KR102170085B1 - 극저온 액화 공정용 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

인접한 LNG 기화공정으로부터 냉기 회복의 통합된 이용과 공기 액화공정들 내에서 효율적인 냉각을 위한 방법 및 장치가 개시되어 있다.

Description

극저온 액화 공정용 방법 및 장치{Method and apparatus in a cryogenic liquefaction process}
본 발명은 극저온 에너지 저장 시스템에 관한 것이며, 특히 액화천연가스(LNG) 재기화 공정으로부터와 같이 외부 소오스로부터 제공된 냉기 흐름의 효율적인 이용에 관한 것이다.
송전 및 배전 네트워크들(또는 그리드들)은 전기의 발생을 소비자들의 수요에 따라 균형을 맞추어야 한다. 이것은 발전소들을 켜거나 끄는 것 그리고 감소된 부하조건하에서 작동시키는 것에 의해 발전측(공급측)을 조율함으로써 보통 달성된다. 대부분의 현존하는 화력 및 핵발전소들은 전부하 조건하에서 연속적으로 작동할 때 보다 효과적이고, 이렇게 하여 공급측 균형을 맞추는 것에는 효율면에서 불이익이 작용한다. 풍력 터빈 및 태양열 집열기와 같이 중요한 단속적 재생 가능한 발생 용량의 네트워크내로의 예상된 도입은, 발생 편대의 부분들의 유용성에서 불확실성을 만들어내어 그리드들의 평형을 복잡하게 할 것이다. 수요가 많은 기간에 사용하기 위해서 수요가 적은 기간 또는 단속적인 발전기들로부터 낮은 출력이 발생하는 동안에 에너지를 저장하기 위한 수단은, 그리드 평형을 달성하고 공급의 안전성을 제공하는 중요한 이점을 갖게 된다.
동력 저장장치들은 작동의 3가지 위상: 충전, 저장 및 방전을 갖는다. 동력 저장장치들은 송전 및 배전 네트워크에서 발생 용량의 부족이 발생할 때 높은 단속적 기본으로 동력을 발생시키다(방전). 이것은 지역 전력시장에서 전기에 대한 높은 가격에 의해 또는 추가적인 용량을 위해 네트워크의 작동에 책임이 있는 조직으로부터의 요청에 의해서 저장장치 작동자에게 신호할 수 있다. 영국과 같은 몇몇 국가들에서, 네트워크 작동자는 빠른 스타트 기능을 갖는 발전소의 사업자들과 네트워크에 대한 백업 리저브의 공급을 위한 계약을 체결하게 된다. 그러한 계약들은 몇개월 또는 심지어 몇년을 커버할 수 있지만, 통상적으로 전력 공급업자가 작동하는(전력을 발생시키는) 시간은 매우 짧다. 또한, 저장장치는 단속적인 재생가능한 발전기들로부터 그리드로 전력이 과잉공급될 때 추가적인 부하에서 추가적인 서비스를 제공할 수 있다. 수요가 낮은 한밤중에 풍속은 높아진다. 네트워크 작동자는 과도한 공급을 이용하기 위해서 낮은 에너지 가격 신호들이나 소비자들과의 특별한 계약을 통해서 네트워크에 대한 추가적인 수요에 대비하여야 하고, 또는 다른 발전소나 풍력 발전지역으로부터의 전력공급을 제한하여야 한다. 몇몇 경우에 있어서, 특히 풍력발전기들이 보조되는 시장에서, 네트워크 작동자는 풍력발전소를 끄도록 풍력발전소의 작동자에게 비용을 지불해야 할 것이다. 저장장치는 네트워크 작동자에게 유용한 추가적인 부하를 제안하게 되는데, 이것은 과도한 공급이 이루어질 때 그리드의 평형을 유지하는데 사용될 수 있다.
상업적으로 성공할 수 있는 저장장치를 위해서는, 다음의 요소들이 중요하다: MW(전력 용량)당 자본비용, MWH(에너지 용량), 왕복 사이클 효율, 및 초기 투자로부터 기대할 수 있는 충전 및 방전의 회수에 관련한 수명. 광범위한 유틸리티 규모의 응용프로그램의 경우, 저장장치는 지리적으로 제한받지 않는 것이 또한 중요하며, 즉 저장장치는 어디에나 세워질 수 있고, 특히 높은 수요 지역 바로 옆이나 송전 및 배전 네트워크에서 간헐적 또는 병목현상의 소오스 바로옆에 세워질 수도 있다.
그러한 저장장치 기술의 하나는 시장에서 여러 이점들을 제공하는 액체 공기 또는 질소(극저온 에너지 저장 (CES))와 같은 극저온유체를 이용하는 에너지의 저장이다. 대체로, CES 시스템은 충전단계에서 공기나 질소와 같은 작동유체를 액화시키기 위해서 낮은 수요의 기간이나 단속적인 재생가능한 발전기들로부터 과도한 공급이 이루어지는 시기에 저가 또는 잉여의 전기를 이용한다. 이것은 저장 탱크에 극저온 유체로서 저장되고, 높은 수요의 시기 또는 단속적인 재생가능한 발전기들로부터 불충분한 공급이 이루어지는 시기에 방전 또는 전력 회수 단계 동안에 전기를 생산하는 터빈을 구동시키도록 방출된다.
극저온 에너지 저장(CES) 시스템은 시장에서 다른 기술들을 능가하는 여러 이점들을 가지며, 그중 하나는 입증된 성숙한 공정들에서 발견된다. 충전단계에서 필요한 공기를 액화하기 위한 수단은, 한 세기 이상동안 존재해왔다; 이용된 초기 시스템은 간단한 린데 사이클(Linde cycle)인데, 여기에서 주위 공기는 임계치 이상의 압력(≥38bar)으로 압축되고, 액체를 생성하기 위해서 주울-톰슨 밸브와 같은 팽창장치를 통해서 정엔탈피 팽창을 경험하기 전에 저온으로 점진적으로 냉각된다. 임계값 이상으로 공기를 압축함으로써, 공기는 독특한 특징들 및 팽창중에 많은 양의 액체를 생성하기 위한 잠재력을 발달시킨다. 액체는 배수되고, 차가운 기체상 공기의 나머지 부분은 도입되는 따뜻한 프로세스 흐름을 냉각시키도록 사용된다. 생성된 액체의 양은 필요한 양의 차가운 증기에 의해서 지배되어 불가피하게 낮은 특정 수율을 초래한다.
이 공정의 발전은 클로드 사이클(Claude cycle)(종래기술의 현재상태가 도 4에 도시되어 있음)인데, 이 공정은 넓게는 린데 사이클과 같으나, 하나 또는 그 이상의 흐름(36,39)이 주 공정 흐름(31)로부터 분리되고 이때 이것들은 터빈들(3,4)을 통해서 단열 팽창되며, 그 결과 주어진 팽창비율에 대하여 등엔탈피 공정보다 낮은 온도가 초래되고 결과적으로는 효율적인 냉각이 이루어진다. 터빈들(3,4)을 통해서 팽창된 공기는 복귀 흐름(34)에 다시 합류하고, 열교환기(100)를 거쳐서 고압 흐름(31)의 냉각을 돕는다. 린데 사이클과 유사하게, 액체의 벌크는 주울-톰슨 밸브(1)와 같은 팽창장치를 통한 팽창을 거쳐서 형성된다. 클로드 공정에 따른 주 개선점은 팽창 터빈들(3,4)에 의해서 생성된 동력이 전체적인 동력소비를 직접적으로 혹은 간접적으로 감소시키고 이것은 결국 큰 에너지 효율을 제공한다는 점이다.
가장 효율적인 현대의 공기 액화공정들은 통상적으로 2개의 터빈 클로드 설계를 이용하고, 상업적인 규모에서는 약 0.4kWh/kg의 최적의 특정한 작업 거동(work figure)을 달성할 수 있다. 비록 높은 효율을 보이지만, 이것은 CES 시스템으로 하여금 특정한 일에서 상당한 감소 없이 50%의 시장진입 왕복 효율 거동을 달성할 수 있도록 하지 못한다.
큰 효율을 달성하기 위해서, WO2007-096656A1에 개시된 것과 같이 완전히 통합된 CES 시스템 내의 액화공정은 동력 회복 단계 동안에 극저온유체의 증발시 포획된 냉기 에너지를 이용한다. 그러나, 냉기 에너지의 소오스는 CES 시스템에 인접하여 수행되는 공정과 같은 외부공정으로부터 쉽게 취해질 수 있다. 어떤 경우들에 있어서는, 외부 공정으로부터 제공되는 (폐기될 것으로 사료되는) 냉기 에너지를 이용하는 것이 특히 바람직하다.
CES 시스템에서 이용될 하나의 그러한 외부공정은 LNG 재기화 공정이다. CES 시스템은 폐 냉기 흐름을 이용하게 된다. 액체 제조과정 동안에 LNG 재기화 터미널로부터 자주 연속적으로 강제 방출될 폐 냉기 흐름을 이용하게 된다. 이것은 만약 재기화 터미널이 CES 시스템에 인접하면 특히 바람직하다. 냉기 흐름의 사용은 GB 1115336.8에 상세하게 개시된 것과 같이 통합된 열 저장소에 저장될 냉기 에너지에 대한 요구조건을 잠재적으로 무효화한다. 대신에, 그 냉기 에너지는 액화공정에서 주 공정 흐름에 추가적인 냉각을 제공하기 위해서 충전단계 동안에 즉시 사용될 수 있다.
예시적인 시스템이 도 5에 도시되어 있다. 여기에서, 주 공정 흐름(31, 35)은 주위온도(=298k)하에서 고압, 바람직하게는 적어도 임계압력(공기에 대해 38bar), 보다 바람직하게는 56bar로 압축된다. 상기 흐름은 유입구(31)로 들어가고, 여기에서 열교환기(100)의 통로(35)를 통과하며, 통로(52)에 근접한 덕분으로 냉기 저압 복귀흐름(41) 및 냉기 회복 회로 HTF에 의해서 점진적으로 냉각된다. 냉기 회복 회로에서 HTF는 고압 또는 저압하에서 기체나 액체로 이루어진다. 그러나, 질소와 같은 기체는 바람직하다. 냉기 회복 회로 HTF는 LNG와 같은 냉기 공급원의 직류로 교체될 수 있다.
냉기 회복 회로는 통상적으로 기계적인 송풍기, 제 1 열교환기(101) 및 추가적인 제 2 열교환기(100)와 같은 순환 수단(5)으로 구성된다. 예시적인 경우에 있어서, HTF는 기계적인 송풍기(또는 유사한 순환수단)에 의해서 냉기 회복 회로 주위로 순환되고 283~230k 온도하에서 열교환기(101)로 들어간다. HF는 열교환기(101)를 통해서 유동하고 빠져나가기 전에 108~120k의 온도 범위로 점진적으로 냉각된다. 그러면, HTF는 통로(52)를 거쳐서 열교환기(100)로 유동하고, 여기에서 통로(52)에 근접한 덕분에 고압 공정 가스흐름으로 냉각을 제공한다.
고압 주 공정흐름(35)의 부분은 150~170k의 온도하에서 주 공정흐름(35)으로부터 분리되고, 팽창 터빈(4)을 통해서 팽창된다(예를 들어, 1~5bar 범위).
분리된 부분은 팽창 터빈(4)을 빠져나가서 기액 분리기(2)로 들어가는데, 여기에서 기체상 증기 분율(통상적으로 96%)은 열교환기(100)를 통해서 유동한다. 냉기 열 에너지는 주 공정 흐름(35)이 통로(41)에 근접한 덕분으로 열교환기(100)에서 기체상 증기 분율로부터 고압 주 공정흐름(35)으로 전달된다. 잔여 4%는 액체의 형태로 흐름(33)을 통해서 수집된다.
주 공정가스 흐름은 약 55~56bar의 압력과 97k의 온도로 열교환기(100)를 빠져나가는데, 상기 열교환기에서 그것은 주울-톰슨 밸브(1) 또는 팽창의 다른 수단을 통해서 팽창된다. 이것은 기액 분리기(2)를 통해서 유동하는 96%의 액체 분율을 갖는 흐름의 통상적인 구성을 창조한다. 이 액체 분율은 흐름(33)을 통해서 수집되고, 증기 분율은 통로(41)를 통해서 축출된다.
액화천연가스는 큰 체적의 저압탱크에서 -160℃하에서 저장될 것이다. 예시적인 탱크들은 영국 Milford Haven 소재의 Dragon and South Hook로서 알려진 것을 포함하여 영국에서 LNG 수입 터미널에 제공된다. 이러한 터미널들에서, LNG를 재기화시키기 위해 가열 유체로서 해수가 통상적으로 사용되고, 결과로서 생기는 냉기 에너지는 폐기물로서 간단히 소멸된다. 그러나, 만일 냉기 에너지가 액화공정에서 이용되고 재활용되면, 전기소비는 2/3만큼 잠재적으로 감소될 것이다. 이 해법은 예를 들면 일본이나 한국에서 LNG 수입 터미널에서 작동중에 있는 질소 액화장치들의 설계에 채택되어 왔다.
임의적인 고압 공정 흐름은 주울-톰슨 밸브와 같은 팽창장치를 통해서 팽창될 때 액체 생성을 최대화하기 위해서 필요한 온도에 도달해야만 하는 엔탈피에서 필수적인 변화가 도 1에 도시되어 있다. 통상적인 이상적 냉각흐름은 도 2에서 '냉기 재활용 없음'의 프로필로 도시된 바와 같이 공정에 걸쳐서 엔탈피 변화를 유사하게 겪어야만 한다. 도 2에서 제 2 프로필은 많은 양의 냉기 재활용이 시스템 내로 도입될 때 필요한 냉각에서 '냉기 재활용'으로 표시한 극적인 변화를 나타낸다. 도 2는 250kJ/kg(운반된 액체 생성물의 kg당 냉각 엔탈피로서 정의됨)의 영역에서 냉기 재활용의 양을 나타내는데, 이것은 WO2007-096656A1에 개시된 것과 같은 완전히 통합된 극저온 에너지 시스템에서 사용된 냉기 재활용의 수준에 부합한다. 도 2를 통해서 명백하게 알 수 있는 바와 같이, 냉기 재활용의 추가는 공정의 고온측에서 냉각 요구조건들을 완벽하게 충족시킨다. '냉기 재활용' 흐름을 대신하여 LNG 재기화공정에서 유용한 것과 같은 외부 폐 냉기 흐름의 사용은 유사한 곡선의 결과적인 냉각을 제공한다. 풍부한 양의 냉기 에너지가 유용함에도 불구하고(예를 들어, WO2007-096656A1에 개시된 '냉기 재활용' 시스템과 비교하여), 냉기는 공정의 하단에서 냉각을 제공하기에는 불충분한 양이다.
이것은 보다 점진적인 열 에너지 프로필을 갖도록 사용되게 설계되고 열교환기를 통해서 유동하는 단일 냉각흐름에 의해서 보다 효과적으로 취급될 종래의 액화공정들의 현재상태와 관련한 문제점을 제공한다. 도 3을 통해서 잘 볼 수 있는 바와 같이, 도 4에 도시된 클로드 사이클과 같은 종래 공정들('종래기술의 상태'로 표기된 프로필에 의해서 나타냄)의 현재상태에 의해서 생성된 효과적인 냉각 흐름은, 많은 양의 냉기 재활용을 사용하는 시스템에서 필요한 프로필('이상적 프로필'로 표기된 프로필에 의해서 나타냄)과 비교하여 극단적으로 선형을 나타내며, 매우 부합하지 않는다. 저온측에서 극심한 냉각을 충족시키기 위해서, 종래 공정의 통상적인 상태는 냉기 재활용없이 시스템으로서 냉기 터빈을 통해 적은 양의 공기를 팽창시켜야만 한다. 이것은 공정 열교환기들 내에서 장치의 최대 설계수준 이상의 열전달 요구조건들 및 빈약한 효율을 초래한다.
본 발명자들은 특히 공정의 저온측에서 공정의 집중된 영역들로 비-점진적인 냉각을 제공할 수 있는 시스템의 필요성이 있음을 확인하였다.
본 발명은,
제 1 열교환기;
기액 분리기;
팽창 장치;
기체의 가압된 흐름이 상기 제 1 열교환기, 상기 팽창 장치 및 상기 기액 분리기를 통해서 유동하도록 배열된 제 1 도관 배열;
제 1 열전달 유체, 및 상기 제 1 열전달 유체가 상기 기체의 가압된 흐름에 대하여 역류방향으로 상기 제 1 교환기를 통해서 유동하도록 배열된 제 2 도관 배열을 포함하는 냉기 회복 회로; 및
제 2 열전달 유체, 및 상기 제 2 열전달 유체가 상기 기체의 가압된 흐름에 대하여 역류방향으로 상기 제 1 교환기를 통해서 유동하도록 배열된 제 3 도관 배열을 포함하는 냉각 회로;를 포함하며,
상기 제 2 및 제 3 도관 배열들의 각각은 폐쇄 가압 회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 극저온 액화 장치를 제공한다.
본 발명의 문맥에서, 구 "역류방향"은 제 1 및/또는 제 2 열전달 유체들(HTFs)이 열교환기를 통한 그것의 경로의 적어도 일부에 대해 기체의 가압된 흐름에 반대방향으로 제 1 열교환기를 통해서 유동하는 것을 의미하도록 사용된다. 제 1 및/또는 제 2 열전달 유체 및 기체의 가압된 흐름은 대향하는 측들에서 열교환기로 들어가고, 그래서 각각의 유체의 입구 지점들 사이의 온도차가 최대화된다.
이와는 달리, 제 1 및/또는 제 2 열전달 유체 및 기체의 가압된 흐름은 열교환기의 말단들 사이의 지점에서 열교환기로 들어가지만, 제 1 및/또는 제 2 열전달 유체들의 다른 것에 대해 반대방향으로 열교환기를 통해서 유동하고, 기체의 가압된 흐름은 열교환기를 통한 그것의 경로의 적어도 일부가 될 것이다.
냉기 회복 회로 및/또는 냉각 회로 내의 제 1 열전달 유체는 고압 또는 저합하에서 기체 또는 액체로 이루어질 것이다.
기체의 가압된 흐름(즉, 공정 흐름)은 임계압력 이상의 압력(예를 들면, >38bar)하에서 기체상 공기로 구성될 것이다.
본 발명은 기체의 가압된 흐름(즉, 공정 흐름)이 별도의 냉기 회복 및 냉각회로들의 사용에 의해서 완전히 냉각되는 결과로서 증가된 효율을 제공한다. 특히, 별도의 냉기 회복 및 냉각회로들의 사용은, 그것 자체의 냉기 회복 회로와 비교하여 많은 양의 냉기 에너지가 기체의 가압된 흐름의 냉각에서 이용될 수 있게 한다.
또한, 기체의 가압된 흐름(즉, 공정 흐름)의 유량이 냉각을 위한 공정 흐름을 재활용할 필요가 없으므로 감소할 것이기 때문에, 본 발명의 효율은 종래의 장치들에 비해서 더욱 향상된다.
바람직하게는, 상기 냉기 회복 회로는 제 2 열교환기, 및 기체의 제 1 냉기 흐름이 상기 제 2 열교환기를 통해서 유동하도록 배열된 제 4 도관 배열을 더 포함한다. 그러한 경우에 있어서, 상기 제 2 도관 배열은 상기 제 1 열전달 유체가 상기 기체의 제 1 냉기 흐름에 대하여 역류방향으로 상기 제 2 교환기를 통해서 유동하도록 배열된다.
보다 바람직하게는, 상기 냉각 회로는 제 3 열교환기, 및 기체의 제 2 냉기 흐름은 상기 제 3 열교환기를 통해서 유동하도록 배열된 제 5 도관 배열을 더 포함한다. 그러한 경우에 있어서, 상기 제 3 도관 배열은 상기 제 2 열전달 유체가 상기 기체의 제 2 냉기 흐름에 대하여 역류방향으로 상기 제 3 교환기를 통해서 유동하도록 배열된다.
위에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 문맥에 있어서, 어구 "역류방향"은 기체의 제 1 및/또는 제 2 냉기 흐름들이 제 2 및/또는 제 3 열교환기들을 각각 통과하는 그들의 경로들중 적어도 일부에 대해 제 1 및/또는 제 2 열전달 유체들에 대해 반대방향으로 제 2 및/또는 제 3 열교환기들을 통해 각각 유동하는 것을 의미하도록 사용된다.
기체의 제 1 및 제 2 냉기 흐름들은 기체의 하나의 동일한 냉기 흐름이 될 것이다. 즉, 도관들의 제 4 및 제 5 배열들은 하나의 동일한 도관 배열(즉, 연결됨)이 될 것이다. 또한, 제 2 및 제 3 열교환기들은 하나의 동일한 열교환기가 될 것이다.
바람직하게는, 기체의 제 1 및/또는 제 2 냉기 흐름들은 폐 흐름들이고, 보다 바람직하게는 액화천연가스(LNG) 재기화 공정으로부터 발생한 폐 흐름이다.
그러므로, 특별히 바람직한 실시 예에 있어서, 액화천연가스 (LNG) 재기화 공정으로부터 발생한 폐 흐름은 열교환기를 통과할 것이며, 도관들의 제 2 및 제 3 배열들(즉, 각각 냉기 회복 및 냉각회로들의 배열들)이 또한 열교환기를 통과한다.
몇몇 실시 예들에 있어서, 냉기 회복 회로는 제 2 도관 배열을 통해서 제 1 열전달 유체를 순환시키기 위한 수단을 더 포함한다. 예를 들면, 제 2 도관 배열은 제 1 열전달 유체가 상기 제 1 열교환기를 통해서 유동하기 전에 제 1 열전달 유체를 순환시키기 위한 수단들 통해서 유동한다. 제 1 열전달 유체를 순환시키기 위한 수단은 기계적인 송풍기일 것이다.
몇몇 실시 예들에 있어서, 냉각 회로는 압축장치를 더 포함한다. 몇몇 실시 예들에 있어서, 제 3 도관 배열은 제 2 열전달 유체가 상기 제 3 열교환기를 통해서 유동하기 전에 압축장치를 통해서 유동하도록 배열된다.
몇몇 실시 예들에 있어서, 상기 냉각 회로는 팽창 터빈을 더 포함하며, 상기 제 3 도관 배열은 제 2 열전달 유체가 상기 제 1 열교환기를 통해서 유동하기 전에 상기 팽창 터빈을 통해서 유동하도록 배열된다.
상기 팽창 장치는 주울-톰슨 밸브가 될 것이다.
바람직하게는, 제 2 도관 배열은 제 1 열교환기의 제 1 영역에서 제 1 도관 배열들에 인접하게 배열되고, 보다 바람직하게는, 제 3 도관 배열은 제 1 열교환기의 제 2 영역에서 제 1 도관 배열에 인접하게 배열된다. 그러한 경우에 있어서, 상기 제 2 영역은 유동방향으로 상기 제 1 영역보다 상기 팽창 장치에 근접할 것이다. 그러한 경우에 있어서, 기체의 가압된 흐름은 그것이 냉각회로의 근처에서 유동하기 전에 냉기 회복 회로의 근처에서 유동하도록 제 1 열교환기를 통해서 유동할 것이다.
본 발명은, 액화공정과 외부 열 에너지원으로부터 제공되는 냉기 재활용의 이용 사이에서 균형을 이루기 위한 방법으로서,
기체의 가압된 흐름을 제 1 열교환기, 팽창 장치 및 기액 분리기를 통해서 유동시키는 단계;
냉기 회복 회로에서 제 1 열전달 유체를 기체의 가압된 흐름에 대하여 역류방향으로 상기 제 1 열교환기를 통해서 유동시키는 단계; 그리고
냉각 회복 회로에서 제 2 열전달 유체를 기체의 가압된 흐름에 대하여 역류방향으로 상기 제 1 열교환기를 통해서 유동시키는 단계;를 포함하며,
상기 제 2 및 제 3 도관 배열들의 각각은 폐쇄 가압 회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
상기 방법은, 제 2 열교환기를 통해서 기체의 제 1 냉기 흐름을 유동시키는 단계; 그리고 기체의 제 1 냉기 흐름에 대하여 역류방향으로 상기 제 2 열교환기를 통해서 제 1 열전달 유체를 유동시키는 단계;를 더 포함한다.
상기 방법은, 제 3 열교환기를 통해서 기체의 제 2 냉기 흐름을 유동시키는 단계; 그리고 기체의 제 2 냉기 흐름에 대하여 역류방향으로 상기 제 3 열교환기를 통해서 제 2 열전달 유체를 유동시키는 단계;를 더 포함한다.
다시, 기체의 제 1 및 제 2 냉기 흐름들은 기체의 하나의 동일한 냉기 흐름들이고, 제 2 및 제 3 열교환기들은 하나의 동일한 열교환기일 것이다.
그러한 경우들에 있어서, 기체의 제 1 및/또는 제 2 냉기 흐름들은 예를 들어 액화천연가스(LNG) 재기화 공정으로부터 방출되는 폐 흐름과 같은 폐 흐름일 것이다.
바람직하게는, 상기 방법은 제 1 열교환기를 통해서 유동하기 전에 제 1 열전달 유체를 순환시키기 위한 수단을 통해서 제 2 열전달 유체를 유동시키는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 상기 제 3 열교환기를 통해서 유동하기 전에 압축장치를 통해서 제 2 열전달 유체를 유동시키는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 상기 제 1 열교환기를 통해서 유동하기 전에 팽창터빈을 통해서 제 2 열전달 유체를 유동시키는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 제 1 열교환기를 통해 기체의 가압된 흐름을 유동시키는 단계는, 그것이 냉각회로를 통해서 유동하기 전에 상기 냉기 회복 회로를 지나서 유동시키는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예들은 첨부도면들을 참조하여 설명될 것이다, 첨부도면에서:
도 1은 냉각 공정 동안에 공정 가스가 겪는 총 엔탈피에서의 상대변화의 프로필(총 엔탈피 대 공정가스 온도의 상대변화)을 나타낸 도면;
도 2는 많은 양의 냉기 재활용의 이용시 및 불이용시 시스템에 대한 냉각 공정 동안에 냉각 흐름이 겪어야만 하는 총 엔탈피에서 상대변화의 프로필(총 엔탈피 대 공정가스 온도의 상대변화)을 나타낸 도면;
도 3은 많은 양의 냉기 재활용의 이용시 '이상적' 및 '종래기술' 시스템에 대한 냉각 공정 동안에 냉각 흐름이 겪어야만 하는 총 엔탈피에서 상대변화의 프로필(총 엔탈피 대 공정가스 온도의 상대변화)을 나타낸 도면;
도 4는 종래 기술에 따른 공기 액화공장 배열을 나타낸 도면;
도 5는 통상적인 상태의 종래 기술에 따른 공기 액화공장 배열을 이용하는 '냉기 회복 회로'를 갖는 극저온 에너지 시스템 액화 공정의 개략도; 및
도 6은 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 극저온 에너지 시스템 액화 공정의 개략도.
본 발명의 단순화한 제 1 실시 예가 도 6에 도시되어 있다. 도 6에 도시된 시스템은 도 5에 도시된 종래의 레이아웃과 유사한데, 액체 공기를 생성하기 위해 상기 흐름(31, 35)이 주울-톰슨 밸브(1)를 통해서 팽창되기 전에 추가적인 냉각이 제공된 후, 기체의 가압된 흐름(주 공정 기체흐름(31, 35))은 LNG(60)의 흐름으로부터 회복된 냉기 에너지를 이용하여 일정온도로 냉각된다.
그런데, 도 5에 도시된 레이아웃에서 추가적인 냉각은 주 공정 가스 흐름(31,35) 자체의 부분에 의해서 제공되는 반면에, 본 발명에 따른 도 6의 실시 예에서 추가적인 냉각은 냉각 회로(140)에서 LNG(80)의 흐름으로부터 회복된 냉기 에너지에 의해서 제공된다. 냉각 회로(140)에서 사용된 LNG(80)의 흐름은 냉기 회복 회로(120)에서 사용된 LNG(60)의 흐름과 동일한 흐름이 되거나 또는 다른 흐름이 될 것이다. 마찬가지로, 냉각 회로(140)에서 사용된 열교환기(102)는 냉기 회복 회로(120)에서 사용된 열교환기(101)와 동일한 열교환기이거나 또는 다른 열교환기가 될 것이다.
제 1 실시 예에 있어서, 주 공정 가스 흐름(31, 35)은 주위온도(=298k)하에서 고압, 바람직하게는 적어도 임계 압력(공기에 대하여 38bar), 보다 바람직하게는 56bar로 압축된다. 주 공정 가스 흐름(31, 35)은 유입구(31)로 들어가며, 그 지점에서부터 제 1 열교환기(100)를 통해서 유동하고, 통로(52)를 통과하는 냉기 회복 회로(120) HTF에 의해서 점진적으로 냉각된다. 냉기 회복 회로(120)에서 HTF는 고압이나 저압 하에서 기체나 액체를 포함할 것이다. 바람직한 경우에 있어서, 5bar의 압력하에서 질소와 같은 기체가 사용된다.
냉기 회복 회로(120)는 기계적인 송풍기와 같은 순환수단(5)으로 구성된다. 제 2 열교환기(101)는 위에서 설명한 제 1 열교환기(100)에 추가하여 제공된다. HTF는 기계적인 송풍기에 의해서 냉기 회복 회로 주위로 순환되고, 185k의 온도하에서 제 2 열교환기(101)로 들어간다. HTF는 제 1 열교환기를 통과하는 LNG(60)의 폐 흐름에 근접한 덕분에 점진적으로 냉각되고, 123k의 온도하에서 제 2 열교환기(101)를 빠져나간다. HTF는 제 1 열교환기(100)로 유동하고, 통로(52)를 통과하면서 여기에 근접 위치한 고압의 주 공정 가스흐름(31,35)에 냉각을 제공한다.
지점(35)에서, 주 공정 가스흐름(31,35)은 110~135k 범위의 온도, 바람직하게는 124k의 온도로 냉각되고, 제 1 열교환기(100)를 계속해서 통과하며, 하기에서 보다 상세하게 설명하는 바와 같은 통로(71)를 통과하는 냉각 회로(140) HTF에 의해서 점진적으로 냉각된다.
본 발명에서 냉각 회로(140)의 사용은 도 5에 도시된 종래의 시스템에서와 같이 고압의 주 공정 가스흐름의 비율을 확대하여 수행되는 높은 질의 냉기 에너지를 제공하기 위해서 낮은 질의 냉기 에너지의 많은 이용을 가능하게 한다.
제 1 열교환기(100)에 추가하여, 냉각 회로(140)는 압축기(7), 제 3 열교환기(102) 및 익스펜더(expander)(6)로 구성된다. 냉각 회로(14)는 고압이나 저압하에서 기체나 액체로 이루어지는 HTF를 함유한다. 그러나, 바람직한 경우에 있어서, 1.4 내지 7bar의 압력하에서 질소와 같은 기체가 이용된다. 지점(72)에서, HTF는 122k의 온도와 1.4bar의 압력하에 존재한다. HTF는 압축기(7)에 의해서 높은 압력으로 압축된다(예를 들면, 5bar 내지 lObar, 그러나 바람직하게는 7bar). HTF는 제 3 열교환기를 통과하는 LNG(80)의 폐 흐름에 근접한 덕분에 점진적으로 냉각되는 제 3 열교환기(102)로 들어가기 전에 온도 206k하에서 압축기(7)를 빠져나간다. 그러면, HTF는 압력 6.9bar 및 온도 123k하에서 익스펜더(6)로 들어가고, 여기에서 온도 84k하에서 1.5bar로 팽창된다. 그러면, HTF는 제 1 열교환기(100)로 들어가고, 여기에서 HTF는 근접한 덕분에 고압 주 공정 가스흐름(31,35)으로 냉각을 제공하는 통로(71)를 통과한다.
본 발명의 냉기 회복 및 냉각회로들에서 HTF와 같은 질소를 사용하면, 잠재적으로 위험한 냉기 공급원과 공정 가스(바람직한 경우에 LNG 및 산소를 함유하는 기체상 공기) 사이에 일정수준의 격리를 제공한다.
끝으로, 주 공정 가스흐름(31,35)은 약 55~56bar의 압력 및 97k의 온도로 제 1 열교환기(100)를 빠져나가는데, 여기에서 기액 분리기(2) 내로 향하는 >95%(최적으로는 >98%)의 액체 분율을 갖는 출력흐름의 통상적인 구성을 창조하는 주울-톰슨 밸브(1)(또는 팽창장치의 다른 수단)를 통해서 팽창된다. 상기 액체 분율은 흐름(33)을 통해서 수집되고 증기 분율은 통로(34)를 통해서 축출된다.
본 발명은 예에 의해서 설명하였고 하기 특허청구범위에서 한정된 바와 같은 본 발명의 범위 내에서 상세한 변경들이 이루어질 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (32)

  1. 극저온 액화장치로서,
    제 1 열교환기;
    기액 분리기;
    팽창 장치;
    기체의 가압된 흐름이 상기 제 1 열교환기, 상기 팽창 장치 및 상기 기액 분리기를 통해서 유동하도록 배열된 제 1 도관 배열;
    제 1 열전달 유체, 및 상기 제 1 열전달 유체가 상기 기체의 가압된 흐름에 대하여 역류방향으로 상기 제 1 열교환기를 통해서 유동하도록 배열된 제 2 도관 배열을 포함하는 냉기 회복 회로; 및
    제 2 열전달 유체, 및 상기 제 2 열전달 유체가 상기 기체의 가압된 흐름에 대하여 역류방향으로 상기 제 1 열교환기를 통해서 유동하도록 배열된 제 3 도관 배열을 포함하는 냉각 회로; 를 포함하며,
    상기 제 2 및 제 3 도관 배열들의 각각은 폐쇄 가압 회로를 형성하고, 상기 기체의 가압된 흐름은 상기 기체의 가압된 흐름의 부분에 의해 냉각되지 않고,
    상기 기액 분리기는 액체 분율 및 증기 분율을 생산하고, 상기 액체 분율은 제 1 기액 분리기 출구 흐름을 통해 수집되고 상기 증기 분율은 제 2 기액 분리기 출구 흐름을 통해 축출되는 것인 극저온 액화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 냉기 회복 회로는 제 2 열교환기, 및 액화천연가스(LNG)의 제 1 흐름 또는 액화천연가스(LNG) 재기화 공정으로부터 발생한 제 1 폐 흐름이 상기 제 2 열교환기를 통해서 유동하도록 배열된 제 4 도관 배열을 더 포함하며,
    상기 제 2 도관 배열은 상기 제 1 열전달 유체가 상기 액화천연가스(LNG)의 제 1 흐름 또는 상기 액화천연가스(LNG) 재기화 공정으로부터 발생한 제 1 폐 흐름에 대하여 역류방향으로 상기 제 2 열교환기를 통해서 유동하도록 배열된 것을 특징으로 하는 극저온 액화 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각 회로는 제 3 열교환기, 및 액화천연가스(LNG)의 제 2 흐름 또는 액화천연가스(LNG) 재기화 공정으로부터 발생한 제 2 폐 흐름이 상기 제 3 열교환기를 통해서 유동하도록 배열된 제 5 도관 배열을 더 포함하며,
    상기 제 3 도관 배열은 상기 제 2 열전달 유체가 상기 액화천연가스(LNG)의 제 2 흐름 또는 액화천연가스(LNG) 재기화 공정으로부터 발생한 제 2 폐 흐름에 대하여 역류방향으로 상기 제 3 열교환기를 통해서 유동하도록 배열된 것을 특징으로 하는 극저온 액화 장치.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 냉각 회로는 제 3 열교환기, 및 액화천연가스(LNG)의 제 2 흐름 또는 액화천연가스(LNG) 재기화 공정으로부터 발생한 제 2 폐 흐름이 상기 제 3 열교환기를 통해서 유동하도록 배열된 제 5 도관 배열을 더 포함하고,
    상기 제 3 도관 배열은 상기 제 2 열전달 유체가 상기 액화천연가스(LNG)의 제 2 흐름 또는 액화천연가스(LNG) 재기화 공정으로부터 발생한 제 2 폐 흐름에 대하여 역류방향으로 상기 제 3 열교환기를 통해서 유동하도록 배열된 것인 극저온 액화 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 2 및 제 3 열교환기들은 하나의 동일한 열교환기인 것을 특징으로 하는 극저온 액화 장치.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 도관들의 제 4 및 제 5 배열들은 도관들의 하나의 동일한 배열이고, 액화천연가스(LNG)의 제 1 및 제 2 흐름들은 하나의 동일한 액화천연가스(LNG) 흐름이거나
    액화천연가스(LNG) 재기화 공정으로부터 발생한 제 1 및 제 2 폐 흐름들은 액화천연가스(LNG) 재기화 공정으로부터 발생한 하나의 동일한 폐 흐름인 것인 극저온 액화 장치.
  7. 제 5 항에 있어서, 상기 도관들의 제 4 및 제 5 배열들은 도관들의 하나의 동일한 배열이고, 액화천연가스(LNG)의 제 1 및 제 2 흐름들은 하나의 동일한 액화천연가스(LNG) 흐름이거나
    액화천연가스(LNG) 재기화 공정으로부터 발생한 제 1 및 제 2 폐 흐름들은 액화천연가스(LNG) 재기화 공정으로부터 발생한 하나의 동일한 폐 흐름인 것인 극저온 액화 장치.
  8. 제 2 항 내지 제 7 항들 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 팽창 장치로부터의 출력 흐름은 적어도 95%의 액체 질량 분율을 갖는 것을 특징으로 하는 극저온 액화 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 55 bar 내지 56bar의 압력 및 97k의 온도 조건에서 압축된 가스 흐름이 상기 제 1 열교환기를 빠져나가는 것을 특징으로 하는 극저온 액화 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉기 회복 회로는 상기 제 2 도관 배열을 통해서 제 1 열전달 유체를 순환시키기 위한 수단을 더 포함하고,
    상기 제 2 도관 배열은 제 1 열전달 유체가 상기 제 1 열교환기를 통해서 유동하기 전에 제 1 열전달 유체를 순환시키기 위한 수단을 통해서 유동하고,
    상기 제 1 열전달 유체를 순환시키기 위한 수단은 기계적인 송풍기인 것인 극저온 액화 장치.
  11. 제 3 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 회로는 압축장치를 더 포함하며, 상기 제 3 도관 배열은 제 2 열전달 유체가 상기 제 3 열교환기를 통해서 유동하기 전에 상기 압축장치를 통해서 유동하도록 배열된 것을 특징으로 하는 극저온 액화 장치.
  12. 제 3 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 회로는 팽창 터빈을 더 포함하며, 상기 제 3 도관 배열은 제 2 열전달 유체가 상기 제 1 열교환기를 통해서 유동하기 전에 상기 팽창 터빈을 통해서 유동하도록 배열된 것을 특징으로 하는 극저온 액화 장치.
  13. 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 팽창 장치는 주울-톰슨 밸브인 것을 특징으로 하는 극저온 액화 장치.
  14. 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 도관 배열은 상기 제 1 열교환기의 제 1 영역에서 상기 제 1 도관 배열에 인접하게 배열된 것을 특징으로 하는 극저온 액화 장치.
  15. 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 3 도관 배열은 상기 제 1 열교환기의 제 2 영역에서 상기 제 1 도관 배열에 인접하게 배열된 것을 특징으로 하는 극저온 액화 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 제 2 도관 배열은 상기 제 1 열교환기의 제 1 영역에서 상기 제 1 도관 배열에 인접하게 배열되고,
    상기 제 2 영역은 유동방향으로 상기 제 1 영역보다 상기 팽창 장치에 근접한 것을 특징으로 하는 극저온 액화 장치.
  17. 액화공정과 외부 열 에너지원으로부터 제공되는 냉기 재활용의 이용 사이에서 균형을 이루기 위한 방법으로서,
    기체의 가압된 흐름을 제 1 열교환기, 팽창 장치 및 기액 분리기를 통해서 유동시키는 단계;
    냉기 회복 회로에서 제 1 열전달 유체를 기체의 가압된 흐름에 대하여 역류방향으로 상기 제 1 열교환기를 통해서 유동시키는 단계;
    냉각 회로에서 제 2 열전달 유체를 기체의 가압된 흐름에 대하여 역류방향으로 상기 제 1 열교환기를 통해서 유동시키는 단계;
    상기 기액 분리기로부터 액체 분율 및 증기 분율을 생산하는 단계; 및
    제 1 기액 분리기 출구 흐름을 통해 상기 액체 분율을 수집하고 제 2 기액 분리기 출구 흐름을 통해 증기 분율을 축출하는 단계;
    를 포함하며,
    상기 제 2 및 제 3 도관 배열들의 각각은 폐쇄 가압 회로를 형성하고 상기 기체의 가압된 흐름은 상기 기체의 가압된 흐름의 부분에 의해 냉각되지 않는 것인 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    제 2 열교환기를 통해서 액화천연가스(LNG)의 제 1 흐름 또는 액화천연가스 재기화 공정으로부터 발생한 제 1 폐 흐름을 유동시키는 단계; 그리고
    상기 액화천연가스(LNG)의 제 1 흐름 또는 액화천연가스 재기화 공정으로부터 발생한 제 1 폐 흐름에 대하여 역류방향으로 상기 제 2 열교환기를 통해서 제 1 열전달 유체를 유동시키는 단계;를 더 포함하는 방법.
  19. 제 17 항에 있어서,
    제 3 열교환기를 통해서 액화천연가스(LNG)의 제 2 흐름 또는 액화천연가스(LNG) 재기화 공정으로부터 발생한 제 2 폐 흐름을 유동시키는 단계; 그리고
    상기 액화천연가스(LNG)의 제 2 흐름 또는 액화천연가스(LNG) 재기화 공정으로부터 발생한 제 2 폐 흐름에 대하여 역류방향으로 상기 제 3 열교환기를 통해서 제 2 열전달 유체를 유동시키는 단계;를 더 포함하는 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    제 3 열교환기를 통해서 액화천연가스(LNG)의 제 2 흐름 또는 액화천연가스(LNG) 재기화 공정으로부터 발생한 제 2 폐 흐름을 유동시키는 단계; 그리고
    상기 액화천연가스(LNG)의 제 2 흐름 또는 액화천연가스(LNG) 재기화 공정으로부터 발생한 제 2 폐 흐름에 대하여 역류방향으로 상기 제 3 열교환기를 통해서 제 2 열전달 유체를 유동시키는 단계;
    를 더 포함하는 방법.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 제 2 및 제 3 열교환기들은 하나의 동일한 열교환기인 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 20 항에 있어서, 액화천연가스(LNG)의 제 1 및 제 2 흐름들은 하나의 동일한 액화천연가스 흐름이거나
    액화천연가스(LNG) 재기화 공정으로부터 발생한 제 1 및 제 2 폐 흐름들은 액화천연가스(LNG) 재기화 공정으로부터 발생한 하나의 동일한 폐 흐름인 것인 방법.
  23. 제 21 항에 있어서, 액화천연가스(LNG)의 제 1 및 제 2 흐름들은 하나의 동일한 액화천연가스 흐름이거나
    액화천연가스(LNG) 재기화 공정으로부터 발생한 제 1 및 제 2 폐 흐름들은 액화천연가스(LNG) 재기화공정으로부터 발생한 하나의 동일한 폐 흐름인 것인 방법.
  24. 제 18 항에 있어서, 제 2 열전달 유체가 상기 제 1 열교환기를 통해서 유동하기 전에 제 2 열전달 유체를 순환시키기 위한 수단을 통해서 유동시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 제 19 항에 있어서, 제 2 열전달 유체가 상기 제 3 열교환기를 통해서 유동하기 전에 압축장치를 통해서 유동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  26. 제 20 항에 있어서, 제 2 열전달 유체가 제 3 열교환기를 통해 유동하기 전에 압축장치를 통해서 유동시키는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  27. 제 19 항에 있어서, 제 2 열전달 유체가 상기 제 1 열교환기를 통해서 유동하기 전에 팽창 터빈을 통해서 유동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
  28. 제 20 항에 있어서, 제 2 열전달 유체가 제 1 열교환기를 통해 유동하기 전에 팽창 터빈을 통해서 유동시키는 단계를 더 포함하는 것인 방법.
  29. 제 17 항 내지 제 28 항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 열교환기를 통해서 기체의 가압된 흐름을 유동시키는 단계는, 상기 기체의 가압된 흐름이 상기 냉각 회로를 통해 유동하기 전에 상기 냉기 회복 회로를 지나도록 유동시키는 단계를 더 포함하는 방법.
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