합성가스로부터 고발열량 합성천연가스 생산을 위한 촉매반응 특성 및 경제성 분석
Catalytic reaction characteristics and economic feasibility analysis for the high-calorie synthetic natural gas production from syngas
- 주제(키워드) 고발열량 합성천연가스 , 촉매 , 공정모사 , SNG , Fischer-Tropsch
- 주제(DDC) 660
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 박명준
- 발행년도 2022
- 학위수여년월 2022. 2
- 학위명 박사
- 학과 및 전공 일반대학원 화학공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000031431
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
2050년 탄소중립을 목표로 한 국내 정책에 의해 많은 이산화탄소를 배출하는 석탄의 사용량은 점차 줄어들 것이고, 이를 대체하기 위하여 천연가스의 사용량은 증가할 것이다. 국내 천연가스 배관망은 천연가스 사용처를 위해 천연가스 열량 제도를 시행하고 있어, 천연가스의 발열량(9,800-10,600 kcal/Nm3)이 정해져 있다. 다양한 탄화수소로부터 생산한 합성가스(Syngas)에 의해 합성천연가스(SNG, Synthetic Natural Gas)를 생산하는 연구는 탄화수소의 연소 방법을 대체할 수 있는 기술로 평가된다. 합성가스로부터 메탄을 합성하는 기술로 얻을 수 있는 합성천연가스의 발열량(9,300 kcal/Nm3)은 기존의 천연가스 배관망에 공급하기에 부족한 발열량을 가지고 있어, 합성천연가스 공정에 발열량을 보완해주기 위해 LPG(Liquid Petroleum Gas)를 혼합할 수 있는 별도의 열조설비가 필요하므로 공정 구축에 추가적인 비용이 발생한다. 본 연구에서는 메탄화 반응을 이용한 경질 탄화수소 생산과 피셔 –트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응을 연계하여 고발열량 합성천연가스(High calorie SNG)를 생산하는 촉매 및 공정을 검토하였다. 반응 공정을 위해 합성가스 분기 비율과 Co/Fe, Ni/Co 촉매의 반응 특성을 실험실(lab.) 규모로 연구하고, 규모 확대를 위해 벤치(bench) 규모의 등온반응기(Isothermal reactor)와 단열 반응기(Adiabatic reactor)에 대한 경질탄화수소(C2-C4, Light hydrocarbon) 합성 연구를 수행하였다. 본 연구의 결과를 바탕으로 20 Nm3/h 파일럿(pilot) 규모의 설비를 운영하여 H2(2.4%), CO(0.0%) CO2(1.1%), CH4(81.9%), C2-C4(14.6%)와 고발열량(10,523 kcal/Nm3) 합성천연가스를 생산하였고, 상업 규모의 공정 시뮬레이션을 통해 공정 최적화(process optimization)와 경제성 분석(economic feasibility analysis)을 수행하였다. 연간 상업 규모인 석탄 5만 톤의 합성천연가스 생산공정에서 피셔-트롭쉬를 이용한 고발열량 합성천연가스를 생산하는 공정은 합성천연가스 단독 공정에 LPG를 혼합하는 것 보다 약 23억 원의 추가 운영 이익을 기대할 수 있다. 장기적으로 2050년까지 탄소중립을 위해 국내에서 천연가스 가격이 석탄보다 높아질 것으로 예상된다. 그뿐만 아니라 국내 LPG 가격을 고려하였을 때, 합성천연가스 공정에 LPG를 단순 혼합하는 것보다 피셔-트롭쉬 반응을 이용하여 합성가스로부터 경질 탄화수소를 합성하여 고발열량 합성천연가스를 생산하는 것이 경제적으로 유리하다. 이에 따라 합성가스로부터 유래된 합성천연가스 공정 + 피셔-트롭쉬 공정이 국내 실정에 적합한 탄소중립 대안이 될 수 있을 것이다.
more초록/요약
In accordance with the domestic policy aimed at carbon neutrality in 2050, the amount of coal used to emit a lot of carbon dioxide will gradually decrease, and the amount of natural gas used to replace this will increase. The domestic natural gas piping network implements a natural gas calorie system for natural gas use, so the calorific value of natural gas (9,800-10,600 kcal/Nm3) is set. Research on producing synthetic natural gas (SNG) by syngas produced from various hydrocarbons is evaluated as a technology that can replace the combustion method of hydrocarbons. The calorific value of synthetic natural gas (9,300 kcal/Nm3), which can be obtained by synthesizing methane from synthetic gas, has insufficient calorific value to be supplied to the existing natural gas pipe network. (Liquid Petroleum Gas) additional cost is incurred in building the process because a separate heat treatment facility is required. In this study, a catalyst and process for producing high calorie SNG by linking light hydrocarbon production using methanation and the Fischer-Tropsch reaction were reviewed. For the reaction process, the syngas branching ratio and the reaction characteristics of Co/Fe, Ni/Co catalysts were studied on a lab scale, and a bench-scale isothermal reactor and adiabatic reactor were studied for scale-up. A study on the synthesis of light hydrocarbons (C2-C4, light hydrocarbon) was conducted for an adiabatic reactor. Based on the results of this study, by operating a 20 Nm3/h pilot scale facility, H2 (2.4%), CO (0.0%) CO2 (1.1%), CH4 (81.9%), C2-C4 (14.6%) and high calorific value (10,523 kcal/Nm3) synthetic natural gas was produced, and process optimization and economic feasibility analysis were performed through commercial-scale process simulation. The process of producing high calorific value of synthetic natural gas using Fischer-Tropsch in the synthetic natural gas production process with an annual commercial scale of 50,000 tons of coal costs about 2.3 billion won more than mixing LPG in the synthetic natural gas alone process. profit can be expected. In the long term, it is expected that the price of natural gas in Korea will be higher than that of coal to be carbon neutral by 2050. In addition, considering the domestic LPG price, it is economically advantageous to produce high calorific value synthetic natural gas by synthesizing light hydrocarbons from synthetic gas using the Fischer-Tropsch reaction rather than simply mixing LPG in the synthetic natural gas process. do. Accordingly, the synthetic natural gas process derived from syngas + the Fischer-Tropsch process can be a carbon-neutral alternative suitable for domestic situations.
more목차
제1장 서론 1
제1절 연구배경 1
제2절 연구목적 3
제3절 연구과정 4
제2장 이론 및 문헌고찰 7
제1절 메탄화 반응 7
1.1 메탄화 반응 7
1.2 SNG의 국내연구 동향 13
1.3 SNG의 국외연구 동향 14
제2절 피셔-트롭쉬 반응 16
제3절 고발열량 합성천연가스 생산 35
제3장 반응장치 및 실험 38
제1절 Lab. 장치에서의 촉매 특성 평가 38
1.1 Ni/Co계 촉매 제조 38
1.2 Co/Fe계 촉매 제조 41
제2절 Bench급 장치에서의 경질탄화수소 합성 43
2.1 고정층 반응기에서의 평가 43
2.2 슬러리기포탑 반응기에서의 평가 46
제3절 Pilot 장치에서의 고발열량 합성천연가스 제조 47
제4절 경제성 분석을 위한 공정모사 50
제4장 결과 및 고찰 54
제1절 Lab-scale 촉매특성 평가 54
1.1 Ni/Co계 촉매 54
1.2 피셔-트롭쉬 촉매와 제올라이트의 물리적인 혼합 63
1.3 Co/Fe계 촉매 67
제2절 Bench급 장치에서의 경질탄화수소 합성 결과 76
2.1 고정층 반응기의 평가 결과 76
2.2 슬러리기포탑 반응기의 평가 결과 80
제3절 Pilot 장치에서의 고발열량 합성천연가스 제조 결과 83
3.1 Pilot 규모의 단열반응시스템 평가 83
3.2 Pilot 규모의 등온반응시스템 평가 92
3.3 Pilot 규모의 단열/등온반응시스템의 연계운전 94
제4절 공정모사 105
4.1 상용규모 SNG 통합공정의 공정모사 105
제5절 경제성 분석 111
제5장 결론 121
사용기호 123
Reference 124
Appendix 137
Abstract 144
Publication & Presentation 147
