CO2 액화 플랜트 공급업체로서 저는 이러한 플랜트가 어떻게 작동하는지에 대한 질문을 자주 받습니다. 이번 블로그 게시물에서는 CO2 액화 플랜트의 세부 프로세스를 안내하고 각 단계와 기본 원리를 설명하겠습니다.
1. CO2 소스 및 공급원료 준비
CO2 액화 플랜트의 첫 번째 단계는 CO2를 공급하는 것입니다. CO2는 발전소, 시멘트 공장, 화학 공장의 산업 배가스와 같은 다양한 소스에서 얻을 수 있습니다. 이러한 연도 가스에는 일반적으로 CO2, 질소, 산소 및 기타 미량 가스가 혼합되어 있습니다.
CO2를 액화하려면 먼저 정화가 필요합니다. 불순물이 액화과정과 최종 제품의 품질에 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 정화 과정에는 일반적으로 다음을 포함한 여러 단계가 포함됩니다.
- 미립자 제거: 배가스는 1차 필터를 통과하여 먼지, 재 등의 고체 입자를 제거합니다. 이는 다운스트림 장비가 손상되지 않도록 보호하는 데 도움이 됩니다.
- 탈황 및 탈질: 많은 산업용 배가스는 이산화황(SO2)과 질소산화물(NOx)을 함유하고 있는데, 이는 환경 규제를 충족하고 액화 플랜트의 부식을 방지하기 위해 제거해야 합니다. 이는 일반적으로 SO2 및 NOx와 반응하여 제거하는 용액을 가스가 통과하는 흡수 공정을 사용하여 수행됩니다.
- 탈수: 배가스에 포함된 수증기는 액화 과정에서 결빙, 부식 등의 문제를 일으킬 수 있습니다. 따라서 건조제나 냉동식 건조기를 이용하여 가스를 건조시켜 수증기를 제거하게 된다.
2. 압축
CO2가 정화된 후 압축되어 압력이 높아집니다. 압축은 가스의 부피를 줄이고 냉각 및 액화를 더 쉽게 만들기 때문에 액화 공정에서 중요한 단계입니다.
압축 프로세스에는 일반적으로 여러 단계가 포함되며 각 단계 사이에 중간 냉각이 이루어집니다. 인터쿨링은 압축 중에 발생하는 열을 제거하는 데 도움을 주어 압축기의 전력 소비를 줄이고 공정의 효율성을 향상시킵니다. 압축된 CO2의 압력은 일반적으로 약 20~30bar입니다.
3. 냉각 및 액화
CO2가 압축되면 임계점 이하의 온도로 냉각됩니다. CO2의 임계점은 31.1°C, 73.8bar입니다. 임계점 이하의 온도에서는 압력을 가하여 CO2를 액화시킬 수 있습니다.
냉각 과정은 일반적으로 냉동 시스템을 사용하여 이루어집니다. 증기 압축 냉동 시스템과 캐스케이드 냉동 시스템을 포함하여 CO2 액화 플랜트에 사용할 수 있는 여러 유형의 냉동 시스템이 있습니다.
- 증기 압축 냉동 시스템: CO2 액화 플랜트에서 사용되는 가장 일반적인 유형의 냉동 시스템입니다. 암모니아 또는 합성 냉매와 같은 냉매 가스를 고압 및 온도로 압축하여 작동합니다. 그런 다음 고압 냉매 가스는 응축기에서 응축되어 환경에 열을 방출합니다. 응축된 냉매 액체는 팽창 밸브를 통해 팽창되어 압력과 온도가 감소합니다. 그러면 저압 냉매 증기가 CO2 가스로부터 열을 흡수하여 냉각시킵니다.
- 캐스케이드 냉동 시스템: 단일 증기 압축 냉동 시스템으로 달성할 수 있는 것보다 더 낮은 온도가 필요할 때 캐스케이드 냉동 시스템이 사용됩니다. 이는 직렬로 작동하는 두 개 이상의 증기 압축 냉동 시스템으로 구성되며 각 시스템은 끓는점이 다른 서로 다른 냉매를 사용합니다.
CO2 가스는 냉각되면서 점차적으로 가스에서 액체로 변합니다. 그런 다음 액화된 CO2는 분리기를 사용하여 질소 및 산소와 같은 나머지 비응축 가스로부터 분리됩니다.
4. 보관 및 유통
액화된 CO2는 단열 저장 탱크에 저장됩니다. 이 탱크는 낮은 온도와 압력에서 CO2를 액체 상태로 유지하도록 설계되었습니다. 저장 탱크에는 일반적으로 액화 CO2의 안전한 저장을 보장하기 위해 압력 릴리프 밸브 및 레벨 센서와 같은 안전 장치가 장착되어 있습니다.
저장 탱크에서 액화된 CO2는 다양한 최종 사용자에게 분배될 수 있습니다. 운송되는 CO2의 양과 거리에 따라 도로, 철도 또는 파이프라인을 통해 운송될 수 있습니다. 도로 및 철도 운송의 경우 액화 CO2는 일반적으로 특수 유조선에 적재됩니다.
액화 CO2의 응용
액화 CO2는 다양한 산업 분야에서 폭넓게 응용됩니다. 일반적인 응용 프로그램 중 일부는 다음과 같습니다.
- 식품 및 음료 산업: 액화CO2는 청량음료, 맥주, 스파클링 와인의 탄산화에 사용됩니다. 또한 식품의 냉동 및 냉각에도 사용됩니다.
- 화학 산업: CO2는 요소, 메탄올, 살리실산 등 다양한 화학물질 생산의 원료로 사용됩니다.
- 석유 및 가스 산업: 액화 CO2는 EOR(Enhanced Oil Recovery) 작업에 사용됩니다. 유정에 주입하여 압력을 높이고 오일의 점도를 낮추어 추출을 더 쉽게 만듭니다.
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참고자료
- Kohl, AL, & Nielsen, RB(1997). 가스 정화. 걸프 출판사.
- 페리, RH, & 그린, DW(1997). 페리의 화학 엔지니어 핸드북. 맥그로힐.
- Stoecker, WF, & 존스, JW (1982). 냉동 및 에어컨. 맥그로힐.
