KR20170107271A - 이산화탄소 액화 회수장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이산화탄소를 포함하는 원료가스로부터 이산화탄소를 액화회수하기 위한 이산화탄소 액화 회수장치로서, 상기 원료가스를 고압의 가스로 압축하는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 원료가스를 팬에 의한 송풍에 의하여 냉각하는 공랭식 예냉기; 냉각열 제공하는 냉각관이 배치되고, 내부에 형성된 이산화탄소 액화 분위기에 의하여 가스 상태로 입력되는 원료가스 중의 이산화탄소를 액화 분리하며, 하단으로 액화된 이산화탄소가 배출되는 액화 이산화탄소 배출관이 연결되고, 상단으로 비액화 원료가스가 배출되는 가스 배출관이 연결된 액화탑; 및 상기 가스배출관을 통해 배출된 비액화 원료가스를 공급받아 저온가스 및 고온가스로 생성하고, 상기 저온가스를 상기 냉각관에 냉각열원으로 공급하는 보텍스 튜브를 포함한다.

Description

이산화탄소 액화 회수장치{LIQUEFYING AND RECOVERING APPARATUS OF CARBON DIOXIDE}

본 발명은 이산화탄소 액화 회수장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 바이오가스로부터 분리된 이산화탄소를 주성분으로 하는 원료가스로부터 이산화탄소를 액화 회수할 수 있는 이산화탄소 액화 회수장치에 관한 것이다.

일반적으로 바이오가스는 음식물 쓰레기, 축산분뇨 등 유기성 폐기물과 매립지 등으로부터 발생하는데, 메탄과 이산화탄소가 주요 성분을 이룬다. 바이오가스는 유기성 폐기물 등으로부터 에너지를 얻을 수 있다는 점에서 친환경 대체에너지원으로 주목을 받고 있다.

바이오가스 발생 설비로부터 생산되는 바이오가스는 현재 발전용 또는 저급 연료용으로 주로 사용되고 있는데, 일반적으로 바이오가스는 메탄 40~60% 및 이산화탄소 40~55%를 포함하고 있어 전력 생산 효율이 낮고 열량 조절이 어려워 대체 연료로서의 사용이 제한적인 단점이 있다.

따라서 근래에는 바이오가스를 메탄과 이산화탄소로 분리하여 고순도 메탄을 생산함으로써 일반산업용 천연가스를 대체할 수 있는 바이오 CNG를 생산할 수 있는 장치 개발이 진행 중에 있다.

바이오가스로부터 메탄과 이산화탄소를 분리하는 방법으로, 기체의 용해도 차이를 이용하여 메탄과 이산화탄소를 분리하는 워터 스크러빙법, 기체 상 물질의 흡착 특성의 차이를 이용하는 분리하는 PSA 법, 기체 분자의 극성 차이를 이용하는 막 분리법 등이 사용되고 있다.

한편, 과거에는 바이오가스에서 고순도 메탄을 정제하는 과정에서 부산물로 발생하는 이산화탄소를 대기 중으로 배출하였으나, 이산화탄소는 지구 온난화의 원인으로 지목되고 있어 또 다른 환경 문제를 유발할 수 있다.

더욱이 고순도의 이산화탄소는 산업용 용접용 가스, 드라이아이스 등에 사용되는 유용한 공업 재료인바, 바이오가스에서 메탄 생산 과정에서 발생하는 이산화탄소를 고순도로 정제 액화할 수 있는 고순도 이산화탄소 액화 회수장치가 개발되었다.

이러한 고순도 이산화탄소 액화 회수장치의 일 예로서, 대한민국 등록특허 제1548883호에 따르면, 선택적 기체 투과 원리를 이용한 분리막을 통해 고순도로 분리된 이산화탄소는 압축기 및 냉각탑 방식의 액화탑을 거치면서 고순도 정제 액화된다.

그러나, 이러한 종래의 냉각탑 방식의 액화탑의 경우 이산화탄소를 액화 정제하기 위하여 냉매를 이용하는 대용량의 냉각 시스템을 필요로 함으로 시스템의 대형화 및 비용 증가의 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제1548883호(2015.08.25)

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 이산화탄소를 주성분으로 하는 원료가스로부터 고압 상온 분위기하의 액화탑을 이용하여 액화 회수함으로써 냉매를 이용하는 냉각시스템의 사용을 배제 또는 최소화하는 것이 가능한 이산화탄소 액화 회수장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 바이오가스로부터 고순도의 메탄을 생산하는 과정에서 고순도의 메탄을 분리하고 남은 원료가스로부터 이산화탄소를 고압 상온 분위기 하의 액화탑을 이용하여 액화 회수할 수 있도록 하는 이산화탄소 액화 회수장치를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 이산화탄소 액화 회수장치는, 이산화탄소를 포함하는 원료가스로부터 이산화탄소를 액화회수하기 위한 이산화탄소 액화 회수장치로서, 상기 원료가스를 고압의 가스로 압축하는 압축기; 상기 압축기에서 압축된 원료가스를 팬에 의한 송풍에 의하여 냉각하는 공랭식 예냉기; 내부에 저온 가스가 유입되어 내부를 냉각하는 냉각관이 배치되고, 내부에 형성된 이산화탄소 액화 분위기에 의하여 가스 상태로 입력되는 원료가스 중의 이산화탄소를 액화 분리하며, 하단으로 액화된 이산화탄소가 배출되는 액화 이산화탄소 배출관이 연결되고, 상단으로 비액화 원료가스가 배출되는 가스 배출관이 연결된 액화탑; 및 상기 가스배출관을 통해 배출된 비액화 원료가스를 공급받아 저온가스 및 고온가스로 생성하고, 상기 저온가스를 상기 냉각관으로 공급하는 보텍스 튜브를 포함한다.

본 발명에 의하면, 상기 예냉기와 상기 액화탑 사이에는 상기 원료가스 중의 수분을 제거하는 건조장치가 더 구비되고, 상기 건조장치는, 원료가스 중의 수분을 흡착하여 제거 가능한 재생식 흡착제가 내부에 구비된 제1 및 제2 제습탱크를 포함하고, 상기 보텍스 튜브에 생성된 고온 가스는 재생용 건조 가스로서 상기 건조장치로 공급되며, 상기 예냉기를 거친 원료가스가 상기 제습탱크 중 어느 하나로 공급되어 제습된 후 상기 액화탑으로 공급되도록 하고 제습 동작을 수행하지 않는 다른 어느 하나의 제습탱크에는 상기 재생용 건조가스가 공급되어 흡착제를 재생한 후 배출되도록 하되, 상기 제습탱크들에서의 제습 및 제생 동작이 서로 교대로 반복적으로 이루어지도록 상기 원료가스 및 상기 재생용 건조 가스의 제1 및 제2 제습탱크로의 유동을 제어하는 밸브장치를 포함한다.

본 발명에 의하면, 상기 재생용 건조가스가 상기 건조장치로 유동하는 경로에는 상기 재생용 건조가스를 가열하기 위한 히터가 더 설치된다.

본 발명에 의하면, 상기 보텍스 튜브는, 상기 액화탑으로부터 압축 원료가스가 유입되는 유입구; 상기 유입구를 통해 유입된 원료가스를 회전시켜 와류로 형성하여 고온가스와 냉각가스로 변환시키는 와류 제너레이터; 상기 와류 제너레이터에 의해 변환된 냉각가스가 상기 보조 열교환기로 배출되는 냉각 출구; 상기 고온가스가 배출되는 고온 출구; 및 상기 고온 출구에 설치되어 고온가스의 유동 방향을 조정하는 스로틀 밸브를 포함한다.

전술한 바와 같은 구성의 본 발명에 따른 이산화탄소 액화 회수장치에 의하면, 이산화탄소의 액화 공정 시 냉매에 의해 저온을 얻어 이산화탄소를 냉각시키는 냉동기를 배제하고 구성이 간단하고 비용이 저렴한 공랭식 예냉기 및 보텍스 튜브를 통해 이산화탄소를 액화 회수할 수 있도록 함으로써, 이산화탄소 액화에 필요한 비용 소모를 대폭 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 메탄 정제부를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 이산화탄소 액화 회수장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 이산화탄소 액화 회수장치에 구비된 보텍스 튜브의 작동 원리를 나타내는 단면도이다.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 바이오가스로부터 고순도의 메탄가스와 액화 정제를 위한 이산화탄소를 주성분으로 하는 원료가스를 분리하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 바이오가스 정제장치는 다단으로 막분리 공정이 이루어지도록 적어도 2개의 분리막(12,14)을 포함하는 메탄 정제부(10)를 포함한다. 메탄 정제부(10)는 분리막(12,14)의 선택적 기체 투과 원리를 이용한 막분리 공정을 통해 바이오가스를 주성분 메탄가스와 액화 정제를 위한 원료가스인 주성분 이산화탄소 가스로 분리하게 된다. 바이오가스는 메탄 정제부(10)의 분리막(12,14)을 거치면서 농축된 고순도의 메탄과, 주성분으로 이산화탄소를 포함하는 원료가스로 분리되며, 생산된 고순도 메탄은 메탄 저장탱크(20)로 공급되어 저장된다. 이를 통해 고순도의 메탄이 생산 가능하게 된다.

이와 같이, 원료가스는 일반적으로 바이오가스로부터 고순도의 메탄이 분리된 후의 잉여가스로서, 주성분인 이산화탄소를 포함하며 나머지 성분으로 소량의 메탄, 수분 등의 기타 불순물을 포함한다.

도 2는 본 발명에 따른 이산화탄소 액화 회수장치의 구성도이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 이산화탄소 액화 회수장치(30)는, 압축기(100)와, 예냉기(200, precooler)와, 건조장치(300)와, 액화탑(400)과, 보텍스 튜브(500)를 포함한다.

본 발명에 따르면, 상기 압축기(100)는, 이산화탄소를 주성분으로 포함하는 원료가스를 공급받아 고압으로 압축한다. 압축기(100)는 액화탑(100)에서 유도되는 고압 상온 분위기 하에서 이산화탄소가 액화되도록 고압 조건을 형성하는 것으로, 원료가스가 액화탑(400)으로 이동되면서 발생하는 압력손실 및 예냉기(200)에서 제공되는 냉각열을 고려하여 배출되는 원료가스의 압력이 결정된다. 본 발명에 따르면 바람직하게는 액화탑에서 70 bar 이상 80 bar 이하의 압력 및 25℃ 이하의 온도 조건에서 이산화탄소의 상 평형도에 따른 액화가 이루어지도록 공정 조건이 설정된다. 이를 위해 압축기(100)에서는 원료가스는 80 bar 이상 100 bar 이하의 압력으로 압축되는 것이 바람직하다.

압축기(100)에서 압축된 가스 상의 원료 가스는 액화탑(400)으로 이동하는 경로 상에서는 예냉기(200)에서 공랭식으로 1차 냉각된다. 예냉기(200)에서의 1차 냉각에 의해 액화탑(400)에서 요구되는 냉각열이 최소화된다.

본 발명에 따르면 원료가스 중의 불순물을 제거하기 위하여, 압축기(100) 전, 후단에 불순물 처리부(110)가 설치될 수 있다.

상기 불순물 처리부(110)는 원료가스 중의 수분 등의 불순물을 처리하기 위한 것으로서, 예컨대 흡착제 등을 이용하는 원료가스 중의 불순물을 제거하게 된다. 이러한 불순물 처리부(110)에서 원료가스 중의 수분이 1차로 제거되며, 잔여 수분은 후술하는 건조장치(300)에서 제거된다.

본 발명에 따른 압축기(100)에서 고압으로 압축되고, 바람직하게는 불순물 처리부(110)를 거치면서 불순물이 처리된 원료가스는 예냉기(200)에서 냉각된다. 본 발명에 따르면 예냉기(200)는 팬(210)에 송풍되는 바람을 이용하여 공랭 방식으로 원료가스를 냉각한다.

원료가스는 압축기(100)를 거치면서 고압의 가스로 압축되므로 압축기(100)로의 흡입시 온도보다 높은 온도로 승온되어 배출된다. 따라서 압축기(100)를 거치면서 승온된 상태의 원료가스는 외부 대기와의 온도 차가 크게 되므로 공냉 방식으로 설비 및 운전 부하 부담을 최소화하면서 효과적인 냉각을 이룰 수 있다.

예냉기(200)를 거치면서 냉각된 원료가스는 가스 상태를 유지하면서 다음 공정으로 진행된다.

그리고 예냉기(200)를 통과한 원료가스는 건조장치(300)로 이동하여 원료가스 중의 잔여 수분이 제거된다.

본 발명에 의하면 건조장치(300)는 재생식 건조장치로 형성된다. 본 발명에 따르면 건조장치(300)는 내부에 재생가능한 흡착제가 충진된 제1 제습탱크(310) 및 제2 제습탱크(320)를 포함한다. 제1 제습탱크(310) 및 제2 제습탱크(320) 내부에 충진된 흡착제의 수많은 미세공에 의해 원료가스 중의 수분이 흡착되어 건조 가스를 만들어 내는 것이 가능하다. 그리고 고온의 건조 가스가 수분이 흡착된 흡착제에 제공되는 경우 흡착제는 수분 제거가 가능한 상태로 다시 재생된다. 이러한 재생식 흡착제는 공지된 다양의 것들이 사용될 수 있다.

상기 제1 제습탱크(310) 및 제2 제습탱크(320)에 원료가스 및 재생용 건조 가스를 선택적으로 공급 및 배출시키기 위하여 제1 탱크(310) 및 제2 탱크(320)는 제1 및 제2 입출 제어밸브계(330, 340)를 포함하는 밸브장치와 연결되어 가스의 입출이 제어된다.

제1 입출 제어밸브계(330)는, 제1 제습탱크(310) 또는 제2 제습탱크(320)에 공급하는 원료가스의 공급방향을 절환시키기 위한 적어도 하나 이상의 밸브와, 제1 탱크(310) 또는 제2 탱크(320)를 통과한 재생가스의 배출 경로를 제어하기 위한 적어도 하나 이상의 밸브로 구성되며, 제2 입출 제어밸브계(340)는 제1 제습탱크(310) 또는 제2 제습탱크(320)에서 배출된 원료가스가 액화탑(400)로 이동하도록 경로를 제어하는 적어도 하나 이상의 밸브와, 제1 제습탱크(310) 또는 제2 제습탱크(320)로 공급되는 재생용 건조 가스의 공급방향을 절환시키기 위한 적어도 하나 이상의 밸브를 포함할 수 있다. 입출 제어밸브계(330, 340)는 도면에 도시된 실시예에 의해 한정되지 않고 다양하게 구성될 수 있으며, 3방향 밸브 등을 이용하여 구성할 수도 있다.

원료가스는 제1 제습탱크(310) 또는 제2 제습탱크(320) 중 선택된 어느 하나의 제습탱크로 공급되어 제습된 상태로 액화탑(400)을 향하여 배출되며, 이때 다른 하나의 제습탱크로는 재생용 건조 가스가 공급되어 흡착제의 재생이 이루어진다. 즉 상기 제1 제습탱크(310) 및 제2 제습탱크(320)는 어느 하나가 제습단계를 수행하는 동안 다른 하나는 재생단계를 수행하며, 제1 탱크(310) 및 제2 탱크(320)에서 제습 및 재생이 서로 교번적으로 이루어지므로 건조장치(300)에서는 연속적인 원료가스 제습이 가능하게 된다.

재생용 건조 가스가 제2 입출 제어밸브계(340)로 유동하는 관로에는 히터(350)가 더 구비될 수 있다. 히터(350)는 보텍스 튜브(500)에 공급되는 고온 가스에 보충열을 제공하기 위한 수단으로, 보텍스 튜브(500)에서 고온 가스가 공급되고 있는 상태이므로 히터(350)의 가동 동력을 최소화하면서 재생 효율을 증대시키는 것이 가능하다.

건조장치(300)의 동작에 대해 구체적으로 설명한다. 먼저 편의상 제1 제습탱크(310)에서는 제습이, 제2 제습탱크(320)에서는 흡착제 재생이 이루어지는 상태를 기준으로 설명한다.

예냉기(200)를 거친 원료가스는 제1 입출 제어밸브계(330)의 의해 제1 제습탱크(310)로 유입되어 제습되고, 제습된 원료 가스는 제2 입출 제어밸브계(340)를 거쳐 액화탑(400)으로 공급된다.

이때 액화탑(400)에 배출되어 보텍스 튜브(500)에서 생성된 재생용 건조 가스는 관로를 통하여 이동하면서 히터(350)에 의해 추가로 승온된 상태로 제2 입출 제어밸브계(340)를 거쳐 제2 제습탱크(320)로 유입되어 흡착제의 재생이 이루어진다. 제2 제습탱크(320)에서 흡착제를 재생하고 수분을 함유한 가스는 제1 입출 제어밸브계(330)를 거쳐 외부로 배출된다. 외부로 배출된 재생 후의 가스는 벤트 되거나 다른 공정으로 이송될 수 있다.

제2 제습탱크(320)에서의 흡착제 재생이 완료되면(센서나 타이머 등으로 작업의 완료를 표시한다), 제1 및 제2 입출 제어밸브계(330, 340)에서의 밸브 제어에 의해 가스의 유동이 반대 방향이 되면서 제1 제습탱크(310)에서 흡착제의 제생이 제2 제습탱크(320)에서 원료가스의 제습이 이루어진다.

즉, 원료가스는 건조장치(300)의 제습탱크를 거치면서 수분이 제거된 상태로 액화탑(400)으로 공급되며, 이와 동시에 재생탱크는 재생용 건조가스에 의해 전 단계인 제습과정에서 흡수하였던 수분을 제거시킴에 따라 이후의 제습기능에 아무런 지장을 주지 않게 된다.

즉, 제습탱크의 제습기능이 완료되어 제습효율이 떨어지면 곧바로 제습탱크는 재생탱크로, 재생탱크는 다시 제습탱크로 변환되며, 이러한 과정을 반복하여 액화탑(400)에 지속적으로 건조된 원료가스를 공급하게 된다.

상기 건조장치(300)를 통과한 원료가스는 액화탑(400)으로 공급된다. 상기 액화탑(400)은 공급된 원료가스를 이산화탄소 액화 분위기 하에서 기액 분리가 이루어지도록 한다.

상기 액화탑(400)은 타워형으로 내부에는 필터 등과 같은 스크린(410)이 구비되어 내부를 상하로 구획하게 된다. 상기 스크린(410)은 액화탑(400)에서 형성된 이산화탄소 액화 분위기 하에서 액화되지 않은 기체 상태의 원료가스와 액화된 이산화탄소를 상하로 분리하기 위해 설치된다.

원료가스는 노즐 등을 통해 액화탑(400) 내에서 분사되는데, 액화탑(400)의 분위기는 이산화탄소 액화 조건으로 정해져 있으므로 원료가스 중 이산화탄소는 액화되고 액화된 고순도의 이산화탄소는 액화탑(400)의 하부에 집중된다. 액화탑(400)의 하부에는 액화 이산화탄소 배출관(420)이 연결되어 액상의 이산화탄소를 이산화탄소 저장탱크(40)로 공급하게 된다.

상기 액화탑(400) 내의 이산화탄소 액화 분위기에서 액화되지 않은 불응축가스 즉, 비액화 원료가스는 기체 상태로 존재한다. 즉, 스크린(410)의 상하 분리에 의해 스크린(410) 상부에는 메탄 등을 포함하는 기상의 비액화 원료가스가 모이게 되며 스크린(410) 하부에는 액상 상태의 고순도 이산화탄소가 존재하게 된다. 비액화 원료가스는 액화탑(400) 상단으로 연결된 가스 배출관(430)을 통해 보텍스 튜브(500)로 공급된다.

상기 액화탑(400) 내에는 내부의 온도를 하강시켜 이산화탄소 액화분위기를 형성하는 냉각관(450)이 형성된다.

본 발명에서는 바람직하게는 액화탑(400) 내에는 70bar 이상 80 bar 이하의 압력 및 25℃ 이하의 온도 분위기를 형성하여 원료가스 중의 이산화탄소가 액화되도록 할 수 있다. 액화탑 내에서 압력 조건은 액화탑(400) 내에서 형성될 수 있는 온도 분위기를 고려하여 결정될 수 있다. 냉매를 이용하는 냉각시스템의 사용을 배제하여 설비 부담 및 전력 부하를 최소화하기 위해서는, 액화탑(400) 내부에서 상온 분위기에 가까운 온도에서 액화가 이루어지도록 설정하는 것이 바람직하다. 물론 설비가 설치되는 장소의 대기 온도 및 연중 온도 편차 등을 고려하여 결정할 수 있다. 그러나 시스템의 안정성 등을 고려할 때 액화 분위기는 70bar 이상 80 bar 이하의 압력 및 25℃ 이하의 온도 분위기로 설정되는 것이 바람직하다. 즉, 액화탑(400)으로 25℃ 초과의 온도 상태의 원료가스가 공급되어 내부에 형성되는 25℃ 이하의 온도 분위기 하에서 액화가 되도록 압력 분위기가 형성되며, 이때 효과적인 이산화탄소 액화를 위하여 압략조건은 70bar 이상 80 bar 이하의 압력이 바람직하다.

본 발명에 따른 냉각관(450)으로 공급되는 냉각가스는 보텍스 튜브(500)를 통해 제공된다. 보텍스 튜브(500)는, 공급되는 가스로부터 저온의 냉각 가스와 고온 가스를 생성하는 기능을 한다.

본 발명은 보텍스 튜브(500)를 이용하여 냉각관(450)에 공급되는 냉각열을 생성하므로 별도의 냉각 시스템을 사용하는 설비 부담을 최소화하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 순수 고압만으로 이산화탄소를 액화시키는 구성과 대비하여 액화탑(400)에서 형성이 요구되는 압력을 낮추는 것이 가능한 장점이 있다.

본 발명에 의하면 보텍스 튜브(500)에서 생성된 냉각 가스는 액화탑(400)으로 공급되어 냉각 기능을 하게 되며, 고온 가스는 건조 장치로 공급되어 재생용 건조가스의 기능을 하게 되는 바, 보텍스 튜브(500)는 냉각원 및 열원으로서의 기능을 동시에 하게 된다.

도 3 은 보텍스 튜브를 설명하기 위한 도면이다. 상기 보텍스 튜브는 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 액화탑(400)에서 가스 배출관(430)을 통해 배출된 비액화 원료가스가 유입되는 유입구(510)가 설치되어 있으며, 상기 유입구(510)를 통해 유입된 원료가스를 보텍스 튜브 내에서 대략 수백만 rpm의 속도로 회전시키는 와류 제너레이터(520, vortex generator)가 설치되어 있다.

상기 와류 제너레이터(520)는 상기 보텍스 튜브 내부로 공급된 원료가스에 초고속의 회전 에너지를 공급하여 와류를 형성하되, 원료가스가 유입구(510)를 통해 상기 보텍스 튜브의 접선방향으로 유입될 경우 원료가스는 빠른 속도로 인해 원주방향으로 회전하면서 와류를 형성하게 된다.

이때, 원료가스의 팽창으로 정온이 감소하게 되고, 각속도가 보텍스 튜브의 바깥에서는 낮고 중심으로 갈수록 높아지는 와류를 형성하게 된다.

이 와류는 축방향으로 팽창함에 따라 가스 충돌 간의 마찰로 인해 중심부쪽에서 보텍스 튜브의 바깥으로 운동에너지의 전달이 이루어지며, 이 운동에너지의 전달은 주위 원료가스의 온도를 상승시키고 중심부 원료가스의 온도를 하강시키게 되며, 이는 주위로부터 중심부를 향하여 열이 전달되도록 하는 기능을 하게 된다.

이와 같은 열의 흐름은 운동에너지의 흐름에 비하여 그 전달 속도가 느리므로 상대적으로 많은 운동에너지를 전달한 중심부 원료가스는 계속 냉각되어 저온(-20 ~ -40℃)이 되고, 운동에너지를 받은 바깥쪽 원료가스는 고온(90 ~ 120℃)이 된다.

이와 같이 고온의 가스, 즉 고온가스는 보텍스 튜브 벽면을 따라 유동하며 원료가스의 유동을 조절하는 스로틀 밸브(550)를 통해 고온 출구(530)로 토출되고, 저온의 가스, 즉 냉각가스는 분리된 상태로 역류되어 중심부를 따라 냉각 출구(540)측으로 다시 유동하여 토출된다. 이때, 상기 고온 출구(530)에 설치되어 있는 스로틀 밸브(550)는 보텍스 튜브 벽면을 따라 유동하는 고온가스를 배출시킨다.

상기 보텍스 튜브의 중심부를 따라 유동하는 냉각가스는 상기 스로틀 밸브(550)의 몸체에 부딪혀 역류하도록 보텍스 튜브의 직경보다 전체적으로 작은 직경을 가지며, 수직 단면에서 바라볼 때 원형 형상으로 되어 있고, 수평 단면에서 바라볼 때 내측으로 갈수록 폭이 좁아지는 형태로 구성된다.

즉, 상기 스로틀 밸브(550)는 고온 출구(530)로 이동하는 고온가스는 배출시키고, 냉각가스는 다시 내측으로 회송시켜 2차 와류를 형성토록 한 다음 이를 냉각 출구(540)로 배출되도록 하는 것이다.

상기 냉각 출구(540)로 배출되는 냉각가스는 액화탑(400)의 냉각관(450)으로 공급되어 액화탑(400) 내에서 이산화탄소 액화 분위기를 형성하여 기액 분리가 이루어지도록 한다. 즉, 액화탑(400)에서 이산화탄소가 액화되고, 나머지 액화되지 않은 기체 상태의 가스는 보텍스 튜브(500)로 공급되어 액화탑(400) 내에서 액화 분위기를 형성하는 수단으로 사용된다.

한편 상기 고온 출구(530)로부터 배출되는 고온가스는 재생용 건조가스가 되어 상기 건조장치(300)로 공급되어 건조장치(300)를 이루는 제1 및 제2 제습탱크(310, 320)의 재생 수단으로 사용된다.

이와 같이 본 발명에 의하면, 바이오가스로부터 막분리 공정을 통해 분리된 이산화탄소 주성분 원료가스를 냉매를 이용하는 냉각시스템의 사용 없이 고순도의 이산화탄소를 액화 회수할 수 있도록 함으로써, 설비 부담 저하 및 액화 비용 절감을 이루면서 이산화탄소를 고순도로 정제 액화할 수 있게 된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예의 기재에 한정되지 않으며, 본 발명의 특허청구범위의 기재를 벗어나지 않는 한 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변형 실시 또한 본 발명의 보호범위 내에 있는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 압축기 200 : 예냉기
300 : 보조 열교환기 400 : 액화탑
500 : 보텍스 튜브

Claims (4)

1. 이산화탄소를 포함하는 원료가스로부터 이산화탄소를 액화회수하기 위한 이산화탄소 액화 회수장치로서,
   상기 원료가스를 고압으로 압축하는 압축기;
   상기 압축기에서 압축된 원료가스를 팬에 의한 송풍에 의하여 냉각하는 공랭식 예냉기;
   냉각열이 제공되는 냉각관을 내부에 구비하며, 내부에 형성된 이산화탄소 액화 분위기에 의하여 가스 상태로 입력되는 원료가스 중의 이산화탄소를 액화 분리하며, 하단으로 액화된 이산화탄소가 배출되는 액화 이산화탄소 배출관이 연결되고, 상단으로 비액화 원료가스가 배출되는 가스 배출관이 연결된 액화탑; 및
   상기 가스 배출관을 통해 배출된 비액화 원료가스를 공급받아 저온가스 및 고온가스로 생성하고, 상기 저온가스를 상기 냉각관으로 공급하여 상기 액화탑 내부에 냉각열을 제공하는 보텍스 튜브를 포함하는 이산화탄소 액화 회수장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 예냉기와 상기 액화탑 사이에는 상기 원료가스 중의 수분을 제거하는 건조장치가 더 구비되고,
   상기 건조장치는, 원료가스 중의 수분을 흡착하여 제거 가능한 재생식 흡착제가 내부에 구비된 제1 및 제2 제습탱크를 포함하고,
   상기 보텍스 튜브에 생성된 고온 가스는 흡착제의 재생을 위한 재생용 건조 가스로서 상기 건조장치로 공급되며,
   상기 예냉기를 거친 원료가스가 상기 제습탱크 중 어느 하나로 공급되어 제습된 후 상기 액화탑으로 공급되도록 하고 제습 동작을 수행하지 않는 다른 어느 하나의 제습탱크에는 상기 재생용 건조가스가 공급되어 흡착제를 재생한 후 배출되도록 하되, 상기 제습탱크들에서의 제습 및 재생 동작이 서로 교대로 반복적으로 이루어지도록 상기 원료가스 및 상기 재생용 건조 가스의 제1 및 제2 제습탱크로의 유동을 제어하는 밸브장치들을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 액화 회수장치.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 재생용 건조가스가 상기 건조장치로 유동하는 경로에는 상기 재생용 건조가스에 보충열을 제공하기 위한 히터가 더 설치된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 액화 회수장치.
   
4. 제1 항에 있어서,
   상기 보텍스 튜브는,
   상기 액화탑으로부터 압축 원료가스가 유입되는 유입구;
   상기 유입구를 통해 유입된 원료가스를 회전시켜 와류로 형성하여 고온가스와 냉각가스로 변환시키는 와류 제너레이터;
   상기 와류 제너레이터에 의해 변환된 냉각가스가 상기 보조 열교환기로 배출되는 냉각 출구;
   상기 고온가스가 배출되는 고온 출구; 및,
   상기 고온 출구에 설치되어 고온가스의 유동 방향을 조정하는 스로틀 밸브를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 이산화탄소 액화 회수장치.

Images