1. 서 론

세계 천연가스 소비량은 현재 약 120 TCF에서 2040 년에 이르러 203 TCF로 증가할 것으로 예상된다. 이는 증가량으로 따졌을 경우 에너지원 중 가장 큰 증가세이 며, 2030년에 이르러 석탄의 소비량을 넘어 2위를 차지 할 것으로 예상된다. 천연가스 생산 방식은 PNG (Pipeline Natural Gas), LNG (Liquefied Natural Gas)에 서 최근에는 부유식 해양 액화플랜트인 LNG-FPSO (Liquefied Natural Gas-Floating Production, Storage and Offloading)까지 확대되었다[1-3].

가스 분리막 공정은 공기 분리부터 시작해서 석유화 학 공정에서의 수소 회수 및 올레핀/파라핀 분리, 천연 가스에서의 CO₂ 분리 등 적용분야 및 시장 규모가 크 게 증가하고 있으며, 분리막이 가진 장점들은 LNGFPSO 전처리 공정인 산성가스 제거 설비(Acid Gas Removal Unit)에 적용 가능성을 높이고 있다. 해상 전 처리 공정은 원료 가스의 불순물 함유 정도에 따라 LNG-FPSO 데크(deck)의 가용 공간 중 50%까지 차지 하므로 소요 공간에 따라 크게 좌우되는 FPSO의 경제 성에 지대한 영향을 끼치게 된다. 또한, 해상 전처리 공 정은 거친 해양 환경과 선체 운동으로 인한 운전 안정 성과 분리성능을 유지할 수 있어야 한다. 분리막은 장치 사이즈가 매우 작고 선체운동에 대한 영향이 없으며, 상 변화가 없는 에너지 절감형 공정이기 때문에 해상 환경 의 제약으로부터 자유로울 수 있다. 그러나, 분리막 단 독으로는 LNG 공정에서 요구되는 CO₂ Spec. (50 ppm 이하)을 충족할 수 없으므로 전통적인 기술인 아민 흡 수 공정과 조합된 하이브리드 공정이 요구된다[4-10].

아민계 흡수제를 이용한 화학적 흡수제 공정은 이산화 탄소와 황화수소의 부분압에 상대적으로 덜 민감하기 때 문에 이 두 성분을 ppm 레벨까지 낮출 수 있는 장점이 있으나, 재생탑(Regenerator)에서 재생 에너지가 많이 소 요된다는 단점을 갖는다. 또한, 아민 흡수 공정이 LNG-FPSO와 같은 부유식 구조물에 적용될 때에는 구조 물의 유동에 대비하여 분리탑(Column)의 면적 및 높이를 충분히 크게 설계하여야 하는 문제점을 갖는다[11-13].

본 연구에서는 막-흡수 하이브리드 공정모사를 통해 막 분리법과 흡수법의 장단점을 상호보완하면서 아민 흡 수 공정에서의 에너지 소모량을 줄이고 장치 사이즈를 최소화함으로써 LNG-FPSO 적용 타당성을 검토하였다.

2. 본 론

2.1. 아민 흡수공정

일반적인 아민 흡수 공정을 Fig. 1에 나타내었다. 아 민 공정은 크게 흡수탑, 재생탑, 린/리치 아민 열교환기, 리치 아민 플래시 드럼으로 구성되어 있다. 산성가스 (CO₂, H2S)를 함유한 feed gas는 흡수탑 하부로 들어가 며, 흡수탑 상부로 유입되는 린 아민 용액(lean amine solution)과의 접촉을 통해 산성 가스가 제거된 sweet gas로 흡수탑을 나가게 된다. 흡수탑을 통과하여 산성 가스를 많이 함유한 리치 아민 용액(rich amine solution) 은 흡수탑 하부에서 리치 아민 플래시 드럼으로 보내지며, flash 과정을 통해 탄화수소를 제거하게 된 다. 이후 리치 아민 용액은 린/리치 아민 열교환기를 거 쳐 예열된 후 재생탑으로 들어가며, 재생공정을 통해 산성가스가 탈거된 린 아민 용액이 된다. CO₂, H2S을 함유한 산성 가스와 아민 용액에서 증발된 수증기는 재 생탑 상부의 응축기와 드럼을 거치면서 산성가스는 배 출되며, 응축된 수증기는 재생탑으로 유입된다. 린 아민 용액은 리치 아민 용액과 열교환을 한 후, 물과 아민용 액의 make-up 과정을 통해 아민 농도를 일정하게 유지 하여 다시 흡수탑으로 공급되며, 흡수와 재생 공정을 순환반복하면서 산성 가스를 제거하게 된다[14,15].

2.2. 막-흡수 하이브리드 공정

종래의 분리막은 Small Scale 공정이나 CO₂ EOR (Enhanced Oil Recovery) 같은 고농도 CO₂ 분리와 같 이 적용 범위가 제한적이었으나, 광범위한 천연가스 용 량에 적용될 만큼 기술이 향상되었다. 현재는 전통적인 산성가스 제거 기술인 흡수법과 장단점을 비교할 수 있 을 정도로 기술이 성숙되었으나, LNG 산성가스 제거 공정에 적용 시 CO₂ Bulk Removal만 가능하기 때문에 LNG Spec. (CO₂ 50 ppm 이하)을 충족하기 위해서는 전통적인 산성가스 제거공정인 아민 흡수법과의 혼성 공정이 필요하다. 막-흡수 하이브리드 공정은 흡수탑 전단에서 분리막을 이용하여 1차로 CO₂를 제거하고 잔 존하는 CO₂를 요구되는 사양에 맞게 흡수탑에서 제거 하는 기술이며, LNG-FPSO 플랜트에 적용할 경우의 장 단점을 Table 1에 나타내었다. Fig. 2

2.3. 전산모사

Promax version 4.0 (Bryan Research & Engineering, Inc.) 프로그램을 사용하여 Tables 2, 3에 제시된 feed gas 조건 및 조성에 대해 전산모사를 수행하였다.

2.3.1. 아민 흡수공정 전산모사

3차 Amine의 높은 산성가스 흡수율을 이용하면서도, 반응속도를 높이기 위해 MDEA (Methyl diethanolamine) 에 활성제(Activator)인 PZ (Piperazine)을 첨가한 aMDEA (Activated MDEA) 흡수제의 경우 재생탑에서 소요되는 에너지도 줄일 수 있기 때문에 LNG-FPSO Plant에 적용되고 있다[16,17]. MDEA/PZ/Water의 조성 을 45 : 5 : 50 (wt%)로 하여 흡수탑 상부의 정제 가스 (sweet gas) CO₂ 농도가 50 ppm 이하가 되도록 공정모 사를 하였다.

2.3.2. 막-흡수 하이브리드 공정 전산모사

아민 흡수탑 전단에 분리막을 추가하여 Fig. 3과 같 이 막-흡수 하이브리드 공정 모사를 수행하였다. 분리 막 공정은 1단으로 구성하였으며, permeance 값은 에어 레인(Airrane Inc.) 모듈을 이용하여 측정한 Table 4의 값을 적용하였다. Feed gas에 포함된 이산화탄소는 분 리막을 통해 35% 제거되며, 비 투과부(retentate)에 잔 존하는 이산화탄소는 흡수탑을 지나면서 아민용액에 의해 흡수되어 50 ppm 이하로 흡수탑 상부를 나가게 된다. 경제성을 고려하여 분리막에서의 이산화탄소 제 거율을 크지 않게 한 대신 메탄 가스의 회수율은 98.3%로 공정을 설계하였다. 1.7%의 메탄 손실이 발생 하지만, 분리막 후단의 흡수 공정에서 흡수제 유량 감 소에 따른 장치 사이즈 감소와 에너지 및 흡수제 비용 감소로 공정 효율 및 가용성은 확보되었다.

2.3.2. 전산모사 결과

Table 5에 아민 흡수공정(단독 공정)과 막-흡수 하이 브리드 공정(분리막 ＋ 아민 흡수)에 대한 전산모사 결 과를 비교하였다. 아민 흡수 단독 공정 적용 시 정제 가스(sweet gas)의 이산화탄소 농도는 49.1 ppm이며, 이때 사용된 아민 용액의 순환 유량(amine solvent circulate rate)은 1,604,410 kg/hr가 필요하다는 것을 알 수 있다. 1단 막 분리법을 포함하는 아민 흡수 공정을 적 용하여 동일 수준의 정제 가스 이산화탄소 농도(49.3 ppm) 를 유지했을 때는 아민 용액의 순환 유량은 1,105,700 kg/hr로 아민 흡수 단독 공정 대비 31%나 감소한다는 것을 알 수 있다.

가스 속도(Gas velocity)와 아민 용액 유량(Amine solution flow rate) 등을 고려하여 흡수탑과 재생탑의 컬럼 사이징을 했을 때 막-흡수 하이브리드 공정의 경 우 아민 흡수 단독 공정 대비 크기가 약 17% 정도 감 소함을 확인할 수 있다. 이는 전단 공정인 막 분리법을 통해 CO₂를 원료 대비 35%를 제거함으로써 후단 공정 인 아민 흡수 공정에서의 CO₂ 부하를 줄여 아민 용매 순환 유량을 줄이게 되고, 그로 인해 컬럼 크기가 작아 지게 하는 효과를 가져 온 것이다. 아민 용매 순환 유 량 감소는 컬럼 이외에도 열교환기, 펌프 등 전체 장치 의 크기를 줄임으로써 LNG-FPSO의 제한된 공간에서 의 주요 설계 요소인 가용 면적(foot print) 최소화를 가 능하게 한다.

Table 6은 종래의 아민 흡수공정과 막-흡수 하이브리 드 공정에서 소요되는 에너지 소모량을 비교하여 나타 낸 것이며, 에너지 소모량 차이가 크게 나타남을 알 수 있다. 아민 흡수 공정에서 소모되는 에너지 량은 229.3 MW인 반면, 막-흡수 하이브리드 공정에서 소모되는 에너지 량은 159.2 MW로 31%가 절감되었다.

3. 결 론

기존의 LNG-FPSO 산성가스 제거 공정에서의 아민 흡수법이 가진 단점을 보완하기 위해 막-흡수 하이브리 드 공정 전산모사를 진행하였다. 아민 흡수탑 전단에 적용되는 분리막 공정은 해양 환경과 선체 운동에 영향 을 전혀 받지 않는 공정이고, 후단의 아민 흡수 공정의 흡수탑 및 재생탑을 포함한 전체 장치 사이즈를 줄일 수 있게 됨으로써 LNG-FPSO 공간 제약에서의 적용성 을 확대하였다. 또한, 상변화가 없는 분리막 공정은 에 너지 절감에 있어 탁월한 효과가 있으며, LNG-FPSO 선박이 다른 가스전으로 이동하는 경우에도 모듈 타입 의 분리막 구성은 천연가스 조성의 변화에도 유연하게 운전 안정성과 분리성능을 유지할 수 장점도 있기 때문 에 막-흡수 하이브리드 공정은 LNG-FPSO 플랜트에 충 분히 적용할 수 있다는 결론을 도출하였다.