KR20150004387A - 흡착된 천연 가스 저장 설비 - Google Patents

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Abstract

천연 가스 공급원에서의 낮동안의 요구의 영향을 감소시키도록 천연 가스 저장 설비를 사용하는 방법은 천연 가스를 천연 가스 저장 설비로 안내하는 단계와, 상기 천연 가스를 무거운 천연 가스 성분 및 가벼운 천연 가스 성분으로 분리하는 단계와, 비-피크 요구 기간 동안에 상기 무거운 천연 가스 성분 및 상기 가벼운 천연 가스 성분을 보유하는 단계를 포함한다. 천연 가스 저장 설비는 가드 베드 시스템 및 흡착 베드 시스템을 포함한다. 본 방법은 또한 무거운 천연 가스 성분과 가벼운 천연 가스 성분을 방출하는 단계와, 방출된 천연 가스 성분 생산물을 혼합하는 단계와, 피크 요구 기간 동안에 천연 가스 공급원으로 안내하는 단계를 포함한다.

Description

흡착된 천연 가스 저장 설비{Adsorbed Natural Gas Storage Facility}
본 발명의 분야는 천연 가스의 저장에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명의 분야는 상이한 요구 기간 동안에 천연 가스를 저장하고 배출하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
천연 가스는 세상에서 바람직하고 이동가능한 선택된 연료이다. 천연 가스는 석유 및 석탄을 포함한 여러 전통적인 연료보다 더 완전하게 연소되며; 이에 따라, 천연 가스의 연소는 주변 환경에 비교적 덜 해롭다. LNG, 프로판 및 여러 압축된-가스 연료를 포함한, 천연 가스 생산 및 이와 유사한 생산이 엔진 및 터빈 연소 시스템에서 상당히 더 효율적이다.
가스 터빈에 의한 전기 생성은 잘 알려져 있고 비교적 비용절감적이다. 고온의, 압축된 배기 가스의 재순환은 90% 이상의 우수한 열 변환 효율을 야기할 수 있다. 터빈 열병합발전(co-generation) 설비는 향상된 오일 회수 공정 및 여러 화학 공정에 유용한 전기 및 이산화탄소를 만들 뿐만 아니라, 고온의 물 및 스팀도 만든다. 상업적이고 개인적인 소비자는 이들 생산 모두를 사용할 수 있다.
폭넓은 이용가능성의 연료와 같은 천연 가스로써, 가스 터빈 기술을 사용하는 전기 생성이 증가하고 있다. 천연 가스 자원의 위치는 수 개의 지정학적 영역만으로 한정되지 않는다. 유럽, 일본 및 미국에서의 파쇄하는 깊은 혈암(fracturing deep shale) 비축의 진보는 천연 가스가 앞으로 몇 년간 산업화된 사회에서 주요 연료이거나 계속적으로 주요 연료가 될 것이라는 것을 나타낸다. 전기 열병합발전은 소비자 시장에 탄화수소 연료의 최대 장점을 제공하는 최상의 방식이다.
비-상업적인 사용자용 천연 가스나 전기를 만들 때, 중요한 문제점이 천연 가스 운송 네트워크에 대해 발생한다(낮동안의 요구). 제조 플랜트나 설비와 달리 사람들은 하루 내내 안정적인 에너지 사용자가 되지 않는 경향이 있다. 사람들은 낮 동안 초저녁까지 보다 많은 양의 전기를 소비하고 밤부터 이른 아침까지 보다 적은 전기를 소비한다. 소비율이 크면 클수록 "피크 요구 기간(peak period of demand)"을 형성하고 소비율이 작으면 작을수록 "비-피크 요구 기간(non-peak period of demand)"을 형성한다. 이러한 날마다 트랜드는 일년 내내 발생한다. 상이한 계절 동안에, 그러나, 각각의 기간의 길이(보다 적은 양이나 보다 많은 양의 인공 광을 각각 필요로 하는 보다 짧거나 보다 긴 기간의 자연 광) 및 기간의 크기(예를 들면, 보다 높고 보다 낮은 온도 대 보다 적당한 온도에서 요구되는 보다 많은 양)는 낮의 기간 동안에 요구의 크기를 변경시킬 수 있다. 요구의 위치는 또한 낮동안의 요구가 무엇인지에 영향을 미친다. 보다 차가운 환경에서, 전반적으로 날마다의 전기 및 천연 가스 요구가 여름에 더 적고 겨울에는 소비자가 가열 장비를 사용함으로서 더 많을 것이다. 보다 따듯한 환경에서는, 날마다의 요구 추세는 소비자가 공기 조화 유닛을 사용하여 차갑게 유지시킴에 따라 반대이다.
전기 및 천연 가스 스윙(swing) 소비는 - 날마다의 뿐만 아니라 계절적 차이에서 사용되며 - 천연 가스 운송 및 생산 시스템 도처에서의 다양성을 초래한다. 천연 가스 생산은 거의 일정하다. 천연 가스 생산과 총 소비 사이의 공급-요구 갭은 "가스 요구 래그(gas demand lag)"를 초래한다. 조정(intervention) 없이 이러한 래그는 시스템 압력이 천연 가스 운송 시스템 도처에서 증가 및 감소하는("스윙(swing)") 것 자체를 명백하게 한다.
전기 생성 설비는 공급원료로서 일정한, 고-압력 천연 가스를 선호한다. 천연 가스 공급에서의 압력 스윙은 부하 하에서 장비 감속을 야기시키는 급격한 부적당한 공급-대-연료 비에 의해, 가스 터빈을 포함한, 전기 생성 장비, 특히 회전 장비를 손상시킬 수 있다.
압력 스윙을 완화시키는 지난 해결책은 운송 시스템에서의 인-라인 압축기를 포함한다. 피크 요구 기간 동안에 작동하는 CNG(압축된 천연 가스) 부스터 압축기는 운송 시스템 압력을 유지하도록 시도된다. 천연 가스 공급 압력의 손실이 발전기 및 불만족한 공공의 소비자 모두에게 정지시간을 초래할 수 있다.
압축 장비를 사용하는 것은 압축 장비가 CNG 운송 시스템 압력에서 작동하기 때문에 전달 시스템의 작동 경비를 증대시킨다. 압축 장비는 또한 날마다의 작동 온도의 변화를 허용하도록 반드시 작동가능해야 한다. 인-라인 압축기는 유지보수 비용이 비싼데, 그 이유는 상기 압축기가 끊임없이 작동하지 않고 시스템 압력이 저 임계 값일 때 개시하고 시스템 압력이 고 임계 값일 때 정지하기 때문이다.
최상의 유지보수 실행에도 불구하고 압축기는 예기치 않게 고장되곤 한다. 회전 장비 고장은 때때로 큰 재해이며, 수 주의 정지시간이 요구되면서 새로운 유닛의 이송과 조정되어야 한다. 고장으로부터의 천연 가스 공급 압력의 급격한 손실은 하류 발전기 및 오랜-기간 불만족한 공공의 소비자에게 직접적인 정지시간을 초래할 수 있다.
천연 가스 공급원에서의 낮동안의 요구의 효과를 감소시키기 위한 천연 가스 저장 설비는 가드 베드 시스템(guard bed system) 및 흡착 베드 시스템을 포함한다. 가드 베드 시스템은 무거운 천연 가스 성분 저장 용량을 구비하고 유도된 천연 가스로부터 불순물을 제거하도록 작동가능하여, 무거운 천연 가스 성분을 보유하고 무거운 천연 가스 성분을 방출하도록 유도된 천연 가스를 무거운 천연 가스 성분 및 가벼운 천연 가스 성분으로 선택적으로 분리한다. 흡착 베드 시스템은 가드 베드 시스템과 유체 연통된다. 흡착 베드 시스템은 가벼운 천연 가스 성분 저장 용량을 갖고, 미소공성 물질(microporous material)인 가벼운 천연 가스 흡착제를 포함하며, 그리고 가벼운 천연 가스 흡착제를 사용해 가벼운 천연 가스 성분을 보유하고 상기 가벼운 천연 가스 흡착제로부터 가벼운 천연 가스 성분을 방출하도록 작동가능하다. 천연 가스 저장 설비는, 유도된 천연 가스가 가드 베드 시스템에 들어가도록, 천연 가스 저장 설비와 연결된다. 선택적으로, 천연 가스 저장 설비는 온도 제어 시스템 및 압축기 시스템을 포함한다.
천연 가스 공급원에서의 낮동안의 요구의 효과를 감소시키는 천연 가스 저장 설비의 사용 방법은 비-피크 요구 기간 동안에 천연 가스 저장 설비로 천연 가스를 안내하는 단계를 포함한다. 유도된 천연 가스는 천연 가스 열의 값을 갖는다.
상기 천연 가스 저장 설비의 사용 방법은 또한 가드 베드 시스템이 유도된 천연 가스로부터 천연 가스 불순물을 제거하도록, 비-피크 요구 기간 동안에 천연 가스 저장 설비를 작동시키는 단계를 포함한다. 상기 천연 가스 저장 설비의 사용 방법은 또한 가드 베드 시스템이 선택적으로 유도된 천연 가스를 무거운 천연 가스 성분과 가벼운 천연 가스 성분으로 분리하고 상기 무거운 천연 가스 성분을 보유하도록, 비-피크 요구 기간 동안에 천연 가스 저장 설비를 작동시키는 단계를 포함한다. 상기 천연 가스 저장 설비의 사용 방법은 또한 가벼운 천연 가스 성분이 가드 베드 시스템으로부터 흡착제 베드 시스템까지 통과하도록, 비-피크 요구 기간 동안에 천연 가스 저장 설비를 작동시키는 단계를 포함한다. 상기 천연 가스 저장 설비의 사용 방법은 또한, 흡착제 베드 시스템이 가벼운 천연 가스 성분을 가벼운 천연 가스 흡착제로 흡착하도록, 비-피크 요구 기간 동안에 천연 가스 저장 설비를 작동시키는 단계를 포함한다.
상기 천연 가스 저장 설비의 사용 방법은 또한, 가드 베드 시스템이 무거운 천연 가스 성분을 방출하고, 흡착제 베드 시스템이 가벼운 천연 가스 흡착제로부터 가벼운 천연 가스 성분을 방출하며, 그리고 방출된 무거운 천연 가스 성분 및 방출된 가벼운 천연 가스 성분이 혼합되어 방출된 천연 가스 생산물을 형성하도록, 피크 요구 기간 동안에 천연 가스 저장 설비를 작동시키는 단계를 포함한다. 상기 천연 가스 저장 설비의 사용 방법은 또한 피크 요구 기간 동안에 방출된 천연 가스 생산물을 천연 가스 공급원으로 안내하는 단계를 포함한다.
천연 가스 저장 설비는, 유도된 천연 가스를 무거운 천연 가스 성분 및 가벼운 천연 가스 성분으로 선택적으로 분리하고 비-피크 요구 기간 동안에 천연 가스 성분을 별도로 보유하도록, 천연 가스 공급원으로부터 유도된 천연 가스를 수용하도록 작동가능하다. 천연 가스 저장 설비는 피크 요구 기간까지 무거운 및 가벼운 천연 가스 성분으로 작동가능하다. 천연 가스 저장 설비는 피크 요구 기간 동안에 천연 가스 성분을 천연 가스 공급원으로 유도하고 천연 가스 성분을 방출하도록 작동가능하다.
천연 가스 저장 설비는 여러 문제를 경감시키고 많은 장점을 제공한다. 천연 가스 저장 설비는 비-피크 요구 기간 동안에 만들어진 천연 가스의 볼륨을 "시간 변화(time shift)"시키고 그리고 피크 요구의 기간 동안에 상기 천연 가스를 방출하는 수단을 제공한다. 천연 가스가 보다 많이 요구될 때 천연 가스 성분을 천연 가스 공급원에 부가하는 것과 천연 가스가 요구되지 않을 때 상기 천연 가스 성분을 제거하는 것은 천연 가스 공급원 압력에서 보여진 "스윙" 작용에 반하는, 낮동안의 요구 및 정상 공급(steady supply)에서의 차이에 의해 야기된 압력 스윙의 크기를 감소시킨다. 소비자 요구가 감소된 기간 동안에 천연 가스를 수용하는 것은 천연 가스 공급원의 압력을 낮추고, 그리고 보다 많은 소비자 요구 기간 동안에 천연 가스 성분 형태의 천연 가스를 복귀시키는 것은 천연 가스 공급원의 압력을 상승시킨다.
천연 가스 공급원에서 압력 스윙의 완화(dampening)는 관련 압축 시스템의 작동을 더욱 일정하게 하는데 도움이 되고 주기적인 압력 상태를 피할 수 있다. 시스템 압력 변화가 감소되면, 소비자가 더욱 일정한 유입구 시스템 압력으로써 작동할 수 있게 한다. 이는 회전 장비의 작동 수명 기간을 늘리고 많은 예시적인 심한 스트레스-관련 고장을 피하게 한다.
천연 가스 저장 설비는 최소량의 회전 장비를 구비한다. 인-라인 회전 장비가 요구되지 않으면, 천연 가스 전달 시스템 작동 수명 비용이 감소될 뿐만 아니라 설비의 작동이 더욱 신뢰가능하게 된다.
천연 가스 저장 설비는 비-피크 요구 기간 동안에 수집을 촉진시키기 위하여, 그리고 피크 요구 기간 동안에 천연 가스 공급원으로의 천연 가스 성분의 배출과 유입을 용이하게 하기 위하여, 상기 천연 가스를 설비로 유도하는 천연 가스 공급원의 총 압력 변화와 압력 차이에 따라 기본적으로 결정된다. 가드 베드 시스템 및 흡착 베드 시스템 온도에 대한 변화는, 대기 상태의 변화를 통해 또는 온도 제어 시스템을 사용함으로써, 비-피크 요구 기간 동안의 보유와 피크 요구 기간 동안의 방출을 독려한다.
본 발명의 이들 여러 특징, 특성 및 장점은 첨부된 도면과 첨부된 청구범위와 아래 기재된 발명의 상세한 설명을 참조하면 더욱 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시예의 천연 가스 저장 설비의 공정 흐름도이고;
도 2는 AC3, 유용한 활성탄 미소공성 물질에 대한 수개의 메탄 등온선의 추세를 나타난 도면이고; 및
도 3은 고정된 볼륨 용기와 유용한 미소공성 물질 AC3를 수용한 유사 고정된 볼륨 용기에 대한 2개의 등온선 볼륨 저장 추세를 나타내고 있다.
도면은 일 실시예의 천연 가스 저장 설비를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도면 및 상기 도면의 설명은 천연 가스 저장 설비의 사용 방법과 상기 천연 가스 저장 설비의 이해를 더욱 용이하게 한다. 도면이 본 발명의 범주를 제한하거나 한정하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 도면은 용이한 설명을 위해 간략하게 도시되어져 있다. 이러한 시스템은 의도된 목적으로 작동되게 하는 보조 장비 및 서브시스템을 구비한 복잡한 구조체라는 것을 당업자라면 알 수 있을 것이다.
과제의 해결 수단, 도면의 간단한 설명 및 바람직한 실시예의 상세한 설명을 포함함 명세서와, 첨부된 청구범위는 본 발명의 특별한 특징(공정이나 또는 방법 단계를 포함)을 의미한다. 본 발명이 명세서에 개시된 특별한 특징의 모든 가능한 조합 및 사용을 포함한다는 것을 당업자라면 알 수 있을 것이다. 본 발명이 명세서에 주어진 실시예의 설명으로 또는 상기 실시예의 설명만으로 한정되지 않는다는 것을 당업자라면 알 수 있을 것이다. 본 발명은 명세서 및 첨부된 청구범위의 사상만으로 예외적으로 한정되지 않는다.
또한 특정 실시예를 기술하기 위해 사용된 용어가 본 발명의 범위나 또는 범주를 한정하지 않는다는 것을 당업자라면 알 수 있을 것이다. 명세서 및 첨부된 청구범위를 해석함에 있어서, 모든 용어는 각각의 용어와 관련하여 일정한 가장 폭넓은 가능한 방식으로 해석될 수 있다. 명세서 및 첨부된 청구범위에서 사용된 모든 기술적인 그리고 과학적인 용어는 별도로 언급하지 않았다면 본 발명의 기술분야에 속한 당업자에 의해 통상적으로 이해되는 동일한 의미를 갖는다.
명세서 및 첨부된 청구범위에 사용된 바와 같이, 단수로 기재된 용어는 따로 특별히 언급하지 않았으면 복수의 의미로도 해석될 수 있음은 물론이다. "포함한다"라는 동사와 그의 파생어는 비-배타적인 방식으로 구성요소, 구성부재 또는 단계를 의미하도록 해석될 수 있다. 언급된 구성요소, 구성부재 또는 단계가 제공되거나, 사용되거나 또는 명백하게 언급되지 않았다면, 다른 구성요소, 구성부재 또는 단계와 합쳐질 수 있다. "연결(결합)한다"라는 동사와 그의 파생어는 2개 이상의 사전에 연결되지 않은 물체로부터 단 하나의 물체를 형성하도록, 전기, 기계 또는 유체를 포함하여, 임의의 타입의 필요한 연결부를 완성한다는 것을 의미한다. 제 1 장치가 제 2 장치와 연결되면, 연결은 공통의 연결기를 통해 또는 직접적으로 발생할 수 있다. "선택적으로"라는 표현과 이의 파생된 다양한 표현은 순차적으로 기재된 사건 또는 상황이 발생할 수도 또는 발생하지 않을 수도 있다는 것을 의미한다. 설명은 사건 또는 상황이 발생하는 경우와 발생하지 않는 경우를 포함한다. "작동가능한"이라는 표현과 이의 다양한 형태의 표현은 그 적당한 작용에 맞춰지고 의도된 사용으로 사용될 수 있다는 것을 의미한다. "관련된"이라는 표현과 이의 다양한 형태의 표현은 다른 것과 연결된 것을 의미하는데 그 이유는 이들이 함께 발생되거나 또는 하나가 다른 하나를 만들기 때문이다.
공간 관련 용어는 한 물체나 또는 물체의 그룹에 대한 다른 한 물체나 또는 물체의 그룹의 상대 위치를 나타낸다. 공간 관계는 수직 축선 및 수평 축선을 따라서 적용된다. "상류" 및 "하류"와 같은 정위(orientation) 및 관련 단어는 단지 편리를 위해 기술된 것으로서 별도로 언급하지 않았다면 기재된 사항만으로 한정되지 않는다.
명세서 또는 첨부된 청구범위가 값의 범위를 제공하는 경우에, 간격은 상한치 및 하한치 뿐만 아니라 상기 상한치와 상기 하한치 사이의 각각의 값을 포함한다는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 제공된 임의의 특정 배제의 영향을 받는 보다 좁은 범위의 차를 포함하고 수용한다. "실질적으로 없는"이라는 표현은 지시된 측정 단위로써 1% 미만이라는 것을 의미한다. "검출가능한 양"이라는 표현은 지시된 측정 단위로써 0.01%라는 것을 의미한다.
본 명세서 및 첨부된 청구범위는 2개 이상의 정의된 단계를 포함한 방법을 기준으로 하고 있고, 상기 정의된 단계는 언급된 가능성을 배제하는 경우를 제외하고는, 임의의 순서나 또는 동시에 실행될 수 있다.
한 특허 또는 한 공보가 본 공보를 참조할 경우, 이러한 참조는 본 명세서에 기재된 사항에 모순되지 않는 정도로 전적으로 그리고 참고적으로 통합된다.
도 1
도 1은 일 실시예의 천연 가스 저장 설비의 공정 흐름도이다. 천연 가스 저장 설비(100)는 상류 연결 점(104) 및 하류 연결 점(106)에서 천연 가스 공급원을 CNG 파이프라인(102)과 연결한다. 상류 차단(isolation) 밸브(108) 및 하류 차단 밸브(110)는 폐쇄 시 CNG 파이프라인(102)과 천연 가스 저장 설비(100)를 유체 차단할 수 있다. 체크 밸브(112)는, 천연 가스 저장 설비(100)를 통한 임의의 유체 유동이 상류 연결 점(104)으로부터 하류 연결 점(106)까지 일-방향(one-way)이라는 것을 부가적으로 보장한다.
가드 베드 시스템(114)(dashed outline)은 유입구 도관(116)을 통해 CNG 파이프라인(102)과 연결된다. 가드 베드 시스템(114)은 불순물 분리기(118) 및 두 개의 가드 흡착기(120) 모두를 포함한다. 도 1은 평행한 구성의 2개의 별개의 가드 흡착기(120)를 나타낸 도면이다. 불순물 분리기(118)는 들어오는 천연 가스로부터 천연 가스 불순물을 제거하도록 작동한다. 불순물 분리기(118)는 가드 흡착기 유입구 차단 밸브(122)를 통해 가드 흡착기(120)와 연결된다. 가드 흡착기(120)는 들어오는 천연 가스를 무거운 천연 가스 성분 및 가벼운 천연 가스 성분으로 분리하고 비-피크 요구 기간 동안에 상기 무거운 천연 가스 성분을 보유하도록 작동한다. 가드 흡착기 써멀 자켓(thermal jacket)(124)은 양 가드 흡착기(120)의 외부를 둘러싼다. 가드 베드 시스템(116)은 가드 흡착기(120)의 유동 유출구에서 가드 흡착기 유출구 차단 밸브(126)를 구비한다.
천연 가스 저장 설비(100)는 온도 제어 시스템(128)을 포함한다. 온도 제어 시스템(128)은 가드 흡착기 써멀 자켓(124)과 연결된다. 온도 제어 시스템(128)은 가드 흡착기(120)의 내부 온도를 제어하고, 유지하며, 변경한다. 온도 제어 시스템(128)은 가드 베드 공급 도관(130)을 통해 온도-변경 유체를 가드 흡착기 써멀 자켓(124)으로 유도함으로써, 가드 흡착기(120)의 온도를 유지한다. 가드 흡착기(120)에 포함된 무거운 천연 가스 흡착제(도시 생략)로부터 무거운 천연 가스 성분의 보유 및 방출을 지지하고 가벼운 천연 가스 성분으로부터의 무거운 천연 가스 성분의 분리를 지지하도록 가드 흡착기 써멀 자켓(124) 내의 온도-변경 유체로 그리고 상기 유체로부터 열이 전달된다. 사용된 온도 변경 유체는 가드 베드 복귀 도관(132)을 통해 가드 흡착기 써멀 자켓(124)으로부터 온도 제어 시스템(128)까지 복귀한다.
솔라 파워 어레이(134, Solar power array)는 전기력 도관(136)을 통해 온도 제어 시스템(128)과 전기적으로 연통된다. 솔라 파워 어레이(134)는, 온도 제어 시스템(128)이 피크 및 비-피크 요구 기간 동안에 천연 가스 저장 설비(100)의 온도 조정 요구조건을 만족하도록, 전기력을 제공한다.
가드 베드 시스템(114)은 가드 흡착기 유출구 차단 밸브(126) 및 흡착 베드 유입구 차단 밸브(140)를 통해 흡착 베드 시스템(137)(dashed outline)과 유체 연통된다. 도 1은 평행한 4개의 별도의 흡착 베드(138)를 구비한 흡착 베드 시스템(137)을 도시한 도면이다. 각각의 흡착 베드(138)는 비-피크 요구 기간 동안에 가벼운 천연 가스 성분을 보유하기 위해 가벼운 천연 가스 흡착제(도시 생략)를 포함한다. 흡착 베드 써멀 자켓(142)은 흡착 베드(138)의 외부를 둘러싸고 상기 흡착 베드의 내부 온도를 조정한다. 탈착된 가벼운 천연 가스 성분은 유출구 차단 밸브(144)를 통해 흡착 베드(138)로부터 통과한다.
온도 제어 시스템(128)은 흡착 베드 써멀 자켓(142)과 연결된다. 온도 제어 시스템(128)은 흡착 베드(138)의 내부 온도를 제어하고, 유지하며, 변경한다. 온도 제어 시스템(128)은 흡착 베드 공급 도관(146)을 통해 온도-변경 유체를 흡착 베드 써멀 자켓(142)으로 유도한다. 흡착 베드(138)에 수용된 가벼운 천연 가스 흡착제 (도시 생략)로부터 가벼운 천연 가스 성분의 흡착 및 탈착을 지지하도록 흡착 베드 써멀 자켓(142)에 있는 온도-변경 유체로부터 그리고 상기 유체로 열이 전달된다. 사용된 온도 변경 유체는 흡착 베드 복귀 도관(148)을 통해 흡착 베드 써멀 자켓(142)로부터 복귀한다.
도 1에 있어서, 가드 베드 시스템(114)은 가드 베드 배출 차단 밸브(154)를 통해 저장 설비 압축기(150) 및 압축기 바이패스 밸브(152) 모두와 연결된다. 흡착 베드 시스템(137)은 또한 흡착 베드 유출구 차단 밸브(144)를 통해 저장 설비 압축기(150) 및 압축기 바이패스 밸브(152)와 연결된다. 저장 설비 압축기(150) 및 압축기 바이패스 밸브(152) 모두는 가드 흡착기(120) 및 흡착 베드(138)로부터 CNG 파이프라인(102)으로의 접근을 가능하게 한다. 저장 설비 압축기(150)는 방출된 무거운 천연 가스 성분 및 방출된 가벼운 천연 가스 성분을 배출 도관(156)을 통해 CNG 파이프라인(102)으로 별도로 또는 함께 유도하고 가압하도록 작동가능하다. 바이패스 밸브(152)는 배출 도관(156)을 통해 CNG 파이프라인(102)로의 접근을 가능하게 한다. 저장 설비 압축기(150)는 탈착을 용이하게 하기 위해 밸브 구성에 따라 동시에 또는 별도로 가드 흡착기(120) 및 흡착 베드(138)에서의 압력을 감소시키도록 작동가능하다.
비-피크 요구 기간 동안에, 유체 경로가 CNG 파이프라인(102)과, 가드 베드 시스템(114)과 가드 흡착기(120) 사이에 형성되도록, 검출가능한 상태가 천연 가스 저장 설비(100)를 시동시켜(trigger) 차단 밸브를 작동시키며, 상기 차단 밸브는 상류 차단 밸브(108), 가드 흡착기 유입구 차단 밸브(122), 가드 흡착기 유출구 차단 밸브(126) 및 흡착 베드 유입구 차단 밸브(140)를 포함한다.
CNG 파이프라인(102)과 가드 베드 시스템(114) 사이의 압력 차이가 천연 가스를 상기 CNG 파이프라인(102)으로부터 불순물 분리기(118)로 유동하도록 야기시킨다. 불순물 분리기(118)는 유도된 천연 가스 내의 임의의 불순물이 흡착기(120)로 통과하기 전에 제거되도록 작동가능하다. 압력 차이가 유도된 천연 가스를 불순물 분리기(118)로부터 하나 이상의 가드 흡착기(120)로 유동하도록 야기시킨다. (천연 가스가 천연 가스 저장 설비(100)로 더 많이 유동함에 따라) 감소된 온도 및 증가하는 압력에서, 유도된 천연 가스의 무거운 천연 가스 성분은 상기 유도된 천연 가스로부터 선택적으로 분리되고 그리고 가드 흡착기(120)에 유지된다.
가벼운 천연 가스 성분은 분리된 천연 가스의 잔류물로 형성된다. 가벼운 천연 가스 성분은 가드 베드 시스템(114)으로부터 그리고 하나 이상의 흡착 베드(138)로 통과한다. 흡착 베드 써멀 자켓(142)으로서 감소된 온도로 유지된 가벼운 천연 가스 흡착제는 가벼운 천연 가스 성분을 흡착한다.
온도 제어 유닛(128)은 온도-변경 유체를 가드 흡착기 써멀 자켓(124) 및 흡착 베드 써멀 자켓(142)에 공급하여, 무거운 천연 가스 성분 및 가벼운 천연 가스 성분으로의 유도된 천연 가스의 선택적인 분리와, 가드 흡착기(120)에서의 무거운 천연 가스 성분의 보유와, 그리고 흡착 베드(138)에서의 가벼운 천연 가스 흡착제 상의 가벼운 천연 가스 성분의 흡착을 용이하게 한다.
비-피크 요구 기간의 종료 시 또는 여러 다른 검출가능한 상태가 발생하고 검출될 때, 상류 차단 밸브(108), 가드 흡착기 유입구 차단 밸브(122), 가드 흡착기 유출구 차단 밸브(126) 및 흡착 베드 유입구 차단 밸브(140)가 CNG 파이프라인(102)으로부터 천연 가스 저장 설비를 차단하도록 폐쇄된다. 온도 제어 유닛(128)은, 무거운 천연 가스 성분이 가드 흡착기(120)에 유지되고 가벼운 천연 가스 성분이 흡착 베드(138)에 유지되도록, 상기 가드 흡착기(120) 및 흡착 베드 시스템(137)에 대해 감소된 저장 온도를 계속 유지시킨다.
피크 요구 기간 동안에, 천연 가스 저장 설비(100)에 의해 검출된 상태는, 가드 베드 시스템(114)과 CNG 파이프라인(102) 사이의 유체 경로 및 가드 흡착기(120)와 CNG 파이프라인(102) 사이의 유체 경로가 형성되도록, 가드 흡착기 유출구 차단 밸브(126), 흡착기 베드 유출구 차단 밸브(144), 가드 베드 배출 차단 밸브(154) 및 하류 차단 밸브(110)를 포함한 차단 밸브를 작동시킨다. 온도 제어 유닛(128)은 온도-변경 유체를 가드 흡착기 써멀 자켓(124) 및 흡착기 베드 써멀 자켓(142)에 제공하도록 작동하여, 온도가 천연 가스 성분의 방출을 용이하게 하는 가드 흡착기(120)에 유지되고 그리고 가벼운 천연 가스 성분이 가벼운 천연 가스 흡착제로부터 탈착되게 온도가 흡착 베드(138)에 유지된다.
가드 흡착기(120) 또는 흡착 베드(138)로부터 또는 이들 모두로부터 CNG 파이프라인(102)로의 탈착된 천연 가스 성분의 유도는 압축기 바이패스 밸브(152)를 개방시킴으로써 압축에 의한 도움없이도 발생한다. 가드 베드 시스템(114)과 CNG 파이프라인(102) 사이에 적당한 압력 차이가 있다면, 방출된 무거운 천연 가스 성분이 가드 베드 시스템(114)으로부터 CNG 파이프라인(102)으로 유동한다. 이와 유사하게, 흡착 베드(138)와 CNG 파이프라인(102) 사이에 적당한 압력 차이가 존재한다면, 탈착된 가벼운 천연 가스 성분이 가드 베드 시스템(114)으로부터 CNG 파이프라인(102)으로 유동한다. 다른 점에서, 압축기 바이패스 밸브(152)를 폐쇄하는 것과 설비 압축기(150)를 작동시키는 것은 방출된 천연 가스 성분에 요구되는 유도를 제공한다.
저장 설비 압축기(150)의 작동이 가드 베드 시스템(114)이나 흡착 베드(138)에서, 또는 이들 모두에서 대기보다 낮은(sub-atmospheric) 압력 또는 "부분 진공"을 만드는데 유용하다. 부분 진공 상태를 형성하면서 가드 흡착기 유출구 차단 밸브(126)를 폐쇄할 시 또는 가드 베드 배출 차단 밸브(154)를 폐쇄할 시 대기보다 낮은 상태를 내부적으로 보유하는 가드 흡착기(120)를 초래한다. 부분 진공 상태 동안에 흡착 베드 유출구 차단 밸브(144)를 폐쇄함으로써 흡착 베드(138)가 대기보다 낮은 압력 상태에 유지된다.
여러 천연 가스 저장 설비(100) 작동부가 작동 온도 제어 유닛(128)을 포함하여, 가열 또는 냉각을 제공하고, 설비 압축기(150)를 셧 다운시키며, 압력을 균등화시키도록 가드 흡착기(120)와 흡착 베드(138) 사이의 차단 밸브를 개방시키고 천연 가스 저장 설비(100)에 대해 여러 모든 잔여 차단 밸브를 폐쇄한다.
미소공성 물질
흡착제 베드 시스템은 가벼운 천연 가스 흡착제를 포함한다. 가벼운 천연 가스 흡착제는 미소공성 물질이다. 일 실시예의 천연 가스 저장 설비는 미소공성 물질로 만들어진 무거운 천연 가스 흡착제를 구비한 가드 베드 시스템을 포함한다.
천연 가스 저장 설비에 사용된 미소공성 물질은 현 전반적인 환경 상태, 현 포화 레벨 및 전반적인 환경 상태에 대한 변화에 기초하여, 천연 가스의 성분을 흡착 및 탈착하도록 동작가능하다. 이는 비-피크 요구 기간 동안의 가벼운 천연 가스 성분의 흡착, 비-피크 요구 기간으로부터 피크 요구 기간까지의 천연 가스 성분의 보유 및 피크 요구 기간 동안의 천연 가스 성분의 방출을 가능하게 한다. 유용한 미소공성 물질은 메탄에 대해 큰 흡착 용량을 갖는 미소공성 물질을 포함한다. 유용한 미소공성 물질은 에탄에 대해 고 흡착 용량을 갖는 미소공성 물질을 포함한다. 일례의 미소공성 물질은 활성탄, MOF(metal organic framework), 제오라이트, 분자 여과기(molecular sieves), 탄소 섬유 및 탄소 나노튜브를 포함한다.
미소공성 물질의 부피 밀도는 파티클 형상, 파티클 밀도 및 바인딩(binding) 물질을 포함한 많은 구조적 인자에 따라 결정된다. 유용한 활성탄 물질은 입방 센티미터 당 대략 0.20 그램 내지 대략 0.75 그램 범위의 부피 밀도(g/㎤)를 갖는다. 유용한 MOF(metal oxide framework)는 대략 0.15 g/㎤와 동일하거나 이보다 더 큰 부피 밀도 값을 갖는다. 유용한 활성탄 미소공성 물질은 슬릿 형상의 미세공극을 갖는다.
일례의 특정 실시예는 천연 가스 저장 설비의 일부로서 유용한 미소공성 물질의 이해를 보다 용이하게 한다. 미소공성 물질에 대해 아래 기재된 내용은 본 발명의 범주를 제한하거나 한정하지 않음을 알 수 있을 것이다.
표면 특성화는 천연 가스 저장 설비에서 사용하기 위한 적당한 무거운 천연 가스 흡착제 물질 및 가벼운 천연 가스 흡착제 물질을 결정하는데 도움이 될 수 있다. 표 1은 흡착제 물질 활성탄 1-5 (AC(activated carbon) 1-5) 및 MOF(metal-oxide framework) 1의 표면 및 공극 특성을 나타낸다. 모든 활성탄은 "슬릿" 형상의 미세공극을 갖는다. 표 1에 있어서, "N/A"는 "이용가능하지 않음(not available)"을 의미한다.
가스 흡착 연구 종사자가 이해하고 알고 있는 여러 상이한 테스트 절차가 표 1에 나타난 활성탄 1-5(AC 1-5) 및 MOF에 대한 표면 특성을 제공한다. Wang 등이 저술한 논문, "Experimental and Theoretical Study of Methane Adsorption on Granular Activate Carbons", AIChE Journal 782-788 (Vol. 58, Issue 3) ("Wang")는 수은 다공성 측정과 77 ˚K에서의 질소 다공성 측정을 사용하여 흡착제 물질을 특정하기 위한 기기와 공정을 개시하고 있다. ASTM 국제 표준 D2862는 "ASTM 메쉬 크기(메쉬 크기)"를 결정하기 위한 방법을 제공한다. BET(Brunauer-Emmett-Teller) 분석은 흡착제 물질의 특정 표면 영역을 관련 질소 압력의 함수로 제공한다. BJH(Barrett-Joyner-Halenda) 분석은 질소 흡착 및 탈착 기술을 사용하여 흡착제 물질의 공극 영역을 결정하며, 상기 공극 영역은 공극 직경을 나타낸다. 옹스트롬(Å)은 일 미터의 1x10-10과 동일한 측정 단위이다.
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표 1: 흡착제 물질 활성탄 1-5(AC 1-5) 및 MOF(metal-oxide framework) 1의 표면 및 공급 특성.
표 1은 여러 유용한 미소공성 물질의 특성을 나타내고 있다. 유용한 미소공성 물질은 적어도 800 그램당 평방미터(㎡/g)의 BET 특정 표면 영역 값과, 77 °K에서 질소 다공성 측정을 사용하여 결정된 바와 같이 적어도 0.300 그램당 입방센티미터(㎤/g)의 미소공성 물질의 미세공급 볼륨 값을 갖는다. 표 1은 또한 77 ˚K에서의 질소 다공성 측정을 사용하여 결정된 바와 같은, 대략 10 내지 대략 30 옹스트롬(Å) 범위의 BJH 평균 공극 폭을 갖는 여러 유용한 활성탄 미소공성 물질을 나타내고 있다.
도 2 및 도 3은 여러 유용한 미소공성 물질에 대한 일반적인 특성을 나타내고 있다. 도 2는 실험 목적을 위해, 유용한 활성탄 미소공성 물질에 대한 수개의 메탄 등온선의 추세를 나타낸 도면이다. Wang의 문헌은 메탄을 사용하는 미소공성 물질용 볼륨-기반의 흡착 등온선을 결정하기 위한 테스트 절차 및 기기를 설명하고 있다. 평가 압력은 0 bar 내지 대략 55 bar 사이이다. 등온선의 추세는 10 ℃, 21 ℃, 39 ℃ 및 56 ℃에서 이다. "흡착된 양"은 미소공성 물질의 총 볼륨 당 미소공성 물질상에 흡착된 표준 상태(1 bar; 21 ℃)에서의 메탄의 볼륨의 비이다. 흡착된 양의 비는 볼륨 비이고 이에 따라 측정 단위를 갖지 않는다. 모든 값은 메탄 흡착을 취한다.
도 2의 등온선의 추세는 유용한 미소공성 물질에 대한 일반적으로 수개의 볼륨/흡착 관계를 나타내고 있다. 주어진 압력 범위에 대해, 메탄은 보다 큰 상대 압력 값에서 보다 많은 양으로 흡착한다. 주어진 온도 범위에 대해, 온도를 감소시킴으로써 미소공성 물질상에서의 보다 큰 흡착이 가능해진다.
도 2는 10℃에서 대략 84, 21℃에서 대략 79, 39℃에서 대략 70 그리고 56℃에서 대략 62의 흡착된 양의 비를 갖는 40 bar의 시스템 압력에서의 AC3 미소공성 물질을 나타낸 도면이다. 40 bar의 시스템 압력에서, 미소공성 물질은 메탄의 표준 상태에서 미세공극 흡착제 물질의 온도를 56 ℃ 내지 39 ℃로 감소시킴으로써 대략 8개의 부가적인 볼륨을 흡착하도록 작동가능하다. 50 bar의 시스템 압력에서의 AC3 미소공성 물질은 10 ℃에서 대략 88, 21 ℃에서 대략 84, 39 ℃에서 대략 74 및 56 ℃에서 대략 67의 흡착된 양의 비를 갖는다.
일 실시예의 천연 가스 저장 설비가 미소공성 물질을 포함하며, 상기 미소공성 물질은 40 bar의 시스템 압력에서 대략 60보다 더 큰 흡착된 양의 비와, 56 ℃에서의 50 bar의 시스템 압력에서 대략 65보다 더 큰 흡착된 양의 비를 갖는다. 일 실시예의 천연 가스 저장 설비가 미소공성 물질을 포함하며, 상기 미소공성 물질은 21 ℃에서 35 bar 내지 50 bar의 압력 범위에서 대략 100보다 더 큰 흡착된 양의 비를 갖는다. 모든 값이 메탄 흡착을 취한다.
도 3은 고정된 볼륨 용기 및 유용한 미소공성 물질 AC3를 수용한 유사 고정된 볼륨 용기에 대한 2개의 등온선 볼륨 저장 추세에 대한 실험 목적을 나타낸다. Wang의 문헌은 볼륨/볼륨 기초(basis)에 사용된 각각의 고정된 볼륨에 저장된 메탄의 총 양을 결정하기 위한 테스팅 기기 및 절차를 개시하고 있다. 평가 압력 범위는 0 bar 내지 55 bar이다. 도시된 등온선의 추세는 21 ℃에서 이다. "저장된 양"은 미소공성 흡착된 물질을 수용한 고정된 용기의 유닛 볼륨당 고정된 용기에 저장된 메탄의 볼륨의 비이다. 저장된 양의 비는 볼륨 비이고 이에 따라 측정 단위를 갖지 않는다.
도 3은 AC3 미소공성 물질로 충전된 고정된 용기가 45 bar의 시스템 압력에서의 대략 126, 40 bar의 시스템 압력에서의 대략 119 및 대략 132의 저장된 양의 비에서, 21 ℃ 및 50 bar의 시스템 압력에서 메탄을 저장하도록 작동가능하다는 것을 나타내고 있다.
일 실시예의 천연 가스 저장 설비는 미소공성 물질을 포함하고, 상기 미소공성 물질은 50 bar의 시스템 압력에서 대략 115보다 더 크고, 45 bar의 시스템 압력에서 대략 110보다 더 크고 그리고 40 bar의 시스템 압력에서 대략 100보다 더 큰 저장된 양의 비를 갖는다. 일 실시예의 천연 가스 저장 설비가 35 bar 내지 50 bar의 압력 범위에서 대략 100 보다 더 큰 저장된 양의 비를 갖는 미소공성 물질을 포함한다. 모든 값이 21 ℃에서 메탄 흡착을 취한다.
천연 가스 저장 설비
천연 가스 저장 설비는 가드 베드 시스템 및 흡착제 베드 시스템을 포함한다. 흡착제 베드 시스템은 가벼운 천연 가스 흡착제를 포함한다. 가벼운 천연 가스 흡착제는 미소공성 물질이다. 일 실시예의 천연 가스 저장 설비가 가드 베드 시스템에서 무거운 천연 가스 흡착제를 포함한다. 일 실시예의 천연 가스 저장 설비가 미소공성 물질인 무거운 천연 가스 흡착제를 포함한다. 일 실시예의 천연 가스 저장 설비는 온도 제어 시스템을 포함한다. 일 실시예의 천연 가스 저장 설비가 저장 설비 압축기를 포함한다.
유도된 천연 가스
천연 가스 저장 설비는 천연 가스 공급원과 연결된다. 천연 가스 공급원은 천연 가스를 비-피크 요구 기간 동안에 천연 가스 저장 설비로 유도한다. 천연 가스 저장 설비는 천연 가스 성분을 피크 요구 기간 동안에 천연 가스 공급원에 유도한다.
천연 가스 저장 설비는 천연 가스 공급원으로부터의 다양한 가스상의 그리고 기화된 탄화수소-지지 공급(hydrocarbon-bearing feed)의 공정으로 작동가능하다. 실시예의 천연 가스는 습식(wet) 천연 가스, 건식(dry) 천연 가스, 케이싱헤드(casinghead) 또는 관련 가스 그리고 기화된 응축물을 포함한다. 유도된 천연 가스는 메탄, 에탄(C2), LNG(즉, 메탄 및 에탄의 혼합물), 프로판(C3), 부탄, LPG(즉, 프로판 및 부탄의 혼합물), 펜탄 및 헥산을 포함하는, 사전에 처리되거나 분리된 여러 탄화수소 가스의 합성 조성물(composition) 또는 자연-발생(naturally-originating) 물질일 수 있다.
유도된 천연 가스가 천연 가스 저장 설비의 작동 상태에서 탄화수소 또는 미탄화수소 액체 중 어느 하나를 형성하지 않는 것이 바람직하다. 응축 및 증발은 선택 분리 및 흡착제 물질 모두를 손상시킬 수 있다.
전기력 생산 및 소비자용 천연 가스는 전형적으로 에탄에 이어 메탄과 같은 다수의 조성물을 갖는, C1-5 알칸을 포함한다. 이전 처리와 마찬가지로, 천연 가스는 통상적으로 미미한 양의 미탄화수소 오염물을 포함한다. 잠재적인 오염물은 "불활성" 가스(예를 들면, 질소, 산소, 헬륨, 아르곤, 네온 및 헬륨), 산 가스(예를 들면, 황화 수소 및 이산화탄소), 헤테르유기(heterorganic compound) 화합물(예를 들면, 티올(mercaptan), 황화물 및 이황화물), 물(기화된, 흡인된(aspirated)), 고형체(예를 들면, 모래, 철의 녹, "블랙 파우더(black powder)", 원소 황, 비소 및 수은 화합물, 그리고 염류) 그리고 웰-처리 화학물질(예를 들면, 메탄올, 아민 화합물(amine compound), 및 글리콜)을 포함한다. 불순물 농도의 범위는 수 ppb(parts-per-billion) 내지 수 ppt(parts-per-thousand)일 수 있다. 미탄화수소 불순물은 미소공성 물질 및 무거운 천연 가스 흡착제의 표면 상에서 화학적으로 반응하거나, 응축하거나 또는 흡착할 수 있다. 시간 내내, 불순물에 대한 반복된 노출은 비용이 나가고 교체가 어려운 무거운 천연 가스 흡착제 및 여러 미소공성 물질의 수명을 단축할 수 있다.
가드 베드 시스템
천연 가스 저장 설비는 가드 베드 시스템을 포함한다. 가드 베드 시스템은 비-피크 요구 기간 동안에 유도된 천연 가스로부터 불순물을 제거하도록 작동가능하다. 가드 베드 시스템은 또한 유도된 천연 가스를 무거운 천연 가스 성분 및 가벼운 천연 가스 성분으로 선택적으로 분리하도록 작동가능하다. 가드 베드 시스템은 또한 무거운 천연 가스 성분을 유지하도록 작동가능하다. 일 실시예의 천연 가스 저장 설비가 무거운 천연 가스 흡착제를 포함한 가드 베드 시스템을 포함한다. 일 실시예의 천연 가스 저장 설비가 무거운 천연 가스 흡착제를 포함하고 여기서 무거운 천연 가스 흡착제가 미소공성 물질이다. 가드 베드 시스템은 또한 무거운 천연 가스 성분을 배출하도록 작동가능하다.
가드 베드 시스템은 비-피크 요구 기간 동안에 유도된 천연 가스로부터 불순물을 제거하도록 작동가능하다. 가드 베드 시스템은 방출된 무거운 천연 가스 성분으로 다시 제거된 불순물을 재유도하지 않는다. 불순물 제거 수단은 특정 천연 가스 불순물, 예를 들면, 유도된 천연 가스로부터 물을 제거하기 위한 염화 칼슘 고체 건조제를 특별히 분리해 나가도록 특정된 유닛을 포함한다. 유용한 불순물 제거 시스템은 한 번에 하나 이상의 불순물을 추출한다. 유용한 다중성분-제거시스템은 유도된 천연 가스로부터 무기 물질뿐만 아니라 극성 불순물을 세척(cleanse)하도록 작동가능하다. 불순물 제거 수단은 하나 이상의 불순물-제거 물질을 포함할 수 있으며, 상기 불순물-제거 물질에는 고체 건조제, 필터, 실리카 겔, 실리카-기반의 비드, 활성 알루미나, 활성 보크사이트, 결정체의 제오라이트 또는 금속 알루미노-실리케이트를 갖는 분자 여과기, 및 활성 또는 비-활성탄이 포함된다.
가드 베드 시스템은 유도된 천연 가스를 무거운 천연 가스 성분 및 가벼운 천연 가스 성분으로 선택적으로 분리시키도록 작동가능하다. 3개 이상의 탄소를 갖는 알칸이 흡착제 베드 시스템에 진입하는 것을 방지하는 것은 상기 흡착제 베드 시스템의 작동 온도에서 보다 고차의(higher-order) 알칸에 의해 야기된 탄화수소 응축 손상으로부터 가벼운 천연 가스 흡착제 베드를 보호하도록 작동한다. 무거운 천연 가스 성분의 반복된 응축 및 기화는 가벼운 천연 가스 흡착제 물질의 오랜-기간 성능에 악영향을 미칠 수 있다. 또한 가벼운 천연 가스 흡착제 상에서의 흡착을 피하면서 보다 고차의 알칸의 응축 온도보다 가벼운 천연 가스 흡착제의 온도가 더 낮게 될 수 있어 천연 가스 저장 설비의 가벼운 천연 가스 성분 저장 용량을 최대화한다.
일 실시예의 천연 가스 저장 설비는 가드 베드 시스템을 포함하며, 상기 가드 베드 시스템은 C3+ 탄화수소를 갖는 무거운 천연 가스 성분과 메탄 및 에탄을 갖는 가벼운 천연 가스 성분으로 선택적으로 분리하도록 작동가능하고 실질적으로 프로판이 없다. 일 실시예의 천연 가스 저장 설비는 가드 베드 시스템을 포함하며, 상기 가드 베드 시스템은 유도된 천연 가스를 C2+ 탄화수소를 갖는 무거운 천연 가스 성분과 메탄을 갖는 가벼운 천연가스로 선택적으로 분리하도록 작동가능하고 실질적으로 에탄이 없다. 가드 베드 시스템에서의 탄화수소 분리 수단은 극저온의 분리, 린 오일 솔루션(lean oil solution), 멤브레인, 흡착 타워, 및 PSA(pressure-swing-adsorption) 유닛을 포함한다.
일 실시예의 천연 가스 저장 설비가 가드 베드 시스템을 포함하며, 상기 가드 베드 시스템은 유도된 천연 가스로부터의 천연 가스 불순물을 여과시키고 상기 유도된 천연 가스를 천연 가스 성분으로 동시에 선택적으로 분리시키도록 작동가능하다. 가드 베드 시스템은 유도된 천연 가스로부터의 비-극성 무거운 천연 가스 성분을 제거할 뿐만 아니라 극성 및 무기 불순물을 제거한다. 극성 및 무기 불순물은 불순물을 트랩하는 분리 물질상에서 강하게 흡착한다. 알칸을 포함한 비-극성 유기 물질은 표면에 임시로 유지되고 이후 가드 베드 시스템의 작동 상태에서 반복되는 흡착/탈착 패턴으로 분리 물질로부터 배출된다. 분리 물질로부터의 흡착 및 배출은 알칸의 화학적 구성(chemical makeup) 및 물질 분리에 따른 상이한 속도에서 발생시키고, 이는 무거운 천연 가스 성분 및 가벼운 천연 가스 성분으로의 유도된 천연 가스의 분류를 종국에는 야기한다. 이는 유도된 천연 가스가 가드 베드 시스템을 통해 이동함으로서 발생한다. 신속하게 흡착 및 탈착하는 가벼운 천연 가스 성분은 무거운 천연 가스 성분보다 전에 가드 베드 시스템을 통과하며, 이는 보다 긴 기간 동안 가드 베드 시스템의 표면에 보유된다. 알루미나, 실리카 겔, 또는 분자 여과기를 수용한 PSA 및 용기 또는 흡착 타워는 유도된 천연 가스로부터 불순물을 제거할 뿐만 아니라 유도된 천연 가스를 가벼운 천연 가스 성분 및 무거운 천연 가스 성분으로 분리하기 위한 예시적인 유용한 시스템이다. 가드 베드 시스템의 열 재생은 전형적으로 그의 불순물 제거 특성 및 선택적인 분리 용량 모두를 재저장한다.
가드 베드 시스템은 또한 무거운 천연 가스 성분을 보유하도록 작동가능하다. 가드 베드 시스템은 무거운 천연 가스 성분을 저장하도록 작동가능한 전용 저장 설비를 포함할 수 있다. 실시예의 전용 저장 설비는 탱크, 불릿(bullet) 및 용기를 포함한다. 가드 베드 시스템은 압축된 가스와 같은 무거운 천연 가스 성분, 포화된 오일이나 솔벤트와 같은 극저온의 액체를 보유할 수 있다.
일 실시예의 천연 가스 저장 설비는 가드 베드 시스템을 포함하며, 상기 가드 베드 시스템은 무거운 천연 가스 흡착제를 포함하고 무거운 천연 가스 성분을 흡착하도록 작동가능하다. 흡착 저장 시스템은 비슷한 용량의 극저온의 또는 압축 저장 시스템보다 더 적은 에너지 및 자본 지출을 필요로 한다. 무거운 천연 가스 흡착제는 관련 환경 상태 및 흡착제 포화 레벨에 기초하여 무거운 천연 가스를 흡착 및 탈착하도록 작동가능하다. 무거운 천연 가스 흡착제는 활성탄, MOF(metal organic framework), 제오라이트, 분자 여과기, 탄소 섬유 및 탄소 나노튜브를 포함하는, 천연 가스를 흡착하기 위한 용량을 갖는 임의의 다공성 물질을 포함한다. 무거운 천연 가스 성분 저장 용기의 물리적인 구조, 무거운 천연 가스 흡착제의 흡착 용량 및 보유 상태는 가드 베드 시스템에 대한 총 무거운 천연 가스 저장 용량을 결정한다.
무거운 천연 가스 흡착제는 미소공성 물질일 수 있다. 일 실시예의 천연 가스 저장 설비용 유용한 무거운 천연 가스 흡착제가 21 ℃의 온도에서 35 bar 내지 55 bar의 압력 범위에서 대략 100 보다 더 큰 메탄의 저장된 양의 비를 갖는다.
일 실시예의 천연 가스 저장 설비는 가드 베드 시스템을 포함하며, 상기 가드 베드 시스템은 유도된 천연 가스를 무거운 천연 가스 성분 및 가벼운 천연 가스 성분으로 선택적으로 분리하고 비-피크 요구 기간 동안에 흡착된 상기 무거운 천연 가스 성분을 보유하도록, 유도된 천연 가스로부터의 불순물을 제거하도록 작동가능한 무거운 천연 가스 흡착제를 사용한다. 보유 상태는 분리 및 정화 상태와 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 가드 베드 시스템 구성은 직렬이나 병렬로 또는 직렬 및 병렬로 연결된 무거운 천연 가스 성분 흡착제를 포함한 전용 용기(dedicated vessel)를 포함할 수 있다.
가드 베드 시스템은 가드 베드의 유체 차단(isolation)을 허용하도록 작동가능하다. 가드 베드의 차단은 피크 요구 기간까지 보유 상태에서 무거운 천연 가스 성분을 유지할 수 있게 한다.
흡착 베드 시스템
천연 가스 저장 설비는 흡착 베드 시스템을 포함한다. 천연 가스 저장 설비는 비-피크 요구 기간 동안에 가벼운 천연 가스 성분을 흡착 베드 시스템으로 유도하도록 작동가능하다. 흡착 베드 시스템은 가벼운 천연 가스 성분을 흡착 및 보유하도록 작동가능하다. 가벼운 천연 가스 흡착제는 미소공성 물질이다. 흡착 베드 시스템은 피크 요구 기간 동안에 가벼운 천연 가스 성분을 탈착하도록 작동가능하다.
흡착 베드 시스템은 일렬로 또는 평행한, 또는 일렬 및 평행한 하나 이상의 흡착제 베드를 포함한다. 일 실시예의 천연 가스 저장 설비는 흡착 베드 시스템을 포함하며, 상기 흡착 베드 시스템은 에탄 및 메탄을 상이한 흡착제 베드로 선택적으로 분리 및 흡착하도록 작동가능하다.
천연 가스 저장 설비는 피크 요구 기간 동안에 흡착 베드 시스템으로부터 천연 가스 공급원으로 배출된 가벼운 천연 가스 성분을 통과시키도록 작동가능하다. 일 실시예의 천연 가스 저장 설비는 흡착 베드 시스템과 연결된 가드 베드 시스템을 포함하여, 배출된 가벼운 천연 가스 성분이 가드 베드 시스템으로 통과한다. 이러한 설비 구성은 가드 베드 시스템을 깨끗이 하거나(purge) 방출된 가벼운 천연 가스 성분을 방출되는 무거운 천연 가스 성분과 혼합할 수 있어, 방출된 천연 가스 생산물을 형성한다.
흡착제 베드 시스템은 가벼운 천연 가스 저장 용량을 갖는다. 보유 상태에서 가벼운 천연 가스 흡착제의 흡착 용량과 가벼운 천연 가스 성분 저장 용기의 물리적인 구조는 총 가벼운 천연 가스 저장 용량을 결정한다.
온도 제어 시스템
세계 거의 모든 곳에서, 특히 여름 및 겨울 내내 발생하는 계절적인 온도 피크 동안에, 선택적인 온도 제어 시스템은 흡착, 보유 및 탈착 성능의 최적화에 도움이 될 수 있다. 일 실시예의 천연 가스 저장 설비가 온도 제어 시스템을 포함한다.
온도 제어 시스템은 가드 베드 시스템, 흡착 베드 시스템 또는 이들 모두의 내부 온도를 조정하도록 작동가능하다. 온도 및 압력 모두는 천연 가스 성분, 특히 가벼운 천연 가스 흡착제와 존재한다면 무거운 천연 가스 흡착제에 대한 총 저장 용량뿐만 아니라 상기 천연 가스 성분의 보유 및 방출 율에 영향을 미친다. 도 2 및 도 3은 이러한 효과를 설명한다. 탄화수소의 흡착은 발열성이고; 탈착이 흡열성이다. 온도 제어 시스템은 흡착 베드로부터의 흡착 열을 제거함으로써, 가드 베드 시스템이나 흡착 베드 시스템, 또는 이들 시스템 모두의 총 저장 용량을 최대화하는데 조력한다. 온도 제어 시스템은 열을 흡착 베드로 안내함으로써, 가드 베드 시스템이나 흡착 베드 시스템, 또는 이들 시스템 모두의 총 저장 용량을 최소화하는데 조력한다.
유용한 실시예의 천연 가스 저장 설비는 가드 베드 시스템 및 흡착제 베드 시스템의 온도를 별도로 조정하도록 작동가능한 온도 제어 시스템을 포함한다. 일 실시예에, 가드 베드 시스템의 온도를 모니터하고 유지하는 제 1 온도 제어 시스템과, 흡착제 베드 시스템의 온도를 모니터하고 유지하는 제 2 온도 제어 시스템이 포함된다. 일 실시예의 천연 가스 저장 설비는 각각의 흡착 베드의 온도를 독립적으로 유지하도록 작동가능한 온도 제어 시스템을 포함하여, 파워 소비를 최소화하고 저장 유닛 전반의 제어를 유지한다.
온도 제어 시스템의 작동은 가벼운 천연 가스 성분의 흡착 또는 응축을 가드 베드 시스템에 야기시키지 않는다. 가드 베드 시스템의 온도는 상기 가드 베드 시스템에서의 가벼운 천연 가스 성분의 보유를 방지하도록 흡착제 베드 시스템 온도보다 더 높은 온도로 유지된다.
천연 가스 저장 설비에 파워를 제공하기 위해 대체 에너지를 사용하는 것은 설비 설치의 융통성을 가능하게 한다. 대체 에너지 파워 생성은 컴퓨터 모니터링 시스템의 작동 및 제어 밸브의 이동, 열 전달 유체의 가열 및 냉각, 유체의 압축 및 직접적인 저장 유닛의 가열 및 냉각을 포함한, 온도 제어 시스템의 작동을 용이하게 할 수 있다. 대체 에너지 파워는 천연 가스 저장 설비의 최종 효용 장점을 증대시킨다. 파워가 발생될 때의 시간 동안에 대체 에너지 파워 원으로부터 직접적으로 제공되거나 또는 비-발생 동안에 대체 에너지 파워 원에 의해 충전된 콘덴서 뱅크(capacitor bank)로부터 직접적으로 제공된 파워가 온도 제어 시스템의 작동 "환경적인 범위(environmental footprint)"를 감소시킬 수 있다. 예시적인 유용한 대체 에너지 파워 발생기는 태양 전지, 태양로 및 풍력 터빈을 포함한다.
저장 설비 압축기
일 실시예의 천연 가스 저장 설비는 저장 설비 압축기를 포함한다. 선택적인 저장 설비 압축기가 가드 베드 시스템, 흡착제 베드 시스템 또는 이들 모두와 연결된다.
저장 설비 압축기는 천연 가스 공급원으로의 유도를 위해 저장 설비로부터 배출되는 천연 가스 성분을 가압하도록 작동가능하다. 저장 설비 압축기는 또한 개별적으로 또는 집중적으로, 가드 베드 시스템 및 흡착제 베드 시스템의 압력을 조정하도록 작동가능하다. 저장 설비 압축기는, 각각의 베드 시스템에 탄화수소가 충분히 없도록, 대기 압력 아래로 어느 한 베드 시스템에서의 압력을 감소시키도록, 작동가능하다. 대기 압력 아래의 베드 시스템의 압력을 감소시키는 것은 흡착 물질을 포함한, 상기 베드 시스템으로부터의 천연 가스 성분의 배출을 용이하게 한다. 일 실시예의 천연 가스 저장 설비는 부분 진공 상태를 가드 베드 시스템에 만들도록 작동가능한 저장 설비 압축기를 포함한다. 일 실시예의 천연 가스 저장 설비는 부분 진공 상태를 흡착제 베드 시스템에 만들도록 작동가능한 저장 설비 압축기를 포함한다.
저장 설비 압축기는, 탈착된 천연 가스 생산물이 형성되도록, 압축기 하류의 난류 유동 배출 구역에서 그리고 압축 챔버 내에서 탈착된 무거운 천연 가스 성분과 탈착된 가벼운 천연 가스 성분을 함께 혼합하도록 작동가능하다.
저장 설비 압축기는 천연 가스 저장 설비의 작동 융통성 및 압축 요구조건에 따라 평행하거나 또는 일렬일 수 있다.
대체 에너지 파워 발생은 선택적인 저장 설비 압축기의 작동을 용이하게 할 수 있다.
지지 장비
실시예는 작동가능한 기술된 기기, 공정, 방법 및 시스템을 만들고 가능하게 하는 많은 부가적인 표준 구성요소 또는 장비를 포함한다. 당업자에게 알려진 예시적인 이러한 표준 장비에는 열 교환기, 펌프, 블로워, 리보일러(reboiler), 스팀 발생, 응축물 조정, 멤브레인, 일단 및 다단(multi-stage) 압축기, 분리 및 분류 장비, 밸브, 스위치, 제어기 그리고 압력-감지 장치, 온도-감지 장치, 레벨-감지 장치와 유동-감지 장치가 포함된다.
공정 또는 방법의 모든 단계나 일부 단계의 작동, 제어 및 성능이 인간 상호작용, 사전-프로그램된 컴퓨터 제어 및 응답 시스템, 또는 이들의 조합을 통해 발생할 수 있다.
피크 요구 기간 및 비-피크 요구 기간
천연 가스 공급원에서의 피크 요구 기간 및 비-피크 요구 기간이 천연 가스 저장 설비에 대해 상이한 작동 시간을 반영한다. 천연 가스 공급원은 전형적으로 천연 가스 운송 시스템이지만; 그러나, 가스 스위트닝(sweetening) 플랜트, 웰헤드(wellhead), 가동 및 고정 저장 설비가 천연 가스 공급원처럼 작동할 수 있다. 천연 가스의 공급원인 천연 가스 운송 시스템은 천연 가스를 소비자 및 전기 발생기에 제공하는 천연 가스 파이프라인 및 네트워크를 포함한다. 천연 가스 공급원은 고정된 볼륨을 갖는다.
피크 요구 기간 및 비-피크 요구 기간은 천연 가스의 공급원과 관련된 상태나 외부 환경 상태, 또는 이들 두 상태를 관찰함으로써 검출가능하다. 피크 요구 기간은 천연 가스 공급원으로의 유도보다 더 큰 속도나 또는 레벨의 분포를 반영한다. 천연 가스 공급원이 고정된 볼륨을 갖기 때문에, 피크 요구 기간과 관련된 검출가능한 상태는 천연 가스 공급원 압력의 시간 내내의 감소를 포함하며, 이는 천연 가스에 대한 요구가 공급을 초과하고 있다는 것을 나타낼 수도 있다. 비-피크 요구 기간은 천연 가스 공급원으로의 유도보다 더 작은 속도나 또는 레벨의 분포를 반영한다. 비-피크 요구 기간과 관련된 검출가능한 상태는 천연 가스 공급원 압력의 시간 내내의 증가를 포함하며, 이는 공급이 수요를 초과한다는 것을 나타낼 수 있다.
천연 가스 공급원과 관련된 여러 검출가능한 상태가 피크 요구 기간의 시작과 끝을 결정하는데 유용하다. 피크 요구 기간의 시작과 관련된 유용한 검출가능한 상태의 실시예는 날마다의 평균 압력보다 더 큰 사전-결정된 압력 값보다 더 크거나 날마다의 평균 압력보다 더 큰 천연 가스 공급원 시스템 압력; 하락 값의 사전-결정된 율보다 더 크거나 사전-결정된 율에서의 천연 가스 공급원 압력의 하락 율; 및 사전-결정된 유동 율 값보다 더 크거나 날마다의 평균 유동 율보다 더 큰 천연 가스 공급원으로부터의 유동 율을 포함한다. 피크 요구 기간의 끝과 관련된 예시적인 유용한 검출가능한 상태는 날마다의 평균 압력보다 더 작은 사전-결정된 압력 값보다 더 작거나 날마다의 평균 압력보다 더 큰 사전-결정된 압력 값보다 더 작은, 날마다의 평균 압력보다 더 작은 천연 가스 공급원 시스템 압력; 구배(incline) 값의 사전-결정된 율보다 더 크거나 상기 사전-결정된 율에서의 천연 가스 공급원 압력의 구배 율; 및 사전-결정된 유동 율 값보다 더 작거나 날마다의 평균 유동 율보다 더 작은 천연 가스 공급원으로부터의 유동 율;을 포함한다.
천연 가스 공급원과 관련된 여러 검출가능한 상태는 비-피크 요구 기간의 시작과 끝을 결정하는데 또한 유용하다. 비-피크 요구 기간의 시작과 관련된 천연 가스 공급원에 관한 실시예의 유용한 검출가능한 상태는 날마다의 평균 압력보다 더 큰 사전-결정된 압력 값보다 더 크거나 날마다의 평균 압력보다 더 큰 천연 가스 공급원 시스템 압력; 하락 값의 사전-결정된 율보다 더 크거나 사전-결정된 율에서의 천연 가스 공급원 압력의 하락 율; 및 사전-결정된 유동 율 값보다 더 크거나 날마다의 평균 유동 율보다 더 큰 천연 가스 공급원으로부터의 유동 율을 포함한다. 피크 요구 기간의 끝과 관련된 천연 가스 공급원에 관한 실시예의 유용한 검출가능한 상태는 날마다의 평균 압력보다 더 작은 사전-결정된 압력 값보다 더 작거나 날마다의 평균 압력보다 더 큰 사전-결정된 압력 값보다 더 작은, 날마다의 평균 압력보다 더 작은 천연 가스 공급원 시스템 압력; 구배 값의 사전-결정된 율보다 더 크거나 사전-결정된 율에서의 천연 가스 공급원 압력의 구배 율; 및 사전-결정된 유동 율 값보다 작거나 날마다의 평균 유동 율보다 더 작은 천연 가스 공급원으로부터의 유동 율을 포함한다.
천연 가스 공급원과 관련되지 않은 여러 검출가능한 상태는 또한 피크 또는 비-피크 요구 기간의 시작 및 끝과 관련하여 유용한, 천연 가스 저장 설비의 외부 환경을 포함한다. 이러한 검출가능한 상태는 시간에 대한 온도의 변화와 외부 온도, 그리고 빛(daylight)의 유무를 포함한다.
천연 가스 공급원의 상태와 관련되지 않지만 피크 또는 비-피트 요구 기간의 시작이나 끝과 관련될 수 있는 여러 검출가능한 상태가 시각(the time of day)이다. 예를 들면, 24-시간 작동 사이클 동안에, 피크 요구 기간과 관련된 작동이 일몰 전 수 시간의 제 1 시간(중반에서 늦은 오후까지)에서 시작할 수 있고 그리고 일몰 후 수 시간의 제 2 시간(초 저녁)까지 계속될 수 있다. 비-피크 요구 기간과 관련된 작동이 자정 이후의 제 3 시간(이른 아침)에 시작할 수 있고 그리고 일출 이후의 제 4 시간의 이른 아침에 종료한다. 두 개의 기간이 유사하거나 상이한 시간 길이를 가질 수 있다.
검출가능한 상태는 천연 가스 저장 설비의 작동 성능과 관련될 수 있다. 예를 들면, 가벼운 천연 가스 조성물에 프로판이 충분하게 없다는 것을 검출하는 것은 가드 베드 시스템으로부터의 새 발견(breakthrough)을 나타낸다. 이는 가드 베드 시스템 저장 용량이 채워지거나 또는 가드 베드 시스템 무거운 천연 가스 흡착제가 교체를 필요로 한다는 것을 나타낼 수 있다. 이러한 검출가능한 상태는 모이는 천연 가스 작동의 끝과 비-요구 기간의 종료와 관련될 수 있다.
검출가능한 상태의 조합은 요구 기간의 시작이나 끝 또는 비-요구 기간과 연관될 수 있다. 예를 들면, 요구 기간은 천연 가스 공급원의 압력이 날마다의 평균 압력 값이거나 그 이하일 때 개시할 수 있으며, 천연 가스 공급원의 압력 변화율은 공급원 압력이 떨어지고, 햇빛이 검출되었다는 것을 나타낸다. 요구 기간 또는 비-요구 기간의 시작이나 또는 종료를 나타내는데 유용한 검출가능한 상태의 다양한 조합 및 수가 다수이다.
일 실시예의 천연 가스 저장 설비가 검출된 상태에 기초한 설비를 유지시키도록 작동가능한 자동화된 모니터링 및 제어 시스템을 포함한다. 자동화된 모니터링 및 제어 시스템이 검출가능한 상태의 모니터링을 가능하게 하고 그리고 하나 이상의 검출가능한 상태의 검출 시에 사전-결정된 작용을 개시하는 사전에 만들어진 지령을 포함할 수 있다. 검출가능한 상태의 검출에 대한 예시적인 응답은 검출된 상태에 응답하여 작동 순서의 사전-프로그램된 컴퓨터 제어기에 의해 자동화된 개시 및 검출된 상태와 관련된 천연 가스 공급원 상태의 변경을 조작자에게 통지하도록 알람의 소리를 포함한다.
피크 요구 기간 및 비-피크 요구 기간은 서로 인접한 기간에서 발생할 수 있어, 상기 기간들은 근접하며 시간상 연속적이다. 천연 가스 저장 설비를 사용하는 일 실시예의 방법은 제 1 피크 요구 기간에 대한 결론과 연속하는 제 2의 비-요구 기간의 개시에 대한 결론(또는 이 순서에 대해 반대)을 지시하는 검출가능한 상태를 사용하는 단계를 포함한다. 피크 요구 기간 및 비-피크 요구 기간은 피크 요구 기간이 시간 상 비-피크 요구 기간에 근접하지 않는, 하루 중 별도의 부분에서 발생할 수 있다. 천연 가스 공급원으로부터의 천연 가스 공급 및 천연 가스 요구가 대략적으로 동일한 경우에, "정상 작동(steady operations)"으로 기술적으로 고려되는 작동의 기간은, 수 시간만큼 긴 시간에 대해 수초만큼 짧은 시간 동안에 피크 요구 기간 및 비-피크 요구 기간을 분리시킬 수 있다.
다수의 피크 요구 기간 및 비-피크 요구 기간이 단 하나의 24-시간 사이클 내에서 발생할 수 있다. 피크 요구 기간 및 비-피크 요구 기간이 하루 동안에 중요 순간이나 또는 예기치못한 상황(event) 때문에 발생할 수 있다. 예를 들면, 천연 가스 저장 설비 하류의 처리 혼란(process upset)이나 또는 작동 상태는 피크 요구 기간을 비-피크 요구 기간으로 거의 통지 없이 변경시킬 수 있다. 날씨 상황은 하루 및 일년 중 한 시기에 대한 다른 예상된 요구 상태를 혼란시키는 천연 가스 공급원 상태 뿐만 아니라 요구 상태를 변경시킬 수 있다.
천연 가스 저장 설비의 사용
비-피크 요구 기간 동안에, 천연 가스 공급원은 천연 가스를 천연 가스 저장 설비로 유도한다. 총 파워 소비를 감소시키기 위하여, 천연 가스 공급원과 천연 가스 저장 설비 사이의 압력 차이는 천연 가스 유동을 나아가게 한다. 비-피크 요구의 기간 동안의 압력 차이가 유도된 천연 가스를 천연 가스 저장 설비로 나아가게 한다.
천연 가스 저장 설비는, 유도된 천연 가스가 가드 베드 시스템으로 통과하도록, 비-피크 요구 기간 동안에 작동한다. 불순물이 제거되도록 가드 베드 시스템이 작동되고, 무거운 천연 가스 성분과 가벼운 천연 가스 성분이 형성되도록, 유도된 천연 가스의 선택적인 분리가 행해진다. 가드 베드 시스템은 비-피크 요구 기간 동안에 무거운 천연 가스 성분을 보유한다. 가벼운 천연 가스 성분은 흡착제 베드 시스템으로 통과하며, 이 경우 비-피크 요구 기간 동안에 가벼운 천연 가스 흡착제에 의해 보유된다.
피크 요구 기간 동안에, 천연 가스 저장 설비는 방출된 천연 가스 성분을 천연 가스 공급원으로 유도한다. 일 실시예의 사용 방법은 방출된 무거운 천연 가스 성분을 천연 가스 공급원으로 유도하는 단계를 포함한다. 일 실시예의 사용 방법은 방출된 가벼운 천연 가스 성분을 천연 가스 공급원으로 안내하는 단계를 포함한다. 일 실시예의 사용 방법은 방출된 가벼운 천연 가스 성분과 방출된 무거운 천연 가스 성분의 혼합물인 방출된 천연 가스 생산물을 천연 가스 공급원으로 안내하는 단계를 포함한다. 일 실시예의 사용 방법은 방출된 천연 가스 생산물이 유도된 천연 가스의 열의 값과 유사한 열의 값을 갖는 경우를 포함한다.
천연 가스 저장 설비는 천연 가스 성분의 흡착, 보유 및 탈착을 용이하게 하기 위하여, 흡착제 베드 시스템 및 가드 베드 시스템의 온도 변화를 사용한다. 천연 가스 공급원으로부터 유도된 천연 가스의 온도 변화뿐만 아니라 외부 환경의 온도 변화는 가벼운 천연 가스 흡착제 및 만약 존재한다면 무거운 천연 가스 흡착제의 흡착 용량의 변경을 돕는다. 온도 제어 시스템을 포함한 일 실시예의 천연 가스 저장 설비에 있어서, 상기 천연 가스 저장 설비의 일 실시예의 사용 방법은 온도 제어 시스템이 비-피크 요구의 기간 동안에 가드 베드 시스템으로부터 열을 제거하도록 설비를 작동시키는 단계를 포함한다. 열의 제거는 가드 베드 시스템에 무거운 천연 가스 성분의 분리 및 보유를 용이하게 한다. 일 실시예의 사용 방법은 온도 제어 시스템이 비-피크 요구의 기간 동안에 무거운 천연 가스 흡착제로부터 열을 제거하도록 설비를 작동시키는 단계를 포함한다. 일 실시예의 사용 방법은 온도 제어 시스템이 비-피크 요구의 기간 동안에 가벼운 천연 가스 흡착제로부터 열을 제거하도록 설비를 작동시키는 단계를 포함한다. 가드 베드 시스템이나 흡착제 베드 시스템, 또는 이 두 시스템에서의 흡착 물질을 냉각하는 것은 이들 시스템에 존재하는 흡착제 물질로부터의 흡착 열을 제거하고 보유 공정을 용이하게 한다.
열을 부가하는 것은 역 효과를 갖고 탈착을 용이하게 하기 위한 피크 요구 기간 동안에 유용하다. 온도 제어 시스템을 포함하는 일 실시예의 천연 가스 저장 설비에 있어서, 천연 가스 저장 설비의 일 실시예의 사용 방법은 열이 피크 요구의 기간 동안에 가드 베드 시스템으로 유도되도록 온도 제어 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다. 일 실시예의 사용 방법은 열이 피크 요구의 기간 동안에 무거운 천연 가스 흡착제로 유도되도록 온도 제어 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다. 일 실시예의 사용 방법은 열이 피크 요구의 기간 동안에 가벼운 천연 가스 흡착제로 유도되도록 온도 제어 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다. 피크 요구 기간 동안에 열을 제공하면 탈착된 천연 가스 성분의 생산이 용이해지고 다음 사이클을 위한 흡착 물질과 베드 시스템을 준비한다.
특히 열이 유도된다면, 방출된 가벼운 천연 가스 성분으로부터의 에너지가 무거운 천연 가스 성분을 방출하도록 사용될 수 있다. 천연 가스 저장 설비의 일 실시예의 사용 방법은 무거운 천연 가스 성분이 가벼운 천연 가스 성분의 유도에 의해 가드 베드 시스템으로부터 방출되기 위하여, 방출된 가벼운 천연 가스가 상기 가드 베드 시스템으로 유도되도록 설비를 작동시키는 단계를 포함한다. 가드 베드 시스템에서의 방출된 가벼운 천연 가스와 방출된 무거운 천연 가스의 화합은 방출된 천연 가스 생산물을 형성한다. 가드 베드 시스템으로의 열의 적용을 요구하지 않게 이러한 에너지를 변환할 뿐만 아니라 천연 가스 공급원으로의 유도 이전에 방출된 천연 가스 생산물의 형성을 가능하게 한다.
천연 가스 저장 설비는 또한 천연 가스 공급원과 천연 가스 저장 설비 사이의 압력 변화를 사용하여, 천연 가스 저장 설비로의 천연 가스의 유도, 천연 가스 성분의 흡착, 천연 가스 공급원으로의 천연 가스 성분의 유도, 보유 및 탈착을 용이하게 한다. 선택적인 저장 설비 압축기의 사용뿐만 아니라 천연 가스 공급원의 압력 변화는 가벼운 천연 가스 흡착제 및 만약 존재한다면 무거운 천연 가스 흡착제의 흡착 용량의 변경을 돕는다. 천연 가스 저장 설비는 천연 가스를 가드 베드나 또는 흡착제 베드 시스템으로 유도하기 위하여 또는 천연 가스 성분을 가드 베드나 흡착제 베드 시스템으로부터 천연 가스 공급원으로 유도하기 위하여, 압축 장비를 필요로 하지 않는다. 피크 요구 기간의 개시시에, 천연 가스 저장 설비 내의 압력이 천연 가스 공급원의 압력보다 더 크다. 비-피크 요구 기간의 개시시에, 천연 가스 공급원의 압력은 천연 가스 저장 설비 내의 압력보다 더 크다.
저장 설비 압축기를 포함한 일 실시예의 천연 가스 저장 설비에 있어서, 천연 가스 저장 설비의 일 실시예의 사용 방법은 천연 가스 공급원으로부터 천연 가스 저장 설비로의 천연 가스의 유도 동안에 저장 설비 압축기를 작동시키는 단계를 포함한다. 이러한 기간 동안에 저장 설비 압축기를 작동시키는 것은 천연 가스를 천연 가스 저장 설비로 빼내는 천연 가스 공급원과 천연 가스 저장 설비 사이에 압력 차이를 형성할 수 있다. 천연 가스 공급원 및 천연 가스 저장 설비가 압력 균등화된 이후에 천연 가스를 계속 빼내는 것은 저장 용량의 최대화를 용이하게 한다. 저장 설비 압축기를 포함한 일 실시예의 천연 가스 저장 설비에 있어서, 일 실시예의 사용 방법은 방출된 가벼운 천연 가스 성분과 무거운 천연 가스 성분을 함께 혼합하여 혼합물이 천연 가스 공급원으로 유도되기 전에 방출된 천연 가스 생산물을 형성하도록 저장 설비 압축기를 작동시키는 단계를 포함한다.
일 실시예의 사용 방법은, 저장 설비 압축기가 가드 베드 시스템에서의 보다 낮은 대기 압력(less than atmospheric pressure)을 포함하도록, 설비를 작동시키는 단계를 포함한다. 일 실시예의 사용 방법은, 보다 낮은 대기 압력 상태가 흡착제 베드 시스템에서 형성되도록, 저장 설비 압축기를 작동시키는 단계를 포함한다. 가드 및 흡착제 베드 시스템에서 대기 압력 아래로 압력을 감소시키는 것은 상기 베드 시스템으로부터의 무거운 천연 가스 성분과 가벼운 천연 가스 성분의 방출을 용이하게 한다. 부분 진공 하에서 피크 요구 기간 동안에 가드 베드 시스템 또는 흡착제 베드 시스템을 차단하는 것은 비-피크 요구 기간 동안에 천연 가스 공급원과 천연 가스 저장 설비 사이에서 야기되는 압력 차이를 형성하는데 도움이 될 수 있다.
요구 기간 및 비-요구 기간의 개시 및 종료를 나타내는 검출가능한 상태는 천연 가스 저장 설비를 작동시킬 수 있고 종료시킬 수 있다. 일 실시예의 천연 가스 저장 설비의 사용 방법은 피크 요구 기간의 시작을 나타내는 상태를 검출하는 단계를 포함한다. 일 실시예의 사용 방법은 피크 요구 기간의 종료를 나타내는 상태를 검출하는 단계를 포함한다. 일 실시예의 사용 방법은 비-피크 요구 기간의 시작을 나타내는 상태를 검출하는 단계를 포함한다. 일 실시예의 사용 방법은 비-피크 요구 기간의 종료를 나타내는 상태를 검출하는 단계를 포함한다. 검출가능한 상태는 천연 가스 공급원, 예를 들면, 공급원 압력, 천연 가스 저장 설비, 시각과 관련될 수 있거나 또는 외부 환경과 관련될 수 있다.

Claims (25)

  1. 천연 가스 공급원에서의 낮동안의 요구 효과를 감소시키기 위한 천연 가스 저장 설비 사용 방법으로서,
    비-피크 요구 기간 동안에 천연 가스 저장 설비로 천연 가스를 안내하는 단계;
    가드 베드 시스템이 천연 가스 불순물을 유도된 천연 가스로부터 제거하고, 상기 유도된 천연 가스를 무거운 천연 가스 성분 및 가벼운 천연 가스 성분으로 선택적으로 분리하고, 상기 비-피크 요구 기간 동안에 상기 무거운 천연 가스 성분을 보유하고,
    상기 가벼운 천연 가스 성분이 상기 가드 베드 시스템으로부터 흡착제 베드 시스템으로 통과하며, 그리고
    상기 흡착제 베드 시스템이 상기 가벼운 천연 가스 성분을 가벼운 천연 가스 흡착제로 흡착하고 상기 비-피크 요구 기간 동안에 상기 가벼운 천연 가스 성분을 보유하도록,
    상기 비-피크 요구 기간 동안에 상기 천연 가스 저장 설비를 작동시키는 단계;
    상기 가드 베드 시스템이 상기 무거운 천연 가스 성분을 방출하고,
    상기 흡착제 베드 시스템이 상기 가벼운 천연 가스 흡착제로부터 상기 가벼운 천연 가스 성분을 방출하고, 그리고
    방출된 무거운 천연 가스 성분 및 방출된 가벼운 천연 가스 성분이 열의 값을 갖는 방출된 천연 가스 생산물을 형성하도록 혼합되도록,
    피크 요구 기간 동안에 상기 천연 가스 저장 설비를 작동시키는 단계; 및
    상기 피크 요구 기간 동안에 방출된 천연 가스 생산물을 상기 천연 가스 공급원으로 안내하는 단계;를 포함하고,
    상기 천연 가스 저장 설비는 상기 가드 베드 시스템과 유체 연통하게 연결된 흡착 베드 시스템을 포함하고,
    상기 천연 가스 공급원은 천연 가스를 포함하며, 그리고
    상기 천연 가스는 불순물, 가벼운 천연 가스 성분 및 무거운 천연 가스 성분을 포함하고 열의 값을 갖는, 천연 가스 저장 설비 사용 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가드 베드 시스템은 무거운 천연 가스 흡착제를 포함하고 그리고 흡착에 의해 상기 무거운 천연 가스 성분을 보유하도록 작동가능한, 천연 가스 저장 설비 사용 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 무거운 천연 가스 흡착제는 미소공성 물질인, 천연 가스 저장 설비 사용 방법.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가벼운 천연 가스 성분에는 실질적으로 프로판이 없는, 천연 가스 저장 설비 사용 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 가벼운 천연 가스 성분에는 실질적으로 에탄이 없는, 천연 가스 저장 설비 사용 방법.
  6. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방출된 천연 가스 생산물은 상기 유도된 천연 가스의 열의 값과 유사한 열의 값을 갖는, 천연 가스 저장 설비 사용 방법.
  7. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    열이 상기 가드 베드 시스템으로부터 제거되도록, 상기 비-피크 요구 기간 동안에 온도 제어 시스템을 작동시키는 단계; 및
    열이 상기 가드 베드 시스템으로 유도되도록, 상기 피크 요구 기간 동안에 상기 온도 제어 시스템을 작동시키는 단계;를 더 포함하고,
    여기서 상기 천연 가스 저장 설비는 상기 가드 베드 시스템과 연결된 온도 제어 시스템을 더 포함하는, 천연 가스 저장 설비 사용 방법.
  8. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    열이 상기 가벼운 천연 가스 흡착제로부터 제거되도록 비-피크 요구 기간 동안에 온도 제어 시스템을 작동시키는 단계; 및
    열이 상기 가벼운 천연 가스 흡착제로 유도되도록, 피크 요구 기간 동안에 상기 온도 제어 시스템을 작동시키는 단계;를 더 포함하고,
    여기서 상기 천연 가스 저장 설비는 상기 흡착 베드 시스템과 연결된 상기 온도 제어 시스템을 더 포함하는, 천연 가스 저장 설비 사용 방법.
  9. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 천연 가스를 상기 천연 가스 저장 설비로 유도하는 동안에 저장 설비 압축기를 작동시키는 단계를 더 포함하고, 여기서 상기 천연 가스 저장 설비는 상기 가드 베드 시스템과 연결된 상기 저장 설비 압축기를 더 포함하는, 천연 가스 저장 설비 사용 방법.
  10. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    보다 낮은 대기 상태가 상기 가드 베드 시스템에서 형성되도록, 상기 피크 요구 기간 동안에 저장 설비 압축기를 작동시키는 단계를 더 포함하고, 여기서 상기 천연 가스 저장 설비는 상기 가드 베드 시스템과 연결된 상기 저장 설비 압축기를 더 포함하는, 천연 가스 저장 설비 사용 방법.
  11. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    보다 낮은 대기 압력 상태가 상기 흡착제 베드 시스템에서 형성되도록, 상기 피크 요구 기간 동안에 저장 압축기를 작동시키는 단계를 더 포함하고, 여기서 상기 천연 가스 저장 설비는 상기 흡착제 베드 시스템과 연결된 상기 저장 설비 압축기를 더 포함하는, 천연 가스 저장 설비 사용 방법.
  12. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    방출된 가벼운 천연 가스 성분이 상기 무거운 천연 가스 성분의 방출을 도와, 방출된 천연 가스 생산물을 상기 가드 베드 시스템에서 형성하도록, 상기 피크 요구 기간 동안에 상기 천연 가스 저장 설비를 작동시키는 단계를 더 포함하고, 상기 가드 베드 시스템은, 방출된 가벼운 천연 가스 성분의 적어도 한 부분이 상기 가드 베드 시스템으로 통과하도록, 상기 흡착 베드 시스템과 유체 연통하게 연결되는, 천연 가스 저장 설비 사용 방법.
  13. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비-피크 요구 기간의 시작과 관련된 제 1 상태를 검출하는 단계;
    상기 비-피크 요구 기간의 끝과 관련된 제 2 상태를 검출하는 단계;
    상기 피크 요구 기간의 시작과 관련된 제 3 상태를 검출하는 단계; 및
    상기 피크 요구 기간의 끝과 관련된 제 4 상태를 검출하는 단계;를 더 포함하고,
    여기서, 상기 제 1 상태를 검출하는 단계는 상기 천연 가스를 상기 천연 가스 저장 설비로 유도하기 전에 발생하고,
    여기서, 상기 제 2 상태를 검출하는 단계는 상기 비-피크 요구 기간 동안에 상기 천연 가스 저장 설비의 작동 동안에 발생하고,
    여기서, 상기 제 3 상태를 검출하는 단계는 상기 피크 요구 기간 동안에 상기 천연 가스 저장 설비의 작동 이전에 발생하고,
    여기서, 상기 제 4 상태를 검출하는 단계는 방출된 천연 가스 생산물을 상기 천연 가스 공급원으로 유도하는 동안에 발생하는, 천연 가스 저장 설비 사용 방법.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 제 2 상태와 상기 제 3 상태는 동일한, 천연 가스 저장 설비 사용 방법.
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 제 1 상태와 상기 제 4 상태는 동일한, 천연 가스 저장 설비 사용 방법.
  16. 청구항 13에 있어서,
    모든 상기 상태는 상기 천연 가스 공급원의 압력과 관련된, 천연 가스 저장 설비 사용 방법.
  17. 천연 가스 공급원에서의 낮동안의 요구의 영향을 감소시키기 위한 천연 가스 저장 설비로서,
    유도된 천연 가스로부터 불순물을 제거하고, 상기 유도된 천연 가스를 무거운 천연 가스 성분 및 가벼운 천연 가스 성분으로 선택적으로 분리하고, 상기 무거운 천연 가스 성분을 보유하고 그리고 상기 무거운 천연 가스 성분을 방출하도록 작동가능하고 그리고 상기 무거운 천연 가스 성분 저장 용량을 갖는 가드 베드 시스템;
    상기 가드 베드 시스템과 유체 연통하게 연결되고, 가벼운 천연 가스 성분 저장 용량을 갖고, 미소공성 물질인 가벼운 천연 가스 흡착제를 포함하며, 그리고 가벼운 천연 가스 흡착제를 사용해 가벼운 천연 가스 성분을 보유하고 상기 가벼운 천연 가스 흡착제로부터 상기 가벼운 천연 가스 성분을 방출하도록 작동가능한 흡착 베드 시스템;
    선택적으로, 상기 가드 베드 시스템 및 상기 흡착 베드 시스템 모두와 개별적으로 연결되고 그리고 상기 가드 베드 시스템 및 상기 흡착제 베드 시스템의 온도를 개별적으로 조정하도록 작동가능한 온도 제어 시스템; 및
    선택적으로, 상기 가드 베드 시스템 및 상기 흡착 베드 시스템 모두와 유체 연통하게 별도로 연결되고 상기 가드 베드 시스템 및 상기 흡착제 베드 시스템의 압력을 별도로 조정하도록 작동가능한 압축기 시스템;
    여기서 상기 천연 가스 저장 설비는 유도된 천연 가스가 상기 가드 베드 시스템에 들어가도록 상기 천연 가스 저장 설비와 연결되는, 천연 가스 저장 설비.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 가드 베드 시스템은 무거운 천연 가스 흡착제 물질을 포함하고, 상기 무거운 천연 흡착제 물질은, 상기 유도된 천연 가스로부터 불순물을 제거하고, 상기 유도된 천연 가스를 상기 무거운 천연 가스 성분 및 상기 가벼운 천연 가스 성분으로 선택적으로 분리하고, 흡착에 의해 상기 무거운 천연 가스 성분을 보유하고, 그리고 탈착에 의해 상기 무거운 천연 가스 성분을 방출하도록 작동가능한, 천연 가스 저장 설비.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 무거운 천연 가스 흡착제 물질은 미소공성 물질인, 천연 가스 저장 설비.
  20. 청구항 17 내지 19 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미소공성 물질은 77 °K에서의 질소 다공성 측정을 사용하여 결정된 바와 같이, 적어도 800 ㎡/g의 BET 특정 표면 영역 값과, 적어도 0.300 ㎤/g의 미소공성 물질의 미세공극 볼륨 값을 갖는, 천연 가스 저장 설비.
  21. 청구항 17 내지 19 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미소공성 물질은 슬릿 형상의 미세공극을 갖는 활성탄이고, 0.20 내지 0.75 g/㎤ 범위의 부피 밀도를 갖고, 그리고 77 °K에서 질소 다공성 측정을 사용해 결정된 바와 같은 10 내지 30 옹스트롬 (Å) 범위의 BJH 평균 공극 폭을 갖는, 천연 가스 저장 설비.
  22. 청구항 17 내지 19 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미소공성 물질은 메탄을 사용하여 56 ℃에서 50 bar의 시스템 압력에서 65보다 더 큰 흡착된 양의 비와, 40 bar의 시스템 압력에서 60보다 더 큰 흡착된 양의 비를 갖는, 천연 가스 저장 설비.
  23. 청구항 17 내지 19 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미소공성 물질은 메탄을 사용하여 21 ℃에서 35 bar 내지 55 bar 범위의 압력에서 100보다 더 큰 흡착된 양의 비를 갖는, 천연 가스 저장 설비.
  24. 청구항 17 내지 19 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미소공성 물질은 21 ℃에서 메탄을 사용하여, 50 bar의 시스템 압력에서 115보다 더 크고, 45 bar의 시스템 압력에서 110보다 더 크며 그리고 40 bar의 시스템 압력에서 100보다 더 큰 저장된 양의 비를 모두 갖는, 천연 가스 저장 설비.
  25. 청구항 17 내지 19 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 미소공성 물질은 메탄을 사용하여 21 ℃에서, 35 bar 내지 55 bar 범위의 압력에서 100보다 더 큰 저장된 양의 비를 갖는, 천연 가스 저장 설비.
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