HFO 냉매를 사용한 저폭발성 친환경 LNG 선박 BOG 재액화 공정에 관한 연구

Abstract

최근 LNG(액화천연가스, Liquefied Natural Gas) carrier의 화물 탱크에서 발생하는 BOG(Boil-Off Gas)를 선박 연료로 사용하는 시스템에 대한 관심이 높아진 가운데, 이 중 열효율이 좋고 별도의 장치 없이 SOx, NOx 관련 IMO 환경규제를 만족하는 2-Stroke dual fuel low pressure gas injection 엔진이 주목을 받고 있다. 그러나, BOG를 연료로 사용하더라도 연료 소모량을 제외한 잉여 BOG가 발생한다. 이로 인한 경제적 손실을 줄이기 위해 선박 내부에 BOG 재액화 시스템을 탑재하는 방식이 채택되고 있다. BOG를 재액화 하는 방법 중 하나로 외부냉매 사이클 사용하여 액화시키는 방법이 있다. 이 시스템은 일반적인 천연가스 액화 공정과 같이 외부냉매 사이클을 이용하여 BOG를 액화시킨 후 LNG 저장 탱크에 재유입하는 시스템이다. 현재 일반적으로 사용되는 액화 사이클은 N2 Brayton cycle이다. 하지만 N2 Brayton cycle의 경우 N2 단일냉매를 사용하기 때문에 에너지 효율이 좋지 않은 단점을 가지고 있다. 이를 보완하기 위해 SMR(Snigle Mixed Refrigerant) 공정과 같이 혼합냉매를 사용한 BOG 재액화 시스템에 대한 연구가 진행 중이다. 대부분의 연구의 경우 혼합냉매로 탄화수소 냉매를 사용한다. 하지만 탄화수소 냉매의 경우, ASHRAE(American Society of Heating, Refrigerating and Air conditioning Engineer Foundation)에서 지정한 Refrigerant Safety Classification의 A1에 해당하는 고폭발성 냉매로 폭발 사고 발생 시 피해가 크다. HCFC, HFC, PFC와 같은 비폭발성 냉매로 혼합냉매를 구성하는 연구도 존재하지만, 위 비폭발성 냉매의 경우 지구온난화지수가 매우 높은 냉매로 국제적 협약에 의해 사용이 제한되거나 제한될 예정이다. 최근 친환경 냉매에 대한 관심이 높아지며 그 중 HFO 계열의 냉매가 주목을 받고 있다. HFO 냉매는 지구온난화지수가 낮은 친환경 냉매이다. 하지만, HFO 계열의 냉매는 완전 비폭발성 냉매가 아니라 ASHRAE refigerant safety classification A2L group에 해당하는 가연성과 가연속도가 낮은 저폭발성 냉매이다. 현재 HFO 냉매를 사용한 BOG 재액화에 관한 연구가 부족하며, 탄화수소나 비폭발성 냉매와 비교하여, 효율, 안전성, 친환경성이 어떻게 차이가 나는지 알려진 바가 없다. 본 연구는 이를 주목하여 BOG 재액화 시스템 시뮬레이션을 통해 HFO 혼합냉매가 탄화수소 혼합냉매에 비해 효율, 안전성, 환경성에서 어떠한 차이를 보이는지 확인하고자 한다. 시뮬레이션은 상용 화학 공정 시뮬레이터인 ASPEN HYSYS을 사용하였으며, 외부 최적화 알고리즘을 이용해 시뮬레이션을 최적화하고 그 결과를 비교하였다. 최적화 결과를 토대로 폭발 위험도 분석을 시행하였으며, 냉매의 조성에 따른 지구온난화 지수를 추산하였다.

With growing interest in systems that use Boil-Off Gas (BOG) from cargo tanks of LNG(Liquefied Natural Gas) as ship fuel, two-Stroke dual gas engines that have good thermal efficiency and meet the IMO environmental regulations related to SOx and NOx without separate devices are receiving attention. However, although BOG is used as fuel, surplus BOG other than fuel consumption occurs. To reduce the economic losses resulting from surplus BOG, the method of loading the BOG re-liquefaction system inside the vessel is being adopted. One method of re-liquefying BOG is to liquefy it using an external refrigerant cycle. Such as conventional natural gas liquefaction process, BOG is liquefied by using an external refrigerant cycle and liquefied BOG is re-entered to LNG storage tank. The current commonly used liquefaction cycle is the N2 Brayton cycle. However, in the case of the N2 Brayton cycle, it has a disadvantage of being energy efficient because it uses N2 single refrigerant. To compensate for this, studies are underway on the BOG re-liquefaction system using mixed refrigerant, such as the SMR (Single Mixed Refrigerant) process. For most studies, hydrocarbon refrigerant is used as a mixed refrigerant. However, hydrocarbon refrigerants are high explosive refrigerant equivalent to A1 of the Refrigeration Safety Classification as specified by ASHRAE (American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineer Foundation) and very damaging in the event of an explosion. There are studies that make up the mixture with non-explosive refrigerant such as HCFC, HFC and PFC, but in the case of the above non-explosive refrigerants, the use will be limited or restricted by international conventions since non-explosive refrigerants have a very high global warming potential. Recently, the interest in eco-friendly refrigerant has been increasing, and among them, HFO-based refrigerant is gaining attention. HFO refrigerant is an eco-friendly refrigerant with a low global warming index. However, the HFO family refrigerant is not a completely non-explosive refrigerant, but a low explosive refrigerant with low flammability and low continuity corresponding to the ASHRAE refrigerant safety classification A2L group. There is currently a lack of research on BOG re-liquefaction using HFO refrigerant, and it is not known how efficiency, safety and eco-friendly differ compared to hydrocarbons or non-explosive refrigerant. This study focuses on this and attempts to confirm the difference in efficiency, safety, and environment of HFO mixed refrigerants compared to hydrocarbon mixed refrigerants through simulation of BOG reliquefaction system. For simulation, ASPEN HYSYS, a commercial chemical process simulator, was used, and the simulation was optimized using an external optimization algorithm and the results were compared. Based on the optimization results, an explosion risk analysis was performed, and the global warming potential was estimated according to the composition of the refrigerant.