KR20050041916A - 공기 분리 장치 및 그 운전 방법 - Google Patents

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Abstract

NG의 배출을 할 수 없게 되더라도 운전을 계속할 수 있는 동시에, BOG의 발생을 방지할 수 있고, 게다가 LNG의 냉열을 충분히 활용하는 것을 가능하게 하는 공기 분리 장치를 제공한다.
LNG의 냉열을 이용하여 질소 기체를 냉각하면서, 단열 팽창시켜 액체 질소를 제조하는 공기 분리 장치의 질소 순환 냉각 기구(3)에, LNG 탱크(35a), LNG 펌프(35b), LNG의 냉열을 축열하는 냉열 축열기(34a)를 거쳐 LNG 가온기(37)에 이르는 LNG 냉열 축열 유로(34)를 설치하는 동시에, LNG 탱크(35a), LNG 펌프(35b), 제 2 LNG 이용 열교환기(33e), 제 1 LNG 이용 열교환기(33a), 냉열 축열기(34a), 제 1 질소 냉열 이용 열교환기(33c)를 거쳐 LNG 탱크(35a)로 되돌아가는 냉열 회수 유로(35)를 설치한다.

Description

공기 분리 장치 및 그 운전 방법{AIR SEPARATOR AND OPERATION METHOD THEREOF}
본 발명은 특히 액화 천연 기체(이하, LNG라 함)의 냉열을 이용하여 대기에서 도입한 원료 공기를 질소와 산소로 분리하는 공기 분리 장치 및 그 운전 방법에 관한 것이다.
주지된 바와 같이, 공기 분리 장치는 공기중의 질소와 산소를 분리하여 꺼내는 것으로 압축·냉각·팽창 사이클로 이루어진 한냉 발생 장치를 구비하고 있다. 이와 같은 한냉 발생 장치에 더하여 LNG의 냉열을 이용함으로써 공기의 분리 및 액체 제품(액체 산소, 액체 질소 및 액체 아르곤 등)의 제조에 필요한 압축 동력을 큰 폭으로 저감시키고자 한 공기 분리 장치가 있다. 이러한 공기 분리 장치로서는 예컨대, 계통도인 도 10에 도시한 바와 같은 구성으로 이루어진 것이 공지되어 있다. 이하에서, 종래예에 따른 공기 분리 장치의 개요 및 계통도인 도 10을 참조하여 설명한다.
도면에 도시한 부호(50)는 종래예에 따른 공기 분리 장치이다. 종래예에 따른 공기 분리 장치(50)의 경우, 도시하지 않은 흡착탑 등에서 전처리(수분이나 탄산기체 등을 제거함)된 원료 기체는 주 열교환기(51)를 통해 정류탑 고압탑(이하, 고압 정류탑이라 함)(52H) 내에 도입된다. 그리고, 이 고압 정류탑(52H) 내의 저부로부터 정류탑 저압탑(이하, 저압 정류탑이라 함)(52L)의 중턱부에 산소 풍부한 액체 공기가 보내지는 동시에, 고압 정류탑(53H)의 상단으로부터 저압 정류탑(52L)의 탑 상부에 액체 질소가 보내어진다. 저압 정류탑(52L)의 탑 저부액은 밸브(53)를 통해 제품 산소로서 도시하지 않은 액체 산소 탱크내에 꺼내진다.
한편, 상기 저압 정류탑(52L)의 탑 상부 기체(질소 기체)는 상기 주 열교환기(51)에서 상기 전처리 완료된 원료 기체와 열교환한 후, 질소 예냉기(54), 질소 냉각기(55), 복수단의 순환 압축기(56) 및 질소 응축기(57)를 순차적으로 통과하여 응축하고, 액질 분리기(58)에서 기액 분리된다. 액질 분리기(58)의 기상 성분은 상기 질소 응축기(57) 및 질소 냉각기(55)를 통해 순환 압축기(56)로 되돌려지는 한편, 액상 성분은 공기 분리 장치(50)에 액체 질소로서 환원된다. 보다 구체적으로는, 상기 액체 질소의 일부는 밸브(60)를 통해 상기 고압 정류탑(52H) 내에 환원되고, 나머지는 밸브(59)를 통해 도시하지 않은 액체 질소 탱크내에 꺼내진다.
상기 질소 예냉기(54), 질소 냉각기(55) 및 질소 응축기(57)는 열교환기로써, 이들 열교환기를 통해 도시하지 않은 LNG 저장 탱크로부터 추출되는 LNG와 질소 기체와의 열교환이 이루어진다. 그리고, 이 열교환에 의해 LNG의 승온 및 증발과 질소 기체의 응축이 동시에 이루어진다(일본 특허 공개 공보 제 2002-295799 호 참조).
그런데, 상기 종래예에 따른 공기 분리 장치의 경우에는 후술하는 바와 같은 문제점이 있었다.
(1) 천연 기체(NG)의 수요가 없어져 배출할 수 없게 된 경우에는 순환 압축기에서 토출되는 압축 기체를 냉각하는 중간 냉각 매체가 없기 때문에, 순환 압축기의 운전을 정지해야 한다. 즉, 순환 압축기의 운전 정지와, 부팅 운전을 반복해야만 되어, 공기 분리 장치의 가동률 저하를 회피할 수 없었다.
(2) 또한, LNG의 사용량이 크게 변동하기 때문에, 공기 분리 장치는 최소의 LNG 사용 가능량에 맞춰 설계해야만 되고, LNG의 냉열을 충분히 유효 활용할 수 없었다.
(3) 또한, 운전 정지중의 입열에 의해 LNG 탱크내에 남겨져 있는 LNG의 기화에 의해 자연 기화 기체(BOG)가 발생하여, LNG 탱크의 내압이 상승하여 위험하기 때문에, LNG 탱크내의 BOG를 폐기해야만 되어 경제적으로 불리해진다는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 NG의 배출을 할 수 없게 되더라도 운전을 계속할 수 있는 동시에, BOG의 발생을 방지할 수 있고, 게다가 LNG의 냉열을 충분히 유효하게 활용하는 것을 가능하게 하는 공기 분리 장치 및 그 운전 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서 본 발명의 청구항 1에 따른 공기 분리 장치가 채용한 수단은 대기로부터 원료 공기를 도입하여 소정 압력까지 압축하는 공기 압축기와 이 공기 압축기에서 압축된 압축 공기를 정화하는 MS 흡착기와 이 MS 흡착기에서 정화된 압축 공기를, 주 열교환기를 통해 냉각한 후에 산소와 질소로 정류 분리하는 정류탑과 이 정류탑에서 분리되고, 또한 상기 주 열교환기를 통해 꺼내지는 동시에, 순환 압축기로 압축된 압축 질소 기체를 LNG의 냉열로 냉각하는 LNG 이용 열교환기가 장착되고, 상기 순환 압축기로부터 토출된 압축 질소 기체를 단열 팽창시키는 팽창 터빈이 장착되어 이루어진 질소 순환 유로를 갖는 질소 순환 냉각 기구를 구비한 공기 분리 장치에 있어서, 상기 질소 순환 냉각 기구에, LNG 탱크, LNG 펌프 및 LNG의 냉열을 축열하는 냉열 축열기를 거쳐서 LNG 가온기에 이르는 LNG 냉열 축열 유로를 설치하는 동시에, LNG탱크, LNG 펌프, 상기 LNG 이용 열교환기, 냉열 축열기 및 상기 질소 순환 냉각 기구에서 발생하는 한냉을 이용하는 한냉 이용 열교환기를 거쳐 LNG 탱크로 되돌아가는 냉열 회수 유로를 설치한 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 청구항 2에 따른 공기 분리 장치가 채용한 수단은 청구항 1에 기재된 공기 분리 장치에 있어서, 상기 질소 순환 유로의 상기 순환 압축기의 하류측에 상기 팽창 터빈에서 구동되어 상기 순환 압축기에서 압축된 압축 질소 기체의 압력을 상승시키는 승압기를 장착한 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 청구항 3에 따른 공기 분리 장치가 채용한 수단은 청구항 1에 기재된 공기 분리 장치에 있어서, 상기 질소 순환 유로의 상기 순환 압축기로부터 상기 팽창 터빈에 연통하는 유로 사이에 순환 냉동기가 장착되어 이루어진 분기 유로를 설치한 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 청구항 4에 따른 공기 분리 장치의 운전 방법이 채용한 수단은 LNG 탱크로부터 충분한 양의 LNG를 공급할 수 있을 때에는 LNG의 냉열에 의한 압축 질소 기체의 냉각과 병행하여 LNG의 냉열을 냉열 축열기에 축열하고, 축열후의 LNG는 LNG 가온기에서 기화시켜 천연 기체를 제조하는 한편, LNG 탱크로부터 공급할 수 있는 LNG의 공급량이 적을 때에는 LNG 탱크로부터 LNG 펌프를 거쳐 공급한 LNG의 냉열로 압축 질소 기체를 냉각하여 자체적으로 승온되어 일부 또는 전부가 기체화되는 이 LNG 또는 NG를, LNG 탱크로부터 LNG 펌프를 거쳐 공급한 LNG에 합류시켜 LNG의 2상 흐름(Two Phase Flow)으로 한 후에, 상기 냉열 축열기에 유입시켜 2상 흐름의 LNG를 액화시킴으로서 냉열을 회수하는 동시에, 냉열 회수후의 LNG를 상기 LNG 탱크로 되돌리는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 청구항 5에 따른 공기 분리 장치의 운전 방법이 채용한 수단은 청구항 4에 기재된 공기 분리 장치의 운전 방법에 있어서, 상기 냉열 회수후의 LNG를 LNG 탱크로 되돌리기 전에, 질소 순환 냉각 기구에서 발생하는 한냉을 이용하여 냉각하는 것을 특징으로 하는 것이다.
이하, 본 발명의 공기 분리 방법을 실시하는 공기 분리 장치를 첨부 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은 본 발명의 형태 1에 따른 공기 분리 장치의 모식적 계통도이고, 도 2는 본 발명의 형태 1에 따른 공기 분리 장치의 원료 공기 처리부의 모식적 계통 설명도이고, 도 3은 본 발명의 형태 1에 따른 공기 분리 장치의 냉각실과 액체 질소 과냉각부의 냉각실와의 모식적 계통 설명도이고, 도 4는 본 발명의 형태 1에 따른 공기 분리 장치의 질소 순환 냉각 기구의 모식적 계통 설명도이다. 각 도면에 기재되어 있는 온도는 각 기기류의 출입구에서의 LNG 또는 NG의 온도이다.
본 발명의 형태 1에 따른 공기 분리 장치는 주로 후술하는 4개의 주요부로 구성되어 있다. 제 1 주요부는 대기로부터 원료 공기를 도입하여 소정 압력까지 압축하는 동시에, 압축공기를 정화하는 원료 공기 처리부(1)이다. 제 2 주요부는 주 열교환기, 정류탑 및 과냉각기 등을 수용한 냉각실(2)이다. 또한, 제 3 주요부는 상기 냉각실(2)로부터 배출된 질소 기체를 압축하는 동시에, 압축된 질소 기체를 LNG 이용 열교환기 및 팽창 터빈에서 냉각하여 액체 질소를 제조하는 질소 순환 냉각 기구(3)이다.
그리고, 제 4 주요부는 상기 질소 순환 냉각 기구(3)에서 제조된 액체 질소 및 저온의 질소 기체를 분리하는 동시에, 액체 질소를 과냉각하여 액체 질소 제품으로 하는 액체 질소 과냉각 박스(4)이다. 이하, 본 발명의 형태에 관한 공기 분리 장치를 구성하는 이들 주요부의 구성을 도면을 순차적으로 참조하면서 설명한다.
상기 원료 공기 처리부(1)는 도 2에 도시한 바와 같이 구성되어 있다. 즉, 흡입 필터(11)를 통해 대기로부터 공기 압축기(12)에 흡입된 원료 공기는 이 공기 압축기(12)에서 소정 압력, 예컨대 0.6MPa까지 압축된다. 이 공기 압축기(12)로부터 토출된 원료 공기는 냉각 매체와 열교환하는 냉각기(13)에 의해 냉각된 뒤에 MS 흡착기(14)에 도입되어, 수분이나 탄산기체 등이 제거된다. MS 흡착기(14)는 2개 병렬 설치되어 있고, 보통, 원료 공기는 어느 한쪽의 MS 흡착기(14)에 도입되고, 다른 쪽의 사용에 제공되지 않는 MS 흡착기(14)의 도시하지 않은 흡착제는 재생 전기 가열기(15)를 통해 가열된 질소 기체에 의해 흡착 기능하게 재생된 후, 전환하도록 구성되어 있다.
즉, 교대로 사용함으로써 MS 흡착기(14)의 재생을 위해 공기 분리 장치의 운전을 정지시키는 일이 없도록 배려되어 있다. MS 흡착기(14)에 의해 수분이나 탄산기체 등이 제거된 원료 공기는 도 2에 도시한 유로(A)를 통해 냉각실(2)에 보내지도록 구성되어 있다. 또한, 상기 재생 전기 가열기(15)는 후술하는 냉각실(2)에 수납되어 있는 저압 정류탑(22)으로부터 도 2에 도시한 유로(B)를 통해 공급되는 질소 기체를 가열하고, 이 가열한 질소 기체를 MS 흡착기(14)에 공급함으로써 흡착제를 재생시키는 것이다. 그리고, MS 흡착기(14)의 흡착제를 재생한 후의 질소 기체는 사일렌서(16)로부터 대기중에 방출된다.
상기 냉각실(2) 내에는 도 3의 좌측에 도시한 바와 같은 여러 종의 기기류가 수용되어 있다. 이들 기기류는 주 열교환기(21), 상부의 저압 정류탑(22), 하부의 고압 정류탑(23) 및 과냉각기(24)이다. 즉, 상기 원료 공기 처리부(1)에서 처리되어, 유로(A)를 통해 주 열교환기(21)에 보내어진 원료 공기는 주 열교환기(21)에서 냉각된다. 그리고, 원료 공기는 저압 정류탑(22)의 정부에서 과냉각기(24)를 통해 꺼내진 고순도 질소 기체 및 저압 정류탑(22)의 상부 부근에서 과냉각기(24)를 통해 꺼내진 저순도 질소 기체(상기 MS 흡착기(14)에 공급됨) 및 고압 정류탑(23)에서 꺼내진 고순도 질소 기체와 열교환함으로써 냉각된다.
상기 주 열교환기(21)를 통과한 냉각 공기는 고압 정류탑(23)의 저부에 공급된다. 고압 정류탑(23)에 공급된 냉각 공기는 탑내를 상승하는 동안에 점차로 질소 풍부해져서, 고압 정류탑(23)의 상부에서는 고순도 질소가 된다. 고순도 질소의 일부는 고압 정류탑(23)으로부터 기체 상태로 배출되며, 주 열교환기(21)를 통해 가열되어 계외로 내보내진다. 나머지는 주 응축기(26)로 인도되어, 냉각, 응축되어 액체 질소가 된다. 응축된 액체 질소의 일부는 고압 정류탑(23)의 상부로부터 배출되며, 상기 과냉각기(24)를 통해 과냉각되고, 감압된 후에 저압 정류탑(22)의 상부에 공급된다. 나머지의 액체 질소는 탑내를 떠도는 동안에 점차 산소 풍부해져서, 고압 정류탑(23)의 저부에 액체 공기(25)로서 고인다. 액체 공기(25)는 고압 정류탑(23)에서 꺼내진 뒤에 과냉각기(24)에서 과냉각되어 저압 정류탑(22)의 중앙부에 도입된다.
상기 저압 정류탑(22)의 중앙부에 도입된 산소 풍부한 액체 공기(25)는 탑내를 떠돌면서 점차 산소가 응축되어, 저부에서 고순도 산소가 된다. 그리고, 이 저압 정류탑(22)의 저부에 고인 액체 산소는 액체 산소 제품으로서 계외로 꺼내어지도록 되어 있다.
한편, 저압 정류탑(22)의 상부로부터 과냉각기(24)를 통해 꺼내진 고순도 질소 기체 및 고압 정류탑(23)으로부터 꺼내진 고순도 질소 기체는 주 열교환기(21)에 서 원료 공기와 열교환한 후, 도 3에 도시한 유로(C, D)를 통해 내보내져, 각각 질소 순환 냉각 기구(3)로 보내진다.
상기 질소 순환 냉각 기구(3)는 도 4에 도시한 바와 같이 구성되어 있다. 유로(C)로부터 질소 순환 냉각 기구(3)에 이송된 질소 기체는 질소 압축기(31)에 의해, 유로(D)로부터 인도된 질소 기체의 압력과 동일한 압력이 될 때까지 압축된 뒤에, D 유로로부터 인도된 질소 기체가 합류하여, 순환 압축기(32)로 인도되도록 되어 있다. 순환 압축기(32)로부터 토출된 질소 기체는 질소 순환 유로(33)를 순환하도록 구성되어 있다. 보다 상세하게는, 순환 압축기(32)로부터 토출되어 질소 순환 유로(33)를 흐르는 질소 기체는 LNG의 냉열을 이용하는 제 1 LNG 이용 열교환기(33a)에서 냉각되고, 냉각된 질소 기체의 대부분이 팽창 터빈(33b)에 이르고, 단열 팽창된 질소 기체는 LNG을 과냉각하기 위한 제 1 질소 냉열 이용 열교환기(33c), 팽창 터빈(33b)에 분기되지 않은 나머지 질소를 액화시키는 제 2 질소 냉열 이용 열교환기(33d), LNG의 냉열을 이용하여 질소를 냉각하는 제 2 LNG 이용 열교환기(33e)의 순으로 순환하도록 구성되어 있다. 또한, 제 1 LNG 이용 열교환기(33a)는 질소 압축기(31)에 흡입되는 질소 기체, 순환 압축기(32)에 흡입되는 질소 기체도 냉각하도록 되어 있다.
또한, 상기 질소 순환 냉각 기구(3)에는 LNG 탱크(35a), LNG 펌프(35b), LNG의 냉열을 축열하는 냉열 축열기(34a)를 거쳐 LNG 가온기(37)에 연통하는 LNG 냉열 축열 유로(34)가 설치되어 있다. 또한, 상기 질소 순환 냉각 기구(3)에는 LNG 탱크(35a), LNG 펌프(35b), 제 2 LNG 이용 열교환기(33e), 제 1 LNG 이용 열교환기(33a), 냉열 축열기(34a), 제 1 질소 냉열 이용 열교환기(33c)를 거쳐 LNG 탱크(35a)로 되돌아가는 냉열 회수 유로(35)가 설치되어 있다. 그리고, 이 냉열 회수 유로(35)의 제 1 LNG 이용 열교환기(33a)에서 나온 부분으로부터, 예냉기(33f)를 경유하는 NG 배출 유로(36)가 LNG 가온기(37)에 연통되어 있다.
NG 배출 유로(36)와 LNG 냉열 축열 유로(34)와는 개별적인 LNG 가온기에 연통하는 구성일 수 있다. LNG 가온기(37)로서는 예컨대, 해수에 의한 ORV(Open Rack Vaporizer)일 수 있고, 또한 순환수에 의한 증발기일 수도 있다. 또한, 이 경우, 유로(C, D)를 통해 질소 압축기(31) 및 순환 압축기(32)에 흡입되는 질소 기체를 예냉하는 예냉기(33f)나 제 1 LNG 이용 열교환기(33a), 제 2 LNG 이용 열교환기(33e), 제 1 질소 냉열 이용 열교환기(33c), 제 2 질소 냉열 이용 열교환기(33d)는 각 일체화 설계할 수도 있고 분할할 수도 있다. 또한, 냉열 축열기(34a)에 이용하는 축열제의 후보로서는 N-펜테인, N-헥세인, 에탄올, 메틸사이클로헥세인, 1-프로판올 등을 들 수 있다.
상기 순환 압축기(32)에서 압축되는 동시에, 상기 제 1 LNG 이용 열교환기(33a)에서 냉각된 질소 기체의 일부는 상기한 바와 같이, 팽창 터빈(33b)에 의해 팽창시켜지지만, 다른 질소 기체는 도중에 분기하여 제 2 LNG 이용 열교환기(33e), 제 2 질소 냉열 이용 열교환기(33d)를 통과하는 유로(E)를 흐르는 동안에 냉각되고, 액체 질소가 되어 도 4에 도시한 액체 질소 과냉각 박스(4)에 이송되도록 구성되어 있다.
상기 액체 질소 과냉각 박스(4)의 내부에는 도 3의 오른쪽에 도시한 바와 같이, 주로 기액 분리기(41) 및 액체 질소 과냉각기(42)가 수용되어 있다. 즉, 유로(E)를 통해 상기 질소 순환 냉각 기구(3)로부터 공급되는 액체 질소는 기액 분리기(41)에서 저온의 질소 기체(46) 및 액체 질소(47)로 분리된다. 기액 분리기(41)에서 분리된 질소 기체(46)의 일부는 저압 정류탑(22)에 보내지고, 나머지는 유로(F)를 통해 팽창 터빈(34)으로부터 토출되는 질소 기체에 합류한다. 한편, 액체 질소(47)는 액체 질소 과냉각기(42)에서 과냉각되어 액체 질소 제품으로서 계외로 꺼내진다. 상기 액체 질소(47)의 일부는 기액 분리기(41)의 유출구 부근에서 분기되어 고압 정류탑(24)의 상부로 내보내진다.
또한, 기액 분리기(41)의 출구로부터 액체 질소 유로(43)가 분기되어 있고, 이 액체 질소 유로(43)를 통해 액체 질소의 일부가 액체 질소 제품의 과냉각에 사용되도록 되어 있는 상기 액체 질소 유로(43)에는 액체 질소 제품이 되는 액체 질소의 온도를 검출하는 액체 질소 온도 검출 센서(45)의 검출 온도에 기초하여 개도가 제어되는 유량 제어 밸브(44)가 장착되는 동시에, 상기 액체 질소 과냉각기(42)를 통해 액체 질소 제품이 되는 액체 질소를 과냉각하도록 구성되어 있다. 이에 따라, 소정 온도 범위내로 과냉각된 질소 제품이 제조되게 된다.
본 발명의 형태 1에 따른 질소 순환 냉각 기구(3)에 따르면, 하기 2와 같은 운전을 할 수 있다. 즉, LNG 탱크(35a)로부터 공급할 수 있는 LNG의 공급량이 많을 때에는, 제 1, 2 LNG 이용 열교환기(33a, 33e)에 의한 압축 질소 기체의 냉각과 병행하여, LNG 냉열 축열 유로(34)에 LNG를 공급하여 LNG의 냉열을 냉열 축열기(34a)에 축열하고, 축열후의 LNG를 LNG 가온기(37)에서 기화시켜 NG를 제조할 수 있다. 한편, LNG 탱크(35a)로부터 공급할 수 있는 LNG의 공급량이 적을 때에는, LNG 탱크(35a)로부터 LNG 펌프(35b)를 통해 냉열 회수 유로(35)에 공급한 LNG의 냉열로 압축 질소 기체를 냉각하여, 자체적으로 승온시켜 일부 또는 전부가 기체화되는 이 LNG 또는 NG를, LNG 탱크(35a)로부터 LNG 펌프(35b)를 통해 공급한 LNG에 합류시켜 LNG의 기액 2상 흐름으로 한다. 그리고, 이 LNG의 기액 2상 흐름을 상기 냉열 축열기(34a)에 유입시켜서 기액 2상 흐름을 액화시킴으로써 냉열을 회수하는 동시에, 냉열 회수후의 LNG를 상기 제 1 질소 냉열 이용 열교환기(33c)에서 냉각하여 LNG 탱크(35a)로 되돌릴 수 있다. 또한, 이 경우에는 단열 팽창시킨 질소 기체의 냉열을 이용하도록 하고 있지만, 예컨대 질소 순환 냉각 기구(3)에서 얻어지는 액체 질소의 냉열을 이용할 수 있다.
본 발명의 형태 1에 따른 공기 분리 장치에 따르면, 하기와 같은 효과를 얻을 수 있다.
(1) LNG의 수요가 없어져 배출을 할 수 없게 된 경우라도, LNG를 냉열 회수 유로(35)에 공급하여 순환시킴으로써 순환 압축기(32)로부터 토출되는 압축 질소 기체를 냉각할 수 있다. 즉, 종래와 같이, 순환 압축기(32)의 운전을 정지할 필요가 없고, NG의 수요량의 다소에 상관없이 운전을 계속할 수 있으므로, 공기 분리 장치의 가동률이 향상된다.
(2) 또한, LNG의 사용량이 크게 변동하더라도, 공기 분리 장치를 최소의 LNG 사용 가능량에 맞춰 설계할 필요가 없기 때문에, LNG의 냉열을 충분히 유효하게 활용할 수 있다.
(3) 또한, LNG 탱크(35a)로부터 냉열 회수 유로(35)에 공급된 LNG는 냉열 축열기(34a)에 축열되어 있는 냉열을 회수하는 동시에, 제 1 질소 냉열 이용 열교환기(33c)에서 과냉각되어 LNG 탱크(35a)에 되돌려진다. 따라서, LNG의 과냉각도에 따라 LNG 탱크(35a) 내의 BOG의 발생을 억제하거나 또는 LNG 탱크(35a) 내의 BOG를 액화시켜서 LNG 탱크(35a)의 내압을 저하시킬 수 있다. 그 때문에, LNG 탱크(35a) 내의 BOG를 폐기할 필요가 없어 경제적으로 유리해진다.
질소 순환 냉각 기구(3)의 냉열 회수 회로(35)로는 질소 순환 냉각 기구(3)의 모식적 부분 계통 설명도(본 발명의 형태 1에 따른 변형예 1)의 도 5에 도시한 바와 같이, LNG 탱크(35a)에 LNG 공급원 탱크(38a) 내의 LNG를 LNG 공급원 펌프(38b)에서 공급하는 구성으로 할 수 있다. 또한, 이 질소 순환 냉각 기구(3)의 모식적 부분 계통 설명도(본 발명의 형태 1에 따른 변형예 2)의 도 6에 도시한 바와 같이, 유로(C)의 고순도 질소 기체를 질소 압축기(31)에서 압축하고, 여기에 유로(D)의 고순도 질소 기체를 혼입시키는 동시에, 예냉기(33f) 및 제 1 LNG 이용 열교환기(33a)를 통해 순환 압축기(32)에 공급하는 구성으로 할 수 있다. 또한, 순환 압축기(32)의 흡입 온도의 설계에 따라서는 반드시 예냉기(33f)를 필요로 하는 것은 아니다.
본 발명의 형태 2에 따른 공기 분리 장치를 그 질소 순환 냉각 기구의 모식적 계통 설명도인 도 7을 참조하면서 설명한다. 또한, 본 발명의 형태 2에 따른 공기 분리 장치의 원료 공기 처리부, 냉각실 및 액체 질소 과냉각 박스의 구성은 상기 형태 1에 따른 공기 분리 장치와 같은 구성으로써, 질소 순환 냉각 기구가 상이할 뿐이므로, 동일한 것에 동일 부호를 붙이면서 동일 명칭을 사용하여 그 차이점에 대하여 설명한다.
본 발명의 형태 2에 따른 공기 분리 장치의 질소 순환 냉각 기구(3)에서는 질소 순환 유로(33)의 순환 압축기(32)의 하류측에 상기 순환 압축기(32)에 의해 압축되는 동시에, 제 1 LNG 이용 열교환기(33a)에서 냉각된 압축 질소 기체를 추가로 압축하는 순환 터빈 압축기(승압기)(33g)가 장착되어 있다. 이 순환 터빈 압축기(33g)는 상기 팽창 터빈(33b)에서 구동되도록 되어 있고, 이 순환 터빈 압축기(33g)에서 압축된 압축 질소 기체는 제 1 LNG 이용 열교환기(33a)에서 냉각된 후에 팽창 터빈(33b)에서 단열 팽창되도록 구성되어 있다.
본 실시 형태 2에 따른 공기 분리 장치에 따르면, 질소 순환 냉각 기구(3)의 질소 순환 유로(33)에 순환 터빈 압축기(33g)가 추가되었을 뿐이므로, 상기 형태 1에 따른 공기 분리 장치와 동등한 효과를 얻을 수 있다. 단, 보다 고압의 압축 질소 기체를 단열 팽창시킴으로써 질소 순환 유로(33)의 액체 질소의 생산 효율이 향상되므로, 상기 형태 1에 따른 공기 분리 장치의 질소 순환 유로보다 우수하다. 또한, 순환 터빈 압축기(33g) 및 팽창 터빈(33b)을 2대 이상 설치함으로써 질소 순환 유로(33)의 액체 질소의 생산 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 형태 3에 따른 공기 분리 장치를 그 질소 순환 냉각 기구의 모식적 계통 설명도인 도 8을 참조하면서 설명한다. 또한, 본 발명의 형태 3에 따른 공기 분리 장치의 원료 공기 처리부, 냉각실 및 액체 질소 과냉각 박스의 구성은 상기 형태 1에 따른 공기 분리 장치와 동일 구성으로써 질소 순환 냉각 기구가 상이할 뿐이므로, 동일한 것에 동일 부호를 붙이면서 동일 명칭을 사용하여 그 차이점에 대하여 설명한다.
본 발명의 형태 3에 따른 공기 분리 장치의 질소 순환 냉각 기구(3)에서는 질소 순환 유로(33)의 순환 압축기(32)로부터 팽창 터빈(33b)에 연통하는 유로 사이에, 순환 냉동기(33i)가 장착되어 이루어진 분기 유로(33h)가 설치되어 있다. 상기 순환 냉동기(33i)는 액체 질소 또는 냉매를 사용함으로써 이 순환 냉동기(33i)에서 냉각한 압축 질소 기체와 제 1 LNG 이용 열교환기(33a)에서 냉각한 압축 질소 기체를 합류시킨 후, 팽창 터빈(33b)에서 단열 팽창되도록 구성되어 있다.
본 실시형태 3에 따른 공기 분리 장치에 따르면, 질소 순환 냉각 기구(3)의 질소 순환 유로(33)에 순환 냉동기(33i)가 장착되어 이루어진 분기 유로(33h)가 추가되었을 뿐이므로, 상기 형태 1에 따른 공기 분리 장치와 동등한 효과를 얻을 수 있다. 순환 터빈 압축기(33g)를 질소 순환 유로(33)에 설치함으로써 순환 압축기(32)의 질소 기체에 유량을 감소시킬 수 있으므로, 질소 순환 유로(33)의 액체 질소의 생산 효율에 대해서는 상기 형태 1에 따른 공기 분리 장치의 질소 순환 유로보다 우수하다.
본 발명의 형태 4에 따른 공기 분리 장치를 그 질소 순환 냉각 기구의 모식적 계통 설명도인 도 9를 참조하면서 설명한다. 또한, 본 발명의 형태 3에 따른 공기 분리 장치의 원료 공기 처리부, 냉각실 및 액체 질소 과냉각 박스의 구성은 상기 형태 1에 따른 공기 분리 장치와 동일 구성으로써, 질소 순환 냉각 기구가 상이할 뿐이므로, 동일한 것에 동일 부호를 붙이면서, 동일 명칭을 사용하여 그 차이점에 대하여 설명한다.
즉, 본 발명의 형태 4에 따른 공기 분리 장치의 질소 순환 유로(33)는 순환 압축기(32)의 토출구로부터 제 1 LNG 이용 열교환기(33a), 팽창 터빈(33b), 제 1 질소 냉열 이용 열교환기(33c), 제 2 질소 냉열 이용 열교환기(33d), 제 2 LNG 이용 열교환기(33e) 및 제 1 LNG 이용 열교환기(33a)를 통해 순환 압축기(32)의 흡입구에 연통되어 있다.
그리고, 질소 순환 유로(33)의 순환 압축기(32)의 흡입구 부근에 질소 압축기(31)에서 압축된 유로(C)의 고순도 질소 기체 및 유로(D)의 고순도 질소 기체의 혼합 기체가 공급되도록 구성되어 있다. LNG 냉열 축열 유로(34) 및 냉열 회수 유로(35)의 경로는 상기 형태 1의 경우와 마찬가지이다.
본 발명의 형태 4에 따른 공기 분리 장치에서는 질소 순환 냉각 기구(3)에 예냉기가 설치되어 있지 않다. 또한, 질소 순환 유로(33)는 순환 압축기(32)의 토출구로부터 제 1 LNG 이용 열교환기(33a), 팽창 터빈(33b), 제 1 질소 냉열 이용 열교환기(33c), 제 2 질소 냉열 이용 열교환기(33d), 제 2 LNG 이용 열교환기(33e) 및 제 1 LNG 이용 열교환기(33a)를 경유하고 있고, 이 질소 순환 유로(33)를 순환하는 질소 기체는 LNG(기액)이 -50℃ 이상이 될 때까지 열교환된다. 순환 압축기(32)의 흡열 온도가 상온인 이외에는 LNG 냉열 축열 유로(34) 및 냉열 회수 유로(35)의 경로는 상기 형태 1의 경우와 마찬가지이므로, 본 발명의 형태 4에 따른 공기 분리 장치에 따르면, 상기 형태 1에 따른 공기 분리 장치와 동등한 효과를 얻을 수 있지만, 통상의 상온 순환 압축기를 채용할 수 있다.
그런데, 본 발명의 형태 4에 따른 질소 순환 냉각 기구(3)의 냉열 회수 유로(35)의 경우에 상기한 바와 같이, LNG 탱크(35a)로부터 LNG 펌프(35b)를 통해 공급되는 LNG는 제 2 LNG 이용 열교환기(33e) 및 제 1 LNG 이용 열교환기(33a)를 경유하여 냉열 축열기(34a)에 연통하고 있다. 그러나, 예컨대 제 2 LNG 이용 열교환기(33e)만 경유시켜 냉열 축열기(34a)에 연통시키는 구성(예컨대, LNG는 -100℃가 될 때까지 열교환됨)으로 할 수 있고, 또한 제 2 LNG 이용 열교환기(33e)의 반만큼만 경유시켜 냉열 축열기(34a)에 연통시키는 구성(예컨대, LNG는 -130℃가 될 때까지 열교환됨)으로 할 수도 있다.
한편, 이상의 형태에 있어서는, 모두 LNG 탱크로부터 공급할 수 있는 LNG의 공급량이 많을 때에는 LNG의 냉열을 축열하고, LNG 탱크로부터 공급할 수 있는 LNG의 공급량이 적을 때에는 축열한 냉열을 회수하여 운전을 계속한다고 하는 본 발명의 기술적 사상을 공기 분리 장치에 적용한 경우를 설명한다. 그러나 본 발명의 기술적 사상을, 공기 분리 장치에 대해서 뿐만 아니라, 공기 분리 계통을 갖지 않는 한냉 발생 장치의 순환 계통에 대해서도 적용할 수 있다.
본 발명의 청구항 1 내지 3에 따른 공기 분리 장치 또는 본 발명의 청구항 4 또는 5에 따른 공기 분리 장치의 운전 방법에 따르면 NG의 수요가 많은 경우에는 LNG의 냉열의 축열과 병행하여 순환 압축기에서 압축된 압축 질소 기체를 LNG의 냉열로 냉각하여 액체 질소의 제조 운전을 실시할 수 있다. 또한, NG의 수요가 없는 경우라도 냉열 축열기에 축열한 냉열을 이용함으로써 순환 압축기의 운전을 계속할 수 있다. 따라서, 종래예에 따른 공기 분리 장치와 달리, NG의 수요가 없어져 배출할 수 없게 되더라도 운전을 계속할 수 있기 때문에, 공기 분리 장치의 가동률이 향상되어, 액체 질소의 생산성 향상에 기여할 수 있다. 또한, LNG 탱크로 되돌아가는 LNG를 질소 순환 냉각 기구에서 발생하는 한냉으로 과냉각하여 LNG 탱크로 되돌림으로써 LNG 탱크내의 LNG가 냉각되어, BOG의 발생을 억제할 수 있으므로 BOG를 폐기할 필요가 없어진다.
본 발명의 청구항 2에 따른 공기 분리 장치에 따르면, 질소 순환 유로의 순환 압축기의 하류측에, 팽창 터빈에서 구동되어 순환 압축기에서 압축된 압축 질소 기체의 압력을 상승시키는 승압기가 장착되어 있다. 따라서, 보다 고압의 압축 질소 기체를 단열 팽창시킴으로써, 질소 순환 유로의 액체 질소의 생산 효율이 향상된다. 또한, 승압기 및 팽창 터빈을 2대 이상 설치함으로써 질소 순환 유로의 액체 질소의 생산 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
본 발명의 청구항 3에 따른 공기 분리 장치에 따르면, 질소 순환 유로의 상기 순환 압축기로부터 상기 팽창 터빈에 연통하는 유로 사이에, 순환 냉동기가 장착되어 이루어진 분기 유로가 설치되어 있다. 순환 냉동기를 질소 순환 유로에 설치함으로써 순환 압축기의 질소 기체의 유량을 줄일 수 있기 때문에, 질소 순환 유로의 액체 질소의 생산 효율이 향상된다.
도 1은 본 발명의 형태 1에 따른 공기 분리 장치의 모식적 계통도이다.
도 2는 본 발명의 형태 1에 따른 공기 분리 장치의 원료 공기 처리부의 모식적 계통 설명도이다.
도 3은 본 발명의 형태 1에 따른 공기 분리 장치의 냉각실과 액체 질소 과냉각부의 냉각실와의 모식적 계통 설명도이다.
도 4는 본 발명의 형태 1에 따른 공기 분리 장치의 질소 순환 냉각 기구의 모식적 계통 설명도이다.
도 5는 본 발명의 형태 1에 따른 변형예 1에 관한 것으로, 질소 순환 냉각 기구의 모식적 부분 계통 설명도이다.
도 6은 본 발명의 형태 1에 따른 변형예 2에 관한 것으로, 질소 순환 냉각 기구의 모식적 부분 계통 설명도이다.
도 7은 본 발명의 형태 2에 따른 공기 분리 장치의 질소 순환 냉각 기구의 모식적 계통 설명도이다.
도 8은 본 발명의 형태 3에 따른 공기 분리 장치의 질소 순환 냉각 기구의 모식적 계통 설명도이다.
도 9는 본 발명의 형태 4에 따른 공기 분리 장치의 질소 순환 냉각 기구의 모식적 계통 설명도이다.
도 10은 종래예에 따른 공기 분리 장치의 계통도이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
A, B, C, D, E, F: 유로 1: 원료 공기 처리부
11: 흡입 필터 12: 공기 압축기
13: 냉각기 14: MS 흡착기
15: 재생 전기 가열기 16: 사일렌서
2: 냉각실 21: 주 열교환기
22: 저압 정류탑 23: 고압 정류탑
24: 과냉각기 25: 산소 풍부한 액체 공기
26: 주 응축기 3: 질소 순환 냉각 기구
31: 질소 압축기 32: 순환 압축기
33: 질소 순환 유로 33a: 제 1 LNG 이용 열교환기
33b: 팽창 터빈 33c: 제 1 질소 냉열 이용 열교환기
33d: 제 2 질소 냉열 이용 열교환기 33e: 제 2 LNG 이용 열교환기
33f: 예냉기 33g: 순환 터빈 압축기
33h: 분기 유로 33i: 순환 냉동기
34: LNG 냉열 축열 유로 34a: 냉열 축열기
35: 냉열 회수 유로 35a: LNG 탱크
35b: LNG 펌프 36: NG 배출 유로
37: LNG 가온기 38a: LNG 공급원 탱크
38b: LNG 공급원 펌프 4: 액체 질소 과냉각 박스
41: 기액 분리기 42: 액체 질소 과냉각기
43: 액체 질소 유로 44: 유량 제어 밸브
45: 액체 질소 온도 검출 센서 46: 저온의 질소 기체
47: 액체 질소

Claims (5)

  1. 대기로부터 원료 공기를 도입하여 소정 압력까지 압축하는 공기 압축기,
    이 공기 압축기에서 압축된 압축 공기를 정화하는 MS 흡착기,
    이 MS 흡착기에서 정화된 압축 공기를 주 열교환기를 통해 냉각한 후에 산소와 질소로 정류 분리하는 정류탑, 및
    이 정류탑에서 분리되면서, 상기 주 열교환기를 통해 꺼내지는 동시에, 순환 압축기에서 압축된 압축 질소 기체를 액화 천연 기체의 냉열로 냉각하는 액화 천연 기체 이용 열교환기가 장착되고,
    상기 순환 압축기로부터 토출된 압축 질소 기체를 단열 팽창시키는 팽창 터빈이 장착되어 이루어진 질소 순환 유로를 갖는 질소 순환 냉각 기구를 구비한 공기 분리 장치에 있어서,
    상기 질소 순환 냉각 기구에 액화 천연 기체 탱크, 액화 천연 기체 펌프, 액화 천연 기체의 냉열을 축열하는 냉열 축열기를 거쳐 액화 천연 기체 가온기에 이르는 액화 천연 기체 냉열 축열 유로를 설치하는 동시에, 액화 천연 기체 탱크, 액화 천연 기체 펌프, 상기 액화 천연 기체 이용 열교환기, 냉열 축열기 및 상기 질소 순환 냉각 기구로 발생하는 한냉을 이용하는 한냉 이용 열교환기를 거쳐 액화 천연 기체 탱크로 되돌아가는 냉열 회수 유로를 설치한 것을 특징으로 하는 공기 분리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    질소 순환 유로의 순환 압축기의 하류측에 팽창 터빈에서 구동되어 순환 압축기에서 압축된 압축 질소 기체의 압력을 상승시키는 승압기를 장착한 것을 특징으로 하는 공기 분리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    질소 순환 유로의 순환 압축기로부터 팽창 터빈에 연통하는 유로 사이에, 순환 냉동기가 장착되어 이루어진 분기 유로를 설치한 것을 특징으로 하는 공기 분리 장치.
  4. 액화 천연 기체 탱크로부터 충분한 양의 액화 천연 기체를 공급할 수 있을 때, 액화 천연 기체의 냉열에 의한 압축 질소 기체의 냉각과 병행하여 액화 천연 기체의 냉열을 냉열 축열기에 축열하고, 축열 후의 액화 천연 기체는 액화 천연 기체 가온기에서 기화시켜 천연 기체를 제조하는 한편,
    액화 천연 기체 탱크로부터 공급할 수 있는 액화 천연 기체의 공급량이 적을 때, 액화 천연 기체 탱크로부터 액화 천연 기체 펌프를 거쳐 공급한 액화 천연 기체의 냉열로 압축 질소 기체를 냉각하여 자체적으로 승온시켜 일부 또는 전부가 기체화되는 이 액화 천연 기체 또는 천연 기체를 액화 천연 기체 탱크로부터 액화 천연 기체 펌프를 거쳐 공급한 액화 천연 기체에 합류시켜 액화 천연 기체의 2상 흐름으로 한 후에,
    상기 냉열 축열기에 유입시켜 2상 흐름의 액화 천연 기체를 액화함으로써 냉열을 회수하는 동시에, 냉열회수후의 액화 천연 기체를 상기 액화 천연 기체 탱크로 되돌리는 것을 특징으로 하는 공기 분리 장치의 운전 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    냉열 회수후의 액화 천연 기체를 액화 천연 기체 탱크에 되돌리기 전에, 질소 순환 냉각 기구에서 발생하는 한냉을 이용하여 냉각하는 것을 특징으로 하는 공기 분리 장치의 운전 방법.
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