KR20190134056A

KR20190134056A - Lng 저장탱크 및 lng 저장탱크의 쿨다운 방법

Info

Publication number: KR20190134056A
Application number: KR1020180059221A
Authority: KR
Inventors: 송성섭; 안희영; 김정우; 김현성
Original assignee: (주)동성화인텍
Priority date: 2018-05-24
Filing date: 2018-05-24
Publication date: 2019-12-04
Also published as: KR102085769B1

Abstract

본 발명은 LNG 저장탱크 및 LNG 저장탱크의 쿨다운 방법을 제공한다.

Description

LNG 저장탱크 및 LNG 저장탱크의 쿨다운 방법{LNG Storage Tank And Cool-Down Method of LNG Storage Tank}

본 발명은 LNG 저장탱크 및 LNG 저장탱크의 쿨다운 방법에 관한 것이다.

LNG(Liquified Natural Gas; 액화천연가스)는 메탄을 주성분으로 하는 천연가스를 섭씨 영하 162도로 냉각, 가압하여 액화시킨 것을 말한다. LNG는 가스상태인 천연가스 자체에 비하여 부피가 약 1/600로 압출된 것이므로 저장 및 수송이 용이하여 널리 이용된다.

LNG는 천연가스를 극저온으로 냉각하고 가압한 것이므로 운반하거나 저장할 때에도 이러한 극한 환경에 견딜 수 있는 LNG 전용탱크('LNG 저장탱크', '화물창'이라고도 함)를 이용하여야 한다.

이러한 LNG 저장탱크는 LNG 수송선, LNG RV(Regasification Vessel) 뿐 아니라 LNG FPSO, LNG FSRU 등의 해상 구조물 등에도 사용된다.

LNG 저장탱크에 보관되는 LNG는 극저온의 상태이므로 극저온의 LNG를 바로 선적하면 급격한 온도 변화에 의하여 LNG 저장탱크가 파손될 우려가 있다.

이러한 점을 방지하기 위해서는 LNG 저장탱크를 미리 냉각하는 과정, 즉, 쿨다운 과정을 거칠 필요가 있다.

종래에는 이를 위하여 LNG 저장탱크에 홀드 스페이스, 단열재, 보냉 공간을 포함하는 벽체를 갖도록 구성하였으나 탱크 내부의 형상이 복잡해 쿨다운시 많은 시간과 비용이 소요되는 문제가 있었다.

또한 공개특허공보 제2015-0057782호에는 저온 액체화물 저장탱크의 쿨다운 방법이 개시되어 있다. 상기 문헌에서는 저장탱크 벽체 내에 가온 및 감온 장치를 설치하여 저장탱크 내부를 쿨다운 또는 워밍업을 하는 방법이 개시되어 있다. 공개특허공보 제2016-0022538호에도 LNG 저장탱크의 쿨다운 시스템 및 방법이 개시되어 있다. 이 문헌에는 스프레이 노즐을 통하여 LNG를 LNG 저장탱크 내부로 직접 분사하여 LNG 저장탱크를 냉각시키는 쿨-다운 시스템이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 방법들은 여전히 쿨다운에 많은 시간이 소요되며 적지 않은 양의 LNG가 필요하다는 문제점이 있다.

공개특허공보 제2015-0057782호

공개특허공보 제2016-0022538호

본 발명의 목적은 LNG 저장탱크의 상부와 하부의 온도 구배를 낮춤으로써 빠른 시간안에 LNG 소모량을 줄이면서도 효율적으로 쿨다운 시킬 수 있는 LNG 저장탱크 및 이를 이용한 LNG 저장탱크의 쿨다운 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 이러한 LNG 저장탱크용 단열 모듈을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 예는 단열층, 액체질소가 유입될 수 있는 액체질소 유입구, 기체질소가 유출될 수 있는 기체질소 유출구를 포함하는 LNG 저장탱크로서, 상기 단열층은 LNG 저장탱크의 상부에 구비되며, 상기 액체질소 유입구는 액체질소가 흡착될 수 있도록 상기 단열층에 연결되고, 상기 기체질소 유출구는 흡착된 액체질소가 기체로 상변이되어 외부로 유출될 수 있도록 상기 단열층에 연결되는 LNG 저장탱크를 제공한다.

본 발명의 다른 일 예는 상기 LNG 저장탱크를 포함하는 해상 구조물 또는 LNG 운반선을 제공한다.

본 발명의 다른 일 예는 LNG 저장탱크 상부 단열부에 액체질소를 주입하는 단계를 포함하는 상기 LNG 저장탱크의 쿨다운 방법을 제공한다.

본 발명의 또다른 일 예는 LNG 저장탱크의 단열층에 액체질소를 주입하여 LNG 저장탱크를 쿨다운하는 단계, 쿨다운 완료 후 LNG를 선적하는 단계를 포함하는 LNG 저장탱크의 치환 방법을 제공한다.

본 발명의 또다른 일 예는 단열층을 포함하는 LNG 저장탱크용 단열 모듈로서, 상기 단열층은, 1) 상기 단열층에 액체질소가 흡착될 수 있도록, 액체질소 유입구와 연결되고, 2) 상기 단열층에 흡착된 액체질소는 상변화되어 기체질소로 외부로 유출할 수 있도록, 기체질소 유출구와 연결되며, 3) LNG 저장탱크의 상부에 구비되는, LNG 저장탱크용 단열 모듈을 제공한다.

본 발명에 의하면, LNG 저장탱크의 내부 온도 구배를 조절할 수 있어 LNG 쿨다운에 있어서 LNG 소모량을 줄일수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, LNG 저장탱크의 온도를 효과적으로 낮출 수 있으며 단열 효과도 향상시킬 수 있다. 이에 따라 본 발명에서는 LNG 저장탱크의 쿨다움에 소요되는 시간, 비용을 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 예에 따른 LNG 저장탱크를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 다른 일 예에 따른 LNG 저장탱크를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 다른 일 예에 따른 LNG 저장탱크의 상부에 적용되는 에어로겔을 함유하는 단열모듈을 나타낸다.

이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 LNG 저장탱크를 설명한다.

[LNG 저장탱크]

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 예에 따른 LNG 저장탱크(100)는 단열층(110), 액체질소가 유입될 수 있는 액체질소 유입구(120), 기체질소가 유출될 수 있는 기체질소 유출구(130)를 포함하는 LNG 저장탱크(100)로서, 상기 단열층(110)은 LNG 저장탱크(100)의 상부에 구비되며, 상기 액체질소 유입구(120)는 액체질소가 흡착될 수 있도록 상기 단열층(110)에 연결되고, 상기 기체질소 유출구(130)는 흡착된 액체질소가 상변화되어 외부로 유출될 수 있도록 상기 단열층(110)에 연결된다.

단열층(110)은 LNG 저장탱크(100)의 상부에 구비된다.

단열층(110)이 LNG 저장탱크(100)의 상부에 구비되면 액체질소가 LNG 저장탱크(100) 내부로 유입시 LNG 저장탱크(100) 상부와 하부의 온도구배를 줄일 수 있다.

이하에서 LNG 저장탱크에 액체질소가 유입되는 과정을 자세히 살펴보면 다음과 같다.

먼저 LNG 저장탱크(100) 내부로 액체질소가 유입된다. 유입된 액체질소는 LNG 저장탱크(100)로부터 열을 얻어 기화된다. 즉, 액체질소는 기화에 필요한 열(기화열)을 LNG 저장탱크(100)로부터 얻는다. 이에 따라 열이 손실된 LNG 저장탱크(100)는 내부 온도가 낮아진다. 이에 따라 LNG 저장탱크(100)가 쿨다운된다.

본 발명의 일 예에 따르면, 단열층(110)은 LNG 저장탱크(100)의 상부에 구비되어 있다. 따라서, LNG 저장탱크(100) 내부에서도 특히 상부의 온도가 낮아진다. 이와 같이 LNG 저장탱크(100)의 상부는 온도가 낮아지고 하부는 상대적으로 온도가 높게 되므로 LNG 저장탱크(100) 내부의 공기가 자연스럽게 순환되어 전체적으로 LNG 저장탱크(100) 내부의 에너지 구배가 크지 않게 된다. 본 발명의 일 예에 따르면 이러한 구조적 특성으로 인하여 기화시 LNG가 소모되는 양을 줄일 수 있다는 장점이 있다.

액체질소 유입구(120)는 액체질소가 LNG 저장탱크(100)로 유입되는 입구이다. 액체질소 유입구(120)는 액체질소가 단열층(110)의 기공에 흡착될 수 있도록 단열층(110)에 연결된다. 액체질소 유입구(120)와 단열층(110)은, 액체질소가 단열층(110), 특히, 단열층의 기공에 흡착될 수 있는 한, 직접적으로 연결될 수도 있고, 간접적으로 연결될 수도 있다. 액체질소 유입구(120)가 단열층(110)에 바로 연결되어 있으므로 액체질소 유입구(120)를 통하여 유입되는 액체질소는 단열층(110)에 흡착될 수 있다.

기체질소 유출구(130)는 흡착된 액체질소가 LNG 저장탱크(100)로부터 외부로 유출되는 출구이다. 기체질소 유출구(130)는 상변화된 액체질소, 즉 기체질소가 외부로 유출될 수 있도록 단열층(110)에 연결된다. 액체질소 유입구(120)을 통하여 유입된 액체질소는 단열층(100)에 흡착되고, LNG 저장탱크(100)로부터 열을 빼앗아 기화된다. 기화된 질소는 쿨다운이 종료된 후 기체질소 유출구(130)를 통하여 외부로 유출될 수 있다. 이와 같이 외부로 유출되는 질소가 기체상태의 질소이므로 '유출구'를 '기체질소 유출구'(130)로 표현한다.

단열층(110)은 기공(open pore)을 포함하는 것이 바람직하다. 단열층(110)이 기공을 포함하면 액체질소가 기공에 흡착될 수 있다. 액체질소가 기공에 흡착되면 기화가 어려워지고 이에 따라 액체질소 기화에 더 많은 기화열이 요구될 수 있다. LNG 저장탱크의 열손실이 더 커지게 되므로 냉각효과가 더 높아질 수 있다.

냉각효과를 고려할 때 단열층(110)은 기공율을 90% 이상 갖는 것이 바람직하며, 95% 이상 갖는 것이 더 바람직하다.

단열층(110)에 사용되는 재료는, 비용적이 2~6cc/g인 나노기공을 단열층 전체 부피를 기준으로 10~50% 포함하는 것이 바람직하다. 여기서, 나노기공이란 1~100nm의 크기를 갖는 기공을 말한다. 나노기공의 경우 기공의 크기가 작으므로 액체질소의 흡착효과가 더 커진다. 나노기공은 모세관력 또는 물리적인 흡착에 의하여 액체질소의 기화를 더 어렵게 하여 액체질소가 기화되는데 더 많은 열을 요구한다. 그러므로 나노기공을 구비한 단열층은 LNG 저장탱크(100)의 온도를 낮추는데 더 효과적이다.

도 2는 본 발명의 다른 일 예에 따른 LNG 저장탱크(100)를 나타낸다.

상기 LNG 저장탱크(100)에서 단열층(110)은 에어로겔(150)을 포함하는 것이 바람직하다.

에어로겔(aerogel)은 겔의 구조를 그대로 유지한 상태에서 겔 구조 내의 액체를 공기로 치환하여 얻은 다공성의 나노구조체이다. 에어로겔은 90% 이상의 기공율과 1~100 nm 범위의 기공크기를 갖는 나노입자로 이루어져 있다. 에어로겔은 나노입자의 기공이 공기분자를 붙잡아 두어 열 흐름을 방해하는 구조로 되어 있으므로 단열성이 우수하다. 에어로겔은 초경량, 초단열, 초저유전의 특성을 가지며, 단열재로서는 특히 종래 스티로폼 등의 유기 단열재보다 열전도성이 낮을 뿐 아니라(0.300 W/m·K 이하), 화재 취약성 면에서도 장점이 있다.

일반적으로 에어로겔은 물유리, TEOS 등의 실리카 전구체로부터 하이드로겔을 제조하고, 하이드로겔 내부의 액체성분을 미세구조 파괴 없이 제거하여 제조된다.

에어로겔은 예를 들면 분말의 형태로 제조된 다음 섬유와 복합화하여 에어로겔 블랭킷(blanket) 또는 에어로겔 시트(sheet) 등의 형태로 만들어질 수 있다.

여기서 에어로겔 블랭킷은 예를 들면 섬유 등과 같은 블랭킷용 기재에 에어로겔이 함침된 물질을 나타낸다. 이러한 에어로겔 블랭킷은 겔 캐스팅(Gel casting) 방법 또는 에어로겔 파우더나 과립을 제조한 뒤 바인더를 이용하여 블랭킷용 기재에 침적시키는 방법 등에 의하여 제조될 수 있다.

본 발명의 일 예에서 에어로겔은 에어로겔 분말, 에어로겔 과립, 또는 에어로겔 블랭킷으로 형성될 수 있고, 에어로겔 보드로 형성될 수도 있으며, 또는 이들 모두로 이루어질 수 있다.

본 발명의 다른 일 예에 따른 LNG 저장탱크(100)에서 기공을 포함하는 단열층은 에어로겔(150)외에 단열재(160)를 추가로 포함하는 것이 바람직하다. 도 2에 도시된 바와 같이 단열층(110)은 에어로겔(150)과 단열재(160)을 포함하여 이루어질 수 있다. 액체질소 유입구는 액체질소가 에어로겔(150)에 흡착될 수 있도록 에어로겔(150)로 이루어진 층에 연결되고, 기체질소 유출구(130)는 에어로겔(150)에 흡착된 액체질소가 상변화되어 기체질소로 외부로 유출될 수 있도록 에어로겔(150)로 이루어진 층에 연결된다.

LNG 저장탱크(100)의 측면 및/또는 하부에는 단열벽(140)이 구비될 수 있다. 상기 단열벽(140) 내부에는 가열 열원 또는 냉각 열원 또는 이들 모두가 구비될 수 있다.

[LNG 쿨다운 방법]

본 발명의 다른 예는 LNG 저장탱크(100)의 상부 단열층(110)에 액체질소를 주입하는 단계를 포함하는 상기 LNG 저장탱크(100)의 쿨다운 방법이다(도 1 참조). 도 2에서는 단열층(100) 중 에어로겔(150)에 액체질소가 주입된다.

쿨다운 과정은 다음과 같다.

(1) 액체질소 주입

액체질소 유입구(120)를 통하여 LNG 저장탱크(100)의 단열층(110)(또는 에어로겔(150))로 액체질소를 주입한다.

(2) 액체질소 흡착

LNG 저장탱크(100)의 단열층(130)(또는 에어로겔(150)로 이루어진 층)에 주입된 액체질소가 흡착된다.

(3) 액체질소의 기화

LNG 저장탱크(100)로 도입된 액체질소는 LNG 저장탱크(100)로부터 열을 흡수하여 기화된다. 액체질소가 기화될 때 필요한 열량은 약 200kJ/kg이다. 액체질소는 이러한 열을 LNG 저장탱크로부터 흡수하여 기화된다.

(4) LNG 저장탱크(100) 상부의 냉각

액체질소의 기화와 동시에 액체질소로부터 기화열을 빼앗긴 LNG 저장탱크(100)는 냉각되어 온도가 낮아지게 된다.

(5) LNG 저장탱크(100)의 온도구배 조절

LNG 저장탱크(100)의 상부가 냉각됨에 따라 저장탱크(100) 하부의 따뜻한 공기가 상부로 이동하고 상부의 차가운 공기가 하부로 이동하여 저장탱크(100) 내에서 공기가 순환됨으로써 온도 구배가 조절된다.

[LNG 치환 방법]

본 발명의 또다른 태양은 LNG 저장탱크(100) 상부 단열부(130)에 액체질소를 주입하여 LNG 저장탱크(100)를 쿨다운하는 단계, 쿨다운 완료 후 LNG를 선적하는 단계를 포함하는 LNG 저장탱크(100)의 치환 방법이다. LNG 저장탱크의 치환에 사용되는 기타 공정은 당업계에 통상적으로 알려진 공정이 사용될 수 있다. LNG 선적 단계 이후에 액체질소를 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.

본 발명의 일 예에 따른 LNG 저장탱크는 액화가스를 해상에서 수송하거나 보관하기 위하여 예를 들면, LNG 수송선, LNG RV(Regasification Vessel) 뿐 아니라 LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Offloading), LNG FSRU(Floating Storage and Regastification Unit) 등의 부유식 해상 구조물에도 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 일 예는 단열층을 포함하는 LNG 저장탱크용 단열 모듈로서, 상기 단열층은, 1) 상기 단열층에 액체질소가 흡착될 수 있도록, 액체질소 유입구와 연결되고, 2) 상기 단열층에 흡착된 액체질소는 상변화되어 기체질소로 외부로 유출될 수 있도록, 기체질소 유출구와 연결되며, 3) LNG 저장탱크의 상부에 구비되는, LNG 저장탱크용 단열 모듈을 제공한다.

도 3은 본 발명의 일 예에 따른 LNG 저장탱크에 적용되는 에어로겔을 함유하는 단열모듈(110)을 나타낸다.

상기 단열모듈(110)은 제1단열재(151)와 제2단열재(161)를 포함할 수 있다. 더 구체적으로 제1단열재(151)로 이루어진 층과 제2단열재(161)로 이루어진 층을 포함할 수 있다.

제1단열재(151)로는 예를 들면 에어로겔을 들 수 있다. 상기 에어로겔은 이미 설명한 바와 같다. 제1단열재(151)로 이루어진 층은 LNG 저장탱크(100)의 내부를 향하여 배치되어 액화천연가스의 단열성을 유지하는 역할을 할 수 있다.

제2단열재(161)로는 예를 들면 글라스 파이버 폴리우레탄이 사용될 수 있다. 제2단열재(161)로 이루어진 층은 단열성을 제공할 뿐 아니라 제1단열재층(151)의 크랙 등으로 인하여 누출되는 액화천연가스에 의하여 선체가 취성 파괴되는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다. 즉, 단열층이 두 층으로 되어 있음으로써 저온에서 발생하는 수축현상을 억제하여 단열성능을 향상시킬 수 있다.

또한 제1단열재(151)로 에어로겔을 사용하는 경우 제1단열재(151)를 제2단열재(161) 보다 더 얇은 두께로 형성할 수 있다. 이에 따라 단열모듈의 무게도 감소시킬 수 있다.

제2단열재(161)로 이루어진 층의 위, 아래에는 패널(162, 163)이 구비될 수 있다. 패널(162, 163)로는 합판(플레이우드, plywood) 또는 철판이 사용될 수 있다.

또한 제2단열재(161)를 수직으로 지지하기 위하여 보강재(152)가 구비될 수 있다. 보강재(152)로는 예를 들면 유리섬유강화플라스틱이 사용될 수 있다. 강성이 충분한 합판, 금속 또는 수지판 등도 사용될 수 있다

이상 본 발명에 따른 LNG 저장탱크 및 LNG 저장탱크의 쿨다운 방법을 예시된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술부냥에서 통상의 지식을 가진 자들에 의하여 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있다.

100: LNG 저장탱크
110: 단열층, 단열모듈
120: 액체질소 유입구
130: 기체질소 유출구
140: 단열벽
150: 에어로겔
151: 재1단열재
152: 보강재
160: 단열재
161: 제2단열재
162, 163: 패널

Claims

단열층,
액체질소가 유입될 수 있는 액체질소 유입구,
기체질소가 유출될 수 있는 기체질소 유출구
를 포함하는 LNG 저장탱크로서,
상기 단열층은 LNG 저장탱크의 상부에 구비되며,
상기 액체질소 유입구는 액체질소가 흡착될 수 있도록 상기 단열층에 연결되고,
상기 기체질소 유출구는 흡착된 액체질소가 기체로 상변화되어 외부로 유출될 수 있도록 상기 단열층에 연결되는 LNG 저장탱크.
제1항에 있어서,
상기 단열층이 기공(open pore)을 구비하는 LNG 저장탱크.
제2항에 있어서,
상기 상기 액체질소 유입구는 액체질소가 기공에 흡착될 수 있도록 상기 단열층에 연결되는 LNG 저장탱크.
제2항에 있어서,
상기 단열층이 90% 이상의 기공율을 갖는 LNG 저장탱크.
제2항에 있어서,
상기 단열층이 95% 이상의 기공율을 갖는 LNG 저장탱크.
제1항에 있어서,
상기 단열층에 사용되는 재료는, 비용적이 2~6cc/g인 나노기공을 단열층 전체 부피를 기준으로 10~50% 포함하는 LNG 저장탱크.
제1항에 있어서,
상기 단열층이 에어로겔을 포함하는 LNG 저장탱크.
제7항에 있어서,
상기 에어로겔은 분말, 과립, 블랭킷, 또는 보드 형태인 LNG 저장탱크.
제1항에 있어서,
상기 단열층이 LNG 저장탱크 내부를 향하여 배치된 에어로겔층과 LNG 저장탱크 외부를 향하여 배치된 단열재층을 포함하는 LNG 저장탱크.
제9항에 있어서,
상기 단열층이 상기 에어로겔층과 상기 단열재층 사이에, 그리고 상기 단열재층 위에 플레이우드, 또는 철판을 포함하는 LNG 저장탱크.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 LNG 저장탱크를 포함하는 해상 구조물.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 LNG 저장탱크를 포함하는 LNG 운반선.
LNG 저장탱크의 단열층에 액체질소를 주입하는 단계
를 포함하는 제1항의 LNG 저장탱크의 쿨다운 방법.
LNG 저장탱크의 단열층에 액체질소를 주입하여 LNG 저장탱크를 쿨다운하는 단계,
쿨다운 완료 후 LNG를 선적하는 단계
를 포함하는 제1항의 LNG 저장탱크의 치환 방법.
제14항에 있어서,
LNG 선적 단계 이후에 액체질소를 제거하는 단계를 포함하는 LNG 저장탱크의 치환 방법.
단열층을 포함하는 LNG 저장탱크용 단열 모듈로서,
상기 단열층은,
1) 상기 단열층에 액체질소가 흡착될 수 있도록, 액체질소 유입구와 연결되고,
2) 상기 단열층에 흡착된 액체질소는 상변화되어 기체질소로 외부로 유출될 수 있도록, 기체질소 유출구와 연결되며,
3) LNG 저장탱크의 상부에 구비되는,
LNG 저장탱크용 단열 모듈.