KR101349493B1 - 순산소 연소식 기화장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 버너에서 공기 대신 고순도의 산소가 공급되어 연소되며, 발생된 배기가스 중 이산화탄소를 포집하여 저장할 수 있는 순산소 연소식 기화장치에 관한 것으로, 본 발명에 의한 순산소 연소식 기화장치는, LNG(Liquefied Natural Gas)가 저장되는 LNG 저장수단; 수조와, 상기 수조 내에 구비되며 연료가스가 연소되면서 상기 수조 내의 물이 가열되도록 하는 버너와, 상기 수조 내에 구비되며 상기 LNG 저장수단으로부터 공급받게 된 LNG가 통과되면서 상기 수조 내의 가열된 물과 열교환되어 기화되도록 하는 제1 열교환기가 포함되는 LNG 기화수단; 산소를 생산하여 상기 버너에 산소를 공급하는 산소 생산수단; 상기 LNG 기화수단에서 배출되는 배기가스에서 이산화탄소를 포집하여 액화하는 이산화탄소 액화수단; 및 상기 이산화탄소 액화수단에 의해 액화된 이산화탄소가 저장되는 액화 이산화탄소 저장수단;이 포함된다.

Description

순산소 연소식 기화장치{Pure oxygen combustion type Submerged Vaporizer}
본 발명은 순산소 연소식 기화장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 버너에서 공기 대신 고순도의 산소가 공급되어 연소되며, 발생된 배기가스 중 이산화탄소를 포집하여 저장할 수 있는 순산소 연소식 기화장치에 관한 것이다.
일반적으로 액화천연가스, 즉 LNG(Liquefied Natural Gas)는 천연가스의 수송 및 저장을 위해 산지로부터 냉각시켜 부피를 1/600으로 줄인 무색, 무취의 투명한 초저온(-162℃) 액화가스를 말한다.
LNG는 산지에서 LNG 수송선에 의해 LNG 인수기지로 수송되어 특수하게 제작된 LNG 저장탱크에 저장되며, 저장된 LNG는 공급을 위해 LNG 기화장치에서 기화시켜 수요처에 공급된다.
LNG는 1kg당 총 200Kcal의 냉열에너지를 가지고 있으며, 가스 수요처로의 공급을 위해 기화공정을 거치게 된다.
기화공정에서는, 연소식 기화기(Submerged Combustion Vaporizer;SMV)가 사용되기도 하는데, 연소식 기화기는, 연료가스가 연소되면서 발생되는 열을 이용하여 -160℃의 LNG를 0℃의 천연가스로 기화시키게 된다.
종래의 연소식 기화기는, 한국등록특허 제10-1000510호의 등록공보 내용 중 첨부도면 2에서 개시된 연소식 기화기를 예로 들 수 있으며, 개시된 바와 같이 수조와, 수조 내에 설치되는 열교환기 및 버너가 포함된다.
버너는 연료가스와 공기를 공급받게 되며, 수조 내의 물은, 연료가스의 연소시 발생되는 열에 의해 온도가 높아지게 된다. 그리고 수조 내에서 발생하는 기포가 상승하면서 물을 대류시키게 된다. 이때 열교환기, 구체적으로 LNG 튜브를 통과하는 LNG는 수조 내의 가열된 물과 열교환되면서 기화하게 된다.
이러한 연소식 기화기는 연료가스의 연소시 다량의 이산화탄소가 발생하며, 발생된 이산화탄소는 배기관을 통해 공기 중으로 배출된다.
한편, 우리나라는 2012년부터 시작될 교토의정서 2차 공약기간 중에 브라질, 중국 및 인도와 함께 온실가스의 2차 의무감축대상에 가장 유력시되는 국가로 지목되고 있다.
따라서, 이러한 변화에 능동적으로 대처하기 위해서는 전술한 종래의 연소식 기화기에서 배출되는 이산화탄소를 회수하여 처리하는 방안이 모색되어야 한다.
본 발명은 전술한 종래의 연소식 기화기가 갖는 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 연소식 기화기에서 배출되는 이산화탄소를 효과적으로 포집 및 저장하기 위하여 공기연소 대신 순산소를 이용하여 연소하는 순산소 연소식 기화장치를 제시하고자 한다.
또한, 연소식 기화기에서 발생된 배기가스에서 이산화탄소를 포집하여 저장함으로써 공기 중으로 이산화탄소가 배출되지 않도록 하는 순산소 연소식 기화장치를 제시하고자 한다.
전술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 의한 순산소 연소식 기화장치는, LNG(Liquefied Natural Gas)가 저장되는 LNG 저장수단; 수조와, 상기 수조 내에 구비되며 연료가스가 연소되면서 상기 수조 내의 물이 가열되도록 하는 버너와, 상기 수조 내에 구비되며 상기 LNG 저장수단으로부터 공급받게 된 LNG가 통과되면서 상기 수조 내의 가열된 물과 열교환되어 기화되도록 하는 제1 열교환기가 포함되는 LNG 기화수단; 산소를 생산하여 상기 버너에 산소를 공급하는 산소 생산수단; 상기 LNG 기화수단에서 배출되는 배기가스에서 이산화탄소를 포집하여 액화하는 이산화탄소 액화수단; 및 상기 이산화탄소 액화수단에 의해 액화된 이산화탄소가 저장되는 액화 이산화탄소 저장수단;이 포함된다.
이때, 상기 연료가스는 상기 LNG 기화수단에 의해 기화된 NG(Natural Gas)일 수 있다.
그리고, 상기 산소 생산수단은, 외부로부터 유입된 공기를 필터링 하는 공기필터; 상기 공기필터를 통과한 공기가 압축되도록 하는 공기 압축기; 상기 공기 압축기에서 압축된 공기가 유입되며, 내부에 제올라이트가 충전되어 유입된 공기에서 질소가 흡착되고 산소가 투과 배출되도록 하는 흡착탑; 및 상기 흡착탑에서 배출된 산소가 저장되며, 상기 버너로 산소가 공급되도록 상기 버너와 연결되는 산소 저장수단;이 포함되어 이루어질 수 있다.
또한, 상기 산소 생산수단은, 상기 공기 압축기에서 압축된 공기가 냉각되도록 하는 공기 냉각기; 및 상기 공기 냉각기에서 냉각된 공기 중 물이 분리되도록 하여, 가스상태의 공기가 상기 흡착탑으로 공급되도록 상기 흡착탑과 연결되는 물 분리기;가 더 포함될 수도 있다.
그리고, 상기 산소 저장수단은, 상기 흡착탑으로부터 배출되는 산소가 저장되는 버퍼 탱크(buffer tank); 및 상기 버퍼 탱크로부터 산소를 공급받아 저장한 후 상기 버너로 산소가 공급되도록 하는 산소 홀더;가 포함되어 이루어질 수 있다.
이때, 상기 산소 홀더로부터 상기 버너로 공급되는 산소의 유량을 조절하는 산소 공급량 조절수단;이 더 포함될 수 있다.
상기 산소 공급량 조절수단은, 상기 산소 홀더로부터 상기 버너로 공급되는 산소의 유량을 조절하는 솔레이노이드 밸브; 상기 LNG 기화수단으로부터 배출되는 배기가스 내의 산소량을 측정하는 산소센서; 및 상기 산소센서의 감지신호를 입력받아 상기 솔레노이드 밸브의 작동을 제어하는 제어부;가 포함되어 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 산소 생산수단은, 상기 흡착탑과 연결되며, 상기 흡착탑의 내부를 감압하여 상기 흡착탑에서 흡착된 질소가 분리되도록 한 후 상기 흡착탑으로부터 배출되도록 하는 진공펌프;가 더 포함될 수 있다.
이때, 상기 산소 생산수단은, 상기 흡착탑으로부터 상기 진공펌프를 통해 배출되는 질소가 외부로 배출되도록 상기 진공펌프와 연결되며, 상기 진공펌프에 의해 발생되는 소음이 제거되도록 하는 소음기;가 더 포함될 수도 있다.
한편, 상기 이산화탄소 액화수단은, 상기 연료가스의 연소 후 발생되어 상기 LNG 기화수단으로부터 배출되는 배기가스가 압축되도록 하는 배기가스 압축기; 상기 배기가스 압축기에 의해 압축된 배기가스가 냉각되도록 하는 배기가스 냉각기; 상기 배기가스 냉각기에 의해 냉각된 배기가스에서 물 분자가 분리되도록 한 후 남게 된 이산화탄소가 배출되도록 하는 분자여과기(Molecular Sieve;MS); 및 상기 분자여과기로부터 배출되는 이산화탄소가 열교환되면서 액화되도록 한 후 상기 액화 이산화탄소 저장수단으로 배출되도록 하는 열교환수단;이 포함되어 이루어질 수 있다.
이때, 상기 열교환수단은, 외부로부터 공급된 열교환매체가 통과되는 응축기; 및 상기 응축기로부터 배출되는 상기 열교환매체가 통과하되, 상기 분자여과기로부터 배출된 이산화탄소가 통과되면서 상기 열교환매체와 열교환하게 되는 제2 열교환기;가 포함되어 이루어지되, 상기 제2 열교환기를 통과한 이산화탄소는, 상기 응축기로 공급되어 외부로부터 상기 응축기로 공급된 상기 열교환매체와 열교환됨에 따라, 액화될 수 있다.
그리고, 상기 이산화탄소 액화수단은, 상기 제2 열교환기와 연결되어 상기 제2 열교환기로부터 배출되는 상기 열교환매체가 통과하게 되고, 상기 배기가스 압축기 및 상기 배기가스 냉각기와 연결되어 상기 배기가스 압축기로부터 배출된 배기가스가 통과되면서 상기 열교환매체와 열교환된 후 상기 배기가스 냉각기로 공급되도록 하는 제3 열교환기;가 더 포함될 수 있다.
한편, 상기 응축기로 공급되는 상기 열교환매체는 상기 LNG 저장수단으로부터 배출된 LNG로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 산소 생산수단에 의해 생산된 산소가 버너로 공급되어 연소됨에 따라 버너에서 순산소 연소가 이루어지기 때문에, 버너에서의 연소효율이 향상되며, 이를 통해 LNG 기화수단으로부터 배출되는 이산화탄소의 양을 줄일 수 있다.
또한, 이산화탄소 액화수단 및 액화 이산화탄소 저장수단이 포함됨으로써, 순산소 연소에 따라 배출되는 배기가스로부터 용이하게 이산화탄소를 포집, 저장하여, 외부공기 중으로 이산화탄소가 배출되지 않도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순산소 연소식 기화장치의 계통도,
도 2는 도 1에 도시된 산소 생산수단의 계통도,
도 3은 도 1에 도시된 이산화탄소 액화수단 및 액화 이산화탄소 저장수단의 계통도,
도 4는 도 1에 도시된 연소식 기화장치에서 산소 공급량 조절수단이 더 포함된 연소식 기화장치의 계통도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순산소 연소식 기화장치에 관하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 순산소 연소식 기화장치(1)는, LNG 저장수단(100), LNG 기화수단(200), 산소 생산수단(300), 이산화탄소 액화수단(400) 및 액화 이산화탄소 저장수단(500)이 포함되어 이루어진다.
LNG 저장수단(100)은, LNG(Liquefied Natural Gas)가 저장되는 저장탱크로 이루어질 수 있으며, 여기에 저장된 LNG는 매우 저온, 예컨대 -155℃의 온도를 갖는 LNG 일 수 있다. 그리고 LNG 저장수단(100)은, 하나의 저장탱크 또는 그 이상의 저장탱크로 이루어질 수 있다.
LNG 기화수단(200)은, 종래의 연소식 기화기(Submerged Combustion Vaporizer;SMV)가 일 예로서 제시될 수 있다.
이 경우, LNG 기화수단(200)은, 수조(210)와, 버너(220)와, 제1 열교환기(230)가 포함되어 이루어질 수 있다.
수조(210)는 내부에 물이 저장되며, 버너(220)는 이러한 수조(210) 내부에 구비된다. 버너(220)는 외부로부터 공기 및 연료가스를 공급받게 되며, 연료가스가 연소되면서 발생하는 열에 의해 수조(210) 내부의 물을 가열시키게 된다.
제1 열교환기(230)는, 버너(220)와 마찬가지로 수조(210) 내부에 구비된다. 제1 열교환기(230)는 LNG 저장수단(100)으로부터 공급되는 LNG가 통과하게 되는데, LNG가 LNG 저장수단(100)으로부터 제1 열교환기(230)로 공급되어 통과될 수 있도록, 도시된 바와 같이 적어도 하나 이상의 펌프(110)가 LNG 저장수단(100)과 연결될 수 있다.
LNG는 제1 열교환기(230)를 통과하는 과정에서, 버너(220)에 의해 가열된 수조(210) 내의 물과 서로 열교환하게 된다. 그리고 열교환 과정에서 기화되어, NG(Natural Gas)가 된다.
이렇게 기화된 NG는 LNG 기화수단(200)으로부터 배출되어 필요한 수요처로 공급되며, 이때, 버너(220)의 연료가스로서 사용되도록 일부가 버너(220)로 공급될 수도 있다.
한편, 산소 생산수단(300)은, 고순도의 산소(이하 '순산소'라 한다)를 생산하여 버너(220)로 공급하는 수단이다.
본 실시예에 따른 순산소 연소식 기화장치(1)는, LNG 기화수단(200)에 포함되는 버너(220)가 단순히 공기를 공급받아 연소하는 것이 아니라 순산소를 공급받아 연소하도록 구성된다.
순산소의 연소는 공기연소와 달리 연소의 대상물에 질소가 없기 때문에 폐열낭비가 줄고 연소효율이 높아져 결과적으로 CO₂ 배출이 줄어들게 된다. 뿐만 아니라 공기가 연소할 때와 비교하여, 버너(220)에서의 연소 후 발생되는 배기가스가 대부분 이산화탄소(CO₂)와 수분(H₂O)으로 이루어지기 때문에 이산화탄소의 분리회수가 용이하다.
산소 생산수단(300)은, 구체적으로 도 2에 도시된 바와 같이 공기필터(310), 공기 압축기(320), 흡착탑(350), 그리고 산소 저장수단(360)이 포함되어 이루어질 수 있다.
공기필터(310)는 외부로부터 유입되는 공기를 필터링하는 수단이다.
공기필터(310)에 의해 필터링된 공기는 후술할 흡착탑(350)으로 공기가 유입되도록, 그리고 후술할 산소 저장수단(360)으로 유입되어 저장될 수 있도록, 공기 압축기(320)에 의해 압축(가압)된다. 이때, 공기에 대한 가압이 가중될 필요가 있는 경우에는, 도시된 바와 같이 밸브(322)에 의해 개폐되는 회귀로(321)를 형성하고, 회귀로(321)를 따라 공기 압축기(320) 이전 경로로 재유입된 공기에 공기 압축기(320)에 의한 반복 가압이 행해지도록 할 수도 있다.
공기 압축기(320)에 의해 압축된 공기는, 후술할 흡착탑(350)에서 질소의 흡착력이 높아지도록 하기 위하여, 냉각될 수도 있다. 이를 위해서 본 실시예에 따른 산소 생산수단(300)은 도시된 바와 같이 공기 냉각기(330)가 더 포함될 수 있다.
공기 냉각기(330)에 의해 냉각된 공기 중 일부는 냉각에 따라 물로 상태 변화할 수 있는데, 후술할 흡착탑(350)은 가스 상태의 공기가 유입되는 것이 질소 흡착력의 향상에 도움이 되기 때문에, 본 실시예에 따른 산소 생산수단(300)은 이러한 물을 분리해 내는 물 분리기(water separator)(340)가 더 포함될 수 있다.
물 분리기(340)를 거치면서 물이 분리된 가스상태의 공기는 흡착탑(350)의 내부로 유입된다.
흡착탑(350)은, 내부로 유입된 공기에서 질소를 분리해 내는 수단으로서, 내부에 제올라이트(Zeolite)가 충전된다.
제올라이트는, 공기 중 질소에 대해서는 강한 흡착 성능을 나타내고, 산소에 대해서는 약한 흡착 성능을 갖는다. 이에 따라 제올라이트에 공기가 공급되면, 질소는 흡착되고 산소는 투과 배출되어 질소가 배제된 산소를 생산할 수 있다.
흡착탑(350)은, 이러한 제올라이트가 내부에 충전되어 있으며, 산소의 순도를 높이기 위해, 그리고 산소의 연속적인 생산이 가능하도록 도시된 바와 같이 수평적으로 병렬 연결된 2개 이상의 제올라이트 충전탑으로 구성될 수도 있다. 다만, 이러한 예로 반드시 한정되는 것은 아니며, 이 기술분야에서 사용되는 일반적인 제올라이트 충전탑이라면 구조나 개수에 있어서 적절한 것을 채택하여 사용할 수 있음은 물론이다. 이하에서는 도시된 흡착탑(350)의 예를 기준으로 설명하기로 한다.
물 분리기(340)를 거친 가스상태의 공기는 두 개의 흡착탑(350) 중 어느 하나의 흡착탑(350)에 유입되며, 유입된 공기 중의 질소분자는 흡착력의 차이에 따라 산소분자보다 먼저 흡착탑(350)에서 흡착된다.
어느 하나의 흡착탑(350)은 내부 충전물이 포화상태가 될 때까지 질소분자가 흡착되며, 이 과정에서 산소를 투과 배출, 즉 산소를 생산하여 배출하게 된다.
어느 하나의 흡착탑(350)이, 흡착된 질소분자로 포화상태가 되면, 제어장치(미도시)에 의해 솔레노이드 밸브(351)를 조작함으로써, 물 분리기(340)를 거친 가스상태의 공기가 다른 하나의 흡착탑(350)으로 유입되도록 할 수 있다.
다른 하나의 흡착탑(350)에서도 전술한 어느 하나의 흡착탑(350)과 마찬가지의 과정을 거치면서 산소를 생산 및 배출하게 된다.
이때, 흡착된 질소분자로 포화된 어느 하나의 흡착탑(350)에서는 산소의 재생산을 위해 질소를 탈착시키는 과정을 거칠 수 있다.
더욱 구체적으로, 본 실시예에 따른 산소 생산수단(300)에는 흡착탑(350)에서 질소를 분리해내기 위하여 진공펌프(370)가 더 포함될 수 있다.
진공펌프(370)는, 흡착탑(350) 내부의 공기 등을 흡입하여 흡착탑(350) 내부의 압력을 대기압 또는 진공상태가 되도록 감압시킴으로써, 흡착탑(350)에서 흡착된 질소가 분리되도록 하며, 분리된 질소가 흡착탑(350)의 외부로 배출되도록 유도한다.
흡착탑(350) 외부로 배출된 질소는 외부 공기 중으로 배출되더라도 유해하지 않기 때문에 곧바로 외부 공기 중으로 배출되도록 할 수 있다. 하지만, 진공펌프(370)에 의해 발생된 공기압으로 인해 큰 소음이 발생됨을 고려할 때, 질소의 배출에 앞서 소음이 제거되도록 할 필요가 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 산소 생산수단(300)은, 흡착탑(350)으로부터 진공펌프(370)를 거쳐 배출되는 질소가, 외부로 배출되기 이전에 소음이 제거되는 과정을 거친 다음 외부로 배출되도록, 진공펌프(370)와 연결되는 소음기(380)를 더 포함할 수 있다.
산소 생산수단(300)은, 도시된 바와 같이 병렬적으로 연결된 두 개의 흡착탑(350)이 포함되어 이루어짐으로써, 어느 하나의 흡착탑(350)이 산소를 생산하는 동안에 다른 하나의 흡착탑(350)에서 질소를 분리해 제거하는 과정을, 그리고, 다른 하나의 흡착탑(350)에서 산소를 생산하는 동안에 어느 하나의 흡착탑(350)에서 질소를 분리, 제거하는 과정을 거치도록 하여, 이러한 반복 과정상에서 산소를 연속하여 생산해 낼 수 있다.
산소 생산수단(300)에 의해 생산된 순산소는, 산소 저장수단(360)으로 이동하여 저장되며, 필요에 따라 버너(220)로 공급된다.
산소 저장수단(360)은, 구체적인 일 예로서, 버퍼 탱크(361)와, 산소 홀더(362)가 포함되어 이루어질 수 있다.
흡착탑(350)을 거쳐 배출되는 산소는 압축된 상태이고, 또한 공기 압축기(320)의 부하에 따라, 배출되는 산소의 압력에 변동이 생길 수 있기 때문에, 안정적인 산소의 출력(배출)을 위해 산소의 압력을 흡수하여 저장할 수 있는 버퍼 탱크(361)가 사용될 수 있다.
따라서, 흡착탑(350)을 거쳐 배출되는 산소는 최초 버퍼 탱크(361)에서 저장되도록 할 수 있으며, 버퍼 탱크(361)에 저장된 산소는 산소의 저장용기인 산소 홀더(362)로 유입되어 산소 홀더(362)에서 저장될 수 있다.
산소 홀더(362)에 저장된 산소는 전술한 바와 같이 버너(220)에서의 연료가스의 연소를 위해 버너(220)로 공급된다. 그리고, 과잉 생산된 산소는, 필요에 따라 외부 공기 중으로 배출될 수 있도록, 도시된 바와 같이 소음기(380)로 유입되게 할 수도 있다.
도시된 예에서는 산소 생산량을 고려하여 두 개의 산소 생산수단(300)이 구비된 예가 제시되나, 이에 한정되지 않으며, 필요한 산소 생산량을 고려하여 하나 또는 그 이상의 수에서 적절한 수를 선택하여 산소 생산수단(300)을 구비할 수 있음은 물론이다.
한편, 이산화탄소 액화수단(400)은 LNG 기화수단(200)에서 배출되는 배기가스, 즉 버너(220)의 연소에 의해 발생되어 배출되는 배기가스에서 이산화탄소를 포집하여 액화하는 수단이다.
이산화탄소 액화수단(400)은, 구체적으로 도 3에 도시된 바와 같이, 배기가스 압축기(421,422,423), 배기가스 냉각기(431,432,433), 분자여과기(440), 그리고 열교환수단이 포함되어 이루어질 수 있다.
전술한 바와 같이 LNG 기화수단(200)에서 배출되는 배기가스는, 순산소와 NG가 연소되어 발생되는 것이므로 대부분 이산화탄소(CO₂)와 수분(H₂O)으로 이루어진다.
여기서 수분은 물 분리기(water separator)(410)에서 분리해내어 드레인(drain)되도록 할 수 있으며, 수분이 제거된 배기가스는, 배기가스 압축기(421)로 유입되어 압축되고, 연이어 배기가스 냉각기(431)로 유입되면서 냉각된다.
이산화탄소는 삼중점이 대략 섭씨 영하 56.4도 및 5.18 bar에서 형성되기 때문에, 배기가스가 압축 및 냉각됨에 따라 전술한 삼중점 이상의 압력 상태에 놓이게 되면 이산화탄소가 액화될 수 있다. 따라서, 이산화탄소의 액화를 위해서 배기가스 압축기(421,422,423) 및 배기가스 냉각기(431,432,433)가 사용된다.
도시된 바에서는 압축 및 냉각 효율을 위하여 세 개의 배기가스 압축기(421,422,423) 및 세 개의 배기가스 냉각기(431,432,433)가 사용되는 예가 도시되나, 이는 하나의 예에 불과하며, 주어진 조건에 따라 적절한 압축 및 냉각이 이루어지도록 적절한 수의 배기가스 압축기 및 배기가스 냉각기가 포함될 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 이산화탄소 액화수단(400)은, 배기가스 압축기(421,422,423) 및 배기가스 냉각기(431,432,433) 만을 사용하여 이산화탄소를 액화할 수도 있지만, 이산화탄소 액화 과정상에서의 효율을 고려하고, 이산화탄소의 액화과정에서 배기가스가 갖는 열이 소모되는 점을 이용하여 LNG 저장수단(100)에 저장된 LNG가 기화되는 과정이 수반될 수 있도록, 배기가스 및 액화 전 상태의 이산화탄소와 LNG 저장수단(100)으로부터 배출되는 LNG 사이에 열교환이 이루어지도록 구성되며, 이에 관하여는 이하에서 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.
배기가스는 배기가스 압축기(421,422,423)와 배기가스 냉각기(431,432,433)를 거쳐 압축 및 냉각되는 과정에서 수분(H₂O)이 발생될 수 있다. 따라서, 이러한 수분의 제거를 위해 분자여과기(Molecular Sieve tower;M/S tower)(440)가 포함될 수 있다.
분자여과기(440)는, 배기가스에서 남아 있는 수분을 최종적으로 분리해내어 이산화탄소만이 투과 배출되도록 하는 수단으로서, 수분, 즉 물 분자가 투과, 배출되지 못하도록 하는 공지의 다양한 충전제, 예컨대 제올라이트나 알루미나와 같은 충전제가 내부에 충전될 수 있다.
분자여과기(440)를 거쳐 배출되는, 수분이 제거된 이산화탄소는 열교환수단으로 유입된다.
열교환수단은, 구체적으로 제2 열교환기(450)와 응축기(460)가 포함되어 이루어질 수 있다.
먼저 응축기(460)에 관하여 설명하면, 응축기(460)는 응축기(460)로 유입되는 이산화탄소가 열교환매체와 열교환하면서 최종적으로 액화되도록 하는 구성이다.
구체적으로, 응축기(460)로는 저온의 LNG가 유입된다. 이때 LNG는 전술한 LNG 저장수단(100)에 저장된 LNG가 유입되도록 할 수 있다. LNG 저장수단(100)에 저장된 LNG가 열교환 과정을 통해 기화되도록 하는 과정이, 이산화탄소 액화 과정상에서 수반되도록 할 수 있는 것이다.
LNG 저장수단(100)으로부터 배출되어 응축기(460)로 유입된 저온의 LNG는, 후술할 제2 열교환기(450)를 거쳐 응축기(460)로 유입된 이산화탄소를 냉각시켜 액화하는, 열교환매체가 된다. 응축기(460)에서의 이러한 열교환작용을 통해 이산화탄소는 최종적으로 액화되며, 액화된 이산화탄소는 응축기(460)와 연결된 액화 이산화탄소 저장수단(500), 예컨대 적어도 하나 이상으로 구비되는 이산화탄소 저장탱크로 이동하여 저장된다.
응축기(460)로 유입된 LNG는 응축기(460)로부터 배출되어 제2 열교환기(450)로 유입된다. 이때, LNG의 유입 및 배출 과정에서 응축기(460) 내부 공간에 머물던 공기가 함께 배출될 필요가 있는데, 이러한 공기 또한 LNG와의 열교환작용으로 냉각되어 있기 때문에, 응축기(460)로부터 배출되는 공기 역시 제2 열교환기(450)로 유입되도록 할 수 있다.
제2 열교환기(450)로 유입된 공기는 제2 열교환기(450)에서의 열교환작용을 거친 후 벤트(vent)를 통해 외부로 배출될 수 있다.
제2 열교환기(450)에는 전술한 바와 같이, 저온의 LNG와 냉각된 공기가 함께 유입된다. 그리고 전술한 분자여과기(440)로부터 배출된 이산화탄소 또한 제2 열교환기(450)로 유입된다.
분자여과기(440)로부터 배출된 이산화탄소는 제2 열교환기(450)를 거치면서 LNG 및 냉각된 공기와 열교환 작용을 거치면서 냉각된다. 이렇게 냉각된 이산화탄소는 전술한 바와 같이 응축기(460)로 유입되어 액화되며, LNG 또한 열교환작용을 통해 기화된 NG로 변화하게 된다.
한편, 본 실시예에 따른 이산화탄소 액화수단(400)은, 이산화탄소의 액화 효율 및 LNG의 기화효율이 제고되도록 제3 열교환기(470)가 더 포함될 수 있다.
제3 열교환기(470)는 도시된 바와 같이, 배기가스 압축기(423)와 배기가스 냉각기(433) 사이에 배치되도록 구비될 수 있다. 도시된 바에서는 세 번째 배기가스 압축기(423)와 세 번째 배기가스 냉각기(433) 사이에 제3 열교환기(470)가 배치된 예가 제시되나, 이에 한정되지 않으며, 그 이전 과정에 구비된 배기가스 압축기(421,422)와 배기가스 냉각기(431,432) 사이에 배치될 수 있음은 물론이다.
제3 열교환기(470)가 더 포함된 경우에는, 도시된 바와 같이 세 번째 배기가스 압축기(423)를 통해 압축된 배기가스가 제3 열교환기(470)로 유입된다. 그리고, 제2 열교환기(450)에서 열교환작용을 통해 기화된 NG가 제3 열교환기(470)로 유입된다.
따라서, 배기가스는 제3 열교환기(470)를 거치면서 더욱 냉각되며, 최초 응축기(460)로 유입된 LNG는 제2 열교환기(450) 및 제3 열교환기(470)를 거치면서 최종적으로 0℃ 부근의 온도를 갖는 기화된 NG가 될 수 있다. 그리고, 이렇게 기화된 NG는 도 1에 도시된 바와 같이 수요처로 공급되거나, 또는 버너(220)로 공급될 수 있으며, 제3 열교환기(470)를 거쳐 배출되는 배기가스는 세 번째 배기가스 냉각기(433)로 유입된다.
한편, 본 실시예에 따른 순산소 연소식 기화장치(1)는, 버너에서 완전연소가 이루어지도록 버너(220)로 공급되는 산소의 유량을 조절하는 산소 공급량 조절수단이 더 포함될 수 있다.
산소 공급량 조절수단은, 도 4에 도시된 바와 같이, 솔레노이드 밸브(610)와, 산소센서(620)와, 제어부(630)가 포함되어 이루어질 수 있다.
솔레노이드 밸브(610)는, 산소 홀더(362)와 버너(220)를 연결하는 유로 상에 구비되며, 산소 홀더(362)로부터 버너(220)로 공급되는 산소의 유량을 조절하게 된다.
이러한 솔레노이드 밸브(610)는 제어부(630)에 의해 제어되는데, 제어부(630)는 LNG 기화수단(200)으로부터 배출되는 배기가스에서 산소분압을 측정하여 산소량을 확인하는 산소센서(620)의 감지신호를 입력받아 솔레노이드 밸브(610)의 작동을 제어하게 된다.
본 실시예에 따른 순산소 연소식 기화장치(1)는, 산소 공급량 조절수단이 더 포함됨으로써, 버너(220)에서의 완전연소가 실현되도록 조절될 수 있으며, 이로써 산소 생산수단(300)에 의해 생산된 산소의 불필요한 소비를 방지할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 순산소 연소식 기화장치(1)는, 이처럼 산소 생산수단(300)이 포함됨으로써, 버너(220)에서 순산소 연소가 이루어지도록 하여 연소효율을 향상시킬 수 있으며, 이를 통해, LNG 기화수단(200)으로부터 배출되는 이산화탄소의 양을 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 순산소 연소식 기화장치(1)는, 이산화탄소 액화수단(400) 및 액화 이산화탄소 저장수단(500)이 포함됨으로써, 순산소 연소에 따라 배출되는 배기가스로부터 용이하게 이산화탄소를 포집, 저장하여, 외부로 공기 중으로 이산화탄소가 배출되지 않도록 할 수 있다.
본 발명은 특허청구범위에서 청구하는 청구의 요지를 벗어나지 않고도 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 변경 실시될 수 있으므로, 본 발명의 보호범위는 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 않는다.
1; 순산소 연소식 기화장치 100; LNG 저장수단
110; 펌프 200; LNG 기화수단
210; 수조 220; 버너
230; 제1 열교환기 300; 산소 생산수단
310; 공기필터 320; 공기 압축기
321; 회귀로 322; 밸브
330; 공기 냉각기 340; 물 분리기
350; 흡착탑 351; 솔레노이드 밸브
360; 산소 저장수단 361; 버퍼 탱크
362; 산소 홀더 370; 진공펌프
380; 소음기 400; 이산화탄소 액화수단
410; 물 분리기 421,422,423; 배기가스 압축기
431,432,433; 배기가스 냉각기 440; 분자여과기
450; 제2 열교환기 460; 응축기
470; 제3 열교환기 500; 액화 이산화탄소 저장수단
610; 솔레노이드 밸브 620; 산소센서
630; 제어부

Claims (13)

  1. LNG(Liquefied Natural Gas)가 저장되는 LNG 저장수단;
    수조와, 상기 수조 내에 구비되며 연료가스가 연소되면서 상기 수조 내의 물이 가열되도록 하는 버너와, 상기 수조 내에 구비되며 상기 LNG 저장수단으로부터 공급받게 된 LNG가 통과되면서 상기 수조 내의 가열된 물과 열교환되어 기화되도록 하는 제1 열교환기가 포함되는 LNG 기화수단;
    산소를 생산하여 상기 버너에 산소를 공급하는 산소 생산수단;
    상기 LNG 기화수단에서 배출되는 배기가스에서 이산화탄소를 포집하여 액화하는 이산화탄소 액화수단; 및
    상기 이산화탄소 액화수단에 의해 액화된 이산화탄소가 저장되는 액화 이산화탄소 저장수단;을 포함하되,
    상기 이산화탄소 액화수단은,
    상기 연료가스의 연소 후 발생되어 상기 LNG 기화수단으로부터 배출되는 배기가스가 압축되도록 하는 배기가스 압축기, 상기 배기가스 압축기에 의해 압축된 배기가스가 냉각되도록 하는 배기가스 냉각기, 상기 배기가스 냉각기에 의해 냉각된 배기가스에서 물 분자가 분리되도록 한 후 남게 된 이산화탄소가 배출되도록 하는 분자여과기(Molecular Sieve;MS), 외부로부터 공급된 열교환매체가 통과되는 응축기, 상기 응축기로부터 배출되는 상기 열교환매체가 통과하되 상기 분자여과기로부터 배출된 이산화탄소가 통과되면서 상기 열교환매체와 열교환하게 되는 제2 열교환기, 및 상기 제2 열교환기와 연결되어 상기 제2 열교환기로부터 배출되는 상기 열교환매체가 통과하게 되고 상기 배기가스 압축기 및 상기 배기가스 냉각기와 연결되어 상기 배기가스 압축기로부터 배출된 배기가스가 통과되면서 상기 열교환매체와 열교환된 후 상기 배기가스 냉각기로 공급되도록 하는 제3 열교환기를 포함하며,
    상기 제2 열교환기를 통과한 이산화탄소는 상기 응축기로 공급되어 외부로부터 상기 응축기로 공급된 상기 열교환매체와 열교환됨에 따라 액화되는 것을 특징으로 하는 순산소 연소식 기화장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료가스는 상기 LNG 기화수단에 의해 기화된 NG(Natural Gas)인 것을 특징으로 하는 순산소 연소식 기화장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 산소 생산수단은,
    외부로부터 유입된 공기를 필터링 하는 공기필터;
    상기 공기필터를 통과한 공기가 압축되도록 하는 공기 압축기;
    상기 공기 압축기에서 압축된 공기가 유입되며, 내부에 제올라이트가 충전되어 유입된 공기에서 질소가 흡착되고 산소가 투과 배출되도록 하는 흡착탑; 및
    상기 흡착탑에서 배출된 산소가 저장되며, 상기 버너로 산소가 공급되도록 상기 버너와 연결되는 산소 저장수단;이 포함되는 것을 특징으로 하는 순산소 연소식 기화장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 산소 생산수단은,
    상기 공기 압축기에서 압축된 공기가 냉각되도록 하는 공기 냉각기; 및
    상기 공기 냉각기에서 냉각된 공기 중 물이 분리되도록 하여, 가스상태의 공기가 상기 흡착탑으로 공급되도록 상기 흡착탑과 연결되는 물 분리기;가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 순산소 연소식 기화장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 산소 저장수단은,
    상기 흡착탑으로부터 배출되는 산소가 저장되는 버퍼 탱크(buffer tank); 및
    상기 버퍼 탱크로부터 산소를 공급받아 저장한 후 상기 버너로 산소가 공급되도록 하는 산소 홀더;가 포함되는 것을 특징으로 하는 순산소 연소식 기화장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 산소 홀더로부터 상기 버너로 공급되는 산소의 유량을 조절하는 산소 공급량 조절수단;이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 순산소 연소식 기화장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 산소 공급량 조절수단은,
    상기 산소 홀더로부터 상기 버너로 공급되는 산소의 유량을 조절하는 솔레이노이드 밸브;
    상기 LNG 기화수단으로부터 배출되는 배기가스 내의 산소량을 측정하는 산소센서; 및
    상기 산소센서의 감지신호를 입력받아 상기 솔레노이드 밸브의 작동을 제어하는 제어부;가 포함되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 순산소 연소식 기화장치.
  8. 청구항 3 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 산소 생산수단은,
    상기 흡착탑과 연결되며, 상기 흡착탑의 내부를 감압하여 상기 흡착탑에서 흡착된 질소가 분리되도록 한 후 상기 흡착탑으로부터 배출되도록 하는 진공펌프;가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 순산소 연소식 기화장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 산소 생산수단은,
    상기 흡착탑으로부터 상기 진공펌프를 통해 배출되는 질소가 외부로 배출되도록 상기 진공펌프와 연결되며, 상기 진공펌프에 의해 발생되는 소음이 제거되도록 하는 소음기;가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 순산소 연소식 기화장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 응축기로 공급되는 상기 열교환매체는 상기 LNG 저장수단으로부터 배출된 LNG인 것을 특징으로 하는 순산소 연소식 기화장치.
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