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고농도 메탄의 합성천연가스 생산을 위한 상업용 촉매의 반응특성; 운전조건에 대한 영향

Catalytic Performance for the Production of CH4-rich Synthetic Natural Gas (SNG) on the Commercial Catalyst; Influence of Operating Conditions

청정기술 = Clean technology, v.24 no.2, 2018년, pp.99 - 104  

김진호 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링센터) ,  류재홍 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링센터) ,  강석환 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링센터) ,  유영돈 (고등기술연구원 플랜트엔지니어링센터) ,  김준우 (포항산업과학연구원) ,  고동준 (포항산업과학연구원) ,  정문 ((주)씨이에스) ,  이종민 ((주)씨이에스)

초록
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본 연구에서는 합성천연가스(synthetic natural gas, SNG)를 생산하기 위한 공정 개발을 위해 RIST-IAE에서 제안한 공정의 4차 반응기에 대하여 합성가스($H_2/CO_2$)를 이용하여 메탄화 반응을 수행하였다. 실험의 조건은 온도, 압력, 공간속도 등을 변화시켰으며, 이때 $CO_2$ 전환율, $CH_4$ 선택도, 반응 후 $H_2$의 농도에 대해 고찰하였다. 그 결과 $CO_2$ 메탄화반응에 의한 $CH_4$의 선택도는 공간속도가 낮을수록, 그리고 압력이 높을수록 증가하였다. 한편, 온도의 경우에는 $320^{\circ}C$에서 최대 값을 보였다. 이러한 결과로부터 SNG 공정에 적합한 4차반응기의 최적 조건을 얻을 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this work, we performed the methanation reaction using synthesis gas ($H_2/CO_2$) for the process to produce synthetic natural gas (SNG) for $4^{th}$ methanation reactor in SNG process proposed by RIST-IAE. Experimental conditions were changed with temperature, pressure and ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 RIST-IAE에서 제안한 SNG 공정에서 4차 반응기의 최적 운전조건을 선정하기 위해 온도, 압력 및 공간속도 등에 따른 상용촉매의 반응특성을 고찰하여 신규의 SNG 공정을 개발하고자 한다.
  • 연구에서는 합성천연가스(synthetic natural gas, SNG)를 생산하기 위한 공정 개발을 위해 RIST-IAE에서 제안한 공정의 4차 반응기에 대하여 합성가스(H2/CO2)를 이용하여 메탄화 반응을 수행하였다. 실험의 조건은 온도, 압력, 공간속도 등을 변화시켰으며, 이때 CO2 전환율, CH4 선택도, 반응 후 H2의 농도에 대해 고찰하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
합성천연가스(이하 SNG로 사용) 생산 방법은? 합성천연가스(이하 SNG로 사용) 생산을 위해서는 석탄이나 바이오매스를 가스화(gasification) 또는 개질(reforming)을 거쳐 생산된 합성가스(CO, H2)를 이용하여 촉매반응을 통하여 생산할 수 있다[3].
합성천연가스 합성하는 방법은? 석탄이나 바이오매스로부터 SNG를 얻는 방법은 i) 원료 물질을 고온 고압의 가스화기를 통해 얻어진 합성가스를 촉매를 사용하여 메탄화 반응을 통해 얻는 방법(CO + 3H2 → CH4 + H2O), ii) 연료를 직접 수소와 반응시켜 가스화반응과 동시에 얻는 방법(C + 2H2 → CH4) 그리고 iii) 연료를 촉매 하에서 증기와 반응시켜 얻는 방법(2C + 2H2O → CH4+CO2) 등이 있다[4].
석탄의 활용에 대해 이뤄지는 노력은? 반면에 석탄의 가채 매장량은 다른 화석연료와 달리 150년 이상으로 보고되고 있으며, 가격 상승과 온실가스 배출문제가 야기되고 있지만 탄소포집 및 저장(CCS) 기술의 개발과 석탄의 가스화로부터 전력, 수소, 합성석유 및 합성천연가스등의 다양한 전환기술을 통하여 효율을 상승시키기 위한 많은 노력이 진행되고 있다. 특히, 석탄의 소비량은 중국을 중심으로 점점 증가할 것으로 예상되고 있다[2].
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참고문헌 (21)

  1. Yoo, Y. D., Kim, S. H., Yun Y., and Jin, K. T.. "Conversion Technology from Coal to Synthetic Natural Gas," KIC News, 12, 38-57 (2009). 

  2. Ding, Y., Han W., Chai Q., Yang S., and Shen W., "Coal- Based Synthetic Natural Gas (SNG): A Solution to China's Energy Security and $CO_2$ Reduction?," Energy Policy, 55, 445-453 (2013). 

  3. Nagase, S., Takami, S., Hirayama, A., and Hirai, Y., "Development of a High Efficiency Substitute Natural Gas Production Process," Catal. Today, 45, 393-397 (1998). 

  4. Kopyscinski, J., Schildhauer, T. J., and Biollaz, S. M. A., "Production of Synthetic Natural Gas (SNG) from Coal and Dry Biomass A Technology Review from 1950 to 2009," Fuel, 89, 1763-1783 (2010). 

  5. Kang, S. H., Kim, J. H., Kim, H. S., Ryu, J. H., Yoo, Y. D., and Kim, K. J., "Catalytic Performance for the Production of Synthetic Natural Gas (SNG) on the Commercial Catalyst in Low Hydrogen Concentration; Influence of Steam and $CO_2$ ," Clean Technol., 20, 57-63 (2014). 

  6. Haldor Topsoe, "From Coal to Substitute Natural Gas Using TREMP," Technical Report, Haldor Topsoe, 2008. 

  7. Kim, J. H., Kang, S. H., Ryu, J. H., Lee, S. K., Kim, S. H., Kim, M. H., Lee, D. Y., Yoo, Y. D., Byun, C. D., and Lim, H. J., "Operating Characteristics of $1Nm^3/h$ Scale Synthetic Natural Gas (SNG) Synthetic Systems," Korean Chem. Eng. Res., 49, 491-497 (2011). 

  8. Kim, S. H., Yoo, Y. D., Kang, S. H., Ryu, J. H., Kim, J. H., Kim, M. H., Koh, D. J., Lee, H. J., Kim, K. J., and Kim, H. T., "Operating Characteristics of a 0.25 MW Methanation Pilot Plant with Isothermal Reactor and Adiabatic Reactor," Clean Technol., 19, 156-164 (2013). 

  9. Hoehlein, B., Menzer, R., and Range, J., "High Temperature Methanation in the Long-Distance Nuclear Energy Transport System," Appl. Catal., 1, 125-139 (1981). 

  10. Vitasari, C. R., Jurascik, M., and Ptasinski, K. J., "Exergy Analysis of Biomass-To-Synthetic Natural Gas (SNG) Process via Indirect Gasification of Various Biomass Feedstock," Energy, 36, 3825-3837 (2011). 

  11. Kim, J. H., Kang, S. H., Young D. Y., Baik, J. H., and Koh, D. J., "Methanation for SNG Production at Low $H_2$ /CO Ratio; $H_2O$ Effect," Theories and Applicat. Chem. Eng., 17, 1688 (2011). 

  12. Rabou, P. L. M., and Bos, L., "High Efficiency Production of Substitute Natural Gas from Biomass," Appl. Catal. B: Environ., 111-112, 456-460 (2012). 

  13. Meijden, C. M., Veringa, H. J., and Rabou, P. L. M., "The Production of Synthetic Natural Gas (SNG): A Comparison of Three Wood Gasification Systems for Energy Balance and Overall Efficiency," Biomass and Bioenergy, 34, 302-311 (2010). 

  14. Mangena, S. J., Bunt, J. R., Waanders, F. B. M., and Baker, G., "The Production of Synthetic Natural Gas (SNG): Identification of Reaction Zones in a Commercial Sasol-Lurgi Fixed Bed Dry Bottom Gasifier Operating on North Dakota Lignite," Fuel, 90, 167-173 (2011). 

  15. Tian, D., Liu, Z., Li, D., Shi, H., Pan, W., and Cheng, Y., "Bimetallic Ni-Fe Total-Methanation Catalyst for the Production of Substitute Natural Gas Under High Pressure," Fuel, 104, 224-229 (2013). 

  16. Bassano, C., Deiana, P., Pacetti, L., and Verdone, N., "Integration of SNG Plants with Carbon Capture and Storage Technologies," Fuel, 161, 355-363 (2015). 

  17. Rostrup-Nielsen, J. R., Pedersen, K., and Sehested, J., "High Temperature Methanation Sintering and Structure Sensitivity," Appl. Catal. A: General, 330, 134-138 (2007). 

  18. Jang, S. Y., and Yoon, K. B., "Study on Hydrogen Embrittlement for API 5L X65 Steel Using Small Punch Test I : Base Metal," J. Energy Eng., 18(1), 49-55 (2009). 

  19. Kim, H. S., Hong, S. M., and Hwang, T. Y., "Comparative Evaluation of Environmental Availability for Hydrogen Supply System with Existing Natural Gas Pipeline," KIGAS, 13(3), 28-32 (2009). 

  20. Kim, W. S., and Jang, J. I., "The Effect of Hydrogen on Mechanical Properties of Gas Pipeline Material : I Tensile Property," KIGAS, 15(3), 67-73 (2011). 

  21. Baik, J. H., Yoo, Y. D., Kang, S. H., Koh, D. J., Kim, J. H., Kim, S. H., and Ryu, J. H., "Apparatus and Method for Producing Synthetic Natural Gas Using Synthesis Gas of Low $H_2$ /CO Ratio," KR. Patent No. 1020120153905 (2012). 

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