[국내논문]등온반응기와 단열반응기 조합으로 구성된 0.25 MW급 메탄합성 파일롯 공정 운전특성 Operating Characteristics of a 0.25 MW Methanation Pilot Plant with Isothermal Reactor and Adiabatic Reactor원문보기
본 연구에서는 등온반응기와 단열반응기로 구성된 0.25 MW 메탄합성 파일롯 공정 실험을 통한 운전 특성을 분석하였다. 등온반응기는 메탄합성 반응을 통해 발생하는 열을 포화수의 유량과 압력을 통해 강제적으로 제어할 수 있는 반응기로 등온반응기와 단열반응기를 조합할 경우 기존 단열반응기만으로 구성된 메탄합성 공정에 비해 반응기 개수를 줄일 수 있다. 또한 합성가스 재순환이 불필요하기 때문에 단열반응기 조합으로 구성된 메탄합성 공정에서 비용의 약 15~20%를 차지하는 재순환 압축기를 제거할 수 있다. 등온반응기로 유입되는 합성가스의 $H_2$/CO 비가 3보다 낮은 경우에는 튜브에 충진된 촉매에 탄소 침적 현상이 일어나 반응기의 차압이 증가하였으며, $H_2$/CO 비가 3으로 공급되는 경우에는 탄소 침적 현상이 일어나지 않고 메탄합성 반응이 안정적으로 유지되어 CO 전환율 99% 이상, $CH_4$선택도 97% 이상, $CH_4$생산성 최대 $695ml/h{\cdot}-cat$를 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 등온반응기와 단열반응기로 구성된 0.25 MW 메탄합성 파일롯 공정 실험을 통한 운전 특성을 분석하였다. 등온반응기는 메탄합성 반응을 통해 발생하는 열을 포화수의 유량과 압력을 통해 강제적으로 제어할 수 있는 반응기로 등온반응기와 단열반응기를 조합할 경우 기존 단열반응기만으로 구성된 메탄합성 공정에 비해 반응기 개수를 줄일 수 있다. 또한 합성가스 재순환이 불필요하기 때문에 단열반응기 조합으로 구성된 메탄합성 공정에서 비용의 약 15~20%를 차지하는 재순환 압축기를 제거할 수 있다. 등온반응기로 유입되는 합성가스의 $H_2$/CO 비가 3보다 낮은 경우에는 튜브에 충진된 촉매에 탄소 침적 현상이 일어나 반응기의 차압이 증가하였으며, $H_2$/CO 비가 3으로 공급되는 경우에는 탄소 침적 현상이 일어나지 않고 메탄합성 반응이 안정적으로 유지되어 CO 전환율 99% 이상, $CH_4$선택도 97% 이상, $CH_4$생산성 최대 $695ml/h{\cdot}-cat$를 얻을 수 있었다.
In this study, we analyzed the operational characteristics of a 0.25 MW methanation pilot plant. Isothermal reactor controled the heat released from methanation reaction by saturated water in shell side. Methanation process consisting of isothermal reactor and adiabatic reactor had advantages with n...
In this study, we analyzed the operational characteristics of a 0.25 MW methanation pilot plant. Isothermal reactor controled the heat released from methanation reaction by saturated water in shell side. Methanation process consisting of isothermal reactor and adiabatic reactor had advantages with no recycle compressor and more less reactors compared with methanation process with only adiabatic reactors. In case that $H_2$/CO ratio of syngas was under 3, carbon deposition occurred on catalyst in tube side of isothermal reactor and the pressure of reactors increased. In case that $H_2$/CO ratio was maintained around 3, no carbon deposition on catalyst in tube side of isothermal reactor was found by monitoring the differential pressure of reactors and by measuring the differential pressure of several of tubes filled with catalyst before and after operating. It was shown that CO conversion and $CH_4$selectivity were over 99, 97%, respectively, and the maximum $CH_4$productivity was $695ml/h{\cdot}g-cat$.
In this study, we analyzed the operational characteristics of a 0.25 MW methanation pilot plant. Isothermal reactor controled the heat released from methanation reaction by saturated water in shell side. Methanation process consisting of isothermal reactor and adiabatic reactor had advantages with no recycle compressor and more less reactors compared with methanation process with only adiabatic reactors. In case that $H_2$/CO ratio of syngas was under 3, carbon deposition occurred on catalyst in tube side of isothermal reactor and the pressure of reactors increased. In case that $H_2$/CO ratio was maintained around 3, no carbon deposition on catalyst in tube side of isothermal reactor was found by monitoring the differential pressure of reactors and by measuring the differential pressure of several of tubes filled with catalyst before and after operating. It was shown that CO conversion and $CH_4$selectivity were over 99, 97%, respectively, and the maximum $CH_4$productivity was $695ml/h{\cdot}g-cat$.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 메탄합성 공정으로 등온 반응기와 단열반응기의 조합으로 구성된 0.25 MW 규모의 파일롯 플랜트 메탄 합성 공정을 구축하고, 운전 특성을 파악하기 위한 실험을 진행하였다. 파일롯 플랜트의 공정 구성도는 Figure 4에 나타내었으며, 설치 모습은 Figure 5에 나타내었다.
제안 방법
가스화 방법에 기반하여 합성천연가스를 생산하기 위해서는 가스화 및 정제 공정, 메탄합성 공정을 거쳐야 하는데, 현재까지 상용화된 메탄합성 공정은 단열반응기의 조합으로 구성되어 있다. 본 연구에서는 기존 상용 SNG 제조 공정에서 사용하고 있는 단열반응기의 조합으로 구성된 메탄합성 공정 대신 등온반응기와 단열반응기의 조합으로 구성된 0.25 MW급 메탄합성 파일롯 공정의 운전 특성을 분석하였다.
또한 메탄합성 반응은 매우 빠른 반응으로, 상용공정에서 메탄합성 반응기에 충진되는 촉매의 양이 반응이 일어나는 시간과 비교하여 충분하기 때문에, 메탄합성 반응기 출구에서의 가스 조성이 열역학적 평형으로 계산한 결과와 크게 다르지 않다. 상용공정에서의 설계에서도 열역학적 평형에 근거하여 메탄합성 반응기에서의 조성을 예측한다. 온도와 압력에 대한 메탄합성 반응의 열역학적 평형 조성은 Figure 1에 나타난 바와 같이 온도가 낮을수록, 압력이 높을수록 잘 일어난다.
등온반응기와 단열반응기 조합으로 구성된 0.25 MW급 메탄합성 파일롯 공정은 총 2회에 걸쳐 실험을 진행하였는데, Figure 6에 1차 운전시의 메탄합성공정으로 유입되는 H2/CO 비와 최종 배출되는 SNG 내의 메탄(CH4) 함량을 나타내었고, Figure 7에는 1차 운전시의 등온반응기 온도, 단열반응기 온도, 일산화탄소(CO) 전환율, 반응기 압력을 나타내었다. 1차 운전시 합성가스 공급 부분의 수소(H2) 공급이 안정적으로 이루어지지 않아 공급되는 수소(H2)의 유량이 일정하지 않는 현상으로 인해 유입되는 합성가스의 H2/CO 비를 메탄화 반응에서 요구되는 수준인 3으로 조절되지 못하는 구간이 발생하였다.
본 연구에서는 등온반응기와 단열반응기로 구성된 0.25 MW 메탄합성 파일롯 운전 실험을 통해 반응 특성을 파악하였다. 강제적으로 메탄합성 반응열을 제거하여 일정하게 반응기의 온도를 유지시키는 등온반응기와 단열반응기로 구성된 메탄합성 공정의 운전 결과 등온반응기 후단에서의 메탄 농도가 80% 수준으로, 단열반응기의 조합으로 구성된 메탄 합성 공정보다 첫번째 반응기에서 높은 전환율을 얻을 수 있었으며, 등온반응기 후단에 한개의 단열반응기를 추가하는 것만으로도 95% 이상의 메탄(CH4) 농도를 얻을 수 있었다.
대상 데이터
메탄합성 공정 실험은 반응기 예열, 촉매 환원, SNG 합성반응의 순서로 진행하였으며, 촉매는 상용촉매인 S사의 촉매를 사용하였고, 사용된 촉매는 니켈(Ni) 함량이 약 40% 정도인 활성이 비교적 높은 촉매이다. 메탄합성 공정의 성능을 좌우하는 요인으로는 반응기의 온도, 공간속도, 메탄합성공정으로 유입되는 합성가스의 H2/CO 비, 반응기의 압력 등이며, 메탄합성 공정 성능 평가는 주로 일산화탄소(CO) 전환율(CO conversion), 메탄(CH4) 선택도(CH4 selectivity), 메탄(CH4) 생산성(CH4 productivity) 평가를 통해 이루어진다[9].
성능/효과
공급되는 합성가스의 H2/CO 비의 변동은 메탄화 반응에 영향을 미치게 되고 최종 배출되는 SNG의 메탄(CH4) 농도의 변화를 발생시키는 주요한 원인임을 알 수 있다. 또한 H2/CO 비가 3보다 낮게 유지되는 구간에서 촉매 내에 탄소가 일부 침적되어 일정시간 실험 후 등온반응기 차압이 1 bar 정도까지 증가하는 현상이 나타났는데 이는 실험 후 충진되었던 촉매 분석 결과를 통해서도 확인할 수 있었다. 문헌에 따르면 Figure 8에 나타난 바와 같이 H2/CO 비에 따라 탄소가 침적되는 영역을 확인할 수 있는데, 본 실험에서도 실험 후 촉매 채취 및 분석 결과 등온반응기 튜브 내의 촉매 중 상부에 있는 촉매에 탄소가 침적된 것을 확인할 수 있었다.
또한 H2/CO 비가 일정하게 유지되어 메탄합성 반응기로 공급되었기 때문에 1차 운전에서 발생하였던 반응기 차압의 증가 현상도 발생하지 않았고, 이를 검증하기 위하여 등온반응기의 촉매가 채워진 튜브 중 일부를 Figure 12와 같이 실험 전후의 차압을 측정하였는데, 실험 전후의 차압에 거의 변화가 없었다. 즉, 운전중의 등온반응기 전후단의 차압 증가 및 촉매가 채워진 튜브의 실험 전후 차압 측정 결과를 통해 2차 운전에서는 촉매내의 탄소 침적 현상이 일어나지 않은 것을 확인할 수 있었다. 일산화탄소(CO) 전환율은 Figure 13에 나타난 바와 같이 99% 이상으로 합성가스 내의 일산화탄소(CO)는 거의 전환되었으며, 메탄(CH4) 선택도는 97% 이상, 메탄(CH4) 생산성은 최대 695 ml/h·g-cat로 나타났다.
25 MW 메탄합성 파일롯 운전 실험을 통해 반응 특성을 파악하였다. 강제적으로 메탄합성 반응열을 제거하여 일정하게 반응기의 온도를 유지시키는 등온반응기와 단열반응기로 구성된 메탄합성 공정의 운전 결과 등온반응기 후단에서의 메탄 농도가 80% 수준으로, 단열반응기의 조합으로 구성된 메탄 합성 공정보다 첫번째 반응기에서 높은 전환율을 얻을 수 있었으며, 등온반응기 후단에 한개의 단열반응기를 추가하는 것만으로도 95% 이상의 메탄(CH4) 농도를 얻을 수 있었다. 이는 일반적으로 3~5개의 단열반응기 조합으로 구성된 메탄합성 공정에 비해 반응기 개수를 줄일 수 있다는 것을 의미한다.
이는 일반적으로 3~5개의 단열반응기 조합으로 구성된 메탄합성 공정에 비해 반응기 개수를 줄일 수 있다는 것을 의미한다. 또한 유입되는 합성가스의 H2/CO 비가 3보다 낮게 공급될 경우 촉매에 탄소 침적이 일어나 반응기 차압이 증가하고 메탄(CH4) 전환율이 낮아지는 것을 확인하였으며, H2/CO 비가 3으로 안정적으로 유지되는 경우에는 운전 중 반응기의 차압 및 실험 전후 촉매 차압 측정 결과로부터 탄소 침적이 일어나지 않아 최종 SNG 내의 메탄(CH4) 농도 95% 이상, 메탄(CH4) 선택도 97% 이상을 얻을 수 있었다.
일산화탄소(CO) 전환율은 Figure 13에 나타난 바와 같이 99% 이상으로 합성가스 내의 일산화탄소(CO)는 거의 전환되었으며, 메탄(CH4) 선택도는 97% 이상, 메탄(CH4) 생산성은 최대 695 ml/h·g-cat로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
천연가스는 생산방법에 따라 어떻게 구분되는가?
천연가스는 난방, 전기생산뿐 아니라, 수송연료와 화학제품 제조의 원료로 사용되는 중요한 에너지원의 하나이다. 천연가스는 일반적으로 가스전에서 생산되는 전통방식의 가스와 셰일가스 또는 석탄메탄층 등의 비전통방식으로 생산되는 가스로 나누어진다[1]. 이 외에도 석탄이나 폐기물, 바이오매스 등을 이용하여 천연가스를 생산할 수 있는데 이 경우 합성 천연가스(SNG, synthetic natural gas or substitue natural gas)라고 부른다[2].
가스화 방법에 기인하여 합성 천연가스를 생산하기 위해서는 어떠한 공정을 거쳐야 하는가?
이 중 수첨가스화에 기반한 방법과 촉매가스화에 기반한 방법은 아직 상용화가 이루어지지 않은 상태이고, 가스화 방법에 기반하여 SNG를 생산하는 방법만이 상용화 되었다. 가스화 방법에 기반하여 합성천연가스를 생산하기 위해서는 가스화 및 정제 공정, 메탄합성 공정을 거쳐야 하는데, 현재까지 상용화된 메탄합성 공정은 단열반응기의 조합으로 구성되어 있다. 본 연구에서는 기존 상용 SNG 제조 공정에서 사용하고 있는 단열반응기의 조합으로 구성된 메탄합성 공정 대신 등온반응기와 단열반응기의 조합으로 구성된 0.
석탄이나 바이오매스 등으로부터 SNG를 생산하는 방법은 어떻게 구분되는가?
일반적으로 석탄이나 바이오매스 등으로부터 SNG를 생산하는 방법은 크게 3가지로 구분된다. 첫째는 석탄을 산소 및 증기와 반응시켜 합성가스(일산화탄소(CO), 수소(H2))를 생산하고 생산된 합성가스 내에 포함된 오염물질을 정제한 후 청정한 합성가스를 니켈(Ni)계 촉매를 사용하여 메탄(CH4)으로 전환시키는 방법(gasification 기반)이고, 둘째는 고온, 고압 조건에서 직접 석탄이나 바이오매스에 수소를 첨가하는 수첨가스화 방법(hydrogasification 기반)[6], 마지막으로 연료를 700 ℃ 정도에서 촉매와 증기를 사용하는 촉매가스화 방법이다[7]. 이 중 수첨가스화에 기반한 방법과 촉매가스화에 기반한 방법은 아직 상용화가 이루어지지 않은 상태이고, 가스화 방법에 기반하여 SNG를 생산하는 방법만이 상용화 되었다.
Youngdon, Yoo, Suhyun, Kim, Hyojun, Lim, and Changdae, Byun, "SNG Technology Trend and Outlook Using Coal Gasification," Korea Gas Union, 37-50 (2010).
Anne-Gaelle Collot, Clean Fuels from Coal, IEA Clean Coal Centre, London, 2004, pp. 41-42.
R. R. Lessard, and R. A. Reitz, "Catalyst Coal Gasification : An Emerging Technology for SNG," Energy Technol., 9, 740-751 (1982).
A. E. Cover, D. A. Hubbard, S. K. Jain, K. V. Shah, P. B. Koneru, and E. W. Wong, "Review of Selected Shfir and Methanation Process for SNG production," Kellogg Rust Synfuels, Inc, Final Report, 1985.
W. L. Lom and A. F. Willaims, Substitute Natural Gas : Manufacture and Properties, John Wiley & Sons, New York, 1976.
Suhyun Kim, Youngdon Yoo, Jaehong Ryu, Changdae Byun, Hyojun Lim, and Hyngtaek Kim., "Methanation with Variation of Temperature and Space Velocity on Ni Catalysts," New & Renewable Energy, 6(4), 30-40 (2010).
Suhyun Kim, "Analysis of Methanation Process Consisting of Adabatic Reactors in Coal-to-SNG Plant," Ph.D. Dissertation, Ajou University, Suwon, 2011.
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.