KR101360972B1

KR101360972B1 - 에프피에스오의 리포밍 장치

Info

Publication number: KR101360972B1
Application number: KR1020120045992A
Authority: KR
Inventors: 장나형; 김현진; 최용석
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2012-05-01
Filing date: 2012-05-01
Publication date: 2014-02-12
Also published as: KR20130122874A

Abstract

본 발명은 천연가스에 스팀을 작용하여 개질을 수행하는 리포밍 장치에 있어서: 상기 천연가스에서 H2와 CO를 포함한 공정가스를 생성하는 스팀개질기(22); 상기 스팀개질기(22)의 하류측으로 설치되고, 공정가스의 H2/CO 비율을 축소하는 압력흡착기(30); 상기 압력흡착기(30)의 하류측으로 설치되고, 후속 공정으로 유입되는 CO2를 제거하는 CO2제거유니트(24); 및 상기 압력흡착기(30)의 H2와 CO2제거유니트(24)의 CO2를 공급받아 CO를 생성하여 H2/CO비율을 조절하고 CO2 배출을 억제하며 물을 생성하여 배출하는 역수성가스전이반응기(40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 제한된 공간인 FPSO의 상부에 화학플랜트를 설치하기 위하여 공간을 최적화 하는 동시에 전력소모를 축소하여 경제성을 향상하는 효과가 있다.

Description

에프피에스오의 리포밍 장치{Reforming apparatus for FPSO}

본 발명은 에프피에스오의 리포밍 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 제한된 공간인 FPSO의 상부에 화학플랜트를 설치하기 위하여 공간을 최적화 하는 동시에 전력소모를 축소하여 경제성을 향상하는 에프피에스오의 리포밍 장치에 관한 것이다.

해양가스전에 대한 관심이 높아지며 FPSO를 통해 가스전 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 기존의 LNG FPSO는 CO2가 다량 함유되고 매장량이 작은 가스전에 적용하기가 어려워, 최근 DME/GTL FPSO와 같은 화학플랜트와 결합된 FPSO가 연구 되고 있다. DME/GTL FPSO는 천연가스로 부터 친환경 연료를 전환하는 기술로 크게 리포밍(reforming) 기술과 합성기술로 나뉜다.

선행특허의 일예로서, 한국 공개특허공보 제2011-0031455호는 해양 처리 시설에서 천연 가스를 처리하기 위한 방법이며, 천연 가스에서 액화 천연 가스 스트림 및 고탄화수소 스트림을 생성하는 단계와, 상기 스트림의 일부를 기화하는 단계와, 기화된 스트림 및 증기를 증기 개질 촉매로 통과시켜 개질된 가스 혼합물을 생성하는 단계와, 개질된 가스 혼합물을 메탄화 촉매로 통과시켜 메탄 농후 가스를 생성하는 단계와, 메탄 농후 가스를 천연 가스와 혼합시키는 단계를 포함한다. 이에 따라, 소각에 비해 CO2 배출을 극적으로 감소시키는 효과를 기대한다.

그러나 상기한 선행특허에 의하면 친환경적 요소를 요지로 하므로 주요한 장치적 구성품들 간의 점유면적(foot print)을 축소하거나 에너지 절약을 도모하기 위한 설계요소의 개시가 미흡하다.

이와 관련되는 선행기술의 다른 예로서 도 1 및 도 2를 참조하면 종래에는 공기분리유니트(Air Separation Unit; ASU)(10), 개질기(12), CO2제거유니트(14)로 이루어지는 리포밍 설비는 동일하고 이에 후속하여 DME FPSO에서는 DME 반응기(16)가 GTL FPSO에서는 FT 반응기(18)가 연결된다. 이와 같은 리포밍 설비에서 개질기(12)는 점유면적을 줄이기 위해 자기열형개질기(Auto thermal reformer)나 트라이리포머(Tri-reformer)를 사용한다.

하지만 이러한 방식에 의하면 공기분리유니트(10)를 수반하므로 실질적인 점유면적 축소에 한계가 있고 공기분리유니트(10)에 의한 전력소모가 심하여 경제성을 저하시킨다. 일예로, 공기분리유니트(10)를 이용하여 160mmscfd의 천연가스를 합성가스(Syngas)로 전환할 때 80MW 정도의 전력을 소모한다. 이는 육상플랜트와는 다르게 전력을 자체 공급해야 하는 FPSO의 특성상 발전유니트의 용량 증가와 점유면적 증가로 상업화에 많은 어려움을 초래하는 요인으로 작용한다.

1. 한국 공개특허공보 제2011-0031455호 "해양 천연 가스를 처리하기 위한 장치 및 방법"(공개일자 :2011 . 3. 28.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 제한된 공간인 FPSO의 상부에 화학플랜트를 설치하기 위하여 공간을 최적화 하는 동시에 전력소모를 축소하여 경제성을 향상하는 에프피에스오의 리포밍 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 천연가스에 스팀을 작용하여 개질을 수행하는 리포밍 장치에 있어서: 상기 천연가스에서 H2와 CO를 포함한 공정가스를 생성하는 스팀개질기; 상기 스팀개질기의 하류측으로 설치되고, 공정가스의 H2/CO 비율을 축소하는 압력흡착기; 상기 압력흡착기의 하류측으로 설치되고, 후속 공정으로 유입되는 CO2를 제거하는 CO2제거유니트; 및 상기 압력흡착기의 H2와 CO2제거유니트의 CO2를 공급받아 CO를 생성하여 H2/CO비율을 조절하고 CO2 배출을 억제하며 물을 생성하여 배출하는 역수성가스전이반응기;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 압력흡착기는 흡수제를 개재하여 공정가스에서 H2를 분리하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 CO2제거유니트는 스팀개질기로 공급하고 남은 CO2를 역수성가스전이반응기로 전량 리턴하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 역수성가스전이반응기의 출구는 CO2제거유니트의 출구와 연결되어 공정가스의 설정된 H2/CO 비율을 유지하는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 CO2제거유니트의 하류측으로 DME 반응기 또는 FT 반응기가 연결되는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 제한된 공간인 FPSO의 상부에 화학플랜트를 설치하기 위하여 공간을 최적화 하는 동시에 전력소모를 축소하여 경제성을 향상하는 효과가 있다.

또한, 기존의 시스템보다 CO2 배출량을 줄여 친환경적인 효과가 있다.

또한, 본 발명은 산소를 배출하는 자기열형개질기를 배제하므로 안전사고의 위험성을 경감하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 DME FPSO에서 리포밍 공정을 나타내는 블록도
도 2는 종래의 GTL FPSO에서 리포밍 공정을 나타내는 블록도
도 3은 본 발명의 DME FPSO에서 리포밍 공정을 나타내는 블록도
도 2는 본 발명의 GTL FPSO에서 리포밍 공정을 나타내는 블록도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 천연가스에 스팀을 작용하여 개질을 수행하는 리포밍 장치에 관련된다. 리포밍은 천연가스로 부터 친환경 연료를 전환하는 과정의 하나로서, 종래에는 FPSO의 공간적인 제약과 합성가스의 비율을 조절하기 위하여 자기열형개질기(12) 또는 트라이개질기(Tri-reforming)를 기반으로 한다. 그러나 자기열형개질기(12) 또는 트라이개질기는 CO2를 리사이클하여 사용한다는 장점이 있지만, 실제로 발생하는 CO2를 전체적으로 리사이클할 수 없으며 일정량을 벤트(vent)시켜야 하므로 CO2의 발생을 완전 억제하지는 못한다. 이에 개질기 자체의 크기는 작지만 개질반응상 필요한 O2를 공급하기 위하여 더하여 해양 구조물인 FPSO에 공기분리유니트(10)를 적용함에 있어 큰 설치면적, 고중량, 많은 전력소비에 대한 장애의 극복이 곤란하므로 결국 공기분리유니트(10)를 생략하는 구성이 필요하다.

본 발명에 따르면 상기 천연가스에서 H2와 CO를 포함한 공정가스를 생성하는 스팀개질기(22)가 구비된다. 스팀개질기(22)는 컴팩트리포머(Compact Reformer)의 기술을 적용하는 것이 설치면적의 축소에 유리하다. 컴팩트리포머 방식에 의하면 자기열형개질기(12)와 비슷한 크기로 적용 가능하다. 다만 종래의 자기열형개질기(12)나 트라이리포머처럼 리포밍 후단의 합성반응에 영향을 미치는 H2/CO의 비율을 조절할 수 없다는 단점이 있지만, 이는 후술하는 것처럼 압력흡착기(30), 역수성가스전이반응기(40) 등의 방법으로 극복할 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 공정가스의 H2/CO 비율을 축소하는 압력흡착기(30)가 상기 스팀개질기(22)의 하류측으로 설치된다. 스팀개질기(22)는 고온(300-1200℃)에서 수증기를 천연가스의 유기성분과 반응시켜 CO, CO2, H2로 주로 구성되는 합성가스(synthesis gas)인공정가스를 생성한다.

이때, 상기 압력흡착기(30)는 흡수제를 개재하여 공정가스에서 H2를 분리한다. PSA(Pressure Swing Absorption)(30)는 다양한 기능을 가진 흡착제(예컨대 제오라이트)를 사용하여 원하는 기체를 선택적으로 흡착하는 것으로서, 공정가스로부터 수소만을 투과할 수 있는 필터로 사용한다. 스팀리포밍 기술에 의하면 H2/CO 비율을 조절하기가 어려우므로 압력흡착기(30)를 사용하여 과도하게 생성된 H2를 후술하는 공정으로 보낸다.

한편, PSA와 관련하여 한국 등록특허공보 제0829808호, 한국 등록특허공보 제0930680호 등이 알려져 있으나, 이는 해상 구조물인 DME/GTL FPSO에 적용하기 무리가 있다.

또, 본 발명에 따르면 후속 공정인 합성반응기(후술하는 부호 26 또는 28)에서의 합성반응에 영향을 미치는 CO2를 제거하는 CO2제거유니트(24)가 상기 압력흡착기(30)의 하류측으로 설치된다. 유입된 천연가스는 스팀개질기(22), 압력흡착기(30), CO2제거유니트(24)를 거치면서 합성반응기의 공정가스로 유동한다. 설계의 일예로, 도 3에 의하면 압력흡착기(30), CO2제거유니트(24)를 거치고 나와 역수성가스전이반응기(40)의 라인과 합류되는 지점의 H2/CO 비율은 2에서 1로 감소하고, 도 4에 의하면 압력흡착기(30), CO2제거유니트(24)를 거치고 나와 역수성가스전이반응기(40)의 라인과 합류되는 지점의 H2/CO 비율은 2.5에서 2로 감소한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 압력흡착기(30)의 H2와 CO2제거유니트(24)의 CO2를 공급받아 CO를 생성하여 H2/CO비율을 조절하고 CO2 배출을 억제하며 물을 생성하여 배출하도록 역수성가스전이반응기(40)를 구비한다. 역수성가스전이반응기(Revers water-gas shift reactor)(40)는 압력흡착기(30)와 CO2제거유니트(24)에 동시에 연결되어 H2와 CO2를 공급받아 CO와 물을 생성하므로 스팀개질기의 문제인 H2/CO비율을 조절할 수 있으며, CO2 배출량을 감소시켜 친환경성을 향상할 수 있다. 역수성가스전이반응기(40)를 추가하는 경우 설치면적이 증대되지만 종래의 공기분리유니트(10)가 차지하는 영역 내에서 모두 해결 가능하다. 그리고, 종래의 공기분리유니트(10)보다 월등히 적은 에너지를 소비하는 장점을 지닌다.

이때, 상기 CO2제거유니트(24)는 스팀개질기(22)로 공급하고 남은 CO2를 역수성가스전이반응기(40)로 전량 리턴한다. 종래의 CO2제거유니트(14)와 같이 CO2를 벤트하지 않으므로 친환경적인 설계가 가능하다.

한편, 상기 역수성가스전이반응기(40)의 출구는 CO2제거유니트(24)의 출구와 연결되어 합성반응기로 유입되는 공정가스의 설정된 H2/CO 비율을 유지한다. 설계의 일예로서, 도 3에 의하면 역수성가스전이반응기(40)의 출구에서 H2/CO 비율을 1로 설정하여 CO2제거유니트(24)의 출구에서 H2/CO 비율을 1.5로 유지하고, 도 4에 의하면 역수성가스전이반응기(40)의 출구에서 H2/CO 비율을 1로 설정하여 CO2제거유니트(24)의 출구에서 H2/CO 비율을 2로 유지한다.

본 발명에 의하면, 상기 CO2제거유니트(24)의 하류측으로 DME 반응기(26) 또는 FT 반응기(28)가 연결된다. 도 3에서, DME 반응기(26)는 천연가스는 물론 CBM(Coal Bed Methane), Biomass 등 다양한 원료로부터 반응하여 DME(Dimethyl Ether, CH3OCH3)를 추출한다. 도 4에서 FT 반응기(28)는 천연가스로부터 합성원유(또는 가솔린, 디젤, 나프타 등)를 생성한다. 본 발명은 CO2제거유니트(24)의 출구에 DME 반응기(26)와 FT 반응기(28)를 선택적으로 연결할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 압력흡착기(30)와 역수성가스전이반응기(40)를 사용함에 따라 과도하게 생성된 H2와 공정에서 발생하는 CO2를 이용하여 H2/CO 비율을 조절하면서 발생되는 CO2를 모두 공정 안에서 처리할 수 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 공기분리유니트 12: 자기열형개질기
14: CO2제거유니트 16: DME 반응기
18: FT 반응기 22: 스팀개질기
24: CO2제거유니트 26: DME 반응기
28: FT 반응기 30: 압력흡착기(PSA)
40: 역수성가스전이반응기

Claims

천연가스에 스팀을 작용하여 개질을 수행하는 리포밍 장치에 있어서:
상기 천연가스에서 H2와 CO를 포함한 공정가스를 생성하는 스팀개질기(22);
상기 스팀개질기(22)의 하류측으로 설치되고, 공정가스의 H2/CO 비율을 축소하는 압력흡착기(30);
상기 압력흡착기(30)의 하류측으로 설치되고, 후속 공정으로 유입되는 CO2를 제거하는 CO2제거유니트(24); 및
상기 압력흡착기(30)의 H2와 CO2제거유니트(24)의 CO2를 공급받아 CO를 생성하여 H2/CO비율을 조절하고 CO2 배출을 억제하며 물을 생성하여 배출하는 역수성가스전이반응기(40);를 포함하여 이루어지고,
상기 CO2제거유니트(24)는 스팀개질기(22)로 공급하고 남은 CO2를 역수성가스전이반응기(40)로 전량 리턴하며,
상기 역수성가스전이반응기(40)의 출구는 CO2제거유니트(24)의 출구와 연결되어 공정가스의 설정된 H2/CO 비율을 유지하는 것을 특징으로 하는 에프피에스오의 리포밍 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 압력흡착기(30)는 흡수제를 개재하여 공정가스에서 H2를 분리하는 것을 특징으로 하는 에프피에스오의 리포밍 장치.
삭제
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 CO2제거유니트(24)의 하류측으로 DME 반응기(26) 또는 FT 반응기(28)가 연결되는 것을 특징으로 하는 에프피에스오의 리포밍 장치.