KR20190034640A - 재-가스화 장치 - Google Patents

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KR20190034640A
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lng
fluid
intermediate fluid
tube
capillary
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Application number
KR1020197006287A
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Inventor
칼베트 후안 에우세비오 노멘
단 알렉산드루 한가누
Original Assignee
더블유쥐에이 워터 글로벌 엑세스 에스.엘.
단 알렉산드루 한가누
칼베트 후안 에우세비오 노멘
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Abstract

본 발명은 액화 천연 가스(LNG) 및 냉담수(cool fresh water)와 냉건조기체의 공동 생성을 위한 재-가스화 장치로서, 상기 장치는 액체 및 기체상의 중간 유체를 탑재하는 적어도 하나의 외부 밀폐 용기(1)를 포함하되, 상기 유체는 높은 잠열과 높은 모세관 특성을 가진다. 중간 유체를 증발하기 위한 적어도 하나의 증발관(3)은 상기 용기를 관통한다. 상기 관의 내부에서, 습윤 공기가 유동하고 관의 내부면 상의 모세관 응축 시스템에서 적어도 부분적으로 응축되며, 중간 유체의 액상은 관의 외부면 상의 모세관 증발 시스템에서 적어도 부분적으로 증발한다. LNG를 증발시키는 적어도 하나의 증발관(2)이 상기 용기를 통과한다. 이러한 관의 외부면 상에서, 중간 유체의 기상은 모세관 응축 시스템에서 적어도 부분적으로 응축되며, 관 내부에서, LNG 는 가열되고 상변화 하며, 재-가스화된 천연 가스(NG)는 5℃를 초과하는 온도까지 가열된다.

Description

재-가스화 장치
본 발명은 액화 천연 가스의 재-가스화 장치 및 에너지 원으로서 습한 주위 공기를 사용하고 열교환 수단으로서 중간 유체를 사용하는 냉담수 및 냉건조기체의 공동 생성에 관한 것이다.
액화 천연 가스, 즉 LNG의 재-가스화 시스템은 주로 다음 세 가지 에너지 원을 사용하는데,
1 - 대응하는 이산화 탄소의 배출을 수반하는 화석 연료의 연소,
2 - 필요한 시설의 큰 크기 문제 및 얼음 형성 문제를 가진 대기 공기, 및
3 - 차가운 표면과의 직접적인 접촉으로 인한 부식, 얼음 형성, 직접적인 해양 생명의 사망 및 잠열이 추출되고 화합물이 추가되는 물의 해양 환경으로의 복귀에 기인한 해양 생명에 대한 충격의 문제를 가지고 있는 해수가 그 3가지 이다. 상기 해수는 주로 ORV(Open Rack Vaporizers)라고 하는 장치에 사용되며, 이 장치에서 해수는 LNG 증발관에 직접 부어지게(pour) 된다. 이것은 일반적으로 약 6 미터 높이로 되고 연속적인 워터 샤워가 해수로부터 제공되는 배터리에 배치되는 LNG 증발관의 모듈식으로 이루어지며 저비용 작동 및 소형 크기로 널리 사용되는 시스템이다.
차가운 표면과의 접촉에 의한 얼음 발생, 부식 및 해양 생명의 사망의 문제를 피하기 위하여, 열이 중간 유체를 통과하는 LNG에 도달하는 간접 열원으로서 대기 공기와 해수를 사용하는 LNG 재-가스화 시스템이 만들어졌다.
이러한 시스템은 본원에서 IVF 글리콜이라고 지칭되는 물-글리콜 또는 다른 중간 유체의 중간 유체 증발기(Intermediate Fluid Vaporizer)를 포함한다. 종래기술을 보다 잘 설명하기 위하여, 도 7은 공기 열, 해수 열 또는 열교환 기 관(22)의 벽을 가열하기 위한 잔류 에너지 원과 같은 외부 에너지 원(24)이 물-글리콜(GL)과 같은 중간 액체가 유동 유동하는 것에 사용되는 이러한 장치의 구성을 나타낸다. 이러한 가열된 중간 유체는 적어도 하나의 LNG 증발관(23)을 구비하는 열교환기 내부에 제공되며, 이 LNG 증발관(23)의 내부에서 LNG는 재순환을 위해 유동하고, LNG 증발관(23)은 중간 액체(GL)에 침지된다.
이러한 시스템이 해수를 열원으로 사용하는 경우, 중간 유체를 포함하면 냉각 튜브와의 접촉으로 해양 사망의 문제는 해결되지만 재-가스화 에너지에 상당하는 해수 에너지를 추출함으로써 야기되는 이미 노출된 환경 문제는 피할 수 없다.
이러한 시스템이 주변 공기를 에너지 원으로 사용할 때, 얼음 형성은 피할 수 있지만 광범위한 시설이 필요하다는 문제가 여전히 남게 된다.
열 교환기 튜브(22) 및 LNG 증발관(23)의 벽의 열 계수는 시스템의 열 계수를 제한하여 성능을 제한하고 설치의 크기 및 비용에 영향을 미친다.
탄화수소의 중간 유체 증발기(Intermediate Fluid Vaporizer, 이하 HC-IFV)는 해수의 현열을 사용하고 중간 유체를 사용하여 ORV로 인한 부식, 스케일링 및 사망의 문제를 피하는 시스템이다. 중간 유체와 최대 3 개의 쉘 및 튜브 회로를 사용하면 얼음 형성 문제, 튜브의 스케일 문제, 냉각 튜브와의 접촉으로 인한 해양 사망의 문제는 해결할 수 있지만, LNG 재-가스화 과정에서 요구되는 에너지와 동등한 분별가능한 열량이 추출된 해수의 해양 환경에 대한 복귀로 인하여 해양 생명에 영향을 미치게 되는 문제가 있다.
종래 기술의 설명을 용이하게 하기 위해, HC-IFC 장치가 최대 세 가지 효과로 구획화될 수 있지만, HC-IFC의 구성 요소 및 필수 열 회로는 도 6에서 도식화될 수 있으며, 여기서 도 6은 내부에 해수가 유동하여 장치에 에너지를 공급하는 적어도 하나의 중간 유체 증발관(17)이 내부에 존재하는 밀폐된 용기를 도시하며, 이러한 중간 유체 증발관(17)은 중간 유체 증발관(17)의 외면으로부터 버블링(16)에 의해 증발하는 부탄 또는 프로판과 같은 탄화 수소인 중간 유체(18)의 액상부에 침지되고, 중간 유체 증발관(17)의 벽을 통해 해수의 에너지를 포획하게 된다. 버블링(16)에 의해 증발된 중간 유체의 기상은 중간 유체(18)의 액상 부피의 표면으로 상승하게 되어, 밀폐된 용기의 상부 부피부 내에서 기상(19)으로 분포하게 된다. 밀폐 용기는 적어도 하나의 LNG 증발관(20)에 의해 교차되고, LNG 증발관(20)은 LNG가 재-가스화되도록 유동한다. LNG 증발관(20)의 외면에는 중간 유체의 기상이 응축되고, 중간 유체가 액상(21)에 들어간다. LNG 증발관(20)의 외면에서 기상의 중간 유체는 응축되고, 중간 유체는 액상으로 적하(drip)된다. LNG 증발관(20)의 외측면 상에서 중간 유체의 응축에 관련되는 잠열은 LNG 증발관(20) 내부 및 관의 벽을 통과하게 되어, LNG 상 변화가 천연 가스(NG)로 변화하도록 잠열로 변형되고 온도의 증가에 대하여 열을 감지할 수 있게 된다.
HC-IFC 장치는 열원의 열밀도에 의해, 그리고 중간 유체의 증발에 대한 잠열에 의해, 중간 유체 증발관(17) 및 LNG 증발관(20)의 각각의 면의 열 계수의 제한에 의해 제어되는 열 계수를 가진다.
이러한 열적 조건은 HC-IFV 장치가 큰 치수를 가지며 매우 견고한 구성품을 필요로 하며 습한 대기 공기와 같은 낮은 에너지 밀도 소스를 사용할 수 없도록 한다.
재-가스화 장치의 크기, 점유되는 토지의 면적, 벽을 교환하는 것 대한 투자 및 유지 보수 비용을 줄이기 위해, 시스템의 전체적인 열 계수를 향상시키도록 열 교환면의 열 계수를 증가시킬 필요가 있다.
마찬가지로 환경 영향을 줄이려면, 화석 연료의 연소로 인한 에너지 사용을 줄이고 바닷물의 열 추출을 줄이고, 화학 세정 제품이 환경으로 유출되는 것을 줄일 필요가 있다.
본 발명은 청구 범위에서 정의되는 담수와 냉기의 동시 발생을 가능하게 하는 액화 천연 가스, 즉 LNG의 재-가스화 장치에 의한 전술한 하나 이상의 단점을 해결하고자 한다.
LNG 재-가스화 장치의 열 계수의 향상, 즉 열교환기의 단위 면적에서 전달되는 에너지는 투자 비용을 절감하고, 장치의 효율을 개선하며, 무엇보다 낮은 열 계수를 가진 설비에서 그 사용이 실용적이지 않은 낮은 열에너지 밀도 소스의 사용을 가능하게 한다.
LNG 재-가스화 장치의 열 계수의 향상은 열을 교환하는 튜브면의 열 계수의 향상을 수반한다. 열교환 튜브면의 열 계수는 이러한 표면에서 현열의 단순한 교환 대신에 위상 변화의 높은 잠열로써 유체의 응결 또는 증발이 발생하면 개선될 수 있다. 열교환 튜브의 표면에서 증발 또는 응축이 발생하는 경우에 이러한 응축이 모세관 응축 영역에서 적어도 부분적으로 수행되거나 증발이 액체 메니스커스의 표면에서 발생하는 액체-증기 계면의 만곡으로부터 발생하는 모세관 영역에서 적어도 부분적으로 수행되는 경우 열 계수가 향상 될 수 있다.
설명의 명확성을 위해, 본 특허의 LNG 재-가스화 장치는 현재의 HC-IFV의 열 회로의 구성 요소와 비교하여 설명될 수 있으며, 각각의 열효율을 증가시킬 수 있고 결과적으로 전체 열 계수를 증가시킬 수 있는 개선점이 설명될 것이다.
먼저, 중간 유체 증발관의 내부면은 적어도 부분적으로 마이크로 슬롯, 마이크로 그루브, 소결 또는 튜브의 내부면상의 유체의 기상의 모세관 응축을 허용하는 다른 모세관 구조로 코팅된다. 이러한 개선은 LNG 재-가스화 장치가 축축한 공기를 에너지 원으로 사용할 수 있게 한다. 공기 중에 포함된 수증기가 적어도 부분적으로 중간 유체 증발관의 내부면의 모세관 응축 영역 아래에서 응축되고, 잠열과 공기와 물의 현열의 일부를 포기하게 되며, 이 모든 에너지는 중간 유체 증발관의 벽을 통과하여 중간 유체 증발관의 외면상의 중간 유체의 상 변화를 위한 잠열로 변환된다. 열 속성을 제한 할 수 있는 중간 유체 증발관의 내부면에 응축수가 쌓이는 것을 방지하기 위해, 적어도 하나의 배수관이 추가되어 응축수를 깨끗이 흘려 배출시키게 된다.
둘째, 우리는 LNG 증발관의 외면에서 모세관 응축의 장점을 소개한다. 이를 위하여, 프로판 또는 부탄과 같은 탄화수소는 모세관 특성의 부족으로 인해 중간 유체로 사용할 수 없다. H2O 또는 높은 잠열 및 높은 모세관 특성을 갖는 글리콜 또는 다른 용액의 수용액이 사용되며, LNG 증발관의 외부면은 마이크로 슬롯, 마이크로 그루브 또는 모세관 구조로 코팅되어 중간 유체의 기상의 모세관 응축이 LNG 재-가스화 튜브의 외부면에서 이루어지는 것을 허용한다.
LNG 재-가스화 장치가 외부 밀폐 용기를 가지며 내부에 액체 및 기체 상 중간 유체만 존재한다고 가정하면, 중간 유체는 LNG 증발관의 외부면에 고체상을 채택하지 않을 것이며, LNG 증발관상의 응축된 액상은 기체상의 유동과 직접 접촉에 노출되고 기상 에너지 캐리어와 격리된 접촉 영역에서 고체상 형성을 허용하는 열적 층화가 발생하는 축적물을 형성하지 않는다. 이를 위해서는 액상이 마이크로 슬롯이나 마이크로 그루브로부터 신속하게 배출되고, 소결 또는 모세관 구조 내에 축적되지 않는 것이 중요하다. 액상의 배출은 튜브의 축에 수직인 마이크로 슬롯 또는 마이크로 그루브와 같은 설계 및 LNG 증발관의 벽으로부터 액체 흐름을 채널링하는 종방향 디플렉터로써 달성될 수 있다.
셋째, 중간 유체 증발관의 외부면에서의 모세관 증발의 이점을 소개한다. 이를 위해, 중간 유체 증발관은 중간 유체의 액상 부피에 더이상 침지되지 않으며, 마이크로 슬롯, 마이크로 그루브, 소결 또는 다른 모세관 구조의 적어도 일부에서 중간 유체 증발관의 외면을 코팅하여, 높은 모세관 특성 및 물, 글리콜 또는 유사한 모세관 특징을 갖는 다른 용액의 수용액과 같은 높은 증발 잠열을 갖는 중간 유체의 액상의 메니스커스 형성을 가능하게 한다. 이러한 메니스커스의 표면에서, 액체-증기 계면은 만곡되어 있으며, 이 곡률의 끝인 모세관 증발에서 고유동(high-flow) 증발이 발생하게 된다.
올바른 유체 물류, 즉 중간 유체 증발관의 외면이 젖어 증발하는 경우, 중간 유체 증발관의 외부면의 적어도 일부가 소결 또는 다른 모세관으로 덮일 필요가 있으며, 밀폐 용기의 저부에 축적된 중간 유체의 액상에 접촉하여, 모세관 작용에 의해 중간 유체의 액상이 상승하여, 중간 유체 증발관의 외부면을 젖게 한다.
상보적인 방식으로, 중간 유체 증발관은 LNG 증발관과 평행하게 또는 적어도 부분적으로 그 아래에 위치될 수 있어서, LNG 증발관의 외부면 상에 응축되는 중간 유체의 액체상은 중간 유체 증발관의 외부면 상으로 적하하게 된다. 중간 유체의 액상의 이들 액적은 소성 코팅 또는 중간 유체 증발관의 외부면의 다른 모세관 구조 상에 떨어질 수 있고, 모세관 작용에 의해 분배되거나, 마이크로 슬롯 또는 마이크로 그루브의 코팅에 낙하될 수 있다.
응축 및 증발 모세관 영역에서 적어도 부분적으로 응축 및 증발하는 전술한 3 개의 면에서의 열효율의 향상은 현재의 ORV와 유사한 소형 형식으로 장치를 변조할 수 있게 한다. 즉, 쌓을 수 있는 배터리에 넣을 수 있는 개개의 모듈의 준비를 가능하게 하여, 그 각각은 내부에 기상 및 액상의 중간 유체 만 있는 적어도 하나의 외부 밀폐 용기; 내부에 습기 찬 공기를 냉각시키도록 되고, 습윤 공기에 함유된 수증기의 적어도 일부를 모세관 응축 영역 하에서 적어도 부분적으로 내부면에서 응축하도록 되며, 액체-증기 계면의 만곡부에서 적어도 부분적으로 메니스커스되어 위치된 중간 유체의 액상을 그 외부면 상에서 증발하도록 되어 습윤 공기와 중간 유체의 유동 사이에서 열을 교환하는 밀폐 용기를 통과하는 적어도 하나의 중간 유체 증발관; 응축 모세관 영역의 적어도 일부 아래와 열 내에서 중간 유체의 기체상을 외부면 상에서 응축하고 LNG 를 재-가스화하고, 재-가스화된 NG 천연 가스를 가열하도록 되어, 천연 가스를 재-가스화하기 위하여 LNG와 중간 유체 사이에서 열을 교환하는 밀폐 용기를 통과하는 적어도 하나의 LNG 증발관;을 포함한다.
장치에 도입되는 공기와 수증기의 혼합물이 공기의 부피당 더 많은 물을 포함한다면, LNG 재-가스화 장치의 열적 특성은 향상된다. 즉, 공기 온도가 높아지고 포화될수록 장치의 성능이 향상된다. 따라서, LNG 재-가스화 장치는 에너지 원으로서 사용되는 주변 공기 가습 시스템을 포함한다.
LNG 재-가스화 장치는 또 다른 에너지원과 함께 작동할 수 있으므로, 비-평형의 영역에서 공기가 너무 차가워서 장치에 의해 필요한 충분한 공기 증기와 열 에너지를 담지 못하는 겨울철에 습기가 많은 대기 이외의 다른 소스와 작동할 수 있는 몇 가지 공급 및 배출 회로가 있을 수 있다. 따라서 LNG 재-가스화 장치는 습기가 많은 주변 공기와 작동할 수 있는 다양성을 가질 수 있으며 공기가 너무 차가울 때 해수 또는 에너지를 제공하는 다른 유체와 작동한다.
본 발명에 의하면 담수와 냉기의 동시 발생을 가능하게 하는 액화 천연 가스, 즉 LNG의 재-가스화 장치에 의한 종래기술 하나 이상의 단점을 해결할 수 있다.
상세한 설명은 첨부 된 도면에 기초한 다음의 설명에서 주어진다.
도 1은 LNG 재-가스화 장치의 모듈의 실시 예의 단면도이다.
도 2는 NG로 재-가스화 되는 LNG가 흐르는 LNG 증발관의 높이에 있는 일련의 모듈의 단면의 평면도이다.
도 3은 공기 가습 장치로써, 중간 유체 증발관의 높이에서의 모듈 시퀀스의 단면의 평면도이다.
도 4는 습한 주변 공기와는 다른 열원과 양립할 수 있도록 구성된 일련의 모듈의 중간 유체 증발관의 높이에서의 단면의 평면도이다.
도 5는 LNG 재-가스화 장치의 모듈을 세로로 절단한 단면도이다.
도 6은 중간 유체 증발관이 중간 유체의 액상에 잠긴 현재의 HC-IFV 장치의 추가 구성의 단면도이다.
도 7은 일정한 양의 글리콜 수용액 내에 잠긴 LNG 증발관이 있는 현재의 글리콜 -IFV 장치의 구조를 단면도이다.
도 8은 하나 이상의 구획을 가진 LNG 재-가스화 장치의 모듈을 세로로 절단한 단면도이다.
적어도 하나의 중간 유체 증발에 의해 교차되는 액체 및 기체상의 중간 유체를 함유하는 적어도 하나의 외부 밀폐 용기(1)를 포함하는 액화 천연 가스, LNG 및 차가운 담수 및 차갑고 건조한 공기가 동시 발생하는 재-가스화 장치에서, 상기 장치에 열 에너지를 제공하는 유체가 내부로 흐르도록 구성되고, 그 외부면 상에서 상기 중간 유체의 액체 상을 증발시키고, 적어도 하나의 LNG 증발관을 통과하도록 되어, 외부면 상에서 중간 유체의 기체상은 응축되고, 그 내부에서 LNG 는 가열되고 상변화되어, 재-가스화된 NG는 약 섭씨 5도를 넘는 온도까지 가열된다.
도 1에 도시된 바와 같이, LNG 재-가스화 장치는 중간 유체 증발관(3)의 내부면이 마이크로 슬롯, 마이크로 그루브, 소결 또는 다른 모세관 구조의 층에 의해 적어도 부분적으로 덮여있다. 중간 유체 증발관(3) 내부를 흐르는 유체는 습한 공기이며, 이러한 습한 공기에 함유된 수증기는 마이크로 슬롯, 마이크로 그루브, 소결 또는 중간 유체 증발관(3)의 내부면을 적어도 부분적으로 덮는 다른 모세관 구조상의 모세관 응축하에 적어도 부분적으로 응축된다. 중간 유체 증발관(3) 내부를 흐르는 습한 공기도 공기와 물의 현열을 발생한다. 중간 유체 증발관(3) 내부에서 방출된 잠열 및 현열의 적어도 일부는 중간 유체 증발관(3)의 벽을 통과하여 중간 유체 증발관(3)의 외부면상의 중간 유체의 액사의 상변화를 위하여 잠열로 적어도 부분적으로 변환된다.
중간 유체 증발관(3)의 내벽에 물이 축적되는 것을 방지하기 위해, 적어도 하나의 배수 동맥(8)이 추가되어 병합 발전 담수를 깔끔하게 흘려 보낸다. 이 담수는 그 현열의 일부를 제공하여 약 5℃ 이하의 저온으로 중간 유체 증발관(3)의 내부를 유지하여 두고 다수의 용도를 위해 장치로부터 멀리 관통된다.
주변 공기를 에너지 원으로 사용하더라도 바닷물을 에너지 원으로 사용할 때 발생하는 환경 문제는 발생하지 않는다.
LNG 재-가스화 장치는 또한 중간 유체(4, 5, 6)가 증발 잠열이 높고 H2O와 같은 양호한 모세관 특성을 갖는 유체, 글리콜 수용액 또는 높은 잠열 및 양호한 모세관 용액 속성의 다른 수용액이며; LNG 증발관(2)의 외부면은 적어도 부분적으로 마이크로슬롯, 마이크로 그루브, 소결 또는 중간 유체의 기상(5)이 모세관 응축 영역 하에서 적어도 부분적으로 응축되는 다른 모세관 구조로 코팅된다. LNG 증발관(2)의 외부면에 고체상태의 중간 유체가 형성되는 것을 피하기 위해, 액체 상태의 중간 유체는 온도가 층화되어 고체상태의 중간 유체가 중간 유체 증발관(2)의 외부면의 표면 상에 형성되는 축적된 액체를 형성하지 않게 된다. 마이크로 슬롯, 마이크로 그루브, 소결 또는 다른 모세관 구조의 설계는 LNG 증발관(2)의 축에 수직인 마이크로 슬롯 또는 마이크로 그루브의 설계로서 LNG 증발관(2)의 외부면 상에서 액상의 응축된 중간 유체가 정확하게 배출되게 하며, 종방향 디플렉터(22)는 LNG 증발관(2)의 외부면의 표면에서 응축된 액상의 중력에 의해 배출되게 하여, 중간 유체 증발관(3) 상에서 또는 밀폐 용기의 저부 상에서 그 액적의 적하(6: drip)를 가능하게 한다.
또한, LNG 장치는 밀폐 용기(1)의 저부에 퇴적된 중간 유체의 액상(4) 중에 중간 유체 증발관(3)이 잠기지 않고, 중간 유체 증발관(3)의 외부면이 밀폐 용기(1)의 저부에 축적된 중간 유체의 액상(4)과 접촉하는 소결 층 또는 다른 모세관 구조의 적어도 일부에 코팅되어, 모세관 작용에 의해 중간 유체의 액상(4)이 상승하여, 중간 유체 증발관(3)의 외부면을 젖게(wet) 한다.
LNG 증발관(2)이 중간 유체 증발관(3)에 평행하게 또는 그 상부에 적어도 부분적으로 위치되면, 중간 유체 증발관(3)의 외부면의 적어도 일부는 LNG 증발관(2)의 외부면으로부터 적하되는 중간 유체(6)의 액상으로부터 공급되는 마이크로슬롯 또는 마이크로 그루브로 덮이게 된다. 마이크로 슬롯, 마이크로 그루브, 소결 또는 중간 유체 증발관(3)의 외부면의 적어도 일부는 덮는 다른 모세관 구조에 위치한 중간 유체의 액상(4, 6)은 적어도 부분적으로 메니스커스 형상으로 배치되며, 이러한 메니스커스의 표면에는 이 곡률의 상부에서 발생하는 높은 유동 증발, 즉 모세관 증발을 가능하게 하는 액체-기체 계면의 곡률이 형성된다.
이러한 설비의 통상적인 높은 출력으로 LNG 재-가스화 설비를 달성하기 위해, LNG 재-가스화 장치는 ORV 장치의 현재 모듈 튜브의 동력과 유사한 각 모듈의 출력을 갖는 모듈 세트의 형태로 구현될 수 있다.
도 2는 컴팩트하게 배열된 여러 모듈로 구성된 LNG 재-가스화 장치를 도시한다. 이러한 이유 때문에 우리는 적어도 하나의 외부 밀폐 용기(1)로 구성된 LNG 재-가스화 장치를 설명하는데, 그 이유는 이것은 다수의 모듈에 의해 형성되고, 그 모듈 각각은 적어도 하나의 중간 유체 증발관(3)과 적어도 하나의 LNG 증발관(2)을 갖는 적어도 하나의 외부 밀폐 용기(1)를 구비하기 때문이다.
도 2는 LNG에 병렬로 공급되는 LNG 재-가스화 장치의 4 개 모듈 구성에서의 LNG 증발관(2)의 높이에서의 절단 단면의 평면도를 도시하며, 이들 각각의 모듈에서 천연 가스(NG)가 재-가스화를 통해 추출된다.
수평으로 작업하면 LNG 재-가스화 장치 모듈을 쌓아서, LNG 재-가스화 장치의 유지 보수 및 제어를 위해 양끝에서 쉽게 접근할 수 있는 컴팩트 한 디자인을 구현할 수 있다.
이러한 모듈식 실시예는 LNG 재-가스화 장치의 더 많거나 적은 수의 모듈로 공식화 될 수 있고, 제조 비용이 낮고, 운영 비용이 낮으며, 시동 및 정지가 용이하여 환경에 주는 영향을 극히 감소하면서도 요구에 부합하는 천연가스의 제조 수요에 따라 설비의 제조를 신속하게 조절할 수 있게 되는 LNG 재-가스화 장치를 얻을 수 있게 된다.
도 3은 가습기(9)에 의해 습기가 제공된 주변 공기(8)로부터 나오는 습기(10)로 충전된 주변 공기와 병렬로 공급되는 LNG 재-가스화 장치의 4 개 모듈 구성에서의 중간 유체 증발관(3)의 높이에서의 절단 단면의 평면도를 도시한다.
습한 공기(10)에 함유된 수증기는 모듈을 따라 순환하는 적어도 하나의 중간 유체 증발관(3)에서 응축되어 냉각되고, 최종 냉기(11) 및 차가운 담수(12)는 후속 사용을 위해 채널링 된다. 이러한 냉기(11)와 차가운 담수(12)의 동시 발생은 재-가스화 과정에서 생성된 냉각의 정확한 관리를 가능하게 하며, 이러한 냉각은 해양 환경에 부어지면 발생하는 환경 문제를 일으키지 않으면서 다양한 용도로 재활용 될 수 있다.
주변 공기의 가습기(9)는 해수의 얇은 층, 주변 공기의 해수 샤워 또는 다른 가습 시스템을 통해 공기를 버블링함으로써 해수를 사용할 수 있다. 이 가습 공기의 처리는 해수를 식힐 필요없이 실행될 수 있다. 해수의 일부가 기상으로 들어가고 공기를 가습하는 데 필요한 잠열은 대기로부터의 현열의 기여로 보완될 수 있어, 해양 환경으로 돌아가는 해수의 온도에 매우 작은 변화를 일으키게 된다.
주변 대기 온도가 해수 온도보다 높고 LNG 재-가스화 장치의 담수 동시 생성 용량이 증가되는 경우, LNG 재-가스화 장치는 대기와 해수 사이에 열 교환 장치를 포함하며, 샤워 시스템 또는 다른 장치는 해수의 온도가 상승하게 하며, 주변 공기가 습기로 포화되게 한다. 이와 같이 가열된 해수는 해수 담수화 장치의 열원으로 사용될 수 있으며, 습도로 포화된 공기는 LNG의 재-가스화를 위한 열원으로 사용될 수 있다.
이 과정에서 응축된 담수와 마찬가지로, LNG 재-가스화 과정이 끝날 때 공기가 차가워지게 된다. 따라서, 담수 생성은 담수화 공정으로부터의 열원으로서 주변 공기와 함께 가열된 해수를 사용하고, 냉기 및/또는 차가운 해수를 LNG 재-가스화 공정으로부터의 에너지 싱크(sink)로 사용하여 다중 효과 증류 공정에서 배가될 수 있다.
주변 공기와 함께 가열된 해수와 찬 공기 또는 공동 생성된 차가운 담수 사이의 열적 점프(thermal jump)는 약 25 내지 30℃ 범위에 놓일 수 있으며, 이 열적 점프로 인하여 복수의 증발 및 응축 과정은 LNG 재-가스화 장치가 참조로 여기에 통합된 특허 출원 PCT/ES2015/070344에 설명된 바와 같이 열효율이 좋은 장치에 결합되는 경우에 LNG 재-가스화 장치의 담수 동시 발생 능력을 배가시킴으로써 수행되게 된다.
도 4는 동절기 동안에 대기 공기가 충분한 에너지 및 수증기를 담기에는 너무 차가운 경우 비-적도 지역의 동절기에 사용하게 되는 도 3에 도시된 바와 같은 LNG 재-가스화 장치의 4 개의 모듈의 구성에서, 중간 유체 증발관(3)의 높이에서 절단된 부분의 평면도를 도시하되, LNG 재-가스화 장치는 해수와 같은 습한 대기 공기, 연소로부터의 잔류 유도 또는 다른 에너지원으로부터의 에너지를 가진 중간 유체와는 다른 유체(14)인 열원으로써 작동되는 선택적인 공급 시스템을 가지되, 상기 LNG 재-가스화 장치는 선택적인 유체를 재순환하거나 부어주기(pour) 위한 하나의 특정 경로(13)에 배기 시스템을 구비한다.
겨울철에 해수와 같은 습기가 많은 주위 공기 이외의 유체가 공급되는 경우, 중간 유체 증발관(3)의 내부면의 열 계수는 중간 유체 증발관(3)에서 순환하는 유체가 습기가 많은 주위 공기일 때의 열 계수보다 낮아지게 되어, LNG 재-가스화 장치의 총 출력을 유지하기 위해 동절기에 추가 모듈을 구비하거나 겨울철 최대 수요를 위한 지지 가스 연소 시스템을 추가하는 것이 가능하다.
도 5는 LNG 증발관(2) 및 중간 유체 증발관(3)의 종단면, 습한 주변의 공기(15)의 공급, LNG 공급 덕트의 단면, 천연 가스(NG)의 추출 및 응축된 물(12)과 차가운 공기(11)의 추출을 보다 잘 이해하고 도시하기 위해 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 LNG 재-가스화 장치의 모듈의 종단면을 도시한다.
LNG는 -163℃ 부근에서 LNG 증발관(2)에 공급되고, LNG 증발관(2)은 약 5℃ 이상으로 유지된다. 이러한 열 점프가 수반하는 열 응력을 줄이기 위해, LNG 재-가스화 장치 또는 LNG 재-가스화 장치를 구성하는 모듈은 둘 이상의 외부 밀폐 용기(25, 27, 29)에 의해 도 8에 도시된 바와 같이 구획될 수 있다. 이 구획은 각 구획에서 중간 유체의 작동 온도 범위를 제한하고, 각 구획의 작동 온도 체계를 안정화하여 열 전달을 최적화한다. 각각의 구획부는 특정한 열 요건을 위해 특정 중간 유체(26, 28, 30)를 가질 수 있다.
LNG 재-가스화 과정에는 기본적으로 3가지 구간이 존재하는데, 첫번째로, -163℃에서 LNG가 받게 되는 압력에 상응하는 상 변화 온도까지의 LNG 가열 구간, 그 다음, 등온 상변화 구간, 그리고 마지막으로, 약 5℃ 이상의 온도까지 결과적인 천연 가스(NG)의 최종 가열 구간이 그것이다. 이 세번째 구간에서, 천연 가스(NG)는 이미 기상 상태에 있으며, 구획화는 LNG 증발관(2)가 가스상의 천연 가스(NG)의 요구에 적응하기 위해 그 구간(31)을 적응 시키거나 여러 개의 튜브로 갈라지게 한다. 구획화는 다른 온도 범위를 사용하여 수행할 수 있다. 구획화는 LNG 재-가스화 장치의 온도 스트레스를 감소시키고, 따라서 재료 요구 조건 면에서 저렴해진다. 구획화는 팽창 터빈, 제어 밸브 또는 응축된 담수 또는 냉기 배출을 위한 시스템 및 습한 공기를 공급하기 위한 추가적인 시스템과 같은 구획부들 간에 유체 제어 및 관리 장치를 삽입할 수 있게 한다.
LNG 재-가스화 장치는 다른 극저온 액체의 재-가스화에 사용될 수 있으며 다른 액체와의 다른 열교환 공정에도 사용될 수 있다.
1: 밀폐 용기 2: LNG 증발관
3: 중간 유체 증발관 4, 6: 액상
10: 습한 공기

Claims (11)

  1. 액화 천연 가스(LNG) 및 냉담수(cool fresh water)와 냉건조기체의 공동 생성을 위한 재-가스화 장치로서,
    액체 및 기체상의 중간 유체를 탑재하는 적어도 하나의 외부 밀폐 용기(1)를 포함하되, 상기 외부 밀폐 용기는 적어도 하나의 중간 유체 증발관 및 적어도 하나의 LNG 증발관에 의해 교차되며,
    상기 중간 유체 증발관의 내부에서, 상기 장치에 칼로리 에너지를 제공하는 유체가 유동하며, 상기 중간 유체 증발관의 외부면 상에서 상기 중간 유체의 액상이 증발하며,
    상기 LNG 증발관의 외부면 상에서 상기 중간 유체의 기상이 응축되고, 상기 LNG 증발관의 내부에서 LNG 가 가열되고 상변화하며, 재-가스화된 천연 가스(NG)는 약 5℃를 초과하는 온도까지 가열되는, 재-가스화 장치에 있어서,
    적어도 하나의 중간 유체 증발관(3)의 내부로 흐르는 유체는 습윤 공기이고, 적어도 하나의 중간 유체 증발관(3)의 내면은 마이크로 슬롯, 마이크로 그루브, 소결, 또는 습윤 공기에 함유된 수증기가 적어도 부분적으로 모세관 응축 영역 아래에서 응축되는 다른 모세관 구조와 적어도 부분적으로 코팅되는 것을 특징으로 하는 재-가스화 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 중간 유체 증발관(3)은 중간 유체 증발관(3)의 내벽에 응축수를 위한 배출 동맥부(8)을 구비하는 것을 특징으로 하는 재-가스화 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 중간 유체는 증발 잠열이 높고 물(H2O), 수용액 등의 높은 모세관 성능을 가진 유체인 것을 특징으로 하는 재-가스화 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    LNG의 적어도 하나의 증발관(2)의 외부면의 적어도 일부가 마이크로 슬롯, 마이크로 그루브, 소결 또는 다른 모세관 구조로 코팅되어, 중간 유체의 기상(5)의 응축은 LNG의 증발관(2)의 외부면 상의 모세관 응축 영역에서 적어도 부분적으로 발생되는 것을 특징으로 하는 재-가스화 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    밀폐 용기(1)의 저부로부터 상기 중간 유체의 액상(4)의 모세관 상승을 위하여, 상기 중간 유체 증발관(3)의 외부면 상에서 상기 LNG 증발관(2)의 외부면 으로부터 적하되는 중간 유체의 색상(6)의 분배를 위하여, 그리고 고유동 증발, 모세관 증발이 일어나는 상부 단부에서 액체-기체 계면의 만곡이 일어나는 상기 중간 유체의 액상(4, 6)의 메니스커스의 형성을 위하여, 하나 이상의 중간 유체 증발관(3)의 외부면의 적어도 일부분은 소결 또는 다른 모세관 구조체(7)에 의해 덮이는 것을 특징으로 하는 재-가스화 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 중간 유체 증발관(3)의 외부면의 적어도 일부는 작동 유체(6)의 액상의 메니스커스가 형성되고 메니스커스의 단부에서 액체-기체 계면 만곡부로부터 고-유동 증발이 일어나는 마이크로슬롯 또는 마이크로그루브에 의해 덮이는 것을 특징으로 하는 재-가스화 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 LNG 재-가스화 장치의 모듈들 중 적어도 하나는 각 범위의 열적 요구 및 관리에 적합한 중간 유체(26, 28, 30)를 갖는 서로 다른 온도 범위 내에서 작동하는 2 개 이상의 구획부(25, 27, 29)로 구획되며, 유체 제어 장치는 상기 구획부들 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 재-가스화 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 LNG 재-가스화 장치는 중간 유체 증발관(3) 내부를 흐르는 습윤 공기와 혼합된 수증기 함량을 증가시키기 위한 공기 가습 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 재-가스화 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 LNG 재-가스화 장치는 습한 주위 공기 이외의 열원(14)으로서 작용하는 유체의 공급 시스템 및 상기 유체를 배출 또는 재순환(13)하기 위한 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 재-가스화 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재-가스화 장치는 LNG 이외의 극저온 유체를 재-가스화 시키는데 사용되는 것을 특징으로 하는 재-가스화 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 재-가스화 장치는 수증기 이외의 기상의 유체와 LNG 이외의 유체 사이에서 열을 교환하는 데 사용되는 것을 특징으로 하는 재-가스화 장치.
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