KR101287975B1 - Ｌｎｇ-ｆｐｓｏ용 단계형 흡수 및 흡착식 단계형 액화 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 LNG-FPSO(Liquefied Natural Gas-Floating Production Storage Offloading)용 천연가스 액화 장치에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 단계적으로 액화를 수행하여 액화 효율을 높여 에너지를 절감할 수 있음과 동시에, 폐열 이용 및 환경유해 냉매 비사용 등을 달성함으로써 친환경적인, LNG-FPSO용 단계형 흡수 및 흡착식 단계형 액화 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 LNG-FPSO용 단계형 흡수 및 흡착식 단계형 액화 장치는, LNG-FPSO(Liquefied Natural Gas-Floating Production Storage Offloading)용 천연가스 액화 장치(100)에 있어서, 제1냉매 및 흡수제가 순환되며 천연가스를 냉각하는 흡수식 냉동기(110); 제2냉매가 순환되며 천연가스를 냉각하는 제2냉매 흡착식 냉동기(120); 제3냉매가 순환되며 천연가스를 냉각하는 제3냉매 흡착식 냉동기(130); 를 포함하여 이루어지며, 천연가스가 상기 흡수식 냉동기(110)에 포함된 제1증발기(113)를 통과하는 제1냉매 - 상기 제2냉매 흡착식 냉동기(120)에 포함된 제2증발기(123)를 통과하는 제2냉매 - 상기 제3냉매 흡착식 냉동기(130)에 포함된 제3증발기(133)를 통과하는 제3냉매와 순차적으로 열교환하여 단계적으로 냉각되는 것을 특징으로 한다.

Description

ＬＮＧ-ＦＰＳＯ용 단계형 흡수 및 흡착식 단계형 액화 장치 {Cascaded cryogenic sorption liquefaction cycle for LNG-FPSO}
본 발명은 LNG-FPSO용 단계형 흡수 및 흡착식 단계형 액화 장치에 관한 것이다.
LNG-FPSO란 액화천연가스-부유식 생산ㆍ저장설비(Liquefied Natural Gas-Floating Production Storage Offloading)의 약자로서, 구체적으로는 해상에서 액화천연가스(LNG)를 생산, 액화, 저장하는 기능을 겸비한 대형 특수선박을 가리킨다. 일반적으로 기존의 해상 천연가스 시추 시설에는 액화 가공 및 저장소가 없으므로, 생산된 천연가스를 파이프라인을 통하여 육상으로 보낸 뒤 액화ㆍ저장 단계를 거쳐 다시 LNG 운반선에 옮겨 운송하는 방식을 사용한다. 반면 LNG-FPSO를 사용하면 천연가스의 생산ㆍ액화ㆍ저장을 한꺼번에 처리하여 기존의 방식에 걸리는 시간과 비용을 절감할 수 있으며, 한 지역에서 생산이 끝나면 다른 가스전으로 이동할 수 있는 장점이 있다. 이에 따라, 원래 LNG-FPSO는 매장량 1억t 이하의 중소 규모의 해양 가스전에 적합하도록 맞춤 개발되었으나, 현재에는 대형 가스전에서도 투입되어 그 사용이 확대되어 가고 있는 추세이다.
상술한 바와 같이 LNG-FPSO에서는 천연가스의 생산ㆍ액화ㆍ저장이 한꺼번에 처리되는 바, 생산된 천연가스를 이송하는 이송 설비와, 천연가스를 액화하는 액화 설비 및 액화된 천연가스를 저장하는 저장 설비가 구비되게 된다. 이 중 액화 설비에서, 천연가스를 액화하기 위하여 냉동 사이클을 작동하게 되는 바 많은 에너지가 소비되게 된다. 따라서 이러한 부분에서 에너지 소비를 절감하고자 하는 많은 노력이 있어 왔다.
한국특허공개 제2010-0098166호("부유식 액화천연가스생산 저장설비", 이하 선행기술1)에서는, 엔진과, 천연가스를 이송하기 위한 이송설비와, 상기 이송설비에서 이송된 천연가스를 액화시키는 액화장치와, 상기 액화장치를 구동하는 가스 터빈과, 상기 이송설비에서 이송된 천연가스가 상기 액화장치에서 열교환되어 형성된 액화천연가스를 임시적으로 보관하는 플래쉬 탱크와, 상기 플래쉬 탱크에서 안정화된 액화천연가스를 저장하는 저장탱크와, 상기 저장탱크에 저장된 액화천연가스가 하역되는 설비, 상기 플래쉬 탱크 및 상기 저장탱크 중 적어도 하나에서 발생된 증발가스를 상기 엔진으로 전송하는 전송관과, 상기 엔진에서 사용하고 남은 여분의 증발가스를 상기 가스 터빈으로 이송하기 위해 상기 전송관과 상기 가스 터빈을 연결하는 연결관을 포함하여 이루어지는 LNG-FPSO를 개시하고 있다(도 1(A)). 상기 선행기술1에서는, 일단 생산, 액화 및 저장이 완료된 액화천연가스를 운반선으로 이송 시에, 온도의 상승으로 인하여 이송 중이던 액화천연가스의 일부가 증발되는 현상이 발생하는 바, 이러한 증발 가스를 효율적으로 처리하고자 하는 목적으로 개시된 기술이다. 상기 선행기술1은 액화천연가스를 다루는 과정에서 발생되는 증발 가스를 효율적으로 처리하도록 함으로써 전체적인 생산 효율을 증대시킬 수 있는 장점은 있으나, 에너지 절감 효과를 크게 얻기는 어렵다.
한국특허등록 제0980674호("컨덴세이트 연료화 시스템을 가지는 LNG-FPSO", 이하 선행기술2)에서는, 액화 플랜트로부터 분리되는 컨덴세이트를 저장하는 컨덴세이트 탱크와, 컨덴세이트 탱크에 저장된 컨덴세이트를 연료로 공급하기 위하여 이송시키는 컨덴세이트 공급수단과, 컨덴세이트 공급수단에 의해 공급되는 컨덴세이트가 연료로 사용되거나, 컨덴세이트를 대신하여 다른 선박용 연료가 사용되는 엔진을 포함하여 이루어지는 LNG-FPSO를 개시하고 있다(도 1(B)). 상기 선행기술2에서는, 천연가스의 액화 프로세스 중에 발생되는 컨덴세이트를 엔진의 연료로서 활용할 수 있도록 함으로써 에너지 및 비용을 절감하는 효과를 얻고 있다. 그러나 상기 선행기술2에 의해 얻을 수 있는 에너지 절감 효과로는 충분치 않으며, 특히 액화 과정 자체에서의 에너지 절감 효과가 크지 않다는 것이 여전히 문제점으로 남아 있다.
따라서 기존보다 높거나 또는 동급의 액화 효율을 가지면서도 보다 더 에너지를 절약할 수 있는 LNG-FPSO 장치에 대한 요구가 당업자들 사이에 꾸준히 있어 왔다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 단계적으로 액화를 수행하여 액화 효율을 높여 에너지를 절감할 수 있음과 동시에, 폐열 이용 및 환경유해 냉매 비사용 등을 달성함으로써 친환경적인, LNG-FPSO용 단계형 흡수 및 흡착식 단계형 액화 장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 LNG-FPSO용 단계형 흡수 및 흡착식 단계형 액화 장치는, LNG-FPSO(Liquefied Natural Gas-Floating Production Storage Offloading)용 천연가스 액화 장치(100)에 있어서, 제1냉매 및 흡수제가 순환되며 천연가스를 냉각하는 흡수식 냉동기(110); 제2냉매가 순환되며 천연가스를 냉각하는 제2냉매 흡착식 냉동기(120); 제3냉매가 순환되며 천연가스를 냉각하는 제3냉매 흡착식 냉동기(130); 를 포함하여 이루어지며, 천연가스가 상기 흡수식 냉동기(110)에 포함된 제1증발기(113)를 통과하는 제1냉매 - 상기 제2냉매 흡착식 냉동기(120)에 포함된 제2증발기(123)를 통과하는 제2냉매 - 상기 제3냉매 흡착식 냉동기(130)에 포함된 제3증발기(133)를 통과하는 제3냉매와 순차적으로 열교환하여 단계적으로 냉각되는 것을 특징으로 한다.
이 때, 상기 흡수식 냉동기(110)는 제1냉매가 순환하는 냉매순환부 및 흡수제가 순환하는 흡수제순환부로 이루어지되, 상기 냉매순환부는 냉각수와 열교환하여 제1냉매를 응축시키는 제1응축기(111), 상기 제1응축기(111)에서 배출된 제1냉매를 팽창시키는 제1팽창밸브(112), 상기 제1팽창밸브(112)를 통과한 제1냉매를 증발시켜 주변으로부터 열을 흡수하는 제1증발기(113), 상기 제1증발기(113)로부터 배출된 제1냉매 증기를 유입받아 흡수제를 이용하여 온도를 떨어뜨려 상기 제1응축기(111)로 유입시켜 제1냉매를 순환시키는 흡수제순환부를 포함하여 이루어지고, 상기 흡수제순환부는 상기 제1증발기(113)로부터 배출된 제1냉매 증기를 유입받아 흡수제에 흡수시키는 흡수기(114), 상기 흡수기(114)로부터 고온 및 저농도가 된 흡수제를 유입받아, LNG-FPSO의 가스 터빈으로부터 발생된 폐가스의 폐열을 이용하여 고농도 흡수제 및 제1냉매로 분리시켜, 고농도 흡수제는 상기 흡수기(114)로 유입시켜 흡수제를 순환시키고, 제1냉매는 상기 제1응축기(111)로 유입시켜 제1냉매를 순환시키는 재생기(115)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 흡수제 순환부는 상기 흡수기(114)에서 배출된 고온 및 저농도의 흡수제를 상기 재생기(115)로 펌핑하는 펌프(116)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2냉매 흡착식 냉동기(120)는 상기 흡수식 냉동기(110)를 순환하는 제1냉매와 열교환하여 제2냉매를 응축시키는 제2응축기(121), 상기 제2응축기(121)에서 배출된 제2냉매를 팽창시키는 제2팽창밸브(122), 상기 제2팽창밸브(122)를 통과한 냉매를 증발시켜 주변으로부터 열을 흡수하하여 제2냉매 증기로 만든 후 2개로 분기하여 배출시키는 제2증발기(123), 상기 제2증발기(123)로부터 분기 배출된 제2냉매 증기를 각각 유입받아 그 내부에 수용된 흡착제로 통과시키며, 서로 교대로 냉매의 흡착 및 탈착을 수행하는 제2냉매 제1흡착기(124a) 및 제2냉매 제2흡착기(124b)를 포함하여 이루어지며, 상기 제2냉매 제1흡착기(124a) 및 상기 제2냉매 제2흡착기(124b)는 흡착 과정 시, 제2냉매 증기를 냉각수와 열교환시켜 흡착열을 제거하여 흡착함으로써 상기 제2증발기(123)에서의 증발이 원활하게 이루어지도록 하고, 탈착 과정 시, LNG-FPSO의 가스 터빈으로부터 발생된 폐가스의 폐열을 이용하여 흡착제로부터 제2냉매를 탈착하여 상기 제2응축기(121)로 유입시켜 제2냉매를 순환시키는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 제2응축기(121)는 상기 제1팽창밸브(112)를 통과하여 나온 제1냉매와 열교환하여 제2냉매를 응축시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제3냉매 흡착식 냉동기(130)는 상기 흡수식 냉동기(110)를 순환하는 제2냉매와 열교환하여 제3냉매를 응축시키는 제3응축기(131), 상기 제3응축기(131)에서 배출된 제3냉매를 팽창시키는 제3팽창밸브(132), 상기 제3팽창밸브(132)를 통과한 냉매를 증발시켜 주변으로부터 열을 흡수하하여 제3냉매 증기로 만든 후 2개로 분기하여 배출시키는 제3증발기(133), 상기 제3증발기(133)로부터 분기 배출된 제3냉매 증기를 각각 유입받아 그 내부에 수용된 흡착제로 통과시키며, 서로 교대로 냉매의 흡착 및 탈착을 수행하는 제3냉매 제1흡착기(134a) 및 제3냉매 제2흡착기(134b)를 포함하여 이루어지며, 상기 제3냉매 제1흡착기(134a) 및 상기 제3냉매 제2흡착기(134b)는 흡착 과정 시, 제3냉매 증기를 냉각수와 열교환시켜 흡착열을 제거하여 흡착함으로써 상기 제3증발기(133)에서의 증발이 원활하게 이루어지도록 하고, 탈착 과정 시, LNG-FPSO의 가스 터빈으로부터 발생된 폐가스의 폐열을 이용하여 흡착제로부터 제3냉매를 탈착하여 상기 제3응축기(131)로 유입시켜 제3냉매를 순환시키는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 제3응축기(131)는 상기 제2팽창밸브(122)를 통과하여 나온 제2냉매와 열교환하여 제3냉매를 응축시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 액화 장치(100)는 상기 제1증발기(113) - 상기 제2증발기(123) - 상기 제3증발기(133)에 의하여 순차적으로 단계적 냉각된 천연가스를 팽창시키는 팽창밸브(141); 상기 팽창밸브(141)를 통과한 천연가스를 기액 분리하는 기액분리기(142); 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 흡수제는 물, 상기 제1냉매는 암모니아, 상기 제2냉매는 에틸렌, 상기 제3냉매는 메탄인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 액화 장치(100)는 상기 흡수식 냉동기(110)에서는 -40℃ 내지 -20℃ 범위 내의 온도가 되도록, 상기 제2냉매 흡착식 냉동기(120)에서는 -110℃ 내지 -90℃ 범위 내의 온도가 되도록, 상기 제3냉매 흡착식 냉동기(130)에서는 -160℃ 내지 -140℃ 범위 내의 온도가 되도록 단계적으로 천연가스를 냉각시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 종래의 LNG-FPSO에서는 그냥 버려지게 되었던 가스 터빈의 폐열을 재활용함으로서 에너지 소비를 절감할 수 있는 큰 효과가 있다. 즉 본 발명에 의하면 폐열의 재활용에 의한 에너지 절약을 통해 보다 친환경적인 시스템을 구축할 수 있을 뿐만 아니라, 운전비용 또한 절약할 수 있다는 점이 가장 큰 장점이다.
뿐만 아니라 본 발명에 의하면, 기존의 LNG 액화 공정과 비교해서 압축기 구동 부분이 없어 진동 및 소음을 훨씬 절감할 수 있다는 큰 효과가 있다.
더불어 본 발명의 장치에서는 CFC 냉매와 같이 오존층 파괴를 발생시키는 유해 냉매가 아닌, 암모니아, 에틸렌, 메탄과 같이 친환경 냉매를 사용하여 액화 공정을 수행하는 바, 종래의 LNG-FPSO에 비해 훨씬 친환경적이라는 큰 장점이 있다. 잘 알려져 있는 바와 같이 CFC 냉매는 냉각 효율이 높다는 장점이 있으나, 본 발명에서는 CFC 냉매를 배제하는 대신 암모니아, 에틸렌, 메탄 등을 사용하여 다단계로 열을 흡수하여 냉각함으로써 천연가스를 액화하는 바, 냉각 효율은 종래와 동일하거나 또는 더 높은 수준을 얻을 수 있으면서도 동시에 친환경적이라는 점에 있어 종래보다 월등한 효과를 얻는다.
도 1은 종래의 LNG-FPSO의 예시.
도 2는 본 발명의 LNG-FPSO용 단계형 액화 장치.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 LNG-FPSO용 단계형 흡수 및 흡착식 단계형 액화 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 LNG-FPSO용 단계형 액화 장치를 도시한 것으로, 도시된 바와 같이 본 발명의 LNG-FPSO용 단계형 액화 장치(100)는, 제1냉매 및 흡수제가 순환되며 천연가스를 냉각하는 흡수식 냉동기(110); 제2냉매가 순환되며 천연가스를 냉각하는 제2냉매 흡착식 냉동기(120); 제3냉매가 순환되며 천연가스를 냉각하는 제3냉매 흡착식 냉동기(130); 를 포함하여 이루어지며, 천연가스가 상기 흡수식 냉동기(110)에 포함된 제1증발기(113)를 통과하는 제1냉매 - 상기 제2냉매 흡착식 냉동기(120)에 포함된 제2증발기(123)를 통과하는 제2냉매 - 상기 제3냉매 흡착식 냉동기(130)에 포함된 제3증발기(133)를 통과하는 제3냉매와 순차적으로 열교환하여 단계적으로 냉각된다.
일반적으로 천연가스는 전처리를 거친 후 약 20bar 내지 30bar 정도의 고압 상태로 액화 공정이 진행되게 되며, 천연가스의 성분은 대부분이 메탄 가스이고, 그 외에 에틸렌, 프로판 가스 등이 포함되게 된다. 본 발명에서는 이와 같은 천연가스 구성 성분의 물리적 특징 등을 고려하여, 단계적 냉각 수행에 있어서, 1차 냉각을 수행하는 상기 흡수식 냉동기(110)에서는 -40℃ 내지 -20℃ 범위 내의 온도가 되도록, 2차 냉각을 수행하는 상기 제2냉매 흡착식 냉동기(120)에서는 -110℃ 내지 -90℃ 범위 내의 온도가 되도록, 마지막으로 3차 냉각을 수행하는 상기 제3냉매 흡착식 냉동기(130)에서는 -160℃ 내지 -140℃ 범위 내의 온도가 되도록 하여 단계적으로 천연가스를 냉각시키도록 한다. 또한 이 때, 상기 흡수제는 물, 상기 제1냉매는 암모니아, 상기 제2냉매는 에틸렌, 상기 제3냉매는 메탄이 되도록 하는 것이 바람직하다. 이하에서 각부에 대하여 보다 상세히 설명한다.
상기 흡수식 냉동기(110)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1냉매가 순환하는 냉매순환부 및 흡수제가 순환하는 흡수제순환부로 이루어지게 된다. 이하에서 냉매순환부와 흡수제순환부를 구분하여 설명하기로 한다.
상기 냉매순환부는 일반적인 냉동 사이클을 이루는 기본 구성, 즉 응축기 - 팽창밸브 - 증발기 - 압축기의 구성과 유사하게 이루어지되, 압축기 자리를 흡수제순환부가 대체하게 된다는 점이 일반적인 냉동 사이클과 다르게 이루어지는 부분이다. 즉, 상기 냉매순환부는, 도 2에 도시된 바와 같이, 냉각수와 열교환하여 제1냉매를 응축시키는 제1응축기(111), 상기 제1응축기(111)에서 배출된 제1냉매를 팽창시키는 제1팽창밸브(112), 상기 제1팽창밸브(112)를 통과한 제1냉매를 증발시켜 주변으로부터 열을 흡수하는 제1증발기(113), 상기 제1증발기(113)로부터 배출된 제1냉매 증기를 유입받아 흡수제를 이용하여 온도를 떨어뜨려 상기 제1응축기(111)로 유입시켜 제1냉매를 순환시키는 흡수제순환부를 포함하여 이루어진다. 이 때 상술한 바와 같이 일반적인 냉동 사이클에서의 압축기를 흡수제순환부가 대체하게 됨으로써, 압축기에서 발생되는 진동 및 소음 등이 본 발명에서는 크게 저감시킬 수 있게 되는 장점을 얻을 수 있다.
순환 단계에 대하여 보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 먼저 상기 제1응축기(111)에서는 냉각수와의 열교환을 통해 제1냉매가 응축되게 되며, 이렇게 응축된 제1냉매는 상기 제1팽창뱅브(112)를 통과하면서 팽창되어 저온 저압이 된다. 이후 제1냉매는 상기 제1증발기(113)를 통과하면서 주변으로부터 증발열을 흡수하면서 증발되어 기체 상태가 되게 되는데, 이 때 상기 제1증발기(113)를 천연가스가 통과하게 함으로써 제1냉매가 천연가스로부터 증발열을 흡수하게 하여, 결과적으로 천연가스가 냉각되게 한다. 이와 같이 상기 제1증발기(113)를 통과하면서 기체 상태가 된 제1냉매는 상기 흡수제순환부를 통과한 후 다시 상기 제1응축기(111)로 유입되면서 순환이 이루어지게 된다.
상기 흡수제순환부는, 도 2에 도시된 바와 같이, 흡수기(114) 및 재생기(115)를 포함하여 이루어진다. 상기 흡수기(114)는 상기 제1증발기(113)로부터 배출된 제1냉매 증기를 유입받아 흡수제에 흡수시키는 역할을 한다. 상기 재생기(115)는, 상기 흡수기(114)로부터 고온 및 저농도가 된 흡수제를 유입받아, LNG-FPSO의 가스 터빈으로부터 발생된 폐가스의 폐열을 이용하여 고농도 흡수제 및 제1냉매로 분리시키게 된다. 이와 같이 분리된 흡수제는 상기 흡수기(114)로 다시 유입되어 상기 흡수제순환부 내에서의 흡수제 순환이 이루어지게 된다. 또한, 상기 재생기(115)에서 분리된 제1냉매는 상기 제1응축기(111)로 유입되도록 보내짐으로써 상기 냉매순환부에서의 냉매 순환 역시 이루어질 수 있게 된다. 이 때, 상기 흡수제 순환부는 흡수제의 순환이 보다 더 원활하게 이루어지도록, 상기 흡수기(114)에서 배출된 고온 및 저농도의 흡수제를 상기 재생기(115)로 펌핑하는 펌프(116)를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 상기 흡수식 냉동기(110)에서, 먼저 상기 냉매순환부는 그 구성이 일반적인 냉동 사이클의 구성과 유사하게 이루어지되 압축기가 상기 흡수제순환부로 대체됨으로써, 압축기에서 발생되는 진동 및 소음을 원천적으로 배제할 수 있게 된다. 또한 상기 흡수제순환부에서는, LNG-FPSO에 구비되는 가스 터빈에서 발생되는 폐열을 이용하여 재생을 수행함으로써, 에너지 재활용을 통한 전체적인 시스템 효율을 높일 수 있는 효과를 얻게 된다.
다음으로, 상기 제2냉매 흡착식 냉동기(120)에 대하여 설명한다. 상기 제2냉매 흡착식 냉동기(120) 역시, 일반적인 냉동 사이클의 구성과 거의 유사하나 압축기 대신 흡착기가 구비된다는 점이 다르다. 이러한 흡착식 냉동기는 흡수식 냉동기와 더불어 비프레온화와 폐열 이용이라는 관점에서 주목을 받고 있으며, 흡착식 냉동기에서도 역시 일반적인 냉동 사이클 원리를 이용하는 장치에 비하여 (압축기의 배제로 인하여) 진동 및 소음 저감의 효과를 얻을 수 있다.
흡수식 냉동기와 흡착식 냉동기의 차이점에 대하여 간략히 설명한다. 상기 흡수식 냉동기(110)에서는 흡수기(114)에서 흡수제에 냉매가 흡수된 후, 냉매가 흡수된 흡수제가 재생기(115)로 유입되어 여기에서 냉매와 흡수제가 다시 분리가 되는 방식으로 작동된다. 따라서 흡수기에서의 흡수제는 (순환시키기 용이한) 물과 같은 액체 형태로 이루어지게 된다. 반면, 흡착기에서는 흡착제는 고정 구비되어 움직이지 않고, 냉매만이 순환하면서 흡착제로의 흡착 또는 탈착이 이루어지게 된다. 따라서 흡착기에서의 흡착제는 (고정 구비시키기 용이한) 고체 형태로 이루어진다. 보다 구체적으로 설명하자면, 흡착기는 냉매가 유입 및 배출될 수 있는 수용 용기 형태로 이루어지되, 그 내부에 흡착제가 수용된 망 형태의 용기가 또다시 수용되게 된다. 즉 냉매는 흡착기로 유입되어 수용된 시점에서 흡착제와 자연스럽게 접촉하게 되며, 따라서 흡착제로의 흡착이 이루어지게 되는 것이다.
상기 제2냉매 흡착식 냉동기(120)의 각부에 대하여 보다 상세히 설명한다. 상기 제2냉매 흡착식 냉동기(120)는, 상기 흡수식 냉동기(110)를 순환하는 제1냉매와 열교환하여 제2냉매를 응축시키는 제2응축기(121), 상기 제2응축기(121)에서 배출된 제2냉매를 팽창시키는 제2팽창밸브(122), 상기 제2팽창밸브(122)를 통과한 냉매를 증발시켜 주변으로부터 열을 흡수하하여 제2냉매 증기로 만든 후 2개로 분기하여 배출시키는 제2증발기(123), 상기 제2증발기(123)로부터 분기 배출된 제2냉매 증기를 각각 유입받아 그 내부에 수용된 흡착제로 통과시키며, 서로 교대로 냉매의 흡착 및 탈착을 수행하는 제2냉매 제1흡착기(124a) 및 제2냉매 제2흡착기(124b)를 포함하여 이루어진다.
순환 단계에 대하여 보다 상세히 설명하자면 다음과 같다. 상기 제2응축기(121)에서는 제1냉매와의 열교환에 의하여 제2냉매의 응축이 이루어지게 된다. 이 때, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 제2응축기(121)는 상기 제1팽창밸브(112)를 통과하여 나온 제1냉매와 열교환하여 제2냉매를 응축시키도록 하는 것이 바람직하다. 이와 같이 응축된 제2냉매는 상기 제2팽창밸브(122)를 통과하면서 저온 저압이 되며, 상기 제2증발기(123)를 통과하면서 주변으로부터 증발열을 흡수하면서 증발되게 된다. 이 때, 상기 제2증발기(123)로 천연가스가 통과되도록 함으로써, 제2냉매가 천연가스로부터 증발열을 흡수하도록 하여, 결과적으로 천연가스의 냉각이 이루어지게 되는 것이다. 이와 같이 증발되어 기체 상태가 된 제2냉매 증기는, 상기 제2냉매 흡착기(124a)(124b)로 유입되어 흡착 또는 탈착이 이루어지게 된다.
이 때, 상기 제2냉매 제1흡착기(124a) 및 상기 제2냉매 제2흡착기(124b)에서 벌어지는 흡착 및 탈착 과정에 대하여 설명하자면 다음과 같다. 상기 제2증발기(123)를 거치면서 기체 상태가 된 제2냉매 증기가 상기 제2냉매 흡착기(124a)(124b)로 유입되었을 때, 흡착 과정 시에는, 제2냉매 증기를 냉각수와 열교환시켜 흡착열을 제거하여 흡착하게 된다. 이와 같이 흡착열을 제거해 줌으로써 흡착이 보다 원활하게 이루어지며, 물론 이에 따라 제2냉매 증기의 유통이 원활해지는 바, 상기 제2증발기(123)에서의 증발 역시 원활하게 이루어질 수 있게 된다.
이러한 흡착 과정이 오랫동안 진행되면, 흡착제에 흡착된 냉매 양이 포화되게 되며, 그러면 흡착기의 작동이 탈착 과정으로 전환되어 재생이 이루어지게 된다. 탈착 과정 시, LNG-FPSO의 가스 터빈으로부터 발생된 폐가스의 폐열을 이용하여 흡착제로부터 제2냉매의 탈착이 이루어지게 된다. 이와 같이 탈착된 제2냉매는 다시 상기 제2응축기(121)로 유입됨으로써 제2냉매의 순환이 이루어지게 된다.
상기 제2냉매 흡착식 냉동기(120)와 상기 제3냉매 흡착식 냉동기(130)는 그 내부를 통과하는 냉매의 종류가 다를 뿐 그 구성은 거의 유사하다. 즉, 제3냉매 흡착식 냉동기(130) 역시 제3응축기(131), 제3팽창밸브(132), 제3증발기(133), 제3냉매 제1흡착기(134a) 및 제3냉매 제2흡착기(134b)를 포함하여 이루어지게 되며, 각부의 동작 역시 상기 제2냉매 흡착식 냉동기(120)의 각 상응하는 부의 동작과 동일하다. 이 때, 상기 제3응축기(131)에서는 물론 상기 제2냉매 흡착식 냉동기(120)에서 순환되는 제2냉매와 열교환함으로써 제3냉매가 응축되도록 하는데, 이 경우에도 역시 상기 제2팽창밸브(122)를 통과하여 나온 제2냉매와 열교환하여 제3냉매가 응축되도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 제3냉매가 상기 제3증발기(133)를 통과하면서 증발되는 과정에서 역시 상기 제3증발기(133)를 통과하는 천연가스로부터 증발열을 흡수함으로써, 천연가스가 최종적으로 냉각되게 된다.
마지막으로, 본 발명의 LNG-FPSO용 단계형 흡수 및 흡착식 단계형 액화 장치(100)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1증발기(113) - 상기 제2증발기(123) - 상기 제3증발기(133)에 의하여 순차적으로 단계적 냉각된 천연가스를 팽창시키는 팽창밸브(141); 상기 팽창밸브(141)를 통과한 천연가스를 기액 분리하는 기액분리기(142); 를 더 포함하여 이루어지게 된다. 상기 팽창밸브(141)에서는 줄-톰슨 팽창 과정에 의하여 천연가스의 완전한 액화를 수행하며, 상기 기액분리기(142)에서는 냉각되어 액화된 천연가스 중 일부라도 남아있는 기체 상태의 천연가스를 분리하여 순수한 액화 천연가스만을 모아 배출하도록 한다.
본 발명에서는, 상술한 바와 같이 각 냉각기에서 일반적인 냉동 사이클의 압축기에 해당하는 부분이 모두 흡수기/재생기나 흡착기로 대체됨으로써, 액화 장치 전체적으로 압축기를 완전히 배제한 채 만들어질 수 있어, 진동 및 소음을 크게 저감시킬 수 있게 된다. 또한, 특히 본 발명에서는 기존에는 그저 버려질 뿐으로 낭비되어 버렸던 가스 터빈의 폐열을, 재생기 또는 재생 과정의 흡착기에서 사용되도록 함으로써 에너지 낭비를 크게 줄일 수 있어, 친환경적인 시스템을 구축할 수 있음은 물론 운전 비용 또한 절약할 수 있다. 더불어, CFC계 냉매와 같은 오존층 파괴 문제가 있는 냉매가 아닌, 암모니아, 에틸렌, 메탄과 같은 냉매를 사용하기 때문에 보다 친환경적이면서도, 단계적인 냉각을 통하여 종래와 동급이거나 또는 더 우수한 냉각 효율을 얻을 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: (본 발명의) 액화 장치
110: 흡수식 냉동기 111: 제1응축기
112: 제1팽창밸브 113: 제1증발기
114: 흡수기 115: 재생기
116: 펌프
120: 제2냉매 흡착식 냉동기 121: 제2응축기
122: 제2팽창밸브 123: 제2증발기
124a: 제2냉매 제1흡착기 124b: 제2냉매 제2흡착기
130: 제3냉매 흡착식 냉동기 131: 제3응축기
132: 제3팽창밸브 133: 제3증발기
134a: 제3냉매 제1흡착기 134b: 제3냉매 제2흡착기
141: 팽창밸브 142: 기액분리기

Claims (10)

  1. LNG-FPSO(Liquefied Natural Gas-Floating Production Storage Offloading)용 천연가스 액화 장치(100)에 있어서,
    제1냉매 및 흡수제가 순환되며 천연가스를 냉각하는 흡수식 냉동기(110);
    제2냉매가 순환되며 천연가스를 냉각하는 제2냉매 흡착식 냉동기(120);
    제3냉매가 순환되며 천연가스를 냉각하는 제3냉매 흡착식 냉동기(130);
    를 포함하여 이루어지며,
    천연가스가 상기 흡수식 냉동기(110)에 포함된 제1증발기(113)를 통과하는 제1냉매 - 상기 제2냉매 흡착식 냉동기(120)에 포함된 제2증발기(123)를 통과하는 제2냉매 - 상기 제3냉매 흡착식 냉동기(130)에 포함된 제3증발기(133)를 통과하는 제3냉매와 순차적으로 열교환하여 단계적으로 냉각되는 것을 특징으로 하는 LNG-FPSO용 단계형 흡수 및 흡착식 단계형 액화 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 흡수식 냉동기(110)는
    제1냉매가 순환하는 냉매순환부 및 흡수제가 순환하는 흡수제순환부로 이루어지되,
    상기 냉매순환부는
    냉각수와 열교환하여 제1냉매를 응축시키는 제1응축기(111),
    상기 제1응축기(111)에서 배출된 제1냉매를 팽창시키는 제1팽창밸브(112),
    상기 제1팽창밸브(112)를 통과한 제1냉매를 증발시켜 주변으로부터 열을 흡수하는 제1증발기(113),
    상기 제1증발기(113)로부터 배출된 제1냉매 증기를 유입받아 흡수제를 이용하여 온도를 떨어뜨려 상기 제1응축기(111)로 유입시켜 제1냉매를 순환시키는 흡수제순환부
    를 포함하여 이루어지고,
    상기 흡수제순환부는
    상기 제1증발기(113)로부터 배출된 제1냉매 증기를 유입받아 흡수제에 흡수시키는 흡수기(114),
    상기 흡수기(114)로부터 고온 및 저농도가 된 흡수제를 유입받아, LNG-FPSO의 가스 터빈으로부터 발생된 폐가스의 폐열을 이용하여 고농도 흡수제 및 제1냉매로 분리시켜, 고농도 흡수제는 상기 흡수기(114)로 유입시켜 흡수제를 순환시키고, 제1냉매는 상기 제1응축기(111)로 유입시켜 제1냉매를 순환시키는 재생기(115)
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 LNG-FPSO용 단계형 흡수 및 흡착식 단계형 액화 장치.
  3. 청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 2항에 있어서, 상기 흡수제 순환부는
    상기 흡수기(114)에서 배출된 고온 및 저농도의 흡수제를 상기 재생기(115)로 펌핑하는 펌프(116)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 LNG-FPSO용 단계형 흡수 및 흡착식 단계형 액화 장치.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 제2냉매 흡착식 냉동기(120)는
    상기 흡수식 냉동기(110)를 순환하는 제1냉매와 열교환하여 제2냉매를 응축시키는 제2응축기(121),
    상기 제2응축기(121)에서 배출된 제2냉매를 팽창시키는 제2팽창밸브(122),
    상기 제2팽창밸브(122)를 통과한 냉매를 증발시켜 주변으로부터 열을 흡수하하여 제2냉매 증기로 만든 후 2개로 분기하여 배출시키는 제2증발기(123),
    상기 제2증발기(123)로부터 분기 배출된 제2냉매 증기를 각각 유입받아 그 내부에 수용된 흡착제로 통과시키며, 서로 교대로 냉매의 흡착 및 탈착을 수행하는 제2냉매 제1흡착기(124a) 및 제2냉매 제2흡착기(124b)
    를 포함하여 이루어지며,
    상기 제2냉매 제1흡착기(124a) 및 상기 제2냉매 제2흡착기(124b)는
    흡착 과정 시, 제2냉매 증기를 냉각수와 열교환시켜 흡착열을 제거하여 흡착함으로써 상기 제2증발기(123)에서의 증발이 원활하게 이루어지도록 하고,
    탈착 과정 시, LNG-FPSO의 가스 터빈으로부터 발생된 폐가스의 폐열을 이용하여 흡착제로부터 제2냉매를 탈착하여 상기 제2응축기(121)로 유입시켜 제2냉매를 순환시키는 것을 특징으로 하는 LNG-FPSO용 단계형 흡수 및 흡착식 단계형 액화 장치.
  5. 청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 4항에 있어서, 상기 제2응축기(121)는
    상기 제1팽창밸브(112)를 통과하여 나온 제1냉매와 열교환하여 제2냉매를 응축시키는 것을 특징으로 하는 LNG-FPSO용 단계형 흡수 및 흡착식 단계형 액화 장치.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 제3냉매 흡착식 냉동기(130)는
    상기 흡수식 냉동기(110)를 순환하는 제2냉매와 열교환하여 제3냉매를 응축시키는 제3응축기(131),
    상기 제3응축기(131)에서 배출된 제3냉매를 팽창시키는 제3팽창밸브(132),
    상기 제3팽창밸브(132)를 통과한 냉매를 증발시켜 주변으로부터 열을 흡수하하여 제3냉매 증기로 만든 후 2개로 분기하여 배출시키는 제3증발기(133),
    상기 제3증발기(133)로부터 분기 배출된 제3냉매 증기를 각각 유입받아 그 내부에 수용된 흡착제로 통과시키며, 서로 교대로 냉매의 흡착 및 탈착을 수행하는 제3냉매 제1흡착기(134a) 및 제3냉매 제2흡착기(134b)
    를 포함하여 이루어지며,
    상기 제3냉매 제1흡착기(134a) 및 상기 제3냉매 제2흡착기(134b)는
    흡착 과정 시, 제3냉매 증기를 냉각수와 열교환시켜 흡착열을 제거하여 흡착함으로써 상기 제3증발기(133)에서의 증발이 원활하게 이루어지도록 하고,
    탈착 과정 시, LNG-FPSO의 가스 터빈으로부터 발생된 폐가스의 폐열을 이용하여 흡착제로부터 제3냉매를 탈착하여 상기 제3응축기(131)로 유입시켜 제3냉매를 순환시키는 것을 특징으로 하는 LNG-FPSO용 단계형 흡수 및 흡착식 단계형 액화 장치.
  7. 청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제 6항에 있어서, 상기 제3응축기(131)는
    상기 제2팽창밸브(122)를 통과하여 나온 제2냉매와 열교환하여 제3냉매를 응축시키는 것을 특징으로 하는 LNG-FPSO용 단계형 흡수 및 흡착식 단계형 액화 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 액화 장치(100)는
    상기 제1증발기(113) - 상기 제2증발기(123) - 상기 제3증발기(133)에 의하여 순차적으로 단계적 냉각된 천연가스를 팽창시키는 팽창밸브(141);
    상기 팽창밸브(141)를 통과한 천연가스를 기액 분리하는 기액분리기(142);
    를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 LNG-FPSO용 단계형 흡수 및 흡착식 단계형 액화 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 흡수제는 물,
    상기 제1냉매는 암모니아,
    상기 제2냉매는 에틸렌,
    상기 제3냉매는 메탄
    인 것을 특징으로 하는 LNG-FPSO용 단계형 흡수 및 흡착식 단계형 액화 장치.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 액화 장치(100)는
    상기 흡수식 냉동기(110)에서는 -40℃ 내지 -20℃ 범위 내의 온도가 되도록,
    상기 제2냉매 흡착식 냉동기(120)에서는 -110℃ 내지 -90℃ 범위 내의 온도가 되도록,
    상기 제3냉매 흡착식 냉동기(130)에서는 -160℃ 내지 -140℃ 범위 내의 온도가 되도록
    단계적으로 천연가스를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 LNG-FPSO용 단계형 흡수 및 흡착식 단계형 액화 장치.
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