폐식용유의 수첨처리를 통한 지속가능 항공유 생산 공정 모델링 및 공정 경제성 평가
Modeling and techno-economic analysis of a sustainable aviation fuel (SAF) production process via the hydrotreatment of used cooking oil (UCO)
- 주제(키워드) Sustainable Aviation Fuel , Hydrotreatment , Used Cooking Oil , Techno-economic analysis , Process design
- 주제(DDC) 621.042
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 김석기
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 에너지시스템학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000035718
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
본 논문에서는 폐식용유(UCO, Used Cooking Oil)의 수첨처리(hydrotreating) 공 정을 통한 지속가능 항공유(SAF, Sustainable Aviation Fuel) 생산 공정을 제안하고, UCO 원료 유입량 1,000 kg/h 규모의 상용급 SAF 생산 통합 공정에 대한 경제 성을 평가하였다. 전체 공정은 탈산소화(DOX, Deoxygenation) 반응기와 업그레 이딩(UPG, Upgrading) 반응기로 구성된 two-step SAF 생산 공정과, PSA(Pressure Swing Adsorption)을 통한 수소 회수 및 재순환 공정, 증류탑을 통한 후단 분리 공정을 포함한다. 탈산소화 반응기는 상세한 반응 메커니즘에 근거한 반응 속 도식 적용, 속도상수 추정을 통해 반응기 모델링 및 성능 검증을 수행하였으며, 업그레이딩 반응기는 넓은 온도 범위에서의 실험 데이터를 활용하여 반응기 모 델을 구축하였다. Makeup 수소의 유입 위치에 따라 두 가지 공정(Makeup H2 to DOX reactor vs. Makeup H2 to UPG reactor)을 고려하였으며, 각 공정에 따른 경제성 비교 분석을 수행하였다. UPG 반응기로 유입되는 경우 목표 승압 압력 증가로 인해 압축기 비용이 증가하였고, 이에 따라 SAF의 최소 판매 가격(MSP, Minimum Selling Price)이 높게 나타났다. 공정의 반응기 운전 온도가 높아 고온 열매체의 사용이 불가피하였으며, 이는 공정 경제성에 큰 영향을 미쳤다. UCO 원료 또한 큰 비중을 차지함에 따라 UCO 가격 변동이 SAF의 MSP에 미치는 영향을 민감도 분석을 통해 평가하였다. 이를 통해, 공정 내 폐열 회수를 통한 공정 열통합(Heat integration)과 UCO 가격 저감이 공정 경제성 향상을 위한 주 요 최적화 전략임을 확인하였다. 제안된 공정은 실제 반응 메커니즘을 기반으 로 반응기 모델링을 수행하고, 상용 규모 공정에 대한 경제성 평가를 수행함으 로써 기존 연구와의 차별성을 확보하였으며, 추가적인 공정 최적화 전략을 통 해 향후 상용 공정의 설계 및 최적화를 위한 기초 자료로서의 활용 가능성을 제시한다.
more초록/요약
This study proposed the sustainable aviation fuel (SAF) production process via hydrotreating of used cooking oil (UCO) and evaluated the economic feasibility of commercial-scale process with a UCO feed rate of 1,000 kg/h. The overall process consisted of a two-step SAF production system with deoxygenation (DOX) and upgrading (UPG) reactors, a hydrogen recovery and recycle process via pressure swing adsorption (PSA), and separation trains through distillation columns. The DOX reactor was modeled and validated based on a detailed reaction mechanism, applying rate expressions and estimated rate constants, while the UPG reactor model was constructed using experimental data obtained over a wide temperature range. Two process configurations, differing by the inlet position of makeup hydrogen (to the DOX reactor vs. to the UPG reactor), were compared in terms of economic performance. When makeup hydrogen was fed to the UPG reactor, the targe compression pressure was higher than the case of makeup hydrogen fed to the DOX reactor, resulting in increased compressor costs and consequently a higher minimum selling prices (MSP) of SAF. The high operating temperatures of the reactors necessitated the use of high-temperature heat media, which significantly affected the process economics. Given the substantial contribution of UCO to the overall feed cost, a sensitivity analysis was conducted to assess the impact of UCO price variations on MSP of SAF. The results indicated that heat integration through internal waste heat recovery and UCO price reduction were key strategies for improving process economics. The proposed process was distinguished from previous studies by incorporating reactor modeling based on actual reaction mechanism and by evaluating commercial-scale economic feasibility. This study can provide a foundation for further process optimization and commercial-scale SAF production design.
more목차
1. 서론 1
2. SAF 생산 반응 6
가. 폐식용유 탈산소화 반응 실험 6
나. 탈산소화 반응 메커니즘 및 반응속도식 8
다. 탈산소화 반응 속도 상수 추정 12
라. 업그레이딩 반응 실험 17
마. 업그레이딩 반응기 모델링 22
3. 공정 모델링 25
가. 탈산소화 및 업그레이딩 반응기 모델링 25
나. 수소 유입 위치에 따른 SAF 생산 공정 모델링 27
4. 공정 경제성 분석 30
가. 공정 경제성 평가 계산 30
나. 공정 평가 36
5. 결론 65
참고문헌 67
Abstract 71
