KR101359504B1 - 이산화탄소 운영 시스템 및 방법 - Google Patents

이산화탄소 운영 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

이산화탄소 운영 시스템 및 방법이 개시된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 운영 시스템은 이산화탄소 임시 저장소에서 상기 이산화탄소 저장탱크로 연결된 이산화탄소 공급라인, 상기 이산화탄소 저장탱크로부터 이산화탄소 저장소까지 연장되고, 가압펌프, 기화장치 및 제 2 가열장치가 설치된 이산화탄소 주입라인, 이산화탄소 저장탱크 상부에 연결되고, 제 3 가열장치 및 이산화탄소 분리막이 설치된 이산화탄소 기상라인 및 상기 이산화탄소 분리막의 외부로 연장되어 비응축성 가스가 배출되는 제 2 가스배출라인을 포함한다.

Description

이산화탄소 운영 시스템 및 방법{Carbon Dioxide Handling System And Method}
본 출원은 이산화탄소 운영 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 이산화탄소 저장탱크에서 발생하는 기상 이산화탄소를 대기로 방출하지 않고 액화시킨 이산화탄소를 다시 이산화탄소 저장탱크로 되돌리는 이산화탄소 운영 시스템 및 방법에 관한 것이다.
이산화탄소는 지구 온난화 가스 중 대략 70%를 차지하고 있으며, 다량의 발생원인 화력발전소에서 이산화탄소를 포집하여, 이를 격리시키기 위해 해양 대수층, 해수 지층, 가스 및 원유 생산 시 압력을 보상하는 가스 혹은 가스 및 원유 생산이 완료된 빈 공간에 저장하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
액상 이산화탄소를 해당 지역까지 이송하기 위해 파이프 라인과 이산화탄소 수송선을 활용될 것으로 전망된다. 이 때 이산화탄소 수송선은 하나의 대안으로 인식되고 있다.
종래의 이산화탄소의 운반은 소용량의 고압용기(15~30 bar)로 식용으로 사용하는 이산화탄소 운반선이 운용되고 있으며, 발생되는 증발가스의 양이 작아 대기 방출하였다. 그러나 1만 톤/회 이상의 대용량을 운송하는 대용량 운반선에서는 이를 대기 방출하는 것은 환경적인 문제뿐 만 아니라 경제적 측면에서도 불리하다. 따라서 대기방출 없이 운송하는 방법을 개발할 필요가 대두 되었다.
한편, 대용량으로 운송하기 위해 저장탱크의 설계 압력을 낮추는 것은 경제적 측면에서 유리하다. 수송선 측면에서 저장압력을 높게 하는 것은 압력 용기의 두께가 매우 커져서 구조적 안전성 및 안정성 문제점이 내재하고 있다.
반면에, 대용량의 이산화탄소 운송은 증발가스 생성량 및 이산화탄소의 조성 측면에서는 불리하다. 따라서 어느 정도 비 응축성 가스의 조성에 관계없이 낮은 압력에서도 액상 저장이 가능한 기술이 필요하다.
종래기술 대한민국 특허출원 제10-2008-0127318호에 따르면, 이산화탄소 및 다른 화물을 동시에 선적할 수 있는 개념특허가 출원되었으나 구체적으로 선박 내에 설치된 이산화탄소의 운영 시스템 이에 따른 이산화탄소 운영 방법에 대해 나타나 있지 않다.
또한 이산화탄소를 운반선의 저장탱크 내에 특정 흡착제를 설치하여 기상 흡착하여 저장하여 운반하는 개념의 연구되고 있다. 대량 포집은 연속 공정이므로 액상 저장되거나 파이프라인 이송되어야 한다. 액상 이산화탄소의 선적 시 불필요하게 다시 가열하여야 하며, 파이프라인의 경우에는 선박에 선적하는 시간이 매우 길어지며, 이 때 발생된 미흡착 이산화탄소를 재순환하기 위해서는 많은 비용이 드는 단점이 있다. 또한 일반적으로 상용 흡착제의 겉보기 밀도(Bulk Density)가 0.6~0.8 g/cm3사이에 존재하여 50,000 m3의 1/3만 차지하면 대략 12,500 ton을 항상 싣고 다니는 단점이 있다.
따라서 이산화탄소 수송선은 액상 수송하는 것이 일반적이다. 이송하는 이산화탄소를 액상으로 유지하기 위해서는 삼중점(-56.6 ℃에서 5.18 bar) 이상을 유지하여야 하며, 초임계(31.1 ℃, 74.8 bar) 이하가 되어야 한다. 그러나 저장탱크 내로 열이 전달되거나, 탱크 내부에서 유체의 운동에너지 축적으로 상당한 양의 이산화탄소가 증발된다. 이를 경제적으로 처리하는 것은 매우 중요하다.
현재 이산화탄소는 음료용으로 사용하기 위해 생산하고 있으며, 그 방법은 기상에서 고농도로 이산화탄소가 포함된 혼합가스를 전 처리하고, 이를 압축한 후 녹아웃드럼(Knock out drum)에서 물을 제거하며, 기상의 이산화탄소를 다시 압축한 후 암모니아-물을 활용한 흡수식 냉동기를 이용하여 2단 액화시켜 액상 이산화탄소를 생산한다. 생산된 액상 이산화탄소의 저장 시 (-25 ℃ 근처 18~20 bar) 발생한 증발가스는 다시 압축기 전 공정으로 보내어 재 압축하고, 응축하는 순환공정으로 구성하여 생산하고 있다.
그러나 대용량 이산화탄소 운반선에서 저장압력이 낮은 경우, 이산화탄소의 삼중점 근처에서는 암모니아-물을 활용한 흡수식 냉동기를 활용하여 액화시켜 다시 저장 탱크로 보내기에는 공정이 복잡하고 운전비와 투자비가 크다는 단점이 있다.
특히, 저장압력이 낮은 경우에는 상대적으로 비응축성 가스의 비가 증가하여 이산화탄소의 가압 시 더 낮은 온도를 요구하며, 특히 이산화탄소의 삼중점 이하로 떨어지는 경우가 발생할 우려가 있어 운전적 측면에서 불리하다.
또한, 최근에는 전통적인 연소 후 포집(Post-Combustion) 외에도 연소 전 포집(Pre-Combustion)에 해당하는 석탄 가스화 복합발전 (IGCC, Integrated Gasification Combined Cycle)과 순 산소 연소(Oxy Fuel) 포집과 같은 방법으로 이산화탄소를 포집할 경우, 이산화탄소 내 비 응축 성 가스의 함량이 다량 함유되어 있다.
다음 표 1은 연소별 포집된 이산화탄소, 포집 후 처리 및 증발가스 조성에 관한 것이다.
아래 표 1에서 포집 후 처리 1은 비 응축가스를 일부 제거하고 재순환된 조성이고, 증발가스 2는 7 bar에서 상기 증발가스가 저장탱크 부피의 0.0015/day 정도 발생하는 조건이다.
성분 Pre-combustion(IGCC) Post-combustion Oxyfuel
　 포집 포집후
처리1 		증발가스2 포집 증발가스2 포집 포집후처리1 증발가스2
CO2 95.552 99.573 67.732 99.740 86.879 89.955 99.379 76.443
CH4 0.020 0.002 0.059 0.010 0.280 0.000 0.000 0.000
N2 0.350 0.184 13.988 0.170 12.480 3.538 0.197 14.710
H2S 1.000 0.105 0.063 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
C2+ 0.010 0.001 0.004 0.010 0.042 0.000 0.000 0.000
CO 0.230 0.024 1.851 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
O2 0.000 0.000 0.000 0.010 0.318 1.799 0.100 3.159
NOx 0.000 0.000 0.000 0.010 0.000 0.150 0.017 0.000
SOx 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 1.499 0.084 0.002
H2 2.759 0.058 16.282 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000
Ar 0.030 0.001 0.020 0.000 0.000 3.008 0.168 5.686
H2O 0.050 0.052 0.000 0.050 0.001 0.050 0.055 0.001
Tot-al 100.000 100.000 100.000 100.000 100.000 100.000 100.000 100.000
상기 표 1에서와 같이, 석탄 가스화 복합발전(IGCC)에서는 질소(N2)와 수소(H2)의 함량이 크고, 순산소 연소의 경우엔 질소(N2), 산소(O2), 아르곤(Ar) 함량이 많아 순수한 이산화탄소의 삼중점 근처인 7bar에서 농축된 포집 가스가 모두 액화 되지 않아 육상 포집원에서 일부 비응축성 가스를 제거하여야 한다.
이는 이산화탄소를 해상에서 운송하는데 커다란 단점으로 작용된다. 또한, 표 1에서 보는 바와 같이, 해상 운송을 위해서는 적어도 이산화탄소의 농도가 99.5 mole % 이상은 되어야 7bar 압력 근처에서 이산화탄소 저장탱크에 저장이 가능하다.
한편, 이산화탄소 저장탱크내의 이산화탄소 저장압력이 낮을 경우, 상대적으로 증발가스의 양이 증가하고 비응축성 가스의 비율이 증가하여 액화설비로 이를 액화하기 쉽지 않은 문제점이 있었다.
본 출원은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 액상 이산화탄소의 수송 중에 발생된 증발가스인 기상 이산화탄소를 재액화시키기 위해서 별도의 냉동 설비를 갖추지 않고, 발생된 증발가스에서 이산화탄소는 대기에 배출하지 않으면서 비응축성 가스만을 대기 방출할 수 있는 이산화탄소 운영 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 이산화탄소 저장탱크 상부에 연결되어 기상 이산화탄소가 이동하는 이산화탄소 기상라인, 상기 이산화탄소 저장탱크에 연결되어 액상 이산화탄소가 이동하는 이산화탄소 액상라인, 상기 이산화탄소 기상라인과 상기 이산화탄소 액상라인이 연결되어 상기 기상 이산화탄소와 상기 액상 이산화탄소가 혼합되는 라인혼합부 및 상기 라인혼합부로부터 연결되며, 상기 기상 이산화탄소를 액화시키는 이산화탄소 액화 장치를 포함하는 이산화탄소 운영 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소 액화 장치는 액화천연가스 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 액화천연가스 저장소까지 운송하기 위한 액화천연가스 공급라인, 상기 액화천연가스 공급라인에 설치된 흡입기, 가압펌프, 및 제 1 가열장치, 상기 가압펌프 후단의 상기 액화천연가스 공급라인에서 분기되어 상기 제 1 가열장치 전단의 상기 액화천연가스 공급라인에 다시 연결되는 액화천연가스 액화라인, 상기 라인혼합부와 연결되며, 상기 액화천연가스 액화라인에 설치된 열교환기, 상기 열교환기에 연결되어 비응축성 가스가 대기로 배출되는 제 1 가스배출라인 및 상기 열교환기에서 상기 이산화탄소 저장탱크로 연결되는 이산화탄소 재순환라인을 포함할 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소 기상라인은 상기 기상 이산화탄소를 압축하는 압축기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소 기상라인은 상기 압력가열수단 전단에 설치되어 액체를 흡수하는 녹아웃드럼을 포함할 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소 재순환라인은 상기 액상 이산화탄소를 상기 이산화탄소 저장탱크로 재순환되도록 재순환펌프를 포함할 수 있다.
또한, 이산화탄소 임시 저장소에서 상기 이산화탄소 저장탱크로 연결된 이산화탄소 공급라인, 상기 이산화탄소 저장탱크로부터 이산화탄소 저장소까지 연장되고, 가압펌프, 기화장치 및 제 2 가열장치가 설치된 이산화탄소 주입라인, 재생가스원으로부터 상기 흡착탑 전단의 상기 이산화탄소 기상라인에 연결되고, 제 4 가열장치가 설치된 재생가스 공급라인 및 상기 흡착탑 후단의 상기 이산화탄소 기상라인에서 분기되어 외부로 연장된 제 2 가스배출라인를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 흡착탑의 개수는 두 개 이상이고, 병렬로 배치될 수 있다.
또한, 상기 흡착탑에 사용되는 흡착제는 활성탄, 제오라이트, 분자체 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 이산화탄소 운영 시스템은 이산화탄소 저장탱크에 저장된 이산화탄소와 혼합된 물 또는 황화합물을 흡착하기 위해 상기 흡착탑 이전의 상기 이산화탄소 기상라인에 설치된 가이드 흡착탑을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 가이드 흡착탑에 사용되는 흡착제는 3A, 4A 및 13X의 제오라이트, 분자체, 실리카겔 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 재생가스는 질소 혹은 건조 공기를 포함할 수 있다.
또한, 이산화탄소 운영 시스템은 가압펌프 전단의 상기 이산화탄소 주입라인의 도중에 분기되어 상기 이산화탄소 저장탱크에 연결되는 제 1 이산화탄소 회수라인과 상기 제 1 이산화탄소 회수라인에 설치된 기화용 열교환기를 더 포함할 수 있다.
또한, 이산화탄소 운영 시스템은 기화장치 후단의 상기 이산화탄소 주입라인의 도중에 분기되어 상기 이산화탄소 저장탱크에 연결된 제 2 이산화탄소 회수라인을 더 포함할 수 있다.
또한, 이산화탄소 운영 시스템은 이산화탄소 저장탱크 내에 설치된 배출펌프에서 인출되어 다시 상기 이산화탄소 저장탱크와 연결되는 제 3이산화탄소 회수라인과 상기 제 3 이산화탄소 회수라인에 설치된 기화용 열교환기를 더 포함할 수 있다.
또한, 이산화탄소 운영 시스템은 이산화탄소 임시 저장소에서 상기 이산화탄소를 운송하기 위하여 상기 이산화탄소 저장탱크에 연결된 이산화탄소 공급라인과 상기 이산화탄소 공급라인에서 분기되어 상기 이산화탄소 저장탱크 상부와 연결된 기상 이산화탄소 공급라인과 상기 이산화탄소 저장탱크 하부에 연결된 액상 이산화탄소 공급라인을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 기상 이산화탄소 공급라인에는 다수의 노즐이 설치될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 이산화탄소 임시 저장소에서 상기 이산화탄소 저장탱크로 연결된 이산화탄소 공급라인, 상기 이산화탄소 저장탱크로부터 이산화탄소 저장소까지 연장되고, 가압펌프, 기화장치 및 제 2 가열장치가 설치된 이산화탄소 주입라인, 이산화탄소 저장탱크 상부에 연결되고, 제 3 가열장치 및 이산화탄소 분리막이 설치된 이산화탄소 기상라인 및 상기 이산화탄소 분리막의 외부로 연장되어 비응축성 가스가 배출되는 제 2 가스배출라인을 포함할 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소 저장탱크에 연결되어 액상 이산화탄소가 이동하는 이산화탄소 액상라인, 상기 이산화탄소 기상라인과 상기 이산화탄소 액상라인이 연결되어 상기 기상 이산화탄소와 상기 액상 이산화탄소가 혼합되는 라인혼합부 및 상기 라인혼합부로부터 연결되며, 상기 기상 이산화탄소를 액화시키는 이산화탄소 액화 장치를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소 액화 장치는 상기 액화천연가스 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 액화천연가스 저장소까지 운송하기 위한 액화천연가스 공급라인, 상기 액화천연가스 공급라인에 설치된 흡입기, 가압펌프 및 제 1 가열장치, 상기 가압펌프 후단의 상기 액화천연가스 공급라인에서 분기되어 상기 제 1 가열장치 전단의 상기 액화천연가스 공급라인에 연결되는 액화천연가스 액화라인, 상기 라인혼합부와 연결되며, 상기 액화천연가스 액화라인에 설치된 열교환기, 상기 열교환기에 연결되어 비응축성 가스가 배출되는 제 1 가스배출라인 및 상기 열교환기에서 상기 이산화탄소 저장탱크로 연결되는 이산화탄소 재순환라인을 포함할 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소 기상라인은 상기 기상 이산화탄소를 압축하는 압축기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소 재순환라인은 상기 액상 이산화탄소를 상기 이산화탄소 저장탱크로 재순환되도록 재순환펌프를 포함할 수 있다.
또한, 이산화탄소 운영 시스템은 상기 이산화탄소 저장탱크에 저장된 이산화탄소와 혼합된 물 또는 황화합물을 흡착하기 위해 상기 이산화탄소 분리막 이전의 상기 이산화탄소 기상라인에 설치된 가이드 흡착탑을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소 분리막의 소재는 Cardo Polyamide, Dendrimer, Y-제오라이트, 실리카, 카본, 카본 실리카 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 이산화탄소 운영 시스템은 상기 가압펌프 전단의 상기 이산화탄소 주입라인에서 분기되어 상기 이산화탄소 저장탱크에 연결되는 제 1 이산화탄소 회수라인과 상기 제 1 이산화탄소 회수라인에 설치된 기화용 열교환기를 더 포함할 수 있다.
또한, 이산화탄소 운영 시스템은 상기 제 2 기화장치 후단의 상기 이산화탄소 주입라인에서 분기되어 상기 이산화탄소 저장탱크에 연결된 제 2 이산화탄소 회수라인을 더 포함할 수 있다.
또한, 이산화탄소 운영 시스템은 상기 이산화탄소 저장탱크 내에 설치된 배출펌프에서 인출되어 다시 상기 이산화탄소 저장탱크와 연결되는 제 3이산화탄소 회수라인과 상기 제 3 이산화탄소 회수라인에 설치된 기화용 열교환기를 더 포함할 수 있다.
또한, 이산화탄소 운영 시스템은 이산화탄소 임시 저장소에서 상기 이산화탄소를 운송하기 위하여 상기 이산화탄소 저장탱크에 연결된 이산화탄소 공급라인과 상기 이산화탄소 공급라인에서 분기되어 상기 이산화탄소 저장탱크 상부와 연결된 기상 이산화탄소 공급라인과 상기 이산화탄소 저장탱크 하부에 연결된 액상 이산화탄소 공급라인을 더 포함할 수 있다.
또한, 기상 이산화탄소 공급라인에는 다수의 노즐이 설치될 수 있다.
또한, 이산화탄소 운영 시스템은 상기 이산화탄소 저장탱크 상부에 연결되어 육상 포집원까지 연장 가능한 제 1 이송용 라인을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 이산화탄소 운영 방법은 이산화탄소 저장탱크에 저장된 이산화탄소를 가압 및 기화시켜 이산화탄소 저장소에 공급하는 단계, 상기 이산화탄소 저장탱크에서 발생한 기상 이산화탄소를 흡착탑에서 흡착하는 단계, 재생가스를 공급하여 상기 흡착탑으로부터 상기 이산화탄소를 탈착하는 단계, 상기 탈착된 기상 이산화탄소가 액상 이산화탄소와 함께 라인혼합부에서 혼합하는 단계, 액화천연가스 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 열교환기에서 연결하여 기상 이산화탄소를 액화하는 단계, 액화된 상기 이산화탄소를 상기 이산화탄소 저장탱크로 재순환하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 기상 이산화탄소가 액상 이산화탄소와 라인혼합부에서 혼합하는 단계에서는 기상 이산화탄소와 액상 이산화탄소를 1: 4.5 ~ 5.7 비율로 혼합할 수 있다.
또한, 이산화탄소 운영 방법은 상기 기상 이산화탄소를 흡착 시, 상기 재생가스는 상기 흡착탑에서 외부로 연장된 제 2 가스배출라인을 통해 배출되는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 이산화탄소 운영 방법은 상기 기상 이산화탄소를 액화 시, 상기 열교환기에서 외부로 연장된 가스배출라인을 통해 비응축성 가스가 배출되는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 이산화탄소 운영 방법은 상기 이산화탄소 흡착 전에 상기 증발가스에 포함된 물과 황화합물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 이산화탄소 운영 방법은 상기 재생가스는 질소 혹은 건조 공기를 포함하고, 가열되어 상기 흡착탑에 공급되는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 재생가스의 가열은 엔진 폐열로 이루어질 수 있다.
또한, 이산화탄소 운영 방법은 상기 이산화탄소 저장소에 상기 이산화탄소를 운송 시, 상기 이산화탄소 공급경로에서 일부의 상기 이산화탄소를 기화시켜 만든 피스톤 가스를 상기 이산화탄소 저장탱크에 재공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 이산화탄소 운영 방법은 상기 이산화탄소 저장소에 상기 이산화탄소를 운송 시, 상기 이산화탄소 저장탱크에 저장된 상기 이산화탄소를 유출하여 기화시켜 만든 피스톤 가스를 상기 이산화탄소 저장탱크에 재공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 이산화탄소 운영 방법은 이산화탄소 저장탱크에 저장된 이산화탄소를 가압 및 기화시켜 이산화탄소 저장소에 공급하는 단계, 상기 이산화탄소 저장탱크에서 발생한 기상 이산화탄소를 이산화탄소 분리막을 통해 비응축성 가스를 배출하는 단계, 상기 이산화탄소 분리막을 통과한 상기 기상 이산화탄소를 액상 이산화탄소와 라인혼합부에서 혼합하는 단계, 액화천연가스 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 열교환기에서 냉매로 이용하여 기상 이산화탄소를 액화시키는 단계 및 액화된 상기 이산화탄소를 상기 이산화탄소 저장탱크로 재순환시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 이산화탄소 운영 방법은 상기 기상 이산화탄소를 액화 시, 상기 열교환기에서 외부로 연장된 가스배출라인을 통해 비응축성 가스가 배출되는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 이산화탄소 운영 방법은 상기 이산화탄소 흡착 전에 상기 증발가스에 포함된 물과 황화합물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 이산화탄소 운영 방법은 상기 이산화탄소 저장소에 상기 이산화탄소를 운송 시, 상기 이산화탄소 공급경로에서 일부의 상기 이산화탄소를 기화시켜 만든 피스톤 가스를 상기 이산화탄소 저장탱크에 재 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 이산화탄소 운영 방법은 상기 이산화탄소 저장소에 상기 이산화탄소를 운송 시, 상기 이산화탄소 저장탱크에 저장된 상기 이산화탄소를 유출하여 기화시켜 만든 피스톤 가스를 상기 이산화탄소 저장탱크에 재 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예는 기상 이산화탄소와 액상 이산화탄소를 혼합하여 이산화탄소 액화장치를 이용함으로써, 액상 이산화탄소 저장탱크에서 발생한 기상 이산화탄소를 보다 효율적으로 액화시킬 수 있다.
또한, 불필요한 비응축성 가스만을 대기로 방출함으로써, 액상 이산화탄소 저장탱크에서 발생한 기상 이산화탄소를 보다 효율적으로 액화시킬 수 있다.
또한, 비응축성 가스를 대기로 방출하기 위해 흡착탑을 이용함으로써, 액상 이산화탄소 저장탱크에서 발생한 기상 이산화탄소를 보다 효율적으로 액화시킬 수 있다.
또한, 비응축성 가스를 대기로 방출하기 위해 이산화탄소 분리막을 이용함으로써, 액상 이산화탄소 저장탱크에서 발생한 기상 이산화탄소를 보다 효율적으로 액화시킬 수 있다.
또한, 선박 등 해양구조물의 연료로 이용되는 액화천연가스를 이산화탄소 액화장치로 이용함으로써, 이산화탄소를 액화시키기 위한 별도의 냉각수단 및 가압수단이 필요하지 않아 경제성 및 공정 안정성 성능에 있어서 유리한 효과를 가져온다.
또한, 이산화탄소 액화장치에 이용된 액화천연가스가 기화됨으로써, 해양구조물의 연료로 사용되는 액화천연가스를 기화시키기 위한 에너지를 줄일 수 있는 이점이 있다.
또한, 이산화탄소 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 제거 및 회수하는 과정을 통하여 이산화탄소 저장탱크의 내부 압력을 일정하게 유지 시킬 수 있고, 회수된 이산화탄소를 운송 중에 대기 중으로 방출 없이 다시 육상 포집원으로 회수할 수 있다.
또한, 이산화탄소 저장소에 이산화탄소를 주입할 때, 상기 이산화탄소 저장탱크의 내부 압력을 일정하게 유지하도록 공급되는 피스톤 가스를 흡착된 이산화탄소를 활용함으로써 운영비를 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 운영 시스템을 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 이산화탄소 운영 시스템에 따른 이산화탄소 운영 방법을 설명하기 위한 도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 운영 시스템을 도시한 개략도이다.
도 4는 도 3에 도시된 이산화탄소 운영 시스템에 따른 이산화탄소 운영 방법을 설명하기 위한 도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이산화탄소 운영 시스템을 도시한 개략도이다.
도 6은 도 5에 도시된 이산화탄소 운영 시스템에 따른 이산화탄소 운영 방법을 설명하기 위한 도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이산화탄소 운영 시스템을 도시한 개략도이다.
도 8은 도 7에 도시된 이산화탄소 운영 시스템에 따른 이산화탄소 운영 방법을 설명하기 위한 도이다.
도 9, 도 10 및 도 11은 각각 도 7의 변형 실시예에 따른 이산화탄소 운영 시스템을 도시한 개략도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이산화탄소 운영 시스템을 도시한 개략도이다.
도 13은 도 12에 도시된 이산화탄소 운영 시스템에 따른 이산화탄소 운영 방법을 설명하기 위한 도이다.
도 14 및 도 15는 각각 도 12의 변형 실시예에 따른 이산화탄소 운영 시스템을 도시한 개략도이다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 다만, 첨부된 도면은 본 발명의 내용을 보다 쉽게 개시하기 위하여 설명되는 것일 뿐, 본 발명의 범위가 첨부된 도면의 범위로 한정되는 것이 아님은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 알 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 동일 기능을 갖는 구성요소에 대해서는 동일 명칭 및 동일부호를 사용할 뿐 실질적으론 종래 이산화탄소 액화 장치 및 이를 포함한 저장탱크의 구성요소와 완전히 동일하지 않음을 미리 밝힌다.
또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 운영 시스템을 도시한 개략도이다.
도시된 바와 같이, 이산화탄소 운영 시스템은 이산화탄소 저장탱크(110), 이산화탄소 기상라인(210), 이산화탄소 액상라인(220), 라인혼합부(223) 및 이산화탄소 액화장치를 포함한다.
이산화탄소 저장탱크(110)는 액상 이산화탄소를 저장하는 공간을 제공하며, 외부에서 유입되는 열을 차단하여 내부에서 증발가스가 발생되지 않도록 단열 처리된다. 그리고, 상기 이산화탄소 저장탱크는 이산화탄소의 삼중점 이상에서 견딜 수 있도록 이루어진다. 이산화탄소를 삼중점 근처에서 저장할 경우 이산화탄소의 밀도가 최대가 되어 저장탱크의 단위 부피당 최대의 질량의 이산화탄소가 운반될 수 있다.
이산화탄소 기상라인(210)은 상기 이산화탄소 저장탱크(110) 상부에 연결되어, 기상 이산화탄소는 상기 이산화탄소 기상라인(210)을 통해 이동할 수 있다.
이산화탄소 액상라인(220)은 상기 이산화탄소 저장탱크(110) 내에 설치된 흡입펌프(123)와 연결되어, 액상 이산화탄소는 상기 이산화탄소 액상라인(220)을 통해 이동할 수 있다.
한편, 상기 이산화탄소 기상라인(210)에는 기상의 이산화탄소만이 이송되는 것에 한정되지 않고, 액상의 이산화탄소도 이송될 수 있다.
또한, 상기 이산화탄소 액상라인(220)에도 액상의 이산화탄소만이 이송되는 것에 한정되지 않고, 기상의 이산화탄소도 이송될 수 있다.
라인혼합부(223)는 상기 이산화탄소 기상라인(210)과 상기 이산화탄소 액상라인(220)이 연결되며, 상기 라인혼합부(223)는 혼합된 기상 이산화탄소와 액상 이산화탄소의 유량을 제어하는 제 1 유량제어밸브(222)를 포함한다. 그리고, 상기 라인혼합부(223)는 후술할 열교환기(236)에 연결된다. 여기서, 라인혼합부(223)는 기상 이산화탄소가 액상 이산화탄소를 혼합시켜주는 라인 믹서(Line Mixer)가 될 수 있으나, 상기 라인혼합부(223)는 기상 이산화탄소와 액상 이산화탄소가 혼합되는 구조이면 어느 것이든 가능하다.
이산화탄소 액화장치는 액화천연가스 저장탱크(250), 액화천연가스 공급라인(230), 액화천연가스 액화라인(235), 제 1 가스배출라인(238) 및 이산화탄소 재순환라인(240)를 포함한다.
액화천연가스 저장탱크(250)는 액화천연가스가 대략 -164℃가 유지될 수 있는 저장공간을 제공한다.
액화천연가스 공급라인(230)에는 액화천연가스를 운송하기 위한 일단에 설치된 흡입펌프(251), 액화천연가스의 이송유지를 위한 흡입기(231), 가압펌프(232) 및 제 1 가열장치(233)가 설치된다.
액화천연가스 액화라인(235)은 상기 가압펌프(232) 후단의 상기 액화천연가스 공급라인(230)에서 분기되어 상기 제 1 가열장치(233) 전단의 상기 액화천연가스 공급라인(230)에 다시 연결되며, 상기 라인혼합부(223)에 연결된 열교환기(236)가 설치된다.
제 1 가스배출라인(238)는 상기 열교환기(236) 일단에 연결되고, 상기 제 1 가스배출라인(238)에서 비응축성 가스의 배출을 제어하는 제 2 유량 제어밸브(237)가 설치된다.
이산화탄소 재순환라인(240)는 상기 열교환기(236)에서 상기 이산화탄소 저장탱크(110)로 연결된다. 그리고, 이산화탄소 재순환라인(240)에는 액상 이산화탄소가 보다 용이하게 재순환되도록 하기 위한 재순환펌프(240)가 설치된다.
이와 같은 본 실시예의 이산화탄소 운영 시스템에 따른 이산화탄소 운영 방법을 살펴보면 다음과 같다.
도 2는 도 1에 도시된 이산화탄소 운영 시스템에 따른 이산화탄소 운영 방법을 설명하기 위한 도이다.
도 2를 참조하면, 먼저 기상 이산화탄소가 상기 이산화탄소 저장탱크(110) 상부에서 이산화탄소 기상라인(210)을 통하여 기상 이산화탄소가 상기 라인혼합부(223)에 이송된다. - ①
또한, 액상 이산화탄소가 상기 이산화탄소 저장탱크(110) 하부에서 이산화탄소 액상라인(220)을 통하여 액상 이산화탄소가 상기 라인혼합부(223)에 이송된다. - ②
이때, 상기 제 1 유량제어밸브(222)가 개방되어 상기 라인혼합부(223)에서 기상 이산화탄소와 액상 이산화탄소가 혼합되며, 혼합된 기상 이산화탄소와 액상 이산화탄소는 상기 열교환기(236)에 이송된다. -③
한편, 액화천연가스는 상기 액화천연가스 공급라인(230) 끝단에 설치된 흡입펌프(251)에 의해 상기 액화천연가스 저장탱크(250)에서 상기 흡입기(231)로 이송된다. 액화천연가스는 상기 흡입기(231)를 통해 이송 유지가 가능하도록 되며, 액화천연가스는 상기 가압펌프(232)에 의해 가압되고, 상기 액화천연가스 액화라인(235)을 통해 상기 열교환기(236)에 이송된다. - ④
액화천연가스는 상기 열교환기(236)에서 기상 이산화탄소를 액화시키고, 이후 상기 액화천연가스 액화라인(235)을 통하여 상기 액화 천연가스 공급라인(230)을 따라 이송되며, 상기 액화천연가스 공급라인(230)에 설치된 제 1 가열장치(233)에 의해 기화된다. 마지막으로, 액화천연가스는 엔진에(260) 이송되어 연료로 이용된다. - ⑤
그리고, 혼합된 이산화탄소 중 기상 이산화탄소는 상기 열교환기(236)를 통해 액화되며, 액화된 이산화탄소는 상기 이산화탄소 재순환라인(240)을 통해 이산화탄소 저장탱크로 이송된다. - ⑥
즉, 상기 이산화탄소 저장탱크(110)에서 발생한 기상 이산화탄소와 액상 이산화탄소를 혼합한 후 액화천연가스를 이용한 열교환기를 통하여 기상 이산화탄소를 액화시키게 된다.
이에 따라, 본 실시예에 따른 이산화탄소 운영 시스템 및 방법은 상기 별도의 냉각수단 및 가압수단 없이 해양구조물 자체 내에 있는 장치들을 이용하여 이산화탄소를 재액화시킬 수 있어 경제적인 이점이 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 운영 시스템을 도시한 개략도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 운영 시스템은 이미 설명한 도 1의 이산화탄소 운영 시스템과 유사함으로, 이에 따른 동일한 기능을 갖는 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 3을 참조하면, 도 1의 실시예와 달리, 이산화탄소 기상라인(210)는 녹아웃드럼(211), 이산화탄소 액상회수라인(210a) 및 압축기(212)를 포함한다.
녹아웃드럼(211)은 증발가스에 포함된 수분을 흡수하기 위한 장치이고, 후술할 흡착탑에 구비되는 활성탄 등 흡착제가 포함된다.
이산화탄소 액상회수라인(210a)는 상기 녹아웃드럼(211)에서 상기 이산화탄소 저장탱크(110)로 연결되며, 기상 이산화탄소가 상기 이산화탄소 기상라인(210)을 따라 상기 녹아웃드럼(211)에 이동 시 자연스럽게 액화된 이산화탄소를 상기 이산화탄소 저장탱크(110)로 회수하기 위함이다.
압축기(212)는 기상 이산화탄소를 가압하는 장치이고, 기상 이산화탄소를 압축기로 압축하는 토출 압력은 10 ~ 45 bar일 수 있다. 또한, 본 실시예에서 압축기로 이산화탄소를 압축하는 토출 압력은 15 ~ 25 bar일 수 있다.
도 4 역시 도 2에서의 이산화탄소 운영 방법과 동일한 방법에 대한 설명은 생략하기로 하고, 이산화탄소 저장탱크(110)에 발생된 기상 이산화탄소를 상기 라인혼합기(223)에 이송하기 전에, 상기 이산화탄소 기상라인에 설치된 녹아웃드럼(211)에 의해 수분을 흡수하고 압축기(212)를 거쳐 기상 이산화탄소를 가압한다. 또한, 액상 이산화탄소도 가압펌프(221)에 의하여 기상 이산화탄소의 압력과 동일하도록 가압된다.
상술한 표 1에서 제시된 연소 후 포집에서 액화된 이산화탄소를 5만 m3으로 운송할 경우, 발생되는 B증발속도(BOR)가 하루당 0.15% 라고 가정하고, 저장 압력 7bar 평형에서 액상 이산화탄소 혼합한 경우 표 2과 같은 결과를 얻었다.
이를 위해 상업적 공정 모사기(Chemical Process Simulator)인 Aspen Plus Version 7.2를 사용하여 계산하였다.
Stream No. 11 10 12 13 16
Temperature, ˚C -52.6 -52.6 -52.6 -54.8 -54.7
Pressure, bar 7 7 7 6.8 8.8
Vapor Fraction 1 0 0.004 0 0
Mole Flow, kmol/hr 83.568 20026.17 20109.74 20109.74 20109.74
Mass Flow, kg/hr 3500.129 880499.9 884000 884000 884000
Volume Flow cum/hr 200.8 761.308 962.109 759.534 759.847
CO2 0.868 0.997 0.997 0.997 0.997
Methane 0.003 96ppm 107ppm 107ppm 107ppm
N2 0.125 0.002 0.002 0.002 0.002
Ethane 416ppm 100ppm 101ppm 101ppm 101ppm
O2 0.003 95ppm 108ppm 108ppm 108ppm
NO2 trace 100ppm 100ppm 100ppm 100ppm
H2O 6ppm 501ppm 499ppm 499ppm 499ppm
7 bar에서 증발가스와 액상 이산화탄소의 최적 혼합비는 대략 250배이다.
그리고, 저장 압력은 7bar이고, 증발가스를 압축기를 사용하여 20bar까지 압축한 후 동일 압력으로 액상 이산화탄소 혼합한 경우 표 3와 같은 결과를 얻었다.
Stream No. 17 12 10 13 15
Temperature, ˚C -52.6 36.2 -51.7 -49.6 -54.9
Pressure, bar 7 20 20 20 8.8
Vapor Fraction 1 1 0 0 0.047
Mole Flow, kmol/hr 82.344 82.344 447.279 529.623 529.623
Mass Flow, kg/hr 3448.606 3448.606 19665.72 23114.33 23114.33
Volume Flow cum/hr 197.858 96.965 17.051 20.529 66.226
CO2 0.868 0.868 0.998 0.977 0.977
Methane 0.003 0.003 96ppm 518ppm 518ppm
N2 0.125 0.125 0.002 0.021 0.021
Ethane 416ppm 416ppm 100ppm 149ppm 149ppm
O2 0.003 0.003 96ppm 576ppm 576ppm
NO2 trace trace 100ppm 85ppm 85ppm
H2O 6 ppm 6 ppm 501ppm 424ppm 424ppm
20 bar에서 증발가스와 액상 이산화탄소의 최적 혼합비는 대략 5.7배이다.
표 2와 표 3을 비교하면, 기상 이산화탄소와 액상 이산화탄소를 혼합하기 전에 기상 이산화탄소를 가압한 경우 액상 이산화탄소의 혼합비율이 낮아질 수 있게 된다. 이에 따라, 혼합하기 위해 액상 이산화탄소의 공급량을 줄일 수 있어 공정 비용을 낮출 수 있는 이점이 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이산화탄소 운영 시스템을 도시한 개략도이다.
도 5에 따른 실시예 역시 이미 설명한 도 1의 이산화탄소 운영 시스템과 유사함으로, 이에 따른 동일한 기능을 갖는 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도시된 바와 같이, 이산화탄소 운영 시스템은 이산화탄소 공급라인(111), 이산화탄소 주입라인(121), 제 1 이산화탄소 회수라인(131)을 포함한다.
이산화탄소 공급라인(111)은 이산화탄소 저장부(130)로부터 이산화탄소저장탱크(110)에 연결된다.
기상 이산화탄소 공급라인(112)은 상기 이산화탄소 공급라인(111)의 끝단에서 분기되어 상기 이산화탄소 저장탱크(110)의 상부 내부에 연장되고, 이때 상기 기상 이산화탄소 공급라인(112)에는 제 3 유량제어밸브(112a)가 설치된다.
또한, 상기 이산화탄소 저장탱크(110)의 상부 내부 영역에서의 상기 기상 이산화탄소 공급라인(112)에는 노즐(Nozzle, 112b) 예를 들어, 아토마이징 노즐(Atomizing Nozzle)이 적어도 하나 이상 설치될 수 있다.
상기 노즐(112b)을 이용한 이산화탄소 공급은 JT(Joule-Thomson)효과로 이산화탄소 온도를 떨어뜨려 상기 이산화탄소 저장탱크(110)에서 증발가스를 억제할 수 있고, 상기 이산화탄소 저장탱크(110)의 일정온도를 유지 및 탱크의 결함 발생을 방지할 수 있다.
액상 이산화탄소 공급라인(113)은 상기 이산화탄소 공급라인(111)의 끝단에서 분기되어 상기 이산화탄소 저장탱크(110)에 연결된다. 이 때, 액상 이산화탄소 공급라인(113)은 이산화탄소 공급 시 증발가스 발생을 최소화할 수 있도록 상기 이산화탄소 저장탱크(110)의 하부까지 연장된다. 또한, 상기 액상 이산화탄소 공급라인(113)에는 제 4 유량 제어밸브(113a)가 설치된다. 여기서, 도 1에 도시된 이산화탄소 재순환라인(240)은 상기 액상 이산화탄소 공급라인(113)에 연결된다.
이산화탄소 주입라인(121)은 상기 이산화탄소 저장탱크(110) 내에 설치된 흡입펌프(123)와 연결되어 유정(Well)과 같은 이산화탄소 저장소(150)까지 연장되고, 상기 이산화탄소 주입라인(121)에는 가압펌프(125), 기화장치(127) 및 제 2 가열장치(129)가 설치된다.
제 1 이산화탄소 회수라인(131)은 상기 가압펌프(125) 전단의 상기 이산화탄소 주입라인(121) 도중에 분기되어 상기 이산화탄소 저장탱크(110)에 연결되고, 상기 제 1 이산화탄소 회수라인(131)에는 제 1 기화용 열교환기(133)가 설치된다.
이와 같은 본 실시예의 이산화탄소 운영 시스템에 따른 이산화탄소 운영 방법을 살펴보면 다음과 같다.
도 6는 도 5에 도시된 이산화탄소 운영 시스템에 따른 이산화탄소 운영 방법을 설명하기 위한 도이다.
도 2를 참조하면, 먼저 이산화탄소가 포집된 이산화탄소 임시 저장소(130)에서 이산화탄소 공급 라인(111)과 기상 이산화탄소 공급라인(112)을 통하여 이산화탄소를 상기 이산화탄소 저장탱크(110)에 이송한다. - ⑪
이때, 기상 이산화탄소 공급라인(112)의 노즐(112b)을 사용함에 따라 상기 이산화탄소 저장탱크(110)의 온도가 일정온도에 도달하면, 상기 기상 이산화탄소 공급라인(112)에 설치된 제 3 유량제어 밸브(112a)를 잠그고, 상기 이산화탄소 공급라인(111)에서 분기된 액상 이산화탄소 공급라인(113)을 통하여 액상의 이산화탄소가 상기 이산화탄소 저장탱크(110)에 이송되도록 제 4 유량제어 밸브(113a)가 개방한다. - ⑫
이와 같이 저장된 액상의 이산화탄소는 상기 이산화탄소 저장탱크(110) 내에 설치된 흡입펌프(123)에 의해 상기 이산화탄소 주입라인(121)을 통하여 이산화탄소 저장소(150)로 이송된다. - ⑬
이산화탄소 저장소(150)로 이송시 압력펌프(125)를 이용하여 특정압력까지 가압되는데, 이때, 액상 이산화탄소는 기체 및 초 임계 상태에 도달 가능한 압력인 약 30 ~ 120 bar까지 가압된다. 기체인 경우엔 약 30 ~ 74 bar, 초 임계의 경우엔 75 ~ 120 bar까지 가압된다.
가압된 액상 이산화탄소는 기화장치(127)에 의해 기화되고, 이산화탄소 저장소(150)에 공급되어 충분히 활용될 수 있는 특정온도까지 가열된다. 이때, 이산화탄소는 기체 혹은 초임계 상태로 유지될 수 있고, 초임계 상태로 유지되기 위해서는 32 ℃이상으로 가열한다.
한편, 이산화탄소 저장탱크(110)에 저장된 이산화탄소를 저장소(150)로 주입 시에, 내부에 저장된 이산화탄소는 응축 및 감압되어, 상기 이산화탄소 저장탱크(110) 내의 환경은 설치된 흡입펌프(123)가 충분히 잘 동작할 수 없는 환경으로 바뀐다. 따라서, 이산화탄소 저장탱크(110)의 압력은 흡입펌프(123)가 원활히 동작할 수 있는 충분한 압력을 유지할 필요성이 있다.
가압펌프(125) 전단의 상기 이산화탄소 주입라인(121)에 설치된 제 1 이산화탄소 회수라인(131)을 통하여 저장소로 주입되는 액상의 이산화탄소 일부를 유출시켜 기화시킨 후, 상기 이산화탄소 저장탱크(110)에 재이송한다. - ⑭
본 발명의 실시예에서, 상기 이산화탄소 저장탱크(110)에 재공급되는 가스는 피스톤 가스라 지칭하고, 이러한 피스톤 가스의 재공급에 따라 상기 이산화탄소 저장탱크(110)의 압력이 일정하게 유지되어 저장소에 원활한 이산화탄소를 이송할 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이산화탄소 운영 시스템을 도시한 개략도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이산화탄소 운영 시스템 역시 이미 설명한 도 5의 이산화탄소 운영 시스템과 동일한 구성 및 동일한 기능에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 7를 참조하면, 이산화탄소 운영 시스템은 도 7의 실시예에 따른 구성요소, 재생가스 공급라인(171) 및 제 2 가스배출라인(216)을 포함한다.
이산화탄소 기상라인(210)은 전술한 바와 같이 상기 이산화탄소 저장탱크(110) 상부에 연결되고, 제 3 가열장치(213), 흡착탑(215) 및 냉각기(219)가 상기 이산화탄소 기상라인(161)에 설치된다.
제 3 가열장치(213)는 기상 이산화탄소를 220 ~ 320 ℃로 가열한다.
흡착탑(215)은 기상 이산화탄소를 흡착하기 위한 장치이고, 상기 흡착탑(215)의 개수는 제한이 없지만, 상기 이산화탄소 저장탱크(110)에서 발생되는 증발가스의 양에 따라 달라질 수 있다. 다만, 하나의 흡착탑(215)이 고유 기능을 제대로 발휘하지 못할 때, 보조할 수 있도록 적어도 둘 이상의 흡착탑이 병렬로 설치될 수 있다.
흡착탑(215)에 사용되는 흡착제는 표면적이 큰 다공성 물질로, 증발가스 내의 이산화탄소를 흡착할 수 있는 것이면 어느 것이든 가능하지만 적어도 활성탄(Activated Carbon), 제오라이트(Zeolite), 분자체(Molecular Sieve) 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
상기 흡착제에 의한 이산화 탄소의 흡착량은 약 45 Psia의 저압에서 활성탄과 분자체의 경우 대략 4.1mol CO2/kg-Adsorbent 이고, 약 275 Psia의 고압에서 활성탄은 8.8mol CO2/kg-Adsorbent, 분자체는 5.2 mol CO2/kg-Adsorbent 양을 갖는다.
이러한 흡착탑(215)은 증발가스 내의 이산화탄소를 선택적으로 흡착하고, 메탄(CH4), 질소(N2), 산소(O2), 수소(H2), 아르곤(Ar) 등과 같은 비응축성 가스는 흡착하지 않고, 이 후 설명할 제 2 가스배출라인(216)을 통하여 외부로 대기 방출된다.
재생가스 공급라인(171)은 내부 혹은 외부의 재생가스 공급원(170)으로부터 상기 흡착탑(160) 전단의 상기 이산화탄소 기상라인(210)에 연결되고, 상기 재생가스 공급라인(171)에는 제 4 가열장치(181b)가 설치된다.
재생가스 공급원(170)에서 공급되는 재생가스는 상기 흡착탑(215)에서 흡착된 이산화탄소를 탈착시켜 재생하기 위한 것으로, 질소(N2) 혹은 건조 가스(Dry Gas)인 건조 공기를 포함 할 수 있다. 이러한 재생가스는 엔진 폐열을 이용하여 가열할 수 있다.
냉각기(219)는 재생가스에 의해 탈착된 이산화탄소를 10 ~ 45 ℃정도로 냉각한다. 이러한 냉각은 냉각기에 의하여 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 상기 액화천연가스 공급라인(230), 해수 등에 의해 이루어질 수도 있다.
제 2 가스배출라인(216)은 상기 흡착탑(215)이 설치된 상기 이산화탄소기상라인(210)에서 분기되어 외부로 연장되고, 제 5 유량제어밸브(217)가 설치된다. 이산화탄소 저장탱크(110)에서 발생된 증발가스 내의 메탄(CH4), 질소(N2), 산소(O2), 수소(H2), 아르곤(Ar) 등과 같은 비응축성 가스는 상기 흡착탑(215)에서 흡착공정 후 상기 제 2 가스배출라인(216)을 통하여 대기로 방출된다.
제 1 이송용 라인(181)은 육상 혹은 해상의 육상 포집원(180)에 연결되어 상기 이산화탄소 저장탱크(110)로부터 발생되는 다량의 증발가스를 포집할 수 있도록 상기 이산화탄소 저장탱크(110) 상부에 연결될 수 있고, 상기 제 1 이송용 라인(181)에는 제 8 유량제어밸브(181a)가 설치될 수 있다.
도 8은 도 7에 도시된 이산화탄소 운영 시스템에 따른 이산화탄소 운영 방법을 설명하기 위한 도이다.
도 8 역시 도 6에서의 이산화탄소 운영 방법과 동일한 방법에 대한 설명은 생략하기로 하고, 도 8에 따른 이산화탄소 운영 방법을 살펴본다.
초기 이산화탄소를 상기 이산화탄소 저장탱크(110)에 이송 시, 발생되는 증발가스가 많을 경우, 이때 증발가스에 포함된 이산화탄소의 농도가 높기 때문에 제 1 이송용 라인(181)의 제 9 유량제어 밸브(181a)를 개방하여 상기 증발가스를 육상 혹은 해상 육상 포집원(180)으로 이송시킨다. 이후 증발가스 량이 줄게 되면, 제 9 유량제어 밸브(181a)를 닫는다.
한편, 이산화탄소 임시 저장소의 이산화탄소를 상기 이산화탄소 저장탱크(110)에 공급하는 과정에서, 외부환경 혹은 공급환경으로 인하여 메탄(CH4), 질소(N2), 산소(O2), 수소(H2), 아르곤(Ar) 등과 같은 비응축성 가스가 이산화탄소와 함께 혼합되어 이송될 수 있다. 이 때문에 증발가스는 이산화탄소 이외의 비응축성 가스가 포함될 수 있다.
기상 이산화탄소는 상기 이산화탄소 기상라인(210)을 통하여 상기 흡착탑(215)에 이송된다. 상기 흡착탑(215)에서는 상기 증발가스 내의 이산화탄소만 선택적으로 흡착되고, 나머지 비응축성 가스는 제 2 가스배출라인(216)을 통하여 대기로 방출된다.
제 2 가스배출라인(216)에는 이산화탄소 농도를 검출할 수 있는 검출부가 설치될 수 있고, 대기 방출되는 비응축성 가스에 포함된 이산화탄소 양에 따라 복수의 흡착탑 중 일부 혹은 전부가 동작될 수 있다. 이때, 흡착탑은 내부 압력이 0 ~ 7 bar 사이에서 운전되고, 흡착 효율을 높일 수 있도록 흡착탑 내부 압력은 0.5 ~ 4.0 bar일 수 있다. 또한, 흡착탑의 운전온도는 -25 ~ 30 ℃가 될 수 있다.
이러한 흡착탑(215)의 내부 압력 및 운전온도는 흡착제의 종류, 크기 및 모양에 따라 달라질 수 있다. 만약, 증발가스의 온도가 너무 낮을 경우, 흡착탑에서의 흡착율을 높이도록 상기 흡착탑 전단에 가열용 열교환기가 설치되어 동작될 수 있다.
이 때, 제 2 가스배출라인(216)의 제 5 유량밸브(217)를 잠그고, 재생가스 공급원(170)으로부터 재생가스가 재생가스 공급라인(171)을 통하여 상기 흡착탑(215)에 공급된다. 재생가스는 질소 혹은 건조공기로써, 질소의 경우 상기 흡착탑(215)에 공급되기 전에 제 4 가열장치(181b)에 의해 약 50 ~ 60 ℃까지 가열된다. 상기 재생가스에 의해 상기 흡착탑(215)에서 이산화탄소는 탈착되고, 상기 기상 이산화탄소는 냉각기(219)가 설치된 상기 이산화탄소 기상라인(210)을 통하여 10 ~ 40 ℃로 냉각된 후 재생가스와 함께 상기 라인혼합부(223)로 이송된다.
전술한 표 1에서 제시된 연소 후 포집에서 액화된 이산화탄소를 5만 m3으로 운송할 경우, 발생되는 B증발속도(BOR)가 하루당 0.15 % 라고 가정하고, 저장 압력은 7 bar이고, 증발가스를 흡착탑(흡착제 13X)을 설치하여 질소를 제거하고 압축기를 사용하여 8.8 bar까지 압축한 후 동일 압력으로 액상 이산화탄소 혼합한 경우 표 4와 같은 결과를 얻었다.
표4의 결과를 얻기 위하여 공정 모사기인 Aspen Plus Version 7.2 대신 Aspen Adsorption을 사용하였다.
Stream No. 17 18 19 10 12 15
Temperature, ˚C -52.6 13.8 13.8 -52.5 236.3 -54.9
Pressure, bar 7 1.013 1.013 8.8 8.8 8.6
Vapor Fraction 1 1 1 0 1 0
Mole Flow, kmol/hr 82.338 71.688 10.649 355.165 71.688 426.853
Mass Flow, kg/hr 3449.008 3129.288 319.719 15615.711 3129.288 18745.025
Volume Flow cum/hr 197.848 1677.531 250.436 13.507 342.956 16.143
CO2 0.869 0.978 0.134 0.998 0.978 0.994
Methane 0.003 322ppm 0.02 96ppm 322ppm 134ppm
N2 0.125 0.022 0.821 0.002 0.022 0.005
Ethane 416ppm 48ppm 0.003 100ppm 48ppm 91ppm
O2 0.003 366ppm 0.022 95ppm 366ppm 141ppm
NO2 trace trace 3ppm 100ppm trace 83ppm
H2O 6ppm trace 41ppm 501ppm trace 417ppm
질소 및 비응축성 가스가 제거된 증발가스의 8.8 bar 압력에서는 증발가스와 액상 이산화탄소의 혼합비가 대략 4.5배이다.
표 2 내지 표 4를 비교하면, 기상 이산화탄소와 액상 이산화탄소를 혼합하기 전에 기상 이산화탄소를 가압한 경우 액상 이산화탄소의 혼합비율이 낮아질 수 있게 된다. 이에 따라, 혼합하기 위해 액상 이산화탄소의 공급량을 줄일 수 있어 공정 비용을 낮출 수 있는 이점이 있다.
도 9, 도 10 및 도 11은 각각 도 7의 변형 실시예에 따른 이산화탄소 운영 시스템을 도시한 개략도이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 가이드 흡착탑(215b)은 상기 흡착탑(215) 이전의 상기 이산화탄소 기상라인(210)에 설치될 수 있다. 상기 가이드 흡착탑(215b) 역시 개수의 제한은 없고, 두 개 이상 설치 시 병렬로 배치될 수 있다. 상기 가이드 흡착탑(215b)에 사용되는 흡착제는 3A, 4A 및 13X의 제오라이트, 분자체, 실리카겔 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
이러한 상기 가이드 흡착탑(215b)은 증발가스 내에 포함된 물이나 기타 황 화합물과 같은 물질에 의해 흡착탑의 성능이 저하되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
즉, 이산화탄소 임시 저장소(130)의 액상 이산화탄소가 상기 이산화탄소 저장탱크(110)로 이송되는 과정에서, 외부환경 혹은 공급환경으로 인하여 물이나 황 화합물과 같은 물질이 이산화탄소와 혼합되어 공급되기 때문에 이로 인한 상기 흡착탑(215)에서의 이산화탄소 흡착기능이 떨어지는 문제점이 발생하게 된다.
상기 가이드 흡착탑(215b)은 상기 흡착탑(215) 이전의 상기 이산화탄소 기상라인(210)에 설치되어 위와 같은 이산화탄소 흡착기능이 떨어짐을 방지한다.
도 10에 도시된 변형 실시예에 따른 이산화탄소 운영 시스템은 이미 설명한 도 7의 이산화탄소 운영 시스템과 유사함으로, 이에 따른 동일한 기능을 갖는 구성에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 10을 참조하면, 이산화탄소 운영 시스템은 도 7의 실시예와 달리, 배출펌프(143), 제 2 이산화탄소 회수라인(141), 제 2 기화용 열교환기(143)를 포함한다.
배출펌프(143)는 상기 이산화탄소 저장탱크(110)에 저장된 액상의 이산화탄소를 배출하기 위해 상기 이산화탄소 저장탱크(110) 내에 배치된다.
제 2 이산화탄소 회수 라인(141)은 상기 배출펌프(143)에서 인출되어 다시 상기 이산화탄소 저장탱크(110)에 연결된다. 이때, 제 2 이산화탄소 회수라인(141)에는 기화용 열교환기(145)가 설치된다.
도 11에 도시된 변형 실시예에 따른 이산화탄소 운영 시스템은 이미 설명한 도 7과 달리 제 1 이산화탄소 회수라인(131) 및 기화용 열교환기(133) 대신에 기화장치(127) 후단의 상기 이산화탄소 주입라인(121)의 도중에 분기된 제 3 이산화탄소 회수라인(151)이 상기 이산화탄소 저장탱크(110)에 연결된다.
이때, 상기 제 3 이산화탄소 회수라인(151)은 상기 이산화탄소 주입라인(121)에 설치된 제 2 가열장치(129) 전에 연결되거나 상기 제 2 가열장치(129) 후에 연결될 수 있다.
도 9, 도 10 및 도 11에서와 같이, 제 1 이산화탄소 회수라인, 제 2 이산화탄소 회수라인, 제 3 이산화탄소 회수라인을 갖는 이산화탄소 재활용 수단을 이용하여 상기 이산화탄소 저장탱크에 기화된 이산화탄소를 이송한다. 이에 따라 이산화탄소 저장탱크의 압력을 일정하게 유지시켜 안정적으로 이산화탄소 저장소에 주입할 수 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이산화탄소 운영 시스템을 도시한 개략도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이산화탄소 운영 시스템 역시 이미 설명한 도 5의 이산화탄소 운영 시스템과 동일한 구성 및 동일한 기능에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 12를 참조하면, 이산화탄소 운영 시스템은 도 7의 실시예에 따른 구성요소, 상기 이산화탄소 기상라인(210)에 설치된 이산화탄소 분리막(219) 및 제 2 가스배출라인(216)을 포함한다.
이산화탄소 기상라인(210)은 전술한 바와 같이 상기 이산화탄소 저장탱크(110) 상부에 연결되고, 제 3 가열장치(213)와 이산화탄소 분리막(270)가 상기 이산화탄소 기상라인(210)에 설치된다.
상기 이산화탄소 분리막(270)의 소재는 탈착된 이산화탄소와 재생가스를 분리할 수 있는 것이면 어느 것이든 가능하지만, 적어도 Cardo Polyamide, Dendrimer, Y-제오라이트, 실리카, 카본, 카본 실리카 중 적어도 어느 하나를 포함한다.
그리고, 이산화탄소 분리막(270)은 통상 중공사막으로 구성되며 여러 개의 이산화탄소 분리막으로 병렬로 배치될 수 있다.
제 2 가스배출라인(216)은 상기 이산화탄소 분리막(270)에서 인출되어 대기와 연결되어 있다.
도 13은 도 12에 도시된 이산화탄소 운영 시스템에 따른 이산화탄소 운영 방법을 설명하기 위한 도이다.
도 13 역시 도 8에서의 이산화탄소 운영 방법과 동일한 방법에 대한 설명은 생략하기로 하고, 도 13에 따른 이산화탄소 운영 방법을 살펴본다.
이산화탄소 분리막(270)에서 이산화탄소와 재생가스로 분리되고, 상기 이산화탄소 분리막(270)에서 분리된 이산화탄소는 상기 이산화탄소 기상라인을 통해 라인혼합부(223)로 이송되고, 재생가스는 제 2 가스배출라인(216)을 통하여 대기로 방출된다.
표 1에서 제시된 연소 후 포집에서 액화된 이산화탄소를 5만 m3으로 운송할 경우, 발생되는 B증발속도(BOR)가 하루당 0.15% 라고 가정하고, 저장 압력은 7bar이고, 증발가스를 분리막(Conventional Polyamidoamine (PAMAM), 다중공사 막)을 설치하여 질소를 제거하고 압축기를 사용하여 8.8 bar까지 압축한 후 동일 압력으로 액상 이산화탄소 혼합한 경우 표 5와 같은 결과를 얻었다.
이산화탄소 분리막의 경우에는 상기 공정 모사기로 계산하지 아니하고, 물질 수지와 에너지 수지를 세워서 계산하였다.
Stream No. 17 18 19 10 12 15
Temperature, ˚C -52.6 13.8 13.8 -54.8 236.1 -54.8
Pressure, bar 7 1.013 1.013 8.6 8.8 8.6
Vapor Fraction 1 1 1 0 1 0
Mole Flow, kmol/hr 82.334 71.847 10.487 367.799 71.847 367.799
Mass Flow, kg/hr 3448.865 3139.287 309.578 16151.55 3139.287 16151.55
Volume Flow cum/hr 197.839 1681.218 246.64 13.911 343.564 13.911
CO2 0.869 0.981 0.102 0.994 0.981 0.994
Methane 0.003 482ppm 0.019 171ppm 482ppm 171ppm
N2 0.125 0.019 0.853 0.005 0.019 0.005
Ethane 416ppm 24ppm 0.003 85ppm 24ppm 85ppm
O2 0.003 365ppm 0.022 148ppm 365ppm 148ppm
NO2 Trace Trace 4ppm 81ppm Trace 81ppm
H2O 6ppm Trace 45ppm 403ppm Trace 403ppm
질소 및 비 응축성 성분이 제거된 증발가스와 8.8bar에서는 증발가스와 액상 이산화탄소의 혼합비는 대략 4.7배이다.
표 2 내지 표 4를 비교하면, 기상 이산화탄소와 액상 이산화탄소를 혼합하기 전에 기상 이산화탄소를 가압한 경우 액상 이산화탄소의 혼합비율이 낮아질 수 있게 된다. 이에 따라, 혼합하기 위해 액상 이산화탄소의 공급량을 줄일 수 있어 공정 비용을 낮출 수 있는 이점이 있다.
또한, 도 13에 따른 실시예에서는 이산화탄소 저장탱크에서 발생하는 증발가스를 제거 및 회수하는 과정을 통하여 이산화탄소 저장탱크의 내부 압력을 일정하게 유지 시킬 수 있고, 회수된 이산화탄소를 운송 중에 대기 중으로 방출없이 다시 육상 포집원으로 회수할 수 있다.
또한, 불필요한 비응축성 가스만을 대기로 방출함으로써 이산화탄소 저장탱크의 안전성 및 안정성을 더할 수 있다.
한편, 도 13, 도 14 및 도 15에서와 같이, 제 1 이산화탄소 회수라인, 제 2 이산화탄소 회수라인, 제 3 이산화탄소 회수라인을 갖는 이산화탄소 재활용 수단을 이용하여 상기 이산화탄소 저장탱크에 기화된 이산화탄소를 추가된 이송할 수 있다. 이에 따라 이산화탄소 저장탱크의 압력을 일정하게 유지시켜 안정적으로 이산화탄소 저장소에 주입할 수 있다.
본 발명은 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고, 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
110: 이산화탄소 저장탱크 111: 이산화탄소 공급라인
112: 기상 이산화탄소 공급라인 112a: 제 3 유량제어밸브
112b: 노즐 113: 액상 이산화탄소 공급라인
113a: 제 4 유량제어밸브 121: 이산화탄소 주입라인
125: 가압펌프 127: 기화장치
129: 제 3 가열장치 130: 이산화탄소 임시 저장소
131: 제 1 이산화탄소 회수라인 133, 145: 기화용 열교환기
141: 제 2 이산화탄소 회수라인 143: 배출펌프
150: 이산화탄소 저장소 170: 재생가스 공급원
171: 재생가스 공급라인 171a: 제 8 유량제어밸브
180: 육상 포집원 181a: 제 9 유량제어밸브
181b: 제 4 가열장치 210, 211: 이산화탄소 기상라인
210a: 이산화탄소 액상회수라인 220: 이산화탄소 액상라인
211: 녹아웃드럼 212: 압축기
213: 제 2 가열장치 214: 제 7 유량제어밸브
215: 열교환기 216: 제 2 가스배출라인
217: 제 5 유량제어밸브 218: 제 6 유량제어밸브
219: 냉각기 222: 제 1 유량제어밸브
223: 라인혼합부 230: 액화천연가스 공급라인
231: 흡입기 232: 가압펌프
233: 제 1 가열장치 235: 액화천연가스 액화라인
236: 열교환기 240: 이산화탄소 재순환라인
241: 재순환펌프 250: 액화천연가스 저장탱크
251: 흡입펌프 260: 엔진
270: 이산화탄소 분리막

Claims (12)

  1. 이산화탄소 임시 저장소에서 상기 이산화탄소 저장탱크로 연결된 이산화탄소 공급라인;
    상기 이산화탄소 저장탱크로부터 이산화탄소 저장소까지 연장되고, 가압펌프, 기화장치 및 제 2 가열장치가 설치된 이산화탄소 주입라인;
    이산화탄소 저장탱크 상부에 연결되고, 제 3 가열장치 및 이산화탄소 분리막이 설치된 이산화탄소 기상라인; 및
    상기 이산화탄소 분리막의 외부로 연장되어 비응축성 가스가 배출되는 제 2 가스배출라인
    을 포함하는 이산화탄소 운영 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 이산화탄소 저장탱크에 연결되어 액상 이산화탄소가 이동하는 이산화탄소 액상라인;
    상기 이산화탄소 기상라인과 상기 이산화탄소 액상라인이 연결되어 상기 기상 이산화탄소와 상기 액상 이산화탄소가 혼합되는 라인혼합부; 및
    상기 라인혼합부로부터 연결되며, 상기 기상 이산화탄소를 액화시키는 이산화탄소 액화 장치
    를 더 포함하는 이산화탄소 운영 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 이산화탄소 액화 장치는
    액화천연가스 저장탱크에 저장된 액화천연가스를 액화천연가스 저장소까지 공급하기 위한 액화천연가스 공급라인;
    상기 액화천연가스 공급라인에 설치된 흡입기, 가압펌프 및 제 1 가열장치;
    상기 가압펌프 후단의 상기 액화천연가스 공급라인에서 분기되어 상기 제 1 가열장치 전단의 상기 액화천연가스 공급라인에 연결되는 액화천연가스 액화라인;
    상기 라인혼합부와 연결되며, 상기 액화천연가스 액화라인에 설치된 열교환기;
    상기 열교환기에 연결되어 비응축성 가스가 배출되는 제 1 가스배출라인; 및
    상기 열교환기에서 상기 이산화탄소 저장탱크로 연결되는 이산화탄소 재순환라인
    을 포함하는 이산화탄소 운영 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 이산화탄소 기상라인은
    상기 기상 이산화탄소를 압축하는 압축기를 포함하는 이산화탄소 운영 시스템.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 이산화탄소 재순환라인은
    상기 액상 이산화탄소를 상기 이산화탄소 저장탱크로 재순환되도록 재순환펌프를 포함하는 이산화탄소 운영 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 분리막의 소재는 Cardo Polyamide, Dendrimer, Y-제오라이트, 실리카, 카본, 카본 실리카 중 적어도 어느 하나를 포함하는 이산화탄소 운영 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 가압펌프 전단의 상기 이산화탄소 주입라인에서 분기되어 상기 이산화탄소 저장탱크에 연결되는 제 1 이산화탄소 회수라인과
    상기 제 1 이산화탄소 회수라인에 설치된 기화용 열교환기를 더 포함하는 이산화탄소 운영 시스템.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 기화장치 후단의 상기 이산화탄소 주입라인에서 분기되어 상기 이산화탄소 저장탱크에 연결된 제 2 이산화탄소 회수라인을 더 포함하는 이산화탄소 운영 시스템.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 이산화탄소 저장탱크 내에 설치된 배출펌프에서 인출되어 다시 상기 이산화탄소 저장탱크와 연결되는 제 3 이산화탄소 회수라인과
    상기 제 3 이산화탄소 회수라인에 설치된 기화용 열교환기를 더 포함하는 이산화탄소 운영 시스템.
  10. 제 2항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    이산화탄소 임시 저장소에서 상기 이산화탄소를 공급하기 위하여 상기 이산화탄소 저장탱크에 연결된 이산화탄소 공급라인과
    상기 이산화탄소 공급라인에서 분기되어 상기 이산화탄소 저장탱크 상부와 연결된 기상 이산화탄소 공급라인과 상기 이산화탄소 저장탱크 하부에 연결된 액상 이산화탄소 공급라인을 더 포함하는 이산화탄소 운영 시스템.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 기상 이산화탄소 공급라인에는 다수의 노즐이 설치되는 이산화탄소 운영 시스템.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 이산화탄소 저장탱크 상부에 연결되어 육상 포집원까지 연장 가능한 제 1 이송용 라인을 더 포함하는 이산화탄소 운영 시스템.
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