제철 부생가스를 활용한 다이메틸에테르 직접 생산 공정의 경제성 평가 및 CO₂ 저감량 분석

Abstract

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.