KR102144193B1

KR102144193B1 - 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물

Info

Publication number: KR102144193B1
Application number: KR1020180141096A
Authority: KR
Inventors: 권수형; 염승종; 박상민; 김유리; 황새봄
Original assignee: 한국조선해양 주식회사; 현대중공업 주식회사
Priority date: 2018-11-15
Filing date: 2018-11-15
Publication date: 2020-08-28
Also published as: KR20200056860A

Abstract

본 발명은 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물에 관한 것으로서, 해양 구조물에 마련되어 가스정으로부터 가스를 공급받아 처리하는 시스템으로서, 상기 가스정에서 생산되는 가스를 냉각하는 냉각부; 냉각된 가스에서 이산화탄소를 분리하기 위해 저온 증류하는 증류부; 이산화탄소가 분리된 가스를 액화하는 액화부; 및 상기 증류부에서 배출되는 기체 상태의 가스를 벤트하는 벤트부를 포함하며, 상기 증류부는, 상기 가스정에서 생산되는 가스와 독립적으로 마련되는 탄화수소인 결빙방지제를 증류칼럼에 주입하여 이산화탄소 결빙을 방지하는 결빙 방지부를 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물{gas treatment system and offshore plant having the same}

본 발명은 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물에 관한 것이다.

최근 환경 규제 등이 강화됨에 따라, 각종 연료 중에서 친환경 연료에 가까운 천연가스(Natural Gas)의 사용이 증대되고 있다. 천연가스는 내륙 또는 해양의 지층에 위치한 가스정(well)으로부터 기체 상태로 추출될 수 있으며, 추출된 천연가스는 수은 제거나 건조, NGL 제거 등과 같은 전처리를 거친 뒤, 보관 및 운송을 위하여 액화 공정을 통해 액화될 수 있다.

천연가스는 냉매와 열교환하면서 비등점(일례로 1기압 하에서 -162℃도) 이하로 냉각되어 액체 상태로 변화할 수 있으며, 액체 상태가 될 경우 기체 상태 대비 부피가 600분의 1로 축소되므로 저장 및 운반 효율이 증대될 수 있다.

위와 같은 액화 공정은 육상의 플랜트나 해상의 FLNG 등에서 이루어질 수 있으며, 액화된 천연가스는 LNG 저장탱크 내에 저장되었다가 소비처로 공급될 수 있다.

일례로 천연가스는 LNG 저장탱크에서 육상의 도시가스시설이나 발전시설 등으로 공급될 수 있고, 또는 LNG 운반선의 카고탱크로 전달되고 LNG 운반선에 의하여 원하는 지역으로 운송될 수 있다.

이때 천연가스는 LNG 저장탱크나 카고탱크에서 배출된 후 기화되어 소비될 수 있으며, 기화 설비는 육상플랜트나 FLNG 등에 구비되거나 또는 천연가스를 소비하는 시설에 구비되어 있을 수 있다.

이와 같이 천연가스는 가스정에서 추출된 후 전처리, 액화 공정, 저장, 운반, 기화 공정 등을 차례로 거치면서 소비되는데, 가스의 생산, 처리 및 공급 등의 안정성 보장과 효율 개선 등을 위하여 다양한 연구 및 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 해상에서 천연가스를 생산하는 과정에서 에너지 사용의 효율성을 높이고, 결빙 등으로 인한 문제 발생을 방지할 수 있는 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 일 측면에 따른 가스 처리 시스템은, 해양 구조물에 마련되어 가스정으로부터 가스를 공급받아 처리하는 시스템으로서, 상기 가스정에서 생산되는 가스를 냉각하는 냉각부; 냉각된 가스에서 이산화탄소를 분리하기 위해 저온 증류하는 증류부; 이산화탄소가 분리된 가스를 액화하는 액화부; 및 상기 증류부에서 배출되는 기체 상태의 가스를 벤트하는 벤트부를 포함하며, 상기 증류부는, 상기 가스정에서 생산되는 가스와 독립적으로 마련되는 탄화수소인 결빙방지제를 증류칼럼에 주입하여 이산화탄소 결빙을 방지하는 결빙 방지부를 갖는 것을 특징으로 한다.

구체적으로, 상기 벤트부는, 배출되는 가스를 감압하는 블로우다운 밸브를 갖고, 상기 결빙 방지부는, 상기 블로우다운 밸브에 의한 감압 시 이산화탄소의 결빙을 방지할 수 있다.

구체적으로, 상기 결빙방지제는, 이산화탄소와 혼합하여 결빙점을 낮출 수 있다.

구체적으로, 상기 가스정에서 생산되는 가스는, 경탄화수소 및 이산화탄소를 주로 포함하고, 상기 결빙방지제는, 중탄화수소일 수 있다.

구체적으로, 상기 결빙방지제는, 이산화탄소보다 비등점이 높은 물질일 수 있다.

구체적으로, 상기 결빙 방지부는, 상기 결빙방지제를 저장하는 결빙방지제 탱크; 및 상기 결빙방지제를 상기 증류칼럼에 공급하는 결빙방지제 펌프를 포함할 수 있다.

구체적으로, 상기 결빙방지제는, 상기 증류칼럼에서 이산화탄소와 함께 분리되며, 상기 결빙 방지부는, 상기 증류칼럼에서 분리된 이산화탄소와 상기 결빙방지제에서 상기 결빙방지제를 분리해내는 세퍼레이터를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 해양 구조물은, 상기 가스 처리 시스템을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물은, 천연가스의 처리 과정에서 극저온 증류, 이산화탄소 분리, 이산화탄소 재주입 등이 효율적이고 안전하게 구현될 수 있도록 하여, 가스 생산 효율성을 극대화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 부분 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 부분 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 부분 개념도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 부분 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 벤트를 설명하는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 부분 개념도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 부분 개념도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 부분 개념도이다.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템에서의 이산화탄소 온도 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템에서의 이산화탄소 온도 그래프이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템에서의 이산화탄소 온도 그래프이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하에서 가스는 LPG, LNG, 에탄 등의 탄화수소로서 비등점이 상온보다 낮은 물질을 의미할 수 있으며, 다만 편의상 본 발명은 LNG(메탄)를 최종적으로 생산 및 저장하는 것으로 한정하여 설명한다. 또한 본 명세서에서 가스는, 용어 표현에도 불구하고 그 상태가 기상으로 한정되지 않는다.

이하에서 고압(HP: High pressure), 저압(LP: Low pressure), 고온, 저온은 상대적인 것으로서, 절대적인 수치를 나타내는 것은 아님을 알려둔다.

본 발명은 이하에서 설명하는 가스 처리 시스템과, 가스 처리 시스템이 탑재된 해양 구조물을 포함할 수 있다. 먼저 본 발명의 해양 구조물에 대해 간략히 설명한다.

해양 구조물은 심해 또는 연안 등에 계류/고정되며, 가스정에서 생산되는 가스를 전달받아 가공, 정제, 액화하여 저장하고 수요처로 공급하는 시설로서, FLNG, FSRU, Fixed Platform 등과 같은 해양플랜트를 의미할 수 있다. 물론 본 발명의 해양 구조물은, 가스의 처리 구성이 탑재될 수 있다면 일반 상선도 포괄하는 개념으로 사용될 수 있다.

해양 구조물은 선체인 헐사이드(Hull side)와 선체 위에 마련되는 탑사이드(Top side)를 포함한다. 해양 구조물의 헐사이드에는 저장 공간이 주로 마련될 수 있고, 일례로 액화가스 저장탱크(GT) 등이 마련된다. 액화가스 저장탱크(GT)는 생산 가스를 정제, 액화하여 저장해두는 구성이며, 가스를 극저온 액체 상태에서 안정적으로 저장하기 위하여 멤브레인 타입으로 마련될 수 있지만, 이로 한정하는 것은 아니다.

액화가스 저장탱크(GT)는 선체의 길이 방향으로 복수 개가 마련될 수 있고, 또한 선체의 좌우 방향으로 둘 이상이 마련될 수 있다. 액화가스 저장탱크(GT)의 수나 배치는, 해양 구조물이 처리해야 하는 생산 가스의 규모에 따라 다양하게 결정될 수 있다.

탑사이드는, 가스를 처리하는 구성을 포함한다. 탑사이드에는 후술할 가스 처리 시스템이 포함될 수 있으며, 가스 처리 시스템의 세부 구성에 대해서는 이하에서 자세히 설명하도록 한다.

헐사이드의 상부에는 탑사이드 외에도 거주구인 선실, 엔진의 배기를 배출하는 엔진 케이싱, 그리고 플레어 타워 등이 더 마련될 수 있지만, 헐사이드 상부면의 대부분은 탑사이드의 설치를 위해 활용될 수 있다.

이하에서는 도 1 내지 도 5를 참고하여 본 발명의 가스 처리 시스템에 대해 자세히 설명한다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 부분 개념도이고, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 벤트를 설명하는 그래프이다.

도 1 내지 도 5를 참고하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 해양 구조물에 마련되어 가스정으로부터 가스를 공급받아 처리하는 시스템으로서, 냉각부(10), 증류부(20), 이산화탄소 처리부(30), 후처리부(40), 액화부(50), 벤트부(60)를 포함한다.

냉각부(10)는, 가스정에서 생산되는 가스를 냉각한다. 가스정에서 생산된 가스는 천연가스의 주성분인 메탄을 포함하고 있지만, 그외에 분리되어야 하는 이산화탄소 등을 내포하고 있다.

특히 가스정이 동남아 등의 열대지방에 위치하는 경우, 지층이 탄산염으로 이루어져 있기 때문에 이산화탄소가 대량으로 발생하게 된다. 이때 생산되는 가스의 30% 이상(크게는 70% 이상)이 이산화탄소로 이루어질 수 있다.

이와 같이 생산가스에 포함되는 이산화탄소는, 천연가스와의 비등점 차이를 이용하여 증류를 통해 분리될 수 있다. 다만 이산화탄소의 비등점은 대기압에서 -60도씨 내외이므로, 냉각부(10)는 생산가스를 냉각하여 이산화탄소는 액상이 되도록 할 수 있다.

이를 위해 냉각부(10)는 예냉기(11), 가스 열교환기(12), 기액분리기(13), 감압밸브(14), 팽창기(15), 보조 열교환기(16)를 포함한다.

예냉기(11)는, 가스정으로부터 연결되는 생산가스 전달라인(L10) 상에 마련되어 각종 냉매(R134a, 질소, 등)를 이용하여 가스를 예냉할 수 있다. 냉각 온도는 앞서 설명한 이산화탄소의 비등점보다 낮은 온도일 수 있지만, 예냉기(11)의 하류에 가스 열교환기(12)가 마련될 수 있으므로, 예냉된 가스의 온도는 이산화탄소의 비등점보다 높을 수 있다.

예냉기(11)에는 냉매를 사용하기 위해 냉매 순환부(111)가 마련될 수 있다. 냉매 순환부(111)는 다양한 종류의 냉매를 압축, 응축, 팽창, 증발 순으로 제어하여 냉매의 증발 시 가스가 냉각되도록 할 수 있다.

냉매 순환부(111)는 냉매 압축기(111a), 냉매 팽창기(111b), 냉매 냉각기(111c)를 구비하여, 상기 구성들은 냉매 순환라인(L111)을 따라 직렬로 마련될 수 있다.

냉매는 냉매 냉각기(111c)에서 응축되고 반대로 예냉기(11)에서 증발된다. 따라서 냉매 냉각기(111c)에서는 냉매에 포함된 열이 폐열로서 방출될 수 있다. 냉매 냉각기(111c)는 냉매 냉각에 외기 또는 냉각수 등을 사용할 수 있으므로, 외기 등을 통해 폐열이 외부로 배출된다. 냉매 냉각기(111c)에 유입되는 외기는 외부로부터 흡입될 수 있고, 냉각수는 별도의 냉각 시스템으로부터 전달되거나 다른 설비를 냉각하는 냉각 시스템으로부터 공유될 수 있다.

이때 배출된 폐열은 가스 처리 공정에서 이산화탄소의 결빙을 방지하는데 사용될 수 있으며, 이에 대해서는 후술한다.

예냉기(11)가 사용할 수 있는 냉매인 R134a는, 프레온 계열로 환경오염의 문제가 야기되며, 또한 kg당 4천원 내외의 가격으로 인해 비용 부담이 발생할 수 있다.

이러한 문제를 해소하기 위해 본 발명은, 이산화탄소를 예냉기(11)의 냉매로 활용한다. 이때 이산화탄소는 가스정에서 생산된 가스로부터 분리된 것일 수 있고, 일례로 증류부(20)에서 분리되는 이산화탄소가 냉매로 활용될 수 있다. 이에 대해서는 증류부(20)를 설명하는 부분에서 자세히 서술한다.

가스 열교환기(12)는, 가스를 서로 열교환하여 냉각한다. 일례로 가스 열교환기(12)는 예냉기(11)에서 예냉된 가스와, 증류부(20)에서 리턴되는 가스 등을 서로 열교환하여, 증류부(20)로 유입되는 가스를 냉각할 수 있다.

이때 가스 열교환기(12)는 예냉기(11)의 하류에 마련된 것으로 도면에 표시되어 있으나, 예냉기(11)의 상류에 가스 열교환기(12)가 마련될 수도 있다.

가스 열교환기(12)는 4개 이상의 스트림을 갖도록 마련될 수 있다. 일례로 가스 열교환기(12)는 예냉기(11)를 거쳐 증류부(20)로 전달되는 생산가스 전달라인(L10)과 나란한 가스 스트림과, 생산가스 전달라인(L10)에서 가스 열교환기(12)의 하류로부터 분기되는 생산가스 리턴라인(L11)과 나란한 가스 스트림과, 증류부(20)에서 배출되는 기체 상태의 가스가 전달되는 기상 전달라인(L21)과 나란한 가스 스트림, 그리고 증류부(20)에서 가스 열교환기(12)로 순환하는 기상 순환라인(L22)과 나란한 가스 스트림을 포함할 수 있다.

이때 생산가스 리턴라인(L11)은 가스 열교환기(12)를 경유한 뒤 후술할 기상 공급라인(L13)과 합류하여 증류부(20)로 연결될 수 있으며, 기상 전달라인(L21)과 기상 순환라인(L22)은 감압에 의해 냉각된 가스가 유동하는 것이어서, 생산가스 전달라인(L10) 상의 가스를 냉각시킬 수 있다.

가스 열교환기(12)의 스트림은 상기로 한정되지 않으며, 일례로 기상 순환라인(L22)은 하나 이상으로 마련될 수도 있다. 즉 가스 열교환기(12)는 5개 이상의 스트림을 구비하는 것도 가능하다.

기액분리기(13)는, 예냉기(11) 및 가스 열교환기(12)에서 차례로 냉각된 가스를 기액분리한다. 이때 분리된 액체 상태의 가스는 이산화탄소가 대부분일 수 있고, 반대로 기체 상태의 가스는 이산화탄소가 제거된 상태일 수 있다.

기액분리기(13)에서 분리되는 액체 상태의 가스 및 기체 상태의 가스 모두 증류부(20)로 연결되며, 액체 상태의 가스는 액상 공급라인(L12)을 통해 전달되고 기체 상태의 가스는 기상 공급라인(L13)을 통해 전달될 수 있다.

이때 액상 공급라인(L12)에는 감압밸브(14)가 마련되고, 기상 공급라인(L13)에는 팽창기(15)가 마련된다. 물론 기액분리기(13)와 증류부(20) 사이에 놓이는 감압밸브(14)와 팽창기(15)는 압력을 낮춘다는 점에서 동일한 기능을 갖는 구성이므로, 서로 교체/혼용될 수 있다.

보조 열교환기(16)는, 증류부(20)에서 기상 전달라인(L21)을 통해 배출되는 기체 상태의 가스와, 생산가스 리턴라인(L11)에서 가스 열교환기(12)를 거친 가스를 열교환시킬 수 있다.

생산가스 리턴라인(L11)을 따라 가스 열교환기(12)를 거쳐 보조 열교환기(16)에서 열교환된 가스는, 생산가스 리턴라인(L11) 상에 마련된 감압밸브(161)를 통해 감압 냉각되어, 기상 공급라인(L13)에 합류될 수 있다. 이때 생산가스 리턴라인(L11)은, 기상 공급라인(L13)에서 팽창기(15)의 하류에 연결될 수 있지만, 이로 한정하는 것은 아니다.

증류부(20)는, 냉각된 가스에서 이산화탄소를 분리하기 위해 극저온 증류한다. 일반적인 증류라 함은 원유에서 LPG, 가솔린, 등유, 경유, 중유, 윤활유 등을 분별 증류하는 것처럼 상온/고온에서 진행하지만, 본 발명에서의 증류는 천연가스에서 이산화탄소를 분리해내야 하는 것으로서, 이산화탄소의 비등점이 극저온임을 고려할 때, 가열이 아닌 냉각 후 증류하게 된다.

따라서 본 발명의 증류부(20)가 수행하는 증류는 극저온 증류로 지칭될 수 있고, 이때 극저온이라 함은 이산화탄소의 비등점보다 낮은 온도를 의미한다. 물론 극저온의 정확한 수치는 한정되지 않으며, 특히 이산화탄소의 비등점이 압력에 따라 달라짐을 고려할 때, 증류부(20)가 전달받는 가스의 온도 역시 고정되지 않는다.

일례로 증류부(20)에 유입되는 가스의 압력은 30bar 내외이며, 냉각부(10)에 의하여 -40도 내외로 냉각된 온도를 가질 수 있다.

증류부(20)는 증류칼럼(21), 터빈(22), 쿨러(23)를 포함할 수 있다. 증류칼럼(21)은 액상 공급라인(L12)과 기상 공급라인(L13)을 통해 유입된 가스를 극저온 증류하여, 가스에서 이산화탄소를 분리해낼 수 있다.

이때 증류칼럼(21)에 의하여 분리된 후 액화부(50)로 전달되는 가스는, 이산화탄소의 비율이 20% 이내, 메탄이 80% 내외로 이루어질 수 있다. 가스에 여전히 포함되어 있는 이산화탄소는 후처리부(40)에 의하여 추가로 분리된다.

증류칼럼(21)에는 가스 순환라인(L20)이 마련되어, 증류칼럼(21)에서의 가스 일부가 냉각부(10)의 가스 열교환기(12)로 전달되었다가 다시 리턴되도록 할 수 있다. 또한 증류칼럼(21)에는 기상 전달라인(L21)이 마련되어, 기체 상태의 가스가 보조 열교환기(16) 및 가스 열교환기(12)를 거쳐 후처리부(40)나 별도의 수요처로 공급되도록 할 수 있다.

또한 증류칼럼(21)에는 기상 순환라인(L22)이 마련되며, 기상 순환라인(L22)은 기체 상태의 가스가 냉각/액화된 후 증류칼럼(21)으로 리턴되도록 하여 이산화탄소의 분리 효율을 높인다.

이때 기상 순환라인(L22)에는 가스의 흐름을 따라 순차적으로 터빈(22), 쿨러(23)가 마련되고, 증류칼럼(21)에서 분리된 저온의 이산화탄소와 열교환하는 이산화탄소 열교환기(33)가 마련될 수 있다.

터빈(22)과 쿨러(23)는 모두 기체 상태의 가스를 냉각하기 위한 구성이며, 터빈(22)은 압력 강하를 통한 냉각, 쿨러(23)는 냉매를 이용한 냉각을 구현할 수 있다. 물론 이산화탄소 열교환기(33)를 이용하여 충분히 이산화탄소가 액화될 수 있다면, 터빈(22)이나 쿨러(23) 중 적어도 어느 하나는 생략 가능하다.

증류칼럼(21)에는 가스 공급라인(L23)이 마련될 수 있으며, 가스 공급라인(L23)은 증류칼럼(21)으로부터 후처리부(40)로 연결된다. 이때 가스 공급라인(L23)으로 유동하는 가스는 메탄 80%, 이산화탄소 20% 등으로 구성되어 이산화탄소의 추가 분리가 필요함은 앞서 설명한 바와 같다.

이산화탄소 처리부(30)는, 증류부(20)에서 분리된 이산화탄소를 처리한다. 특히 이산화탄소 처리부(30)는, 분리된 이산화탄소를 지하의 재주입정으로 재주입할 수 있다.

천연가스의 생산 시 수반되는 이산화탄소의 경우, 양이 많으면 환경규제로 인해 대기로 배출할 수 없는 바, 지하의 재주입정으로 재주입하여 처리할 필요가 있다.

앞서 설명한 바와 같이 동남아 등의 경우 지층이 탄산염으로 이루어져 생산된 가스에 이산화탄소의 비율이 높게 나타나므로, 이산화탄소의 재주입 공정이 필요하다.

이때 재주입정이라 함은, 천연가스가 생산되는 가스정과는 다른 것으로서, 가스가 생산되지 않고 이산화탄소의 주입만 이루어지는 부분이다. 이산화탄소의 주입은 지층 내부의 바텀 홀(BH)을 통해 이루어지고, 바텀 홀(BH)의 상측에는 초크밸브(38)가 설치된 웰 헤드(WH)가 마련될 수 있다.

지층의 압력을 안정적으로 유지하기 위해, 이산화탄소의 재주입 압력을 안정적으로 유지하는 것이 필요하다. 특히 가스 유량이 많아지는 Ramp-up이나 가스 유량이 적어지는 Turndown 상황과 같은 외란에서도 이산화탄소의 재주입 압력을 일정하게 유지해야 한다.

이 경우 웰 헤드(WH)에 마련되는 초크밸브(38)를 이용하면 바텀 홀(BH)로 유입되는 이산화탄소의 압력을 조절할 수 있지만, 초크밸브(38)는 해저에 위치하고 있어 조작이 어렵고 제어 반응속도가 느리다는 문제가 있다.

특히 재주입되는 이산화탄소는 순수 이산화탄소가 아니라 95% 내지 98%의 이산화탄소일 수 있고, 3% 내지 5%만 변화하더라도 phase envelope이 달라져 상이 바뀌면서, 밀도가 변화하여 압력이 변하게 될 수 있다.

따라서 본 발명은 초크밸브(38)에 더하여 제어밸브(35)를 이용하여, 재주입되는 이산화탄소의 압력을 안정화시킬 수 있으며, 이산화탄소 처리부(30)는, 재비기(31), 감압밸브(32), 이산화탄소 열교환기(33), 이산화탄소 펌프(34), 제어밸브(35), 쿨러(36), 초크밸브(38), 제어기(39) 등을 포함한다.

재비기(31)(reboiler)는, 증류칼럼(21)에서 이산화탄소 배출라인(L30)을 통해 분리되는 액상의 이산화탄소를 다시 가열하여 증류칼럼(21)에 유입시킨다. 이산화탄소 배출라인(L30)을 따라 증류칼럼(21)에서 배출된 가스에는 메탄 등이 포함될 수 있으므로, 분리된 이산화탄소를 순수한 이산화탄소에 가깝게 하기 위하여, 재비기(31)를 사용할 수 있다.

감압밸브(32)는, 증류칼럼(21)에서 분리된 이산화탄소를 감압하여 냉각한다. 감압밸브(32)는 본 명세서에서 동일한 표현으로 사용하는 밸브들과 동일/유사하게, 줄-톰슨 밸브로서 줄-톰슨 효과를 이용해 냉각을 구현할 수 있다. 감압밸브(32)에 의해 냉각된 이산화탄소는 이산화탄소 열교환기(33)에서 냉매로 사용될 수 있다.

이산화탄소 열교환기(33)는, 감압된 이산화탄소를 이용하여, 기상 순환라인(L22)을 따라 흐르는 기체 상태의 가스를 냉각한다. 기체 상태의 가스에는 기체 상태의 이산화탄소가 포함될 수 있으므로, 기상 순환라인(L22)으로 유동하는 이산화탄소는 이산화탄소 열교환기(33)에서 저온 액상의 이산화탄소와 열교환해 액화된 후 증류칼럼(21)으로 리턴되어, 메탄으로부터 분리될 수 있다.

이산화탄소 펌프(34)는, 재주입을 위해 이산화탄소를 가압한다. 이산화탄소는 비등점보다는 낮은 온도를 갖고 임계점(critical point)보다는 낮은 압력을 가져서 액상으로 이산화탄소 펌프(34)로 유입될 수 있다.

이때 이산화탄소 펌프(34)는 이산화탄소를 임계점보다 높은 압력(일례로 160bar 내외)으로 가압하여, 가압에 의한 가열이 수반됨에 따라 이산화탄소를 초임계 상태로 변화시킬 수 있다.

이산화탄소 펌프(34)에서 토출되는 이산화탄소는 일례로 161bar에 70 내지 80도씨의 온도를 갖는 초임계 상태일 수 있지만, 초임계 상태에 해당하는 다양한 온도와 압력을 가질 수 있다.

초임계 상태가 되면, 압력이 매우 높고 물성의 급격한 변화가 이루어지는 불안정한 상태가 되기 때문에, 압력 등의 측정이 정확하게 이루어지지 못할 수 있다.

따라서 본 발명은 이산화탄소 펌프(34)를 기점으로 하여 상변화하는 이산화탄소에 대해, 이산화탄소 펌프(34)의 상류에서 이산화탄소의 압력을 측정해 압력 측정의 정확도를 확보할 수 있다.

이를 위해 이산화탄소 배출라인(L30)에서 이산화탄소 펌프(34)의 상류에 트랜스미터(37a)가 마련되어, 트랜스미터(37a)는 액체 상태의 이산화탄소의 압력을 측정할 수 있다.

제어밸브(35)는, 이산화탄소 펌프(34)의 하류에 마련되며, 액체 상태의 이산화탄소에 대한 압력 측정값을 바탕으로 개도가 조절된다. 이산화탄소 펌프(34)에 의하여 재주입정으로 재주입되는 이산화탄소의 압력은 변동될 수밖에 없는데, 제어밸브(35)는 트랜스미터(37a)에 의하여 측정된 압력값의 변화를 토대로 하여, 개도를 조절해 제어밸브(35) 하류에서 이산화탄소의 압력이 안정화되도록 할 수 있다.

따라서 제어밸브(35)를 통해 본 발명은 재주입정에서의 이산화탄소의 압력 변동이 줄어들 수 있으므로, 생산 가스에서 발생하는 이산화탄소의 양이 달라져 재주입 이산화탄소의 압력이 흔들리더라도, 재주입정은 안정한 상태가 될 수 있다.

특히 제어밸브(35)는 이산화탄소 펌프(34) 하류의 초임계 상태 이산화탄소가 아닌, 이산화탄소 펌프(34) 상류의 액체 상태 이산화탄소에 대해 측정된 압력값 변화를 활용하게 되므로, 압력 변화에 보다 정확하고 신속하게 대처할 수 있다.

쿨러(36)는, 초임계 상태의 이산화탄소를 냉각한다. 쿨러(36)는 제한되지 않는 냉매를 활용하여, 70 내지 80도씨의 초임계 상태 이산화탄소를 40도씨 내외로 냉각하여 재주입정으로 전달할 수 있다.

쿨러(36)는 제어밸브(35)의 하류에 마련되므로, 쿨러(36)로 유입되는 이산화탄소의 압력 변동은 감쇄되어 있을 수 있다. 따라서 본 발명은, 쿨러(36)로의 주입 압력을 일정하게 함으로써 쿨러(36)의 피로파괴를 방지해 장비 수명을 연장할 수 있다.

초크밸브(38)는 초임계 상태의 이산화탄소를 지하로 주입한다. 초크밸브(38)는 앞서 설명한 웰 헤드(WH)에 마련되는 것으로서, 심해에 마련될 수 있다. 따라서 초크밸브(38)로는 압력 조절이 민감하고 신속하게 이루어지지 못할 수 있다.

그러나 본 발명은 트랜스미터(37a)의 측정값 변화를 이용해 제어밸브(35)를 통하여 이산화탄소 압력을 안정화시킬 수 있으므로, 이산화탄소 압력 변화에 빠르게 대응할 수 있다.

또한 본 발명은, 트랜스미터(37a)의 측정값 변화를 통해 제어밸브(35)에 더하여 초크밸브(38)를 이용해 이산화탄소의 압력 변동을 줄일 수 있다. 구체적으로 본 발명은, 트랜스미터(37a)의 측정값 변화가 기준범위 이내일 경우, 제어밸브(35)만으로 이산화탄소의 압력 변동을 줄일 수 있다.

반면 트랜스미터(37a)의 측정값 변화가 기준범위 이상일 경우, 제어밸브(35)만으로는 압력 제어가 어려울 정도로 큰 것으로 보고 제어밸브(35)와 초크밸브(38) 중 적어도 초크밸브(38)를 이용하여 이산화탄소의 압력 변동을 줄일 수 있다.

초크밸브(38)는 트랜스미터(37a)의 측정값 변화에 따라 작동할 수 있고, 및/또는 이산화탄소 펌프(34)의 하류에 마련되어 초임계 상태의 이산화탄소의 압력을 측정하는 보조 트랜스미터(37b)의 측정값 변화에 따라 작동할 수 있다.

즉 제어밸브(35)는 트랜스미터(37a)의 측정값 변화가 기준범위 이내이면 이산화탄소의 압력 변동을 줄이며, 트랜스미터(37a)의 측정값 변화가 기준범위 이상이면, 제어밸브(35)와 초크밸브(38) 중 적어도 초크밸브(38)는, 보조 트랜스미터(37b)의 측정값을 바탕으로 개도가 조절되어 이산화탄소의 압력 변동을 줄일 수 있다.

이를 통해 본 발명은, 1차적으로 액체 상태의 이산화탄소에 대한 압력 변화를 바탕으로 쿨러(36) 전단의 제어밸브(35)로 이산화탄소의 압력 변동을 줄이고, 2차적으로 액체 상태/초임계 상태의 이산화탄소에 대한 압력 변화를 바탕으로 초크밸브(38)로 이산화탄소의 압력 변동을 줄여서, 이산화탄소의 압력 변화가 재주입정에 도달하기 전에 탑사이드에서 미리 조절되어 사전에 압력 교란을 차단할 수 있다.

또한 본 발명은 재주입정에 대해 일정한 압력을 유지할 수 있고, 초크밸브(38)의 압력 강하 부담을 감소시켜 초크밸브(38)의 수명을 늘릴 수 있다. 이러한 제어밸브(35) 및 초크밸브(38)의 제어는, 트랜스미터(37a) 등의 측정값을 받는 제어기(39)에 의하여 이루어질 수 있다.

또한 이산화탄소 처리부(30)는, 이산화탄소 배출라인(L30)에서 분기되는 이산화탄소 전달라인(L31)을 구비할 수 있다. 이때 이산화탄소 전달라인(L31)의 분기 지점은 특별히 한정되지 않으며, 이에 대해서는 후술한다.

이산화탄소 전달라인(L31)은, 증류부(20)에서 분리된 이산화탄소를 냉각부(10)로 전달한다. 이산화탄소는 이산화탄소 전달라인(L31)을 통해 예냉기(11)로 전달될 수 있다. 예냉기(11)는 앞서 설명한 바와 같이 R134a를 냉매로 사용할 수 있지만, R134a(kg당 4천원)의 경우 이산화탄소(kg당 2백원) 대비 상당히 고가이므로, 본 발명은 냉매로 R134a를 대신해 이산화탄소를 사용할 수 있다.

이때 냉매 순환부(111)에는 이산화탄소 전달라인(L31)을 통해 이산화탄소가 보충될 수 있다. R134a를 사용할 경우 외부로부터 냉매를 보충하는 시설이 필요하지만, 본 실시예는 생산되는 가스로부터 분리되는 대량의 이산화탄소를 냉매로 사용할 수 있으므로, 별도의 냉매 보충 시설을 사용할 필요가 없다.

증류부(20)에서 분리된 이산화탄소는 냉매 순환부(111)에서 냉매 압축기(111a)의 상류에 보충될 수 있다. 이는 냉매 압축기(111a) 하류의 경우 냉매 압력이 높아 보충이 어려울 수도 있기 때문이다.

다만 냉매 순환부(111)가 이산화탄소를 냉매로 사용하고, 증류부(20)에서 분리된 이산화탄소가 냉매 순환부(111)로 보충되는 경우, 이산화탄소 전달라인(L31)이 분기되는 지점은 이산화탄소 펌프(34)의 하류일 수 있다.

이는 이산화탄소 펌프(34)의 하류에서 이산화탄소의 압력이 높아(일례로 130bar 내외), 냉매 순환부(111)로 충분히 냉매를 전달할 수 있기 때문이다. 따라서 이산화탄소는, 이산화탄소 펌프(34)의 하류에서 별도의 가압 없이 냉매 순환부(111)로 공급될 수 있다.

냉매 순환부(111)에서 사용된 이산화탄소는 다시 이산화탄소 처리부(30)로 리턴될 수 있는데, 다만 냉매로 사용되는 과정에서 냉매 팽창기(111b) 등에 의해 감압될 수 있는바, 리턴되는 이산화탄소에 대해서는 별도의 압축기(도시하지 않음)를 두어 압력을 다시 높여줄 수 있다.

위의 경우와 달리, 증류부(20)에서 분리되어 재주입정으로 공급되는 이산화탄소를 별도의 처리 없이 냉매로 활용할 수도 있다. 즉 예냉기(11)는, 증류부(20)에서 분리되어 이산화탄소 처리부(30)로 전달되는 저온의 이산화탄소가 경유하는 스트림을 가질 수 있다.

이 경우 이산화탄소는, 증류부(20)에서 분리되어 감압밸브(32)에 의해 감압된 후 예냉기(11)를 경유할 수 있으며, 별도의 냉매 순환부(111)는 생략될 수 있다. 이때 이산화탄소 배출라인(L30) 상에서 예냉기(11)가 경유되는 부분은, 감압밸브(32)의 하류일 수 있지만 이로 한정되는 것은 아니다.

이와 같이 본 발명은, 이산화탄소 처리부(30)에 의해 재주입정으로 전달되는 이산화탄소를 예냉기(11)의 냉매로 활용하여, 비싼 냉매를 사용할 필요가 없고 외부로부터 냉매를 보충할 필요가 없어 운영 비용을 대폭 줄일 수 있다.

후처리부(40)는, 증류된 가스에서 이산화탄소를 추가로 분리한다. 증류칼럼(21)에서 이산화탄소가 1차로 분리되지만 여전히 20% 내외의 이산화탄소가 가스에 혼합되어 있을 수 있다.

따라서 후처리부(40)는 화학적 작용 등을 활용하여 가스로부터 이산화탄소를 분리해낼 수 있으며, 도 2 또는 도 3에 나타난 구성을 구비할 수 있다.

먼저 도 2를 참고하면 후처리부(40)는 아민 흡수칼럼(41)과 아민 재생칼럼(42), 아민 열교환기(43), 아민 펌프(44) 등을 포함한다. 증류칼럼(21)에서 배출되어 가스 공급라인(L23)을 따라 액화부(50)로 흐르는 가스는 아민 흡수칼럼(41)을 경유할 수 있다.

아민 흡수칼럼(41)은, 아민을 이용하는 화학적 작용을 통해 가스에서 이산화탄소를 분리해낼 수 있다. 또한 아민 흡수칼럼(41)은 아민 순환부(411)를 두어 아민이 순환되면서 이산화탄소 분리를 수행하도록 할 수 있다.

아민 재생칼럼(42)은, 아민 흡수칼럼(41)에서 이산화탄소의 분리에 사용된 아민을 재활용하기 위하여 처리한다. 아민 재생칼럼(42)에서 분리된 액체 상태의 아민 중 일부는 재비기(422)를 통해 가열 및 순환되어 이산화탄소가 기화되도록 하며, 또 다른 일부는 아민 순환라인(L40)을 따라 아민 펌프(44)에 의해 아민 흡수칼럼(41)으로 전달된 후 다시 리턴될 수 있다.

이때 아민 재생칼럼(42)에서 아민 흡수칼럼(41)으로 전달되는 아민과, 아민 흡수칼럼(41)에서 아민 재생칼럼(42)으로 리턴되는 아민은 아민 열교환기(43)에 의하여 서로 열교환될 수 있다.

반면 아민 재생칼럼(42)에서 분리된 기체 상태의 아민은 이산화탄소 분리부(421)를 통하여 이산화탄소가 분리될 수 있다. 이산화탄소 분리부(421)는 아민을 청수 등으로 열교환(가열)하여 이산화탄소가 기화되도록 하고, 녹아웃 드럼(421a)을 이용해 액상의 아민은 아민 재생칼럼(42)으로 리턴시키고 기상의 이산화탄소는 이산화탄소 분리라인(L41)을 통해 이산화탄소 처리부(30)로 전달할 수 있다.

이러한 일련의 과정을 통해 후처리부(40)는, 아민을 활용하여 가스에 남아있는 이산화탄소를 2차로 제거함으로써, 액화부(50)로 전달되는 가스에 이산화탄소가 충분히 제거되도록 할 수 있다.

반면 위와 달리 도 3을 참고하면, 후처리부(40)는 감압밸브(45), 결빙기(46)를 포함할 수 있다. 앞선 구성의 경우 아민을 이용해 화학적 방법으로 이산화탄소를 분리해내는 반면, 도 3에서의 후처리부(40)는 이산화탄소의 결빙을 이용해 물리적 방법으로 이산화탄소를 분리해낼 수 있다. 물론 본 발명의 후처리부(40)는 도 2 및 도 3의 구성을 조합하여 구비할 수도 있다.

감압밸브(45)는, 증류된 가스를 감압한다. 감압에 의하여 냉각되는 가스 중에서, 이산화탄소는 적어도 일부 액화될 수 있다. 다만 액화부(50)에도 감압밸브(52)가 마련되어 있으므로, 후처리부(40)의 감압밸브(45)가 감압하는 정도는 액화가스 저장탱크(GT)의 내압보다는 높을 수 있다.

감압에 의해 가스가 과도하게 냉각되면 이산화탄소의 결빙이 결빙기(46) 전에 발생할 수도 있어 라인을 막을 수 있다. 따라서 감압밸브(45)는 결빙기(46)와 인접 설치되거나, 감압밸브(45)의 후단이 결빙기(46)의 입구/내부에 바로 연결되도록 마련될 수 있다.

결빙기(46)는, 감압된 가스에 포함된 이산화탄소를 결빙시킨다. 결빙기(46)는 액화질소 등의 냉매를 이용하여 이산화탄소를 결빙시킬 수 있다. 결빙된 이산화탄소는 필터(461)를 거쳐 이물질이 제거된 후, 이산화탄소 결정으로서 이산화탄소 저장탱크(462)에 저장된다.

이산화탄소 저장탱크(462)에 저장된 이산화탄소는, 재주입정으로 재주입하는데 사용되거나 또는 별도의 수요처로 공급될 수 있다. 다만 이산화탄소는 이산화탄소 저장탱크(462)에 결정으로 저장되어 있으므로, 자연 승화한 이산화탄소가 이산화탄소 저장탱크(462)에서 배출되어 이산화탄소 처리부(30)를 통해 재주입정으로 전달되도록 할 수 있다.

도 3의 후처리부(40)를 사용할 경우, 후처리부(40)는 아민을 이용한 이산화탄소의 분리를 생략할 수 있으므로, 아민 흡수칼럼(41)이나 아민 재생칼럼(42)을 구비할 필요가 없다. 따라서 이 경우 공정 전체의 에너지 소모 감소, 유지보수 비용 절감 등의 효과를 얻을 수 있다.

또한 후술하겠으나, 본 실시예의 감압밸브(45), 결빙기(46) 등은 블로우다운을 위한 벤트부(60)의 구성으로 사용될 수도 있다.

액화부(50)는, 이산화탄소가 분리된 가스를 액화한다. 액화부(50)는 가스 액화라인(L50)을 따라 흘러서 후처리부(40)를 거친 뒤 가스 액화라인(L50)을 통해 유입되는 가스를 전달받으며, 이산화탄소의 2단계 분리에 의하여 메탄의 비율이 대부분을 차지하게 된 가스를 액화시킬 수 있다.

액화부(50)는 액화기(51), 감압밸브(52), 플래시드럼(53)을 포함한다. 액화기(51)는 냉매를 이용하여 가스를 액화하며, 예냉기(11)에서와 동일/유사하게 냉매 공급부(511)를 구비할 수 있다.

냉매 공급부(511)는, 냉매 압축기(511a), 냉매 팽창기(511b), 냉매 탱크(511c) 등으로 이루어질 수 있으며, 냉매 냉각기(도시하지 않음)가 추가될 수 있음은 물론이다.

액화부(50)로 유입되는 가스는 30bar 내외일 수 있는데(후처리부(40)가 아민을 사용하는 경우), 이때 가스의 비등점은 대기압에서의 비등점보다 높을 수 있으므로, 액화부(50)는 가스를 대기압에서의 비등점보다 높은 온도로 냉각하더라도 적어도 일부의 가스가 액화될 수 있다.

감압밸브(52)는, 액화부(50)에 의해 냉각된 가스를 감압하여, 줄-톰슨 효과를 통해 추가로 냉각할 수 있다. 이때 감압밸브(52)는 액화가스 저장탱크(GT)의 내압에 대응되는 수준(일례로 대기압 내외)까지 가스의 압력을 떨어뜨려서, 가스가 적어도 대부분 액화되도록 할 수 있다.

플래시드럼(53)은, 감압밸브(52)에서 감압되더라도 액화되지 않은 일부 성분(질소 등)을 플래시가스로서 플래시가스 배출라인(L51)을 따라 외부로 배출할 수 있다. 이때 플래시가스 배출라인(L51)은 대기로 연결되거나 별도의 수요처로 연결될 수 있다.

일례로 플래시가스는 질소 등을 포함하고 있으므로, 플래시가스를 예냉기(11)의 냉매로 활용할 수도 있다. 즉 예냉기(11)에 연결된 냉매 순환부(111)에는, 플래시가스가 보충되도록 라인이 연결될 수 있다.

플래시드럼(53)에서 분리된 액상의 가스는 액화가스 저장탱크(GT)로 전달되어 저장되며, 저장된 가스는 최종 생산물로서 취급될 수 있다. 이후 가스는 가스 운반선에 의하여 운송될 수 있다.

벤트부(60)는, 증류부(20)에서 배출되는 기체 상태의 가스를 벤트한다. 벤트부(60)는 공정이 멈추는 셧다운(shut-down) 상황 등에서 가스를 외부로 방출하는 블로우다운(blowdown)을 구현할 수 있다.

다만 증류부(20)로 유입된 가스의 압력은 30bar 내외로 대기압보다 높으므로, blowdown 시 벤트부(60)는 배출되는 가스를 감압하여 벤트라인(L60)을 따라 외부(일례로 대기)로 내보낼 수 있다.

벤트부(60)는 블로우다운 밸브(61), 히터(62), 온도센서(63)를 포함한다. 블로우다운 밸브(61)는 blowdown되는 가스의 압력을 낮춘다. 이 경우 감압이 발생하게 되어, 배출되는 가스는 냉각됨에 따라 이산화탄소의 결빙 우려가 있다.

이를 해소하기 위해 벤트부(60)는 히터(62)를 마련할 수 있다. 히터(62)는 블로우다운 밸브(61)의 상류 및/또는 하류에 마련되어, 다양한 열원을 활용하여 가스를 가열함으로써, 블로우다운 밸브(61)로 인해 가스의 압력이 떨어지면서 냉각될 경우 이산화탄소의 결빙을 방지할 수 있다.

이때 히터(62)는, 냉각부(10)에서 가스의 냉각에 사용된 냉매의 폐열을 이용할 수 있다. 냉각부(10)의 예냉기(11)에는 냉매 순환부(111)가 마련되고, 냉매 순환부(111)에는 냉매를 냉각하기 위한 냉매 냉각기(111c)가 마련되는데, 냉매 냉각기(111c)에서 냉매는 냉각되면서 외기 또는 냉각수에 폐열을 전달할 수 있다.

이 경우 히터(62)에는 외기 또는 냉각수가 전달되는 폐열 전달라인(L112)이 연결되며, 히터(62)는 폐열을 전달받은 외기 또는 냉각수를 배출되는 가스와 열교환하여, 가스를 가열해 이산화탄소의 결빙을 억제할 수 있다. 이때 가스를 가열하면서 냉각되는 외기 또는 냉각수는 외부로 버려지거나 또는 냉매 냉각기(111c)로 순환되어 재사용될 수 있지만, 유동을 위와 같이 한정하는 것은 아니다.

또는 히터(62)는, 가스의 가열을 위하여 벤트되는 가스의 흐름을 둘러싸는 라인 형태로 마련될 수 있고, 벤트라인(L60)을 감싸서 이중관 구조를 이룰 수도 있다.

물론 냉매의 폐열은 이산화탄소의 결빙을 방지하기 위해 히터(62) 외에도 다양한 부분에서 사용될 수 있음을 알려둔다.

또한 본 발명은, 블로우다운 밸브(61)의 개도를 제어하여 이산화탄소의 결빙을 억제할 수 있다. 이를 위해 벤트라인(L60)에는 블로우다운 밸브(61)의 상류 또는 하류에 가스의 온도를 측정하는 온도센서(63)가 마련되며, 블로우다운 밸브(61)는 배출되는 가스의 온도가 기설정값 이하이면, 개도를 높여 가스에 포함된 이산화탄소의 결빙을 방지할 수 있다.

블로우다운 밸브(61)가 가스를 감압하는 만큼 가스에는 냉각이 이루어지므로, 블로우다운 밸브(61)가 가스를 감압하는 정도를 낮추면, 가스의 온도 하강이 억제될 수 있다.

다만 블로우다운 초기 배출 시 블로우다운 밸브(61)가 개도를 높여 감압 정도를 낮추게 되면, 배출되는 가스의 유량과 유속이 강해 문제될 수 있다.

따라서 도 5에 나타난 바와 같이, 초기 배출 시 블로우다운 밸브(61)는 배출되는 가스를 정상 범위로 감압하되 히터(62)를 이용하여 가스에 포함된 이산화탄소의 결빙을 방지하고, 온도센서(63)의 측정값이 기설정값(일례로 -60도씨) 이하이면 블로우다운 밸브(61)의 개도를 높여 감압에 의한 냉각을 줄여서 이산화탄소 결빙을 방지할 수 있다.

또한 온도센서(63)의 측정값이 기설정값 이하이면 블로우다운 밸브(61)의 개도를 높이는 동시에 히터(62)를 이용함으로써, 벤트라인(L60)에서의 이산화탄소 결빙을 효과적으로 억제할 수 있다.

다만 블로우다운 밸브(61)의 개도를 높이는 시점은 가스의 측정 온도에 의해 결정될 수 있지만, 가스의 압력이나 유량 등에 의해서도 결정될 수 있으므로, 온도센서(63)는 기타 다른 센서로 대체되거나 병행될 수 있다.

이 경우 블로우다운 밸브(61)는, 센서에 의해 가스의 온도/압력/유량 등이 기설정값 이하로 측정되면, 개도가 확장되어 줄-톰슨 효과를 줄여 가스의 냉각을 억제함으로써, 결빙 방지를 구현할 수 있다. 이러한 센서의 측정값에 따른 블로우다운 밸브(61) 및 히터(62)의 제어는 제어기(64)에 의해 이루어질 수 있다.

이와 같이 본 발명은, 가스를 생산하는 과정에서 이산화탄소의 결빙을 방지하면서, 안정적인 운용이 가능하도록 하여 에너지 절감, 비용 절감 등의 효과를 거둘 수 있다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 부분 개념도이다.

이하에서는 본 실시예가 앞선 실시예 대비 달라지는 점 위주로 설명하도록 하며, 이하에서 설명을 생략하는 부분은 앞선 내용으로 갈음한다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 해양 구조물에 마련되어 가스정으로부터 가스를 공급받아 처리하는 시스템이라는 점에서는 앞선 내용과 동일하나, 이산화탄소 처리부(30)에서 앞선 내용과 달라질 수 있다.

본 실시예에서 이산화탄소 처리부(30)는, 증류부(20)에서 분리되는 이산화탄소를 가스의 냉각에 활용할 수 있다. 즉 이산화탄소 처리부(30)는, 증류부(20)에서 분리된 이산화탄소 중 적어도 일부로, 증류부(20)에 유입되는 가스를 냉각할 수 있다.

이를 위해 이산화탄소 처리부(30)는, 가스와 이산화탄소를 열교환하는 이산화탄소 열교환기(33)를 포함한다. 이산화탄소 열교환기(33)는 냉각부(10)에 포함되는 예냉기(11)와 가스 열교환기(12)와 함께, 증류부(20)의 상류에서 가스의 냉각을 구현할 수 있다.

이때 이산화탄소 열교환기(33)는 예냉기(11) 및 가스 열교환기(12)와 직렬로 마련될 수 있다. 일례로 도면과 같이 이산화탄소 열교환기(33)는 생산가스 전달라인 상에서, 예냉기(11)의 하류 및 가스 열교환기(12)의 상류에 마련될 수 있다. 물론 본 실시예가 이산화탄소 열교환기(33)의 배치를 상기로 한정하는 것은 아니다.

일례로 이산화탄소 열교환기(33)는, 도면과 달리 예냉기(11) 또는 가스 열교환기(12) 중 적어도 어느 하나와 일체로 마련되는 것도 가능하다. 이 경우 가스 열교환기(12)는 도면 대비 이산화탄소의 스트림이 추가된 형태로 마련될 수 있다.

이산화탄소 처리부(30)는 증류칼럼(21)에서 분리되는 이산화탄소 중 일부를 이산화탄소 열교환기(33)로 전달하여 가스의 냉각에 활용할 수 있고, 또한 증류칼럼(21)에서 분리되는 이산화탄소 중 나머지는 가스와 열교환하지 않고 재주입정으로 전달할 수 있다.

이를 위해 이산화탄소 배출라인(L30)은, 증류부(20)에서 재주입정으로 연결되면서 부분적으로 병렬로 마련되어, 일측은 이산화탄소 열교환기(33)를 경유하고 타측은 이산화탄소 열교환기(33)를 우회하도록 마련된다.

이때 증류칼럼(21)의 하류에서 분기되는 이산화탄소 배출라인(L30)은, 이산화탄소 열교환기(33)를 경유하는 제1 이산화탄소 배출라인(L30a)과, 이산화탄소 열교환기(33)를 우회하는 제2 이산화탄소 배출라인(L30b)으로 지칭될 수 있으며, 제1 이산화탄소 배출라인(L30a) 및 제2 이산화탄소 배출라인(L30b)은, 재주입정의 상류에서 합류되어 재주입정으로 공급될 수 있다.

다만 이산화탄소의 재주입을 위해서는 이산화탄소를 일정 압력 이상으로 높여주어야 하므로, 제1 이산화탄소 배출라인(L30a)과 제2 이산화탄소 배출라인(L30b) 각각에 이산화탄소 가압수단이 마련될 수 있다.

일례로 제1 이산화탄소 배출라인(L30a)에는, 가스에 의해 가열되면서 기화된 이산화탄소를 압축하기 위해, 다단(일례로 4단 내외)의 이산화탄소 압축기(331) 및 인터쿨러(332)가 마련될 수 있다. 반면 제2 이산화탄소 배출라인(L30b)에는 증류칼럼(21)에서 분리된 액상의 이산화탄소를 압축하기 위해 이산화탄소 펌프(334)가 마련된다.

물론 제1 이산화탄소 배출라인(L30a)과 제2 이산화탄소 배출라인(L30b)이 합류된 지점의 하류에 하나의 이산화탄소 가압수단이 마련되는 것도 가능하나, 이 경우 이산화탄소는 기액 혼합 상태일 수 있어서, 캐비테이션 문제로 인해 이산화탄소 펌프(334)는 사용될 수 없고 다단의 이산화탄소 압축기(331)가 사용될 수 있다.

이와 같은 본 실시예는, 증류칼럼(21)에서 분리되는 이산화탄소 중 일부를 이용하여 증류칼럼(21)으로 유입되는 가스를 냉각하게 되는데, 이때 가스의 냉각에 사용되는 이산화탄소가 기화되기 때문에, 이산화탄소의 재주입을 위해 이산화탄소를 압축하려면 이산화탄소 압축기(331)가 필수적이다.

이산화탄소 압축기(331)는 4단 등의 다단으로 마련되는데, 이산화탄소 압축기(331)를 이용하여 재주입에 적합한 압력까지 압축하기 위해서는, 많은 에너지가 필요하다는 한계가 있다.

이러한 한계에 대해서 본 발명은, 이하에서 설명하는 실시예를 통해 해결하였다.

도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 부분 개념도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 제2 실시예와 대비할 때 이산화탄소 처리부(30)가 이산화탄소 액화부 등을 포함할 수 있다.

본 실시예의 이산화탄소 처리부(30)는, 증류칼럼(21)에서 분리된 일부의 이산화탄소의 냉열을 가스에 전달하고, 증류칼럼(21)에서 분리된 나머지의 이산화탄소는 냉열 전달 없이 재주입정으로 전달한다는 점에서, 앞선 실시예와 동일하다.

그러나 본 실시예의 이산화탄소 처리부(30)는, 이산화탄소 냉열을 가스로 전달하면서도, 많은 전력을 소모하는 이산화탄소 압축기(331)를 생략할 수 있다는 점에서 차이가 있다.

구체적으로 이산화탄소 처리부(30)는, 제1 이산화탄소 배출라인(L30a)을 따라 흐르면서 이산화탄소 열교환기(33)에서 가스와 열교환해 가열된 이산화탄소를 액화하는 이산화탄소 액화기(333)를 더 포함할 수 있다.

이산화탄소 액화기(333)는, 증류칼럼(21)에서 분리된 후 이산화탄소 열교환기(33)에서 가스에 의해 냉열을 빼앗긴 이산화탄소를 냉각하여 액화시킬 수 있다. 이때 이산화탄소 액화기(333)는 제1 이산화탄소 배출라인(L30a)이 경유하도록 마련될 수 있으며, 제2 이산화탄소 배출라인(L30b)은 이산화탄소 열교환기(33) 및 이산화탄소 액화기(333)를 우회하도록 마련될 수 있다.

이산화탄소 액화기(333)는, 냉매를 이용하여 이산화탄소를 냉각할 수 있고, 이때 이산화탄소 액화기(333)에는 냉개 순환라인(L111)이 분기 연결됨에 따라 냉각부(10)의 예냉기(11)에서 사용되는 냉매가 이산화탄소 액화기(333)에서 공유될 수 있지만, 이로 한정되는 것은 아니다. 즉 이산화탄소 액화기(333)는 가스에 의해 기화된 이산화탄소의 냉각이 가능하다면 냉매의 제한을 두지 않으며, 더 나아가 냉각 방식 역시 제한하지 않는다.

이산화탄소 액화기(333)를 둠에 따라 본 실시예는, 이산화탄소 열교환기(33)에서 가스에 의해 기화된 이산화탄소가 액화되도록 함으로써, 이산화탄소 압축기(331)를 생략할 수 있다.

즉 본 실시예는 이산화탄소 액화기(333)가 이산화탄소 열교환기(33)를 경유하면서 기화된 이산화탄소를 액화시켜서, 이산화탄소 열교환기(33)를 우회한 액상의 이산화탄소에 액상으로 혼합되도록 할 수 있으므로, 이산화탄소 펌프(334)만 이용하더라도 이산화탄소를 재주입하기 위한 압력으로 가압할 수 있다.

이때 이산화탄소 펌프(334)는 이산화탄소 액화기(333)의 하류에 마련될 수 있고, 일례로 제1 이산화탄소 배출라인(L30a)과 제2 이산화탄소 배출라인(L30b)에 각각 이산화탄소 펌프(334, 34)가 마련되거나, 제1 이산화탄소 배출라인(L30a) 및 제2 이산화탄소 배출라인(L30b)의 합류지점 하류에 공동의 이산화탄소 펌프(334, 34)가 마련될 수 있다.

이와 같이 본 실시예는, 증류칼럼(21)에서 분리된 이산화탄소가 저온임을 고려하여, 가스와 열교환되어 기화된 이산화탄소를 액화한 뒤 이산화탄소 펌프(334)를 이용해 승압하여 재주입함으로써, 이산화탄소 압축기(331)를 생략해 전체 공정에 필요한 장비의 대수를 줄이고, 탑사이트에서 장비가 차지하는 면적(Foot print)을 축소하는 동시에, 이산화탄소 압축기(331)보다 제어로직이 단순한 이산화탄소 펌프(334)를 활용하여 제어의 효율성을 보장할 수 있다.

도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 부분 개념도이고, 도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템에서의 이산화탄소 온도 그래프이며, 도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템에서의 이산화탄소 온도 그래프이다. 또한 도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템에서의 이산화탄소 온도 그래프이다.

이하에서 도 8 내지 도 11을 참조하여 설명하는 본 발명의 제4 실시예에 따른 가스 처리 시스템(1)은, 이산화탄소 결빙을 방지한다는 목적에서는 앞선 일부 실시예와 유사하나, 벤트부(60) 뿐만 아니라 증류칼럼(21)에서의 이산화탄소 결빙도 가능하다는 점에서 차이가 있고, 구성에서 차이가 있다. 이하에서 본 실시예가 갖는 특징에 대해 중점적으로 설명한다.

본 실시예의 증류부(20)는, 이산화탄소 결빙을 방지하기 위해 결빙 방지부(24)를 구비할 수 있다. 이때 결빙 방지부(24)는, 결빙방지제를 증류칼럼(21)에 주입하여 이산화탄소의 결빙을 방지한다.

벤트부(60)는 배출되는 가스를 블로우다운 밸브(61)로 감압하게 되므로, 감압하는 과정에서 가스에 포함된 이산화탄소의 온도가 결빙점(freezing point) 이하로 떨어져서 이산화탄소의 결빙이 발생할 수 있다.

블로우다운(Blowdown) 시 이산화탄소의 결빙으로 인한 라인 막힘(특히 블로우다운 밸브(61)의 하류에 마련될 수 있는 오리피스의 좁은 유로를 막음) 가능성은 중요한 문제 중 하나인데, 이산화탄소의 비율이 높은 가스정의 경우, 상변화에 대한 열역학적 거동이 복잡하여 고체 이산화탄소의 생성을 예측하는 것이 어렵기 때문에, 이산화탄소의 결빙 방지를 위하여 과도설계가 이루어지는 경우가 잦다.

그러나 본 실시예는, 이산화탄소가 포함되는 가스의 안전하고 안정적인 블로우다운을 위해, 증류칼럼(21) 내로 결빙방지제를 주입하여 블로우다운 밸브(61)에 의한 감압 시는 물론이고 증류칼럼(21) 내부에서의 이산화탄소의 결빙을 억제할 수 있다.

이때 결빙방지제는, 가스정에서 생산되는 가스와 독립적으로 마련되는 탄화수소 물질일 수 있으며, 가스정에서 생산되는 가스가 경탄화수소(메탄, 에탄, 프로판 등) 및 이산화탄소를 주로 포함할 때, 결빙방지제는 분자당 탄소 수가 6개 이상인 중탄화수소(헥산, 헵탄, 옥탄 등 알칸 또는 시클로알칸)일 수 있다.

이러한 결빙방지제는 이산화탄소와 혼합하여 Chemical potential(μ= μ0+RT ln(x))을 변경할 수 있는데, 구체적으로 결빙방지제는 이산화탄소와 혼합되면서 Chemical potential을 하강시켜서, 결빙점을 낮출 수 있다(반면 비등점은 상승한다.).

결빙방지제는 이산화탄소보다 비등점이 높은 물질일 수 있고, 결빙방지제 탱크(241)에 저장되어 있을 수 있다. 이때 결빙방지제 탱크(241) 내/외에는 액상의 결빙방지제를 증류칼럼(21)으로 공급하기 위한 결빙방지제 펌프(242)가 마련된다.

증류칼럼(21)으로 유입되는 결빙방지제는, 증류칼럼(21)에서의 저온 증류 시 이산화탄소와 함께 분리될 수 있으며, 이산화탄소와 혼합된 결빙방지제는 세퍼레이터(243)로 유입된 후 이산화탄소와 분리될 수 있다.

이때 세퍼레이터(243)에서 분리된 결빙방지제는, 결빙방지제 탱크(241)로 리턴되어 재사용이 가능하며, 이를 위해 결빙방지제 탱크(241)에서 증류칼럼(21), 세퍼레이터(243)를 순환 연결하는 결빙방지제 순환라인(L24)이 마련된다.

이하에서는 도 9 내지 도 11을 다시 참조하여 결빙방지제의 효과에 대해 설명한다. 참고로 도 9 및 도 10에서 RO DS라 함은 블로우다운 밸브(61)의 하류지점(Restriction Orifice의 하류지점)을 의미하고, vessel은 증류칼럼(21)을 의미하며, 도 11은 증류칼럼(21) 내부의 상평형도를 의미한다.

먼저 도 9를 참조하면, 결빙방지제를 사용하지 않는 경우, 증류칼럼(21) 내에서는 온도가 약 -57.5도씨, 압력이 5.1barg에 도달하는 시점에서 고체 이산화탄소(드라이아이스)가 발생함을 확인할 수 있었다.

그러나 도 10을 참조하면, 결빙방지제를 사용하는 본 실시예의 경우, 증류칼럼(21) 내부가 최저온도인 -76.6도씨까지 내려가는 상황에서도 고체 이산화탄소가 확인되지 않으며, 벤트라인(L60)(최저 온도는 -79도씨)에서의 고체 이산화탄소 역시 확인되지 않는다(외기온도 21도씨 적용 시 결과임).

즉 본 실시예는, 가스정에서 생산되는 가스와 독립적으로 마련되는 중탄화수소의 결빙방지제를 증류칼럼(21)에 직접 주입함으로써, 증류칼럼(21) 내부 등에서의 이산화탄소 결빙을 충분히 억제할 수 있다.

이 경우 도 11에 나타난 바와 같이, 블로우다운 시작 지점부터 블로우다운 종료 지점까지, 증류칼럼(21) 내부의 이산화탄소는 결빙생성곡선을 우회하게 되어, 고체 이산화탄소가 발생하지 않음을 확인할 수 있다.

또한 본 실시예는 결빙방지제가 주입됨에 따라 결빙점이 변화된 증류칼럼(21) 내부로부터 기체 상태의 가스를 벤트시키게 되므로, 블로우다운 밸브(61)를 거쳐 벤트되는 가스에서도 결빙이 방지될 수 있다.

다만 결빙방지제는, 결빙점 저하 효과를 높이기 위해서, 중탄화수소에 사이클로헥산(cyclohexane)을 혼합해 사용할 수 있다.

사이클로헥산을 중탄화수소에 적절히 혼합해 액상 결빙방지제로 사용이 가능하고, 또한 수분에 의해 탄소가 가수분해되어 증류칼럼(21)을 부식시키는 CCl4(Carbon Tetrachloride)와 달리 안정성이 높다는 특징을 가진다.

더 나아가 사이클로헥산은, Freezing point depression constants(Kf, ℃/molal)가 약 20.0 내외로 벤젠(Kf=5.12)이나 페놀(Kf=7.27) 등과 대비할 때 매우 높은 편이어서, 효과적으로 결빙점 변경이 가능하다.

이와 같이 본 실시예는, 가스정에서 생산되는 가스에 별도의 결빙방지제를 주입하여 이산화탄소의 결빙점을 변화시켜서, 증류칼럼(21) 내부의 이산화탄소 결빙을 효과적으로 방지하는 것을 목적으로 한다.

증류 칼럼(21)에 열선으로 열을 공급해 드라이아이스를 녹이는 방안 적용 시 추가 전기 에너지가 소모될 뿐만 아니라, 열을 공급하더라도 증류 칼럼(21)에 충분히 전달되었는지, 증류 칼럼(21) 내 드라이아이스가 완전히 녹았는지 판별하는 것이 쉽지 않는 문제점이 있으나, 본 실시예는 위와 같은 결빙방지제 적용으로 증류 칼럼(21) 내 결빙 발생에 따른 문제를 간단히 해소할 수 있다.

본 발명은 상기에서 설명한 실시예로 한정되지 않으며, 상기 실시예들의 조합 또는 상기 실시예 중 적어도 어느 하나와 공지 기술의 조합을 또 다른 실시예로서 포함할 수 있음은 물론이다.

이상에서는 본 발명의 실시예들을 중심으로 본 발명을 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 기술내용을 벗어나지 않는 범위에서 실시예에 예시되지 않은 여러 가지의 조합 또는 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 실시예들로부터 용이하게 도출가능한 변형과 응용에 관계된 기술내용들은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1: 가스 처리 시스템 GT: 액화가스 저장탱크
WH: 웰 헤드 BH: 바텀 홀
10: 냉각부 L10: 생산가스 전달라인
L11: 생산가스 리턴라인 L12: 액상 공급라인
L13: 기상 공급라인 11: 예냉기
111: 냉매 순환부 111a: 냉매 압축기
111b: 냉매 팽창기 111c: 냉매 냉각기
L111: 냉매 순환라인 L112: 폐열 전달라인
12: 가스 열교환기 13: 기액분리기
14: 감압밸브 15: 팽창기
16: 보조 열교환기 161: 감압밸브
20: 증류부 L20: 가스 순환라인
L21: 기상 전달라인 L22: 기상 순환라인
L23: 가스 공급라인 21: 증류칼럼
22: 터빈 23: 쿨러
24: 결빙 방지부 241: 결빙방지제 탱크
242: 결빙방지제 펌프 243: 세퍼레이터
L24: 결빙방지제 순환라인 30: 이산화탄소 처리부
L30: 이산화탄소 배출라인 L30a: 제1 이산화탄소 배출라인
L30b: 제2 이산화탄소 배출라인 L31: 이산화탄소 전달라인
31: 재비기 32: 감압밸브
33: 이산화탄소 열교환기 331: 압축기
332: 인터쿨러 333: 이산화탄소 액화기
334: 이산화탄소 펌프 35: 제어밸브
36: 쿨러 37a: 트랜스미터
37b: 보조 트랜스미터 38: 초크밸브
39: 제어기 40: 후처리부
L40: 아민 순환라인 L41: 이산화탄소 분리라인
41: 아민 흡수칼럼 411: 아민 순환부
42: 아민 재생칼럼 421: 이산화탄소 분리부
421a: 녹아웃 드럼 422: 재비기
43: 아민 열교환기 44: 아민 펌프
45: 감압밸브 46: 결빙기
461: 필터 462: 이산화탄소 저장탱크
50: 액화부 L50: 가스 액화라인
L51: 플래시가스 배출라인 51: 액화기
511: 냉매 공급부 511a: 냉매 압축기
511b: 냉매 팽창기 511c: 냉매 탱크
52: 감압밸브 53: 플래시드럼
60: 벤트부 L60: 벤트라인
61: 블로우다운 밸브 62: 히터
63: 온도센서 64: 제어기

Claims

해양 구조물에 마련되어 가스정으로부터 가스를 공급받아 처리하는 시스템으로서,
상기 가스정에서 생산되는 가스를 냉각하는 냉각부;
냉각된 가스에서 이산화탄소를 분리하기 위해 저온 증류하는 증류부;
이산화탄소가 분리된 가스를 액화하는 액화부; 및
상기 증류부에서 배출되는 기체 상태의 가스를 벤트하는 벤트부를 포함하며,
상기 증류부는,
상기 가스정에서 생산되는 가스와 독립적으로 마련되는 탄화수소인 결빙방지제를 증류칼럼에 주입하여 이산화탄소 결빙을 방지하는 결빙 방지부를 가지며,
상기 결빙방지제는, 상기 증류칼럼에서 이산화탄소와 함께 분리되며,
상기 결빙 방지부는, 상기 증류칼럼에서 분리된 이산화탄소와 상기 결빙방지제에서 상기 결빙방지제를 분리해내는 세퍼레이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 벤트부는, 배출되는 가스를 감압하는 블로우다운 밸브를 갖고,
상기 결빙 방지부는, 상기 블로우다운 밸브에 의한 감압 시 이산화탄소의 결빙을 방지하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 결빙방지제는,
이산화탄소와 혼합하여 결빙점을 낮추는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 가스정에서 생산되는 가스는, 경탄화수소 및 이산화탄소를 포함하고,
상기 결빙방지제는, 중탄화수소인 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 결빙방지제는,
이산화탄소보다 비등점이 높은 물질인 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 결빙 방지부는,
상기 결빙방지제를 저장하는 결빙방지제 탱크; 및
상기 결빙방지제를 상기 증류칼럼에 공급하는 결빙방지제 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
삭제
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 상기 가스 처리 시스템을 갖는 것을 특징으로 하는 해양 구조물.