암모니아 연료 선박의 배출 가스 처리 기술의 종류 (1)

첫 번째, Gas combustion unit / boiler

GCU(Gas Combustion Unit)는 주로 엔진이나 보일러에서 사용할 수 없는 잉여 BOG를 제거하여 증기를 안전하게 연소시킴으로써 화물이나 연료 탱크의 압력을 제어하는 장치이다.

보일러는 증기를 발생시키거나 thermal oil 이나 물을 가열하여 BOG(GCU와 동일한 기능)를 처리할 수도 있습니다.

보일러의 기본 운전 모드에서는 연료로서 암모니아가 보일러의 Gas valve uint(GVU)의 입구에서 가스 상태로 공급됩니다.

BOG 처리 및 증기 발생 외에도 보일러는 Gassing Up/Gas Freeing, Purge handling 등 다른 작업 중에도 암모니아를 처리할 수 있습니다.

Fuel Tank로 부터 GCU/Boiler 의 사용

일반적으로 보일러를 이용하여 BOG를 관리하는 방법은 두 가지가 있습니다.

한 가지 방법은 BOG를 압축하는 것, 다른 한 가지 방법은 BOG를 압축하지 않고 버너로 흘려보내는 것입니다. (free flow)

보일러가 BOG를 소비하는 경우, 추가적인 요구사항이 적용되며, 액화천연가스(LNG)의 경우, IMO Resolution MSC.391(95)(IGF code)의 조항은 다음과 같이 규정합니다:

 

– The capacity of the oxidation system is sufficient to consume the required quantity of vapors (with no consumption from propulsion or other services).

 

– Availability of the system and its supporting auxiliary services shall be such that in case of a single failure, the fuel tank pressure and temperature can be maintained by another service/system

 

– Standby heat exchangers or 25% extra capacity on heat exchangers to maintain pressure and temperature in fuel tanks

 

현재 IGF code에는 암모니아 BOG에 대한 요구사항이 나와 있지 않지만 LNG와 유사한 요구사항이 이행될 것으로 예상됩니다.

 

Fuel system으로 부터 GCU/Boiler 의 사용

Gassing Up/Gas Freeing 운전 모드는 탱크 비우기 및 충전(emptying and filling) (예: Dry docking 전후)과 관련이 있으며, 여기서 보일러는 탱크에서 암모니아와 비활성 가스의 혼합물을 연소시킵니다.

주 화염은 액체 연료에서 나올 것이며, 보일러의 크기와 버너 용량은 가스 흐름에 따라 달라집니다.

Gassing Up/Gas Freeing 운전 모드와 마찬가지로 퍼지 가스 취급 시 보일러는 암모니아와 불활성 가스의 혼합물을 주 화염 연소 액체 연료와 함께 연소시킵니다.

가스 혼합물은 암모니아 함량이 낮을 가능성이 높습니다.

암모니아 보일러는 또한 기내의 다양한 작동 모드에 필요한 비활성 가스를 발생시킬 수 있습니다.

생성되는 불활성 가스 부피는 암모니아 연소 중에 측정되는 실제 배출량에 따라 달라집니다.

 

개정된 SOLAS(International Convention for the Safety of Life as Sea)와 IGF 코드에 따르면 불활성 가스 시스템은 부피 기준으로 5% 이하의 산소 함량으로 공급할 수 있어야 합니다.

이 요건을 위해 보조 보일러에서 나오는 fuel gas는 선내에서 비활성 가스를 발생시킬 수 있습니다.

 

fuel gas는 fan에 의해 보일러에서 추출되고, 이후 스크러버를 통해 흡입되며, 이때 가스는 냉각되고 세척된 후 화물 탱크로 전달됩니다.

 

LNG 운반선의 경우, 일반적으로 불활성 가스 시스템이 1% 미만의 산소를 공급해야 한다고 명시되어 있으므로 전용 불활성 가스 발생기 시스템이 선내에 설치되어야 합니다.

암모니아의 경우, IGC 코드인 부록 6 to IMO Resolution MSC.379(93)에 따라, 용해된 산소 함량을 2.5 ppm w/w 이하로 유지하는 것이 추가로 권장됩니다(표시 기준 값; 실제 요구 사항은 엄격하지 않을 수도 있음). 암모니아 응력 부식 균열(ammonia stress corrosion cracking)의 위험을 최소화하기 위해, 액체 암모니아를 도입하기 전에 탱크 내의 평균 산소 함량을 운반 온도의 함수로서 주어진 값 미만으로 감소시킴으로써 달성될 수 있습니다.

따라서 암모니아 운반선은 이 요건을 충족시키기 위해 전용 불활성 가스 발생기 시스템을 구비해야 할 수도 있습니다.

암모니아 보일러를 불활성 가스 시스템으로 사용하는 것의 가능성은 fuel gas조성에 크게 좌우되며, 이는 여전히 시스템 개발 및 테스트를 통해 검증되어야 합니다.

두번째, Reliquefication

재액화는 연료 탱크의 BOG 관리와 연료 시스템의 암모니아 모두를 다루는 옵션으로 간주될 수 있습니다.

Fuel Tank에서,

암모니아 BOG 관리를 위한 재액화는 이미 LPG/암모니아 사업에서 구입할 수 있으며, 해수 냉각 응축기 유닛과 줄 톰슨 밸브를 통한 압력 완화 기능이 결합된 암모니아 증기 압축기로 구성되어 있으며, 이는 온도를 낮추고 응축수 암모니아를 탱크로 되돌리기 위해 설계되었습니다.

암모니아가 다른 산업의 많은 대형 냉각 시스템에서 냉매로 사용되기 때문에 이러한 시스템은 경제적이며 사용 가능합니다. 재액화의 크기는 탱크 저장 조건에 따라 달라지며, Semi-refrigerated 탱크는 더 작은 시스템이 필요한 반면 fully refrigerated or membrane tanks는 더 큰 시스템이 필요합니다.

세번째, Water catcher / chemical absorber

암모니아 워터캐처(화학 흡수제라고도 함)는 연료 시스템에서 발생하는 암모니아 배출을 처리할 수 있습니다.

일반적으로 퍼지 및 환기 작업에서 발생하는 배출물은 선내에서 처리할 필요가 없습니다.

예를 들어, LNG 연료를 사용하는 선박은 보통 이 작업에서 나오는 가스를 대기로 방출합니다.

그러나 암모니아는 안전성 문제로 인해 암모니아 또는 암모니아 혼합물에 대한 onboard 처리가 필요합니다. 워터캐처는 퍼지 및 벤팅 작업, 비상 작업 및 셧다운으로 인한 암모니아 방출을 처리할 수 있습니다.

그들은 SOx와 같은 다른 배출 유형을 줄이기 위해 기존 개념에 기반한 새로운 기술을 사용합니다.

 

워터캐처는 다른 방식으로 설계될 수 있습니다.

하나의 디자인은 knock-out tank, recovery tank 및 water seal로 구성됩니다. 모든 라인이 질소(N2)로 퍼지되기 전에 NH3는 knock-out tank로 송풍됩니다.

knock-out tank내에 모인 Liquid ammonia는 질소에 의해 recovery tank 로 밀려나며 증기는 water seal 내의 담수와 혼합됩니다.

recovery tank의 유체는 재순환 시스템 쪽으로 다시 보내지며, NH3 증기는 엔진 내에서 충분히 연소될 수 있을 때까지 water seal 내에서 수집됩니다.

 

네번째, Engine design and optimization

암모니아 슬립, N2O, NOx 등 암모니아 DF엔진의 배출가스를 관리하는 출발점은 엔진 설계 및 최적화입니다.

엔진 설계자는 현재 후처리 기술이 필요 없이 허용 가능한 암모니아 슬립 및 N2O 배출 수준을 달성하는 시나리오를 목표로 하고 있습니다.

NOx 규제 준수는 다른 연료와 마찬가지로 후 처리를 통해 달성됩니다.

 

Engine(s)

 

2 stroke 암모니아 엔진 개념은 일반적으로 LPG 운반선에 사용되는 LPG 엔진을 기반으로 합니다.

이 설계는 분사가 전자적으로 제어되는 복합 연료 부스터 및 인젝터이기 때문에 연료 분사 압력, 타이밍 및 양을 완벽하게 제어할 수 있는 유연성을 제공합니다.

또한 배기 밸브를 통해 사용자가 압축 압력을 제어할 수 있어 암모니아 슬립을 더욱 줄일 수 있습니다.

 

또한 엔진 튜닝을 통해 암모니아 슬립을 최소 수준으로 줄일 수 있는 다양한 옵션이 제공됩니다:

– High-pressure injection (고압 주입)
– Variable exhaust valve timing for increasing compression pressure to compensate for cold ammonia transfer

   (저온 암모니아 전달을 보상하기 위해 압축 압력을 증가시키기 위한 가변 배기 밸브 타이밍)
– Variable cooling of the combustion chamber (연소실의 가변 냉각)
– 100% variable pilot oil dosage system to ignite the ammonia

   (암모니아를 점화시키기 위한 100% 가변 파일럿 오일 투여 시스템)
– Variable turbocharger efficiency and turbocharger bypass to regulate scavenging airflow

   (가변 터보차저 효율 및 배기 공기량 조절을 위한 터보차저 바이패스)

 

Fuel tank

 

기본 엔진 설계 및 최적화와 더불어 4행정 엔진(예: auxiliary)을 사용하여 암모니아 연료 탱크의 BOG를 관리할 수 있습니다. semi-, fully refrigerated, or membrane tanks를 사용할 때 BOG는 오토 사이클 원리를 사용하여 4행정 암모니아 DF 주 엔진 또는 보조 엔진에 저압 가스를 공급함으로써 처리할 수 있습니다.