석탄가스를 이용한 DME 합성공정에 대한 전산모사 연구

Abstract

본 연구는 Pilot급의 석탄가스화복합발전(Integrated Gasification Combined Cycle)에서 생성되는 석탄가스(Coal synthesis gas)를 이용하여 Diesel의 대체 에너지원으로 주목받고 있는 DME(Dimethyl Ether)로 전환하는 공정에 대한 전산모사를 수행하여 DME 합성공정의 운전특성을 파악하였다. 합성공정의 전산모사는 Aspen Tech사의 상용코드인 Aspen Plus를 이용하였다. 전체공정은 정상상태(Steady state)의 기상반응으로 진행되며, Redlich-Kwong Soave 상태방정식에 지배된다고 가정하였다. 석탄가스는 공정에서 재순환 없이 한번 통과하는 방식으로 기준을 설정하였다. 공정모사의 목적은 Pilot급 IGCC에서 발생되는 100 N㎥/h의 석탄가스를 공급하였을 때 DME 전환공정에서 최적의 상태로 DME를 생산할 수 있는 운전조건을 도출하는데 있다. 공정모사의 방법으로는 Aspen plus에 내장되어 있는 반응기 모델 중 평형모델(REquil)과 깁스모델(RGibss) 그리고 반응속도모델(RPlug)에 대해서 모사를 수행하였으며 운전압력, 온도, 석탄가스의 조성에 따라 공정에 미치는 영향을 예측하였다. 전환공정에 설치될 DME 반응기는 Shell & Tube 형태의 다중관 촉매반응기로서 관 내부에는 DME 합성촉매가 충진되어 있어 석탄가스가 촉매층을 통과하면서 DME로 전환된다. 반응기 내부에서 진행되는 촉매반응의 모사를 위해서 촉매표면의 흡탈착 반응기구인 Langmuir Hinshelwood 식을 적용하였다. DME 합성반응은 메탄올 합성반응과 탈수반응 그리고 수성가스반응으로 구분할 수 있으며, 본 연구에서 메탄올은 CO와 CO₂에 의해서 생성된다는 가정 하에 2개의 메탄올 합성반응식을 선정하였다. DME 합성반응에 대한 Kinetic parameters의 적용은 선행된 실험값이 없는 관계로 고정층 반응기에서 DME 반응에 관한 타 연구자료를 참고하여 모사에 반영하였다. Haldor Topsoe A/S에서 수행되어 온 석탄가스를 이용한 직접합성에 의한 DME pilot 제조에서 얻어진 운전결과에 의하면, DME 합성반응의 경향은 반응압력이 높아지면 평형전환율이 높아지는 것에 대응하여 실제 전환율도 높아진다. 전환율에 대한 온도의 영향은 온도상승과 더불어 반응속도론적으로 높아지나 평형에 의해서 제약된다고 하였다. 실제로 H₂/CO의 조성비가 0.7인 석탄가스를 공급하여 반응기의 운전온도가 250~280℃, 압력이 50~100 ㎏/㎠ 내에서 석탄가스를 재순환하지 않은 조업에서 33%의 CO 전환율과 메탄올을 포함한 DME는 30~80%의 수득률을 얻는다고 한다. 본 연구에서는 석탄가스를 이용한 DME 전환공정에 대한 촉매반응에 대한 전산모사를 다루었으며, 실제 공정의 운전 결과와 비교하여 공정모델의 적절성을 평가하였다. 그 다음으로 평가된 모델을 이용하여 상용화급 IGCC 플랜트와 연계하였을 때 DME의 생산량에 대해서도 예측하였다.