KR20240033997A - 액화천연가스의 냉열 에너지를 이용한 수소 액화 설비 및 이를 구비하는 액체 수소 생산 시스템 - Google Patents

액화천연가스의 냉열 에너지를 이용한 수소 액화 설비 및 이를 구비하는 액체 수소 생산 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의하면, 질소 냉매를 액화천연가스와 열교환시켜서 상기 질소 냉매를 냉각시키는 질소 냉매 열교환부; 및 상기 질소 냉매를 이용하여 액화 대상 기체 수소를 냉각시키는 수소 예냉기를 포함하며, 상기 질소 냉매 열교환부는 병렬로 유동하는 제1 액화천연가스와 제2 액화천연가스 중 상기 제1 액화천연가스에 의한 열교환이 이루어지는 제1 열교환기와 상기 제2 액화천연가스에 의한 열교환이 이루어지는 제2 열교환기를 구비하며, 상기 질소 냉매는 상기 제1 열교환기, 상기 수소 예냉기, 상기 제2 열교환기, 상기 수소 예냉기의 순서로 순환 유동하는 수소 액화 설비가 제공된다.

Description

액화천연가스의 냉열 에너지를 이용한 수소 액화 설비 및 이를 구비하는 액체 수소 생산 시스템 {FACILITY FOR LIQUEFYING HYDROGEN USING COLD HEAT ENERGY OF LIQUEFIED NATURAL GAS AND SYSTEM FOR PRODUCTING LIQUID HYDROGEN WITH THE SAME}
본 발명은 수소 기체의 액화 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액화천연가스의 냉열 에너지를 이용한 수소 기체의 액화 기술에 관한 것이다.
수소 에너지는 환경 친화적인 에너지원으로서, 자동차 동력원, 휴대용 전자기기용 연료전지의 연료로 활용이 가능하며, 연료전지 가격 또한 매년 감소하고 있어 수소에너지 시대가 앞당겨지고 있다. 수소는 응축 온도가 대기압 조건에서 약 20K(-253℃) 정도로 매우 낮기 때문에, 초저온 냉동기가 필요하며 액화에 에너지가 많이 소모된다는 단점이 있다.
본 발명의 기술분야와 관련된 선행특허인 등록특허 제10-2328753호에는 액화천연가스 기화부가 수소 액화장치에 적용되는 냉동기에 구비되는 열교환기에 적용되는 구성이 기재되어 있다.
대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-2328753호 (2021.11.18)
본 발명의 목적은 액화천연가스의 냉열 에너지를 이용하여 수소를 액화하는 공정에서 에너지 효율을 향상시킨 수소 액화 시스템 및 이를 구비하는 액체 수소 생산 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 질소 냉매를 액화천연가스와 열교환시켜서 상기 질소 냉매를 냉각시키는 질소 냉매 열교환부; 및 상기 질소 냉매를 이용하여 액화 대상 기체 수소를 냉각시키는 수소 예냉기를 포함하며, 상기 질소 냉매 열교환부는 병렬로 유동하는 제1 액화천연가스와 제2 액화천연가스 중 상기 제1 액화천연가스에 의한 열교환이 이루어지는 제1 열교환기와 상기 제2 액화천연가스에 의한 열교환이 이루어지는 제2 열교환기를 구비하며, 상기 질소 냉매는 상기 제1 열교환기, 상기 수소 예냉기, 상기 제2 열교환기, 상기 수소 예냉기의 순서로 순환 유동하는 수소 액화 설비가 제공된다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 천연가스를 이용하여 기체 수소를 생산하는 수소 생산 설비; 및 기체 수소를 액화시키는 수소 액화 설비를 포함하며, 상기 수소 액화 설비는 질소 냉매를 액화천연가스와 열교환시켜서 상기 질소 냉매를 냉각시키는 질소 냉매 열교환부와, 상기 질소 냉매를 이용하여 상기 수소 생산 설비에서 생산된 기체 수소를 냉각시키는 수소 예냉기를 구비하며, 상기 질소 냉매 열교환부에서 상기 질소 냉매와 열교환되는 액화천연가스는 기화되어서 수소 생산을 위해 상기 수소 생산 설비로 공급되는 액체 수소 생산 시스템이 제공된다.
본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로, 액화천연가스를 활용하여 수소 액화 공정에서 수소의 예냉에 사용되는 질소 냉매를 냉각시키는 과정에서 2단계에 걸쳐서 질소 냉매로 액화천연가스의 냉열을 회수하므로 냉열 활용의 효율이 향상된다.
또한, 액화천연가스의 냉열을 불활성 가스인 질소 냉매로 간접적으로 회수하여 수소 액화 공정에 활용함으로써 안전성이 향상된다.
그리고 액화천연가스의 냉열을 회수하지 않는 경우에 비하여 순환하는 질소 냉매의 양을 대폭 감소시킬 수 있고, 그에 따라 질소 냉매의 압축 및 냉각에 필요한 전력 소모가 줄어들 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 수소 생산 시스템의 개략적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 액체 수소 생산 시스템에서 수소 액화 설비의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 수소 액화 설비에서 질소 냉매 압축부의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 도 2에 도시된 수소 액화 설비에서 질소 냉매 열교환부의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 수소 냉매 압축부의 구성을 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 구성 및 작용을 상세하게 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 액체 수소 생산 시스템의 개략적인 구성이 블록도로서 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 액체 수소 생산 시스템(10)은 액화천연가스가 저장되는 액화천연가스 저장 설비(11)와, 기체 수소를 생산하는 수소 생산 설비(15)와, 수소 생산 설비(15)에서 생산된 기체 수소를 액화천연가스 저장 설비(11)에 저장된 액화천연가스의 냉열 에너지를 이용하여 액화시키는 수소 액화 설비(100)를 포함한다.
액화천연가스 저장 설비(11)는 액화천연가스를 저장한다. 액화천연가스 저장 설비(11)에 저장된 액화천연가스는 수소 액화 설비(100)로 이송되어서 공급된다. 액화천연가스 저장 설비(11)는 통상적인 액화천연가스 저장 탱크의 구성을 포함하므로, 여기서 이에 대한 상세한 설명은 생략된다.
수소 생산 설비(15)는 기체 수소를 생산한다. 수소 생산 설비(15)에서 생산된 기체 수소는 액화 대상 기체 수소로서 수소 액화 설비(100)로 이송되어서 액화된다. 본 실시예에서 수소 생산 설비(15)는 증기 메탄 개질기(SMR: Steam Methane Reformer)인 것으로 설명한다. 증기 메탄 개질기는 천연가스의 주성분인 메탄을 수증기를 이용하여 개질하여 수소를 포함하는 가스로 전환한다. 증기 메탄 개질기로는 통상적인 구성의 것이 사용될 수 있으므로, 여기서 이에 대한 상세한 설명은 생략된다. 본 실시예에서 증기 메탄 개질기인 수소 생산 설비(15)는 수소 생산에 필요한 천연가스를 수소 액화 설비(100)로부터 공급된다. 본 실시예에서는 수소 생산 설비(15)가 증기 메탄 개질기인 것으로 설명하지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
수소 액화 설비(100)는 기체 수소를 액화시켜서 액체 수소를 생산한다. 수소 액화 설비(100)는 수소 생산 설비(15)에서 생산된 기체 상태의 수소를 액화 대상 기체 수소로 공급받는다. 수소 액화 설비(100)는 기체 수소의 액화를 위해 액화천연가스 저장 설비(11)에 저장된 액화천연가스의 냉열 에너지를 이용한다. 수소 액화 설비(100)에서 기체 수소의 액화에 이용된 액화천연가스는 기화되며, 수소 액화 설비(100)에서 배출되는 천연가스는 수소 생산 설비(15)로 공급되어서 기체 수소의 생산의 원료로 사용된다.
도 2에는 수소 액화 설비(100)의 일 실시예가 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 수소 액화 설비(100)는 액화천연가스와 질소 냉매 사이의 열교환이 이루어지는 질소 냉매 열교환부(110)와, 질소 냉매 열교환부(110)로 공급되는 질소 냉매를 압축하는 질소 냉매 압축부(120)와, 액화 대상 기체 수소가 질소 냉매에 의해 1차 냉각되는 제1 수소 냉각기(130)와, 제1 냉각부(130)에서 1차 냉각된 액화 대상 기체 수소가 수소 냉매에 의해 2차 냉각되는 제2 수소 냉각기(140)와, 제1 수소 냉각기(130)와 제2 수소 냉각기(140) 사이에서 순환하는 수소 냉매를 압축하는 수소 냉매 압축부(150)와, 제1 수소 냉각기(130)에서 배출되는 액화 대상 기체 수소가 제2 수소 냉각기(140)에 유입되기 전에 질소 냉매와 열교환하는 수소 열교환기(160)와, 질소 냉매가 수소 열교환기(160)로 유입되기 전에 질소 냉매를 팽창시키는 질소 냉매 팽창기(170)를 포함한다.
질소 냉매 열교환부(110)는 액화천연가스와 질소 냉매를 열교환시킨다. 질소 냉매 열교환부(110)로 유입되는 액화천연가스는 질소 냉매와의 열교환에 의해 기화되어서 천연가스로 배출된다. 질소 냉매 열교환부(110)로 유입되는 액화천연가스는 액화천연가스 저장 설비(11)로부터 이송되는 것이고, 질소 냉매 열교환부(110)로부터 배출되는 천연가스는 수소 생산 설비(15)로 공급되어서 기체 수소 생산의 원료로 이용된다.
도 3에는 질소 냉매 열교환부(110)의 개략적인 구성이 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 질소 냉매 열교환부(110)는 액화천연가스와 질소 냉매 사이의 제1 열교환이 이루어지는 제1 열교환기(112)와, 액화천연가스와 질소 냉매 사이의 제2 열교환이 이루어지는 제2 열교환기(114)를 구비한다. 제1 열교환기(112)와 제2 열교환기(114)는 액화천연가스의 유동에 대해서는 병렬로 연결되고, 질소 냉매의 유동에 대해서는 직렬로 연결된다. 즉, 제1 열교환기(112)와 제2 열교환기(114)는 분기된 두 액화천연가스 유동 라인들 각각에 배치되면서, 하나의 질소 냉매 순환 라인 상에 배치되는 구조이다.
도 1, 도2 및 도 3을 참조하면, 제1 열교환기(112)는 액화천연가스 저장 설비(11)로부터 공급되는 제1 액화천연가스(LNG1)와 질소 냉매 압축부(120)로부터 배출되는 질소 냉매(N1)를 열교환시킨다. 제1 열교환기(112)로 유입되는 질소 냉매(N1)는 제1 액화천연가스(LNG1)와의 열교환에 의해 -140℃ ~ -130℃의 온도로 낮아져서 대체로 고압의 기체 상태(일부 액체 상태)로 배출된다. 제1 열교환기(112)로부터 배출되는 질소 냉매(N2)는 제1 수소 냉각기(130)로 유입된다.
제2 열교환기(114)는 액화천연가스 저장 설비(11)로부터 공급되는 제2 액화천연가스(LNG2)와 제1 수소 냉각기(130)로부터 배출되는 질소 냉매(N3)를 열교환시킨다. 제1 수소 냉각기(130)로부터 배출되는 질소 냉매(N3)의 온도는 제1 수소 냉각기(130)로 유입되는 질소 냉매(N2)의 온도보다 높다. 제2 열교환기(114)로 유입되는 질소 냉매(N3)는 제2 액화천연가스(LNG2)와의 열교환에 의해 -140℃ ~ -130℃의 온도로 다시 낮아져서 대체로 고압의 기체 상태(일부 액체 상태)로 배출된다. 제2 열교환기(114)로부터 배출되는 질소 냉매(N4)는 질소 냉매 팽창기(170)로 유입된다.
질소 냉매 압축부(120)는 질소 냉매 열교환부(110)와 제1 수소 냉각기(130) 사이에서 2중으로 순환하는 질소 냉매를 압축한다. 제1 수소 냉각기(130)로부터 배출되는 질소 냉매는 질소 냉매 압축부(120)에 의해 압축되어서 질소 냉매 열교환부(110)의 제1 열교환기(112)로 공급된다. 도 3에는 질소 냉매 압축부(120)의 개략적인 구성이 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 질소 냉매 압축부(120)는 복수 개의 질소 냉매 압축 모듈(122)들을 구비한다. 복수 개의 질소 냉매 압축 모듈(122)들은 질소 냉매의 유동방향을 따라서 차례대로 직렬로 연결되어서 다단 압축 구조를 형성한다.
복수 개의 질소 냉매 압축 모듈(122)들 각각은 질소 냉매의 유동방향을 따라서 차례대로 배치되는 질소 냉매 압축기(124)와 질소 냉매 냉각기(126)를 구비한다. 질소 냉매 압축 모듈(122)로 유입되는 질소 냉매는 질소 냉매 압축기(124)와 질소 냉매 냉각기(126)를 차례대로 통과하여 배출된다.
질소 냉매 압축기(124)는 질소 냉매 압축 모듈(122)로 유입되는 질소 냉매를 압축한다. 질소 냉매 압축기(124)로부터 배출되는 질소 냉매는 질소 냉매 냉각기(126)로 유입된다.
질소 냉매 냉각기(126)는 질소 냉매 압축기(124)로부터 배출되는 질소 냉매를 냉각한다. 질소 냉매 냉각기(126)에 의해 질소 냉매의 온도가 낮아져서 질소 냉매의 압축에 필요한 일의 양이 감소하여, 에너지 효율을 높일 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1 수소 냉각기(130)는 수소 예냉기로서, 액화 대상 기체 수소(H1)를 질소 냉매와 열교환시켜서 1차 냉각시킨다. 본 실시예에서 제1 수소 냉각기(130)에서 냉각되는 액화 대상 기체 수소는 수소 생산 설비(도 1의 15)에서 생산된 기체 수소이다. 제1 수소 냉각기(130)는 수소 액화 기술에서 통상적으로 사용되는 냉각 장치인 콜드 박스(Cold Box)의 구성으로 이루어질 수 있다.
제1 수소 냉각기(130)에서는 질소 냉매 열교환부(110)의 제1 열교환기(도 3의 112)로부터 유입되는 질소 냉매(N2)와 수소 열교환기(160)로부터 유입되는 질소 냉매(N6)에 의해 액화 대상 기체 수소(H1)가 냉각된다. 제1 열교환기(도 3의 112)로부터 유입되는 질소 냉매(N2)가 제1 수소 냉각기(130)를 통과한 후 제1 수소 냉각기(130)로부터 배출되는 질소 냉매(N3)는 0℃ ~ 20℃의 온도로 상승하여 질소 냉매 열교환부(110)의 제2 열교환기(도 3의 114)로 유입된다. 수소 열교환기(160)로부터 유입되는 질소 냉매(N6)는 제1 수소 냉각기(130)를 통과한 후 제1 수소 냉각기(130)로부터 배출되는 질소 냉매(N7)는 질소 냉매 압축부(120)로 유입된다.
제1 수소 냉각기(130)에서는 질소 냉매 열교환부(110)의 제1 열교환기(도 3의 112)로부터 유입되는 질소 냉매(N2)와 수소 열교환기(160)로부터 유입되는 질소 냉매(N6)에 의해, 수소 냉매 압축부(150)로부터 유입되는 수소 냉매(h1), 제2 수소 냉각기(140)로부터 유입되는 수소 냉매(h53, h62)도 함께 냉각된다. 수소 냉매 압축부(150)로부터 유입되는 수소 냉매(h1)가 제1 수소 냉각기(130)를 통과한 후 제1 수소 냉각기(130)로부터 배출되는 수소 냉매(h2)는 제2 수소 냉각기(140)로 유입된다. 제2 수소 냉각기(140)로부터 유입되는 수소 냉매(h42, h51)가 제1 수소 냉각기(130)를 통과한 후 제1 수소 냉각기(130)로부터 배출되는 수소 냉매(h52, h61)는 수소 냉매 압축부(150)로 유입된다.
제2 수소 냉각기(140)는 수소 액화기로서, 수소 열교환기(160)로부터 배출된 액화 대상 기체 수소(H3)를 수소 냉매와 열교환시켜서 2차 냉각시킨다. 제2 수소 냉각기(140)에서액화 대상 기체 수소(H3)가 냉각되어서 액체 수소(H4)로 변환된다. 제2 수소 냉각기(140)는 수소 액화 기술에서 통상적으로 사용되는 냉각 장치인 콜드 박스(Cold Box)의 구성으로 이루어질 수 있다.
제2 수소 냉각기(140)에서는 제1 냉각기(130)로부터 유입되는 수소 냉매(h2)에 의해 수소 열교환기(160)로부터 배출되는 수소(H3)가 냉각된다. 수소 열교환기(160)로부터 배출되는 수소(H3)는 기체 수소와 액체 수소를 포함하는데, 수소 열교환기(160)로부터 배출되는 수소(H3)에 포함된 기체 수소는 제2 수소 냉각기(140)에서 액화되어서, 제2 수소 냉각기(140)에서 배출되는 수소(H4)는 액체 수소가 된다. 제1 냉각기(130)로부터 유입되는 수소 냉매(h2)가 제2 수소 냉각기(140)를 통과하여 제2 수소 냉각기(140)로부터 배출되는 수소 냉매(h3)는 제1 수소 냉매 팽창기(191)로 유입된다. 제1 수소 냉매 팽창기(191)로부터 배출되는 수소 냉매(h4) 중 일부 수소 냉매(h5)는 제2 수소 냉매 팽창기(192)로 유입된다. 제2 수소 냉매 팽창기(192)로부터 배출되는 수소 냉매(h51)는 제2 수소 냉각기(140)로 다시 유입된다. 제2 수소 냉매 팽창기(192)로부터 유입되는 수소 냉매(h51)가 제2 수소 냉각기(140)를 통과한 후 제2 수소 냉각기(140)로부터 배출되는 수소 냉매(h52)는 제1 수소 냉각기(130)로 유입된다. 제1 수소 냉매 팽창기(191)로부터 배출되는 수소 냉매(h4) 중 제2 수소 냉매 팽창기(192)로 유입되지 않는 나머지 수소 냉매(h6)는 제2 수소 냉각기(140)로 바로 다시 유입된다. 제1 수소 냉매 팽창기(191)로부터 바로 유입되는 수소 냉매(h2)가 제2 수소 냉각기(140)를 통과한 후 제2 수소 냉각기(140)로부터 배출되는 수소 냉매(h61)는 제1 수소 냉각기(130)로 유입된다.
수소 냉매 압축부(150)는 제1 수소 냉각기(130)와 제2 수소 냉각기(140) 사이에서 순환하는 수소 냉매를 압축한다. 수소 냉매 압축부(150)는 제1 수소 냉각기(130)로부터 배출되는 수소 냉매(h53, h62)를 압축하며, 수소 냉매 압축부(150)로부터 배출되는 압축된 수소 냉매(h1)는 제1 수소 냉각기(130)로 유입된다. 도 5에는 수소 냉매 압축부(150)의 개략적인 구성이 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, 수소 냉매 압축부(150)는 복수 개의 수소 냉매 압축 모듈(152)들을 구비한다. 복수 개의 수소 냉매 압축 모듈(152)들은 수소 냉매의 유동방향을 따라서 차례대로 직렬로 연결되어서 다단 압축 구조를 형성한다.
복수 개의 수소 냉매 압축 모듈(152)들 각각은 수소 냉매의 유동방향을 따라서 차례대로 배치되는 수소 냉매 압축기(154)와 수소 냉매 냉각기(156)를 구비한다. 수소 냉매 압축 모듈(152)로 유입되는 수소 냉매는 수소 냉매 압축기(154)와 수소 냉매 냉각기(156)를 차례대로 통과하여 배출된다.
수소 냉매 압축기(154)는 수소 냉매 압축 모듈(152)로 유입되는 수소 냉매를 압축한다. 수소 냉매 압축기(154)로부터 배출되는 수소 냉매는 수소 냉매 냉각기(156)로 유입된다.
수소 냉매 냉각기(156)는 수소 냉매 압축기(154)로부터 배출되는 수소 냉매를 냉각한다. 수소 냉매 냉각기(156)에 의해 수소 냉매의 온도가 낮아져서 수소 냉매의 압축에 필요한 일의 양이 감소하여, 에너지 효율을 높일 수 있다.
수소 냉매 압축부(150)로 유입되는 수소 냉매(h53, h62)에서 제1 수소 냉매 팽창기(191)과 제2 수소 냉매 팽창기(192)를 모두 통과한 저압의 수소 냉매(h53)는 복수 개의 수소 냉매 압축 모듈(152)들 중 선단에 위치하는 것으로 유입된다. 수소 냉매 압축부(150)로 유입되는 수소 냉매(h53, h62)에서 제1 수소 냉매 팽창기(191)와 제2 수소 냉매 팽창기(192) 중 제1 수소 냉매 팽창기(191)만을 통과한 중압의 수소 냉매(h62)는 복수 개의 수소 냉매 압축 모듈(152) 중 선단에 위치하지 않는 것으로 중간에 유입된다.
수소 열교환기(160)는 제1 수소 냉각기(130)에서 배출되는 액화 대상 기체 수소(H2)를 제2 수소 냉각기(140)에 유입되기 전에 질소 냉매 팽창기(170)로부터 배출되는 질소 냉매(N5)와 열교환시킨다. 수소 열교환기(160)에서의 열교환에 의해 액화 대상 수소 기체(H2)는 냉각된다. 수소 열교환기(160)로부터 배출되는 수소(H3)는 기체 상태와 액체 상태로 이루어지며, 제2 수소 냉각기(140)로 유입된다. 수소 열교환기(160)로 유입되는 질소 냉매(N5)의 온도는 -195℃ ~ -185℃이다. 수소 열교환기(160)로부터 배출되는 질소 냉매(N6)는 제1 수소 냉각기(130)로 유입된다.
질소 냉매 팽창기(170)는 질소 냉매 열교환부(110)의 제2 열교환기(114)로부터 배출되는 질소 냉매(N4)를 팽창시킨다. 질소 냉매 팽창기(170)로부터 배출되는 질소 냉매(N5)는 수소 열교환기(160)로 유입된다. 질소 냉매 팽창기(170)로부터 배출되는 질소 냉매(N5)의 온도는 -195℃ ~ -185℃이다.
상기 실시예에 따른 수소 액화 설비(110)에서 질소 냉매가 순환하는 과정을 설명하면 다음과 같다. 질소 냉매 압축부(120)로부터 배출되는 압축된 질소 냉매는 압축 질소 냉매(N1)로서 질소 냉매 열교환부(110)의 제1 열교환기(112)로 유입된다. 압축 질소 냉매(N1)는 제1 열교환기(112)를 통과하면서 제1 액화천연가스(LNG1)의 냉열 에너지에 의해 -140℃ ~ -130℃ 온도로 냉각되어서 제1 냉각 질소 냉매(N2)로서 배출된다. 제1 열교환기(112)로부터 배출된 -140℃ ~ -130℃ 온도의 제1 냉각 질소 냉매(N2)는 제1 수소 냉각기(130)로 유입되어서 제1 수소 냉각기(130)로 유입되는 액화 대상 수소 기체(H1)와 수소 냉매(h1, h52, h61)의 냉각에 활용된다. 제1 냉각 질소 냉매(N2)는 제1 수소 냉각기(130)를 통과 후 제1 냉각 후 질소 냉매(N3)로서 제1 수소 냉각기(130)로부터 배출된다. 제1 수소 냉각기(130)로부터 배출된 제1 냉각 후 질소 냉매(N3)는 질소 냉매 열교환부(110)의 제2 열교환부(114)로 유입된다. 제1 냉각 후 질소 냉매(N3)는 제2 열교환부(114)를 통과하면서 제2 액화천연가스(LNG2)의 냉열 에너지에 의해 -140℃ ~ -130℃ 온도로 냉각되어서 제2 냉각 질소 냉매(N4)로서 배출된다. 제2 열교환기(114)로부터 배출된 -140℃ ~ -130℃ 온도의 제2 냉각 질소 냉매(N4)는 질소 냉매 팽창기(170)로 유입된다. 제2 냉각 질소 냉매(N4)는 질소 냉매 팽창기(170)를 통과하면서 팽창되어서 팽창 질소 냉매(N5)로서 배출된다. 팽창 질소 냉매(N5)는 -195℃ ~ -185℃의 온도로 수소 열교환기(160)로 유입된다. 수소 열교환기(160)로 유입된 팽창 질소 냉매(N5)는 수소 열교환기(160)를 통과하는 액화 대상 수소(H2)를 냉각시킨다. 팽창 질소 냉매(N5)는 수소 열교환기(160)를 통과한 후 제2 냉각 질소 냉매(N6)로서 수소 열교환기(160)로부터 배출된다. 제2 냉각 질소 냉매(N6)는 제1 수소 냉각기(130)로 유입되어서 제1 수소 냉각기(130)로 유입되는 액화 대상 수소 기체(H1)와 수소 냉매(h1, h52, h61)의 냉각에 활용된다. 제2 냉각 질소 냉매(N6)는 제1 수소 냉각기(130)를 통과 후 제2 냉각 후 질소 냉매(N7)로서 제1 수소 냉각기(130)로부터 배출된다. 제1 수소 냉각기(130)로부터 배출된 제2 냉각 후 질소 냉매(N7)는 질소 냉매 압축부(120)로 유입되어서 압축된다.
상기 실시예에 따른 수소 액화 설비(110)에서 수소 냉매가 순환하는 과정을 설명하면 다음과 같다. 수소 냉매 압축부(150)로부터 배출되는 압축된 수소 냉매는 압축 수소 냉매(h1)로서 제1 수소 냉각기(130)로 유입된다. 제1 수소 냉각기(130)로 유입된 압축 수소 냉매(h1)는 제1 수소 냉각기(130)에서 질소 냉매에 의해 냉각되어서 냉각 수소 냉매(h2)로서 제1 수소 냉각기(130)로부터 배출된다. 제1 수소 냉각기(130)로부터 배출되는 냉각 수소 냉매(h2)는 제2 수소 냉각기(140)로 유입되어서, 제2 수소 냉각기(140)로 유입되는 액화 대상 수소(H3)의 액화를 위한 냉각에 활용된다. 냉각 수소 냉매(h2)는 제2 수소 냉각기(140)를 통과한 후 냉각 후 수소 냉매(h3)로서 제2 수소 냉각기(140)로부터 배출된다. 냉각 후 수소 냉매(h3)는 제1 수소 냉매 팽창기(191)로 유입되어서 팽창되어서 팽창 수소 냉매(h4)로서 제1 수소 냉매 팽창기(191)로부터 배출된다. 팽창 수소 냉매(h4) 중 일부(h5)는 제2 수소 냉매 팽창기(192)를 통과하여 추가로 팽창되어서 제1 팽창 수소 냉매(h51)로서 제2 수소 냉각기(140)로 유입되고, 나머지는 제2 수소 냉각기(140)로 제2 팽창 수소 냉매(h6)로서 제2 수소 냉각기(140)로 유입된다. 제1 팽창 수소 냉매(h51)는 제2 수소 냉각기(140)를 통과하면서 냉각된 후 제1 귀환 수소 냉매(h52)로서 제2 수소 냉각기(140)로부터 배출된다. 제2 팽창 수소 냉매(h6)는 제2 수소 냉각기(140)를 통과하면서 냉각된 후 제2 귀환 수소 냉매(h61)로서 제2 수소 냉각기(140)로부터 배출된다. 제1 귀환 수소 냉매(h52)는 제1 수소 냉각기(130)로 유입되어서 냉각된 후 저압 수소 냉매(h53)로서 제1 수소 냉각기(130)로부터 배출된다. 제2 귀환 수소 냉매(h61)는 제1 수소 냉각기(130)로 유입되어서 냉각된 후 중압 수소 냉매(h62)로서 제1 수소 냉각기(130)로부터 배출된다. 저압 수소 냉매(h53)는 수소 냉매 압축부(150)로 유입되어서 압축된다. 중압 수소 냉매(h62)는 수소 냉매 압축부(150)로 유입되어서 압축된다. 중압 수소 냉매(h62)는 수소 냉매 압축부(150)에서 저압 수소 냉매(h53)보다 저단의 압축이 이루어진다.
액화 대상 기체 수소(H1)는 제1 수소 냉각기(130), 수소 열교환기(160) 및 제2 수소 냉각기(140)를 차례로 통과하면서 단계적으로 냉각되어서 액화된다. 제2 수소 냉각기(140)를 통과하여 생산되는 액체 수소(H4)는 일부가 자발적으로 기화하여 수소 증발가스(BOG: Boil Off Gas)를 발생시킨다. 수소 증발가스는 제2 수소 냉각기(140)와 제1 수소 냉각기(130)를 차례대로 통과한 후 액화 대상 기체 수소(H1)와 합류한다. 제2 수소 냉각기(140)와 제1 수소 냉각기(130)를 차례대로 통과한 수소 증발가스 중 일부는 밸브(180)의 작동에 의해 수소 냉매의 보충을 위해 저압 수소 냉매(h53)에 합류할 수 있다.
이상 실시예를 통해 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 본 기술분야의 통상의 기술자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.
10: 액체 수소 생산 시스템 11: 액화천연가스 저장 설비
15: 수소 생산 설비 100: 수소 액화 설비
110: 질소 냉매 열교환부 112: 제1 열교환기
114: 제2 열교환기 120: 질소 냉매 압축부
130: 제1 수소 냉각기 140: 제2 수소 냉각기
150: 수소 냉매 압축부 160: 수소 열교환기
170: 질소 냉매 팽창기

Claims (10)

  1. 질소 냉매를 액화천연가스와 열교환시켜서 상기 질소 냉매를 냉각시키는 질소 냉매 열교환부; 및
    상기 질소 냉매를 이용하여 액화 대상 기체 수소를 냉각시키는 수소 예냉기를 포함하며,
    상기 질소 냉매 열교환부는 병렬로 유동하는 제1 액화천연가스와 제2 액화천연가스 중 상기 제1 액화천연가스에 의한 열교환이 이루어지는 제1 열교환기와 상기 제2 액화천연가스에 의한 열교환이 이루어지는 제2 열교환기를 구비하며,
    상기 질소 냉매는 상기 제1 열교환기, 상기 수소 예냉기, 상기 제2 열교환기, 상기 수소 예냉기의 순서로 순환 유동하는,
    수소 액화 설비.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 열교환기와 상기 수소 예냉기의 사이에서 유동하는 질소 냉매를 팽창시키는 질소 냉매 팽창기를 더 포함하는,
    수소 액화 설비.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 수소 예냉기로부터 배출되는 액화 대상 기체 수소를 상기 질소 냉매 팽창기와 상기 수소 예냉기의 사이에서 유동하는 질소 냉매와 열교환시켜서 냉각시키는 수소 열교환기를 더 포함하는,
    수소 액화 설비.
  4. 청구항 1에 있어서,
    수소 냉매를 이용하여 상기 수소 예냉기로부터 배출되는 상기 액화 대상 기체 수소를 냉각시켜서 액화하는 수소 액화기를 더 포함하며,
    상기 수소 냉매는 상기 수소 예냉기와 상기 수소 액화기를 차례대로 통과한 후, 상기 수소 액화기와 상기 수소 예냉기를 차례대로 통과하여 순환 유동하는,
    수소 액화 설비.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소 액화기로부터 배출되는 액체 수소가 증발하여서 발생한 수소 증발가스는 상기 수소 액화기와 상기 수소 예냉기를 차례대로 통과한 후 상기 수소 예냉기로 다시 유입되는,
    수소 액화 설비.
  6. 청구항 7에 있어서,
    상기 수소 예냉기로부터 배출된 후 상기 수소 예냉기로 다시 유입되는 상기 수소 냉매를 압축하는 수소 냉매 압축부를 더 포함하며,
    상기 수소 증발가스는 상기 수소 액화기와 상기 수소 예냉기를 차례대로 통과한 후 일부가 상기 수소 냉매 압축부로 공급되는,
    수소 액화 설비.
  7. 천연가스를 이용하여 기체 수소를 생산하는 수소 생산 설비; 및
    기체 수소를 액화시키는 수소 액화 설비를 포함하며,
    상기 수소 액화 설비는 질소 냉매를 액화천연가스와 열교환시켜서 상기 질소 냉매를 냉각시키는 질소 냉매 열교환부와, 상기 질소 냉매를 이용하여 상기 수소 생산 설비에서 생산된 기체 수소를 냉각시키는 수소 예냉기를 구비하며,
    상기 질소 냉매 열교환부에서 상기 질소 냉매와 열교환되는 액화천연가스는 기화되어서 수소 생산을 위해 상기 수소 생산 설비로 공급되는,
    액체 수소 생산 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 질소 냉매 열교환부에서 상기 액화천연가스의 흐름은 병렬로 유동하는 제1 액화천연가스의 흐름과 제2 액화천연가스의 흐름을 구비하며,
    상기 질소 냉매 열교환부는 상기 제1 액화천연가스에 의한 열교환이 이루어지는 제1 열교환기와 상기 제2 액화천연가스에 의한 열교환이 이루어지는 제2 열교환기를 구비하며,
    상기 질소 냉매는 상기 제1 열교환기, 상기 수소 예냉기, 상기 제2 열교환기, 상기 수소 예냉기의 순서로 순환 유동하는,
    액체 산소 생산 시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 수소 액화 설비는 수소 냉매를 이용하여 상기 수소 예냉기로부터 배출되는 상기 액화 대상 기체 수소를 냉각시켜서 액화하는 수소 액화기를 더 구비하며,
    상기 수소 냉매는 상기 수소 예냉기와 상기 수소 액화기를 차례대로 통과한 후, 상기 수소 액화기와 상기 수소 예냉기를 차례대로 통과하여 순환 유동하는,
    액체 수소 생산 시스템.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 수소 생산 설비는 증기 메탄 개질기인,
    액체 수소 생산 시스템.
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