KR101995325B1

KR101995325B1 - 천연가스의 정압 및 폐압 발전과 병행하는 이산화탄소의 액화 시설

Info

Publication number: KR101995325B1
Application number: KR1020170179883A
Authority: KR
Inventors: 오승재; 김수문
Original assignee: (주)동양환경
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2019-07-03

Abstract

본 발명은 천연가스의 정압 및 폐압 발전과 병행하는 이산화탄소의 액화 시설에 관한 것으로, 천연가스 정압 시설의 터보팽창기를 이용하여 전기에너지를 생산함과 더불어 발전 과정에서 자연 발생되는 온도강하의 냉열을 이용하여 이산화탄소를 액화하고 특히 천연가스와 이산화탄소를 액화 조건으로 전처리하여 이산화탄소 액화의 효율성 향상하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 의한 천연가스의 정압 및 폐압 발전과 병행하는 이산화탄소의 액화 시설은, 천연가스 공급부의 제1히터를 통해 온도가 높아진 천연가스를 공급받아 정압 조절하는 정압부(20)와; 상기 정압부와 병렬로 상기 천연가스 공급부와 연결되며 상기 제1히터를 통해 온도가 높아진 천연가스를 공급받아 천연가스의 폐압을 이용하여 전기를 발전하는 터보발전부(30)와; 상기 터보발전부에서 토출되는 천연가스의 온도를 조절하여 온도가 조절된 천연가스를 공급하는 천연가스측 온도 조절기(40)와; 이산화탄소 가스의 압력을 조절한 후 공급하는 이산화탄소측 압력 조절기(50)와; 상기 온도 조절기를 통과하여 온도가 조절된 천연가스 및 상기 압력 조절기를 통해 압력이 조절된 이산화탄소 가스의 열교환을 유도하여 이산화탄소로 액화하는 액화 열교환부(60)와; 상기 액화 열교환부를 통과하여 온도가 낮아진 천연가스의 온도를 사용처로 공급하기 위한 온도로 높이는 제2히터(80)를 포함하며, 상기 온도조절기에 의해 온도가 조절된 천연가스를 열원으로 하여 상기 압력 조절기를 통해 압력이 조절된 이산화탄소 가스를 액화한다.

Description

천연가스의 정압 및 폐압 발전과 병행하는 이산화탄소의 액화 시설{System liquefy carbon dioxide, with the constant-pressure and waste pressure generation of natural gas}

본 발명은 천연가스 정압 시설에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 천연가스 정압 시설의 터보팽창기를 이용하여 전기에너지를 생산함과 더불어 발전 과정에서 자연 발생되는 온도강하의 냉열을 이용하여 이산화탄소를 액화하고 특히 천연가스와 이산화탄소를 액화 조건으로 전처리하여 이산화탄소 액화의 효율성 향상하는 천연가스의 정압 및 폐압 발전과 병행하는 이산화탄소의 액화 시설에 관한 것이다.

천연가스는 액체상태(LNG)로 수입되어, LNG 인수기지의 하역설비, 저장탱크, 압축기, 기화기 등의 설비를 거친 후, 고압 기체상태 천연가스(NG)가 주배관망을 통하여 전국의 감압설비로 배관 수송되어, 각 수용처에 적합한 압력으로 1차 감압되어 공급되고 있다. 좀 더 구체적으로 설명을 하면, 해외로부터의 LNG 인수 및 NG 공급설비를 보유하고 하는 1차공급자(한국가스공사)의 70 ㎏/㎠ 고압 NG는 1차 공급자의 공급관리소에서 정압기를 사용하여 30 ㎏/㎠ 또는 8.5 ㎏/㎠로 감압되어, 1차공급자로부터 공급받은 NG를 국내의 소비자에게 유통하는 도시가스사를 포함한 2차 공급자에게 보내지며, 2차공급자의 감압시설을 통하여 발전소, 산업체 및 2차공급자의 소규모 정압시설 등으로 보내진다. 이 때도 감압밸브(정압기)를 사용하여 압력을 낮춤으로써 해당 수용처 사용에 적합한 중저압의 천연가스를 공급하게 된다.

1차공급자 공급관리소의 정압시설 및 2차공급자 정압시설의 정압기를 통과하는 과정을 거치면서 천연가스는 단열 팽창하면서, 압력이 낮아지게 되며, Joule - Thompson 효과에 의하여 온도의 강하가 이루어지게 되며 입출구 및 외부조건에 따라서는 배관 내외부의 결빙이 발생될 수도 있다. 이러한 이유로 1차공급자는 2차공급자에게 송출할 때 통상 0 ℃ 이상으로 보내게 되는데 감압 시 강하되는 천연가스의 온도를 보전하기 위해서는 정압기 전단에서 히팅(heating) 할 필요가 있으며, 1차공급자 공급관리소에서는 온도보전을 위하여 가열기(열원)로서 가스보일러 등을 가동하고 있으며, 2차공급자의 정압시설에서는 온도강하의 정도가 크지 않아 일반적으로 온도보전을 실시하지 않고 있다.

한편, 기존의 천연가스 정압계통의 구성은 상기 언급한 바와 같이 운영되고 있는데, 정압기에서 강제로 감압 시 버려지는 압력(폐압)을 활용하여 전기를 생산하는 시스템이 제시되었고 구미에서 이미 운영 중이며, 국내에서도 한국가스공사가 시범운영에 있다. 병렬로 연결되어 있는 정압기 중의 한 대를 터보팽창기(Turbo Expander, 이하 TE)로 대체하여 정압(감압)과 전기생산의 두 가지 기능을 동시에 수행하게 되는데, 각 정압시설에서 기존의 방식처럼 단순히 정압기를 사용함으로써 활용되지 못하고 버려지는 압력(폐압)은 열역학적으로 중요한 에너지원으로 재생될 수 있으며, TE를 이용한 폐압 회수를 통하여 청정 전력을 생산해 내는 것이다. 터보팽창 발전기(Turbo Expander Generator, 이하 TEG)는 가스의 압력을 기계적인 회전운동으로 변환시키는 TE와 상기 TE의 기계적인 회전력을 전기에너지로 변환시키는 발전기를 포함하여 이루어진다.

종래 천연가스 정압 시설은, 도 1에서 보이는 것처럼, 천연가스 공급관(1), 천연가스 공급관(1)을 통해 공급되는 천연가스를 승온(예를 들어 20℃)하는 제1히터(2), 제1히터(2)를 통해 승온된 천연가스를 정압 조절하는 정압기(정압밸브)(3), 천연가스 공급관(1)과 병렬 연결되며 폐압을 통해 전기를 발전하는 TEG(4)로 구성되며, TEG(4)의 앞쪽에는 제1히터(2)를 통해 승온된 천연가스를 TEG 운영으로 인하여 승온(예를 들어 60℃)시키는 제2히터(5)가 더 갖추어진다.

정압기를 대체한 TEG를 가동하여 천연가스 공급의 중요공정인 정압뿐만 아니라 폐압을 활용한 전력생산의 효과를 가져오는 시스템이지만 정압기를 사용할 때 보다 더 많은 온도강하가 일어난다. 이는 정압과정의 Joule - Thompson 효과에 의한 온도저하와 전력을 생산(물리량으로서의 일 생산)하는 과정에서의 에너지전환 때문이다. 따라서 TEG 운영(폐압발전)의 경우에는 추가 히팅(heating)이 필요하며, TEG 전단에 제2열원을 설치하여 TEG 후단의 온도가 0 ℃ 가 이루어지게 한다. 이 때 제 2열원으로 가스보일러를 사용하는 것이 일반적이지만, 주변의 폐열을 이용하면 heating 비용이 줄어들어 경제성은 더욱 증가한다. 연료전지발전의 배열을 이용하여 TEG의 제2열원으로 사용하는 것이 일부 국가에서 운영 중에 있다.

한편, 화석 연료의 사용이 증가됨에 따라 대량으로 배출되는 이산화탄소는 지구 온난화 현상을 야기하는 온실가스(Greenhouse Gas, GHG)중 하나로 지정되어 있다. 이산화탄소의 지구온난화지수는 다른 온실가스에 비하여 낮지만, 전체 온실가스 배출의 대략 80%를 차지하는 점과 그 배출량을 규제할 수 있다는 점에서 매우 중요한 온실가스로 분류되고 있다. 따라서 다양한 국제 협약을 통하여 각국에서 온실가스의 배출을 저감하도록 규제하고 있으며, 이로부터 파생되는 기술 중 하나로 각종 산업현장에서 발생되는 이산화탄소를 회수하여 별도의 장소에 격리 저장함으로써 대기 중에 방출되는 이산화탄소의 양을 저감시키는 이산화탄소 처리 기술이 등장하게 되었다.

이산화탄소의 배출을 저감하기 위한 처리 단계는 크게 이산화탄소의 회수, 분리 농축, 수송, 저장의 네 단계를 거쳐 이루어진다. 산업현장에서 발생된 이산화탄소를 포함하는 배출가스는 회수되어, 이산화탄소만을 고농도로 분리 농축하고 수송하여 저장되는데, 이산화탄소의 분리 농축 기술은 흡수공정, 흡착공정 또는 막분리 공정을 통하여 이루어진다.

이에, 근자에는 상기와 같이 배출가스에서 분리된 이산화탄소를 해양, 지중, 지표 등의 지하장소에 주입하여 저장하는 CCS(Carbon Capture and Storage)기술과 이를 운송하는 기술이 대두되고 있다.

이와 같이, 발전소에서 포집된 이산화탄소를 저장하고 운송하는 데 있어서 이산화탄소를 액화하는 것이 필수적인데, 통상 압력은 21 ㎏/㎠ 내외에서 온도는 -18 ℃ 내외에서 저장, 운송된다. 그런데 기존의 방법은 20 ㎏/㎠ 내외의 이산화탄소가 응축기를 통한 냉각공정을 거쳐 액화시키는 방법으로 냉각공정에는 냉동기를 가동하기 위하여 전기가 소요되며, 따라서 냉각비용이 소요된다.

특허문헌(등록특허 제10-1654093호)은 본 발명의 출원인에 의해 출원되어 특허받은 것으로, 도 2에서 보이는 것처럼, 천연가스 공급부의 제1히터(12)를 통해 온도가 높아진 천연가스를 공급받아 정압 조절하는 정압부(20)와; 상기 정압부와 병렬로 상기 천연가스 공급부와 연결되며 상기 제1히터를 통해 온도가 높아진 천연가스를 공급받아 천연가스의 폐압을 이용하여 전기를 발전하는 터보발전부(30)와; 상기 터보발전부를 통과하여 온도가 낮아진 천연가스의 열을 회수하여 이산화탄소 액화용으로 공급하는 냉열 회수부(40)와; 상기 냉열 회수부를 통과하여 온도가 낮아진 천연가스의 온도를 사용처로 공급하기 위한 온도로 높이는 제2히터(33)로 구성(도면 중 미설명 부호 11은 천연가스 공급관, 21은 제1분기관, 31은 제2분기관, 32는 터보발전기, 34는 관로이다.)되며, 천연가스의 정압과 폐압 발전은 물론 폐압 발전시 자연 발생되는 냉열을 오히려 이용하여 이산화탄소 액화용 등으로 사용하도록 함으로써 이산화탄소의 액화를 위하여 구동되는 냉동기를 대체함으로써 설비가 간단하여 지고, 더불어 이산화탄소의 액화 비용을 절감하게 된다. 또한 천연가스 측면에서는 TEG에서 토출된 천연가스가 이산화탄소 액화에 냉열이 소모되어 액화에 냉열이 이용되는 만큼 천연가스 온도가 상승하기 때문에 천연가스를 가열하는 히터의 가동을 현저히 줄여 히팅(heating) 연료 비용도 절감하는 등 경제적 효과가 있지만, 천연가스와 이산화탄소의 변동을 고려하지 않아 이산화탄소 액화의 효율성이 떨어지는 단점이 있다.

좀 더 구체적으로 설명하면, 천연가스 정압기지 폐압 발전 과정에서 발생하는 냉열을 회수하여 CO2를 응축하는 기술은 도입 천연가스와 도입 이산화탄소의 변동에 취약하다. 또한 해외 PNG (Pipeline natural gas)에 시스템을 적용하기 위해서는 액상/고상 발생 대책이 필요하다.

천연가스 냉열의 온도는 정압기지 등의 특성에 따라 다양하고, 도 3은 서로 다른 2곳의 정압기지(PRS-A, PRS-B)에서 회수 냉열을 분석한 그래프로서, 각각의 [정압기지 도입압력, 정압력]은 [6MPa, 3MPa], [2.25MPa, 0.85MPa]로 서로 다른 것을 확인할 수 있다.

도 4는 도입 유량변화에 따라 쉽게 변동할 수 있는 터보팽창기의 등엔트로피 변화에 따른 냉열 온도의 변화를 나타내며 마찬가지로 효율 변동에 큰 영향력을 받는 것을 알 수 있다. 도 5는 터보팽창기 입구 온도 변화에 따른 냉열 온도의 변화를 나타낸 것으로 대기온도의 변화 역시 냉열 온도에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 도 6은 이러한 정압기지 운전조건의 변화가 CO2 응축량에 미치는 영향을 나타낸 것으로, 최종적인 생산량 역시 큰 영향을 받으며, 조건에 따라서 쉽게 생산량이 0에 도달하는 것을 알 수 있다. 이러한 정압기지의 운전 특성은 도입 원료 CO2역시 영향을 미친다. 도 7은 도입 CO2의 압력이 최종적인 CO2 응축량에 미치는 영향을 나타낸 것이다. 일반적인 상용 액화탄산의 유통 압력은 2.0MPa 수준이며, 공급 압력이 이보다 조금 낮은 1.83MPa으로 낮아지는 경우 CO2 생산량이 0에 도달하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 CO2 응축기의 구동을 위해서는 추가적으로 CO2의 압력을 운전압력 이상으로 향상시키는 장치 및 천연가스의 온도를 운전온도 이하로 감소시키는 장치의 도입이 필요함을 알 수 있다.

한편 LNG가 아닌 PNG를 연료로 사용하는 정압기지에서 압력 에너지를 추출하는 과정에서 냉열을 획득하기 위해서는 정압기지의 작동 구간 내부에서 수분 등의 조성 물질이 일정 온도 이하로 내려가 액체 또는 고체 상의 물질을 형성하는 일을 예방할 필요가 있다. 발생 가능한 고체상의 물질은 얼음, 메탄하이드레이드 및 기타 물질로 예상 가능한 문제점은 터빈 침식과 배관 막힘이 있다.

또한, 액화 이산화탄소에 일부 이산화탄소 가스가 포함될 수 있는데, 기액분리없이 모든 것을 액화 이산화탄소로 간주하여 저장소로 운송하여 저장하기 때문에 운송과 저장효율이 떨어지는 문제점도 있다.

등록특허 제10-1654093호

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 터보발전기(TEG) 후단에서 천연가스의 냉열을 폐기하지 않고 이산화탄소 액화용 등으로 사용하도록 함으로써 이산화탄소의 액화 비용을 절감하고, 액화에 따른 천연가스의 온도 상승을 통해 천연가스의 히팅(heating) 비용도 절감하고, 천연가스의 냉열과 이산화탄소의 압력을 적정 수준으로 조절함으로써 이산화탄소의 액화 효율을 향상하는 천연가스의 정압 및 폐압 발전과 병행하는 이산화탄소의 액화 시설을 제공하려는데 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 천연가스의 정압 및 폐압 발전과 병행하는 이산화탄소의 액화 시설은, 천연가스 공급부의 제1히터를 통해 온도가 높아진 천연가스를 공급받아 정압 조절하는 정압부와; 상기 정압부와 병렬로 상기 천연가스 공급부와 연결되며 상기 제1히터를 통해 온도가 높아진 천연가스를 공급받아 천연가스의 폐압을 이용하여 전기를 발전하는 터보발전부와; 상기 터보발전부에서 토출되는 천연가스의 온도를 조절하여 온도가 조절된 천연가스를 공급하는 천연가스측 온도 조절기와; 이산화탄소 가스의 압력을 조절한 후 공급하는 이산화탄소측 압력 조절기와; 상기 온도 조절기를 통과하여 온도가 조절된 천연가스 및 상기 압력 조절기를 통해 압력이 조절된 이산화탄소 가스의 열교환을 유도하여 이산화탄소로 액화하는 액화 열교환부와; 상기 액화 열교환부를 통과하여 온도가 낮아진 천연가스의 온도를 사용처로 공급하기 위한 온도로 높이는 제2히터를 포함하며, 상기 온도조절기에 의해 온도가 조절된 천연가스를 열원으로 하여 상기 압력 조절기를 통해 압력이 조절된 이산화탄소 가스를 액화하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 천연가스의 정압 및 폐압 발전과 병행하는 이산화탄소의 액화 시설에 의하면, 천연가스의 정압과 폐압 발전은 물론 폐압 발전시 자연 발생되는 냉열을 오히려 이용하여 이산화탄소 액화용 등으로 사용하도록 함으로써 이산화탄소의 액화를 위하여 구동되는 냉동기를 대체함으로써 설비가 간단하여 지고, 더불어 이산화탄소의 액화 비용을 절감하게 된다. 또한 천연가스 측면에서는 터보발전부에서 토출된 천연가스가 이산화탄소 액화에 냉열이 소모되어 액화에 냉열이 이용되는 만큼 천연가스 온도가 상승하기 때문에 천연가스를 가열하는 히터의 가동을 현저히 줄여 히팅 연료 비용도 절감하는 등 경제적 효과가 배가되고, 천연가스와 이산화탄소를 이산화탄소의 최적의 액화 조건으로 처리하여 이산화탄소의 액화 효율을 극대화하며 결과적으로 이산화탄소의 운송과 저장 효율을 높일 수 있다.

도 1은 일반적인 천연가스 정압 시설의 구성을 보인 블록도.
도 2는 종래 기술에 의한 천연가스 폐압 발전의 냉열을 이용한 이산화탄소 액화 시스템의 구성을 보인 블록도.
도 3은 천연가스 정압기지의 입출구 압력에 따른 터보 발전기 통과 천연가스의 냉열 온도를 보인 그래프.
도 4는 터빈 효율 변화에 따른 출구 유체의 온도 해석 결과를 보인 그래프.
도 5는 터빈 입구 온도 변화에 따른 출구 유체의 온도 해석 결과를 보인 그래프.
도 6은 정압기지 운전에 따른 최대 이산화탄소 질량 유량 해석 결과를 보인 그래프.
도 7은 이산화탄소 응축 압력에 따른 온도와 응축량을 분석한 그래프.
도 8은 본 발명에 의한 천연가스의 정압 및 폐압 발전과 병행하는 이산화탄소의 액화 시설의 구성도.
도 9는 본 발명에 의한 천연가스의 정압 및 폐압 발전과 병행하는 이산화탄소의 액화 시설의 다른 예시도.
도 10은 본 발명에 의한 천연가스의 정압 및 폐압 발전과 병행하는 이산화탄소의 액화 시설에 수분제거기와 필터가 적용된 예를 보인 도면.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 8에서 보이는 바와 같이, 본 발명에 의한 천연가스의 정압 및 폐압 발전과 병행하는 이산화탄소의 액화 시설은, 천연가스 공급부(10)로부터 천연가스를 공급받아 정압 조절하는 정압부(정압밸브)(20), 천연가스 공급관(1)과 병렬 연결되며 폐압을 통해 전기를 발전하는 터보 발전부(30), 터보 발전부(30)를 통과한 천연가스를 열교환을 통해 온도를 낮추는 온도조절기(40), 이산화탄소 공급원으로부터 가스의 이산화탄소를 공급받아 압력을 조절하는 압력조절기(50), 온도조절기(40)를 통해 온도가 조절된 천연가스와 압력조절기(50)를 통해 압력이 조절된 가스의 이산화탄소간에 열교환이 이루어지도록 하여 가스의 이산화탄소를 액화하여 액화 이산화탄소 저정소(70)에 저장하는 액화 열교환부(60), 액화 열교환부(60)를 통과한 천연가스를 사용처에서 사용할 수 있는 적정 온도로 맞추는 제2히터(80)로 구성된다.

천연가스 공급부(10)는 천연가스 공급관(11), 천연가스 공급관(11)을 통해 공급되는 천연가스를 정압을 위한 온도(예를 들어 20℃)로 승온시키는 제1히터(12)로 구성된다.

정압부(20)는 천연가스 공급관(11)에서 분기되는 제1분기관(21), 제1분기관(21)을 통해 공급되는 천연가스를 정압 조절하는 정압기(정압밸브)(22)로 구성된다.

터보 발전부(30)는 천연가스 공급관(11)에서 분기되는 제2분기관(31), 제2분기관(31)을 통해 공급되는 천연가스의 폐압을 통해 전기를 발전하는 터보발전기(TEG)(32)로 구성된다.

터보발전기(32)는 가스의 압력을 기계적인 회전운동으로 변환시키는 터보팽창기와 상기 터보팽창기의 기계적인 회전력을 전기에너지로 변환시키는 발전기로 구성된다.

온도 조절기(40)는 터보 발전부(30)의 터보발전기(32)를 통과한 천연가스의 온도를 이산화탄소의 액화를 위한 최적의 온도로 조절한 액화 열교환부(60)에 공급하는 것으로, 통상적으로 터보발전기(32)에서 토출되는 천연가스의 온도가 이산화탄소의 효율적인 액화를 위한 온도보다 높을 것이므로 천연가스의 온도를 낮추는 온도 조절을 한다.

온도 조절기(40)는 천연가스의 온도를 낮출 수 있는 냉매와 천연가스 간의 열교환을 통해 천연가스의 온도를 조절하는 것이며, 예를 들어, 펌프(압축기)(41), 천연가스측 유로와 냉매측 유로가 구비되며 상기 펌프의 펌핑에 의해 순환하는 냉매와 천연가스의 열교환을 유도하는 열교환기(42)로 구성될 수 있다.

상기 천연가스측 유로는 터보발전기(32)의 토출측과 액화열교환부의 천연가스측 유입측에 연결된다.

상기 냉매측 유로는 유입측과 토출측이 각각 냉매 순환관(43)의 양측 단부와 연결된다.

온도 조절기(40)는 천연가스가 적정 온도인 경우 가동하지 않으며 이런 상태에서 천연가스는 단지 온도 조절기(40)를 유로로 이용하여 통과하게 된다.

압력조절기(50)는 이산화탄소 발생원(발전소, 공장 등으로서 이산화탄소를 발생하는 모든 시설, 그리고, 이들 발생원으로부터 발생된 이산화탄소를 저장하는 저장소를 말함)으로부터 공급되는 이산화탄소의 압력을 이산화탄소의 액화를 위한 최적의 압력으로 조절하여 액화 열교환부(60)에 공급하는 것으로, 압축기일 수 있다.

본 발명은 온도 조절기(40)를 통해 천연가스의 온도를 조절하고, 압력 조절기(50)를 통해 이산화탄소의 압력을 조절하지만, 온도와 압력을 최적의 조건으로 조절한 후 액화 열교환부(60)에 공급하는 것인지 검증이 필요할 것이며, 이를 위하여 도 9에서 보이는 것처럼, 온도 조절기(40)의 토출측에 설치되어 온도 조절된 천연가스의 온도를 감지하는 온도센서(44), 온도 조절기(40)의 유입측과 토출측에 연결되는 바이패스관(45), 온도 조절기(40)를 통과한 천연가스를 액화 열교환부(60) 또는 바이패스관(45)으로 유도하는 밸브수단(46), 온도센서(44)에서 감지한 현재 온도와 기준 온도(사용자에 의해 설정)의 비교를 통해 밸브수단(46)의 개도를 조정하는 컨트롤러가 추가로 구성될 수 있다.

또한, 압력 조절기(50)의 토출측에 설치되어 압력 조절기(50)를 통해 압력이 조절된 이산화탄소의 압력을 감지하는 압력센서(51), 압력조절기(50)의 유입측과 토출측에 각각 연결되는 바이패스관(52), 압력 조절기(50)를 통과한 이산화탄소를 액화 열교환부(60) 또는 바이패스관(52)으로 유도하는 밸브수단(53), 압력센서(51)에서 감지한 현재 압력과 기준 압력(사용자에 의해 설정)의 비교를 통해 밸브수단(53)의 개도를 조정하는 컨트롤러가 구성될 수 있다.

이와 같은 구성에 따르면, 온도 조절기(40)를 통해 온도가 조절된 천연가스는 기준 온도를 만족하지 못하면 바이패스관(45)을 통해 다시 온도가 조절되며, 즉 적정 온도의 천연가스만 액화 열교환부(60)에 공급되는 것이다.

또한, 이산화탄소는 압력 조절기(50)를 1회 이상 통과하면서 적정 압력으로 조절된 후 액화 열교환부(60)에 공급되는 것이다.

액화 열교환부(60)는 온도 조절기(40)를 통해 온도가 조절된 천연가스와 압력 조절기(50)를 통해 압력이 조절된 이산화탄소의 열교환이 이루어지도록 함으로써 이산화탄소를 액화하며, 천연가스와 이산화탄소의 유로를 갖는 열교환기의 형태, 이산화탄소의 순환관을 천연가스 공급관의 내부에 배관하는 2중관 형태 등 다양하게 구성 가능하다.

한편, 이산화탄소의 액화 과정에서 일부 가스의 이산화탄소가 남을 수 있으며, 즉, 액화 열교환부(60)에서는 액화 이산화탄소와 가스의 이산화탄소가 함께 공존한 상태로 토출되며, 기액분리기(90)를 통해 가스와 액상을 분리하여 액화 이산화탄소는 액화 이산화탄소 저장소(70)에 공급한다.

가스의 이산화탄소는 다시 액화를 거치도록 공급되는데 이 때 압력조절기(50)의 유입측에 공급되어 압력 조절 후 액화가 이루어지도록 한다.

가스의 이산화탄소는 회수용 압축기(91)를 통해 회수된 후 압력 조절기(50)에 공급되는 것이 바람직하다.

제2히터(80)는 액화 열교환부(60)에서 토출되는 천연가스를 사용처에서 사용할 수 있는 적정 온도로 승온시킨다.

본 발명은 수분제거기(33)와 입자상 이물질의 필터(34)가 구성될 수 있다.

수분제거기(33)는 터보 발전부(30)의 유입측에 설치되어 천연가스에 포함된 수분을 제거하고, 필터(34)는 천연가스에 포함된 입자상 이물질을 포집하여 순수한 천연가스의 공급이 이루어지도록 한다.

본 발명에 의한 천연가스의 정압 및 폐압 발전과 병행하는 이산화탄소의 액화 시설의 작용은 다음과 같다.

1. 정압.

천연가스는 천연가스 공급관(11)을 통해 공급되며, 제1히터(12)를 통과하면서 예를 들어 20℃로 승온된다.

천연가스는 제1분기관(21)을 통해 정압기(22)에 공급되어 정압 조절된다. 정압기(22)를 통과한 천연가스는 일정 온도(예를 들어 0℃)로 공급된다.

2. 발전.

천연가스는 제1히터(12)를 통과하여 승온된 후 제2분기관(31)을 통해 터보발전기(32)에 공급된다.

터보발전기(32)는 종래와 동일한 방식으로서 터보팽창기를 통해 천연가스의 압력을 기계적인 회전운동으로 변환시킨 후 발전기를 통해 상기 터보팽창기의 기계적인 회전력을 전기에너지로 변환시켜 발전한다.

3. 냉열 회수.

터보발전기(32)에서 토출된 천연가스는 온도 조절기(40)를 통과하면서 냉매와 열교환하여 온도가 낮아지고, 이산화탄소 발생원으로부터 공급되는 이산화탄소는 압력 조절기(50)를 통해 압력이 맞춰진다.

액화 열교환부(60)는 온도 조절기(40)에 의해 온도가 조절된 천연가스, 압력 조절기(50)를 통해 압력이 조절된 이산화탄소의 열교환을 유도하여 이산화탄소를 액화한다. 이 과정에서 천연가스와 이산화탄소가 이산화탄소의 액화를 위한 최적의 조건으로 셋팅되었기 때문에 이산화탄소의 액화 효율을 높일 수 있다.

액상의 이산화탄소는 액상의 이산화탄소 저장부(70)로 이송 저장된다. 또한, 기액분리기(90)를 통해 분리된 가스의 이산화탄소는 회수용 압축기(91)를 통해 압력 조절기(50)의 유입측으로 회수되어 압력 조절된 후 액화 열교환부(60)에 공급되어 액화된다.

천연가스는 제2히터(80)를 통해 적정 온도(예를 들어 0℃)로 승온 된 후 공급된다.

10 : 천연가스 공급부, 11 : 천연가스 공급관
12 : 제1히터, 20 : 정압부
30 : 터보 발전부, 40 : 온도 조절기
41 : 펌프, 42 : 열교환기
43 : 냉매순환관, 44 : 온도센서
45 : 바이패스관, 46 : 밸브수단
50 : 압력 조절기, 51 : 압력센서
52 : 바이패스관, 53 : 밸브수단
60 : 액화 열교환부, 70 : 액화 이산화탄소 저장소
80 : 제2히터, 90 : 기액분리기

Claims

천연가스 공급부의 제1히터를 통해 온도가 높아진 천연가스를 공급받아 정압 조절하는 정압부(20)와;
상기 정압부와 병렬로 상기 천연가스 공급부와 연결되며 상기 제1히터를 통해 온도가 높아진 천연가스를 공급받아 천연가스의 폐압을 이용하여 전기를 발전하는 터보발전부(30)와;
상기 터보발전부에서 토출되는 천연가스의 온도를 조절하여 온도가 조절된 천연가스를 공급하는 천연가스측 온도 조절기(40)와;
이산화탄소 가스의 압력을 조절한 후 공급하는 이산화탄소측 압력 조절기(50)와;
상기 온도 조절기를 통과하여 온도가 조절된 천연가스 및 상기 압력 조절기를 통해 압력이 조절된 이산화탄소 가스의 열교환을 유도하여 이산화탄소로 액화하는 액화 열교환부(60)와;
상기 액화 열교환부를 통과하여 온도가 낮아진 천연가스의 온도를 사용처로 공급하기 위한 온도로 높이는 제2히터(80)와;
상기 온도 조절기의 토출측에 설치되어 천연가스의 온도를 센싱하는 온도센서(44)와;
상기 온도 조절기의 유입측과 토출측에 각각 연결되는 바이패스관(45)과;
상기 온도 조절기에서 토출되는 천연가스를 상기 액화 열교환부 또는 바이패스관(45)으로 유도하는 밸브수단(46)과
상기 압력 조절기(50)의 토출측에 설치되어 상기 압력 조절기(50)를 통해 압력이 조절된 이산화탄소의 압력을 감지하는 압력센서(51)와;
상기 압력조절기의 유입측과 토출측에 각각 연결되는 바이패스관(52)과;
상기 압력 조절기를 통과한 이산화탄소를 상기 액화 열교환부(60) 또는 바이패스관(52)으로 유도하는 밸브수단(53)과;
상기 온도센서와 압력센서의 감지 값을 근거로 하여 상기 밸브수단(46,53)들을 각각 제어하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 컨트롤러의 제어를 통해 상기 온도 조절기를 1회 이상 통과한 천연가스를 열원으로 하여 상기 압력 조절기를 1회 이상 통과한 이산화탄소를 액화시키는 것을 특징으로 하는 천연가스의 정압 및 폐압 발전과 병행하는 이산화탄소의 액화 시설.
삭제
청구항 1에 있어서, 상기 액화 열교환부에서 토출되는 이산화탄소를 기체와 액체로 분리하는 기액 분리기와;
상기 기액 분리기를 통해 분리된 가스의 이산화탄소를 회수한 후 압력 조절기의 유입측에 공급하는 회수용 압축기를 포함하여, 가스의 이산화탄소를 재순환을 통해 액화하는 것을 특징으로 하는 천연가스의 정압 및 폐압 발전과 병행하는 이산화탄소의 액화 시설.
청구항 3에 있어서, 상기 터보발전부의 유입측에 설치되는 수분제거기와; 상기 터보발전부의 토출측에 설치되는 하나의 필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스의 정압 및 폐압 발전과 병행하는 이산화탄소의 액화 시설.