KR102097283B1 - Method for preparing synthetic natural gas having improved caloric value and application for the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 석탄, 바이오매스 및 고체탄소 연료 등으로부터 얻어진 합성가스를 사용하여 합성천연가스를 제조하되, 상기 합성가스의 일부를 분리하여 발열량이 높은 액화석유가스, 디메틸에테르 등의 탄화수소 화합물을 합성하고, 이를 상기 합성천연가스와 혼합하는 발열량이 증가된 합성천연가스를 제조하는 방법에 관한 것이다.
이 때 본 발명은 합성천연가스를 제조하는 과정에서 발생하는 이산화탄소를 수집하고, 상기 이산화탄소를 역부다 반응시켜 일산화탄소로 제조한 뒤, 상기 일산화탄소를 탄화수소 화합물의 합성을 위해 분리한 합성가스의 일부와 혼합하여 목적하는 탄화수소 화합물의 합성에 유리한 원료로 사용하는 것을 기술적 특징으로 한다.In the present invention, a synthetic natural gas is produced using synthetic gas obtained from coal, biomass, and solid carbon fuels, but a part of the synthetic gas is separated to synthesize a hydrocarbon compound such as liquefied petroleum gas and dimethyl ether. , It relates to a method for producing a synthetic natural gas having an increased calorific value to mix it with the synthetic natural gas.
At this time, the present invention collects carbon dioxide generated in the process of manufacturing a synthetic natural gas, reacts the carbon dioxide back to produce carbon monoxide, and then mixes the carbon monoxide with a part of the synthetic gas separated for the synthesis of hydrocarbon compounds Therefore, it is characterized by being used as a raw material advantageous for the synthesis of the desired hydrocarbon compound.
Description
본 발명은 석탄, 바이오매스 및 고체탄소 연료 등으로부터 얻어진 합성가스(syngas)를 사용하여 발열량이 증가된 합성천연가스(high caloric synthetic natural gas)를 제조하는 방법 및 이에 사용되는 장치에 관한 것으로서, 자세히는 상기 합성가스의 일부를 분리하여 발열량이 높은 액화석유가스(liquified petroleum gas, LPG), 디메틸에테르(dimethyl ether, DME) 등의 탄화수소 화합물을 합성하고, 이를 상기 합성천연가스와 혼합함으로써 발열량이 증가된 합성천연가스(high caloric SNG)를 제조하는 방법 및 이에 사용되는 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method for manufacturing a high caloric synthetic natural gas with increased calorific value using syngas obtained from coal, biomass, and solid carbon fuel, and an apparatus used therein, in detail By separating a part of the synthetic gas to synthesize a hydrocarbon compound such as liquefied petroleum gas (LPG), dimethyl ether (dimethyl ether, DME) having a high calorific value, the calorific value is increased by mixing it with the synthetic natural gas It relates to a method for manufacturing a synthetic natural gas (high caloric SNG) and the apparatus used therein.
화석연료들 중 석탄의 경우, 다른 자원에 비해 매장량이 풍부하고, 지역 편재성이 적어 최근에 전 세계적으로 석탄을 합성천연가스(Synthetic Natural Gas, SNG)로 전환하는 연구가 활발히 진행되고 있다.In the case of coal among fossil fuels, research has been actively conducted to convert coal to Synthetic Natural Gas (SNG) worldwide due to its rich reserves and less local ubiquity compared to other resources.
그 중 석탄가스화(Coal Gasification)는 석탄을 고열로 기체화하여 합성가스(H2, CO)를 만들어 발전 등에 사용하는 기술을 말한다. 석탄에 고열을 가하면 고체, 액체, 기체 순서로 변하는데 이렇게 만들어진 합성가스는 발전에 필요한 연료인 천연가스의 일부를 대체할 수 있다.Among them, coal gasification refers to a technology that gas is used to generate synthetic gas (H 2 , CO) by gasifying coal with high heat. When high heat is applied to coal, it changes in the order of solid, liquid, and gas, and the synthetic gas produced in this way can replace some of the natural gas, which is a fuel for power generation.
하지만 합성가스(syngas)만으로는 천연가스의 열량에 미치지 못하기 때문에 합성가스(syngas)를 메탄화 반응(Methanation reaction)시켜 합성천연가스(SNG)를 생산함으로써 부족한 열량을 보충한다. 다만 메탄의 열량은 9,400kcal/m3으로 이 역시 한국가스공사에서 공급하는 액화천연가스(liquified natural gas, LNG)의 표준 열량인 10,400kcal/m3에 미치지 못한다.However, because only the synthesis gas (syngas) does not reach the heat of the natural gas, the synthesis gas (Methanation reaction) of the synthesis gas (Methanation reaction) to produce a synthetic natural gas (SNG) to compensate for the insufficient heat. However, methane is the heat 9,400kcal / m 3, this also does not reach the standard in calorie 10,400kcal / m 3 of liquefied natural gas supplied from the Korea Gas Corporation (liquified natural gas, LNG).
이에 액화천연가스(LNG)급의 열량을 갖는 고품질의 합성천연가스(SNG)를 제조하고자 하는 다양한 시도가 이루어지고 있다.Accordingly, various attempts have been made to manufacture high-quality synthetic natural gas (SNG) having a heat equivalent to liquefied natural gas (LNG).
대한민국 공개특허공보 10-2014-0087254 (특허문헌1)는 고발열량의 합성천연가스 생산을 위해 메탄화 반응 및 피셔-트롭쉬 합성 반응이 동시에 진행되는 공정, 상기 공정에 사용되는 Fe, Co, Zr, Ce 및 Ga 계 촉매 및 이의 제조방법을 제시하였다.Republic of Korea Patent Publication No. 10-2014-0087254 (Patent Document 1) is a process in which a methanation reaction and a Fischer-Tropsch synthesis reaction are simultaneously performed to produce synthetic natural gas having a high calorific value, and Fe, Co, and Zr used in the above process , Ce and Ga-based catalysts and a method of manufacturing the same are presented.
대한민국 등록특허공보 10-1508263 (특허문헌2)은 저급탄 또는 고체 연료 등의 연료가 투입되어 유동층 반응로와 고정층 반응로를 조합하여 에너지를 효율적으로 사용하여 합성천연가스를 생산하기 위한 합성가스를 제조하는 열분해 가스화 시스템을 제시하였다.Republic of Korea Patent Registration No. 10-1508263 (Patent Document 2) is a fuel for low-grade coal or solid fuel is injected to combine the fluidized bed reactor and the fixed bed reactor to efficiently use energy to produce synthetic gas for producing synthetic natural gas. A pyrolysis gasification system was presented.
대한민국 공개특허공보 10-2010-0121423 (특허문헌3)에는 수성가스전환(WGS, Water Gas Shift)을 이용하여 메탄화 공정에 필요한 합성가스의 몰 비 (H2-CO2)/(CO+CO2)를 3.00보다 크게 조절한 뒤, 합성천연가스(SNG)를 제조하는 방법을 제시하였다.In Korean Patent Publication No. 10-2010-0121423 (Patent Document 3), the molar ratio of syngas required for the methanation process using water gas shift (WGS, Water Gas Shift) (H 2 -CO 2 ) / (CO + CO After adjusting 2 ) to greater than 3.00, a method for producing synthetic natural gas (SNG) was presented.
위와 같이 종래의 대부분의 방법은 석탄 및 고체연료로부터 합성가스를 제조하고, 상기 합성가스를 메탄화하여 고발열량의 합성천연가스를 생산하고자 하는 것이다. 그러나 석탄가스화를 통해 생성되는 합성가스는 몰 비 H2/CO가 0.5 ~ 0.8의 범위이며 이는 메탄화 반응을 위한 몰 비 H2/CO인 3.0에 한참 미치지 못한다. As described above, most of the conventional methods are intended to produce synthetic gas from coal and solid fuel, and to produce synthetic natural gas having a high calorific value by methaneizing the synthetic gas. However, the synthesis gas generated through coal gasification has a molar ratio H 2 / CO in the range of 0.5 to 0.8, which is far less than 3.0, the molar ratio H 2 / CO for the methanation reaction.
이에 따라 상기 특허문헌3과 같이 수성가스전환(WGS)반응을 통해 합성가스의 몰 비 H2/CO를 높이는 방법이 개발되었으나, 상기 수성가스전환반응은 수소를 생산함과 동시에 온실가스인 이산화탄소를 생성하므로 공정의 이산화탄소 배출량을 현저히 증가시킨다. 최근 COP21 합의로 도출된 新기후체제에 따라 2030년 온실가스 배출전망치 (BAU, Business As Usual) 대비 온실가스 배출 절감을 달성해야하는 실정상 이 역시 고발열량의 합성천연가스를 제조하는 방법으로는 적합하지 않다는 한계가 있다.Accordingly, a method was developed to increase the molar ratio H 2 / CO of synthetic gas through a water gas conversion (WGS) reaction as in Patent Document 3, but the water gas conversion reaction produces hydrogen and at the same time produces carbon dioxide, a greenhouse gas. It significantly increases the carbon dioxide emissions of the process. In accordance with the new climate system, which has been drawn up through the recent COP21 agreement, it is necessary to achieve greenhouse gas emission reductions compared to the 2030 Greenhouse Gas Emission Forecast (BAU). There is a limit.
본 발명은 위와 같은 문제점 및 한계를 극복하기 위한 것으로서, 다음과 같은 목적이 있다.The present invention is to overcome the above problems and limitations, it has the following object.
본 발명은 석탄, 바이오매스 및 고체탄소 연료 등의 가스화를 통해 제조된 합성가스를 이용하여 발열량이 증가된 합성천연가스를 생산하는 방법을 제공하는 것을 첫 번째 목적으로 한다.The first object of the present invention is to provide a method for producing synthetic natural gas having an increased calorific value using synthetic gas produced through gasification of coal, biomass, and solid carbon fuel.
또한, 본 발명은 상기 가스화를 통해 제조된 합성가스를 메탄화 공정의 원료로 사용하기 위하여 수성가스전환반응을 통해 합성가스 중 몰 비 H2/CO를 3 이상으로 전환하는 방법을 제공하는 것을 두 번째 목적으로 한다.In addition, the present invention provides a method for converting the molar ratio H 2 / CO in the synthesis gas to 3 or more through an aqueous gas conversion reaction in order to use the synthesis gas produced through the gasification as a raw material for the methanation process. For the second purpose.
또한, 본 발명은 상기 수성가스전환반응을 통해 합성가스의 몰 비 H2/CO를 3.0 이상으로 전환시킨 가스의 일부를 분리하고, 이를 수성가스전환반응에 의해 과량으로 발생하는 이산화탄소의 역부다 반응을 통해 제조된 일산화탄소와 혼합하여 고발열량의 탄화수소 화합물을 합성하기에 적합한 원료로 만듦으로써, 이산화탄소의 배출량을 현저히 저감시키면서 액화천연가스(LNG)급의 열량을 갖는 합성천연가스를 생산할 수 있는 방법을 제공하는 것을 세 번째 목적으로 한다.In addition, the present invention separates a part of the gas that has converted the molar ratio H 2 / CO of the synthesis gas to 3.0 or more through the water gas conversion reaction, and this is the reverse reaction of carbon dioxide generated in excess by the water gas conversion reaction. A method for producing a synthetic natural gas having a liquefied natural gas (LNG) -class heat amount while significantly reducing the emission of carbon dioxide by mixing with carbon monoxide produced through and making it a suitable raw material for synthesizing a high-calorie hydrocarbon compound The third purpose is to provide.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않는다. 본 발명의 목적은 이하의 설명으로 보다 분명해 질 것이며, 특허청구범위에 기재된 수단 및 그 조합으로 실현될 것이다.The object of the present invention is not limited to the object mentioned above. The object of the present invention will be more apparent from the following description, and will be realized by means described in the claims and combinations thereof.
본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 구성을 포함하는 발열량이 증가된 합성천연가스의 제조방법을 제시한다.The present invention proposes a method for producing a synthetic natural gas with increased calorific value, which includes the following configuration, in order to achieve the above object.
본 발명인 발열량이 증가된 합성천연가스의 제조방법은 연료를 가스화하여 합성가스를 제조하고, 상기 합성가스를 수성가스 전환(water gas shift)한 뒤, 전환된 합성가스를 제1흐름과 제2흐름으로 분리하고, 상기 제1흐름의 합성가스를 메탄화 반응시켜 합성천연가스(synthetic natural gas)를 제조하되, 전환된 합성가스를 제1흐름과 제2흐름으로 분리하기 전, 상기 전환된 합성가스로부터 이산화탄소를 분리하는 단계, 분리된 이산화탄소를 탄소물질과 역부다 반응(reverse boudouard reaction)시켜 일산화탄소를 제조하는 단계, 상기 일산화탄소와 상기 제2흐름의 합성가스를 혼합하여 원료를 준비하는 단계, 상기 원료를 반응시켜 탄화수소 화합물을 제조하는 단계 및 상기 탄화수소 화합물과 상기 합성천연가스를 혼합하는 단계를 포함할 수 있다.The method for producing synthetic natural gas having an increased calorific value according to the present invention produces synthetic gas by gasifying fuel, converts the synthetic gas into water gas shift, and converts the converted synthetic gas into a first flow and a second flow. Separating and synthesizing the natural gas of the first flow by methanation reaction to produce a synthetic natural gas, before converting the converted synthetic gas into a first flow and a second flow, the converted synthetic gas Separating carbon dioxide from carbon dioxide, preparing carbon monoxide by reverse boudouard reaction of the separated carbon dioxide with a carbon material, preparing the raw material by mixing the carbon monoxide and the syngas of the second flow, and the raw material The reaction may include preparing a hydrocarbon compound and mixing the hydrocarbon compound and the synthetic natural gas.
본 발명의 바람직한 구현예는 전환된 합성가스를 제1흐름과 제2흐름으로 분리할 때, 상기 제1흐름과 제2흐름의 부피비가 9:1 ~ 6:4가 되도록 분리하는 것일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, when the converted syngas is separated into a first flow and a second flow, the volume ratio between the first flow and the second flow may be separated to be 9: 1 to 6: 4.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 역부다 반응의 반응온도는 700℃ 내지 2,000℃일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the reaction temperature of the reverse reaction can be 700 ° C to 2,000 ° C.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 탄화수소 화합물은 액화석유가스(liquefied petroleum gas, LPG)이고, 상기 액화석유가스는 상기 원료를 이하의 반응식 4와 같이 피셔-트롭쉬 반응(fischer-tropsch synthesis reaction)시켜 제조할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the hydrocarbon compound is liquefied petroleum gas (LPG), and the liquefied petroleum gas is a Fischer-tropsch reaction (fischer-tropsch synthesis reaction) as shown in Scheme 4 below. ).
[반응식 4][Reaction Scheme 4]
(2n+1)H2 + nCO → CnH2n +1 + nH2O(2n + 1) H 2 + nCO → C n H 2n +1 + nH 2 O
상기 n은 1 내지 20일 수 있다.The n may be 1 to 20.
본 발명의 바람직한 구현예는 상기 일산화탄소와 상기 제2흐름의 합성가스를 혼합하여 몰 비 H2/CO가 2.0 이상 및 3.0 미만인 원료를 준비하고, 상기 원료를 반응시켜 액화석유가스를 제조하는 것일 수 있다.A preferred embodiment of the present invention may be to prepare a raw material having a molar ratio H 2 / CO of 2.0 or more and less than 3.0 by mixing the carbon monoxide and the synthesis gas of the second flow, and reacting the raw material to produce liquefied petroleum gas. have.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 탄화수소 화합물은 디메틸에테르(dimethyl ether, DME)이고, 상기 디메틸에테르는 상기 원료를 이하의 반응식 5와 같이 반응시켜 제조할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the hydrocarbon compound is dimethyl ether (dimethyl ether, DME), the dimethyl ether may be prepared by reacting the raw material as shown in Scheme 5 below.
[반응식 5][Scheme 5]
3H2 + 3CO -> CH3OCH3 + CO2 3H 2 + 3CO-> CH 3 OCH 3 + CO 2
본 발명의 바람직한 구현예는 상기 일산화탄소와 상기 제2흐름의 합성가스를 혼합하여 몰 비 H2/CO가 1.0 이상 및 2.0 미만인 원료를 준비하고, 상기 원료를 반응시켜 디메틸에테르를 제조하는 것일 수 있다.A preferred embodiment of the present invention may be to prepare a raw material having a molar ratio H 2 / CO of 1.0 or more and less than 2.0 by mixing the carbon monoxide and the synthesis gas of the second flow, and reacting the raw material to prepare dimethyl ether. .
본 발명인 발열량이 증가된 합성천연가스의 제조장치는 연료를 가스화하여 합성가스를 제조하는 가스화유닛, 상기 합성가스에 물을 공급하여 반응시키는 수성가스전환유닛, 전환된 합성가스를 제1흐름과 제2흐름으로 분리하는 합성가스분리유닛, 상기 제1흐름의 합성가스를 메탄화 반응시켜 합성천연가스를 제조하는 메탄화유닛을 포함하고, 상기 분리유닛과 수성가스전환유닛 사이에 위치하여 전환된 합성가스로부터 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소분리유닛, 분리된 이산화탄소에 탄소물질을 공급하고 반응시켜 일산화탄소를 제조하는 역부다반응유닛, 상기 일산화탄소와 상기 제2흐름의 합성가스를 혼합하는 원료준비유닛, 상기 원료준비유닛으로부터 원료를 공급받아 반응시켜 탄화수소 화합물을 제조하는 반응유닛 및 상기 탄화수소 화합물과 상기 합성천연가스를 혼합하는 혼합유닛을 포함할 수 있다.The apparatus for producing synthetic natural gas having an increased calorific value according to the present invention includes a gasification unit that gasifies fuel to produce a synthetic gas, an aqueous gas conversion unit that reacts by supplying water to the synthetic gas, and converts the converted synthetic gas into a first flow. A synthesis gas separation unit for separating into two flows, and a methanation unit for producing a synthetic natural gas by methanation reaction of the synthesis gas of the first flow, is located between the separation unit and the water gas conversion unit to convert the synthesis A carbon dioxide separation unit for separating carbon dioxide from a gas, an inertial reaction unit for producing carbon monoxide by supplying and reacting carbon dioxide to the separated carbon dioxide, a raw material preparation unit for mixing the carbon monoxide and the synthesis gas of the second flow, and preparing the raw material A reaction unit for producing a hydrocarbon compound by reacting by receiving a raw material from the unit and the hydrocarbon compound And the composite may comprise a mixing unit for mixing the natural gas.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 합성가스분리유닛은 제1흐름과 제2흐름의 부피비가 9:1 ~ 6:4가 되도록 전환된 합성가스를 분리할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the syngas separation unit can separate the converted syngas so that the volume ratio between the first flow and the second flow is 9: 1 to 6: 4.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 역부다반응유닛은 반응온도 700℃ 내지 2,000℃에서 이산화탄소와 탄소물질을 반응시키는 것일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the reverse reaction unit may be to react carbon dioxide and carbon materials at a reaction temperature of 700 ° C to 2,000 ° C.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 반응유닛은 상기 원료를 상기 반응식 4와 같이 피셔-트롭쉬 반응시켜 액화석유가스를 제조하는 반응기일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the reaction unit may be a reactor for producing liquefied petroleum gas by Fischer-Tropsch reaction of the raw material as shown in Reaction Scheme 4.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 원료준비유닛은 원료의 몰 비 H2/CO가 2.0 이상 및 3.0 미만이 되도록 일산화탄소와 제2흐름의 합성가스를 혼합하는 것일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the raw material preparation unit may be a mixture of carbon monoxide and a second flow of synthesis gas so that the molar ratio H 2 / CO of the raw material is 2.0 or more and less than 3.0.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 반응유닛은 상기 원료를 상기 반응식 5와 같이 반응시켜 디메틸에테르를 제조하는 반응기일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the reaction unit may be a reactor for producing dimethyl ether by reacting the raw material as shown in Reaction Scheme 5.
본 발명의 바람직한 구현예에 있어서, 상기 원료준비유닛은 원료의 몰 비 H2/CO가 1.0 이상 및 2.0 미만이 되도록 일산화탄소와 제2흐름의 합성가스를 혼합하는 것일 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the raw material preparation unit may be a mixture of carbon monoxide and a second flow of synthesis gas so that the molar ratio H 2 / CO of the raw material is 1.0 or more and less than 2.0.
본 발명은 위와 같은 구성을 포함하므로 이에 따르면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.Since the present invention includes the above configuration, according to it can obtain the following effects.
본 발명에 따르면 석탄, 바이오매스 및 고체탄소 연료(폐기물, 폐플라스틱 등)로부터 단위 부피당 열량이 10,400kcal/㎥ 이상인 발열량이 증가된 합성천연가스를 제조할 수 있으므로 경제적이고 환경친화적이다.According to the present invention, it is economical and environmentally friendly because it is possible to produce synthetic natural gas with increased calorific value per unit volume of 10,400 kcal / ㎥ or more from coal, biomass, and solid carbon fuels (waste, waste plastic, etc.).
또한 본 발명에 따르면 합성가스를 메탄화 반응시켜 제조한 합성천연가스에 외부로부터 공급된 액화석유가스(LPG) 등을 혼합하지 않아도 고발열량의 합성천연가스를 제조할 수 있으므로 유가의 변동에 영향을 거의 받지 않고 경제적이고 안정적으로 발열량이 증가된 합성천연가스를 생산할 수 있다.In addition, according to the present invention, synthetic natural gas having a high calorific value can be produced without mixing liquefied petroleum gas (LPG) supplied from the outside with synthetic natural gas produced by methanation reaction of synthetic gas. It is possible to produce synthetic natural gas that is economically and stably increased in calorific value with little reception.
또한 본 발명은 합성가스의 수성가스전환반응에서 발생하는 이산화탄소를 고발열량의 탄화수소 화합물을 생산하기 위한 연료로 사용하므로 전체 공정의 이산화탄소 배출량을 현저히 저감할 수 있고, 이에 따라 신기후체제 온실가스 배출전망치의 달성에 굉장히 큰 도움을 줄 수 있다.In addition, since the present invention uses carbon dioxide generated in the conversion of water gas in the synthesis gas as a fuel for producing a high-heated hydrocarbon compound, it is possible to significantly reduce the carbon dioxide emission of the entire process, and accordingly, the new climate system greenhouse gas emission forecast It can be a great help to the achievement of.
본 발명의 효과는 이상에서 언급한 효과로 한정되지 않는다. 본 발명의 효과는 이하의 설명에서 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 할 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above. It should be understood that the effects of the present invention include all effects that can be deduced from the following description.
도 1은 종래의 고발열량의 합성천연가스를 제조하는 공정을 간략히 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 발열량이 증가된 합성천연가스의 제조방법을 예시적으로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 발열량이 증가된 합성천연가스의 제조방법의 일 실시 형태를 예시적으로 도시한 것이다. 자세히는 도 2의 탄화수소화 반응이 LPG 합성반응일 때의 실시 형태를 간략히 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 발열량이 증가된 합성천연가스의 제조방법의 다른 실시 형태를 예시적으로 도시한 것이다. 자세히는 도 2의 탄화수소화 반응이 DME 합성반응일 때의 실시 형태를 간략히 도시한 것이다.1 is a schematic view showing a process for manufacturing a conventional natural gas having a high calorific value.
2 exemplarily shows a method of manufacturing a synthetic natural gas with increased calorific value according to the present invention.
3 exemplarily shows an embodiment of a method for manufacturing a synthetic natural gas with increased calorific value according to the present invention. In detail, the embodiment when the hydrocarbon reaction of FIG. 2 is an LPG synthesis reaction is briefly illustrated.
4 exemplarily shows another embodiment of a method for manufacturing a synthetic natural gas with increased calorific value in the present invention. In detail, the embodiment when the hydrocarbon reaction of FIG. 2 is a DME synthesis reaction is briefly illustrated.
이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시예는 발명의 요지가 변경되지 않는 한 다양한 형태로 변형될 수 있다. 그러나 본 발명의 권리범위가 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through examples. Embodiments of the present invention can be modified in various forms as long as the subject matter of the invention is not changed. However, the scope of the present invention is not limited to the following examples.
본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되면 공지 구성 및 기능에 대한 설명은 생략한다. 본 명세서에서 "포함"한다는 것은 특별한 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.
If it is determined that the subject matter of the present invention may be obscured, descriptions of well-known structures and functions will be omitted. “Including” in the present specification means that other components may be further included unless otherwise specified.
본 발명은 석탄, 바이오매스 및 고체탄소 연료 등으로부터 얻어진 합성가스(syngas)를 사용하여 발열량이 증가된 합성천연가스(high caloric SNG)를 제조하는 방법에 관한 것이다. 자세히는 상기 합성가스의 일부를 분리하여 발열량이 높은 액화석유가스, 디메틸에테르 등의 탄화수소 화합물을 합성하고 이를 합성천연가스(SNG)와 혼합하여 액화천연가스(LNG)급의 발열량을 갖는 합성천연가스(SNG)를 제조하는 방법이고, 더욱 자세히는 상기 합성가스의 일부;와 상기 합성가스의 수성가스전환(water gas shift)반응에서 발생하는 이산화탄소를 역부다 반응(reverse boudouard reaction)시켜 얻은 일산화탄소;를 혼합한 것을 원료로 하여 상기 탄화수소 화합물을 합성함으로써 이산화탄소의 배출량을 현저히 감소시키면서 발열량이 증가된 합성천연가스(high caloric SNG)를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for manufacturing a synthetic natural gas (high caloric SNG) with an increased calorific value using syngas obtained from coal, biomass, and solid carbon fuel. In detail, a part of the synthetic gas is separated to synthesize a hydrocarbon compound such as liquefied petroleum gas or dimethyl ether having a high calorific value, and is mixed with synthetic natural gas (SNG) to produce a synthetic natural gas having a calorific value of LNG. (SNG) is a method of manufacturing, and more specifically, a part of the synthesis gas; and carbon monoxide obtained by reverse boudouard reaction of carbon dioxide generated in a water gas shift reaction of the synthesis gas; It relates to a method that can produce a synthetic natural gas (high caloric SNG) by increasing the calorific value while significantly reducing the emission of carbon dioxide by synthesizing the hydrocarbon compound as a raw material of the mixture.
본 발명의 기술적 특징을 보다 구체적으로 설명하기에 앞서, 도 1을 참조하여 종래 기술의 실시 형태를 간략히 설명한다.Prior to describing the technical features of the present invention in more detail, embodiments of the prior art will be briefly described with reference to FIG. 1.
종래의 발열량이 증가된 합성천연가스를 제조하는 방법은 석탄 등의 연료를 가스화하여 합성가스를 제조하는 단계(S91), 상기 합성가스를 수성가스전환하는 단계(S92), 전환된 합성가스로부터 이산화탄소를 분리하여 배출시키는 단계(S93), 이산화탄소가 분리된 합성가스를 메탄화 반응시켜 합성천연가스를 제조하는 단계(S94), 상기 합성천연가스에서 물과 이산화탄소를 분리하는 단계(S95, S95')를 기초로 한다. 그 후 상용의 액화석유가스(LPG)와 같은 화합물을 외부로부터 공급받아 상기 합성천연가스와 혼합하는 단계(S96)를 거쳐 고발열량의 합성천연가스를 생산한다.The conventional method for producing a synthetic natural gas having an increased calorific value is gasification of a fuel such as coal to produce a synthetic gas (S91), converting the synthetic gas to a water gas (S92), and carbon dioxide from the converted synthetic gas. Separating and discharging (S93), producing a synthetic natural gas by methanation reaction of the separated carbon dioxide synthesis gas (S94), and separating water and carbon dioxide from the synthetic natural gas (S95, S95 ') It is based on. Thereafter, a compound such as liquefied petroleum gas (LPG) is supplied from the outside and mixed with the synthetic natural gas (S96) to produce a synthetic natural gas having a high calorific value.
종래의 방법은 석탄 등의 연료를 가스화하여 생성된 합성가스를 천연가스 형태로 전환하여 연료로 공급할 수 있다는 장점이 있으나, 그 과정에서 발생하는 이산화탄소가 그대로 배출되어 환경친화적이지 않고, 유가에 민감한 상용의 액화석유가스(LPG) 등의 화합물을 외부로부터 공급받아 합성천연가스(SNG)와 혼합해야 발열량이 증가된 합성천연가스를 생산할 수 있으므로 경제적으로 바람직하지 못하다는 한계가 있다.
The conventional method has the advantage of converting the synthetic gas generated by gasifying fuels such as coal into natural gas and supplying it as fuel, but carbon dioxide generated in the process is discharged as it is, and it is not environmentally friendly and is commercially sensitive to oil prices. Compounds such as liquefied petroleum gas (LPG) are supplied from the outside and mixed with synthetic natural gas (SNG) to produce synthetic natural gas with increased calorific value.
본 발명은 위와 같은 종래 기술의 문제점 및 한계를 해소하기 위한 것으로서, 외부로부터 공급되는 상용의 액화석유가스(LPG)와의 혼합 없이, 공정 중에 발생하는 이산화탄소의 배출을 저감할 수 있으며, 발열량이 증가된 합성천연가스(high caloric SNG)를 제조할 수 있는 방법을 제시한다.The present invention is to solve the problems and limitations of the prior art as described above, without mixing with commercially available liquefied petroleum gas (LPG) supplied from the outside, it is possible to reduce the emission of carbon dioxide generated during the process, the heating value is increased A method for producing synthetic natural gas (high caloric SNG) is presented.
이하 도 2 내지 도 4를 통해 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명한다. 다만 본 발명의 실시 형태는 적용에 따라 다른 방식으로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예의 형태로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 2 to 4. However, embodiments of the present invention may be modified in different ways depending on the application, and the scope of the present invention is not limited to the embodiments described below.
도 2는 본 발명에 따른 발열량이 증가된 합성천연가스의 제조방법을 예시적으로 도시한 것이다. 2 exemplarily shows a method of manufacturing a synthetic natural gas with increased calorific value according to the present invention.
본 발명인 발열량이 증가된 합성천연가스의 제조방법은 연료를 가스화하여 합성가스를 제조하고(S10), 상기 합성가스를 수성가스 전환(water gas shift)한 뒤(S20), 전환된 합성가스를 제1흐름과 제2흐름으로 분리하고(S30), 상기 제1흐름의 합성가스를 메탄화 반응시켜 합성천연가스(synthetic natural gas)를 제조(S40)하되, 전환된 합성가스를 제1흐름과 제2흐름으로 분리(S30)하기 전, 상기 전환된 합성가스로부터 이산화탄소를 분리하는 단계(S50), 분리된 이산화탄소를 탄소물질과 역부다 반응(reverse boudouard reaction)시켜 일산화탄소를 제조하는 단계(S60), 상기 일산화탄소와 상기 제2흐름의 합성가스를 혼합하여 원료를 준비하는 단계(S70), 상기 원료를 반응시켜 탄화수소 화합물을 제조하는 단계(S80) 및 상기 탄화수소 화합물과 상기 합성천연가스를 혼합하는 단계(S90)를 포함하는 것을 특징으로 한다.The method for producing synthetic natural gas having an increased calorific value according to the present invention produces synthetic gas by gasifying fuel (S10), converting the synthetic gas to water gas (S20), and removing the converted synthetic gas. Separated into a first flow and a second flow (S30), and the synthesis gas of the first flow is methanized to produce a synthetic natural gas (synthetic natural gas) (S40). Before separating into 2 flows (S30), separating carbon dioxide from the converted syngas (S50), and preparing carbon monoxide by reverse boudouard reaction of the separated carbon dioxide with a carbon material (S60), Preparing the raw material by mixing the carbon monoxide and the synthesis gas of the second flow (S70), preparing a hydrocarbon compound by reacting the raw material (S80) and mixing the hydrocarbon compound and the synthetic natural gas ( S90) It is characterized by including.
도 2를 참조하면, 본 발명인 발열량이 증가된 합성천연가스의 제조방법은 연료를 석탄가스화(coal gasification)하여 합성가스(syngas)를 제조(S10)하는 것으로부터 시작한다.Referring to FIG. 2, the method for producing synthetic natural gas having an increased calorific value according to the present inventors starts from producing syngas by coal gasification of fuel (S10).
상기 연료는 석탄, 고체탄소 등일 수 있고, 바이오매스(biomass), 폐기물 등으로부터 얻은 석탄, 고체탄소 등을 사용하는 것이 경제적인 측면에서 바람직할 수 있다.The fuel may be coal, solid carbon, or the like, and it may be preferable from the economical point of view to use coal obtained from biomass, waste, etc., and solid carbon.
상기 석탄가스화의 방법은 특별히 제한되지 않으나, 석탄, 고체탄소 등의 연료를 열분해하여 잔존탄소(殘存炭素)로 만들고 수증기를 이용하여 잔존탄소를 일산화탄소(CO)와 수소(H2)로 전환하는 방법일 수 있다. 상기 석탄가스화에 의해 제조된 합성가스(syngas)의 몰 비 H2/CO는 약 0.6 ~ 0.95이다.The method of the gasification of the coal is not particularly limited, but a method of thermally decomposing fuels such as coal and solid carbon to make residual carbon and converting the residual carbon into carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) using water vapor. Can be The molar ratio H 2 / CO of the syngas produced by the coal gasification is about 0.6 to 0.95.
본 발명은 상기 합성가스를 정제하는 단계(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 합성가스의 정제는 집진, 산가스 제거(acid gas removal), 황 화합물 분리(sulfide separator) 등의 공정일 수 있다.The present invention may further include the step of purifying the syngas (not shown). Purification of the synthesis gas may be a process such as dust collection, acid gas removal, sulfur compound separation, and the like.
본 발명에 따르면 정제된 합성가스는 수성가스전환반응(water gas shift reaction, WGSR)(S20)을 거치는데, 이를 통해 이하의 반응식 1과 같이 상기 합성가스의 일부 일산화탄소(CO)가 물(H2O)과 반응하여 수소(H2)와 이산화탄소(CO2)로 전환된다.According to the present invention, the purified syngas undergoes a water gas shift reaction (WGSR) (S20), through which some carbon monoxide (CO) of the syngas is water (H 2) It reacts with O) to be converted into hydrogen (H 2 ) and carbon dioxide (CO 2 ).
[반응식 1][Scheme 1]
CO + H2O → CO2 + H2 CO + H 2 O → CO 2 + H 2
상기 수성가스전환반응을 통해 상기 합성가스의 일부 일산화탄소(CO)를 소비함으로써 상기 합성가스의 몰 비 H2/CO를 약 3.0으로 상승시킬 수 있다.The molar ratio H 2 / CO of the syngas can be increased to about 3.0 by consuming some carbon monoxide (CO) of the syngas through the water gas conversion reaction.
본 발명은 수성가스전환반응(WGSR)에 의해 생성된 이산화탄소(CO2)를 상기 합성가스로부터 분리(S50)하고, 분리된 상기 이산화탄소(CO2)를 그대로 배출하지 않고 탄화수소 화합물을 합성(S80)하는데 사용함으로써 전체 공정의 이산화탄소 배출량을 현저히 감소시킨다. 이에 대한 자세한 내용은 후술하도록 한다.The present invention separates carbon dioxide (CO 2 ) generated by the water gas conversion reaction (WGSR) from the synthesis gas (S50), and synthesizes hydrocarbon compounds without discharging the separated carbon dioxide (CO 2 ) as it is (S80). It is used to significantly reduce the carbon dioxide emissions of the entire process. Details of this will be described later.
상기 이산화탄소를 분리하는 방법은 특별히 제한되지 않으나, 온도교대흡착(terperature swing adsorption, TSA)법, 압력교대흡착(pressure swing adsorption, PSA)법을 사용하거나, 분리막(membrane)을 이용하여 분리할 수 있다.The method for separating the carbon dioxide is not particularly limited, but can be separated by using a temperature swing adsorption (TSA) method, a pressure swing adsorption (PSA) method, or a membrane. .
본 발명은 이산화탄소가 분리된 합성가스를 제1흐름(A)과 제2흐름(B)으로 분리(S30)하고, 상기 제1흐름(A)의 합성가스는 메탄화 반응시켜 합성천연가스(SNG)로 만들고(S40), 상기 제2흐름(B)의 합성가스는 탄화수소 화합물을 합성하기 위한 원료로 사용한다(S70).The present invention separates the synthesis gas in which carbon dioxide is separated into a first flow (A) and a second flow (B) (S30), and the synthesis gas of the first flow (A) is subjected to a methanation reaction to produce a synthetic natural gas (SNG ) (S40), and the synthesis gas of the second flow (B) is used as a raw material for synthesizing a hydrocarbon compound (S70).
상기 합성가스를 제1흐름(A)과 제2흐름(B)으로 분리할 때, 상기 제1흐름의 합성가스와 제2흐름의 합성가스의 부피비가 9:1 ~ 6:4가 되도록 분리하는 것이 바람직할 수 있다. 상기 제1흐름의 합성가스가 지나치게 많아 상기 부피비가 9:1을 초과하면 상기 제2흐름의 합성가스를 사용하여 합성되는 탄화수소 화합물의 양이 너무 적어 천연가스의 발열량을 증가시키기 어려울 수 있다. 반면에 상기 제1흐름의 합성가스가 너무 적어 상기 부피비가 5:4 미만이면 상기 제1흐름의 합성가스를 메탄화 반응시켜 얻는 합성천연가스(SNG)의 양이 충분치 않아 대체천연가스로서 사용하기에 적합하지 않을 수 있다.When the synthesis gas is separated into a first flow (A) and a second flow (B), the volume ratio of the synthesis gas of the first flow and the synthesis gas of the second flow is separated to be 9: 1 to 6: 4. It may be desirable. When the synthesis gas of the first flow is too large and the volume ratio exceeds 9: 1, the amount of the hydrocarbon compound synthesized using the synthesis gas of the second flow may be too small to increase the calorific value of natural gas. On the other hand, when the synthesis gas of the first flow is too small and the volume ratio is less than 5: 4, the amount of synthetic natural gas (SNG) obtained by methanation reaction of the synthesis gas of the first flow is insufficient, so use it as an alternative natural gas. May not be suitable for
본 발명은 상기 제1흐름(A)의 합성가스를 메탄화 반응(methanation reaction)시켜 합성천연가스(SNG)를 제조한다(S40). 상기 제1흐름(A)의 합성가스는 수성가스전환반응(WGSR)을 거친 것으로서, 몰 비 H2/CO가 약 3.0이므로 이하의 반응식 2와 같은 메탄화 반응을 시키기에 적합하다.In the present invention, a synthetic natural gas (SNG) is prepared by subjecting the synthesis gas of the first flow (A) to a methanation reaction (S40). The synthesis gas of the first flow (A) is a water gas conversion reaction (WGSR), and the molar ratio H 2 / CO is about 3.0, so it is suitable for the methanation reaction as shown in Reaction Scheme 2 below.
[반응식 2][Scheme 2]
3H2 + CO → CH4 + H2O3H 2 + CO → CH 4 + H 2 O
상기 합성천연가스(SNG)는 메탄(methane)이 주성분인 천연가스와 성분이 비슷한 가스를 의미하며, 전술한 바와 같이 본 발명은 석탄, 바이오매스 및 고체탄소 등의 연료로부터 합성가스(syngas)를 제조하고, 상기 합성가스를 상기 반응식 2와 같이 메탄화 반응시켜 메탄(methane)이 주성분인 생성물을 얻는데 본 발명에서는 상기 생성물을 합성천연가스(SNG)라 지칭한다.The synthetic natural gas (SNG) means a gas having a component similar to that of natural gas in which methane is the main component, and as described above, the present invention provides syngas from fuels such as coal, biomass, and solid carbon. Prepared, and the synthesis gas by the methanation reaction as shown in Reaction Scheme 2 to obtain a product having methane (methane) as a main component. In the present invention, the product is referred to as a synthetic natural gas (SNG).
상기 합성천연가스(SNG)는 그 발열량이 한국가스공사가 공급하는 액화천연가스(LNG)의 표준 열량인 10,400kcal/m3에 미치지 못하므로 본 발명은 수성가스전환된 합성가스로부터 분리한 이산화탄소, 상기 제2흐름(B)의 합성가스를 사용하여 발열량이 높은 탄화수소 화합물을 합성하고, 상기 탄화수소 화합물을 상기 합성천연가스(SNG)와 혼합하여 LNG급의 발열량을 갖는 발열량이 증가된 합성천연가스(high caloric SNG)를 제조한다. 이하 구체적으로 설명한다.Since the synthetic natural gas (SNG) does not reach the standard calorific value of liquefied natural gas (LNG) supplied by the Korea Gas Corporation, 10,400 kcal / m 3 , the present invention provides carbon dioxide separated from water gas converted synthetic gas, Synthetic natural gas having an increased calorific value having a calorific value of LNG by synthesizing a hydrocarbon compound having a high calorific value using the synthetic gas of the second flow (B) and mixing the hydrocarbon compound with the synthetic natural gas (SNG) ( high caloric SNG). It will be described in detail below.
본 발명은 전술한 바와 같이 수성가스전환반응에 의해 생성된 이산화탄소를 합성가스로부터 분리한다(S50). 본 발명은 상기 이산화탄소를 그대로 배출하지 않고 탄화수소 화합물을 합성하기 위한 원료로 사용하는 것을 기술적 특징으로 한다.The present invention separates carbon dioxide generated by the water gas conversion reaction from the synthesis gas as described above (S50). The present invention is characterized in that it is used as a raw material for synthesizing a hydrocarbon compound without emitting the carbon dioxide as it is.
본 발명은 분리된 상기 이산화탄소에 탄소물질을 공급하고, 이하의 반응식 3과 같이 역부다 반응(reverse boudouard reaction)시켜 일산화탄소를 제조한다(S60).The present invention supplies carbon material to the separated carbon dioxide, and prepares carbon monoxide by reverse boudouard reaction as shown in Reaction Scheme 3 below (S60).
[반응식 3][Scheme 3]
C + CO2 → 2COC + CO 2 → 2CO
상기 반응식 3의 역부다 반응의 반응온도는 700℃ 이상, 자세히는 700℃ 내지 2,000℃인 것이 바람직할 수 있다. 반응온도가 700℃ 이상이어야 역부다 반응이 부다 반응(boudouard reaction, 2CO → C + CO2)에 비해 우세하게 진행될 수 있다.The reaction temperature of the inverse reaction of Reaction Scheme 3 may be 700 ° C or higher, and more preferably 700 ° C to 2,000 ° C. When the reaction temperature is 700 ° C or higher, the reverse-buffered reaction can be favorably performed compared to the boudouard reaction (2CO → C + CO 2 ).
본 발명은 상기 일산화탄소(CO)와 상기 제2흐름(B)의 합성가스를 혼합하여 원료(C)를 준비하고(S70), 상기 원료(C)를 반응시켜 고발열량의 탄화수소 화합물을 제조한다(S80). 이하 도 3 및 도 4를 참조하여 상기 탄화수소 화합물을 제조하기 위한 본 발명의 실시 형태에 대하여 구체적으로 설명한다.The present invention prepares a raw material (C) by mixing the carbon monoxide (CO) and the synthesis gas of the second flow (B) (S70), and reacts the raw material (C) to produce a high-calorific hydrocarbon compound ( S80). Hereinafter, embodiments of the present invention for producing the hydrocarbon compound will be described in detail with reference to FIGS. 3 and 4.
도 3에 도시된 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 상기 탄화수소 화합물은 액화석유가스(liquified pertoleum gas, LPG)일 수 있고, 상기 액화석유가스(LPG)는 상기 원료(C)를 이하의 반응식 4와 같이 피셔-트롭쉬 반응(fischer-tropsch synthesis reaction)시켜 제조할 수 있다(S81).According to an embodiment of the present invention shown in Figure 3, the hydrocarbon compound may be a liquefied petroleum gas (liquified pertoleum gas, LPG), the liquefied petroleum gas (LPG) is the reaction formula 4 below the raw material (C) It can be prepared by Fischer-Tropsch synthesis reaction as shown (S81).
[반응식 4][Reaction Scheme 4]
(2n+1)H2 + nCO → CnH2n +1 + nH2O(2n + 1) H 2 + nCO → C n H 2n +1 + nH 2 O
상기 n은 1 내지 20이고, 자세히는 2 내지 5, 더욱 자세히는 3 내지 4일 수 있다.The n may be 1 to 20, 2 to 5 in detail, and 3 to 4 in more detail.
본 발명에서 상기 액화석유가스(LPG)는 발열량이 높은 프로판(propane), 부탄(butane)을 주성분으로하는 탄화수소 화합물을 의미할 수 있다.In the present invention, the liquefied petroleum gas (LPG) may refer to a hydrocarbon compound mainly having propane and butane having high calorific values.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 상기 제2흐름(B)의 합성가스에 상기 일산화탄소(CO)를 혼합하여 상기 원료(C)를 피셔-트롭쉬 반응에 적합한 몰 비 H2/CO를 가지도록 준비할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the carbon monoxide (CO) is mixed with the synthesis gas of the second flow (B) so that the raw material (C) has a molar ratio H 2 / CO suitable for the Fischer-Tropsch reaction. You can prepare.
상기 제2흐름(B)의 합성가스는 몰 비 H2/CO가 약 3.0이므로 피셔-트롭쉬 반응을 일으킴에 있어서 상기 수소(H2)가 일산화탄소(CO)에 비해 다소 많다. 따라서 본 발명의 일 실시 형태는 상기 제2흐름(B)의 합성가스에 이산화탄소를 역부다 반응시켜 제조한 일산화탄소(CO)를 혼합하여 원료(C)의 몰 비 H2/CO를 2.0 이상 및 3.0 미만, 자세히는 2.0 이상 및 2.5 미만, 더욱 자세히는 2.0으로 조절한 뒤, 상기 피셔-트롭쉬 반응을 진행하는 것을 기술적 특징으로 한다.Since the synthesis gas of the second flow (B) has a molar ratio H 2 / CO of about 3.0, the hydrogen (H 2 ) is somewhat higher than the carbon monoxide (CO) in the Fischer-Tropsch reaction. Therefore, one embodiment of the present invention is a carbon dioxide (CO) prepared by reacting carbon dioxide back to the synthesis gas of the second flow (B) by mixing carbon monoxide (CO) molar ratio of raw materials (C) H 2 / CO 2.0 or more and 3.0 Less than, in detail, more than 2.0 and less than 2.5, more specifically, after adjusting to 2.0, it is characterized in that the Fisher-Tropsch reaction proceeds.
도 4에 도시된 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 상기 탄화수소 화합물은 디메틸에테르(dimethyl ether, DME)일 수 있고, 상기 디메틸에테르(DME)는 이하의 화학식 5와 같은 반응을 통해 제조할 수 있다(S82).According to another embodiment of the present invention shown in Figure 4, the hydrocarbon compound may be dimethyl ether (dimethyl ether, DME), the dimethyl ether (DME) may be prepared through the reaction as shown in Formula 5 below. (S82).
[반응식 5][Scheme 5]
3H2 + 3CO -> CH3OCH3 + CO2 3H 2 + 3CO-> CH 3 OCH 3 + CO 2
본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 상기 제2흐름(B)의 합성가스에 상기 일산화탄소(CO)를 혼합하여 상기 원료(C)가 상기 반응식 5와 같은 반응에 적합한 몰 비 H2/CO를 가지도록 준비할 수 있다.According to another embodiment of the present invention, by mixing the carbon monoxide (CO) in the synthesis gas of the second flow (B), the raw material (C) has a molar ratio H 2 / CO suitable for the reaction as in Scheme 5 Can be prepared.
상기 일 실시 형태와 같은 이유로 본 발명의 다른 실시 형태는 상기 제2흐름(B)의 합성가스에 이산화탄소를 역부다 반응시켜 제조한 일산화탄소(CO)를 혼합하여 원료(C)의 몰 비 H2/CO를 1.0 이상 및 2.0 미만, 자세히는 1.0 이상 및 1.5 미만, 더욱 자세히는 1.0으로 조절한 뒤, 상기 반응식 5의 반응을 진행하는 것을 기술적 특징으로 한다.For the same reason as the one embodiment, another embodiment of the present invention is a mixture of carbon monoxide (CO) prepared by reacting carbon dioxide with the synthesis gas of the second flow (B) by reverse reaction, and the molar ratio of raw materials (C) H 2 / After adjusting the CO to 1.0 or more and less than 2.0, in detail to 1.0 or more and less than 1.5, and more specifically to 1.0, it is a technical feature to proceed with the reaction of Scheme 5.
본 발명은 발열량이 증가된 합성천연가스(high caloric SNG)의 제조 과정 중 발생하는 이산화탄소를 분리 및 수집하여 역부다 반응을 통해 일산화탄소로 전환하고, 상기 일산화탄소를 상기 제2흐름의 합성가스와 혼합하여 이를 원료로 합성천연가스(SNG)의 발열량을 증가시킬 수 있는 탄화수소 화합물을 합성한다. 따라서 종래 기술과 같이 외부로부터 액화석유가스 등을 공급받지 않아도 발열량이 증가된 합성천연가스를 제조할 수 있고, 이산화탄소의 배출량을 현저히 줄일 수 있다.The present invention separates and collects carbon dioxide generated during the manufacturing process of high caloric SNG with increased calorific value, converts it into carbon monoxide through an inverse reaction, and mixes the carbon monoxide with the syngas of the second flow. As a raw material, a hydrocarbon compound capable of increasing the calorific value of synthetic natural gas (SNG) is synthesized. Therefore, it is possible to manufacture a synthetic natural gas having an increased calorific value without receiving liquefied petroleum gas from the outside as in the prior art, and it is possible to significantly reduce the amount of carbon dioxide emitted.
본 발명은 상기 제1흐름의 합성가스를 메탄화 반응시켜 제조한 합성천연가스(SNG)와 상기 액화석유가스(LPG), 디메틸에테르(DME) 등의 탄화수소 화합물을 혼합하여 단위 부피 당 열량이 9,500kcal/㎥ 이상, 바람직하게는 10,400kcal/㎥ 이상인 고발열량의 합성천연가스를 제조한다(S90).The present invention is a synthetic gas produced by the methanization reaction of the synthesis gas of the first flow (SNG) and a hydrocarbon compound such as liquefied petroleum gas (LPG), dimethyl ether (DME), and heat per unit volume of 9,500 Synthetic natural gas having a high calorific value of kcal / m 3 or higher, preferably 10,400 kcal / m 3 or higher (S90).
본 발명은 상기 고발열량의 합성천연가스로부터 물을 분리하고(S91), 잔존하는 미량의 이산화탄소를 분리하는 단계(S92)를 더 수행할 수 있다. 이를 통해 최종적으로 액화천연가스(LNG)급의 열량을 갖는 고품질의 합성천연가스(SNG)를 얻을 수 있다.
The present invention may further perform the step of separating water (S91) and separating the remaining trace amount of carbon dioxide (S92) from the high heat generation synthetic natural gas. Through this, it is possible to finally obtain high-quality synthetic natural gas (SNG) having liquefied natural gas (LNG) -grade heat.
본 발명은 상기와 같은 발열량이 증가된 합성천연가스의 제조방법에 사용될 수 있는 제조장치를 더 제공한다.The present invention further provides a manufacturing apparatus that can be used in the method for producing a synthetic natural gas having an increased calorific value as described above.
본 발명에 따른 발열량이 증가된 합성천연가스의 제조장치는 연료를 가스화하여 합성가스를 제조하는 가스화유닛, 상기 합성가스에 물을 공급하여 반응시키는 수성가스전환유닛, 전환된 합성가스를 제1흐름과 제2흐름으로 분리하는 합성가스분리유닛, 상기 제1흐름의 합성가스를 메탄화 반응시켜 합성천연가스를 제조하는 메탄화유닛을 포함하고, 상기 분리유닛과 수성가스전환유닛 사이에 위치하여 전환된 합성가스로부터 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소분리유닛, 분리된 이산화탄소에 탄소물질을 공급하고 반응시켜 일산화탄소를 제조하는 역부다반응유닛, 상기 일산화탄소와 상기 제2흐름의 합성가스를 혼합하는 원료준비유닛, 상기 원료준비유닛으로부터 원료를 공급받아 반응시켜 탄화수소 화합물을 제조하는 반응유닛 및 상기 탄화수소 화합물과 상기 합성천연가스를 혼합하는 혼합유닛을 포함할 수 있다.The apparatus for producing a synthetic natural gas having an increased calorific value according to the present invention is a gasification unit that gasifies fuel to produce a synthesis gas, a water gas conversion unit that reacts by supplying water to the synthesis gas, and the converted synthesis gas in a first flow. And a synthesis gas separation unit for separating into a second flow, and a methanation unit for producing a synthetic natural gas by methanation reaction of the synthesis gas of the first flow, located between the separation unit and the water gas conversion unit, and converted Carbon dioxide separation unit for separating carbon dioxide from the synthesized gas, an inertial reaction unit for producing carbon monoxide by supplying and reacting carbon dioxide to the separated carbon dioxide, a raw material preparation unit for mixing the carbon monoxide and the syngas of the second flow, A reaction unit for producing a hydrocarbon compound by receiving and reacting with a raw material from a raw material preparation unit and the hydrocarbon It may include a mixing unit to mix the compound with the synthesis gas.
구체적으로 상기 반응유닛은 상기 원료를 상기 반응식 4와 같이 피셔-트롭쉬 반응시켜 액화석유가스(LPG)를 제조하는 반응기이거나, 상기 원료를 상기 반응식 5와 같이 반응시켜 디메틸에테르(DME)를 제조하는 반응기일 수 있다.Specifically, the reaction unit is a reactor for producing liquefied petroleum gas (LPG) by reacting the raw material with a Fischer-Tropsch reaction as in Scheme 4, or reacting the raw material as in Scheme 5 to produce dimethyl ether (DME). It can be a reactor.
상기 각 유닛 및 반응기에서 일어나는 반응은 이와 대응하는 상술한 발열량이 증가된 합성천연가스(high caloric SNG)의 제조방법에서 언급한 바와 같으므로 통상의 기술자는 상기 제조장치를 명확하게 이해할 수 있을 것인바, 이하 설명의 중복을 피하기 위해 생략하기로 한다.
The reaction occurring in each unit and reactor is the same as mentioned in the manufacturing method of the corresponding high-caloric natural gas (high caloric SNG) with the above-described calorific value, so a person skilled in the art will clearly understand the manufacturing apparatus. , In order to avoid duplication of the following description, it will be omitted.
이하, 본 발명을 구체적인 실시예를 통해 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail through specific examples. However, these examples are intended to illustrate the present invention and the scope of the present invention is not limited by them.
도 3에 도시된 본 발명의 일 실시 형태 및 도 4에 도시된 본 발명의 다른 실시 형태에 따라 발열량이 증가된 합성천연가스를 제조하였을 때, 합성천연가스의 단위부피당 열량(kcal/㎥), 단위시간당 생산량(kmol/hr) 및 공정 중 배출되는 이산화탄소의 단위시간당 배출량(kmol/hr)을 알아보기 위하여 공정 시뮬레이션 프로그램인 PROⅡ를 이용하여 공정을 모사하였다.According to one embodiment of the present invention shown in FIG. 3 and another embodiment of the present invention shown in FIG. 4, when a synthetic natural gas having an increased calorific value is produced, the heat amount per unit volume of the synthetic natural gas (kcal / m 3), The process was simulated using PRO II, a process simulation program, to find out the output per unit time (kmol / hr) and the emission per unit time (kmol / hr) of carbon dioxide emitted during the process.
실시예1Example 1 내지 To 실시예8Example 8
도 3에 도시된 발열량이 증가된 합성천연가스를 제조하는 공정을 모사하였다.The process of manufacturing a synthetic natural gas with an increased calorific value shown in FIG. 3 is simulated.
이산화탄소를 분리한 합성가스를 제1흐름과 제2흐름으로 분리할 때, 제1흐름과 제2흐름의 부피비를 각각 9:1(실시예1 및 5), 8:2(실시예2 및 6), 7:3(실시예3 및 7), 6:5(실시예4 및 8)로 설정하였다.When separating the carbon dioxide separated synthesis gas into a first flow and a second flow, the volume ratios of the first flow and the second flow are 9: 1 (Examples 1 and 5), and 8: 2 (Examples 2 and 6), respectively. ), 7: 3 (Examples 3 and 7), and 6: 5 (Examples 4 and 8).
도 3에 도시된 바와 같이 제2흐름(B)의 합성가스와 역부다 반응을 통해 제조한 일산화탄소(CO)를 혼합하여 원료(C)의 몰 비 H2/CO가 2.0이 되도록 한 뒤, 상기 원료를 피셔-트롭쉬 반응시켜 액화석유가스(LPG)를 제조하였다.After mixing the synthesis gas of the second flow (B) and carbon monoxide (CO) prepared through an inverse reaction as shown in FIG. 3, the molar ratio H 2 / CO of the raw material (C) is 2.0, followed by Liquefied petroleum gas (LPG) was prepared by reacting the Fischer-Tropsch reaction.
상기 피셔-트롭쉬 반응의 전환율, 선택도 등은 이하의 표 1과 같고, 상기 반응은 Qianwen Zhang, Direct synthesis of LPG fuel from syngas with the hybrid catalyst based on modified Pd/SiO2 and zeolite, Catalysis Today, 104, 30-36 (2005)에 개시되어 있는 촉매(A촉매:실시예1 내지 4, B촉매:실시예5 내지 8)를 사용하여 진행하였다.The conversion rate and selectivity of the Fischer-Tropsch reaction are shown in Table 1 below, and the reaction is Qianwen Zhang, Direct synthesis of LPG fuel from syngas with the hybrid catalyst based on modified Pd / SiO 2 and zeolite, Catalysis. It was carried out using catalysts disclosed in Today , 104, 30-36 (2005) (A catalyst: Examples 1 to 4, B catalyst: Examples 5 to 8).
생성물의 수율
Product yield
탄화수소의 조성
[C mol%]
Hydrocarbon composition
[C mol%]
실시예9Example 9 내지 To 실시예12Example 12
도 4에 도시된 발열량이 증가된 합성천연가스를 제조하는 공정을 모사하였다.The process of manufacturing a synthetic natural gas with an increased calorific value shown in FIG. 4 is simulated.
이산화탄소를 분리한 합성가스를 제1흐름과 제2흐름으로 분리할 때, 제1흐름과 제2흐름의 부피비를 각각 9:1(실시예9), 8:2(실시예10), 7:3(실시예11), 6:5(실시예12)로 설정하였다.When separating the carbon dioxide separated synthesis gas into a first flow and a second flow, the volume ratios of the first flow and the second flow are 9: 1 (Example 9), 8: 2 (Example 10), and 7: It was set to 3 (Example 11) and 6: 5 (Example 12).
도 4에 도시된 바와 같이 제2흐름(B)의 합성가스와 역부다 반응을 통해 제조한 일산화탄소(CO)를 혼합하여 원료(C)의 몰 비 H2/CO가 1.0이 되도록 한 뒤, DME 합성 반응을 통해 디메틸에테르(DME)를 제조하였다.As shown in FIG. 4, after mixing the synthesis gas of the second flow (B) with carbon monoxide (CO) prepared through an inverse reaction, the molar ratio H 2 / CO of the raw material (C) is 1.0, followed by DME Dimethyl ether (DME) was prepared through a synthetic reaction.
상기 DME 합성 반응의 전환율, 선택도 등은 이하의 표 2와 같고, 상기 반응은 Andres Garcia-Trenco, Direct synthesis of DME from syngas on hybrid CuZnAl/ZSM-5 catalysts: New insights into the role of zeolite acidity, Applied catalysis A: General, 411-412, 170-179 (2012)에 개시되어 있는 촉매(C촉매)를 사용하여 진행하였다.The conversion rate and selectivity of the DME synthesis reaction are shown in Table 2 below, and the reaction is Andres Garcia-Trenco, Direct synthesis of DME from syngas on hybrid CuZnAl / ZSM-5 catalysts: New insights into the role of zeolite acidity, Applied catalysis A: General , 411-412, proceeded using a catalyst (C catalyst) disclosed in 170-179 (2012).
생성물의 수율
Product yield
실험결과Experiment result
실시예1 내지 실시예12에 따른 모사 공정의 최종생성물인 합성천연가스의 단위부피당 열량(kcal/㎥), 단위시간당 생산량(kmol/hr) 및 공정 중 배출되는 이산화탄소의 단위시간당 배출량(kmol/hr)을 측정하였다. 그 결과는 이하의 표 3과 같다.Heat output per unit volume (kcal / ㎥), production volume per unit time (kmol / hr) and emission of carbon dioxide emitted during the process (kmol / hr) per unit volume of synthetic natural gas, which is the final product of the simulation process according to Examples 1 to 12 ) Was measured. The results are shown in Table 3 below.
[A:B]Volume ratio
[A: B]
단위부피당
열량
[kcal/㎥]Synthetic natural gas
Per unit volume
calorie
[kcal / ㎥]
단위시간당
생산량
[kcal/hr]Synthetic natural gas
Per unit hour
output
[kcal / hr]
단위시간당
배출량
[kmol/hr]carbon dioxide
Per unit hour
Emissions
[kmol / hr]
상기 표 3을 참조하면, 상기 실시예1 내지 실시예12는 합성천연가스 단위부피당 열량이 9,500kcal/㎥ 이상이고, 실시예1, 실시예2, 실시예5, 실시예9를 제외한 모든 실시예에서 10,400kcal/㎥ 이상임을 알 수 있다.
Referring to Table 3, in Examples 1 to 12, the heat per unit volume of synthetic natural gas is 9,500 kcal / m 3 or more, and all Examples except Examples 1, 2, 5, and 9 It can be seen from 10,400 kcal / ㎥ or more.
이상으로 본 발명의 실험예 및 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실험예 및 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.The experimental examples and examples of the present invention have been described in detail above, and the scope of the present invention is not limited to the experimental examples and examples described above, and the basic concept of the present invention defined in the following claims Various modifications and improvements of those skilled in the art are also included in the scope of the present invention.
Claims (14)
전환된 합성가스를 제1흐름과 제2흐름으로 분리하기 전, 상기 전환된 합성가스로부터 이산화탄소를 분리하는 단계;
분리된 이산화탄소를 탄소물질과 역부다 반응(reverse boudouard reaction)시켜 일산화탄소를 제조하는 단계;
상기 일산화탄소와 상기 제2흐름의 합성가스를 혼합하여 원료를 준비하는 단계;
상기 원료를 반응시켜 탄화수소 화합물을 제조하는 단계; 및
상기 탄화수소 화합물과 상기 합성천연가스를 혼합하는 단계;를 포함하고,
상기 전환된 합성가스를 제1흐름과 제2흐름으로 분리하는 것은, 상기 제1흐름과 제2흐름의 부피비가 9:1 ~ 6:4가 되도록 분리하고,
상기 원료에 포함되는 일산화탄소 및 제2흐름의 합성가스의 몰 비 H2/CO가 2.0 이상 및 3.0 미만일 경우, 하기 반응식 4와 같이 원료를 반응시켜 액화석유가스를 제조하고,
상기 원료에 포함되는 일산화탄소 및 제2흐름의 합성가스의 몰 비 H2/CO가 1.0 이상 및 2.0 미만일 경우, 하기 반응식 5와 같이 원료를 반응시켜 디메틸에테르(dimethyl ether, DME)를 제조하는 것을 특징으로 하는 발열량이 증가된 합성천연가스의 제조방법.
[반응식 4]
(2n+1)H2 + nCO → CnH2n+1 + nH2O
상기 n은 1 내지 20이다.
[반응식 5]
3H2 + 3CO -> CH3OCH3 + CO2
Gas of any one or more of coal, biomass, and solid carbon is gasified to produce synthesis gas, and after converting the synthesis gas into water gas, the converted synthesis gas is separated into a first flow and a second flow. And, by synthesizing the synthesis gas of the first flow to produce a synthetic natural gas (synthetic natural gas),
Separating carbon dioxide from the converted syngas before separating the converted syngas into a first flow and a second flow;
Preparing carbon monoxide by reverse boudouard reaction of the separated carbon dioxide with a carbon material;
Preparing a raw material by mixing the carbon monoxide and the syngas of the second flow;
Reacting the raw material to prepare a hydrocarbon compound; And
And mixing the hydrocarbon compound and the synthetic natural gas.
Separating the converted synthesis gas into a first flow and a second flow is separated so that the volume ratio of the first flow and the second flow is 9: 1 ~ 6: 4,
When the molar ratio H 2 / CO of the carbon monoxide and the synthesis gas of the second flow included in the raw material is 2.0 or more and less than 3.0, a liquefied petroleum gas is prepared by reacting the raw material as shown in Reaction Scheme 4 below,
When the molar ratio H 2 / CO of carbon monoxide and the synthesis gas of the second flow included in the raw material is 1.0 or more and less than 2.0, the raw material is reacted as shown in Reaction Scheme 5 below to produce dimethyl ether (DME). Method for producing synthetic natural gas with increased calorific value.
[Reaction Scheme 4]
(2n + 1) H 2 + nCO → C n H 2n + 1 + nH 2 O
The n is 1 to 20.
[Scheme 5]
3H 2 + 3CO-> CH 3 OCH 3 + CO 2
역부다 반응의 반응온도는 700℃ 내지 2,000℃인 것을 특징으로 하는 발열량이 증가된 합성천연가스의 제조방법.
According to claim 1,
Method for producing a synthetic natural gas with an increased calorific value, characterized in that the reaction temperature of the counter-reaction is 700 ° C to 2,000 ° C.
상기 분리유닛과 수성가스전환유닛 사이에 위치하여 전환된 합성가스로부터 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소분리유닛;
분리된 이산화탄소에 탄소물질을 공급하고 반응시켜 일산화탄소를 제조하는 역부다반응유닛;
상기 일산화탄소와 상기 제2흐름의 합성가스를 혼합하는 원료준비유닛;
상기 원료준비유닛으로부터 원료를 공급받아 반응시켜 탄화수소 화합물을 제조하는 반응유닛; 및
상기 탄화수소 화합물과 상기 합성천연가스를 혼합하는 혼합유닛;을 포함하고,
상기 합성가스분리유닛은 상기 제1흐름과 상기 제2흐름의 부피비가 9:1 ~ 6:4가 되도록 전환된 합성가스를 분리하고,
상기 원료에 포함되는 일산화탄소 및 제2흐름의 합성가스의 몰 비 H2/CO가 2.0 이상 및 3.0 미만일 경우, 하기 반응식 4와 같이 원료를 반응시켜 액화석유가스를 제조하고,
상기 원료에 포함되는 일산화탄소 및 제2흐름의 합성가스의 몰 비 H2/CO가 1.0 이상 및 2.0 미만일 경우, 하기 반응식 5와 같이 원료를 반응시켜 디메틸에테르(dimethyl ether, DME)를 제조하는 것을 특징으로 하는 발열량이 증가된 합성천연가스의 제조장치.
[반응식 4]
(2n+1)H2 + nCO → CnH2n+1 + nH2O
상기 n은 1 내지 20이다.
[반응식 5]
3H2 + 3CO -> CH3OCH3 + CO2
Gasification unit for producing synthesis gas by gasifying any one or more fuels of coal, biomass, and solid carbon, water gas conversion unit for supplying water to react with the synthesis gas, and first and second flows of the converted synthesis gas Synthetic gas separation unit for separating, and comprises a methanation unit for producing a synthetic natural gas by the methanization reaction of the synthesis gas of the first flow,
A carbon dioxide separation unit located between the separation unit and the water gas conversion unit to separate carbon dioxide from the converted synthesis gas;
An inverse reaction unit for producing carbon monoxide by supplying and reacting carbon dioxide to the separated carbon dioxide;
A raw material preparation unit for mixing the carbon monoxide and the syngas of the second flow;
A reaction unit that receives a raw material from the raw material preparation unit and reacts to produce a hydrocarbon compound; And
Includes; a mixing unit for mixing the hydrocarbon compound and the synthetic natural gas,
The syngas separation unit separates the converted syngas so that the volume ratio between the first flow and the second flow is 9: 1 to 6: 4,
When the molar ratio H 2 / CO of the carbon monoxide and the synthesis gas of the second flow included in the raw material is 2.0 or more and less than 3.0, a liquefied petroleum gas is prepared by reacting the raw material as shown in Reaction Scheme 4 below,
When the molar ratio H 2 / CO of the carbon monoxide and the synthesis gas of the second flow included in the raw material is 1.0 or more and less than 2.0, the raw material is reacted as shown in Reaction Scheme 5 below to produce dimethyl ether (DME). Synthetic natural gas manufacturing apparatus with increased calorific value.
[Reaction Scheme 4]
(2n + 1) H 2 + nCO → C n H 2n + 1 + nH 2 O
The n is 1 to 20.
[Scheme 5]
3H 2 + 3CO-> CH 3 OCH 3 + CO 2
상기 역부다반응유닛은 반응온도 700℃ 내지 2,000℃에서 이산화탄소와 탄소물질을 반응시키는 것을 특징으로 하는 발열량이 증가된 합성천연가스의 제조장치.
The method of claim 8,
The reverse reaction unit is an apparatus for producing synthetic natural gas with an increased calorific value, characterized in that carbon dioxide and a carbon material are reacted at a reaction temperature of 700 ° C to 2,000 ° C.
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KR20180105823A (en) | 2018-10-01 |
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AMND | Amendment | ||
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Free format text: TRIAL NUMBER: 2019101002219; TRIAL DECISION FOR APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE REFUSAL REQUESTED 20190702 Effective date: 20200225 |
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