[논문]LNG 냉열이용 액체수소 제조공정의 예냉 및 Cold box의 성능 개선 연구

윤상국; 윤나은

doi:10.7842/kigas.2020.24.4.56

초록
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수소의 액화에는 예냉 에너지, 상변화 에너지, 수소 변환열 제거 등 다량의 에너지가 요구되어진다. 본 논문의 목적은 예냉공정에 필요한 에너지로 LNG냉열로 액체질소를 제조하여 사용하는 LNG냉열 간접 이용 방식과, Cold box의 단열에 냉공기를 이용하는 새로운 에너지절약 공정을 제안하여 수소액화 수율을 향상시키고자 하였다. 분석 결과를 보면, LNG냉열 간접이용 방식은 에너지 절약과 함께 액체수소 플랜트의 안전성을 제공하는 장점을 갖는다. 새로운 Cold box 단열 방식은 외벽 철판 3mm/우레탄폼 20cm/공기 5cm/우레탄폼 20cm/설비의 구조일 때 현재 펄라이트 단열에 비교하여 열유입량이 약 35%~50%가 감소하게 된다. 또한 냉공기 보다 온도가 높은 설비는 냉각의 효과를 얻게 된다. 수소액화 플랜트의 공정에 본 결과를 적용한다면 액체 수율이 50% 내외로 크게 향상되는 효과를 제공하게 된다.

Abstract ▼ AI-Helper

For the hydrogen liquefaction, the large amount of energy is consumed, due to precooling, liquefaction and o-p conversion processes. The aim of this work is to improve the performance of hydrogen liquefaction process by introducing the new energy saving processes, that are the liquid nitrogen precoo...

For the hydrogen liquefaction, the large amount of energy is consumed, due to precooling, liquefaction and o-p conversion processes. The aim of this work is to improve the performance of hydrogen liquefaction process by introducing the new energy saving processes, that are the liquid nitrogen precooling process by using LNG cold energy, and the new design of cold box insulation using cold air circulation. The results show that the indirect use of LNG cold energy in precooling process enables not only to get energy saving, but to make safer operation of liquefaction plant. In new cold box, the energy loss of equipments could be reduced by nearly 35%~50% compared to the present perlite insulation, if insulation structure is organised as 3mm steel wall/20cm PUF/5cm air/20cm PUF/equipment. Additionally the equipments installed in cold box can get cooling effect, if the temperature is higher than the temperature of cold air. The application of this results can gives to increase the liquid yield of about 50% substantially in industrial hydrogen liquefaction plant.

Keyword

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Commercial hydrogen liquefaction system designed by Linde Co.
그림 Fig. 2. Hydrogen liquefaction system using LNG cold for precooling process sponsored by MOLIT.
그림 Fig. 3. liquid nitrogen liquefaction process for H₂ precooling process using LNG cold energy.
그림 Fig. 4. Current structure of Cold box.
그림 Fig. 5. Heat flux of current Cold box with per-lite insulation thickness.
그림 Fig. 6. New proposed insulation structure of Cold box.
그림 Fig. 7. Heat flux with insulation thickness of 20cm PUF / 5cm cold air / 20cm PUF.
그림 Fig. 8. Heat flux with insulation thickness of 25cm PUF / 5cm cold air / 20cm PUF.

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이러한 문제점을 해소하면서 Cold box의 단열 성능을 크게 향상시키기 위하여 가능한 단열방식을 비교 분석하여 효과적인 새로운 단열 방식을 제공하고자 하였다. 이의 방법으로 현재의 펄라이트 분말을 충전하는 단열방법 대신에, 수소 액화공정에서 남는 잉여 냉열이나 LNG냉열을 이용하여 냉공기를 제조하여 순환시켜 Cold box의 공간 내부의 온도를 낮게 유지하는 방법을 고안하여 단열성능을 비교 분석하였다.
본 연구에서는 수소 액화 소요에너지를 절감시키기 위하여 예냉공정과 Cold box를 LNG냉열로 사용하는 공정으로 대체할 때 액체수율에 미치는 영향을 분석하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

제안 방법

본 연구에서는 이러한 문제점을 해소하면서 Cold box의 단열 성능을 크게 향상시키기 위하여 가능한 단열방식을 비교 분석하여 효과적인 새로운 단열 방식을 제공하고자 하였다. 이의 방법으로 현재의 펄라이트 분말을 충전하는 단열방법 대신에, 수소 액화공정에서 남는 잉여 냉열이나 LNG냉열을 이용하여 냉공기를 제조하여 순환시켜 Cold box의 공간 내부의 온도를 낮게 유지하는 방법을 고안하여 단열성능을 비교 분석하였다.
Cold box 내부에는 다양한 온도와 설비들이 위치하기 때문에 일률적으로 단열 두께를 판단하기 어려우나 외부 벽체와 접하는 열교환기의 온도 분포에 따른 이격 단열 두께를 기준하여 전열량을 해석하였다. 해석 결과를 보면, 현재의 펄라이트 분말의 충전두께가 50cm일 때 열교환기 표면이 –253℃라면 1m²당 전열량은 23W, 표면온도 –150℃는 14.
새로운 Cold box의 단열 규격은 벽체 우레탄 단열이 15cm~ 20cm, 열교환기에 접한 우레탄 폼 두께 20cm, 그리고 온도가 –60℃~-100℃인 5cm~10cm의 냉공기 층을 적용하였을 때의 전열량을 분석하였다.

데이터처리

이를 통하여 열교환기의 열손실을 획기적으로 감소시켜 수소의 액화 수율을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구의 각종 열해석은 상용 프로그램인 Ansys 14.0을 사용하여 수행하였으며, 본 논문의 내용은 저작권 보호가 신청된 것이다.

성능/효과

냉공기 온도 –60℃ 경우를 기준하여 현재의 펄라이트 단열과 비교하면 단열 효과가 35%~50% 정도 증가하게 된다. 즉, Cold box 열손실 감소로 액체 수율이 39.7%[10]에서 48.8~52.9%로 크게 향상되는 효과를 얻게 되는 것이다.
(1) LNG냉열을 수소액화 예냉공정에 직접 사용하는 대신에, 먼저 LNG냉열로 액체질소를 제조하고, 제조된 액체질소를 액화공정에 순환시켜 예냉에 사용함으로써, –195℃까지의 보다 낮은 온도의 예냉 제공과 공정의 안전성을 향상시키는 효과를 얻었다.
(2) Cold box의 단열에 현재의 펄라이트 분말 대신에 냉공기를 순환시킴으로써, 순환 냉공기 온도 –60℃를 기준하여 현재의 펄라이트 단열 보다 단열 효과가 35%~50% 정도 증가하게 된다.
(3) Cold box의 단열 성능 향상에 의한 열손실의 감소로 액체 수율이 50%내외로 크게 향상된다.
(4) Cold box의 유지보수가 편리한 우레탄과 냉공기를 순환시키는 방법은 공기층 온도가 낮을수록 단열 성능이 향상되었다.
(5) 순환되는 냉공기 보다 온도가 높은 설비들은 냉공기에 의하여 냉각되는 효과를 갖는 매우 효과적인 단열 방식임을 알 수 있다.

후속연구

이를 통하여 열교환기의 열손실을 획기적으로 감소시켜 수소의 액화 수율을 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구의 각종 열해석은 상용 프로그램인 Ansys 14.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수소를 액화시키는 공정은 어떻게 구성되어 있는가?	수소를 액화시키는 공정으로는 크게 압축과정, 예냉과정, 다수 단의 열교환 과정, 터빈 팽창과정, 회전열 제거과정 그리고 최종적으로 압력강하 과정을 거쳐 액체수소를 얻게 된다. 이 액화과정 중다단의 열교환 과정은 대략 7~8개의열교환기로 구성되며, 이 열교환기의 열교환 성능과 단열 성능은 액체를 얻는 수율에 매우 중요한 인자가 된다.
	액체수소 공정의 Cold box 적정 단열 두께는 얼마인가?	특히 이 다수 개의 열교환기의 효과적인 단열을 위하여 수소 액화 공정에서는 Cold box를 구성하여 단열 성능을 향상시키고 있다. 현재 이 Cold box의 단열에 사용되는 물질은 펄라이트 분말이 충전되고 있으며, 액체수소 공정의 Cold box 적정 단열 두께는 초저온 판형 열교환기 규정(ALPAME)에 40cm~50cm로 제시되어 있다[8]. 그러나 액화 공정 중 펄라이트 분말이 충전된 Cold box는 열 손실이 큰 문제점을 보유하고 있으며, 이를 해결하기 위한 새로운 Cold box 구조로 독일의 Linde사는 초대형 밀폐 이중 실린더 용기 내부에 모든 열교환기를 위치시키고 실린더 벽체 사이에 고진공 단열인 슈퍼단열을 적용하는 방안을 제시하고 있다[9].
	LNG냉열이용 액체수소 공정이 필요한 이유는 무엇인가?	LNG는 황산화물이 전무하며 이산화탄소를 20% 감소시키게 되는 친환경, 경제성 등의 이유로 국내의 LNG 도입과 이용량이 지속적으로 증가하고 있으며, 미래 장기간 전세계의 주요한 에너지원 중의 하나가 될 것으로 전망되고 있다. 이 LNG는 –162℃의 극저온 액체로 도입 후 해수로 가열하여 가스 상태로 도기가스로 공급되고 있다. 즉, LNG의 보유 저온 에너지인 200kcal/kg의 냉열을 자연계인해수에 버리고 있는 것이다. 한편, 수소의 액화는 온도를 20K 즉 –253℃까지 저하시켜야 하며, 이 액화에너지는 1kg당 총 3,978kcal의 막대한 에너지가 요구된다[2]. 그러므로 에너지절약을 위하여 수소액화 공정의 예냉공정에 이 LNG가 보유한 냉열을 이용하게 된다. Yun 등은 수소예냉에 이 LNG냉열을 이용하는 해석과 실험 연구들을 수행하였고[3,4], 상업용 수소액화 플랜트의 효율 향상 연구들이 이루어져 오고 있다[5~7].

참고문헌 (10)

국토교통부, '2019년 상용급 액체수소 플랜트 핵심기술 개발 사업 시행 공고", 35-38, (2019)
Barron, R. F., Cryogenic systems, 2nd ed., Oxford University Press, New York, (1985)
Yun, S. K., "Design and Analysis for Hydrogen Liquefaction", KIGAS, 15(3), 1-5, (2011)
Kang, J. H., Lee, J. H., Lee, S. H., Cho, W. H., Baek, Y. S., and Yun, S. K., "An Experimental Study on the Behavior and Characteristics of Hydrogen Liquefaction", Summer Symposium of KOSEE, 166-169, (2005)
Linde Co., Technical Information for a 150L/h Hydrogen Liquefaction Plant, (2006)
Wanner, M., Gross, R., Otto, W., and Patzelt, A., " Concept and operation of a 4.4ton/day liquid hydrogen facility", Advances in Cryogenic Engineering, 39, 1217-1223 (1994)
Cardella, U., Decker, I., and Klein, H., "Economically viable large-scale hydrogen", IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 171, 1-8 (2017)
ALPEMA, The Standards of the Brazed Aluminum Plate-fin Heat Exchangers Manufacturers' Association, 3rd ed., (2010)
Stang J. H., and Neksa, P., "Development of largescale hydrogen liquefaction processes from 1898 to 2009", International Journal of Hydrogen Energy, 35(10), 4524-4533, (2010)

상세보기
Ohlig, K., and Decker, L., "The Latest Developments and Outlook for Hydrogen Liquefaction Technology", AIP Conference Proceedings, 1311-1317, (2014)

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