KR20140071271A - 승압 시스템 및 기체의 승압 방법 - Google Patents

승압 시스템 및 기체의 승압 방법 Download PDF

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히데키 나가오
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미츠비시 쥬고 콘푸렛사 가부시키가이샤
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Abstract

대상 기체를 임계압보다 높은 목표압 이상의 압력까지 승압시키는 승압 시스템으로서, 임계압 이상, 목표압 미만의 중간압까지 상기 대상 기체를 압축시켜 중간 초임계 유체를 생성하는 압축부와, 상기 압축부에서 생성된 상기 중간 초임계 유체를 임계 온도 근방까지 냉각시켜 중간 초임계압 액체를 생성하는 냉각부와, 상기 냉각부에서 생성된 상기 중간 초임계압 액체를 상기 목표압 이상의 압력까지 승압시키는 펌프부를 구비하고, 상기 펌프부에서 승압된 상기 중간 초임계압 액체와, 펌프부의 상류측에서 상기 중간 초임계압 액체를 추액하여 임계압 근방까지 감압시켜 생성된 저온 액체와, 외부 냉각 매체 중 적어도 하나를 냉각부에서의 냉각 매체로서 이용한다.

Description

승압 시스템 및 기체의 승압 방법{COMPRESSING SYSTEM, AND GAS COMPRESSING METHOD}
본 발명은 기체의 승압을 실시하는 승압 시스템 및 승압 방법에 관한 것이다.
승압 시스템은 대상이 되는 기체를 목표 압력까지 승압시키는 장치이다.
여기서 최근 온실 효과 가스로서 알려진 이산화탄소의 배출량 증대에 따라 지구 온난화 등의 문제가 현재화되고 있다. 특히 화력 발전소의 배기 가스에는 대량 이산화탄소가 함유되어 있어, 이 이산화탄소를 분리ㆍ회수한 후에, 승압 시스템에 의해 승압시켜, 육상의 땅 속이나 해저의 땅 속에 저류함으로써 대기 중의 이산화탄소를 저감시키는 기술이 알려져 있다.
이러한 승압 시스템에 있어서는, 다단으로 구성된 압축기에 의해 순차적으로 이산화탄소의 압축을 실시하고, 초임계 압력ㆍ온도 이상의 상태가 된 이산화탄소를 애프터 쿨러에 의해 냉각시킴으로써, 수송ㆍ저류에 최적인 목표 온도ㆍ압력의 이산화탄소를 얻고 있다.
그러나, 이러한 기체 상태에서 승압시키는 압축기만의 시스템에서는 목표 온도ㆍ압력의 이산화탄소를 얻기 위해서 초고압 대용량의 애프터 쿨러가 필요해져, 초고압 압축 영역이 됨으로써 승압 시스템 전체적인 운전 효율이나 신뢰성이 저하된다.
여기서, 예를 들어 특허문헌 1 에는, 상기 애프터 쿨러를 사용하지 않은 승압 시스템 (이산화탄소 액화 장치) 이 개시되어 있다. 이 승압 시스템에 있어서는, 전방 단측에 압축기를, 후방 단측에 펌프를 형성하고 순차적으로 이산화탄소의 압축을 실시한다. 또, 이산화탄소가 압축기로부터 펌프에 도입될 때에는, 펌프에 의해 승압되어 초임계압의 액체 상태가 된 이산화탄소의 냉열을 이용하여 이산화탄소의 액화를 효율화시킨다.
일본 공개특허공보 2010-266154호
그러나, 상기 특허문헌 1 의 승압 시스템에서는, 압축기와 펌프를 조합함으로써 애프터 쿨러가 불필요해져 동력 저감을 도모할 수 있지만, 압축기로 기체 (이산화탄소) 를 임계 압력 미만의 압력까지밖에 승압시키지 못하고 냉각시켜 액화되어 펌프에 도입하고 있다. 그래서, 액화에 필요로 하는 냉열량이 매우 크고 또한 저온으로 되어 있어, 외부 냉동 사이클에는 큰 동력이 필요하다. 그래서, 전체적인 운전 효율에 개선의 여지가 있다.
본 발명은 동력을 더욱 저감시켜 운전 효율을 향상시킨 승압 시스템 및 기체의 승압 방법을 제공한다.
본 발명의 제 1 양태에 관련된 승압 시스템은, 대상 기체를 임계압보다 높은 목표압 이상의 압력까지 승압시키는 승압 시스템으로서, 임계압 이상, 목표압 미만의 중간압까지 상기 대상 기체를 압축시켜 중간 초임계 유체를 생성하는 압축부와, 상기 압축부에서 생성된 상기 중간 초임계 유체를 임계 온도 근방까지 냉각시켜 중간 초임계압 액체를 생성하는 냉각부와, 상기 냉각부에서 생성된 상기 중간 초임계압 액체를 상기 목표압 이상의 압력까지 승압시키는 펌프부와, 상기 펌프부에서 승압된 상기 중간 초임계압 액체를 임계 온도 근방까지 가열하는 가열부를 구비하고, 상기 냉각부는 상기 가열부와의 사이에서 열교환을 실시하여 상기 중간 초임계 유체를 냉각시키는 주냉각부를 갖는다.
이러한 승압 시스템에 따르면, 전방 단측에서의 압축을 압축부에서 실시하고, 보다 고압으로 되어 있는 후방 단측에서의 중간 초임계 유체의 압송에 의한 승압을 펌프부에서 실시하여 목표압 이상의 압력의 액체로 한다. 그 후, 가열부에 의해 최종적으로 임계 온도 이상까지 가열함으로써 목표로 하는 압력, 온도의 초임계 유체를 얻을 수 있다. 즉, 후단측에서 고압으로 되어 있는 부분에도, 만일 압축기를 적용하여 가압한 경우에는, 고압 가스 시일이나 고압에 대응된 압축기 케이싱이 다수 필요하지만, 후단측에서 펌프부를 채용함으로써, 이들 고압 대응이 불필요해지기 때문에 비용 저감이나 신뢰성 향상이 가능해져, 가압 후의 초임계 유체를 냉각시키는 애프터 쿨러도 불필요해져 동력 저감이 가능해진다.
여기서, 냉각부에서는, 압축부에 의해 임계압 이상의 압력 상태가 된 중간 초임계 유체를 냉각시켜 중간 초임계압 액체로 하기 위해, 임계압 미만의 상태에서 냉각을 실시하는 경우와 비교하여 냉각에 필요로 하는 열량을 현저히 작게 억제하면서 액화시킬 수 있게 된다.
또, 냉각부에서의 주냉각부에 의해 압축부에서 압축된 중간 초임계 유체를 냉각시켜 중간 초임계압 액체를 생성하고, 이 중간 초임계압 액체를 펌프부에 도입 가능하게 함과 함께, 중간 초임계 유체의 냉각시에 회수한 열을 이용하여 가열부와의 사이에서 열교환을 실시함으로써, 보다 효율적으로 임계 온도 이상까지 중간 초임계압 액체를 가열하여 목표로 하는 압력, 온도의 초임계 유체를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 제 2 양태에 관련된 승압 시스템에서는, 상기 제 1 양태에 있어서의 상기 냉각부와 상기 펌프부 사이에 형성되어 상기 중간 초임계압 액체를 추액 (抽液) 하여 임계압 근방까지 감압시켜 저온 액체를 생성하는 추액 감압부를 추가로 구비하고, 상기 주냉각부에서 상기 추액 감압부에서 생성된 상기 저온 액체와의 사이에서 열교환을 실시하여 상기 중간 초임계 유체를 냉각시켜도 된다.
이러한 추액 감압부에 의해 펌프부에 도입되는 중간 초임계압 액체 자체의 냉열을 유효하게 이용함으로써, 중간 초임계 유체로부터 중간 초임계압 액체를 생성하기 위해서 필요한 응축기를 별도로 설치하지 않고, 펌프부에 도입되는 중간 초임계압 액체를 확실하게 생성할 수 있다.
또, 본 발명의 제 3 양태에 관련된 승압 시스템은, 대상 기체를 임계압보다 높은 목표압 이상의 압력까지 승압시키는 승압 시스템으로서, 임계압 이상, 목표압 미만의 중간압까지 상기 대상 기체를 압축시켜 중간 초임계 유체를 생성하는 압축부와, 상기 압축부에서 생성된 상기 중간 초임계 유체를 임계 온도 근방까지 냉각시켜 중간 초임계압 액체를 생성하는 냉각부와, 상기 냉각부에서 생성된 상기 중간 초임계압 액체를 상기 목표압 이상의 압력까지 승압시키는 펌프부와, 상기 냉각부와 상기 펌프부 사이에 형성되어 상기 중간 초임계압 액체를 추액하여 임계압 근방까지 감압시켜 저온 액체를 생성하는 추액 감압부를 구비하고, 상기 냉각부는 상기 추액 감압부에서 생성된 상기 저온 액체와의 사이에서 열교환을 실시하여 상기 중간 초임계 유체를 냉각시키는 주냉각부를 갖는다.
이러한 승압 시스템에 따르면, 후단측에서 펌프부를 채용함으로써, 만일 후단측에서 압축기를 적용한 경우와 비교하여 고압 대응이 불필요해지기 때문에, 비용 저감이나 신뢰성 향상이 가능해지고, 가압 후의 초임계 유체를 냉각시키는 애프터 쿨러도 불필요해져 동력 저감이 가능해진다. 또 냉각부에서는, 임계압 미만의 상태에서 냉각을 실시하는 경우와 비교하여 냉각에 필요로 하는 열량을 현저히 작게 억제하면서 액화시킬 수 있게 된다. 또한, 추액 감압부에 의해 펌프부에 도입되는 중간 초임계압 액체 자체의 냉열을 냉각부에 있어서의 주냉각부에서 이용하고, 응축기를 별도로 설치하지 않고 압축부에서 압축된 중간 초임계 유체를 냉각시켜 중간 초임계압 액체를 생성하여 펌프부에 도입할 수 있다.
또한, 본 발명의 제 4 양태에 관련된 승압 시스템에서는, 상기 제 2 또는 3 의 양태에 있어서의 상기 추액 감압부에서 생성된 상기 저온 액체가 상기 주냉각부에서 열교환됨으로써 가열 기화되어 생성된 기체 또는 초임계 유체를, 상기 압축부에서의 상당 압력부에 반송해도 된다.
이와 같이 함으로써, 추액 감압부에서 추액되어 생성된 저온 액체를 외부로 배출하지 않고, 저온 액체로부터 생성된 기체 또는 초임계 유체의 압력에 상당하는 압축기의 상당 압력부에 이 기체 또는 초임계 유체를 반송할 수 있기 때문에, 승압 시스템 전체적인 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 제 5 양태에 관련된 승압 시스템에서는, 상기 제 1 내지 제 4 양태에 있어서의 상기 냉각부는, 냉각 매체와의 사이에서 열교환을 실시하여 상기 중간 초임계 유체를 냉각시켜 상기 주냉각부로 보내는 예비 냉각부를 갖고 있어도 된다.
이러한 예비 냉각부에 의해 중간 초임계 유체를 예비 냉각시킬 수 있으므로, 주냉각부에서 필요한 냉열량을 저감시킬 수 있다.
본 발명의 제 6 양태에 관련된 기체의 승압 방법은, 대상 기체를 임계압보다 높은 목표압 이상의 압력까지 승압시키는 기체의 승압 방법으로서, 임계압 이상, 목표압 미만의 중간압까지 상기 대상 기체를 압축시켜 중간 초임계 유체를 생성하는 압축 공정과, 상기 압축 공정에서 생성된 상기 중간 초임계 유체를 임계 온도 근방까지 냉각시켜 중간 초임계압 액체를 생성하는 냉각 공정과, 상기 냉각 공정에서 생성된 상기 중간 초임계압 액체를 상기 목표압 이상의 압력까지 승압시키는 펌프 공정을 구비하고, 상기 냉각 공정에서는, 상기 펌프 공정에서 승압된 상기 중간 초임계압 액체와, 상기 펌프 공정 개시 전에 상기 중간 초임계압 액체를 추액하여 임계압 근방까지 감압시켜 생성된 저온 액체와, 외부 냉각 매체 중 적어도 하나를 냉각 매체로서 이용하여 중간 초임계 유체를 냉각시킨다.
이러한 기체의 승압 방법에 따르면, 압축 공정 후에 펌프 공정을 구비함으로써, 만일 압축 공정에서만 목표압 이상의 압력까지 기체의 승압을 실시하는 경우와 비교하여 고압 대응이 불필요해지기 때문에 비용 저감이 가능해지고, 승압 후의 초임계 유체를 냉각시키는 애프터 쿨러도 불필요해지기 때문에 동력 저감이 가능해진다. 또, 냉각 공정에서 임계압 이상의 압력 상태가 된 중간 초임계 유체를 냉각시켜 중간 초임계압 액체로 하기 때문에, 임계압 미만의 상태에서 냉각을 실시하는 경우와 비교하여 냉각에 필요로 하는 열량을 현저히 작게 억제하면서 액화시키는 것이 가능해진다. 또한 냉각 공정에서는, 중간 초임계압 액체, 저온 액체, 외부 냉각 매체 등에 의해 중간 초임계 유체를 효율적으로 냉각시킬 수 있다.
본 발명의 승압 시스템 및 기체의 승압 방법에 따르면, 압축부와 펌프부를 조합하고, 냉각부에 있어서 임계압 이상의 압력 상태에서 중간 초임계 유체를 냉각시킴으로써, 동력을 더욱 저감시켜 운전 효율의 향상이 가능하다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 승압 시스템의 개략을 나타내는 계통도이다.
도 2 는 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 승압 시스템에 관한 것으로, 이산화탄소의 상태를 나타내는 P-h 선도이다.
도 3 은 본 발명의 제 1 실시형태의 제 1 변형예에 관련된 승압 시스템의 개략을 나타내는 계통도이다.
도 4 는 본 발명의 제 1 실시형태의 제 1 변형예에 관련된 승압 시스템에 관해 이산화탄소의 상태를 나타내는 P-h 선도이다.
도 5 는 본 발명의 제 1 실시형태의 제 2 변형예에 관련된 승압 시스템의 개략을 나타내는 계통도이다.
도 6 은 본 발명의 제 1 실시형태의 제 3 변형예에 관련된 승압 시스템의 개략을 나타내는 계통도이다.
도 7 은 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 승압 시스템의 개략을 나타내는 계통도이다.
도 8 은 본 발명의 제 2 실시형태의 변형예에 관련된 승압 시스템의 개략을 나타내는 계통도이다.
도 9 는 본 발명의 제 2 실시형태의 변형예에 관련된 승압 시스템에 관한 것으로, 이산화탄소의 상태를 나타내는 P-h 선도이다.
이하, 본 발명의 제 1 실시형태에 관련된 승압 시스템 (1) 에 대해 설명한다. 본 실시형태에서는, 승압 시스템 (1) 은 육상의 땅 속이나 해저의 땅 속에 저류 가능해지도록 대상 기체로서 이산화탄소 (F) 의 기체를 소정의 압력, 온도까지 승압시키는 펌프를 장착한 기어드 압축기로 되어 있다.
또한, 기어드 압축기는 복수의 임펠러를, 기어를 통해 연동시킨 다축 다단 구성의 압축기이다.
도 1 에 나타내는 바와 같이, 승압 시스템 (1) 은 대상 기체인 이산화탄소 (F) 를 도입하여 압축하는 압축부 (2) 와, 압축부 (2) 의 후방 단측에 형성되어 이산화탄소 (F) 를 승압시키는 펌프부 (3) 와, 압축부 (2) 와 펌프부 (3) 사이에 형성된 냉각부 (4) 를 구비하고 있다.
또한, 이 승압 시스템 (1) 은, 펌프부 (3) 에서 승압된 이산화탄소 (F) 를 가열하는 가열부 (5) 와, 냉각부 (4) 와 펌프부 (3) 사이에 형성되어 이산화탄소 (F) 를 취출하는 추액 감압부 (6) 와, 추액 감압부 (6) 로부터의 이산화탄소 (F) 를 압축부 (2) 에 반송하는 바이패스 유로 (7) 를 구비하고 있다.
압축부 (2) 는, 다단 (본 실시형태에서는 6 단) 으로 형성된 복수의 임펠러 (10) 와, 임펠러 (10) 끼리의 사이 및 냉각부 (4) 와의 사이에 1 개씩 형성된 복수의 중간 냉각기 (20) 를 갖는다. 그리고, 압축부 (2) 는, 도입된 이산화탄소 (F) 를 도입 기체 (F0) 로서 압축과 냉각을 반복하면서 임계압 이상이고, 목표압 미만의 중간압의 압력 상태까지 압축시켜 중간 초임계 유체 (F1) 를 생성한다. 이산화탄소 (F) 의 임계압은 7.4 [MPa] 이다. 목표압으로는, 당해 임계압보다 높은 값으로서 예를 들어 15 [MPa] 가 설정된다. 또, 압축부 (2) 에서 생성되는 중간 초임계 유체 (F1) 의 중간압으로는 예를 들어 10 [MPa] 가 설정된다.
여기서, 압축부 (2) 에 있어서는, 이산화탄소 (F) 가 도입되어 유통되는 상류측으로부터 하류측으로 향하여 순서대로 형성된 1 단 압축 임펠러 (11) 와, 제 1 중간 냉각기 (21) 와, 2 단 압축 임펠러 (12) 와, 제 2 중간 냉각기 (22) 와, 3 단 압축 임펠러 (13) 와, 제 3 중간 냉각기 (23) 와, 4 단 압축 임펠러 (14) 와, 제 4 중간 냉각기 (24) 와, 5 단 압축 임펠러 (15) 와, 제 5 중간 냉각기 (25) 와, 6 단 압축 임펠러 (16) 와, 제 6 중간 냉각기 (26) 에 의해 구성되고, 이것들이 관로 (8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f, 8g, 8h, 8i, 8j, 8k, 8l, 8m, 8n) 에 의해 서로 접속되어 있다.
냉각부 (4) 는, 제 6 중간 냉각기 (26) 의 하류측에 관로 (8l) 에 의해 접속되고, 압축부 (2) 의 최종단이 되는 6 단 압축 임펠러 (16) 로부터 생성된 중간 초임계 유체 (F1) 를 임계 온도 근방까지 냉각시켜 액화하여, 중간 초임계압 액체 (F2) 를 생성한다.
이 냉각부 (4) 는, 압축부 (2) 에서 생성된 중간 초임계 유체 (F1) 를 예비 냉각시키는 예비 냉각부 (29) 와, 예비 냉각부 (29) 에서 냉각된 중간 초임계 유체 (F1) 를 더욱 냉각시켜 중간 초임계압 액체 (F2) 를 생성하는 주냉각부 (28) 를 갖고 있다.
예비 냉각부 (29) 는 외부 냉각 매체 (W) 에서 중간 초임계 유체 (F1) 를 예비 냉각시키는 열교환기이다.
주냉각부 (28) 는, 후술하는 추액 감압부 (6) 으로부터의 저온 액체 (F5) 를 도입하고, 이것을 냉매로서 중간 초임계 유체 (F1) 의 냉각을 실시한다. 그리고, 본 실시형태에서 주냉각부 (28) 와 가열부 (5) 사이에 대해서는, 주냉각부 (28) 에서 중간 초임계 유체 (F1) 를 냉각시킴으로써 얻어지는 열에 의해 가열부 (5) 에서의 가열을 실시하고 있어, 하나의 열교환기를 구성하고 있다.
여기서, 예비 냉각부 (29) 에서 외부로부터 도입되는 외부 냉각 매체 (W) 의 온도 및 유량 등에 따라 예비 냉각부 (29) 에서의 냉각 능력은 다르지만, 본 실시예에서는 예비 냉각부 (29) 를 이용하지 않고 제 6 중간 냉각기 (26) 에서만 압축부 (2) 에서 생성된 중간 초임계 유체 (F1) 가 액체에 대한 천이 영역까지 냉각되고, 그 후, 주냉각부 (28) 에 의해 액화되어 중간 초임계압 액체 (F2) 가 생성되었다.
또, 냉각부 (4) 에서 중간 초임계 유체 (F1) 를 임계 온도 근방까지 냉각시킬 때에는, 바람직하게는 임계 온도의 ±20 [℃] 가 되는 온도까지 냉각시키고, 보다 바람직하게는 임계 온도의 ±15 [℃] 가 되는 온도까지 냉각시키고, 임계 온도의 ±10 [℃] 가 되는 온도까지 냉각시키는 것이 가장 바람직하다.
펌프부 (3) 는 냉각부 (4) 의 하류측에 관로 (8m) 에 의해 접속되고, 냉각부 (4) 를 통과하여 생성된 중간 초임계압 액체 (F2) 를 도입하여 목표압의 압력 상태까지 승압시켜, 목표압 액체 (F3) 를 생성한다. 본 실시형태에서는, 이 펌프부 (3) 는 1 단 펌프 임펠러 (31) 및 2 단 펌프 임펠러 (32) 로 이루어지는 2 단 구성으로 되어 있다.
가열부 (5) 는 펌프부 (3) 의 하류측에 관로 (8n) 에 의해 접속되어 형성되고, 펌프부 (3) 로부터의 목표압 액체 (F3) 를 도입하여, 임계 온도 (31.1 [℃]) 이상의 목표 초임계 유체 (F4) 를 생성한다. 상기와 같이 가열부 (5) 는 냉각부 (4) 의 주냉각부 (28) 와 함께 열교환기를 구성하고 있다.
즉, 이 가열부 (5) 에서는 주냉각부 (28) 와의 사이에서의 열교환을 실시함으로써, 주냉각부 (28) 에서 중간 초임계 유체 (F1) 를 냉각시켜 얻은 응축열에 의해 목표압 액체 (F3) 의 가열을 실시한다.
추액 감압부 (6) 는 주냉각부 (28) 와 펌프부 (3) 사이에 형성되고, 주냉각부 (28) 로부터의 중간 초임계압 액체 (F2) 의 일부를 추액하여 얻은 저온 액체 (F5) 에 의해 주냉각부 (28) 에서의 중간 초임계 유체 (F1) 의 냉각을 실시함과 함께 저온 액체 (F5) 자체가 가열된다.
구체적으로는 이 추액 감압부 (6) 는 주냉각부 (28) 와 펌프부 (3) 사이의 관로 (8m) 로부터 분기되도록, 일단이 이 관로 (8m) 에 접속된 분기 관로 (41) 와, 이 분기 관로 (41) 의 타단이 접속되어 주냉각부 (28) 와의 사이에서 열교환을 실시하는 열교환부 (42) 와, 분기 관로 (41) 의 중도 위치에 형성된 밸브 (43) 를 갖고 있다.
밸브 (43) 는 개방도를 조절함으로써 추액된 중간 초임계압 액체 (F2) 에 대해 줄 톰슨 효과에 의한 감압을 실시하여 저온 액체 (F5) 를 생성한다. 이 감압은 임계압 근방까지 실시되지만, 바람직하게는 임계압의 ±2 [MPa] 가 되는 압력까지 감압시키고, 보다 바람직하게는 임계압의 ±1.5 [MPa] 가 되는 압력까지 감압시키고, 임계압의 ±1 [MPa] 가 되는 압력까지 감압시키는 것이 가장 바람직하다.
바이패스 유로 (7) 는 추액 감압부 (6) 로부터의 저온 액체 (F5) 를 압축부 (2) 의 6 단 압축 임펠러 (16) 의 상류측에 반송한다. 즉, 이 바이패스 유로 (7) 는 일단이 추액 감압부 (6) 의 열교환부 (42) 에 접속되고, 타단이 6 단 압축 임펠러 (16) 와 제 5 중간 냉각기 (25) 사이의 관로 (8j) 에 접속되어 있다.
다음으로, 도 2 의 P-h 선도를 참조하여, 이산화탄소 (F) 의 상태 변화의 모습 (이산화탄소 (F) 의 승압 방법) 에 대해 설명한다.
압축부 (2) 에 있어서, 1 단 압축 임펠러 (11) 에 도입된 도입 기체 (F0 ; 상태 S1a) 는, 도 2 의 실선 화살표에 나타내는 바와 같이, 1 단 압축 임펠러 (11) 에 의해 압축되어 상태 S1a 보다 고압이며 고온인 상태 S1b 가 된다. 그 후, 제 1 중간 냉각기 (21) 에 의해 등압으로 냉각되어 상태 S2a 가 된다. 그리고 이와 같이 압축과 냉각을 반복하여 상태 S2b→상태 S3a→상태 S3b→상태 S4a→상태 S4b→상태 S5a→상태 S5b→상태 S6a→상태 S6b→상태 S7a→상태 S7b 로 상태 변화되고, 임계압 이상의 압력의 중간 초임계 유체 (F1) 의 상태가 된다 (압축 공정).
그 후, 상태 S7b 가 된 중간 초임계 유체 (F1) 는 예비 냉각부 (29) 에 도입된다. 예비 냉각부 (29) 에서는 등압 상태에서 더욱 냉각되어 중간 초임계 유체 (F1) 의 온도를 내릴 수 있지만 (냉각 공정), 본 실시예에서는 예비 냉각부 (29) 는 이용하고 있지 않다.
중간 초임계 유체 (F1) 는, 주냉각부 (28) 에 의해 초임계압인 채로 등압에서 냉각되어, 임계 온도 이하 상태 S8a 가 되고, 중간 초임계 유체 (F1) 는 중간 초임계압 액체 (F2) 로 상 변화되어 펌프부 (3) 에 도입된다 (냉각 공정).
펌프부 (3) 에서는, 상태 S8a 의 중간 초임계압 액체 (F2) 가, 육상의 땅 속이나 해저의 땅 속에 저류 가능해지는 목표압까지 승압됨과 함께, 온도가 상승되어 상태 S8b 의 목표압 액체 (F3) 가 된다 (펌프 공정). 그 후, 이 목표압 액체 (F3) 를 가열부 (5) 에 의해 가열함으로써, 임계 온도 이상까지 등압으로 승온되고, 이산화탄소 (F) 를 육상의 땅 속이나 해저의 땅 속에 저류 가능해지는 최종 상태 S9 로 한다.
여기서, 주냉각부 (28) 에서 상태 S8a 가 된 중간 초임계압 액체 (F2) 의 일부가 추액 감압부 (6) 의 밸브 (43) 를 개방함으로써 추액된다. 추액된 중간 초임계압 액체 (F2) 는 감압되어 상태 S10 의 저온 액체 (F5) 가 된다. 이 상태 S10 에 있어서의 압력은, 6 단 압축 임펠러 (16) 의 상류측으로서 제 5 중간 냉각기 (25) 의 하류측의 압력에 상당하는 압력으로 되어 있다. 또, 이 저온 액체 (F5) 는 냉각부 (4) 와의 사이에서 열교환함으로써 가열되어 등압 상태인 채로 기화되고, 6 단 압축 임펠러 (16) 의 상류측에 있어서의 상태 S6a 의 기체 또는 초임계 유체가 된다. 이 기체 또는 초임계 유체가 바이패스 유로 (7) 에 의해 6 단 압축 임펠러 (16) 의 상류측에 반송되고, 압축부 (2) 를 유통하는 중간 초임계 유체 (F1) 에 혼입된다.
이와 같은 승압 시스템 (1) 에 따르면, 먼저 전방 단에서의 이산화탄소 (F) 의 압축을 압축부 (2) 에서 실시하고, 보다 고압으로 되어 있는 후방 단에서의 승압을 펌프부 (3) 에서 실시함으로써, 목표압 액체 (F3) 를 생성하고, 그 후, 가열부 (5) 에 의해 최종적으로 임계 온도 이상까지 가열함으로써 육상의 땅 속이나 해저의 땅 속에 저류 가능해지는 목표 초임계 유체 (F4) 를 얻을 수 있다.
여기서, 만일 고압으로 되어 있는 후단측의 부분에도 압축부 (2) 와 동일한 임펠러를 적용한 경우에는, 고압 가스 시일이나 고압에 대응된 압축기 케이싱이 다수 필요해져, 신뢰성이 저하됨과 함께 비용 상승되는 문제가 있다. 또, 이러한 고압 상태에 대응하기 위해서는 임펠러의 축 직경을 크게 하거나 임펠러의 회전수를 저감시키거나 하는 대응이 필요해져 신뢰성과 운전 효율의 저하의 문제가 있다.
이런 점에서 본 실시형태에서는 고압측에서 펌프부 (3) 를 채용하고 있다. 펌프부 (3) 에서는 액체를 승압시키기 위해, 고압 상태 (약 15∼60 [MPa]) 까지 승압시킬 때에, 대상이 되는 유체를 시일하는 것이 용이하기 때문에 매우 유리하고, 상기 서술한 바와 같은 비용 상승을 회피할 수 있고, 또한 신뢰성과 운전 효율의 문제도 해소할 수 있다.
또한, 만일 고압으로 되는 후단측에도 압축부 (2) 와 동일한 임펠러를 적용한 경우에는, 특성이 불안정해지는 천이 영역에서의 압축을 회피하기 위해 제 6 중간 냉각기 (26) 에서의 냉각은 상태 S7a 정지가 되고, 도 2 의 점선에 나타내는 바와 같이 승압 후의 초임계 유체는, 목표 초임계 유체 (F4) 에 비해 온도가 높은 상태가 된다. 따라서 목표 초임계 유체 (F4) 를 얻기 위해서는, 압축 후의 냉각을 실시하는 애프터 쿨러 등이 더 필요해진다.
이런 점에 대해서도, 본 실시형태에서는 상기 애프터 쿨러 등은 불필요하고, 이 애프터 쿨러를 작동하기 위한 동력을 저감시킬 수 있다.
또 냉각부 (4) 에서는, 압축부 (2) 에 의해 임계압 이상의 상태가 된 중간 초임계 유체 (F1) 를 냉각시켜 중간 초임계압 액체 (F2) 로 한다.
여기서, 도 2 에 나타내는 P-h 선도에 따르면, 임계 압력 미만에서는 등온선이 세로축 (압력) 에 거의 평행해지도록 세워짐과 함께, 등온선끼리의 간격이 좁아지고 있다. 한편으로, 임계압 이상이며 임계 온도 부근의 천이 영역에서는, 등온선은 가로축 (엔탈피) 에 거의 평행해짐과 함께 등온선끼리의 간격이 넓어지고 있다. 따라서 천이 영역에서는, 이산화탄소 (F) 가 등압 상태에서 상태 변화될 때에, 보다 작은 온도 변화로 보다 큰 엔탈피 변화가 발생하게 된다.
따라서, 본 실시형태와 같이 임계압 이상의 상태에서 중간 초임계 유체 (F1) 를 냉각시키는 경우에는, 임계압 미만의 상태에서 냉각을 실시하는 경우와 비교하여, 냉각에 필요로 하는 열량을 작게 억제하면서 중간 초임계 유체 (F1) 의 액화가 가능해진다.
또, 중간 초임계 유체 (F1) 는, 먼저 제 6 중간 냉각기 (26) 에 의해서만 수랭으로 천이 영역까지 냉각된다. 여기서, 중간 초임계 유체 (F1) 는 임계압, 임계 온도 부근의 상태에 있기 때문에, 상기 서술한 바와 같이 작은 온도 변화로 보다 큰 엔탈피 변화가 발생하여 수랭만으로 중간 초임계 유체 (F1) 의 액화에 필요한 대부분의 냉열량을 얻을 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 주냉각부 (28) 의 냉매는 추액 감압부 (6) 로부터의 저온 액체 (F5) 이지만, 외부로부터 적당한 냉각 매체 (W) 가 얻어지는 경우에는, 예비 냉각부 (29) 에 의해 예비 냉각시킴으로서, 주냉각부 (28) 에서 필요로 하는 냉열량의 저감이 가능해진다. 예를 들어 이 경우, 도 3, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 상태 S7b 로부터 상태 S7c 까지의 냉각을 예비 냉각부 (29) 에서 냉각시키고, 상태 S7c 로부터 상태 S8a 까지의 냉각을 주냉각부 (28) 에서 실시하게 된다.
따라서, 이러한 예비 냉각부 (29) 에 의해 저온 액체 (F5) 의 유량을 저감시켰다 하더라도 주냉각부 (28) 에서의 냉각을 충분히 실시할 수 있다. 따라서, 바이패스 유로 (7) 를 통해 압축부 (2) 에 반송되는 저온 액체 (F5) 의 유량을 저감시킬 수 있기 때문에, 압축부 (2) 에서의 동력 저감도 가능해져 더나은 운전 효율의 향상으로 이어진다.
또한, 이 주냉각부 (28) 의 냉매는 저온 액체 (F5) 이기 때문에, 펌프부 (3) 에 도입되는 중간 초임계압 액체 (F2) 자체의 냉열을 유효하게 이용하여, 즉 중간 초임계 유체 (F1) 로부터 중간 초임계압 액체 (F2) 를 생성하기 위해서 필요한 응축기를 별도로 설치하지 않고, 펌프부 (3) 에 도입되는 중간 초임계압 액체 (F2) 를 확실하게 생성할 수 있다.
또, 주냉각부 (28) 에서는, 압축부 (2) 에 의해 압축된 중간 초임계 유체 (F1) 를 냉각시켜 중간 초임계압 액체 (F2) 를 생성하고, 펌프부 (3) 에 중간 초임계압 액체 (F2) 를 도입 가능하게 함과 함께, 중간 초임계 유체 (F1) 의 냉각시에 회수한 열에 대해 가열부 (5) 와의 사이에서 열교환을 실시함으로써, 임계 온도 이상까지 중간 초임계압 액체 (F2) 를 가열할 수 있다.
또, 냉각부 (4) 에서의 중간 초임계 유체 (F1) 의 냉각, 가열부 (5) 에서의 목표압 액체 (F3) 의 가열에서는, 임계압 이상의 고압 상태에서 열교환이 실시되기 위해, 열교환 부분을 컴팩트화할 수 있기 때문에, 시스템 전체적으로 컴팩트화를 도모할 수 있다.
그리고, 바이패스 유로 (7) 를 형성함으로써, 추액된 중간 초임계압 액체 (F2) 를 외부로 배출하는 일이 없어지기 때문에, 승압 시스템 (1) 전체적인 효율을 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태에서, 추액 감압부 (6) 를 반드시 형성하지 않아도 되고, 이 경우에는 도 5 에 나타내는 바와 같이 냉각부 (4) 는 가열부 (5) 와의 사이에서만 또는 가열부 (5) 및 외부 냉각 매체 (W) 와의 사이에서 열교환을 실시하게 된다.
또, 펌프부 (3) 에서 승압시키는 것만으로 목표로 하는 압력, 온도의 기체를 얻을 수 있는 경우나 프로세스의 원료로서 용기에 저장하거나 하는 목적에서 액체 상태 쪽이 바람직한 경우에는, 가열부 (5) 는 반드시 형성하지 않아도 되고, 이 경우에는, 도 6 에 나타내는 바와 같이 냉각부 (4) 는 추액 감압부 (6) 에 있어서의 저온 액체 (F5) 및 외부 냉각 매체 (W) 또는 이들 중 어느 한 쪽에 의해 냉각을 실시하게 된다.
다음으로 본 발명의 제 2 실시형태에 관련된 승압 시스템 (1A) 에 대해 설명한다.
제 1 실시형태와 공통된 구성 요소에는 동일한 부호를 붙여 상세한 설명을 생략한다.
도 7 에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 승압 시스템 (1A) 은 임의의 압축기 형식 (원심식, 왕복식 등) 및 펌프 형식과의 조합이다.
승압 시스템 (1A) 은 제 1 실시형태와 동일하게 압축부 (2A) 와, 펌프부 (3A) 와, 냉각부 (4A) 와, 가열부 (5A) 와, 분기 관로 (41A) 와 열교환부 (42A) 와 밸브 (43A) 를 갖는 추액 감압부 (6A) 와, 바이패스 유로 (7A) 를 구비하고 있다. 그리고, 이들 압축부 (2A), 펌프부 (3A), 냉각부 (4A), 가열부 (5A) 는 관로 (8Aa, 8Ab, 8Ac, 8Ad, 8Ae, 8Af, 8Ag, 8Ah, 8Ai, 8Aj, 8Ak, 8Al, 8Am, 8An) 에 의해 서로 접속되어 있다.
압축부 (2A) 는, 다단 (본 실시형태에서는 6 단) 으로 형성된 복수의 압축 스테이지 (11A∼16A) 와, 압축 스테이지 (11A∼16A) 끼리의 사이 및 냉각부 (4A) 와의 사이에 1 개씩 형성된 복수의 중간 냉각기 (21A∼26A) 를 갖고 있다.
펌프부 (3A) 는, 압축부 (2A) 의 후방단에 형성되어, 다단 (본 실시형태에서는 2 단) 의 펌프 스테이지 (31A, 32A) 로 구성되어 있다.
여기서, 도 7 에서의 이산화탄소 (F) 의 상태 S1a 로부터 상태 S9 까지 및 상태 S10 과, 도 2 에서의 이산화탄소 (F) 의 상태 S1a 로부터 상태 S9 까지 및 상태 S10 과는 대응되고 있다.
이러한 승압 시스템 (1A) 에 따르면, 제 1 실시형태와 동일하게 압축부 (2A) 와 펌프부 (3A) 를 조합하여 비용을 억제하여 운전 효율을 향상시킴과 함께, 냉각부 (4A) 를 채용하여 임계압 이상에서의 냉각이 가능해지기 때문에 중간 초임계 유체 (F1) 의 액화에 필요로 하는 동력을 더욱 저감시킬 수 있다.
여기서, 도 8 에 나타내는 바와 같이, 펌프부 (3A) 의 후단측에 펌프부 (9A) 를 추가로 구비하고 있어도 된다. 이와 같이 함으로써 펌프 스테이지를 추가하여 더욱 고압까지 승압을 실시할 수도 있다. 그리고 이 경우, 도 9 에 나타내는 바와 같이 이산화탄소 (F) 의 상태 S9 가 상태 S9a 가 되어, 목표압 이상의 압력의 초임계 유체를 얻을 수 있다.
또한, 제 1 실시형태의 승압 시스템 (1) 에 있어서도, 이와 같이 펌프부 (3) 의 후단측에 펌프부를 추가로 추가하여 이산화탄소 (F) 를 목표압 이상의 압력까지 승압시켜도 된다.
또, 본 실시형태에 있어서도, 냉각부 (4A) 에서는 예비 냉각부 (29A) 를 이용하지 않고, 주냉각부 (28A) 에 의해서만 냉각을 실시하고 있지만, 예비 냉각부 (29A) 에 의해 예비 냉각시킴으로써, 주냉각부 (28A) 에서 필요로 하는 냉열량의 저감이 가능해진다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명했지만, 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 일은 없다. 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서, 구성의 부가, 생략, 치환 및 그 밖의 변경이 가능하다. 본 발명은 전술한 설명에 의해 한정되는 일은 없고, 첨부된 클레임 범위에 의해서만 한정된다.
예를 들어, 냉각부 (4) (4A) 에 있어서의 주냉각부 (28) (28A) 는 추액 감압부 (6) (6A) 로부터의 저온 액체 (F5) 에 의해 중간 초임계압 액체 (F2) 의 냉각을 실시하고 있지만, 예비 냉각부 (29) (29A) 와 동일하게 외부 냉각 매체 (W) 등의 외부로부터의 냉매에 의해 중간 초임계압 액체 (F2) 를 냉각시켜도 된다. 또한, 가열부 (5) (5A) 에서는 외부의 가열기를 별도로 형성하고 목표압 액체 (F3) 를 가열하여 목표 초임계 유체 (F4) 를 생성해도 되고, 즉, 냉각부 (4) (4A) 와 가열부 (5) (5A) 를 독립시켜도 된다. 이로써 구조를 간소화할 수 있다.
또, 중간 냉각기 (21A∼26A) 의 냉각 매체는 물에 한정되지 않고, 공기 등이어도 된다.
또한, 바이패스 유로 (7) (7A) 는 반드시 형성되지 않아도 된다. 이 경우, 압축부 (2) (2A) 에 반송되는 저온 액체 (F5) 의 유량분을 고려하지 않고, 압축부 (2) (2A) 의 설계를 실시할 수 있다.
또, 압축부 (2) (2A) 및 펌프부 (3) (3A) 의 단수는 상기 서술한 실시형태에 한정되지 않는다.
또한, 실시형태에서는 대상 기체는 이산화탄소 (F) 로 하고 있었지만, 이것에 한정되지 않고 여러가지 기체의 승압에 승압 시스템 (1) (1A) 을 적용할 수 있다.
산업상 이용 가능성
본 발명은 기체의 승압을 실시하는 승압 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 승압 시스템에 따르면, 압축부와 펌프부를 조합하고, 냉각부에서 임계압 이상의 압력 상태에서 중간 초임계 유체를 냉각시킴으로써, 동력을 더욱 저감시켜 운전 효율의 향상이 가능하다.
1 : 승압 시스템
2 : 압축부
3 : 펌프부
4 : 냉각부
5 : 가열부
6 : 추액 감압부
7 : 바이패스 유로
8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f, 8g, 8h, 8i, 8j, 8k, 8l, 8m, 8n : 관로
11 : 1 단 압축 임펠러
12 : 2 단 압축 임펠러
13 : 3 단 압축 임펠러
14 : 4 단 압축 임펠러
15 : 5 단 압축 임펠러
16 : 6 단 압축 임펠러
20 : 중간 냉각기
21 : 제 1 중간 냉각기
22 : 제 2 중간 냉각기
23 : 제 3 중간 냉각기
24 : 제 4 중간 냉각기
25 : 제 5 중간 냉각기
26 : 제 6 중간 냉각기
F : 이산화탄소 (대상 기체)
F0 : 도입 기체
F1 : 중간 초임계 유체
F2 : 중간 초임계압 액체
F3 : 목표압 액체
F4 : 목표 초임계 유체
F5 : 저온 액체
W : 외부 냉각 매체
28 : 주냉각부
29 : 예비 냉각부
31 : 1 단 펌프 임펠러
32 : 2 단 펌프 임펠러
41 : 분기 관로
42 : 열교환부
43 : 밸브
1A : 승압 시스템
2A : 압축부
3A : 펌프부
4A : 냉각부
5A : 가열부
6A : 추액 감압부
7A : 바이패스 유로
8Aa, 8Ab, 8Ac, 8Ad, 8Ae, 8Af, 8Ag, 8Ah, 8Ai, 8Aj, 8Ak, 8Al, 8Am, 8An : 관로
9A : 펌프부
11A, 12A, 13A, 14A, 15A, 16A : 압축 스테이지
21A, 22A, 23A, 24A, 25A, 26A : 중간 냉각기
28A : 주냉각기
29A : 예비 냉각기
31A, 32A : 펌프 스테이지
41A : 분기 관로
42A : 열교환부
43A : 밸브

Claims (6)

  1. 대상 기체를 임계압보다 높은 목표압 이상의 압력까지 승압시키는 승압 시스템으로서,
    임계압 이상, 목표압 미만의 중간압까지 상기 대상 기체를 압축시켜 중간 초임계 유체를 생성하는 압축부와,
    상기 압축부에서 생성된 상기 중간 초임계 유체를 임계 온도 근방까지 냉각시켜 중간 초임계압 액체를 생성하는 냉각부와,
    상기 냉각부에서 생성된 상기 중간 초임계압 액체를 상기 목표압 이상의 압력까지 승압시키는 펌프부와,
    상기 펌프부에서 승압된 상기 중간 초임계압 액체를 임계 온도 근방까지 가열하는 가열부를 구비하고,
    상기 냉각부는 상기 가열부와의 사이에서 열교환을 실시하여 상기 중간 초임계 유체를 냉각시키는 주냉각부를 갖는 승압 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각부와 상기 펌프부 사이에 형성되어 상기 중간 초임계압 액체를 추액하여 임계압 근방까지 감압시켜 저온 액체를 생성하는 추액 감압부를 추가로 구비하고,
    상기 주냉각부에서 상기 추액 감압부에서 생성된 상기 저온 액체와의 사이에서 열교환을 실시하여 상기 중간 초임계 유체를 냉각시키는 승압 시스템.
  3. 대상 기체를 임계압보다 높은 목표압 이상의 압력까지 승압시키는 승압 시스템으로서,
    임계압 이상, 목표압 미만의 중간압까지 상기 대상 기체를 압축시켜 중간 초임계 유체를 생성하는 압축부와,
    상기 압축부에서 생성된 상기 중간 초임계 유체를 임계 온도 근방까지 냉각시켜 중간 초임계압 액체를 생성하는 냉각부와,
    상기 냉각부에서 생성된 상기 중간 초임계압 액체를 상기 목표압 이상의 압력까지 승압시키는 펌프부와,
    상기 냉각부와 상기 펌프부 사이에 형성되어 상기 중간 초임계압 액체를 추액하여 임계압 근방까지 감압시켜 저온 액체를 생성하는 추액 감압부를 구비하고,
    상기 냉각부는 상기 추액 감압부에서 생성된 상기 저온 액체와의 사이에서 열교환을 실시하여 상기 중간 초임계 유체를 냉각시키는 주냉각부를 갖는 승압 시스템.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 추액 감압부에서 생성된 상기 저온 액체가 상기 주냉각부에서 열교환됨으로써 가열 기화되어 생성된 기체 또는 초임계 유체를, 상기 압축부에서의 상당 압력부에 반송하는 승압 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉각부는, 외부 냉각 매체와의 사이에서 열교환을 실시하여 상기 중간 초임계 유체를 냉각시켜 상기 주냉각부로 보내는 예비 냉각부를 갖는 승압 시스템.
  6. 대상 기체를 임계압보다 높은 목표압 이상의 압력까지 승압시키는 기체의 승압 방법으로서,
    임계압 이상, 목표압 미만의 중간압까지 상기 대상 기체를 압축시켜 중간 초임계 유체를 생성하는 압축 공정과,
    상기 압축 공정에서 생성된 상기 중간 초임계 유체를 임계 온도 근방까지 냉각시켜 중간 초임계압 액체를 생성하는 냉각 공정과,
    상기 냉각 공정에서 생성된 상기 중간 초임계압 액체를 상기 목표압 이상의 압력까지 승압시키는 펌프 공정을 구비하고,
    상기 냉각 공정에서는, 상기 펌프 공정에서 승압된 상기 중간 초임계압 액체와, 상기 펌프 공정 개시 전에 상기 중간 초임계압 액체를 추액하여 임계압 근방까지 감압시켜 생성된 저온 액체와, 외부 냉각 매체 중 적어도 하나를 냉각 매체로서 이용하여 중간 초임계 유체를 냉각시키는 기체의 승압 방법.
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