KR20150001483A

KR20150001483A - 액화천연가스를 이용한 디메틸에테르 생산 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20150001483A
Application number: KR1020130074786A
Authority: KR
Inventors: 손재욱
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2013-06-27
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2015-01-06

Abstract

액화천연가스를 이용한 디메틸에테르 생산 방법 및 시스템에 관한 것으로, LNG를 공급받아 기화가스를 생성하는 LNG 가스화(Re-gasfication) 유닛(10), 상기 LNG 가스화 유닛(10)에서 기화된 LNG를 이용하여 합성가스(syngas)를 생성하는 합성가스 생성유닛(12), 상기 합성가스 생성유닛(12)에서 공급된 합성가스를 이용하여 디메틸에테르(DME)로 합성하고 생성된 미반응 가스를 DME와 분리하는 DME 합성유닛(15), 상기 DME 합성유닛(15)에서 공급된 DME에서 생성된 이산화탄소와 DME/MeOH를 분리하는 DME 정화유닛(16)을 포함하는 구성에 의해, 설치면적을 축소하고, 냉동기 용량을 저감할 수 있다.

Description

액화천연가스를 이용한 디메틸에테르 생산 방법 및 시스템{DME production method and system for using LNG}

본 발명은 액화천연가스(LNG ; liquified natural gas)를 이용한 디메틸에테르(DME : Dimethyle ethere) 생산 방법 및 시스템에 관한 것으로, 특히 가스전이 없는 지역에서도 액화천연가스 수입을 통해 수송용 연료를 생산할 수 있는 액화천연가스를 이용한 DME 생산 방법 및 시스템에 관한 것이다.

디메틸에테르는 기존의 디젤연료와 상응하는 열효율을 나타내면서도 기존의 가솔린과 디젤연료에 비해 질소산화물 방출이 훨씬 낮으며, 스모그 생성이 거의 없고 엔진 소음도 작다. 따라서, 기존 국내 수송 연료의 30% 이상을 차지하는 디젤 연료 및 LPG(Liquefied Petroleum Gas)를 대체할 청정연료로 대량 활용될 것으로 전망되어, 효율적이고 안정적인 디메틸에테르의 대량 생산 시스템 구축에 관심이 모아지고 있다. 이러한 디메틸에테르는 메탄가스, 이산화탄소, 천연 가스로부터 제조할 수 있고, 오존층을 파괴하지 않는 친환경적 특성으로 인해 환경 문제와 대체에너지를 확보할 수 있는 최적의 에너지로 주목받고 있다.

합성가스(H₂, CO)로부터 DME를 직접 제조하는 합성 반응기에서는 메탄올 합성반응(2H₂ + CO → CH₃OH), 메탄올 탈수반응(2CH₃OH → DME + H₂O), 물 전환 반응(H₂O + CO → CO₂ + H₂)이 진행되는데, 상기 DME 합성 반응기에서 유출되는 혼합물에는 DME 외에 상당량의 메탄올(CH₃OH), H₂O, CO₂ 및 미반응 합성가스(H₂, CO), 불순물 등이 함유되어 있어 대체연료로 사용될 수 있는 순도로 DME를 분리해야 한다.

즉, DME 생산 공정은 합성가스(H₂, CO)와 DME 반응을 이용하여 수송용 연료로 활용할 수 있는 DME를 생산하는 공정으로, 현재는 천연가스를 주원료로 사용하고 있다.

이와 같은 천연가스를 이용한 DME 생산 공정에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 천연가스 내 불필요한 불순물(콘덴세이트(Condensate), H₂S, CO₂)을 제거하기 위해, 천연가스전에서 생산되는 천연가스 중 콘덴세이트 성분들을 분리하고 콘덴세이트의 사양을 조정하기 위한 주입구 분리 유닛(1), 천연가스에 포함되어 있는 황화수소를 제거하는 황 제거 유닛(2), 천연가스에 포함되어 있는 이산화탄소를 제거하는 이산화탄소 제거 유닛(4)을 마련한다.

특히 합성가스 내 이산화탄소를 제거하기 위한 이산화탄소 제거 유닛(4)에서는 -10℃의 냉매가 요구된다.

또한, 합성가스를 이용하여 DME로 합성하고 생성된 미반응 가스를 DME와 분리하는 DME 합성유닛(5)과 DME 반응기 후단 DME에서 생성된 이산화탄소, MeOH를 분리하는 DME 정화유닛(6)에서는 H₂, CH₄, CO등 액화 온도가 매우 낮은 물질을 포함한 미반응 가스와 DME를 분리하기 극저온(-68℃)으로 DME를 액화, 분리하며, 미반응 가스와 분리된 DME를 CO₂와 분리하기 위해 추가로 -10℃의 냉매가 사용된다.

한편, 공기 분리 유닛(7)에서 공급된 합성가스 생성에 필요한 산소는 처리된 천연가스와 기화된 LNG를 이용하여 합성가스(syngas)를 생성하는 합성가스 생성유닛(3)에 공급되고, 합성가스 생성유닛(3)과 DME 합성유닛(5)에서 발생하는 열은 증기 터빈(8)으로 회수되어 전기를 생산한다.

이와 같은 구성을 실현하기 위해 도 1에 도시된 시스템에서는 또한 냉각매체 유닛, 가열매체 유닛, 극저온 냉각 유닛 등을 필요로 한다.

이러한 기술의 일 예가 하기 특허문헌 등에 개시되어 있다.

즉, 하기 특허문헌 1에는 가스전에서 도입된 천연가스를 3상으로 분리된 콘덴세이트를 안정화시키는 안정화부, 상기 천연가스를 공급받아 산성가스를 제거하고 탈수를 실행하는 산성 가스제거 및 탈수부, 상기 산성 가스제거 및 탈수부에서 처리된 천연 가스를 액화시키는 LNG(liquefied natural gas) 액화부, 상기 LNG 액화부에서 처리되지 않은 프로판(C3), 부탄(C4), 펜탄(C5)을 분류하는 분류부 및 상기 분류부에서 공급된 프로판(C3) 및 부탄(C4)을 이용하여 디메틸에테르(DME) 및 메탄올(MeOH)을 생산하는 DME 및 메탄올 생성부를 포함하는 액상연료 시스템에 대해 개시되어 있다.

또한, 하기 특허문헌 2에는 디메틸에테르의 제조공정에 관한 것으로, 탈수반응 촉매 존재하에서 0 내지 80 몰%의 함수 메탄올을 반응시키는 단계, 상기 반응물을 단일 분리 컬럼으로 운반시켜 디메틸에테르, 물 및 미반응 메탄올을 분리하는 단계, 상기 디메틸에테르를 회수하고 사이드 스트림으로 미반응 메탄올을 회수하는 단계 및 상기 미반응 메탄올을 재순환시키는 단계를 포함하는 기술에 대해 개시되어 있다.

대한민국 공개특허공보 제2013-0047156호(2013.05.08 공개) 대한민국 공개특허공보 제2008-0020279호(2008.03.05 공개)

그러나 상술한 바와 같은 종래의 기술에서는 천연가스전에서 생산되는 천연가스는 일반적으로 콘덴세이트, 이산화탄소, 황화수소 등을 포함하고 있으며 DME 생산시 이를 분리하기 위한 장비가 설치되어야 한다.

또 DME 생산 공정 내에서 천연가스 내 이산화탄소 분리, DME 반응 후단에서 발생하는 DME와 미반응 가스의 분리, DME 반응에서 생성되는 이산화탄소의 분리 등에 극저온(-68℃/ -10℃)의 냉매가 요구된다.

이와 같은 극저온을 얻기 위해 냉동사이클의 설치가 요구되며, 이러한 냉동 사이클은 많은 양의 냉각수 공급과 이를 위한 제반 설비들이 요구된다는 문제가 있었다.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 천연가스전이 없는 지역에서도 LNG 수입과 다음 공정을 통해 수송용 연료(DME)를 생산할 수 있는 액화천연가스를 이용한 디메틸에테르 생산 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 기존 천연가스를 이용한 공정보다 공정이 단순화되어 설치면적을 감소하고, 공정에 사용되는 극저온 냉열을 LNG를 기화시키면서 얻을 수 있게 되어 냉동기 용량이 감소되며 전체 공정 효율을 증가된 액화천연가스를 이용한 디메틸에테르 생산 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 디메틸에테르 생산 시스템은 액화천연가스(LNG)를 이용하여 기화가스를 생성하는 제1 수단 및 상기 제1 수단에서 생성된 기화가스에서 디메틸에테르를 생산하는 제2 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 디메틸에테르 생산 시스템에 있어서, 상기 제1 수단은 LNG를 공급받아 기화가스를 생성하는 LNG 가스화(Re-gasfication) 유닛(10)을 포함하고, 상기 제2 수단은 상기 LNG 가스화 유닛(10)에서 기화된 LNG를 이용하여 합성가스(syngas)를 생성하는 합성가스 생성유닛(12), 상기 합성가스 생성유닛(12)에서 공급된 합성가스를 이용하여 디메틸에테르(DME)로 합성하고 생성된 미반응 가스를 DME와 분리하는 DME 합성유닛(15), 상기 DME 합성유닛(15)에서 공급된 DME에서 생성된 이산화탄소와 DME/MeOH를 분리하는 DME 정화유닛(16)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 디메틸에테르 생산 시스템에 있어서, 상기 LNG 가스화 유닛(10)에서 발생하는 극저온은 상기 DME 합성유닛(15)과 DME 정화유닛(16)으로 전달되는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 디메틸에테르 생산 시스템에 있어서, 상기 DME 합성유닛(15)과 DME 정화유닛(16)에서 발생하는 고온은 상기 LNG 가스화 유닛(10)으로 전달되는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 디메틸에테르 생산 시스템에 있어서, 상기 제2 수단은 상기 합성가스 생성유닛(12)에서 합성가스 생성에 필요한 산소를 공급하는 공기 분리 유닛(17) 및 상기 합성가스 생성유닛(12)과 DME 합성유닛(15)에서 발생하는 열을 이용하여 전기를 생성하는 증기 터빈(18)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 디메틸에테르 생산 방법은 액화천연가스(LNG)를 이용하여 디메틸에테르를 생산하는 방법으로서, (a) 액화천연가스(LNG)를 공급받아 가스화하는 단계, (b) 상기 단계 (a)에서 공급된 LNG를 공급받아 합성가스(syngas)를 생성하는 단계, (c) 상기 (b) 단계에서 합성된 합성가스를 이용하여 디메틸에테르(DME)로 합성하고 생성된 미반응 가스를 DME와 분리하는 단계, (d) 상기 (c) 단계에서 처리된 DME에서 생성된 이산화탄소와 DME/MeOH를 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 디메틸에테르 생산 방법에 있어서, 상기 (c) 단계와 상기 (d) 단계는 상기 (a) 단계에서 발생하는 극저온에 의해 실행되는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 디메틸에테르 생산 방법에 있어서, 상기 (a) 단계는 상기 (c) 단계와 상기 (d) 단계에서 발생하는 고온에 의해 실행되는 것을 특징으로 한다.

또 본 발명에 따른 디메틸에테르 생산 방법에 있어서, (e) 상기 단계 (b)에서 합성가스 생성에 필요한 산소를 공급하는 단계 및 (f) 상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계에서 발생하는 열을 이용하여 전기를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 디메틸에테르는 상술한 바와 같은 디메틸에테르 생산 방법에 의해 생성된 디메틸에테르인 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 액화천연가스를 이용한 디메틸에테르 생산 방법 및 시스템에 의하면, 천연가스전이 없는 지역에서 수송용 연료(DME)를 생산할 수 있고, 천연가스와 콘덴세이트 및 불순물 분리를 위한 주입 분리유닛, 황 제거유닛, 이산화탄소 제거유닛이 불필요하여 설치면적을 축소할 수 있다.

또, 본 발명에 따른 액화천연가스를 이용한 디메틸에테르 생산 방법 및 시스템에 의하면, 이산화탄소 제거유닛이 불필요하여 이산화탄소 제거유닛으로 공급되는 극저온 냉매의 공급량을 감소시켜 냉동기 용량, 예를 들어 200mmscfd 천연가스 내 이산화탄소 함량 10%일 경우 약 20MW를 감소할 수 있다.

또, 본 발명에 따른 액화천연가스를 이용한 디메틸에테르 생산 방법 및 시스템에 의하면, LNG의 극저온을 이용, DME 반응기 후단 미반응 가스와 DME를 분리하는 극저온 냉동용량을 감소, 예를 들어 DME 3000t/d 생산시 냉동용량 약 90% 이상을 감소하고, LNG의 극저온을 이용, DME와 반응기에서 생성된 이산화탄소와 DME를 분리하는 극저온 냉동용량을 감소, 예를 들어 DME 3000t/d 생산시 냉동용량 약 50% 이상을 감소할 수 있다.

도 1은 종래의 DME 생산 공정을 설명하기 위한 블록도,
도 2는 본 발명에 따른 DME 생산 공정을 설명하기 위한 블록도.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.

먼저, 본 발명의 개념에 대해 설명한다.

본 발명에 따른 액화천연가스를 이용한 디메틸에테르 생산 방법 및 시스템에서는 LNG를 이용해 DME를 생산하기 위해서는 LNG를 가스화하는 공정을 마련한다.

또 추가적인 장비 없이 열교환기 이용해 DME 반응기 후단 미반응 가스와 DME를 분리하는 부분에 극저온 냉동을 공급할 수 있다.

또한, DME와 반응기에서 생성된 CO2를 분리하는데에도 극저온을 공급할 수 있다는 특징이 있다.

이하, 본 발명의 구성 및 동작에 대해 도 2에 따라서 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 DME 생산 공정을 설명하기 위한 블록도 이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 액화천연가스를 이용한 디메틸에테르 시스템은 LNG를 공급받아 기화가스를 생성하는 LNG 가스화(Re-gasfication) 유닛(10), 상기 LNG 가스화 유닛(10)에서 기화된 LNG를 이용하여 합성가스(syngas)를 생성하는 합성가스 생성유닛(12), 상기 합성가스 생성유닛(12)에서 공급된 합성가스를 이용하여 DME로 합성하고 생성된 미반응 가스를 DME와 분리하는 DME 합성유닛(15), 상기 DME 합성유닛(15)에서 공급된 DME에서 생성된 이산화탄소와 DME/MeOH를 분리하는 DME 정화유닛(16)을 포함한다.

또 본 발명에 따른 디메틸에테르 생산 시스템에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 합성가스 생성유닛(12)에서 합성가스 생성에 필요한 산소를 공급하는 공기 분리 유닛(17) 및 상기 합성가스 생성유닛(12)과 DME 합성유닛(15)에서 발생하는 열을 이용하여 전기를 생성하는 증기 터빈(18)을 더 마련한다.

이와 같은 시스템에 의해 천연가스와 콘덴세이트 및 불순물 분리를 위한 주입 분리유닛, 황 제거유닛, 이산화탄소 제거유닛이 불필요하여 시스템의 설치면적을 축소할 수 있다.

또 도 2에서 화살표로 도시된 바와 같이, 상기 LNG 가스화 유닛(10)에서 발생하는 극저온은 상기 DME 합성유닛(15)과 DME 정화유닛(16)으로 전달되고, 상기 DME 합성유닛(15)과 DME 정화유닛(16)에서 발생하는 고온은 상기 LNG 가스화 유닛(10)으로 전달된다.

이와 같은 구성을 마련하는 것에 의해, LNG 가스화 유닛(10)에서의 극저온을 이용할 수 있어, DME 반응기 후단 미반응 가스와 DME를 분리하는 극저온 냉동용량을 감소하고, DME와 반응기에서 생성된 이산화탄소와 DME/MeOH를 분리하는 극저온 냉동용량을 감소할 수 있다.

다음에 상술한 바와 같은 디메틸에테르 생산 시스템의 각각의 공정에 대해 도 2에 따라 설명한다.

본 발명에 따른 액화천연가스(LNG)를 이용하여 디메틸에테르를 생산하는 방법은 먼저 LNG 가스화 유닛(10)에서 액화천연가스(LNG)를 공급받아 가스화한다.

합성가스 생성유닛(12)에서는 상기 LNG 가스화 유닛(10)에서 기화된 LNG와 공기 분리 유닛(17)에서 공급된 산소를 이용하여 합성가스(syngas)를 생성한다. 이와 같은 합성가스의 생성에서 발생한 열은 전기를 생성하도록 증기 터빈(18)에 공급된다.

상기 합성가스는 DME 합성유닛(15)에서 DME로 합성하고 생성된 미반응 가스를 DME와 분리된다. 이와 같은 DME의 합성에서 발생한 열도 전기를 생성하도록 증기 터빈(18)에 공급된다. 한편, 상기 DME 합성유닛(15)에서 미반응 가스와 DME의 분리는 상기 LNG 가스화 유닛(10)에서 발생하는 극저온에 의해 실행된다.

다음에 DME 정화유닛(16)은 DME 합성유닛(15)에서 합성된 DME에서 이산화탄소와 DME/MeOH를 분리하여 배출한다. 또한, 상기 DME 정화유닛(16)에서 이산화탄소와 DME/MeOH의 분리는 상기 LNG 가스화 유닛(10)에서 발생하는 극저온에 의해 실행된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 디메틸에테르 생산 방법은 LNG 가스화 유닛(10)에서 발생하는 극저온을 DME 합성유닛(15)과 DME 정화유닛(16)에 적용하므로 종래의 기술에 의해 냉동기 용량을 저감할 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

10 : LNG 가스화 유닛
12 : 합성가스 생성유닛
15 : DME 합성유닛
16 : DME 정화유닛
17 : 공기 분리 유닛
18 : 증기 터빈

Claims

액화천연가스(LNG)를 이용하여 기화가스를 생성하는 제1 수단 및
상기 제1 수단에서 생성된 기화가스에서 디메틸에테르를 생산하는 제2 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 디메틸에테르 생산 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1 수단은 LNG를 공급받아 기화가스를 생성하는 LNG 가스화(Re-gasfication) 유닛(10)을 포함하고,
상기 제2 수단은 상기 LNG 가스화 유닛(10)에서 기화된 LNG를 이용하여 합성가스(syngas)를 생성하는 합성가스 생성유닛(12),
상기 합성가스 생성유닛(12)에서 공급된 합성가스를 이용하여 디메틸에테르(DME)로 합성하고 생성된 미반응 가스를 DME와 분리하는 DME 합성유닛(15),
상기 DME 합성유닛(15)에서 공급된 DME에서 생성된 이산화탄소와 DME/MeOH를 분리하는 DME 정화유닛(16)을 포함하는 것을 특징으로 하는 디메틸에테르 생산 시스템.
제2항에 있어서,
상기 LNG 가스화 유닛(10)에서 발생하는 극저온은 상기 DME 합성유닛(15)과 DME 정화유닛(16)으로 전달되는 것을 특징으로 하는 디메틸에테르 생산 시스템.
제2항에 있어서,
상기 DME 합성유닛(15)과 DME 정화유닛(16)에서 발생하는 고온은 상기 LNG 가스화 유닛(10)으로 전달되는 것을 특징으로 하는 디메틸에테르 생산 시스템.
제2항에 있어서,
상기 제2 수단은 상기 합성가스 생성유닛(12)에서 합성가스 생성에 필요한 산소를 공급하는 공기 분리 유닛(17) 및
상기 합성가스 생성유닛(12)과 DME 합성유닛(15)에서 발생하는 열을 이용하여 전기를 생성하는 증기 터빈(18)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디메틸에테르 생산 시스템.
액화천연가스(LNG)를 이용하여 디메틸에테르를 생산하는 방법으로서,
(a) 액화천연가스(LNG)를 공급받아 가스화하는 단계,
(b) 상기 단계 (a)에서 공급된 LNG를 공급받아 합성가스(syngas)를 생성하는 단계,
(c) 상기 (b) 단계에서 합성된 합성가스를 이용하여 디메틸에테르(DME)로 합성하고 생성된 미반응 가스를 DME와 분리하는 단계,
(d) 상기 (c) 단계에서 처리된 DME에서 생성된 이산화탄소와 DME/MeOH를 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디메틸에테르 생산 방법.
제6항에 있어서,
상기 (c) 단계와 상기 (d) 단계는 상기 (a) 단계에서 발생하는 극저온에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 디메틸에테르 생산 방법.
제6항에 있어서,
상기 (a) 단계는 상기 (c) 단계와 상기 (d) 단계에서 발생하는 고온에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 디메틸에테르생산 방법.
제6항에 있어서,
(e) 상기 단계 (b)에서 합성가스 생성에 필요한 산소를 공급하는 단계 및
(f) 상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계에서 발생하는 열을 이용하여 전기를 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디메틸에테르 생산 방법.
특허청구의 범위 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항의 디메틸에테르 생산 방법에 의해 생성된 것을 특징으로 하는 디메틸에테르.