KR20120140499A - 해양플랜트 또는 선박용 ｄｍｅ 생산 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기분리기와 같은 대형의 설비를 사용하지 않아 DME FPSO 등과 같이 해양이나 선박 등에 적용 가능하면서 수소 및 산소의 원활한 공급이 가능하도록 한 해양플랜트 또는 선박용 DME 생산 시스템에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 천연가스가 개질기의 개질반응을 통해 합성가스로 개질되고, DME 반응기에서 DME로 생산되는 DME 생산 시스템에 있어서,
개질기의 개질반응에 필요한 산소와 DME 생산에 사용되는 수소가 하이브리드-황 공정을 통해 생성된 생성물로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 해양플랜트 또는 선박용 DME 생산 시스템을 제공한다.

Description

해양플랜트 또는 선박용 ＤＭＥ 생산 시스템{DME production system for ship or marine plant}

본 발명은 해양플랜트 또는 선박용 DME 생산 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공기분리기 등과 같은 대형 설비를 사용하지 않아 DME FPSO 등과 같이 해양플랜트나 선박 등에 컴팩트하게 적용 가능하면서 수소 및 산소의 원활한 공급이 가능하도록 한 해양플랜트 또는 선박용 DME 생산 시스템에 관한 것이다.

다이메틸에테르(Dimethyl Ether, 이하, 'DME'라고 합니다)는 H₂와 CO로 이루어진 가스로부터 합성되는 물질로, 분자식에서 탄소-탄소 직접결합이 존재하지 않기 때문에 연료로서 연소시 검댕(soot)이 발생하지 않는다.

또한, 연료 생산과정에서 지구온난화에 일조하는 이산화탄소를 저감하는 효과를 갖고 있어 신재생과 대체 연료 에너지로서의 가치가 크다. 특히 DME는 낮은 환경오염 물질의 배출과 높은 세탄가를 갖는 특성을 갖고 있어 더욱 그 사용량이 증가하는 추세이다.

DME는 합성가스로부터 DME를 직접 합성하는 직접법과 합성가스로부터 메탄올을 합성한 후 다시 메탄올 탈수반응을 통하여 DME를 합성하는 간접법으로 구분될 수 있다.

이때 DME 합성을 위한 합성가스 제조는 다양한 원료로부터 제조될 수 있다. 그 원료가스로는 천연가스, CBM(Coal Bed Methane), Biomass등이 활용될 수 있으며, 석탄의 경우 석탄가스화를 통하여 합성가스로 제조될 수도 있다.

도 2는 종래 DME 생산시스템을 개략적으로 나타낸 개념도로, 이에 도시된 바와 같이 종래에는 스팀 및 천연가스가 개질기(100)에서 개질반응을 통하여 합성가스(H₂/CO) 제조된 뒤, 합성가스가 DME 반응기(200)에서 소정의 반응을 거쳐 생성물인 DME를 생산한다.

이때 개질기(100)는 도시되지 않았지만 pre-reformer와 reformer로 구성되며, Pre-reformer에서 천연가스의 8~10%를 차지하고 있는 C₂, C₃ 성분을 C₁과 수소로 생산하도록 천연가스와 수증기를 통하여 pre-reforming 된 후, 열교환을 통하여 Reformer로 유입되며, 여기에 산소와 이산화탄소가 열교환기를 통하여 Reformer의 상층부로 유입되어 화학반응을 일으켜 합성가스를 제조한다.

이때 종래에는 이 개질반응에 사용되는 산소를 공기분리기(Air Separator Unit)(300)로부터 공급받았다.

한편, 최근 경제성이 낮은 이산화탄소(CO₂)가 다량 포함된 한계가스전의 천연가스를 이용하여 DME를 생산하기 위한 방법 대한 관심이 커짐에 따라 DME FPSO(Floating Production Storage Offloading, 부유식 원유생산저장설비) 등과 같이 해상이나 선박에서의 DME 생산이 요구되고 있다.

그러나 상기 개질기(100)로 공급되는 산소 생산에 사용되는 공기분리기(300)는 대형의 컬럼 등으로 구성되어 컴팩트한 조건을 만족해야하는 해상용이나 선박용의 설비로는 부적합하였으며, 이와 같은 설비의 부적합함으로 인해 산소의 원활한 공급이 이루어지지 않아 개질반응을 통한 합성가스의 생성에도 어려움이 있었다. 따라서 실질적으로 해양플랜트나 선박에서 DME를 생산하는 것은 한계가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로,

하이브리드-황 공정을 이용하여 산소 및 수소공급이 원활하게 이루어져 해양이나 선박에서도 DME 생산이 가능하도록 하는 해양플랜트 또는 선박용 DME 생산 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 하이브리드-황 공정에 요구되는 에너지원을 보다 경제적으로 제공하는데 있다.

본원발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여,

천연가스가 개질기의 개질반응을 통해 합성가스로 개질되고, DME 반응기에서 DME로 생산되는 DME 생산 시스템에 있어서,

개질기의 개질반응에 필요한 산소와 DME 생산에 사용되는 수소가 하이브리드-황 공정을 통해 생성된 생성물로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 해양플랜트 또는 선박용 DME 생산 시스템을 제공한다.

또한, 상기 하이브리드-황 공정에서,

황산의 열분해를 통해 생성된 산소는 개질기로 공급되고,

열분해로 생성된 이산화황 수용액을 전기분해시켜 생성된 수소는 DME 반응기로 공급되며,

전기분해로 생성된 황산은 순환되어 열분해 원료로 사용되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 황산의 열분해는 DME 반응기에서 발생되는 폐열을 이용하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 해양플랜트 또는 선박용 DME 생산 시스템은 하이브리드-황 공정을 통해 산소와 수소를 공급하기 때문에 대형의 컬럼을 갖는 공기분리기(air seperation unit)없이도 개질반응에 필요한 산소를 원활하게 공급할 수 있어 해양플랜트 또는 선박에서도 유용하게 사용될 수 있고, 이와 더불어 하이브리드- 황 공정의 생성물 중의 하나인 수소가 직접 DME 반응기로 공급됨에 따라 개질기에서 생성된 합성가스만으로 부족할 수 있는 수소성분이 충분히 공급되어 DME 생산이 효율적으로 이루어질 수 있음은 물론, 열과, 전기, 물만으로 DME 생산에 필요한 수소와 산소가 공급되되, 순환공정이라 별도의 부산물 생산이 없어 청정하여 보다 친환경적인 생산이 가능한 효과를 갖는다.

또한, 황산의 열분해시 폐열을 이용함에 따라 별도의 가열장치 등과 같이 추가적인 에너지원 없이도 황산의 열분해가 가능하여 보다 경제적으로 DME 생산 시스템을 운용할 수 있다는 효과를 갖는다.

도 1은 본 발명에 따른 해양플랜트 또는 선박용 DME 생산 시스템을 개략적으로 나타낸 개념도.
도 2는 종래 DME 생산 시스템을 개략적으로 나타낸 개념도.

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

도 1은 본 발명에 따른 해양플랜트 또는 선박용 DME 생산 시스템을 개략적으로 나타낸 개념도로, 이에 도시된 바와 같이 본 발명은 청정연료이자 향후 화석연료를 대체할 신연료로 분리되는 다이메틸에테르(Dimethyl Ether, 이하, 'DME'라고 합니다)를 생산하는 시스템에 관한 것이다.

즉, 본 발명은 천연가스가 개질기의 개질반응을 통해 합성가스로 개질되고, DME 반응기에서 DME로 생산되는 DME 생산 시스템에 있어서, 종래 개질기에 산소를 공급하는 장비인 공기분리기의 컬럼이 지나치게 커서 해양이나 선박 등에 설치가 불가능함에 따라 해양플랜트나 선박 등에서 DME 생산이 어려웠던 점을 개선한 DME 생산 시스템이다.

이를 위하여 본 발명은 개질기(100)의 개질반응에 필요한 산소와 DME 생산에 사용되는 수소가 하이브리드-황 공정(Hybrid-Sulfur Process, HYS Process)(10)을 통해 생성된 생성물로부터 공급되도록 하여, 공기분리기와 같이 대형의 장비를 사용하지 않아도 개질반응에 필요한 수소 및 산소를 공급할 수 있는 시스템이며, 이에 따라 해양플랜트나 선박 등에서도 DME 생산이 가능하도록 한 것이다.

여기서 개질기(100)는 천연가스를 합성가스로 증기개질하기 위한 것으로, 도시되지 않았지만 Pre-reformer와 reformer로 구성되며, Pre-reformer에서 천연가스의 8~10%를 차지하고 있는 C₂, C₃ 성분을 C₁과 수소로 생산하도록 천연가스와 수증기를 통하여 pre-reforming 된 후, 열교환을 통하여 Reformer로 유입된다. 그리고 Reformer에 산소 및 이산화탄소가 열교환기를 통하여 Reformer의 상층부로 유입되어 하기 반응식 1과 같은 복합적인 화학반응을 일으켜 합성가스를 제조한다.

[반응식 1]

그리고 DME반응기(200)는 합성가스로부터 메탄올을 생성한 다음, 탈수반응을 통해 DME를 합성할 수도 있고, 합성가스에서 직접적으로 DME를 합성할 수도 있는 것으로, 이 반응은 이미 공지된 사항이므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.

이때 DME 반응기(200)에서 DME 생성과 함께 발생되는 이산화탄소(CO₂)는 통상의 제거법을 통하여 제거되어 개질기(100)로 재순환된다.

하이브리드-황 공정(10)은 하기 반응식 2의 (1)과 같이 황산(H₂SO₄)에 800℃이상의 고온을 가하여 분해함에 따라 SO₂와 O₂ 및 수증기를 생성하고, 반응식 2의 (2)와 같이 SO₂와 물이 전기분해에 의해 수소를 생성하는 것이다.

[반응식 2]

본 발명에서는 상기 하이브리드-황 공정(10)에서, 반응식 2의 (1) 반응, 즉 황산의 열분해를 통해 생성된 산소가 개질기(100)로 공급된다.

이때 황산의 열분해는 800℃이상의 온도를 견딜 수 있고, 황산 등과 같은 물질에 내성을 갖는 고온 분해조에서 수행될 수 있다. 그리고 산소와 이산화황의 분리는 물리적 흡수법이나 화학적 흡수법이나, 가압과 냉각과정 등을 통하여 이산화황으로부터 산소를 분리한 다음, 기체인 산소를 고온 분해조 밖으로 배출하여 개질기(100)로 공급할 수 있다.

그리고 산소 이외에 황산의 열분해로 생성된 이산화황과 물은 이산화황 수용액의 형태로 반응식 2의 (2)반응이 수행될 수 있는 전기분해장치로 순환된다. 이와 같이 순환된 황산의 열분해로 생성된 이산화황 수용액은 전기분해장치에서 전기분해되어 수소를 생산한다. 즉, 전기분해장치는 음극에서 이산화황을 산화시키고 양극에서 수소를 형성하기 위하여 양자를 환원시킴으로써 수소와 황산을 생산하며, 이들은 기액분리장치 등을 통하여 기체인 수소는 DME 반응기(200)로 공급되고, 수소 외에 전기분해로 생성된 부산물인 황산은 고온 분해조로 순환되어 열분해 원료로써 다시 반응식 2의 (1)반응에 사용된다.

이와 같이 DME 반응기(200)로 공급된 수소는 개질기(100)의 개질반응으로 생성된 합성가스에서 부족할 수 있는 수소를 보충해주는 역할을 하며, 상기한 바와 같은 하이브리드-황 공정(10)은 순환공정이기 때문에 시스템 상에서 발생하는 별도의 부산물이 생성되지 않는 청정공정으로 DME 생산에 필요한 수소와 산소를 공급할 수 있다.

즉, 본 발명과 같이 하이브리드-황 공정을 통해 산소와 수소를 공급하는 DME 생산시스템은 대형의 컬럼을 갖는 공기분리기(air seperation unit)없이도 개질반응에 필요한 산소를 원활하게 공급할 수 있어 해양 또는 선박에서도 유용하게 사용될 수 있고, 이와 더불어 하이브리드- 황 공정의 생성물 중의 하나인 수소가 직접 DME 반응기로 공급됨에 따라 개질기에서 생성된 합성가스만으로 부족할 수 있는 수소성분이 충분히 공급되어 DME 생산이 효율적으로 이루어질 수 있음은 물론, 열과, 전기, 물 만으로 DME 생산에 필요한 수소와 산소가 공급되되, 순환공저으로 별도의 부산물 생산이 없어 청정하여 보다 친환경적인 생산이 가능하다.

한편, 본 발명에서 상기 황산의 열분해는 DME 반응기(200)에서 발생되는 폐열을 이용할 수 있다.

DME 반응기(200)는 합성가스로부터 DME를 제조할 때에는 발열반응이 발생된다. 이때 발생되는 폐열을 순환시켜 하이브리드-황 공정(10)의 고온의 열원으로 사용하면 별도의 가열장치 등과 같이 추가적인 에너지원 없이도 황산의 열분해가 가능하다. 즉, 폐열을 이용하여 보다 경제적으로 DME 생산 시스템을 운용할 수 있다.

a: 실선(공정흐름)
b: 파선(폐열의 흐름)
100: 개질기
200: DME 반응기
10: 하이브리드-황 공정

Claims (3)

1. 천연가스가 개질기(100)의 개질반응을 통해 합성가스로 개질되고, DME 반응기(200)에서 DME로 생산되는 DME 생산 시스템에 있어서,
   개질기(100)의 개질반응에 필요한 산소와 DME 생산에 사용되는 수소가 하이브리드-황 공정(10)을 통해 생성된 생성물로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 해양플랜트 또는 선박용 DME 생산 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 하이브리드-황 공정(10)에서,
   황산의 열분해를 통해 생성된 산소는 개질기(100)로 공급되고,
   열분해로 생성된 이산화황 수용액을 전기분해시켜 생성된 수소는 DME 반응기(200)로 공급되며,
   전기분해로 생성된 황산은 순환되어 열분해 원료로 사용되는 것을 특징으로 하는 해양플랜트 또는 선박용 DME 생산 시스템.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 황산의 열분해는 DME 반응기(200)에서 발생되는 폐열을 이용하는 것을 특징으로 하는 해양플랜트 또는 선박용 DME 생산 시스템.

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