KR20200023359A - 천연 가스 또는 바이오 가스의 액화 장치 및 방법 - Google Patents

천연 가스 또는 바이오 가스의 액화 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

천연 가스 또는 바이오 가스의 액화 방법(300)은 하기 단계를 포함한다:
- 기화된 냉매 혼합물의 1차 압축 단계(305),
- 압축된 냉매 혼합물을 냉각시키는 1차 열적 교환 단계(310),
- 냉각된 냉매 혼합물의 팽창 단계(315),
- 기화된 이산화탄소의 2차 압축 단계 (320),
- 압축된 이산화탄소를 냉각시키는 2차 열적 교환 단계(325),
- 다음의 1차 열교환 단계 (330):
- 가스를 냉각시키기 위하여 가스와 팽창된 냉매 혼합물 사이의 열교환(330a), 상기 기화된 냉매 혼합물은 1차 압축 단계로 공급됨,
- 이산화탄소를 냉각시키기 위하여 팽창된 냉매 혼합물과 냉각된 이산화탄소 사이의 열교환(330b), 상기 냉각된 이산화탄소는 이산화탄소의 팽창 단계로 공급됨,
- 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 이산화탄소 사이의 열교환(330c), 상기 기화된 이산화탄소는 2차 압축 단계로 공급됨, 및
- 상기 1차 열교환 단계에서 냉각된 이산화탄소의 팽창 단계(335), 상기 팽창된 이산화탄소는 1차 열교환 단계로 공급됨.

Description

천연 가스 또는 바이오 가스의 액화 장치 및 방법
본 발명은 천연 가스 또는 바이오 가스를 액화시키는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 특히 액화된 천연 가스, 천연 가스의 액화, 천연 가스의 수송, 바이오 가스의 분야 및 증발 가스의 액화 분야에 적용된다.
가스의 액화는 비액화 천연 가스의 운송에 비해 더 적은 부피로 천연 가스의 운송을 가능하게 한다.
최근 수십 년 동안, 액화 기술은 규모의 경제성을 이유로 가스의 대용량을 목적으로 해왔다.
여기에 이용되는 기술들의 실시에는 매우 큰 투자가 요구되고 운송 비용도 매우 상당하다(해상 액화 및 수용 인프라). 즉, 한편으로는, 규모의 경제성을 얻기 위해 그리고 이러한 프로젝트의 경제성을 더욱 매력적으로 만들기 위해, 액화 용량의 경향은 운송되는 천연 가스 부피를 증가시키는 것이었다. 다른 한편으로, 이러한 기술들을 실시하기 위해 실현된 투자들은 이러한 용량산출 (dimensioning) 및 그 이후의 운영 비용을 최소화시키기 위해 가능하면 더욱 효과적이어야 하는 액화 공정의 구성을 목적으로 해왔다.
오늘날, 대규모 프로젝트의 수는 급격히 감소하고 있으며, 천연 가스 또는 바이오 가스로부터 액화 천연 가스의 소용량 생산에 대한 관심이 새로워지고 있다.
실제로, 소량의 가스원, 치명적인 가스 및 바이오 가스의 가치설정(valorisation)은 대중 및 정부의 환경 인식이나 가스 수송 및/또는 배포 인프라가 없는 지역에서 고립된 소비자에게 도달하려는 욕구에 의해 특히 촉진되는 새로운 기회이다. 그럼에도 불구하고, 이러한 기회는 너무 작아서 대규모 생산을 목적으로 하는 기술들의 채택을 정당화시킬 수 없기 때문에 (전통적인 기술의 치환은 너무 복잡하기 때문에 적절하지 않으며 새로운 프로젝트의 경제적 실행 가능성을 정당화시켜주지 않음), 소규모 액화에 관한 세가지 주요 과제를 충족시킬 수 있는 새로운 기술을 제안할 필요가 있다:
- 운영 비용을 최소화하기 위해, 가능한 한 높은 효율을 유지하면서 투자 비용을 가능한 한 감소시킴,
- 공정 효율을　증가시켜 제품의 손실을 최소화함: 가치설정될 가스 부피는 적어서, 각각의 분자(molecule)를 중요하게 만듦, 및
- 상기 기술들의 도시에 더 가까운 근접성으로 인한 건강상, 환경상 및 보안상 위험의 감소 및 상기 기술들의 환경상 흔적의 감소.
세 가지 유형의 액화 공정이 공지되어 있다:
- 냉매의 상변화를 갖는 폐쇄 사이클 공정으로서, 상기 냉매는 효율을 개선시키기 위해 순수한 물질 또는 냉매 혼합물일 수 있는 공정,
- 냉매가 기체 상태로 유지되는 브레이톤(Brayton) 폐쇄 사이클 또는 팽창("팽창　사이클") 공정, 및
- 개방 사이클 공정으로서, 냉기(cold)는 생성되는 것이 아니라 외부 매질, 대표적으로는 액체 질소에 의해 도입됨, 및 여기서 천연 가스의 액화는 기화될 냉매질(cold medium)과의 단순 열교환으로부터 생기고; 이런 유형의 공정은 일반적으로 실험실에서나 성능은 거의 없어도 단순성이 많이 필요한 매우 일시적인 적용(punctual application)에 사용되는 공정.
상변화를 갖는 폐쇄 사이클 공정은 상당한 자본 투자가 필요하고, 거액의 설비 투자가 필요하고, 그들의 실시가 복잡하고 대형 장비가 필요하다는 단점이 있다.
브레이톤 공정은 중간 내지 낮은 에너지 성능을 나타내고, 상당한 자본 투자 및 설비 코스트가 필요하고 대형 장비가 필요하다는 단점이 있다.
개방 사이클 공정은 낮은 에너지 성능을 나타내고 에너지 조달 코스트가 높다는 단점이 있다.
본 발명은 상기 단점의 전부 또는 일부를 해결하는 것을 목표로 한다.
이들 단점의 전부 또는 일부를 해결하기 위해, 본 발명은 일반적인 원리로서 천연 가스 또는 바이오 가스와 냉매 물질 또는 혼합물과의 사이의 연속적인 열 교환에 의한 냉각(cooling)을 갖는 방법 및 장치를 제공한다. 이러한 방식으로, 바이오 가스 또는 천연 가스의 온도는 상기 바이오 가스 또는 천연 가스의 액화까지 점차적으로 낮아진다.
바람직하게는, 상기 냉각(cooling)은 천연 가스 또는 바이오 가스와 냉각된 순수한 냉매 화합물 사이의 열 교환에 의한 예비-냉각을 포함한다.
최소한, 상기 냉각은 천연 가스 또는 바이오 가스, 냉매 혼합물 및 냉각된 이산화탄소 사이의 열 교환을 포함한다. 상기 냉각은 바람직하게는 예비-냉각 단계 후에 구현된다.
바람직하게는, 본 발명에서 목적으로 하는 방법 및 장치는, 냉각 단계의 하류에,천연 가스 또는 바이오 가스와 냉각된 냉매 혼합물 사이에, 추가적인 냉각 단계를 포함한다. 추가 냉각 단계 동안 재가열된 상기 냉각된 혼합물은 냉각 단계로 공급된다.
각각의 냉매 화합물 또는 혼합물 및 이산화탄소는 예비-냉각 단계의 하류 또는 냉각 단계의 하류에서 냉각된다.
따라서, 첫 번째 양상에 따르면, 하기를 포함하는 본 발명은 천연 가스 또는 바이오 가스의 액화장치에 관한 것이다:
- 기화된 냉매 혼합물의 1차 압축기,
- 압축된 냉매 혼합물을 냉각시키는 1차 열 교환기,
- 냉각된 냉매 혼합물의 팽창 수단,
- 기화된 이산화탄소의 2차 압축기,
- 압축된 이산화탄소를 냉각시키는 2차 열 교환기,
- 다음의 1차 열교환 본체:
- 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 냉매 혼합물 사이의 열교환, 상기 기화된 냉매 혼합물은 1차 압축기로 공급됨,
- 이산화탄소를 냉각시키기 위하여 팽창된 냉매 혼합물과 냉각된 이산화탄소 사이의 열교환, 상기 냉각된 이산화탄소는 이산화탄소의 팽창 수단으로 공급됨,
- 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 이산화탄소 사이의 열교환, 상기 기화된 이산화탄소는 2차 압축기로 공급됨, 및
- 상기 1차 열교환 본체에서 냉각된 이산화탄소의 팽창 수단, 상기 팽창된 이산화탄소는 1차 열교환 본체로 공급됨.
본 발명의 실시형태에 있어서, 본 발명에서 목적으로 하는 장치는 하기를 포함한다:
- 기화된 순수한 냉매 화합물의 3차 압축기,
- 압축된 냉매 화합물을 냉각시키는 3차 열 교환기,
- 다음의 2차 열교환 본체:
- 냉매 화합물을 냉각시키기 위하여, 팽창된 냉매 화합물과 냉각된 냉매 화합물 사이의 열교환, 상기 냉각된 냉매 화합물은 냉매 화합물의 팽창 수단으로 공급됨,
- 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 냉매 화합물 사이의 열교환, 상기 기화된 냉매 화합물은 3차 압축기로 공급되고 상기 가스는 1차 열교환 본체로 공급됨, 및
- 상기 2차 교환 본체에서 냉각된 냉매 화합물의 팽창 수단, 상기 팽창된 냉매 화합물은 2차 교환 본체로 공급됨.
상기 실시형태는 상기 가스가 1차 열교환 본체를 통과하기 전에 그 가스를 예비-냉각시킬 수 있게 해준다.
본 발명의 실시형태에 있어서, 순수한 냉매 화합물은 암모니아 또는 프로판이다.
상기 실시형태는 폭발성 화합물의 사용을 최소화시킬 수 있게 해준다.
본 발명의 실시형태에 있어서, 본 발명에서 목적으로 하는 장치는, 가스에 의해 이동하는 경로상의 1차 교환 본체의 하류에, 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 냉매 혼합물 사이의 3차 열교환 본체를 포함하며, 상기 배출된 냉매 혼합물은 1차 교환 본체에 공급된다.
상기 실시형태는 상기 가스가 1차 열교환 본체를 통과한 후에 그 가스를 추가로 냉각시킬 수 있게 해준다.
본 발명의 실시형태에 있어서, 냉매 혼합물은 질소 및/또는 메탄을 포함한다.
상기 실시형태는 폭발성 화합물의 사용을 제한시킬 수 있게 해준다.
본 발명의 실시형태에 있어서, 본 발명에서 목적으로 하는 장치는, 액화 가스 탱크 내에 증발 가스의 수집 수단을 포함하며, 상기 수집된 증발 가스는 냉매 혼합물에서 이용된다.
상기 실시형태는 냉매로서 증발 가스를 (분별 또는 분리할 필요가 없이) 사용할 수 있게 해주며, 상기 증발 가스는 압축기를 구동하는데 필요한 에너지를 생산하기 위해 통상 사용된다.
본 발명의 실시형태에 있어서, 교환 본체 내의 적어도 하나의 뜨거운 유체 및 적어도 하나의 차가운 유체는 서로 역류로 순환된다.
상기 실시형태는 뜨거운 유체 및 차가운 유체 사이의 열전달을 최대화할 수 있게 해준다.
두번째 양상에 따르면, 본 발명은 하기 단계를 포함하는 천연 가스 또는 바이오 가스의 액화 방법에 관한 것이다:
- 기화된 냉매 혼합물의 1차 압축 단계,
- 압축된 냉매 혼합물을 냉각시키는 1차 열 교환 단계,
- 냉각된 냉매 혼합물의 팽창 단계,
- 기화된 이산화탄소의 2차 압축 단계,
- 압축된 이산화탄소를 냉각시키는 2차 열 교환 단계,
- 다음의 1차 열교환 단계:
- 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 냉매 혼합물 사이의 열교환, 상기 기화된 냉매 혼합물은 1차 압축 단계로 공급됨,
- 이산화탄소를 냉각시키기 위하여 팽창된 냉매 혼합물과 냉각된 이산화탄소 사이의 열교환, 상기 냉각된 이산화탄소는 이산화탄소의 팽창 단계로 공급됨,
- 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 이산화탄소 사이의 열교환, 상기 기화된 이산화탄소는 2차 압축 단계로 공급됨, 및
- 상기 1차 열교환 단계에서 냉각된 이산화탄소의 팽창 단계, 상기 팽창된 이산화탄소는 1차 열교환 단계로 공급됨,
본 발명의 실시형태에 있어서, 본 발명에서 목적으로 하는 방법은 하기 단계를 포함한다:
- 기화된 순수한 냉매 화합물의 3차 압축 단계,
- 압축된 냉매 화합물을 냉각시키는 3차 열 교환 단계,
- 다음의 2차 열교환 단계:
- 냉매 화합물을 냉각시키기 위하여 팽창된 냉매 화합물 및 냉각된 냉매 화합물 사이의 열교환, 상기 단계 동안에 냉각된 냉매 화합물은 냉매 화합물의 팽창 단계로 공급됨,
- 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 냉매 화합물 사이의 열교환, 상기 기화된 냉매 화합물은 3차 압축 단계로 공급되고 상기 가스는 1차 열교환 단계로 공급됨, 및
- 상기 2차 열교환 단계에서 냉각된 냉매 화합물의 팽창 단계, 상기 팽창된 냉매 화합물은 2차 열교환 단계로 공급됨,
본 발명의 실시형태에 있어서, 본 발명에서 목적으로 하는 방법은, 가스에 의해 이동하는 경로상의 1차 열교환 단계의 하류에, 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 냉매 혼합물 사이의 3차 열교환 단계를 포함하며, 상기 배출되는 냉매 혼합물은 1차 열교환 단계에 공급된다.
본 발명에서 목적으로 하는 방법의 목적, 이점, 및 특정의 특성들은 본 발명에서 목적으로 하는 장치의 것들과 유사하므로, 여기에서 반복하지 않는다.
이러한 배치로 인해, 본 발명에서 목적으로 하는 장치는:
- 냉매 혼합물 내에서, 1차 열교환 본체에서 결정화의 문제/위험을 야기할 수 있는 중질 탄화수소의 존재를 필요로 하지 않으며,
- 감소된 수의 상이한 화학적 화합물들을 냉매로서 사용하며, 및
- 냉매의 순환 유량을 최소화한다.
또한, 냉매로서 이산화탄소의 사용은:
- 이산화탄소를 냉매로서 활용하지 않는 공정(예를 들면 질소 가스)에 비하여, 이산화탄소 순환 유량 및 이에 따라 필요한 압축기의 크기를 감소시킬 수 있게 해주며, 그리고
- 가스의 액화를 위해 프로판 유형의 화합물 및 잠재적으로 결정화될 수 있는 더욱 중질의 탄화수소의 사용을 배제함으로써, 냉매 혼합물에서 사용되는 화학적 화합물의 수를 감소시킬 수 있게 해준다.
본 발명의 또 다른 이점, 목적 및 특정의 특성들은, 아래와 같은 첨부된 도면을 참조로 하여, 본 발명에서 목적으로 하는 장치 및 방법의 적어도 하나의 구체적인 실시형태에 따라 비제한적인 설명에서 더욱 명확해질 것이다:
- 도 1은 본 발명에서 목적으로 하는 장치의 구체적한 실시형태을 개략적으로 나타내며,
- 도 2는 본 발명에서 목적으로 하는 장치를 포함하는 선박의 구체적 실시형태를 개략적으로 나타내며, 그리고
- 도 3은 본 발명에서 목적으로 하는 방법의 구체적인 일련의 단계들을 개략적이고 플로우 차트 형태로 나타낸다.
본 명세서는 비제한적으로 제공되는 것으로, 하나의 실시형태의 각 특성은 또다른 실시형태의 또 다른 모든 특성에 유리한 방식으로 결합될 수 있다.
도면은 축척에 따른 것이 아님을 유의한다.
본 발명은 일반적인 원리로서 천연 가스 또는 바이오 가스와 냉매 물질 또는 혼합물과의 사이의 연속적인 열 교환에 의한 냉각을 갖는 방법 및 장치를 제공한다. 이러한 방식으로, 바이오 가스 또는 천연 가스의 온도는 상기 바이오 가스 또는천연 가스의 액화까지 점차적으로 낮아진다.
바람직하게는, 이러한 단계적 냉각(stepwise cooling)은 천연 가스 또는 바이오 가스와 냉각된 순수한 냉매 화합물 사이의 열 교환에 의한 예비-냉각을 포함한다. 상기 예비-냉각 단계는 도 1을 참조하여 설명되는 2차 열교환 본체(150) 및 도 3을 참조하여 설명되는 2차 열교환 단계(350)에 대응한다. 상기 예비-냉각은 본 발명에서 목적으로 하는 방법 또는 장치의 외부에서 구현될 수 있으며, 상기 예비-냉각된 가스는 1차 열교환 단계(330)로 또는 1차 열교환 본체(130)로 또한 공급된다.
이러한 단계적 냉각은 주냉각(principal cooling)으로서 천연 가스 또는 바이오 가스, 냉매 혼합물 및 냉각된 이산화탄소 사이의 열교환 단계를 포함한다. 상기 냉각은 바람직하게는 전술한 예비-냉각 단계 후에 구현된다. 그러나, 상기 단계를 떠나는 가스는 아직 완전히 액화되지 않을 수도 있는데, 그래서 이 단계적 냉각은 바람직하게는 주냉각 단계의 하류에 추가 냉각 단계 또는 가스 액화 단계를 포함한다.
이러한 액화 단계 동안, 가스의 온도는 새롭게 낮아져 가스가 실질적으로 액화된다. 상기 액화 단계는 본 발명에서 목적으로 하는 방법의 하류에 제3자 장치(third party device)에 의해 구현될 수 있다.
따라서, 이해하는 바와 같이, 상기 방법에 들어가는 가스는 다음과 같은 열교환에 의해 점차적으로 액화된다:　
- 만일 예비-냉각 단계가 상기 방법에 포함된다면, 상기 가스와 순수한 냉매 화합물 사이의 열교환,
- 상기 가스, 냉매 혼합물 및 이산화탄소 사이의 열교환, 및
- 만일 액화 단계가 상기 방법에 포함된다면, 상기 가스와 냉매 혼합물 사이의 열교환.
본 명세서에서는 도 1 및 도 3을 참조하여, 처음에는 주 냉각 단계를, 다음으로 예비-냉각 단계를, 그리고 마지막으로 액화 단계를 제시함으로써 본 발명의 목적을 개시하며, 마지막 두 단계는 선택 사항이다.
축척이 없는 도 1은 본 발명에서 목적으로 하는 장치 (100)의 일 실시형태의 개략도를 도시한다. 상기 천연 가스 또는 바이오 가스의 액화 장치(100)는 하기를 포함한다:
- 기화된 냉매 혼합물의 1차 압축기(105),
- 압축된 냉매 혼합물을 냉각시키는 1차 열 교환기(110),
- 냉각된 냉매 혼합물의 팽창 수단(115),
- 기화된 이산화탄소의 2차 압축기(120),
- 압축된 이산화탄소를 냉각시키는 2차 열 교환기(125),
- 다음의 1차 열교환 본체(130):
- 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 냉매 혼합물 사이의 열교환, 상기 기화된 냉매 혼합물은 1차 압축기로 공급됨,
- 이산화탄소를 냉각시키기 위하여 팽창된 냉매 혼합물과 냉각된 이산화탄소 사이의 열교환, 상기 냉각된 이산화탄소는 이산화탄소의 팽창 수단(135)로 공급됨,
- 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 이산화탄소 사이의 열교환, 상기 기화된 이산화탄소는 2차 압축기로 공급됨, 및
- 상기 1차 열교환 본체에서 냉각된 이산화탄소의 팽창 수단(135), 상기 팽창된 이산화탄소는 1차 열교환 본체로 공급됨,
냉매 혼합물은 예를 들어 질소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 이소부탄, 이소펜탄, 노말 부탄 및/또는 n-펜탄을 포함한다.
1차 압축기(105)는 예를 들어 원심 또는 교호형 압축기이다. 상기 압축기(105)는 예를 들어 냉매 혼합물의 압력을 바람직하게는 30 내지 80 bar의 압력으로, 예를 들면 약 40 bar 로 상승시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 1차 압축기(105)는 연속적인 2개의 압축 단계로 냉매 혼합물을 압축한다. 변형예에 있어서, 압축된 냉매 혼합물은 2차 압축 단계에서 압축되기 전에 열교환기 (미도시)에 의해 냉각된다. 상기 열교환기 (미도시)는, 예를 들면, 차가운 유체로서 공기 또는 물을 사용하는 관형 교환기이다. 두 압축 단계 사이에 구현된 열교환기는 냉매 혼합물이 200℃ 의 온도를 초과하지 않게 하는 것을 목적으로 한다.
1차 열 교환기(110)는 예를 들어 차가운 유체로서 공기 또는 물을 사용하는 관형 교환기이다. 상기 1차 열 교환기(110)는 압축된 냉매 혼합물을 바람직하게는 10 내지 25 ℃ 사이의 온도로 냉각시키는 것을 목적으로 한다.
팽창 수단(115)은 예를 들면 냉매 혼합물의 등엔탈피(isoenthalpy) 팽창을 구현하는 줄-톰슨 (Joule-Thomson) 밸브이다. 냉각된 냉매 혼합물은 바람직하게는 2 bar 내지 4 bar, 예를 들어 4 bar의 압력으로 팽창된다. 변형예에 있어서, 팽창 수단 (115)은 팽창 터빈이다. 이와 같은 팽창 터빈은 팽창 에너지를 회수하여 장치 (100)의 압축 수단들을 구동시키고 따라서 공정의 에너지 효율을 향상시킬 수 있게 해준다.
이렇게 팽창된 냉매 혼합물은 1차 열교환 본체 (130)에 공급되어 상기 1차 교환 본체(130)을 통과하는 가스 및 상기 1차 교환 본체(130)를 또한 통과하는 이산화탄소를 냉각시킨다.
2차 압축기(120)는, 예를 들면, 드라이 피스톤 압축기(dry-piston compressor), 원심 압축기 또는 교호형 압축기(alternative compressor)이다. 상기 2차 압축기 (120)는 이산화탄소의 압력을 상승하게 한다. 이산화탄소의 출구 압력은, -35 ℃ 내지 -45 ℃ 사이의 온도에서 액체 이산화탄소가 증발될 수 있도록, 이산화탄소의 포화 압력과 이산화탄소 회로의 압력 손실의 함수로 설정된다. 증발 온도는 제조업체가 전달하여 제공한 열교환기의 접근 온도의 함수로 선택된다.
상기 압축 동안, 이산화탄소는 상당히 가열된다. 상기 이산화탄소의 유체는 2차 열 교환기(125)로 보내져서 거기서 냉각된다. 상기 2차 열 교환기(125)는 예를 들어 차가운 유체로서 공기 또는 물을 사용하는 관형 교환기이다. 상기 2차 교환기(125)의 출구에서, 이산화탄소는 바람직하게는 7℃ 내지 30℃ 사이의 온도, 예를 들어 15 ℃ 로 냉각된다.
상기 2차 교환기(125)를 떠나는 이산화탄소는 다음으로 1차 교환 본체(130)로 보내진다.
상기 1차 교환 본체(130)는 다음 2개의 말단을 나타낸다:
- 하나는 "열(hot) 말단"으로 칭해지며, 상기 1차 교환 본체(130)에서 가스 입구의 근처에 있는 1차 본체(130)의 부분에 대응하고,
- 다른 하나는 "냉(cold) 말단"으로 칭해지며, 상기 1차 교환 본체(130)에서 냉각된 가스 출구의 근처에 있는 1차 본체(130)의 부분에 대응한다.
바람직하게는, 2차 교환기(125)를 떠나는 냉각된 이산화탄소는 1차 교환 본체 (130)의 열말단의 수준에서 1차 교환 본체(130) 내로 주입된다. 이산화탄소는, 1차 교환 본체(130)에서 구현되는, 이산화탄소 및/또는 냉매 혼합물과의 열교환 도중에, 액화 및 과냉각된다.
바람직하게는, 상기 1차 교환 본체(130) 내의 냉매 혼합물용 입구는 냉말단에 위치하며 상기 냉매 혼합물용 출구는 열말단에 위치한다.
1차 교환 본체(130)를 통과하는 냉매 혼합물은 가스 및 2차 열 교환기(125)에 의해 냉각된 이산화탄소의 냉각에 참여한다.
1차 교환 본체(130)에서 구현된 열 교환 동안 기화된 냉매 혼합물은 1차 압축기(105)에 공급되어 하나의 사이클을 형성한다.
과냉각 및 액화된 이산화탄소는 이산화탄소의 팽창 수단(135)에서 팽창된다. 팽창 수단 (135)은 예를 들어 이산화탄소의 등엔탈피 팽창을 수행하는 줄-톰슨 밸브이다. 냉각된 이산화탄소는 예를 들어 8 bar의 압력으로 팽창된다. 변형예에서, 팽창 수단 (135)은 팽창 터빈이다. 이러한 팽창 터빈은 팽창 에너지를 회수하여 장치(100)의 압축 수단들을 구동시켜 공정의 에너지 효율을 향상시킬 수 있게 해준다.
그런 다음, 팽창된 이산화탄소는 1차 열교환 본체(130)에 공급되어, 가스 및 2차 열 교환기 (125)에 의해 냉각된 이산화탄소의 냉각에 참여한다.
1차 교환 본체(130)에서 구현된 열 교환 동안 기화된 이산화탄소는 2차 압축기 (120)에 공급되어 하나의 사이클을 형성한다. 1차 교환 본체(130)는 예를 들면 PFHE ("Plate-fin heat exchanger　", 평판 열교환기로 번역됨) 또는 BAHX ("Brazed aluminium heat exchanger", 브레이징 알루미늄 열교환기로 번역됨)이다.
따라서, 1차 교환 본체(130)의 내부에서 다수의 열교환이 일어난다:
- 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 냉매 혼합물 사이의 1차 교환, 상기 기화된 냉매 혼합물은 1차 압축기(105)로 공급됨,
- 이산화탄소를 냉각시키기 위하여 팽창된 냉매 혼합물과 냉각된 이산화탄소 사이의 2차 교환, 상기 냉각된 이산화탄소는 이산화탄소의 팽창 수단(135)으로 공급됨,
- 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 이산화탄소 사이의 3차 교환, 상기 기화된 이산화탄소는 2차 압축기(120)로 공급됨.
1차 교환 본체(130)는 출구에서 가스가 -30℃ 내지 -40℃ 사이의 온도를 나타내도록 구성된다. 입구에서, 가스는 0 내지 -10 ℃의 온도, 바람직하게는 -8 ℃ 내지 -10 ℃의 온도를 나타낸다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 장치(100)은 다음을 포함한다:
- 기화된 순수한 냉매 화합물의 3차 압축기(140),
- 압축된 냉매 화합물을 냉각시키는 3차 열 교환기(145),
- 다음의 2차 열교환 본체(150):
- 냉매 화합물을 냉각시키기 위하여 팽창된 냉매 화합물과 냉각된 냉매 화합물 사이의 열교환, 상기 냉각된 냉매 화합물은 냉매 화합물의 팽창 수단(155)으로 공급됨,
- 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 냉매 화합물 사이의 열교환, 상기 기화된 냉매 화합물은 3차 압축기로 공급되고 냉각된 가스는 1차 열교환 본체(130)로 공급됨, 및
- 상기 2차 교환 본체에서 냉각된 냉매 화합물의 팽창 수단(155), 상기 팽창된 냉매 화합물은 2차 교환 본체로 공급됨.
상기 순수한 냉매 화합물은 예를 들면 암모니아 또는 프로판이다.
3차 압축기(140)는 예를 들어 원심 또는 교호형 압축기이다. 상기 압축기 (140)는 예를 들어 냉매 화합물의 압력을 20 bar보다 큰 압력, 예를 들어 약 35 bar로 상승시킬 수 있게 해준다.
3차 열 교환기(145)는 예를 들어 차가운 유체로서 공기 또는 물, 또는 글리콜화된 물을 사용하는 관형 교환기이다. 상기 3차 열 교환기(145)는 압축된 냉매 혼합물을 예를 들어 5 내지 20℃의 온도, 예를 들어 15℃의 온도로 냉각시키는 것을 목표로 한다.
상기 3차 교환기(145)를 떠나는 냉매 화합물은 다음으로 2차 교환 본체(150)로 보내진다.
상기 1차 교환 본체(150)는 다음 2개의 말단을 나타낸다:
- 하나는 "열(hot) 말단"으로 칭해지며, 상기 2차 교환 본체(150)에서 가스 입구의 근처에 있는 2차 본체(150)의 부분에 대응하고,
- 다른 하나는 "냉(cold) 말단"으로 칭해지며, 상기 2차 교환 본체(150)의 냉각된 가스 출구의 근처에 있는 2차 본체(150)의 부분에 대응한다.
바람직하게는, 3차 교환기(145)를 떠나는 냉각된 냉매 화합물은 2차 교환 본체(150)의 열말단의 수준에서 2차 교환 본체(150) 내로 주입된다. 냉매 화합물은, 2차 교환 본체(150)에서 구현되는, 팽창된 냉매 화합물과의 열교환 도중에, 액화 및 과냉각된다.
바람직하게는, 상기 2차 교환 본체(150)에서 냉매 화합물용 입구는 냉말단에 위치하며 상기 냉매 화합물용 출구는 열말단에 위치한다.
2차 교환 본체(150)를 통과하는 냉매 혼합물은 가스 및 3차 열 교환기(145)에 의해 냉각된 냉매 화합물의 냉각에 참여한다.
2차 교환 본체(150)에서 구현된 열 교환 동안 기화된 냉매 화합물은 3차 압축기(140)에 공급되어 하나의 사이클을 형성한다.
과냉각 및 액화된 냉매 화합물은 냉매 화합물의 팽창 수단(155)에서 팽창된다. 팽창 수단 (155)은 예를 들어 냉매 화합물의 등엔탈피 팽창을 구현하는 줄-톰슨 밸브이다. 변형예에서, 팽창 수단 (155)은 팽창 터빈이다. 이러한 팽창 터빈은 팽창 에너지를 회수하여 장치(100)의 압축 수단들을 구동시키고 따라서 공정의 에너지 효율을 향상시킬 수 있게 해준다. 냉각된 냉매 화합물은 바람직하게는 2.5 내지 4 bar, 바람직하게는 약 3.5 bar의 압력으로 팽창된다. 냉매 화합물은 2.5 bar 이하의 압력으로 팽창될 수도 있지만, 압축기(140)의 흡인 압력이 더이상 충분하지 않을 위험성이 또한 있다.
그런 다음, 팽창된 화합물은 2차 교환 본체(150)에 공급되어, 가스 및 3차 열 교환기 (145)에 의해 냉각된 화합물의 냉각에 참여한다. 2차 교환 본체(150)는 예를 들면 PFHE 또는 BAHX 유형이다.
2차 교환 본체(150)는 출구에서 가스가 예를 들면 0℃ 내지 -10℃ 사이의 낮은 온도를 나타내도록 구성된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 장치 (100)는 가스에 의해 이동하는 경로상의 1차 교환 본체의 하류에, 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 냉매 혼합물 사이의 3차 열교환 본체(160)를 포함하고, 상기 배출된 냉매 혼합물은 1차 교환 본체(130)에 공급된다. 3차 교환 본체(160)은 예를 들면 PFHE 또는 BAHX 유형이다.
3차 교환 본체(160)는 출구에서 가스가 바람직하게는 -155℃ 보다 낮은 온도를 나타내도록 구성된다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 장치(100)는 액화 가스 탱크 (170) 내에 증발 가스의 수집 수단(165)을 포함하고, 수집된 증발 가스는 냉매 혼합물에 사용된다.
수집 수단(165)은, 예를 들면, 탱크(170)의 상부에 위치하는 증발 가스의 흡인이다. 예를 들면, 교호형 압축기를 사용하여 BOG를 저장부에서 주입 위치로 이송한다. 또한, 본 장치에 사용된 냉매 혼합물은 바람직하게는 액화천연 가스의 BOG의 전형적인 조성에 가까운 조성을 나타내도록 구성된다. 생산된 LNG의 온도 조절은 1차로는 냉매 혼합물의 유량에 작용하고, 2차로는 액화될천연 가스의 유량에 작용함으로써 바람직하게 조절된다. 마찬가지로, 예비-냉각 단계에서, 순수한 냉매 화합물의 유량을 조절하여 전술한 예비-냉각 단계로 진입하는 가스를 결정된 온도로 냉각시킬 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 도 1에 도시된 바와 같이, 교환 본체(130), (150) 및/또는 (160)에서 적어도 하나의 뜨거운 유체 및 적어도 하나의 차가운 유체는 서로 역류로 순환한다.
도 2는 도 1을 참조하여 설명된 바의 장치(100)를 포함하는 선박을 개략적으로 나타낸다.
도 3은 본 발명에서 목적으로 하는 방법(300)의 특별한 순서도를 개략적으로 나타낸다. 상기천연 가스 또는 바이오 가스의 액화 방법(300)은 하기 단계를 포함한다:
- 기화된 냉매 혼합물의 1차 압축 단계(305),
- 압축된 냉매 혼합물을 냉각시키는 1차 열 교환 단계(310),
- 냉각된 냉매 혼합물의 팽창 단계(315),
- 기화된 이산화탄소의 2차 압축 단계 (320),
- 압축된 이산화탄소를 냉각시키는 2차 열 교환 단계(325),
- 다음의 1차 열교환 단계 (330):
- 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 냉매 혼합물 사이의 열교환(330a), 상기 기화된 냉매 혼합물은 1차 압축 단계로 공급됨,
- 이산화탄소를 냉각시키기 위하여 팽창된 냉매 혼합물과 냉각된 이산화탄소 사이의 열교환(330b), 상기 냉각된 이산화탄소는 이산화탄소의 팽창 단계로 공급됨,
- 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 이산화탄소 사이의 열교환(330c), 상기 기화된 이산화탄소는 2차 압축 단계로 공급됨, 및
- 상기 1차 열교환 단계에서 냉각된 이산화탄소의 팽창 단계(335), 상기 팽창된 이산화탄소는 1차 열교환 단계로 공급됨,
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 도 3에 도시된 바와 같이, 방법(300)은 다음을 포함한다:
- 기화된 순수한 냉매 화합물의 3차 압축 단계(340),
- 압축된 냉매 화합물을 냉각시키는 3차 열 교환 단계(345),
- 다음의 2차 열교환 단계 (350):
- 냉매 화합물을 냉각시키기 위하여 팽창된 냉매 화합물 및 냉각된 냉매 화합물 사이의 열교환(350a), 이 단계 동안에 냉각된 냉매 화합물은 냉매 화합물의 팽창 단계로 공급됨,
- 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 냉매 화합물 사이의 열교환(350b), 상기 냉매 화합물은 3차 압축 단계로 공급되고 상기 냉각된 가스는 1차 열교환 단계로 공급됨, 및
- 2차 열교환 단계에서 냉각된 냉매 화합물의 팽창 단계(355), 상기 팽창된 냉매 화합물은 2차 열교환 단계로 공급됨.
본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서, 도 3에 나타낸 바와 같이, 방법(300)은 가스에 의해 이동하는 경로상의 1차 열교환 단계(330)의 하류에, 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 냉매 혼합물 사이의 3차 열교환 단계(360)를 포함하며, 상기 배출되는 냉각된 가스는 1차 열교환 단계에 공급된다.
상기 방법(300)은, 예를 들면, 도 1을 참조하여 설명된 바와 같은 장치(100)에 의해 실시된다.

Claims (10)

  1. 하기를 포함하는 천연 가스 또는 바이오 가스의 액화 장치(100):
    - 기화된 냉매 혼합물의 1차 압축기(105),
    - 압축된 냉매 혼합물을 냉각시키는 1차 열 교환기(110),
    - 냉각된 냉매 혼합물의 팽창 수단(115),
    - 기화된 이산화탄소의 2차 압축기(120),
    - 압축된 이산화탄소를 냉각시키는 2차 열 교환기(125),
    - 다음의 1차 열교환 본체(130):
    - 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 냉매 혼합물 사이의 열교환, 상기 기화된 냉매 혼합물은 1차 압축기로 공급됨,
    - 이산화탄소를 냉각시키기 위하여 팽창된 냉매 혼합물과 냉각된 이산화탄소 사이의 열교환, 상기 냉각된 이산화탄소는 이산화탄소의 팽창 수단(135)으로 공급됨,
    - 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 이산화탄소 사이의 열교환, 상기 기화된 이산화탄소는 2차 압축기로 공급됨, 및
    - 상기 1차 교환 본체에서 냉각된 이산화탄소의 팽창 수단(135), 상기 팽창된 이산화탄소는 1차 교환 본체로 공급됨.
  2. 제1항에 있어서, 하기를 포함하는 천연 가스 또는 바이오 가스의 액화 장치(100):
    - 기화된 순수한 냉매 화합물의 3차 압축기(140),
    - 압축된 냉매 화합물을 냉각시키는 3차 열 교환기(145),
    - 다음의 2차 열교환 본체(150):
    - 냉매 화합물을 냉각시키기 위하여 팽창된 냉매 화합물과 냉각된 냉매 화합물 사이의 열교환, 상기 냉각된 냉매 화합물은 냉매 화합물의 팽창 수단(155)으로 공급됨,
    - 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 냉매 화합물 사이의 열교환, 상기 기화된 냉매 화합물은 3차 압축기로 공급되고 냉각된 가스는 1차 열교환 본체(130)로 공급됨, 및
    - 상기 2차 교환 본체에서 냉각된 냉매 화합물의 팽창 수단(155), 상기 팽창된 냉매 화합물은 2차 교환 본체로 공급됨,
  3. 제2항에 있어서, 상기 순수한 냉매 화합물은 암모니아 또는 프로판인 것을 특징으로 하는, 천연 가스 또는 바이오 가스의 액화 장치(100).
  4. 제1항 내지 제3항중 어느 한 항에 있어서, 가스에 의해 이동하는 경로상의 1차 교환 본체의 하류에, 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 냉매 혼합물 사이의 3차 열교환 본체(160)를 포함하고, 상기 배출된 냉매 혼합물은 1차 교환 본체(130)에 공급되는 것을 특징으로 하는, 천연 가스 또는 바이오 가스의 액화 장치(100).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉매 혼합물은 질소 및/또는 메탄을 포함하는 것을 특징으로 하는, 천연 가스 또는 바이오 가스의 액화 장치(100).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 액화 가스 탱크(170) 내에 증발 가스의 수집 수단(165)을 포함하며, 수집된 증발 가스는 냉매 혼합물에서 사용되는 것을 특징으로 하는, 천연 가스 또는 바이오 가스의 액화 장치(100).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 교환 본체 내의 적어도 하나의 뜨거운 유체 및 적어도 하나의 차가운 유체는 서로 역류로 순환되는 것을 특징으로 하는, 천연 가스 또는 바이오 가스의 액화 장치(100).
  8. 하기 단계를 포함하는, 천연 가스 또는 바이오 가스의 액화 방법(300):
    - 기화된 냉매 혼합물의 1차 압축 단계(305),
    - 압축된 냉매 혼합물을 냉각시키는 1차 열 교환 단계(310),
    - 냉각된 냉매 혼합물의 팽창 단계(315),
    - 기화된 이산화탄소의 2차 압축 단계 (320),
    - 압축된 이산화탄소를 냉각시키는 2차 열 교환 단계(325),
    - 다음의 1차 열교환 단계 (330):
    - 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 냉매 혼합물 사이의 열교환(330a), 상기 기화된 냉매 혼합물은 1차 압축 단계로 공급됨,
    - 이산화탄소를 냉각시키기 위하여 팽창된 냉매 혼합물과 냉각된 이산화탄소 사이의 열교환(330b), 상기 냉각된 이산화탄소는 이산화탄소의 팽창 단계로 공급됨,
    - 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 이산화탄소 사이의 열교환(330c), 상기 기화된 이산화탄소는 2차 압축 단계로 공급됨, 및
    - 상기 1차 열교환 단계에서 냉각된 이산화탄소의 팽창 단계(335), 상기 팽창된 이산화탄소는 1차 열교환 단계로 공급됨.
  9. 제8항에 있어서, 하기 단계를 포함하는 천연 가스 또는 바이오 가스의 액화 방법(300):
    - 기화된 순수한 냉매 화합물의 3차 압축 단계(340),
    - 압축된 냉매 화합물을 냉각시키는 3차 열 교환 단계(345),
    - 다음의 2차 열교환 단계 (350):
    - 냉매 화합물을 냉각시키기 위하여 팽창된 냉매 화합물 및 냉각된 냉매 화합물 사이의 열교환(350a), 상기 단계 동안에 냉각된 냉매 화합물은 냉매 화합물의 팽창 단계로 공급됨,
    - 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 냉매 화합물 사이의 열교환(350b), 상기 냉매 화합물은 3차 압축 단계로 공급되고 상기 냉각된 가스는 1차 열교환 단계로 공급됨, 및
    - 상기 2차 열교환 단계에서 냉각된 냉매 화합물의 팽창 단계(355), 상기 팽창된 냉매 화합물은 2차 열교환 단계로 공급됨.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 가스에 의해 이동하는 경로상의 1차 열교환 단계(330)의 하류에, 가스를 냉각시키기 위하여 그 가스와 팽창된 냉매 혼합물 사이의 3차 열교환 단계(360)를 포함하며, 상기 배출되는 냉매 혼합물은 1차 열교환 단계에 공급되는 것을 특징으로 하는, 천연 가스 또는 바이오 가스의 액화 장치(100).
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