WO2012026631A1 - 천연가스 하이드레이트 제조 장치 및 천연가스 하이드레이트 제조 방법 - Google Patents

천연가스 하이드레이트 제조 장치 및 천연가스 하이드레이트 제조 방법 Download PDF

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윤용석
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안정혁
하문근
전석구
안훈
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    • B01J2219/182—Details relating to the spatial orientation of the reactor horizontal

Definitions

  • the present invention relates to a natural gas hydrate manufacturing apparatus and a natural gas hydrate manufacturing method.
  • Natural gas is a clean fossil fuel that is subject to fierce competition for resource development because of the world's soaring demand because carbon dioxide per fuel mass is significantly lower than coal and petroleum.
  • Natural gas produced in the gas field is used as fuel through transportation and storage process after removing most sulfur, carbon dioxide, water and high molecular hydrocarbon components except methane.
  • the representative sea transportation method is Liquified Natural Gas (LNG), and the LNG compressibility is about 600 based on standard methane.
  • the LNG method is limited in securing economic feasibility due to the cryogenic demand of liquefied natural gas, and is applicable only to gas fields above a certain scale (about 3 TCFs (trillions of cubic feet)).
  • Methane the main component of natural gas, needs to be below 162 degrees Celsius in order to be stable as a liquid at atmospheric pressure.
  • Metallic materials used in LNG facilities exposed to cryogenic conditions have high concentrations of expensive nickel to minimize brittleness. Should be included as In addition, there is a disadvantage in that a large amount of BOG (Boil Off Gas) due to heat inflow due to the large temperature difference with the outside in the transport and storage process.
  • BOG Bit Off Gas
  • GTS Gas To Solid
  • a solid gas hydrate which transports / stores natural gas as a storage medium
  • Technology is actively being studied.
  • Professor Gudmundsson of Norway presented the theory of hydrate self preservation effect, developed countries including Japan began developing core technologies necessary for the realization of the GTS method with the aim of commercialization.
  • Natural Gas Hydrate is a crystal mixture in which natural gas molecules are trapped in a solid-phase lattice of water-molecules with hydrogen bonds. Its appearance is similar to ice, and stable at a given temperature at a certain temperature. Keep it. Low temperature below 80 degrees Celsius is required for methane hydrate to be thermodynamically stable at atmospheric pressure, but even at around 20 degrees Celsius, an ice film is produced on the surface of hydrate particles, and the self-preservation effect of hydrate decomposition is delayed for several weeks. It became.
  • the gas compression rate of natural gas hydrates is about 170 (about 170 cc of standard state natural gas is stored in 1 cc of hydrate), which is disadvantageous compared to LNG.However, due to the favorable temperature conditions required for transportation and storage, natural gas hydrates are used for small and medium gas fields. It is theoretically verified that the GTS method used is an economic alternative to the LNG method.
  • the urea technology constituting the GTS method includes a natural gas hydrate pellet (NGHP) production technology that converts natural gas into pellet hydrates before transporting and storing natural gas, and then decomposes natural gas hydrate pellets. There is a regasification technique for recovering natural gas.
  • NGHP natural gas hydrate pellet
  • Korean Patent No. 100720270 discloses a method of producing hydrate by injecting high pressure methane gas and ice water into a reactor, and many other domestic and foreign patents have proposed a method of producing a gas hydrate.
  • the present invention is a natural gas hydrate manufacturing apparatus and natural gas hydrate manufacturing apparatus capable of continuously producing a large amount of natural gas hydrate by removing the heat generated during the production of natural gas hydrate using latent heat of ice slurry without using a heat exchanger Can be provided.
  • the ice slurry generating unit for producing an ice slurry having an ice fraction of 13% to 20% at atmospheric pressure, and one end is connected to the ice slurry generating unit so that the ice slurry is withdrawn from the ice slurry generating unit
  • a hydrate manufacturing reactor having a first conduit interposed with a boosting pump for boosting an ice slurry, a boosted ice slurry connected to the other end of the first conduit, a natural gas supplied thereto, and mixed with each other to generate a natural gas hydrate slurry;
  • a natural gas hydrate manufacturing apparatus including a second conduit connected to the hydrate making reactor and a dehydration part connected to the other end of the second conduit so as to extract the natural gas hydrate slurry to dehydrate the natural gas hydrate slurry.
  • the boost pump may boost the ice slurry to 50 bar to 70 bar.
  • the hydrate manufacturing reactor may comprise a pipe, one end of which is connected to the first conduit, arranged horizontally, and an agitator installed along the pipe inside the pipe.
  • It may further include a pressure sensor for measuring the pressure in the pipe, it is possible to supply the natural gas to maintain a constant pressure in the pipe by measuring the pressure in the pipe through the pressure sensor.
  • Located at the other end of the pipe it may further include a temperature sensor for measuring the temperature of the natural gas hydrate slurry, it is possible to adjust the amount of natural gas hydrate slurry drawn out to the second conduit according to the temperature measured through the temperature sensor have.
  • the withdrawal amount of the natural gas hydrate slurry may be increased, and when the temperature is less than 2 degrees Celsius, the withdrawal amount of the natural gas hydrate slurry may be reduced.
  • the stirrer may comprise an impeller or a rotating screw.
  • Natural gas hydrate slurry prepared in the hydrate manufacturing reactor may have a hydrate fraction of 10% to 15%.
  • the dehydration unit may separate the natural gas hydrate slurry into a powder and water having a hydrate fraction of 90%.
  • the water separated in the dewatering part may be recovered to the ice slurry generating part.
  • forming an ice slurry having an ice fraction of 13% to 20% at atmospheric pressure and storing it in the ice slurry generating unit by boosting the ice slurry extracted from the ice slurry generating unit with a boosting pump Injecting natural gas into the hydrate making reactor through a first conduit, injecting natural gas into the hydrate making reactor, mixing ice slurry and natural gas in the hydrate making reactor to produce a natural gas hydrate slurry, generated in the hydrate making reactor
  • a natural gas hydrate manufacturing method comprising supplying a natural gas hydrate slurry to a dehydration portion via a second conduit and separating the natural gas hydrate slurry into natural gas hydrate powder and water in the dehydration portion.
  • the boost pump may boost the ice slurry to 50 bar to 70 bar.
  • the hydrate manufacturing reactor may comprise a pipe, one end of which is connected to the first conduit and arranged horizontally, and an agitator installed along the pipe inside the pipe, wherein the ice slurry and natural gas hydrate as it passes through the pipe. Slurry can be prepared.
  • the hydrate manufacturing reactor may further include a pressure sensor for measuring the pressure in the pipe, it is possible to supply the natural gas to maintain a constant pressure in the pipe by measuring the pressure in the pipe through the pressure sensor.
  • the hydrate manufacturing reactor which is located at the other end of the pipe, may further include a temperature sensor for measuring the temperature of the natural gas hydrate slurry, natural gas hydrate slurry is drawn to the second conduit according to the temperature measured through the temperature sensor You can adjust the amount.
  • the withdrawal amount of the natural gas hydrate slurry may be increased, and when the temperature is less than 2 degrees Celsius, the withdrawal amount of the natural gas hydrate slurry may be reduced.
  • Natural gas hydrate slurry prepared in the hydrate manufacturing reactor may have a hydrate fraction of 10% to 15%.
  • the dehydration unit may separate the natural gas hydrate slurry into a powder and water having a hydrate fraction of 90%.
  • the water separated in the dewatering part may be recovered to the ice slurry generating part.
  • a large amount of natural gas hydrate may be continuously produced by removing the generated heat generated when natural gas hydrate is generated by using latent heat of ice slurry without using a heat exchanger.
  • the latent heat of the ice slurry having a low ice fraction is used to produce a natural gas hydrate slurry having a low hydrate fraction, the pressure of the ice slurry and the natural gas hydrate slurry can be freely increased and transported, and thus the design freedom of the natural gas hydrate manufacturing apparatus is high. .
  • FIG. 1 is a block diagram of a natural gas hydrate manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view for explaining a hydrate manufacturing reactor of the natural gas hydrate manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a cross-sectional view of the hydrate manufacturing reactor of the natural gas hydrate manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a flow chart of a natural gas hydrate manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram of a natural gas hydrate manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a view for explaining a hydrate manufacturing reactor of the natural gas hydrate manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention
  • Figure 3 Is a cross-sectional view of a hydrate manufacturing reactor of a natural gas hydrate manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention. 1 to 3, the raw material water tank 12, the ice slurry generator 14, the ice slurry generator 16, the boosting pump 18, the first conduit 20, and the hydrate manufacturing reactor 22.
  • Second conduit 24 dewatering unit 26, gas supply line 28, raw water recovery line 30, valve 32, back pressure regulator 34, pipe 36, stirrer 38, The rotary blade 40, the rotating shaft 42, the water level 44, the pressure sensor 46, the temperature sensor 48, the water level sensor 50 is shown.
  • Natural gas hydrate manufacturing apparatus for producing an ice slurry having an ice fraction of 13% to 20% at normal pressure;
  • a first conduit 20 having one end connected to the ice slurry generator 16 so that the ice slurry is withdrawn from the ice slurry generator 16, and having a boost pump 18 for boosting the ice slurry;
  • a hydrate-producing reactor 22 connected to the other end of the first conduit 20 to flow up the ice slurry and in which natural gas is supplied and mixed with each other;
  • a second conduit 24 having one end connected to the hydrate production reactor 22 so that the natural gas hydrate slurry produced in the hydrate production reactor 22 is withdrawn;
  • a dehydration portion 26 connected to the other end of the second conduit 24 to dehydrate the natural gas hydrate slurry, thereby removing a large amount of natural gas by using the latent heat of the ice slurry to remove the generated heat generated during natural gas hydrate generation. Hydrates can be prepared continuously.
  • natural gas since 90% or more of the components of natural gas are methane gas, and hydrate is a mixture of methane and water molecules, natural gas is treated as the same as methane gas.
  • the heat generated when a phase of water and natural gas at 0 degrees Celsius is converted to natural gas hydrate is about 433 kJ / kg and the latent heat of melting of ice is about 335 kJ / kg. Therefore, the latent heat of ice is used to remove the heat of natural gas hydrate.
  • the ice slurry of 13% to 20% of the ice fraction may produce a natural gas hydrate slurry of 10% to 15% of the natural gas hydrate fraction in an adiabatic state.
  • the natural gas hydrate manufacturing apparatus can continuously generate natural gas hydrates by using latent heat of an ice slurry having an ice fraction capable of securing fluidity.
  • the term "continuously producing” means that the natural gas hydrate can be produced continuously without producing a natural gas hydrate in a batch form in one operation of the manufacturing apparatus. Therefore, the flowability of the ice slurry is very important for producing a continuous natural gas hydrate, the flowability of this ice slurry is affected by the fraction of ice contained in the ice slurry.
  • the natural gas hydrate fraction When natural gas hydrate is prepared using a natural gas hydrate slurry, the natural gas hydrate fraction must be at least 10% economical and less economical. Therefore, in order to prepare a natural gas hydrate slurry having a natural gas hydrate fraction of about 10% according to the present embodiment, an ice slurry having an ice fraction of about 13% and natural gas must be mixed in the hydrate manufacturing reactor 22. Of course, ice slurry having an ice fraction of about 13% can be secured.
  • the meaning of the ice fraction means the ratio of the ice mass to the total mass of the ice slurry
  • the meaning of the natural gas hydrate fraction means the ratio of the hydrate mass to the total mass of the natural gas hydrate slurry.
  • the ice slurry generator 16 produces an ice slurry having an ice fraction of 13% to 20% at normal pressure. In order to facilitate the fabrication and operation of the natural gas hydrate manufacturing apparatus, the ice slurry generator 16 should be able to manufacture the ice slurry at atmospheric pressure.
  • the ice slurry generating unit 16 is supplied from the raw water tank 12 in which the raw water is stored to the ice slurry generator 14 to generate an ice slurry having an ice fraction of 13% to 20%. Ice slurry generator 14 has been developed a variety of commercialized products, so a detailed description thereof will be omitted.
  • the first conduit 20 has one end connected to the ice slurry generator 16 so that the ice slurry is withdrawn from the ice slurry generator 16, and has a boost pump 18 for boosting the ice slurry in the middle.
  • the design freedom of the natural gas hydrate manufacturing apparatus according to the present embodiment is high. That is, the ice slurry generating unit 16, the hydrate manufacturing reactor 22, the dehydration unit 26 and the like can be installed at various positions through the conduits without being disposed immediately adjacent to the conduits.
  • the boosting pump 18 interposed in the first conduit 20 boosts the ice slurry to the pressure necessary to prepare the hydrate in the hydrate manufacturing reactor 22, which will be described later, to hydrate the production reactor 22 through the first conduit 20. To supply. Due to the fluidity of the ice slurry of 13% to 20% of the ice fraction, the ice slurry can be easily boosted by a boost pump 18 located outside the hydrate manufacturing reactor 22.
  • the ice slurry may be boosted to 50 bar to 70 bar. Since the equilibrium pressure of natural gas hydrate and water is about 26 bar at the melting point of ice at 0 degrees Celsius, additional pressure is required to obtain a natural gas hydrate manufacturing rate above a certain level, but excessive pressure increases the manufacturing cost of the hydrate manufacturing reactor 22. In order to increase rapidly, the pressure pump 18 can boost the ice slurry to 50 bar to 70 bar so that the size of the subcooling for driving the formation of the hydrate is 6.5 to 9.7 degrees Celsius.
  • the hydrate manufacturing reactor 22 is connected to the other end of the first conduit 20 to supply the ice slurry pressurized by the boost pump 18 and at the same time natural gas is supplied through the gas supply line 28 to be mixed with each other. Generate hydrate slurry.
  • a separate cooling device or heat exchanger is not installed, and the natural gas hydrate generated heat is removed by using latent heat of the ice slurry to generate a natural gas hydrate slurry.
  • the ice slurry of 13% to 20% of ice fraction and the natural gas are mixed while the natural gas hydrate is removed while the natural gas hydrate slurry of 10% to 15% of natural gas hydrate is removed.
  • the natural gas hydrate slurry of 10% to 15% of natural gas hydrate is removed.
  • the hydrate manufacturing reactor 22 includes a pipe 36 having one end connected to the first conduit 20 and arranged horizontally, and an agitator installed along the pipe 36 in the pipe 36. 38).
  • the ice slurry pressurized through the first conduit 20 is introduced at one end of the pipe 36 and natural gas is injected through the gas supply line 28 at one end of the pipe 36.
  • the ice slurry is transported along the pipe 36 to be continuously mixed with natural gas, gradually forming a natural gas hydrate, and the ice of the ice slurry is melted to reach the other end of the pipe 36, where the fraction of ice is close to 0%. Natural gas hydrate slurries can be produced. Therefore, the stirrer 38 is installed in the pipe 36 along the pipe 36 so that the ice slurry and the natural gas can be easily stirred with each other.
  • the feed rate of the ice slurry can be easily adjusted by adjusting the supply amount of the ice slurry supplied to the pipe 36.
  • the length of the pipe 36 may be determined by the diameter of the pipe 36, the conveying speed of the ice slurry, the amount of natural gas hydrate slurry to be produced, and the like. If the length of the pipe 36 is long, the installation space can be reduced by arranging the pipe 36 in a zigzag form.
  • the stirrer 38 may include a rotary blade 40 (impeller) or a rotary screw.
  • a rotary shaft 42 is installed along the central axis of the pipe 36, and a rotary blade 40 in the form of a clapper or pinwheel is installed on the rotary shaft 42 or a rotary screw is installed to rotate the rotary shaft 42. Accordingly, the ice slurry may be transferred to the other end of the pipe 36 while stirring the ice slurry and natural gas while the rotary blade 40 or the rotating screw rotates.
  • the pipe 36 of the hydrate manufacturing reactor 22 may be coupled to a pressure sensor 46 that can measure the pressure inside the pipe 36, the pipe 36 by measuring the pressure through the pressure sensor 46 Natural gas can be supplied to maintain a constant internal pressure.
  • the amount of ice slurry introduced into the pipe 36 through the first conduit 20 measures the level 44 of the ice slurry through the water level sensor 50 to measure the ice inside the pipe 36 arranged horizontally. Ice slurry may be supplied to maintain a constant space above the level 44 of the slurry.
  • the pipe 36 of the hydrate manufacturing reactor 22 may further include a temperature sensor 48 located at the other end of the pipe 36 and measuring the temperature of the natural gas hydrate slurry at the position.
  • the amount of natural gas hydrate slurry withdrawn to the second conduit 24 may be adjusted according to the temperature measured by the temperature sensor 48. For example, when the pressure in the hydrate manufacturing reactor 22 is 50 bar, when the temperature measured by the temperature sensor 48 is greater than 4 degrees Celsius, the withdrawal amount of the natural gas hydrate slurry is increased, and it is smaller than 2 degrees Celsius. In this case, it is possible to reduce the withdrawal amount of the natural gas hydrate slurry.
  • the temperature range that determines the increase or decrease of the withdrawal amount of the natural gas hydrate slurry is the temperature of the medium of the natural gas hydrate slurry is 0 degrees Celsius, the melting point of the ice after the ice is exhausted as the ice slurry is transported and the natural gas hydrate slurry is gradually formed From the process of rising to 6.5 degrees Celsius, the equilibrium temperature can be selected a section in which the change in temperature relatively occurs.
  • the second conduit 24 is connected at one end to the hydrate making reactor 22 so that the natural gas hydrate slurry is withdrawn.
  • the natural gas hydrate slurry has a natural gas hydrate fraction of 10% to 15% to ensure fluidity due to the ice fraction of 13% to 20% of the ice slurry through the second conduit 24 It can be easily moved, thereby freeing the design of the natural gas production apparatus according to this embodiment.
  • the second conduit 24 may be provided with a valve 32 to adjust the withdrawal amount of the natural gas hydrate slurry generated in the hydrate manufacturing reactor 22.
  • the dehydration portion 26 is connected to the other end of the second conduit 24 to dehydrate the natural gas hydrate slurry. Since the natural gas hydrate slurry contains a large amount of water, water is separated through the dehydration unit 26 to generate natural gas hydrate powder. This natural gas hydrate powder may then be prepared as a natural gas hydrate in pellet form. In order to manufacture the natural gas hydrate powder in the form of pellets, the dehydration unit 26 may separate the natural gas hydrate slurry into a powder having 90% natural gas hydrate and a water content of 10% and water. The water separated in the dewatering unit 26 may be recovered to the ice slurry generating unit 16 through the raw material water recovery line 30 and used to manufacture the ice slurry. A back pressure regulator 34 may be interposed in the raw material water recovery line 30 to maintain the pressure of the dewatering part 26.
  • the natural gas hydrate manufacturing apparatus is produced in the production of natural gas hydrate by supplying continuously to the hydrate manufacturing reactor 22 using a boost pump 18 after producing the ice slurry at normal pressure Natural gas hydrate slurry can be produced continuously by removing the generated heat using latent heat of ice.
  • FIG. 4 is a flow chart of a natural gas hydrate manufacturing method according to an embodiment of the present invention. 1 and 4, a natural gas hydrate manufacturing method according to the present embodiment will be described.
  • Natural gas hydrate manufacturing method forming an ice slurry having an ice fraction of 13% to 20% at atmospheric pressure and storing in the ice slurry generating unit 16;
  • the ice slurry extracted from the ice slurry generating unit 16 is boosted by a boosting pump 18 and injected into the hydrate manufacturing reactor 22 through the first conduit 20, and natural gas is injected into the hydrate manufacturing reactor 22.
  • an ice slurry having an ice fraction of 13% to 20% at atmospheric pressure is formed and stored in the ice slurry generating unit 16 (S100).
  • the ice slurry generator 16 should be able to produce an ice slurry at atmospheric pressure.
  • the ice slurry generator 16 may supply raw water of an image to the ice slurry generator 14 from the raw water tank 12 in which the raw water is stored to generate an ice slurry having an ice fraction of 13% to 20%.
  • the ice slurry generator 14 can be manufactured using known techniques.
  • the ice slurry withdrawn from the ice slurry generating unit 16 is boosted by a boosting pump 18 and injected into the hydrate manufacturing reactor 22 through the first conduit 20, and natural gas is hydrated manufacturing reactor 22. Inject into) (S200).
  • the boosting pump 18 interposed in the first conduit 20 boosts the ice slurry to the pressure necessary to prepare the hydrate in the hydrate manufacturing reactor 22, which will be described later, to hydrate the production reactor 22 through the first conduit 20. To supply.
  • the fluidity of the ice slurry is ensured, so that the ice slurry can be easily transferred through the first conduit 20.
  • the boost pump 18 located outside the hydrate manufacturing reactor 22.
  • the ice slurry may be boosted to 50 bar to 70 bar.
  • the ice slurry boosted by the boost pump 18 is introduced into the hydrate manufacturing reactor 22 through the first conduit 20 and simultaneously supplied with natural gas.
  • the ice slurry and the natural gas are mixed in the hydrate production reactor 22 to produce a natural gas hydrate slurry (S300).
  • a natural gas hydrate slurry S300
  • the ice slurry and the natural gas pressurized through the boost pump 18 are introduced into the hydrate manufacturing reactor 22, the ice slurry and the natural gas are mixed with each other to generate a natural gas hydrate slurry. Since the latent heat of the ice slurry is used to remove the heat generated from the natural gas hydrate, the installation of a separate cooling device or heat exchanger may be omitted in the hydrate manufacturing reactor 22.
  • a natural gas hydrate slurry having a natural gas hydrate fraction of 10% to 15% is generated by removing the heat of natural gas hydrate generation while mixing the ice slurry of 13% to 20% ice fraction and natural gas in an adiabatic state. Can be.
  • the hydrate manufacturing reactor 22 used in the natural gas hydrate manufacturing method according to the present embodiment includes a pipe 36 having one end connected to the first conduit 20 and arranged horizontally, and a pipe (inside the pipe 36). Agitator 38 may be installed along 36. Since it is the same as described above, a detailed description thereof will be omitted.
  • the pipe 36 of the hydrate manufacturing reactor 22 is coupled with a pressure sensor 46 capable of measuring the pressure inside the pipe 36 to measure the pressure through the pressure sensor 46 to the pressure inside the pipe 36. Natural gas can be supplied to keep this constant.
  • the amount of ice slurry introduced into the pipe 36 through the first conduit 20 supplies a constant ice slurry so that a constant space is maintained on the surface of the ice slurry inside the pipe 36 arranged horizontally.
  • the pipe 36 of the hydrate manufacturing reactor 22 may further include a temperature sensor 48 located at the other end of the pipe 36 and measuring the temperature of the natural gas hydrate slurry at the position.
  • the amount of natural gas hydrate slurry withdrawn to the second conduit 24 may be adjusted according to the temperature measured by the temperature sensor 48. For example, when the pressure of the hydrate manufacturing reactor 22 is 50 bar, when the temperature measured by the temperature sensor 48 is greater than 4 degrees Celsius, the withdrawal amount of the natural gas hydrate slurry is increased, and it is smaller than 2 degrees Celsius. In this case, it is possible to reduce the withdrawal amount of the natural gas hydrate slurry.
  • the natural gas hydrate slurry produced in the hydrate manufacturing reactor 22 is supplied to the dehydration unit 26 via the second conduit 24 (S400).
  • the natural gas hydrate slurry produced in the hydrate manufacturing reactor 22 has a natural gas hydrate fraction of 10% to 15% to ensure fluidity due to the ice fraction of 13% to 20% of the ice slurry, so the second conduit ( It can be easily supplied to the dehydration unit 26 through 24.
  • the second conduit 24 may be provided with a valve 32 to adjust the withdrawal amount of the natural gas hydrate slurry generated in the hydrate manufacturing reactor 22.
  • the natural gas hydrate slurry is separated into natural gas hydrate powder and water (S500). Since the natural gas hydrate slurry contains a large amount of water, water is separated through the dehydration unit 26 to generate natural gas hydrate powder. This natural gas hydrate powder may then be prepared as a natural gas hydrate in pellet form. In order to manufacture the natural gas hydrate powder in the form of pellets, the dehydration unit 26 may be separated into a powder of 90% natural gas hydrate and a water content of 10% and water. The water separated in the dewatering unit 26 may be recovered to the ice slurry generating unit 16 and used to manufacture the ice slurry.

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Abstract

천연가스 하이드레이트 제조 장치와 천연가스 하이드레이트 제조 방법이 개시된다. 상압에서 얼음 분율이 13% 내지 20%인 얼음 슬러리를 제조하는 얼음 슬러리 생성부와, 얼음 슬러리 생성부로부터 얼음 슬러리가 인출되도록 일단이 얼음 슬러리 생성부에 연결되며, 얼음 슬러리를 승압하는 승압펌프가 개재되는 제1 도관과, 제1 도관의 타단에 연결되어 승압된 얼음 슬러리가 유입되고 천연가스가 공급되어 서로 혼합되어 천연가스 하이드레이트 슬러리를 생성하는 하이드레이트 제조 반응기와, 천연가스 하이드레이트 슬러리가 인출되도록 일단이 하이드레이트 제조 반응기와 연결되는 제2 도관 및 제2 도관의 타단에 연결되어 천연가스 하이드레이트 슬러리를 탈수하는 탈수부를 포함하는 천연가스 하이드레이트 제조 장치가 제공된다.

Description

천연가스 하이드레이트 제조 장치 및 천연가스 하이드레이트 제조 방법
본 발명은 천연가스 하이드레이트 제조 장치 및 천연가스 하이드레이트 제조방법에 관한 것이다.
천연가스는 연소 시 연료 질량 당 이산화탄소의 발생이 석탄과 석유에 비해 현저하게 적은 이유로 세계적으로 수요가 폭등하여 치열한 자원개발 경쟁의 대상이 되는 청정 화석연료이다.
가스전에서 생산된 천연가스는 메탄을 제외한 대부분의 황, 이산화탄소, 물, 고분자 탄화수소 성분 등을 제거하는 처리과정을 거친 후 수송 및 저장 과정을 통하여 연료로 사용된다.
천연가스 가격은 이윤과 이자를 제외하면 이 과정들을 구현하는 설비 및 운영 비용으로 구성되므로, 가스전의 크기, 소비지역과의 거리 및 기타 여건을 고려하여 가장 경제적인 수송 및 저장 방법을 선택한다. 현재 대표적인 해상 수송 방식은 액화천연가스(LNG; Liquified Natural Gas) 방식이며 LNG의 압축률은 표준상태 메탄을 기준으로 약 600 이다.
그러나, LNG 방식은 액화천연가스의 초저온 요구로 인하여 경제성 확보에 한계가 있으며 일정 규모 이상(현 기술 약 3 TCF(trillions of cubic feet))의 가스전에 대하여만 적용 가능하다.
천연가스의 주성분인 메탄이 상압 조건에서 액체로 안정적으로 존재하기 위해서는 영하 섭씨 162도 이하의 온도가 필요하다, 초저온 조건에 노출되는 LNG설비에 사용되는 금속재료는 취성을 최소화하도록 고가의 니켈이 고농도로 포함되어야 한다. 또, 수송과 저장과정에서 외부와 온도 차가 커서 열유입으로 인한 BOG(Boil Off Gas)가 대량으로 발생하는 단점이 있다.
이러한 단점을 극복하고 천연가스 생산비용을 감소시켜 상대적으로 작은 규모의 중소형 가스전 개발의 경제성을 확보하기 위해, 고체인 가스 하이드레이트(hydrate)를 저장 매체로 천연가스를 수송/저장하는 GTS(Gas To Solid) 기술이 활발하게 연구되기 시작하였다. 특히, 1990년 노르웨이의 Gudmundsson 교수가 하이드레이트의 자기보존 효과(self preservation effect) 이론을 제시하면서부터 일본을 비롯한 선진국들은 상용화를 목표로 GTS 방식의 실현에 필요한 핵심기술 개발에 착수하였다.
천연가스 하이드레이트(NGH; Natural Gas Hydrate)는 수소 결합을 하는 물분자의 고체상 격자 내에 천연가스 분자가 포집되는 결정 혼합물로 외형은 얼음과 유사하며 주어진 온도에서 특정 값 이상의 압력을 가하면 안정적으로 고체 상태를 유지한다. 메탄 하이드레이트가 상압에서 열역학적으로 안정하게 존재하려면 영하 섭씨 80도 이하의 저온이 요구되지만, 영하 섭씨 20도 부근에서도 하이드레이트 입자 표면에 얼음막이 제조되어 수 주 이상 하이드레이트의 분해가 지연되는 자기보존효과가 발견되었다.
천연가스 하이드레이트의 가스압축률은 약 170으로(약 170cc의 표준상태 천연가스가 하이드레이트 1 cc에 저장됨) LNG에 비해 불리하지만, 수송 및 저장에 필요한 온도 조건이 유리하여 중소형 가스전의 경우 천연가스 하이드레이트를 이용한 GTS방식이 LNG방식의 경제적 대안임이 이론적으로 검증되었다.
GTS방식을 구성하는 요소기술에는 천연가스의 수송/저장 과정 이전에 천연가스를 펠릿 형태의 하이드레이트로 변환하는 천연가스 하이드레이트 펠릿(NGHP; Natural Gas Hydrate Pellet) 생산 기술과 이후에 천연가스 하이드레이트 펠릿를 분해하여 천연가스를 회수하는 재가스화 기술이 있다.
최근에 한국등록특허 제100720270호에는 반응기 내부에 고압의 메탄 가스와 빙수를 분사하여 하이드레이트를 생산하는 방법이 기재되어 있고, 이밖에 다수의 국내외 특허에 가스 하이드레이트를 제조하는 방법이 제안되어 있다.
종래의 가스 하이드레이트 제조에 사용된 방법들은 공통적으로 하이드레이트의 생성열을 제거하기 위하여 반응기를 외부로부터 냉각하거나 내부의 열교환 장치를 포함하므로, 상용화 수준에 필요한 대량의 가스 하이드레이트를 고속으로 생산하기 위해 반응기의 크기를 대형화하는 경우 문제가 발생한다. 즉, 냉각기나 열교환 장치의 열교환 면적을 반응기 체적에 비례하여 증대하는 측면에 제한이 있어 천연가스 하이드레이트 생성열의 제거에 많은 시간이 소요되어 천연가스 하이드레이트를 대량생산 하는데 한계가 있다.
본 발명은 열교환 장치를 사용하지 않고 얼음 슬러리의 잠열을 이용하여 천연가스 하이드레이트 생성시 발생하는 생성열을 제거함으로써 대량의 천연가스 하이드레이트를 연속적으로 제조할 수 있는 천연가스 하이드레이트 제조 장치 및 천연가스 하이드레이트 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 상압에서 얼음 분율이 13% 내지 20%인 얼음 슬러리를 제조하는 얼음 슬러리 생성부와, 얼음 슬러리 생성부로부터 얼음 슬러리가 인출되도록 일단이 얼음 슬러리 생성부에 연결되며, 얼음 슬러리를 승압하는 승압펌프가 개재되는 제1 도관과, 제1 도관의 타단에 연결되어 승압된 얼음 슬러리가 유입되고 천연가스가 공급되어 서로 혼합되어 천연가스 하이드레이트 슬러리를 생성하는 하이드레이트 제조 반응기와, 천연가스 하이드레이트 슬러리가 인출되도록 일단이 하이드레이트 제조 반응기와 연결되는 제2 도관 및 제2 도관의 타단에 연결되어 천연가스 하이드레이트 슬러리를 탈수하는 탈수부를 포함하는 천연가스 하이드레이트 제조 장치가 제공된다.
승압펌프는 얼음 슬러리를 50bar 내지 70bar로 승압될 수 있다.
하이드레이트 제조 반응기는, 일단이 제1 도관에 연결되며, 수평으로 배치되는 파이프와, 파이프 내부에 파이프를 따라 설치되는 교반기를 포함할 수 있다.
파이프 내의 압력을 측정하는 압력센서를 더 포함할 수 있으며, 압력센서를 통하여 파이프 내의 압력을 측정하여 파이프 내부의 압력이 일정하게 유지되도록 천연가스를 공급할 수 있다.
파이프의 타단부에 위치하며, 천연가스 하이드레이트 슬러리의 온도를 측정하는 온도센서를 더 포함할 수 있으며, 온도센서를 통하여 측정된 온도에 따라 제2 도관으로 인출되는 천연가스 하이드레이트 슬러리의 양을 조절할 수 있다.
온도센서에서 측정된 온도가 섭씨 4도보다 큰 경우에는 천연가스 하이드레이트 슬러리의 인출량을 증가시키고, 섭씨 2도보다 작은 경우에는 천연가스 하이드레이트 슬러리의 인출량을 감소시킬 수 있다.
교반기는 회전날개(impeller) 또는 회전 스크류를 포함할 수 있다.
하이드레이트 제조 반응기에서 제조된 천연가스 하이드레이트 슬러리는 하이드레이트 분율이 10% 내지 15%일 수 있다.
탈수부는, 천연가스 하이드레이트 슬러리를 하이드레이트 분율 90%의 분말과 물로 분리할 수 있다.
탈수부에서 분리된 물은 얼음 슬러리 생성부로 회수될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상압에서 얼음 분율이 13% 내지 20%인 얼음 슬러리를 형성하고 얼음 슬러리 생성부에 저장하는 단계, 얼음 슬러리 생성부에서 인출된 얼음 슬러리를 승압펌프로 승압하여 제1 도관을 통하여 하이드레이트 제조 반응기로 주입하고, 천연가스를 하이드레이트 제조 반응기로 주입하는 단계, 얼음 슬러리와 천연가스를 하이드레이트 제조 반응기에서 혼합하여 천연가스 하이드레이트 슬러리를 생성하는 단계, 하이드레이트 제조 반응기에서 생성된 천연가스 하이드레이트 슬러리를 제2 도관을 거쳐 탈수부로 공급하는 단계 및 탈수부에서 천연가스 하이드레이트 슬러리를 천연가스 하이드레이트 분말과 물로 분리하는 단계를 포함하는 천연가스 하이드레이트 제조 방법이 제공된다.
승압펌프는 얼음 슬러리를 50bar 내지 70bar로 승압할 수 있다.
하이드레이트 제조 반응기는, 일단이 제1 도관에 연결되며, 수평으로 배치되는 파이프와, 파이프 내부에 파이프를 따라 설치되는 교반기를 포함할 수 있으며, 얼음 슬러리와 천연가스가 파이프를 통과함에 따라 천연가스 하이드레이트 슬러리가 제조될 수 있다.
하이드레이트 제조 반응기는, 파이프 내의 압력을 측정하는 압력센서를 더 포함할 수 있으며, 압력센서를 통하여 파이프 내의 압력을 측정하여 파이프 내부의 압력이 일정하게 유지되도록 천연가스를 공급할 수 있다.
하이드레이트 제조 반응기는, 파이프의 타단부에 위치하며, 천연가스 하이드레이트 슬러리의 온도를 측정하는 온도센서를 더 포함할 수 있으며, 온도센서를 통하여 측정된 온도에 따라 제2 도관으로 인출되는 천연가스 하이드레이트 슬러리의 양을 조절할 수 있다.
온도센서에서 측정된 온도가 섭씨 4도보다 큰 경우에는 천연가스 하이드레이트 슬러리의 인출량을 증가시키고, 섭씨 2도보다 작은 경우에는 천연가스 하이드레이트 슬러리의 인출량을 감소시킬 수 있다.
하이드레이트 제조 반응기에서 제조된 천연가스 하이드레이트 슬러리는 하이드레이트 분율이 10% 내지 15%일 수 있다.
탈수부는, 천연가스 하이드레이트 슬러리를 하이드레이트 분율 90%의 분말과 물로 분리할 수 있다.
탈수부에서 분리된 물은 얼음 슬러리 생성부로 회수될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 열교환 장치를 사용하지 않고 얼음 슬러리의 잠열을 이용하여 천연가스 하이드레이트 생성시 발생하는 생성열을 제거함으로써 대량의 천연가스 하이드레이트를 연속적으로 제조할 수 있다.
또한, 낮은 얼음 분율을 갖는 얼음 슬러리의 잠열을 이용하여 하이드레이트 분율이 낮은 천연가스 하이드레이트 슬러리가 생성되므로, 얼음 슬러리 및 천연가스 하이드레이트 슬러리의 승압 및 이송이 자유로워 천연가스 하이드레이트 제조 장치의 설계 자유도가 높다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스 하이드레이트 제조 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스 하이드레이트 제조 장치의 하이드레이트 제조 반응기를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스 하이드레이트 제조 장치의 하이드레이트 제조 반응기의 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스 하이드레이트 제조 방법의 순서도.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명에 따른 천연가스 하이드레이트 제조 장치 및 천연가스 하이드레이트 제조 방법의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스 하이드레이트 제조 장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스 하이드레이트 제조 장치의 하이드레이트 제조 반응기를 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스 하이드레이트 제조 장치의 하이드레이트 제조 반응기의 단면도이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 원료수 탱크(12), 얼음 슬러리 생성기(14), 얼음 슬러리 생성부(16), 승압펌프(18), 제1 도관(20), 하이드레이트 제조 반응기(22), 제2 도관(24), 탈수부(26), 가스공급라인(28), 원료수 회수라인(30), 밸브(32), 배압 레귤레이터(34), 파이프(36), 교반기(38), 회전날개(40), 회전축(42), 수위(44), 압력센서(46), 온도센서(48), 수위센서(50)가 도시되어 있다.
본 실시예에 따른 천연가스 하이드레이트 제조 장치는, 상압에서 얼음 분율이 13% 내지 20%인 얼음 슬러리를 제조하는 얼음 슬러리 생성부(16)와; 얼음 슬러리 생성부(16)로부터 얼음 슬러리가 인출되도록 일단이 얼음 슬러리 생성부(16)에 연결되며, 얼음 슬러리를 승압하는 승압펌프(18)가 개재되는 제1 도관(20)과; 제1 도관(20)의 타단에 연결되어 승압된 얼음 슬러리가 유입되고 천연가스가 공급되어 서로 혼합되는 하이드레이트 제조 반응기(22)와; 하이드레이트 제조 반응기(22)에서 제조된 천연가스 하이드레이트 슬러리가 인출되도록 일단이 하이드레이트 제조 반응기(22)와 연결되는 제2 도관(24); 및 제2 도관(24)의 타단에 연결되어 천연가스 하이드레이트 슬러리를 탈수하는 탈수부(26)를 포함하여, 얼음 슬러리의 잠열을 이용하여 천연가스 하이드레이트 생성시 발생하는 생성열을 제거함으로써 대량의 천연가스 하이드레이트를 연속적으로 제조할 수 있다.
본 실시예에 있어 천연가스의 성분 중 90% 이상이 메탄가스이고, 하이드레이트는 메탄 분자와 물 분자가 혼재되어 있는 것이므로, 천연가스를 메탄가스와 동일한 것으로 취급한다.
섭씨 0도의 물과 천연가스가 천연가스 하이드레이트로 상이 변할 때 발생되는 생성열은 약 433 kJ/kg 이며 얼음의 용융 잠열은 약 335 kJ/kg 이므로 얼음의 용융 잠열을 이용하여 천연가스 하이드레이트의 생성열을 제거하는 경우, 얼음 분율 13% 내지 20%의 얼음 슬러리는 단열상태로 천연가스 하이드레이트 분율 10% 내지 15%의 천연가스 하이드레이트 슬러리를 생산할 수 있다.
본 실시예에 따른 천연가스 하이드레이트 제조 장치는, 유동성을 확보할 수 있는 얼음 분율의 얼음 슬러리의 잠열을 이용함으로써 천연가스 하이드레이트를 연속적으로 생성할 수 있다. 여기서, ‘연속적으로 생산한다’는 의미는 제조장치의 한 번의 가동으로 배치(batch)형태로 천연가스 하이드레이트를 제조하는 것이 아니라 천연가스 하이드레이트가 끊김 없이 연속적으로 생산될 수 있음을 의미한다. 따라서, 연속적인 천연가스 하이드레이트를 생성하기 위해서는 얼음 슬러리의 유동성이 매우 중요하며, 이러한 얼음 슬러리의 유동성은 얼음 슬러리에 포함되는 얼음 분율에 영향을 받게 된다.
출원인의 연구에 의하면 경제성과 유동성을 확보할 수 있는 일정한 천연가스 하이드레이트 분율을 갖는 천연가스 하이드레이트 슬러리를 연속적으로 생산하기 위해서는 얼음 슬러리의 유동성이 필요하고, 일정한 천연가스 하이드레이트 분율을 갖는 천연가스 하이드레이트 슬러리를 생성하는데 있어서 얼음 슬러리의 얼음 분율이 13% 내지 20%가 효율적임을 알아내었다.
천연가스 하이드레이트 슬러리를 이용하여 천연가스 하이드레이트를 제조하는 경우, 천연가스 하이드레이트 분율이 최소 10% 이상이어야 경제적이며 그 이하는 경제성이 떨어진다. 따라서, 본 실시예에 따라 천연가스 하이드레이트 분율이 10% 정도인 천연가스 하이드레이트 슬러리를 제조하기 위해서는 얼음 분율이 13% 정도인 얼음 슬러리와 천연가스를 하이드레이트 제조 반응기(22)에서 혼합하여야 한다. 얼음 분율이 13% 정도인 얼음 슬러리는 유동성이 확보될 수 있음은 물론이다.
한편, 실험에 따르면 얼음 슬러리의 얼음 분율이 20%가 넘는 경우에는 얼음 슬러리의 유동성이 떨어져 도관(20)에서 이동성이 떨어지고 승압펌프(18)에 의한 승압이 매우 어렵다. 본 실시예에 따라 얼음 분율이 20% 정도인 얼음 슬러리와 천연가스를 하이드레이트 제조 반응기(22)에서 혼합하는 경우 천연가스 하이드레이트 분율이 15% 정도인 천연가스 하이드레이트 슬러리를 형성할 수 있다.
한편, 얼음 분율의 의미는 얼음 슬러리 전체 질량에 대한 얼음 질량의 비율을 의미하며, 천연가스 하이드레이트 분율의 의미는 천연가스 하이드레이트 슬러리 전체 질량에 대한 하이드레이트 질량의 비율을 의미한다.
얼음 슬러리 생성부(16)는 상압에서 얼음 분율이 13% 내지 20%인 얼음 슬러리를 제조한다. 천연가스 하이드레이트 제조 장치의 제작과 운영의 용이성을 위하여 얼음 슬러리 생성부(16)는 상압 상태에서 얼음 슬러리를 제조할 수 있어야 한다. 얼음 슬러리 생성부(16)는 원료수가 저장되어 있는 원료수 탱크(12)로부터 영상의 원료수가 얼음 슬러리 생성기(14)로 공급되어 얼음 분율 13% 내지 20%의 얼음 슬러리를 생성한다. 얼음 슬러리 생성기(14)는 다양한 상용화 제품이 개발되어 있으므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
제1 도관(20)은 얼음 슬러리 생성부(16)로부터 얼음 슬러리가 인출되도록 일단이 얼음 슬러리 생성부(16)에 연결되며, 중간에 얼음 슬러리를 승압하는 승압펌프(18)가 개재되어 있다.
얼음 분율이 13% 내지 20%의 얼음 슬러리를 사용함으로써 얼음 슬러리의 유동성이 확보되므로 제1 도관(20)을 통하여 얼음 슬러리가 용이하게 이송될 수 있다. 이러한 제1 도관(20)과 후술할 제2 도관(24)으로 인해 본 실시예에 따른 천연가스 하이드레이트 제조 장치의 설계 자유도가 높다. 즉, 얼음 슬러리 생성부(16), 하이드레이트 제조 반응기(22), 탈수부(26) 등이 도관없이 바로 인접하여 배치되지 않고 도관을 통하여 다양한 위치에 설치될 수 있는 것이다.
제1 도관(20) 중에 개재되는 승압펌프(18)는 후술할 하이드레이트 제조 반응기(22)에서 하이드레이트를 제조하는데 필요한 압력으로 얼음 슬러리를 승압하여 제1 도관(20)을 통하여 하이드레이트 제조 반응기(22)로 공급한다. 얼음 분율이 13% 내지 20%의 얼음 슬러리의 유동성으로 인하여 하이드레이트 제조 반응기(22) 외부에 위치한 승압펌프(18)로 용이하게 얼음 슬러리를 승압할 수 있다.
승압펌프(18)에서는 얼음 슬러리를 50 bar 내지 70bar로 승압할 수 있다. 얼음의 융점인 섭씨 0도에서 천연가스 하이드레이트와 물의 평형압력이 26bar 정도이므로 일정 수준 이상의 천연가스 하이드레이트 제조속도를 얻기 위해서는 추가 압력이 필요하지만 과도한 압력의 증가는 하이드레이트 제조 반응기(22)의 제작 단가를 급격히 증가시키므로 승압펌프(18)에서는 하이드레이트의 형성을 구동하는 과냉의 크기가 섭씨 6.5 내지 9.7도가 되도록 얼음 슬러리를 50bar 내지 70bar로 승압할 수 있다.
하이드레이트 제조 반응기(22)는 제1 도관(20)의 타단에 연결되어 승압펌프(18)에서 승압된 얼음 슬러리가 유입됨과 동시에 가스공급라인(28)을 통하여 천연가스가 공급되어 서로 혼합되면서 천연가스 하이드레이트 슬러리를 생성한다. 하이드레이트 제조 반응기(22)에는 별도의 냉각장치나 열교환 장치가 설치되지 않고 얼음 슬러리의 잠열을 이용하여 천연가스 하이드레이트 생성열을 제거하여 천연가스 하이드레이트 슬러리를 생성하게 된다.
하이드레이트 제조 반응기(22)에서는 단열상태에서 얼음 분율 13% 내지 20 %의 얼음 슬러리와 천연가스가 혼합되면서 천연가스 하이드레이트 생성열을 제거하여 천연가스 하이드레이트 분율 10% 내지 15%의 천연가스 하이드레이트 슬러리를 생성할 수 있다.
본 실시예에 따른 하이드레이트 제조 반응기(22)는, 일단이 제1 도관(20)에 연결되며 수평으로 배치되는 파이프(36)와, 파이프(36) 내부에 파이프(36)를 따라 설치되는 교반기(38)를 포함할 수 있다. 제1 도관(20)을 통하여 승압된 얼음 슬러리가 파이프(36)의 일단에서 유입되고 파이프(36)의 일단에서 가스공급라인(28)을 통하여 천연가스가 주입된다. 그리고, 파이프(36)를 따라 얼음 슬러리가 이송되면서 연속적으로 천연가스와 혼합되며 점차 천연가스 하이드레이트가 생성되고 얼음 슬러리의 얼음은 용융되면서 파이프(36)의 타단에 이르러서는 얼음 분율이 0%에 가까운 천연가스 하이드레이트 슬러리가 생성될 수 있다. 따라서, 얼음 슬러리와 천연가스가 서로 용이하게 교반될 수 있도록 파이프(36) 내부에는 파이프(36)를 따라 교반기(38)가 설치된다.
파이프(36)가 수평으로 배치되므로 파이프(36)에 공급되는 얼음 슬러리의 공급량을 조절하여 얼음 슬러리의 이송속도를 용이하게 조절할 수 있다. 파이프(36)의 길이는 파이프(36)의 직경, 얼음 슬러리의 이송속도, 생성하고자 하는 천연가스 하이드레이트 슬러리의 양 등에 의해 결정될 수 있다. 파이프(36)의 길이가 긴 경우에는 파이프(36)를 지그재그(zigzag)형태로 배치하여 설치공간을 줄일 수 있다.
교반기(38)는 회전날개(40)(impeller) 또는 회전 스크류를 포함할 수 있다. 파이프(36)의 중심축을 따라 회전축(42)이 설치되고, 회전축(42)에 평판(Clapper) 형태 또는 바람개비 형태의 회전날개(40)를 설치하거나 회전 스크류를 설치하여 회전축(42)의 회전에 따라 회전날개(40) 또는 회전 스크류가 회전하면서 얼음 슬러리와 천연가스를 교반하면서 얼음 슬러리를 파이프(36)의 타단으로 이송시킬 수 있다.
하이드레이트 제조 반응기(22)의 파이프(36)에는 파이프(36) 내부의 압력을 측정할 수 있는 압력센서(46)가 결합될 수 있으며, 압력센서(46)를 통해 압력을 측정하여 파이프(36) 내부의 압력이 일정하게 유지되도록 천연가스를 공급할 수 있다.
그리고, 제1 도관(20)을 통하여 파이프(36) 내부로 유입되는 얼음 슬러리의 양은 수위센서(50)를 통해 얼음 슬러리의 수위(44)를 측정하여 수평으로 배치된 파이프(36) 내부의 얼음 슬러리의 수위(44) 상부에 일정한 공간이 유지되도록 얼음 슬러리를 공급할 수 있다.
그리고, 하이드레이트 제조 반응기(22)의 파이프(36)에는, 파이프(36)의 타단부에 위치하며 상기 위치에서 천연가스 하이드레이트 슬러리의 온도를 측정하는 온도센서(48)를 더 포함할 수 있다. 이러한, 온도센서(48)를 통하여 측정된 온도에 따라 제2 도관(24)으로 인출되는 천연가스 하이드레이트 슬러리의 양을 조절할 수 있다. 예를 들면, 하이드레이트 제조 반응기(22) 내의 압력이 50bar인 경우, 온도센서(48)에서 측정된 온도가 섭씨 4도보다 큰 경우에는 천연가스 하이드레이트 슬러리의 인출량을 증가시키고, 섭씨 2도보다 작은 경우에는 천연가스 하이드레이트 슬러리의 인출량을 감소시킬 수 있다. 천연가스 하이드레이트 슬러리의 인출량의 증감을 결정하는 온도범위는 얼음 슬러리가 이송되면서 천연가스 하이드레이트 슬러리가 점차 생성됨에 따라 얼음이 소진된 이후 천연가스 하이드레이트 슬러리의 매질의 온도가 얼음의 융점인 섭씨 0도로부터 평형온도인 섭씨 6.5도까지 상승하는 과정에서 비교적 온도의 변화가 빠르게 일어나는 구간을 선택할 수 있다.
제2 도관(24)은 천연가스 하이드레이트 슬러리가 인출되도록 일단이 하이드레이트 제조 반응기(22)와 연결된다. 상술한 바와 같이, 천연가스 하이드레이트 슬러리는 얼음 슬러리의 13% 내지 20%의 얼음 분율로 인하여 유동성을 확보할 수 있는 10% 내지 15%의 천연가스 하이드레이트 분율을 갖게 되므로 제2 도관(24)을 통하여 용이하게 이동될 수 있고 이로 인해 본 실시예에 따른 천연가스 제조 장치의 설계가 자유롭다. 제2 도관(24)에는 밸브(32)가 개재되어 하이드레이트 제조 반응기(22)에서 생성된 천연가스 하이드레이트 슬러리의 인출량을 조절할 수 있다.
탈수부(26)는 제2 도관(24)의 타단에 연결되어 천연가스 하이드레이트 슬러리를 탈수한다. 천연가스 하이드레이트 슬러리에는 많은 양의 물이 포함되어 있으므로 탈수부(26)를 통해 물을 분리하여 천연가스 하이드레이트 분말을 생성한다. 이러한 천연가스 하이드레이트 분말은 이후 펠릿(pellet) 형태의 천연가스 하이드레이트로 제조될 수 있다. 천연가스 하이드레이트 분말을 펠릿 형태로 제조하기 위하여 탈수부(26)에서는 천연가스 하이드레이트 슬러리를 천연가스 하이드레이트 분율 90%이고 함수율 10%의 분말과 물로 분리할 수 있다. 탈수부(26)에서 분리된 물은 원료수 회수라인(30)을 통하여 얼음 슬러리 생성부(16)로 회수되어 얼음 슬러리의 제조에 사용될 수 있다. 원료수 회수라인(30)에는 배압 레귤레이터(34)가 개재되어 탈수부(26)의 압력을 유지할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 천연가스 하이드레이트 제조 장치는 상압에서 얼음 슬러리를 제조한 후 승압펌프(18)를 이용하여 연속적으로 하이드레이트 제조 반응기(22)에 공급하여 천연가스 하이드레이트 생성 시 발생하는 생성열을 얼음의 잠열을 이용하여 제거함으로써 연속적으로 천연가스 하이드레이트 슬러리를 제조할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 천연가스 하이드레이트 제조 방법의 순서도이다. 도 1 및 도 4를 참조하여, 본 실시예에 따른 천연가스 하이드레이트 제조 방법에 대해서 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 천연가스 하이드레이트 제조 방법은, 상압에서 얼음 분율이 13% 내지 20%인 얼음 슬러리를 형성하고 얼음 슬러리 생성부(16)에 저장하는 단계; 얼음 슬러리 생성부(16)에서 인출된 얼음 슬러리를 승압펌프(18)로 승압하여 제1 도관(20)을 통하여 하이드레이트 제조 반응기(22)로 주입하고, 천연가스를 하이드레이트 제조 반응기(22)로 주입하는 단계; 얼음 슬러리와 천연가스를 하이드레이트 제조 반응기(22)에서 혼합하여 천연가스 하이드레이트 슬러리를 생성하는 단계; 하이드레이트 제조 반응기(22)에서 생성된 천연가스 하이드레이트 슬러리를 제2 도관(24)을 거쳐 탈수부(26)로 공급하는 단계; 탈수부(26)에서 천연가스 하이드레이트 슬러리를 천연가스 하이드레이트 분말과 원료수로 분리하는 단계를 포함하여, 얼음 슬러리의 잠열을 이용하여 천연가스 하이드레이트 생성시 발생하는 생성열을 제거함으로써 대량의 천연가스 하이드레이트를 연속적으로 제조할 수 있다.
먼저, 상압에서 얼음 분율이 13% 내지 20%인 얼음 슬러리를 형성하고 얼음 슬러리 생성부(16)에 저장한다(S100). 상술한 바와 같이, 일정한 천연가스 하이드레이트 분율을 갖는 천연가스 하이드레이트 슬러리를 연속적으로 생산하기 위해서는 얼음 슬러리의 유동성이 필요하고, 이러한 유동성 및 경제성의 필요에 의하여 얼음 분율이 13% 내지 20%인 얼음 슬러리를 제조한다. 얼음 슬러리 생성부(16)는 상압 상태에서 얼음 슬러리를 제조할 수 있어야 한다. 얼음 슬러리 생성부(16)는 원료수가 저장되어 있는 원료수 탱크(12)로부터 영상의 원료수를 얼음 슬러리 생성기(14)로 공급하여 얼음 분율 13% 내지 20%의 얼음 슬러리를 생성할 수 있다. 얼음 슬러리 생성기(14)는 공지의 기술을 이용하여 제조될 수 있다.
다음에, 얼음 슬러리 생성부(16)에서 인출된 얼음 슬러리를 승압펌프(18)로 승압하여 제1 도관(20)을 통하여 하이드레이트 제조 반응기(22)로 주입하고, 천연가스를 하이드레이트 제조 반응기(22)로 주입한다(S200). 제1 도관(20) 중에 개재되는 승압펌프(18)는 후술할 하이드레이트 제조 반응기(22)에서 하이드레이트를 제조하는데 필요한 압력으로 얼음 슬러리를 승압하여 제1 도관(20)을 통하여 하이드레이트 제조 반응기(22)로 공급한다.
얼음 분율이 13% 내지 20%의 얼음 슬러리를 사용함으로써 얼음 슬러리의 유동성이 확보되므로 제1 도관(20)을 통하여 얼음 슬러리가 용이하게 이송될 수 있다. 또한, 이러한 얼음 슬러리의 유동성으로 인하여 하이드레이트 제조 반응기(22) 외부에 위치한 승압펌프(18)로 용이하게 얼음 슬러리를 승압할 수 있다. 승압펌프(18)에서는 얼음 슬러리를 50bar 내지 70bar로 승압할 수 있다.
승압펌프(18)에 의해 승압된 얼음 슬러리가 제1 도관(20)을 통하여 하이드레이트 제조 반응기(22)에 유입됨과 동시에 천연가스가 공급된다.
다음에, 얼음 슬러리와 천연가스를 하이드레이트 제조 반응기(22)에서 혼합하여 천연가스 하이드레이트 슬러리를 생성한다(S300). 승압펌프(18)를 통하여 승압된 얼음 슬러리와 천연가스가 하이드레이트 제조 반응기(22)에 유입되면 얼음 슬러리와 천연가스가 서로 혼합되면서 천연가스 하이드레이트 슬러리가 생성된다. 얼음 슬러리의 잠열을 이용하여 천연가스 하이드레이트 생성열을 제거하게 되므로 하이드레이트 제조 반응기(22)에는 별도의 냉각장치나 열교환 장치의 설치를 생략할 수 있다. 하이드레이트 제조 반응기(22)에서는 단열상태에서 얼음 분율 13% 내지 20%의 얼음 슬러리와 천연가스가 혼합되면서 천연가스 하이드레이트 생성열을 제거하여 천연가스 하이드레이트 분율 10% 내지 15%의 천연가스 하이드레이트 슬러리가 생성될 수 있다.
본 실시예에 따른 천연가스 하이드레이트 제조 방법에 사용되는 하이드레이트 제조 반응기(22)는, 일단이 제1 도관(20)에 연결되며 수평으로 배치되는 파이프(36)와, 파이프(36) 내부에 파이프(36)를 따라 설치되는 교반기(38)를 포함할 수 있다. 이에 대해서는 상술한 바와 같으므로 상세한 설명을 생략하기로 한다.
하이드레이트 제조 반응기(22)의 파이프(36)에는 파이프(36) 내부의 압력을 측정할 수 있는 압력센서(46)가 결합되어 압력센서(46)를 통해 압력을 측정하여 파이프(36) 내부의 압력이 일정하게 유지되도록 천연가스를 공급할 수 있다. 그리고, 제1 도관(20)을 통하여 파이프(36) 내부로 유입되는 얼음 슬러리의 양은 수평으로 배치된 파이프(36) 내부의 얼음 슬러리의 표면 상부에 일정한 공간이 유지되도록 일정한 얼음 슬러리를 공급한다.
그리고, 하이드레이트 제조 반응기(22)의 파이프(36)에는, 파이프(36)의 타단부에 위치하며 상기 위치에서 천연가스 하이드레이트 슬러리의 온도를 측정하는 온도센서(48)를 더 포함할 수 있다. 이러한, 온도센서(48)를 통하여 측정된 온도에 따라 제2 도관(24)으로 인출되는 천연가스 하이드레이트 슬러리의 양을 조절할 수 있다. 예를 들면, 하이드레이트 제조 반응기(22)의 압력이 50bar인 경우, 온도센서(48)에서 측정된 온도가 섭씨 4도보다 큰 경우에는 천연가스 하이드레이트 슬러리의 인출량을 증가시키고, 섭씨 2도보다 작은 경우에는 천연가스 하이드레이트 슬러리의 인출량을 감소시킬 수 있다.
다음에, 하이드레이트 제조 반응기(22)에서 생성된 천연가스 하이드레이트 슬러리를 제2 도관(24)을 거쳐 탈수부(26)로 공급한다(S400). 하이드레이트 제조 반응기(22)에서 생성된 천연가스 하이드레이트 슬러리는 얼음 슬러리의 13% 내지 20%의 얼음 분율로 인하여 유동성을 확보할 수 있는 10% 내지 15%의 천연가스 하이드레이트 분율을 갖게 되므로 제2 도관(24)을 통하여 용이하게 탈수부(26)로 공급할 수 있다. 제2 도관(24)에는 밸브(32)가 개재되어 하이드레이트 제조 반응기(22)에서 생성된 천연가스 하이드레이트 슬러리의 인출량을 조절할 수 있다.
다음에, 탈수부(26)에서 천연가스 하이드레이트 슬러리를 천연가스 하이드레이트 분말과 물로 분리한다(S500). 천연가스 하이드레이트 슬러리에는 많은 양의 물이 포함되어 있으므로 탈수부(26)를 통해 물을 분리하여 천연가스 하이드레이트 분말을 생성한다. 이러한 천연가스 하이드레이트 분말은 이후 펠릿(pellet) 형태의 천연가스 하이드레이트로 제조될 수 있다. 천연가스 하이드레이트 분말을 펠릿 형태로 제조하기 위하여 탈수부(26)에서는 천연가스 하이드레이트 분율 90%이고 함수율 10%의 분말과 물로 분리할 수 있다. 탈수부(26)에서 분리된 물은 얼음 슬러리 생성부(16)로 회수하여 얼음 슬러리의 제조에 사용될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.

Claims (19)

  1. 상압에서 얼음 분율이 13% 내지 20%인 얼음 슬러리를 제조하는 얼음 슬러리 생성부와;
    상기 얼음 슬러리 생성부로부터 상기 얼음 슬러리가 인출되도록 일단이 상기 얼음 슬러리 생성부에 연결되며, 상기 얼음 슬러리를 승압하는 승압펌프가 개재되는 제1 도관과;
    상기 제1 도관의 타단에 연결되어 승압된 상기 얼음 슬러리가 유입되고 천연가스가 공급되어 서로 혼합되어 천연가스 하이드레이트 슬러리를 생성하는 하이드레이트 제조 반응기와;
    상기 천연가스 하이드레이트 슬러리가 인출되도록 일단이 상기 하이드레이트 제조 반응기와 연결되는 제2 도관; 및
    상기 제2 도관의 타단에 연결되어 상기 천연가스 하이드레이트 슬러리를 탈수하는 탈수부를 포함하는 천연가스 하이드레이트 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 승압펌프는 상기 얼음 슬러리를 50bar 내지 70bar로 승압하는 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하이드레이트 제조 반응기는,
    일단이 상기 제1 도관에 연결되며, 수평으로 배치되는 파이프와;
    상기 파이프 내부에 상기 파이프를 따라 설치되는 교반기를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 제조 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 파이프 내의 압력을 측정하는 압력센서를 더 포함하며,
    상기 압력센서를 통하여 파이프 내의 압력을 측정하여 상기 파이프 내부의 압력이 일정하게 유지되도록 상기 천연가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 제조장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 파이프의 타단부에 위치하며, 상기 천연가스 하이드레이트 슬러리의 온도를 측정하는 온도센서를 더 포함하며,
    상기 온도센서를 통하여 측정된 온도에 따라 상기 제2 도관으로 인출되는 상기 천연가스 하이드레이트 슬러리의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 제조 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 온도센서에서 측정된 온도가 섭씨 4도보다 큰 경우에는 상기 천연가스 하이드레이트 슬러리의 인출량을 증가시키고, 섭씨 2도보다 작은 경우에는 상기 천연가스 하이드레이트 슬러리의 인출량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 제조 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 교반기는 회전날개(impeller) 또는 회전 스크류를 포함하는 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 제조 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 하이드레이트 제조 반응기에서 제조된 천연가스 하이드레이트 슬러리는 하이드레이트 분율이 10% 내지 15%인 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 제조 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 탈수부는,
    상기 천연가스 하이드레이트 슬러리를 하이드레이트 분율 90%의 분말과 물로 분리하는 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 제조 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 탈수부에서 분리된 물은 상기 얼음 슬러리 생성부로 회수되는 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 제조 장치.
  11. 상압에서 얼음 분율이 13% 내지 20%인 얼음 슬러리를 형성하고 얼음 슬러리 생성부에 저장하는 단계;
    상기 얼음 슬러리 생성부에서 인출된 상기 얼음 슬러리를 승압펌프로 승압하여 제1 도관을 통하여 하이드레이트 제조 반응기로 주입하고, 천연가스를 상기 하이드레이트 제조 반응기로 주입하는 단계;
    상기 얼음 슬러리와 상기 천연가스를 상기 하이드레이트 제조 반응기에서 혼합하여 천연가스 하이드레이트 슬러리를 생성하는 단계;
    상기 하이드레이트 제조 반응기에서 생성된 상기 천연가스 하이드레이트 슬러리를 제2 도관을 거쳐 탈수부로 공급하는 단계; 및
    상기 탈수부에서 상기 천연가스 하이드레이트 슬러리를 천연가스 하이드레이트 분말과 물로 분리하는 단계를 포함하는 천연가스 하이드레이트 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 승압펌프는 상기 얼음 슬러리를 50bar 내지 70bar로 승압하는 것을 특징으로 천연가스 하이드레이트 제조 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 하이드레이트 제조 반응기는,
    일단이 상기 제1 도관에 연결되며, 수평으로 배치되는 파이프와;
    상기 파이프 내부에 상기 파이프를 따라 설치되는 교반기를 포함하며,
    상기 얼음 슬러리와 상기 천연가스가 상기 파이프를 통과함에 따라 상기 천연가스 하이드레이트 슬러리가 제조되는 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 제조 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 하이드레이트 제조 반응기는,
    상기 파이프 내의 압력을 측정하는 압력센서를 더 포함하며,
    상기 압력센서를 통하여 파이프 내의 압력을 측정하여 상기 파이프 내부의 압력이 일정하게 유지되도록 상기 천연가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 제조 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 하이드레이트 제조 반응기는,
    상기 파이프의 타단부에 위치하며, 상기 천연가스 하이드레이트 슬러리의 온도를 측정하는 온도센서를 더 포함하며,
    상기 온도센서를 통하여 측정된 온도에 따라 상기 제2 도관으로 인출되는 상기 천연가스 하이드레이트 슬러리의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 제조 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 온도센서에서 측정된 온도가 섭씨 4도보다 큰 경우에는 상기 천연가스 하이드레이트 슬러리의 인출량을 증가시키고, 섭씨 2도보다 작은 경우에는 상기 천연가스 하이드레이트 슬러리의 인출량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 제조 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 하이드레이트 제조 반응기에서 제조된 천연가스 하이드레이트 슬러리는 하이드레이트 분율이 10% 내지 15%인 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 제조 방법.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 탈수부는, 상기 천연가스 하이드레이트 슬러리를 하이드레이트 분율 90%의 분말과 물로 분리하는 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 탈수부에서 분리된 물은 상기 얼음 슬러리 생성부로 회수되는 것을 특징으로 하는 천연가스 하이드레이트 제조 방법.
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