KR101584565B1 - 산성 가스 제거 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

산성 가스 제거 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 산성 가스 제거 시스템은, 천연가스로부터의 산성 가스 제거 시스템에 있어서, 유입 가스를 아민 계열 용매와 역류(counter-current)시켜 상기 유입 가스로부터 이산화탄소 및 황화수소를 포함한 산성 가스를 선택적으로 흡수하는 제1 흡수기; 및 상기 제1 흡수기의 측부에 마련되며 상기 제1 흡수기로부터 상기 유입 가스 중 적어도 일부를 공급받아 상기 산성 가스를 추가로 흡수하는 제2 흡수기를 포함하되, 상기 제2 흡수기를 통과한 상기 유입 가스는 상기 제1 흡수기로 재도입되는 것을 특징으로 한다.

Description

산성 가스 제거 시스템 및 방법{Acid Gas Removal System And Method}
본 발명은 산성 가스 제거 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유입 가스를 아민 계열 용매와 역류(counter-current)시켜 유입 가스로부터 이산화탄소 및 황화수소를 포함한 산성 가스를 선택적으로 흡수하는 흡수기에 추가의 중간 흡수기를 마련하여, 유입 가스 중 적어도 일부를 중간 흡수기를 거쳐 흡수기로 재도입하여 처리하는 산성 가스 제거 시스템 및 방법에 관한 것이다.
근래 LNG(Liquefied Natural Gas)나 LPG(Liquefied Petroleum Gas) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다.
특히 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 "LNG"라 함)는 연소시 대기오염 물질 배출이 적은 친환경 연료로서 여러 분야에서 사용이 늘어나고 있다.
액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 "LNG"라 함)는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 갖는다.
최근에는 육상 자원의 개발에 이어 해상에서의 해저 자원에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있는데, 이에 따라 시추된 해저 자원을 해상에서 처리할 수 있으며, 육상 플랜트 건설시의 건설 부지 확보나 건설 시간 소요의 문제를 해결할 수 있는 LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Offloading)와 같은 해상 플랜트에 대한 수요도 증가하고 있다.
LNG FPSO에서의 LNG의 액화 공정은 산성 가스(Acid gas)의 제거, 탈수(Dehydration), NGL(Natural Gas Liquid)의 분별(Fractionation) 등의 전처리 과정을 거친 후 이루어진다.
다량의 산성가스를 포함하는 해상유전의 개발시 제품화를 위해서 산성가스의 함량을 줄여야 하는데, 천연가스의 액화 공정에 앞선 전처리 과정에서 일반적으로 이산화탄소는 50 ppmv, 황화수소는 5 ppmv 이하로 정제되어야 한다.
이산화탄소 및 황화수소 등의 산성 가스를 제거하기 위한 기술로는 아민 계열 흡수제를 이용한 아민 공정과, 멤브레인 방식의 공정이 대표적인데, 아민 계열 흡수제를 이용한 아민 공정은 탄화수소 성분의 손실이 적은 장점이 있다.
본 발명은 아민 계열의 흡수제를 이용하면서 설비의 높이를 낮추고 이산화탄소 선택성을 높일 수 있어 FPSO와 같은 해양 플랜트에 적용하기에 적합한 산성 가스 제거 시스템을 제안하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 천연가스로부터의 산성 가스 제거 시스템에 있어서,
유입 가스를 아민 계열 용매와 역류(counter-current)시켜 상기 유입 가스로부터 이산화탄소 및 황화수소를 포함한 산성 가스를 선택적으로 흡수하는 제1 흡수기; 및
상기 제1 흡수기의 측부에 마련되며 상기 제1 흡수기로부터 상기 유입 가스 중 적어도 일부를 공급받아 상기 산성 가스를 추가로 흡수하는 제2 흡수기를 포함하되,
상기 제2 흡수기를 통과한 상기 유입 가스는 상기 제1 흡수기로 재도입되는 것을 특징으로 하는 산성 가스 제거 시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 제2 흡수기의 하류에 마련되어 상기 제1 흡수기로 재도입될 상기 유입 가스의 열 에너지를 흡수하는 열교환기와, 상기 열교환기를 통과한 상기 유입 가스를 상기 제1 흡수기로 재도입시키는 공급 펌프를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 흡수기의 상류에 마련되어 신 가스(sour gas)로부터 액상의 탄화수소를 제거하고 상기 제1 흡수기의 하부로 상기 유입 가스를 공급하는 인렛 세퍼레이터를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 산성 가스의 제거 후 상기 제1 흡수기의 상부로 배출되는 상기 유입 가스를 공급받아 스윗 가스(sweet gas)를 분리하는 아웃렛 세퍼레이터와, 상기 제1 흡수기 및 상기 아웃렛 세퍼레이터에서 배출되는 리치 아민(rich amine)을 공급받아 상기 산성 가스를 분리하고 재생하는 용매 재생부를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 용매 재생부는, 제1 흡수기 및 상기 아웃렛 세퍼레이터로부터 상기 리치 아민을 공급받아 탄화수소 성분을 분리하는 플래시 드럼과, 상기 플래시 드럼으로부터 상기 리치 아민을 공급받아 상기 산성 가스를 분리시켜 아민 계열 용매로 재생하는 스트리퍼와, 상기 스트리퍼에서 상기 산성 가스의 분리를 위한 열 에너지를 공급하는 리보일러를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 용매 재생부는, 상기 스트리퍼로 도입될 리치 아민과 상기 스트리퍼에서 재생된 아민 계열 용매가 열교환되는 아민 열교환기와, 상기 아민 열교환기에서 열교환된 상기 아민 계열 용매를 냉각하여 상기 제1 흡수기로 공급하는 아민 쿨러를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 산성 가스의 제거는 해상의 FPSO(Floating Production Storage and Offloading)에서 천연가스 액화공정의 전처리 공정으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 천연가스로부터의 산성 가스 제거 방법에 있어서,
흡수기(absorber)에서 신 가스(sour gas)를 아민 계열 용매와 역류(counter-current)시켜 상기 신 가스로부터 이산화탄소 및 황화수소를 포함한 산성 가스를 선택적으로 흡수하여 제거하되,
상기 흡수기의 측부에 중간 흡수기를 마련하여, 상기 흡수기로부터 상기 신 가스를 상기 중간 흡수기로 공급하여 아민 계열 용매로 상기 산성 가스를 추가로 제거하여 상기 흡수기로 재도입시키는 것을 특징으로 하는 산성 가스 제거 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 중간 흡수기를 거친 상기 신 가스는 열 교환기를 통과시켜 냉각하여 상기 흡수기로 재도입시킬 수 있다.
본 발명의 산성 가스 제거 시스템은, 신 가스(sour gas)를 아민 계열 용매와 역류(counter-current)시켜 신 가스로부터 이산화탄소 및 황화수소를 포함한 산성 가스를 선택적으로 흡수하여 제거하는 제1 흡수기의 측부에 제2 흡수기를 추가로 마련하도록 한다. 또한 중간 흡수기와 제1 흡수기 사이에 열교환기를 마련하여, 중간 흡수기를 거친 가스에 포함된 열 에너지를 회수할 수 있고, 열교환기를 거치면서 냉각시켜 제1 흡수기로 가스를 공급함으로써 저온 고압의 반응조건을 유지할 수 있도록 한다.
이와 같은 중간 흡수기를 둠으로써 흡수기의 높이를 높이지 않고도, 아민의 공급 지점을 늘리고 반응 접촉 시간 및 접촉 면적을 늘릴 수 있고, 이산화탄소 선택성을 높일 수 있다.
따라서 해상에 마련되어 해상 환경이나 파고 등의 영향을 받고 육상에 비해 공간적 제약이 큰, FPSO와 같은 해상 플랜트에도 효과적으로 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 산성 가스 제거 시스템의 개략적인 구성을 도시한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 산성 가스 제거 시스템을 개략적으로 도시하였다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 실시예의 산성 가스 제거 시스템은, 천연가스로부터 산성 가스를 제거하기 위한 시스템으로서, 유입 가스를 아민 계열 용매와 역류(counter-current)시켜 유입 가스로부터 이산화탄소 및 황화수소를 포함한 산성 가스를 선택적으로 흡수하는 제1 흡수기(100)와, 제1 흡수기(100)의 측부에 마련되며 제1 흡수기(100)로부터 유입 가스 중 적어도 일부를 공급받아 산성 가스를 추가로 흡수하는 제2 흡수기(210)를 포함한 중간 흡수기부(200)를 마련한다.
우선, 제1 흡수기(100)의 상류에는 신 가스(sour gas)로부터 액상의 탄화수소를 제거하고 인렛 세퍼레이터(inlet separator, 300)가 마련되어, 액체 상태인 탄화수소는 분리하고 기상인 유입 가스를 제1 흡수기(100)의 하부로 유입 가스를 도입시킨다.
제1 흡수기(100)에서 산성 가스의 제거를 위해 이용되는 아민 계열 용매는 예를 들어 메틸에탄올 아민(MEA)일 수 있고, 제1 흡수기(100)는 아민 계열 용매를 포함하는 수용액이 상부로 분사되어, 흡수기의 하부로 도입되는 유입 가스와 역류되며 습식으로 이산화탄소를 제거하는 칼럼일 수 있다.
제2 흡수기(210)에서도 제1 흡수기(100)와 마찬가지로 아민 계열 용매를 유입 가스에 분사하여 산-염기 중화반응을 통해 유입 가스에 포함된 산성 가스를 흡수한다.
이와 같은 제1 흡수기(100)와 함께 중간 흡수기인 제2 흡수기(210)를 추가로 구성함으로써, 산성 가스를 흡수하기 위한 아민 계열 용매의 공급 지점을 늘려 이산화탄소 slip 효과를 높이고, 반응을 위한 산성 가스와 아민과의 접촉 면적 및 접촉 시간을 늘릴 수 있다. 따라서 제1 흡수기(100)의 높이를 높게 하지 않고도 산성 가스 선택성을 높여, 신 가스로부터 효과적으로 산성가스를 흡수하여 제거할 수 있다.
제2 흡수기(210)를 통과한 유입 가스는 제1 흡수기(100)로 재도입된다.
이때 제2 흡수기(210)의 하류에는 제1 흡수기(100)로 재도입될 유입 가스의 열 에너지를 흡수하는 열교환기(220)를 마련함으로써, 제1 흡수기(100)로 재도입될 유입 가스의 온도를 낮추어 저온 고압인 반응 조건을 유지할 수 있게 하고, 열 에너지도 회수할 수 있게 된다.
중간 흡수기부(200)에서 제2 흡수기(210) 및 열교환기(220)를 거친 유입 가스는 공급 펌프(230)를 통해 제1 흡수기(100)로 재도입된다.
산성 가스의 제거 후 제1 흡수기(100)의 상부로 배출되는 유입 가스는 아웃렛 세퍼레이터(outlet separator, 400)로 도입되어, 아웃렛 세퍼레이터(400)에서 스윗 가스(sweet gas)와 리치 아민을 분리한다.
아웃렛 세퍼레이터(400)에서 분리된 스윗 가스는 천연가스 액화를 위한 후단 공정(미도시)으로 공급된다.
한편, 본 실시예에는 아민 계열 용매를 재생하기 위한 용매 재생부(500)가 구성되는데, 용매 재생부(500)는 제1 흡수기(100) 및 아웃렛 세퍼레이터(400)에서 배출되는 리치 아민(rich amine)을 공급받아 산성 가스를 분리하고 재생하여 흡수기로 재공급하게 된다.
용매 재생부(500)는, 제1 흡수기(100) 및 아웃렛 세퍼레이터(400)로부터 리치 아민을 공급받아 탄화수소 성분을 분리하는 플래시 드럼(510)과, 플래시 드럼(510)으로부터 리치 아민을 공급받아 산성 가스를 분리시켜 아민 계열 용매로 재생하는 스트리퍼(stripper, 520)와, 스트리퍼(520)에서 산성 가스의 분리를 위한 열 에너지를 공급하는 리보일러(reboier, 530)를 포함한다.
리치 아민에는 산성가스뿐만 아니라 연료화될 수 있는 탄화수소도 포함할 수 있으므로, 플래시 드럼(510)에서는 리치 아민을 공급받아 압력을 낮추어 탄화수소 성분을 기체화하여 분리함으로써 탄화수소 성분의 손실을 최소화할 수 있다.
플래시 드럼(510)을 거친 리치 아민은 스트리퍼(520)로 공급되는데, 스트리퍼(520) 바닥부에서 리보일러(530)를 이용하여 이산화탄소를 흡수한 리치 아민, 즉 아민 수용액을 끓여, 아민 수용액으로부터 이산화탄소 등의 산성 가스를 분리할 수 있다. 이때 스트리퍼(520)에서의 아민 재생 공정은 대략 상압(2 ~ 5 bar)에서 이루어지며 온도는 도입온도 30 ℃로부터 160 ~ 170 ℃까지 상승한다. 이러한 아민을 Lean amine이라고 한다.
용매 재생부(500)에는 스트리퍼(520)로 도입될 리치 아민과 스트리퍼(520)에서 재생된 아민 계열 용매가 열교환되는 아민 열교환기(540)를 구성하여, 이와 같이 스트리퍼(520)에서 나오는 이산화탄소가 제거된 고온의 아민 계열 용매를 스트리퍼(520)로 도입될 리치 아민과의 열 교환을 통해 냉각한다.
용매 재생부(500)에는 아민 쿨러(550)가 마련되어, 아민 열교환기(540)에서 열교환된 아민 계열 용매를 추가로 냉각하여 제1 흡수기(100)로 공급하게 된다.
용매 재생부(500)에는 스트리퍼(520)의 상류 및 하류에는 유체 내에 포함된 solid 성분을 제거할 수 있는 필터(560, 570)가 마련될 수 있고, 아민을 제1 흡수기(100)로 공급하기 위한 펌프(580, 590)도 마련될 수 있다.
용매 재생부(500)에서 재생된 lean amine은 제2 흡수기(210)로도 공급될 수 있다.
이와 같은 본 실시예의 산성 가스의 제거는 해상의 FPSO(Floating Production Storage and Offloading)에서 천연가스 액화공정의 전처리 공정으로 이루어질 수 있다.
본 실시예는 흡수기의 높이를 높이지 않으면서도 신 가스에 포함된 산성 가스와 아민과의 접촉 시간 및 접촉 면적을 늘릴 수 있어 반응 효율이 높으므로, 해상에 마련되어 해상 환경이나 파고 등의 영향을 받으면서 육상에 비해 공간적 제약이 큰, FPSO와 같은 해상 플랜트에도 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
이와 같은 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 제1 흡수기
200: 중간 흡수기부
210: 제2 흡수기
220: 열교환기
230: 공급 펌프
300: 인렛 세퍼레이터
400: 아웃렛 세퍼레이터
500: 용매 재생부
510: 플래시 드럼
520: 스트리퍼
530: 리보일러
540: 아민 열교환기
550: 아민 쿨러
560, 570: 필터
580, 590: 펌프

Claims (9)

  1. 천연가스로부터의 산성 가스 제거 시스템에 있어서,
    유입 가스를 아민 계열 용매와 역류(counter-current)시켜 상기 유입 가스로부터 이산화탄소 및 황화수소를 포함한 산성 가스를 선택적으로 흡수하는 제1 흡수기; 및
    상기 제1 흡수기의 측부에 마련되며 상기 제1 흡수기로부터 상기 유입 가스 중 적어도 일부를 공급받아 상기 산성 가스를 추가로 흡수하는 제2 흡수기를 포함하되,
    상기 제2 흡수기를 통과한 상기 유입 가스는 상기 제1 흡수기로 재도입되는 것을 특징으로 하는 산성 가스 제거 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 흡수기의 하류에 마련되어 상기 제1 흡수기로 재도입될 상기 유입 가스의 열 에너지를 흡수하는 열교환기; 및
    상기 열교환기를 통과한 상기 유입 가스를 상기 제1 흡수기로 재도입시키는 공급 펌프를 더 포함하는 산성 가스 제거 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 흡수기의 상류에 마련되어 신 가스(sour gas)로부터 액상의 탄화수소를 제거하고 상기 제1 흡수기의 하부로 상기 유입 가스를 공급하는 인렛 세퍼레이터를 더 포함하는 산성 가스 제거 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 산성 가스의 제거 후 상기 제1 흡수기의 상부로 배출되는 상기 유입 가스를 공급받아 스윗 가스(sweet gas)를 분리하는 아웃렛 세퍼레이터; 및
    상기 제1 흡수기 및 상기 아웃렛 세퍼레이터에서 배출되는 리치 아민(rich amine)을 공급받아 상기 산성 가스를 분리하고 재생하는 용매 재생부를 더 포함하는 산성 가스 제거 시스템.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 용매 재생부는
    제1 흡수기 및 상기 아웃렛 세퍼레이터로부터 상기 리치 아민을 공급받아 탄화수소 성분을 분리하는 플래시 드럼;
    상기 플래시 드럼으로부터 상기 리치 아민을 공급받아 상기 산성 가스를 분리시켜 아민 계열 용매로 재생하는 스트리퍼; 및
    상기 스트리퍼에서 상기 산성 가스의 분리를 위한 열 에너지를 공급하는 리보일러를 포함하는 산성 가스 제거 시스템.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 용매 재생부는
    상기 스트리퍼로 도입될 리치 아민과 상기 스트리퍼에서 재생된 아민 계열 용매가 열교환되는 아민 열교환기; 및
    상기 아민 열교환기에서 열교환된 상기 아민 계열 용매를 냉각하여 상기 제1 흡수기로 공급하는 아민 쿨러를 더 포함하는 산성 가스 제거 시스템.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 산성 가스의 제거는 해상의 FPSO(Floating Production Storage and Offloading)에서 천연가스 액화공정의 전처리 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 산성 가스 제거 시스템.
  8. 천연가스로부터의 산성 가스 제거 방법에 있어서,
    흡수기(absorber)에서 신 가스(sour gas)를 아민 계열 용매와 역류(counter-current)시켜 상기 신 가스로부터 이산화탄소 및 황화수소를 포함한 산성 가스를 선택적으로 흡수하여 제거하되,
    상기 흡수기의 측부에 중간 흡수기를 마련하여, 상기 흡수기로부터 상기 신 가스를 상기 중간 흡수기로 공급하여 아민 계열 용매로 상기 산성 가스를 추가로 제거하여 상기 흡수기로 재도입시키는 것을 특징으로 하는 산성 가스 제거 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 중간 흡수기를 거친 상기 신 가스는 열 교환기를 통과시켜 냉각하여 상기 흡수기로 재도입시키는 것을 특징으로 하는 산성 가스 제거 방법.

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