KR102523126B1 - 부유식 저장 재기화 설비 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 부유식 저장 재기화 설비는 부유가 가능한 설비 본체(100), 설비 본체(100)에 설치되며, LNG 연료(1)를 기화시켜 NG 연료(2)로 만드는 재기화 유니트(200), 그리고 설비 본체(100)에 설치되며, 암모니아로부터 분해된 수소를 이용하여 전력을 생산하는 연료전지 유니트(300)를 포함하고, LNG 연료(1)는, 연료전지 유니트(300)에서 암모니아의 분해 과정에서 생성된 미분해 암모니아를 포함하는 고온의 혼합가스와 재기화 유니트(200)에서 열교환되어 NG 연료(2)로 기화된다.

Description

부유식 저장 재기화 설비{FLOATING STORAGE REGASIFICATION UNIT}
본 발명은 부유식 저장 재기화 설비에 관한 것으로, 상세하게는 연료전지부를 포함하는 부유식 저장 재기화 설비에 관한 것이며, 보다 상세하게는 전체적인 에너지 소모를 줄이고 비용을 절감할 수 있는 연료전지부를 포함하는 부유식 저장 재기화 설비에 관한 것이다.
천연 가스는 육상 또는 해상의 가스 배관을 통해 가스 상태로 운반되거나 액화된 액화 천연 가스(Liquefied Natural Gas, LNG)의 상태로 LNG 수송선(LNG carrier)에 저장된 채 원거리의 소비처로 운반된다. 액화 천연 가스는 천연 가스를 극저온(대략 -160
Figure 112021050810056-pat00001
으로 압축 냉각하여 얻어지는 것으로 가스 상태의 천연 가스일 때보다 그 부피가 대략 1/600로 줄어들므로 해상을 통한 원거리 운반에 매우 적합하다.
LNG 수송선은, 액화 천연 가스를 싣고 바다를 운항하여 육상 소요처에 액화 천연 가스를 하역하기 위한 것이며, 이를 위해, 액화 천연 가스의 극저온에 견딜 수 있는 LNG 저장탱크(흔히, '화물창'이라 함)를 포함한다. 통상, 이러한 LNG 수송선은 LNG 저장 탱크 내의 액화 천연 가스를 액화된 상태 그대로 육상에 하역하며, 하역된 LNG는 육상에 설치된 LNG 재기화 설비에 의해 재기화된 후 천연 가스의 소비처로 가스 배관을 통해 운반된다.
이러한 육상의 LNG 재기화 설비는 천연 가스 시장이 잘 형성되어 있어 안정적으로 천연 가스의 수요가 있는 곳에 설치하는 경우에는 경제적으로 유리한 것으로 알려져 있다. 그러나, 천연 가스의 수요가 계절적, 단기적 또는 주기적으로 있는 천연 가스 소요처의 경우에는, 높은 설치비와 관리비로 인해, 육상에 LNG 재기화 설비를 설치하는 것이 경제적으로 매우 불리하다.
특히, 자연 재해 등에 의해 육상의 LNG 재기화 설비가 파괴될 경우, LNG 수송선이 소요처에 LNG를 싣고 도달한다 하더라도, 그 LNG를 재기화할 수 없다는 점에서 기존 LNG 수송선을 이용한 천연 가스 운반은 한계성을 안고 있다.
이에 따라, 해상 플랜트나 LNG 운반선에 LNG 재기화 설비를 마련하여, 해상에서 액화 천연 가스를 재기화하고, 그 재기화를 통해 얻어진 천연 가스를 육상으로 공급하는 해상 LNG 재기화 시스템이 개발되었다.
극저온 상태의 액화 가스를 저장할 수 있는 저장 탱크와, 액화 가스를 재기화하기 위한 재기화 설비가 설치된 해상 구조물의 예로서는, LNG 재기화 선박 (Regasification Vessel, RV)와 같은 선박이나 LNG 부유식 저장 재기화 설비 (Floating Storage Regasification Unit, FSRU)와 같은 플랜트 등을 들 수 있다.
LNG 재기화 선박은 자력 항해 및 부유가 가능한 액화 가스 운반선에 LNG 재기화 설비를 설치한 것이고, LNG 부유식 저장 재기화 설비는 육상으로부터 멀리 떨어진 해상에서 LNG 운반선으로부터 하역되는 액화 천연 가스를 저장 탱크에 저장한 후 필요에 따라 액화 천연 가스를 기화시켜 육상 소비처에 공급하는 해상 구조물이다.
이러한 LNG 부유식 저장 재기화 설비는 해수를 기본 열원으로 하여 액화 천연 가스(LNG)를 기화시켜 천연 가스(NG)를 만들고, 이를 소비처에 공급한다.
한편, 암모니아를 활용한 수소 연료전지의 경우, 암모니아 개질기(NH3 Reformer)로부터 생성되는 미분해 암모니아, 질소 및 수소에서 미분해 암모니아를 분리하기 위해 암모니아 흡착기가 사용된다. 이러한 암모니아 흡착기는 이전 공정에서 암모니아 흡착기에 흡착된 암모니아(NH3)를 탈착하여 암모니아 흡착기를 재생시킬 수 있다. 즉, 암모니아 흡착기는 가열 교대 흡착기(Thermal Swing Adsorption, TSA)로서, 암모니아 흡착기에 열을 가하여 암모니아 흡착기를 재생시킬 수 있다.
이 경우, 고온의 열원을 이용하여 암모니아 흡착기를 재생시킬 수 있는 한편, 암모니아 개질기로부터 생성되는 고온의 미분해 암모니아(NH3)는 암모니아 흡착기에서 흡착되기 위해 약 40℃ 이하로 다시 냉각되어 암모니아 흡착기 내부로 투입되어야 한다.
이와 같이, 암모니아를 활용한 수소 연료전지에 있어 암모니아 흡착기를 포함하는 경우, 암모니아를 고온으로 만들어 개질시킨 후 미분해 암모니아를 흡착하기 위해 다시 냉각시켜야 하므로, 고온의 미분해 암모니아의 열 에너지를 적절히 사용할 수 없어 전체적인 에너지 소모가 증가하는 것은 물론, 고온의 미분해 암모니아를 냉각시키기 위해 별도의 장비가 설치되어야 하므로, 결과적으로 비용이 증가하게 되는 문제가 있다.
본 발명의 사상이 이루고자 하는 기술적 과제는 전체적인 에너지 소모를 줄이고 비용을 절감할 수 있는 부유식 저장 재기화 설비를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 부유식 저장 재기화 설비는 부유가 가능한 설비 본체(100); 상기 설비 본체(100)에 설치되며, LNG 연료(1)를 기화시켜 NG 연료(2)로 만드는 재기화 유니트(200); 그리고 상기 설비 본체(100)에 설치되며, 암모니아로부터 분해된 수소를 이용하여 전력을 생산하는 연료전지 유니트(300)를 포함하고, 상기 LNG 연료(1)는, 상기 연료전지 유니트(300)에서 상기 암모니아의 분해 과정에서 생성된 미분해 암모니아를 포함하는 고온의 혼합가스와 상기 재기화 유니트(200)에서 열교환되어 NG 연료(2)로 기화된다.
또한, 상기 재기화 유니트(200)는 액체 상태의 LNG 연료(1)를 저장하는 LNG 저장 탱크(210), 그리고 상기 LNG 연료(1)를 상기 고온의 혼합가스와 열교환시키는 열교환기(220)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 연료전지 유니트(300)는 상기 암모니아를 열분해하는 암모니아 개질기(320), 그리고 상기 암모니아 개질기(320)에서 배출되는 상기 미분해 암모니아, 수소 및 질소를 포함하는 상기 혼합가스에서 상기 미분해 암모니아를 흡착하는 암모니아 흡착기(330)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 암모니아 흡착기(330)는 가열 교대 흡착기로서, 서로 이격되어 위치하는 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332), 상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332) 각각의 내부로 연결되는 제1 튜브관(333), 그리고 상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332) 각각의 외부면과 접촉하거나 연결되어 열교환이 가능하도록 연결되는 제2 튜브관(334)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332)는 상기 제1 튜브관(333)을 통해 상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332)의 내부로 번갈아 투입되는 상기 혼합가스에서 상기 미분해 암모니아를 흡착하고, 상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332)는 상기 제2 튜브관(334)을 통해 상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332)의 외부면과 접촉하거나 연결되어 상기 혼합가스와 번갈아 열교환되어 재생될 수 있다.
또한, 상기 제2 튜브관(334)은 상기 암모니아 개질기(320)와 연결되는 전단 제2 튜브관(3341), 그리고 상기 열교환기(220)와 연결되는 후단 제2 튜브관(3342)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 암모니아 개질기(320)에서 상기 전단 제2 튜브관(3341)을 통해 상기 암모니아 흡착기(330)로 공급되는 상기 혼합가스는 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)와 열교환하여 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)를 재생시키고 상기 후단 제2 튜브관(3342)를 통해 상기 열교환기(220)로 공급될 수 있다.
또한, 상기 후단 제2 튜브관(3342)를 통해 상기 열교환기(220)로 공급되는 상기 혼합가스는 상기 열교환기(220)에서 상기 LNG 연료(1)를 상기 NG 연료(2)로 기화시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 튜브관(333)은 상기 열교환기(220)와 연결되는 전단 제1 튜브관(3331)을 포함하고, 상기 열교환기(220)로부터 배출되는 상기 혼합가스는 상기 전단 제1 튜브관(3331)을 통해 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332) 내부로 공급되어 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)에서 상기 미분해 암모니아가 흡착될 수 있다.
또한, 상기 제1 튜브관(333)은 상기 질소를 흡착하는 질소 흡착기(340)와 연결되는 후단 제1 튜브관(3332)을 더 포함하고, 상기 혼합가스에 포함되는 상기 수소 및 상기 질소는 상기 후단 제1 튜브관(3332)를 통해 상기 질소 흡착기(340)로 공급되어 상기 수소 및 상기 질소가 분리될 수 있다.
또한, 상기 연료전지 유니트(300)는 상기 질소 흡착기(340)에서 분리된 상기 수소가 연료로 공급되는 연료전지부(360)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 연료전지부(360)에서 미반응된 수소는 상기 질소 흡착기(340)로부터 분리되어 상기 연료전지부(360)로 공급되는 상기 수소와 합류될 수 있다.
또한, 상기 연료전지 유니트(300)는 상기 질소 흡착기(340)에서 흡착된 질소와 미분리된 일부 상기 수소를 연소시키는 연소기(350)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 설비 본체(100)에 설치되며, 액화 암모니아를 저장하는 암모니아 저장 탱크(370), 그리고 상기 액화 암모니아를 기화시켜 상기 암모니아 개질기(320)로 공급하는 기화기(310)를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 연소기(350)로부터 배출되는 고온의 연소 생성물은, 상기 암모니아 개질기(320) 및 상기 기화기(310)로 순차 공급되어 열교환될 수 있다.
또한, 상기 혼합가스는 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)와 열교환하여 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)를 재생시키고, 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)의 재생에 의해 탈착된 암모니아를 상기 암모니아 개질기(320)의 전단으로 합류시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 저장 재기화 설비는 연료전지 유니트에서 생성된 고온의 암모니아를 재기화 유니트와 열교환시켜 LNG 연료를 기화시킴으로써, 고온의 암모니아의 열을 냉각하지 버리지 않고 재기화 유니트에 재활용할 수 있어 친환경적이다.
또한, 재기화 유니트에 필요한 추가적인 열을 최소화함으로써, 전체적인 에너지 소모를 줄이고, 추가적인 열을 제공하기 위한 장비가 필요하지 않으므로 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 저장 재기화 설비의 개략적인 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 저장 재기화 설비의 암모니아 흡착기의 구체적 도면이다.
도 3은 도 2의 암모니아 흡착기에서 제1 튜브가 미분해 암모니아를 흡착하고, 제2 튜브가 재생되는 상태를 설명하는 도면이다.
도 4는 도 2의 암모니아 흡착기에서 제2 튜브가 미분해 암모니아를 흡착하고, 제1 튜브가 재생되는 상태를 설명하는 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 저장 재기화 설비의 개략적인 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 저장 재기화 설비는 설비 본체(100), 재기화 유니트(200), 그리고 연료전지 유니트(300)를 포함한다.
설비 본체(100)는 해상에 부유가 가능한 해상 구조물일 수 있다. 여기서 말하는 해상 구조물이란, 액화 가스 운반선, LNG 재기화 선박 등의 선박을 비롯하여, 해양플랜트까지도 모두 포함하는 개념일 수 있다. 설비 본체(100)에는 재기화 유니트(200), 그리고 연료전지 유니트(300)이 설치될 수 있다.
재기화 유니트(200)는 LNG 연료(1)를 기화시켜 NG 연료(2)로 만들 수 있다.
재기화 유니트(200)는 LNG 저장 탱크(210), 그리고 열교환기(220)를 포함할 수 있다.
LNG 저장 탱크(210)는 액체 상태의 LNG 연료(1)를 저장할 수 있는 탱크로서, 멤브레인형 탱크이거나 또는 독립형 탱크일 수 있으며, 독립형 탱크일 경우 IMO type A, IMO type B, 또는 IMO type C의 저장 탱크일 수 있다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 구조의 저장 탱크가 가능하다.
LNG 연료(1)는 천연 가스(Natural Gas, NG)를 극저온으로 압축 냉각한 액화 천연 가스(Liquefied Natural Gas, LNG)를 포함할 수 있다.
열교환기(220)는 암모니아 개질기(320)에서 생성된 고온의 미분해 암모니아(NH3)를 포함하는 혼합가스와 LNG 연료(1)를 열교환시켜 LNG 연료(1)를 기화시킴으로써 NG 연료(2)로 만들 수 있다. 열교환기(220)는 쉘 앤 튜브 타입(shell and tube type)의 열교환기일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 구조의 열교환기 또는 재기화기가 가능하다.
연료전지 유니트(300)는 수소를 이용하여 전력을 생산할 수 있으며, 암모니아(NH3)를 개질하여 수소를 생성할 수 있다.
이 때, 연료전지 유니트(300)에서 암모니아(NH3)의 분해 과정에서 생성된 고온의 미분해 암모니아(NH3)를 포함하는 혼합가스는 재기화 유니트(200)의 열교환기(220)에서 LNG 연료(1)와 열교환되어 LNG 연료(1)를 NG 연료(2)로 기화시킬 수 있다.
연료전지 유니트(300)는 기화기(Vaporizer)(310), 암모니아 개질기(Reformer)(320), 암모니아 흡착기(330), 질소 흡착기(340), 연소기(Combustor)(350), 그리고 연료전지부(360)를 포함할 수 있다.
기화기(310)는 액체 상태의 암모니아(L-NH3)를 기체 상태의 암모니아(G-NH3)로 만들 수 있다. 이때, 열원으로서 후술하는 바와 같이 연소기(350)로부터 배출되는 고온의 연소 생성물을 활용할 수 있다. 연료전지 유니트(300)는 액체 상태의 암모니아(L-NH3)를 저장하기 위한 암모니아 저장 탱크(370)를 더 포함할 수 있다.
암모니아 개질기(320)는 기화기(310)에서 생성된 기체 상태의 암모니아(G-NH3)를 개질할 수 있다. 즉, 암모니아 개질기(320)는 기화기(310)를 통과한 기체 상태의 암모니아(G-NH3)를 고온에서 열분해(cracking reformer)를 통해 수소(H2) 및 질소(N2)로 분해할 수 있다. 이 때, 분해되지 않은 미분해 암모니아(NH3)가 발생할 수 있다. 이때, 열원으로서 후술하는 바와 같이 연소기(350)로부터 배출되는 고온의 연소 생성물을 활용할 수 있다.
또한, 암모니아 개질기(320)는 보다 낮은 온도에서 암모니아 개질을 할 수 있도록, 암모니아 분해 촉매를 포함할 수 있다. 암모니아 분해 촉매로서는, 암모니아 분해 반응에 촉매활성을 갖는 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, 비금속계 변이 금속, 희토류계 물질, 귀금속계 물질을 조성으로서 포함하는 촉매를 들 수 있으며, 전술한 촉매들은 높은 비표면적을 갖는 담체에 담지해서 이용할 수 있다.
암모니아 흡착기(330)는 암모니아 개질기(320)에서 배출되는 미분해 암모니아(NH3)를 흡착할 수 있다. 이러한 암모니아 흡착기(330)는 온도 변동 흡착기 또는 가열 교대 흡착기(Thermal Swing Adsorption, TSA)일 수 있다. 가열 교대 흡착기는 불순물을 흡착시킨 후 포화가 되면 열을 가하여 흡착기를 재생시키는 구조를 가질 수 있다.
암모니아 흡착기(330)의 암모니아 흡착 재료로서는, 미분해 암모니아를 흡착할 수 있고 포화 상태에서는 재생이 가능한 것이라면 특별히 제한되지 않으나, 바람직하게는, 제올라이트, 활성탄, 알루미나, 및 실리카 중 어느 하나를 포함하는 흡착 재료이거나, 이들의 복합 산화물일 수 있다.
한편, 암모니아 흡착기(330)에서 미분해 암모니아를 흡착하기 위해서 미분해 암모니아를 냉각시켜야 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 저장 재기화 설비의 암모니아 흡착기의 구체적 도면이고, 도 3은 도 2의 암모니아 흡착기에서 제1 튜브가 미분해 암모니아를 흡착하고, 제2 튜브가 재생되는 상태를 설명하는 도면이며, 도 4는 도 2의 암모니아 흡착기에서 제2 튜브가 미분해 암모니아를 흡착하고, 제1 튜브가 재생되는 상태를 설명하는 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 암모니아 흡착기(330)는 서로 이격되어 위치하는 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332), 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332) 각각의 내부로 연결되는 제1 튜브관(333), 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332) 각각의 외부면과 접촉하거나 연결되어 열교환 공정을 진행하는 제2 튜브관(334), 제1 튜브관(333)에 설치되는 제1 밸브(335), 그리고 제2 튜브관(334)에 설치되는 제2 밸브(336)를 포함할 수 있다.
제1 튜브관(333)은 열교환기(220)와 연결되는 전단 제1 튜브관(3331), 그리고 후단의 질소 흡착기(340)와 연결되는 후단 제1 튜브관(3332)을 포함할 수 있다. 그리고, 제2 튜브관(334)은 암모니아 개질기(320)와 연결되는 전단 제2 튜브관(3341), 그리고 열교환기(220)와 연결되는 후단 제2 튜브관(3342)을 포함할 수 있다.
제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332)는 제1 튜브관(333)을 통해 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332)의 내부로 번갈아 투입되는 미분해 암모니아를 흡착할 수 있다. 또한, 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332)는 제2 튜브관(334)을 통해 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332)의 외부면과 접촉하거나 연결되어 번갈아 열교환됨으로써, 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 고온의 혼합가스에 의해 재생될 수 있다.
이에 대해 이하에서 도 3 및 도 4를 참고로 하여 상세히 설명한다.
우선, 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 튜브(331)가 열교환기(220)와 연결된 전단 제1 튜브관(3331)을 통해 투입되는 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스 중에서 미분해 암모니아를 흡착하는 경우, 제2 튜브(332)는 암모니아 개질기(320)로부터 전단 제2 튜브관(3341)을 통해 흐르는 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스와 열교환되어 재생될 수 있다. 이를 통해, 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스는 1차 냉각된다. 제2 튜브(332)는 이전 공정에서 미분해 암모니아를 흡착하여 포화된 상태에서 전단 제2 튜브관(3341)을 통해 흐르는 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스와 열교환하여 재생될 수 있다.
한편, 미분해 암모니아가 제1 튜브(331)에 흡착되므로, 제1 튜브(331)에서는 수소 및 질소만이 배출되고, 제1 튜브(331)에서 배출된 수소 및 질소는 후단 제1 튜브관(3332)을 통해 질소 흡착기(340)로 투입될 수 있다. 그리고, 제2 튜브(332)를 재생시킨 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스는 후단 제2 튜브관(3342)를 통해 재기화 유니트(200)의 열교환기(220)에 투입되어 LNG 연료(1)를 기화시켜 NG 연료(2)로 만들 수 있다. 이 때, 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스는 2차 냉각되어 대략 40도 이하, 바람직하게는 대기 온도 수준으로 될 수 있다. 따라서, 암모니아 흡착기(330)에서 미분해 암모니아를 흡착하기 용이한 상태가 된다.
다음으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 열교환기(220)를 통과한 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스는 도 3에서 재생된 제2 튜브(332)에 전단 제1 튜브관(3331)을 통해 투입되어 미분해 암모니아가 제2 튜브(332)에서 흡착될 수 있다. 미분해 암모니아가 제2 튜브(332)에 흡착되므로, 제2 튜브(332)에서는 수소 및 질소만이 배출되고, 제2 튜브(332)에서 배출된 수소 및 질소는 후단 제1 튜브관(3332)을 통해 질소 흡착기(340)로 투입될 수 있다. 이 때, 제1 튜브(331)는 암모니아 개질기(320)으로부터 전단 제2 튜브관(3341)을 통해 흐르는 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스로부터 열을 공급받아(열교환)되어 재생될 수 있다. 전술한 바와 같이 이 때, 고온의 미분해 암모니아, 수소 그리고 질소를 포함하는 혼합가스는 1차 냉각된다. 그리고, 제1 튜브(331)를 재생시킨 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스는 후단 제2 튜브관(3342)를 통해 재기화 유니트(200)의 열교환기(220)에 투입되어 LNG 연료(1)를 기화시켜 NG 연료(2)로 만들 수 있다. 이 때, 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 혼합가스는 2차 냉각되어 대략 40도 이하, 바람직하게는 대기 온도 수준으로 될 수 있다. 따라서, 암모니아 흡착기(330)에서 미분해 암모니아를 흡착하기 용이한 상태가 된다.
한편, 제1 튜브(331) 또는 제2 튜브(332)에 흡착된 암모니아가 재생 공정에서 탈착되면, 제1 송풍수단(51)을 거쳐 암모니아 개질기(320)의 전단으로 투입되어 재활용될 수 있다. 이때, 제1 송풍수단(51)은 블로워일 수 있다.
제1 밸브(335)는 제1 튜브관(333)에 설치되어 제1 튜브관(333)을 통해 흐르는 미분해 암모니아를 포함하는 혼합가스의 양을 조절할 수 있다. 유사하게, 제2 밸브(336)는 제2 튜브관(334)에 설치되어 제2 튜브관(334)을 통해 흐르는 미분해 암모니아를 포함하는 혼합가스의 양을 조절할 수 있다.
이와 같이, 제1 튜브(331)에서 재생 공정을 진행하는 경우, 제2 튜브(332)에서 흡착 공정을 진행하고, 다시 제1 튜브(331)에서 흡착 공정을 진행하는 경우, 제2 튜브(332)에서 재생 공정을 진행함으로써, 암모니아 흡착기(330)를 효율적으로 사용할 수 있다.
본 실시예에서는 암모니아 흡착기(330)가 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332)만으로 이루어졌으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며 암모니아 흡착기(330)가 3개, 4개 혹은 그 이상의 튜브로 이루어지는 것도 가능하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 부유식 저장 재기화 설비는 연료전지 유니트에서 암모니아(NH3)의 분해 과정에서 생성된 고온의 미분해 암모니아(NH3)를 포함하는 혼합가스를 재기화 유니트에서 LNG 연료와 열교환시켜 NG 연료로 기화시킴으로써, 고온의 미분해 암모니아를 포함하는 혼합가스의 열을 단순 냉각하여 버리지 않고 재기화 유니트에 재활용할 수 있어 친환경적이다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 후단 제1 튜브관(3332)과 연결되는 질소 흡착기(340)는 암모니아 흡착기(330)에서 배출되는 질소를 흡착할 수 있다. 이러한 질소 흡착기(340)는 압력 변동 흡착기 또는 가압 교대 흡착기(Pressure Swing Adsorption, PSA)일 수 있다. 가압 교대 흡착기는 불순물을 흡착시킨 후 포화가 되면 압력을 감소시켜 흡착기를 재생시킨다. 질소 흡착기(340)에서 분리되지 않은 일부 수소 및 질소는 연소기(350)로 공급될 수 있다.
연소기(350)는 질소 흡착기(340)의 재생과정에서 배출되는 질소 및 일부 미분리 수소를 연소시켜 고온의 연소 생성물을 암모니아 개질기(320)의 열원으로 활용하고 다시 기화기(310)로 공급함으로써 고온의 연소 생성물의 열에너지를 활용할 수 있다.
연소기(350)는 수소를 연소할 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않으며, 예를 들면, 내부에 연소 촉매를 포함하는 연소 반응 장치이거나, 또는 직접 연소 장치 등 일 수 있다.
연료전지부(360)는 수소를 연료로 사용하는 고온형 연료전지인 고체 산화물 연료전지(Solid　Oxide　Fuel　Cell, SOFC)일 수 있다. 고체 산화물 연료전지는 연료 기체가 가진 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 바꾸는 에너지 변환 전지를 말한다. 연료전지부(360)는 질소 흡착기에서 분리된 수소를 공급받아 전력을 생산할 수 있다.
참고로, 연료전지부(360)는, 수소의 산화반응이 일어나는 양극부와 산소의 환원반응이 일어나는 음극부, 및 양극부에서 수소의 산화반응에 의해 생성된 전자가 음극부로 이동하도록 양극부와 음극부를 연결하는 도선을 포함할 수 있고, 양극부와 음극부 사이는 전해질로 채워져 있으며, 수소의 산화반응에 의해 생성된 수소 양이온은 전해질을 통해 음극부로 이동하게 된다. 이때, 수소의 산화를 촉진하는 산화촉매를 추가로 사용할 수도 있다.
연료전지부(360)의 형태는, 전술한 예에 한정되는 것은 아니며, 연료전지부(360)에 사용되는 각종 물질, 예를 들면 양극부 및 음극부를 구성하는 물질, 전해질 및 촉매의 종류 등은 특별히 한정되지 않는다.
한편, 연료전지부(360)의 음극부로 가압된 공기를 투입하기 위한 압축기(53)가 구비될 수 있다.
또한, 연료전지부(360)에서의 전기화학적 반응에 의해 고온의 가스가 발생하게 되며, 이러한 고온의 가스는 연소기(350)에 공급되어 연소기(350)에 열에너지를 공급될 수 있다.
또한, 연료전지부(360)에서 미반응된 일부 수소와, 전기화학적 반응의 결과물인 수증기의 일부는 제2 송풍수단(52)을 통해 연료전지부(360)로 재투입될 수 있고, 이때 제2 송풍수단(52)은 블로워일 수 있다.
전술한 연료전지부(360)에서 생산된 전력은 부유식 저장 재기화 설비의 각종 수요처로 공급될 수 있다.
이와 같이, 암모니아 저장 탱크(370)로부터 공급되는 액체 상태의 암모니아(L-NH3)를 이용하여 수소를 생산하고, 이렇게 생산된 수소를 이용하여 전력을 생산하여 부유식 저장 재기화 설비의 각종 수요처에 사용할 수 있고, 암모니아의 개질 과정에서 발생하는 고온의 미분해 암모니아, 수소, 그리고 질소를 포함하는 고온의 혼합가스를 활용하여 LNG 연료(1)를 열교환시켜 LNG 연료(1)를 기화시킴으로써 NG 연료(2)로 만들 수 있다.
이상, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명과 균등한 범위에 속하는 다양한 변형예 또는 다른 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호범위는 이어지는 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 설비 본체 200: 재기화 유니트
210: LNG 저장 탱크 220: 열교환기
300: 연료전지 유니트 310: 기화기
320: 암모니아 개질기 330: 암모니아 흡착기
340: 질소 흡착기 350: 연소기
360: 연료전지부 370: 암모니아 저장 탱크
51: 제1 송풍수단 52: 제2 송풍수단
53: 압축기

Claims (16)

  1. 부유가 가능한 설비 본체(100);
    상기 설비 본체(100)에 설치되며, LNG 연료(1)를 기화시켜 NG 연료(2)로 만드는 재기화 유니트(200); 그리고
    상기 설비 본체(100)에 설치되며, 암모니아로부터 분해된 수소를 이용하여 전력을 생산하는 연료전지 유니트(300)
    를 포함하고,
    상기 LNG 연료(1)는, 상기 연료전지 유니트(300)에서 상기 암모니아의 분해 과정에서 생성된 미분해 암모니아를 포함하는 고온의 혼합가스와 상기 재기화 유니트(200)에서 열교환되어 NG 연료(2)로 기화되며,
    상기 재기화 유니트(200)는
    액체 상태의 LNG 연료(1)를 저장하는 LNG 저장 탱크(210), 그리고
    상기 LNG 연료(1)를 상기 고온의 혼합가스와 열교환시키는 열교환기(220)를 포함하고,
    상기 연료전지 유니트(300)는
    상기 암모니아를 열분해하는 암모니아 개질기(320), 그리고
    상기 암모니아 개질기(320)에서 배출되는 상기 미분해 암모니아, 수소 및 질소를 포함하는 상기 혼합가스에서 상기 미분해 암모니아를 흡착하는 암모니아 흡착기(330)를 포함하며,
    상기 암모니아 흡착기(330)는 가열 교대 흡착기로서,
    서로 이격되어 위치하는 제1 튜브(331) 및 제2 튜브(332),
    상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332) 각각의 내부로 연결되는 제1 튜브관(333), 그리고
    상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332) 각각의 외부면과 접촉하거나 연결되어 열교환이 가능하도록 연결되는 제2 튜브관(334)을 포함하는, 부유식 저장 재기화 설비.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332)는 상기 제1 튜브관(333)을 통해 상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332)의 내부로 번갈아 투입되는 상기 혼합가스에서 상기 미분해 암모니아를 흡착하고,
    상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332)는 상기 제2 튜브관(334)을 통해 상기 제1 튜브(331) 및 상기 제2 튜브(332)의 외부면과 접촉하거나 연결되어 상기 혼합가스와 번갈아 열교환되어 재생되는, 부유식 저장 재기화 설비.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 튜브관(334)은 상기 암모니아 개질기(320)와 연결되는 전단 제2 튜브관(3341), 그리고 상기 열교환기(220)와 연결되는 후단 제2 튜브관(3342)을 포함하는, 부유식 저장 재기화 설비.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 암모니아 개질기(320)에서 상기 전단 제2 튜브관(3341)을 통해 상기 암모니아 흡착기(330)로 공급되는 상기 혼합가스는 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)와 열교환하여 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)를 재생시키고 상기 후단 제2 튜브관(3342)를 통해 상기 열교환기(220)로 공급되는, 부유식 저장 재기화 설비.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 후단 제2 튜브관(3342)를 통해 상기 열교환기(220)로 공급되는 상기 혼합가스는 상기 열교환기(220)에서 상기 LNG 연료(1)를 상기 NG 연료(2)로 기화시키는, 부유식 저장 재기화 설비.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 튜브관(333)은 상기 열교환기(220)와 연결되는 전단 제1 튜브관(3331)을 포함하고,
    상기 열교환기(220)로부터 배출되는 상기 혼합가스는 상기 전단 제1 튜브관(3331)을 통해 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332) 내부로 공급되어 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)에서 상기 미분해 암모니아가 흡착되는, 부유식 저장 재기화 설비.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제1 튜브관(333)은 상기 질소를 흡착하는 질소 흡착기(340)와 연결되는 후단 제1 튜브관(3332)을 더 포함하고,
    상기 혼합가스에 포함되는 상기 수소 및 상기 질소는 상기 후단 제1 튜브관(3332)를 통해 상기 질소 흡착기(340)로 공급되어 상기 질소가 흡착되어 상기 수소 및 상기 질소가 분리되는, 부유식 저장 재기화 설비.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 연료전지 유니트(300)는
    상기 질소 흡착기(340)에서 분리된 상기 수소가 연료로 공급되는 연료전지부(360)를 더 포함하는, 부유식 저장 재기화 설비.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 연료전지부(360)에서 미반응된 수소는 상기 질소 흡착기(340)로부터 분리되어 상기 연료전지부(360)로 공급되는 상기 수소와 합류되는, 부유식 저장 재기화 설비.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 연료전지 유니트(300)는
    상기 질소 흡착기(340)에서 흡착된 질소와 미분리된 일부 상기 수소를 연소시키는 연소기(350)를 더 포함하는, 부유식 저장 재기화 설비.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 설비 본체(100)에 설치되며, 액화 암모니아를 저장하는 암모니아 저장 탱크(370), 그리고 상기 액화 암모니아를 기화시켜 상기 암모니아 개질기(320)로 공급하는 기화기(310)를 더 포함하는, 부유식 저장 재기화 설비.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 연소기(350)로부터 배출되는 고온의 연소 생성물은, 상기 암모니아 개질기(320) 및 상기 기화기(310)로 순차 공급되어 열교환되는, 부유식 저장 재기화 설비.
  16. 제 7 항에 있어서,
    상기 혼합가스는 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)와 열교환하여 상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)를 재생시키고,
    상기 제1 튜브(331) 또는 상기 제2 튜브(332)의 재생에 의해 탈착된 암모니아를 상기 암모니아 개질기(320)의 전단으로 합류시키는, 부유식 저장 재기화 설비.
KR1020210056554A 2021-04-30 2021-04-30 부유식 저장 재기화 설비 KR102523126B1 (ko)

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