KR101242949B1 - 이산화탄소 재액화 공정 - Google Patents

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Abstract

액화 이산화탄소가 저장된 저장 탱크로부터 증발된 이산화탄소 스트림을 재액화하는 이산화탄소 재액화 공정은, 저장 탱크로부터 증발된 이산화탄소 스트림을 열교환 영역으로 유입시키는 제1 유입 단계, 제1 유입 단계를 통해 열교환 영역을 거친 이산화탄소 스트림을 압축하는 제1 압축 단계, 제1 압축 단계를 거친 이산화탄소 스트림을 재압축하는 제2 압축 단계, 제2 압축 단계를 거친 이산화탄소 스트림을 제1 서브 스트림과 제2 서브 스트림으로 분리하는 제1 분리 단계, 제1 분리 단계 이후의 제1 서브 스트림을 열교환 영역으로 유입시키는 제2 유입 단계, 제2 유입 단계를 통해 열교환 영역을 거친 제1 서브 스트림을 제1 압축 단계를 거친 이산화탄소 스트림에 혼입시키는 제1 혼입 단계, 제1 분리 단계 이후의 제2 서브 스트림을 열교환 영역으로 유입시키는 제3 유입 단계, 및 제3 유입 단계를 통해 열교환 영역을 거친 제2 서브 스트림을 기상의 제3 서브 스트림과 액상의 제4 서브 스트림으로 분리하는 제2 분리 단계를 포함한다.

Description

이산화탄소 재액화 공정 {CARBON DIOXIDE RE-LIQUEFACTION PROCESS}
본 발명은 이산화탄소 재액화 공정에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 재액화 공정의 구조나 운전이 단순하면서도 이러한 단순함에 비해 상대적으로 재액화 공정의 효율이 뛰어난 이산화탄소 재액화 공정에 관한 것이다.
일반적으로 이산화탄소는 액화된 다음에 저장 탱크에 저장된 채로 운반선 등에 의해 목적지까지 수송된다. 이러한 수송 중에 액화 이산화탄소는 외부의 열 등으로 인해 그 일부가 기화되어 증발가스(Boil-Off Gas, BOG)를 발생시킨다. 이러한 증발가스는 통상 외부로 그냥 배출될 수 있다. 그러나 이와 같이 증발가스를 단순히 배출하는 것은 경제적인 이유나 환경적인 이유에서 바람직하지 않기 때문에 증발가스를 일정한 재액화 공정을 통해 재액화시켜 다시 저장 탱크로 유입시키는 기술들이 현재 다양하게 연구되고 있다. 이러한 재액화 공정과 관련하여 이산화탄소 운반선 등에 있어서 증발가스 재액화 장치는 통상적으로 부수적인 장치에 해당한다. 이에 따라 효율을 가장 중시하는 일반적인 액화공정과 달리, 이산화탄소 재액화 공정은 구조나 운전이 단순하고 초기 투자비가 낮은 것이 더 중요하다. 그러나 현재까지 연구되고 있는 재액화 공정들은 별도의 냉매 사이클을 더 이용하는 등의 이유로 아직 그 구조가 너무 복잡하다는 문제가 있다. 또한 재액화 공정의 구조를 단순화시키면 그에 따라 재액화 공정의 효율이 떨어진다는 문제가 있다.
따라서 본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 재액화 공정의 구조나 운전이 단순하면서도 이러한 단순함에 비해 상대적으로 재액화 공정의 효율이 뛰어난 이산화탄소 재액화 공정을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 과제들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 액화 이산화탄소가 저장된 저장 탱크로부터 증발된 이산화탄소 스트림을 재액화하는 이산화탄소 재액화 공정은, 저장 탱크로부터 증발된 이산화탄소 스트림을 열교환 영역으로 유입시키는 제1 유입 단계, 제1 유입 단계를 통해 열교환 영역을 거친 이산화탄소 스트림을 압축하는 제1 압축 단계, 제1 압축 단계를 거친 이산화탄소 스트림을 재압축하는 제2 압축 단계, 제2 압축 단계를 거친 이산화탄소 스트림을 제1 서브 스트림과 제2 서브 스트림으로 분리하는 제1 분리 단계, 제1 분리 단계 이후의 제1 서브 스트림을 열교환 영역으로 유입시키는 제2 유입 단계, 제2 유입 단계를 통해 열교환 영역을 거친 제1 서브 스트림을 제1 압축 단계를 거친 이산화탄소 스트림에 혼입시키는 제1 혼입 단계, 제1 분리 단계 이후의 제2 서브 스트림을 열교환 영역으로 유입시키는 제3 유입 단계, 및 제3 유입 단계를 통해 열교환 영역을 거친 제2 서브 스트림을 기상의 제3 서브 스트림과 액상의 제4 서브 스트림으로 분리하는 제2 분리 단계를 포함한다. 이때 제2 분리 단계 이후의 제4 서브 스트림은 저장 탱크로 회수된다.
본 발명에 따른 이산화탄소 재액화 공정은 이산화탄소를 재액화시키기 위해 별도의 냉매를 전혀 이용하지 않기 때문에 별도의 냉매를 압축하고, 응축하고, 팽창시키는 수단이 불필요하여 이산화탄소 재액화 공정의 구조나 운전을 매우 단순화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 하나의 이산화탄소 스트림을 제1 분리 단계와 제2 분리 단계를 통해 여러 개의 서브 스트림으로 분리한 다음 각각의 열역학적 특성에 따라 일부 스트림으로 다른 스트림을 냉각시키기 때문에 별도의 냉매를 사용하지 않음에도 불구하고 그 효율이 매우 우수하다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 이산화탄소 재액화 공정을 도시하고 있는 흐름도
도 2는 도 1의 이산화탄소 재액화 공정의 변형예를 도시하고 있는 흐름도
도 3은 도 2의 이산화탄소 재액화 공정의 변형예를 도시하고 있는 흐름도
도 4는 도 3의 이산화탄소 재액화 공정의 변형예를 도시하고 있는 흐름도
도 5는 도 3의 이산화탄소 재액화 공정의 다른 변형예를 도시하고 있는 흐름도
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 이산화탄소 재액화 공정을 도시하고 있는 흐름도
도 7은 도 6의 이산화탄소 재액화 공정의 변형예를 도시하고 있는 흐름도
도 8은 도 3의 이산화탄소 재액화 공정에서의 hot stream과 cold stream의 온도 분포를 도시하고 있는 그래프
도 9는 도 5의 이산화탄소 재액화 공정에서의 hot stream과 cold stream의 온도 분포를 도시하고 있는 그래프
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있다. 그리고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
실시예 1
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 이산화탄소 재액화 공정을 도시하고 있는 흐름도이다. 본 실시예에 따른 재액화 공정은 액화 이산화탄소가 저장된 저장 탱크(500)로부터 증발된 증발가스(BOG)를 재액화하는 공정에 적용된다. 이러한 공정에 따라 재액화된 이산화탄소는 다시 저장 탱크(500)로 회수된다. 본 실시예에 따른 재액화 공정에 대해 상술하면, 저장 탱크(500)로부터 증발된 이산화탄소 스트림은 도관(111)을 통해 이산화탄소 스트림 사이의 열교환이 이루어지는 열교환 영역(300)으로 유입된다(제1 유입 단계). 이러한 열교환 영역(300)은 통상의 열교환기(heat exchanger)내에 구비될 수 있다. 도관(111)을 통해 열교환 영역(300)으로 유입된 이산화탄소 스트림은 다른 도관(도면부호 132, 141의 도관 참조)을 통해 열교환 영역(300)으로 유입된 이산화탄소 스트림과 열교환을 한다.
이와 같이 열교환 영역(300)을 거친 이산화탄소 스트림은 도관(112)을 통해 제1 압축 수단(311)으로 유입되어 압축된다(제1 압축 단계). 여기서 제1 압축 수단(311)은 통상의 압축기(compressor)일 수 있으며, 또한 다단일 수도 있다. 후술할 다른 압축 수단들도 동일하다. 이렇게 압축된 이산화탄소 스트림은 도관(121)을 통해 제1 냉각 수단(321)으로 유입되어 냉각된다(제1 냉각 단계). 여기서 제1 냉각 수단(321)은 수냉식 또는 공랭식 냉각기(cooler)일 수 있다. 후술할 다른 냉각 수단들도 동일하다. 제1 냉각 수단(321)을 거친 이산화탄소 스트림은 도관(122)을 통해 제2 압축 수단(312)으로 유입되어 재압축된다(제2 압축 단계). 그리고 제2 압축 수단(312)을 거친 이산화탄소 스트림은 도관(123)을 통해 제2 냉각 수단(322)으로 유입되어 다시 냉각된다(제2 냉각 단계). 참고로 전술한, 또는 후술할 냉각 수단들은 선택적인 구성이기 때문에 경우에 따라서는 이러한 냉각 수단들이 구비되지 않을 수도 있다.
이와 같이 제2 냉각 수단(322)을 거친 이산화탄소 스트림은 제1 서브 스트림과 제2 서브 스트림으로 분리된다(제1 분리 단계). 이러한 분리는 하나의 도관(124)을 2개의 도관(131, 141)으로 분기시키는 것으로 달성될 수 있다. 이렇게 분리된 제1 서브 스트림은 도관(131)을 통해 제1 팽창 수단(331)으로 유입되어 팽창된다(제1 팽창 단계). 이러한 팽창으로 제1 서브 스트림의 온도를 낮추기 위해 제1 팽창 수단(331)을 J-T 밸브로 구성할 수 있다. 후술할 다른 팽창 수단들도 동일하다. J-T 밸브를 통과하면서 팽창하면 J-T Effect에 의해 이산화탄소 스트림은 그 압력과 온도가 모두 낮아질 수 있다. 이렇게 제1 팽창 수단(331)을 거친 제1 서브 스트림은 도관(132)을 통해 열교환 영역(300)으로 유입된다(제2 유입 단계). 그런 다음 제1 서브 스트림은 다른 도관(도면부호 111, 141의 도관 참조)을 통해 열교환 영역(300)으로 유입된 이산화탄소 스트림과 열교환 영역(300) 내에서 열교환을 한다. 제1 서브 스트림은 팽창에 의해 그 온도가 낮아진 상태이므로 이러한 열교환으로 다른 이산화탄소 스트림을 냉각시킬 수 있다. 이러한 열교환을 마친 제1 서브 스트림은 전술한 제1 압축 수단(311)을 거친, 보다 자세하게는 전술한 제1 압축 수단(311)과 제1 냉각 수단(321)을 거친 이산화탄소 스트림에 혼입된다(제1 혼입 단계, 도면부호 133의 도관 참조).
한편, 전술한 제1 분리 단계 이후의 제2 서브 스트림은 도관(141)을 통해 열교환 영역(300)으로 유입된다(제3 유입 단계). 이렇게 열교환 영역(300)으로 유입된 제2 서브 스트림은 열교환 영역(300) 내에서 다른 이산화탄소 스트림과 열교환을 한다. 이러한 열교환을 마친 제2 서브 스트림은 도관(142)을 통해 제2 팽창 수단(332)으로 유입되어 팽창된다(제2 팽창 단계). 이러한 팽창으로 제2 서브 스트림은 그 온도가 낮아진다. 그런 다음 제2 서브 스트림은 도관(143)을 통해 분리 수단(340)으로 유입되어 기상의 제3 서브 스트림과 액상의 제4 서브 스트림으로 분리된다(제2 분리 단계). 여기서 분리 수단(340)은 통상의 기액 분리기(Vapor-Liquid Separator)일 수 있다. 이렇게 분리된 제3 서브 스트림은 도관(151)을 통해 외부로 배출된다.
그런데 이러한 제3 서브 스트림의 흐름은 도 2와 같은 변형이 가능하다. 도 2는 도 1의 이산화탄소 재액화 공정의 변형예를 도시하고 있는 흐름도이다. 도 2에서 도시하고 있는 것과 같이, 제3 서브 스트림은 단순히 외부로 배출되는 것이 아니라, 도관(151)을 통해 제3 팽창 수단(333)으로 유입되어 팽창될 수 있다(제3 팽창 단계). 이러한 팽창으로 제3 서브 스트림은 그 온도가 낮아진다. 그런 다음 제3 서브 스트림은 도관(152)을 통해 열교환 영역(300)으로 유입된다(제4 유입 단계). 제3 서브 스트림은 팽창에 의해 그 온도가 낮아진 상태이므로 열교환 영역(300) 내에서 열교환을 통해 다른 이산화탄소 스트림을 냉각시킬 수 있다. 이러한 열교환을 마친 제3 서브 스트림은 외부로 배출될 수 있다. 그런데 제3 서브 스트림은 분리 수단(340)에서 분리되는 과정에서 질소를 다량으로 포함할 수 있다. 그러나 질소는 일종의 불순물이므로 이와 같이 외부로 배출되는 것이 바람직하다. 이와 같이 기상의 제3 서브 스트림은 열교환 이후에 외부로 배출되는데 반해, 액상의 제4 서브 스트림은 액화 이산화탄소로서 도관(161)을 통해 다시 저장 탱크(500)로 회수된다.
한편, 이산화탄소 운반선 등에 있어서 증발가스 재액화 장치는 통상적으로 부수적인 장치에 해당한다. 이에 따라 효율을 가장 중시하는 일반적인 액화공정과 달리, 이산화탄소 재액화 공정은 구조나 운전이 단순하고 초기 투자비가 낮은 것이 더 중요하다. 이러한 관점에서 일반적인 액화공정을 살펴보면, 일반적인 액화공정은 통상적으로 냉매가 필요하다. 즉, 일반적인 액화공정은 해당 기체를 냉매와의 열교환을 통해 액화시킨다. 이를 위해 일반적인 액화공정은 냉매를 압축하고, 응축하고, 팽창시키는 수단이 더 요구된다. 그러나 본 실시예에 따른 재액화 공정은 전술한 것과 같이 냉매를 필요로 하지 않는다. 이에 따라 냉매를 압축하고, 응축하고, 팽창시키는 수단도 요구되지 않는다.
결과적으로 본 실시예에 따른 재액화 공정은 일반적인 액화공정과 달리 별도의 냉매를 이용하지 않기 때문에 냉매를 압축하고, 응축하고, 팽창시키는 수단이 요구되지 않는다. 이에 따라 본 실시예에 따른 이산화탄소 재액화 공정은 그 구조나 운전을 매우 단순화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 이러한 단순성으로 인해 초기 투자비도 많이 낮출 수 있다. 더욱이 하나의 이산화탄소 스트림을 제1 분리 단계와 제2 분리 단계를 통해 여러 개의 서브 스트림으로 분리한 다음에 각각의 열역학적 특성에 따라 일부 스트림으로 다른 스트림을 냉각시키기 때문에 별도의 냉매를 사용하지 않음에도 불구하고 그 효율이 매우 우수하다. 참고로 이산화탄소 스트림은 각 위치에서의 열역학적 특성에 따라 기상일 수도 있고 액상일 수도 있다.
한편, 도 2의 이산화탄소 재액화 공정은 도 3과 같은 변형이 가능하다. 도 3은 도 2의 이산화탄소 재액화 공정의 변형예를 도시하고 있는 흐름도이다. 본 변형예에 따른 재액화 공정은 제1 분리 단계 이후의 제2 서브 스트림을 다시 압축하는 단계를 더 포함한다는 점에 특징이 있다. 이에 대해 보다 상술하면, 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 제1 분리 단계 이후의 제2 서브 스트림은 도관(171)을 통해 제3 압축 수단(313)으로 유입되어 압축된다. 이렇게 압축된 제2 서브 스트림은 도관(172)을 통해 제3 냉각 수단(323)으로 유입되어 냉각된다. 이렇게 냉각된 제2 서브 스트림은 전술한 실시예 1의 제2 서브 스트림과 동일하게 열교환 영역(300)으로 유입된다(전술한 제3 유입 단계 참조).
그리고 도 3의 이산화탄소 재액화 공정은 도 4와 같은 변형도 가능하다. 도 4는 도 3의 이산화탄소 재액화 공정의 변형예를 도시하고 있는 흐름도이다. 본 변형예에 따른 재액화 공정은 전술한 제1 분리 단계 이후의 제1 서브 스트림을 다시 2개의 서브 스트림으로 분리하는 단계를 더 포함한다는 점에 특징이 있다. 이에 대해 보다 상술하면, 도 4에서 도시하고 있는 것과 같이 제1 분리 단계 이후의 제1 서브 스트림은 다시 제5 서브 스트림과 제6 서브 스트림으로 분리된다. 이러한 분리는 하나의 도관(131)을 2개의 도관(1311, 1316)으로 분기시키는 것으로 달성될 수 있다.
이렇게 분리된 제5 서브 스트림은 도관(1311)을 통해 제4 팽창 수단(334)으로 유입되어 팽창된다. 이러한 팽창으로 제5 서브 스트림은 그 온도가 낮아진다. 그런 다음 제5 서브 스트림은 도관(1312)을 통해 열교환 영역(300)으로 유입되어 열교환을 통해 다른 이산화탄소 스트림을 냉각시킨다. 이러한 열교환을 마친 제5 서브 스트림은 전술한 제1 유입 단계를 통해 열교환 영역(300)을 거친 이산화탄소 스트림에 혼입된다(도면부호 1313의 도관 참조). 그리고 제6 서브 스트림은 도관(1316)을 통해 제5 팽창 수단(335)으로 유입되어 팽창된다. 이러한 팽창으로 제6 서브 스트림은 그 온도가 낮아진다. 그런 다음 제6 서브 스트림은 도관(1317)을 통해 열교환 영역(300)으로 유입된다(전술한 제2 유입 단계 참조). 열교환 영역(300) 내에서 제6 서브 스트림은 열교환을 통해 다른 이산화탄소 스트림을 냉각시킨다. 이러한 열교환을 마친 제6 서브 스트림은 전술한 제1 혼입 단계와 동일하게 제1 냉각 수단(321)을 거친 이산화탄소 스트림에 혼입된다(도면부호 1318의 도관 참조).
또한 도 3의 이산화탄소 재액화 공정은 도 5와 같은 변형도 가능하다. 도 5는 도 3의 이산화탄소 재액화 공정의 다른 변형예를 도시하고 있는 흐름도이다. 본 변형예에 따른 재액화 공정은 제3 서브 스트림을 일 팽창시키는 단계를 더 포함한다는 점에 특징이 있다. 이에 대해 보다 상술하면, 도 5에서 도시하고 있는 것과 같이 본 변형예에서는 전술한 제4 유입 단계를 통해 열교환 영역(300)을 거친 제3 서브 스트림이 그대로 외부로 배출되는 것이 아니라, 도관(1512)을 통해 일 팽창 수단(350)으로 유입되어 일 팽창(work expanded)된다. 이러한 일 팽창 과정에서 일정 일(work)이 발생할 수 있다. 이러한 일은 동일 사이클 또는 다른 사이클 내의 압축기를 구동할 수도 있다. 그리고 이러한 일 팽창 수단(350)은 팽창터빈이거나 또는 터보 팽창기일 수 있다. 이와 같이 일 팽창 단계를 거친 제3 서브 스트림은 도관(1513)을 통해 다시 열교환 영역(300)으로 유입되어 열교환을 통해 다른 이산화탄소 스트림을 냉각시킨다. 이러한 열교환을 마친 제3 서브 스트림은 외부로 배출된다.
실시예 2
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 이산화탄소 재액화 공정을 도시하고 있는 흐름도이다. 도 6에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 재액화 공정은 전술한 실시예 1에 따른 재액화 공정과 유사한 구성을 가진다. 다만, 본 실시예에 따른 재액화 공정은 제2 압축 단계가 2개의 압축 단계로 이루어진다는 점에서 실시예 1에 따른 재액화 공정과 차이가 있다. 참고로 전술한 구성과 동일한 (또는 상당한) 부분에 대해서는 동일한 (또는 상당한) 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 6에서 도시하고 있는 것과 같이 제1 냉각 수단(321)을 거친 이산화탄소 스트림은 도관(222)을 통해 제2-1 압축 수단(611)으로 유입되어 압축된다. 그리고 제2-1 압축 수단(611)을 거친 이산화탄소 스트림은 도관(223)을 통해 제2-1 냉각 수단(621)으로 유입되어 냉각된다. 이와 같이 제2-1 냉각 수단(621)을 거친 이산화탄소 스트림은 도관(224)을 통해 제2-2 압축 수단(612)으로 유입되어 다시 압축된다. 그리고 제2-2 압축 수단(612)을 거친 이산화탄소 스트림은 도관(225)을 통해 제2-2 냉각 수단(622)으로 유입되어 다시 냉각된다. 이와 같이 본 실시예에 따른 이산화탄소 재액화 공정은 제2 압축 단계(전술한 실시예 1 참조)가 2개의 압축 단계로 이루어진다.
결과적으로 3번의 압축 단계를 거친 이산화탄소 스트림은 전술한 실시예 1의 재액화 공정과 동일하게 제1 서브 스트림과 제2 서브 스트림으로 분리된다. 이렇게 분리된 제1 서브 스트림은 도 6에서 도시하고 있는 것과 같이 다시 제5 서브 스트림과 제6 서브 스트림으로 분리된다. 이러한 분리는 하나의 도관(231)을 2개의 도관(232, 236)으로 분기시키는 것으로 달성될 수 있다. 이렇게 분리된 제5 서브 스트림은 도관(232)을 통해 제4 팽창 수단(634)으로 유입되어 팽창된다. 이러한 팽창으로 제5 서브 스트림은 그 온도가 낮아진다. 그런 다음 제5 서브 스트림은 도관(233)을 통해 열교환 영역(300)으로 유입된다(전술한 실시예 1의 제2 유입 단계 참조).
열교환 영역(300) 내에서 제5 서브 스트림은 열교환을 통해 다른 이산화탄소 스트림을 냉각시킨다. 이러한 열교환을 마친 제5 서브 스트림은 전술한 제1 냉각 수단(321)을 거친 이산화탄소 스트림에 혼입된다(전술한 실시예 1의 제1 혼입 단계 참조, 도면부호 234의 도관 참조). 그리고 제6 서브 스트림은 도관(236)을 통해 제5 팽창 수단(635)으로 유입되어 팽창된다. 이러한 팽창으로 제6 서브 스트림은 그 온도가 낮아진다. 그런 다음 제6 서브 스트림은 도관(237)을 통해 열교환 영역(300)으로 유입되어 열교환을 통해 다른 이산화탄소 스트림을 냉각시킨다. 이러한 열교환을 마친 제6 서브 스트림은 전술한 제2-1 냉각 수단(621)을 거친 이산화탄소 스트림에 혼입된다(도면부호 238의 도관 참조). 참고로 본 실시예의 제2 서브 스트림은 전술한 실시예 1의 제2 서브 스트림과 동일하게 유동한다.
한편, 도 6의 이산화탄소 재액화 공정(실시예 2)은 도 7과 같은 변형이 가능하다. 도 7은 도 6의 이산화탄소 재액화 공정의 변형예를 도시하고 있는 흐름도이다. 도 7에서 도시하고 있는 것과 같이 본 변형예에 따른 이산화탄소 재액화 공정은 전술한 제2-1 냉각 수단(621)을 거친 이산화탄소 스트림의 일부를 제5 서브 스트림으로 분리하는 단계를 포함한다는 점에 특징이 있다. 이에 대해 보다 상술하면, 제1 서브 스트림은 도관(2311)을 통해 제4 팽창수단(6341)으로 유입되어 팽창된다. 그런 다음에 도관(2312, 2313)을 통해 열교환 영역(300)을 거쳐 제1 냉각 수단(321)을 거친 이산화탄소 스트림에 혼입된다(전술한 실시예 1의 제2 유입 단계와 제1 혼입 단계 참조). 그리고 제2-1 냉각 수단(621)을 거친 이산화탄소 스트림의 일부는 제5 서브 스트림으로 분리된다. 이렇게 분리된 제5 서브 스트림은 도관(2316)을 통해 제5 팽창 수단(6351)으로 유입되어 팽창된다. 그런 다음 제5 서브 스트림은 도관(2317)을 통해 열교환 영역(300)으로 유입된다. 그런 다음 제5 서브 스트림은 열교환 영역(300)을 거친 제1 서브 스트림과 함께 전술한 제1 냉각 수단(321)을 거친 이산화탄소 스트림에 혼입된다(도면부호 2318의 도관 참조).
전술한 실시예 또는 변형예에 따른 재액화 공정들의 성능은 아래 표와 같이 나타낼 수 있다. 아래 표는 1) 저장 탱크(8 Bar로 가정) 내에 이산화탄소(99.5%)와 질소(0.5%)가 저장되어 있고, 2) 시간당 1,000㎏의 이산화탄소 증발가스(BOG)가 발생하며, 3) 이산화탄소 증발가스는 이산화탄소(64%, 736㎏/h)와 질소(36%, 264㎏/h)로 이루어지는 것으로 가정하고 계산한 결과이다. 단, 재액화 공정 사이의 비교를 위해 이산화탄소의 압력은 동일한 것으로 가정하였다. 그리고 아래 표에서 1) 재액화양은 1,000㎏/h의 이산화탄소 증발가스가 재액화 공정을 통해 재액화된 이후에 액체 상태로 저장 탱크에 회수된 양을 나타내고, 2) 재액화 CO2 양은 재액화된 액체 중의 이산화탄소의 양을 나타내고(재액화양 - 재액화 CO2 양 = 재액화 N2 양), 3) 필요 동력은 재액화 공정에 필요한 압축기의 동력을 나타내고, 4) 효율은 재액화기에서 1㎏이 재액화될 때까지 필요로 했던 필요 동력을 나타내고, 5) CO2 회수율은 탱크로부터 재액화 공정으로 들어간 이산화탄소가 재액화 공정을 통해 재액화되어 탱크로 회수되는 비율을 나타낸다.
재액화 공정 재액화양
[㎏/h]		 재액화 CO2 양
[㎏/h]		 필요 동력
[㎾]		 효율
[㎾·h/㎏_
of_LCO2]		 CO2 회수율
[%]
도 2에 따른 재액화 공정 527.87 524.8 92.8 0.176834 71.29
도 3에 따른 재액화 공정 511.6 508.9 88.6 0.174202 69.12
도 5에 따른 재액화 공정 558.8 555.5 78.4 0.141153 75.47
도 6에 따른 재액화 공정 531.5 528.6 92.9 0.17578 71.80
도 7에 따른 재액화 공정 530.8 527.8 91.2 0.172809 71.70
전술한 것과 같이, 기본적으로 재액화 공정은 그 구조의 단순성이 가장 중요하다. 그리고 이에 더해서 재액화 공정의 효율과 이산화탄소 회수율도 중요한 성능 지표로서 활용될 수 있다. 한편, 일반적으로 액화 공정에서 hot stream과 cold stream 사이의 온도차는 적을수록 좋다. 대표적으로 도 3과 도 5에 따른 재액화 공정에서 hot stream과 cold stream의 온도 분포를 도 8과 도 9로 각각 나타냈다. 도 8과 도 9에서 나타내고 있는 것과 같이 도 3과 도 5에 따른 재액화 공정은 hot stream과 cold stream 사이의 온도차가 상대적으로 매우 적다. 결과적으로 본 실시예나 변형예에 따른 재액화 공정은 단순화 구조에 비해 액화공정의 성능이 매우 뛰어나다는 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명 사상은 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두가 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
300: 열교환 영역 311, 312, 313: 압축 수단
321, 322, 323: 냉각 수단
331, 332, 333, 334, 335: 팽창 수단
340: 분리 수단 500: 저장 탱크

Claims (12)

  1. 액화 이산화탄소가 저장된 저장 탱크로부터 증발된 이산화탄소 스트림을 재액화하는 이산화탄소 재액화 공정에 있어서,
    상기 저장 탱크로부터 증발된 이산화탄소 스트림을 열교환 영역으로 유입시키는 제1 유입 단계;
    상기 제1 유입 단계를 통해 상기 열교환 영역을 거친 이산화탄소 스트림을 압축하는 제1 압축 단계;
    상기 제1 압축 단계를 거친 이산화탄소 스트림을 냉각하는 제1 냉각 단계;
    상기 제1 냉각 단계를 거친 이산화탄소 스트림을 재압축하는 제2 압축 단계;
    상기 제2 압축 단계를 거친 이산화탄소 스트림을 냉각하는 제2 냉각 단계;
    상기 제2 냉각 단계를 거친 이산화탄소 스트림을 제1 서브 스트림과 제2 서브 스트림으로 분리하는 제1 분리 단계;
    상기 제1 분리 단계 이후의 상기 제1 서브 스트림을 상기 열교환 영역으로 유입시키는 제2 유입 단계;
    상기 제2 유입 단계를 통해 상기 열교환 영역을 거친 제1 서브 스트림을 상기 제1 압축 단계 또는 상기 제1 냉각 단계를 거친 이산화탄소 스트림에 혼입시키는 제1 혼입 단계;
    상기 제1 분리 단계 이후의 상기 제2 서브 스트림을 상기 열교환 영역으로 유입시키는 제3 유입 단계; 및
    상기 제3 유입 단계를 통해 상기 열교환 영역을 거친 제2 서브 스트림을 기상의 제3 서브 스트림과 액상의 제4 서브 스트림으로 분리하는 제2 분리 단계를 포함하며,
    상기 제2 분리 단계 이후의 상기 제4 서브 스트림은 상기 저장 탱크로 회수되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재액화 공정.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 분리 단계 이후의 상기 제3 서브 스트림을 상기 열교환 영역으로 유입시키는 제4 유입 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재액화 공정.
  3. 삭제
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 분리 단계 이후의 상기 제1 서브 스트림을 온도의 하강을 위해 팽창시키는 제1 팽창 단계를 더 포함하며, 상기 제2 유입 단계는 상기 제1 팽창 단계를 거친 제1 서브 스트림을 상기 열교환 영역으로 유입시키는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재액화 공정.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제3 유입 단계를 통해 상기 열교환 영역을 거친 제2 서브 스트림을 온도의 하강을 위해 팽창시키는 제2 팽창 단계를 더 포함하며, 상기 제2 분리 단계는 상기 제2 팽창 단계를 거친 제2 서브 스트림을 분리하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재액화 공정.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 분리 단계 이후의 상기 제3 서브 스트림을 온도의 하강을 위해 팽창시키는 제3 팽창 단계를 더 포함하며, 상기 제4 유입 단계는 상기 제3 팽창 단계를 거친 제3 서브 스트림을 상기 열교환 영역으로 유입시키는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재액화 공정.
  7. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 분리 단계 이후의 상기 제2 서브 스트림을 압축하는 제3 압축 단계를 더 포함하며, 상기 제3 유입 단계는 상기 제3 압축 단계를 거친 제2 서브 스트림을 상기 열교환 영역으로 유입시키는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재액화 공정.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 분리 단계 이후의 상기 제1 서브 스트림을 제5 서브 스트림과 제6 서브 스트림으로 분리하는 제3 분리 단계, 상기 제5 서브 스트림을 온도의 하강을 위해 팽창시키는 제4 팽창 단계, 상기 제4 팽창 단계를 거친 제5 서브 스트림을 상기 열교환 영역으로 유입시키는 제5 유입 단계, 상기 제5 유입 단계를 통해 상기 열교환 영역을 거친 제5 서브 스트림을 상기 제1 유입 단계를 통해 상기 열교환 영역을 거친 이산화탄소 스트림에 혼입시키는 제2 혼입 단계, 및 상기 제6 서브 스트림을 온도의 하강을 위해 팽창시키는 제5 팽창 단계를 더 포함하며,
    상기 제2 유입 단계는 상기 제5 팽창 단계를 거친 제6 서브 스트림을 상기 열교환 영역으로 유입시키는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재액화 공정.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제4 유입 단계를 통해 상기 열교환 영역을 거친 제3 서브 스트림을 일 팽창(work expand)시키는 일 팽창 단계, 및 상기 일 팽창 단계를 거친 제3 서브 스트림을 상기 열교환 영역으로 유입시키는 제5 유입 단계를 더 포함하며,
    상기 제5 유입 단계를 통해 상기 열교환 영역을 거친 제3 서브 스트림은 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재액화 공정.
  10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 압축 단계는 상기 제1 압축 단계를 거친 이산화탄소 스트림을 재압축하는 제2-1 압축 단계와 상기 제2-1 압축 단계를 거친 이산화탄소 스트림을 재압축하는 제2-2 압축 단계를 포함하며, 상기 제1 분리 단계는 상기 제2-2 압축 단계를 거친 이산화탄소 스트림을 분리하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재액화 공정.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 분리 단계 이후의 상기 제1 서브 스트림을 제5 서브 스트림과 제6 서브 스트림으로 분리하는 제3 분리 단계, 상기 제5 서브 스트림을 온도의 하강을 위해 팽창시키는 제4 팽창 단계, 상기 제6 서브 스트림을 온도의 하강을 위해 팽창시키는 제5 팽창 단계, 상기 제5 팽창 단계를 거친 제6 서브 스트림을 상기 열교환 영역으로 유입시키는 제5 유입 단계, 및 상기 제5 유입 단계를 통해 상기 열교환 영역을 거친 제6 서브 스트림을 상기 제2-1 압축 단계를 거친 이산화탄소 스트림에 혼입시키는 제2 혼입 단계를 더 포함하며,
    상기 제2 유입 단계는 상기 제4 팽창 단계를 거친 제5 서브 스트림을 상기 열교환 영역으로 유입시키는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재액화 공정.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 제1 분리 단계 이후의 상기 제1 서브 스트림을 온도의 하강을 위해 팽창시키는 제4 팽창 단계, 상기 제2-1 압축 단계를 거친 이산화탄소 스트림의 일부를 제5 서브 스트림으로 분리하는 제3 분리 단계, 및 상기 제3 분리 단계 이후의 상기 제5 서브 스트림을 온도의 하강을 위해 팽창시키는 제5 팽창 단계를 더 포함하며,
    상기 제2 유입 단계는 상기 제4 팽창 단계를 거친 제1 서브 스트림을 상기 열교환 영역으로 유입시키는 것을 특징으로 하고, 상기 제5 서브 스트림은 상기 제5 팽창 단계 이후에 상기 열교환 영역을 거쳐 상기 제1 서브 스트림과 함께 상기 제1 압축 단계를 거친 이산화탄소 스트림에 혼입되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 재액화 공정.
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