LNG vaporizer 이해

LNG vaporizer field and the technical synergy in the KOBELCO group

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LNG 산업은 큰 범위의 가스 산업에 해당하며, 가스는 천연가스와 석유가스로 구분하는데, 천연가스는 지하에서 채취하는 저급 탄화수소의 혼합물로 메탄(CH4)이 주성분인 가연성 가스를 의미하고, 석유가스(petroleum gas)는 원유 정제 및 안정화 공정에서 생산되는 파라핀계 탄화수소물로 주성분은 프로판과 부탄 또는 혼합물을 말한다.

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이중 액화천연가스는 가스전에서 생산되는 천연가스를 수송 및 저장이 용이하도록 압축 또는 냉각 (- 162℃)해 극저온으로 액화시킨 형태이며, 액화석유가스는 원유의 채굴 및 정제과정에서 생산되는 석유가스를 액화시킨 것이다.

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천연가스는 친환경연료로 그 중요성이 점차로 증대되고 있으며 가스 산업은 LNG 수송선박 건조 및 인수기지, 배관망 등 사업 개시를 위한 기본적인 설비투자에 막대한 자금이 소요되는 장치 산업으로서 저장시설 및 배관망 등 초기설비 투자비용이 과도하게 소요되어 진입장벽이 높다.

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LNG Vaporizer 개요

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LNG는 저온 고압의 액체 상태로 저장되어 있다가 수요처로 공급하기 위해 재기화의 과정을 거치는데 이러한 역할을 하는 수행하는 장치가 LNG vaporizer(기화기)이다. LNG vaporizer는 ORV (Open Rack Vaporizer), SCV (Submerged Combustion Vaporizer), AAV (Ambient Air Vaporizer), STV (Shell & Tube Vaporizer), IFV (Intermediate Fluid Vaporizer) 등이 있다.

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ORV (Open Rack Vaporizer) 방식은 LNG를 얇은 패널 내부 tube로 통과시키고 패널의 외부에는 해수 (sea water)를 흘려주어 해수가 LNG에 열을 공급해 기화시키는 방식이나, 주변에 일정 온도이상의 풍부한 해수가 존재하는 경우 저렴한 방법으로 재기화시킬 수 있는 방식이다. SCV (Submeged Combustion Vaporizer)는 연료를 버너로 연소시켜 뜨거운 배기가스 (flue gas)를 물이 담긴 대형 수조의 하부로 공급하고 그 위에 LNG가 흐르는 관을 물속에 배치해 배기가스가 열원이 되어 LNG 를 기화시키는 방법이다. (FD)AAV는 공기를 열원으로 사용하는 방식으로 중심의 관으로 LNG를 흐르게 하면서 관 주변에 배치된 핀을 통해 공기에서 열을 얻어 기화시키는 방법이다. 이 밖에 쉘 및 튜브 기화기(STV-Shell and Tube Vaporizer), 중간 유체 기화기(IFV-Intermediate Fluid Vaporizers) 등이 있다.

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LNG Vaporizer 종류

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해수식 기화기(Seawater type vaporizer) - Open Rack Vaporizer (ORV)

세계 LNG vaporizer의 90% 이상을 차지하는 type으로 바닷물을 열원으로 이용하여 heating cost와 CO2 emission을 줄일 수 있다. 열전달 효율을 개선하고 tube외면에서의 icing을 방지하기 위한 기술에 따라 maker별로 기화되는 성능 차이가 존재한다. LNG가 흐르는 tube는 aluminum alloy의 재질로서 heat transfer panel을 구성하며 ORV의 핵심이다. 해수는 panel표면의 위에서 아래로 내려가며 온도가 내려가고 반면 LNG는 panel을 구성하는 tube의 아래에서 공급되어 위로 올라가면서 천연가스로 상변화된다.

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열원으로 해수를 이용하므로 바닷물의 온도가 너무 낮으면 효율이 낮을 수 있어서 적어도 5도 이상은 되어야 한다. 아울러 해조류에 의한 막힘 등 열전달에 영향을 줄 수 있어서 바닷물에 치아 염소산염을 주입하여 해조류의 성장을 억제해야 한다.

 

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장점으로 운전비를 줄일 수 있으며 open rack 구조가 간단하여 운전 모니터링, 유지관리 및 검사가 용이하다. 특히 이 type은 가장 안전하고 가장 신뢰도가 높은 설비이다. ORV LNG vaporizier는 온도차가 큼으로 사용되는 재료는 내구성과 부식성 등이 충분히 검증되어야 하며, 해수의 부식성을 다루어야 함으로 랙(Rack)은 저온 작동 온도에 견딜 수 있는 핀이 있는 알루미늄 튜빙으로 구성되어 있으며, 염수에 의한 부식에 대비하여 aluminum-zinc alloy 부식방지 코팅(metalizing)이 되어 있다. 일본 스미토모가 제작한 ORV를 세계적으로 많이 설치되어 운영중이다.

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연소 열 기화기(Submerged Combustion Vaporizer (SCV)

연소가스에 의해 가열된 물 혹은 EG solution을 통해 액체속에 잠긴 SS tube내부에서 간접 가열 방식으로 LNG가 기화가 되면서 운전을 하며 normal load시에도 사용하지만 bath의 heat capacity가 매우 커서 주로 초기 start-up이나 peak load fluctuation 혹은 emergency운전을 위해 설치한다.

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바닷물을 사용하지 않아 투자비를 줄일 수 있고 연소가스는 sparger pipe hole을 통해 물속에 주입이 되어 frothing two phase mixture를 형성한다. 이 흐름은 bube bundle을 따라 흐르면서 tube surface를 scrubbing하여 매우 compact한 구조에서 높은 수치의 열전달계수를 얻을 수 있다. 아울러 빠른 load변화에 대응이 용이하며 low carbon 계열의 SS를 사용하여 stress corrosion을 방지할 수 있다. 친환경 목적의 ultra low NOx와 CO emission을 위한 burner design을 적용한다.

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중간 유체 증발기(Intermediate Fluid Vaporizers)

 

IFV (Intermediate Fluid Vaporizer)는 오사카 가스에서 개발하였으며 intermediate fluid를 사용함에 따라 freezing에 노출되지 않고 heating medium의 폭넓은 온도 범위에서 운전이 가능하다. shell side의 intermediate fluid는 tube side로 흐르는 해수에 의해 증발이 일어나며 (Intermediate Fluid Vaporizer), 이 증발된 intermediate fluid는 다시 응축이 되어 tube side로 흐르는 LNG를 기화 (LNG Vaporizer)시킨다. 응축된 intermediate fluid는 다시 아래로 떨어져 shell bottom에 모이게 된다.

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마지막으로 기화된 NG는 shellside로 흐르면서 tube side로 유입되는 해수에 의해 대기온도까지 승온되어 송출된다. intermediate fluid는 프로판이나 부탄, EG solution 등을 사용한다.

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대기식 기화기(Ambient Air Vaporizer)

대기중 공기를 열원으로 이용하는 type으로 moving part가 없어서 운전비가 없고 유지관리비가 매우 낮지만 설치 면적이 크고 초기 투자비용이 큰 단점이 있다. 이는 LNG뿐만 아니라 액화질소나 액화산소 등을 기화하기 위해서도 많이 적용되고 있는 type이다. 크게는 자연대류와 fan을 이용한 강제대류 방식이 있으며 환절기나 습기가 많은 경우에는 운무나 서리 등이 발생되어 기화율이 떨어질 수 있다.

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대기중 공기를 이용하므로 친환경적이지만 효율을 높이기 위해 fan을 사용할 경우 운전비가 늘어나게 된다. 다른 방법으로는 예비용 자연대류형 기화기를 설치하여 peak load시에 LNG를 예비용 기화기로 주입하여 원하는 load를 맞출 수 있다.

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공기를 이용한 대류방식의 열전달을 통해 LNG는 천연가스로 기화가 되며 이 과정에서 열전달 면적을 높이기 위해 알루미늄으로 cladding된 tube가 설치된다.

Fin tube in a ambient air vaporizer (AAV) from bird eye view

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LNG 고압 기화기용 쉘앤튜브 열교환기 (J shell type-single tubepass)

LNG 고압 기화기용 쉘앤튜브 열교환기는 광범위한 온도와 압력조건에서 사용이 가능하며, 요구되는 용량에 따라 tube의길이, 수량, 직경, shell의 크기 등을 비교적 자유롭게 변화시키며 제작이 가능하기 때문에 다양한 산업분야에서 널리 활용된다.

TEMA NJ21N

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tube side로 흐르는 LNG는 shell side로 흐르는 열원인 물이나 steam, EG solution에 의해 NG의 가스로 기화된다. 주로 사용되는 재질은 초저온 공정에서 견딜 수 있는 304L, 316L이나 티타늄 등이다. S&T vaporizer의 장점으로는 열전달 효율이 높고 다양하게 적용할 수 있으며 상대적으로 간단하고 유지관리가 용이하다.

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TEMA BJ21M Heat Exchanger with One Tube Pass

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