KR101903755B1

KR101903755B1 - 선박의 연료가스 공급시스템

Info

Publication number: KR101903755B1
Application number: KR1020170115803A
Authority: KR
Inventors: 성용욱; 이승재
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2017-09-11
Filing date: 2017-09-11
Publication date: 2018-10-05

Abstract

연료가스 공급시스템이 개시된다. 본 발명에 따른 연료가스 공급시스템은 액화가스와 그로부터 발생되는 증발가스를 저장하는 저장탱크; 압축부를 구비하고 상기 저장탱크에서 수요처로 연장되는 공급라인; 상기 공급라인에서 분기되어 상기 압축부에 의해 가압된 유체 일부를 공급받아 재액화시키는 재액화라인; 상기 공급라인과 상기 재액화라인 간의 열교환을 수행하는 제1 열교환기; 특정 성분을 선택적으로 포집하는 선택분리기를 구비하고, 상기 공급라인 또는 상기 재액화라인에서 제1 가스라인과 제2 가스라인으로 분기되는 제1 재공급라인;을 포함하고, 상기 제1 재공급라인은, 그를 흐르는 유체에 포함된 상기 특정 성분의 농도에 따라 상기 제1 가스라인을 통해 상기 압축부 전단으로 유체를 재공급하거나 상기 제2 가스라인을 통해 상기 수요처로 유체를 공급한다.

Description

선박의 연료가스 공급시스템{FUEL GAS SUPPLYING SYSTEM IN SHIPS}

본 발명은 선박의 연료가스 공급시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료가스의 효율적인 이용 및 관리를 도모하고, 연료가스의 조성 품질을 향상시킬 수 있는 선박의 연료가스 공급시스템에 관한 것이다.

온실가스 및 각종 대기오염 물질의 배출에 대한 국제해사기구(IMO)의 규제가 강화됨에 따라 조선 및 해운업계에서는 기존 연료인 중유, 디젤유의 이용을 대신하여, 청정 에너지원인 천연가스를 선박의 연료가스로 이용하는 경우가 많아지고 있다. 이처럼 널리 이용되고 있는 천연가스(Natural Gas)는 메탄(Methane)을 주성분으로 하며, 통상적으로 그 부피를 1/600로 줄인 액화가스(Liquefied Gas) 상태로 변화되어 저장 및 운반된다.

액화가스를 운반하는 선박은 액화가스를 저장할 수 있도록 단열 처리된 저장탱크를 구비한다. 또 이러한 선박은 저장탱크의 액화가스를 기화시켜 엔진의 연료로 공급하는 연료가스 공급시스템을 포함한다. 한편 저장탱크에서 자연적으로 발생하는 증발가스(Boiled Off Gas)는 저장탱크의 내부압력을 상승시켜 저장탱크의 변형 및 훼손을 유발할 수 있으므로 증발가스를 처리 및 제거할 필요가 있다.

이에 종래에는 저장탱크의 상측에 마련되는 벤트마스트(Vent mast)로 증발가스를 흘려 보내거나, GCU(Gas Combustion Unit)을 이용하여 증발가스를 태워버리는 방안 등이 이용되었다. 그러나 이는 에너지 효율 면에서 바람직하지 못하므로 증발가스를 액화천연가스와 함께 또는 각각 선박의 엔진에 연료가스로 공급하거나, 냉동 사이클 등으로 이루어지는 재액화장치를 이용해 증발가스를 재액화시켜 활용하는 방안이 이용되고 있다.

한편, 연료가스 공급시스템의 증발가스 재액화 공정에서 재액화라인으로 이송되는 가스의 조성은 일반적으로 메탄(CH4):질소(N2)가 8대 2로 질소(N2)의 농도가 높다. 계속해서 재액화공정이 운전될 경우 재액화 사이클에서 질소(N2)의 농도가 점차 높아져서 액화효율이 낮아지는 문제가 발생되므로, 질소(N2)를 제거해줄 필요가 있다.

(문헌1) 대한민국 공개특허공보 제10-2010-0035223호(2010. 04. 05. 공개) (문헌2) 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0094160호(2015. 08. 19. 공개)

본 발명은 엔진 등의 수요처에 공급되는 질소가스 또는 메탄가스의 함량을 용이하게 조절할 수 있는 연료가스 공급시스템을 제공하고자 한다.

본 발명은 컴프레서 또는 열교환기 등의 에너지 소모를 줄여 설비투자비용(CAPEX)과 운용비용(OPEX)을 절감하고자 한다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 기술분야의 종사자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 액화가스와 그로부터 발생되는 증발가스를 저장하는 저장탱크; 압축부를 구비하고 상기 저장탱크에서 수요처로 연장되는 공급라인; 상기 공급라인에서 분기되어 상기 압축부에 의해 가압된 유체 일부를 공급받아 재액화시키는 재액화라인; 상기 공급라인과 상기 재액화라인 간의 열교환을 수행하는 제1 열교환기; 특정 성분을 선택적으로 포집하는 선택분리기를 구비하고, 상기 공급라인 또는 상기 재액화라인에서 제1 가스라인과 제2 가스라인으로 분기되는 제1 재공급라인;을 포함하고, 상기 제1 재공급라인은 그를 흐르는 유체에 포함된 상기 특정 성분의 농도에 따라 상기 제1 가스라인을 통해 상기 압축부 전단으로 유체를 재공급하거나 상기 제2 가스라인을 통해 상기 수요처로 유체를 공급하는 연료가스 공급시스템이 제공될 수 있다.

상기 선택분리기는 질소와 메탄 혼합가스에서 메탄 혹은 질소를 선택적으로 분리하는 금속-유기 구조체(MOF, Metal Organic Framework)로 구성될 수 있다.

상기 선택분리기에는 메탄의 농도 감지를 위한 감지센서가 마련되고, 제어부는 메탄 농도에 따라 상기 제1 가스라인과 제2 가스라인에 각각 마련된 밸브를 선택적으로 개폐할 수 있다.

상기 선택분리기에는 초기 활성화를 위하여 물을 공급하는 제1 공급부, 퍼징(purging)을 위한 제2 공급부가 마련될 수 있다.

상기 재액화라인을 통해 유체를 공급받아 기체성분과 액체성분으로 분리하는 기액분리기를 더 포함하고, 상기 기체성분은 삼방밸브를 통해 상기 제1 재공급라인 또는 상기 제1 열교환기 전단으로 연결되는 제2 재공급라인으로 공급되고, 상기 액체성분은 회수라인을 통해 상기 저장탱크로 공급될 수 있다.

상기 제1 재공급라인에서 상기 선택분리기 전방에는 가압기가 마련될 수 있다.

상기 제1 재공급라인은 상기 압축부 중단에서 분기되어 상기 제1 가스라인과 상기 제2 가스라인으로 연결되고, 상기 선택분리기 전방에는 제2 열교환기가 마련될 수 있다.

상기 제1 재공급라인은 상기 제1 열교환기 전단에서 분기되어 상기 제1 가스라인과 상기 제2 가스라인으로 연결되고, 상기 선택분리기 전방에는 제1 열교환기와 가압기가 마련될 수 있다.

본 발명에 의한 연료가스 공급시스템은, 선택분리기를 이용하여 재액화라인을 지나는 유체의 성분 함량에 따라 제1 가스라인 또는 제2 가스라인로 분리 이송되도록 하여 재액화 사이클에서 질소함량의 증가를 막을 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 연료가스 공급시스템을 도시한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 연료가스 공급시스템을 도시한다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 연료가스 공급시스템을 도시한다.
도 4는 본 발명의 제4 실시예에 연료가스 공급시스템을 도시한다.

이하에서는 본 발명의 실시예들을 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 1은 본 발명의 제1 실시예에 연료가스 공급시스템을 도시한다. 이하 실시 예에서는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위한 일례로서, 액화천연가스 및 이로부터 발생하는 증발가스를 적용하여 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 액화에탄가스, 액화탄화수소가스 등 다양한 액화가스 및 이로부터 발생하는 증발가스가 적용되는 경우에도 동일한 기술적 사상으로 동일하게 이해되어야 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 의한 선박의 연료가스 공급시스템(100)은 액화가스와 그로부터 발생되는 증발가스를 저장하는 저장탱크(1), 압축부(20)를 구비하고 저장탱크(1)에서 수요처(2,3,4)로 연장되는 공급라인(L1), 공급라인(L1)에서 분기되어 압축부(20)에 의해 가압된 유체 일부를 공급받아 재액화시키는 재액화라인(L3), 공급라인(L1)과 재액화라인(L3) 간의 열교환을 수행하는 제1 열교환기(10), 공급라인(L1) 또는 재액화라인(L3)으로부터 압축부(20) 전단으로 연결되는 제1 가스라인(L5)과 제3 수요처(5)로 연결되는 제2 가스라인(L6)으로 분기되는 제1 재공급라인(L4), 및 제1 재공급라인(L4)에 마련되고, 내부를 통과하는 유체를 특정 성분에 대한 고농도 가스와 저농도 가스로 분리 공급하는 선택분리기(50)를 포함할 수 있다.

저장탱크(1)는 액화천연가스 및 이로부터 발생하는 증발가스를 수용 또는 저장하도록 마련된다. 저장탱크(1)는 외부의 열 침입에 의한 액화천연가스의 기화를 최소화할 수 있도록 단열 처리된 멤브레인 타입의 화물창으로 마련될 수 있다. 저장탱크(1)는 천연가스의 생산지 등으로부터 액화천연가스를 공급받아 수용 또는 저장하여 목적지에 이르러 하역하기까지 액화천연가스 및 증발가스를 안정적으로 보관하되 후술하는 바와 같이 선박의 추진용 엔진 또는 선박의 발전용 엔진 등의 연료가스로 이용되도록 마련될 수 있다.

저장탱크(1)는 일반적으로 단열 처리되어 설치되나, 외부의 열 침입을 완전히 차단하는 것은 실질적으로 어려우므로, 저장탱크(1) 내부에는 액화천연가스가 자연적으로 기화하여 발생하는 증발가스가 존재하게 된다. 이러한 증발가스는 저장탱크(1)의 내부압력을 상승시켜 저장탱크(1)의 변형 및 폭발 등의 위험을 잠재하고 있으므로 증발가스를 저장탱크(1)로부터 제거 또는 처리할 필요성이 있다. 이에 따라 저장탱크(1) 내부에 발생된 증발가스는 본 발명의 제1 실시예와 같이 공급라인(L1) 또는 후술할 분기라인(L2)에 의해 엔진의 연료가스로 이용되거나, GCU(4, Gas Combustion Unit)에서 소각되거나, 재액화라인(L3)에 의해 재액화되어 저장탱크(1)로 다시 공급될 수 있다.

수요처(2,3,4,5)는 저장탱크(1)에 수용된 액화천연가스 및 증발가스 등의 연료가스를 공급받아 선박의 추진력을 발생시키거나 선박의 내부 설비 등의 발전용 전원을 발생시키는 엔진으로 이루어질 수 있다. 수요처는 상대적으로 고압의 연료가스를 공급받아 출력을 발생시키는 제1 수요처(2)와, 상대적으로 저압의 연료가스를 공급받아 출력을 발생시키는 제2 수요처(3), GCU(4), 및 제3 수요처(5)를 포함할 수 있다.

제1 수요처(2)는 상대적으로 고압의 연료가스로 출력을 발생시킬 수 있는 ME-GI 엔진 또는 X-DF 엔진으로 이루어지고, 제2 수요처(3)는 상대적으로 저압의 연료가스로 출력을 발생시킬 수 있는 DFDE 엔진 등으로 이루어질 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 수의 엔진 및 다양한 종류의 엔진이 이용되는 경우에도 동일하게 적용될 수 있다. 또, GCU(4)는 제2 수요처(3)에서 요구하는 압력 수준으로 가압된 유체를 공급받아 소각하는 방식으로 연료가스를 소비할 수 있다. 그리고 제3 수요처(5)는 제2 수요처(3)와 마찬가지로 상대적으로 저압의 연료가스를 이용하는 연료전지 또는 보일러 또는 GCU일 수 있다. 나아가, 제3 수요처(5)는 연료전지 등에서 사용을 못 할 정도로 질소 농도가 높은 경우에 그로 유입되는 가스를 외부로 배출하는 역할을 수행할 수 있다.

공급라인(L1)은 저장탱크(1)에 존재하는 증발가스를 가압하여 제1 수요처(2)에 연료가스로서 공급하도록 마련된다. 공급라인(L1)은 입구 측 단부가 저장탱크(1)의 내부에 연결되고, 출구 측 단부는 제1 수요처(2)에 연결되되, 후술할 압축부(20) 후단에는 재액화라인(L3)이 분기될 수 있다. 즉, 공급라인(L1)은 저장탱크(1)내부의 증발가스를 공급받고, 공급받은 증발가스를 제1 수요처(2)에 적합한 가스 압력으로 공급하기 위한 배관으로서, 공급라인(L1) 상에는 저장탱크(1)로부터 공급되는 증발가스를 제1 수요처(2)에서 요구하는 압력으로 가압하는 다단의 압축부(20)가 연결될 수 있다.

압축부(20)는 증발가스를 압축하는 컴프레서(21)와 압축되면서 가열된 증발가스를 냉각시키는 냉각기(22)를 포함한다. 이때, 압축부(20)의 컴프레서(21)는 윤활유 없이 작동하는 무급유 윤활(Oil-free lubrication)방식의 압축장치로 마련될 수 있다.

증발가스는 압축부(20)에 의해 압축되어 공급라인(L1)을 통해 제1 수요처(2)의 요구압력 수준으로 맞춰 공급된다. 이때, 압축부(20)의 컴프레서(21) 중단에는 제2 수요처(3)로 연장되는 분기라인(L2)이 마련되고, 그를 통해 제2 수요처(3)에서 요구하는 압력 수준으로 가압된 증발가스를 제2 수요처(3) 또는 GCU(4)로 공급될 수 있다.

컴프레서(21)는 저장탱크(1)에서 공급되는 증발가스를 공급라인(L1)으로 송출함과 아울러 증발가스를 제1 수요처(2)의 요구압력에 맞도록 다단 압축한다. 일례로, 5단의 컴프레서(21)와 각 단의 출력단에 연결되는 5개의 냉각기(22)를 포함하고, 5단의 컴프레서(21)는 단계적으로 증발가스를 제1 수요처(2) 또는 제2 수요처(3)의 요구압력에 따라 압축할 수 있다. 이때, 압축효율 향상을 위해 각 단 사이에 연결된 냉각기(22)는 각 단 토출가스를 중간 냉각해서 압축에 의한 증발가스의 온도 상승을 방지한다.

분기라인(L2)은 공급라인(L1)의 압축부(20) 중단부로부터 분기되어 압축부(20)를 통과하는 가압 도중의 증발가스를 제2 수요처(3) 또는 GCU(4)로 공급한다. 도면에서는 분기라인(L2)의 입구 측 단부가 압축부(20)의 중단부에 연결되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

재액화라인(L3)은 압축부(20)에 의해 제1 수요처(2)의 요구압력으로 가압된 유체, 즉 증발가스를 회수하여 감압 및 액화한 후 기액분리기(30)에 공급할 수 있다. 이러한 재액화라인(L3)에는 증발가스를 냉각하여 액화시키기 위한 제1 열교환기(10)와, 제1 열교환기(10)를 거친 후 냉각된 증발가스를 감압하여 기액분리기(30)로 송출하기 위한 재액화라인 밸브(V3)가 설치될 수 있다. 다시 말해, 재액화라인(L3)을 통해 기액분리기(30)로 공급되는 증발가스는 제2 압축부(30)와, 제1 열교환기(10), 및 재액화라인 밸브(V3)를 순차로 통과하면서 부분적으로 액화되어 기액 혼합상태로 기액분리기(30)에 공급될 수 있다.

재액화라인(L3)은 공급라인(L1)을 통해 공급되는 증발가스가 수요처(2,3,4)에서 필요로 하는 양보다 많은 양이 공급되는 경우 또는 질소함량의 조절이 필요한 경우에, 그 일부를 공급라인(L1)으로부터 회수하는 역할을 할 수 있다. 한편, 본 발명은 도시되지는 않았으나 재액화라인(L3)에는 추가적으로 압축기가 마련되어 통과하는 유체를 60~150bar에서 감압하여 재액화하는 공정에도 적용될 수 있다.

열교환부(10)는 열매체를 이용하여, 그를 통과하는 공급라인(L1)과 재액화라인(L3) 간의 열교환을 수행할 수 있다. 즉, 열교환부(10)는 공급라인(L1)을 통해 저장탱크(1)로부터 공급되는 유체와, 재액화라인(L3)을 통해 기액분리기(30) 쪽으로 향하는 유체 간 열교환을 수행하는 것이다.

예를 들어, 열교환부(10)의 내부를 순환하는 열매체는 재액화라인(L3)과의 열교환을 통해 가열되거나, 공급라인(L1)과의 열교환을 통해 그를 통과하는 증발가스를 냉각할 수 있다. 이처럼, 열교환부(10)는 공급라인(L1)과 재액화라인(L3) 간의 열교환을 수행하여, 에너지의 효율적인 이용을 구현한다.

기액분리기(30)는 그로 공급되는 유체를 기체성분과 나머지 액체성분으로 분리하되, 기체성분은 삼방밸브(V4)를 통해 제1 재공급라인(L4) 또는 제1 열교환기(10) 전단으로 연결되는 제2 재공급라인(L7)으로 공급하고, 액체성분은 회수라인(L8)을 통해 저장탱크(1)로 공급할 수 있다. 이때, 기체성분(Flash Gas)란, 재액화라인(L3)에서 응축되는 증발가스가 과냉각이 덜 되어 팽창변으로 가는 도중 액의 일부가 기체로 된 것일 수 있다.

회수라인(L8)은 기액분리기(30)에서 분리된 액체 상의 연료를 저장탱크(1)에 다시 저장되도록 한다. 이때 회수라인(L8)에는 저장탱크(1)로 공급되는 액화가스를 상압으로 감압하기 위한 회수라인 밸브(미도시)가 마련될 수 있다.

한편, 천연가스는 세계적인 에너지 수요를 충족시키기 위해 많은 관심을 불러 일으키고 있다. 나아가 셰일가스와 천연가스 히드라와 같은 비전통 천연가스도 광범위하게 분석 및 조사되고 있다. 그러나 그것들은 질소를 포함하고, 질소는 관로와 액화 천연가스 표준에 충족시키기 위해 분리되어야 하는 추가공정을 필요로 하며, 천연가스의 질을 증가시키기 위해 산업용 표준 CH4／N2 분리기술은 필수적이고 중요하다.

선택분리기는(50)는 이처럼 중요한 CH4／N2의 용이한 분리를 구현한다. 예를 들어, 선택분리기(50)는 소수성 및 친수성 특성을 가지는 나노다공성 금속 유기 구조체(Cu3BTC2)를 이용하여 CH4／N2 혼합가스로부터 CH4를 선택적으로 분리시킬 수 있다. 친수성 기공 및 소수성 기공을 가지는 나노다공성 물질인 금속 유기 구조체(Metal organic frameworks, MOFs)를 이용하여 CH4／N2 혼합가스에서 CH4를 효과적으로 분리하는 것이다. 한편 선택분리기(50)는 금속 유기 구조체를 이용해 메탄만을 선택적으로 흡착하여 제거하는 방식 뿐만 아니라, 반대로 질소만을 선택적으로 흡착하여 제거하는 방법까지 포함할 수 있다.

나노다공성 물질을 이용한 CH4／N2의 분리는 다음 단계를 거쳐 수행될 수 있다. (a) 친수성 기공 및 소수성 기공을 가지는 나노다공성 물질을 친수성 용매로 포화시키는 단계, (b) 친수성 용매로 포화된 나노다공성 물질에 CH4／N2를 접촉시켜, CH4를 나노다공성 물질의 소수성 기공에 선택적으로 저장시키는 단계, 및 (c) CH4가 저장된 나노다공성 물질에서 CH4를 회수하는 단계가 그것이다. 이때, (b) 단계는 2~100bar에서 수행되고, (c) 단계는 -40 내지 50에서 수행될 수 있다.

나노다공성 물질인 금속 유기 구조체(Metal organic frameworks, MOFs)는 금속 이온이나 클러스터 및 유기물로 구성된 다공성배위중합체 네트워크로써, 예를 들어 Cu3BTC2일 수 있다. 그리고 친수성 용매는 테트라히드로푸란, 물, 메탄올, 에탄올, 프로판올, 에틸렌글리콜로 구성된 군에서 1종 이상 선택될 수 있다.

감지센서(50a)는 메탄의 농도 감지를 위해 선택분리기(50)에 마련되고, 제어부는 메탄 농도에 따라 제1 가스라인(L5)과 제2 가스라인(L6)에 각각 마련된 밸브(V5, V6)를 선택적으로 개폐할 수 있다. 메탄가스의 비율이 질소가스에 비해 상대적으로 큰 경우, 즉 메탄가스의 농도가 큰 경우 제1 가스라인 밸브(V5)를 열어 제1 가스라인(L5)으로 유체를 송출하고, 메탄가스의 농도가 작은 경우 제2 가스라인 밸브(V6)를 열어 제2 가스라인(L6)으로 유체를 송출하는 것이다.

감지센서(50a)는 일례로 압력센서일 수 있다. 선택분리기(50)의 내부 압력에 따라 달라지는 메탄가스의 흡착 여부에 따라 제1 재공급라인(L4)을 흐르는 유체가 고농도인지 저농도인지 판단할 수 있는 성질을 이용한다.

가압기(40)는 제1 재공급라인(L4)에서 선택분리기(50) 전방에 마련될 수 있다. 가압기(40)는 제1 재공급라인(L4)을 흐르는 기체성분을 선택분리기(50) 쪽으로 송출함과 아울러 메탄가스를 흡착조건이 요구하는 압력으로 압축한다.

다음으로 제1 실시예에 따른 연료가스 공급시스템의 작동방식을 설명하기로 한다. 증발가스(BOG) 재액화 공정에서, 재액화라인 밸브(V3)를 통과한 후에 미액화되어 재액화라인(L3)으로 이송되는 가스의 조성은 일반적으로 메탄(CH4):질소(N2)가 8 대 2로 질소(N2)의 농도가 높다. 계속해서 재액화공정이 운전될 경우 재액화 사이클에서 질소(N2)의 농도가 점차 높아져서 액화효율이 낮아지는 문제가 발생되므로, 질소(N2)를 제거해줄 필요가 있다.

기액분리기(30)에서 발생하는 기체성분의 가스 출구단에는 삼방 밸브(V4)가 설치되는데, 삼방 밸브(V4)는 감지센서(50a)를 통해 얻은 정보로 가스 중 질소가 제거될 필요가 있는 경우 가압기(40) 쪽으로 가스를 보낸다. 가압기(40)에서는 보내온 가스를 약 10~20bar 정도로 가압하게 되고, 이 때의 온도는 섭씨 -20 내지 -70도 수준으로 된다.

제1 가스라인 밸브(V5)와 제2 가스라인 밸브(V6), 즉 출구단 밸브 2개를 닫은 상태에서 가압기(40)로 가압을 하게 되면 선택분리기(50)의 내부 압력은 증가하게 된다. 그리고 선택분리기(50)가 설정 압력에 도달하면 가압기(40)의 가동을 중단하고 삼방밸브(V4)는 다시 공급라인(L1) 쪽으로 가스를 보낸다.

선택분리기(50)에서는 메탄이 선택적으로 흡착되도록 일정 시간을 기다린 후, 설정된 시간이 지나면 고농도와 저농도의 메탄가스로 분리하여 선택분리기(50) 외부로 배출한다. 이때 배출구에 설치된 밸브는 선택분리기(50)의 내부 압력에 따라서 어떤 밸브를 열지 결정하게 되는데, 상대적으로 고압에서는 흡착된 메탄을 제외한 가스가 배출되므로 제2 가스라인 밸브(V6)를 열고, 상대적으로 저압에서는 제1 가스라인 밸브(V5)를 연다. 제1 가스라인(L5)을 흐르는 고농도 메탄은 제1 열교환기(10)와 압축부(20) 사이로 공급되어, 다시 연료로 사용할 수 있게 된다.

이처럼, 본 발명은 선택분리기(50)를 이용하여 재액화라인(L3)을 지나는 유체의 성분 함량에 따라 제1 가스라인(L5) 또는 제2 가스라인(L6)로 분리 이송되도록 하여 재액화 사이클에서 질소함량의 증가를 막을 수 있다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 연료가스 공급시스템을 도시한다. 이를 참조하면, 선택분리기(50)에는 초기 활성화를 위하여 물을 공급하는 제1 공급부(51), 퍼징(purging)을 위한 제2 공급부(52)가 마련될 수 있다. 여기서 제1 공급부(51)는 물을 저장하는 물탱크이고, 제2 공급부(52)는 질소가스가 저장된 질소탱크로써, 이들은 그들에 병렬로 마련된 공급수단(53)으로 선택분리기(50)에 물 또는 질소가스를 공급할 수 있다.

제1 공급부(51)는 최초 운전시 선택분리기(50)에 수분을 공급하기 위하여 마련된다. 이는 금속 유기 구조체(MOF) 중 HKUST-1 이라는 물질의 특성상 친수성, 소수성을 이용하여 분리하기 때문에 선택분리기(50)가 최초 운전시 수분을 필요로 하기 때문이다.

공급수단(53)은 진공펌프로써 압력 차를 이용해 목적하는 유체를 이송시킬 수 있다. 수분과 금속 유기 구조체를 같은 공간에 두고, 그 공간을 진공으로 만들었을 경우 수분이 증발되어 금속 유기 구조체에 자연적으로 흡수되는 원리이다.

도 3은 본 발명의 제3 실시예에 연료가스 공급시스템을 도시하고, 도 4는 본 발명의 제4 실시예에 연료가스 공급시스템을 도시한다. 이하에서 설명하는 본 발명의 제3 및 제4 실시예에 의한 연료가스 공급시스템에 대한 설명 중 별도의 도면부호를 들어 추가적으로 설명하는 경우 외에는 전술한 본 발명의 제1 실시예에 의한 연료가스 공급시스템에 대한 설명과 동일한 것으로서 내용의 중복을 방지하기 위해 설명을 생략한다.

먼저 도 3을 참조하면, 제3 실시예에 따른 연료가스 공급시스템은 제1 재공급라인(L4')은 압축부(20) 중단에서 분기되어 제1 가스라인(L5')과 제2 가스라인(L6’)으로 연결되고, 선택분리기(50') 전방에는 제2 열교환기(60')가 마련될 수 있다. 이를 통해, 재공급라인(L4')은 선택분리기(50')를 통과하는 유체의 특정 성분에 대한 농도에 따라 유체를 제1 가스라인(L5') 또는 제2 가스라인(L6’)으로 분리 공급할 수 있다.

도 4를 참조하면, 제1 재공급라인(L4")은 제1 열교환기(10) 전단에서 분기되어 제1 가스라인(L5")과 제2 가스라인(L6”)으로 연결되고, 선택분리기(50") 전방에는 제2 열교환기(60")와 가압기(40”)가 마련될 수 있다. 이때, 제2 열교환기(60")는 공급라인(L1) 상에서 제1 열교환기(10) 전단에서 분기되어 제1 열교환기(10) 후단으로 연결되는 열매체라인(L9")에 의해 열교환이 수행될 수 있고, 이는 시스템의 에너지 소모를 줄여 전체 설비투자비용(CAPEX)과 운용비용(OPEX)을 절감할 수 있다.

이상에서는 특정의 일 실시예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나 상기한 일 실시예에만 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.

L1: 공급라인 L2: 분기라인
L3: 재액화라인 L4: 제1 재공급라인
L5: 제1 가스라인 L6: 제2 가스라인
L7: 제2 재공급라인 L8: 회수라인
L9": 열매체라인 V3: 재액화라인 밸브
V4: 삼방밸브 V5: 제1 가스라인 밸브
V6: 제2 가스라인 밸브 1: 저장탱크
2: 제1 수요처 3: 제2 수요처
4: GCU 5: 제3 수요처
10: 제1 열교환기 20: 압축부
21: 컴프레서 22: 냉각기
30: 기액분리기 40: 가압기
50: 선택분리기 50a: 감지센서
51: 제1 공급부 52: 제2 공급부
53: 공급수단 L4': 제1 재공급라인
L5': 제1 가스라인 L6': 제2 가스라인
50': 선택분리기 60': 제2 열교환기
L4": 제1 재공급라인 L5": 제1 가스라인
L6": 제2 가스라인 40": 가압기
50": 선택분리기 60": 제2 열교환기

Claims

액화가스와 그로부터 발생되는 증발가스를 저장하는 저장탱크;
압축부를 구비하고 상기 저장탱크에서 수요처로 연장되는 공급라인;
상기 공급라인에서 분기되어 상기 압축부에 의해 가압된 유체 일부를 공급받아 재액화시키는 재액화라인;
상기 공급라인과 상기 재액화라인 간의 열교환을 수행하는 제1 열교환기;
특정 성분을 선택적으로 포집하는 선택분리기를 구비하고, 상기 공급라인 또는 상기 재액화라인에서 제1 가스라인과 제2 가스라인으로 분기되는 제1 재공급라인;을 포함하고,
상기 제1 재공급라인은, 그를 흐르는 유체에 포함된 상기 특정 성분의 농도에 따라 상기 제1 가스라인을 통해 상기 압축부 전단으로 유체를 재공급하거나 상기 제2 가스라인을 통해 상기 수요처로 유체를 공급하고,
상기 선택분리기는 질소와 메탄 혼합가스에서 메탄을 선택적으로 분리하는 금속 유기 구조체(MOF, Metal Organic Framework)로 구성되고,
상기 선택분리기에는 내부 압력 감지를 위한 감지센서가 마련되고,
제어부는 상기 선택분리기의 내부 압력에 따라 달라지는 메탄가스의 흡착 여부로 상기 제1 재공급라인을 흐르는 유체가 고농도인지 저농도인지 판단하고, 메탄 농도에 따라 상기 제1 가스라인과 제2 가스라인에 각각 마련된 밸브를 선택적으로 개폐하는 연료가스 공급시스템.
삭제
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제1항에 있어서,
상기 선택분리기에는 초기 활성화를 위하여 물을 공급하는 제1 공급부, 퍼징(purging)을 위한 제2 공급부가 마련되는 연료가스 공급시스템.
제1항에 있어서,
상기 재액화라인을 통해 유체를 공급받아 기체성분과 액체성분으로 분리하는 기액분리기를 더 포함하고,
상기 기체성분은 삼방밸브를 통해 상기 제1 재공급라인 또는 상기 제1 열교환기 전단으로 연결되는 제2 재공급라인으로 공급되고,
상기 액체성분은 회수라인을 통해 상기 저장탱크로 공급되는 연료가스 공급시스템.
제5항에 있어서,
상기 제1 재공급라인에서 상기 선택분리기 전방에는 가압기가 마련되는 연료가스 공급시스템.
액화가스와 그로부터 발생되는 증발가스를 저장하는 저장탱크;
압축부를 구비하고 상기 저장탱크에서 수요처로 연장되는 공급라인;
상기 공급라인에 설치된 제1 열교환기; 및
특정 성분을 선택적으로 포집하는 선택분리기와 상기 선택분리기 전방에 제2 열교환기가 마련되고, 상기 압축부 중단에서 제1 가스라인과 제2 가스라인으로 분기되는 제1 재공급라인;을 포함하고,
상기 제1 재공급라인은, 그를 흐르는 유체에 포함된 상기 특정 성분의 농도에 따라 상기 제1 가스라인을 통해 상기 압축부 전단으로 유체를 재공급하거나 상기 제2 가스라인을 통해 상기 수요처로 유체를 공급하고,
상기 선택분리기는 질소와 메탄 혼합가스에서 메탄을 선택적으로 분리하는 금속 유기 구조체(MOF, Metal Organic Framework)로 구성되고,
상기 선택분리기에는 내부 압력 감지를 위한 감지센서가 마련되고,
제어부는 상기 선택분리기의 내부 압력에 따라 달라지는 메탄가스의 흡착 여부로 상기 제1 재공급라인을 흐르는 유체가 고농도인지 저농도인지 판단하고, 메탄 농도에 따라 상기 제1 가스라인과 제2 가스라인에 각각 마련된 밸브를 선택적으로 개폐하는 연료가스 공급시스템.
삭제
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제7항에 있어서,
상기 선택분리기에는 초기 활성화를 위하여 물을 공급하는 제1 공급부, 퍼징(purging)을 위한 제2 공급부가 마련되는 연료가스 공급시스템.
제7항에 있어서,
상기 제1 열교환기와 열교환되고, 기액분리기가 마련되어 상기 압축부로부터 유체를 공급받아 기체성분과 액체성분으로 부분액화하는 재액화라인;을 더 포함하고,
상기 기체성분은 상기 공급라인으로 공급되며, 상기 액체성분은 회수라인을 통해 상기 저장탱크로 공급되는 연료가스 공급시스템.
액화가스와 그로부터 발생되는 증발가스를 저장하는 저장탱크;
상기 저장탱크에서 수요처로 연장되는 공급라인;
상기 공급라인에 설치된 제1 열교환기; 및
특정 성분을 선택적으로 포집하는 선택분리기와 상기 선택분리기 전방에 제2 열교환기와 가압기가 마련되고, 상기 제1 열교환기 전단에서 제1 가스라인과 제2 가스라인으로 분기되는 제1 재공급라인;을 포함하고,
상기 선택분리기는 질소와 메탄 혼합가스에서 메탄을 선택적으로 분리하는 금속 유기 구조체(MOF, Metal Organic Framework)로 구성되고,
상기 선택분리기에는 내부 압력 감지를 위한 감지센서가 마련되고,
제어부는 상기 선택분리기의 내부 압력에 따라 달라지는 메탄가스의 흡착 여부로 상기 제1 재공급라인을 흐르는 유체가 고농도인지 저농도인지 판단하고, 메탄 농도에 따라 상기 제1 가스라인과 제2 가스라인에 각각 마련된 밸브를 선택적으로 개폐하는 연료가스 공급시스템.
삭제
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제12항에 있어서,
상기 선택분리기에는 초기 활성화를 위하여 물을 공급하는 제1 공급부, 퍼징(purging)을 위한 제2 공급부가 마련되는 연료가스 공급시스템.
제12항에 있어서,
상기 제2 열교환기는 상기 제1 열교환기 전단에서 분기되어 제1 열교환기 후단으로 연결되는 열매체라인과 열교환을 수행하는 연료가스 공급시스템.
제12항에 있어서,
상기 공급라인에 설치되는 압축부; 및
상기 제1 열교환기와 열교환되고, 기액분리기를 구비하여 상기 압축부로부터 유체를 공급받아 기체성분과 액체성분으로 부분액화하는 재액화라인;을 더 포함하고,
상기 기체성분은 상기 공급라인으로 공급되며, 상기 액체성분은 회수라인을 통해 상기 저장탱크로 공급되는 연료가스 공급시스템.