KR100931369B1 - 교대식 가스순환방법에 의한 하이드레이트 제조장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에너지 분야에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 천연가스로 수송과 취급이 용이한 하이드레이트를 제조하는 장치에 관한 것이다.

본 발명은 하나의 반응기에 2세트의 메탄가스 공급시스템을 구비하여 두 세트의 메탄가스 공급시스템이 하나의 반응기에 교대로 메탄가스를 공급하면서 연속적으로 하이드레이트를 제조하는 교대식 가스순환방법에 의한 하이드레이트 제조장치로서, 2개의 저압가스용기, 하이드레이트가 생성되는 반응기에 메탄가스를 공급하는 2개의 고압가스용기, 가스의 유로를 바꾸어 주는 4개의 3로밸브, 저압가스용기에서 고압가스 용기로 메탄가스를 가압하여 충진하는 하나의 부스터펌프, 그리고 하이드레이트가 생성되는 하나의 반응기로 구성된다.

본 발명인 하이드레이트 제조장치는 하나의 반응기에 두 세트의 가스공급장치가 교대로 반응에 필요한 메탄가스를 공급하므로, 엄격한 작동환경을 요하는 고가의 반응기와 부스터펌프는 공유하면서, 하이드레이트는 연속적으로 대량으로 생산할 수 있게 한다. 또한 구조강도상의 문제로 대형화하기 어려운 가스공급시스템은 2세트로 분산하여, 가스공급시스템은 경량화할 수 있다.

하이드레이트, 천연가스, 메탄, 교대, 연속

Description

교대식 가스순환방법에 의한 하이드레이트 제조장치{ Hydrate Production Plant by Shift Gas Circulation}

본 발명은 에너지 분야에 관한 것으로서, 좀 더 자세하게는 천연가스로 수송과 취급이 용이한 하이드레이트를 제조하는 장치에 관한 것이다.

천연가스는 기체상태로 지하에서 채굴되어 연료로 사용되는 가스로서, 보관과 운반을 위하여 저온에서 고압으로 압축하여 액화시켜 사용한다. 이를 액화천연가스(LNG, Liquefied Natural Gas)라고 하는데, 메탄(Methane, CH4)이 부피 백분율이 약 90% 이상을 차지하고, 그 외 에탄과 프로판이 소량 혼입되어 있다.

천연가스의 주성분인 메탄은 1기압 하에서 －161.5℃ 이하로 온도를 내리면 액체가 되는데, 액화된 메탄의 부피는 표준상태인 기체상태의 메탄 부피의 1/600 정도이고 비중은 0.42로 원유비중의 약 1/2이 된다. 이 때문에 통상적으로 천연가스는 액화하여 수송과 저장을 하고 있다.

상기한 바와 같이 메탄이 주성분인 천연가스는 표준대기상태에서 기체상태로 존재하지만, 물과 함께 온도를 영하로 내리고 압력을 수십 기압까지 높이면 물은 얼게 되고 기체는 물 분자가 만든 격자형의 공간에 갇히게 된다. 이것을 가스 하이드레이트(Gas Hydrate : 기체수화물)라고 하는데, 얼음 속에 갇힌 가스가 메탄일 경우 메탄 하이드레이트, 또는 그냥 하이드레이트라고 부른다.

보통 천연가스는 지하의 높은 온도 때문에 기체 상태로 존재하지만, 알래스카나 시베리아와 같은 동토지역의 깊은 땅속이나 수심 300 내지 1,000미터의 바다 밑에서와 같이 30기압 이상의 높은 압력과 함께 온도가 0도 가까이 내려가면 천연가스가 물과 같이 결합하여 고체 상태로 변하게 된다. 이것의 겉모습은 드라이아이스(Dry Ice, CO2)와 비슷하다. 기체 입자는 분자 운동에너지가 크므로 매우 큰 부피를 차지하지만, 이것이 고체로 변하면 부피가 1/165 내지 1/215 정도로 압축되므로 얼음 속에는 상당히 많은 량의 천연가스가 함유될 수 있다.

메탄 하이드레이트는 오늘날 새로운 에너지 자원으로 주목받고 있는데, 매장량이 많고, 연소 시 공해물질의 배출이 적은 청정에너지원이고, 메탄을 주성분으로 하는 천연가스는 태워도 온실효과를 일으키는 이산화탄소의 발생량이 석탄, 석유에 절반에도 못 미친다.

상기와 같이 메탄 하이드레이트는 새로운 대체 에너지로 각광받고 있지만, 당장 사용하기에는 몇 가지 문제점이 있다. 메탄이 연소되면 물과 이산화탄소밖에 생기지 않고 또한 이산화탄소의 발생비율도 다른 화석연료에 비해 매우 낮지만, 시추과정에서 메탄이 연소되지 않고 공중에 그대로 방출되면 이산화탄소보다 10배나 더 심각한 온실효과를 일으킬 수 있다. 따라서 최근에는 시추과정에서 어떻게 메탄의 방출을 막을 것인가라는 기술적 문제에 대하여 많은 연구가 이루어지고 있다.

상기와 같이, 지금까지는 천연가스는 대부분 액화하여 수송과 저장을 하고 있고, 이때 그 온도를 영하 160℃ 이하까지 낮추어야 하는데, 여기에 막대한 에너지가 소요되고 이를 위한 대규모 냉각설비가 필요하다. 그리고 액화천연가스는 기체에 비하여 취급이 용이하기는 하나, 고체만큼 취급이 자유롭지는 않다.

그리고 하이드레이트와 관련한 연구는 대부분 천연 하이드레이트를 채굴하는데 초점이 맞추어져 있을 뿐, 천연가스를 하이드레이트로 제조하여 수송과 취급을 용이하게 하는 연구는 그다지 많이 행해지지 않고 있다.

상기한 방법들은 모두 메탄가스를 물과 반응시키는 반응기에 관한 발명들로서, 반응기의 내부 온도를 -30℃ 이하, 반응기 내부의 압력을 30bar 이상으로 저온, 고압의 환경에서 운용된다. 특히 고압을 취급하는 설비의 경우, 이들 설비를 구성하는 배관, 저장용기 등에 발생하는 응력은 용기의 크기인 지름과 작용압력에 비례하여 발생하므로, 이들 구성품들을 아주 두껍고 튼튼하게 설계하여야 한다. 특히 하이드레이트 제조설비의 경우 취급 가스가 가연성 가스로서, 파손이 될 경우 대형 참사로 이어질 수 있으므로 아주 높은 구조강도를 요한다.

최근에 등록된 국내 등록특허 제10-0720270호에는 반응기 내부에 고압의 메탄 가스와 빙수를 분사하여 하이드레이트를 생산하는 방법이 기재되어 있고, 국내공개특허 제2003-0004434호에는 얼음과 하이드레이트가 혼재된 슬러리 형태의 하이드레이트에서 탈수를 하여 순수한 하이드레이트를 제조하는 방법이 기재되어 있다.

상기한 발명들을 효과적으로 활용할 수 있는 메탄가스 공급시스템에 대해서는 연구된 바가 없다.

상기와 같이 천연가스를 채굴하여 액화하는 대신, 하이드레이트로 고형화하면, 운반과 보관이 한층 더 편리해진다. 그러나 하이드레이트를 제조하기 위해서는, 고압의 가스를 취급하는 설비 중 저장용기, 배관 등의 구성품들은 이러한 고압에 견딜 수 있는 구조강도를 가져야 한다.

하이드레이트 제조설비에 있어서 이와 같은 구조강도 측면의 문제점은 설비를 대형화할수록 더 심각한 문제가 되므로, 하이드레이트를 대량으로 생산하는 설비의 경우 소용량의 생산설비를 다수 운용하는 것이 경제적이다. 그러나 하이드레이트 제조설비 중에서 하이드레이트가 생성되는 반응기가 특히 엄격한 저온 고압의 조건을 요구하므로, 소용량 설비를 단순히 다수 운용하는 것 또한 반응기를 각각 구비해야 하는 문제점이 있다.

따라서 대규모 하이드레이트 제조설비의 경우, 고압의 메탄가스가 배관, 저장용기 등은 다수의 소용량으로 분산을 하여 구조를 경량화하되, 엄격한 환경에서 운용되는 고가의 반응기는 공유하는 방법을 강구하여야 한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 하이드레이트 제조방법에 있어서 하나의 반응기에 2세트의 메탄가스 공급시스템을 구비하여 두 세트의 메탄가스 공급시스템이 하나의 반응기에 교대로 메탄가스를 공급하면서 연속적으로 하 이드레이트를 제조하는 방법을 취하였다.

즉, 한 세트의 고압가스용기에서 저압가스용기로 메탄가스가 흐르면서 일부가 반응조로 유입되어 하이드레이트가 생성될 동안 나머지 세트의 저압가스용기에서 고압가스용기로 하이드레이트 제조에 필요한 가스가 충진되고, 처음 반응기에 메탄가스를 공급하던 고압가스용기의 메탄가스가 소진되면 고압가스가 충진되어 있는 다른 고압가스용기의 메탄가스가 저압가스용기로 흐르면서 반응기에 메탄가스를 공급하고 그동안 메탄가스가 소진된 최초 고압가스용기에 메탄가스를 충진하는 방법으로, 두 세트의 가스 공급장치가 교대로 반응기에 가스를 공급하면서 연속적으로 하이드레이트를 생산한다.

상기와 같은 교대식 가스순환방법에 의한 하이드레이트 제조방법에 사용되는 하이드레이트 제조장치는 가스저장탱크로부터 메탄가스를 공급받는 2개의 저압가스용기, 하이드레이트가 생성되는 반응기에 메탄가스를 공급하는 2개의 고압가스용기, 가스의 유로를 바꾸어 주는 4개의 3로밸브, 저압가스용기에서 고압가스 용기로 메탄가스를 가압하여 충진하는 하나의 부스터펌프, 그리고 하이드레이트가 생성되는 하나의 반응기로 구성된다.

본 발명인 하이드레이트 제조장치는 하나의 반응기에 두 세트의 가스공급장치가 교대로 반응에 필요한 메탄가스를 공급하므로, 엄격한 작동환경을 요하는 고가의 반응기와 부스터펌프는 공유하면서, 하이드레이트는 연속적으로 대량으로 생 산할 수 있게 한다.

반면 구조강도상의 문제로 대형화하기 어려운 가스공급시스템은 2세트로 분산하여, 가스공급시스템은 경량화할 수 있다.

상기와 같은 방법으로 하이드레이트를 생산하는 설비를 경량화할 수 있고, 따라서 설비비용은 절감할 수 있다. 그리고 이와 같은 경량 설비의 경우 설비 비용이 저렴하고, 사고의 염려가 적으며 안전성은 향상되는 효과가 있다.

본 발명인 하이드레이트 제조설비는 도 1에 도시한 바와 같이, 두 개의 저압가스용기(LT1, LT2), 두 개의 고압가스용기(HT1, HT2), 두 개의 3로밸브(V1, V2), 이 두 개의 3로밸브(V1, V2) 사이를 순환하는 저압순환파이프(LCP), 두 개의 3로밸브(V3, V4), 이 두 개의 3로밸브(V3, V4) 사이를 순환하는 고압순환파이프(HCP), 저압순환파이프(LCP)와 두 개의 저압가스용기(LT1, LT2)를 각각 연결하는 두 개의 저압파이프(LP1, LP2), 고압순환파이프(HCP)와 두 개의 고압가스용기(HT1, HT2)를 각각 연결하는 두 개의 고압파이프(HP1, HP2), 반응기(Reactor), 고압순환파이프(HCP)와 저압순환파이프(LCP) 사이를 연결하고 반응기(Reactor)가 연결되는 반응기파이프(RP), 부스터펌프(BV), 그리고 고압순환파이프(HCP)와 저압순환파이프(LCP) 사이를 연결하고 부스터펌프(BV)가 연결되는 부스터파이프(BP)로 구성된다.

상기 구성품 중에서 가스용기와 파이프는 통상의 고압가스를 취급하는 곳에 사용되는 것과 동일한데, 내식성이 있어 내구성이 충분한 재료를 사용하고, 내부의 가스 압력을 견딜 수 있는 구조강도를 구비하도록 설계된다.

3로밸브(V1, V2, V3, V4)는 포트가 3개인 밸브(유입포트는 하나이고 유출포트는 둘 등)로서, 유로를 폐쇄하거나 유출되는 유로를 둘 중에 하나로 선택할 수 있는 밸브이다. 이와 같은 3로밸브는 수동식, 공압작동식, 유압작동식, 전기작동식 등 다양한 형태가 상품으로 판매되고 있는데, 본 발명의 경우 전기 스파크에 의하여 쉽게 점화되는 가연성 메탄가스를 원격으로 취급하는데 사용되므로 공압작동식 또는 유압작동식이 적당하다.

반응기(Reactor)는 저온 고압의 용기에서 메탄가스를 물 또는 얼음과 반응시켜 하이드레이트를 생성하는 장치로서, 배경기술에 기재한 바와 같은 반응기 이외에도 다양한 형식의 반응기가 개발되어 있고, 최근에는 저온 고압에서 얼음분말에 메탄가스를 직접 혼입하는 방식의 반응기가 개발되고 있다.

부스터펌프(BV)는 저압의 유체를 고압으로 가압하여 배출하는 펌프와 고압부에서 저압부로 유체가 역류하는 것을 방지하기 위하여 유로를 폐쇄하는 밸브를 겸한 장치로서 상용화되어 판매되고 있다. 이 부스터펌프는 전기스파크에 의하여 발화하여 폭발하기 쉬운 천연가스를 가압하는 것이므로, 고압의 공기압력으로 구동되는 공압펌프를 사용하는 것이 안전하다.

상기와 같이 구성된 하이드레이트 제조설비의 작동은 다음과 같이 제1가스공급시스템 사용단계와 제2가스공급시스템 사용단계가 교대로 작동하여 연속적으로 하이드레이트를 생성한다.

제1가스공급시스템 사용단계는 저압가스용기는 모두 가스저장탱크로부터 가스를 공급받아 소정의 압력으로 충진되어 있고, 하나의 고압가스용기(HT1)는 작동압력으로 가스가 충진되어 있고, 다른 고압가스용기(HT2)는 가스가 소진되어 있는 상태에서 가동을 시작한다.

상기 상태에서, 도 2에 도시한 바와 같이, 고압가스용기(HT1)의 고압가스가 고압파이프(HP1), 고압순환파이프(HCP)의 상단 3로밸브(V3), 반응기파이프(RP), 저압순환파이프(LCP)의 상단 3로밸브(V1), 그리고 저압파이프(LP1)를 경유하여 저압가스용기(LT1)로 흐른다. 이때 반응기파이프(RP)를 흐르는 고압의 가스 일부가 반응기로 유입되어 하이드레이트가 생성된다.

이와 동시에 부스터펌프(BV)가 가동하면, 저압가스용기(LT2)의 저압가스가 저압파이프(LP2), 저압순환파이프(LCP)의 하단 3로밸브(V2), 부스터파이프(BP)와 부스터펌프(BV), 고압순환파이프(HCP)의 하단 3로밸브(V4), 그리고 고압파이프(HP2)를 경유하여 고압가스용기(HT2)로 흐른다. 이때 고압가스용기(HT2)에 가스가 작동압력으로 충진되면 부스터펌프(BV)가 작동을 멈춘다. 저압가스용기(LT2)는 이 과정에서 소모된 가스량만큼 외부의 가스저장탱크로부터 보충받는다.

상기 작동에서 부스터펌프(BV)가 멈추더라도 고압가스용기(HT1)의 가스가 소진되어 가스의 압력이 일정압력 이하로 떨어질 때까지 고압가스용기(HT1)의 가스가 저압가스용기(LT1)로 계속 흐르면서 하이드레이트를 제조한다.

상기 제1가스공급시스템 사용단계에서 고압가스용기(HT1)의 가스가 소진되어 가스의 압력이 하이드레이트를 제조하기에 부족한 압력 이하로 떨어지면 3로밸브들 이 작동하여 새로운 유로를 형성하여, 제2가스공급시스템 사용단계로 변환된다.

제2가스공급시스템 사용단계는 상기 제1가스공급시스템 사용단계에서 소진된 고압가스용기(HT1)에 가스를 충진하고, 고압가스용기(HT2)에 충진된 가스로 하이드레이트를 제조하는 단계이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 고압가스용기(HT2)의 고압가스가 고압파이프(HP2), 고압순환파이프(HCP)의 상단 3로밸브(V3), 반응기파이프(RP), 저압순환파이프(LCP)의 상단 3로밸브(V1), 그리고 저압파이프(LP2)를 경유하여 저압가스용기(LT2)로 흐른다. 이때 반응기파이프(RP)를 흐르는 고압의 가스 일부가 반응기로 유입되어 하이드레이트가 생성된다.

이와 동시에 부스터펌프(BV)가 다시 가동하여 저압가스용기(LT1)의 저압가스가 저압파이프(LP1), 저압순환파이프(LCP)의 하단 3로밸브(V2), 부스터파이프(BP)와 부스터펌프(BV), 고압순환파이프(HCP)의 하단 3로밸브(V4), 그리고 고압파이프(HP1)를 경유하여 고압가스용기(HT1)로 흐른다. 이때 고압가스용기(HT1)에 가스가 작동압력으로 충진되면 부스터펌프(BV)가 작동을 멈춘다. 저압가스용기(LT1)는 이 과정에서 소모된 가스량만큼 외부의 가스저장탱크로부터 가스를 보충받는다.

상기 작동에서 부스터펌프(BV)가 멈추더라도 고압가스용기(HT2)의 가스가 소진되어 가스의 압력이 일정압력 이하로 떨어질 때까지 고압가스용기(HT2)의 가스가 저압가스용기(LT2)로 계속 흐르면서 하이드레이트를 제조한다.

상기 제2가스공급시스템 사용단계에서 고압가스용기(HT2)의 가스가 소진되어 가스의 압력이 하이드레이트를 제조하기에 부족한 압력 이하로 떨어지면 3로밸브들이 작동하여 새로운 유로를 형성하여, 다시 제1가스공급시스템 사용단계로 변환된다.

상기와 같은 작동으로, 본 발명인 하이드레이트 제조장치는 하나의 반응기와 부스터펌프를 공동으로 사용하는 두 세트의 가스공급시스템이 교대로 작동하면서 연속적으로 하이드레이트를 생성한다.

상기 하이드레이트 제조장치는 각 가스용기(LT1, LT2, HT1, HT2)는 압력계를 구비하여 각 가스용기들의 압력 데이터가 제어장치로 송출되고, 제어장치는 이들 압력 데이터를 바탕으로 각 3로밸브(V1, V2, V3, V4)와 부스터펌프를 작동하는 제어신호를 생성하여 이들을 제어하는데, 이러한 제어장치는 제어분야에 초보적인 지식이 있는 기술자가 용이하게 구성할 수 있다.

본 발명은 육상 또는 해저의 가스정에서 채굴한 천연가스를 고체 상태의 하이드레이트로 제조하는 기술로서, 천연가스를 운송하거나 저장하는데 이용된다.

도 1은 하이드레이트 제조장치의 전체 구성도이다.

도 2는 제1가스공급시스템 사용단계의 가스 흐름도이다.

도 3은 제2가스공급시스템 사용단계의 가스 흐름도이다.

※중요 구성품 번호

LT1, LT2 : 저압가스용기, HT1, HT2 : 고압가스용기

V1, V2, V3, V4 : 3로밸브

LP1, LP2 : 저압파이프, HP1, HP2 : 고압파이프

HCP : 고압순환파이프, LCP : 저압순환파이프

Reactor : 반응기, BV : 부스터펌프

RP : 반응기파이프, BP : 부스터파이프

Claims (1)

1. 가스저장탱크로부터 메탄가스를 공급받는, 두 개의 저압가스용기(LT1, LT2);

   하이드레이트 생성에 필요한 고압의 메탄가스를 하기 반응기(Reactor)에 공급하는, 두 개의 고압가스용기(HT1, HT2);

   상기 두 개의 저압가스용기(LT1, LT2)에 각각 연결된 저압파이프(LP1, LP2)와 연결되는 것으로서 두 개의 3로밸브(V1, V2) 사이를 순환하는, 저압순환파이프(LCP);

   상기 두 개의 고압가스용기(HT1, HT2)에 각각 연결된 고압파이프(HP1, HP2)와 연결되는 것으로서 두 개의 3로밸브(V3, V4) 사이를 순환하는, 고압순환파이프(HCP);

   상기 저압순환파이프(LCP)와 고압순환파이프(HCP)에 각각 2개씩 구비되는 4개의 3로밸브(V1, V2, V3, V4);

   상기 고압순환파이프(HCP)와 저압순환파이프(LCP) 사이를 연결하는, 반응기파이프(RP)

   상기 고압순환파이프(HCP)의 중간에 연결되는, 반응기(Reactor);

   상기 고압순환파이프(HCP)와 저압순환파이프(LCP) 사이를 연결하는, 부스터파이프(BP);

   그리고 상기 부스터파이프(BP)의 중간에 연결되는, 부스터펌프(BV);

   를 포함하여 구성되는 것으로서,

   하나의 반응기(Reactor)에 2세트의 메탄가스 공급시스템을 구비하여, 두 세트의 메탄가스 공급시스템이 반응기에 교대로 메탄가스를 공급하면서 연속적으로 하이드레이트를 제조하는 것을 특징으로 하는,

   교대식 가스순환방법에 의한 하이드레이트 제조장치.

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