KR101763639B1 - 이종 액화가스 분리시스템 - Google Patents

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Abstract

이종 액화가스 분리시스템 및 이를 포함하는 선박을 개시한다. 본 발명의 실시 예에 따른 이종 액화가스 분리시스템은 제1액화가스와 제1액화가스보다 기화점이 높은 제2액화가스의 혼합물을 저장하는 저장탱크; 제1액화가스의 기화점과 제2액화가스의 기화점 사이의 온도로 저장탱크로부터 공급된 혼합물을 가열하는 가열부; 및 가열부를 거친 혼합물을 공급받아 기체성분과 액체성분으로 분리시키는 세퍼레이터;를 포함한다.

Description

이종 액화가스 분리시스템{SYSTEM FOR SEPERATING OF HETEROGENEOUS LIQUEFIED GAS}
본 발명은 이종 액화가스 분리시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.
셰일가스(Shale Gas) 및 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 ‘LNG’라 함) 등으로부터 추출된 에탄(Ethane)은 석유화학제품의 원료로 사용되며, 최근에는 그 경제성이 부각되고 있다. 1기압에서 에탄은 대략 ―88.6℃, LNG의 주요 구성 성분인 메탄은 대략 ―161.5℃의 끊는점을 갖는다.
에탄과 천연가스는 액화에탄 및 LNG 형태로 액화되어 선박에 저장될 수 있다. 선박은 액화연료 운반선, 액화연료 RV(Regasification Vessel), 컨테이너선, 일반상선, LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Off-loading), LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit) 등을 포함할 수 있다.
이러한 선박은 LNG 증발가스(BOG, Boil-Off Gas) 또는 LNG의 압력, 온도, 상태 등을 변환하여 엔진의 연료로 공급하는 시스템을 구비할 수 있다. 선박의 엔진은 이종연료를 연료로서 사용하는 DFDE(Dual Fuel Disel Electric) 엔진과 같은 저압가스 분사엔진과 ME-GI 엔진(Man B&W 사의 Gas Injection 엔진)과 같은 고압가스 분사엔진 등을 포함할 수 있다.
또, 선박은 LNG 증발가스를 효과적으로 재액화하여 저장하는 장치들을 구비할 수 있다. 예컨대, 한국공개특허 제10-2012-0103421호(2012.09.19. 공개)는 LNG 증발가스를 재액화하여 저장하는 구성을 제시한 바 있다. 이외에도 종래에는 LNG 증발가스를 재액화하여 LNG 저장 및 수송을 용이하게 수행할 수 있는 기술 개발이 활발하게 이루어지고 있다.
한편, 저장탱크에 액화에탄과 LNG를 혼합한 상태에서 수송하는 선박에서, LNG의 주성분인 메탄성분과 액화에탄의 주성분인 에탄성분을 분리시켜 에탄성분만을 재저장할 필요성이 있다. 이는 액화에탄을 하역시켜 공급처에 제공하거나, 고압가스 분사엔진 등의 연료로 공급하기 위함이다.
그러나, 액화에탄과 LNG가 혼합되어 저장된 상태에서 혼합물로부터 에탄성분을 분리시켜 재저장하는 기술에 대한 개발은 미흡한 실정이다.
한국공개특허 제10-2012-0103421호(2012.09.19. 공개)
본 발명의 실시 예는 제1액화가스와 제1액화가스보다 높은 기화점을 가진 제2액화가스를 혼합하여 수송하는 선박에서 제2액화가스 성분을 혼합물로부터 효과적으로 분리시켜 재저장하는 이종 액화가스 분리시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 제1액화가스와 상기 제1액화가스보다 기화점이 높은 제2액화가스의 혼합물을 저장하는 저장탱크; 상기 제1액화가스의 기화점과 상기 제2액화가스의 기화점 사이의 온도로 상기 저장탱크로부터 공급된 혼합물을 가열하는 가열부; 및 상기 가열부를 거친 상기 혼합물을 공급받아 기체성분과 액체성분으로 분리시키는 세퍼레이터;를 포함하는 이종 액화가스 분리시스템이 제공될 수 있다.
상기 가열부를 거친 혼합물의 온도를 측정하는 온도센서와, 상기 측정된 온도 값을 기초로 상기 제1액화가스의 기화점과 상기 제2액화가스의 기화점 사이의 값을 갖도록 상기 가열부를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 저장탱크로부터 공급된 혼합물이 상기 가열부 및 상기 세퍼레이터를 거치도록 마련된 공급라인과, 상기 세퍼레이터를 통해 분리된 액체성분이 상기 저장탱크에 재저장되도록 마련된 회수라인을 더 포함할 수 있다.
상기 저장탱크로부터 혼합물 증발가스를 공급받고, 상기 증발가스로부터 에탄성분과 메탄성분을 분리시키는 여과기와, 상기 여과기를 거쳐 분리된 에탄성분을 재액화시키는 재액화부를 더 포함할 수 있다.
상기 재액화부는 상기 여과기를 거쳐 분리된 에탄성분과 냉매 간 열교환이 수행되도록 하는 제1열교환부와, 상기 제1열교환부를 거친 냉매를 감압 팽창시키는 제1팽창장치와, 상기 제1열교환부를 거친 에탄성분과 상기 제1팽창장치를 거친 냉매 간 열교환이 수행되도록 하는 제2열교환부를 포함할 수 있다.
상기 세퍼레이터에 저장된 기체성분은 이송라인을 통해 소요처로 보내지고, 상기 여과기를 거쳐 분리된 메탄성분이 상기 이송라인을 통해 소요처로 보내지는 상기 세퍼레이터의 기체성분과 혼합되도록 상기 이송라인과 연결되는 혼합라인을 더 포함할 수 있다.
상기 제1액화가스는 액화천연가스, 상기 제2액화가스는 액화에탄일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상술한 액화가스 분리시스템을 포함하는 선박이 제공될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 이종 액화가스 분리시스템 및 이를 포함하는 선박은 제1액화가스와 제1액화가스보다 높은 기화점을 가진 제2액화가스를 혼합하여 수송하는 선박에서 제2액화가스 성분을 혼합물로부터 효과적으로 분리시켜 재저장할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이종 액화가스 분리시스템을 나타낸다.
도 2는 도 1에 도시된 이종 액화가스 분리시스템에 여과기 및 재액화부가 더 추가된 형태를 도시한 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 재액화부의 구성 예를 도시한 것이다.
이하에서는 본 발명의 실시 예들을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하에 소개되는 실시 예들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 본 발명은 이하 설명되는 실시 예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 도면에서 생략하였으며 도면들에 있어서, 구성요소의 폭, 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 이종 액화가스 분리시스템(1)은 제1액화가스와 제1액화가스보다 높은 기화점을 가진 제2액화가스를 혼합하여 수송하는 선박에서 제2액화가스 성분을 혼합물로부터 효과적으로 분리시켜 재저장할 수 있다. 이하, 제1액화가스는 LNG(액화천연가스), 제2액화가스는 액화에탄인 것을 예로 들어 설명한다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 기화점이 다른 다양한 이종의 액화가스에도 본 발명의 실시 예가 적용될 수 있다. 예컨대, 액화에틸렌, LPG(액화석유가스), 액화프로판, 액화부탄 등이 액화에탄 대신 사용될 수 있다.
이종 액화가스 분리시스템(1)은 액화에탄을 수송하는 선박에 설치될 수 있다. 또, 이종 액화가스 분리시스템(1)은 각종 액화연료 운반선, 액화연료 RV(Regasification Vessel), 컨테이너선, 일반상선, LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Off-loading), LNG FSRU(Floating Storage and Regasification Unit) 등을 포함하는 선박에 적용될 수 있다.
이러한 이종 액화가스 분리시스템(1)은 LNG와 LNG보다 기화점이 높은 액화에탄의 혼합물을 저장하는 저장탱크(110), LNG의 기화점과 액화에탄의 기화점 사이의 온도로 저장탱크(110)로부터 공급된 혼합물을 가열하는 가열부(120), 및 가열부(120)를 거친 혼합물을 공급받아 기체성분과 액체성분으로 분리시키는 세퍼레이터(130)를 포함한다.
또, 이종 액화가스 분리시스템(1)은 저장탱크(110)로부터 공급된 혼합물이 가열부(120) 및 세퍼레이터(130)를 거치도록 마련된 공급라인(L1)과, 세퍼레이터(130)를 통해 분리된 액체성분이 저장탱크(110)에 재저장되도록 마련된 회수라인(L2)을 구비할 수 있다.
저장탱크(110)는 내부에 저장탱크(110)에 저장된 혼합물을 공급라인(L1)으로 공급하는 공급펌프(P)를 마련할 수 있다. 저장탱크(110)는 예컨대 멤브레인형 탱크, SPB형 탱크를 포함할 수 있다.
가열부(120)는 예컨대 ―150℃ 내지 ―100℃ 사이의 온도로 혼합물을 가열할 수 있다. LNG의 주성분인 메탄의 기화점은 대략 ―161.5℃이고, 액화에탄의 주성분인 에탄의 기화점은 대략 ―88.6℃이므로, 가열부(120)를 거친 혼합물 중 메탄성분은 대부분 기화되고, 에탄성분은 액체 상태를 유지한다. 가열부(120)는 히터 등을 포함할 수 있다.
여기서, 세퍼레이터(130) 전단에 배치된 온도센서(T)는 가열부(120)를 거친 혼합물의 온도를 측정한다.
그리고, 제어부(140)는 온도센서(T)에 의해 측정된 온도 값을 기초로 LNG의 기화점과 액화에탄의 기화점 사이의 값을 갖도록 가열부(120)를 제어한다.
세퍼레이터(130)는 가열부(120)를 거쳐 기체와 액체 상태로 존재하는 혼합물을 기체성분과 액체성분으로 분리시킨다. 이때, 기체성분은 주로 메탄으로 이루어져 있고, 액체성분은 주로 에탄으로 이루어져 있다.
액체성분은 회수라인(L2)을 통해 저장탱크(110)에 재저장된다. 세퍼레이터(130)에 저장된 기체성분은 이송라인(L3)을 통해 소요처(150)로 보내진다. 소요처(150)는 엔진, 터빈 등을 포함할 수 있다. 엔진은 저압, 중압 또는 고압가스 분사엔진을 포함할 수 있다. 저압가스 분사엔진은 대략 5 내지 7bar 정도의 연료가스를 이용하는 것으로 DFDE 엔진과 같은 발전용 엔진을 포함한다. 저압가스 분사엔진은 천연가스뿐 아니라 중유(HFO, Heavy Fuel Oil) 등을 연료로 이용할 수 있는 이중연료엔진일 수 있다. 중압가스 분사엔진은 대략 16 내지 45bar 정도의 연료가스를 이용한다. 고압가스 분사엔진은 대략 150 내지 300bar 정도의 연료가스를 이용하는 것으로 ME-GI 엔진을 포함한다. 세퍼레이터(130)에 저장된 기체성분은 주로 메탄(성분)으로 이루어져 있으며, 상술한 엔진의 종류에 따라 엔진의 연료가스 공급조건에 맞게 온도, 압력, 상태 등이 처리되어 엔진으로 공급될 수 있다.
도 2를 참조하면, 이종 액화가스 분리시스템(1)은 저장탱크(110)로부터 증발가스 공급라인(L5)을 통해 혼합물 증발가스를 공급받고, 공급받은 혼합물 증발가스로부터 에탄성분과 메탄성분을 분리시키는 여과기(200)와, 여과기(200)를 거쳐 분리된 에탄성분을 재액화시키는 재액화부(210)를 더 포함할 수 있다.
여과기(200) 전단에는 압축기(201)와 냉각기(202)가 마련될 수 있다. 저장탱크(110)가 상압(1.06 bar)인 경우, 여과기(200)를 거치기 위해 상압보다 낮은 진공상태가 필요하다. 압축기(201)가 혼합물 증발가스의 압력을 높여 냉각기(202)로 보내면, 냉각기(202)는 압력 상승에 의해 온도가 높아진 혼합물 증발가스의 온도를 설정 온도에 맞게 조절한다. 이후, 여과기(200)를 거친 유체의 압력은 상압에 가까운 상태가 된다.
여과기(200)는 분자크기에 따라 저장탱크(110)로부터 공급된 혼합물 증발가스로부터 메탄성분을 분리시키며, 예컨대 멤브레인(Membrane)과 같은 장치를 포함할 수 있다. 에탄의 분자크기는 메탄의 분자크기에 비해 크다. 따라서, 메탄성분은 여과기(200)의 여과수단(예컨대 여과지, 여과망)를 통과하여 이송라인(L3)을 통해 소요처(150)로 보내지고, 여과수단을 통과하지 못한 에탄성분은 재액화부(210)를 거쳐 저장탱크(110)에 재저장될 수 있다.
여기서, 여과기(200)를 거쳐 분리된 메탄성분이 이송라인(L3)을 통해 소요처(150)로 보내지는 세퍼레이터(130)의 기체성분과 혼합되도록 이송라인(L3)과 연결되는 혼합라인(L4)이 마련될 수 있다.
도 3을 참조하면, 상술한 재액화부(210)는 제1열교환부(21), 제1팽창장치(22), 제2열교환부(23) 및 냉매순환라인(20a)을 포함한다. 도 3에서는 설명의 편의상 도 2에 도시된 구성 중 재액화부(210)와 관련된 부분만 구체화하여 도시하였다.
제1열교환부(21)는 여과기(200)를 거쳐 분리된 에탄성분과 냉매 간 열교환이 수행되도록 한다. 메탄성분은 상술한 바와 같이 수요처(150) 쪽으로 공급될 수 있다. 냉매로는 질소, 프로판, 프로필렌, 암모니아, 부탄, 부타디엔 또는 이들의 혼합물이 사용될 수 있다. 여과기(200)를 거쳐 분리된 에탄성분을 구성하고 있는 요소는 주성분인 에탄과 메탄보다 분자크기가 큰 소량의 프로판, 부탄 등을 포함할 수 있다. 제1열교환부(21)를 거친 에탄성분은 후술할 제2압축기(31)와 제2냉각기(32)를 거친 후 제2열교환부(23)로 보내질 수 있다.
제1팽창장치(22)는 제1열교환부(21)를 거친 냉매를 감압 팽창시킨다. 제1팽창장치(22)는 예컨대 줄-톰슨(Joule Thomson) 밸브를 포함할 수 있다.
제2열교환부(23)는 제1열교환부(21), 제2압축기(31), 제2냉각기(32)를 거친 에탄성분과 제1팽창장치(22)를 거친 냉매 간 열교환이 수행되도록 한다.
냉매순환라인(20a)은 제1열교환부(21), 제1팽창장치(22) 및 제2열교환부(23)를 거쳐 냉매가 순환되도록 한다. 여기서, 냉매 순환을 위한 펌프(P1)와, 제2열교환부(23)를 거친 냉매를 액체성분과 기체성분으로 분리시키는 세퍼레이터(24)와, 세퍼레이터(24)에 의해 분리된 기체성분의 냉매를 압축하는 제1압축기(25)와, 제1압축기(25)에 의해 압축된 냉매를 냉각시켜 제1열교환기로 보내는 제1냉각기(26)가 냉매순환라인(20a)에 설치될 수 있다.
여과기(200), 제1열교환부(21) 및 제2열교환부(23)를 거치도록 마련된 증발가스 공급라인(L5)에는 제1열교환부(21)를 거친 에탄성분을 압축하는 제2압축기(31)와, 제2압축기(31)에 의해 압축된 에탄성분을 냉각시켜 제2열교환부(23)로 보내는 제2냉각기(32)와, 제2열교환부(23)를 거친 에탄성분을 감압 팽창시키는 제2팽창장치(33)가 설치될 수 있다. 제2냉각기(32)는 예컨대, 글리콜 워터(Glycol Water), 해수 등을 이용하여 에탄성분을 냉각시킬 수 있다.
이상에서는 특정의 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상기한 실시 예에만 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.
21: 제1열교환부 22: 제1팽창장치
23: 제2열교환부 24: 세퍼레이터
25: 제1압축기 26: 제1냉각기
31: 제2압축기 32: 제2냉각기
33: 제2팽창장치 110: 저장탱크
120: 가열부 130: 세퍼레이터
140: 제어부 200: 여과기
210: 재액화부

Claims (8)

  1. 제1액화가스와 상기 제1액화가스보다 기화점이 높은 제2액화가스의 혼합물을 저장하는 저장탱크;
    상기 저장탱크로부터 혼합물 증발가스를 공급받고, 상기 증발가스로부터 에탄성분과 메탄성분을 분리시키는 여과기; 및
    상기 여과기를 거쳐 분리된 에탄성분을 재액화시키는 재액화부;를 포함하되,
    상기 재액화부는 상기 여과기를 거쳐 분리된 에탄성분과 냉매 간 열교환이 수행되도록 하는 제1열교환부와,
    상기 제1열교환부를 거친 냉매를 감압 팽창시키는 제1팽창장치와,
    상기 제1열교환부를 거친 에탄성분과 상기 제1팽창장치를 거친 냉매 간 열교환이 수행되도록 하는 제2열교환부를 포함하는 이종 액화가스 분리시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1액화가스의 기화점과 상기 제2액화가스의 기화점 사이의 온도로 상기 저장탱크로부터 공급된 혼합물을 가열하는 가열부와,
    상기 가열부를 거친 상기 혼합물을 공급받아 기체성분과 액체성분으로 분리시키는 세퍼레이터와,
    상기 가열부를 거친 혼합물의 온도를 측정하는 온도센서와,
    상기 측정된 온도 값을 기초로 상기 제1액화가스의 기화점과 상기 제2액화가스의 기화점 사이의 값을 갖도록 상기 가열부를 제어하는 제어부를 더 포함하는 이종 액화가스 분리시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 저장탱크로부터 공급된 혼합물이 상기 가열부 및 상기 세퍼레이터를 거치도록 마련된 공급라인과,
    상기 세퍼레이터를 통해 분리된 액체성분이 상기 저장탱크에 재저장되도록 마련된 회수라인을 더 포함하는 이종 액화가스 분리시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제2항에 있어서,
    상기 세퍼레이터에 저장된 기체성분은 이송라인을 통해 소요처로 보내지고,
    상기 여과기를 거쳐 분리된 메탄성분이 상기 이송라인을 통해 소요처로 보내지는 상기 세퍼레이터의 기체성분과 혼합되도록 상기 이송라인과 연결되는 혼합라인을 더 포함하는 이종 액화가스 분리시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1액화가스는 액화천연가스, 상기 제2액화가스는 액화에탄인 이종 액화가스 분리시스템.
  8. 삭제
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