KR20140066004A - 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 천연 가스 수화물 해리시 발생되는 응축열을 회수하고 분출된 가스로 가스 터빈을 이용한 전기를 생산하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 시스템은 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수 및 전기 생산을 하는 시스템에 있어서, 가스 수화물이 적재된 반응기를 외부의 히터부로 가열하여 기체 성분의 가스를 파이프와 연결된 밸브를 통하여 사용처로 가스를 공급하고 열교환을 수행하는 가스 수화물 해리 장치; 상기 가스 수화물 해리 장치로부터 공급된 가스를 이용하여 가스 터빈의 회전 날개의 회전력을 제공하는 가스 터빈; 및 상기 가스 터빈과 연동되며 상기 회전력을 전달받아 발전기의 회전축을 돌려 전기를 생성하는 발전기를 포함하며, 상기 가스 수화물 해리 장치는 가스 수화물 해리시 상기 밸브와 병렬 연결된 가압 밸브와 상기 히터부를 이용하여 상기 반응기의 압력 및 온도를 조정하여 생성된 가스를 가압시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 시스템 및 방법에 의하면, 압축기를 이용하지 않고 가스 수화물 해리시 밀폐된 압력 용기의 온도 및 압력을 조절하여 압력 용기의 가스를 가압시킬 수 있다.
본 발명의 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 시스템은 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수 및 전기 생산을 하는 시스템에 있어서, 가스 수화물이 적재된 반응기를 외부의 히터부로 가열하여 기체 성분의 가스를 파이프와 연결된 밸브를 통하여 사용처로 가스를 공급하고 열교환을 수행하는 가스 수화물 해리 장치; 상기 가스 수화물 해리 장치로부터 공급된 가스를 이용하여 가스 터빈의 회전 날개의 회전력을 제공하는 가스 터빈; 및 상기 가스 터빈과 연동되며 상기 회전력을 전달받아 발전기의 회전축을 돌려 전기를 생성하는 발전기를 포함하며, 상기 가스 수화물 해리 장치는 가스 수화물 해리시 상기 밸브와 병렬 연결된 가압 밸브와 상기 히터부를 이용하여 상기 반응기의 압력 및 온도를 조정하여 생성된 가스를 가압시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 시스템 및 방법에 의하면, 압축기를 이용하지 않고 가스 수화물 해리시 밀폐된 압력 용기의 온도 및 압력을 조절하여 압력 용기의 가스를 가압시킬 수 있다.
Description
본 발명은 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 천연 가스 수화물 해리시 발생되는 응축열을 회수하고 분출된 가스로 가스 터빈을 이용한 전기를 생산하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 가스 수화물은 280 K(약 6℃) 이하, 그리고 기상에 분자량이 적은 메탄, 에탄, 프로판, 이산화탄소들이 존재할 때 물분자들이 수소 결합에 의해 3 차원의 동공 구조를 이루어 가스들을 동공 속에 저장하는 구조로 되어 있다.
이러한 수화물 형태는 분자 크기가 적은 가스가 아닌 액상의 유기물인 테트라하이드로퓨란(Tetrahydrofuran:THF), CP(Cyclopentane), Acetone 등도 물동공 구조에 저장되는 수화물 구조를 만들 수 있다.
이러한 가스 수화물은 동공에 저장되는 기체 분자의 크기에 따라 Structure(Str)-Ⅰ,Ⅱ, and H의 세 가지 종류가 있다.
메탄, 이산화탄소의 경우에는 Str-Ⅰ수화물을 형성하고 분자 크기가 상대적으로 큰 Propane, CP, THF 등은 Str-Ⅱ 구조를 이룬다.
또한 분자의 크기가 이들보다 큰 Cylohexane 등은 Str-Ⅰ수화물을 만드는 가스들이 존재할때만 Str-Ⅱ 구조를 이룬다.
최근 가스 수화물에 대한 관심이 높아지며 그 이유는 지구상에 약 10,000 기가 톤(Giga tons)의 천연 가스가 수하물 형태로 현존하여 미래 자원으로 쓰일 가능성이 있기 때문이다.
또 다른 한편으로는 가스 수화물이 단위 부피당 약 170배 단위 부피 가스를 저장할 수 있어서 천연 가스의 운송 및 저장 매체로 이용될 가능성을 지니고 있다.
또한 천연 가스 수화물은 상대적으로 낮은 압력과 높은 온도(40 bar at 3℃)에서 만들어지며 일단 형성되면 수화물의 보존은 -20℃ 에서 -15℃, 1기압에서 이루어지며 이 온도압력은 액화 천연 가스의 보존 조건(-160℃)보다 훨씬 좋은 조건이다.
천연 가스 수화물이 천연 가스의 저장 및 수송 매체로 활용되기 위해서는 수화물을 인위적으로 신속하게 형성시키는 공정이 필요하다.
신속 형성 공정은 본 발명자들에 의해서 수화물 유도 시간(Induction time)을 없애고 형성 속도를 향상시키는 방법을 개발하였다.
이제는 이러한 신속 형성 공정으로 수화물을 만들어 저장하고 최종 소비자들에게 쓰여지는 천연 가스 수화물 공급 체인(Supply chain)은 액화 천연 가스(LNG)나 압축 천연 가스(CNG)의 공급 체인(Supply chain)에 비하여 보다 더 안정적이다.
그 이유는 가스들이 고체상 내에 저장되기 때문이지만 천연 가스 수화물이 상업적으로 천연 가스의 저장, 수송 매체로 활용되기 위해서는 공급 체인(Supply chain) 상에서 보다 향상된 경제성을 확보하는 것이 필요하다.
천연 가스 수화물(NGH)의 해리는 흡열 반응이며, 다시 말해서 얼음이 녹을 때와 마찬가지로 열을 흡수해야 액체상의 물로 전환될 수 있다. 단 얼음이 녹을 때는 80 cal/g의 열이 필요하지만 천연 가스 수화물에서 가스와 물로 전환될 시는 얼음의 용융열에 비해 약 1.3배 높은 열(104.4 cal/g)이 외부에서 공급되는 것이 필요하다.
열교환 유체(물이나 Glycol, Alcohol 등과 같은 냉매) 또는 물을 NGH 저장 탱크에 흘려 주어 NGH에서 천연 가스와 물로 해리시에 발생되는 응축열을 회수할 수 있다.
천연 가스 수화물을 운송하여 일만 세대에 천연 가스를 공급하고 또한 천연 가스 한달 사용량이 세대당 40 NM3이라고 가정할 경우 발생되는 응축열은 아래의 표 1에서 보여주고 있다.
이론적으로 약 370 KW의 응축열을 회수할 수 있는데 약 50%의 냉각열을 회수할 경우 200 KW의 응축열을 사용할 수 있고 약 200세대의 에어 컨디셔닝에 사용될 수 있다.
| 천연 가스 한달 사용량 | 286 | 톤 |
| NGH 한달 사용량 | 2198 | 톤 |
| NGH 분해시 응축열 | 370 | KW |
또한, 이러한 가스 수화물을 이용한 발전 시스템이 대한민국 공개특허공보 제 2012-0071043(메탄 수화물을 연료로 하는 복합 사이클 발전 시스템)에 개시된다.
상기 복합 사이클 발전 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 메탄 수화물을 연료 공급원으로 하여 가스 복합 사이클 발전을 운영하는 가스 복합 사이클 발전 시스템에 대한 기술에 관한 것이다.
그러나 상술한 기술은 해리 장치로부터 생성된 기체의 압력을 높이기 위한 추가의 연료 압축기를 구비함에 따른 장치 설치 비용이 증대하고 또한 시스템이 거대해지는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 가스 수하물 해리시 밀폐된 압력 용기의 압력과 온도를 조절하여 압축기를 이용하지 않고 가스 수화물내에 해리된 기체를 가압할 수 있는 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 시스템 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 시스템은 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수 및 전기 생산을 하는 시스템에 있어서, 가스 수화물이 적재된 반응기를 외부의 히터부로 가열하여 기체 성분의 가스를 파이프와 연결된 밸브를 통하여 사용처로 가스를 공급하고 열교환을 수행하는 가스 수화물 해리 장치; 상기 가스 수화물 해리 장치로부터 공급된 가스를 이용하여 가스 터빈의 회전 날개의 회전력을 제공하는 가스 터빈; 및 상기 가스 터빈과 연동되며 상기 회전력을 전달받아 발전기의 회전축을 돌려 전기를 생성하는 발전기를 포함하며, 상기 가스 수화물 해리 장치는 가스 수화물 해리시 상기 밸브와 병렬 연결된 가압 밸브와 상기 히터부를 이용하여 상기 반응기의 압력 및 온도를 조정하여 생성된 가스를 가압시킨다.
여기서, 상기 가스 수화물 해리 장치는 상기 반응기로부터 생성된 가스를 가압시키기 위하여 가압/감압 반복 실시를 수행하기 위한 온/오프 제어되는 가압 밸브 및 상기 반응기의 온도를 조정하기 위하여 상기 반응기를 수납하고 히터부를 통하여 상기 반응기를 가열하는 온도 조절 욕조를 포함한다.
또한, 상기 가스 수화물 해리 장치는 상기 반응기에 열교환부를 설치하여 가스 수화물 해리시 동반되는 응축열을 회수한다.
또한, 상기 열교환부는 반응기의 외부에 설치되는 외부 자켓 타입, 반응기의 내부에 설치된 냉각 코일 또는 파이프를 설치하여 열교환을 하는 내부관 타입 또는 상기 반응기의 외부와 내부에 열교환 유체를 동시에 흐르도록 외부 자켓 타입과 내부관 타입이 결합된 결합 타입 중 어느 하나이다.
또한, 상기 열교환부는 튜브부의 복수 개의 반응기의 저압 측에서 열교환 유체를 흘려 응축열을 회수하는 튜브 셀 타입을 더 포함한다.
또한, 상기 열교환 유체는 스팀, 스팀 응축수, 물, 부동액, 알코올, 저압의 가스 또는 탄화 수소 중 어느 하나이다.
또한, 이러한 이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 방법은 가스 수화물 해리 장치, 가스 터빈 및 발전기를 포함하는 시스템의 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 방법에 있어서, (a) 가스 수화물이 적재된 반응기를 외부의 히터부로 가열하여 가스를 발생시키고 열교환을 수행하는 단계; (b) 상기 발생된 가스를 파이프와 연결된 밸브를 통하여 상기 가스 터빈으로 전달하는 단계; (c) 상기 가스를 이용하여 가스 터빈의 회전 날개를 돌리고 상기 가스 터빈과 연동된 발전기의 회전축을 돌려 전기를 생성하는 단계; 를 포함하며, 상기 (a)단계에서, 가스 수화물 해리 장치는 가스 수화물 해리시 가압 밸브와 히터부를 이용하여 상기 반응기의 압력 및 온도를 조정하여 생성된 가스를 가압시킨다.
여기서, 상기 (a)단계에서, 반응기의 압력 및 온도를 조정하여 생성된 가스를 가압하는 방법은 반응기의 압력을 가압 및 감압하는 과정을 복수 회 반복한 뒤 반응기 초기 유지 온도로부터 온도를 하강 한 후 다시 상승시킨다.
또한, 상기 (a)단계에서, 열교환 방법은 반응기의 외부에 설치되는 외부 자켓 타입, 반응기의 내부에 설치된 냉각 코일 또는 파이프를 설치하여 열교환을 하는 내부관 타입 또는 상기 반응기의 외부와 내부에 열교환 유체를 동시에 흐르도록 외부 자켓 타입과 내부관 타입이 결합된 결합 타입 중 어느 하나이다.
또한, 상기 (a)단계에서, 열교환 방법은 튜브부의 복수 개의 반응기의 저압 측에서 열교환 유체를 흘려 응축열을 회수하는 튜브 셀 타입을 더 포함한다.
본 발명의 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 시스템 및 방법에 의하면, 압축기를 이용하지 않고 가스 수화물 해리시 밀폐된 압력 용기의 온도 및 압력을 조절하여 압력 용기의 가스를 가압시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 시스템 및 방법에 의하면, 증가된 가스 압력을 터어빈에 공급하여 전기를 생산할 수 있다.
또한, 본 발명의 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 시스템 및 방법에 의하면, 압력 용기에 수화물을 형성하거나 이송 및 보관하여 사용처에 운반한 후 수화물을 재가스화 시킬때 상온의 열교환 유체를 흘려서 수화물을 기화시킬때 발생하는 응축열을 회수하여 냉각이나 에어컨디셔닝으로 이용할 수 있다.
도 1은 종래에 따른 메탄 수화물을 연료로 하는 가스 복합 사이클 발전 시스템을 보인 개념도;
도 2는 본 발명에 따른 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 시스템 구성도;
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가스 수화물 해리 장치의 개념도;
도 4는 도 2에 따른 가스 수화물 해리 장치의 구성도;
도 5는 도 4에 따른 반응기와 열교환부의 개념도1;
도 6은 도 4에 따른 반응기와 열교환부의 개념도2;
도 7은 도 4에 따른 반응기와 열교환부의 개념도3;
도 8는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 복수 개의 반응기와 열교환부의 개념도4;
도 2는 본 발명에 따른 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 시스템 구성도;
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가스 수화물 해리 장치의 개념도;
도 4는 도 2에 따른 가스 수화물 해리 장치의 구성도;
도 5는 도 4에 따른 반응기와 열교환부의 개념도1;
도 6은 도 4에 따른 반응기와 열교환부의 개념도2;
도 7은 도 4에 따른 반응기와 열교환부의 개념도3;
도 8는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 복수 개의 반응기와 열교환부의 개념도4;
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 시스템 구성도이고,도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가스 수화물 해리 장치의 개념도이고, 도 4는 도 2에 따른 가스 수화물 해리 장치의 구성도이고, 도 5는 도 4에 따른 반응기와 열교환부의 개념도1이고, 도 6은 도 4에 따른 반응기와 열교환부의 개념도2이고, 도 7은 도 4에 따른 반응기와 열교환부의 개념도3이고, 도 8는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 반응기와 열교환부의 개념도4이다.
도 2 및 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 시스템은 가스 수화물 해리 장치(100), 가스 터빈(200) 및 발전기(300)를 포함하여 구성된다.
여기서 천연 가스 수화물(NGH:Natural gas hydrate), 가스 수화물, 수화물은 같은 의미로 사용한다.
본 발명은 가스 수화물 해리를 통하여 응축열 회수, 기체 가압 및 전기를 생산하는 시스템이며, 상기 가스 수화물 해리 장치(100)는 가스 수화물이 적재된 반응기(110) 또는 NGH 저장 탱크를 상기 반응기(110) 외부의 히터부(150)로 가열하여 기체 성분과 액체 성분으로 해리하고 기체 성분의 가스를 파이프와 연결된 밸브(170)를 통하여 가스 터빈(200) 등의 사용처에 공급하고 열교환을 수행한다.
상기 가스 터빈(200)은 가스 수화물 해리 장치로부터 공급된 고압 가스를 이용하여 가스 터빈(200)의 회전 날개의 회전력을 제공하며, 상기 발전기(300)는 가스 터빈(200)의 회전 날개의 회전축과 연동하고 회전력을 전달받아 발전기의 회전축을 돌려 전기를 생산(생성)한다.
가스 터빈(200)은 가스 수화물 해리 장치(100)로부터 공급된 고압의 가스로 운전되며 고압의 가스가 팽창하면서 가스 터빈의 회전 날개에 충돌, 반동력을 주어 회전시킨다.
또한, 가스 터빈(200)은 발전기(300)를 포함하여 구성될 수 있으며 열교환 장치와 가스 터빈을 구비하여 응축열을 회수하고 전기를 생산할 수 있다.
상기 가스 수화물 해리 장치(100)는 반응기(110), 온도 조절 욕조(120), 열교환부(130), 냉매 순환부(140), 히터부(150), 온도 제어부(160), 밸브(170), 가압 밸브(171) 및 수분 분리부(180)를 포함하여 구성된다.
상기 반응기(110)는 가스 수화물 저장을 위한 일정 공간을 가지며 스테인레스 스틸(Stainlessless steel)등의 밀폐 용기로 이루어지며 원통 형상이며 양 끝단은 반원구 형상으로 이루어진다.
온도 조절 욕조(120)는 반응기(110)를 수납하며 외부 벽면에는 히터부(150)를 설치하여 간접적으로 반응기(110)를 가열하여 가스 수화물을 해리시킨다.
온도 제어부(160)는 반응기(110) 내부에 설치된 온도 센서(미도시)를 통하여 검출한 온도에 따라서 또는 수동으로 히터부(150)에 온도 조정을 위한 제어 명령을 전송한다.
여기서, 히터부(150)는 가열 또는 냉각을 위한 히팅 코일 및 냉매 순환 유로를 구비하여 반응기(110)를 가열 또는 냉각시킬 수 있다.
밸브(170)는 제어부(미도시)에 의해서 온/오프 제어되며 파이프와 직렬 연결되며 상기 파이프는 반응기(110)의 상부에 연결되어 해리된 가스를 밸브(170)와 수분 분리부(180)를 통하여 사용처로 공급한다.
여기서, 가압 밸브(171)는 밸브(170)와 병렬 연결되며 가스 수화물 해리시 일정 압력 이상 또는 이하에서 압축용 밸브를 온/오프하여 가스를 외부의 저장 탱크 또는 대기로 방출함으로 반응기(110) 내부의 기체를 가압 또는 감압시킬 수 있다.
제어부(미도시)는 반응기(110) 내부에 설치된 압력 센서(미도시)를 통하여 검출한 압력에 따라서 또는 수동으로 가압 밸브(171)에 압력 조정을 위한 온/오프 제어 명령을 전송한다.
물론 가압 밸브(171)가 동작되면 밸브(170)는 동작하지 않는다.
열교환부(130)는 반응기(110)에 설치되어 가스 수화물 해리시 동반되는 응축열을 회수하며 냉매 순환부(140)는 냉매 저장 탱크 및 냉매 펌프로 이루어진다.
가스 수화물 해리 장치(100)는 가스 수화물 해리시 밸브(170) 및/또는 가압 밸브(171)와 히터부(150)를 이용하여 반응기(110)의 압력과 온도를 조정하여 생성된 가스를 가압시킨다.
가스 수화물 해리 장치(100)는 가압 밸브(171)를 이용하여 반응기(110)로부터 생성된 가스를 가압시키기 위하여 가압/감압을 반복 실시 하고 히터부(150)를 이용하여 반응기(110)를 가열한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 가스 수화물 해리 장치의 개념도이다.
밀폐된 고압 용기(125)는 복수 개의 반응기(110a,110b, --- )를 격납하며 고압 용기의 일측으로부터 냉매가 공급되며 다른 측으로 열교환되어 차가워진 냉매가 에어콘 등으로 공급된다.
해리된 가스는 가스 터빈(200)에 공급되어 발전기(300)는 전기를 생산한다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 반응기(110)에 설치된 열교환부(130)의 개념도를 도시한 도면이다.
도 5는 외부 자켓(130) 타입으로 열교환부(130)가 반응기(110) 외부 벽을 감싸는 구조로 설치된 것으로 상기 열교환부(130)는 사형 파이프 등으로 이루어져 파이프 내부로 열교환 유체인 냉매를 통과(입력 및 출력)시키며 해리된 가스는 사용처에 전달된다.
여기서, 상기 열교환 유체는 스팀, 스팀 응축수, 물, 부동액, 알코올, 저압의 가스 또는 탄화 수소 중 어느 하나이다.
도 6은 내부관(131) 타입으로 반응기(110)의 내부에 냉각 코일(미도시) 또는 복수 개의 파이프(111)를 설치하여 열교환 유체를 반응기 내부로 흘려주는 도면이다.
여기서, 열교환부(130)는 내부관(131)이다.
도 7은 도 5와 도 6을 결합한 구조로 반응기(110)의 외부와 내부에 열교환 유체를 동시에 흐르도록 외부 자켓(130)과 내부관(131)이 결합된 결합 타입의 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 복수 개의 반응기(110)와 열교환부의 개념도로서 튜브부(190)에 복수 개의 반응기(110a,110b, --- )가 설치되고 반응기의 저압 측에서 열교환 유체를 흘려 응축열을 회수하는 튜브 셀(Tube-shell) 타입의 도면이다.
본 발명의 가스 수화물 해리 장치(100), 가스 터빈(200) 및 발전기(300)를 포함하는 시스템을 이용한 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 방법은 아래와 같다.
우선, 상기 시스템은 가스 수화물이 적재된 반응기(110)를 외부의 히터부(150)로 가열하여 가스를 발생(생성)시키고 열교환을 수행하며 발생된 고압 가스를 파이프와 연결된 밸브(170)를 통하여 가스 터빈(200)으로 전달하고 가스 터빈(200)은 전달된 가스를 이용하여 가스 터빈(200)의 회전 날개를 돌리고 상기 가스 터빈(200)과 연동된 발전기(300)의 회전축을 돌려 전기를 생성시키는 단계를 포함한다.
가스를 발생시키고 열교환을 수행하는 단계에서, 가스 수화물 해리 장치(100)는 가스 수화물 해리시 가압 밸브(171)와 히터부(150)를 이용하여 반응기(110)의 압력 및 온도를 조정하여 생성된 가스를 가압시킨다.
상기 생성된 가스를 가압시키는 방법은 반응기의 압력을 가압 및 감압하는 과정을 복수 회 반복한 뒤 반응기 초기 유지 온도로부터 온도를 하강 한 후 다시 상승시킨다.
가스를 발생시키고 열교환을 수행하는 단계에서, 가스 수화물 해리 장치(100)는 반응기(110)에 열교환부(130)를 설치하여 가스 수화물 해리시 동반되는 응축열을 회수한다.
상기 열교환 방법은 반응기(110)의 외부에 설치되는 외부 자켓(130) 타입, 반응기(110)의 내부에 설치된 냉각 코일 또는 파이프(111)를 설치하여 열교환을 하는 내부관(131) 타입, 반응기(110)의 외부와 내부에 열교환 유체를 동시에 흐르도록 외부 자켓(130) 타입과 내부관(131) 타입이 결합된 결합 타입 중 어느 하나이다.
또한, 상기 열교환 방법은 튜브부(190)의 복수 개의 반응기(110a,110b, ---)의 저압 측에서 열교환 유체를 흘려 응축열을 회수하는 셀 튜브 타입을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 천연 가스를 수화물 형태로 공급되는 천연 가스 사용처에서 가스 수화물 해리시 발생되는 응축열을 회수하고 또한 해리시에 다량의 가스 분출로 인해 압력이 높아지면 가스 터빈을 이용 전기를 생산하는 것에 관한 것이다.
천연 가스나 분자량이 적은 가스를 압력 용기(반응기)를 이용하여 수화물을 형성시킨 다음 그 압력 용기를 직접 수송하여 가스 사용처에서 해리시 응축열 회수와 전기를 생산할 수 있다.
또한 천연 가스 수화물 제조 공정에서 최종으로 생산되는 수화물의 펠렛이나 여러 형상의 천연 가스 수화물들을 제 3의 압력 용기에 이송, 저장하여 사용처에서 해리시켜서 응축열을 회수하고 전기를 발생시킬 수 있다.
해리된 고압의 가스를 가스 터빈에서 팽창시키는 과정에서도 기체 온도 하강에 따른 응축열의 추가적인 회수도 가능하다.
또한 가스 수화물 해리시 밀폐된 압력 용기에서 압력과 온도를 조절하여 압축기를 이용하지 않고 가스 수화물내에 해리되는 기체를 가압하는데 사용할 수 있다.
본 발명에서는 가스와 물로 형성된 가스 수화물을 사용처에 공급하는 과정에서 해리시 발생되는 응축열과 기체 압력 증가를 사용 가능한 에너지원으로 변환하는 것에 관한 것으로 압력 용기에 수화물을 형성시키거나 이송/보관하여 사용처에 운반한 후 수화물을 재가스화 시킬때 상온의 열교환 유체를 흘려서 수화물을 기화시킬때 발생하는 응축열을 회수하여 필요한 사용처의 냉각이나 에어 컨디셔닝(Air conditioning)으로 이용할 수 있다.
또한 고압 용기에서 기체를 해리시키면 용기내에서 압력이 증가하고 이 증가된 가스 압력을 터빈을 이용 전기를 생산하는데 사용하는 것이 본 발명의 주요 목적이다.
용기내의 온도와 압력을 적절히 조절하여 추가적인 압축기 없이 기체상을 액화시키는데 사용하거나 액화를 돕는 기체 가압 공정으로도 활용할 수 있다.
도 3은 고압의 반응기(110)에서 가스 수화물을 형성시키고 반응기(110)를 직접 수송하거나 타 공정에서 형성된 가스 수화물을 별도의 고압 탱크(125) 또는 고압 용기 안에 이송/운반하여 사용처에서 수화물을 해리시켜 가스는 사용처에서 사용하고 응축열 회수 및 해리시 가스 압력을 이용하여 전기를 생산하는 구조이다.
본 발명은 수화물 해리시 고압의 반응기(110)의 압력을 별도의 압축기 없이도 상승시킬 수 있다.
예를 들면 메탄 수화물을 0.45 리터의 반응기(110)에 계면 활성제 용액을 0.15 리터를 넣고 히터부(150)를 이용하여 반응기(110)를 274 K(반응기 초기 유지 온도)로 유지한 뒤 메탄 압력을 가압 밸브(171)를 온/오프 제어하여 60 바(Bar)로 가압하고 28 바로 줄어드는 것을 3회 반복하면 메탄 수화물의 가스 저장 밀도는 아래의 표 1에 도시된 바와 같이 수화물 부피의 약 165배가 된다.
이 때 반응기(110) 온도를 258 K로 낮추고 압력을 약 5 바로 유지하여 반응 시스템을 안정시킨 후 온도를 288 K로 상승시키면 최종 압력은 5 바에서 약 108 바로 증가하며 이 때 반응기(110) 안의 수화물은 모두 해리되고 액상과 기상만 존재한다.
반응기(110) 내의 최종 압력은 가스 수화물의 양, 반응기 온도 및 반응기 압력 중 어느 하나 이상으로 조절 가능하다.
예를 들면 표 2에서 이용한 동일한 반응기를 사용하고 메탄 수화물을 형성하기 위한 물의 양이 0.2 리터인 경우 반응기의 온도를 290 K로 유지할 경우 기체 압력을 약 145 바 까지 상승시킬 수 있다.
| 메탄 수화물 가스 용적 | 165 | vol/vol |
| 반응기 최종 온도 | 288 | K |
| 반응기 최종 압력 | 108 | Bars |
또한 NGH를 도 3과 같이 고압에 견디는 압력 용기(125) 또는 고압 용기에서 해리시킬 때 용기 내부의 기체 압력이 올라감으로 이러한 기체 압력을 이용하여 전기를 생산할 수 있다.
아래의 표 3에 도시된 바와 같이, 일만 세대 기준으로 286톤의 천연 가스를 한달 동안 사용하게 되면 시간당 가스 유량은 397 Kg/h가 된다.
가스 터빈의 효울을 약 70%로 가정할 때 천연 가스 1Kg/h이 50 바에서 10 바로 압력이 강하될 때 0.05 KW의 전기를 생산할 수 있게 된다.
따라서 약 20 KW의 전기가 생산되며 이것은 세대당 한달 전기 사용을 400 KWh로 가정할 경우 180 세대에 전기를 공급할 수 있는 능력이 된다.
| 한달 가스 사용량 | 286 | 톤 |
| 시간당 가스 사용량 | 397 | Kg/h |
| 전력 생산량 | 20 | KW |
이와 같이 응축열 회수와 전기 생산을 NGH 육상 내 운송뿐만 아니라 선박을 이용한 NGH 운송에서도 선박내에 가스 수화물 해리 장치(100)와 가스 터빈(200)을 설치하여 응축열을 회수하거나 전기를 생산할 수 있다.
또한 NGH 선박 터미널의 외부 터미널에서 가스 수화물 해리 장치(100)와 가스 터빈(200)을 설치하여 동일하게 에너지를 회수할 수 있다.
반응기(110) 또는 NGH 고압 탱크는 여러 가지 형태로 만들 수 있으며 NGH 고압 제조 반응기(110)를 수화물 제조 후 직접 운송 수단(탱크로리 또는 선박)에 선적하여 사용처에 공급하여 응축열 회수나 해리된 천연 가스를 사용처에서 감압하여 전기를 생산할 수 있다.
100 : 가스 수화물 해리 장치 110 : 반응기
111 : 파이프 120 : 온도 조절 욕조
130 : 열교환부 140 : 냉매 순환부
150 : 히터부 160 : 온도 제어부
170 : 밸브 180 : 수분 분리부
190 : 튜브부 200 : 가스 터빈
300 : 발전기
111 : 파이프 120 : 온도 조절 욕조
130 : 열교환부 140 : 냉매 순환부
150 : 히터부 160 : 온도 제어부
170 : 밸브 180 : 수분 분리부
190 : 튜브부 200 : 가스 터빈
300 : 발전기
Claims (10)
- 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수 및 전기 생산을 하는 시스템에 있어서,
가스 수화물이 적재된 반응기를 외부의 히터부로 가열하여 기체 성분의 가스를 파이프와 연결된 밸브를 통하여 사용처로 가스를 공급하고 열교환을 수행하는 가스 수화물 해리 장치;
상기 가스 수화물 해리 장치로부터 공급된 가스를 이용하여 가스 터빈의 회전 날개의 회전력을 제공하는 가스 터빈; 및
상기 가스 터빈과 연동되며 상기 회전력을 전달받아 발전기의 회전축을 돌려 전기를 생성하는 발전기를 포함하며,
상기 가스 수화물 해리 장치는 가스 수화물 해리시 상기 밸브와 병렬 연결된 가압 밸브와 상기 히터부를 이용하여 상기 반응기의 압력 및 온도를 조정하여 생성된 가스를 가압시키는 것을 특징으로 하는 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 시스템.
- 제 1항에 있어서,
상기 가스 수화물 해리 장치는 상기 반응기로부터 생성된 가스를 가압시키기 위하여 가압/감압 반복 실시를 수행하기 위한 온/오프 제어되는 가압 밸브 및 상기 반응기의 온도를 조정하기 위하여 상기 반응기를 수납하고 히터부를 통하여 상기 반응기를 가열하는 온도 조절 욕조를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 방법.
- 제 1항에 있어서,
상기 가스 수화물 해리 장치는 상기 반응기에 열교환부를 설치하여 가스 수화물 해리시 동반되는 응축열을 회수하는 것을 특징으로 하는 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 시스템.
- 제 3항에 있어서,
상기 열교환부는 반응기의 외부에 설치되는 외부 자켓 타입, 반응기의 내부에 설치된 냉각 코일 또는 파이프를 설치하여 열교환을 하는 내부관 타입 또는 상기 반응기의 외부와 내부에 열교환 유체를 동시에 흐르도록 외부 자켓 타입과 내부관 타입이 결합된 결합 타입 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 시스템.
- 제 3항에 있어서,
상기 열교환부는 튜브부의 복수 개의 반응기의 저압 측에서 열교환 유체를 흘려 응축열을 회수하는 튜브 셀 타입을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 시스템.
- 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
상기 열교환 유체는 스팀, 스팀 응축수, 물, 부동액, 알코올, 저압의 가스 또는 탄화 수소 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 시스템.
- 가스 수화물 해리 장치, 가스 터빈 및 발전기를 포함하는 시스템의 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 방법에 있어서,
(a) 가스 수화물이 적재된 반응기를 외부의 히터부로 가열하여 가스를 발생시키고 열교환을 수행하는 단계;
(b) 상기 발생된 가스를 파이프와 연결된 밸브를 통하여 상기 가스 터빈으로전달하는 단계;
(c) 상기 가스를 이용하여 가스 터빈의 회전 날개를 돌리고 상기 가스 터빈과 연동된 발전기의 회전축을 돌려 전기를 생성하는 단계; 를 포함하며,
상기 (a)단계에서, 가스 수화물 해리 장치는 가스 수화물 해리시 가압 밸브와 히터부를 이용하여 상기 반응기의 압력 및 온도를 조정하여 생성된 가스를 가압시키는 것을 특징으로 하는 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 방법.
- 제 7항에 있어서,
상기 (a)단계에서, 반응기의 압력 및 온도를 조정하여 생성된 가스를 가압하는 방법은 반응기의 압력을 가압 및 감압하는 과정을 복수 회 반복한 뒤 반응기 초기 유지 온도로부터 온도를 하강 한 후 다시 상승시키는 것을 특징으로 하는 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 방법.
- 제 7항에 있어서,
상기 (a)단계에서, 열교환 방법은 반응기의 외부에 설치되는 외부 자켓 타입, 반응기의 내부에 설치된 냉각 코일 또는 파이프를 설치하여 열교환을 하는 내부관 타입 또는 상기 반응기의 외부와 내부에 열교환 유체를 동시에 흐르도록 외부 자켓 타입과 내부관 타입이 결합된 결합 타입 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 방법.
- 제 7항에 있어서,
상기 (a)단계에서, 열교환 방법은 튜브부의 복수 개의 반응기의 저압 측에서 열교환 유체를 흘려 응축열을 회수하는 튜브 셀 타입을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 수화물 해리를 통한 응축열 회수, 기체 가압 및 전기 생산 방법.
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|---|---|---|---|---|
| CN110701013A (zh) * | 2019-11-08 | 2020-01-17 | 中国石油大学(北京) | 温差发电系统及温差发电方法 |
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2012
- 2012-11-22 KR KR1020120133176A patent/KR101420933B1/ko active IP Right Grant
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN110701013A (zh) * | 2019-11-08 | 2020-01-17 | 中国石油大学(北京) | 温差发电系统及温差发电方法 |
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