KR20230047304A - 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것으로서, 액화가스를 삼중점 압력 이상에서 액상으로 저장하는 복수의 제1 내지 제n 저장탱크; 일부의 상기 저장탱크에서 배출되는 기상의 액화가스를 처리하여, 나머지의 상기 저장탱크 대비 일부의 상기 저장탱크의 압력이 낮아지도록 차압을 구현하는 차압 생성부; 복수의 상기 저장탱크를 연통시켜서 상기 저장탱크 상호간에 차압을 통해 액화가스가 전달되어 복수의 상기 저장탱크의 압력이 평형을 이루도록 하는 액화가스 전달부; 및 비등점이 액화가스보다 낮은 가스연료를 수요처로 공급하는 연료 공급부를 더 포함하며, 상기 액화가스 전달부는, 가스연료를 이용하여 차압에 의해 전달되는 액화가스를 냉각하는 열교환기를 갖는다.

Description

가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박{Gas treatment system and ship having the same}
본 발명은 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.
육상 등에는 전력 수요를 감당하기 위해 발전소가 설치될 수 있으며, 발전소는 화석 연료 등을 이용하여 전력을 생성할 수 있다. 그런데 이때 발전 과정에서 대량의 이산화탄소가 발생한다. 또한 유정이나 가스정으로부터 석유 또는 천연가스 등을 추출하는 과정에서도 이산화탄소가 발생하게 된다. 이러한 이산화탄소는 대기 중으로 방출 처리된다.
그런데 이산화탄소는 환경 오염을 유발하는 주범이기 때문에, 이산화탄소의 방출을 줄이기 위한 규제들이 존재한다. 일례로 지구온난화를 방지하기 위한 구체적 이행 방안으로서 2005년에 발효된 교토의정서로 인해, 이산화탄소를 그대로 대기중에 방출시키는 것은 점차 어려워지고 있다.
이러한 규제에 대응하기 위해, 대기중에 방출되는 이산화탄소를 감축시키기 위하여 이산화탄소를 별도의 저장소에 저장하는 방법이 제시되고 있다. 일례로 이산화탄소가 다량 발생하는 곳에 직접 이산화탄소를 저장하는, EOR(Enhanced Oil Recovery)을 이용할 수 있다.
그런데 유정이나 가스정에 연결된 Oil FPSO 혹은 LNG FPSO를 이용하여 이산화탄소를 EOR 혹은 EGR(Enhanced Gas Recovery)로서 사용하고자 할 경우에는, 이들 FPSO의 내부에 이산화탄소를 저장하기 위한 별도의 충분한 공간을 확보하기 어렵다는 문제가 있다. 또한 저장소의 용량이 완전히 채워지게 되면, 이산화탄소를 처리하여 저장하기 위해 설치되는 각종 장치 및 설비들이 더 이상 쓸모가 없어 버려지게 되는 문제가 있다
또한 육상 발전소에서 발생하는 이산화탄소에 대해서는, 이송 파이프나 차량에 의해 근거리까지 운반하여 처리 및 저장하는 방법 정도가 개발되어 있을 뿐이어서, 여전히 이산화탄소 배출을 충분히 해결하지 못하고 있다.
따라서, 육상 발전소나 유정 등과 같은 시설에서 대량으로 발생하는 이산화탄소를 효과적으로 처리할 수 있는 수단에 대한 개발 및 연구가 시급하다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 이산화탄소를 발생시키는 시설로부터 이산화탄소 처리가 가능한 설비로 이산화탄소를 운송함으로써, 육상 발전소나 유정 등에서의 이산화탄소가 효율적으로 처리될 수 있도록 하는 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 가스 처리 시스템은, 액화가스를 삼중점 압력 이상에서 액상으로 저장하는 복수의 제1 내지 제n 저장탱크; 일부의 상기 저장탱크에서 배출되는 기상의 액화가스를 처리하여, 나머지의 상기 저장탱크 대비 일부의 상기 저장탱크의 압력이 낮아지도록 차압을 구현하는 차압 생성부; 복수의 상기 저장탱크를 연통시켜서 상기 저장탱크 상호간에 차압을 통해 액화가스가 전달되어 복수의 상기 저장탱크의 압력이 평형을 이루도록 하는 액화가스 전달부; 및 비등점이 액화가스보다 낮은 가스연료를 수요처로 공급하는 연료 공급부를 더 포함하며, 상기 액화가스 전달부는, 가스연료를 이용하여 차압에 의해 전달되는 액화가스를 냉각하는 열교환기를 갖는다.
구체적으로, 나머지의 상기 저장탱크는, 일부의 상기 저장탱크보다 많을 수 있다.
구체적으로, 상기 차압 생성부는, 일부의 상기 저장탱크에서 배출되는 기상의 액화가스를 압축하여 나머지의 상기 저장탱크로 전달하는 압축기를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 압축기는, 복수의 상기 저장탱크의 압력이 기설정압을 넘어서면, 일부의 상기 저장탱크에서 발생한 기상의 액화가스를 압축하여 나머지의 상기 저장탱크로 전달하여, 일부의 상기 저장탱크를 감압하고 나머지의 상기 저장탱크를 승압하며, 이어서 상기 액화가스 전달부는, 나머지의 상기 저장탱크로부터 일부의 상기 저장탱크로 차압을 이용해 기상의 액화가스를 전달하여, 나머지의 상기 저장탱크를 감압하고 일부의 상기 저장탱크를 승압하여, 복수의 상기 저장탱크가 기설정 압력 범위를 유지하도록 할 수 있다.
구체적으로, 상기 저장탱크에서 기상의 액화가스를 배출하는 배출라인; 상기 압축기에 의해 액화가스를 상기 저장탱크 내로 주입하는 주입라인; 및 복수의 상기 배출라인에 연결되어 복수의 상기 저장탱크를 상호 연통시키는 공통라인을 포함할 수 있다.
구체적으로, 액화가스는, 이산화탄소이며, 상기 기설정 압력 범위는, 이산화탄소의 삼중점 압력보다 기설정압 높은 하한값과, 상기 저장탱크의 설계압력보다 기설정압 낮은 상한값을 가질 수 있다.
구체적으로, 상기 차압 생성부는, 일부의 상기 저장탱크에서 배출되는 기상의 액화가스를 액화하여 복수의 상기 저장탱크로 전달하는 재액화장치를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 재액화장치는, 복수의 상기 저장탱크의 압력이 기설정압을 넘어서면, 일부의 상기 저장탱크에서 발생한 기상의 액화가스를 재액화하여 복수의 상기 저장탱크로 전달하여, 일부의 상기 저장탱크를 감압하면서 나머지의 상기 저장탱크의 승압을 허용하며, 이어서 상기 액화가스 전달부는, 나머지의 상기 저장탱크로부터 일부의 상기 저장탱크로 차압을 이용해 기상의 액화가스를 전달하여, 나머지의 상기 저장탱크를 감압하고 일부의 상기 저장탱크를 승압하여, 복수의 상기 저장탱크가 기설정 압력 범위를 유지하도록 할 수 있다.
구체적으로, 상기 재액화장치는, 일부의 상기 저장탱크에서 발생한 기상의 액화가스를 과냉이 아닌 액상으로 재액화하여 일부의 상기 저장탱크 및 나머지의 상기 저장탱크로 전달하되, 나머지의 상기 저장탱크의 액상 액화가스 내에 주입하여 나머지의 상기 저장탱크의 승압을 허용할 수 있다.
구체적으로, 상기 저장탱크에서 기상의 액화가스를 배출하는 배출라인; 상기 재액화장치에 의해 액화된 액화가스를 상기 저장탱크 내로 전달하는 액화라인; 및 복수의 상기 배출라인에 연결되어 복수의 상기 저장탱크를 상호 연통시키는 공통라인을 포함할 수 있다.
구체적으로, 액화가스는, 이산화탄소이며, 상기 기설정 압력 범위는, 이산화탄소의 삼중점 압력보다 기설정압 높은 하한값과, 상기 저장탱크의 설계압력보다 기설정압 낮은 상한값을 가질 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 선박은, 상기 가스 처리 시스템을 갖는다.
본 발명에 따른 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 선박은, 육상 발전소나 유정 등으로부터 배출되는 이산화탄소를 이산화탄소 처리 설비로 운송하면서 이산화탄소의 저장 압력을 일정 범위로 유지하여, 이산화탄소의 안정적인 전달을 보장할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 선박의 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 선박의 평단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템에서 저장탱크의 압력을 표현한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 기설정 압력 범위를 표현한 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 9는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템에서 저장탱크의 압력을 표현한 그래프이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 선박의 측면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 선박의 평단면도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명은 이하에서 설명하는 가스 처리 시스템(1)을 구비하는 선박(2)을 포함한다.
이때 선박(2)은 일반 상선이거나 또는 FLNG, FSRU 등과 같은 해양플랜트를 포괄하는 표현일 수 있으며, 더 나아가 해상을 통해 일정 지점에서 다른 지점으로 이동할 수 있는 모든 수단을 포괄함을 알려둔다.
본 발명의 선박(2)은, 액화가스로서 이산화탄소를 저장하는 저장탱크(10)를 갖는다. 저장탱크(10)는 복수 개로 마련되며 제1 내지 제n 저장탱크(10)를 포함한다. 또한 저장탱크(10)는 선체의 내부에 종방향으로 배열될 수 있지만, 배열 방식이나 구조 등은 한정하지 않는다. 또한 적어도 일부의 저장탱크(10)는 선외에 배치될 수도 있다.
또한 액화가스는 이산화탄소 외에 LPG, LNG, 암모니아 등일 수 있고, 다만 액화가스는 하기에서 설명하는 가스연료보다 비등점이 높은 것일 수 있다. 즉 액화가스가 이산화탄소, LPG, 암모니아 등이고 가스연료는 LNG 등일 수 있다. 이하에서는 본 발명의 일 실시예로서 액화가스가 이산화탄소인 것으로 하여 설명한다.
저장탱크(10)는 이산화탄소를 삼중점(5barg, -54.4℃)의 압력 이상으로 저장함으로써, 이산화탄소를 액상으로 유지할 수 있다. 이를 위해 저장탱크(10)는 압력용기로서 Type C 등의 형태를 이룰 수 있지만, 상기의 압력을 유지할 수 있는 다양한 형태/구조를 가질 수 있음은 물론이다.
저장탱크(10)는 설계압력을 갖는다. 즉 저장탱크(10)가 구조적으로 견딜 수 있는 압력값이 존재하며, 내압이 지속적으로 올라갈 경우 설계압력에 도달하는 것을 방지하기 위해, 저장탱크(10)에는 일정 압력에서 자동 개방되는 safety valve가 마련될 수 있다.
즉 저장탱크(10)는 이러한 기설정 압력 범위 내에서 운영될 수 있고, 이는 후술하는 도 5에 나타나 있다. 일례로 저장탱크(10)는 이산화탄소의 삼중점 압력보다 기설정압 높은 하한값으로서 5.5barg 이상, 그리고 저장탱크(10)의 설계압력(safety valve 개방압력인 8barg)보다 기설정압 낮은 상한값으로서 7.2barg 이하의 기설정 압력 범위에서 운영될 수 있다.
또한 본 발명의 선박(2)은, 연료탱크(41)가 마련된다. 연료탱크(41)는 선박(2)에 마련되는 수요처(3)에 공급할 연료를 저장하는데, 수요처(3)는 추진엔진, 발전엔진, 가스터빈, 보일러, 연료전지 등으로, 연료의 연소를 통해 에너지를 생성하는 모든 장치를 일컫는다.
연료탱크(41)는 선외에 배치될 수 있고, 일례로 갑판 상에 공지된 지지 구조물을 이용하여 지지되도록 설치될 수 있다. 또는 연료탱크(41)가 선내에 마련되는 것도 가능하며, 연료탱크(41)는 하나 이상으로 마련될 수 있다.
연료탱크(41)에 저장되는 연료는 액화가스 대비 비등점이 낮은 가스연료일 수 있다. 일례로 가스연료는 LNG, LPG, 메탄올, 수소, 암모니아 등일 수 있지만, 이로 한정하는 것은 아니다.
본 발명은 이산화탄소를 저장하는 저장탱크(10)의 압력 조절을 위해, 가스연료가 갖는 냉에너지를 활용할 수 있다. 이에 대해서는 이하에서 자세히 설명한다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다. 이때 도 4는 저장탱크에 차압을 형성하는 상태를 나타내고, 도 5는 차압을 이용해 복수 저장탱크의 압력을 균일화하는 상태를 나타낸다.
또한 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템에서 저장탱크의 압력을 표현한 그래프이고, 도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 기설정 압력 범위를 표현한 그래프이다.
도 3 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 저장탱크(10), 차압 생성부(20), 압축기(21)액화가스 전달부(30), 연료 공급부(40)를 포함한다.
저장탱크(10)는 앞서 설명한 바와 같으며, 저장탱크(10)에는 액상 이산화탄소가 저장되어 있다. 다만 저장탱크(10)에는 외부로부터 열 침투가 발생하게 되므로, 저장탱크(10) 내 액상 이산화탄소는 자연 증발하게 된다. 따라서 저장탱크(10) 내에는 액상 이산화탄소와 기상 이산화탄소가 공존하며, 액면을 기준으로 하부에는 액상 이산화탄소, 상부에는 기상 이산화탄소가 존재할 수 있다.
열 침투로 인해 기상 이산화탄소가 지속적으로 발생함에 따라 저장탱크(10)의 내압 상승이 야기되는데, 저장탱크(10)의 압력을 기설정 압력 범위 내로 유지하기 위해 기상 이산화탄소를 저장탱크(10) 외부로 배출시켜야 할 수 있다. 이를 위해 저장탱크(10)에는 기상의 이산화탄소를 배출하는 배출라인(L10)이 마련되며, 배출라인(L10)은 유입구가 액면 상방에 위치할 수 있다.
또한 저장탱크(10)에는 기상 또는 액상의 이산화탄소가 내부로 주입되기 위한 주입라인(L20)이 마련된다. 주입라인(L20)은 후술할 압축기(21) 등에 의해 전달되는 이산화탄소가 저장탱크(10) 내로 주입되도록 하며, 유출구가 액면 하방에 위치할 수 있다. 이때 주입라인(L20)에서 액면 아래의 하부는 다공성 형태를 가질 수 있다.
배출라인(L10)과 주입라인(L20)은 저장탱크(10) 각각에 마련될 수 있는데, 복수의 저장탱크(10)에 마련되는 배출라인(L10)들과 주입라인(L20)들은 각각 별도의 공통라인(L30)에 의해 연통될 수 있다. 일례로 배출라인(L10)을 연통시키는 공통라인(L30)은 기상 공통라인(L31, vapor main)이며, 주입라인(L20)을 연통시키는 공통라인(L30)은 액상 공통라인(L32, liquid main)일 수 있다.
주입라인(L20)공통라인(L30)주입라인(L20)공통라인(L30)배출라인(L10)과 주입라인(L20) 및 공통라인(L30) 등에는 밸브(부호 도시하지 않음)가 마련되며, 밸브는 On/Off되는 블록밸브 또는 개도 조절이 가능한 컨트롤밸브 등일 수 있다. 밸브가 제어됨에 따라 이산화탄소는 배출라인(L10)을 따라 유동하거나 또는 주입라인(L20)을 따라 유동할 수 있다.
차압 생성부(20)는, 복수의 저장탱크(10) 중에서 일부의 저장탱크(10)로부터 배출되는 기상의 액화가스를 처리하여, 나머지의 저장탱크(10) 대비 일부의 저장탱크(10)의 압력이 낮아지도록 차압을 구현한다.
이때 승압되는 나머지의 저장탱크(10)는, 감압되는 일부의 저장탱크(10)보다 많은 수로 이루어진다. 일례로 감압되는 일부의 저장탱크(10)는 하나이고 승압되는 나머지의 저장탱크(10)는 그 외 모두일 수 있다.
차압 생성부(20)는, 일부의 저장탱크(10)에서 배출되는 기상의 이산화탄소를 압축하는 압축기(21)를 포함할 수 있다. 압축기(21)는, 저장탱크(10)에서 배출되는 기상의 이산화탄소를 압축해 다른 저장탱크(10)로 전달할 수 있다. 압축기(21)는 원심형, 왕복동형, 스크류형 등으로 마련될 수 있고, 적어도 하나 이상이 병렬 또는 직렬로 배치될 수 있다.
압축기(21)는 도 3 등에서와 같이 제1 저장탱크(10)에서 배출되는 기상 이산화탄소를 압축하기 위해 마련될 수 있으며, 제1 저장탱크(10)의 기상 이산화탄소를 압축해 제2 내지 제n 저장탱크(10) 중 적어도 둘 이상으로 전달할 수 있다.
압축기(21)는 배출라인(L10)과 액상 공통라인(L32) 사이에 마련되거나, 기상 공통라인(L31)과 액상 공통라인(L32) 사이 등에 마련될 수 있다. 이러한 압축기(21)는 공통라인(L30)공통라인(L30)공통라인(L30)도면과 달리, 압축기(21)제2 내지 제n 저장탱크(10) 중 어느 하나에서 배출되는 기상 이산화탄소를 압축하여 나머지 저장탱크(10) 중 적어도 둘 이상으로 전달할 수도 있다. 압축기(21)
압축기(21)물론 압축기(21)의 위치는 상기로 제한되지 않으며, 복수의 저장탱크(10) 중 일부에서 배출된 기상 이산화탄소를 압축해 나머지의 저장탱크(10)로 전달할 수 있는 모든 위치에 압축기(21)가 마련될 수 있다. 압축기(21)
압축기(21) 하류에는 웜업 히터(부호 도시하지 않음)가 마련될 수 있으며, 웜업 히터는 압축기(21)와 함께 저장탱크(10)의 워밍-업에 사용될 수 있다. 다만 차압을 생성하는 과정에서 이산화탄소는 웜업 히터를 우회하도록 제어될 수 있다.
또한 본 실시예의 압축기(21)는 저장탱크(10)로 이산화탄소를 로딩할 때 저장탱크(10)에서 발생하는 기상 이산화탄소를 주유원으로 리턴시키기 위해 사용되는 HD Compressor에 해당할 수 있다.
액화가스 전달부(30)는, 복수의 저장탱크(10) 간 차압을 이용하여 이산화탄소를 전달한다. 이하에서 설명하겠지만 압축기(21) 등을 이용하여 저장탱크(10)의 압력 조절 시 저장탱크(10) 간에 차압이 발생한다. 이때 액화가스 전달부(30)는 적어도 두 저장탱크(10) 사이의 차압을 이용하여 별도의 가압/압축 없이(free flow) 이산화탄소를 전달할 수 있다.
액화가스 전달부(30)는 공통라인(L30) 중 특히 기상 공통라인(L31)을 이용하여 이산화탄소를 전달하는 구성일 수 있으며, 기상 공통라인(L31) 등은 액화가스 전달부(30)를 이루는 구성으로 해석될 수도 있다.
액화가스 전달부(30)는 열교환기(31)를 포함한다. 열교환기(31)는 후술할 연료 공급부(40)에서 유동하는 저온의 가스연료를 이용하여 이산화탄소를 냉각할 수 있다. 즉 열교환기(31)는 이산화탄소와 가스연료 간의 열교환을 위한 구성으로서, 적어도 둘 이상의 스트림을 갖는 구조로 마련되며, 쉘&튜브, PCHE 등의 타입일 수 있다.
액화가스 전달부(30)는 앞서 설명한 바와 같이 저장탱크(10) 간 차압을 이용하여 이산화탄소를 전달하는데, 압력이 상대적으로 높은 저장탱크(10)에서 압력이 상대적으로 낮은 저장탱크(10)로 이산화탄소를 전달할 때, 이산화탄소가 열교환기(31)를 경유하면서 열교환기(31)에서 가스연료에 의해 냉각되도록 할 수 있다.
이 경우 상대적으로 압력이 낮은 저장탱크(10)에는 냉각된 고압의 이산화탄소가 전달되므로, 이산화탄소를 받는 저장탱크(10)의 압력 상승이 완화될 수 있다.
연료 공급부(40)는, 앞서 언급한 연료탱크(41)에 저장된 연료를 수요처(3)로 공급한다. 이때 가스연료는 LNG 등으로서 극저온 물질임은 앞에서도 설명한 바와 같다.
연료탱크(41)에 저장된 가스연료의 온도는 수요처(3)가 요구하는 온도(일례로 상온 등)보다 낮기 때문에, 가스연료의 공급을 위해 연료 공급부(40)는 가스연료를 가열할 수 있다.
이를 위해 연료 공급부(40)는 히터(42)를 포함할 수 있다. 히터(42)는 연료탱크(41)와 수요처(3) 사이의 연료라인(부호 도시하지 않음) 상에 마련되며, 일례로 연료탱크(41) 내부 또는 외부에 마련될 수 있는 연료펌프(부호 도시하지 않음)의 하류에 구비될 수 있다.
히터(42)는 글리콜워터, 청수, 스팀, 프로판 등의 제한되지 않는 열매를 이용하여 가스연료를 가열할 수 있다. 또는 히터(42)는 전기히터(42)일 수도 있다.
다만 연료라인에는 액화가스 전달부(30)에 포함되는 열교환기(31)가 마련될 수 있으며, 열교환기(31)는 연료펌프를 통해 수요처(3)로 전달되는 가스연료가 이산화탄소를 냉각하면서 가열되도록 한다.
따라서 열교환기(31)만으로도 가스연료의 온도가 수요처(3)의 요구온도에 도달할 수도 있는 바, 히터(42)는 생략하거나 최소화될 수 있다. 또는 히터(42)는 열교환기(31)의 백업을 위해 열교환기(31)와 직렬 또는 병렬을 이루도록 배치될 수 있고, 열교환기(31)에서 비교적 불균일하게 가열된 가스연료를 수요처(3)의 요구 온도에 맞게 조절하기 위해 보조적으로 사용될 수도 있다.
이하에서는 도 6 등을 참고하여 본 실시예에서 저장탱크(10)의 압력을 기설정 압력 범위로 조절하는 제어에 대해 설명한다.
본 발명은 육상 또는 유정 등의 이산화탄소 발생 시설로부터 이산화탄소를 전달받아 복수의 저장탱크(10)에 일정량 적재할 수 있다. 이때 저장탱크(10)로는 열 침투가 발생하므로, 입열량에 의해 저장탱크(10) 내에서 기상 이산화탄소가 발생하게 되고, 이로 인해 저장탱크(10)의 내압이 상승한다.
복수의 저장탱크(10)는, 동일한 양의 이산화탄소를 적재한 경우 내압이 비교적 균일하게 상승할 수 있다. 즉 도 6의 (A)와 같이 복수의 저장탱크(10)는 압력이 점차 상승한다.
복수의 저장탱크(10) 중 적어도 어느 하나의 압력이 기설정압을 넘어서면, 저장탱크(10)의 압력을 다시 낮춰줄 필요가 있다. 이때 본 실시예는 제1 저장탱크(10)의 압력을 낮추기 위해서, 제1 저장탱크(10)에서 발생한 기상의 이산화탄소를 배출하여 압축기(21)로 전달한다.
압축기(21)는, 도 4에 나타난 바와 같이 제1 저장탱크(10)로부터 배출된 기상의 이산화탄소를 압축하여 제2 내지 제n 저장탱크(10) 중 적어도 어느 하나로 전달한다. 이를 통해 도 6의 (B)에서와 같이 제1 저장탱크(10)는 기상 이산화탄소의 배출로 인해 감압되며, 제2 저장탱크(10) 등은 기상의 압축된 이산화탄소의 주입으로 인해 승압된다.
다만 제1 저장탱크(10)가 기상 이산화탄소를 배출함에 따라 나타나는 압력 하강의 절대값은, 제2 저장탱크(10) 등에 기상 이산화탄소를 주입함에 따라 나타나는 압력 상승의 절대값보다 클 수 있다. 이는 압축기(21)에서 압축된 기상 이산화탄소가 주입라인(L20)을 통해 제2 저장탱크(10) 등의 내부에서 액상 이산화탄소 내에 주입될 때 감압되면서 냉각(액화)될 수 있기 때문이다.
이와 같은 압축기(21)의 동작은, 제2 저장탱크(10) 등의 압력이 기설정 압력 범위의 상한값에 도달할 때까지 이루어질 수 있으며, 이로 인해 제2 저장탱크(10)와 제1 저장탱크(10) 사이에서 차압이 발생한다.
이후 도 5에 나타난 바와 같이, 액화가스 전달부(30)는 제2 저장탱크(10) 등으로부터 제1 저장탱크(10)로 차압을 이용해 기상의 이산화탄소를 가압/압축 없이(free flow) 전달한다. 이때 기상 이산화탄소는 제2 저장탱크(10) 등의 배출라인(L10)을 따라 배출되고, 기상 공통라인(L31)을 거쳐 제1 저장탱크(10)의 배출라인(L10) 등을 따라 제1 저장탱크(10)의 내부에 주입된다.
또한 차압에 의해 유동하는 이산화탄소는, 열교환기(31)를 경유하면서 가스연료에 의해 냉각될 수 있다. 따라서 기상 이산화탄소를 전달받는 제1 저장탱크(10)의 압력 상승이 완화된다.
이와 같은 액화가스 전달부(30)의 동작에 의해, 도 6의 (C)와 같이 제2 저장탱크(10)는 기상 이산화탄소를 배출하면서 감압되고, 제1 저장탱크(10)는 기상의 냉각된 이산화탄소를 받아 들이면서 다소 승압된다. 다만 제2 저장탱크(10)의 압력 하강 절대값은 제1 저장탱크(10)의 압력 상승 절대값보다 큰데, 이는 열교환기(31)에 의해 기상 이산화탄소가 냉각되기 때문이다.
액화가스 전달부(30)에 의한 저장탱크(10) 간 이산화탄소 전달은, 복수의 저장탱크(10)의 압력이 비교적 균일해질 때까지 이루어질 수 있다. 따라서 본 실시예는 압축기(21) 및 액화가스 전달부(30)를 이용함으로써, 저장탱크(10)에서 이산화탄소의 자연 증발에 의해 상승하였던 내압을 다시 낮출 수 있게 된다.
압축기(21) 및 액화가스 전달부(30)의 일련의 동작은 반복 수행될 수 있다. 다만 액화가스 전달부(30)에 의해 균일해진 저장탱크(10)의 압력은, 축압 전의 초기 압력보다 다소 높을 수는 있다.
그럼에도 불구하고 본 실시예는, 이산화탄소를 전달해야 하는 운항 기간 동안 별도의 처리 없이도, 저장탱크(10)의 내압이 도 7에서와 같은 기설정 압력 범위 내로 유지되도록 할 수 있다. 즉 저장탱크(10)의 압력은 이산화탄소의 운항 기간 동안 도 7에서와 같이 하한값인 5.5barg 및 상한값인 7.2barg를 벗어나지 않는 기설정 압력 범위 내로 유지될 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 이산화탄소를 저장하는 저장탱크(10)에 대해 기설정 압력 범위를 효율적으로 유지함으로써, 이산화탄소가 드라이아이스로 변화하는 것을 억제하고 이산화탄소의 안정적인 운송을 보장할 수 있다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다. 이때 도 9는 저장탱크에 차압을 형성하는 상태를 나타내고, 도 10은 차압을 이용해 복수 저장탱크의 압력을 균일화하는 상태를 나타낸다. 또한 도 11은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템에서 저장탱크의 압력을 표현한 그래프이다.
도 8 내지 도 11을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 앞선 실시예 대비 차압을 형성하는 동작에서 차이가 있고, 본 실시예의 차압 생성부(20)는 앞선 압축기(21)를 대신하여 재액화장치(22)를 포함할 수 있다.
이하에서는 본 실시예가 앞선 실시예 대비 달라지는 점 위주로 설명하도록 하며, 설명을 생략한 부분은 앞선 내용으로 갈음한다.
본 실시예는 재액화장치(22), 액화가스 전달부(30), 연료 공급부(40)를 포함한다. 재액화장치(22)는 저장탱크(10)에서 배출되는 기상의 이산화탄소를 액화할 수 있다.
재액화장치(22)는 냉매를 이용하여 이산화탄소를 비등점 이하로 냉각하여 액화시킬 수 있으며, 이때 재액화장치(22)에 유입되는 이산화탄소는 삼중점에서의 압력보다 높은 압력을 가지므로, 기상에서 액상으로 액화될 수 있다.
재액화장치(22)의 냉매는 특별히 제한되지 않는다. 일례로 냉매는 질소, 혼합냉매(Mixed Refrigerant), 액화가스 등일 수 있고, 연료 공급부(40)의 연료일 수도 있다.
재액화장치(22)는 제1 저장탱크(10)에서 발생하는 기상의 이산화탄소를 재액화하여 제1 저장탱크(10) 및/또는 제2 저장탱크(10) 등으로 리턴할 수 있다. 이를 위해 재액화장치(22)에서 저장탱크(10)로는 액화된 이산화탄소를 저장탱크(10) 내로 전달하는 액화라인(L40)이 마련될 수 있으며, 각 저장탱크(10)에 연결된 액화라인(L40)은 공통라인(L30) 중 응축 공통라인(L33)에 의해 연통될 수 있다. 물론 앞서 설명한 주입라인(L20)이 액화라인(L40)과 적어도 일부를 상호 공유하는 것도 가능하다.
제1 저장탱크(10)의 기상 이산화탄소가 재액화장치(22)에 의해 액화됨에 따라, 제1 저장탱크(10)는 감압될 수 있다. 이때 제2 저장탱크(10) 등은 지속적인 열 침투로 인하여 축압이 계속된다.
재액화장치(22)는 액화된 이산화탄소를 제1 저장탱크(10)는 물론이고 제2 저장탱크(10) 등에도 전달할 수 있다. 그러나 액화라인(L40)은 하부가 저장탱크(10) 내의 액면 아래에 위치하며, 재액화장치(22)는 기상의 이산화탄소를 과냉이 아닌 액상으로 재액화하기 때문에, 제2 저장탱크(10)에 액상 이산화탄소가 전달되더라도, 제2 저장탱크(10)는 입열량에 따라 기상 이산화탄소가 지속적으로 발생함으로써 내압이 상승하게 된다.
즉 재액화장치(22)의 동작 시, 제1 저장탱크(10)는 기상 이산화탄소가 일부의 액상 이산화탄소로 변환되면서 압력이 강하되며, 제2 저장탱크(10) 등은 기저장된 액상 이산화탄소 내에 액화된 이산화탄소가 추가될 뿐, 기상 이산화탄소의 발생에 의해 승압이 이루어진다. 다만 본 실시예의 재액화장치(22)는 제1 저장탱크(10)로는 액상 이산화탄소를 주입하지 않을 수도 있지만, 그렇다 하더라도 제1 저장탱크(10)의 내압 추이가 크게 달라지진 않는다.
이와 같이 재액화장치(22)는 제1 저장탱크(10)를 감압시키면서 제2 저장탱크(10)의 승압을 허용하는데, 제2 저장탱크(10)의 내압이 기설정 압력 범위의 상한값에 인접하는 경우, 액화가스 전달부(30)에 의해 제2 저장탱크(10)의 감압이 이루어지게 된다. 이하 도 9 내지 도 11을 참고해 자세히 설명한다.
본 실시예는 앞선 실시예와 마찬가지로, 저장탱크(10)가 이산화탄소를 저장하면서 일정부분 축압을 할 수 있다. 따라서 복수의 저장탱크(10)의 내압은 도 11의 (A)와 같이 시간 경과에 따라 모두 상승한다.
복수의 저장탱크(10) 중 적어도 어느 하나의 압력이 기설정압을 넘어서면, 저장탱크(10)의 압력을 다시 낮춰주기 위해 재액화장치(22)가 사용될 수 있다. 즉 본 실시예는 제1 저장탱크(10)의 압력을 낮추기 위해 제1 저장탱크(10)에서 배출되는 기상의 이산화탄소를 재액화장치(22)로 전달하여 액화한다.
재액화장치(22)는 도 9에 나타난 것처럼 제1 저장탱크(10)로부터 배출된 기상의 이산화탄소를 액화하여 제1 저장탱크(10) 및 제2 저장탱크(10) 등에 전달할 수 있으며, 이 경우 도 11의 (B)에서와 같이 제1 저장탱크(10)는 감압되고, 제2 저장탱크(10) 등은 지속적으로 축압된다.
다만 제1 저장탱크(10)가 기상 이산화탄소를 배출함에 따라 나타나는 압력 하강의 절대값은, 제2 저장탱크(10) 등의 지속적인 축압에 의해 나타나는 압력 상승의 절대값보다 클 수 있다. 이는 재액화장치(22)가 냉매를 이용해 이산화탄소를 강제 액화시켜서 리턴하기 때문이다.
이와 같은 재액화장치(22)의 동작은, 제2 저장탱크(10) 등의 압력이 기설정 압력 범위의 상한값에 도달할 때까지 이루어질 수 있으며, 이로 인해 제2 저장탱크(10)와 제1 저장탱크(10) 사이에서 차압이 발생한다.
이후 도 10에 나타난 바와 같이, 액화가스 전달부(30)가 제2 저장탱크(10) 등으로부터 제1 저장탱크(10)로 차압을 이용해 기상의 이산화탄소를 가압/압축 없이(free flow) 전달한다. 이러한 액화가스 전달부(30)의 동작은 앞선 실시예와 동일/유사하다.
앞선 실시예와 마찬가지로, 본 실시예에서 차압에 의해 유동하는 이산화탄소는 열교환기(31)에서 가스연료에 의해 냉각될 수 있다. 따라서 기상 이산화탄소를 전달받는 제1 저장탱크(10)의 압력 상승이 완화된다.
이와 같은 액화가스 전달부(30)의 동작에 의해, 도 11의 (C)와 같이 제2 저장탱크(10)는 기상 이산화탄소를 배출하면서 감압되고, 제1 저장탱크(10)는 기상의 냉각된 이산화탄소를 받아 들이면서 다소 승압된다. 다만 열교환기(31)에서 이산화탄소가 냉각되므로, 제2 저장탱크(10)의 압력 하강 절대값은 제1 저장탱크(10)의 압력 상승 절대값보다 크게 된다.
본 실시예에서 재액화장치(22) 및 액화가스 전달부(30)의 일련의 동작은 반복 수행될 수 있다. 다만 앞선 실시예와 유사하게 액화가스 전달부(30)에 의해 균일해진 저장탱크(10)의 압력은 초기 압력보다 다소 높을 수 있지만, 그렇다 하더라도 본 실시예는 운항 기간 동안 이산화탄소를 대기중으로 배출하는 일 없이 안정적으로 운송할 수 있게 되며, 또한 이산화탄소의 저장 압력을 기설정 압력 범위 내로 유지할 수 있다.
도 12는 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 앞선 실시예들이 조합된 형태를 가질 수 있다. 즉 본 실시예의 차압 생성부(20)는, 압축기(21) 및 재액화장치(22)를 모두 포함할 수 있다.
이 경우 차압 생성부(20)는, 저장탱크(10)의 상태나 운항조건 등의 다양한 변수에 따라, 압축기(21) 및/또는 재액화장치(22)를 이용하여 저장탱크(10) 간 차압을 구현한 뒤, 차압에 의해 액화가스가 전달될 때 가스연료와 열교환되도록 할 수 있다.
즉 압축기(21)와 재액화장치(22)는 동시에 또는 이시에 (교대로) 작동할 수 있고, 일정 기간(일례로 하나의 항차기간) 내에는 압축기(21) 및 재액화장치(22) 중 어느 하나만 택일적으로 가동할 수도 있다.
본 발명은 상기의 실시예들로 한정되지 않으며, 실시예들의 조합 및 적어도 어느 하나의 실시예와 공지기술의 조합을 추가적인 실시예로 포함할 수 있음은 물론이다.
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: 가스 처리 시스템 2: 선박
3: 수요처 10: 저장탱크
20: 차압 생성부 21: 압축기
22: 재액화장치 30: 액화가스 전달부
31: 열교환기 40: 연료 공급부
41: 연료탱크 42: 히터
L10: 배출라인 L20: 주입라인
L30: 공통라인 L31: 기상 공통라인
L32: 액상 공통라인 L33: 응축 공통라인
L40: 액화라인

Claims (12)

  1. 액화가스를 삼중점 압력 이상에서 액상으로 저장하는 복수의 제1 내지 제n 저장탱크;
    일부의 상기 저장탱크에서 배출되는 기상의 액화가스를 처리하여, 나머지의 상기 저장탱크 대비 일부의 상기 저장탱크의 압력이 낮아지도록 차압을 구현하는 차압 생성부;
    복수의 상기 저장탱크를 연통시켜서 상기 저장탱크 상호간에 차압을 통해 액화가스가 전달되어 복수의 상기 저장탱크의 압력이 평형을 이루도록 하는 액화가스 전달부; 및
    비등점이 액화가스보다 낮은 가스연료를 수요처로 공급하는 연료 공급부를 더 포함하며,
    상기 액화가스 전달부는,
    가스연료를 이용하여 차압에 의해 전달되는 액화가스를 냉각하는 열교환기를 갖는, 가스 처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    나머지의 상기 저장탱크는, 일부의 상기 저장탱크보다 많은, 가스 처리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 차압 생성부는,
    일부의 상기 저장탱크에서 배출되는 기상의 액화가스를 압축하여 나머지의 상기 저장탱크로 전달하는 압축기를 포함하는, 가스 처리 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 압축기는,
    복수의 상기 저장탱크의 압력이 기설정압을 넘어서면, 일부의 상기 저장탱크에서 발생한 기상의 액화가스를 압축하여 나머지의 상기 저장탱크로 전달하여, 일부의 상기 저장탱크를 감압하고 나머지의 상기 저장탱크를 승압하며,
    이어서 상기 액화가스 전달부는,
    나머지의 상기 저장탱크로부터 일부의 상기 저장탱크로 차압을 이용해 기상의 액화가스를 전달하여, 나머지의 상기 저장탱크를 감압하고 일부의 상기 저장탱크를 승압하여, 복수의 상기 저장탱크가 기설정 압력 범위를 유지하도록 하는, 가스 처리 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 저장탱크에서 기상의 액화가스를 배출하는 배출라인;
    상기 압축기에 의해 액화가스를 상기 저장탱크 내로 주입하는 주입라인; 및
    복수의 상기 배출라인에 연결되어 복수의 상기 저장탱크를 상호 연통시키는 공통라인을 포함하는, 가스 처리 시스템.
  6. 제 4 항에 있어서,
    액화가스는, 이산화탄소이며,
    상기 기설정 압력 범위는, 이산화탄소의 삼중점 압력보다 기설정압 높은 하한값과, 상기 저장탱크의 설계압력보다 기설정압 낮은 상한값을 갖는, 가스 처리 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서, 상기 차압 생성부는,
    일부의 상기 저장탱크에서 배출되는 기상의 액화가스를 액화하여 복수의 상기 저장탱크로 전달하는 재액화장치를 포함하는, 가스 처리 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 재액화장치는,
    복수의 상기 저장탱크의 압력이 기설정압을 넘어서면, 일부의 상기 저장탱크에서 발생한 기상의 액화가스를 재액화하여 복수의 상기 저장탱크로 전달하여, 일부의 상기 저장탱크를 감압하면서 나머지의 상기 저장탱크의 승압을 허용하며,
    이어서 상기 액화가스 전달부는,
    나머지의 상기 저장탱크로부터 일부의 상기 저장탱크로 차압을 이용해 기상의 액화가스를 전달하여, 나머지의 상기 저장탱크를 감압하고 일부의 상기 저장탱크를 승압하여, 복수의 상기 저장탱크가 기설정 압력 범위를 유지하도록 하는, 가스 처리 시스템.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 재액화장치는,
    일부의 상기 저장탱크에서 발생한 기상의 액화가스를 과냉이 아닌 액상으로 재액화하여 일부의 상기 저장탱크 및 나머지의 상기 저장탱크로 전달하되, 나머지의 상기 저장탱크의 액상 액화가스 내에 주입하여 나머지의 상기 저장탱크의 승압을 허용하는, 가스 처리 시스템.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 저장탱크에서 기상의 액화가스를 배출하는 배출라인;
    상기 재액화장치에 의해 액화된 액화가스를 상기 저장탱크 내로 전달하는 액화라인; 및
    복수의 상기 배출라인에 연결되어 복수의 상기 저장탱크를 상호 연통시키는 공통라인을 포함하는, 가스 처리 시스템.
  11. 제 8 항에 있어서,
    액화가스는, 이산화탄소이며,
    상기 기설정 압력 범위는, 이산화탄소의 삼중점 압력보다 기설정압 높은 하한값과, 상기 저장탱크의 설계압력보다 기설정압 낮은 상한값을 갖는, 가스 처리 시스템.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항의 상기 가스 처리 시스템을 갖는, 선박.
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