KR102612287B1 - 천연 가스 제조 장치 및 천연 가스 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

천연 가스 제조 장치는, 과냉각 상태의 압축 액화 천연 가스(LNG)를 원료로서, 원료 공급부(101), 제1 열 교환기(1), 제2 열 교환기(2), 제1 기화기(3) 및 제1 팽창 터빈(4)을 통하여, 그런 다음, 다시 제2 열 교환기(2)를 통하여, 제1 증류탑(7)으로 도입하는 원료 공급부(101)를 구비한다. 제1 증류탑(7)의 헤드로부터 도출된 메탄-리치 가스 성분이 천연 가스로 전달된다. 제1 증류탑(7)의 바닥에 저장된 액체 성분은 제2 증류탑(9)으로 도입된다. 제2 증류탑(9)의 헤드로부터 도출된 메탄-리치 가스 성분이 천연 가스로서 전달된다. 천연 가스 액체가 제2 증류탑(9)의 바닥으로부터 전달된다.

Description

천연 가스 제조 장치 및 천연 가스 제조 방법
본 발명은 필터에 관한 것이다 본 발명은 액화 천연 가스를 원료로 사용하는 천연 가스 제조 장치와, 천연 가스 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 천연 가스 액체를 회수하면서 요구되는 압력(예를 들면, 6 MPa 내지 10 MPa와 같은 고압)으로 천연 가스를 공급할 수 있는 천연 가스 제조 장치 및 유용한 공급 방법에 관한 것이다.
천연 가스(NG)는 운송 및 저장의 편의를 위해 액화 천연 가스(LNG)로 저장되며, 주로 화력 발전 또는 도시 가스에 사용되기 전에 기화된다. 셰일 가스 붐 이후, LNG 현물 시장에서 저렴한 LNG가 이용 가능하게 되었으며, 상이한 원산지 국가로부터의 LNG를 사용하는 사례가 증가하고 있다. 예를 들어, NG가 발전 연료로서 사용되는 경우, 100% 메탄은 연소 에너지를 증가시켜 발전을 증가시키는 데에 상당히 편리하다. 다른 한편으로는, 에탄과 같이 탄소가 많은 성분(이하, 때때로 '에탄 과 같은'이라고 함)은, 화학 플랜트에서 원료로서 가치가 있는 것 이외에도, 고열량 LNG로서 사용하여 액체 프로판 가스(LPG)의 사용을 절약할 수 있는 장점을 갖는다. 이러한 상황을 반영하면, LNG를 메탄-리치 NG 가스 및 에탄과 같은 성분으로 분리하기 위한 에너지 효율이 높은 공정을 제공하는 것이 LNG 소비 위치(LNG 수용 터미널)에서 요구된다.
LNG로부터 천연 가스 액체(NGL)를 추출하여 NG를 공급하는 기술의 목적은 주로 발전소 및 파이프 라인으로 공급되는 연료 가스의 발열량을 조절하는 것인데, 특허문헌 1에서는, 예를 들면, NG 공급 압력으로 승압된 원료 LNG를 증류 이전에 먼저 증류를 가능하게 하는 압력으로 감압시켜 NG와 NGL로 분리하고, 감압과 연관된 팽창 에너지를 팽창 터빈으로 회수하고, 터빈에 의해 구동되는 압축기에 의해 분리된 NG를 다시 NG 공급 압력으로 승압시키는 것에 의해, NG 공급의 발열량을 조절하려는 목적이 달성되었다.
특허문헌 2에는, 고압 NG를 공급하기 위해, 증류탑의 헤드로부터 회수된 메탄 전부를 압축기로 승압한 다음, 증류 전에 액화시키고 펌프로 더 승압하여 NG를 공급한다.
일본 특허 공개 번호 2016-156581 미국 특허 출원 공개 번호 2009/0282865
원료 LNG를 포함하는 성분은 LNG가 생산되는 장소에 따라 달라지며, 프로판 또는 부탄 등의 C3 이상의 탄화수소를 다량 포함할 수 있다. 이러한 LNG는 보다 높은 비등점을 가져, 메탄-리치 NG를 추출할 때 메탄의 회수율을 저감시킨다. 메탄의 회수율을 유지하기 위해, 증류탑의 작동 온도가 증가되어야 하거나 증류탑의 작동 압력이 감소되어야 한다.
증류탑의 작동 온도를 증가시키기 위해, LNG를 증류시키는 증류탑의 리보일러(reboiler)에 많이 사용되는 해수, 산업용수 등 대신에 스팀 또는 온수를 공급하는 방안이 고려된다. 그러나, 스팀 또는 온수는 천연 가스 또는 전기를 열원으로서 사용하므로, 에너지 효율이 나쁘고 작동 비용이 높다.
그러나, 종래에, 증류탑의 작동 압력을 저감하기 위해 해수가 리보일러에서 사용되는 경우에는, 천연 가스 또는 전기 등의 열원이 불필요하지만, 결과적인 NG 압력이 사용 용도에 따라 요구되는 압력을 충족시키지 못할 수 있는 우려가 있다.
NG 발전에 사용되는 발전 장비의 고압화에 의해 NG 공급 압력이 상승하는 경향이 있다. 증류 작동 중 가장 효과적인 작동 압력은 LNG 조성에 따라 결정되고 고정된 것으로 여겨질 수 없기 때문에, 특허문헌 1에 개시된 장비가 사용되는 경우, 원료 LNG의 공급 압력은 증류탑의 작동 압력과 크게 다르다. 이러한 압력차는 원료 LNG의 팽창, 재압축과 연관된 NG의 팽창, 압축률의 증가를 초래할 수 있으며, NG 공급 압력을 달성하기 위해 추가적인 압축기를 필요로 할 수 있다.
다른 한편으로, 특허문헌 2에 개시된 방법은 공급된 NG 전량을 처리하는 펌프를 필요로 하므로 고가이다.
특히, 원료 LNG가 프로판 등의 C3 이상의 탄화수소 성분을 보다 많이 포함하는 경우, 증류탑의 작동 압력이 바닥 액체의 조성 및 리보일러 열원의 온도를 기초로 가스-액체 평형에 의해 결정되기 때문에, 원료 LNG의 공급 압력 및 증류탑의 작동 압력 간의 차이가 더 커지는 경향이 있다.
이러한 실정을 감안하여, 본 발명은 NGL의 회수율을 유지하면서, 해수를 사용하여, 예를 들면, 리보일러 내의 스팀 등의 추가적인 고가의 열원을 사용하지 않고, 요구되는 압력(예를 들면, 6 MPa 내지 10 MPa 등의 고압)으로 NG를 공급할 수 있는 천연 가스 제조 장치 및 공급 방법을 제공한다.
본 발명의 양태에 따른 천연 가스 제조 장치는:
액화 천연 가스로부터 천연 가스 액체를 추출하여 천연 가스를 공급하는 장치로서,
·과냉각 상태의 압축 액화 천연 가스를 원료로서, 원료 공급부, 제1 열 교환기, 제2 열 교환기, 제1 기화기 및 제1 팽창 터빈을 통하여 도입하고, 제2 열 교환기를 통하여 다시 제1 증류탑에 도입하는 원료 공급 유로;
·제1 증류탑의 바닥의 액체 성분 D를 가열하는 제1 리보일러;
·제1 증류탑의 헤드로부터 도출된 메탄-리치 가스 성분 A을 분기하고, 가스 성분 A로부터 분리된 하나의 가스 성분 B를, 제1 팽창 터빈에 연결되는 제1 압축기를 통하여, 천연 가스로서 전달하는 제1 천연 가스 전달 유로;
·가스 성분 A로부터 분리된 다른 가스 성분 C를, 제1 열 교환기를 통하여, 제1 증류탑의 상부로 제1 환류 액체로서 도입하는 제1 환류 유로;
·제1 증류탑의 바닥으로부터 도출된 액체 성분 D를 제2 증류탑으로 도입하는 바닥 공급 유로;
·제2 증류탑의 헤드로부터 도출된 메탄-리치 가스 성분 E를 액화한 후에 제3 열 교환기를 통하여 분기하고, 가스 성분 E로부터 분리된 하나의 액체 성분 F를 제2 환류 액체로서 제2 증류탑의 상부로 도입하는 제2 환류 유로;
·가스 성분 E로부터 분리된 다른 액체 성분 G를 압축 수단 및 제2 기화기를 통하여 천연 가스로서 공급하는 제2 천연 가스 공급 유로;
·제2 증류탑의 바닥에서의 액체 성분 H를 가열하는 제2 리보일러; 및
·제2 증류탑의 바닥으로부터 도출된 액체 성분 H를 천연 가스 액체로서 전달하는 천연 가스 액체 전달 유로를 포함하고,
·제1 열 교환기에 있어서, 원료 공급부로부터 공급된 액화 천연 가스의 한랭의 적어도 일부에 의해 가스 성분 C가 응축되어, 제1 환류 액체가 준비되고;
·제2 열 교환기에 있어서, 제1 팽창 터빈으로부터 도출된 가스 상태의 액화 천연 가스의 일부 또는 전부가 제1 열 교환기로부터 도출된 액화 천연 가스의 한랭에 의해 냉각되고 응축되어, 제1 증류탑으로 도입될 원료가 준비되고;
·제3 열 교환기에 있어서, 원료 공급부로부터 공급된 액화 천연 가스의 한랭의 적어도 일부에 의해 가스 성분 E가 저온 응축되어, 제2 환류 액체 및 액체 성분 G가 준비되는, 장치이다.
본 발명의 다른 양태는 액화 천연 가스로부터 천연 가스 액체를 추출하여 천연 가스를 제조하는 방법으로서,
(1) 원료 공급부로부터 공급된 액화 천연 가스의 적어도 일부를 액화 천연 가스의 한랭의 일부를 방출한 후에 제1 증류탑으로 도입하는 단계;
(2) 제1 증류탑의 헤드로부터 메탄-리치 가스 성분 A를 도입하는 단계;
(3) 가스 성분 A를 분기하고, 가스 성분 A로부터 분리된 하나의 가스 성분 B를 천연 가스로서 전달하기 전에 승압하는 단계;
(4) 가스 성분 A로부터 분리된 다른 가스 성분 C를 제1 환류 액체로서 제1 증류탑의 상부로 도입하기 전에 냉각하는 단계;
(5) 제1 증류탑의 바닥에 저장된 액체 성분 D를 제1 리보일러를 통하여 가열하는 단계;
(6) 제1 증류탑의 바닥으로부터 도출된 액체 성분 D의 적어도 일부를 제2 증류탑으로 도입하는 단계;
(7) 제2 증류탑의 헤드로부터 도출된 메탄-리치 가스 성분 E를 냉각하는 단계;
(8) 액화되고 분기된 액체 성분 E로부터 분리된 하나의 액체 성분 F를 제2 환류 액체로서 제2 증류탑의 상부로 도입하고, 가스 성분 E로부터 분리된 다른 액체 성분 G를 천연 가스로서 공급하기 전에 승압하고 기화하는 단계;
(9) 제2 증류탑의 바닥에 저장된 액체 성분 H를 제2 리보일러를 통하여 가열하는 단계; 및
(10) 제2 증류탑의 바닥으로부터 도출된 액체 성분 H를 천연 가스 액체로서 전달하는 단계를 포함하는 방법이다.
액화 천연 가스의 한랭의 일부를 방출한 후에 원료 공급부로부터 제1 증류탑으로 공급되는 액화 천연 가스 중 적어도 일부를 도입하는 단계 (1)에서, 제1 증류탑으로 도입되는 액화 천연 가스는 조성 및 온도가 달라지며, 가스-액체 혼합 상태 또는 가스 상태이다.
본 발명의 양태에 따른 천연 가스를 제조하는 방법에 있어서:
·원료 공급부로부터 공급된 액화 천연 가스 중 적어도 일부가 제1 열 교환기, 제2 열 교환기, 제1 기화기 및 제1 팽창 터빈을 통하여 원료로서 제1 증류탑으로 도입될 수 있고;
·제1 열 교환기에 있어서, 원료 공급부로부터 공급된 액화 천연 가스의 한랭의 적어도 일부에 의해 가스 성분 C가 응축되어, 제1 증류탑의 상부로 도입될 제1 환류 액체가 준비될 수 있고;
·제2 열 교환기에 있어서, 제1 팽창 터빈으로부터 도출된 가스 상태의 액화 천연 가스의 일부 또는 전부가 제1 열 교환기로부터 도출된 액화 천연 가스의 한랭에 의해 냉각되고 응축되어, 원료를 준비할 수 있고;
·제2 증류탑의 헤드로부터 도출된 메탄-리치 가스 성분 E가 제3 열 교환기를 통하여 액화될 수 있고;
·제3 열 교환기에 있어서, 원료 공급부로부터 공급된 액화 천연 가스의 한랭의 적어도 일부에 의해 가스 성분 E가 저온 응축되어, 제2 환류 액체 및 액체 성분 G가 준비될 수 있다.
원료 LNG가 제1 증류탑에 도입되어, 증류에 의해 헤드에는 메탄-리치 가스 성분 A가 얻어지고, 바닥에 액체 성분 D가 저장된다. 본 발명에 있어서 액체 성분 D에 메탄 가스가 함유될 수 있으므로, 액체 성분 D를 가열하는 리보일러에는, 천연 가스 또는 전기 열원을 투입하지 않고, 예를 들면, 비가열 해수가 사용될 수 있다. 제1 증류탑이 비교적 고압에서 작동될 수 있으므로, 다단의 압축기를 사용하지 않고 고압 NG가 공급될 수 있다.
C3 이상의 탄화수소를 다량 함유하는 원료 LNG가 천연 가스 또는 전기 열원을 사용하지 않는 리보일러를 갖는 제1 증류탑에 도입되면, 증류에 따라 헤드에서 메탄-리치 가스 성분 A가 얻어지지만, 바닥에 저장된 액체 성분 D는 보다 다량의 메탄을 함유한다. 이는 C3 이상의 탄화수소를 함유하는 것에 의해 원료 LNG의 비등점이 상승하기 때문이다.
메탄을 함유하는 액체 성분 D는 제2 증류탑에 도입되어 증류된다. 액체 성분 D 중의 메탄은 메탄-리치 가스 성분 E로서 제2 증류탑의 헤드로부터 도출되며, 액체 성분 D 중의 에탄 등의 성분이 액체 성분 H로서 제2 증류탑의 바닥으로부터 도출되어 천연 가스 액체로서 전달된다.
그러므로, 본 발명의 이러한 양태에서, 제1 증류탑의 바닥에 저장된 메탄을 함유하는 액체 성분이 더 증류되어, 메탄-리치 가스 성분 및 천연 가스 액체를 얻을 수 있다. 따라서, 원료 LNG가 C3 이상의 탄화수소를 다량 함유하는 경우에도, 리보일러에 열원을 투입하지 않고 NGL의 회수율을 유지하면서 천연 가스가 공급될 수 있다.
본 발명의 이러한 양태에 따르면, 고압에서 천연 가스를 전달할 때, 제1 증류탑의 작동 압력이 증가될 수 있다. 제1 증류탑의 작동 압력의 증가에 따라, 제1 증류탑의 바닥에 저장된 액체 성분 D에 함유된 메탄 성분이 증가한다. 그러나, 메탄을 함유하는 액체 성분 D는 제2 증류탑에서 더 증류되어 메탄-리치 가스 성분 및 천연 가스 액체를 얻을 수 있고, NGL의 회수율도 유지한다. 제1 증류탑의 작동 압력이 높으므로, 제1 증류탑의 헤드로부터 얻어진 메탄-리치 가스 성분 A의 압력도 높다. 따라서, 가스 성분 A를 압축하는 다단 압축기 없이도 천연 가스가 고압으로 전달될 수 있다.
본 발명의 양태에 따른 천연 가스 제조 장치에 있어서:
·원료 공급 유로에서 제1 기화기의 하류에 제2 팽창 터빈이 배치될 수 있고;
·제1 기화기로부터 공급된 액화 천연 가스의 적어도 일부가 제2 팽창 터빈을 통하여 제1 증류탑으로 도입될 수 있고;
·제1 천연 가스 전달 유로에서, 제4 열 교환기 및 제2 압축기가 제1 압축기의 하류에 배치될 수 있고;
·제1 압축기로부터 공급된 가스 성분 B가 제1 천연 가스 전달 유로로부터 제4 열 교환기 및 제2 압축기를 통하여 천연 가스로서 전달될 수 있고;
·제2 열 교환기에 있어서, 제1 팽창 터빈으로부터 도출된 액화 천연 가스 중 일부 또는 전부 및 제2 팽창 터빈으로부터 도출된 액화 천연 가스가 제1 열 교환기로부터 도출된 액화 천연 가스의 한랭에 의해 냉각되고 응축되어, 원료가 준비될 수 있다.
본 발명의 이러한 양태에 따르면, 메탄-리치 가스 성분 A가 제2 압축기에 의해 더 압축되어 보다 높은 압력에서 천연 가스가 전달될 수 있다. 제1 압축기에 의해 압축된 가스 성분 A도 제4 열 교환기에 의해 냉각되어, 보다 효과적으로 제2 압축기로 압축된다.
전달될 천연 가스에 요구되는 압력이 변동하는 경우도 고려될 수 있으며, 이 경우, 요구되는 압력이 낮으면 제1 압축기로부터 도출된 천연 가스가 직접적으로 전달되고, 요구되는 압력이 높으면 제2 압축기로부터 도출된 천연 가스가 전달되도록, 전달이 제어될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 이러한 양태에 따르면, 리보일러에 열원을 투입하지 않고, NGL의 회수율을 유지하면서, 넓은 압력 범위에서 천연 가스가 공급될 수 있다.
본 발명의 양태에 따른 천연 가스 제조 장치에 있어서:
·분기 바이패스 라인이 제1 압축기의 하류 및 제4 열 교환기의 상류에 배치될 수 있고;
·제1 차단 밸브가 분기 바이패스 라인에 배치될 수 있고;
·제1 차단 밸브는 제1 천연 가스 전달 유로에 배치된 제1 압력계에 의해 측정되는 압력값을 기초로 제어될 수 있다.
본 발명의 이러한 양태에 따르면, 천연 가스 공급 압력이 변동하는 경우, 천연 가스 공급 압력이 미리 설정된 압력보다 낮으면, 후단에 배치되는 제2 압축기가 정지되고, 제1 단의 제1 압축기의 하류에 배치되는 분기 바이패스 라인 상의 제1 차단 밸브가 개방되어, 제1 압축기만을 사용하여 천연 가스를 승압할 수 있다. 천연 가스 공급 압력이 미리 설정된 압력보다 높으면, 후단에 배치된 제2 압축기가 작동되고, 제1 차단 밸브가 폐쇄되어, 제1 압축기에 후속하는 압축기에 의해 천연 가스를 더 승압할 수 있다.
천연 가스 공급 압력은 제1 천연 가스 전달 유로에 배치된 제1 압력계에 의해 측정될 수 있다. 측정된 압력을 기초로 제1 압축기만이 사용되더라도, 제1 압축기 및 제2 압축기를 모두 사용하는 것이 선택될 수 있어, 압축기에 사용되는 동력을 최적화할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따른 천연 가스 제조 장치에서, 제1 발전기가 제2 압축기에 연결되게 배치될 수 있다.
제1 천연 가스 공급 유로로부터 공급된 천연 가스의 압력이 미리 설정된 압력 값 미만인 경우, 전술한 바와 같이 제2 압축기가 정지된다. 이 경우, 제2 압축기에 연결된 팽창 터빈에 의해 회수된 동력이 제2 압축기에 연결된 제1 발전기에 의해 전기 에너지로서 회수될 수 있다. 이는 천연 가스 공급 압력의 변동에 대응한 최적 조건에서의 기능을 확보하는 것과 함께 제2 팽창 터빈만의 작동에 따른 발전을 확보할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따른 천연 가스 제조 장치에서, 제3 팽창 터빈이 제2 팽창 터빈과 평행하게 배치될 수 있고, 제2 발전기가 제3 팽창 터빈에 연결되게 배치될 수 있다.
제1 천연 가스 공급 유로로부터 공급된 천연 가스의 압력이 미리 설정된 압력 값 미만인 경우, 전술한 바와 같이 제2 압축기가 정지된다. 이 경우, 제2 팽창 터빈도 정지하고, 제1 기화기로부터 공급된 액화 천연 가스가 제2 팽창 터빈으로 공급되지 않고, 제3 팽창 터빈으로 공급된다. 제3 팽창 터빈은 압축기에 연결되지 않고 제2 발전기에 연결된다. 이는 천연 가스 공급 압력의 변동에 대응한 최적 조건에서의 기능을 확보하는 것과 함께 제3 팽창 터빈 만의 작동에 따른 발전을 확보할 수 있다.
본 발명의 양태에 따른 천연 가스 제조 방법에 있어서, 제1 리보일러의 온도는 0℃ 내지 30℃일 수 있고, 제2 리보일러의 온도는 0℃ 내지 30℃일 수 있다.
그러므로, 본 발명의 이러한 양태에 따르면, 제1 리보일러 및 제2 리보일러에 열원을 투입하지 않고, NGL의 회수율을 유지하면서, 넓은 압력 범위에서 천연 가스가 공급될 수 있다. 제1 리보일러 및 제2 리보일러의 온도의 범위는 바람직하게는 0℃ 내지 30℃, 보다 바람직하게는 5℃ 내지 10℃이다.
이러한 온도 범위에서는, 리보일러에는, 예를 들면, 비가열 해수가 사용될 수 있고, 전기를 사용하거나 천연 가스를 연소시키는 것에 의한 가열을 통해 얻어진 스팀 또는 온수를 사용할 필요가 없다. 즉, 예를 들어, 전기 또는 천연 가스 연소에 의한 가열을 위한 열원을 필요로 하지 않는다.
열 교환기 작동의 관점에서, 제1 리보일러 및 제2 리보일러의 온도의 하한이 약 5℃인 경우에는, 열 교환기의 열 부하의 상당한 변동이 있는 경우에도 물의 고화를 억제하면서 열 교환기가 작동할 수 있다. 제1 리보일러 및 제2 리보일러의 온도의 상한이 약 10℃인 경우에는, 약 15℃의 해수 온도 또는 산업용수 온도를 갖는 해수 또는 산업용수가 사용될 수 있다.
본 발명의 이러한 양태의 구성에 있어서, 리보일러의 낮은 온도로 인해, 제1 증류탑의 바닥에 저장된 액체 성분 D에는 더 많은 메탄이 함유된다. 메탄을 함유하는 액체 성분 D는 제2 증류탑에 도입되어 증류된다. 액체 성분 D 중의 메탄은 메탄-리치 가스 성분 E로서 제2 증류탑의 헤드로부터 도출되며, 액체 성분 D 중의 에탄과 같은 성분이 액체 성분 H로서 제2 증류탑의 바닥으로부터 도출되어 천연 가스 액체로서 전달된다.
그러므로, 본 발명의 이러한 양태에서, 제1 증류탑의 바닥에 저장된 메탄을 함유하는 액체 성분이 더 증류되어, 메탄-리치 가스 성분 E 및 천연 가스 액체를 얻을 수 있다. 따라서, 리보일러로 열원을 투입하지 않고, NGL의 회수율을 유지하면서 천연 가스가 공급될 수 있다.
본 발명의 이러한 양태에 따른 천연 가스 공급 방법에 있어서, 제3 열 교환기에 도입되는 액화 천연 가스의 제3 열 교환기로의 도입 시의 온도는 -180℃ 내지 -125℃일 수 있다.
본 발명의 이러한 양태에 있어서, -180℃ 내지 -125℃의 원료 LNG의 일부를 직접적으로 제3 열 교환기에 도입하는 것에 의해, 제2 증류탑의 헤드로부터 도출된 메탄-리치 가스 성분 E가 냉각되고 응축되며, 압력이 펌프에 의해 승압된 이후에 천연 가스로서 전달된다. 온도가 -180℃ 내지 -125℃이면, 메탄이 냉각되고 응축되기 때문에, 제2 증류탑의 상부로부터 메탄 가스가 효과적으로 회수될 수 있다.
압축 수단에 의해 승압된 후, 메탄은 가온기에 의해 증류되어 전달될 수 있다. 본 발명의 이러한 양태에 따르면, 제2 증류탑으로 도입된 메탄 성분이 회수될 수 있고 천연 가스로서 전달될 수 있으므로, 원료 LNG 내의 메탄의 회수율이 훨씬 더 증가될 수 있다.
도 1은 실시형태 1의 천연 가스 제조 장치의 구성예를 도시하는 도면이다.
도 2는 실시형태 1의 천연 가스 제조 장치의 구성예에서의 검증 결과를 도시하는 도면이다.
도 3은 실시형태 2의 천연 가스 제조 장치의 구성예를 도시하는 도면이다.
도 4는 실시형태 2의 천연 가스 제조 장치의 구성예에서의 검증 결과를 도시하는 도면이다.
도 5는 실시형태 2의 천연 가스 제조 장치의 다른 구성예를 도시하는 도면이다.
도 6은 실시형태 2의 천연 가스 제조 장치의 다른 구성예를 도시하는 도면이다.
도 7은 실시형태 2의 천연 가스 제조 장치의 다른 구성예를 도시하는 도면이다.
이제, 본 발명의 몇몇 실시형태를 이하에서 설명할 것이다. 이하에서 설명된 실시형태는 본 발명의 예를 설명한다. 본 발명은 어떠한 방식으로도 이하의 실시형태로 제한되지 않고, 본 발명의 본질을 변경하지 않는 범위 내에서 실행되는 다양한 수정예를 포함한다. 이하에서 설명되는 구성이 반드시 본 발명의 필수 구성의 전부인 것은 아니다.
본 발명에 따른 천연 가스 제조 장치
본 발명에 따른 천연 가스 제조 장치에 있어서, 액화 천연 가스(LNG)가 원료로서 제1 증류탑으로 도입되고, 제1 증류탑의 상부로부터 도출된 가스 성분으로부터 메탄-리치 천연 가스(NG)가 준비되고, 바닥으로부터 도출된 액체 성분이 제2 증류탑으로 도입되고, 제2 증류탑의 상부로부터 도출된 가스 성분으로부터 메탄-리치 천연 가스(NG)가 준비되고, 바닥으로부터 도출된 액체 성분으로부터 천연 가스 액체(NGL)가 준비된다.
제조 장치는, 과냉각 상태의 압축 액화 천연 가스를 원료로서, 원료 공급부, 제1 열 교환기, 제2 열 교환기, 제1 기화기 및 제1 팽창 터빈을 통하여 도입한 다음, 상기 제2 열 교환기를 통하여 다시 제1 증류탑에 도입하는 원료 공급 유로;
제1 증류탑의 바닥의 액체 성분 D를 가열하는 제1 리보일러;
제1 증류탑의 헤드로부터 도출된 메탄-리치 가스 성분 A를 분기하고, 하나의 가스 성분 B를, 제1 팽창 터빈에 연결되는 제1 압축기를 통하여, 천연 가스로서 전달하는 제1 천연 가스 전달 유로;
다른 가스 성분 C를, 제1 열 교환기를 통하여, 제1 증류탑의 상부로 제1 환류 액체로서 도입하는 제1 환류 유로;
제1 증류탑의 바닥으로부터 도출된 액체 성분 D를 제2 증류탑으로 도입하는 바닥 공급 유로;
제2 증류탑의 헤드로부터 도출된 메탄-리치 가스 성분 E를 액화한 후에 제3 열 교환기를 통하여 분기하고, 하나의 액체 성분 F를 제2 환류 액체로서 제2 증류탑의 상부로 도입하는 제2 환류 유로;
다른 액체 성분 G를 압축 수단 및 제2 기화기를 통하여 천연 가스로서 공급하는 제2 천연 가스 공급 유로;
제2 증류탑의 바닥에서의 액체 성분 H를 가열하는 제2 리보일러; 및
제2 증류탑의 바닥으로부터 도출된 액체 성분 H를 천연 가스 액체로서 전달하는 천연 가스 액체 전달 유로를 구비한다.
제1 열 교환기에 있어서, 원료 공급부로부터 공급된 액화 천연 가스의 한랭의 적어도 일부에 의해 가스 성분 C가 응축되어, 제1 환류 액체가 준비되고;
제2 열 교환기에 있어서, 제1 팽창 터빈으로부터 도출된 가스 상태의 액화 천연 가스의 일부 또는 전부가 제1 열 교환기로부터 도출된 액화 천연 가스의 한랭에 의해 냉각되고 응축되어, 원료를 준비할 수 있고;
제3 열 교환기에 있어서, 원료 공급부로부터 공급된 액화 천연 가스의 한랭의 적어도 일부에 의해 가스 성분 E가 저온 응축되어, 제2 환류 액체 및 액체 성분 G가 준비된다. 이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
실시형태 1
도 1을 참조로 실시형태 1의 천연 가스 제조 장치를 설명한다. 실시형태 1의 천연 가스 제조 장치(100)에 있어서:
액화 천연 가스(LNG)가 원료로서 원료 공급부(101)로부터 제1 증류탑(7)으로 도입되고, 제1 증류탑(7)의 상부로부터 도출된 가스 성분으로부터 메탄-리치 천연 가스(NG)가 준비되고, 바닥으로부터 도출된 액체 성분이 제2 증류탑(9)으로 도입되고, 제2 증류탑(9)의 상부로부터 도출된 가스 성분으로부터 메탄-리치 천연 가스(NG)가 준비되고, 바닥으로부터 도출된 액체 성분으로부터 천연 가스 액체(NGL)가 준비된다.
원료 공급부(101)로부터 공급된 압축 LNG의 일부가 제1 열 교환기(1), 제2 열 교환기(2), 제1 기화기(3) 및 제1 팽창 터빈(4)을 포함하는 한랭 방출 공정을 통하여 기화되고, 기화된 LNG는 제2 열 교환기(2)를 통과하여 가스-액체 혼합물을 형성하며, 가스-액체 혼합물은 원료로서 제1 증류탑(7)으로 도입된다. 제2 열 교환기(2)에 있어서, U턴된(U-turned) LNG는 향류적으로(counter-current) LNG 자체와 열 교환하여, 방출 공정에 있는 LNG의 한랭이, 임시로 기화된 LNG 자체를 냉각하고 응축하는 데에 사용된다. 즉, 증류탑으로 도입된 원료 준비 공정에서의 LNG의 유동 중 LNG의 한랭이 방출되지만, 방출된 한랭의 일부는 저장되어, 보다 효과적으로 한랭을 재사용한다.
구체적으로, 천연 가스 제조 장치는, 과냉각 상태의 압축 LNG를 원료로서, 원료 공급부(101), 제1 열 교환기(1), 제2 열 교환기(2), 제1 기화기(3) 및 제1 팽창 터빈(4)을 통하여, 그런 다음, 다시 제2 열 교환기(2)를 통하여, 제1 증류탑(7)으로 도입하는 원료 공급 유로(102)를 구비한다. 저온 및 고압(예를 들면, 약 -135℃ 및 약 10 MPa) LNG가 액체로서 원료 공급부(101)로부터 공급되고, LNG가 제1 기화기(3)에 의해 기화하기 전에 제1 열 교환기(1) 및 제2 열 교환기(2)를 통하여 한랭이 연속적으로 방출된다. 기화된 LNG는 제1 팽창 터빈(4)에 의해 기화되고 저온으로 냉각된 다음, 원료에 대해 미리 설정된 최적 압력(예를 들면, 3.2 MPa)으로 압축되어, 저온 및 저압 가스 LNG가 된다. 가스 LNG가 제2 열 교환기(2)에 의해 원료에 대해 미리 설정된 최적 온도로 다시 냉각된다. 미리 설정된 온도는 미리 설정된 조성의 LNG가 최적 압력에서 응축되어 가스-액체 상태를 형성하는 온도를 말하며; 예를 들면, 아래의 표 1에 도시된 조성을 갖는 LNG의 경우에, 약 3.2 MPa에서의 최적 온도는 약 -80℃이다. 응축된 LNG는 제1 증류탑(7)으로 도입된다.
제1 증류탑(7)은 제1 증류탑(7)의 바닥에 저장된 액체 성분 D를 가열하는 제1 리보일러(201)를 구비한다. 제1 리보일러(201)는 액체 성분 D와 제1 리보일러(201) 내의 열 전달 매체 사이의 열 교환에 의해 액체 성분 D를 가열한다. 제1 리보일러(201)의 온도는 해수 또는 산업용수가 유지할 수 있는 임의의 온도, 구체적으로, 0℃ 내지 30℃의 범위일 수 있다. 따라서, 구체적으로, 비가열 해수가 사용될 수 있고, 제1 리보일러(201) 내의 열 전달 매체를 가열하는 가열 수단을 배치할 필요가 없다.
제1 리보일러(201)에서 가열된 액체 성분 D는, 제1 증류탑(7)의 바닥으로 재도입되고, 제1 증류탑(7)에서 증류된 후에, 메탄-리치 가스 성분 A가 제1 증류탑(7)의 헤드로부터 도입되고, 액체 성분 D가 제1 증류탑(7)의 바닥으로부터 도출된다.
제1 증류탑(7)의 헤드로부터 도출된 메탄-리치 가스 성분 A가 분기되고, 가스 성분 A로부터 분리된 하나의 가스 성분 B가 제1 팽창 터빈(4)에 연결된 제1 압축기(5)를 통하여 천연 가스로서 전달된다.
구체적으로, 제1 증류탑(7)의 헤드로부터 도출된 가스 성분 A는 저온 및 저압(예를 들면, 약 -95℃ 및 약 3.2 MPa) 메탄-리치 NG이다. 본 실시형태에 있어서, 원료를 준비하는 데에 사용되는 제1 팽창 터빈(4)에 연결된 제1 압축기(5)에 의한 단열 압축에 의해, 추가적인 에너지를 도입하지 않고, 가스 성분 A가 가열 및 승압 처리될 수 있다.
제1 압축기(5)로부터 도출된 가스 성분 A는 그대로 NG로서 공급되는 것도 가능하지만, 미리 설정된 온도 및 압력(예를 들면, 15℃ 및 약 10.6 MPa)을 갖는 제품 NG로서 추출하도록 제1 압축기(5)의 후단에 배치되는 가온기(6)에 의해 가열될 수 있다.
제1 증류탑(7)의 헤드로부터 도출된 가스 성분 A로부터 분리된 다른 가스 성분 C는 제1 열 교환기(1)를 통하여 냉각되고 응축되며, 제1 환류 액체로서 제1 증류탑(7)의 상부로 도입된다.
구체적으로, 다른 가스 성분 C를 제1 환류 액체로서 제1 열 교환기(1)를 통하여 제1 증류탑(7)의 상부로 도입하도록 제1 환류 유로(104)가 구비된다. 제1 열 교환기(1)에 있어서, 저온 및 저압 가스 성분 A(예를 들면, 약 95℃ 및 약 3.2 MPa)는 제1 증류탑(7)으로 도입되기 전에 과냉각 LNG와의 열 교환에 의해 냉각되고 응축된다.
제1 증류탑(7)의 바닥에 저장된 액체 성분 D는 바닥 액체 공급 유로(105)로부터 제2 증류탑(9)으로 도입된다. 액체 성분 D는 미리 설정된 양의 메탄을 함유한다. 따라서, 제2 증류탑(9)의 헤드로부터의 메탄-리치 성분 E 및 제2 증류탑(9)의 바닥으로부터의 액체 성분 H가 증류탑(9)에서의 증류에 의해 얻어진다.
제2 증류탑(9)은 제1 증류탑(7) 보다 낮은 압력(예를 들면, 1.8 MPa)에서 작동되기 때문에, 액체 성분 H를 과열하기 위해 제2 증류탑(9)의 바닥에 배치되는 리보일러는 고온일 필요가 없으며, 예를 들면, 0℃ 내지 30℃의 온도일 수 있다. 따라서, 구체적으로, 비가열 해수가 사용될 수 있고, 제1 리보일러(201) 내의 열 전달 매체를 가열하는 가열 수단을 배치할 필요가 없다.
제2 증류탑(9)의 헤드로부터 도출된 메탄-리치 가스 성분 E는 제3 열 교환기(8)에서 과냉각 LNG와의 열 교환에 의해 냉각된다. 원료 LNG는 원료 공급부(101)의 후단에서 분기되어, 그 일부가 제3 열 교환기(8)로 공급되고, 나머지가 제1 열 교환기(1)로 공급된다.
제3 열 교환기(8)에서 열 교환된 가스 성분 E가, 예를 들면, -110℃로 냉각되고 응축되며, 가스 성분 E로부터 분리된 일부분을 포함하는 액체 성분 F가 제2 환류 액체로서 제2 환류 유로(111)로부터 제2 증류탑(9)의 상부로 도입된다.
제3 열 교환기(8)를 경유한 이후의, 가스 성분 E로부터 분리된 다른 액체 성분 G가 압축 수단(10)에 의해 승압되고 제2 기화기(11)에서 기화되고 가열되어, 미리 설정된 온도 및 압력(예를 들면, 15℃ 및 약 10 MPa)을 갖는 제품 NG가 준비된다.
제2 증류탑(9)의 바닥으로부터 도출된 액체 성분 H는 에탄 등의 다수의 성분을 함유하는 액체이며, 천연 가스 액체로서 전달된다.
그러므로, 본 실시형태의 천연 가스 제조 장치에서는, 원료 LNG가 제1 증류탑(7)에 의해 증류되어, 메탄-리치 가스 성분 A를 얻고, 제1 증류탑(7)의 바닥으로부터의 메탄 성분을 함유하는 액체 성분 D를 얻는다. 메탄 성분을 함유하는 액체 성분 D가 제2 증류탑(9)에서 더 증류되어, NGL의 회수율을 유지하면서 NG를 공급할 수 있다.
본 실시형태에 따르면, 제1 증류탑(7)의 바닥에 저장된 액체 성분 D가 메탄 성분을 함유하는 경우에도 LNG의 회수율이 유지될 수 있기 때문에, 제1 증류탑(7)이 고압에서 작동될 수 있고 이에 따라 고압 NG를 공급할 수 있다.
제1 증류탑(7)이 저온에서 작동될 수 있기 때문에, 본 실시형태는, 열원이 리보일러로 투입되는 것을 필요로 하지 않고, 높은 에너지 효율을 갖는 천연 가스 제조 장치를 제공할 수 있다.
본 장치에서 공급된 LNG는 아래의 표 1에 도시된 바와 같은 조성을 가지며, 예를 들면, 원산지에 따라 성분이 변동하고, 고압 탱크에 저장하기 위한 온도 및 압력 조건이 달라진다.
구체적으로, 약 -120℃ 내지 -160℃의 온도 조건 및 약 5 내지 10 MPa의 압력 조건 하에서 LNG가 저장된다. 종래에 LNG라고 불리는 것 이외에, 본 발명에 따른 LNG는 전술한 바와 같은 셰일 가스를 포함하며, 정제된 LNG 뿐만 아니라 정제되지 않은 LNG를 포함한다.
[표 1]
제1 열 교환기(1), 제2 열 교환기(2) 및 제3 열 교환기(8)는 구체적으로 한정되지 않으며, 예를 들면, 플레이트-핀(fin) 열 교환기 또는 쉘 및 튜브 열 교환기일 수 있다.
압축 수단(10)은 구체적으로 한정되지 않으며, 예를 들면, 액체 전달 펌프일 수 있다.
실시형태 2
실시형태 2의 LNG 저장 시스템을 도 3을 참조로 설명한다. 실시형태 1의 천연 가스 제조 장치(100)와 동일한 참조 번호로 표시된 요소는 동일한 기능을 가지며 다시 설명되지 않는다.
실시형태 2의 천연 가스 제조 장치(100)에 있어서, 원료 공급 유로(102)에서 제2 팽창 터빈(13)은 제1 기화기(3)의 하류에 배치된다. 제1 기화기(3)에서 기화된 LNG가 분기되며, 일부는 제1 팽창 터빈(4)으로 도입되고, 나머지는 제2 팽창 터빈(13)으로 도입된다. 제1 팽창 터빈(4)에 의해 감압된 가스 LNG 및 제2 팽창 터빈(13)에 의해 감압된 가스 LNG가 합류하여, 제2 열 교환기(2)로 도입된다. 제2 열 교환기(2)에서의 열 교환에 의해 LNG가 냉각되며, 응축된 LNG가 제1 증류탑(7)으로 도입된다.
제1 천연 가스 전달 유로(103)에서, 제4 열 교환기(15)는 제1 압축기(5)의 후단에 배치되고, 제2 압축기(14)는 제2 팽창 터빈(13)에 연결되도록 배치된다.
제1 압축기(5)로부터 공급된 가스 성분 B는 원료 공급부(101)로부터 공급된 LNG에 의해 제4 열 교환기(15)에서 냉각된다. 제4 열 교환기(15)에서 냉각된 LNG는, 예를 들면, -54℃가 되며, 제2 압축기(14)로 도입된다. 제4 열 교환기(15)에서의 냉각은 제2 압축기(14)에서의 압축 효율의 향상에 기여한다. 제2 압축기(14)에서 미리 설정된 압력(예를 들면, 11.2 MPa)으로 승압된 가스 성분 B는 제품 NG로서 제1 천연 가스 전달 유로(103)로부터 전달된다. 제품 NG가 미리 설정된 온도(예를 들면, 15℃)이기 때문에, 가온기(6)가 제2 압축기(14) 후단에 배치되어 가스 성분 B를 가열할 수 있다.
다른 실시형태
다른 실시형태로서, 도 5에 도시된 바와 같이, 분기 바이패스 라인(30)이 제1 기화기(3)의 하류에 배치될 수 있고, 제1 차단 밸브(31)가 분기 바이패스 라인(30)에 배치될 수 있다. 제1 천연 가스 전달 유로(103)에 배치된 압력계(32)에 의해 측정된 압력 값을 기초로 제1 차단 밸브(31)가 제어된다. 구체적으로, 천연 가스 공급 압력이 낮고 압력계(32)에 의해 측정된 압력이 미리 설정된 값(예를 들면, 6 MPa) 미만인 경우, 제1 차단 밸브(31)가 개방되는 것과 동시에 제2 압축기(14)가 정지되어 천연 가스 공급 압력을 증가시킬 수 있고, 압력계(32)에 의해 측정된 압력이 미리 설정된 값(예를 들면, 6 MPa) 이상인 경우, 제1 차단 밸브(31)가 폐쇄되는 것과 동시에 제2 압축기(14)가 작동하도록 제어될 수 있다.
제1 차단 밸브(31)가 분기 바이패스 라인(30) 측으로 개방되면, 제4 열 교환기(15)의 입구측의 밸브(미도시)가 폐쇄하도록 제어된다.
제1 차단 밸브(31)가 분기 바이패스 라인(30) 측으로 폐쇄되면, 제4 열 교환기(15)의 입구측의 밸브(미도시)가 개방하도록 제어된다.
제2 압축기(14)에 대한 제1 압축기(5)의 압축비, 제1 압축기(5)로 도입되기 전의 천연 가스의 압력, 및 천연 가스 전달 유로(103)로부터 전달된 천연 가스의 압력을 기초로 미리 설정된 값이 결정될 수 있다.
예를 들면, 제1 압축기(5)로 도입되기 전의 천연 가스의 압력이 3 MPa이고 제1 압축기(5)의 압축비가 2인 경우, 제1 압축기(5)는 천연 가스를 6 MPa로 승압시킬 수 있고, 이에 따라, 압력계(32)에 의해 측정된 압력에 대해 미리 설정된 값이 6 MPa일 수 있다.
압력계(32)에 의해 측정된 압력이 6 MPa의 미리 설정된 값 미만인 경우에는 제1 차단 밸브가 개방하도록 제어되며, 측정된 압력이 6 MPa 이상인 경우, 제1 차단 밸브가 폐쇄하도록 제어된다.
제1 차단 밸브(31)가 개방되는 경우 제2 압축기(14)가 정지되고, 제1 차단 밸브(31)가 폐쇄되는 경우 제2 압축기(14)가 천연 가스를 압축하도록 작동된다.
이와 같이 제어하는 것에 의해, 천연 가스가 6 MPa 이상의 압력으로 공급되어야 하는 경우, 제2 압축기(14)에 의해 압축되기 전에 제1 압축기(5)에 의해 승압되는 것에 의해 천연 가스가 요구되는 압력으로 승압될 수 있다.
그러나, 천연 가스가 6 MPa 미만의 압력으로 공급될 경우, 제2 압축기(14)를 사용하지 않고, 압력을 승압하는 데에 제1 압축기(5)만을 사용하여, 장치가 최적 조건 하에서 작동될 수 있다.
다른 실시형태
또 다른 실시형태로서, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 발전기(33)가 제2 압축기(14)에 연결되도록 배치될 수 있다.
천연 가스 공급 압력이 낮고 제2 압축기(14)가 정지된 경우에도, 제2 압축기(14)에 연결된 제2 팽창 터빈(13)이 작동된다.
따라서, 제2 압축기(14)에 연결된 제1 발전기(33)는, 제2 압축기(14)가 정지된 경우 제2 팽창 터빈(13)을 작동시키는 데에 요구되는 동력을 확보한다.
다른 실시형태
또 다른 실시형태로서, 도 7에 도시된 바와 같이, 제2 팽창 터빈(13)과 병렬로 배치되는 제3 팽창 터빈(34)이 제1 기화기(3)로부터 하류에 배치되며, 제2 발전기(35)가 제3 팽창 터빈(34)에 연결되도록 배치된다.
제1 기화기(3)로부터 전달된 액화 천연 가스는 제2 차단 밸브(36) 또는 제3 차단 밸브에 의해 새로운 유로로 절환되어 제2 팽창 터빈(13) 또는 제3 팽창 터빈(34)으로 공급된다.
보다 구체적으로, 천연 가스 공급 압력이 낮고 제1 차단 밸브(31)가 개방되고 제2 압축기(14)가 정지되는 경우, 제2 차단 밸브(36)가 폐쇄되고, 제3 차단 밸브(37)가 개방된다.
이에 따라, 제1 기화기(3)로부터 전달된 천연 가스가 제3 차단 밸브(37)를 통하여 우회하여 제3 팽창 터빈(34)으로 도입된다. 제3 팽창 터빈(34)에 연결되는 제2 발전기(35)는 제3 팽창 터빈(34)을 작동시키는 데에 요구되는 동력을 확보한다.
그러나, 천연 가스 공급 압력이 높고 제1 차단 밸브(31)가 폐쇄되고 제2 압축기(14)가 작동하는 경우, 제2 차단 밸브(36)가 개방되고 제3 차단 밸브(37)가 폐쇄된다.
이에 따라, 제1 기화기(3)로부터 전달된 천연 가스가 제2 차단 밸브(36)를 통하여 우회하여 제2 팽창 터빈(13)으로 도입된다.
따라서, 천연 가스 공급 압력이 낮고 제2 압축기(14)이 정지된 경우에도 제3 팽창 터빈(34)이 작동함으로써, 제3 팽창 터빈(34)에 연결된 제2 발전기(35)가 제3 팽창 터빈(34)을 작동하는 데에 요구되는 동력을 확보할 수 있다.
실시예 1
실시형태 1에 따른 천연 가스 제조 장치를 사용하여, 표 1에 도시된 조성을 갖는 LNG의 공급을 확인하기 위해, 각 부분에서의 압력(MPaA), 온도(℃), 유량(kg/h) 및 조성(wt%)을 시뮬레이션하였다.
결과
LNG(-135℃ 및 9.96 MPa)가 572 및 373 kg/h로 공급되면, 도 2의 부분 A 내지 R의 압력(MPaA), 온도(℃), 유량(kg/h) 및 조성(wt%)에 대하여 하기의 표 2에 예시된 바와 같은 결과를 얻었다.
도 2의 부분 A 내지 R의 위치는 아래와 같다.
A는 원료 공급부(101)의 출구에 위치된다.
B는 원료 공급부(101)의 하류이면서 제1 열 교환기(1)의 입구의 바로 앞에 위치된다.
C는 제1 열 교환기(1)의 하류이며 제2 열 교환기(2)의 상류에 위치된다.
D는 원료 공급부(101)의 하류이며 제3 열 교환기(8)의 상류에 위치된다.
E는 제3 열 교환기(8)의 하류이며 제1 열 교환기(1)로부터의 유로가 제2 열 교환기(2)로의 유로와 합류하는 곳의 바로 앞에 위치된다.
F는 제2 열 교환기(2)의 하류이며 제1 기화기(3)의 상류에 위치된다.
G는 제1 기화기(3)의 하류이며 제1 팽창 터빈(4)의 상류에 위치된다.
H는 제1 팽창 터빈 하류의 출구에 위치된다.
I는 천연 가스가 제1 증류탑(7)으로 도입되는 곳의 바로 앞에서 원료 공급 유로(102) 내에 위치된다.
J는 제1 증류탑(7)의 헤드로부터 얻어지는 가스 성분 B가 제1 압축기(5)로 도입되는 곳의 바로 앞이며 제1 압축기(5)의 상류에 위치된다.
K는 제1 압축기(5)의 하류이며 가온기(6)의 상류에 위치된다.
L은 제1 천연 가스 전달 유로(103) 상에서 가온기(6)의 하류에 위치된다.
M은 제1 증류탑(7)의 바닥으로부터 연장되는 바닥 액체 공급 유로(105) 내부에서 제1 증류탑(7)의 바닥의 출구 부분에 위치된다.
N은 액체가 제2 증류탑(9)으로 도입되는 곳의 바로 앞에서 바닥 액체 공급 유로(105) 내에 위치된다.
O는 제3 열 교환기(8)의 하류이며 압축 수단(10)의 상류에 위치된다.
P는 압축 수단(10)의 하류이며 제2 기화기(11)의 상류에 위치된다.
Q는 유로가 제1 천연 가스 전달 유로(103)와 합류하는 곳의 바로 앞이며 제2 기화기(11)의 하류에 위치된다.
R은 제2 증류탑(9)의 하류에서 천연 가스 액체 전달 유로(113) 내에 위치된다.
[표 2]
비교예 1
다음으로, NG 공급 압력과 회수율의 상관 관계가 실시예 1 및 비교예 1(제2 증류탑이 없는 천연 가스 공급 장치)에 대하여 확인되었다. 비교예 1에서는, 메탄-리치 NG가 제1 증류탑의 헤드로부터 전달되고 천연 가스 액체가 제1 증류탑의 바닥으로부터 전달되며 제2 증류탑이 없는 종래의 천연 가스 공급 장치가 사용되었다. 표 3은 실시예 1과 비교예 1 사이의 비교를 나타낸다.
동일한 온도 및 압력을 갖는 원료 LNG가 사용되고 메탄 회수율, 에탄 회수율 및 프로판 회수율이 모두 99.9% 이상일 경우의 실시예 1 및 비교예 1의 리보일러 온도가 확인되었다.
실시예 1에서, 제1 리보일러 및 제2 리보일러에서 비가열 해수(온도 10℃)를 사용하여 10.57 MPa의 NG 공급 압력을 얻을 수 있었다.
반면에, 비교예 1에서, 비슷한 NG 공급 압력(10.46 MPa)을 얻기 위해서는 제1 리보일러 및 제2 리보일러에서 45℃의 온도가 요구되었다. 따라서, 제1 리보일러 및 제2 리보일러에서 스팀이 사용되어야 했다.
실시예 1에서는 추가적인 열원이 필요 없었지만, 비교예 1에서는 리보일러에서 스팀을 사용하기 위해 추가적인 열원이 필요하였다.
[표 3]
실시예 2
실시형태 2에 따른 천연 가스 제조 장치를 사용하여, 표 1에 도시된 조성을 갖는 LNG의 공급을 확인하기 위해, 각 부분에서의 압력(MPaA), 온도(℃), 유량(kg/h) 및 조성(wt%)을 시뮬레이션하였다.
결과
LNG(-135℃ 및 9.96 MPa)를 572 및 373 kg/h로 공급하여, 도 4의 부분 A 내지 R 및 D2 내지 K2의 압력(MPaA), 온도(℃), 유량(kg/h) 및 조성(wt%)에 대하여 하기의 표 4에 예시된 바와 같은 결과를 얻었다.
도 4의 부분 A 내지 R의 위치는 도 2의 부분 A 내지 R의 위치와 동일하다. 도 4의 부분 D2 내지 K2의 위치는 아래와 같다.
D2는 원료 공급부(101)의 하류이면서 제4 열 교환기(15)로의 입구의 바로 앞에 위치된다.
E2는 제4 열 교환기(15)의 출구에 위치된다.
G1은 제1 기화기(3)의 하류에서 분기한 이후의 분기점 바로 뒤이면서 제1 팽창 터빈(4)의 상류에 위치된다.
G2는 제1 기화기(3)의 하류에서 분기한 이후의 분기점 바로 뒤이면서 제2 팽창 터빈(13)의 상류에 위치된다.
H1은 제1 팽창 터빈(4)의 출구 부분에 위치된다.
H2는 제1 기화기(3)의 하류에서 분기한 이후이면서, 제2 팽창 터빈(13)의 입구 부분에 위치된다.
K1은 제4 열 교환기(15)의 하류이며 제2 압축기(14)의 상류에 위치된다.
K2는 제2 압축기(14)의 하류이며 가온기(6) 상류에 위치된다.
[표 4]
1 제1 열 교환기
2 제2 열 교환기
3 제1 기화기
4 제1 팽창 터빈
5 제1 압축기
6 가온기
7 제1 증류탑
8 제3 열 교환기
9 제2 증류탑
10 압축 수단
11 제2 기화기
13 제2 팽창 터빈
14 제2 압축기
30 분기 바이패스 라인
31 제1 차단 밸브
32 압력계
33 제1 발전기
34 제3 팽창 터빈
35 제2 발전기
100 천연 가스 제조 장치
101 원료 공급부
102 원료 공급 유로
103 제1 천연 가스 전달 유로
104 제1 환류 유로
105 바닥 액체 공급 유로
111 제2 환류 유로
112 제2 천연 가스 공급 유로
113 천연 가스 액체 전달 유로

Claims (9)

  1. 액화 천연 가스로부터 천연 가스 액체를 추출하여 천연 가스를 공급하는 장치로서,
    ·과냉각 상태의 압축 액화 천연 가스를 원료로서, 원료 공급부, 제1 열 교환기, 제2 열 교환기, 제1 기화기 및 제1 팽창 터빈을 통하여 도입한 다음, 상기 제2 열 교환기를 통하여 다시 제1 증류탑에 도입하는 원료 공급 유로;
    ·상기 제1 증류탑의 바닥의 액체 성분 D를 가열하는 제1 리보일러;
    ·상기 제1 증류탑의 헤드로부터 도출된 메탄-리치 가스 성분 A를 분기하고, 상기 가스 성분 A로부터 분리된 하나의 가스 성분 B를, 상기 제1 팽창 터빈에 연결되는 제1 압축기를 통하여, 천연 가스로서 전달하는 제1 천연 가스 전달 유로;
    ·상기 가스 성분 A로부터 분리된 다른 가스 성분 C를, 상기 제1 열 교환기를 통하여, 상기 제1 증류탑의 상부로 제1 환류 액체로서 도입하는 제1 환류 유로;
    ·상기 제1 증류탑의 바닥으로부터 도출된 액체 성분 D를 제2 증류탑으로 도입하는 바닥 공급 유로;
    ·상기 제2 증류탑의 헤드로부터 도출된 메탄-리치 가스 성분 E를 액화한 후에 제3 열 교환기를 통하여 분기하고, 가스 성분 E로부터 분리된 하나의 액체 성분 F를 제2 환류 액체로서 상기 제2 증류탑의 상부로 도입하는 제2 환류 유로;
    ·상기 가스 성분 E로부터 분리된 다른 액체 성분 G를 압축 수단 및 제2 기화기를 통하여 천연 가스로서 공급하는 제2 천연 가스 공급 유로;
    ·상기 제2 증류탑의 바닥에서의 액체 성분 H를 가열하는 제2 리보일러; 및
    ·상기 제2 증류탑의 바닥으로부터 도출된 액체 성분 H를 천연 가스 액체로서 전달하는 천연 가스 액체 전달 유로를 포함하고,
    ·상기 제1 열 교환기에 있어서, 상기 원료 공급부로부터 공급된 액화 천연 가스의 한랭의 적어도 일부에 의해 가스 성분 C가 응축되어, 제1 환류 액체가 준비되고;
    ·상기 제2 열 교환기에 있어서, 상기 제1 팽창 터빈으로부터 도출된 가스 상태의 액화 천연 가스의 일부 또는 전부가 상기 제1 열 교환기로부터 도출된 액화 천연 가스의 한랭에 의해 냉각되고 응축되어, 상기 제1 증류탑으로 도입되는 원료가 준비되고;
    ·상기 제3 열 교환기에 있어서, 상기 원료 공급부로부터 공급된 액화 천연 가스의 한랭의 적어도 일부에 의해 가스 성분 E가 저온 응축되어, 제2 환류 액체 및 액체 성분 G가 준비되고,
    상기 제1 리보일러의 온도는 0℃ 내지 30℃이고, 상기 제2 리보일러의 온도는 0℃ 내지 30℃인, 장치.
  2. 액화 천연 가스로부터 천연 가스 액체를 추출하여 천연 가스를 공급하는 장치로서,
    ·과냉각 상태의 압축 액화 천연 가스를 원료로서, 원료 공급부, 제1 열 교환기, 제2 열 교환기, 제1 기화기 및 제1 팽창 터빈을 통하여 도입한 다음, 상기 제2 열 교환기를 통하여 다시 제1 증류탑에 도입하는 원료 공급 유로;
    ·상기 제1 증류탑의 바닥의 액체 성분 D를 가열하는 제1 리보일러;
    ·상기 제1 증류탑의 헤드로부터 도출된 메탄-리치 가스 성분 A를 분기하고, 상기 가스 성분 A로부터 분리된 하나의 가스 성분 B를, 상기 제1 팽창 터빈에 연결되는 제1 압축기를 통하여, 천연 가스로서 전달하는 제1 천연 가스 전달 유로;
    ·상기 가스 성분 A로부터 분리된 다른 가스 성분 C를, 상기 제1 열 교환기를 통하여, 상기 제1 증류탑의 상부로 제1 환류 액체로서 도입하는 제1 환류 유로;
    ·상기 제1 증류탑의 바닥으로부터 도출된 액체 성분 D를 제2 증류탑으로 도입하는 바닥 공급 유로;
    ·상기 제2 증류탑의 헤드로부터 도출된 메탄-리치 가스 성분 E를 액화한 후에 제3 열 교환기를 통하여 분기하고, 가스 성분 E로부터 분리된 하나의 액체 성분 F를 제2 환류 액체로서 상기 제2 증류탑의 상부로 도입하는 제2 환류 유로;
    ·상기 가스 성분 E로부터 분리된 다른 액체 성분 G를 압축 수단 및 제2 기화기를 통하여 천연 가스로서 공급하는 제2 천연 가스 공급 유로;
    ·상기 제2 증류탑의 바닥에서의 액체 성분 H를 가열하는 제2 리보일러; 및
    ·상기 제2 증류탑의 바닥으로부터 도출된 액체 성분 H를 천연 가스 액체로서 전달하는 천연 가스 액체 전달 유로를 포함하고,
    ·상기 제1 열 교환기에 있어서, 상기 원료 공급부로부터 공급된 액화 천연 가스의 한랭의 적어도 일부에 의해 가스 성분 C가 응축되어, 제1 환류 액체가 준비되고;
    ·상기 제2 열 교환기에 있어서, 상기 제1 팽창 터빈으로부터 도출된 가스 상태의 액화 천연 가스의 일부 또는 전부가 상기 제1 열 교환기로부터 도출된 액화 천연 가스의 한랭에 의해 냉각되고 응축되어, 상기 제1 증류탑으로 도입되는 원료가 준비되고;
    ·상기 제3 열 교환기에 있어서, 상기 원료 공급부로부터 공급된 액화 천연 가스의 한랭의 적어도 일부에 의해 가스 성분 E가 저온 응축되어, 제2 환류 액체 및 액체 성분 G가 준비되고;
    ·제2 팽창 터빈은 원료 공급 유로에서 상기 제1 기화기의 하류에 배치되고;
    ·상기 제1 기화기로부터 공급된 상기 액화 천연 가스의 적어도 일부는 상기 제2 팽창 터빈을 통하여 상기 제1 증류탑으로 도입되고;
    ·제4 열 교환기와 상기 제2 팽창 터빈에 연결된 제2 압축기는 상기 제1 천연 가스 전달 유로에서 상기 제1 압축기의 하류에 배치되고;
    ·상기 제1 압축기로부터 공급된 상기 가스 성분 B는, 천연 가스로서, 상기 제4 열 교환기 및 상기 제2 압축기를 통하여 상기 제1 천연 가스 전달 유로로부터 전달되고;
    ·상기 제2 열 교환기에서, 상기 제1 팽창 터빈으로부터 도출된 액화 천연 가스 및 상기 제2 팽창 터빈으로부터 도출된 액화 천연 가스 중 일부 또는 전부는 상기 제1 열 교환기로부터 도출된 상기 액화 천연 가스의 한랭에 의해 냉각되고 응축되어, 원료가 준비되는 것을 특징으로 하는, 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    ·분기 바이패스 라인이 상기 제1 압축기의 하류이며 상기 제4 열 교환기의 상류에 배치되고;
    ·제1 차단 밸브가 상기 분기 바이패스 라인에 배치되고;
    ·상기 제1 천연 가스 전달 유로에 배치된 제1 압력계에 의해 측정된 압력 값을 기초로 상기 제1 차단 밸브가 제어되는 것을 특징으로 하는, 액화 천연 가스로부터 천연 가스 액체를 추출하여 천연 가스를 공급하는 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    제1 발전기가 상기 제2 압축기에 연결되게 배치되는 것을 특징으로 하는, 액화 천연 가스로부터 천연 가스 액체를 추출하여 천연 가스를 공급하는 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    제3 팽창 터빈이 상기 제2 팽창 터빈과 병렬로 배치되고, 제2 발전기가 상기 제3 팽창 터빈에 연결되게 배치되는 것을 특징으로 하는, 액화 천연 가스로부터 천연 가스 액체를 추출하여 천연 가스를 공급하는 장치.
  6. 액화 천연 가스로부터 천연 가스 액체를 추출하여 천연 가스를 제조하는 방법인, 천연 가스 액체를 제조하는 방법으로서,
    (1) 원료 공급부로부터 공급된 액화 천연 가스의 적어도 일부를 액화 천연 가스의 한랭의 일부를 방출한 후에 제1 증류탑으로 도입하는 단계;
    (2) 제1 증류탑의 헤드로부터 메탄-리치 가스 성분 A를 도입하는 단계;
    (3) 상기 가스 성분 A를 분기하고, 상기 가스 성분 A로부터 분리된 하나의 가스 성분 B를 천연 가스로서 전달하기 전에 승압하는 단계;
    (4) 상기 가스 성분 A로서 분리된 다른 가스 성분 C를 제1 환류 액체로서 상기 제1 증류탑의 상부로 도입하기 전에 냉각하는 단계;
    (5) 상기 제1 증류탑의 바닥에 저장된 액체 성분 D를 제1 리보일러를 통하여 가열하는 단계;
    (6) 상기 제1 증류탑의 바닥으로부터 도출된 액체 성분 D의 적어도 일부를 제2 증류탑으로 도입하는 단계;
    (7) 상기 제2 증류탑의 헤드로부터 도출된 메탄-리치 가스 성분 E를 냉각하고, 액화 후에 분기하고, 상기 가스 성분 E로부터 분리된 하나의 액체 성분 F를 제2 환류 액체로서 제2 증류탑의 상부로 도입하는 단계;
    (8) 가스 성분 E로부터 분리된 다른 액체 성분 G를 승압하고, 천연 가스로서 공급하기 전에 기화하는 단계;
    (9) 상기 제2 증류탑의 바닥에 저장된 액체 성분 H를 제2 리보일러를 통하여 가열하는 단계; 및
    (10) 상기 제2 증류탑의 바닥으로부터 도출된 상기 액체 성분 H를 천연 가스 액체로서 전달하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 리보일러의 온도는 0℃ 내지 30℃이고, 상기 제2 리보일러의 온도는 0℃ 내지 30℃인, 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    ·상기 원료 공급부로부터 공급된 상기 액화 천연 가스의 적어도 일부가 원료로서 제1 열 교환기, 제2 열 교환기, 제1 기화기 및 제1 팽창 터빈을 통하여 제1 증류탑으로 도입되고;
    ·상기 제1 열 교환기에 있어서, 상기 원료 공급부로부터 공급된 상기 액화 천연 가스의 한랭의 적어도 일부에 의해 상기 가스 성분 C가 응축되어, 상기 제1 증류탑의 상부로 도입될 제1 환류 액체가 준비되고;
    ·상기 제2 열 교환기에 있어서, 상기 제1 팽창 터빈으로부터 도출된 가스 상태의 상기 액화 천연 가스의 일부 또는 전부가 상기 제1 열 교환기로부터 도출된 상기 액화 천연 가스의 한랭에 의해 냉각되고 응축되어, 원료가 준비되고;
    ·상기 제2 증류탑의 헤드로부터 도출된 메탄-리치 가스 성분 E가 제3 열 교환기를 통하여 액화되고;
    ·상기 제3 열 교환기에 있어서, 상기 원료 공급부로부터 공급된 상기 액화 천연 가스의 한랭의 적어도 일부에 의해 상기 가스 성분 E가 저온 응축되어, 상기 제2 환류 액체 및 상기 액체 성분 G가 준비되는, 천연 가스 액체를 제조하는 방법.
  8. 삭제
  9. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3 열 교환기로 도입되는 상기 액화 천연 가스의 온도는 상기 제3 열 교환기로의 도입 시 -180℃ 내지 -125℃인 것을 특징으로 하는, 액화 천연 가스로부터 천연 가스 액체를 추출하여 천연 가스를 공급하는 장치.
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