CCS(Carbon Dioxide Capture and Storage)은 온실가스의 주원인 중 하나인 $CO_2$를 감축하기 위한 대안으로 발전, 시멘트 및 철강 산업 등에서 발생하는 대량의 $CO_2$를 포집, 압축 액화하여 저장소에 격리하는 일련의 전 과정을 말한다. 이때, 포집된 $CO_2$는 수송 과정 전 후에 임시저장소에 저장 하게 된다. $CO_2$는 일반적으로 비 가연성, 무독성 가스로 저장소에서 화학적 폭발을 일으킬 가능성이 희박한 가스지만, 임시로 저장되어 보관될 동안 100bar이상의 압력으로 보관되고 있으며, 포집된 가스에 포함된 불순물과 산화물 등에 의해 용기의 부식으로 인한 물리적 폭발이 일어날 가능성이 있다. 폭발 강도는 일반적으로 TNT 상당질량을 통해 계산할 수 있으며, $CO_2$ 임시 저장소는 대량의 $CO_2$를 보관하기 위한 시설로 용기의 용량을 100,000L(100톤)로 가정하여 계산하였다. 계산을 통하여 약 100bar로 압축되어 저장된 100톤의 임시저장소 1개가 폭발할 때의 폭발위력을 산출하면, 대략 2346 lb 이며, 이를 환산하면 약 1064 kg의 TNT가 폭발하는 위력과 동일한 것으로 계산된다. 폭발중심으로부터의 거리에 따른 과압은 환산법칙(scaling law)을 통해 계산하였다. 또한, 폭발과압으로 인한 인체 상해에 대해 폐출혈(Lung Haemorrhage)로 인한 사망과 고막파열 등의 상해를 고려하여 Probit 모델을 통하여 추정하였다.
CCS(Carbon Dioxide Capture and Storage)은 온실가스의 주원인 중 하나인 $CO_2$를 감축하기 위한 대안으로 발전, 시멘트 및 철강 산업 등에서 발생하는 대량의 $CO_2$를 포집, 압축 액화하여 저장소에 격리하는 일련의 전 과정을 말한다. 이때, 포집된 $CO_2$는 수송 과정 전 후에 임시저장소에 저장 하게 된다. $CO_2$는 일반적으로 비 가연성, 무독성 가스로 저장소에서 화학적 폭발을 일으킬 가능성이 희박한 가스지만, 임시로 저장되어 보관될 동안 100bar이상의 압력으로 보관되고 있으며, 포집된 가스에 포함된 불순물과 산화물 등에 의해 용기의 부식으로 인한 물리적 폭발이 일어날 가능성이 있다. 폭발 강도는 일반적으로 TNT 상당질량을 통해 계산할 수 있으며, $CO_2$ 임시 저장소는 대량의 $CO_2$를 보관하기 위한 시설로 용기의 용량을 100,000L(100톤)로 가정하여 계산하였다. 계산을 통하여 약 100bar로 압축되어 저장된 100톤의 임시저장소 1개가 폭발할 때의 폭발위력을 산출하면, 대략 2346 lb 이며, 이를 환산하면 약 1064 kg의 TNT가 폭발하는 위력과 동일한 것으로 계산된다. 폭발중심으로부터의 거리에 따른 과압은 환산법칙(scaling law)을 통해 계산하였다. 또한, 폭발과압으로 인한 인체 상해에 대해 폐출혈(Lung Haemorrhage)로 인한 사망과 고막파열 등의 상해를 고려하여 Probit 모델을 통하여 추정하였다.
$CO_2$ is non-flammable, non-toxic gas and not cause of chemical explosion. However, various impurities and some oxides can be included in the captured $CO_2$ inevitably. While the $CO_2$ gas was temporarily stored, the pressure in a storage tank would be reached abo...
$CO_2$ is non-flammable, non-toxic gas and not cause of chemical explosion. However, various impurities and some oxides can be included in the captured $CO_2$ inevitably. While the $CO_2$ gas was temporarily stored, the pressure in a storage tank would be reached above 100bar. Therefore, the tank could occur a physical explosion due to the corrosion of vessel or uncertainty. Evaluating the intensity of explosion can be calculated by the TNT equivalent method generally used. To describe the physical explosion, it is assumed that the capacity of a $CO_2$ temporary container is about 100 tons. In this work, physical explosion damage in a $CO_2$ storage tank is estimated by using the Hopkinson's scaling law and the injury effect of human body caused by the explosion is assessed by the probit model.
$CO_2$ is non-flammable, non-toxic gas and not cause of chemical explosion. However, various impurities and some oxides can be included in the captured $CO_2$ inevitably. While the $CO_2$ gas was temporarily stored, the pressure in a storage tank would be reached above 100bar. Therefore, the tank could occur a physical explosion due to the corrosion of vessel or uncertainty. Evaluating the intensity of explosion can be calculated by the TNT equivalent method generally used. To describe the physical explosion, it is assumed that the capacity of a $CO_2$ temporary container is about 100 tons. In this work, physical explosion damage in a $CO_2$ storage tank is estimated by using the Hopkinson's scaling law and the injury effect of human body caused by the explosion is assessed by the probit model.
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문제 정의
본 논문에서는 대량의 CO2에 대한 위험성을 인식하고, CO2 임시저장 용기 폭발의 시나리오를 구상하여 TNT 당량 분석을 통해 피해 정도 및 인체 상해 수준을 예측하고자 한다.
본 연구에서는 CCS 기술에서 다루어지는 CO2 수송 및 저장을 위한 임시저장소의 안전성을 파악하고자 수행하였다. CO2 임시저장소에서는 고압의 CO2가 저장되어 있으며, 포집된 가스에는 부식성 및 독성을 띄는 불순물이 포함되어 있기에 저장 탱크의 부식 및 과압으로 인한 폭발이 발생할 가능성이 잠재되어 있다.
가설 설정
충전 압력과 저장 압력의 경우 일반적인 CCS 기술의 상용 압력으로 가정하였다. 또한, 임시저장 탱크 내부의 CO2의 상태는 액체 상태이며, 기체 CO2와 공존하는 것으로 가정하였으며, 본 연구에서 가정한 임시 저장소의 제원은 Table 2와 같다.
저장 탱크의 제원(시범시설의 제원)을 Table 2와 같이 가정하였다. 아직 CCS 공정을 위한 임시저장 설비는 갖추어지지 않았지만, CO2 임시저장소는 대량의 CO2를 보관하기 위한 시설이기에 용기의 용량을 100,000 L(100톤)로 가정하였다. 충전 압력과 저장 압력의 경우 일반적인 CCS 기술의 상용 압력으로 가정하였다.
이와 같은 제원을 통하여 TNT 상당질량을 구하기 위해 사용된 변수는 Table 3과 같다. 여기서, 압축된 가스의 최종압력 P2는 모든 CO2가 누출하여 대기압과 같아진다고 가정하였으며, 온도는 상온 15℃로 선정하였다. R은 기체 상수로서, 일반적인 값인 약 1.
위 Equation 1을 통해 계산을 하기 위해 평가 대상인 CO2 저장 탱크의 제원(시범시설의 제원)을 Table 2와 같이 가정하였다. 아직 CCS 공정을 위한 임시저장 설비는 갖추어지지 않았지만, CO2 임시저장소는 대량의 CO2를 보관하기 위한 시설이기에 용기의 용량을 100,000 L(100톤)로 가정하였다.
CO2는 화학적 폭발이 발생하지 않는 비 가연성 가스이지만, 고압 · 고온에서의 초임계상태를 취급하게 됨으로써, 탱크의 물리적 폭발을 고려할 필요가 있다. 이러한 CO2 임시 저장 탱크에서의 물리적 폭발이 발생할 경우를 가정하여, 피해 영향 평가를 실시하였다.
아직 CCS 공정을 위한 임시저장 설비는 갖추어지지 않았지만, CO2 임시저장소는 대량의 CO2를 보관하기 위한 시설이기에 용기의 용량을 100,000 L(100톤)로 가정하였다. 충전 압력과 저장 압력의 경우 일반적인 CCS 기술의 상용 압력으로 가정하였다. 또한, 임시저장 탱크 내부의 CO2의 상태는 액체 상태이며, 기체 CO2와 공존하는 것으로 가정하였으며, 본 연구에서 가정한 임시 저장소의 제원은 Table 2와 같다.
제안 방법
평가는 물리적 폭발 강도를 TNT 상당량으로 계산하여, 이에 따른 폭발폭풍 피해와 Probit 함수를 이용한 인체 상해에 대한 평가를 수행하였다.
이론/모형
이와 관련한 자료는 Eisenberg (1975) 등에 의해 연구되었다. Eisenberg는 핵폭발자료에 근거하여 직접적인 폭풍영향으로 인한 사람의 상해 정도에 대해 Probit 모델을 사용하여 다음과 같이 제시하였다.[6][7]
또한, 인체 상해에 대해서는 Eisenberg(1975) 등에 의해 연구를 참고하여 폐출혈(Lung Haemorrhage)로 인한 사망과 고막파열(Eardrum Rupture) 등의 상해에 대하여 Probit 모델을 적용하였다.
즉, 과압은 TNT의 상당 질량과 폭발중심으로부터의 거리를 이용하여 추산할 수 있다. 일반적으로 알려진 환산거리 Z의 함수는 실험적으로 유도된 환산 법칙(scaling law)을 사용하며, 다음 Equation 2와 같다[5,6].
성능/효과
수송 및 저장을 위한 임시저장소의 안전성을 파악하고자 수행하였다. CO2 임시저장소에서는 고압의 CO2가 저장되어 있으며, 포집된 가스에는 부식성 및 독성을 띄는 불순물이 포함되어 있기에 저장 탱크의 부식 및 과압으로 인한 폭발이 발생할 가능성이 잠재되어 있다. CO2는 화학적 폭발이 발생하지 않는 비 가연성 가스이지만, 고압 · 고온에서의 초임계상태를 취급하게 됨으로써, 탱크의 물리적 폭발을 고려할 필요가 있다.
CO2 임시저장소에서는 고압의 CO2가 저장되어 있으며, 포집된 가스에는 부식성 및 독성을 띄는 불순물이 포함되어 있기에 저장 탱크의 부식 및 과압으로 인한 폭발이 발생할 가능성이 잠재되어 있다. CO2는 화학적 폭발이 발생하지 않는 비 가연성 가스이지만, 고압 · 고온에서의 초임계상태를 취급하게 됨으로써, 탱크의 물리적 폭발을 고려할 필요가 있다. 이러한 CO2 임시 저장 탱크에서의 물리적 폭발이 발생할 경우를 가정하여, 피해 영향 평가를 실시하였다.
를 취급해야 할 것으로 판단된다. 이러한 이유를 토대로 임시 저장 탱크의 용량을 100톤으로 가정하여 폭발강도를 계산한 결과 약 1064 kg의 TNT가 폭발하는 위력과 동일한 강도로 산출되었다. 이 결과를 토대로 환산거리 Z 값을 활용하여 폭발지점으로부터의 거리에 따른 과압을 구하였다.
후속연구
차후, 본 연구의 결과를 토대로 시뮬레이션 및 실험적 평가가 필요할 것으로 사료되며, 본 연구의 결과가 CCS기술의 실증화 연구에 기초자료로 활용되기를 바라며, 보다 안전한 기술 진보가 이루어져야 할 것이다.
현재, CCS 기술을 개발 중에 있으며, 아직 임시 저장 탱크 및 수송 라인에 대해서는 운용 사례가 없으며, 임시 저장 설비는 갖추어지지 않았지만, CCS 공정 특성상 포집된 대량의 CO2를 취급해야 할 것으로 판단된다. 이러한 이유를 토대로 임시 저장 탱크의 용량을 100톤으로 가정하여 폭발강도를 계산한 결과 약 1064 kg의 TNT가 폭발하는 위력과 동일한 강도로 산출되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CCS 기술은 무엇인가?
CCS 기술이란, Carbon Dioxide Capture and Storage 약어로서, 온실가스의 주원인 중 하나인 CO2를 감축하기 위한 직접적인 해결방법이다. CCS 기술은 CO2 대량 배출원이 되는 발전, 시멘트 및 철강 산업 등에서 발생하는 대량의 CO2를 포집한 후 압축·액화하여 배관 및 차량 또는 선박으로 수송하여 육상 또는 해상에 검증된 저장소에 저장하는 일련의 전 과정을 말한다[1].
CCS 기술의 3가지 기술은?
CCS 기술은 크게 포집, 수송, 저장 기술로 나눌 수 있다. CCS 전체 비용의 70～80%를 차지하는 핵심 기술인 포집은 배출원으로부터 대량의 CO2를 모아 압축하는 기술이며, 수송 기술은 포집된 CO2를 저장소까지 안전하게 운송하는 기술을 의미한다.
CCS 기술을 이용하여 CO2를 처리할 때 가장 적합한 운송기술은?
CCS 기술을 이용하여 CO2를 처리하는 과정 중에서 포집된 CO2는 파이프라인 또는 철도, 차량 등을 이용하여 저장소로 수송되어지게 된다. 이 중 대량의 CO2를 운송하기에 가장 적합할 것으로 판단되어지고 있는 것이 파이프라인 수송기술이며, 지상 및 해상에서 가장 유효할 것으로 전망되고 있다. 저장소는 해안에 가까운 지중 또는 해양의 지하 암벽 층을 사용할 전망이며, 이는 포집장소로부터 상당히 먼 거리에 위치한다.
참고문헌 (9)
International Energy Agency, "Energy Technology Perspectives", OECD, (2007).
R&D Center for Reduction of Non- $CO_2$ Greenhouse gases, "Development of TRM of carbon dioxide reduction and sequestration", Non- $CO_2$ Report, (2005)
Sang Do Park, "Carbon dioxide Capture and Storage Technology", Physics & High Technology, (2009).
In Sun Hwang, "Model Development of Risk Assessment for CNG Tube Trailers", Seoul National University of Science and Technology, (2007).
Su Kyung Lee, Young Bum Bae, Jeong Gyu Oh, "Consequence Analysis of Gas Explosion in LPG Vessel Retail Store Which is Located areound Apartment Complex", Journal of the Korean Institute of Gas, Vol. 10, No 3, (2006).
Sa Hwan Leem, Jong Rark Lee, Yong Jeong Huh, "A Study on Estimation of Human Damage for Overpressure by Vapor Cloud Explosion in Enclosure Using Probit Model", Journal of the Korean Institute of Gas, Vol. 12, No 1., (2008)
Sa Hwan Leem, Yong Jeong Huh, "A Study on the Estimation of Human Damage Caused by Vapor Cloud Explosion(VCE) in LPG Filling Station", Journal of the Korean Institute of Gas, Vol. 14, No 2., (2010)
Sang Hwa Jin, Tea Woo Kim, In Tae Kim, In Won Kim, Yeong Koo Yeo, "A Study on Reliability Analysis and Quantitative Risk Analysis for Liquefied Petroleum Gas Station", Journal of the Korean Institute of Gas, Vol. 5, No 4., (2004)
"Chemical Process Quantitative Risk Analysis-Second Edition", Center for chemical process safety of the American Institute of Chemical Engineers, New York 10016-5991.
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