KR101571771B1

KR101571771B1 - 천연가스 재생 시스템

Info

Publication number: KR101571771B1
Application number: KR1020130155725A
Authority: KR
Inventors: 안영주; 이광노; 민준호; 안세호
Original assignee: 삼성중공업 주식회사
Priority date: 2013-12-13
Filing date: 2013-12-13
Publication date: 2015-11-25
Also published as: KR20150069389A

Abstract

본 발명은 천연가스 재생 시스템으로서, 천연가스가 유입되고, 천연가스에 포함된 수분을 제거하여 재생가스를 생산하는 흡착탑과, 흡착탑으로부터 재생가스가 공급되고, 재생가스를 가열시켜 흡착탑으로 가열 재생가스를 공급하는 위한 가열기와, 흡착탑으로부터 배출되는 고온의 배출가스를 냉각시키는 냉각기 및 가열기로 유입되기 전의 재생가스와 냉각기로 유입되기 전의 배출가스를 상호 열교환시키는 열교환기를 포함하는 천연가스 재생 시스템을 제공한다.

Description

천연가스 재생 시스템 {A natural gas regeneration system}

본 발명은 천연가스 재생 시스템에 관한 것이다.

액화천연가스 부유식 원유생산저장하역설비(Liquified Natural Gas Floating Production Storage and Offloading, 이하 LNG FPSO)와 같이 액화천연가스(Liquified Natural Gas, 이하 LNG)를 생산하는 선박 또는 해양구조물은 내부에 천연가스를 LNG로 액화시키기 위한 장치가 구비되어 있다. 이 때, 천연가스 내에 포함된 수분은 천연가스 액화 공정 시 초저온 열교환기 내에서 하이드레이트(hydrate)의 형태로 결빙되어 배관을 막히게 한다. 이러한 열교환기 배관의 막힘 현상은 천연가스 액화 공정의 액화 성능을 감소시키는 주된 원인이다. 따라서, 천연가스 액화 공정의 성능 개선을 위해 천연가스에 포함된 수분은 천연가스 전처리(pre-treatment) 공정 중에 제거되어야 한다.

이러한 이유로, 천연가스에 포함된 수분은 천연가스 전처리 공정 중, 흡착제를 이용한 흡착 공정에 의해 제거된다. 이를 통하여 천연가스 내의 수분 농도를 천연가스 액화 공정에 요구되는 수준으로 낮출 수 있다. 이 때, 수분이 흡착제에 흡착되어 흡착 능력이 감소하면 흡착제가 포함된 흡착탑의 온도를 증가시켜 흡착된 수분을 탈착시키는 재생 공정을 거치게 된다.

즉, 재생 공정은 흡착탑으로부터 수분이 제거된 천연가스(이하 재생가스) 일부를 가열하고, 가열된 재생가스를 재생 공정이 필요한 흡착탑으로 이동하여 흡착탑을 가열시킨 후, 가열 후 흡착탑으로부터 배출되는 가스(이하 배출가스)를 냉각시켜 분리기를 통해 물과 재생가스로 분리시키는 과정을 포함한다.

하지만, 통상적으로 재생가스는 재생 공정을 위하여 240℃ 내지 305℃의 고온으로 가열되어야 하는 바, 많은 가열용량이 필요하다. 또한, 흡착탑의 가열이 끝난 후 배출되는 배출가스를 재차 냉각시키는 과정에서도 많은 냉각용량이 필요하게 된다.

본 발명의 일 실시예는 천연가스 재생 공정 중 재생가스의 가열 및 배출가스의 냉각에 필요한 열효율이 개선된 천연가스 재생 시스템을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 천연가스 재생 시스템으로서, 천연가스가 유입되고, 상기 천연가스에 포함된 수분을 제거하여 재생가스를 생산하는 흡착탑; 상기 흡착탑으로부터 상기 재생가스가 공급되고, 상기 재생가스를 가열시켜 상기 흡착탑으로 상기 가열 재생가스를 공급하는 가열기; 상기 흡착탑으로부터 배출되는 고온의 배출가스를 냉각시키는 냉각기; 및 상기 가열기로 유입되기 전의 상기 재생가스와 상기 냉각기로 유입되기 전의 상기 배출가스를 상호 열교환시키는 열교환기를 포함하는 천연가스 재생 시스템이 개시된다.

이 때, 상기 흡착탑은 복수로 이루어지고, 상기 복수의 흡착탑은 상기 열교환기에 병렬로 연결될 수 있다.

이 때, 상기 열교환기는 상기 재생가스와 상기 배출가스의 흐름이 상호 직교하는 직교류형 열교환기일 수 있다.

이 때, 상기 열교환기를 거쳐 상기 가열기로 유입되는 상기 재생가스의 온도는 60 ℃ 내지 220℃ 범위 내일 수 있다.

이 때, 상기 열교환기를 거쳐 상기 냉각기로 유입되는 상기 배출가스의 온도는 60℃ 내지 240℃ 범위 내일 수 있다.

이 때, 상기 흡착탑은 내부에 제올라이트(zeolite) 흡착제가 충진될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스 재생 시스템은 열교환기를 통해 가열기로 유입되기 전의 재생가스와 냉각기로 유입되기 전의 배출가스를 상호 열교환시키는 바, 가열기와 냉각기의 열효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스 재생 시스템을 나타낸 계통도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스 재생 시스템(10)은 액화천연가스 부유식 원유생산저장하역설비(LNG FPSO)의 천연가스 전처리(pre-treatment) 공정 중 천연가스 재생 공정에 사용될 수 있다. 이 때, 도 1을 참조하면, 천연가스 재생 시스템(10)은 흡착탑(100), 가열기(200), 냉각기(300), 열교환기(400), 분리기(500) 및 수은 흡착탑(600)을 포함한다.

흡착탑(100)은 도 1에 도시된 바와 같이 2 이상이 병렬로 연결될 수 있다. 이 때, 흡착탑은 내부에 제올라이트(zeolite) 흡착제가 충진될 수 있다. 또한, 흡착탑(100)은 도 1에 도시된 바와 같이 상측과 하측에 각각 배관이 하나씩 연결되도록 형성될 수 있다. 이를 통해, 흡착탑(100)은 도 1에 도시된 바와 같이 상측 배관으로부터 천연가스(2)가 유입되거나, 흡착제의 가열이 완료된 후 배출가스(8)가 배출될 수 있고, 하측 배관을 통해 천연가스(2)로부터 수분이 제거된 재생가스(4)가 배출되거나 가열 재생가스(6)가 유입될 수 있다.

한편, 본 발명의 흡착탑(100)은 흡착 효율이 유지되는 제 1 흡착탑(100a)과, 흡착 효율이 저하된 제 2 흡착탑(100b)을 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스 재생 공정(10)은 도 1에 도시된 바와 같이 좌측 흡착탑이 제 1 흡착탑(100a), 우측 흡착탑이 제 2 흡착탑(100b)이나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

한편, 2 이상의 흡착탑(100)으로 유입, 또는 배출되는 유체의 양을 조절할 수 있도록 도 1에 도시된 바와 같이 흡착탑(100)과 연결된 배관 일측에 각각 천연가스 공급밸브(20), 재생가스 공급밸브(40), 가열 재생가스 밸브(60) 및 배출가스 밸브(80)가 설치될 수 있다. 이를 통해, 흡착제에 수분이 전부 달라붙어 흡착 효율이 저하된 흡착탑을 용이하게 재생시킬 수 있는 동시에, 나머지 흡착탑으로 천연가스(2)의 수분 제거 및 재생가스(4)의 공급을 유지할 수 있다.

가열기(200)는 제 1 흡착탑(100a)으로부터 공급받은 재생가스(4)를 제 2 흡착탑(100b)의 재생에 필요한 온도로 가열시킬 수 있다. 이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스 재생 시스템(10)의 가열기(200)는 가열 재생가스(6)가 제 2 흡착탑(100b)의 흡착제에 부착된 수분을 탈착시킬 수 있는 온도, 적절하게는 가열기(200)로부터 제 2 흡착탑(100b)을 향해 배출되는 가열 재생가스(6)의 온도가 약 240℃가 되도록 가열시킬 수 있으나, 반드시 이러한 온도에 제한되는 것은 아니다. 한편, 가열기(200)는 도 1에 도시된 바와 같이 가열 재생가스(6)를 제 2 흡착탑(100b)으로 공급할 수 있다.

냉각기(300)는 도 1에 도시된 바와 같이 제 2 흡착탑(100b)의 재생 단계를 거친 후 배출되는 고온의 배출가스(8)를 냉각시킬 수 있다. 이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각기(300)는 배출가스(8)를 제 1 흡착탑(100a)으로 유입되는 천연가스(2)로 재사용할 수 있도록, 적절하게는 상기 배출가스(8)를 약 40℃가 되도록 냉각시킬 수 있으나, 반드시 이러한 온도에 제한되는 것은 아니고, 액화천연가스로 변환시키기 용이한 다른 온도로 냉각될 수 있다.

열교환기(400)는 도 1에 도시된 바와 같이 제 1 흡착탑(100a) 하측과 가열기(200)를 연결하는 경로와, 제 2 흡착탑(100b) 상측과 냉각기(300)를 연결하는 경로가 상호 교차되도록 설치된다. 이를 통해, 가열기(200)로 유입되기 전의 재생가스(4)와 냉각기(300)로 유입되기 전의 배출가스(8)를 상호 열교환시킬 수 있다. 한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기(400)는 재생가스 공급밸브(40)와 수은 흡착탑을 연결하는 배관을 분기시켜 재생가스(4)의 일부를 공급받는 구성일 수 있다. 한편, 열교환기(400)는 재생가스(4)와 상기 배출가스(8)의 흐름이 상호 직교하는 직교류형 열교환기(Cross heat exchanger)일 수 있으나, 이에 한정하지는 않는다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스 재생 시스템(10)의 열교환기(400)는 상기 열교환기(400)를 거쳐 상기 가열기(200)로 유입되는 상기 재생가스(4)의 온도가 60 ℃ 내지 220℃ 범위 내로, 상기 열교환기(400)를 거쳐 상기 냉각기(300)로 유입되는 상기 배출가스(8)의 온도가 60℃ 내지 240℃ 범위 내로 조절되도록 제어될 수 있다. 이를 통해, 가열기(200)로 유입되기 전의 재생가스(4)가 사전 가열되는 동시에 냉각기(300)로 유입되기 전의 배출가스(8)가 사전 냉각될 수 있는 바, 재생가스(4)의 가열 및 배출가스(8)의 냉각에 필요한 열량이 각각 저감될 수 있다.

분리기(500)는 냉각기(300)와 연결되고, 냉각기(300)에 의해 냉각된 배출가스(8)를 천연가스(2)와 수분으로 다시 분리시킬 수 있다.

수은 흡착탑(600)은 재생가스 공급밸브(40)를 통과하여 열교환기(400)를 향해 공급되는 재생가스(4)로부터 수은을 흡착하여 제거할 수 있다. 이 때, 분리기(500) 또는 수은 흡착탑(600)을 통해 배출된 천연가스(2)는 압축 공정을 통해 LNG 생산에 필요한 원료 가스로 압축될 수 있다.

한편, 재생 공정에 사용되는 가열기(200), 냉각기(300), 분리기(500) 및 수은 흡착탑(600)의 기타 구성은 이미 공지된 것으로, 이에 관한 상세한 설명은 생략한다.

이상에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스 재생 시스템(10)의 구성에 대해 설명하였다. 이하는 본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스 재생 시스템(10)의 열교환기(400)에 의한 가열기(200) 및 냉각기(300)의 열량 저감 효과를 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스 재생 시스템(10)의 가열기(200) 또는 냉각기(300)에 흐르는 열류량(Heat flow)을 Q, LNG의 정압비열(specific heat of constant pressure)을 Cp, LNG의 질량유량(Mass flow)을 M, 가열기(200) 또는 냉각기(300) 유입 전과 후의 온도 차이를 각각 ΔT라고 하면,

가 성립한다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스 재생 시스템(10)이 연간 100만 톤의 LNG를 생산 가능한 천연가스 생산 시스템 내에 설치되고, 모든 배관의 단면적은 동일하다는 조건 하에, Cp = 2.72(kJ/kg℃), M= 22831(kg/hr)가 된다.

이 때, 열교환기(400)가 존재하지 않을 경우, 재생가스(4)의 가열에 필요한 열류량(Qh1) 및 배출가스(8)의 냉각에 필요한 열류량(Qc1)은 각각,

이 된다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기(400)에 의해 각각 재생가스(4)가 40℃에서 220℃로 승온, 배출가스(8)가 240℃에서 60℃으로 냉각되면 가열기(200)의 가열에 필요한 열류량(Qh2) 및 냉각기(300)의 냉각에 필요한 열류량(Qc2)은 각각,

이 된다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스 재생 시스템(10)은 열교환기(400)에 의해 재생가스(4)와 배출가스(8)가 열교환됨으로써, 가열기(200)와 냉각기(300)의 열량이 각각 시간 당 3105kW 만큼 저감되는 효과가 있다.

이상에서 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 사상은 본 명세서에 제시되는 실시 예에 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.

2: 천연가스 4: 재생가스
6: 가열 재생가스 8: 배출가스
10: 천연가스 재생 시스템 20: 천연가스 공급밸브
40: 재생가스 공급밸브 60: 가열 재생가스 밸브
80: 배출가스 밸브 100: 흡착탑
200: 가열기 300: 냉각기
400: 열교환기 500: 분리기
600: 수은 흡착탑

Claims

천연가스 재생 시스템으로서,
천연가스가 유입되고, 상기 천연가스에 포함된 수분을 제거하여 상기 수분이 제거된 천연가스인 재생가스를 생산하는 흡착탑;
상기 흡착탑으로부터 상기 재생가스가 공급되고, 상기 재생가스를 가열시켜 상기 흡착탑으로 상기 가열 재생가스를 공급하는 가열기;
상기 흡착탑으로부터 배출되는 고온의 배출가스를 냉각시키는 냉각기; 및
상기 가열기로 유입되기 전의 상기 재생가스와 상기 냉각기로 유입되기 전의 상기 배출가스를 상호 열교환시키는 열교환기;
를 포함하고,
상기 가열 재생가스는 상기 흡착탑에 유입되어 상기 흡착탑으로부터 수분을 탈착시키며,
상기 고온의 배출가스는 상기 탈착된 수분을 포함하는 상기 가열 재생가스인 천연가스 재생 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 흡착탑은 복수로 이루어지고,
상기 복수의 흡착탑은 상기 열교환기에 병렬로 연결되는 천연가스 재생 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 열교환기는 상기 재생가스와 상기 배출가스의 흐름이 상호 직교하는 직교류형 열교환기인 천연가스 재생 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 열교환기를 거쳐 상기 가열기로 유입되는 상기 재생가스의 온도는 60 ℃ 내지 220℃ 범위 내인 천연가스 재생 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 열교환기를 거쳐 상기 냉각기로 유입되는 상기 배출가스의 온도는 60℃ 내지 240℃ 범위 내인 천연가스 재생 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 흡착탑은 내부에 제올라이트(zeolite) 흡착제가 충진되는 천연가스 재생 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 냉각기에 의해 냉각된 상기 배출가스를 천연가스와 수분으로 분리시키는 분리기를 더 포함하는 천연가스 재생 시스템.