헤라스에서 가솔린 플러스까지

Syngas to gasoline plus
헤라스에서 가솔린 플러스까지

Seungas to 가솔린 플러스(STG+)는 천연가스, 기타 기체 탄화수소 또는 기체화된 바이오매스를 가솔린, 디젤 연료 또는 제트 연료와 같은 드롭인 연료와 유기 용제로 전환하는 열화학 공정이다.

공정화학

STG+ 프로세스

이 과정은 하나의 연속적인 통합 루프에서 4개의 주요 단계를 따르며, 승라가 합성 연료로 변환되는 시리즈에서 4개의 고정된 침대 원자로를 구성한다. 고옥탄 합성 휘발유를 생산하기 위한 단계는 다음과 같다.[1]

  • 메탄올 합성: 이승아는 4기 중 첫 번째 원자로인 1호기에 공급되는데, 이 원자로는 촉매 베드를 통과할 때 대부분의 이승아를 메탄올로 전환한다.
    CO + 2H2 → 메탄올CH3OH
  • 디메틸에테르(DME) 합성: 원자로 1에서 나오는 메탄올이 풍부한 가스는 다음으로 두 번째 STG+ 원자로인 원자로 2에 공급된다. 메탄올은 촉매에 노출되고 그 중 상당 부분이 DME로 변환되는데, 이것은 메탄올에서 탈수되어 DME를 형성하는 것을 포함한다.
    2 CH3OH → CH3OCH3 + H2O
  • 가솔린 합성: 원자로 2 제품 가스는 다음으로 3번 원자로, 즉 파라핀(알카인), 아로마틱스(아로마틱스), 나프테인(사이클로알카인), 소량의 올레핀(알케인)을 포함한 탄화수소로의 DME 변환 촉매를 포함하는 세 번째 원자로에 공급된다.
  • 가솔린 처리: 네 번째 원자로는 원자로 3에서 나오는 제품에 대한 트랜스칼틸화 및 수소화 처리를 제공한다. 이 치료는 동결점이 높고 가솔린에서 최소화해야 하는 두레네/이소두레네(테트라메틸벤젠) 성분과 트리메틸벤젠 성분을 감소시킨다. 그 결과 합성 가솔린 제품은 옥탄가가 높고 바람직한 점도계 특성을 가지고 있다.
  • 구분 기호: 마지막으로, 원자로 4의 혼합물은 휘발유를 얻기 위해 응축된다. 비응축 가스와 휘발유는 기존의 콘덴서/분리기에서 분리된다. 제품 분리기에서 나오는 비응축 가스는 대부분 재활용 가스가 되어 원자로 1로 공급 스트림으로 다시 보내져 파라핀, 아로마틱, 나프틴으로 구성된 합성 가솔린 제품이 남게 된다.

촉매

STG+ 공정은 액체 기술, 특히 메탄올과 가솔린 공정에서 다른 가스에 사용되는 것과 유사한 표준 촉매를 사용한다. 가솔린 공정에 메탄올은 분자 크기와 형태 선택형 제올라이트 촉매를 선호하며,[2] STG+ 공정은 ZSM-5와 같이 상업적으로 이용 가능한 형태 선택형 촉매도 활용한다.[3]

공정효율

프리머스 그린에너지(Primus Green Energy)에 따르면 STG+ 공정은 천연가스를 영국 100만 갤런당 약 5 US 갤런(메가와트시당 65리터)으로 90+옥탄 가솔린으로 전환한다.[4] 가솔린의 에너지 함량은 미국 갤런당 12만5000~12만5000 영국식 열단위(리터당 9.3~9.7킬로와트시)로, 이 공정은 약 60%의 효율과 40%의 에너지 손실이다.

가스화

액체 공정에 대한 다른 가스의 경우와 마찬가지로 STG+는 다른 기술을 통해 생산된 승아를 공급원료로 활용한다. 이 승마는 상업적으로 이용 가능한 몇 가지 기술과 천연가스, 바이오매스, 도시 고체 폐기물을 포함한 다양한 사료로부터 생산될 수 있다.

천연가스와 도시폐기물에서 생산되는 메탄가스를 포함한 메탄가스는 증기 메탄개혁, 자동열개혁 등 메탄개혁 기술을 통해 승라로 전환된다.

바이오매스 가스화 기술은 개발되고 있는 여러 시스템이 고정된 침대 또는 유동화된 침대 원자로를 활용하지만 덜 확립되어 있다.[5]

다른 GTL 기술과의 비교

다른 액체연료 합성을 위한 기술로는 피셔-트로프슈 공정과 가솔린 공정에 메탄올이 있다.

프린스턴 대학에서 행해진 연구에 따르면, 메탄올에서 가솔린까지의 공정은 소규모, 중형, 대규모의 피셔-트로프시 공정보다 자본 비용과 전체 비용 면에서 일관되게 더 비용 효율적이다.[6] 예비 연구 결과 STG+ 공정이 보다 에너지 효율적이며 가솔린 공정에 메탄올을 가장 많이 산출하는 것으로 나타났다.[7]

피셔-트로프슈 공정

STG+와 같은 가솔린 공정과 Fischer-Tropsch 공정과 메탄올의 주요 차이점은 사용되는 촉매, 제품 유형 및 경제성이다.

일반적으로 피셔-트로프슈 공정은 비선택적 코발트와 철촉매를 선호하며, 가솔린 기술에 대한 메탄올은 분자 크기와 형태 선택적 제올산을 선호한다.[8] 제품 종류별로 보면 피셔-트로프슈 생산은 합성원유와 [8]같은 선형 파라핀으로 한정돼 있는 반면 가솔린 공정에 대한 메탄올은 자일렌과 톨루엔 같은 방향족과 나프틴과 이소 파라핀(드롭인 가솔린, 제트 연료) 같은 아로마틱을 생산할 수 있다.

Fischer-Tropsch 공정의 주요 생산품인 합성 원유는 디젤 연료나 가솔린과 같은 연료 제품을 생산하기 위해 추가적인 정제 작업이 필요하다. 이러한 정제 작업은 일반적으로 추가 비용을 추가하며, 일부 업계 리더들은 상업적 규모의 Fischer-Tropsch 프로세스의 경제성을 도전적인 것으로 분류한다.[9]

메탄올과 가솔린 연결

STG+ 기술은 다른 메탄올과 가솔린 공정을 구분하는 여러 가지 차별화 요소를 제공한다. 이러한 차이점에는 제품 유연성, 두레느 감소, 환경적 설치 공간 및 자본 비용이 포함된다.

전통적인 가솔린 메탄올 기술은 디젤, 가솔린 또는 액화석유가스를 생산한다.[10] STG+는 사용되는 촉매에 따라 가솔린, 디젤, 제트 연료 및 방향제를 생산한다. STG+ 기술도 핵심 공정에 두레네 감소를 접목해 전체 연료 생산 공정에 승라 생산과 가스-액체 합성의 두 단계만 있으면 된다는 의미다.[1] 다른 메탄올에서 가솔린까지의 공정은 핵심 공정에 두레네 감소를 포함하지 않으며 추가적인 정제 단계를 수행해야 한다.[10]

기존 가솔린 공정에 대한 메탄올은 원자로의 추가 개수로 인해 두레느 저감 유닛에 메탄올을 공급하기 전에 응축 및 증발에 따른 추가 비용 및 에너지 손실 등의 비효율성이 포함된다.[11] 이러한 비효율성은 STG+와 같이 원자로를 적게 사용하는 가솔린 공정에 메탄올보다 더 큰 자본 비용과 환경적 발자국을 초래할 수 있다. STG+ 공정은 여러 개의 응축과 증발을 제거하며, 이 공정은 중간 액체를 생산하지 않고 직접 승라를 액체 수송 연료로 전환한다.[7] 이를 통해 액화석유가스용 압력저장, 액화메탄올 저장 등 2개 제품의 보관이 필요 없게 됐다.

더 적은 원자로에 여러 단계를 결합하여 가스에서 액체까지의 과정을 단순화하면 수율과 효율이 증가하여 보다 쉽게 확장할 수 있는 비용이 덜 드는 설비가 가능하게 된다.[12]

상용화

STG+ 기술은 현재 뉴저지 힐즈버러에서 대체연료 회사인 프리머스 그린에너지가 소유한 공장에서 상용화 전 규모로 운영되고 있다. 이 공장은 천연가스에서 직접 연간 약 10만 갤런의 고품질 드롭인 휘발유를 생산한다.[13] 또한 E3컨설팅이 작성한 독립 엔지니어의 보고서 결과를 발표해 STG+ 시스템 및 촉매 성능이 발전소 운전 중 기대치를 초과한 것으로 나타났다. 상용화 전 시범 공장도 720시간의 연속 가동을 달성했다.[14]

프리머스 그린에너지는 2014년 하반기 첫 상업용 STG+ 공장의 착공 계획을 발표했으며, 회사는 이 공장이 연간 약 2780만 갤런의 연료를 생산할 것으로 예상된다고 발표했다.[15]

2014년 초 미국 특허청(USPTO)은 프리머스 그린에너지의 싱글 루프 STG+ 기술을 커버하는 특허를 허용했다.[15]

참고 항목

참조

  1. ^ a b 2013년 2월 STG+ Technology Primus Green Energy 소개 검색됨: 2013년 3월 5일.
  2. ^ http://www.dgmk.de/petrochemistry/abstracts_content16/Dathe.pdf H. Dathe, K.F. 손가락, A. 하스, P. 콜브, A. 선더만과 G. 와셔샤프 "GTL-Technology MTG, HAS 및 FTS용 고처리 촉매 최적화 프로그램", DBMK/SCI/EW 컨퍼런스, 2008년 10월.
  3. ^ http://www.wpi.edu/Pubs/E-project/Available/E-project-022813-170709/unrestricted/Primus_Green_Energy_IQP.pdf D. 토코, S. 미라글리아, J. 기세케. 2013년 3월 우스터 폴리테크닉 인스티튜트의 "Primus Green Energy".
  4. ^ http://www.primusge.com/how-it-works/stg-plus/
  5. ^ D. Peterson and S. Haase (July 2009). Market Assessment of Biomass Gasification and Combustion Technology for Small- and Medium-Scale Applications (PDF) (Report). National Renewable Energy Laboratory. p. 9. Retrieved 30 April 2013.
  6. ^ 리처드 C. 발리반, 조세핀 A. Elia, Vern Weekman, Christodoulos A. Floudas "Process Synthesis of Hybrid Coal, Biomass, and Natural Gas to Liquids via Fischer–Tropsch Synthesis, ZSM-5 Catalytic Conversion, Methanol Syntehsis, Methanol-to-Gasoline, and Methanol-to-Olefins/Distillate Technologies" in Computers & Chemical Engineering, 2012, Elsevier. doi:10.1016/j.comphemeng.2012.06.032
  7. ^ a b STG+와 기타 GTL Technologies Primus Green Energy의 비교, 2013년 4월. 검색됨: 2013년 4월 29일.
  8. ^ a b Eduardo Falabella Sousa-Aguiar, Fabio Bellot Noronha, and Arnaldo Faro, Jr. "The Main Catalytic Challenges in GTL (Gas-to-Liquids) Processes" in Catalysis Science & Technology, 2011, RSC. doi:10.1039/C1CY00116G
  9. ^ 브로더, 존 M, 클리포드 크라우스 뉴욕 타임즈 2012년 12월 17일, 크고 위험한 에너지 베팅 검색됨: 2013년 4월 15일.
  10. ^ a b MTG(Metanol to 가솔린) 석탄 엑손모빌의 청정 가솔린 생산, 2009년 12월. 검색됨: 2013년 4월 30일.
  11. ^ Liquid Transportation Fuels from Coal and Biomass: Technological Status, Costs, and Environmental Impacts (Report). The National Academies Press. 2009. Retrieved 25 April 2013.
  12. ^ 리처드 C. 발리반, 조세핀 A. Elia, Christodoulos A. 플루다스 "Novel Natural Gas to Liquid Process: 2013년 미국화학기술학회지, AICHE:10.1002/aic.1396의 프로세스 종합 및 글로벌 최적화 전략"
  13. ^ "Primus Green Energy".
  14. ^ http://www.e3co.com/tech5b.html
  15. ^ a b "Primus Green Energy".