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KR-20260061751-A - Methane Reduction System and Method for Ships

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Abstract

선박용 메탄 저감 시스템이 개시된다. 상기 선박용 메탄 저감 시스템은, 가스공급라인 퍼지 작업시 배출되는 혼합가스를 저장하는 저장용기; 상기 저장용기로부터 배출된 혼합가스를 가열하는 열교환기; 및 상기 저장용기로부터 배출된 후 상기 열교환기에 의해 가열된 혼합가스를 산화시키는 메탄산화 반응기;를 포함하고, 엔진으로부터 배출된 배기가스가 상기 메탄산화 반응기로 보내져 상기 메탄산화 반응기의 반응 온도를 맞춘다.

Inventors

  • 정성규
  • 임종기
  • 오세정

Assignees

  • 한화오션 주식회사

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241028

Claims (16)

  1. 가스공급라인 퍼지 작업시 배출되는 혼합가스를 저장하는 저장용기; 상기 저장용기로부터 배출된 혼합가스를 가열하는 열교환기; 및 상기 저장용기로부터 배출된 후 상기 열교환기에 의해 가열된 혼합가스를 산화시키는 메탄산화 반응기;를 포함하고, 엔진으로부터 배출된 배기가스가 상기 메탄산화 반응기로 보내져 상기 메탄산화 반응기의 반응 온도를 맞추는, 선박용 메탄 저감 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 메탄산화 반응기에서 산화된 혼합가스와 상기 배기가스가 혼합된 가스(제2 혼합가스)가 상기 열교환기로 보내져 상기 저장용기로부터 배출된 혼합가스를 가열시키는, 선박용 메탄 저감 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 열교환기로부터 배출된 상기 제2 혼합가스는 퍼널로 보내지는, 선박용 메탄 저감 시스템.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 엔진으로부터 배출된 배기가스를, 상기 메탄산화 반응기 및 상기 열교환기를 우회시키는 우회라인을 더 포함하는, 선박용 메탄 저감 시스템.
  5. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열교환기와 상기 메탄산화 반응기는 일체로 형성되는, 선박용 메탄 저감 시스템.
  6. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스공급라인 퍼지 작업 2 내지 4세트 동안 상기 저장용기에 혼합가스를 저장한 후, 상기 저장용기 내의 혼합가스를 상기 열교환기를 거쳐 상기 메탄산화 반응기로 보내는, 선박용 메탄 저감 시스템.
  7. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스공급라인의 압력 방출시 상기 가스공급라인으로부터 배출되는 가스는 가스관리시스템으로 보내져 엔진의 연료로 사용되거나 재액화되는, 선박용 메탄 저감 시스템.
  8. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 엔진으로부터 배출되어 상기 메탄산화 반응기로 공급되는 배기가스의 온도는 350℃ 이상인, 선박용 메탄 저감 시스템.
  9. 가스공급라인 퍼지 작업시 배출되는 혼합가스를 저장용기에 저장하고, 상기 저장용기로부터 배출된 혼합가스를 열교환기에 의해 가열하고, 상기 저장용기로부터 배출된 후 상기 열교환기에 의해 가열된 혼합가스를 메탄산화 반응기에서 산화시키고, 엔진으로부터 배출된 배기가스가 상기 메탄산화 반응기로 보내져 상기 메탄산화 반응기의 반응 온도를 맞추는, 선박용 메탄 저감 방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 메탄산화 반응기에서 산화된 혼합가스와 상기 배기가스가 혼합된 가스(제2 혼합가스)가 상기 열교환기로 보내져 상기 저장용기로부터 배출된 혼합가스를 가열시키는, 선박용 메탄 저감 방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 열교환기로부터 배출된 상기 제2 혼합가스는 퍼널로 보내지는, 선박용 메탄 저감 방법.
  12. 청구항 9 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서, 상기 엔진으로부터 배출된 배기가스는, 상기 메탄산화 반응기의 반응 온도가 만족되어 더 이상 배기가스를 상기 메탄산화 반응기에 공급할 필요가 없는 경우, 및 상기 메탄산화 반응기 및 상기 열교환기 중 하나 이상이 고장난 경우에, 상기 메탄산화 반응기 및 상기 열교환기를 우회하는, 선박용 메탄 저감 방법.
  13. 청구항 9 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열교환기와 상기 메탄산화 반응기는 일체로 형성되는, 선박용 메탄 저감 방법.
  14. 청구항 9 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스공급라인 퍼지 작업 2 내지 4세트 동안 상기 저장용기에 혼합가스를 저장한 후, 상기 저장용기 내의 혼합가스를 상기 열교환기를 거쳐 상기 메탄산화 반응기로 보내는, 선박용 메탄 저감 방법.
  15. 청구항 9 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스공급라인의 압력 방출시 상기 가스공급라인으로부터 배출되는 가스는 가스관리시스템으로 보내져 엔진의 연료로 사용되거나 재액화되는, 선박용 메탄 저감 방법.
  16. 청구항 9 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서, 상기 엔진으로부터 배출되어 상기 메탄산화 반응기로 공급되는 배기가스의 온도는 350℃ 이상인, 선박용 메탄 저감 방법.

Description

선박용 메탄 저감 시스템 및 방법{Methane Reduction System and Method for Ships} 본 발명은 선박에서 배출되는 가스에 포함된 메탄을 저감시키는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 액화천연가스(LNG)를 연료로 사용하는 선박에서 운전 중 발생하는 메탄 배출 중 하나인 연료관에서 발생하는 벤트 가스(Vent Gas)를 처리하여 대기 중으로 방출되는 온실가스의 양을 저감 하는 방법에 관한 것이다. 메탄은 6대 온실가스 중 하나로, 전체 지구온난화의 약 30%를 유발하고 0.5℃의 기온 상승을 일으키는 원인 물질이다. 지구온난화지수(GWP: Global Warming Potential)는 1톤의 이산화탄소를 기준으로 각각의 온실가스가 100년간 지구온난화에 기여하는 정도를 수치로 표현한 것인데, 메탄의 지구온난화지수는 28~36으로 집계되며, 이는 메탄이 지구온난화에 미치는 영향이 이산화탄소보다 28~36배 크다는 의미이다. 국제 사회는 지구온난화를 저지하기 위하여 메탄 배출을 줄이려는 협력 방안을 모색하고 있으며, 선박에서도 메탄의 배출을 줄이기 위한 기술 개발이 필요하다. 천연가스를 연료로 사용하는 선박용 엔진을 사용하는 과정에서는 다음과 같은 메탄을 포함한 가스가 배출될 수 있다. 1) 연소 과정에서 산소의 공급이 부족한 경우 등, 연소 조건이 부적절하여 메탄이 완전히 연소되지 않은 경우에 배출되는 메탄 슬립(Methane Slip) 2) 천연가스(가스 모드)와 연료유(연료유 모드)를 모두 연료로 사용할 수 있는 엔진을, 가스 모드에서 연료유 모드로 전환시킬 때, 가스공급라인의 압력을 방출(Pressure Release)하는 경우에 배출되는 가스 3) 천연가스(가스 모드)와 연료유(연료유 모드)를 모두 연료로 사용할 수 있는 엔진을, 가스 모드에서 연료유 모드로 전환할 때, 가스공급라인의 압력을 방출하여 가스공급라인의 압력이 일정값 이하로 떨어진 후, 가스공급라인 내부 천연가스를 퍼징가스(Purging Gas)로 퍼지(Purge) 하는 과정에서 배출되는 가스 4) 천연가스(가스 모드)와 연료유(연료유 모드)를 모두 연료로 사용할 수 있는 엔진을, 연료유 모드에서 가스 모드로 전환할 때, 가스공급라인 내부 퍼징가스를 천연가스로 퍼지하는 과정에서 배출되는 가스 위와 같은 경우, 현재는 발생한 메탄 슬립 또는 메탄을 포함한 벤트 가스(Vent Gas)를 대기중으로 배출하고 있는데 메탄의 지구온난화지수는 100년 기준 이산화탄소 보다 28배 높아 연소 중 이산화탄소 발생량이 석유 대비 낮더라도 운전 중 발생하는 메탄에 의해 온실가스 저감 효과가 떨어지는 문제가 있다. 상기 발명의 배경이 되는 기술에 기재되어 있는 내용은, 본 발명을 이해하기에 도움이 되는 배경 기술을 기재한 것이며, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 널리 알려진 종래 기술을 의미하는 것은 아니다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 메탄 저감 시스템을 개략적으로 도시한 것이다. 도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 선박용 메탄 저감 시스템을 개략적으로 도시한 것이다. 이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명은 선박 분야뿐만 아니라 메탄이 발생하는 다양한 시설에 응용되어 적용될 수 있다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박용 메탄 저감 시스템을 개략적으로 도시한 것이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예의 선박용 메탄 저감 시스템은, 저장용기(100), 열교환기(200), 및 메탄산화 반응기(300)를 포함한다. 또한, 본 실시예의 선박용 메탄 저감 시스템은, 저장용기(100) 상류에 설치되는 제1 밸브(V1), 저장용기(100)로부터 배출된 유체가 열교환기(200)로 보내지는 유로에 설치되는 제2 밸브(V2), 및 본 실시예의 선박용 메탄 저감 시스템으로 공급되는 유체(10)가 가스관리시스템(미도시)으로 보내지는(20) 유로에 설치되는 제3 밸브(V3) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 본 발명이 적용되는 엔진은 천연가스(가스 모드)와 연료유(연료유 모드)를 모두 연료로 사용할 수 있는 이중연료엔진일 수 있으며, 연료유로 MGO(Marine Gas Oil)가 사용될 수 있다. 본 실시예의 선박용 메탄 저감 시스템은 다음과 같이 운용될 수 있다. 1) 엔진을 가스 모드에서 연료유 모드로 전환시 1-1) 가스공급라인의 내부 압력 방출(Pressure Release)시 엔진이 가스 모드에서 연료유 모드로 전환된 후, 엔진에 천연가스를 공급하는 가스공급라인 내부의 압력이 방출된다. 가스공급라인의 내부 압력 방출시, 가스공급라인으로부터 배출되는 가스가 본 실시예의 선박용 메탄 저감 시스템으로 보내질 수 있다(10). 가스공급라인의 압력 방출시에 가스공급라인으로부터 배출되는 가스(10)는, 가스관리시스템(Gas Management System, 미도시)으로 보내질 수 있다(20). 가스관리시스템(미도시)으로 보내지는 가스는 연료로 사용되거나 재액화되므로 퍼징가스(불활성 가스, 질소 등)의 몰분율이 낮아야하며, 가스의 조성은 대상 공정에 따라 달라질 수 있다. 따라서 순수 천연가스에 가까운 상태의 가스에 한해서 가스관리시스템(미도시)으로 보내는 것이 바람직하며, 퍼징 작업시 배출되는 가스는 가스관리시스템(미도시)에서 처리가 어려워 메탄산화 반응기(300)에서 처리할 수 있다. 압력 방출(Depressurizing)시에 배출되는 가스는 퍼징가스(불활성 가스)가 거의 포함되어 있지 않은 순수 천연가스에 가까운 상태이므로, 가스관리시스템(미도시)으로 보내진 가스는, 엔진의 연료로 사용되거나, 재액화되어 화물탱크 또는 연료탱크에 저장될 수 있다. 이 때, 제3 밸브(V3)는 열리고 제1 밸브(V1)와 제2 밸브(V2)는 닫힌 상태가 된다. 가스공급라인 내부 압력 방출시에 배출된 가스(10)가 가스관리시스템(미도시)으로 보내지는(20) 유로에는 압력 트랜스미터(P)가 설치될 수 있고, 제3 밸브(V3)는 압력 트랜스미터(P)가 측정한 압력값에 의해 개도가 조절될 수 있다. 제3 밸브(V3)의 개도가 조절되어 가스관리시스템(미도시)으로 보내지는 가스의 유량이 조절될 수 있다. 1-2) 가스공급라인 퍼지 작업(Purge Operation)시 (천연가스 → 퍼징가스) 가스공급라인의 압력 방출 작업이 완료되어 가스공급라인 내부 압력이 일정값 이하로 떨어지면, 가스공급라인 내부를 퍼징가스(Purging Gas)로 퍼지(Purge)시킨다. 가스공급라인 내부의 천연가스를 비우기 위해 공급되는 퍼징가스는, 폭발 위험성을 낮추기 위하여 불활성 가스를 사용하며, 일례로 질소가 사용될 수 있다. 가스공급라인 내부를 퍼지시키는 과정에서 배출되는 퍼징가스와 천연가스가 혼합된 가스(혼합가스)가, 본 실시예의 선박용 메탄 저감 시스템으로 보내질 수 있다(10). 혼합가스(10)는 일정 시간 동안 저장용기(100)에 저장된다. 퍼지 작업을 시작하여 가스공급라인 내 가스의 천연가스의 비율이 대략 100%에서 대략 0%가 되어 퍼지 작업이 끝나는 과정을 1세트라고 한다. 일례로 가스공급라인 내부의 천연가스를 퍼징가스로 퍼지하는 2~4세트 동안, 혼합가스(10)가 저장용기(100)에 저장될 수 있다. 이 때, 제1 밸브(V1)는 열리고 제2 밸브(V2)와 제3 밸브(V3)는 닫힌 상태가 된다. 2) 엔진을 연료유 모드에서 가스 모드로 전환시 2-1) 가스공급라인 퍼지 작업(Purge Operation)시 (퍼징가스 → 천연가스) 가스공급라인의 압력 방출 작업이 완료되어 가스공급라인 내부 압력이 일정값 이하로 떨어지면, 가스공급라인 내부의 퍼징가스를 천연가스로 대체하기 위해, 가스공급라인 내부를 천연가스로 퍼지시킨다. 가스공급라인 내부를 퍼지시키는 과정에서 배출되는 퍼징가스와 천연가스가 혼합된 가스(혼합가스)가, 본 실시예의 선박용 메탄 저감 시스템으로 보내질 수 있다(10). 혼합가스(10)는 일정 시간 동안 저장용기(100)에 저장된다. 퍼지 작업을 시작하여 가스공급라인 내 가스의 퍼징가스의 비율이 대략 100%에서 대략 0%가 되어 퍼지 작업이 끝나는 과정을 1세트라고 한다. 일례로 가스공급라인 내부의 퍼징가스를 천연가스로 퍼지하는 2~4세트 동안, 혼합가스(10)가 저장용기(100)에 저장될 수 있다. 이 때, 제1 밸브(V1)는 열리고 제2 밸브(V2)와 제3 밸브(V3)는 닫힌 상태가 된다. 3) 혼합가스를 일정 시간 동안 저장용기(100)에 저장한 후 가스공급라인 퍼지 작업(퍼징가스를 천연가스로 퍼지하는 경우, 천연가스를 퍼징가스로 퍼지하는 경우 모두 포함, 이하 동일)시 배출되는 혼합가스를, 일정 시간 동안, 일례로 가스공급라인 퍼지 작업 2~4세트 동안, 저장용기(100)에 저장한 후, 저장용기(100)에 저장된 혼합가스를 열교환기(200)를 거쳐 메탄산화 반응기(300)로 보낸다. 메탄산화 반응기(300)로 보내진 혼합가스는, 메탄산화 반응기(300)의 메탄 산화 촉매(Methane Oxidation Catalyst)에 의해 산화된다. 메탄 산화 촉매로 팔라듐(Pd)계 촉매를 사용할 수 있으며, 그 외 철(Fe) 등의 비귀금속 촉매도 사용할 수 있다. 이 때, 제2 밸브(V2)는 열리고 제1 밸브(V1)와 제3 밸브(V3)는 닫힌 상태가 된다. 저장용기(100)로부터 열교환기(200)로 혼합가스가 보내지는(30) 유로에는 유량 트랜스미터(F)가 설치될 수 있고, 제2 밸브(V2)는 유량 트랜스미터(F)가 측정한 유량값에 의해 개도가 조절될 수 있다. 제2 밸브(V2)의 개도를 조절하여 열교환기(200)로 보내지는 혼합가스의 유량을 조절할 수 있다. 제2 밸브(V2)는 퍼징 작업시 배출되는 가스의 유량이 열교환기(200)의 용량을 초과하지 않도록 조절하는 역할을 할 수 있다. 메탄산화 반응기(300)로 보내지는 혼합가스에 포함된 퍼징가스 비율이 높으면 메탄 산화 촉매의 반응열이 발생되지 않을 수 있어, 온도 저하로 인한 활성화 에너지 부족 문제가 생길 수 있다. 만약, 혼합가스를 저장용기(10