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CLEAN TECHNOLOGY, Vol. 19, No. 2, June 2013, pp. 156~164 청정에너지기술 등온반응기와단열반응기조합으로구성된 0.25 MW 급메탄합성파일롯공정운전특성 김수현 *, 유영돈, 강석환, 류재홍, 김진호, 김문현, 고동준, 이현정, 김광준, 김형택 고등기술연구원플랜트엔지니어링본부 443-749 경기수원시영통구월드컵로 206 포항산업과학연구원석탄화학연구단 790-834, 경북포항시남구지곡로 127 번길 65 포스코 ( 주 ) 가스석탄화학사업실 135-777 서울특별시강남구테헤란로 440 포스코센터 아주대학교에너지시스템학부 443-749 경기수원시영통구월드컵로 206 (2013 년 4 월 4 일접수 ; 2013 년 5 월 14 일수정본접수 ; 2013 년 5 월 14 일채택 ) Operating Characteristics of a 0.25 MW Methanation Pilot Plant with Isothermal Reactor and Adiabatic Reactor Suhyun Kim*, Youngdon Yoo, Sukhwan Kang, Jaehong Ryu, Jinho Kim, Munhyun Kim Dongjun Koh, Hyunjung Lee, Gwangjun Kim, and Hyungtaek Kim Plant Engineering Division, Institute for Advance Engineering 206 World cup-ro, Yeongtong-gu, Suwon-si, Gyeonggi 443-749, Korea Coal Chemical Research Group, Research Institute of Industrial Science & Technology 65 Jigok-ro, 127beon-gil, Nam-gu, Pohang-si, Gyeoungbuk 790-834, Korea Gas & Coal Chemical Business Department, POSCO POSCO Center, 440 Teheran-ro, Gangnam-gu, Seoul 135-777, Korea Energy System Department, Ajou University 206 World cup-ro, Yeongtong-gu, Suwon-si, Gyeonggi 443-749, Korea (Received for review April 4, 2013; Revision received May 14, 2013; Accepted May 14, 2013) 요 본연구에서는등온반응기와단열반응기로구성된 0.25 MW 메탄합성파일롯공정실험을통한운전특성을분석하였다. 등온반응기는메탄합성반응을통해발생하는열을포화수의유량과압력을통해강제적으로제어할수있는반응기로등온반응기와단열반응기를조합할경우기존단열반응기만으로구성된메탄합성공정에비해반응기개수를줄일수있다. 또한합성가스재순환이불필요하기때문에단열반응기조합으로구성된메탄합성공정에서비용의약 15~20% 를차지하는재순환압축기를제거할수있다. 등온반응기로유입되는합성가스의 H 2/CO 비가 3 보다낮은경우에는튜브에충진된촉매에탄소침적현상이일어나반응기의차압이증가하였으며, H 2/CO 비가 3 으로공급되는경우에는탄소침적현상이일어나지않고메탄합성반응이안정적으로유지되어 CO 전환율 99% 이상, CH 4 선택도 97% 이상, CH 4 생산성최대 695 ml/h -cat 를얻을수있었다. 주제어 : 합성천연가스, 메탄화, 등온반응기, 단열반응기, 수소 / 일산화탄소비 약 Abstract : In this study, we analyzed the operational characteristics of a 0.25 MW methanation pilot plant. Isothermal reactor controled the heat released from methanation reaction by saturated water in shell side. Methanation process consisting of isothermal reactor and adiabatic reactor had advantages with no recycle compressor and more less reactors compared with methanation process with only adiabatic reactors. In case that H 2/CO ratio of syngas was under 3, carbon deposition occurred on catalyst in tube side of isothermal reactor and the pressure of reactors increased. In case that H 2/CO ratio was maintained around * To whom correspondence should be addressed. E-mail: shkim0605@iae.re.kr doi:10.7464/ksct.2013.19.2.156 156

등온반응기와단열반응기조합으로구성된 0.25 MW 급메탄합성파일롯공정운전특성 157 3, no carbon deposition on catalyst in tube side of isothermal reactor was found by monitoring the differential pressure of reactors and by measuring the differential pressure of several of tubes filled with catalyst before and after operating. It was shown that CO conversion and CH 4 selectivity were over 99, 97%, respectively, and the maximum CH 4 productivity was 695 ml/h g-cat. Keywords : SNG, Methanation, Isothermal reactor, Adiabatic reactor, H 2/CO ratio 1. 서론 천연가스는난방, 전기생산뿐아니라, 수송연료와화학제품제조의원료로사용되는중요한에너지원의하나이다. 천연가스는일반적으로가스전에서생산되는전통방식의가스와셰일가스또는석탄메탄층등의비전통방식으로생산되는가스로나누어진다 [1]. 이외에도석탄이나폐기물, 바이오매스등을이용하여천연가스를생산할수있는데이경우합성천연가스 (SNG, synthetic natural gas or substitue natural gas) 라고부른다 [2]. 이는석탄, 바이오매스, 폐기물등과같은저급의연료가가스화반응을거치면서일산화탄소 (CO), 수소 (H 2) 가주성분인합성가스로전환되고, 합성가스내에포함된일산화탄소 (CO), 수소 (H 2) 의메탄합성반응을통해최종적으로메탄 (CH 4) 이주성분인합성천연가스를만들어내는방법에의한것이다. 합성천연가스를생산하는공정은 1970년대의석유파동을계기로원유가격과연동되어동반상승되는천연가스가격으로인해상대적으로저렴한석탄에서천연가스를만들어내기위한연구로부터개발되었다. 이시기의연구개발의결과로 1984년미국에석탄으로부터 SNG를생산하는첫상용플랜트가지어졌으며 (Great Plain Synfuel Plant, 미국 North Dakota, 480만m 3 / 일 SNG 생산 ) GPSP는최근까지석탄으로부터 SNG 를생산하는유일한상용플랜트였다. 1980년대이후 2000년대까지석유및천연가스가격의안정화로 SNG 관련연구는대부분중단되었으나, 2000년대들어고유가현상이발생하고, 이에따른천연가스가격의상승에따라 Coal-to-SNG 연구에대한관심이높아졌다. 특히중국의 2011년말자료에의하면석탄으로부터합성천연가스를생산하는프로젝트를 30여개추진하고있고이중 4개프로젝트가중국정부의승인을받았다 [3]. 중국정부로부터승인받은플랜트의 SNG 생산량은연간총 15.1 Bcm (billion cubic meter, 약 1,100만ton) 규모로, 이중일부는 2012년건설및시운전완료후상용운전준비중이다. 또한, 유럽에서는화석연료로부터의수송용연료의존도를탈피하고자바이오매스를대상으로한 SNG 생산플랜트의상용화를위한노력을기울이고있으며, 스웨덴, 오스트리아, 네덜란드를중심으로연구개발이진행되고있다. 국제천연가스는미국-캐나다간의파이프라인, 러시아-유럽간의파이프라인, 중동 / 북아프리카 (MENA)-동북아간의 LNG 등 3개의권역으로구분되어각각의가격산정기준에따라거래되며, 우리나라가속해있는중동 / 북아프리카-동북아권의 LNG 거래는일정물량을유가연동으로가격을결정하는장기계약거래가주를이룬다 [4]. 즉, 국내도입천연가스는대부분동아시아지역에서장기도입에의한 LNG 수입에의존하고있기때문에천연가스가격은원유가격과연동 되어있어원유가의상승에따라천연가스가격도동반상승되며, 원유가가 $120/bbl 이상으로치솟았던 2008년의경우천연가스도입가격역시 $16/MMBTU까지상승하였다 [5]. 최근미국을중심으로이루어지고있는셰일가스개발로미국의천연가스가격은 $3~4/MMBTU까지낮아졌으나우리나라의천연가스가격은 2010년이후유가의상승으로동북아 LNG 가격이오히려크게상승하여북미천연가스와의가격격차가더욱커졌다. 미국에서천연가스를수출하여우리나라가미국으로부터천연가스를도입하려면 LNG 선박을이용한수송이이루어져야한다. LNG 액화설비, LNG 선박비용, 기화설비등에대한투자비와운임등을고려하면수송비용이 $7~10/MMBTU 정도로예상 [4] 되기때문에미국에서의천연가스생산가격이 $3~4/MMBTU라하더라도국내도입가격은 $10~14/MMBTU 이상이될것으로예측된다. 비전통가스인셰일가스의활발한개발로미국내천연가스는가격이하락하였고이러한가격하락에의해우리나라천연가스가격도영향을받을것으로생각되었다. 하지만, 우리나라의천연가스공급은중동지역으로부터의장기도입계약에의존하고있고, 유가와연동하는가격체계를유지하고있어미국의천연가스가격하락으로인한직접적인영향을받지는않을것으로예측된다. 이러한이유때문에에너지안보및에너지다원화, 경제성확보를위해석탄으로부터합성천연가스를생산하는기술에대한관심과연구개발이지속되고있는것이다. 이에따라국내에서도포스코광양제철소에석탄으로부터합성천연가스를생산하는플랜트건설이 2014년완공을목표로진행되고있으며, 국내발전사등에서도플랜트건설에대한검토를진행하고있다. 일반적으로석탄이나바이오매스등으로부터 SNG를생산하는방법은크게 3가지로구분된다. 첫째는석탄을산소및증기와반응시켜합성가스 ( 일산화탄소 (CO), 수소 (H 2)) 를생산하고생산된합성가스내에포함된오염물질을정제한후청정한합성가스를니켈 (Ni) 계촉매를사용하여메탄 (CH 4) 으로전환시키는방법 (gasification 기반 ) 이고, 둘째는고온, 고압조건에서직접석탄이나바이오매스에수소를첨가하는수첨가스화방법 (hydrogasification 기반 )[6], 마지막으로연료를 700 정도에서촉매와증기를사용하는촉매가스화방법이다 [7]. 이중수첨가스화에기반한방법과촉매가스화에기반한방법은아직상용화가이루어지지않은상태이고, 가스화방법에기반하여 SNG를생산하는방법만이상용화되었다. 가스화방법에기반하여합성천연가스를생산하기위해서는가스화및정제공정, 메탄합성공정을거쳐야하는데, 현재까지상용화된메탄합성공정은단열반응기의조합으로구성되어있다. 본연구에서는기존상용 SNG 제조공정에서

158 청정기술, 제 19 권제 2 호, 2013 년 6 월 사용하고있는단열반응기의조합으로구성된메탄합성공정대신등온반응기와단열반응기의조합으로구성된 0.25 MW 급메탄합성파일롯공정의운전특성을분석하였다. 2. 이론적배경 2.1. 주요반응특성현재상용화가이루어진가스화방법에기반하여합성천연가스를생산하기위해서는메탄합성공정을거쳐야하는데, 메탄합성공정에서는가스화기에서전환된일산화탄소 (CO), 수소 (H 2) 가주성분인합성가스를메탄 (CH 4) 으로최종전환하는공정으로주요반응식은식 (1)~(3) 과같다. (1) (2) (3) 메탄합성공정은촉매를사용하는공정으로사용가능한촉매로는니켈 (Ni), 루테늄 (Ru), 팔라듐 (Pd), 코발트 (Co), 철 (Fe), 몰리브덴 (Mo), 백금 (Pt), 로듐 (Rh) 등이알려져있으나, 상용공정에서는대부분니켈촉매가사용된다 [8,9]. 메탄합성공정에서일어나는메탄합성반응은공급되는합성가스의조성 (H 2/CO 비 ), 공간속도 (space velocity, SV), 반응온도, 반응압력등에따라그특성이달라지게된다 [10]. 또한메탄합성반응은매우빠른반응으로, 상용공정에서메탄합성반응기에충진되는촉매의양이반응이일어나는시간과비교하여충분하기때문에, 메탄합성반응기출구에서의가스조성이열역학적평형으로계산한결과와크게다르지않다. 상용공정에서의설계에서도열역학적평형에근거하여메탄합성반응기에서의조성을예측한다. 온도와압력에대한메탄합성반응의열역학적평형조성은 Figure 1에나타난바와같이 온도가낮을수록, 압력이높을수록잘일어난다. 그러나식 (1)~(3) 에제시된바와같이메탄합성반응은매우강한발열반응으로반응이진행될수록온도가높아지기때문에, 메탄합성반응이잘일어남과동시에촉매보호를위해반응기의온도를적정온도이하로제어하는과정이필요하다. 2.2. 메탄합성공정현재상용화된메탄합성공정은 3~5개의단열반응기를직렬로연계하여반응이단계적으로진행되도록하는구성으로이루어져있으며, 이경우메탄화반응이진행됨에따른반응기의급격한온도상승을방지하기위하여생성가스의일부를재순환하여반응기의온도를감소시키거나, 유입되는합성가스를여러개의반응기로분배하는방법등을적용한다 [11]. 예를들어단열반응기 3개로구성된메탄합성공정의경우, 첫번째반응기후단에서생성가스의일부를재순환하는방법을적용하면, Figure 2에나타난바와같이, 첫번째반응기출구온도를 700 이하로유지하여촉매소결을방지하고, 두번째, 세번째반응기를거치면서최종적으로메탄함량 95% 정도의 SNG를생산할수있다. 이러한단열반응기의조합으로구성된메탄합성공정에대한기술을보유하고있는회사로는덴마크의 Haldor Topsøe[12], 영국의 Davy Process Technology, 독일의 Lurgi가있다. 그러나앞서언급한바와같이메탄합성반응이온도가낮을수록전환율이높기때문에메탄합성반응의전환율을높이기위하여강제적으로메탄화반응에서발생하는열을제거하여메탄합성반응기의온도를제어하는등온반응기 (Isothermal reactor) 를메탄합성공정에적용할수있다. 등온반응기와단열반응기로구성된메탄합성공정의경우열역학적평형계산에의하면 Figure 3과같이등온반응기를적용한첫번째반응기에서 350 정도로반응기온도를유지할경우반응기출구에서의메탄 (CH 4) 농도가 90% 정도가되며, 추가로한개의단열반응기를더거치게되면기존단열반응기의 Volume fraction CH 4 (dry basis) Figure 1. Equilibrium curve of methanation reaction. Volume fraction CH 4 (dry basis) Figure 2. Equilibirum curve of methanation process consisting of adiabatic reactors.

등온반응기와단열반응기조합으로구성된 0.25 MW 급메탄합성파일롯공정운전특성 159 Figure 3. Equilibirum curve of methanation process consisting of isothermal reactor and adabatic reactor. 조합으로구성된메탄합성공정과마찬가지로 95% 이상의메 탄 (CH 4) 농도를얻을수있다. 이경우, 기존단열반응기조합 의메탄합성공정과비교하여합성가스재순환이불필요하게 되어재순환압축기비용을절감할수있으며, 반응기개수도 줄일수있다 [13]. 3. 실험 본연구에서는메탄합성공정으로등온반응기와단열반응 기의조합으로구성된 0.25 MW 규모의파일롯플랜트메탄 합성공정을구축하고, 운전특성을파악하기위한실험을진 행하였다. 파일롯플랜트의공정구성도는 Figure 4 에나타내 었으며, 설치모습은 Figure 5 에나타내었다. Figure 4 의공정 구성도에서 R201 로표시된부분이등온반응기이며 R-301 로 표시된부분이단열반응기이다. 유입되는합성가스는열교환 기와히터를거치면서 350 가까이예열된후등온반응기 에서대부분메탄이주성분인생성가스로전환되고, 추가로 Figure 5. Picture of 0.25 MW methanation process. 단열반응기를거치면서최종적으로 SNG로생산된다. 등온반응기는쉘 (shell) 내에다수의튜브 (tube) 가포함되어있는구조로이루어져있는데, 튜브내에촉매가충진되어있고, 쉘의하부에서는포화수가공급되어, 튜브에서일어나는메탄합성반응에의한반응열을증발잠열의형태로회수하여쉘상부로배출된다. 즉, 메탄화반응에의해발생된열이촉매가충진된튜브외측에채워진포화수에전달되어포화증기를발생시키기위한증발잠열의형태로제거되며, 포화수의공급압력조절및포화수위조절을통해반응제어가이루어진다. 메탄합성공정실험은반응기예열, 촉매환원, SNG 합성반응의순서로진행하였으며, 촉매는상용촉매인 S사의촉매를사용하였고, 사용된촉매는니켈 (Ni) 함량이약 40% 정도인활성이비교적높은촉매이다. 메탄합성공정의성능을좌우하는요인으로는반응기의온도, 공간속도, 메탄합성공정으로유입되는합성가스의 H 2/CO 비, 반응기의압력등이며, 메탄합성공정성능평가는주로일산화탄소 (CO) 전환율 (CO conversion), 메탄 (CH 4) 선택도 (CH 4 selectivity), 메탄 (CH 4) 생산성 (CH 4 productivity) 평가를통해이루어진다 [9]. Figure 4. Flow diagram of 0.25 MW methanation process.

160 청정기술, 제 19 권제 2 호, 2013 년 6 월 본연구에서정의한메탄합성공정에서의 H 2/CO 비, 공간속도, 일산화탄소 (CO) 전환율, 메탄 (CH 4) 선택도, 메탄 (CH 4) 생산성에대한정의는다음과같다. 4. 결과및고찰등온반응기와단열반응기조합으로구성된 0.25 MW급메탄합성파일롯공정은총 2회에걸쳐실험을진행하였는데, Figure 6에 1차운전시의메탄합성공정으로유입되는 H 2/CO 비와최종배출되는 SNG 내의메탄 (CH 4) 함량을나타내었고, Figure 7. Temperature of reactors, gas composition, CO convertsion, pressure (1 st operation). Figure 7 에는 1 차운전시의등온반응기온도, 단열반응기온 도, 일산화탄소 (CO) 전환율, 반응기압력을나타내었다. 1 차 운전시합성가스공급부분의수소 (H 2) 공급이안정적으로 이루어지지않아공급되는수소 (H 2) 의유량이일정하지않는 현상으로인해유입되는합성가스의 H 2/CO 비를메탄화반 응에서요구되는수준인 3 으로조절되지못하는구간이발생 하였다. 공급되는합성가스의 H 2/CO 비의변동은메탄화반 Figure 6. CH 4 concentration of SNG and H 2/CO ratio of input syngas (1 st operation).

등온반응기와단열반응기조합으로구성된 0.25 MW 급메탄합성파일롯공정운전특성 161 Figure 8. Range of carbon deposition with H 2/CO ratio and temperature[14]. 응에영향을미치게되고최종배출되는 SNG의메탄 (CH 4) 농도의변화를발생시키는주요한원인임을알수있다. 또한 H 2/CO 비가 3보다낮게유지되는구간에서촉매내에탄소가일부침적되어일정시간실험후등온반응기차압이 1 bar 정도까지증가하는현상이나타났는데이는실험후충진되었던촉매분석결과를통해서도확인할수있었다. 문헌에따르면 Figure 8에나타난바와같이 H 2/CO 비에따라탄소가침적되는영역을확인할수있는데, 본실험에서도실험후촉매채취및분석결과등온반응기튜브내의촉매중상부에있는촉매에탄소가침적된것을확인할수있었다. Figure 9~11에는 2차운전결과를나타내었다. 2차운전은반응압력 20 bar, g에서최대 100 Nm 3 /h의합성가스를공급하여진행하였으며, Figure 9와같이반응기압력과합성가스공급유량이안정적으로유지되었다. 또한, 공급되는 H 2/CO 비도 Figure 10에제시된바와같이 3정도수준에서안정적 Figure 9. Pressure, syngas flow rate, CH 4 concentration of SNG (2 nd operation). Figure 10. H 2/CO ratio of input syngas (2 nd operation).

162 청정기술, 제 19 권제 2 호, 2013 년 6 월 Figure 11. Exit gas concentration of isothermal reactor (a) and SNG concentration (b) (2 nd operation). Figure 12. Pressure difference of tubes of isothermal reactor before/after methanation reaction (2 nd operation). 으로유지되었다. 반응기압력, 합성가스공급유량, 공급되는합성가스의 H 2/CO 비가일정하게유지됨에따라등온반응기에서의메탄합성반응이안정적으로유지되어등온반응기출구에서의메탄 (CH 4) 농도는약 80% 수준을나타내었다. 등온반응기에서일부미전환된일산화탄소 (CO) 와수소 (H 2) 는후단의단열반응기에서의메탄합성반응을거쳐최종적으로배출되는 SNG의농도는메탄 (CH 4) 농도는 93~95% 수준, 수소 (H 2) 와이산화탄소 (CO 2) 를합쳐 5% 미만수준으로나타났으며그결과는 Figure 11에나타내었다. 또한 H 2/CO 비가일정하게유지되어메탄합성반응기로공급되었기때문에 1차 운전에서발생하였던반응기차압의증가현상도발생하지않았고, 이를검증하기위하여등온반응기의촉매가채워진튜브중일부를 Figure 12와같이실험전후의차압을측정하였는데, 실험전후의차압에거의변화가없었다. 즉, 운전중의등온반응기전후단의차압증가및촉매가채워진튜브의실험전후차압측정결과를통해 2차운전에서는촉매내의탄소침적현상이일어나지않은것을확인할수있었다. 일산화탄소 (CO) 전환율은 Figure 13에나타난바와같이 99% 이상으로합성가스내의일산화탄소 (CO) 는거의전환되었으며, 메탄 (CH 4) 선택도는 97% 이상, 메탄 (CH 4) 생산성은최대 695

등온반응기와단열반응기조합으로구성된 0.25 MW 급메탄합성파일롯공정운전특성 163 Figure 13. CO conversion, CH 4 selectivity and CH 4 productivity (2 nd operation). ml/h g-cat 로나타났다. 4. 결론 MENA : Middle East North Africa : Feed molar flow rate of CO (kmol/h) : Product molar flow rate of CO (kmol/h) 본연구에서는등온반응기와단열반응기로구성된 0.25 MW 메탄합성파일롯운전실험을통해반응특성을파악하였다. 강제적으로메탄합성반응열을제거하여일정하게반응기의온도를유지시키는등온반응기와단열반응기로구성된메탄합성공정의운전결과등온반응기후단에서의메탄농도가 80% 수준으로, 단열반응기의조합으로구성된메탄합성공정보다첫번째반응기에서높은전환율을얻을수있었으며, 등온반응기후단에한개의단열반응기를추가하는것만으로도 95% 이상의메탄 (CH 4) 농도를얻을수있었다. 이는일반적으로 3~5개의단열반응기조합으로구성된메탄합성공정에비해반응기개수를줄일수있다는것을의미한다. 또한유입되는합성가스의 H 2/CO 비가 3보다낮게공급될경우촉매에탄소침적이일어나반응기차압이증가하고메탄 (CH 4) 전환율이낮아지는것을확인하였으며, H 2/CO 비가 3으로안정적으로유지되는경우에는운전중반응기의차압및실험전후촉매차압측정결과로부터탄소침적이일어나지않아최종 SNG 내의메탄 (CH 4) 농도 95% 이상, 메탄 (CH 4) 선택도 97% 이상을얻을수있었다. 감사본연구는지식경제부에너지자원기술개발사업의일환 (2009T100100674/2011T100200036) 으로수행되었습니다. 사용기호 Nm 3 /h : Normal cubic meter per hour SNG : Synthesis Natural Gas or Substitute Natural Gas : Mole fraction of H 2 in feed syngas : Mole fraction of component i : Mole fraction of CO in feed syngas : Flow rate produced after reaction (ml/h) : Mole fraction of CH 4 : Loading weight of catalyst (g) : Input flow rate of syngas (m 3 /h) : Loading volume of catalyst (m 3 ) 참고문헌 1. http://www.lgeri.com/industry/chemical/article.asp?grouping= 01030300&seq=207 2. http://www.nicholas.duke.edu/ccpp/ccpp_pdfs/synthetic.gas. pdf 3. http://www.chinagasholdings.com.hk/siteen/aspx/news_infor. aspx?id=677 4. http://www.lgeri.com/industry/chemical/article.asp?grouping= 01030300&seq=241 5. Youngdon, Yoo, Suhyun, Kim, Hyojun, Lim, and Changdae, Byun, SNG Technology Trend and Outlook Using Coal Gasification, Korea Gas Union, 37-50 (2010). 6. Anne-Gaelle Collot, Clean Fuels from Coal, IEA Clean Coal Centre, London, 2004, pp. 41-42. 7. R. R. Lessard, and R. A. Reitz, Catalyst Coal Gasification : An Emerging Technology for SNG, Energy Technol., 9, 740-751 (1982).

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