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KR101414491B1 - 기체 분리시스템 및 분리방법 - Google Patents

기체 분리시스템 및 분리방법 Download PDF

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KR101414491B1
KR101414491B1 KR1020130080699A KR20130080699A KR101414491B1 KR 101414491 B1 KR101414491 B1 KR 101414491B1 KR 1020130080699 A KR1020130080699 A KR 1020130080699A KR 20130080699 A KR20130080699 A KR 20130080699A KR 101414491 B1 KR101414491 B1 KR 101414491B1
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KR
South Korea
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gas
purification
waste gas
purified
purifying
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KR1020130080699A
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Inventor
고대호
노성욱
안의섭
원왕연
Original Assignee
지에스건설 주식회사
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    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
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    • C10L3/00—Gaseous fuels; Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by subclass C10G, C10K; Liquefied petroleum gas
    • C10L3/06—Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by C10G, C10K3/02 or C10K3/04
    • C10L3/10—Working-up natural gas or synthetic natural gas
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
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    • B01D53/04—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by adsorption, e.g. preparative gas chromatography with stationary adsorbents
    • B01D53/047—Pressure swing adsorption
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2253/00—Adsorbents used in seperation treatment of gases and vapours
    • B01D2253/10—Inorganic adsorbents
    • B01D2253/116—Molecular sieves other than zeolites

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  • Analytical Chemistry (AREA)
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Abstract

기체 분리시스템 및 분리방법이 개시된다. 이 중에서 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 분리시스템은, 원료가스를 가압시키는 가압부와, 가압부에서 가압된 상기 원료가스를 정제하여 제 1 정제가스와 제 1 폐기가스를 생산하는 제 1 정제부와, 제 1 정제가스를 정제하여 제 2 정제가스와 제 2 폐기가스를 생산하는 제 2 정제부와, 제 1 폐기가스를 정제하여 제 3 정제가스와 제 3 폐기가스를 생산하는 제 3 정제부를 포함할 수 있다.

Description

기체 분리시스템 및 분리방법{SYSTEM FOR SEPARATING GAS AND METHOD THEREOF}
본 발명은 기체 분리시스템 및 분리방법에 관한 것으로서, 고순도 및 고회수율의 메탄 생산이 가능한 기체 분리시스템 및 분리방법에 관한 것이다.
일반적으로, 천연가스(NG: Natural Gas)는 인공적인 과정을 거치는 석유(휘발유, 경유)와는 다르게 지하에 기체상태로 매장된 화석연료로서 메탄이 주성분이며, 가스정에서 천연적으로 직접 채취한 상태에서 바로 사용할 수 있는 가스에너지이다.
요즈음, 석탄층 메탄가스와 셰일가스 등의 가스 자원이 고유가로 인해 주목받고 있으며, 특히, 석탄층 메탄가스는 석탄층에서 메탄가스를 생산하는 것으로서, 여러 국가에서 신 에너지 자원으로 각광받고 있다.
이러한 가스를 고질화(upgrading)하기 위한 기술로는, 기체의 용해도 차이를 이용하여 메탄과 이산화탄소를 분리하는 흡수(Absorption)법, 기체상 물질의 흡착특성 차이를 이용하여 분리하는 PSA(Pressure Swing Adsorption)법, 기체 분자의 투과도 차이를 이용하는 막(Membrane) 분리법 등이 있다.
흡수법은 에너지 소모가 크고, 흡수제 보충 등을 위한 유지보수 비용이 많이 드는 반면, 분리/정제 효율이 좋고 주로 대용량 가스 처리에 많이 쓰이며, PSA 법은 분리/정제 효율이나 규모, 공정 구성의 복잡도가 흡수법과 막 분리법의 중간 정도이며, 막 분리법은 상대적으로 흡수법이나 PSA법에 비해 소규모이며, 고순도의 메탄을 얻기 어렵다는 단점이 있으나, 공정 구성이 간단하다는 장점이 있다.
한편, 가스정으로부터 시추되어 생산되는 가스는 조성이 시간 경과에 따라 변하기 때문에, 시추된 가스의 분리, 정제 공정은 가스의 조성 변화를 극복하면서 불순물을 안정적으로 제거, 분리, 정제할 수 있도록 개발되어야 한다.
이에, 가스정으로부터 생산된 천연가스의 조성이 변화하더라도, 불순물을 연속적이고 안정적으로 제거, 분리 및 정제함으로써, 고순도 및 고회수율의 생산가스(product gas)를 얻을 수 있는 시스템이 요구되고 있다.
한국등록특허 KR 10-0753207 (2007.08.28. 등록)
본 발명의 실시예는 고순도와 고회수율을 동시에 만족하는 메탄의 생산이 가능한 기체 분리시스템 및 분리방법을 제공하고자 한다.
또한, 원료가스에 포함된 메탄의 함량이 낮은 경우에도 고순도의 메탄가스를 생산할 수 있는 기체 분리시스템 및 분리방법을 제공하고자 한다.
또한, 소비 에너지를 줄일 수 있는 기체 분리시스템 및 분리방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 원료가스를 가압시키는 가압부; 상기 가압부에서 가압된 상기 원료가스를 정제하여 제 1 정제가스와 제 1 폐기가스를 생산하는 제 1 정제부; 상기 제 1 정제가스를 정제하여 제 2 정제가스와 제 2 폐기가스를 생산하는 제 2 정제부; 및 상기 제 1 폐기가스를 정제하여 제 3 정제가스와 제 3 폐기가스를 생산하는 제 3 정제부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제 1 정제부와 상기 제 2 정제부와 상기 제 3 정제부는, 각각 막 분리 방식 및 PSA 방식 중 어느 하나를 이용할 수 있다.
또한, 상기 가압부의 전단에 배치되며 상기 원료가스가 투입되는 버퍼탱크를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 폐기가스는 상기 버퍼탱크로 공급될 수 있다.
또한, 상기 제 3 정제가스는 상기 버퍼탱크로 공급될 수 있다.
또한, 상기 제 3 정제부에서 분리된 상기 제 3 폐기가스를 진공압 수준의 저압으로 펌핑하기 위한 진공펌프를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 2 정제부에서 분리된 제 2 폐기가스를 상기 버퍼탱크로 안내하는 제 1 회수 라인; 및 상기 제 3 정제부에서 분리된 제 3 정제가스를 상기 버퍼탱크로 안내하는 제 2 회수 라인을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 가압부는 상기 원료가스의 압력을 고압으로 압축하고, 상기 진공펌프는 상기 제 3 폐기가스의 압력을 진공압 수준의 저압으로 펌핑할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 원료가스를 고압으로 압축하는 가압 단계; 압축된 상기 원료가스를 정제하여 제 1 정제가스와 제 1 폐기가스를 생산하는 제 1 정제 단계; 상기 제 1 정제가스를 정제하여 제 2 정제가스와 제 2 폐기가스를 생산하는 제 2 정제 단계; 상기 제 2 폐기가스를 버퍼탱크로 저장하는 제 1 회수 단계; 상기 제 1 폐기가스를 정제하여 제 3 정제가스와 제 3 폐기가스를 생산하는 제 3 정제 단계; 및 상기 제 3 정제가스를 버퍼탱크에 저장하는 제 2 회수 단계를 포함할 수 있다.
이때, 상기 제 1 정제 단계, 상기 제 2 정제 단계 또는 상기 제 3 정제 단계는, 투입되는 가스를 막 분리 방식으로 분리하거나, 투입되는 가스를 PSA 방식으로 분리할 수 있다.
또한, 상기 제 1 정제 단계는 막 분리 방식으로 고압의 원료가스를 제 1 폐기가스와 제 1 정제가스로 분리할 수 있다.
또한, 상기 제 2 정제 단계는 PSA 방식으로 상기 제 1 정제가스를 상기 제 2 폐기가스와 제 2 정제가스로 분리할 수 있다.
또한, 상기 제 3 정제 단계는 막 분리 방식으로 상기 제 1 폐기가스를 제 3 폐기가스와 제 3 정제가스로 분리할 수 있다.
또한, 상기 제 3 정제 단계에서 분리된 상기 제 3 폐기가스를 진공압 수준의 저압으로 펌핑하는 저압 조절단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 고순도의 메탄 가스를 고회수율로 생산이 가능한 기체 분리시스템 및 분리방법을 제공할 수 있다.
특히, 원료가스에 포함된 메탄의 함량이 낮은 경우에도 고순도의 메탄가스를 생산할 수 있는 기체 분리시스템 및 분리방법을 제공할 수 있다.
또한, 소비 에너지를 줄일 수 있는 기체 분리시스템 및 분리방법을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 기체 분리시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 기체 분리시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 기체 분리시스템을 도시한 구성도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 실시예들에 따른 구성, 결합관계 및 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하의 실시예들에 따른 기체 분리시스템은, 메탄을 포함하는 원료가스를 정제하여 에너지원으로 활용하려는 관련 장치 또는 설비에 적용될 수 있으며, 이하의 설명으로 한정되지 않을 수 있다. 다만, 설명의 용이성을 위해서, 제 1 실시예를 비롯한 이하의 실시예들에서는 석탄층메탄가스(CMN :Coal Bed Methane)이나 천연가스(methane), 혹은 셰일가스(Shale Gas)와 같은 원료가스의 정제를 통해 정제된 메탄을 생산할 수 있다.
그리고 이 기체 분리시스템은 정제부를 통해 가스를 정제가스와 폐기가스로 분리할 수 있는데, 여기서, 정제가스는 정제부를 각각 통과하여 배출되는 2개의 가스 흐름 중에서 상대적으로 순도가 높은 메탄을 포함한 가스로 정의되고, 폐기가스는 정제가스보다 상대적으로 순도가 낮은 메탄을 포함하는 가스로 정의될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 기체 분리시스템을 도시한 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 제 1 실시예에 따른 기체 분리시스템(10)은, 제 1 정제부(100)에서 정제된 제 1 정제가스를 제 2 정제부(200)에서 다시 정제함으로써 고순도의 메탄가스를 얻을 수 있다. 또한, 제 1 정제부(100)에서 배출되는 제 1 폐기가스를 제 3 정제부(300)에서 다시 정제한 후 순환시키고, 제 2 정제부(200)에서 배출되는 제 2 폐기가스를 순환시켜 재 정제함으로써 메탄가스의 회수율을 높일 수 있다.
여기서, 이들 제 1 정제부(100), 제 2 정제부(200), 제 3 정제부(300)는 각각 막(Membrane) 분리 방식 또는 PSA(Pressure Swing Adsorption) 방식 중 하나의 방식으로 메탄을 정제할 수 있다. 본 실시예에서 제 1 정제부(100) 및 제 3 정제부(300)에는 막(Membrane) 분리 방식의 정제 장치가 사용되고, 제 2 정제부(200)에는 PSA(Pressure Swing Adsorption) 방식의 정제 장치가 사용되는 것을 예로 들어 설명하나, 본 발명의 사상은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 제 1 정제부(100)는 막 분리 방식을 사용하고, 제 2 정제부(200) 및 제 3 정제부(300)는 PSA 방식이 사용될 수도 있으며, 제 1 정제부(100)와 제 2 정제부(300)는 막 분리 방식을 사용하고, 제 3 정제부(300)는 PSA 방식을 사용할 수도 있다.
구체적으로, 이 기체 분리시스템(10)은 버퍼탱크(600), 가압부(400), 제 1 정제부(100), 제 2 정제부(200), 제 3 정제부(300), 진공펌프(500), 제 1 회수 라인(710), 제 2 회수 라인(720)을 포함할 수 있다.
버퍼탱크(600)는 소정의 비율로 메탄을 포함한 원료가스를 임시 저장할 수 있다. 예를 들어, 버퍼탱크(600)로 공급되는 원료가스는 약 60%의 메탄 가스와 약 40%의 이산화탄소 가스로 이루어질 수 있다. 그리고 버퍼탱크(600)는 후술할 제 2 정제부(200)의 제 2 폐기가스와 제 3 정제부(300)의 제 3 정제가스를 임시 저장할 수 있다. 이 버퍼탱크(600)에 저장된 원료가스, 제 2 폐기가스, 제 3 정제가스는, 가압부(400)에서 고압으로 가압될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해, 원료가스와 제 2 폐기가스와 제 3 정제가스가 혼합된 가스를 '혼합가스'라고 하겠다. 여기서, 혼합가스는 기체 분리시스템이 최초로 구동될 때에는 원료가스만으로 이루어질 수 있으며, 버퍼탱크(600)로의 제 2 폐기가스 및 제 3 정제가스 공급 여부에 따라 그 조성이 달라질 수 있다. 일 예로, 상기와 같은 조성의 원료가스가 공급되고, 버퍼탱크(600)에 제 2 폐기가스 및 제 3 정제가스가 공급되는 경우, 혼합가스는 약 65%의 메탄 가스와 약 35%의 이산화탄소 가스로 구성될 수 있다.
가압부(400)는 제 1 정제부(100)에서 혼합가스가 원활하게 정제되도록 혼합가스를 설정된 일정 압력까지 가압할 수 있다. 가압부(400)에 의해 압축되는 혼합가스의 압력과 제 1 정제부(100)의 제 1 폐기가스의 압력은, 일정 압력 차이를 유지해야 막 분리 방식에 따른 가스 분리가 원활하게 구현될 수 있기 때문이다.
예를 들어, 가압부(400)는 혼합가스를 약 10bar까지 가압할 수 있으며, 제 1 정제부(100)는 약 10bar로 가압된 혼합가스를 공급받아 약 1bar 수준의 제 1 폐기가스를 배출하도록 운용될 수 있다.
본 실시예에서는 제 1 정제부(100)에 주입되는 혼합가스의 압력을 10bar로 유지하고, 제 1 폐기가스의 압력을 1bar로 유지하지만, 본 발명의 사상은 이에 한정되지는 아니하며, 가압부(400)의 설정 압력, 혼합가스와 제 1 폐기가스 간 압력차는 가스의 성분이나 양, 요구하는 순도, 회수율 등에 따라 변경될 수 있다.
제 1 정제부(100)는 막 분리 방식을 이용하여 혼합가스를 정제할 수 있다. 구체적으로, 제 1 정제부(100)는 기체 성분의 투과도 차이를 이용하여 혼합가스를 제 1 정제가스와 제 1 폐기가스로 분리하는 멤브레인을 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 폐기가스는 멤브레인을 투과하는 기체이고, 제 1 정제가스는 멤브레인을 투과하지 않고 그대로 배출되는 기체일 수 있다. 이에 의해, 제 1 정제가스는 제 1 폐기가스보다 더 높은 비율로 메탄 가스를 함유할 수 있다. 예를 들어, 상기 예시한 조성의 혼합가스가 투입되는 경우, 제 1 정제가스는 약 93%의 메탄 가스와 약 7%의 이산화탄소 가스로 구성될 수 있으며, 제 1 폐기가스는 약 38%의 메탄 가스와 약 62%의 이산화탄소 가스로 구성될 수 있다.
여기서, 제 1 정제부(100)를 멤브레인을 투과한 제 1 폐기가스는 약 1bar의 압력을 가질 수 있으며, 제 1 정제가스는 압력 강하가 거의 발생되지 않은 상태로 제 2 정제부(200)로 이동될 수 있다.
제 2 정제부(200)는 PSA 방식을 이용하여 제 1 정제가스를 정제하며, 제 2 정제가스와 제 2 폐기가스를 배출한다. 구체적으로, 제 2 정제부(200)는 크게 흡착 및 재생 단계를 반복하여 운영되는 다수 개의 베드(bed)로 운영될 수 있다(일 예로, 4개). 각 베드들은 제 2 정제부(200)에서 지속적으로 정제된 가스가 배출될 수 있도록 연동될 수 있다. 보다 구체적으로, 흡착 단계는 가압 단계 및 흡착 단계로 운영될 수 있으며, 재생 단계는 블로우다운(blow down) 단계와 퍼지(purge) 단계로 운영될 수 있다.
제 2 정제부(200)에서 배출되는 제 2 폐기가스는, 제 1 정제가스보다 불순물이 더 농축된 기체로, 제 1 회수 라인(710)을 통해 버퍼탱크(600)로 이동될 수 있다. 그리고 제 2 정제부(200)에서 정제된 제 2 정제가스는, 불순물이 제거되어 생산가스로 소정의 소비처에 제공될 수 있다. 일 예로, 상기 예시한 조성의 제 1 정제가스가 제 2 정제부(200)로 제공되는 경우, 제 2 정제가스는 약 97%의 메탄 가스와, 약 3%의 이산화탄소 가스로 이뤄질 수 있으며, 제 2 폐기가스는 약 77%의 메탄 가스와 약 23%의 이산화탄소 가스로 이뤄질 수 있다.
제 1 회수 라인(710)은 제 2 정제부(200)와 버퍼탱크(600)를 연결하며, 제 2 정제부(200)에서 배출된 제 2 폐기가스를 버퍼탱크(600)로 안내할 수 있다.
이와 같이, 제 1 회수 라인(710)은 제 2 폐기가스를 다시 버퍼탱크(600)로 이송하여, 제 2 폐기가스가 제 1 정제부(100) 및 제 2 정제부(200)를 재 순환하도록 함으로써, 버려지는 제 2 폐기가스로부터 메탄을 다시 회수할 수 있고, 결국, 메탄의 회수율을 향상시킬 수 있다.
한편, 제 3 정제부(300)는 제 1 정제부(100)의 제 1 폐기가스를 공급받아 제 1 정제부(100)와 마찬가지로 막 분리 방식을 이용하여 제 1 폐기가스를 정제할 수 있다. 구체적으로, 제 3 정제부(300)도 제 1 폐기가스를 제 3 정제가스와 제 3 폐기가스로 분리하는 멤브레인을 포함할 수 있으며, 그 구체적인 작용은 제 1 정제부(100)와 동일하다.
다만, 제 3 정제부(300)에서는 유입되는 제 1 폐기가스와 배출되는 제 3 폐기가스의 압력 차가 일정 수준으로 유지되어야 효과적으로 정제될 수 있으므로, 제 3 폐기가스 측은 진공펌프(500)에 의해 진공압 수준의 저압(예를 들어 약 0.1 bar) 분위기로 조성될 수 있다.
제 3 정제부(300)에서 정제된 제 3 정제가스는 제 2 회수 라인(720)을 통해 버퍼탱크(600)로 안내되어 다시 제 1 정제부(100)로 이동되고, 제 3 폐기가스는 연소되거나 버려질 수 있다. 여기서, 상기 예시한 것과 같이, 제 1 폐기가스가 제 3 정제부(300)로 제공되는 경우, 제 3 정제가스는 약 77%의 메탄 가스와 약 23%의 이산화탄소 가스로 구성될 수 있으며, 제 3 폐기가스는 약 13%의 메탄 가스와 약 87%의 이산화탄소 가스로 구성될 수 있다.
제 2 회수 라인(720)은 제 3 정제부(300)와 버퍼탱크(600)를 연결하며, 제 3 정제부(300)의 제 3 정제가스를 버퍼탱크(600)로 안내할 수 있다. 즉, 제 2 회수 라인(720)은 제 3 정제가스를 버퍼탱크(600)로 이송하여 제 3 정제가스가 제 1 정제부(100) 및 제 2 정제부(200)를 재 순환하도록 함으로써, 고순도의 메탄 가스가 생산되도록 함과 동시에, 메탄 가스의 회수율을 향상시킬 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 기체 분리시스템(10)에 의하면, 단일의 정제부로 운용되던 종래 기술에 비하여 메탄 가스의 회수율을 향상시킬 수 있다. 구체적으로, 본 실시예에서는 종래에 버려지던 제 1 정제부(100)의 제 1 폐기가스를 제 3 정제부(300)를 통해 다시 정제한 후 제 1 정제부(100)로 다시 유입시킴으로써, 메탄 가스를 더 회수할 수 있다.
또한, 제 1 정제부(100)에서 정제된 제 1 정제가스를 제 2 정제부(200)에서 다시 정제함으로써 생산가스의 메탄 가스 순도를 향상시킬 수 있다. 더욱이, 제 2 정제부(200)에서 배출되는 제 2 폐기가스도 버퍼탱크(600)를 통해 제 3 정제가스와 혼합된 후 다시 제 1 정제부(100)로 유입되는 바, 메탄 가스의 회수율도 향상시킬 수 있다. 특히, 위와 같이 제 1 정제부(100)의 제 1 정제가스를 다시 한번 정제하여 생산가스(제 2 정제가스)로 소비처에 제공하는 바, 상술한 예에서와 같이 원료가스의 메탄 함량이 약 60% 수준으로 낮은 경우라고 하더라도 약 97% 수준의 고순도의 메탄 가스가 제공될 수 있다. 또한, 상술한 예에서와 같은 원료가스의 조성인 경우, 본 실시예에 의해서는 약 90% 수준으로 메탄 가스를 회수할 수 있다.
또한, 동일한 조성을 갖는 원료가스로부터 메탄 가스의 회수율을 높일 수 있고, 이를 위해 추가되는 전력 소비 구성이 많지 않으므로, 특정한 순도, 특정한 회수율을 목표로 하는 경우 메탄 가스 생산유량당 소비 전력을 줄일 수 있다.
이하에서는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 기체 분리시스템에 대하여 도 2를 참조하여 설명한다. 다만, 제 2 실시예는 제 1 실시예와 비교하여 제 3 정제부의 작동 방식 및 재 가압부가 제공된다는 점에 있어서 차이가 있으므로, 차이점을 위주로 설명하며 동일한 부분에 대하여는 제 1 실시예의 설명과 도면 부호를 원용한다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 기체 분리시스템을 도시한 구성도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 기체 분리시스템(10')은, 버퍼탱크(600), 가압부(400), 제 1 정제부(100), 제 2 정제부(200), 재 가압부(400'), 제 3 정제부(300), 제 1 회수 라인(710), 제 2 회수 라인(720)을 포함할 수 있다.
재 가압부(400')는 제 1 폐기가스를 가압하여 제 3 정제부(300)로 공급할 수 있다. 재 가압부(400')는 제 3 정제부(300)에서 압력 차에 의해 가스가 원활하게 정제될 수 있도록 기 설정된 압력까지 제 1 폐기가스를 가압한다.
예를 들어, 제 3 정제부(300)가 막 분리 방식인 경우, 제 3 폐기가스는 제 3 정제부(300)에서 약 1bar 수준으로 배출되도록 운용될 수 있다. 이때, 제 3 정제가스의 압력은 제 1 폐기가스의 압력보다 다소 낮은 압력이므로, 제 3 정제가스의 압력과 제 2 폐기가스의 압력(약 1bar 정도)을 서로 비슷하게 유지하기 위해서, 감압밸브(예를 들어, let down 밸브)를 이용하여 제 3 정제가스의 압력을 약 1bar 수준으로 낮출 수 있다.
그리고 제 3 정제부(300)가 제올라이트 계열 이외의 흡착제(일 예로 Carbon Molecular Sieve)를 사용하는 PSA 방식인 경우, 제 1 폐기가스는 재 가압부(400')에 의해 가압되고, 제 3 폐기가스는 상압 수준(일 예로, 1bar) 정도로 운용될 수 있다. 다만, 제 3 정제부(300)가 제올라이트 계열 흡착제를 사용하는 PSA 방식인 경우, 재 가압부(400')는 생략될 수도 있으며, 이때, 제 3 폐기가스는 진공펌프(미도시)에 의해 진공압 수준의 분위기로 펌핑될 수도 있다.
도 3는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 기체 분리시스템을 도시한 구성도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 기체 분리시스템(10")은, 버퍼탱크(600), 가압부(400), 제 1 정제부(100), 제 2 정제부(200), 재 가압부(400"), 제 3 정제부(300), 진공펌프(500"), 제 1 회수 라인(710), 제 2 회수 라인(720)을 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 제 3 정제부(300)의 압력 차에 의한 가스 정제를 보다 원활하게 하기 위해, 재 가압부(400")는 제 1 폐기가스를 가압하여 제 3 정제부(300)로 공급하고, 진공펌프(500")는 제 3 폐기가스를 진공압 수준의 분위기로 펌핑할 수 있다.
이때, 제 3 정제부(300)에서 배출된 제 3 정제가스의 압력은 제 1 폐기가스의 압력보다 다소 낮은 수준이므로, 감압밸브(예를 들어, let down 밸브)를 이용하여 제 3 정제가스의 압력을 제 2 폐기가스의 압력(약 1bar 정도) 수준으로 낮추어, 제 3 정제가스의 압력과 제 2 폐기가스의 압력을 서로 비슷하게 유지할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 기체 분리방법에 대하여 설명하고자 한다.
본 발명의 제 1 실시예 따른 기체 분리방법은, 가스 저장단계, 가압 단계, 제 1 정제 단계, 제 2 정제 단계, 제 1 회수 단계, 제 3 정제 단계, 저압 조절단계 및 제 2 회수 단계를 포함할 수 있다. 이 실시예에 적용되는 구성은 상술한 도 1의 구성이 참고될 수 있으며, 본 실시예에서 제 1 정제 단계 및 제 3 정제 단계는 막 분리 방식을 사용하고 제 2 정제 단계는 PSA 방식을 사용한다.
상기 가스 저장단계는 최초 유입되는 원료가스를 버퍼탱크에 임시 저장하는 단계이다. 그리고 가스 저장단계는 제 1 회수 단계에서 버퍼탱크로 유입되는 제 2 폐기가스와, 제 2 회수 단계에서 버퍼탱크로 유입되는 제 3 정제가스를 임시 저장하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 가압 단계는 버퍼탱크에 임시 저장된 혼합가스를 일정 압력의 고압으로 가압하는 단계이다. 이렇게 가압된 혼합가스는 제 1 정제 단계로 이동될 수 있다. 이때, 혼합가스는 원료가스만으로 제공되거나, 원료가스와 제 2 폐기가스 및 제 3 정제가스를 포함할 수 있으며, 일 예로 10bar 정도의 압력으로 압축될 수 있다.
상기 제 1 정제 단계는 막 투과 방식을 이용하여 고압의 혼합가스를 제 1 폐기가스와 제 1 정제가스로 분리하는 단계이다. 여기서, 제 1 정제가스는 메탄(CH4) 순도 약 90% 정도로 제공될 수 있도록, 설계/운전 조건이 설정될 수 있다.
이 제 1 정제 단계에서 분리된 제 1 폐기가스는 제 3 정제 단계로 이동되고, 제 1 정제가스는 제 2 정제 단계로 이동될 수 있다.
상기 제 2 정제 단계는 PSA 방식을 이용하여 제 1 정제가스의 불순물을 제거하고, 불순물이 제거된 제 2 정제가스를 생산가스로 회수하는 단계이다. 여기서, 제 2 폐기가스는 제 1 회수 단계로 이동될 수 있다. 그리고 제 2 정제가스는 메탄(CH4) 순도 약 97% 정도와, 메탄(CH4) 회수율 약 90% 정도의 생산가스로 회수될 수 있다.
상기 제 1 회수 단계는 제 2 정제 단계에서 분리된 제 2 폐기가스를 버퍼탱크로 회수하는 단계이다. 이 버퍼탱크에 저장된 제 2 폐기가스는 상술한 제 1 정제 단계 및 제 2 정제 단계를 통해 다시 정제되어 생산가스로 회수될 수 있다.
한편, 상기 제 3 정제 단계는 막 투과 방식에 따라 제 1 정제 단계의 제 1 폐기가스를 제 3 폐기가스와 제 3 정제가스로 재 분리할 수 있다. 그리고 제 3 폐기가스는 저압 조절단계에서 진공압 수준의 저압(예를 들어 0.1~0.2bar 정도) 분위기로 펌핑될 수 있다. 이때, 제 3 폐기가스는 소량의 메탄(일 예로 약 13% 정도)만 포함되어 있는 바, 연소되거나 버려질 수 있다.
이 제 3 정제 단계의 제 3 정제가스는, 제 2 정제 단계에서 제 2 폐기가스 흐름의 메탄 순도와 비슷한 조성(일 예로, 70~80% 정도)과 유사한 압력(일 예로, 1bar 정도)으로, 제 2 회수 단계로 이동될 수 있다.
상기 제 2 회수 단계는 제 3 정제가스를 버퍼탱크로 이송하는 단계이다. 이 버퍼탱크에 저장된 제 3 정제가스는 상술한 제 1 정제 단계 및 제 2 정제 단계를 통해 정제되어 생산가스로 회수될 수 있다.
한편, 제 2 실시예에 따른 기체 분리방법에서, 제 3 정제 단계는 PSA 방식을 이용하여 제 1 폐기가스를 제 3 폐기가스와 제 3 정제가스로 정제할 수 있다. 이 실시예에 적용되는 구성은 상술한 도 2의 구성이 참고될 수 있으며, 본 실시예에서 제 3 정제 단계는 PSA 방식으로 사용한다는 차이가 있으므로, 차이점을 위주로 설명하며 동일한 부분에 대하여는 제 1 실시예의 설명을 원용한다.
제 3 정제 단계는 제 1 정제 단계에서 투과된 제 1 폐기가스의 불순물을 제거하여, 제 2 정제 단계의 제 2 폐기가스와 비슷한 조성의 제 3 정제가스를 생산하는 단계이다. 이렇게 만들어진 제 3 정제가스는 버퍼탱크로 보내질 수 있다. 이때, 제 3 정제 단계에서 정제한 제 3 정제가스는 제 2 회수 단계로 이동될 수 있다.
제 2 회수 단계는 제 3 정제 단계의 제 3 정제가스를 버퍼탱크에 이송하는 단계이다. 버퍼탱크에 저장된 제 3 정제가스는 상술한 제 1 정제 단계 및 제 2 정제 단계를 통해 다시 정제되어 생산가스로 회수될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안 되며, 이러한 변형된 실시예는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.
100 :제 1 정제부 200 :제 2 정제부
300 :제 3 정제부 400 :가압부
500 :진공펌프 600 :버퍼탱크
710 :제 1 회수 라인 720 :제 2 회수 라인

Claims (14)

  1. 원료가스의 압력을 고압으로 압축하는 가압부;
    상기 가압부에서 가압된 상기 원료가스를 막 분리 방식을 통해 정제하여 제 1 정제가스와 제 1 폐기가스를 생산하는 제 1 정제부;
    상기 제 1 정제가스를 PSA 방식을 통해 정제하여 제 2 정제가스와 제 2 폐기가스를 생산하는 제 2 정제부;
    상기 제 1 폐기가스를 막 분리 방식을 통해 정제하여 제 3 정제가스와 제 3 폐기가스를 생산하는 제 3 정제부;
    상기 제 3 정제부에서 분리된 상기 제 3 폐기가스를 진공압 수준의 저압으로 펌핑하기 위한 진공펌프;
    상기 가압부의 전단에 배치되며 상기 원료가스와 생산된 상기 제 2 폐기가스 및 상기 제 3 정제가스가 투입되는 버퍼탱크;
    상기 제 2 정제부에서 분리된 제 2 폐기가스를 상기 버퍼탱크로 안내하는 제 1 회수 라인; 및
    상기 제 3 정제부에서 분리된 제 3 정제가스를 상기 버퍼탱크로 안내하는 제 2 회수 라인을 포함하는 기체 분리시스템.
  2. 원료가스의 압력을 고압으로 압축하는 가압부;
    상기 가압부에서 가압된 상기 원료가스를 막 분리 방식을 통해 정제하여 제 1 정제가스와 제 1 폐기가스를 생산하는 제 1 정제부;
    상기 제 1 정제가스를 PSA 방식을 통해 정제하여 제 2 정제가스와 제 2 폐기가스를 생산하는 제 2 정제부;
    상기 제 1 정제부에서 분리된 상기 제 1 폐기가스를 재 가압하는 재 가압부;
    재 가압된 상기 제 1 폐기가스를 PSA 방식을 통해 정제하여 제 3 정제가스와 제 3 폐기가스를 생산하는 제 3 정제부;
    상기 가압부의 전단에 배치되며 상기 원료가스와 생산된 상기 제 2 폐기가스 및 상기 제 3 정제가스가 투입되는 버퍼탱크;
    상기 제 2 정제부에서 분리된 제 2 폐기가스를 상기 버퍼탱크로 안내하는 제 1 회수 라인; 및
    상기 제 3 정제부에서 분리된 제 3 정제가스를 상기 버퍼탱크로 안내하는 제 2 회수 라인을 포함하는 기체 분리시스템.
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  9. 원료가스를 고압으로 압축하는 가압 단계;
    압축된 상기 원료가스를 막 분리 방식으로 정제하여 제 1 정제가스와 제 1 폐기가스를 생산하는 제 1 정제 단계;
    상기 제 1 정제가스를 막 분리 방식으로 정제하여 제 2 정제가스와 제 2 폐기가스를 생산하는 제 2 정제 단계;
    상기 제 2 폐기가스를 버퍼탱크로 저장하는 제 1 회수 단계;
    상기 제 1 폐기가스를 막 분리 방식으로 정제하여 제 3 정제가스와 제 3 폐기가스를 생산하는 제 3 정제 단계;
    상기 제 3 정제 단계에서 정제된 상기 제 3 폐기가스를 진공압 수준의 저압으로 펌핑하는 저압 조절단계; 및
    상기 제 3 정제가스를 버퍼탱크에 저장하는 제 2 회수 단계를 포함하는 기체 분리방법.
  10. 원료가스를 고압으로 압축하는 가압 단계;
    압축된 상기 원료가스를 막 분리 방식으로 정제하여 제 1 정제가스와 제 1 폐기가스를 생산하는 제 1 정제 단계;
    상기 제 1 정제가스를 PSA 방식으로 정제하여 제 2 정제가스와 제 2 폐기가스를 생산하는 제 2 정제 단계;
    상기 제 2 폐기가스를 버퍼탱크로 저장하는 제 1 회수 단계;
    상기 제 1 정제 단계에서 정제된 상기 제 1 폐기가스를 재 가압하는 재 가압 조절단계;
    재 가압된 상기 제 1 폐기가스를 PSA 방식으로 정제하여 제 3 정제가스와 제 3 폐기가스를 생산하는 제 3 정제 단계;
    상기 제 3 정제가스를 버퍼탱크에 저장하는 제 2 회수 단계를 포함하는 기체 분리방법.
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