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.
<br>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.
<br>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.
<br>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.
<br>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.
Alternative Abstract
In this paper, a kinetic model for the direct DME synthesis from the
<br>byproduct gas of the steelmaking process, a process model was developed
<br>and analyzed techno-economics and CO2 emissions for the developed
<br>process.
<br>The kinetic model was developed based on the experimental data, which
<br>was conducted in a single reactor filled with physically mixed two catalysts
<br>(10:0.5 mass ratio of Cu/ZnO/Al2O3 for the methanol synthesis and
<br>ferrierite for the methanol dehydration). The average error of the kinetic
<br>model was below 10%.
<br>Based on the developed kinetic model, the commercial-scale reactor and
<br>process model were simulated. There are two methods of separating
<br>unreacted gas and inert gas (case 1: separation of unreacted gas and inert
<br>gas through flash, case 2: separation of DME using an absorber), three
<br>methods of recycling of unreacted gas (O: open loop, R1: 90% recycle of
<br>unreacted gas, R2: hydrogen recycle after hydrogen separation using
<br>Pressure Swing Adsorber) and then a total of 6 process models were
<br>presented.
<br>As a result of comparing the process performance, the difference in the
<br>separation method was insignificant, but the process performance showed
<br>a large difference in the recycling method. In particular, the CO2 conversion
<br>rate was about 10 times higher than the open loop in R1 and R2 compared
<br>to the same DME production, and the efficiency was about 1.5 times higher
<br>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
<br>remaining cases except for the open loop were carried out.
<br>As a result of CO2 emission calculation, case 2 was more advantageous
<br>than case 1 and R2 was more advantageous than R1, and case 2-R2 had
<br>the lowest CO2 emission. As a result of the process economic evaluation,
<br>the same trade-off existed between case 1 and case 2 and between R1 and
<br>R2, and the former case was advantageous in terms of equipment purchase
<br>cost, but the latter case was advantageous in terms of annual process cost.
<br>Overall, Case 2-R2 was found to be the most advantageous process model
<br>in terms of economic feasibility and CO2 reduction.
