KR20100068089A

KR20100068089A - 이산화탄소 해양지중저장을 위한 상세공정방법

Info

Publication number: KR20100068089A
Application number: KR1020080126790A
Authority: KR
Inventors: 허철; 강성길; 홍섭; 최종수
Original assignee: 한국해양연구원
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2010-06-22

Abstract

본 발명은 이산화탄소 해양지중저장을 위한 상세공정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 이산화탄소(CO₂) 해양지중저장 기술이란 제철소, 발전소 등과 같은 대량 이산화탄소(CO₂) 발생원으로부터 포집 및 분리된 이산화탄소(CO₂)를 정제, 탈수, 가압 및 수송하여 유가스전이나 염대수층과 같은 해양 퇴적층 등에 대량 저장시키는 기술을 의미한다.

본 발명은 포집된 기상(gas)의 이산화탄소를 가압 및 냉각하여 고압의 과냉 액상(Subcooled liquid) 또는 초임계(supercritical) 상태로 만든 후 파이프라인이나 선박 등을 이용하여 대규모로 수송하고, 이를 깊이 800 m 이상의 해양퇴적층에 압력 73.9 bar 이상, 온도 31.1 ℃ 이상의 초임계상태로 장기간 저장할 수 있는 공정방법에 관한 것이다.

이산화탄소, 해양지중, 초임계, 과냉 액상, 온실가스

Description

이산화탄소 해양지중저장을 위한 상세공정방법{Process for CO2 storage in marine geological structure}

본 발명은 이산화탄소 해양지중저장을 위한 상세공정방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기후변화를 유발하는 대표적 온실가스인 이산화탄소를 대규모로 해양지중에 초임계상태로 저장하기 위한 공정방법에 관한 것이다.

해저 지질구조 내 CO₂를 격리시키는 저장기술(이하 ‘CO₂ 해양지중저장기술’로 약칭)은 기후변화 및 교토의정서상의 온실가스 감축요구에 대응하기 위하여 발전소 및 제철소 등 대규모 발생원에서부터 포집한 이산화탄소(CO₂)를 파이프라인이나 선박 등을 통해 수송하여 이를 해양의 퇴적층(유·가스전, 심부 대염수층, 석탄층 등)에 대규모로 수백-수천년 이상 장기간 저장 및 관리하는 기술을 말한다.

참고문헌 : 강성길, 허철, 한국해양환경공학회 논문

일반적으로 제철소, 발전소 등에서 포집된 이산화탄소는 상온(ambient temperature) 상압(ambient pressure)의 기상으로 존재하고 이를 연간 수십만 톤 이상의 대량으로 해상(offshore)의 저장지까지 이송하는데 매우 큰 부피의 저장용 기 또는 매우 큰 직경의 파이프라인이 필요하게 되므로 경제적, 기술적으로 이는 바람직하지 않다.

그래서, 종래의 기술(Statoil사의 특허)은 이산화탄소를 온도는 삼중점(-56.5 ℃)보다 높고 임계점(31.1 ℃)보다 낮은 상태, 압력도 삼중점(5.18 bar)보다 높고 임계점(73.9 bar)보다 낮은 상태의 액체 이산화탄소로 만들어 이송하고자하였다.

그러나 이와 같이 할 경우 파이프라인을 이용하여 장거리 이송 시 압력강하로 인하여 이송 중 이산화탄소의 온도, 압력이 변하게 되고 액체 이산화탄소가 이상류(two-phase flow)로 상변화(phase change)하여 급격한 압력강하(severe pressure drop)와 같은 복잡한 현상이 야기될 수 있다. 예를 들어, 국내 대표적 이산화탄소 배출지인 포항제철과 이에 가장 근접한 실현 가능한 저장지인 동해-1 가스전을 고려할 때 거리는 약 160km 정도이다. 이 정도 거리는 조건에 따라 압력강하 및 열전달로 인하여 액상 이산화탄소가 액상과 기상의 혼합물인 이상 이산화탄소로 바뀔 수 있다.

또한, 상기 조건의 액체 이산화탄소는 낮은 온도로 인하여 보냉(cold insulation)과 하이드레이트(고체 수화물, hydrate)의 생성 등과 같은 문제를 야기시킬 수 있다. 그리고, 100km 이상의 긴 구간과 내경 0.3-0.4m 내외의 큰 직경의 파이프라인을 보냉하는 것은 경제적, 기술적으로 바람직하지 않으며, 배관 내에 생성된 하이드레이트 등은 파이프라인, 밸브, 피팅 또는 펌프 등과 같은 유체시스템에 폐색 현상(blockage) 등을 유발시킬 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서,

제철소, 발전소 등과 같이 대규모의 이산화탄소(CO₂) 발생지에서 포집된 이산화탄소를 정제공정과 탈수공정과 가압 및 온도 조절공정으로 이루어진 전처리공정단계를 거친 뒤, 수송수단에 의해 해양지중 저장지의 주입설비에 이송되고, 상기 주입설비에서 압력조절공정과 예열공정으로 이루어진 주입공정단계를 통해 이산화탄소를 해양지중 저장지에 저장함으로써, 이산화탄소 장거리 이송 시 액체 이산화탄소가 이상류로 상변화하여 급격한 압력강하와 같은 현상이 감소하였고, 상기 이산화탄소에 보냉과 고체 수화물의 생성이 감소하는 이산화탄소 해양지중저장을 위한 상세공정방법을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명에서 해양에서의 수송구간에 수송선박을 이용하여 먼 거리(1000km 이상)의 수송시 사용되는 파이프라인을 절감하였고, 상기 1000km 이하의 거리로 설치된 배관 내에 생성되는 고체 수화물 등의 이물질 발생이 억제되었고, 그로 인해 유체시스템에 폐색 현상을 방지하는 이산화탄소 해양지중저장을 위한 상세공정방법을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

또한, 본 발명에서 이산화탄소 해양지중저장을 위한 압축, 수송, 저장 등 일련의 과정을 분리하여 모듈(module)화된 공정(process)으로 설계하면, 이산화탄소의 발생지부터 저장지까지의 지리적 위치 및 거리 등과 같은 외부 환경조건이 변경되더라도 모듈(module)화된 공정(process)의 조합으로 이산화탄소 해양지중저장 공 정 구성이 가능한 공정방법을 제공하는데 추가의 목적이 있다. 즉, 본 발명의 특징 중 하나는 제안된 공정설계가 이산화탄소의 특정 발생지(포집지역)와 특정 저장지로 제한되는 것이 아니라 모듈(module)화된 공정(process)의 조합으로 어느 조건에나 적용이 가능하다는 것이다.

상기 목적을 달성하고자, 본 발명은 제철소, 발전소 등과 같이 대규모의 이산화탄소(CO₂) 발생지에서 한 곳으로 포집된 상온 대기압의 기체상태 이산화탄소(A)를 처리 및 수송하여 해양지중에 초임계상태로 저장하기 위한 공정방법에 있어서,

상기 포집된 이산화탄소(A)의 순도를 높이기 위한 정제공정과, 이산화탄소(A)의 수분을 제거하기 위한 탈수공정과, 이산화탄소(A)의 압력을 높이고 온도를 제어하여 고압의 과냉 액상 또는 초임계 상태 중 어느 한 상태를 선택적으로 만들기 위한 가압 및 온도 조절공정으로 이루어지고, 상기 각 공정을 통해 이산화탄소(B)를 여름철에는 31.1 ~ 35℃의 온도와 100 ~ 110bar의 압력상태로, 겨울철에는 25 ~ 31.1℃의 온도와 100 ~ 110bar의 압력상태로 변환하는 이산화탄소 전처리 공정단계와;

상기 전처리 공정단계를 거친 이산화탄소(B)를 수송구간(zone 1)을 통해 육상과 해상의 접경지로 이송시키고, 상기 이송된 이산화탄소(B)를 해상(해양지중 저장지)으로 이송하기 위한 조건(C)으로 변환하는 가압 및 저온 액화공정단계와;

상기 가압 및 저온 액화공정단계를 거친 이산화탄소를 해양 수송구간(zone 2)을 통해 해양지중 저장지에 설치된 주입설비로 이송시키고, 상기 주입설비를 이용하여 해양 및 지중 수송구간(zone 3)를 통해 해양지중 저장지에 주입하는 주입공정단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으 하는 이산화탄소 해양지중저장을 위한 상세공정방법에 관한 것이다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 이산화탄소 해양지중저장을 위한 상세공정방법은 제철소, 발전소 등과 같이 대규모의 이산화탄소(CO₂) 발생지에서 포집된 이산화탄소를 정제공정과 탈수공정과 가압 및 냉각공정으로 이루어진 전처리공정단계를 거친 뒤, 상기 전처리 공정단계를 거친 이산화탄소를 육상 수송구간(zone 1)을 통해 육상과 해상의 접경지로 이송시키고, 이를 액화시켜 선박을 이용하거나 파이프라인을 이용하는 수송공정단계에 의해 해양지중 저장지의 주입설비에 이송되고, 상기 주입설비에서 압력조절공정과 예열공정으로 이루어진 주입공정단계를 통해 이산화탄소를 해양지중 저장지에 저장함으로써, 이산화탄소를 장거리 이송 시 압력강하, 열전달 및 상변화로 인하여 액체 이산화탄소가 이상류로 변하여 급격한 압력강하와 같은 현상이 감소하였고, 상기 이산화탄소에 보냉과 고체 수화물의 생성이 감소하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에서 해양에서의 수송구간에 수송선박을 이용하여 먼 거리(1000km 이상)의 수송시 사용되는 파이프라인을 절감하였고, 1000km 이내의 거리 로 설치된 배관 내에 생성되는 고체 수화물 등의 이물질 발생이 억제되었고, 그로 인해 유체시스템에 폐색 현상을 방지하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에서 이산화탄소 해양지중저장을 위한 압축, 수송, 저장 등 일련의 과정을 분리하여 모듈(module)화된 공정(process)으로 설계하면, 이산화탄소의 발생지부터 저장지까지의 지리적 위치 및 거리 등과 같은 외부 환경조건이 변경되더라도 모듈(module)화된 공정(process)의 조합으로 이산화탄소 해양지중저장 공정 구성이 가능한 공정방법을 제공하는데 추가의 목적이 있다. 즉, 본 발명의 특징 중 하나는 제안된 공정설계가 이산화탄소의 특정 발생지(포집지역)와 특정 저장지로 제한되는 것이 아니라 모듈(module)화된 공정(process)의 조합으로 어느 조건에나 적용이 가능한 효과가 있다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.

본 발명은 제철소, 발전소 등과 같이 대규모의 이산화탄소(CO₂) 발생지에서 한 곳으로 포집된 상온 대기압의 기체상태 이산화탄소(A)를 처리 및 수송하여 해양지중에 초임계상태로 저장하기 위한 공정방법에 있어서,

상기 포집된 이산화탄소(A)의 순도를 높이기 위한 정제공정과, 이산화탄소(A)의 수분을 제거하기 위한 탈수공정과, 이산화탄소(A)의 압력을 높이고 온도를 제어하여 고압의 과냉 액상 또는 초임계 상태 중 어느 한 상태를 선택적으로 만들기 위한 가압 및 온도 조절공정으로 이루어지고, 상기 각 공정을 통해 이산화탄 소(B)를 여름철에는 31.1 ~ 35℃의 온도와 100 ~ 110bar의 압력상태로, 겨울철에는 25 ~ 31.1℃의 온도와 100 ~ 110bar의 압력상태로 변환하는 이산화탄소 전처리 공정단계와;

상기 가압 및 저온 액화공정단계를 거친 이산화탄소를 해양 수송구간(zone 2)을 통해 해양지중 저장지에 설치된 주입설비로 이송시키고, 상기 주입설비를 이용하여 해양 및 지중 수송구간(zone 3)를 통해 해양지중 저장지에 주입하는 주입공정단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 더욱 명확히 설명될 수 있을 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아 니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 이산화탄소 공정방법을 나타낸 개략도이고, 도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 이산화탄소 공정방법을 나타낸 순서도이고, 도 7은 본 발명의 제 1실시예에서 온도와 압력의 변화에 따른 이산화탄소의 상태 및 상태량(밀도)을 나타낸 그래프도이고, 도 10은 본 발명의 각 실시예에 따른 온도와 압력을 표시한 표이다.

도 1 및 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 이산화탄소 해양지중저장을 위한 상세공정방법은 우선, 제철소, 발전소 등과 같이 대규모의 이산화탄소가 발생되는 발생지(400)에서 이산화탄소를 한 곳으로 포집한 뒤, 상기 이산화탄소를 이하의 공정단계를 거쳐 해양지중 저장지(500)에 초임계상태로 저장 관리한다.

상기 이산화탄소를 공정하는 이유는 이산화탄소에는 산소(oxygen), 질소(nitrogen), 아르곤(argon), 수분(water vapor) 등과 같은 불순물을 함유하고 있다. 이와 같은 불순물들은 공정 하류(process downstream)의 압축 및 이송공정에 있어 성능에 부정적 영향을 미친다. 특히나 수분은 고압 저온의 조건에서 수화물 생성을 유발시킬 수 있으므로 이송 전에 반드시 제거되어야 하기 때문에 본 발명에서와 같은 공정단계를 거쳐야한다.

상기 이산화탄소의 공정단계는 고온 고압의 기체상태인 이산화탄소를 전처리 공정단계(pre-process,100)와, 가압 및 저온 액화공정단계(liquefaction,200)와, 주입공정단계(injection process,300)를 거쳐 공정하는 것이다.

상기 이산화탄소 전처리 공정단계(100)는 세부적으로 포집된 이산화탄소(A)의 순도를 높이기 위한 정제공정(110)과, 이산화탄소(A)의 수분을 제거하기 위한 탈수공정(120)과, 이산화탄소(A)의 압력을 높이고 온도를 제어하여 고압의 과냉 액상, 초임계 상태 중 어느 한 상태를 선택적으로 만들기 위한 가압 및 온도 조절공정(130)으로 이루어진다.

여기서, 상기 정제공정(110)에서는 이산화탄소의 순도를 높이기 위해 다양한 장치가 사용되는데, 본 발명에서는 한 개 이상의 플래쉬(falsh)장치 또는 증류 컬럼(distillation column)장치 중 어느 한 장치를 선택적으로 사용하여 이산화탄소의 순도를 높이는 작업한다.

이때, 상기 플래쉬장치를 간단하게 설명하면, 일종의 기-액 분리기(liquid-vapor separator)로서 불순물을 함유한 이산화탄소를 압축 및 냉각하여 액화된 이산화탄소와 액화되지 않은 비응축가스(non-condensable gas)와 같은 불순물을 제거하는 역할을 수행하게 된다. 즉, 플래쉬 기-액 분리기의 하부로는 액체인 이산화탄소가 배출되고 상부로는 기체인 비응축가스와 같은 불순물이 배출되는 구조이다.

또한, 상기 증류 컬럼은 이산화탄소 혼합물 내의 구성 성분들 간의 휘발성(Volatility)의 차이를 이용하여 이산화탄소와 불순물을 분리한다.(정유시설에서 원유(crude oil) 내 구성 성분들의 비등점(boiling point)의 차이를 이용하는 분리하는 증류탑과 유사한 역할 수행)

그리고, 이와 같은 정제공정 기기들은 가압을 통한 압력 제어와 냉각을 통한 온도 제어가 필요하게 되므로 가압 및 냉각공정(130) 중간에 설치될 수 있다.

여기서, 상기 탈수공정(120)에서는 이산화탄소의 수분을 제거하기 위해 다양한 장치가 사용되는데, 본 발명에서는 기-액 분리기(liquid-vapor separator) 또는 글리콜(Glycol) 계열의 화학물질을 이용하는 수분제거장치 중 어느 한 장치를 선택적으로 사용하거나 조합하여 작업한다.

또한, 상기 가압 및 온도 조절공정(130)에서는 이산화탄소를 원거리 이송하기 위하여 고압의 과냉 액상(subcooled liquid) 또는 초임계(supercritical) 상태 중 이산화탄소를 어느 한 상태로 선택적으로 만들기 위해 압축기, 냉각용 열교환기, 기-액 분리기를 사용하여 작업하고, 상기 압축기 → 냉각용 열교환기 → 기-액 분리기 순서로 사용하여 작업한다.

여기서, 상기 이산화탄소의 가압 조건 및 가압후의 상태를 도 10을 참고하여 간단히 설명하면, 이송 시의 환경 조건에 따라 선택적으로 제어하는데, 즉, 포집 및 전처리(정제 및 수분제거)된 이산화탄소(B)를 100 ~ 110 bar의 압력까지 가압하되, 가압후의 온도는 압축공정 최종단 냉각기(Cooler)의 열량을 조절하여 여름철과 같이 외기 온도가 높은 때는 31.1 ~ 35 ℃(초임계 온도 이상), 겨울철과 같이 외기 온도가 낮은 때는 25 ~ 31.1 ℃(상온부터 초임계 온도까지)로 조절한다.

따라서, 상기 여름철에는 초임계 상태(31.1 ~ 35 ℃, 100 ~ 110 bar)의 이산화탄소(B)로, 겨울철에는 과냉 액체 상태(25 ~ 31.1 ℃, 100 ~ 110 bar)의 이산화탄소(B)로 이송(Zone 1)하게 된다.

이와 같이, 공정 조건을 설계할 경우 파이프라인 내 이산화탄소의 온도와 외부 온도와의 온도차가 환경의 변화에 추종하여 온도차가 작아지는 조건으로 설정되 므로, 열손실이 작아지는 방향으로 공정이 설계되는 것이다.(참고로 열손실은 온도차에 비례)

또한, 여름철 초임계 이송조건(31.1 ~ 35 ℃, 100 ~ 110 bar)에서 압력강하에 의한 압력 저하와 열손실에 의한 온도 저하가 발생하더라도 이송관 내 이산화탄소가 초임계 이산화탄소에서 액체 이산화탄소로 바뀌므로 여전히 높은 밀도 상태량을 이용할 수 있으므로 이송공정에 유리하다.(예를 들어 포집지인 포항제철과 저장지인 동해-1 가스전 사이의 ~160 km 길이 이송 시)

상기에서 기술한 이산화탄소의 가압 조건 및 가압 후의 상태는 제 1실시예와 제 2실시예 및 제 3실시예가 동일한 상태이므로 이하에서 더 이상 기술하지 않는다.

상기 가압 및 저온 액화공정단계(200)는 이산화탄소 전처리 공정단계(100)를 거친 이산화탄소(B)를 수송구간(zone 1)을 통해 육상과 해상의 접경지로 이송시켜 액화시켜 임시저장하고, 상기 임시저장된 이산화탄소를 해상(해양지중 저장지)으로 도 1과 같이, 수송선박을 이용하여 이송하기 위한 액화공정단계이다.

여기서, 상기 가압 및 저온 액화공정단계(200)는 이산화탄소 발생지(400)와 해양지중 저장지(500)까지의 지리적 위치와 거리 등에 따라 선택적으로 사용하는 단계로써, 상기 전처리 공정단계(100)를 거친 이산화탄소(B)의 파이프라인 이송이 불가할 경우 육상과 해상의 접견지에 시설을 설비하고, 상기 시설에서 이산화탄소(C)를 거리가 먼 해양지중 저장지(500)까지 이송시키기 위해 가압공정(210)과 저온 액화공정(220) 및 임시저장공정(230)으로 이루어진다.

이때, 상기 가압공정(210)에는 이산화탄소(B)의 압력을 6.5 ~ 55.6 bar로 조절하기 위해 부스터 압축기(booster compressor)를 선택적으로 사용하고 즉, 선박 이용 시 저온 액화공정(220)을 위한 가압 또는 파이프라인 이용 시 육상 수송구간(Zone 1)에서의 압력강하를 보충하기 위한 가압을 사용하고, 상기 저온 액화공정(220)에는 -52 ~ -10℃의 저온액체상태 이산화탄소로 변환시키기 위해 냉각 및 응축용 열교환기(condenser, chiller)를 사용하고, 상기 임시저장공정(230)에는 선택적으로 필요에 의해 임시저장 설비(temporary storage tank)를 구축하여 사용하여 작업한다.

상기 주입공정단계(300)는 가압 및 저온 액화공정단계(200)를 거친 이산화탄소(C)를 수송구간(zone 2)을 통해 해양지중 저장지(500)에 설치된 주입설비로 이송시키고, 이때, 상기 이산화탄소(C)의 수송은 수송선박에 의해 이송되며, 상기 주입설비를 이용하여 수송구간(zone 3)를 통해 해양지중 저장지(500)에 주입하는 공정단계이다.

여기서, 상기 주입공정단계(300)에는 수송구간(zone 2)을 통해 이송된 이산화탄소(D)는 수송선박에서 액체상태로 이송되어 이산화탄소(C)의 상태(-52 ~ -10℃의 온도, 6.5 ~ 55.6 bar의 압력)와 동일하여 해양지중 저장지(500)에 주입하기 전에 해양지중 저장지(500)의 저장압력 조건(80 ~ 110 bar)에 맞춰 가압하는 압력조절공정(310)과, 상기 압력조절공정(310)을 거친 이산화탄소를 수송구간(zone 3)을 통해 해양지중 저장지(500)에 주입하기 전에 고압 저온의 상태(80 ~ 110 bar 압력, -52 ~ -10℃ 온도)인 이산화탄소로 인한 수화물이 생성되는 것을 억제하기 위해 25 ~ 30℃의 온도로 변환하는 예열공정(320)으로 이루어진다.

이때, 상기 압력조절공정(310)에는 저온 저압의 이산화탄소를 압력 조건에 맞춰 가압하고, 상기 가압된 이산화탄소를 수송구간(zone 3)을 통해 해양지중 저장지(500)에 주입시키기 위해 펌프 또는 압축기를 사용하여 작업하고, 상기 예열공정(320)에는 고압 저온의 이산화탄소를 고압 중온의 이산화탄소로 변환시키기 위해 예열기(preheater)를 사용하여 작업한다.

도 7을 도 1 내지 도 3을 참고하여 간단히 설명하면, 도 7의 그래프는 온도와 압력의 변화에 따른 이산화탄소의 상태 및 상태량(밀도)을 도시한 것으로써, x축은 온도(℃), y축은 밀도(kg/m³), 실선으로 표현된 그래프는 동일 압력선도(isobaric line)(bar)를 나타낸다.

도 7에 도시한 바와 같이 하단부의 저압구간은 기상, 좌측 상단의 고압 중온~저온 구간은 액상 그리고 우측의 고압 고온은 초임계상태에 해당한다. 상기 기상/액상과 초임계 상태의 경계선을 a로 표시하였다. 도 7에서 A는 포집 후 이산화탄소의 상태(상온, 상압)를 나타내며 기상에 해당된다.

상기 전처리 공정단계(100)을 거친 후, 이산화탄소(B)의 상태는 여름철에 온도 31.1 ~ 35 ℃, 압력 100 ~ 110bar의 초임계 상태로 만들어 이송공정을 거치게 되며, 겨울철에는 온도 25 ~ 31.1 ℃, 압력 100 ~ 110bar의 액체 상태로 만들어 이송공정을 거치게 된다.

이때, 해양수송구간(zone 2)을 선박을 이용하여 수송할 경우 이산화탄소 액 화는 가압 및 저온 액화공정단계(200)에서 수행되며 이산화탄소의 상태는 도 7의 C또는 D에 해당된다.

그리고, 주입 및 저장을 수행하는 주입공정단계(300)으로 이송된 이산화탄소의 상태는 도 1에서처럼 선박으로 수송된 이산화탄소는 C 또는 D의 상태를 유지하게 된다.

또한, 주입 전 해상플랫폼(주입시설)에서 이산화탄소의 온도 압력을 조절하여 상태 E의 온도 25 ~ 30℃, 압력 80 ~ 110bar의 액체 상태 또는 초임계 상태로 만들게 된다.

그리고, 상기 주입공정단계(300)를 거쳐 저장지(500)로 저장된 이산화탄소의 상태는 F 영역에 해당되며 저장지 조건인 고온 고압으로 이산화탄소는 초임계 상태로 저장된다. 이때, 온도와 압력은 저장지에 따라 달라지며 온도는 지온에 의해, 압력은 수두압(hydro-static pressure)에 의해 결정된다. 예를 들어 동해-1가스전을 저장지로 활용할 경우 이산화탄소는 온도 85 ~ 105 ℃, 압력 245 bar 이상의 초임계 상태가 된다.

도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 이산화탄소 공정방법을 나타낸 개략도이고, 도 5는 본 발명의 제 2실시예에 따른 이산화탄소 공정방법을 나타낸 순서도이고, 도 8은 본 발명의 제 2실시예에서 온도와 압력의 변화에 따른 이산화탄소의 상태 및 상태량(밀도)을 나타낸 그래프도이다.

도 2 및 도 5 및 도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 이산화탄소 해양지중 저장을 위한 상세공정방법은 제철소, 발전소 등과 같이 대규모의 이산화탄소가 발생되는 발생지(400)에서 고온 고압의 이산화탄소를 한 곳으로 포집한 뒤, 상기 이산화탄소를 이하의 공정단계를 거쳐 해양지중 저장지(500)에 초임계상태로 저장 관리한다.

본 발명의 제 2실시예는 상기에서 기술된 제 1실시예와는 다르게 해양 수송구간(zone 2)의 거리가 길지 않으면 전처리 공정단계(100)와 육상 수송구간(zone 1)를 거쳐 가압 및 저온 액화공정단계(200) 중 저온 액화공정(220)과 임시저장공정(230)을 거치지 않고 가압공정(210)과 해양 수송구간(zone 2)을 통해 주입공정단계(300)로 바로 들어가는 공정이다.

상기 가압 및 저온 액화공정단계(200)는 이산화탄소 발생지(400)와 해양지중 저장지(500)까지의 지리적 거리가 선박을 이용하기에 가깝고 (1000km 이내) 파이프라인의 길이가 충분히 길어 압력강하로 인한 이상류로의 천이가 예상될 정도의 거리에 있어 압력 저하를 보완하기 위한 추가 가압을 거친 후 해양 수송구간(zone 2)을 이송하기 위한 가압공정단계로만 이루어진다.

이때, 상기 가압 및 저온 액화공정단계(200)을 거친 이산화탄소(C)는 온도가 25 ~ 30℃이고, 압력은 100 ~ 110 bar인데, 상기 해양 수송구간(zone 2)을 파이프라인을 통해 이송되면서 압력강하 되어 주입설비에서 이산화탄소(D)는 5 ~ 25℃의 온도와 60 ~ 80bar의 압력 상태가 된다.

그렇기에 제 1실시예에서처럼 주입공정단계(300)을 거쳐 이산화탄소(E)를 25 ~ 30℃의 온도와 80 ~ 110bar의 압력상태로 변환하여 해양지중 저장지(500)에 주입해야한다.

여기서, 상기 제 2실시예에 사용되는 기타 장치 및 공정들은 제 1실시예에서 기술된 장치 및 공정과 동일한 것으로 별도의 기술은 더 이상 하지 않는다.

도 3과 본 발명의 제 3실시예에 따른 이산화탄소 공정방법을 나타낸 개략도이고, 도 6은 본 발명의 제 3실시예에 따른 이산화탄소 공정방법을 나타낸 순서도이고, 도 9는 본 발명의 제 3실시예에서 온도와 압력의 변화에 따른 이산화탄소의 상태 및 상태량(밀도)을 나타낸 그래프도이다.

도 3 및 도 6 및 도 9에 도시한 바와 같이, 본 발명의 이산화탄소 해양지중저장을 위한 상세공정방법은 제철소, 발전소 등과 같이 대규모의 이산화탄소가 발생되는 발생지(400)에서 이산화탄소를 한 곳으로 포집한 뒤, 상기 이산화탄소를 이하의 공정단계를 거쳐 해양지중 저장지(500)에 초임계상태로 저장 관리한다.

본 발명의 제 3실시예는 상기 제 1실시예, 제 2실시예와는 다르게 이산화탄소 발생지(400)에서부터 해양지중 저장지(500)까지의 거리가 멀지 않으면 전처리 공정단계(100)와 육상 수송구간(zone 1)를 거쳐 가압 및 저온 액화공정단계(200)를 거치지 않고 해양 수송구간(zone 2)을 통해 주입공정단계(300)로 바로 들어가는 공정이다.

이때, 상기 이산화탄소 전처리 공정단계(100)를 거친 이산화탄소(B)는 여름철에는 온도가 31.1 ~ 35℃이고, 압력은 100 ~ 110 bar이고, 겨울철에는 온도가 25 ~ 31.1℃이고, 압력은 100 ~ 110 bar인데, 상기 이산화탄소(B)가 육상 수송구 간(zone 1)과 해양 수송구간(zone 2)을 파이프 라인을 통해 이송되면서 압력강하상태가 되어 주입설비에서 이산화탄소(D)는 5 ~ 25℃의 온도와 60 ~ 80bar의 압력 상태가 된다.

여기서, 상기 제 3실시예에 사용되는 기타 장치 및 공정들은 제 1실시예에서 기술된 장치 및 공정과 동일한 것으로 별도의 기술은 더 이상 하지 않는다.

본 발명의 제 1실시예와 제 2실시예 및 제 3실시예에서 기술된 수송구간에 대해 도 1과 도 2 및 도 3을 참고하여 기술하기로 한다.

우선, 상기 수송구간은 파이프라인으로 구획되어 육상 수송구간(zone 1)과 해양 수송구간(Zone 2)으로 구분할 수 있고, 상기 육상구간은 육상에서 지하 1m 깊이 이상으로 매설하여 외부 환경과의 분리 및 열손실을 최소화하며, 상기 해양 수송구간은 해안에서 가까운 연안에서는 지중으로 1m 깊이 이상으로 매설하고 해안에서 먼 바다에서는 해저면에 설치된다.

또한, 상기 해양 수송구간(zone 2)은 제 1실시예에서는, 수송구간이 1000km 이상으로 먼 경우에는 별도의 수송선박을 이용하여 이산화탄소를 수송하고, 상기 제 2실시예와 제 3실시예에서는 수송구간이 1000km 이내에서는 파이프라인을 이용하여 연안에서는 지중으로 1m 깊이 이상으로 매설하고 먼 바다에서는 해저면에 설 치하여 이산화탄소를 수송한다.

그리고, 상기 수송구간(zone 3)은 주입설비에서부터 해양지중 저장지(500)까지 파이프라인을 형성하여 상기 파이프라인을 통해 이산화탄소를 이송시켜 최종적으로 저장하는 것이다.

이와 같이 상기에서 기술한 본 발명에서는 이산화탄소 해양지중저장을 위한 압축, 수송, 저장 등 일련의 과정을 분리하여 모듈(module)화된 공정(process)으로 설계하면, 이산화탄소의 발생지(400)부터 저장지까지의 거리 등과 같은 외부 환경조건이 변경되더라도 모듈(module)화된 공정(process)의 조합으로 구성이 가능하다.

즉, 본 발명의 특징 중 하나는 제안된 공정설계가 특정 발생지(포집지역)와 특정 저장지로 제한되는 것이 아니라 필요한 모듈(module)화된 공정(process)의 조합으로 어느 조건에나 적용이 가능하다는 것이다.

도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 이산화탄소 공정방법을 나타낸 개략도이고,

도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 이산화탄소 공정방법을 나타낸 개략도이고,

도 3은 본 발명의 제 3실시예에 따른 이산화탄소 공정방법을 나타낸 개략도이고,

도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 이산화탄소 공정방법을 나타낸 순서도이고,

도 5는 본 발명의 제 2실시예에 따른 이산화탄소 공정방법을 나타낸 순서도이고,

도 6은 본 발명의 제 3실시예에 따른 이산화탄소 공정방법을 나타낸 순서도이고,

도 7은 본 발명의 제 1실시예에서 온도와 압력의 변화에 따른 이산화탄소의 상태 및 상태량(밀도)을 나타낸 그래프도이고,

도 8은 본 발명의 제 2실시예에서 온도와 압력의 변화에 따른 이산화탄소의 상태 및 상태량(밀도)을 나타낸 그래프도이고,

도 9는 본 발명의 제 3실시예에서 온도와 압력의 변화에 따른 이산화탄소의 상태 및 상태량(밀도)을 나타낸 그래프도이고,

도 10은 본 발명의 각 실시예에 따른 온도와 압력을 표시한 표이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 전치리 공정단계 110 : 정제공정

120 : 탈수공정 130 : 가압 및 온도 조절공정

200 : 가압 및 저온 액화공정단계 210 : 가압공정

220 : 저온 액화공정 230 : 임시저장공정

300 : 주입공정단계 310 : 압력조절공정

320 : 예열공정 400 : 발생지

500 : 저장지

Claims

제철소, 발전소 등과 같이 대규모의 이산화탄소(CO₂) 발생지(400)에서 한 곳으로 포집된 상온 대기압의 기체상태 이산화탄소(A)를 처리 및 수송하여 해양지중에 초임계상태로 저장하기 위한 공정방법에 있어서,

상기 포집된 이산화탄소(A)의 순도를 높이기 위한 정제공정(110)과, 이산화탄소(A)의 수분을 제거하기 위한 탈수공정(120)과, 이산화탄소(A)의 압력을 높이고 온도를 제어하여 고압의 과냉 액상 또는 초임계 상태 중 어느 한 상태를 선택적으로 만들기 위한 가압 및 온도 조절공정(130)으로 이루어지고, 상기 각 공정(110,120,130)을 통해 이산화탄소(B)를 여름철에는 31.1 ~ 35℃의 온도와 100 ~ 110bar의 압력상태로, 겨울철에는 25 ~ 31.1℃의 온도와 100 ~ 110bar의 압력상태로 공정하는 이산화탄소 전처리 공정단계(100)와;

상기 전처리 공정단계(100)를 거친 이산화탄소(B)를 수송구간(zone 1)을 통해 육상과 해상의 접경지로 이송시키고, 상기 이송된 이산화탄소(B)를 해상(해양지중 저장지)으로 이송하기 위한 조건(C)으로 변환하는 가압 및 저온 액화공정단계(200)와;

상기 가압 및 저온 액화공정단계(200)를 거친 이산화탄소를 수송구간(zone 2)을 통해 해양지중 저장지(500)에 설치된 주입설비로 이송시키고, 상기 주입설비를 이용하여 수송구간(zone 3)를 통해 해양지중 저장지(500)에 주입하는 주입공정단계(300);

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 해양지중저장을 위한 상세공정방법.
제철소, 발전소 등과 같이 대규모의 이산화탄소(CO₂) 발생지(400)에서 한 곳으로 포집된 고온 고압의 기체상태 이산화탄소(A)를 처리 및 수송하여 해양지중에 초임계상태로 저장하기 위한 공정방법에 있어서,

상기 포집된 이산화탄소(A)의 순도를 높이기 위한 정제공정(110)과, 이산화탄소(A)의 수분을 제거하기 위한 탈수공정(120)과, 이산화탄소(A)의 압력을 높이고 온도를 제어하여 고압의 과냉 액상 또는 초임계 상태 중 어느 한 상태를 선택적으로 만들기 위한 가압 및 온도 조절공정(130)으로 이루어지고, 상기 각 공정(110,120,130)을 통해 이산화탄소(B)를 여름철에는 31.1 ~ 35℃의 온도와 100 ~ 110bar의 압력상태로, 겨울철에는 25 ~ 31.1℃의 온도와 100 ~ 110bar의 압력상태로 공정하는 이산화탄소 전처리 공정단계(100)와;

상기 전처리 공정단계(100)를 거친 이산화탄소를 수송구간(zone 1)과 수송구간(zone 2)을 통해 해양지중 저장지(500)에 설치된 주입설비로 이송시키고, 상기 주입설비를 이용하여 수송구간(zone 3)를 통해 해양지중 저장지(500)에 주입하는 주입공정단계(300);

를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 해양지중저장을 위한 상세공정방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 이산화탄소 전처리 공정단계(100)에서,

상기 정제공정(110)에서는 이산화탄소의 순도를 높이기 위해 한 개 이상의 플래쉬(falsh)장치 또는 증류 컬럼(distillation column)장치 중 어느 하나를 선택적으로 사용하여 작업하고,

상기 탈수공정(120)에서는 이산화탄소의 수분을 제거하기 위해 기-액 분리기(liquid-vapor separator) 또는 글리콜(Glycol) 계열의 화학물질을 이용하는 수분제거장치 중 어느 하나를 선택적으로 사용하여 작업하며,

상기 가압 및 온도 조절공정(130)에서는 이산화탄소를 원거리 이송하기 위하여 고압의 과냉 액상(subcooled liquid) 또는 초임계(supercritical) 상태 중 어느 하나를 선택적으로 만들기 위해 압축기, 냉각용 열교환기, 기-액 분리기 순서로 사용하여 작업하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 해양지중저장을 위한 상세공정방법.
제 1항에 있어서,

상기 가압 및 저온 액화공정단계(200)는 이산화탄소 발생지(400)와 해양지중 저장지(500)까지의 지리적 위치와 거리 등에 따라 선택적으로 사용하는 단계로써, 상기 전처리 공정단계(100)를 거친 이산화탄소의 이송이 불가할 경우 육상과 해상 의 접견지에 시설을 설비하고, 상기 시설에서 이산화탄소를 거리가 먼 해양지중 저장지(500)까지 이송시키기 위해 가압공정(210)과 저온 액화공정(220) 및 임시저장공정(230)을 통해 변환된 이산화탄소(C)를 수송선박을 이용하여 이송하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 해양지중저장을 위한 상세공정방법.
제 1항에 있어서,

상기 가압 및 저온 액화공정단계(200)는 이산화탄소 발생지(400)와 해양지중 저장지(500)까지의 지리적 위치와 거리 등에 따라 선택적으로 사용하는 단계로써, 상기 전처리 공정단계(100)를 거친 이산화탄소의 이송이 불가하여 육상과 해상의 접견지에 시설을 설비하고, 상기 시설에서 이산화탄소를 거리가 먼 해양지중 저장지(500)까지 이송시키기 위해 가압공정(210)만을 통해 변환된 이산화탄소(C)를 파이프라인을 이용하여 이송하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 해양지중저장을 위한 상세공정방법.
제 4항에 있어서, 상기 가압 및 저온 액화공정단계(200)에서,

상기 가압공정(210)에는 이산화탄소(B)의 압력을 6.5 ~ 55.6bar로 조절하기 위해 부스터압축기(booster compressor)를 사용하여 작업하고,

상기 저온 액화공정(220)에는 -52 ~ -10℃ 온도의 액체 이산화탄소로 변환시 키기 위해 냉각 및 응축용 열교환기(condenser, chiller)를 사용하여 작업하며,

상기 임시저장공정(230)에는 선택적으로 필요에 의해 임시저장 설비(temporary storage tank)를 사용하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 해양지중저장을 위한 상세공정방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 주입공정단계(300)는 수송구간(zone 1) 및 수송구간(zone 2)을 통해 이송도중 5 ~ 25℃의 온도와 60 ~ 80bar의 압력상태로 변환되어 이송된 이산화탄소(D)를 압력강하에 의해 압력이 저하된 상태로 해양지중 저장지(500)에 주입하기 전에 80 ~ 110bar의 압력 조건에 맞춰 가압하는 압력조절공정(310)과, 상기 압력조절공정(310)을 거친 이산화탄소(E)를 수송구간(zone 3)을 통해 해양지중 저장지(500)에 주입하기 전에 고압 저온의 상태인 이산화탄소(E)로 인한 수화물이 생성되는 것을 억제하기 위해 25 ~ 30℃의 온도로 변환하는 예열공정(320)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 해양지중저장을 위한 상세공정방법.
제 7항에 있어서, 상기 주입공정단계(300)에서,

상기 압력조절공정(310)에는 이산화탄소를 압력 조건에 맞춰 가압하면서 수송구간(zone 3)을 통해 해양지중 저장지(500)에 주입시키기 위해 펌프 또는 압축기 중 어느 하나를 사용하여 작업하고,

상기 예열공정(320)에는 고압 저온의 이산화탄소를 고압 중온의 이산화탄소로 변환시키기 위해 예열기(preheater)를 사용하여 작업하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 해양지중저장을 위한 상세공정방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 수송구간(zone 1)과 수송구간(zone 2)은 파이프라인으로 구획되되, 육상구간은 육상에서 지하 1m 깊이 이상으로 매설하여 외부 환경과의 분리 및 열손실을 최소화하고, 수상구간은 지중으로 1m 깊이 이상으로 매설하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 해양지중저장을 위한 상세공정방법.
제 1항에 있어서,

상기 수송구간(zone 2)은 지중으로 1m 깊이 이상으로 파이프라인을 매설하거나 수송구간이 1000km 이상인 경우에는 별도의 수송선박을 이용하여 수송하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 해양지중저장을 위한 상세공정방법.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기 수송구간(zone 3)은 주입설비에서부터 해양지중 저장지(500)까지 파이프라인을 형성하여 이산화탄소를 최종적으로 저장하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 해양지중저장을 위한 상세공정방법.