KR20230034899A - 천연 가스의 액화를 위한 통합 질소 제거 - Google Patents

천연 가스의 액화를 위한 통합 질소 제거 Download PDF

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크리스토퍼 마이클 오트
마크 줄리안 로버츠
앤마리 오트 위스트
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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

플래쉬 가스에서 유래된 LNG 생성물 및 연료의 질소 농도를 바람직한 범위 내에서 조절하기 위한 방법 및 시스템. 냉각된 LNG 스트림은 다수의 상 분리 장치, 예컨대 플래쉬 드럼 또는 정류관을 사용하여 질소가 풍부한 증기 스트림, 연료 스트림 및 LNG 생성물 스트림으로 분리된다. 상기 증기 스트림의 일부분이 환류로서 상기 정류관으로 재순환된다. 질소 농도가 더 높은 스트림의 일부분이 상기 연료 스트림과 배합되어, 상기 연료 스트림을 원하는 질소 농도 범위 내에 유지시킨다.

Description

천연 가스의 액화를 위한 통합 질소 제거{INTEGRATED NITROGEN REJECTION FOR LIQUEFACTION OF NATURAL GAS}
액체 천연 가스(LNG) 액화 공정의 연료는 보통 액화장치의 냉각 말단에서 생성된 플래쉬 가스에서 유래된다. LNG를 과냉각하여 저장 탱크에서 플래쉬 가스 생성을 방지하려면 대용량의 냉각 전력이 필요하다. 일부 플래쉬 가스를 허용하는 것이 상기 냉각 전력을 감소시키는 데 도움이 된다. 이뿐만 아니라, 플래쉬 가스는 LNG 저장 사양(specification) 이하로 질소함량을 유지시키기 위해 공급 가스에서 질소를 제거하는 쉬운 방법을 제공한다. 상기 플래쉬 가스는 상기 공급 가스와 비교하여 더 높은 농도의 질소를 함유할 것이다. 이에 따라서, 천연 가스 공급원 중 질소 함량의 변화 역시 상기 플래쉬 가스 중 질소 농도에 영향을 미칠 것이다.
플래쉬 가스가 가스 터빈용 연료로 사용되기 때문에 플래쉬 가스 중 질소 농도를 제한하는 것이 바람직하다. 여러 응용에서, 플래쉬 가스가 일정 가스 터빈에 연료를 공급하기 위해 사용될 경우, 15 ~ 50%의 최대 질소 함량이 요구된다. 플래쉬 가스 중 질소 함량이 상기 가스 터빈에 대해 최대치를 초과할 경우, 대기 중에 배출될 수 있는 순수한 성분의 형태로 과잉의 질소를 제거할 필요가 있을 수 있다.
천연 가스 스트림에서 질소를 제거하기 위한 알려진 해결책이 여럿 있는데, 여기에는 플래쉬 드럼, 질소 탈기장치(strippers), 통합 질소 정류관 및 독립형 질소 제거 장치(NRUs)가 포함된다. 이와 같은 해결책들은 전형적으로 사양에 맞는 LNG 스트림과 가스 터빈 연료 스트림을 생산한다. 일부 경우에, 상기 연료 스트림은 상대적으로 높은 농도의 질소를 함유할 것이다. 질소가 너무 높으면(연료품질이 너무 낮으면), 추가적인 질소 제거가 요구되어, 배출될 고순도의 질소 스트림과 질소 감손(depleted) 연료 스트림이 생산된다.
기존의 한 가지 해결책은 질소 탈기장치와 환류 장치를 사용하여 사양에 맞는(on-specification) LNG 생성물과 고순도 질소를 생산한다. 이것으로 LNG 공장이 전력망(grid)의 전력을 활용하여 전동기에 의해 구동되는데, 연료 요구가 없는 경우, 이것은 만족할 만한 해결책이다. 하지만, 이 해결책은 비교적 유연성이 없고, LNG 생성물 사양(specifications)을 충족시키기 위해 필요한 더 높은 질소 제거를 야기할 수 있다.
기타 기존의 해결책들에는 다중성분 분리 공정을 위한 팽창 공정, 냉각을 제공하기 위해 LNG를 사용하는 질소관 및 LNG 및 배출질소를 생산하는 NRU가 포함된다. 이들 해결책들 중 어떤 것도 LNG 생성물 및 연료 스트림 양쪽에서 질소 함량에 대한 조절을 허용하지 않는다. 이에 따라, 이들 해결책들은 종종 허용 최대치보다 훨씬 낮은 질소 함량을 갖는 연료 스트림을 생산함으로써, 불필요한 전력 소비, 가스 터빈 전력 출력량 감소를 야기하고, 더 크고 더 많은 복합 장비를 요구한다. 따라서, 연료 스트림과 저장된 LNG 생성물 모두에서 질소 농도를 조절하기 위해 개선된 시스템 및 공정에 대한 요구가 존재한다.
본 요약은 하기의 본 발명의 상세한 설명에 추가로 기술된 단순화된 형태의 개념들의 집합을 소개하기 위해 제공된다. 본 요약은 청구항의 주제의 주요 특징 또는 필수 특징을 식별하기 위한 것이 아니며, 또한 청구된 주제의 범위를 제한하기 위한 것도 아니다.
본 발명의 구현예는 LNG 액화 공정에서 플래쉬 가스의 일부분에서만 질소를 제거하기 위한 통합 해결책을 제공한다. 질소 탈기장치 또는 말단 플래쉬 드럼에서의 플래쉬 가스의 제1 부분이 정류관으로 보내진다. 단지 미량의 탄화수소를 함유한 질소가 풍부한 증기 상 스트림이 정류관의 상단에서 인출된다. 상기 질소가 풍부한 증기 상 스트림이 열교환기에서 고압 재순환 증기 및 온열의 공급 가스를 상대로 데워져서, 데워진 질소가 풍부한 증기 상 스트림이 생성된다. 상기 데워진 질소가 풍부한 증기 상 스트림은 정류관을 위한 재순환/환류 스트림이 되도록 재압축되는 제1 부분과, 대기로 배출되는 제2 부분으로 분리된다. 상기 제1 부분은 압축되어 고압 증기 스트림이 형성되되, 이것은 재순환되고 냉각된 후, 정류관의 하단에서의 차가운 저압 질소 풍부 증기 스트림과 차가운 액체 스트림을 상대로 액화된다. 이어서 상기 액화된 고압 재순환 스트림이 사용되어 정류관에 환류를 일으킨다. 정류관 하단에서의 액체가, 고압 재순환 증기 스트림과 따듯한 공급 가스 스트림을 상대로 앞서 언급된 열교환기에서 데워지기 전에, 질소 탈기장치 또는 말단 플래쉬 드럼에서의 플래쉬 가스(플래쉬 가스 바이패스 스트림)의 제2 부분과 배합된다. 이와 같이 데워진 배합 스트림은 이어서 가스 터빈 구동장치용 연료로 사용되기 위해 말단 플래쉬 압축기로 보내진다.
정류관의 재순환 고압 스트림과 플래쉬 가스 바이패스의 흐름을 조절하는 것은 대기로 배출되는 질소와 연료 가스 스트림의 엄격한 조성 조절을 허용한다.
대안적으로, 정류관의 액체가 끌어올려져, 필요한 말단플래쉬 압축기 전력이 감소되고 열 교환기에서 냉각 곡선의 좀 더 엄격한 일치가 제공될 수 있다.
본 시스템 및 방법의 여러 양태가 하기에 기술되었다.
양태 1: 천연 가스 공급 스트림을 액화하고 그것에서 질소를 제거하되, 하기를 포함하는 방법:
(a) 천연 가스 공급 스트림을 냉각시키고 적어도 일부분을 액화하여 냉각된 LNG 질소 농도를 갖는 냉각된 LNG 스트림을 형성하는 단계;
(b) 냉각된 LNG 스트림과 하류 유체 연통한 상태로 다수의 상 분리를 수행하여 증기 스트림 질소 농도를 갖는 질소 증기 스트림, 연료 스트림 질소 농도를 갖는 연료 스트림 및 LNG 생성물 스트림 질소 농도를 갖는 LNG 생성물 스트림을 생산하되, 상기 증기 스트림 질소 농도가 상기 냉각된 LNG 질소 농도, 상기 연료 스트림 질소 농도 및 상기 LNG 생성물 스트림 질소 농도보다 더 큰 단계;
(c) 상기 연료 스트림을 혼합 스트림과 배합하여 연료 생성물 스트림 질소 농도를 갖는 연료 생성물 스트림을 형성하되, 상기 연료 생성물 스트림 질소 농도가 상기 연료 스트림 질소 농도보다 더 크고, 상기 혼합 스트림이 상기 냉각된 LNG 스트림과 하류 유체 연통한 상태인 단계; 및
(d) 질소 증기 스트림의 일부분을 포함하는 재순환 스트림을 정류관을 위한 환류로서 재순환시키는 단계;
이에 따라서, 단계 (c)로 인해 상기 연료 생성물 스트림 질소 농도가 LNG 생성물 스트림 질소 농도와 무관하게 조절될 수 있는 것인, 방법.
양태 2: 양태 1에 있어서, 단계 (c)가 혼합 스트림의 흐름을 조절하여 일정 연료 생성물 스트림 질소 농도 범위 내의 연료 생성물 스트림 질소 농도를 생산하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
양태 3: 양태 1 또는 2에 있어서, 단계 (b)의 상기 다수의 상 분리 중 적어도 하나가 정류관에서 수행되고, 상기 연료 스트림이 정류관의 하단 말단에서의 액체로서 인출되는 것인, 방법.
양태 4: 양태 1 내지 3중 어느 한 항에 있어서, (e) 상기 질소 증기 스트림과 연료 스트림을 상대하여 상기 재순환 스트림을 냉각시키는 단계를 포함하는 방법.
양태 5: 양태 4에 있어서, 단계 (e)가 상기 연료 스트림을 증기화하여 상기 재순환 스트림을 냉각시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
양태 6: 양태 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서, (d1) 단계 (e)를 수행하기 전에 상기 재순환 스트림을 압축하고 이것에 대해 주변 열 교환을 수행하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
양태 7: 양태 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
(f) 연료 생성물 스트림을 사용하는 적어도 하나의 가스 터빈에 전력을 전달하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
양태 8: 양태 7에 있어서,
(g) 상기 연료 생성물 스트림을 사용하는 단계 (a)를 수행하기 위해 사용되는 냉각제를 압축하기 위해 개조된 적어도 하나의 압축기를 구동하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
양태 9: 양태 1 내지 8 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 상 분리가 상기 냉각된 LNG 스트림을 상 분리하여 플래쉬 가스 스트림과 상기 LNG 생성물 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 방법.
양태 10: 양태 9에 있어서, 상기 냉각된 LNG 스트림이 플래쉬 드럼을 사용하여 상 분리된 것인, 방법.
양태 11: 양태 1 내지 10 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각된 LNG 스트림이 정류관을 사용하여 상 분리된 것인, 방법.
양태 12: 양태1 내지 11 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 상 분리가 상기 플래쉬 가스 스트림의 적어도 제1 부분을 정류관에 유입시켜 상기 질소 증기 스트림과 연료 스트림을 생산하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 방법.
양태 13: 양태 12에 있어서, 상기 혼합 스트림이 상기 플래쉬 가스 스트림의 제2 부분을 포함하는 것인, 방법.
양태 14: 양태 1 내지 13 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합 스트림이 단계 (e)의 하류에 있는 연료 스트림과 배합되는 것인, 방법.
양태 15: 양태 1 내지 14 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합 스트림이 상기 연료 스트림과 배합되기 전에 압축 및 냉각되는 것인, 방법.
양태 16: 양태 1 내지 15 중 어느 한 항에 있어서,
(h) 상기 질소 증기 스트림을 배출하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
양태 17: 양태 1 내지 16 중 어느 한 항에 있어서:
(h) 상기 질소 증기 스트림을 저장하는 단계를 추가로 포함하는 방법.
양태 18: 천연 가스 공급 스트림을 액화하고 그것에서 질소를 제거하되, 하기를 포함하는 방법:
(a) 주요 극저온 열교환기에서 천연 가스 공급 스트림을 적어도 일부분 액화하여 냉각된 LNG 질소 농도를 갖는 냉각된 LNG 스트림을 형성하는 단계;
(b) 플래쉬 드럼 또는 정류관에서 상기 냉각된 LNG 스트림을 LNG 생성물 스트림 질소 농도를 갖는 LNG 생성물 스트림과 플래쉬 가스 스트림 질소 농도를 갖는 플래쉬 가스 스트림으로 분리하는 단계;
(c) 정류관에서 상기 플래쉬 가스 스트림의 적어도 제1 부분을 분리하여 증기 스트림 질소 농도를 갖는 질소 증기 스트림과 연료 스트림 질소 농도를 갖는 연료 스트림을 생산하는 단계;
(d) 상기 연료 스트림을 혼합 스트림과 배합하여 상기 연료 스트림 질소 농도보다 더 높은 연료 생성물 스트림 질소 농도를 갖는 연료 생성물 스트림을 형성하되, 상기 혼합 스트림이 상기 플래쉬 가스 스트림의 제2 부분을 포함하는 단계;
(e) 상기 질소 증기 스트림을 재순환 스트림과 배출 스트림으로 구분하는 단계;
(f) 상기 재순환 스트림을 압축 및 냉각시키는 단계; 및
(g) 상기 연료 스트림과 상기 질소 증기 스트림을 상대로 간접적인 열 교환에 의해 상기 재순환 스트림을 추가로 냉각시키는 단계.
양태 19: 양태 19에 있어서, 상기 증기 스트림 질소 농도가 상기 냉각된 LNG 질소 농도, 상기 연료 스트림 질소 농도 및 상기 LNG 생성물 스트림 질소 농도보다 더 큰 것인, 방법.
양태 20: 양태 19 또는 19에 있어서, 단계 (d)로 인해 상기 연료 생성물 스트림 질소 농도가 LNG 생성물 스트림 질소 농도와 무관하게 조절될 수 있는 것인, 방법.
양태 21: 양태 18 내지 20 중 어느 한 항에 있어서, 단계 (d)가 상기 혼합 스트림의 흐름을 조절하여 일정 연료 생성물 스트림 질소 농도 범위 내의 연료 생성물 스트림 질소 농도를 생산하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 방법.
본 발명은 이후 유사 번호가 유사 요소를 지칭하는 첨부된 도면과 관련하여 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 구현예에 따른 천연 가스 스트림을 액화하고 그것에서 질소를 제거하기 위한 방법 및 장치를 묘사하는 도식적 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 제2 구현예에 따른 방법 및 장치를 묘사하는 도식적 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 제3 구현예에 따른 방법 및 장치를 묘사하는 도식적 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 제4 구현예에 따른 방법 및 장치를 묘사하는 도식적 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 제5 구현예에 따른 방법 및 장치를 묘사하는 도식적 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 제6 구현예에 따른 방법 및 장치를 묘사하는 도식적 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 제7 구현예에 따른 방법 및 장치를 묘사하는 도식적 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 제8 구현예에 따른 방법 및 장치를 묘사하는 도식적 흐름도이다.
도 9는 본 발명의 제9 구현예에 따른 방법 및 장치를 묘사하는 도식적 흐름도이다.
뒤이은 상세한 설명은 바람직한 예시적 구현예를 제공할 뿐이며, 본 발명의 범위, 응용도 또는 구성을 제한하기 위한 것이 아니다. 오히려, 뒤이은 바람직한 예시적 구현예의 상세한 설명은 당해 기술의 숙련가에게 본 발명의 바람직한 예시적 구현예를 구현하기 위한 가능한 설명을 제공한다. 본 발명의 원칙 및 범위에서 벗어나지 않으면서 요소의 기능 및 배치에 다양한 변화를 줄 수 있다.
본 발명의 기술에 도움을 주기 위해, 방향성 용어들이 본 명세서와 청구항에 사용되어 본 발명의 일부분을 기술할 수 있다(예를 들어, 상부, 하부, 좌측, 우측 등). 이와 같은 방향성 용어들은 본 발명을 기술 및 청구하는 데 도움을 주기 위한 것일 뿐, 어떤 식으로든 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니다. 추가적으로, 도면과 관련하여 명세서에 유입된 참조 번호는 본 명세서에 추가적인 설명 없이 하나 이상의 추후 도면에서 반복되어 다른 특징들에 대한 문맥을 제공할 수 있다.
달리 지시되지 않는 한, 본원에 사용된 부정관사 "a"와 “an"은 본 명세서 및 청구항에 기술된 본 발명의 구현예의 특징들에 적용되는 경우, 하나 이상을 의미한다. "a"와 "an"의 사용은, 구체적으로 언급되지 않는 한, 단일 특징에 대한 의미를 제한하지 않는다. 단수 명사 또는 복수 명사 또는 명사구 앞의 정관사 "the"는 특정한 명시된 특징 또는 명시된 특징들을 지칭하며 그것이 사용된 문맥에 따라 단수 또는 복수의 함축된 의미를 가질 수 있다.
본 명세서 및 청구항에서 사용되는 용어 "관(conduit)"은 시스템의 둘 이상의 구성물품 사이로 유체가 운반될 때 통과할 수 있는 하나 이상의 구조물을 가리킨다. 예를 들어, 관은 액체, 증기 및/또는 가스를 운송하는 배관, 덕트, 통로 및 이들의 조합물을 포함할 수 있다.
본 명세서 및 청구항에 사용되는 용어 "흐름 연통" 또는 "유체 흐름 연통"은 둘 이상의 요소가 유체가 상기 요소들 사이를 흐를 수 있게 하는 방식으로 (직접적으로 또는 간접적으로) 연결됨을 의미하는 것으로, 이와 같은 연결에는 밸브, 게이트, 티(tee) 또는 유체 흐름을 선택적으로 제한, 통합 또는 분리할 수 있는 기타 장치를 함유할 수 있는 연결들이 포함된다.
본 명세서 및 청구항에 사용되는 용어 "천연 가스"는 주로 메탄으로 이루어진 탄화수소 가스 혼합물을 의미한다. 본원에 사용된 용어 "천연 가스"는 합성 및 치환된 천연 가스 또한 아우른다. 상기 천연 가스 공급 스트림은 메탄과 질소를 포함한다(메탄은 전형적으로 주요 구성요소임). 전형적으로, 상기 천연 가스 공급 스트림은 질소 농도가 1 내지 10 몰%이고 본원에 기술된 방법 및 장치는 상기 천연 가스 공급 스트림 중 질소 농도가 비교적 낮은 경우에도, 예컨대 5 몰% 이하인 경우에도, 상기 천연 가스 공급 스트림에서 효과적으로 질소를 제거할 수 있다.
상기 천연 가스 스트림은 보통 다른 구성요소들, 예컨대, 예를 들면 하나 이상의 기타 탄화수소 및/또는 기타 구성요소들, 예컨대 헬륨, 이산화탄소, 수소 등을 또한 함유할 것이다. 하지만, 상기 스트림의 냉각 및 액화 중에 주요 열교환기에서 동결되는 여러 농도의 어떤 추가적인 구성요소를 함유해서는 안 된다. 이에 따라서, 주요 열교환기로 유입되기 이전에, 상기 천연 가스 공급 스트림은 필요한 경우 필요한 만큼 상기 천연 가스 공급 스트림에서 물, 산성 가스, 수은 및 중질(heavy) 탄화수소를 제거하여 상기 천연 가스 공급 스트림 중 이와 같은 어떤 구성요소의 농도를 동결 문제를 야기하지 않을 정도의 수준으로 감소시키기 위해 전처리될 수 있다.
본 명세서 및 청구항에 사용되는 용어 "탄화수소", "탄화수소 가스" 또는 "탄화수소 유체"는 적어도 하나의 탄화수소를 포함하는 가스/유체를 의미하고, 이 경우에 탄화수소는 상기 가스/유체의 전체 조성의 적어도 80 몰%, 및 좀 더 바람직하게는 적어도 90 몰%를 포함한다.
본원에서 달리 언급되지 않는 한, 본 명세서, 도면 및 청구항에서 확인되는 모든 백분율은 몰% 기반임이 이해되어야 한다. 본원에서 달리 언급되지 않는 한, 본 명세서, 도면 및 청구항에서 확인되는 모든 압력은 게이지 압력을 의미함이 이해되어야 한다.
본 명세서 및 청구항에 사용되는 용어 "압축 시스템"은 하나 이상의 압축 단계로 정의된다. 예를 들어, 압축 시스템은 단일 압축기 내에서 다중 압축 단계를 포함할 수 있다. 대안적인 예에서, 압축 시스템은 병렬 또는 직렬의 다중 압축기들을 포함할 수 있다.
본원에서 달리 언급되지 않는 한, 일 위치에서 스트림을 유입하는 것은 상기 위치에서 실질적으로 모든 스트림을 유입하는 것을 의미하는 것이다. 본 명세서에서 논의되고 도면에 나타낸(전형적으로 정상적인 작동 중 유체 흐름의 전반적인 방향을 보여주는 화살표가 있는 선으로 표현됨) 모든 스트림은 상응하는 관 내에 함유된 것으로 이해되어야 한다. 각각의 관은 적어도 하나의 유입구와 적어도 하나의 유출구가 있는 것으로 이해되어야 한다. 추가적으로, 장비의 각 부품의 조각은 적어도 하나의 유입구와 적어도 하나의 유출구가 있는 것으로 이해되어야 한다.
청구항에서, 청구된 단계들을 확인하기 위해 문자(예를 들어, (a), (b) 및 (c))가 사용된다. 이들 문자는 방법 단계들을 가리키는 데 도움을 주기 위해 사용되며, 청구항의 단계들이 수행되는 순서를, 그와 같은 순서가 청구항에서 구체적으로 언급되지 않는 한 그리고 구체적으로 언급되는 정도로만, 지시하는 것이 아니다.
본원에 개시된 예시적 천연 가스 액화 시스템 구현예 모두가 폐쇄형 냉각(closed-loop refrigeration)이지만, 본원에 개시된 신규한 개념은 개방형 또는 폐쇄형 압축 어느 쪽을 사용하든지 모든 천연 가스 액화 시스템에 동등하게 적용가능함에 주의해야 한다.
달리 지시되지 않는 한, 본원에 사용된 스트림은 상기 스트림 중 질소의 농도가 천연 가스 공급 스트림 중 질소의 농도보다 높을 경우 “질소가 풍부한” 것이다. 스트림 중 질소 농도가 천연 가스 공급 스트림 중 질소 농도보다 낮을 경우, 상기 스트림은 "질소가 감손된" 것이다.
본원에 기술된 방법 및 장치에서, 달리 지시되지 않는 한, 스트림은 상기 스트림을 임의의 적합한 팽창 장치를 통과시킴으로써 팽창될 수 있고, 및/또는 액체 또는 2상 스트림의 경우, 팽창되고 부분적으로 증기화될 수 있다. 예를 들어, 스트림은 팽창 밸브 또는 J-T 밸브, 또는 상기 스트림의 정엔탈피 팽창(그래서 플래쉬 증발)을 (본질적으로) 초래하는 기타 장치에 통과되어 팽창되고 부분적 증기화될 수 있다. 추가적으로, 또는 대안적으로, 스트림은 예를 들어 작업 추출(work-extracting) 장치, 예컨대 예를 들면 수압 터빈 또는 터보 팽창기에 통과되고 작업 팽창됨으로써 팽창되고 부분적으로 증기화되어, (본질적으로) 상기 스트림의 등엔트로피 팽창을 초래할 수 있다.
본원에 사용되는 용어 "상 분리"는 하나 이상의 유입 스트림을 가스 및 액체 유출 스트림으로 분리하는 임의의 공정, 예컨대 증류, 정류, 탈기 및 단순 플래쉬 분리를 포함하는 것이다.
본원에 사용되는 용어 "정류관"은 정류 및 탈기 둘 다를 포함하는 관 뿐만 아니라, 정류만을 갖는 관을 가리키는 것이다.
본원에 사용되는 용어 "주요 열교환기"는 상기 천연 가스 스트림의 전부 또는 일부를 냉각 및 액화하여 냉각된 LNG 스트림을 생산하는 역할을 맡은 열교환기를 가리키는 것이다. 상기 열교환기는 직렬로 및/또는 병렬로 배열된 하나 이상의 냉각부로 이루어질 수 있다. 이와 같은 각각의 냉각부는 자체 하우징을 갖는 별도의 열교환기를 구성할 수 있으나, 이와 마찬가지로 냉각부가 공통 하우징을 함께 쓰는 단일 열교환기로 조합될 수도 있다. 상기 열교환기 장치(들)은 임의의 적절한 유형일 수 있는데, 예컨대 비제한적으로, 셸 및 관(tube), 권취된 코일, 또는 판형 및 핀(fin)형 열교환기 장치일 수 있다. 이와 같은 장치에서, 각각의 냉각부는 전형적으로 자체의 관 다발(셸과 관 또는 권취된 코일 형태의 장치) 또는 판형 및 핀형 다발(판형 및 핀형의 장치)을 포함할 것이다.
주요 열교환기용 냉각의 일부 또는 전부는 폐쇄형 냉각 시스템에 의해 제공되되, 냉각제는 상기 주요 열교환기를 통과하여 데워지고 응축기 열교환기를 통과하여 데워진 폐쇄형 냉각 시스템에 의해 순환된다. 상기 폐쇄형 냉각 시스템은 적합한 유형이라면 어떤 것이든 될 수 있다. 하나 이상의 폐쇄형 시스템을 포함하고, 본 발명에 따라 사용될 수 있는 예시적 냉각 시스템에는 단일 혼합 냉각제(SMR) 시스템, 이중 혼합 냉각제(DMR) 시스템, 혼성 프로판 혼합 냉각제(C3MR) 시스템, AP-X® 시스템(질소 팽창 사이클 과냉각이 있는 C3MR 또는 DMR), 질소, 메탄, 기타 가스 또는 혼합물을 사용하는 증기 팽창 사이클, 및 기타 다중수준 캐스케이드 냉각 시스템, 예컨대 ConocoPhillips Optimized Cascade® 공정이 포함된다.
도 1에서, 본 발명의 일 구현예에 따른 천연 가스 액화 시스템(100) 중 천연 가스 공급 스트림에서 질소를 제거하는 장치 및 방법이 보여진다. 천연 가스 공급 스트림(101)이 주요 극저온 열교환기(MCHE)(102)의 온열(따뜻한) 말단에 유입된다. 냉각된 LNG 스트림(111)이 MCHE(102)의 냉온(차가운) 말단에서 인출된다. 도 1에 묘사된 구현예에서, MCHE(102)는 직렬로 2개의 냉각부, 즉 천연 가스 공급 스트림(101)이 사전냉각되는 온열부(103) 및 천연 가스 공급 스트림(101)이 액화 및 과냉각된 냉온부(105)로 이루어진다. 천연 가스 공급 스트림(101)이 유입되는 온열부(103)의 말단이 따라서 MCHE(102)의 온열 말단을 구성하고, 냉각된 LNG 스트림(111)이 인출되는 냉온부(105)의 말단이 따라서 MCHE(102)의 냉온 말단을 구성한다.
본원에서 인식되는 바와 같이 본원의 문맥에서 용어 '따뜻한(온열)'과 '차가운(냉온)'은 냉각부 내의 상대적 온도만을 가리키며, 어느 특정한 온도 범위를 암시하지 않는다. 이들 냉각부 각각은 자체적인 셸, 케이싱 또는 다른 형태의 하우징을 가진 별도의 열교환기를 구성할 수 있으나, 냉온부 모두가 공용 하우징을 함께 사용하는 단일 열교환기에 조합될 수 있다. 열교환기는 적합한 형태라면 어떤 것이든 될 수 있는데, 예컨대 비제한적으로 셸 및 관, 권취된 코일 또는 판형 및 핀형 열교환기 장치일 수 있다. 이와 같은 장치에서, 각각의 냉각부는 전형적으로 자체적인 관다발(셸 및 관 또는 권취된 코일 형태의 장치) 또는 판형 및 핀형 다발 (판형 및 핀형의 장치)을 포함할 것이다.
도 1에 묘사된 구현예에서, MCHE(102)의 냉각은 온열부(warm section)(103)의 셸(shell)측(온열부에 냉각 제공)에 통과되는 제1 차가운 냉각제 스트림(106)을 형성하는 따뜻한 다발 냉각제(104)에 의해 제공된다. 차가운 다발 냉각제(108)가 감압되어 냉온부(104)의 셸 측에 통과되어 상기 냉온부에 냉각을 제공하는 제2 차가운 다발 냉각제 스트림(110)을 형성한다. 제1 및 제2 냉각제는 동일한 또는 상이한 냉각제일 수 있고, 동일한 또는 상이한 개방형 또는 폐쇄형 냉각 시스템의 일부일 수 있다.
냉각된 LNG 스트림(111)은 MCHE(102)의 냉온 말단에서 인출되고 JT 밸브(112)를 통해 팽창되어 팽창된 냉각 LNG 스트림(113)이 생산되고, 이어서 이것은 플래쉬 드럼(114)에서 감압된다. 플래쉬 드럼(114)의 하단의 액체 상 LNG 생성물 스트림(115)이 펌프(126)를 통해 끌어올려져서 관(128)을 통해 LNG 저장 탱크(도시되지 않음)로 보내진다. 바람직하게는, LNG 스트림(115)의 질소 함량은 1 몰% 미만이다.
플래쉬 가스 스트림(116)이 플래쉬 드럼(114)의 상단에서 인출되고, 플래쉬 가스 스트림(116)의 제1 부분(123)이 정류관(130)으로 보내진다. 플래쉬 가스 스트림(116)은 냉각된 LNG 스트림(111)에 비해 질소가 풍부하다. 바람직하게는, 플래쉬 가스 스트림(116)의 질소 함량은 10 내지 50 몰%이다. 이와 같은 예에서, 플래쉬 가스 스트림(116)의 질소 함량은 30 내지 35 몰%이다. 플래쉬 가스 스트림(116)의 제2 부분(117)이 바이패스 스트림(117)을 형성하는데, 이것에 대해서는 본원에서 더 상세히 논의될 것이다.
정류관(130)의 오버헤드 스트림(131)이 말단플래쉬 교환기(121)에서 데워져 밸브(134)를 통해 대기(135)로 배출되는 데 적합한 질소 증기 스트림(132)이 생산된다. 질소 증기 스트림(132)은 바람직하게는 질소 농도가 90 몰%를 초과하고, 더욱 바람직하게는, 99 몰%를 초과한다. 질소 증기 스트림(132)은 바람직하게는 메탄 몰 농도가 1000 ppm 이하이고, 바람직하게는 0.1 ppm 내지 1000 ppm의 범위에 속한다.
정류관 액체 스트림은 연료 스트림(119)이라고도 불리며, 정류관(130)의 하단에서 인출되어, 플래쉬 가스 스트림(116)의 제2 부분(117)에 선택적으로 배합되어 연료 생성물 스트림(120)이 형성되고, 이어서 말단플래쉬 교환기(121)에서 데워지고 증기화되어 증기화된 연료 스트림(122)이 생산된다. 증기화된 연료 스트림(122)은 냉각된 LNG 스트림(111)에 비해 질소-감손된 상태이고, 바람직하게는 연료 공급을 받는 장비에 의해 요구되는 최대 연료 가스 질소 농도에 매우 가깝지만, 그러나 그 이하인 질소 농도를 갖는다.
플래쉬 가스 스트림(116)의 제2 부분(117)을 정류관(130)의 상류에 있는 정류관 액체 스트림(119)으로 향하게 하고 제2 부분(117)(본 예에서는, 밸브(118))의 흐름을 조절할 수단을 제공함으로써, 플래쉬 가스 스트림(116)의 질소 함량과 무관하게 증기화된 연료 스트림(122) 중 질소 함량의 조절이 가능해진다. 플래쉬 가스 스트림(116)의 제2 부분(117)은 증기화된 연료 스트림(122)의 질소 함량을 조절하기 위해 사용될 수 있는 혼합 스트림으로 작용한다. 이로써 저용량 정류관(130)이 사용될 수 있고, 정류를 수행하기 위해 필요한 전력이 감소되며, 플래쉬 가스 스트림(116)의 질소 함량이 상기 연료에 허용되는 최대치보다 높을 경우, 가스 터빈의 전력 출력량이 최대화된다. 예를 들어, 연료 스트림(122)에 대한 최대 허용 질소 농도는 15 몰%이고, 플래쉬 가스 스트림(116)의 제2 부분(117)의 유속은 연료 스트림(122)의 질소 농도가 13 내지 15 몰%로 유지되도록, 바람직하게는 가스 터빈 연료 중 최대 질소 농도가 5% 미만, 또는 2% 미만 또는 1% 미만이 되도록 조절될 수 있다.
바람직하게는, 질소 증기 스트림(132)의 제1 부분(133)만이 밸브(134)를 통해 대기(135)로 배출된다. 질소 증기 스트림(132)의 제2 부분(136)은 압축기(137)에서 재압축되어, 압축된 질소 스트림(138)이 생산된다. 압축된 질소 스트림(138)은 냉각기(139)에서 냉각되어, 냉각 및 압축된 질소 스트림(140)이 생산된다. 냉각 및 압축된 질소 스트림(140)은 더 나아가 말단플래쉬 교환기(121)에서 냉각 및 액화되어 액화 질소 스트림(141)이 생산된다. 상기 액화 질소 스트림(141)이 J-T 밸브(142)에서 팽창되어, 정류관(130)의 상단으로 돌아가 정류관(130)에 환류를 제공하는 환류 스트림(143)이 생산된다. 냉각된 LNG 스트림(111) 중 질소 농도가 일정 값 아래로 떨어지면, 밸브(134)는 닫히고, 냉각된 LNG 스트림(111) 중 질소 농도가 증가하면, 그러한 경우 밸브가 다시 개방될 수 있다. 다시 말하자면, 질소 제거가 필요하지 않은 경우, 질소 제거 하위시스템이 쉴 수 있고, 질소 농도가 증가하면/증가하는 경우 재빨리 반응할 준비를 한다.
대안적으로, 혼합 스트림은 플래쉬 가스 스트림(116)의 제2 부분(117) 대신 스트림(133)의 일부분을 포함할 수 있다. 이 때문에 상기 혼합 스트림이 말단플래쉬 교환기(121)의 하류에서 인출될 수 있으며, 이것이 단일상의 혼합 스트림(2상일 수 있는 제2 부분(117)의 경우 대신)을 야기한다.
도 2 는 천연 가스 액화 시스템(200)의 또 다른 예시적 구현예를 보여준다. 도 1과 관련하여 보여지고 기술된 본 구현예의 요소들이 100씩 늘어난 참조 번호로 도 2에서 확인된다. 예를 들어 도 1에서 MCHE(102)는 도 2에서 MCHE(202)에 상응한다. 도 1의 상응하는 요소들과 다르지 않은, 도 2에서 확인되는 요소들은 도 2와 관련하여 명세서에 논의되지 않을 수도 있다.
도 2에 보여진 구현예에서, 도 1에 나타낸 플래쉬 드럼(114)은 정류관(230)으로 보내지는 질소가 풍부한 증기 상 스트림(플래쉬 가스)(216)에서 질소의 농도를 증가시키기 위한 목적으로, 뒤끓임 장치(205)와 질소 탈기장치 관(224)으로 대체되었다. MCHE의 냉각된 LNG 스트림(211)은 질소 탈기장치 관(224)의 하단 스트림(209)을 상대로 뒤끓임 장치(205)에서 과냉각된다. 질소 탈기장치 관(215)의 하단 액체 스트림(215)은 펌프(226)와 관(228)을 통해 저장소로 보내진다.
도 3은 천연 가스 액화 시스템(300)의 또 다른 예시적 구현예를 보여주는데, 여기서 정류관(330)이 플래쉬 드럼(314)의 상류에 제공된다. 도 1과 관련하여 보여지고 기술된 본 구현예의 요소들이 200씩 늘어난 참조 번호로 도 3에서 확인된다. 예를 들어, 도 1의 MCHE(102)는 도 3의 MCHE(302)에 상응한다. 도 1의 상응하는 요소와 다르지 않은, 도 3에서 확인된 요소들은 도 3과 연관하여 본 명세서에 논의되지 않을 수도 있다. MCHE(302)에서 인출된 냉각된 LNG 스트림(311)은 밸브(312)에 의해 감압되어, 정류관(330)에 유입되는 팽창된 냉각 LNG 스트림(313)이 형성된다. 질소가 풍부한 정류관 오버헤드 스트림(331)이 NRU 교환기(321)에서 데워져, 질소 증기 스트림(332)이 형성된다. 질소 증기 스트림(333)의 제1 부분이 대기(335)로 배출된다. 질소 증기 스트림(332)의 제2 부분(336)이 압축기(337)에서 재압축되고, 냉각기(339)에서 냉각된 후, NRU 교환기(321)에서 액화되어 정류관(330)에서 환류로 사용된다. 본 예에서, 정류관(330)은 플래쉬 드럼(314)보다 더 높은 압력에서 작동된다. 정류관(330)과 플래쉬 드럼(314) 사이의 압력 차를 바꿈으로써, 스트림(355 및 306)에 대한 조절이 가능하고, 따라서, 궁극적으로 연료 생성물 스트림(361)의 질소 농도에 대한 독립적인 조절을 제공한다.
정류관 액체 스트림(319)이 정류관(330)의 하단에서 인출된다. 정류관 액체 스트림(319)의 제1 부분(379)이 펌프(305)를 통해 끌어올려져 스트림(306)이 되고, NRU 교환기(321)에서 증기화되어, 궁극적으로 연료(361)로 사용된다. 정류관 액체 스트림(319)의 제2 부분(343)이 JT 밸브(312)에서 팽창되어 플래쉬 드럼(314)에서 플래싱된다. 플래쉬 드럼(314)의 오버헤드 증기 스트림(355)이 천연 가스 공급 스트림(350)을 상대로 말단플래쉬 교환기(351)에서 데워져, 데워진 증기 스트림(356)과 LNG 스트림(352)이 형성된다. LNG 스트림(352)이 팽창 밸브(353)를 통과하면서 팽창되어 팽창된 LNG 스트림(354)이 형성되고, 이것이 플래쉬 드럼(314)에 유입된다. 데워진 증기 스트림(356)이 압축기(357)에서 압축되어 압축된 데워진 증기 스트림(358)이 형성된다. 압축된 데워진 증기 스트림(358)이 냉각기(359)에서 냉각되어, 냉각된 압축 증기 스트림(360)이 형성된다. 냉각된 압축 증기 스트림(360)이 정류관(330)의 증기화된 액체(324)와 배합되어 배합된 연료 생성물 스트림(361)이 형성된다. 도 1의 스트림(160)과 유사하게, 연료 생성물 스트림(361)은 가스 터빈에서 연료로 사용되기에 적합한 농도보다 약간 작은 질소 농도를 갖는다. 예를 들어, 가스 터빈을 위한 최대 허용 연료 가스 질소 함량이 30 몰%이라면, 연료 생성물 스트림(361)의 질소 함량은 28 내지 30 몰%이다. 스트림(350)은 NRU 교환기(321) 중 오버헤드 증기 스트림에 상대하여 냉각되어, 플래쉬 드럼(314)으로 보내진다.
정류관 액체 스트림(319)의 제2 부분(343)을 플래쉬 드럼(314)으로 향하게 하여 오버헤드 증기 스트림(355)을 형성하고 제2 부분(343)의 흐름을 조절하는 수단(본 예에서는, 밸브(312))을 제공함으로써, 정류관 액체 스트림(319)의 제1 부분(379)의 질소 함량와 무관하게 증기화된 연료 스트림(361) 중 질소 함량의 조절을 가능하게 한다. 제2 부분(343)은 증기화된 연료 스트림(361)의 질소 함량을 조절하는 데 사용될 수 있는 혼합 스트림의 역할을 한다. 이로써 저용량 정류관(330)이 사용될 수 있고 정류를 수행하기 위해 필요한 전력이 감소된다. 예를 들어, 증기화된 연료 스트림(361)용 최대 허용 질소 농도가 15 몰%인 경우, 정류관 액체 스트림의 제2 부분(343)의 유량은 연료 스트림(361)의 질소 농도를 10 내지 15 몰%로 유지하기 위해 조절될 수 있다.
도 4는 천연 가스 액화 시스템(400)의 또 다른 대안적 구현예를 보여준다. 도 1과 관련하여 보여지고 기술된 본 구현예의 요소들이 300씩 증가된 참조 번호로 도 4에서 확인된다. 예를 들어, 도 1의 MCHE(102)는 도 4의 MCHE(402)에 상응한다. 도 1의 상응하는 요소들과 다르지 않은, 도 4에서 확인된 요소들은 도 4와 관련하여 본 명세서에서 논의되지 않을 수도 있다. 도 4의 구현예에서, 고압 플래쉬 드럼(414)이 사용되어 질소 정류관(430)의 효율이 개선된다. MCHE(402)의 냉각된 LNG 스트림(411)이 JT 밸브(412)를 통해 팽창되어 고압 플래쉬 드럼(414)에서 감압된다. 플래쉬 가스 스트림(416)이 고압 플래쉬 드럼(414)의 상단에서 인출되고 정류관(430)으로 공급되어, 추가적으로 플래쉬 가스 및 연료 가스에서 질소가 제거된다. 오버헤드 스트림(431)이 정류관(430)의 상단에서 인출되고 NRU/말단플래쉬 교환기(421)에서 데워져, 질소 스트림(432)이 형성된다. 질소 스트림(433)의 제1 부분이 대기(435)로 배출된다. 질소 스트림(436)의 제2 부분이 압축기(437)에서 재압축되고, 냉각기(439)에서 냉각되어 NRU/말단플래쉬 교환기(421)에서 액화된 후, 질소 정류관(430)에 환류(443)로서 사용된다.
정류관 액체 스트림(419)이 정류관(430)의 하단에서 인출되고 펌프를 통해 NRU/말단플래쉬 교환기(421)로 끌어올려져서, 궁극적으로는 연료(461)로 사용된다.
액체 상 LNG 스트림(415)이 고압 플래쉬 드럼(414)의 하단에서 인출된다. 고압 플래쉬 드럼(414)의 액체 상 LNG 스트림(415)이 JT 밸브(462)를 통해 팽창되고, 이어서 LNG 플래쉬 드럼(463)에서 플래쉬되어 분리된다. 오버헤드 증기 스트림(465)이 LNG 플래쉬 드럼(463)의 상단에서 인출된다. 오버헤드 증기 스트림(465)은 NRU/말단플래쉬 교환기에서 데워져 데워진 증기 스트림(456)이 형성된다. 데워진 증기 스트림(456)이 압축기(457)에서 압축되어 압축된 데워진 증기 스트림(455)이 형성된다. 압축된 데워진 증기 스트림(455)이 냉각기(459)에서 냉각되어 냉각된 압축 증기 스트림(460)이 형성된다. 냉각된 압축 증기 스트림(460)은 정류관(424)의 증기화된 액체와 배합되어 배합된 연료 스트림(461)이 형성된다. 바람직하게는, 배합된 연료 스트림(461)은 질소 농도가 15 몰% 미만으로, 가스 터빈에서 연료로 사용되기에 적합하다.
액체 상 LNG 스트림(464)이 LNG 플래쉬 드럼(463)의 하단에서 인출되어 펌프(426)를 통해 저장소(428)로 끌어올려진다.
도 5는 천연 가스 액화 시스템(500)의 또 다른 대안적 구현예를 보여준다. 도 1과 관련하여 또한 보여지고 기술된 본 구현예의 요소들이 400씩 증가된 참조 번호로 도 5에서 확인된다. 예를 들어, 도 1의 MCHE(102)는 도 5의 MCHE(502)에 상응한다. 도 1의 상응하는 요소들과 다르지 않은, 도 5에서 확인되는 요소들은 도 5와 관련하여 본 명세서에서 논의되지 않을 수도 있다. 도 5의 구현예에서, 고압 플래쉬 드럼(514)이 사용되어 데워지고 이어서 연료 압력으로 압축되어 플래쉬 가스 스트림(516)이 생산되고, 이것이 혼합 스트림(560)을 제공한다. 혼합 스트림(560)은 연료 스트림(524)과 혼합되어, 배합된 연료 스트림(561)에서 질소 농도가 조절된다.
도 5와 관련하여, MCHE(502)의 냉각된 LNG 스트림(511)이 고압 플래쉬 드럼(514)에서 감압된다. 액체 상 LNG 스트림(515)이 고압 플래쉬 드럼(514)의 하단에서 인출된다. 고압 플래쉬 드럼(514)의 액체 상 LNG 스트림(515)은 JT 밸브(562)를 통해 팽창되고 정류관(530)에 공급되어 LNG에서 질소가 추가로 제거된다.
정류관 오버헤드 증기 스트림(531)이 정류관(530)의 상단에서 인출된다. 정류관 오버헤드 증기 스트림(531)은 액체 상 LNG 스트림(515)과 비교하여 질소가 풍부하다. 정류관 오버헤드 증기 스트림(531)이 NRU/말단플래쉬 교환기(521)에서 데워져 질소 스트림(532)이 형성된다. 질소 스트림(533)의 제1 부분이 대기(535)로 배출된다. 질소 스트림(536)의 제2 부분은 압축기(537)에서 재압축되고, 냉각기(539)에서 냉각되어, NRU/말단플래쉬 교환기(521)에서 액화됨으로써, 정류관(543)에 환류로 사용된다.
정류관 액체 스트림(563)의 제1 부분(579)이 정류관(530)의 하단에서 인출되고, 펌프(505)를 통해 NRU/말단플래쉬 교환기(521)로 끌어올려지는데, 여기서 데워져서 증기화되어, 궁극적으로 연료(561)로 사용되는 가스 스트림이 형성된다. 정류관 액체 스트림(563)의 제2 부분(564)이 펌프(526)를 통해 저장소(528)로 이송된다.
고압 플래쉬 드럼(514)의 플래쉬 가스 스트림(516)이 NRU/말단플래쉬 교환기(521)에서 데워져서 데워진 증기 스트림(556)이 형성된다. 데워진 증기 스트림(556)이 압축기(557)에서 압축되어 압축된 데워진 증기 스트림(558)이 형성된다. 압축된 데워진 증기 스트림(558)은 냉각기(559)에서 냉각되어 냉각된 압축 증기 스트림(560)이 형성된다. 냉각된 압축 증기 스트림(560)은 정류관(524)의 증기화된 액체와 배합되어 배합된 연료 스트림(561)이 형성된다. 바람직하게는, 배합된 연료 스트림(561)은 질소 농도가 연료에서의 최대 질소 농도보다 낮고(예를 들어, 연료에서 최대 질소 농도가 15%인 경우, 13~15 몰%), 가스 터빈에서 연료로 사용되기에 적합하다.
도 6은 천연 가스 액화 시스템(600)의 또 다른 대안적 구현예를 보여준다. 도 1과 관련하여 또한 보여지고 기술된 본 구현예의 요소들이 500씩 증가된 참조 번호로 도 6에서 확인된다. 예를 들어, 도 1의 MCHE(102)는 도 6의 MCHE(602)에 상응한다. 도 1의 상응하는 요소들과 다르지 않은, 도 6에서 확인되는 요소들은 도 6과 관련하여 본 명세서에서 논의되지 않을 수도 있다. 도 6의 구현예에서, 고압 플래쉬 드럼(614)이 사용되어 질소 정류관(630)의 효율이 개선된다.
도 6과 관련하여, MCHE(602)의 냉각된 LNG 스트림(611)은 고압 플래쉬 드럼(614)에서 감압된다.
플래쉬 가스 스트림(616)이 고압 플래쉬 드럼(614)의 상단에서 인출된다. 플래쉬 가스 스트림(616)은 LNG 플래쉬 드럼(663)의 플래쉬 증기 스트림(665)을 상대로 열교환기(666)에서 냉각되어, 냉각된 질소가 풍부한 증기 스트림(668)이 형성된다. 냉각된 질소가 풍부한 증기 스트림(668)은 JT 밸브(669)를 통해 팽창되어 정류관(630)으로 공급된다.
정류관 오버헤드 증기 스트림(631)이 정류관(630)의 상단에서 인출된다. 정류관 오버헤드 증기 스트림(631)이 NRU/말단플래쉬 교환기(621)에서 데워져 질소 스트림(632)이 형성된다. 질소 스트림(633)의 제1 부분이 대기(635)로 배출된다. 질소 스트림(636)의 제2 부분이 압축기(637)에서 재압축되고, 냉각기(639)에서 냉각되어 NRU/말단플래쉬 교환기(621)에서 액화된 후, 정류관(643)에 환류로 사용된다.
정류관 액체 스트림(619)이 정류관(630)의 하단에서 인출되어 펌프를 통해 NRU/말단플래쉬 교환기(621)로 이송되고, 여기서 증기화되어 증기화된 스트림(624)이 형성되어, 궁극적으로 연료(661)로 사용된다.
액체 상 LNG 스트림(615)이 고압 플래쉬 드럼(614)의 하단에서 인출된다. 액체 상 LNG 스트림(615)은 JT 밸브(662)를 통해 팽창되고, 이어서 LNG 플래쉬 드럼(663)에서 플래쉬되어 분리된다. LNG 플래쉬 드럼(663)의 플래쉬 증기 스트림(665)이 열교환기(666) 중 정류관(616)에 공급되는 수증기를 상대로 우선 데워지고, 이어서 NRU/말단플래쉬 교환기(621)에서 데워져 데워진 증기 스트림(656)이 형성된다. 데워진 증기 스트림(656)이 압축기(657)에서 압축되어 압축된 데워진 증기 스트림(658)이 형성된다. 압축된 데워진 증기 스트림(658)이 냉각기(659)에서 냉각되어 냉각된 압축 증기 스트림(660)이 형성된다. 냉각된 압축 증기 스트림(660)은 정류관(630)의 증기화된 액체와 배합되어 배양된 연료 스트림(661)이 형성된다. 바람직하게는, 배합된 연료 스트림(661)은 질소 농도가 15 몰% 미만으로, 가스 터빈에서 연료로 사용되기에 적합하다.
액체 LNG 스트림(664)이 LNG 플래쉬 드럼(663)의 하단에서 제거되어 펌프(626)를 통해 저장소(628)로 이송된다.
도 7은 천연 가스 액화 시스템(700)의 대안적 구현예를 보여준다. 도 1과 관련하여 또한 보여지고 기술된 본 구현예의 요소들이 600씩 증가된 참조번호로 도 7에서 확인된다. 예를 들어, 도 1의 MCHE(102)는 도 7의 MCHE(702)에 상응한다. 도 1에서 상응하는 요소들과 다르지 않은, 도 7에서 확인되는 요소들은 도 7과 관련하여 본 명세서에서 논의되지 않을 수도 있다. 도 7의 구현예에서, 고압 질소 탈기장치 관(705)이 도 4의 고압 플래쉬 드럼(414)을 대체한다.
도 7과 관련하여, MCHE(702)의 냉각된 LNG 스트림(711)이 질소 탈기장치 관(714)의 하단의 뒤끓임 장치 스트림(709)을 상대로 과냉각된다. 고압 질소 탈기장치 관(714)의 오버헤드 증기 스트림(716)이 정류관(730)에 공급되어 플래쉬/연료 가스에서 질소가 제거된다. 관(731)의 질소 증기가 NRU/말단플래쉬 교환기(721)에서 데워져서 질소 스트림(732)이 형성된다. 질소 스트림(733)의 제1 부분이 대기(735)로 배출된다. 질소 스트림(736)의 제2 부분은 (압축기(737)에서) 재압축되고, (열교환기(739)에서) 냉각되어 NRU/말단플래쉬 교환기(721)에서 액화된 후, 관(730)에서 환류(743)로 사용된다.
정류관(730)의 액체(719)가 끌어올려져(705) NRU/말단플래쉬 교환기(721)에서 증기화되어, 연료(761)로 사용된다. 질소 탈기장치 관(714)의 액체 스트림(715)이 LNG 플래쉬 드럼(763)에서 플래쉬되고 분리된다. LNG 플래쉬 드럼(763)의 증기 스트림(765)이 사용되어 혼합 스트림이 형성되고, 이것이 연료 생성물 스트림(761)에서 질소 농도를 조절하기 위해 사용된다. LNG 플래쉬 드럼(763)의 증기 스트림(765)이 NRU/말단플래쉬 교환기(721)에서 데워지고, 정류관(730)의 증기화된 액체와 배합된다. 배합된 연료 스트림(761)은 가스 터빈에서 연료로 적합한 감소된 질소 함량(15% 미만의 질소)을 갖는다. LNG 생성물 스트림(725)은 LNG 플래쉬 드럼(763)에서 인출되어 저장소(728)로 보내진다.
도 8은 천연 가스 액화 시스템(800)의 또 다른 대안적 구현예를 보여준다. 도 1과 관련하여 또한 보여지고 기술된 본 구현예의 요소들이 700씩 증가된 참조 번호로 도 8에서 확인된다. 예를 들어, 도 1의 MCHE(102)는 도 8의 MCHE(802)에 상응한다. 도 1의 상응하는 요소들과 다르지 않은, 도 8에서 확인되는 요소들은 도 8과 관련하여 본 명세서에서 논의되지 않을 수도 있다. 도 8의 구현예에서, NRU/말단플래쉬 교환기(821)가 대기(835)로 배출된 질소보다 더 차가운 온도에서 환류(843)를 위해 사용되는 재순환된 질소(836)를 압축하도록 도 4의 시스템이 변형된다.
도 9는 천연 가스 액화 시스템(900)의 또 다른 대안적 구현예를 보여준다. 도 1과 관련하여 또한 보여지고 기술된 본 구현예의 요소들이 800씩 증가된 참조 번호로 도 8에서 확인된다. 예를 들어, 도 1의 MCHE(102)는 도 9의 MCHE(902)에 상응한다. 이전 도면에 기술된 상응하는 요소들과 다르지 않은, 도 9에서 확인되는 요소들은 도 9와 관련하여 본 명세서에서 논의되지 않을 수도 있다. 도 9의 구현예는 도 2에 나타낸 구현예와 상당히 유사하다. 본 구현예(900)에서, 연료 가스 스트림(993)의 질소 함량을 독립적으로 조절하기 위해 사용되는 혼합 스트림은 압축 질소 스트림(940)에서 분리된 스트림(995)이다. 이와 같은 배치는 정류관(930)의 액체(919)를 펌프에서 끌어올림으로써 연료 압축기 요건을 감소시키거나 또는 없애는 능력을 제공한다. 대안적으로, 연료 가스 스트림(993)의 질소 함량의 조절이 질소 증기 스트림(932)에서 분리된 스트림(994)에 의해 제공될 수 있다.
실시예
표 1은 도 2에 나타낸 구현예의 천연 가스 액화 및 질소 제거 시스템의 작동의 모형화된 예이다. 본 실시예는 정상적으로 2.5% 질소를 갖는 공급 가스 스트림(201)을 기반으로 한다. 상기 공정은 0.65% 미만의 질소를 갖는 LNG, 23.5% 미만의 질소를 갖는 연료, 800 ppm의 메탄을 가지고 대기로 배출되는 질소를 생산하는 데 최적화되었다.
Figure pat00001
이와 같이, 예시적 구현예 및 이것의 대안적 구현예의 측면에서 발명이 개시되었다. 물론 본 발명의 교시에서 다양한 변화, 변형 및 변경이 상기 교시의 의도된 원리 및 범위에서 벗어나지 않으면서, 당해기술의 숙련가에 의해 고안될 수 있다. 첨부된 청구항의 조건에 의해 본 발명만이 제한되도록 의도되었다.

Claims (21)

  1. 천연 가스 공급 스트림을 액화하고 그것에서 질소를 제거하되, 하기를 포함하는 방법:
    (a) 천연 가스 공급 스트림을 냉각시키고 적어도 일부분 액화시켜 냉각된 LNG 질소 농도를 갖는 냉각된 LNG 스트림을 형성하는 단계;
    (b) 상기 냉각된 LNG 스트림과 하류 유체 연통한 상태로 다수의 상 분리를 수행하여 증기 스트림 질소 농도를 갖는 질소 증기 스트림, 연료 스트림 질소 농도를 갖는 연료 스트림 및 LNG 생성물 스트림 질소 농도를 갖는 LNG 생성물 스트림을 생산하되, 상기 증기 스트림 질소 농도가 상기 냉각된 LNG 질소 농도, 상기 연료 스트림 질소 농도 및 상기 LNG 생성물 스트림 질소 농도보다 큰 단계;
    (c) 상기 연료 스트림을 혼합 스트림과 배합하여 연료 생성물 스트림 질소 농도를 갖는 연료 생성물 스트림을 형성하되, 상기 연료 생성물 스트림 질소 농도가 상기 연료 스트림 질소 농도보다 더 크고, 상기 혼합 스트림이 상기 냉각된 LNG 스트림과 하류 유체 연통한 상태인 단계; 및
    (d) 상기 질소 증기 스트림의 일부분을 포함하는 재순환 스트림을 정류관을 위한 환류로서 재순환하는 단계;
    이에 따라서, 단계 (c)로 인해 상기 연료 생성물 스트림 질소 농도가 상기 LNG 생성물 스트림 질소 농도와 무관하게 조절될 수 있는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 단계 (c)가 상기 혼합 스트림의 흐름을 조절하여 일정 연료 생성물 스트림 질소 농도 범위 내의 연료 생성물 스트림 질소 농도를 생성하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  3. 제1항에 있어서, 단계 (b)의 다수의 상 분리 중 적어도 하나가 정류관에서 수행되고, 상기 연료 스트림이 상기 정류관의 하단 말단에서 액체로 인출되는 것인, 방법.
  4. 제1항에 있어서, (e) 상기 질소 증기 스트림과 상기 연료 스트림을 상대로 상기 재순환 스트림을 냉각시키는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 단계 (e)가 상기 연료 스트림을 증기화하여 상기 재순환 스트림을 냉각시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    (d1) 단계 (e)를 수행하기 전에 상기 재순환 스트림을 압축하고, 그것에 대해 주변 열 교환(ambient heat exchange)을 수행하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    (f) 상기 연료 생성물 스트림을 사용하는 적어도 하나의 가스 터빈에 전력을 전달하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    (g) 상기 연료 생성물 스트림을 사용하여 단계 (a)를 수행하기 위해 사용되는 냉각제를 압축하기 위해 개조된 적어도 하나의 압축기를 구동시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 다수의 상 분리가 상기 냉각된 LNG 스트림을 상 분리하여 플래쉬 가스 스트림과 상기 LNG 생성물 스트림을 생성하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 냉각된 LNG 스트림이 플래쉬 드럼을 사용하여 상 분리된 것인, 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 냉각된 LNG 스트림이 정류관을 사용하여 상 분리된 것인, 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 다수의 상 분리가 상기 플래쉬 가스 스트림의 적어도 제1 부분을 상기 정류관에 유입시킴으로써 상기 질소 증기 스트림과 상기 연료 스트림을 생성하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 혼합 스트림이 상기 플래쉬 가스 스트림의 제2 부분을 포함하는 것인, 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 혼합 스트림이 단계 (e)의 하류에서 연료 스트림과 배합되는 것인, 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 혼합 스트림이 상기 연료 스트림과 배합되기 전에 압축되고 냉각되는 것인, 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    (h) 상기 질소 증기 스트림을 배출하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    (h) 상기 질소 증기 스트림을 저장하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  18. 제1항에 있어서, 단계 (d)가 상기 혼합 스트림의 흐름을 조절함으로써 일정 연료 생성물 스트림 질소 농도 범위 내의 연료 생성물 스트림 질소 농도를 생성하는 단계를 추가로 포함하는 것인, 방법.
  19. 천연 가스 공급 스트림을 액화하고 그것에서 질소를 제거하되, 하기를 포함하는 방법:
    (a) 주요 극저온 열교환기에서 천연 가스 공급 스트림을 적어도 부분적으로 액화하여 냉각된 LNG 질소 농도를 갖는 냉각된 LNG 스트림을 형성하는 단계;
    (b) 플래쉬 드럼 또는 정류관에서 상기 냉각된 LNG 스트림을 LNG 생성물 스트림 질소 농도를 갖는 LNG 생성물 스트림과 플래쉬 가스 스트림 질소 농도를 갖는 플래쉬 가스 스트림으로 분리하는 단계;
    (c) 정류관에서 상기 플래쉬 가스 스트림의 제1 부분을 분리하여 증기 스트림 질소 농도를 갖는 질소 증기 스트림과 연료 스트림 질소 농도를 갖는 연료 스트림을 생산하는 단계;
    (d) 상기 연료 스트림을 혼합 스트림과 배합하여 상기 연료 스트림 질소 농도보다 더 높은 연료 생성물 스트림 질소 농도를 갖는 연료 생성물 스트림을 형성하되, 상기 혼합 스트림이 상기 플래쉬 가스 스트림의 제2 부분을 포함하는 단계;
    (e) 상기 질소 증기 스트림을 재순환 스트림과 배출 스트림으로 구분하는 단계;
    (f) 상기 재순환 스트림을 압축하고 냉각시키는 단계; 및
    (g) 상기 연료 스트림과 상기 질소 증기 스트림을 상대로 간접적인 열 교환에 의해 상기 재순환 스트림을 추가로 냉각시키는 단계.
  20. 제19항에 있어서, 상기 증기 스트림 질소 농도가 상기 냉각된 LNG 질소 농도, 상기 연료 스트림 질소 농도 및 상기 LNG 생성물 스트림 질소 농도보다 더 큰 것인, 방법.
  21. 제19항에 있어서, 단계 (d)로 인해 상기 연료 생성물 스트림 질소 농도가 상기 LNG 생성물 스트림 질소 농도와 무관하게 조절될 수 있는 것인, 방법.
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