KR102629039B1 - 이산화탄소 액화시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 의해 이산화탄소 액화시스템이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 액화시스템은, 선박에서 발생된 이산화탄소를 공급받는 이산화탄소유동라인과, 이산화탄소유동라인 상에 설치되며 이산화탄소를 냉매와 열교환하여 액화시키는 제1 열교환기와, 폐루프 사이클을 구성하여 냉매가 순환하며 제1 열교환기를 경유하는 냉매순환라인과, 연료탱크로부터 공급받은 액화천연가스를 가압하고 가열하여 연소기관으로 공급하는 연료공급라인과, 연료공급라인 상에 설치되며 액화천연가스를 열매와 열교환하여 기화시키는 가열유닛과, 폐루프 사이클을 구성하여 열매가 순환하며 가열유닛을 경유하는 열매순환라인, 및 열매순환라인과 연료공급라인 중 적어도 하나와 제1 열교환기 후단의 냉매순환라인을 열교환하는 제2 열교환기를 포함할 수 있다.

Description

이산화탄소 액화시스템{Carbon dioxide liquefaction system}
본 발명은 이산화탄소 액화시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액화천연가스의 냉열을 활용하여 선박에서 발생된 이산화탄소를 액화하고, 액화 과정에서 드라이아이스가 생성되는 것을 방지하여 액화천연가스를 기화시키는 가열유닛의 열교환 성능을 안정적으로 유지시킬 수 있는 이산화탄소 액화시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 선박에 설치되는 각종 엔진은 연료를 연소하여 동력을 생성하며, 연료의 연소과정에서 발생되는 배기가스는 질소산화물, 황산화물, 이산화탄소, 미연소 메탄 등을 포함하고 있다. 대기오염이 증가함에 따라 배기가스에 포함된 각종 유해물질에 대한 규제가 엄격해지고 있는 실정이며, 질소산화물과 황산화물뿐만 아니라 이산화탄소도 유엔 산하기관인 국제해사기구(IMO;International Maritime Organization)로부터 배출규제를 받고 있다. 실제, 국제해사기구는 2008년 기준 이산화탄소의 배출량을 2030년까지 40% 줄이고 2050년까지 70% 줄이는 것을 추진 중에 있다.
배기가스에 포함된 이산화탄소를 포집하는 방법으로는 크게, 흡수제 및 흡착제를 이용한 습식 및 건식 포집 방법과, 멤브레인을 이용한 분리막 포집 방법이 있으며, 통상, 습식 포집 방법이 사용되고 있다. 습식 포집 방법은, 배기가스를 흡수제가 존재하는 흡수탑에 통과시켜 배기가스에 포함된 이산화탄소를 흡수제에 흡수시키고, 이산화탄소를 흡수한 흡수제를 재생탑에 통과시켜 이산화탄소와 흡수제를 분리하는 방식이다.
분리된 이산화탄소는 액화된 후 선박에 저장될 수 있다. 종래의 이산화탄소 액화 기술은 화물창에서 발생하는 이산화탄소 증발가스를 선박 연료로 사용되는 액화천연가스와 직접 열교환하여 액화시켰다. 이러한 액화방식은 열교환 효율이 높을 순 있으나, 이산화탄소의 삼중점(triple point)이 5.1bar, -56℃인 것을 고려할 때, -160℃ 이하의 액화천연가스와 이산화탄소를 직접 열교환하면, 액화천연가스를 기화시키는 가열유닛의 유로 표면에 드라이아이스가 생성되어 열교환 성능을 안정적으로 유지하는 것이 어려운 문제가 있다. 또한, 엔진에서 요구되는 온도로 연료가 충분히 가열되지 못한 상태에서 엔진에 공급되어 연소 효율이 저하되는 문제도 있다.
이에, 액화천연가스의 냉열을 활용하면서 이산화탄소의 액화 과정에서 발생하는 드라이아이스 생성 문제를 해결할 수 있는 안정적인 이산화탄소 액화시스템이 필요하게 되었다.
대한민국 등록특허 제10-1378995호 (2014. 03. 21.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 액화천연가스의 냉열을 활용하여 선박에서 발생된 이산화탄소를 액화하고, 액화 과정에서 드라이아이스가 생성되는 것을 방지하여 액화천연가스를 기화시키는 가열유닛의 열교환 성능을 안정적으로 유지시킬 수 있는 이산화탄소 액화시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 이산화탄소 액화시스템은, 선박에서 발생된 이산화탄소를 공급받는 이산화탄소유동라인과, 상기 이산화탄소유동라인 상에 설치되며 이산화탄소를 냉매와 열교환하여 액화시키는 제1 열교환기와, 폐루프 사이클을 구성하여 상기 냉매가 순환하며, 상기 제1 열교환기를 경유하는 냉매순환라인과, 연료탱크로부터 공급받은 상기 액화천연가스를 가압하고 가열하여 연소기관으로 공급하는 연료공급라인과, 상기 연료공급라인 상에 설치되며, 상기 액화천연가스를 열매와 열교환하여 기화시키는 가열유닛과, 폐루프 사이클을 구성하여 상기 열매가 순환하며, 상기 가열유닛을 경유하는 열매순환라인, 및 상기 열매순환라인과 상기 연료공급라인 중 적어도 하나와 상기 제1 열교환기 후단의 상기 냉매순환라인을 열교환하는 제2 열교환기를 포함한다.
상기 이산화탄소 액화시스템은, 상기 제2 열교환기 전단의 상기 냉매순환라인 상에 설치되어 상기 제1 열교환기를 통과한 상기 냉매를 가압하는 압축기와, 상기 압축기 후단에 설치되어 가압된 상기 냉매를 냉각하는 냉각기를 포함하는 적어도 하나의 압축유닛을 포함할 수 있다.
상기 이산화탄소 액화시스템은, 상기 제2 열교환기 후단의 상기 냉매순환라인 상에 설치되어 상기 냉매를 감압하는 팽창밸브와, 상기 팽창밸브 후단에 설치되어 액상의 상기 냉매와 기상의 상기 냉매를 분리하는 기액분리기를 포함하는 적어도 하나의 분리유닛을 포함하되, 상기 기액분리기에서 분리된 액상의 상기 냉매는 상기 제1 열교환기 전단의 상기 냉매순환라인에 합류되고, 상기 기액분리기에서 분리된 기상의 상기 냉매는 상기 제1 열교환기 후단의 상기 냉매순환라인에 합류될 수 있다.
상기 제2 열교환기는 상기 열매순환라인과 상기 냉매순환라인을 열교환하고, 상기 이산화탄소 액화시스템은, 상기 제2 열교환기 후단의 상기 열매순환라인 상에 설치되어 상기 가열유닛으로 순환하는 상기 열매를 가열하는 히터를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 열교환기는 상기 연료공급라인과 상기 냉매순환라인을 열교환하고, 이산화탄소 액화시스템은, 상기 가열유닛 후단의 상기 열매순환라인 상에 설치되어 상기 가열유닛으로 순환되는 상기 열매를 가열하는 히터를 더 포함할 수 있다.
상기 가열유닛은, 직렬로 배치된 기화기(vaporizer)와 재가열기화기(trim heater)를 포함하고, 상기 제2 열교환기는 상기 기화기와 상기 재가열기화기 사이에 개재될 수 있다.
본 발명에 따르면, 액화천연가스와 이산화탄소를 직접 열교환하지 않고 글리콜 워터와 같은 열매, 및 암모니아 또는 프로판 같은 냉매를 통해 액화천연가스의 냉열을 간접적으로 회수하여 이산화탄소를 냉각시킬 수 있다. 따라서, 이산화탄소 액화 목적을 달성하면서, 액화 과정에서 드라이아이스가 생성되는 것을 방지하여 연료 공급을 위해 액화천연가스를 기화시키는 가열유닛의 열교환 성능을 안정적으로 유지시킬 수 있다.
또한, 가열유닛의 열교환 성능이 안정적으로 유지됨에 따라, 연소기관에서 요구되는 온도로 연료가 충분히 가열된 후 공급될 수 있어 연소 효율도 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 액화시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 이산화탄소 액화시스템의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 액화시스템의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이산화탄소 액화시스템의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이산화탄소 액화시스템의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 액화시스템에 관하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 이산화탄소 액화시스템은 선박에서 발생된 이산화탄소를 액화시키는 장치로, 예를 들어, 배기가스에 포함된 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소포집장치를 구비한 선박에 적용될 수 있다.
이산화탄소 액화시스템은 액화천연가스와 이산화탄소를 직접 열교환하지 않고 글리콜 워터와 같은 열매, 및 암모니아 또는 프로판 같은 냉매를 통해 액화천연가스의 냉열을 간접적으로 회수하여 이산화탄소를 냉각시킬 수 있다. 따라서, 이산화탄소 액화 목적을 달성하면서, 액화 과정에서 드라이아이스가 생성되는 것을 방지하여 액화천연가스를 기화시키는 가열유닛의 열교환 성능을 안정적으로 유지시킬 수 있다. 또한, 가열유닛의 열교환 성능이 안정적으로 유지됨에 따라, 연소기관에서 요구되는 온도로 연료가 충분히 가열된 후 공급될 수 있어 연소 효율도 향상될 수 있는 특징이 있다.
이하, 도 1을 참조하여, 이산화탄소 액화시스템(1)에 관하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 액화시스템을 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 이산화탄소 액화시스템(1)는 이산화탄소유동라인(10), 제1 열교환기(20), 냉매순환라인(30), 연료공급라인(40), 가열유닛(50a, 50b), 열매순환라인(60), 및 제2 열교환기(70)를 포함한다.
이산화탄소유동라인(10)은 선박에서 발생된 이산화탄소를 공급받는 관이다. 이산화탄소유동라인(10)은 예를 들어, 배기가스에 포함된 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소포집장치(G)에 연결될 수 있으며, 이산화탄소포집장치(G)에서 포집된 이산화탄소는 약 15bar 이상으로 가압된 후 이산화탄소유동라인(10)으로 공급될 수 있다. 이산화탄소유동라인(10) 상에는 제1 열교환기(20)가 설치된다.
제1 열교환기(20)는 이산화탄소를 냉매와 열교환하여 액화시키는 것으로, 이산화탄소유동라인(10)과 후술할 냉매순환라인(30)이 통과할 수 있다. 즉, 이산화탄소유동라인(10)을 유동하는 이산화탄소는 제1 열교환기(20)에서 냉매순환라인(30)을 유동하는 냉매와 열교환하여 액화되고, 냉매는 가열되어 냉매순환라인(30)을 순환할 수 있다. 이 때, 냉매는 한정될 것은 아니나, 암모니아(NH3) 또는 프로판(C3H8)일 수 있다. 암모니아와 프로판은 대기압에서의 포화온도(saturated temperature)가 각각 -33℃, -42℃로써, 포화온도 이하로는 온도를 낮출 수 없다. 따라서, 암모니아 또는 프로판을 이용하여 이산화탄소를 액화시키기 위해서는 이산화탄소의 포화온도가 -30℃ 이상이 되는 압력이 되어야 하며, 이산화탄소의 포화온도가 -30℃ 이상이 되는 압력이 15bar이다. 전술한 바와 같이, 이산화탄소포집장치(G)에서 포집된 이산화탄소가 약 15bar 이상으로 가압된 후 이산화탄소유동라인(10)으로 공급됨으로써, 제1 열교환기(20)에서 냉매와 열교환을 통해 용이하게 액화될 수 있다. 제1 열교환기(20)에서 냉매와 열교환하여 액화된 이산화탄소는 이산화탄소유동라인(10)을 따라 유동하여 저장탱크(100)에 저장될 수 있다.
냉매순환라인(30)은 폐루프 사이클을 구성하여 냉매가 순환하며, 제1 열교환기(20)를 경유할 수 있다. 냉매순환라인(30) 상에는 압축기(81)와 냉각기(82)를 포함하는 적어도 하나의 압축유닛(80)과, 팽창밸브(31a)와 기액분리기(31b)를 포함하는 적어도 하나의 분리유닛(31)이 설치되며, 냉매순환라인(30)은 제2 열교환기(70)를 경유할 수 있다. 즉, 제1 열교환기(20)에서 이산화탄소와 열교환하여 가열된 냉매는 냉매순환라인(30)을 따라 압축유닛(80)으로 이동하고, 압축유닛(80)을 통과한 냉매는 냉매순환라인(30)을 따라 제2 열교환기(70)와 분리유닛(31)을 차례로 통과한 후 제1 열교환기(20)로 순환된다. 압축유닛(80)과 제2 열교환기(70), 및 분리유닛(31)에 대해서는 후술하여 보다 구체적으로 설명한다.
한편, 선박의 구동에 필요한 각종 동력은 연소기관(EG)에서 생성되며, 연소기관(EG)은 연료공급라인(40)을 통해 연료를 공급받을 수 있다. 여기서, 연소기관(EG)이라 함은, 액화천연가스, 보다 구체적으로, 액화천연가스가 기화되어 생성된 천연가스와 공기를 연소하여 동력을 생성하는 장치를 통칭하며, 예를 들어, 선박의 추진에 필요한 동력을 생성하는 메인 엔진(main engine)일 수 있다. 연소기관(EG)에서 연료의 연소에 따라 발생된 배기가스는 이산화탄소포집장치(G)로 공급되어 이산화탄소가 제거되고, 이산화탄소포집장치(G)에서 포집된 이산화탄소는 별도의 탈수 또는 압축 과정을 거쳐 약 15bar 이상으로 가압된 후 이산화탄소유동라인(10)으로 공급될 수 있다.
연료공급라인(40)은 연료탱크(TK)로부터 공급받은 액화천연가스를 가압하고 가열하여 연소기관(EG)으로 공급하는 관으로, 일단이 연료탱크(TK)에 연결되고 타단이 연소기관(EG)에 연결될 수 있다. 여기서, 연료탱크(TK)라 함은 액화천연가스를 저장하는 탱크로, 외부로부터 전달되는 열에 의한 액화천연가스의 기화를 최소화하기 위해 밀봉 및 단열 처리될 수 있다. 연료탱크(TK)는, 예를 들어, 멤브레인(membrane) 탱크이거나 압력식 C-type 탱크일 수 있다. 연료탱크(TK)가 압력식 C-type 탱크일 경우, 설치 비용은 증가하나 운전 압력이 멤브레인 탱크에 비해 높아 액화천연가스가 자연 기화하여 생성된 증발가스의 저장에 따른 압력 및 온도 증가를 허용 범위 내에서 버텨낼 수 있을 뿐만 아니라 허용할 수 있는 범위도 커 더 많은 양의 증발가스를 더 오랜 시간동안 저장할 수 있다. 연료공급라인(40) 상에는 적어도 하나의 펌프(41)와 가열유닛(50a, 50b)이 차례로 설치된다.
펌프(41)는 액화천연가스의 이동이 원활하고 가열유닛(50a, 50b)에서 액화천연가스가 용이하게 기화될 수 있도록 액화천연가스를 가압하며, 가열유닛(50a, 50b)은 직렬로 배치된 기화기(vaporizer, 50a)와 재가열기화기(trim heater, 50b)를 포함하여 가압된 액화천연가스를 열매와 열교환하여 천연가스로 기화시킬 수 있다. 즉, 연료공급라인(40)을 유동하는 액화천연가스는, 가열유닛(50a, 50b)에서 후술할 열매순환라인(60)을 유동하는 열매와 열교환하여 가열되고, 열매는 냉각되어 열매순환라인(60)을 순환할 수 있다. 이 때, 열매는 한정될 것은 아니나, 글리콜 워터일 수 있다. 가열유닛(50a, 50b)에서 액화천연가스가 기화되어 생성된 천연가스는 연료공급라인(40)을 따라 연소기관(EG)으로 공급되어 연료로 사용될 수 있다.
열매순환라인(60)은 폐루프 독립 사이클을 구성하여 열매가 순환하며, 가열유닛(50a, 50b)을 경유할 수 있다. 보다 구체적으로, 가열유닛(50a, 50b)에서 액화천연가스와 열교환하여 냉각된 열매는 합류되어 열매순환라인(60)을 따라 유동하고, 열매순환라인(60) 상에 설치된 히터(61)와 펌프(62)를 차례로 통과하여 가열 및 가압된 후 가열유닛(50a, 50b)으로 순환할 수 있다.
제2 열교환기(70)는 열매순환라인(60)과 연료공급라인(40) 중 적어도 하나와 제1 열교환기(20) 후단의 냉매순환라인(30)을 열교환할 수 있다. 즉, 제2 열교환기(70)는 열매 또는 액화천연가스와 냉매를 열교환하여, 열매 또는 액화천연가스를 가열시키고 냉매는 냉각시킨다. 제2 열교환기(70)가 열매 또는 액화천연가스와 냉매를 열교환하여 냉매를 냉각시킴으로써, 액화천연가스의 냉열을 간접적으로 회수하여 이산화탄소를 냉각시킬 수 있다. 따라서, 이산화탄소 액화 목적을 달성하면서, 액화 과정에서 드라이아이스가 생성되는 것을 방지하여 가열유닛(50a, 50b)의 열교환 성능을 안정적으로 유지시킬 수 있다. 또한, 가열유닛(50a, 50b)의 열교환 성능이 안정적으로 유지됨에 따라, 연소기관(EG)에서 요구되는 온도로 연료가 충분히 가열된 후 공급될 수 있어 연소 효율도 향상될 수 있다. 이하, 제2 열교환기(70)가 열매순환라인(60)과 제1 열교환기(20) 후단의 냉매순환라인(30)을 열교환하는 구조를 보다 중점적으로 설명한다.
제2 열교환기(70)는 가열유닛(50a, 50b) 후단의 열매순환라인(60)과, 제1 열교환기(20), 보다 구체적으로, 압축유닛(80)과 분리유닛(31) 사이의 냉매순환라인(30)을 열교환한다.
전술한 바와 같이, 압축유닛(80)은 압축기(81)와 냉각기(82)를 포함하고, 분리유닛(31)은 팽창밸브(31a)와 기액분리기(31b)를 포함한다. 압축기(81)는 제2 열교환기(70) 전단의 냉매순환라인(30) 상에 설치되어 제1 열교환기(20)를 통과한 냉매를 가압하며, 냉각기(82)는 압축기(81) 후단에 설치되어 가압된 냉매를 냉각할 수 있다. 압축유닛(80)을 통과하여 가압 및 냉각된 냉매는 제2 열교환기(70)에서 열매와 열교환하여 냉각되며, 냉매와 열교환하여 가열된 열매는 제2 열교환기(70) 후단에 설치된 히터(61)에서 추가로 가열된 후 펌프(62)에서 가압되어 가열유닛(50a, 50b)으로 순환될 수 있다. 팽창밸브(31a)는 제2 열교환기(70) 후단의 냉매순환라인(30) 상에 설치되어 냉각된 냉매를 감압하는 것으로, 통상의 줄-톰슨 밸브일 수 있다. 팽창밸브(31a)는 냉매의 액화 압력으로 냉매를 감압하며, 이로 인해, 냉매의 적어도 일부가 액화될 수 있다. 그러나, 제2 열교환기(70) 후단의 냉매순환라인(30) 상에 팽창밸브(31a)가 설치되는 것으로 한정될 것은 아니며, 냉매를 감압할 수 있는 다양한 구조로 변형될 수 있다. 팽창밸브(31a)를 통과하여 적어도 일부가 액화된 냉매는 냉매순환라인(30)을 따라 기액분리기(31b)로 유동한다. 기액분리기(31b)는 팽창밸브(31a) 후단에 설치되어 액상의 냉매와 기상의 냉매를 분리하는 것으로, 통상의 중력분리기일 수 있다. 기액분리기(31b)에서 분리된 액상의 냉매는 제1 라인(30a)을 따라 제1 열교환기(20) 전단의 냉매순환라인(30)에 합류되고, 기액분리기(31b)에서 분리된 기상의 냉매는 제2 라인(30b)을 따라 제1 열교환기(20) 후단의 냉매순환라인(30)에 합류될 수 있다.
이하, 도 2를 참조하여, 이산화탄소 액화시스템(1)의 동작에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 2는 도 1의 이산화탄소 액화시스템의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
본 발명에 따른 이산화탄소 액화시스템(1)는 액화천연가스와 이산화탄소를 직접 열교환하지 않고 글리콜 워터와 같은 열매, 및 암모니아 또는 프로판 같은 냉매를 통해 액화천연가스의 냉열을 간접적으로 회수하여 이산화탄소를 냉각시킬 수 있다. 따라서, 이산화탄소 액화 목적을 달성하면서, 액화 과정에서 드라이아이스가 생성되는 것을 방지하여 액화천연가스를 기화시키는 가열유닛(50a, 50b)의 열교환 성능을 안정적으로 유지시킬 수 있다. 또한, 가열유닛(50a, 50b)의 열교환 성능이 안정적으로 유지됨에 따라, 연소기관(EG)에서 요구되는 온도로 연료가 충분히 가열된 후 공급될 수 있어 연소 효율도 향상될 수 있다.
연료탱크(TK)에 저장된 액화천연가스는 연료공급라인(40)을 따라 이동하여 펌프(41)에서 가압되고, 가열유닛(50a, 50b)에서 열매순환라인(60)을 순환하는 열매와 열교환하여 천연가스로 기화된다. 가열유닛(50a, 50b)으로 공급되는 열매는 히터(61) 및 펌프(62)를 통과하며 가열 및 가압된 상태이므로, 액화천연가스는 열매와 열교환을 통해 용이하게 기화될 수 있다. 액화천연가스가 기화되어 생성된 천연가스는 연료공급라인(40)을 따라 연소기관(EG)으로 공급되며, 연소기관(EG)은 천연가스인 연료와 공기를 연소하여 동력을 생성한다. 연소기관(EG)에서 연료의 연소에 따라 발생된 배기가스는 이산화탄소포집장치(G)로 공급되어 이산화탄소가 제거되고, 이산화탄소포집장치(G)에서 포집된 이산화탄소는 이산화탄소유동라인(10)으로 공급된다.
이산화탄소유동라인(10)으로 공급된 이산화탄소는 제1 열교환기(20)에서 냉매순환라인(30)을 순환하는 냉매와 열교환하여 액화되며, 액화된 이산화탄소는 이산화탄소유동라인(10)을 따라 유동하여 저장탱크(100)에 저장된다. 제1 열교환기(20)에서 이산화탄소와 열교환하여 가열된 냉매는 압축유닛(80)의 압축기(81)와 냉각기(82)를 차례로 통과하며 가압 및 냉각된 후, 제2 열교환기(70)에서 열매순환라인(60)을 순환하는 열매와 열교환하여 추가로 냉각된다. 제2 열교환기(70)를 통과한 냉매는 팽창밸브(31a)에서 감압되어 적어도 일부가 액화되며, 액상의 냉매는 기액분리기(31b)에서 기상의 냉매와 분리된다. 액상의 냉매는 제1 라인(30a)을 따라 제1 열교환기(20) 전단의 냉매순환라인(30)에 합류되며, 기상의 냉매는 제2 라인(30b)을 따라 제1 열교환기(20)와 압축유닛(80) 사이의 냉매순환라인(30)에 합류될 수 있다.
한편, 제2 열교환기(70)에서 냉매순환라인(30)을 순환하는 냉매와 열교환하여 가열된 열매는 열매순환라인(60)을 따라 히터(61)로 이동하여 추가로 가열된 후 가열유닛(50a, 50b)으로 순환될 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 액화시스템(1-1)에 관하여 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 액화시스템의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 액화시스템(1-1)은 냉매순환라인(30) 상에 복수 개의 압축유닛(80, 80a, 80b)과 복수 개의 분리유닛(31, 31')이 설치된다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 액화시스템(1-1)은 냉매순환라인(30) 상에 복수 개의 압축유닛(80, 80a, 80b)과 복수 개의 분리유닛(31, 31')이 설치되는 것을 제외하면, 전술할 실시예와 실질적으로 동일하다. 따라서, 이를 중점적으로 설명하되, 별도의 언급이 없는 한 나머지 구성에 대한 설명은 전술한 사항으로 대신한다.
제2 열교환기(70) 전단의 냉매순환라인(30) 상에는 복수 개의 압축유닛(80, 80a, 80b)이 차례로 설치되어 냉매를 다단으로 가압하고, 제2 열교환기(70) 후단의 냉매순환라인(30) 상에는 복수 개의 분리유닛(31, 31')이 차례로 설치되어 냉매를 다단으로 감압 및 분리한다. 보다 구체적으로, 제1 열교환기(20)와 제2 열교환기(70) 사이의 냉매순환라인(30) 상에는 제1 압축유닛(80)과, 제2 압축유닛(80a), 및 제3 압축유닛(80b)이 차례로 설치되며, 제2 열교환기(70)와 제1 열교환기(20) 사이의 냉매순환라인(30) 상에는 제1 분리유닛(31)와 제2 분리유닛(31')이 차례로 설치된다.
제1 압축유닛(80)은 제1 압축기(81)와 제1 냉각기(82)를 포함하며, 제1 압축기(81)는 제1 열교환기(20)를 통과한 냉매를 가압하고, 제1 냉각기(82)는 제1 압축기(81)에서 가압된 냉매를 냉각한다.
제2 압축유닛(80a)은 제2 압축기(81a)와 제2 냉각기(82a)를 포함하며, 제2 압축기(81a)는 제1 압축유닛(80)을 통과한 냉매를 가압하고, 제2 냉각기(82a)는 제2 압축기(81a)에서 가압된 냉매를 냉각한다.
제3 압축유닛(80b)은 제3 압축기(81b)와 제3 냉각기(82b)를 포함하며, 제3 압축기(81b)는 제2 압축유닛(80a)을 통과한 냉매를 가압하고, 제3 냉각기(82b)는 제3 압축기(81b)에서 가압된 냉매를 냉각한다.
제1 분리유닛(31)은 제1 팽창밸브(31a)와 제1 기액분리기(31b)를 포함하며, 제1 팽창밸브(31a)는 제2 열교환기(70)를 통과한 냉매를 감압하고, 제1 기액분리기(31b)는 제1 팽창밸브(31a)를 통과하며 적어도 일부가 액화된 액상의 냉매를 기상의 냉매와 분리한다. 제1 기액분리기(31b)에서 분리된 액상의 냉매는 제1 라인(30a)을 따라 제2 분리유닛(31')으로 이동하고, 제1 기액분리기(31b)에서 분리된 기상의 냉매는 제2 라인(30b)을 따라 제2 압축유닛(80a)과 제3 압축유닛(80b) 사이의 냉매순환라인(30)에 합류된다.
제2 분리유닛(31')은 제2 팽창밸브(31a')와 제2 기액분리기(31b')를 포함하며, 제2 팽창밸브(31a')는 제1 분리유닛(31)을 통과한 액상의 냉매를 추가로 감압하고, 제2 기액분리기(31b')는 제2 팽창밸브(31a')를 통과하며 액화된 액상의 냉매를 기상의 냉매와 분리한다. 제2 기액분리기(31b')에서 분리된 액상의 냉매는 제1 라인(30a')을 따라 제3 팽창밸브(31a")로 이동하고, 제2 기액분리기(31b')에서 분리된 기상의 냉매는 제2 라인(30b')을 따라 제1 압축유닛(80)과 제2 압축유닛(80a) 사이의 냉매순환라인(30)에 합류된다.
냉매순환라인(30) 상에 복수 개의 압축유닛(80, 80a, 80b)과 복수 개의 분리유닛(31, 31')이 설치됨으로써, 냉매가 다단으로 가압 및 감압되어 냉매를 통한 냉열 전달이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이산화탄소 액화시스템(1-2)에 관하여 구체적으로 설명한다.
도 4는본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이산화탄소 액화시스템의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이산화탄소 액화시스템(1-2)은 제2 열교환기(70)가 연료공급라인(40)과 제1 열교환기(20) 후단의 냉매순환라인(30)을 열교환한다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이산화탄소 액화시스템(1-2)은 제2 열교환기(70)가 연료공급라인(40)과 제1 열교환기(20) 후단의 냉매순환라인(30)을 열교환하는 것을 제외하면, 전술할 실시예와 실질적으로 동일하다. 따라서, 이를 중점적으로 설명하되, 별도의 언급이 없는 한 나머지 구성에 대한 설명은 전술한 사항으로 대신한다.
제2 열교환기(70)는 연료공급라인(40)과 제1 열교환기(20) 후단의 냉매순환라인(30)을 열교환한다. 보다 구체적으로, 제2 열교환기(70)는 가열유닛(50a, 50b)의 기화기(50a)와 재가열기화기(50b) 사이에 개재되어, 기화기(50a) 후단의 연료공급라인(40)과 압축유닛(80) 후단의 냉매순환라인(30)을 열교환할 수 있다. 이산화탄소를 액화시킬 때 필요한 냉매의 유량만으로는 액화천연가스를 기화시키거나 연소기관(EG)에서 요구하는 온도로 천연가스인 연료를 가열하기에 충분하지 않으므로, 기화기(50a)와 재가열기화기(50b) 사이에 제2 열교환기(70)를 설치하여 천연가스의 냉열을 회수하면서 재가열기화기(50b)를 통해 연소기관(EG)에서 요구하는 온도로 연료를 가열하는 것이 바람직하다. 제2 열교환기(70)가 기화기(50a) 후단의 연료공급라인(40)과 압축유닛(80) 후단의 냉매순환라인(30)을 열교환함으로써, 액화천연가스가 기화되면서 생성된 천연가스의 냉열이 냉매에 직접 회수될 수 있어 냉매의 냉각이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다.
한편, 제2 열교환기(70)가 기화기(50a)와 재가열기화기(50b) 사이에 개재되는 경우, 히터(61)는 가열유닛(50a, 50b) 후단, 다시 말해, 재가열기화기(50b) 후단에 설치되어 가열유닛(50a, 50b)으로 순환되는 열매를 가열할 수 있다.
이하, 도 5를 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이산화탄소 액화시스템(1-3)에 관하여 구체적으로 설명한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이산화탄소 액화시스템의 동작을 설명하기 위한 작동도이다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이산화탄소 액화시스템(1-3)은 제2 열교환기(70)가 연료공급라인(40)과 제1 열교환기(20) 후단의 냉매순환라인(30)을 열교환하고, 냉매순환라인(30) 상에 복수 개의 압축유닛(80, 80a, 80b)과 복수 개의 분리유닛(31, 31')이 설치된다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 이산화탄소 액화시스템(1-3)은 제2 열교환기(70)가 연료공급라인(40)과 제1 열교환기(20) 후단의 냉매순환라인(30)을 열교환하고, 냉매순환라인(30) 상에 복수 개의 압축유닛(80, 80a, 80b)과 복수 개의 분리유닛(31, 31')이 설치되는 것을 제외하면, 전술할 실시예와 실질적으로 동일하다. 따라서, 이를 중점적으로 설명하되, 별도의 언급이 없는 한 나머지 구성에 대한 설명은 전술한 사항으로 대신한다.
제2 열교환기(70)는 기화기(50a)와 재가열기화기(50b) 사이에 개재되어, 기화기(50a) 후단의 연료공급라인(40)과제3 압축유닛(80b) 후단의 냉매순환라인(30)을 열교환할 수 있다. 제2 열교환기(70)가 기화기(50a) 후단의 연료공급라인(40)과 제3 압축유닛(80b) 후단의 냉매순환라인(30)을 열교환함으로써, 액화천연가스가 증발되어 생성된 천연가스의 냉열이 냉매에 직접 회수될 수 있어 냉매의 냉각이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다. 제2 열교환기(70)가 기화기(50a)와 재가열기화기(50b) 사이에 개재되는 경우, 히터(61)는 재가열기화기(50b) 후단에 설치되어 가열유닛(50a, 50b)으로 순환되는 열매를 가열할 수 있다.
제2 열교환기(70) 전단의 냉매순환라인(30) 상에는 제1 압축유닛(80)과, 제2 압축유닛(80a), 및 제3 압축유닛(80b)이 차례로 설치되어 냉매를 다단으로 가압하고, 제2 열교환기(70) 후단의 냉매순환라인(30) 상에는 제1 분리유닛(31)와 제2 분리유닛(31')이 차례로 설치되어 냉매를 다단으로 감압 및 분리한다.
제1 압축유닛(80)의 제1 압축기(81)는 제1 열교환기(20)를 통과한 냉매를 가압하고, 제1 냉각기(82)는 제1 압축기(81)에서 가압된 냉매를 냉각한다. 제2 압축유닛(80a)의 제2 압축기(81a)는 제1 압축유닛(80)을 통과한 냉매를 가압하고, 제2 냉각기(82a)는 제2 압축기(81a)에서 가압된 냉매를 냉각한다.제3 압축유닛(80b)의 제3 압축기(81b)는 제2 압축유닛(80a)을 통과한 냉매를 가압하고, 제3 냉각기(82b)는 제3 압축기(81b)에서 가압된 냉매를 냉각한다. 제3 압축유닛(80b)을 통과한 냉매는 제2 열교환기(70)에서 기화된 천연가스와 열교환하여 냉각된 후 제1 분리유닛(31)으로 이동한다. 제1 분리유닛(31)의 제1 팽창밸브(31a)는 제2 열교환기(70)에서 냉각된 냉매를 감압하고, 제1 기액분리기(31b)는 제1 팽창밸브(31a)를 통과하며 적어도 일부가 액화된 액상의 냉매를 기상의 냉매와 분리한다. 제1 기액분리기(31b)에서 분리된 액상의 냉매는 제1 라인(30a)을 따라 제2 분리유닛(31')으로 이동하고, 제1 기액분리기(31b)에서 분리된 기상의 냉매는 제2 라인(30b)을 따라 제2 압축유닛(80a)과 제3 압축유닛(80b) 사이의 냉매순환라인(30)에 합류된다. 제2 분리유닛(31')의 제2 팽창밸브(31a')는 제1 분리유닛(31)을 통과한 액상의 냉매를 추가로 감압하고, 제2 기액분리기(31b')는 제2 팽창밸브(31a')를 통과하며 액화된 액상의 냉매를 기상의 냉매와 분리한다. 제2 기액분리기(31b')에서 분리된 액상의 냉매는 제1 라인(30a')을 따라 제3 팽창밸브(31a")로 이동하고, 제2 기액분리기(31b')에서 분리된 기상의 냉매는 제2 라인(30b')을 따라 제1 압축유닛(80)과 제2 압축유닛(80a) 사이의 냉매순환라인(30)에 합류된다. 냉매순환라인(30) 상에 복수 개의 압축유닛(80, 80a, 80b)과 복수 개의 분리유닛(31, 31')이 설치됨으로써, 냉매가 다단으로 가압 및 감압되어 냉매를 통한 냉열 전달이 보다 효과적으로 이루어질 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1, 1-1, 1-2, 1-3: 이산화탄소 액화시스템
10: 이산화탄소유동라인 20: 제1 열교환기
30: 냉매순환라인 31: 분리유닛
31a: 팽창밸브 31b: 기액분리기
40: 연료공급라인 50a, 50b: 가열유닛
60: 열매순환라인 61: 히터
70: 제2 열교환기 80: 압축유닛
81: 압축기 82: 냉각기
100: 저장탱크
TK: 연료탱크 EG: 연소기관

Claims (6)

  1. 선박에서 발생된 이산화탄소를 공급받는 이산화탄소유동라인;
    상기 이산화탄소유동라인 상에 설치되며 이산화탄소를 냉매와 열교환하여 액화시키는 제1 열교환기;
    폐루프 사이클을 구성하여 상기 냉매가 순환하며, 상기 제1 열교환기를 경유하는 냉매순환라인;
    연료탱크로부터 공급받은 액화천연가스를 가압하고 가열하여 연소기관으로 공급하는 연료공급라인;
    상기 연료공급라인 상에 설치되며, 상기 액화천연가스를 열매와 열교환하여 기화시키는 가열유닛;
    폐루프 사이클을 구성하여 상기 열매가 순환하며, 상기 가열유닛을 경유하는 열매순환라인;
    상기 열매순환라인과 상기 연료공급라인 중 적어도 하나와 상기 제1 열교환기 후단의 상기 냉매순환라인을 열교환하는 제2 열교환기, 및
    상기 제2 열교환기 후단의 상기 냉매순환라인 상에 설치되어 상기 냉매를 감압하는 팽창밸브와, 상기 팽창밸브 후단에 설치되어 액상의 상기 냉매와 기상의 상기 냉매를 분리하는 기액분리기를 포함하는 적어도 하나의 분리유닛을 포함하되,
    상기 기액분리기에서 분리된 액상의 상기 냉매는 상기 제1 열교환기 전단의 상기 냉매순환라인에 합류되고, 상기 기액분리기에서 분리된 기상의 상기 냉매는 상기 제1 열교환기 후단의 상기 냉매순환라인에 합류되는 이산화탄소 액화시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 열교환기 전단의 상기 냉매순환라인 상에 설치되어 상기 제1 열교환기를 통과한 상기 냉매를 가압하는 압축기와,
    상기 압축기 후단에 설치되어 가압된 상기 냉매를 냉각하는 냉각기를 포함하는 적어도 하나의 압축유닛을 포함하는 이산화탄소 액화시스템.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 열교환기는 상기 열매순환라인과 상기 냉매순환라인을 열교환하고,
    상기 제2 열교환기 후단의 상기 열매순환라인 상에 설치되어 상기 가열유닛으로 순환하는 상기 열매를 가열하는 히터를 더 포함하는 이산화탄소 액화시스템.
  5. 선박에서 발생된 이산화탄소를 공급받는 이산화탄소유동라인;
    상기 이산화탄소유동라인 상에 설치되며 이산화탄소를 냉매와 열교환하여 액화시키는 제1 열교환기;
    폐루프 사이클을 구성하여 상기 냉매가 순환하며, 상기 제1 열교환기를 경유하는 냉매순환라인;
    연료탱크로부터 공급받은 액화천연가스를 가압하고 가열하여 연소기관으로 공급하는 연료공급라인;
    상기 연료공급라인 상에 설치되며, 상기 액화천연가스를 열매와 열교환하여 기화시키는 가열유닛;
    폐루프 사이클을 구성하여 상기 열매가 순환하며, 상기 가열유닛을 경유하는 열매순환라인, 및
    상기 열매순환라인과 상기 연료공급라인 중 적어도 하나와 상기 제1 열교환기 후단의 상기 냉매순환라인을 열교환하는 제2 열교환기를 포함하되,
    상기 제2 열교환기는 상기 연료공급라인과 상기 냉매순환라인을 열교환하고,
    상기 가열유닛 후단의 상기 열매순환라인 상에 설치되어 상기 가열유닛으로 순환되는 상기 열매를 가열하는 히터를 더 포함하는 이산화탄소 액화시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 가열유닛은, 직렬로 배치된 기화기(vaporizer)와 재가열기화기(trim heater)를 포함하고,
    상기 제2 열교환기는 상기 기화기와 상기 재가열기화기 사이에 개재되는 이산화탄소 액화시스템.
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