KR101328697B1 - 합성천연가스 제조장치 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 합성가스 제조단계; 탈황단계; 메탄합성 및 수성가스 전환단계; 수분 및 이산화탄소 제거단계; 1차 메탄합성단계; 및 2차 메탄합성단계를 포함하는 합성천연가스 제조방법과 등온반응기; 응축기; 이산화탄소 제거장치; 1차 단열반응기; 및 2차 단열반응기를 구비하는 합성천연가스 제조장치를 제공한다.
본 발명의 합성천연가스 제조방법 및 제조장치를 사용함으로써, 높은 메탄 합성 수율을 얻을 수 있으며, 재순환 단계 및 별도의 수성가스전환단계를 생략함으로써 공정의 경제성 및 효율성을 향상시킬 수 있다.

Description

합성천연가스 제조장치 및 그 제조방법{Apparatus and method for producing synthetic natural gas}
본 발명은 합성천연가스 제조장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 석탄 혹은 바이오매스 등의 가스화를 통하여 얻어지거나 혹은 석유화학산업 등의 부생가스에서 발생하는 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스를 이용하여 메탄을 합성하여 합성천연가스(Synthetic natural gas)를 만드는 방법에 대한 것이다.
도 1은 일반적인 합성천연가스 제조방법을 개략적으로 도시한 것으로서, 상기 공정에서는 석탄 가스화 단계(S100)에서 발생된 CO, CO2, H2 등이 혼합된 합성가스에서 고온의 열을 회수하고, 상기 합성가스중의 먼지를 포집한 후(열회수 및 집진단계(S110)), 수성가스전환반응기(Water-gas shift reactor)로 들어가게 된다.(수성가스전환반응 단계(S120)) 일반적으로 석탄 가스화에 의해 발생된 합성가스의 H2/CO 비율은 0.5~1 정도인데, 수성가스 전환반응을 통해 상기 합성가스의H2/CO 비율이 3 정도로 높인 후, 탈황 및 이산화탄소 제거단계(S130)을 거쳐 메탄 합성공정(S140)으로 보내게 된다.
합성가스를 이용하여 메탄이 주성분인 합성천연가스를 만드는 주요 반응식 및 반응열은 하기 화학식 1 및 2와 같다.
CO + 3H2 → CH4 + H2O (반응열 : 206kJ/mol) (1)
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O (반응열 : 165kJ/mol) (2)
한편, CO와 H2의 반응에서 생성된 수분에 의하여 메탄 합성 반응에서는 하기 화학식 3과 같이 수성가스 전환반응이 부반응으로 발생되며, 여기서 발생된 CO2에 의해 상기 화학식 2와 같이 CO2로부터 메탄 합성반응도 같이 일어난다.
CO + H2O → H2 + CO2 (반응열 : 41.1kJ/mol) (3)
위와 같은 메탄 합성반응은 열역학적으로 압력이 올라가면 유리하고, 반대로 반응온도가 상승할수록 메탄의 수율이 떨어지게 된다. 주로 Ni계 촉매가 사용되는데, 강한 발열이 수반되기 때문에 반응열의 효과적인 추출 및 제어가 합성공정 설계에 있어서 중요한 핵심기술이 된다. 특히 일반적인 Ni계 촉매는 700℃ 이상에서는 소결 현상에 의해 촉매의 수명이 줄어들기 때문에 온도 조절이 특히 중요하다. 고온에서 사용할 수 있도록 개량된 Ni계 촉매의 경우도 800℃ 이상에서는 사용하기 어렵기 때문에 촉매층의 온도 조절은 매우 중요하다.
따라서, 일반적인 상업공정에서는 최종 생성된 메탄의 함량을 높이기 위해 다수의 단열반응기를 사용하고, 일부 반응기에서 반응하고 나온 생성가스를 반응기 전단으로 재순환하여 반응기 유입가스와 혼합하여 반응기로 공급하므로써, 반응기 유입가스의 CO, H2 농도를 낮추어 반응열을 제어하는 방식을 사용하고 있다.
도2는 종래의 합성천연가스 제조장치를 개략적으로 도시한 것으로서, 모두 단열반응기를 사용한다. 상기 공정에서는 1차 단열반응기(201)에서 배출되는 가스의 약 70%(재순환 가스(102))를 재순환 압축기(204)를 사용하여 1차 반응기 유입부로 재순환시켜, 희석효과에 의해 1차 반응기(201)의 반응열을 제어하고, 상기 1차 단열반응기(201)에서 배출되는 가스의 30%는 2차 단열반응기(202) 및 3차 단열반응기(203)를 차례로 통과함으로써 메탄의 수율을 올린다. 재순환된 가스를 이용하여 1차 반응기에서 온도를 700℃ 이하로 유지하게 되면, 1차 반응기 후단에서는 약 50% 정도의 메탄 조성을 얻을 수 있는데, 최소한 3단의 단열반응기를 사용해야 90% 이상의 메탄 조성을 얻을 수 있으며, 97% 이상의 메탄을 얻기 위해서는 약 5단의 단열반응기를 사용해야 한다. 또한, 한국특허 10-2010-0042266(출원일 2010.5.6)에서는 합성가스를 1차 단열반응기와 2차 단열반응기로 나누어 보내고, 1차 단열반응기에서 나오는 생성물 일부를 재순환하여 다시 1차 반응기로 혼합하여 보내는 방식으로 반응열을 제어하고 있는데, 4개의 단열반응기를 사용하여 90% 이상의 메탄 조성의 생성가스를 얻고 있다.
그러나, 이러한 단열반응기 조합기술은 고온, 고압의 가스를 재순환하기 위한 설비 비용이 많이 들고, 다수개의 단열반응기를 사용해야 원하는 메탄 수율을 얻을 수 있다는 단점이 있다.
본 발명의 한 측면은 석탄 가스화에 의해 발생된 합성가스를 수성가스전환반응에 의한 H2/CO 비의 조절 없이 스팀과 함께 등온반응기에 투입하여 메탄합성반응과 수성가스전환반응을 동시에 수행하고, 상기 등온반응기의 냉각효과와 스팀에 의한 희석효과에 의해 반응온도를 조절함으로써, 가스의 재순환 과정과 수성가스전환과정을 생략하여 공정의 경제성 및 효율성을 향상시킬 수 있는 합성천연가스 제조방법에 대한 것이다.
본 발명의 또 다른 측면은 합성가스의 메탄합성반응과 수성가스전환반응이 동시에 수행되고, 메탄 합성 수율이 높은 등온반응기를 구비하며, 상기 등온반응기에 스팀을 함께 투입하여 반응온도를 조절함으로써, 가스의 재순환 설비와 수성가스전환설비가 생략되어 공정의 경제성 및 효율성을 향상시킬 수 있는 합성천연가스 제조장치에 대한 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 석탄 또는 바이오매스를 산소, 수소 또는 이들의 혼합가스와 반응시켜 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스를 제조하는 합성가스 제조단계; 상기 제조된 합성가스의 열을 회수하고, 불순물 및 황화수소를 제거하는 탈황단계; 상기 탈황단계를 거친 합성가스를 스팀과 함께 등온반응기에 공급하여 메탄합성반응과 수성가스전환반응을 동시에 수행하는 메탄합성 및 수성가스 전환단계; 상기 등온반응기에서 배출된 가스를 냉각하여 수분 및 이산화탄소를 제거하는 수분 및 이산화탄소 제거단계; 상기 수분 및 이산화탄소가 제거된 가스를 1차 단열반응기에 공급하여 메탄을 합성하는 1차 메탄합성단계; 및 상기 1차 단열반응기에서 배출된 가스를 2차 단열반응기에 공급하여 메탄을 합성하는 2차 메탄합성단계를 포함하는 합성천연가스 제조방법이 제공된다.
상기 합성가스의 H2/CO 비는 0.5~1.5일 수 있다.
상기 메탄합성 및 수성가스 전환단계에서 상기 등온반응기에 공급하는 합성가스 및 스팀의 부피비는 1:0.4~1.5일 수 있다.
상기 합성천연가스 제조방법은 과포화스팀을 증기 터빈에 공급하여 발전하는 발전단계를 추가로 포함하며, 상기 과포화스팀은 상기 등온반응기의 반응열에 의해 발생된 포화스팀이 상기 1차 단열반응기에서 배출된 가스의 열을 흡수하여 생성된 것일 수 있다.
상기 1차 단열반응기에 공급되는 상기 수분 및 이산화탄소가 제거된 가스는 250~350℃일 수 있다.
본 발명의 또 다른 구현예에 따르면, 스팀과 석탄가스화 반응으로 생성된 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스가 공급되어 메탄합성반응과 수성가스전환반응이 동시에 수행되는 등온반응기; 상기 등온반응기에서 배출된 가스에서 수분을 제거하는 응축기; 상기 등온반응기에서 배출된 가스에서 이산화탄소를 제거하는 이산화탄소 제거장치; 상기 수분 및 이산화탄소가 제거된 가스가 공급되어 메탄합성반응이 수행되는 1차 단열반응기; 및 상기 1차 단열반응기에서 배출된 가스가 공급되어 메탄합성반응이 수행되는 2차 단열반응기를 구비하는 합성천연가스 제조장치가 제공된다.
상기 1차 단열반응기에 공급되는 상기 수분 및 이산화탄소가 제거된 가스는 250~350℃일 수 있다.
상기 합성천연가스 제조장치는 상기 등온반응기에 냉각수를 공급하고, 상기 등온반응기의 반응열에 의해 발생된 포화스팀이 회수되는 냉각수 공급탱크를 추가로 구비할 수 있다.
상기 합성천연가스 제조장치는 상기 등온반응기의 반응열에 의해 발생된 포화스팀과 상기 1차 단열반응기에서 배출된 가스를 열교환시키는 열교환기를 추가로 구비할 수 있다.
상기 2차 단열반응기에서 배출된 가스에서 수분을 제거하는 응축기를 추가로 구비할 수 있다.
본 발명의 합성천연가스 제조방법 및 제조장치를 사용함으로써, 높은 메탄 합성 수율을 얻을 수 있으며, 재순환 단계 및 별도의 수성가스전환단계를 생략함으로써 공정의 경제성 및 효율성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 합성천연가스 제조 방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 종래의 합성천연가스 제조장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 합성천연가스 제조방법을 개략적으로 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 합성천연가스 제조장치를 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 3은 본 발명의 합성천연가스 제조방법을 개략적으로 도시한 것이며, 도 4는 본 발명의 합성천연가스 제조장치를 개략적으로 도시한 것으로서, 이를 참조하여 설명하도록 한다.
본 발명은 합성천연가스(306)를 제조함에 있어서, H2/CO 비가 낮은 합성가스(301)를 등온반응기(401)에 투입하여 메탄합성반응과 수성가스전환반응을 동시에 수행하고, 상기 등온반응기(401)에 스팀(302)을 투입하여 반응온도를 조절하는 합성천연가스 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다. 본 발명은 H2/CO 비를 조절하기 위한 수성가스 전환공정 및 반응온도를 조절하기 위한 가스 재순환 공정을 별도로 수행하지 않아 공정을 단순화시킬 수 있으며, 등온반응기(401)를 사용하여 높은 메탄 합성 수율을 얻을 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따르면, 석탄 또는 바이오매스를 산소 및/또는 수소와 반응시켜 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스(301)를 제조하는 합성가스 제조단계(S200); 상기 제조된 합성가스(301)의 열을 회수하고, 불순물 및 황화수소를 제거하는 탈황단계(S210); 상기 탈황단계(S210)를 거친 합성가스(301)를 스팀(302)과 함께 등온반응기(401)에 공급하여 메탄합성반응과 수성가스전환반응을 동시에 수행하는 메탄합성 및 수성가스 전환단계(S220); 상기 등온반응기(401)에서 배출된 가스를 냉각하여 수분(304) 및 이산화탄소(305)를 제거하는 수분 및 이산화탄소 제거단계(S230); 상기 수분(304)과 이산화탄소(305)가 제거된 가스를 1차 단열반응기(407)에 공급하여 메탄을 합성하는 1차 메탄합성단계(S240); 및 상기 1차 단열반응기(407)에서 배출된 가스를 2차 단열반응기(408)에 공급하여 메탄을 합성하는 2차 메탄합성단계(S250)를 포함하는 합성천연가스 제조방법이 제공된다.
상기 합성가스 제조단계(S200)에서는 석탄 또는 바이오매스를 산소 및/또는 수소와 반응시켜 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스가 제조된다. 상기 합성가스의 온도는 900℃ 이상이며, 황 및 기타 불순물을 함유하고 있어 합성천연가스를 제조하기에 적합하지 않다. 따라서, 상기 합성가스로부터 열을 회수하여 500℃ 이하로 제어하고, 황 및 기타 불순물을 제거하는 열회수, 집진 및 탈황단계(S210)를 수행한다. 상기 열회수, 집진 및 탈황단계(S210)에 사용하는 열교환기, 집진장치 및 탈황장치(도 4에는 도시되지 않음)는 특별히 한정하지 않으며, 본 기술분야의 통상의 기술자가 용이하게 사용할 수 있는 열교환기, 집진장치 및 탈황장치를 사용할 수 있다. 특별히 한정하지 않으나, 상기 탈황단계(S210)를 거친 합성가스(301)는 별도의 수성가스 전환반응을 거치지 않은 것이므로, H2/CO 비가 0.5~1.5일 수 있다.
상기 탈황단계(S210)를 거친 합성가스(301)는 메탄합성 및 수성가스 전환단계(S220)에서 스팀(302)과 혼합되어 메탄합성반응과 수성가스 전환반응이 동시에 일어나는 등온반응기(401)에 공급된다. 상기 등온반응기(401)는 쉘-튜브 방식 혹은 애뉼러 방식의 반응기가 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않으며 본 기술분야의 통상의 기술자가 용이하게 사용할 수 있는 등온반응기(401)를 사용할 수 있다. 상기 등온반응기(401)는 메탄합성반응의 메탄 수율을 높이기 위해 내부에 Ni계 촉매를 포함할 수 있으나, 특별히 제한되지 않으며, 본 기술분야의 통상의 기술자가 용이하게 사용할 수 있는 메탄합성반응용 촉매를 사용할 수 있다.
냉각수 공급탱크(409)로부터 배출된 냉각수(308)는 상기 등온반응기(401)에 공급되어 상기 등온반응기(401)를 냉각시킨다. 상기 등온반응기(401)는 냉각수(308)에 의해 냉각되지 않는 경우에는 대략 700℃의 반응 온도를 갖지만, 상기 냉각수(308)에 의해 냉각되는 경우 통상 270~370℃의 온도로 유지될 수 있다. 상기 등온반응기(401)의 반응 온도는 단열반응기의 반응 온도에 비해 약 300℃ 이상 낮은 온도이므로, 메탄 합성 수율면에서 보다 효과적이다.
상기 메탄합성 및 수성가스 전환단계(S220)에서 상기 등온반응기(401)에 공급하는 합성가스(301) 및 스팀(302)의 부피비는 1:0.4~1.5일 수 있다. 상기 스팀(302)은 수성가스전환반응의 반응물으로 사용될 뿐만 아니라, 상기 합성가스(301)를 희석하여 반응열을 억제하는 역할을 한다. 상기 합성가스(301)의 부피 1을 기준으로 상기 등온반응기(401)에 공급되는 스팀(302)의 부피가 0.4 미만인 경우, 반응열 억제 효과가 미미하여 반응온도가 높아짐에 따라, 소결현상에 의해 촉매의 수명이 감축되며, 상기 공급되는 스팀(302)의 부피가 상기 합성가스(301)의 부피 1을 기준으로 1.5를 초과하는 경우, 합성가스가 과다하게 희석되어 메탄 합성 수율이 낮아지게 된다.
상기 등온반응기(401)에서 배출된 가스는 수분(304)과 이산화탄소(305)를 제거하는 수분 및 이산화탄소 제거단계(S230)를 수행하게 된다. 상기 등온반응기(401)에서 배출된 가스는 메탄합성 및 수성가스 전환반응에 의해 메탄, 수분(304), 이산화탄소(305) 및 수소를 포함하는데, 상기 수분(304)과 이산화탄소(305)를 제거한 후 메탄합성기에 공급함으로써 메탄의 수율을 높일 수 있다.
이를 위해 상기 등온반응기(401)에서 배출된 가스를 열교환기(402)에 통과시킴으로써 40~100℃로 냉각한 후, 응축기(404)에 통과시킴으로써 수분을 응축하여 분리 제거할 수 있다. 또한, 수분이 제거된 가스를 이산화탄소 제거장치(405)에 통과시킴으로써 이산화탄소를 제거할 수 있다. 상기 수분 및 이산화탄소 제거단계(S230)의 수분 및 이산화탄소 제거율은 특별히 한정하지 않으나, 상기 등온반응기(401)에서 배출된 가스에 포함된 수분 및 이산화탄소의 약 80~98%가 제거될 수 있다.
상기 수분 및 이산화탄소 제거단계(S230)에서 냉각된 가스는 1차 단열반응기(407)에 공급되기 전에 가열수단(406)에 의해 메탄합성반응에 적절한 온도로 승온될 수 있다. 상기 온도는 특별히 한정하지 않으나 250~350℃일 수 있다. 또한, 상기 가열수단(406)은 열교환기일 수 있으나, 이에 제한되지 않으며 본 기술분야의 통상의 기술자가 용이하게 사용할 수 있는 가열수단을 사용할 수 있다.
상기 수분(304) 및 이산화탄소(305)가 제거된 가스는 1차 단열반응기(407)에 공급되어 메탄을 합성하는 1차 메탄합성단계(S240)를 수행하게 된다. 상기 1차 단열반응기(407)에서 추가로 메탄이 합성되어, 상기 1차 단열반응기(407)에서 배출된 가스의 메탄 함량은 전체 가스의 약 90~95 vol%가 될 수 있다.
상기 1차 단열반응기(407)에서 배출된 가스를 2차 단열반응기(408)에 공급하여 메탄의 수율을 더욱 높이게 되는데, 상기 2차 단열반응기(408)에서 배출된 가스의 메탄 함량은 약 97% 이상이 될 수 있다.
상기 2차 단열반응기(408)에서 배출된 가스는 열교환기(402')에 의해 냉각된 후, 응축기(404')를 통과함으로써 수분(304')이 제거되어, SNG(306)로 분리될 수 있다.
한편, 상기 등온반응기(401)에 공급된 냉각수(308)는 등온반응기(401)로부터 열을 공급받아 포화스팀(309)이 되어, 냉각수 공급탱크(409)로 회수된다. 상기 회수된 포화스팀(309)은 파이프 등의 이송수단에 의해 열교환기(403)를 통과하면서 1차 단열반응기(407)에서 배출된 가스의 열을 흡수하여 과포화스팀(307)으로 생성된다. 본 발명의 합성천연가스 제조방법은 상기 과포화스팀(307)을 증기 터빈에 공급하여 발전하는 발전단계를 추가로 포함할 수 있다.
발명의 또 다른 구현예에 따르면, 석탄가스화 반응으로 생성된 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스와 스팀(302)이 공급되어 메탄합성반응과 수성가스전환반응이 동시에 수행되는 등온반응기(401); 상기 등온반응기(401)에서 배출된 가스에서 수분(304)을 제거하는 응축기(404); 상기 등온반응기(401)에서 배출된 가스에서 이산화탄소(305)를 제거하는 이산화탄소 제거장치(405); 상기 등온반응기(401)에서 배출된 가스에서 수분(304) 및 이산화탄소(305)가 제거된 가스가 공급되어 메탄합성반응이 수행되는 1차 단열반응기(407); 및 상기 1차 단열반응기(407)에서 배출된 가스가 공급되어 메탄합성반응이 수행되는 2차 단열반응기(408)를 구비하는 합성천연가스 제조장치가 제공된다.
상기 석탄가스화 반응으로 생성된 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스는 상기 등온반응기(401)에 공급되기 전에 열교환기, 집진장치 및 탈황장치(도 4에 도시되지 않음)를 통과하여 열회수, 집진 및 탈황이 이루어질 수 있다.
상기 석탄가스화 반응으로 생성된 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스(301)는 스팀(302)과 혼합되어 상기 등온반응기(401)에 공급된다. 상기 등온반응기(401)는 쉘-튜브 방식 혹은 애뉼러 방식의 반응기가 사용될 수 있으나, 이에 제한되지 않으며 본 기술분야의 통상의 기술자가 용이하게 사용할 수 있는 등온반응기(401)를 사용할 수 있다. 상기 등온반응기(401)는 메탄합성반응의 메탄 수율을 높이기 위해 내부에 Ni계 촉매를 포함할 수 있으나, 특별히 제한되지 않으며, 본 기술분야의 통상의 기술자가 용이하게 사용할 수 있는 메탄합성반응용 촉매를 사용할 수 있다.
상기 합성천연가스 제조장치는 상기 등온반응기(401)에 냉각수(308)를 공급하고, 상기 등온반응기(401)의 반응열에 의해 발생된 포화스팀(309)이 회수되는 냉각수 공급탱크(409)를 추가로 구비할 수 있다. 상기 냉각수 공급탱크(409)로부터 배출된 냉각수(308)는 상기 등온반응기(401)에 공급되어 상기 등온반응기(401)를 냉각시킨다. 상기 등온반응기(401)는 냉각수(308)에 의해 냉각되지 않는 경우에는 대략 700℃의 반응 온도를 갖지만, 상기 냉각수(308)에 의해 냉각되는 경우 통상 270~370℃의 온도로 유지될 수 있다. 상기 등온반응기(401)의 반응 온도는 단열반응기의 반응 온도에 비해 약 300℃ 이상 낮은 온도이므로, 메탄 합성 수율면에서 보다 효과적이다.
상기 등온반응기(401)에서 배출된 가스는 수분(304)과 이산화탄소(305)를 제거하는 수분 및 이산화탄소 제거단계(S230)를 수행하게 된다. 상기 등온반응기(401)에서 배출된 가스는 메탄합성 및 수성가스 전환반응에 의해 메탄, 수분(304), 이산화탄소(305) 및 수소를 포함하는데, 상기 수분(304)과 이산화탄소(305)를 제거한 후 메탄합성기에 공급함으로써 메탄의 수율을 높일 수 있다.
이를 위해 상기 등온반응기(401)에서 배출된 가스를 열교환기(402)에 통과시킴으로써 40~100℃로 냉각한 후, 응축기(404)에 통과시킴으로써 수분을 응축하여 분리 제거할 수 있다. 또한, 수분이 제거된 가스를 이산화탄소 제거장치(405)에 통과시킴으로써 이산화탄소를 제거할 수 있다.
상기 수분 및 이산화탄소 제거단계(S230)의 수분 및 이산화탄소 제거율은 특별히 한정하지 않으나, 상기 등온반응기(401)에서 배출된 가스에 포함된 수분 및 이산화탄소의 약 80~98%가 제거될 수 있다.
특별히 한정하지 않으나, 상기 1차 단열반응기(407)에 공급되는 상기 수분(304) 및 이산화탄소(305)가 제거된 가스는 250~350℃일 수 있다. 상기 온도는 메탄합성 반응개시 온도로서, 수분 및 이산화탄소 제거단계(S230)에서 냉각된 가스를 가열수단에 의해 열을 공급함으로써 상기 온도범위의 상태가 되도록 제어할 수 있다. 상기 가열수단은 열교환기일 수 있으나, 특별히 한정하지 않고, 본 기술분야의 통상의 기술자가 용이하게 사용할 수 있는 가열수단을 사용할 수 있다.
상기 가열수단(406)에 의해 가열된 가스는 1차 단열반응기(407)에 공급되며, 상기 1차 단열반응기(407)에서 추가로 메탄이 합성된다. 상기 1차 단열반응기(407)에서 배출된 가스의 메탄 함량은 배출된 가스의 전체 부피의 약 90~95 vol%가 될 수 있다. 상기 1차 단열반응기(407)에서 배출된 가스를 2차 단열반응기(408)에 공급하여 메탄의 수율을 더욱 높이게 되는데, 상기 2차 단열반응기(408)에서 배출된 가스의 메탄 함량은 약 97% 이상이 될 수 있다. 또한, 상기 합성천연가스 제조장치는 2차 단열반응기(408)에서 배출된 가스에서 수분(304')을 제거하는 응축기(404')를 추가로 구비함으로써, 메탄의 함량을 더욱 높은 SNG(306)를 얻을 수 있다.
한편, 상기 등온반응기(401)에 공급된 냉각수(308)는 등온반응기(401)로부터 열을 공급받아 포화스팀(309)이 되어, 냉각수 공급탱크(409)로 회수된다. 본 발명의 합성천연가스 제조장치는 상기 등온반응기(401)의 반응열에 의해 발생된 포화스팀(309)과 상기 1차 단열반응기(407)에서 배출된 가스를 열교환시키는 열교환기(403)를 추가로 구비할 수 있다. 상기 회수된 포화스팀(309)은 파이프 등의 이송수단에 의해 열교환기(403)를 통과하면서 1차 단열반응기(407)에서 배출된 가스의 열을 흡수하여 과포화스팀(307)으로 생성되며, 상기 과포화스팀(307)은 증기 터빈에 공급되어 발전하는 데 사용될 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
101: 합성가스 102: 재순환 가스
103: SNG 104: 수분
201: 1차 단열반응기 202: 2차 단열반응기
203: 2차 단열반응기 204: 재순환 압축기
301: 합성가스 302: 스팀
303: 냉각수 304(304'): 수분
305: 이산화탄소 306: SNG
307: 과포화스팀 308: 등온반응기로 공급되는 냉각수
309: 포화스팀
401: 등온반응기 402(402'): 열교환기
403: 포화스팀과 1차 단열반응기에서 배출된 가스의 열교환기
404(404'): 응축기 405: 이산화탄소 제거장치
406: 가열수단 407: 1차 단열반응기
408: 2차 단열반응기 409: 냉각수 공급탱크

Claims (10)

  1. 석탄 또는 바이오매스를 산소, 수소 또는 이들의 혼합가스와 반응시켜 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스를 제조하는 합성가스 제조단계;
    상기 제조된 합성가스의 열을 회수하고, 불순물 및 황화수소를 제거하는 탈황단계;
    상기 탈황단계를 거친 합성가스를 스팀과 함께 등온반응기에 공급하여 메탄합성반응과 수성가스전환반응을 동시에 수행하는 메탄합성 및 수성가스 전환단계;
    상기 등온반응기에서 배출된 가스를 냉각하여 수분 및 이산화탄소를 제거하는 수분 및 이산화탄소 제거단계;
    상기 수분 및 이산화탄소가 제거된 가스를 1차 단열반응기에 공급하여 메탄을 합성하는 1차 메탄합성단계; 및
    상기 1차 단열반응기에서 배출된 가스를 2차 단열반응기에 공급하여 메탄을 합성하는 2차 메탄합성단계를 포함하는 합성천연가스 제조방법.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 합성가스의 H2/CO 비는 0.5~1.5인 합성천연가스 제조방법.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 메탄합성 및 수성가스 전환단계에서 상기 등온반응기에 공급하는 합성가스 및 스팀의 부피비는 1:0.4~1.5인 합성천연가스 제조방법.
  4. 제1 항에 있어서, 과포화스팀을 증기 터빈에 공급하여 발전하는 발전단계를 추가로 포함하며, 상기 과포화스팀은 상기 등온반응기의 반응열에 의해 발생된 포화스팀이 상기 1차 단열반응기에서 배출된 가스의 열을 흡수하여 생성된 것인 합성천연가스 제조방법.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 1차 단열반응기에 공급되는 상기 수분 및 이산화탄소가 제거된 가스는 250~350℃인 합성천연가스 제조방법.
  6. 스팀과 석탄가스화 반응으로 생성된 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소를 포함하는 합성가스가 공급되어 메탄합성반응과 수성가스전환반응이 동시에 수행되는 등온반응기;
    상기 등온반응기에서 배출된 가스에서 수분을 제거하는 응축기;
    상기 등온반응기에서 배출된 가스에서 이산화탄소를 제거하는 이산화탄소 제거장치;
    상기 수분 및 이산화탄소가 제거된 가스가 공급되어 메탄합성반응이 수행되는 1차 단열반응기; 및
    상기 1차 단열반응기에서 배출된 가스가 공급되어 메탄합성반응이 수행되는 2차 단열반응기
    를 구비하는 합성천연가스 제조장치.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 1차 단열반응기에 공급되는 상기 수분 및 이산화탄소가 제거된 가스는 250~350℃인 합성천연가스 제조장치.
  8. 제6 항에 있어서, 상기 등온반응기에 냉각수를 공급하고, 상기 등온반응기의 반응열에 의해 발생된 포화스팀이 회수되는 냉각수 공급탱크를 추가로 구비하는 합성천연가스 제조장치.
  9. 제6 항에 있어서, 상기 등온반응기의 반응열에 의해 발생된 포화스팀과 상기 1차 단열반응기에서 배출된 가스를 열교환시키는 열교환기를 추가로 구비하는 합성천연가스 제조장치.
  10. 제6 항에 있어서, 상기 2차 단열반응기에서 배출된 가스에서 수분을 제거하는 응축기를 추가로 구비하는 합성천연가스 제조장치.
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