KR20200109054A - 액화 천연 가스의 냉열을 이용하는 수소 액화 장치 - Google Patents

액화 천연 가스의 냉열을 이용하는 수소 액화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에서는 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 수소 액화 공정에 이용함에 있어 한계가 되고 있는 온도 문제를 해결하고자 창안된 것으로, 액화온도가 - 253 ℃인 수소가스를 액화하는 공정에 - 162 ℃인 액화 천연 가스(LNG)의 냉열 온도 보다 낮은 온도영역에 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 최대한 이용할 수 있도록 다단 밀폐사이클을 적용하는 액화 천연 가스(LNG)의 냉열 이용 수소 액화 공정이다.
다양한 실시 예들에 따른 수소 가스를 액화시키는 장치는 수소 가스를 액화시키는 데 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 이용함에 있어서, 상온의 수소 가스를 압축하는 압축기, 액화 천연 가스의 냉열을 이용하여 액체 질소, 액체 네온 또는 액체 수소 중 적어도 어느 하나를 포함하는 액체를 발생시키고, 액체를 이용하여 수소 가스를 냉각시키는 다단의 밀폐 냉각 장치, 수소 가스의 압력을 저하시켜, 수소 가스의 적어도 일부를 액체 수소로 변화시키는 팽창 장치, 및 액체 수소와 수소 가스의 나머지를 분리시키는 기액 분리 장치를 포함할 수 있다.

Description

액화 천연 가스의 냉열을 이용하는 수소 액화 장치{APPARATUS FOR HYDROGEN LIQUEFACTION USING COLD ENERGY OF LIQUID NATURAL GAS}
본 발명은 수소 가스의 액화 공정 중 에너지 절약형 액화 공정인 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 최대한 이용하는 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 이용하는 다단 수소 액화 장치에 관한 것이다. 수소 가스의 액화 온도는 -253℃로 액화 천연 가스(LNG)의 냉열 온도인 - 162 ℃까지 만을 이용하게 되는 제한이 따르게 된다. 본 발명에서는 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 수소 액화 공정에 적용함에 있어 제한이 되는 온도 문제를 해결하고자 창안된 것이다.
본 발명의 액화 공정은 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 사용하여 질소 액화 밀폐 공정과 네온 액화 밀폐 공정 중 적어도 어느 하나를 구성하여 수소 가스를 다단으로 냉각시키면서 수소 가스 냉각, 변환열 제거, 액화 잠열의 일부를 제거하여 액화율을 크게 증진시키는 것을 특징으로 한다. 이는 많은 양의 수소를 액화시키는 방법으로 액화장치 비용을 크게 절감시키고, 에너지 낭비를 줄이는 효과적인 액화 시스템이 된다.
전세계적으로 사용량이 증가하고 있는 액화 천연 가스(LNG)는 - 162 ℃의 액체 상태로 도입되어 저장 탱크에 저장한 후 해수로 가스화되어 도시가스로 공급되고 있다. 액화 천연 가스(LNG)의 냉열 이용은 이 해수에 버리는 극저온 에너지 즉, 냉열을 회수하여 이용하는 것으로 수소를 액화하는 공정에 이용이 가능하다.
수소 가스의 액화를 위하여는 대기압에서 - 253 ℃까지 온도를 저하시켜야 하며, 이를 위한 제거 열량은 상온의 가스를 액체 온도 전까지 저하시키는 현열 제거와 기체에서 액체로 상이 변화하는 상변화 잠열 제거를 합하여 443 kJ/kg, 그리고 수소 분자(H2)가 회전이 바뀌면서 발생하는 열 즉, 변환열(Conversion heat)인 703.3 kJ/kg을 제거하여야 한다. 이렇게 많은 에너지를 제거하여야 하는 액화 공정의 소요 에너지를 절약할 수 있는 종래의 액화 공정으로는 액화 천연 가스(LNG)가 보유하고 있는 냉열을 이용한 수소 액화 공정이 있다. 그러나, 수소액화 공정에 이용할 수 있는 액화 천연 가스(LNG)의 냉열 온도는 1 기압에서 최저 상변화 온도인 - 162 ℃까지로 이용할 수 있는 온도는 제한이 따르게 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 액화 천연 가스(LNG) 냉열 이용 수소 액화 장치(100)을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일반적인 수소 액화 장치(100)은 압축기(110), LNG 냉각기(120), 다수 개의 일반 냉각기(130, 140, 160, 170)들, 팽창 장치(181, 183) 및 기액 분리 장치(190)를 포함할 수 있다.
압축기(110)는 상온의 수소 가스를 압축시킬 수 있다. LNG 냉각기(120)는 액화 천연 가스(LNG)를 이용하여, 압축기(110)로부터 전달되는 수소 가스를 냉각시킬 수 있다. 이 때 액화 천연 가스(LNG)의 냉열은 대략 - 162 ℃이며, LNG 냉각기(120)는 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 이용하여, 수소 가스를 대략 - 150 ℃로 냉각시킬 수 있다. 일반 냉각기(130, 140, 160, 170)들은 LNG 냉각기(120)로부터 전달되는 수소 가스를 추가적으로 냉각시킬 수 있다. 팽창 장치(181, 183)는 LNG 냉각기(120) 또는 일반 냉각기(130, 140, 160, 170) 중 적어도 어느 하나로부터 전달되는 수소 가스의 압력을 대기압으로 저하시킬 수 있다. 이를 통해, 팽창 장치(181, 183)에서 수소 가스의 일부, 예컨대 대략 35 %가 액체 수소로 변화되고, 팽창 장치(181, 183)로부터 액체 수소와 수소 가스가 혼합되어 인출될 수 있다. 기액 분리 장치(190)는 팽창 장치(181, 183)로부터 전달되는 액체 수소와 수소 가스를 분리할 수 있다.
본 발명에서는 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 수소 액화 공정에 이용함에 있어 제한이 되는 온도문제를 해결하고자 창안된 것으로, 크게 2단계 액화 천연 가스(LNG)의 냉열 이용 질소 냉각 열교환 공정과 네온 냉각 열교환 공정으로 구성된다. 1 단계는 - 162 ℃의 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 이용하여 액화 공정의 고압 수소가스를 예냉시키는 제 1 냉각 단계와, 2 단계는 - 162 ℃의 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 이용하여 질소 가스를 냉각하여 액체 질소를 얻고 이 액체 질소로 수소 액화 공정의 고압 수소 가스를 추가 냉각시키는 제 2 냉각 단계, 그리고 3 단계는 -162 ℃의 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 이용하여 상기한 질소 밀폐사이클에서 액체 질소를 얻고, 이 액체 질소의 냉열을 추가된 네온 밀폐사이클에서 액체 네온을 제조하여 고압 수소가스를 추가 냉각시키는 제 3 냉각 단계로 구성된다.
그러므로 본 발명은 수소가스를 - 253 ℃까지 액화시키는 공정에 소요되는 냉각 에너지를 해수에 버리는 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 적용함에 있어, 액화 천연 가스(LNG) 액체가 가지고 있는 - 162 ℃의 온도 제약 문제를 해결하여 액체 수소의 제조에 소요되는 에너지 비용을 크게 절약하는 공정을 제공한다.
본 발명은 - 162 ℃의 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 액화 온도가 - 253 ℃인 액체수소의 제조공정에 이용함에 있어서, 종래의 액화 천연 가스(LNG)의 온도 한계로 초기 냉각공정에만 적용할 수 있는 온도 제한 문제를 해결하여, 액화시키고자 하는 수소가스의 온도 단계별 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 적용하도록 하여 에너지 소요량을 크게 감소시키면서 액체 수소 수율을 크게 증진시키는 것을 특징으로 한다.
이를 해결하기 위하여, 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 예냉 공정과 질소 순환 밀폐사이클, 그리고 네온 순환 밀폐사이클을 고안하여 액화시키고자 하는 수소 가스가 다단의 냉각공정을 거치면서 온도가 점차 저하되도록 하는 공정을 구성하는 것이다.
다양한 실시 예들에 따른 수소 가스를 액화시키는 장치는 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 이용함에 있어서, 상온의 수소 가스를 압축하는 압축기, 액화 천연 가스의 냉열을 이용하여 액체 질소, 액체 네온 또는 액체 수소 중 적어도 어느 하나를 포함하는 액체를 발생시키고, 상기 액체를 이용하여 상기 압축된 수소 가스를 냉각시키는 다단의 밀폐 냉각 장치, 상기 냉각된 수소 가스의 압력을 저하시켜, 상기 냉각된 수소 가스의 적어도 일부를 액체 수소로 변화시키는 팽창 장치, 및 상기 액체 수소와 상기 냉각된 수소 가스의 나머지를 분리시키는 기액 분리 장치를 포함할 수 있다.
본 발명은 - 162 ℃의 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 다단의 액체 수소의 제조 공정에 이용하는 효과를 제공하며 수소 액화 에너지 소요량을 크게 감소시키면서 액체 수소 수율을 크게 증진시키는 효과를 제공한다.
또한, 에너지가 크게 소요되는 수소 액화 공정에 자연계인 해수에 버려지는 액화 천연 가스(LNG) 의 기화열 이용을 극대화할 수 있는 공정으로 에너지 절약 효과와 액체 수소 수율을 50 %이상 제조하는 액화 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 액화 천연 가스(LNG) 냉열 이용 수소 액화 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 제 1 실시 예에 따른 액화 천연 가스(LNG) 냉열 이용 수소 액화 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 제 2 실시 예에 따른 액화 천연 가스(LNG) 냉열 이용 수소 액화 장치를 도시한 도면이다.
도 4는 제 3 실시 예에 따른 액화 천연 가스(LNG) 냉열 이용 수소 액화 장치를 도시한 도면이다.
도 5는 제 4 실시 예에 따른 액화 천연 가스(LNG) 냉열 이용 수소 액화 장치를 도시한 도면이다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로서, -162 ℃의 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 액화 온도가 - 253 ℃인 액체수소의 제조공정에 이용함에 있어서, 종래의 액화 천연 가스(LNG)의 이용 온도 한계로 초기 냉각 공정에만 적용할 수 있는 것을 해결하여, 액화시키고자 하는 수소 가스의 온도를 단계별 액화 천연 가스(LNG)의 냉열 적용이 가능하도록 하여 50 % 이상의 액체 수소를 얻는 것을 특징으로 하는 것이다.
이하, 본 문서의 다양한 실시 예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.
도 2는 제 1 실시 예에 따른 액화 천연 가스(LNG) 냉열 이용 수소 액화 장치(200)을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 제 1 실시 예에 따른 수소 액화 장치(200)은, 압축기(210), LNG 냉각기(220), 밀폐 냉각 장치(230), 적어도 하나의 일반 냉각기(240, 260, 270), 팽창 장치(281, 283) 및 기액 분리 장치(290)를 포함할 수 있다. 제 1 실시 예에 따르면, 수소 가스가 두 단계들의 LNG 냉각 공정들에 따라 액화될 수 있다. 즉 수소 가스에 있어서, LNG 냉각기(220)에 의한 1 차 LNG 냉각 공정과 밀폐 냉각 장치(230)에 의한 2 차 LNG 냉각 공정이 수행될 수 있다.
압축기(210)는 상온의 수소 가스를 압축시킬 수 있다.
LNG 냉각기(220)는 1 차 LNG 냉각 공정을 수행할 수 있다. 이를 위해, LNG 냉각기(220)는 액화 천연 가스(LNG)를 이용하여, 압축기(210)로부터 전달되는 수소 가스를 냉각시킬 수 있다. 이 때 액화 천연 가스(LNG)는 대략 - 162 ℃이며, LNG 냉각기(220)에서 0 ℃로 기화되면서 1 kg 당 약 200 kcal의 냉열을 발생시킬 수 있다. 이를 통해, LNG 냉각기(220)는 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 이용하여, 수소 가스를 상온에서 대략 - 150 ℃로 냉각시킬 수 있다.
밀폐 냉각 장치(230)는 2 차 LNG 냉각 공정을 수행할 수 있다. 이를 위해, 밀폐 냉각 장치(230)는 질소 밀폐사이클을 구성하고, 액화 천연 가스(LNG)를 이용하여 액체 질소를 발생시킬 수 있다. 그리고 밀폐 냉각 장치(230)는 액체 질소를 이용하여, LNG 냉각기(220)로부터 전달되는 수소 가스를 냉각시킬 수 있다. 이 때 밀폐 냉각 장치(230)는 수소 가스를 대략 - 150 ℃에서 대략 - 190 ℃로 냉각시킬 수 있다.
밀폐 냉각 장치(230)는 질소 압축기(231), 질소 열교환기(233), 질소 팽창 밸브(235) 및 수소 냉각기(237)를 포함할 수 있다. 질소 압축기(231)는 질소 가스를 압축시킬 수 있다. 질소 열교환기(233)는 액화 천연 가스(LNG)를 이용하여, 질소 가스를 냉각시킬 수 있다. 이 때 액화 천연 가스(LNG)는 대략 - 162 ℃이며, LNG 냉각기(220)에서 0 ℃로 기화되면서 1 kg 당 약 200 kcal의 냉열을 발생시킬 수 있다. 이를 통해, 질소 열교환기(233)는 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 이용하여, 질소 가스를 대략 - 196 ℃로 냉각시킬 수 있다. 질소 팽창 밸브(235)는 질소 가스의 압력을 저하시킬 수 있다. 이를 통해, 질소 가스가 액체 질소로 변화되고, 질소 팽창 밸브(235)로부터 액체 질소가 인출될 수 있다. 수소 냉각기(237)는 액체 질소를 이용하여, LNG 냉각기(220)로부터 전달되는 수소 가스를 냉각시킬 수 있다. 이 때 수소 냉각기(237)가 수소 가스를 대략 - 150 ℃에서 대략 - 190 ℃로 냉각시킬 수 있다.
일반 냉각기(240, 260, 270)는 밀폐 냉각 장치(230)로부터 전달되는 수소 가스를 추가적으로 냉각시킬 수 있다.
팽창 장치(281, 283)는 밀폐 냉각 장치(230) 또는 일반 냉각기(240, 260, 270) 중 적어도 어느 하나로부터 전달되는 수소 가스의 압력을 대기압으로 저하시킬 수 있다. 팽창 장치(281, 283)는 팽창기(281) 또는 팽창 밸브(283) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이를 통해, 팽창 장치(281, 283)에서 수소 가스의 일부가 액체 수소가 변화되고, 팽창 장치(281, 283), 예컨대 팽창 밸브(283)로부터 액체 수소와 수소 가스가 혼합되어 인출될 수 있다.
기액 분리 장치(290)는 팽창 장치(281, 283)로부터 전달되는 액체 수소와 수소 가스를 분리할 수 있다.
제 1 실시 예에 따르면, LNG 냉각기(220)가 액화 천연 가스(LNG)를 이용하여, 1 차적으로 수소 가스를 냉각시킬 수 있다. 이 때 LNG 냉각기(220)는 압축기(210)에서 압축된 수소 가스를 냉각시킬 수 있다. 압축기(210)에서, 수소 가스는 공기, 물, 액화 천연 가스(LNG)의 냉열 또는 밀폐 냉각 장치(230)의 잔류 저온 중 적어도 어느 하나에 의해, 상온에서 40 ℃로 냉각될 수 있다. LNG 냉각기(220)는 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 이용하여, 수소 가스를 냉각시킬 수 있다. 여기서, LNG 냉각기(220)는 수소 가스를 상온 또는 40 ℃에서 - 150 ℃로 냉각시킬 수 있다.
제 1 실시 예에 따르면, 밀폐 냉각 장치(230)가 액화 천연 가스(LNG)를 이용하여, 2 차적으로 수소 가스를 냉각시킬 수 있다. 이 때 밀폐 냉각 장치(230)는 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 이용하여, 액체 질소를 발생시킬 수 있다. 여기서, 밀폐 냉각 장치(230)에서, 액체 질소가 순환하는 질소 밀폐사이클이 형성될 수 있다. 예를 들면, 질소 밀폐사이클을 따라 순환하는 작동 유체는 실질적으로 - 196 ℃의 액체 질소, - 194 ℃의 건조 공기, - 186 ℃의 알곤 또는 -183 ℃의 산소 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 그리고 밀폐 냉각 장치(230)는 액체 질소의 저온을 이용하여, 수소 가스를 냉각시킬 수 있다. 여기서, 밀폐 냉각 장치(230)는 수소 가스를 대략 - 150 ℃에서 대략 - 190 ℃로 냉각시킬 수 있다.
제 1 실시 예에 따르면, 팽창 장치(281, 283)가 수소 가스의 압력을 저하시켜, 수소 가스의 적어도 일부를 액체 수소로 변화시킬 수 있다. 여기서, 일반 냉각기(260, 270)가 제 2 밀폐 냉각 장치(240)와 팽창 장치(281, 283) 사이에서 수소 가스를 추가적으로 냉각시킬 수 있다. 이 때 팽창 장치(281, 283)에서, 수소 가스가 액체 수소로 변화될 수 있다. 이를 통해, 기액 분리 장치(290)가 액체 수소와 나머지 수소 가스를 분리할 수 있다. 이 때 나머지 수소 가스는 압축기(210)로 반송될 수 있다.
도 3은 제 2 실시 예에 따른 액화 천연 가스(LNG) 냉열 이용 수소 액화 장치(300)을 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 제 2 실시 예에 따른 수소 액화 장치(300)은 압축기(310), 밀폐 냉각 장치(330), 적어도 하나의 일반 냉각기(340, 360, 370), 팽창 장치(381, 383) 및 기액 분리 장치(390)를 포함할 수 있다. 이 때 압축기(310), 일반 냉각기(340, 360, 370), 팽창 장치(381, 383) 및 기액 분리 장치(390)는 제 1 실시 예의 대응하는 구성 요소들과 유사하므로, 상세한 설명을 생략한다.
제 2 실시 예에 따르면, 밀폐 냉각 장치(330)는 LNG 냉각 공정을 수행할 수 있다. 이를 위해, 밀폐 냉각 장치(330)는 질소 밀폐사이클을 구성하고, 액화 천연 가스(LNG)를 이용하여 액체 질소를 발생시킬 수 있다. 그리고 밀폐 냉각 장치(330)는 액체 질소를 이용하여, 압축기(310)로부터 전달되는 40’C의 수소 가스를 냉각시킬 수 있다. 이 때 밀폐 냉각 장치(330)는 수소 가스를 상온에서 대략 - 190 ℃로 냉각시킬 수 있다.
밀폐 냉각 장치(330)는 질소 압축기(331), 질소 열교환기(333), 질소 팽창 밸브(335) 및 수소 냉각기(337)를 포함할 수 있다. 질소 압축기(331)는 질소 가스를 압축시킬 수 있다. 질소 열교환기(333)는 액화 천연 가스(LNG)를 이용하여, 질소 가스를 냉각시킬 수 있다. 이 때 액화 천연 가스(LNG)는 대략 - 162 ℃이며, LNG 냉각기(220)에서 0 ℃로 기화되면서 1 kg 당 약 200 kcal의 냉열을 발생시킬 수 있다. 이를 통해, 질소 열교환기(333)는 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 이용하여, 질소 가스를 대략 - 196 ℃로 냉각시킬 수 있다. 질소 팽창 밸브(335)는 질소 가스의 압력을 저하시킬 수 있다. 이를 통해, 질소 가스가 액체 질소로 변화되고, 질소 팽창 밸브(330)로부터 액체 질소가 인출될 수 있다. 수소 냉각기(337)는 액체 질소를 이용하여, 압축기(310)로부터 전달되는 수소 가스를 냉각시킬 수 있다. 이 때 수소 냉각기(337)가 수소 가스를 상온에서 대략 - 190 ℃로 냉각시킬 수 있다.
도 4는 제 3 실시 예에 따른 액화 천연 가스(LNG) 냉열 이용 수소 액화 장치(400)을 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 제 3 실시 예에 따른 수소 액화 장치(400)는 압축기(410), LNG 냉각기(420), 제 1 밀폐 냉각 장치(430), 제 2 밀폐 냉각 장치(440), 적어도 하나의 일반 냉각기(460, 470), 팽창 장치(481, 483) 및 기액 분리 장치(490)를 포함할 수 있다. 제 3 실시 예에 따르면, 수소 가스가 세 단계들의 LNG 냉각 공정들에 따라 액화될 수 있다. 즉 수소 가스에 있어서, LNG 냉각기(420)에 의한 1 차 LNG 냉각 공정, 제 1 밀폐 냉각 장치(430)에 의한 2 차 LNG 냉각 공정 및 제 2 밀폐 냉각 장치(440)에 의한 3 차 LNG 냉각 공정이 수행될 수 있다.
압축기(410)는 상온의 수소 가스를 압축시킬 수 있다.
LNG 냉각기(420)는 1 차 LNG 냉각 공정을 수행할 수 있다. 이를 위해, LNG 냉각기(420)는 액화 천연 가스(LNG)를 이용하여, 압축기(410)로부터 전달되는 수소 가스를 냉각시킬 수 있다. 이 때 액화 천연 가스(LNG)는 대략 - 162 ℃이며, LNG 냉각기(220)에서 0 ℃로 기화되면서 1 kg 당 약 200 kcal의 냉열을 발생시킬 수 있다. 이를 통해, LNG 냉각기(220)는 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 이용하여, 수소 가스를 상온에서 대략 - 150 ℃로 냉각시킬 수 있다.
제 1 밀폐 냉각 장치(430)는 2 차 LNG 냉각 공정을 수행할 수 있다. 이를 위해, 제 1 밀폐 냉각 장치(430)는 질소 밀폐사이클을 구성하고, 액화 천연 가스(LNG)를 이용하여 액체 질소를 발생시킬 수 있다. 그리고 제 1 밀폐 냉각 장치(430)는 액체 질소를 이용하여, LNG 냉각기(420)로부터 전달되는 수소 가스를 냉각시킬 수 있다. 이 때 제 1 밀폐 냉각 장치(430)는 수소 가스를 대략 - 150 ℃에서 대략 - 190 ℃로 냉각시킬 수 있다.
제 1 밀폐 냉각 장치(430)는 제 1 질소 압축기(431), 제 1 질소 열교환기(433), 제 1 질소 팽창 밸브(435) 및 제 1 수소 냉각기(437)를 포함할 수 있다. 제 1 질소 압축기(431)는 질소 가스를 압축시킬 수 있다. 제 1 질소 열교환기(433)는 액화 천연 가스(LNG)를 이용하여, 질소 가스를 냉각시킬 수 있다. 이 때 액화 천연 가스(LNG)는 대략 - 162 ℃이며, LNG 냉각기(220)에서 0 ℃로 기화되면서 1 kg 당 약 200 kcal의 냉열을 발생시킬 수 있다. 이를 통해, 제 1 질소 열교환기(433)는 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 이용하여, 질소 가스를 대략 - 150 ℃로 냉각시킬 수 있다. 제 1 질소 팽창 밸브(435)는 질소 가스의 압력을 저하시킬 수 있다. 이를 통해, 질소 가스가 액체 질소로 변화되고, 제 1 질소 팽창 밸브(435)로부터 액체 질소가 인출될 수 있다. 제 1 수소 냉각기(437)는 액체 질소를 이용하여, LNG 냉각기(420)로부터 전달되는 수소 가스를 냉각시킬 수 있다. 이 때 제 1 수소 냉각기(437)가 수소 가스를 대략 - 150 ℃에서 대략 - 190 ℃로 냉각시킬 수 있다.
제 2 밀폐 냉각 장치(440)는 3 차 LNG 냉각 공정을 수행할 수 있다. 제 2 밀폐 냉각 장치(440)는 질소 밀폐 장치(441)와 네온 밀폐 장치(451)를 포함할 수 있다. 제 2 밀폐 냉각 장치(440)는 질소 밀폐사이클과 네온 밀폐사이클을 구성하고, 질소 밀폐사이클에서 액화 천연 가스(LNG)를 이용하여 액체 질소를 발생시키고, 네온 밀폐사이클에서 액체 질소를 이용하여 액체 네온을 발생시킬 수 있다. 그리고 제 2 밀폐 냉각 장치(440)는 액체 네온을 이용하여, 제 1 밀폐 냉각 장치(430)로부터 전달되는 수소 가스를 냉각시킬 수 있다. 이 때 제 2 밀폐 냉각 장치(440)는, 제 1 밀폐 냉각 장치(430)로부터 전달되는 수소 가스를 대략 - 190 ℃에서 대략 - 240 ℃로 냉각시킬 수 있다. 질소 밀폐 장치(441)는 질소 밀폐사이클을 구성하고, 액화 천연 가스(LNG)를 이용하여 액체 질소를 발생시킬 수 있다. 이 때 질소 밀폐 장치(441)는 네온 밀폐 장치(451)의 구성 요소들 중 적어도 어느 하나와 함께, 질소 밀폐사이클을 구성할 수 있다. 이를 통해, 질소 밀폐 장치(441)가 액체 질소를 이용하여 네온 밀폐 장치(451)에 저온을 제공할 수 있다. 질소 밀폐 장치(441)는 제 2 질소 압축기(442), 제 2 질소 열교환기(443) 및 제 2 질소 팽창 밸브(444)를 포함할 수 있다.
제 2 질소 압축기(442)는 질소 가스를 압축시킬 수 있다.
제 2 질소 열교환기(443)는 액화 천연 가스(LNG)를 이용하여, 질소 가스를 냉각시킬 수 있다. 이 때 액화 천연 가스(LNG)는 대략 - 162 ℃이며, LNG 냉각기(220)에서 0 ℃로 기화되면서 1 kg 당 약 200 kcal의 냉열을 발생시킬 수 있다. 이를 통해, 제 2 질소 열교환기(443)는 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 이용하여, 질소 가스를 대략 - 150 ℃로 냉각시킬 수 있다.
제 2 질소 팽창 밸브(444)는 질소 가스의 압력을 저하시킬 수 있다. 이를 통해, 질소 가스가 액체 질소로 변화되고, 제 2 질소 팽창 밸브(444)로부터 -196 ‘C의 액체 질소가 인출될 수 있다.
네온 밀폐 장치(451)는 네온 밀폐사이클을 구성하고, 질소 밀폐 장치(441)의 액체 질소를 이용하여 액체 네온을 발생시킬 수 있다. 그리고 네온 밀폐 장치(451)는 액체 네온을 이용하여, 제 1 밀폐 냉각 장치(430)로부터 전달되는 수소 가스를 냉각시킬 수 있다. 이 때 네온 밀폐 장치(451)는, 제 1 밀폐 냉각 장치(430)로부터 전달되는 수소 가스를 대략 - 190 ℃에서 대략 - 240 ℃로 냉각시킬 수 있다. 네온 밀폐 장치(451)는 네온 압축기(452), 네온 냉각기(453), 적어도 하나의 일반 냉각기(454, 455), 네온 팽창 장치(456, 457) 및 제 2 수소 냉각기(458)를 포함할 수 있다.
네온 압축기(452)는 상온의 네온 가스를 압축시킬 수 있다.
네온 냉각기(453)는 액체 질소를 이용하여, 네온 압축기(452)로부터 전달되는 네온 가스를 냉각시킬 수 있다. 여기서, 네온 냉각기(453)는 질소 밀폐 장치(441)의 구성 요소로 동작할 수 있다. 이 때 액체 질소는 대략 - 196 ℃이며, 네온 냉각기(453)는 액체 질소를 이용하여, 네온 압축기(452)로부터 전달되는 네온 가스를 상온에서 대략 - 190 ℃로 냉각시킬 수 있다.
일반 냉각기(454, 455)는 네온 냉각기(453)로부터 전달되는 네온 가스를 추가적으로 냉각시킬 수 있다.
네온 팽창 장치(456, 457)는 네온 냉각기(453) 또는 일반 냉각기(454, 455) 중 적어도 어느 하나로부터 전달되는 네온 가스의 압력을 대기압으로 저하시킬 수 있다. 네온 팽창 장치(456, 457)는 네온 팽창기(456) 또는 네온 팽창 밸브(457) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이를 통해, 네온 팽창 장치(456, 457)에서 네온 가스의 일부, 예컨대 25 %가 액체 네온으로 변화되고, 네온 팽창 장치(456, 457), 예컨대 네온 팽창 밸브(457)로부터 액체 네온과 네온 가스가 혼합되어 인출될 수 있다.
제 2 수소 냉각기(458)는 네온 팽창 장치(456, 457)로부터 전달되는 -246 ‘C의 액체 네온을 이용하여, 제 1 밀폐 냉각 장치(430)로부터 전달되는 수소 가스를 냉각시킬 수 있다. 이 때 제 2 수소 냉각기(458)가 제 1 밀폐 냉각 장치(430)로부터 전달되는 수소 가스를 대략 - 190 ℃에서 대략 - 240 ℃로 냉각시킬 수 있다. 여기서, 네온 팽창 장치(456, 457)로부터 전달되는 액체 네온은 - 246 ℃이며, 제 2 수소 냉각기(458)에서 수소 가스를 냉각시킨 다음, 대략 -195 ℃의 기체가 변화되어 네온 압축기(452)로 전달될 수 있다.
일반 냉각기(460, 470)는 제 2 밀폐 냉각 장치(440)로부터 전달되는 수소 가스를 추가적으로 냉각시킬 수 있다.
팽창 장치(481, 483)는 제 2 밀폐 냉각 장치(440) 또는 일반 냉각기(460, 470) 중 적어도 어느 하나로부터 전달되는 수소 가스의 압력을 대기압으로 저하시킬 수 있다. 팽창 장치(481, 483)는 팽창기(481) 또는 팽창 밸브(483) 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이를 통해, 팽창 장치(481, 483)에서 수소 가스의 일부가 액체 수소가 변화되고, 팽창 장치(481, 483), 예컨대 팽창 밸브(483)로부터 액체 수소와 수소 가스가 혼합되어 인출될 수 있다.
기액 분리 장치(490)는 팽창 장치(481, 483)로부터 전달되는 액체 수소와 수소 가스를 분리할 수 있다.
제 3 실시 예에 따르면, LNG 냉각기(420)가 액화 천연 가스(LNG)를 이용하여, 1 차적으로 수소 가스를 냉각시킬 수 있다. 이 때 LNG 냉각기(420)는 압축기(410)에서 압축된 수소 가스를 냉각시킬 수 있다. 압축기(410)에서, 수소 가스는 공기, 물, 액화 천연 가스(LNG)의 냉열 또는 제 1 밀폐 냉각 장치(430)나 제 2 밀폐 냉각 장치(440)의 잔류 저온 중 적어도 어느 하나에 의해, 상온에서 40 ℃로 냉각될 수 있다. LNG 냉각기(420)는 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 이용하여, 수소 가스를 냉각시킬 수 있다. 여기서, LNG 냉각기(420)는 수소 가스를 상온 또는 40 ℃에서 - 150 ℃로 냉각시킬 수 있다.
제 3 실시 예에 따르면, 제 1 밀폐 냉각 장치(430)가 액화 천연 가스(LNG)를 이용하여, 2 차적으로 수소 가스를 냉각시킬 수 있다. 이 때 제 1 밀폐 냉각 장치(430)는 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 이용하여, 액체 질소를 발생시킬 수 있다. 여기서, 제 1 밀폐 냉각 장치(430)에서, 액체 질소가 순환하는 질소 밀폐사이클이 형성될 수 있다. 예를 들면, 질소 밀폐사이클을 따라 순환하는 작동 유체는 실질적으로 - 196 ℃의 액체 질소, - 194 ℃의 건조 공기, - 186 ℃의 알곤 또는 -183 ℃의 산소 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 그리고 제 1 밀폐 냉각 장치(430)는 액체 질소의 저온을 이용하여, 수소 가스를 냉각시킬 수 있다. 여기서, 제 1 밀폐 냉각 장치(430)는 수소 가스를 대략 - 150 ℃에서 대략 - 190 ℃로 냉각시킬 수 있다.
제 3 실시 예에 따르면, 제 2 밀폐 냉각 장치(440)가 액화 천연 가스(LNG)를 이용하여, 3 차적으로 수소 가스를 냉각시킬 수 있다. 이 때 질소 밀폐 장치(441)가 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 이용하여, 액체 질소를 발생시킬 수 있다. 여기서, 질소 밀폐 장치(441)에서, 액체 질소가 순환하는 질소 밀폐사이클이 형성될 수 있다. 예를 들면, 질소 밀폐사이클을 따라 순환하는 작동 유체는 실질적으로 - 196 ℃의 액체 질소, - 194 ℃의 건조 공기, - 186 ℃의 알곤 또는 -183 ℃의 산소 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 그리고 네온 밀폐 장치(451)가 액체 질소의 저온을 이용하여, 액체 네온을 발생시킬 수 있다. 여기서, 네온 밀폐 장치(451)에서, 액체 네온이 순환하는 네온 밀폐사이클이 형성될 수 있다. 예를 들면, 네온 밀폐사이클을 따라 순환하는 작동 유체는 실질적으로 -246 ℃의 네온 또는 - 253 ℃의 액체 수소 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 이를 통해, 네온 밀폐 장치(451)가 액체 네온의 저온을 이용하여, 수소 가스를 냉각시킬 수 있다. 여기서, 제 2 밀폐 냉각 장치(440)는 수소 가스를 대략 - 190 ℃에서 대략 - 240 ℃로 냉각시킬 수 있다.
제 3 실시 예에 따르면, 팽창 장치(481, 483)가 수소 가스의 압력을 저하시켜, 수소 가스의 적어도 일부를 액체 수소로 변화시킬 수 있다. 여기서, 일반 냉각기(460, 470)가 제 2 밀폐 냉각 장치(440)와 팽창 장치(481, 483) 사이에서 수소 가스를 추가적으로 냉각시킬 수 있다. 이 때 팽창 장치(481, 483)에서, 수소 가스의 50 %가 액체 수소로 변화될 수 있다. 이를 통해, 기액 분리 장치(490)가 액체 수소와 나머지 수소 가스를 분리할 수 있다. 이 때 나머지 수소 가스는 압축기(410)로 반송될 수 있다.
도 5는 제 4 실시 예에 따른 액화 천연 가스(LNG) 냉열 이용 수소 액화 장치(500)을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 제 4 실시 예에 따른 수소 액화 장치(500)는 압축기(510), LNG 냉각기(520), 제 1 밀폐 냉각 장치(530), 제 2 밀폐 냉각 장치(540), 적어도 하나의 일반 냉각기(560, 570), 팽창 장치(581, 583) 및 기액 분리 장치(590)를 포함할 수 있다. 제 2 밀폐 냉각 장치(540)는 질소 밀폐 장치(541)와 네온 밀폐 장치(551)를 포함할 수 있다. 이 때 압축기(510), LNG 냉각기(520), 제 2 밀폐 냉각 장치(540)의 네온 밀폐 장치(551), 일반 냉각기(560, 570), 팽창 장치(581, 583) 및 기액 분리 장치(590)는 제 3 실시 예의 대응하는 구성 요소들과 유사하므로, 상세한 설명을 생략한다.
제 4 실시 예에 따르면, 제 1 밀폐 냉각 장치(530)와 제 2 밀폐 냉각 장치(540)의 질소 밀폐사이클이 공유될 수 있다. 이 때 제 1 밀폐 냉각 장치(530)의 질소 밀폐사이클이 제 2 밀폐 냉각 장치(540)의 질소 밀폐사이클에 결합되어, 공동의 질소 밀폐사이클을 형성할 수 있다. 제 2 밀폐 냉각 장치(540)의 질소 밀폐 장치(541)는 제 2 질소 압축기(542), 제 2 질소 열교환기(543) 및 제 2 질소 팽창 밸브(544)를 포함할 수 있다. 그리고 제 1 밀폐 냉각 장치(530)는 제 1 질소 열교환기(533) 및 제 1 수소 냉각기(537)를 포함하며, 제 1 질소 열교환기(533) 및 제 1 수소 냉각기(537)가 질소 밀폐 장치(541)와 연결될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 수소 액화 장치(200, 300, 400, 500)가 액체 천연 가스(LNG)의 냉열을 이용하여, 수소 가스의 온도를 효과적으로 저하시킬 수 있다. 즉 수소 액화 장치(200, 300, 400, 500)가 액체 천연 가스(LNG)를 이용하여 액체 질소를 발생시킴으로써, 액체 질소의 저온을 이용하여 수소 가스의 온도를 저하시킬 수 있다. 이를 통해, 수소 액화 장치(200, 300, 400, 500)가 수소 가스의 온도를 보다 낮은 온도로 저하시킬 수 있다. 이에 따라, 수소 가스로부터 액체 수소의 수율이 증가될 수 있다.
본 문서의 다양한 실시 예들 및 이에 사용된 용어들은 본 문서에 기재된 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 및/또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 구성 요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 본 문서에서, "A 또는 B", "A 및/또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C" 또는 "A, B 및/또는 C 중 적어도 하나" 등의 표현은 함께 나열된 항목들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제 1", "제 2", "첫째" 또는 "둘째" 등의 표현들은 해당 구성 요소들을, 순서 또는 중요도에 상관없이 수식할 수 있고, 한 구성 요소를 다른 구성 요소와 구분하기 위해 사용될 뿐 해당 구성 요소들을 한정하지 않는다. 어떤(예: 제 1) 구성 요소가 다른(예: 제 2) 구성 요소에 "(기능적으로 또는 통신적으로) 연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 상기 어떤 구성 요소가 상기 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되거나, 다른 구성 요소(예: 제 3 구성 요소)를 통하여 연결될 수 있다.
100, 200, 300, 400, 500: 수소 액화 장치
110, 210, 310, 410, 510: 압축기
120, 220, 420, 520: LNG 냉각기
130, 140, 160, 170, 240, 260, 270, 340, 360, 370, 460, 470, 560, 570: 일반 냉각기
181, 183, 281, 283, 381, 383, 481, 483, 581, 583: 팽창 장치
181, 281, 381, 481, 581: 팽창기
183, 283, 383, 483, 583: 팽창 밸브
190, 290, 390, 490, 590: 기액 분리 장치
230, 330: 밀폐 냉각 장치
231, 331: 질소 압축기 233, 333: 질소 열교환기
235, 335: 질소 팽창 밸브 237, 337: 수소 냉각기
430, 530: 제 1 밀폐 냉각 장치
431: 제 1 질소 압축기 433, 533: 제 1 질소 열교환기
435: 제 1 질소 팽창 밸브 437, 537: 제 1 수소 냉각기
440, 540: 제 2 밀폐 냉각 장치
441, 541: 질소 밀폐 장치 442, 542: 제 2 질소 압축기
443, 543: 제 2 질소 열교환기 444, 544: 제 2 질소 팽창 밸브
451, 551: 네온 밀폐 장치 452, 552: 네온 압축기
453, 553: 제 2 네온 냉각기 454, 455, 554, 555: 일반 냉각기
456, 457, 556, 557: 네온 팽창 장치
456, 556: 네온 팽창기 457, 557: 네온 팽창 밸브
458, 558: 제 2 수소 냉각기

Claims (4)

  1. 수소 가스를 액화시키는 장치에 액화 천연 가스(LNG)의 냉열을 이용함에 있어서;
    상온의 수소 가스를 압축하는 압축기:
    액화 천연 가스의 냉열을 이용하여 액체 질소, 액체 네온 또는 액체 수소 중 적어도 어느 하나를 포함하는 액체를 발생시키고, 상기 액체를 이용하여 상기 압축된 수소 가스를 냉각시키는 다단의 밀폐 냉각 장치;
    상기 냉각된 수소 가스의 압력을 저하시켜, 상기 냉각된 수소 가스의 적어도 일부를 액체 수소로 변화시키는 팽창 장치; 및
    상기 액체 수소와 상기 냉각된 수소 가스의 나머지를 분리시키는 기액 분리 장치를 포함하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기와 밀폐 냉각 장치 사이에서, 액화 천연 가스의 냉열을 이용하여 상기 압축된 수소 가스를 냉각시키는 LNG 냉각기를 추가로 더 포함하는 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀폐 냉각 장치와 상기 팽창 장치 사이에서, 액화 천연 가스의 냉열을 이용하여 액체 네온을 발생시키고, 상기 발생된 액체 네온을 이용하여 상기 냉각된 수소 가스를 냉각시키는 다른 밀폐 냉각 장치를 추가로 더 포함하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 다른 밀폐 냉각 장치는,
    액화 천연 가스의 냉열을 이용하여 액체 질소를 발생시키는 질소 밀폐 장치; 및
    상기 발생된 액체 질소를 이용하여 액체 네온을 발생시키고, 상기 발생된 액체 네온을 이용하여 상기 냉각된 수소 가스를 냉각시키는 네온 밀폐 장치를 포함하는 장치.
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