[논문]LNG 냉열을 이용한 공기액화분리시스템의 시뮬레이션 및 공정 해석

한단비; 백영순

doi:10.7316/khnes.2019.30.3.276

Abstract ▼ AI-Helper

The process of separating oxygen and nitrogen from the air is mainly performed by electric liquefaction, which consumes a lot of electricity, resulting in higher operating costs. On the other hand, when used for cold energy of LNG, electric power can be reduced compared to the electric Linde cycle. ...

The process of separating oxygen and nitrogen from the air is mainly performed by electric liquefaction, which consumes a lot of electricity, resulting in higher operating costs. On the other hand, when used for cold energy of LNG, electric power can be reduced compared to the electric Linde cycle. Currently, LNG cold energy is used in the cold refrigeration warehouse, separation of air-liquefaction, and LNG cold energy generation in Japan. In this study, the system using LNG cold energy and the Linde cycle process system were simulated by PRO/II simulators, respectively, to cool the elevated air temperature from the compressor to about $-183^{\circ}C$ in the air liquefaction separation process. The required amount of electricity was compared with the latent heat utilization fraction of LNG, the LNG supply pressure, and the LNG cold energy usage. At the air flow rate of $17,600m^3/h$, the power source unit of the Linde cycle system was $0.77kWh/m^3$, compared with $0.3kWh/m^3$.

주제어

표/그림 (11)

표 Table 1. The status of air liquefaction separation process using LNG cold energy⁸⁾
그림 Fig. 1. Refrigeration cycle for Linde process
그림 Fig. 3. The simulation model for air liquefaction separation process
그림 Fig. 2. Air liquefaction separation process for Linde cycle
$Fig. 4. Required LNG amount for E1 with vapor fraction$ 그림 Fig. 4. Required LNG amount for E1 with vapor fraction
표 Table 2. Air liquefaction separation system for Linde cycle and using LNG cold energy
표 Table 3. Required energy of main equipments for process
그림 Fig. 5. LNG latent heat with LNG supply pressure
그림 Fig. 6. Required LNG amount for E1 and E3 with LNG supply press.
그림 Fig. 7. The amount of replaced electric power with LNG cold en-ergy
표 Table 4. Power unit price (kWh/m³) for air liquefaction separa-tion process using LNG cold energy

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

가설 설정

비율 변화에 따른 전력원단위를 전기식과 비교하여 Table 4에 나타냈다. LO2/LN2 비율이 증가함에 따라서 전력원단위는 약간 증가하는 경향이 있다. 이는 액체산소 생산량이 증가하면서 액체질소량이 감소하여 전체 액체산소와 질소의 생산량이 감소하기 때문이다.
한편 비점이 낮은 질소는 가스가 상승하여 증류탑의 상부로 이동하고, 질소의 농도가 높아진다. 증류된 고순도 질소는 액체 산소의 냉열에 의해 액화된다. 질소는 가압하여 액화 온도를 상승시키고 증류탑 상부에 존재하는 액체산소 온도보다 높아짐에 따라 액화에 필요한 냉열을 얻을 수 있다.

제안 방법

공기 17,600 m³/hr을 Linde cycle 전기식 시스템과 LNG 냉열식 공기 액화분리 공정으로부터 액체산소와 액체질소를 분리하는 시뮬레이션한 수행 결과로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
LNG 냉열에너지는 온도의 변화로부터 얻는 현열 에너지(80 kcal/hr)와 기화되면서 얻을 수 있는 잠열 에너지(110kcal/hr)가 있다. 공기 액화분리 공정에서 LNG가 임계압력 이하인 64bar로 공급될 때, LNG의 잠열에너지 이용률에 따른 E1의 LNG 냉열량 변화에 대해 분석하였다. 잠열이용률은 기화되면서 잠열이 발생하기 때문에 기화되는 양에 따라 달라지므로, LNG 냉열을 이용한 E1와 E3에서 필요로 하는 LNG 유량을 계산하여 Fig.
본 연구에서는 공기액화 분리공정에서 압축기로부터 상승된 공기온도를 약 –176℃까지 냉각시키기 위하여 Linde cycle 공정을 전기식과 LNG 냉열 이용 방식을 PRO/II 시뮬레이터에 의해 각각 공정에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. 특히 LNG 냉열을 이용하는 경우에 LNG 잠열이용 분율, LNG의 공급압력, LNG 냉열이용량에 따른 요구되는 전력량을 구하였으며, 공기량 17,600 m³/hr에서 LO₂/LN₂의 생산량 비율(0.
본 연구에서는 공기액화 분리공정에서 압축기로부터 상승된 공기온도를 약 –176℃까지 냉각시키기 위하여 Linde cycle 공정을 전기식과 LNG 냉열 이용 방식을 PRO/II 시뮬레이터에 의해 각각 공정에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다. 특히 LNG 냉열을 이용하는 경우에 LNG 잠열이용 분율, LNG의 공급압력, LNG 냉열이용량에 따른 요구되는 전력량을 구하였으며, 공기량 17,600 m³/hr에서 LO₂/LN₂의 생산량 비율(0.5-2.0) 변화에 따른 전력 원단위(kWh/m³) 를 비교 분석하였다

대상 데이터

이렇게 액화된 –176℃의 공기는 팽창밸브를 통해 압력을 약 1bar까지 낮추게 되면 액체공기는 증류탑 컬 럼에서 N₂와 O₂를 분리하여 기화한 N₂는 상단으로 나가 냉각기 E2에서 저온측 가스와 열교환이 되고 대기로 배출되며, 액체산소는 탑 하부로 생산되는 공정으로 시뮬레이션을 하였다. 전기식 Linde cycle 공정에서 E1과 E3의 냉각기는 air-cooler를 사용하였으며, LNG 공정에서는 LNG 냉열로 대체하여 사용하였다. E1과 E3에 들어가는 저온측 LNG 냉열은 –163℃, 64bar로 공급되며, LNG 잠열을 최대한 활용하기 위해 전체 기화되어 나오도록 LNG 냉열량을 조절하였다.

데이터처리

LNG 냉열을 이용하는 시스템은 70 bar에서 LNG 공급량의 여건에 따라 전기식과의 소요전력량을 비교분석하여 Fig. 7에 나타냈다.

이론/모형

본 연구는 에너지기술개발사업 실증형 과제 (2001820110106370)일환으로 수행되었다.

성능/효과

1) 전기식 시스템의 경우 6,027 kW/hr의 전력이 소요되며, LNG 냉열식 시스템의 경우 E1과 E2 냉각기의 소요 전력을 LNG 냉열로 대체 활용하므로서 약 2,373 kW/hr 전력을 절감할 수 있기 때문에 전기식에 비해 약 60%의 전력저감 효과를 얻을 수 있다.
2) LNG 냉열식 시스템은 LNG 기화되는 양에 따라 이용하는 LNG 냉열에너지가 달라지며, LNG 잠 열이용률이 높아질수록 LNG 냉열에너지량이 증가하기 때문에 소요되는 LNG 양은 감소한다.
3) 저압에서의 LNG 잠열에너지량이 고압에서보다 크기 때문에 사용되는 LNG 공급압력이 증가할수록 소요되는 LNG 양은 증가한다.
4) 공기 액화분리 공정에서 사용되는 LNG 냉열량 이 최대 22 ton으로 많이 사용하면 냉각기의 E1과 E3에서 소요전력이 최대 3,654 kW/hr까지 저감된다.
5) 생산되는 LO2/LN2 비율이 증가함에 따라 전체 생산량이 감소하여 전력 원단위는 높아지고, LNG 냉열식의 경우 0.29-0.30 kWh/m³로서 전기식 0.74-0.77 kWh/m³에 비해 2.5배 적게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액화천연가스(LNG)는 무엇입니까?	액화천연가스(LNG)는 천연가스를 –162℃로 냉각시킨 것으로 무독성, 무취, 무색의 가스이며 안전하고 비부식성으로 청정한 에너지원이다. LNG는 연소 단계에서 이산화황 배출 및 질산화물 배출량이 거의 없는 장점을 가지므로, 차량이나 운송용 연료로 사용된다.
	LO2/LN2 비율이 증가함으로 인해 전력원단위가 약간 증가되는데 그 이유는?	LO2/LN2 비율이 증가함에 따라서 전력원단위는 약간 증가하는 경향이 있다. 이는 액체산소 생산량이 증가하면서 액체질소량이 감소하여 전체 액체산소와 질소의 생산량이 감소하기 때문이다. 또한, 전기식 시스템의 전력원단위는 약 0.
	LNG의 장점은 무엇입니까?	액화천연가스(LNG)는 천연가스를 –162℃로 냉각시킨 것으로 무독성, 무취, 무색의 가스이며 안전하고 비부식성으로 청정한 에너지원이다. LNG는 연소 단계에서 이산화황 배출 및 질산화물 배출량이 거의 없는 장점을 가지므로, 차량이나 운송용 연료로 사용된다. LNG는 기화과정을 거쳐 가스 공급망에 공급 되는데 이때, LNG 증발기의 상변화 과정에서 냉열 에너지를 얻을 수 있다.

참고문헌 (11)

B. B. Kanbur, L. Xiang, S. Dubey, F. H. Choo, and F. Duan, "Cold utilization system of LNG: A review", Renwable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 79, 2017, pp. 1171-1188, doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2017.05.161.

상세보기
A. Messineo and D. Panno, "Potential applications using LNG cold energy in Sicily", International Journal of Energy Res, Vol. 32, No. 11, 2008, pp. 1058-1064, doi: https://doi.org/10.1002/er.1411.

상세보기
S. Hirakawa and K. Kosugi, "Utilization of LNG cold: Utilisation du froid du GNL", International Journal of Refrigeration, Vol. 4, No. 1, 1981, pp. 17-21, doi: https://doi.org/10.1016/0140-7007(81)90076-1.

상세보기
N. Zhang and N. Lior, "Novel near-zero $CO_2$ emission thermal cycle with LNG cryogenic exergy utilization", Energy, Vol. 31, No. 10-11, 2006, pp. 1666-1679, doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2005.05.006.

상세보기
K. Jiang, "Economic analysis of LNG cold energy utilization", Springer, Switzerland, 2017, pp. 119-132, doi: https://doi.org/10.1007/978-3-319-26950-4_5.
M. Kundu, "Simulation of air liquefaction using aspen plus", National Institute of Technology Rourkela, India, 2012. Retrieved from ethesis.nitrkl.ac.in/3235/.
M. Mehrpooya, M. Sharifzadeh, and M. Chahartaghi, "Investigation of novel Intergrated air separation processes, cold exergy recovery of liquefied natural gas and carbon dioxide power cycle", Journal of Cleaner Production, Vol. 113, 2016, pp. 411-425, doi: http://dx.doi.org/10.1016/j.jclepro.2015.12.058.

상세보기
"A study on the power generation technology utilizing LNG cold energy", Report, KOPEC R&D Institute, Korea, 1985, pp. 941-956.
R. F. Barron, "Cryogenic system", Oxford University Press, New York, 1985
Y. Q. Xiong and B. Hua, "Simulation and analysis of the air separation process by using cold energy", China Academic Journal Electric Publishing House, Vol. 25, No. 3, 2007, pp. 68-76. Retrieved from http://www.airitilibrary.com/Publication/alDetailedMesh?docid10005811-200706-25-3-68-72-a.
D. Han, Y. Kim, K. Yeom, J. Shin, and Y. Baek, "A sttudy of simulation on the Refrigerated warehouse system based on the cold energy of LNG using the PRO-II simulator", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 28, No. 4, 2017, pp. 401-406, doi: https://doi.org/10.7316/KHNES.2017.28.4.401.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

LNG 냉열을 이용한 공기액화분리시스템의 시뮬레이션 및 공정 해석
Process Analysis and Simulation for System of Air Liquefaction Separation Using LNG Cold Energy 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (11)

표/그림 (11)

AI 본문요약
AI-Helper

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (11)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

LNG 냉열을 이용한 공기액화분리시스템의 시뮬레이션 및 공정 해석 Process Analysis and Simulation for System of Air Liquefaction Separation Using LNG Cold Energy 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (11) 모든 표/그림 보기

표/그림 (11) 슬라이드로 보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (11)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

한단비 (14) 백영순 (79)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

LNG 냉열을 이용한 공기액화분리시스템의 시뮬레이션 및 공정 해석
Process Analysis and Simulation for System of Air Liquefaction Separation Using LNG Cold Energy 원문보기

표/그림 (11)

표/그림 (11)

AI 본문요약
AI-Helper