수증기-이산화탄소 복합개질을 이용한 해상 Gas-to-Liquid 최적운전조건에 관한 연구

Abstract

최근 중소규모 한계가스전 개발을 위한 소형 해상 GTL공정(Offshore Gas-to-Liquid Process)가 활발히 연구되고 있다. 중소규모 한계가스전은 각 가스전의 매장량이 일반상용 LNG(Liquified natural gas)나 GTL공정의 경제성을 만족시키지 못하기 때문에 상업적 활용에 제한을 받고 있었지만 전 세계 가스매장량(약 170,000bcm)의 약 50% 이상을 차지하여 큰 잠재력을 가진 자원이므로 소형 해상 GTL공정의 성공적인 개발은 미래의 큰 에너지 동력이 될 것으로 기대하고 있다. 소형 해상 GTL에는 육상에서 일반적으로 사용되는 공기분리장치가 적용되기 어렵기 때문에 적용 가능한 개질반응기의 종류는 수증기개질(SMR, Steam Methane Reformer)이나 수증기-이산화탄소 복합개질(SCR, Steam CO2 Reformer)로 한정된다. SCR은 GTL 합성가스 최적비율(H2/CO ratio = 2)을 CO2의 유량으로 조절이 가능하므로 SMR에 비해서 추가적으로 합성가스 비율조절을 위한 분리/공급 장치가 필요없으며 온실가스인 CO2를 합성석유제조의 탄소원으로 사용할 수 있기 때문에 CO2 저감 및 탄소효율을 높일 수 있는 공정으로 평가받고 있다. 하지만, 지속적인 CO2공급이 필요한 SCR의 경우 기존 연구는 CO2-rich(25∼30 vol%이상) 가스전을 타겟으로 하여 가스전에서 CO2를 바로 얻을 수 있지만 일반적으로 널리 존재하는 가스전의 경우 CO2 조성은 0∼8vol%로 기존의 연구에서 배제되어 있었다. 본 연구에서 SCR을 적용한 해상 GTL을 일반적인 가스전에 확장시키기 위하여 공정내부에서 운전 중 발생하는 CO2를 합성가스와 furnace 배기가스에서 분리하여 공급하는 공정을 제안한다. 공정모사기를 이용하여 모델링을 수행하였으며 통합탄소효율을 정의하여 최적화함으로써 CO2배출량을 줄이고 탄소효율이 높은 공정운전조건을 제시하였다. 제안된 공정에서 합성가스로부터 CO2 recovery를 7.5-15% 이내로 조절하는 것이 공정효율을 높이는 방법이며 최적의 조건은 10% 분리시 가장 높은 효율을 보인다. 이때 venting gas중 91.7%는 개질공정으로 전부 recycle시킨다. 제안된 공정을 이용하여 해상 SCR-GTL을 CO2조성이 낮은 중소형 한계가스전에 적용시킴으로써 온실가스 CO2발생량을 감소시키며 탄소효율을 높일 수 있는 미래 에너지 개발수단으로 이용될 것으로 전망한다.