KR20160057108A - Lng냉열이용 팽창기체 흡입식 공기액화장치 - Google Patents

Lng냉열이용 팽창기체 흡입식 공기액화장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대기에서 유입한 원료공기를 LNG의 냉열과 팽창공기 흡입식 이젝터 팽창기를 이용하여 액화시킴으로써 보다 많은 액체공기를 얻게 되고, 산소와 질소의 분리가 불필요하여 액화정류탑이 제거되는 등 액화설비가 크게 저감되는 액체공기 제조장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치구성으로는, 공기를 압축시키는 압축기; 상기 압축기를 통과한 공기가 LNG냉열에 의하여 냉각되는 열교환기: 상기 열교환기를 통과한 공기를 중간압력까지 팽창시키는 제1 이젝터 팽창장치; 상기 제1 이젝터 팽창장치를 통과한 공기가 기체와 액체공기로 분리되는 기액분리기; 분리된 기체와 액체 중에서 중간압력의 기체공기는 이젝터 흡입공기의 온도와 열교환 후 압축기로 다시 되돌아 압축되고; 액체공기는 최종 압력까지 추가 팽창되는 제2 이젝터 팽창장치; 상기 팽창장치를 통과하여 생산된 액체공기가 최종 저장되는 액체공기 저장탱크: 그리고 저장탱크의 찬(Cold) 기체공기는 제1 이젝터 팽창기에 흡입되는 액체공기 시스템이 제공된다.

Description

LNG냉열이용 팽창기체 흡입식 공기액화장치{AIR LIQUEFACTION SYSTEM USING LNG COLD ENERGY WITH EJECTOR EXPANSION DEVICE ENTRAINING EXPANDED VAPOR}
본 발명은 LNG냉열을 이용하여 공기의 온도를 저하시켜 액체공기를 얻는 시스템에 있어서, 보다 상세하게는 이젝터 팽창장치를 적용하여 생산되는 액체공기의 양을 증가시키고 소요동력을 절감시키는 공기액화 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 특히 액화천연가스(이하, LNG라 함)의 냉열을 이용하여 대기에서 유입한 원료공기를 이젝터 팽창기를 이용하여 액화시킴으로써 보다 많은 액체공기를 얻게 되고, 산소와 질소의 분리가 불필요하여 액화정류탑이 제거되는 등 액화설비가 크게 저감되는 장치 및 그 운전 방법에 관한 것이다.
종래, 전기이용 공기액화 분리장치는 공기중의 질소와 산소를 분리하여 그 각각을 액화시키는 장치로, 100~125bar의 고압 압축·냉각·팽창·액화정류탑 사이클로 이루어져 있다. 그리고 LNG냉열이용 공기액화 분리장치는 동일하게 액체산소와 액체질소를 생산하나 LNG의 냉열을 이용함으로써 압축기의 압력이 60bar(6MPa)로 낮아지는 장치로 적용되고 있다. LNG냉열의 이용 가능량은 LNG 압력 72kg/cm2의 경우 -150~-155℃에서 0℃까지로 약 160kcal/kg이며, LNG와 열교환에 의한 공기의 저하 온도는 -130~140℃가 된다. 이들 공기를 분리하여 액체산소와 액체질소를 생산하는 전기식이나 LNG냉열이용 공기액화 분리식은 설비가 복잡하고 고가인 단점이 있다.
본 발명은 공기를 산소와 질소로 분리하지 않고 공기를 직접 액화시키는 시스템으로, 이와 관련된 종래 공정으로는 도 1의 예냉식 린데-햄슨 시스템(Precooled Linde-Hampson system)과 도 3의 LNG냉열이용 터빈을 적용한 공기액화공정이 있다. 도 1과 도 3의 공정은 액화정류탑이 없는 대신 냉동기를 사용하여 공기의 온도를 낮추는 예냉과정이 필수적으로 필요하게 된다.
종래 예에 따른 도 1의 공기액화장치의 개요를 간단히 설명한다. 원료기체인 공기는 압축기(100)에서 임계압력보다 높은 50~200bar 이상으로 압축된 후, 냉동기(150-140-120-110)에 의한 예냉과정(110)과, 액화되지 않고 기체상태로 생산된 찬공기와 열교환(110)하여 온도가 -140℃까지 저하되고, 팽창밸브(120)로 등엔탈피 팽창과정이 발생하여 압력이 200bar 압력에서 1기압까지 저하되면서 액체공기가 10%정도 얻어 진다.이 때 소요에너지량은 4,56kJ/kg으로 공기 1kg/s의 흐름에 대하여는 4,560kJ/s(4,560kW)가 되어, 본 발명보다 훨씬 많은 동력이 소요되게 된다. 이 예냉식 린데-햄슨 시스템의 단점으로는 큰 동력소요와 팽창장치로 팽창밸브를 적용함으로써 액체공기의 수율이 적고, 압력이 상대적으로 높게 요구되는 고압공정이 되는 것이다. 도 2는 이 예냉식 린데-햄슨 공기액화시스템에서 예냉용 냉동기 냉매유량에 따른 각 압력별 이론적 액체수율을 나타낸 것으로 적정 액체를 얻기 위하여는 100bar이상의 압축이 필요한 것을 알 수 있다.
도 3의 LNG냉열이용 터빈 팽창 공기액화공정은 일본 특허출원번호 52154750(1977.12.22)가 있으며, 이 공정은 압축기(100)와 팽창터빈(160)을 한 축에 연결하여 터빈(160)에서는 등엔트로피 팽창이 발생하고, 이때의 팽창일을 압축기(100)의 보조 전원으로 이용함으로써, 압축기 소요동력이 감소하고 항상 일정한 속도의 액체공기를 획득하는 것으로 제시되어 있다. 또한 예냉에 필요한 에너지를 냉동기 대신 본 발명과 동일하게 LNG냉열(110)을 사용하고 있다. 이 공정의 개요를 보면 필터(170)를 거친 원료공기가 압축기(100)를 거친 후 냉각을 거쳐 수분, CO2 등이 제거되는 정제장치(180)를 거쳐, 열교환기(110)에서 LNG와 열교환 후 터빈(160)에서 단열팽창으로 최종 압력인 대기압까지 팽창하고 저장탱크(130)에 포집되는 공정이다. 이때 터빈(160)에 유입되는 공기의 온도는 LNG열교환기(110)에서 LNG온도인 -155℃보다 상승한 -140℃가 되며, 등엔트로피 팽창 후 공기의 온도는 -193.8℃가 된다.
이 공정은 터빈(160)이 -130~-140℃의 극저온 조건에 적용됨으로써 내구성과 고가격의 문제가 있고, 본 발명의 공정보다 시스템 압력이 높아 소요 동력이 크게 된다. 이 터빈 팽창방식과 동일한 등엔트로피 단열팽창장치로는 본 발명에서 적용하고 있는 이젝터 팽창장치가 있으며, 이젝터 시스템의 장점으로는 고압의 공기가 압력강하와 함께 팽창하면서 외부의 공기를 흡입하는 기능을 갖고 있는 것이다. 또한 팽창과정은 등엔트로피 단열팽창이 발생하여 액체공기의 생성량이 증가하게 된다. 이는 터빈과 달리 구동부가 없는 관계로 구조가 간단하고 내구성과 유지관리가 편리한 우수한 장점을 갖게 된다.
한편, LNG냉열을 이용하여 공기를 액체산소와 액체질소로 분리하지 않고, 공기 그 자체를 액화시켜 액체공기를 제조하는 국내 기술은 전무하다.
상기 종래 예인 터빈-압축기 일체식 LNG냉열을 이용한 공기 액화장치 공정의 경우는 아래와 같은 문제가 있다.
(1) 유입되는 공기가 LNG 열교환(110) 후 팽창장치인 터빈(160)에 유입되는 것으로 에냉온도가 -140℃에 불과하여 액체를 얻기 위하여는 압력을 60bar이상 고압이 되어야 한다.
(2) 압축기와 터빈을 한 축에 연결함으로써 기계적으로 구조가 복잡하고 -150℃의 초저온용 터빈으로 장치 제작비가 크게 소요되며, 고장 및 유지보수에 어려움을 갖게 되어 고장시 장기간 공장의 가동율 저하를 피할 수 없게 된다.
(3) 터빈과 압축기를 연결하여 구조가 복잡하고 운전이 어려우며, 장치의 운전 면에서는 터빈의 공기 팽창량이 감소하면 터빈의 회전수가 감소하고 압축기의 압축일 절감량이 크게 줄며, 이에 따른 터빈의 공기 압력강하 능력이 저하되고 액체공기의 수율이 크게 감소하는 문제를 갖는다.
따라서 본 발명의 목적은 터빈 일체형 압축기을 채택하는 기계적인 복잡성을 제거하여 고장을 방지함으로써 연간 운전율을 크게 향상시키고, 구동부가 없는 터빈과 동일한 등엔트로피 팽창장치인 이젝터를 적용함으로써 액체공기의 생산 수율을 높이며, LNG의 냉열을 충분히 유효하게 활용하는 것을 가능하게 하는 공기액화장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 공기를 압축시키는 압축기; 상기 압축기를 통과한 공기가 LNG냉열에 의하여 냉각되는 열교환기: 상기 열교환기를 통과한 공기를 중간압력까지 팽창시키는 제1 이젝터 팽창장치; 상기 제1 이젝터 팽창장치를 통과한 공기가 기체와 액체공기로 분리되는 기액분리기; 분리된 기체와 액체 중에서 기체공기는 이젝터에 흡입되는 공기의 온도를 추가로 자하시키고 압축기로 다시 되돌아 압축되고; 액체공기는 최종 압력까지 추가 팽창되는 제2 이젝터 팽창장치; 팽창 후 생산된 액체공기와 기체공기가 최종 저장되는 저장탱크: 그리고 탱크에서 기화되는 찬(Cold) 팽창공기는 제1 이젝터 팽창기에 흡입되는 액체공기 시스템이 제공된다.
또한, 상기 팽창장치는 단일 혹은 다수개의 팽창장치 즉, 제1, 제2, 제3의 팽창장치로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시 공정들에 따르면, 팽창장치로 등엔트로피 단열팽창이 일어나는 이젝터를 적용하여 생산되는 액체공기의 양이 증가하게 된다. 또한, 이젝터는 팽창할 때 유체를 흡입하는 기능이 있으므로 팽창 후 생성된 저압단의 공기기체를 흡입하는 공정을 구성함으로써 압축되는 일량이 감소하게 된다. 또한 제1 이젝터로 중간 압력까지 공기가 팽창된 후, 액기분리기에 포집된 중간압력의 기체가 열교환 후 압축기에 흡입되므로 압력이 40bar(0.4MPa)가 되어 압축기의 소요동력이 크게 저감되는 효과를 갖는 것이다.
본 발명에 의하면 팽창공기 흡입식 이젝터를 고안 적용함으로써 종래 공정에 비하여 원료 공기의 압력이 낮아지고 이에 따른 소요동력이 감소하게 된다. 또한, 공기의 액화를 위해서는 냉동기에 의한 예냉이 필수로 필요하게 되는 데, 본 발명에서는 LNG냉열을 적용함으로써 냉동기가 필요 없게 된다.
본 발명의 또다른 효과는 종래 공정설비인 극저온용 터빈, 공기분리정류기 등이 제거되므로 공정이 간단하고 유지관리가 용이하며 공정 가동율을 높이는 효과를 제공한다.
도 1은 종래 예냉 린데-햄슨 공기액화공정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 예냉식 린데-햄슨 공정의 압력에 따른 액체 수율 그림이다.
도 3은 LNG냉열이용 터빈적용 공기액화공정의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 LNG냉열이용 팽창기체 흡입식 이젝터 적용 공기액화시스템을 도시한 도면이다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 이루어진 것으로서 본 청구항 1에 따른 액체공기 제조장치가 채용한 수단은 대기로 부터 원료공기를 도입하여 소정 압력까지 압축하는 공기 압축기와, 이 압축공기를 주 열교환기를 통해 LNG의 냉열로 냉각한 후, 추가 공기회수 열교환기에서 냉각되어 이젝터 팽창장치에서 압력이 강하되면서 액체가 생성되는 공기액화장치에 있어서, 상기 이젝터에서 팽창공기를 흡입하는 단열 등엔트로피팽창의 과정을 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다. 본 발명에 따른 도 4의 액체공기 제조장치는 단단 팽창공정을 보여주나, 이는 2단 이상으로 구성할 수 있으며, 크게 압축과정, 냉각과정, 그리고 팽창과정으로 구성된다.
도 4의 공정을 보면, 먼저 대기로부터 필터를 거쳐 흡입된 원료공기는 공기 압축기(200)에서 소정 압력 예컨데 종래 공정의 60% 정도인 30~40bar까지 압축된다. 압축은 2단계의 단열압축으로 형성되며. 대기압의 공기가 제1 압축기(200)에서 11.5bar, 90℃로 압축된 후, LNG냉열 냉각기(220)에서 -20℃까지 저하되고, 제2 압축기(210)에서 40bar, 90℃까지 압축된 후 역시 LNG냉열 냉각기(230)에서 냉각된다. 이 공기압축기(210)로 부터 토출된 원료공기는 유로(a)를 통하여 LNG의 냉열 열교환기(240)에서 -140℃까지 냉각된다. 이때 수분이나 탄산가스 등이 제거되는 흡착기 등 공기 처리부는 모두 동일하므로 생략한다.
이 냉각공기는 배출공기 열교환기(250)에서 추가 -155℃까지 냉각된 후 이젝터 팽창장치(260)에 주입된다. 이젝터 팽창장치에서는 -155℃의 찬공기가 이젝터 목(Throat, 도 5의 유로 (b))부에서 고속으로 팽창되면서 중간압력 12bar(1.2MPa)까지 강하되어 액체와 기체의 혼합공기가 된다. 이때 이젝터(260)의 팽창은 등엔트로피 단열 팽창과정이며, 이는 종래 등엔탈피 팽창과정보다 공기액체의 생성량이 증가하게 된다. 또한 팽창동안 저장탱크(290)의 대기압 -193.8℃ 찬 공기를 흡입하여 팽창 후 온도가 더욱 저하되는 효과를 갖는다. 제1 이젝터 팽창장치(260)를 통과한 공기는 기액분리기(270)에서 기체와 액체로 분리되며, 분리된 기체와 액체 중에서 기체는 반송공기 냉각용 제2 열교환기(250) 배관 유로 (d)를 따라 다시 압축기로 흡입된다.
액기분리기(270)의 액체는 제2 이젝터 팽창장치(280)에서 최종 대기압인 1.013bar까지 팽창되어 최종 단열된 저장탱크(290)에 포집되며, 탱크내 기화된 기체는 유로 (e)를 따라 제1 이젝터(260)에 다시 흡입된다.
압축기로 반송된 제1 액기분리기 12bar의 냉공기는, 흡입되는 대기압 1.013bar의 원료공기와 혼합되어 압력이 3.65bar로 상승, 그리고 온도는 35℃에서 -11.2℃로 저하된다. 그 만큼 압축 에너지와 냉각 에너지가 절감되는 효과를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 분석을 위하여 대기로부터 유입되는 공기의 양을 1kg/s 기준으로 해석한다. 해석에 이용한 열역학 물성 값은 미국 표준연구소(NIST)에서 개발한 Refprop 9.1 프로그램을 사용하였다
1) 압축공정 소요에너지
대기 조건인 1.013bar, 35℃의 대기 0.76kg/s가 유입되어 이젝터 반송공기 -163.6℃, 12bar, 0.24kg/s와 혼합되어 3.65bar, -11.2℃의 공기 1.0kg/s가 압축기에 유입된다. 이 때 압축은 2단계의 단열압축으로 형성되며. 대기압의 공기가 제1 압축기(200)에서 11.5bar, 90℃로 압축된 후,LNG냉열(220)로 -20℃까지 저하되고 제2 압축기(210)에서 40bar, 90℃까지 압축된 후 LNG냉열(230)로 냉각된다. 이 때 소용동력은 제1 압축기 소요동력 + 제2 압축기 소요동력 = 101.21 + 109.65 = 210.86kJ/s (210kW)이 소요된다.
2) 냉각공정(LNG냉열 및 회수 냉공기 이용)
압력 40bar의 공기는 -150~-155℃의 LNG와 열교환(240)되어 -140℃까지 저하된다. 이 때 공기의 냉각에 필요한 에너지인 엔탈피 차는 343kJ/s이고 이를 냉각시키는 데 필요한 LNG량은 LNG 1kg당 냉열이 160kcal/kg(670kJ/kg)이므로 0.52kg/s의 LNG량이 필요하게 된다. 냉각된 -140℃의 공기는 추가로 액기분리기(270)로부터 압축기로 회수되는 공기인 유량 0.24kg/s, 온도 -163.6℃, 12bar에 의하여 -146.8℃까지 저하된다.
3) 이젝터 팽창공정
제1 이젝터(260)에서는 40bar, -146.8℃의 공기가 12bar까지 등엔트로피로 압력이 저하되면서 온도 -161.0℃, 액체 76.0% 기체 24.0%가 생성된다. 이 때 이젝터 토출공기 온도는 저장탱크(290)의 찬공기(-193.8℃)가 흡입되어 -163.6℃가 된다. 액기분리기(270)의 기체공기(-163.6℃, 0.24kg/s)는 열교환기(250)를 거치면서 LNG냉열 열교환기(240)를 통과한 -140℃의 공기온도를 추가로 6.8℃ 낮춘 -146.8℃로 만들고 자신은 -150℃가 되어 제1 압축기(200)에 유입된다.(제2 열교환기 반송공기 0.24kg/s로부터 이용가능 엔탈피 : dh = mr(h4-h3) = (0.24)(111.7-(-26.7)) = 36 kJ/s)
액기분리기(270)의 포화액체 0.76kg/s는 제2 이젝터(280)에서 1.013bar인 대기압까지 저하되면서 온도 -193.8℃까지 강하하며, 액체 68.3%, 기체 31.7%가 얻어진다. 이 중 포화액체 0.519kg/s(0.76kg/s x 0.683)는 회종 액체 생산 수율로 저장탱크(290)에 포집된다. 저장탱크 내 저압의 찬공기는 31.7%(0.241kg/s=0.76kg/s x 0.317)는 제1 이젝터(260)에 흡입된다.
즉, 압축기에서 압축공기 1kg/s에 대하여 0.519kg/s의 액체공기가 얻어져 수율은 51.9%가 된다. 이 때 생성된 기체는 제1 이젝터에 다시 흡입된 후 압축기에 흡입된다.
상술한 분석에 보듯이 기존의 공기액화시스템에서는 고압과 등엔탈피 교축팽창 혹은 터빈 등엔트로피 단열팽창으로 액체의 생성이 적거나 압력이 높게 됨으로 인하여 동력 소요도 크게 됨을 알 수 있다. 한편, 본 발명인 LNG냉열이용 이젝터 적용 냉동시스템은 팽창이 등엔트로피 팽창과정으로 이루어지고 LNG냉열을 효과적으로 이용함으로써 액체공기 수율이 51.9%로 크게 증가하는 공정이며, 공기액화 시스템의 효율을 크게 증대시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 실시 예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이다. 즉, 압축기를 통한 압축은 1단을 포함한 다수개의 압축기를 사용할 수 있으며, 열교환기도 용량에 따라 다수개를 적용할 수 있고, 이젝터 팽창도 1개 이상 다수개의 팽창과정을 적용할 수 있는 것으로, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100, 210, 220: 공기 압축기 110, 220, 230, 240: LNG냉열이용 열교환기
120: 팽창밸브 130, 290: 액체공기 저장탱크
140: 냉동장치의 응축기 150: 냉동장치의 압축기
160: 팽창터빈 170: 공기필터
180: 공기 정제장치 250: 반송 공기 열교환기
260: 제1 이젝터 팽창기 270: 액기분리기
280: 제2 이젝터 팽창기

Claims (2)

  1. 원료공기를 압축시키는 압축기;
    상기 압축기를 통과한 공기를 LNG냉열을 이용하여 냉각시키는 열교환기;
    상기 LNG 열교환기를 통과한 공기를 압축기로 회수되는 공기를 이용하여 추가로 냉각시키는 제2 열교환기;
    상기 냉공기를 제1 중간 압력까지 팽창시키는 제1 이젝터 팽창장치;
    상기 제1 이젝터 팽창장치를 통과한 공기를 기체와 액체로 분리시키는 기액분리장치;
    기액분리기에서 분리된 액체를 대기압까지 추가 팽창시키는 이젝터 팽창장치 및 액체공기 저장탱크;
    저장탱크의 찬공기는 제1 이젝터에 흡입되는 유로를 갖는 장치; 및
    상기 제1 액기분리기의 냉공기가 제2 열교환기에서 공기를 추가 냉각시키고 압축기에 유입되는 액체공기 제조장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    제1 팽창장치인 이젝터의 등엔트로피 단열 팽창과정 동안 저장탱크의 대기압 상태의 기체공기를 흡입함으로써 압축일을 저감시키는 공기액화장치.
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