KR20210072985A - Apparatus for hydrogen liquefaction - Google Patents

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Abstract

Provided is a hydrogen liquefaction apparatus. According to one embodiment of the present invention, the hydrogen liquefaction apparatus includes: a liquid nitrogen (liquid argon) preparation device for preparing liquid nitrogen or liquid argon by using cooling energy of a liquefied natural gas (LNG) to liquefy a hydrogen gas; a precooler for cooling a closed circulation hydrogen gas by using the prepared liquid nitrogen or the prepared liquid argon; a low-pressure compressor and a high-pressure compressor for compressing the closed circulation hydrogen gas in two stages; a plurality of coolers for cooling the closed circulation hydrogen gas in multiple stages after the compression of the closed circulation hydrogen gas; an expander for expanding a portion of the cooled closed circulation hydrogen gas in a closed cycle at a medium pressure; and a circulation device in which residual hydrogen of the closed circulation hydrogen gas in the closed cycle is cooled by mixed liquid and gaseous hydrogen at the medium pressure, liquefied to generate some liquid hydrogen as the pressure is reduced to a final pressure by an expansion valve, and returned to the low-pressure compressor, wherein the coolers cool the hydrogen gas, which is compressed and injected (fed) so as to be liquefied by returned liquid hydrogen, and the expander reduces a pressure of the cooled hydrogen gas to change some of the cooled hydrogen gas into liquid hydrogen. Accordingly, an amount of energy required to liquefy hydrogen is significantly reduced.

Description

수소 액화 장치{APPARATUS FOR HYDROGEN LIQUEFACTION}Hydrogen liquefaction device {APPARATUS FOR HYDROGEN LIQUEFACTION}

본 발명의 실시예들은 수소 액화 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수소 가스의 액화 공정 중 에너지 절약형 액화 공정인 액화천연가스(LNG)의 냉열을 이용하는 수소 액화 장치에 관한 것이다. Embodiments of the present invention relate to a hydrogen liquefaction apparatus, and more particularly, to a hydrogen liquefaction apparatus using the cooling heat of liquefied natural gas (LNG), which is an energy-saving liquefaction process among hydrogen gas liquefaction processes.

전세계적으로 사용량이 증가하고 있는 액화천연가스(LNG)는 -162 ℃의 액체 상태로 도입되어 저장탱크에 저장한 후 해수로 가스화되어 도시가스로 공급되고 있다. 액화천연가스(LNG)의 냉열 이용은 해수에 버리는 극저온 에너지 즉, 냉열을 회수하여 이용하는 것으로 수소를 액화하는 공정에 이용이 가능하다.Liquefied natural gas (LNG), which is being used worldwide, is introduced as a liquid at -162 ℃, stored in a storage tank, and then gasified into seawater and supplied as city gas. The use of cold heat of liquefied natural gas (LNG) is to recover and use cryogenic energy discarded in seawater, that is, cold heat, and can be used in the process of liquefying hydrogen.

대기압 환경에서 수소 가스의 액화를 위해서는 -253 ℃까지 온도를 저하시켜야 하며, 이를 위한 제거 열량은 상온의 가스를 액체 온도 전까지 저하시키는 현열과 기체에서 액체로 상이 변화하는 상변화 잠열 제거를 합하여 4,024 kJ/kg를 제거해야 하고, 또한 수소 분자(H2)가 회전이 바뀌면서 발생하는 열 즉, 변환열(Conversion heat)인 703.3 kJ/kg을 제거해야 한다. 상기와 같은 많은 에너지를 제거해야 하는 액화 공정의 소요 에너지를 절약할 수 있는 기술이 공지되어 있다. In order to liquefy hydrogen gas in an atmospheric pressure environment, the temperature must be lowered to -253 ℃, and the amount of heat removed for this is 4,024 kJ by combining the sensible heat that lowers the gas at room temperature to the liquid temperature and the latent heat of the phase change from gas to liquid. /kg must be removed, and 703.3 kJ/kg, which is the conversion heat, which is the heat generated by the rotation of hydrogen molecules (H2), must be removed. A technique capable of saving energy required for a liquefaction process in which a large amount of energy as described above is removed is known.

종래의 액화 공정으로는 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, LNG)가 보유하고 있는 냉열을 이용한 수소 액화 공정이 있다. 그러나, 수소 액화 공정에 이용할 수 있는 액화천연가스(LNG)의 냉열 온도는 1 기압에서 최저 상변화 온도인 -162 ℃까지로, 이용할 수 있는 온도에 제한이 있다. As a conventional liquefaction process, there is a hydrogen liquefaction process using the cooling heat possessed by liquefied natural gas (LNG). However, the cooling and heating temperature of liquefied natural gas (LNG) that can be used in the hydrogen liquefaction process is from 1 atm to -162 °C, which is the lowest phase change temperature, and there is a limit to the temperature that can be used.

도 1은 종래의 수소 액화 장치를 나타내는 도면이다.1 is a view showing a conventional hydrogen liquefaction apparatus.

도 1을 참조하면, 종래의 수소 액화 장치(100)는 저압 압축기(110), 고압 압축기(120), 주입(Feed) 수소 압축기(125), 액체 질소 냉각기(130), 다수 개의 일반 냉각기(140), 팽창기(150, 151), 팽창 밸브(160, 161) 및 액기 분리기(170)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1 , the conventional hydrogen liquefaction apparatus 100 includes a low pressure compressor 110 , a high pressure compressor 120 , a feed hydrogen compressor 125 , a liquid nitrogen cooler 130 , and a plurality of general coolers 140 . ), expanders 150 and 151 , expansion valves 160 and 161 and a liquid separator 170 may be included.

수소의 액화에 필요한 에너지 제거 공정은 밀폐된 밀폐사이클(101)로 구성되며, 밀폐사이클(101)에 충전되어 순환되는 작동유체는 통상 수소 가스가 된다. 이 수소 액화용 밀폐사이클(101)의 구성은 극저온 액화 공정에 널리 적용되고 있는 린데(Linde) 2단 압축 액화 공정과 클라우드(Claude) 액화 공정이 조합되어 이루어진다. 린데의 2단 압축은 압축일은 일부 증가하나 얻어지는 액체량 당의 소요 동력은 감소하게 되며, 클라우드 액화 공정은 순환 매체량은 증가하나 얻어지는 액체량이 크게 증가하는 공정이다. The energy removal process required for liquefaction of hydrogen consists of a sealed cycle 101, and the working fluid charged and circulated in the sealed cycle 101 is usually hydrogen gas. The configuration of the sealed cycle 101 for hydrogen liquefaction is a combination of a Linde two-stage compression liquefaction process and a cloud liquefaction process, which are widely applied to a cryogenic liquefaction process. In Linde's two-stage compression, the compression work partly increases, but the power required per amount of obtained liquid decreases. In the cloud liquefaction process, the amount of circulating medium increases but the amount of obtained liquid greatly increases.

또한, 수소 가스의 액화에 필수 공정으로는 먼저 압축된 수소 가스를 -70 ℃이하로 온도를 낮춘 후 압력을 강하시켜야 액체를 얻게 된다. 만약 이 온도 이하로 저하시키지 않으면 액체를 얻을 수 없게 되며, 이를 최대 역전온도(Maximum Inversion Temperature)라 한다. 이를 위하여 종래의 수소 액화 장치(100)의 공정에서는 -196 ℃의 액체 질소를 증발시켜, 밀폐 순환 수소를 액체 질소 냉각기(130)로 예냉시킨다. 그러나, 사용되는 액체 질소는 기화 후 버리게 되는 것이므로 고가의 액체 질소의 사용량을 절감하기 위하여 사용량을 최대한 감소시켜야 한다. 액화시키고자 하는 주입(Feed) 수소의 역전온도 -70 ℃ 이하의 냉각은 밀폐사이클(101)의 순환 수소의 냉열을 사용하는 액화 공정으로 이루어진다. In addition, as an essential process for liquefaction of hydrogen gas, first, the temperature of the compressed hydrogen gas is lowered to -70 ° C. or less, and then the pressure is lowered to obtain a liquid. If the temperature is not lowered below this temperature, the liquid cannot be obtained, which is called the Maximum Inversion Temperature. To this end, in the process of the conventional hydrogen liquefaction apparatus 100 , liquid nitrogen at -196° C. is evaporated, and the closed circulation hydrogen is pre-cooled by the liquid nitrogen cooler 130 . However, since the liquid nitrogen used is to be discarded after vaporization, the amount used should be reduced as much as possible in order to reduce the amount of expensive liquid nitrogen used. The cooling of the inversion temperature of the feed hydrogen to be liquefied to -70° C. or less is a liquefaction process using the cooling heat of the circulating hydrogen of the closed cycle 101 .

도 1을 참조하여 종래의 수소 액화 장치(100)의 공정을 설명하면, 먼저 밀폐사이클(101)은 2단의 압축기(110, 120)로 구성되어 밀폐사이클(101) 내부의 순환 수소 가스를 압축시킨다. 액체 질소 냉각기(130)는 압축기(120)로부터 전달되는 수소 가스(103)를 냉각시킬 수 있다. 이때, 액체 질소(LN2)의 냉열은 대략 -196 ℃이며, 액체 질소 냉각기(130)는 수소 가스를 대략 -193 ℃로 냉각시킬 수 있다. 다수개의 일반 냉각기(140)들은 액체 질소 냉각기(130)로부터 전달되는 수소 가스를 추가적으로 냉각시킬 수 있다. 이 일반 냉각기(140) 중 적어도 어느 하나로부터 수소 가스 일부가 추출(by-pass)되어 팽창기(150)에서 중압으로 저하된다. 이를 통해 수소 가스의 온도가 약 -241 ℃로 저하되면서 일부가 액체 수소로 변화되고, 이 저온의 액체와 기체 수소 혼합물(102)은 다시 냉각기(140)를 역으로 순환되면서 밀폐 공정의 순환 수소 가스(103)의 온도를 저하시킨 후 저압 압축기(110)와 고압 압축기(120) 사이로 주입된다. When the process of the conventional hydrogen liquefaction apparatus 100 is described with reference to FIG. 1 , first, the closed cycle 101 is composed of two stages of compressors 110 and 120 to compress the circulating hydrogen gas inside the closed cycle 101 . make it The liquid nitrogen cooler 130 may cool the hydrogen gas 103 delivered from the compressor 120 . At this time, the cooling heat of the liquid nitrogen (LN2) is about -196 ℃, the liquid nitrogen cooler 130 can cool the hydrogen gas to about -193 ℃. The plurality of general coolers 140 may additionally cool the hydrogen gas delivered from the liquid nitrogen cooler 130 . A portion of hydrogen gas is extracted (by-passed) from at least one of the general coolers 140 and lowered to medium pressure in the expander 150 . Through this, as the temperature of the hydrogen gas is lowered to about -241 ° C., a part is changed to liquid hydrogen, and the low-temperature liquid and gaseous hydrogen mixture 102 is circulated in reverse through the cooler 140 again, and the circulating hydrogen gas in the sealing process After lowering the temperature of 103 , it is injected between the low-pressure compressor 110 and the high-pressure compressor 120 .

한편, 팽창기(150)로 추출되지 않은 밀폐사이클(101)의 순환 수소 가스(103)는 저온의 2단 팽창기(151, 152)로부터 반송되는 순환 수소(102)에 의하여 냉각된 후 팽창 밸브(160)에서 대기압으로 저하된다. 이때, 수소 온도는 -253 ℃이고, 액기 혼합물이 얻어진다. 이 액기 혼합 상태의 극저온 수소가 저압 압축기(110)로 반송되면서, 액화시키고자 주입(Feed)되는 수소(104)의 온도를 저하시키는 냉각, 액화시키는 작용을 하게 된다.On the other hand, the circulating hydrogen gas 103 of the closed cycle 101 that is not extracted by the expander 150 is cooled by the circulating hydrogen 102 returned from the low-temperature two-stage expanders 151 and 152, and then the expansion valve 160 ) to atmospheric pressure. At this time, the hydrogen temperature is -253 ° C, and a liquid mixture is obtained. As the cryogenic hydrogen in the liquid-gas mixture is returned to the low-pressure compressor 110 , it functions to cool and liquefy to lower the temperature of the hydrogen 104 that is fed to be liquefied.

액화시키고자 주입(Feed)되는 압축된 수소 가스(104)는 압축기(125)와 다수의 냉각기(140)를 거치면서 액기 혼합 상태의 극저온 수소에 의하여 온도가 저하되고 최종 팽창 밸브(161)에서 대기압으로 압력이 강하되면서 -253 ℃의 액체 수소와 기체 수소를 얻어 탱크에 저장된다. The compressed hydrogen gas 104 fed to be liquefied is reduced in temperature by cryogenic hydrogen in a liquid-liquid mixture state while passing through the compressor 125 and the plurality of coolers 140, and is at atmospheric pressure at the final expansion valve 161. As the pressure drops, liquid hydrogen and gaseous hydrogen at -253 ° C are obtained and stored in a tank.

도 2는 종래의 액화천연가스(LNG) 냉열을 이용한 수소 액화 장치를 나타낸 도면이다. 2 is a view showing a hydrogen liquefaction apparatus using the conventional liquefied natural gas (LNG) cooling heat.

이 공정은 도 1에서 설명한 액체 질소를 이용하는 종래의 수소 액화 장치의 액체 수소 액화 공정과 동일한 수소 밀폐사이클(201)을 적용하는 것으로, 린데 2단 압축 액화 공정과 클라우드 액화 공정이 조합된 것이다. 차이점은 액체 질소를 이용한 예냉 공정에 이용되는 버려지는 고가의 액체 질소 대신에 에너지 절약 효과가 큰 액화천연가스(LNG)의 냉열을 이용하여 LNG 냉각기(230)를 통해 예냉하는 것이다.This process applies the same hydrogen sealed cycle 201 as the liquid hydrogen liquefaction process of the conventional hydrogen liquefaction apparatus using liquid nitrogen described in FIG. 1 , and the Linde two-stage compression liquefaction process and cloud liquefaction process are combined. The difference is that it is pre-cooled through the LNG cooler 230 using the cooling heat of liquefied natural gas (LNG), which has a large energy-saving effect, instead of wasted expensive liquid nitrogen used in the pre-cooling process using liquid nitrogen.

밀폐사이클의 LNG 냉각기(230)는 액화천연가스를 이용하여 압축기(220)로부터 전달되는 수소 가스(203)를 냉각시킬 수 있다. 이때 액화천연가스(LNG)의 냉열은 대략 -156 ℃ ~ 162 ℃이므로, LNG 냉각기(230)에서 수소 가스를 대략 -153 ℃ ~ -159 ℃로 냉각시킬 수 있다. 일반 냉각기(240)와 팽창기(250, 251, 252), 팽창 밸브(260,261) 등은 도 1과 동일하거나 유사하게 구성할 수 있다.The closed cycle LNG cooler 230 may use liquefied natural gas to cool the hydrogen gas 203 delivered from the compressor 220 . At this time, since the cooling heat of liquefied natural gas (LNG) is approximately -156 °C to 162 °C, the LNG cooler 230 may cool the hydrogen gas to approximately -153 °C to -159 °C. The general cooler 240 , expanders 250 , 251 , 252 , and expansion valves 260 and 261 may be configured the same as or similar to those of FIG. 1 .

한편, 도 1 및 도 2에서 설명한 종래의 극저온 수소 액화 공정은 고효율 단열이 필수적으로 요구된다. 수소 액화 공정은 다수개의 냉각기(140, 240)들로 구성되며 이의 열 손실이 크게 되면 액체 수율이 현저히 저하되고, 만약 열 손실이 커서 냉각기 효율이 85% 이하가 될 경우는 냉각된 기체만을 얻게 된다. 종래의 일반 냉각기(140, 240)의 단열 방식은 콜드박스(Cold Box)를 구성하는 것으로, 박스 용기 내부에 단열이 필요한 수소 액화 공정의 냉각기들과 기타 팽창장치 등 단열이 필요한 설비들을 위치시키고 펄라이트 분말을 40cm 두께로 충전하여 외부의 열유입을 차단하고 있다.On the other hand, the conventional cryogenic hydrogen liquefaction process described in FIGS. 1 and 2 requires high-efficiency thermal insulation. The hydrogen liquefaction process consists of a plurality of coolers 140 and 240, and when the heat loss thereof is large, the liquid yield is significantly reduced. If the heat loss is large and the efficiency of the cooler is 85% or less, only cooled gas is obtained. . The conventional heat insulation method of the general coolers 140 and 240 constitutes a cold box, and facilities requiring insulation such as coolers and other expansion devices of the hydrogen liquefaction process requiring insulation are placed inside the box container, and perlite The powder is filled to a thickness of 40cm to block external heat inflow.

종래의 수소 액화 공정의 문제점은 예냉을 위하여 사용하는 액체 질소가 공정에서 지속적으로 기화되어 소비되므로 에너지 비용이 과다하게 요구되는 문제를 가지고 있다.The problem with the conventional hydrogen liquefaction process is that liquid nitrogen used for pre-cooling is continuously vaporized and consumed in the process, so energy cost is excessively required.

또한, 종래의 LNG 냉열을 이용한 수소 액화 공정의 문제점은 -156 ~ -162 ℃ 액화천연가스(LNG)의 온도까지만을 이용하게 되어, 수소 액화에 필요한 예냉과 변환열에 제거에 이용하는 LNG 냉열 에너지 양이 -196 ℃의 액체 질소보다 적게 되는 것이다. 또한 수소 순환 밀폐사이클에 LNG의 냉열을 순환 수소의 냉각에 직접 이용함으로써 위험성을 내포하게 되는 문제가 있다. In addition, the problem of the conventional hydrogen liquefaction process using LNG cold heat is that only the temperature of -156 ~ -162 ℃ liquefied natural gas (LNG) is used, so the amount of LNG cold heat energy used for precooling and conversion heat required for hydrogen liquefaction is reduced It is less than liquid nitrogen at -196 °C. In addition, there is a problem in that the cold heat of LNG is directly used to cool the circulating hydrogen in the closed cycle of hydrogen circulation, which poses a risk.

종래의 일반 냉각기 등의 단열 방식은 콜드박스를 구성하는 것으로, 박스 용기 내부에 단열이 필요한 설비들을 위치시키고 펄라이트 분말을 40cm 두께로 충전하고 있다. 이 단열재는 분말 형태로 유지보수 시 취급이 어려울 뿐만 아니라, 단열 성능의 개선이 요구되고 있다. The conventional thermal insulation method such as a general cooler constitutes a cold box, and facilities requiring insulation are placed inside the box container, and pearlite powder is filled to a thickness of 40 cm. This insulating material is difficult to handle during maintenance in powder form, and improvement in thermal insulation performance is required.

한국등록특허 10-1585825호Korean Patent No. 10-1585825

본 발명의 실시예들은 수소 액화 장치에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 수소 가스의 액화 공정 중 에너지 절약형 액화 공정인 액화천연가스(LNG)의 냉열을 이용하는 수소 액화 기술을 제공한다. Embodiments of the present invention describe a hydrogen liquefaction apparatus, and more specifically, provide a hydrogen liquefaction technology using the cooling heat of liquefied natural gas (LNG), which is an energy-saving liquefaction process among hydrogen gas liquefaction processes.

본 발명의 실시예들은 액화천연가스(LNG)의 냉열을 수소 액화 공정에 이용함에 있어 제한이 되는 온도 문제, 안전성 확보 및 단열 문제를 해결하고자 하는 것으로, 1단계의 액화천연가스(LNG)의 냉열을 이용하여 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합액체를 제조하는 공정과, 2단계의 상기 액체 질소나 액체 네온을 수소 액화 공정에 최대한 많이 이용하는 공정, 그리고 3단계의 극저온 액화 공정의 필수 사항인 단열 장치(Cold Box)에 잉여 냉열을 활용하는 공정을 포함하는, 수소 액화 장치를 제공하는데 있다. Embodiments of the present invention are to solve the temperature problem, safety security and insulation problems that are limited in using the cooling heat of liquefied natural gas (LNG) in the hydrogen liquefaction process, and the cooling and heating of liquefied natural gas (LNG) in the first stage A process for producing liquid nitrogen or liquid neon or a mixture thereof using (Cold Box) It is to provide a hydrogen liquefaction apparatus, including a process to utilize the surplus cooling heat.

본 발명의 실시예들은 - 162 ℃의 액화천연가스(LNG)의 냉열을 액화 온도가 - 253 ℃인 액체 수소의 제조 공정에 이용함에 있어서, 종래의 액화천연가스(LNG)의 -162 ℃까지의 온도 제한 문제와 냉열을 밀폐사이클의 순환 수소 냉각 공정에만 적용하는 문제를 해결하여, 냉열이용 온도를 액체 질소의 온도인 -196 ℃나 액체 네온의 온도인 -246 ℃까지 사용하고, 액화시키고자 하는 수소 가스의 예냉과 밀폐사이클의 순환 수소의 예냉에 냉열을 사용하도록 함으로써, 냉에너지의 이용량을 크게 증가시키고 액체 수소의 수율을 크게 증진시킬 수 있는, 수소 액화 장치를 제공하는데 있다.In the embodiments of the present invention, in using the cooling heat of liquefied natural gas (LNG) of -162 ℃ in the manufacturing process of liquid hydrogen having a liquefaction temperature of -253 ℃, it is up to -162 ℃ of conventional liquefied natural gas (LNG). By solving the temperature limitation problem and the problem of applying cooling heat only to the circulating hydrogen cooling process of a closed cycle, the cooling heat utilization temperature is used up to -196 ℃, the temperature of liquid nitrogen or -246 ℃, the temperature of liquid neon. An object of the present invention is to provide a hydrogen liquefaction apparatus capable of greatly increasing the amount of cooling energy used and greatly improving the yield of liquid hydrogen by using cooling heat for the pre-cooling of hydrogen gas and the pre-cooling of circulating hydrogen in a closed cycle.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 액화 장치는, 수소 가스를 액화시키기 위해 액화천연가스(LNG)의 냉열을 이용하여 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합액체를 제조하는 액체 질소나 액체 네온 제조 장치; 제조된 상기 액체 질소나 액체 네온을 이용하여 밀폐 순환 수소 가스를 냉각시키는 예냉기; 상기 밀폐 순환 수소 가스를 2단으로 압축하는 저압 압축기 및 고압 압축기; 상기 밀폐 순환 수소 가스를 압축 후, 다단으로 냉각시키는 복수 개의 냉각기; 냉각된 밀폐사이클의 상기 밀폐 순환 수소 가스의 일부가 중압으로 팽창되는 팽창기; 및 상기 밀폐사이클의 상기 밀폐 순환 수소 가스 중 잔여 수소는 중압의 액기 혼합수소에 의하여 냉각 후, 팽창 밸브에서 최종 압력으로 저하되면서 액화되어 일부 액체 수소를 생성하며 저압 압축기로 반송되는 순환 장치를 포함하고, 상기 복수 개의 냉각기는 반송되는 액체 수소에 의하여 액화시키고자 압축 주입(Feed)되는 수소 가스를 냉각시키며, 상기 팽창기는 냉각된 상기 수소 가스의 압력을 저하시켜 일부를 액체 수소로 변화시킬 수 있다. Hydrogen liquefaction apparatus according to an embodiment of the present invention, a liquid nitrogen or liquid neon manufacturing apparatus for producing liquid nitrogen or liquid neon or a mixture thereof by using the cooling heat of liquefied natural gas (LNG) to liquefy hydrogen gas; a precooler for cooling the sealed circulation hydrogen gas using the manufactured liquid nitrogen or liquid neon; a low-pressure compressor and a high-pressure compressor for compressing the sealed circulation hydrogen gas in two stages; a plurality of coolers for cooling the sealed circulating hydrogen gas in multiple stages after compression; an expander in which a portion of the closed cycle hydrogen gas of the cooled closed cycle is expanded to medium pressure; and a circulation device in which residual hydrogen in the closed cycle hydrogen gas of the closed cycle is cooled by medium pressure liquid mixed hydrogen, and then liquefied while lowering to a final pressure in the expansion valve to generate some liquid hydrogen and returned to a low pressure compressor, , the plurality of coolers cool the compressed-injected (Feed) hydrogen gas to be liquefied by the conveyed liquid hydrogen, and the expander may lower the pressure of the cooled hydrogen gas to change some of it into liquid hydrogen.

상기 팽창기는, 수소 액화 공정에 필요한 복수 개의 팽창기로 구성되고, 복수 개의 팽창기를 다단의 팽창 과정으로 구성하여 순환 유체의 온도를 보다 저하시킬 수 있다. The expander may include a plurality of expanders required for the hydrogen liquefaction process, and may further reduce the temperature of the circulating fluid by configuring the plurality of expanders in a multi-stage expansion process.

수소 액화 공정에서 발생하는 잉여 냉열을 공기나 질소로 회수하여 단열에 사용하는 콜드박스를 더 포함하고, 상기 콜드박스는 냉기체 층으로 구성되거나, 고체 단열재 층과 냉기체 층을 복합적으로 구성될 수 있다. It further comprises a cold box that recovers the surplus cooling heat generated in the hydrogen liquefaction process as air or nitrogen and uses it for insulation, wherein the cold box is composed of a cold gas layer, or a solid insulation layer and a cold gas layer can be combined. have.

본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 액화 방법은, 수소 가스를 액화시키기 위해 액화천연가스(LNG)의 냉열을 이용하여 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합액체를 제조하는 액체 질소나 액체 네온 제조 단계; 및 제조된 상기 액체 질소나 액체 네온을 이용하여 밀폐 순환 수소 가스를 냉각시켜 수소 순환 액화 공정에 이용하고, 액화시키고자 주입(Feed)되는 수소 가스를 냉각에 이용하며, 냉각된 상기 수소 가스의 압력을 저하시켜 일부를 액체 수소로 변화시키는 수소 액화 단계를 포함하고, 제조된 상기 액체 질소, 액체 네온 또는 그들의 혼합물의 액체를 이용하여 LNG 냉열의 이용량을 극대화하여 수소를 액화시킬 수 있다. Hydrogen liquefaction method according to another embodiment of the present invention, a liquid nitrogen or liquid neon manufacturing step of producing liquid nitrogen or liquid neon or a mixture thereof by using the cooling heat of liquefied natural gas (LNG) to liquefy hydrogen gas; and using the prepared liquid nitrogen or liquid neon to cool the closed circulation hydrogen gas and use it in the hydrogen circulation liquefaction process, and use the hydrogen gas fed to be liquefied for cooling, and the pressure of the cooled hydrogen gas Including a hydrogen liquefaction step of lowering and changing some into liquid hydrogen, hydrogen can be liquefied by maximizing the amount of LNG cold heat using the prepared liquid of the liquid nitrogen, liquid neon, or a mixture thereof.

본 발명의 실시예들에 따르면 -162 ℃의 액화천연가스(LNG)의 냉열을 다단의 액체 수소의 제조 공정에 이용함에 있어, 액화천연가스로부터 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합액체를 제조하고 이를 수소 액화 공정에 이용함으로써 안전성과 냉열 이용량을 증대시켜 수소 액화 에너지 소요량을 크게 감소시킬 수 있다. According to embodiments of the present invention, in using the cooling heat of -162 ° C. of liquefied natural gas (LNG) in a multi-stage manufacturing process of liquid hydrogen, liquid nitrogen or liquid neon or a mixture thereof is prepared from liquefied natural gas, and By using it in the hydrogen liquefaction process, it is possible to significantly reduce the hydrogen liquefaction energy requirement by increasing safety and cooling heat usage.

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면 액화 공정 중 발생하는 잉여 냉열을 이용하여 다수개의 냉각기 단열에 효과적으로 이용하는 공정을 구성하여 액체 수소 수율을 크게 증진시키는 효과를 제공할 수 있다. 즉, 냉열 이용 온도차에 의한 냉열 이용량은 17.2% ~42%가 증가되며, 회전변환 냉각 이용량은 20%~33.4%가 증가하게 되는 것이다. 한편, 밀폐 순환 수소사이클의 매체 순환량은 10%~15% 감소하는 효과를 제공할 수 있다. 이는 에너지가 크게 소요되는 수소 액화 공정에 자연계인 해수에 버려지는 액화천연가스(LNG)의 기화열의 이용을 극대화함으로써 에너지를 절약하는 효과를 제공할 수 있다. 따라서 액체 수소 수율을 액체 수소 50 % 이상 제조할 수 있는 액화 장치를 제공할 수 있다. In addition, according to embodiments of the present invention, it is possible to provide an effect of greatly improving the yield of liquid hydrogen by configuring a process that is effectively used for thermal insulation of a plurality of coolers by using the surplus cooling heat generated during the liquefaction process. That is, the amount of use of cooling heat due to the difference in the temperature difference between the use of cooling heat is increased by 17.2% to 42%, and the amount of use of rotational conversion cooling is increased by 20% to 33.4%. On the other hand, the medium circulation amount of the closed circulation hydrogen cycle may provide an effect of reducing 10% to 15%. This can provide the effect of saving energy by maximizing the use of the heat of vaporization of liquefied natural gas (LNG), which is discarded in seawater, which is a natural system in a hydrogen liquefaction process that requires a lot of energy. Therefore, it is possible to provide a liquefaction apparatus capable of producing liquid hydrogen yield of 50% or more of liquid hydrogen.

도 1은 종래의 수소 액화 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 종래의 액화천연가스(LNG) 냉열을 이용한 수소 액화 장치를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화천연가스(LNG) 냉열을 이용한 수소 액화 장치를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 콜드박스(Cold Box)를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 린데(Linde)의 2단 압축 액화 공정을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 팽창기를 적용하는 클라우드(Claude) 액화 공정을 나타낸 도면이다.1 is a view showing a conventional hydrogen liquefaction apparatus.
2 is a view showing a hydrogen liquefaction apparatus using the conventional liquefied natural gas (LNG) cooling heat.
3 is a view showing a hydrogen liquefaction apparatus using liquefied natural gas (LNG) cooling heat according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing a cold box according to an embodiment of the present invention.
5 is a view showing a two-stage compression liquefaction process of Linde according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing a cloud (Claude) liquefaction process to which the inflator according to an embodiment of the present invention is applied.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the described embodiments may be modified in various other forms, and the scope of the present invention is not limited by the embodiments described below. In addition, various embodiments are provided in order to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art. The shapes and sizes of elements in the drawings may be exaggerated for clearer description.

본 발명은 수소 가스의 액화 공정 중 에너지 절약형 액화 공정인 액화천연가스(LNG)의 냉열을 이용한 수소 액화 장치에 관한 것이다. 수소 가스의 액화 온도는 -253℃로 액화천연가스(LNG)의 냉열을 적용하면 액화천연가스 온도인 -162 ℃까지 만을 이용하게 되는 제한이 따르게 된다. 본 발명의 실시예들에 따르면 액화천연가스(LNG)의 냉열을 수소 액화 공정에 적용함에 있어 제한이 되는 온도 문제와 안전 문제를 해결할 수 있다.The present invention relates to a hydrogen liquefaction apparatus using the cooling and heat of liquefied natural gas (LNG), which is an energy-saving liquefaction process among hydrogen gas liquefaction processes. The liquefaction temperature of hydrogen gas is -253 ℃, and when the cooling heat of liquefied natural gas (LNG) is applied, there is a limitation in that it is used only up to the liquefied natural gas temperature -162 ℃. According to embodiments of the present invention, it is possible to solve the temperature problem and safety problem that are limited in applying the cooling heat of liquefied natural gas (LNG) to the hydrogen liquefaction process.

본 발명의 일 실시예에 따른 액화 공정은 1단계로 수소 가스의 액화에 LNG(액화천연가스)의 냉열을 사용함에 있어 보다 온도가 낮고 안전한 질소 가스나 네온 가스 또는 그들의 혼합기체를 LNG 기지에 송출하여 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합액체를 제조하고, 2단계로 제조된 -196 ℃~-246℃의 액체 질소나 액체 네온을 사용하여 밀폐 수소 순환 액화 공정과 액화시키고자 주입(Feed)되는 수소 가스의 냉각에 이용하는 것이다. 이는 LNG 냉열의 이용량을 극대화시킴으로써 수소 가스 냉각열과 변환열의 일부를 제거하여 액화율을 크게 향상시킬 수 있다. 또한, 3단계로 공정에서 발생하는 잉여 냉열 또는 버려지는 LNG 냉열을 이용하여 콜드박스(Cold Box)의 단열용으로 활용함으로써 액체 수율을 증가시킬 수 있다. In the liquefaction process according to an embodiment of the present invention, nitrogen gas, neon gas, or a mixture thereof, which is lower in temperature and safer in using the cold heat of LNG (liquefied natural gas) for liquefaction of hydrogen gas, is sent to the LNG base in one step. to produce liquid nitrogen or liquid neon or a mixture thereof, and hydrogen fed to liquefy with the closed hydrogen cycle liquefaction process using liquid nitrogen or liquid neon at -196 ° C to -246 ° C prepared in two steps It is used for gas cooling. This can greatly improve the liquefaction rate by removing some of the hydrogen gas cooling heat and conversion heat by maximizing the use of LNG cooling heat. In addition, it is possible to increase the liquid yield by utilizing the surplus cooling heat generated in the three-step process or the LNG cooling heat discarded for insulation of the cold box.

이는, 많은 양의 수소를 보다 안전하고 효율적으로 액화시키는 공정을 구축, 운영할 수 있게 하고, 액화 비용을 크게 절감시켜 에너지 낭비를 줄일 수 있다. 이에 따라 효과적인 액화 시스템을 제공할 수 있다.This makes it possible to build and operate a process for liquefying a large amount of hydrogen more safely and efficiently, and significantly reduce the liquefaction cost, thereby reducing energy wastage. Thereby, an effective liquefaction system can be provided.

본 발명은 - 162 ℃의 액화천연가스(LNG)의 냉열을 액화 온도가 - 253 ℃인 액체 수소의 제조 공정에 이용함에 있어서, 종래의 액화천연가스(LNG)의 -162 ℃까지의 온도 제한 문제와 냉열을 밀폐사이클의 순환 수소 냉각 공정에만 적용하는 문제를 해결하여, 냉열이용 온도를 -196 ℃나 -246℃까지 사용하고, 액화시키고자 하는 수소 가스의 예냉과 밀폐사이클의 순환 수소의 예냉에 냉열을 사용하도록 함으로써, 냉에너지의 이용량을 크게 증가시키고 액체 수소의 수율을 크게 증진시킬 수 있다. The present invention uses the cooling heat of liquefied natural gas (LNG) of -162 ℃ in the manufacturing process of liquid hydrogen having a liquefaction temperature of -253 ℃, the temperature limitation problem of conventional liquefied natural gas (LNG) up to -162 ℃ By solving the problem of applying heat and cooling heat only to the circulating hydrogen cooling process of a closed cycle, use the cooling heat utilization temperature up to -196 ℃ or -246 ℃, and for pre-cooling of hydrogen gas to be liquefied and pre-cooling of circulating hydrogen in sealed cycle. By allowing the use of cold heat, it is possible to greatly increase the amount of use of cold energy and to greatly improve the yield of liquid hydrogen.

이를 해결하기 위하여, 1 단계는 LNG 인수기지의 - 162 ℃의 액화천연가스(LNG)의 냉열을 직접 밀폐 수소 순환 공정에 적용하지 않고, 액화천연가스 냉열을 이용하여 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합액체를 제조하는 공정을 구성하는 것이다. 이는 LNG 인수기지로 질소 가스나 네온 가스를 송출하여 LNG 냉각기(331)에서 질소나 네온 가스를 냉각시킨 후, 팽창 밸브(333)에서 압력을 대기압으로 강하시켜 -196 ℃~-246 ℃의 액체 질소나 액체 네온을 얻게 된다. 2단계로는 이 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합액체를 이용하여 수소 액화 공정의 밀폐사이클의 수소 예냉(330)과, 액화시키고자 주입(Feed)되는 수소 가스를 예냉(334) 시키게 구성된다. 또한, 수소 액화 공정 중 종래 팽창기(150, 151, 152, 250, 251, 252)는 2개의 연속 팽창으로 구성되나, 본 실시예에서는 팽창기(350, 351)를 단계적으로 구성하여 보다 낮은 온도를 얻을 수 있도록 하였다. 3단계로는 수소 액화 공정의 잉여 냉열이나 LNG 냉열을 회수하여 액화 공정 설비들의 단열에 이용할 수 있다.In order to solve this problem, the first step is to use liquid nitrogen, liquid neon, or a mixture of liquid nitrogen, liquid neon, or a mixture of liquid natural gas (LNG) by using the cooling heat of liquid natural gas, rather than directly applying the cooling heat of liquefied natural gas (LNG) at -162 ℃ of the LNG receiving base to the closed hydrogen circulation process It constitutes a process for producing a liquid. This is done by sending nitrogen gas or neon gas to the LNG receiving base, cooling the nitrogen or neon gas in the LNG cooler 331, and then lowering the pressure to atmospheric pressure in the expansion valve 333 to liquid nitrogen at -196°C to -246°C. I get liquid neon. In the second step, the hydrogen pre-cooling 330 of the closed cycle of the hydrogen liquefaction process and pre-cooling 334 of the hydrogen gas fed to be liquefied by using the liquid nitrogen, liquid neon, or a mixture thereof are configured. In addition, in the hydrogen liquefaction process, the conventional expanders 150, 151, 152, 250, 251, and 252 consist of two continuous expansions, but in this embodiment, the expanders 350 and 351 are configured in stages to obtain a lower temperature. made it possible In step 3, the surplus cold heat of the hydrogen liquefaction process or LNG cold heat can be recovered and used for insulation of liquefaction process facilities.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화천연가스(LNG) 냉열을 이용한 수소 액화 장치를 나타낸 도면이다. 3 is a view showing a hydrogen liquefaction apparatus using liquefied natural gas (LNG) cooling heat according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 액화 장치는, 수소 가스를 액화시키기 위해 액화천연가스(LNG)의 냉열을 이용하여 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합 액체를 제조하는 액체 질소나 액체 네온 제조 장치; 제조된 액체 질소나 액체 네온을 이용하여 밀폐 순환 수소 가스를 냉각시키는 예냉기; 밀폐 순환 수소 가스를 2단으로 압축하는 저압 압축기 및 고압 압축기; 밀폐 순환 수소 가스를 압축 후, 다단으로 냉각시키는 복수 개의 냉각기; 냉각된 밀폐사이클의 밀폐 순환 수소 가스의 일부가 중압으로 팽창되는 팽창기; 및 밀폐사이클의 밀폐 순환 수소 가스 중 잔여 수소는 중압의 액기 혼합수소에 의하여 냉각 후, 팽창 밸브에서 최종 압력으로 저하되면서 액화되어 일부 액체 수소를 생성하며 저압 압축기로 반송되는 순환 장치를 포함하고, 복수 개의 냉각기는 반송되는 액체 수소에 의하여 액화시키고자 압축 주입(Feed)되는 수소 가스를 냉각시키며, 팽창기는 냉각된 수소 가스의 압력을 저하시켜 일부를 액체 수소로 변화시킬 수 있다. Hydrogen liquefaction apparatus according to an embodiment of the present invention, a liquid nitrogen or liquid neon manufacturing apparatus for producing liquid nitrogen or liquid neon or a mixed liquid thereof by using the cooling heat of liquefied natural gas (LNG) to liquefy hydrogen gas; a precooler for cooling the closed circulation hydrogen gas using the prepared liquid nitrogen or liquid neon; a low-pressure compressor and a high-pressure compressor for compressing the closed circulation hydrogen gas in two stages; A plurality of coolers for cooling the sealed circulation hydrogen gas in multiple stages after compression; an expander in which a portion of the closed cycle hydrogen gas of the cooled closed cycle is expanded to medium pressure; and a circulation device in which the residual hydrogen in the closed cycle hydrogen gas of the closed cycle is cooled by medium pressure liquid mixed hydrogen and then liquefied while lowering to a final pressure in the expansion valve to generate some liquid hydrogen and returned to the low pressure compressor, The cooler of the dog cools the compressed-injected (Feed) hydrogen gas to liquefy it by the returned liquid hydrogen, and the expander lowers the pressure of the cooled hydrogen gas to change some of it into liquid hydrogen.

여기서, 팽창기는 수소 액화 공정에 필요한 복수 개의 팽창기로 구성되고, 복수 개의 팽창기를 다단의 팽창 과정으로 구성하여 순환 유체의 온도를 보다 저하시킬 수 있다. 또한, 수소 액화 공정에서 발생하는 잉여 냉열이나 LNG 냉열을 공기, 질소나 냉매로 회수하여 단열에 사용하는 콜드박스를 더 포함하고, 콜드박스는 종래 냉동창고 형태의 냉기체 층으로 구성되거나, 고체 단열재 층과 냉기체 층을 복합적으로 구성될 수 있다. Here, the expander is composed of a plurality of expanders required for the hydrogen liquefaction process, and the temperature of the circulating fluid can be further reduced by configuring the plurality of expanders in a multi-stage expansion process. In addition, the method further includes a cold box that recovers surplus cooling heat or LNG cooling heat generated in the hydrogen liquefaction process as air, nitrogen or refrigerant and uses it for insulation, wherein the cold box is composed of a conventional cold gas layer in the form of a refrigeration warehouse, or a solid insulation material A layer and a cold gas layer may be combined.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 액화 방법은, 수소 수소 가스를 액화시키기 위해 액화천연가스(LNG)의 냉열을 이용하여 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합액체를 제조하는 액체 질소나 액체 네온 제조 단계, 및 제조된 액체 질소나 액체 네온을 이용하여 밀폐 순환 수소 가스를 냉각시켜 수소 순환 액화 공정에 이용하고, 액화시키고자 주입(Feed)되는 수소 가스를 냉각에 이용하며, 냉각된 수소 가스의 압력을 저하시켜 일부를 액체 수소로 변화시키는 수소 액화 단계를 포함하고, 제조된 액체 질소나 액체 네온을 이용하여 LNG 냉열의 이용량을 극대화하여 수소를 액화시킬 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 액화 방법은 수소 액화 장치를 통해 수행될 수 있다. Hydrogen liquefaction method according to an embodiment of the present invention is a liquid nitrogen or liquid neon manufacturing step of producing liquid nitrogen or liquid neon or a mixture thereof by using the cooling heat of liquefied natural gas (LNG) to liquefy hydrogen hydrogen gas , and using the prepared liquid nitrogen or liquid neon to cool the closed circulation hydrogen gas and use it for the hydrogen circulation liquefaction process, and use the hydrogen gas fed to liquefy it for cooling, and the pressure of the cooled hydrogen gas It includes a hydrogen liquefaction step of lowering and changing some into liquid hydrogen, and by using the prepared liquid nitrogen or liquid neon, it is possible to liquefy hydrogen by maximizing the amount of LNG cold heat. Hydrogen liquefaction method according to an embodiment of the present invention may be performed through a hydrogen liquefaction apparatus.

아래에서 도 3을 참조하여, 일 실시예에 따른 수소 액화 장치 및 방법을 보다 상세히 설명한다. With reference to FIG. 3 below, a hydrogen liquefaction apparatus and method according to an embodiment will be described in more detail.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화천연가스(LNG) 냉열을 이용한 수소 액화 장치(300)는 액체 질소나 액체 네온 제조 장치(330), 저압 압축기(310), 고압 압축기(320), 다수개의 일반 냉각기(340), 팽창기(350, 351, 352), 팽창 장치(360, 361) 및 액기 분리기(370)를 포함하여 이루어질 수 있다. 여기서, 밀폐 수소 순환 액화 사이클(301)을 포함할 수 있다.3, the hydrogen liquefaction apparatus 300 using liquefied natural gas (LNG) cooling heat according to an embodiment of the present invention is a liquid nitrogen or liquid neon manufacturing apparatus 330, a low pressure compressor 310, a high pressure compressor ( 320 ), a plurality of general coolers 340 , expanders 350 , 351 , 352 , expansion devices 360 , 361 , and a liquid separator 370 may be included. Here, a closed hydrogen cycle liquefaction cycle 301 may be included.

1단계로, 먼저 LNG 인수기지의 LNG 냉열을 이용하여 액체 질소나 액체 네온 또는 이들의 혼합액체를 얻는 밀폐 액체 질소나 액체 네온 제조 공정이다. 여기서, 밀폐 액체 질소나 액체 네온 제조 공정은 액체 질소나 액체 네온 제조 장치(330)를 통해 수행될 수 있다. In the first stage, it is a sealed liquid nitrogen or liquid neon manufacturing process to obtain liquid nitrogen, liquid neon, or a mixture of these by using the LNG cold heat of the LNG receiving base. Here, the sealed liquid nitrogen or liquid neon manufacturing process may be performed through the liquid nitrogen or liquid neon manufacturing apparatus 330 .

보다 구체적으로, 질소 압축기(332)에서 질소 가스나 네온 가스를 25 bar로 압축한 후 LNG 냉열을 이용하는 LNG 냉각기(331)에서 온도를 -153 ℃로 저하시키고, 이를 팽창 밸브(333)에서 대기압으로 압력을 저하시켜 액체 질소나 액체 네온을 얻을 수 있다. 이때, LNG 냉각기는 LNG 열교환기를 이용할 수 있으며, 액체 네온은 도 6의 클라우드 공정이 적용될 수 있다. 이 액체 질소나 액체 네온은 수소 액화 공정(300)의 액체 질소의 냉각기 역할을 하는 액체 질소나 액체 네온 제조 장치(330) 및 예냉기(334)에 냉열을 제공하고 기화되어 다시 밀폐 액체 질소 제조나 액체 네온 공정에 순환될 수 있다. More specifically, after compressing nitrogen gas or neon gas to 25 bar in the nitrogen compressor 332 , the temperature is lowered to -153° C. in the LNG cooler 331 using LNG cold heat, and this is converted to atmospheric pressure by the expansion valve 333 . By lowering the pressure, liquid nitrogen or liquid neon can be obtained. In this case, the LNG cooler may use an LNG heat exchanger, and the cloud process of FIG. 6 may be applied to liquid neon. This liquid nitrogen or liquid neon provides cooling heat to the liquid nitrogen or liquid neon production apparatus 330 and the precooler 334 serving as a cooler of liquid nitrogen in the hydrogen liquefaction process 300 and is vaporized to produce sealed liquid nitrogen or It can be cycled to the liquid neon process.

이러한 밀폐 액체 질소나 액체 네온 제조 공정에서 얻어지는 액체 질소나 액체 네온의 수율을 높이기 위하여, 도 6에서 설명되는 클라우드 팽창기(650)를 적용할 수도 있다. In order to increase the yield of liquid nitrogen or liquid neon obtained in the sealed liquid nitrogen or liquid neon manufacturing process, the cloud expander 650 described in FIG. 6 may be applied.

2단계로, 수소 액화 공정을 제공할 수 있다. 수소 액화 공정은, 도 1 및 도 2에서 설명한 종래의 수소 액화 공정과 동일하게 구성되나, 액화천연가스(LNG)의 냉열을 밀폐 공정의 수소 온도 저하에 적용하는 종래 공정과 달리, -196 ℃~-246℃의 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합액체를 밀폐 수소 순환 공정의 수소 온도 예냉에 이용하고, 액화시키기 위해 주입(Feed)되는 수소의 온도를 예냉기(334)를 이용하여 저하시키는 공정에 이용하게 된다. In two steps, a hydrogen liquefaction process can be provided. The hydrogen liquefaction process is configured the same as the conventional hydrogen liquefaction process described in FIGS. 1 and 2, but unlike the conventional process in which the cooling heat of liquefied natural gas (LNG) is applied to lower the hydrogen temperature in the sealing process, -196 ℃ ~ In the process of using liquid nitrogen or liquid neon or a mixture thereof at -246° C. for precooling the hydrogen temperature of the closed hydrogen cycle process, and lowering the temperature of the hydrogen fed to liquefy it using the precooler 334. will use

또한, 팽창기(350, 351, 352)를 3단으로 구성할 수 있다. 1차, 2차 팽창기(350, 351)에서 수소가 중압으로 팽창하면서 -243 ℃가 되어 반송가스(302)에 주입됨으로써 작동 유체의 유로(303)의 유체의 온도를 -240 ℃로 보다 낮출 수 있다. 3차 팽창기(352)에서는 압력이 저하되면서 -247 ℃가 되어 유로(303)를 흐르는 유체의 온도를 -244 ℃로 보다 낮추게 된다. 이때, 2차 및 3차 팽창기는 하나로 구성하여 팽창기 중간에서 추출되는 형태로 구성될 수 있다.In addition, the inflator (350, 351, 352) can be configured in three stages. As hydrogen expands to medium pressure in the primary and secondary expanders 350 and 351, it becomes -243 ℃ and is injected into the carrier gas 302, thereby lowering the temperature of the fluid in the flow path 303 of the working fluid to -240 ℃. have. In the tertiary expander 352, the pressure is lowered to -247 °C while lowering the temperature of the fluid flowing through the flow path 303 to -244 °C. At this time, the secondary and tertiary inflator may be configured as one and extracted from the middle of the inflator.

3단계로, 수소 액화 공정의 잉여 냉열(390)이나 버려지는 LNG 냉열(331)을 회수하여 액화 공정 설비들의 단열에 이용할 수 있다. 이때 잉여 냉열(390)은 잉여 저온으로 표현될 수 있다.In the third step, the surplus cooling heat 390 of the hydrogen liquefaction process or the wasted LNG cooling heat 331 can be recovered and used for insulation of liquefaction process facilities. In this case, the surplus cooling heat 390 may be expressed as surplus low temperature.

아래에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 액화 장치(300)를 이용하는 수소 액화 공정을 도 2에서 설명한 종래의 액화 공정과 비교하여 차이점에 대해 자세히 설명한다. Below, the difference between the hydrogen liquefaction process using the hydrogen liquefaction apparatus 300 according to an embodiment of the present invention and the conventional liquefaction process described with reference to FIG. 2 will be described in detail.

일 실시예에 따른 수소 액화 장치(300)를 이용하는 수소 액화 공정에서는 액화시키고자 주입(Feed)되는 압축된 수소 가스(304)의 1차 냉각을 도 2의 종래 공정의 밀폐사이클의 순환 수소(201)를 이용하는 방식과 달리, -196 ℃액체 질소나 -246℃ 액체 네온을 사용하여 예냉기(334)에서 온도를 저하시키게 된다. 이때 유입되는 주입(Feed) 수소기체는 -193 ℃ 혹은 -243℃ 까지 저하된다. 이 주입(Feed) 수소 가스를 냉각시켜 액화시키는 밀폐 수소 순환 공정(301, 302, 303)의 예냉기(330)에서도 LNG 냉열로부터 제조된 -196 ℃액체 질소나 -246℃ 액체 네온의 냉열을 이용하여 밀폐사이클의 순환 수소(303) 온도를 -193 ℃ 혹은 -243℃ 까지 저하시킨다. In the hydrogen liquefaction process using the hydrogen liquefaction apparatus 300 according to an embodiment, the primary cooling of the compressed hydrogen gas 304 fed to liquefy is circulated hydrogen 201 in the closed cycle of the conventional process of FIG. ), the temperature in the precooler 334 is lowered by using -196 ℃ liquid nitrogen or -246 ℃ liquid neon. At this time, the introduced feed hydrogen gas is lowered to -193 ℃ or -243 ℃. In the precooler 330 of the closed hydrogen circulation process 301, 302, 303, which cools and liquefies the feed hydrogen gas, cooling heat of -196°C liquid nitrogen or -246°C liquid neon produced from LNG cooling is also used. Thus, the temperature of the circulating hydrogen 303 in the closed cycle is lowered to -193 ℃ or -243 ℃.

이 순환 수소는 종래 공정과 동일하게 일부가 추출되어 팽창기(350, 351, 352)에서 중압으로 팽창되면서 수소(305) 온도가 -247 ℃로 일부 액체가 생성되어 저압 압축기(310)와 고압 압축기(320) 사이로 반송되면서 밀폐사이클의 순환 수소(303)의 온도를 저하시키게 된다. 잔여 순환 수소(306)는 추가 냉각기를 거친 후 팽창 밸브(360)에서 대기압으로 팽창되면서 일부 액체 수소가 생성된다. 반송 유로(301)에 유입되는 이 액기 분리기(370)의 액체 수소 혼합물은 저압 압축기(310)으로 반송되면서 액화시키고자 주입(Feed)되는 압축 수소 주입(Feed) 가스(304)를 냉각, 액화시키게 된다.This circulating hydrogen is partially extracted and expanded to medium pressure in the expanders 350, 351, 352 in the same manner as in the conventional process, and the hydrogen 305 temperature is -247 ° C. Some liquid is generated, so that the low-pressure compressor 310 and the high-pressure compressor ( 320) to lower the temperature of the circulating hydrogen 303 of the closed cycle while being conveyed between. The residual circulating hydrogen 306 is expanded to atmospheric pressure in the expansion valve 360 after passing through an additional cooler to produce some liquid hydrogen. The liquid hydrogen mixture of the liquid separator 370 flowing into the conveying passage 301 cools and liquefies the compressed hydrogen injection (Feed) gas 304 fed to be liquefied while being conveyed to the low pressure compressor 310 . do.

이 온도에 따른 종래 공정인 도 2의 액화천연가스(LNG) 냉열을 이용한 공정과의 에너지 절감량의 차이점으로는 냉각 온도차 현열 이용 에너지량과, 수소분자 회전 변환열(Ortho-Para)의 냉각에 이용 에너지량 차이가 있게 된다. The difference in energy savings from the process using the liquefied natural gas (LNG) cooling heat of FIG. 2, which is the conventional process according to this temperature, is the amount of energy used for the sensible heat difference between the cooling temperature and the hydrogen molecule rotational conversion heat (Ortho-Para) used for cooling There is a difference in the amount of energy.

냉열 이용 온도차에 의한 냉열 이용량 차이는 LNG의 0 ℃기준 -162 ℃와 액체 질소 경우 -196 ℃까지의 온도 차이로 2,143 kcal에서 2,510.7 kcal로 17.2%가 증가된다. 또한, 회전 변환 냉각이용 열량은 395.1 kcal가 476.4 kcal로 이용량이 20.6%가 증가하게 되는 것이다.The difference in the amount of cooling and heat usage due to the difference in cooling and heat utilization is increased by 17.2% from 2,143 kcal to 2,510.7 kcal due to the difference in temperature between -162 ℃ based on 0 ℃ of LNG and -196 ℃ of liquid nitrogen. In addition, the amount of heat used for rotational conversion cooling is 395.1 kcal to 476.4 kcal, which is an increase of 20.6%.

또한, 액체 네온 경우 -246 ℃까지의 온도 차이로 2,143 kcal에서 3,049 kcal로 42.2%가 증가된다. 또한, 회전 변환 냉각이용 열량은 395.1 kcal가 527.1 kcal로 이용량이 33.4%가 증가하게 된다.Also, in the case of liquid neon, the temperature difference up to -246 ℃ increases by 42.2% from 2,143 kcal to 3,049 kcal. In addition, the amount of heat used for rotational conversion cooling is 395.1 kcal and 527.1 kcal, which increases by 33.4%.

따라서, 일 실시예에 따른 수소 액화 장치(300)가 액체천연가스(LNG)의 냉열을 직접 이용하는 공정(200)보다 액체 질소나 액체 네온을 제조하여 이용함으로써, 수소 액화 장치(300)가 수소 가스의 온도를 보다 낮은 온도로 저하시킬 수 있고, 냉열 이용량의 증가에 따라 밀폐 순환 수소(301)의 양이 10% ~15%감소하게 되며, 액체 수소의 수율이 증가될 수 있다Therefore, by producing and using liquid nitrogen or liquid neon rather than the process 200 in which the hydrogen liquefaction apparatus 300 according to an embodiment directly uses the cooling heat of liquid natural gas (LNG), the hydrogen liquefaction apparatus 300 is hydrogen gas The temperature of can be lowered to a lower temperature, and the amount of closed cycle hydrogen 301 is reduced by 10% to 15% according to an increase in the amount of cooling heat used, and the yield of liquid hydrogen can be increased

실시예들에 따르면, -162 ℃의 액화천연가스(LNG)의 냉열을 액화 온도가 -253 ℃인 액체 수소의 제조 공정에 이용함에 있어서, 종래의 액화천연가스(LNG)의 -162 ℃까지의 온도 제한 문제와 밀폐사이클의 순환 수소 냉각 공정에만 적용하는 문제를 해결하여, 냉열이용 온도를 -196 ℃나 -246℃까지 사용하여 에너지 소요량을 크게 감소시키는 것을 특징으로 한다. 밀폐사이클의 수소냉각 공정에만 적용할 수 있는 것을 해결하여, 밀폐사이클의 순환 수소의 예냉과 액화시키고자 주입(Feed)되는 수소 가스의 예냉에 냉열을 적용이 가능하도록 하여 50 % 이상의 액체 수소를 액체 수소를 얻을 수 있다. According to embodiments, in using the cooling heat of liquefied natural gas (LNG) of -162 ℃ in the manufacturing process of liquid hydrogen having a liquefaction temperature of -253 ℃, up to -162 ℃ of conventional liquefied natural gas (LNG) By solving the temperature limitation problem and the problem of applying only to the closed cycle circulating hydrogen cooling process, it is characterized in that the energy consumption is greatly reduced by using the cooling heat utilization temperature up to -196 ℃ or -246 ℃. By solving the problem that can be applied only to the hydrogen cooling process of the closed cycle, cooling heat can be applied to the precooling of the circulating hydrogen in the closed cycle and the precooling of the hydrogen gas fed to be liquefied, so that more than 50% of liquid hydrogen is converted into liquid. hydrogen can be obtained.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 콜드박스(Cold Box)를 나타낸 도면이다.4 is a view showing a cold box according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 수소 액화 공정 중 발생하는 잉여 냉열을 콜드박스(Cold Box, 400)의 단열에 이용할 수 있다. 이는, 도 3에서 설명한 3단계의 공정에 포함될 수 있다. 극저온의 수소 액화 공정은 고효율 단열이 필수적으로 요구된다. 특히 종래의 냉각기들의 단열 방식은 콜드박스(Cold Box)를 구성하는 것으로, 용기(Box, 410) 내부에 단열이 필요한 냉각기(420)들과 팽창장치(360), 액기 분리기(370), 밸브 등을 위치시키고, 펄라이트 분말을 40cm 두께로 공간(430)에 충전하여 외부의 열 유입을 차단하고 있다. Referring to FIG. 4 , the surplus cooling heat generated during the hydrogen liquefaction process may be used for thermal insulation of the cold box 400 . This may be included in the three-step process described with reference to FIG. 3 . The cryogenic hydrogen liquefaction process requires high-efficiency insulation. In particular, the conventional thermal insulation method of coolers constitutes a cold box, and the coolers 420 and the expansion device 360, the liquid separator 370, valves, etc. that require insulation inside the container (Box, 410), etc. is positioned, and the perlite powder is filled in the space 430 to a thickness of 40 cm to block the inflow of external heat.

여기에서는 냉각기(420) 등이 설치된 콜드박스(400)의 단열에 수소 액화 공정에서 냉각기(390)나 버려지는 LNG 냉열(331)을 통하여 회수된 -60 ~ -80 ℃의 잉여 냉각기체를 충전하여 외부 열유입을 차단하는 것이다. 여기서 냉각기체는 공기, 질소나 냉매 등을 적용할 수 있다. Here, the surplus cooling gas of -60 ~ -80 ℃ recovered through the cooler 390 or the LNG cold heat 331 discarded in the hydrogen liquefaction process is charged to the insulation of the cold box 400 in which the cooler 420 is installed. This is to block the ingress of external heat. Here, the cooling gas may be air, nitrogen or a refrigerant.

잉여 냉열가스를 이용한 단열적용의 방법은 다양하게 구성될 수 있다. 단열된 용기(410)의 내부에 냉기체를 충전하거나, 먼저 펄라이트 분말이나 우레탄폼 등을 적용하는 고체단열 층을 형성하고 그 외부에 회수된 -60 ~ -80 ℃의 냉각기체 층을 충전하는 등 잉여 냉열을 이용한 다양한 콜드박스 단열 구조를 형성할 수 있다. The method of applying heat insulation using the surplus cooling gas may be configured in various ways. Filling the inside of the insulated container 410 with cold gas, or first forming a solid insulation layer to which pearlite powder or urethane foam is applied, and then filling the recovered cooling gas layer at -60 to -80 ℃ outside. It is possible to form various cold box insulation structures using excess cooling heat.

또한, 잉여 냉열의 회수 방법으로 종래의 냉동창고와 동일하게 수소 공정의 냉열과 일반 냉매를 열교환시켜 찬 냉매액으로 콜드박스 내의 공기를 냉각시킬 수 있다. In addition, as a method of recovering surplus cooling heat, the air in the cold box can be cooled with a cold refrigerant liquid by exchanging the cold heat of the hydrogen process with a general refrigerant in the same way as in the conventional refrigeration warehouse.

또한, 보다 단열효과를 높이기 위하여 추가로 슈퍼단열 방식을 가설할 수도 있다. In addition, in order to further increase the insulation effect, a super insulation method may be additionally constructed.

슈퍼단열의 형태는 고진공 층을 형성하거나, 슈퍼단열 판넬 등 다양한 구조로 구성될 수 있다. The form of super insulation may form a high vacuum layer or may be configured in various structures such as a super insulation panel.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 린데(Linde)의 2단 압축 액화 공정을 나타낸 도면이다.5 is a view showing a two-stage compression liquefaction process of Linde according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 린데(Linde)의 2단 압축 액화 공정(500)을 나타내며, 린데의 2단 압축은 압축일은 일부 증가하나 얻어지는 액체량 당의 소요 동력은 감소하게 된다.Referring to FIG. 5 , Linde's two-stage compression liquefaction process 500 is shown. In Linde's two-stage compression, the compression day is partially increased, but the power required per amount of liquid obtained is reduced.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 팽창기를 적용하는 클라우드(Claude) 액화 공정을 나타낸 도면이다.6 is a view showing a cloud (Claude) liquefaction process to which the inflator according to an embodiment of the present invention is applied.

도 6을 참조하면, 팽창기를 적용하는 클라우드(Claude) 액화 공정(600)을 나타내며, 클라우드 액화 공정(600)은 순환 매체량은 증가하나 얻어지는 액체량이 크게 증가하는 공정이다. 여기서, 클라우드 팽창기(650)는 종래 액화천연가스를 수소 액화 공정에 직접 열교환시키는 것과 달리, 연소성이 없는 액체 질소나 액체 네온을 순환시킴으로써 안전성을 크게 증가시키게 된다.Referring to FIG. 6 , it shows a cloud liquefaction process 600 applying an expander, and the cloud liquefaction process 600 is a process in which the amount of circulating medium increases but the amount of liquid obtained is greatly increased. Here, the cloud expander 650 greatly increases safety by circulating liquid nitrogen or liquid neon, which is not combustible, unlike the conventional direct heat exchange of liquefied natural gas in the hydrogen liquefaction process.

본 발명에서는 액화천연가스(LNG)의 냉열을 수소 액화 공정에 이용함에 있어 한계가 되고 있는 온도 문제와 단열문제를 해결하고자 하는 것으로, 액화온도가 -253 ℃인 수소 가스를 액화하는 공정에 -162 ℃인 액화천연가스(LNG)의 냉열 온도 보다 낮은 -196 ℃나 -246℃의 온도영역을 이용하기 위하여 액화천연가스(LNG)의 냉열을 이용하여 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합액체를 제조할 수 있다. In the present invention, to solve the temperature problem and thermal insulation problem, which are limitations in using the cooling heat of liquefied natural gas (LNG) in the hydrogen liquefaction process, the process of liquefying hydrogen gas having a liquefaction temperature of -253 ℃ -162 In order to use the temperature range of -196 ℃ or -246 ℃ lower than the cooling temperature of liquefied natural gas (LNG), which is ℃, liquid nitrogen or liquid neon or a mixture thereof can be produced by using the cooling heat of liquefied natural gas (LNG). can

일 실시예에 따른 수소 액화 공정은 액화천연가스(LNG)의 냉열을 직접 사용하는 대신에, 보다 안전한 질소나 네온 가스를 LNG 기지에 송출하여 액화시키고, 액화된 액체 질소나 액체 네온을 사용하여 1단계로 수소 냉각에 필요한 에너지와, 2단계로는 밀폐 수소 순환가스의 냉각에 액체 질소나 액체 네온을 사용하여 액화율을 크게 증진시킬 수 있다. 또한, 공정에서 발생하는 다량의 잉여 저온이나 버려지는 LNG 냉열을 이용하여 콜드박스(Cold Box)의 단열용으로 활용함으로써 액화 비용을 크게 절감시켜 에너지 낭비를 줄이는 효과적인 액화 시스템이 제공될 수 있다.In the hydrogen liquefaction process according to an embodiment, instead of directly using the cold heat of liquefied natural gas (LNG), safer nitrogen or neon gas is sent to the LNG base to liquefy, and liquefied liquid nitrogen or liquid neon is used to 1 The liquefaction rate can be greatly improved by using the energy required for hydrogen cooling as a step, and liquid nitrogen or liquid neon for cooling the closed hydrogen cycle gas as the second step. In addition, an effective liquefaction system can be provided that significantly reduces liquefaction costs by using a large amount of surplus low temperature generated in the process or wasted LNG cold heat and used for insulation of a cold box, thereby reducing energy waste.

한편, 도 1 내지 도 3에서의 도면 부호 101,102,103, 105, 201,202, 203, 205, 301,302,303, 305, 306는 작동유체의 흐름을 나타내고, 104, 204, 304은 주입(Feed) 수소의 흐름을 나타낸다.Meanwhile, reference numerals 101, 102, 103, 105, 201, 202, 203, 205, 301, 302, 303, 305, and 306 in FIGS. 1 to 3 indicate the flow of the working fluid, and 104, 204, 304 indicate the flow of feed hydrogen.

이상에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.In the above, when it is mentioned that a component is "connected" or "connected" to another component, it may be directly connected or connected to the other component, but other components may exist in the middle. It should be understood that there is On the other hand, when it is mentioned that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In this specification, terms such as "comprises" or "have" are intended to designate that the features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification exist, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.Terms such as first, second, etc. may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Also, terms such as “…unit” and “…module” described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented as hardware or software or a combination of hardware and software.

또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.In addition, the components of the embodiment described with reference to each drawing are not limitedly applied only to the embodiment, and may be implemented to be included in other embodiments within the scope of maintaining the technical spirit of the present invention, and also Even if the description is omitted, it is natural that a plurality of embodiments may be re-implemented as one integrated embodiment.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same components regardless of the reference numerals are given the same or related reference numerals, and the overlapping description thereof will be omitted. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited embodiments and drawings, various modifications and variations are possible from the above description by those skilled in the art. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

100, 200, 300: 수소 액화 장치
110, 210, 310, 510: 저압 압축기
120, 125, 220, 225, 320, 325, 520, 610: 고압 압축기
130, 230, 334, 335: 예냉기
140, 240, 340, 540, 640: 일반 냉각기
150, 250, 350, 650: 1차 팽창기
151, 152, 251, 252, 351, 352: 2차, 3차 팽창기
160, 161, 260, 261, 360, 361, 560, 660: 팽창 밸브
170, 270, 370, 580, 680: 액기 분리기
101, 201, 301: 밀폐 수소 순환 액화 장치
330: 액체 질소나 액체 네온 제조 장치
331: LNG 냉각기
332: 질소나 네온 압축기
333: 질소나 네온 팽창 밸브
335: 액체 질소나 액체 네온
336: 질소나 네온 가스
390: 콜드박스 냉각기
400: 콜드박스
410: 박스 용기
420: 냉각기
430: 충전재
500: 린데 이단압축 액화 공정
600: 클라우드 액화 공정
100, 200, 300: hydrogen liquefaction device
110, 210, 310, 510: low pressure compressor
120, 125, 220, 225, 320, 325, 520, 610: high pressure compressor
130, 230, 334, 335: precooler
140, 240, 340, 540, 640: general cooler
150, 250, 350, 650: primary inflator
151, 152, 251, 252, 351, 352: secondary and tertiary inflator
160, 161, 260, 261, 360, 361, 560, 660: expansion valve
170, 270, 370, 580, 680: liquid separator
101, 201, 301: sealed hydrogen circulation liquefier
330: liquid nitrogen or liquid neon manufacturing device
331: LNG cooler
332: nitrogen or neon compressor
333: nitrogen or neon expansion valve
335: liquid nitrogen or liquid neon
336: nitrogen or neon gas
390: cold box cooler
400: cold box
410: box container
420: cooler
430: filling material
500: Linde two-stage compression liquefaction process
600: cloud liquefaction process

Claims (4)

수소 가스를 액화시키기 위해 액화천연가스(LNG)의 냉열을 이용하여 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합액체를 제조하는 액체 질소나 액체 네온 제조 장치;
제조된 상기 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합물을 이용하여 밀폐 순환 수소 가스를 냉각시키는 예냉기;
상기 밀폐 순환 수소 가스를 2단으로 압축하는 저압 압축기 및 고압 압축기;
상기 밀폐 순환 수소 가스를 압축 후, 다단으로 냉각시키는 복수 개의 냉각기;
냉각된 밀폐사이클의 상기 밀폐 순환 수소 가스의 일부가 중압으로 팽창되는 팽창기; 및
상기 밀폐사이클의 상기 밀폐 순환 수소 가스 중 잔여 수소는 중압의 액기 혼합수소에 의하여 냉각 후, 팽창 밸브에서 최종 압력으로 저하되면서 액화되어 일부 액체 수소를 생성하며 저압 압축기로 반송되는 순환 장치
를 포함하고,
상기 복수 개의 냉각기는 반송되는 액체 수소에 의하여 액화시키고자 압축 주입(Feed)되는 수소 가스를 냉각시키며, 상기 팽창기는 냉각된 상기 수소 가스의 압력을 저하시켜 일부를 액체 수소로 변화시키는 것
을 특징으로 하는, 수소 액화 장치.a liquid nitrogen or liquid neon manufacturing apparatus for producing liquid nitrogen, liquid neon, or a mixture thereof by using the cooling heat of liquefied natural gas (LNG) to liquefy hydrogen gas;
a precooler for cooling the closed circulation hydrogen gas using the prepared liquid nitrogen, liquid neon, or a mixture thereof;
a low-pressure compressor and a high-pressure compressor for compressing the sealed circulation hydrogen gas in two stages;
a plurality of coolers for cooling the sealed circulating hydrogen gas in multiple stages after compression;
an expander in which a portion of the closed cycle hydrogen gas of the cooled closed cycle is expanded to medium pressure; and
Residual hydrogen in the closed cycle hydrogen gas in the closed cycle is cooled by medium pressure liquid mixed hydrogen, and then liquefied while lowering to a final pressure in the expansion valve to generate some liquid hydrogen and returned to the low pressure compressor.
including,
The plurality of coolers cool the compressed-injected (Feed) hydrogen gas to be liquefied by the conveyed liquid hydrogen, and the expander lowers the pressure of the cooled hydrogen gas to change some into liquid hydrogen
characterized in that, hydrogen liquefaction device. 제1항에 있어서,
상기 팽창기는,
수소 액화 공정에 필요한 복수 개의 팽창기로 구성되고, 복수 개의 팽창기를 다단의 팽창 과정으로 구성하여 순환 유체의 온도를 보다 저하시키는 것
을 특징으로 하는, 수소 액화 장치.According to claim 1,
the inflator,
Consisting of a plurality of expanders required for the hydrogen liquefaction process, and configuring a plurality of expanders in a multi-stage expansion process to further lower the temperature of the circulating fluid
characterized in that, hydrogen liquefaction device. 제1항에 있어서,
수소 액화 공정에서 발생하는 잉여 냉열이나 LNG 냉열을 공기, 질소나 냉매로 회수하여 단열에 사용하는 콜드박스
를 더 포함하고,
상기 콜드박스는 냉기체 층으로 구성되거나, 고체 단열재 층과 냉기체 층, 슈퍼 단열층 등을 복합적으로 구성되는 것
을 특징으로 하는, 수소 액화 장치.According to claim 1,
Cold box used for insulation by recovering excess cooling heat or LNG cooling heat generated in the hydrogen liquefaction process with air, nitrogen or refrigerant
further comprising,
The cold box is composed of a cold gas layer, or is composed of a solid insulation layer, a cold gas layer, a super insulation layer, etc.
characterized in that, hydrogen liquefaction device. 수소 가스를 액화시키기 위해 액화천연가스(LNG)의 냉열을 이용하여 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합 액체를 제조하는 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합앱체 제조 단계; 및
제조된 상기 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합물을 이용하여 밀폐 순환 수소 가스를 냉각시켜 수소 순환 액화 공정에 이용하고, 액화시키고자 주입(Feed)되는 수소 가스를 냉각에 이용하며, 냉각된 상기 수소 가스의 압력을 저하시켜 일부를 액체 수소로 변화시키는 수소 액화 단계
를 포함하고,
제조된 상기 액체 질소나 액체 네온 또는 그들의 혼합물을 이용하여 LNG 냉열의 이용량을 극대화하여 수소를 액화시키는 것
을 특징으로 하는, 수소 액화 방법.Liquid nitrogen or liquid neon or their mixed ab body manufacturing step of using the cooling heat of liquefied natural gas (LNG) to liquefy hydrogen gas to produce liquid nitrogen or liquid neon or a mixed liquid thereof; and
By using the prepared liquid nitrogen or liquid neon or a mixture thereof, the closed circulation hydrogen gas is cooled and used in the hydrogen circulation liquefaction process, and the hydrogen gas fed to liquefy is used for cooling, and the cooled hydrogen gas A hydrogen liquefaction step in which a portion is changed to liquid hydrogen by lowering the pressure of
including,
Liquefaction of hydrogen by maximizing the amount of LNG cold heat using the manufactured liquid nitrogen or liquid neon or a mixture thereof
characterized in that, hydrogen liquefaction method.
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