감압법과 염수주입법을 이용한 원통형 코어 장비에서의 메탄하이드레이트 생산 실험 연구

Abstract

Gas hydrate, non-stoichiometric lattice compounds, has high storage capacity. In case of Methane gas, gas hydrates can store 170 times more, and huge amounts of them are buried at deep-sea sediments and permafrost. Because of depletion of fossil fuel, induction of environmental contamination, and necessity of alternative energy, gas hydrate became a next generation alternative energy. However, the study of commercial production of gas hydrates in the United States, Japan, and Canada developed actively, where the study in Korea was not sufficient. This research focused on fundamental studies of the economic production technology for commercial production of gas hydrate, and the study experimented on an imitation device, which designed deep-sea sediments. 1-D cylindrical device has 7 temperature and pressure control sensors, including inlet and outlet, and can observe formations and dissociations of hydrate and gas flow behavior at every position in the core. Among the various production methods of gas hydrates, this study used the depressurization method, decrease of pressure under the equilibrium pressure of gas hydrate, and the brine-injection method, transformation of equilibrium condition of gas hydrate, and the DBI method, mixed depressurization method and brine-injection method. On depressurization method, different types of pressure were used for finding the condition to optimize gas production. During brine-injection method, the experiments analyzed gas production on salinity by varying salinity of injected brine, based on real brine salinity, without effects of depressurization by opening BPR to balance with equilibrium pressure. In case of DBI method, comparing with gas production on salinity and using proper dissociation pressure from depressurization method, the research drove the optimized condition. Moreover, the research observed the characteristics of formation and dissociation of gas hydrate and analyzed the results of gas production of each production methods.; 가스하이드레이트는 비화학량론의 격자상 화합물로 높은 저장능력을 가지고 있는데 메탄가스의 경우 약 170배까지 저장할 수 있으며 심해저 퇴적층과 영구동토층에 방대한 양이 매장되어있는 것으로 밝혀졌다. 가스하이드레이트는 화석연료의 고갈위기 및 환경오염 유발과 대체에너지 개발의 필요성 등에 부응하여 차세대 대체에너지로 주목받고 있다. 하지만 미국, 일본, 캐나다 등지에서는 가스하이드레이트의 상업적 생산에 관한 연구가 활발히 이루어지는 반면 국내에서는 그 수준이 미비한 실정이다. 본 연구에서는 가스하이드레이트의 상업적 생산을 목표로 실제 가스 생산에 적용시킬 수 있는 경제성을 갖춘 생산기술을 상용화하기 위한 기초연구를 위해 실제 해저퇴적층 환경을 모사한 실험 장치를 설계·제작하여 실험을 수행하였다. 1D 원통형의 실험 장치는 inlet, outlet을 포함 총 7개의 온도, 압력 센서를 갖추고 있어 코어 내 하이드레이트 형성 및 해리, 가스 유동 양상을 모든 위치에서 관찰할 수 있는 장점을 가지고 있다. 가스하이드레이트 생산방법에는 여러 가지가 있는데 그 중 본 연구에서는 하이드레이트의 평형압력 이하로 압력을 낮추어 가스를 생산하는 감압법, 하이드레이트의 평형조건 자체를 변화시켜 가스를 생산하는 염수주입법, 이 두 가지 방법을 혼용한 감압-염수주입법(DBI법)을 이용하여 가스하이드레이트 생산 실험을 수행하였다. 감압법 실험 수행 시 가스 생산을 최적화할 수 있는 조건을 찾기 위해 각기 다른 압력으로 가스를 생산하고 이를 비교·관찰하였으며, 염수주입법 실험 수행 시 BPR을 평형압력과 동일하게 개방하여 감압의 영향을 받지 않는 조건에서 실제 해수의 염도를 기준으로 주입되는 염수의 염도를 달리하여 염도별 가스 생산성을 비교·분석하였다. 감압-염수주입법 실험 시에는 감압법 실험에서 찾은 적정 해리압력 조건으로 염도별 가스 생산성을 비교하고 최적조건을 도출하였다. 또한 가스하이드레이트의 생성과 해리의 특성을 관찰하고 각 생산방법 간의 가스 생산성 비교결과를 분석하였다.