KR102610291B1 - 친환경 선박의 연료 공급 시스템 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 암모니아 가스와 엔진연료를 혼합하여 엔진에 공급하는 친환경 선박의 연료 공급 시스템에 관한 것으로, 고체암모늄이 저장되는 고체암모늄 저장탱크; 상기 고체암모늄을 가열하여 상기 암모니아 가스와 이산화탄소 가스를 생성하는 제1 히터; 상기 암모니아 가스와 이산화탄소 가스를 상기 엔진연료와 열교환하여 상기 암모니아 가스를 암모니아 액체로 변환하는 열교환기; 및 상기 암모니아 액체를 상기 이산화탄소 가스와 분리하는 분리기;를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 친환경 선박의 연료 공급 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 있으며, 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 떨어진다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 고체암모늄을 이용하여 암모니아 연료를 공급함으로써, 비용 효율과 시설의 안전성을 증진시킬 수 있는 친환경 선박의 연료 공급 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 친환경 선박의 연료 공급 시스템은, 암모니아 가스와 엔진연료를 혼합하여 엔진에 공급하는 친환경 선박의 연료 공급 시스템에 있어서, 고체암모늄이 저장되는 고체암모늄 저장탱크; 상기 고체암모늄을 가열하여 상기 암모니아 가스와 이산화탄소 가스를 생성하는 제1 히터; 상기 암모니아 가스와 이산화탄소 가스를 상기 엔진연료와 열교환하여 상기 암모니아 가스를 암모니아 액체로 변환하는 열교환기; 및 상기 암모니아 액체를 상기 이산화탄소 가스와 분리하는 분리기;를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 분리기 하류에 구비되어 상기 암모니아 액체를 기체로 변환하는 제2 히터를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 엔진으로 상기 엔진연료를 공급하는 연료 공급라인을 구비하고, 상기 연료 공급라인에서 분기되어 상기 열교환기로 상기 엔진연료를 공급하는 연료 분기라인을 구비할 수 있다.
구체적으로, 상기 고체암모늄은 탄산 암모늄 또는 중탄산 암모늄일 수 있다.
본 발명에 따른 선박은, 상기 친환경 선박의 연료 공급 시스템을 구비할 수 있다.
본 발명의 친환경 선박의 연료 공급 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명에 따른 친환경 선박의 연료 공급 시스템은 고체암모늄을 이용하여 엔진에 암모니아를 공급함으로써 비용 효율과 시설의 안전성을 증진시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 액체 암모니아 연료 공급 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료 공급 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 연료 공급 시스템을 나타낸 도면이다.
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.
도 1은 종래의 액체 암모니아 연료 공급 시스템(1)을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 액체 암모니아 연료 공급 시스템(1)은, 액체 암모니아 저장탱크(10), 히터(20), 열교환기(30), 연료 저장탱크(40), 기화기(50), 믹서(60) 및 엔진(70)을 포함한다.
액체 암모니아 저장탱크(10)에는 암모니아가 저장된다. 암모니아는 암모니아수 형태의 액체 상태로 보관될 수 있다.
연료 저장탱크(40)에는 엔진연료가 저장될 수 있다.
종래의 액체 암모니아 연료 공급 시스템(1)은, 연료 저장탱크(40)에 저장되는 엔진연료와 액체 암모니아 저장탱크(10)에 저장되는 암모니아를 엔진(70)의 연료로써 사용할 수 있다. 이때 엔진연료와 암모니아는 엔진(70)으로 선택적으로 공급되거나 또는 함께 공급될 수 있다.
액체 암모니아는 히터(20)를 통해 기화되어 엔진(70)으로 공급된다. 연료 저장탱크(40)로부터 공급되는 엔진연료도 기화기(50)에서 기화되어 엔진(70)으로 공급된다. 상기 암모니아와 엔진연료는, 엔진(70)으로 공급되기 전 또는 엔진(70)으로 공급된 이후 연소되기 전에 골고루 섞이도록 혼합되는 과정을 거칠 수 있다.
열교환기(30)는 액체 암모니아 저장탱크(10)에서 발생된 증발기체를 연료 저장탱크(40)의 엔진연료와 열교환시켜, 증발기체를 액화시키며 기화되기 전에 엔진연료의 온도를 높일 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 연료 공급 시스템(2)을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 연료 공급 시스템(2)은, 고체암모늄 저장탱크(100), 제1 히터(200), 열교환기(300), 연료 저장탱크(400), 분리기(500), 기화기(600), 제2 히터(700), 믹서(800) 및 엔진(900)을 포함한다.
고체암모늄 저장탱크(100)에는 고체암모늄이 저장된다. 고체암모늄은 암모니아 가스를 발생시킬 수 있는 탄산 암모늄, 중탄산 암모늄 등의 고형 암모니아 화합물을 나타낸다.
고체암모늄 저장탱크(100)는 2 내지 3 바의 내압을 갖는 저장탑으로서, 상기 저장탑은 사일로 형태일 수 있다. 상기 고체암모늄 저장탱크(100)에는 제1 히터(200)로 전달되는 고체암모늄의 양을 조절할 수 있는 수단(미도시)이 마련될 수 있다.
연료 저장탱크(400)에는 엔진연료가 저장될 수 있다. 연료 저장탱크(40)에 저장되는 엔진연료는 HFO(High sulfur Feul Oil), LSFO(Low Sulphur Fuel Oil), ULSFO(Ultra-Low Sulphur Fuel Oil), MGO(Marine Gas Oil), LNG(Liquefied Natural Gas), LPG(Liquefied Petroleum Gas), LEG(Liquefied Ethylene Gas), MeOH(methanol), DME(dimethyl ether) 등의 기존에 사용되는 연료일 수 있으며, 상기 엔진연료는 바람직하게는 LNG일 수 있다.
고체암모늄 저장탱크(100)에 저장되는 고체암모늄은 제1 히터(200)에서 가열되어 암모니아 가스와 이산화탄소 가스로 분리된다.
일 예로서, 고체암모늄 중 탄산 암모늄이 열분해되어 암모니아가 생성되는 반응식은 다음과 같다.
(NH4)2CO3 ↔ 2NH3 +CO2 +H2O
고체암모늄의 열분해 과정에서 물이 생성될 수 있으며, 생성된 물은 제1 히터(200)에서 분리되어 저장되거나 배출될 수 있다.
제1 히터(200)는 고체암모늄을 암모니아 가스로 변환하기 위해서 60℃ 이상으로 가열하는 것이 바람직하다.
제1 히터(200)에서 변환된 암모니아 가스는 제1 암모니아 가스 공급라인(L5)을 통해 열교환기(300)를 지나서 분리기(500)로 공급된다. 상기 분리기(500)에서 낮은 온도의 암모니아(액상과 기상 혼합 상태)가 배출되고, 상기 암모니아는 제2 히터(700)를 거쳐 제2 암모니아 가스 공급라인(L6)을 통해 믹서(800)에 공급된다. 연료 저장탱크(400)에 저장된 엔진연료는 연료 공급라인(L2)을 통해 기화기(600)를 지나 기체상태로 믹서(800)에 공급된다. 믹서(800)에서 엔진연료와 암모니아 가스가 혼합된다. 상기 혼합 가스를 엔진(900)의 연료로 사용할 수 있다.
제어밸브(V1)는 열교환기(300)에서 고체암모늄과 열교환하는 엔진연료의 양을 조절하게 되는데 제어밸브(V1)의 개도는 믹서(800) 후단의 온도 및 엔진 로드에 따른 연료 필요량에 따라 조절할 수 있다.
엔진연료와 암모니아 가스는 엔진(900)으로 선택적으로 공급될 수 있다. 암모니아 가스의 공급을 조절하기 위해 제1 암모니아 가스 공급라인(L5) 또는 제2 암모니아 가스 공급라인(L6)에 밸브(미도시)를 구비할 수 있으며, 고체 암모늄의 양을 조절하기 위해 고체 암모늄 저장탱크에 고체 암모늄의 공급량을 조절하는 수단(미도시)을 구비할 수 있다.
연료 공급라인(L2)에서 열교환기(300)로 엔진연료가 일부 분기할 수 있다. 열교환기(300)는 제1 히터(200)로부터 나온 암모니아 가스 및 이산화탄소 가스와 연료 공급라인(L2)에서 분기된 연료 분기라인(L4)의 엔진연료를 열교환한다.
연료 저장탱크(400)에 저장된 엔진연료는 극저온의 액체로, 상기 암모니아 가스 및 이산화탄소 가스 보다 낮은 온도 상태에 있다. 상기 엔진연료는 바람직하게 LNG 연료이며, LNG 연료의 경우 끓는점이 -163℃이므로, 상기 끓는점보다 저온에서 유지되므로 LNG 연료의 냉열을 이용해서 암모니아 가스를 냉각할 수 있다.
암모니아 가스의 끓는점은 -33℃이고 이산화탄소 가스의 끓는점은 -78℃이므로, 암모니아 가스와 이산화탄소 가스의 끓는점 차이를 이용하여 열교환 과정에서 암모니아 가스만 선택적으로 액화할 수 있다.
분리기(500)는 열교환기(300)에서 나온 암모니아 액체와 이산화탄소 가스를 분리한다. 분리기(500)의 하류에서는 암모니아 액체가 배출된다. 분리기 하류의 암모니아 액체는 제2 암모니아 가스 공급라인(L6)을 통해 제2 히터(700)로 공급된다. 상기 제2 히터(700)는 암모니아 액체를 가열하여 암모니아 액체를 암모니아 가스로 재변환한다.
분리기(500) 상류에서는 이산화탄소 가스가 배출될 수 있고, 상기 이산화탄소 가스는 외부로 배출되거나, 온실가스의 저감을 위해서 선박에 구비되는 별도의 설비(미도시)에 저장될 수 있다.
믹서(800)는 암모니아 가스와 기화된 엔진연료가 엔진(900)에 공급되기 전 또는 엔진(900)으로 공급된 이후 연소되기 전에 골고루 섞이도록 혼합할 수 있다.
엔진(900)은 암모니아와 LNG 등의 엔진연료를 모두 연료로 사용할 수 있는 DF 엔진(Dual Fuel 엔진)일 수 있고, 상기 엔진(900)은 선박의 추진엔진 또는 발전엔진 일 수 있다.
암모니아는 무탄소 연료로 연소 반응시 질소와 물만 생성되고 이산화탄소의 발생이 없기 때문에(반응식: 4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O), 선박 온실가스 배출 규제에 대응이 가능하다.
엔진(900)에서 연료 저장탱크(400)에 저장된 엔진연료와 암모니아가 혼합된 연료가 연소시 CxHy + 4NH3 + (3+z)O2 → xCO2 + 2N2 + (6+y/2)H2O 의 반응식을 가진다. 암모니아와 혼합된 엔진연료는 암모니아로 대체된만큼 이산화탄소의 발생을 줄일 수 있다.
본 발명은 앞서 설명된 실시예 외에도, 상기 실시예들의 조합 및 상기 실시예 중 적어도 어느 하나와 공지기술의 조합에 의해 발생하는 실시예들을 모두 포괄한다.
이와 같이 본 발명에 따른 연료 공급 시스템(2)은, 고체암모늄을 분해하여 암모니아 연료를 공급할 수 있으므로, 불안정한 액체 암모니아를 저장하여 암모니아 연료를 공급하는 것과 대비하였을 때 연료 공급 시스템의 저장 안전성을 증진시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 연료 공급 시스템(2)에 있어서, 암모니아 공급원인 고체암모늄은 암모니아로의 기화율이 낮아 저장탱크에서 누출되어도 고체상태로 존재하므로 고체암모늄의 누출로 인한 인명사고의 위험이 낮다.
또한, 본 발명에 따른 연료 공급 시스템(2)은, 고체암모늄을 저장하므로 액체 암모니아를 저장하기 위해 필요한 내압성을 갖는 저장탱크를 구비할 필요가 없고, 상기 저장탱크 내부를 저온으로 유지할 필요가 없으므로 액체 암모니아를 저장하여 암모니아 연료를 공급하는 것과 대비하였을 때 설비 비용과 운영 비용을 절감할 수 있다.
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.
1: 종래의 액체 암모니아 연료 공급 시스템
2: 본 발명에 따른 연료 공급 시스템
10: 액체 암모니아 저장탱크 20: 히터
30, 300: 열교환기 40, 400: 연료 저장탱크
50, 600: 기화기 60, 800: 믹서
70, 900: 엔진
100: 고체암모늄 저장탱크 200: 제1 히터
500: 분리기 700: 제2 히터
L1: 액체 암모니아 공급 라인 L2: 연료 공급라인
L3: 증발기체 순환라인 L4: 연료 분기라인
L5: 제1 암모니아 가스 공급라인 L6: 제2 암모니아 가스 공급라인
L7: 이산화탄소 배출라인
V1: 제어밸브
2: 본 발명에 따른 연료 공급 시스템
10: 액체 암모니아 저장탱크 20: 히터
30, 300: 열교환기 40, 400: 연료 저장탱크
50, 600: 기화기 60, 800: 믹서
70, 900: 엔진
100: 고체암모늄 저장탱크 200: 제1 히터
500: 분리기 700: 제2 히터
L1: 액체 암모니아 공급 라인 L2: 연료 공급라인
L3: 증발기체 순환라인 L4: 연료 분기라인
L5: 제1 암모니아 가스 공급라인 L6: 제2 암모니아 가스 공급라인
L7: 이산화탄소 배출라인
V1: 제어밸브
Claims (5)
- 암모니아 가스와 엔진연료를 혼합하여 엔진에 공급하는 친환경 선박의 연료 공급 시스템에 있어서,
고체암모늄이 저장되는 고체암모늄 저장탱크;
상기 고체암모늄을 가열하여 상기 암모니아 가스와 이산화탄소 가스를 생성하는 제1 히터;
상기 암모니아 가스와 이산화탄소 가스를 상기 엔진연료와 열교환하여 상기 암모니아 가스를 암모니아 액체로 변환하는 열교환기; 및
상기 암모니아 액체를 상기 이산화탄소 가스와 분리하는 분리기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 선박의 연료 공급 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 분리기 하류에 구비되어 상기 암모니아 액체를 기체로 변환하는 제2 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 선박의 연료 공급 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 엔진으로 상기 엔진연료를 공급하는 연료 공급라인을 구비하고,
상기 연료 공급라인에서 분기되어 상기 열교환기로 상기 엔진연료를 공급하는 연료 분기라인을 구비하는 것을 특징으로 하는 친환경 선박의 연료 공급 시스템. - 제 1 항에 있어서,
상기 고체암모늄은 탄산 암모늄 또는 중탄산 암모늄인 것을 특징으로 하는 친환경 선박의 연료 공급 시스템. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 상기 친환경 선박의 연료 공급 시스템을 구비한 선박.
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|---|---|---|---|
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| KR20200116588 | 2020-09-11 |
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|---|---|
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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-
2021
- 2021-09-13 KR KR1020210122083A patent/KR102610291B1/ko active IP Right Grant
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| KR20220034713A (ko) | 2022-03-18 |
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