KR20170080347A - 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 모듈 및 처리 공정 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 모듈은 셰일가스 수압파쇄 생산수를 외부 순환 형태의 분리막으로 여과하여 제 1 여과수 및 제 1 농축수를 분리 배출하는 외부 순환식 여과 장치, 상기 외부 순환식 여과 장치와 연결되며, 상기 제 1 여과수를 증발 농축하여 생성되는 제 1 농축수와 제 1 응축수를 분리 배출하는 증발 농축기, 상기 제 1 여과수를 해수 역삼투 방식으로 여과하여 제 2 여과수 및 제 2 농축수를 배출하고, 상기 제 2 농축수를 상기 증발 농축기로 재입수시키는 해수 역삼투 장치 및 상기 제 1 응축수를 기수 역삼투 방식으로 여과하여 제 3 여과수 및 제 3 농축수를 배출하는 기수 역삼투 장치를 포함하는 여과 장치부 및 상기 여과 장치부와 연결되어, 상기 제 1 여과수 내지 상기 제 3 여과수 중 어느 하나의 농도에 따라, 상기 여과수를 선별하여 이송하는 적어도 하나 이상의 총용존고형물 센서 및 적어도 하나 이상의 이송 밸브를 포함하는 총용존고형물 센서부를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 생산수 처리 모듈에 관한 것으로, 구체적으로는 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 모듈 및 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 공정에 관한 것이다.
셰일가스는 비전통가스로 분리되는데, 여기서 비전통가스에는 탄층가스(CBM), 가스 하이드레이트(Gas Hydrates), 타이트샌드 가스(Tight Sands Gas) 그리고 셰일가스가 포함된다. 이러한 비전통가스는 분리된 지층 구조에 집합되기보다는 넓은 지역에 걸쳐 분포하며, 전통가스보다 상대적으로 많은 양이 매장되어 있는 것으로 추정하고 있지만, 더 높은 기술이 가스 채굴에 요구되어 개발이 어렵고 비용 또한 높다. 여기서 셰일가스란 탄화수소가 풍부한 셰일층(근원암)에서 개발, 생산하는 천연가스로 혈암(頁岩)이라고 하며, 입자 크기가 작은, 진흙이 뭉쳐져서 형성된 퇴적암의 일종으로 셰일가스는 이 혈암에서 추출되는 가스를 말한다.
전통 에너지 자원인 석유, 석탄, 천연가스 등의 한계를 극복하기 위한 대안으로 최근 막대한 부존량, 넓은 분포 지역 및 경제성 확보에 의한 비전통가스의 셰일가스 개발이 북미를 중심으로 본격화되고 매장량이 많은 중국 등에서 활발하게 진행되고 있으며, 기존 원유나 가스의 중동 및 러시아에 집중 매장되어 있는 것과 달리 미국, 중국, 남미, 아프리카 등 전 세계에 고르게 분포되어 있다. 따라서 자국의 에너지 확보 및 해외 의존도를 낮추기 위해 유럽, 캐나다 등 전 세계 여러 국가에서 셰일가스 산업에 뛰어들고 있고, 셰일가스 가채매장량은 187.5조 m3으로 전통가스 확인매장량인 187.1조 m3과 비슷한 양으로 향후 인류가 약 59년간 사용 가능한 매장량을 지니며, 이는 현재까지 확인된 매장량이므로 앞으로 더 많은 양의 셰일가스가 발견될 수 있다.
1800년대에는 셰일가스의 존재가 발견되었으나 많은 매장량에도 불구하고 채취기술의 한계 및 경제성이 낮아 개발이 더디어지다가 2000년대에 시추기술(수평시추, 수압파쇄)이 발전함에 따라 북미 지역 중심으로 생산이 본격화되었으며, 1990년대부터 미국(Barnett) 지구에서 Chesapeake, XTO, Devon 등 중소규모 독립에너지 기업을 중심으로 본격적인 셰일가스 개발이 시작되었고, 미국은, 2035년 가스 생산의 50%를 셰일가스가 차지할 것으로 전망된다. 최근에 수평시추법과 수압파쇄법의 기술적 발전이 활발히 일어나면서 셰일가스 개발과 생산이 급속히 발전 및 진행되면서 전 세계적으로 각광받고 있으며, 전통적인 수직시추법으로 채굴이 가능한 천연가스와 달리 셰일가스는 일반 천연가스보다 훨씬 깊은 곳에 매장되어 있고 암석의 미세한 틈새에 넓게 분포되어 있어 수직시추법으로는 채굴이 어렵다.
셰일가스는 수평시추법 또는 수압파쇄법에 의해 채굴될 수 있다. 상기 수평시추법은 수직 방향으로 목표 지하지점까지 미리 설계된 방향으로 도달한 뒤 진입각도를 꺾어 가스 저장층에 진입한 후 저장층과 수평을 유지하며 파이프를 연장하여 지반을 수평으로 시추하여 가스층과의 접촉면의 넓어 가스를 더 많이 회수할 수 있다. 상기 수압파쇄법은 이러한 수평시추법으로 뚫은 시추공 내로 물과 모래, 그리고 화학물질 등을 섞은 혼탁액(fracturing fluid)을 고압으로 지하에 투입하여 셰일가스가 존재하는 지하수면 아래의 대수층의 층리들의 틈새로 확산시켜 암석층에 균열을 일으키고 투과성 및 투수성을 높여 셰일가스를 추출하는 공법으로서, 셰일가스의 개발 및 생산과정에서 다량의 물이 필요하고, 수압파쇄의 화학물질로 인한 수질 오염 및 이에 따른 폐수 발생, 가스방출로 인한 온실 가스 증가 또는 지진과 같은 환경문제가 발생될 수 있다.
이러한 수압파쇄액은 대부분 물과 모래로 이루어져 있지만, 약 0.5 % 정도의 화학물질이 혼합되어 있으며, 이 액을 주입하고 회수하는 과정에서 화학물질이 지하수가 흐르는 대수층이나 식수원으로 사용하는 지표수에 유입될 가능성이 있다. 또한, 일반적으로 셰일가스를 채굴하는 하나의 관정을 형성하는 데에 화학물질이 첨가된 15,000~23,000 ton의 물이 소요되며, 회수된 물의 용존 고형물 총량(total dissolved solids, TDS)은 보통 40,000 mg/L 이상으로 적절한 수 처리 공정을 거치지 않고 방류될 경우 심각한 지반 및 수질오염을 유발 및 주입 관정을 통한 폐기로 인해 지진을 유발시킬 수 있다.
따라서 수자원 확보 및 수원 오염 방지를 위해 생산수 및 발생폐수를 재이용하거나 친환경적으로 처리하는 기술 개발이 시급하다. 셰일가스의 생산수 및 발생폐수 성상은 셰일가스 추출 지역의 지리학적 위치에 따른 형성 과정 및 드릴링과 파쇄 공정 중 들어가는 화학약품에 따라 달라지며, 발생폐수의 부피 및 물의 조성은 우물 또는 정(well)의 수명(lifetime) 동안 다양하여 아직 보편적으로 상용화되고 보급된 기술은 없다.
본 발명의 목적은 셰일가스 수압파쇄 공정 시 생산되는 생산수의 방류 시 환경오염을 방지하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 셰일가스 수압파쇄 공정 시 생산되는 생산수의 처리효율을 개선하고 처리된 생산수를 안전하게 방류하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 모듈은 셰일가스 수압파쇄 생산수를 외부 순환 형태의 분리막으로 여과하여 제 1 여과수 및 제 1 농축수를 분리 배출하는 외부 순환식 여과 장치, 상기 외부 순환식 여과 장치와 연결되며, 상기 제 1 여과수를 증발 농축하여 생성되는 제 1 농축수와 제 1 응축수를 분리 배출하는 증발 농축기, 상기 제 1 여과수를 해수 역삼투 방식(Seawater Water Reverse Osmosis)으로 여과하여 제 2 여과수 및 제 2 농축수를 배출하고, 상기 제 2 농축수를 상기 증발 농축기로 재 입수시키는 해수 역삼투 장치 및 상기 제 1 응축수를 기수 역삼투 방식(Brackish Water Reverse Osmosis)으로 여과하여 제 3 여과수 및 제 3 농축수를 배출하는 기수 역삼투 장치를 포함하는 여과 장치부 및 상기 여과 장치부와 연결되어, 상기 제 1 여과수 내지 상기 제 3 여과수 중 어느 하나의 농도에 따라, 상기 여과수를 선별하여 이송하는 적어도 하나 이상의 총용존고형물 센서 및 적어도 하나 이상의 이송 밸브를 포함하는 총용존고형물 센서부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 여과 장치부는 상기 해수 역삼투 장치 및 상기 기수 역삼투 장치와 연결되어, 상기 해수 역삼투 장치 및 상기 기수 역삼투 장치들로부터 이송된 상기 제 2 여과수 및 상기 제 3 여과수를 저장하는 여과수 저장탱크, 상기 외부 순환식 여과 장치, 상기 증발 농축기, 상기 기수 역삼투 장치와 연결되고, 각각의 장치들로부터 배출되는 상기 제 1 농축수, 상기 제 2 농축수 및 상기 제 3 농축수를 외부로 이송하는 농축수 이송 배관 및 상기 여과수 저장탱크에 저장된 상기 제 2 여과수 및 상기 제 3 여과수를 외부로 방류하는 방류 배관을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 총용존고형물 센서부는 상기 외부 순환식 여과 장치, 상기 증발 농축기, 상기 해수 역삼투 장치와 연결되어, 상기 외부 순환식 여과 장치에서 1차적으로 여과된 상기 제 1 여과수의 농도를 측정하여 농도에 따라 상기 증발 농축기 또는 상기 해수 역삼투 장치로 여과수를 선별하여 이송하는 제 1 총용존고형물 센서 및 제 1 이송 밸브, 상기 해수 역삼투 장치에 설치된 상기 제 2 여과수와 상기 제 2 농축수의 농도를 측정하여 상기 증발 농축기 또는 상기 여과수 저장탱크로 이송 여부를 결정하는 제 2 총용존고형물 센서 및 제 2 이송 밸브, 상기 증발 농축기 및 상기 기수 역삼투 장치를 연결하는 배관에 설치되어 상기 증발 농축기로부터 배출되는 상기 제 1 응축수의 농도를 측정하고 이송 여부를 결정하는 제 3 총용존고형물 센서 및 제 3 이송 밸브 및 상기 기수 역삼투 장치 및 상기 여과수 저장탱크를 연결하는 배관에 설치되어 상기 기수 역삼투 장치로부터 배출되는 상기 제 3 여과수의 농도를 측정하고 이송 여부를 결정하는 제 4 총용존고형물 센서 및 제 4 이송 밸브를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 총용존고형물 센서 및 상기 제 1 이송 밸브는 상기 외부 순환식 여과 장치로부터 이송되는 상기 제 1 여과수의 농도가 제 1 역삼투 기준값을 초과할 경우 상기 증발 농축기로 이송시키고, 상기 제 1 여과수의 농도가 상기 제 1 역삼투 기준값 이하일 경우 상기 해수 역삼투 장치로 상기 제 1 여과수가 이송될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제 1 역삼투 기준값은 30,000 ppm 내지 60,000 ppm 중 하나의 값을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 2 총용존고형물 센서 및 상기 제 2 이송 밸브는 상기 해수 역삼투 장치의 상기 제 2 농축수가 증발 농축 기준값을 초과할 경우 상기 증발 농축기로 이송되고, 상기 제 2 여과수가 저장 기준값 이하일 경우 상기 여과수 저장탱크로 이송될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 증발 농축 기준값은 50,000 ppm 내지 150,000 ppm 중 하나의 값을 가질 수 있으며, 상기 저장 기준값은 0.01 ppm 내지 200 ppm 중 하나의 값을 가질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 3 총용존고형물 센서 및 상기 제 3 이송 밸브는 상기 증발 농축기로부터 이송되는 상기 제 1 응축수가 제 2 역삼투 기준값을 초과할 경우, 상기 제 1 응축수는 상기 기수 역삼투 장치로 이송될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제 2 역삼투 기준값은 30, 000 ppm 내지 60,000 ppm 중 하나의 값을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제 4 총용존고형물 센서 및 상기 제 4 이송 밸브는 상기 기수 역삼투 장치로부터 이송되는 상기 제 3 여과수의 농도가 저장 기준값 이하일 경우 상기 제 3 여과수는 상기 여과수 저장탱크로 이송될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 저장 기준값은 0.01 ppm 내지 100 ppm 중 하나의 값일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 외부 순환식 여과 장치는 친수성 보강막을 사용할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 공정은 셰일가스 수압파쇄 생산수를 외부 순환 형태의 분리막으로 여과하여 제 1 여과수 및 제 1 농축수로 분리 배출하는 여과 단계, 상기 여과 단계에서 여과된 상기 제 1 여과수를 총용존고형물 센서 및 이송 밸브들로부터 포함하는 총용존고형물 센서부로부터 상기 제 1 여과수 중 어느 하나의 농도에 따라 상기 제 1 여과수를 선별하여 이송하는 여과수 농도 측정 및 분배 단계, 상기 여과수 농도 측정 및 분배 단계로부터 이송된 상기 제 1 여과수를 해수 역삼투 방식으로 여과하는 해수 역삼투 단계 및 상기 여과수 농도 측정 및 분배 단계로부터 이송된 상기 제 1 여과수 및 상기 해수 역삼투 단계를 통과한 제 2 농축수를 증발 농축하는 증발 농축 단계가 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 해수 역삼투 단계로부터 발생하는 제 2 여과수와 제 2 농축수의 농도를 측정하여 이송 여부를 결정하는 해수 역삼투 장치 농도 측정 및 이송 단계가 더 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 증발 농축 단계로부터 배출되는 제 1 응축수와 상기 제 2 농축수의 농도를 측정하여 이송 여부를 결정하는 증발 농축기 농도 측정 및 이송 단계 및 상기 증발 농축기 농도 측정 및 이송 단계로부터 이송된 상기 제 1 응축수를 기수 역삼투 방식으로 여과하는 기수 역삼투 단계가 더 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 기수 역삼투 단계로부터 발생하는 제 3 여과수와 제 3 농축수의 농도를 측정하여 이송 여부를 결정하는 기수 역삼투 장치 농도 측정 및 이송 단계가 더 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 기수 역삼투 농도 측정 단계로부터 이송된 상기 제 3 여과수를 여과수 저장탱크에 저장하는 여과수 저장 단계가 더 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 이송 단계로부터 이송된 상기 제 1 여과수를 여과수 저장탱크에 저장하는 여과수 저장 단계, 상기 여과 단계, 상기 증발 농축단계 및 상기 기수 역삼투 단계들로부터 배출되는 상기 제 3 농축수를 외부로 이송하는 농축수 배출 단계 및 상기 여과수 저장 단계에 의해 저장된 상기 제 1 여과수를 외부로 방류하는 방류 단계가 더 수행될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 여과수의 농도가 역삼투 기준값을 초과할 경우 상기 제 1 여과수를 상기 증발 농축기로 이송시키고, 상기 제 1 여과수의 농도가 상기 역삼투 기준값 이하일 경우 상기 제 1 여과수는 상기 해수 역삼투 장치로 이송될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 역삼투 기준값은 30,000 ppm 내지 60,000 ppm 중 하나의 값을 가질 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 모듈 및 처리공정은 분리막, 증발 농축기, 기수 역삼투 (Brackish Water Reverse Osmosis, BWRO) 장치, 및 해수 역삼투 (Sea Water Reverse Osmosis, SWRO) 장치를 포함할 수 있다. 이로 인해 생산수가 다중 여과됨으로써, 셰일가스 수압파쇄에 의한 생산수를 자연으로 방류하기 적합한 수질로 변환하여, 셰일가스 수압파쇄 공정에 의한 환경오염을 방지할 수 있다.
또한, 분리막, 증발 농축기, 해수 역삼투 장치, 및 기수 역삼투 장치로부터 배출된 배출수의 농도를 각각 측정할 수 있다. 이로 인해 측정된 농도에 따라 선별하여 선택적으로 생산수의 방류를 결정함으로써, 종래의 불필요한 생산수 처리 단계를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 모듈 및 처리 공정에 따르면, 분리막, 증발 농축기, 해수 역삼투 장치, 및 기수 역삼투 장치로 인해 생산수가 다중 여과 수행될 수 있다. 이로 인해 물이 부족한 지역이나 국가에서, 다량의 물을 필요로 하는 수압파쇄법을 이용하는 셰일가스를 채굴하는 방법에 적용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 모듈의 블록도 이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 공정의 순서도 이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 공정의 순서도 이다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하지만, 이는 본 발명의 더욱 용이한 이해를 위한 것으로, 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 모듈의 블록도이다. 도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 모듈은 이물질을 1차적으로 외부 순환 형태의 분리막(UF)에 의해 농축수(CC1)와 여과수(FT1)를 분리 배출하는 외부 순환식 여과 장치(100), 외부 순환식 여과 장치(100)와 연결되어 외부 순환식 여과 장치(100)로부터 이송된 여과수(FT1)를 증발 농축하여 농축수(CC2)와 응축수(CD1)로 분리 배출하는 증발 농축기(200), 외부 순환식 여과 장치(100)와 연결되어 외부 순환식 여과 장치(100)로부터 이송된 여과수(FT1)를 SWRO 방식의 역삼투 공정으로 여과하여, 이를 여과수(FT2)와 농축수(CC3)로 분리 배출하는 SWRO 역삼투 장치(300), 증발 농축기(200)와 연결되며 증발 농축기(200)로부터 이송된 응축수(CD1)를 BWRO 방식의 역삼투 공정으로 여과하여, 이를 농축수(CC4)와 여과수(FT3)로 분리 배출하는 BWRO 역삼투 장치(400), SWRO 역삼투 장치(300) 및 BWRO 역삼투 장치(400)와 연결되어 SWRO 역삼투 장치(300) 및 BWRO 역삼투 장치(400)로부터 이송된 여과수(FT2, FT3)를 저장하는 여과수 저장탱크(500), 외부 순환식 여과 장치(100), 증발 농축기(200) 및 BWRO 역삼투 장치(400)와 연결되고, 장치들로부터 각각 배출되는 농축수(CC1, CC2, CC4)를 외부로 이송하는 농축수 이송 배관(600) 및 여과수 저장탱크(500)에 저장된 여과수(FT4)를 외부로 방류하는 방류 배관(700)을 포함하는 여과 장치부(1000)를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, SWRO(Sea Water Reverse Osmosis) 장치는 역삼투막을 사이에 두고 해수 측에 삼투압보다 높은 압력을 가해 해수로부터 순수한 물이 반투막을 통해 빠져 나오도록 하는 장치이다. 또한, BWRO(Brackish Water Reverse Osmosis) 장치는 해수의 염분 농도보다 적은 염분 농도를 갖는 기수(Brackish Water)를 다시 역삼투 방식에 따라 처리하여 담수의 순도를 높이기 위한 장치이다.
또한, 본 발명에 따른 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 모듈은 여과 장치부(1000)의 외부 순환식 여과 장치(100), 증발 농축기(200) 및 SWRO 역삼투 장치(300)와 연결되어, 외부 순환식 여과 장치(100)에서 1차적으로 여과된 여과수(FT1)의 ppm (parts per million)을 제 1 TDS 센서(110)를 이용하여 측정하고, 측정된 ppm에 따라 선별된 여과수(FT1)는 각각 증발 농축기(200) 또는 SWRO 역삼투 장치(300)로 제 1 이송 밸브(120)를 통해 이송될 수 있다. SWRO 역삼투 장치(300)에 이송된 여과수(FT1)는 제 2 TDS 센서(310)를 이용하여 ppm이 측정되고, 측정된 ppm에 따라 선별된 여과수(FT1)는 증발 농축기(200) 또는 여과수 저장탱크(500)로 제 2 이송 밸브(320)를 통해 각각 이송될 수 있다.
일 실시예에서, 증발 농축기(200)로부터 배출되는 응축수(CD1)는 증발 농축기(200)와 BWRO 역삼투 장치(400)를 연결하는 배관에 설치된 제 3 TDS 센서(210)를 이용하여 ppm이 측정되고, 측정된 ppm에 따라 응축수(CD1)는 증발 농축기(200)와 BWRO 역삼투 장치(400) 사이에 연결된 제 3 이송 밸브(220)를 통해 BWRO 역삼투 장치(400)로 이송될 수 있다.
일 실시예에서, BWRO 역삼투 장치(400)로부터 배출되는 여과수(FT3)는 BWRO 역삼투 장치(400) 및 여과수 저장탱크(500)를 연결하는 배관에 설치된 제 4 TDS 센서(410)를 이용하여 ppm이 측정되고, 측정된 ppm에 따라 여과수(FT3)는 BWRO 역삼투 장치(400)와 여과수 저장탱크(500) 사이에 연결된 제 4 이송 밸브(420)를 통해 여과수 저장탱크(500)로 이송될 수 있다. 일 실시예에서, 여과수의 ppm (parts per million) 농도를 측정하기 위하여, 제 1 TDS 센서(110), 제 2 TDS 센서(310), 제 3 TDS 센서(210) 및 제 4 TDS 센서(410)는 용존 고형물농도(total dissolved solid, TDS) 측정 센서가 이용될 수 있다.
일 실시예에서, 셰일가스 수압파쇄 생산수의 미립자 부유 물질 및 미생물 등을 제거하기 위하여, 생산수는 먼저 친수성 보강막으로 형성된 외부 순환 형태의 분리막(UF)을 포함하는 외부 순환식 여과 장치(100)를 통과할 수 있다. 상기 친수성 보강막은 브레이드(braid)와 같은 직조된 형태의 섬유를 이용하여 형성될 수 있다.
외부 순환식 여과 장치(100)에 유입된 생산수는 농축수(CC1)와 여과수(FT1)로 분리되고, 여과수(FT1)는 제 1 TDS 센서(110)에 의해 측정된 ppm에 따라 선별되어 증발 농축기(200) 또는 SWRO 역삼투 장치(300)로 제 1 이송 밸브(120)를 통해 각각 이송된다. 일 실시예에서, 여과수(FT1)의 ppm 수치가 제 1 역삼투 기준값을 초과할 경우 여과수(FT1)는 증발 농축기(200)로 이송될 수 있다. 또한, 여과수(FT1)의 ppm 수치가 제 1 역삼투 기준값 이하일 경우, 여과수(FT1)가 SWRO 역삼투 장치(300)로 이송될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제 1 역삼투 기준값은 30,000 ppm 내지 60,000 ppm 중 하나의 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 역삼투 기준값이 45,000 ppm일 경우 여과수(FT1)가 30,000 ppm 이상 45,000 ppm 이하의 농도를 가질 때 여과수(FT1)는 SWRO 역삼투 장치(300)로 이송될 수 있다.
일 실시예에서, SWRO 역삼투 장치(300)로부터 배출된 농축수(CC3)와 여과수(FT2)는 각각 증발 농축기(200) 또는 여과수 저장탱크(500)로 이송될 수 있다. 일 실시예에서, SWRO 역삼투 장치(300)로부터 배출된 여과수(FT2)의 ppm 농도가 증발 농축 기준값을 초과할 경우 증발 농축기(200)로 이송될 수 있다. 상기 증발 농축 기준값은 50,000 ppm 내지 150,000 ppm 중 하나의 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 증발 농축 기준값은 100,000 ppm일 수 있다. 상기 증발 농축 기준값 이하의 ppm 농도를 갖는 여과수(FT2)는 SWRO 역삼투 장치(300)로 재유입될 수 있다.
일 실시예에서, SWRO 역삼투 장치(300)로부터 배출된 여과수(FT2)의 ppm 농도가 저장 기준값 이하일 경우 여과수 저장탱크(500)로 이송될 수 있다. 상기 저장 기준 값은 0.01 ppm 내지 200 ppm 중 하나의 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 저장 기준값은 100 ppm일 수 있다. 따라서 SWRO 역삼투 장치(300)에 의해 SWRO 방식의 역삼투 공정으로 여과수(FT1)가 여과되어, 제 2 이송 밸브(320)를 통해 여과수(FT2)와 농축수(CC3)로 분리 배출될 수 있다.
다음으로, 외부 순환식 여과 장치(100)와 SWRO 역삼투 장치(300)로부터 각각 여과수(FT1) 및 농축수(CC3)를 공급받은 증발 농축기(200)는 이를 응축수(CD1)와 농축수(CC2)로 분리 배출할 수 있다. 증발 농축기(200)로부터 배출된 응축수(CD1)는 제 3 TDS 센서(210)에 의해 ppm 농도가 측정될 수 있다.
일 실시예에서, 증발 농축기(200)로부터 배출된 응축수(CD1)의 ppm 농도가 제 2 역삼투 기준값을 초과할 경우, 응축수(CD1) BWRO 역삼투 장치(400)로 이송될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 제 2 역삼투 기준값은 30,000 ppm 내지 60,000 ppm 중 하나의 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 제 2 역삼투 기준값은 50,000 ppm일 수 있다. 또한, 증발 농축기(200)로부터 배출된 응축수(CD1)의 ppm 농도가 제 2 역삼투 기준값 이하일 경우, 응축수(CD1)는 증발 농축기(200)로 재유입될 수 있다.
일 실시예에서, 증발 농축기(200)로부터 배출된 여과수(FT3)는 BWRO 역삼투 장치(400)에 의해 BWRO 방식의 역삼투 공정으로 여과되어 여과수 저장탱크(500)로 이송되거나 농축수(CC4)로 분리 배출될 수 있다. BWRO 역삼투 장치(400)로부터 배출된 여과수(FT3)는 제 4 TDS 센서(410)에 의해 ppm 농도가 측정되고, 측정된 ppm 농도가 저장 기준값 이하일 경우 제 4 이송 밸브(420)를 통해 여과수 저장탱크(500)로 이송될 수 있다. 일 실시예에서, 상기 저장 기준값은 0.01 ppm 내지 200 ppm 중 하나의 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 저장 기준값은 100 ppm일 수 있다. 따라서 BWRO 역삼투 장치(400)에 의해 BWRO 방식의 역삼투 공정으로 여과수(FT3)가 여과되어, 제 4 이송 밸브(420)를 통해 여과수 저장탱크(500)로 이송되거나 농축수(CC4)로 분리 배출될 수 있다.
최종적으로 SWRO 역삼투 장치(300) 및 BWRO 역삼투 장치(400)로부터 이송된 여과수(FT2, FT3)를 저장하는 여과수 저장탱크(500)는 저장된 여과수(FT4)를 상기 방류 배관(700)을 통해 외부로 방류시킬 수 있다. 또한, 상기 외부 순환식 여과 장치(100), 증발 농축기(200) 및 BWRO 역삼투 장치(400)로부터 배출되는 농축수(CC1, CC2, CC4)는 농축수 이송 배관(600)을 통하여 모여 후처리를 위해 외부로 이송될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 공정의 순서도이다. 이러한 셰일가스 생산수 처리 공정은 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 모듈을 가동하기 위한 처리 공정일 수 있다.
도 2를 참조하면, 이물질을 1차적으로 외부 순환식 여과 장치(100)로 여과하는 필름 여과 단계(A)가 수행될 수 있다. 일 실시예에서, 필름 여과 단계(A)에서 여과된 여과수(FT1)를 제 1 TDS 센서(110)로 ppm을 측정하는 필름 여과수 ppm 측정 및 분배 단계(B)가 수행될 수 있다.
제 1 TDS 센서(110)로부터 ppm을 측정하여, 여과수(FT1)의 ppm 수치가 제 1 역삼투 기준값을 초과할 경우 여과수(FT1)는 제 1 이송 밸브(120)를 통해 증발 농축기(200)로 이송될 수 있다. 또한, 여과수(FT1)의 ppm 수치가 제 1 역삼투 기준값 이하일 경우, 여과수(FT1)는 SWRO 역삼투 장치(300)로 이송되는 것이 결정하는 필름 여과수 ppm 측정 및 분배 단계(B)가 수행될 수 있다. 상기 제 1 역삼투 기준값은 30,000 ppm 내지 60,000 ppm 중 하나의 값을 가질 수 있다.
필름 여과수 ppm 측정 및 분배 단계(B)로부터 이송된 여과수(FT1)는 SWRO 방식의 역삼투 공정으로 여과되는 SWRO 역삼투 단계(C)가 수행될 수 있다. 상기 SWRO 역삼투 단계(C)로부터 발생되는 여과수(FT2)와 농축수(CC3)의 ppm을 측정하여 이송 여부를 결정하는 SWRO 역삼투 장치 ppm 측정 및 이송 단계(D)가 수행될 수 있다.
필름 여과수 ppm 측정 및 분배 단계(B)로부터 이송된 여과수(FT1) 및 SWRO 역삼투 단계(C)를 거친 농축수(CC3)를 증발 농축하는 증발 농축단계(E)가 수행될 수 있다. 증발 농축단계(E)로부터 배출되는 응축수(CD1)와 농축수(CC2)의 ppm을 측정하여 이송 여부를 결정하는 증발 농축기 ppm 측정 및 이송 단계(F)가 수행될 수 있다.
증발 농축기 ppm 측정 및 이송 단계(F)로부터 이송된 응축수(CD1)를 BWRO 방식의 역삼투 공정으로 여과하는 BWRO 역삼투 단계(G)가 수행될 수 있다. BWRO 역삼투 단계(G)로부터 발생되는 여과수(FT3)와 농축수(CC4)의 ppm을 측정하여 이송 여부를 결정하는 BWRO 역삼투 장치 ppm 측정 및 이송 단계(H)가 수행될 수 있다.
BWRO 역삼투 장치 ppm 측정 및 이송 단계(H)로부터 이송된 여과수(FT3)를 여과수 저장탱크(500)에 저장하는 여과수 저장 단계(I)가 수행될 수 있다. 필름 여과 단계(A), 증발 농축단계(E), BWRO 역삼투 단계(G)로부터 배출되는 농축수(CC1, CC2, CC4)를 외부로 이송하는 농축수 배출 단계(J)가 수행될 수 있다. 또한, 여과수 저장 단계(I)에 의해 저장된 여과수(FT4)를 외부로 방류하는 방류 단계(K)가 수행될 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 모듈 및 처리공정은 분리막, 증발 농축기, 기수 역삼투 (Brackish Water Reverse Osmosis, BWRO) 장치, 및 해수 역삼투 (Sea Water Reverse Osmosis, SWRO) 장치를 포함할 수 있다. 이로 인해 생산수가 다중 여과됨으로써, 셰일가스 수압파쇄에 의한 생산수를 자연으로 방류하기 적합한 수질로 변환하여, 셰일가스 수압파쇄 공정에 의한 환경오염을 방지할 수 있다.
또한, 분리막, 증발 농축기, 해수 역삼투 장치, 및 기수 역삼투 장치로부터 배출된 배출수의 농도를 각각 측정할 수 있다. 이로 인해 측정된 농도에 따라 선별하여 선택적으로 생산수의 방류를 결정함으로써, 종래의 불필요한 생산수 처리 단계를 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 모듈 및 처리 공정에 따르면, 분리막, 증발 농축기, 해수 역삼투 장치, 및 기수 역삼투 장치로 인해 생산수가 다중 여과 수행될 수 있다. 이로 인해 물이 부족한 지역이나 국가에서, 다량의 물을 필요로 하는 수압파쇄법을 이용하는 셰일가스를 채굴하는 방법에 적용될 수 있다.
이상 본 발명의 실시예에 따른 도면을 참조하여 설명하였지만, 본 발명이 속한 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기 내용을 바탕으로 본 발명의 범주 내에서 다양한 응용 및 변형을 행하는 것이 가능할 것이다.
Claims (20)
- 셰일가스 수압파쇄 생산수를 외부 순환 형태의 분리막으로 여과하여 제 1 여과수 및 제 1 농축수를 분리 배출하는 외부 순환식 여과 장치;
상기 외부 순환식 여과 장치와 연결되며, 상기 제 1 여과수를 증발 농축하여 생성되는 제 1 농축수와 제 1 응축수를 분리 배출하는 증발 농축기;
상기 제 1 여과수를 해수 역삼투 방식(Seawater Water Reverse Osmosis)으로 여과하여 제 2 여과수 및 제 2 농축수를 배출하고, 상기 제 2 농축수를 상기 증발 농축기로 재 입수시키는 해수 역삼투 장치; 및
상기 제 1 응축수를 기수 역삼투 방식(Brackish Water Reverse Osmosis)으로 여과하여 제 3 여과수 및 제 3 농축수를 배출하는 기수 역삼투 장치를 포함하는 여과 장치부; 및
상기 여과 장치부와 연결되어, 상기 제 1 여과수 내지 상기 제 3 여과수 중 어느 하나의 농도에 따라, 상기 여과수를 선별하여 이송하는 적어도 하나 이상의 총용존고형물 센서 및 적어도 하나 이상의 이송 밸브를 포함하는 총용존고형물 센서부를 포함하는 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 모듈. - 제 1 항에 있어서,
상기 여과 장치부는 상기 해수 역삼투 장치 및 상기 기수 역삼투 장치와 연결되어, 상기 해수 역삼투 장치 및 상기 기수 역삼투 장치들로부터 이송된 상기 제 2 여과수 및 상기 제 3 여과수를 저장하는 여과수 저장탱크;
상기 외부 순환식 여과 장치, 상기 증발 농축기, 상기 기수 역삼투 장치와 연결되고, 각각의 장치들로부터 배출되는 상기 제 1 농축수, 상기 제 2 농축수 및 상기 제 3 농축수를 외부로 이송하는 농축수 이송 배관; 및
상기 여과수 저장탱크에 저장된 상기 제 2 여과수 및 상기 제 3 여과수를 외부로 방류하는 방류 배관을 포함하는 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 모듈. - 제 1 항에 있어서,
상기 총용존고형물 센서부는 상기 외부 순환식 여과 장치, 상기 증발 농축기, 상기 해수 역삼투 장치와 연결되어, 상기 외부 순환식 여과 장치에서 1차적으로 여과된 상기 제 1 여과수의 농도를 측정하여 농도에 따라 상기 증발 농축기 또는 상기 해수 역삼투 장치로 여과수를 선별하여 이송하는 제 1 총용존고형물 센서 및 제 1 이송 밸브;
상기 해수 역삼투 장치에 설치된 상기 제 2 여과수와 상기 제 2 농축수의 농도를 측정하여 상기 증발 농축기 또는 상기 여과수 저장탱크로 이송 여부를 결정하는 제 2 총용존고형물 센서 및 제 2 이송 밸브;
상기 증발 농축기 및 상기 기수 역삼투 장치를 연결하는 배관에 설치되어 상기 증발 농축기로부터 배출되는 상기 제 1 응축수의 농도를 측정하고 이송 여부를 결정하는 제 3 총용존고형물 센서 및 제 3 이송 밸브; 및
상기 기수 역삼투 장치 및 상기 여과수 저장탱크를 연결하는 배관에 설치되어 상기 기수 역삼투 장치로부터 배출되는 상기 제 3 여과수의 농도를 측정하고 이송 여부를 결정하는 제 4 총용존고형물 센서 및 제 4 이송 밸브를 포함하는 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 모듈. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 총용존고형물 센서 및 상기 제 1 이송 밸브는 상기 외부 순환식 여과 장치로부터 이송되는 상기 제 1 여과수의 농도가 제 1 역삼투 기준값을 초과할 경우 상기 증발 농축기로 이송시키고, 상기 제 1 여과수의 농도가 상기 제 1 역삼투 기준값 이하일 경우 상기 해수 역삼투 장치로 상기 제 1 여과수를 이송시키는 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 모듈. - 제 4 항에 있어서,
상기 제 1 역삼투 기준값은 30,000 ppm 내지 60,000 ppm 중 하나의 값을 갖는 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 모듈. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 2 총용존고형물 센서 및 상기 제 2 이송 밸브는 상기 해수 역삼투 장치의 상기 제 2 농축수가 증발 농축 기준값을 초과할 경우 상기 증발 농축기로 이송시키고, 상기 제 2 여과수가 저장 기준값 이하일 경우 상기 여과수 저장탱크로 이송되는 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 모듈. - 제 6 항에 있어서,
상기 증발 농축 기준값은 50,000 ppm 내지 150,000 ppm 중 하나의 값을 가지고, 상기 저장 기준값은 0.01ppm 내지 200 ppm 중 하나의 값을 갖는 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 모듈. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 3 총용존고형물 센서 및 상기 제 3 이송 밸브는 상기 증발 농축기로부터 이송되는 상기 제 1 응축수가 제 2 역삼투 기준값을 초과할 경우, 상기 제 1 응축수는 상기 기수 역삼투 장치로 이송되는 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 모듈. - 제 8 항에 있어서,
상기 제 2 역삼투 기준값은 30,000 ppm 내지 60,000 ppm 중 하나의 값을 갖는 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 모듈. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 4 총용존고형물 센서 및 상기 제 4 이송 밸브는 상기 기수 역삼투 장치로부터 이송되는 상기 제 3 여과수의 농도가 저장 기준값 이하일 경우 상기 제 3 여과수는 상기 여과수 저장탱크로 이송되는 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 모듈. - 제 10 항에 있어서,
상기 저장 기준값은 0.01 ppm 내지 200 ppm 중 하나의 값을 갖는 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 모듈. - 제 1 항에 있어서,
상기 외부 순환식 여과 장치는 친수성 보강막을 사용하는 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 모듈. - 셰일가스 수압파쇄 생산수를 외부 순환 형태의 분리막으로 여과하여 제 1 여과수 및 제 1 농축수로 분리 배출하는 여과 단계;
상기 여과 단계에서 여과된 상기 제 1 여과수를 총용존고형물 센서 및 이송 밸브들로부터 포함하는 총용존고형물 센서부로부터 상기 제 1 여과수 중 어느 하나의 농도에 따라 상기 제 1 여과수를 선별하여 이송하는 여과수 농도 측정 및 분배 단계;
상기 여과수 농도 측정 및 분배 단계로부터 이송된 상기 제 1 여과수를 해수 역삼투 방식으로 여과하는 해수 역삼투 단계; 및
상기 여과수 농도 측정 및 분배 단계로부터 이송된 상기 제 1 여과수 및 상기 해수 역삼투 단계를 통과한 제 2 농축수를 증발 농축하는 증발 농축 단계를 포함하는 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 공정. - 제 13 항에 있어서,
상기 해수 역삼투 단계로부터 발생되는 제 2 여과수와 제 2 농축수의 농도를 측정하여 이송 여부를 결정하는 해수 역삼투 장치 농도 측정 및 이송 단계를 더 포함하는 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 공정. - 제 13 항에 있어서,
상기 증발 농축 단계로부터 배출되는 제 1 응축수와 상기 제 2 농축수의 농도를 측정하여 이송 여부를 결정하는 증발 농축기 농도 측정 및 이송 단계; 및
상기 증발 농축기 농도 측정 및 이송 단계로부터 이송된 상기 제 1 응축수를 기수 역삼투 방식으로 여과하는 기수 역삼투 단계를 더 포함하는 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 공정. - 제 15 항에 있어서,
상기 기수 역삼투 단계로부터 발생되는 제 3 여과수와 제 3 농축수의 농도를 측정하여 이송 여부를 결정하는 기수 역삼투 장치 농도 측정 및 이송 단계를 더 포함하는 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 공정. - 제 16 항에 있어서, 상기 기수 역삼투 농도 측정 단계로부터 이송된 상기 제 3 여과수를 여과수 저장탱크에 저장하는 여과수 저장 단계를 더 포함하는 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 공정.
- 제 16 항에 있어서,
상기 이송 단계로부터 이송된 상기 제 1 여과수를 여과수 저장탱크에 저장하는 여과수 저장 단계;
상기 여과 단계, 상기 증발 농축단계 및 상기 기수 역삼투 단계들로부터 배출되는 상기 제 3 농축수를 외부로 이송하는 농축수 배출 단계; 및
상기 여과수 저장 단계에 의해 저장된 상기 제 1 여과수를 외부로 방류하는 방류 단계를 더 포함하는 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 공정. - 제 13 항에 있어서,
상기 제 1 여과수의 농도가 역삼투 기준값을 초과할 경우 상기 제 1 여과수를 상기 증발 농축기로 이송시키고, 상기 제 1 여과수의 농도가 상기 역삼투 기준값 이하일 경우 상기 제 1 여과수를 상기 해수 역삼투 장치로 이송시키는 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 공정. - 제 19 항에 있어서,
상기 역삼투 기준값은 30,000 ppm 내지 60,000 ppm 중 하나의 값을 갖는 셰일가스 수압파쇄 생산수 처리 공정.
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