KR20230149915A - 암모니아 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

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KR20230149915A
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안영종
박상민
박노남
윤여범
이창우
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에이치디한국조선해양 주식회사
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Abstract

본 발명은 암모니아 처리 시스템에 관한 것으로, 암모니아를 저장하는 연료 저장부; 상기 연료 저장부로부터 암모니아를 전달받아 수요처로 암모니아를 공급하는 연료 공급부; 상기 연료 공급부와 상기 수요처 사이에 구비되어 암모니아의 공급을 차단하는 연료공급밸브; 및 상기 수요처에서 배출되는 암모니아를 처리하는 처리장치;를 포함하고, 상기 처리장치는, 상기 수요처에서 배출되는 암모니아에 흡수제를 분사시켜 암모니아를 흡수하는 스크러버부; 및 흡수제를 저장하고, 저장된 흡수제에 직접 주입되는 암모니아를 흡수하는 흡수탱크부;를 포함할 수 있다.

Description

암모니아 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박{Ammonia treatment system and ship including the same}
본 발명은 암모니아 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.
일반적으로 선박은 디젤유를 이용하여 구동력을 발생시키는 디젤엔진, LNG와 같은 가스를 이용하여 구동력을 발생시키는 가스엔진, 디젤유와 가스를 혼용하여 구동력을 발생시키는 이종연료엔진(Dual Fuel Engine) 등을 사용하여 추진한다.
최근에는 IMO 환경규제 강화에 따른 친환경/고효율 엔진에 대한 요구가 증대하면서, 다양한 연료를 이용한 추진시스템에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.
암모니아는 탄소를 포함하지 않기 때문에 친환경적인 연료로 주목받고 있으나, 종래에 사용되어온 연료 대비 상대적으로 연소하여 사용하기에 불리한 특성을 갖는다.
예를 들어, 암모니아를 연료로 사용시, 연소 반응성이 다른 연료에 비해서 낮아 배기가스에 미연소 암모니아(암모니아 슬립)를 포함하고 있으며, 미연소 암모니아는 독성 물질의 하나로 알려져 있으며, 또 다른 환경 오염의 원인이 될 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 암모니아 추진 선박을 정지하는 경우 배출되는 암모니아를 최대한 회수하고 재사용하기 위한 암모니아 처리 시스템을 제공하는 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 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템은, 암모니아를 저장하는 연료 저장부; 상기 연료 저장부로부터 암모니아를 전달받아 수요처로 암모니아를 공급하는 연료 공급부; 상기 연료 공급부와 상기 수요처 사이에 구비되어 암모니아의 공급을 차단하는 연료공급밸브; 및 상기 수요처에서 배출되는 암모니아를 처리하는 처리장치;를 포함하고, 상기 처리장치는, 상기 수요처에서 배출되는 암모니아에 흡수제를 분사시켜 암모니아를 흡수하는 스크러버부; 및 흡수제를 저장하고, 저장된 흡수제에 직접 주입되는 암모니아를 흡수하는 흡수탱크부;를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 수요처에서 배출되는 암모니아의 압력에 따라서 흡수탱크부에서 암모니아가 주입되는 위치가 변경될 수 있다.
구체적으로, 상기 수요처에서 배출되는 암모니아의 압력에 따라서 흡수탱크부에 저장되는 흡수제의 수위가 변경될 수 있다.
구체적으로, 상기 흡수탱크부에 중화제가 주입될 수 있다.
구체적으로, 상기 스크러버부 또는 상기 흡수탱크부에 패킹부가 구비될 수 있다.
구체적으로, 상기 흡수탱크부의 하단부에서 암모니아수가 배출되며, 상기 암모니아수는 상기 스크러버부의 상단부로 순환될 수 있다.
구체적으로, 상기 암모니아수가 상기 스크러버부의 상단부로 순환되는 순환라인에는 순환펌프가 구비되고, 상기 순환펌프의 전단 또는 후단에서 중화제가 주입될 수 있다.
구체적으로, 상기 흡수탱크부의 하단부에서 암모니아수가 배출되며, 상기 암모니아수는 빌지 탱크, 소각기, 산화촉매 또는 질소산화물 저감장치로 전달될 수 있다.
구체적으로, 상기 스크러버부의 상단부에서 벤트 가스가 배출되며, 상기 벤트 가스는 벤트 마스트로 전달되어 외부로 배출될 수 있다.
구체적으로, 상기 벤트 마스트로 희석 가스가 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 선박은, 상기 암모니아 처리 시스템을 포함하는 선박.
본 발명에 따른 암모니아 처리 시스템은, 암모니아 추진 선박을 정지하는 경우 방출되는 암모니아의 양을 최소화 할 수 있으므로, 암모니아 방출에 의한 환경 오염을 방지할 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 본 발명의 제1 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 처리장치로서 스크러버를 나타내는 도면이다.
도 3은 종래의 처리장치로서, 흡수탱크를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템에 사용되는 제1 처리장치를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템에 사용되는 제2 처리장치를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템에 사용되는 제3 처리장치를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템에 사용되는 제4 처리장치를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템에 사용되는 제5 처리장치를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템에 사용되는 벤트마스트를 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템에서 암모니아수를 처리하는 제1 방법을 설명하는 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템에서 암모니아수를 처리하는 제2 방법을 설명하는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템에서 암모니아수를 처리하는 제3 방법을 설명하는 도면이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템을 나타내는 도면이다.
도 14는 수요처를 가동하는 경우 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 가동 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 수요처를 일반 정지하는 경우 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 가동 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 수요처를 일반 정지하고 다시 가동하는 경우 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 가동 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 수요처를 비상 정지하는 경우 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 가동 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 연료공급밸브가 감압된 이후 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 가동 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 회수탱크를 감압한 이후 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 가동 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 수요처를 비상 정지하고 다시 가동하는 경우 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 가동 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
이하에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
이하에서, “물”은 암모니아를 흡수시키기 위한 물질로서, 세정제, 흡수제 등을 포함하는 의미로 해석될 수 있으며, 그 물질의 종류, pH, 상 등에 의해 제한되지 않는다.
이하에서, “암모니아 가스” 또는 “암모니아 연료”는 서로 교환적으로 사용될 수 있으며, “암모니아 가스” 또는 “암모니아 연료”는 암모니아가 포함된 물질을 의미할 수 있고, 암모니아 가스라고 표현된 경우에 암모니아가 포함된 물질의 상태는 기체 또는 액체일 수 있다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 위해 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하여 보면, 암모니아 처리 시스템(1)은, 연료 저장부(10), 연료 공급부(20), 연료공급밸브(30), 수요처(40)를 포함할 수 있다.
연료 저장부(10)는, 암모니아 처리 시스템(1)에 구비되어 암모니아를 저장할 수 있는 시설일 수 있으며, 어떠한 형태의 시설도 포함될 수 있고, 상기 연료 저장부(10)는 탱크 형태의 저장시설일 수 있다.
본 명세서에서 선박은, 화물을 출발지에서 목적지까지 수송하는 상선 외에도 해상의 일정 지점에 부유하여 특정한 작업을 수행하는 해양구조물을 포괄하는 개념임을 밝혀둔다.
연료 공급부(20)는, 하나 이상의 연료 저장부(10)와 연결되며, 수요처(40)에 공급하기에 적절한 온도로 암모니아를 가열할 수 있으며, 수요처(40)에 공급하기에 적절한 압력으로 암모니아를 가압할 수 있다. 예컨대, 50 내지 300 바(bar)의 압력과 10 내지 50 도의 온도를 가지는 암모니아가 수요처(40)에 공급될 수 있다. 상기 연료 공급부(20)는 LFSS(Low-flashpoint Fuel Supply System)일 수 있다.
연료 공급부(20)는 히터(21), 펌프(22), 리턴쿨러(23) 및 회수탱크(24) 등의 장비와 압력 조절, 유량 조절, 벤트, 질소 공급 목적의 각종 밸브와 센서류로 이루어지며 보조적으로 서비스 탱크, 질소 공급 시스템, 글리콜 시스템, 기액 분리기 및 벤트 마스트 등이 포함될 수 있다.
연료공급밸브(30)는 연료 공급부(20)와 수요처(40) 사이에 위치하며, 연료공급라인(L1)에서 연료 공급부(20)가 이상 작동시 연료 공급부(20)와 수요처(40)를 분리하여 수요처(40)로의 연료공급을 효과적으로 차단할 수 있다. 연료공급밸브(30)는 이중 차단 및 배출, 벤트, 압력조절, 질소 공급 등 목적의 밸브와 필터, 각종 센서류 등으로 이루어질 수 있다. 상기 연료공급밸브(30)는 암모니아가 수요처(40)로 공급되도록 제어하는 제어 밸브를 집중적으로 배치한 기구로서, 연료밸브 트레인(FVT, Fuel Valve Train)일 수 있다.
수요처(40)는 암모니아 추진엔진 또는 암모니아 발전엔진일 수 있다. 수요처(40)는 암모니아를 이용하여 선박을 추진시키거나, 선박에서 사용될 전기를 생산할 수 있다.
연료회수라인(L2)은 수요처(40)와 회수탱크(24)를 연결하며 연료회수라인(L2)을 통해 수요처(40)에서 연소되지 않고 남은 잉여 암모니아가 회수탱크(24)로 이송될 수 있다. 이러한 잉여 암모니아는 50 내지 300 바(bar)의 압력을 가질 수 있다.
회수탱크(24)는 수요처(40)에서 회수되는 잉여 암모니아를 액체 암모니아(LA)와 기체 암모니아(GA)로 분리할 수 있다. 회수탱크(24)에 의해 분리된 액체 암모니아(LA)는 연료회수라인(L2)으로 회수될 수 있다. 상기 연료회수라인(L2)에는 액체 암모니아(LA)를 냉각하기 위한 리턴쿨러(23)가 구비될 수 있다.
액체 암모니아(LA)는 회수탱크(24)와 연료회수라인(L2)을 연결하는 회수탱크라인(L3)을 통해 연료회수라인(L2)으로 이송될 수 있다.
또한, 도면에는 도시되지 않았으나, 회수탱크(24)와 연료 저장부(10)를 연결하는 라인이 구비될 수 있으며, 해당 라인을 이용하여 회수탱크(24)에서 연료 저장부(10)로 암모니아가 전달될 수 있다.
이와 같이, 수요처(40)에서 연소되지 않고 남은 잉여 암모니아를 회수하고, 회수탱크(24)에 의해 분리된 액체 상태의 액체 암모니아(LA)를 연료회수라인(L2)으로 다시 공급할 수 있다.
한편, 회수탱크(24)에 의해 분리된 기체 암모니아(GA)는 벤트라인(L4)을 통해 처리장치(50)로 전달될 수 있다. 상기 처리장치(50)는 기체 암모니아(GA)의 농도를 낮출 수 있다. 처리장치(50)에서 배출되는 벤트가스는 벤트마스트(미도시)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
수요처(40)에서 배출되는 배기가스는 배기가스라인(L5)을 따라 질소산화물 저감장치(60)로 전달될 수 있다. 질소산화물 저감장치(60)는 연료 저장부(10)로부터 액체 암모니아(LA) 또는 기체 암모니아(GA)를 전달받고, 전달받은 암모니아를 질소 산화물(NOx)의 환원제로 사용하여 질소 산화물(NOx)을 환원시켜 배기가스에 포함된 질소산화물을 제거할 수 있다. 이러한 질소산화물 저감장치(60)는 선택적 촉매 환원기(selective catalytic reduction, SCR)일 수 있다.
암모니아 처리 시스템(1)에서는, 질소 산화물 제거를 위해 연료 저장부(10)에 저장된 암모니아를 사용할 수 있으므로, 질소산화물 저감장치(60)를 위한 별도의 암모니아 생성 장치 또는 우레아(UREA)와 같은 암모니아 수용액을 구비할 필요가 없다.
도 2는 종래의 처리장치로서 스크러버를 나타내는 도면이다.
스크러버(51)는, 스크러버(51)에 인입된 오염가스에 물, 흡수제 등을 분사시켜 오염물질이 물 등에 흡수되고 오염물질이 제거되도록 하는 장치로서, 스크러버(51)를 통해 오염물질이 제거된 벤트 가스는 대기 중으로 방출될 수 있다.
도 2를 참고하여 보면 스크러버(51)는 패킹부(P)를 포함하며, 스크러버(51)의 상부에서 물 등을 분사시키고, 스크러버(51)의 하부에서 암모니아 가스를 주입시켜 상기 패킹부(P)에서 물과 암모니아 가스가 접촉하여 물에 암모니아 가스가 흡수될 수 있도록 한다. 그에 따라, 암모니아 가스가 제거된 벤트 가스는 스크러버(51) 상부에서 외부로 배출되고, 스크러버(51) 하부에 모인 암모니아수는 스크러버(51) 외부로 배출될 수 있다.
도 3은 종래의 처리장치로서, 흡수탱크를 나타내는 도면이다.
도 3을 참고하여 보면, 흡수탱크(52)는 물, 흡수제 등을 일정 수위 이상으로 저장하고 있는 저장시설로서, 흡수탱크(52)에 저장된 물 등으로 직접 암모니아 가스를 주입하여 암모니아는 흡수탱크(52)에 저장된 물에 흡수될 수 있다.
스크러버(51)는 지속적으로 물을 공급하여, 스크러버(51)에서 배출되는 암모니아수의 농도는 비교적 낮고, 수중으로 암모니아 가스를 직접 공급하는 것 대비 암모니아를 낮은 압력으로 공급할 수 있다. 다만, 지속적으로 물의 공급이 필요하고 유량이 크게 늘어나는 경우에 암모니아 가스의 처리가 힘들어질 수 있다.
흡수탱크(52)는 저장된 물에 암모니아수를 공급하는 점에서 구조가 간단하며, 전력이 사용되지 않으며, 암모니아를 긴급하게 배출시켜야 하는 경우와 같이 유량이 늘어날 때도 암모니아 가스의 처리가 가능할 수 있다. 다만, 저장된 물에 용해된 암모니아의 양이 늘어감에 따라 흡수탱크(52)의 흡수 능력이 떨어질 수 있고, 암모니아 가스를 물에 직접 주입하므로 저장된 물의 수위가 높아지면 암모니아를 높은 압력으로 공급해야 한다.
암모니아 처리 시스템(1)에서, 스크러버(51)와 흡수탱크(52)를 모두 사용하며, 수요처(40)를 정상 정지시키는 경우에 스크러버(51)를 이용하고, 수요처(40)를 긴급하게 정지시키는 경우에 대량의 암모니아 가스를 처리하기 위해 흡수탱크(52)를 이용할 수 있다. 이 경우 효율적인 암모니아 가스의 흡수를 위해 각각의 장치에 물을 공급해야 하고, 각각의 장치에서 발생되는 암모니아수를 별도로 처리해야 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템에 사용되는 제1 처리장치를 나타내는 도면이다.
도 4를 참고하여 보면, 처리장치(50)는 스크러버(51)와 흡수탱크(52)의 기능을 모두 수행할 수 있도록 스크러버(51)의 하부에 흡수탱크(52)가 연결될 수 있다.
흡수탱크(52)의 하부에 암모니아 가스를 주입한다. 흡수탱크(52) 내에 저장된 물에 암모니아 가스가 흡수될 수 있다. 흡수되지 않은 잉여 암모니아 가스는 흡수탱크(52)의 상부에서 스크러버(51)로 전달될 수 있다.
이때, 스크러버(51)의 상부에 물을 주입하여 스크러버(51) 내에 구비된 패킹부(P)에서 물과 잉여 암모니아 가스가 접촉하여 잉여 암모니아 가스가 물에 흡수될 수 있다. 잉여 암모니아 가스가 흡수된 1차 암모니아수는 다시 흡수탱크(52)의 상부에 주입될 수 있다.
흡수탱크(52)의 상부에서 1차 암모니아수가 분사되어 흡수탱크(52)의 상부에 모여있는 잉여 암모니아 가스가 1차 암모니아수에 흡수될 수 있다. 1차 암모니아수는 암모니아 농도가 비교적 높지 않기 때문에 흡수탱크(52)에서 잉여 암모니아 가스를 흡수시키기 위해 재사용될 수 있다.
2차 암모니아수는 흡수탱크(52)에 공급되는 암모니아 가스의 공급압력에 따라 일정량이 배출될 수 있다.
흡수탱크(52)의 하부에는 빌지 탱크(Bilge tank)가 구비되어, 상기 빌지탱크로 암모니아수가 전달될 수 있다.
이와 같이, 스크러버(51)와 흡수탱크(52)를 통합하여 암모니아 처리장치의 효율을 향상시킬 수 있으며, 효율의 증가로 인해 스크러버(51)에 구비되는 패킹부(P)의 높이를 줄일 수 있다.
또한, 스크러버(51)와 흡수탱크(52)가 통합되어, 스크러버(51)와 흡수탱크(52)에 물 공급장치, 암모니아수 배출 장치 등이 각각 구비될 필요가 없다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템에 사용되는 제2 처리장치를 나타내는 도면이다.
도 5를 참고하여 보면, 처리장치(50)는 스크러버(51)와 흡수탱크(52)의 기능을 모두 수행할 수 있도록 스크러버의 기능을 하는 스크러버부(501)의 하부에 흡수탱크의 기능을 하는 흡수탱크부(502)가 통합될 수 있다.
스크러버부(501)의 상부로 물을 주입하고, 흡수탱크부(502)의 하부로 암모니아 가스를 주입할 수 있다. 이때 흡수탱크부(502)에 저장된 물에 암모니아 가스가 흡수될 수 있고, 여기서 흡수되지 않은 잉여 암모니아 가스가 스크러버부(501)를 통과하며 스크러버부(501)의 상부에서 주입되는 물에 흡수될 수 있다.
흡수탱크부(502)로 공급되는 암모니아 가스의 공급압력에 따라 흡수탱크부(502)의 수위가 조절될 수 있다. 흡수탱크부(502)의 수위를 조절하기 위해 배출밸브(CV)를 제어하여 흡수탱크부(502)에서 일정량의 암모니아수를 배출할 수 있다.
아래 표 1은 공급밸브(V1)의 개폐 여부와, 공급밸브(V1)를 통해 공급되는 암모니아 가스의 압력에 따른 흡수탱크부(502)의 수위를 나타낸다.
공급밸브(V1)가 폐쇄되거나, 공급밸브(V1)가 개방되고 암모니아 가스의 압력이 1 barg 보다 큰 경우에, 흡수탱크부(502)의 수위는 1m로 제어될 수 있다. 암모니아 가스의 압력이 1 barg 보다 큰 경우에 암모니아 가스는 흡수탱크부(502)에서 발생하는 차압을 극복하며 흡수탱크부(502)로 주입될 수 있고, 흡수탱크부(502)에서 다량 흡수될 수 있다.
반면, 공급밸브(V1)가 개방되고 암모니아 가스의 압력이 1 barg 보다 작은 경우에, 흡수탱크부(502)의 수위는 0m로 제어될 수 있다. 암모니아 가스의 압력이 낮은 경우 암모니아 가스가 흡수탱크부(502)로 주입되기가 용이하지 않으므로 흡수탱크부(502)의 수위를 낮추는 것이 바람직하며, 흡수탱크부(502)의 상단에서 암모니아 가스가 주입되고, 이 경우 암모니아 가스는 스크러버부(501)에서 주로 흡수될 수 있다.
조건 공급밸브
close		 공급밸브
open
PT 고압
(>1barg)		 PT 저압
(<1barg)
배출밸브
수위제어		 1 m 0 m
추가적으로, 흡수탱크부(502)의 상부에서 암모니아 중화제가 주입되어 흡수탱크부(502)에서 암모니아 흡수 능력이 향상될 수 있다.
또한, 상기 흡수탱크부(502)의 하단부에는 패킹부(P)가 구비될 수 있다. 패킹부(P)는 물과 암모니아의 접촉 시간을 늘릴 수 있다. 또한, 암모니아 처리 시스템(1)이 선박에 설치되는 경우, 선박이 움직임에 따라 흡수탱크부(502)에 저장된 물이 한쪽으로 쏠릴 수 있는데, 이 경우에도 패킹부(P)에서 암모니아의 흡수가 일어날 수 있으며, 선박의 흔들림에 의한 물의 슬로싱 현상도 최소화할 수 있다.
또한, 암모니아 처리 시스템(1)에는, 암모니아 가스가 외부로 방출되기 전에 액체 상태의 암모니아를 회수하기 위해 녹아웃드럼(미도시)이 구비될 필요가 있으나, 처리장치(50)는 녹아웃드럼(미도시)을 대체하여 암모니아 가스를 회수하는 역할을 수행할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템에 사용되는 제3 처리장치를 나타내는 도면이다.
도 6을 참고하여 보면, 암모니아 가스는 흡수탱크 하부라인(L41)을 통해 흡수탱크부(502)의 하단부로 주입되며, 암모니아 가스가 흡수탱크 하부라인(L41)으로부터 분기되어 흡수탱크부(502)의 상부로 연결되는 흡수탱크 분기라인(L411)을 따라 흡수탱크부(502)의 상부로 주입될 수 있다.
흡수탱크 분기라인(L411)에는 분기밸브(V2)가 구비될 수 있으며, 암모니아 가스의 압력이 높은 경우 분기밸브(V2)를 차단하고, 흡수탱크부(502)의 하단부로 암모니아 가스를 공급하고, 암모니아 가스의 압력이 낮은 경우 분기밸브(V2)를 개방하여 흡수탱크부(502)의 상부와 하부로 암모니아 가스를 공급할 수 있다. 암모니아 가스의 압력이 낮은 경우 흡수탱크부(502)에 저장된 물의 압력에 의해 흡수탱크부(502)에 저장된 물의 압력에 의해 암모니아 가스가 흡수탱크부(502)의 하부로 주입되는 어렵고, 분기밸브(V2)를 지나 흡수탱크부(502)의 상부로 주로 주입될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템에 사용되는 제4 처리장치를 나타내는 도면이다.
도 7을 참고하여 보면, 스크러버부(501)의 상부에는 벤트부(503)가 구비될 수 있다. 배기가스가 곧바로 처리장치(50)로 주입되고 처리장치(50) 내에서 암모니아가 분리되어 벤트부(503)로 벤트가스가 배출될 수 있다.
암모니아 가스는 공급 압력에 따라, 공급 압력이 클 경우 흡수탱크부(502)의 하단으로 주입될 수 있고, 공급 압력이 작을 경우 흡수탱크부(502)의 상부로 주입될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템에 사용되는 제5 처리장치를 나타내는 도면이다.
도 8을 참고하여 보면 흡수탱크부(502)의 하부로 암모니아 가스가 공급될 수 있고, 흡수탱크부(502)의 하부에서 암모니아수는 배출될 수 있다. 흡수탱크부(502)의 하부에서 배출되는 암모니아수의 pH와 유량을 측정하여 암모니아수의 암모니아 농도와 유량에 따라서 적정 pH의 중화제를 적정 양으로 공급할 수 있다. 암모니아수는 중화제에 의해 중화되고, 암모니아수는 스크러버부(501)로 리턴되어 재사용될 수 있다.
암모니아수를 스크러버부(501)로 리턴하기 위해서 리턴펌프(RP)가 사용될 수 있으며, 리턴펌프(RP)의 전단 또는 후단에서 중화제가 공급될 수 있다.
중화제는, 흡수탱크부(502)의 상부로 주입되어 흡수탱크부(502)의 암모니아 흡수 성능이 향상될 수 있다.
상기 중화제는 암모니아를 중화할 수 있는 물질로서, 황산 등의 산성 물질일 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템에 사용되는 벤트마스트를 나타내는 도면이다.
도 9를 참고하여 보면, 처리장치(50)에서 배출되는 벤트가스는 벤트마스트(70)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
이때, 벤트마스트(70)에서 벤트가스가 낮은 유속으로 배출되면, 벤트가스가 느리게 확산된다. 벤트가스가 느리게 확산되면 지면으로 벤트가스가 전달될 수 있으므로, 벤트가스의 확산 속도를 늘릴 필요가 있다.
따라서, 벤트마스트(70)에 높은 유속의 희석가스를 공급하여 벤트마스트(70)에서 배출되는 가스의 유속을 늘릴 수 있으며, 상기 가스에 포함된 암모니아의 농도를 낮출 수 있다. 상기 희석가스는 바람직하게 질소 또는 공기일 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템에서 암모니아수를 처리하는 제1 방법을 설명하는 도면이다.
도 10을 참고하여 보면, 흡수탱크(52)의 하부로 암모니아수가 배출될 수 있고, 배출되는 암모니아수는 질소산화물 저감장치(60)로 직접 공급될 수 있다. 암모니아수의 pH와 유량을 측정하고 적정 pH와 적정 유량을 산출하여 질소산화물 저감장치(60)로 적정 pH와 적정 유량의 암모니아수를 공급할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템에서 암모니아수를 처리하는 제2 방법을 설명하는 도면이다.
도 11을 참고하여 보면, 흡수탱크(52)의 하부로 암모니아수가 배출될 수 있고, 배출되는 암모니아수는 산화촉매를 이용하여 산화시킬 수 있다. 산화촉매에서 반응이 일어날 수 있는 온도를 유지할 수 있는 범위 내에서 암모니아수가 공급될 수 있다.
추가로 에어 히터(AH)를 이용하여 산화촉매의 온도를 가열할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템에서 암모니아수를 처리하는 제3 방법을 설명하는 도면이다.
도 12를 참고하여 보면, 흡수탱크(52)의 하부로 암모니아수가 배출될 수 있고, 배출되는 암모니아수는 소각기로 전달되어 암모니아수를 소각처리할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따른 암모니아 처리 시스템(1)은, 스크러버 및 흡수탱크를 통합하여, 스크러버에서 배출되는 암모니아수를 흡수탱크에서 재사용하여 사용되는 물의 양을 줄이고, 암모니아를 흡수탱크부와 스크러버부에서 이중으로 흡수시켜 암모니아 회수율을 높일 수 있다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템을 나타내는 도면이다.
이하에서, 도 1에서와 공통되는 부분에 대해서는 설명을 생략하며, 이하에서 처리장치(50)는 스크러버(51)와 흡수탱크(52)가 통합된 형태일 수 있으며, 도 1 내지 도 12를 참고하여 설명한 처리장치(50)가 이하에서 적용될 수 있다.
도 13을 참고하여 보면, 암모니아 처리 시스템(1)은, 연료 저장부(10), 연료 공급부(20), 회수탱크(24), 연료공급밸브(30), 수요처(40), 처리장치(50), 불활성가스 공급부(80) 및 녹아웃드럼(90)을 포함할 수 있다.
암모니아 연료는 연료 저장부(10)에서 수요처(40)로 공급될 수 있고, 수요처(40)에서 배출되어 연료회수라인(L2)을 통해 연료공급라인(L1)으로 전달될 수 있고, 제3 라인(L30)을 따라서 회수탱크(24)로 전달될 수 있고, 또는 제5 라인(L50)을 따라서 녹아웃드럼(90)으로 전달될 수 있다.
회수탱크(24)는 수요처(40)가 정지하면 연료회수라인(L2)으로부터 암모니아를 전달받아 암모니아를 가압하여 다시 연료회수라인(L2)으로 공급할 수 있다.
녹아웃드럼(90)은 수요처(40)가 정지하면 연료공급밸브(30) 또는 회수탱크(24)로부터 암모니아 연료를 공급받아 기체 암모니아는 처리장치(50)로 전달하고, 액체 암모니아는 다시 회수탱크(24)로 전달할 수 있다.
불활성가스 공급부(80)는 회수탱크(24) 또는 녹아웃드럼(90)으로 불활성가스를 공급할 수 있다. 불활성가스 공급부(80)는 질소 가스(N2)나 이산화탄소 가스(CO2) 등의 불활성가스를 공급하는 구성으로, 불활성가스를 생성하는 장치 또는 불활성가스를 저장하고 있는 장치를 포함할 수 있다. 상기 불활성가스 공급부(80)는 회수탱크(24) 또는 녹아웃드럼(90)에서 암모니아가 산소와 접촉하지 않도록 회수탱크(24) 또는 녹아웃드럼(90)에 불활성가스를 공급할 수 있다. 불활성가스는 회수탱크(24)로 공급되어 회수탱크(24)의 압력을 높일 수 있다.
도 14는 수요처를 가동하는 경우 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 가동 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 14를 참고하여 보면, 회수탱크(24)에는 압력측정장치(PT)가 구비될 수 있고 압력측정장치(PT)로 회수탱크(24)의 압력을 측정할 수 있다.
수요처(40)의 가동 시, 제3 밸브(V30), 제4 밸브(V40) 및 제5 밸브(V50)를 닫아 수요처(40)에서 회수탱크(24)로 암모니아 연료가 공급되지 않도록 하고, 제2 밸브(V20)를 닫아 녹아웃드럼(90)으로부터 암모니아 연료가 회수탱크(24)로 공급되지 않도록 하고, 제1 밸브(V10) 및 제6 밸브(V60)를 열어 회수탱크(24)의 압력이 25 barg가 되도록 유지한다. 그에 따라 회수탱크(24) 내에 액체가 발생하지 않을 수 있다.
제7 밸브(V70)를 열어 녹아웃드럼(90)으로 불활성가스를 보내 암모니아가 산소와 접촉하는 것을 방지한다.
도 15는 수요처를 일반 정지하는 경우 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 가동 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
수요처(40)를 일반 정지하는 경우는 연료공급밸브(30) 내에 구비된 밸브들이 정상적으로 작동하는 경우를 의미할 수 있고, 수요처(40)를 일반 정지하는 경우에 연료 공급부(20)로부터 암모니아 연료를 회수할 수 있다.
도 15를 참고하여 보면, 제1 밸브(V10) 및 제6 밸브(V60)를 열어 회수탱크(24)의 압력이 일정 수준이 되도록 유지할 수 있으며, 여기서 압력은 암모니아가 액체상태로 유지되는 압력일 수 있다. 제7 밸브(V70)를 열어 녹아웃드럼(90)으로 불활성가스를 보내 암모니아가 산소와 접촉하는 것을 방지한다.
그리고 제3 밸브(V30)를 열어 연료회수라인(L2)으로부터 암모니아 연료를 회수할 수 있다. 제1 라인(L10)을 따라 암모니아 연료는 회수탱크(24)에서 녹아웃드럼(90)으로 전달될 수 있다.
도 16은 수요처를 일반 정지하고 다시 가동하는 경우 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 가동 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 16을 참고하여 보면, 제1 밸브(V10) 및 제6 밸브(V60)를 열어 회수탱크(24)의 압력이 일정 수준이 되도록 유지할 수 있으며, 여기서 압력은 암모니아가 액체상태로 유지되는 압력일 수 있다. 제7 밸브(V70)를 열어 회수탱크(24)로 불활성가스를 보내 암모니아가 산소와 접촉하는 것을 방지한다.
그리고 제3 밸브(V30)는 닫히고, 수요처(40)가 가동될 때 제4 밸브(V40)는 열릴 수 있다. 이때 암모니아 연료는 녹아웃드럼(90)에서 연료회수라인(L2)으로 전달될 수 있다.
도 17은 수요처를 비상 정지하는 경우 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 가동 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
수요처(40)를 비상 정지하는 경우는 연료공급밸브(30) 내에 구비된 밸브들이 고장나는 경우 등 정상적으로 작동하지 못하는 경우를 의미할 수 있다. 수요처(40)를 비상 정지하는 경우에는 짧은 시간 동안 암모니아 연료가 다량 배출된다. 이때 배출되는 암모니아 연료를 녹아웃드럼(90)에서 모두 외부로 배출하게 되면 환경문제가 발생할 수 있고, 암모니아 연료를 낭비하는 결과가 된다. 따라서 짧은 시간 배출되는 다량의 암모니아를 수용하기 위한 녹아웃드럼(90)이 필요하다.
따라서, 암모니아 처리 시스템(1)에는 녹아웃드럼(90)이 구비되며, 수요처(40)의 암모니아 연료는 제5 라인(L50)을 통해 녹아웃드럼(90)으로 배출된다.
한편, 암모니아 배출과정에서 막힘이 발생하면 안전 사고가 일어날 수 있으므로, 안전 사고를 방지하기 위해 제5 라인(L50) 및 녹아웃드럼(90)에서는 녹아웃드럼(90)으로의 연결을 차단하는 제5 밸브(V50) 외에 밸브를 추가로 구비할 수 없다. 그러므로, 제5 라인(L50) 및 녹아웃드럼(90)에서 암모니아 연료에 압력을 가할 수 없는 문제가 발생한다.
이를 해결하고자, 암모니아 처리 시스템(1)에는 회수탱크(24)가 구비되며 상기 회수탱크(24)를 이용하여 수요처(40)의 비상 정지 시 녹아웃드럼(90)으로 회수된 암모니아 연료를 가압하고, 가압된 암모니아 연료를 연료회수라인(L2)으로 전달할 수 있다.
즉, 수요처(40)를 비상 정지하는 경우에 수요처(40)의 암모니아 연료는 녹아웃드럼(90)으로 전달되고, 녹아웃드럼(90)에서 회수탱크(24)로 암모니아 연료가 전달되고, 회수탱크(24)는 전달받은 암모니아 연료를 가압하여 연료회수라인(L2)으로 암모니아를 공급할 수 있다.
도 17을 참고하여 보면, 수요처(40)를 비상 정지하는 경우 제1 밸브(V10) 및 제4 밸브(V40)를 닫아 회수탱크(24)로 암모니아 연료가 전달되지 못하게 하고, 제2 밸브(V20) 및 제3 밸브(V30)를 닫아 회수탱크(24)에서 암모니아 연료가 배출되지 않도록 한다.
제6 밸브(V60) 및 제7 밸브(V70)를 닫아 불활성가스가 회수탱크(24) 또는 녹아웃드럼(90)으로 전달되지 않도록 하여 녹아웃드럼(90)의 압력을 낮춰 암모니아 연료의 공급을 원활하게 할 수 있다.
제5 밸브(V50)를 열어 연료공급밸브(30)의 암모니아 연료를 회수탱크(24)로 방출할 수 있다. 이때, 연료공급밸브(30)는 감압될 수 있다.
도 18은 연료공급밸브가 감압된 이후 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 가동 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 18을 참고하여 보면, 연료공급밸브(30)를 감압한 이후에 제5 밸브(V50)를 차단할 수 있다. 이때 녹아웃드럼(90)으로부터 암모니아 연료를 공급받기 위해 회수탱크(24)의 압력을 낮출 필요가 있으므로, 제1 밸브(V10)를 열어 회수탱크(24)의 압력을 낮출 수 있다. 이때 녹아웃드럼(90)의 압력을 높이고 암모니아가 산소와 접촉하는 것을 방지하기 위해 제7 밸브(V70)를 열어 회수탱크(24)로 불활성가스를 공급할 수 있다.
도 19는 회수탱크를 감압한 이후 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 가동 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 19를 참고하여 보면, 회수탱크(24)를 감압한 이후 제1 밸브(V10)를 열어 회수탱크(24)의 압력을 낮추면서 제2 밸브(V20)를 열어 녹아웃드럼(90) 내부의 연료를 회수탱크(24)로 공급할 수 있다. 바람직하게는, 회수탱크(24)가 녹아웃드럼(90) 보다 높은 위치에 설치되어 회수탱크(24)의 암모니아 연료는 중력에 의해 녹아웃드럼(90)으로 이동할 수 있다.
제7 밸브(V70)를 열어 회수탱크(24)로 불활성가스를 공급하여 암모니아가 산소와 접촉하는 것을 방지하며, 녹아웃드럼(90)에서 회수탱크(24)로 암모니아 연료의 공급이 원활하게 할 수 있다.
도 20은 수요처를 비상 정지하고 다시 가동하는 경우 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 처리 시스템의 가동 프로세스를 설명하기 위한 도면이다.
도 20을 참고하여 보면, 제1 밸브(V10) 및 제6 밸브(V60)를 열어 회수탱크(24)의 압력이 일정 수준이 되도록 유지할 수 있으며, 여기서 압력은 암모니아가 액체상태로 유지되는 압력일 수 있다. 제7 밸브(V70)를 열어 녹아웃드럼(90)으로 불활성가스를 보내 암모니아가 산소와 접촉하는 것을 방지할 수 있다.
그리고 제3 밸브(V30)는 닫히고, 회수탱크(24)의 압력이 기준 압력 이상이 되면, 제4 밸브(V40)는 열릴 수 있다. 이때 암모니아 연료는 회수탱크(24)에서 연료회수라인(L2)으로 전달될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 암모니아 처리 시스템(1)은, 수요처(40)를 일반 정지하거나, 비상 정지하는 경우, 배출되는 암모니아를 최대로 회수시킬 수 있으므로, 암모니아 배출로 인한 환경 오염을 방지하고 암모니아 낭비를 줄일 수 있다.
본 발명은 상기에서 설명한 실시예로 한정되지 않으며, 상기 실시예들의 조합 또는 상기 실시예 중 적어도 어느 하나와 공지 기술의 조합을 또 다른 실시예로서 포함할 수 있음은 물론이다.
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 청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1: 암모니아 처리 시스템 10: 연료 저장부
20: 연료 공급부 21: 히터
22: 펌프 23: 리턴쿨러
24: 회수탱크 30; 연료공급밸브
40: 수요처 50: 처리장치
501: 스크러버부 502: 흡수탱크부
51: 스크러버 52: 흡수탱크
60: 질소산화물 저감장치 70: 벤트마스트
80: 불활성가스 공급부 90: 녹아웃드럼
AH: 에어히터 CV: 배출밸브
GA: 기체 암모니아 LA: 액체 암모니아
L1: 연료공급라인 L2: 연료회수라인
L3: 회수탱크라인 L4: 벤트라인
L41: 흡수탱크 하부라인 L411: 분기라인
L42: 흡수탱크 상부라인 L5: 배기가스라인
P: 패킹부 V1: 공급밸브
V2: 분기밸브
RL: 순환라인 RP: 순환펌프

Claims (11)

  1. 암모니아를 저장하는 연료 저장부;
    상기 연료 저장부로부터 암모니아를 전달받아 수요처로 암모니아를 공급하는 연료 공급부;
    상기 연료 공급부와 상기 수요처 사이에 구비되어 암모니아의 공급을 차단하는 연료공급밸브; 및
    상기 수요처에서 배출되는 암모니아를 처리하는 처리장치;를 포함하고,
    상기 처리장치는,
    상기 수요처에서 배출되는 암모니아에 흡수제를 분사시켜 암모니아를 흡수하는 스크러버부; 및
    흡수제를 저장하고, 저장된 흡수제에 직접 주입되는 암모니아를 흡수하는 흡수탱크부;를 포함하는 암모니아 처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수요처에서 배출되는 암모니아의 압력에 따라서 흡수탱크부에서 암모니아가 주입되는 위치가 변경되는 암모니아 처리 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수요처에서 배출되는 암모니아의 압력에 따라서 흡수탱크부에 저장되는 흡수제의 수위가 변경되는 암모니아 처리 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡수탱크부에 중화제가 주입되는 암모니아 처리 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 스크러버부 또는 상기 흡수탱크부에 패킹부가 구비되는 암모니아 처리 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡수탱크부의 하단부에서 암모니아수가 배출되며,
    상기 암모니아수는 상기 스크러버부의 상단부로 순환되는 암모니아 처리 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 암모니아수가 상기 스크러버부의 상단부로 순환되는 순환라인에는 순환펌프가 구비되고,
    상기 순환펌프의 전단 또는 후단에서 중화제가 주입되는 암모니아 처리 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡수탱크부의 하단부에서 암모니아수가 배출되며,
    상기 암모니아수는 빌지 탱크, 소각기, 산화촉매 또는 질소산화물 저감장치로 전달되는 암모니아 처리 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 스크러버부의 상단부에서 벤트 가스가 배출되며,
    상기 벤트 가스는 벤트 마스트로 전달되어 외부로 배출되는 암모니아 처리 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 벤트 마스트로 희석 가스가 공급되는 암모니아 처리 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 암모니아 처리 시스템을 포함하는 선박.
KR1020220049147A 2022-04-20 2022-04-20 암모니아 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박 KR20230149915A (ko)

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