도시가스(LNG, LPG)의 정제·저장기술에 대하여 상세히 설명하시오.
도시가스(LNG, LPG)의 정제·저장기술에 대하여 상세히 설명하시오.
1. 개 요
천연가스에는 주성분인 메탄(약 90%), 에탄, 프로판, 부탄 등 이외에 수분, 고분자탄화수소, 질소, 헬륨, 탄산가스와 황화수소 등이 함유되어 있다. 이러한 물질들을 분리 및 제거하지 않으면 발열량 과 물리화학적 특성이 달라지게 된다. 또한 천연가스에 포함된 황산화물이나 질소는 대표적인 공해유발 물질이다. 따라서 이러한 물질들을 천연가스에서 분리하여야 질 높은 연료로 사용할 수 있다. 이러한 정제과정을 거쳐 청정한 연료를 얻어 수송과 저장이 용이하도록 액화시킨다. 수송선에 의해 수송된 액화연료를 저장하기 위한 저장탱크에는 지상식, 피트식, 지하식으로 구분된다.
2. 도시가스 정제 방법
1) 수분 제거
천연가스내에 수분이 많이 존재할 경우 시설물을 부식시킬 뿐만 아니라 연료로서의 가치도 떨어지며, 탄화수소와 물이 결합하여 수화물(Hydrate)이라는 밀가루와 같은 가루를 형성하여 장치에 손상을 준다. 특히, 천연가스를 액화하는 과정에서 수분이 응결되어 시설이 심하게 손상시킬 수 있으므로 반드시 한계치 이하로 제거해야 한다.
수분은 다음과 같은 방법으로 제거하며, 일반적으로 15℃, 1기압(절대압)에서 가스 10m3당 96∼127g의 범위로 제한된다.
천연가스를 물이 어는점까지 냉각시켜 천연가스내의 수분을 얼음 상태로 분리하는 방법 주울 톰슨 효과를 이용한 단순 팽창, 냉동법으로 수분 제거하는 방법 물을 용액 흡착, 흡수제로 흠수시키거나 흡착시켜 제거하는 방법으로 트리에틸렌글리콜과 같은 액체 또는 molecular sieve와 같은 고체 흡수, 흡착제를 이용한다.)를 이용한 방법
2) 탄화수소 혼합물 제거
지하에서 채굴된 천연가스에 탄소수가 메탄보다 많은 고분자 탄화수소 혼합물이 혼합되어 있다. 이것을 분리하면 더 비싼 값으로 팔 수 있고, 또 가스의 발열량 등을 일정하게 하기 위해 이를 분리해낸다. 천연가스에서 주로 분리되는 탄화수소들은 에탄, 프로판, 부탄, 펜탄 등이 있으며 연료 등의 용도로 재활용된다
3) 황화물 제거
천연가스에는 상당한 양(5g/m3이상)의 황화합물(H2S)이 함유되어 있는데 이러한 황화합물이 공기중에 방출되면 심각한 공해문제를 유발하게 되므로 반드시 이를 제거해야 한다. 황화합물제거공정은 황화합물을 선택적으로 흡수하는 아민류의 흡수제를 이용하여 처리하고 있다. 이러한 공정을 스위트닝(Sweetening)이라고 하며, 분리된 황화합물은 황과 황산으로 제조되어 여러 가지 용도로 사용된다.
4) 탄산가스 제거
채굴된 천연가스에는 최고 체적비 45%까지 탄산가스(CO2)가 함유되어 있다. 많은 양의 탄산가스는 질소와 마찬가지로 발열량에 큰 영향을 미치게 되므로 제거되어야 한다.
5) 먼지와 유분의 제거
먼지(Dust)란 천연가스를 지하로부터 채취할 때 함께 토출되는 모래와 이것에 의해 마모된 장치들의 분진을 총괄하여 일컫는 말이다. 이것은 장치를 크게 손상시키며, 특히 고속회전을 하는 펌프, 압축기 등의 임펠러에 큰 손상을 준다.
한편, 장치에 주입된 윤활유 등에 급격히 압력변화가 생길 때 미세한 입자로 분산된 유분을 형성, 천연가스내에 포함되므로 반드시 제거되어야 한다. 일반적으로 사이클론, 정전기 침전법이나 기름에 의한 스크러빙을 이용하여 먼지와 유분을 제거시킨다.
3. 도시가스 저장 방법
1) 지상식
o 금속 이중각식 저장탱크
(9%니켈강 또는 알루미늄 합금 내조 / 탄소강 외조 + 방액제)
: 내부 탱크 LNG 누출시 탄소강은 LNG를 지탱하지 못하므로 LNG를 억제할 수 있도록 탱크 주위에 방액제를 설치한다.
o 멤브레인/PC식 저장탱크
(스테인레스강 멤브레인 내조 / Prestressed Con'c 외조 + 방액제)
: 압축강화 과정에서 강철선과 봉강을 이용해서 콘크리트벽에 압력을 가해 LNG 누출시 벽의 균열이나 파괴 없이 액체 부하에 효과적으로 지탱할 수 있기 때문에 극히 안정한 구조로 간주한다.(콘크리트는 압축력에는 강한자 인장력에 약하다)
o 9% 니켈강/PC식 저장탱크
(9% 니켈강 내조 / Prestressed Con'c 외조 + 방액제)
: 압축강화 과정에서 강철선과 봉강을 이용해서 콘크리트벽에 압력을 가해 LNG 누출시 벽의 균열이나 파괴 없이 액체 부하에 효과적으로 지탱할 수 있기 때문에 극히 안정한 구조로 간주한다.(콘크리트는 압축력에는 강한자 인장력에 약하다)
o 철근 콘크리트식 저장탱크
(9% 니켈강 내조 / 철근 콘크리트 외조 + Earthen Berm)
: PS 콘크리트와는 달리 액체 부하를 효과적으로 지탱하지 못한다. (콘크리트는 압축력에는 강한자 인장력에 약하다)
2) Pit식
구덩이(PIT)를 파서 그대로 저장탱크를 PIT속에 설치하는 탱크를 말한다.
o 금속 이중각식 저장탱크
(9%니켈강 또는 알루미늄 합금 내조 / 탄소강 외조 + Pit)
o 9% 니켈강/PC식 저장탱크
(9% 니켈강 내조 / Prestressed Con'c 외조 + Pit)
※ 특징
. 누출시 지하식과 마찬가지로 LNG를 안전하게 지표 밑부분에 억류 시킨다.
. 탱크의 일부분만 지상에 돌출하기 때문에 경관을 해치지 않는다.
. 지하식 탱크보다 지하수 및 지반 동결에 대한 대책이 간편하다.
3) 지하식
액체의 높이가 주위 지표 높이보다 낮게 탱크를 지하에 매몰시키는 탱크다.
o 멤브레인/PC식 저장탱크
(스테인레스강 멤브레인 내조 / Prestressed Con'c 외조)
※ 특징
. 극도로 안전하고, 전혀 경관을 해치지 않는다.
. 지하수의 지반동결 문제를 해결해야 한다.
. 비 침수층까지 연속적인 콘크리트 벽 또는 슬러리 벽을 설치하여 지하수의 유입을 막는다.
. 탱크주위를 온수로 순환시켜 지반동결을 막는다.
4. 결 론
천연가스에는 주성분인 메탄 이외에 많은 불순물이 포함되어 있다. 이러한 물질들을 분리 및 제거하지 않으면 발열량 과 물리화학적 특성이 달라지고, 특히 황산화물이나 질소는 대표적인 공해유발 물질이다. 천연가스의 METHNAE은 상압하에서 비점이 -162℃이므로 완전 액화시키기 위해서는 압축, 냉각, 팽창 과정을 반복하여야 하며 액화된 천연가스는 저장·수송시 -162℃룰 유지해야 하므로 액화 가스와 접촉하는 모든 부분의 금속 재질은 저온특성에 적합한 재료를 선택하여야 한다. 초저온의 물질을 저장하는 저장시설은 설치위치에 따라 지상식, 지하식, 피트식 등이 있으며, 적절한 형식을 선정하여 설치함으로써 안정성을 향상시킬 수 있다.