LNG기화기는 아시아시장이 전 세계 물량의 40% 차지
세계 LNG터미널 95% 이상이 해수식 기화기 사용
애월 AAV 송출시스템 성공 시 기술력 향상 기대
천연가스 수요 증가는 기자재 국산화에 동기부여
1. 개요
일반적으로 산업계에서 활용하는 초저온(Cryogenic·극저온이라고 하는데 여기서는 초저온이라고 호칭)유체는 영하 50℃에서 영하 200℃까지의 액체상태의 유체로서 액체질소, 액체산소, 액체아르곤, LNG, 에틸렌계 및 액화탄산가스등이다.
그 이하는 극저온 유체로 영하 200℃이하로서 액화수소, 액화헬륨, 액화네온 등 그 수가 극히 제한적이다. 이들 유체를 산업용 에너지로 활용하기 위해서는 복잡한 열정산 과정을 거쳐야하는 어려움이 있다. 특히 에너지이용을 극대화하기 위하여 상변화(Phase)과정을 계산하기 위한 열역학은 난해한 계산과정이 필요하며 그 결과 수치를 에너지활용 장치를 설계하는데 반영하고 있다. 이번 기고에서는 화석에너지 자원한계와 기후변화에 대응하는 환경정책에 따라 그 활용 범위가 확대되고 있는 LNG(Liquefied Natural Gas) 기화시스템에 대한 기술개발현황을 소개한다.
2. LNG기화기 개요
LNG기화기(Vaporizer)는 일반 산업용 초저온기화기에 비해 고압이며 대용량이다. 그 활용범위는 LNG 터미널의 기화송출설비에서부터 육상 천연가스발전설비의 위성기지 송출설비 및 해상송출설비인 FSRU(Floating, Storage, re-Gasification Unit)와 그 규모는 다소 작지만 대형선박의 엔진연료공급용 기화기 등으로 점차 확대되고 있다.
LNG 기화기 종류로는 오픈랙 기화기(ORV.open rack vaporizer), 수중 연소식 기화기 (SCV-Submeged Combustion Vaporizer), 쉘 및 튜브 기화기(STV-Shell and Tube Vaporizer), 중간 유체 기화기(IFV-Itermediate Fluid Vaporizers) 및 주위의 대기공기 열을 이용하여 열을 교환하는 대기식 또는 강제 통풍식 공기 기화기(AAV 또는 FDAAV)등이 있다.
LNG를 경제적으로 활용하기 위하여 기화가스(NG)로 상변화 시키는 데는 상호 열매체간의 온도차가 180°C∼5°C 정도로 상당히 크기 때문에 각 기화기 형식에 대한 열정산에는 고도의 전문엔지니어링 기술이 필요하다. LNG 기화기는 설치 예정지역 주변의 지리 및 기상학과 관련된 환경요인이 절대적으로 필요하나 관련된 논문이나 공인된 기술적 데이터 등의 자료가 아직은 많이 부족한 실정이다. 2016년 9월 29일 발행된 POSCO경영연구소의 POSRI 이슈리포트에 따르면 새로운 형태의 LNG터미널인 부유식 저장·재기화 설비 즉 FSRU(Floating Storage Re-gasification Unit)시스템 도입이 아시아, 중동, 중남미 등의 신흥국 중심으로 확대될 것으로 분석하고 있어, 침체된 해양플랜트 산업의 틈새시장으로 주목 받을 것으로 보임에 따라 본 기고는 LNG기화기 기술개발에 대한 기업들의 관심을 유도하기 위하여 개략적으로 소개하고자한다.
3. 대용량 LNG 기화기의 종류
3-1 해수식 기화기(Seawater type vaporizer)
일명 ORV(Open Rack Vaporizer)라고도 하며 바닷물(Sea water)을 열매체로 이용하여 LNG를 기화시키는 것으로 해수온도가 5℃ 이상인 경우에만 효과적인 것으로 알려져 있다. LNG 터미널이 설치된 해안지역 해수를 다량으로 사용하는 기화기로, 해수를 열매체로 사용하기 위해서는 치아 염소산염 등을 주입한 해조류 성장을 제어하기 위해 시스템에서 정화 처리된 해수를 기화기 상부의 물받이로 보내지며 기화기 하부로 해수를 흘러 열교환이 일어나도록 하는 구조다.
LNG를 포함한 대부분의 초저온기화기는 온도차가 큼으로 사용되는 재료는 내구성과 부식성 등이 충분히 검정되어야하며 ORV의 경우에는 해수의 부식성을 다루어야 함으로 랙(Rack)은 저온 작동 온도에 견딜 수 있는 핀이 있는 알루미늄 튜빙으로 구성되어 있으며 염수에 의한 부식에 대비하여 부식방지코팅(metalizing)이 되어 있다. 국내에서는 현재 건설 중인 제주도를 제외하고는 100%가 해수식 기화기 이며 국내업체 제품은 하나도 없고 95% 이상이 일본제품이다. 그 중 스미토모(SUMITOMO)는 전 세계 ORV 75%이상을 차지하고 있다. 현재 국내에 설치된 ORV수는 대략 45기 정도이며 KOGAS의 표준용량은 120톤/h 이나 실제로는 180톤/h 용량이 주로 설치되고 있다.
3-2 연소 열 기화기(Combustion Heat Vaporizer.)
연소 열 기화기는 열매체를 연료로 가열하여 LNG를 기화시키는 방식으로 보일러와 같은 원리를 적용하며 연료로는 천연가스를 비롯하여 전기. 기름, 스팀 등 열을 발생시킬 수 있는 에너지는 모두 사용이 가능하나 현재의 연소식 기화기는 천연가스를 주로 사용하고 있다. 국내에서는 이 기화기의 호칭을 수중연소식기화기(SCV-Submerged Combustion Vaporizer)이지만 KOGAS에서는 이를 SMV로 통한다. LNG의 가열은 튜브내로 LNG가 흐르게 하고 주변에는 물 또는 글리콜혼합액(부동액)을 채운 수조에 잠기게 하고 연소버너로 열매체를 50~80℃정도로 가열하여 LNG를 기체화시키는 간접가열방식이다.
국내에는 약 54기 정도가 운영되고 있으며 KOGAS의 표준 설계용량은 시간당 처리능력이 130톤 정도이다.
3-3 중간 유체 증발기(Intermediate Fluid Vaporizers)
중간 유체 증발기(IFV)는 폐쇄 루프, 개방 루프 또는 복합 시스템에서 작동하도록 구성 되어 있으며 일반적으로 프로판, 냉매 또는 물+글리콜 혼합액을 열매체로 사용하는 시스템이다.
물+글리콜혼합. 프로판 열매체는 비용이 많이 들고 조작상의 위험이 높지만 열전달에 이상적인 낮은 인화점을 가지고 있다. 물+글리콜 혼합 열매체는 비용이 효과적이며 관련 운영 위험은 상대적으로 낮다. 개방 루프 IFV는 해수(seawater)가 필요하며 환경문제가 발생하고 주변 해수로의 해수의 저온 배출뿐만 아니라 중간 공기는 연소시스템 및 관련 연소 배출물에 대한 대기환경 등 복합된 구조로 인해 인도 등 일부 국가의 LNG터미널에서 운영되고 있다.
3-4 대기식 기화기(Ambient Air Vaporizer)
대기식기화기(AAV)는 주변공기를 열매체로 활용하는 기술로서 산업용 초저온가스 기화기로 자리 매김해 왔다. 일반적으로 자연대류식과 강제대류식 2종류로 구분 사용되고 있으며 주변의 기후환경변화에 따라 운전 컨트롤기술이 필요하며 처리용량이 비교적 큰 기화기는 환절기 또는 습기가 많은 날에는 다량의 운무(Fuzzy)발생과 서리(Frost)발생으로 기화율이 떨어짐으로 이를 재 기화시키는 장치(Trim heater)가 필요하며 다른 기화기에 비해 넓은 설치면적과 초기투자비용이 많이 들지만 운영 면에서 우위를 차지하며 친환경적으로 환경문제 발생이 적고 자연대류식은 유지관리비가 거의 들지 않으며 필요에 따라 예비용 기화기로 대체가능하나 강제대류식은 송풍기 가동에 전기에너지가 필요하다. 자연대류식에 비해 강제대류식기화기는 1.7배에서 2배 정도 효율이 좋은 것으로 알려져 있다. LNG와 같이 고압의 대용량(3.5톤/h)을 장시간 운전을 목적으로 설계시에는 습공기의 물리적 역학과 서리발생 및 적정송풍량 산정에 많은 이론적 배경과 실정적 데이터가 필요하다.
흔히들 습도가 높은 날 화재가 많이 발생한다는 말이 있는데 이 논리와 비슷하다. 한국가스공사 인천생산기지에서는 2016년도에 시간당 100톤의 LNG를 기화처리 할 수 있는 능력을 갖춘 파이롯트 플랜트인 강제송풍식 기화시스템(Forced Draft ambient air vaporizer)을 설치하고 시운전중이다. 이는 대기식 기화기를 대용량의 LNG를 상업용 목적으로 처음 시도한 것으로 주변의 공기를 친환경적으로 열교환 매체로 활용할 수 있는 가능성을 보여주고 있으며 향후 LNG터미널의 기화송출 시스템에 기술적 변화가 있을 것으로 기대하고 있다. 이 기화시스템과 이와 연관된 재상용 열교환기 및 워터베스 형식의 재가열기화기(Trim heater)등은 순수 국내기술로 제작되었으며 현재 건설 중인 제주도 애월 터미널의 AAV기화 송출시스템이 성공적으로 이루어진다면 국내업체들의 초저온 열교환기 기술은 유럽 및 미국업체 등 세계적인 업체들과 동등한 위치에서 경쟁할 수 있을 것으로 예상된다.
3-5 떠다니는 저장시설의 기화장치(Vaporizer of a floating storage facility)
최근에는 FSRU(Floating Storage and Regasification Unit)로 알려진 새로운 LNG터미널 기술이 주목을 받고 있는데 이는 육상 LNG 터미널 건설은 계획에서부터 상업용 개시까지 최대 5년 이상의 장기간이 소요되는 반면 FSRU는 12∼24개월의 단기간 내에 상업운전을 할 수 있는 동남아지역의 장점으로 비교적 규모가 작은 발전소 연료용 LNG공급 위성기지용으로 부각되고 있다. FSRU 시설의 기화 송출설비는 특성상 좁은 공간에 많은 양을 처리하기 때문에 콤팩트한 장치를 필요로 하며 육상 터미널용 기화기와는 별로 다른 점이 없으며 열매체로는 해수를 사용한다는 점이며 종류로는 ORV 또는 셸 및 튜브, 워터베스 등이며 최근에 부각되기 시작하는 강제기화식 기화기도 해풍의 특성을 이용하면 충분한 경쟁력이 있다고 판단된다. 얼마 전 국내의 중견엔지니어링사와 열교환기 전문제작업체와 공동으로 터키의 발전소 사업자로부터 해수를 열매체로 하는 쉘 앤 튜브식 기화기 공급업체로 선정되었다는 보도가 있었다.
4. LNG기화기 시장현황
2017년 현재 전 세계적으로 건설 중인 LNG 재기화 송출 터미널은 133개소(IGU World LNG Report —2017 Edition)로 추정하고 있으며, 그 중 한국을 포함한 아시아 지역이 전 세계비중의 40% 이상의 비중을 차지하고 있다. 이들 LNG 터미널 기화송출설비 주력 기화기 95%가 해수식기화기(ORV)로 운영되고 있다.
FSRU Summit의 소개 자료에 따르면 2020년까지 해마다 4~5대 가량의 FSRU가 새롭게 가동될 전망인데, Credit Suisse는 잠재적으로 향후 최대 55건의 FSRU가 개발될 가능성이 있다고 내다보고 있다.
5. 결론
아래에 인용한 도표는 올해 초에 발표된 ‘IGU 2017년 LNG보고서’ 내용으로 2016년도 LNG수입처리 및 2022년도까지 사용량 예측을 제시하는 바와 같이 아시아권이 LNG시장을 주도하고 있으며 그중 우리나라는 일본 다음이다. 기후환경변화에 대응하는 에너지플랜트 시장이 청정에너지인 천연가스로 재편됨에 따라 성장률도 꾸준히 매년 증가하고 있으며 또 단일규모로는 세계 최대인 LNG 재기화 송출 터미널이 대한민국 인천에 위치하고 있으며 LNG 터미널 운영기술과 세계 최고의 선박 건조국이라는 명예를 유지하기 위해서라도 LNG터미널 구성 기자재도 국산화하는데 동기부여가 되었으면 하는 마음이다.