KR20200102837A - 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물 - Google Patents

가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물 Download PDF

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KR20200102837A
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염승종
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박종성
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Abstract

본 발명은 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물에 관한 것으로서, 가스 처리 시스템은 가스정에서 생산되는 가스를 공급받아, 고농도 이산화탄소 함유 가스와 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 분리하여 배출하는 멤브레인부; 상기 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 냉각하는 냉각부; 냉각된 가스에서 이산화탄소를 분리하기 위해 극저온 증류하는 증류부; 및 상기 증류부에서 분리된 이산화탄소와 상기 고농도 이산화탄소 함유 가스를 혼합하여 사출하는 이산화탄소 처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물{gas treatment system and offshore plant having the same}
본 발명은 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물에 관한 것이다.
최근 환경 규제 등이 강화됨에 따라, 각종 연료 중에서 친환경 연료에 가까운 천연가스(Natural Gas)의 사용이 증대되고 있다. 천연가스는 내륙 또는 해양의 지층에 위치한 가스정(well)으로부터 기체 상태로 추출될 수 있으며, 추출된 천연가스는 이산화탄소의 제거, 수은 제거나 건조, NGL 제거 등과 같은 전처리를 거친 뒤, 보관 및 운송을 위하여 액화 공정을 통해 액화될 수 있다.
천연가스는 냉매와 열교환하면서 비등점(일례로 1기압 하에서 -162℃도) 이하로 냉각되어 액체 상태로 변화할 수 있으며, 액체 상태가 될 경우 기체 상태 대비 부피가 600분의 1로 축소되므로 저장 및 운반 효율이 증대될 수 있다.
위와 같은 액화 공정은 육상의 플랜트나 해상의 FLNG 등에서 이루어질 수 있으며, 액화된 천연가스는 LNG 저장탱크 내에 저장되었다가 소비처로 공급될 수 있다.
일례로 천연가스는 LNG 저장탱크에서 육상의 도시가스시설이나 발전시설 등으로 공급될 수 있고, 또는 LNG 운반선의 카고탱크로 전달되고 LNG 운반선에 의하여 원하는 지역으로 운송될 수 있다.
천연가스는 LNG 저장탱크나 카고탱크에서 배출된 후 기화되어 소비될 수 있으며, 기화 설비는 육상플랜트나 FLNG 등에 구비되거나 또는 천연가스를 소비하는 시설에 구비되어 있을 수 있다.
이와 같이 천연가스는 가스정에서 추출된 후 전처리, 액화 공정, 저장, 운반, 기화 공정 등을 차례로 거치면서 소비되는데, 가스의 생산, 처리 및 공급 등의 안정성 보장과 효율 개선 등을 위하여 다양한 연구 및 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 고농도의 이산화탄소를 함유하는 천연가스의 정제 과정에서 에너지 사용을 절감하고, 천연가스의 정제 효율성을 향상시킬 수 있는 가스 처리 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 가스 처리 시스템은, 가스정에서 생산되는 가스를 공급받아, 고농도 이산화탄소 함유 가스와 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 분리하여 배출하는 멤브레인부; 상기 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 냉각하는 냉각부; 냉각된 가스에서 이산화탄소를 분리하기 위해 극저온 증류하는 증류부; 및 상기 증류부에서 분리된 이산화탄소와 상기 고농도 이산화탄소 함유 가스를 혼합하여 사출하는 이산화탄소 처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
구체적으로, 상기 멤브레인부는, 상기 가스정에서 생산되는 가스를 공급받아, 제1 고농도 이산화탄소 함유 가스와 제1 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 분리하여 배출하는 제1 멤브레인; 및 상기 제1 고농도 이산화탄소 함유 가스를 공급받아, 제2 고농도 이산화탄소 함유 가스와 제2 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 분리하여 배출하는 제2 멤브레인을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제2 멤브레인은, 상기 제2 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 상기 냉각부로 배출할 수 있다.
구체적으로, 상기 제2 멤브레인은, 상기 제2 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 상기 가스정과 상기 제1 멤브레인이 연결되는 스트림에 배출할 수 있다.
구체적으로, 상기 제2 멤브레인으로부터 배출된 상기 제2 저농도 이산화 탄소 함유 가스는 압축 및 냉각되어 상기 제1 멤브레인으로 재주입될 수 있다.
구체적으로, 상기 냉각부는, 상기 증류부에서 분리되는 액체를 이용하여 상기 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 예냉하는 예냉기; 및 상기 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 상기 증류부에서 리턴되는 가스 및 상기 증류부에서 배출되는 이산화탄소와 열교환하는 열교환기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 해양 구조물은 상기 가스 처리 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 가스 처리 시스템은, 고농도의 이산화탄소를 함유하는 천연가스의 정제 과정에 소요되는 에너지를 절감할 수 있다.
본 발명에 따른 가스 처리 시스템은, 천연가스의 정제 효율성이 우수할 수 있다.
본 발명에 따른 가스 처리 시스템은, 설비 규모를 감축시킬 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이하에서 가스는 LPG, LNG, 에탄 등의 탄화수소로서 비등점이 상온보다 낮은 물질을 의미할 수 있으며, 다만 편의상 본 발명은 LNG(메탄)를 최종적으로 생산 및 저장하는 것으로 한정하여 설명한다. 또한 본 명세서에서 가스는, 용어 표현에도 불구하고 그 상태가 기상으로 한정되지 않는다.
이하에서 고압(HP: High pressure), 저압(LP: Low pressure), 고온, 저온, 고농도, 저농도는 상대적인 것으로서, 절대적인 수치를 나타내는 것은 아님을 알려둔다.
본 발명은 이하에서 설명하는 가스 처리 시스템과, 가스 처리 시스템이 탑재된 해양 구조물을 포함할 수 있다. 먼저 본 발명의 해양 구조물에 대해 간략히 설명한다.
해양 구조물은 심해 또는 연안 등에 계류/고정되며, 가스정에서 생산되는 가스를 전달받아 가공, 정제, 액화하여 저장하고 수요처로 공급하는 시설로서, FLNG, FSRU, Fixed Platform 등과 같은 해양플랜트를 의미할 수 있다. 물론 본 발명의 해양 구조물은, 가스의 처리 구성이 탑재될 수 있다면 일반 상선도 포괄하는 개념으로 사용될 수 있다.
해양 구조물은 선체인 헐사이드(Hull side)와 선체 위에 마련되는 탑사이드(Top side)를 포함한다. 해양 구조물의 헐사이드에는 저장 공간이 주로 마련될 수 있고, 일례로 액화가스 저장탱크 등이 마련된다. 액화가스 저장탱크는 생산가스를 정제, 액화하여 저장해두는 구성이며, 가스를 극저온 액체 상태에서 안정적으로 저장하기 위하여 멤브레인 타입으로 마련될 수 있지만, 이로 한정하는 것은 아니다.
액화가스 저장탱크는 선체의 길이 방향으로 복수 개가 마련될 수 있고, 또한 선체의 좌우 방향으로 둘 이상이 마련될 수 있다. 액화가스 저장탱크의 수나 배치는, 해양 구조물이 처리해야 하는 생산가스의 규모에 따라 다양하게 결정될 수 있다.
탑사이드는, 가스를 처리하는 구성을 포함한다. 탑사이드에는 후술할 가스 처리 시스템이 포함될 수 있으며, 가스 처리 시스템의 세부 구성에 대해서는 이하에서 자세히 설명하도록 한다.
헐사이드의 상부에는 탑사이드 외에도 거주구인 선실, 엔진의 배기를 배출하는 엔진 케이싱, 그리고 플레어 타워 등이 더 마련될 수 있지만, 헐사이드 상부면의 대부분은 탑사이드의 설치를 위해 활용될 수 있다.
이하에서는 도 1 내지 도 3을 참고하여 본 발명의 가스 처리 시스템에 대해 자세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 가스 처리 시스템은, 가스정으로부터 가스를 공급받아 처리하는 시스템으로서, 멤브레인부(10), 냉각부(20), 증류부(30), 이산화탄소 처리부(40), 생산가스 처리부(50)를 포함한다.
멤브레인부(10)는 가스정에서 생산되는 이산화탄소를 함유하는 가스를 공급 받아, 고농도 이산화탄소 함유 가스와 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 분리하여 배출한다.
가스정에서 생산된 가스는 천연가스의 주성분인 메탄을 포함하고 있지만, 그외에 분리되어야 하는 이산화탄소 등을 내포하고 있다. 특히 가스정이 동남아 등의 열대지방에 위치하는 경우, 지층이 탄산염으로 이루어져 있기 때문에 이산화탄소가 대량으로 발생하게 된다. 이때 생산되는 가스의 30 mol% 이상(크게는 70 mol% 이상)이 이산화탄소로 이루어질 수 있다.
이와 같이 생산가스에 포함되는 이산화탄소는, 천연가스와의 비등점 차이를 이용하여 증류를 통해 분리될 수 있다. 이때 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템은, 증류를 통하여 이산화탄소를 분리하기 전에 멤브레인부(10)를 통해 이산화탄소를 천연가스로부터 선행적으로 제거함으로써, 고농도의 이산화탄소를 함유하는 천연가스의 정제 과정에 소요되는 에너지를 효과적으로 절감할 수 있다.
이산화탄소를 함유하는 생산가스는 멤브레인부(10)의 멤브레인을 통과하면서, 이산화탄소가 일부 제거된 저농도 이산화 탄소 함유 가스와 이산화탄소가 농축된 고농도 이산화탄소 함유 가스로 분리된다.
멤브레인부(10)를 통해 생산가스로부터 분리된 저농도 이산화 탄소 함유 가스는 냉각부(20), 증류부(30), 및 생산가스 처리부(50)를 거쳐 수요처에서 사용될 수 있는 형태로 가공되어 저장될 수 있고, 고농도 이산화 탄소 함유 가스는 이산화탄소 처리부(40)를 거쳐 사출될 수 있으며, 이에 대한 구체적인 내용은 후술하도록 한다.
멤브레인부(10)는 제1 멤브레인(11)을 포함하며, 가스정에서 생산되는 가스와 제1 멤브레인(11)이 접하는 면적(멤브레인 단면적)을 조절함으로써, 가스 처리 시스템의 설비 규모를 감축시키고, 천연가스의 정제 효율을 향상시킬 수 있다.
제1 멤브레인(11)의 단면적은 예를 들면, 10,000 m2 이상 100,000 m2 이하일 수 있으나, 가스 처리 시스템의 설계에 따라 적절하게 변경되어 설정될 수 있다.
또한, 가스정과 멤브레인부(10) 사이에는 생산가스의 공급 유량 및 공급 유속 등을 조절할 수 있는 밸브가 마련될 수 있다. 멤브레인부(10)에 공급되는 생산가스의 유량 및/또는 유속을 조절함으로써, 제1 멤브레인(11)의 작동 수명을 연장시킬 수 있고, 제1 멤브레인(11)의 이산화탄소 제거 효율을 향상시킬 수 있다.
멤브레인의 경우, 가스 처리 시스템에 마련되는 다른 설비에 비하여 상대적으로 설비 규모가 작고, 멤브레인을 거쳐 증류부(30)에 투입되는 저농도 이산화탄소 함유 가스의 유량이 감소됨에 따라 증류부(30)의 설비 크기를 감소시킬 수 있다. 이를 통해, 가스 처리 시스템의 공정 운전비 및 설치비를 감소시킬 수 있고, 설치 공간에 제약이 있는 해양 구조물에의 적용이 용이할 수 있다.
냉각부(20)는 멤브레인부(10)에서 배출된 저농도 이산화탄소 함유 가스를 냉각한다. 증류부(30)에서 저농도 이산화탄소 함유 가스에 잔존하는 이산화탄소는, 천연가스와의 비등점 차이를 이용하여 증류를 통해 분리될 수 있다. 다만 이산화탄소의 비등점은 대기압에서 -60 ℃ 내외이므로, 냉각부(20)는 저농도 이산화탄소 함유 가스를 냉각하여 이산화탄소가 액상이 되도록 할 수 있다.
냉각부(20)는 예냉기(21), 열교환기(22), 팽창밸브(23)를 포함할 수 있다.
예냉기(21)는, 제1 멤브레인(11)으로부터 연결되는 제1 저농도 이산화탄소 함유 가스 배출라인(L20) 상에 마련되어, 제1 멤브레인(11)에서 배출된 제1 저농도 이산화탄소 함유 가스를 예냉할 수 있다. 냉각 온도는 앞서 설명한 이산화탄소의 비등점보다 낮은 온도일 수 있지만, 예냉기(21)의 하류에 열교환기(22)가 마련될 수 있으므로, 예냉된 가스의 온도는 이산화탄소의 비등점보다 높을 수 있다.
예냉기(21)는 증류부(30)에서 분리되는 액체를 이용하여 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 예냉할 수 있으며, 추가적으로 별도의 냉매를 사용하여 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 예냉할 수 있다.
예냉기(21)는, 증류부(30)의 증류칼럼(31)에 연결된 리보일러 액체 순환라인(L34, L35)에 흐르는 리보일러 액체와 제1 저농도 이산화탄소 함유 가스가 열교환되도록 마련될 수 있다. 이때 리보일러 액체 순환라인(L34)에 흐르는 리보일러 액체의 온도는 리보일러 액체 순환라인(L35)에 흐르는 리보일러 액체의 온도보다 낮을 수 있다. 보다 높은 온도를 가지는 리보일러 액체를 제1 저농도 이산화탄소 함유 가스와 먼저 열교환하여, 예냉 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 예냉기(21)는 냉매 순환라인(L22)에 흐르는 냉매와 제1 저농도 이산화탄소 함유 가스가 열교환되도록 마련될 수 있다. 냉매 순환라인에는 냉매 순환부가 마련될 수 있고, 냉매 순환부는 다양한 종류의 냉매를 압축, 응축, 팽창, 증발 순으로 제어하여 냉매의 증발 시 제1 저농도 이산화탄소 함유 가스가 냉각되도록 할 수 있다.
열교환기(22)는, 예냉기(21)에서 예냉된 제1 저농도 이산화 탄소 함유 가스와, 증류부(30)에서 리턴되는 가스 및 증류부(30)에서 배출되는 이산화탄소 등을 서로 열교환하여, 증류부(30)로 유입되는 제1 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 냉각할 수 있다.
열교환기(22)는 4개 이상의 스트림을 갖도록 마련될 수 있다. 예를 들면, 열교환기(22)는 예냉기(21)를 거쳐 증류부(30)로 전달되는 제1 저농도 이산화탄소 함유 가스 배출라인(L20)과 나란한 스트림과, 증류칼럼(31)의 하측에서 분기되어 액체 상태의 이산화탄소 일부가 전달되는 이산화탄소 배출라인(L33)과 나란한 스트림, 증류칼럼(31) 상측의 리턴가스 배출라인(L30) 상에 마련된 기액 분리기(33)를 통과한 액체 상태의 리턴가스가 전달되는 리턴가스 순환라인(L31)과 나란한 스트림, 기액 분리기(33)를 통과한 기체 상태의 리턴가스가 전달되는 리턴가스 배출라인(L30)과 나란한 스트림을 포함할 수 있다.
이때 리턴가스 배출라인(L30)은 열교환기(22)를 경유한 뒤 후술할 생산가스 처리부(50)로 연결될 수 있고, 리턴가스 순환라인(L31)은 열교환기(22)를 경유한 뒤 증류부(30)로 연결되어 순환될 수 있으며, 이산화탄소 배출라인(L33)은 열교환기(22)를 경유한 뒤 이산화탄소 처리부(40)로 연결되어 사출될 수 있다.
열교환기(22)는 예냉기(21)의 하류에 마련된 것으로 도면에 표시되어 있으나, 예냉기(21)의 상류에 열교환기(22)가 마련될 수도 있다.
열교환기(22) 하류의 제1 저농도 이산화탄소 함유 가스 배출라인(L20) 상에 팽창밸브(23)가 마련될 수 있고, 열교환기(22)를 거쳐 냉각된 제1 저농도 이산화탄소 함유 가스는 팽창밸브(23)에 의하여 증류칼럼(31)의 작동 압력으로 팽창될 수 있다.
증류부(30)는, 냉각된 제1 저농도 이산화탄소 함유 가스에서 이산화탄소를 분리하기 위해 극저온 증류한다. 일반적인 증류라 함은 원유에서 LPG, 가솔린, 등유, 경유, 중유, 윤활유 등을 분별 증류하는 것처럼 상온/고온에서 진행하지만, 본 발명에서의 증류는 천연가스에서 이산화탄소를 분리해내야 하는 것으로서, 이산화탄소의 비등점이 극저온임을 고려할 때, 가열이 아닌 냉각 후 증류하게 된다.
따라서 본 발명의 증류부(30)가 수행하는 증류는 극저온 증류로 지칭될 수 있고, 이때 극저온이라 함은 이산화탄소의 비등점보다 낮은 온도를 의미한다. 물론 극저온의 정확한 수치는 한정되지 않으며, 특히 이산화탄소의 비등점이 압력에 따라 달라짐을 고려할 때, 증류부(30)가 전달받는 가스의 온도 역시 고정되지 않는다.
예를 들면 증류부(30)에 유입되는 가스의 압력은 30 bar 내외이며, 냉각부(20)에 의하여 -40 ℃ 내외로 냉각된 온도를 가질 수 있다.
증류부(30)는 증류칼럼(31), 보조 열교환기(32, 36), 기액 분리기(33), 펌프(34, 35), 팽창밸브(37)를 포함할 수 있다.
증류칼럼(31)은 제1 저농도 이산화탄소 함유 가스 배출라인(L20)을 통해 유입된 제1 저농도 이산화탄소 함유 가스를 극저온 증류하여, 가스로부터 이산화탄소를 분리할 수 있다. 이때 증류칼럼(31) 내에서, 이산화탄소가 분리된 가스는 기상으로 존재할 수 있고, 가스로부터 분리된 이산화탄소는 액상으로 존재할 수 있다.
증류칼럼(31)의 상측에는 리턴가스 배출라인(L30)이 마련되어 이산화탄소가 분리된 기체 상태의 가스가 배출될 수 있다. 증류칼럼(31)의 하측에는 분기되는 이산화탄소 배출라인들(L32, L33)이 마련되고, 일부의 이산화탄소는 이산화탄소 배출라인(L33)을 따라 열교환기(22)를 경유한 후에 이산화탄소 처리부(40)로 전달되고, 다른 일부의 이산화탄소는 이산화탄소 배출라인(L32)을 따라 이산화탄소 처리부(40)로 바로 전달될 수 있다.
또한, 증류칼럼(31)에는 리보일러 액체 순환라인들(L34, L35)이 마련되어, 증류칼럼(31)에서 리보일러 액체를 예냉기(21)로 전달할 수 있다.
보조 열교환기(32, 36)는 리턴가스 배출라인(L30)에 흐르는 가스와 이산화탄소 배출라인(L33)에 흐르는 이산화탄소가 열교환 하도록 마련될 수 있다.
예를 들면 리턴가스 배출라인(L30)은 증류칼럼(31)으로부터 기액 분리기(33)로 연결되고, 보조 열교환기(32)는 리턴가스 배출라인(L30)의 기액 분리기(33) 상류에 마련되어, 보조 열교환기(32)를 통해 증류칼럼(31)에서 배?w된 가스는 이산화탄소 배출라인(L33)에 흐르는 이산화탄소에 의하여 냉각될 수 있다.
또한, 보조 열교환기(36)는 열교환기(22)를 경유한 리턴가스 배출라인(L30)에 흐르는 가스가 이산화탄소 배출라인(L33)에 흐르는 이산화탄소에 의하여 가열되도록 마련될 수 있다.
리턴가스 배출라인(L30)의 보조 열교환기(32) 하류에는 기액 분리기(33)가 마련될 수 있으며, 보조 열교환기(32)에 의해 냉각된 리턴가스는 기액 분리기(33)를 통해 기상의 리턴가스와 액상의 리턴가스로 분리되어 배출될 수 있다.
액상의 리턴가스는 펌프를 통해 압출되어 리턴가스 순환라인(L31)을 따라 열교환기(22)를 경유한 뒤 증류칼럼(31)으로 리턴될 수 있고, 이를 통해 이산화탄소 분리 효율을 높일 수 있다. 기상의 리턴가스는 리턴가스 배출라인(L30)을 따라 열교환기(22)를 경유하고 보조 열교환기(36)를 통해 가열되어 생산가스 처리부(50)로 전달될 수 있다.
증류칼럼(31)에서 배출된 일부의 이산화탄소는 펌프(35)로 압출되어 이산화탄소 배출라인(L32)을 통해, 이산화탄소 처리부(40)로 전달될 수 있다.
증류칼럼(31)에서 배출된 다른 일부의 이산화탄소는 이산화탄소 배출라인(L33)을 통해, 보조 열교환기(36)에서 냉각되고, 팽창밸브(37)에 의하여 낮은 압력으로 팽창되며 부분적으로 증기화될 수 있다. 이후, 팽창밸브(37)를 거친 이산화탄소는 보조 열교환기(32)에서 리턴가스 배출라인(L30)을 따라 흐르는 리턴가스를 냉각하고, 열교환기(22)를 경유한 뒤 이산화탄소 처리부(40)로 전달될 수 있다.
이산화탄소 처리부(40)는, 증류부(30)에서 분리된 이산화탄소 및 멤브레인부(10)에서 분리된 고농도 이산화탄소 함유 가스를 처리한다. 예를 들면, 이산화탄소 처리부(40)는 증류부(30)에서 분리된 이산화탄소 및 멤브레인부(10)에서 분리된 고농도 이산화탄소 함유 가스를 혼합하여 이산화탄소 제품을 생산하거나, 혼합물을 지하의 재주입정으로 재주입할 수 있다.
이산화탄소 처리부(40)는 압축기(41, 43), 쿨러(42, 44), 혼합기(45, 46)를 포함할 수 있다.
압축기(41)와 쿨러(42)는 제1 고농도 이산화탄소 함유 가스 배출라인(L40) 상에 마련되며, 제1 멤브레인(11)에서 분리된 고농도 이산화탄소 함유 가스를 압축 및 냉각하여 혼합기(46)로 전달할 수 있다.
또한, 이산화탄소 배출라인(L33)의 열교환기(22) 하류에 압축기(43) 및 쿨러(44)가 마련될 수 있고, 압축 및 냉각된 이산화탄소는 이산화탄소 배출라인(L32)을 통해 배출된 이산환탄소와 혼합기(45)에서 혼합될 수 있다.
열교환기(22) 하류에 압축기(43) 및 쿨러(44) 한 세트가 마련된 것으로 도면에 표시되어 있으나, 열교환기(22) 하류에 압축기(43) 및 쿨러(44) 셋 세트 또는 다섯 세트가 마련될 수 있다.
멤브레인부(10)에서 분리된 고농도 이산화탄소 함유 가스와 증류부(30)에서 분리된 이산화탄소는 혼합기(46)에서 혼합되어, 외부로 사출될 수 있다.
이때 천연가스의 생산 시 수반되는 이산화탄소의 양이 많으면 환경규제로 인해 대기로 배출할 수 없는 바, 지하의 재주입정으로 재주입하여 처리할 필요가 있다.
앞서 설명한 바와 같이 동남아 등의 경우 지층이 탄산염으로 이루어져 생산된 가스에 이산화탄소의 비율이 높게 나타나므로, 이산화탄소의 재주입 공정이 필요하다.
이때 재주입정이라 함은, 천연가스가 생산되는 가스정과는 다른 것으로서, 가스가 생산되지 않고 이산화탄소의 주입만 이루어지는 부분이다. 이산화탄소의 주입은 지층 내부의 바텀 홀을 통해 이루어지고, 바텀 홀의 상측에는 초크밸브가 설치된 웰 헤드가 마련될 수 있다.
지층의 압력을 안정적으로 유지하기 위해, 이산화탄소의 재주입 압력을 안정적으로 유지하는 것이 필요하다. 특히 가스 유량이 많아지는 Ramp-up이나 가스 유량이 적어지는 Turndown 상황과 같은 외란에서도 이산화탄소의 재주입 압력을 일정하게 유지해야 한다.
이 경우 웰 헤드에 마련되는 초크밸브를 이용하면 바텀 홀로 유입되는 이산화탄소의 압력을 조절할 수 있지만, 초크밸브는 해저에 위치하고 있어 조작이 어렵고 제어 반응속도가 느리다는 문제가 있다.
특히 재주입되는 이산화탄소는 순수 이산화탄소가 아니라 순도 95 mol% 내지 98 mol%의 이산화탄소일 수 있고, 3 mol% 내지 5 mol%만 변화하더라도 phase envelope이 달라져 상이 바뀌면서, 밀도가 변화하여 압력이 변하게 될 수 있다.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 처리부(40)는 초크밸브에 더하여 제어밸브를 마련함으로써, 재주입정으로 재주입되는 이산화탄소의 압력을 안정화시킬 수 있다.
생산가스 처리부(50)는, 증류부(30)에서 이산화탄소가 분리되어 메탄의 비율이 대부분을 차지하는 생산가스를 처리한다. 생산가스 처리부(50)는 수요처에서 사용될 수 있는 형태로 이산화탄소가 분리된 생산가스를 가공하여 저장탱크에 저장할 수 있다.
생산가스 처리부(50)는 압축기(51)와 쿨러(52)를 포함할 수 있다. 압축기(51) 및 쿨러(52)를 이용하여, 증류칼럼(31)에서 배출되어 열교환기(22)를 경유한 생산가스를 압축 및 냉각하여 액화시킬 수 있다.
또한, 생산가스 처리부(50)는 액화기, 감압밸브, 플래시드럼을 더 포함할 수 있다. 액화기는 냉매를 이용하여 가스를 액화하며, 예냉기(21)에서와 동일/유사하게 냉매 공급부를 구비할 수 있다.
냉매 공급부는, 냉매 압축기, 냉매 팽창기, 냉매 탱크 등으로 이루어질 수 있으며, 냉매 냉각기가 추가될 수 있음은 물론이다.
감압밸브는, 액화기에 의해 냉각된 가스를 감압하여, 줄-톰슨 효과를 통해 추가로 냉각할 수 있다. 이때 감압밸브는 액화가스 저장탱크의 내압에 대응되는 수준(일례로 대기압 내외)까지 가스의 압력을 떨어뜨려서, 가스가 적어도 대부분 액화되도록 할 수 있다.
플래시드럼은, 감압밸브에서 감압되더라도 액화되지 않은 일부 성분(질소 등)을 플래시가스로서 외부로 배출할 수 있다. 이때 플래시가스는 대기로 전달되거나 또는 별도의 수요처로 전달될 수 있다. 예를 들면 플래시가스는 질소 등을 포함하고 있으므로, 플래시가스를 예냉기(21)의 냉매로 활용할 수도 있다.
플래시드럼에서 분리된 액상의 가스는 액화가스 저장탱크로 전달되어 저장되며, 저장된 가스는 최종 생산물로서 취급될 수 있다. 이후 가스는 가스 운반선에 의하여 운송될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 가스 처리 시스템은, 가스정에서 생산되는 가스에서 이산화탄소 제거 시에 필요한 에너지 소요량을 절감할 수 있다. 이에 대한 효과는 시뮬레이션을 통하여 확인하였다.
이산화탄소 처리부(40)에서 처리되는 이산화탄소의 순도를 96 mol%로 만족시키기 위하여 필요한 에너지 소요량을 계산하였으며, 이때 원료는 메탄(methane) 31.04 mol%, 에탄(ethane) 0.36 mol%, 프로판(propane) 0.13 mol%, 노말 부탄(n-butane) 0.14 mol%, 질소(nitrogen) 0.61 mol%, 이산화탄소(CO2) 67.72 mol%의 조성을 가지며, 원료의 공급 온도는 27 ℃, 공급 압력은 7653 kPa, 공급 유량은 48306 kg·mole/h로 설정하였다.
멤브레인부(10) 없이 가스정에서 생산되는 가스를 극저온 증류하는 가스 처리 시스템의 경우에는 57,290 kW가 소요되는 것으로 산정되었다. 반면, 본 발명의 제1 실시예와 같이 멤브레인부(제1 멤브레인의 단면적이 50,000 m2 로 설정)를 구비한 가스 처리 시스템은 24,395 kW가 소요되는 것으로 산정되어, 약 5.1%의 에너지 소요량이 절감되는 것을 확인하였다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 멤브레인부(10)는 앞선 제1 실시예에 따른 멤브레인부(10)와 다르게 제2 멤브레인(12)이 추가적으로 마련될 수 있다.
이하에서는 본 실시예가 앞선 실시예 대비 달라지는 점 위주로 설명하도록 하며, 설명을 생략한 부분은 앞선 내용으로 갈음한다. 이는 이하 후술하는 실시예에 대해서도 마찬가지임을 알려둔다.
본 실시예에서 멤브레인부(10)는, 가스정에서 생산되는 가스를 공급받아, 제1 고농도 이산화탄소 함유 가스와 제1 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 분리하여 배출하는 제1 멤브레인(11), 및 제1 고농도 이산화탄소 함유 가스를 공급받아, 제2 고농도 이산화탄소 함유 가스와 제2 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 분리하여 배출하는 제2 멤브레인(12)을 포함한다.
제1 멤브레인(11)에서 배출되는 제1 고농도 이산화탄소 함유 가스를 제2 멤브레인(12)이 다시 필터링함으로써, 이산화탄소 제거 효율 및 생산가스 회수량을 증가시킬 수 있다.
제1 멤브레인(11)과 제2 멤브레인(12)의 단면적은 서로 동일하거나 상이할 수 있다. 제1 멤브레인(11) 및 제2 멤브레인(12)의 단면적은 가스 처리 시스템의 설계에 따라 조절될 수 있으며, 제2 멤브레인(12)의 단면적을 제1 멤브레인(11)의 단면적보다 작게 설계하여 이산화탄소 제거 효율을 향상시키며, 설비 규모가 증가되는 것을 방지할 수 있다.
본 실시예에서 제2 멤브레인(12)은, 제2 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 냉각부(20)로 배출할 수 있다. 제2 멤브레인(12)에서 분리되는 제2 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 냉각부(20)로 배출함으로써, 제1 멤브레인(11)의 부하를 감소시킬 수 있고, 생산가스 회수량을 증가시킬 수 있다.
예냉기(21)는 제1 멤브레인(11)으로부터 연결되는 제1 저농도 이산화탄소 함유 가스 배출라인(L20) 및 제2 멤브레인(12)으로부터 연결되는 제2 저농도 이산화탄소 함유 가스 배출라인(L21) 상에 마련되어, 제1 멤브레인(11)에서 배출된 제1 저농도 이산화탄소 함유 가스와 제2 멤브레인(12)에서 배출된 제2 저농도 이산화탄소 함유 가스를 예냉할 수 있다.
열교환기(22)는 예냉기(21)에서 예냉된 제1 저농도 이산화 탄소 함유 가스 및 제2 저농도 이산화 탄소 함유 가스와, 증류부(30)에서 리턴되는 가스 및 증류부(30)에서 배출되는 이산화탄소 등을 서로 열교환하여, 증류부(30)로 유입되는 제1 저농도 이산화 탄소 함유 가스와 제2 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 냉각할 수 있다.
증류칼럼(31)에는 제1 저농도 이산화 탄소 함유 가스 및 제2 저농도 이산화 탄소 함유 가스가 전달되며, 이로부터 이산화탄소가 분리된 생산가스를 배출할 수 있다.
제2 멤브레인(12)에서 분리된 제2 고농도 이산화탄소 함유 가스는 제2 고농도 이산화탄소 함유 가스 배출라인(L41)을 통해, 이산화탄소 처리부(40)로 전달될 수 있다. 제2 고농도 이산화탄소 함유 가스 배출라인(L41) 상에는 압축기(41)와 쿨러(42)가 마련될 수 있으며, 제2 고농도 이산화탄소 함유 가스는 압축 및 냉각되어 이산화탄소 처리부(40)로 전달될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 개념도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 가스 처리 시스템의 제2 멤브레인(12)은, 제2 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 가스정과 제1 멤브레인(11)이 연결되는 스트림에 배출할 수 있다.
제2 멤브레인(12)에서 분리된 제2 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 가스정에서 생산된 가스와 혼합하여 제1 멤브레인(11)에 공급함으로써, 이산화탄소 제거 효율을 증가시킬 수 있다.
제2 멤브레인(12)으로부터 분리된 제2 저농도 이산화탄소 함유 가스는 제2 저농도 이산화탄소 함유 가스 배출라인(L21)을 통해 가스정에서 생산된 가스와 제1 멤브레인(11)으로 혼입될 수 있으며, 제2 저농도 이산화탄소 함유 가스 배출라인(L21) 상에는 압축기(13)와 쿨러(14)가 마련될 수 있다.
제2 저농도 이산화탄소 함유 가스를 압축 및 냉각하여 제1 멤브레인(11)에 공급함으로써, 공급 유량이 증가되는 것을 억제하여 제1 멤브레인(11)의 부하를 감소시킬 수 있다. 또한, 제1 멤브레인(11)에서 배출되는 제1 저농도 이산화탄소 함유 가스의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.
제2 고농도 이산화탄소 함유 가스 배출라인(L41) 상에 압축기(41)와 쿨러(42)가 마련될 수 있으며, 제2 멤브레인(12)에서 분리된 제2 고농도 이산화탄소 함유 가스는 압축 및 냉각되어 이산화탄소 처리부(40)로 전달될 수 있다.
이와 같이 본 발명은, 이산화탄소를 함유하는 천연가스의 정제 과정에 소요되는 에너지를 절감할 수 있고, 천연가스의 정제 효율성이 우수한 이점이 있다.
본 발명은 상기에서 설명한 실시예로 한정되지 않으며, 상기 실시예들의 조합 또는 상기 실시예 중 적어도 어느 하나와 공지 기술의 조합을 또 다른 실시예로서 포함할 수 있음은 물론이다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
10: 멤브레인부 L10: 생산가스 공급라인
11: 제1 멤브레인 12: 제2 멤브레인
13: 압축기 14: 쿨러
20: 냉각부
L20: 제1 저농도 이산화탄소 함유 가스 배출라인
L21: 제2 저농도 이산화탄소 함유 가스 배출라인
L22: 냉매 순환라인 21: 예냉기
22: 열교환기 23: 팽창밸브
30: 증류부 L30: 리턴가스 배출라인
L31: 리턴가스 순환라인 L32, L33: 이산화탄소 배출라인
L34, L35: 리보일러 액체 순환라인
31: 증류칼럼 32, 36: 보조 열교환기
33: 기액 분리기 34, 35: 펌프
37: 팽창밸브 40: 이산화탄소 처리부
L40: 제1 고농도 이산화탄소 함유 가스 배출라인
L41: 제2 고농도 이산화탄소 함유 가스 배출라인
41, 43: 압축기 42, 44: 쿨러
45, 46: 혼합기 50: 생산가스 처리부
51: 압축기 52: 쿨러

Claims (7)

  1. 가스정에서 생산되는 가스를 공급받아, 고농도 이산화탄소 함유 가스와 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 분리하여 배출하는 멤브레인부;
    상기 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 냉각하는 냉각부;
    냉각된 가스에서 이산화탄소를 분리하기 위해 극저온 증류하는 증류부; 및
    상기 증류부에서 분리된 이산화탄소와 상기 고농도 이산화탄소 함유 가스를 혼합하여 사출하는 이산화탄소 처리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 멤브레인부는,
    상기 가스정에서 생산되는 가스를 공급받아, 제1 고농도 이산화탄소 함유 가스와 제1 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 분리하여 배출하는 제1 멤브레인; 및
    상기 제1 고농도 이산화탄소 함유 가스를 공급받아, 제2 고농도 이산화탄소 함유 가스와 제2 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 분리하여 배출하는 제2 멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제2 멤브레인은,
    상기 제2 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 상기 냉각부로 배출하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 제2 멤브레인은,
    상기 제2 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 상기 가스정과 상기 제1 멤브레인이 연결되는 스트림에 배출하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 멤브레인으로부터 배출된 상기 제2 저농도 이산화 탄소 함유 가스는 압축 및 냉각되어 상기 제1 멤브레인으로 재주입되는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 냉각부는,
    상기 증류부에서 분리되는 액체를 이용하여 상기 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 예냉하는 예냉기; 및
    상기 저농도 이산화 탄소 함유 가스를 상기 증류부에서 리턴되는 가스 및 상기 증류부에서 배출되는 이산화탄소와 열교환하는 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 처리 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항의 상기 가스 처리 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 해양 구조물.
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