KR20240032571A - 이산화탄소 액화시스템 및 이를 포함하는 선박 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이산화탄소 액화시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것으로서, 이산화탄소를 저장하는 저장 탱크, 비등점이 이산화탄소보다 낮으며 선박을 추진 혹은 발전하기 위해 사용되는 가스연료를 저장하는 연료 탱크, 저장 탱크에서 배출되는 이산화탄소를 압축하는 압축기 및 압축기의 후단에 마련되며 가스연료의 냉열을 이용하여 이산화탄소를 냉각하는 열교환기를 포함하며, 압축기는 이산화탄소의 압력을 열교환기로 유입되는 가스연료의 압력보다 낮게 압축할 수 있다.

Description

이산화탄소 액화시스템 및 이를 포함하는 선박{Carbon dioxide liquefaction system and ship having the same}
본 발명은 이산화탄소 액화시스템 및 이를 포함하는 선박에 관한 것이다.
탄소중립에 대한 세계적인 요구가 강해지면서 대형 발전소 등에서 발생되는 이산화탄소에 대한 처리가 필요하게 되고, 온실가스인 이산화탄소를 포집, 저장 및 활용하는 CCUS(Carbon Capture, Utilization, and Storage) 기술이 주목되고 있다.
세계 대다수의 국가가 기후 위기에 공감하여 2050 탄소중립 실현을 목표로 기후 동맹에 가입했고, 우리나라 또한 2020년 12월에 2050년 탄소중립을 선언했다.
CCUS 기술은 이산화탄소를 포집 및 저장하는 CCS(Carbon Capture, Storage) 기술과, 포집하여 활용까지 수행하는 CCU(Carbon Capture, Utilization) 기술을 모두 포함하는 개념이다.
대기중에 방출되는 이산화탄소를 포집 및 저장하기 위하여, 이산화탄소를 저장소에 저장하는 방법이나, 발생된 이산화탄소를 타국에 매각하는 방법 등의 새로운 사업 모델이 제시되고 있다.
이산화탄소를 저장하는 방법은, 단순히 이산화탄소가 다량 발생되는 곳에서 직접 이산화탄소를 저장하거나, 이송 파이프나 차량에 의해 근거리까지 운반하여 처리 및 저장하는 방법 정도가 개발되어 있으며, 이산화탄소의 원거리 운반을 위해서는 이산화탄소 운반선을 통하여 이산화탄소를 운반하는 방법이 사용되고 있다.
그 중 이산화탄소 운반선은 이산화탄소를 대량으로 적재하기 위하여 액상 이산화탄소로 저장 탱크에 저장하여 운반을 하며, 대기압인 1기압 하에서는 이산화탄소가 액상을 존재할 수 없으므로 5기압 이상의 고압으로 압축하여 액상 이산화탄소를 운반한다.
따라서 이산화탄소 운반선은 고압의 저장 탱크에 액상 이산화탄소를 저장하여 운반을 하나, 항해 중에 저장 탱크에 외부 열의 침입이 발생하며, 외부 열은 5기압 기준 이산화탄소의 비등점인 영하 56℃ 보다 높은 온도를 가지므로, 액상 이산화탄소가 외부 열로 인하여 기상 이산화탄소로 존재할 수 있다.
저장 탱크에서 발생한 기상 이산화탄소를 그대로 보관할 경우 저장 탱크의 내압이 증가하여 문제가 발생할 수 있어, 이를 해결하기 위한 방법으로 기상 이산화탄소를 재액화시켜 액상 이산화탄소로 저장하는 방법이 사용되고 있다.
재액화 장치는 설치 및 작동에 많은 비용이 소모되므로, 액화가스를 연료로 사용하는 선박 중에서 액화가스의 비등점이 이산화탄소보다 낮은 경우에는, 액화가스의 냉열을 이용하여 기상 이산화탄소를 재액화 시키는 방법을 재액화 장치와 같이 사용하고 있다.
다만 열교환기에서 액화가스의 냉열을 이용하여 기상 이산화탄소를 재액화 시키는데, 기상 이산화탄소의 압력이 액화가스의 압력보다 같거나 높은 상태로 열교환이 이루어지는 경우가 있다.
열교환기에서 누출이 없는 경우에는 문제가 없으나, 열교환기에서 누출이 발생하는 경우에 압력이 같거나 높은 기상 이산화탄소가 액화가스 쪽으로 이동을 할 수 있으며, 이동된 기상 이산화탄소가 열교환기나 엔진으로 이어지는 액화가스의 라인 또는 밸브에서 액화가스의 냉열로 인하여 결빙이 되어 선박의 운항에 문제가 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 이산화탄소 운반시에 발생되는 기상 이산화탄소를 액화시키는 시스템에서 누출 발생 시에 피해를 최소화할 수 있는, 이산화탄소 액화시스템 및 이를 포함하는 선박을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이산화탄소 액화시스템 및 이를 포함하는 선박은 이산화탄소를 저장하는 저장 탱크, 비등점이 이산화탄소보다 낮으며 선박을 추진 혹은 발전하기 위해 사용되는 가스연료를 저장하는 연료 탱크, 상기 저장 탱크에서 배출되는 이산화탄소를 압축하는 압축기 및 상기 압축기의 후단에 마련되며 가스연료의 냉열을 이용하여 이산화탄소를 냉각하는 열교환기를 포함하며, 상기 압축기는, 이산화탄소의 압력을 상기 열교환기로 유입되는 가스연료의 압력보다 낮게 압축할 수 있다.
구체적으로, 상기 열교환기를 우회하는 제1 바이패스 라인을 구비하며, 상기 제1 바이패스 라인에 마련되며 별도비폭발 냉매를 사용하여 이산화탄소를 냉각하는 재액화 장치를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 압축기는, 상기 열교환기와 상기 재액화 장치의 분기점의 전단에 마련되어 이산화탄소를 압축할 수 있다.
구체적으로, 상기 열교환기 전단 또는 후단 중 적어도 전단에 마련되는 우회밸브 및 가스연료 누출시에 상기 우회밸브를 조절하여 이산화탄소를 상기 제1 바이패스 라인으로 공급하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 열교환기 후단에 마련되어, 가스연료 누출시에 가스연료 및 이산화탄소를 임시 보관하며 기체와 액체 상태를 구별하여 분리하는 챔버를 포함하며, 상기 제어기는, 상기 챔버 후단에 추가적으로 연결되어, 가스연료 누출시에 누출된 가스연료가 상기 챔버에 임시 보관되게 상기 우회밸브를 조절할 수 있다.
구체적으로, 상기 열교환기 및 상기 챔버는, 방폭으로 마련되고, 상기 압축기 및 상기 재액화 장치는, 비방폭으로 마련될 수 있다.
구체적으로, 상기 챔버는, 임시 보관된 가스연료 및 이산화탄소를 배출하는 배출밸브 및 배출라인을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 압축기는 복수 개가 마련되며, 이산화탄소가 상기 열교환기에서 가스연료와 열교환하기 위하여 상기 압축기를 두개 이상 통과하게 하는 제2 라인, 이산화탄소가 상기 압축기를 적어도 하나 이상을 통과하게 하는 제2 바이패스 라인 및 상기 열교환기의 전단 또는 후단에 마련되는 재액화 장치를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 재액화 장치 및 상기 열교환기와 순차적으로 마련되는 챔버, 상기 열교환기 전단 또는 후단 중 적어도 후단에 마련되는 우회밸브 및 가스연료 누출시에 누출된 가스연료를 상기 챔버 이외로 전달되지 않도록 상기 우회밸브를 조절하는 제어기를 더 포함하며, 상기 챔버는 가스연료 누출시에 가스연료 및 이산화탄소를 임시 보관하며 기체와 액체 상태를 구별하여 분리할 수 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 액화시스템 및 이를 포함하는 선박은, 이산화탄소 운반시에 발생되는 기상 이산화탄소를 액화시키는 시스템에서 누출 발생 시에 기상 이산화탄소의 압력 조절을 통하여 피해를 최소화할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 이산화탄소 액화시스템의 제1 실시예에 대한 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 이산화탄소 액화시스템의 제2 실시예에 대한 개념도이다.
도 3은 본 발명에 따른 이산화탄소 액화시스템의 제3 실시예에 대한 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 이산화탄소 액화시스템의 제4 실시예에 대한 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 이산화탄소 액화시스템의 제5 실시예에 대한 개념도이다.
도 6은 본 발명에 따른 이산화탄소 액화시스템의 제6 실시예에 대한 개념도이다.
도 7은 본 발명에 따른 이산화탄소 액화시스템의 제7 실시예에 대한 개념도이다.
도 8은 본 발명에 따른 이산화탄소 액화시스템의 제8 실시예에 대한 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.
참고로 본 발명은 이하에서 설명하는 이산화탄소 액화시스템이 구비되는 선박을 포함한다. 이때 선박은 적어도 액화가스를 추진연료/발전연료로 사용하는 선박일 수 있으며, 가스 운반선, 가스가 아닌 화물이나 사람을 운반하는 상선, FSRU, FPSO, Bunkering vessel, 해양플랜트 등을 모두 포함하는 개념이다.
또한 이하에서 전후단 방향은 연료 탱크를 향하는 방향이 전단 방향인 것으로 보고 정의되는 표현임을 알려둔다.
도 1은 본 발명에 따른 이산화탄소 액화시스템의 제1 실시예에 대한 개념도이다.
본 발명에 따른 이산화탄소 액화시스템(1)은 가스연료를 저장하는 연료 탱크(11), 이산화탄소를 저장하는 저장 탱크(12), 압축기(21), 열교환기(22), 제1 바이패스 라인(31) 및 재액화 장치(23) 등을 포함한다.
연료 탱크(11)는 본 발명인 이산화탄소 액화시스템(1)이 구비된 선박에 마련될 수 있으며, 선박의 추진을 위해 사용되는 가스연료를 저장할 수 있다. 가스연료의 종류로는 가솔린이나 디젤이 사용될 수 있으나, 최근 기술 개발에 따라 가솔린이나 디젤을 대체하여 액화천연가스(LNG), 액화석유가스(LPG), 수소 등이 사용될 수 있다.
다만, 연료 탱크(11)에 저장되는 가스연료는, 후에 설명할 열교환기(22)에서 이산화탄소와 열교환이 가능하기 위하여 비등점이 이산화탄소 보다 낮아야 한다. 이산화탄소는 5기압 기준으로 비등점인 영하 56℃ 이므로, 이보다 비등점이 낮은 영하 161℃로 저장되는 LNG, 영하 253℃로 저장되는 수소 등이 가스연료로 사용될 수 있다.
연료 탱크(11)에 저장되는 가스연료는 펌프(부호 도시하지 않음)를 통하여 엔진(도시하지 않음)까지 전달되어 선박의 추진 혹은 발전에 사용될 수 있으며, 엔진으로 전달되는 과정에서 이산화탄소와 열교환이 될 수 있다.
저장 탱크(12)는 이산화탄소를 저장하는 탱크로서 복수 개가 마련될 수 있으며, 선박의 화물창이나 데크 상부에 배치될 수 있다.
이산화탄소는, 대기압인 1기압에서 고체인 드라이아이스와 기상 이산화탄소로만 존재할 수 있는 물질이다. 대기압에서 이산화탄소는 온도가 올라가면 액상 이산화탄소가 되지 않고, 고체인 드라이아이스에서 승화가 되어 기상 이산화탄소가 될 수 있다.
대용량의 이산화탄소를 한 번에 쉽게 이송하기 위하여, 이산화탄소를 압축, 냉각해서 액상 이산화탄소나 액상 또는 기상 이산화탄소의 중간 상태인 초임계 상태로 바꿔 이송할 수 있다. 대기압에서는 이산화탄소가 액상나 초임계 상태가 되기 힘들기 때문에, 이산화탄소의 운반을 위하여 기압을 5기압 이상까지 올려서 액상 이산화탄소나 초임계 상태로 저장할 수 있다.
이후에 설명할 저장 탱크(12)에 저장되는 이산화탄소는 고체, 액상, 기상 등 다양한 상태일 수 있으나, 이산화탄소의 용이한 운반을 위해서는 액상 이산화탄소 상태로 운반된다 가정하고 설명한다.
도 1을 참조하면, 저장 탱크(12)에는 저장된 액상 이산화탄소의 높이를 측정할 수 있는 센서인 LT(부호 도시하지 않음)가 마련될 수 있다. LT는 Level Transmitter로 저장 탱크(12)의 하부에 센서가 마련되어, 액상 이산화탄소의 압력이 달라지면 이를 높이로 환산하여 실시간으로 액상 이산화탄소의 높이를 확인할 수 있다.
또한, 저장 탱크(12)에는 높이가 다른 라인 및 밸브가 마련되어 액상 이산화탄소나 기상 이산화탄소를 저장 탱크(12) 외부로 전달할 수 있으며, 경우에 따라서 다시 저장 탱크(12)로 내부로 전달할 수 있다.
압축기(21)는 저장 탱크(12)에서 배출되는 기상 이산화탄소를 압축시켜 압력 및 온도를 높일 수 있다. 압축기(21)는 복수 개가 마련될 수 있으며, 도 1을 참조하면, 열교환기(22) 라인(부호 도시하지 않음)에는 1개가 마련되며, 제1 바이패스 라인(31)에는 2개가 마련된 것을 알 수 있다.
압축기(21)는 설정된 압력으로 기상 이산화탄소를 압축하여 압력을 높일 수 있으나, 본 발명인 이산화탄소 액화시스템(1)에서는 기상 이산화탄소의 압력을 열교환기(22)로 유입되는 가스연료의 압력보다 낮게 압축하므로, 저압 압축기(21) 또는 블로워(Blower)가 사용될 수 있다.
따라서 열교환기(22) 라인에는 1개의 압축기(21)가 마련되어 기상 이산화탄소의 압력을 가스연료의 압력보다 낮게 압축할 수 있으며, 제1 바이패스 라인(31)에서는 기상 이산화탄소와 가스연료의 접촉이 없으므로, 2개의 압축기(21)가 다단으로 마련되어 가스연료의 압력보다 높은 압력으로 기상 이산화탄소를 압축할 수 있다.
압축기(21)는 기상 이산화탄소의 압력과 온도를 동시에 높일 수 있으므로, 후에 설명할 재액화 장치(23)보다 낮은 온도에서 열교환이 이루어질 수 있는 열교환기(22)에서는 압축기(21)를 적어도 하나 이상 통과한 기상 이산화탄소와 열교환이 이루어져야, 열교환기(22)에서 열교환 효율이 증가될 수 있다.
열교환기(22)는 압축기(21)의 후단에 마련되어 가스연료의 냉열을 이용하여 기상 이산화탄소를 냉각시킬 수 있다. 따라서, 열교환기(22)에서 기상 이산화탄소를 냉각시키기 위하여, 냉매 역할을 하는 가스연료는 비등점이 기상 이산화탄소의 비등점보다 낮아야 한다.
가스연료의 종류에 따라, 가스연료의 냉열을 통하여 냉각시킬 수 있는 기상 이산화탄소의 냉각 정도가 달라질 수 있으며, 열교환기(22)를 통하여 기상 이산화탄소를 바로 재액화 하여 액상 이산화탄소로 만들거나, 냉각된 기상 이산화탄소를 재액화 장치(23)에 전달하여 재액화 시킬 수 있다.
열교환기(22)에는 열교환 방식에 따라 원통다관식, 이중관식 열교환기가 사용될 수 있다.
원통다관식 열교환기는 가장 널리 사용되고 있는 열교환 방식으로, 폭넓은 범위의 열교환이 가능하다. 입구와 출구가 있는 원통에 파이프를 배치하여 파이프와 원통 안의 유체가 열교환 하는 방식이다.
원통 안의 유체와 파이프 안의 유체가 서로 섞이지는 않으면서 열교환이 가능하며, 열교환의 효율성을 위하여 파이프 안의 유체와 원통 안의 유체의 유동 방향을 반대 방향으로 설정할 수 있다.
이중관식 열교환기는 외관 속에 내관을 삽입하고 각각의 관에 유체를 유동시켜 열교환하는 구조이다. 원통다관식관은 원통안의 여러 파이프가 배치되는 것에 반해, 이중관식은 일반적으로 단일 내관이 배치된다. 따라서 구조가 비교적 간단하고 비용도 저렴하며, 설계에 따라서 내관이 복수 개가 병렬형태로 배치될 수도 있다.
이중관식 열교환기 또한 외관과 내관의 유체는 서로 섞이지 않으며 유동 방향을 반대 방향으로 설정하여 열교환의 효율성을 높일 수 있다.
도 1을 참조하면, 열교환기(22)에서는 연료 탱크(11)의 가스연료와 저장 탱크(12)의 기상 이산화탄소가 열교환을 하게 되며, 열교환기(22) 내에서 각각의 유동 방향은 같은 방향일 수 있으며 열교환기(22) 내의 구조에 따라서 서로 반대 방향의 유동을 가질 수도 있다.
열교환기(22)에서는 누출이 발생할 수 있는데, 원통다관식 또는 이중관식 열교환기 모두 한쪽 유체가 누출되더라도 서로 섞이지는 않는다. 다만, 열교환기(22)에서 누출 발생시에 비등점이 높은 유체가 비등점이 낮은 유체를 만나 결빙을 만들 수 있다.
열교환기(22)에서 가스연료는 비등점이 영하 161℃인 LNG, 영하 253℃인 수소 등이 사용될 수 있어, 열교환기(22)에서 저온의 가스연료가 누출되면 기상 이산화탄소가 승화하여 결빙이 생겨 라인을 막을 수 있다.
열교환기(22)에서 누출 발생시에, 비등점이 상대적으로 높은 유체인 기상 이산화탄소가 결빙이 생기는 것은 당연하나, 어떤 위치에서 결빙이 생기는지가 중요할 수 있다.
예를 들어, 결빙이 열교환기(22) 내에서 가스연료 방향에 생긴다면 큰 문제가 발생할 수 있다. 가스연료는 엔진에서 사용되는 추진연료로서, 연료 탱크(11)로부터 열교환기(22)를 통과하여 엔진까지 전달될 수 있다.
기상 이산화탄소의 결빙이 열교환기(22) 내에서 가스연료 방향에서 생긴다면 엔진에 연료공급에 차질이 발생할 수 있으며, 결빙으로 인하여 가스연료 방향에서 엔진으로 연결되는 라인(부호 도시하지 않음)이 손상된다면 선박의 운항에 차질이 생기며, 가스연료는 폭발성 연료이므로 더 큰 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명인 이산화탄소 액화시스템(1)은, 앞서 설명한 바와 같이 기상 이산화탄소를 가스연료의 압력보다 낮게 압축하여, 가스연료의 압력을 기상 이산화탄소보다 높은 상태를 유지한다.
열교환기(22)에서 누출 발생시에, 압력이 높은 가스연료가 기상 이산화탄소 방향으로 누출이 되어 기상 이산화탄소 방향에서 결빙이 발생하게 되므로, 위에서 언급한 엔진이나 선박의 운항 문제점은 발생하지 않을 수 있다.
제1 바이패스 라인(31)은 열교환기(22)를 우회하는 라인으로 압축기(21) 및 재액화 장치(23)가 마련될 수 있다.
제1 바이패스 라인(31)은, 저장 탱크(12)로부터 기상 이산화탄소를 열교환기(22)로 가는 라인과 별도의 라인을 통하여 전달받을 수 있어 열교환기(22)가 작동하지 않을 때에도 재액화 장치(23)를 통하여 기상 이산화탄소의 재액화가 가능하다.
따라서, 열교환기(22)에서 누출 발생시에도 기상 이산화탄소는 제1 바이패스 라인(31)에 별도로 공급되어 제1 바이패스 라인(31)에 마련된 재액화 장치(23)를 통하여 재액화가 진행될 수 있고, 열교환기(22)에서 누출이 발생하지 않고 정상 작동하는 경우에도, 제1 바이패스 라인(31)을 통하여 기상 이산화탄소의 재액화가 이루어 질 수 있다.
열교환기(22)에서 기상 이산화탄소의 압력이 가스연료의 압력보다 낮아야 하므로, 열교환기(22) 라인에 마련된 압축기(21)에는 저압 압축기(21) 또는 블로워가 사용될 수 있다. 제1 바이패스 라인(31)에서는 별도의 재액화 장치(23)를 통하여 기상 이산화탄소를 재액화 시키므로, 기상 이산화탄소의 압력이 가스연료의 압력보다 낮을 필요가 없다.
도 1을 참조하면, 열교환기(22) 라인과 비교하여 제1 바이패스 라인(31)에는 저압 압축기(21) 또는 블로워가 복수 개가 마련될 수 있으며, 열교환기(22) 라인에 마련된 압축기(21)와 다른 압축기(21)가 사용될 수 있어, 보다 높은 압력에서 기상 이산화탄소의 재액화가 이루어 질 수 있다.
재액화 장치(23)는 제1 바이패스 라인(31)에 마련되며 비폭발 냉매를 사용하여 기상 이산화탄소를 냉각할 수 있다.
열교환기(22)에서 사용되는 가스연료는 엔진에서 사용되는 추진 연료일 수 있어 폭발성 냉매인 것에 반하여, 재액화 장치(23)에서는 비폭발 냉매를 사용하여 보다 안전하게 기상 이산화탄소의 재액화를 할 수 있다.
또한, 열교환기(22)에서는 가스연료를 냉매를 사용하므로, 재액화 장치(23)보다 낮은 온도로 기상 이산화탄소와 열교환이 이루어질 수 있어, 기상 이산화탄소의 온도가 높은 경우에는 열교환기(22)의 효율이 떨어질 수 있다.
따라서, 압축기(21)를 두개 이상 통과하는 기상 이산화탄소는 압력 및 온도가 상승하여 열교환기(22)에서 열교환 효율이 떨어질 수 있으므로, 재액화 장치(23)에서 열교환이 이루어질 수 있다.
재액화 장치(23)는, 기상 이산화탄소를 냉각 및 응축시켜 재액화시키는 것으로서 냉각장치(도시하지 않음)를 포함될 수 있으며, 저온 저압상태의 비폭발 냉매를 이용하여 기상 이산화탄소와 열교환을 통해서 기상 이산화탄소를 재액화 시킬 수 있으며, 비폭발 냉매로는 질소 가스 등이 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 이산화탄소 액화시스템의 제2 실시예에 대한 개념도이다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예가 앞선 실시예 대비 달라지는 점 위주로 설명하며, 설명을 생략하는 부분은 앞선 내용으로 갈음한다.
도 2를 참조하면, 열교환기(22)와 재액화 장치(23)가 각각 마련된 라인, 즉 열교환기(22) 라인(부호 도시하지 않음)과 제1 바이패스 라인(31)의 분기점의 전단에 압축기(21)가 마련된 것을 알 수 있다.
도 1과 비교하면, 도 1에서는 각각의 라인에 압축기(21)가 마련되었는데, 도 2의 실시예의 경우에는 분기점의 전단에 압축기(21)가 마련되었다.
압축기(21)가 분기점의 전단에 마련되어, 열교환기(22)와 재액화 장치(23)에 기상 이산화탄소를 공급하는 공용 압축기(21)의 역할을 하여 압축기(21)의 설치 및 관리 비용을 절감시킬 수 있다.
또한, 압축기(21)에서 한번 압축된 기상 이산화탄소는 열교환기(22)로 전달하고, 추가로 압축기(21)에서 압축된 기상 이산화탄소는 재액화 장치(23)로 전달하여 열교환기(22)에서의 열교환 효율을 증가시킬 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 이산화탄소 액화시스템의 제3 실시예에 대한 개념도이다.
도 3을 참조하면, 열교환기(22) 전단 또는 후단 중 적어도 전단에 우회밸브(32)가 마련되고, GT(부호 도시하지 않음) 및 제어기(24)가 추가적으로 마련될 수 있다.
우회밸브(32)는 열교환기(22) 라인에 마련되어, 열교환기(22)에서 가스연료 누출이 발생하면여 기상 이산화탄소의 결빙이 발생하는 경우에 열교환기(22) 라인에 기상 이산화탄소의 공급을 막아 인화성의 연료가 섞인 기상 이산화탄소가 저장탱크(12)로 유입되는 것을 추가적인 결빙을 방지할 수 있으며, 기상 이산화탄소를 제1 바이패스 라인(31)으로 공급할 수도 있다.
따라서 우회밸브(32)는 기상 이산화탄소의 추가 공급을 막기 위하여 열교환기(22)의 전단에 마련될 수 있으며, 기상 이산화탄소의 결빙의 확장을 방지하기 위하여 열교환기(22)의 후단에도 마련될 수 있다.
GT는 가스 탐지기로 메탄가스 등을 탐지할 수 있으므로, 가스연료 중 주성분이 메탄인 LNG의 누출을 탐지할 수 있다. GT는 저장 탱크(12)와 제1 바이패스 라인(31) 사이에 마련될 수 있으며, 열교환기(22)에서 가스연료 누출시에 저장 탱크(12) 근처까지 가스연료가 누출되었는지 확인을 할 수 있다.
제어기(24)는 우회밸브(32)와 GT를 제어하는 장치로서, 우회밸브(32)의 개폐조절이 가능하고 GT를 통해서 가스연료 누출 정보를 전달받을 수 있다. 제어기(24)는 GT를 통하여 저장 탱크(12) 근처에서 가스연료가 탐지된다면 정보를 전달받아, 우회밸브(32)의 개폐를 조절하여 열교환기(22) 라인을 차단할 수 있으며, 기상 이산화탄소를 제1 바이패스 라인(31)으로 우회하여 공급할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 이산화탄소 액화시스템의 제4 실시예에 대한 개념도이다.
도 4를 참조하면, 열교환기(22) 후단에 마련되는 챔버(25), 챔버(25)에 마련되는 GT를 추가적으로 포함할 수 있다.
챔버(25)는, 열교환기(22) 후단에 마련되어 열교환기(22)에서 가스연료 누출시에 가스연료 및 기상 이산화탄소 등을 임시 보관할 수 있다. 챔버(25)는 누출된 가스연료 및 기상 이산화탄소 등을 열교환기(22) 이외의 장비에 퍼지지 않도록 임시 보관할 수 있으며, 기체와 액체 상태를 구별하여 서로 분리시킬 수도 있다.
챔버(25)에서는 가스연료와 기상 이산화탄소 및 기상 이산화탄소가 저온의 가스연료로 인하여 상태변화한 결빙 또는 액상 이산화탄소 또한 같이 보관될 수 있다.
따라서, 챔버(25) 안에는 고체, 액체, 기체 상태의 물질들이 혼합되어 존재할 수 있고, 챔버(25)는 기체와 액체를 분리할 수 있어, 저온의 가스연료와 기상 이산화탄소와 섞인 상태에서 로 인하여 상태변화한 결빙 또는 액상 이산화탄소와 기체 상태로 존재할 가스연료를 분리할 수 있다.
GT는 챔버(25)에 추가적으로 마련이 되며, 메탄가스 등을 탐지할 수 있으므로 메탄가스가 주성분인 LNG의 누출시에 챔버(25)에서 가스연료의 누출여부를 확인할 수 있다.
제어기(24)는 GT와 연결되어 있어, GT를 통해서 가스연료 누출이 확인이 되면, 우회밸브(32)의 개폐를 조절하여 제1 바이패스 라인(31)에 마련된 장비들까지 가스연료의 확장을 방지할 수 있어, 압축기(21)와 재액화 장치(23)에 가스연료가 도달하지 못하게 할 수 있다.
가스연료는 엔진에서 사용될 수 있는 연료로서, 폭발성 물질이므로 가스연료가 누출되는 곳은 방폭으로 마련될 수 있다.
따라서, 가스연료가 누출되는 열교환기(22)와 가스연료가 임시보관 되는 챔버(25)는 방폭으로 마련될 수 있으며, 우회밸브(32)의 조절을 통하여 가스연료의 확장을 방지한다면 압축기(21) 및 재액화 장치(23)는 비방폭으로 마련될 수 있어, 비용 절감이 가능하다.
도 5는 본 발명에 따른 이산화탄소 액화시스템의 제5 실시예에 대한 개념도이다.
도 5를 참조하면, 챔버(25)에 배출밸브(42) 및 배출라인(41)이 포함되어 있다.
챔버(25)는 앞서 설명한 바와 같이, 누출된 가스연료 및 기상 이산화탄소 등을 임시 보관할 수 있으며, 기체와 액체 상태를 분리시킬 수도 있다.
열교환기(22)에서 가스연료 누출시에, 챔버(25) 안에는 기체상태의 저온의 가스연료 및 가스연료에 의해 상태변화한 결빙 또는 액상 이산화탄소가 존재할 수 있으며, 가스연료에 의하여 오염된 기상 이산화탄소도 존재할 수 있다.
챔버(25)에서 임시보관 된 가스연료 또는 오염된 기상 이산화탄소는 배출라인(41)을 통하여 챔버(25) 외부로 배출할 수 있으며, 오염되지 않은 기상 이산화탄소는 저장 탱크(12)나 제1 바이패스 라인(31)으로 전달될 수 있다.
챔버(25)에는 GT가 마련되어 있어, GT를 통하여 챔버(25)에 임시보관 중인 가스연료 양을 파악이 가능하며, 임시보관중인 가스연료가 일정 양을 넘는 경우에는 배출밸브(42) 조절을 통하여 가스연료 또는 오염된 기상 이산화탄소를 외부로 배출할 수 있다.
배출라인(41)은 임시보관중인 가스연료 또는 오염된 기상 이산화탄소를 배출하는 라인으로, 오염된 기상 이산화탄소는 외부로 배출하며, 가스연료는 선박의 외부로 배출할 수도 있지만 연료 탱크(11)나 엔진으로 전달할 수도 있어 가스연료의 재활용도 가능하고, 배출밸브(42) 조절에 따라 가스연료를 분배하여 필요한 곳에 전달할 수도 있다.
또한 챔버(25)에는 별도의 라인이 마련되어 챔버(25)에 임시보관중인 액상 또는 기상 이산화탄소를 저장 탱크(12)에 전달하여 저장하거나 제1 바이패스 라인(31)으로 전달하여 재액화가 진행되게 할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 이산화탄소 액화시스템의 제6 실시예에 대한 개념도이다.
도 6을 참조하면, 제2 라인(51) 상에 압축기(21)가 열교환기(22)와 순차적으로 다단으로 마련되어 있으며 열교환기(22)에 근접한 압축기(21)에는 제2 바이패스 라인(52)이 마련되어 있다.
제2 라인(51)은 기상 이산화탄소가 압축기(21) 두개 이상을 통과하게 하는 라인이며, 제2 바이패스 라인(52)은 기상 이산화탄소가 압축기(21)를 적어도 하나 이상을 통과하게 하는 라인이다.
재액화 장치(23)는 열교환기(22)의 후단에 마련될 수 있으며, 기상 이산화탄소는 열교환기(22) 통과 후에 재액화 장치(23)를 거쳐서 재액화가 진행될 수 있다.
따라서, 기상 이산화탄소를 연료 냉열만으로 액화 할 수 있을 경우에는, 압축기(21)를 1단만 통과시켜서 압축기(21)에 의한 가열을 피해서 냉각 효율을 높이고, 연료의 냉열만으로 액화가 안될 경우에는 재액화장치(23)에서 요구하는 압력까지 기상 이산화탄소를 가압시킨 후, 열교환기(22)에서 1차 냉각을 시키고 재액화장치(23)에서 전체 액화를 진행할 수 있다.기상 이산화탄소는 열교환기(22)와 재액화 장치(23)를 모두 통과하게 되지만, 기상 이산화탄소의 압축정도에 따라서 열교환기(22)에서의 열교환은 이루어지지 않을 수 있다.
압축기(21)는 저압 압축기(21) 또는 블로워가 사용될 수 있으며, 제2 라인(51)에서 기상 이산화탄소는 압축기(21)를 두개 이상 통과하여 상대적으로 높은 압력으로 압축되며, 제2 바이패스 라인(52)에서 기상 이산화탄소는 압축기(21)를 적어도 하나 이상을 통과하여 상대적으로 낮은 압력으로 압축될 수 있다.
기상 이산화탄소가 압축기(21)를 통과하면서, 압력 및 온도가 높아질 수 있으므로 기상 이산화탄소의 압력이 높아질수록 온도 또한 높아질 수 있다
제2 라인(51)을 통과하는 기상 이산화탄소는 상대적으로 높은 압력 및 높은 온도를 가질 수 있으므로, 열교환기(22)에서의 열교환의 효율이 낮을 수 있다. 따라서 이 경우에는 열교환기(22)에서 열교환을 거치지 않고 재액화 장치(23)에서만 기상 이산화탄소의 냉각이 이루어질 수 있다.
제2 바이패스 라인(52)을 통과하는 기상 이산화탄소는 압축기(21)를 한 개만 통과할 수 있으므로, 상대적으로 낮은 압력 및 낮은 온도를 가질 수 있어 열교환기(22)에서의 열교환 효율이 높을 수 있다.
따라서, 열교환기(22)에서 열교환을 거친 후에 재액화 장치(23)에서 기상 이산화탄소의 재액화가 이루어질 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 이산화탄소 액화시스템(1)은 열교환기(22)에서 기상 이산화탄소의 열교환을 하는 경우에는, 제2 바이패스 라인(52)을 통하여 열교환기(22)에 기상 이산화탄소를 전달하여 기상 이산화탄소의 압력을 제2 라인(51)을 통과한 기상 이산화탄소보다 낮게 유지하며, 가스연료의 압력보다 낮게 압축하여 열교환기(22)에서 가스연료 누출 시에도 큰 사고를 방지할 수 있다.
또한, 제2 바이패스 라인(52)을 통과한 기상 이산화탄소는 제2 라인(51)을 통과한 기상 이산화탄소 비하여 온도 상승이 적어 열교환기(22)에서의 열교환 효율성을 증가시킬 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 이산화탄소 액화시스템의 제7 실시예에 대한 개념도이다.
도 7을 참조하면, 재액화 장치(23)는 제2 라인(51) 상에만 마련되며 제2 바이패스 라인(52)에는 마련되지 않는 것을 알 수 있다. 또한, 재액화 장치(23) 후단에 열교환기(22)가 마련되어, 제2 라인(51) 상에 기상 이산화탄소가 재액화 장치(23)를 통해 냉각된 후에 열교환기(22)를 통과하는 것을 알 수 있다.
열교환기(22)에서는 가스연료를 냉매를 사용하므로, 재액화 장치(23)보다 낮은 온도로 기상 이산화탄소와 열교환이 이루어질 수 있다.
제2 라인(51)에서 기상 이산화탄소는 압축기(21)를 두 개를 통과하여 상대적으로 높은 압력 및 높은 온도를 가지며, 재액화 장치(23)에서 일부 재액화 과정을 진행한 뒤, 더 낮은 온도인 열교환기(22)에서 나머지 재액화 과정이 진행될 수 있다.
제2 바이패스 라인(52)에서 기상 이산화탄소는 압축기(21)를 한 개만 통과하여 상대적으로 낮은 압력 및 낮은 온도를 가지며, 재액화 장치(23)를 우회하여 열교환기(22)에서 재액화 과정이 진행될 수 있다.
도 6과 비교하면, 도 6에서는 열교환기(22)가 먼저 마련되고 재액화 장치(23)가 마련된 것에 비하여, 도 7에서는 재액화 장치(23)가 마련되고 열교환기(22)가 마련될 것을 알 수 있다.
열교환기(22)에서는 재액화 장치(23)보다 낮은 온도로 기상 이산화탄소를 냉각할 수 있으므로, 도 6에서의 열교환기(22)는 Pre-cooler 타입으로 먼저 기상 이산화탄소의 온도를 낮추는 역할이며, 하단에 마련된 재액화 장치(23)를 통하여 기상 이산화탄소의 나머지 재액화가 진행될 수 있다.
도 7에서의 열교환기(22)는 재액화 장치(23) 뒤에 마련되어 재액화 장치(23)에서 먼저 기상 이산화탄소가 냉각된 후에 열교환기(22)에서 기상 이산화탄소가 재액화가 되는 것으로, 열교환기(22)가 Pre-cooler 타입인 것에 비하여 보다 효율적인 재액화가 진행될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 이산화탄소 액화시스템의 제8 실시예에 대한 개념도이다.
도 8을 참조하면, 가스연료를 임시 보관하는 챔버(25)와 GT, 제어기(24) 및 우회밸브(32)가 추가적으로 마련된 것을 알 수 있다.
챔버(25)는 재액화 장치(23) 및 열교환기(22)와 순차적으로 마련되며, 앞서 설명한 바와 같이, 열교환기(22) 후단에 마련되어 열교환기(22)에서 가스연료 누출시에 가스연료 및 기상 이산화탄소 등을 임시 보관할 수 있고, 기체와 액체 상태를 구별하여 서로 분리시킬 수도 있다.
따라서, 챔버(25)에서는 가스연료와 기상 이산화탄소 및 기상 이산화탄소가 저온의 가스연료로 인하여 상태변화한 결빙 또는 액상 이산화탄소 또한 같이 보관되어 챔버(25) 안에는 고체, 액체, 기체 상태의 물질들이 혼합되어 존재할 수 있다.
GT는 챔버(25)에 추가적으로 마련이 되며, 메탄가스 등을 탐지할 수 있으므로 메탄가스가 주성분인 LNG의 누출시에 챔버(25)에서 가스연료의 누출여부를 확인할 수 있다.
제어기(24)는 GT와 연결되어 있어, GT를 통해서 가스연료 누출이 확인이 되면, 우회밸브(32)의 개폐를 조절하여 누출된 가스연료를 챔버(25) 이외로 전달되지 않도록 하여 저장 탱크(12)까지 가스연료의 확장을 방지할 수 있다.
우회밸브(32)는 열교환기(22) 전단 또는 후단 중 적어도 후단에 마련되어, 열교환기(22)에서 가스연료 누출이 발생하여 기상 이산화탄소의 결빙이 발생하는 경우에 개폐 조절을 통하여 저장 탱크(12)와 연결을 차단할 수 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 액화시스템(1)은 기상 이산화탄소를 가스연료로 재액화 또는 열교환하는 시스템이지만, 가스연료가 LNG 또는 수소같이 비등점이 낮은 경우에는, 기상 이산화탄소 대신에 가스연료 보다 비등점이 높은 LPG, 암모니아 등의 다른 액화가스에 적용이 가능함을 알려둔다.
도1 내지 도8의 오른쪽에 도시된 화살표 모양의 오각형 박스는, 라인을 통하여 가스연료가 다양한 곳으로 전달이 가능하다는 것을 표현하기 위함이다.
예를 들어, 열교환기(22)와 연결된 화살표 모양의 오각형 박스는 엔진으로 전달되어 선박의 추진에 사용되거나 다시 연료 탱크(11)로 전달되어 저장될 수 있으며, 배출라인(41)과 연결된 화살표 모양의 오각형 박스는 챔버(25)에 임시 보관된 가스연료를, 선박의 외부로 배출하거나 엔진이나 연료 탱크(11)로 전달할 수 있다.
본 발명은 상기에서 설명한 실시예들로 한정되지 않으며, 상기 실시예들의 조합 또는 상기 실시예 중 적어도 어느 하나와 공지 기술의 조합을 또 다른 실시예로서 포함할 수 있다.
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: 이산화탄소 액화시스템 11: 연료 탱크
12: 저장 탱크 21: 압축기
22: 열교환기 23: 재액화 장치
24: 제어기 25: 챔버
31: 제1 바이패스 라인 32: 우회밸브
41: 배출라인 42: 배출밸브
51: 제2 라인 52: 제2 바이패스 라인

Claims (9)

  1. 이산화탄소를 저장하는 저장 탱크;
    비등점이 이산화탄소보다 낮으며 선박을 추진 혹은 발전하기 위해 사용되는 가스연료를 저장하는 연료 탱크;
    상기 저장 탱크에서 배출되는 이산화탄소를 압축하는 압축기; 및
    상기 압축기의 후단에 마련되며 가스연료의 냉열을 이용하여 이산화탄소를 냉각하는 열교환기;를 포함하며,
    상기 압축기는,
    이산화탄소의 압력을 상기 열교환기로 유입되는 가스연료의 압력보다 낮게 압축하는, 이산화탄소 액화시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기를 우회하는 제1 바이패스 라인을 구비하며,
    상기 제1 바이패스 라인에 마련되며 별도의비폭발 냉매를 사용하여 이산화탄소를 냉각하는 재액화 장치;를 더 포함하는, 이산화탄소 액화시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 압축기는,
    상기 열교환기와 상기 재액화 장치의 분기점의 전단에 마련되어 이산화탄소를 압축하는, 이산화탄소 액화시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 열교환기 전단 또는 후단 중 적어도 전단에 마련되는 우회밸브; 및
    가스연료 누출시에 상기 우회밸브를 조절하여 이산화탄소를 상기 제1 바이패스 라인으로 공급하는 제어기;를 더 포함하는, 이산화탄소 액화시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 열교환기 후단에 마련되어, 가스연료 누출시에 가스연료 및 이산화탄소를 임시 보관하며 기체와 액체 상태를 구별하여 분리하는 챔버;를 포함하며,
    상기 제어기는,
    상기 챔버 후단에 추가적으로 연결되어, 가스연료 누출시에 누출된 가스연료가 상기 챔버에 임시 보관되게 상기 우회밸브를 조절하는, 이산화탄소 액화시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 열교환기 및 상기 챔버는, 방폭으로 마련되고,
    상기 압축기 및 상기 재액화 장치는, 비방폭으로 마련되는,
    이산화탄소 액화시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 챔버는,
    임시 보관된 가스연료 및 이산화탄소를 배출하는 배출밸브 및 배출라인을 더 포함하는, 이산화탄소 액화시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기는 복수 개가 마련되며,
    이산화탄소가 상기 열교환기에서 가스연료와 열교환하기 위하여 상기 압축기를 두개 이상 통과하게 하는 제2 라인;
    이산화탄소가 상기 압축기를 적어도 하나 이상을 통과하게 하는 제2 바이패스 라인; 및
    상기 열교환기의 전단 또는 후단에 마련되는 재액화 장치;를 더 포함하는, 이산화탄소 액화시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 재액화 장치 및 상기 열교환기와 순차적으로 마련되는 챔버;
    상기 열교환기 전단 또는 후단 중 적어도 후단에 마련되는 우회밸브; 및
    가스연료 누출시에 누출된 가스연료를 상기 챔버 이외로 전달되지 않도록 상기 우회밸브를 조절하는 제어기;를 더 포함하며,
    상기 챔버는,
    가스연료 누출시에 가스연료 및 이산화탄소를 임시 보관하며 기체와 액체 상태를 구별하여 분리하는, 이산화탄소 액화시스템.
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