KR101082349B1 - 내부 열교환을 이용한 고효율 이산화탄소 액화 장치 - Google Patents

내부 열교환을 이용한 고효율 이산화탄소 액화 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 내부 열교환을 통해 이산화탄소 액화 공정의 효율을 높이는, 내부 열교환을 이용한 고효율 이산화탄소 액화 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 내부 열교환을 이용한 고효율 이산화탄소 액화 장치는, 저압 상온의 기상 이산화탄소를 고압 저온의 액상 이산화탄소로 액화시키는 이산화탄소 액화 장치(100)에 있어서, 저압 상온의 기상 이산화탄소 및 고압 초저온의 액상 이산화탄소를 서로 열교환시킴으로써, 저압 상온의 기상 이산화탄소를 저압 저온으로 냉각시키도록, 저압 상온의 기상 이산화탄소 및 고압 초저온의 액상 이산화탄소가 서로 인접하되 격리된 공간으로 각각 유입 및 배출되는 이산화탄소 열교환기(110); 상기 이산화탄소 열교환기(110)를 통과하여 나온 저압 저온의 기상 이산화탄소를 중압 고온의 기상 이산화탄소로 압축하는 이산화탄소 압축기(120); 상기 이산화탄소 압축기(120)를 통과하여 나온 중압 고온의 기상 이산화탄소 및 냉각 유체를 서로 열교환시킴으로써, 중압 고온의 기상 이산화탄소를 중압 초저온의 액상 이산화탄소로 액화시키도록, 중압 고온의 기상 이산화탄소 및 냉각 유체가 서로 인접하되 격리된 공간으로 각각 유입 및 배출되는 이산화탄소 액화기(130); 상기 이산화탄소 액화기(130)를 통과하여 나온 중압 초저온의 액상 이산화탄소를 고압 초저온의 액상 이산화탄소로 가압하는 이산화탄소 가압 펌프(150); 를 포함하여 이루어지며, 상기 이산화탄소 가압 펌프(150)를 통과하여 나온 고압 초저온의 액상 이산화탄소가 상기 이산화탄소 열교환기(110)를 통과하면서 최초에 유입되는 저압 상온의 기 상 이산화탄소와 열교환함으로써 고압 저온의 액상 이산화탄소로서 배출되는 것을 특징으로 한다.
이산화탄소, 액화, 열교환, 냉매, 발전, 터빈, 응축

Description

내부 열교환을 이용한 고효율 이산화탄소 액화 장치 {Carbon Dioxide Liquefaction Equipment Using Internal Heat Exchange}
본 발명은 내부 열교환을 이용한 고효율 이산화탄소 액화 장치에 관한 것이다.
온실 가스는 지구 표면과 대기 그리고 구름에 의하여 우주로 방출되는 열적외선 복사 범위의 특정한 파장을 가진 태양 복사 에너지를 흡수하여 다시 지구로 방출하는 기체를 말한다. 이러한 온실 가스의 특성으로 온실 효과가 발생하는데, 주로 수증기, 이산화탄소, 아산화질소, 메탄, 오존, CFCs 등이 온실 효과를 일으키는 일반적인 지구대기의 온실 가스 성분이다. 이 성분들 중에 주로 수증기에 의하여 자연적인 온실 효과가 발생하게 되는데, 이는 지구의 기온 유지에 필수적인 작용이다.
한편, 현재 많은 산업 장비는 석유, 천연 가스, 석탄 등과 같은 화석 연료를 에너지원으로 하고 있으며, 화석 연료의 에너지를 다른 형태의 에너지로 전환하는 과정에서 많은 양의 이산화탄소가 배출된다. 그런데, 이와 같이 산업화로 비롯된 화석연료의 과도한 사용으로 발생한 이산화탄소와 같이 인위적으로 발생한 온실 가 스 때문에 지구 온난화 문제가 발생하게 되었다. IPCC의 기후변화에 관한 2007년 보고서에 따르면 '인류 활동에 의한 세계적인 온실 가스 배출은 산업화 이후로 계속해서 증가해 오고 있으며, 1970년과 2004년 사이에 70%나 증가했다.'고 한다. 온실기체의 성분 중 가장 중요하게 생각되는 것은 이산화탄소인데, 인위적으로 발생한 이산화탄소의 배출은 1970~2004년 사이에 80%나 증가했다.
종래에도 산업 현장에서 발생되는 이산화탄소를 수집하는 여러 공정이 존재했으나, 상술한 바와 같은 지구 온난화 유발 문제 등과 같은 위험성이 높아져 가고 있는 바, 대량의 이산화탄소를 수집하여 폐기시켜야 할 필요성이 생겼다. 종래의 이산화탄소 수집 공정은 대부분 상압의 이산화탄소를 수집하게 되는 공정이었던 바, 대량의 이산화탄소를 수집하는 데 사용하기에는 적절하지 않다.
종래에 이산화탄소를 수집하는 공정 중 대표적인 예가 이산화탄소 흡수제로 아민을 이용하는 공정이다. 도 1(A)는 이러한 종래의 이산화탄소 수집 공정 시스템을 간략히 도시한 것으로, 이러한 공정에서 상압의 기상 이산화탄소가 생산된다. 그런데 상압의 이산화탄소는 밀도가 낮기 때문에 대량의 이산화탄소가 발생하였을 때 이를 수집하거나 운반하는 것이 쉽지 않다. 종래에는 이산화탄소를 수집하여 폐기하고자 하는 목적이 아니라 이산화탄소를 재사용하고자 하는 목적으로 수집하였기 때문에, 공정을 거쳐 얻어낸 이산화탄소의 양이 많지 않다는 점이 설계 조건에 포함되어 있는 바, 종래에는 상압의 기상 이산화탄소가 생산되어 이를 수집하게 된 다 해도 문제가 없었다.
또한, 재사용을 위해 수집하게 되는 이산화탄소의 양이 소량이었기 때문에 액화 공정의 경제성을 고려할 필요가 없었다. 즉, 예를 들어 종래에는 상온 상압의 이산화탄소를 고압으로 압축한 후 온도를 떨어뜨림으로써 액화 이산화탄소를 얻었다. 도 1(B)는 종래의 이산화탄소 액화 공정 시스템을 간략하게 도시한 것으로, 종래에는 압축기 및 냉각을 위한 열교환기를 사용하여 이산화탄소를 액화시키는 공정을 사용하였다.
그러나 상술한 바와 같이 현재 지구 온난화 문제의 심각성 등과 같은 요인에 의하여, 산업 현장 등에서 발생되는 대량의 이산화탄소를 수집하고, 이를 운반하여 폐기하는 효율적인 공정에 대한 필요와 요구가 점차 증가하고 있는 실정이다. 즉, 상압의 이산화탄소는 밀도가 낮아 대량의 온실 가스 제거의 목적에는 미비한 바, 이산화탄소를 액화시켜 밀도를 높여야 대량의 이산화탄소를 저장, 운반 및 폐기가 경제적으로 이루어지는 것이다.
그런데 도 1(B)에 도시된 바와 같은 종래의 이산화탄소 액화 공정의 경우, 이산화탄소 압축기가 다량의 동력을 소모할 뿐만 아니라, 이산화탄소를 액화시키기 위하여 외부 냉각 유체가 필요하였다. 따라서 종래의 이산화탄소 액화 공정을 대량의 이산화탄소를 처리하는 데 사용하기에는 많은 문제가 있었다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 내부 열교환을 통해 이산화탄소 액화 공정의 효율을 높이는, 내부 열교환을 이용한 고효율 이산화탄소 액화 장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 내부 열교환을 이용한 고효율 이산화탄소 액화 장치는, 저압 상온의 기상 이산화탄소를 고압 저온의 액상 이산화탄소로 액화시키는 이산화탄소 액화 장치(100)에 있어서, 저압 상온의 기상 이산화탄소 및 고압 초저온의 액상 이산화탄소를 서로 열교환시킴으로써, 저압 상온의 기상 이산화탄소를 저압 저온으로 냉각시키도록, 저압 상온의 기상 이산화탄소 및 고압 초저온의 액상 이산화탄소가 서로 인접하되 격리된 공간으로 각각 유입 및 배출되는 이산화탄소 열교환기(110); 상기 이산화탄소 열교환기(110)를 통과하여 나온 저압 저온의 기상 이산화탄소를 중압 고온의 기상 이산화탄소로 압축하는 이산화탄소 압축기(120); 상기 이산화탄소 압축기(120)를 통과하여 나온 중압 고온의 기상 이산화탄소 및 냉각 유체를 서로 열교환시킴으로써, 중압 고온의 기상 이산화탄소를 중압 초저온의 액상 이산화탄소로 액화시키도록, 중압 고온의 기상 이산화탄소 및 냉각 유체가 서로 인접하되 격리된 공간으로 각각 유입 및 배출되는 이산화탄소 액화기(130); 상기 이산화탄소 액화기(130)를 통과하여 나온 중압 초저온의 액상 이산화탄소를 고압 초저온의 액상 이산화탄소로 가압하는 이산화탄소 가압 펌프(150); 를 포함하여 이루어지며, 상기 이산화탄소 가압 펌프(150)를 통과하여 나온 고압 초저온의 액상 이산화탄소가 상기 이산화탄소 열교환기(110)를 통과하면서 최초에 유입되는 저압 상온의 기상 이산화탄소와 열교환함으로써 고압 저온의 액상 이산화탄소로서 배출되는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 이산화탄소 액화 장치(100)는 상기 이산화탄소 액화기(130) 및 상기 이산화탄소 가압 펌프(150) 사이의 이산화탄소 유로 상에 구비되며, 상기 이산화탄소 액화기(130)를 통과하여 나온 중압 초저온의 액상 이산화탄소에 잔존하는 기상 이산화탄소를 액상 이산화탄소와 분리하여 액상 이산화탄소만을 상기 이산화탄소 가압 펌프(150)로 유입시키는 이산화탄소 기액분리기(140); 를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 이산화탄소 액화 장치(100)는 상기 이산화탄소 압축기(120) 및 상기 이산화탄소 액화기(130) 사이의 이산화탄소 유로 상에 구비되며, 상기 이산화탄소 압축기(120)를 통과하여 나온 중압 고온의 기상 이산화탄소 및 고압 저온의 액상 냉매를 서로 열교환시킴으로써, 중압 고온의 기상 이산화탄소를 냉각시키도록, 중압 고온의 기상 이산화탄소 및 고압 저온의 액상 냉매가 서로 인접하되 격리된 공간으로 각각 유입 및 배출되는 이산화탄소-냉매 열교환기(210)와, 상기 이산화탄소-냉매 열교환기(210)를 통과하여 나온 고압 고온의 기상 냉매를 저압 저온의 기상 냉매로 압축하는 냉매 터빈(220)과, 상기 이산화탄소 가압 펌프(150) 및 상기 이산화탄소 열교환기(110) 사이의 이산화탄소 유로 상에 구비되며, 상기 이산화탄 소 가압 펌프(150)를 통과하여 나온 고압 초저온의 액상 이산화탄소 및 상기 냉매 터빈(220)을 통과하여 나온 저압 저온의 기상 냉매를 서로 열교환시킴으로써, 저압 저온의 기상 냉매를 저압 저온의 액상 냉매로 응축시키도록, 고압 초저온의 액상 이산화탄소 및 저압 저온의 기상 냉매가 서로 인접하되 격리된 공간으로 각각 유입 및 배출되는 냉매 응축기(230)와, 상기 냉매 응축기(230)를 통과하여 나온 저압 저온의 액상 냉매를 고압 저온의 액상 냉매로 가압하는 냉매 가압 펌프(250)를 포함하여 이루어지며, 상기 냉매 가압 펌프(250)를 통과하여 나온 고압 저온의 액상 냉매가 상기 이산화탄소-냉매 열교환기(210)로 유입됨으로써 냉각 사이클이 이루어지는 냉매 발전 사이클(200); 를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. 이 때, 상기 냉매 발전 사이클(200)은 상기 냉매 응축기(230) 및 상기 냉매 가압 펌프(250) 사이의 냉매 유로 상에 구비되며, 상기 냉매 응축기(230)를 통과하여 나온 저압 저온의 액상 냉매에 잔존하는 기상 냉매를 액상 냉매와 분리하여 액상 냉매만을 상기 냉매 가압 펌프(250)로 유입시키는 냉매 기액분리기(240)를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
또한 이 때, 상기 이산화탄소 액화 장치(100)는 상기 이산화탄소 액화기(130) 및 상기 이산화탄소-냉매 열교환기(210)가 제1판형 열교환기(310)로서 일체로 이루어져, 상기 제1판형 열교환기(310)의 일부(310A)가 상기 이산화탄소 액화기(130) 역할을, 나머지 일부(310B)가 상기 이산화탄소-냉매 열교환기(210) 역할을 하도록 형성되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 이산화탄소 액화 장치(100)는 상기 이산화탄소 열교환기(110) 및 상기 냉매 응축기(230)가 제2판형 열교환기(320) 로서 일체로 이루어져, 상기 제2판형 열교환기(320)의 일부(320A)가 상기 이산화탄소 열교환기(110) 역할을, 나머지 일부(320B)가 상기 냉매 응축기(230) 역할을 하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 냉각 유체는 LNG인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 종래에 산업 현장 등에서 대량으로 발생하는 이산화탄소를 처리하기 어려웠던 문제를 해결하여, 대량의 이산화탄소를 종래보다 훨씬 경제적이고 효율적으로 액화시킬 수 있게 해 주는 효과가 있다. 보다 구체적으로 설명하자면, 본 발명에 의하면 내부 열교환을 통해 이산화탄소 액화 공정의 효율을 높이고 있기 때문에 전체 공정의 에너지 소비를 크게 절약할 수 있는 큰 효과가 있는 것이다.
또한 본 발명에 의하면, 대량의 이산화탄소를 용이하게 경제적ㆍ효율적으로 액화시킬 수 있기 때문에 이산화탄소의 운반 및 폐기를 쉽게 수행할 수 있는 효과가 있다. 이에 따라 종래에 산업 현장에서 발생하던 이산화탄소가 대기로 버려지는 것을 막을 수 있게 되며, 결과적으로 온실 가스 배출량을 크게 줄일 수 있게 되는 친환경적 효과 또한 있다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 내부 열교환을 이용 한 고효율 이산화탄소 액화 장치를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
먼저 냉각 시스템에 대하여 간략히 설명한다. 열교환기는 온도차가 있는 두 환경 사이에서 한쪽의 열을 흡수하여 다른쪽으로 열을 방출시키는 장치로서, 열교환기를 포함하여 이루어지는 열교환 시스템은 실내의 열을 흡수하여 외부로 방출할 경우에는 냉각 시스템으로서, 외부의 열을 흡수하여 실내로 방출할 경우에는 난방 시스템으로서 작용하게 된다. 기본적으로 열교환기는 주변으로부터 열을 흡수하는 증발기, 열교환매체를 압축하는 압축기, 주변으로 열을 방출하는 응축기, 열교환매체를 팽창시키는 터빈(또는 팽창 밸브)으로 구성된다. 냉각 시스템에서는, 액체 상태의 냉매가 주변에서 기화열만큼의 열량을 흡수하여 기화되는 증발기에 의해 실제 냉각 작용이 일어나게 된다. 상기 증발기로부터 압축기로 유입되는 기체 상태의 냉매는 압축기에서 고온 및 고압으로 압축되고, 상기 압축된 기체 상태의 냉매가 응축기를 통과하면서 액화되는 과정에서 주변으로 액화열이 방출되며, 상기 액화된 냉매가 다시 터빈(또는 팽창밸브)를 통과함으로써 저온 및 저압의 습포화 증기 상태가 된 후 다시 증발기로 유입되어 기화하게 되어 사이클을 이루게 된다.
이 때, 상술한 바와 같이 응축기에서는 고온ㆍ고압의 기체 상태인 냉매가 유입되어 열교환에 의해 액화열을 방출하면서 액체 상태로 응축된 후 배출되는데, 이렇게 냉매가 기상에서 액상으로 바뀌는 과정에 있기 때문에 응축기 내부에는 기상의 냉매와 액상의 냉매가 혼합되어 있게 된다. 그런데, 기상 냉매와 액상 냉매가 혼합되어 있게 되면 온도ㆍ압력에 있어 평형적인 조건밖에는 얻을 수가 없게 되기 때문에, 보다 응축기 효율을 높이기 위해서는 이미 응축된 액상 냉매와 아직 응축되지 못한 기상 냉매를 분리하는 것이 바람직하다.
이러한 냉각 시스템에 사용되는 열교환기(즉 증발기 및 응축기)의 기본적인 형태는 널리 알려져 있으며, 예를 들어 헤더탱크, 튜브 및 핀으로 이루어지는 튜브-핀형 열교환기나, 다수 개의 판이 적층되어 이루어지는 판형 열교환기 등 다양한 형태의 열교환기가 공지되어 있고, 물론 압축기, 터빈, 팽창 밸브 등 역시 다양한 형태로서 공지되어 있다. 또한 이러한 열교환기, 압축기, 터빈, 팽창 밸브 등의 작동 원리 역시 널리 알려져 있는 사실이다. 본 발명은 열교환 시스템 자체에 관한 기술인 바, 이하에서는 열교환기, 압축기, 터빈, 팽창 밸브 등과 같은 각 부의 상세 형태나 작동 원리 등에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 이산화탄소 액화 장치를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 저압 상온의 기상 이산화탄소를 고압 저온의 액상 이산화탄소로 액화시키는 본 발명의 이산화탄소 액화 장치(100)는 이산화탄소 열교환기(110), 이산화탄소 압축기(120), 이산화탄소 액화기(130) 및 이산화탄소 가압 펌프(150)를 포함하여 이루어진다. 본 발명의 이산화탄소 액화 장치는 상술한 바와 같은 일반적인 냉각 시스템의 원리를 일부 사용하나, 일반적인 냉각 시스템이 증발기 - 압축기 - 응축기 - 터빈을 순차적으로 통과하는 단순한 사이클을 이루고 있는 것과는 달리, 상기 이산화탄소 열교환기(100)에 (액화 공정을 거치지 않은) 저압 상온의 기상 이산화탄소 뿐만 아니라 (액화 공정 마지막 단계에 가까운) 고압 초저온의 액상 이산화탄소가 통과하도록 함으로써, 저압 상온의 기상 이산화탄소 및 고압 초저온의 액상 이산화탄소를 서로 열교환하도록 함으로써 열교환 효율을 증대시킨다. 이하에서 각 부에 대하여 보다 상세히 설명한다.
상기 이산화탄소 열교환기(110)는 저압 상온의 기상 이산화탄소 및 고압 초저온의 액상 이산화탄소를 서로 열교환시킴으로써 저압 상온의 기상 이산화탄소를 저압 저온으로 냉각시킨다. 따라서 상기 이산화탄소 열교환기(110)는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 저압 상온의 기상 이산화탄소 및 고압 초저온의 액상 이산화탄소가 모두 통과하도록 되어 있다. 물론 이 두 상태의 이산화탄소가 서로 혼합되어서는 안되므로, 상기 이산화탄소 열교환기(110)는 저압 상온의 기상 이산화탄소 및 고압 초저온의 액상 이산화탄소가 서로 인접하되 격리된 공간으로 각각 유입 및 배출되도록 형성된다. 이와 같이 이종의 열교환매체가 서로 인접하되 격리된 공간으로 유입 및 배출되도록 함으로써 서로 열교환하도록 하는 열교환기의 형태에 관한 기술은 다양하게 널리 공지되어 있으며, 따라서 상기 이산화탄소 열교환기(110) 자체의 상세 형태에 대한 설명은 생략한다.
상기 이산화탄소 압축기(120)는 상기 이산화탄소 열교환기(110)를 통과하여 나온 저압 저온의 기상 이산화탄소를 중압 고온의 기상 이산화탄소로 압축하게 된다.
상기 이산화탄소 액화기(130)는 상기 이산화탄소 압축기(120)를 통과하여 나온 중압 고온의 기상 이산화탄소 및 냉각 유체를 서로 열교환시킴으로써, 중압 고온의 기상 이산화탄소를 중압 초저온의 액상 이산화탄소로 액화시킨다. 따라서 상 기 이산화탄소 액화기(130)는, 상기 이산화탄소 열교환기(110)와 유사하게, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 저압 상온의 기상 이산화탄소 및 고압 초저온의 액상 이산화탄소가 모두 통과하도록 되어 있다. 역시 상기 이산화탄소 열교환기(110)와 유사하게, 이 두 상태의 이산화탄소가 서로 혼합되어서는 안되므로, 상기 이산화탄소 액화기(130)는 중압 고온의 기상 이산화탄소 및 냉각 유체가 서로 인접하되 격리된 공간으로 각각 유입 및 배출되도록 형성된다. 상기 냉각 유체는 상기 중압 고온의 기상 이산화탄소를 냉각시킬 수 있는 저온의 유체라면 어떤 물질을 사용하여도 무방하다.
이 때, LNG 발전소처럼 LNG 기화가 필요한 설비에서 LNG 기화 공정과 연결하면 에너지 효율을 더욱 높일 수 있다. 즉, 상기 냉각 유체로 LNG를 사용하게 되면, LNG 기화에 필요한 에너지를 절감할 수 있다. 도 5는 통상적인 LNG 기화 공정으로, 도 5의 오른쪽 하단의 Vaporizer가 LNG를 기화하는 장치이다. 이 기화기가 이산화탄소 액화기 역할을 수행하도록 공정을 구성하면, 이산화탄소의 액화 및 LNG의 기화를 동시에 높은 효율로 수행할 수 있게 되는 것이다.
상기 이산화탄소 가압 펌프(150)는 상기 이산화탄소 액화기(130)를 통과하여 나온 중압 초저온의 액상 이산화탄소를 고압 초저온의 액상 이산화탄소로 가압하게 된다.
이와 같이 상기 이산화탄소 가압 펌프(150)를 통과하여 나온 고압 초저온의 액상 이산화탄소는, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 상기 이산화탄소 열교환기(110)로 유입되게 된다. 고압 초저온의 액상 이산화탄소가 상기 이산화탄소 열교 환기(110)를 통과하면서 최초에 유입되는 저압 상온의 기상 이산화탄소와 열교환을 일으키게 되고, 따라서 고압 초저온의 액상 이산화탄소는 최종적으로 고압 저온의 액상 이산화탄소가 되어 배출되게 된다. (물론 이 과정에서, 최초에 유입되는 저압 상온의 기상 이산화탄소는 고압 초저온의 액상 이산화탄소과 열교환함으로써 냉각되어 저압 저온의 기상 이산화탄소가 된다.)
이 때, 본 발명의 이산화탄소 액화 장치(100)는 이산화탄소 기액분리기(140)를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 이산화탄소 기액분리기(140)는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 상기 이산화탄소 액화기(130) 및 상기 이산화탄소 가압 펌프(150) 사이의 이산화탄소 유로 상에 구비되며, 상기 이산화탄소 액화기(130)를 통과하여 나온 중압 초저온의 액상 이산화탄소에 잔존하는 기상 이산화탄소를 액상 이산화탄소와 분리하여 액상 이산화탄소만을 상기 이산화탄소 가압 펌프(150)로 유입시키게 된다.
종래의 이산화탄소 액화 장치는, 도 1(B)에 도시되어 있는 바와 같이, 단지 저압 상온의 기상 이산화탄소를 이산화탄소 압축기로 통과시켜 압축하고(고압 고온의 기상 이산화탄소가 됨), 이를 이산화탄소 액화기에서 냉각 유체와 열교환시킴으로써 냉각 및 액화시켜 고압 상온의 액상 이산화탄소로 만들어 배출하였다. 반면 본 발명에서는, 저압 상온의 기상 이산화탄소를 이산화탄소 압축기로 유입시키기 전에 (액화 장치를 거의 다 거쳐 나온) 고압 초저온의 액상 이산화탄소와 열교환시킴으로써 1차적으로 냉각해 줌으로써 이산화탄소 압축기의 에너지 소모를 줄일 수 있게 해 준다. 또한 이산화탄소 액화기에서 냉각 및 액화시킨 중압 초저온의 액상 이산화탄소를 다시 한 번 가압해 줌으로써 역시 에너지 소모를 줄임과 동시에, 고압 초저온의 액상 이산화탄소를 얻을 수 있게 해 준다. 즉, 종래에 고압 상온의 액상 이산화탄소밖에는 얻을 수 없었던 것과는 달리, 본 발명의 이산화탄소 액화 장치를 사용하면 에너지 소모를 줄이면서도 고압 저온의 액상 이산화탄소를 얻을 수 있게 되며, 따라서 이산화탄소의 밀도를 훨씬 높임으로써 부피를 줄일 수 있게 되는 것이다. 또한 본 발명의 이산화탄소 액화 장치의 경우 고압 초저온 이산화탄소를 기화시키기 위해 별도의 에너지가 필요하지 않으며, 궁극적으로는 시스템 전체적인 효율을 크게 높일 수 있다.
도 3은 본 발명의 이산화탄소 액화 장치의 다른 실시예로서, 도 2의 장치에 냉각 발전 시스템이 더 구비된 형태를 도시하고 있다. 상기 냉각 발전 시스템(200)에 의해 액화 및 냉각 효율을 보다 높일 수 있게 되는데, 상기 냉각 발전 시스템(200)은 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 이산화탄소-냉매 열교환기(210), 냉매 터빈(220), 냉매 응축기(230), 냉매 가압 펌프(250)를 포함하여 이루어지며, 상기 냉매 가압 펌프(250)를 통과하여 나온 고압 저온의 액상 냉매가 상기 이산화탄소-냉매 열교환기(210)로 유입됨으로써 냉각 사이클이 이루어지게 된다. 이하에서 각 부에 대해 보다 상세히 설명한다.
상기 이산화탄소-냉매 열교환기(210)는 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 상기 이산화탄소 압축기(120) 및 상기 이산화탄소 액화기(130) 사이의 이산화탄소 유 로 상에 구비되며, 상기 이산화탄소 압축기(120)를 통과하여 나온 중압 고온의 기상 이산화탄소 및 고압 저온의 액상 냉매를 서로 열교환시킴으로써, 중압 고온의 기상 이산화탄소를 냉각시킨다. 따라서 상기 이산화탄소-냉매 열교환기(210)는, 상기 이산화탄소 열교환기(110) 또는 상기 이산화탄소 액화기(130)와 유사하게, 중압 고온의 기상 이산화탄소 및 고압 저온의 액상 냉매가 서로 인접하되 격리된 공간으로 각각 유입 및 배출되도록 이루어진다.
상기 냉매 터빈(220)은 상기 이산화탄소-냉매 열교환기(210)를 통과하여 나온 고압 고온의 기상 냉매를 저압 저온의 기상 냉매로 압축한다. 상기 냉매 터빈(220)은 냉매의 팽팡을 통해 일을 하게 되는데, 따라서 상기 냉매 터빈(220)을 발전기(260)에 연결함으로써 동력원을 공급할 수 있게 된다.
상기 냉매 응축기(230)는 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 상기 이산화탄소 가압 펌프(150) 및 상기 이산화탄소 열교환기(110) 사이의 이산화탄소 유로 상에 구비되며, 상기 이산화탄소 가압 펌프(150)를 통과하여 나온 고압 초저온의 액상 이산화탄소 및 상기 냉매 터빈(220)을 통과하여 나온 저압 저온의 기상 냉매를 서로 열교환시킴으로써, 저압 저온의 기상 냉매를 저압 저온의 액상 냉매로 응축시킨다. 따라서 상기 냉매 응축기(230)는, 역시 상기 이산화탄소 열교환기(110) 또는 상기 이산화탄소 액화기(130)와 유사하게, 고압 초저온의 액상 이산화탄소 및 저압 저온의 기상 냉매가 서로 인접하되 격리된 공간으로 각각 유입 및 배출되도록 이루어진다.
상기 냉매 가압 펌프(250)는 상기 냉매 응축기(230)를 통과하여 나온 저압 저온의 액상 냉매를 고압 저온의 액상 냉매로 가압한다.
상술한 바와 같이, 상기 냉각 발전 시스템(200)의 냉매는 액화 공정 중 일부 단계에서의 이산화탄소와 열교환함으로써 기화 또는 액화되게 되며, 이 과정에서 이산화탄소의 액화가 보다 효율적으로 이루어지게 된다. 즉, 내부 열교환을 통해 압축기 이전의 이산화탄소 기체 온도를 하강시킴으로써 밀도를 상승시켜 압축 에너지 소모를 감소시킬 수 있다. 또한 내부 열교환을 통해 고압 이산화탄소 온도 상승에 필요한 에너지 소모를 감소시킬 수 있는 것이다. 뿐만 아니라 본 발명에 의하면, 폐회로 냉매 발전 시스템을 설치하여 전기나 동력 에너지을 발생시킴으로써, 시스템 전체 효율을 극대화할 수 있게 된다.
이 때, 상기 이산화탄소 액화 장치(100)는 이산화탄소 기액분리기(140)를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 이산화탄소 기액분리기(140)는, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 이산화탄소 액화기(130) 및 상기 이산화탄소 가압 펌프(150) 사이의 이산화탄소 유로 상에 구비되며, 상기 이산화탄소 액화기(130)를 통과하여 나온 중압 초저온의 액상 이산화탄소에 잔존하는 기상 이산화탄소를 액상 이산화탄소와 분리하여 액상 이산화탄소만을 상기 이산화탄소 가압 펌프(150)로 유입시킨다.
도 4는 본 발명의 이산화탄소 액화 장치의 또다른 실시예로서, 도 3의 냉각 발전 시스템의 다른 형태를 도시하고 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 이산화탄소 액화기(130) 및 상기 이산화탄소-냉매 열교환기(210)가 제1판형 열교환 기(310)로서 일체로 이루어질 수 있다. 즉 상기 제1판형 열교환기(310)의 일부(310A)가 상기 이산화탄소 액화기(130) 역할을, 나머지 일부(310B)가 상기 이산화탄소-냉매 열교환기(210) 역할을 하도록 형성되는 것이다. 또한 역시 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 이산화탄소 열교환기(110) 및 상기 냉매 응축기(230)가 제2판형 열교환기(320)로서 일체로 이루어져, 상기 제2판형 열교환기(320)의 일부(320A)가 상기 이산화탄소 열교환기(110) 역할을, 나머지 일부(320B)가 상기 냉매 응축기(230) 역할을 하도록 형성되도록 할 수 있다.
상기 제1 및 제2판형 열교환기(310)(320)는 일반적으로 초저온 기체 액화 공정에서 널리 사용되는 다중의 유출입구를 갖는 판형 열교환기를 사용할 수 있으며, 이와 같이 함으로써 공정이 더욱 간단해질 수 있게 된다. 즉, 제1판형 열교환기(310)에서 이산화탄소 액화, 냉매 기화, 냉각 유체 온도 상승이 일어나며, 제2판형 열교환기(320)에서 고압 이산화탄소 온도 상승, 냉매 응축, 저압 이산화탄소 냉각이 동시에 발생하게 된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
도 1은 종래의 이산화탄소 수집 및 액화 공정의 시스템도.
도 2는 본 발명의 이산화탄소 액화 장치.
도 3은 본 발명의 이산화탄소 액화 장치의 다른 실시예.
도 4는 본 발명의 이산화탄소 액화 장치의 또다른 실시예.
도 5는 LNG 기화 공정의 예시.
**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**
100: 이산화탄소 액화 장치 110: 이산화탄소 열교환기
120: 이산화탄소 압축기 130: 이산화탄소 액화기
140: 이산화탄소 기액분리기 150: 이산화탄소 가압 펌프
200: 냉매 발전 사이클 210: 이산화탄소-냉매 열교환기
220: 냉매 터빈 230: 냉매 응축기
240: 냉매 기액분리기 250: 냉매 가압 펌프

Claims (7)

  1. 저압 상온의 기상 이산화탄소를 고압 저온의 액상 이산화탄소로 액화시키는 이산화탄소 액화 장치(100)에 있어서,
    저압 상온의 기상 이산화탄소 및 고압 초저온의 액상 이산화탄소를 서로 열교환시킴으로써, 저압 상온의 기상 이산화탄소를 저압 저온으로 냉각시키도록, 저압 상온의 기상 이산화탄소 및 고압 초저온의 액상 이산화탄소가 서로 인접하되 격리된 공간으로 각각 유입 및 배출되는 이산화탄소 열교환기(110);
    상기 이산화탄소 열교환기(110)를 통과하여 나온 저압 저온의 기상 이산화탄소를 중압 고온의 기상 이산화탄소로 압축하는 이산화탄소 압축기(120);
    상기 이산화탄소 압축기(120)를 통과하여 나온 중압 고온의 기상 이산화탄소 및 냉각 유체를 서로 열교환시킴으로써, 중압 고온의 기상 이산화탄소를 중압 초저온의 액상 이산화탄소로 액화시키도록, 중압 고온의 기상 이산화탄소 및 냉각 유체가 서로 인접하되 격리된 공간으로 각각 유입 및 배출되는 이산화탄소 액화기(130);
    상기 이산화탄소 액화기(130)를 통과하여 나온 중압 초저온의 액상 이산화탄소를 고압 초저온의 액상 이산화탄소로 가압하는 이산화탄소 가압 펌프(150);
    를 포함하여 이루어지며,
    상기 이산화탄소 가압 펌프(150)를 통과하여 나온 고압 초저온의 액상 이산화탄소가 상기 이산화탄소 열교환기(110)를 통과하면서 최초에 유입되는 저압 상온의 기상 이산화탄소와 열교환함으로써 고압 저온의 액상 이산화탄소로서 배출되는 것을 특징으로 하며,
    상기 냉각 유체는 LNG인 것을 특징으로 하는 내부 열교환을 이용한 고효율 이산화탄소 액화 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 이산화탄소 액화 장치(100)는
    상기 이산화탄소 액화기(130) 및 상기 이산화탄소 가압 펌프(150) 사이의 이산화탄소 유로 상에 구비되며, 상기 이산화탄소 액화기(130)를 통과하여 나온 중압 초저온의 액상 이산화탄소에 잔존하는 기상 이산화탄소를 액상 이산화탄소와 분리하여 액상 이산화탄소만을 상기 이산화탄소 가압 펌프(150)로 유입시키는 이산화탄소 기액분리기(140);
    를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 내부 열교환을 이용한 고효율 이산화탄소 액화 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 이산화탄소 액화 장치(100)는
    상기 이산화탄소 압축기(120) 및 상기 이산화탄소 액화기(130) 사이의 이산화탄소 유로 상에 구비되며, 상기 이산화탄소 압축기(120)를 통과하여 나온 중압 고온의 기상 이산화탄소 및 고압 저온의 액상 냉매를 서로 열교환시킴으로써, 중압 고온의 기상 이산화탄소를 냉각시키도록, 중압 고온의 기상 이산화탄소 및 고압 저온의 액상 냉매가 서로 인접하되 격리된 공간으로 각각 유입 및 배출되는 이산화탄 소-냉매 열교환기(210)와,
    상기 이산화탄소-냉매 열교환기(210)를 통과하여 나온 고압 고온의 기상 냉매를 저압 저온의 기상 냉매로 압축하는 냉매 터빈(220)과,
    상기 이산화탄소 가압 펌프(150) 및 상기 이산화탄소 열교환기(110) 사이의 이산화탄소 유로 상에 구비되며, 상기 이산화탄소 가압 펌프(150)를 통과하여 나온 고압 초저온의 액상 이산화탄소 및 상기 냉매 터빈(220)을 통과하여 나온 저압 저온의 기상 냉매를 서로 열교환시킴으로써, 저압 저온의 기상 냉매를 저압 저온의 액상 냉매로 응축시키도록, 고압 초저온의 액상 이산화탄소 및 저압 저온의 기상 냉매가 서로 인접하되 격리된 공간으로 각각 유입 및 배출되는 냉매 응축기(230)와,
    상기 냉매 응축기(230)를 통과하여 나온 저압 저온의 액상 냉매를 고압 저온의 액상 냉매로 가압하는 냉매 가압 펌프(250)
    를 포함하여 이루어지며,
    상기 냉매 가압 펌프(250)를 통과하여 나온 고압 저온의 액상 냉매가 상기 이산화탄소-냉매 열교환기(210)로 유입됨으로써 냉각 사이클이 이루어지는 냉매 발전 사이클(200);
    를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 내부 열교환을 이용한 고효율 이산화탄소 액화 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 냉매 발전 사이클(200)은
    상기 냉매 응축기(230) 및 상기 냉매 가압 펌프(250) 사이의 냉매 유로 상에 구비되며, 상기 냉매 응축기(230)를 통과하여 나온 저압 저온의 액상 냉매에 잔존하는 기상 냉매를 액상 냉매와 분리하여 액상 냉매만을 상기 냉매 가압 펌프(250)로 유입시키는 냉매 기액분리기(240)
    를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 내부 열교환을 이용한 고효율 이산화탄소 액화 장치.
  5. 제 3항에 있어서, 상기 이산화탄소 액화 장치(100)는
    상기 이산화탄소 액화기(130) 및 상기 이산화탄소-냉매 열교환기(210)가 제1판형 열교환기(310)로서 일체로 이루어져, 상기 제1판형 열교환기(310)의 일부(310A)가 상기 이산화탄소 액화기(130) 역할을, 나머지 일부(310B)가 상기 이산화탄소-냉매 열교환기(210) 역할을 하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 내부 열교환을 이용한 고효율 이산화탄소 액화 장치.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 이산화탄소 액화 장치(100)는
    상기 이산화탄소 열교환기(110) 및 상기 냉매 응축기(230)가 제2판형 열교환기(320)로서 일체로 이루어져, 상기 제2판형 열교환기(320)의 일부(320A)가 상기 이산화탄소 열교환기(110) 역할을, 나머지 일부(320B)가 상기 냉매 응축기(230) 역할을 하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 내부 열교환을 이용한 고효율 이산화탄소 액화 장치.
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JP2000318432A (ja) 1999-04-23 2000-11-21 Valeo Klimatechnik Gmbh 自動車用空調装置の高圧気体冷却装置
KR100863953B1 (ko) 2002-09-13 2008-10-16 삼성에스디아이 주식회사 이산화탄소를 이용한 세정장치용 이산화탄소 액화기

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