Aspen plus를 이용한 산업폐기물 소각 공정 모사

이주호 한서대학교 대학원 2010 국내석사

본 연구는 산업단지에서 발생하는 산업폐기물 처리 소각로(incinerator) 및 배가스 후처리(flue gas treatment) 공정에 대해 화학공정 모사기인 Aspen plus를 이용하여 공정 모사(process simulation)를 수행 하였다. Aspen plus는 1,700개의 순수 성분에 대한 데이터베이스와 다양한 열역학 모델과 단위조작 장치를 모사 할 수 있는 모듈이 내장 되어 있다. 소각 공정은 크게 연소부와 열교환부, 산성가스 처리부, 입자상물질 처리부로 구분하였으며, 연소부에서는 1ㆍ2차 연소실과 우레아(urea)를 이용하여 NO_(x)를 N₂로 환원시키는 SNCR공정으로 구성되어 있다. 연소 시 발생하는 열은 열교환부의 보일러를 통해 스팀형태로 에너지가 회수 되고 산성가스(HCl, SO₂ 등)는 슬러리 상태의 Ca(OH)₂를 주입하여 제거한다. 산성가스 제거 시 생성되는 부산물들(CaCl₂, CaSO₄, CaSO₃ 등)은 소각 시 발생한 ash와 함께 bag-filter에서 포집된다. 소각 공정을 모사함에 있어 사용한 입력자료는 소각 공정 설계자료와 폐기물의 삼성분 자료, 원소분석 자료, 그리고 기존의 연구 논문의 reaction kinetic 상수 등을 이용 하였다. 주요 모사 대상 오염 물질은 NO_(x), SO₂, HCl, 입자상물질 등이었으며, 공정 모사 결과는 실제 산업폐기물 소각로의 운영 결과(배가스 처리 효율 등)와 비교적 잘 일치 하였다. 이러한 결과를 바탕으로 투입폐기물의 조성비 변화에 따른 오염물질 발생량을 예측할 수 있고 배가스 처리 시스템의 효율을 예측하는데 이용할 수 있으며 또한 소각로의 공정 개선에 활용할 수 있을 것으로 판단된다. The processes of incineration of industrial waste and subsequent flue gas treatment were simulated using the Aspen Plus. Aspen Plus has integrated a database of around 1,700 components, a series of modules with different functions and unit operation processes. The processes of incineration include combustion, heat exchange, and air pollution control system (acid gas and particulate matters). SNCR was used for the control of NO_(x) emissions by the introducing of reducing agents, such as ammonia, urea, and cyanuric acid into flue gases at relatively higher temperature ranges of 850~1100℃. The heat produced in the combustion process was recycled through steam, and the acidic flue gas was neutralized with the injected Ca(OH)₂ in SDA. Then the by-products of neutralization and ash were collected in the bag-filter. The input data in the modelling have been included design parameters of incinerator, chemical/physical properties of wastes, and series of reaction kinetic constants. The simulation results, such as the production of NO_(x), SO₂, HCl, particulate matters, and removal efficiency of these pollutants were matched well with the measured data from the actual incineration plants. The results of simulation can be used to predict the rate change of pollutants production along with different input ratio of waste. At the same time, the removal efficiency of flue gases also can be estimated. Furthermore, improvement and optimization measures can be evaluated according to the simulated results.

Purified Terephthalic Acid 생산공정의 Para-Xylene 산화반응 시스템 Simulation Modeling을 통한 온실가스(CO2) 배출량 해석

문경준 서울대학교 대학원 2019 국내석사

This report is analysis of greenhouse gas(Carbon dioxide) quantity produced by Para-Xylene oxidation of the Purified Terephthalic acid (that is Aromatic product in petrochemical process) product process plant through using Aspen plus simulation modeling. The oxidation of Para-xylene in petrochemical plant occurs in reactor with agitator that is equipment in continuous reaction process and uses Acetic acid as solvent to produce Terephthalic acid in a liquid state that is intermediate product in the Purified Terephthalic Acid product process. Oxygen in the air is reacted in the reaction process and nitrogen in the air is vented as off-gas. (The off-gas is reused to transfer any solid product in the petro-chemical plant) The off-gas with main component nitrogen has a little carbon dioxide because there is by-reaction that produces carbon dioxide. The amount of carbon dioxide in the by-reaction should be reported as a greenhouse gas that is classified as“Process Emission” This Aspen plus simulation modeling has executed to check the trend of Carbon dioxide by applying commercial process operating data of reaction system. In other words, this report has a result of the trend of carbon dioxide according to changing value of reaction system by considering actual commercial operating data that is fractional conversion of reactants (Para-Xylene, Terephthalic Acid, Acetic Acid). As a result, the amount of carbon dioxide in oxidation reactor for Terephthalic Acid is most affected by reaction pressure of reactor. This simulation shows that the higher the pressure is, the more carbon dioxide generates proportionately and allows of calculation for the cost of greenhouse gas emission trading Scheme. The cost is that if reactor pressure increases 1kg/㎠g, the annual cost will increase ￦11,000,000(unit cost: ￦22,000/tCO2-eq). In fact, Commercial product process is not operated on higher pressure than normal and optimum pressure, because it can lead to a negative yield of Terephthalic Acid. But above all things, the results of this simulation though the Aspen plus simulator report that you can make sure how operating conditions such as reaction pressure, amount of feed oxygen etc. affect the producing carbon dioxide. 본 프로젝트는 Para-Xylene을 원료로 생산되는 석유화학 아로마틱계 제품인 Purified Terephthalic Acid을 생산하는 공정의 산화반응 시스템을 Aspen plus Simulator를 이용한 모델링을 통해 산화 반응과정에서 발생하는 온실가스(CO2) 배출량을 해석을 하는 것이다. 석유화학 공장에서, Para-Xylene의 산화반응은 교반이 일어나는 연속 반응 공정 설비인 산화반응기에서 발생하며, Acetic Acid를 용매로 사용하여 액상 상태에서 Para-Xylene과 산소의 산화반응으로 Terephthalic Acid을 생산한다. 이러한 산화반응 과정에서 공기 중의 산소는 반응하고 질소는 Off-gas로 배출된다. (이 Off-gas는 Solid 제품 이동 풍송용으로 재사용되기도 함) 그리고 주성분이 질소인 Off-gas 성분을 측정하면, 일부 CO2 성분이 측정된다. Para-Xylene과 공기 중 산소의 반응에서 부반응으로 CO2가 발생하는 것이다. 이 CO2는 상업 운전 사업장의‘공정 배출’온실가스로 산정되어 보고되고 있다. 이러한 온실가스 배출량의 발생 추세를 공정 변화 조건에 따라 확인하기 위해서 상업 생산 공정에서 운전하는 반응 조건으로 Aspen plus Simulator 모델링을 하였다. 다시 말해, 상업 운전 data에 근접한 Simulation 구현하기 위하여 해당 운전 data룰 가지고 반응식을 이루는 반응물의 실질적인 생성물로의 전환율을 계산하고 이를 Simulator에 적용하여 운전 조건 변경에 따른 CO2 발생 변화를 도출하였다. 결과적으로 산화반응의 CO2 배출량은 반응 압력 조건에 큰 영향을 받고 있으며, 압력이 클수록 CO2 발생량이 일정하게 증가하는 경향을 보였다. 이 Simulation 결과는 1kg/㎠g의 압력이 증가할 때 마다 CO2 발생량이 증가하여 온실가스 배출권 비용은 연간 약 11백만원 증가하는 계산이 나오게 된다. 실제 상업운전에서는 기준보다 높은 고압의 운전은 생산 수율의 문제로 운전되지 않으나, 이 프로젝트는 Aspen plus을 이용한 Simulation Modeling을 통해 반응 압력, O2 투입량, 반응기 Overhead Stream의 열교환 상태 등의 운전 조건 변화가 온실가스 배출권 거래 비용이 되는 CO2 발생량에 어떠한 영향을 주는지 확인할 수 있다.

Performance Evaluation of Syngas Production in the Low-Rank Coal/Biomass Co-gasification Process using Aspen Plus Simulation

HAMJA ABU 아주대학교 2015 국내석사

Co-gasification of coal and biomass is the new sensation in energy production as it provides two benefits: coal for high density of energy and biomass for a clean and renewable energy source. The advantages of the gasification process are many. The producer gas from gasification is multipurpose and can be used for producing electricity in gas engines and turbines, for Fischer-Tropsch synthesis of liquid fuel and even for producing gaseous products such as synthetic natural gas like the SNG. A variety of mixtures and compositions of coal and wood provides great flexibility that best fits the desired product. In this study a basic gasification model is developed by Aspen plus Simulation Software based on the report of low rank coal to electricity IGCC cases. Simulation of different coal and wood (Radiata pine) co-gasification process was performed by applying the basic model. Entrained flow Siemens water quenched gasifier is proposed for the basic model for simulating gasification of different ratio of fuel blend. 40% lignite and 60% radiata pine, 70% lignite and 30% radiata pine, 80% lignite and 20% radiate pine, and finally 100 % lignite used for the co- gasification model. Carbon conversion and cold gas efficiency are also calculated to determine energy efficiency. Sensitivity analysis was also performed according to pressures and oxygen/ fuel blend ratios. A Low oxygen amount is required for co-gasification compared to 100% lignite coal. And there is no big pressure effect on the gas compositions production. From the result it clearly show that the 80% lignite coal and 20% radiata pine produces the highest amount of syngas compared to other fuel blend ratios. Biomass is carbon neutral and it is proved as it shows that the effective amount of CO2 is very low. On the other side H2S and NH3 mole flow increased after increasing the coal amount in the blend ratio. The final output of the syngas H2/ CO also indicated a good ratio for 80% lignite and 20% radiate pine.

Zero Emission 분산형 에너지를 위한 1.5kW급 메탄 개질기 特性 硏究

곽민호 京畿大學校 大學院 2005 국내석사

최근 전력에너지의 소비량은 기하급수적으로 증가하고 있다. 전기 에너지 절약 및 여름철 피크부하는 전력 예비율과 상관하여 대단히 중요한 문제로 대두되고 있다. 따라서 피크전력을 피크시간대에서 다른 시간대고 옮길 수 있는 피크 쉬프트 제어방식의 적용이 필요하다. 즉 심야의 값싼 전력을 저장했다가 주간에 소비전력 증가 시에 사용하는 방식인 분산형 발전의 개발이 시급한 실정이다. 분산형 발전 중에서 수요가 많이 발생할 것으로 예측되는 기술은 연료전지 기술이다. 연료전지는 수소를 연료로 사용하고 있으며, 수소를 만드는 방법 중에서 천연가스 개질(LNG reforming)이 널이 이용되고 있다. 본 연구에서는 천연가스 개질기(reformer)를 제작하여 운전한 결과와 simulation 결과를 비교하였다. 또한 개질기의 상용화를 위해서 고려하여야 할 중요한 인자들을 정리하였다. simulation은 실제 공정 분석에 많이 사용되고 있는 ASPEN PLUS을 이용하였다. 개질기의 주요 반응은 수소를 만들어내는 STR(Steam Reforming)과 CO를 제거하는 WGS(Water Gas Shift), PrOx(Preferential Oxidation) 반응이다. 본 연구에서는 촉매의 최적 활성을 나타내는 조건으로 시스템을 설계하였다. 이는 다음과 같다. 먼저 STR의 S/C(steam)/carbon ratio)는 3.0으로 고정하였고 압력은 1~2기압, 온도는 750℃의 조건이다. WGS와 PrOx는 각각2단의 반응기를 두어 CO제거에 효율성을 높였고, 전체시스템의 SV는 5000hr^(-1)로 하였다. 그리고 반응기의 보다 콤팩트화를 위해 metal fiber burner(lean burn)를 사용 하였다. 이러한 조건으로 개질기를 제작 운전하였고, 촉매의 활성 결과와의 운전결과와의 차이를 비교하였다. 실험 결과 등온반응기의 설계가 전체 시스템의 결과에 매우 중요한 부분 이라는 것을 확인하였다. 실제로 촉매의 최적활성을 보이는 온도와 시스템에 장착되어 최적활성을 보이는 온도가 차이를 보이고 있다는 것이 이를 증명한다. 최종 배출가스의 전체적 추이는 수소가 60%(wet base). CO가 1% 를 나타내었고, SR의 온도는 750℃, WGS는 250℃~300℃, PrOx는 180℃~200℃에서 최적의 운전이 이루어졌다. 본 연구에서 제작되어진 개질기의 크기의 대부분은 시스템의 콘트롤 부분과 Water Tank, 냉각부분이 전체 개질기 시스템 2/3을 차지하고 있다. 장치의 상용화를 위해서는 보다 컴팩트한 제품의 설계가 필요할 것으로 판단된다. Recently, the electric power consumption have been increasing exponentially. In case of a peak load related backup power in summer season, it has become conspicuous a long pending issue. Therefore, we really need the peak shift control method to move peak electric power consumption from a peak period to another period in daytime. We need an electric power production system of dispersion type. That is to say, we have to develop a distributed generation system which product electric power and save it at night and use it at daytime. Among the distributed generation system, a fuel cell technology is predicted that the potential demand is very high. The fuel cell is using hydrogen, and the LNG reforming technology is used very widely among this technology. In this study, we compared the practical operating results and the computer simulation results for reformer's efficiency by using LNG reformer. Also, we investigated the important factors considered to commercialize the reformer. We applied a computer simulation program ASPEN PLUS used in a field of process analysis practically. We could know that the main reactions were the STR(Steam Reforming) making hydrogen, PrOx(Preferential Oxidation) reaction removing CO. In the results of this study, we designed the system as follows to induce for an optimum activity of catalysts. Initial S/C(steam/carbon ratio) of STR was fixed by 3.0. Its pressure was 1-2atm, and the temperature was maintained at 750℃. WGS & PrOx designed dual reactor for rise CO removal efficiency. Moreover, we used the metal fiber burner(lean burn) to make reactor more compactly. Syngas composition was hydrogen 70%, CO 0.15% and CH4 0.21% (at dry base). It was SR 750℃, WGS 250℃~300℃ and PrOx 180℃~200℃ that temperature on steady state The size of the greater part of reformer made recently consisted of a control part, water tank, and their composition ratio were about 2/3 of the total reformer system. To commercialize this system, it is very important to decrease a total size of reformer.

Studies on thermal treatments of various solid fuels and reduction of waste oil

박상신 Graduate School, Yonsei University 2015 국내박사

Recently, thermal treatments of various solid fuels such as refuse plastic fuel (RPF), coal, single base propellant, and waste tire have a special attention regarding economical and environmental aspects. The thermal treatments included various processes of pyrolysis, gasification, and combustion. One common way of waste disposal of RPF, expired single base propellant, and waste tire is pyrolysis for recycling resource and reduction of environmental pollution. On the other hands, gasification is the most common way and more efficient process for produced fuel gases of CO and H2 from fossil fuel such as coal. The pyrolysis occurs when oxidant is not supplied, while gasification occurs when insufficient oxidant is supplied; the amount of oxygen supplied for coal gasification is usually 1/3 to 1/5 of that supplied for complete combustion. However, the thermal treatment of various solid fuels necessarily generated waste oil such as tar, which can cause operational problems in many thermo-chemical conversion processes. Therefore, the waste oil disposal is important. Recent increases in fossil fuel costs have given renewed interest to applications of refuse plastic fuel (RPF) for heat and power generation. RPF contains 60%?70% waste plastics, which consists of 30%?35% polystyrene (PS), 20%?25% polyvinyl chloride (PVC), 5% low-density polyethylene (LDPE), and 5% polypropylene (PP). Product yields of liquid, solid, and gas were obtained from pyrolysis experiments on RPF using a tube furnace in a nitrogen atmosphere under three non-isothermal conditions (maximum temperature: 400°C, 600°C, and 800°C). And, the effect of the temperature on the product yields of liquid, solid, and gas were discussed. The gas compositions and liquid compounds were analyzed using gas chromatography (GC) and gas chromatography mass spectrum detector (GC-MSD), respectively. Using a thermo-gravimetric analysis (TGA) reactor, thermal decomposition characteristics of PS, PVC, LDPE, and PP as well as RPF during pyrolysis were analyzed. Using the single reaction model, the activation energy and pre-exponential factor for RPF pyrolysis were 211.11 (kJ/mole) and 9.04E+13 (l/min), respectively. Using the parallel reaction model, the activation energies of PS, PP, LDPE, PVC{1}, and PVC{2} (subscripts {1} and {2} refer to the first and second degradation of PVC in mass) were 231.83, 193.55, 175.92, 72.26, and 164.94 (kJ/mol), respectively, and their pre-exponential factors were 2.27E+17, 4.49E+13, 7.09E+11, 1.24E+06 and 2.16E+11 (l/min), respectively. Three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) modeling of the gasification performance in a one-stage, entrained-bed coal gasifier (Shell Coal Gasification Process [SCGP] gasifier) was performed, for the first time. The parametric study used various O2/coal and steam/coal ratios, and the modeling used a commercial code, ANSYS FLUENT. CFD modeling was conducted by solving the steady-state Navier-Stokes and energy equations using the Eulerian-Lagrangian method. Gas-phase chemical reactions were solved with the Finite-Rate/Eddy-Dissipation Model. The CFD model was verified with actual operating data of Demkolec demo IGCC facility in Netherlands that used Drayton coal. For Illinois #6 coal, the CFD model was compared with ASPEN Plus results reported in National Energy Technology Laboratory (NETL). For design coal used in the SCGP gasifier in Korea, carbon conversion efficiency, cold gas efficiency, temperature, and species mole fractions at the gasifier exit were calculated and the results were compared with those obtained by using ASPEN Plus-Kinetic. The optimal O2/coal and steam/coal ratios were 0.7 and 0.05, respectively, for the selected operating conditions. The Republic of Korea has a plan to construct an incineration facility for expired propellant from munitions including 155 mm, 105 mm, and 8 inch howitzer shells. It is important to understand thermal characteristics of the propellant before designing the incineration facility. The ingredients of a propellant sample were analyzed using liquid chromatography-mass spectrometry, and the temporal mass loss of the sample was measured using thermo-gravimetric analysis (TGA) in an argon atmosphere up to a temperature of 350°C at different heating rates of 10°C/min, 20°C/min, and 30°C/min. The mass of the sample started decreasing at a temperature of about 180°C, and was fully decomposed when the temperature reached about 210°C. Using a first order model to described the reaction kinetics, we obtained a pre-exponential factor of 2.09×1039 [1/min] and an activation energy of 335.77 [kJ/mol] for the sample. In order to understand product gas compositions, another thermal decomposition experiment was carried out using a lab-scale tube furnace under an argon atmosphere to a temperature of 350°C. Gas compositions were analyzed using gas chromatography and gas detecting tubes. Residual ash compounds were analyzed using X-ray fluorescence. Amount of waste tire has been increased with automotive industry development. Disposal of the waste tire caused a huge environmental problem and an economic cost. Recently, the disposal by pyrolysis of waste tire has been studied by many researchers for recycling resource and reduction of environmental pollution. Product yields of liquid, solid and gas were investigated by pyrolysis experiments for scrap waste tire using a lab-scale tube furnace under nitrogen atmosphere for residence times of 5, 10, 20 and 30min and three isothermal conditions (maximum temperatures: 400°C, 600°C and 800°C). The gas compositions and liquid compounds were analyzed using gas chromatography (GC) and gas chromatography mass spectrum detector (GC-MSD), respectively. Structure of carbon produced at 1300°C was compared with commercial carbon black (CB) samples (N660 and ISAF) using a scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscopes (TEM). The product yield of carbon was compared with experimental result and chemical equilibrium calculation result. A dielectric barrier discharge (DBD) reactor was fabricated and operated in two steps. In the first step (oil mist collection) oil mist aerosols were collected and in the second step (oil mist-to-gas conversion), without supplying oil mist particles but with supplying only clean air flow, collected oil mist particles were converted to gas species. An aerodynamic particle sizer, a scanning mobility particle sizer system, and a real-time gas analyzer were used to measure particle and gas concentrations at the inlet and outlet of the DBD reactor. The oil mist collection efficiency decreased from 78% to 21% but the oil mist-to-gas conversion efficiency increased from 6% to 95%, with increasing frequency from 1 kHz to 10 kHz. Low frequency caused higher amplitude of oscillating particle movement between the electrodes, resulting in higher collection efficiency. At a higher frequency, more electrons were generated, which resulted in the formation of more reactive oxygen species and thus increased subsequent oxidation. Increased surface temperature of the DBD reactor with higher frequency also contributed to higher oil mist-to-gas conversion efficiency. The DBD reactor can be applied to reduce oil mists generated in metal working and cooking processes. 폐 플라스틱 연료, 석탄, 수명도래 폐 추진제, 및 폐 타이어 등 다양한 고체연료들의 열적 처리는 경제적?환경적 측면에서 특별한 관심을 가지고 있다. 열적 처리의 다양한 공정은 열분해, 가스화, 연소 등으로 이루어져 있다. 폐 플라스틱 연료, 수명도래 폐 추진제, 및 폐타이어 등의 가장 일반적인 열적 처리는 열분해 이다. 반면에, 가스화는 석탄과 같은 화석연료 등을 이용하여 CO 및 H2와 같은 연료가스를 생산하는 가장 일반적인 방법이고 가장 효과적이다. 하지만, 다양한 고체연료들의 열적 처리는 필연적으로 타르와 같은 폐 오일을 입자 상태로 발생시킨다. 그러므로, 이러한 폐 오일 처리는 매우 중요하다. 최근 화석연료 가격의 증가 추세가 열 및 전기 생산을 위한 폐 플라스틱 재생 연료의 적용에 흥미를 유발 시킨다. 폐 플라스틱 재생연료는 30%?5% 폴리스타이렌 (PS), 20%?25% 폴리비닐 클로라이드 (PVC), 5% 저 밀도 폴리에틸렌 (LDPE), 5% 폴리프로필렌 (PP) 등 전체 구성의 60%?70%로 구성되어 있다. 온도 영향에 따른 고, 액, 기상 수율은 비등온 조건 (최대 온도: 400°C, 600°C, 및 800°C)에서 튜브 퍼니스를 이용하여 열분해 실험으로부터 얻어졌다. 열중량분석 반응기를 이용하여, 열분해 하는 동안 PS, PVC, LDPE, PP, 및 RPF의 열적 분해 특성은 분석되었다. 단일 반응 모델을 사용하여, RPF 열분해에 대한 활성화 에너지 및 전지수인자는 각각 211.11 (kJ/mole) 및 9.04E+13 (l/min)로 도출되었고, 평행 반응 모델을 이용하여, PS, PP, LDPE, PVC{1}, and PVC{2}의 활성화 에너지 값은 각각 231.83, 193.55, 175.92, 72.26, 164.94 (kJ/mol) 및 전지수인자는 각각 2.27E+17, 4.49E+13, 7.09E+11, 1.24E+06, 2.16E+11 (l/min)로 도출되었다. 1단 분류층 석탄 가스화기 (SCGP 가스화기)의 가스화 성능에 대한 3차원 전산수치해석이 최초로 수행되었다. 다양한 산소/석탄 비 및 스팀/석탄 비에 대한 매개변수 연구는 상용 코드인 ANSYS FLUEN를 사용하여 진행되었다. 전산수치해석은 Eulerian-Lagrangian 방법을 이용하여 steady-state Navier-Stokes 및 energy equations에 의해 계산되었으며, 가스상 화학 반응은 Finite-Rate/Eddy-Dissipation 모델을 적용하여 계산 되었다. 전산수치해석은 Drayton탄을 이용한 Demkolec demo IGCC 설비의 실제 운전결과로 검증되었다. Illinois #6탄에 대해, 전산수치해석은 NETL 보고서의 ASPEN Plus 결과와 비교?분석되었다. 한국의 SCGP 가스화기에 사용되는 설계 탄에 대해, 가스화기 출구에서의 탄소전환율, 냉가스 효율, 온도, 그리고 화학종의 함량은 ASPEN Plus-Kinetic을 이용하여 얻은 결과와 비교?분석되었다. 선택된 조건에 대해, 최적의 산소/석탄 및 스팀/석탄 비들은 각각 0.7 및 0.05 였다. 대한민국은 155 mm, 105 mm, 및 8 inch 곡사포로부터 수명도래 폐 추진제 (Single base propellant)에 대한 소각로를 건설할 계획에 있다. 소각설비 설계 전에 폐 추진제의 열적 분해 특성 데이터의 확보는 중요하다. 폐 추진제의 성상은 LC를 이용하여 분석되었고, 시간적 무게 감량은 열중량 분석 반응기를 이용하여 다양한 승온조건들 (10°C/min, 20°C/min, and 30°C/min)에 대해 측정되었다. 폐 추진제의 무게 감량은 약 180°C에서 시작되어 210°C에서 완전히 감량 되었다. 1차반응 모델 (Volume Reaction Model: VRM)을 이용하여, 폐 추진제에 대한 활성화 에너지 및 전지수인자는 각각 335.77[kJ/mol] 및 2.09E+37[1/min]로 도출되었다. 열적 분해시 발생하는 가스 성분을 측정하기 위해, 또 다른 열적 분해 실험을 무산소 분위기에서 수행되었다. 가스성분 분석은 GC 및 검지관 (NO, NO2)을 이용해 수행되었고, 잔류하는 회분은 XRF를 사용하였다. 폐 타이어의 양은 자동차 산업 발전과 함께 증가되고 있다. 폐 타이어의 처리는 막대한 환경 문제 및 경제적 비용을 야기 시킨다. 최근, 폐 타이어의 열분해 처리는 자원 재활용 및 환경오염 저감 측면에서 많은 연구자들에 의해 연구되고 있다. 고, 액, 기상의 발생 물질은 등온 조건 (최대 온도: 400°C, 600°C, 800°C) 및 체류시간 (5, 10, 20, 30분)에 대해 논의 되었다. 기상 성분 및 액상 성분은 각각 CG 및 CG-MSD에 의해 분석되었다. 1300°C에서 생산된 카본의 구조는 SEM 및 TEM 분석을 이용하여 상용 카본블랙 샘플들 (N660, ISAF)과 비교 되었다. 카본의 발생 수율은 실험결과와 화학평형계산 결과를 이용하여 비교?분석되었다. 유전체 베리어 방전 반응기는 본 연구를 위해 제작 되었고 2 단계로 실험되었다. 첫 번째 단계 (오일 미스트 집진)에서, 오일 미스트 입자는 유전체 베리어 방전 반응기 표면에 집진 되었고, 두 번째 단계 (오일 미스트 가스 변환)에서는 유전체 베리어 방전 반응기 표면에 집진된 오일 미스트가 가스로 변환되는 특성에 대해 실험이 진행되었다. 이러한 특성을 파악하기 위해, APS, SMPS, 실시간 가스분석기는 유전체 베리어 반전 반응기 전단과 후단에서 입자 및 가스 농도를 분석하였다. 증가되는 주파수 (1 kHz ~ 10 kHz)에 대해, 오일 미스트 집진 효율은 78%에서 21%로 감소하였고, 가스전환율은 6%에서 95%로 증가하였다. 유전체 베리어 방전 반응기의 표면 온도는 주파수가 증가할수록 함께 증가하였고, 이러한 현상은 가스전환효율의 증가에 기여했다.

Aspen plus를 이용한 고체산화물 연료전지 시스템 모델링 및 연료 이용 효율 시뮬레이션

박종진 전남대학교 2017 국내석사

화석연료로부터 탈피하여 지속 가능한 대체에너지를 이용하는 연구가 이루어지고 있는데 그 중 한 가지 방법으로 연료전지가 주목받고 있다. 본 연구에서는 연료전지의 한 종류인 고체산화물 연료전지의 시스템을 상용 공정 모사기인 Aspen Plus를 이용하여 모사 하였다. 이 연구에서는 고체 산화물 연료전지 시스템 모델링 및 연료 이용 효율의 변화에 따른 시뮬레이션을 진행 하였다. 고체산화물 연료전지의 연료는 천연가스를 사용하였다. 고체산화물 연료전지의 작동 온도와 압력은 1000℃, 1.08bar로 설정하고, 상태방정식은 Peng-Robinson 방정식을 사용하였다. 고체산화물 연료전지 시스템을 모델링 한 후 Reformer의 작동 온도를 바꿔가며 개질된 수소의 최대 수득률은 590℃에서 25.46%임을 확인하였다. 그리고 고체산화물 연료전지 시스템에서 연료 이용 효율이 증가함에 따라 전류는 증가하며 전압은 감소하는 반비례 관계를 보였고, 전력생산량은 증가하며 그에 따라 DC-AC 변환 효율도 증가함을 확인하였다. 또한 연료 성분과 Anode 작동 온도를 바꿔가며 진행 한 결과 연료의 성분이 C4H10, Anode의 작동 온도가 1000℃일 때 반응을 끝내고 남은 H2의 양이 전체 중 9.95%임을 확인하였다.

ASPEN Plus를 이용한 LNG 引受基地用 冷熱發展 시스템 性能 硏究

김동수 아주대학교 산업대학원 1994 국내석사

Simulation of Two-stage Coal Gasification and Syngas Reforming Process to Produce SNG Using Aspen Plus

DENG LINGYAN 아주대학교 2015 국내석사

The simulation of the two-stage coal gasification is studied to find out the pyrolysis products evolution trend and char gasification products. A series of other process: coal preparation, water gas shift (WGS), gas cleaning, and syngas reforming process to produce synthetic natural gas (SNG) are also studied in this work. (1) Coal Preparation. Coal is firstly crushed into smaller size. Screen is used to make sure that the coal size is limited to needed value. (2) Simulation of fluidized bed coal pyrolysis using Rstoic Block and inner FORTRAN sentences. Based on the First-order weight loss principle, RStoic and inner FORTRAN code are used to simulate the three staged lignite coal pyrolysis. With heating rate of 1000 k/s, the simulation results shows the final temperature for stage one, two, three is 500 °C, 640 °C and 900 °C respectively with given pyrolysis products composition. The pyrolysis simulation process was further tested by North Dakota lignite coal and later applied to Illinois No.6 bituminous coal. Its shows that to achieve the given amount of pyrolysis products, pyrolysis of bituminous coal needs relatively lower temperature, 500 °C, for the first stage. After the weight loss based pyrolysis, char is broken into its composing components, solid C, small amount of H, N, O and S, in preparation for the next stages. (3) Simulation of fixed bed char gasification using four types of models. With the same temperature, pressure, reactants feeding rate, RGibbs, RPlug, One RCSTR and Ten RCSTR models are used to simulate char gasification. In order to handle the complicated kinetic reaction function, which is not capable to be dealt with by Aspen Plus’s inner kinetic function or inner FORTRAN sentences, external FORTRAN sentences are used to calculate the reaction kinetics in RPlug and RCSTR model. The simulation result is suiting very well with literature data. Carbon conversion in RGibbs reactor (99%) is higher than RPlug model (98.9%). One RCSTR model has the lowest carbon conversion (75.5%). The comparison between experiment results and simulation results shows that RPlug model is more coincident with experiment than other three models. (4) Syngas reforming to produce SNG. The syngas from two-stage char gasification is firstly experiencing a water gas shift (WGS) process, adjusting the mole ratio of H2/CO to 3.4. After WGS process, syngas is purified by removing particles, acid gases H2S and CO2. The clean syngas is then reformed by four adiabatic reactors to generate high concentration of methane (86%).

아민계 수용액의 이산화탄소 고정화 공정에 관한 연구

민재홍 연세대학교 대학원 2014 국내석사

인간의 산업 활동과 화석연료 사용으로 대기 중으로 배출되는 이산화탄소의 양은 급격하게 증가하고 있다. 이에 따라 기후변화에 대응하기 위해서는 특히 이산화탄소의 처리에 대한 기술 발전의 필요성이 강조되고 있다. 이산화탄소를 고정하는 방법에는 화학적인 처리방법과 물리적인 처리방법이 있으나 본 연구에서는 화학적인 처리방법에 의해 이산화탄소를 처리하고자 한다.본 연구에서는 대표적으로 이산화탄소 흡수 공정에 쓰이는 흡수제를 대상으로 이산화탄소 고정에 관한 실험을 했다. 특히 이산화탄소를 흡수한 아민계 수용액은 금속이온과 반응하여 새로운 금속 탄산염인 CaCO3를 생성시킨다. 본 연구에 사용한 흡수제는 아민계 수용액으로써, 1차 아민인 MEA (Monoethanolamine), 2차 아민인 DEA (Diethanolamine), 3차 아민인 MDEA (N-Methyl-Diethanolamine)이다. 그리고 다른 금속이온에 비해 이산화탄소와 활발하게 반응할 수 있는 Ca source를 이용하여 탄산염 생성실험을 수행했다. 본 탄산염 생성실험을 위해 투입한 금속염은 Ca(OH)2 수용액이다. 이를 통해 일정 시간 동안 5 wt.%와 30 wt.% 수용액에서의 이산화탄소 흡수능을 비교할 수 있다. 이산화탄소를 흡수한 아민계 수용액은 20 wt.% Ca(OH)2수용액과 반응하여 생성되는 침전물의 생성량을 비교하였고, 동시에 XRD 분석에 의해 CaCO3의 생성 결과를 확인할 수 있다. 침전 후 남은 수용액은 연속적으로 실험을 하여 이산화탄소 재흡수반응을 통한 흡수능을 비교해보았다. 이와 더불어 본 연구에서는 공정모사 프로그램 중 하나인 Aspen Plus를 이용하여 본 실험에 대한 반응 모델을 구축했다. 시뮬레이션 프로그램에 의해 농도 별 아민계 수용액에 대한 이산화탄소 흡수와 이에 대해 금속염과 반응하여 금속 탄산염 생성 결과를 확인하도록 했다. 이를 통해 얻은 결과값과 실험 데이터와 비교해 그 가능성을 판단해 보았다. 이러한 공정에 의해 대기 중의 이산화탄소를 제거할 수 있으며, 생성된 금속탄산염은 시멘트와 같은 산업에서 건설 부자재로 재활용이 가능하다.

유해가스 흡수처리에 염수(Brine) 사용 시 흡수 거동 및 효율에 관한 연구

정가영 전남대학교 2021 국내석사

Study is currently underway on low-cost and high-efficiency scrubbers that are applied with the Bubble Column method to absorb hazardous gases in the event of a chemical accident. Bubble Column has a problem that it is vulnerable to freezing in winter because the absorption solution does not circulation normally, so this study was conducted on whether brine can be applied as an absorption solution, the absorbed amount and efficiency. CaCl2 was selected as the optimal Brine considering the absorption performance and price, after experimenting with Brine (NaCl, CaCl2, MgCl2) of the required concentration in each region considering the nation’s lowest temperature. The absorption performance was examined through Aspen plus simulation by applying Ammonia, Ethylene oxide, and Methylamine, which are toxic, water-soluble hazardous gases among accident preparedness substances. The results showed that the efficiency of the use of the brine was reduced by approximately 5 to 25 % with the absorption solution, but the lower the temperature, the greater the gas solubility, so there was no problem with winter use. In late autumn or early spring, the absorption solution could be replaced and it could be operated stable and efficiently without deteriorating absorption performance. If the results of these experiments and design data on the absorption amount and the timing of the replacement of absorption solution in major hazardous gases are used to prevent freezing of Bubble Column absorption solution, the installation and operation costs can be minimized and commercialized in small and medium-sized businesses. 현재 화학물질 누출 사고 발생 시 유해가스 흡수 처리에 Bubble Column 방식을 적용한 저비용·고효율 스크러버에 대한 연구가 진행되고 있다. Bubble Column은 평상시 흡수액이 순환하지 않아 겨울철 동결에 취약하다는 문제점이 있어, 이를 해결하기 위해 Brine을 흡수액으로 사용하였을 때의 적용 가능성과 흡수량 및 성능 등에 관하여 연구를 수행하였다. 지역별 최저 기온을 고려해 각 지역에서 필요한 농도의 Brine(NaCl, CaCl2, MgCl2)을 통해 실험한 결과, 흡수 성능 및 가격 등의 장점을 고려해 CaCl2를 최적의 Brine으로 선정하였다. 실험 결과를 적용하여 Aspen plus 시뮬레이션을 통해 사고대비물질 중 독성, 수용성 유해가스인 암모니아, 산화에틸렌, 메틸아민을 우선 적용하여 흡수 성능을 살펴보았다. 그 결과 흡수액으로 브라인 사용 시 약 5 ~ 25 %의 효율이 감소하는 것을 알 수 있었지만, 온도가 낮을수록 기체 용해도가 커지기 때문에 겨울철 사용 시 문제가 없다는 것을 알 수 있었다. 그리고 늦가을 또는 초봄에 흡수액을 교체하여, 흡수 성능의 저하 없이 효율적이고 안정적으로 운전할 수 있음을 알 수 있었다. 이러한 실험 결과와 주요 유해가스에서의 흡수량 및 흡수액 교체 시기 등에 대한 설계 데이터를 Bubble Column의 동결 방지 방안에 활용한다면 설치 및 운전비용을 최소화할 수 있어 중소규모 사업장에서의 상용화를 기대할 수 있다.