KR20140043745A - 천연가스의 액화를 위한 방법 - Google Patents

천연가스의 액화를 위한 방법 Download PDF

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Abstract

천연가스를 열교환기와 제1 팽창기로 냉각시키는 단계를 포함하는 방법. 열교환기는 공급 천연가스를 팽창기의 배출 온도보다 더 높은 온도까지 냉각시키고, 열교환기의 제1 저온통로 내의 팽창기 배출 스트림을 열교환기로의 공급 천연가스의 온도보다 약간 아래까지 재가열하고, 열교환기로부터의 저온 배출 스트림을 저온 배출 스트림이 부분적으로 액화되는 제2 팽창기 내로 통과시키고, 제2 팽창기의 배출 스트림을 액체 및 증기 부분들로 분리하고, LNG 제품으로서 이용하기 위해 액체부분을 수집하고, 열교환기의 제2 저온측 통로 내의 증기 부분을 열교환기로의 공급 천연가스의 온도와 실질적으로 동일한 온도까지 재가열하며, 부분적으로는 제1 팽창기로의 공급물로서 그리고 부분적으로는 상기 열교환기로의 공급물로서 재가열된 증기 부분을 재생시킨다.

Description

천연가스의 액화를 위한 방법{PROCESS FOR LIQUEFACTION OF NATURAL GAS}
본 발명은, 메탄 풍부 가스를 액화시키기 위한 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 액화천연가스(LNG)를 생산하기 위한 방법에 관한 것이나 이에 한정되는 것은 아니다.
천연가스의 액화는,
- 액체 냉매들의 증발,
- 팽창 기계들(팽창기들) 내에서 가스들의 작용 팽창에 의해 사실상 달성될 수 있다.
액체 냉매들의 증발은 최저 전력요건들을 제공하고 폭넓게 이용되는 캐스케이드 및 혼합 냉매 LNG 공정들(Cascade　and Mixed Refrigerant LNG processes)의 기초가 된다.
팽창기 기반의 LNG 설비들은 간단하고, 컴팩트하며, 중량이 적어서 액체 냉매들의 수입/준비/보관을 피할 수 있다. 이들 특징은 저탄화수소 재고품이 안전 고려사항들로부터 바람직한, 특히 국외의, 소규모 응용제품들에 대해서는 매력적이다. 그러나 팽창기의 공정들은
- 최근까지, 제한된 용량 및 팽창기들을 이용한 경험
- 더 높은 전력요건
- 더 넓은 관 직경 등을 필요로 하는 더 높은 내부가스의 유속들이라는 일부 단점들을 갖는다.
대부분의 팽창기 기반 공정들에 있어서 작용유체(일반적으로 질소)는 팽창기의 배출구에서 증기 상으로 남아 있는다.
두 개의 상의 방출 흐름을 가지는 팽창기 내에서 공급가스 자체를 부분적으로 액화시킴으로써 내부 (재생) 가스 유량을 감소시키고 전력요건을 감소시킬 수 있다.
액화 팽창기 내에서의 LNG의 생산은 새로운 아이디어는 아니다(미국특허 2,903,858-Bocquet).
본 발명자들은, 액화 팽창기가 공급 천연가스로부터 생성된 간단한 혼합 냉매를 수용하는 예냉 회로를 겸비하고 있는, 잠재적으로 더 낮은 전력요건들을 가지는 방법(영국 특허 2393504B, 미국특허 7,234,321)을 이전에 개시했었다.
다른 최근 개시물들이 평행/재생 가스 팽창기에 이어서 액화 팽창기에 의해 예냉하는 단계를 포함한다:
- "1600 psia 초과"의 고압까지 압축된 공급 가스로부터의 -112℃의 가압된 액화천연가스(PLNG)의 생산을 기재한 WO 01/44735 (Minta 외).
- "약 1500 psig 내지 약 3500 psig"의 압력에서 공정에 진입하거나, 또는 이러한 압력까지 공정 내에서 압축된 공급 가스로부터의 LNG의 생산을 기재한 US 2006/0213222 (Whitesell).
상기 언급된 두 특허와 비교하여, 본원의 진보성은 약 -161℃에서의 대기압 LNG의 실제적인 생산을 가능하게 하는 두 개의 팽창기(예냉 팽창기와 액화 팽창기)에 대한 작동조건들을 확인하는 것으로 구성된다. 더욱이 상기 언급된 특허들의 특징인 매우 높은 압력의 공급가스가 더 이상 필요하지 않다.
이는 결과적으로 원료 공급가스가 40 바(bar)(4Mpa)만큼 낮은 압력을 가지는 광범위한 잠재적인 응용분야들을 가지는 개선된 열효율의 단순화된 공정이 된다.
본 발명은, 그 간단한 유동 계획, 저전력소비 및 액체 냉매의 보관과 사용에 대한 비의존성으로 인해, 특히 국외의, 소형 가스전들로부터의 LNG의 생산을 용이하게 한다. 액화공정 그 자체는 일반적으로, 이러한 작동조건들 하에서 작동하기에는 덜 쉬울 수도 있는, 예컨대 냉매 준비용 프로세스 컬럼(process column)들을 필요로 하지 않는다.
본 발명에 따르면, 천연가스 또는 기타의 메탄 풍부 가스들을 액화시키기 위한 방법이 제공된다. 일반적으로 40 바(4MPa) 내지 100 바(10Mpa)의 압력의 공급가스는 상기 설명된 팽창기 기반의 플랜트 구성에 의해 약 1 바 (0.1MPa)/-161℃의 LNG 제품을 제공하기 위해 액화되며 이러한 플랜트 구성은
- 공급가스와 재생가스(이하에서 기재됨)를 제1 단계에서 제1 열교환기에 의해 그리고 제1 작용 팽창기 내에서 냉각하는 단계로서, 열교환기는 -50℃ 내지 -80℃, 바람직하게는 -60℃ 내지 -70℃의 범위의 배출 온도를 가지며; 팽창기는 열교환기의 배출 온도보다 더 낮은 배출 온도를 가지고; 열교환기는 상기 열교환기의 저온통로 내에서 재가열된 후 재압축되어 상기 언급된 재생가스의 일부를 형성하는 배출 스트림을 가지는 것인, 냉각 단계,
- 냉각된 배출 스트림을 상기 제1 열교환기로부터 부분적으로 제2 열교환기 내의 고온통로 내로 통과시키는 단계로서, 배출 스트림이 실질적으로 응축되어, 제2 작용 팽창기 내로 부분적으로 들어가고, 상기 제2 팽창기가 제2 열교환기의 저온 배출보다 더 낮은 배출 온도를 가지며, 제2 팽창기의 배출 스트림이 상당한 량의 액체(일반적으로 10-15% wt)를 함유하며; 팽창기의 배출이 증기 부분과 액체 부분으로 분리되고; 증기 부분이 상기 제2 및 제1 열교환기들 내의 저온통로들 내에서 재가열되며; 그 후 재압축되어 상기 언급된 재생가스의 일부로서 이러한 방법에 대한 입구로 복귀되는 것인, 단계;
- 상기 언급된 분리된 액체의 및 상기 제2 열교환기 내의(?) 고온 통로로부터의 응축된 액체(양자 모두 거의 -120℃)의 압력을 거의 대기압까지 감소시키고; 상기 열교환기들 내의 추가적인 저온통로들 내에서 방출된 급속기화된 가스를 재가열하며; LNG 제품으로서 이용하기 위해 액체를 제거하는 단계를 포함한다.
재생가스 압축력에 대한 최저요건이 제2 팽창기의 배출구에서 거의 10 바(1MPa)를 초과하는 압력범위 내로 물리적인 작용의 추출을 집중시키는 것에 기인한다는 것이 발견되었다. 이것의 이점은 두 팽창기로부터의 배출 압력들이 약 10 바(1MPa)로 같아질 수 있어서, 제1 열교환기를 세 통로의 구성으로 줄인다는 데에 있다.
대부분의 기존 LNG 제품이 액체 냉매들의 증발에 의존하여 천연가스를 냉각 및 응축시켜 열교환기 내에서 LNG 제품을 형성하는 반면에, 본 발명은, 주로 공급가스 그 자체의 작용 팽창에 의해 필요한 냉동이 공급되는 적당한 전력요건을 가지는 액화공정을 포함한다. 그러므로 극저온의 액체 냉매들 또는 질소와 같은 기타의 부차적인 작용유체들은 필요하지 않다. 이런 식으로 에너지는 낮은 온도 수준에서 추출되어, 결국 열역학적 효율이 개선된다. 결과적으로, 상당한 비율의 LNG가, 작용 추출 팽창기로부터의 저온 가스의 재가열에 의해 냉각되는 교환기 내에서의 응축에 의해 형성되는 것 이외에, 상기 작용 추출 팽창기 내에서 바로 형성된다.
본 발명은 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이며, 여기서 도 1과 2는 본 발명에 따른 방법들을 예시하는 흐름도들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 작동 특징들을 나타낸다. 정확한 흐름도는 공급 가스 사양에 따라 좌우될 것이지만, 일반적으로 이들의 기본 요소들을 포함할 것이다. 압력들이 본원의 어느 곳에서든지 "바(bar)" 로서 기재되어 있는 경우 이들은 절대 바이다.
공급 천연가스(스트림(1))는, 응고화하거나 그렇지 않으면 하류의 액화 공정과 간섭되게 될 성분들, 예컨대 CO2, H2S, 수증기 및 수은증기가 전처리된 가스(스트림(2)) 내에서 적절한 종래의 최대 농도를 제공하는데 필요한 정도까지 제거되는 전처리 단(A)을 통과한다. 스트림(2)은 재생가스(스트림(3))의 일부(스트림(4))와 혼합되어 열교환기(B) 내의 통로를 통과하는 스트림(6)을 형성하고, 일반적으로 -20℃ 내지 -60℃, 바람직하게는 -30℃ 내지 -50℃ 범위의 온도의 스트림(7)으로서 떠난다. 이러한 온도는 일반적으로 최종 LNG 제품에 대한 사양을 충족하기에 충분한 NGL을 응축시키기에는 충분히 낮다. 분리기(C) 내에서 응축된 어떠한 탄화수소들도 스트림(8)으로서 제거된다. C로부터의 배출 증기(스트림(9))는 열교환기(D) 내의 통로에서 더욱 냉각되어, -50℃ 내지 -80℃, 바람직하게는 -60℃ 내지 -70℃ 범위의 온도의 스트림(10)으로서 빠져나간다. 스트림(10)의 온도보다 더 낮은 온도를 가지는 배출 스트림(11)을 가지는 가스 팽창기(E) 내에서 재생 가스의 잔존 부분(스트림(5))이 냉각된다.
선택적으로, 전처리된 공급 가스의 일부 또는 전부가 스트림(2a)을 통해 전처리 단(A)을 빠져나가, 스트림들(4 & 5)로 나뉘는 지점의 상류에서 재생 가스 스트림(3)과 합류할 수 있다. 이러한 옵션은 천연가스의 공급 스트림(1)이 소량의 중탄화수소만을 가지는 경우에 편리할 수 있다. 이러한 경우에 있어서 전처리된 공급 가스는 재생 가스의 전체와 혼합될 수 있고 그 후 생성된 혼합물은 스트림(6)을 통해서는 열교환기(B)로 그리고 스트림(5)을 통해서는 가스 팽창기(E)로 공급하기 위해 나누어질 수 있다.
스트림(11)의 압력은 일반적으로 약 15 바(1.5MPa)일 것이다. 스트림(11)은, 열교환기(D) 내의 제1 저온통로로 들어가서, 열교환기(B) 내의 제1 저온통로를 통과하는 스트림(12)으로서 떠나고, 스트림(6)의 온도 바로 아래의 온도로 나타난다(스트림(13)). 스트림(5)의 유속에 대한 스트림(4)의 유속의 비가 제어됨으로써 열교환기들(B 및 D)의 복합적인 고온 및 저온 측들의 사이의 온도 접근이 이들 열교환기의 길이 전체에 걸쳐서 실질적으로 균일하다.
스트림(10)의 대부분은 그 후 제2 가스 팽창기(F)를 통과(스트림(14))하며, 제2 가스 팽창기로부터 3 바(0.3MPa) 내지 20 바(2MPa)의, 바람직하게는 5 바 (0.5MPa) 내지 15 바(1.5MPa)의 압력에서 그리고 부분적으로 액화된 상태의 스트림(15)으로서 나타난다. 스트림(15)은 그 후 증기-액체 분리기(G)로 들어간다. 그런 다음, 분리기(G)로부터의 액상(스트림(16))은 일반적으로 밸브 또는 터빈과 같은 압력감소장치(H) 내에서 내려가게 된다. 일반적으로 대기압에 있거나 대기압에 근접한 H로부터의 배출(스트림(17))이 LNG 탱크(I) 내로 전달된다. LNG 제품의 질소 함량을 감소시키기를 원한다면, 일반적으로 재가열을 위해 스트림(16)의 감지열을 채용하는 종래의 질소제거 컬럼(도시하지 않음)이 이용될 수 있다.
선택적으로 그리고 바람직하게는 스트림(10)의 일부가 열교환기(J) 내의 고온측 통로를 통해 스트림(23)으로서 흐르는 데, 이 스트림은 분리기(G)로부터의 증기(스트림(18))와의 간접적인 열교환에 의해 액화되며, 스트림(24)으로서 나타난다. 이는 그 후 일반적으로 밸브 또는 터빈과 같은 압력저감장치(K)를 통해 압력이 떨어진다. K로부터의 배출은 스트림(25a)으로서 점선으로 도시된 증기-액체 분리기(G)로, 또는 바람직하게는 스트림(25b)으로서 LNG 탱크(I)로 보내어진다. 이러한 두 번째 옵션은 재생 가스 내에서의 질소의 축적을 감소시키는데 도움이 된다. 열교환기(J) 내의 제1 저온통로에서 가열된 스트림(18)은 스트림(19)으로서 나타난다. 이 스트림은 이 후 열교환기(D) 내의 제2 저온통로 내에서 더욱 가열되어, 스트림(20)으로서 나타나며, 이 스트림은 그 후 열교환기(B) 내의 제2 저온통로 내에서 더욱 가열되어, 스트림(6)의 온도 약간 아래의 온도의 스트림(21)으로서 나타난다.
스트림들(13 및 21)은 재생 압축기(N) 내에서 압축되며, 이 압축기로부터 배출 스트림(34)이 일반적으로 냉각기(O) 내의 냉각수에 의해 냉각된다. 압축기(N)는 중간 냉각기들과 함께 하나 이상의 단들로 구성될 수 있다. 스트림들(13 및 21)은 동일한 압력을 가지지 않을 것이고 서로 다른 압축기 단들에서 진입할 수 있다. O로부터의 배출 스트림은 위에서 언급된 재생 가스 스트림(3)을 형성한다.
스트림(16)의 H에 걸친 급속기화(flashing)와 스트림(24)의 K에 걸친 급속기화는 결국 공급 가스 중 대부분의 질소 함량과 함께 주로 메탄을 포함하는 증기의 방출을 초래한다. 일반적으로 탱크(I) 내로의 열 누출로 야기된 증발 증기와 선택적으로 혼합된 이러한 증기(스트림(26))는 스트림(27)을 형성하기 위해 열교환기(J) 내의 제2 저온통로에서, 그리고 그 후 스트림(28)을 제공하기 위해 열교환기(D) 내의 제3 저온통로에서 그리고 최종적으로는 열교환기(B) 내의 제3 저온통로에서 가열되어, 스트림(6)의 온도보다 약간 아래의 온도의 스트림(29)으로서 나타난다. 종래의 부스터 블로워(도시하지 않음)가, 스트림(29)의 압력이 대기압 아래로 떨어지지 않는 것을 보장하도록 스트림(26) 내에 제공될 수 있다. 스트림(29)은 일반적으로 연료 가스로서 이용될 수 있다.
스트림(29)(스트림 30)의 일부 또는 전부는 선택적으로 저압 압축기(L) 내에서 재생 가스로의 복귀를 위해 압축되어, 스트림(31)으로서 떠나갈 수 있다. 이러한 스트림은 냉각기(M) 내에서 냉각되며, 이 냉각기로부터 배출(스트림(32))이 스트림(21)과 합류하여 스트림(22)을 형성하고, 이 스트림은 그 후, 이러한 옵션이 사용되지 않는 경우에만, 스트림(21)을 대신하여 재생 압축기(N)의 흡입관으로 들어간다. 다른 옵션은 일반적으로 가스 터빈의 연료로서 이용하기 위해 압축기(N)로부터의 편리한 지점에서 재생 가스(스트림(33))를 빼내는 것이다. 전처리 단(A)에서 흡착제들의 재생을 위한 제거 가스로서 스트림(29) 또는 스트림(33)을, 이들 스트림의 연료들로서의 최종적인 연소 전에, 이용하는 것이 편리할 수 있다.
도 2는, 팽창기들(E 및 F)이 3 바 (0.3MPa) 내지 20 바(2MPa), 바람직하게는 5 바(0.5MPa) 내지 15 바(1.5MPa)의 동일한 배출 압력을 기본적으로 가지는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한다. 팽창기(E)로부터의 배출 스트림(스트림(11))은 그 후 스트림(19)과 혼합되어 스트림(19a)을 형성하고, 이 스트림은 도 1의 스트림(19) 대신에 열교환기(D)로 들어간다. 이 후, 열교환기들(B 및 D)은 세 개의 통로만을 갖게 되어, 이러한 교환기의 구성과 플랜트의 작동을 간단하게 한다.
비록 대부분의 응용분야들에 있어서는 스트림들(2 및 3)이 주위 온도와 근접한 온도들을 가질 것이라고 예상되지만, 이러한 수준 아래로의 냉각이 유리할 수 있다. 그런 스트림들, 및 선택적으로 압축기의 중간 냉각기들과 후부 냉각기들로부터의 배출 스트림들을, 가스 터빈, 가스 엔진의 배출가스 또는 조합된 사이클 또는 기타 적절한 어떤 것으로부터의 열 공급을 받을 수 있는 리튬 브로마이드(LiBr)를 일반적으로 이용하는 기계적인 냉동 사이클에 의하거나 또는 흡수 냉동 시스템에 의해 냉각시키는 것이 가능하다.

Claims (8)

  1. 천연가스 또는 기타의 메탄 풍부 가스들을 액화시키기 위한 방법에 있어서,
    - 열교환기 및 제1 가스 팽창기에 의해 공급 천연가스의 온도를 -50℃ 내지 -80℃의 온도까지 냉각시키는 단계로서, 열교환기가 공급 천연가스를 수용하고 팽창기의 배출 온도보다 더 높은 배출 온도를 가지는 것인, 냉각 단계;
    - 상기 열교환기의 제1 저온통로 내의 팽창기 배출 스트림을 상기 열교환기로의 공급 천연가스의 유입온도 바로 아래까지 재가열하고, 압축하며 재생하는 단계;
    - 상기 열교환기로부터의 저온 배출 스트림이 부분적으로 액화되는 제2 팽창기 내로 상기 열교환기로부터의 저온 배출 스트림의 일부 또는 전부를 통과시키는 단계;
    - 상기 제2 팽창기의 배출 스트림을 증기 및 액체 부분들로 분리하는 단계;
    - LNG 제품으로서 사용하기 위해 액체 부분을 수집하는 단계;
    - 상기 열교환기의 제2 저온측 통로 내의 증기 부분을 상기 열교환기로의 공급 천연가스의 유입 온도 바로 아래까지 재가열하는 단계;
    - 압축 후 상기 재가열된 증기 부분을 부분적으로는 상기 제1 팽창기로 그리고 부분적으로는 상기 열교환기로 재생시키는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 열교환기가 모든 공급 천연가스를 수용하는 것인, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 열교환기가 공급 천연가스의 대부분, 적어도 30%를 수용하는 것인, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 공급 천연가스가 -60℃ 내지 -70℃의 온도까지 냉각되는 것인, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 가스 팽창기들이 3 바 (0.3MPa) 내지 20 바(2MPa), 바람직하게는 5 바 (0.5MPa) 내지 15 바(1.5MPa)의 동일한 배출압력을 기본적으로 가지고, 양 팽창기들로부터의 배출 스트림들은 최종 재가열, 압축 및 재생 전에 혼합되는 것인, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 공급 및/또는 압축기 방출 및/또는 재생 스트림들의 일부 또는 전부가 일반적으로 리튬 브로마이드(LiBr)와 같은 흡수 냉동 사이클들을 이용하여 냉각되는 것인, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 흡수 냉동 시스템에 대한 열 요건이 본 방법의 압축기들로 동력을 공급하는데 이용될 수 있는 가스 엔진들 또는 터빈들과 같은 가스 엔진 또는 가스 터빈의 배기 열에 의해 공급되는 것인, 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 공급 및/또는 재생 스트림들의 이러한 냉각은 이산화탄소 및/또는 공급가스로부터의 다른 불순물들의 제거와 결부되어 있는 것인, 방법.
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