KR102305156B1 - 수소 액화 장치 - Google Patents

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Abstract

수소 액화 장치가 제시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 액화 장치는, 수소 가스를 액화시키기 위해 액화천연가스(LNG)의 냉열을 이용하여 액체 질소나 액체 알곤을 제조하는 액체 질소(액체 알곤) 제조 장치; 제조된 상기 액체 질소나 액체 알곤을 이용하여 밀폐 순환 수소 가스를 냉각시키는 예냉기; 상기 밀폐 순환 수소 가스를 2단으로 압축하는 저압 압축기 및 고압 압축기; 상기 밀폐 순환 수소 가스를 압축 후, 다단으로 냉각시키는 복수 개의 냉각기; 냉각된 밀폐사이클의 상기 밀폐 순환 수소 가스의 일부가 중압으로 팽창되는 팽창기; 및 상기 밀폐사이클의 상기 밀폐 순환 수소 가스 중 잔여 수소는 중압의 액기 혼합수소에 의하여 냉각 후, 팽창 밸브에서 최종 압력으로 저하되면서 액화되어 일부 액체 수소를 생성하며 저압 압축기로 반송되는 순환 장치를 포함하고, 상기 복수 개의 냉각기는 반송되는 액체 수소에 의하여 액화시키고자 압축 주입(Feed)되는 수소 가스를 냉각시키며, 상기 팽창기는 냉각된 상기 수소 가스의 압력을 저하시켜 일부를 액체 수소로 변화시킬 수 있다.

Description

수소 액화 장치{APPARATUS FOR HYDROGEN LIQUEFACTION}
본 발명의 실시예들은 수소 액화 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수소 가스의 액화 공정 중 에너지 절약형 액화 공정인 액화천연가스(LNG)의 냉열을 이용하는 수소 액화 장치에 관한 것이다.
전세계적으로 사용량이 증가하고 있는 액화천연가스(LNG)는 -162 ℃의 액체 상태로 도입되어 저장탱크에 저장한 후 해수로 가스화되어 도시가스로 공급되고 있다. 액화천연가스(LNG)의 냉열 이용은 해수에 버리는 극저온 에너지 즉, 냉열을 회수하여 이용하는 것으로 수소를 액화하는 공정에 이용이 가능하다.
대기압 환경에서 수소 가스의 액화를 위해서는 -253 ℃까지 온도를 저하시켜야 하며, 이를 위한 제거 열량은 상온의 가스를 액체 온도 전까지 저하시키는 현열과 기체에서 액체로 상이 변화하는 상변화 잠열 제거를 합하여 4,024 kJ/kg를 제거해야 하고, 또한 수소 분자(H2)가 회전이 바뀌면서 발생하는 열 즉, 변환열(Conversion heat)인 703.3 kJ/kg을 제거해야 한다. 상기와 같은 많은 에너지를 제거해야 하는 액화 공정의 소요 에너지를 절약할 수 있는 기술이 공지되어 있다.
종래의 액화 공정으로는 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG)가 보유하고 있는 냉열을 이용한 수소 액화 공정이 있다. 그러나, 수소 액화 공정에 이용할 수 있는 액화천연가스(LNG)의 냉열 온도는 1 기압에서 최저 상변화 온도인 -162 ℃까지로, 이용할 수 있는 온도에 제한이 있다.
도 1은 종래의 수소 액화 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 수소 액화 장치(100)는 저압 압축기(110), 고압 압축기(120), 주입(Feed) 수소 압축기(125), 액체 질소 냉각기(130), 다수 개의 일반 냉각기(140), 팽창기(150, 151), 팽창 밸브(160, 161) 및 액기 분리기(170)를 포함할 수 있다.
수소의 액화에 필요한 에너지 제거 공정은 밀폐된 밀폐사이클(101)로 구성되며, 밀폐사이클(101)에 충전되어 순환되는 작동유체는 통상 수소 가스가 된다. 이 수소 액화용 밀폐사이클(101)의 구성은 극저온 액화 공정에 널리 적용되고 있는 린데(Linde) 2단 압축 액화 공정과 클라우드(Claude) 액화 공정이 조합되어 이루어진다. 린데의 2단 압축은 압축일은 일부 증가하나 얻어지는 액체량 당의 소요 동력은 감소하게 되며, 클라우드 액화 공정은 순환 매체량은 증가하나 얻어지는 액체량이 크게 증가하는 공정이다.
또한, 수소 가스의 액화에 필수 공정으로는 먼저 압축된 수소 가스를 -70 ℃이하로 온도를 낮춘 후 압력을 강하시켜야 액체를 얻게 된다. 만약 이 온도 이하로 저하시키지 않으면 액체를 얻을 수 없게 되며, 이를 최대 역전온도(Maximum Inversion Temperature)라 한다. 이를 위하여 종래의 수소 액화 장치(100)의 공정에서는 -196 ℃의 액체 질소를 증발시켜, 밀폐 순환 수소를 액체 질소 냉각기(130)로 예냉시킨다. 그러나, 사용되는 액체 질소는 기화 후 버리게 되는 것이므로 고가의 액체 질소의 사용량을 절감하기 위하여 사용량을 최대한 감소시켜야 한다. 액화시키고자 하는 주입(Feed) 수소의 역전온도 -70 ℃ 이하의 냉각은 밀폐사이클(101)의 순환 수소의 냉열을 사용하는 액화 공정으로 이루어진다.
도 1을 참조하여 종래의 수소 액화 장치(100)의 공정을 설명하면, 먼저 밀폐사이클(101)은 2단의 압축기(110, 120)로 구성되어 밀폐사이클(101) 내부의 순환 수소 가스를 압축시킨다. 액체 질소 냉각기(130)는 압축기(120)로부터 전달되는 수소 가스(103)를 냉각시킬 수 있다. 이때, 액체 질소(LN2)의 냉열은 대략 -196 ℃이며, 액체 질소 냉각기(130)는 수소 가스를 대략 -193 ℃로 냉각시킬 수 있다. 다수개의 일반 냉각기(140)들은 액체 질소 냉각기(130)로부터 전달되는 수소 가스를 추가적으로 냉각시킬 수 있다. 이 일반 냉각기(140) 중 적어도 어느 하나로부터 수소 가스 일부가 추출(by-pass)되어 팽창기(150)에서 중압으로 저하된다. 이를 통해 수소 가스의 온도가 약 -241 ℃로 저하되면서 일부가 액체 수소로 변화되고, 이 저온의 액체와 기체 수소 혼합물(102)은 다시 냉각기(140)를 역으로 순환되면서 밀폐 공정의 순환 수소 가스(103)의 온도를 저하시킨 후 저압 압축기(110)와 고압 압축기(120) 사이로 주입된다.
한편, 팽창기(150)로 추출되지 않은 밀폐사이클(101)의 순환 수소 가스(103)는 저온의 2단 팽창기(151, 152)로부터 반송되는 순환 수소(102)에 의하여 냉각된 후 팽창 밸브(160)에서 대기압으로 저하된다. 이때, 수소 온도는 -253 ℃이고, 액기 혼합물이 얻어진다. 이 액기 혼합 상태의 극저온 수소가 저압 압축기(110)로 반송되면서, 액화시키고자 주입(Feed)되는 수소(104)의 온도를 저하시키는 냉각, 액화시키는 작용을 하게 된다.
액화시키고자 주입(Feed)되는 압축된 수소 가스(104)는 압축기(125)와 다수의 냉각기(140)를 거치면서 액기 혼합 상태의 극저온 수소에 의하여 온도가 저하되고 최종 팽창 밸브(161)에서 대기압으로 압력이 강하되면서 -253 ℃의 액체 수소와 기체 수소를 얻어 탱크에 저장된다.
도 2는 종래의 액화천연가스(LNG) 냉열을 이용한 수소 액화 장치를 나타낸 도면이다.
이 공정은 도 1에서 설명한 액체 질소를 이용하는 종래의 수소 액화 장치의 액체 수소 액화 공정과 동일한 수소 밀폐사이클(201)을 적용하는 것으로, 린데 2단 압축 액화 공정과 클라우드 액화 공정이 조합된 것이다. 차이점은 액체 질소를 이용한 예냉 공정에 이용되는 버려지는 고가의 액체 질소 대신에 에너지 절약 효과가 큰 액화천연가스(LNG)의 냉열을 이용하여 LNG 냉각기(230)를 통해 예냉하는 것이다.
밀폐사이클의 LNG 냉각기(230)는 액화천연가스를 이용하여 압축기(220)로부터 전달되는 수소 가스(203)를 냉각시킬 수 있다. 이때 액화천연가스(LNG)의 냉열은 대략 -156 ℃ ~ 162 ℃이므로, LNG 냉각기(230)에서 수소 가스를 대략 -153 ℃ ~ -159 ℃로 냉각시킬 수 있다. 일반 냉각기(240)와 팽창기(250, 251, 252), 팽창 밸브(260,261) 등은 도 1과 동일하거나 유사하게 구성할 수 있다.
한편, 도 1 및 도 2에서 설명한 종래의 극저온 수소 액화 공정은 고효율 단열이 필수적으로 요구된다. 수소 액화 공정은 다수개의 냉각기(140, 240)들로 구성되며 이의 열 손실이 크게 되면 액체 수율이 현저히 저하되고, 만약 열 손실이 커서 냉각기 효율이 85% 이하가 될 경우는 냉각된 기체만을 얻게 된다. 종래의 일반 냉각기(140, 240)의 단열 방식은 콜드박스(Cold Box)를 구성하는 것으로, 박스 용기 내부에 단열이 필요한 수소 액화 공정의 냉각기들과 기타 팽창장치 등 단열이 필요한 설비들을 위치시키고 펄라이트 분말을 40cm 두께로 충전하여 외부의 열유입을 차단하고 있다.
종래의 수소 액화 공정의 문제점은 예냉을 위하여 사용하는 액체 질소가 공정에서 지속적으로 기화되어 소비되므로 에너지 비용이 과다하게 요구되는 문제를 가지고 있다.
또한, 종래의 LNG 냉열을 이용한 수소 액화 공정의 문제점은 -156 ~ -162 ℃ 액화천연가스(LNG)의 온도까지만을 이용하게 되어, 수소 액화에 필요한 예냉과 변환열에 제거에 이용하는 LNG 냉열 에너지 양이 -196 ℃의 액체 질소보다 적게 되는 것이다. 또한 수소 순환 밀폐사이클에 LNG의 냉열을 순환 수소의 냉각에 직접 이용함으로써 위험성을 내포하게 되는 문제가 있다.
종래의 일반 냉각기 등의 단열 방식은 콜드박스를 구성하는 것으로, 박스 용기 내부에 단열이 필요한 설비들을 위치시키고 펄라이트 분말을 40cm 두께로 충전하고 있다. 이 단열재는 분말 형태로 유지보수 시 취급이 어려울 뿐만 아니라, 단열 성능의 개선이 요구되고 있다.
한국등록특허 10-1585825호
본 발명의 실시예들은 수소 액화 장치에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 수소 가스의 액화 공정 중 에너지 절약형 액화 공정인 액화천연가스(LNG)의 냉열을 이용하는 수소 액화 기술을 제공한다.
본 발명의 실시예들은 액화천연가스(LNG)의 냉열을 수소 액화 공정에 이용함에 있어 제한이 되는 온도 문제, 안전성 확보 및 단열 문제를 해결하고자 하는 것으로, 1단계의 액화천연가스(LNG)의 냉열을 이용하여 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합액체를 제조하는 공정과, 2단계의 상기 액체 질소나 액체 네온을 수소 액화 공정에 최대한 많이 이용하는 공정, 그리고 3단계의 극저온 액화 공정의 필수 사항인 단열 장치(Cold Box)에 잉여 냉열을 활용하는 공정을 포함하는, 수소 액화 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예들은 - 162 ℃의 액화천연가스(LNG)의 냉열을 액화 온도가 - 253 ℃인 액체 수소의 제조 공정에 이용함에 있어서, 종래의 액화천연가스(LNG)의 -162 ℃까지의 온도 제한 문제와 냉열을 밀폐사이클의 순환 수소 냉각 공정에만 적용하는 문제를 해결하여, 냉열이용 온도를 액체 질소의 온도인 -196 ℃나 액체 네온의 온도인 -246 ℃까지 사용하고, 액화시키고자 하는 수소 가스의 예냉과 밀폐사이클의 순환 수소의 예냉에 냉열을 사용하도록 함으로써, 냉에너지의 이용량을 크게 증가시키고 액체 수소의 수율을 크게 증진시킬 수 있는, 수소 액화 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 액화 장치는, 수소 가스를 액화시키기 위해 액화천연가스(LNG)의 냉열을 이용하여 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합액체를 제조하는 액체 질소나 액체 네온 제조 장치; 제조된 상기 액체 질소나 액체 네온을 이용하여 밀폐 순환 수소 가스를 냉각시키는 예냉기; 상기 밀폐 순환 수소 가스를 2단으로 압축하는 저압 압축기 및 고압 압축기; 상기 밀폐 순환 수소 가스를 압축 후, 다단으로 냉각시키는 복수 개의 냉각기; 냉각된 밀폐사이클의 상기 밀폐 순환 수소 가스의 일부가 중압으로 팽창되는 팽창기; 및 상기 밀폐사이클의 상기 밀폐 순환 수소 가스 중 잔여 수소는 중압의 액기 혼합수소에 의하여 냉각 후, 팽창 밸브에서 최종 압력으로 저하되면서 액화되어 일부 액체 수소를 생성하며 저압 압축기로 반송되는 순환 장치를 포함하고, 상기 복수 개의 냉각기는 반송되는 액체 수소에 의하여 액화시키고자 압축 주입(Feed)되는 수소 가스를 냉각시키며, 상기 팽창기는 냉각된 상기 수소 가스의 압력을 저하시켜 일부를 액체 수소로 변화시킬 수 있다.
상기 팽창기는, 수소 액화 공정에 필요한 복수 개의 팽창기로 구성되고, 복수 개의 팽창기를 다단의 팽창 과정으로 구성하여 순환 유체의 온도를 보다 저하시킬 수 있다.
수소 액화 공정에서 발생하는 잉여 냉열을 공기나 질소로 회수하여 단열에 사용하는 콜드박스를 더 포함하고, 상기 콜드박스는 냉기체 층으로 구성되거나, 고체 단열재 층과 냉기체 층을 복합적으로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 액화 방법은, 수소 가스를 액화시키기 위해 액화천연가스(LNG)의 냉열을 이용하여 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합액체를 제조하는 액체 질소나 액체 네온 제조 단계; 및 제조된 상기 액체 질소나 액체 네온을 이용하여 밀폐 순환 수소 가스를 냉각시켜 수소 순환 액화 공정에 이용하고, 액화시키고자 주입(Feed)되는 수소 가스를 냉각에 이용하며, 냉각된 상기 수소 가스의 압력을 저하시켜 일부를 액체 수소로 변화시키는 수소 액화 단계를 포함하고, 제조된 상기 액체 질소, 액체 네온 또는 그들의 혼합물의 액체를 이용하여 LNG 냉열의 이용량을 극대화하여 수소를 액화시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 -162 ℃의 액화천연가스(LNG)의 냉열을 다단의 액체 수소의 제조 공정에 이용함에 있어, 액화천연가스로부터 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합액체를 제조하고 이를 수소 액화 공정에 이용함으로써 안전성과 냉열 이용량을 증대시켜 수소 액화 에너지 소요량을 크게 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면 액화 공정 중 발생하는 잉여 냉열을 이용하여 다수개의 냉각기 단열에 효과적으로 이용하는 공정을 구성하여 액체 수소 수율을 크게 증진시키는 효과를 제공할 수 있다. 즉, 냉열 이용 온도차에 의한 냉열 이용량은 17.2% ~42%가 증가되며, 회전변환 냉각 이용량은 20%~33.4%가 증가하게 되는 것이다. 한편, 밀폐 순환 수소사이클의 매체 순환량은 10%~15% 감소하는 효과를 제공할 수 있다. 이는 에너지가 크게 소요되는 수소 액화 공정에 자연계인 해수에 버려지는 액화천연가스(LNG)의 기화열의 이용을 극대화함으로써 에너지를 절약하는 효과를 제공할 수 있다. 따라서 액체 수소 수율을 액체 수소 50 % 이상 제조할 수 있는 액화 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 수소 액화 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 액화천연가스(LNG) 냉열을 이용한 수소 액화 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화천연가스(LNG) 냉열을 이용한 수소 액화 장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 콜드박스(Cold Box)를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 린데(Linde)의 2단 압축 액화 공정을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 팽창기를 적용하는 클라우드(Claude) 액화 공정을 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
본 발명은 수소 가스의 액화 공정 중 에너지 절약형 액화 공정인 액화천연가스(LNG)의 냉열을 이용한 수소 액화 장치에 관한 것이다. 수소 가스의 액화 온도는 -253℃로 액화천연가스(LNG)의 냉열을 적용하면 액화천연가스 온도인 -162 ℃까지 만을 이용하게 되는 제한이 따르게 된다. 본 발명의 실시예들에 따르면 액화천연가스(LNG)의 냉열을 수소 액화 공정에 적용함에 있어 제한이 되는 온도 문제와 안전 문제를 해결할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화 공정은 1단계로 수소 가스의 액화에 LNG(액화천연가스)의 냉열을 사용함에 있어 보다 온도가 낮고 안전한 질소 가스나 네온 가스 또는 그들의 혼합기체를 LNG 기지에 송출하여 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합액체를 제조하고, 2단계로 제조된 -196 ℃~-246℃의 액체 질소나 액체 네온을 사용하여 밀폐 수소 순환 액화 공정과 액화시키고자 주입(Feed)되는 수소 가스의 냉각에 이용하는 것이다. 이는 LNG 냉열의 이용량을 극대화시킴으로써 수소 가스 냉각열과 변환열의 일부를 제거하여 액화율을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 3단계로 공정에서 발생하는 잉여 냉열 또는 버려지는 LNG 냉열을 이용하여 콜드박스(Cold Box)의 단열용으로 활용함으로써 액체 수율을 증가시킬 수 있다.
이는, 많은 양의 수소를 보다 안전하고 효율적으로 액화시키는 공정을 구축, 운영할 수 있게 하고, 액화 비용을 크게 절감시켜 에너지 낭비를 줄일 수 있다. 이에 따라 효과적인 액화 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명은 - 162 ℃의 액화천연가스(LNG)의 냉열을 액화 온도가 - 253 ℃인 액체 수소의 제조 공정에 이용함에 있어서, 종래의 액화천연가스(LNG)의 -162 ℃까지의 온도 제한 문제와 냉열을 밀폐사이클의 순환 수소 냉각 공정에만 적용하는 문제를 해결하여, 냉열이용 온도를 -196 ℃나 -246℃까지 사용하고, 액화시키고자 하는 수소 가스의 예냉과 밀폐사이클의 순환 수소의 예냉에 냉열을 사용하도록 함으로써, 냉에너지의 이용량을 크게 증가시키고 액체 수소의 수율을 크게 증진시킬 수 있다.
이를 해결하기 위하여, 1 단계는 LNG 인수기지의 - 162 ℃의 액화천연가스(LNG)의 냉열을 직접 밀폐 수소 순환 공정에 적용하지 않고, 액화천연가스 냉열을 이용하여 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합액체를 제조하는 공정을 구성하는 것이다. 이는 LNG 인수기지로 질소 가스나 네온 가스를 송출하여 LNG 냉각기(331)에서 질소나 네온 가스를 냉각시킨 후, 팽창 밸브(333)에서 압력을 대기압으로 강하시켜 -196 ℃~-246 ℃의 액체 질소나 액체 네온을 얻게 된다. 2단계로는 이 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합액체를 이용하여 수소 액화 공정의 밀폐사이클의 수소 예냉(330)과, 액화시키고자 주입(Feed)되는 수소 가스를 예냉(334) 시키게 구성된다. 또한, 수소 액화 공정 중 종래 팽창기(150, 151, 152, 250, 251, 252)는 2개의 연속 팽창으로 구성되나, 본 실시예에서는 팽창기(350, 351)를 단계적으로 구성하여 보다 낮은 온도를 얻을 수 있도록 하였다. 3단계로는 수소 액화 공정의 잉여 냉열이나 LNG 냉열을 회수하여 액화 공정 설비들의 단열에 이용할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화천연가스(LNG) 냉열을 이용한 수소 액화 장치를 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 액화 장치는, 수소 가스를 액화시키기 위해 액화천연가스(LNG)의 냉열을 이용하여 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합 액체를 제조하는 액체 질소나 액체 네온 제조 장치; 제조된 액체 질소나 액체 네온을 이용하여 밀폐 순환 수소 가스를 냉각시키는 예냉기; 밀폐 순환 수소 가스를 2단으로 압축하는 저압 압축기 및 고압 압축기; 밀폐 순환 수소 가스를 압축 후, 다단으로 냉각시키는 복수 개의 냉각기; 냉각된 밀폐사이클의 밀폐 순환 수소 가스의 일부가 중압으로 팽창되는 팽창기; 및 밀폐사이클의 밀폐 순환 수소 가스 중 잔여 수소는 중압의 액기 혼합수소에 의하여 냉각 후, 팽창 밸브에서 최종 압력으로 저하되면서 액화되어 일부 액체 수소를 생성하며 저압 압축기로 반송되는 순환 장치를 포함하고, 복수 개의 냉각기는 반송되는 액체 수소에 의하여 액화시키고자 압축 주입(Feed)되는 수소 가스를 냉각시키며, 팽창기는 냉각된 수소 가스의 압력을 저하시켜 일부를 액체 수소로 변화시킬 수 있다.
여기서, 팽창기는 수소 액화 공정에 필요한 복수 개의 팽창기로 구성되고, 복수 개의 팽창기를 다단의 팽창 과정으로 구성하여 순환 유체의 온도를 보다 저하시킬 수 있다. 또한, 수소 액화 공정에서 발생하는 잉여 냉열이나 LNG 냉열을 공기, 질소나 냉매로 회수하여 단열에 사용하는 콜드박스를 더 포함하고, 콜드박스는 종래 냉동창고 형태의 냉기체 층으로 구성되거나, 고체 단열재 층과 냉기체 층을 복합적으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 액화 방법은, 수소 수소 가스를 액화시키기 위해 액화천연가스(LNG)의 냉열을 이용하여 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합액체를 제조하는 액체 질소나 액체 네온 제조 단계, 및 제조된 액체 질소나 액체 네온을 이용하여 밀폐 순환 수소 가스를 냉각시켜 수소 순환 액화 공정에 이용하고, 액화시키고자 주입(Feed)되는 수소 가스를 냉각에 이용하며, 냉각된 수소 가스의 압력을 저하시켜 일부를 액체 수소로 변화시키는 수소 액화 단계를 포함하고, 제조된 액체 질소나 액체 네온을 이용하여 LNG 냉열의 이용량을 극대화하여 수소를 액화시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 액화 방법은 수소 액화 장치를 통해 수행될 수 있다.
아래에서 도 3을 참조하여, 일 실시예에 따른 수소 액화 장치 및 방법을 보다 상세히 설명한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화천연가스(LNG) 냉열을 이용한 수소 액화 장치(300)는 액체 질소나 액체 네온 제조 장치(330), 저압 압축기(310), 고압 압축기(320), 다수개의 일반 냉각기(340), 팽창기(350, 351, 352), 팽창 장치(360, 361) 및 액기 분리기(370)를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 밀폐 수소 순환 액화 사이클(301)을 포함할 수 있다. 여기서, 저압 압축기(310) 및 고압 압축기(320)는 각각 제1 압축기 및 제2 압축기로 언급될 수 있다.
1단계로, 먼저 LNG 인수기지의 LNG 냉열을 이용하여 액체 질소나 액체 네온 또는 이들의 혼합액체를 얻는 밀폐 액체 질소나 액체 네온 제조 공정이다. 여기서, 밀폐 액체 질소나 액체 네온 제조 공정은 액체 질소나 액체 네온 제조 장치(330)를 통해 수행될 수 있다.
보다 구체적으로, 질소 압축기(332)에서 질소 가스나 네온 가스를 25 bar로 압축한 후 LNG 냉열을 이용하는 LNG 냉각기(331)에서 온도를 -153 ℃로 저하시키고, 이를 팽창 밸브(333)에서 대기압으로 압력을 저하시켜 액체 질소나 액체 네온을 얻을 수 있다. 이때, LNG 냉각기는 LNG 열교환기를 이용할 수 있으며, 액체 네온은 도 6의 클라우드 공정이 적용될 수 있다. 이 액체 질소나 액체 네온은 수소 액화 공정(300)의 액체 질소의 냉각기 역할을 하는 액체 질소나 액체 네온 제조 장치(330) 및 예냉기(334)에 냉열을 제공하고 기화되어 다시 밀폐 액체 질소 제조나 액체 네온 공정에 순환될 수 있다.
이러한 밀폐 액체 질소나 액체 네온 제조 공정에서 얻어지는 액체 질소나 액체 네온의 수율을 높이기 위하여, 도 6에서 설명되는 클라우드 팽창기(650)를 적용할 수도 있다.
2단계로, 수소 액화 공정을 제공할 수 있다. 수소 액화 공정은, 도 1 및 도 2에서 설명한 종래의 수소 액화 공정과 동일하게 구성되나, 액화천연가스(LNG)의 냉열을 밀폐 공정의 수소 온도 저하에 적용하는 종래 공정과 달리, -196 ℃~-246℃의 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합액체를 밀폐 수소 순환 공정의 수소 온도 예냉에 이용하고, 액화시키기 위해 주입(Feed)되는 수소의 온도를 예냉기(334)를 이용하여 저하시키는 공정에 이용하게 된다.
또한, 팽창기(350, 351, 352)를 3단으로 구성할 수 있다. 1차, 2차 팽창기(350, 351)에서 수소가 중압으로 팽창하면서 -243 ℃가 되어 반송가스(302)에 주입됨으로써 작동 유체의 유로(303)의 유체의 온도를 -240 ℃로 보다 낮출 수 있다. 3차 팽창기(352)에서는 압력이 저하되면서 -247 ℃가 되어 유로(303)를 흐르는 유체의 온도를 -244 ℃로 보다 낮추게 된다. 이때, 2차 및 3차 팽창기는 하나로 구성하여 팽창기 중간에서 추출되는 형태로 구성될 수 있다.
3단계로, 수소 액화 공정의 잉여 냉열(390)이나 버려지는 LNG 냉열(331)을 회수하여 액화 공정 설비들의 단열에 이용할 수 있다. 이때 잉여 냉열(390)은 잉여 저온으로 표현될 수 있다.
아래에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 액화 장치(300)를 이용하는 수소 액화 공정을 도 2에서 설명한 종래의 액화 공정과 비교하여 차이점에 대해 자세히 설명한다.
일 실시예에 따른 수소 액화 장치(300)를 이용하는 수소 액화 공정에서는 액화시키고자 주입(Feed)되는 압축된 수소 가스(304)의 1차 냉각을 도 2의 종래 공정의 밀폐사이클의 순환 수소(201)를 이용하는 방식과 달리, -196 ℃액체 질소나 -246℃ 액체 네온을 사용하여 예냉기(334)에서 온도를 저하시키게 된다. 이때 유입되는 주입(Feed) 수소기체는 -193 ℃ 혹은 -243℃ 까지 저하된다. 이 주입(Feed) 수소 가스를 냉각시켜 액화시키는 밀폐 수소 순환 공정(301, 302, 303)의 예냉기(330)에서도 LNG 냉열로부터 제조된 -196 ℃액체 질소나 -246℃ 액체 네온의 냉열을 이용하여 밀폐사이클의 순환 수소(303) 온도를 -193 ℃ 혹은 -243℃ 까지 저하시킨다.
이 순환 수소는 종래 공정과 동일하게 일부가 추출되어 팽창기(350, 351, 352)에서 중압으로 팽창되면서 수소(305) 온도가 -247 ℃로 일부 액체가 생성되어 저압 압축기(310)와 고압 압축기(320) 사이로 반송되면서 밀폐사이클의 순환 수소(303)의 온도를 저하시키게 된다. 잔여 순환 수소(306)는 추가 냉각기를 거친 후 팽창 밸브(360)에서 대기압으로 팽창되면서 일부 액체 수소가 생성된다. 반송 유로(301)에 유입되는 이 액기 분리기(370)의 액체 수소 혼합물은 저압 압축기(310)으로 반송되면서 액화시키고자 주입(Feed)되는 압축 수소 주입(Feed) 가스(304)를 냉각, 액화시키게 된다.
이 온도에 따른 종래 공정인 도 2의 액화천연가스(LNG) 냉열을 이용한 공정과의 에너지 절감량의 차이점으로는 냉각 온도차 현열 이용 에너지량과, 수소분자 회전 변환열(Ortho-Para)의 냉각에 이용 에너지량 차이가 있게 된다.
냉열 이용 온도차에 의한 냉열 이용량 차이는 LNG의 0 ℃기준 -162 ℃와 액체 질소 경우 -196 ℃까지의 온도 차이로 2,143 kcal에서 2,510.7 kcal로 17.2%가 증가된다. 또한, 회전 변환 냉각이용 열량은 395.1 kcal가 476.4 kcal로 이용량이 20.6%가 증가하게 되는 것이다.
또한, 액체 네온 경우 -246 ℃까지의 온도 차이로 2,143 kcal에서 3,049 kcal로 42.2%가 증가된다. 또한, 회전 변환 냉각이용 열량은 395.1 kcal가 527.1 kcal로 이용량이 33.4%가 증가하게 된다.
따라서, 일 실시예에 따른 수소 액화 장치(300)가 액체천연가스(LNG)의 냉열을 직접 이용하는 공정(200)보다 액체 질소나 액체 네온을 제조하여 이용함으로써, 수소 액화 장치(300)가 수소 가스의 온도를 보다 낮은 온도로 저하시킬 수 있고, 냉열 이용량의 증가에 따라 밀폐 순환 수소(301)의 양이 10% ~15%감소하게 되며, 액체 수소의 수율이 증가될 수 있다
실시예들에 따르면, -162 ℃의 액화천연가스(LNG)의 냉열을 액화 온도가 -253 ℃인 액체 수소의 제조 공정에 이용함에 있어서, 종래의 액화천연가스(LNG)의 -162 ℃까지의 온도 제한 문제와 밀폐사이클의 순환 수소 냉각 공정에만 적용하는 문제를 해결하여, 냉열이용 온도를 -196 ℃나 -246℃까지 사용하여 에너지 소요량을 크게 감소시키는 것을 특징으로 한다. 밀폐사이클의 수소냉각 공정에만 적용할 수 있는 것을 해결하여, 밀폐사이클의 순환 수소의 예냉과 액화시키고자 주입(Feed)되는 수소 가스의 예냉에 냉열을 적용이 가능하도록 하여 50 % 이상의 액체 수소를 액체 수소를 얻을 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 콜드박스(Cold Box)를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 수소 액화 공정 중 발생하는 잉여 냉열을 콜드박스(Cold Box, 400)의 단열에 이용할 수 있다. 이는, 도 3에서 설명한 3단계의 공정에 포함될 수 있다. 극저온의 수소 액화 공정은 고효율 단열이 필수적으로 요구된다. 특히 종래의 냉각기들의 단열 방식은 콜드박스(Cold Box)를 구성하는 것으로, 용기(Box, 410) 내부에 단열이 필요한 냉각기(420)들과 팽창장치(360), 액기 분리기(370), 밸브 등을 위치시키고, 펄라이트 분말을 40cm 두께로 공간(430)에 충전하여 외부의 열 유입을 차단하고 있다.
여기에서는 냉각기(420) 등이 설치된 콜드박스(400)의 단열에 수소 액화 공정에서 냉각기(390)나 버려지는 LNG 냉열(331)을 통하여 회수된 -60 ~ -80 ℃의 잉여 냉각기체를 충전하여 외부 열유입을 차단하는 것이다. 여기서 냉각기체는 공기, 질소나 냉매 등을 적용할 수 있다.
잉여 냉열가스를 이용한 단열적용의 방법은 다양하게 구성될 수 있다. 단열된 용기(410)의 내부에 냉기체를 충전하거나, 먼저 펄라이트 분말이나 우레탄폼 등을 적용하는 고체단열 층을 형성하고 그 외부에 회수된 -60 ~ -80 ℃의 냉각기체 층을 충전하는 등 잉여 냉열을 이용한 다양한 콜드박스 단열 구조를 형성할 수 있다.
또한, 잉여 냉열의 회수 방법으로 종래의 냉동창고와 동일하게 수소 공정의 냉열과 일반 냉매를 열교환시켜 찬 냉매액으로 콜드박스 내의 공기를 냉각시킬 수 있다.
또한, 보다 단열효과를 높이기 위하여 추가로 슈퍼단열 방식을 가설할 수도 있다.
슈퍼단열의 형태는 고진공 층을 형성하거나, 슈퍼단열 판넬 등 다양한 구조로 구성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 린데(Linde)의 2단 압축 액화 공정을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 린데(Linde)의 2단 압축 액화 공정(500)을 나타내며, 린데의 2단 압축은 압축일은 일부 증가하나 얻어지는 액체량 당의 소요 동력은 감소하게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 팽창기를 적용하는 클라우드(Claude) 액화 공정을 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 팽창기를 적용하는 클라우드(Claude) 액화 공정(600)을 나타내며, 클라우드 액화 공정(600)은 순환 매체량은 증가하나 얻어지는 액체량이 크게 증가하는 공정이다. 여기서, 클라우드 팽창기(650)는 종래 액화천연가스를 수소 액화 공정에 직접 열교환시키는 것과 달리, 연소성이 없는 액체 질소나 액체 네온을 순환시킴으로써 안전성을 크게 증가시키게 된다.
본 발명에서는 액화천연가스(LNG)의 냉열을 수소 액화 공정에 이용함에 있어 한계가 되고 있는 온도 문제와 단열문제를 해결하고자 하는 것으로, 액화온도가 -253 ℃인 수소 가스를 액화하는 공정에 -162 ℃인 액화천연가스(LNG)의 냉열 온도 보다 낮은 -196 ℃나 -246℃의 온도영역을 이용하기 위하여 액화천연가스(LNG)의 냉열을 이용하여 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합액체를 제조할 수 있다.
일 실시예에 따른 수소 액화 공정은 액화천연가스(LNG)의 냉열을 직접 사용하는 대신에, 보다 안전한 질소나 네온 가스를 LNG 기지에 송출하여 액화시키고, 액화된 액체 질소나 액체 네온을 사용하여 1단계로 수소 냉각에 필요한 에너지와, 2단계로는 밀폐 수소 순환가스의 냉각에 액체 질소나 액체 네온을 사용하여 액화율을 크게 증진시킬 수 있다. 또한, 공정에서 발생하는 다량의 잉여 저온이나 버려지는 LNG 냉열을 이용하여 콜드박스(Cold Box)의 단열용으로 활용함으로써 액화 비용을 크게 절감시켜 에너지 낭비를 줄이는 효과적인 액화 시스템이 제공될 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 3에서의 도면 부호 101,102,103, 105, 201,202, 203, 205, 301,302,303, 305, 306는 작동유체의 흐름을 나타내고, 104, 204, 304은 주입(Feed) 수소의 흐름을 나타낸다.
이상에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
100, 200, 300: 수소 액화 장치
110, 210, 310, 510: 저압 압축기
120, 125, 220, 225, 320, 325, 520, 610: 고압 압축기
130, 230, 334, 335: 예냉기
140, 240, 340, 540, 640: 일반 냉각기
150, 250, 350, 650: 1차 팽창기
151, 152, 251, 252, 351, 352: 2차, 3차 팽창기
160, 161, 260, 261, 360, 361, 560, 660: 팽창 밸브
170, 270, 370, 580, 680: 액기 분리기
101, 201, 301: 밀폐 수소 순환 액화 장치
330: 액체 질소나 액체 네온 제조 장치
331: LNG 냉각기
332: 질소나 네온 압축기
333: 질소나 네온 팽창 밸브
335: 액체 질소나 액체 네온
336: 질소나 네온 가스
390: 콜드박스 냉각기
400: 콜드박스
410: 박스 용기
420: 냉각기
430: 충전재
500: 린데 이단압축 액화 공정
600: 클라우드 액화 공정

Claims (4)

  1. 수소 가스를 액화시키기 위해 액화천연가스(LNG)의 냉열을 이용하여 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합액체를 제조하는 액체 질소나 액체 네온 제조 장치;
    제조된 상기 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합물을 이용하여 밀폐 순환 수소 가스를 냉각시키는 예냉기;
    상기 밀폐 순환 수소 가스를 2단으로 압축하는 제1 압축기 및 제2 압축기;
    상기 밀폐 순환 수소 가스를 압축 후, 다단으로 냉각시키는 복수 개의 냉각기;
    냉각된 밀폐사이클의 상기 밀폐 순환 수소 가스의 일부가 팽창되는 팽창기; 및
    상기 밀폐사이클의 상기 밀폐 순환 수소 가스 중 잔여 수소는 액기 혼합수소에 의하여 냉각 후, 팽창 밸브에서 최종 압력으로 저하되면서 액화되어 일부 액체 수소를 생성하며 상기 제1 압축기로 반송되는 순환 장치
    를 포함하고,
    상기 복수 개의 냉각기는 반송되는 액체 수소에 의하여 액화시키고자 압축 주입(Feed)되는 수소 가스를 냉각시키며, 상기 팽창기는 냉각된 상기 수소 가스의 압력을 저하시켜 일부를 액체 수소로 변화시키고,
    수소 액화 공정에서 발생하는 잉여 냉열이나 LNG 냉열을 공기, 질소나 냉매로 회수하여 단열에 사용하는 콜드박스
    를 더 포함하고,
    상기 콜드박스는 냉기체 층으로 구성되거나, 고체 단열재 층과 냉기체 층, 슈퍼 단열층 등을 복합적으로 구성되는 것
    을 특징으로 하는, 수소 액화 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 팽창기는,
    수소 액화 공정에 필요한 복수 개의 팽창기로 구성되고, 복수 개의 팽창기를 다단의 팽창 과정으로 구성하여 순환 유체의 온도를 보다 저하시키는 것
    을 특징으로 하는, 수소 액화 장치.
  3. 삭제
  4. 수소 가스를 액화시키기 위해 액화천연가스(LNG)의 냉열을 이용하여 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합 액체를 제조하는 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합액체 제조 단계; 및
    제조된 상기 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합물을 이용하여 밀폐 순환 수소 가스를 냉각시켜 수소 순환 액화 공정에 이용하고, 상기 밀폐 순환 수소 가스를 압축 후 복수 개의 냉각기를 이용하여 다단으로 냉각시키며, 상기 복수 개의 냉각기는 반송되는 액체 수소에 의하여 액화시키고자 주입(Feed)되는 수소 가스를 냉각시키며, 냉각된 상기 수소 가스의 압력을 저하시켜 일부를 액체 수소로 변화시키는 수소 액화 단계
    를 포함하고,
    수소 액화 공정에서 발생하는 잉여 냉열이나 LNG 냉열을 공기, 질소나 냉매로 콜드박스에 회수하여 단열에 사용하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 콜드박스는 냉기체 층으로 구성되거나, 고체 단열재 층과 냉기체 층, 슈퍼 단열층 등을 복합적으로 구성되며, 제조된 상기 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합물을 이용하여 LNG 냉열의 이용량을 극대화하여 수소를 액화시키는 것
    을 특징으로 하는, 수소 액화 방법.
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