KR20190002729A - 액체 천연 가스의 기화 - Google Patents

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Abstract

극저온 유체의 기화 방법이 제공된다. 본 방법은 연료를 버너에서 연소하여 배기 가스를 생성하는 단계; 주위 공기와 배기 가스를 혼합하여 혼합 가스를 생성하는 단계; 혼합 가스를 극저온 액체와 간접적인 열교환을 통해 접촉시켜 극저온 액체를 기화시키는 단계를 포함할 수 있다. 극저온 액체의 기화 시스템이 또한 제공된다. 상기 시스템은 연료를 연소하여 배기 가스를 생성하기 위한 하나 이상의 버너; 주위 공기를 배기 가스와 혼합하여 혼합 가스를 생성하기 위한 하나 이상의 유입구; 및 혼합 가스로 유체를 간접적으로 가열하기 위한 하나 이상의 열전달 도관을 포함할 수 있다.

Description

액체 천연 가스의 기화{LIQUID NATURAL GAS VAPORIZATION}
본원에 기재된 실시양태들은 일반적으로 극저온 유체, 예컨대 액체 천연 가스(LNG)의 기화에 사용하기 위한 자연 통풍 또는 주위 공기 기화기에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본원에 기재된 실시양태들은 LNG의 기화를 위한 하이브리드형 주위 공기/연료 가열 시스템에 관한 것이다.
주위 공기의 열을 상대적으로 찬 액체로 보내어 액체를 "가열"하는 것이 요망되는 시점이 있다. 이러한 상황은 액화 천연 가스의 경우에 해당될 수 있다.
천연 가스의 극저온 액화는 천연 가스를 수송을 위한 보다 편리한 형태로 전환하기 위한 수단으로써 관례적으로 행해지고 있다. 이러한 액화는 전형적으로 부피를 약 600배 감소시켜 쉽게 저장 및 수송 가능한 최종 생성물을 제공한다. 또한, 천연 가스에 대한 수요가 증가하면서 쉽고도 효율적인 공급을 위해 다량의 천연 가스를 보관하는 것이 요구되어진다. 천연 가스를 수송하고 또한 다량의 천연 가스를 보관하기 위한 일 실제 수단은 천연 가스를 보관 및/또는 수송을 위해 액화된 상태로 전환한 다음 수요가 있을 때 액체를 기화시키는 것이다.
천연 가스는 종종 최종적으로 사용될 장소로부터 떨어진 장소에서 입수가능하며, 이에 따라 천연 가스의 액화는 더욱더 중요하다. 전형적으로, 천연 가스는 파이프라인을 통해 공급처로부터 직접적으로 소비 시장으로 수송된다. 그러나, 천연 가스는 파이프라인을 사용할 수 없거나 실용적이지 못한 소비 시장에서 상당히 떨어진 공급처로부터 수송되는 것이 더욱 일반화되고 있다. 이는 선박을 이용하여 수송이 이루어져야 하는 해상 수송의 경우에 특히 그러하다. 기체 상태의 천연 가스의 선박 수송은 기체 상태의 가스의 엄청난 부피로 인해 그리고 그러한 가스의 부피를 실질적으로 감소시키는데 상당한 가압이 요구되기 때문에 일반적으로 실용적이지 못하다. 따라서, 천연 가스를 보관 및 수송하기 위해, 전형적으로 가스를 대략 -240℉ 내지 대략 -260℉로 냉각함으로써 가스 부피를 감소시킨다. 이러한 온도에서, 천연 가스는 액화 천연 가스(LNG)로 전환되며, 이는 거의 대기 증기압을 보유한다. LNG의 수송 및/또는 보관이 완료되면, 천연 가스를 최종 소비자에게 제공하기 이전에 LNG는 기체 상태로 되돌려져야 한다.
전형적으로, LNG의 재가스화 또는 기화는 다양한 열전달 유체, 시스템 및 공정을 사용하여 달성된다. 예를 들어, 당업계에 사용되는 일부 공정은 LNG를 가열 및 기화시키기 위해 고온 수 또는 스팀을 채택하는 증발기를 이용한다. 이러한 가열 공정은, LNG의 극도의 저온으로 인해 고온 수 또는 스팀이 종종 동결되며 이는 다시 증발기를 막기 때문에 단점을 가진다. 이러한 단점을 극복하기 위해, 개방 랙(rack) 증발기, 중급(intermediate) 유체 증발기, 액중(submerged) 연소 증발기 및 주위 공기 증발기와 같은 대체 증발기가 현재 당업계에서 사용되고 있다.
개방 랙 증발기는 전형적으로 LNG와 향류식 열교환을 위한 열원으로서 해수 등을 사용한다. 앞서 언급한 증발기와 마찬가지로, 개방 랙 증발기는 증발기 표면상을 "얼음으로 덮는(ice up)" 경향이 있으며, 이에 열전달에 대한 저항을 증가시킨다. 따라서, 개방 랙 증발기는 열전달 영역이 증가된 증발기로서 설계되어야 하며, 이는 증발기의 설비 비용과 풋 프린트(foot print)의 증가를 수반한다.
물 또는 스팀을 사용한 직접적인 가열에 의해 LNG를 기화시키는 대신에, 상술한 바와 같이, 중급형 증발기는 중급 유체 또는 낮은 어는점을 갖는 냉매(refrigerant) 예컨대 프로판, 플루오르화 탄화수소 등을 이용한다. 냉매는 고온 수 또는 스팀으로 가열될 수 있으며, 이후 가열된 냉매 또는 냉매 혼합물은 증발기를 통과하여 LNG를 기화시키는데 사용된다. 이러한 유형의 증발기는 앞서 기재한 증발기에 공통적인 아이싱(icing) 또는 동결 현상을 극복하지만, 이러한 중급 유체 증발기는 냉매를 가열하기 위한 수단, 예컨대 보일러 또는 히터를 필요로 한다. 이러한 유형의 증발기는 또한 냉매 가열에 사용된 가열 수단의 연료 소비로 인해 작동에 비용이 많이 들기 때문에 단점을 가진다.
보일러 또는 히터 작동을 위한 고비용을 극복하기 위해 당업계에서 현재 사용되는 일 실무는 LNG를 기화시키는 냉매를 가열하기 위해 급수탑(water tower)을 단독으로 사용하거나 히터 또는 보일러와 병행 사용하는 것이다. 이러한 시스템에서, 물은 수온이 상승된 급수탑으로 보내진다. 이렇게 상승된 온도의 물은 제1 증발기를 통해 글리콜과 같은 냉매를 가열하는데 사용되며, 이는 다시 제2 증발기를 통해 LNG를 기화시키는데 사용된다. 이러한 시스템은 또한 탑 유입구 스팀과 탑 유출구 스팀 간의 부력 차이 측면에서 단점을 가진다. 가열 탑은 주위 공기에 비해 매우 무거운 다량의 저온의 습한 공기 또는 유출물을 방출한다. 일단 저온 유출물이 탑에서 방출되면, 이는 주위 공기보다 훨씬 더 무겁기 때문에 바닥에 가라앉거나 바닥으로 이동하는 경향이 있다. 이후, 저온 유출물은 급수탑 안으로 드로잉되어 탑의 열교환능을 방해하고 탑을 비효율적으로 만든다. 앞서 언급한 부력 문제는 급수탑을 통한 저온 공기의 재순환을 야기하며, 이는 물을 가열하는 능력을 방해하고 탑의 효력을 실질적으로 제약한다.
또 다른 대안으로서, LNG는 주위 공기를 이용한 가열에 의해 기화될 수 있다. 강제식 또는 자연 통풍식 주위 공기 기화기는 열원으로서 주위 공기를 사용하며, 열전달 요소 위에(over) 주위 공기를 통과시켜 LNG를 기화시킨다. 그러나, 기후가 변화하거나 기화기 로드(load)가 변화하는 경우, 기화기 유출구에서 천연 가스 온도가 변할 수 있다. 이외에도, 낮은 LNG 공급 온도(약 -260℉)로 인해, 주위 공기 흐름의 습도로 인해 상당량의 얼음이 가열 표면상에 형성될 수 있다.
청구된 실시양태들의 요약
본원에 기재된 하이브리드형 주위 공기/연료 가열 시스템을 사용함으로써 주위 공기 기화기의 작동이 크게 개선될 수 있음을 밝혀내었다. 하이브리드형 주위 공기/연료 가열 시스템은 열원으로서 자연 또는 유도 대류에 의해 제공될 수 있는 주위 공기가 로딩된 베이스이다. 본원에 기재된 하이브리드형 가열 시스템에서, 주위 공기는 필요시에 화실(firebox)에서 나온 연도 가스(flue gas)와 혼합되며, 여기서 기화기의 작동에 미치는 주위 조건의 변화(variation) 영향을 줄이거나 최소화하거나 없애기 위해 연도 가스의 입열량(heat input)이 사용될 수 있다. 하이브리드형 가열 시스템은 낮/밤과 여름/겨울 기후 조건 변화에 대해 안정한 기화기 작동을 제공할 수 있고, 통상적인 주위 공기 기화기에 비해 턴다운 비(turn down ratio)를 개선할 수 있으며, 통상적인 주위 공기 기화기에 비해 아이싱이 없거나 아이싱이 감소되도록 할 수 있다.
일 측면에서, 본원에 기재된 실시양태는 버너에서 연료를 연소하여 배기 가스를 생성하는 단계; 주위 공기와 배기 가스를 혼합하여 혼합 가스를 생성하는 단계; 혼합 가스를 극저온(cryogenic) 액체와 간접적인 열 교환을 통해 접촉시켜 극저온 액체를 기화시키는 단계를 포함하는, 극저온 액체의 기화 방법에 관한 것이다.
또 다른 측면에서, 본원에 기재된 실시양태는 연료를 연소하여 배기 가스를 생성하기 위한 하나 이상의 버너; 주위 공기를 배기 가스와 혼합하여 혼합 가스를 생성하기 위한 하나 이상의 유입구; 및 혼합 가스로 유체를 간접적으로 가열하기 위한 하나 이상의 열전달 도관을 포함하는, 극저온 액체의 기화 시스템에 관한 것이다.
다른 측면 및 이점은 하기 상세한 설명 및 첨부된 청구범위로부터 명확해질 것이다.
도 1은 본원에 기재된 실시양태들에 따른 하이브리드형 주위 공기/연료 가열 시스템에 대한 간략한 개략도이다.
도 2는 본원에 기재된 실시양태들에 따른 하이브리드형 주위 공기/연료 가열 시스템에 대한 간략한 개략도이다.
일 측면에서, 본원의 실시양태들은 일반적으로 극저온 유체, 예컨대 액체 천연 가스(LNG)의 기화에 사용하기 위한 자연 통풍 또는 주위 공기 기화기에 관한 것이다. 더욱 구체적으로는, 본원에 기재된 실시양태들은 LNG의 기화를 위한 하이브리드형 주위 공기/연료 가열 시스템에 관한 것이다.
도 1을 참조하면, 본원에 기재된 실시양태들에 따른 하이브리드형 주위 공기/연료 가열 시스템(10)이 도시되어 있다. 가열 시스템(10)은 외부 쉘 또는 인클로져(12), 주위 공기 유입구(13), 유입구(들)(15)를 통해 공급되는 연료를 갖는 하나 이상의 화실(14), 가열 코일(20), 및 배기 포트(22)를 포함할 수 있다. 일부 실시양태에서, 가열 시스템(10)은 댐퍼(16), 증기 분배기(18), 열전대(24), 및 제어 시스템(26) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
작동시에, 주위 공기는 가열 코일(20)을 통과하는 극저온 유체의 기화에 기인한 온도 및 밀도 구배로 인한 자연 (유도) 대류를 통해, 또는 예를 들어 팬, 송풍기, 펌프 또는 강제 증기 흐름을 제공하기 위한 다른 수단(미도시)에 의한 강제 대류를 통해 포트(13)에 공급된다. 유입구(13)를 통한 주위 공기의 유속은 예를 들어 송풍기의 속도를 변화시켜 제어되거나 댐퍼(16)를 사용하여 제어될 수 있다.
연료는 유입구(15)를 통해 제공되며, 화실(14)에서 연소되어 가열된 연도 가스를 생성한다. 화실(14)로의 공기는 별도 도관(미도시)을 통해 제공되거나, 유입구(13)를 통해 흐르는 주위 공기로부터 유입구(28)를 경유해 화실(14)로 드로잉될 수 있다. 고온의 연도 가스는 유출구(30)에서 화실(14)을 벗어나 주위 공기와 혼합된다.
주위 공기와 고온 연도 가스의 혼합물은 가열 코일(20) 위를 통과하여 극저온 액체, 예컨대 상기 코일을 통해 공급된 LNG를 기화시킬 수 있다. 열교환 이후에, 주위 공기/연도 가스 혼합물은 배기 포트(22)를 통해 하이브리드형 가열 시스템(10)을 벗어날 수 있다.
도 1의 가열 시스템은 수평 구조로 도시되어 있지만, 수직 또는 다른 구조도 또한 사용될 수 있다. 수직 구조는 상향식(upflow) 또는 하향식(downflow)일 수 있다. 가열 코일(20)은 임의 개수로 사용될 수 있으며, 주위 공기/연도 가스 혼합물과 직교류형(cross-flow), 병류형(co-current flow), 향류형(counter-current flow), 또는 이의 조합으로 배치될 수 있다.
연도 가스와 주위 공기는 가열 코일(20)과의 접촉 이전에 적절히 혼합되어야 한다. 예를 들어, 원하는 정도의 혼합을 제공하기 위해 유입구(13)를 통한 강제 대류로 인한 교란(turbulence), 유출구(30)을 통한 연도 가스의 흐름을 지시하는 웨어(weir)(32), 및/또는 증기 분배기(18)가 사용될 수 있으며, 이에 따라 가열 코일(20)은 비교적 균일한 횡단 온도 프로필을 갖는 증기 혼합물과 접촉된다.
앞서 언급한 바와 같이, 주위 공기는 연도 가스와 혼합되어 극저온 액체, 예컨대 LNG를 기화시키기 위한 혼합 가스를 제공한다. 혼합 가스에 의해 기화기 로드(load)(예를 들면, 기화기로부터의 천연 가스(NG)에 대한 수요로 인한 입열량 요건)가 보충되어진다. 특정 조건하에서는, 주위 공기만으로 충분한 입열량이 제공가능하여, 화실(14)로의 연료 공급이 중단되거나 감소될 수 있다. 조건에 대한 합당한 이유가 있다면, 요구되는 증발기 로드를 충족하기 위해 화실(14)로의 연료 공급이 증가될 수 있다. 수요가 연료 소비 증가를 허락하는 경우에는 화실의 작동 개시를 위해 또는 화실의 간헐적 작동을 위해 파일롯 화염(pilot flame) 또는 점화기(미도시)가 구비될 수 있다.
혼합 가스의 온도는 예컨대 열전대(24) 및 제어 시스템(26)에 의해 모니터링되거나 제어될 수 있다. 혼합 가스 온도의 모니터링 및 제어는 하기 중 하나 이상을 위해 사용될 수 있다: 아이싱 또는 다른 인자가 가열 코일(20)을 가로지르는 열전달에 영향을 미치는지를 결정하기 위해, LNG를 기화시키거나 공기/연도 가스와 LNG/NG 간에 원하는 온도차를 유도하기 위해, 가열 코일 표면상에서 얼음 형성을 최소화하기 위해, 그리고 중요하게는, 인클로져(12) 내에서 임의의 누출이 일어나는 경우에 혼합 가스의 온도를 극저온 액체(예를 들면 LNG)의 자발화(auto-ignition) 온도 이하로 유지하기 위해.
기화된 극저온 액체의 온도는 화실 또는 버너(14)로의 연료의 유속을 변화시켜 혼합 가스의 온도를 조절하거나, 하나 이상의 유입구(13)를 통한 주위 공기의 유속을 변화시켜 혼합 가스의 온도를 조절하거나, 하나 이상의 열전달 도관(20)으로의 극저온 액체의 유속을 조절하거나, 또는 이의 조합에 의해 제어될 수 있다. 흐름의 이러한 제어, 모니터링 및 조절은 제어 시스템(26)을 사용하여 달성될 수 있다.
다른 실시양태에서는, 기화 로드 요건 및 주위 조건에 따라, 혼합 가스의 일부가 예컨대 도 2(유사한 참조번호는 유사한 부분을 나타냄)에 도시된 바와 같이 유출구(40)를 통해 인클로져(12)로부터 회수됨으로써 기화 코일 중 하나 이상을 우회통과할 수 있다. 회수된 혼합 가스는 분배기(42)(바이패스)를 통해 재도입되거나, 또는 부가적인 주위 공기 또는 연도 가스가 예컨대 분배기(42)에 의해 도입될 수 있으며, 이에 NG 온도 및 가열 시스템(10)의 전반적인 성능에 영향을 주고 또한 작동중(on-line) 얼음제거를 수행할 수 있다. 인클로져(12)는 또한 시스템 내에 축적될 수 있는 응축수(condensed water)를 회수하기 위해 하나 이상의 유출구(44)를 포함할 수 있다.
가열 코일(20)의 레이아웃 및 디자인은 가열 표면상에서 얼음 형성에 영향을 미칠 수 있고 소용돌이(eddying)로 인해 열전달 효율에 영향을 미칠 수 있다. 이에, 사용된 코일의 종류(금속, 직경, 두께, 등), 디자인, 레이아웃, 및 개수는 주위 공기 대류의 유형(자연 또는 강제), 요구되는 열전달 표면적, 계절별 온도 제한, 사용가능한 연료의 종류 및 달성가능한 연도 가스 온도, 및 당업계의 숙련인에게 공지된 다른 인자에 의존할 수 있다. 바람직하게는, 선택된 코일 레이아웃은 공기/연도 가스와 LNG/NG 간의 온도차를 최적화하여 높은 열전달 효율을 달성하면서 동시에 가열 코일 표면상에서 얼음 형성을 최소화하도록 해야 한다.
앞서 기재한 하이브리드형 가열 시스템은 독립형 유닛(stand-alone unit)으로 사용되거나, 또는 상술한 바와 같은 복수 개의 하이브리드형 가열 시스템이 전체적으로 원하는 열전달 로드를 충족하기 위해 서로 근접하게 위치되어진 모듈 형태로 구성될 수 있다.
앞서 기재한 바와 같이, 본원에 기재된 실시양태들에 따른 하이브리드형 가열 시스템은 주위 공기와 연도 가스 둘 다를 사용하여 극저온 유체, 예컨대 액체 천연 가스의 기화를 위한 열을 제공한다. 이러한 시스템은 또한 주위 온도 이하인 다른 유체를 가열하기 위해 사용될 수 있다.
유리하게는, 본원에 기재된 실시양태들에 따른 하이브리드형 가열 시스템은 요구되는 열의 적어도 일부를 공급하기 위해 주위 환경을 사용하며, 이에 따라 연도 가스만을 사용하거나 또는 중급 유체를 가열하여 필요한 열을 제공하기 위해 연도 가스를 사용하는 기화기와 비교하여 오염물질 배출을 최소화할 수 있다. 본원에 기재된 실시양태들에 따른 가열 시스템은 하기 중 하나 이상의 효과를 제공한다: 보다 안정한 시스템 작동(기후 변화로 인한 영향이 적음), 보다 적은 작동 및 유지 비용, 보다 적은 설비 투자 비용, 아이싱 발생 감소, 높은 열효율, 보다 적은 환경 영향력, 및 액중 연소 히터, 개방 랙 증발기, 중급 유체를 갖는 연소식 히터, 및 주위 공기 증발기 중 하나 이상에 비해 개선된 턴다운 비.
본 기재는 제한된 수의 실시양태들을 포함하지만, 당업계의 숙련인은 본 기재의 범위에서 벗어나지 않으면서 본 기재의 이점을 가진 다른 실시양태들을 포괄할 수 있는 것으로 충분히 인지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 규정되어야 한다.

Claims (15)

  1. 극저온(cryogenic) 액체의 기화 방법으로서,
    버너에서 연료를 연소하여 배기 가스를 생성하는 단계;
    주위 공기와 배기 가스를 혼합하여 혼합 가스를 생성하는 단계;
    혼합 가스를 극저온 액체와 간접적인 열 교환을 통해 접촉시켜 극저온 액체를 기화시키는 단계
    를 포함하는 기화 방법.
  2. 제1항에 있어서, 주위 공기는 강제 대류 및 유도(자연) 대류 중 하나 이상을 통해 도입되는 것인 기화 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    버너로의 연료의 유속을 변화시켜 혼합 가스의 온도를 조절하는 단계; 및
    혼합 단계로의 주위 공기의 유속을 변화시켜 혼합 가스의 온도를 조절하는 단계
    중 하나 이상을 추가로 포함하는 기화 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    버너로의 연료의 유속을 변화시켜 혼합 가스의 온도를 조절하는 단계; 및
    혼합 단계로의 주위 공기의 유속을 변화시켜 혼합 가스의 온도를 조절하는 단계
    중 하나 이상을 추가로 포함하는 기화 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    버너로의 연료의 유속을 변화시켜 혼합 가스의 온도를 조절하는 것;
    혼합 단계로의 주위 공기의 유속을 변화시켜 혼합 가스의 온도를 조절하는 것; 및
    접촉 단계로의 극저온 액체의 유속을 조절하는 것
    중 하나 이상에 의해 기화된 극저온 액체의 온도를 제어하는 단계를 추가로 포함하는 기화 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    버너로의 연료의 유속을 변화시켜 혼합 가스의 온도를 조절하는 것;
    혼합 단계로의 주위 공기의 유속을 변화시켜 혼합 가스의 온도를 조절하는 것; 및
    접촉 단계로의 극저온 액체의 유속을 조절하는 것
    중 하나 이상에 의해 기화된 극저온 액체의 온도를 제어하는 단계를 추가로 포함하는 기화 방법.
  7. 제1항에 있어서, 극저온 액체는 액체 천연 가스를 포함하는 것인 기화 방법.
  8. 극저온 액체의 기화 시스템으로서,
    연료를 연소하여 배기 가스를 생성하기 위한 하나 이상의 버너;
    주위 공기를 배기 가스와 혼합하여 혼합 가스를 생성하기 위한 하나 이상의 유입구; 및
    혼합 가스로 유체를 간접적으로 가열하기 위한 하나 이상의 열전달 도관
    을 포함하는 기화 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 유입구를 통한 주위 공기의 유속을 조절하기 위한 하나 이상의 댐퍼(damper)를 추가로 포함하는 기화 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 혼합 가스의 온도를 측정하기 위한 열전대(thermocouple)를 추가로 포함하는 기화 시스템.
  11. 제9항에 있어서, 혼합 가스의 온도를 측정하기 위한 열전대를 추가로 포함하는 기화 시스템.
  12. 제8항에 있어서,
    버너로의 연료의 유속을 변화시켜 혼합 가스의 온도를 조절하는 것;
    하나 이상의 유입구를 통한 주위 공기의 유속을 변화시켜 혼합 가스의 온도를 조절하는 것; 및
    하나 이상의 열전달 도관으로의 유체의 유속을 조절하는 것
    중 하나 이상에 의해 가열된 유체의 온도를 제어하기 위한 제어 시스템을 추가로 포함하는 기화 시스템.
  13. 제8항에 있어서, 하나 이상의 열전달 도관 위에 혼합 가스의 흐름을 분배하기 위한 증기 분배기를 추가로 포함하는 기화 시스템.
  14. 제8항에 있어서, 유체는 액체 천연 가스인 기화 시스템.
  15. 제8항에 있어서, 강제 대류로서 주위 공기를 하나 이상의 유입구에 도입하기 위한 디바이스를 추가로 포함하는 기화 시스템.
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