 may heat or cool the temperature of the heat exchanger 23 to properly match the temperature of the heat exchanged with the heat exchanger ammonia.
  • the fruit supply unit 25 may include both a fruit heater 251 and a fruit cooler 252.
  • the fruit heater 251 is a configuration for heating the fruit with a heat source such as steam, and can sufficiently raise the temperature of the fruit before the fruit is cooled by ammonia in the heat exchanger 23 and then introduced into the heat exchanger 23 again. there is. At this time, the heating temperature of the fruit may be adjusted by bypassing at least a part of the fruit heater 251.
  • the fruit cooler 252 is configured to heat the fruit with a cold source such as fresh water, and when the high-temperature ammonia recovered by the fuel recovery unit is relatively large, the temperature of the fruit is lowered and introduced into the high-pressure pump 22. The temperature of the ammonia can be adjusted appropriately. Alternatively, the fruit cooler 252 may cool the fruit heated by the cooler 31 of the fuel recovery unit described below. Cooling of the fruit cooler 252 can also be controlled by using partial bypass of the fruit as in the case of the fruit heater 251.
  • the heat medium cooler 252 and the heat medium heater 251 may be provided in parallel, or alternatively operated while being provided in series. Regarding the arrangement and operation of the heat medium cooler 252 and the heat medium heater 251, it is noted that various modifications are possible to efficiently control the temperature of the heat medium.
  • the fuel supply unit 20 includes a valve for adjusting the supply flow rate of ammonia immediately before the engine E, and at this time, such a valve may be referred to as a fuel supply valve train (SVT).
  • SVT fuel supply valve train
  • the fuel recovery unit recovers excess ammonia returned from the engine E.
  • the currently developed or under development engine E for ammonia has a structure in which ammonia is supplied in liquid form and consumed, but an excess is supplied in order to stably supply the required flow rate.
  • excess ammonia may be discharged from the engine E after passing through at least a portion of the engine E, in which case the lubricating oil used in the engine E may be mixed with the ammonia. Therefore, the surplus ammonia discharged from the engine E is in a polluted state, and it is not desirable to return to the ammonia storage tank 10.
  • the fuel recovery unit transfers the excess ammonia discharged from the engine E to the fuel supply unit 20.
  • the fuel recovery unit may transfer excess ammonia from the fuel supply unit 20 to the high-pressure pump 22, and includes a cooler 31, a catch drum 32, a mixer 33, and the like as shown in FIG. 4.
  • the cooler 31 cools the excess ammonia discharged from the engine E. Since the surplus ammonia passes through the engine E, it may be in a heated state due to the heat of the engine E, and when returned as it is and introduced into the high pressure pump 22, it may cause the inflow of gaseous phase in the high pressure pump 22. Therefore, the cooler 31 cools the surplus ammonia with fresh water and transfers it from the fuel supply unit 20 between the low-pressure pump 21 and the high-pressure pump 22, and suppresses the ammonia vapor from entering the high-pressure pump 22.
  • the cooler 31 may utilize the heat of the heat exchanger 23 . That is, the heat circulation passage of the fruit supply unit 25 may be provided to pass through the cooler 31, and the cooler 31 may be disposed downstream of the heat exchanger 23 based on the flow of the fruit.
  • the fruit is cooled while heating ammonia in the heat exchanger 23, and then heated while cooling excess ammonia in the cooler 31. Afterwards, the fruit is introduced into the heat exchanger 23 again. At this time, the heat exchanger 23 may properly adjust the temperature of the fruit flowing into the heat exchanger 251 and/or the fruit cooler 252.
  • the catch drum 32 is provided in parallel with the cooler 31 and temporarily stores ammonia.
  • the catch drum 32 may be configured to prevent gas from flowing into the high-pressure pump 22 by separating excess ammonia from gas-liquid. Also, the catch drum 32 may be provided to remove lubricating oil contained in excess ammonia.
  • the catch drum 32 may have a structure including a gas-liquid separator and a knockout drum.
  • excess ammonia first flows into the gas-liquid separator to separate the gas phase, and at least some of the excess ammonia in the liquid phase flows into the knockout drum to separate the lubricating oil. That is, although the above-described separation of the gas phase and the lubricating oil may be performed by a separate configuration, the catch drum 32 may include a configuration implementing these functions for convenience.
  • the mixer 33 mixes surplus ammonia discharged from the engine E with ammonia between the low pressure pump 21 and the high pressure pump 22 in the fuel supply unit 20 .
  • the mixer 33 allows ammonia passing through the cooler 31 or the catch drum 32 to be mixed with the ammonia of the fuel supply unit 20, and may be provided as a mixer in the form of a container or an in-line mixer. there is.
  • the fuel recovery unit includes a valve for adjusting the return flow rate of ammonia immediately after the engine E, and at this time, these valves may be referred to as a fuel return valve train (RVT).
  • RVT fuel return valve train
  • the exhaust processing unit 40 processes exhaust exhaust discharged from the engine E.
  • the exhaust of the engine E may contain environmental pollutants such as various particles and nitrogen oxides (NOx). .
  • the exhaust treatment unit 40 may be a selective catalytic reduction device (SCR) or a scrubber.
  • the exhaust treatment unit 40 may be provided to include at least SCR, and ammonia or the like may be used as a reducing agent.
  • the reducing agent used by the exhaust treatment unit 40 may be separately supplied from the outside, or may be delivered from the fuel supply unit 20 or the like. That is, the fuel supply unit 20 may transfer a portion of ammonia flowing toward the engine E to the exhaust treatment unit 40 in at least a portion of the low pressure part or the high pressure part. Accordingly, the exhaust treatment unit 40 may use at least a portion of ammonia supplied to the engine E by the fuel supply unit 20 as a reducing agent. However, ammonia in the high-pressure part of the fuel supply unit 20 may be transferred to the exhaust treatment unit 40 after lowering the pressure with a valve or the like.
  • the exhaust treatment unit 40 may also use ammonia delivered from the vent unit 50 as a reducing agent to purify nitrogen oxides and the like included in the exhaust of the engine E.
  • the engine E of this embodiment is an engine E that consumes ammonia, and a portion of ammonia may be mixed in the exhaust (ammonia slip).
  • the exhaust treatment unit 40 may purify the ammonia contained in the exhaust by oxidizing the ammonia.
  • Oxidation of ammonia can be accomplished by SCR. That is, SCR reduces nitrogen oxides using ammonia, and the exhaust treatment unit 40 may cause ammonia to be oxidized by mutually reacting ammonia and nitrogen oxides contained in the exhaust gas.
  • oxidation of ammonia may be performed separately from SCR.
  • the oxidation of ammonia may be a reaction in which ammonia reacts with oxygen to produce nitrogen oxide and water (4NH3 + 5O2 -> 4NO + 6H2O), and the nitrogen oxide generated at this time can be purified by the SCR described above.
  • the exhaust treatment unit 40 may implement ammonia oxidation and nitrogen oxide reduction at once by having only a nitrogen oxide reduction unit (not shown), which is an SCR, or the exhaust treatment unit 40 may be provided with a nitrogen oxide reduction unit (not shown). ) and an ammonia oxidation unit (not shown).
  • the ammonia oxidizing section is disposed upstream of the nitrogen oxide reducing section, and ammonia mixed in the exhaust is changed into nitrogen oxides and water by ammonia slip.
  • the nitrogen oxide reducing unit uses ammonia as a reducing agent to change nitrogen oxides into nitrogen and water (4NO + 4NH3 + O2 -> 2N2 + 3H2O), so that the ratio of ammonia or nitrogen oxides in exhaust is within the standard.
  • the exhaust treatment unit 40 includes an ammonia filter (not shown) that filters out ammonia mixed in the exhaust, and uses ammonia other than ammonia in the exhaust as a reducing agent in the nitrogen oxide reduction unit, or minimizes or omits the ammonia oxidation unit. can do.
  • an ammonia filter (not shown) that filters out ammonia mixed in the exhaust, and uses ammonia other than ammonia in the exhaust as a reducing agent in the nitrogen oxide reduction unit, or minimizes or omits the ammonia oxidation unit. can do.
  • the exhaust processing unit 40 may discharge the exhaust gas from the engine E into the air after sufficiently purifying the exhaust gas. Exhaust purified by the exhaust treatment unit 40 is discharged to the outside through a funnel having a certain height and treated so as not to harm people.
  • the vent unit 50 discharges ammonia discharged from the fuel supply unit 20 to the outside.
  • the vent unit 50 serves to remove ammonia from the system in an abnormal situation, such as when an ammonia leak is detected or the system is shut down due to engine E stopping.
  • the vent unit 50 may be provided to discharge ammonia discharged from the ammonia storage tank 10 and the fuel recovery unit to the outside. That is, the vent part 50 is connected to the parts where ammonia is stored or flows in the entire system to ensure a quick and safe discharge of ammonia.
  • the vent unit 50 includes discharge drums 51 and 52, a discharge processor 53, and a vent mast 54.
  • the discharge drums 51 and 52 collect ammonia discharged from the ammonia storage tank 10, the fuel supply unit 20, or the fuel recovery unit.
  • the discharge drums 51 and 52 are in the form of containers and receive ammonia from the fuel supply unit 20 or the like. At this time, the ammonia delivered to the discharge drums 51 and 52 may be gaseous or liquid, but may be mainly gaseous.
  • the discharge drums 51 and 52 may collect ammonia using water. That is, water may be stored in the discharge drums 51 and 52, and ammonia flowing into the discharge drums 51 and 52 is dissolved in water to generate ammonia water.
  • Ammonia introduced into the discharge drums 51 and 52 may be transferred to an exhaust treatment unit 53 to be described later, or may be transferred to an exhaust treatment unit 40 . That is, ammonia water from the discharge drums 51 and 52 may be supplied to the exhaust treatment unit 40 and used as a reducing agent in the exhaust treatment unit 40 or may be oxidized in the exhaust treatment unit 40 .
  • the discharge drums 51 and 52 may be divided into a low pressure discharge drum 51 and a high pressure discharge drum 52 .
  • the low-pressure discharge drum 51 collects ammonia discharged from the aforementioned low-pressure portion
  • the high-pressure discharge drum 52 collects ammonia discharged from the high-pressure portion. That is, the low-pressure discharge drum 51 collects low-pressure ammonia discharged from the ammonia storage tank 10 or the low-pressure pump 21 of the fuel supply unit 20, and the high-pressure discharge drum 52 exchanges heat with the fuel supply unit 20.
  • High-pressure ammonia discharged from the steamer 23, the high-pressure pump 22, the cooler 31 of the fuel recovery unit, the catch drum 32, or the like can be collected.
  • the low pressure discharge drum 51 and the high pressure discharge drum 52 may deliver ammonia to the exhaust treatment unit 53 or to the exhaust treatment unit 40 .
  • ammonia is delivered to the exhaust treatment unit 53 in a gaseous state
  • ammonia is delivered to the exhaust treatment unit 40 in the form of ammonia water and used as a reducing agent or oxidized.
  • the low pressure discharge drum 51 and the high pressure discharge drum 52 may transfer at least a portion of the collected ammonia to the ammonia storage tank 10 or the like. That is, the low-pressure discharge drum 51 and the like have a structure capable of separating ammonia, and only ammonia can be recovered to the ammonia storage tank 10.
  • the low-pressure discharge drum 51 Instead of the low-pressure discharge drum 51 separating ammonia and transferring it to the ammonia storage tank 10, the low-pressure discharge drum 51 delivers a mixture of ammonia and water to the ammonia storage tank 10, A filter (not shown) for filtering out substances other than ammonia may be used.
  • the discharge drums 51 and 52 recover the collected ammonia to the ammonia storage tank 10, and when recovery is difficult, it can be transferred to the exhaust treatment unit 40. Also, gaseous ammonia from the discharge drums 51 and 52 can be sent to the discharge processor 53 for treatment.
  • the low-pressure discharge drum 51 can directly deliver ammonia to the ammonia storage tank 10 or the discharge processor 53, while the high-pressure discharge drum 52 has a large internal pressure difference compared to the ammonia storage tank 10, etc.
  • Ammonia in the discharge drum 52 may be delivered to the ammonia storage tank 10 or the like after depressurization using a valve or the like.
  • the purging unit 80 is a configuration for purging the fuel supply unit 20 and/or the fuel recovery unit using a non-explosive gas such as nitrogen. ) may inject non-explosive gas into the discharge drums 51 and 52.
  • the internal pressure of the discharge drums 51 and 52 can be sufficiently increased by the purging unit 80, and through this, the ammonia stored in the discharge drums 51 and 52 is stored in the ammonia storage tank 10 or the ammonia storage tank 10 without separate pressurization or compression. It can be smoothly transferred to the exhaust processing unit 53 or the exhaust processing unit 40.
  • the discharge processor 53 treats ammonia and delivers it to the vent mast 54 .
  • the discharge processor 53 collects ammonia transferred from the discharge drums 51 and 52 and transfers the ammonia to the vent mast 54 within a certain standard (eg, 30 ppm).
  • the discharge processor 53 is a component that collects ammonia using water, and may be a water tank that dissolves ammonia in water or a water scrubber that sprays water on ammonia.
  • the material transferred to the vent mast 54 via 53) may be mainly nitrogen or the like.
  • the emission processor 53 may deliver ammonia water generated by mixing ammonia with water to the exhaust treatment unit 40 . That is, ammonia collected by the exhaust treatment unit 53 may be used as a reducing agent in the exhaust treatment unit 40, and at this time, the discharge pump 531 may be used.
  • the exhaust treatment unit 53 may adjust the ratio of ammonia to water according to the operating state of the exhaust treatment unit 40 . That is, the exhaust treatment unit 53 may adjust the inflow amount of ammonia water mixed with ammonia so that the exhaust treatment unit 40 can maintain normal operation. At this time, the exhaust processing unit 53 and the exhaust processing unit 40 may mutually control the delivery of the ammonia water through appropriate sensors and signal transmission.
  • a sensor for measuring pollutants in the discharged exhaust gas is provided in the exhaust processing unit 40, and the source of the ammonia water delivered to the exhaust processing unit 40 from the exhaust processing unit 53 can be adjusted according to the measurement value of the sensor. . And/or the temperature, pressure, and flow rate of exhaust flowing into the exhaust treatment unit 40 may be used as control variables of the exhaust treatment unit 53 .
  • the re-liquefaction unit 60 re-liquefies the boil-off gas discharged from the ammonia storage tank 10 .
  • the re-liquefaction unit 60 may re-liquefy ammonia using a refrigerant other than ammonia (Indirect Type).
  • the refrigerant may be nitrogen, mixed refrigerant, or the like.
  • the re-liquefaction unit 60 may be provided as a direct type that implements re-liquefaction of ammonia by using heat exchange between ammonia.
  • the re-liquefying unit 60 may be used as a refrigerant that compresses and cools ammonia, liquefies some of it by reducing pressure, and liquefies the rest.
  • re-liquefying ammonia by the re-liquefaction unit 60 various well-known re-liquefying devices may be used, and a detailed description thereof will be omitted.
  • the reliquefaction unit 60 may transfer at least a portion of the boil-off gas to the low-pressure discharge drum 51 or the exhaust treatment unit 40 .
  • the re-liquefaction unit 60 includes a compressor (not shown) to improve the liquefaction performance of the boil-off gas, and the boil-off gas compressed by the compressor of the re-liquefaction unit 60 is transferred to the low pressure discharge drum 51 to form a low pressure discharge drum. (51) can help increase the internal pressure.
  • the reliquefaction unit 60 may compress and deliver the boil-off gas in order to assist the pressure of ammonia transferred from the discharge drums 51 and 52 or the discharge processor 53 to the exhaust treatment unit 40 .
  • the re-liquefaction unit 60 may adjust the load of the compressor based on the internal pressure of the discharge drums 51 and 52 and the like. That is, the re-liquefaction unit 60 may operate the compressor exclusively for re-liquefaction when re-liquefaction of ammonia boil-off gas is required, and operate the compressor for ammonia delivery when delivery of ammonia boil-off gas is required.
  • the re-liquefaction unit 60 may include one or more compressors, one of which may be used for re-liquefaction and the other for ammonia delivery.
  • the re-liquefaction unit 60 can also transfer the ammonia discharged from the ammonia storage tank 10 to the discharge drums 51 and 52, the exhaust treatment unit 40, etc. in a state before compression. As some of the boil-off gas discharged from 10) is transferred to the discharge drums 51 and 52, the load may be lowered.
  • the drain processing unit 70 recovers ammonia drained from the fuel supply unit 20 or the fuel recovery unit to the ammonia storage tank 10 . That is, the drain processing unit 70 collects ammonia remaining in the low pressure part, the high pressure part, the fuel supply valve train, the fuel recovery part, the fuel return valve train, etc. of the fuel supply part 20, and the discharge drum ( Through 51 and 52, it is possible to minimize the amount going to the discharge processor 53.
  • the drain processing unit 70 may recover ammonia that is drained when the operation of the engine E is stopped and the ammonia remaining in the fuel supply unit 20 or the like needs to be recovered or when the system is purged. That is, the drain may be performed separately from purging or during purging.
  • the drain processing unit 70 may be structurally disposed below the fuel supply unit 20 so that liquid ammonia can be smoothly drained, and can return the drained ammonia to the ammonia storage tank 10 when necessary. As shown in FIG. 3 , the drain processing unit 70 may include a drain drum 71 , a drain pump 72 , and a drain valve 73 .
  • the drain drum 71 collects ammonia drained from the fuel supply unit 20 .
  • the drain drum 71 is provided in the form of a container to collect a certain amount of ammonia.
  • the non-explosive gas of the purging unit 80 can be injected into the fuel supply unit 20 for smooth draining of the fuel supply unit 20, etc., the ammonia flowing into the drain drum 71 is mixed with the non-explosive gas There may be.
  • a liquid detector 711 is provided on the drain drum 71 .
  • the liquid detector 711 detects liquid droplets in the drain drum 71.
  • the drain drum 71 will be inflow of ammonia or non-explosive gas, and the liquid detector 711 detects the liquid droplets. If it does, it can be seen as meaning that the drain has been made. Accordingly, when the drain of ammonia is sensed, ammonia in the drain drum 71 may be recovered by a drain pump 72 to be described later.
  • the drain pump 72 transfers ammonia from the drain drum 71 to the ammonia storage tank 10 .
  • the drain pump 72 may pump the ammonia of the drain drum 71 .
  • the liquid detector 711 can detect ammonia at a certain level of the drain drum 71, so that the drain pump 72 is operated when the drained ammonia reaches a certain amount or more.
  • the drain pump 72 can be provided in a type that does not cause any problems even when gas is introduced.
  • the drain pump 72 may be provided as a low-speed pump using nitrogen or instrument air as a driving force in consideration that gas may be included in the introduced fluid. Therefore, the function of the drain pump 72 may not be damaged even if gas flows into the inside.
  • the drain pump 72 may be provided in a type that operates by using the non-explosive gas of the purging unit 80 as a driving source. Therefore, since the drain processing unit 70 recovers ammonia to the ammonia storage tank 10 using the non-explosive gas of the purging unit 80 as a driving source, risk can be minimized by not using combustible materials during drain processing.
  • the drain valve 73 is provided in parallel with the drain pump 72 to transfer ammonia from the drain drum 71 to the ammonia storage tank 10.
  • the drain valve 73 may be used instead of the drain pump 72 when the internal pressure of the drain drum 71 is high.
  • the drain valve 73 is a non-return valve, and is opened when high-pressure fluid flows into the drain drum 71, and the differential pressure between the drain drum 71 and the ammonia storage tank 10 without operating the drain pump 72. Ammonia can be recovered to the ammonia storage tank 10 by utilizing.
  • drain valve 73 and the drain pump 72 are linked, so that when the drain valve 73 is opened, the inflow of ammonia to the drain pump 72 is blocked, and conversely, when the drain pump 72 is operated, the drain valve ( 73) can be closed.
  • a filter 74 may be provided downstream of the drain pump 72 and the drain valve 73 .
  • the filter 74 is for removing impurities present in ammonia, and a known membrane filter or the like can be used.
  • the purging unit 80 purifies the fuel supply unit 20 and the fuel recovery unit using nitrogen or the like, which is a non-explosive gas.
  • the purging unit 80 operates when the ammonia passage in the system needs to be emptied, and can purge the ammonia passage by using a non-explosive gas such as nitrogen as a purging gas.
  • the purging unit 80 may deliver non-explosive gas to the discharge drums 51 and 52 .
  • the present embodiment uses the purging unit 80 to inject nitrogen into the discharge drums 51 and 52 to reduce the internal pressure of the discharge drums 51 and 52. It is possible to smoothly adjust the flow of ammonia from the discharge drums 51 and 52 to the discharge treatment unit 53 and the like by raising it.
  • the purging unit 80 may supply non-explosive gas as a driving source for the drain processing unit 70 to recover ammonia to the ammonia storage tank 10 as shown in FIG. 3 .
  • the purging unit 80 may supply non-explosive gas to the drain pump 72 to implement the operation of the drain pump 72, or inject non-explosive gas to the drain drum 71 to close the drain valve 73. It is also possible to implement ammonia delivery through.
  • the purging unit 80 is configured to supply non-hazardous non-explosive gas, it not only performs the basic function of purging the ammonia flow path, but also assists the operation of the vent unit 50 or the drain processing unit 70. Additional functions may be performed.
  • the present embodiment primarily collects ammonia suddenly discharged during system operation using the discharge drums 51 and 52, etc., and secondarily processes the remaining ammonia through the exhaust treatment unit 40, It is possible to minimize unnecessary venting and ensure safe system operation.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram of an ammonia treatment system according to a second embodiment of the present invention.
  • the heat exchanger 23 of the fuel supply unit 20 and the mixer 33 of the fuel recovery unit are disposed compared to the previous embodiment. Changed.
  • the mixer 33 is disposed downstream of the heat exchanger 23 based on the flow of ammonia in the fuel supply unit 20.
  • the heat exchanger 23 is downstream of the mixer 33 can be placed.
  • a non-return valve is provided upstream of the mixer 33 on the ammonia flow path of the fuel supply unit 20, so that the ammonia mixed with lubricating oil is transferred to the ammonia storage tank 10 while passing through the engine E. It is prevented.
  • the heat exchanger 23 provided downstream of the mixer 33 may implement heating or cooling of ammonia.
  • the recirculation amount of ammonia increases, and at this time, the ammonia in the mixer 33 becomes relatively high temperature. Accordingly, the heat exchanger 23 cools the ammonia between the mixer 33 and the high-pressure pump 22, thereby preventing gas from entering the high-pressure pump 22.
  • the heat exchanger 23 can heat or cool ammonia according to the load of the engine E.
  • heat exchanger 23 is continuously supplied with a sufficient amount of heat having a constant temperature to heat exchanger 23.
  • Incoming ammonia can be heated or cooled while matching the temperature of the fruit.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram of an ammonia treatment system according to a third embodiment of the present invention.
  • the ammonia treatment system 1 may further include a return heat exchanger 24 compared to the first embodiment.
  • the return heat exchanger 24 controls the temperature of the ammonia returned from downstream of the high-pressure pump 22 upstream of the high-pressure pump 22 .
  • a return line is provided downstream of the high-pressure pump 22, and the return heat exchanger 24 is provided on the return line to cool the ammonia transferred from the high-pressure pump 22 to the mixer 33.
  • ammonia is supplied to the high-pressure pump 22 ), but it is circulated along the return line without flowing into the engine (E).
  • the ammonia since ammonia may be vaporized due to heat generated by the high-pressure pump 22, heat generated from the high-pressure pump 22 should be removed. Therefore, in the present embodiment, the ammonia can be cooled by using a refrigerant such as fresh water, seawater, or glycol water by placing the return heat exchanger 24 in the return line. Accordingly, the return heat exchanger 24 may also be referred to as a return cooler 31 .
  • the return heat exchanger 24 may use the heat circulated by the heat supply unit 25, and in this case, the heat cooled by ammonia while passing through the heat exchanger 23 at the front of the high pressure pump 22 may be used. there is.
  • ammonia is not supplied from the high-pressure pump 22 to the engine E, so that ammonia downstream of the high-pressure pump 22 is continuously supplied to the high-pressure pump 22.
  • evaporation of ammonia in the high-pressure pump 22 and the like can be suppressed by cooling the circulated ammonia.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram of an ammonia treatment system according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the heat exchanger 23 of the fuel supply unit 20 is a first heat exchanger 231 and a second heat exchanger 232 can include
  • the first heat exchanger 231 is provided between the low pressure pump 21 and the high pressure pump 22, and may be provided between the mixer 33 and the high pressure pump 22, for example.
  • the first heat exchanger 231 can implement heating or cooling.
  • the second heat exchanger 232 is provided between the high pressure pump 22 and the engine E.
  • the second heat exchanger 232 may heat or cool the ammonia pressurized by the high-pressure pump 22 to meet the required temperature of the engine E.
  • the second cooler 312 is placed downstream of the high-pressure pump 22 so that the excess ammonia and the ammonia downstream of the high-pressure pump 22 exchange heat.
  • the second heat exchanger 232 is provided between the second cooler 312 and the engine E, so that the temperature of the ammonia flowing into the engine E can be constantly adjusted.
  • the cooler 31 of the fuel recovery unit may include a first cooler 311 and a second cooler 312 .
  • the first cooler 311 cools ammonia using a medium provided separately from ammonia, and the medium may be a heat used in the heat exchanger 23 .
  • the first cooler 311 may have a configuration similar to that of the cooler 31 in the first embodiment, and may be provided in parallel with the catch drum 32 to cool excess ammonia and deliver it to the mixer 33.
  • the second cooler 312 is provided downstream or upstream of the first cooler 311 and uses ammonia from the fuel supply unit 20 . That is, the second cooler 312 is configured to realize heat exchange between ammonia, and can exchange heat between excess ammonia and ammonia downstream of the high-pressure pump 22 .
  • the temperature of the ammonia pressurized by the high-pressure pump 22 is changed by the second cooler 312 before being supplied to the engine E, the temperature is controlled to meet the required temperature of the engine E. It is as described above that the two heat exchangers 232 may be used.
  • the surplus ammonia discharged from the engine E is first cooled in the first cooler 311 and then secondarily cooled in the second cooler 312, and when circulated by the high pressure pump 22, the gas occurrence can be sufficiently suppressed. Furthermore, the fuel recovery unit can prevent vaporization by maintaining the ammonia above the saturation pressure of the corresponding temperature using the pressure control valve 34 .
  • the pressure control valve 34 is provided downstream of the cooler 31 based on the flow of surplus ammonia, and may be disposed between the second cooler 312 and the mixer 33, for example.
  • the pressure control valve 34 maintains ammonia flowing from the fuel recovery unit toward the fuel supply unit 20 at a saturation pressure higher than the saturation pressure of the corresponding temperature (for example, 15 bar or higher), so that excess ammonia passing through the second cooler 312 It can be kept in liquid form.
  • the pressure control valve 34 maintains the excess ammonia of the second cooler 312 in a liquid phase, so that the cooling efficiency of the excess ammonia in the second cooler 312 can be increased.
  • the ammonia downstream of the pressure control valve 34 is reduced in pressure, the ammonia may change below the saturation pressure, but since the surplus ammonia is sufficiently cooled in the second cooler 312, gas phase may occur downstream of the pressure control valve 34. It is unlikely, and some additional cooling can be expected during depressurization.
  • the heat is cooled through the low-temperature ammonia upstream of the high-pressure pump 22 (first heat exchanger 231), the excess ammonia is cooled with the cooled heat (first cooler 311), and the pressure
  • the control valve 34 maintains the pressure of the excess ammonia high to increase the cooling efficiency (second cooler 312), so that when the excess ammonia flows into the high-pressure pump 22, vaporization can be effectively suppressed.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram of an ammonia treatment system according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the ammonia treatment system 1 includes a housing 35 in which a fuel supply unit 20 and a fuel recovery unit surround at least a portion of an ammonia passage.
  • the ammonia flow path may be a pipeline, and as the housing 35 surrounds the outer circumference of the pipeline, the ammonia flow path may form a double pipe structure. Therefore, the housing 35 prevents ammonia from directly penetrating into the external space when ammonia leaks from the ammonia passage, and the housing 35 can be filled with non-explosive gas.
  • a non-explosive gas may be supplied to the housing 35 by a purging unit 80 or a vent unit 50, and the non-explosive gas circulating through the housing 35 may be discharged into the atmosphere.
  • a purging unit 80 or a vent unit 50 may be supplied to the housing 35 by a purging unit 80 or a vent unit 50, and the non-explosive gas circulating through the housing 35 may be discharged into the atmosphere.
  • non-explosive vent gas is introduced into the housing 35 by the vent unit 50 will be described.
  • the vent unit 50 injects the vent gas into one side of the housing 35 and recovers the vent gas from the other side of the housing 35 .
  • the vent unit 50 injects the vent gas from the housing 35 of the fuel recovery unit to one side adjacent to the engine E, passes through the cooler 31 or the catch drum 32, and also via the high-pressure pump 22.
  • One vent gas can be recovered from the housing 35 of the fuel supply 20 from the other side adjacent to the engine E. Therefore, the vent gas can circulate most of the high-pressure part.
  • the vent drum 55 uses water to collect ammonia contained in the vent gas. That is, the vent drum 55 may be a water tank, and may dissolve ammonia that may be mixed in the vent gas into water by passing the vent gas through the water.
  • a pH sensor 551 is provided on the vent drum 55 .
  • the pH sensor 551 may check whether ammonia is introduced into the vent drum 55 by measuring the pH of water stored in the vent drum 55 .
  • Vent gas introduced into the vent drum 55 may be discharged into the atmosphere through an outlet line, and a gas detector 552 may be provided at a portion where the vent gas is discharged from the vent drum 55 .
  • the ammonia When ammonia is included in the vent gas, the ammonia may be dissolved in water while the vent gas passes through the water of the vent drum 55, but the ammonia that is not yet dissolved in water may be discharged to the outside of the vent drum 55.
  • the vent unit 50 first detects the inflow of ammonia in the vent drum 55 using the pH sensor 551, and ammonia through the gas detector 552 in the discharge portion of the vent drum 55. The existence of can be detected secondarily.
  • the vent unit 50 may use a vent fan 56 for forcibly recovering vent gas from the housing 35 of the fuel supply unit 20 to the vent drum 55, which is in the housing 35 of the fuel recovery unit. It can be used when the flow of the vent gas does not reach the desired level because the pressure of the introduced vent gas is not sufficient. Of course, when high-pressure vent gas is injected into the housing 35 of the fuel recovery unit, the vent fan 56 may be minimized or omitted.
  • pH and gas detection can be implemented in the vent drum 55 to ensure that ammonia is discharged into the air at a safe level.
  • the present invention encompasses all embodiments resulting from a combination of the above embodiments and the known technology.
  • heat exchanger 231 first heat exchanger
  • first cooler 312 second cooler
  • pH sensor 552 gas detector
  • vent fan 60 re-liquefaction unit
  • drain processing unit 71 drain drum
  • liquid detector 72 drain pump

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Abstract

암모니아 저장탱크로부터 배출되는 암모니아를 엔진에 공급하는 연료 공급부; 상기 엔진에서 리턴되는 잉여 암모니아를 회수하는 연료 회수부; 상기 엔진에서 배출되는 배기를 처리하는 배기 처리부; 및 상기 연료 공급부 또는 상기 연료 회수부에서 배출되는 암모니아를 외부로 방출하는 벤트부를 포함하며, 상기 벤트부는, 상기 암모니아 저장탱크 또는 상기 연료 공급부에서 배출되는 저압의 암모니아를 수집하는 저압 배출드럼; 상기 연료 공급부 또는 상기 연료 회수부에서 배출되는 고압의 암모니아를 수집하는 고압 배출드럼; 및 암모니아를 처리하여 벤트 마스트에 전달하는 배출 처리기를 포함하고, 상기 저압 배출드럼 또는 상기 고압 배출드럼은, 암모니아를 상기 배기 처리부 또는 상기 배출 처리기로 전달한다.

Description

암모니아 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박
본 발명은 암모니아 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.
전 세계적으로 대기오염이 심각해지고 대기오염으로 기후변화가 일어나고 있다. 선박에서 배출되는 오염물질이 대기오염에 미치는 영향이 크기 때문에, 대기오염을 줄이기 위해 국제해사기구(IMO:International Maritime Organization), 유럽연합, 미국 등은 선박으로부터 배출되는 오염물질에 대한 규제를 강화하고 있다.
향후 선박의 온실가스 배출 규제가 2050년까지 주요 기점마다 단계적으로 강화됨에 따라, 기존의 엔진 및 연료만으로는 오염물질에 대한 규제를 준수하기 어려울 것으로 전망된다.
따라서 강화된 선박 온실가스의 배출 규제가 적용됨에 따라, 현재 사용되는 기존 화석연료의 사용이 어려울 것으로 예상되며, 앞으로 강화될 규제를 만족시킬 수 있는 대체연료의 발굴이 매우 시급하다. 대체연료로서, 암모니아(NH3), 바이오연료(Biofuel), 태양에너지, 풍력에너지 등과 같은 비화석연료가 고려되고 있는 실정이다.
그 중에서 암모니아는 생산, 저장, 운송 및 공급이 가능한 화학물질로서, 암모니아를 연료로 사용하는 암모니아 선박이 개발되고 있다.
기존 암모니아 선박은 암모니아 연료를 액체로 저장하는데, 암모니아는 상온보다 낮은 끓는점(대기압 기준, -33℃)을 가지므로, 암모니아를 액체로 저장하기 위해서는 암모니아 저장탱크도 일정 사양을 갖춰야 한다. 또한, 암모니아를 액체 상태로 유지하기 위해 탱크 내부를 저온 상태로 유지해야 하므로, 저장탱크를 냉각해야 하고 냉각하는 과정에서 많은 에너지가 소비된다.
또한, 액체 암모니아의 저장탱크는 탱크 내에서 증발 기체가 발생할 수 있어, 상기 증발 기체로 인해 저장탱크 내부 압력이 상승하여 탱크가 폭발할 위험이 있으며, 액체 암모니아가 탱크 외부로 유출될 경우에 폭발이 일어날 수 있고, 암모니아의 독성으로 인한 인명피해의 위험이 있다.
이와 같이 기존 암모니아 선박은 액체 암모니아 연료를 저장하고, 암모니아 연료를 엔진에 공급하는데 있어, 설비 비용과 운영 비용 측면에서 효율성이 떨어지며, 시설의 안전성도 떨어진다는 한계가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 암모니아를 엔진의 연료로 공급함에 있어서 안정적이고 신뢰도 높은 연료 공급 및 효율적인 배기 처리 등을 보장하는 암모니아 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 암모니아 처리 시스템은, 암모니아 저장탱크로부터 배출되는 암모니아를 엔진에 공급하는 연료 공급부; 상기 엔진에서 리턴되는 잉여 암모니아를 회수하는 연료 회수부; 상기 엔진에서 배출되는 배기를 처리하는 배기 처리부; 및 상기 연료 공급부 또는 상기 연료 회수부에서 배출되는 암모니아를 외부로 방출하는 벤트부를 포함하며, 상기 벤트부는, 상기 암모니아 저장탱크 또는 상기 연료 공급부에서 배출되는 저압의 암모니아를 수집하는 저압 배출드럼; 상기 연료 공급부 또는 상기 연료 회수부에서 배출되는 고압의 암모니아를 수집하는 고압 배출드럼; 및 암모니아를 처리하여 벤트 마스트에 전달하는 배출 처리기를 포함하고, 상기 저압 배출드럼 또는 상기 고압 배출드럼은, 암모니아를 상기 배기 처리부 또는 상기 배출 처리기로 전달한다.
구체적으로, 상기 배기 처리부는, 상기 연료 공급부에 의해 상기 엔진으로 공급되는 암모니아 중 적어도 일부를 환원제로 이용할 수 있다.
구체적으로, 상기 저압 배출드럼 및 상기 고압 배출드럼은, 수집한 암모니아 중 적어도 일부를 상기 암모니아 저장탱크로 전달할 수 있다.
구체적으로, 상기 암모니아 저장탱크에서 배출되는 증발가스를 재액화하는 재액화부를 더 포함하며, 상기 재액화부는, 증발가스 중 적어도 일부를 상기 저압 배출드럼 또는 상기 배기 처리부로 전달할 수 있다.
구체적으로, 상기 연료 공급부는, 암모니아를 이송하는 저압 펌프; 상기 저압 펌프에 의해 가압된 암모니아를 상기 엔진의 요구압력에 대응되도록 가압하는 고압 펌프; 및 암모니아의 온도를 조절하는 열교환기를 포함하고, 상기 연료 회수부는, 상기 엔진에서 배출된 잉여 암모니아를 냉각하고 상기 연료 공급부에서 상기 저압 펌프와 상기 고압 펌프 사이로 전달하는 쿨러; 및 상기 쿨러와 병렬로 마련되며 암모니아를 임시 저장하는 캐치드럼을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 암모니아 처리 시스템은, 암모니아 저장탱크로부터 배출되는 암모니아를 엔진에 공급하는 연료 공급부; 상기 엔진에서 리턴되는 잉여 암모니아를 회수하는 연료 회수부; 상기 엔진에서 배출되는 배기를 처리하는 배기 처리부; 및 상기 연료 공급부 또는 상기 연료 회수부에서 배출되는 암모니아를 외부로 방출하는 벤트부를 포함하며, 상기 배기 처리부는, 암모니아를 산화 처리하며, 상기 벤트부는, 상기 암모니아 저장탱크, 상기 연료 공급부 또는 상기 연료 회수부에서 배출되는 암모니아를 포집하고 암모니아에 물을 혼합하여 상기 배기 처리부에 전달하는 배출 처리기를 포함한다.
구체적으로, 상기 벤트부는, 상기 암모니아 저장탱크, 상기 연료 공급부 또는 상기 연료 회수부에서 배출되는 암모니아를 수집하였다가 상기 배출 처리기 또는 상기 배기 처리부로 전달하는 배출드럼을 더 포함하고, 상기 배출 처리기는, 물을 이용하여 암모니아를 포집하고, 암모니아수를 상기 배기 처리부에 전달할 수 있다.
구체적으로, 비폭발성가스를 이용하여 상기 연료 공급부 또는 상기 연료 회수부를 퍼징하는 퍼징부를 더 포함하며, 상기 퍼징부는, 상기 배출드럼에 비폭발성가스를 전달하여 상기 배출드럼의 압력을 상기 배출 처리기 또는 상기 배기 처리부보다 높게 조절할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 암모니아 처리 시스템은, 암모니아 저장탱크로부터 배출되는 암모니아를 엔진에 공급하는 연료 공급부; 상기 엔진에서 리턴되는 잉여 암모니아를 회수하는 연료 회수부; 상기 엔진에서 배출되는 배기를 처리하는 배기 처리부; 및 상기 연료 공급부 또는 상기 연료 회수부에서 배출되는 암모니아를 외부로 방출하는 벤트부를 포함하며, 상기 연료 공급부는, 암모니아를 이송하는 저압 펌프; 상기 저압 펌프에 의해 가압된 암모니아를 상기 엔진의 요구압력에 대응되도록 가압하는 고압 펌프; 및 암모니아의 온도를 조절하는 열교환기를 포함하고, 상기 연료 회수부는, 상기 엔진에서 배출된 잉여 암모니아를 냉각하고 상기 연료 공급부에서 상기 저압 펌프와 상기 고압 펌프 사이로 전달하는 쿨러; 및 상기 쿨러의 하류에 마련되어 상기 연료 회수부에서 상기 연료 공급부를 향해 유동하는 암모니아를 해당 온도의 포화압력 이상으로 유지하는 압력조절밸브를 포함한다.
구체적으로, 상기 연료 회수부는, 상기 엔진에서 배출된 잉여 암모니아를 상기 연료 공급부에서 상기 저압 펌프와 상기 고압 펌프 사이의 암모니아에 혼합하는 혼합기를 더 포함하고, 상기 압력조절밸브는, 상기 쿨러와 상기 혼합기 사이에 마련될 수 있다.
구체적으로, 상기 쿨러는, 암모니아와 별도로 마련되는 매체를 이용하여 암모니아를 냉각하는 제1 쿨러; 및 상기 제1 쿨러의 하류 또는 상류에 마련되며 상기 연료 공급부의 암모니아를 이용하는 제2 쿨러를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 열교환기는, 상기 저압 펌프와 상기 고압 펌프 사이에 마련되는 제1 열교환기; 및 상기 고압 펌프와 상기 엔진 사이에 마련되는 제2 열교환기를 포함하고, 상기 제1 열교환기는, 상기 혼합기와 상기 고압 펌프 사이에 마련되고, 상기 제2 열교환기는, 상기 제2 쿨러와 상기 엔진 사이에 마련될 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박은, 상기 암모니아 처리 시스템을 포함한다.
본 발명에 따른 암모니아 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 암모니아 엔진에 암모니아를 효율적으로 공급함은 물론이고, 벤트, 퍼징, 배기 처리 등에 있어서 우수한 성능을 발휘할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 개념도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 개념도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 개념도이다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 개념도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 이하에서 설명하는 암모니아 처리 시스템이 구비되는 선박을 포함한다. 이때 선박은 암모니아 운반선, 암모니아가 아닌 화물이나 사람을 운반하는 상선, FSRU, FPSO, Bunkering vessel, 해양플랜트 등을 모두 포함하는 개념이다.
본 발명의 도면에 도시하지 않았으나, 압력센서(PT), 온도센서(TT), 유량센서(FT) 등이 제한 없이 적절한 위치에 구비될 수 있음은 물론이며, 각 센서에 의한 측정값은 이하에서 설명하는 구성들의 운영에 제한 없이 다양하게 사용될 수 있다.
또한 본 발명의 도면에서 직선은 암모니아나 열매, 비폭발성가스 등의 다양한 유체가 이동하는 유로를 나타나는 것으로서, 파이프 라인으로 해석될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 개념도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템(1)은, 암모니아 저장탱크(10), 연료 공급부(20), 연료 회수부, 배기 처리부(40), 벤트부(50), 재액화부(60), 드레인 처리부(70), 퍼징부(80)를 포함한다.
암모니아 저장탱크(10)는, 암모니아를 저장한다. 암모니아는 엔진(E)에 의해 소비되는 연료로 사용되며, 이때 엔진(E)은 암모니아 전용 엔진(E)이거나, 암모니아 혼소 엔진(E) 등일 수 있다. 물론 본 명세서에서 엔진(E)은 암모니아를 소비하여 에너지를 얻는 기관으로서, 터빈 등을 포괄하는 의미로 해석된다.
암모니아 저장탱크(10)는 암모니아를 액상으로 저장하며, 이를 위해 암모니아 저장탱크(10)의 내부 또는 외부 중 적어도 일측에는 단열이 적용될 수 있다. 또는 암모니아 저장탱크(10)는 고압으로 암모니아를 저장함으로써 암모니아의 액화를 방지할 수 있고, 이 경우 후술할 연료 공급부(20)의 저압 펌프(21)가 축소 또는 생략될 수 있다.
암모니아 저장탱크(10)는 선박 내부에 화물창을 이루도록 마련될 수 있고, 또는 선박의 내부 또는 갑판 상에 별도로 마련되는 연료탱크일 수 있다. 이러한 암모니아 저장탱크(10)는 하나 이상으로 마련되며, 복수의 암모니아 저장탱크(10)가 마련될 경우 암모니아는 택일적으로 또는 동시에 소비될 수 있다.
암모니아 저장탱크(10)에는 벙커링부(11)가 연결된다. 벙커링부(11)는 외부의 주유원으로부터 암모니아 저장탱크(10)로 암모니아를 전달한다. 외부의 주유원은 육상의 암모니아 공급원이거나, 또는 해상의 암모니아 벙커링선 등일 수 있다.
벙커링부(11)는 매니폴드, 로딩암 등을 이용하여 암모니아 저장탱크(10)와 주유원을 연결할 수 있으며, 주유원은 일정 압력으로 암모니아를 암모니아 저장탱크(10)로 전달한다. 다만 암모니아 저장탱크(10) 내에 암모니아가 증발하면서 증발가스가 생길 수 있고, 이로 인해 암모니아 저장탱크(10)의 내압이 상승하게 되어, 주유원 대비 암모니아 저장탱크(10)의 압력이 높은 경우가 발생한다.
이때 주유원은 암모니아 저장탱크(10)로 암모니아를 선적함에 있어서 많은 부하가 소모되는 바, 벙커링부(11)는 이러한 상황을 해소하고자 벙커링 압축기(도시하지 않음)를 이용할 수 있다. 벙커링 압축기는 암모니아 저장탱크(10)에서 발생한 증발가스를 압축하고 주유원에 전달하여, 주유원의 압력을 높여서 주유원과 암모니아 저장탱크(10) 간의 차압을 확보한다. 이를 통해 벙커링부(11)는 주유원에서 암모니아 저장탱크(10)로 암모니아가 원활하게 공급되도록 할 수 있다.
물론 벙커링 압축기는 암모니아 저장탱크(10)의 증발가스 외에, 주유원 내에서 발생하는 증발가스를 사용할 수도 있다. 또는 벙커링 압축기는 암모니아 외의 기체를 사용해 주유원의 압력을 높일 수도 있으며, 다만 이 경우 주유원은 암모니아만을 암모니아 저장탱크(10)로 전달하는 구조를 가질 수 있다.
암모니아 저장탱크(10)에는 압력 조절부(12)가 마련될 수 있다. 압력 조절부(12)는 암모니아 저장탱크(10)에서 배출되는 암모니아를 가열 또는 기화시킨 뒤 암모니아 저장탱크(10) 내부로 주입하여 암모니아 저장탱크(10)의 내압을 높이는 PBU(Pressure Build-up Unit)이거나, 또는 암모니아를 냉각/과냉시켜 리턴하는 과냉기일 수 있다.
이외에도 압력 조절부(12)는 재액화부(60)일 수도 있으며, 압력 조절부(12)는 암모니아 저장탱크(10)의 내압을 상승 또는 하강하여 암모니아 연료 공급의 안정성을 확보할 수 있다.
연료 공급부(20)는, 암모니아 저장탱크(10)의 암모니아를 엔진(E)에 공급한다. 연료 공급부(20)는 암모니아 저장탱크(10)에 저장되어 있는 암모니아 중, 액상의 암모니아를 엔진(E)에 공급할 수 있다. 특히 현재 암모니아를 소비하는 엔진(E)의 제원을 고려하여, 연료 공급부(20)는 암모니아를 액상으로 엔진(E)에 공급하도록 마련된다. 물론 연료 공급부(20)는 엔진(E) 제원의 변경에 대응하여 암모니아의 상태를 다양하게 조절할 수 있다.
연료 공급부(20)는 저압 부분과 고압 부분으로 구분할 수 있으며, 저압 부분과 고압 부분은 스키드(Skid)로 구성될 수 있다. 또한 저압 부분이 마련되는 스키드(LP Skid)와 고압 부분이 마련되는 스키드(HP Skid)는 별도로 구비될 수 있고, 상호 연결 가능한 구조일 수 있다.
저압 스키드(LP Skid)의 경우 연료 공급부(20)의 구성에 더하여 암모니아 저장탱크(10)가 마련될 수 있으며, 반면 고압 스키드(HP Skid)의 경우 연료 공급부(20)의 구성에 더하여 후술하는 연료 회수부의 구성들이 함께 마련될 수 있다.
도 4를 참고하면, 연료 공급부(20)의 저압 부분은 저압 펌프(21)를 포함한다. 저압 펌프(21)는 암모니아 저장탱크(10)에 저장된 암모니아를 외부로 인출하는 기능을 담당하며, 고정용량형 또는 가변용량형(VFD) 등으로 마련될 수 있다.
저압 펌프(21)는 도면에서와 같이 암모니아 저장탱크(10)의 하류에 배치될 수 있지만, 암모니아 저장탱크(10) 내에 배치되는 것도 가능하다. 더 나아가 암모니아 저장탱크(10)의 타입과 내압 등에 따라 저압 펌프(21)가 생략될 수도 있음은 앞서 설명한 바와 같다.
저압 펌프(21)는 도면에서와 달리 복수로 마련되어 상호 백업 가능한 구조를 이룰 수 있고, 또한 복수 개의 저압 펌프(21)는 동시 작동하며 부하를 분담하도록 마련될 수 있다. 또는 저압 펌프(21)는 복수 개가 직렬로 구비되어 다단 가압 방식을 활용할 수도 있다.
저압 펌프(21)에는 일정한 유량의 암모니아가 지속적으로 유입되어야 하고, 이는 저압 펌프(21)의 안정적 가동을 위해 필수적이다. 이러한 유량은 유효흡입수두(NPSHr)라고 하며, 저압 펌프(21)에는 유효흡입수두 이상의 유량이 유입된다.
다만 엔진(E)에서 요구하는 유량이 유효흡입수두 미만일 수 있으므로, 저압 펌프(21)의 하류에는 암모니아 저장탱크(10)로 암모니아를 되돌리기 위한 유로가 마련될 수 있다. 이때 저압 펌프(21) 하류에서 암모니아 저장탱크(10)로 연결되는 리턴 유로는, 압력 조절부(12)에 연결될 수 있다.
도 4를 다시 참고하면, 연료 공급부(20)의 고압 부분은 고압 펌프(22), 열교환기(23)를 포함한다. 고압 펌프(22)는 저압 펌프(21)에 의해 가압된 암모니아를 엔진(E)의 요구압력에 대응되도록 가압한다. 고압 펌프(22)는 저압 펌프(21)에서 설명한 것과 마찬가지로 하나 이상이 직렬 또는 병렬 등으로 마련될 수 있다.
고압 펌프(22)는 가변용량형으로 마련될 수 있으며, 저압 펌프(21)와 고압 펌프(22) 사이에 마련될 수 있는 유량계의 측정값에 따라 부하가 가변될 수 있다. 이때 유량계는 연료 회수부에 의해 회수되는 잉여 암모니아의 유량이 반영되는 위치에 마련될 수 있다.
후술할 연료 회수부는 엔진(E)에서 배출되는 잉여 암모니아를 고압 펌프(22)로 전달할 수 있는데, 고압 펌프(22)는 제원 상 기상의 유입이 바람직하지 않다. 따라서 고압 펌프(22) 상류의 암모니아는 액상으로만 존재하는 것이 요구되며, 이를 위해 고압 펌프(22) 상류의 온도 및 압력 등이 효과적으로 제어될 수 있다.
일례로 연료 회수부에 의해 회수되는 암모니아는 냉각될 수 있으며, 고압 펌프(22) 상류의 암모니아 압력은 높게 유지되어 암모니아의 비등점을 높여서 기화를 억제할 수 있다.
고압 펌프(22)는 저압 펌프(21)에서 설명한 바와 같이 유효흡입수두를 만족하기 위한 유량(minimum flow)이 지속적으로 유입되며, 혹 잉여분이 발생할 경우를 대비하여 고압 펌프(22)의 하류에는 리턴 라인이 마련된다. 리턴 라인은 엔진(E)에 공급될 유량 이상의 잉여분이 고압 펌프(22) 하류에서 상류로 순환되도록 하며, 연료 회수부의 혼합기(33)에 연결될 수 있다.
열교환기(23)는, 암모니아의 온도를 조절한다. 열교환기(23)는 저압 펌프(21)와 고압 펌프(22) 사이에 마련될 수 있고, 고압 스키드 상에 배치될 수 있다. 열교환기(23)는 글리콜 워터(GW) 등의 열매를 이용해 암모니아의 온도를 엔진(E)의 요구 온도에 대응하여 조절할 수 있다.
열교환기(23)는 암모니아를 가열하는 히터일 수 있다. 일반적으로 암모니아 저장탱크(10)의 저장 온도(대기압에서의 암모니아 비등점 이하)보다 엔진(E)의 요구 온도가 높으며, 저압 펌프(21) 및 고압 펌프(22)의 가압 시 발생하는 온도 상승분만으로는 엔진(E)의 요구 온도를 맞추기 부족하므로, 열교환기(23)가 사용될 수 있다.
다만 열교환기(23)는 고압 펌프(22)의 상류에 마련되어 고압 펌프(22)에 암모니아 기상이 유입되지 않도록, 암모니아의 온도를 적절히 조절할 수 있다. 이때 열교환기(23)는 연료 회수부에 의해 암모니아가 회수되는 것을 고려하여 암모니아의 가열 온도를 제어한다.
연료 공급부(20)는 열교환기(23) 등에 열매를 공급하기 위한 열매 공급부(25)를 포함한다. 열매 공급부(25)는 열교환기(23)에 글리콜 워터 등의 열매를 순환 공급할 수 있으며, 필요 시 열매의 순환 유로 상에서 열매가 보충 또는 배출될 수 있다. 또는 열매 공급부(25)는 새로운 열매가 열교환기(23)를 경유하도록 지속 공급하는 형태로 구비될 수도 있다.
열매 공급부(25)는 열교환기(23)에서 열매와 열교환되는 암모니아의 온도를 적절히 맞춰주기 위해, 열매의 온도를 가열 또는 냉각할 수 있다. 이를 위해 열매 공급부(25)는 열매 히터(251)와 열매 쿨러(252)를 모두 구비할 수 있다.
열매 히터(251)는 열매를 스팀 등의 열원으로 가열하는 구성으로서, 열매가 열교환기(23)에서 암모니아에 의해 냉각된 후 다시 열교환기(23)로 유입되기 전에 열매의 온도를 충분히 올려줄 수 있다. 이때 열매는 적어도 일부가 열매 히터(251)를 우회함으로써 가열 온도가 조절될 수 있다.
열매 쿨러(252)는 열매를 청수 등의 냉원으로 가열하는 구성으로서, 연료 회수부에 의해 회수되는 고온의 암모니아가 상대적으로 대량인 운전 상태 등일 때, 열매의 온도를 낮춰서 고압 펌프(22)로 유입되는 암모니아의 온도를 적절히 맞춰줄 수 있다. 또는 열매 쿨러(252)는 이하에서 설명하는 연료 회수부의 쿨러(31)에 의해 가열된 열매를 냉각할 수 있다. 열매 쿨러(252)의 냉각 역시 열매 히터(251)에서와 마찬가지로 열매의 부분 우회 등을 이용하여 제어될 수 있다.
열매 쿨러(252)와 열매 히터(251)는 병렬로 마련될 수 있고, 또는 직렬로 마련되면서 택일적으로 가동할 수도 있다. 열매 쿨러(252) 및 열매 히터(251)의 배치 및 작동에 대해서는 열매의 온도를 효율적으로 조절하기 위한 다양한 변형이 가능함을 알려둔다.
연료 공급부(20)는 엔진(E)의 직전에서 암모니아의 공급 유량 등을 조절하기 위한 밸브를 구비하며, 이때 이러한 밸브를 연료 공급 밸브 트레인(SVT)으로 지칭할 수 있다.
연료 회수부는, 엔진(E)에서 리턴되는 잉여 암모니아를 회수한다. 현재 개발되었거나 개발 중인 암모니아용 엔진(E)은 암모니아를 액상으로 공급받아 소비하되, 필요 유량을 안정적으로 공급받기 위해 잉여분을 더 공급받는 구조를 갖는다.
이때 잉여분의 암모니아는 엔진(E)의 적어도 일부분을 경유한 뒤 엔진(E)에서 배출될 수 있는데, 이 경우 엔진(E) 내에서 사용되는 윤활유가 암모니아에 혼입될 수 있다. 따라서 엔진(E)에서 배출되는 잉여분의 암모니아는 오염된 상태로서, 암모니아 저장탱크(10)로의 복귀가 바람직하지 않다.
다만 이러한 잉여분의 암모니아는 엔진(E)에서 소비 가능한 상태이므로, 연료 회수부는 엔진(E)에서 배출된 잉여분의 암모니아를 연료 공급부(20)로 전달한다. 구체적으로 연료 회수부는 잉여분의 암모니아를 연료 공급부(20)에서 고압 펌프(22)로 전달할 수 있으며, 도 4에서와 같이 쿨러(31), 캐치드럼(32) 및 혼합기(33) 등을 포함한다.
쿨러(31)는, 엔진(E)에서 배출된 잉여 암모니아를 냉각한다. 잉여 암모니아는 엔진(E)을 경유하였기 때문에 엔진(E) 발열에 의해 가열된 상태일 수 있고, 그대로 리턴되어 고압 펌프(22)로 유입되면 고압 펌프(22) 내 기상의 유입을 유발할 수 있다. 따라서 쿨러(31)는 잉여 암모니아를 청수 등으로 냉각해 연료 공급부(20)에서 저압 펌프(21)와 고압 펌프(22) 사이로 전달하여, 고압 펌프(22)에 암모니아 기상이 유입되는 것을 억제한다.
쿨러(31)는 열교환기(23)의 열매를 활용할 수 있다. 즉 열매 공급부(25)의 열매 순환 유로는 쿨러(31)를 경유하도록 마련될 수 있고, 열매의 흐름을 기준으로 쿨러(31)는 열교환기(23)의 하류에 배치될 수 있다.
따라서 열매는 열교환기(23)에서 암모니아를 가열하면서 냉각된 후, 쿨러(31)에서 잉여 암모니아를 냉각하면서 가열된다. 이후 열매가 다시 열교환기(23)로 유입되는데, 이때 열교환기(23)로 유입되는 열매의 온도를 열매 히터(251) 및/또는 열매 쿨러(252)가 적절히 맞춰줄 수 있다.
캐치드럼(32)은, 쿨러(31)와 병렬로 마련되며 암모니아를 임시 저장한다. 캐치드럼(32)은 잉여 암모니아를 기액분리함으로써, 기상이 고압 펌프(22)로 유입되지 않도록 하는 구성일 수 있다. 또한 캐치드럼(32)은 잉여 암모니아에 포함되어 있는 윤활유를 제거하도록 마련될 수도 있다.
캐치드럼(32)은 도면과 달리 기액분리기 및 녹아웃 드럼을 포함하는 구조를 가질 수 있다. 이 경우 잉여 암모니아는 먼저 기액분리기에 유입되어 기상이 분리되고, 액상의 잉여 암모니아 중 적어도 일부는 녹아웃 드럼에 유입되어 윤활유가 분리된다. 즉 앞서 설명한 기상과 윤활유의 분리는 별도의 구성에 의해 이루어질 수 있지만, 편의상 이러한 기능들을 구현하는 구성을 캐치드럼(32)으로 포괄할 수 있다.
혼합기(33)는, 엔진(E)에서 배출된 잉여 암모니아를 연료 공급부(20)에서 저압 펌프(21)와 고압 펌프(22) 사이의 암모니아에 혼합한다. 혼합기(33)는 쿨러(31) 또는 캐치드럼(32)을 경유한 암모니아가 연료 공급부(20)의 암모니아에 혼합되도록 하며, 용기 형태의 믹서 또는 인라인 믹서(In-line mixer) 등으로 마련될 수 있다.
연료 회수부는 엔진(E)의 직후에서 암모니아의 리턴 유량 등을 조절하기 위한 밸브를 구비하며, 이때 이러한 밸브를 연료 리턴 밸브 트레인(RVT)으로 지칭할 수 있다.
배기 처리부(40)는, 엔진(E)에서 배출되는 배기를 처리한다. 엔진(E)의 배기에는 각종 particle과 질소산화물(NOx) 등의 환경오염 유발 물질이 포함될 수 있는데, 배기 처리부(40)는 필터링, 화학반응 등을 이용하여 배기 내 오염 물질을 적절히 처리할 수 있다.
일례로 배기 처리부(40)는 선택적 촉매환원장치(SCR)이거나, 스크러버 등일 수 있다. 다만 본 실시예에서 배기 처리부(40)는 적어도 SCR을 포함하도록 마련될 수 있고, 환원제로 암모니아 등을 사용할 수 있다.
배기 처리부(40)가 사용하는 환원제는, 별도로 외부에서 공급되는 것일 수 있고, 또는 연료 공급부(20) 등으로부터 전달되는 것일 수 있다. 즉 연료 공급부(20)는 저압 부분 또는 고압 부분 중 적어도 일부분에서, 엔진(E)을 향해 유동하는 암모니아 일부를 배기 처리부(40)로 전달할 수 있다. 따라서 배기 처리부(40)는 연료 공급부(20)에 의해 엔진(E)으로 공급되는 암모니아 중 적어도 일부를 환원제로 이용할 수 있다. 다만 연료 공급부(20)의 고압 부분의 암모니아는, 밸브 등으로 압력을 낮춘 후 배기 처리부(40)로 전달될 수 있다.
또한 배기 처리부(40)는, 후술할 벤트부(50)로부터 전달되는 암모니아 역시 환원제로 사용하여, 엔진(E)의 배기에 포함되는 질소산화물 등을 정화할 수 있다.
본 실시예의 엔진(E)은 암모니아를 소비하는 엔진(E)으로서, 배기에는 암모니아 일부가 혼입되어 있을 수 있다(암모니아 슬립). 이때 배기 처리부(40)는 배기에 포함되는 암모니아를 산화 처리하여 정화할 수 있다.
암모니아의 산화는 SCR에 의해 이루어질 수 있다. 즉 SCR은 암모니아를 이용해 질소산화물을 환원하는 것으로서, 배기 처리부(40)는 배기에 포함된 암모니아와 질소산화물을 상호 반응시켜서 암모니아가 산화되도록 할 수 있다.
또는 암모니아의 산화는 SCR과 별도로 이루어질 수 있다. 이 경우 암모니아의 산화는 암모니아와 산소가 반응하여 질소산화물과 물을 생성하는 반응일 수 있고(4NH3 + 5O2 -> 4NO + 6H2O), 이때 생성되는 질소산화물은 앞서 설명한 SCR에 의해 정화될 수 있다. 다만 이 경우 암모니아 산화는 SCR의 환원 이전에 이루어짐이 바람직하다.
따라서 배기 처리부(40)는, SCR인 질소산화물 환원부(도시하지 않음)만을 구비하여 암모니아 산화 및 질소신화물 환원을 한꺼번에 구현할 수 있으며, 또는 배기 처리부(40)는 질소산화물 환원부(도시하지 않음)와 암모니아 산화부(부호 도시하지 않음)를 각각 포함할 수 있다.
후자의 경우 암모니아 산화부는 질소산화물 환원부의 상류에 배치되어, 암모니아 슬립에 의해 배기에 섞인 암모니아를 질소산화물과 물로 변화시킨다. 이후 질소산화물 환원부가 암모니아를 환원제로 사용해 질소산화물을 질소와 물로 변화시켜서(4NO + 4NH3 + O2 -> 2N2 + 3H2O), 배기 중에 암모니아나 질소산화물의 비율이 기준 이내가 되도록 한다.
물론 배기 처리부(40)는 배기에 혼입된 암모니아를 걸러내는 암모니아 필터(도시하지 않음)를 구비하고, 질소산화물 환원부의 환원제로 배기 내 암모니아가 아닌 별도의 암모니아를 사용하거나, 암모니아 산화부를 최소화 또는 생략할 수 있다.
이러한 배기 처리부(40)는 엔진(E)의 배기에 대하여 충분한 정화 처리를 한 뒤, 대기 중으로 배출할 수 있다. 배기 처리부(40)에 의해 정화된 배기는 일정 높이를 갖는 연돌(funnel)을 통하여 외부로 방출되어 사람에게 위해를 가하지 않도록 처리된다.
벤트부(50)는, 연료 공급부(20)에서 배출되는 암모니아를 외부로 방출한다. 벤트부(50)는 암모니아 누출이 감지되었거나 또는 엔진(E)의 작동 정지 등의 이유로 시스템이 shut-down 되었을 때 등의 비정상 상황에서, 시스템 내 암모니아를 제거하는 역할을 수행한다.
벤트부(50)는 연료 공급부(20) 외에도 암모니아 저장탱크(10), 연료 회수부 등에서 배출되는 암모니아를 외부로 방출하도록 마련될 수 있다. 즉 벤트부(50)는 시스템 전체에서 암모니아가 저장 또는 유동하는 부분들과 연결되어 암모니아의 신속 안전한 배출을 보장한다.
이러한 벤트부(50)는 배출드럼(51, 52), 배출 처리기(53), 벤트 마스트(54)를 포함한다. 배출드럼(51, 52)은 암모니아 저장탱크(10), 연료 공급부(20) 또는 연료 회수부 등에서 배출되는 암모니아를 수집한다.
배출드럼(51, 52)은 용기 형태로서 연료 공급부(20) 등으로부터 암모니아를 전달받는다. 이때 배출드럼(51, 52)에 전달되는 암모니아는 기상 또는 액상 등일 수 있지만, 주로 기상일 수 있다.
배출드럼(51, 52)은 물을 이용하여 암모니아를 포집할 수 있다. 즉 배출드럼(51, 52) 내에는 물이 저장되어 있을 수 있고, 배출드럼(51, 52)으로 유입되는 암모니아는 물에 녹아 암모니아수를 생성한다.
배출드럼(51, 52)에 유입된 암모니아는 후술할 배출 처리기(53)로 전달될 수 있으며, 또는 배기 처리부(40)로 전달되는 것도 가능하다. 즉 배출드럼(51, 52)의 암모니아수가 배기 처리부(40)에 공급되어, 배기 처리부(40)의 환원제로 사용되거나 또는 배기 처리부(40)에서 산화 처리될 수 있다.
배출드럼(51, 52)은 저압 배출드럼(51)과 고압 배출드럼(52)으로 구분될 수 있다. 저압 배출드럼(51)은 앞서 언급한 저압 부분으로부터 배출되는 암모니아를 수집하며, 고압 배출드럼(52)은 고압 부분으로부터 배출되는 암모니아를 수집한다. 즉 저압 배출드럼(51)은 암모니아 저장탱크(10) 또는 연료 공급부(20)의 저압 펌프(21) 등에서 배출되는 저압의 암모니아를 수집하고, 고압 배출드럼(52)은 연료 공급부(20)의 열교환기(23), 고압 펌프(22) 또는 연료 회수부의 쿨러(31), 캐치드럼(32) 등에서 배출되는 고압의 암모니아를 수집할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 저압 배출드럼(51)과 고압 배출드럼(52)은, 암모니아를 배출 처리기(53)로 전달하거나 또는 배기 처리부(40)로 전달할 수 있다. 전자의 경우 암모니아는 기체 상태로 배출 처리기(53)에 전달되며, 후자의 경우 암모니아는 암모니아수 형태로 배기 처리부(40)에 전달되어 환원제로 사용되거나 또는 산화 처리될 수 있다.
또는 저압 배출드럼(51)과 고압 배출드럼(52)은, 수집한 암모니아 중 적어도 일부를 암모니아 저장탱크(10) 등으로 전달할 수도 있다. 즉 저압 배출드럼(51) 등은 암모니아를 분리할 수 있는 구조를 갖고, 암모니아만을 암모니아 저장탱크(10)로 회수할 수 있다.
저압 배출드럼(51) 등이 암모니아를 분리하고 암모니아 저장탱크(10)로 전달하는 대신, 저압 배출드럼(51)은 암모니아와 물 등이 혼합된 유체를 암모니아 저장탱크(10)로 전달하되, 중간에 암모니아 외의 물질을 걸러내는 필터(도시하지 않음)가 사용될 수 있다.
즉 배출드럼(51, 52)은, 수집한 암모니아를 암모니아 저장탱크(10)로 회수하며, 회수가 어려울 경우에는 배기 처리부(40)로 전달할 수 있다. 또한 배출드럼(51, 52)에서 기체 암모니아는 배출 처리기(53)로 보내져 처리될 수 있다.
저압 배출드럼(51)은 암모니아를 암모니아 저장탱크(10)나 배출 처리기(53) 등에 바로 전달할 수 있는 반면, 고압 배출드럼(52)은 암모니아 저장탱크(10) 등과 대비할 때 내압차가 크므로, 고압 배출드럼(52)의 암모니아는 밸브 등을 이용해 감압을 거친 뒤 암모니아 저장탱크(10) 등으로 전달될 수 있다.
반대로, 배출드럼(51, 52)의 압력이 부족한 경우, 배출드럼(51, 52)은 퍼징부(80)를 이용하여 내압을 높일 수 있다. 퍼징부(80)는 후술하겠지만 질소 등의 비폭발성가스를 이용하여 연료 공급부(20) 및/또는 연료 회수부를 퍼징하는 구성인데, 배출드럼(51, 52)의 압력 상승이 필요한 경우 퍼징부(80)는 배출드럼(51, 52)으로 비폭발성가스를 주입할 수 있다.
따라서 배출드럼(51, 52)은, 퍼징부(80)에 의해 내압이 충분히 높아질 수 있으며, 이를 통해 배출드럼(51, 52)에 저장된 암모니아는 별도의 가압이나 압축 없이 암모니아 저장탱크(10)나 배출 처리기(53) 또는 배기 처리부(40)로 원활하게 전달될 수 있다.
배출 처리기(53)는, 암모니아를 처리하여 벤트 마스트(54)에 전달한다. 배출 처리기(53)는 배출드럼(51, 52)으로부터 전달되는 암모니아를 포집하고 벤트 마스트(54)에는 암모니아가 일정 기준(예를 들어 30ppm) 이내로 전달되도록 한다.
배출 처리기(53)는 물을 이용하여 암모니아를 포집하는 구성으로서, 암모니아를 물에 녹이는 워터 탱크이거나, 암모니아에 물을 분사하는 워터 스크러버 등일 수 있으며, 이때 배출드럼(51, 52)에서 배출 처리기(53)를 거쳐 벤트 마스트(54)로 전달되는 물질은 주로 질소 등일 수 있다.
배출 처리기(53)는, 암모니아에 물을 혼합해 생성한 암모니아수를 배기 처리부(40)에 전달할 수 있다. 즉 배출 처리기(53)가 수집한 암모니아는 배기 처리부(40)에서 환원제로 사용될 수 있고, 이때 배출 펌프(531)가 사용될 수 있다.
다만 배출 처리기(53)는, 배기 처리부(40)의 작동 상태에 따라 암모니아 대비 물의 비율을 조절할 수 있다. 즉 배출 처리기(53)는 배기 처리부(40)가 정상적으로 운전을 유지할 수 있도록, 암모니아와 물이 혼합된 암모니아수의 유입량을 조절할 수 있다. 이때 배출 처리기(53)와 배기 처리부(40)는 적절한 센서와 신호 전달을 통해 암모니아수의 전달을 상호 제어할 수 있다.
일례로 배기 처리부(40)에는 배출되는 배기 내 오염물질을 측정하는 센서가 마련되며, 센서의 측정값에 따라 배출 처리기(53)가 배기 처리부(40)로 전달되는 암모니아수의 제원이 조절될 수 있다. 및/또는 배기 처리부(40)에 유입되는 배기의 온도와 압력, 유량 등이 배출 처리기(53)의 제어 변수로 사용될 수 있다.
재액화부(60)는, 암모니아 저장탱크(10)에서 배출되는 증발가스를 재액화한다. 재액화부(60)는 암모니아 외 별도의 냉매를 이용하여 암모니아를 재액화할 수 있다(Indirect Type). 이때 냉매는 질소, 혼합냉매(Mixed Refrigerant) 등일 수 있다.
또는 재액화부(60)는 암모니아 간의 열교환을 이용하여 암모니아의 재액화를 구현하는 Direct type으로 마련될 수 있다. 일례로 재액화부(60)는 암모니아를 압축 및 냉각한 뒤, 일부를 감압해 액화시켜서 나머지를 액화하는 냉매로 사용할 수 있다.
재액화부(60)가 암모니아를 재액화하는 방식에 대해서는 공지된 다양한 재액화 장치가 사용될 수 있을 것인 바, 보다 자세한 설명은 생략한다.
재액화부(60)는 증발가스 중 적어도 일부를 저압 배출드럼(51) 또는 배기 처리부(40)로 전달할 수 있다. 재액화부(60)는 증발가스의 액화 성능을 높이고자 압축기(도시하지 않음)를 구비하는데, 재액화부(60)의 압축기에 의해 압축된 증발가스는 저압 배출드럼(51)으로 전달되어 저압 배출드럼(51)의 내압 상승에 일조할 수 있다. 또는 재액화부(60)는 배출드럼(51, 52)이나 배출 처리기(53)로부터 배기 처리부(40)로 전달되는 암모니아의 압력을 보조하기 위해, 증발가스를 압축해 전달할 수 있다.
이때 재액화부(60)는 배출드럼(51, 52)의 내압 등을 토대로 압축기의 부하를 조절할 수 있다. 즉 재액화부(60)는 암모니아 증발가스의 재액화가 필요한 경우에는 압축기를 재액화 전용으로 가동하고, 암모니아 증발가스의 전달이 필요한 경우에는 압축기를 암모니아 전달용으로 가동할 수 있다. 이 경우 재액화부(60)는 하나 이상의 압축기를 구비하여, 어느 하나는 재액화용, 다른 하나는 암모니아 전달용으로 사용할 수도 있다.
물론 재액화부(60)는 암모니아 저장탱크(10)로부터 배출되는 암모니아를 압축 전 상태에서 배출드럼(51, 52), 배기 처리부(40) 등으로 전달하는 것도 가능하며, 이때 압축기는 암모니아 저장탱크(10)에서 배출된 증발가스 중 일부가 배출드럼(51, 52) 등으로 전달됨에 따라 부하가 낮아질 수 있다.
드레인 처리부(70)는, 연료 공급부(20)나 연료 회수부 등에서 드레인되는 암모니아를 암모니아 저장탱크(10)로 회수한다. 즉 드레인 처리부(70)는 연료 공급부(20)의 저압 부분, 고압 부분, 연료 공급 밸브 트레인, 연료 회수부, 연료 리턴 밸브 트레인 등에 잔류한 암모니아가 모이도록 하여, 연료 공급부(20)에서 배출드럼(51, 52)을 통해 배출 처리기(53)로 가는 양을 최소화할 수 있다.
드레인 처리부(70)는 엔진(E)의 가동 등이 정지되고 연료 공급부(20) 등에 잔류한 암모니아를 회수해야 할 경우나, 또는 시스템의 퍼징 시 드레인되는 암모니아를 회수할 수 있다. 즉 드레인은 퍼징과 별도로 이루어지거나 또는 퍼징 시 이루어질 수 있다.
드레인 처리부(70)는 액상의 암모니아가 원활하게 드레인될 수 있도록, 구조적으로 연료 공급부(20)의 하방에 배치될 수 있으며, 필요 시 드레인된 암모니아를 암모니아 저장탱크(10)로 되돌릴 수 있다. 이러한 드레인 처리부(70)는 도 3에서 나타난 것과 같이 드레인 드럼(71), 드레인 펌프(72), 드레인 밸브(73)를 포함할 수 있다.
드레인 드럼(71)은, 연료 공급부(20)에서 드레인되는 암모니아를 수집한다. 드레인 드럼(71)은 용기 형태로 마련되어 암모니아를 일정량 수집할 수 있다. 다만 연료 공급부(20) 등의 원활한 드레인을 위해 퍼징부(80)의 비폭발성가스가 연료 공급부(20) 등으로 주입될 수 있으므로, 드레인 드럼(71)으로 유입되는 암모니아에는 비폭발성가스가 혼합되어 있을 수 있다.
드레인 드럼(71)에는 액체 감지기(711)가 마련된다. 액체 감지기(711)는 드레인 드럼(71) 내의 액적을 감지하는 것인데, 앞서 설명한 바와 같이 드레인 드럼(71)은 암모니아 또는 비폭발성가스가 유입될 것인 바, 액체 감지기(711)에 의해 액적이 감지되면 드레인이 이루어졌다는 의미로 볼 수 있다. 따라서 암모니아의 드레인이 감지되면, 후술할 드레인 펌프(72)에 의해 드레인 드럼(71)의 암모니아가 회수될 수 있다.
드레인 펌프(72)는, 드레인 드럼(71)의 암모니아를 암모니아 저장탱크(10)로 전달한다. 드레인 드럼(71)에 암모니아가 유입된 것이 액체 감지기(711)에 의해 감지되면, 드레인 펌프(72)는 드레인 드럼(71)의 암모니아를 펌핑할 수 있다. 이때 액체 감지기(711)는 드레인 드럼(71)의 일정 레벨에서 암모니아를 감지함으로써, 드레인된 암모니아가 일정량 이상이 되었을 때 드레인 펌프(72)가 가동하도록 할 수 있다.
다만 드레인된 암모니아를 드레인 드럼(71)에 지속적으로 저장하는 것보다는 암모니아 저장탱크(10)에 바로 회수하는 것이 운영상 바람직할 수 있다. 따라서 드레인 펌프(72)는 기체가 유입되어도 문제없는 타입으로 마련될 수 있다.
일례로 드레인 펌프(72)는 유입되는 유체에 기체가 포함될 수 있음을 고려하여, 질소 또는 instrument air를 구동력으로 사용하는 저속 펌프로 마련될 수 있다. 따라서 드레인 펌프(72)는 기체가 내부에 유입되더라도 그 기능이 손상되지 않을 수 있다.
이러한 드레인 펌프(72)는 일례로 퍼징부(80)의 비폭발성가스를 구동원으로 하여 가동하는 타입으로 마련될 수 있다. 따라서 드레인 처리부(70)는 퍼징부(80)의 비폭발성가스를 구동원으로 하여 암모니아를 암모니아 저장탱크(10)로 회수하게 되므로, 드레인 처리 시 연소물질을 사용하지 않음으로써 위험성을 최소화할 수 있다.
드레인 밸브(73)는, 드레인 펌프(72)와 병렬로 마련되어 드레인 드럼(71)의 암모니아를 암모니아 저장탱크(10)로 전달한다. 드레인 밸브(73)는 드레인 드럼(71)의 내압이 높을 경우 드레인 펌프(72)를 대신하여 이용될 수 있다.
드레인 밸브(73)는 non-return valve이며, 드레인 드럼(71)에 고압의 유체가 흘러 들어올 경우 개방되어, 드레인 펌프(72)의 가동 없이도 드레인 드럼(71)과 암모니아 저장탱크(10) 간의 차압을 활용하여 암모니아가 암모니아 저장탱크(10)로 회수되도록 할 수 있다.
물론 드레인 밸브(73)와 드레인 펌프(72)의 가동은 연계되어, 드레인 밸브(73)가 개방되면 드레인 펌프(72)로의 암모니아 유입은 차단되고, 반대로 드레인 펌프(72)가 가동되면 드레인 밸브(73)는 폐쇄될 수 있다.
드레인 펌프(72)와 드레인 밸브(73)의 하류에는 필터(74)가 마련될 수 있다. 필터(74)는 암모니아 내부에 존재하는 불순물을 제거하기 위한 것으로서, 공지된 멤브레인 필터 등을 이용할 수 있다.
퍼징부(80)는, 비폭발성가스인 질소 등을 이용하여 연료 공급부(20), 연료 회수부 등을 퍼징한다. 퍼징부(80)는 시스템 내 암모니아 유로를 비워야 할 경우 작동하며, 질소 등의 비폭발성가스를 퍼징가스로 사용해 암모니아 유로를 purging할 수 있다.
퍼징부(80)는 도 2에서와 같이 배출드럼(51, 52)에 비폭발성가스를 전달할 수 있다. 배출드럼(51, 52)의 내압이 충분하지 못할 경우 본 실시예는 퍼징부(80)를 활용하여 질소 등을 배출드럼(51, 52)에 주입하여, 배출드럼(51, 52)의 내압을 높여서 배출드럼(51, 52)에서 배출 처리기(53) 등으로의 암모니아 흐름을 원활하게 조정할 수 있다.
또한 퍼징부(80)는, 도 3에서와 같이 드레인 처리부(70)가 암모니아를 암모니아 저장탱크(10)로 회수하기 위한 구동원으로서 비폭발성가스를 공급할 수 있다. 일례로 퍼징부(80)는 드레인 펌프(72)에 비폭발성가스를 공급하여 드레인 펌프(72)의 가동을 구현할 수 있으며, 또는 드레인 드럼(71)에 비폭발성가스를 주입하여 드레인 밸브(73)를 통한 암모니아 전달을 구현할 수도 있다.
즉 퍼징부(80)는 위험성이 없는 비폭발성가스를 공급하는 구성임을 고려, 암모니아 유로를 퍼징하는 기본적 기능을 수행함은 물론이고, 벤트부(50)나 드레인 처리부(70) 등의 작동을 보조하는 추가적 기능을 수행할 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 암모니아를 연료로 엔진(E)에 공급하면서도 암모니아의 벤트, 드레인, 산화 처리 등을 안정적으로 구현하여, 친환경의 연료 공급 시스템을 구축할 수 있다.
또한 본 실시예는 시스템 가동 중 갑작스럽게 배출되는 암모니아에 대해 배출드럼(51, 52) 등을 이용하여 1차적으로 포집하고, 나머지 암모니아에 대해서는 배기 처리부(40)를 통해 2차적으로 처리하여, 암모니아의 불필요한 벤트를 최소화하고 안전한 시스템 운영을 보장할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 개념도이다.
이하에서는 본 실시예가 앞선 실시예 대비 달라지는 점 위주로 설명하도록 하며, 설명을 생략하는 부분은 앞선 내용으로 갈음한다. 이는 후술하는 다른 실시예에도 동일하게 적용됨을 알려둔다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템(1)은, 연료 공급부(20)의 열교환기(23)와, 연료 회수부의 혼합기(33)의 배치가 앞선 실시예 대비 변경된다. 제1 실시예의 경우 연료 공급부(20)에서의 암모니아 유동을 기준으로 열교환기(23)의 하류에 혼합기(33)가 배치되는데, 본 실시예는 혼합기(33)의 하류에 열교환기(23)가 배치될 수 있다.
또한 연료 공급부(20)의 암모니아 유로 상에서 혼합기(33)의 상류에는 역류방지밸브가 마련되어, 엔진(E)을 경유하면서 윤활유가 혼입된 암모니아에 대해 암모니아 저장탱크(10)로 전달되는 것이 방지된다.
혼합기(33) 하류에 마련되는 열교환기(23)는 암모니아의 가열 또는 냉각을 구현할 수 있다. 엔진(E)의 저부하 운전 시 암모니아의 재순환량이 증가하는데, 이때 혼합기(33)에서의 암모니아는 비교적 고온이 된다. 따라서 열교환기(23)는 혼합기(33)와 고압 펌프(22) 사이에서 암모니아를 냉각함으로써 고압 펌프(22)에 기체가 유입되는 것을 방지할 수 있다.
반면 엔진(E)의 부하가 상승하면 잉여 암모니아의 유량이 감소하게 되므로, 혼합기(33)에서의 암모니아는 비교적 저온이 되는 바, 열교환기(23)는 암모니아를 가열해 고압 펌프(22)로 전달할 수 있다.
즉 열교환기(23)는 엔진(E)의 부하에 따라 암모니아를 가열 또는 냉각할 수 있는데, 일례로 열교환기(23)에는 일정한 온도의 열매가 충분한 양으로 지속 공급되어, 열교환기(23)에 유입되는 암모니아가 열매의 온도에 맞춰지면서 가열 또는 냉각되도록 할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 개념도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템(1)은, 제1 실시예와 대비하여 리턴 열교환기(24)를 더 포함할 수 있다.
리턴 열교환기(24)는, 고압 펌프(22)의 하류에서 고압 펌프(22)의 상류로 리턴되는 암모니아의 온도를 조절한다. 앞서 설명한 바와 같이 고압 펌프(22) 하류에는 리턴 라인이 마련되며, 리턴 열교환기(24)는 리턴 라인에 구비되어 고압 펌프(22)로부터 혼합기(33)로 전달되는 암모니아를 냉각할 수 있다.
엔진(E)이 암모니아를 연료로 사용하지 않는 상태(엔진(E)의 정지 또는 엔진(E)이 암모니아 외의 연료로 가동)에서 고압 펌프(22) 등이 기동 중인 경우, 암모니아는 고압 펌프(22)를 경유하면서 가열되지만 엔진(E)으로 유입되지 않고 리턴 라인을 따라 순환된다.
이 경우 고압 펌프(22)의 발열로 인해 암모니아가 기화될 우려가 있으므로, 고압 펌프(22)에서 발생하는 열을 제거해야 한다. 따라서 본 실시예는 리턴 라인에 리턴 열교환기(24)를 두고 청수나 해수, 글리콜 워터 등의 냉매를 이용하여 암모니아를 냉각할 수 있다. 따라서 리턴 열교환기(24)는 리턴 쿨러(31)로 지칭될 수도 있다.
또한 리턴 열교환기(24)는 열매 공급부(25)에 의해 순환 공급되는 열매를 이용할 수 있으며, 이 경우 고압 펌프(22) 전단의 열교환기(23)를 통과하면서 암모니아에 의해 냉각된 열매를 이용할 수 있다.
따라서 본 실시예는, 고압 펌프(22)가 가동 중에 있지만 고압 펌프(22)에서 엔진(E)으로는 암모니아가 공급되지 못함에 따라 고압 펌프(22) 하류의 암모니아가 지속적으로 고압 펌프(22) 상류로 순환하는 경우, 순환되는 암모니아를 냉각함으로써 고압 펌프(22)에서의 암모니아 기화 등을 억제할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 개념도이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템(1)은, 연료 공급부(20)의 열교환기(23)가 제1 열교환기(231) 및 제2 열교환기(232)를 포함할 수 있다. 제1 열교환기(231)는 저압 펌프(21)와 고압 펌프(22) 사이에 마련되며, 일례로 혼합기(33)와 고압 펌프(22) 사이에 구비될 수 있다. 이때 제1 열교환기(231)가 가열 또는 냉각을 구현할 수 있음은 제2 실시예에서 설명한 바와 같다.
제2 열교환기(232)는 고압 펌프(22)와 엔진(E) 사이에 마련된다. 제2 열교환기(232)는 고압 펌프(22)에서 가압된 암모니아를 엔진(E)의 요구 온도에 맞게 가열 또는 냉각할 수 있다.
후술하겠지만 본 실시예는 고압 펌프(22)의 하류에 제2 쿨러(312)를 둠으로써 잉여 암모니아와 고압 펌프(22) 하류의 암모니아가 열교환되도록 하는데, 이 경우 고압 펌프(22)에서 가압된 후 제2 쿨러(312)에서 열교환된 암모니아의 온도가 일정하지 않을 우려가 있다. 따라서 본 실시예는 제2 쿨러(312)와 엔진(E) 사이에 제2 열교환기(232)를 마련해, 엔진(E)으로 유입되는 암모니아의 온도를 일정하게 조절할 수 있다.
본 실시예의 연료 회수부의 쿨러(31)는, 제1 쿨러(311)와 제2 쿨러(312)를 포함할 수 있다. 제1 쿨러(311)는 암모니아와 별도로 마련되는 매체를 이용하여 암모니아를 냉각하며, 이때 매체는 열교환기(23)에서 사용되는 열매일 수 있다.
제1 쿨러(311)는 앞선 제1 실시예에서의 쿨러(31)와 유사한 구성일 수 있으며, 캐치드럼(32)과 병렬로 마련되어 잉여 암모니아를 냉각해 혼합기(33)로 전달할 수 있다.
제2 쿨러(312)는, 제1 쿨러(311)의 하류 또는 상류에 마련되며, 연료 공급부(20)의 암모니아를 이용한다. 즉 제2 쿨러(312)는 암모니아 간 열교환을 구현하는 구성으로, 잉여 암모니아와 고압 펌프(22) 하류의 암모니아를 상호 열교환시킬 수 있다.
연료 공급 관점에서, 고압 펌프(22)에서 가압된 암모니아는 엔진(E)으로 공급되기 전에 제2 쿨러(312)로 인해 온도가 변화하게 되므로, 온도를 엔진(E)의 요구온도에 맞추기 위하여 제2 열교환기(232)가 사용될 수 있음은 앞서 설명한 바와 같다.
반면 연료 회수 관점에서, 엔진(E)으로부터 배출된 잉여 암모니아는 제1 쿨러(311)에서 1차 냉각 후 제2 쿨러(312)에서 2차 냉각되어, 고압 펌프(22)로 순환될 때 기체가 발생하는 것이 충분히 억제될 수 있다. 더 나아가 연료 회수부는, 압력조절밸브(34)를 이용하여 암모니아를 해당 온도의 포화압력 이상으로 유지함으로써 기화를 방지할 수 있다.
압력조절밸브(34)는, 잉여 암모니아의 흐름을 기준으로 쿨러(31)의 하류에 마련되며, 일례로 제2 쿨러(312)와 혼합기(33) 사이에 배치될 수 있다. 압력조절밸브(34)는 연료 회수부에서 연료 공급부(20)를 향해 유동하는 암모니아를 해당 온도의 포화압력 이상(일례로 15bar 이상)으로 유지함으로써, 제2 쿨러(312)를 통과하는 잉여 암모니아가 액상으로 유지되게 할 수 있다.
압력조절밸브(34)는 제2 쿨러(312)의 잉여 암모니아를 액상으로 유지하여, 제2 쿨러(312)에서 잉여 암모니아의 냉각 효율이 증대되도록 할 수 있다. 물론 압력조절밸브(34) 하류의 암모니아는 감압됨에 따라 암모니아가 포화압력 이하로 변화할 수 있지만, 잉여 암모니아는 제2 쿨러(312)에서 충분히 냉각되기 때문에 압력조절밸브(34) 하류에서 기상이 발생할 가능성은 낮고, 감압 시 추가 냉각도 일부 기대할 수 있다.
따라서 본 실시예는, 고압 펌프(22) 상류의 저온 암모니아를 통해 열매를 냉각하고(제1 열교환기(231)), 냉각된 열매로 잉여 암모니아를 냉각하며(제1 쿨러(311)), 압력조절밸브(34)가 잉여 암모니아의 압력을 높게 유지하여 냉각 효율을 높여줌으로써(제2 쿨러(312)), 고압 펌프(22)로 잉여 암모니아가 유입될 때 기화를 효과적으로 억제할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 개념도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 제5 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템(1)은, 연료 공급부(20) 및 연료 회수부가 암모니아 유로의 적어도 일부를 둘러싸는 하우징(35)을 구비한다.
암모니아 유로는 앞서 언급한 바와 같이 파이프 라인일 수 있는데, 하우징(35)이 파이프 라인의 외주를 둘러쌈에 따라, 암모니아 유로는 이중관 구조를 이룰 수 있다. 따라서 하우징(35)은 암모니아 유로에서 암모니아가 누출되었을 때 암모니아가 외부 공간에 바로 침투하는 것을 방지하며, 하우징(35) 내에는 비폭발성가스가 채워질 수 있다.
일례로 하우징(35)에는 퍼징부(80) 또는 벤트부(50) 등에 의해 비폭발성가스가 공급될 수 있고, 하우징(35)을 순환한 비폭발성가스는 대기 중으로 방출될 수 있다. 이하에서는 벤트부(50)에 의해 비폭발성의 벤트가스가 하우징(35)에 유입되는 경우를 설명한다.
벤트부(50)는, 하우징(35)의 일측에 벤트가스를 주입하고, 하우징(35)의 타측에서 벤트가스를 회수한다. 일례로 벤트부(50)는 연료 회수부의 하우징(35)에서 엔진(E)에 인접한 일측에 벤트가스를 주입하고 쿨러(31) 또는 캐치드럼(32)을 경유하고 또한 고압 펌프(22)를 경유한 벤트가스를 연료 공급부(20)의 하우징(35)에서 엔진(E)에 인접한 타측으로부터 회수할 수 있다. 따라서 벤트가스는 고압 부분의 대부분을 순환할 수 있다.
이때 연료 공급부(20)의 하우징(35)에서 회수되는 벤트가스에는 암모니아 유로 상의 누출로 인해 암모니아가 혼입될 우려가 존재하는 바, 벤트부(50)는 하우징(35)에서 회수된 벤트가스를 대기 중에 바로 방출하지 않고 벤트드럼(55)에 저장할 수 있다.
벤트드럼(55)은 물을 이용하여 벤트가스 내에 포함되는 암모니아를 포집한다. 즉 벤트드럼(55)은 워터 탱크일 수 있고, 벤트가스를 물에 통과시켜서 벤트가스에 혼입될 수 있는 암모니아를 물에 녹일 수 있다.
이때 벤트드럼(55)에는 pH 센서(551)가 마련된다. pH 센서(551)는 벤트드럼(55)에 저장된 물의 pH를 측정함으로써, 벤트드럼(55) 내 암모니아의 유입 여부를 확인할 수 있다.
벤트드럼(55)에 유입된 벤트가스는 Outlet 라인을 통해 대기 중으로 방출될 수 있는데, 벤트드럼(55)에서 벤트가스가 배출되는 부분에는 가스 디텍터(552)가 마련될 수 있다.
벤트가스에 암모니아가 포함되었을 때, 벤트가스가 벤트드럼(55)의 물을 경유하면서 암모니아가 물에 녹을 수 있지만, 미처 물에 녹지 못한 암모니아는 벤트드럼(55)의 외부로 배출될 수 있다.
이를 대비하고자 벤트부(50)는, pH 센서(551)를 이용하여 벤트드럼(55) 내 암모니아의 유입을 1차로 감지하고, 벤트드럼(55)의 배출 부분에서 가스 디텍터(552)를 통해 암모니아의 존재 여부를 2차로 감지할 수 있다.
이때 가스 디텍터(552)의 감지값에 따라 벤트드럼(55)에서 벤트가스의 대기 방출이 차단될 수 있다. 이를 통해 벤트가스가 대기로 배출되더라도 암모니아 누출로 인한 위험을 충분히 억제할 수 있다.
참고로 벤트부(50)는 연료 공급부(20)의 하우징(35)에서 벤트드럼(55)으로 벤트가스를 강제 회수하는 벤트팬(56)을 이용할 수 있는데, 이는 연료 회수부의 하우징(35)에 유입된 벤트가스의 압력이 충분하지 않아 벤트가스의 흐름이 원하는 수준에 이르지 못하는 경우 활용될 수 있다. 물론 연료 회수부의 하우징(35)에 고압의 벤트가스가 주입되는 경우 벤트팬(56)은 최소화 또는 생략될 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 암모니아 유로에서 암모니아가 누출되는 경우를 대비하여, 벤트드럼(55)에서 pH 및 가스 디텍팅을 구현하여 암모니아의 대기 방출을 안전한 수준으로 보장할 수 있다.
본 발명은 앞서 설명된 실시예 외에도, 상기 실시예와 공지기술의 조합에 의해 발생하는 실시예들을 모두 포괄한다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
[부호의 설명]
1: 암모니아 처리 시스템 E: 엔진
10: 암모니아 저장탱크 11: 벙커링부
12: 압력 조절부 20: 연료 공급부
21: 저압 펌프 22: 고압 펌프
23: 열교환기 231: 제1 열교환기
232: 제2 열교환기 24: 리턴 열교환기
25: 열매 공급부 251: 열매 히터
252: 열매 쿨러 26: 하우징
30: 연료 회수부 31: 쿨러
311: 제1 쿨러 312: 제2 쿨러
32: 캐치드럼 33: 혼합기
34: 압력조절밸브 35: 하우징
40: 배기 처리부 50: 벤트부
51: 저압 배출드럼 52: 고압 배출드럼
53: 배출 처리기 531: 배출 펌프
54: 벤트 마스트 55: 벤트드럼
551: pH 센서 552: 가스 디텍터
56: 벤트팬 60: 재액화부
70: 드레인 처리부 71: 드레인 드럼
711: 액체 감지기 72: 드레인 펌프
73: 드레인 밸브 74: 필터
80: 퍼징부

Claims (13)

  1. 암모니아 저장탱크로부터 배출되는 암모니아를 엔진에 공급하는 연료 공급부;
    상기 엔진에서 리턴되는 잉여 암모니아를 회수하는 연료 회수부;
    상기 엔진에서 배출되는 배기를 처리하는 배기 처리부; 및
    상기 연료 공급부 또는 상기 연료 회수부에서 배출되는 암모니아를 외부로 방출하는 벤트부를 포함하며,
    상기 벤트부는,
    상기 암모니아 저장탱크 또는 상기 연료 공급부에서 배출되는 저압의 암모니아를 수집하는 저압 배출드럼;
    상기 연료 공급부 또는 상기 연료 회수부에서 배출되는 고압의 암모니아를 수집하는 고압 배출드럼; 및
    암모니아를 처리하여 벤트 마스트에 전달하는 배출 처리기를 포함하고,
    상기 저압 배출드럼 또는 상기 고압 배출드럼은,
    암모니아를 상기 배기 처리부 또는 상기 배출 처리기로 전달하는, 암모니아 처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 배기 처리부는,
    상기 연료 공급부에 의해 상기 엔진으로 공급되는 암모니아 중 적어도 일부를 환원제로 이용하는, 암모니아 처리 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 저압 배출드럼 및 상기 고압 배출드럼은,
    수집한 암모니아 중 적어도 일부를 상기 암모니아 저장탱크로 전달하는, 암모니아 처리 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 암모니아 저장탱크에서 배출되는 증발가스를 재액화하는 재액화부를 더 포함하며,
    상기 재액화부는,
    증발가스 중 적어도 일부를 상기 저압 배출드럼 또는 상기 배기 처리부로 전달하는, 암모니아 처리 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료 공급부는,
    암모니아를 이송하는 저압 펌프;
    상기 저압 펌프에 의해 가압된 암모니아를 상기 엔진의 요구압력에 대응되도록 가압하는 고압 펌프; 및
    암모니아의 온도를 조절하는 열교환기를 포함하고,
    상기 연료 회수부는,
    상기 엔진에서 배출된 잉여 암모니아를 냉각하고 상기 연료 공급부에서 상기 저압 펌프와 상기 고압 펌프 사이로 전달하는 쿨러; 및
    상기 쿨러와 병렬로 마련되며 암모니아를 임시 저장하는 캐치드럼을 포함하는, 암모니아 처리 시스템.
  6. 암모니아 저장탱크로부터 배출되는 암모니아를 엔진에 공급하는 연료 공급부;
    상기 엔진에서 리턴되는 잉여 암모니아를 회수하는 연료 회수부;
    상기 엔진에서 배출되는 배기를 처리하는 배기 처리부; 및
    상기 연료 공급부 또는 상기 연료 회수부에서 배출되는 암모니아를 외부로 방출하는 벤트부를 포함하며,
    상기 배기 처리부는,
    암모니아를 산화 처리하며,
    상기 벤트부는,
    상기 암모니아 저장탱크, 상기 연료 공급부 또는 상기 연료 회수부에서 배출되는 암모니아를 포집하고 암모니아에 물을 혼합하여 상기 배기 처리부에 전달하는 배출 처리기를 포함하는, 암모니아 처리 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 벤트부는,
    상기 암모니아 저장탱크, 상기 연료 공급부 또는 상기 연료 회수부에서 배출되는 암모니아를 수집하였다가 상기 배출 처리기 또는 상기 배기 처리부로 전달하는 배출드럼을 더 포함하고,
    상기 배출 처리기는,
    물을 이용하여 암모니아를 포집하고, 암모니아수를 상기 배기 처리부에 전달하는, 암모니아 처리 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    비폭발성가스를 이용하여 상기 연료 공급부 또는 상기 연료 회수부를 퍼징하는 퍼징부를 더 포함하며,
    상기 퍼징부는,
    상기 배출드럼에 비폭발성가스를 전달하여 상기 배출드럼의 압력을 상기 배출 처리기 또는 상기 배기 처리부보다 높게 조절하는, 암모니아 처리 시스템.
  9. 암모니아 저장탱크로부터 배출되는 암모니아를 엔진에 공급하는 연료 공급부;
    상기 엔진에서 리턴되는 잉여 암모니아를 회수하는 연료 회수부;
    상기 엔진에서 배출되는 배기를 처리하는 배기 처리부; 및
    상기 연료 공급부 또는 상기 연료 회수부에서 배출되는 암모니아를 외부로 방출하는 벤트부를 포함하며,
    상기 연료 공급부는,
    암모니아를 이송하는 저압 펌프;
    상기 저압 펌프에 의해 가압된 암모니아를 상기 엔진의 요구압력에 대응되도록 가압하는 고압 펌프; 및
    암모니아의 온도를 조절하는 열교환기를 포함하고,
    상기 연료 회수부는,
    상기 엔진에서 배출된 잉여 암모니아를 냉각하고 상기 연료 공급부에서 상기 저압 펌프와 상기 고압 펌프 사이로 전달하는 쿨러; 및
    상기 쿨러의 하류에 마련되어 상기 연료 회수부에서 상기 연료 공급부를 향해 유동하는 암모니아를 해당 온도의 포화압력 이상으로 유지하는 압력조절밸브를 포함하는, 암모니아 처리 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 연료 회수부는,
    상기 엔진에서 배출된 잉여 암모니아를 상기 연료 공급부에서 상기 저압 펌프와 상기 고압 펌프 사이의 암모니아에 혼합하는 혼합기를 더 포함하고,
    상기 압력조절밸브는,
    상기 쿨러와 상기 혼합기 사이에 마련되는, 암모니아 처리 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서, 상기 쿨러는,
    암모니아와 별도로 마련되는 매체를 이용하여 암모니아를 냉각하는 제1 쿨러; 및
    상기 제1 쿨러의 하류 또는 상류에 마련되며 상기 연료 공급부의 암모니아를 이용하는 제2 쿨러를 포함하는, 암모니아 처리 시스템.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 열교환기는,
    상기 저압 펌프와 상기 고압 펌프 사이에 마련되는 제1 열교환기; 및
    상기 고압 펌프와 상기 엔진 사이에 마련되는 제2 열교환기를 포함하고,
    상기 제1 열교환기는,
    상기 혼합기와 상기 고압 펌프 사이에 마련되고,
    상기 제2 열교환기는,
    상기 제2 쿨러와 상기 엔진 사이에 마련되는, 암모니아 처리 시스템.
  13. 제 1 항, 제 6 항 및 제 9 항 중 어느 한 항의 상기 암모니아 처리 시스템을 포함하는, 선박.
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