제철 부생가스 활용 DME 합성공정의 LCA평가를 통한 CO2 저감량 평가
Analysis of the techno-economics and CO2 emissions of DME production using by-product gases in the steel industries
- 주제(키워드) DME process , techno-economics and CO2 emissions
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 박은덕
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000034414
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 논문에서는 제철 부생가스 혼합물 기반 다이메틸에테르(DME, Dimethyl ether) 생산 공정을 제시하여, 천연가스 기반 DME 생산 공정과의 비교를 통해 공정 경제성 및 환경성을 평가하였다. 공정 내 DME 합성 반응기는 펠릿형 메탄올 합성 촉매와 메탄올 탈수 촉매의 물리 혼합한 촉매 실험 결과을 통해 반응 속도식을 구축하여 반응기 모델의 성능을 검증하였다. 고순도 DME 분리를 위한 분리, 정제 공정에서는 미반응 및 inert gas 분리 방안(flash vessels vs. absorber)과 공정 효율을 높이기 위한 recycle 전략(light gas recycle vs. 고순도 수소 recycle)을 고려한 도합 4 가지 공정 모델을 도출하였다. 공정 경제성 평가 결과 분리 방안에 따라 장치 비용과 유틸리티 비용 간의 trade-off가 발생하였고, recycle 흐름 내 수소 비율에 따라 경제성과 환경성 간의 trade-off가 발생하였다. 따라서 공정 내 수소 활용에 따른 4 가지 최적화 전략을 제시하였다. PSA(Pressure Swing Adsorption) 분율 및 purge 분율 조절을 통해 반응기 입구 조성의 수소 비율 최적화를 실시한 결과 순수 수소 recycle 공정이 경제성과 환경성에서 모두 우수하다는 결론을 도출하였다. 공정 원료의 수소 분율 변화를 위해 제철 부생가스 혼합 비율을 바꾸어 공정 최적화를 수행한 결과 최적 비율은 recycle purge 비율에 따라 달라졌다. 제철 부생가스 기반 DME 생산 공정 원료에 보조 수소를 주입한 결과 그레이 수소(gray hydrogen) 주입 공정은 경제성과 환경성에서 모두 기존 공정이 우세하였으나, 그린 수소(green hydrogen) 주입 공정은 환경성에서 우세한 결과를 보였다. 또한, 제철 부생가스로부터 DME 생산 후 미반응 수소를 PSA를 통해 고순도로 분리하여 판매할 경우 DME 생산량이 줄고 CO2 배출량이 늘지만 수소 시장 가격 변동에 따른 경제성 향상의 잠재적 가능성을 보였다. 본 논문에서 제시한 최적화 전략은 철강 산업 내 효율적인 CO2 활용 공정 설계를 위한 사려깊은 통찰을 제시한다.
more목차
1. 서론 1
2. 다이메틸에테르 합성 반응 6
가. 다이메틸에테르 합성 실험 6
나. 다이메틸에테르 합성 반응 속도식 9
다. 반응속도 상수 추정 12
3. 공정 모델링 14
가. 다이메틸 에테르 합성 반응기 모델링 14
나. 분리 및 recycle 전략에 따른 DME 생산 공정 모델링 15
다. 분리 및 recycle 전략에 따른 공정 성능 비교 20
라. 분리 및 recycle 전략에 따른 에너지 사용량 비교 24
4. 공정 경제성 및 환경성 분석 26
가. 공정 경제성 및 환경성 평가 계산 26
나. 공정 평가 50
5. 공정 최적화 52
가. Recycle 조성 및 purge 에 따른 공정 최적화 52
나. 제철 부생가스 혼합 비율에 따른 공정 최적화 58
다. 보조 수소 주입에 따른 공정 최적화 60
라. 블루 수소 판매에 따른 공정 최적화 62
6. 결론 64
참고 문헌 65
Abstract 73
