질소가 포함된 이산화탄소 BOG 재액화 시스템의 최적화 및 경제성 평가 = Optimization of carbon dioxide with nitrogen BOG re-liquefaction system and economic evaluation

국문 초록 (Abstract)

이산화탄소 (carbon dioxide, CO2) 배출 저감 전략의 일환으로 탄소 포집 및 저장 (Carbon Capture and Storage, CCS)에 대한 수요가 증가하고 있다. 이에 따라 포집 된 이산화탄소를 저장 장소까지 운송하기 위한 이산화탄소운반선의 필요성이 커지고 있으며, 운송 중 발생하는 증발가스 BOG (Boil-Off Gas)를 처리하기 위한 재액화 시스템이 요구된다. 본 연구에서는 질소 불순물이 포함된 이산화탄소 BOG를 처리하기 위해 혼합 냉매와 2단 기액 분리 공정을 적용한 신규 재액화 공정을 제안하였다. 제안된 공정은 저장 압력 조건인 6.5 bar 및 15 bar에서 기존 공정과 비교하여 연간 이산화탄소 배출량을 기준으로 평가되었다. 제안된 공정은 연간 이산화탄소 배출량을 기존 공정 대비 저장 압력 6.5 bar에서는 28.2–38.4%, 15 bar에서는 63.8–78.2% 수준으로 감소시킬 수 있다. 또한, 저장 압력에 따른 연간 이산화탄소 배출량과 연간 수송량을 함께 고려하여 경제성 분석을 수행한 결과, 저장 압력이 6.5 bar인 경우가 15 bar 조건에 비해 상대적으로 더 우수한 경제성을 보이는 것으로 나타났다. 이는 낮은 저장 압력에서 액화 이산화탄소의 밀도가 더 높아 동일한 탱크 용적 내에 더 많은 이산화탄소를 저장하고 운송할 수 있으며, 이에 따라 단위 톤당 운송 비용이 절감되는 효과가 발생했기 때문이다. 뿐만 아니라, 낮은 압력 조건에서는 탱크의 설계 압력이 낮아지므로 탱크 비용도 함께 감소하는 이점이 있기 때문이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As a strategy to reduce CO2 emissions, the demand for carbon capture and storage is growing. This increases the need for CO2 carriers to transport captured CO2 to storage sites. The CO2 carriers require re-liquefaction systems to handle boil-off gas during transport, ensuring safety and minimizing greenhouse gas emissions. This study proposes a new re-liquefaction process using mixed refrigerants and a two-stage vapor-liquid separation to handle CO2 boil-off gas with N2 impurity. The proposed process reduces annual CO2 emissions to 28.2 – 38.4 % of conventional processes at 6.5 bar and to 63.8 – 78.2 % at 15 bar. In addition, an economic analysis was conducted by considering both the annual CO2 emissions and the annual transported CO2 amount under different storage pressure conditions. The results revealed that the case with a storage pressure of 6.5 bar demonstrated superior economic performance compared to the 15 bar condition. This is primarily attributed to the higher density of LCO2 at lower pressures, which allows a greater amount of CO2 to be stored and transported within the same tank volume, thereby reducing the transportation cost per ton of CO2. Furthermore, the lower design pressure requirements at 6.5 bar led to reduced fabrication and maintenance costs for the storage tanks. This study provides valuable insights into the design of CO2 re-liquefaction systems that balance both environmental performance and economic feasibility.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 제 1 절 연구의 배경 1
• 제 2 장 배경 이론 8
• 제 1 절 이산화탄소 BOG 특성 8
• 제 2 절 이산화탄소 액화 및 재액화 공정 9
• 제 3 절 이산화탄소 재액화 공정 효율 지수 11
• 제 4 절 군집 최적화 알고리즘 12
• 제 3 장 공정 모사 및 최적화 14
• 제 1 절 이산화탄소 저장 조건 14
• 제 2 절 이산화탄소 BOG 조성 17
• 제 3 절 이산화탄소 BOG 재액화 공정 20
• 제 4 절 공정 최적화 24
• 제 5 절 경제성 평가 방법 29
• 제 4 장 결과 및 분석 34
• 제 1 절 재액화공정 이산화탄소 배출량 34
• 제 2 절 재액화공정의 경제성 평가 45
• 제 5 장 결론 49
• 참고문헌 51
• Abstract 55