가스액화연료

메테인 운송에 사용되는 LNG 운반선 **가스액화연료**(Gas to liquids, **GTL**)는 천연가스나 다른 기체 탄화수소를 휘발유나 경유와 같은 장쇄 탄화수소로 전환하는 정유공장 공정이다. 메테인이 풍부한 가스는 액체 합성 연료로 전환된다. 두 가지 일반적인 전략이 존재한다: (i) 메테인을 메탄올로 직접 부분 연소시키는 방법과 (ii) 피셔-트롭쉬 공정과 같이 일산화 탄소와 수소를 탄화수소로 전환하는 방법이다. 전략 (ii)는 수소-일산화 탄소 혼합물을 액체로 전환하기 위한 다양한 방법을 따른다. 직접 부분 연소는 자연에서 시연되었지만 상업적으로는 재현되지 않았다. 부분 연소에 의존하는 기술은 주로 천연가스가 저렴한 지역에서 상업화되었다.doi-access=freedoi=10.1002/14356007.a07_197 GTL의 동기는 메테인보다 운반하기 쉬운 액체 연료를 생산하는 것이다. 메테인은 압력 하에서 액화되려면 임계 온도인 -82.3°C 이하로 냉각되어야 한다. 관련 극저온 장치 때문에 LNG 운반선이 운송에 사용된다. 메탄올은 편리하게 취급할 수 있는 가연성 액체이지만, 에너지 밀도는 휘발유의 절반이다.title = Alternative Fuels Data Center: Fuel Properties Comparison
# 피셔-트롭쉬 공정
피셔-트롭쉬 공정 피셔-트롭쉬 공정을 이용한 GTL 공정 GtL 공정은 피셔-트롭쉬 공정을 통해 확립될 수 있으며, 이는 일산화 탄소(CO)와 수소(H2) 혼합물을 장쇄 탄화수소로 전환하는 여러 화학 반응을 포함한다. 이 탄화수소는 일반적으로 액체 또는 반액체이며 이상적으로는 (CnH2n+2)의 공식을 갖는다. 피셔-트롭쉬 공정에 필요한 CO와 H2의 혼합물을 얻기 위해 메테인(천연가스의 주성분)은 부분 산화 과정을 거칠 수 있으며, 이는 주로 이산화 탄소, 일산화 탄소, 수소 가스(때로는 물과 질소)의 원시 합성가스 혼합물을 생성한다.language=en 원시 합성가스 혼합물에서 일산화 탄소와 수소의 비율은 예를 들어 수성 가스 전이 반응을 사용하여 조절할 수 있다. 원시 합성가스 혼합물에서 불순물, 특히 질소, 이산화 탄소 및 물을 제거하면 순수한 합성가스(신가스)가 생성된다. 순수한 신가스는 피셔-트롭쉬 공정으로 보내져 철 또는 코발트 촉매 위에서 반응하여 알코올을 포함한 합성 탄화수소를 생산한다.
# 메테인-메탄올 공정
메탄올은 메테인(천연가스)으로부터 일련의 세 가지 반응을 통해 만들어진다. ;수증기 개질 :CH4 \+ H2O → CO + 3 H2 2em ΔrH = +206 kJ mol−1 ;수성 전이 반응 :CO + H2O → CO2 \+ H2 2.5em ΔrH = −41 kJ mol−1 ;합성 :2 H2 \+ CO → CH3OH 3.5em ΔrH = −92 kJ mol−1 이렇게 형성된 메탄올은 **모빌 공정**과 메탄올-올레핀을 통해 휘발유로 전환될 수 있다.
# 메탄올-휘발유 (MTG) 및 메탄올-올레핀
바오펑 닝샤 메탄올-올레핀 공장 1970년대 초, 모빌은 천연가스를 합성가스로, 그리고 메탄올로 전환하는 대체 공정을 개발했다. 메탄올은 제올라이트 촉매의 존재 하에 반응하여 다양한 화합물을 형성한다. 첫 번째 단계에서 메탄올은 부분적으로 탈수 반응되어 다이메틸 에터를 생성한다. :2 CH3OH → CH3OCH3 \+ H2O 다이메틸 에터와 메탄올의 혼합물은 그 후 ZSM-5와 같은 제올라이트 촉매 위에서 더 탈수되며, 실제로는 중합 및 수소화되어 연료 중량의 80%를 차지하는 5개 이상의 탄소 원자를 가진 탄화수소로 구성된 휘발유를 생성한다. 모빌 MTG 공정은 JAMG에 의해 중국에서 석탄액화연료에서 유래한 메탄올로부터 실현된다. MTG의 더 현대적인 구현은 탑세 개선 휘발유 합성(TiGAS)이다.hdl-access=free 메탄올은 제올라이트 및 SAPO 기반 불균일 촉매를 사용하여 올레핀으로 전환될 수 있다. 촉매의 기공 크기에 따라 이 공정은 중요한 단량체인 C2 또는 C3 제품을 생산할 수 있다.doi-access=freebibcode=2017Engin...3..171A 메탄올-올레핀 기술은 석탄 가스화에서 플라스틱을 생산하기 위해 중국에서 널리 사용되고 있다. 또한 미래에 화석 연료가 없는 플라스틱을 만드는 방법으로도 논의되고 있다.access-date=2024-11-29
# 합성가스-휘발유 플러스 공정 (STG+)
합성가스-휘발유 플러스 STG+ 공정 세 번째 가스액화연료 공정은 MTG 기술을 기반으로 천연가스 유래 합성가스를 열화학적 단일 루프 공정을 통해 드롭인 휘발유 및 제트 연료로 전환한다.LaMonica, Martin. Natural Gas Tapped as Bridge to Biofuels MIT Technology Review, 27 June 2012. Retrieved: 7 March 2013. STG+ 공정은 하나의 연속 공정 루프에서 네 가지 주요 단계를 따른다. 이 공정은 충전층 반응기 네 개를 직렬로 연결하여 합성가스를 합성 연료로 전환한다. 고옥탄 합성 휘발유 생산 단계는 다음과 같다:Introduction to Primus' STG+ Technology date=2013-04-11 Primus Green Energy, undated. Retrieved: 5 March 2013. # 메탄올 합성: 합성가스가 네 개의 반응기 중 첫 번째인 반응기 1로 공급되어 촉매층을 통과하면서 대부분의 합성가스(CO 및 H2)가 메탄올(CH3OH)로 전환된다. # 다이메틸 에터(DME) 합성: 반응기 1에서 나온 메탄올이 풍부한 가스는 다음으로 두 번째 STG+ 반응기인 반응기 2로 공급된다. 메탄올은 촉매 반응에 노출되어 대부분 DME(CH3OCH3)로 탈수된다. # 휘발유 합성: 반응기 2의 생성 가스는 다음으로 세 번째 반응기인 반응기 3으로 공급되며, 이 반응기에는 DME를 탄화수소로 전환하는 촉매가 포함되어 있다. 이 탄화수소에는 파라핀(알케인), 방향족성 화합물, 나프텐(사이클로알케인) 및 소량의 올레핀(알켄)이 포함되며, 주로 C6 (탄화수소 분자의 탄소 원자 수)에서 C10까지이다. # 휘발유 처리: 네 번째 반응기는 반응기 3에서 나오는 제품에 대해 알킬교환 반응 및 수소화 처리를 제공한다. 이 처리는 높은 어는점을 가지며 휘발유에서 최소화되어야 하는 듀렌(테트라메틸벤젠)/아이소듀렌 및 트라이메틸벤젠 성분을 줄인다. 결과적으로 합성 휘발유 제품은 높은 옥탄가와 바람직한 점도 특성을 갖는다. # 분리기: 마지막으로 반응기 4의 혼합물을 응축하여 휘발유를 얻는다. 비응축 가스와 휘발유는 일반적인 응축기/분리기에서 분리된다. 제품 분리기에서 나오는 비응축 가스의 대부분은 재활용 가스가 되어 반응기 1의 공급 스트림으로 다시 보내지고, 파라핀, 방향족 화합물, 나프텐으로 구성된 합성 휘발유 제품이 남는다.
# 생물학적 가스액화연료 (Bio-GTL)
메테인이 GTL의 주요 목표인 만큼, 메테인을 처리하는 세 가지 효소에 많은 관심이 집중되어 왔다. 이 효소들은 메테인을 유일한 탄소 및 에너지원으로 대사하는 미생물인 메탄 산화 미생물의 존재를 지지한다. 호기성 메탄 산화 미생물은 메테인을 메탄올로 산소화하는 효소를 보유하고 있다. 관련 효소는 용해성 및 입자성(즉, 막 결합성) 변종 모두에서 발견되는 메탄 모노산소화효소이다. 이들은 다음 화학량론에 따라 산소화를 촉매한다. :CH4 \+ O2 \+ NADPH + H+ → CH3OH + H2O + NAD+ 혐기성 메탄 산화 미생물은 메틸 코엔자임 M 환원효소라는 효소를 사용하여 메테인의 생체 전환에 의존한다. 이 유기체들은 역 메탄생성을 수행한다. 이 메테인 전환 효소의 메커니즘을 밝히기 위한 강한 노력이 이루어져, 이들의 촉매 작용을 시험관 내에서 재현할 수 있게 되었다.pmc=5161620 바이오디젤은 미생물인 무어렐라 테르모아세티카와 야로위아 리폴리티카를 사용하여 CO2로부터 생산될 수 있다. 이 공정은 생물학적 가스액화연료로 알려져 있다.Microbes paired for biological gas-to-liquids (Bio-GTL) process
# 상업적 용도
인프라 M100 GTL 공장가스액화연료 공정을 사용하여 정유공장은 일부 기체 폐기물(플레어 가스)을 가치 있는 연료유로 전환할 수 있으며, 이는 그대로 판매하거나 경유와 혼합하여 판매할 수 있다. 세계은행은 매년 e9m3 이상의 천연가스가 소각되거나 방출되며, 이는 약 306억 달러에 해당하고 미국 가스 소비량의 25% 또는 유럽 연합 연간 가스 소비량의 30%에 해당하는 양으로, GTL을 통해 유용하게 활용될 수 있는 자원이라고 추정한다.World Bank, GGFR Partners Unlock Value of Wasted Gas" date=2017-07-09, World Bank 14 December 2009. Retrieved 17 March 2010. 가스액화연료 공정은 파이프라인을 건설하는 것이 경제적이지 않은 지역에서 가스 매장량의 경제적 추출에도 사용될 수 있다. 이 공정은 원유 자원이 고갈됨에 따라 점점 더 중요해질 것이다. 로열 더치 셸은 말레이시아 빈툴루에 있는 공장에서 천연가스로부터 경유를 생산한다. 또 다른 셸 GTL 시설은 세계 최대 GTL 시설인 카타르의 펄 GTL 플랜트이다.access-date = 2009-06-22first1 =Russell 사솔은 최근 카타르 라스 라판 산업 도시에 오릭스 GTL 시설을 건설했으며, 우즈벡네프테가스 및 페트로나스와 함께 우즈베키스탄 GTL 플랜트를 건설하고 있다. url-access = subscription access-date = 2009-07-18 url-access = subscription 셰브론은 나이지리아 국영 석유공사와의 합작 투자를 통해 사솔 기술을 사용하는 에스크라보스 GTL을 나이지리아에서 가동 중이다. 남아프리카 공화국의 국영 석유 회사인 페트로SA는 사솔 GTL 기술을 사용하여 모셀베이에 22,000배럴/일(용량)의 GTL 플랜트를 소유하고 운영한다.doi= 10.1016/j.jngse.2012.07.001
## 목표 및 신흥 벤처
차세대 GTL 기술은 비전통적, 원격 및 문제 가스를 가치 있는 액체 연료로 전환하기 위해 추구되고 있다.title = Smaller-scale and modular technologies drive GTL industry forwardurl-status=dead 혁신적인 피셔-트롭쉬 촉매를 기반으로 한 GTL 플랜트는 INFRA Technology에 의해 건설되었다. 다른 주요 미국 기업으로는 벨로시스(Velocys), 엔비아 에너지(ENVIA Energy), 폐기물 관리(Waste Management), NRG 에너지(NRG Energy), 티센크루프 산업 솔루션(ThyssenKrupp Industrial Solutions), 리버티 GTL(Liberty GTL), 페트로브라스,url-status = dead 그린웨이 혁신 에너지(Greenway Innovative Energy),date = 7 March 2018 프리무스 그린 에너지(Primus Green Energy),website= Primus Green Energy 컴팩트 GTL(Compact GTL),date = 15 March 2010 그리고 페트로나스 등이 있다.date = 14 May 2008 이들 공정 중 일부는 제트 연료를 사용한 시범 비행으로 그 효용성을 입증했다.title = Qatar Airways Makes GTL Historydate = February 2008 고립된 가스에 대한 또 다른 제안된 해결책은 해상에서 가스를 메탄올, 경유, 휘발유, 합성 원유, 나프타와 같은 액체로 전환하기 위해 새로운 FPSO를 사용하는 것을 포함한다.access-date=2014-04-12
# GTL의 경제성
천연가스를 이용한 GTL은 천연가스 가격과 유가 사이의 석유환산배럴 (BOE) 기준 가격 차이가 클 때 더 경제적이다. 0.1724의 계수는 완전한 석유 등가를 가져온다.last = Hecht GTL은 원유 가격보다 저렴한 가격으로 전 세계 천연가스 생산이 확대될 때 경유/휘발유/원유 국제 가격을 천연가스 가격과 동등하게 만드는 메커니즘이다. 천연가스를 GTL로 전환할 때, 액체 제품은 LNG로 전환하고 수입국에서 액체 제품으로 추가 전환하는 것보다 저렴한 가격으로 수출하기 더 쉽다.access-date=25 December 2019access-date=25 December 2019 그러나 GTL 연료는 일반 연료보다 생산 비용이 훨씬 더 많이 든다.Qatar Airways Flies Plane With New Fuel, The Wall Street Journal, Wednesday, October 14, 2009, p.B2