철강공정의 부생가스인 Linz-Donawiz Converter Gas로부터 올레핀 생산 공정에 대한 기술경제성 평가

Abstract

This paper presents a study of the techno-economic evaluation of producing ethylene from steel mill off-gases. Techno-economic evaluation was conducted for two cases where CO-rich Linz-Donawiz converter gas (LDG) and hydrogen or coke oven gas (COG) were used as feed. Mixed gases act as syngas to primarily synthesize methanol and produce ethylene and propylene as secondary products. In the methanol synthesis reaction, a kinetic model from syngas to methanol was used in a multi-tubular fixed bed reactor. Produced crude methanol is then converted to olefins through a methanol-to-olefin reaction. In this case, a fluidized bed reactor with catalyst regenerator was assumed so that the amount of coke is constant because the selectivity of the olefin product varies depending on the degree of deposited of coke on the catalyst. The water and CO2 are removed from crude olefin, and remaining olefins are then separated into ethylene and propylene through a distillation process. The olefin separation process was heat integrated to minimize utility usage. The byproduct stream from each step was used as fuel for a boiler, producing steam from the heat produced. The produced steam generates electricity through a Rankine cycle running on high pressure, intermediate pressure and low pressure turbines. The electricity produced is used in the process and the rest is sold and counted as revenue. Discounted cash flow analysis was performed to take into account the time value of money. Ethylene, propylene, and electricity are considered as products. The capital investment and production cost required for evaluation are calculated based on each reference. Based on this, a cash flow table can be drawn for the entire plant year to calculate the net present value (NPV), and then calculate the minimum selling price (MSP) to determine profitability. Finally, sensitivity analysis is conducted to identify cost driving factor on MSP.

본 연구에서는 철강공장의 부생가스로부터 에틸렌을 생산하는 공정의 기술경제성 평가를 수행하였다. CO가 다량 함유된 Linz-Donawiz converter gas (LDG)와 수소 또는 coke oven gas (COG)를 원료로 하였을 때의 두 가지 경우에 대해 각각 평가를 진행하였다. 혼합된 가스는 합성 가스의 역할을 하여 1차적으로 메탄올을 합성하고, 2차 생성물로 에틸렌과 프로필렌을 생산한다. 메탄올 합성 반응에서는 원통다관형태의 반응기에서 합성가스로부터 메탄올로의 동역할 모델이 적용되었다. 이후 생성된 메탄올은 메탄올-올레핀 반응을 통해 올레핀으로 전환된다. 이 때 촉매 위에 코크가 도핑되어있는 정도에 따라 올레핀 생성물의 선택도가 달라진다는 점으로부터 코크의 양이 일정한 정도가 되도록 재생이 되는 재생기가 포함된 유동층 반응기를 가정하였다. 생성된 올레핀 원료는 물과 이산화탄소가 분리된 후 분리공정를 거쳐 최종적으로 에틸렌과 프로필렌으로 분리된다. 올레핀 분리공정에서는 유틸리티 사용량을 최소화 하기 위해 열교환망이 합성되었다. 각 단위 공정에서 나오는 부산물은연료로 쓰여 보일러에서 태우고, 이 때 발생하는 열로 증기를 생산한다. 생산된 증기는 고압, 중압, 저압 터빈을 돌리는 랭킨 사이클을 순환하며 전기를 생산한다. 생산된 전기는 공정 내부에 쓰이고 나머지는 판매하여 수익으로 계산한다. 생성물인 에틸렌, 프로필렌, 그리고 전기를 수익으로 하여현금 흐름 할인법을 수행한다. 평가에 필요한 투자비, 운영비는 각각의 참고자료를 기준으로 계산한다. 이를 바탕으로 전체 공장 운전기간에 대해 현금 흐름표를 그려 순현재가치를 계산하고, 수익이 되는 최소 판매 가격을 계산하여 수익성을 판단한다. 마지막으로 민감도 분석을 통해 최소 판매 가격에 영향을 주는 인자들을 확인한다.