KR101868673B1 - 이산화탄소 해양지중저장용 임시저장탱크 내부 이산화탄소 냉각 장치 - Google Patents

이산화탄소 해양지중저장용 임시저장탱크 내부 이산화탄소 냉각 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 이산화탄소 해양지중저장을 위한 임시저장탱크 내부에 저장된 이산화탄소를 냉각하기 위한 장치를 제공함에 있다. 본 발명은 종래 저장용기 내부의 액체를 냉각하기 위하여 통상적으로 사용하는 압축, 팽창 냉각싸이클을 이용하지 않고, 열전소자 및 히트파이프를 이용하여 임시저장탱크 내부에 저장된 이산화탄소를 냉각하는 장치를 제공한다.

Description

이산화탄소 해양지중저장용 임시저장탱크 내부 이산화탄소 냉각 장치{Device for cooling CO2 inside CO2 temporary storage tank of carbon dioxide capture and storage}
본 발명은 지구온난화와 기후변화를 유발시키는 대표적 온실가스인 이산화탄소를 대규모로 해양지중에 저장하기 위하여 이산화탄소를 발생지(포집지)로부터 저장지까지 이송하는데 있어 버퍼 역할을 하는 임시저장탱크 내부에 저장된 이산화탄소를 냉각하기 위한 장치에 관한 것이다.
안전한 해저 지질구조 내에 이산화탄소(CO2)를 격리, 저장시키는 기술(이하 '이산화탄소 해양지중저장기술'이라 함)은 기후변화 및 교토의정서상의 온실가스 감축요구에 대응하기 위해 발전소 및 제철소 등 대규모 발생원에서부터 포집한 이산화탄소를 파이프라인이나 선박 등을 통해 수송하여 이를 해양의 퇴적층(유/가스전, 심부 염대수층, 석탄층 등)에 대규모로 수백~수천 년 이상 장기간 저장 및 관리하는 기술을 말한다(참고문헌 : 강성길, 허철, 한국해양환경공학회 논문).
일반적으로 제철소, 발전소 등에서 포집된 이산화탄소는 상온(atmospheric temperature) 상압(atmospheric pressure)의 기상(vapor)으로 존재하는데, 이를 연간 수십~수백만 톤 이상의 대량으로 해상(offshore)의 저장지까지 이송하기 위해서는 매우 큰 부피의 저장용기 또는 매우 큰 직경의 파이프라인이 필요하게 되므로 경제적, 기술적으로 바람직하지 않다. 따라서 이산화탄소를 가압 및 냉각하여 액상(liquid)이나 초임계(supercritical) 상태로 만든 후, 파이프라인을 이용하여 대량으로 포집지부터 해상의 저장지까지 이송하는 기술의 개발이 필요하다. 이를 위해 각국은 경제적 저비용의 파이프라인 수송이나 장거리 선박 수송 기술개발에 대규모 예산을 투입하여 매진하고 있다.
이산화탄소 해양지중저장을 위해서는 상기 언급된 파이프라인이나 선박을 이용하여 이산화탄소를 저장소에 수송하는 과정이 필요하다. 만약 이산화탄소 수송을 위해 선박을 이용할 경우 임시저장탱크가 필수적인데, 이는 선박수송을 위해 이산화탄소를 선박에 적하역(loading/unloading)하는 시간 동안 이산화탄소를 임시 저장할 공간(또는 용기)이 필요하기 때문이다.
임시저장탱크는 통상 100바 이하의 압력용기를 사용하게 되는데, 이 경우 예상되는 문제 중의 하나로 임시저장탱크 내부에 저장된 이산화탄소의 압력이 외부의 열유입(heat ingress)에 의해 상승하는 문제가 있다. 일반적으로 저장용기 내부의 압력이 설계압력 이상으로 상승할 경우, 내부의 유체를 저장용기 외부로 배출하여 압력을 낮추거나, 저장용기의 내부 열에너지를 외부로 전달하여 냉각시키는 방법을 사용한다.
하지만, 압력상승에 따라 내부의 유체를 저장용기 외부로 배출하여 압력을 낮추는 방법은, 이산화탄소 해양지중저장 전체 공정을 운영함에 있어 포집, 압축, 수송되는 이산화탄소의 양 중에서 일부를 대기 중으로 배출시키는 것이므로, 이로 인해 전체적인 운영효율성이 떨어지는 문제점이 있다.
그리고 저장용기의 내부 열에너지를 외부로 전달하여 냉각시키는 방법은, 통상적인 압축, 팽창 냉각싸이클을 이용할 경우, 저장용기 내부의 이산화탄소를 외부의 열교환기로 이송하여 냉각싸이클을 통해 이산화탄소를 냉각한 다음, 다시 저장용기 내부로 주입하는 공정을 거쳐야 한다. 하지만, 압축, 팽창이 포함된 냉각싸이클을 구축하기 위해서는 압축기, 응축기, 증발기, 팽창변 등의 장치를 구비해야 하며, 내부의 이산화탄소를 열교환기로 이송한 후 다시 주입하는 과정에서 대기와의 열교환에 의한 열누설로 인해 냉각효율을 일정부분 손해 볼 수밖에 없다. 또한, 압축기, 응축기, 증발기, 팽창변 등의 다양한 장치가 상당한 면적 및 부피를 차지하게 되며, 압축기에서 소음, 진동이 발생하고, 이러한 시스템의 운전 및 운영에 있어 관리자가 존재해야 하는 등의 문제점이 있다. 또한, 압축기의 경우 압축기 실린더 내부로 액체상의 냉매가 유입되는 것을 막는 등의 제어를 위한 장치들이 추가로 설치되어야만 고장 없이 안전하게 성능을 발휘할 수 있다.
따라서 이산화탄소 해양지중저장을 위한 임시저장탱크를 건설하여 운영함에 있어서는, 임시저장탱크의 공간을 적게 차지하면서도 충분한 냉각성능을 가지며 회전기기 또는 동력기기의 설치를 최소화하여 장치의 고장율은 낮추고 운용 가용도는 높일 수 있는 냉각 장치를 구비할 필요가 있다.
이산화탄소 해양지중저장을 위한 바이패스형 파이프라인 수송공정 안전해석 모의실험 장치(특허출원 제10-2010-0138628호)
본 발명의 목적은 이산화탄소 해양지중저장을 위한 임시저장탱크 내부에 저장된 이산화탄소를 냉각하기 위한 장치를 제공함에 있다. 본 발명은 종래 저장용기 내부의 액체를 냉각하기 위하여 통상적으로 사용하는 압축, 팽창 냉각싸이클을 이용하지 않고, 열전소자 및 히트파이프를 이용하여 임시저장탱크 내부에 저장된 이산화탄소를 냉각하는 장치를 제공한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
임시저장탱크에 삽입되도록 설치되되, 상기 임시저장탱크의 내부로 삽입되어 들어간 삽입부와 상기 임시저장탱크의 외부로 돌출하여 나온 돌출부로 구분되며, 상기 임시저장탱크 내부의 열을 상기 삽입부로 흡입하여 상기 돌출부를 통해 열전소자로 전달하는 히트파이프;
상기 돌출부의 표면에 접촉하면서 상기 돌출부의 둘레 전체 또는 일부를 감싸는 열전소자; 및
상기 열전소자의 표면에 접촉하면서 상기 열전소자의 둘레 전체 또는 일부를 감싸며, 상기 열전소자를 냉각하는 냉각용 자켓;
을 포함하는, 이산화탄소 해양지중저장용 임시저장탱크 내부 이산화탄소 냉각 장치를 제공한다.
본 발명은 종래 저장용기 내부의 액체를 냉각하기 위하여 통상적으로 사용하는 압축, 팽창 냉각싸이클을 이용하지 않고, 열전소자 및 히트파이프를 이용하여 이산화탄소 해양지중저장용 임시저장탱크 내부에 저장된 이산화탄소를 냉각하는 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 냉각 장치는 임시저장탱크의 공간을 적게 차지하면서도 충분한 냉각성능을 가지며 회전기기 또는 동력기기의 설치를 최소화하여 장치의 고장율은 낮추고 운용 가용도는 높였다. 본 발명에 따르면, 임시저장탱크 내부의 이산화탄소 냉각 및 압력상승 억제를 효과적으로 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이산화탄소 해양지중저장용 임시저장탱크 내부 이산화탄소 냉각 장치의 개략도.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 이산화탄소 해양지중저장용 임시저장탱크 내부 이산화탄소 냉각 장치의 개략도이다.
본 발명은, 히트파이프(10), 열전소자(20) 및 냉각용 자켓(30)을 포함하여 이루어진다.
히트파이프(10)는 임시저장탱크(70)에 삽입되도록 설치된다. 이 경우 히트파이프(10)는 임시저장탱크(70)의 내부에 완전히 삽입되는 것이 아니라, 일부는 임시저장탱크(70)의 내부로 삽입되어 들어가고(이하, '삽입부(11)'라고 함) 일부는 임시저장탱크(70)의 외부로 돌출하여 나오는(이하, '돌출부(12)'라고 함) 형태가 되도록 설치된다. 도 1의 실시 예에서 삽입부(11)와 돌출부(12)는 각각 히트파이프(10)의 몸체 하부와 상부를 구성한다.
한편, 본 발명은 히트파이프(10)의 재질에 대하여 특별한 제한을 두지 않는바, 히트파이프(10)는 기본적으로 금속이나 합성수지 등 다양한 재질로 이루어질 수 있다. 다만, 히트파이프(10)를 통한 열전달이 신속하게 이루어질 수 있도록 히트파이프(10)는 가급적 열전도율이 큰 재질로 이루어지는 것이 좋다. 보다 바람직하게는, 히트파이프(10)의 내부에 빈 공간을 형성하고 열유체를 주입하여 상기 열유체의 작동에 따라 열전달이 더욱 원활해지도록 하는 것이 좋다. 이 경우 열유체의 종류나 특성 등에 대하여는 특별한 제한을 두지 않는다.
임시저장탱크(70)의 상단에는 플렌지(40)가 설치된다. 플렌지(40)는 히트파이프(10)가 임시저장탱크(70)로 삽입되는 입구의 역할을 함과 동시에 삽입 후의 히트파이프(10)를 임시저장탱크(70)에 장착하여 고정시키는 역할을 한다.
임시저장탱크(70)의 내부 하단에는 지지용 서포트(50)가 고정 설치된다. 지지용 서포트(50)는 히트파이프(10)와 결착되어 히트파이프(10)의 움직임이나 진동을 방지하는 역할을 한다. 이 경우, 지지용 서포트(50)는 홈 형태의 체결구(미도시)를 구비하는바, 히트파이프(10)는 삽입부(11)의 끝단이 체결구에 끼워지거나 나사결합하는 방식으로 지지용 서포트(50)와 결착된다.
임시저장탱크(70) 외부의 열이 내부로 유입되면 임시저장탱크(70) 내부에 저장된 이산화탄소의 온도가 상승하게 되며, 이를 방치하는 경우 임시저장탱크(70) 내부의 압력이 설계압력 이상으로 상승하는 문제가 발생한다. 이에, 히트파이프(10)는 임시저장탱크(70) 내부의 열을 삽입부(11)로 흡입하여 돌출부(12)를 통해 외부로 방출함으로써, 이러한 문제를 해소한다.
이 경우, 히트파이프(10)의 표면에는 열교환 핀(60)을 장착하여 히트파이프(10)의 열교환 효율을 높여주는 것이 바람직하다. 도 1의 실시 예에서 보면 히트파이프(10)의 삽입부(11) 표면에 다수의 열교환 핀(60)이 장착되어 있는데, 열교환 핀(60)은 히트파이프(10)와 이산화탄소(열원) 간의 접촉면적을 증가시켜 임시저장탱크(70) 내부의 열이 삽입부(11)로 흡입(전달)되는 열교환 효율을 한층 높여준다.
열교환 핀(60)은 히트파이프(10)의 표면에 브레이징(brazing) 방식으로 접합함으로써 이산화탄소의 침투 및 팽창 등으로 인해 열교환 핀(60)과 히트파이프(10) 간 접합재가 탈락하는 문제를 원천적으로 배제할 수 있도록 한다. 브레이징은 이종금속(異種金屬) 또는 동종금속합금(同種金屬合金)을 융점(融點)이 낮은 용제(溶劑)를 녹여서 접합(接着)하는 방법으로, 접합하고자 하는 금속물의 두께가 너무 얇아 용접이 불가능할 경우에 변형 및 용융시키지 않고 접합하는 방법이다. 브레이징은 모재의 고상온도(solidus temperature) 이하로 열을 가하되, 450℃ 이상의 액상온도(liquidus temperature)를 가진 용제로 두 모재를 접합하는 것으로, 일정온도에 이른 용제가 녹으면서 모세관현상에 의해 두 모재 사이로 스며들어가게 되어 두 모재를 접합하게 된다.
히트파이프(10)의 돌출부(12) 외곽에는 열전소자(20)가 설치된다. 열전소자(20)는 돌출부(12)의 표면에 접촉하면서 돌출부(12)의 둘레 전체 또는 일부를 감싼다. 그리고 열전소자(20)의 외곽에는 냉각용 자켓(30)이 설치된다. 냉각용 자켓(30)은 열전소자(20)의 표면에 접촉하면서 열전소자(20)의 둘레 전체 또는 일부를 감싼다. 냉각용 자켓(30)의 몸체 내부로는 냉각수가 공급된다. 상술한 바와 같이 임시저장탱크(70) 내부의 열은 히트파이프(10)의 돌출부(12)를 통해 외부로 방출되는데, 이렇게 방출된 열은 곧바로 열전소자(20)에 전달되며, 냉각용 자켓(30)은 냉각수의 냉열을 이용하여 열전소자(20)를 냉각한다. 이러한 냉각용 자켓(30)의 작용에 따라 히트파이프(10)의 돌출부(12)는 냉각된 상태를 계속 유지하게 되며, 그 결과 고온 영역에 해당하는 히트파이프(10)의 삽입부(11)에서 저온 영역에 해당하는 히트파이프(10)의 돌출부(12)로 향하는 열의 전달이 계속적으로 이루어지게 된다.
이산화탄소 해양지중저장용 임시저장탱크(70)는 선박과 파이프라인 사이에 위치하는 버퍼역할을 하며, 따라서 해안가에 위치한다. 따라서 냉각용 자켓(30)에 사용될 냉각수로, 주변 해역의 해저에서 공급받을 수 있는 저온 해수 또는 심층수를 냉각용 자켓(30) 내부에 지속적으로 공급함으로써 열전소자(20)의 냉각 온도를 더욱 낮출 수 있다. 이를 위하여 냉각용 자켓(30)은 냉각수 공급관(미도시)과 연결된다. 물론 이 경우 냉각수 공급관은 해안가까지 연장된다.
본 발명에 따른 냉각 장치는 종래 저장용기 내부의 액체를 냉각하기 위하여 통상적으로 사용하는 압축, 팽창 냉각싸이클을 이용하지 않고, 열전소자(20) 및 히트파이프(10)를 이용하여 임시저장탱크(70) 내부의 이산화탄소를 냉각하는바, 압축기, 응축기, 증발기, 팽창변 등의 장치를 구비할 필요가 없어 임시저장탱크(70)의 공간을 적게 차지하면서도 충분한 냉각성능을 가지며, 회전기기 또는 동력기기의 설치를 최소화하여 설치가 간편하면서도 장치의 고장율은 낮추고 운용 가용도는 높일 수 있다. 특히 복합 진공 단열재의 출현 등으로 인해 대규모 저장용기용 단열재의 성능이 향상되는 추세에 맞춰 소규모/소용량/소형 저장용기용 냉각 장치가 필요할 경우 본 발명에 따른 냉각 장치가 요긴하게 활용될 수 있을 것이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 히트파이프 11 : 삽입부
12 : 돌출부 20 : 열전소자
30 : 냉각용 자켓 40 : 플렌지
50 : 지지용 서포트 60 : 열교환 핀
70 : 임시저장탱크

Claims (10)

  1. 해안가에 위치하는 임시저장탱크(70)에 삽입되도록 설치되되, 상기 임시저장탱크(70)의 내부로 삽입되어 들어간 삽입부(11)와 상기 임시저장탱크(70)의 외부로 돌출하여 나온 돌출부(12)로 구분되며, 상기 임시저장탱크(70) 내부의 열을 상기 삽입부(11)로 흡입하여 상기 돌출부(12)를 통해 열전소자(20)로 전달하는 히트파이프(10);
    상기 돌출부(12)의 표면에서, 상기 돌출부(12)의 수직 길이 방향으로 접촉하면서 상기 돌출부(12)의 둘레 전체 또는 일부를 감싸는 열전소자(20);
    상기 열전소자(20)의 표면에 접촉하면서 상기 열전소자(20)의 둘레 전체 또는 일부를 감싸고, 몸체 내부로는 냉각수가 공급됨에 따라, 상기 냉각수의 냉열을 이용하여 상기 열전소자(20)를 냉각하는 냉각용 자켓(30); 및
    상기 히트 파이프(10)의 표면을 따라 나사선 형태로 장착되되, 브레이징 방식으로 접합되어 상기 히트 파이프(10)의 열교환 효율을 높여주는 다수의 열교환 핀(60);을 포함하며,
    상기 해안가로부터 연장된 냉각수 공급관을 통해 주변 해역의 해저로부터 상기 냉각용 자켓(30) 내로 지속적으로 공급되는 저온 해수 또는 심층수는 상기 냉각수로써 이용되고, 또한
    상기 냉각용 자켓(30)을 통해 상기 돌출부(12)의 냉각된 상태가 유지됨에 따라, 고온 영역에 해당하는 상기 삽입부(11)로부터 저온 영역에 해당하는 상기 돌출부(12)로 향하는 열의 전달이 계속적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 해양지중저장용 임시저장탱크 내부 이산화탄소 냉각 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 임시저장탱크(70)의 상단에 설치되며, 상기 히트파이프(10)를 상기 임시저장탱크(70)에 장착하여 고정시키는 플렌지(40);
    를 포함하는, 이산화탄소 해양지중저장용 임시저장탱크 내부 이산화탄소 냉각 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 임시저장탱크(70)의 내부 하단에 고정 설치되며, 상기 히트파이프(10)와 결착되어 상기 히트파이프(10)의 움직임이나 진동을 방지하는 지지용 서포트(50);
    를 포함하는, 이산화탄소 해양지중저장용 임시저장탱크 내부 이산화탄소 냉각 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 지지용 서포트(50)는 홈 형태의 체결구를 구비하며, 상기 히트파이프(10)는 상기 삽입부(11)의 끝단이 상기 체결구에 끼워지거나 나사결합하는 방식으로 상기 지지용 서포트(50)와 결착되는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 해양지중저장용 임시저장탱크 내부 이산화탄소 냉각 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 히트파이프(10)는 내부에 열유체를 포함하는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 해양지중저장용 임시저장탱크 내부 이산화탄소 냉각 장치.
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