KR101387748B1 - 메탄 하이드레이트 층의 메탄 채굴 시스템 및 이를 갖는 선박 - Google Patents

메탄 하이드레이트 층의 메탄 채굴 시스템 및 이를 갖는 선박 Download PDF

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Abstract

메탄 하이드레이트 층의 메탄 채굴 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄 하이드레이트 층의 메탄 채굴 시스템은, 고체 상태의 이산화탄소를 공급하는 고체 이산화탄소 공급기, 상기 고체 이산화탄소 공급기에 연결되어 고체 상태의 이산화탄소를 메탄 하이드레이트 층으로 공급하는 고체 이산화탄소 투입관, 해수를 가열하는 해수 가열기, 상기 해수 가열기에 연결되어 가열 상태의 해수를 상기 메탄 하이드레이트 층으로 공급하는 해수 투입관, 상기 매탄 하이드레이트 층의 메탄이 이산화탄소와 치환되어 발생되는 메탄가스를 흡입하는 메탄가스 흡입관, 상기 메탄가스 흡입관에 연결되어 상기 메탄 하이드레이트 층으로부터 메탄가스를 수거하는 메탄 수거기, 및 상기 고체 이산화탄소 공급기, 상기 해수 가열기 및 상기 메탄 수거기를 탑재하는 해양 구조물 또는 선박을 포함한다.

Description

메탄 하이드레이트 층의 메탄 채굴 시스템 및 이를 갖는 선박 {METHANE MINING SYSTEM OF METHANE HYDRATE LAYER AND VESSEL HAVING THE SAME}
본 발명은 메탄 하이드레이트 층의 메탄 채굴 시스템 및 이를 갖는 선박에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고체 상태의 이산화탄소와 가열된 해수를 사용하여 메탄 하이드레이트 층으로부터 메탄을 채굴하는 메탄 하이드레이트 층의 메탄 채굴 시스템 및 이를 갖는 선박에 관한 것이다.
메탄 하이드레이트는 차세대 연료로 관심을 모으고 있으며, 해저 또는 빙하에서 메탄과 물이 높은 압력으로 인하여 얼음 형태의 고체 상태로 형성되어 있다.
메탄 하이드레이트는 메탄을 주성분으로 하여, 보통 대륙 연안의 300 내지 1000m 바닷속 지층에 매장되어 있다. 현재, 250조㎥에 달하는 추정 매장량에도 불구하고 채굴의 어려움으로 인하여, 메탄 하이드레이트의 채굴에 대한 관련 기술 개발이 미미하다.
메탄 하이드레이트는 채굴에 많은 문제점을 가진다. 심해저에 매장되어 있는 메탄 하이드레이트의 압력 및 온도를 유지하면서 채굴하는 것이 어렵다. 시추와 생산시 파이프 라인 및 노즐의 막힘(Plugging) 현상이 발생되고, 시추시 연소되지 않은 메탄의 대기 방출로 인한 지구 온난화가 유발되며, 무리한 채굴로 인한 지반 침하 및 해저 붕괴가 발생될 수 있다.
또한, 메탄 하이드레이트에서 메탄을 추출하는 방법에는, 이산화탄소를 투입하여 메탄을 추출하는 메탄-이산화탄소 치환법과, 증기와 열수를 투입하여 메탄을 추출하는 열처리법이 있다.
본 발명의 일 실시예는 고체 상태의 이산화탄소와 가열된 해수를 사용하여 메탄 하이드레이트 층으로부터 메탄을 채굴하는 메탄 하이드레이트 층의 메탄 채굴 시스템 및 이를 갖는 선박을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 고체 상태의 이산화탄소를 공급하는 고체 이산화탄소 공급기; 상기 고체 이산화탄소 공급기에 연결되어 고체 상태의 이산화탄소를 메탄 하이드레이트 층으로 공급하는 고체 이산화탄소 투입관; 해수를 가열하는 해수 가열기; 상기 해수 가열기에 연결되어 가열된 해수를 상기 메탄 하이드레이트 층으로 공급하는 해수 투입관; 상기 메탄 하이드레이트 층의 메탄이 이산화탄소와 치환되어 발생되는 메탄가스를 흡입하는 메탄가스 흡입관; 및 상기 메탄가스 흡입관에 연결되어 상기 메탄 하이드레이트 층으로부터 메탄가스를 수거하는 메탄 수거기를 포함하는 메탄 하이드레이트 층의 메탄 채굴 시스템이 제공된다.
상기 메탄가스 흡입관은, 상기 메탄 하이드레이트 층으로부터 메탄가스를 흡입하는 내부관과 상기 내부관을 수용하여 내주면과 상기 내부관의 외주면 사이에 형성되는 통로로 가열된 해수를 공급하는 외부관을 포함할 수 있다.
상기 외부관은, 상기 해수 가열기와 가열 해수 공급관으로 연결되어, 상기 가열된 해수의 일부를 공급받을 수 있다.
상기 메탄 수거기에 연결되어 추출된 메탄가스에 혼합된 해수를 분리하는 해수 분리기를 더 포함하며, 상기 해수 분리기는, 분리된 해수를 상기 해수 가열기로 공급하도록 상기 해수 가열기와 해수 공급관으로 연결될 수 있다.
상기 고체 이산화탄소 공급기는, 기체 이산화탄소를 고체 상태로 변화시키는 냉동기와 고체 이산화탄소 공급관으로 연결될 수 있다.
상기 해수 분리기에 연결되어 상기 해수가 분리된 메탄가스에 함유된 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소 분리기를 더 포함하며, 상기 이산화탄소 분리기는, 상기 냉동기와 기체 이산화탄소 공급관으로 연결될 수 있다.
상기 이산화탄소 분리기에 연결되어 이산화탄소가 분리된 메탄가스로부터 순수 메탄가스를 분리하는 메탄 분리기, 상기 메탄 분리기에 연결되어 순수 메탄가스를 액화시키는 재액화 유닛, 및 상기 재액화 유닛에 연결되어 액화된 메탄을 저장하는 LNG 저장탱크를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 메탄 하이드레이트 층의 메탄 채굴 시스템을 갖는 선박에 제공된다.
본 발명의 일 실시예는, 고체 상태의 이산화탄소와 가열된 해수를 메탄 하이드레이트 층으로 공급할 수 있고, 이에 따라, 메탄 하이드레이트 층으로부터 메탄을 채굴할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄 하이드레이트 층의 메탄 채굴 시스템의 구성도이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄 하이드레이트 층의 메탄 채굴 시스템에 대하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄 하이드레이트 층의 메탄 채굴 시스템의 구성도이다.
일 실시예의 메탄 하이드레이트 층의 메탄 채굴 시스템을 적용하기 위하여, 메탄 하이드레이트가 매장된 지역에 공지의 드릴링 장비(미도시)를 이용하는 드릴링 작업이 선행된다.
일 실시예의 메탄 하이드레이트 층의 메탄 채굴 시스템은 해양 구조물이나 선박(100)에 적용될 수 있다. 편의상, 본 실시예는 메탄 하이드레이트 층의 메탄 채굴 시스템을 선박(100)에 탑재하는 구성을 예시한다. 이 경우, 메탄 채굴을 위한 드릴링 작업은 본 실시예를 구비한 선박(100)에 드릴링 장비(미도시)를 구비하여 진행될 수도 있고, 드릴링 장비를 구비한 다른 선박에 의해 진행될 수도 있다.
도 1을 참조하면, 일 실시예의 메탄 하이드레이트 층의 메탄 채굴 시스템은 드릴링 작업 후, 선박(100)에 탑재된 상태로 투입된다. 메탄 하이드레이트 층의 메탄 채굴 시스템은 선박(100)에 탑재되는 고체 이산화탄소 공급기(11)와 고체 이산화탄소 투입관(12), 해수 가열기(21)과 해수 투입관(22), 및 메탄 수거기(31)와 메탄가스 흡입관(32)을 포함한다.
드릴링 작업은 해저 지층(1)에 매립된 메탄 하이드레이트 층(2)까지 진행되며, 3개의 구멍, 즉 고체 이산화탄소 투입공(H1), 해수 투입공(H2) 및 메탄 흡입공(H3)을 뚫는다.
고체 이산화탄소 공급기(11)는 고체 상태의 이산화탄소(dry ice)를 저온 상태로 저장하여 메탄 하이드레이트 층(2)으로 공급한다. 고체 이산화탄소 투입관(12)은 고체 이산화탄소 공급기(11)에 일측이 연결되고, 타측이 메탄 하이드레이트 층(2)의 고체 이산화탄소 투입공(H1)에 삽입된다. 따라서 고체 이산화탄소는 고체 이산화탄소 공급기(11)와 고체 이산화탄소 투입관(12) 및 고체 이산화탄소 투입공(H1)을 경유하여 메탄 하이드레이트 층(2)으로 투입된다.
고체 이산화탄소 공급기(11)에서 공급되는 고체 상태의 이산화탄소는 고체 이산화탄소 투입관(12)을 통하여 메탄 하이드레이트 층(2)으로 공급된다. 공급된 고체 이산화탄소는 메탄 하이드레이트에 접촉되어 메탄 하이드레이트에 저장된 메탄과 치환된다. 이때, 메탄은 메탄가스로 변화된다.
해수 가열기(21)는 해수를 가열하여 가열된 해수를 메탄 하이드레이트 층(2)으로 공급한다. 해수 투입관(22)은 해수 가열기(21)에 일측이 연결되고, 타측이 메탄 하이드레이트 층(2)의 해수 투입공(H2)에 삽입된다. 따라서 가열된 해수는 해수 가열기(21)와 해수 투입관(22) 및 해수 투입공(H2)을 경유하여 메탄 하이드레이트 층(2)으로 투입된다.
해수 가열기(21)에서 고온 상태로 공급되는 가열된 해수는 해수 투입관(22)을 통하여 메탄 하이드레이트 층(2)으로 공급된다. 공급된 가열 해수는 고온 및 저압의 메탄 하이드레이트를 녹여서 메탄의 분리를 돕고, 메탄과 이산화탄소의 치환을 돕는다.
메탄 수거기(31)는 메탄 하이드레이트 층(2)에서 이산화탄소와 치환되어 생성되는 메탄가스를 수거한다. 메탄가스 흡입관(32)은 일측이 메탄 수거기(31)에 연결되고, 타측이 메탄 하이드레이트 층(2)의 메탄 수거공(H3)에 삽입된다. 즉 생성된 메탄가스는 메탄 수거공(H3) 및 메탄가스 흡입관(32)을 경유하여 메탄 수거기(31)로 수거된다.
메탄 수거기(31)는 메탄 하이드레이트 층(2)에서 추출된 메탄가스를 수거하여, 수거 이후 공정을 선박(100)에서 진행할 수 있게 한다.
한편, 메탄가스 흡입관(32)은 이중의 관 구조를 형성하는 내부관(321)과 외부관(322)을 포함한다. 내부관(321)은 일측이 메탄 하이드레이트 층(2)에 연결되고 타측이 메탄 수거기(31)에 연결되어, 메탄 하이드레이트 층(2)에서 생성된 메탄가스를 흡입하여 메탄 수거기(31)로 수거 가능하게 한다.
외부관(322)은 내부관(321)을 수용하여, 외부관(322)의 내주면과 내부관(321)의 외주면 사이에 통로(P)를 형성하고, 이 통로(P)로 가열된 해수 스팀을 공급한다. 일례를 들면, 외부관(322)은 가열 해수 공급관(221)으로 해수 가열기(21)에 연결되어, 해수 투입관(22)으로 공급되는 가열된 해수 스팀의 일부를 공급한다.
따라서 외부관(322)은 내부관(321)을 통하여 메탄가스를 수거하는 중에, 가열된 해수 스팀을 메탄 하이드레이트 층(2)에 공급하여 고체 메탄 하이드레이트를 용해시킴으로써 고체의 메탄 하이드레이트에 의하여 내부관(321)이 막히는 현상(plugging)을 방지할 수 있다.
해수 분리기(41)는 메탄 수거기(31)에 연결되어 추출된 메탄가스에 혼합된 해수를 분리한다. 내부관(321)을 통하여 메탄 수거기(31)로 수거되는 메탄가스는 해수를 포함하고 있다.
해수 분리기(41)는 분리된 해수를 해수 가열기(21)로 공급하도록 해수 공급관(42)으로 연결된다. 내부관(321) 및 해수 분리기(41)를 경유한 해수는 외부관(322)으로 공급되는 가열된 해수 스팀에 의하여 가열되므로 해수 가열기(21)에서 해수 가열의 효율을 높일 수 있다. 해수 가열기(21)는 주위의 해수를 끌어서 가열하여 공급하며, 이때, 해수 분리기(41)로부터 공급되는 해수를 우선적으로 사용하고, 부족한 양만큼의 해수를 주위의 해수로부터 끌어들인다.
고체 이산화탄소 공급기(11)는 냉동기(51)에 고체 이산화탄소 공급관(52)으로 연결된다. 냉동기(51)는 기체 이산화탄소를 고체 상태로 변화시켜서 고체 이산화탄소를 고체 이산화탄소 공급기(11)로 공급한다. 즉 냉동기(51) 및 고체 이산화탄소 공급기(11)는 이산화탄소를 고체 상태로 저장하고 또한 채굴시 사용한 이산화탄소를 고체로 재사용함으로써, 메탄 하이드레이트 채굴 시, 선박(100)에 구비될 이산화탄소 기체를 저장하는 탱크의 공간적 제약을 제거하고, 별도의 선박에서 이산화탄소를 공급할 필요성을 제거할 수 있다.
고체 상태로 공급되는 이산화탄소의 냉열은 메탄 하이드레이트의 액체-고체 화합물과 열교환 하여 주변 온도를 하강시키며, 메탄 하이드레이트의 액체-고체 화합물의 일부를 고체로 변화하여 메탄 하이드레이트 층(2) 상부의 해저 지층(1) 붕괴를 방지할 수 있다.
이산화탄소 분리기(53)는 해수 분리기(41)에 연결되어 분리된 메탄가스에 함유된 이산화탄소를 분리한다. 즉 해수 분리기(41)를 경유한 메탄가스에는 이산화탄소가 포함되어 있다. 이산화탄소 분리기(53)는 냉동기(51)에 기체 이산화탄소 공급관(54)으로 연결되어, 분리된 기체 이산화탄소를 냉동기(51)에 공급하므로 별도로 이산화탄소의 공급을 필요로 하지 않게 하거나, 별도로 공급되는 이산화탄소의 양을 최소화할 수 있다.
또한, 메탄 분리기(61)는 이산화탄소 분리기(53)에 연결되어 메탄 이외의 가스를 함유하는 메탄가스로부터 순수 메탄을 분리한다. 즉 이산화탄소 분리기(53)를 경유한 메탄가스는 순수 메탄과 다른 기체 성분을 포함한다. 메탄 이외의 가스는 별도의 저장탱크(미도시)에 저장되거나 플레어 타워(flare tower)를 통하여 연소된다.
재액화 유닛(62)은 메탄 분리기(61)에 연결되어 분리된 순수 메탄을 액화시켜 메탄의 운반을 용이하게 한다. LNG 저장탱크(63)는 재액화 유닛(62)에 연결되어 액화된 메탄을 저장하여 운반 가능하게 한다.
이상에서 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄 하이드레이트 층의 메탄 채굴 시스템에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상범위 내에 든다고 할 것이다.
1 : 해저 지층 2 : 메탄 하이드레이트 층
11 : 고체 이산화탄소 공급기 12 : 고체 이산화탄소 투입관
21 : 해수 가열기 22 : 해수 투입관
31 : 메탄 수거기 32 : 메탄가스 흡입관
41 : 해수 분리기 42 : 해수 공급관
51 : 냉동기 52 : 고체 이산화탄소 공급관
53 : 이산화탄소 분리기 54 : 기체 이산화탄소 공급관
61 : 메탄 분리기 62 : 재액화 유닛
63 : LNG 저장탱크 100 : 선박
321 : 내부관 322 : 외부관
H1 : 고체 이산화탄소 투입공 H2 : 해수 투입공
H3 : 메탄 흡입공

Claims (8)

  1. 고체 상태의 이산화탄소를 공급하는 고체 이산화탄소 공급기;
    상기 고체 이산화탄소 공급기에 연결되어 고체 상태의 이산화탄소를 메탄 하이드레이트 층으로 공급하는 고체 이산화탄소 투입관;
    해수를 가열하는 해수 가열기;
    상기 해수 가열기에 연결되어 가열된 해수를 상기 메탄 하이드레이트 층으로 공급하는 해수 투입관;
    상기 메탄 하이드레이트 층의 메탄이 이산화탄소와 치환되어 발생되는 메탄가스를 흡입하는 메탄가스 흡입관; 및
    상기 메탄가스 흡입관에 연결되어 상기 메탄 하이드레이트 층으로부터 메탄가스를 수거하는 메탄 수거기
    를 포함하며,
    상기 메탄가스 흡입관은,
    상기 메탄 하이드레이트 층으로부터 메탄가스를 흡입하는 내부관과
    상기 내부관을 수용하여 내주면과 상기 내부관의 외주면 사이에 형성되는 통로로 가열된 해수를 공급하는 외부관
    을 포함하고,
    상기 외부관은,
    상기 해수 가열기와 가열 해수 공급관으로 연결되어, 상기 가열된 해수의 일부를 공급받는
    메탄 하이드레이트 층의 메탄 채굴 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 고체 상태의 이산화탄소를 공급하는 고체 이산화탄소 공급기;
    상기 고체 이산화탄소 공급기에 연결되어 고체 상태의 이산화탄소를 메탄 하이드레이트 층으로 공급하는 고체 이산화탄소 투입관;
    해수를 가열하는 해수 가열기;
    상기 해수 가열기에 연결되어 가열된 해수를 상기 메탄 하이드레이트 층으로 공급하는 해수 투입관;
    상기 메탄 하이드레이트 층의 메탄이 이산화탄소와 치환되어 발생되는 메탄가스를 흡입하는 메탄가스 흡입관; 및
    상기 메탄가스 흡입관에 연결되어 상기 메탄 하이드레이트 층으로부터 메탄가스를 수거하는 메탄 수거기
    를 포함하며,
    상기 메탄 수거기에 연결되어 추출된 메탄가스에 혼합된 해수를 분리하는 해수 분리기를 더 포함하며,
    상기 해수 분리기는,
    분리된 해수를 상기 해수 가열기로 공급하도록 상기 해수 가열기와 해수 공급관으로 연결되는
    메탄 하이드레이트 층의 메탄 채굴 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 고체 이산화탄소 공급기는,
    기체 이산화탄소를 고체 상태로 변화시키는 냉동기와 고체 이산화탄소 공급관으로 연결되는
    메탄 하이드레이트 층의 메탄 채굴 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 해수 분리기에 연결되어 상기 해수가 분리된 메탄가스에 함유된 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소 분리기를 더 포함하며,
    상기 이산화탄소 분리기는,
    상기 냉동기와 기체 이산화탄소 공급관으로 연결되는
    메탄 하이드레이트 층의 메탄 채굴 시스템.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 분리기에 연결되어 이산화탄소가 분리된 메탄가스로부터 순수 메탄가스를 분리하는 메탄 분리기,
    상기 메탄 분리기에 연결되어 순수 메탄가스를 액화시키는 재액화 유닛, 및
    상기 재액화 유닛에 연결되어 액화된 메탄을 저장하는 LNG 저장탱크
    를 더 포함하는 메탄 하이드레이트 층의 메탄 채굴 시스템.
  8. 제1 항, 제4항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 기재된 메탄 하이드레이트 층의 메탄 채굴 시스템을 갖는 선박.
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