KR20220031785A

KR20220031785A - 선박용 수소생산시스템

Info

Publication number: KR20220031785A
Application number: KR1020200112242A
Authority: KR
Inventors: 류시진; 박아민; 정승재; 최병윤
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2020-09-03
Filing date: 2020-09-03
Publication date: 2022-03-14

Abstract

선박용 수소생산시스템이 개시된다. 본 실시 예에 따른 선박용 수소생산시스템은 액화천연가스 및 이로부터 발생하는 천연 증발가스를 포함하는 천연가스를 수용하는 저장탱크, 상기 저장탱크의 천연가스를 공급받으며, 공급된 천연가스를 수소를 포함하는 합성가스로 개질시키는 반응부, 상기 반응부에서 생산된 합성가스 중 수소를 저장하는 수소저장부, 상기 저장탱크의 천연가스를 상기 반응부로 공급하는 가스공급라인; 냉각수를 통해 상기 반응부에서 생산된 합성가스를 냉각시키는 냉각수라인; 및 상기 가스공급라인에 구비되며, 상기 냉각수라인과 연결되어 상기 가스공급라인을 통과하는 천연가스를 가열시키는 가열부;를 포함하여 제공될 수 있다.

Description

선박용 수소생산시스템{HYDROGEN PRODUCTION SYSTEM FOR SHIP}

본 발명은 선박용 수소생산시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 선박에서 저장탱크에 저장된 천연가스를 이용하여 수소를 생산할 수 있는 선박용 수소생산시스템에 관한 것이다.

수소 에너지는 공해가 없는 청정에너지로서 그 실용화 범위가 확대되고 있다. 이러한 수소 생산을 위해 사용되는 종래의 스팀 개질법은 천연가스와 같은 탄화수소 물질을 스팀(수증기)과 개질반응시켜 수소를 추출하는 방법이다.

천연가스는 수소 비율이 높은 메탄(Methane)을 다량 함유하고 있으므로 스팀 개질에 많이 사용되고 있다. 종래에는 천연가스 개질 방식의 수소 생산 설비를 육상에 마련하고 있으며, 육상의 파이프라인을 통해 천연가스를 공급받아 수소 생산을 수행하고 있다.

이에, 가스정 또는 유정으로부터 채굴된 천연가스를 공급받아 선박에서 수소 생산 설비를 통해 바로 수소를 생산함으로써, 육상의 수소 생산 설비를 줄이고, 이동성을 확보하여 다양한 수요처로 생산된 수소를 공급할 수 있는 방안이 제기된다.

대한민국 공개특허공보 10-2018-0051910호(2018년 05월 17일, 공개)

본 실시 예는 저장탱크에 저장된 천연가스를 이용하여 수소를 생산할 수 있는 선박용 수소생산시스템을 제공하고자 함이다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 액화천연가스 및 이로부터 발생하는 천연 증발가스를 포함하는 천연가스를 수용하는 저장탱크; 상기 저장탱크의 천연가스를 공급받으며, 공급된 천연가스를 수소를 포함하는 합성가스로 개질시키는 반응부; 상기 반응부에서 생산된 합성가스 중 수소를 저장하는 수소저장부; 상기 저장탱크의 천연가스를 상기 반응부로 공급하는 가스공급라인; 냉각수를 통해 상기 반응부에서 생산된 합성가스를 냉각시키는 냉각수라인; 및 상기 가스공급라인에 구비되며, 상기 냉각수라인과 연결되어 상기 가스공급라인을 통과하는 천연가스를 가열시키는 가열부;를 포함할 수 있다.

상기 반응부는 상기 가스공급라인을 통해 가열된 천연가스를 공급받으며, 공급된 천연가스를 수소 및 일산화탄소를 포함하는 제1 합성가스로 개질시키는 개질반응기; 제1 반응라인을 통해 상기 개질반응기로부터 제1 합성가스를 공급받으며, 공급된 제1 합성가스를 수소 및 이산화탄소를 포함하는 제2 합성가스로 전환시키는 전환반응기; 및 제2 반응라인을 통해 상기 전환반응기로부터 제2 합성가스를 공급받으며, 공급된 제2 합성가스 중 수소를 분리하는 수소분리기;를 포함할 수 있다.

상기 개질반응기에서 발생한 폐가스를 외부로 배출하는 제1 폐가스라인;을 더 포함하며, 상기 가열부는 상기 제1 폐가스라인의 폐가스를 통해 상기 가스공급라인을 통과하는 천연가스를 가열시키는 제1 열교환부를 포함할 수 있다.

상기 수소분리기에 연결되며, 상기 수소분리기에서 분리된 수소를 상기 수소저장부로 공급하는 수소공급라인; 및 상기 수소분리기에 연결되며, 상기 수소분리기에서 분리된 수소를 제외한 나머지 기체를 상기 제1 폐가스라인으로 합류시키는 제2 폐가스라인;을 더 포함할 수 있다.

상기 수소공급라인을 통과하는 수소에 대해 극저온의 냉열을 공급하는 냉매순환라인;을 더 포함할 수 있다.

상기 냉각수라인과 연결되며, 상기 제1 반응라인을 통과하는 제1 합성가스 또는 상기 제2 반응라인을 통과하는 제2 합성가스 중 적어도 어느 하나를 냉각시키는 냉각부;를 더 포함할 수 있다.

상기 가열부는 상기 가스공급라인 중 상기 제1 열교환부 상류 지점에 마련되며, 상기 가스공급라인을 통과하는 천연가스를 가열시키는 제2 열교환부를 포함하며, 상기 냉각부는 상기 제1 반응라인에 마련되어 상기 제1 반응라인을 통과하는 제1 합성가스를 상기 냉각수라인의 냉각수를 통해 냉각시키는 제3 열교환부와, 상기 제2 반응라인에 마련되어 상기 제2 반응라인을 통과하는 제2 합성가스를 상기 냉각수라인의 냉각수를 통해 냉각시키는 제4 열교환부를 포함할 수 있다.

상기 냉각수라인은 냉각수를 상기 제3 열교환부로 공급하는 제1 냉각수라인과, 냉각수를 상기 제4 열교환부로 공급하는 제2 냉각수라인을 포함할 수 있다.

상기 제1 반응라인의 제1 합성가스는 상기 제3 열교환부를 통과하는 상기 제1 냉각수라인의 냉각수에 의해 냉각되며, 상기 제1 냉각수라인의 냉각수는 상기 제3 열교환부를 통과하며 스팀으로 전환되며, 전환된 스팀은 상기 가스공급라인으로 합류될 수 있다.

상기 제1 냉각수라인은 상기 제1 열교환부와 상기 제2 열교환부 사이 지점에 연결되며, 상기 제3 열교환부를 통과하며 전환된 상기 제1 냉각수라인의 스팀은 상기 제1 열교환부와 상기 제2 열교환부 사이 지점에 공급되어 상기 가스공급라인을 통과하는 천연가스와 합류될 수 있다.

상기 제2 반응라인의 제2 합성가스는 상기 제4 열교환부를 통과하는 상기 제2 냉각수라인의 냉각수에 의해 냉각되며, 상기 제2 냉각수라인의 냉각수는 상기 제4 열교환부를 통과하며 가열되고, 가열된 냉각수는 상기 제1 냉각수라인 중 상기 제3 열교환부 상류 지점 또는 상기 제2 냉각수라인 중 상기 제4 열교환부 상류 지점으로 합류될 수 있다.

상기 제2 냉각수라인 중 상기 제2 열교환부 하류 지점에서 분기되며, 상기 제2 열교환부를 통과한 상기 제2 냉각수라인의 냉각수 중 적어도 일부를 외부로 배출하는 제1 분기라인;을 더 포함할 수 있다.

상기 가스공급라인에 구비되며, 상기 가스공급라인을 통과하는 천연가스를 재기화시키는 재기화부;를 더 포함할 수 있다.

상기 가스공급라인은 상기 저장탱크의 액화천연가스를 상기 재기화부로 공급하는 액화천연가스라인과, 상기 저장탱크의 천연 증발가스를 상기 재기화부로 공급하는 증발가스라인과, 상기 재기화부에서 재기화된 천연가스를 상기 반응부로 공급하며 상기 가열부가 구비되는 기화가스라인을 포함할 수 있다.

상기 증발가스라인에 구비되며, 상기 증발가스라인의 개방 및 폐쇄를 조절하는 개폐밸브;를 더 포함할 수 있다.

상기 기화가스라인 중 상기 가열부와 상기 재기화부 사이에 구비되며, 상기 기화가스라인을 통과하는 천연가스의 메탄 함유량을 높이는 메탄 분리부;를 더 포함할 수 있다.

상기 기화가스라인 중 상기 메탄 분리부 상류 지점에서 분기되며, 상기 기화가스라인 중 천연가스의 일부를 상기 반응부의 연료로 공급하는 제2 분기라인;을 더 포함할 수 있다.

상기 기화가스라인 중 상기 메탄 분리부와 상기 제2 분기라인이 분기되는 지점 사이에 마련되며, 상기 기화가스라인을 통과하는 천연가스의 유통량을 조절하는 조절밸브;를 더 포함할 수 있다.

상기 메탄 분리부는 상기 기화가스라인의 천연가스 중 중탄화수소를 분리하는 제1 분리기와, 상기 기화가스라인의 천연가스 중 질소를 분리하는 제2 분리기를 포함할 수 있다.

상기 제1 분리기는 상기 기화가스라인의 천연가스 중 중탄화수소는 제1 토출라인을 통해 상기 제2 분기라인으로 합류시키며, 상기 기화가스라인의 천연가스 중 중탄화수소를 제외한 나머지는 상기 제2 분리기로 공급하고, 상기 제2 분리기는 상기 제1 분리기를 통해 공급받은 천연가스 중 질소는 제2 토출라인을 통해 외부로 배출시키고, 상기 제1 분리기를 통해 공급받은 천연가스 중 질소를 제외한 나머지는 상기 가열부로 공급할 수 있다.

상기 가스공급라인에 구비되며, 상기 가스공급라인을 통과하는 천연가스를 재기화시키는 재기화부; 및 상기 가스공급라인 중 상기 가열부와 상기 재기화부 사이에 구비되며, 상기 가스공급라인을 통과하는 천연가스의 메탄 함유량을 높이는 메탄 분리부;를 더 포함하며, 상기 가스공급라인은 상기 저장탱크의 액화천연가스를 상기 재기화부로 공급하는 액화천연가스공급라인과, 상기 재기화부에서 재기화된 천연가스를 상기 반응부로 공급하며 상기 메탄 분리부 및 상기 가열부가 구비되는 기화가스라인과, 상기 저장탱크의 천연 증발가스를 상기 기화가스라인 중 상기 메탄 분리부 상류 지점으로 합류시키는 증발가스라인을 포함할 수 있다.

상기 증발가스라인은 상기 증발가스라인을 통과하는 천연 증발가스를 가압하는 가압부와, 상기 증발가스라인을 통과하는 천연 증발가스를 예열시키는 예열부를 포함할 수 있다.

상기 예열부는 상기 증발가스라인 중 상기 가압부의 하류 지점에 배치될 수 있다.

상기 예열부는 상기 반응부에서 생산된 수소를 통해 상기 증발가스라인의 천연 증발가스를 예열시키는 제5 열교환부와, 상기 증발가스라인 중 상기 제5 열교환부 상류 지점 또는 하류 지점에 마련되어 상기 증발가스라인의 천연 증발가스를 예열시키는 히터부를 포함할 수 있다.

본 실시 예에 의한 선박용 수소생산시스템은 저장탱크에 저장된 천연가스를 이용하여 수소를 생산할 수 있다.

본 실시 예에 의한 선박용 수소생산시스템은 FSRU(Floating, Storage, Re-gasification Unit) 등과 같은 선박에 적용되어 해상에서 수소를 생산할 수 있다.

본 실시 예에 의한 선박용 수소생산시스템은 반응부에서 합성가스를 생산하며 발생된 폐열을 회수하여 천연가스를 가열시킬 수 있다.

본 실시 예에 의한 선박용 수소생산시스템은 제3 열교환부를 통과한 제1 냉각수라인의 냉각수가 스팀으로 전환된 후 가스공급라인으로 공급되어 천연가스와 합류되므로, 별도의 스팀 발생기가 구비되지 않더라도 수증기 개질 반응에 필요한 스팀(수증기)를 공급할 수 있다.

본 실시 예에 의한 선박용 수소생산시스템은 개질반응기에서 발생한 폐가스의 폐열을 이용하여 천연가스를 가열하므로, 개질반응기로 도입되는 메탄 함유량이 높은 천연가스의 온도가 높으며, 이로 인해 개질반응기의 버너에서 사용되는 연료로서의 천연가스 양을 줄일 수 있다.

본 발명의 선박용 수소생산시스템은 기존의 선박 중 천연가스용 저장탱크가 있는 선박에 대해 과도한 개조 없이 수소생산시스템을 곧바로 적용할 수 있으므로 새로운 선박 제조에 소요되는 비용을 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 선박용 수소생산시스템을 나타내는 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 따른 선박용 수소생산시스템을 나타내는 개념도이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이하의 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 충분히 전달하기 위해 제시하는 것이다. 본 발명은 여기서 제시한 실시 예만으로 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 도면은 본 발명을 명확히 하기 위해 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하고, 이해를 돕기 위해 구성요소의 크기를 다소 과장하여 표현할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 선박용 수소생산시스템은 FSRU(Floating, Storage, Re-gasification Unit) 등과 같은 선박에 적용되어 선박의 운용시에도 반응부가 저장탱크로부터 천연가스를 공급받아 수소를 생산할 수 있다. 한편, 본 발명의 실시 예에 따른 선박용 수소생산시스템은 FSRU 등과 같은 선박에 적용되는 것에 한정하는 것은 아니며, 이외에도 천연가스를 수용할 수 있는 저장탱크가 구비된 다양한 선박에 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 선박용 수소생산시스템(100)을 나타내는 개념도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 선박용 수소생산시스템(100)은 액화천연가스 및 이로부터 발생하는 천연 증발가스를 포함하는 천연가스를 수용하는 저장탱크(110), 저장탱크(110)의 천연가스를 공급받아 수소를 포함하는 합성가스로 개질시키는 반응부(140), 반응부(140)에서 생산된 합성가스 중 수소를 저장하는 수소저장부(150), 냉각수를 통해 반응부(140)에서 생산된 합성가스를 냉각시키는 냉각수라인(160), 저장탱크(110)의 천연가스를 반응부(140)로 공급하는 가스공급라인(120), 가스공급라인(120)에 구비되어 가스공급라인(120)을 통과하는 천연가스를 재기화시키는 재기화부(130), 가스공급라인(120)에 구비되어 가스공급라인(120)을 통과하는 천연가스의 메탄 함유량을 높이는 메탄 분리부(170)를 포함하여 마련될 수 있다.

저장탱크(110)는 액화천연가스 및 이로부터 발생하는 천연 증발가스를 포함하는 천연가스를 수용 및 저장하도록 마련된다. 저장탱크(110)는 외부의 열 침입에 의한 액화천연가스의 기화를 최소화할 수 있도록 단열 처리된 멤브레인 타입의 화물창으로 마련될 수 있다. 저장탱크(110)는 천연가스의 생산지 또는 공급처 등으로부터 액화된 천연가스를 공급받아 수용 및 저장할 수 있다. 한편, 도시되지는 않았지만 저장탱크(110)의 액화천연가스 및 천연 증발가스는 엔진용 라인(미도시)을 통해 선박의 추진용 엔진(미도시) 또는 선박의 발전용 엔진(미도시) 등의 연료가스로 공급될 수도 있다.

저장탱크(110)는 일반적으로 단열 처리되어 설치되나, 외부의 열 침입을 완전히 차단하는 것은 실질적으로 어려우므로, 저장탱크(110) 내부에는 액화천연가스가 자연적으로 기화하여 발생하는 천연 증발가스가 존재하게 된다.

본 발명의 제1 실시 예에 따른 선박용 수소생산시스템(100)은 이와 같은 저장탱크(110) 내부에 액화천연가스 및 이로부터 발생하는 천연 증발가스를 포함하는 천연가스를 후술하는 반응부(140)로 공급하여 수소를 생산할 수 있다. 한편, 저장탱크(110)는 도시된 바와 같이 4개가 마련될 수 있으며, 이에 한정하지 않고 필요에 따라 1개 또는 4개 이외에 복수개로 마련될 수 있다.

반응부(140)는 저장탱크(110)의 천연가스를 공급받을 수 있다. 반응부(140)는 저장탱크(110)로부터 가스공급라인(120)을 통해 공급된 천연가스를 수소를 포함하는 합성가스로 개질시킬 수 있다.

구체적으로 살펴보면, 반응부(140)는 가스공급라인(120) 중 후술하는 기화가스라인(123)을 통해 수소를 포함하는 합성가스로 개질되는 천연가스를 공급받을 수 있다. 아울러, 반응부(140)는 가스공급라인(120)의 기화가스라인(123)에서 분기되는 제2 분기라인(124)을 통해 반응부(140) 중 개질반응기(141)에서 버너의 연료로 사용되는 천연가스를 공급받을 수 있다.

좀 더 구체적으로 살펴보면, 반응부(140)는 가스공급라인(120)을 통해 가열된 천연가스를 공급받으며, 공급된 천연가스를 수소 및 일산화탄소를 포함하는 제1 합성가스로 개질시키는 개질반응기(141)와, 제1 반응라인(145)을 통해 개질반응기(141)로부터 제1 합성가스를 공급받으며, 공급된 제1 합성가스를 수소 및 이산화탄소를 포함하는 제2 합성가스로 전환시키는 전환반응기(142) 및 제2 반응라인(146)을 통해 전환반응기(142)로부터 제2 합성가스를 공급받으며, 공급된 제2 합성가스 중 수소를 분리하는 수소분리기(143)를 포함할 수 있다.

도 1을 참조하면, 반응부(140)의 개질반응기(141)는 가스공급라인(120) 중 기화가스라인(123)을 통해 천연가스를 공급받을 수 있다. 한편, 반응부(140)의 개질반응기(141)는 가스공급라인(120) 중 기화가스라인(123)으로부터 분기된 제2 분기라인(124)을 통해 공급받은 천연가스를 연소시킬 수 있는 버너(도면부호 미도시)가 구비될 수 있다. 반응부(140)의 개질반응기(141)는 버너로부터 발생한 연소열을 이용하여, 가스공급라인(120) 중 기화가스라인(123)을 통해 공급된 천연가스를 스팀과 개질반응시켜 수소와 일산화탄소를 포함하는 제1 합성가스로 개질시킬 수 있다.

반응부(140)의 개질반응기(141)에서는 천연가스와 수증기가 촉매 작용 하에 수증기 개질 반응을 일으키고, 이에 따라 수소 및 일산화탄소를 포함하는 제1 합성가스가 생성될 수 있다. 한편, 천연가스(메탄 함유 가스)의 수증기 개질 반응은 흡열 반응이며, 반응식은 "CH4 + H20 + Q(버너에 의해 발생한 연소열) -> 3H2 + CO"와 같다.

수소 및 일산화탄소를 포함하는 제1 합성가스는 제1 반응라인(145)을 통해 제3 열교환부(T3)를 통과한 뒤 전환반응기(142)로 공급될 수 있다. 한편, 개질반응기(141)에서 발생한 가스 중에서 제1 합성가스를 제외한 나머지 폐가스는 제1 폐가스라인(147)을 통해 제1 열교환부(T1)로 도입된 후 외부로 배출될 수 있다. 개질반응기(141)에서 발생한 폐가스는 매우 고온 상태에 해당되며, 이를 제1 열교환부(T1)를 통과하는 기화가스라인(123)의 천연가스와 열교환시켜 기화가스라인(123)을 통과하는 천연가스를 가열시킬 수 있다.

전환반응기(142)는 제1 반응라인(145)을 통해 개질반응기(141)로부터 제1 합성가스를 공급받을 수 있다. 전환반응기(142)는 개질반응기(141)로부터 공급된 제1 합성가스를 수소 및 이산화탄소를 포함하는 제2 합성가스로 전환시킬 수 있다. 전환반응기(142)에서는 수성가스 전환 반응을 통해 제1 합성가스로부터 일산화탄소가 전환되고 수소가 생성되어 제1 합성가스에 비해 수소 함량이 더욱 높은 2차 합성가스가 생성될 수 있다. 전환반응기(142)의 수성가스 전환반응은 발열 반응이며, 반응식은 "CO + H20 -> CO2 + H2 + Q(Heat)"와 같다.

전환반응기(142)는 일례로서, 수성가스 전환반응을 일으키는 Syngas Shifter로 마련될 수 있다. 다만, 전환반응기(142)는 이에 한정하는 것은 아니며, 개질가스에 함유된 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하여 일산화탄소의 농도를 낮추는 전환반응기(142)로서, 공지된 고온전환반응기(142)(HTS, High Temperature Shift) 및 저온전환반응기(142)(LTS, Low Temperature Shift)로 마련될 수도 있다.

수소 및 이산화탄소를 포함하는 제2 합성가스는 제2 반응라인(146)을 통해 제4 열교환부(T4)를 통과한 뒤 수소분리기(143)로 공급될 수 있다.

수소분리기(143)는 제2 반응라인(146)을 통해 공급된 제2 합성가스로부터 수소를 분리 및 정제할 수 있다. 한편, 전환반응기(142)를 통과한 제2 합성가스는 수소 및 이산화탄소 이외에도 스팀, 일산화탄소 등의 성분이 포함될 수 있다. 이 중에서 수소분리기(143)에 의해 분리 및 정제된 수소는 수소분리기(143)에 연결되는 수소공급라인(148)을 통해 수소저장부(150)로 공급될 수 있다.

수소분리기(143)의 일례로서, 공지된 4~12개의 흡착탑으로 구성된 PSA(Pressure Swing Adsorption) 공정을 수행할 수 있으며, 예컨대 흡착제로 molecular sieve를 사용하여 400~500 psig의 혼합유체 흐름에서 80~92%의 수소(H2)를 분리할 수 있다. 한편, 수소분리기(143)는 이에 한정하는 것은 아니며, 수소분리기(143)에서 수소를 분리 및 정제하여 수소저장부(150)로 공급하며, 수소 이외의 기체를 제2 폐가스라인(149)을 통해 배출할 수 있는 다양한 수단으로 마련될 수 있다.

수소분리기(143)는 제2 합성가스 중에서 수소를 제외한 나머지 기체는 수소 분리기에 연결되는 제2 폐가스라인(149)을 통해 배출될 수 있다. 수소분리기(143)에 연결된 제2 폐가스라인(149)은 제2 합성가스 중에서 수소를 제외한 나머지 기체를 개질반응기(141)에 연결된 제1 폐가스라인(147)으로 합류시킬 수 있다.

좀 더 구체적으로 살펴보면, 제2 폐가스라인(149)은 일단이 수소분리기(143)에 연결되며, 타단이 제1 폐가스라인(147) 중 제1 열교환부(T1) 상류 지점에 연결될 수 있다. 이에 따라 수소분리기(143)에서 분리된 수소를 제외한 나머지 폐가스 기체는 제2 폐가스라인(149)을 통해 개질반응기(141)에서 배출되는 폐가스와 제1 폐가스라인(147)에서 합류될 수 있다.

합류된 폐가스 기체들은 제1 폐가스라인(147)을 통해 가열부(T1, T2) 중 제1 열교환부(T1)를 통과하며, 기화가스라인(123)을 통과하는 천연가스를 가열시킬 수 있다. 한편, 제1 폐가스라인(147)의 폐가스는 제1 열교환부(T1)를 통과한 뒤 외부로 배출될 수 있다.

가열부(T1, T2)는 가스공급라인(120)에 구비되며, 냉각수라인(160)과 연결되어 가스공급라인(120)을 통과하는 천연가스를 가열시킬 수 있다. 가열부(T1, T2)는 가스공급라인(120)에 마련되는 제1 열교환부(T1)와, 가스공급라인(120)에 마련되며 제1 열교환부(T1) 상류 지점에 마련되는 제2 열교환부(T2)를 포함할 수 있다. 좀 더 구체적으로 살펴보면, 제1 열교환부(T1) 및 제2 열교환부(T2)는 각각 가스공급라인(120) 중 기화가스라인(123)에 구비될 수 있다.

제1 열교환부(T1)는 제1 폐가스라인(147)의 폐가스를 통해 가스공급라인(120) 중 기화가스라인(123)을 통과하는 천연가스를 가열시킬 수 있다. 제2 열교환부(T2)는 제2 냉각수라인(160b)의 냉각수를 통해 가스공급라인(120) 중 기화가스라인(123)을 통과하는 천연가스를 가열시킬 수 있다.

즉 저장탱크(110)로부터 공급된 천연가스는 기화가스라인(123)을 통과하며, 1차적으로 제2 열교환부(T2)에서 제2 냉각수라인(160b)의 냉각수를 통해 가열될 수 있으며, 2차적으로 제1 열교환부(T1)에서 제1 폐가스라인(147)의 폐가스를 통해 가열될 수 있다. 본 발명의 실시 예에 따른 선박용 수소생산시스템(100)은 반응부(140)에서 생상된 폐열을 회수하여 가열부(T1, T2)에 활용함으로써 별도의 히터 등이 마련되지 않고도 가열에 필요한 충분한 열을 공급할 수 있다.

냉각수라인(160)은 냉각수공급부(161)를 통해 반응부(140)에서 생산된 합성가스를 냉각시키는 냉각수를 공급받을 수 있다. 냉각수공급부(161)는 선박 내부에 마련된 냉각수를 냉각수라인(160)으로 공급하는 방식으로 마련될 수 있으며, 이와 달리 선박 외부에 해수를 담수화처리하여 냉각수라인(160)으로 공급하는 방식으로 마련될 수도 있다.

냉각수라인(160)은 냉각부(T3, T4)와 연결될 수 있다. 냉각부(T3, T4)는 제1 반응라인(145)을 통과하는 제1 합성가스 또는 제2 반응라인(146)을 통과하는 제2 합성가스 중 적어도 어느 하나를 냉각시킬 수 있다.

냉각부(T3, T4)는 제1 반응라인(145)에 마련되어 제1 반응라인(145)을 통과하는 제1 합성가스를 냉각수라인(160)의 냉각수를 통해 냉각시키는 제3 열교환부(T3)와, 제2 반응라인(146)에 마련되어 제2 반응라인(146)을 통과하는 제2 합성가스를 냉각수라인(160)의 냉각수를 통해 냉각시키는 제4 열교환부(T4)를 포함할 수 있다.

좀 더 구체적으로 살펴보면, 제3 열교환부(T3)는 냉각수라인(160) 중 냉각수를 제3 열교환부(T3)로 공급하는 제1 냉각수라인(160a)과 연결될 수 있으며, 제4 열교환부(T4)는 냉각수라인(160) 중 냉각수를 제4 열교환부(T4)로 공급하는 제2 냉각수라인(160b)과 연결될 수 있다.

냉각수공급부(161)를 통해 냉각수라인(160)으로 공급된 냉각수는 각각 제1 냉각수라인(160a) 및 제2 냉각수라인(160b)으로 분기되어 공급될 수 있다. 제1 냉각수라인(160a)을 통해 공급되는 냉각수는 제3 열교환부(T3)를 통해 제1 반응라인(145)의 제1 합성가스와 열교환될 수 있다.

개질반응기(141)에서 제1 반응라인(145)을 통해 배출되는 제1 합성가스는 매우 고온 상태일 수 있다. 이에 따라 제1 반응라인(145)의 제1 합성가스는 제1 냉각수라인(160a)의 냉각수에 의해 냉각될 수 있다. 한편, 제1 냉각수라인(160a)의 냉각수는 제1 반응라인(145)의 제1 합성가스와 열교환되며, 이에 따라 제1 냉각수라인(160a)의 냉각수는 제3 열교환부(T3)를 통과하며 스팀으로 전환될 수 있다. 제3 열교환부(T3)를 통과하며 전환된 제1 냉각수라인(160a)의 스팀은 가스공급라인(120)으로 공급될 수 있다.

좀 더 구체적으로 살펴보면, 제1 냉각수라인(160a)은 제3 열교환부(T3)를 통과한 스팀이 가스공급라인(120) 중 기화가스라인(123)의 제1 열교환부(T1)와 제2 열교환부(T2) 사이 지점에 공급되도록 기화가스라인(123)에 연결될 수 있다. 이에 따라 제1 냉각수라인(160a)의 냉각수는 제3 열교환부(T3)를 통과하며 스팀으로 전환된 후, 전환된 스팀은 기화가스라인(123) 중 제1 열교환부(T1)와 제2 열교환부(T2) 사이 지점에 공급되어 기화가스라인(123)을 통과하는 천연가스와 합류될 수 있다.

기화가스라인(123)에서 합류된 스팀과 천연가스는 기화가스라인(123)을 통해 개질반응기(141)로 공급될 수 있다. 이에 따라 개질반응기(141)에서 스팀과 천연가스가 개질 반응하여 제1 합성가스가 생산될 수 있다.

한편, 제1 냉각수라인(160a)은 전술한 바와 같이 기화가스라인(123) 중 제1 열교환부(T1)와 제2 열교환부(T2) 사이에 연결될 수 있지만, 이에 한정하는 것은 아니며 기화가스라인(123)의 다양한 위치에 연결될 수 있다.

제2 냉각수라인(160b)을 통해 공급되는 냉각수는 제4 열교환부(T4)를 통해 제2 반응라인(146)의 제2 합성가스와 열교환될 수 있다. 한편, 전환반응기(142)에서 제2 반응라인(146)을 통해 배출되는 제2 합성가스는 개질반응기(141)에서 배출되는 제1 합성가스보다는 상대적으로 저온 상태에 해당될 수 있다. 이는 제1 합성가스는 제3 열교환부(T3)에서 제1 냉각수라인(160a)의 냉각수에 의해 냉각된 상태로 전환반응기(142)로 도입되기 때문이다.

제2 반응라인(146)의 제2 합성가스는 제4 열교환부(T4)에서 제2 냉각수라인(160b)의 냉각수에 의해 냉각될 수 있다. 한편, 제2 냉각수라인(160b)의 냉각수는 제4 열교환부(T4)에서 제2 반응라인(146)의 제2 합성가스와 열교환되며 가열될 수 있다. 제2 냉각수라인(160b)의 냉각수는 제4 열교환부(T4)에서 가열된 후, 가열된 냉각수는 가스공급라인(120) 중 기화가스라인(123)에 구비되는 제2 열교환부(T2)로 공급될 수 있다.

한편, 가스공급라인(120) 중 기화가스라인(123)의 천연가스는 전술한 바와 같이 제2 열교환부(T2)에서 제2 열교환부(T2)를 통과하는 제2 냉각수라인(160b)의 냉각수에 의해 가열될 수 있다. 아울러, 제2 냉각수라인(160b)의 냉각수는 제2 열교환부(T2)를 통과하며 기화가스라인(123)의 천연가스와 열교환되어 냉각될 수 있다.

도 1을 참조하면, 제2 열교환부(T2)를 통과한 제2 냉각수라인(160b)의 냉각수는 제2 냉각수라인(160b) 중 제4 열교환부(T4) 상류 지점에 합류될 수 있다. 즉 본 발명의 제2 냉각수라인(160b)의 냉각수는 제4 열교환부(T4)를 통과하며 가열되며, 이후 제2 열교환부(T2)를 통과하며 냉각된 후 다시 제2 냉각수라인(160b) 중 제4 열교환부(T4) 상류 지점으로 도입된 후 제2 냉각수라인(160b)을 다시 순환할 수 있다.

한편, 도 1을 참조하면 냉각수라인(160)은 도시된 바와 같이 냉각수공급부(161)에서 하나의 라인으로 냉각수가 공급되며, 이후 하나의 라인에서 각각 제1 냉각수라인(160a) 및 제2 냉각수라인(160b)으로 분기될 수 있다. 이 경우, 제2 냉각수라인(160b)의 냉각수가 냉각수라인(160)이 분기되는 지점보다 상류 지점에 합류되는 경우, 합류되는 제2 냉각수라인(160b)의 냉각수는 제1 냉각수라인(160a) 및 제2 냉각수라인(160b)으로 나누어져 공급될 수도 있다.

이와 달리 도시되지는 않았지만, 제2 냉각수라인(160b)의 냉각수는 제2 열교환부(T2)를 통과한 후, 제1 냉각수라인(160a) 중 제3 열교환부(T3) 상류 지점에 합류될 수 있다. 이 경우, 본 발명의 제2 냉각수라인(160b)의 냉각수는 제4 열교환부(T4)를 통과하며 가열되며, 이후 제2 열교환부(T2)를 통과하며 냉각된 후 제1 냉각수라인(160a) 중 제3 열교환부(T3) 상류 지점으로 도입되며, 이후 제1 냉각수라인(160a)을 순환할 수 있다. 이 때, 제1 냉각수라인(160a)으로 도입된 합류된 냉각수는 냉각수공급부(161)로터 공급된 제1 냉각수라인(160a)의 냉각수와 합류되며, 합류된 냉각수가 함께 제3 열교환부(T3)와 제1 열교환부(T1)를 순차적으로 통과한 뒤 기화가스라인(123)에 스팀으로 공급될 수 있다.

한편, 제2 냉각수라인(160b)의 냉각수가 지속적으로 제2 냉각수라인(160b)으로 합류되는 경우, 제2 냉각수라인(160b)을 순환하는 냉각수의 전반적인 온도가 지나치게 높아질 우려가 있을 수 있다. 이에 따라 본 발명의 선박용 수소생산시스템(100)은 제1 분기라인(163)을 더 포함할 수 있다.

제1 분기라인(163)은 제2 냉각수라인(160b) 중 제2 열교환부(T2) 하류 지점에서 분기되며, 제2 열교환부(T2)를 통과한 제2 냉각수라인(160b)의 냉각수 중 적어도 일부를 외부로 배출할 수 있다. 즉 제1 분기라인(163)을 통해 제2 열교환부(T2)를 통과하며 가열된 냉각수 중 일부를 외부로 배출하며, 나머지 냉각수는 제2 냉각수라인(160b)을 계속적으로 순환되도록 할 수 있다. 이에 따라 가열된 냉각수 중 일부가 외부로 배출됨으로써 제2 냉각수라인(160b)을 순환하는 냉각수의 전반적인 온도를 조절할 수 있다. 한편, 제1 분기라인(163)에는 제1 분기라인(163)을 통해 유통되는 냉각수의 양을 조절할 수 있는 분기밸브(163a)가 마련될 수 있다.

수소저장부(150)는 반응부(140)에서 생산된 합성가스 중 수소를 저장할 수 있다. 수소저장부(150)는 반응부(140)를 통과하며 생산된 합성가스 중 반응부(140)의 수소분리기(143)에서 분리된 수소를 수소공급라인(148)을 통해 공급받을 수 있다. 수소저장부(150)는 수소저장탱크 등으로 마련될 수 있으며, 이에 한정하지 않고 생산된 수소를 저장할 수 있는 다양한 저장수단으로 마련될 수 있다.

가스공급라인(120)은 저장탱크(110)의 천연가스를 반응부(140)로 공급할 수 있다. 좀 더 구체적으로 살펴보면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 가스공급라인(120)은 액화가스라인(121)과, 증발가스라인(122)과, 기화가스라인(123)으로 마련될 수 있다.

도 1을 참조하면, 가스공급라인(120) 중 액화가스라인(121)은 저장탱크(110)의 액화천연가스를 재기화부(130)로 공급할 수 있다. 가스공급라인(120) 중 증발가스라인(122)은 저장탱크(110)의 천연 증발가스를 재기화부(130)로 공급할 수 있다. 가스공급라인(120) 중 기화가스라인(123)은 재기화부(130)에서 재기화된 천연가스를 반응부(140) 중 개질반응기(141)로 공급할 수 있다.

액화가스라인(121)은 저장탱크(110)의 액화천연가스를 재기화부(130)로 공급하도록 마련될 수 있다. 이를 위해 액화가스라인(121)의 입구 측 단부는 저장탱크(110)의 내부 하측에 배치되되 이송펌프(111)가 마련될 수 있으며, 출구 측 단부는 재기화부(130)에 연결될 수 있다.

증발가스라인(122)은 저장탱크(110)의 증발가스를 재기화부(130)로 공급하도록 마련될 수 있다. 이를 위해 증발가스라인(122)은 입구 측 단부가 저장탱크(110)의 내부에 연결되어 마련되고, 출구 측 단부는 재기화부(130)에 연결될 수 있다. 한편, 증발가스라인(122)에는 개폐밸브(122a)가 마련될 수 있다. 개폐밸브(122a)는 증발가스라인(122)에 구비되며, 증발가스라인(122)의 개방 및 폐쇄를 조절할 수 있다. 개폐밸브(122a)는 일례로, 전자적으로 제어되는 솔레노이드 밸브로 마련되어 제어부의 작동에 따라 자동으로 개폐가 조절될 수 있으며, 다른 례로 개폐밸브(122a)는 저장탱크(110) 내부의 증발가스 압력이 기 설정된 값 이상이 되면 개방되는 밸브로 마련될 수도 있다. 한편, 개폐밸브(122a)를 이에 한정하는 것은 아니며 증발가스라인(122)의 개방 및 폐쇄를 조절하는 다양한 방식으로 마련될 수 있다.

기화가스라인(123)은 재기화부(130)에서 재기화된 천연가스를 반응부(140) 중 개질반응기(141)로 공급할 수 있다. 이를 위해 기화가스라인(123)은 입구 측 단부가 재기화부(130)에 연결되며, 출구 측 단부가 개질반응기(141)에 연결될 수 있다.

재기화부(130)는 가스공급라인(120)에 구비되며, 가스공급라인(120)을 통과하는 천연가스를 재기화시킬 수 있다. 재기화부(130)는 액화가스라인(121)과 연결되어 액화가스라인(121)으로부터 저장탱크(110)의 액화천연가스를 공급받을 수 있으며, 재기화부(130)는 증발가스라인(122)과 연결되어 증발가스라인(122)으로부터 저장탱크(110)의 천연 증발가스를 공급받을 수 있다.

재기화부(130)는 저장탱크(110)로부터 액체상태 또는 기체상태로 공급되는 천연가스를 고압으로 만들어주는 고압펌프를 포함하고, 약 -163 ℃의 천연가스를 기화시켜 상온(약 5 ℃)의 천연가스로 변환할 수 있다.

재기화부(130)는 액체상태 또는 기체상태로 공급되는 천연가스를 열전달 매체와의 열교환을 통해 고압 천연가스로 재기화할 수 있으며, 열전달 매체를 가열하기 위한 히터 및 해수를 끌어올리기 위한 해수펌프를 포함할 수 있다. 예컨대, 재기화부(130)는 해수를 열전달 매체로 사용하는 오픈 루프 방식의 기화기이거나 청수, 스팀, 프로판을 열전달 매체로 사용하는 클로즈 루프 방식의 기화기로 구성될 수 있다. 한편, 재기화부(130)의 방식은 이에 한정하는 것은 아니며, 재기화부(130)를 통과한 천연가스가 고온 고압의 상태를 갖는 다양한 수단으로 마련될 수 있다.

또한 재기화부(130)에서 열교환을 위한 열전달 매체로 천연가스의 온도인 약 -163℃에서도 상변화가 일어나지 않도록 부동액이 첨가된 글리콜 워터(Glycol warter)를 사용할 수도 있다.

이에 따라 재기화부(130)를 통과하기 전 천연 증발가스와 액화천연가스는 재기화부(130)를 통과한 뒤 고온 고압의 천연가스로 상태가 변화될 수 있다. 한편, 재기화부(130)에서는 후술하는 메탄 분리부(170)에서 분리 및 정제되기에 적절한 온도 및 압력을 가지도록 천연가스의 온도 및 압력을 조절할 수 있다.

재기화부(130)를 통과한 천연가스는 가스공급라인(120) 중 기화가스라인(123)을 통해 메탄 분리부(170)와, 가열부(T1, T2)를 통과한 뒤 개질반응기(141)로 도입될 수 있다.

메탄 분리부(170)는 기화가스라인(123) 중 가열부(T1, T2)와 재기화부(130) 사이에 구비될 수 있다. 구체적으로 살펴보면, 메탄 분리부(170)는 기화가스라인(123) 중 제2 열교환부(T2) 상류 지점에 배치될 수 있다. 메탄 분리부(170)는 기화가스라인(123)을 통과하는 천연가스의 메탄(CH4) 함유량을 높일 수 있다. 이를 위해 메탄 분리부(170)는 일례로서, Adsorption, Membrane, Hydrocyclone, 기액분리기 형태의 분리기가 사용될 수 있으며, 이에 한정하지 않고 기화가스라인(123)을 통과하는 천연가스의 메탄(CH4)의 함유량을 높일 수 있는 다양한 방식으로 마련될 수 있다.

제2 분기라인(124)은 기화가스라인(123) 중 메탄 분리부(170) 상류 지점에서 분기되며, 기화가스라인(123) 중 천연가스의 일부를 반응부(140)의 연료로 공급할 수 있다. 좀 더 구체적으로 살펴보면, 재기화부(130)를 통과한 기화가스라인(123)의 천연가스 중 일부는 제2 분기라인(124)을 통해 반응부(140) 중 개질반응기(141)의 버너로 도입될 수 있다. 따라서 제2 분기라인(124)을 통해 개질반응기(141)의 버너로 도입된 천연가스는 버너에서 연소되며, 이 연소로 발생한 열이 수증기 개질 반응에 활용될 수 있다.

기화가스라인(123)에는 조절밸브(123a)가 마련될 수 있다. 조절밸브(123a)는 기화가스라인(123) 중 메탄 분리부(170)와 기화가스라인(123) 중 제2 분기라인(124)이 분기되는 지점 사이에 마련될 수 있다. 조절밸브(123a)는 기화가스라인(123)을 통과하는 천연가스의 유통량을 조절할 수 있다. 즉 조절밸브(123a)의 개방 정도에 따라서 기화가스라인(123)을 통해 개질반응기(141)로 도입되는 천연가스의 양과, 제2 분기라인(124)을 통해 개질반응기(141)의 버너로 도입되는 연료의 양을 조절할 수 있다.

한편, 별도의 연료 공급처(125)는 개질반응기(141)에서 버너에 사용되는 천연가스의 연료를 추가적으로 공급하기 위해 연료라인(125a)을 통해 천연가스를 제2 분기라인(124)으로 공급할 수 있다. 연료라인(125a)에는 연료라인조절밸브(125a)가 마련되어 연료라인(125a)의 개방 및 폐쇄를 조절할 수 있다.

메탄 분리부(170)는 기화가스라인(123)에 구비될 수 있다. 도시된 바와 같이 메탄 분리부(170)는 기화가스라인(123) 중 제2 열교환부(T2) 상류 지점에 배치될 수 있다. 메탄 분리부(170)는 제1 분리기(171)와, 제2 분리기(172)를 포함할 수 있다.

제1 분리기(171)는 기화가스라인(123)의 천연가스 중 중탄화수소를 분리할 수 있다. 제1 분리기(171)에서 분리된 중탄화수소는 제1 토출라인(173)을 통해 제2 분기라인(124)으로 공급될 수 있다. 이에 따라 제1 분리기(171)에서 분리된 중탄화수소는 제1 토출라인(173) 및 제2 분기라인(124)을 통해 개질반응기(141)의 버너로 공급될 수 있다. 한편, 기화가스라인(123)의 천연가스 중 제1 분리기(171)에서 분리된 중탄화수소를 제외한 나머지는 기화가스라인(123)을 따라 제2 분리기(172)로 공급될 수 있다.

제2 분리기(172)는 기화가스라인(123)의 천연가스 중 질소 등을 분리할 수 있다. 제2 분리기(172)에서 분리된 질소 등은 제2 토출라인(174)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 한편, 기화가스라인(123)의 천연가스 중 제2 분리기(172)에서 분리된 질소를 제외한 나머지는 기화가스라인(123)을 통해 제2 열교환부(T2)로 도입될 수 있다.

한편, 기화가스라인(123)의 천연가스는 1차적으로 제1 분리기(171)를 통과하며 중탄화수소가 분리되며, 2차적으로 제2 분리기(172)를 통과하며 질소 등의 기체가 분리될 수 있다. 이에 따라 제1 분리기(171) 및 제2 분리기(172)를 포함하는 메탄 분리부(170)를 통과한 기화가스라인(123)의 천연가스는 메탄 함유량이 메탄 분리부(170)를 통과하기 전보다 상대적으로 높은 상태에 해당될 수 있다. 이에 따라 개질반응기(141)에서 스팀과 함께 개질되는 천연가스는 메탄 함유량이 높으므로 수소의 생산량이 향상될 수 있는 장점이 있다.

이하에서는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 선박용 수소생산시스템(200)에 대해 설명한다.

이하에서 설명하는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 선박용 수소생산시스템(200)의 관한 설명 중 별도의 도면부호를 들어 추가적으로 설명하는 경우 외에는 앞서 설명한 본 발명의 제1 실시 예에 의한 선박용 수소생산시스템(100)에 관한 설명과 동일한 것으로서 내용의 중복을 방지하기 위해 설명을 생략한다.

도 2는 본 발명의 제2 실시 예에 의한 선박용 수소생산시스템(200)을 나타내는 개념도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시 예에 의한 선박용 수소생산시스템(200)은 냉매순환라인(281)을 더 포함할 수 있다.

냉매순환라인(281)은 도시된 바와 같이 수소공급라인(148)을 통과하는 수소에 대해 극저온의 냉열을 공급할 수 있다. 이를 위해 냉매순환라인(281)과 수소공급라인(148)은 제6 열교환부(T6)를 통해 연결될 수 있다. 이에 따라 수소분리기(143)로부터 분리된 수소는 수소공급라인(148)을 통과하며, 냉매순환라인(281)의 냉매와 제6 열교환부(T6)에서 열교환됨으로써 냉각될 수 있다.

한편, 냉매순환라인(281)의 냉매는 제6 열교환부(T6)에서 수소공급라인(148)의 수소와 열교환됨으로써 가열될 수 있다. 냉매순환라인(281)에는 냉매순환라인(281)의 냉매를 가압하는 압축기(281)와, 압축기(281)를 거쳐 가압된 냉매를 냉각시키는 냉각기(283)와, 냉각기(283)에 의해 냉각된 냉매를 감압하는 팽창기(284)를 포함할 수 있다.

압축기(281)와 냉각기(283) 및 팽창기(284)를 순차적으로 통과한 냉매는 극저온 상태이므로 제6 열교환부(T6)에서는 극저온의 냉매로부터 수소로 냉열을 전달하여 수소를 액화점까지 냉각시킬 수도 있다. 한편, 냉매는 헬륨, 질소 등을 포함할 수 있다.

본 발명의 제2 실시 예에 따른 선박용 수소생산시스템(200)은 가스공급라인(220)이 구비될 수 있다. 가스공급라인(220)은 액화가스라인(221)과, 기화가스라인(223)과, 증발가스라인(222)을 포함할 수 있다.

가스공급라인(220) 중 액화가스라인(221)은 저장탱크(110)의 액화천연가스를 재기화부(130)로 공급할 수 있다. 가스공급라인(220) 중 기화가스라인(223)은 재기화부(130)에서 재기화된 천연가스를 반응부(140)로 공급할 수 있다. 아울러, 기화가스라인(223)에는 메탄 분리부(170) 및 가열부(T1, T2)가 구비될 수 있다.

도 2와 같이 가스공급라인(220) 중 증발가스라인(222)은 저장탱크(110)의 증발가스를 기화가스라인(223) 중 메탄 분리부(170) 상류 지점으로 합류시킬 수 있다. 즉 본 발명의 제2 실시 예에 따른 증발가스라인(222)을 통과하는 천연 증발가스는 재기화부(130)를 거치지 않으며, 기화가스라인(223)으로 저장탱크(110)의 증발가스를 곧바로 공급할 수 있다. 한편, 증발가스라인(222)에는 개폐밸브(222a)가 마련될 수 있다. 개폐밸브(222a)는 증발가스라인(222)에 구비되며, 증발가스라인(222)의 개방 및 폐쇄를 조절할 수 있다. 개폐밸브(222a)는 일례로, 제어부에 의해 제어되는 솔레노이드 밸브로 마련되어 제어부의 작동에 따라 자동으로 개폐가 조절될 수 있으며, 다른 례로 개폐밸브(222a)는 저장탱크(110) 내부의 압력이 기 설정된 값 이상이 되면 개폐밸브(222a)가 개방되는 밸브로 마련될 수도 있다. 한편, 개폐밸브(222a)를 이에 한정하는 것은 아니며 증발가스라인(222)의 개방 및 폐쇄를 조절하는 다양한 방식으로 마련될 수 있다.

기화가스라인(223)에는 조절밸브(223a)가 마련될 수 있다. 조절밸브(223a)는 기화가스라인(223) 중 메탄 분리부(170)와 기화가스라인(223) 중 제2 분기라인(124)이 분기되는 지점 사이에 마련될 수 있다. 조절밸브(223a)는 기화가스라인(123)을 통과하는 천연가스의 유통량을 조절할 수 있다. 즉 조절밸브(223a)의 개방 정도에 따라서 기화가스라인(223)을 통해 개질반응기(141)로 도입되는 천연가스의 양과, 제2 분기라인(124)을 통해 개질반응기(141)의 버너로 도입되는 연료의 양을 조절할 수 있다.

한편, 증발가스라인(222)은 가압부(C)와, 예열부(T5, H)를 포함할 수 있다. 가압부(C)는 컴프레서 등과 같은 압축기로 마련될 수 있으며, 증발가스라인(222)을 통과하는 천연 증발가스를 가압할 수 있다. 가압부(C)는 도시된 바와 같이 1개로 마련될 수도 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며 다단 압축기로 마련될 수도 있다.

예열부(T5, H)는 증발가스라인(122) 중 가압부(C)의 하류 지점에 마련될 수 있다. 예열부(T5, H)는 증발가스라인(222)을 통과하는 증발가스를 예열시킬 수 있다. 좀 더 구체적으로 살펴보면, 예열부는 제5 열교환부(T5) 또는 히터부(H)로 마련될 수 있다.

수소분리기(143)에서 분리된 수소는 수소공급라인(148)으로 도입되며, 수소공급라인(148)에 공급된 수소 중 일부는 수소공급라인(148)에서 분기된 수소분기라인(285)을 통해 제5 열교환부(T5)로 공급될 수 있다. 한편, 수소분기라인(285)에는 수소분기라인(285) 내부에 수소의 유통 여부를 제어하는 제어밸브(285a)가 마련될 수 있다.

수소분기라인(285)을 통해 제5 열교환부(T5)로 공급된 수소는 증발가스라인(222)의 천연 증발가스와 열교환될 수 있다. 이에 따라 제5 열교환부(T5)를 통과한 수소분기라인(285)의 수소는 냉각된 후 수소저장부(150)로 도입될 수 있다. 또한 제5 열교환부(T5)를 통과한 증발가스라인(222)의 천연 증발가스는 예열된 후 기화가스라인(223)으로 도입될 수 있다.

증발가스라인(222)을 통과하는 천연 증발가스는 가압부(C)와, 제5 열교환부(T5)를 통과하며, 저장탱크(110) 내부에 있는 천연 증발가스보다 상대적으로 고온 고압의 상태를 갖는다. 한편, 증발가스라인(222)을 통과하는 증발가스가 메탄 분리부(170)에서 사용하기 적절한 온도가 아닐 경우를 대비하여 본 발명의 제2 실시 예에 따른 예열부(T5, H)는 히터부(H)를 더 포함할 수 있다. 히터부(H)는 증발가스라인(222) 중 제5 열교환부(T5) 상류 지점 또는 하류 지점에 마련될 수 있으며, 증발가스라인(222)을 통과하는 천연 증발가스를 예열시킬 수 있다.

본 발명의 제1 내지 2 실시 예에 따른 선박용 수소생산시스템은 선박을 운용하면서도, 선박에서 수소를 생산할 수 있는 장점이 있다. 아울러, 본 실시 예에 따른 선박용 수소생산시스템은 반응부에서 발생한 폐열을 회수하여 가스공급라인 상에 천연가스를 가열하므로 열 효율이 증대되는 장점이 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100, 200 : 선박용 수소생산시스템
110 : 저장탱크 120, 220 : 가스공급라인
130 : 재기화부 140 : 반응부
150 : 수소저장부 160 : 냉각수라인
170 : 메탄 분리부 280 : 냉매순환라인

Claims

액화천연가스 및 이로부터 발생하는 천연 증발가스를 포함하는 천연가스를 수용하는 저장탱크;
상기 저장탱크의 천연가스를 공급받으며, 공급된 천연가스를 수소를 포함하는 합성가스로 개질시키는 반응부;
상기 반응부에서 생산된 합성가스 중 수소를 저장하는 수소저장부;
상기 저장탱크의 천연가스를 상기 반응부로 공급하는 가스공급라인;
냉각수를 통해 상기 반응부에서 생산된 합성가스를 냉각시키는 냉각수라인; 및
상기 가스공급라인에 구비되며, 상기 냉각수라인과 연결되어 상기 가스공급라인을 통과하는 천연가스를 가열시키는 가열부를 포함하는 선박용 수소생산시스템.
제1항에 있어서,
상기 반응부는
상기 가스공급라인을 통해 가열된 천연가스를 공급받으며, 공급된 천연가스를 수소 및 일산화탄소를 포함하는 제1 합성가스로 개질시키는 개질반응기;
제1 반응라인을 통해 상기 개질반응기로부터 제1 합성가스를 공급받으며, 공급된 제1 합성가스를 수소 및 이산화탄소를 포함하는 제2 합성가스로 전환시키는 전환반응기; 및
제2 반응라인을 통해 상기 전환반응기로부터 제2 합성가스를 공급받으며, 공급된 제2 합성가스 중 수소를 분리하는 수소분리기를 포함하는 선박용 수소생산시스템.
제2항에 있어서,
상기 개질반응기에서 발생한 폐가스를 외부로 배출하는 제1 폐가스라인을 더 포함하며,
상기 가열부는
상기 제1 폐가스라인의 폐가스를 통해 상기 가스공급라인을 통과하는 천연가스를 가열시키는 제1 열교환부를 포함하는 선박용 수소생산시스템.
제3항에 있어서,
상기 수소분리기에 연결되며, 상기 수소분리기에서 분리된 수소를 상기 수소저장부로 공급하는 수소공급라인; 및
상기 수소분리기에 연결되며, 상기 수소분리기에서 분리된 수소를 제외한 나머지 기체를 상기 제1 폐가스라인으로 합류시키는 제2 폐가스라인을 더 포함하는 선박용 수소생산시스템.
제4항에 있어서,
상기 수소공급라인을 통과하는 수소에 대해 극저온의 냉열을 공급하는 냉매순환라인을 더 포함하는 선박용 수소생산시스템.
제3항에 있어서,
상기 냉각수라인과 연결되며, 상기 제1 반응라인을 통과하는 제1 합성가스 또는 상기 제2 반응라인을 통과하는 제2 합성가스 중 적어도 어느 하나를 냉각시키는 냉각부를 더 포함하는 선박용 수소생산시스템.
제6항에 있어서,
상기 가열부는
상기 가스공급라인 중 상기 제1 열교환부 보다 상류 지점에 마련되며, 상기 가스공급라인을 통과하는 천연가스를 가열시키는 제2 열교환부를 포함하며,
상기 냉각부는
상기 제1 반응라인에 마련되어 상기 제1 반응라인을 통과하는 제1 합성가스를 상기 냉각수라인의 냉각수를 통해 냉각시키는 제3 열교환부와, 상기 제2 반응라인에 마련되어 상기 제2 반응라인을 통과하는 제2 합성가스를 상기 냉각수라인의 냉각수를 통해 냉각시키는 제4 열교환부를 포함하는 선박용 수소생산시스템.
제7항에 있어서,
상기 냉각수라인은
냉각수를 상기 제3 열교환부로 공급하는 제1 냉각수라인과, 냉각수를 상기 제4 열교환부로 공급하는 제2 냉각수라인을 포함하는 선박용 수소생산시스템.
제8항에 있어서,
상기 제1 반응라인의 제1 합성가스는
상기 제3 열교환부를 통과하는 상기 제1 냉각수라인의 냉각수에 의해 냉각되며,
상기 제1 냉각수라인의 냉각수는
상기 제3 열교환부를 통과하며 스팀으로 전환되며, 전환된 스팀은 상기 가스공급라인으로 합류되는 선박용 수소생산시스템.
제9항에 있어서,
상기 제1 냉각수라인은
상기 제1 열교환부와 상기 제2 열교환부 사이 지점에 연결되며,
상기 제3 열교환부를 통과하며 전환된 상기 제1 냉각수라인의 스팀은
상기 제1 열교환부와 상기 제2 열교환부 사이 지점에 공급되어 상기 가스공급라인을 통과하는 천연가스와 합류되는 선박용 수소생산시스템.
제8항에 있어서,
상기 제2 반응라인의 제2 합성가스는
상기 제4 열교환부를 통과하는 상기 제2 냉각수라인의 냉각수에 의해 냉각되며,
상기 제2 냉각수라인의 냉각수는
상기 제4 열교환부를 통과하며 가열되고, 가열된 냉각수는 상기 제1 냉각수라인 중 상기 제3 열교환부 상류 지점 또는 상기 제2 냉각수라인 중 상기 제4 열교환부 상류 지점으로 합류되는 선박용 수소생산시스템.
제11항에 있어서,
상기 제2 냉각수라인 중 상기 제2 열교환부 하류 지점에서 분기되며, 상기 제2 열교환부를 통과한 상기 제2 냉각수라인의 냉각수 중 적어도 일부를 외부로 배출하는 제1 분기라인을 더 포함하는 선박용 수소생산시스템.
제1항에 있어서,
상기 가스공급라인에 구비되며, 상기 가스공급라인을 통과하는 천연가스를 재기화시키는 재기화부를 더 포함하는 선박용 수소생산시스템.
제13항에 있어서,
상기 가스공급라인은
상기 저장탱크의 액화천연가스를 상기 재기화부로 공급하는 액화천연가스라인과, 상기 저장탱크의 천연 증발가스를 상기 재기화부로 공급하는 증발가스라인과, 상기 재기화부에서 재기화된 천연가스를 상기 반응부로 공급하며 상기 가열부가 구비되는 기화가스라인을 포함하는 선박용 수소생산시스템.
제14항에 있어서,
상기 증발가스라인에 구비되며, 상기 증발가스라인의 개방 및 폐쇄를 조절하는 개폐밸브를 더 포함하는 선박용 수소생산시스템.
제14항에 있어서,
상기 기화가스라인 중 상기 가열부와 상기 재기화부 사이에 구비되며, 상기 기화가스라인을 통과하는 천연가스의 메탄 함유량을 높이는 메탄 분리부를 더 포함하는 선박용 수소생산시스템.
제16항에 있어서,
상기 기화가스라인 중 상기 메탄 분리부 상류 지점에서 분기되며, 상기 기화가스라인 중 천연가스의 일부를 상기 반응부의 연료로 공급하는 제2 분기라인을 더 포함하는 선박용 수소생산시스템.
제17항에 있어서,
상기 기화가스라인 중 상기 메탄 분리부와 상기 제2 분기라인이 분기되는 지점 사이에 마련되며, 상기 기화가스라인을 통과하는 천연가스의 유통량을 조절하는 조절밸브를 더 포함하는 선박용 수소생산시스템.
제17항에 있어서,
상기 메탄 분리부는
상기 기화가스라인의 천연가스 중 중탄화수소를 분리하는 제1 분리기와, 상기 기화가스라인의 천연가스 중 질소를 분리하는 제2 분리기를 포함하는 선박용 수소생산시스템.
제19항에 있어서,
상기 제1 분리기는
상기 기화가스라인의 천연가스 중 중탄화수소는 제1 토출라인을 통해 상기 제2 분기라인으로 합류시키며, 상기 기화가스라인의 천연가스 중 중탄화수소를 제외한 나머지는 상기 제2 분리기로 공급하고,
상기 제2 분리기는
상기 제1 분리기를 통해 공급받은 천연가스 중 질소는 제2 토출라인을 통해 외부로 배출시키고, 상기 제1 분리기를 통해 공급받은 천연가스 중 질소를 제외한 나머지는 상기 가열부로 공급하는 선박용 수소생산시스템.
제1항에 있어서,
상기 가스공급라인에 구비되며, 상기 가스공급라인을 통과하는 천연가스를 재기화시키는 재기화부; 및
상기 가스공급라인 중 상기 가열부와 상기 재기화부 사이에 구비되며, 상기 가스공급라인을 통과하는 천연가스의 메탄 함유량을 높이는 메탄 분리부를 더 포함하며,
상기 가스공급라인은
상기 저장탱크의 액화천연가스를 상기 재기화부로 공급하는 액화천연가스공급라인과, 상기 재기화부에서 재기화된 천연가스를 상기 반응부로 공급하며 상기 메탄 분리부 및 상기 가열부가 구비되는 기화가스라인과, 상기 저장탱크의 천연 증발가스를 상기 기화가스라인 중 상기 메탄 분리부 상류 지점으로 합류시키는 증발가스라인을 포함하는 선박용 수소생산시스템.
제21항에 있어서,
상기 증발가스라인은
상기 증발가스라인을 통과하는 천연 증발가스를 가압하는 가압부와, 상기 증발가스라인을 통과하는 천연 증발가스를 예열시키는 예열부를 포함하는 선박용 수소생산시스템.
제21항에 있어서,
상기 예열부는
상기 반응부에서 생산된 수소를 통해 상기 증발가스라인의 천연 증발가스를 예열시키는 제5 열교환부와, 상기 증발가스라인 중 상기 제5 열교환부 상류 지점 또는 하류 지점에 마련되어 상기 증발가스라인의 천연 증발가스를 예열시키는 히터부를 포함하는 선박용 수소생산시스템.