KR20150012401A - Fpso의 gtl 생산 공정 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

FPSO의 GTL 생산 공정 및 GTL 생산 시스템이 개시된다. 본 발명의 FPSO의 GTL 생산 공정은, FPSO의 GTL 공정에 있어서, 1) 해상의 가스전에서 생산된 천연가스를 전처리하는 단계; 2) 전처리된 상기 천연가스에 수증기 및 이산화탄소를 공급하고 촉매하에서 반응시켜 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 생성하는 개질 단계; 3) 상기 합성가스를 피셔-트롭시 반응기에 공급하고 반응시켜 액상 탄화수소를 생성하는 합성 단계; 및 4) 상기 액상 탄화수소를 가스, 나프타 및 합성원유로 분리하고 수소를 공급하여 하이드로피니싱(hydrofinishing)하는 업그레이딩 단계를 포함한다.

Description

FPSO의 GTL 생산 공정 및 시스템{GTL Producing Method And System For FPSO}
본 발명은 FPSO의 GTL 생산 공정 및 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해상의 가스전에서 생산된 천연가스를 전처리하여, 전처리된 천연가스의 개질 단계와, 개질 단계로 생성된 합성가스로 액상 탄화수소를 생성하는 합성 단계와, 액상 탄화수소를 하이드로피니싱(hydrofinishing)하는 업그레이딩 단계를 거쳐 GTL을 생산하는 FPSO의 GTL 생산 공정 및 시스템에 관한 것이다.
GTL(Gas To Liquid)이란, 천연가스를 가공하여 액체상태의 합성석유를 생산하는 기술 및 그 생성물을 의미한다. 지속적인 고유가 현상과 친환경 에너지에 대한 요구에 따라, 천연가스로부터 수송용 연료인 디젤 등의 액체연료를 만드는 GTL에 대한 관심이 높아지고 있다. GTL은 천연가스를 탈황하는 공정을 거쳐 생산되므로, 대기오염물질은 황 성분을 거의 포함하지 않기 때문에 청정연료로 분류될 수 있기 때문이다.
GTL 기술의 핵심 공정인 피셔-트롭시(Fischer-Tropsch) 합성법은 1923년 독일의 화학자인 Fischer와 Tropsch가 석탄 가스화에 의한 합성가스로부터 합성연료를 제조하는 기술을 개발하면서 시작되었다.
GTL 공정은 천연가스의 개질 반응, 합성가스의 F-T 합성반응 및 생성물의 개질 반응이라는 주요 3 단계의 공정으로 구성된다.
우선 천연가스로부터 합성 가스를 생성하는 개질 반응 단계는 천연가스의 주성분인 메탄의 개질 반응을 통하여 이루어지는데, 개질 반응법은 크게 수증기 개질법, 부분산화법, 자열산화법 및 수증기 이산화탄소 개질법 등이 대표적이다.
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개질 반응을 통해 생성된 합성 가스는, F-T 합성반응을 거쳐 선형 파라핀계 탄화수소를 생성하는데, F-T 반응기는 고정층(fixed bed)→순환 유동층(circulating fluid bed)→고정 유동층(fixed fluid bed)→슬러리(slurry) 순서로 발전되고 있다. F-T 합성반응은 다음과 같은 4개의 주요 반응으로 이루어진다.
① FT synthesis (chain growth)
CO + 2H2 → -CH2- + H2O ΔH(227℃) = -165 kJ/mol
② Methanation
CO + 3H2 → CH4 + H2O ΔH(227℃) = -215 kJ/mol
③ Water gas shift
CO + H2O ↔ CO2 + H2 ΔH(227℃) = -40 kJ/mol
④ Boudouard reaction
2CO ↔ C + CO2 ΔH(227℃) = -134 kJ/mol
F-T 합성반응을 통해 생성된 고비점의 왁스 생성물은 개질 반응(upgrading)을 거쳐 저비점의 연료로 정제되어 사용될 수 있다.
이와 같은, GTL 기술은 수송용 연료에 대한 환경 규제에 따라 수소 연료의 상용화 이전까지는 경제성 있는 유일한 청정연료 제조기술이 될 것으로 기대된다. 그러나, 선발업체들이 시장을 선점하고 있으며, 진입 장벽이 높아 자체 기술개발이 필요한 분야이고, 이에 따라 국책연구과제로 국산 GTL 기술에 대한 연구 개발이 진행되고 있다.
한국 특허 출원번호 제10-2007-0103677호
최근 해양 가스전의 개발이 활발히 진행되고 있어, 해양의 가스전에서 생산된 천연가스에 GTL 기술을 적용하는 해양 플랜트가 경쟁력 있는 기술이 될 것으로 기대된다.
그러나, 육상의 GTL 플랜트 기술은, 해양 환경으로 인한 다양한 변수들로 인해 그대로 해양 플랜트화하기는 어렵다.
해양 플랜트는 한정된 공간 활용, 조류 등에 의한 움직임에 대한 안정성, 플랜트의 무게와 무게 중심을 고려하여 설계되어야 하고, 필요한 원료나 장비 부품을 즉시 공급받지 못할 수 있다는 점이 고려되어야 한다. 따라서, 가능한 만큼 공정의 수를 줄일 수 있도록 설계하여, 공정을 단순화하고 플랜트를 컴팩트하게 하여야 한다.
도 1에는 종래의 GTL 생산 공정에서 개질된 합성가스의 F-T 합성 반응과 업그레이딩 공정의 흐름을 개략적으로 도시하였다.
도 1에 도시된 것과 같이, 개질된 합성가스(Syngas)가 F-T 합성 반응기(FT)로 도입되어 FT Liquid가 합성된다. F-T 합성 반응기의 생성물은 세퍼레이터를 거쳐 하이드로크래킹(HCK) 및 하이드로트리팅(HDT)을 통해 업그레이드된다.
한편, 미전환된 H2와 CO는 세퍼레이터에서 분리되어 F-T 합성 반응기(FT)로 재도입된다. 하이드로크래킹(HCK)은 왁스(wax)의 중질 n-파라핀을 경질 n-파라핀이나 iso-파라핀으로 전환하는 공정이며, 하이드로트리팅(HDT)은 선형 파라핀 및 올레핀을 수소화 및 이성화하는 공정이다.
이러한 업그레이딩 공정은 공정이 복잡하여, 필요한 장비의 수가 많고, 공정 후 생성되는 GTL의 종류가 다양하여 이들을 저장하기 위한 여러 개의 탱크가 마련되어야 한다. 업그레이딩 공정에 많은 장비가 필요하고 탱크의 수가 많아짐에 따라 해양 플랜트화하기에는 설비의 배치가 비효율적이다.
또한 업그레이드를 위해 다량의 수소가 필요하여 수소플랜트가 필수적 구성요소로 필요하며, 육상 플랜트의 경우 업그레이딩 공정에서의 비용이 전체 플랜트 시설비의 10 %에 달할 정도로 비중이 컸다.
본 발명은 이러한 문제를 해결할 수 있는, 해양 플랜트에 적합한 GTL 공정을 제안하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, FPSO의 GTL 공정에 있어서,
1) 해상의 가스전에서 생산된 천연가스를 전처리하는 단계;
2) 전처리된 상기 천연가스에 수증기 및 이산화탄소를 공급하고 촉매하에서 반응시켜 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 생성하는 개질 단계;
3) 상기 합성가스를 피셔-트롭시 반응기에 공급하고 반응시켜 액상 탄화수소를 생성하는 합성 단계; 및
4) 상기 액상 탄화수소를 가스, 나프타 및 합성원유로 분리하고 수소를 공급하여 하이드로피니싱(hydrofinishing)하는 업그레이딩 단계를 포함하는 FPSO의 GTL 생산 공정이 제공된다.
바람직하게는 상기 업그레이딩 단계는,
1) 상기 합성 단계에서 생성된 상기 액상 탄화수소를 탄소수 1 내지 4의 가스, 나프타 및 합성원유로 분리하는 분리 단계; 및
2) 분리된 나프타에 수소를 공급하여 올레핀을 포화시키는 하이드로피니싱 단계를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 하이드로피니싱 단계에서 생성되는 응축물(condensate)은 분리되어, 상기 분리 단계에서 분리된 합성원유에 혼합되며, 상기 하이드로피니싱 단계를 통해, 저장 및 운송 중에 상기 나프타 및 합성원유 중 적어도 하나에 포함된 올레핀의 검(gum) 형성 및 중합 반응(polymerization)이 방지될 수 있다.
바람직하게는, 상기 분리 단계에서 분리된 탄소수 1 내지 4의 가스는 상기 FPSO의 연료로 공급될 수 있다.
바람직하게는, 상기 하이드로피니싱 단계는 250 내지 290 ℃의 온도, 15 내지 30 bar의 압력인 상대적으로 낮은 온도 및 압력 조건하에서 수행될 수 있다.
바람직하게는, 상기 개질 단계에서 개질 후 생성된 합성가스를, 상기 합성 단계의 피셔-트롭시 반응기로 공급하기 전에 컨디셔닝(conditioning)하는 컨디셔닝 단계를 더 포함하며, 컨디셔닝 중 발생하는 수소의 적어도 일부는 상기 업그레이딩 단계로 공급될 수 있다.
바람직하게는, 상기 개질 단계는 스팀 이산화탄소 개질기(Steam CO2 Reformer, SCR)로 이루어지고, 상기 합성 단계의 피셔-트롭시 반응기는 슬러리 상 반응기(Slurry Phase Reactor, SPR)로 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 상기 스팀 이산화탄소 개질기는 컴팩트 리포머(Compact Reformer)일 수 있다.
바람직하게는, 상기 컴팩트 리포머에서는 이산화탄소가 수성 가스 전환(water gas shift reaction)의 역반응으로 상기 합성가스의 생성반응에 참여할 수 있다.
바람직하게는, 상기 슬러리 상 반응기에서 미반응된 상기 합성가스는 회수되어 상기 합성 단계로 재도입될 수 있다.
바람직하게는, 상기 합성 단계 및 개질 단계에서 발생되는 스팀은 상기 FPSO에 마련된 스팀 터빈 발전기에 공급되어 발전할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, FPSO의 GTL 생산 시스템에 있어서,
해상의 가스전에서 생산된 천연가스가 탈황처리를 포함하여 전처리되는 전처리 유닛;
상기 전처리 유닛으로부터 상기 천연가스를 공급받아 수증기 및 이산화탄소를 공급하고 촉매하에서 반응시켜 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 생성하는 스팀 이산화탄소 개질기(SCR);
상기 스팀 이산화탄소 개질기로부터 상기 합성가스를 공급받아 액상 탄화수소를 생성하는 슬러리 상 반응기(SPR); 및
수소 및 상기 슬러리 상 반응기로부터의 상기 액상 탄화수소를 공급받아 하이드로피니싱하여 나프타 및 합성원유를 생산하는 업그레이딩 유닛을 포함하는 FPSO의 GTL 생산 시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 스팀 이산화탄소 개질기에서 생성된 상기 합성가스를 상기 슬러리 상 반응기로 도입되기에 앞서 컨디셔닝하는 컨디셔닝 유닛을 더 포함하며, 상기 컨디셔닝 유닛에서 생성된 수소는 상기 업그레이딩 유닛으로 공급될 수 있다.
바람직하게는, 상기 업그레이딩 유닛은 상기 액상 탄화수소에 수소를 공급하여 하이드로피니싱하여 상기 나프타 및 합성원유 중 적어도 하나에 포함된 올레핀을 포화시켜, 상기 나프타 및 합성원유 중 적어도 하나의 저장 및 이송 중 상기 올레핀의 검(gum) 형성 및 중합 반응(polymerization)이 방지될 수 있다.
바람직하게는, 상기 슬러리 상 반응기 및 상기 업그레이딩 유닛에서 생성된 탄소수 1 내지 4의 화합물은 상기 FPSO의 복합발전 시스템의 연료로 공급될 수 있다.
본 발명의 FPSO의 GTL 생산 공정 및 시스템은 해상의 가스전에서 생산된 천연가스를 전처리하여, 전처리된 천연가스의 개질 단계와, 개질 단계로 생성된 합성가스로 액상 탄화수소를 생성하는 합성 단계와, 액상 탄화수소를 하이드로피니싱(hydrofinishing)하는 업그레이딩 단계를 거쳐 GTL을 생산한다.
본 발명은 GTL 생산 공정을 해양 플랜트 환경에 최적화하고, 특히 업그레이딩 공정을 단순화시킴으로써, FPSO의 한정된 상부 공간(Topside)에 효과적으로 배치할 수 있는 GTL 생산 공정 및 시스템을 제공할 수 있다.
또한 본 발명의 GTL 생산 공정 및 시스템으로 생산되는 GTL은 동일한 하역 장비를 공유하여 텐뎀 방식 하역(Tandem Offloading)할 수 있어 FPSO에 탑재되는 컴팩트한 해양 플랜트를 구현하는데 특히 적합하다.
도 1은 종래의 GTL 생산 공정에서 개질된 합성가스의 F-T 합성 반응과 업그레이딩 공정의 흐름을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 GTL 생산 공정의 흐름을 개략적으로 도시하고, 도 3은 세부적인 공정 흐름을 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 업그레이딩 단계의 공정 흐름을 별도로 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 GTL 생산 공정이 적용된 플랜트가 topside에 마련된 FPSO를 개략적으로 도시한다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
천연가스를 이용한 제품화(monetization)는 크게 4가지로 분류할 수 있다. 가장 일반적인 천연가스의 액화를 통한 ①LNG 생산을 비롯하여, 천연가스 개질, 합성, 분리 및 정제를 통한 ②DME 생산, ③메탄올 생산, ④GTL 생산이 있는데, 본 발명은 그 중 석유 디젤을 대체하여 수송용 청정 연료로 이용될 수 있는 GTL의 생산 공정에 관한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 GTL 생산 공정의 흐름을 개략적으로 도시하는데, 본 실시예의 공정은 천연가스에 산소, 물, 이산화탄소를 공급하여 개질하고(Reforming), 개질로 생성된 합성가스를 반응기에 넣어 액상의 탄화수소를 합성하고(Synthesis), 이를 업그레이드하는 단계로 나프타와 합성원유를 포함하는 GTL을 생산한다. 도 3에는 본 실시예의 보다 세부적인 공정 흐름을 도시하였다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 GTL 생산 공정은 FPSO(Floating Production, Storage and Offloading)에서의 GTL 생산을 위한 공정으로서, 1) 해상의 가스전에서 생산된 천연가스를 전처리하는 단계(100), 2) 전처리된 천연가스에 수증기 및 이산화탄소를 공급하고 촉매하에서 반응시켜 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 생성하는 개질 단계(200), 3) 합성가스를 피셔-트롭시 반응기에 공급하고 반응시켜 액상 탄화수소를 생성하는 합성 단계(300), 4) 생성된 액상 탄화수소를 가스, 나프타 및 합성원유로 분리하고 수소를 공급하여 하이드로피니싱(hydrofinishing)하는 업그레이딩 단계(400)를 포함하여 생산된다.
전처리 단계는 해상의 가스전에서 생산된 천연가스를 안정화하는 단계(Gas Inlet Stabilization, 110), 탈황(Sulfur Removal Saturator, 120) 처리 단계 및 전개질(Pre-Reformer) 단계 등을 포함할 수 있다. 전처리를 거쳐 대부분의 성분이 메탄으로 이루어지게 된 천연가스가 개질 단계(200)로 공급된다.
본 실시예에서 개질 단계(200)는 스팀 이산화탄소 개질기(Steam CO2 Reformer, SCR)로, 합성 단계(300)의 피셔-트롭시 반응기는 슬러리 상 반응기(Slurry Phase Reactor, SPR)로 이루어질 수 있다.
본 실시예의 스팀 이산화탄소 개질기로는, 예를 들어 DPT의 컴팩트 리포머(Compact Reformer)가 적용될 수 있다. 일반적으로 스팀 이산화탄소 개질기에서의 주요 반응식은 CH4 + H2O → 3H2 + CO, CH4 + CO2 → 2CO + H2이며, 개질기를 거쳐 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스가 생성된다.
이와 같은, 일반적인 스팀 이산화탄소 개질기에서의 이산화탄소가 참여하는 합성가스 합성반응(CH4 + CO2 → 2CO + H2)은, 이산화탄소의 개질 반응에서 부생반응인 코킹 현상(coking reaction)으로 인해 촉매의 활성이 저하되어 전환율이 낮아질 수 있다.
여기서 Compact Reformer를 적용하면, Feed gas 중 이산화탄소는 H2 + CO2 → CO + H2O의 수성 가스 전환(water gas shift reaction)의 역반응에 의해 합성가스의 합성반응에 참여하게 된다. 따라서 이와 같은 Compact Reformer를 적용할 경우, R Ratio=(H2 - CO2)/(CO + CO2)≒2.1을 만족할 수 있어 코킹 현상을 방지할 수 있으므로 촉매의 수명이 길고 전환율도 높일 수 있다.
한편, 이와 같은 스팀 이산화탄소 개질기는 CO2 tolerance가 높아서, CO2가 많은 한계 유전(Numerous stranded gas fields)에 적용할 수 있고, 이산화탄소 함량이 30 %까지의 고이산화탄소 천연가스(high CO2 natural gas)에도 활용하여 운영할 수 있다. 특히 Compact Reformer와 같은 스팀 이산화탄소 개질기는 산소분리장치(ASU)가 필요 없는 공정으로, Safety Concern이 낮으며, 상대적으로 ATR(Autothermal Reactor) 또는 POX(Partial Oxidation Reactor)보다 요구하는 Space, Weight, Height, 전기소모량 등이 적다. 또한 GTL 공정을 위해 필요한 Target이 되는 약 2.0의 H2/CO ratio을 맞출 수 있다.
또한, Compact Reformer는 다른 개질기와 비교하여, Ship motion effects가 상대적으로 작고, 열교환기 형태의 반응기 구조로 크기가 작아 설치를 위해 필요한 공간이 상대적으로 작으므로 해양 플랜트에 특히 적합하다.
스팀 이산화탄소 개질기에서 개질 단계(200)를 거쳐 개질 후 생성된 합성가스는, 컨디셔닝 단계(250)를 거쳐 컨디셔닝(conditioning)한 후, 합성 단계(300)의 피셔-트롭시 반응기로 공급될 수 있다. 컨디셔닝은 합성가스의 성분을 조정하는 과정으로, 합성가스의 컨디셔닝 중 발생하는 수소의 적어도 일부는 상술한 업그레이딩 단계(400)의 하이드로피니싱을 위해 공급될 수 있다.
본 실시예에서는 피셔-트롭시 반응기로 슬러리 상 반응기(Slurry Phase Reactor)를 적용하는데, 예를 들어 Sasol SPR (Slurry Phase Reactor)이 적용될 수 있다. SPR (Slurry Phase Reactor)는 Ship Motion Effects가 작고, 총 필요 공간 및 장치 무게가 비교적 작아 해양 플랜트에 적용하기에 적합하다. 또한, 촉매가 부유 및 순환하는 구조로서, MTFB(Multi-Tubular Fixed Bed) Reactor와 같은 다른 반응기에 비해 촉매의 교체가 수월하여 장비 등의 교체나 공급이 원활하지 못할 수도 있는 해양 플랜트에 효과적이다.
도 4에는 업그레이딩 단계(400)의 공정 흐름만을 별도로 도시하였다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 업그레이딩 단계(400)는, 1) 합성 단계(300)에서 생성된 액상 탄화수소를 탄소수 1 내지 4의 가스, 나프타 및 합성원유로 분리하는 분리 단계(410)와, 2) 분리된 나프타에 수소를 공급하여 올레핀을 포화시키는 하이드로피니싱 단계(420)를 포함하고, 하이드로피니싱 단계(420)에서 생성되는 응축물(condensate)은 분리되어, 상술한 분리 단계에서 분리된 합성원유에 혼합된다(430).
피셔 트롭시 반응기에서 생성되어 분리 단계(410)에서 분리된 합성원유(도면 4의 wax)와 하이드로피니싱 단계(420)에서 생성된 응축물은 혼합되어(430) 함께 합성원유(Syscrude)로서 선적하여 운송된다.
본 실시예의 하이드로피니싱 단계(420)는 250 내지 290 ℃의 온도, 15 내지 30 bar의 압력인 상대적으로 낮은 온도 및 압력 조건하에서 수행되는데, 이와 같은 하이드로피니싱 단계를 통해, 저장 및 운송 중에 나프타 및 합성원유 중 적어도 하나에 포함된 올레핀의 검(gum) 형성 및 중합 반응(polymerization)이 방지된다.
피셔-트롭시 반응기를 거쳐 생성된 액상 탄화수소의 업그레이드 공정(400)은 생산될 최종 생성물의 종류에 따라 여러 가지 공정으로 설계할 수 있다. 육상 플랜트에서와 같이 하이드로크랙킹과 하이드로트리팅 공정을 포함하여 full upgrading하는 경우 다양한 생성물을 생산할 수 있어 육상 플랜트에는 바람직할 수 있으나, 해양 플랜트에 적용할 경우 공정의 설계가 복잡해지고, 생성물의 종류별로 탱크를 마련하여 저장해야 하므로 탱크의 수가 많아져 설치공간 및 비용이 높아지며 효율적으로 배치되기 어렵다. 생성물을 하역할 때에도 종류에 따라 다른 하역 설비를 거쳐야하므로 배관 배치가 복잡해진다.
본 실시예에서는 하이드로피니싱 단계(420)를 통해 나프타 또는 합성원유에 포함된 올레핀을 수소화하여, 올레핀의 저장 및 운송 과정에서의 검(gum) 형성 및 중합 반응(polymerization)을 방지하는 Simplified Upgrading Process를 거쳐 업그레이드한다.
본 실시예에서는 이처럼 나프타와 합성원유만을 GTL 제품으로 생산하도록 공정을 설계하고 상대적으로 낮은 압력 및 온도 조건에서 운전할 수 있는 하이드로피니싱만으로 액상 탄화수소를 업그레이드시킨다. 따라서 업그레이드 단계(400)의 공정이 단순해지고 공정에 필요한 수소의 양이 적어 장비의 수가 적어지므로 한정된 FPSO의 공간에 적용하기에 적합하다.
상술한 합성 단계(300)의 슬러리 상 반응기에서 미반응된 합성가스는 회수되어 합성 단계의 슬러리 상 반응기 전단으로 재도입될 수 있다(도 4의 합성단계(300) 부분 참조).
본 실시예에서, 분리 단계(410)에서 분리된 탄소수 1 내지 4의 가스는 FPSO의 연료로 공급될 수 있고, 합성 단계(300) 및 개질 단계(200)에서 발생되는 스팀은 FPSO에 마련된 스팀 터빈 발전기에 공급되어 발전할 수 있다.
분리 단계(410)에서 분리된 가스는 대부분 경질 올레핀으로 구성되며, 저장해두었다가 이송하기에는 비교적 소량이므로 FPSO에서 연료로 소비하는 것이 바람직하기 때문이며, 합성 단계(300) 및 개질 단계(200)의 스팀을 스팀 터빈 발전기에 공급하여 발전함으로써 FPSO에 필요한 전기도 생산하고 에너지 효율도 높일 수 있다.
도 5에는 본 실시예에 따른 GTL 생산 공정이 적용되어 각각의 공정 단계를 위한 설비들(100, 200, 300, 400, 500)이 FPSO의 topside에 마련된 모습과, 공정 단계의 흐름을 개략적으로 도시하였다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, FPSO의 GTL 생산 시스템에 있어서,
해상의 가스전에서 생산된 천연가스가 탈황처리를 포함하여 전처리되는 전처리 유닛;
전처리 유닛으로부터 천연가스를 공급받아 수증기 및 이산화탄소를 공급하고 촉매하에서 반응시켜 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 생성하는 스팀 이산화탄소 개질기(SCR);
스팀 이산화탄소 개질기로부터 합성가스를 공급받아 액상 탄화수소를 생성하는 슬러리 상 반응기(SPR); 및
수소 및 슬러리 상 반응기로부터의 액상 탄화수소를 공급받아 하이드로피니싱하여 나프타 및 합성원유를 생산하는 업그레이딩 유닛을 포함하는 FPSO의 GTL 생산 시스템이 제공된다.
본 시스템은 바람직하게는, 스팀 이산화탄소 개질기에서 생성된 합성가스를 슬러리 상 반응기로 도입되기에 앞서 컨디셔닝하는 컨디셔닝 유닛을 더 포함하며, 컨디셔닝 유닛에서 생성된 수소는 상기 업그레이딩 유닛으로 공급될 수 있다.
본 시스템에서, 업그레이딩 유닛은 상기 액상 탄화수소에 수소를 공급하여 하이드로피니싱하여 나프타 및 합성원유 중 적어도 하나에 포함된 올레핀을 포화시켜, 나프타 및 합성원유 중 적어도 하나의 저장 및 이송 중 올레핀의 검(gum) 형성 및 중합 반응(polymerization)이 방지될 수 있다.
본 시스템에서 바람직하게는, 슬러리 상 반응기 및 업그레이딩 유닛에서 생성된 탄소수 1 내지 4의 화합물은 FPSO의 복합발전 시스템의 연료로 공급될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 FPSO의 GTL 생산 공정 및 시스템은 해상의 가스전에서 생산된 천연가스를 전처리하여, 전처리된 천연가스를 스팀 이산화탄소 개질기로 개질하고, 개질 단계로 생성된 합성가스를 슬러리 상 반응기로 액상 탄화수소를 합성한 후, 합성된 액상 탄화수소를 하이드로피니싱(hydrofinishing)하는 업그레이딩 단계를 거쳐 GTL을 생산한다. 이를 통해 본 발명은 해양 플랜트 환경에 최적화된 GTL 생산 공정 및 생산 시스템을 제공한다.
특히 본 발명은 합성된 액상 탄화수소의 업그레이딩 공정을 하이드로피니싱으로 단순화시킴으로써, 복잡한 업그레이드에 따른 장비들을 요하지 않아 FPSO의 한정된 상부 공간(Topside)에 효과적으로 배치할 수 있고, 장비의 설치 및 유지 보수가 간편해진다. 또한 기존의 육상 플랜트의 복잡한 업그레이드에서와 같은 다량의 수소를 요하지 않아, 대형화된 수소 플랜트가 필요하지 않고, 업그레이딩 공정의 시설 및 운영비를 절감할 수 있다.
또한 본 발명의 GTL 생산 공정 및 시스템은 나프타, 합성원유 및 하이드로피니싱 중 생성된 응축물(condensate)의 세 가지 GTL만을 생산하므로, GTL을 저장하기 위한 탱크의 종류를 간단해지고 탱크 및 이송용 배관의 배치도 단순화할 수 있다. 본 발명으로 생산되는 GTL은 동일한 하역 장비를 공유하여 텐뎀 방식 하역(Tandem Offloading)할 수 있어 하역 설비도 단순화할 수 있으므로, FPSO에 탑재되는 컴팩트한 해양 플랜트를 구현하는데 특히 적합하다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
100: 전처리 단계
110: 안정화 공정
120: 탈황 공정
200: 개질 단계
250: 컨디셔닝 단계
300: 합성 단계
350: 회수(heavy ends recovery)
400: 업그레이딩 단계
410: 분리 단계
420: 하이드로피니싱 단계
430: 응축물 혼합
440: 개질
450: 응축물 혼합
500: Topside 공정부

Claims (15)

  1. FPSO의 GTL 공정에 있어서,
    1) 해상의 가스전에서 생산된 천연가스를 전처리하는 단계;
    2) 전처리된 상기 천연가스에 수증기 및 이산화탄소를 공급하고 촉매하에서 반응시켜 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 생성하는 개질 단계;
    3) 상기 합성가스를 피셔-트롭시 반응기에 공급하고 반응시켜 액상 탄화수소를 생성하는 합성 단계; 및
    4) 상기 액상 탄화수소를 가스, 나프타 및 합성원유로 분리하고 수소를 공급하여 하이드로피니싱(hydrofinishing)하는 업그레이딩 단계를 포함하는 FPSO의 GTL 생산 공정.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 업그레이딩 단계는
    1) 상기 합성 단계에서 생성된 상기 액상 탄화수소를 탄소수 1 내지 4의 가스, 나프타 및 합성원유로 분리하는 분리 단계; 및
    2) 분리된 나프타에 수소를 공급하여 올레핀을 포화시키는 하이드로피니싱 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 FPSO의 GTL 생산 공정.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 하이드로피니싱 단계에서 생성되는 응축물(condensate)은 분리되어, 상기 분리 단계에서 분리된 합성원유에 혼합되며,
    상기 하이드로피니싱 단계를 통해, 저장 및 운송 중에 상기 나프타 및 합성원유 중 적어도 하나에 포함된 올레핀의 검(gum) 형성 및 중합 반응(polymerization)이 방지되는 것을 특징으로 하는 FPSO의 GTL 생산 공정.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 분리 단계에서 분리된 탄소수 1 내지 4의 가스는 상기 FPSO의 연료로 공급되는 것을 특징으로 하는 FPSO의 GTL 생산 공정.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 하이드로피니싱 단계는 250 내지 290 ℃의 온도, 15 내지 30 bar의 압력인 상대적으로 낮은 온도 및 압력 조건하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 FPSO의 GTL 생산 공정.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 개질 단계에서 개질 후 생성된 합성가스를, 상기 합성 단계의 피셔-트롭시 반응기로 공급하기 전에 컨디셔닝(conditioning)하는 컨디셔닝 단계를 더 포함하며,
    컨디셔닝 중 발생하는 수소의 적어도 일부는 상기 업그레이딩 단계로 공급되는 것을 특징으로 하는 FPSO의 GTL 생산 공정.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 개질 단계는 스팀 이산화탄소 개질기(Steam CO2 Reformer, SCR)로 이루어지고,
    상기 합성 단계의 피셔-트롭시 반응기는 슬러리 상 반응기(Slurry Phase Reactor, SPR)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 FPSO의 GTL 생산 공정.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 스팀 이산화탄소 개질기는 컴팩트 리포머(Compact Reformer)인 것을 특징으로 하는 FPSO의 GTL 생산 공정.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 컴팩트 리포머에서는 이산화탄소가 수성 가스 전환(water gas shift reaction)의 역반응으로 상기 합성가스의 생성반응에 참여하는 것을 특징으로 하는 FPSO의 GTL 생산 공정.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 슬러리 상 반응기에서 미반응된 상기 합성가스는 회수되어 상기 합성 단계로 재도입되는 것을 특징으로 하는 FPSO의 GTL 생산 공정.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 합성 단계 및 개질 단계에서 발생되는 스팀은 상기 FPSO에 마련된 스팀 터빈 발전기에 공급되어 발전하는 것을 특징으로 하는 FPSO의 GTL 생산 공정.
  12. FPSO의 GTL 생산 시스템에 있어서,
    해상의 가스전에서 생산된 천연가스가 탈황처리를 포함하여 전처리되는 전처리 유닛;
    상기 전처리 유닛으로부터 상기 천연가스를 공급받아 수증기 및 이산화탄소를 공급하고 촉매하에서 반응시켜 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 생성하는 스팀 이산화탄소 개질기(SCR);
    상기 스팀 이산화탄소 개질기로부터 상기 합성가스를 공급받아 액상 탄화수소를 생성하는 슬러리 상 반응기(SPR); 및
    수소 및 상기 슬러리 상 반응기로부터의 상기 액상 탄화수소를 공급받아 하이드로피니싱하여 나프타 및 합성원유를 생산하는 업그레이딩 유닛을 포함하는 FPSO의 GTL 생산 시스템.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 스팀 이산화탄소 개질기에서 생성된 상기 합성가스를 상기 슬러리 상 반응기로 도입되기에 앞서 컨디셔닝하는 컨디셔닝 유닛을 더 포함하며,
    상기 컨디셔닝 유닛에서 생성된 수소는 상기 업그레이딩 유닛으로 공급되는 것을 특징으로 하는 FPSO의 GTL 생산 시스템.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 업그레이딩 유닛은 상기 액상 탄화수소에 수소를 공급하여 하이드로피니싱하여 상기 나프타 및 합성원유 중 적어도 하나에 포함된 올레핀을 포화시켜, 상기 나프타 및 합성원유 중 적어도 하나의 저장 및 이송 중 상기 올레핀의 검(gum) 형성 및 중합 반응(polymerization)이 방지되는 것을 특징으로 하는 FPSO의 GTL 생산 시스템.
  15. 제 12항에 있어서,
    상기 슬러리 상 반응기 및 상기 업그레이딩 유닛에서 생성된 탄소수 1 내지 4의 화합물은 상기 FPSO의 복합발전 시스템의 연료로 공급되는 것을 특징으로 하는 FPSO의 GTL 생산 시스템.
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