KR20150127897A

KR20150127897A - Ｃｂｍ 산출수 처리시스템

Info

Publication number: KR20150127897A
Application number: KR1020140054102A
Authority: KR
Inventors: 남양원; 강민준
Original assignee: (주)오에치케이
Priority date: 2014-05-07
Filing date: 2014-05-07
Publication date: 2015-11-18

Abstract

본 발명은, 석탄층메탄가스(coal bed methane)(이하, CBM이라 한다.)를 생산하는 과정에서 CBM 생산정으로부터 산출되는 물인 CBM 산출수가 저장되는 원수 저류장치, 원수 저류장치로부터의 CBM 산출수에 대하여 응집제를 이용하여 고액분리를 하는 고액분리장치, 고액분리장치로부터의 처리수에 대하여 고도처리를 하는 고도처리수단을 포함하는 CBM 산출수 처리시스템을 제공한다.

Description

ＣＢＭ 산출수 처리시스템 {SYSTEM FOR TREATING WATER FROM CBM WELL}

본 발명은 석탄층메탄가스(coal bed methane)(이하, CBM이라 한다.)의 생산과정에서 생산정으로부터 산출되는 물을 처리하기 위한 시스템에 관한 것이다.

비전통 에너지는, 기존의 석유자원과는 달리, 신(미래)석유자원(unconventional petroleum resources)이라고 칭하는데, 일반적인 석유가스자원에 대비되는 개념으로 유체 유동능력이 떨어지는 대량 부존 석유가스자원이라고 정의된다. 또한, 유형에 따라 상업화 정도가 다양한 특징을 지니고 있다. 대표적인 신석유자원은 가스하이드레이트, CBM(석탄층메탄가스), 셰일가스, 치밀가스(tight gas), 오일샌드, 오일셰일 등이 있다.

이들 중에서, CBM은 석탄층에 함유되어 있는 메탄가스를 말한다. CBM은 지하 심부에 묻힌 식물이 고온, 고압의 환경에서 탄화과정(coalification)을 거치면서 생성된 가스를 말한다. 이렇게 생성된 가스는 95% 이상이 메탄가스로 셰일가스보다 15~33% 정도 가격이 저렴한 특징이 있다. CBM을 생산하기 위해서는 우수한 드릴링(Drilling) 기술과 디워터링(Dewatering) 기술이 필요하다. 메탄가스가 생산되기 위해서는 시추 후 석탄층 내의 수압을 낮추어 석탄 표면에 흡착된 메탄 가스가 이탈되는 과정을 구현하여야 하는데, 석탄층의 수압을 낮추기 위해서는 디워터링 기술이 필수적이라 할 수 있다. 이러한 기술은 메탄이 물에 대한 용해도가 낮아 쉽게 물과 분리되는 특성을 이용한 것이다.

CBM 생산을 위해서는 디워터링 시스템(dewatering system)을 필수적으로 가동하여야 한다. 이는 생산정에서 CBM을 생산하기 위한 원리와 밀접한 관계가 있다. CBM을 생산하기 위해서는 메탄의 성상을 이용해야 하는데, 메탄은 물에 대한 용해도가 낮아서 물에서 잘 탈착되는 성상을 갖고 있다.

탄화과정에서 생성된 CBM의 대부분은 반데르발스 결합(van der Waals forces)에 의하여 석탄을 구성하는 유기물 분자에 흡착되어 암체(matrix)에 분포하고, 그 이외의 나머지는 석탄 내에 있는 탄리(cleat)와 균열(fracture)에 자유가스로 존재하거나 지하수 속에 용해된 상태로 존재한다.

이러한 물과 메탄과의 성상을 이용, 생산정에 디워터링 시스템을 구성하여 물을 지표면으로 펌핑을 하면, 생산정 내부의 압력이 떨어지면서 물과 메탄이 탈착되고 이렇게 탈착된 메탄을 포집하는 과정을 통하여 CBM이 생산된다. 이와 같은 원리로 CBM 생산량과 디워터링 양은 밀접한 상관관계가 있다.

이 때, 생산되는 물은 석탄층에 흐르는 지하수가 되는데, 이 지하수를 펌핑하게 되면 석탄 등에 함유된 여러 가지 오염물질이 같이 올라오게 된다. 이러한 문제들로 인하여 환경문제가 발생하므로, CBM 산출수 처리시스템을 구축하여 환경문제에 적극적으로 대처하여야 할 필요성이 요구되는 실정이다.

본 발명의 실시예는 환경문제를 야기하는 CBM 산출수를 보다 효율적으로 처리할 수 있는 시스템을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명이 해결하려는 과제는 위 과제에 제한되지 않고, 언급되지 않은 기타 과제들은 통상의 기술자라면 아래의 기재로부터 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

본 발명의 실시예에 따르면, CBM을 생산하는 과정에서 CBM 생산정으로부터 산출되는 물인 CBM 산출수를 처리하는 것으로서, CBM 산출수가 저장되는 원수 저류장치와; 상기 원수 저류장치로부터의 CBM 산출수에 대하여 응집제를 이용하여 고액분리를 하는 고액분리장치와; 상기 고액분리장치로부터의 슬러지에 포함된 수분을 제거하는 탈수장치와; 상기 탈수장치로부터의 탈수여액을 상기 원수 저류장치로 회수하는 탈수여액 회수장치를 포함하는, CBM 산출수 처리시스템이 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 CBM 산출수 처리시스템은, 상기 고액분리장치로부터의 처리수가 저장되는 처리수 저류장치와; 상기 처리수 저류장치로부터의 처리수에 대하여 고도처리를 하는 고도처리수단을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 CBM 산출수 처리시스템은, 상기 처리수 저류장치와 상기 고도처리수단 사이에서 상기 처리수 저류장치로부터의 처리수를 상기 고도처리수단에 공급하거나 최종 방류하는 송수기구를 더 포함할 수 있다.

상기 고도처리수단은 고도처리용 필터장치, 흡착법과 이온교환법 중 적어도 하나를 이용하는 흡착-이온교환장치, 역삼투법(Reverse Osmosis, RO)을 이용하는 RO장치 중에서 적어도 어느 하나 이상의 장치를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 CBM 산출수 처리시스템은, 상기 탈수장치로부터의 탈수 케이크를 고화시켜 개량토를 생산하는 고화장치를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, CBM을 생산하는 과정에서 CBM 생산정으로부터 산출되는 물인 CBM 산출수를 처리하는 것으로서, CBM 산출수가 저장되는 원수 저류장치와; 상기 원수 저류장치로부터의 CBM 산출수에 대하여 응집제를 이용하여 고액분리를 하는 고액분리장치와; 상기 고액분리장치로부터의 처리수에 대하여 고도처리를 하는 고도처리수단을 포함하는, CBM 산출수 처리시스템이 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, CBM을 생산하는 과정에서 CBM 생산정으로부터 산출되는 물인 CBM 산출수를 처리하는 것으로서, CBM 산출수가 저장되는 원수 저류장치와; 상기 원수 저류장치로부터의 원수에 대하여 고도처리를 하는 고도처리수단을 포함하는, CBM 산출수 처리시스템이 제공될 수 있다.

위 같은 본 발명의 주요한 과제의 해결 수단은 이하에서 설명하는 실시예(발명을 실시하기 위한 구체적인 내용)나 도면 등을 통하여 보다 구체적이고 명확하게 될 것이고, 나아가서는 위 같은 본 발명의 주요한 과제의 해결 수단 이외에도 다양한 과제의 해결 수단이 이하에서 추가로 제시될 것이다.

도 1은 일반적인 CBM 생산과정이 도시된 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 CBM 산출수 처리시스템의 구성이 도시된 개념도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 참고로, 본 발명을 설명하는 데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다. 또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하겠다.

CBM 산출수는 일반적으로 나트륨(sodium, Na), 중탄산염(bicarbonate, HCO₃), 염화물(chloride, Cl) 등이다. 이러한 조성은 이산화탄소(carbon dioxide, CO₂)와 메탄(methane, CH₄)의 생산량에 많은 영향을 끼친다.

중탄산염은 침전에 의해 칼슘과 마그네슘의 양을 제어한다. 또한, 석탄층에서 황화물은 SO₄로 쉽게 전환되기 때문에, CBM 산출수는 황산염(sulfate, SO₄)과 관계가 있다. 황화물은 가스 혹은 침전물의 형태로 제거되어진다.

일반적으로, CBM 산출수는 기존의 석유와 가스의 정(well)에서 보다는 훨씬 깨끗한 수준이다. 자세히 분석하여 보면, CBM 산출수의 TDS(total dissolved solids)는 깨끗할 때는 약 200mg/L 정도로 측정되며, 소금이 과다하게 함유되어 있을 경우에는 약 170,000mg/L로 측정된다. 평균적으로, 해수의 TDS가 약 35,000mg/L로 해수보다 약 5배 정도 높게 발생한다.

CBM 산출수가 깨끗할 때는 약 200mg/L로 측정되는데 음용수의 권장 TDS 제한치는 500mg/L이며, 연못이나 관개용수로 사용할 때의 TDS제한치는 1,000~2,000mg/L 정도이다.

CBM 산출수의 TDS 농도는 석탄 층의 깊이와 석탄층 주변 암석의 구성, 물과 암석의 반응시간, 석탄층에 유입된 물의 근원 등에 따라 달라진다.

CBM 산출수에 함유된 미량 원소(trace-element) 농도는 휘발성 유기 화합물로 일반적으로 낮게(<1mg/L) 함유되어 있다.

본 발명의 실시예에 따른 CBM 산출수 처리시스템은 일반적으로 이와 같은 특징이 있는 CBM 산출수를 사전에 설정하여 둔 기준치 이하의 오염도(유기물, 중금속, TDS, 페놀, 염분 등)를 갖도록 처리하기 위한 것이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 CBM 산출수 처리시스템의 구성이 도시된 개념도이다.

본 발명의 실시예에 따른 CBM 산출수 처리시스템은, CBM 생산정으로부터의 CBM 산출수가 저장되는 원수 저류장치(10), 원수 저류장치(10)로부터의 CBM 산출수에 포함된 석탄가루 및 부유물질(suspended solid, SS)을 제거하는 등 원수를 1차적으로 처리하는 고액분리장치(20), 고액분리장치(20)로부터의 처리수가 저장되는 처리수 저류장치(30), 처리수 저류장치(30)로부터의 처리수의 오염도(중금속, SAR, TDS, Ba, Fe, EC, Na, HCO3 등)가 기준치를 초과하면 고도처리를 통하여 재처리하는 고도처리수단(40)을 포함한다.

여기에서, 기준치는 다음의 표에 기재된 수치범위를 만족시키지 못하는 경우로 하는 것이 바람직하다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

원수 저류장치(10)는 저류조를 포함한다. 원수 저류장치(10)에 저장된 CBM 산출수의 오염도가 낮은 경우, 원수 저류장치(10)에 저장된 CBM 산출수는 원수 저류장치(10)에 연결된 식생수로(50)로 배출된 후 최종 방류될 수 있다.

일례로, 식생수로(50)는, 녹화수종 식재용 식생층, 식생층 하에 마련된 인공토양층(오염물질 제거용의 여재 및 식물생육 기반으로서의 녹화토로 구성), 인공토양층 하에 마련된 여과매트 등으로 구성될 수 있다. 이와는 달리, 식생수로(50)로는 이미 공지된 다른 타입이 적용될 수도 있다.

본 발명의 실시예에 따른 CBM 산출수 처리시스템은, 식생수로(50)로부터 배출되는 처리수의 오염도를 측정하고 그 측정치가 기준치를 초과하는 경우에는 식생수로(50)로부터의 처리수가 그대로 최종 방류되지 않고 원수 저류장치(10)로 회수되도록 구성될 수 있다. 물론, 이에 따르면, 식생수로(50)로부터 배출되는 처리수의 오염도가 기준치를 초과하지 않으면, 식생수로(50)로부터 배출되는 처리수는 그대로 최종 방류된다.

고액분리장치(20)는, 원수 저류장치(10)로부터의 CBM 산출수가 유입되고 약품으로서 응집제가 투입되는 급속교반조(21), 급속교반조(21)로부터의 CBM 산출수가 유입되는 완속교반조(22), 완속교반조(22)로부터의 CBM 산출수가 유입되는 침전조(23)를 포함한다.

급속교반조(21)는 CBM 산출수가 응집제와 균일하게 혼합 반응하도록 고속으로 교반하고, 완속교반조(22)는 응결된 입자를 완속교반으로 성장시켜 대형 플록으로 만들며, 침전조(23)는 응집된 대형 플록을 침전 분리시킨다.

침전조(23)로는 평판, 환상판 등의 경사판을 구비한 경사판 침전조를 적용하는 것이 바람직하다.

침전조(23)에서 처리된 처리수는 처리수 저류장치(30)에 공급되고, 침전조(23)에 침전된 침전물인 슬러지는 슬러지 이송펌프(24)에 의하여 탈수장치(60)에 공급된다. 처리수 저류장치(30)는 저류조를 포함한다.

처리수 저류장치(30)에 저장된 처리수는 제1송수기구에 의하여 그대로 최종 방류되거나 고도처리수단(40)에 공급되어 재처리된다. 즉, 처리수의 오염도가 기준치를 초과하지 않으면 처리수가 그대로 최종 방류되고, 반대로 처리수의 오염도가 기준치를 초과하면 처리수가 고도처리수단(40)에 공급되어 재처리되도록 제1송수기구를 작동시키는 것이다.

고도처리수단(40)은, 고도처리용 필터장치(41), 흡착법과 이온교환법 중 적어도 하나를 이용하는 흡착-이온교환장치(42), 역삼투법(Reverse Osmosis, RO)을 이용하는 RO장치(43)를 포함한다.

제1송수기구에 의하여 고도처리용 필터장치(41)에 공급된 처리수는 고도처리용 필터장치(41)에 의하여 재처리된 후, 제2송수기구에 의하여 그대로 최종 방류되거나 흡착-이온교환장치(42)에 공급되어 한 번 더 재처리된다. 제2송수기구도 제1송수기구와 마찬가지로 고도처리용 필터장치(41)에 의하여 재처리된 처리수의 오염도가 기준치 이하이면 처리수가 그대로 최종 방류되고 오염도가 기준치를 초과하면 처리수가 흡착-이온교환장치(42)에 공급되도록 작동된다.

흡착-이온교환장치(42)에 의하여 처리된 처리수는 제3송수기구에 의하여 그대로 최종 방류되거나 RO장치(43)에 공급되어 한 번 더 재처리된다. 물론, 제3송수기구도 제1 또는 제2송수기구와 동일하게 작동된다.

고도처리용 필터장치(41)로는 MDF(micro disc filter), 중공사막 등을 이용하는 다양한 타입이 적용될 수 있다. 흡착-이온교환장치(42)로는 일반적인 고도처리용 활성탄을 이용하는 타입이 적용될 수 있다. 또는, 흡착-이온교환장치(42)로는, 활성탄의 표면에 첨착된 인 흡착용 물질인 황산 제1철을 포함하는 표면개질된 활성탄으로서, 활성탄 100중량부에 대하여 인 흡착용 물질 13.37~32.42 중량부를 포함하고, 인 제거율 90.11~95.32%, 질소 제거율 80~85% 및 난분해성 COD 제거율 87.5%인 것을 특징으로 하는 표면개질된 활성탄을 이용하는 타입이 적용될 수도 있다.

이상의 설명과는 달리, 고도처리수단(40)은 고도처리용 필터장치(41), 흡착-이온교환장치(42), RO장치(43) 중 어느 하나 또는 어느 둘만을 포함하도록 구성할 수도 있다. 또한, 고도처리용 필터장치(41), 흡착-이온교환장치(42), RO장치(43)의 배치순서도 처리수 저류장치(30)로부터의 처리수가 고도처리용 필터장치(41), 흡착-이온교환장치(42), RO장치(43)의 순으로 경유하는 것이 아닌 다른 순으로 경유하도록 다양하게 변경할 수 있다.

탈수장치(60)는, 침전조(23)로부터의 슬러지를 약품(폴리머)과 혼합하는 약품혼합탱크(61), 약품혼합탱크(61)로부터의 슬러지(약품 혼합 슬러지)에 포함된 수분을 제거하는 탈수기(62)를 포함한다.

탈수기(62)로는, 양측에 공급부와 배출부가 형성된 케이싱, 케이싱에 상호 일정 간격을 두고 축선방향으로 고정된 다수의 고정 플레이트 사이에 고정 플레이트와 미소 간극을 두고 요동할 수 있게 배치된 다수의 가동 플레이트를 갖는 분리수단, 분리수단에 형성된 공간부에 삽입된 스크루, 스크루와 연동하여 구동되는 가동 플레이트 구동수단이 구비된 스크루식 탈수기가 적용될 수 있다.

여기에서, 가동 플레이트 구동수단은, 가동 플레이트에 적어도 2개의 지지구멍을 형성하여 가동 플레이트가 상호 연결되도록 삽입하며 양단에 컬러를 고정한 연결관, 각 연결관에 삽입하여 케이싱의 양측에 지지되고 컬러에 내접하는 캠을 설치한 회전축으로 형성하여 가동 플레이트를 균등하게 요동하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 CBM 산출수 처리시스템은, 탈수기(62)로부터의 탈수여액을 원수 저류장치(10)로 회수하는 탈수여액 회수장치를 더 포함하여, 탈수기(62)로부터의 탈수여액은 원수 저류장치(10)로 회수, 처리된다.

탈수기(62)로부터 배출되는 고형분인 탈수 케이크는 고화장치(70)에 공급되어 개량토로 된다.

고화장치(70)는, 탈수기(62)로부터의 탈수 케이크가 투입되는 호퍼(71), 호퍼(71)로부터의 탈수 케이크를 정량주입기(72)에 의하여 정량으로 공급받는 혼합기(73)를 포함한다.

호퍼(71) 또는 정량주입기(72)에는 탈수 케이크를 고화시키기 위한 고화제가 투입되고, 혼합기(73)는 탈수 케이크와 고화제를 혼합하여 개량토를 생산한다. 도시된 바는 없으나, 혼합기(73)로부터 배출되는 개량토는 수분 함량을 더욱 경감시키기 위하여 별도의 탈수공정을 거친 후 최종 배출될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 CBM 산출수 처리시스템에 있어서, 원수 저류장치(10), 고액분리장치(20), 처리수 저류장치(30), 고도처리수단(40), 식생수로(50), 탈수장치(60), 고화장치(70) 중 적어도 하나 또는 둘 이상은 컨테이너 등에 수용된 상태로 모듈화될 수 있다. 즉, 시스템을 수시로 이동시켜야 하는 현장 상황, CBM 산출수나 처리수의 오염도 등에 따라 시스템의 구성을 연결, 연결 해제함으로써 적절하게 변경하여 탄력적으로 운영할 수 있게 한 것이다. 물론, 실시 조건 등에 따라서는, 각 장치의 구성요소 또는 수단의 구성요소를 모듈화하는 식으로 모듈화를 보다 세분화할 수도 있다.

이상, 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이 명세서에 개시된 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되지 않으며 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 이내에서 통상의 기술자에 의하여 다양하게 변형될 수 있다.

10 : 원수 저류장치
20 : 고액분리장치
30 : 처리수 저류장치
40 : 고도처리수단
41 : 고도처리용 필터장치
42 : 흡착-이온교환장치
43 : RO장치
50 : 식생수로
60 : 탈수장치
70 : 고화장치

Claims

석탄층메탄가스(coal bed methane)(이하, CBM이라 한다.)를 생산하는 과정에서 CBM 생산정으로부터 산출되는 물인 CBM 산출수를 처리하는 것으로서,
CBM 산출수가 저장되는 원수 저류장치와;
상기 원수 저류장치로부터의 CBM 산출수에 대하여 응집제를 이용하여 고액분리를 하는 고액분리장치와;
상기 고액분리장치로부터의 슬러지에 포함된 수분을 제거하는 탈수장치와;
상기 탈수장치로부터의 탈수여액을 상기 원수 저류장치로 회수하는 탈수여액 회수장치를 포함하는,
CBM 산출수 처리시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 고액분리장치로부터의 처리수가 저장되는 처리수 저류장치와;
상기 처리수 저류장치로부터의 처리수에 대하여 고도처리를 하는 고도처리수단을 더 포함하는,
CBM 산출수 처리시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 고도처리수단은 고도처리용 필터장치, 흡착법과 이온교환법 중 적어도 하나를 이용하는 흡착-이온교환장치, 역삼투법(Reverse Osmosis, RO)을 이용하는 RO장치 중에서 적어도 어느 하나 이상의 장치를 포함하는,
CBM 산출수 처리시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 처리수 저류장치와 상기 고도처리수단 사이에서 상기 처리수 저류장치로부터의 처리수를 상기 고도처리수단에 공급하거나 최종 방류하는 송수기구를 더 포함하는,
CBM 산출수 처리시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 탈수장치로부터의 탈수 케이크를 고화시켜 개량토를 생산하는 고화장치를 더 포함하는,
CBM 산출수 처리시스템.
석탄층메탄가스(coal bed methane)(이하, CBM이라 한다.)를 생산하는 과정에서 CBM 생산정으로부터 산출되는 물인 CBM 산출수를 처리하는 것으로서,
CBM 산출수가 저장되는 원수 저류장치와;
상기 원수 저류장치로부터의 CBM 산출수에 대하여 응집제를 이용하여 고액분리를 하는 고액분리장치와;
상기 고액분리장치로부터의 처리수에 대하여 고도처리를 하는 고도처리수단을 포함하는,
CBM 산출수 처리시스템.
석탄층메탄가스(coal bed methane)(이하, CBM이라 한다.)를 생산하는 과정에서 CBM 생산정으로부터 산출되는 물인 CBM 산출수를 처리하는 것으로서,
CBM 산출수가 저장되는 원수 저류장치와;
상기 원수 저류장치로부터의 원수에 대하여 고도처리를 하는 고도처리수단을 포함하는,
CBM 산출수 처리시스템.