[논문]LNG 냉열을 활용한 이산화탄소 액화공정에서 절감되는 전력량의 산출

이지환; 조정호

doi:10.7316/khnes.2020.31.2.259

LNG 냉열을 활용한 이산화탄소 액화공정에서 절감되는 전력량의 산출
Estimation of the Amount of Electric Power Saved in the Carbon Dioxide Liquefaction Process using LNG Cold Heat 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.2, 2020년, pp.259 - 264

이지환 (경인여자대학교 보건환경과) , 조정호 (공주대학교 공과대학 화학공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, comparison study has been performed between two-stage compression and a vapor-recompression refrigeration cycle and a liquefaction using LNG cold heat. When using a first method using two-stage compression and a refrigeration cycle, at least three compressors are required, however when using LNG cold heat, no compressor is required since carbon dioxide can be pumped after condensing with the heat exchange with -160℃ of LNG. Through this study, we can save more than one hundred million KRW annually by using LNG cold heat instead of using gas compression and refrigeration cycle.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Schematic diagram for a carbon dioxide capture proc-ess using a solvent
표 Table 1. Green house gases and global warming potential
표 Table 2. Carbon dioxide feed condition
그림 Fig. 2. PRO/II flow sheet drawing for two-stage compression with an inter-cooler and an after-cooler
그림 Fig. 3. PRO/II flow sheet drawing for two-stage compression with an inter-cooler and an after-cooler
그림 Fig. 4. PRO/II flow sheet drawing for vapor recompression re-frigeration cycle using ammonia as a refrigerant
그림 Fig. 5. PRO/II flow sheet drawing for carbon dioxide lique-faction process using LNG
표 Table 3. Simulation summary for CO₂ compression process
표 Table 4. Simulation summary for CO₂ liquefaction process us-ing a vapor recompression cycle
표 Table 5. Simulation summary for CO₂ liquefaction and pump-ing process
그림 Fig. 6. PRO/II flow sheet drawing to determine LNG mass flow rate which can liquefy carbon dioxide
표 Table 6. Typical LNG composition supplied by KOGAS
표 Table 7. Simulation summary to determine LNG mass flow rate
표 Table 8. Comparison between two kinds of CO₂ liquefaction process

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이산화탄소 압축 및 응축공정에 사용되는 전기에너지를 추산하였으며, 이를 LNG 냉열을 활용하여 이산화탄소를 액화할 경우에 절감되는 전력량을 산출하였다.

가설 설정

9 kW이다. 1 kW 당 산업용 전기료를 100원이라고 가정하고, 연간 8,000시간을 조업한다고 가정하면 연간 총 전기료는 식 (3)과 같이 쓸 수 있다.
Table 3에는 이산화탄소 압축공정에 대한 PRO/II 를 활용한 전산모사 결과를 요약하여 나타내었다. 이산화탄소 압축공정에서 각각의 압축기에 대한 효율은 70%를 가정하였으며, 압축기 중간과 후단의 냉각기에서의 냉각수의 공급온도는 32℃를 회수온도는 40℃를 가정하였다.

제안 방법

본 연구에서는 연소배가스 중에서 포함되어 있는 온실가스인 이산화탄소를 습식 용매를 이용하여 흡수탑과 탈거탑 배열에서 포집한 후에 수분 제거공정을 거쳐서 순수한 이산화탄소를 액화시켜서 저장하기 위해서 첫째, 이단압축공정을 거친 후에 암모니아 냉매를 활용한 액화공정을 사용한 것과 LNG의 냉열을 사용하여 액화시켜서 저장하는 경우를 전산모사를 통해서 비교하였다. Table 8에 의하면 두 공정에 대한 전산모사 결과를 요약하여 비교하였다.

대상 데이터

Table 6에는 본 연구에서 사용한 LNG의 조성을 나타내었다. 본 연구에서는 한국가스공사에서 수입하고 있는 typical LNG의 조성과 순수한 메탄을 기준으로 전산모사를 수행하였다.

성능/효과

둘째, 하루에 200톤의 이산화탄소를 액화시키는 데 필요한 전력비는 기존 공정의 경우에는 연간 약 10.3억 원이 소모되는데 비해서 LNG를 사용할 경우에는 전기료는 연간 36만원가량으로 매우 미미한 것을 알 수 있다.
셋째, 이산화탄소 액화공정에서 사용되는 LNG 1 ton/h에 포함되어 있는 냉열 가격은 기존 공정에서 연간 사용된 전력비용이 약 10.3억이며, 연간 8,000시간을 가정하고, 필요한 LNG의 질량유량이 14,621 kg/h 이므로 약 8,806원가량이 되는 것을 알 수 있었다.
첫째, 이산화탄소를 액화시켜서 저장하기 위해서 기존 공정에서 사용되는 동력은 총 1,286.6 kW인데 비해서 LNG 냉열을 활용할 경우에는 0.4526 kW로 매우 적게 소요되는 것을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	이산화탄소는 어디서 발생하는가?	화석연료의 연소과정에서 배출되는 이산화탄소는 지구온난화의 원인이 되는 온실가스로 알려져 있다1-5). 이산화탄소의 발생은 주로 에너지 다소비 공정으로 알려진 정유 및 석유화학공정에서 다량으로 발생한다. 또한 석탄 및 천연가스를 원료로 하는 발전공정에서 다량으로 발생한다고 할 수 있다. Table 1에는 온실가스의 종류와 온난화지수를 나타내었다.
	지구온난화의 원인이 되는 온실가스는 무엇인가?	화석연료의 연소과정에서 배출되는 이산화탄소는 지구온난화의 원인이 되는 온실가스로 알려져 있다1-5). 이산화탄소의 발생은 주로 에너지 다소비 공정으로 알려진 정유 및 석유화학공정에서 다량으로 발생한다.
	연소배가스에 포함되어있는 이산화탄소를 액화시켜 저장하기 위한 방법 두가지를 비교한 결과는 무엇인가?	첫째, 이산화탄소를 액화시켜서 저장하기 위해서 기존 공정에서 사용되는 동력은 총 1,286.6 kW인데 비해서 LNG 냉열을 활용할 경우에는 0.4526 kW로 매우 적게 소요되는 것을 알 수 있었다. 둘째, 하루에 200톤의 이산화탄소를 액화시키는 데 필요한 전력비는 기존 공정의 경우에는 연간 약 10.3억 원이 소모되는데 비해서 LNG를 사용할 경우에는 전기료는 연간 36만원가량으로 매우 미미한 것을 알 수 있다. 셋째, 이산화탄소 액화공정에서 사용되는 LNG 1 ton/h에 포함되어 있는 냉열 가격은 기존 공정에서 연간 사용된 전력비용이 약 10.3억이며, 연간 8,000시간을 가정하고, 필요한 LNG의 질량유량이 14,621 kg/h 이므로 약 8,806원가량이 되는 것을 알 수 있었다.

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상세보기
D. J. Morgan and J. M. Kramer, "Engineering data book", Gas Processors Suppliers Association, 2004, Section 14, pp. 1-28. Retrieved from https://www.academia.edu/11912717/GPSA_Engineering_Data_Book_Gas_Processing_12th_ed_2004.

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