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KR20170129328A - 증발가스 처리 시스템 및 이를 구비하는 선박 - Google Patents
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KR20170129328A - 증발가스 처리 시스템 및 이를 구비하는 선박 - Google Patents

증발가스 처리 시스템 및 이를 구비하는 선박 Download PDF

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Abstract

본 발명은 증발가스 처리 시스템 및 이를 구비하는 선박에 관한 것으로서, 저장탱크; 상기 저장탱크의 증발가스를 압축하여 수요처로 전달하는 압축기; 및 상기 수요처의 배기에서 수분을 제거하는 개질기를 포함하며, 상기 개질기는, 상기 압축된 증발가스를 이용하여 상기 배기에서 수분을 제거하는 것을 특징으로 한다.

Description

증발가스 처리 시스템 및 이를 구비하는 선박{treatment system of boil-off gas and ship having the same}
본 발명은 증발가스 처리 시스템 및 이를 구비하는 선박에 관한 것이다.
최근 기술 개발에 따라 가솔린이나 디젤을 대체하여 액화천연가스(Liquefied Natural Gas), 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas) 등과 같은 액화가스를 널리 사용하고 있다.
액화천연가스는 가스전에서 채취한 천연가스를 정제하여 얻은 메탄을 냉각해 액화시킨 것이며, 무색ㆍ투명한 액체로 공해물질이 거의 없고 열량이 높아 대단히 우수한 연료이다. 반면 액화석유가스는 유전에서 석유와 함께 나오는 프로판(C3H8)과 부탄(C4H10)을 주성분으로 한 가스를 상온에서 압축하여 액체로 만든 연료이다. 액화석유가스는 액화천연가스와 마찬가지로 무색무취이고 가정용, 업무용, 공업용, 자동차용 등의 연료로 널리 사용되고 있다.
이와 같은 액화가스는 지상에 설치되어 있는 액화가스 저장탱크(10)에 저장되거나 또는 대양을 항해하는 운송수단인 선박에 구비되는 액화가스 저장탱크(10)에 저장되는데, 액화천연가스는 액화에 의해 1/600의 부피로 줄어들고, 액화석유가스는 액화에 의해 프로판은 1/260, 부탄은 1/230의 부피로 줄어들어 저장 효율이 높다는 장점이 있다. 이러한 액화가스를 연료로 사용하는 엔진이 구동되기 위해서 필요한 온도 및 압력 등은, 탱크에 저장되어 있는 액화가스의 상태와는 다를 수 있다.
또한 LNG를 액상으로 보관할 때 탱크로 열침투가 발생함에 따라 일부 LNG가 기화되어 증발가스(BOG: Boil off Gas)가 생성되는데, 이러한 증발가스는 증발가스 재액화 시스템상에 문제를 일으킬 수 있어 기존에는 증발가스를 외부로 배출시켜 태우는 방법(기존에는 탱크 압력을 낮춰 탱크의 파손 위험을 제거하기 위해서 증발가스를 단순히 외부로 배출 처리하였다.)으로 소비를 시킴으로서 문제를 해결하고자 하였으나 이는 환경오염과 자원낭비의 문제를 일으키고 있다.
따라서 최근에는 증발가스를 효율적으로 처리하는 기술로서, 생성된 증발가스를 재액화시켜 저장탱크로 되돌리거나, 증발가스를 압축하여 엔진에 공급하는 등의 활용방안이 이루어지고 있으나 이러한 활용에도 충분한 증발가스의 소모가 이루어지지 아니하여 효율적인 자원의 활용이 이루어지지 아니한바, 이에 대한 지속적인 연구 개발이 이루어지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 증발가스를 이용하여 배기 내의 수분을 효율적으로 제거할 수 있고, 또한 배기의 질소산화물을 환원시킬 수 있는 증발가스 처리 시스템 및 이를 구비하는 선박을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 증발가스 처리 시스템은, 저장탱크; 상기 저장탱크의 증발가스를 압축하여 수요처로 전달하는 압축기; 및 상기 수요처의 배기에서 수분을 제거하는 개질기를 포함하며, 상기 개질기는, 상기 압축된 증발가스를 이용하여 상기 배기에서 수분을 제거하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 증발가스는, 메탄(CH4)을 포함하며, 상기 개질기는, 수분(H2O)과 상기 메탄(CH4)의 화학반응으로 상기 배기의 수분을 일산화탄소와 수소로 변화시킬 수 있다.
구체적으로, 상기 개질기는, 하기 화학식에 따른 화학반응을 이용할 수 있다.
[화학식] H2O + CH4 -> CO + 3H2
구체적으로, 수분이 제거된 상기 배기에서 상기 수소를 분리하는 분리기를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 분리기를 거친 상기 배기에 포함된 질소산화물을 환원시켜 상기 배기를 정화시키는 환원기를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 환원기는, 암모니아를 이용하여 하기 화학식에 따른 화학반응을 통해 상기 배기를 정화시킬 수 있다.
[화학식] 4NO + 4NH3 + O2 4N2 + 6H2O
구체적으로, 상기 환원기는, 상기 증발가스를 이용하여 하기 화학식에 따른 화학반응을 통해 상기 배기를 정화시킬 수 있다.
[화학식] 2NO + CH4 + O2 -> N2 + CO2 + 2H2O
구체적으로, 상기 환원기는, 상기 일산화탄소를 이용하여 하기 화학식에 따른 화학반응을 통해 상기 배기를 정화시킬 수 있다.
[화학식] 2NO + 2CO -> N2 + 2CO2
구체적으로, 상기 저장탱크에서 상기 수요처까지 연결되는 증발가스 공급라인; 상기 증발가스 공급라인에서 분기되어 상기 개질기 및 상기 정화기 중 적어도 상기 개질기에 연결되는 증발가스 분기라인; 및 상기 수요처에서 상기 개질기, 상기 분리기 및 상기 환원기에 연결되는 배기라인을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 배기라인에서 상기 개질기를 우회하도록 마련되는 우회라인을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 분리기에서 상기 수요처로 연결되어 상기 분리기에서 분리된 상기 수소를 상기 수요처로 전달하는 수소 전달라인을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박은, 상기 증발가스 처리 시스템을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 증발가스 처리 시스템 및 이를 구비하는 선박은, 증발가스를 통한 개질 반응을 이용하여 배기 내 수분을 제거할 수 있으며, 증발가스 및 수분 제거 시 발생하는 일산화탄소를 이용해 배기 내 질소산화물을 효과적으로 제거할 수 있다. 또한, 개질기를 통하여 생성되는 수소를 엔진에 일부 도입함으로써, 엔진 효율의 증대를 기대할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 처리 시스템의 개념도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
이하에서 증발가스는 LPG, LNG, 에탄 등일 수 있으며, 예시적으로 메탄(CH4)을 포함하는 LNG(Liquefied Natural Gas)를 의미할 수 있다. 이때 증발가스는 자연 기화된 LNG 등인 BOG(Boil Off Gas)를 의미할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하에서는 본 발명의 증발가스 처리 시스템(1)에 대해 설명하며, 본 발명은 증발가스 처리 시스템(1)과 이를 가지는 선박을 포함하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 처리 시스템(1)은, 저장탱크(10), 압축기(20), 개질기(30), 분리기(40), 환원기(50)를 포함한다.
저장탱크(10)는, 액상의 액화가스를 저장한다. 저장탱크(10)는 약 1bar 내외의 압력으로 액화가스를 저장할 수 있다. 다만 저장탱크(10)에 저장된 액화가스는 자연 기화될 수 있으며, 이때 저장탱크(10) 내에 자연 기화된 액화가스가 증발가스로서 존재할 수 있다.
본 실시예에서 저장탱크(10)에 발생된 증발가스는, 수요처(60)에 전달되어 소비될 수 있고 또는 재액화장치(14)에 의해 재액화되어 리턴될 수 있다. 이때 수요처(60)는 엔진이거나 터빈, 도시가스 등 다양하게 결정될 수 있다.
압축기(20)는, 저장탱크(10)의 증발가스를 압축하여 수요처(60)로 전달한다. 이를 위해 저장탱크(10)에서 수요처(60)까지는 증발가스 공급라인(11)이 마련될 수 있고, 증발가스 공급라인(11)에는 압축기(20)가 놓일 수 있다.
압축기(20)는 다단으로 구성될 수 있으며, 수요처(60)의 요구 압력에 따라 증발가스의 압축을 결정할 수 있다. 다만 다단 압축기(20)의 중간단에서 증발가스 분기라인(12)이 분기되어 개질기(30) 및/또는 환원기(50)로 연결될 수 있다. 이는 개질기(30), 환원기(50) 등에서 필요로 하는 증발가스의 압력이 수요처(60)의 요구 압력보다 낮을 수 있기 때문이다.
압축기(20)에서 압축된 증발가스는, 수요처(60)로 전달되어 소비될 수 있다. 다만 수요처(60)가 요구하는 증발가스의 양 대비 저장탱크(10)에서 발생하는 양이 더 많아 잉여 증발가스가 발생할 수 있는데, 이 경우 잉여 증발가스는 압축기(20)의 하류에서 재액화장치(14)로 전달될 수 있다.
이를 위해 증발가스 공급라인(11)에서 압축기(20)와 수요처(60) 사이에는, 증발가스 액화라인(13)이 분기될 수 있다. 증발가스 액화라인(13)은 증발가스 공급라인(11)에서 분기되어 저장탱크(10)로 연결될 수 있으며, 재액화장치(14)가 마련될 수 있다.
재액화장치(14)는 질소, 혼합냉매(MR), 증발가스나 액화가스 등 다양한 냉열원을 사용하여 잉여 증발가스를 액화시킬 수 있는 것이며, 또는 냉열원을 사용하지 않거나 냉열원에 더하여, 줄톰슨 밸브에 의한 감압을 통해 잉여 증발가스를 액화시킬 수도 있다.
압축기(20)로부터 증발가스를 공급받아 연소시키는 수요처(60)는, 배기를 생성한다. 이때 배기에는 각종 유해화합물이 존재하는데, 그 중 특히 질소산화물인 NOx가 문제될 수 있다.
수요처(60)가 고압가스 분사엔진인 ME-GI 엔진일 경우, 약 300bar의 높은 압력을 갖는 증발가스를 소비하는 과정에서 많은 양의 NOx를 배기로 배출하게 된다. 이때 선박이 항해하는 지역에 따라, 배기 규제인 Tier III가 적용되면 NOx를 포함하는 배기는 그대로 배출될 수 없고 반드시 제거되어야 한다. 따라서 본 실시예는, 수요처(60)의 배기에 혼합된 질소산화물을 제거하기 위해 후술한 구성들을 이용할 수 있다.
개질기(30)는, 수요처(60)의 배기에서 수분을 제거한다. 배기에는 수분이 3 내지 10% 정도 포함될 수 있으며, 질소산화물의 환원처리 이전에 본 실시예는 수분 제거를 수행할 수 있다.
종래에는 일반적인 제습기를 이용하여, 배기의 온도를 낮춘 후 수분만 흡착하는 흡착제를 사용하였다. 그러나 본 발명은, 제습으로 수분을 제거하는 대신, 개질(reforming)로 수분을 제거할 수 있다.
이때 개질기(30)는 증발가스를 이용할 수 있다. 이를 위해 증발가스 공급라인(11)에서 증발가스 분기라인(12)이 분기되어 개질기(30)로 연결될 수 있으며, 개질기(30)의 상류에서 증발가스 분기라인(12)에는 증발가스의 유량 조절을 위한 밸브(12a)가 마련될 수 있다.
개질기(30)는 메탄을 포함하며 압축기(20)에 의해 압축된 증발가스를 이용하여, 수분(H20)과 메탄의 화학반응으로 배기의 수분을 일산화탄소와 수소로 변화시킬 수 있다. 이때 개질기(30)는 하기 화학식 1에 따른 화학반응을 이용할 수 있다.
[화학식 1] H2O + CH4 -> CO + 3H2
따라서 본 실시예는, 제습을 대신하여 개질을 이용해 배기에서 수분을 효과적으로 제거할 수 있으며, 흡착제 등의 구성을 마련하지 않고 증발가스를 이용하면 되므로 시스템을 단순화 시킬 수 있다.
다만 배기의 수분함량이 적으면, 본 실시예는 배기가 개질기(30)를 우회하도록 할 수 있으며, 이를 위해 수요처(60)의 배기를 배출하는 배기라인(61)에서 개질기(30)의 전후에는 우회라인(31)이 연결될 수 있다.
즉 우회라인(31)에는 밸브(31a)가 마련되며, 본 실시예는 배기의 수분함량을 수분센서(도시하지 않음) 등으로 측정하고 밸브(31a)를 제어하여 배기의 우회를 구현할 수 있다.
분리기(40)는, 수분이 제거된 배기에서 수소를 분리한다. 개질기(30)에 의해 배기의 수분은 일산화탄소와 수소로 변환될 수 있으며, 이때 수소는 발열량이 높은 물질이므로, 분리기(40)는 수소를 재활용하기 위해 배기에서 분리시킬 수 있다.
이때 수소는 분리기(40)에서 수요처(60)로 연결되는 수소 전달라인(41)에 의해 수요처(60)로 전달되어 소비될 수 있으며, 수소의 전달은 수소 전달라인(41)에 마련되는 밸브(41a)에 의해 조절될 수 있다.
수요처(60)의 배기 출구에 연결되는 배기라인(61)에는 개질기(30)와 분리기(40)가 직렬로 마련될 수 있는데, 개질기(30)와 분리기(40) 사이에는 열교환기(62)가 마련될 수 있다. 열교환기(62)는 배기를 냉각시키는 쿨러일 수 있다.
또한 수요처(60)에서 연결되는 배기라인(61)에는 밸브들(61a, 61b, 61c)이 마련될 수 있으며, 각 밸브들(61a, 61b, 61c)은 개질기(30), 분리기(40), 환원기(50)에 유입되는 배기의 유량을 조절할 수 있다.
환원기(50)는, 분리기(40)를 거친 배기에 포함된 질소산화물을 환원시켜 배기를 정화시킨다. 수요처(60)의 배기는 앞서 설명한 바와 같이 배기라인(61)을 통해 개질기(30), 분리기(40), 환원기(50)를 거쳐 외부로 방출되는데, 환원기(50)는 개질기(30) 및 분리기(40)의 하류에 마련되어 배기의 질소산화물을 제거할 수 있다. 질소산화물을 제거라 함은 NOx를 질소와 산소로 분리하는 환원을 의미한다.
이때 분리기(40)와 환원기(50) 사이의 배기라인(61)에는 열교환기(63)가 마련되며, 열교환기(63)는 배기의 온도를 환원에 적합한 온도로 변환시킬 수 있다. 이때 열교환기(63)는 배기를 가열하거나 또는 냉각할 수 있다.
환원기(50)는, 암모니아를 이용하여 하기 화학식 2에 따른 화학반응을 통해 배기를 정화시킬 수 있다.
[화학식 2] 4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O
다만 환원기(50)가 암모니아를 이용할 경우 암모니아를 저장하는 탱크가 별도로 마련되어야 하고, 암모니아의 저장 온도를 맞춰야 하며 암모니아로 인한 냄새 등의 문제가 있는바, 환원기(50)는 암모니아를 대신하여 증발가스를 이용해 환원을 구현할 수 있다. 즉 환원기(50)는, 증발가스를 이용하여 하기 화학식 3에 따른 화학반응을 통해 배기를 정화시킬 수 있다.
[화학식 3] 2NO + CH4 + O2 -> N2 + CO2 + 2H2O
여기에 더하여 환원기(50)는, 앞서 개질기(30)에서 수분에 의해 발생한 일산화탄소를 환원제로 이용할 수 있다. 즉 환원기(50)는, 일산화탄소를 이용하여 하기 화학식 4에 따른 화학반응을 통해 배기를 정화시킬 수 있다.
[화학식 4] 2NO + 2CO -> N2 + 2CO2
이때 일산화탄소는 배기에 섞여서 환원기(50)에 전달될 수 있고, 증발가스는 증발가스 분기라인(12)을 통해 환원기(50)로 전달될 수 있다. 증발가스 분기라인(12)에서 환원기(50)의 상류에는 밸브(12b)가 마련될 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 증발가스를 소비하는 수요처(60)의 가동 시 발생하는 배기에서 수분을 제거할 때 증발가스를 통한 개질 반응을 이용하므로 흡착제 등의 구성을 마련할 필요가 없고, 또한 증발가스 및 수분 제거 시 발생한 일산화탄소를 이용해 배기 내 질소산화물을 환원하므로 효과적인 배기 정화가 가능하다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 중심으로 본 발명을 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 기술내용을 벗어나지 않는 범위에서 실시예에 예시되지 않은 여러 가지의 조합 또는 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들로부터 용이하게 도출가능한 변형과 응용에 관계된 기술내용들은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 증발가스 처리 시스템 10: 저장탱크
11: 증발가스 공급라인 12: 증발가스 분기라인
12a, 12b: 밸브 13: 증발가스 액화라인
14: 재액화장치 20: 압축기
30: 개질기 31: 우회라인
31a: 밸브 40: 분리기
41: 수소 전달라인 41a: 밸브
50: 환원기 60: 수요처
61: 배기라인 61a, 61b, 61c: 밸브
62, 63: 열교환기

Claims (12)

  1. 저장탱크;
    상기 저장탱크의 증발가스를 압축하여 수요처로 전달하는 압축기; 및
    상기 수요처의 배기에서 수분을 제거하는 개질기를 포함하며,
    상기 개질기는,
    상기 압축된 증발가스를 이용하여 상기 배기에서 수분을 제거하는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 증발가스는, 메탄(CH4)을 포함하며,
    상기 개질기는, 수분(H2O)과 상기 메탄(CH4)의 화학반응으로 상기 배기의 수분을 일산화탄소와 수소로 변화시키는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 개질기는,
    하기 화학식에 따른 화학반응을 이용하는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
    [화학식] H2O + CH4 -> CO + 3H2
  4. 제 2 항에 있어서,
    수분이 제거된 상기 배기에서 상기 수소를 분리하는 분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 분리기를 거친 상기 배기에 포함된 질소산화물을 환원시켜 상기 배기를 정화시키는 환원기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 환원기는,
    암모니아를 이용하여 하기 화학식에 따른 화학반응을 통해 상기 배기를 정화시키는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
    [화학식] 4NO + 4NH3 + O2 4N2 + 6H2O
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 환원기는,
    상기 증발가스를 이용하여 하기 화학식에 따른 화학반응을 통해 상기 배기를 정화시키는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
    [화학식] 2NO + CH4 + O2 -> N2 + CO2 + 2H2O
  8. 제 5 항에 있어서, 상기 환원기는,
    상기 일산화탄소를 이용하여 하기 화학식에 따른 화학반응을 통해 상기 배기를 정화시키는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
    [화학식] 2NO + 2CO -> N2 + 2CO2
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 저장탱크에서 상기 수요처까지 연결되는 증발가스 공급라인;
    상기 증발가스 공급라인에서 분기되어 상기 개질기 및 상기 정화기 중 적어도 상기 개질기에 연결되는 증발가스 분기라인; 및
    상기 수요처에서 상기 개질기, 상기 분리기 및 상기 환원기에 연결되는 배기라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 배기라인에서 상기 개질기를 우회하도록 마련되는 우회라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 분리기에서 상기 수요처로 연결되어 상기 분리기에서 분리된 상기 수소를 상기 수요처로 전달하는 수소 전달라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증발가스 처리 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항의 상기 증발가스 처리 시스템을 갖는 것을 특징으로 하는 선박.
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