KR20240032909A - 수소를 액화하기 위한 설비 및 방법 - Google Patents

수소를 액화하기 위한 설비 및 방법 Download PDF

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레르 리키드 쏘시에떼 아노님 뿌르 레뜌드 에렉스뿔라따시옹 데 프로세데 조르즈 클로드
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Abstract

본 발명은, 냉각되는 수소를 위한 회로(2)의 하류 단부(22)를 통해서, 극저온 액화 수소 저장소(8) 내에서 수소를 액화하기 위한 설비에 관한 것으로서, 극저온 저장소(8)는 액화 수소가 충전되는 적어도 하나의 탱크(19), 특히 이동식 탱크에 공급될 수 있도록 구성된 인출 파이프(11)를 구비하고, 상기 설비(1)는 냉각되는 수로를 위한 회로(2)와 열 교환 관계에 있는 열 교환기(3, 4, 5) 세트, 및 열 교환기(3, 4, 5) 세트와 열 교환 관계에 있는 냉각 장치를 포함하고, 상기 냉각 장치는 사이클 가스 냉각 사이클을 갖춘 냉각기(7)를 포함하고, 설비(1)는, 탱크(19)에 연결되는 제1 단부 및 냉각되는 수소를 위한 회로(2)의 하류 단부(22)에 연결되는 제2 단부를 포함하는, 증발가스(수소)를 회수하기 위한 적어도 제1 파이프(12)를 포함하고, 상기 제1 회수 파이프(12)는 적어도 극저온 압축기(13), 및 열 교환기(3, 4, 5) 세트 중 적어도 일부와 열 교환 관계를 갖는 부분을 포함하고, 제1 회수 파이프(12)는 증발 수소를 회수하고, 이를 압축한 다음, 냉각하여 수소 회로(2)의 하류 단부(22)에서 액화 수소와 혼합하도록 구성된다.

Description

수소를 액화하기 위한 설비 및 방법
본 발명은 수소를 액화하기 위한 설비 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 보다 구체적으로는 수소를 액화하기 위한 설비에 관한 것으로서, 설비는, 수소 공급원에 연결되는 상류 단부 및 액화된 수소를 위한 적어도 하나의 극저온 저장 유닛에 연결되는 하류 단부를 포함하는, 냉각되는 수소를 위한 회로를 포함하고, 극저온 저장 유닛은 액화된 수소가 적어도 하나의 충전 탱크, 특히 이동식 탱크에 공급될 수 있도록 구성된 추출 라인을 구비하고, 설비는 냉각되는 수소를 위한 회로와 열 교환 관계에 있는 열 교환기(들) 세트를 포함하고, 설비는 열 교환기(들) 세트와 열 교환 관계에 있는 냉각 장치를 포함하고, 상기 냉각 장치는 작업 회로 내의 사이클 가스를 냉각하는 사이클을 가지는 냉각기(refrigerator)를 포함하고, 사이클 가스는 수소, 헬륨 중 적어도 하나를 포함하고, 냉각기의 작업 회로는 사이클 가스를 압축하기 위한 부재, 사이클 가스를 냉각하기 위한 부재, 사이클 가스를 팽창시키기 위한 부재, 및 사이클 가스를 재가열하기 위한 부재를 포함하고, 설비는 탱크에 연결되는 제1 단부를 포함하는 증발가스(boil-off gas)를 회수하기 위한 적어도 제1 라인을 포함한다.
액화 설비 내의 수소의 액화는 일반적으로 10 내지 30 bar의 절대 압력으로 가압된 기체 수소의 스트림을 일반적으로 사용한다.
해당 액화 온도에 도달하기 위해서, 이러한 스트림은 제1 냉각 사이클과의 열 교환에 의한 예비 냉각 단계를 거칠 수 있다. 이러한 제1 냉각 사이클은 질소와 같은 냉각제 및/또는 혼합물로 이루어진 냉각제(MR: 혼합 냉각제)를 사용할 수 있다.
이어서, 액화될 스트림은, 헬륨 및/또는 수소로 이루어지거나 이를 포함하는 냉각제를 이용하는 냉각 사이클에 의해서 콜드 박스(cold box) 내에서 액체 상태로 냉각된다. 하나 이상의 중간 냉각 단계(들)가 전술한 예비 냉각 및 냉각 사이에서 선택적으로 제공될 수 있다는 점에 유의해야 한다.
생산되는 액체 수소는 일반적으로 적어도 하나의 극저온 저장 유닛 내로 전달되고, 이러한 극저온 저장 유닛은 예를 들어 이동식 탱크(예를 들어, 트럭 또는 다른 이동식 탱크)의 충전을 위해서 사용된다.
이러한 유형의 설비에서의 문제점 중 하나로 증발가스(boil-off gas: BOG)의 관리가 있다.
극저온 저장 유닛은 이전에 액화된 수소의 증발가스의 제1의 잠재적인 공급원이다. 액화 수소를 위한 저장 유닛은 일반적으로 비교적 낮은 압력 및 비교적 낮은 온도(일반적으로 약 20 K이지만 그보다 훨씬 높을 수 있음)에서 비교적 일정한 증발가스의 스트림을 생성하고, 이는 상기 저장 유닛에서의 열 입력의 결과이다. 이러한 스트림은, 저장 유닛으로부터 액체가 거의 또는 전혀 추출되지 않는 경우에, 액화기로부터 오는 액체의 피스톤 효과(piston effect)에 의해서 간헐적으로 상당히 증가될 수 있다.
이러한 증발가스의 재순환은 일반적으로, 극저온 저장 유닛과 냉각 사이클 내의 압력들 사이의 차압이 충분하고 저온 가스의 재분포를 위한 밸브가 액화 플랜트에 제공될 경우, (비교적 낮은 압력의) 수소를 이용하는 냉각 사이클 및 저온 조건 하에서 실행된다(즉, 수소 분자 및 그 프리고리(frigorie)가 재순환됨).
다른 해결책은 (특히 헬륨-기반의 냉각 사이클을 이용하는 구성에서) 액화기의 배출구에서 과냉각 액체 수소를 생성함으로써 증발가스의 스트림을 억제하거나 감소시키는 것으로 구성된다.
설비에 의해서 생산되는 액체 수소로 충전되는 탱크는 증발가스의 다른 공급원이다. 사실상, 액체 수소를 위한 이러한 이동식 탱크 또는 컨테이너는 일반적으로 비교적 낮은 또는 중간 정도의 압력(일반적으로 7 내지 1.1 bara) 및 약간 더 높은 온도(일반적으로 20 내지 40K, 또는 심지어 40K를 약간 초과)에서 증발가스를 생성한다. 이러한 증발가스의 다른 공급원은 탱크의 상태에 따라 양 및 열역학적 조건과 관련하여 더 불연속적이고 심지어 매우 가변적이다. 증발가스의 이러한 제2 공급원으로부터 회수되는 증발가스는 일반적으로 상온정도까지 재가열되고, 수소를 이용하는 냉각 사이클에서 재순환된다. 이러한 가스와 사이클의 압력들 사이의 차압이 충분할 경우, 이러한 재순환은 해당 목적을 위해서 제공되는 부가적인 장비 없이도 실행될 수 있다. 그렇지 않은 경우, 부가적인 장비(예를 들어, 극저온 사출기와 같은 송풍기, 부스터, 압축기 등)가 필요하다.
사이클 가스를 구성하는 냉각제가 순수 수소(예를 들어, 헬륨 또는 다른 가스(들))가 아닐 경우, 기체 증발 수소를 사이클 내에서 재순환시킬 수 없다(냉각제의 오염 위험). 이러한 경우, 증발가스는 (과냉된 액체 수소의 생성으로) 방지되어야 하거나, 상온 압축 장비를 이용하여 회수되어야 한다.
그에 따라, 증발가스의 관리가 문제가 된다.
본 발명의 목적은 전술한 종래 기술의 단점의 전부 또는 일부를 해결하는 것이다.
이를 위해서, 본 발명에 따른 설비는, 다른 부분에 대해서는 전술한 전제부에서 주어진 일반적인 정의를 따르되, 실질적으로는, 증발가스를 회수하기 위한 제1 라인이, 냉각되는 수소를 위한 회로의 하류 단부에 연결되는 제2 단부를 포함하고, 상기 제1 회수 라인은 적어도 하나의 극저온 압축기, 및 열 교환기(들) 세트 중 적어도 일부와 열 교환 관계를 갖는 부분을 포함하고, 제1 회수 라인은 증발된 수소를 회수하고, 압축한 다음 냉각하여 수소 회로의 하류 단부에서 액화 수소와 혼합할 수 있도록 구성된다.
또한, 본 발명의 실시형태는 이하의 특징 중 하나 이상을 포함할 수 있다:
- 열 교환기(들) 세트 중 적어도 일부와 열 교환 관계를 갖는 제1 회수 라인의 부분은 열 교환기(들) 내에서 증발가스를 위한 적어도 하나의 전용 통로를 포함하고, 상기 통로는 교환기 내의 수소 회로를 위한 냉각 통로와 병렬로 배치되고,
- 설비는 극저온 저장 유닛(8)에 연결된 제1 단부 및 냉각되는 수소를 위한 회로의 하류 단부에 연결된 제2 단부를 포함하는 증발가스의 회수를 위한 제2 라인을 포함하고, 상기 제2 회수 라인은 극저온 압축기 및 열 교환기(들) 세트 중 적어도 일부와 열 교환 관계에 있는 부분을 포함하고, 제2 회수 라인은 증발된 수소를 회수하고, 압축하여 냉각한 다음 하류 단부에서 액화 수소와 혼합될 수 있도록 구성되며,
- 증발가스를 회수하기 위한 제1 및 제2 라인은 이들의 제1 단부의 하류에서 공통 부분을 가지고, 특히 증발가스를 회수하기 위한 제1 및 제2 라인은 동일한 공통 극저온 압축기 및 열 교환 관계를 갖는 부분을 형성하는 열 교환기(들) 세트 내의 동일한 통로, 및 동일한 제2 단부를 공유하고,
- 냉각되는 수소를 위한 회로는, 열 교환기(들) 세트와의 마지막 열 교환의 하류에서, 적어도 하나의 최종 팽창 부재, 예를 들어 터빈 또는 팽창 밸브를 포함하고, 증발가스의 회수를 위한 제1 라인의 제2 단부는 최종 팽창 부재의 하류에, 즉 최종 팽창 부재와 극저온 저장 유닛 사이에 연결되고,
- 설비는 극저온 압축기의 하류 및 열 교환기(들) 세트 중 적어도 일부와 열 교환 관계에 있는 부분의 하류에서 적어도 제1 회수 라인에 연결된 제1 단부를 포함하는 극저온 압축기의 우회 라인을 포함하고, 우회 라인은 극저온 압축기의 흡입 유입구에 연결된 제2 단부를 포함하며, 설비는 극저온 압축기 내로 재주입되는 증발가스의 스트림을 제어하도록 구성된 우회 라인 내의 유체의 유량을 조절하기 위한 부재를 포함하고,
- 설비는 극저온 압축기의 흡입 유입구에서의 압력 또는 유량을 특정 값 초과로 유지하기 위해서 유량 조절 부재를 조정하는 부재를 포함하고,
- 제1 회수 라인은, 제1 단부와 극저온 압축기 사이에서, 증발가스의 조성을 분석하기 위한 부재, 특히 불순물/불순물들을 측정하기 위한 장치, 적어도 하나의 불순물을 제거하도록 구성되어 증발가스를 정제하기 위한 부재 중 적어도 하나를 포함하고,
- 제1 회수 라인은 직렬 및/또는 병렬로 배치된 복수의 극저온 압축기를 포함하고,
- 설비는 한편으로 회수 라인과, 우회 라인을 통과하거나 통과하지 않도록 가스의 스트림을 조절하기 위해서 제공된 밸브(들) 세트 사이에 제공된 우회 라인을 포함하고,
- 설비의 적어도 하나의 극저온 압축기를 이용하여 증발가스를 압축하는 단계에서, 상기 극저온 압축기의 흡입구에서의 압력 및/또는 유량이 특정 문턱값 미만일 경우, 방법은 압축된 증발가스의 스트림의 적어도 일부를 극저온 압축기의 흡입구로 재순환시키는 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은 전술한 또는 후술되는 특징 중 하나에 따른 설비를 이용하여 수소를 액화하는 방법에 관한 것으로서, 증발가스를 적어도 하나의 극저온 수소 탱크 내에서 회수하는 단계; 회수된 증발가스를 압축하는 단계; 압축된 가스를 냉각하는 단계; 및 냉각된 가스를 극저온 저장 유닛에 전달하는 단계를 포함한다.
다른 구분 가능한 특징에 따라:
- 방법은 증발가스를 극저온 저장 유닛으로부터 회수하는 단계; 회수된 증발가스를 압축하는 단계; 압축된 가스를 냉각하는 단계; 및 냉각된 가스를 극저온 저장 유닛에 전달하는 단계를 포함하고,
- 회수 단계에서 회수된 증발가스는, 1 내지 7 bar, 바람직하게는 1 내지 2 bar의 절대 압력, 및 20K 내지 50K의 온도를 가지는 증발가스이며,
- 압축 단계에서, 증발가스의 압력은 1.3 내지 6 bara, 특히 2 bara의 값에 이를 때까지 증가되고, 온도는 예를 들어 5 내지 10K까지 증가된다.
본 발명은 또한 청구범위의 맥락 내의 전술한 또는 후술되는 특징의 임의 조합을 포함하는 임의의 대안적인 장치 또는 방법에 관한 것일 수 있다.
더 구체적인 특징 및 장점은 도면을 참조하여 제공되는 이하의 설명을 통해 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 예시적인 설비의 구조 및 동작을 도시한 부분 개략도이다.
수소를 액화하기 위한 도시된 설비(1)는 기체 수소의 공급원(23)에 연결되는 상류 단부(21)를 포함하는, 냉각되는 수소를 위한 회로(2)를 포함한다. 예를 들어, 공급원(21)은, 예를 들어, 상온에서 10 내지 80 bar의 절대 압력을 가지는 순수 건조 기체 수소의 스트림을 공급할 수 있다.
냉각되는 수소를 위한 회로(2)는, 생성되는 액화 수소를 저장하기 위해서 액화된 수소를 위한 적어도 하나의 극저온 저장 유닛(8)에 연결되는 적어도 하나의 하류 단부(22)를 갖는다.
극저온 저장 유닛(8)은, 예를 들어, 약 1.5 bar의 절대 압력 및 약 20K의 온도에서 액화된 수소를 저장하는, 진공 하의 절연 극저온 탱크이다.
극저온 저장 유닛(8)은, 충전되는 하나 이상의 탱크(19), 특히 하나 이상의 이동식 탱크에 액화 수소가 공급될 수 있도록 구성되는 추출 라인(11) 또는 오리피스를 구비할 수 있다. 액화 수소의 이러한 전달은 예를 들어 차압 및/또는 중력 및/또는 펌프와 같은 전달 부재를 통해서 실행될 수 있다.
설비(1)는 냉각되는 수소를 위한 회로(2)와 열 교환 관계에 있는 열 교환기(들)(3, 4, 5) 세트, 및 수소 회로(2)를 냉각하기 위해서 열 교환기(들)(3, 4, 5) 세트와 열 교환 관계에 있는 냉각 장치를 포함한다.
냉각 장치는 작업 회로 내의 사이클 가스를 냉각하는 사이클을 가지는 적어도 하나의 냉각기(7)를 포함하고, 사이클 가스는 수소, 헬륨 중 적어도 하나를 포함한다. 냉각기(7)의 작업 회로는 사이클 가스를 압축하기 위한 부재(9)(예를 들어, 하나 이상의 압축기), 사이클 가스를 냉각하기 위한 부재(3, 4)(예를 들어, 하나 이상의 냉각 열 교환기), 사이클 가스를 팽창시키기 위한 부재(10)(하나 이상의 터빈(들) 및/또는 팽창 밸브(들)), 및 사이클 가스를 재가열하기 위한 부재(5, 4, 3)(하나 이상의 열 교환기)를 포함한다. 재가열 및 냉각은 특히, 사이클 가스의 2개의 개별 부분들이 상이한 열역학적 조건들(특히 온도) 하에서 순환되는 향류 교환기(3, 4, 5)에 의해서 적어도 부분적으로 수행될 수 있다.
즉, 냉각기(7)의 작업 회로는, 작업 회로의 일 단부에서, 하나 이상의 열 교환기를 통해 냉각되는 회로(2)에 전달되는 냉각 용량을 생성하는 열역학적 사이클을 작업 가스에 적용하도록 구성된다.
개략적으로 도시된 바와 같이, 냉각기(7)에 의해 냉각되는 상류에서, 수소 회로(2)는 액화 전에 중간 온도(예를 들어, 약 80K)까지 예비 냉각될 수 있다. 이러한 예비 냉각은 예비 냉각을 위한 열 교환기 세트(3)와의 열 교환에 의해서 적어도 하나의 예비 냉각 장치(24)에 의해서 실행될 수 있다. 예를 들어, 예비 냉각 장치(24)는 질소와 같은 냉각제 및/또는 혼합물로 이루어진 냉각제(MR: 혼합 냉각제)를 사용하는 냉각 사이클을 포함한다. 물론, 예를 들어, 저온 유체의 스트림, 예를 들어 질소와 같은 액화된 가스의 공급원과 같은, 다른 유형의 예비 냉각 장치(24)가 고려될 수 있다.
설비(1)는, 적어도 하나의 (특히 이동 가능한) 충전되는 탱크(19)에 연결되는 제1 단부 및 냉각되는 수소를 위한 회로(2)의 하류 단부(22)에 연결되는 제2 단부를 포함하는, 증발가스(수소)를 회수하기 위한 적어도 제1 라인(12)을 추가로 포함한다.
이러한 제1 회수 라인(12)은 적어도 하나의 극저온 압축기(13) 그리고, 극저온 압축기(13) 하류의, 콜드 박스 내의 교환기(들)(3, 4, 5) 세트 중 적어도 일부와 열 교환 관계에 있는 부분을 포함한다.
이러한 제1 회수 라인(12)은 증발된 수소를 회수하고, 압축한 다음 냉각하여(특히 액화하여) 수소 회로(2)의 하류 단부(22)에서 생성된 액화 수소와 혼합할 수 있도록 구성된다.
도시된 바와 같이, 제1 회수 라인(12)은 냉각기(7)에 의해서 냉각된 교환기(들)(3, 4, 5) 세트의 하나 이상과 열 교환 관계에 있는 부분을 가질 수 있다.
즉, 예를 들어, 열 교환기(들)(3, 4, 5) 세트 중 적어도 일부와 열 교환 관계를 갖는 제1 회수 라인(12)은 열 교환기(들) 내에서 증발가스를 위한 적어도 하나의 전용 통로를 포함할 수 있다. 이러한 통로는 교환기(4, 5) 내의 수소 회로(2)를 위한 냉각 통로와 병렬로 배치될 수 있다. 예를 들어, 증발된 수소는, 예를 들어 수소 회로(2)의 스트림의 스트림과 사이클 가스의 스트림 사이에서, 액화되는 수소를 위한 회로(2)의 스트림과 병렬로 전용 통로 내에서 순환된다. 교환기 또는 교환기들(4, 5)은 예를 들어, 이러한 상이한 유체 스트림들을 위한 전용 통로들을 포함하는, 판형 교환기 또는 다른 교환기이다. 전용 통로는 오르토 수소(ortho hydrogen)로부터 파라 수소(para hydrogen)로의 변환을 위한 하나 이상의 촉매 섹션을 가질 수 있다.
예를 들어, 제1 회수 라인(12)은, 1.1 bar 내지 10 bar, 특히 5 bar의 절대 압력, 및 20 내지 40K, 예를 들어 35K의 온도에서, 그리고 약 1000 Nm3/h일 수 있는 유량으로, 증발된 수소를 탱크(19)로부터 회수할 수 있다.
극저온 압축기(13)는 극저온 가스의 스트림을 압축하고, 예를 들어 하류 회로의 압력 손실을 극복하기에 충분한 압력, 즉 예를 들어 약 1.3 bar의 절대 압력으로 증발된 가스의 스트림으로부터 시작하여 예를 들어 약 2 bar의 절대 압력으로 기체 수소의 스트림을 생성하도록 구성된다.
예를 들어, 극저온 압축기(13)의 유입구에서의 증발가스의 스트림의 압력은 1.0 내지 2.0 bar, 바람직하게는 1.0 내지 1.5 bar의 절대 압력일 수 있는 반면, 압축기의 배출구에서, 가스의 압력은 예를 들어 1.3 내지 6 bar, 바람직하게는 1.3 내지 2.5 bar의 절대 압력일 수 있다.
극저온 압축기는 원심 유형 또는 체적 유형의 압축기일 수 있다.
파선으로 도시된 바와 같이, 우회 라인(25)은, 한편으로는 적어도 제1 회수 라인(12)(또는 탱크(19)의 배출구)과 다른 한편으로는 압축기(13)의 하류 단부 사이에 제공될 수 있다. 이는, 증발가스가 충분한 압력을 가지는 경우에 압축기를 사용할 필요가 없을 때, 압축기(13)가 방출되게 할 수 있다. 우회 라인(25)을 통과하거나 또는 통과하지 않도록 가스의 스트림을 조절하기 위해서, 밸브(들) 세트(간결함을 위해서 도시하지 않음)가 제공될 수 있다. 따라서, 방법은, 증발된 수소의 적어도 일부가 특정 레벨보다 높은 압력일 경우, 그러한 일부가 압축기(13)를 우회하는 단계를 포함할 수 있다.
따라서, 탱크 또는 탱크들(9)로부터의 증발가스는, 어떠한 액화 사이클이든 간에, 극저온 압축기(13)를 통해서 저온 상태(일반적으로 50K 내지 20K의 온도)로 직접적으로 재순환될 수 있다. 이러한 증발가스는 압축되고 그에 따라 선택적으로 (극저온 압축기(13)의 용량에 따라, 준-단열 압축의 효과에 의해서 예를 들어 +5 내지 10K까지) 약간 재가열된다. 이어서, 냉각되고 압축된 증발가스는, 액화되는 수소를 위한 라인과 병렬로 냉각되도록, 냉각기의 주 교환 라인의 하나 이상의 전용 통로 내로 유입된다. (특히 적어도 부분적으로 액화되었을 수 있는) 이러한 냉각된 기체 수소의 스트림은 이어서 회로(2)의 액화된 수소의 스트림과 혼합된다.
이러한 구조는, 시간이 지남에 따라 온도 조건뿐만 아니라 처리되는 유량과 관련하여 가변적일 수 있는, 탱크(19)(특히 트럭)로부터의 증발가스를 효율적으로 회수 및 재순환될 수 있게 한다.
도시된 바와 같이, 냉각되는 수소를 위한 회로(2)는, 열 교환기(들) 세트 중 마지막 열 교환기(5)의 하류에서, 최종 팽창 부재(15), 예를 들어 터빈 또는 팽창 밸브(예를 들어, 주울-톰슨 유형(Joule-Thomson type))를 포함할 수 있다. 증발가스를 회수하기 위한 제1 라인(12)의 제2 단부는 바람직하게는 최종 팽창 부재(15)의 하류에, 즉 최종 팽창 부재(15)와 극저온 저장 유닛(8) 사이에 연결된다.
회로(2)의 액화된 수소와 혼합된 냉각된 증발 수소는 실질적으로 액체(선택적으로 부분적으로 2상: 액체 가스)일 수 있다.
설비(1)는 마찬가지로, 동일한 원리(압축, 냉각한 다음, 생성된 액화 수소와의 혼합)에 따라 액화된 수소를 위한 극저온 저장 유닛(8)의 증발가스를 재순환시키기 위해서 제공될 수 있다. 이를 위해서, 설비(1)는, 극저온 저장 유닛(8)에 연결된 제1 단부 및 냉각되는 수소를 위한 회로(2)의 하류 단부(22)에 연결된 제2 단부를 구비하는, 적어도 제2 회수 라인(14)을 포함할 수 있다.
도시된 바와 같이, 이러한 제2 회수 라인(14) 및 제1 회수 라인(12)은, 전술한, 극저온 압축기(13) 및 열교환 관계에 있는 부분을 공유할 수 있다. 즉, 증발가스를 회수하기 위한 제1 라인(12) 및 제2 라인(14)은 별개의 상류 단부를 가지지만, 각자의 제1 단부의 하류에서 동일한 공통 부분을 공유할 수 있다. 특히, 증발가스의 회수를 위한 제1 라인(12) 및 제2 라인(14)에서 수집된 증발가스는 바람직하게는 동일한 극저온 압축기(13)를 공유하고, 그 냉각을 위해서 열 교환기(들)(3, 4, 5) 세트 내에서 동일한 통로를 사용한다.
즉, 탱크(19) 및 저장 유닛(8)의 증발가스는 회수될 수 있고, 극저온 압축기(13)의 유입구에 공급하는 공통 수집부 내에서 혼합될 수 있다.
이러한 설비(1)는 유리하게는, 양적인 관점에서 그리고 온도 및 압력 조건의 관점에서 가변적인 스트림들에 맞춰 적용함으로써, 이동식 탱크(19) 및/또는 저장 유닛(8)의 증발가스가 동시에 및/또는 순차적으로 회수 및 재순환될 수 있게 한다.
물론, 설비(1)는 증발가스를 복수의 탱크(19)로부터 동시에(및/또는 순차적으로) 회수할 수 있도록 구성될 수 있다. 따라서, 설비(1)는 복수의 제1 회수 라인(12)(또는 복수의 제1 단부를 포함하는 제1 회수 라인(12))을 가질 수 있다.
마찬가지로, 설비(1)는, 적용 가능한 경우, 증발가스를 복수의 저장 유닛(8)으로부터 회수할 수 있도록 구성될 수 있다.
개략적으로 도시된 바와 같이, 제1 회수 라인(12)은, 제1 단부와 극저온 압축기(13)의 유입구 사이에서, 증발가스의 조성을 분석하기 위한 부재(18), 특히 불순물/불순물들을 측정하기 위한 장치, 적어도 하나의 불순물을 제거하도록 구성된 증발가스를 정제하기 위한 부재(18) 중 적어도 하나를 가질 수 있다. 예를 들어, 이러한 분석 및/또는 정제는 탱크(19)의 연결부에서 실행될 수 있다.
개략적으로 도시된 바와 같이, 설비(1)는, 흡입구에서 최소 압력 또는 유량을 보장하기 위해서, 압축된 스트림의 적어도 일부가 극저온 압축기(13)의 흡입구로 재순환될 수 있게 하는 극저온 압축기(13)의 우회 라인(16)을 포함할 수 있다.
이러한 우회 라인(16)은 예를 들어 열 교환기(들)(3, 4, 5) 세트 중 적어도 일부와 열 교환 관계에 있는 부분의 하류에서 회수 라인(12, 14)에 연결된 제1 단부를 갖는다. 우회 라인(16)은 극저온 압축기(13)의 흡입구에 연결된 제2 단부를 포함한다.
설비(1)는, 극저온 압축기(13) 내로 재주입되는 증발가스의 유량을 제어하여 극저온 압축기(13)의 흡입구에서의 압력 또는 유량을 특정 값 초과로 유지하도록 구성된, 우회 라인(16) 내의 유체의 유량을 조절하기 위한 부재(17)를 추가로 포함한다. 이러한 조절 부재(17)는 예를 들어 밸브(들) 세트를 포함할 수 있거나 이러한 것으로 구성될 수 있다.
따라서, 증발가스가 적거나 불충분할 경우(예를 들어, 극저온 압축기(13)에 공급하는데 필요한 최소 장입 유량(minimal charging flow rate) 미만일 경우), 극저온 압축기(13)가 그 최적 조건 하에서 동작할 수 있도록 하고, 극저온 압축기(13)의 조기 마모 및 특히 공급 부족 시 중단되는 것을 방지할 수 있도록 하기 위해서, 기체 수소의 일부가 제거된다.
그에 따라, 이러한 극저온 우회 유동(필요할 때)은 바람직하게는, 압축기(13)의 흡입구에서 재주입되기 전에, 사이클의 교환기(4, 5)의 라인 내에서 냉각된다. 증발가스의 유량이 충분할 경우, 우회는 중단될 수 있으며 극저온 압축기(13)의 성능은 (직접적으로 또는 간접적으로) 처리되는 유량에 따라 제어(조정)될 수 있고, 다시 말해서 극저온 압축기(13)는 그 유입구에서의 압력에 따라 제어 또는 조정될 수 있다. 개략적으로 도시된 바와 같이, 조절 부재(17)는 마이크로프로세서를 포함할 수 있는 프로그래밍 가능한 전자 제어기(20)에 의해서 조정될 수 있다. 이러한 제어기(20)는, 적용 가능한 경우, 압축기(13)의 일부일 수 있다.
물론, 본 발명은 이하에서 설명되는 예로 제한되지 않는다. 따라서, 예를 들어, 장치(1)는 회수 라인 내에서 직렬 및/또는 병렬로 배치된 복수의 극저온 압축기(13)를 포함할 수 있다. 특히, (압축 스트림의 중간 냉각을 가지거나 가지지 않고) 직렬로 배치된 복수의 극저온 압축기들은 압축비를 증가시킬 수 있게 한다.
마찬가지로, 설비(1)는, 압축기의 기능을 증발가스의 가변적인 복귀로부터 분리하기 위해서, 극저온 압축기(13)의 흡입구의 상류에서, 증발가스를 극저온 온도 레벨로 저장하기 위한 중간 가스 저장 유닛(버퍼)을 가질 수 있다.

Claims (14)

  1. 수소 공급원(23)에 연결되는 상류 단부(21) 및 액화된 수소를 위한 적어도 하나의 극저온 저장 유닛(8)에 연결되는 하류 단부(22)를 포함하는, 냉각되는 수소를 위한 회로(2)를 포함하는, 수소를 액화하기 위한 설비로서,
    상기 극저온 저장 유닛(8)은 액화된 수소가 적어도 하나의 충전 탱크(19), 특히 이동식 탱크에 공급될 수 있도록 구성된 추출 라인(11)을 구비하고, 상기 설비(1)는 냉각되는 수소를 위한 회로(2)와 열 교환 관계에 있는 열 교환기(들)(3, 4, 5) 세트를 포함하고, 상기 설비(1)는 상기 열 교환기(들)(3, 4, 5) 세트와 열 교환 관계에 있는 냉각 장치를 포함하고, 상기 냉각 장치는 작업 회로 내의 사이클 가스를 냉각하는 사이클을 가지는 냉각기(7)를 포함하고, 상기 사이클 가스는, 수소, 헬륨 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 냉각기(7)의 작업 회로는 상기 사이클 가스를 압축하기 위한 부재(9), 상기 사이클 가스를 냉각하기 위한 부재(3, 4), 상기 사이클 가스를 팽창시키기 위한 부재(10), 및 상기 사이클 가스를 재가열하기 위한 부재(5, 4, 3)를 포함하고, 상기 설비(1)는 제1 단부 및 냉각되는 수소를 위한 회로(2)의 하류 단부(22)에 연결된 제2 단부를 포함하는 증발가스(boil-off gas)를 회수하기 위한 적어도 제1 라인(12)을 포함하고, 상기 제1 라인, 회수를 위한 상기 제2 단부(12)는 적어도 하나의 극저온 압축기(13), 및 상기 열 교환기(들)(3, 4, 5) 세트 중 적어도 일부와 열 교환 관계를 갖는 부분을 포함하고, 상기 제1 회수 라인(12)은 증발된 수소를 회수하고, 압축한 다음, 냉각하여 상기 수소 회로(2)의 하류 단부(22)에서 액화 수소와 혼합할 수 있도록 구성되고, 상기 제1 회수 라인(12)의 제1 단부는 탱크(19)에 연결되고, 상기 설비는, 상기 극저온 압축기(13)의 하류에서 그리고 상기 열 교환기(들)(3, 4, 5) 세트 중 적어도 일부와 열 교환 관계에 있는 부분의 하류에서, 상기 적어도 제1 회수 라인(12, 14)에 연결되는 제1 단부를 포함하는 극저온 압축기(13)의 우회 라인(16)을 포함하고, 상기 우회 라인(16)은, 상기 극저온 압축기(13)의 흡입 유입구에 연결되는 제2 단부를 포함하고, 상기 설비(1)는 상기 극저온 압축기(13) 내로 재주입되는 증발가스의 스트림을 제어하도록 구성된 상기 우회 라인(16) 내의 유체의 유량을 조절하기 위한 부재(17)를 포함하는 것을 특징으로 하는 설비.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열 교환기(들)(3, 4, 5) 세트 중 적어도 일부와 열 교환 관계를 갖는 상기 제1 회수 라인의 부분(12)은 상기 열 교환기(들)(3, 4, 5) 내에서 증발가스를 위한 적어도 하나의 전용 통로를 포함하고, 상기 통로는 상기 교환기(4, 5) 내의 수소 회로(2)를 위한 냉각 통로와 병렬로 배치되는 것을 특징으로 하는 설비.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 극저온 저장 유닛(8)에 연결된 제1 단부 및 냉각되는 수소를 위한 회로(2)의 하류 단부(22)에 연결된 제2 단부를 포함하는 증발가스의 회수를 위한 제2 라인(14)을 포함하고, 상기 제2 회수 라인(14)은 극저온 압축기(13) 및 상기 열 교환기(들)(3, 4, 5) 세트 중 적어도 일부와 열 교환 관계에 있는 부분을 포함하고, 상기 제2 회수 라인(14)은 증발된 수소를 회수하고, 압축하여, 냉각한 다음, 상기 하류 단부(22)에서 액화 수소와 혼합할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 설비.
  4. 제3항에 있어서,
    증발가스를 회수하기 위한 상기 제1 라인(12) 및 제2 라인(14)은 그들의 제1 단부의 하류에서 공통 부분을 가지고, 특히 증발가스를 회수하기 위한 상기 제1 라인(12) 및 제2 라인(14)은 동일한 공통 극저온 압축기(13) 및 열 교환 관계를 갖는 부분을 형성하는 상기 열 교환기(들)(3, 4, 5) 세트 내의 동일한 통로, 및 동일한 제2 단부를 공유하는 것을 특징으로 하는 설비.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    냉각되는 수소를 위한 상기 회로(2)는, 상기 열 교환기(들)(3, 4, 5) 세트와의 마지막 열 교환의 하류에서, 적어도 하나의 최종 팽창 부재(15), 예를 들어 터빈 또는 팽창 밸브를 포함하고, 증발가스의 회수를 위한 상기 제1 라인(12)의 제2 단부는 상기 최종 팽창 부재(15)의 하류에, 즉 상기 최종 팽창 부재(15)와 상기 극저온 저장 유닛(8) 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 설비.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 극저온 압축기(13)의 흡입 유입구에서의 압력 또는 유량을 특정 값 초과로 유지하기 위해서 상기 유량 조절 부재(17)를 조정하는 부재(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 설비.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 회수 라인(12)은, 제1 단부와 극저온 압축기(13) 사이에서, 상기 증발가스의 조성을 분석하기 위한 부재(18), 특히 불순물/불순물들을 측정하기 위한 장치, 및 적어도 하나의 불순물을 제거하도록 구성된 상기 증발가스를 정제하기 위한 부재(18) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 설비.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 회수 라인(12)은 직렬 및/또는 병렬로 배치된 복수의 극저온 압축기(13)를 포함하는 것을 특징으로 하는 설비.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    한편으로는 상기 제1 회수 라인(12)과, 우회 라인(25)을 통과하거나 또는 통과하지 않도록 가스의 스트림을 조절하기 위해서 제공된 밸브(들) 세트 사이에 제공된 우회 라인(25)을 포함하는 것을 특징으로 하는 설비.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에서 청구된 바와 같은 설비를 이용하여 수소를 액화하는 방법으로서, 증발가스를 적어도 하나의 극저온 수소 탱크(19) 내에서 회수하는 단계; 상기 회수된 증발가스를 압축하는 단계; 상기 압축된 가스를 냉각하는 단계; 및 상기 냉각된 가스를 상기 극저온 저장 유닛(8)에 전달하는 단계를 포함하는, 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    증발가스를 상기 극저온 저장 유닛(8)으로부터 회수하는 단계; 상기 회수된 증발가스를 압축하는 단계; 상기 압축된 가스를 냉각하는 단계; 및 상기 냉각된 가스를 상기 극저온 저장 유닛(8)에 전달하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 회수 단계에서 회수된 증발가스는, 1 내지 7 bar의 절대 압력, 바람직하게는 1 내지 2 bar의 절대 압력, 및 20K 내지 50K의 온도를 가지는 증발가스인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 압축 단계에서, 상기 증발가스의 압력은 1.3 내지 6 bara, 특히 2 bara의 값에 이를 때까지 증가되고, 온도는 예를 들어 5 내지 10K까지 증가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 설비(1)의 적어도 하나의 극저온 압축기(13)를 이용하여 상기 증발가스를 압축하는 단계에서, 상기 극저온 압축기(13)의 흡입구에서의 압력 및/또는 유량이 특정 문턱값 미만일 경우, 상기 방법은 상기 압축된 증발가스의 스트림의 적어도 일부를 상기 극저온 압축기(13)의 흡입구로 재순환시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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