KR20230092453A - 냉열 활용 액화 이산화탄소 분리 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 냉열 활용 액화 이산화탄소 분리 방법은, 이산화탄소(CO2)를 포함하는 배기가스를 준비하는 전처리 단계; 열교환기에서 상기 배기가스를 냉각시켜 상기 배기가스에 포함된 이산화탄소를 액화하고, 상기 배기가스를 기체-액체 분리하여 액화 이산화탄소(L-CO2)를 회수하는 단계; 저장탱크에 상기 배기가스에서 회수된 액화 이산화탄소를 저장하는 단계; 및 상기 저장탱크에 저장된 상기 액화 이산화탄소의 적어도 일부를 상기 열교환기에 냉매로서 공급하고, 액화 이산화탄소의 기화열을 이용하여 상기 배기가스를 냉각시킴으로써 냉열을 활용하는 단계;를 포함한다.

Description

냉열 활용 액화 이산화탄소 분리 방법 {SEPERATION METHOD FOR LIQUID CARBON DIOXIDE USING COOL THERMAL ENERGY}
본 발명은 냉열 활용 액화 이산화탄소 분리 방법에 관한 것으로 보다 상세하게는, 이산화탄소를 포함하는 배기가스로부터 이산화탄소를 액화 분리하고, 분리 과정에서 액화 이산화탄소의 냉열을 활용하는 냉열 활용 액화 이산화탄소 분리 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 이산화탄소(CO2)는 전체 온실가스의 약 60%를 차지하여 지구 온난화 현상의 주범으로, 일찍이 기후변화에 관한 국제협약 등을 통하여 그 배출량을 감축시키기 위한 노력과 규제가 다방면에서 이루어지고 있다.
이에, 이산화탄소를 감축시키기 위한 기술이 개발되고 있으며, 특히 대용량의 이산화탄소를 감축하기 위한 기술로는 이산화탄소 회수저장 기술(CCS: Carbon Capture and Storage)이 주목받고 잇다.
이산화탄소 회수저장 기술(CCS)은 크게 연소 후 회수법, 연소 전 회수법 및 순산소 연소법(연소 중) 등으로 구분될 수 있다.
먼저, 연소 전 회수법(Pre-combustion capture)은 석탄을 연소가 아닌 가스화 또는 부분산화를 통해 일산화탄소와 수소를 주성분으로 하는 합성가스로 변환시킨 뒤, 이를 수성가스 반응(Water-gas shift reaction)을 통해 일산화탄소에서 이산화탄소와 수소를 만들어내고, 이산화탄소를 흡수 또는 흡착법을 통해 분리하게 된다.
또한, 연소 후 회수법(Postcombustion capture)은 기존의 발전소 등에서 나오는 연소 배가스 내에서 이산화탄소를 선택적으로 분리하는 방법으로서 주로 흡수법, 흡착법이 주로 사용된다.
한편, 순산소 연소법은 공기에서 질소를 분리해내고 순산소를 통해 연료를 연소하는 것으로, 순산소 연소법으로 발생되는 배가스는 주성분이 이산화탄소와 수증기가 되므로 응축을 통해 쉽게 수증기를 분리시킬 수 있는 장점이 있다.
통상적으로, 이산화탄소는 액체 상태로 회수하여 사용되는데, 대기압 환경에서 이산화탄소의 비등점은 -78.46
Figure pat00001
로 낮기 때문에 배기가스를 압축하여 비등점을 높이고 비교적 고온 환경에서 액화하여 회수하는 방법이 개발되었다.
그러나 배기가스를 냉각하는 과정에서 냉각을 위한 냉열이 대량으로 필요한 바, 이러한 냉열을 형성하기 위해 냉매를 냉각하는 과정에 많은 에너지가 소모되는 문제가 있었다.
또한, 분리된 액화 이산화탄소는 고압 가스 수송용 트럭 등에 적재하여 이산화탄소를 활용하는 장소로 수송된 후, 액화 이산화탄소를 히터로 가열하여 기화시킨 다음 기체 이산화탄소를 활용하는 바, 이산화탄소를 기화하기 위해 별도의 열원이 필요하여 에너지가 더욱 소모되는 문제가 있었다.
따라서, 이산화탄소를 액화시키는데 소모되는 에너지를 최소화하고, 기화를 위해 별도의 열원을 사용하지 않고도 기체 이산화탄소를 바로 활용할 수 있는 이산화탄소 분리 방법이 요구되고 있는 실정이다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것을 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여서는 안 될 것이다.
KR 10-1106195 B1 (2012.01.09)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 배기가스를 냉각하여 액화 이산화탄소를 제조할 때의 에너지 소모를 최소화하고, 이산화탄소를 고압 가스 수송용 트럭 등의 별도 수송수단 없이 수요처로 이송시킬 수 있고, 액화 이산화탄소를 기화시켜 활용하기 위한 가열 에너지의 공급이 불필요한 냉열 활용 액화 이산화탄소 분리 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 본 발명의 기재로부터 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 냉열 활용 액화 이산화탄소 분리 방법은, 이산화탄소(CO2)를 포함하는 배기가스를 준비하는 전처리 단계; 열교환기에서 상기 배기가스를 냉각시켜 상기 배기가스에 포함된 이산화탄소를 액화하고, 상기 배기가스를 기체-액체 분리하여 액화 이산화탄소(L-CO2)를 회수하는 단계; 저장탱크에 상기 배기가스에서 회수된 액화 이산화탄소를 저장하는 단계; 및 상기 저장탱크에 저장된 상기 액화 이산화탄소의 적어도 일부를 상기 열교환기에 냉매로서 공급하고, 액화 이산화탄소의 기화열을 이용하여 상기 배기가스를 냉각시킴으로써 냉열을 활용하는 단계;를 포함한다.
상기 액화 이산화탄소를 회수하는 단계는, 상기 배기가스를 제1 열교환기에서 냉각하여 이산화탄소를 액화시키는 냉각과정; 및 상기 냉각과정에서 이산화탄소가 액화되어 액체와 기체가 혼합된 상기 배기가스를 증류탑에서 증류하여 이산화탄소의 농도가 낮은 성분의 기체와 액화 이산화탄소를 포함하는 액체로 분리하는 증류과정;을 포함하고, 상기 냉열을 활용하는 단계는, 상기 저장탱크에 저장된 액화 이산화탄소의 적어도 일부를 상기 제1 열교환기에 냉매로서 공급하는 과정; 및 상기 제1 열교환기를 통과한 후 기화된 이산화탄소를 공급배관을 통해 이산화탄소 수요처로 수송하는 과정;을 포함할 수 있다.
상기 액화 이산화탄소를 회수하는 단계는, 상기 증류과정에서 분리된 이산화탄소의 농도가 낮은 성분의 기체를 제2 열교환기에서 냉각하여 이산화탄소를 액화시키고, 액화된 이산화탄소를 상기 증류탑으로 재공급하는 재분류과정; 및 상기 증류과정에서 분리된 액화 이산화탄소를 포함하는 액체를 제3 열교환기에서 냉각하고 기체를 분리함으로써 액화 이산화탄소의 농도를 증가시키는 농축과정;을 더 포함할 수 있다.
상기 냉열을 활용하는 단계는, 상기 저장탱크에 저장된 액화 이산화탄소의 적어도 일부를 상기 제2 열교환기 및 상기 제3 열교환기 중 어느 하나 또는 둘 모두에 냉매로서 공급하는 과정;을 더 포함하고, 상기 저장탱크에 저장된 액화 이산화탄소는 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기, 상기 제3 열교환기 중 어느 하나 이상에 각각 별도로 공급되어 각각 기화되거나, 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기, 상기 제3 열교환기 중 어느 하나 이상을 소정의 순서로 순차적으로 통과하면서 기화될 수 있다.
상기 액화 이산화탄소를 회수하는 단계는, 상기 제1 증류과정 이후에 분리된 상기 액화 이산화탄소를 보조 증류탑에서 증류하여 이산화탄소의 농도가 낮은 성분의 기체와 액화 이산화탄소를 포함하는 액체로 분리하여 액화 이산화탄소의 순도를 증가시키는 보조 증류과정; 및 상기 보조 증류과정에서 분리된 이산화탄소의 농도가 낮은 성분의 기체를 제4 열교환기에서 냉각하여 이산화탄소를 액화시키고, 액화된 이산화탄소를 상기 보조 증류탑으로 재공급하는 보조 재분류과정;을 더 포함하고, 상기 냉열을 활용하는 단계는, 상기 저장탱크에 저장된 액화 이산화탄소의 적어도 일부를 상기 제4 열교환기에 냉매로서 공급하는 과정;을 더 포함할 수 있다.
상기 냉열을 활용하는 단계는, 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기, 상기 제3 열교환기 및 상기 제4 열교환기에 상기 저장탱크에 저장된 액화 이산화탄소가 아닌 별도의 냉각냉매를 공급하는 과정;을 더 포함하고, 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기, 상기 제3 열교환기, 상기 제4 열교환기에 공급되는 상기 저장탱크에 저장된 액화 이산화탄소의 공급량에 따라, 상기 냉각냉매의 공급량을 조절할 수 있다.
상기 전처리 단계는, 상기 배기가스를 포집하는 과정; 포집된 상기 배기가스를 압축 및 냉각하는 과정; 압축 및 냉각된 상기 배기가스에 물을 분사하여 상기 배기가스에 포함된 고체 및 수용성 이물질을 제거하도록 세정하는 과정; 및 세정된 상기 배기가스를 정제 및 건조하여 수분을 제거하는 과정;을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배기가스를 효율 좋게 냉각하여 이산화탄소를 액화시켜 분리할 수 있고, 분리된 액화 이산화탄소를 이용하여 배기가스의 냉각에 재활용함으로써 냉각에 소모되는 에너지를 절감할 수 있을 뿐만 아니라, 열교환 과정에서 다시 기화된 이산화탄소를 즉시 배관을 통해 수요처로 공급하여 연속적인 이산화탄소 공급 사이클을 형성할 수 있는 효과가 있다
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 냉열 활용 액화 이산화탄소 분리 방법의 순서도이고,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 냉열 활용 액화 이산화탄소 분리 방법의 구성도이고,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 냉열 활용 액화 이산화탄소 분리 방법의 구성도이고,
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 냉열 활용 액화 이산화탄소 분리 방법의 구성도이고,
도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따라 증류탑이 2개 설치된 냉열 활용 액화 이산화탄소 분리 방법의 구성도이고,
도 6은 본 발명에 따른 열교환기의 내부 구조와, 액화 이산화탄소 및 냉각냉매의 순환 구조를 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 냉열 활용 액화 이산화탄소 분리 방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 냉열 활용 액화 이산화탄소 분리 방법의 구성도이며, 도 6은 본 발명에 따른 열교환기의 내부 구조와, 액화 이산화탄소 및 냉각냉매의 순환 구조를 도시한 도면이다.
도 1, 도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 냉열 활용 액화 이산화탄소 분리 방법은, 이산화탄소(CO2)를 포함하는 배기가스(G0)를 준비하는 전처리 단계(S100), 열교환기(300)에서 배기가스(G0)를 냉각시켜 배기가스(G0)에 포함된 이산화탄소를 액화하고, 냉각되어 이산화탄소가 액화된 배기가스(G1)를 증류탑(100)에서 기체-액체 분리하여 액화 이산화탄소(Liquid CO2)를 회수하는 단계(S200), 저장탱크(200)에 배기가스에서 회수된 액화 이산화탄소(G3)를 저장하는 단계(S300) 및 저장탱크(200)에 저장된 액화 이산화탄소의 적어도 일부를 열교환기(300)에 냉매(C0)로서 공급하고, 액화 이산화탄소의 기화열을 이용하여 배기가스(G0)를 냉각시킴으로써 냉열을 활용하는 단계(S400)를 포함하여 구성된다.
각 단계에 대해 더 자세히 살펴보면, 먼저 전처리 단계(S100)는 발전소, 제철소 등 연료를 연소시켜 발생된 배기가스를 포집기(10)에서 포집하여 후속 공정에 제공하는 과정과, 포집된 배기가스를 압축기(20)에서 압축한 후 소정 온도로 냉각하는 과정과, 압축 및 냉각된 배기가스에 세정기(30)에서 물을 분사하여 배기가스에 포함된 고체 및 수용성 이물질을 제거하는 세정 과정 및 세정된 배기가스를 정화기(40)에서 정제 및 건조하여 수분과 황화수소(H2S)를 제거하는 과정을 포함할 수 있다.
이러한 전처리 단계(S100)의 각 공정은 본 발명의 핵심적인 기술적 특징부인 이산화탄소 분리 및 냉열 활용 단계에서 사용되는 배기가스(G0)의 생산 및 준비과정에 관한 것으로서, 이러한 과정을 통해 소정의 이산화탄소를 포함하고, 압력 35~45bar.a, 온도 20~30℃의 배기가스(G0)를 제공하게 된다.
이러한 전처리 단계(S100)는 상술한 포집기(10), 압축기(20), 세정기(30) 및 정화기(40)를 포함한 다양한 구성을 통해 실현될 수 있고, 상술한 조건의 배기가스를 제공할 수 있다면, 그에 대한 구체적인 구성은 특별히 한정하지 않는다. 따라서 여기에서는 이에 대한 자세한 설명을 생략하도록 한다.
액화 이산화탄소(Liquid CO2)를 회수하는 단계(S200)는, 배기가스(G0)를 열교환기(300)에서 냉각하여 이산화탄소를 액화시키고, 이를 증류탑(100)에서 기체-액체 분리하여 고농도의 액화 이산화탄소를 회수하는 단계이다.
이를 더 구체적으로 살펴보면, 먼저 배기가스(G0)를 제1 열교환기(310)에서 냉각하여 이산화탄소를 액화시키는 냉각과정 및 냉각과정에서 이산화탄소가 액화되어 액체와 기체가 혼합된 배기가스(G1)를 증류탑(100)에서 증류하여 이산화탄소의 농도가 낮은 성분의 기체(OG1)와 액화 이산화탄소를 포함하는 액체(G2)로 분리하는 증류과정을 포함하여 구성된다.
이때, 제1 열교환기(310)를 통과한 배기가스(G1)는 CO2 농도 70~75%, 압력 35~40bar.a, 온도 -35 ~ -30℃로 냉각되는 바, 이산화탄소의 액화를 위한 삼중점 압력인 5.3bar.a 이상이고, 압력 35bar.a 기준 이산화탄소의 액화점은 0℃ 이상이기 때문에, 이산화탄소가 액화될 수 있다.
여기에서, 이산화탄소의 회수율을 높이고 액화 이산화탄소의 순도를 향상시키기 위해, 추가적인 열교환기(300)에서 이산화탄소의 농도가 낮은 성분의 기체(OG1)를 냉각하고 액화된 이산화탄소 포함 액체를 증류탑(100)으로 회수하는 재분류과정을 더 포함하는 것이 바람직하다.
즉, 증류탑(100)에서 배출되는 이산화탄소 희박 기체(OG1)을 제2 열교환기(320)에서 -40 ~ -35℃ 수준으로 냉각함으로써, 수소 등 액화점이 훨씬 낮은 기체는 기체 상태로 남아 배출가스(OG2)로서 제거되고, 이산화탄소를 포함한 액화된 가스들은 복귀가스(RG1)로서 증류탑(100)으로 회수되는 것이다.
이를 통해, 증류탑(100)에서 가스 형태로 배출되는 이산화탄소를 최소화시킬 수 있고, 최종적인 배출가스(OG2)에 포함된 이산화탄소를 감소시켜 연료(수소 등)로 재활용하기에 적합한 가스를 생산할 수도 있다.
또한, 증류탑(100)에서 배출되는 이산화탄소 포함 액체(G2)의 경우, 증류탑(100)에서 배출되어 배관을 통해 이동하는 과정에서 -25 ~ -20℃ 수준으로 온도가 상승하는 바, 이를 다시 제3 열교환기(330)에서 -30 ~ -25℃ 수준으로 냉각함으로써 이산화탄소보다 액화점이 높은 기체를 다시 분리하여 이산화탄소의 순도를 더욱 향상시키는 농축과정을 더 포함하는 것이 바람직하다.
이를 통해, 증류탑(100)을 통과하여 배출된 이산화탄소 포함 액체(G2)를 제3 열교환기(330)에서 기액 분리하여 이산화탄소 희박 기체(OG3)를 추가적으로 분리 제거함으로써, 이산화탄소 농도를 97% 이상에서 99% 이상으로 상승시킨 고순도 액화 이산화탄소(G3)를 얻을 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 증류탑(100) 후단에 별도의 보조 증류탑(110)을 추가로 설치하여 이산화탄소 포함 액체(G2)를 다시 증류하여 기액 분리하는 보조 증류과정과, 보조 증류탑(110)에서 배출되는 이산화탄소 희박 기체(OG4)를 제4 열교환기(340)에서 다시 냉각하여 기액 분리함으로써 배출가스(OG5)는 기체 상태로 분리하여 제거하고, 이산화탄소를 포함한 액화된 가스들은 복귀가스(RG2)로서 보조 증류탑(110)으로 회수하는 보조 재분류과정을 더 포함함으로써, 이산화탄소의 농도를 최대한 증가시킬 수 있다.
이를 통해, 이산화탄소 포함 액체(G2)를 추가적으로 한 번 더 증류함으로써, 이산화탄소의 농도를 99.99% 이상으로 더욱 상승시킨 이산화탄소 포함 액체(G2a)를 제조한 후, 이를 상술한 제3 열교환기(330)로 공급하여 기액 분리하고, 최종적으로 이산화탄소 농도 99.994% 이상의 초고순도 액화 이산화탄소(G3a)를 제조할 수 있다.
액화 이산화탄소를 저장하는 단계(S300)는, 상술한 바와 같이 제조된 고순도 또는 초고순도 액화 이산화탄소(G3,G3a)를 저장탱크(200)에 저장하는 단계로서, 저장탱크(200)에 저장된 액화 이산화탄소는 별도의 수송수단(T)을 통해 액체 상태로 수송되거나, 후술할 냉열을 활용하는 단계(S400)에서 사용될 수 있다.
냉열을 활용하는 단계(S400)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 저장탱크(200)에 저장된 액화 이산화탄소의 적어도 일부를 냉매(C0)로서 제1 열교환기(310)에 공급하는 과정과, 제1 열교환기(310)를 통과하면서 배기가스(G0)를 냉각시키면서 기화된 이산화탄소(VC)를 공급배관(500)을 통해 이산화탄소 수요처로 수송하는 과정을 포함하는 것이 바람직하다.
즉, 저장탱크(200)에 저장되어 있는 액화 이산화탄소를 냉매로 활용하여 배기가스(G0)를 냉각시킴으로써, 배기가스(GO)에 포함되어 있는 이산화탄소를 액화시켜 기액 분리를 가능하게 하고, 이와 동시에 냉매(C0)로 사용된 액화 이산화탄소를 기화시켜 기체 상태의 이산화탄소를 필요로 하는 시설에서 액화 이산화탄소를 기화시키기 위해 별도의 열원을 사용하는 것이 불필요해지기 때문에, 배기가스의 냉각, 액화 이산화탄소의 기화에 소모되는 에너지 소요를 절감하는 것이 가능해지는 것이다.
이때 도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 열교환기(310) 내부에 형성된 가스유로(301)에는 가스 유입구(Gi)에서 가스 유출구(Go) 방향으로 배기가스(G0)가 유동하고, 이러한 가스유로(301)의 둘레로 이산화탄소 냉각코어(302), 제1 보조 냉각코어(303) 및 제2 보조 냉각코어(304)가 설치되며, 제1 보조 냉각코어(303) 및 제2 보조 냉각코어(304)에 액화 이산화탄소 냉매(C0)와 별도로 마련된 냉각냉매를 공급하는 냉각장치(410)가 마련된다.
이산화탄소 냉각코어(302)는 저장탱크(200)에 저장되어 있는 액화 이산화탄소를 냉매(C0)로 사용하여 배기가스(G0)를 냉각시키는 구성으로서, 냉매 유입구(Ci)를 통해 공급받은 냉매(C0)를 기화시키면서 이러한 기화열을 이용하여 가스유로(301)를 유동하는 배기가스(G0)를 냉각시킨 후, 냉매 유출구(Co)를 통해 기화된 이산화탄소를 배출하게 된다.
기화된 상태로 배출된 이산화탄소는 공급배관(500)을 통해 이산화탄소 수요처, 예를 들어 제철소에서 불활성 분위기를 형성하기 위한 불활성 가스 공급수단에 전달되어 활용될 수 있다.
한편, 제1 보조 냉각코어(303)는 액화 이산화탄소 냉매(C0)만으로 부족한 냉열을 보완하기 위해 마련된다. 즉, 액화 이산화탄소의 기화열만으로도 배기가스(C0)를 소정 온도 냉각시킬 수는 있지만, 이러한 기화열에 의한 냉열만으로 배기가스(C0)를 목표 온도까지 냉각시켜 이산화탄소를 완전히 액화시키는 것은 어려울 수 있다. 이때, 제1 보조 냉각코어(303)에 액화 이산화탄소가 아닌, 이보다 더 온도가 낮은 별도의 냉매를 투입함으로써, 이산화탄소 냉각코어(302)에서 1차적으로 냉각된 배기가스(G0)를 추가로 냉각하여, 가스유로(301)를 유동하는 배기가스(G0) 중의 이산화탄소를 확실하게 액화시킬 수 있는 것이다.
이를 위하여, 냉각장치(410)에서 냉각된 냉각냉매는 제1 보조 냉매 공급관(421)을 통해 제1 보조 냉각코어(303)로 전달되고, 가스유로(301)를 유동하는 배기가스(G0)를 냉각시킨 이후 제1 보조 냉매 배출관(422)를 통해 냉각장치(410)로 회수된다.
이에 더해서, 저장탱크(200)에 저장되어 있는 액화 이산화탄소는 배기가스(G0)가 공급되는 한 지속적으로 제공될 수 있지만, 수송수단(T)에 의해 단시간에 대량의 액화 이산화탄소가 불출되거나, 배기가스(G0)의 유량이 감소되는 등 액화 이산화탄소의 공급이 불안정할 경우, 저장탱크(200)에 수용되어 있는 액화 이산화탄소의 양이 부족해질 수 있다.
이럴 경우에, 이산화탄소 냉각코어(302)에서 제공하는 냉열의 감소량을 보상하기 위하여, 제2 보조 냉각코어(304)에 냉각냉매를 공급하여 추가적인 냉열을 공급하게 된다.
냉각장치(410)에서 냉각된 냉각냉매는 제2 보조 냉매 공급관(431)을 통해 제2 보조 냉각코어(304)로 전달되고, 가스유로(301)를 유동하는 배기가스(G0)를 냉각시킨 이후 제2 보조 냉매 배출관(432)를 통해 냉각장치(410)로 회수된다.
이때, 제1 보조 냉각코어(303)를 유동하는 냉각냉매의 유동량은 일정하게 유지되는 것이 바람직하고, 제2 보조 냉각코어(304)를 유동하는 냉각냉매의 유동량은 이산화탄소 냉매(C0)의 유동량에 따라 가변적으로 조절되는 것이 바람직할 것이다.
한편, 도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 이산화탄소 냉매(C0)는 제1 열교환기(310)에만 공급되어 냉열을 제공할 수도 있지만, 제2 열교환기(320), 제3 열교환기(330), 제4 열교환기(340) 중 어느 하나 이상에 추가적으로 공급될 수도 있다.
이때, 냉매(C0)는 복수의 열교환기(300)들을 소정의 순서로 직렬 통과하면서 각각의 열교환기(300)에 냉열을 전달할 수도 있고, 냉매(C0)를 복수의 배관으로 병렬 분산시켜 각각의 열교환기(300)에 각각 냉열을 전달할 수도 있다.
각각의 도면별 실시예를 자세히 살펴보면, 도 2는 앞서 설명한 바와 같이 냉매(C0)를 제1 열교환기(310)에 통과시켜 제1 열교환기(310)에만 냉열을 전달하도록 구성되어 있다.
도 3은 냉매(CO)가 제3 열교환기(330)을 통과하여 일차적으로 제3 열교환기(330)에 냉열을 제공한 이후, 최초의 냉매(C0)보다 소정 온도 높아진 냉매(C1)로서 제1 열교환기(310)에 공급되어 냉열을 제공한 후, 기화된 이산화탄소(VC)를 공급배관(500)을 통해 이산화탄소 수요처로 수송하도록 구성되어 있다.
도 4는 냉매(CO)가 제3 열교환기(330)을 통과하여 일차적으로 제3 열교환기(330)에 냉열을 제공한 이후, 최초의 냉매(C0)보다 소정 온도 높아진 냉매(C1a)로서 두 번째로 제2 열교환기(320)에 공급되어 추가적인 냉열을 제공한 후, 소정 온도 추가로 높아진 냉매(C2a)로서 세 번째로 제1 열교환기(310)에 공급되어 냉열을 제공하게 된다.
이렇게 세 차례에 걸쳐 냉열을 제공한 후, 기화된 이산화탄소(VC)를 공급배관(500)을 통해 이산화탄소 수요처로 수송하도록 구성되어 있다.
도 5는 보조 증류탑(110)을 설치한 구성으로서, 냉매(CO)가 제3 열교환기(330)을 통과하여 일차적으로 제3 열교환기(330)에 냉열을 제공한 이후, 최초의 냉매(C0)보다 소정 온도 높아진 냉매(C1b)로서 두 번째로 제4 열교환기(340)에 공급되어 추가적인 냉열을 제공한 후, 소정 온도 추가로 높아진 냉매(C2b)로서 세 번째로 제1 열교환기(310)에 공급되어 냉열을 제공하게 된다.
도 2 내지 도 5에는 본 발명에 따른 다양한 실시예 중 4가지 경우에 대해 작성하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 제1 열교환기(310), 제2 열교환기(320), 제3 열교환기(330) 및 제4 열교환기(340)를 직렬 또는 병렬로 연결하여 액화 이산화탄소 냉매(C0)를 냉열 열원으로서 제공함으로써, 배기가스 중에 포함된 이산화탄소의 액화에 소모되는 에너지를 절감하는 다양한 방식으로 제공될 수 있을 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 포집기 20: 압축기
30: 세정기 40: 정화기
100: 증류탑 110: 보조 증류탑
200: 저장탱크 300: 열교환기
301: 가스유로 302: 이산화탄소 냉각코어
303: 제1 보조 냉각코어 304: 제2 보조 냉각코어
310: 제1 열교환기 320: 제2 열교환기
330: 제3 열교환기 340: 제4 열교환기
410: 냉각장치 421: 제1 보조 냉매 공급관
422: 제1 보조 냉매 배출관 431: 제2 보조 냉매 공급관
432: 제2 보조 냉매 배출관

Claims (7)

  1. 이산화탄소(CO2)를 포함하는 배기가스를 준비하는 전처리 단계;
    열교환기에서 상기 배기가스를 냉각시켜 상기 배기가스에 포함된 이산화탄소를 액화하고, 상기 배기가스를 기체-액체 분리하여 액화 이산화탄소(L-CO2)를 회수하는 단계;
    저장탱크에 상기 배기가스에서 회수된 액화 이산화탄소를 저장하는 단계; 및
    상기 저장탱크에 저장된 상기 액화 이산화탄소의 적어도 일부를 상기 열교환기에 냉매로서 공급하고, 액화 이산화탄소의 기화열을 이용하여 상기 배기가스를 냉각시킴으로써 냉열을 활용하는 단계;를 포함하는, 냉열 활용 액화 이산화탄소 분리 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 액화 이산화탄소를 회수하는 단계는,
    상기 배기가스를 제1 열교환기에서 냉각하여 이산화탄소를 액화시키는 냉각과정; 및
    상기 냉각과정에서 이산화탄소가 액화되어 액체와 기체가 혼합된 상기 배기가스를 증류탑에서 증류하여 이산화탄소의 농도가 낮은 성분의 기체와 액화 이산화탄소를 포함하는 액체로 분리하는 증류과정;을 포함하고,
    상기 냉열을 활용하는 단계는,
    상기 저장탱크에 저장된 액화 이산화탄소의 적어도 일부를 상기 제1 열교환기에 냉매로서 공급하는 과정; 및
    상기 제1 열교환기를 통과한 후 기화된 이산화탄소를 공급배관을 통해 이산화탄소 수요처로 수송하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 냉열 활용 액화 이산화탄소 분리 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 액화 이산화탄소를 회수하는 단계는,
    상기 증류과정에서 분리된 이산화탄소의 농도가 낮은 성분의 기체를 제2 열교환기에서 냉각하여 이산화탄소를 액화시키고, 액화된 이산화탄소를 상기 증류탑으로 재공급하는 재분류과정; 및
    상기 증류과정에서 분리된 액화 이산화탄소를 포함하는 액체를 제3 열교환기에서 냉각하고 기체를 분리함으로써 액화 이산화탄소의 농도를 증가시키는 농축과정;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 냉열 활용 액화 이산화탄소 분리 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 냉열을 활용하는 단계는,
    상기 저장탱크에 저장된 액화 이산화탄소의 적어도 일부를 상기 제2 열교환기 및 상기 제3 열교환기 중 어느 하나 또는 둘 모두에 냉매로서 공급하는 과정;을 더 포함하고,
    상기 저장탱크에 저장된 액화 이산화탄소는 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기, 상기 제3 열교환기 중 어느 하나 이상에 각각 별도로 공급되어 각각 기화되거나, 상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기, 상기 제3 열교환기 중 어느 하나 이상을 소정의 순서로 순차적으로 통과하면서 기화되는 것을 특징으로 하는, 냉열 활용 액화 이산화탄소 분리 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 액화 이산화탄소를 회수하는 단계는,
    상기 제1 증류과정 이후에 분리된 상기 액화 이산화탄소를 보조 증류탑에서 증류하여 이산화탄소의 농도가 낮은 성분의 기체와 액화 이산화탄소를 포함하는 액체로 분리하여 액화 이산화탄소의 순도를 증가시키는 보조 증류과정; 및
    상기 보조 증류과정에서 분리된 이산화탄소의 농도가 낮은 성분의 기체를 제4 열교환기에서 냉각하여 이산화탄소를 액화시키고, 액화된 이산화탄소를 상기 보조 증류탑으로 재공급하는 보조 재분류과정;을 더 포함하고,
    상기 냉열을 활용하는 단계는,
    상기 저장탱크에 저장된 액화 이산화탄소의 적어도 일부를 상기 제4 열교환기에 냉매로서 공급하는 과정;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 냉열 활용 액화 이산화탄소 분리 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 냉열을 활용하는 단계는,
    상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기, 상기 제3 열교환기 및 상기 제4 열교환기에 상기 저장탱크에 저장된 액화 이산화탄소가 아닌 별도의 냉각냉매를 공급하는 과정;을 더 포함하고,
    상기 제1 열교환기, 상기 제2 열교환기, 상기 제3 열교환기, 상기 제4 열교환기에 공급되는 상기 저장탱크에 저장된 액화 이산화탄소의 공급량에 따라, 상기 냉각냉매의 공급량을 조절하는 것을 특징으로 하는, 냉열 활용 액화 이산화탄소 분리 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 전처리 단계는,
    상기 배기가스를 포집하는 과정;
    포집된 상기 배기가스를 압축 및 냉각하는 과정;
    압축 및 냉각된 상기 배기가스에 물을 분사하여 상기 배기가스에 포함된 고체 및 수용성 이물질을 제거하도록 세정하는 과정; 및
    세정된 상기 배기가스를 정제 및 건조하여 수분을 제거하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 냉열 활용 액화 이산화탄소 분리 방법.

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