KR20230173880A - Co2 액화기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 LNG선박이나 대중소 규모의 산업체에서 배출되는 연소 배가스 성분 중 CO2기체를 LNG냉열을 사용하여 액화시키는 셀튜브식 액화기에 관한 것이다.
보다 상세하게는 LNG냉열을 이용하여 CO2를 액화시키는 다관으로 이루어진 셀튜브식 열교환 액화기에서, 액화기의 관내부는 LNG가 흐르고 관 외부는 CO2기체가 충전되며, 충전된 CO2기체는 LNG와 열교환하여 액체가 된다. 이때 상부의 전열관 표면에서 액화된 액체 CO2는 다층 관을 따라 하부관으로 적하되면서 LNG에 의하여 온도가 더욱 낮아져 고체가 발생하게 된다. 본 발명은 이 고체화를 방지하는 기술에 관한 것으로, 다수개의 전열관 사이에 액포집 유로판을 가설하여 상부에서 액화된 액체CO2가 하부 전열관까지 적하하지 않고 사이에 가설된 포집단에서 합체되어 측면 등으로 흐름으로써 고체화를 방지하는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 냉각 혹은 액화시키는 유체의 고체화 온도가 높아 극저온용 셀튜브 열교환기를 적용할 수 없는 문제를 해결하고, 버려지는 LNG의 기화에너지를 이용하여 CO2를 고체를 방지하면서 액체로 포집할 수 있게 함으로써 CO2포집에 필요한 에너지를 크게 절약시키는 효과적인 처리 방법이 된다.
또한, 이는 각종 LNG이용 중소형 산업체, LNG선박의 다양한 CO2 배출 용량에 맞춘 CO2액화가 가능하게 되는 잇점을 제공한다.

Description

CO2 액화기{CO2 liquefier}
본 발명은 LNG선박이나 대중소 규모의 산업체에서 배출되는 연소 배가스 성분 중 CO2기체를 LNG냉열을 사용하여 액화시키는 셀튜브식 액화기에 관한 것이다.
보다 상세하게는 LNG냉열을 이용하여 CO2를 액화시키는 다관으로 이루어진 셀튜브식 열교환 액화기에서, 액화기의 관내부는 LNG가 흐르고 관 외부는 CO2기체가 충전되며, 충전된 CO2기체는 LNG와 열교환하여 액체가 된다. 이때 상부의 전열관 표면에서 액화된 액체 CO2는 다층 관을 따라 하부관으로 적하되면서 LNG에 의하여 온도가 더욱 낮아져 고체가 발생하게 된다. 본 발명은 이 고체화를 방지하는 기술에 관한 것으로, 다수개의 전열관 사이에 액포집 유로판을 가설하여 상부에서 액화된 액체CO2가 하부 전열관까지 적하하지 않고 사이에 가설된 포집단에서 합체되어 측면 등으로 흐름으로써 고체화를 방지하는 기술에 관한 것이다.
본 발명에 의하면, 냉각 혹은 액화시키는 유체의 고체화 온도가 높아 극저온용 셀튜브 열교환기를 적용할 수 없는 문제를 해결하고, 버려지는 LNG의 기화에너지를 이용하여 CO2를 고체를 방지하면서 액체로 포집할 수 있게 함으로써 CO2포집에 필요한 에너지를 크게 절약시키는 효과적인 처리 방법이 된다.
또한, 이는 각종 LNG이용 중소형 산업체, LNG선박의 다양한 CO2 배출 용량에 맞춘 CO2액화가 가능하게 되는 잇점을 제공한다.
본 발명은 LNG를 연료로 사용하거나 운항하는 디젤엔진 선박이나, 대중소 규모의 LNG이용 혹은 극저온 액체(액체수소, 액체질소, 액체산소 등)이용하는 산업체에서, 배출되는 연소 배가스 성분 중 CO2기체를 셀튜브식 열교환기를 사용하여 LNG 등 극저온 액체의 상변화 냉열을 이용, 액화시킴에 있어서, 고체화를 방지하는 효과적인 액화기 구조에 관한 것이다.
종래 연소로에서 배출되는 배가스 성분은 크게 수증기, 질소, CO2, 그리고 공해물질 등으로 구성되며, 대기 중으로 배출되면서 환경 오염 문제와 지구 온난화 문제를 야기하고 있다.
배가스 중 CO2기체를 포집하는 방법들에는 아민이용 습식, 아민 건식, 분리막법, 프라즈마법 등이 있으며, 이 방법으로 분리 포집한 CO2기체는 압축기로 가압 후 암모니아 냉동기를 사용하여 액화시키고 있다.
이산화탄소의 상태도를 보면, 액체의 CO2를 얻기위하여는 삼중점인 5.1bar 이상이 되어야 하며, 현재 유통되는 모든 액체CO2는 압력 20bar가 적용되고 있다. 20bar에서 CO2의 액화 온도는 -14.8℃ 이고, 고체화 온도는 -56℃이나, 유통 온도는 액체온도 -25℃로 과냉각시켜 운반, 취급되고 있다. 그러므로 각종 연소장치의 배가스로부터 습식CO2포집 장치 등에서 포집된 CO2기체는, 압축기에 의하여 20bar로 가압된 후 -30℃의 냉동기를 이용하여 -25℃의 액체로 만든 후, 맥주, 탄산음료 제조 등에 사용되고 있다. 이 CO2 액화를 위한 암모니아 냉동기의 소요 동력을 보면, 일 약 100톤의 CO2를 액화시킬 때 약 0.5MW의 냉동기 전력이 소요되고 있다.
이 암모니아 냉동기 대신에 저온 제공이 가능한 것으로 LNG냉열이 있다. 이 LNG는 -162℃의 액체로 기체의 천연가스로 공급하기 위하여 해수를 이용하여 0℃ 천연가스로 기화시키면서 기화 냉열은 해수에 버리게 된다. 이 버려지는 냉열을 이용하여 CO2 기체를 액화시킬 수 있게 되는 것이다.
그러나, LNG 온도는 -162℃인 반면, 20bar의 CO2는 고체화 온도가 -56℃가 되어 LNG를 이용한 CO2 액화과정에서 고체가 발생하게 되는 것이다.
도1은 종래 CO2 기체를 액화시키는 대표적 열교환기인 셀튜브식 -30℃ 암모니아 냉매이용 액화기를 보여준다. 이 쉘튜브식 열교환 액화기(110)는 다층의 전열관(120)이 상하로 배치된 형태로 이루어 진다. 그러나, 이 -30℃의 암모니아 대신에 -162℃의 LNG냉열을 이용할 경우는, 상부에서 액화된 CO2가 적하되어 하부관(130)에서 -56℃ 이하가 되어 고체화 되는 현상이 발생하게 되므로 적용이 되지 못하는 것이다.
그러므로 이러한 쉘튜브식 열교환 액화기에서 LNG냉열을 이용하여 CO2를 액화시킬 때, CO2고체가 발생하여 흐름을 막는 문제를 해결할 수 있는 기술이 요구되어 지는 것이다.
본 발명은 종래 CO2를 암모니아 냉매로 액화시키는 셀튜브식 열교환 액화기에 있어서, -30℃ 저온의 암모니아 냉매 대신에 -162℃ LNG냉열을 사용할 때 다층의 전열관 상부에서 액화된 액체CO2가 하부 전열관에서 고체화되는 문제를 해결하고자 고안된 것이다.
상기의 문제를 해결하기 한 것으로,
본 발명은, LNG냉열을 이용한 셀튜브식 열교환 CO2 액화기에 있어서 고체화를 막기 위하여, 상하 다층의 전열관 사이에 액포집 유로판을 가설하여 상부에서 액화된 액체CO2가 하부 전열관까지 적하하지 않고 액포집 유로판이 가설된 증에서 액체가 포집되어 흐르게 하는 것이다. 이 중간 포집된 액체는 하부관의 초저온 LNG와 접촉을 피하게 되어 고체화가 방지됨으로써 셀튜브식 액화기가 LNG냉열이용 CO2 액화에 적용될 수 있도록 하는 것이다.
본 발명에 의하면, CO2기체를 액화함에 있어 종래 암모니아 냉매를 사용하는 대신에, 버려지는 극저온의 LNG냉열을 이용하여 액체 CO2를 고체화를 방지하면서 액화시키는 기술을 제공하게 된다.
이는 종래 CO2 기체의 액화기인 셀튜브식 액화기에 극저온의 LNG냉열을 이용하여 액체 CO2를 고체화를 방지하면서 사용할 수 있는 효과와, 버려지는 LNG냉열을 회수 이용함으로써 막대한 에너지를 절감하는 효과, 그리고 수직형 셀튜브식 액화기는 선박의 제한된 공간에 설치가 가능한 효과를 제공하게 된다.
도 1은 종래 암모니아 냉매이용 셀튜브식 CO2액화기를 설명하기 위한 계략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예인 다층의 전열관 사이에 액포집 유로판을 가설하여 고체화가 방지되는 LNG냉열이용 수평형 셀튜브식 액화기를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예인 액포집 유로판을 가설하여 고체화가 방지되는 LNG냉열이용 수직형 셀튜브식 액화기를 설명하기 위한 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
아래의 실시예들은 다양한 규모의 LNG운송 선박, 대중소 규모의 화석 에너지 열이용 산업체 등에서 배출되는 배가스 중 CO2기체를 포집하는 종래 습식 등 CO2포집공정에 필수로 적용되는 암모니아 냉동기를 이용한 CO2 액화기에 관한 것으로, 암모니아 냉매 대신에 -162℃의 LNG냉열이나 초저온 액체(액체수소 -253℃, 액체질소 -196℃ 등)의 상변화 잠열을 사용하여 CO2를 고체화없이 액화시키는 쉘뷰브식 액화기에 대한 것이다.
도 2는 LNG냉열이용 수평형 셀튜브식 액화기로 다층의 전열관 사이에 액포집 유로판을 가설하여 고체화가 방지되는 셀튜브식 액화기(200)를 설명하기 위한 개략도이다.
수평형 액화기(200) 구성을 보면, 상부 전열관(210), 하부 전열관(220), 액포집 유로판(230), 액체 포집 공간(240), LNG냉열 유입부(250), 천연가스 배출부(260), 상부 CO2 기체 유입부(270), 하부 액체CO2 유출부(280)로 이루어진다. 도 2와 도 3에서 LNG 입출구 배관이 합체되는 해더부 그림은 편의상 생략하였다.
보다 구체적인 액화 원리를 보면,
-162℃의 극저온 액체인 LNG는 열교환 액화기(200)의 하부에서 유입(250)되어 관내부를 흘러 0℃의 NG(천연가스) 기체 상태로 상부에서 배출(260)된다. 한편, CO2기체는 상부 유입부(270)로 10℃ 정도로 유입되어 -25℃의 액체로 액화기(200) 하부에서 포집되어 유출(280)된다.
이 때 상부의 전열관(210) 외측면에서 액화된 -25℃의 액체CO2는 하부 전열관(220)까지 적하되지 않고, 중간에 가설된 액포집 유로판(230)에 포집되어 기울어진 방향으로 흘러 하부 액체포집공간(240)에 포집됨으로써 -56℃에서 발생되는 고체가 방지되게 된다.
이 액포집 유로판(230)은 평판형으로 우측으로 소정의 기울기가 있어 액체가 원활하게 흐르도록 구성된다. 또한, 형태는 판형, 곡판형, 분리형 등 다양한 구성이 가능할 것이다.
도 3은 LNG냉열이용 수직형 셀튜브식 액화기로 상하로 가설된 다수개의 전열관 사이에 액포집 유로판을 가설하여 고체화가 방지되는 셀튜브식 액화기(300)를 설명하기 위한 개략도이다.
수직형 액화기(300) 구성을 보면, 상부 전열관부(310), 하부 전열관부(320), 액포집 유로판(330), 액체 포집 공간(340), LNG냉열 유입부(350), 천연가스 배출부(360), 상부 CO2 기체 유입부(370), 하부 액체CO2 유출부(380)로 이루어진다.
보다 구체적인 액화 원리를 보면 도 2와 유사하게,
-162℃의 극저온 액체인 LNG는 수직형 열교환 액화기(300)의 상부에서 유입(350)되어 관내부를 흘러 0℃의 NG(천연가스) 기체 상태로 상부로 배출(360)된다. 한편, CO2기체는 상부 유입부(370)로 10℃ 정도로 유입되어 -25℃의 액체로 액화기(300) 하부에서 유출(290)된다.
이 때 상부의 전열관부(310)에서 액화된 -25℃의 액체CO2는 하부 전열관부(320)까지 적하되지 않고, 중간에 가설된 액포집 유로판(330)에 포집되어 측면으로 흘러 하부 액체포집공간(340)에 포집됨으로써 -56℃에서 발생되는 고체가 방지되게 된다.
이 액포집 유로판(330)은 평판형으로 일방 측으로 소정의 기울기가 있어 액체가 원활하게 측면으로 흐르도록 구성된다. 또한, 형태는 판형, 곡판형, 좌우 분리형 등 다양한 구성이 가능할 것이다. 유로판(330)의 재질은 철판, 알루미늄 판, 극저온용 테프론 플라스틱 판 등 다양한 재료가 적용될 수 있다. 특히, 유도판이 적용된 수직형 세ㄹ튜브식 열교환 액화기는 설치 공간이 협소한 선박 등에 적용이 가능하게 되는 장점을 제공한다.
이와 같이 실시예들에 따르면, LNG선박, LNG이용 중소규모 산업체 등의 연소로에서 배출되는 연소 배가스로부터 CO2를 액체화시키기 위하여 셀튜브식 액화기를 적용함에 있어, 액포집 유로판을 적용하여 CO2 고체화를 방지, 효과적으로 CO2를 액화하는 극저온 냉열이용 셀튜브식 CO2액화기를 제공하는 기술을 제공하게 된다.
이상에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 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 명세서에서, "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.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
또한, 각 도면을 참조하여 설명하는 실시예의 구성 요소가 해당 실시예에만 제한적으로 적용되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상이 유지되는 범위 내에서 다른 실시예에 포함되도록 구현될 수 있으며, 또한 별도의 설명이 생략될지라도 복수의 실시예가 통합된 하나의 실시예로 다시 구현될 수도 있음은 당연하다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일하거나 관련된 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
110: 셀튜브식 열교환 CO2액화기, 120: 다층의 전열관, 130: 하부 전열관,
200: 수평형 셀튜브식 액화기, 300: 수직형 셀튜브식 액화기,
210, 310: 상부 전열관, 220, 320 : 하부 전열관,
230, 330: 액포집 유로판, 240, 340: 액포집 공간
250, 350: LNG냉열 유입부, 260, 360: 천연가스 배출부
270, 370: 상부 CO2 기체 유입부, 280, 380 : 하부 액체CO2 유출부

Claims (2)

  1. 각종 연소로에서 배출되는 배가스로부터 습식아민 등의 방법으로 포집된 CO2기체를 LNG냉열을 이용하여 액화시키는 셀튜브식 액화기에 있어;
    수평형 쉘튜브식 액화기의 경우, 상부의 전열관 외측 표면에서 액화된 액체CO2가 하부 전열관으로 적하되지 않고, 중간에 가설된 액포집 유로판에 포집되어 하부 액체 포집공간으로 합체됨으로써, 고체가 생성되는 것을 방지하는 특징을 갖는 극저온 액체 냉열을 이용한 수평형 셀튜브식 CO2 액화기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 LNG냉열을 이용하여 CO2 기체를 액화시키는 셀튜브식 액화기가 수직형인 경우;
    상부의 전열관에서 액화된 액체CO2는 하부 전열관까지 관벽을 따라 적하되지 않고, 중간에 가설된 액포집 유로판에 의하여 차단되어 측면으로 흘러 하부 액체포집공간에 포집됨으로써 고체가 생성되는 기능을 구비한 것을 특징으로 하는 극저온 액체 냉열을 이용한 수직형 셀튜브식 CO2 액화기.
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