KR20140004623A

KR20140004623A - 합성 가스로부터 메탄 함유 가스를 제조하는 방법, 및 이 방법을 수행하는 메탄 제조 플랜트

Info

Publication number: KR20140004623A
Application number: KR1020137004825A
Authority: KR
Inventors: 요하네스 멘?; 홀게르 틸레르트
Original assignee: 티센크루프 우데 게엠베하
Priority date: 2010-07-28
Filing date: 2011-07-12
Publication date: 2014-01-13
Also published as: DE102010032528A1; CL2013000208A1; CA2804425A1; PL2598464T3; TWI474994B; AU2011285054A1; AR082256A1; MX2013000979A; PE20131201A1; WO2012013493A1; ZA201300070B; CN103080049A; US20130237617A1; CN103080049B; JP2013532670A; EA201300188A1; JP5745049B2; TW201206864A; EP2598464A1; SG187584A1

Abstract

본 발명은, 일산화탄소 및 수소를 함유한 합성 가스를 메탄화가 이루어지도록 촉매를 수용한 반응기(1)에 공급하며, 반응기(1)를 떠나는 프로세스 가스 스트림을 생성물 가스 스트림과 재순환 가스 스트림으로 나누며, 재순환 가스 스트림을 압력 강하의 보상을 이젝터(5)를 통해 운반하고 냉각을 위해 합성 가스와 함께 반응기(1) 내로 보내게 되는, 합성 가스로부터 메탄 함유 가스를 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 생성물 가스 스트림을 반응기(1)에 공급되는 합성 가스의 압력보다 높은 압력으로 압축한다. 압축된 생성물 가스 또는 유용 가스 도관 시스템(9)으로부터의 유용 가스가 기동 매체로서 이젝터(5)에 공급된다. 본 발명은 또한 그러한 방법을 실행하는 메탄 제조 플랜트에 관한 것이다.

Description

합성 가스로부터 메탄 함유 가스를 제조하는 방법, 및 이 방법을 수행하는 메탄 제조 플랜트{PROCESS FOR PRODUCING A METHANE-CONTAINING GAS FROM SYNTHESIS GAS AND METHANE PRODUCTION PLANT FOR CARRYING OUT THE PROCESS}

본 발명은, 일산화탄소 및 수소를 함유한 합성 가스를 메탄화가 이루어지도록 촉매를 포함한 반응기에 공급하며,

반응기를 떠나는 프로세스 가스 스트림을 생성물 가스 스트림과 재순환 가스 스트림으로 나누며,

재순환 가스 스트림을 이젝터를 통과해 이동시켜 냉각될 반응기(1) 내로 보내게 되는,

합성 가스로부터 메탄 함유 가스를 제조하는 방법에 관한 것이다.

그러한 방법은 예를 들면, 석탄, 또는 나무나 짚의 형태의 생물질과 같은 고체는 물론 다양한 탄소 함유 액상 추출물을 천연가스 공급 네트워크로 주입될 수 있는 합성 천연가스로 전환할 수 있다.

메탄을 형성하기 위한 일산화탄소와 수소의 전환은 먼저 아래의 식에 의해 이루어진다.

CO + 3H₂ → CH₄ + H₂O

또한, 다음의 평형 반응이 고려되어야 한다.

CO + H₂O ↔ CO₂ + H₂

그 결과로, 메탄이 역시 아래의 반응에 의해 생성된다.

CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O

촉매의 존재하에서의 메탄화는 상당한 발열 반응 형태로 진행된다. 동시에, 반응 평형으로 인해 온도 증가에 따라 메탄 수율이 감소한다는 단점이 있다. 따라서, 반응기를 냉각시키기 위해, 반응기를 떠나는 프로세스 가스 스트림을 생성물 가스 스트림과 재순환 가스 스트림으로 나누고, 이어서 이러한 미리 냉각된 재순환 가스를 반응기의 입구로 돌려보내는 기법이 공지되어 있다. 재순환 가스가 재순환되는 경우, 발생되는 압력 강하를 보상하여야 한다. 이를 위해, 압축기를 사용하는 경우, 그 압축기가 상당한 비용을 들여서도 약 300℃의 상승 온도에 대해서만 설계될 수 있다는 문제가 발생하고, 이러한 이유로, 반응기를 떠나는 프로세스 가스 스트림을 통상 상당히 냉각시켜 그 프로세스 가스 스트림에 함유된 수분이 또한 응축하게 된다.

GB 1 516 319 [US 4,130,575]에는 소위 이젝터로 불리는 제트 펌프를 이용하여 재순환 가스 스트림을 수송하고 압력 강하를 보상하는 기법을 개시하고 있다. 그 이젝터는 단순한 구조를 갖고 있고 예를 들면 300℃의 상승 온도에서 쉽사리 작동될 수 있다. 반응기에 공급되는 합성 가스 또는 스팀이 이젝터의 기동 매체(motive medium)로서 제공된다. 합성 가스가 기동 매체로서 이용되는 경우, 그 가스는 이젝터에서 압력 강하를 겪게 되고, 그 결과, 반응기 내에서 메탄화는 감소된 압력에서 이루어진다. 메탄화 반응의 평형으로 인해, 압력 감소에 따라 메탄 수율도 감소하며, 그러면 그 방법의 효율도 역시 떨어진다. 스팀을 기동 매체로서 이용하는 경우, 이러한 기법이 통상의 촉매에 대한 노화 과정을 가속시킨다 점에서 불리하다.

이러한 배경의 견지에서, 본 발명의 목적은 증가된 효율과 감소된 비용으로 실행될 수 있는, 합성 가스로부터 메탄 함유 가스를 제조하는 방법을 제공하는 데에 있다.

본 발명에 따르면, 그 목적은 전술한 구성을 갖는 방법에 기초하여, 생성물 가스 스트림을 반응기에 공급되는 합성 가스의 압력보다 높은 압력으로 압축하여, 이 압축된 생성물 가스 또는 유용 가스 도관 시스템으로부터의 유용 가스가 기동 매체로서 이젝터에 공급되도록 하는 기법에 의해 달성된다.

후속 사용을 위해 생성물 가스를 공급하기 위해, 본 발명의 제1 실시예에서는 압축된 생성물 가스의 일부분이 이젝터의 기동 매체로 되도록 압축이 적용된다. 따라서, 종래 기술에서 발생하는 문제점, 특히 합성 가스의 압력 감소 또는 촉매 노화의 가속화가 방지될 수 있다.

기동 매체로서 이용되지 않는 생성물 가스의 부분은 압축 후에 예를 들면 압력 탱크에 저장되거나, 유용 가스 도관 시스템으로 보내질 수 있다. 따라서, 본 발명은, 특히, 추가의 압축 후에 천연가스 공급 네트워크 내로 공급될 수 있는 합성 천연 가스를 제조할 수 있다. 이러한 형태의 유용 가스 도관 시스템의 압력은 통상 60 내지 80 bar 범위인 반면, 메탄화를 위해 반응기 내로 도입되는 합성 가스는 일반적으로 30 내지 50 bar의 압력으로 제공된다. 그러면, 상당한 압력차로 인해 단지 비교적 소량의 기동 매체만이 재순환 가스의 압력 강화를 보상할 수 있도록 하는 데에 필요하다.

추가의 압축 후에 생성물 가스 스트림이 유용 가스 도관 시스템으로 도입되는 경우, 다른 가능한 기법은 생성물 가스 스트림의 일부분 대신에 유용 가스 도관 시스템으로부터의 유용 가스를 기동 매체로서 이젝터에 공급하는 것이다. 특히, 유용 가스 도관 시스템이 천연가스 공급 네트워크라면, 촉매를 손상으로부터 보호하도록 이젝터에 기동 매체로서 공급되는 유용 가스에 대해 정제 탈황 처리(fine desulfurization)를 수행하는 것이 유리하다. 유용 가스 도관 시스템으로부터의 유용 가스를 기동 매체로서 이용하게 되면, 이젝터가 플랜트를 시동하는 데에 이용될 수 있다는 추가적인 이점이 얻어진다.

본 발명의 목적은 또한 전술한 방법을 수행하는 메탄 플랜트에 관한 것이다. 이 메탄 플랜트는 메탄화가 이루어지도록 촉매를 수용하는 반응기를 포함하며, 이 반응기는 합성 가스의 공급 라인에 부착된 입구 및 도관 시스템에 연결된 출구를 구비한다. 재순환 라인에 이젝터가 마련되며, 이 이젝터의 흡입측은 도관 시스템에 연결되고 이젝터의 압력측은 반응기의 입구측에 연결된다. 적어도 하나의 냉각기가 마련되는데, 바람직하게는 재순환 가스를 적정 온도로 냉각시키도록 반응기와 이젝터 사이에서 도관 시스템에 마련된다. 특히, 반응기를 떠나는 전체 프로세스 가스 스트림이 스팀을 생성하도록 마련된 냉각기를 통과하도록 마련될 수 있다.

본 발명에 따르면, 도관 시스템은 흐름 방향으로 재순환 라인의 분기 지점의 하류측에 압축기를 포함하며, 이젝터의 기동 매체 입구로 기동 매체를 방출하는 기동 매체 라인이 흐름 방향으로 압축기의 하류측에서 도관 시스템에 연결되거나, 메탄 함유 가스를 위한 유용 가스 도관 시스템, 특히 도관 시스템에 연결된 천연가스 공급 네트워크에 연결된다.

화학적 평형으로 인해 단일 반응기에서 메탄의 제한된 전환만이 달성되기 때문에(예를 들면, 20%), 그 반응기는 유리하게는 직렬로 연결되고 촉매를 각각 수용하는 다중 반응기 스테이지를 구비한다. 본 발명은 또한 개별 반응기 스테이지들 사이에서 생성물 가스를 냉각시키는 것을 포함한다. 예를 들면, 합성 가스를 건조시키고 CO₂를 제거하는 것과 같은 합성 가스에 대한 추가적 처리 단계가 또한 특정 용례에 따라 이용될 수 있으며, 그 처리 단계들은 반응기 내부 또는 외부에서 수행될 수 있다.

아래에서는 단지 하나의 실시예를 도시하는 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.
도 1은 합성 가스로부터 메탄 함유 가스를 제조하는 메탄 플랜트를 도시하며,
도 2는 도 1의 메탄 플랜트의 변형예를 도시한다.

도 1 및 도 2에서는 일산화탄소 및 수소를 함유한 합성 가스의 메탄화를 위해 촉매를 수용한 반응기(1)를 포함하는 메탄 플랜트를 도시하고 있다. 합성 가스의 공급 라인(2)이 반응기(1)의 입구에 연결되며, 그 출구에 도관 시스템(3)이 연결된다. 반응기(1)를 떠나는 프로세스 가스 스트림은 생성물 가스 스트림과 재순환 가스 스트림으로 나누어져, 그 재순환 가스 스트림이 이젝터(5)에 의해 재순환 라인(4)을 통해 반응기(1)의 입구로 다시 보내지게 된다. 이를 달성하기 위해, 이젝터(5)는 도관 시스템(3)에 연결된 흡입측과 반응기(1)의 입구에 연결된 압력측을 구비한다. 냉각기(6)가 반응기(1)와 이젝터(5) 사이의 도관 시스템(3)에 마련된다. 도관 시스템(3)은 흐름 방향으로 재순환 라인(4)의 분기 지점의 하류측에서 생성물 가스 스트림을 더욱 압축하도록 된 압축기(7)를 포함한다. 적어도 하나의 추가적인 냉각기(6')가 재순환 라인(4)의 분기 지점과 압축기(7)의 사이에 마련된다. 이 냉각기(6')는 압축기(7)가 높은 온도를 허용하도록 하기 위한 어떠한 특별한 설계도 필요로 하지 않는 수준까지 생성물 가스 스트림의 온도를 저하시키는 기능을 갖는다.

도 1에 도시한 바와 같이, 압축된 생성물 가스 스트림의 일부분이 압축기(7)로부터 하류측에서 배출되어, 기동 매체 라인(8)을 통해 이젝터(5)의 기동 매체 입구로 보내진다. 공급 라인(2)의 합성 가스는 통상 30 내지 50 bar의 압력으로 반응기(1)에 도입되지만, 압축기로부터 하류측의 생성물 가스의 압력은 바람직하게는 60 내지 80 bar이다. 이러한 현저히 높은 압력으로 인해, 소량의 생성물 가스 스트림으로도 재순환 가스 스트림을 이동시키고 해당 압력 강하를 보상하기에는 충분하다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 기동 매체로서 이용되지 않은 생성물 가스 스트림의 부분은 제한 없이 축압기 또는 유용 가스 도관 시스템으로 공급될 수 있다.

도 2는 도 1과 달리, 모든 생성물 가스가 압축기(7)에 의해 압축되고, 이어서 예를 들면 천연가스 공급 네트워크와 같은 유용 가스 도관 시스템(9)에 공급되는 실시예를 도시하고 있다. 이 경우, 기동 매체 라인(8)은 유용 가스 도관 시스템(9)에 연결된다. 도시한 메탄 플랜트는 예를 들면 합성 천연가스(SNG)가 천연가스 공급 네트워크에 주입될 수 있게 한다. 또한, 기동 매체 라인(8)이 메탄 플랜트를 시동하는 데에 이용될 수 있다는 이점 또한 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 유용 가스 내에 함유될 수 있는 황 성분으로부터 반응기(1)를 보호하기 위해 정제 탈황 처리가 이루어지도록 장치(10)가 마련된다.

Claims

일산화탄소 및 수소를 함유한 합성 가스를 메탄화가 이루어지도록 촉매를 수용한 반응기(1)에 공급하며,
상기 반응기(1)를 떠나는 프로세스 가스 스트림을 생성물 가스 스트림과 재순환 가스 스트림으로 나누며,
상기 재순환 가스 스트림을 이젝터(5)를 통과해 이동시켜 냉각될 반응기(1) 내로 보내게 되는,
합성 가스로부터 메탄 함유 가스를 제조하는 방법에 있어서,
상기 생성물 가스 스트림을 상기 반응기(1)에 공급되는 합성 가스의 압력보다 높은 압력으로 압축하며,
압축된 생성물 가스 스트림을 기동 매체(motive medium)로서 이젝터(5)에 공급하는 것을 특징으로 하는 메탄 함유 가스의 제조 방법.
일산화탄소 및 수소를 함유한 합성 가스를 메탄화가 이루어지도록 촉매를 수용한 반응기(1)에 공급하며,
상기 반응기(1)를 떠나는 프로세스 가스 스트림을 생성물 가스 스트림과 재순환 가스 스트림으로 나누며,
상기 재순환 가스 스트림을 이젝터(5)를 통과해 이동시켜 냉각될 반응기(1) 내로 보내게 되는,
합성 가스로부터 메탄 함유 가스를 제조하는 방법에 있어서,
상기 생성물 가스 스트림을 상기 반응기(1)에 공급되는 합성 가스의 압력보다 높은 압력으로 압축하며,
상기 생성물 가스 스트림은 유용 가스 도관 시스템(9) 내로 도입하며,
상기 유용 가스 도관 시스템(9)으로부터의 유용 가스를 기동 매체로서 이젝터에 공급하는 것을 특징으로 하는 메탄 함유 가스의 제조 방법.
제2항에 있어서, 상기 이젝터(5)에 기동 매체로서 공급되는 유용 가스는 정제 탈황 처리(fine desulfurization)를 겪게 되는 것을 특징으로 하는 메탄 함유 가스의 제조 방법.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 유용 가스 도관 시스템(9)은 천연가스 공급 네트워크인 것을 특징으로 하는 메탄 함유 가스의 제조 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합성 가스는 30 내지 50 bar의 압력으로 반응기(1)에 공급되는 것을 특징으로 하는 메탄 함유 가스의 제조 방법.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 생성물 가스 스트림은 60 내지 80 bar의 압력으로 압축되는 것을 특징으로 하는 메탄 함유 가스의 제조 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 메탄 함유 가스의 제조 방법을 실행하는 메탄 플랜트로서,
메탄화가 이루어지도록 촉매를 수용하며, 합성 가스의 공급 라인(2)이 연결된 입구를 구비하는 반응기(1);
상기 반응기(1)의 출구에 연결된 도관 시스템(3);
재순환 라인(4)에 마련되어, 도관 시스템(3)에 연결된 흡입측 및 반응기(1)의 입구에 연결된 압력측을 구비한 이젝터(5); 및
상기 재순환 라인(4)에 마련되거나, 상기 반응기(1)와 이젝터(5) 사이의 도관 시스템(3)에 마련된 적어도 하나의 냉각기(6)
를 포함하는 메탄 플랜트에 있어서,
상기 도관 시스템(3)은 흐름 방향으로 재순환 라인(4)의 분기 지점의 하류측에 압축기(7)를 포함하며,
상기 이젝터(5)의 기동 매체 입구 내로 기동 매체를 방출하는 기동 매체 라인(8)이 흐름 방향으로 압축기(7)의 하류측에서 도관 시스템(3)에 연결되거나, 이 도관 시스템(3)에 연결된 메탄 함유 가스를 위한 유용 가스 도관 시스템에 연결되는 것을 특징으로 하는 메탄 플랜트.