KR20190058986A - 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치 - Google Patents

액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액화 천연 가스의 냉열을 이용하여 발전 설비의 플루 가스에 포함된 이산화탄소를 포집할 수 있는 이산화탄소 포집 장치를 제공한다.
본 발명의 측면 실시예에 따른 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치는, 제1 냉매와 액화된 천연 가스의 열 교환이 이루어지며 상기 제1 냉매를 제1 온도로 냉각시키는 열 교환기, 상기 열 교환기에서 배출되는 제1 냉매와의 열교환으로 제2 냉매를 제2 온도로 냉각시키는 칠러, 및 상기 칠러에서 배출된 제2 냉매와 플루 가스를 열 교환하여 상기 플루 가스에 포함된 이산화탄소를 분리하는 포집하는 쿨러를 포함한다.

Description

액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치{Carbon dioxide capture apparatus using cold heat of liquefied natural gas}
본 발명은 액화 천연 가스의 냉열을 이용하여 발전 설비의 플루 가스에 포함된 이산화탄소를 포집하는 장치에 관한 것이다.
천연가스(Natural Gas)란 지하에서 천연적으로 산출되어 지표 조건에서 기체상을 이루는 탄화수소물 및 비탄화수소 물질을 모두 일컫는다. 천연가스는 산지에 따라 약간씩 차이가 있으나 메탄(CH4)이 80~90%를 차지하고 있으며 나머지는 에탄(C2H6), 프로판(C3H8)등의 가연성 기체를 포함하고 있다. 액화 천연 가스(Liquefied Natural Gas, LNG)는 천연가스를 저온(약 -160도)에서 인공으로 액화한 것을 말한다.
천연 가스는 유전에서 채굴되는데, 원활한 채굴을 위해 유전에 증기, 지하수, 해수, 이산화탄소 등과 같은 충진제를 주입한다. 채굴된 천연 가스는 액화 천연 가스와 같은 액화 상태로 소비지로 운송된다. 소비지로 운송된 액화 천연 가스는 사용 또는 분배를 위해서 재기화(regasification)될 필요가 있다.
액화 천연 가스의 재기화를 위해서 해수를 사용할 수 있다. 그러나 이러한 해수의 사용은 해양 생태계에 예상하지 못한 영향을 미칠 수 있다. 다른 시스템에서는 천연 가스를 연소시켜 열을 발생시켜 액화 천연 가스를 재기화할 수도 있다. 그러나 이러한 재기화 방식은 에너지의 낭비를 초래하게 된다.
또한 화력 발전 설비에서 배출되는 플루 가스에는 이산화탄소가 포함되어 있는데, 이산화탄소는 지구 온난화의 주범으로 지속적으로 감소시킬 필요가 있다. 따라서 다양한 방법의 이산화탄소 저감 기술이 개발되고 있으나, 비용과 효율 측면에서 큰 효과를 보고 있지 못한 상황이다.
대한민국 공개특허 제10-2014-0109426호 (명칭: 발전소 연도 가스의 이산화탄소 포집 방법 및 그 장치)
본 발명의 목적은 액화 천연 가스의 냉열을 이용하여 발전 설비의 플루 가스에 포함된 이산화탄소를 포집할 수 있는 이산화탄소 포집 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 측면 실시예에 따른 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치는, 제1 냉매와 액화된 천연 가스의 열 교환이 이루어지며 상기 제1 냉매를 제1 온도로 냉각시키는 열 교환기, 상기 열 교환기에서 배출되는 제1 냉매와의 열교환으로 제2 냉매를 제2 온도로 냉각시키는 칠러, 및 상기 칠러에서 배출된 제2 냉매와 플루 가스를 열 교환하여 상기 플루 가스에 포함된 이산화탄소를 분리하는 포집하는 쿨러를 포함한다.
여기서, 상기 열 교환기에는 상기 칠러와 연결된 제1 냉매 라인이 연결 설치되고, 상기 포집 쿨러에는 상기 칠러와 연결된 제2 냉매 라인이 연결 설치되며, 상기 칠러는 상기 제2 냉매 라인에 연결 설치되어 상기 제2 냉매를 압축하는 압축기와 상기 제2 냉매 라인에 설치되어 상기 제2 냉매를 팽창시키는 팽창부, 상기 압축기와 상기 팽창부 사이에 설치되어 상기 제1 냉매 라인과의 열교환에 의하여 상기 제2 냉매를 응축시키는 응축기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 팽창부는 팽창 밸브로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 팽창부는 팽창 터빈으로 이루어지고, 상기 팽창 터빈은 전달축을 매개로 상기 압축기와 연결될 수 있다.
또한, 상기 제2 온도의 절대치는 상기 제1 온도의 절대치의 1.4배 내지 2.5배로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 포집 쿨러로 유입되는 플루 가스를 사전에 냉각하는 가스 쿨러를 더 포함하고, 상기 열 교환기에는 상기 열 교환기에서 배출된 냉매를 상기 가스 쿨러 전달하는 냉매 공급 라인과 상기 가스 쿨러에서 배출된 냉매를 상기 열 교환기로 전달하는 냉매 회수 라인이 연결 설치되며, 상기 칠러는 상기 냉매 공급 라인과 상기 냉매 회수 라인에 연결 설치될 수 있다.
또한, 상기 냉매 공급 라인과 상기 냉매 회수 라인에는 상기 칠러에 냉열을 공급하는 제1 열전달 라인이 연결 설치되고, 상기 칠러와 상기 포집 쿨러에는 상기 제1 열전달 라인에서 냉열을 전달 받아 상기 포집 쿨러에 공급하는 칠링 라인이 연결 설치되며, 상기 칠러는, 상기 칠링 라인에 연결 설치되어 제2 냉매를 압축하는 제1 압축기와 상기 칠링 라인에 설치되어 냉매를 팽창시키는 팽창부, 상기 제1 열전달 라인과의 열교환에 의하여 상기 제1 압축기에서 배출된 상기 제2 냉매를 응축시키는 제1 응축기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 냉매 공급 라인과 상기 냉매 회수 라인에는 상기 칠러에 냉열을 공급하는 제2 열전달 라인이 연결 설치되고, 상기 칠러는 상기 칠링 라인에 연결 설치되되 상기 제1 응축기에서 배출된 제2 냉매를 압축하는 제2 압축기와 상기 제2 열전달 라인과의 열교환에 의하여 상기 제2 압축기에서 배출된 제2 냉매를 응축시키는 제2 응축기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 냉매 라인과 상기 냉매 회수 라인에는 상기 칠러에 냉열을 공급하는 제3 열전달 라인이 연결 설치되고, 상기 칠러는 상기 칠링 라인에 연결 설치되되 상기 제2 응축기에서 배출된 제2 냉매를 압축하는 제3 압축기와 상기 제3 열전달 라인과의 열교환에 의하여 상기 제3 압축기에서 배출된 제2 냉매를 응축시키는 제3 응축기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 냉매 공급라인에 설치되어 냉매의 이동을 제어하는 메인 압축기, 상기 가스 쿨러에서 배출되는 플루 가스의 온도의 측정하는 메인 온도 센서, 상기 메인 온도 센서에서 정보를 전달받아 상기 메인 압축기의 작동을 제어하는 메인 압축 제어기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 포집 쿨러에서 배출되는 플루 가스의 온도의 측정하는 제1 온도 센서, 상기 제1 온도 센서에서 정보를 전달받아 상기 제1 압축기의 작동을 제어하는 제1 압축 제어기를 더 포함할 수 있다.
또한, 발전 설비에서 배출된 플루 가스를 이용하여 상기 포집 쿨러에서 배출된 플루 가스를 가열하고, 상기 발전 설비에서 배출된 플루 가스를 냉각하여 가스 쿨러로 전달하는 가스 히터를 더 포함하고, 상기 가스 히터에는 상기 열원에서 배출된 플루 가스에서 응축된 수분이 배출되는 수분 배출부가 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치는 냉매와 액화된 천연 가스의 열 교환이 이루어지며 상기 냉매를 제1 온도로 냉각시키는 열 교환기, 상기 열 교환기에서 배출되는 냉매를 제2 온도로 냉각시키는 칠러, 및 상기 칠러에서 배출된 냉매와 플루 가스를 열 교환하여 상기 플루 가스에 포함된 이산화탄소를 분리하는 포집 쿨러를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 온도의 절대치는 상기 제1 온도의 절대치의 1.4배 내지 2.5배로 이루어질 수 있다.
또한, 상기 열 교환기에서 배출된 냉매를 상기 포집 쿨러 전달하는 냉매 공급 라인, 상기 포집 쿨러에서 배출된 냉매를 상기 열 교환기로 전달하는 냉매 회수 라인을 더 포함하고, 상기 칠러는 상기 냉매 공급 라인에 설치되어 냉매를 압축하는 압축기와 상기 냉매 회수 라인에 설치되어 냉매를 팽창시키는 팽창부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면, 액화 천연 가스의 냉열을 이용하여 발전 설비의 플루 가스에 포함된 이산화탄소를 드라이아이스로 포집하여 대기 중으로 이산화탄소의 배출을 감소시킬 수 있다.
또한, 냉매와 액화 천연 가스의 열교환을 이용하여 안전성이 향상될 수 있을 뿐만 아니라 냉매를 칠러로 2차 냉각하여 냉매를 효율적으로 극저온 상태까지 냉각시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치를 나타내는 블럭도이다.
도 2는 종래의 일반적인 질소의 열전달량과 온도의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 따른 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치를 나타내는 블럭도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치를 나타내는 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예의 변형예에 따른 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치를 나타내는 블럭도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치를 나타내는 블럭도이다.
도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치를 나타내는 블럭도이다.
도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치를 나타내는 블럭도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치를 나타내는 블럭도이다.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 제1 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치(100)는 열교환기(121), 칠러(150), 포집 쿨러(141), 가스 히터(143), 저장부(160)를 포함할 수 있다.
제1 냉매와 제2 냉매는 질소로 이루어질 수 있다. 또한 제1 냉매와 제2 냉매는 질소, 아르곤, 헬륨, 이산화탄소로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다. 또한, 제1 냉매와 제2 냉매는 R14(CF4), R22(CHClF2), R23(CHF3), R116(C2F2), R218(C3F8)로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다.
열교환기(121)는 액화된 천연 가스(LNG)를 이용하여 제1 냉매를 냉각시키며, 액화된 천연 가스(LNG)는 열교환기(121)에서 재기화된다. 다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 액화된 천연 가스(LNG)는 열교환기(121)에서 기체 상태로 상변화되지 않고 가열만 될 수도 있다.
열교환기(121)로 공급되는 액화된 천연 가스는 약 -150deg.C 내지 -168deg.C의 온도, 100bar의 압력을 가질 수 있다. 열교환기(121)에는 칠러(150)와 연결된 제1 냉매 라인(123)이 연결 설치될 수 있다. 제1 냉매는 제1 냉매 라인(123)에 의하여 칠러(150)에 냉열을 전달한 후, 다시 제1 열교환기(121)로 유입되어 액화된 천연 가스(LNG)에 의하여 냉각될 수 있다. 열교환기(121)에서 제1 냉매는 -100deg.C 내지 -150deg.C까지 냉각될 수 있다.
액화된 천연 가스의 공급이 중단되는 경우 제1 냉매의 온도가 상승하면 제1 냉매의 부피가 증가하여 제1 냉매 라인(123)의 압력이 과다하게 증가할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 제1 냉매 라인(123)에는 저장부(160)가 연결 설치될 수 있다.
저장부(160)는 제1 냉매 라인(123)의 압력이 기준 압력보다 증가하는 경우 제1 냉매 라인(123)에서 배출되는 냉매를 저장하고, 제1 냉매 라인(123)의 압력이 기준 압력보다 낮은 경우 제1 냉매 라인(123)으로 냉매를 공급한다. 이를 위해서 저장부(160)와 제1 냉매 라인(123) 사이에는 냉매의 출입을 위한 관이 설치될 수 있으며, 관에는 밸브 및 펌프가 설치될 수 있다.
칠러(150)에는 제1 냉매 라인(123)과 제2 냉매 라인(124)이 연결 설치되며, 제2 냉매 라인(124)은 칠러(150)와 포집 쿨러(141)에 연결 설치되어 제2 냉매를 이송한다. 칠러(150)는 제2 냉매 라인(124)에 연결 설치되어 제2 냉매를 압축하는 압축기(151)와 압축된 제2 냉매를 냉각시키는 응축기(152), 응축된 제2 냉매를 팽창시키는 팽창부를 포함할 수 있다. 여기서 팽창부는 팽창 밸브(153)로 이루어질 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
응축기(152)는 제2 냉매 라인(124)과 제1 냉매 라인(123)의 열 교환에 의하여 제2 냉매 라인(124)을 따라 이동하는 제2 냉매를 냉각하며 압축기(151)와 팽창 밸브(153) 사이에 설치된다. 압축기(151)는 제2 냉매를 압축하며 압축된 제2 냉매의 온도는 상승한다. 압축된 제2 냉매는 응축기(152)에서 냉각되어 팽창부로 전달되며 팽창 밸브(153)에서 체적이 증가하는 제2 냉매는 더욱 냉각되어 포집 쿨러(141)로 전달될 수 있다.
본 제1 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치(100)는 포집 쿨러(141)에서 배출되는 플루 가스의 온도를 측정하는 온도 센서(181)와 온도 센서(181)에서 정보를 전달받아 압축기(151)를 제어하는 압축 제어기(182)를 더 포함할 수 있다. 압축 제어기(182)는 가변속 드라이브(VFD, Variable Frequency Drive)로 이루어질 수 있으며, 압축 제어기(182)는 플루 가스의 온도가 기 설정된 기준 온도보다 높으면 압축기(151)를 제어하여 압축률을 증가시키고, 플루 가스의 온도가 기 설정된 기준 온도보다 낮으면 압축기를 제어하여 압축률을 감소시킬 수 있다.
칠러(150)에서 배출되는 제2 냉매는 -100deg.C 내지 -200deg.C로 이루어질 수 있다. 열교환기(121)에서 배출되는 제1 냉매는 제1 온도를 갖고, 칠러(150)에서 배출되는 제2 냉매는 제2 온도를 갖는바, 제2 온도의 절대치는 제1 온도의 절대치의 1.2배 내지 2배로 이루어질 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 냉매인 질소는 삼중점이 34bar, -147deg.C이며, 0deg.C와 -120deg.C에서서 비열(Cp)의 차이가 약 3배정도 발생한다. 이와 같이 냉매는 극저온에서 물성치가 급격하게 변하므로 냉매의 온도를 극저온으로 냉각시키는 것이 쉽지 않다. 즉 열교환기의 크기가 증가하더라도 질소는 LNG 냉열에 가까운 -150deg.C 수준으로 냉각되지 않고, -120deg.C 수준으로 냉각된다. 이산화탄소 포집을 위해서는 -150deg.C로 냉각된 냉매가 필요한데, 본 제1 실시예와 같이 칠러(150)를 구비하면 냉매를 -150deg.C 이하로 냉각시킬 수 있다.
한편, 칠러(150)에서 배출되는 제2 냉매는 제2 냉매 라인(124)을 통해서 포집 쿨러(141)로 전달된다. 포집 쿨러(141)는 제2 냉매 라인(124)을 통해서 칠러(150)에서 배출된 제2 냉매를 공급받고, 제2 가스 라인(172)을 통해서 가스 히터(143)로부터 플루 가스를 공급받는다. 포집 쿨러(141)에서 플루 가스는 제2 냉매와의 열교환을 통해서 -0deg.C 내지 -150deg.C까지 냉각될 수 있으며, 바람직하게는 플루 가스는 -100deg.C 내지 -150deg.C로 냉각될 수 있다.
이에 따라 플루 가스에 포함된 이산화탄소는 고체 상태로 승화되어 플루 가스에서 분리되며, 플루 가스의 다른 기체들(N2, O2, Ar)은 기체 상태로 존재한다. 예를 들어, 플루 가스에 이산화탄소가 10% 부피비로 포함되어 있다면, 약 -100deg.C에서 이산화탄소가 고체로 승화하기 시작한다. 포집 쿨러에서 냉매의 냉열로 플루 가스의 온도가 -130deg.C가 되면, 플루 가스에는 이산화탄소가 1% 미만으로 존재한다. 따라서 이산화탄소의 제거 효율이 약 96%가 된다.
만약 플루 가스에 이산화탄소가 4% 부피비로 포함되어 있다면, 약 -110deg.C에서 이산화탄소가 고체로 승화하기 시작한다. 포집 쿨러에서 통과하면서 플루 가스의 온도가 -130deg.C가 되면, 플루 가스에는 이산화탄소가 1% 미만으로 존재한다. 따라서 이산화탄소의 제거 효율이 약 90%가 된다.
발전 설비에서 배출된 플루 가스는 대기압이며, 약 100deg.C 온도이다. 플루 가스에는 4 ~15%의 이산화탄소가 존재하며, 이산화탄소의 분압은 0.04 ~ 0.15기압이다.
플루 가스는 가스 히터(143), 포집 쿨러(141)를 거쳐서 냉각되며, 포집 쿨러(141)에서 냉각된 플루 가스는 가스 히터(143)에서 가열되어 정화 장치로 공급되거나 외부로 배출된다.
가스 히터(143)는 발전 설비(110)에서 배출된 고온의 플루 가스를 이용하여 포집 쿨러(141)에서 배출된 극저온의 플루 가스를 열 교환으로 가열하고, 발전 설비(110)에서 배출된 플루 가스를 냉각한다. 이를 위해서 가스 히터(143)에는 발전 설비(110)에서 배출되는 플루 가스가 공급되는 제1 가스 라인(171)과 포집 쿨러(141)에서 저온의 플루 가스가 전달되는 제3 가스 라인(174)이 연결 설치되어 있다.
포집 쿨러(141)에서 플루 가스는 이산화탄소의 포집을 위해서 -100deg.C 내지 -150deg.C로 냉각될 수 있는데, 이러한 플루 가스가 외부로 배출되면 환경을 파괴할 수 있다. 이에 포집 쿨러(141)에서 냉각된 플루 가스는 가스 히터(143)에서 가열된 후, 외부로 배출될 수 있다.
또한, 발전 설비(110)에서 배출되는 플루 가스는 0deg.C 내지 100deg.C의 고온으로 이루어질 수 있는데, 고온의 플루 가스는 포집 쿨러(141)에서 배출된 극저온의 플루 가스와의 열 교환에 의하여 -100deg.C 내지 0deg.C로 냉각되어 제2 가스 라인(172)을 통해서 포집 쿨러(141)로 이동한다. 이 과정에서 고온의 플루 가스에 포함된 물이 응축되며, 가스 히터(143)에는 발전 설비에서 배출된 플루 가스에서 응축된 수분이 배출되는 수분 배출부(175)가 형성될 수 있다. 수분은 수분 배출 라인(176)을 통해서 얼음 상태로 배출될 수 있으며 액체 형태로 배출될 수도 있다.
상기한 바와 같이, 본 제1 실시예에 따르면 칠러(150)가 설치되어 액화된 천연 가스를 이용하여 제1 냉매를 냉각하고, 제1 냉매와 칠러(150)를 이용하여 제2 냉매를 극저온까지 냉각시켜서 플루 가스에 포함된 이산화탄소를 효율적으로 포집할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 따른 이산화탄소 포집 장치에 대해서 설명한다. 도 3은 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 따른 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치를 나타내는 블럭도이다.
본 제1 실시예의 변형예에 따른 이산화탄소 포집 장치(101)는 팽창부에 팽창 터빈(155)이 적용된다. 팽창 터빈(155)은 응축된 제2 냉매를 팽창시켜서 제2 냉매의 온도를 감소시킨다. 팽창 터빈(155)은 압축기(151)와 전달축(158)으로 연결될 수 있는바, 이에 따라 팽창 터빈(155)의 회전력이 압축기(151)로 전달되어 압축력이 더욱 향상될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치에 대해서 설명한다. 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치를 개념적으로 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치(200)는 열교환기(221), 칠러(250), 포집 쿨러(241), 가스 쿨러(242), 가스 히터(243), 저장부(260)를 포함할 수 있다.
제1 냉매와 제2 냉매는 질소로 이루어질 수 있다. 또한 제1 냉매와 제2 냉매는 질소, 아르곤, 헬륨, 이산화탄소로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나로 이루어질 수 있다. 또한, 제1 냉매와 제2 냉매는 R14(CF4), R22(CHClF2), R23(CHF3), R116(C2F2), R218(C3F8)로 이루어지는 군에서 선택되는 어느 하나 또는 이들의 조합으로 이루어질 수 있다. 제1 냉매와 제2 냉매는 동일한 소재로 이루어질 수 있으며, 서로 상이한 소재로 이루어질 수도 있다.
열교환기(221)는 액화된 천연 가스(LNG)를 이용하여 제1 냉매를 냉각시키며, 액화된 천연 가스(LNG)는 열교환기(221)에서 재기화된다. 다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며 액화된 천연 가스(LNG)는 열교환기(221)에서 기체 상태로 상변화되지 않고 가열만 될 수도 있다.
열교환기(221)에는 열교환기(221)에서 배출된 제1 냉매를 가스 쿨러(242)에 전달하는 냉매 공급 라인(223)과 가스 쿨러(242)에서 배출된 제1 냉매를 열교환기(221)로 전달하는 냉매 회수 라인(224)이 연결 설치된다. 또한, 냉매 공급 라인(223)과 냉매 회수 라인(224)에는 칠러(250)에 냉열을 공급하는 제1 열전달 라인(225)이 설치될 수 있다.
제1 열전달 라인(225)은 냉매 공급 라인(223)으로부터 제1 냉매를 전달 받아서 칠러(250)에 냉열을 공급한 후, 냉매 회수 라인(224)으로 제1 냉매를 전달한다. 이에 따라 열교환기(221)에서 배출된 제1 냉매 중 일부는 칠러(250)에 냉열을 전달하고, 나머지 일부는 가스 쿨러(242)에 냉열을 전달할 수 있다.
액화된 천연 가스의 공급이 중단되어 제1 냉매의 온도가 상승하면 제1 냉매의 부피가 증가하여 냉매 공급 라인(223)의 압력이 과다하게 증가할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 냉매 공급 라인(223)에는 저장부(260)가 연결 설치될 수 있다.
저장부(260)는 냉매 공급 라인(223)의 압력이 기준 압력보다 증가하는 경우 냉매 공급 라인(223)에서 배출되는 냉매를 저장하고, 냉매 공급 라인(223)의 압력이 기준 압력보다 낮은 경우 냉매 공급 라인(223)으로 냉매를 공급한다. 이를 위해서 저장부(260)와 냉매 공급 라인(223) 사이에는 냉매 덤핑 라인(261)과 냉매 제어 라인(262)이 연결 설치될 수 있다.
냉매 덤핑 라인(261)에는 냉매 공급 라인(223)에서 저장부(260)로 이동하는 제1 냉매를 제어하는 제1 밸브(263)가 설치되고, 냉매 제어 라인(262)에는 저장부(260)에서 냉매 공급 라인(223)으로 이동하는 제1 냉매를 제어하는 제2 밸브(264)와 제1 제어 펌프(266)가 설치될 수 있다.
냉매 공급 라인(223)에는 압력 센서(265)가 설치될 수 있는데, 액화된 천연 가스의 공급이 중단되는 등의 이유로 냉매의 온도가 상승하여 냉매 공급 라인(223)의 압력이 한계 압력보다 상승하면 제1 밸브(263)가 개방되어 냉매가 저장부(260)로 이동하며 이에 따라 냉매 공급 라인(223)의 압력은 감소한다.
또한, 냉매 공급 라인(223)의 압력이 한계 압력보다 낮으면 제2 밸브(264)가 개방되고 펌프 제어기(267)에 의하여 제1 제어 펌프(266)가 가동되어 저장부(260)에서 냉매 공급 라인(223)으로 냉매가 공급된다.
칠러(250)에는 제1 열전달 라인(225)과 칠링 라인(256)이 연결 설치되며, 칠링 라인(256)은 칠러(250)와 포집 쿨러(241)에 연결 설치되어 제2 냉매를 이송한다. 칠러(250)는 칠링 라인(256)에 연결 설치되어 제2 냉매를 압축하는 압축기(251)와 압축된 제2 냉매를 냉각시키는 응축기(252), 응축된 제2 냉매를 팽창시키는 팽창부를 포함할 수 있다. 여기서 팽창부는 팽창 밸브(253)로 이루어질 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
칠링 라인(256)에는 칠러(250)에서 배출되는 제2 냉매의 온도를 측정하는 온도 센서(258)가 설치되고, 제1 열전달 라인(225)에는 제1 열전달 라인(225)을 통해서 이동하는 제1 냉매의 유량을 조절하는 유량 제어 밸브(259)가 설치된다. 유량 제어 밸브(259)는 온도 센서(258)와 연결되어 온도 센서(258)로부터 측정된 온도 정보를 전달 받는다. 유량 제어 밸브(259)는 온도 센서(258)에서 측정된 온도가 기준 온도보다 높은 경우, 제1 냉매의 유량을 증가시키고, 온도 센서(258)에서 측정된 온도가 기준 온도보다 낮은 경우, 제1 냉매의 유량을 감소시킬 수 있다.
응축기(252)는 제1 열전달 라인(225)과 칠링 라인(256)의 열 교환에 의하여 칠링 라인(256)을 따라 이동하는 제2 냉매를 냉각하며 압축기(251)와 팽창 밸브(253) 사이에 설치된다. 압축기(251)는 제2 냉매를 압축하며 압축된 제2 냉매의 온도는 상승한다. 압축된 제2 냉매는 응축기(252)에서 냉각되어 팽창부로 전달되며 팽창 밸브(253)에서 체적이 증가하는 제2 냉매는 더욱 냉각되어 포집 쿨러(241)로 전달될 수 있다.
본 제2 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치(200)는 포집 쿨러(241)에서 배출되는 플루 가스의 온도를 측정하는 제1 온도 센서(282)와 제1 온도 센서(282)에서 정보를 전달받아 압축기(251)를 제어하는 제1 압축 제어기(254)를 더 포함할 수 있다. 제1 압축 제어기(254)는 가변속 드라이브(VFD, Variable Frequency Drive)로 이루어질 수 있으며, 제1 압축 제어기(254)는 플루 가스의 온도가 기 설정된 기준 온도보다 높으면 압축기(251)를 제어하여 압축률을 증가시키고, 플루 가스의 온도가 기 설정된 기준 온도보다 낮으면 압축기를 제어하여 압축률을 감소시킬 수 있다.
칠러(250)에서 배출되는 제2 냉매는 -100deg.C 내지 -200deg.C로 이루어질 수 있다. 열교환기(221)에서 배출되는 제1 냉매는 제1 온도를 갖고, 칠러(250)에서 배출되는 제2 냉매는 제2 온도를 갖는바, 제2 온도의 절대치는 제1 온도의 절대치의 1.2배 내지 2배로 이루어질 수 있다.
이하에서는 플루 가스의 흐름을 중심으로 설명한다.
발전 설비(210)에서 배출된 플루 가스는 대기압이며, 약 100deg.C 온도이다. 플루 가스에는 4 ~15%의 이산화탄소가 존재하며, 이산화탄소의 분압은 0.04 ~ 0.15기압이다. 플루 가스는 가스 히터(243), 가스 쿨러(242), 포집 쿨러(241)를 거쳐서 냉각되며, 포집 쿨러(241)에서 냉각된 플루 가스는 가스 히터(243)에서 가열되어 정화 장치로 공급되거나 외부로 배출된다.
가스 히터(243)는 발전 설비(210)에서 배출된 고온의 플루 가스를 이용하여 포집 쿨러(241)에서 배출된 극저온의 플루 가스를 열 교환으로 가열하고, 발전 설비(210)에서 배출된 플루 가스를 냉각한다. 이를 위해서 가스 히터(243)에는 발전 설비(210)에서 배출되는 플루 가스가 공급되는 제1 가스 라인(271)과 포집 쿨러(241)에서 저온의 플루 가스가 전달되는 제4 가스 라인(274)이 연결 설치되어 있다.
가스 히터(243)에서 냉각된 플루 가스는 제2 가스 라인(272)을 매개로 가스 쿨러(242)로 공급되는데, 가스 쿨러(242)는 열교환기(221)에서 전달된 제1 냉매를 이용하여 가스 히터(243)에서 냉각된 플루 가스를 냉각한다. 이에 따라 플루 가스 포집 쿨러(241)로 유입되기 전에 가스 쿨러(242)에서 냉각될 수 있다.
가스 쿨러(242)에는 냉매 공급 라인(223)과 냉매 회수 라인(224)이 연결 설치된다. 가스 쿨러(242)에서 플루 가스는 2차로 냉각되며 -100deg.C 내지 0deg.C로 냉각될 수 있다. 가스 쿨러(242)에서 냉각된 플루 가스는 제3 가스 라인(273)을 매개로 포집 쿨러(241)로 전달될 수 있다.
이산화탄소 포집 장치(200)는 냉매 공급 라인(223)에 설치되어 제1 냉매의 이동을 제어하는 메인 압축기(226), 가스 쿨러(242)에서 배출되는 플루 가스의 온도의 측정하는 메인 온도 센서(281), 메인 온도 센서(281)에서 정보를 전달받아 메인 압축기(226)의 작동을 제어하는 메인 압축 제어기(227)를 더 포함할 수 있다.
메인 압축 제어기(227)는 가변속 드라이브(VFD, Variable Frequency Drive)로 이루어질 수 있으며, 메인 압축 제어기(227)는 플루 가스의 온도가 기 설정된 기준 온도보다 높으면 메인 압축기(226)를 제어하여 압축률을 증가시키고, 플루 가스의 온도가 기 설정된 기준 온도보다 낮으면 메인 압축기(226)를 제어하여 압축률을 감소시킬 수 있다.
한편, 칠러(250)에서 배출되는 제2 냉매는 칠링 라인(256)을 통해서 포집 쿨러(241)로 전달된다. 포집 쿨러(241)는 제3 가스 라인(273)을 통해서 가스 쿨러(242)로부터 플루 가스를 공급받는다. 포집 쿨러(241)에서 플루 가스는 제2 냉매와의 열교환을 통해서 -0deg.C 내지 -150deg.C까지 냉각될 수 있으며, 바람직하게는 플루 가스는 -100deg.C 내지 -150deg.C로 냉각될 수 있다.
이에 따라 플루 가스에 포함된 이산화탄소는 고체 상태로 승화되어 플루 가스에서 분리되며, 플루 가스의 다른 기체들(N2, O2, Ar)은 기체 상태로 존재한다.
상기한 바와 같이, 본 제2 실시예에 따르면 가스 쿨러(242)가 설치되어 플루 가스가 가스 히터(243), 가스 쿨러(242), 및 포집 쿨러(241)에서 3단계로 냉각될 수 있으며, 칠러(250)에 의하여 더욱 냉각된 제2 냉매에 의하여 이산화탄소의 포집 효율이 향상될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제2 실시예의 변형예에 따른 이산화탄소 포집 장치에 대해서 설명한다. 도 5는 본 발명의 제2 실시예의 변형예에 따른 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치를 나타내는 블럭도이다.
본 제2 실시예의 변형예에 따른 이산화탄소 포집 장치(201)는 팽창부에 팽창 터빈(255)이 적용된다. 팽창 터빈(255)은 응축된 제2 냉매를 팽창시켜서 제2 냉매의 온도를 감소시킨다. 팽창 터빈(255)은 압축기(251)와 전달축(258)으로 연결될 수 있는바, 이에 따라 팽창 터빈(255)의 회전력이 압축기(251)로 전달되어 압축력이 더욱 향상될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 이용한 이산화탄소 포집 장치에 대해서 설명한다. 도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치를 나타내는 블럭도이다.
본 제3 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치(300)는 칠러(350)를 제외하고는 상기한 제2 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치와 동일한 구조로 이루어지는 바, 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 제3 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치(300)는 열교환기(321), 칠러(350), 포집 쿨러(341), 가스 쿨러(342), 가스 히터(343)를 포함할 수 있다.
열교환기(321)에는 열교환기(321)에서 배출된 제1 냉매를 가스 쿨러(342)에 전달하는 냉매 공급 라인(323)과 가스 쿨러(342)에서 배출된 제1 냉매를 열교환기(321)로 전달하는 냉매 회수 라인(324)이 연결 설치된다. 또한, 냉매 공급 라인(323)과 냉매 회수 라인(324)에는 칠러(350)에 냉열을 공급하는 제1 열전달 라인(325)과 제2 열전달 라인(326)이 설치될 수 있다.
칠러(350)에는 제1 열전달 라인(325), 제2 열전달 라인(326), 및 칠링 라인(370)이 연결 설치되며, 칠링 라인(370)은 칠러(350)와 포집 쿨러(341)에 연결 설치되어 제2 냉매를 이송한다. 칠러(350)는 칠링 라인(370)에 연결 설치되어 제2 냉매를 압축하는 제1 압축기(351)와 압축된 제2 냉매를 냉각시키는 재1 응축기(352), 재1 응축기(352)에서 응축된 제2 냉매를 다시 압축하는 제2 압축기(354), 제2 압축기(354)에서 압축된 제2 냉매를 응축하는 제2 응축기(355), 제2 응축기(355)에서 배출되는 제2 냉매를 팽창시키는 팽창부를 포함할 수 있다. 여기서 팽창부는 팽창 밸브(353)로 이루어질 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
제1 열전달 라인(325)은 냉매 공급 라인(323)으로부터 제1 냉매를 전달 받아 냉열을 칠러(350)에 전달하고 제1 냉매를 냉매 회수 라인(324)으로 전달한다. 제1 응축기(352)는 제1 열전달 라인(325)과 칠링 라인(370)의 열 교환에 의하여 칠링 라인(370)을 따라 이동하는 제2 냉매를 냉각하며 제1 압축기(351)와 제2 압축기(354) 사이에 설치된다.
제2 열전달 라인(326)은 냉매 공급 라인(323)으로부터 제1 냉매를 전달 받아 냉열을 칠러(350)에 전달하고 제1 냉매를 냉매 회수 라인(324)으로 전달한다. 제2 응축기(352)는 제2 열전달 라인(326)과 칠링 라인(370)의 열 교환에 의하여 칠링 라인(370)을 따라 이동하는 제2 냉매를 냉각하며 제2 압축기(354)와 팽창 밸브(353) 사이에 설치된다.
가스 히터(343)는 발전 설비(310)에서 배출된 고온의 플루 가스를 이용하여 포집 쿨러(341)에서 배출된 극저온의 플루 가스를 열 교환으로 가열하고, 발전 설비(310)에서 배출된 플루 가스를 냉각한다. 이를 위해서 가스 히터(343)에는 제1 가스 라인(371)과 제4 가스 라인(374)이 연결 설치되어 있다. 가스 히터(343)에서 냉각된 플루 가스는 제2 가스 라인(372)을 매개로 가스 쿨러(342)로 공급된다.
가스 쿨러(342)에는 냉매 공급 라인(323)과 냉매 회수 라인(324)이 연결 설치된다. 가스 쿨러(342)에서 냉각된 플루 가스는 제3 가스 라인(373)을 매개로 포집 쿨러(341)로 전달될 수 있다.
한편, 칠러(350)에서 배출되는 제2 냉매는 칠링 라인(370)을 통해서 포집 쿨러(341)로 전달된다. 포집 쿨러(341)에서 플루 가스는 제2 냉매와의 열교환을 통해서 극저온으로 냉각될 수 있으며, 이에 따라 플루 가스에 포함된 이산화탄소는 고체 상태로 승화되어 플루 가스에서 분리된다.
상기한 바와 같이, 본 제3 실시예에 따르면 제2 냉매는 칠러(350) 내부에서 2번의 압축과 응축 과정을 거치되므로 제2 냉매가 극저온으로 보다 용이하게 냉각될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제4 실시예에 따른 이용한 이산화탄소 포집 장치에 대해서 설명한다. 도 7은 본 발명의 제4 실시예에 따른 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치를 나타내는 블럭도이다.
본 제4 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치(400)는 칠러(450)를 제외하고는 상기한 제2 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치와 동일한 구조로 이루어지는 바, 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 제3 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치(400)는 열교환기(421), 칠러(450), 포집 쿨러(441), 가스 쿨러(442), 가스 히터(443)를 포함할 수 있다.
열교환기(421)에는 열교환기(421)에서 배출된 제1 냉매를 가스 쿨러(442)에 전달하는 냉매 공급 라인(423)과 가스 쿨러(442)에서 배출된 제1 냉매를 열교환기(421)로 전달하는 냉매 회수 라인(424)이 연결 설치된다. 또한, 냉매 공급 라인(423)과 냉매 회수 라인(424)에는 칠러(450)에 냉열을 공급하는 제1 열전달 라인(425), 제2 열전달 라인(426), 및 제3 열전달 라인(427)이 설치될 수 있다.
칠러(450)에는 제1 열전달 라인(425), 제2 열전달 라인(426), 제3 열전달 라인(427), 및 칠링 라인(470)이 연결 설치되며, 칠링 라인(470)은 칠러(450)와 포집 쿨러(441)에 연결 설치되어 제2 냉매를 이송한다. 칠러(450)는 칠링 라인(470)에 연결 설치되어 제2 냉매를 압축하는 제1 압축기(451)와 압축된 제2 냉매를 냉각시키는 재1 응축기(452), 재1 응축기(452)에서 응축된 제2 냉매를 다시 압축하는 제2 압축기(454), 제2 압축기(454)에서 압축된 제2 냉매를 응축하는 제2 응축기(455), 재2 응축기(455)에서 응축된 제2 냉매를 다시 압축하는 제3 압축기(456), 제3 압축기(456)에서 압축된 제2 냉매를 응축하는 제3 응축기(457), 제3 응축기(457)에서 배출되는 제2 냉매를 팽창시키는 팽창부를 포함할 수 있다. 여기서 팽창부는 팽창 밸브(453)로 이루어질 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
제1 열전달 라인(425), 제2 열전달 라인(426), 제3 열전달 라인(427)은 냉매 공급 라인(423)으로부터 제1 냉매를 전달 받아 냉열을 칠러(450)에 전달하고 제1 냉매를 냉매 회수 라인(424)으로 전달한다. 제1 응축기(452)는 제1 열전달 라인(425)과 칠링 라인(470)의 열 교환에 의하여 칠링 라인(470)을 따라 이동하는 제2 냉매를 냉각하며 제1 압축기(451)와 제2 압축기(454) 사이에 설치된다.
제2 응축기(452)는 제2 열전달 라인(426)과 칠링 라인(470)의 열 교환에 의하여 칠링 라인(470)을 따라 이동하는 제2 냉매를 냉각하며 제2 압축기(454)와 제3 압축기(456) 사이에 설치된다. 제3 응축기(457)는 제3 열전달 라인(427)과 칠링 라인(470)의 열 교환에 의하여 칠링 라인(470)을 따라 이동하는 제2 냉매를 냉각하며 제3 압축기(456)와 팽창 밸브(453) 사이에 설치된다.
가스 히터(443)는 발전 설비(410)에서 배출된 고온의 플루 가스를 이용하여 포집 쿨러(441)에서 배출된 극저온의 플루 가스를 열 교환으로 가열하고, 발전 설비(410)에서 배출된 플루 가스를 냉각한다. 이를 위해서 가스 히터(443)에는 제1 가스 라인(471)과 제4 가스 라인(474)이 연결 설치되어 있다. 가스 히터(443)에서 냉각된 플루 가스는 제2 가스 라인(472)을 매개로 가스 쿨러(442)로 공급된다.
가스 쿨러(442)에는 냉매 공급 라인(423)과 냉매 회수 라인(424)이 연결 설치된다. 가스 쿨러(442)에서 냉각된 플루 가스는 제3 가스 라인(473)을 매개로 포집 쿨러(441)로 전달될 수 있다.
한편, 칠러(450)에서 배출되는 제2 냉매는 칠링 라인(470)을 통해서 포집 쿨러(441)로 전달된다. 포집 쿨러(441)에서 플루 가스는 제2 냉매와의 열교환을 통해서 냉각될 수 있으며, 이에 따라 플루 가스에 포함된 이산화탄소는 고체 상태로 승화되어 플루 가스에서 분리된다.
상기한 바와 같이, 본 제4 실시예에 따르면 제2 냉매는 칠러(450) 내부에서 3번의 압축과 응축 과정을 거치되므로 제2 냉매가 극저온으로 보다 용이하게 냉각될 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제5 실시예에 따른 이용한 이산화탄소 포집 장치에 대해서 설명한다. 도 8은 본 발명의 제5 실시예에 따른 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치를 나타내는 블럭도이다.
본 제5 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치(500)는 칠러(550)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치와 동일한 구조로 이루어지는 바, 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
도 8을 참조하여 설명하면, 본 제1 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치(500)는 열교환기(521), 칠러(550), 포집 쿨러(541), 가스 히터(543)를 포함할 수 있다.
열교환기(521)는 액화된 천연 가스(LNG)를 이용하여 냉매를 냉각시키며, 액화된 천연 가스(LNG)는 열교환기(521)에서 재기화된다. 열교환기(521)에는 열교환기(521)에서 배출된 냉매를 포집 쿨러(541)에 전달하는 냉매 공급 라인(523)과 포집 쿨러(541)에서 배출된 냉매를 열교환기(521)로 전달하는 냉매 회수 라인(524)이 연결 설치된다.
칠러(550)는 냉매 공급 라인(523)과 냉매 회수 라인(524)에 연결 설치되며, 열 교환기(521)와 포집 쿨러(541) 사이에 위치한다. 칠러(550)는 냉매 공급 라인(523)에 설치된 압축기(551)와 냉매 회수 라인(524)에 설치된 팽창부(552)를 포함한다.
압축기(551)는 냉매 공급 라인(523)에 설치되어 포집 쿨러(541)에서 배출된 냉매를 압축하여 열교환기(521)로 전달한다. 또한, 팽창부(552)는 냉매 회수 라인(524)에 설치되어 열교환기(521)에서 배출된 냉매를 팽창시켜서 온도를 낮추어 포집 쿨러(541)로 공급한다. 여기서 팽창부(552)는 팽창 밸브 또는 팽창 터빈으로 이루어질 수 있다.
이에 따라, 본 제5 실시예에 따른 냉매는 압축기(551)에서 압축되고, 열교환기(521)에서 액화된 천연 가스로부터 냉열을 공급받아 응축되며, 팽창부(552)에서 팽창되어 극저온 상태로 포집 쿨러(541)에 공급될 수 있다.
본 제5 실시예에 따른 이산화탄소 포집 장치(500)는 포집 쿨러(541)에서 배출되는 플루 가스의 온도를 측정하는 온도 센서(580)와 온도 센서(580)에서 정보를 전달받아 압축기(551)를 제어하는 압축 제어기(554)를 더 포함할 수 있다. 압축 제어기(554)는 가변속 드라이브(VFD, Variable Frequency Drive)로 이루어질 수 있으며, 압축 제어기(582)는 플루 가스의 온도가 기 설정된 기준 온도보다 높으면 압축기(551)를 제어하여 압축률을 증가시키고, 플루 가스의 온도가 기 설정된 기준 온도보다 낮으면 압축기를 제어하여 압축률을 감소시킬 수 있다.
냉매 공급 라인(523)을 따라 칠러(550)에서 배출되는 냉매는 -100deg.C 내지 -200deg.C로 이루어질 수 있다. 열교환기(521)에서 배출되는 냉매는 제1 온도를 갖고, 칠러(550)에서 배출되는 냉매는 제2 온도를 갖는바, 제2 온도의 절대치는 제1 온도의 절대치의 1.2배 내지 2배로 이루어질 수 있다.
포집 쿨러(541)는 칠러(550)에서 냉매를 공급받고, 제2 가스 라인(572)을 통해서 가스 히터(543)로부터 플루 가스를 공급받는다. 포집 쿨러(541)에서 플루 가스는 냉매와의 열교환을 통해서 냉각될 수 있으며, 이에 따라 플루 가스에 포함된 이산화탄소는 고체 상태로 승화되어 플루 가스에서 분리된다.
가스 히터(543)는 발전 설비(510)에서 배출된 고온의 플루 가스를 이용하여 포집 쿨러(541)에서 배출된 극저온의 플루 가스를 열 교환으로 가열하고, 발전 설비(510)에서 배출된 플루 가스를 냉각한다. 이를 위해서 가스 히터(543)에는 발전 설비(510)에서 배출되는 플루 가스가 공급되는 제1 가스 라인(571)과 포집 쿨러(541)에서 저온의 플루 가스가 전달되는 제3 가스 라인(574)이 연결 설치되어 있다. 또한, 가스 히터(543)에는 포집 쿨러(541)에 플루 가스를 공급하는 제2 가스 라인(572)이 연결 설치될 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 제5 실시예에 따르면 칠러(550)가 열 교환기(521)에서 냉각된 냉매를 직접 한번 더 냉각하므로 냉매를 극저온까지 냉각시켜서 플루 가스에 포함된 이산화탄소를 효율적으로 포집할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100, 101, 200, 201, 300, 400, 500: 이산화탄소 포집 장치
110, 210, 310, 410, 510: 발전 설비
121, 221, 321, 421, 521: 열교환기
123: 제1 냉매 라인
124: 제2 냉매 라인
141, 241, 341, 441, 541: 포집 쿨러
143, 243, 343, 443. 543: 가스 히터
150, 250, 350, 450, 550: 칠러
151, 251, 551: 압축기
152, 252: 응축기
153, 253, 353, 453: 팽창 밸브
155, 255: 팽창 터빈
158, 258: 전달축
160, 260: 저장부
171, 271, 371, 471, 571: 제1 가스 라인
172, 272, 372, 472, 572: 제2 가스 라인
174, 273, 373, 473, 574: 제3 가스 라인
181, 258, 580: 온도 센서
182, 554: 압축 제어기
223, 323, 423, 523: 냉매 공급 라인
224, 324, 424, 524: 냉매 회수 라인
225, 325, 425: 제1 열전달 라인
226: 메인 압축기
227: 메인 압축 제어기
242, 342, 442: 가스 쿨러
254: 제1 압축 제어기
256, 370, 470: 칠링 라인
259: 유량 제어 밸브
261: 냉매 덤핑 라인
262: 냉매 제어 라인
263: 제1 밸브
264: 제2 밸브
266: 제1 제어 펌프
265: 압력 센서
274, 374, 474: 제4 가스 라인
281: 메인 온도 센서
282: 제1 온도 센서
326, 426: 제2 열전달 라인
351, 451: 제1 압축기
352, 452: 재1 응축기
354, 454: 제2 압축기
355, 455: 제2 응축기
427: 제3 열전달 라인
456: 제3 압축기
457: 제3 응축기
552: 팽창부

Claims (15)

  1. 제1 냉매와 액화된 천연 가스의 열 교환이 이루어지며 상기 제1 냉매를 제1 온도로 냉각시키는 열 교환기;
    상기 열 교환기에서 배출되는 제1 냉매와의 열교환으로 제2 냉매를 제2 온도로 냉각시키는 칠러; 및
    상기 칠러에서 배출된 제2 냉매와 플루 가스를 열 교환하여 상기 플루 가스에 포함된 이산화탄소를 분리하는 포집하는 쿨러;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열 교환기에는 상기 칠러와 연결된 제1 냉매 라인이 연결 설치되고, 상기 포집 쿨러에는 상기 칠러와 연결된 제2 냉매 라인이 연결 설치되며,
    상기 칠러는 상기 제2 냉매 라인에 연결 설치되어 상기 제2 냉매를 압축하는 압축기와 상기 제2 냉매 라인에 설치되어 상기 제2 냉매를 팽창시키는 팽창부, 상기 압축기와 상기 팽창부 사이에 설치되어 상기 제1 냉매 라인과의 열교환에 의하여 상기 제2 냉매를 응축시키는 응축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 팽창부는 팽창 밸브로 이루어진 것을 특징으로 하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 팽창부는 팽창 터빈으로 이루어지고, 상기 팽창 터빈은 전달축을 매개로 상기 압축기와 연결된 것을 특징으로 하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 온도의 절대치는 상기 제1 온도의 절대치의 1.4배 내지 2.5배인 것을 특징으로 하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 포집 쿨러로 유입되는 플루 가스를 사전에 냉각하는 가스 쿨러를 더 포함하고,
    상기 열 교환기에는 상기 열 교환기에서 배출된 냉매를 상기 가스 쿨러 전달하는 냉매 공급 라인과 상기 가스 쿨러에서 배출된 냉매를 상기 열 교환기로 전달하는 냉매 회수 라인이 연결 설치되며,
    상기 칠러는 상기 냉매 공급 라인과 상기 냉매 회수 라인에 연결 설치된 것을 특징으로 하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 냉매 공급 라인과 상기 냉매 회수 라인에는 상기 칠러에 냉열을 공급하는 제1 열전달 라인이 연결 설치되고, 상기 칠러와 상기 포집 쿨러에는 상기 제1 열전달 라인에서 냉열을 전달 받아 상기 포집 쿨러에 공급하는 칠링 라인이 연결 설치되며,
    상기 칠러는, 상기 칠링 라인에 연결 설치되어 제2 냉매를 압축하는 제1 압축기와 상기 칠링 라인에 설치되어 냉매를 팽창시키는 팽창부, 상기 제1 열전달 라인과의 열교환에 의하여 상기 제1 압축기에서 배출된 상기 제2 냉매를 응축시키는 제1 응축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 냉매 공급 라인과 상기 냉매 회수 라인에는 상기 칠러에 냉열을 공급하는 제2 열전달 라인이 연결 설치되고,
    상기 칠러는 상기 칠링 라인에 연결 설치되되 상기 제1 응축기에서 배출된 제2 냉매를 압축하는 제2 압축기와 상기 제2 열전달 라인과의 열교환에 의하여 상기 제2 압축기에서 배출된 제2 냉매를 응축시키는 제2 응축기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 냉매 라인과 상기 냉매 회수 라인에는 상기 칠러에 냉열을 공급하는 제3 열전달 라인이 연결 설치되고,
    상기 칠러는 상기 칠링 라인에 연결 설치되되 상기 제2 응축기에서 배출된 제2 냉매를 압축하는 제3 압축기와 상기 제3 열전달 라인과의 열교환에 의하여 상기 제3 압축기에서 배출된 제2 냉매를 응축시키는 제3 응축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 냉매 공급라인에 설치되어 냉매의 이동을 제어하는 메인 압축기, 상기 가스 쿨러에서 배출되는 플루 가스의 온도의 측정하는 메인 온도 센서, 상기 메인 온도 센서에서 정보를 전달받아 상기 메인 압축기의 작동을 제어하는 메인 압축 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 포집 쿨러에서 배출되는 플루 가스의 온도의 측정하는 제1 온도 센서, 상기 제1 온도 센서에서 정보를 전달받아 상기 제1 압축기의 작동을 제어하는 제1 압축 제어기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치.
  12. 제7항에 있어서,
    발전 설비에서 배출된 플루 가스를 이용하여 상기 포집 쿨러에서 배출된 플루 가스를 가열하고, 상기 발전 설비에서 배출된 플루 가스를 냉각하여 가스 쿨러로 전달하는 가스 히터를 더 포함하고, 상기 가스 히터에는 상기 열원에서 배출된 플루 가스에서 응축된 수분이 배출되는 수분 배출부가 형성된 것을 특징으로 하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치.
  13. 냉매와 액화된 천연 가스의 열 교환이 이루어지며 상기 냉매를 제1 온도로 냉각시키는 열 교환기;
    상기 열 교환기에서 배출되는 냉매를 제2 온도로 냉각시키는 칠러;
    상기 칠러에서 배출된 냉매와 플루 가스를 열 교환하여 상기 플루 가스에 포함된 이산화탄소를 분리하는 포집 쿨러;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 온도의 절대치는 상기 제1 온도의 절대치의 1.4배 내지 2.5배인 것을 특징으로 하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 열 교환기에서 배출된 냉매를 상기 포집 쿨러 전달하는 냉매 공급 라인, 상기 포집 쿨러에서 배출된 냉매를 상기 열 교환기로 전달하는 냉매 회수 라인을 더 포함하고,
    상기 칠러는 상기 냉매 공급 라인에 설치되어 냉매를 압축하는 압축기와 상기 냉매 회수 라인에 설치되어 냉매를 팽창시키는 팽창부를 포함하는 것을 특징으로 하는 액화 천연 가스의 냉열을 이용한 이산화탄소 포집 장치.
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