[논문]KOGAS DME 공정의 실증 시험을 통한 최적화 기술개발

정종태; 조원준; 백영순; 이창하

doi:10.7316/khnes.2012.23.5.559

KOGAS DME 공정의 실증 시험을 통한 최적화 기술개발
Optimization of KOGAS DME Process From Demonstration Long-Term Test 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.23 no.5, 2012년, pp.559 - 571

정종태 (한국가스공사 연구개발원 자원기술연구센터) , 조원준 (한국가스공사 연구개발원 자원기술연구센터) , 백영순 (한국가스공사 연구개발원 자원기술연구센터) , 이창하 (연세대학교 화공생명공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Dimethyl ether (DME) is a new clean fuel as an environmentally-benign energy resource. DME can be manufactured from various energy sources including natural gas, coal, and biomass. In addition to its environmentally friendly properties, DME has similar characteristics to those of LPG. The aim of this article is to represent the development of new DME process with KOGAS's own technologies. KOGAS has investigated and developed new innovative DME synthesis process from synthesis gas in gaseous phase fixed bed reactor. DME has been traditionally produced by the dehydration of methanol which is produced from syngas, a product of natural gas reforming. This traditional process is thus called the two-step method of preparing DME. However, DME can also be manufactured directly from syngas (single-step). The single-step method needs only one reactor for the synthesis of DME, instead of two for the two-step process. It can also alleviate the thermodynamic limitations associated with the synthesis of methanol, by converting the produced methanol into DME, thereby potentially enhancing the overall conversion of syngas into DME. KOGAS had launched the 10 ton/day DME demonstration plant project in 2004 at Incheon KOGAS LNG terminal. In the mid of 2008, KOGAS had finished the construction of this plant and has successively finished the demonstration plant operation. And since 2008, we have established the basic design of commercial plant which can produce 3,000 ton/day DME.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 DME의 효율적인 국내 생산기술개발을 위하여 상용 플랜트 공정 설비 기술개발 및 촉매 제조 기술등의 성능시험에 대한 장기운전 결과를 기술하고자 한다.
본 연구에서는 21세기 에너지자원 확보(재생에너지 및 신에너지 개발) 및 디젤연료와 같은 화석연료를 대체할 수 있는 청정연료 DME를 제조하는 실증 플랜트 공정기술개발에 대하여 기술하였다. 일 10톤을 생산할 수 있는 DME를 천연가스, 석탄, 바이오매스 등을 이용하여 DME 생산이 가능하므로, 원료물질에 대한 안정적인 공급이 가능하다.

제안 방법

Fig. 11에서 보여주는 DME 촉매의 주성분은 CuO/ ZnO/Al₂O₃이며 CO₂/CO의 역수성반응 향상을 위하여 첨가물을 넣어 제조하였고 반응기에 공급되는 합성가스 비율이 1.5에서 최적의 효율을 나타내는 촉매를 개발하였다. 특히 첨가제를 통하여 전환율과 DME 선택도를 높이면서 촉매의 deactivation은 감소시키는 Fig. 5와 같이 제조된 합성가스 촉매를 실증플랜트에서의 장기 안정화 시험과 상용촉매 검증을 위한 실험을 하기 위하여 일 10톤 생산 플랜트의 삼중개질반응기(Tri-reformer)에서 수행하였다. 이후 2000년부터 한국가스공사 자체 지원으로 “천연가스와 이산화탄소로부터 DME 제조 기술개발”을 수행하여 실험실 규모의 실험장비에서 기초연구를 수행하였다.
천연가스에서 DME를 직접합성하는 공정의 최적화 기술개발을 위하여 실험실 규모에서 검토된 촉매를 이용하여 반응기를 설계하였으며, 반응시스템의 주변으로 공정을 최적화하고 pilot 규모 및 실증 규모에서 장기운전하여 그 결과를 분석하고 최적 공정모델을 수립하였다.
촉매의 상용화를 위하여 촉매 제조시 성형방법을 개선하여 두 가지 Pellet Type의 촉매를 개발하였다. 이를 통하여 후)합성가스 제조용">합성가스제조용 촉매는 고온 및 고압에서 반응이 유지되고 주반응이 흡열반응이기 때문에 Nickel을 주성분으로 하는 촉매를 개발하였다. 그 외에 다른 성분을 첨가하여 합성가스 비율을 조절하고 부생성물인
대상 데이터
- 상업적으로 최근 30여년간 Lurgi사에서 제공된 Rectisol 공정에서처럼 메탄올 기반의 기술들을 활용하였다. CO₂가 제거된 합성가스는 낮은 온도의 메탄올 용매를 이용하여 물리적 흡수법으로 만들 수 있다.
- 후)간접 합성법의">간접합성법의 단점을 보완하고 하나의 촉매와 반응기에서 DME를 합성하기 위하여 개발되었다. 일본의 JFE, 미국의 Air product, 덴마크의 Haldor Topseo 그리고 한국의 KOGAS가 신기술로 개발하였다. DME
  이론/모형
  - KOGAS DME 반응공정에서는 DME 분리 정제를 냉각법을 이용한 정제방법을 이용하였다. Fig.

성능/효과

DME 반응에서 생성된 DME, 메탄올, CO₂등을 정제하여 DME 순도를 향상시키는 공정이며 그 결과 Fig. 20에 나타내듯이 DME 분리탑에서 정제된 DME 의 순도는 99% 이상 유지되었고, Fig. 21은 실증플랜트의 DME 분리정제 구성을 사진으로 나타내었다.
구리와 산화아연을 주성분으로 하는 DME 촉매상에서 Fig. 12와 같은 실험결과를 얻었는데 CO 전환율이 85% 이상의 성능을 보여주었으며, 4,000시간 동안 장기 안정성이 매우 안정적으로 운영되었다.
그 결과 Fig. 15에서 확인한 것과 같이 DME 합성 반응을 위해 일정한 온도를 유지하여 DME 제조 운전을 안정적으로 수행 하였다. Fig.
후)삼중개질 반응기는">삼중개질반응기는 내부에 연소버너가 있으며 산소를 조절하여 고온, 고압의 운영을 할 수 있도록 설계되었다^3,4,11). 산소와 원료가스(NG, CO₂, Steam)로 점화 후 부하를 늘려서 정상상태까지 오르는 단계에서는 매우 안정적으로 운전 되었으며, CO₂가 반응기에 주입되기전인 자열개질반응(ATR : Autothermal Reforming) 운전 시에는 H₂/CO 비율이 3~5이고, Tri-reforming 전환 후에는 H₂/CO 비율이 2이하로 감소하는 것을 확인하였다. 최종 단계에서 CH₄ 전환율은 99.
후)운전시에는">운전 시에는 H₂/CO 비율이 3~5이고, Tri-reforming 전환 후에는 H₂/CO 비율이 2이하로 감소하는 것을 확인하였다. 최종 단계에서 CH₄ 전환율은 99.9% 이상을 유지하였으며 H₂/CO ratio가 1.0~1.2로 안정적인 합성가스를 제조할 수 있었다. 그 결과를 Fig.

후속연구

후)상용보급을">상용 보급을 위한 준비 중에 있다. DME FPSO(해양 부유식 생산저장 하역설비)와 시범 보급등이 정부 국책사업으로 시행중에 있는 바, 향후 3년이내에 상용화 및 국민연료로 각광을 받을 것으로 보여 지며 해외 가스전에 DME 플랜트를 건설할 경우 년간 약 2~3조원의 수출이 기대되며, DME 연료를 연간 1,000만톤 활용할 경우 석유 의존도를 5%이상 낮출 수 있을 것으로 기대된다^4,29).
DME는 고갈되어 가는 고유가의 석유를 대체할 수 있는 연료로 개발하고 특히 한계가스전, 중소규모 가스전등 향후 개발잠재력이 존재하는 가스전으로부터 개발 생산 할 수 있는 연료로 자리매김 될 것이기 때문에 신에너지 또는 재생에너지 시대가 도래되기 전에 가스에너지를 다양한 방법으로 제조, 공급하여 에너지 위기에 대응할 수 있는 새로운 에너지로 각인될 것으로 기대된다^4,26,27).

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	DME 합성공정은 어떻게 구분되는가?	DME 합성공정은 Fig. 3에 나타내듯이 크게 두 가지로 구분할 수 있는데 먼저 합성가스로부터 메탄올을 합성한 후 다시 메탄올 탈수반응을 통하여 DME를 합성하는 간접법과 천연가스로부터 DME를 직접 합성하는 직접법으로 구분된다4).
	KOGAS DME 생산 플랜트의 핵심기술은?	KOGAS DME 생산 플랜트의 핵심기술은 공정(Process), 촉매(Catalyst), 반응기(Reactor), 엔지니어링(Engineering) 기술이다. 이 네 가지 기술은 플랜트 설계의 핵심기술이며 license 확보를 위한 기본 기술이다4).
	디메틸에테르는 어떤 연료인가?	환경 친화적인 에너지로서 그 실용화가 기대되고 있는 디메틸에테르(dimethyl ether, 이하 DME)는 국제적으로도 관심이 높아지고 있다. 덴마크의 Haldor Topsoe, 미국의 Air Products & Chemicals, 일본의 JFE 등에서 잇달아 새로운 합성기술을 개발 함에 기존의 석유계 연료와 가격경쟁력을 가질 수 있을 것으로 전망되는 청정 대체연료이다. 천연가스를 개질반응에 의하여 제조할 수 있는 DME는 최근 가정용, 발전용 및 수송 에너지로서 각광을 받고 있는데 연료로서 천연가스의 물리･화학적 단점을 대부분 보완할 수 있는 특성을 갖추고 있어서 중요한 차세대 연료로서 주목받고 있다. 특히 발전 및 수송 연료의 관점에서 DME 활용은 기존의 가솔린과 디젤 연료에 비해 질소산화물, PM과 이탄화수소의 배출가스가 현저히 낮게 배출되어 환경 규제치를 만족할 수 있기 때문에 청정 에너지중 하나로 거론되고 있다.

참고문헌 (29)

Youngsoon Baek, Wonjun Cho, Hyen Chan Lee,"The Status of DME Development and Utilization as a Fuel", KIC News, Vol. 13, No. 2, 2010, pp. 1-11
Wonjun Cho, "DME Manufacturing Technology and Development Trend of $CO_{2}$ Reduction Technology", Meteorological Technology & Policy, 2010, pp. 78-84
Hyunggyu Kim, Byughak Cho, Wonihl Cho, Youngsoon Baek, "Synthesis Process of Dimethyl- Ether Using Tri-reforming Reaction" KIGAS, Vol 10, No. 2, 2005, pp. 22-26
Wonjun Cho, Youngsoon Baek, "Development of KOGAS DME Technology and Status of DME Commercialization", The Korea Gas Union, 2010, pp. 26-39
Chang Woo Choi, Wonihl Cho, Youngsoon Baek, Kyung Ho Row, "Experimental Study on the Synthesis of Dimethyl Ether" J. korean Ind. Eng. Chem., Vol. 17, No. 2, April 2006, pp. 125-131
S. Aoki, N. Inoue, and Y. Ohno, 4th Asian DME Conference, Kitakyushu, Fukuoka, Japan, 2007, 123.
T. L. Gardmark, 4th Asian DME Conference, Kitakyushu, Fukuoka, Japan, 2007, 139.
Japan DME Forum, DME Handbook, 2007.
T. Ogawa, N. Inoue, T. Shikada, and Y. Ohno, Journal of Natural Gas Chemistry, 12, 219, 2003.

상세보기
I. Dybkjaer, "Topsoe methanol technology", Chem. Econ. Engng. Rev. 13, 1981, 17.
J. H. Kim, M. J. ParK, S. J. Kim, O. S. Joo, and K. D. Jung, "DME synthesis from synthesis gas on the admixed catalyst of $Cu/ZnO/Al_{2}O_{3}$ and ZSM-5", Applies Catalsis A: 264, 2004, pp. 37-42.

상세보기
K. M. Vanden Bussche and G. F. Froment, Journal of Catalysis, 161, 1996, 1.

상세보기
M. J. L. Gines, A. J. Marchi, and C. R. Apesteguia, Applied Catalysis A: General, 154, 155, 1997.

상세보기
M. Xu, J. H. Lunsford, D. W. Goodman, and A. Bhattachatyya, Applied Catalysis A: General, 149, 1997, 289.

상세보기
F. S. Ramos, A. M. Duarte de Farias, L. E. P. Borges, J. L. Monterio, E. F Sousa-Aguiar, and L. G. Appel, Catalysis Today, 110, 39, 2005.
K. Asami, K. Fujimoto, Catalysis Society of japan, Vol. 44, No. 1, 2002, p. 44.
K. Wakai, K. Nishida, T. Kobayashi, and H. Hiroyasu, "Spray and Ignition Characteristics of Dimethyl Ether Injected by a D. I. Diesel Injector," The fourth International Symposium COMODIA 98, July 20-23, Kyoto, Japan, pp. 537-542.
C. W. Choi, W. Cho, W. S. Ju, S. H. Lee, Y. S. Baek, and K. H. Row, Trans. of the Korean Hydrogen and New energy society, Vol. 15, 2004, p. 283.
Jungwon Choi, Sang-ho Lee & KyuSung Sim, Jongwon Kim, SungHyun Kim, "Direct Synthesis of Dimethyl Ether from Syngas in Slurry Phase and Gas Phase Reactorctor" The Korea Society for Energy Engeering july, Vol. 10, No. 1, 2001, pp. 40-48.
X. D Peng, A. W. Wang, B. A. Toseland and P. J. A. Tijm, "Kinetic understanding of the chemical synergy under LPDME condition -once -through application" Chemical Engineering Science, 54, 1999, pp. 2787-2792.

상세보기
Daesung Song, Wonjun Cho, Gibaek Lee, Dal keun Park, and En Sup Yoon "Numerical Analysis of a Pilot-scale Fixed-bed Reactor for Dimethyl Ether(DME) Synthesis" Ind. Eng. Chem. Res, 47, 2008, pp. 4553-4559.

상세보기
Lim, G. G., Baek Y. S., and Cho, W. I., "A Study on Separation Process Development for the Mixture of DME +Methanol + $CO_{2}$ from DME Synthesis Process," Korean Soc. Ind. Eng. Chem., Vol. 9,pp. 193-196.
Renon, H. and Prausnitz, J. M., "Local Composition in Thermodynamics Excess Functions for Liquid Mixtures", AIChE J., Vol. 14, 1968, pp. 135- 144.

상세보기
Eleisch, T. H., and Meurer, P. C., "Consider the DME Alternative for Diesel Engines," Fuel Techno. Manage., Vol. 4, pp. 54-56.
C. W. Choi, W. I. Cho, W. S. Ju, S. H. Lee, Y. S. Beak, and K. H. Row, "The Experimental Study on the Direct Synthesis of DME (Dimethyl Ether) in the Fixed Bed Reactor", Trans. of the Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 15, No. 4, 2004, pp. 283-290.
Shinbeom Lee, Sungjoon Ahn, Byughak Cho, Wonihl Cho, Youngsoon Baek, Dalkeun Park, Ensup Yoon "Analysis of Fixed Bed Reactor for the Synthesis of DME from Methane", KIGAS, Vol. 8, No. 4, 2004, pp. 42-49.
Lim, G. G., Baek, Y. S., and Cho, J. H., "A Study on $CO_{2}$ Separation Process Development from DME Synthesis Process", Korean Soc. Atmos. Environ.. Vol. 39, pp. 131-132.
Kiwon Kim, Wen-jie Shen, and Kyu-wan lee, "Concurrenrt production of methanol and Dimethyl Ether from carbon dioxide hydrogen : investigation of Reaction Condition", Bull. Korean Chem. Soc. Vol. 20, No. 9, 1999, pp. 993-998.
T. Fleisch, Prospects for DME as a multi-purpose fuel IBC Gas to Liquids Conference, Milan, ltaly, 2002.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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