KR20170038458A - 합성천연가스 제조장치 및 이를 이용한 합성천연가스 제조방법 - Google Patents

합성천연가스 제조장치 및 이를 이용한 합성천연가스 제조방법 Download PDF

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KR20170038458A
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Abstract

본 발명의 합성천연가스 제조장치는 연료를 가스화하여 제1 혼합가스를 제조하는 가스화부; 상기 제1 혼합가스의 일산화탄소와 수소의 부피비를 조절하여 제2 혼합가스를 제조하는 수성가스 전환부; 상기 제2 혼합가스로부터 제3 혼합가스를 합성하는 메탄화부; 및 상기 제1 혼합가스 또는 제2 혼합가스로부터 제4 혼합가스를 합성하는 증열반응부; 를 포함하고, 상기 제1 혼합가스는 제4 배관을 통해 상기 증열반응부로 유입되고, 상기 제2 혼합가스는 제5 배관을 통해 상기 증열반응부로 유입되는 것을 특징으로 한다.

Description

합성천연가스 제조장치 및 이를 이용한 합성천연가스 제조방법{APPARATUS FOR PRODUCING SYNTHETIC NATURAL GAS AND METHOD FOR PRODUCING SYNTHETIC NATURAL GAS USING THE SAME}
본 발명은 합성천연가스 제조장치 및 이를 이용한 합성천연가스 제조방법에 관한 것이다.
합성천연가스(SNG, Synthetic Natural Gas) 제조 장치 및 제조방법은 석탄을 원료로 하여 천연 가스의 주성분인 메탄(CH4)을 합성하는 기술을 의미한다. 일반적으로 메탄(CH4)을 생성하기 위해서는, 석탄과 산소가 반응하여 합성된 합성 가스를 생성한 후 불필요한 가스를 분리하여 배출한 후, 메탄화 장치에서 메탄화 반응을 시킴으로써 최종적으로 합성 천연 가스(CH4)를 생성할 수 있다.
그러나, 상기 메탄화 반응으로는 평균발열량이 도시가스 기준(10,200 kcal/Nm3)에 미치지 못하여, 합성천연가스의 발열량을 높이는 연구가 활발히 진행 중이다. 현재까지의 증열방법은 추가설비가 필요하거나, 공정이 복잡하거나, 발열량 제어가 어렵거나 고가인 문제점이 있었다.
따라서, 합성천연가스의 상기의 문제점을 해결한 합성천연가스 제조장치가 필요하다.
이와 관련한 선행 기술은 한국 공개특허 제1999-0041718호에 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 추가 설비 없이, 간단한 공정으로 합성천연가스의 발열량을 높일 수 있는 합성천연가스 제조장치 및 이를 이용한 합성천연가스 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 저렴한 비용으로 합성천연가스의 발열량을 높일 수 있고 발열량 조절이 용이한 합성천연가스 제조장치 및 이를 이용한 합성천연가스 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.
본 발명의 하나의 관점은 합성천연가스 제조장치에 관한 것이다.
일 구체예에서, 상기 합성천연가스 제조장치는 연료를 가스화하여 제1 혼합가스를 제조하는 가스화부; 상기 제1 혼합가스 중의 일산화탄소와 수소의 부피비를 조절하여 제2 혼합가스를 제조하는 수성가스 전환부; 상기 제2 혼합가스를 메탄화반응 시켜 제3 혼합가스를 제조하는 메탄화부; 및 상기 가스화부에서 상기 수성가스 전환부로 유입되는 제1 혼합가스 일부 또는 상기 수성가스 전환부에서 상기 메탄화부로 유입되는 제2 혼합가스 일부가 바이패스로 유입되어 탄소수 1 내지 4의 탄화수소를 포함하는 제4 혼합가스를 생성하는 증열반응부;를 포함하고, 상기 증열반응부에서 배출되는 제4 혼합가스는 상기 메탄화부에서 배출되는 제3혼합가스와 합류된다.
상기 가스화부는 제1 배관을 통해 상기 수성가스 전환부로 연결되고, 상기 수성가스 전환부는 제2 배관을 통해 상기 메탄화부로 연결되고, 상기 메탄화부는 제3 배관을 통해 제3 혼합가스를 배출하고, 상기 제1 배관에서 분지된 제4 배관을 통해 제1 혼합가스 일부가 바이패스로 상기 증열반응부에 유입되고, 상기 제2 배관에서 분지된 제5 배관을 통해 제2 혼합가스 일부가 바이패스로 상기 증열반응부에 유입되고, 상기 증열반응부는 제3 배관으로 합류하는 제6 배관을 통해 제4 혼합가스를 배출한다.
상기 합성천연가스 제조장치는 상기 가스화부 후단, 상기 수성가스 전환부 후단 및 상기 증열반응부 후단에 가스분석기가 더 구비되고, 상기 가스분석 데이터로부터 증열반응부로 배출될 제1 혼합가스의 유량을 산출하고, 상기 산출된 유량의 상기 제1 혼합가스를 상기 제4 배관을 통해 상기 증열반응부로 배출하는 것일 수 있다.
상기 제4 배관 상에 제1 유량 제어 밸브가 더 구비될 수 있다.
상기 합성천연가스 제조장치는 상기 메탄화부 후단 및 상기 증열반응부 후단에 가스분석기가 더 구비되고, 상기 가스분석 데이터로부터 증열반응부로 배출될 제2 혼합가스의 유량을 산출하고, 상기 산출된 유량의 상기 제2 혼합가스를 상기 제5 배관을 통해 상기 증열반응부로 배출하는 것일 수 있다.
상기 제5 배관 상에 제2 유량 제어 밸브가 더 구비될 수 있다.
다른 구체예에서, 상기 합성천연가스 제조장치는, 액화 석유가스를 저장하는 액화 석유가스부를 더 포함하고, 상기 액화 석유가스부는 제3 배관과 합류하는 제7 배관을 통하여 상기 액화 석유가스를 배출할 수 있다.
상기 메탄화부 후단, 상기 증열반응부 후단, 및 제6 배관이 합류된 제3 배관 상에 가스분석기가 더 구비되고, 상기 가스분석기 데이터로부터 상기 액화 석유가스부로부터 배출될 액화 석유가스의 유량을 산출하고, 상기 산출된 유량의 상기 액화 석유가스를 상기 제3 배관과 합류하는 상기 제7 배관을 통하여 배출할 수 있다.
또 다른 구체예에 따르면, 상기 합성천연가스 제조장치는, 질소 가스를 저장하는 질소 가스부를 더 포함하고, 상기 질소 가스부는 제3 배관과 합류하는 제8 배관을 통하여 상기 질소 가스를 배출할 수 있다.
상기 메탄화부 후단, 상기 증열반응부 후단, 및 제6 배관이 합류된 제3 배관 상에 가스분석기가 더 구비되고, 상기 가스분석기 데이터로부터 상기 질소 가스부로부터 배출될 질소 가스의 유량을 산출하고, 상기 산출된 유량의 상기 질소 가스를 상기 제3 배관과 합류하는 상기 제8 배관을 통하여 배출할 수 있다.
본 발명의 다른 관점은 합성천연가스를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일 구체예에 따르면, 상기 합성천연가스 제조방법은 제1 혼합가스를 제4 배관을 통해 상기 증열반응부로 배출는 단계를 포함하고, 상기의 합성천연가스 제조장치를 이용한 합성천연가스 제조방법일 수 있다.
다른 구체예에 따르면, 상기 합성천연가스 제조방법은 제2 혼합가스를 제5 배관을 통해 상기 증열반응부로 배출하는 단계를 포함하고, 상기의 합성천연가스 제조장치를 이용한 합성천연가스 제조방법일 수 있다.
또 다른 구체예에 따르면, 상기 합성천연가스 제조방법은 액화 석유가스를 제3 배관과 합류하는 제7 배관을 통하여 배출하는 단계를 포함하고, 상기의 합성천연가스 제조장치를 이용한 합성천연가스 제조방법일 수 있다.
또 다른 구체예에 따르면, 상기 합성천연가스 제조방법은 질소 가스를 제3 배관과 합류하는 제8 배관을 통하여 배출하는 단계를 포함하고, 상기의 합성천연가스 제조장치를 이용한 합성천연가스 제조방법일 수 있다.
본 발명은 추가 설비 없이, 간단한 공정으로 합성천연가스의 발열량을 높일 수 있고, 저렴한 비용으로 합성천연가스의 발열량을 높일 수 있고 발열량 조절이 용이한 합성천연가스 제조장치 및 이를 이용한 합성천연가스 제조방법을 제공하는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 합성천연가스 제조장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 합성천연가스 제조장치를 개략적으로 도시한 것이다.
합성천연가스 제조장치
이하, 본 발명의 일 구체예에 따른 합성천연가스 제조장치를 도 1을 참고하여 설명한다. 도 1은 본 발명의 일 구체예에 따른 합성천연가스 제조장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 1을 참고하면, 일 구체예에 따른 합성천연가스 제조장치는 연료를 가스화하여 제1 혼합가스를 제조하는 가스화부(10); 상기 제1 혼합가스 중의 일산화탄소와 수소의 부피비를 조절하여 제2 혼합가스를 제조하는 수성가스 전환부(20); 상기 제2 혼합가스를 메탄화반응 시켜 제3 혼합가스를 제조하는 메탄화부(30); 및 상기 가스화부에서 상기 수성가스 전환부로 유입되는 제1 혼합가스 일부 또는 상기 수성가스 전환부에서 상기 메탄화부로 유입되는 제2 혼합가스 일부가 바이패스로 유입되어 탄소수 1 내지 4의 탄화수소를 포함하는 제4 혼합가스를 생성하는 증열반응부(40);를 포함하고, 상기 증열반응부(40)에서 배출되는 제4 혼합가스는 상기 메탄화부(30)에서 배출되는 제3혼합가스와 합류된다.
상기 가스화부(10)는 제1 배관(L1)을 통해 상기 수성가스 전환부(20)로 연결되고, 상기 수성가스 전환부(20)는 제2 배관(L2)을 통해 상기 메탄화부(30)로 연결되고, 상기 메탄화부(30)는 제3 배관(L3)을 통해 제3 혼합가스를 배출하고, 상기 제1 배관(L1)에서 분지된 제4 배관(L4)을 통해 제1 혼합가스 일부가 바이패스로 상기 증열반응부(40)에 유입되고, 상기 제2 배관(L2)에서 분지된 제5 배관(L5)을 통해 제2 혼합가스 일부가 바이패스로 상기 증열반응부(40)에 유입되고, 상기 증열반응부(40)는 제3 배관(L3)으로 합류하는 제6 배관(L6)을 통해 제4 혼합가스를 배출한다.
가스화부(10)는 연료를 가스화 하여 제1 혼합가스를 제조한다. 구체적으로 산소와 물, 또는 수증기를 가스화재로 하여 연료를 하기 반응식 1에 의해 일산화 탄소와 수소로 변환한다.
[반응식 1]
CO + H2O → CO2 + H2
상기 제1 혼합가스는 일산화탄소와 수소의 부피비가 1.5:1 내지 2.5:1, 구체적으로 1.8 내지 2.2로 제조될 수 있다. 상기 연료는 합성천연가스로 제조될 수 있는 것이면, 제한되지 않는다. 예를 들어 상기 연료는 석탄일 수 있다.
상기 가스화부(10)는 정제 공정이 더 포함할 수 있다. 구체적으로 집진 및 COS, H2S, CO2 등의 산가스 분리 등의 과정일 수 있다. 또한, 상기 가스화부(10)에서는 황 화합물과 이산화탄소를 제거하는 단계를 추가로 포함할 수 있다. 황 화합물과 이산화탄소가 제거된 제1 혼합가스는 99% 이상의 수소와 일산화탄소로 구성된다.
수성가스 전환부(20)는 상기 제1 혼합가스의 일산화탄소와 수소의 부피비를 조절하여 제2 혼합가스를 제조한다. 이는 메탄화부(30)에서 수행되는 메탄화 공정에 적합한 일산화탄소와 수소의 부피비로 조절하여, 이 후 메탄화 공정이 효율적으로 이루어 지게 한다.
상기 일산화탄소와 수소의 부피비의 조절은 하기 반응식 2의 메커니즘으로 수행될 수 있다.
[반응식 2]
CO + H2O → CO2 + H2
구체적으로 상기 제2 혼합가스의 일산화탄소와 수소의 부피비는 1:2.5 내지 1:3.5, 구체적으로 1:2.8 내지 1:3.2로 조절할 수 있다. 상기의 범위에서 메탄화 공정의 효율이 우수한 장점이 있다.
상기 제2 혼합가스는 온도가 300 ℃ 내지 350 ℃, 압력 25 bar 내지 35 bar일 수 있다.
메탄화부(30)는 상기 제2 혼합가스로부터 메탄을 포함하는 제3 혼합가스를 제조한다. 구체적으로 하기 반응식 3의 메커니즘에 의할 수 있다.
[반응식 3]
CO + 3H2 → CH4 + H2O
상기 제3 혼합가스는 메탄의 농도가 90% 이상, 구체적으로 91% 이상일 수 있다.
메탄화부(30)는 기액분리기를 포함할 수 있고, 상기 기액분리기에서 응축수가 분리되면, 상기 제3 혼합가스의 메탄 농도는 95% 이상, 구체적으로 96% 이상일 수 있다.
상기 제3 혼합가스의 발열량은 85,000 내지 93,000 kcal/Nm3일 수 있다.
상기 메탄화부(30)는 메탄화 공정의 효율을 위해 2 이상의 메탄화 반응기에서 메탄화 공정을 거칠 수 있으며, 예를 들어 메탄화부(30)는 3개의 메탄화 반응기를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 메탄화부(30)에서의 메탄화 공정을 거친 제3 혼합가스는 발열량이 도시가스 기준(10,200 kcal/Nm3)에 미치지 못하므로, 제3 혼합가스의 증열 과정이 필요하다.
본 발명에서는 이를 위해 증열반응부(40)을 포함하고, 상기 증열반응부(40)는 상기 가스화부에서 상기 수성가스 전환부로 유입되는 제1 혼합가스 일부 또는 상기 수성가스 전환부에서 상기 메탄화부로 유입되는 제2 혼합가스 일부가 바이패스로 유입되어 탄소수 1 내지 4의 탄화수소를 포함하는 제4 혼합가스를 생성하고, 제3 배관에 합류되는 제6 배관을 통해 상기 제4 혼합가스를 배출한다. 상기 제1 혼합가스는 제4 배관을 통해 상기 증열반응부(40)로 유입되고, 상기 제2 혼합가스는 제5 배관을 통해 상기 증열반응부(40)로 유입된다.
증열반응부(40)에서는 탄소수 1 내지 4의 탄화수소를 합성하는 피셔-트로프슈(Fischer-Tropsch)반응기를 포함할 수 있다. 상기 탄소수 1 내지 4의 탄화수소는 메탄보다 발열량이 크므로, 상기 증열반응부(40)에서 제조된 제4 혼합기체를 제3 배관(L3)과 연결되는 제6 배관(L6)으로 배출함으로써, 최종적으로 생성되는 합성천연가스의 발열량을 증가시킬 수 있다.
구체적으로, 증열반응부(40)에서는 하기 반응식 4의 메커니즘으로 제4 혼합가스가 제조되며, 일산화탄소와 수소의 비율이 제4 혼합가스에 포함되는 가스의 탄소수 개수 및 발열량에 영향을 준다.
[반응식 4]
nCO + 2nH2 → (-CH2-)n + nH2O
따라서, 본 발명의 합성천연가스 제조장치는 증열반응부(40)에 제1 혼합가스가 공급되는 제4 배관(L4)와 제2 혼합가스가 공급되는 제5 배관(L5)을 동시에 형성하여, 유동적이고 능동적인 발열량 조절이 가능토록 하였다.
특히, 제1 혼합가스는 제2 혼합가스보다 일산화탄소 비율이 높아, 증열반응부(40)에서의 피셔-트로프슈(Fischer-Tropsch)반응을 거치는 경우 제1 혼합가스에 비해 높은 열량을 갖는 가스를 제조할 수 있어, 제2 혼합가스만을 공급되도록 설계된 합성천연가스 제조장치에서 생길 수 있는 발열량 부족의 문제점을 방지할 수 있다.
즉, 제1 혼합가스를 증열반응부(40)에 공급되도록 함으로써, 고액의 액화석유를 혼합해야 하는 상황을 최소화 할 수 있고, 제4 배관(L4)를 추가하는 것만으로 합성천연가스의 발열량을 효과적으로 높일 수 있어, 별도의 추가 설비 필요 없는 장점이 있다.
발열량을 조절하기 위해 상기 증열반응부(40)로 유입되는 제1 혼합가스 및 제2 혼합가스의 혼합비율을 조절할 수 있다.
구체적으로, 상기 합성천연가스 제조장치는 연산부(미도시), 제어부(미도시), 및 상기 가스화부(10) 후단, 상기 수성가스 전환부(20) 후단 및 상기 증열반응부(40) 후단에 가스분석기(101, 102, 104)가 더 구비되고, 상기 연산부는 상기 가스분석기로부터 얻은 데이터로부터 증열반응부(40)로 배출될 제1 혼합가스의 유량을 산출하고, 상기 제어부는 상기 산출된 유량에 따라 상기 제1 혼합가스를 상기 제4 배관(L4)을 통해 상기 증열반응부(40)로 배출할 수 있다. 상기 가스분석기는 상기 가스화부(10), 상기 수성가스 전환부(20) 및 상기 증열반응부(40)의 바로 후단에 구비될 수 있다. 상기 증열반응부(40)로 배출될 제1 혼합가스의 유량은 하기 식 1에 의해 산출할 수 있다.
[식 1]
Figure pat00001
상기 식 1에서, QRSG는 증열반응부로 배출될 제1 혼합가스의 유량(Nm3/s), QSG는 수성가스 전환부에서 배출된 제2 혼합가스 유량(Nm3/s), cR CO, CR CO2, CR H2, CR H2O는 각각 가스화부 후단에서 분석된 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 물의 농도(mol/Nm3)이고, cSG CO, CSG CO2, CSG H2, CSG H2O는 각각 수성가스 전환부 후단에서 분석된 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 물의 농도(mol/Nm3)이고, ci H는 증열반응부 후단에서 분석된 탄소수 i의 탄화수소의 농도(mol/Nm3)이고, i는 1 내지 4의 정수이고, k는 1.0 내지 1.5이다.
상기 제4 배관(L4) 상에 제1 유량 제어 밸브가 더 구비될 수 있어, 상기 제1 혼합가스의 흐름 및 유량을 제어할 수 있다. 상기 제1 유량 제어 밸브는 상기 제어부에 의해 제어될 수 있다.
또한, 합성천연가스의 발열량 조절은 제2 혼합가스 중 메탄화 공정을 거치는 메탄화부(30)으로 유입되는 가스 유량과 피셔-트로프슈(Fischer-Tropsch)반응을 거치는 증열반응부(40)으로 유입되는 가스 유량을 조절하는 방법으로 수행할 수 있다.
구체적으로, 상기 합성천연가스 제조장치는 연산부(미도시), 제어부(미도시), 및 상기 메탄화부(30) 후단 및 상기 증열반응부(40) 후단에 가스분석기가 더 구비되고, 상기 연산부는 상기 가스분석기로부터 얻은 데이터로부터 증열반응부(40)로 배출될 제2 혼합가스의 유량을 산출하고, 상기 제어부는 상기 산출된 유량에 따라 상기 제2 혼합가스를 상기 제5 배관(L5)을 통해 상기 증열반응부(40)로 배출하는 것일 수 있다. 상기 가스분석기는 메탄화부(30), 증열반응부(40)의 바로 후단에 구비될 수 있다. 상기 증열반응부(40)로 배출될 제2 혼합가스의 유량은 하기 식 2에 의해 산출할 수 있다.
[식 2]
Figure pat00002
상기 식 2에서, QH는 증열반응부로 배출될 제2 혼합가스의 유량(Nm3/s), QSNG는 수성공정 전환부에서 배출되는 제2 혼합가스의 총 유량(Nm3/s), ci H는 증열반응부 후단에서 분석된 탄소수 i의 탄화수소의 농도(mol/Nm3)이고, ci L은 메탄화부 후단에서 분석된 탄소수 i의 탄화수소의 농도(mol/Nm3)이고, q1은 212 kcal/mol, q2는 372 kcal/mol, q3은 528 kcal/mol, q4는 685 kcal/mol이다.
상기 제5 배관 상에 제2 유량 제어 밸브가 더 구비될 수 있어, 상기 제2 혼합가스의 흐름 및 유량을 제어할 수 있다. 상기 제2 유량 제어 밸브는 상기 제어부에 의해 제어될 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 구체예에 따른 합성천연가스 제조장치를 도 2를 참고하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 다른 구체예에 따른 합성천연가스 제조장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2을 참고하면, 다른 구체예에 따른 합성천연가스 제조장치는 액화 석유가스를 저장하는 액화 석유가스부를 더 포함하고, 상기 액화 석유가스부는 제3 배관과 합류하는 제7 배관을 통하여 상기 액화 석유가스를 배출할 수 있다.
구체적으로, 메탄화부(30)와 증열반응부(40)에서 제조된 제3 혼합가스 및 제4 혼합가스가 혼합된 천연합성가스의 발열량을 증가시켜야 하는 경우(예를 들어, 10,200 kcal/Nm3 미만인 경우)에는 액화 석유가스를 혼합할 수 있다. 구체적으로 상기 액화 석유가스는 LPG(액화 프로판 가스)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
최종 가스에 필요한 발열량을 증가시키기 위한 액화 석유가스의 양을 조절하여 제7 배관을 통하여 제3 배관으로 배출할 수 있다.
구체적으로, 합성천연가스 제조장치는 연산부(미도시), 제어부(미도시), 및 상기 메탄화부(30) 후단, 상기 증열반응부(40) 후단, 및 제6 배관이 합류된 제3 배관 상에 가스분석기가 더 구비되고, 상기 연산부는 상기 가스분석기로부터 얻은 데이터로부터 상기 액화 석유가스부로부터 배출될 액화 석유가스의 유량을 산출하고, 상기 제어부는 상기 산출된 유량에 따라 상기 액화 석유가스를 상기 제3 배관과 합류하는 상기 제7 배관을 통하여 배출할 수 있다. 상기 가스분석기는 메탄화부(30), 증열반응부(40)의 바로 후단에 구비될 수 있다. 상기 액화 석유가스부로부터 배출될 액화 석유가스의 유량은 하기 식 3에 의해 산출할 수 있다.
[식 3]
Figure pat00003
상기 식 3에서, QLPG는 액화 석유가스부로부터 배출될 액화 석유가스의 유량(Nm3/s)이고, hSNG는 제6 배관이 합류된 제3 배관에서 배출되는 혼합가스의 발열량(kcal/Nm3)이고, QSNG는 수성공정 전환부에서 배출되는 제2 혼합가스의 총 유량(Nm3/s)이다.
상기 식 3의 hSNG는 하기 식 5 및 식 6으로 산출할 수 있다.
[식 5]
Figure pat00004
상기 식 5에서, hSNG는 제6 배관이 합류된 제3 배관에서 배출되는 혼합가스의 발열량(kcal/Nm3)이고,
Figure pat00005
(kcal/Nm3)는 하기 식 6으로 계산되고, q1은 212 kcal/mol, q2는 372 kcal/mol, q3은 528 kcal/mol, q4는 685 kcal/mol이다.
[식 6]
Figure pat00006
상기 식 6에서, QL은 상기 제3 혼합가스의 유량이고, QH는 제4 혼합가스의 유량이고, ci H는 증열반응부 후단에서 분석된 탄소수 i의 탄화수소의 농도(mol/Nm3)이고, ci L은 메탄화부 후단에서 분석된 탄소수 i의 탄화수소의 농도(mol/Nm3)이고, i는 1 내지 4의 정수이다.
도 2를 다시 참고하면, 상기 합성천연가스 제조장치는, 질소 가스를 저장하는 질소 가스부를 더 포함하고, 상기 질소 가스부는 제3 배관과 합류하는 제8 배관을 통하여 상기 질소 가스를 배출할 수 있다.
구체적으로, 메탄화부(30)와 증열반응부(40)에서 제조된 제3 혼합가스 및 제4 혼합가스가 혼합된 천연합성가스의 발열량을 감소시켜야 하는 경우(예를 들어, 10,200 kcal/Nm3 초과인 경우)에는 질소 가스를 혼합할 수 있다.
최종 가스에 필요한 발열량을 감소시키기 위한 질소 가스의 양을 조절하여 제8 배관(L8)을 통하여 제3 배관(L3)으로 배출할 수 있다.
구체적으로, 합성천연가스 제조장치는 연산부(미도시), 제어부(미도시), 및 상기 메탄화부 바로 후단, 상기 증열반응부 바로 후단, 및 제6 배관이 합류된 제3 배관 상에 가스분석기가 더 구비되고, 상기 연산부는 상기 가스분석기로부터 얻은 데이터로부터 상기 질소 가스부로부터 배출될 질소 가스의 유량을 산출하고, 상기 산출된 유량에 따라 상기 질소 가스를 상기 제3 배관과 합류하는 상기 제8 배관을 통하여 배출할 수 있다. 상기 질소 가스부로부터 배출될 질소 가스의 유량은 하기 식 4에 의해 산출할 수 있다.
[식 4]
Figure pat00007
상기 식 4에서, QLPG는 액화 석유가스부로부터 배출될 액화 석유가스의 유량(Nm3/s)이고, hSNG는 제6 배관이 합류된 제3 배관에서 배출되는 혼합가스의 발열량(kcal/Nm3)이고, QSNG는 수성공정 전환부에서 배출되는 제2 혼합가스의 총 유량(Nm3/s)이다.
상기 식 4의 hSNG는 상기한 바와 같이 상기 식 5 및 상기 식 6으로부터 산출할 수 있다.
합성천연가스 제조방법
본 발명의 다른 관점은 합성천연가스를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일 구체예에 따르면, 상기 합성천연가스 제조방법은 제1 혼합가스를 제4 배관을 통해 상기 증열반응부로 배출는 단계를 포함하고, 상기의 합성천연가스 제조장치를 이용한 합성천연가스 제조방법일 수 있다. 구체적으로 제1 혼합가스를 제4 배관을 통해 상기 증열반응부로 배출하여, 피셔-트로프슈(Fischer-Tropsch)반응을 거치는 가스 유량을 증가시키는 방법으로 합성천연가스의 발열량을 조절할 수 있다.
다른 구체예에 따르면, 상기 합성천연가스 제조방법은 제2 혼합가스를 제5 배관을 통해 상기 증열반응부로 배출하는 단계를 포함하고, 상기의 합성천연가스 제조장치를 이용한 합성천연가스 제조방법일 수 있다. 구체적으로 제2 혼합가스를 제5 배관을 통해 상기 증열반응부로 배출하여, 피셔-트로프슈(Fischer-Tropsch)반응을 거치는 가스 유량을 증가시키는 방법으로 합성천연가스의 발열량을 조절할 수 있다.
또 다른 구체예에 따르면, 상기 합성천연가스 제조방법은 액화 석유가스를 제3 배관과 합류하는 제7 배관을 통하여 배출하는 단계를 포함하고, 상기의 합성천연가스 제조장치를 이용한 합성천연가스 제조방법일 수 있다. 구체적으로 메탄화부와 증열반응부에서 제조된 제3 혼합가스 및 제4 혼합가스가 혼합된 천연합성가스의 발열량을 증가시켜야 하는 경우(예를 들어, 10,200 kcal/Nm3 미만인 경우)에는 액화 석유가스를 혼합하는 방법으로 발열량을 증가시킬 수 있다.
또 다른 구체예에 따르면, 상기 합성천연가스 제조방법은 질소 가스를 제3 배관과 합류하는 제8 배관을 통하여 배출하는 단계를 포함하고, 상기의 합성천연가스 제조장치를 이용한 합성천연가스 제조방법일 수 있다. 구체적으로 메탄화부와 증열반응부에서 제조된 제3 혼합가스 및 제4 혼합가스가 혼합된 천연합성가스의 발열량을 감소시켜야 하는 경우(예를 들어, 10,200 kcal/Nm3 초과인 경우)에는 질소 가스를 혼합하는 방법으로 발열량을 감소시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실험예를 통해 본 발명의 구성 및 작용을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 본 발명의 바람직한 예시로 제시된 것이며 어떠한 의미로도 이에 의해 본 발명이 제한되는 것으로 해석될 수는 없다.
여기에 기재되지 않은 내용은 이 기술 분야에서 숙련된 자이면 충분히 기술적으로 유추할 수 있는 것이므로 그 설명을 생략하기로 한다.
실험예
이하, 제4 배관을 통해 증열변환부로 유입되는 제1 혼합가스의 유량(a), 제5 배관을 통해 증열변환부로 유입되는 제2 혼합가스의 유량(b) 및 제2 배관을 통해 메탄화부로 유입되는 제2 혼합가스의 유량(c)를 변화시키면서, 증열변환부로 유입되는 가스에서의 수소와, 일산화탄소 및 이산화탄소의 몰비율(H2:(CO+CO2)) d 및 제6 배관과 합류된 제3 배관에서 배출되는 최종 합성천연가스의 발열량(e)를 측정하고 하기 표 1에 나타내었다. 상기 실험예는 처리 유량 8.9 g/s인 설비를 이용하였고, 이 때 제1 혼합가스는 일산화탄소 61 몰%, 수소 29 몰%, 이산화탄소 2 몰%, 기타 불순물 8 몰%를 포함하였다.
a(g/s) b(g/s) c(g/s) d e(kcal/Nm3)
실험예 1 0 0 8.6 2:1 9,827
실험예 2 0 4.4 4.4 1.98:1 9,965
실험예 3 0 8.4 0.33 1.60:1 10,198
실험예 4 0.88 6.2 1.76 1.35:1 10,211
실험예 5 1.76 4.4 2.64 1.24:1 10,200
실험예 6 2.64 3.1 3.08 1.15:1 10,209
실험예 7 0 4.4 4.31 1.98:1 9,965
실험예 8 0.88 4.4 3.52 1.6:1 10,053
실험예 9 1.76 4.4 2.64 1.24:1 10,200
실험예 10 2.64 4.4 1.73 0.95:1 10,430
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 제4 배관을 통해 증열변환부로 유입되는 제1 혼합가스의 유량(a), 제5 배관을 통해 증열변환부로 유입되는 제2 혼합가스의 유량(b)을 변화로 다양한 발열량(e)을 갖는 합성천연가스를 제조할 수 있는 것을 알 수 있다.
구체적으로, 제4 배관을 통해 증열변환부로 유입되는 제1 혼합가스의 유량(a)이 증가할수록 발열량(e)은 증가하고(실험예 7 내지 10 참조), 제5 배관을 통해 증열변환부로 유입되는 제2 혼합가스의 유량(b)을 증가시키는 경우에도 발열량(e)은 증가하는 것(실험예 4, 8 및 실험예 6, 10)을 알 수 있다.
또한, 실험예 4 및 10을 비교할 때, 제2 배관을 통해 메탄화부로 유입되는 제2 혼합가스의 유량(c)이 유사한 경우 제4 배관을 통해 증열변환부로 유입되는 제1 혼합가스의 유량(a)이 발열량(e)에 더 큰 영향을 주는 것을 알 수 있었다.
본 발명은 상기 실험예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 제조될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실험예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.

Claims (14)

  1. 연료를 가스화하여 제1 혼합가스를 제조하는 가스화부;
    상기 제1 혼합가스 중의 일산화탄소와 수소의 부피비를 조절하여 제2 혼합가스를 제조하는 수성가스 전환부;
    상기 제2 혼합가스를 메탄화반응 시켜 제3 혼합가스를 제조하는 메탄화부; 및
    상기 가스화부에서 상기 수성가스 전환부로 유입되는 제1 혼합가스 일부 또는 상기 수성가스 전환부에서 상기 메탄화부로 유입되는 제2 혼합가스 일부가 바이패스로 유입되어 탄소수 1 내지 4의 탄화수소를 포함하는 제4 혼합가스를 생성하는 증열반응부;
    를 포함하고,
    상기 증열반응부에서 배출되는 제4 혼합가스는 상기 메탄화부에서 배출되는 제3혼합가스와 합류되는 합성천연가스 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스화부는 제1 배관을 통해 상기 수성가스 전환부로 연결되고,
    상기 수성가스 전환부는 제2 배관을 통해 상기 메탄화부로 연결되고,
    상기 메탄화부는 제3 배관을 통해 제3 혼합가스를 배출하고,
    상기 제1 배관에서 분지된 제4 배관을 통해 제1 혼합가스 일부가 바이패스로 상기 증열반응부에 유입되고,
    상기 제2 배관에서 분지된 제5 배관을 통해 제2 혼합가스 일부가 바이패스로 상기 증열반응부에 유입되고,
    상기 증열반응부는 제3 배관으로 합류하는 제6 배관을 통해 제4 혼합가스를 배출하는 합성천연가스 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    연산부;
    제어부; 및
    상기 가스화부 후단, 상기 수성가스 전환부 후단 및 상기 증열반응부 후단에 가스분석기;가 더 구비되고,
    상기 연산부는 상기 가스분석기로부터 얻은 데이터로부터 증열반응부로 배출될 제1 혼합가스의 유량을 산출하고,
    상기 제어부는 상기 산출된 유량에 따라 상기 제1 혼합가스를 상기 제4 배관을 통해 상기 증열반응부로 배출하는 합성천연가스 제조장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제4 배관 상에 제1 유량 제어 밸브가 더 구비되는 합성천연가스 제조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    연산부;
    제어부; 및
    상기 메탄화부 후단 및 상기 증열반응부 후단에 가스분석기;가 더 구비되고,
    상기 연산부는 상기 가스분석기로부터 얻은 데이터로부터 증열반응부로 배출될 제2 혼합가스의 유량을 산출하고,
    상기 제어부는 상기 산출된 유량에 따라 상기 제2 혼합가스를 상기 제5 배관을 통해 상기 증열반응부로 배출하는 합성천연가스 제조장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제5 배관 상에 제2 유량 제어 밸브가 더 구비되는 합성천연가스 제조장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 합성천연가스 제조장치는,
    액화 석유가스를 저장하는 액화 석유가스부를 더 포함하고,
    상기 액화 석유가스부는 제3 배관과 합류하는 제7 배관을 통하여 상기 액화 석유가스를 배출하는 합성천연가스 제조장치.
  8. 제7항에 있어서,
    연산부;
    제어부; 및
    상기 메탄화부 후단, 상기 증열반응부 후단, 및 제6 배관이 합류된 제3 배관 상에 가스분석기;가 더 구비되고,
    상기 연산부는 상기 가스분석기로부터 얻은 데이터로부터 상기 액화 석유가스부로부터 배출될 액화 석유가스의 유량을 산출하고,
    상기 제어부는 상기 산출된 유량에 따라 상기 액화 석유가스를 상기 제3 배관과 합류하는 상기 제7 배관을 통하여 배출하는 합성천연가스 제조장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 합성천연가스 제조장치는,
    질소 가스를 저장하는 질소 가스부를 더 포함하고,
    상기 질소 가스부는 제3 배관과 합류하는 제8 배관을 통하여 상기 질소 가스를 배출하는 합성천연가스 제조장치.
  10. 제9항에 있어서,
    연산부;
    제어부; 및
    상기 메탄화부 후단, 상기 증열반응부 후단, 및 제6 배관이 합류된 제3 배관 상에 가스분석기;가 더 구비되고,
    상기 연산부는 상기 가스분석기로부터 얻은 데이터로부터 상기 질소 가스부로부터 배출될 질소 가스의 유량을 산출하고,
    상기 제어부는 상기 산출된 유량에 따라 상기 질소 가스를 상기 제3 배관과 합류하는 상기 제8 배관을 통하여 배출하는 합성천연가스 제조장치.
  11. 제1 혼합가스를 제4 배관을 통해 상기 증열반응부로 배출는 단계를 포함하는 제1항 내지 제10 항 중 어느 한 항의 합성천연가스 제조장치를 이용한 합성천연가스 제조방법.
  12. 제2 혼합가스를 제5 배관을 통해 상기 증열반응부로 배출하는 단계를 포함하는 제1항 내지 제10 항 중 어느 한 항의 합성천연가스 제조장치를 이용한 합성천연가스 제조방법.
  13. 액화 석유가스를 제3 배관과 합류하는 제7 배관을 통하여 배출하는 단계를 포함하는 제1항 내지 제10 항 중 어느 한 항의 합성천연가스 제조장치를 이용한 합성천연가스 제조방법.
  14. 질소 가스를 제3 배관과 합류하는 제8 배관을 통하여 배출하는 단계를 포함하는 제1항 내지 제10 항 중 어느 한 항의 합성천연가스 제조장치를 이용한 합성천연가스 제조방법.

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20200062701A (ko) * 2018-11-27 2020-06-04 (주) 씨이에스 발열량이 증가된 합성천연가스의 제조방법 및 그 제조시스템
KR20210046895A (ko) * 2019-10-18 2021-04-29 한국에너지기술연구원 신재생 전력이용 메탄화 시스템과 가스화 시스템을 포함하는 메탄화 시스템 및 이를 이용한 메탄가스 제조방법

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