KR20230044874A - 액화 이산화탄소 이송 시스템 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액화 이산화탄소의 이송 또는 증발기체의 비상압력배출(emergency vent) 시에 이산화탄소의 결빙을 방지하기 위한 액화 이산화탄소 이송 시스템에 관한 것으로, 이송배관 또는 증발기체배관의 온도를 조절하는 가열수단; 및 이송부의 하류에 구비되어 상기 이송배관의 온도를 조절하는 열교환기를 포함하고, 상기 열교환기는, 해수를 열매로 사용할 수 있다.

Description

액화 이산화탄소 이송 시스템 및 이를 포함하는 선박{Transfer System of Liquid Carbon Dioxide and Vessel comprising the same}

본 발명은 액화 이산화탄소 이송 시스템에 관한 것이다.

지구온난화를 방지하기 위한 구체적 이행 방안으로서 온실가스 배출량을 감축하고자 1997년 채택되고 2005년 공식 발효된 교토의정서에 따라, 감축 대상 온실가스 중 하나인 이산화탄소를 그대로 대기중에 방출시키는 것은 점차 어려워지고 있다.

그에 따라 대기중에 방출되는 이산화탄소를 감축시키기 위하여, 이산화탄소를 저장소에 저장하는 방법이나, 발생된 이산화탄소를 타국에 매각하는 방법 등의 새로운 사업 모델이 제시되고 있는 실정이다.

최근에는 배출가스에서 분리된 이산화탄소를 해양, 지중, 지표 등의 지하장소에 주입하여 저장하는 CCS(Carbon Capture and Storage)기술과 이를 운송하는 기술이 대두되고 있다.

한편, 이산화탄소는 삼중점이 216.7K(-56.3℃), 5.17bar로 알려져 있으며, 상기의 공정을 거침으로써 분리 농축된 이산화탄소를 냉각 압축하여 주로 액화된 상태로 운반할 수 있으며, 이산화탄소의 액화는 천연가스의 액화에 널리 사용되는 팽창법, 다단냉각법, 혼합냉각법 등 다양한 공지수단을 전용함으로써 이루어질 수 있다.

액화된 이산화탄소의 수송은 수송 거리가 1,000km 이상인 경우에는 파이프를 이용하는 것보다 선박을 이용하는 것이 경제적인 것으로 알려져 있다. 따라서 국가간 이산화탄소의 수송에 있어서 수송 수단으로는 선박이 타당하며, 이산화탄소 운반용 선박은 고압, 저온으로 냉각된 이산화탄소의 액화상태를 유지할 수 있는 탱크 시설을 갖추어야 한다.

특히, 기존의 자동차를 이용하는 운송과 달리 대량의 이산화탄소를 선박을 이용하여 장거리 운송할 경우 이산화탄소의 밀도를 높여서 많이 운송하는 것이 유리하다. 이산화탄소는 삼중점 근처에서 가장 밀도가 높으므로 삼중점 근처의 상태에서 액화된 이산화탄소를 운송하는 것이 가장 이상적이라 할 수 있다.

그런데, 이러한 액화이산화탄소는 운송된 후 하역시에 밸브나 좁은 배관을 지나면서 급격한 압력차이가 발생하여 온도가 떨어지면서 액체 상태의 이산화탄소가 고형화되는 문제점이 있다.

예를 들면, 탱크에 저장되었던 액화이산화탄소를 펌프로 이송할 경우 펌프 후단에 밸브를 전후로 전단에는 고압의 액화이산화탄소가 존재하고, 후단에는 상압의 빈 배관이 존재한다. 이때, 밸브를 열고 펌프를 작동시켜 액화 이산화탄소를 운송할 경우 밸브 전후의 전후단 배관의 압력차가 발생하고, 줄-톰슨 효과에 의해 온도가 떨어지게 되어 액화이산화탄소가 고체로 상이 변해서 드라이아이스가 되는 것이다.

도 1을 참조하여 상세하게 설명하면, 이산화탄소의 삼중점은 압력이 5.17bar이상이고, 온도는 216.7K(-56.3℃) 이상인 상태이다. 이때, 액화이산화탄소를 대량으로 장거리 수송하려면 액체 상태의 이산화탄소이되, 밀도가 높아야하므로 삼중점과 근접한 압력과 온도로 액화시키게 된다. 이러한 액화이산화탄소 상태에서 압력이 낮아지면 줄-톰슨 효과에 의해 온도가 낮아지면서 고체 상태의 드라이아이스가 되는 것이다.

따라서, 배관에서 드라이아이스가 생길 경우 배관이나 밸브를 막아서 유체의 흐름을 막을 수 있고, 배관파손 등의 사고를 유발하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 액화 이산화탄소 운반선에서 드라이아이스 발생으로 인한 배관 막힘 등을 방지하기 위해 배관의 온도 및 압력을 일정 수준으로 유지할 수 있는, 이송 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 액화 이산화탄소 이송 시스템은, 액화 이산화탄소의 이송 또는 증발기체의 비상압력배출(emergency vent) 시에 이산화탄소의 결빙을 방지하기 위한 액화 이산화탄소 이송 시스템에 관한 것으로, 이송배관 또는 증발기체배관의 온도를 조절하는 가열수단; 및 이송부의 하류에 구비되어 상기 이송배관의 온도를 조절하는 열교환기를 포함하고, 상기 열교환기는, 해수를 열매로 사용할 수 있다.

구체적으로, 상기 가열수단은 전기 또는 스팀을 사용하여 상기 이송배관 또는 증발기체배관을 가열할 수 있다.

구체적으로, 상기 이송배관 또는 증발기체배관에는 단열재가 구비될 수 있다.

구체적으로, 액화 이산화탄소 이송 시스템은 온도 센서 및 압력 센서를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 선박은 액화 이산화탄소 이송 시스템을 포함할 수 있다.

본 발명의 액화 이산화탄소 이송 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명에 따른 배관 액화 이산화탄소 이송 시스템은, 액화 이산화탄소 운반선에서 이산화탄소가 이동하는 배관 라인에 히팅 시스템을 설치하여 드라이아이스 발생으로 인한 배관 막힘 등을 방지할 수 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 이산화탄소의 삼중점을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액화 이산화탄소 이송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 액화 이산화탄소 이송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 액화 이산화탄소 이송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 액화 이산화탄소 이송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 액화 이산화탄소 이송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

선박은 해양선박, FPSO, FSRU, 바지선, 도로상 트레일러선 등 다양한 운반 선박 및 해양부유체를 모두 포함하는 것으로, 상기 선박에는 고압, 저온으로 냉각된 이산화탄소의 액화상태를 유지할 수 있는 탱크시설을 갖추고 있는 것을 포함한다.

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 액화 이산화탄소 이송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참고하여 보면, 본 발명에 따른 액화 이산화탄소 이송 시스템(1)은 액화이산화탄소가 저장된 저장탱크(10)와, 저장탱크(10)에 저장된 액화이산화탄소를 이송하는 이송배관(20)과, 이송배관(20)을 통해 이송되는 액화이산화탄소를 저장하는 수요처(30), 이송배관(20)을 통과하고 있는 이산화탄소를 가열시키기 위한 가열수단(40), 그리고, 저장탱크(10)에서 액화 이산화탄소를 수요처(30)로 이송하기 위한 펌프나 밸브와 같은 이송부(50)로 이루어진다.

본 발명의 액화 이산화탄소 이송 시스템(1)은, 저장탱크(10) 내의 액화 이산화탄소가 이송부(50)가 동력을 제공하면 이송배관(20)을 통해 수요처(30)로 이송되고, 이때 이송배관(20)에 구비된 가열수단(40)에 의해 액화 이산화탄소가 가열되는 것이다.

저장탱크(10)에는 포집된 이산화탄소를 액화시킨 액화 이산화탄소가 저장된다. 이때, 액화 이산화탄소는 대량의 이산화탄소를 장거리 운송할 수 있도록 도 1에 나타난 삼중점(triple point)과 근접한 조건으로 액화되어 높은 밀도를 유지하는 것이 바람직하다. 여기서, 삼중점은 -48~-52℃ 정도의 온도와 6~7bar 정도의 압력이 될 수 있다.

저장탱크(10)에는 고압, 저온의 액화된 이산화탄소가 저장되므로, 저장탱크(10)는 이러한 압력과 온도에 대한 내구성과 단열성을 지녀야하며, 온도제어시설(미도시), 온도센서(미도시) 및 압력센서(미도시)을 갖출 수 있다.

이송배관(20)은 저장탱크(10)에 저장된 액화 이산화탄소를 수요처(30)로 이송하는 유로로서, 이송배관(20) 상에는 저장탱크(10)에서 액화 이산화탄소를 수요처(30)로 이송하기 위한 펌프나 밸브와 같은 이송부(50)가 구비된다.

수요처(30)는 이산화탄소를 저장하거나 사용하는 시설일 수 있다. 예를 들어, 수요처(30)는 육상의 저장시설일 수 있고, 해저 지층일 수 있고, 해저 주입을 위한 해상 플랜트 시설일 수 있으며, 선박 내에 이산화탄소를 이용하는 시설일 수 있다.

이송부(50)가 밸브일 경우, 이송배관(20) 상에 설치된 밸브가 개방되었을 때 저장탱크(10)에 저장된 액화 이산화탄소가 이송배관(20)으로 유입될 수 있다. 또한, 이송부(50)가 펌프일 경우 펌프가 작동되면 저장탱크(10)에 저장된 액화 이산화탄소가 펌프를 통해 이송배관(20)으로 강제이송된다.

가열수단(40)은 이송배관(20) 상의 이송부(50)를 통과한 액화 이산화탄소의 압력과 온도가 떨어지므로 이송배관(20)의 전체 또는 일부에 가열수단(40)으로 열을 가하여 증발기체의 온도가 급격히 저하되는 것을 방지한다.

이때 상기 가열수단(40)은 전기 또는 스팀을 사용하여 가열하는 수단이 될 수 있으며, 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 이송배관(20)의 외주면을 따라 감기는 열선이 될 수 있으며, 열선으로 니크롬선 등 일반적으로 전기로 가열하여 배관 등의 온도를 높이는 일반적인 열선이 사용될 수 있다. 또한, 상기 이송배관(20)에는 단열재(insulation)가 구비될 수 있다.

저장탱크(10) 또는 수요처(30)와 같이 이산화탄소가 저장되는 설비이거나 이송배관(20)과 같이 이산화탄소가 지나갈 수 있는 설비에는 온도 센서(미도시) 및/또는 압력 센서(미도시)가 구비될 수 있다.

온도 센서에서 일정 이하의 온도가 일정 시간 이상 감지되는 경우에, 가열수단(40)은 자동적으로 가동될 수 있고, 또는 사용자가 판단하여 상기 가열수단(40)을 가동시킬 수 있다.

또한, 압력센서에서 일정 이하의 압력이 일정 시간 이상 감지되는 경우에, 후술할 바와 같이, 가압부(90)에서 고압의 유체를 공급하거나, 수요처(30)에서 이산화탄소 일부를 리턴시켜 저장탱크(10) 또는 이송배관(20)의 압력을 조절할 수 잇다.

도 3는 본 발명의 제2 실시예에 따른 액화 이산화탄소 이송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

이하에서는 본 실시예가 앞선 실시예 대비 달라지는 점 위주로 설명하도록 하며, 설명을 생략한 부분은 앞선 내용으로 갈음한다.

도 3를 참고하여 보면, 액화 이산화탄소 이송 시스템(1)은 저장탱크(10) 내의 증발가스를 가열하여 배출하기 위해 증발기체배관(70) 상에 가열수단(40)을 구비할 수 있다. 또한, 상기 증발기체배관(70)에는 단열재가 구비될 수 있다.

저장탱크(10)에서 발생되는 증발기체는 저장탱크(10)의 압력을 변화시켜 사고를 유발할 수 있으므로, 저장탱크(10) 내의 증발기체를 배출시켜야 하는 경우가 있다. 이때 저장탱크(10)의 증발기체는 증발기체배관(70)을 통해 굴뚝(60)으로 배출된다(비상압력배출, emergency vent). 상기 가열수단(40)에 의해 상기 증발기체가 가열되어, 증발기체의 온도가 급격히 저하되어 결빙되는 것을 방지할 수 있다.

상기 증발기체배관(70)은 이산화탄소 등의 기체가스를 이송하는데 사용되는 통상의 파이프가 사용되며, 저장탱크(10)측의 증발기체배관(70)에는 압력밸브(PSV)가 구비되어 저장탱크(10)의 압력이 일정 압력 이상이 되면 상기 압력밸브가 열려 증발기체가 배출되도록 한다.

또한, 상기 굴뚝(60)은 선박의 엔진실에서 선박의 운행함에 따라 발생되는 배기가스가 배출되는 곳으로, 저장탱크(10)에서 발생한 증발기체는 상기 증발기체배관(70)을 통해 굴뚝(60)으로 배출된다. 이때 상기 굴뚝(60)에서 배출되는 가열된 상태의 배기가스로 인해 증발기체배관(70)으로 배기가스의 열이 전달되어 압력하강으로 인해 증발기체의 온도가 급격히 저하되어 결빙되는 것을 방지할 수 있다.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 액화 이산화탄소 이송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참고하여 보면, 액화 이산화탄소 이송 시스템(1)은 이송부(50)의 하류에 열교환기(80) 구비할 수 있다. 상기 이송부(50)를 통과하면서 액화 이산화탄소의 압력과 온도가 하강하여 이산화탄소가 고형화될 수 있다. 따라서 이송부(50)의 하류에서 상기 열교환기(80)를 사용하여 이송배관(20)의 액화 이산화탄소를 가열하여 이산화탄소의 고형화를 방지할 수 있다.

상기 열교환기(80)는 일반 해수 또는 스팀 상태의 해수를 히팅 매체로 사용할 수 있다. 해수를 스팀으로 변환시키기 위해서 보일러(미도시)가 구비될 수 있다.

상기 열교환기(80)는 이송배관(20)을 가열하기 위해 해수를 상기 이송배관(20)에 분무하는 시스템일 수 있다.

상기 열교환기(80) 하류에 저장탱크(10)로 리턴되는 배관(미도시)을 구비하여 저장탱크(10)의 온도를 조절할 수 있다.

도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 액화 이산화탄소 이송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참고하여 보면, 액화 이산화탄소 이송 시스템(1)은 가압부(90)를 포함할 수 있다. 상기 가압부(90)는 유체공급배관(100)을 통해 압력이 급격하게 하강하는 이송배관(20)에 고압의 유체를 공급할 수 있다.

이때, 주입되는 유체는 가스 상태의 이산화탄소이거나, 액화이산화탄소를 기화시킨 가스 상태의 이산화탄소가 될 수 있다.

또한, 불활성 가스로서 화학적으로 안정되어 액화이산화탄소와 화학반응이 일어나지 않도록 하는 것이 바람직하다. 이러한 불활성 가스는 헬륨(He)을 제외한 18족 원소가 될 수 있으며, 화학적으로 안정된 질소나 이산화탄소가 될 수 있다.

여기서, 유체공급배관(100)에 주입되는 고압의 유체는 액화이산화탄소와 화학반응을 일으키지 않고, 액화이산화탄소와 섞여도 분리가 용이하다면 고압의 액체나 액화가스가 될 수 있음은 물론이다.

도 6은 본 발명의 제5 실시예에 따른 액화 이산화탄소 이송 시스템을 설명하기 위한 도면이다.

액화 이산화탄소 이송 시스템(1)은 저장탱크(10)의 압력을 유지하기 위해 수요처(30)에서 저장탱크(10)로 연결되는 리턴배관(110)을 포함한다. 수요처(30) 내의 기체 상태인 이산화탄소의 적어도 일부가 저장탱크(10)로 리턴될 수 있다.

또한, 액화 이산화탄소 이송 시스템(1)은 리턴되는 기체를 가압하는 컴프레서(120)를 더 포함하여 저장탱크(10) 내 압력을 제어할 수 있다.

본 발명은 앞서 설명된 실시예 외에도, 상기 실시예들의 조합 및 상기 실시예 중 적어도 어느 하나와 공지기술의 조합에 의해 발생하는 실시예들을 모두 포괄한다.

이와 같이 본 발명은, 액화 이산화탄소가 운송된 후 하역시에 밸브나 좁은 배관을 지나면서 급격한 압력차이가 발생하여 온도가 떨어지면서 액체 상태의 이산화탄소가 고형화될 수 있으므로, 액화된 이산화탄소가 이동하는 배관을 가열하여 이산화탄소가 결빙되는 것을 방지한다.

또한, 본 발명은 이산화탄소를 액화하여 저장한 탱크에서 하역이 진행됨에 따라 탱크 내부의 압력이 떨어지는 경우, 삼중점 이하의 압력 조건이 되어 이산화탄소가 고형화될 수 있으므로, 액화된 이산화탄소가 이동하는 배관을 가열하여 이산화탄소가 결빙되는 것을 방지한다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

1: 액화 이산화탄소 이송 시스템 10: 저장탱크
20: 이송배관 30: 수요처
40: 가열수단 50: 이송부
60: 굴뚝 70: 증발기체배관
80: 열교환기 90: 가압부
100: 유체공급배관 110: 리턴배관
120: 컴프레서

Claims (5)

1. 액화 이산화탄소의 이송 또는 증발기체의 비상압력배출(emergency vent) 시에 이산화탄소의 결빙을 방지하기 위한 액화 이산화탄소 이송 시스템에 관한 것으로,
   이송배관 또는 증발기체배관의 온도를 조절하는 가열수단; 및
   이송부의 하류에 구비되어 상기 이송배관의 온도를 조절하는 열교환기를 포함하고,
   상기 열교환기는,
   해수를 열매로 사용하는 것을 특징으로 하는 액화 이산화탄소 이송 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 가열수단은 전기 또는 스팀을 사용하여 상기 이송배관 또는 증발기체배관을 가열하는 것을 특징으로 하는 액화 이산화탄소 이송 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 이송배관 또는 증발기체배관에는 단열재가 구비되는 것을 특징으로 하는 액화 이산화탄소 이송 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,
   온도 센서 및 압력 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액화 이산화탄소 이송 시스템.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 액화 이산화탄소 이송 시스템을 포함하는 선박.

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