KR102524094B1 - Lng 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LNG와 암모니아를 연료로 하는 혼소엔진에 연료를 공급하기 위한 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액상의 암모니아를 LNG 증발가스와 열교환시켜 액상으로 유지하는 열교환기와 LNG 가스와 암모니아 가스를 혼합시키는 혼합기를 포함하며, 별도의 액화장치를 구비하지 않고서도 암모니아를 액상으로 유지가능하고, 혼합기 내부에서 가스의 혼합을 가속화시킬 수 있는 LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템에 관한 것이다.

Description

LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템 {Fuel Supply System for LNG Ammonia Mixed Engine}

본 발명은 LNG와 암모니아를 연료로 하는 혼소엔진에 연료를 공급하기 위한 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액상의 암모니아를 LNG 증발가스와 열교환시켜 액상으로 유지하는 열교환기와 LNG 가스와 암모니아 가스를 혼합시키는 혼합기를 포함하며, 별도의 액화장치를 구비하지 않고서도 암모니아를 액상으로 유지가능하고, 혼합기 내부에서 가스의 혼합을 가속화시킬 수 있는 LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 컨테이너와 같은 상선에는 벙커 C유 등의 중유(HFO)를 연료로 사용하는 추진 엔진이 사용되었다. 하지만 이와 같은 연료는 연소 과정에서 발생되는 다량의 유해물질로 인해 환경 오염을 유발하는 원인이 된다.

최근 유가상승과 환경오염규제 등의 영향으로 중유보다 값이 훨씬 저렴하면서도 청정한 에너지원인 액화천연가스(LNG)를 사용하는 연료공급 시스템이 각광 받고 있으며, 그에 따라 각종 선박의 연료유인 중유(MDO)를 사용하지 않거나 혹은 최소한의 양만 가지고 사용하면서 액화 또는 기체 상태의 가스연료인 LNG와 같은 청정연료를 사용한다.

또한 무탄소 연료인 수소, 암모니아를 사용하여 엔진을 가동하는 기술이 개발되고 있으나, 아직까지 상용화가 이루어지지 않은 실정이다.

액화천연가스(LNG)은 상압 기준으로 약 -163℃ 이하에서 액상으로 존재하고 이 이상의 온도에서는 기화되며, 암모니아는 상압 기준으로 -33℃ 이하에서 액상으로 존재하며 이 이상의 온도에서는 기화된다.

저장용량 증대를 위해 LNG와 암모니아를 액상으로 저장하기 위해서는 각각의 물질을 액화점 이하로 유지하는 것이 중요하다. 그러나 저장탱크에 단열처리를 하더라도 외부로부터 열이 유입되는 것을 완벽하게 차단하기 어렵기 때문에 액상의 LNG 및 암모니아가 기화되어 증발가스(Boil-off Gas, BOG)가 발생한다.

LNG 저장탱크 내에 발생한 증발가스는 LNG 저장탱크의 압력을 높여 폭발 위험을 증대시키므로, 탱크 내 압력을 안전한 상태로 유지하는 수단으로서 탱크 외부로 LNG 증발가스를 배출한다. 따라서 배출된 LNG 증발가스를 엔진에 공급하여 선박의 추진연료로 활용하였다.

한편, 발생한 LNG 증발가스를 다시 액화시켜 LNG 저장탱크로 복귀시키는 방법도 고안되었으나, 이러한 방법은 LNG 증발가스를 재액화시키는 장치가 별도로 구비되어야 하기에 장치의 구성이 복잡해지고 무게가 증가하는 문제점이 있다.

암모니아를 저장하는 탱크에서도 외부의 열이 지속적으로 유입되기에, 내부에 저장된 액상의 암모니아가 기화되어 증발가스로 상변화가 이루어진다. 암모니아 증발가스도 저장탱크의 압력을 높여 폭발 위험을 증가시키므로 이에 따른 대처가 필요하다.

암모니아는 유독성 물질로서, 외부로 배출시키는 것에 어려움이 있다. 중화장치를 더 구비하여 독성을 중화시킨 후 외부로 배출하거나, 액화장치를 통해 재액화시켜 저장탱크로 복귀시키는 방법이 고안된다.

발생한 증발가스를 고압 압축기를 이용하여 압축하여 액화시켜 다시 저장탱크로 복귀시킬 수 있다. 그러나 탱크 내 압력이 높아지면 안전성 확보를 위해 탱크의 두께가 두꺼워져야 하고, 저장탱크의 용량을 늘리는 데에 한계가 있어 허용 압력범위를 벗어나지 않는 저장탱크를 다수 개 구비하여야 하므로 공간적 제약도 잇따르게 된다.

또한 이러한 방법은 별도의 장치를 더 구비하여야 하기에 경제적, 공간적 효율성을 악화시키는 문제가 있다.

KR 10-2007363 (B1) 2019.07.30.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 발명의 목적은 LNG저장조에 열이 유입되어 발생된 LNG 증발가스를 별도 라인을 통하여 암모니아 저장조에서 열교환을 유도함으로써 액상의 암모니아의 기화를 방지하고 암모니아저장조의 압력을 안정적으로 유지할 수 있으며, LNG저장조의 압력증가를 방지할 수 있는 LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 LNG저장조 내에 발생한 증발가스를 혼소엔진에 공급하기 전에 액상의 암모니아에 냉기를 전달하여 기화를 방지함으로 열에너지를 활용하고 에너지 효율성을 증대시키는 LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 또 다른 목적은 암모니아저장조에 방파벽을 다수 배치하여 Sloshing 현상을 최소화함과 동시에 방파벽을 LNG증발가스와 액상 암모니아의 열교환 수단으로 활용함으로써 장치의 구성을 줄여 공간의 활용을 꾀할 수 있는 LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 열교환기에서 배출된 LNG 증발가스를 압축기로 압축함으로써 증발기를 거친 LNG 증발가스와 에너지균형을 맞출 수 있어 LNG 증발가스의 물질적 안정성을 높이는 LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 LNG 가스와 암모니아 가스를 혼합하는 혼합기에서 출입구를 일정 경사를 가지도록 형성하고 출입구를 통과하는 가스의 유동의 불안정성을 유도하고, 유출구의 내부에 망 형상의 스크린을 다수 구비하되, 서로 다른 경사도를 가지게 함으로써 난류 발생 더욱 크게 유발하고 가스의 혼합을 가속시킬 수 있는 LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 액화천연가스와 암모니아를 연료로 하는 혼소엔진에 연료를 공급하는 시스템에 있어서, 액상의 LNG가 저장되는 LNG저장조(100); 암모니아가 액상으로 저장되는 암모니아저장조(200); 상기 암모니아저장조(200)에 설치되고, 상기 LNG저장조(100)에서 발생한 LNG 증발가스를 전달받아 상기 암모니아저장조(200) 내부에서 액상의 암모니아와 열교환하는 열교환기(300); 상기 LNG저장조(100)에서 배출된 LNG 가스와 암모니아저장조(200)에서 배출된 암모니아 가스가 혼합되는 혼합기(700); 및 상기 혼합기(700)에서 혼합된 LNG 가스와 암모니아 가스로 작동하는 혼소엔진(900);를 포함한다.

또한 본 발명의 상기 혼합기(700)의 전단에는 액상의 LNG 및 액상의 상기 암모니아를 기화시키는 증발기(500); 상기 증발기(500)에서 기화된 LNG 및 상기 암모니아를 일정 온도로 가열하는 가열기(600);를 포함하되, 상기 가열기(600)에는 상기 열교환기(300)를 지나온 LNG 증발가스가 일측으로 유입되며, 상기 증발기(500)와 상기 가열기(600)에는 LNG 가스 및 상기 암모니아 가스가 이동하는 통로가 각각 분리되어 배치된다.

또한 본 발명은 상기 열교환기(300)에서 유입된 LNG 증발가스를 압축시켜 상기 증발기(500)에서 배출된 LNG 증발가스와의 압력을 조정하는 압축기(400)를 포함한다.

또한 본 발명의 상기 열교환기(300)는 상기 암모니아저장조(200) 내부에서 길이 방향에 수직하게 배치되고, 중공인 내부에 상기 증발가스가 흐르는 다수의 방파벽(320); 상기 방파벽(320)을 관통하며 상기 암모니아저장조(200)에 저장된 액상의 암모니아가 통과하는 다수의 관통홀(321); 상기 암모니아저장조(200) 내부에 배치되며, 이웃하는 상기 방파벽(320)을 연결하고, 상기 증발가스가 이동하는 이동관로(330); 상기 LNG저장조(100)에서 발생한 상기 증발가스가 상기 방파벽(320)으로 유입되는 유입관로(310); 및 상기 유입관로(310)의 반대편에 설치되며, 방파벽(320)을 통과한 상기 증발가스가 배출되는 배출관로(340);를 포함한다.

또한 본 발명의 상기 혼합기(700)는 LNG 가스와 암모니아 가스가 유입되는 제1관로(711) 및 제2관로(732)가 마련되고, 상기 제1관로(711) 및 제2관로(732)가 유입되는 중공의 외부케이스(710); 상기 외부케이스(710)와 외부통(720) 사이의 중공에 가스를 배출시키는 제1관로(711); 상기 외부케이스(710)의 내부에 배치되고, 상기 제1관로(711)에서 배출된 가스가 유입되는 인입구(721)가 다수 형성되며, 제2관로(732)가 관통되고, 혼합가스가 배출되는 유출구(712)와 연통되는 외부통(720); 상기 외부통(720)의 내부에 배치되며, 일면이 제2관로(732)의 끝단과 연통되어 상기 제2관로(732)를 흐르는 가스가 내부로 공급되고, 내부로 유입된 가스가 외부로 토출되는 토출구(731)가 다수 형성되는 내부통(730);을 포함하여, 제1관로(711) 및 제2관로(732)로 유입된 가스들이 상기 내부통(730)과 상기 외부통(720) 사이에서 혼합되고, 상기 유출구(712) 내에 각기 다른 경사도를 가지며 다수 구비되는 스크린(713)을 통과하며 배출된다.

또한 본 발명의 상기 외부통(720)의 인입구(721)는 상기 제1관로(711)에서 배출된 가스가 경사지게 유입되도록 경사지게 형성되며, 상기 내부통(730)의 토출구(731)는 상기 인입구와 동일한 경사방향을 가져, 내부통(730)에서 토출되는 가스와 인입구(721)에서 배출되는 가스가 반대방향으로 이동하며 혼합된다.

본 발명에 따른 LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템은 LNG저장조에 열이 유입되어 발생된 LNG 증발가스를 별도 라인을 통하여 암모니아 저장조에서 열교환을 유도함으로써 액상의 암모니아의 기화를 방지하고 암모니아저장조의 압력을 안정적으로 유지할 수 있으며, LNG저장조의 압력증가를 방지할 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명은 LNG저장조 내에 발생한 증발가스를 혼소엔진에 공급하기 전에 액상의 암모니아에 냉기를 전달하여 기화를 방지함으로 열에너지를 활용하고 에너지 효율성을 증대시키는 장점이 있다.

또한 본 발명은 암모니아저장조에 방파벽을 다수 배치하여 Sloshing 현상을 최소화함과 동시에 방파벽을 LNG증발가스와 액상 암모니아의 열교환 수단으로 활용함으로써 장치의 구성을 줄여 공간의 활용을 꾀할 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명은 열교환기에서 배출된 LNG 증발가스를 압축기로 압축함으로써 증발기를 거친 LNG 증발가스와 에너지균형을 맞출 수 있어 LNG 증발가스의 물질적 안정성을 높이는 장점이 있다.

또한 본 발명은 LNG 가스와 암모니아 가스를 혼합하는 혼합기에서 출입구를 일정 경사를 가지도록 형성하고 출입구를 통과하는 가스의 유동의 불안정성을 유도하고, 유출구의 내부에 망 형상의 스크린을 다수 구비하되, 서로 다른 경사도를 가지게 함으로써 난류 발생 더욱 크게 유발하고 가스의 혼합을 가속시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템에서 각 연료의 저장조에서 혼소엔진까지 연료가 공급되는 시스템의 흐름도.
도 2는 본 발명에 따른 LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템에서 암모니아저장조 내부에 배치된 열교환기 모습의 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템에서 암모니아저장조 내부에 배치된 열교환기 모습의 단면사시도.
도 4는 본 발명에 따른 LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템에서 암모니아저장조 내부에 배치된 열교환기 모습의 측단면도.
도 5는 본 발명에 따른 LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템에서 혼합기를 나타낸 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템에서 혼합기의 구성을 분리하여 나타낸 분리도.
도 7은 본 발명에 따른 LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템에서 혼합기의 상태를 나타낸 측단면도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다.

본 발명에서 어떤 물질이 일정시간 기준으로 상변화없이 액체로 존재하면 "액상"이라 표현하고, 기체로 존재하면 "가스"라고 표현한다. 또한 일정시간 기준으로 액체에서 기체로 상변화되면 "증발가스" 또는 "기화된"이라 표현하고, 기체에서 액체로 상변화되면 "액화"라고 표현한다. "액상" 및 "액화"로 표현된 물질은 액체 상태를 나타내고, "증발가스", "가스" 및 "기화된"으로 표현된 물질은 기체 상태를 나타내는 것이나, 변화의 상태에 따라 서로 다른 명칭을 사용한다.

본 발명에 따른 LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템은 액화천연가스와 암모니아를 연료로 하는 혼소엔진에 연료를 공급하는 시스템에 있어서,

액상의 LNG가 저장되는 LNG저장조(100);

암모니아가 액상으로 저장되는 암모니아저장조(200);

상기 암모니아저장조(200)에 설치되고, 상기 LNG저장조(100)에서 발생한 증발가스가 상기 암모니아저장조(200) 내부의 암모니아와 열교환이 이루어지는 열교환기(300);

LNG 가스와 암모니아 가스가 혼합되는 혼합기(700); 및

상기 혼합기(700) 후단에서 혼합기(700)를 통과한 LNG 가스와 암모니아 가스로 작동하는 혼소엔진(900);를 포함한다.

본 발명의 LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템은 주로 액화천연가스(이하 LNG)를 운반하는 LNG 운반선에 장착되어 추진력을 발생시키는 엔진에 연료를 공급하는 시스템에 관한 것으로, LNG와 암모니아를 혼합하여 혼소엔진(900)에 공급한다.

LNG의 물성의 살펴보면, 상압을 기준으로 약 -163℃ 이 녹는점이며, 이 온도의 이하에서 액상으로, 이 온도의 이상에서는 기체로 존재한다.

암모니아는 상압을 기준으로 약 -33℃ 이 녹는점이며, 이 온도의 이하에서 액상으로, 이 온도의 이상에서는 기체로 존재한다.

상압, 상온에서 기체로 존재하는 LNG와 암모니아를 효율적으로 저장하기 위해 온도를 두 물질의 액화점 이하까지 떨어뜨려 액화시킨다.

그러나 저장조에 단열처리를 하더라도 선박에서 발생하는 엔진열 등과 같은 요인에 의해 외부에서 지속적으로 열이 유입되므로 온도를 유지하는 것에 어려움이 있고, 액상으로 존재하던 LNG와 암모니아는 일부 기화되어 증발가스가 발생한다. 발생된 증발가스는 저장조내의 압력을 높이는 요인이 되며, 물질의 안정적인 저장을 보장할 수 없어 선박의 안전운행을 해칠 수 있다.

따라서 LNG저장조(100) 내에서 발생한 LNG 증발가스는 외부로 빼내 액화시켜 다시 저장조 내로 투입하거나, 또는 선박의 추진엔진에 공급하여 연료로 활용하는 방법이 종래의 기술로 고안된 바 있다.

반면, 암모니아는 유독성 물질로서 외부로 누출이 되면 심각한 환경오염 및 선원의 건강을 해치므로, 별도의 라인에서 액화장치를 더 구비하여 암모니아 증발가스를 액화시켜 암모니아저장조(200)에 복귀시킨다.

본 발명에 따른 LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템에서는 많은 양을 저장하기 위해 LNG 및 암모니아 연료를 액화시켜 저장하되, 혼소엔진(900)에 공급하기 이전에 기화시키는 증발기(500)와 가열기(600)를 포함한다.

또한, LNG저장조(100)에서 발생한 증발가스를 혼소엔진(900)에 공급하여 추진연료로 활용하고, 암모니아저장조(200)에서는 별도의 액화장치를 구비하지 않고서도 LNG 및 암모니아의 물성을 활용하여 암모니아를 항시 액상으로 저장하는 시스템을 포함한다.

도 1은 본 발명에 따른 LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템에서 각 연료의 저장조에서 혼소엔진까지 연료가 공급되는 시스템의 흐름도가 도시되어 있다.

도 1를 참조하여 LNG 및 암모니아의 이동 흐름에 대해 설명한다.

본 발명은 액상의 LNG를 저장하는 LNG저장조(100), 암모니아를 액상으로 저장하는 암모니아저장조(200)가 구비된다. 상기 저장조들에 추가로 단열을 위한 처리를 시행할 수 있으나 종래의 기술을 차용할 수 있으므로 설명을 생략한다.

상기 LNG저장조(100)에서는 두 개의 라인에서 LNG가 배출된다. LNG저장조(100)의 압력증가를 막기 위해, LNG저장조(100) 내부에서 기화된 증발가스는 도 1의 LNG저장조(100) 상측에 연통된 라인으로 배출된다. 상기 LNG저장조(100)의 우측에 연통된 라인은 액상의 LNG가 배출되는 라인으로, 배출된 LNG는 혼소엔진(900)에 공급되기 전에 증발기(500), 가열기(600) 및 혼합기(700)를 거침으로 혼소엔진(900)에서 연소되기에 적합한 상태량을 갖는다.

도 1의 LNG저장조(100) 상부에 위치한 암모니아저장조(200)에서는 우측으로 연통된 라인을 통해 액상의 암모니아가 배출된다. 앞서 설명한 바와 같이, 배출된 암모니아도 혼소엔진(900)에 공급되기 전에 증발기(500), 가열기(600) 및 혼합기(700)를 거침으로 엔진에서 연소되기에 적합한 상태량을 갖는다.

이때, LNG저장조(100) 및 암모니아저장조(200)의 내,외부에는 원활한 배출을 위해 밸브와 펌프를 더 배치할 수 있다.

상기 암모니아저장조(200) 내부에는 상기 LNG 증발가스가 액상의 암모니아와 혼합되지 않고 열교환이 이루어지는 열교환기(300)가 배치된다. LNG저장조(100)에서 발생한 LNG 증발가스를 전달받아 유입관로(310)를 통해 열교환기(300)로 유입되며, 열교환이 끝난 후 열교환기(300) 타측에 형성된 배출관로(340)를 통해 열교환기(300)를 빠져나간다. 상기 열교환기(300)를 빠져나간 LNG 증발가스는 압축기(400)로 유입되어 압축된다.

혼합기(700)의 전단에는 증발기(500)와 가열기(600)가 배치된다. 각 저장조의 우측과 연통된 라인을 통해 배출된 액상의 LNG와 암모니아는 상기 증발기(500)로 유입되어 기화되고, 이후 상기 가열기(600)로 유입되어 혼소엔진(900)에 공급되기 적합한 온도로 가열된다. 상기 증발기(500)와 가열기(600)의 내부에는 LNG와 암모니아가 흐르는 통로가 각각 분리되어 배치되므로, 두 물질은 서로 혼합되지 않고 기화 및 가열될 수 있다.

상기 가열기(600)에는 증발기(500)에서 유입되는 라인과는 별도로, 압축기(400)에서 유입되는 라인이 일측에 배치된다. 따라서 LNG 증발가스는 증발기(500)와 압축기(400)에서 가열기(600)로 유입된다. 또는, 압축기(400)에서 유입되는 라인이 가열기(600) 외부에 형성될 수 있다.

LNG저장조(100)와 암모니아저장조(200)에서 배출되고 증발기(500)와 가열기(600)를 통과한 LNG 가스 및 암모니아 가스는 혼합기(700)에 유입되어 서로 혼합된다. 혼합된 LNG 및 암모니아 가스는 버퍼탱크(800)에 일시 저장된 후 혼소엔진(900)으로 유입되어 연소된다.

이하, 다시 도 1을 참조하여 LNG 및 암모니아의 상태변화에 대해 설명한다.

LNG저장조(100)에는 LNG가 액상으로 저장된다. 그러나 LNG저장조(100)에 열이 유입됨에 따라 액상의 LNG가 열을 받게 되고, 일부가 증발하여 증발가스로 기화된다. 상기 증발가스는 LNG저장조(100) 내부의 압력을 증가시켜 폭발의 위험을 야기하므로, 도 1의 LNG저장조(100) 상부와 연통된 라인을 통해 상기 LNG 증발가스를 배출한다. 배출된 증발가스는 유입관로(310)를 통해 암모니아저장조(200) 내부의 열교환기(300)로 유입된다.

암모니아저장조(200)에는 암모니아가 액상으로 저장된다. 암모니아저장조(200) 또한 열이 유입되어, 암모니아 증발가스가 내부에서 발생할 수 있다. 따라서 암모니아저장조(200) 내부에 열교환기(300)를 설치하여 암모니아에 냉기를 전달함으로써 기화를 방지한다.

암모니아에 냉기를 전달하는 수단으로, LNG저장조(100)에서 발생한 LNG 증발가스를 활용한다. 열을 받아 기화된 LNG 증발가스는 그 온도가 -163℃ 근처에서 형성되므로, 액상의 암모니아가 기화되는 온도인 -33℃보다 훨씬 낮다.

따라서 LNG 증발가스를 암모니아저장조(200) 내부의 열교환기(300)에 유입시켜 암모니아와 열교환시킴으로써, 액상의 암모니아에 냉기를 전달하여 기화를 방지할 수 있다.

또한 LNG 증발가스가 열교환기(300)를 통해 암모니아저장조(200)의 내부에 지속적으로 냉기를 전달하기 때문에, 다른 실시예로서 초기에 상온의 암모니아 가스를 암모니아저장조(200) 내에 주입하는 경우에도, 냉기를 공급받은 암모니아 가스는 액화되어 액상으로 저장될 수 있다..

따라서 LNG 증발가스와 암모니아저장조(200) 내부의 암모니아와 열교환함으로써, 암모니아는 별도의 액화장치를 구성하지 않아도 항시 액상으로 유지될 수 있다. 액화장치를 가동하기 위한 에너지도 소모되지 않아 본 발명의 연료공급 시스템에서 소모되는 총 에너지양도 절감된다.

열교환기(300)를 통해 냉기를 전달한 LNG 증발가스는 배출관로(340)를 통해 배출되고, 압축기(400)로 유입되어 압축된다.

각 저장조에 저장된 액상의 LNG와 암모니아는 배출라인을 통해 배출된 후, 증발기(500) 내부로 유입된다. 증발기(500)에서 액체에서 기체로 기화되며, 기화된 LNG 및 암모니아는 가열기(600)로 들어가 열을 공급받아 가열된다.

이때, 증발기(500)와 가열기(600) 내부에는 LNG와 암모니아가 이동하는 관이 분리되어 구성되며, 서로 혼합되지 않고 별도로 이동할 수 있다.

또한, 가열기(600)에는 증발기(500)에서 유입되는 라인과 별도로, 압축기(400)에서 유입되는 라인이 더 연결된다. 압축기(400)에서 유입되는 가스는 열교환기(300)를 거쳐 배출된 LNG 증발가스가 이동하는 라인으로, 압축기(400)를 통해 압축되어 압력이 증가되어 있다.

LNG저장조(100)에서 LNG가 두 개의 라인으로 각각 액체와 기체 상태로 배출되기에, 열역학적 상태량이 다르게 형성되어 이동된다. 액상의 LNG는 저장조에서 배출된 후 증발기(500)를 거쳐 기화되고, LNG저장조(100) 내부에서 자연증발된 LNG 증발가스는 열교환기(300)에서 열교환을 거친 후 배출된다.

따라서, 압축기(400)는 열교환기(300)를 거친 LNG 증발가스와 증발기(500)에서 기화된 LNG증발가스와의 압력차이를 조정한다. 압축기(400)에서는 열교환기(300)에서 배출된 LNG 증발가스에 일정 압력을 가함으로 압력을 조정하며, 증발기(500)에서 배출된 LNG 증발가스와 압축기(400)에서 압축된 LNG 증발가스와의 상태량 균형을 맞춤으로 균일하게 혼합될 수 있다. 이때, 압축기(400)에서 배출된 LNG 증발가스와 증발기(500)에서 배출된 LNG 증발가스는 가열기(600)의 내부 또는 외부에서 혼합될 수 있다.

가열기(600) 내부 또는 외부에서 LNG 증발가스는 서로 혼합되지만, 암모니아 증발가스와는 혼합되지 않고 분리된 관을 통해 별도로 이동한다.

가열기(600)에서 배출된 LNG 가스와 암모니아 가스는 혼합기(700) 내부에 유입된다. 이후 혼합기(700) 내부에서 혼합되며, 혼합된 가스는 버퍼탱크(800)에 일시 저장되고 혼소엔진(900)에 공급되어 연소된다.

본 발명은 LNG저장조(100) 내부에서 자연적으로 기화된 LNG 증발가스를 암모니아 저장조 내부의 액상의 암모니아와 열교환을 유도하고, 액상의 암모니아는 지속적으로 냉기를 전달받아 기화되지 않고 액상으로 저장될 수 있다. 그러므로 별도의 액화장치를 설치하지 않아도 되며 액화장치의 설치비용과 액화장치의 가동에 필요한 에너지비용을 절감할 수 있다.

또한 본 발명은 LNG저장조(100)에서 LNG가 액체와 기체로 각각 배출되고, 서로 다른 라인을 이동하며 열교환과정과 증발과정을 거치므로, 다른 열역학적 상태량을 가진다. 따라서 압축기(400)를 더 배치하여 어느 하나의 LNG 증발가스에 압력을 가하여 열역학적 상태량을 조정함으로, LNG 증발가스의 혼합 시에 에너지균형을 맞출 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템에서 암모니아저장조 내부에 배치된 열교환기를 나타낸 사시도이고, 도 3은 단면사시도이며, 도 4는 측단면도이다.

본 발명의 LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템은 암모니아저장조(200) 내부에 저장된 암모니아를 액상으로 유지하기 위해 냉기를 지속적으로 전달한다. 따라서 암모니아저장조(200) 내부에 열교환기(300)를 설치하여 LNG 증발가스와 액상의 암모니아를 열교환을 유도한다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 열교환기(300)는 암모니아저장조(200) 내부에 설치되는 다수의 방파벽(320), 상기 방파벽(320)으로 LNG증발가스가 유입되는 유입관로(310), 상기 방파벽(320) 사이를 연통하여 LNG 증발가스가 이동하는 이동관로(330) 및 상기 방파벽(320)에서 LNG 증발가스가 배출되는 배출관로(340)를 포함한다.

상기 방파벽(320)은 내부가 중공이며, 일정 두께를 가지도록 형성되고, 암모니아저장조(200)의 길이방향으로 상기 방파벽(320)이 관통되는 관통홀(321)이 다수 형성된다.

또한 상기 방파벽(320)은 암모니아저장조(200) 내부에서 길이방향에 대하여 수직으로 다수 배치된다.

암모니아 저장조 일측의 방파벽(320)에 LNG저장조(100)에서 발생한 LNG 증발가스가 유입되도록 유입관로(310)를 구비한다. 상기 유입관로(310)를 통해 LNG증발가스가 방파벽(320)의 중공 내부로 유입된다.

상기 방파벽(320) 사이에 배치되어 이웃하는 방파벽(320)으로 이동하는 이동관로(330)가 더 구비된다. 상기 이동관로(330)는 다수 형성될 수 있으며, 위치에 따라 제1이동관로, 제2이동관로 등으로 형성될 수 있다. 본 실시예에서는 상부에 위치한 제1이동관로, 하부에 위치한 제2이동관로가 도 2 내지 도 4에 도시되어 있다.

암모니아저장조(200) 타측의 방파벽(320)에는 LNG 증발가스가 암모니아저장조(200)의 상부측으로 배출되는 배출관로(340)가 구비된다. 상기 배출관로(340)를 통해 배출된 LNG 증발가스는 압축기(400)로 유입된다.

본 발명에서 수평으로 배치되는 원통형상의 암모니아저장조(200)가 이동함에 따라, 내부에 저장되는 액상의 암모니아는 관성에 의해 슬러싱(Sloshing) 현상이 발생하여 내벽에 충격을 가하게 된다. 이는 저장조를 손상시켜 안정성에 문제가 발생하므로, 암모니아저장조(200)의 길이방향의 수직으로 방파벽(320)을 다수 배치하여 슬러싱 현상을 최소화한다. 액상의 암모니아는 내벽에 충격을 가하기 전에 방파벽(320)에 1차로 부딪히게 되고 그 운동에너지를 잃게 되어, 내벽에 가해지는 충격이 감소된다.

더하여, 슬러싱 현상을 방지하기 위한 상기 방파벽(320)의 내부를 중공으로 형성하고 LNG 증발가스가 흐르도록 함으로써, 열교환기(300)로서의 역할을 수행한다.

암모니아저장조(200) 내부에서 액상의 암모니아는 상기 방파벽(320)의 외면과 접촉하며 요동되는 동시에 방파벽(320)에 형성된 관통홀(321)을 통과한다. 방파벽(320)에 관통홀(321)을 형성함으로, 액상의 암모니아는 방파벽(320)과 접촉되는 면적이 넓어지게 된다.

유입관로(310)를 통해 방파벽(320)의 중공 내부로 유입된 LNG 증발가스는 방파벽(320) 내면과 접촉한다. 따라서 약 -163℃의 LNG 증발가스와 약 -33℃의 액상의 암모니아는 방파벽(320)의 경계면을 통하여 열전달이 이루어지며, LNG 증발가스는 냉기를 액상의 암모니아에 전달한다.

방파벽(320) 내부에 있는 LNG 증발가스는 이동관로(330)를 통하여 이웃하는 다른 방파벽(320)으로 이동하며, 상기 이동관로(330)에서도 액상의 암모니아와 열전달이 이루어진다.

LNG 증발가스가 암모니아저장조(200) 타측에 위치한 방파벽(320)으로 이동한 후에는 배출관로(340)를 통해 암모니아저장조(200) 외부로 배출된다.

상기 액상의 암모니아는 LNG 증발가스를 통하여 지속적으로 냉기를 공급받으므로 기화되지 않고 액상으로 유지될 수 있다.

또한 슬러싱 현상을 방지하기 위한 방파벽(320)에 추가적으로 LNG 증발가스가 흐르도록 함으로써, 열교환기(300)로서의 기능을 추가적으로 더 수행하여 공간 활용성이 향상된다.

나아가 별도의 액화장치를 구비하지 않고서도 암모니아를 액상으로 유지할 수 있으며, 액화장치의 설치비용 및 가동에 필요한 에너지비용을 절감할 수 있어 경제적이다.

도 5은 본 발명에 따른 LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템에서 혼합기를 나타낸 사시도이고, 도 6은 혼합기의 구성을 분리하여 나타낸 분리도이며, 도 7은 혼합기의 측단면도이다.

본 발명에서 가열기(600)를 거친 LNG 증발가스와 암모니아 가스는 혼합기(700) 내부로 유입되어 혼합된다. 도 5 내지 도 7과 같이, 상기 혼합기(700)는 제1관로(711) 및 제2관로(732)가 내부로 유입되는 중공의 외부케이스(710), 상기 외부케이스(710) 내부에 배치되는 외부통(720) 및 상기 외부통(720) 내부에 배치되는 내부통(730)을 포함한다.

상기 혼합기(700)의 일단에는 제1관로(711)와 제2관로(732)가 형성되며, LNG 가스와 암모니아 가스는 혼합기(700) 내부에서 혼합되어, 타단에 형성된 유출구(712)를 통해 혼합 가스가 유출된다. 이때, LNG 가스 또는 암모니아 가스는 제1관로(711)와 제2관로(732) 중 어느 하나의 관로를 따라 이동할 수 있으며, 특정한 관로에 한정되어 이동되도록 제약받지 않는다.

내부가 중공인 상기 외부케이스(710)는 일단에서 제1관로(711)가 유입되되, 상기 제1관로(711)의 끝단은 외부케이스(710)의 내부에서 형성된다. 상기 제1관로(711)를 통해 이동하는 가스는 상기 외부케이스(710)와 상기 외부통(720) 사이의 중공에서 배출된다. 타단에서는 LNG 가스와 암모니아 가스가 혼합된 혼합가스 유출되는 유출구(712)가 형성된다. 상기 유출구(712)의 내부에는 망 형상인 다수의 스크린이 각기 다른 경사를 가지면서 구비된다.

상기 외부케이스(710)의 내부에 배치되는 상기 외부통(720)은 일단이 제2관로(732)에 의해 관통되되, 관통된 부분을 제외한 부분은 폐쇄된다. 타단은 혼합가스가 배출되는 유출구(712)와 연통되고, 외주연에는 다수의 인입구(721)가 형성된다. 상기 인입구(721)는 일정 경사를 가지면서 외주연을 관통하는데, 이는 상기 외부통(720) 외부에 있는 가스가 도 7과 같이 유동방향을 따라 내부로 인입되도록 한 것이다. 이때, 상기 인입구로 유입되는 가스는 상기 제1관로(711)에서 배출되고 외부케이스(710) 내부로 유입된 가스이다.

상기 외부통(720) 내부에 배치되는 상기 내부통(730)은 일단이 제2관로(732)와 연통되고, 타단은 폐쇄된다. 상기 외부통(720)과 동일하게, 외주연에는 다수의 토출구(731)가 일정 경사를 가지면서 형성되며, 내부통(730)의 외주연을 관통한다. 이때 상기 인입구(721)와 상기 토출구(731)의 경사는 동일하게 형성될 수 있다. 일정 경사를 가진 상기 토출구(731)에 의하여, 제2관로(732)를 통해 내부통(730)의 내부로 유입된 가스가 토출구(731)에 의해 외부로 토출 시에 도 7과 같이 가스 유동방향과 반대 방향으로 토출된다.

도 7에 도시된 바와 같이, 상기 혼합기(700) 내부로 유입되는 LNG 가스와 암모니아 가스는 제1관로(711)와 제2관로(732) 중 어느 하나의 관로를 통해 이동할 수 있다.

제1관로(711)를 따라 이동하는 어느 하나의 가스는 외부케이스(710)의 내부로 유입되고, 이후 외부통(720)의 인입구(721)를 통해 유동 방향으로 경사지게 외부통(720) 내부에 유입된다.

제2관로(732)를 따라 이동하는 다른 하나의 가스는 내부통(730)의 내부로 유입되며, 내부통(730)의 토출구(731)를 통해 유동의 반대방향으로 경사지게 내부통(730) 외부로 토출된다. 이때, 상기 인입구(721)를 통해 인입되는 가스의 이동과 동일한 경사를 가지되, 방향은 반대로 이동한다.

상기 인입구(721)를 통해 인입된 가스 및 상기 토출구(731)를 통해 토출된 가스는 외부통(720)과 내부통(730) 사이에서 충돌하게 된다. 이때 각 가스들은 선회유동을 하며 난류를 발생시킴으로, 두 가스의 혼합이 빠르게 이루어진다.

혼합된 가스는 외부케이스(710)의 유출구(712) 내에서 이동하면서 내부에 구비된 스크린(713)에 의해 유동이 불안정해진다. 또한, 다수의 상기 스크린(713)은 서로 다른 경사도를 가지고 있어, 가스의 유동이 더욱 불안정해지며 이로 인해 난류 발생이 더욱 증폭되어 유발되므로 상기 두 가스의 혼합이 가속화되어 더욱 효과적으로 혼합시킬 수 있다.

상기 유출구(712)를 통과하여 혼합된 혼합가스는 버퍼탱크(800)를 거쳐 혼소엔진(900)에 유입되어 연소된다.

본 발명의 LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템은 연료를 혼소엔진(900)에 공급하기 전에 혼합시키는 예혼합 방식을 택함으로, 혼소엔진(900) 내에서 혼합가스를 연소시에 연소온도가 균일하게 분포되며

또한, 두 가스를 일정 각도를 주어 충돌시키고, 유출구(712) 내에서 서로 다른 경사도를 가지도록 구비된 다수의 스크린(713)을 통과하게 함으로써 크게 증폭된 난류로 인해 가스의 혼합을 가속화시킬 수 있다.

100:LNG저장조 200:암모니아저장조
300:열교환기
310:유입관로 320:방파벽 321:관통홀 330:이동관로 340:배출관로
400:압축기 500:증발기 600:가열기
700:혼합기
710:외부케이스 711:제1관로 712:유출구 713:스크린
720:외부통 721:인입구
730:내부통 731:토출구 732:제2관로
800:버퍼탱크 900:혼소엔진

Claims (6)

1. 액화천연가스와 암모니아를 연료로 하는 혼소엔진에 연료를 공급하는 시스템에 있어서,
   액상의 LNG가 저장되는 LNG저장조(100);
   암모니아가 액상으로 저장되는 암모니아저장조(200);
   상기 암모니아저장조(200)에 설치되고, 상기 LNG저장조(100)에서 발생한 LNG 증발가스를 전달받아 상기 암모니아저장조(200) 내부에서 액상의 암모니아와 열교환하는 열교환기(300);
   상기 LNG저장조(100)에서 배출된 LNG 가스와 암모니아저장조(200)에서 배출된 암모니아 가스가 혼합되는 혼합기(700); 및
   상기 혼합기(700)에서 혼합된 LNG 가스와 암모니아 가스로 작동하는 혼소엔진(900);를 포함하며,
   상기 혼합기(700)의 전단에는
   액상의 LNG 및 액상의 상기 암모니아를 기화시키는 증발기(500);
   상기 증발기(500)에서 기화된 LNG 및 상기 암모니아를 일정 온도로 가열하는 가열기(600);를 포함하되, 상기 가열기(600)에는 상기 열교환기(300)를 지나온 LNG 증발가스가 일측으로 유입되며,
   상기 증발기(500)와 상기 가열기(600)에는 LNG 가스 및 상기 암모니아 가스가 이동하는 통로가 각각 분리되어 배치되고,
   상기 열교환기(300)에서 유입된 LNG 증발가스를 압축시켜 상기 증발기(500)에서 배출된 LNG 증발가스와의 압력을 조정하는 압축기(400)를 포함하는
   LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 열교환기(300)는
   상기 암모니아저장조(200) 내부에서 길이 방향에 수직하게 배치되고, 중공인 내부에 상기 증발가스가 흐르는 다수의 방파벽(320);
   상기 방파벽(320)을 관통하며 상기 암모니아저장조(200)에 저장된 액상의 암모니아가 통과하는 다수의 관통홀(321);
   상기 암모니아저장조(200) 내부에 배치되며, 이웃하는 상기 방파벽(320)을 연결하고, 상기 증발가스가 이동하는 이동관로(330);
   상기 LNG저장조(100)에서 발생한 상기 증발가스가 상기 방파벽(320)으로 유입되는 유입관로(310); 및
   상기 유입관로(310)의 반대편에 설치되며, 방파벽(320)을 통과한 상기 증발가스가 배출되는 배출관로(340);를 포함하는
   LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 혼합기(700)는
   LNG 가스와 암모니아 가스가 유입되는 제1관로(711) 및 제2관로(732)가 마련되고, 상기 제1관로(711) 및 제2관로(732)가 유입되는 중공의 외부케이스(710);
   상기 외부케이스(710)와 외부통(720) 사이의 중공에 가스를 배출시키는 제1관로(711);
   상기 외부케이스(710)의 내부에 배치되고, 상기 제1관로(711)에서 배출된 가스가 유입되는 인입구(721)가 다수 형성되며, 제2관로(732)가 관통되고, 혼합가스가 배출되는 유출구(712)와 연통되는 외부통(720);
   상기 외부통(720)의 내부에 배치되며, 일면이 제2관로(732)의 끝단과 연통되어 상기 제2관로(732)를 흐르는 가스가 내부로 공급되고, 내부로 유입된 가스가 외부로 토출되는 토출구(731)가 다수 형성되는 내부통(730);을 포함하여,
   제1관로(711) 및 제2관로(732)로 유입된 가스들이 상기 내부통(730)과 상기 외부통(720) 사이에서 혼합되고, 상기 유출구(712) 내에 각기 다른 경사도를 가지며 다수 구비되는 스크린(713)을 통과하며 배출되는
   LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 외부통(720)의 인입구(721)는 상기 제1관로(711)에서 배출된 가스가 경사지게 유입되도록 경사지게 형성되며,
   상기 내부통(730)의 토출구(731)는 상기 인입구와 동일한 경사방향을 가져, 내부통(730)에서 토출되는 가스와 인입구(721)에서 배출되는 가스가 반대방향으로 이동하며 혼합되는
   LNG 암모니아 혼소엔진의 연료공급 시스템.
   

Images