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KR102376275B1 - 천연가스의 이산화탄소 분리 시스템 및 방법 - Google Patents

천연가스의 이산화탄소 분리 시스템 및 방법 Download PDF

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KR102376275B1
KR102376275B1 KR1020150068249A KR20150068249A KR102376275B1 KR 102376275 B1 KR102376275 B1 KR 102376275B1 KR 1020150068249 A KR1020150068249 A KR 1020150068249A KR 20150068249 A KR20150068249 A KR 20150068249A KR 102376275 B1 KR102376275 B1 KR 102376275B1
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Abstract

본 발명에 따른 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템 및 방법은 가스전으로부터 시추되는 천연가스의 압력에 따른 이산화탄소 고체화 온도 조건으로 이산화탄소를 포함하는 천연가스를 열교환 시킴으로써 이산화탄소를 상변화 즉, 고체화시켜 분리할 수 있고, 그에 따라 기체 상태로 이산화탄소를 분리 배출하는 종래 기술에 비해 부피 감소 효과가 있으며, 이산화탄소를 효과적으로 정교하게 분리할 수 있어 처리 능력을 향상시킬 수 있다. 따라서, 고농도의 이산화탄소를 처리할 수 있으므로 종래 기술에 비해 에너지 절감, 장비 크기 최소화, 공간 활용성 증대의 효과가 있으며, 가스전의 이산화탄소 조성 변화에 대해 유연하게 적용할 수 있어 가스전에 따른 적용성이 크다. 또한, 고체화 이산화탄소는 고체상태에서 녹아 바로 기체로 승화하므로, 주위의 열을 흡수하여 온도를 급격히 낮출 수 있고, 승화 시 수분을 남기지 않으므로 냉각제로써 취급이 용이하다.
본 발명에 따른 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템 및 방법은 천연가스 액화공정의 전처리 공정에서 천연가스로부터 이산화탄소를 제거하는 시스템에 있어서, 가스전으로부터 시추한 천연가스를 냉각시켜 천연가스에 포함된 이산화탄소를 고체화시켜 분리하는 냉각분리기; 및 기 냉각분리기에서 분리된 천연가스를 액화시켜 LNG를 생산하는 액화 공정 유닛을 포함하되, 상기 냉각분리기의 냉열원을 상기 액화 공정 유닛으로부터 공급받는다.

Description

천연가스의 이산화탄소 분리 시스템 및 방법 {The System and Method for Carbon Dioxide Separation from Natural Gas before Gas Liquefaction Process}
본 발명은 천연가스로부터 이산화탄소를 분리하는 시스템 및 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 천연가스 액화공정의 전처리 공정에서 천연가스로부터 이산화탄소를 상변화시켜 분리 제거하는 천연가스의 이산화탄소 분리 시스템 및 방법에 관한 것이다.
액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 "LNG"라 함)는 메탄(Methane)을 주성분으로 하는 천연가스를 가스전으로부터 시추하여 약 -162℃로 냉각해서 액화시킴으로써 얻을 수 있는 무색 무취의 투명한 액체로서, 천연가스와 비교해 약 1/600 정도의 부피를 갖는다.
또한, LNG는 연소 시 단위당 이산화탄소(CO2) 배출량이 최소이고, 효율이 높아 석탄, 석유와 비교하여 최선의 친환경 화석 연료로 여겨지고 있으며, 비용도 저렴하여 전 세계적으로 그 수요가 급증하고 있다.
해상 또는 육상의 가스전에서 시추된 천연가스는 이산화탄소(CO2), 황화수소(H2S)와 같은 산성가스, 수분(H2O) 등의 이물질을 포함하고 있다. 이산화탄소 및 황화수소와 같은 산성가스는 천연가스의 처리공정에서 장비 부식 또는 이송 파이프 부식의 원인이 되고, 수분은 천연가스의 극저온 공정에서 가스하이드레이트(Gas Hydrate)를 형성하므로 장비 파손 등의 원인이 된다. 따라서, 천연가스의 액화공정에 앞서 이러한 이물질들을 천연가스로부터 반드시 분리하여 제거해야만 한다.
종래에는 이러한 이산화탄소를 제거하는 데 분리막을 이용한 막분리 방법, 흡수탑에서 흡수용매에 이산화탄소를 흡수시키는 방법 또는 흡착제에 흡착시키는 방법 등을 단일적으로 적용하거나 또는 이들을 다단계로 조합하여 천연가스의 액화공정에 앞선 전처리 공정에서 실시하였다.
가장 널리 적용되는 방식으로는 분리막(Membrane)과 아민 공정의 복합형이 있는데, 천연가스를 분리막으로 공급하여 정교하지는 않지만, 1차적으로 많은 양의 이산화탄소를 제거한 이후, 아민 공정으로 공급하여 낮은 농도까지 천연가스에 포함된 이산화탄소를 제거하는 방식이다.
흡수법, 특히 아민(Amine) 용액을 흡수제로 하는 흡수법은 가장 효율이 좋고 정교하게 이산화탄소를 분리해낼 수 있어 널리 이용되고 있다.
향후 가스 시추 및 생산은 육상 플랜트보다 해상에서의 수요가 증가할 전망이며, 이미 그러한 추세에 들어서 있다. 특히, 해상의 중규모 가스전의 경우 이산화탄소의 양이 많이 함유된 경우가 많고, 해상에 부유하여 가스의 시추, 처리, 생산을 실시하는 해상 플랜트 구조물인 LNG-FPSO(LNG-Floating, Production, Storage, Offloading, 이하 'FLNG'라 함)에 적용하기 위하여는 FLNG의 특성상 에너지, 공간 등의 제약이 있으므로 기존의 단일 아민 공정보다 처리능력을 향상시킬 필요가 있다. 하지만, 이러한 고농도의 이산화탄소를 처리하기 위해서는 아민 재생 공정에 있어서 고온의 많은 열이 요구되는 열집약 공정이 되기 때문에 FLNG에 있어 높은 발화 위험성이 있다.
이러한 이유로 2단 아민 공정에 대한 연구가 활발한데, 폐열인 적은 열로 공정의 운영이 가능하기 때문에, 이로 인하여 고온 처리 없이도 약 15mol%까지 이산화탄소를 처리할 수 있고 안전하다는 장점이 있으나, 2단 아민 공정은 고농도의 용액 흐름으로 인해 장치의 크기가 대형화되고, CAPEX 및 OPEX가 증가한다는 문제점이 있다.
또한, 천연가스의 액화 공정에 있어서, 천연가스를 약 -162℃까지 냉각시키는 냉열원을 제공하는 냉매 사이클은 가스 플랜트 전체 에너지의 약 30% 이상을 차지할 정도로 많은 전력이 요구되며 따라서 액화 공정의 에너지를 절감할 수 있는 방법에 대한 수요가 증가하고 있다.
대한민국 공개특허공보 10-2009-0006934 (2009.01.16. 공개)
따라서, 본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위한 것으로, 가스전으로부터 올라오는 천연가스에 포함된 이산화탄소(CO2)를 효과적으로 분리제거함과 동시에, 안전하면서도 에너지를 절감할 수 있고, 천연가스의 전처리 공정의 장비를 간단히 하여 공간 효율이 높은 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 천연가스 액화공정의 전처리 공정에서 천연가스로부터 이산화탄소를 제거하는 시스템에 있어서, 가스전으로부터 시추한 천연가스를 냉각시켜 천연가스에 포함된 이산화탄소를 고체화시켜 분리하는 냉각분리기; 및 상기 냉각분리기에서 분리된 천연가스를 액화시켜 LNG를 생산하는 액화 공정 유닛을 포함하되, 상기 냉각분리기의 냉열원을 상기 액화 공정 유닛으로부터 공급받는 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 액화 공정 유닛은 상기 천연가스의 액화를 위해 천연가스를 냉각시키는 천연가스 냉각기와 상기 천연가스 냉각기에 냉열원을 공급하는 냉매 사이클을 포함하고, 상기 냉매 사이클로부터 재생되어 액화 공정 유닛의 천연가스 냉각기로 냉매를 공급하는 냉매공급라인; 및 상기 천연가스 냉각기에서 생성되는 LNG를 저장하는 저장탱크와 상기 저장탱크에서 발생하는 플래쉬 가스(Flash Gas)를 회수하는 가스 회수라인;을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉매공급라인으로부터 분기되는 제1냉매공급라인;을 포함하고, 상기 냉각분리기의 냉열원은 상기 제1냉매공급라인을 통해 공급받을 수 있다.
바람직하게는, 상기 가스 회수라인으로부터 분기되는 제1가스 회수라인;을 포함하고, 상기 냉각분리기의 냉열원은 상기 제1가스 회수라인을 통해 공급받는 플래쉬 가스일 수 있다.
바람직하게는, 상기 냉각분리기는 이산화탄소를 고체화시킨 후, 상기 냉각분리기로 열원을 공급하여 이산화탄소를 기화시켜 배출시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 열원은 상기 냉각분리기로 시추된 천연가스를 공급하는 피드가스(Feed Gas) 공급라인으로부터 분기되는 제1피드가스 공급라인을 통해 공급받는 천연가스일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 천연가스 액화공정의 전처리 공정에서 천연가스로부터 이산화탄소를 제거하는 방법에 있어서, 가스전으로부터 시추한 천연가스를 냉각분리기로 공급하여 천연가스에 포함된 이산화탄소를 고체화시키는 단계; 및 상기 고체화된 이산화탄소와 천연가스를 분리하는 단계;를 포함하고, 상기 이산화탄소는 상기 천연가스를 액화시키는 냉매 또는 LNG 저장탱크의 플래쉬 가스 중 어느 하나를 이용하여 고체화시키는 천연가스의 이산화탄소 제거 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 고체화된 이산화탄소와 천연가스를 분리하는 단계는 기체 상의 천연가스를 배출시키는 단계와 상기 고체화 이산화탄소는 상기 냉각분리기로 공급하는 시추된 천연가스를 이용하여 가열시키는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 가스전으로부터 시추되는 천연가스의 압력에 따른 이산화탄소 고체화 온도 조건으로 이산화탄소를 포함하는 천연가스를 열교환 시킴으로써 이산화탄소를 상변화 즉, 고체화시켜 분리할 수 있고, 그에 따라 기체 상태로 이산화탄소를 분리 배출하는 종래 기술에 비해 부피 감소 효과가 있으며, 이산화탄소를 효과적으로 정교하게 분리할 수 있어 처리 능력을 향상시킬 수 있다.
따라서, 고농도의 이산화탄소를 처리할 수 있으므로 종래 기술에 비해 에너지 절감, 장비 크기 최소화, 공간 활용성 증대의 효과가 있으며, 가스전의 이산화탄소 조성 변화에 대해 유연하게 적용할 수 있어 가스전에 따른 적용성이 크다.
또한, 고체화 이산화탄소는 고체상태에서 녹아 바로 기체로 승화하므로, 주위의 열을 흡수하여 온도를 급격히 낮출 수 있고, 승화 시 수분을 남기지 않으므로 냉각제로써 취급이 용이하다.
도 1은 이산화탄소의 P-T 상태도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템의 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 냉각분리기의 구성도이다.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조 부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다. 또한, 하기 실시 예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 이산화탄소의 P-T 상태도이다. 도 1의 이산화탄소 상태도에서 보는 바와 같이, 이산화탄소의 삼중점은 약 5.18bar 조건에서 약 -56.6℃이다. 즉, 이산화탄소는 약 -56.6℃, 5.18bar 조건에서 액체상, 고체상, 기체상 등 3상(Phase)이 모두 평형을 이루며 존재하고, 그 이하의 저압 상태에서는 기체의 온도를 낮추어도 액화되지 않으며 곧바로 고체로 승화하게 된다.
또는, 가스 상태의 이산화탄소를 냉각시키면 이산화탄소가 액화(Liquefaction)되고, 더 냉각시키거나 감압 및 냉각시키면 이산화탄소가 고체화(Solidification)된다.
반면, 가스전으로부터 시추되어 산성가스(이산화탄소, 황화수소 등), 수분 등의 이물질을 포함하여 전처리 공정으로 공급되는 천연가스는 전형적으로 20 ~ 80bar, 보다 전형적으로는 40 ~ 65bar, 더 전형적으로는 약 60bar이다.
따라서, 가스전으로부터 시추되어 천연가스 전처리 공정으로 공급되는 이산화탄소를 포함하는 천연가스의 압력은 이산화탄소의 액화 및 고체화 가능 범위이며, 천연가스의 공급 압력에서 이산화탄소의 고체화 조건에 맞도록 온도를 낮춰주면 이산화탄소는 고체화되어 천연가스로부터 분리 제거될 수 있다. 천연가스의 액화조건은 1기압에서 약 -162℃이고 상기 이산화탄소의 액화조건 범위 내에서 액화될 수 없으므로, 탄화수소의 손실이 거의 없이 이산화탄소만을 분리해 낼 수 있는 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템을 도시한다. 도 3은 본 발명의 다른 일 실시 예에 따른 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템을 도시한다. 이하 도 1, 도 2 및 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
본 발명은 해상에 부유하여 해저 가스전으로부터 가스를 시추하고, 정제, 액화 생산, 저장 및 하역 등을 모두 수행하는 LNG-FPSO(LNG-Floating Production Storage Offloading, 이하 'FLNG'라 함)와 같은 해상 부유 구조물 또는 해양 플랜트(Offshore Plant)는 물론 육상의 가스전으로부터 가스를 시추하여 생산하는 육상 가스 플랜트(Onshore Gas Plant)에서도 실시할 수 있다.
본 발명에 따른 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템은 천연가스 액화공정의 전처리 공정에서 천연가스에 포함된 이산화탄소를 제거하는 데 있어서, 가스전(1)으로부터 시추한 천연가스를 냉각시켜 천연가스에 포함된 이산화탄소를 고체화시켜 분리하는 냉각분리기(10) 및 냉각분리기(10)에서 분리된 천연가스를 액화시켜 LNG를 생산하는 천연가스 액화 공정 유닛(30)을 포함한다.
상기 전처리 공정의 냉각분리기(10)로 천연가스를 공급하기 전에, 천연가스와 함께 올라온 머드 등의 고형물을 제거하는 안정화 유닛(Stabilization Unit)을 더 포함할 수 있다.
상기 전처리 공정은 이산화탄소, 황화수소와 같은 산성가스를 제거하는 공정, 수분(H2O) 제거 공정 및 수은(Mercury) 제거 공정 등을 포함하는데, 본 발명은 산성가스를 제거하는 공정에서 특히, 이산화탄소 분리 제거 방법에 관한 것이다.
본 발명에 의하면 이산화탄소 분리 제거 공정에서 이산화탄소를 분리하는 데 냉각분리기(10)로 상기 가스전(1)에서 시추된 후 고형물이 제거된 천연가스를 피드가스 공급라인(SL)을 통해 공급하여, 냉각분리기(10)에서 상기 이산화탄소를 포함하는 천연가스를 냉각시켜 이산화탄소를 상변화 즉, 고체화(Solidification)시켜 분리한다.
상기 냉각분리기(10)로 공급하는 이산화탄소를 포함하는 천연가스는 이산화탄소의 삼중점 압력 이하 즉, 약 5.18bar를 넘지는 않아야 한다. 상기 압력 범위 내에서 냉각분리기(10)로 공급되는 천연가스를 삼중점 온도 이하 즉, 약 -56.6℃ 이하로 냉각시켜 이산화탄소를 고체화시킨다.
냉각분리기(10)에서 냉각되는 이산화탄소를 포함하는 천연가스의 온도는 냉각분리기(10)로 공급되는 천연가스의 압력에 따라, 이산화탄소가 고체화되는 온도까지 냉각시켜야 하며, 가압 또는 감압장치를 냉각분리기(10) 전단에 마련하여 냉각분리기(10)로 공급되는 천연가스의 압력을 일정하게 유지시킬 수도 있다.
상기 냉각분리기(10)에서 -56.6℃ 이하로 냉각되어 고체 이산화탄소와 분리된 기체 상의 천연가스는 배출라인(NL)을 통해 천연가스 액화 공정 유닛(30)으로 공급되어 LNG로 생산된다.
냉각분리기(10)에서 분리 배출되는 기체 상의 천연가스는 액화 공정 유닛(30)으로 공급되기 전에 아민흡수탑(미도시)을 거쳐 이산화탄소, 황화수소와 같은 산성가스를 더 제거될 수 있다. 또한 수분 제거 공정 내지 수은 제거 공정 및 NGL Extraction 공정을 더 거친 후 액화 공정 유닛(30)으로 공급될 수 있다.
천연가스 액화 공정 유닛(30)으로 공급되는 천연가스의 이산화탄소 농도는 50ppm 이하이다.
본 발명에 따르면, 냉각분리기(10)에서 가스전으로부터 시추한 천연가스를 냉각시켜 이산화탄소를 고체화시키는 냉열원은 천연가스 액화 공정 유닛(30)으로부터 공급받는 것을 특징으로 한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 천연가스 액화 공정 유닛(30)은 천연가스의 액화를 위해 천연가스를 냉각시키는 천연가스 냉각기(31)와 천연가스 냉각기(31)에 냉열원을 공급하는 냉매 사이클(32)과 냉매 사이클(32)로부터 재생되어 천연가스 냉각기(31)로 냉매를 공급하는 냉매공급라인(RL)을 포함한다. 여기서, 냉각분리기(10)에서 가스전으로부터 시추한 천연가스를 냉각시켜 이산화탄소를 고체화시키는 냉열원을 냉매공급라인(RL)으로부터 분기된 제1냉매공급라인(RL1)을 통해 냉매를 공급받아 사용할 수 있다.
제1냉매공급라인(RL1)을 통해 공급되는 냉매는 천연가스를 액화시켜 LNG(액화천연가스)를 생산하는 천연가스 액화공정(Liquefaction Process)의 액화용 냉매사이클로부터 공급받을 수 있다.예를 들어, 천연가스 액화공정으로부터 공급받는 냉매는 혼합냉매(C3MR) 사이클 및, 혼합 냉매 사이클의 프로판 예냉 사이클(Propane Refrigeration Cycle), 캐스케이드(Cascade) 공정의 프로판, 에탄 또는 에틸렌 및 메탄 냉각 사이클, 질소 팽창 사이클(Nitrogen Expander Cycle), AP-X 냉각 사이클 등에서 분기되는 라인으로부터 얻을 수 있고, 프로판, 혼합냉매, 에틸렌, 메탄 및 질소 등일 수 있으며, 상기 냉동 사이클은 APCI 사(社), Linde 사, ConocoPhillips 사, Shell 사 등의 라이센스(License) 공정일 수 있다.
또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 천연가스 액화 공정 유닛(30)은 액화된 천연가스 즉, LNG를 저장하는 LNG 저장탱크(33)를 더 포함할 수 있으며. LNG를 저장탱크(33)에 공급하는 과정에서 또는 천연가스 액화 과정에서 과냉각 단계 등에서 플래쉬 가스(Flash Gas)가 발생할 수 있다. 예를 들어, 저장탱크(33)로 LNG를 공급하는 과정에서 발생하는 플래쉬 가스는 액화 천연가스의 온도와 유사하게 약 -163℃ 이상이며, 이 플래쉬 가스를 회수하는 가스 회수라인(GL)을 더 포함할 수 있다. 여기서, 냉각분리기(10)에서 가스전으로부터 시추한 천연가스를 냉각시켜 이산화탄소를 고체화시키는 냉열원을 가스 회수라인(GL)으로부터 분기된 제1가스 회수라인(GL1)을 통해 플래쉬 가스를 냉매로써 공급받아 사용할 수 있다.
냉각분리기(10)에서 고체화 이산화탄소를 가열하는 열원은 냉각분리기(10)로 천연가스를 공급하는 피드가스(Feed Gas) 공급라인(SL)으로부터 분기된 제1피드가스 공급라인(SL1)을 통해 냉각분리기(10)에서 냉각되어 이산화탄소를 고체화 분리하기 전의 피드가스를 공급받아 사용할 수 있다.
냉각분리기(10)에서 기체 상태로 배출되는 이산화탄소는 저온의 이산화탄소를 필요로 하는 수요처, 예를 들면 불활성 가스를 필요로 하는 공정이나 CCS(Carbon Capture&Storage) 기술에 의한 저장소로 공급하거나 또는 플레어 타워에서 연소시켜 처리할 수 있다.
도 4는 본 발명의 냉각분리기(10)의 일 실시 예를 도시한다.
상기 냉각분리기(10)는 가스전으로부터 시추된 천연가스를 냉각시켜, 천연가스에 포함된 이산화탄소를 고체화시킨 후, 상기 이산화탄소가 고체화되어 분리된 천연가스와 고체 이산화탄소를 분리배출하는 본체(11)를 포함한다.
본 발명에 따른 냉각분리기(10)는 본체(11)의 내부공간으로 이산화탄소를 포함하는 기체 상의 천연가스를 공급하는 피드가스 공급라인(21), 기체 상의 천연가스에 포함된 기체 상의 이산화탄소를 냉각시켜 고체 이산화탄소로 상변화 시키는 냉매(Refrigernat)를 열교환 라인(44)으로 공급하고, 냉매에 의해 고체화된 이산화탄소를 기화시키는 열매(Heating Medium)를 공급하는 열매 공급라인(45)을 포함한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 피드가스 공급라인(21)은 본체(11)의 상부에 마련되고, 피드가스 공급라인(21)을 통해, 가스전에서 시추한 이산화탄소를 포함하는 천연가스를 본체(11) 내부공간으로 공급할 수 있다.
피드가스 공급라인(21)에는 천연가스 공급 조절밸브(41)가 마련되어 피드가스 공급라인(21)의 개폐 및 천연가스 공급량을 조절할 수 있다.
본체(11)로 공급되는 이산화탄소를 포함하는 천연가스는 이산화탄소의 삼중점 압력 이하, 즉 약 5.18bar 이하로 공급될 수 있으며, 피드가스 공급라인(21)의 노즐 등에 의해 분사되어 공급될 수 있다. 또는, 피드가스 공급라인(21)에 감압장치(미도시)를 더 마련하여 공급 압력을 맞춰줄 수도 있다.
열교환 라인(44)을 통해 이산화탄소를 고체 분리하기 위하여 공급되는 냉매에 의해 이산화탄소를 포함하는 천연가스는 이산화탄소의 삼중점 이하 온도, 약 -56.6℃ 이하로 냉각될 수 있고, 이산화탄소는 상기 압력 및 온도 조건에서 기체 상태에서 액체 상태를 거치지 않고 고체 상태로 승화시켜 천연가스로부터 분리해낼 수 있다.
열교환 라인(44)은 상기 서술한 제1 냉매공급라인(RL1) 또는 제1가스 회수라인(GL1)과 연결될 수 있고 제1 냉매공급라인(RL1)을 통해 냉매 또는 제1가스회수라인(GL1)을 통해 플래쉬 가스를 이산화탄소를 고체화시키는 냉열원으로 공급받을 수 있다.
제1 냉매공급라인(RL1) 또는 제1가스 회수라인(GL1)과 연결되는 열교환 라인(44) 본체(11) 내부 또는 외부에 마련될 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 열교환 라인(44)이 본체(11)의 내부에 마련되는 경우, 본체(11) 내부에 연속적인 S자 형태로 마련되어 천연가스와 냉매의 접촉면적 및 접촉시간을 최대화할 수 있다.
또한, 냉매는 열교환 라인(44)을 통해 본체(11)의 하부로부터 공급되어 천연가스와 간접 접촉하여 열교환한 후, 본체(11)의 상부로 배출될 수 있고 따라서, 천연가스에 포함된 기체 상의 이산화탄소는 승화되어 고체 이산화탄소가 생성되고, 본체(11) 내부에 마련되는 열교환 라인(44)의 외부면을 따라 응집되어 결착 형성될 수 있다.
본체(11) 내부에서 승화된 고체 이산화탄소는 스노우(Snow) 형태일 수 있으며, 일부는 본체(11) 내부에서 고체화되어 자중에 의해 본체(11) 하부로 하강할 수 있고, 이 때 본체(11) 하부이며 열교환 라인(44)보다 하부에 마련된 체(Sieve, 51)에 걸러질 수 있다.
냉매가 본체(11)의 하부로부터 공급되므로, 고체 이산화탄소는 본체(11)의 하부에서부터 생성될 수 있으며, 따라서 천연가스의 공급 또는 냉매 공급과 냉각은 고체 이산화탄소가 본체(11) 하부의 열교환 라인(44) 또는 체(51)에 더 이상 응집될 수 없을 때까지 이루어질 수 있다. 이 때 열매 공급라인(45)을 통해 열매를 공급하여 열교환 라인(44)에 응집된 고체 이산화탄소를 가열하여 이산화탄소를 기화시켜 배출시킬 수 있다.
따라서, 본체(11) 내부공간에서 천연가스의 원활한 흐름을 위해 본체(10)는 하부로 확장되는 형태로 마련할 수 있고, 본체(11)의 형태는 상부면의 넓이보다 하부면의 넓이가 더 넓은 원기둥, 사각기둥일 수 있고 그 형태에 있어서는 한정하지 않는다.
또는, 피드가스 공급라인(21)을 본체(11)의 하부에 마련하여, 하부로부터 천연가스를 공급하고, 냉매는 열교환 라인(44)을 통해 본체(11)의 상부로 공급하여 상호 열교환 시킬 수도 있으며, 이 외에도 피드가스 공급라인(21)과 열교환 라인(44)을 통해 냉매를 공급하는 방향은 상호 맞흐름이 되도록 하고, 본체(11)는 냉매 또는 열매를 공급하는 측의 넓이가 더 넓도록 마련하는 것이 바람직하다.
또한, 열매를 공급하기 전에, 이산화탄소가 고체화되어 분리된 천연가스는 배출라인(22)으로 먼저 배출시킨다. 그 후, 열매 공급라인(31)으로 열매를 공급하여 고체 이산화탄소를 기화시켜 배출시킬 수 있다.
이때, 본체(11)에서 냉각된 천연가스를 배출하는 배출라인(22)과 기화된 이산화탄소 배출라인은 하나로 마련하여 배출 조절밸브(42)로 개폐 및 배출량을 조절할 수도 있고, 냉각된 천연가스를 배출하는 배출라인(22) 및 이산화탄소 배출라인은 각각 따로 마련할 수도 있으며, 본체(11)의 상부에 마련될 수 있다.
열매 공급라인(31)은 도 4에 도시한 바와 같이, 열교환 라인(44)으로부터 분기되어 마련될 수 있으며, 상기 서술한 제1 피드가스 공급라인(SL1)과 연결되어 피드가스를 열매로 공급받을 수 있고, 열교환 라인(44)으로의 냉매 공급을 중단한 후, 열매를 공급하여 본체(11) 내부의 응집된 고체 이산화탄소를 기화시킬 수 있다.
또한, 체(51)에 걸러진 고체 이산화탄소를 기화시키기 위해 체(51)의 하부 또는 상부에서 체(51)를 향해 열매를 공급하는 라인을 따로 마련하여 재생 공정을 실시할 수 있다.
열교환 라인(44)으로부터 열매 공급라인(31)이 분기되는 지점에는 조절밸브(43)가 마련될 수 있고, 냉매 공급 조절밸브(43)는 삼방밸브(3-Way Valve)로 마련되어 개폐 방향 및 열매 또는 냉매 공급량을 조절할 수 있다.
또는, 열교환 라인(44)은 본체(11)의 외부면을 둘러싸는 코일 형태로 마련될 수 있으며, 본체(11) 외부에 빈틈이 없이 마련될 수 있다.
이 때, 본체(11) 내부로 공급되는 천연가스는 냉각되어, 본체(11)의 내부 벽면에 고체 이산화탄소가 응집되어 결착될 수 있다.
이 외의 모든 작용에 대해서는 상기 열교환 라인(44)이 본체(11) 내부에 마련되는 일 실시 예와 동일하므로 설명은 생략하기로 한다.
본체(11)를 포함하는 냉각분리기(10)는 다열로 다수 개 마련될 수 있으며, 따라서 적어도 하나의 냉각분리기(10)의 본체(11)가 고체 이산화탄소를 기화시켜 배출시키는 공정을 실시할 때, 나머지 적어도 하나의 냉각분리기(10)의 본체(11)로는 천연가스를 공급하여 이산화탄소를 고체화 분리시키는 공정을 실시하여 연속공정으로 실시할 수도 있다.
상기 서술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 가스전(1)에서 시추된 천연가스로부터 이산화탄소를 고체 상태로 분리함으로써, 고농도의 이산화탄소까지도 처리할 수 있고 따라서 가스전(1)에 따른 다양한 이산화탄소 농도 변화에 유연하게 적용할 수 있으며, 이산화탄소를 고체화시키는 냉열을 천연가스 액화 공정으로부터 공급받음으로써 냉각에 소요되는 전력 소비를 절감할 수 있다. 또한, 고체화 이산화탄소를 기화시키는 열원을 피드가스로부터 공급받음으로써 추가 전력 소비를 필요로 하지 않는다.
이상과 같이 본 발명에 따른 실시 예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시 예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시 예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
1 : 가스전(Gas Well)
10 : 냉각분리기(Refrigeration and Separation Unit)
11 : 본체
30 : 천연가스 액화 공정 유닛 (Purified Natural Gas Liquefaction Unit)
31 : 천연가스 냉각기(Natural Gas Cooler)
32 : 냉매 사이클 (Refrigerant Cycle)
33 : LNG 저장탱크 (LNG Storage Tank)
41 : 천연가스 공급 조절 밸브
42 : 천연가스 배출 조절 밸브
43 : 냉매 공급 조절 밸브
51 : 체
44 : 열교환 라인
45 : 열매 공급라인
SL, 21 : 피드가스 공급라인(Feed Natural Gas Supply Line)
SL1 : 제1 피드가스 공급라인(Divaricate Feed Natural Gas Supply Line)
NL, 22 : 배출라인(Gas Discharge Line)
RL : 냉매공급라인(Refrigerant Supply Line)
RL1 : 제1 냉매공급라인(Divaricate Refrigerant Supply Line)
GL : 가스 회수라인 (Flash Gas Recovery Line)
GL1 : 제1가스 회수라인(Divaricate Flash Gas Recovery Line)

Claims (8)

  1. 천연가스 액화공정의 전처리 공정에서 천연가스로부터 이산화탄소를 제거하는 시스템에 있어서,
    가스전으로부터 시추한 천연가스를 냉각시켜 천연가스에 포함된 이산화탄소를 고체화시켜 분리하는 냉각분리기; 및
    상기 냉각분리기에서 분리된 천연가스를 액화시켜 LNG를 생산하는 액화 공정 유닛을 포함하되,
    상기 가스전에서 시추된 천연가스를 액화시키기 전에, 상기 액화 공정 유닛으로부터 공급받은 냉열원을 이용하여 냉각시킴으로써 상기 천연가스에 포함된 이산화탄소를 고체화시켜 분리제거하는, 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 액화 공정 유닛은
    상기 천연가스의 액화를 위해 천연가스를 냉각시키는 천연가스 냉각기와
    상기 천연가스 냉각기에 냉열원을 공급하는 냉매 사이클을 포함하고,
    상기 냉매 사이클로부터 재생되어 액화 공정 유닛의 천연가스 냉각기로 냉매를 공급하는 냉매공급라인; 및
    상기 천연가스 냉각기에서 생성되는 LNG를 저장하는 저장탱크와
    상기 저장탱크에서 발생하는 플래쉬 가스(Flash Gas)를 회수하는 가스 회수라인;을 포함하는 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 냉매공급라인으로부터 분기되는 제1냉매공급라인;을 포함하고,
    상기 냉각분리기의 냉열원은 상기 제1냉매공급라인을 통해 공급받는 냉매인 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 가스 회수라인으로부터 분기되는 제1가스 회수라인;을 포함하고,
    상기 냉각분리기의 냉열원은 상기 제1가스 회수라인을 통해 공급받는 플래쉬 가스인 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템.
  5. 청구항 3 또는 4에 있어서,
    상기 냉각분리기는
    이산화탄소를 고체화시킨 후,
    상기 냉각분리기로 열원을 공급하여 이산화탄소를 기화시켜 배출시키는 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 열원은 상기 냉각분리기로 시추된 천연가스를 공급하는 피드가스(Feed Gas) 공급라인으로부터 분기되는 제1피드가스 공급라인을 통해 공급받는 천연가스인 천연가스의 이산화탄소 제거 시스템.
  7. 천연가스 액화공정의 전처리 공정에서 천연가스로부터 이산화탄소를 제거하는 방법에 있어서,
    가스전으로부터 시추한 천연가스를 냉각분리기로 공급하여 천연가스에 포함된 이산화탄소를 고체화시키는 단계; 및
    상기 고체 이산화탄소와 천연가스를 분리배출하는 단계;를 포함하고,
    상기 가스전에서 시추된 천연가스를 액화시키기 전에, 상기 천연가스를 액화시키는 냉매 또는 LNG 저장탱크의 플래쉬 가스 중 어느 하나를 이용하여 냉각시킴으로써 이산화탄소를 고체화시켜 분리제거하는, 천연가스의 이산화탄소 제거 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 고체 이산화탄소와 천연가스를 분리배출하는 단계는
    기체 상의 천연가스를 배출시키는 단계와
    상기 고체 이산화탄소는 상기 냉각분리기로 공급하는 시추된 천연가스를 이용하여 가열시키는 단계를 포함하는 천연가스의 이산화탄소 제거 방법.
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