KR20240049026A - 이산화탄소 처리 시스템 및 이를 포함하는 구조물 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이산화탄소 처리 시스템 및 이를 포함하는 구조물에 관한 것으로서, 이산화탄소를 전달받아 압축하는 압축기; 압축된 이산화탄소를 냉각하는 냉각부; 압축 및 냉각된 이산화탄소를 감압하는 감압부; 및 상기 냉각부와 상기 감압부 사이에 마련되어, 상기 감압부 하류의 이산화탄소 중 적어도 일부를 냉매로 이용하는 액화부를 포함하며, 상기 액화부는, 상기 감압부 하류의 이산화탄소 중 가스상태의 이산화탄소를 압축하여 상기 냉각부로 전달하는 추가 압축기; 및 상기 냉각부와 상기 감압부 사이에서 병렬로 마련되는 추가 감압부를 포함한다.

Description

이산화탄소 처리 시스템 및 이를 포함하는 구조물{CO2 treatment system and structure having the same}
본 발명은 이산화탄소 처리 시스템 및 이를 포함하는 구조물에 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.
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, 육상 발전소나 유정 등에서 발생하였거나 CO2 운반선 등에 의해 전달되는 이산화탄소를 효과적으로 액화시켜서 운송이 용이하게 하여, 이산화탄소를 효율적으로 처리함으로써 환경 오염을 방지할 수 있는 이산화탄소 처리 시스템 및 이를 포함하는 구조물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 이산화탄소 처리 시스템은, 이산화탄소를 전달받아 압축하는 압축기; 압축된 이산화탄소를 냉각하는 냉각부; 압축 및 냉각된 이산화탄소를 감압하는 감압부; 및 상기 냉각부와 상기 감압부 사이에 마련되어, 상기 감압부 하류의 이산화탄소 중 적어도 일부를 냉매로 이용하는 액화부를 포함하며, 상기 액화부는, 상기 감압부 하류의 이산화탄소 중 가스상태의 이산화탄소를 압축하여 상기 냉각부로 전달하는 추가 압축기; 및 상기 냉각부와 상기 감압부 사이에서 병렬로 마련되는 추가 감압부를 포함한다.
구체적으로, 상기 감압부의 하류에 마련되는 기액분리기를 더 포함하며, 상기 액화부는, 상기 기액분리기에서 분리된 기상 이산화탄소를 상기 냉각부로 전달할 수 있다.
구체적으로, 상기 액화부는, 상기 냉각부와 상기 감압부 사이에서 분기되고 상기 추가 감압부로 감압된 일부 이산화탄소와, 상기 냉각부에서 상기 감압부로 전달되는 나머지의 이산화탄소를 열교환하는 액화기를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 압축기는, 복수의 압축단이 직렬로 배치되는 다단 압축기로 마련되며, 상기 압축기의 상류 및 적어도 어느 하나의 상기 압축단의 하류에 마련되는 분리기를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 액화부는, 상기 추가 감압부에 의해 감압되고 상기 액화기에서 냉매로 사용된 이산화탄소를 상기 분리기로 전달할 수 있다.
구체적으로, 상기 액화부는, 상기 액화기에서 냉매로 이용한 이산화탄소를, 상기 압축기의 최종 압축단의 직전에 마련되는 상기 분리기로 전달할 수 있다.
구체적으로, 상기 압축기는, 복수의 압축단이 직렬로 배치되는 다단 압축기로 마련되며, 상기 냉각부는, 복수 개로 마련되어 적어도 어느 하나의 상기 압축단의 하류에 마련될 수 있다.
구체적으로, 상기 추가 압축기는, 이산화탄소를 압축하여 상기 압축기의 최종 압축단의 하류에 마련되는 상기 냉각부로 전달할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 구조물은, 상기 이산화탄소 처리 시스템을 갖는다.
본 발명에 따른 이산화탄소 처리 시스템 및 이를 포함하는 구조물은, 육상 발전소나 유정 등으로부터 배출되는 이산화탄소를 효율적으로 냉동시켜서 컴팩트한 운송을 가능케 하여, 이산화탄소의 안정적인 전달 및 처리를 보장할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 처리 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 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. 참고로 이하에서 설명하는 이산화탄소는 순수하게 이산화탄소만을 포함하는 물질이 아닌, 이산화탄소를 주성분으로 포함하되 다른 이물질(질소 등)이 섞인 물질을 포함하는 용어로 해석될 수 있다. 더 나아가 본 명세서에서 이산화탄소는, 이산화탄소를 주성분으로 포함하는 물질에서 이산화탄소가 일부 제거됨에 따라 이물질이 주성분으로 전환된 상태도 포괄하는 용어일 수 있음을 알려둔다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물의 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 처리 시스템의 개념도이다.
먼저 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물(F)은, 해상에 부유한 상태로 설치되는 것일 수 있다. 또는 구조물(F)은 그 용어와 달리 해저에 고정된 채 적어도 일부가 해수면 상부에 배치되는 것일 수도 있다.
이러한 구조물(F)은 이산화탄소를 유정에 주입하는 이산화탄소 주입 터미널이거나, 또는 유정 등에서 원유 또는 천연가스를 시추하면서 또한 이산화탄소의 주입 기능을 갖는 가스/오일 생산 설비일 수 있다.
이러한 구조물(F)은 해상에 마련되며 운영 중에 발생하는 이산화탄소를 처리하기 위해, 이하에서 도 2를 참고하여 설명할 이산화탄소 처리 시스템(1)을 구비할 수 있다. 구조물(F)은 이산화탄소 처리 시스템(1)을 활용하여 이산화탄소를 액화시킬 수 있다.
또는, 본 발명의 구조물(F)은 육상이나 연안에 고정식으로 마련될 수 있다. 이때 구조물(F)은 육상 플랜트, 육상 터미널 등으로서, 일례로 육상/연안용 해상 이산화탄소 액화 터미널일 수 있다.
이러한 구조물(F)은 육상 등에 마련된 상태에서 해상의 터미널이나 시추설비 등으로부터 이산화탄소를 전달받아 처리할 수 있다. 이때 해상의 터미널 등에서 발생한 이산화탄소는 이산화탄소 운반선(S)이나 또는 해저 파이프 등을 통하여 육상의 구조물(F)로 전달될 수 있다.
구조물(F)은 선박이나 이산화탄소를 배출하는 각종 장치/시설/설비 등으로부터 이산화탄소를 전달받아 액화 처리할 수 있다. 선박의 경우 배기에서 이산화탄소가 발생할 것이고, 해당 선박이 이산화탄소를 포집하였다가 구조물(F)에 전달할 수 있다.
즉 구조물(F)에는 제한되지 않는 출처로부터 이산화탄소가 전달될 수 있을 것이다. 또한 구조물(F)은 이산화탄소 처리 시스템(1)을 이용하여 이산화탄소를 액화한 뒤, 액상의 이산화탄소를 유정이나 출처 등에 되돌려줄 수 있다.
구조물(F)은 이산화탄소를 액화시킨 뒤 이산화탄소 운반선(S) 등으로 전달할 수 있으며, 구조물(F) 내에 마련되는 이산화탄소 저장탱크에 액상 이산화탄소를 저장해둘 수 있다. 또는 구조물(F)은 액화된 이산화탄소에 대해 필요 시 온도 및 압력을 조정한 뒤, 유정 내에 주입하여 처리하는 것도 가능하다.
즉 구조물(F)은 외부 또는 내부로부터 이산화탄소를 전달받아 액화하고, 액화된 이산화탄소를 내부에 저장하거나 또는 외부의 적절한 지점으로 전달할 수 있다.
이하에서는 도 2를 참고하여 본 실시예의 이산화탄소 처리 시스템(1)에 대해 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 처리 시스템(1)은, 제한되지 않는 출처로부터 이산화탄소를 전달받아 액화 처리하는 구성으로서, 이산화탄소 액화 시스템으로 지칭될 수 있다. 이러한 이산화탄소 처리 시스템(1)은 압축기(10), 냉각부(20), 감압부(30), 액화부(40), 기액분리기(50), 분리기(61, 62) 등을 포함한다.
압축기(10)는, 출처로부터 이산화탄소를 전달받아 압축한다. 앞서 언급한 바와 같이 이산화탄소 처리 시스템(1)은 구조물(F)의 외부 또는 내부로부터 이산화탄소를 전달받을 수 있다. 특히 구조물(F)은 액화된 이산화탄소를 이산화탄소 저장탱크에 저장할 수 있는데, 이산화탄소 저장탱크 내에서 이산화탄소 일부가 기화될 수 있는 바, 이산화탄소 저장탱크 역시 상기의 출처에 해당할 수 있다.
압축기(10)는 이산화탄소를 압축함으로써 이산화탄소의 비등점을 높인다. 특히 압축기(10)는 이산화탄소를 삼중점 이상의 압력으로 높여서 이산화탄소의 액화가 가능하도록 한다.
압축기(10)는 복수의 압축단(10a, 10b, 10c)이 직렬로 배치되는 다단 압축기(10)로 마련될 수 있다. 일례로 도면에 나타난 것과 같이 압축기(10)는 3개 내외의 압축단(10a, 10b, 10c)을 구비할 수 있지만, 압축단(10a, 10b, 10c)의 수는 도면에 나타난 것으로 한정하지 않는다.
압축기(10)를 구성하는 복수의 압축단(10a, 10b, 10c)은 하나의 구동원(모터 등)에 의해 일체로 가동할 수 있으며, 이산화탄소는 다단의 압축단(10a, 10b, 10c)을 거치면서 삼중점 이상의 압력으로 압축될 수 있다.
압축기(10)는 필요에 따라 복수 개가 병렬로 배치될 수도 있으며, 복수의 압축기(10)는 상호 백업 또는 부하 분담이 가능하도록 마련될 수 있다. 복수의 압축기(10)를 이용할 경우에는 출처 또는 이산화탄소 처리 시스템(1)으로 유입되는 이산화탄소의 유량 등에 따라 각 압축기(10)의 부하가 제어될 수 있다.
압축기(10)의 압축단(10a, 10b, 10c)에서 이산화탄소가 압축되면, 압축열에 의해 가열되어 부피가 증가한다. 따라서 하류의 압축단(10a, 10b, 10c)에서의 압축 효율이 저하될 우려가 있는 바, 압축기(10)를 이루는 압축단(10a, 10b, 10c) 사이 및 압축기(10)의 하류 등에는 후술하는 냉각부(20)가 마련되어, 압축 효율을 보장할 수 있다.
냉각부(20)는, 압축된 이산화탄소를 냉각한다. 냉각부(20)는 청수, 해수 등을 이용할 수 있지만 냉매의 종류는 제한하지 않는다. 이러한 냉각부(20)는 이산화탄소와 냉매가 상호 열교환되는 열교환기 형태로 이루어질 수 있다.
냉각부(20)는 복수 개의 냉각기(20a, 20b, 20c)를 포함하도록 마련될 수 있다. 이때 냉각기(20a, 20b, 20c)는 복수 개의 압축단(10a, 10b, 10c)과는 달리 별도로 가동하도록 배치될 수 있으며, 압축기(10)를 이루는 압축단(10a, 10b, 10c)들 사이 및 압축단(10a, 10b, 10c) 하류 등에 배치될 수 있다.
일례로 제1 압축단(10a)과 제2 압축단(10b) 사이에 제1 냉각기(20a)가 배치되고, 제2 압축단(10b)과 제3 압축단(10c) 사이에도 제2 냉각기(20b)가 배치될 수 있다. 또한 제3 압축단(10c)과 액화부(40) 사이에도 제3 냉각기(20c)가 배치되어, 이산화탄소가 압축 시 가열됨에 따라 액화 효율이 저하되는 것을 방지한다.
냉각부(20)는 압축기(10)와 연계되어 이산화탄소에 대한 다단 압축 및 다단 냉각을 구현한다. 따라서 압축기(10) 및 냉각부(20)를 거친 이산화탄소는 삼중점 이상의 압력을 갖고 액화가 가능한 적절한 상태를 가질 수 있다.
감압부(30)는, 압축, 냉각 및 액화된 이산화탄소를 감압한다. 감압부(30)는 후술할 액화부(40)의 하류에 마련되는 구성으로서, 액화부(40)에서 이산화탄소 간 열교환을 통해 적어도 부분적으로 액화된 이산화탄소에 대하여, 충분한 액화효율을 얻기 위해 감압을 적용한다.
감압부(30)는 압축기(10)에 의해 다단 압축된 이산화탄소의 압력을 충분히 떨어뜨려서 감압에 의한 추가 냉각 효과를 얻는 구성일 수 있다. 일례로 감압부(30)는 줄-톰슨 밸브 등일 수 있고, 또는 팽창기일 수도 있다. 다만 감압부(30)는 이산화탄소에 대해 삼중점 이상의 압력까지만 감압하여, 이산화탄소의 액상을 유지하고 결빙을 억제할 수 있다.
감압부(30)는 액화부(40)를 거치면서 적어도 일부가 액화된 이산화탄소를 전달받아 감압해 추가 냉각하므로, 액화부(40)의 하류에서 이산화탄소가 모두 액상이 아닌 한, 액화부(40)의 하류 대비 감압부(30)의 하류에서 이산화탄소의 액상 비율이 더 높아질 수 있다.
다만 액화부(40) 및 감압부(30)를 모두 이용하더라도 이산화탄소 일부 또는 이산화탄소에 포함될 수 있는 질소 등의 이물질이 기체로 남아있을 수 있는 바, 감압부(30)의 하류에는 기액 혼합 상태일 수 있다. 이때 기체를 분리하기 위하여 후술할 기액분리기(50)가 이용된다.
감압부(30)에 의해 충분히 액화된 이산화탄소는 기액분리기(50)를 거쳐 구조물(F)의 이산화탄소 저장탱크로 전달되거나 또는 구조물(F) 외부의 적절한 시설로 전달될 수 있다.
감압부(30)는 도면에서와 같이 하나의 밸브가 단독으로 배치될 수 있고, 또는 다단 감압을 위하여 복수의 밸브(줄-톰슨 밸브, 압력조절밸브 등)가 직렬 배치되는 것도 가능하다.
하나의 밸브를 이용하여 급격히 압력을 떨어뜨리게 되면 이산화탄소가 결빙될 우려가 있으므로, 감압부(30)는 상류의 밸브를 이용하여 삼중점보다 충분히 높은 압력까지만 감압하고, 하류의 밸브를 개도 조절하여 이산화탄소의 액상을 유지하고 결빙을 방지하는 제어를 구현할 수 있다.
액화부(40)는, 이산화탄소 간 열교환을 통해 이산화탄소를 액화시킨다. 액화부(40)는 냉각부(20)와 감압부(30) 사이에 마련되는 액화기(41)를 포함할 수 있다. 액화기(41)는 자기 냉매 방식(Open cycle)로 액화하는 구성일 수 있으며, 액화기(41)에서 액화시키는 주체는 감압부(30) 하류의 이산화탄소 중 일부이고, 액화기(41)에서 액화되는 객체는 압축기(10) 및 냉각부(20)에 의해 다단 압축 및 다단 냉각된 고압 및 고온의 이산화탄소일 수 있다.
액화기(41)에서 냉매로 사용되는 이산화탄소는, 감압부(30) 하류의 이산화탄소 중 일부로서 특히 후술할 기액분리기(50)에서 분리된 기상일 수 있다. 이때 냉매에 의한 액화 효율을 높이기 위하여, 액화부(40)는 추가 압축기(42), 추가 냉각부(43), 추가 감압부(44)를 더 포함한다.
추가 압축기(42)는, 감압부(30) 하류의 이산화탄소 중 적어도 일부를 압축한다. 추가 압축기(42)는 감압부(30)에 의해 감압된 이산화탄소의 압력을 다시 높이는 것으로서, 압축-냉각-감압에 의해 온도가 떨어지는 일련의 과정을 이산화탄소에 적용하기 위한 구성이다.
구체적으로 추가 압축기(42)는 기액분리기(50)에서 분리되는 기상 이산화탄소(Flash gas)를 전달받아 압축할 수 있다. 이를 위해 추가 압축기(42)는 기액분리기(50)와 액화기(41) 사이에 배치될 수 있으며, 추가 압축기(42)에는 기액분리기(50)에서 액상이 분리된 이산화탄소가 전달될 것인 바, 추가 압축기(42)의 부하는 압축기(10)의 압축단(10a, 10b, 10c) 대비 상대적으로 적을 수 있다.
추가 압축기(42)는 압축기(10)에서 설명한 것과 같이 다단으로 마련될 수도 있지만, 앞서 언급한 것처럼 압축기(10) 대비 부하가 작다는 점을 고려, 1단으로 마련될 수 있다.
추가 냉각부(43)는, 추가 압축기(42)와 후술할 추가 감압부(44) 사이에 마련된다. 추가 냉각부(43)는 냉매로 이용될 이산화탄소에 대한 압축-냉각-감압 중 냉각을 담당하며, 앞서 설명한 냉각부(20)와 동일/유사하게 청수/해수 등의 제한되지 않는 냉매를 이용할 수 있다.
추가 냉각부(43)는 추가 압축기(42)와 연계되어 마련되며, 추가 압축기(42)와 마찬가지로 단독으로 구성될 수 있다. 추가 냉각부(43)는 추가 압축기(42)와 일체로 마련될 수 있으며, 추가 압축기(42)에 의해 이산화탄소에 가해지는 압축열을 제거한다.
추가 감압부(44)는, 추가 압축기(42) 및 추가 냉각부(43)의 하류에 마련되며, 기액분리기(50)에서 분리된 기상 이산화탄소에 대한 압축-냉각-감압 중 감압을 담당한다. 추가 감압부(44)는 앞선 감압부(30)와 마찬가지로 감압을 통해 냉각을 구현하는 줄-톰슨 밸브일 수 있고, 또는 팽창기 등일 수도 있다.
추가 감압부(44) 역시 감압부(30)에서 설명한 것처럼, 이산화탄소의 감압 시 결빙을 방지할 수 있다. 다만 추가 감압부(44)는 단독으로 마련되고 개도가 적절히 조절됨으로써 액화기(41)로 유입되는 이산화탄소 냉매가 액상 또는 기상을 유지하도록 할 수 있다.
기액분리기(50)에서 분리된 기상 이산화탄소는 앞서 설명한 추가 압축기(42), 추가 냉각부(43), 추가 감압부(44)를 통해 압축-냉각-감압된다. 이를 통해 기상 이산화탄소는 액화기(41)에서 냉매로 활용 가능한 수준의 온도를 가지며, 적어도 일부가 액화될 수도 있다.
따라서 액화기(41)는, 압축기(10) 및 냉각부(20)에 의해 다단 압축 및 냉각된 상대적 고온/고압의 이산화탄소를, 감압부(30)에 의해 감압 후 압축-냉각-감압된 상대적 저온/저압의 이산화탄소와 열교환시켜서, 고온/고압의 이산화탄소를 액화시킬 수 있다.
즉 압축기(10)에서 다단 압축된 이산화탄소를 냉각하기 위하여 적어도 3단의 냉각기(20a, 20b, 20c)와 추가 냉각부(43)가 사용될 수 있고, 더욱이 이산화탄소의 액화에 필요한 냉동 에너지가 감압부(30) 및 추가 감압부(44)에 의해 확보될 수 있다.
특히 본 실시예는 기액분리기(50)에서 분리된 기상 이산화탄소(Flash gas)에 추가 압축을 적용하여, Flash gas의 시스템 Recycle(또는 Recovery)을 위한 압력과, 액화기(41)에서 필요한 냉동 에너지를 얻기 위한 압력을 확보할 수 있다. 이하에서는 Flash gas의 Recycle을 설명한다.
액화부(40)는, 냉매로 사용한 이산화탄소를 시스템 내에 재순환시킬 수 있다. 일례로 액화부(40)는 이산화탄소 냉매를 압축기(10)로 전달하여, 냉매로 사용된 이산화탄소가 액화기(41)에서 액화되는 객체로서 경유하면서 액화되도록 할 수 있다.
구체적으로 액화부(40)는 액화기(41)에서 냉매로 사용된 이산화탄소를 압축기(10)의 제2 압축단(10b)과 제3 압축단(10c) 사이에 전달할 수 있으며, 일례로 액화기(41)를 거친 이산화탄소 냉매는 제3 압축단(10c) 직전에 마련되는 제2 분리기(62)에 유입될 수 있다.
기액분리기(50)는, 감압부(30)의 하류에 마련된다. 기액분리기(50)는 액화부(40) 및 감압부(30)를 거쳐 적어도 일부가 액화된 이산화탄소에 대해, 기체와 액체를 분리한다. 기액분리기(50)는 분리한 액체를 이산화탄소 저장탱크 등으로 전달할 수 있으며, 분리한 기체를 추가 압축기(42)로 전달한다.
기액분리기(50)에서 분리된 기상 이산화탄소는 앞서 설명한 것처럼 액화기(41)에서 냉매로 이용될 수 있다. 더욱이 본 실시예는 기상 이산화탄소에 대해 압축 및 감압 등을 적용함으로써, 자기 냉매 방식을 사용하는 액화기(41)에서의 액화 효율을 높일 수 있다.
기액분리기(50)는 일정한 내압으로 운영될 수 있으며, 이때 기액분리기(50)의 내압은 이산화탄소의 결빙이 방지되는 압력으로 삼중점 이상일 수 있다. 이러한 상태의 기액분리기(50)에서 배출되는 기상 이산화탄소는 추가 압축되고 액화기(41)에서 열교환된 후, 제3 압축단(10c)으로 전달될 수 있다.
분리기(61, 62)는, 압축기(10)의 상류 및 적어도 어느 하나의 압축단(10a, 10b, 10c)의 하류에 마련될 수 있다. 일례로 분리기(61, 62)는 제1 압축단(10a)의 상류에 마련되는 제1 분리기(61)와, 제2 압축단(10b)과 제3 압축단(10c) 사이에 마련되는 제2 분리기(62)를 포함할 수 있다.
분리기(61, 62)는 출처로부터 유입되는 이산화탄소에 포함될 수 있는 미량의 액적(liquid droplet)과 미립자 등을 제거하기 위한 용도로 사용될 수 있다. 또한 분리기(61, 62)는 이산화탄소를 임시 저장하였다가 하류의 압축단(10a, 10b, 10c)에 공급하는 버퍼 기능을 구현하여, 압축기(10)의 급격한 부하 변동을 방지해 압축 효율을 높일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이 제2 분리기(62)에는 액화기(41)에서 냉매로 사용된 이산화탄소가 주입될 수 있다. 기액분리기(50)는 이산화탄소의 삼중점 이상의 내압을 가지며, 기상 이산화탄소는 추가 압축기(42)에 의해 압축되므로, 액화기(41)를 거친 이산화탄소 냉매는 제2 압축단(10b) 하류의 이산화탄소에 원활하게 합류될 수 있다.
즉 본 실시예는 기상 이산화탄소를 추가 압축함으로써, 액화기(41)에서 냉매로 사용된 이산화탄소가 제2 압축단(10b)의 상류(일례로 제1 분리기(61) 등)가 아닌, 제2 압축단(10b)의 하류(제2 분리기(62) 또는 제2 분리기(62)의 상류)에 전달되도록 한다. 이를 통해 본 실시예는 기상 이산화탄소의 재순환 부분을 최소화하여 전체 시스템을 컴팩트하게 개선할 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 기액분리기(50)에서 분리된 기상 이산화탄소에 대해 추가 압축을 적용하여, Flash gas의 낮은 온도(기액분리기(50)의 운전 압력이 7bara일 경우 -48.5도씨 내외)를 이용하면, 필요한 압축기(10)의 단 수를 줄일 수 있고, 또한 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다.
또한 본 실시예는 추가 압축기(42)를 이용하여 압력을 확보함으로써, 최대한 높은 압력 단계(일례로 제3 압축단(10c))에 flash gas가 Recycle 되도록 하여, 시스템을 이루는 설비의 사이즈(배관, 밸브 등)를 최소화할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이산화탄소 처리 시스템(1)의 개념도이다.
이하에서는 본 실시예가 앞선 실시예 대비 달라지는 점 위주로 설명하며, 설명을 생략한 부분은 앞선 내용으로 갈음한다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 경우 액화부(40)를 앞선 실시예 대비 수정할 수 있다.
구체적으로 액화부(40)는, 기액분리기(50)에서 분리된 기상 이산화탄소를 냉각부(20)로 전달한다. 이러한 액화부(40)는 추가 압축기(42), 추가 감압부(44) 및 액화기(41) 등을 포함한다.
추가 압축기(42)는, 기액분리기(50)와 냉각부(20) 사이에 마련될 수 있다. 추가 압축기(42)는 감압부(30) 하류의 이산화탄소 중 가스상태의 이산화탄소를 압축하는데, 압축한 이산화탄소를 냉각부(20)로 전달할 수 있다.
압축기(10)는 앞선 실시예와 마찬가지로 복수의 압축단(10c)이 직렬로 배치되는 다단 압축기(10)로 마련되며, 냉각부(20) 역시 앞선 실시예와 동일하게, 복수 개의 냉각기(20a, 20b, 20c)를 포함하며 각 압축단(10c)의 하류에 마련될 수 있다.
이때 추가 압축기(42)는, 이산화탄소를 압축하여 압축기(10)의 최종 압축단(10c)의 하류에 마련되는 냉각기(20c)로 전달할 수 있다. 따라서 가장 하류에 마련되는 냉각기(20c)는, 압축기(10)의 최종단에서 압축된 이산화탄소 및 감압부(30)에서 감압 후 추가로 압축된 이산화탄소를 해수 등으로 냉각하게 된다.
즉 본 실시예는, 앞선 실시예에서 마련되는 추가 냉각부를 생략할 수 있다. 또한 가장 하류의 냉각기(20c)에 있어서 외기온도에 따라 출구온도가 높아지는 영향을, 추가 압축기(42)에서 전달되는 이산화탄소를 통해 완화할 수 있다. 즉 본 실시예는 추가 압축기(42)에서 냉각기(20c)로 전달되는 이산화탄소의 유량을 조절하여, 외기온도에 따른 액화성능의 영향을 최소할 수 있다.
추가 감압부(44)는, 냉각부(20)와 감압부(30) 사이에서 병렬로 마련된다. 추가 감압부(44)는 냉각부(20)와 감압부(30) 사이에서 분기되는 이산화탄소를 감압하여 액화기(41)로 전달할 수 있다.
가장 하류의 냉각기(20c)는 압축기(10) 최종단의 이산화탄소 및 추가 압축기(42)로 압축된 이산화탄소가 합류되어 유입되는데, 가장 하류의 냉각기(20c)에서 토출되는 이산화탄소는 유량이 분기될 수 있다.
이때 분기된 일부 이산화탄소는 추가 감압부(44)로 전달되며, 나머지 이산화탄소는 액화기(41)로 전달된다. 추가 감압부(44)로 전달되는 일부 이산화탄소는 액화기(41)에서 냉매로 사용되기 위해 액화기(41)로 전달될 수 있다.
냉각부(20) 하류에서 이산화탄소가 분기되는 것은 기상 또는 액상과 무관하게 유량을 나누는 것일 수 있고, 제어 밸브(도시하지 않음) 등이 이용될 수 있다. 물론 냉각부(20) 하류에서 이산화탄소를 기상과 액상으로 분리하고 기상/액상을 각각 추가 감압부(44)/액화기(41)로 전달하는 것도 가능하다.
액화기(41)는, 이산화탄소를 상호 열교환한다. 특히 액화기(41)는 냉각부(20)와 감압부(30) 사이에서 분기되고 추가 감압부(44)로 감압된 일부 이산화탄소와, 냉각부(20)에서 감압부(30)로 전달되는 나머지의 이산화탄소를 열교환할 수 있다.
이때 액화기(41)는, 추가 감압부(44)로 감압된 일부 이산화탄소를 냉매로 하여, 나머지의 이산화탄소를 냉각할 수 있다.
추가 감압부(44)에 의해 감압되고 액화기(41)에서 냉매로 사용된 이산화탄소는 분리기(61, 62)로 전달된다. 분리기(61, 62)는 앞선 실시예에서 설명한 바와 같이 압축기(10)의 상류 및 적어도 어느 하나의 압축단(10c)의 하류에 마련될 수 있는데, 액화기(41)에서 냉매로 이용한 이산화탄소는 압축기(10)의 최종 압축단(10c)의 직전에 마련되는 제2 분리기(62)로 전달될 수 있다.
본 실시예에서 이산화탄소의 흐름은 다음과 같다. 압축기(10) 최종단에서 압축된 이산화탄소는 가장 하류의 냉각기(20c)를 거쳐 냉각되고 일부와 나머지로 분기된 뒤, 일부의 이산화탄소는 추가 감압부(44)에 의해 추가 감압되고 액화기(41)에서 냉매로서 사용된 후 분리기(62)로 회수된다. 반면 나머지의 이산화탄소는 액화기(41)로 유입되어 이산화탄소간 열교환에 의해 냉각된 후 기액분리기(50)로 전달된다.
기액분리기(50)로 전달된 이산화탄소 중 기상의 이산화탄소는 추가 압축기(42)로 전달되어 추가 압축된 후, 압축기(10)의 최종 압축단(10c)과 하류 냉각기(20c) 사이의 이산화탄소에 합류될 수 있다.
이와 같이 본 실시예는, 기액분리기(50)에서 분리된 기상 이산화탄소(Flash gas)가 추가 압축된 후 냉각부(20)를 경유하도록 하며, 냉각부(20) 하류의 이산화탄소 중 일부를 추가 감압부(44)를 통해 팽창시킨 뒤, 냉에너지를 액화기(41)에서 회수할 수 있다. 따라서 본 실시예는, 기상 이산화탄소에 대한 별도의 쿨러를 삭제하여 컴팩트한 Pre-cooling 시스템 및 운전 로직을 구현할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예들 중 적어도 어느 하나와 공지기술을 조합한 것 및 상기 실시예들을 조합한 것 등을 또 다른 실시예로 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 처리 시스템 S: 이산화탄소 운반선
F: 구조물 10: 압축기
10a, 10b, 10c: 압축단 20: 냉각부
20a, 20b, 20c: 냉각기 30: 감압부
40: 액화부 41: 액화기
42: 추가 압축기 43: 추가 냉각부
44: 추가 감압부 50: 기액분리기
61: 제1 분리기 62: 제2 분리기

Claims (9)

  1. 이산화탄소를 전달받아 압축하는 압축기;
    압축된 이산화탄소를 냉각하는 냉각부;
    압축 및 냉각된 이산화탄소를 감압하는 감압부; 및
    상기 냉각부와 상기 감압부 사이에 마련되어, 상기 감압부 하류의 이산화탄소 중 적어도 일부를 냉매로 이용하는 액화부를 포함하며,
    상기 액화부는,
    상기 감압부 하류의 이산화탄소 중 가스상태의 이산화탄소를 압축하여 상기 냉각부로 전달하는 추가 압축기; 및
    상기 냉각부와 상기 감압부 사이에서 병렬로 마련되는 추가 감압부를 포함하는, 이산화탄소 처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 감압부의 하류에 마련되는 기액분리기를 더 포함하며,
    상기 액화부는,
    상기 기액분리기에서 분리된 기상 이산화탄소를 상기 냉각부로 전달하는, 이산화탄소 처리 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 액화부는,
    상기 냉각부와 상기 감압부 사이에서 분기되고 상기 추가 감압부로 감압된 일부 이산화탄소와, 상기 냉각부에서 상기 감압부로 전달되는 나머지의 이산화탄소를 열교환하는 액화기를 더 포함하는, 이산화탄소 처리 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 압축기는, 복수의 압축단이 직렬로 배치되는 다단 압축기로 마련되며,
    상기 압축기의 상류 및 적어도 어느 하나의 상기 압축단의 하류에 마련되는 분리기를 더 포함하는, 이산화탄소 처리 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 액화부는,
    상기 추가 감압부에 의해 감압되고 상기 액화기에서 냉매로 사용된 이산화탄소를 상기 분리기로 전달하는, 이산화탄소 처리 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 액화부는,
    상기 액화기에서 냉매로 이용한 이산화탄소를, 상기 압축기의 최종 압축단의 직전에 마련되는 상기 분리기로 전달하는, 이산화탄소 처리 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기는, 복수의 압축단이 직렬로 배치되는 다단 압축기로 마련되며,
    상기 냉각부는, 복수 개로 마련되어 적어도 어느 하나의 상기 압축단의 하류에 마련되는, 이산화탄소 처리 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 추가 압축기는,
    이산화탄소를 압축하여 상기 압축기의 최종 압축단의 하류에 마련되는 상기 냉각부로 전달하는, 이산화탄소 처리 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 상기 이산화탄소 처리 시스템을 갖는, 구조물.
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