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석탄 가스화를 통한 전력 생산과 DME 병산 공정에 대한 기초 경제성 분석
유영돈 ( Young Don Yoo ),김수현 ( Su Hyun Kim ),조원준 ( Won Jun Cho ),모용기 ( Yong Gi Mo ),송용택 ( Tae Kyong Song ) 한국화학공학회 2014 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.52 No.6
석탄가스화를 기반으로 한 발전(IGCC 발전) 및 화학원료 제조공정의 상업화 관건은 화석연료인 원유 또는 천연가스를 기반으로 생산되는 경우와 비교하여 경제성을 확보할 수 있는지 여부이다. 경제성 확보를 위한 가장 현실적인 방법으로는 석탄 가스화를 통해 얻어진 합성가스로부터 2개 이상의 생산물(예: 발전과 화학원료를 동시 생산)을 병산(coproduction또는 poly-generation)하는 것이다. 본 연구에서는 석탄 가스화를 기반으로 하여 발전과 수송용, 발전용 및 가정용 연료로 사용이 가능한 DME(dimethyl ether)를 병산하는 공정에 대한 경제성 분석을 실시하였다. 경제성 분석을 위한 병산 공정에서는 250 MW 전력생산 연간 30만 톤의 DMZ 생산을 기준으로 하였다. 병산 공정에서 DME 판매가격이 50만원/ton인 경우, 전기 생산원가는 34.8~58.4원/kWh으로 SMP(계통한계가격) 가중평균인 150.69원/kwh(2013년 1월~12월까지의 평균값)의 33~58% 수준으로 산정되었다. 따라서, DME 판매가격이 적정하게 유지될 경우 석탄IGCC+DME 병산공정은 IGCC 단독 발전과 비교하여 경제성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 현재 중국에서 DME판매가격이 900,000원/톤 내외이므로, 전력과 DME를 병산할 경우, IGCC 단독으로 전력을 생산할 경우와 비교하여 전력 생산 원가를 월등하게 낮출 수 있음을 알 수 있다. 이와 같이 석탄 가스화를 기반으로 한 병산 공정을 통해 전력과 DME를 병산하는 시스템에서, 시장 여건에 따라 전력과 DME 생산비율 제어가 가능하고, 석탄 가스화기 및 정제 시스템을 공통 설비로 활용함으로써, 개별적으로 생산하는 것보다 생산 원가를 낮출 수 있다는 결과를 얻었다. The key for the commercial deployment of IGCC power plants or chemical (methanol, dimethyl ether, etc.) production plants based on coal gasification is their economic advantage over plants producing electricity or chemicals from crude oil or natural gas. The better economy of coal gasification based plants can be obtained by co-production of electricity and chemicals. In this study, we carried out the economic feasibility analysis on the process of co-producing electricity and DME (dimethyl ether) using coal gasification. The plant’s capacity was 250 MW electric and DME production of 300,000 ton per year. Assuming that the sales price of DME is 500,000 won/ton, the production cost of electricity is in the range of 33~58% of 150.69 won/kwh which is the average of SMP (system marginal price) in 2013, Korea. At present, the sales price of DME in China is approximately 900,000 won/ton. Therefore, there are more potential for lowering the price of co-produced electricity when comparing that from IGCC only. Since the co-production system can not only use the coal gasifier and the gas purification process as a common facility but also can control production rates of electricity and DME depending on the market demand, the production cost of electricity and DME can be significantly reduced compared to the process of producing electricity or DME separately.
석탄가스화를 통해 얻어진 합성가스 정제 및 DME(Dimethyl Ether) 제조 특성 연구
유영돈(Yoo, Young-Don),이승종(Lee, Seung-Jong),이도연(Lee, Do-Youn),윤용승(Yun, Yong-Seung) 한국신재생에너지학회 2007 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2007 No.06
본 연구 목적은 석탄 가스화를 통해 얻어진 합성가스를 이용하여 국내에서 개발된 DME 합성 촉매를 사용하여 DME 전환 공정에 대한 특성을 파악하는 것이다. 특히, DME 합성 반응에 가장 큰 영향을 미치는 합성 반응로의 온도 제어를 위하여 thermosyphon 시스템을 개발하여 DME 합성 반응에 최적온도로 알려진 230{sim}260^{cdot}C 범위에서 제어가 가능함을 확인 하였다. 석탄 40 kg/h를 공급하였을 때 합성가스 유량은 80{sim}100 Nm³/h 정도를 얻었다. DME 합성 반응에 사용한 촉매는 합성가스로부터 메탄올을 얻기 위한 촉매와 메탄올의 탈수 촉매(Cu/Zn/Al+r-Al₂O₃)를 혼합한 촉매를 사용하였다. DME 합성 반응로의 GHSV(1/kg^{cdot}Ccat h)는 2500{sim}3000 정도이며, 운전 압력 60기압에서 H₂ 전환율 65{sim}75%, DME 선택도는 69{sim}79% 정도를 얻었다.
허려화 ( Li Hua Xu ),유영돈 ( Young Don Yoo ),윤용승 ( Yong Seung Yun ),김형택 ( Hyung Taek Kim ) 한국공업화학회 2012 공업화학전망 Vol.15 No.1
중국 석탄 가스화 산업은 GE Energy, Shell 등과 같은 외국 기업들에 의해 최근까지 시장이 주도되었으나, 2000년대 후반부터는 중국 정부의 지원하에 대형 석탄 가스화 연구 개발 프로젝트가 진행되면서, 중국 석탄 가스화기술의 비약적인 발전과 더불어 점차 자국 기술의 시장 점유율을 높이고 있다. 특히, 자체 개발된 가스화기를 중국내에서 실증 과정을 통한 설계 및 운전 경험 확보를 통해 기존 선진국의 가스화 기술과 비교하여 경쟁력 있는 기술로의 발전을 꾀하고 있다. 2,000톤/일급 이상 처리가 가능한 대표적인 상업용 가스화기로는 습식가스화 기술인 OMB가스화기, 건식 가스화 기술인 TPRI 가스화기를 들 수 있다. OMB 가스화기의 경우, 25개 기업에서 72개의 가스화기가 운영 또는 건설되고 있고 메탄올과 같은 화학원료 제조 목적으로 사용되고 있다. 특히, 현재 건설 중인 미국 텍사스주 Valero에 2,500톤/일 규모의 5기의 가스화기로부터 수소를 생산하는 프로젝트에 OMB 가스화기를 적용하고 있으며, 2012년부터 건설 예정인 미국 펜실베니아주 Schuylkil County에 270 MW 규모의 IGCC 발전소에 TPRI 가스화기를 적용하는 것으로 발표되어, 중국 가스화 기술은 기존 미국이나 유럽의 가스화기 선진업체와 동등한 기술 수준에 도달된 것으로 판단된다.
허려화 ( Lih Ua Xu ),유영돈 ( Young Don Yoo ),윤용승 ( Yong Seung Yun ),김형택 ( Hyung Taek Kim ) 한국공업화학회 2014 공업화학전망 Vol.17 No.3
국제유가의 지속적인 상승과 에너지공급의 불안정으로 중국에서는 자국의 풍부한 석탄자원을 이용한 석탄 화학산업을 발전시켜 석유 자원의 고갈에 대비하고 있다. 특히, 석탄 가스화를 통해 얻어진 합성가스를 촉매하에서 합성하여 다양한 원료물질로 전환하는 석탄화학산업 중에서 신형 석탄화학산업이라고 분류된 SNG, Olefin, DME 및 CTL 관련 연구 개발 및 사업에 대해서는 프로젝트 심사기간을 단축하고, 연구개발을 통해 파일럿 단계에서 실증단계를 거쳐 상용화 단계까지의 일련의 과정을 중국 정부 주도하에 추진되고 있다. 중국 발전개혁위원회에서 추진한 “십이 오” 기간(2011년∼2015년) 동안 주요 석탄화학 실증 프로젝트의 총 투자비용은 약 6500억 위엔(약 1,067,300억 원)에 달할 것으로 예상된다. 이와 같은 중국 정부의 대대적인 실증 프로젝트 연구를 통해 CTL 1000만 톤, SNG 400억∼500억 Nm3, Olefin 400만 톤, Glycol 200만 톤 생산을 목표로, 석탄화학의 근간이 되는 핵심공정에 대한 설계 기술과 핵심설비 제작 및 운전 능력 확보에 주력하고 있다. 현재 중국은 석탄화학 제품 최대의 생산 공장일 뿐만 아니라 최대의 시장이다. 기존 석탄으로부터 얻어진 합성가스를 이용한 화학물질 합성 기술은 대부분 해외 상용 기술을 도입하여 운전하였지만, 중국정부의 지원과 주도하에 중국 자체 기술을 적용한 상업화 프로젝트의 성공을 통해 점차적으로 해외기술을 자국 기술로 대체하고 있는 추세이며, 자국 기술의 검증을 통해 해외 시장 진출을 활발하게 추진하고 있다.
파일럿 규모의 공정에서 CO<sub>2</sub>가 함유된 합성가스로부터 합성천연가스(SNG) 생산
강석환,류재홍,김진호,김효식,유영돈,김준우,고동준,강용,Kang, Suk-Hwan,Ryu, Jae-Hong,Kim, Jin-Ho,Kim, Hyo-Sik,Yoo, Young-Don,Kim, Jun-Woo,Koh, Dong-Jun,Kang, Yong 한국화학공학회 2019 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.57 No.3
In SNG (synthetic natural gas) process by proposed RIST(Research Institute of Industrial Science & Technology)-IAE(Institute for Advanced Engineering) (including three adiabatic reactors and one isothermal reactor), the methanation reaction and water gas shift (WGS) reaction take place simultaneously, and the supply of steam with syngas might control the temperature in catalyst bed and deactivate the catalyst. In this study for development of SNG process, the characteristics of the methanation reaction with a Ni-based catalyst by prepared RIST and using a low $H_2/CO$ mole ratio (including $CO_2$ 22%) are evaluated. The operating conditions ($H_2O/CO$ ratio of the $1^{st}$ adiabatic reactor, operating temperature range of $4^{th}$ isothermal reactor, etc.) were reflected the results from previous studies and in the same condition a pilot scale SNG process is carried out. As a results, the pilot scale SNG process is stable and the CO conversion and $CH_4$ selectivity are 100% and 96.9%, respectively, while the maximum $CH_4$ productivity is $660ml/g_{cat}{\cdot}h$. 포항산업과학연구원(RIST, Research Institute of Industrial Science & Technology)-고등기술연구원(IAE, Institute for Advanced Engineering)에서 제안한 합성천연가스(Synthetic Natural Gas, SNG) 제조공정(3개의 단열반응기와 1개의 등온반응기로 구성됨)에서, 합성가스와 함께 스팀을 공급함으로써 메탄화반응과 수성가스전환반응을 동시에 반응시켜 촉매층의 온도와 촉매 비활성화를 제어하였다. SNG 공정개발을 위해 본 연구에서는, 포항산업과학연구원에서 제조한 니켈계 촉매를 사용하여 낮은 $H_2/CO$ 비($CO_2$ 22% 포함) 조건에서의 메탄화반응 특성을 평가하였다. 운전조건(1차 단열반응기의 $H_2O/CO$ 비, 4차 등온반응기의 운전온도 범위 등)은 이전의 연구 결과를 반영하였으며, 동일한 조건을 유지하면서 파일럿 규모의 SNG 공정을 운전하였다. 그 결과, 파일럿 규모의 SNG 공정은 안정적으로 운전되었으며, CO 전환율 100%, $CH_4$ 선택도는 96.9% 그리고 $CH_4$ 생산성은 $660ml/g_{cat}{\cdot}h$의 값을 얻었다.
석탄 및 폐기물로부터 합성가스 제조를 위한 가스화용융 Pilot Plant 운전특성
정석우(Chung, Seok-Woo),윤용승(Yun, Yong-Seung),유영돈(Yoo, Young-Don) 한국신재생에너지학회 2005 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2005 No.06
Gasification has been regarded as a very important technology to decrease environmental pollution and to obtain higher efficiency. The gasification process converts carbon containing feedstock into a synthesis gas, composed primarily of CO and H₂. And the synthesis gas can be used as a source for power generation or chemical material production. Through more than nine years, IAE developed and upgraded several gasification/melting pilot plant system, and obtained a good quality synthesis gas. This paper illustrates the gasification characteristics and operation results of two 3 ton/day synthesis gas production facilities. One is entrained-bed slagging type coal gasifier system which is normally operated in the temperature range of 1,400~1,450?C,;8~10 bar pressure. And the other is fixed-bed type gasification/melting furnace system using MSW and industrial wastes as a feedstock.