가스액화연료

가스액화연료(, 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.

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.

 피셔-트롭쉬 공정 

섬네일|350px|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. 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  ΔrH = +206 kJ mol−1
수성 전이 반응
CO + H2O → CO2 + H2  ΔrH = −41 kJ mol−1
합성
2 H2 + CO → CH3OH  ΔrH = −92 kJ mol−1

이렇게 형성된 메탄올은 모빌 공정과 메탄올-올레핀을 통해 휘발유로 전환될 수 있다.

 메탄올-휘발유 (MTG) 및 메탄올-올레핀 
섬네일|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.

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.

메탄올-올레핀 기술은 석탄 가스화에서 플라스틱을 생산하기 위해 중국에서 널리 사용되고 있다. 또한 미래에 화석 연료가 없는 플라스틱을 만드는 방법으로도 논의되고 있다.

 합성가스-휘발유 플러스 공정 (STG+) 

섬네일|350px|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  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 )가 메탄올()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()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  (탄화수소 분자의 탄소 원자 수)에서 까지이다.
 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.

바이오디젤은 미생물인 무어렐라 테르모아세티카와 야로위아 리폴리티카를 사용하여 로부터 생산될 수 있다. 이 공정은 생물학적 가스액화연료로 알려져 있다.Microbes paired for biological gas-to-liquids (Bio-GTL) process

 상업적 용도 
400px|섬네일|right|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  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" , 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. 사솔은 최근 카타르 라스 라판 산업 도시에 오릭스 GTL 시설을 건설했으며, 우즈벡네프테가스 및 페트로나스와 함께 우즈베키스탄 GTL 플랜트를 건설하고 있다. 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.

 목표 및 신흥 벤처 
차세대 GTL 기술은 비전통적, 원격 및 문제 가스를 가치 있는 액체 연료로 전환하기 위해 추구되고 있다. 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, 그린웨이 혁신 에너지(Greenway Innovative Energy), 프리무스 그린 에너지(Primus Green Energy), 컴팩트 GTL(Compact GTL), 그리고 페트로나스 등이 있다. 이들 공정 중 일부는 제트 연료를 사용한 시범 비행으로 그 효용성을 입증했다.

고립된 가스에 대한 또 다른 제안된 해결책은 해상에서 가스를 메탄올, 경유, 휘발유, 합성 원유, 나프타와 같은 액체로 전환하기 위해 새로운 FPSO를 사용하는 것을 포함한다.

 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. 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.

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

 같이 보기 
 바이오매스액화연료
 탄소 중립 연료
 석탄액화연료

 참고 문헌 
 Boogaard, P. J., Carrillo, J. C., Roberts, L. G., & Whale, G. F. (2017)  Toxicological and ecotoxicological properties of gas-to-liquid (GTL) products. 1. Mammalian toxicology. Critical reviews in toxicology, 47(2), 121-144.

 각주 

 외부 링크 


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