KR20160134345A - Ｆｌｎｇ의 천연가스의 이산화탄소 분리 시스템 및 방법 - Google Patents

Ｆｌｎｇ의 천연가스의 이산화탄소 분리 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 FLNG의 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템 및 방법에 의하면, 가스전으로부터 시추 되는 천연가스의 압력에 따른 이산화탄소 액화 온도 조건으로 이산화탄소를 포함하는 천연가스를 열교환 시킴으로써 이산화탄소를 액화 분리할 수 있고, 그에 따라 기체 상태로 이산화탄소를 분리 배출하는 종래 기술에 비해 이산화탄소를 효과적으로 정교하게 분리할 수 있다. 이산화탄소의 액화 분리와 아민 흡수법을 복합적으로 적용함으로써 이산화탄소 분리 효율을 높이고, 고온을 사용하는 아민 흡수탑의 열소비량을 최소화할 수 있고, 아민 흡수탑의 소형화가 가능하므로 FLNG의 탑사이드 공간 효율을 높일 수 있다. 이산화탄소를 액화 분리함에 따라 FLNG의 가스전의 이산화탄소 조성 변화에 대한 적용성을 높일 수 있다. 시추되는 천연가스의 압력을 이용하므로 천연가스 액화공정의 전처리 장비의 설치 및 운영 비용을 줄일 수 있다. 이산화탄소를 액화시켜 분리시킬 수 있으므로, 이산화탄소를 필요로 하는 수요처로의 이송이 용이하며, 환경오염 유발 가능성을 낮출 수 있다. 천연가스의 액화공정 이전에 이산화탄소의 액화를 위한 천연가스의 냉각으로 액화공정의 예냉열을 천연가스에 공급할 수 있으므로 에너지 비용을 절감할 수 있다.
본 발명에 따른 FLNG의 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템 및 방법은 FLNG의 천연가스 액화공정의 전처리 공정에서 천연가스로부터 이산화탄소를 제거하는 방법에 있어서, 가스전으로부터 공급받은 천연가스를 냉각기에서 31℃ 이하로 냉각하여 천연가스에 포함된 이산화탄소를 액화시키는 단계; 및 상기 냉각기에서 이산화탄소를 액화시켜 1차적으로 이산화탄소를 분리한 천연가스를 저용량 아민(Amine) 흡수탑으로 공급하여 산성가스를 흡수제거하는 단계를 포함한다.

Description

ＦＬＮＧ의 천연가스의 이산화탄소 분리 시스템 및 방법 {The System and Method for Carbon Dioxide Separation from Natural Gas before Gas Liquefaction Process on LNG-FPSO}
본 발명은 FLNG에서 천연가스로부터 이산화탄소를 분리하는 시스템 및 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 천연가스 액화공정의 전처리 공정에서 천연가스로부터 이산화탄소를 상변화시켜 분리 제거하는 천연가스의 이산화탄소 분리 시스템 및 방법에 관한 것이다.
액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 "LNG"라 함)는 메탄(Methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 가스전으로부터 시추하여 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색 무취의 투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 갖는다.
또한, LNG는 연소 시 단위당 이산화탄소(CO2) 배출량이 최소이고, 효율이 높아 석탄, 석유와 비교하여 최선의 친환경 화석 연료로 여겨지고 있으며, 비용도 저렴하여 전 세계적으로 그 수요가 급증하고 있다.
해상 또는 육상의 가스전에서 시추된 천연가스는 이산화탄소(CO2), 황화수소(H2S)와 같은 산성가스, 물(H2O) 등의 이물질을 포함하고 있다. 이산화탄소 및 황화수소와 같은 산성가스는 천연가스의 처리공정에서 장비 부식 또는 이송 파이프 부식의 원인이 되고, 물은 천연가스의 극저온 공정에서 가스하이드레이트(Gas Hydrate)를 형성하므로 장비 파손 등의 원인이 된다. 따라서, 천연가스의 액화공정에 앞서 이러한 이물질들을 천연가스로부터 반드시 분리하여 제거해야만 한다.
종래에는 이러한 이산화탄소를 제거하는 데 분리막을 이용한 막분리 방법, 흡수탑에서 흡수용매에 이산화탄소를 흡수시키는 방법 또는 흡착제에 흡착시키는 방법 등을 단일적으로 적용하거나 또는 이들을 다단계로 조합하여 천연가스의 액화공정에 앞선 전처리 공정에서 실시하였다.
가장 널리 적용되는 방식으로는 분리막(Membrane)과 아민 공정의 복합형이 있는데, 천연가스를 분리막으로 공급하여 정교하지는 않지만, 1차적으로 많은 양의 이산화탄소를 제거한 이후, 아민 공정으로 공급하여 낮은 농도까지 천연가스에 포함된 이산화탄소를 제거하는 방식이다.
흡수법, 특히 아민(Amine) 용액을 흡수제로 하는 흡수법은 가장 효율이 좋고 정교하게 이산화탄소를 분리해낼 수 있어 널리 이용되고 있다.
향후 가스 시추 및 생산은 육상 플랜트보다 해상에서의 수요가 증가할 전망이며, 이미 그러한 추세에 들어서 있다. 특히, 해상의 중규모 가스전의 경우 이산화탄소의 양이 많이 함유된 경우가 많고, 해상에 부유하여 가스의 시추, 처리, 생산을 실시하는 해상 플랜트 구조물인 LNG-FPSO(LNG-Floating, Production, Storage, Offloading, 이하 'FLNG'라 함)에 적용하기 위하여는 FLNG의 특성상 에너지, 공간 등의 제약이 있으므로 기존의 단일 아민 공정보다 처리능력을 향상시킬 필요가 있다. 하지만, 이러한 고농도의 이산화탄소를 처리하기 위해서는 아민 재생 공정에 있어서 고온의 많은 열이 요구되는 열집약 공정이 되기 때문에 FLNG에 있어 높은 발화 위험성이 있다.
이러한 이유로 2단 아민 공정에 대한 연구가 활발한데, 폐열인 적은 열로 공정의 운영이 가능하기 때문에, 이로 인하여 고온 처리 없이도 약 15mol%까지 이산화탄소를 처리할 수 있고 안전하다는 장점이 있으나, 2단 아민 공정은 고농도의 용액 흐름으로 인해 장치의 크기가 대형화되고, CAPEX 및 OPEX가 증가한다는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 10-0289546 (2001.02.21. 등록) 대한민국 등록특허공보 10-1351440 (2014.01.08. 등록)
따라서, 본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 가스전으로부터 올라오는 천연가스에 포함된 이산화탄소(CO2)를 효과적으로 분리제거함과 동시에, 천연가스의 액화공정 이전의 전처리공정 장비를 소형화 하고, 에너지 비용 및 운영 비용을 최소화할 수 있으며, 분리된 이산화탄소의 처리를 용이하게 하는 천연가스의 이산화탄소 제거 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, FLNG의 천연가스 액화공정의 전처리 공정에서 천연가스로부터 이산화탄소를 제거하는 방법에 있어서, 가스전으로부터 공급받은 천연가스를 냉각기에서 천연가스에 포함된 이산화탄소를 액화시키는 단계; 및 상기 냉각기에서 이산화탄소를 액화시켜 1차적으로 이산화탄소를 분리한 천연가스를 저용량 아민(Amine) 흡수탑으로 공급하여 산성가스를 흡수제거하는 단계를 포함하는 FLNG의 천연가스의 이산화탄소 분리 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 아민 흡수탑에서 산성가스를 제거하는 단계 이전에 이산화탄소 액화 단계를 실시함으로써 가스전으로부터 공급받은 천연가스의 이산화탄소 농도의 유동적 변화에 아민 흡수탑의 운전이 영향을 받지 않을 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉각기로 공급하는 천연가스의 압력은 이산화탄소의 삼중점 이상, 임계점 이하 내의 압력 범위가 되도록 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 천연가스를 냉각기로 공급하여 액화시키는 단계는 상기 천연가스 액화공정에서 천연가스를 액화시키는 단계 이전에 예냉열을 공급할 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉각기에서는 해수를 이용하여 이산화탄소를 액화시킬 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 의하면, FLNG의 천연가스 액화공정의 전처리 공정에서 천연가스로부터 이산화탄소를 제거하는 시스템에 있어서, 해저 가스전으로부터 시추한 천연가스를 냉각시켜 천연가스에 포함된 이산화탄소를 액화시키기 위해 FLNG 탑사이드에 마련되는 냉각기; 상기 냉각기에서 액화된 이산화탄소를 1차적으로 분리제거한 천연가스의 산성가스를 추가로 제거하기 위한 저용량 아민 흡수탑;을 포함하는 FLNG의 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 냉각기 후단에 마련되며 액화된 이산화탄소와 기체 상의 천연가스를 분리하는 기액분리기를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 저용량 아민 흡수탑에서 산성가스가 분리제거된 천연가스를 액화시켜 LNG를 생산하는 천연가스 액화시스템을 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 가스전으로부터 시추 되는 천연가스의 압력에 따른 이산화탄소 액화 온도 조건으로 이산화탄소를 포함하는 천연가스를 열교환 시킴으로써 이산화탄소를 액화 분리할 수 있고, 그에 따라 기체 상태로 이산화탄소를 분리 배출하는 종래 기술에 비해 이산화탄소를 효과적으로 정교하게 분리할 수 있다.
이산화탄소의 액화 분리와 아민 흡수법을 복합적으로 적용함으로써 이산화탄소 분리 효율을 높이고, 고온을 사용하는 아민 흡수탑의 열소비량을 최소화할 수 있고, 아민 흡수탑의 소형화가 가능하므로 FLNG의 탑사이드 공간 효율을 높일 수 있다.
이산화탄소를 액화 분리함에 따라 FLNG의 가스전의 이산화탄소 조성 변화에 대한 적용성을 높일 수 있다.
시추되는 천연가스의 압력을 이용하므로 천연가스 액화공정의 전처리 장비의 설치 및 운영 비용을 줄일 수 있다.
이산화탄소를 액화시켜 분리시킬 수 있으므로, 이산화탄소를 필요로 하는 수요처로의 이송이 용이하며, 환경오염 유발 가능성을 낮출 수 있다.
천연가스의 액화공정 이전에 이산화탄소의 액화를 위한 천연가스의 냉각으로 액화공정의 예냉열을 천연가스에 공급할 수 있으므로 에너지 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 이산화탄소의 온도 및 압력에 따른 상태도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 FLNG의 천연가스 분리 시스템을 도시한 개념도이다.
본 발명의 동작상 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 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 또한, 하기 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 이산화탄소의 온도 및 압력에 따른 상태도이다. 도 1의 이산화탄소 상태도에서 보는 바와 같이, 이산화탄소의 임계점은 약 31.1℃, 73.8bar이다. 즉, 이산화탄소는 약 31.1℃, 73.8bar 조건까지만 이산화탄소가 액체상으로 존재할 수 있고, 그 이상의 고온, 고압 상태에서는 기체 이산화탄소가 액화하지 않는다.
또한, 도 1의 이산화탄소 상태도에서 보는 바와 같이, 이산화탄소의 삼중점은 약 -56.6℃, 5.18bar이다. 즉, 이산화탄소는 약 -56.6℃, 5.18bar 조건에서 액체상, 고체상, 기체상 등 3상(Phase)이 모두 평형을 이루며 존재하고, 그 이하의 저압 상태에서는 기체의 온도를 낮추어도 액화되지 않으며 곧바로 고체로 승화하게 된다.
반면, 가스전으로부터 시추되어 산성가스(이산화탄소, 황화수소 등), 수분 등의 이물질을 포함하여 전처리 공정으로 공급되는 천연가스는 전형적으로 20 ~ 80bar, 보다 전형적으로는 40 ~ 65bar, 더 전형적으로는 약 60bar이다.
따라서, 가스전으로부터 시추되어 천연가스 전처리 공정으로 공급되는 이산화탄소를 포함하는 천연가스의 압력은 이산화탄소의 삼중점 이상, 임계점 이하로 액화 가능 범위이며, 천연가스의 공급 압력에서 이산화탄소의 액화 조건에 맞도록 온도를 낮춰주면 이산화탄소는 액화되어 천연가스로부터 분리 제거될 수 있다. 천연가스의 액화조건은 1기압에서 약 -162℃이고 상기 이산화탄소의 액화조건 범위 내에서 액화될 수 없으므로, 탄화수소의 손실이 거의 없이 이산화탄소만을 분리해 낼 수 있는 것이다.
또한, 가스전으로부터 시추되어 전처리 공정으로 공급되는 천연가스에는 이산화탄소와 함께 수분(H2O)도 포함되어 있는데, 수분은 가스 하이드레이트 생성 방지를 위해 주로 이산화탄소 제거 후 분자체(Molecular Sieves)에 의해 제거된다. 한편, 수분의 가스 하이드레이트 생성 조건은 저온 고압, 즉 0℃에서 약 26bar, 10℃에서는 약 77bar 정도이다.
따라서, 가스전으로부터 시추되어 이산화탄소, 수분 등의 이물질을 포함하여 전처리 공정으로 공급되는 천연가스의 보다 전형적인 압력 범위인 40 ~ 65bar 내에서는 이산화탄소를 포함하는 천연가스를 임계점 온도인 31.1℃ 이하로 냉각시켜 액화시키는 과정에서 가스 하이드레이트는 생성되지 않도록 운영할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 FLNG의 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템을 도시한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 FLNG의 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템은 FLNG(1)의 천연가스 액화공정(50)의 전처리 공정에서 천연가스로부터 이산화탄소를 제거하는 방법에 있어서, 가스전(100)으로부터 공급받은 천연가스를 냉각기(10)에서 이산화탄소의 임계점인 31℃ 이하로 냉각하는 냉각기(10)와 냉각기(10)에서 이산화탄소를 액화시켜 1차적으로 이산화탄소를 분리한 천연가스를 공급받아 산성가스를 추가로 흡수제거하는 저용량 아민 흡수탑(30)을 포함한다.
냉각기(10)로 공급되는 이산화탄소를 포함하는 천연가스의 압력은 이산화탄소의 삼중점 이상, 임계점 이하 내의 압력 범위 즉, 약 5.18bar ~ 73.8bar여야 하며, 냉각기(10)에서 이산화탄소를 포함하는 천연가스는 31.1℃ 이하로 공급 압력 조건에서 이산화탄소가 액화될 때까지 냉각되어야 한다.
냉각기(10)에서 이산화탄소를 포함하는 천연가스를 냉각시키며, 이산화탄소를 액화시키는 냉매는 FLNG(1) 선체 외부, 즉 해상에서 얻을 수 있는 해수(Seawater) 또는 청수(Fresh water)일 수 있다.
냉각기(10)에서 액화된 이산화탄소를 포함하는 천연가스를 기액분리기(20)로 공급하여 기체 상의 천연가스와 액체 상의 이산화탄소로 분리 배출시킬 수 있다.
기액분리기(20)에서 분리배출된 액화 이산화탄소는 액화 이산화탄소 수요처, 예를 들어 CCS 기술 등에 의한 이산화탄소 저장소나 냉각 시스템의 냉매, 불활성 가스 시스템의 불활성 가스로 공급될 수 있는데, 액체 상으로 이산화탄소를 얻을 수 있으므로 기체 상에 비해 이송이 용이하다.
기액분리기(20)에서 배출되는 기체 상의 천연가스는 기체 상 또는 액체 상의 이산화탄소를 소량, 예를 들어 50ppm 이상 포함할 수 있으며, 아민 흡수탑(30)으로 공급하여 추가적으로 이산화탄소, 황화수소 등의 산성가스를 제거할 수 있다.
상기 아민 흡수탑(30)은 종래 분리막에 의해 이산화탄소가 1차 제거된 천연가스 내의 이산화탄소를 추가 제거할 때에 비해 저용량으로 마련될 수 있다. 분리막에 의해 이산화탄소를 분리하는 것보다 이산화탄소를 액화시켜 분리하는 것이 더 정교하며, 이산화탄소를 냉각시켜 액화 분리하는 본 발명에 의하면 가스전(100)으로부터 공급되는 천연가스의 이산화탄소 농도변화에 관계없이 적용이 가능하다. 즉, 아민 흡수탑(30)에서 산성가스를 제거하기 이전에 이산화탄소 액화 분리를 실시함으로써 가스전(100)으로부터 공급받은 천연가스의 이산화탄소 농도의 유동적 변화에 아민 흡수탑(30)의 운전이 영향을 받지 않는다.
예를 들어, 하나의 가스전(100)에서 시추를 마친 FLNG(1)는 이산화탄소의 농도가 다른 천연가스가 매장되어 있는 또 다른 가스전에서 산성가스 제거 설비 즉, 냉각기(10)와 저용량 아민 흡수탑(30)의 용량(Capacity)에 따른 교체 없이도 시추 및 생산 작업을 실시할 수 있다.
또한, 막분리를 이용하여 1차적으로 이산화탄소를 제거하는 방식이나 아민 흡수탑(30)만을 이용하여 이산화탄소를 제거하는 방식에 비해, 본 발명에 따른 아민 흡수탑(30)은 상대적으로 소량의 이산화탄소와 황화수소 등 산성가스를 제거하면 되므로, 고온을 사용하는 아민 흡수탑(30)의 열소비량을 최소화할 수 있고, 동시에 아민 흡수탑(30)의 높이, 사용 공간을 줄여 FLNG(1)의 탑사이드의 공간 활용성을 증대시킬 수 있다.
아민 흡수탑(30)은 다수 개의 컬럼으로 구성될 수 있으며, 다수 개의 컬럼 중 하나 이상의 컬럼이 흡수 공정을 수행하고, 적어도 하나의 컬럼은 재생 공정을 수행하여 연속적으로 실시할 수 있다.
아민 흡수탑(30)으로부터 배출되는 이산화탄소, 황화수소 등 산성가스가 제거된 천연가스는 수분 제거 유닛 및 수은 제거 유닛(40)을 추가로 더 거칠 수 있으며 이후 FLNG(1)의 천연가스 액화 유닛(50)으로 공급되어 LNG를 생산할 수 있다. 냉각기(10), 기액분리기(20), 아민 흡수탑(30)을 거쳐 액화 유닛(50)으로 공급되는 천연가스의 이산화탄소 농도는 50ppm 이하이다.
FLNG(1)의 천연가스 액화 유닛(50)에서는 냉매 사이클 등과의 열교환에 의해 천연가스가 1기압 하에서 -162℃로 냉각되어 액화되는데, 상기 이산화탄소를 액화시키는 냉각기(10)에 의해 천연가스가 31.1℃ 이하로 냉각되므로, 이로 인해 천연가스를 액화이전에 예냉시키는 효과가 있으며, 따라서 FLNG(1)의 천연가스 액화 유닛(50)의 에너지 부하가 줄어들게 되고, 비용이 절감되며 액화 유닛(50)의 규모를 줄일 수 있게 된다.
이상과 같이 본 발명에 따른 실시 예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시 예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시 예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
1 : FLNG (LNG-FPSO)
100 : 해저 가스전(Gas Well)
10 : 냉각기(Cooling Unit)
20 : 기액분리기(Gas/Liquid Separator)
30 : 아민 흡수 유닛(흡수탑&재생탑) (Amine Absorbents & Absorbents regeneration Columns)
40 : 수분 제거 유닛 및 수은 제거 유닛(Dehydration Unit & Hg Removal Unit)
50 : 천연가스 액화 유닛(Purified Natural Gas Liquefaction Unit)

Claims (8)

  1. FLNG의 천연가스 액화공정의 전처리 공정에서 천연가스로부터 이산화탄소를 제거하는 방법에 있어서,
    가스전으로부터 공급받은 천연가스를 냉각기에서 냉각하여 천연가스에 포함된 이산화탄소를 액화시키는 단계; 및
    상기 냉각기에서 이산화탄소를 액화시켜 1차적으로 이산화탄소를 분리한 천연가스를 저용량 아민(Amine) 흡수탑으로 공급하여 산성가스를 흡수제거하는 단계;를 포함하는 FLNG의 천연가스의 이산화탄소 분리 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 아민 흡수탑에서 산성가스를 제거하는 단계 이전에 이산화탄소 액화 단계를 실시함으로써 가스전으로부터 공급받은 천연가스의 이산화탄소 농도의 유동적 변화에 아민 흡수탑의 운전이 영향을 받지 않는 FLNG의 천연가스의 이산화탄소 분리 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 냉각기로 공급하는 천연가스의 압력은 이산화탄소의 삼중점 이상, 임계점 이하 내의 압력 범위가 되도록 하는 FLNG의 천연가스의 이산화탄소 제거 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 천연가스를 냉각기로 공급하여 액화시키는 단계는
    상기 천연가스 액화공정에서 천연가스를 액화시키는 단계 이전에 예냉열을 공급하는 것을 특징으로 하는 FLNG의 천연가스의 이산화탄소 제거 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 냉각기에서는 해수를 이용하여 이산화탄소를 액화시키는 FLNG의 천연가스의 이산화탄소 제거 방법.
  6. FLNG의 천연가스 액화공정의 전처리 공정에서 천연가스로부터 이산화탄소를 제거하는 시스템에 있어서,
    해저 가스전으로부터 시추한 천연가스를 냉각시켜 천연가스에 포함된 이산화탄소를 액화시키기 위해 FLNG 탑사이드에 마련되는 냉각기;
    상기 냉각기에서 액화된 이산화탄소를 1차적으로 분리제거한 천연가스의 산성가스를 추가로 제거하기 위한 저용량 아민 흡수탑;을 포함하는 FLNG의 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 냉각기 후단에 마련되며 액화된 이산화탄소와 기체 상의 천연가스를 분리하는 기액분리기를 더 포함하는 FLNG의 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 저용량 아민 흡수탑에서 산성가스가 분리제거된 천연가스를 액화시켜 LNG를 생산하는 천연가스 액화시스템을 더 포함하는 FLNG의 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템.
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