MAN ES의 2행정 암모니아 엔진 (2)

2행정 암모니아 이중연료 엔진의 기초

새로운 연료의 화학적 조성으로 인해 연소 물리학이 변화된 엔진을 설계할 때, 효율적이고 안전한 엔진 및 연료 공급 시스템을 제공하기 위해서는 가능한 모든 엔진 설계 변수에 대한 철저한 연구가 필요합니다. 연구 결과를 통해 암모니아로 작동할 때 특정 연료 분사 특성을 개발하고 2행정 배출의 특성을 명확히 할 수 있습니다.

암모니아는 독성물질로 선박의 승무원과 주변 환경을 보호하기 위한 적절한 안전장치가 마련되어야 합니다. MAN ES는 이러한 요구 사항을 충족시키는 것 외에도 엔지니어링 팀과 탑재된 리소스의 기술 및 작업 루틴에 적응하도록 설계된 기술을 시장에 제공합니다. 이는 선박 운항을 근본적으로 변경하지 않고도 가능합니다.

 

암모니아를 연료로 하는 저속 2행정 엔진의 장점은 그것이 상선 건조나 운영을 근본적으로 바꾸지 않는다는 것입니다.

엔진의 경우, ME-LGIP 엔진의 연료 공급 시스템을 출발점으로 하며, 연료공급 시스템의 개발은 유해물질 및 유해물질 조사 결과를 바탕으로 안전하고 신뢰할 수 있는 설계가 필요합니다. MAN ES는 연료공급 시스템을 위해 분류협회, 선주, 야드, 부품 공급업체 대표들이 관찰한 3건의 유해성 조사를 수행했습니다.

 

원칙적으로 ME-LGIP를 지배하는 연료 특성과 암모니아 엔진 설계 간의 주요 차이점은 Heating value, 악취 및 암모니아의 부식성과 관련이 있습니다.

- 연료의 낮은 열량(Low Calorific Values):
  프로판(LPG)의 경우 46.4 MJ/kg
  암모니아의 경우 18.6 MJ/kg

- 암모니아는 구리, 구리 합금, 니켈 농도가 6% 이상인 합금 및 플라스틱에 부식성이 있음

 

이상적인 해결책은 암모니아 엔진의 이중 연료 LPG 분사 시스템 일부와 탱크에서 엔진으로 LPG 연료 공급 시스템 일부를 재사용하는 것으로, ME-LGIP 엔진의 연료 공급 시스템을 기반으로 설계가 진행되었습니다.

3.2 연료공급 시스템 고려사항

암모니아 엔진 및 이중 연료 작동을 위한 연료 공급 시스템의 주요 원칙을 강조합니다.

 

3.2.1 Principles of dual-fuel operation 

이중 연료 작동 중 엔진으로 공급되는 암모니아 연료는 연료 공급 시스템을 통해 저장 탱크에서 공급됩니다.

엔진에서 필요한 연료 상태를 유지하기 위해 암모니아 연료의 일부가 재순환 시스템을 통해 FSS로 계속 재순환됩니다.
엔진이 이중 연료 모드가 아닐 경우 FVT의 double block-and-bleed arrangements가 감압되어 엔진룸 내부의 암모니아 연료 시스템을 암모니아 연료 공급 및 리턴 시스템으로부터 완전히 격리시킵니다.

매번 작동 전에 시스템에 질소 압력을 가하여 시스템의 tightness 상태를 확인합니다.이중 연료 작동이 멈추면 질소 압력이 암모니아 연료를 엔진에서 재순환 시스템으로 밀어냅니다. 퍼지 시퀀스가 완료되면 FVT는 다시 한 번 엔진룸 시스템을 공급 및 리턴 시스템으로부터 격리합니다.

전체 작동에서 기존 MAN ES 이중 연료 엔진의 이중 벽 환기 시스템은 암모니아 연료 누출을 감지하여 엔진룸에서 분리된 암모니아 포집 시스템으로 유도합니다.

 

3.2.2 Recirculation system

재순환되는 암모니아 연료는 작동 중에 엔진에서 가열됩니다.

2-phase 상태를 방지하기 위해 암모니아 연료의 일정량을 전용 재순환 라인으로 재순환하며, 이중 연료 작동이 중단될 때마다 동일한 재순환 라인이 엔진에서 암모니아 연료를 회수합니다.

재순환되는 연료에는 분사 밸브에서 나오는 씰링 오일의 흔적이 있을 수 있으나, 재순환 라인은 연료 저장 탱크를 오일로 오염시킬 위험이 없습니다. 또한 재순환 라인은 회수된 암모니아 연료에서 질소를 분리하여 배출합니다.

Fuel supply system
FSS에는 암모니아 연료가 필요한 온도, 압력 및 품질로 엔진에 전달되도록 하는 데 필요한 장비가 포함되어 있습니다.
대부분의 경우, FSS는 암모니아 연료 압력과 온도를 다양한 엔진 소비량으로 유지하기 위해 고압 펌프, 히터, 필터, 밸브 및 제어 시스템을 갖추고 있습니다.

 Fuel valve train
연료 밸브 트레인(FVT)은 엔진과 보조 시스템 사이의 인터페이스입니다. FVT의 목적은 정지 및 유지보수 중 엔진의 안전한 격리를 보장하고 질소 퍼지 기능을 제공하는 것입니다. 이러한 기능은 정지 후 엔진의 안전한 환경을 보장합니다.

 

Nitrogen system
이중 연료 작동 후 엔진 퍼지, 정비 전 가스 배출 및 정비 후 기밀성 테스트를 위해 질소를 사용할 수 있어야 합니다.
질소 시스템의 용량은 서비스 탱크 압력보다 높은 압력에서 일정한 흐름을 전달할 수 있을 정도로 커야 합니다.

 

Double-walled ventilation system
안전한 엔진룸을 유지하기 위해서는 암모니아 연료 시스템의 누출을 감지하여 안전한 위치로 유도해야 합니다.
이로 인해 엔진룸 내부의 암모니아 연료 시스템과 배관을 이중으로 설계할 수 있으며, 외부 배관은 IMO 요건에 따라 환기 공기의 흐름이 일정하게 유지됩니다.

이 시스템은 이미 다른 MAN B&W 이중 연료 엔진 설계의 일부입니다.

Ammonia capture system

암모니아 캡처 시스템은 암모니아가 주변으로 방출되는 것을 방지하기 위한 암모니아 포집 시스템으로 설계되어야 합니다.

 

Emission reduction technologies (배출 저감 기술)

암모니아로 작동하는 2행정 엔진의 NOx 배출 수준은 기존의 저속 디젤 엔진에 버금가는 수준이 될 것으로 예상됩니다.
그러나 연소 시 NOx 생성 경로는 기존 엔진과 상당히 다르며, 따라서 엔진 성능 변화에 대한 민감도 또한 다릅니다.

암모니아는 기존 엔진에서 알려진 배기가스가 단순히 다른 종류의 유해한 배기가스로 대체되지 않는 경우에만 환경적으로 실행 가능한 연료가 될 것입니다.

당연히 매우 낮은 수준의 배출만 암모니아 엔진에서 배출되도록 하는 것이 MAN ES 개발 노력의 중요한 부분이며, 새로운 연료가 해운 업계에서 고려해야 할 새로운 문제를 발생시키지는 않을 것입니다

 

3.3.1 Selective catalytic reduction technology_SCR (선택적 촉매환원 기술)

질소산화물(즉 NO 및 NO2, 일반적으로 NOx)의 배출을 줄이고 지역별로 상이한 배출 규제를 충족시키기 위해 MAN ES 엔진에는 고급 SCR(선택적 촉매 환원) 기술이 탑재되었습니다.

암모니아를 이용한 SCR 시스템은 1990년대에 4개의 벌크선에서 도입되었습니다.

첫 번째 엔진 테스트 결과가 나올 때까지, Tier III 모드에서 준수를 달성하기 위해서는 SCR 부피와 암모니아 소비의 증가가 필요할 수 있습니다.

SCR 기술은 후처리 공정으로, 연소 시 발생하는 NOx가 촉매 환원을 통해 배기 가스에서 제거됩니다.

통상적으로 필요한 암모니아(환원제)는 배기가스에 우레아 용액(CH4N2O + H2O)을 주입하여 첨가하지만, 우레아 대신 암모니아를 촉매제로 주입할 수도 있습니다.

이것의 이점 중 하나는 암모니아를 연료로 하는 선박이 이미 암모니아를 운반하고 있다는 것입니다.

SCR 시스템의 암모니아 소비량은 암모니아 연료 소비량에 비해 매우 적습니다.

 

아래는 배기가스 중 NOx 함량의 선택적인 촉매 환원 원리를 개략적으로 나타낸 것이다.

촉매 반응에서 NH3와 NOx는 이원자 질소(N2)와 물(H2O)로 변환됩니다:

4NO + 4NH3 + O2 → 4N2 + 6H2O
6NO2 + 8NH3 → 7N2 + 12H2O

완전 연소를 보장함으로써 연소되지 않은 NH3(암모니아 슬립)의 배출과 아산화질소(N2O)의 생성을 최소화할 수 있습니다.