KR101777597B1

KR101777597B1 - 해상용 메탄올 생산 시스템

Info

Publication number: KR101777597B1
Application number: KR1020100132618A
Authority: KR
Inventors: 이은배; 김현진; 최용석; 권혁; 장나형
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2017-09-27
Also published as: KR20120071041A

Abstract

본 발명은 해상환경에서도 천연가스를 연료로 사용하는 메탄올 생산 공정이 경제적으로 운전이 가능한 해상용 메탄올 생산 시스템에 관한 것으로, 천연가스를 연료로 하여 증기개질, 분리, 합성공정을 통해 메탄올을 생산하는 메탄올 생산 시스템에 있어서, 증기개질에 필요한 스팀 생성을 위한 청수와, 가스성분 및 청수를 분리하기 위해 필요한 냉각수가 폐루프에 의한 청수 순환으로 공급되는 것을 특징으로 하여 해상에서 한정된 청수를 이용하여 원활하게 천연가스로부터 메탄올을 생산할 수 있는 해상용 메탄올 생산 시스템을 제공한다.

Description

해상용 메탄올 생산 시스템{Methanol production system for marine}

본 발명은 해상용 메탄올 생산 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 해상환경에서도 천연가스를 연료로 사용하는 메탄올 생산 공정이 경제적으로 운전이 가능한 해상용 메탄올 생산 시스템에 관한 것이다.

경제성이 낮은 CO₂가 다량 포함된 한계가스전의 경제성을 확보하기 위한 노력으로 한계가스전의 천연가스를 연료로 하여 메탄올을 생산하는 공정에 대한 관심이 증가하고 있다.

육상에서 이루어지는 기존의 메탄올 생산시스템은 도 3에 도시된 바와 같이 가습기(100)를 통해 개질기(200)로 스팀을 공급하여 천연가스를 개질하고, 개질 공정 후 기액분리기(300)에서 응축을 통해 가스성분과 청수를 분리한 다음, 메탄올 합성 반응기(400)에서 메탄올 합성온도로 온도를 증가시켜 가스성분으로부터 메탄올을 합성하는 공정을 통해 메탄올이 생산된다.

이러한 육상 메탄올 생산 시스템에서는 가습기를 통한 스팀 공급, 기액 분리, 냉각 등을 위해 청수를 필요로 하는데, 육상에서는 이러한 청수의 공급이 매우 용이하게 이루어질 수 있어 청수 사용에 어려움이 없다.

다만, 이러한 메탄올 생산 시스템이 해상에서 이루어지는 경우 청수의 공급이 어렵기 때문에 청수 사용량의 제한을 받는다. 따라서 해상 천연가스를 기반으로 하여 메탄올을 생산하고자 하는 경우 개질공정, 메탄올 합성공정 등 각 공정에 적합한 청수 공급이 이루어지기 어렵다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로,

해상환경에서 한정적인 청수만으로 각 공정별로 청수를 원활하게 공급시켜 천연가스를 이용하여 메탄올을 생산할 수 있는 해상용 메탄올 생산 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 재사용되는 청수가 각 공정에 적합한 상태로 공급되도록 하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 메탄올 생산 시스템에 적용된 모든 청수를 효과적으로 사용하도록 하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 청수의 열교환이 보다 경제적으로 이루어지도록 하는데 있다.

본원발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여,

천연가스를 연료로 하여 증기개질, 분리, 합성공정을 통해 메탄올을 생산하는 메탄올 생산 시스템에 있어서,

증기개질에 필요한 스팀 생성을 위한 청수와, 가스성분 및 청수를 분리하기 위해 필요한 냉각수가 폐루프에 의한 청수 순환으로 공급되는 것을 특징으로 하는 해상용 메탄올 생산시스템을 제공한다.

또한, 청수가 유입되어 스팀을 생성하는 가습기와;

상기 가습기로부터 공급된 스팀으로 천연가스를 합성가스로 증기개질하는 개질기와;

합성가스를 응축을 통해 가스성분과 청수로 분리시키는 기액분리기와;

분리한 가스성분을 메탄올로 합성하는 메탄올 합성반응기로 구성되되,

상기 기액분리기에서 배출된 청수는 열교환을 통해 가습기에 공급되거나 기액분리기로 공급되는 것을 특징으로 한다.

또한, 기액분리기에서 배출된 청수는 유량분배기에 의해 가습기에 공급될 유량이 조절된 뒤, 제1열교환기를 통해 가열된 청수가 공급되도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유량분배기에서 가습기로 공급되지 않은 청수는 혼합기를 통해 제2열교환기에서 냉각된 뒤 기액분리기의 냉각수로 사용되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 가습기에서 미가습된 청수들은 혼합기로 보내져 유량분배기에서 공급된 청수와 함께 혼합되어 기액분리기의 냉각수로 사용되는 것을 특징으로 한다.

또한, 제2열교환기에서 청수의 냉각은 해수에 의해 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 해상용 메탄올 생산 시스템은 폐루프에 의한 청수순환을 통해 가습기 및 기액분리기에 필요한 청수가 기액분리기에서 배출된 청수로부터 공급되어 재사용되는 것이므로 해상에서 한정된 청수만으로 원활하게 메탄올 생산시스템이 수행될 수 있고, 청수를 생성하기 위하여 해수를 담수화하는 공정을 필요로 하지 않기 때문에 비용이 절감되어 해상에서도 경제적으로 메탄올 생산이 이루어질 수 있다는 효과를 갖는다.

또한, 열교환을 통해 청수를 가열시켜 가습기로 공급하거나 열교환을 통해 청수를 냉각시켜 기액분리기의 냉각수로서 청수를 공급함에 따라 각 공정에 적합한 상태의 청수가 공급될 수 있으므로 메탄올 생산 시스템이 더욱 효율적으로 수행될 수 있다는 효과를 갖는다.

또한 미가습된 청수들까지 포집하여 재사용함에 따라 메탄올 생산 시스템에 적용된 모든 청수들이 버려지지 않고 재사용될 수 있으므로, 효과적으로 메탄올 생산시스템을 유지시킬 수 있다는 효과를 갖는다.

또한, 청수를 생성하기 위하여 해수를 담수화하는 공정을 필요로 하지 않기 때문에 비용이 절감되어 더욱 경제적으로 메탄올 생산이 가능하다는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해상용 메탄올 생산시스템의 흐름을 보인 흐름도.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 해상용 메탄올 생산시스템의 흐름을 보인 흐름도.
도 3은 종래 메탄올 생산시스템의 흐름을 보인 흐름도.

이하에서는 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 도시된 실시예에 따라 구체적으로 설명하기는 하나, 본 발명이 도면에 도시된 실시예 만으로 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 해상용 메탄올 생산시스템의 흐름을 보인 흐름도로, 파선(a)는 공정흐름을 나타낸 것이고, 실선(b)는 청수 및 응축수의 흐름을 나타낸 것이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명은 천연가스를 연료로 하여 증기개질, 분리, 합성공정을 통해 메탄올을 생산하는 메탄올 생산 시스템에 있어서, 증기개질에 필요한 스팀 생성을 위한 청수와, 가스성분 및 청수를 분리하기 위해 필요한 냉각수가 폐루프에 의한 청수 순환으로 공급되도록 한 것이다.

상기 천연가스는 경제성이 낮은 CO₂를 다량함유하고 있는 한계가스전의 천연가스를 이용하는 것으로, 상기 천연가스는 산지에 따라 약간씩 차이가 있으나 메탄(CH₄)이 80~90%를 차지하고 있다.

본 발명은 해상에서 다량의 메탄을 포함한 천연가스를 메탄올로 합성하되, 폐루프를 통해 메탄올 생산에 필요한 청수 및 냉각수가 공급됨에 따라 청수의 공급이 한정적인 해상에서도 원활하게 천연가스로부터 메탄올을 생산할 수 있도록 한 것이다.

보다 구체적으로 본 발명에 따른 해상용 메탄올 생산시스템은 가습기(100)와, 개질기(200)와, 기액분리기(300)와, 메탄올 합성반응기(400)로 구성되고, 이들 각 구성에는 폐루프에 의해 청수가 공급되도록 이루어진다.

먼저 도 1의 파선(a)의 흐름을 따라 본 발명의 공정흐름을 살펴보며, 각 구성을 설명하기로 한다. 상기 가습기(100)는 청수가 유입되어 스팀을 생성하는 것으로, 가습기(100)를 통해 한계가스전의 천연가스와 청수가 함께 공급되어 개질기(200)로 보내진다. 이때 상기 스팀은 천연가스의 개질에 이용된다.

이와 같이 가습기(100)로 공급된 천연가스와 스팀은 개질기(200)로 보내진다.

상기 개질기(200)는 상기 가습기(100)로부터 공급된 스팀으로 천연가스를 합성가스로 증기개질한다. 이때 개질기(200)의 온도는 750~1500℃이며, 1~10atm정도의 저압에서 개질반응이 나타난다.

이 개질반응은 메탄 증기 개질 혹은 SMR(steam reforming of methane)로 불리는 흡열반응으로, 반응식은 다음과 같다.

[반응식 1]

CH₄ + H₂O → CO + 3H₂

또한, 위 반응에 의해 생성되는 CO는 증기와 수소와 다음과 같이 반응한다.

[반응식 2]

(1) CO + H₂O → CO₂ + H₂

(2) CO + 3H₂ → CH₄ + H₂O

이때 천연가스로부터 합성가스로 생성하기 위해 니켈 증기를 촉매로 사용할 수도 있다.

이와 같이 천연가스의 개질반응으로 생성된 합성가스는 도 1에 도시된 것과 같이 기액분리기(300)로 보내진다.

기액분리기(300)는 합성가스를 응축에 의해 가스성분과 청수로 분리시키는 것으로, 이는 온도를 100℃이하, 보다 구체적으로는 35~45℃의 온도로 강하시킴으로써 개질로 인해 합성가스에 존재하는 스팀을 응축시켜 응축수로 배출시켜 가스성분과 분리함에 따라 탈수된 상태의 가스성분만을 얻을 수 있는 것이다. 이때 상기 응축수는 스팀으로 생성되었던 청수를 다시 냉각하여 응축시킨 것이므로, 본 발명에서 응축수의 배출 및 분리는 결국 합성가스에 존재하는 청수가 배출 및 분리되는 것이다.

이러한 가스성분은 마지막으로 메탄올 합성반응기(400)로 보내진다. 메탄올 합성 반응기(400)는 분리한 가스성분을 메탄올로 합성하여 메탄올을 생성물을 얻는 것으로, 메탄올 합성은 통상 약 250~270℃의 온도에서 68~72bar의 압력하에서 수행될 수 있다. 이는 개질반응에 의해 생성된 합성가스로부터 메탄올을 합성하는 반응은 다음과 같이 일산화탄소나 이산화탄소의 수소화반응으로 진행될 수 있다

[반응식 3]

(1) CO +2H₂ ↔ CH₃OH ΔH = -90.8 KJ/mol

(2) CO₂ + 3H₂ ↔ CH₃OH +H₂O ΔH = -49.6 KJ/mol

(3) CO + H₂O ↔ CO₂ +H₂ ΔH = -41.2 KJ/mol

상기와 같은 공정흐름을 따라 천연가스로부터 메탄올이 생산된다. 하기에서는 본 발명의 요지인 폐루프에 의해 순환 공급되는 청수의 흐름을 살펴보기로 한다. 여기서 청수의 흐름은 도 1의 실선(b)을 참고로 한다.

상기 기액분리기(300)에서 배출된 청수는 열교환을 통해 가습기(100)에 공급되거나 기액분리기(300)로 공급되는 것이다.

구체적으로 기액분리기(300)에서 배출된 청수는 유량분배기(10)에 의해 가습기(100)에 공급될 유량이 조절된 뒤, 제1열교환기(20)를 통해 가열된 청수가 공급되도록 구성된다.

여기서 상기 제1교환기(20)는 기액분리기에서 상온(35~45℃)으로 응축된 청수를 가열시켜 보다 신속하게 가습기(100)에서 스팀을 생성할 수 있도록 하는 것이다. 이때 상기 제1교환기(20)의 열원은 본 발명의 메탄올 생산 시스템이 부유식 원유생산저장 설비(FPSO, Floating Production Storage Offloading), 선박 등에 의해 해상에서 이루어지므로, 이들의 발전기나 터빈, 또는 난방 시설 등에서 발생되는 고온의 스팀을 이용하여 별도의 열원장치 없이도 경제적으로 기액분리기에서 배출된 청수를 가열하여 가습기로 공급할 수 있다.

상기와 같이 열교환을 통해 청수가 가열되어 공급되면, 가습기에서 이루어지는 공정에 적합한 상태로 청수가 공급되어 가습기에서 새로 공급된 청수를 가열시키기 위해 추가적인 에너지원을 사용하지 않아도 스팀을 생산할 수 있으므로 메탄올 생산 시스템이 더욱 효율적으로 수행될 수 있다.

아울러 상기 유량분배기(20)에서 가습기로 공급되지 않은 청수는 혼합기(40)를 통해 제2열교환기(30)에서 냉각된 뒤, 기액분리기(300)의 냉각수로 사용되도록 한다.

즉, 제2열교환기(30)를 통해 청수를 기액분리기(300)의 합성가스를 응축시키기 위한 냉각수로 사용될 수 있도록 냉각하여 공급하는 것이며, 이를 통해 기액분리기(300)의 합성가스를 효과적으로 응축시킬 수 있도록 한다.

이때 상기 제2열교환기(30)에서 청수의 냉각은 해수에 의해 이루어지는 것이 바람직하다.

해수는 통상 위도에 따라 -2℃ ~ 30℃의 온도를 갖기 때문에 별도의 냉각수단 없이 응축에 사용가능한 온도로 청수를 냉각시킬 수 있으므로 경제적이다.

또한, 상기와 같이 열교환을 통해 청수가 냉각되어 공급되면, 기액분리기에서 이루어지는 공정에 적합한 상태로 청수가 공급되므로 새로운 청수의 공급으로 인한 간섭없이 메탄올 생산 시스템이 원활하게 수행될 수 있다.

상기와 같은 청수 흐름을 갖는 본 발명에 따른 해상용 메탄올 생산 시스템은 폐루프에 의한 청수의 순환을 통해 가습기 및 기액분리기에 필요한 청수가 기액분리기에서 배출된 청수로부터 공급되어 재사용되는 것이므로 해상에서 한정된 청수만으로 원활하게 메탄올 생산시스템이 수행될 수 있는 것이다.

또한, 청수를 생성하기 위하여 해수를 담수화하는 공정을 필요로 하지 않기 때문에 비용이 절감되어 해상에서도 경제적으로 메탄올 생산이 이루어질 수 있는 것이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 해상용 메탄올 생산시스템의 흐름을 보인 흐름도로 이에 도시된 바와 같이 본 발명은 상기 가습기(100)에서 미가습된 청수들이 혼합기(40)로 보내져 유량분배기(10)에서 공급된 청수와 함께 혼합되어 기액분리기(300)의 냉각수로 사용될 수 있다.

이와 같이 미가습된 청수들을 가습기(100)로부터 포집하여 재사용하면 메탄올 생산 시스템에 적용된 모든 청수들이 버려지지 않고 더욱 효율적으로 재사용될 수 있으므로, 효과적으로 메탄올 생산시스템을 유지시킬 수 있다.

a: 파선(공정흐름) b: 실선(청수흐름)
100: 가습기 200: 개질기
300: 기액분리기 400: 메탄올 합성 반응기
10: 유량분배기 20: 제1열교환기
30: 제2열교환기 40: 혼합기

Claims

천연가스를 연료로 하여 증기개질, 분리, 합성공정을 통해 메탄올을 생산하는 메탄올 생산 시스템에 있어서,
증기개질에 필요한 스팀 생성을 위한 청수와, 가스성분 및 청수를 분리하기 위해 필요한 냉각수가 폐루프에 의한 청수 순환으로 공급되도록,
청수가 유입되어 스팀을 생성하는 가습기(100)와;
상기 가습기로부터 공급된 스팀으로 천연가스를 합성가스로 증기개질하는 개질기(200)와;
합성가스를 응축을 통해 가스성분과 청수로 분리시키는 기액분리기(300)와;
분리한 가스성분을 메탄올로 합성하는 메탄올 합성반응기(400)로 구성되되, 상기 기액분리기(300)에서 배출된 청수는 열교환을 통해 가습기에 공급되거나 기액분리기(300)로 공급되며,
상기 기액분리기(300)에서 배출된 청수는 유량분배기(10)에 의해 가습기(100)에 공급될 유량이 조절된 뒤, 제1열교환기(20)를 통해 가열된 청수가 공급되도록 하며,
상기 유량분배기(10)에서 가습기(100)로 공급되지 않은 청수는 혼합기(40)를 통해 제2열교환기(30)에서 냉각된 뒤 기액분리기(300)의 냉각수로 사용되고,
상기 가습기(100)에서 미가습된 청수들은 혼합기(40)로 보내져 유량분배기(10)에서 공급된 청수와 함께 혼합되어 기액분리기(300)의 냉각수로 사용되는 것을 특징으로 하는 해상용 메탄올 생산 시스템.
삭제
삭제
삭제
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 제2열교환기(30)에서 청수의 냉각은 해수에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 해상용 메탄올 생산 시스템.