KR20180126717A - Lng 기화 폐냉열을 이용한 하이드레이트 기반 하이브리드 냉열 저장 및 해수 수처리 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액화천연가스 냉열을 이용한 하이브리드 해수 수처리 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 하이브리드 해수 수처리 방법은 액화천연가스 폐냉열을 이용한 가스 하이드레이트 수처리 및 역삼투압 방법을 혼합한 기술이다. 폐냉열을 이용함으로써, 종래의 해수 수처리 방법에 소모되는 에너지 사용량을 줄일 수 있으며 불순물 및 염제거 효율도 상승시킬 수 있다. 또한 수처리 결과 생성되는 천연 가스 하이드레이트는 고체연료로써 사용될 수 있을 뿐만 아니라 해리를 통한 열교환으로 냉열을 제공할 수 있다.

Description

LNG 기화 폐냉열을 이용한 하이드레이트 기반 하이브리드 냉열 저장 및 해수 수처리 방법{The hydrate based hybrid cold energy storage method of LNG waste cold energy with water treatment method}

본 발명은 LNG(Liquified Nature Gas) 기화 냉열을 이용한 냉열 저장 및 해수 수처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액화천연가스를 기화 시킬 때 버려지는 냉열을 열원으로 하고, 가스 하이드레이트 제조 방식과 역삼투압 방식을 결합한 하이브리드 방식을 이용하여 물을 정화 하거나 염을 분리함과 동시에 냉열이 저장된 고체 매탄 하이드레이트의 저장 및 수송에 관한 것이다.

가스 하이드레이트는 저온, 고압 조건 하에서 물 분자들의 수소결합으로 이루어진 내부 공동에 기체 분자들이 포집되어 형성되는 고체화합물이다. 가스 하이드레이트 형성에 있어 3차원 격자를 형성하는 물 분자를 주체(Host)라 부르며 이렇게 형성된 공도에 포집된 가스분자를 객체(Guest)라 부른다. 1810년 Sir Humphrey Davy 경에 의하여 클로린 하이드레이트 (chlorine hydrate: Cl₂6H₂O)의 존재가 확인된 이후 현재까지 천연가스의 주 구성 성분인 탄화수소가스(hydrocarbon gas)를 포함하여 130개 이상의 가스분자들이 물 분자와 결합하여 가스 하이드레이트를 형성하는 것으로 보고되었다. 자연 상태에서의 천연가스 하이드레이트의 존재는 물의 빙점보다 높은 온도에서 가스 수송관 (gas transmission line)이 막히는 사고가 관내에서 생성 된 천연가스 하이드레이트에 의한 것이라는 Hammerschmidt의 연구에 의하여 규명되었으며, 이 연구를 계기로 천연가스 하이드레이트가 주목을 받기 시작하였다.

가스 하이드레트의 결정구조는 수소 결합으로 이루어진 물 분자에 의하여 형성된 다면체(Polyhedra)의 공동(Cavity)으로 구성되어 있다. 가스 하이드레이트는 형성되는 공동들의 종류에 따라 구조-Ⅰ, 구조-Ⅱ, 및 구조-H로 나누어진다. 일반적으로 구조-Ⅱ와 구조-H 하이드레이트가 구조-Ⅰ 하이드레이트에 비해 안정하다. 가스 하이드레이트 구조-Ⅰ은 가스분자의 직경이 5.8A 미만인 메탄, 에탄, 질소, 황화수소, 이산화탄소등이 구조-Ⅰ을 형성한다. 구조-Ⅱ에는 가스분자의 직경이 5.9~6.9A인 프로판과 이소-부탄 등이 포획된다. 현재까지 확인된 대부분의 자연 상태의 가스하이드레이트는 거의 메탄으로 구성되어 있고, 구조-Ⅰ을 형성한다.

해수 수처리 기술은 해수에서 염분을 제거하여 식수 또는 공업용수 등으로 이용할 수 있도록 담수를 얻는 기술로써, 염분을 포함한 물속의 용존물질(미네랄, 유기물) 대부분을 제거한다.

현재까지 공업화된 해수의 수처리 과정은 역삼투를 이용한 막 분리 방법과 수증기를 이용한 증발과 응축 방법으로 대별되나 이들 방법들은 각각 서로 상반되는 장단점을 갖고 있어서 개선되어야 할 점들이 많이 있다. 역삼투법을 이용한 막 분리 방법은 시설비 및 운전비가 저렴한 장점이 있으나 해수의 수처리 시 막에 부하되는 압력이 높아 이에 견딜 수 있는 막의 제작이 쉽지 않다.

반대로 수증기를 이용한 해수 수처리 공정은 15~20년간 장치를 사용할 수 있다는 장점을 가지고 있지만, 수증기를 생산하기 위한 연료비, 즉 운전비와 증발기 및 응축기 등의 시설투자비가 많이 소요되는 단점이 있다.

가스 하이드레이트의 형성 원리를 이용한 해수 수처리 기술은 앞서 말한 두 가지 방법에서의 장점을 그대로 유지할 수 있을 뿐만 아니라 각각의 단점 또한 잘 보완할 수 있다는 특징을 가지고 있다. 또한 수처리 결과 생성되는 천연 가스 하이드레이트는 고체연료로써 사용될 수 있을 뿐만 아니라 해리를 통한 열교환으로 냉열을 제공할 수 있다.

종래의 해수 수처리 기술과 비교하자면 에너지 측면에서의 장점이 있지만 하이드레이트 역시 형성원리에서 저온 고압의 상태를 유지하기 위한 에너지가 투입되어야 한다는 단점이 있다. 또한, 가스 하이드레이트를 제조하는 단계에서 일부 불순물들이 결정 표면에 부착되어 염분 제거 효율이 그다지 높지 않다는 문제점이 있게 된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 인출된 것으로, 본 발명의 목적은 가스 하이드레이트 수처리 방법에서 에너지 및 염분 제거의 효율적인 측면을 개선된 하이브리드 수처리 방법을 제공하고 냉열을 포함한 고체연료인 천연 가스 하이드레이트를 생성하여 저장 및 수송하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 제공되는 본 발명의 액체천연가스 냉열 이용 하이브리드 가스 하이드레이트 해수 수처리 방법은 (a) 액화천연가스가 해수를 통해 기화되면서 냉열을 가진 해수와 천연가스로 변환되는 가스 하이드레이트 생성 준비 단계; (b) 해수와 천연가스가 반응조에 유입되어 제 1조건에서 가스 하이드레이트가 생성되고 탈수장치를 통해 고염도 해수의 분리 및 제 2조건에서 가스 하이드레이트의 해리가 진행되는 단계; (c) 해리된 저염도 해수를 역삼투압 기술을 통해 담수화시키는 단계;를 포함하며, 상기 생성 조건은 가스 하이드레이트를 생성하는 천연가스 압력과 해수의 온도 조건인 것을 특징으로 한다.

상기 수처리 방법은, (d) 생성된 상기 가스 하이드레이트를 고체 연료인 펠릿의 형태로 변환시켜 지중저장하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 수처리 방법은, (e) 상기 고염도 해수로부터 염을 생산하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 수처리 방법은, (f) 상기 가스 하이드레이트로부터 해리된 천연가스가 반응조로 회수되는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 수처리 방법은, (g) 상기 반응조에서 가스 하이드레이트의 생성에 관여하지 못한 천연가스로 가스 펌프를 구동하여 역삼투압이 발생되는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직할 수 있다.

상기 가스 하이드레이트가 생성되는 상기 제 1조건은 0℃ 이상 5℃ 이하의 온도 범위에서 80 기압 이상 110 기압 이하의 압력 범위이고, 상기 가스 하이드레이트가 해리되는 상기 제 2조건은 13℃ 이상 16℃ 이하의 범위에서 상압 초과 20기압 이하인 것이 바람직할 수 있다.

상기 액화천연가스는 메탄(CH₄)을 주성분으로 하고 에탄(C₂H₆), 부탄(C₄H₁₀), 프로판(C₃H₈) 등을 함유하고 있으며, (h) 가스화 과정에서 해수와 열교환하는 기화기를 통과하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직할 수 있다.

본 발명에 따른 하이브리드 가스 하이드레이트 해수 수처리 방법은 하이드레이트 제조 시 요구되는 에너지원을 액화천연가스 기화 시 발생하는 폐냉열을 이용하여 전력 소모를 줄이고 기화된 천연가스는 역삼투압 기술에서의 구동원으로 적용 가능하기 때문에 추가적인 에너지 소모가 발생하지 않는 장점을 가지고 있다.

나아가, 제조된 가스 하이드레이트 펠릿은 지중저장을 통하여 그 보관성이 용이하여 종래의 액화천연가스 저장 방식보다 경제성이 뛰어나다. 또한, 2차 하이드레이트 생성과 해리를 통한 불순물 및 염제거 효율 향상을 동시에 가지게 된다.

도 1은 본 발명에서의 천연가스 하이드레이트의 상변화 압력의 특징을 보이는 그래프.
도 2는 본 발명에 따라 하이브리드 해수 수처리 공정이 진행되는 전체 구성도.

본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적 용어는 본 발명에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 발명에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 액화천연가스 냉열을 이용한 하이브리드 가스 하이드레이트 해수 수처리 방법을 설명한 것으로 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.

먼저, 도 1은 본 발명의 가스 하이드레이트 생성조건을 나타낸 그래프이다.

본 발명에 사용되는 호스트 분자는 해수의 물 분자이며, 게스트 가스는 천연가스이다. 가스 하이드레이트 생성 시 액체의 온도는 낮을수록, 호스트 가스의 압력은 높을수록 생성이 잘 되는 것을 알 수 있다. 따라서 본 발명에서 해수의 온도 0~5℃, 기화된 천연가스 압력 80~110 Mpa의 조건은 매우 좋은 생성조건임을 알 수 있다.

도 2를 참조하여 본 발명에 사용되는 해수 수처리 장치의 전체적인 구성을 살핀다. 본 발명에 따른 수처리 장치에서 각 구성요소 상에 연결되는 센서 및 제어부는 생략한다.

수처리 장치는 액화천연가스 기화기로부터 얻어진 0~5℃의 해수와 기화된 80~110 Mpa의 게스트 가스로부터 저온 고압의 조건을 거치면서 가스 하이드레이트가 생성되는 반응기, 반응기로부터 생성되는 가스 하이드레이트 슬러리를 압착 처리하여 결정화된 가스 하이드레이트를 제조하는 탈수 장치, 탈수 장치에서 배출되는 가스 하이드레이트로부터 가스 및 불순물 성분을 해리하는 해리장치, 가스 하이드레이트 반응기에서 잉여된 게스트 가스를 사용하여 해리장치에서 분리된 저염도 해수의 승압을 위한 가스구동 펌프, 가스 구동 펌프로 인하여 승압된 저염도 해수의 고효율 염제거를 위한 역삼투압 장치를 포함한다.

여기서, 상기 가스 하이드레이트 조건 생성 장치에는 액화천연가스 저장탱크 및 기화기를 포함한다.

천연가스는 보관성 과 안정성을 위하여 162℃의 초저온 상태의 액체 상태를 유지한다. 이러한 액화천연가스를 사용하기 위해서는 기화를 시켜야 하는데, 이때, 사용되는 열원으로는 해수를 상용한다. 겨울철 해수의 평균온도는 14.5℃정도로 유입이 되며 기화기의 출구 온도를 가스 하이드레이트 생성 조건인 0~5℃로 설계한다. 기화기 출구의 해수는 가스 하이드레이트 반응기로 유입이 된다.

초저온의 액체천연가스는 기화기를 통하면서 열을 공급받으며 기화하게 된다. 출구 온도는 약 4~5℃정도이며, 이때의 압력은 약 100 bar정도로 반응기로 유입된다.

여기서, 상기 가스 하이드레이트 수처리 장치에는 반응기, 탈수장치, 가스하이드레이트, 가스 하이드레이트 해리장치를 포함한다.

상기 반응기에서는 가스 하이드레이트 조건 생성 장치에서 생성된 0~5℃의 해수와 80~110 bar의 천연가스가 유입되며, 반응 시간의 단축을 위한 교반기를 포함한다. 본 도식에서는 원할한 설명을 위하여 생략한다.

가스하이드레이트 형성시 대부분 순수한 물만 반응에 참여하기 때문에 해수 중의 오염물이나 염은 자연스럽게 배제되는 특징을 가진다. 즉, 해수 중의 염은 가스 하이드레이트 형성시 결정 외부로 배제되고 고체 상태의 하이드레이트와 염이 농축된 고염도 해수만 남게 된다. 탈수 장치에서는 오염물이 많이 함유된 고염도 해수를 가스 하이드레이트 결정으로부터 탈수 분리 시켜 염과 오염물질이 배제된 가스 하이드레이트를 생산할 수 있다. 탈수 장치에서 분리된 고염도 해수는 염전으로 보내져 소금을 생산할 수 있는 공정도 포함된다.

상기 생성된 가스 하이드레이트는 압축, 패킹을 통해 펠릿 형태로 제조되며 천연가스 저장 및 수송을 위한 지중 저장 또는 고체연료 수송 단계도 포함된다.

상기 생성된 가스 하이드레이트는 내부에 불순물, 염분 등이 남아 있게 된다. 현재 가스 하이드레이트 염 제거율은 최대 90%로 역삼투압법 및 멤브레인법보다 낮은 편이다.

따라서, 본 발명에서는 고 염 제거율을 위하여 해리 장치에서 가스 하이드레이트를 해리를 시킨다. 해리된 가스는 재 압축을 통하여 하이드레이트 반응기로 유입되며, 저염도 해수는 배출된다.

상기 공정에서 배출된 저염도 해수는 염제거 효율 향상을 위하여 고압으로 상승시켜 역삼투압 장치로 이송하게 된다. 이때, 저압의 해수를 고압으로 승압하게 하는 장치로 가스 구동 펌프를 사용한다. 가스 구동 펌프는 전기 구동이 아닌 가스로 구동되는 펌프를 말하며, 대표적으로 다이어프램 펌프가 있다. 가스 구동원으로는 가스 하이드레이트 반응장치에서 잉여된 가스를 추출하여 사용한다.

상기 공정에서 승압된 해수는 역삼투압 장치로 유입되며, 역삼투압 방법을 통해 담수를 제조한다. 이때, 역삼투압 방법은 물에 용해되어 있는 이온성 물질은 거의 배제되고 순수한 물은 반투막에 의해 해수 중에 용해되어 있는 불순물 및 염을 여과하는 것이다. 해수에서 불수물과 순수한 물을 분리시키기 위해서는 삼투압 이상의 높은 높은 압력을 필요로 하는데 이 때의 압력을 역삼투압이라 하며 해수담수화의 경우 40~60 bar 정도의 높은 압력을 필요로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 해수 수처리 기술은 종래의 해수수처리 기술에서 필요한 에너지원을 액체천연가스 기화 시 버려지는 폐열을 구동원으로 하여 가스 하이드레이트 방법과 역삼투압 방법을 사용한 하이브리드 해수 수처리 방법으로 혼입된 염과 불순물 성분을 효과적으로 분리 할 수 있다. 즉, 추가적인 에너지원이 필요 없는 방법으로 해수 담수화를 할 수 있는 방법이며, 천연가스 하이드레이트의 생성을 통해 에너지 저장 및 수송도 동시에 해결 할 수 있는 기술이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

Claims (4)

1. 액화천연가스의 냉열과 기화기에서 열을 방출한 해수를 포함하는 가스 하이드레이트 생성 조건 단계;
   상기 해수와 기화된 천연가스를 게스트로 하여 하이드레이트 생성 조건을 충족하여 추가적인 열원이 없이 생성되는 가스 하이드레이트 생성 단계;
   상기 해리된 저염도 해수를 가스 구동펌프를 통하여 고압의 해수로 이송하는 단계; 및
   상기 고압의 해수를 이용한 역삼투압 방식의 해수 담수화 단계;를 포함하며,
   상기 하이드레이트 생성 조건의 충족은 천연가스 하이드레이트를 형성하는 온도 및 압력 조건이며, 그 이상의 경우 효율적 측면이 큰 것을 특징으로 하는 하이브리드 해수 수처리 방법.
   
2. 제1항 있어서,
   가스 하이드레이트를 생성하기 위한 초저온의 액화천연가스와 이를 기화 시키기 위하여 사용되는 해수;
   생성조건을 충족하기 위한 해수 기화기 설계조건;
   을 특징으로 하는 하이브리드 해수 수처리 방법
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 가스 하이드레이트 생성조건은,
   해수의 온도는 0~5℃의 범위에서 가스 게스트 분자 압력은 80 bar 이상을 특징으로 하는 하이브리드 해수 수처리 방법
   
4. 제1항의 해수 수처리 공정과 더불어 냉열을 포함한 고체 연료인 가스 하이드레이트를 생성하는 기술.

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