KR20210064902A - Hydrogen Liquefaction System and Method - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a hydrogen liquefaction system and a hydrogen liquefaction method, capable of maintaining an inlet temperature of a refrigerant compressor at an appropriate temperature while cooling a hydrogen gas to be liquefied by using cooling energy of a liquefied gas and a refrigerant for liquefying the hydrogen gas. According to the present invention, the hydrogen liquefaction system includes: a precooling unit for precooling a hydrogen gas transferred from a hydrogen supply destination before liquefying the hydrogen gas; a liquefaction unit for liquefying the hydrogen gas precooled in the precooling unit; and a refrigerant cycle in which a refrigerant for liquefying hydrogen circulates in the liquefaction unit, wherein the precooling unit includes a primary heat exchanger for performing heat exchange between the hydrogen gas and a liquefied gas to cool the hydrogen gas and regasify the liquefied gas, and wherein the refrigerant cycle includes: a refrigerant compressor for compressing the refrigerant; and a refrigerant heater installed upstream of the refrigerant compressor, and configured to perform heat exchange between a gas refrigerant heated or gasified in the liquefaction unit and a gasified gas regasified in the primary heat exchanger to heat the gas refrigerant and recool the gasified gas.

Description

수소 액화 시스템 및 방법 {Hydrogen Liquefaction System and Method} Hydrogen Liquefaction System and Method

본 발명은 액화가스의 냉열을 이용하여 액화시킬 수소 기체와, 수소 기체를 액화시키는 냉매를 냉각시키면서도, 냉매 압축기의 입구 온도를 적정 온도로 유지시킬 수 있는 수소 액화 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen liquefaction system and method capable of maintaining an inlet temperature of a refrigerant compressor at an appropriate temperature while cooling a hydrogen gas to be liquefied using the cooling heat of the liquefied gas and a refrigerant for liquefying the hydrogen gas.

수소 에너지는 환경 친화적이며 높은 에너지 밀도를 갖기 때문에 자동차 동력원, 휴대용 전자기기용 연료전지의 연료로 활용이 가능하며, 연료전지 가격 또한 매년 감소하고 있어 수소에너지 시대가 앞당겨지고 있다. Since hydrogen energy is environmentally friendly and has high energy density, it can be used as fuel for fuel cells for automobile power sources and portable electronic devices.

현재 산업에서 주로 채택되고 있는 가장 합리적인 수소의 저장 및 운송 기술은, 수소를 액화시켜 부피당 에너지 밀도가 가장 좋은 액화수소의 형태로 저장 및 운송하는 방법과, 수소를 고압으로 압축시켜 중량당 에너지 밀도가 가장 좋은 고압 기체 수소의 형태로 저장 및 운송하는 방법이다. The most reasonable hydrogen storage and transport technology currently being adopted in industry is a method of storing and transporting hydrogen in the form of liquefied hydrogen with the best energy density per volume by liquefying it, and compressing hydrogen at high pressure to increase the energy density per weight. It is the best method of storage and transportation in the form of high-pressure gaseous hydrogen.

기체 상태의 수소를 상압, -253℃로 냉각하면 액화되고, 그 밀도는 상압 기준 기체 상태의 수소에 비해 약 780배 높으며, 700 bar로 압축된 수소 기체에 비해서도 약 1.75배 높다. 액화수소의 저장압력은 통상 3 bar 미만으로 고압 압축가스 방식에 비해 안전성의 측면에서 유리하다. When gaseous hydrogen is cooled to atmospheric pressure, -253°C, it is liquefied, and its density is about 780 times higher than that of gaseous hydrogen at atmospheric pressure, and about 1.75 times higher than hydrogen gas compressed to 700 bar. The storage pressure of liquid hydrogen is usually less than 3 bar, which is advantageous in terms of safety compared to the high-pressure compressed gas method.

운송 방식에 있어서도, 200 bar로 압축된 고압 저장 실린더 형태로 고압 기체 수소를 운송하는 형식과, 액화수소의 운송 효율을 비교해서도 압축수소 운송 방식에 비해 액화운송 방식이 약 10배 이상 높은 것으로 알려져 있다. Also in the transportation method, it is known that the liquefied transportation method is about 10 times higher than the compressed hydrogen transportation method when comparing the transportation efficiency of liquid hydrogen with the type of transporting high-pressure gaseous hydrogen in the form of a high-pressure storage cylinder compressed to 200 bar. have.

또한, 수소를 고압으로 압축하기 위해서는 고압 압축기가 필요하며, 수소를 액화시키기 위해서는 초저온 냉동기가 필요하므로, 이들의 설치 및 운영에 따른 비용이 발생한다. In addition, since a high pressure compressor is required to compress hydrogen to a high pressure, and a cryogenic refrigerator is required to liquefy hydrogen, costs are incurred due to their installation and operation.

따라서, 생산, 저장, 운송 등 전체 밸류체인 측면에서의 경제성 분석에 따르면, 액화수소 형태로 수소를 저장 및 운송하는 것이 가장 경제적이다. Therefore, according to the economic analysis in terms of the entire value chain, such as production, storage, and transportation, it is most economical to store and transport hydrogen in the form of liquid hydrogen.

이와 같이, 미래 에너지로서의 액화수소의 가치가 높아지고 있는 상황에서, 미국, 유럽, 일본, 중국 등 전 세계적으로 대용량 수소 액화플랜트가 가동되고 있으나, 국내에는 수소액화 플랜트가 전무한 상황이다.As such, in a situation where the value of liquefied hydrogen as a future energy is increasing, large-capacity hydrogen liquefaction plants are being operated worldwide, such as the United States, Europe, Japan, and China, but there is no hydrogen liquefaction plant in Korea.

지구상에서 가장 가벼운 원소인 수소는, 응축 온도가 대기압 조건에서 약 20K(약 -253℃) 정도로 매우 낮기 때문에, 액화에너지가 많이 소모되는 단점이 있다. Hydrogen, the lightest element on Earth, has a disadvantage in that a lot of liquefaction energy is consumed because the condensation temperature is very low, about 20K (about -253°C) under atmospheric pressure conditions.

수소의 액화 기술은, 수소를 수소의 액화점인 약 -253℃까지 냉각시키는 기술과, 오르토(오쏘) 수소(ortho-H2)를 파라 수소(para-H2)로 변환하는 기술과, 수소를 정제하는 기술로 구분할 수 있다. Hydrogen liquefaction technology is a technology of cooling hydrogen to about -253 ° C., which is the liquefaction point of hydrogen, and a technology of converting ortho-hydrogen (ortho-H 2 ) into para-hydrogen (para-H 2 ), and hydrogen can be classified by refining techniques.

2원자 분자인 수소는, 오르토 수소와 파라 수소로 구분된다. 수소 분자의 두 원자가 스핀 방향이 같으면 오르토 수소라 하고, 스핀 방향이 반대이면 파라 수소라 한다. 수소는 온도에 따라 오르토 수소와 파라 수소의 구성비가 다르며, 온도가 낮아질수록 파라 수소의 비중이 더욱 커진다. Hydrogen, which is a diatomic molecule, is divided into ortho-hydrogen and para-hydrogen. If two atoms of a hydrogen molecule have the same spin direction, it is called ortho hydrogen, and if the spin direction is opposite, it is called para hydrogen. Hydrogen has a different composition ratio of ortho-hydrogen and para-hydrogen depending on the temperature, and the lower the temperature, the greater the specific gravity of para-hydrogen.

상온의 평형 상태에서 수소는 약 25%의 파라 수소와, 약 75%의 오르토 수소로 구성되는 한편, 약 110K까지 온도가 낮아지면, 열역학적 평형상태를 기준으로, 오르토 수소는 약 10% 이상 감소하고, 파라 수소는 약 10% 이상 증가한다. 또한, 수소의 끓는점, 즉, 약 -253℃(20K)의 열역학적 평형상태에서는, 약 99.8%의 파라 수소로 구성된다. At room temperature equilibrium, hydrogen is composed of about 25% para-hydrogen and about 75% ortho-hydrogen, while when the temperature is lowered to about 110 K, based on thermodynamic equilibrium, ortho-hydrogen decreases by about 10% or more and , the para-hydrogen increases by about 10% or more. In addition, at the boiling point of hydrogen, that is, at a thermodynamic equilibrium of about -253°C (20K), it is composed of about 99.8% of para-hydrogen.

오르토 수소가 파라 수소로 전환되는 공정은 발열 공정(약 670kJ/kg)으로서 자연적으로 일어나지만, 그 속도는 매우 느리다. 따라서, 상온의 수소를 짧은 시간 동안 20K로 냉각하여 액화시키면, 75%의 오르토 수소가 열역학적 평형상태가 되기 위해 서서히 파라 수소로 변환하게 된다. 이 오르토-파라 변환 시 발생하는 변환열은 액화수소의 증발열보다 크다. 즉, 액화시킨 액화수소를 그대로 저장하면 오르토-파라 변환이 일어나 대부분의 액화수소가 손실된다. The conversion of ortho-hydrogen to para-hydrogen occurs naturally as an exothermic process (about 670 kJ/kg), but at a very slow rate. Therefore, when hydrogen at room temperature is cooled to 20K for a short time to be liquefied, 75% of ortho-hydrogen is gradually converted into para-hydrogen to become a thermodynamic equilibrium state. The heat of conversion generated during this ortho-para conversion is greater than the heat of evaporation of liquid hydrogen. That is, if liquefied liquefied hydrogen is stored as it is, ortho-para conversion occurs and most of the liquefied hydrogen is lost.

따라서, 이를 막기 위해서는, 수소를 액화시키는 공정 중에 오르토 수소로부터 파라 수소로의 전환 반응을 빠르게 진행시켜주고, 냉각 공정 등을 추가하여 오르토-파라 전환에 수반되는 열량을 처리해줄 필요가 있다. Therefore, in order to prevent this, it is necessary to rapidly advance the conversion reaction from ortho-hydrogen to para-hydrogen during the process of liquefying hydrogen, and add a cooling process to treat the amount of heat involved in ortho-para conversion.

상용급 플랜트의 경우 1kg의 수소 가스를 액화시키기 위해 약 13kWh 이상의 에너지가 소모된다. 이렇게 많은 에너지의 소모는 수소의 공급 단가를 높게 만들기 때문에 미래 수소 사회로 가기 위해서는 수소 액화 공정에 소모되는 에너지량을 최소화시킬 필요가 있다. In the case of a commercial-grade plant, about 13 kWh of energy is consumed to liquefy 1 kg of hydrogen gas. Consumption of such a large amount of energy makes the unit price of hydrogen high, so it is necessary to minimize the amount of energy consumed in the hydrogen liquefaction process in order to move to a future hydrogen society.

한편, 수소 액화 공정에 소모되는 에너지를 최소화시키기 위한 대표적인 개념은 폐냉열을 활용하는 것이다. 예를 들어, 한국, 중국, 일본 등 LNG를 주 에너지원으로 활용하는 국가에서는, 도시가스를 공급하기 위해 LNG를 재기화시켜야 하는데, 이때 발생하는 폐냉열은 대기압 조건에서 약 100K이다. 이와 같이 LNG를 재기화시키면서 발생하는 폐냉열을 수소 액화에 활용하는 것은 경제적인 방법 중 하나일 수 있다. On the other hand, a representative concept for minimizing the energy consumed in the hydrogen liquefaction process is to utilize waste cooling heat. For example, in countries that use LNG as a main energy source, such as Korea, China, and Japan, it is necessary to regasify LNG to supply city gas, and the waste cooling heat generated at this time is about 100K under atmospheric pressure conditions. As such, it may be one of the economical methods to utilize the waste cooling heat generated while regasifying LNG for hydrogen liquefaction.

따라서, 본 발명은, 수소 액화 시스템에 있어서, LNG의 폐냉열을 활용하면서도, 냉매 사이클의 압축기 입구 온도를 적정 수준으로 충족시킬 수 있는, 수소 액화 시스템을 제공하고자 한다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a hydrogen liquefaction system that can satisfy the compressor inlet temperature of the refrigerant cycle to an appropriate level while utilizing the waste cooling heat of LNG in the hydrogen liquefaction system.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 수소 공급처로부터 이송되는 수소 기체를 액화시키기 전에 예냉시키는 예냉부; 상기 예냉부에서 예냉된 수소 기체를 액화시키는 액화부; 및 상기 액화부에서 수소를 액화시키기 위한 냉매가 순환하는 냉매 사이클;을 포함하고, 상기 예냉부는, 상기 수소 기체와 액화가스를 열교환시켜, 수소 기체는 냉각시키고, 액화가스는 재기화시키는 1차 열교환기;를 포함하고, 상기 냉매 사이클은, 상기 냉매를 압축하는 냉매 압축기; 및 상기 냉매 압축기의 상류에 설치되며, 상기 액화부에서 가열 또는 기화된 기체 냉매와, 상기 1차 열교환기에서 재기화된 기화가스를 열교환시켜, 상기 기체 냉매는 가열하고 상기 기화가스는 재냉각시키는 냉매 히터;를 포함하는, 수소 액화 시스템이 제공된다. According to an aspect of the present invention for achieving the above object, a pre-cooling unit for pre-cooling before liquefying the hydrogen gas transferred from the hydrogen supply source; a liquefaction unit for liquefying the hydrogen gas precooled in the precooling unit; and a refrigerant cycle in which a refrigerant for liquefying hydrogen in the liquefaction unit circulates; wherein the precooling unit heat-exchanges the hydrogen gas and liquefied gas to cool the hydrogen gas and regasify the liquefied gas. ; and, the refrigerant cycle comprises: a refrigerant compressor for compressing the refrigerant; and installed upstream of the refrigerant compressor, heat-exchanges the gas refrigerant heated or vaporized in the liquefaction unit and the regasified gas in the primary heat exchanger, heating the gas refrigerant and re-cooling the vaporized gas A refrigerant heater; including, a hydrogen liquefaction system is provided.

바람직하게는, 상기 예냉부는, 상기 수소 기체의 오르토-파라 전환 반응을 촉진시키는 1차 OP 반응기;를 더 포함할 수 있다.Preferably, the pre-cooling unit may further include a primary OP reactor that promotes the ortho-para conversion reaction of the hydrogen gas.

바람직하게는, 상기 1차 열교환기에서는, 상기 액화가스, 수소 기체 및 상기 냉매 압축기로부터 이송되는 압축 냉매가 열교환하여, 상기 수소 기체와 압축 냉매가 냉각될 수 있다.Preferably, in the primary heat exchanger, the liquefied gas, the hydrogen gas, and the compressed refrigerant transferred from the refrigerant compressor exchange heat, so that the hydrogen gas and the compressed refrigerant may be cooled.

바람직하게는, 상기 냉매 압축기로 유입되는 기체 냉매의 온도를 측정하는 온도 측정부; 상기 1차 열교환기에서 기화된 기화가스가 상기 냉매 히터로 이송되는 기화가스 라인에 설치되며, 상기 1차 열교환기로부터 냉매 히터로 이송되는 기화가스의 유량을 제어하기 위한 기화가스 밸브; 및 상기 온도 측정부의 온도 측정값에 따라 상기 냉매 압축기의 상류 온도가 설정 범위 내에서 유지되도록 상기 기화가스 밸브를 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.Preferably, a temperature measuring unit for measuring the temperature of the gas refrigerant flowing into the refrigerant compressor; a vaporized gas valve installed in a vaporized gas line through which vaporized gas vaporized in the primary heat exchanger is transferred to the refrigerant heater, and configured to control a flow rate of vaporized gas transferred from the primary heat exchanger to the refrigerant heater; and a control unit configured to control the vaporization gas valve so that the upstream temperature of the refrigerant compressor is maintained within a set range according to the temperature measurement value of the temperature measurement unit.

바람직하게는, 상기 냉매 히터와 가스 수요처 사이에 설치되며, 상기 냉매 히터에서 재냉각된 기화가스의 냉열을 회수하여 상기 기화가스를 가스 수요처에서 요구하는 온도까지 가열하는 재냉열 회수 수단;을 더 포함할 수 있다.Preferably, it is installed between the refrigerant heater and the gas consumer, and recovers the cooling heat of the vaporized gas re-cooled by the refrigerant heater to heat the vaporized gas to a temperature required by the gas demander; further comprising; can do.

바람직하게는, 상기 수소 공급처는, SMR(steam methane reformer) 반응기이고, 상기 재냉열 회수 수단은, 상기 SMR 반응기로부터 상기 예냉부로 공급되는 수소 기체와, 상기 냉매 히터에서 재냉각된 기화가스를 열교환시켜, 상기 고온고압의 수소 기체를 예냉시키는 수소 냉각기;일 수 있다.Preferably, the hydrogen supply source is a steam methane reformer (SMR) reactor, and the re-cooling heat recovery means heat-exchanges the hydrogen gas supplied from the SMR reactor to the pre-cooling unit and the re-cooled gas gas in the refrigerant heater. , a hydrogen cooler for pre-cooling the high-temperature and high-pressure hydrogen gas; may be.

바람직하게는, 상기 냉매 사이클은, 상기 1차 열교환기에서 냉각된 저온고압의 기체 냉매를 팽창시키는 제1 냉매 팽창터빈;을 더 포함하고, 상기 액화부는, 상기 제1 냉매 팽창터빈에 의해 팽창된 저온저압의 냉매와, 상기 1차 OP 반응기에서 전환 반응을 마치고 배출된 수소 기체와, 상기 1차 열교환기에서 냉각된 후 상기 제1 냉매 팽창터빈으로 공급할 냉매를 열교환시켜, 상기 수소 기체와 상기 제1 냉매 팽창터빈으로 공급할 냉매를 냉각시키는 제3 수소 열교환기;를 포함할 수 있다.Preferably, the refrigerant cycle further includes a first refrigerant expansion turbine for expanding the low-temperature and high-pressure gas refrigerant cooled in the primary heat exchanger, wherein the liquefaction unit is expanded by the first refrigerant expansion turbine. The low-temperature and low-pressure refrigerant, the hydrogen gas discharged after the conversion reaction in the first OP reactor, and the refrigerant to be supplied to the first refrigerant expansion turbine after being cooled in the first heat exchanger are heat-exchanged, so that the hydrogen gas and the second 1 may include a; a third hydrogen heat exchanger for cooling the refrigerant to be supplied to the refrigerant expansion turbine.

바람직하게는, 상기 냉매 사이클은, 상기 제3 수소 열교환기에서 냉열이 회수된 저온저압의 냉매를 팽창시키는 제2 냉매 팽창터빈;을 더 포함하고, 상기 액화부는, 상기 제2 냉매 팽창터빈에 의해 팽창된 저온저압의 냉매와, 상기 제3 수소 열교환기에서 냉각된 수소 기체와, 상기 제1 냉매 팽창터빈에 의해 팽창된 저온저압의 냉매를 열교환시켜, 상기 수소 기체를 액화시키는 제4 수소 열교환기;를 더 포함할 수 있다.Preferably, the refrigerant cycle further includes a second refrigerant expansion turbine for expanding the low-temperature and low-pressure refrigerant from which the cold heat is recovered in the third hydrogen heat exchanger, wherein the liquefaction unit is formed by the second refrigerant expansion turbine. A fourth hydrogen heat exchanger for liquefying the hydrogen gas by exchanging heat with the expanded low-temperature and low-pressure refrigerant, the hydrogen gas cooled in the third hydrogen heat exchanger, and the low-temperature and low-pressure refrigerant expanded by the first refrigerant expansion turbine ; may be further included.

바람직하게는, 상기 수소 기체의 오르토-파라 전환 반응이 일어나는 제3 OP 반응기;를 더 포함하고, 상기 제3 OP 반응기에서 전환 반응이 일어난 수소 기체가 상기 제4 수소 열교환기로 이송될 수 있다.Preferably, a third OP reactor in which the ortho-para conversion reaction of the hydrogen gas occurs may be further included, and the hydrogen gas in which the conversion reaction has occurred in the third OP reactor may be transferred to the fourth hydrogen heat exchanger.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 액화시킬 수소 기체를, 재기화시킬 액화가스와 열교환시켜, 상기 수소 기체는 냉각시키고 상기 액화가스는 기화시키는 단계; 상기 수소 기체를 오르토-파라 전환 반응시키는 단계; 상기 오르토-파라 전환 반응에 의해 온도가 상승한 수소 기체를, 냉매 사이클을 순환하는 액체 냉매와 열교환시켜, 상기 액체 냉매는 기화시키고 상기 수소 기체는 액화시키는 단계; 상기 수소 기체를 액화시키면서 기화된 기체 냉매를 상기 기화된 기화가스와 열교환시켜, 상기 기체 냉매는 가열하고, 상기 기화가스는 재냉각시키는 단계; 및 상기 기화가스와의 열교환에 의해 가열된 기체 냉매를 압축하는 단계;를 포함할 수 있다.According to another aspect of the present invention for achieving the above object, the hydrogen gas to be liquefied, heat exchange with the liquefied gas to be regasified, cooling the hydrogen gas and vaporizing the liquefied gas; ortho-para-converting the hydrogen gas; heat-exchanging the hydrogen gas whose temperature is increased by the ortho-para conversion reaction with a liquid refrigerant circulating in a refrigerant cycle, thereby vaporizing the liquid refrigerant and liquefying the hydrogen gas; exchanging the vaporized gas refrigerant with the vaporized vaporized gas while liquefying the hydrogen gas, heating the gaseous refrigerant, and re-cooling the vaporized gas; and compressing the gas refrigerant heated by heat exchange with the vaporized gas.

바람직하게는, 상기 액화가스를 기화시키는 단계는, 상기 액화시킬 수소 기체와, 상기 기화시킬 액화가스와, 상기 기체 냉매를 압축하는 단계에서 압축된 기체 냉매를 열교환시켜, 상기 수소 기체 및 기체 냉매를 냉각시킬 수 있다.Preferably, in the step of vaporizing the liquefied gas, the hydrogen gas to be liquefied, the liquefied gas to be vaporized, and the gas refrigerant compressed in the step of compressing the gas refrigerant are heat exchanged, so that the hydrogen gas and the gas refrigerant are can be cooled.

바람직하게는, 상기 압축시킬 기체 냉매의 온도를 측정하는 단계; 및 상기 온도 측정값에 따라 상기 기체 냉매와 열교환시킬 기화가스의 유량을 PID 또는 PI 방식으로 제어하는 단계;를 더 포함할 수 있다.Preferably, measuring the temperature of the gas refrigerant to be compressed; and controlling the flow rate of the vaporized gas to exchange heat with the gas refrigerant in a PID or PI method according to the temperature measurement value.

바람직하게는, 상기 재냉각된 기화가스를, 상기 액화가스를 기화시키는 단계로 공급하는 액화시킬 수소 기체와 열교환시켜, 상기 기화가스는 가열하고 상기 수소 기체는 예냉하는 단계; 및 상기 가열된 기화가스를 가스 공급처로 공급하는 단계;를 더 포함할 수 있다.Preferably, heat-exchanging the re-cooled gasified gas with hydrogen gas to be liquefied supplied to the step of vaporizing the liquefied gas, heating the gasified gas and pre-cooling the hydrogen gas; and supplying the heated vaporized gas to a gas supplier.

바람직하게는, 상기 액화가스를 기화시키는 단계에서 액화가스의 냉열에 의해 냉각된 기체 냉매를 팽창시키는 단계; 및 상기 팽창된 저온저압의 냉매와, 상기 오르토-파라 전환 반응을 마친 수소 기체와, 상기 팽창시킬 고온고압의 냉매를 열교환시켜, 상기 수소 기체와 고온고압의 냉매를 냉각시키는 단계;를 포함한다. Preferably, expanding the gas refrigerant cooled by the cooling heat of the liquefied gas in the step of vaporizing the liquefied gas; and cooling the hydrogen gas and the high-temperature and high-pressure refrigerant by exchanging heat with the expanded refrigerant of low temperature and pressure, the hydrogen gas having completed the ortho-para conversion reaction, and the refrigerant of high temperature and high pressure to be expanded.

본 발명에 따른 수소 액화 시스템은, 버려지는 LNG의 폐냉열을 수소 액화에 활용함으로써, 수소 액화에 소모되는 에너지량을 줄일 수 있다. The hydrogen liquefaction system according to the present invention can reduce the amount of energy consumed for hydrogen liquefaction by utilizing the waste cooling heat of discarded LNG for hydrogen liquefaction.

또한, LNG의 폐냉열을 수소 액화에 활용함으로써, LNG의 폐냉열을 활용하기 전 약 13kWh/kg의 에너지 소모량을 약 10kWh/kg으로 감소시킴으로써, 수소 액화 효율을 약 30~40% 이상 개선할 수 있다.In addition, by utilizing the waste cooling heat of LNG for hydrogen liquefaction, the energy consumption of about 13 kWh/kg before utilizing the waste cooling heat of LNG is reduced to about 10 kWh/kg, thereby improving the hydrogen liquefaction efficiency by about 30-40% or more. have.

또한, LNG를 이용하여 수소를 예냉시키면서도, 기화된 천연가스를 재냉각시킴으로써 냉매 압축기의 입구 온도를 적정 수준으로 충족시킬 수 있다. In addition, while pre-cooling hydrogen using LNG, it is possible to satisfy the inlet temperature of the refrigerant compressor to an appropriate level by re-cooling the vaporized natural gas.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 액화 시스템을 간략하게 도시한 구성도이다. 1 is a schematic diagram illustrating a hydrogen liquefaction system according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. In order to fully understand the operational advantages of the present invention and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings illustrating preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. Hereinafter, the configuration and operation of the preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Here, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that only the same components are marked with the same reference numerals as much as possible even though they are displayed on different drawings.

하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.The following examples may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.

또한, 후술하는 본 실시예에서는 액화가스로서 LNG(Liquefied Natural Gas)가 적용되는 것을 예로 들어 설명하지만, 이에 한정하는 것은 아니다. 액화가스는 LPG(Liquefied Petroleum Gas), LEG(Liquefied Ethane Gas), 액화질소(Liquefied Nitrogen) 등을 포함하는 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.In addition, in this embodiment to be described later, although LNG (Liquefied Natural Gas) is applied as the liquefied gas as an example, the description is not limited thereto. The liquefied gas may be any one selected from the group including LPG (Liquefied Petroleum Gas), LEG (Liquefied Ethane Gas), and Liquefied Nitrogen.

이하, 도 1을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 액화 시스템을 설명하기로 한다. Hereinafter, a hydrogen liquefaction system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 .

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 액화 시스템은, 수소 공급처로부터 이송되는, 액화시킬 수소 기체를 냉각시키는 전처리 냉각부; 전처리 냉각부에서 냉각된 수소 기체를 액화시키기 전에 예냉시키는 예냉부; 예냉된 수소 기체를 액화시키는 액화부; 및 수소를 액화시키기 위한 냉매가 순환하는 냉매 사이클;로 구성된다. Hydrogen liquefaction system according to an embodiment of the present invention, a pretreatment cooling unit for cooling the hydrogen gas to be liquefied, transferred from a hydrogen supply source; a pre-cooling unit for pre-cooling before liquefying the hydrogen gas cooled in the pre-treatment cooling unit; a liquefaction unit for liquefying the pre-cooled hydrogen gas; and a refrigerant cycle in which a refrigerant for liquefying hydrogen circulates.

본 실시예의 전처리 냉각부에서는, 본 실시예에 따른 수소 액화 시스템에 의해 재기화되고 기화가스 수요처로 이송되는 재기화 가스(천연가스)의 냉열을 이용하여, 수소 공급처로부터 예냉부로 이송되는 수소 기체를 냉각시킨다. In the pretreatment cooling unit of this embodiment, by using the cooling heat of the regasification gas (natural gas) regasified by the hydrogen liquefaction system according to the present embodiment and transferred to the vaporized gas demanding destination, hydrogen gas transferred from the hydrogen supply source to the precooling unit. Cool down.

본 실시예의 예냉부에서는, 재기화시킬 액화가스(LNG)의 냉열을 이용하여, 예냉부로부터 액화부로 이송되는 수소 기체를 냉각시킨다. 예냉부에서 수소 기체를 냉각시키면서 액화가스는 재기화 가스로 기화된다. In the pre-cooling unit of this embodiment, the hydrogen gas transferred from the pre-cooling unit to the liquefied unit is cooled by using the cooling heat of the liquefied gas (LNG) to be regasified. While the hydrogen gas is cooled in the pre-cooling unit, the liquefied gas is vaporized into a regasification gas.

본 실시예의 액화부에서는, 냉매 사이클을 순환하는 냉매의 냉열을 이용하여, 예냉부에서 예냉된 수소 기체를 액체 상태로 액화시킨다.In the liquefaction unit of this embodiment, the hydrogen gas precooled in the precooling unit is liquefied into a liquid state by using the cooling heat of the refrigerant circulating in the refrigerant cycle.

또한, 냉매 사이클은, 냉매의 압축, 냉각, 팽창 및 흡열 과정에 의해 냉매가 순환된다. 여기서 냉매의 냉각은 예냉부에서 액화가스의 냉열을 이용하여 이루어지고, 냉매의 흡열은, 액화부에서 기체 수소의 열을 액화시키면서 이루어지며, 또한, 냉매의 흡열 공정은 예냉부에서 기화된 기화가스를 냉각시키면서 추가로 열 에너지를 얻으면서도 이루어진다. In addition, in the refrigerant cycle, the refrigerant is circulated by compression, cooling, expansion, and endothermic processes of the refrigerant. Here, the cooling of the refrigerant is made by using the cooling heat of the liquefied gas in the precooling unit, the absorbing heat of the refrigerant is made while liquefying the heat of gaseous hydrogen in the liquefiing unit, and the heat absorption process of the refrigerant is vaporized gas vaporized in the precooling unit This is done while still gaining additional heat energy while cooling it.

본 실시예에 따른 예냉부는, 액화시킬 수소 기체를 LNG의 냉열로 냉각시키는 1차 열교환기(304, 305); 및 1차 열교환기(304)에서 냉각된 수소 기체의 오르토-파라(ortho-para) 전환 반응이 일어나는 1차 OP(ortho-para) 반응기(308, 309);를 포함한다. The pre-cooling unit according to the present embodiment includes primary heat exchangers 304 and 305 for cooling the hydrogen gas to be liquefied with the cooling heat of LNG; and primary OP (ortho-para) reactors 308 and 309 in which an ortho-para conversion reaction of hydrogen gas cooled in the primary heat exchanger 304 occurs.

또한, 본 실시예에 따르면, LNG 공급처와 1차 열교환기(304, 305)의 저온 유체 유입부를 연결하며, LNG 공급처로부터 1차 열교환기(304, 305)의 저온 유체 유입부로 LNG가 이송되는 경로를 제공하는 액화가스 라인(LL1, LL2); 수소 공급처와 1차 열교환기(304, 305)의 고온 유체 유입부를 연결하며, 수소 공급처로부터 1차 열교환기(304, 305)의 고온 유체 유입부로 수소 기체가 이송되는 경로를 제공하는 수소 기체 라인(GL); 및 냉매 사이클을 순환하는 냉매가 유동하는 경로를 제공하는 냉매 라인(RL);을 더 포함한다.In addition, according to this embodiment, the LNG supply source and the low-temperature fluid inlet of the primary heat exchangers 304 and 305 are connected, and the LNG is transported from the LNG supply source to the low-temperature fluid inlet of the primary heat exchangers 304 and 305 Liquefied gas lines (LL1, LL2) to provide; A hydrogen gas line connecting the hydrogen supply source and the high-temperature fluid inlet of the primary heat exchangers 304 and 305, and providing a path through which hydrogen gas is transported from the hydrogen supply source to the high-temperature fluid inlet of the primary heat exchangers 304 and 305 ( GL); and a refrigerant line (RL) providing a path through which the refrigerant circulating in the refrigerant cycle flows.

본 실시예의 1차 열교환기(304, 305)에서는, 액화가스 라인(LL1, LL2)을 통해 저온 유체 유입부로 유입된 LNG와, 수소 기체 라인(GL)을 통해 고온 유체 유입부로 유입된 수소 기체가 열교환하여, LNG는 가열 또는 기화될 수 있고, 수소 기체는 LNG의 기화냉열에 의해 냉각된다. In the primary heat exchangers 304 and 305 of this embodiment, the LNG introduced into the low-temperature fluid inlet through the liquefied gas lines LL1 and LL2, and the hydrogen gas introduced into the high-temperature fluid inlet through the hydrogen gas line GL By heat exchange, LNG can be heated or vaporized, and hydrogen gas is cooled by the vaporization and cooling heat of LNG.

액화가스 라인(LL1, LL2)에는, 개폐 및 개도량 제어에 의해, 액화가스 라인(LL1, LL2)을 따라 LNG 공급처로부터 1차 열교환기(304, 305)로 이송되는 LNG의 공급을 제어하는 액화가스 밸브(101, 102);가 설치될 수 있다. The liquefied gas lines LL1 and LL2 control the supply of LNG transferred from the LNG supplier to the primary heat exchangers 304 and 305 along the liquefied gas lines LL1 and LL2 by controlling the opening and closing and opening amount. Gas valves 101 and 102; may be installed.

도시하지 않은 제어부는, 액화가스 밸브(101, 102)를 제어하여, 1차 열교환기(304, 305)로의 LNG 공급 여부와 공급 유량을 조절할 수 있다. A control unit (not shown) may control the liquefied gas valves 101 and 102 to adjust whether or not LNG is supplied to the primary heat exchangers 304 and 305 and the supply flow rate.

또한, 1차 열교환기(304, 305)로부터 냉각된 후 액화부로 이송되는 수소 기체의 온도를 측정하는 예냉 온도 측정부;를 더 포함한다. 예냉 온도 측정부는 1차 열교환기(304, 305) 하류의 수소 기체 라인(GL)에 설치되는 TIC(Temperature Indicating Controller)일 수 있다. In addition, it further includes; a pre-cooling temperature measurement unit for measuring the temperature of the hydrogen gas transferred to the liquefaction unit after being cooled from the primary heat exchanger (304, 305). The precooling temperature measuring unit may be a TIC (Temperature Indicating Controller) installed in the hydrogen gas line GL downstream of the primary heat exchangers 304 and 305 .

예냉 온도 측정부에 의해 측정된 예냉 수소의 온도 측정값에 따라 액화가스 밸브(101, 102)의 개폐 및 개도량을 제어하여, LNG 공급처로부터 1차 열교환기(304, 305)로 이송되는 LNG의 유량을 제어할 수 있다.The amount of opening and closing of the liquefied gas valves 101 and 102 is controlled according to the temperature measurement value of the precooled hydrogen measured by the precooling temperature measuring unit, and the amount of LNG transferred from the LNG supplier to the primary heat exchangers 304 and 305 is The flow rate can be controlled.

본 실시예에서 수소 공급처는, 메탄을 주성분으로 하는 천연가스와 스팀을 고온 고압에서 반응시킴으로써 메탄의 수소-탄소 결합이 끊어져서, 메탄의 탄소가 스팀의 산소와 결합하여, 일산화탄소 및 이산화탄소를 생성하고, 메탄의 수소는 분자로 분리되는 공정에 의해 수소를 생산하는 SMR 반응기(301);일 수 있다. In this embodiment, the hydrogen supply source is, by reacting natural gas containing methane as a main component with steam at high temperature and high pressure, the hydrogen-carbon bond of methane is broken, and carbon of methane is combined with oxygen of steam to produce carbon monoxide and carbon dioxide, The hydrogen of methane may be an SMR reactor 301 that produces hydrogen by a process in which it is separated into molecules.

SMR(Steam Methane Reformer) 반응기를 이용한 수소 생산 방식은 경제성이 있어 전 세계적으로 수소 공급의 80% 이상을 점유하고 있으며, 생성된 수소 기체는 고온고압 상태이기 때문에, 수소 액화 공정에 피드 가스로서 공급하기 위해서는, 수소를 냉각시킬 필요가 있다. The hydrogen production method using the SMR (Steam Methane Reformer) reactor is economical and occupies more than 80% of the global hydrogen supply. Since the generated hydrogen gas is in a high temperature and high pressure state, it is necessary to supply it as a feed gas to the hydrogen liquefaction process. For this, it is necessary to cool the hydrogen.

SMR 반응기(301)에는 수소를 생산하기 위한 반응물인 천연가스를 공급하는 천연가스 공급라인(NL6); 및 스팀을 공급하는 스팀 라인(SL);이 연결될 수 있다. The SMR reactor 301 includes a natural gas supply line NL6 for supplying natural gas, which is a reactant for producing hydrogen; and a steam line SL for supplying steam; may be connected.

천연가스 공급라인(NL6)을 통해 SMR 반응기(301)로 유입되는 천연가스는 본 실시예에 의해 재기화된 기화가스일 수 있다. The natural gas flowing into the SMR reactor 301 through the natural gas supply line NL6 may be regasified gas according to the present embodiment.

본 실시예의 전처리 냉각부는, 수소 공급처로부터 이송되는 액화시킬 수소 기체를 예냉부, 즉, 1차 열교환기(304, 305)로 공급하기 전에, 1차 열교환기(304, 305)에서 기화된 천연가스와의 열교환에 의해 예냉시키는 수소 냉각기(302); 및 개폐 및 개도량 제어에 의해 수소 냉각기(302)에서 예냉된 후 수소 기체 라인(GL)을 따라 1차 열교환기(304, 305)로 유입되는 수소 기체의 공급 여부 및 공급 유량을 제어하는 수소 밸브(303);를 더 포함할 수 있다. The pretreatment cooling unit of this embodiment, before supplying the hydrogen gas to be liquefied transferred from the hydrogen supply source to the precooling unit, that is, the primary heat exchangers 304 and 305, natural gas vaporized in the primary heat exchangers 304 and 305 Hydrogen cooler 302 for pre-cooling by heat exchange with; and a hydrogen valve for controlling whether hydrogen gas is supplied and the flow rate of hydrogen gas flowing into the primary heat exchangers 304 and 305 along the hydrogen gas line GL after being pre-cooled in the hydrogen cooler 302 by opening and closing and opening degree control (303); may further include.

1차 열교환기(304, 305)로부터 수소 냉각기(302)로 공급되는 천연가스는, 냉매 사이클에서 냉매를 가열시키면서 온도가 다시 낮아진 후, 후술하는 제5 기화가스 라인(NL5)을 따라 공급될 수 있다. Natural gas supplied to the hydrogen cooler 302 from the primary heat exchangers 304 and 305 may be supplied along a fifth vaporized gas line NL5 to be described later after the temperature is lowered again while heating the refrigerant in the refrigerant cycle. have.

또한, 본 실시예의 1차 열교환기(304, 305)는 3-stream 열교환기일 수 있다. 이때, 1차 열교환기(304, 305)에는, 액화가스 라인(LL1, LL2), 수소 기체 라인(GL) 및 냉매 라인(RL)이 연결될 수 있고, 1차 열교환기(304, 305)에서는, 액화가스 라인(LL1, LL2)을 따라 이송된 LNG, 수소 기체 라인(GL)을 따라 이송된 수소 기체 및 냉매 라인(RL)을 따라 이송된 냉매가 상호 열교환할 수 있다. In addition, the primary heat exchangers 304 and 305 of this embodiment may be a 3-stream heat exchanger. At this time, the liquefied gas lines LL1 and LL2, the hydrogen gas line GL and the refrigerant line RL may be connected to the primary heat exchangers 304 and 305, and in the primary heat exchangers 304 and 305, LNG transferred along the liquefied gas lines LL1 and LL2, hydrogen gas transferred along the hydrogen gas line GL, and the refrigerant transferred along the refrigerant line RL may exchange heat with each other.

1차 열교환기(304, 305)가 이와 같이 3-stream 열교환기로 구비되는 경우, 1차 열교환기(304, 305)에서는, 열교환에 의해 LNG는 가열 또는 기화되고, 수소 기체와 냉매는 냉각 또는 액화될 수 있다. When the primary heat exchangers 304 and 305 are provided as a three-stream heat exchanger in this way, in the primary heat exchangers 304 and 305, LNG is heated or vaporized by heat exchange, and hydrogen gas and refrigerant are cooled or liquefied. can be

본 실시예에서는 1차 열교환기(304, 305)가 이와 같이 3-stream 열교환기인 것을 예로 들어 설명하기로 한다. In this embodiment, the primary heat exchangers 304 and 305 will be described as an example of a 3-stream heat exchanger as described above.

또한, 본 실시예에 따르면, 1차 열교환기(304, 305)와 천연가스 수요처를 연결하며, 1차 열교환기(304, 305)에서 냉매로 사용되면서 기화된 천연가스가 천연가스 수요처로 이송되는 경로를 제공하는 기화가스 라인(NL1, NL2, NL3, NL4, NL5);을 더 포함할 수 있다. In addition, according to this embodiment, the primary heat exchanger (304, 305) and the natural gas demanding destination are connected, and the natural gas vaporized while being used as a refrigerant in the primary heat exchangers (304, 305) is transferred to the natural gas demanding destination. It may further include a vaporization gas line (NL1, NL2, NL3, NL4, NL5) providing a path.

본 실시예에서 천연가스 수요처는, 도시가스 공급소일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. In this embodiment, the natural gas demander may be a city gas supply station, but is not limited thereto.

또한, 본 실시예에 따르면, 기화가스 라인(NL1, NL2, NL3, NL4, NL5)은, 1차 열교환기(304, 305)와 냉매 사이클을 연결하며, 1차 열교환기(304, 305)에서 냉매로 사용되면서 기화된 천연가스가 냉매 사이클로 이송되는 경로를 제공하는 1차 기화가스 라인(NL1, NL2); 및 냉매 사이클과 천연가스 수요처를 연결하며 천연가스가 냉매 사이클에서 그 열원이 사용된 후 천연가스 수요처로 이송되는 경로를 제공하는 제5 기화가스 라인(NL5);을 포함할 수 있다. In addition, according to this embodiment, the vaporized gas lines NL1, NL2, NL3, NL4, NL5 connect the primary heat exchangers 304 and 305 and the refrigerant cycle, and in the primary heat exchangers 304 and 305 Primary vaporized gas lines (NL1, NL2) providing a path through which natural gas vaporized while being used as a refrigerant is transferred to the refrigerant cycle; and a fifth vaporized gas line (NL5) that connects the refrigerant cycle and the natural gas demander and provides a path through which natural gas is transferred to the natural gas demander after the heat source is used in the refrigerant cycle.

1차 기화가스 라인(NL1, NL2)은 후술하는 냉매 사이클의 헬륨 히터(204)로 연결될 수 있다. 즉, 1차 열교환기(304, 305)에서 냉매로 사용되면서 기화된 천연가스는, 1차 기화가스 라인(NL1, NL2)을 따라 냉매 사이클로 이송되어, 냉매 사이클에서 냉매를 기화 또는 가열시키는 열원으로 사용된 후, 제5 기화가스 라인(NL5)을 따라 천연가스 수요처로 공급될 수 있다. The primary vaporized gas lines NL1 and NL2 may be connected to a helium heater 204 of a refrigerant cycle to be described later. That is, natural gas vaporized while being used as a refrigerant in the primary heat exchangers 304 and 305 is transferred to the refrigerant cycle along the primary vaporized gas lines NL1 and NL2, and is a heat source for vaporizing or heating the refrigerant in the refrigerant cycle. After being used, it may be supplied to a natural gas demander along the fifth vaporized gas line NL5.

본 실시예의 수소 기체 라인(GL)은, 1차 열교환기(304, 305)의 고온 유체 배출부와 1차 OP 반응기(308, 309)를 더 연결하며, 1차 열교환기(304, 305)에서 냉각된 수소 기체가 1차 OP 반응기(308, 309)로 이송되는 경로를 제공한다. 즉, 1차 열교환기(304, 305)에서 냉각된 수소 기체는 수소 기체 라인(GL)을 따라 1차 OP 반응기(308, 309)로 공급된다.The hydrogen gas line GL of this embodiment further connects the high-temperature fluid outlet of the primary heat exchangers 304 and 305 and the primary OP reactors 308 and 309, and in the primary heat exchangers 304 and 305 It provides a path for the cooled hydrogen gas to be transported to the primary OP reactors (308, 309). That is, the hydrogen gas cooled in the primary heat exchangers 304 and 305 is supplied to the primary OP reactors 308 and 309 along the hydrogen gas line GL.

본 실시예의 1차 열교환기(304, 305)는, 제1 수소 열교환기(304); 및 제2 수소 열교환기(305);를 포함하는 2단 열교환기로 구성될 수 있다. The primary heat exchangers 304 and 305 of this embodiment include a first hydrogen heat exchanger 304; and a second hydrogen heat exchanger 305; may be configured as a two-stage heat exchanger including.

이때, 액화가스 라인(LL1, LL2)은, LNG 공급처와 제1 수소 열교환기(304)를 연결하는 제1 액화가스 라인(LL1); 및 LNG 공급처와 제2 수소 열교환기(305)를 연결하는 제2 액화가스 라인(LL2);을 포함하고, 액화가스 밸브(101, 102)는, 제1 액화가스 라인(LL1)에 설치되며 LNG 공급처로부터 제1 수소 열교환기(304)로 이송되는 LNG의 공급을 제어하는 제1 액화가스 밸브(101); 및 제2 액화가스 라인(LL2)에 설치되며 LNG 공급처로부터 제2 수소 열교환기(305)로 이송되는 LNG의 공급을 제어하는 제2 액화가스 밸브(102);로 구성될 수 있다. At this time, the liquefied gas lines LL1 and LL2 include a first liquefied gas line LL1 connecting the LNG supplier and the first hydrogen heat exchanger 304; and a second liquefied gas line LL2 connecting the LNG supplier and the second hydrogen heat exchanger 305, wherein the liquefied gas valves 101 and 102 are installed in the first liquefied gas line LL1, and the LNG a first liquefied gas valve 101 for controlling the supply of LNG transferred from the supplier to the first hydrogen heat exchanger 304; and a second liquefied gas valve 102 installed in the second liquefied gas line LL2 and controlling the supply of LNG transferred from the LNG supplier to the second hydrogen heat exchanger 305 .

또한, 본 실시예의 1차 OP 반응기(308, 309)는, 제1 OP 반응기(308); 및 제2 OP 반응기(309);를 포함하여, 2단계에 걸쳐 전환 반응이 실시될 수 있다. In addition, the primary OP reactor (308, 309) of this embodiment, the first OP reactor (308); and a second OP reactor 309; including, the conversion reaction may be carried out over two steps.

즉, 수소 기체 라인(GL)을 통해 수소 공급처로부터 이송된 액화시킬 수소 기체는, 제1 수소 열교환기(304)에서 1차 냉각된 후, 1차 OP 반응기(308)로 공급되어 전환 반응이 일어나고, 1차 OP 반응기(308)로부터 배출된 수소 기체는 제2 수소 열교환기(305)로 공급되어 2차 냉각된 후, 2차 OP 반응기(309)로 공급되어 전환 반응이 실시될 수 있다. That is, the hydrogen gas to be liquefied transferred from the hydrogen supply source through the hydrogen gas line GL is first cooled in the first hydrogen heat exchanger 304 and then supplied to the first OP reactor 308 to cause a conversion reaction. , the hydrogen gas discharged from the primary OP reactor 308 may be supplied to the second hydrogen heat exchanger 305 to be secondary cooled, and then supplied to the secondary OP reactor 309 to perform a conversion reaction.

본 실시예에서는 1차 열교환기(304, 305)가 제1 수소 열교환기(304)와 제2 수소 열교환기(305)를 포함하여 2대의 열교환기로 구성되고, 1차 OP 반응기(308, 309)가 제1 OP 반응기(308)와 제2 OP 반응기(309)를 포함하여 2대의 반응기로 구성되는 것을 예로 들어 설명하기로 한다. 그러나, 1차 열교환기(304, 305)를 구성하는 열교환기의 수와 1차 OP 반응기(308, 309)를 구성하는 OP 반응기의 수는 이에 한정되지는 않고, 적용되는 액화가스의 종류와 열교환에 의해 목표하는 수소 기체의 냉각 온도에 따라 다르게 구성될 수 있을 것이다. In this embodiment, the primary heat exchanger (304, 305) is composed of two heat exchangers including the first hydrogen heat exchanger (304) and the second hydrogen heat exchanger (305), the primary OP reactor (308, 309) The first OP reactor 308 and the second OP reactor 309 will be described as an example consisting of two reactors. However, the number of heat exchangers constituting the primary heat exchangers 304 and 305 and the number of OP reactors constituting the primary OP reactors 308 and 309 are not limited thereto, and the type of applied liquefied gas and heat exchange It may be configured differently depending on the cooling temperature of the hydrogen gas targeted by the .

도 1에는 OP 반응기(308, 309, 310)가 본 실시예에서 수소 기체 라인(GL)상에 설치되는 것으로 도시되어 있다. 그러나, 이에 한정하는 것은 아니고, OP 반응기(308, 309, 310)는 열교환기(304, 305, 306)에, 수소 기체의 오르토-파라 전환을 위한 촉매를 수소 기체가 통과할 수 있도록 촉매층을 설치하여 전환 공정이 공정 상에서 적절히 이루어질 수 있도록 구비될 수도 있다. 오르토-파라 전환을 위한 촉매는 예를 들어 삼산화철(Fe2O3)일 수 있다.1 shows the OP reactors 308, 309 and 310 installed on the hydrogen gas line GL in this embodiment. However, the present invention is not limited thereto, and the OP reactors 308 , 309 , and 310 have a catalyst layer installed in the heat exchangers 304 , 305 , 306 to allow hydrogen gas to pass through a catalyst for ortho-para conversion of hydrogen gas. Therefore, it may be provided so that the conversion process can be properly performed on the process. The catalyst for the ortho-para conversion may be, for example, iron trioxide (Fe 2 O 3 ).

본 실시예의 액화부는, 상술한 예냉부, 즉, 본 실시예의 제2 OP 반응기(309)로부터 전환 반응 후 배출되는 수소 기체를 냉매의 냉열로 냉각시키는 제3 수소 열교환기(306); 제3 수소 열교환기(306)에서 냉각된 수소 기체의 오르토-파라 전환 반응이 일어나는 제3 OP 반응기(310); 및 제3 OP 반응기(310)로부터 전환 반응 후 배출되는 수소를 냉매의 냉열로 액화시키는 제4 수소 열교환기(307);를 포함한다. The liquefaction unit of this embodiment includes the above-described pre-cooling unit, that is, a third hydrogen heat exchanger 306 for cooling the hydrogen gas discharged after the conversion reaction from the second OP reactor 309 of this embodiment with the cooling heat of the refrigerant; a third OP reactor 310 in which an ortho-para conversion reaction of hydrogen gas cooled in the third hydrogen heat exchanger 306 occurs; and a fourth hydrogen heat exchanger 307 for liquefying the hydrogen discharged after the conversion reaction from the third OP reactor 310 into the cooling heat of the refrigerant.

2차 OP 반응기(309)에서 전환 반응이 실시된 후 배출된 수소 기체는, 제2 OP 반응기(309)와 제3 수소 열교환기(306)를 연결하는 수소 기체 라인(GL)을 통해 제3 수소 열교환기(306)의 고온 유체 유입부로 유입되며, 제3 수소 열교환기(306)에서 냉매 사이클을 순환하는 냉매와의 열교환에 의해 냉각된다.The hydrogen gas discharged after the conversion reaction is performed in the secondary OP reactor 309 is a third hydrogen through a hydrogen gas line GL connecting the second OP reactor 309 and the third hydrogen heat exchanger 306 . It flows into the high temperature fluid inlet of the heat exchanger 306 and is cooled by heat exchange with the refrigerant circulating in the refrigerant cycle in the third hydrogen heat exchanger 306 .

또한, 제3 수소 열교환기(306)에서 냉각된 수소 기체는 제3 OP 반응기(310)로 공급된다. 제3 OP 반응기(310)에서 전환 반응이 완료된 수소 기체는, 수소 기체 라인(GL)을 통해 제4 수소 열교환기(307)로 유입되며, 제4 수소 열교환기(307)에서 냉매 사이클을 순환하는 냉매와의 열교환에 의해 액화된다. In addition, the hydrogen gas cooled in the third hydrogen heat exchanger 306 is supplied to the third OP reactor 310 . The hydrogen gas on which the conversion reaction is completed in the third OP reactor 310 is introduced into the fourth hydrogen heat exchanger 307 through the hydrogen gas line GL, and the refrigerant cycle is circulated in the fourth hydrogen heat exchanger 307 . It is liquefied by heat exchange with the refrigerant.

제4 수소 열교환기(307)로부터 배출되는 액화 수소는, 제4 수소 열교환기(307)와 액화수소를 저장하는 액화수소 저장탱크(311)를 연결하는 액화 수소 라인(HL);을 따라 액화수소 저장탱크(311)로 이송되며, 액화수소 저장탱크(311)에 저장될 수 있다. 이와 같이 액화된 수소는 액화수소 저장탱크(311)에 저장된 후 액화수소 수요처로 공급되거나, 또는 액화수소 저장탱크(311)를 거치지 않고 직접 액화수소 수요처로 공급될 수도 있을 것이다. Liquid hydrogen discharged from the fourth hydrogen heat exchanger 307 is a liquid hydrogen line (HL) connecting the fourth hydrogen heat exchanger 307 and a liquid hydrogen storage tank 311 for storing liquid hydrogen; It is transferred to the storage tank 311 and may be stored in the liquid hydrogen storage tank 311 . As such, liquefied hydrogen may be stored in the liquid hydrogen storage tank 311 and then supplied to the liquefied hydrogen demander, or may be directly supplied to the liquefied hydrogen demander without going through the liquefied hydrogen storage tank 311 .

본 실시예의 냉매 사이클은 냉매가, 헬륨 압축기(201), 제1 수소 열교환기(304), 제2 수소 열교환기(305), 제3 수소 열교환기(306), 제4 수소 열교환기(307), 제1 헬륨 팽창터빈(202), 제4 수소 열교환기(307) 및 제2 헬륨 팽창터빈(203)을 경유하고, 다시 제4 수소 열교환기(307) 및 제3 수소 열교환기(306)를 경유하여 헬륨 히터(204)로 유입된 후, 헬륨 히터(204)로부터 다시 헬륨 압축기(201)로 유입되는, 폐쇄 사이클을 순환하도록 형성된다. In the refrigerant cycle of this embodiment, the refrigerant is a helium compressor 201 , a first hydrogen heat exchanger 304 , a second hydrogen heat exchanger 305 , a third hydrogen heat exchanger 306 , and a fourth hydrogen heat exchanger 307 . , the first helium expansion turbine 202 , the fourth hydrogen heat exchanger 307 and the second helium expansion turbine 203 , and again the fourth hydrogen heat exchanger 307 and the third hydrogen heat exchanger 306 . After flowing into the helium heater 204 via the helium heater 204, it is formed to circulate in a closed cycle, flowing back into the helium compressor 201.

본 실시예의 냉매 사이클을 순환하는 냉매는 헬륨(helium, He)일 수 있다. The refrigerant circulating in the refrigerant cycle of this embodiment may be helium (He).

또한, 냉매 사이클은, 클라우드(Claude) 사이클 또는 브레이튼(Brayton) 사이클일 수 있으며, 본 실시예에서 냉매 사이클은, 가장 단순하면서도 효율이 높은 역 브레이튼 사이클이 적용되는 것을 예로 들어 설명한다. In addition, the refrigerant cycle may be a Cloud (Claude) cycle or a Brayton cycle, and the refrigerant cycle in this embodiment will be described as an example in which the simplest and most efficient reverse Brayton cycle is applied.

헬륨을 냉매로 사용하는 역 브레이튼 사이클은, 응축온도가 수소보다 낮은 헬륨을 압축시키고, 냉각시킨 후, 팽창시키고, 승온시키는 과정을 순환하는 폐쇄형 사이클(closed loop) 방식이다.The reverse Brayton cycle using helium as a refrigerant is a closed loop method in which helium having a lower condensation temperature than hydrogen is compressed, cooled, expanded, and heated.

즉, 본 실시예에 따르면, 헬륨을 냉매로 사용하고 터보 팽창기로 팽창기키는 역 브레이튼 사이클을 이용하여 극저온 냉동시스템을 구성하고, 수소의 액화는 이와 분리된 가압 기체 수소 스트림을 열교환기에 연속적으로 통과시킴으로써 수소의 냉각 및 액화를 수행할 수 있다. That is, according to the present embodiment, a cryogenic refrigeration system is constructed using a reverse Brayton cycle in which helium is used as a refrigerant and expanded by a turbo expander, and the liquefaction of hydrogen continuously transfers the separated pressurized gas hydrogen stream to a heat exchanger. Cooling and liquefaction of hydrogen can be performed by passing it through.

본 실시예의 헬륨 압축기(201)는, 냉매 라인(RL)을 따라 유동하는 기체 상태의 헬륨을 압축한다. 헬륨 압축기(201)에 의해 압축된 고온고압의 헬륨 기체는, 냉매 라인(RL)을 따라 제1 수소 열교환기(304)로 유입되고, 제1 수소 열교환기(304)에서 제1 액화가스 라인(LL1)을 따라 유입된 LNG의 냉열에 의해 냉각된다. The helium compressor 201 of the present embodiment compresses helium in a gaseous state flowing along the refrigerant line RL. The high-temperature and high-pressure helium gas compressed by the helium compressor 201 flows into the first hydrogen heat exchanger 304 along the refrigerant line RL, and in the first hydrogen heat exchanger 304, the first liquefied gas line ( It is cooled by the cooling heat of LNG introduced along LL1).

즉, 제1 수소 열교환기(304)에서는 수소 기체 라인(GL)을 따라 유입된 수소 기체와, 제1 액화가스 라인(LL1)을 따라 유입된 LNG와, 냉매 라인(RL)을 따라 유입된 고온고압의 헬륨 기체가 열교환한다. That is, in the first hydrogen heat exchanger 304 , the hydrogen gas introduced along the hydrogen gas line GL, the LNG introduced along the first liquefied gas line LL1 , and the high temperature introduced along the refrigerant line RL The high-pressure helium gas exchanges heat.

제1 수소 열교환기(304)에서 냉각된 고압의 헬륨 기체는, 냉매 라인(RL)을 따라 제2 수소 열교환기(305)로 유입되어, 제2 액화가스 라인(LL2)을 따라 유입된 LNG의 냉열에 의해 냉각된다. The high-pressure helium gas cooled in the first hydrogen heat exchanger 304 flows into the second hydrogen heat exchanger 305 along the refrigerant line RL, and It is cooled by cooling heat.

즉, 제2 수소 열교환기(305)에서는, 제1 OP 반응기(308)에서 반응열에 의해 가열된 후 수소 기체 라인(GL)을 따라 유입된 수소 기체와, 제2 액화가스 라인(LL2)을 따라 유입된 LNG와, 제1 수소 열교환기(304)에서 냉각된 후 냉매 라인(RL)을 따라 유입된 고압의 헬륨 기체가 열교환한다. That is, in the second hydrogen heat exchanger 305 , the hydrogen gas introduced along the hydrogen gas line GL after being heated by the reaction heat in the first OP reactor 308 and the second liquefied gas line LL2 along the The introduced LNG and the high-pressure helium gas introduced along the refrigerant line RL after being cooled in the first hydrogen heat exchanger 304 exchange heat with each other.

제2 수소 열교환기(305)에서 냉각된 고압의 헬륨 기체는, 냉매 라인(RL)을 따라 제3 수소 열교환기(306)로 유입되어, 후술할 제2 헬륨 팽창터빈(203)에 의해 팽창된 헬륨의 냉열에 의해 냉각된다. The high-pressure helium gas cooled in the second hydrogen heat exchanger 305 flows into the third hydrogen heat exchanger 306 along the refrigerant line RL, and is expanded by a second helium expansion turbine 203 to be described later. It is cooled by the cooling heat of helium.

제3 수소 열교환기(306)에서 냉각된 헬륨은 냉매 라인(RL)을 따라 제1 헬륨 팽창터빈(202)으로 유입되어, 단열팽창 또는 등엔트로피 팽창에 의해 압력이 낮아지면서 온도도 낮아진다. The helium cooled in the third hydrogen heat exchanger 306 flows into the first helium expansion turbine 202 along the refrigerant line RL, and the pressure is lowered by adiabatic expansion or isentropic expansion, and the temperature is also lowered.

제1 헬륨 팽창터빈(202)에 의해 압력 및 온도가 낮아진 저온저압의 헬륨은 냉매 라인(RL)을 따라 제4 수소 열교환기(307)로 유입되며, 수소 기체 라인(GL)을 따라 유입된 수소 기체와 열교환하여, 수소 기체를 액화시키면서 가열 또는 기화된다.The low-temperature and low-pressure helium whose pressure and temperature have been lowered by the first helium expansion turbine 202 flows into the fourth hydrogen heat exchanger 307 along the refrigerant line RL, and the hydrogen introduced along the hydrogen gas line GL. It heats up or vaporizes while liquefying hydrogen gas by heat exchange with gas.

제4 수소 열교환기(307)에서 가열 또는 기화된 헬륨은 냉매 라인(RL)을 따라 제2 헬륨 팽창터빈(203)으로 유입되어, 단열팽창 또는 등엔트로피 팽창에 의해 압력이 낮아지면서 온도도 낮아진다. Helium heated or vaporized in the fourth hydrogen heat exchanger 307 is introduced into the second helium expansion turbine 203 along the refrigerant line RL, and the pressure is lowered by adiabatic expansion or isentropic expansion, and the temperature is also lowered.

제2 헬륨 팽창터빈(203)에 의해 압력 및 온도가 낮아진 저온저압의 헬륨은 냉매 라인(RL)을 따라 제4 수소 열교환기(307)로 유입된다. 즉, 본 실시예의 제4 수소 열교환기(307)은 3-stream 열교환기일 수 있다. The low-temperature and low-pressure helium whose pressure and temperature have been lowered by the second helium expansion turbine 203 flows into the fourth hydrogen heat exchanger 307 along the refrigerant line RL. That is, the fourth hydrogen heat exchanger 307 of this embodiment may be a 3-stream heat exchanger.

본 실시예의 제4 수소 열교환기(307)에서는, 제1 헬륨 팽창터빈(202)에 의해 팽창된 후 냉매 라인(RL)을 따라 유입된 헬륨(이하, '1차 팽창 헬륨'이라 함.)과, 제3 OP 반응기(310)에서 반응열에 의해 온도가 상승한 후 수소 기체 라인(GL)을 따라 유입된 수소 기체와, 제2 헬륨 팽창터빈(203)에 의해 팽창된 후 냉매 라인(RL)을 따라 유입된 헬륨(이하, '2차 팽창 헬륨'이라 함.)이 열교환하여, 수소 기체는 액화되고, 1차 팽창 헬륨 및 2차 팽창 헬륨은 가열 또는 기화된다. In the fourth hydrogen heat exchanger 307 of this embodiment, helium introduced along the refrigerant line RL after being expanded by the first helium expansion turbine 202 (hereinafter referred to as 'primary expanded helium') and , the hydrogen gas introduced along the hydrogen gas line GL after the temperature is increased by the heat of reaction in the third OP reactor 310, and the second helium expansion turbine 203 along the refrigerant line RL The introduced helium (hereinafter, referred to as 'secondary expanded helium') exchanges heat, so that hydrogen gas is liquefied, and the first and second expanded helium is heated or vaporized.

제4 수소 열교환기(307)에서 열교환에 의해 가열 또는 기화된 2차 팽창 헬륨은, 냉매 라인(RL)을 따라 제3 수소 열교환기(306)로 유입된다. 즉, 본 실시예의 제3 수소 열교환기(306)은 3-stream 열교환기일 수 있다.The secondary expanded helium heated or vaporized by heat exchange in the fourth hydrogen heat exchanger 307 flows into the third hydrogen heat exchanger 306 along the refrigerant line RL. That is, the third hydrogen heat exchanger 306 of this embodiment may be a 3-stream heat exchanger.

본 실시예의 제3 수소 열교환기(306)에서는, 제4 수소 열교환기(307)에서 가열 또는 기화된 2차 팽창 헬륨과, 제2 OP 반응기(309)에서 반응열에 의해 온도가 상승한 후 수소 기체 라인(GL)을 따라 유입된 수소 기체와, 제2 수소 열교환기(305)에서 냉각된 후 냉매 라인(RL)을 따라 유입된 헬륨 기체(이하, '2차 냉각 헬륨'이라 함.)가 열교환하여, 2차 냉각 헬륨 및 수소 기체는 냉각 또는 액화되고, 가열 또는 기화된 2차 팽창 헬륨은 가열 또는 기화된다.In the third hydrogen heat exchanger 306 of this embodiment, the second expansion helium heated or vaporized in the fourth hydrogen heat exchanger 307 and the hydrogen gas line after the temperature is increased by the heat of reaction in the second OP reactor 309 The hydrogen gas introduced along (GL) and the helium gas introduced along the refrigerant line (RL) after being cooled in the second hydrogen heat exchanger 305 (hereinafter referred to as 'secondary cooling helium') exchange heat. , secondary cooling helium and hydrogen gas are cooled or liquefied, and heated or vaporized secondary expanded helium is heated or vaporized.

제3 수소 열교환기(306)에서 가열 또는 기화된 헬륨은, 냉매 라인(RL)을 따라 헬륨 압축기(201)로 재순환되는데, 본 실시예에 따르면, 제3 수소 열교환기(306)에서 가열 또는 기화된 헬륨이 헬륨 압축기(201)로 유입되기 전에, 헬륨 히터(204)에서 더 가열된 후 헬륨 압축기(210)로 공급되도록 한다. Helium heated or vaporized in the third hydrogen heat exchanger 306 is recirculated to the helium compressor 201 along the refrigerant line RL. According to the present embodiment, the helium is heated or vaporized in the third hydrogen heat exchanger 306 . Before the helium is introduced into the helium compressor 201 , it is further heated by the helium heater 204 and then supplied to the helium compressor 210 .

본 실시예에 따르면, 제1 수소 열교환기(304)에서 LNG의 냉열에 의해 수소 기체를 약 110K까지 예냉시킨 후, 냉각된 수소 기체를 제1 OP 반응기(308)로 공급하는데, 오르토-파라 전환 공정은 발열 과정이므로, 제1 OP 반응기(308)로부터 배출되는 수소 기체의 온도는 제1 OP 반응기(308)의 전단 온도보다 약 5 내지 10℃ 상승하게 된다. 즉, 제1 OP 반응기(308)로부터 배출되는 수소 기체를 제2 수소 열교환기(305)에서 LNG의 냉열에 의해 더 냉각시키도록 한다. According to this embodiment, after the hydrogen gas is pre-cooled to about 110K by the cooling heat of LNG in the first hydrogen heat exchanger 304, the cooled hydrogen gas is supplied to the first OP reactor 308, ortho-para conversion Since the process is an exothermic process, the temperature of the hydrogen gas discharged from the first OP reactor 308 is increased by about 5 to 10°C than the shear temperature of the first OP reactor 308 . That is, the hydrogen gas discharged from the first OP reactor 308 is further cooled by the cooling heat of LNG in the second hydrogen heat exchanger 305 .

상술한 바와 같이 제1 수소 열교환기(304) 및 제2 수소 열교환기(305)에서 LNG의 냉열에 의해 헬륨 냉매 또한 약 110K까지 냉각되게 된다. As described above, the helium refrigerant is also cooled to about 110K by the cooling heat of LNG in the first hydrogen heat exchanger 304 and the second hydrogen heat exchanger 305 .

그러나 본 출원인은, 이와 같이 LNG의 냉열을 최대한 활용하여 예냉 공정에 의해 수소 및 헬륨을 110K에 근접하게 냉각시키면, 헬륨 압축기(201)로 유입되는 헬륨의 온도가 너무 낮아 헬륨 압축기(201)의 허용 온도 미만이 된다는 문제점을 발견하였다. However, the present applicant has stated that when hydrogen and helium are cooled close to 110K by the pre-cooling process by maximizing the cooling heat of LNG in this way, the temperature of helium flowing into the helium compressor 201 is too low to allow the helium compressor 201 . The problem was found that the temperature was lower than the temperature.

따라서, 본 실시예에 따르면, 제1 수소 열교환기(304)와 제2 수소 열교환기(305)에서 열교환에 의해 기화된 천연가스와 제3 수소 열교환기(306)로부터 헬륨 압축기(201)로 유입되는 헬륨 기체를 열교환시키는 헬륨 히터(304);를 더 포함하여, 헬륨 압축기(201)로 유입되는 헬륨 기체를 가열하도록 구성한다. Therefore, according to this embodiment, natural gas vaporized by heat exchange in the first hydrogen heat exchanger 304 and the second hydrogen heat exchanger 305 and the third hydrogen heat exchanger 306 flows into the helium compressor 201 It is configured to heat the helium gas flowing into the helium compressor 201; further comprising a helium heater 304 for exchanging the helium gas to be used.

헬륨 히터(304)에서 헬륨 기체를 가열시키면서 천연가스는 다시 상온보다 현저히 낮은 온도로 재냉각되는데, 재냉각된 천연가스의 온도는 도시가스 등 천연가스 수요처에서 요구하는 온도보다 낮기 때문에, 추가로 회수할 수 있는 냉열이 발생하게 된다. While heating the helium gas in the helium heater 304, natural gas is re-cooled again to a temperature significantly lower than room temperature. Since the temperature of the re-cooled natural gas is lower than the temperature required by natural gas demanders such as city gas, additional recovery There is a cooling effect that can be generated.

따라서, 본 실시예에 따르면, 헬륨 히터(304)에서 헬륨 압축기(201)로 공급되는 헬륨 기체를 가열시키면서 재냉각된 천연가스의 냉열을 회수하는 재냉열 회수 수단;을 더 포함할 수 있다. Therefore, according to the present embodiment, while heating the helium gas supplied from the helium heater 304 to the helium compressor 201, re-cooling heat recovery means for recovering the cooling heat of the re-cooled natural gas; may further include.

도 1에서는, 재냉열 회수 수단이, SMR 반응기(301)로부터 제1 수소 열교환기(304)로 유입되는 수소 기체와 재냉각된 천연가스를 열교환시켜 수소 기체를 예냉시키는 수소 냉각기(302);인 것을 예로 들어 도시하였다. 1, the recooling heat recovery means includes a hydrogen cooler 302 for pre-cooling hydrogen gas by exchanging heat with hydrogen gas flowing into the first hydrogen heat exchanger 304 from the SMR reactor 301 and the recooled natural gas; is shown as an example.

이와 같이 수소 냉각기(302)를 이용하여 액화시킬 수소 기체와 재냉각된 천연가스를 열교환시킴으로써, SMR 반응기(301)로부터 배출되는 고온의 수소 기체는 액화 공정에 적합한 온도까지 예냉시킬 수 있고, 재냉각된 천연가스는 천연가스 수요처로 공급하기에 적합한 온도까지 가열시킬 수 있다. As described above, by using the hydrogen cooler 302 to heat exchange between the hydrogen gas to be liquefied and the re-cooled natural gas, the high-temperature hydrogen gas discharged from the SMR reactor 301 can be pre-cooled to a temperature suitable for the liquefaction process, and re-cooled. The recovered natural gas can be heated to a temperature suitable for supply to natural gas demanders.

본 실시예에서는, 재냉열 회수 수단으로서 수소 냉각기(302)가 적용되는 것을 예로 들어 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니고, 공기 액화 공정 등 극저온 유체의 예냉기, 냉동 창고, 건물 냉방기 등이 적용될 수 있다. In this embodiment, the hydrogen cooler 302 is applied as an example of the re-cooling heat recovery means, but it is not limited thereto, and a pre-cooler of a cryogenic fluid such as an air liquefaction process, a refrigeration warehouse, a building air conditioner, etc. can be applied. .

이와 같이, 헬륨 압축기(201)의 입구 온도를 높이기 위해 천연가스를 재냉각시키면 수소 액화 공정 자체는 천연가스를 재냉각시키지 않는 것에 비해 수소 액화 효율의 상승율이 약 10~20%로 줄어들 수 있지만, 나머지 10~20%의 효율 상승에 해당하는 효과는, 수소를 공급하는 플랜트 또는 수소 액화 플랜트와 연계되는 다른 플랜트에서 얻을 수 있으므로, 결론적으로 전체 시스템의 효율이 개선된다.As such, when natural gas is re-cooled to increase the inlet temperature of the helium compressor 201, the hydrogen liquefaction process itself can reduce the increase rate of hydrogen liquefaction efficiency to about 10 to 20%, compared to not re-cooling the natural gas, The effect corresponding to the remaining 10-20% increase in efficiency can be obtained from a plant that supplies hydrogen or another plant connected with a hydrogen liquefaction plant, and consequently, the efficiency of the entire system is improved.

또한, 본 실시예에 따르면, 제1 수소 열교환기(304)로부터 제1 기화가스 라인(NL1)을 따라 배출된 기화가스와, 제2 수소 열교환기(305)로부터 제2 기화가스 라인(NL2)을 따라 배출된 기화가스를 혼합하는 제1 혼합기(103); 제1 혼합기(103)와 헬륨 히터(204)를 연결하며, 제1 혼합기(103)에서 혼합된 기화가스, 즉 천연가스가 헬륨 히터(204)로 유입되는 경로를 제공하는 제3 기화가스 라인(NL3); 제1 혼합기(103)로부터 배출된 천연가스 중에서 제3 기화가스 라인(NL3)으로 유입되지 않은 나머지 천연가스가 헬륨 히터(204)를 우회하도록 경로를 제공하는 제4 기화가스 라인(NL4); 및 제3 기화가스 라인(NL3)을 통해 유동하며 헬륨 히터(204)에서 재냉각된 천연가스와, 제4 기화가스 라인(NL4)을 통해 유동하며 헬륨 히터(204)를 우회한 천연가스를 혼합하는 제2 혼합기(106);를 더 포함한다. In addition, according to this embodiment, the vaporized gas discharged along the first vaporized gas line NL1 from the first hydrogen heat exchanger 304 and the second vaporized gas line NL2 from the second hydrogen heat exchanger 305 A first mixer 103 for mixing the discharged gas gas along the; A third vaporized gas line connecting the first mixer 103 and the helium heater 204 and providing a path through which the vaporized gas mixed in the first mixer 103, that is, natural gas, flows into the helium heater 204 ( NL3); a fourth vaporized gas line (NL4) providing a path for the remaining natural gas that has not flowed into the third vaporized gas line (NL3) among the natural gas discharged from the first mixer (103) to bypass the helium heater (204); And natural gas flowing through the third vaporized gas line NL3 and re-cooled by the helium heater 204, and natural gas flowing through the fourth vaporized gas line NL4 and bypassing the helium heater 204 are mixed. It further includes a second mixer 106;

제2 혼합기(106)에서 혼합된 천연가스는, 제2 혼합기(106)와 수소 냉각기(302)를 연결하는 제5 기화가스 라인(NL5)을 따라 수소 냉각기(302)로 공급되고, 수소 냉각기(302)에서 가열된 후 천연가스 수요처로 공급된다. The natural gas mixed in the second mixer 106 is supplied to the hydrogen cooler 302 along the fifth vaporized gas line NL5 connecting the second mixer 106 and the hydrogen cooler 302, and the hydrogen cooler ( 302) and then supplied to natural gas demanders.

본 실시예의 제3 기화가스 라인(NL3)에는, 개도량 제어에 의해 제1 혼합기(103)로부터 헬륨 히터(204)로 공급되는 천연가스의 유량을 조절하는 제1 기화가스 밸브(104);가 설치될 수 있다. In the third vaporized gas line NL3 of this embodiment, a first vaporized gas valve 104 for controlling the flow rate of natural gas supplied from the first mixer 103 to the helium heater 204 by controlling the opening degree; can be installed.

또한, 제4 기화가스 라인(NL4)에는, 개도량 제어에 의해 제1 혼합기(103)로부터 헬륨 히터(204)를 우회하여 제2 혼합기(106)로 공급되는 천연가스의 유량을 조절하는 제2 기화가스 밸브(105);가 더 설치될 수도 있다. In addition, in the fourth vaporized gas line NL4 , the second mixer 103 bypasses the helium heater 204 and adjusts the flow rate of natural gas supplied to the second mixer 106 by controlling the opening amount. A vaporizing gas valve 105; may be further installed.

본 실시예에 따르면, 헬륨 압축기(201)로 공급되는 헬륨 기체의 온도를 측정하는 온도 측정부(205);를 더 포함할 수 있다. According to this embodiment, the temperature measuring unit 205 for measuring the temperature of the helium gas supplied to the helium compressor 201; may further include.

제1 기화가스 밸브(104) 및/또는 제2 기화가스 밸브(105)는, 온도 측정부(205)의 온도 측정값에 따라 제어된다. 제1 기화가스 밸브(104) 및/또는 제2 기화가스 밸브(105)의 제어는, 온도 측정부(205)에 의한 온도 측정값에 따라 PID 또는 PI 제어 방식에 의해 조절하여, 헬륨 압축기(201) 상류에서의 헬륨 기체의 온도가 항상 설정값, 즉 일정한 범위 내에서 유지되도록 실시된다.The first vaporization gas valve 104 and/or the second vaporization gas valve 105 are controlled according to the temperature measurement value of the temperature measurement unit 205 . The control of the first vaporized gas valve 104 and/or the second vaporized gas valve 105 is controlled by the PID or PI control method according to the temperature measurement value by the temperature measurement unit 205, and the helium compressor 201 ) is carried out so that the temperature of the helium gas upstream is always maintained within a set value, that is, within a certain range.

예를 들어, 온도 측정부(205)에서 측정한 헬륨 기체의 온도 측정값이 설정값보다 낮으면 제1 기화가스 밸브(104)의 개도량을 크게 하여 제1 혼합기(103)로부터 헬륨 히터(204)로 공급되는 천연가스의 유량을 늘리고, 온도 측정부(205)에서 측정한 헬륨 기체의 온도 측정값이 설정값보다 높으면 제1 기화가스 밸브(104)의 개도량을 줄여 제1 혼합기(103)로부터 헬륨 히터(204)로 공급되는 천연가스의 유량을 줄일 수 있다.For example, if the temperature measurement value of the helium gas measured by the temperature measurement unit 205 is lower than the set value, the opening degree of the first vaporization gas valve 104 is increased to allow the helium heater 204 from the first mixer 103 . ) to increase the flow rate of natural gas supplied to, and when the temperature measurement value of the helium gas measured by the temperature measurement unit 205 is higher than the set value, decrease the opening amount of the first vaporized gas valve 104 to the first mixer 103 It is possible to reduce the flow rate of natural gas supplied to the helium heater 204 from the.

본 실시예에 따르면, LNG 공급처로부터 공급되는 LNG의 냉열(Q)은, 제1 수소 열교환기(304)에서 수소의 예냉을 위해 사용되고(Q1), 제2 수소 열교환기(305)에서 수소의 예냉을 위해 사용되고(Q2), 헬륨 히터(204)에서 냉매를 가열시키는데 사용되고, 수소 냉각기(302)에서 수소 기체를 냉각시키는데 사용(Q4)되면서, 가스 수요처에서 요구하는 상태로 기화되고 온도가 조절된다(Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4). According to this embodiment, the cooling heat Q of LNG supplied from the LNG supplier is used for pre-cooling of hydrogen in the first hydrogen heat exchanger 304 (Q1), and pre-cooling of hydrogen in the second hydrogen heat exchanger 305 . Used for (Q2), used to heat the refrigerant in the helium heater 204, and used to cool hydrogen gas in the hydrogen cooler 302 (Q4), it is vaporized to a state required by the gas demander and the temperature is adjusted ( Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4).

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다. The present invention is not limited to the above embodiments, and it is apparent to those skilled in the art that various modifications or variations can be implemented without departing from the technical gist of the present invention. did it

101 : 제1 액화가스 밸브 201 : 헬륨 압축기
102 : 제2 액화가스 밸브 202 : 제1 헬륨 팽창터빈
103 : 제1 혼합기 203 : 제2 헬륨 팽창터빈
104 : 제1 기화가스 밸브 204 : 헬륨 히터
105 : 제2 기화가스 밸브 205 : 온도 측정부
106 : 제2 혼합기
301 : SMR 반응기 307 : 제4 수소 열교환기
302 : 수소 냉각기 308 : 제1 OP 반응기
303 : 수소 밸브 309 : 제2 OP 반응기
304 : 제1 수소 열교환기 310 : 제3 OP 반응기
305 : 제2 수소 열교환기 311 : 액화수소 저장탱크
306 : 제3 수소 열교환기
GL : 수소 기체 라인 HL : 액화 수소 라인
SL : 스팀 라인 RL : 냉매 라인
LL1 : 제1 액화가스 라인 LL2 : 제2 액화가스 라인
NL1 : 제1 기화가스 라인 NL2 : 제2 기화가스 라인
NL3 : 제3 기화가스 라인 NL4 : 제4 기화가스 라인
NL5 : 제5 기화가스 라인 NL6 : 천연가스 공급라인101: first liquefied gas valve 201: helium compressor
102: second liquefied gas valve 202: first helium expansion turbine
103: first mixer 203: second helium expansion turbine
104: first vaporized gas valve 204: helium heater
105: second vaporized gas valve 205: temperature measurement unit
106: second mixer
301 SMR reactor 307: fourth hydrogen heat exchanger
302: hydrogen cooler 308: first OP reactor
303: hydrogen valve 309: second OP reactor
304: first hydrogen heat exchanger 310: third OP reactor
305: second hydrogen heat exchanger 311: liquid hydrogen storage tank
306: third hydrogen heat exchanger
GL: Hydrogen gas line HL: Liquefied hydrogen line
SL : Steam line RL : Refrigerant line
LL1: first liquefied gas line LL2: second liquefied gas line
NL1: first vaporized gas line NL2: second vaporized gas line
NL3: third vaporized gas line NL4: fourth vaporized gas line
NL5 : 5th gasification gas line NL6 : Natural gas supply line

Claims (14)

수소 공급처로부터 이송되는 수소 기체를 액화시키기 전에 예냉시키는 예냉부;
상기 예냉부에서 예냉된 수소 기체를 액화시키는 액화부; 및
상기 액화부에서 수소를 액화시키기 위한 냉매가 순환하는 냉매 사이클;을 포함하고,
상기 예냉부는,
상기 수소 기체와 액화가스를 열교환시켜, 수소 기체는 냉각시키고, 액화가스는 재기화시키는 1차 열교환기;를 포함하고,
상기 냉매 사이클은,
상기 냉매를 압축하는 냉매 압축기; 및
상기 냉매 압축기의 상류에 설치되며, 상기 액화부에서 가열 또는 기화된 기체 냉매와, 상기 1차 열교환기에서 재기화된 기화가스를 열교환시켜, 상기 기체 냉매는 가열하고 상기 기화가스는 재냉각시키는 냉매 히터;를 포함하는, 수소 액화 시스템. a pre-cooling unit for pre-cooling the hydrogen gas transferred from the hydrogen supply source before liquefying;
a liquefaction unit for liquefying the hydrogen gas precooled in the precooling unit; and
and a refrigerant cycle in which a refrigerant for liquefying hydrogen in the liquefaction unit circulates;
The pre-cooling unit,
and a primary heat exchanger that heat-exchanges the hydrogen gas and the liquefied gas to cool the hydrogen gas and re-gas the liquefied gas;
The refrigerant cycle is
a refrigerant compressor for compressing the refrigerant; and
A refrigerant installed upstream of the refrigerant compressor and heat-exchanged with the gas refrigerant heated or vaporized in the liquefaction unit and the regasified gas regasified in the primary heat exchanger to heat the gaseous refrigerant and re-cool the vaporized gas A heater; including, a hydrogen liquefaction system. 청구항 1에 있어서,
상기 예냉부는,
상기 수소 기체의 오르토-파라 전환 반응을 촉진시키는 1차 OP 반응기;를 더 포함하는, 수소 액화 시스템. The method according to claim 1,
The pre-cooling unit,
The hydrogen liquefaction system further comprising; a primary OP reactor that promotes the ortho-para conversion reaction of the hydrogen gas. 청구항 1에 있어서,
상기 1차 열교환기에서는, 상기 액화가스, 수소 기체 및 상기 냉매 압축기로부터 이송되는 압축 냉매가 열교환하여, 상기 수소 기체와 압축 냉매가 냉각되는, 수소 액화 시스템. The method according to claim 1,
In the primary heat exchanger, the liquefied gas, the hydrogen gas, and the compressed refrigerant transferred from the refrigerant compressor exchange heat, and the hydrogen gas and the compressed refrigerant are cooled. 청구항 1에 있어서,
상기 냉매 압축기로 유입되는 기체 냉매의 온도를 측정하는 온도 측정부;
상기 1차 열교환기에서 기화된 기화가스가 상기 냉매 히터로 이송되는 기화가스 라인에 설치되며, 상기 1차 열교환기로부터 냉매 히터로 이송되는 기화가스의 유량을 제어하기 위한 기화가스 밸브; 및
상기 온도 측정부의 온도 측정값에 따라 상기 냉매 압축기의 상류 온도가 설정 범위 내에서 유지되도록 상기 기화가스 밸브를 제어하는 제어부;를 더 포함하는, 수소 액화 시스템.The method according to claim 1,
a temperature measuring unit for measuring the temperature of the gas refrigerant flowing into the refrigerant compressor;
a vaporized gas valve installed in a vaporized gas line through which vaporized gas vaporized in the primary heat exchanger is transferred to the refrigerant heater, and configured to control a flow rate of vaporized gas transferred from the primary heat exchanger to the refrigerant heater; and
The hydrogen liquefaction system further comprising a; a control unit for controlling the vaporization gas valve so that the upstream temperature of the refrigerant compressor is maintained within a set range according to the temperature measurement value of the temperature measurement unit. 청구항 1에 있어서,
상기 냉매 히터와 가스 수요처 사이에 설치되며, 상기 냉매 히터에서 재냉각된 기화가스의 냉열을 회수하여 상기 기화가스를 가스 수요처에서 요구하는 온도까지 가열하는 재냉열 회수 수단;을 더 포함하는, 수소 액화 시스템. The method according to claim 1,
Re-cooling heat recovery means installed between the refrigerant heater and the gas demander and recovering the cooling heat of the vaporized gas re-cooled by the refrigerant heater to heat the vaporized gas to a temperature required by the gas demanding destination; Hydrogen liquefaction further comprising system. 청구항 5에 있어서,
상기 수소 공급처는, SMR(steam methane reformer) 반응기이고,
상기 재냉열 회수 수단은, 상기 SMR 반응기로부터 상기 예냉부로 공급되는 수소 기체와, 상기 냉매 히터에서 재냉각된 기화가스를 열교환시켜, 상기 고온고압의 수소 기체를 예냉시키는 수소 냉각기;인 것을 특징으로 하는, 수소 액화 시스템. 6. The method of claim 5,
The hydrogen source is an SMR (steam methane reformer) reactor,
The re-cooling heat recovery means is a hydrogen cooler for pre-cooling the high-temperature and high-pressure hydrogen gas by exchanging heat with the hydrogen gas supplied from the SMR reactor to the pre-cooling unit and the re-cooled vaporized gas in the refrigerant heater. , hydrogen liquefaction system. 청구항 2에 있어서,
상기 냉매 사이클은,
상기 1차 열교환기에서 냉각된 저온고압의 기체 냉매를 팽창시키는 제1 냉매 팽창터빈;을 더 포함하고,
상기 액화부는,
상기 제1 냉매 팽창터빈에 의해 팽창된 저온저압의 냉매와, 상기 1차 OP 반응기에서 전환 반응을 마치고 배출된 수소 기체와, 상기 1차 열교환기에서 냉각된 후 상기 제1 냉매 팽창터빈으로 공급할 냉매를 열교환시켜, 상기 수소 기체와 상기 제1 냉매 팽창터빈으로 공급할 냉매를 냉각시키는 제3 수소 열교환기;를 포함하는, 수소 액화 시스템. 3. The method according to claim 2,
The refrigerant cycle is
Further comprising; a first refrigerant expansion turbine for expanding the low-temperature and high-pressure gas refrigerant cooled in the primary heat exchanger;
The liquefaction part,
The low-temperature and low-pressure refrigerant expanded by the first refrigerant expansion turbine, the hydrogen gas discharged after the conversion reaction in the first OP reactor, and the refrigerant to be supplied to the first refrigerant expansion turbine after being cooled in the primary heat exchanger A third hydrogen heat exchanger for cooling the hydrogen gas and the refrigerant to be supplied to the first refrigerant expansion turbine by heat-exchanging the; including, a hydrogen liquefaction system. 청구항 7에 있어서,
상기 냉매 사이클은,
상기 제3 수소 열교환기에서 냉열이 회수된 저온저압의 냉매를 팽창시키는 제2 냉매 팽창터빈;을 더 포함하고,
상기 액화부는,
상기 제2 냉매 팽창터빈에 의해 팽창된 저온저압의 냉매와, 상기 제3 수소 열교환기에서 냉각된 수소 기체와, 상기 제1 냉매 팽창터빈에 의해 팽창된 저온저압의 냉매를 열교환시켜, 상기 수소 기체를 액화시키는 제4 수소 열교환기;를 더 포함하는, 수소 액화 시스템. 8. The method of claim 7,
The refrigerant cycle is
Further comprising; a second refrigerant expansion turbine for expanding the low-temperature and low-pressure refrigerant from which the cold heat is recovered in the third hydrogen heat exchanger;
The liquefaction part,
By exchanging heat with the low-temperature and low-pressure refrigerant expanded by the second refrigerant expansion turbine, the hydrogen gas cooled in the third hydrogen heat exchanger, and the low-temperature and low-pressure refrigerant expanded by the first refrigerant expansion turbine, the hydrogen gas A fourth hydrogen heat exchanger to liquefy the; further comprising, a hydrogen liquefaction system. 청구항 8에 있어서,
수소 기체의 오르토-파라 전환 반응이 일어나는 제3 OP 반응기;를 더 포함하고, 상기 제3 OP 반응기에서 전환 반응이 일어난 수소 기체가 상기 제4 수소 열교환기로 이송되는, 수소 액화 시스템.9. The method of claim 8,
The hydrogen liquefaction system further comprising a third OP reactor in which the ortho-para conversion reaction of hydrogen gas occurs, wherein the hydrogen gas in which the conversion reaction occurs in the third OP reactor is transferred to the fourth hydrogen heat exchanger. 액화시킬 수소 기체를, 재기화시킬 액화가스와 열교환시켜, 상기 수소 기체는 냉각시키고 상기 액화가스는 기화시키는 단계;
상기 수소 기체를 오르토-파라 전환 반응시키는 단계;
상기 오르토-파라 전환 반응에 의해 온도가 상승한 수소 기체를, 냉매 사이클을 순환하는 액체 냉매와 열교환시켜, 상기 액체 냉매는 기화시키고 상기 수소 기체는 액화시키는 단계;
상기 수소 기체를 액화시키면서 기화된 기체 냉매를 상기 기화된 기화가스와 열교환시켜, 상기 기체 냉매는 가열하고, 상기 기화가스는 재냉각시키는 단계; 및
상기 기화가스와의 열교환에 의해 가열된 기체 냉매를 압축하는 단계;를 포함하는, 수소 액화 방법. heat-exchanging the hydrogen gas to be liquefied with the liquefied gas to be regasified to cool the hydrogen gas and vaporize the liquefied gas;
ortho-para-converting the hydrogen gas;
heat-exchanging the hydrogen gas whose temperature is increased by the ortho-para conversion reaction with a liquid refrigerant circulating in a refrigerant cycle, thereby vaporizing the liquid refrigerant and liquefying the hydrogen gas;
heat-exchanging the vaporized gas refrigerant with the vaporized vaporized gas while liquefying the hydrogen gas, heating the gaseous refrigerant, and re-cooling the vaporized gas; and
Compressing the gaseous refrigerant heated by heat exchange with the vaporized gas; Containing, Hydrogen liquefaction method. 청구항 10에 있어서,
상기 액화가스를 기화시키는 단계는,
상기 액화시킬 수소 기체와, 상기 기화시킬 액화가스와, 상기 기체 냉매를 압축하는 단계에서 압축된 기체 냉매를 열교환시켜, 상기 수소 기체 및 기체 냉매를 냉각시키는, 수소 액화 방법.11. The method of claim 10,
The step of vaporizing the liquefied gas,
The hydrogen gas to be liquefied, the liquefied gas to be vaporized, and the gas refrigerant compressed in the step of compressing the gas refrigerant are heat exchanged to cool the hydrogen gas and the gas refrigerant. 청구항 11에 있어서,
상기 압축시킬 기체 냉매의 온도를 측정하는 단계; 및
상기 온도 측정값에 따라 상기 기체 냉매와 열교환시킬 기화가스의 유량을 PID 또는 PI 방식으로 제어하는 단계;를 더 포함하는, 수소 액화 방법. 12. The method of claim 11,
measuring the temperature of the gas refrigerant to be compressed; and
Controlling the flow rate of the vaporized gas to be exchanged with the gas refrigerant in a PID or PI method according to the temperature measurement value; further comprising, a hydrogen liquefaction method. 청구항 11에 있어서,
상기 재냉각된 기화가스를, 상기 액화가스를 기화시키는 단계로 공급하는 액화시킬 수소 기체와 열교환시켜, 상기 기화가스는 가열하고 상기 수소 기체는 예냉하는 단계; 및
상기 가열된 기화가스를 가스 공급처로 공급하는 단계;를 더 포함하는, 수소 액화 방법. 12. The method of claim 11,
heat-exchanging the re-cooled vaporized gas with hydrogen gas to be liquefied supplied to the step of vaporizing the liquefied gas, heating the vaporized gas and pre-cooling the hydrogen gas; and
Supplying the heated vaporized gas to a gas supplier; further comprising, a hydrogen liquefaction method. 청구항 11에 있어서,
상기 액화가스를 기화시키는 단계에서 액화가스의 냉열에 의해 냉각된 기체 냉매를 팽창시키는 단계; 및
상기 팽창된 저온저압의 냉매와, 상기 오르토-파라 전환 반응을 마친 수소 기체와, 상기 팽창시킬 고온고압의 냉매를 열교환시켜, 상기 수소 기체와 고온고압의 냉매를 냉각시키는 단계;를 포함하는, 수소 액화 방법.12. The method of claim 11,
expanding the gas refrigerant cooled by the cooling heat of the liquefied gas in the step of vaporizing the liquefied gas; and
The step of cooling the hydrogen gas and the high-temperature and high-pressure refrigerant by exchanging heat with the expanded low-temperature and low-pressure refrigerant, the hydrogen gas having completed the ortho-para conversion reaction, and the high-temperature and high-pressure refrigerant to be expanded; Hydrogen containing liquefaction method.
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