KR20150084366A - 하이브리드형 이산화탄소 제거 시스템 및 방법 - Google Patents

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나희승
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Abstract

하이브리드형 이산화탄소 제거 시스템 및 방법이 개시된다. 본 발명의 하이브리드형 이산화탄소 제거 시스템은, 천연가스로부터의 이산화탄소 제거 시스템에 있어서, 혼합 다공성 재료로 상기 천연가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하는 혼합 다공성 흡착부; 및 상기 혼합 다공성 흡착부를 거친 상기 천연가스로부터 이산화탄소를 추가로 흡수하여 제거하는 아민 공정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드형 이산화탄소 제거 시스템 및 방법{Hybrid Type Removal System And Method Of Carbon-dioxide}
본 발명은 하이브리드형 이산화탄소 제거 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 혼합 다공성 재료로 천연가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하고, 아민 계열 흡수제로 천연가스로부터 이산화탄소를 추가로 흡수하여 제거하는 하이브리드형 이산화탄소 제거 시스템 및 방법에 관한 것이다.
근래 LNG(Liquefied Natural Gas)나 LPG(Liquefied Petroleum Gas) 등의 액화가스의 소비량이 전 세계적으로 급증하고 있는 추세이다.
특히 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 "LNG"라 함)는 연소시 대기오염 물질 배출이 적은 친환경 연료로서 여러 분야에서 사용이 늘어나고 있다.
액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 "LNG"라 함)는 메탄(methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 갖는다.
최근에는 육상 자원의 개발에 이어 해상에서의 해저 자원에 대한 개발이 활발히 이루어지고 있는데, 이에 따라 시추된 해저 자원을 해상에서 처리할 수 있으며, 육상 플랜트 건설시의 건설 부지 확보나 건설 시간 소요의 문제를 해결할 수 있는 LNG FPSO(Floating, Production, Storage and Offloading)와 같은 해상 플랜트에 대한 수요도 증가하고 있다.
LNG FPSO에서의 LNG의 액화 공정은 산성 가스(Acid gas)의 제거, 탈수(Dehydration), NGL(Natural Gas Liquid)의 분별(Fractionation) 등의 전처리 과정을 거친 후 이루어진다.
한편 해상 광구에서 채굴된 천연가스에는 통상 3 내지 10 mol %의 CO2가 함유되어 있으나, 수십 mol % 의 CO2가 함유되어 있는 경우에는 추가적인 이산화탄소 제거 공정이 이루어져야 하므로, 매장량이 상당한 경우에도 광구 개발의 경제성이 떨어질 수 있다. 그러나 최근에는 육상에서의 자원 고갈과 지속적인 유가 등 에너지 가격 상승에 따라, 경제성이 낮다고 평가되던 한계 유정의 개발도 이루어지고 있다.
다량의 산성가스를 포함하는 해상유전의 개발시 천연가스의 액화 공정에 앞선 전처리 과정에서 CO2가 50 ppm 이하 수준으로 제거되어야 한다. 이산화탄소 성분을 많이 포함하고 있는 천연가스는 이중의 이산화탄소 제거 공정을 거칠 수 있는데, 이산화탄소를 흡수할 수 있는 멤브레인을 통해 1차적으로 이산화탄소를 제거하고, 아민계의 흡수제를 통한 습식의 이산화탄소 제거를 2차적으로 거치는 방식이 현재 적용되고 있다.
그러나 이러한 이산화탄소 제거 방식은 멤브레인을 통과하면서 천연가스 중의 탄화수소 성분들도 멤브레인이 다량 흡수되어 손실되는 문제가 있고, 멤브레인의 재생을 위해서는 압축기와 냉각기가 필요하여 설치비용 및 운영비용이 높아 플랜트의 경제성을 떨어뜨리는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위한 것으로, 이산화탄소를 선택적으로 제거하여 탄화수소 성분의 손실을 막고, 비용을 절감할 수 있는 이산화탄소 제거 시스템을 제안하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 천연가스로부터의 이산화탄소 제거 시스템에 있어서,
혼합 다공성 재료로 상기 천연가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하는 혼합 다공성 흡착부; 및
상기 혼합 다공성 흡착부를 거친 상기 천연가스로부터 이산화탄소를 추가로 흡수하여 제거하는 아민 공정부를 포함하는 하이브리드형 이산화탄소 제거 시스템이 제공된다.
바람직하게는 상기 혼합 다공성 흡착부는, 상기 천연가스로부터 이산화탄소를 흡수하도록 작동되는 적어도 하나의 흡수 칼럼과, 이산화탄소를 흡수한 상기 혼합 다공성 재료로부터 상기 이산화탄소가 제거되어 재생되는 재생 칼럼을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 혼합 다공성 흡착부의 상기 칼럼은 상기 흡수 칼럼과 재생 칼럼으로 번갈아 작동될 수 있다.
바람직하게는, 상기 혼합 다공성 재료는 혼합 기체로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하는 MOF 및 COF 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
바람직하게는 상기 아민 공정부는, 상기 혼합 다공성 흡착부를 거친 상기 천연가스로부터 이산화탄소를 아민 계열 흡수제로 흡수하도록 작동되는 적어도 하나의 아민 공정 칼럼과, 이산화탄소를 흡수한 아민 계열 흡수제로부터 이산화탄소가 제거되어 재생되는 아민 재생 칼럼을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 이산화탄소의 제거는 해상의 FPSO(Floating Production Storage and Offloading)에서 천연가스 액화공정의 전처리 공정으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 천연가스로부터 이산화탄소를 제거하는 방법에 있어서,
1) 혼합 다공성 재료를 포함하는 칼럼에서 상기 천연가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하여 제거하는 단계; 및
2) 아민 계열 흡수제를 통해 상기 천연가스로부터 이산화탄소를 추가로 흡수하여 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 이산화탄소 제거 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 혼합 다공성 재료는 혼합 기체로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하는 MOF 및 COF 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 하이브리드형 이산화탄소 제거 시스템은 혼합 다공성 재료로 천연가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하고, 아민 계열 흡수제로 천연가스로부터 이산화탄소를 추가로 흡수하여 제거하게 된다.
이와 같이 높은 이산화탄소 선택적 흡착능을 지닌 혼합 다공성 재료가 적용된 혼합 다공성 흡착부와 이산화탄소를 추가로 제거하는 아민 공정부의 하이브리드형 시스템을 통해 탄화수소 성분의 손실 없이 효과적으로 이산화탄소를 제거할 수 있다.
또한 혼합 다공성 흡착부의 높은 이산화탄소 제거율로 인해 아민 공정부의 크기를 줄일 수 있어, LNG-FPSO와 같은 해상 플랜트에 적용시 전처리 공정 설비의 Footprint를 줄여 탑사이드 공간을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 이산화탄소 제거 시스템을 개략적으로 도시한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드형 이산화탄소 제거 시스템을 개략적으로 도시하였다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 실시예의 하이브리드형 이산화탄소 제거 시스템은, 천연가스로부터의 이산화탄소 제거 시스템에 있어서, 혼합 다공성 재료로 상기 천연가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하는 혼합 다공성 흡착부(100)와, 상기 혼합 다공성 흡착부(100)를 거친 상기 천연가스로부터 이산화탄소를 추가로 흡수하여 제거하는 아민 공정부(200)를 포함한다.
본 실시예의 이산화탄소의 제거는 해상의 LNG-FPSO(Floating Production Storage and Offloading)에서 천연가스 액화공정의 전처리 공정으로 이루어질 수 있다.
LNG-FPSO와 같은 해상 플랜트의 전처리 공정에 적용되어, 채굴된 천연가스의 이산화탄소 함량이 높은 경우 혼합 다공성 흡착부(100)는 1차적으로 이산화탄소를 제거하는 Bulk CO2 Removal Unit으로 구성하여 탄화수소 성분의 손실 없이 다량의 이산화탄소를 제거하도록 하고, 아민 공정부(200)는 2차로 이산화탄소를 제거하는 CO2 Removal Unit으로 구성하여 액화공정에 공급하기에 적합한 수준으로 이산화탄소를 추가로 제거하도록 할 수 있다.
본 실시예에서 혼합 다공성 흡착부(100)는, 상기 천연가스로부터 이산화탄소를 흡수하도록 작동되는 적어도 하나의 흡수 칼럼과, 이산화탄소를 흡수한 상기 혼합 다공성 재료로부터 상기 이산화탄소가 제거되어 재생되는 재생 칼럼을 포함하는 복수의 칼럼(110)들로 구성된다.
흡수 칼럼과 재생 칼럼은 모두 혼합 기체로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하는 혼합 다공성 재료, 바람직하게는 MOF(Metal-Organic Framework) 및 COF(Covalent-Organic Framework) 중 적어도 하나를 포함하며, 혼합 다공성 흡착부(100)의 칼럼들(110)은 흡수 칼럼과 재생 칼럼으로 번갈아 작동된다.
즉 흡수 칼럼으로 작동시에는 칼럼으로 도입된 혼합 기체로부터 MOF 또는 COF에 의해 이산화탄소를 선택적으로 흡수하여 제거하며, 흡수 칼럼으로 작동하며 이산화탄소를 흡수한 칼럼은 혼합 다공성 재료의 재생을 위해 재생 칼럼으로 작동하게 된다.
MOF(Metal-Organic Framework, 금속 유기 골격구조)는 금속 이온과 유기 분자가 연결된 골격구조의 3차원 결정 구조로 기공을 포함한다. COF(Covalent-Organic Framework, 공유결합 유기 골격구조)는 강한 공유결합을 형성하는 경원소(H, B, C, N, O)로부터 생성되는 강성 구조(rigid structure)의 다공성 결정질인 고분자 물질이다.
본 실시예의 MOF는 비표면적(BET) 6240 ㎡/ｇ이고 298 K, 55 bar에서 이산화탄소 흡착량이 2870 ㎎/ｇ인 물질이고, COF는 비표면적(BET) 3620 ㎡/ｇ이고 298 K, 55 bar에서 이산화탄소 흡착량이 1200 ㎎/ｇ인 물질이다. MOF와 COF는 이산화탄소 흡착량이 175 ㎎/ｇ인 Zeolite-13X나, 이산화탄소 흡착량이 51 ㎎/ｇ인 SBA-15와 같은 기존의 흡착제에 비해 탁월한 이산화탄소 흡착량을 나타낸다.
본 실시예에서 흡수 칼럼은 복수로 마련되므로 칼럼 중 일부가 혼합 다공성 재료의 재생을 위해 재생 칼럼으로 작동 중인 때에도 다른 흡수 칼럼이 이산화탄소 흡수를 계속해서 수행할 수 있다.
재생 칼럼으로 작동되면 혼합 다공성 재료에 흡착된 이산화탄소를 탈착시켜 혼합 다공성 재료의 이산화탄소 흡착능을 회복시키게 된다. 혼합 다공성 재료의 이산화탄소 흡착능이 회복되면 해당 칼럼을 다시 흡수 칼럼으로 작동시킬 수 있다.
혼합 다공성 흡착부에서는 고체 흡착제를 이용한 흡착이 이루어지는데, 흡착은 낮은 온도 높은 압력에서 잘 이루어지는 반면, 칼럼의 재생을 위한 탈착은 높은 온도, 낮은 압력에서 원활하게 이루어진다. 따라서, 혼합 다공성 흡착부에서의 칼럼 재생을 위한 탈착은 PSA(Pressure Swing Adsorption) 즉, 압력 변화에 의한 방법(압력을 낮춤)이나 TSA(Temperature Swing Adsorption) 즉, 온도 변화에 의한 방법(온도를 높임)에 의해 이루어질 수 있다.
혼합 다공성 흡착부에서는, 예를 들어 이산화탄소 흡착을 위한 흡수 칼럼은 298 K, 55 bar 조건으로, 탈착을 통한 칼럼 재생을 위해 재생 칼럼은 2 내지 5 bar, 500 ℃ 이하로 작동시킬 수 있다.
한편, 아민 공정부(200)는 혼합 다공성 흡착부(100)를 거친 천연가스로부터 이산화탄소를 아민 계열 흡수제로 흡수하도록 작동되는 적어도 하나의 아민 공정 칼럼(210)과, 이산화탄소를 흡수한 아민 계열 흡수제로부터 이산화탄소가 제거되어 재생되는 아민 재생 칼럼(220)을 포함하는 복수의 칼럼들을 포함하도록 구성될 수 있다.
다만 아민 공정부(200)의 칼럼들(210, 220) 또한, 아민 공정 칼럼으로 작동하며 이산화탄소를 흡착하여 제거하고, 흡착능이 떨어지면 아민 재생 칼럼으로 작동하며 흡착된 이산화탄소를 제거하여 흡착능을 회복하도록 하여, 아민 공정 칼럼과 아민 재생 칼럼으로 번갈아 작동시킬 수도 있다.
아민 공정부(200)의 아민 공정 칼럼(210)에서 CO2를 흡수한 아민은 CO2와 H2S 등의 산성가스뿐만 아니라 연료화될 수 있는 탄화수소도 포함할 수 있으므로, 아민 공정부(200)에는 플래시 드럼(230)을 마련한다. 플래시 드럼(230)에서는 아민 공정 칼럼(210)으로부터 산성가스를 흡수한 아민을 공급받아 압력을 낮추어 탄화수소 성분을 기체화하여 분리함으로써 탄화수소 성분의 손실을 최소화할 수 있다. 플래시 드럼(230)으로부터 압력을 낮아진 아민 스트림은 아민 재생 칼럼(220)으로 공급된다.
아민 공정부의 칼럼 재생은 대개 칼럼 바닥부에서 column reboier를 이용하여 이산화탄소를 흡수한 아민 수용액을 끓여, 아민 수용액으로부터 이산화탄소를 분리한다. 이때 칼럼 재생시 압력은 대략 상압(2~5 bar)에서 이루어지며 온도는 도입온도 30 ℃로부터 160 ~ 170 ℃까지 상승한다.
이와 같이 아민 재생 칼럼(220)에서 나오는 이산화탄소가 제거된 아민은 약 160 ~ 170 ℃의 높은 온도인데, 이러한 아민을 Lean amine이라고 한다. 아민 공정부(200)에는 열교환기(240)를 구성하여 lean amine을 열교환을 통해 흡수탑으로 작동하는 아민 공정 칼럼(210)에서의 흡수 온도인 약 30 ℃로 낮춰줘 아민 공정 칼럼(210)으로 순환시킨다. lean amine의 냉각을 위해 열교환기(240)에서는 플래시 드럼(230)을 거쳐 재생 칼럼(220)으로 공급되는 아민과 lean amine을 열교환시킬 수 있다.
아민 공정부(200)의 아민 계열 흡수제는 예를 들어 메틸에탄올 아민(MEA)일 수 있고, 아민 공정부(200)의 칼럼들(210)은 아민 계열 흡수제를 포함하는 수용액이 분사되어 습식으로 이산화탄소를 제거하는 칼럼일 수 있다.
이와 같은 본 실시예는 해상 플랜트에 적용되어, 해저의 가스정에서 채굴된 천연가스 중 이산화탄소의 함유량이 높은 경우, 전처리 공정 중 산성 가스 제거 공정에 적용하여 산성 가스 중 대부분을 차지하는 이산화탄소를 제거할 수 있다.
본 실시예를 적용하여 채굴된 천연가스에 포함된 이산화탄소를 제거한 후 액화시킴으로써 액화 공정으로 도입될 천연가스에 포함된 이산화탄소를 없애거나 함유량을 낮출 수 있다.
본 실시예의 혼합 다공성 흡착부(100)와 아민 공정부(200)를 거친 천연가스 중 이산화탄소는 100, 바람직하게는 50 ppm 이하로 제거되어, 탈수, 수은제거, NGL 회수 및 액화 등의 후단 공정으로 공급된다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 실시예는, 천연가스로부터 이산화탄소를 제거하는 방법으로서, 1) 혼합기체로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡착하는 MOF 및 COF와 같은 혼합 다공성 재료를 포함하는 칼럼에서 천연가스로부터 이산화탄소를 흡수하여 제거하고; 2) MEA와 같은 아민 계열 흡수제를 통해 천연가스로부터 이산화탄소를 추가로 흡수하여 제거하는 하이브리드형 이산화탄소 제거 시스템을 제공한다.
이와 같은 방식을 통해 탄화수소 성분의 손실 없이 효과적으로 다량의 이산화탄소를 제거할 수 있고, 혼합 다공성 재료를 적용한 혼합 다공성 흡착부(100)의 높은 이산화탄소 제거율로 인해 아민 공정부(200)의 크기를 줄여 컴팩트한 이산화탄소 제거 시스템을 구현할 수 있다.
이와 같은 본 발명은 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.
100: 혼합 다공성 흡착부
110: 혼합 다공성 흡착부의 칼럼
200: 아민 공정부
210: 아민 공정 칼럼
220: 아민 재생 칼럼
230: 플래시 드럼
240: 열교환기

Claims (8)

  1. 천연가스로부터의 이산화탄소 제거 시스템에 있어서,
    혼합 다공성 재료로 상기 천연가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하는 혼합 다공성 흡착부; 및
    상기 혼합 다공성 흡착부를 거친 상기 천연가스로부터 이산화탄소를 추가로 흡수하여 제거하는 아민 공정부를 포함하는 하이브리드형 이산화탄소 제거 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 혼합 다공성 흡착부는
    상기 천연가스로부터 이산화탄소를 흡수하도록 작동되는 적어도 하나의 흡수 칼럼; 및
    이산화탄소를 흡수한 상기 혼합 다공성 재료로부터 상기 이산화탄소가 제거되어 재생되는 재생 칼럼을 포함하는 하이브리드형 이산화탄소 제거 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 혼합 다공성 흡착부의 상기 칼럼은 상기 흡수 칼럼과 재생 칼럼으로 번갈아 작동되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 이산화탄소 제거 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 혼합 다공성 재료는 혼합 기체로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하는 MOF 및 COF 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 이산화탄소 제거 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 아민 공정부는
    상기 혼합 다공성 흡착부를 거친 상기 천연가스로부터 이산화탄소를 아민 계열 흡수제로 흡수하도록 작동되는 적어도 하나의 아민 공정 칼럼; 및
    이산화탄소를 흡수한 아민 계열 흡수제로부터 이산화탄소가 제거되어 재생되는 아민 재생 칼럼을 포함하는 하이브리드형 이산화탄소 제거 시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 이산화탄소의 제거는 해상의 FPSO(Floating Production Storage and Offloading)에서 천연가스 액화공정의 전처리 공정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 이산화탄소 제거 시스템.
  7. 천연가스로부터 이산화탄소를 제거하는 방법에 있어서,
    1) 혼합 다공성 재료를 포함하는 칼럼에서 상기 천연가스로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하여 제거하는 단계; 및
    2) 아민 계열 흡수제를 통해 상기 천연가스로부터 이산화탄소를 추가로 흡수하여 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 이산화탄소 제거 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 혼합 다공성 재료는 혼합 기체로부터 이산화탄소를 선택적으로 흡수하는 MOF 및 COF 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 이산화탄소 제거 방법.
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