KR20160113421A - 증발가스 처리 장치 - Google Patents

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KR20160113421A
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김재관
이호기
김동연
이동길
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삼성중공업 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의해 증발가스 처리 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스 처리 장치는, 액화가스를 저장하는 저장탱크, 저장탱크와 연결되어 액화가스의 증발가스를 배출하는 제1 공급라인, 제1 공급라인으로부터 유입된 증발가스를 회전시켜 고온의 증발가스와 액화된 증발가스를 포함하는 저온의 증발가스로 분리하여 각각 배출하는 보텍스 튜브, 보텍스 튜브에서 배출하는 저온 증발가스를 저장탱크로 회수하는 회수라인, 및 보텍스 튜브에 연결되어 고온 증발가스를 배출하는 연료공급라인을 포함할 수 있다.

Description

증발가스 처리 장치{APPARATUS FOR TREATING BOIL-OFF GAS}
본 발명은 증발가스 처리 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 보텍스 튜브를 이용하여 액화가스의 증발가스를 처리하는 장치에 관한 것이다.
액화천연가스(Liquefied Natural Gas: LNG)는 지하에 매장된 화석연료의 일종으로 탄화수소 등을 주성분으로 하는 천연가스를 가압 및 냉각과정 등을 통해 -162℃ 이하의 극저온의 액체 상태로 변화시킨 것이다. 액화천연가스는 기체 상태에 비해 부피가 대폭 감소되므로 상대적으로 운반 및 저장이 용이하여, 극저온 상태로 원거리의 소비처까지 운송된다.
이러한 극저온상태의 액화천연가스는 외부와의 온도차이에 의해 열을 받게 되며 지속적으로 증발가스(BOG, or boil-off gas)가 발생한다. 증발가스는 저장탱크 내의 압력을 증가시키며 선박의 요동에 따라 액화가스의 유동을 가속시켜 구조적인 문제를 야기시킬 수 있다. 이에, 액화천연가스의 저장탱크 내에서 발생하는 증발가스를 억제하거나 처리하기 위한 다양한 방법들이 사용되고 있다.
특히, 저장탱크 내에 발생한 증발가스를 이용하는 기술들이 활발하게 연구되고 있다. 예를 들어, 외부로 증발가스를 배출하여 재액화시킨 후 회수하는 방법이나 증발가스를 선박엔진의 연료로 사용하는 방법 등이 있다.
그러나, 증발가스를 재액화하거나 연료로 사용하기 위해서는 이에 사용되는 설비나 제어 장치가 복잡하고 사용되는 에너지량이 상당하다.
대한민국 공개특허 제10-2014-0052897호 2014. 05. 07
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 에너지 효율을 높일 수 있는 증발가스 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 별도의 동력 에너지를 공급받지 않고 증발가스를 재액화하는 증발가스 처리 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 증발가스 처리 장치는, 액화가스를 저장하는 저장탱크와, 상기 저장탱크와 연결되어 상기 액화가스의 증발가스를 배출하는 제1 공급라인과, 상기 제1 공급라인으로부터 유입된 증발가스를 회전시켜 고온의 증발가스와 액화된 증발가스를 포함하는 저온의 증발가스로 분리하여 각각 배출하는 보텍스 튜브와, 상기 보텍스 튜브에서 배출하는 상기 저온 증발가스를 상기 저장탱크로 회수하는 회수라인, 및 상기 보텍스 튜브에 연결되어 상기 고온 증발가스를 배출하는 연료공급라인을 포함한다.
또한, 상기 회수라인에 설치되어, 상기 액화된 저온의 증발가스를 분리하여 상기 저장탱크로 회수하는 기액분리기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 기액분리기에서 배출하는 상기 저온의 증발가스를 상기 연료공급라인으로 공급하는 제2 공급라인을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 연료공급라인에 설치되며 상기 고온의 증발가스를 압축하는 압축기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 압축기의 후단부에 상기 고온의 증발가스를 냉각하는 열교환기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 보텍스 튜브는 복수 개가 서로 병렬로 연결될 수 있다
또한, 상기 제1 공급라인에 설치되어 상기 복수 개의 보텍스 튜브로 유입되는 상기 증발가스의 유입량을 조절하는 제1 밸브를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 증발가스 처리 장치 전체의 에너지 효율이 높아진다.
또한, 엔진으로 유입되는 증발가스의 양을 보텍스 튜브를 이용하여 손쉽게 조절할 수 있다.
또한, 별도의 동력 에너지 없이도 보텍스 튜브를 이용하여 증발가스를 액화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 처리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 보텍스 튜브 및 보텍스 튜브 내의 증발 가스 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 증발가스 처리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 증발가스 처리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 증발가스처리 장치에 관하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 처리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이고. 도 2는 도 1의 보텍스 튜브 및 보텍스 튜브 내의 증발가스 흐름을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1를 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 처리 장치(1)는 저장탱크(10), 제1 공급라인(12), 보텍스 튜브(20), 연료공급라인(30), 압축기(31), 엔진(40), 회수라인(50) 및 펌프(51)를 포함한다.
증발가스 처리 장치(1)는 저장탱크(10) 내에 -162℃ 이하 극저온 상태의 액체가스에서 발생되는 증발가스(BOG, Boil Off Gas)를 재액화하여 다시 저장탱크(10)로 회수하거나 엔진(40)의 연료로 공급한다. 특히, 증발가스 처리 장치(1)는 보텍스 튜브(20)로 유입된 증발가스가 고온의 증발가스(H)와 저온의 증발가스(C)로 분리되어 각각 배출되면 이를 각각 엔진(40)과 저장탱크(10)로 공급한다.
저장탱크(10)는 액화가스가 수용되는 수용시설이며, 액화가스가 저장되는 저장시설에 건조된 것이거나, 액화가스의 운반선 또는 해상 부유시설 등에 탑재된 것일 수 있다. 저장탱크(10)는 냉각시설을 구비하여 극저온의 액화가스가 끓는점 이하로 유지되도록 할 수 있으며, 저장탱크(10) 내부 또는 외부에 설치된 유입/유출 펌프를 이용하여 액화가스를 용이하게 배출한다. 또한, 외부의 열에 의해 발생한 액화가스의 증발가스는 저장탱크(10) 내의 상부를 차지하며, 저장탱크(10) 내의 압력을 증가시킨다.
증발가스는 액화가스의 액화온도가 상대적으로 낮은 메탄 성분이 우선적으로 기화된 것으로, 메탄 함유량이 높다. 이에, 증발가스를 연료로 이용하는 경우와 액화가스를 연료로 이용하는 경우가 다를 수 있다.
제1 공급라인(12)은 저장탱크(10) 상부에 연결된다. 고압의 상태로 유동하는 증발가스는 제1 공급라인(12)을 통해 배출된다. 제1 공급라인(12)은 보텍스 튜브(20)와 연결되어 고압의 증발가스를 보텍스 튜브(20)로 유입시킨다.
도 2를 참조하면 보텍스 튜브(20)는 유체가 유동하는 관(21), 관(21) 내로 유체가 유입되는 유입로(23), 저온의 유체가 배출되는 저온 출구(25), 고온의 유체가 배출되는 고온 출구(27) 및 유체 흐름을 조절하는 유출밸브(29)를 포함한다.
일반적으로 보텍스 튜브(20)는 관(21) 내로 유입된 유체가 관(21) 벽의 접선방향으로 회전하도록 유도하여 관(21) 내에서 소용돌이 치도록 한다. 관(21) 내에서 소용돌이치는 유체는 관(21) 벽 근처에서 유동하는 유체와 관(21) 중앙에서 유동하는 유체로 분리된다. 관(21) 벽 근처에서 소용돌이 치는 유체와 관(21) 중앙에서 소용돌이 치는 유체 사이에 온도 차이가 발생한다. 상대적으로 높은 압력을 가지고 있는 관(21) 벽 근처에서 유동하는 유체는 관(21) 중앙의 유체로부터 열을 전달받아 고온의 유체가 되며, 이로 인해 관(21) 중앙에서 유동하는 유체는 저온의 유체가 된다. 이 때, 고온의 유체와 저온의 유체 사이의 온도 차이는 유입된 유체의 압력에 따라 달라진다.
도 2에 도시된 것처럼, 보텍스 튜브(20)의 유입로(23)로 유입된 증발가스도 소용돌이 형태로 유동하면서 고온의 증발가스(H)와 저온의 증발가스(C)로 분리된다. 고온의 증발가스(H)와 저온의 증발가스(C)는 각각 별도의 통로를 통해 외부로 배출된다. 즉, 고온의 증발가스(H)는 관(21) 벽 근처에서 소용돌이치면서 고온 출구(27)를 통해 외부로 배출되고, 저온의 증발가스(C)도 관(21) 중앙에서 소용돌이치면서 저온 출구(25)를 통해 외부로 배출된다.
연료공급라인(30)은 보텍스 튜브(20)의 고온 출구(27)와 연결되며, 고온의 증발가스(H)는 연료공급라인(30)을 통해 엔진(40)으로 공급된다. 즉, 고온의 증발가스(H)는 엔진(40)의 연료로 사용된다. 본 발명에 따른 증발가스 처리 장치(1)는 증발가스를 연료로 사용할 수 있는 다양한 형태의 엔진(40)을 포함한다. 예를 들어, ME-GI 엔진이나 DF 엔진일 수 있다. 다만, 엔진(40)에 국한되지 않고 증발가스를 소비할 수 있는 GCU, DF 발전기, 가스 터빈 등이 사용될 수 있다.
압축기(31)는 연료공급라인(30) 상에 설치되며, 증발가스를 일정한 압력이상으로 압축한다. 이는 일정한 압력이상의 연료 공급 압력이 필요한 엔진(40)으로 공급하기 위한 것이다. 압축기(31)는 복수 개로 직렬 또는 병렬로 설치될 수 있다.
다만, 고온의 증발가스(H)는 보텍스 튜브(20) 내에서 소용돌이 치면서 유동하기 때문에 보텍스 튜브(20)로 유입되기 전보다 압력이 상승할 수 있다. 이에, 보텍스 튜브(20)를 거치지 않고 저장탱크(10)에서 엔진(40)으로 공급하는 경우보다 압축기(31)의 수나 용량을 줄일 수 있다. 따라서, 증발가스 처리 장치(1) 전체의 에너지 효율이 높아진다.
또한, 보텍스 튜브(20)는 고온의 증발가스(H)가 배출되는 방향에 위치한 유출밸브(29)를 조절하여 고온의 증발가스(H)의 배출량을 조절할 수 있다. 따라서, 연료공급라인(30)을 통해 엔진(40)으로 유입되는 증발가스의 양을 보텍스 튜브(20)의 유출밸브(29)를 이용하여 손쉽게 조절할 수 있다.
또한, -162℃ 이하의 극저온 상태에서 기화된 증발가스는 보텍스 튜브(20)를 거치면서 다시 액화될 수 있다. 즉, 저장탱크(10)에서 배출된 증발가스가 보텍스 튜브(20)에 의해 -162℃ 이하의 극저온의 증발가스(C)로 변화될 수 있다. 따라서, 별도의 동력 에너지 없이도 보텍스 튜브(20)를 이용하여 증발가스를 액화시킬 수 있다.
다만, 보텍스 튜브(20)로 유입되는 증발가스의 온도와 압력에 따라 저온 출구(25)로 배출되는 증발가스의 상태는 달라지므로, 저온의 증발가스(C)는 액화 상태로 배출될 수도 있고, 기체 상태로 배출될 수도 있다. 즉, 본 발명에 따른 저온의 증발가스(C)는 기체 상태의 증발가스뿐만 아니라 액화된 증발가스도 포함된다.
회수라인(50)은 보텍스 튜브(20)의 저온 출구와 연결되며, 저온의 증발가스(C)는 회수라인(50)을 통해 저장탱크(10)로 다시 유입된다. 이 때, 회수라인(50) 상에 설치된 펌프(51)를 이용하여 보텍스 튜브(20) 내의 증발 가스를 배출시킨다.
상기와 같은 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 처리 장치(1)는 저장탱크(10)에서 배출된 증발가스를 보텍스 튜브(20)를 통해 온도 차이가 나는 두 개의 흐름으로 분리시켜 고온의 증발가스(H)는 엔진(40)으로 공급하고 저온의 증발가스(C)가 재액화되어 저장탱크(10)로 회수되도록 한다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 증발가스 처리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 증발가스 처리 장치(2)는 제1 실시예에 따른 증발가스 처리 장치(1)의 변형으로, 보텍스 튜브(120)를 거친 고온의 증발가스(H)를 다단으로 압축하고, 기액분리기(153)로 유입된 저온의 증발가스(C) 중 액화된 증발가스는 저장탱크(110)로 보내고, 액화되지 않은 증발 가스는 연료공급라인(130)으로 보낸다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 증발가스 처리 장치(2)는 저장탱크(110), 제1 공급라인(112), 보텍스 튜브(120), 연료공급라인(130), 압축기(131), 열교환기(232), 엔진(140), 회수라인(150), 펌프(151), 기액분리기(153) 및 제2 공급라인(160)을 포함한다.
저장탱크(110), 보텍스 튜브(120), 엔진(140) 및 펌프(151)는 본 발명의 제1 실시예에 따른 증발가스 처리 장치(1)의 구성과 동일하므로 이에 대한 설명은 상기에서 설명한 것으로 대체한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 증발가스 처리 장치(2)는 보텍스 튜브(120)에서 배출된 고온의 증발가스(H)를 다단압축하여 엔진(140)으로 공급한다.
구체적으로 설명하면, 연료공급라인(130)에 복수 개의 압축기(131)와 복수 개의 열교환기(232)가 설치된다. 압축기(131)는 증발가스를 압축시키고, 열교환기(232)는 압축기(131)를 거치면서 상승한 증발가스의 온도를 떨어뜨린다. 열교환기(232)는 증발가스의 온도를 떨어뜨릴 수 있는 다른 냉각기로 대체될 수 있다. 복수 개의 압축기(131)는 직렬로 연결되며, 열교환기(232)는 각 압축기(131) 후방에 설치된다.
다단으로 압축된 증발가스는 고압 천연가스 분사 엔진(140)으로 공급된다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 증발가스 처리 장치는 보텍스 튜브(120)를 거친 저온의 증발가스(C)를 기액분리기(153)를 통해 저장탱크(110)으로 회수하거나 또는 연료공급라인(130)을 거쳐 엔진(140)으로 공급한다.
구체적으로 설명하면, 보텍스 튜브(120)에서 배출된 저온의 증발가스(C)는 액화된 증발가스 또는 기체 상태 증발가스이거나 이들이 혼합된 증발가스일 수 있다. 이에, 회수라인(150) 상에 기액분리기(153)를 설치하여 기액분리기(153)로 유입된 저온의 증발가스(C)를 액화된 증발가스와 기체 상태의 증발가스로 분리한다. 액화된 증발가스는 회수라인(150)을 통해 다시 저장탱크(110)로 이송되고, 기체 상태의 증발가스는 기액분리기(153) 상단에 설치된 제2 공급라인(160)을 통해 연료공급라인(130)에서 유동하는 증발가스와 합류한다.
상기와 같은 본 발명의 제2 실시예에 따른 증발가스 처리 장치는 보텍스 튜브(120)에서 배출된 고온의 증발가스(H)는 다단압축기(131)를 통해 고압의 증발가스를 엔진(140)으로 공급하고, 저온의 증발가스(C) 중 액화된 증발가스는 기액분리기(153)를 거쳐 저장탱크(110)로 회수되고, 액화되지 않은 증발가스는 기액분리기(153)와 다단압축기(131)를 거쳐 엔진(140)으로 공급된다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 증발가스 처리 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 증발가스 처리 장치(3)는 제2 실시예에 따른 증발가스 처리 장치(2)의 변형으로, 복수 개의 보텍스 튜브(220)를 설치하고, 엔진(240)에서 필요한 연료의 양에 따라 각 보텍스 튜브(220)로 유입되는 증발가스의 양을 조절하거나 기액분리기(253)에서 배출되는 증발가스의 양을 조절한다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 증발가스 처리 장치(3)는 저장탱크(210), 제1 공급라인(212), 제1 밸브(214), 보텍스 튜브(220), 연료공급라인(230), 압축기(231), 열교환기(232), 엔진(240), 회수라인(250), 펌프, 기액분리기(253), 제2 공급라인(260) 및 제2 밸브(263)를 포함한다.
저장탱크(210), 보텍스 튜브(220), 압축기(231), 열교환기(232), 엔진(240), 펌프 및 기액분리기(253)는 본 발명의 제2 실시예에 따른 증발가스 처리 장치(2)의 구성과 동일하므로 이에 대한 설명은 상기에서 설명한 것으로 대체한다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 증발가스 처리 장치(3)는 복수 개의 보텍스 튜브(220)를 병렬로 설치하고, 각 보텍스 튜브(220)에 제1 공급라인(212)을 연결한다. 또한, 보텍스 튜브(220)와 연결되는 제1 공급라인(212) 각각에 제1 밸브(214)를 설치하여 각 보텍스 튜브(220)로 유입되는 증발가스의 유입량을 조절한다.
또한, 본 발명의 제3 실시예에 따른 증발가스 처리 장치(3)는 제2 공급라인(260)상에 제2 밸브(263)를 설치한다. 이에, 기액분리기(253)에서 제2 공급라인(260)을 통해 연료공급라인(230)으로 유입되는 저온의 증발가스(C) 양을 조절할 수 있다.
뿐만 아니라. 각 보텍스 튜브(220)의 유출밸브(29)를 조절하여 보텍스 튜브(220)의 고온출구(27)로 배출되는 증발가스의 양을 조절할 수 있다. 따라서, 엔진(240)으로 공급되는 복수 개의 보텍스 튜브(220)의 증발가스 배출량을 손쉽게 조절할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 제3 실시예에 따른 증발가스 처리 장치(3)는 엔진(240)에서 요구되는 연료량에 따라 제1 공급라인(212) 상의 제1 밸브(214), 제2 공급라인(260) 상의 제2 밸브(263) 또는 보텍스 튜브(220)의 유출밸브(29)를 조절하여 연료공급라인(230)을 통해 엔진(240)으로 공급되는 고온의 증발가스(H)량을 조절할 수 있다.
도 1 및 도 3에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 증발가스 처리 장치(3)는 하나의 보텍스 튜브(20,120)만이 연결되었으나, 이에 국한되지 않고 보텍스 튜브(20,120)의 용량에 따라 복수 개의 보텍스 튜브(20,120)가 저장 탱크(10,110)와 연결될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1,2,3: 증발가스 처리 장치
10,110,210: 저장 탱크
12,112,212: 제1 공급라인 20,120,220: 보텍스 튜브
30,130,230: 연료공급라인
31,131,231: 압축기 132,232: 열교환기
40,140,240; 엔진
50,150,250: 회수라인 153,253: 기액분리기
160,260: 제2 공급라인

Claims (7)

  1. 액화가스를 저장하는 저장탱크;
    상기 저장탱크와 연결되어 상기 액화가스의 증발가스를 배출하는 제1 공급라인;
    상기 제1 공급라인으로부터 유입된 증발가스를 회전시켜 고온의 증발가스와 액화된 증발가스를 포함하는 저온의 증발가스로 분리하여 각각 배출하는 보텍스 튜브;
    상기 보텍스 튜브에서 배출하는 상기 저온의 증발가스를 상기 저장탱크로 회수하는 회수라인; 및
    상기 보텍스 튜브에 연결되어 상기 고온의 증발가스를 배출하는 연료공급라인을 포함하는 증발가스 처리 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 회수라인에 설치되어, 상기 액화된 저온의 증발가스를 분리하여 상기 저장탱크로 회수하는 기액분리기를 더 포함하는 증발가스 처리장치.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 기액분리기에서 배출하는 상기 저온의 증발가스를 상기 연료공급라인으로 공급하는 제2 공급라인을 더 포함하는 증발가스 처리장치.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 연료공급라인에 설치되며 상기 고온의 증발가스를 압축하는 압축기를 더 포함하는 증발가스 처리장치.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 압축기의 후단부에 상기 고온의 증발가스를 냉각하는 열교환기를 더 포함하는 증발가스 처리장치.
  6. 제1 항에 있어서, 상기 보텍스 튜브는 복수 개가 서로 병렬로 연결되는 증발가스 처리장치.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 제1 공급라인에 설치되어 상기 복수 개의 보텍스 튜브로 유입되는 상기 증발가스의 유입량을 조절하는 제1 밸브를 더 포함하는 증발가스 처리장치.
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