제철 부생가스를 활용한 다이메틸에테르 직접 생산 공정의 경제성 평가 및 CO₂ 저감량 분석
Techno-economic and CO₂ reduction analysis of direct dimethyl ether synthesis from the by-product gas of a steelmaking process
- 주제(키워드) 공정 모델링 , 경제성 평가 , CO₂ 저감
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 박은덕
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000032497
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 논문에서는 제철 부생가스 혼합물을 원료로 사용하여 다이메틸에테르를 직접 합성하는 반응에 대한 키네틱 모델을 개발하고, 반응을 제철소에 적용할 경우의 공정 모델을 제시하고, 이 때의 경제성 및 CO2 배출량을 계산하여 경제적, 환경적 영향을 분석하였다. 키네틱 모델은 메탄올 합성 반응에 사용되는 Cu/ZnO/Al2O3 촉매와 메탄올 탈수 반응에 사용되는 ferrierite 촉매를 10:0.5의 질량비로 혼합 충진한 반응기에 대해 진행한 실험으로 개발하였다. 오차 평균은 10% 이내로 실험 결과를 잘 반영하였다. 개발한 키네틱 모델을 기반으로 상용급의 반응기 및 공정 모델을 제시하였다. 미반응 가스 및 inert gas 분리 방법을 2가지(case 1: flash를 통해 미반응 가스 및 inert gas를 분리, case 2: 흡수탑을 사용하여 DME를 분리), 미반응 가스 recycle 방법을 3가지(open loop, R1: 미반응 가스 90% recycle, R2: Pressure Swing Adsorber 이용 수소 분리 후 수소 recycle) 제시 후 총 6가지의 공정 모델을 제시하였다. 공정 성능을 비교한 결과, 분리 방법에 대한 차이는 크지 않았으나, recycle 방법에 따라 공정 성능에 큰 차이가 나타났다. 특히 동일 DME 생산량 대비 R1과 R2에서 open loop 대비 약 10배 이상의 CO2 전환율을 보였고, carbon mass efficiency 측면에서 open loop 대비 R1과 R2에서 약 1.5배 이상의 효율을 나타냈다. 이를 바탕으로 open loop를 제외한 나머지 case들의 CO2 배출량 계산 및 경제성 평가를 진행하였다. CO2 배출량 계산 결과 case 1보다 case 2가, R1보다 R2가 CO2 저감에 더 유리했으며, case 2-R2의 CO2 배출량이 가장 작았다. 공정 경제성 평가 결과, case 1과 case 2 사이, R1과 R2 사이에는 동일한 trade-off가 존재했으며, 전자의 경우가 장치 구입 비용 측면에서는 유리하지만, 후자의 경우가 공정 연간 비용 측면에서 유리했다. 종합적으로, Case 2-R2가 경제성 및 CO2 저감 측면에서 가장 유리한 공정 모델로 나타났다.
more초록/요약
In this paper, a kinetic model for the direct DME synthesis from the byproduct gas of the steelmaking process, a process model was developed and analyzed techno-economics and CO2 emissions for the developed process. The kinetic model was developed based on the experimental data, which was conducted in a single reactor filled with physically mixed two catalysts (10:0.5 mass ratio of Cu/ZnO/Al2O3 for the methanol synthesis and ferrierite for the methanol dehydration). The average error of the kinetic model was below 10%. Based on the developed kinetic model, the commercial-scale reactor and process model were simulated. There are two methods of separating unreacted gas and inert gas (case 1: separation of unreacted gas and inert gas through flash, case 2: separation of DME using an absorber), three methods of recycling of unreacted gas (O: open loop, R1: 90% recycle of unreacted gas, R2: hydrogen recycle after hydrogen separation using Pressure Swing Adsorber) and then a total of 6 process models were presented. As a result of comparing the process performance, the difference in the separation method was insignificant, but the process performance showed a large difference in the recycling method. In particular, the CO2 conversion rate was about 10 times higher than the open loop in R1 and R2 compared to the same DME production, and the efficiency was about 1.5 times higher in R1 and R2 compared to the open loop in terms of carbon mass efficiency. Based on this, the CO2 emission calculation and economic evaluation of the remaining cases except for the open loop were carried out. As a result of CO2 emission calculation, case 2 was more advantageous than case 1 and R2 was more advantageous than R1, and case 2-R2 had the lowest CO2 emission. As a result of the process economic evaluation, the same trade-off existed between case 1 and case 2 and between R1 and R2, and the former case was advantageous in terms of equipment purchase cost, but the latter case was advantageous in terms of annual process cost. Overall, Case 2-R2 was found to be the most advantageous process model in terms of economic feasibility and CO2 reduction.
more목차
1. 서론 1
2. 키네틱 모델링 5
가. 다이메틸에테르 합성반응 5
나. 키네틱 파라미터 추정 9
3. 공정 모델링 14
가. 공정 개요 및 반응기 모델링 14
나. Case 1: Flash vessel 이용 미반응 light gas 분리 17
다. Case 2: 흡수탑 이용 미반응 light gas 분리 26
라. Case 별 공정 성능 비교 35
4. 공정 평가 40
가. CO2 배출량 계산 42
나. CO2 배출량 계산 결과 비교 48
다. 공정 경제성 평가 50
라. 공정 경제성 평가 결과 비교 60
5. 결론 66
참고 문헌 68
