화석연료는 사용 후 재생이 불가능하고 매장량이 한정되어 있으며, 연소 시 발생되는 각종 공해물질로 인해 환경문제를 야기하고 있어, 무한하고, 깨끗하며 안전한 대체에너지에 대한 개발로 새로운 에너지 시스템을 구축하여 이를 사회 전반에 정착시켜야 할 필요성이 증대되고 있다. 이러한 맥락에서 차세대의 이상적인 대체에너지로써 주목을 받고 있는 것이 바로 수소 에너지이다. 그러나 수소에너지는 현재까지의 기술로 경제성 있는 제조가 쉽지 않다. 수소제조 방법 중 ...
화석연료는 사용 후 재생이 불가능하고 매장량이 한정되어 있으며, 연소 시 발생되는 각종 공해물질로 인해 환경문제를 야기하고 있어, 무한하고, 깨끗하며 안전한 대체에너지에 대한 개발로 새로운 에너지 시스템을 구축하여 이를 사회 전반에 정착시켜야 할 필요성이 증대되고 있다. 이러한 맥락에서 차세대의 이상적인 대체에너지로써 주목을 받고 있는 것이 바로 수소 에너지이다. 그러나 수소에너지는 현재까지의 기술로 경제성 있는 제조가 쉽지 않다. 수소제조 방법 중 바이오매스의 가스화를 통한 수소제조분야는 자원의 재순환, 페기물 처리, 열원의 이용, 직접적인CO2 삭감 등의 부수적인 효과가 높아 경제성 있는 수소제조법으로 평가되고 있다. 이에 본 연구에서는 수소 생산 기술, 수소의 분리 및 정제 기술 개발을 통한 수소에너지 생산시스템의 구축을 목적으로, 목질계 바이오매스인 Pitch Pine 및 Lauan sawdust와 도시형 고분자 폐기물인 Polyethylene (PE), Polypropylene (PP), Polystyrene (PS)를 이용한 혼합연료에 대하여, 촉매하에서 고정층 및 유동층 반응기를 통한 열분해 공정으로부터의 생성가스 분석을 통해 다양한 반응조건에 따른 가스화 특성을 고찰하여 수소 생산 수율을 높이는 최적의 조건을 도출하고, 생성된 가스에 대하여 기체분리막을 이용하여 수소의 선택적 분리에 관한 연구를 통하여, 이 기술들을 연결한 수소에너지 생산시스템의 개발 방안을 모색하고자 한다. 고정층 및 유동층 반응기에서의 촉매를 적용한 바이오매스 및 고분자 폐기물 혼합연료에 대한 열분해를 통한 수소 생산에 관한 연구로부터의 수소 수율 향상에 대한 결과로서, 수소를 많이 포함하고 있는 고분자 폐기물이 포함된 시료에 대한 수소 수율이 높은 것으로 나타났다. 온도에 대해서는 대부분의 시료에 대하여 높은 온도 범위에서 최대값을 얻을 수 있었다. 촉매 혼합비에 대한 영향으로서, 대부분의 조건에서 높은 혼합비를 갖는 시료의 수소수율이 가장 높은 결과를 보였고, 촉매 반응이 무촉매 반응에 비하여 높은 수소 수율을 얻을 수 있었다. 촉매 종류에 대해서는, 탄산염 촉매인 Na2CO3 및 K2CO3보다 Ni-ZrO2 촉매가 수소 수율 증가를 위해 더 적합한 촉매임을 알 수 있었으며, 본 연구로부터 얻은 최대 수소 수율은 고정층의 경우, 900℃, 20wt.%의 Ni-ZrO2 (1:9)가 혼합된 Pitch Pine/PE 시료에 대하여 65.9 Vol.%의 높은 수소 수율을 얻을 수 있었고, 유동층의 경우, 분위기 가스 유량 4 L/min에서 Na2CO3 촉매하의 700℃에서 34.9 Vol.%의 결과를 얻었다. 기체분리막을 이용한 수소 분리 실험 결과, H2의 투과율은 전체 실험 조건에 대하여 90% 이상의 투과율을 나타냈다. 높은 유량의 Retentate의 조건에서 수소 이외의 가스에 대한 제거율이 최대 64.6%의 결과를 얻었으며, Permeate 유량의 증가와 함께 가스 제거율이 감소하였다.CO2의 경우, 전체 실험 조건에 대하여 제거율이 20% 이하의 결과를 나타었으며, CO2의 선택적 분리를 위한 활성탄 흡착 공정 적용에 의해 400 mL/min Retentate, 500 mL/min의 Permeate 유량 조건에서 최대 99.1%의 제거율을 가짐을 확인하였다.
화석연료는 사용 후 재생이 불가능하고 매장량이 한정되어 있으며, 연소 시 발생되는 각종 공해물질로 인해 환경문제를 야기하고 있어, 무한하고, 깨끗하며 안전한 대체에너지에 대한 개발로 새로운 에너지 시스템을 구축하여 이를 사회 전반에 정착시켜야 할 필요성이 증대되고 있다. 이러한 맥락에서 차세대의 이상적인 대체에너지로써 주목을 받고 있는 것이 바로 수소 에너지이다. 그러나 수소에너지는 현재까지의 기술로 경제성 있는 제조가 쉽지 않다. 수소제조 방법 중 바이오매스의 가스화를 통한 수소제조분야는 자원의 재순환, 페기물 처리, 열원의 이용, 직접적인CO2 삭감 등의 부수적인 효과가 높아 경제성 있는 수소제조법으로 평가되고 있다. 이에 본 연구에서는 수소 생산 기술, 수소의 분리 및 정제 기술 개발을 통한 수소에너지 생산시스템의 구축을 목적으로, 목질계 바이오매스인 Pitch Pine 및 Lauan sawdust와 도시형 고분자 폐기물인 Polyethylene (PE), Polypropylene (PP), Polystyrene (PS)를 이용한 혼합연료에 대하여, 촉매하에서 고정층 및 유동층 반응기를 통한 열분해 공정으로부터의 생성가스 분석을 통해 다양한 반응조건에 따른 가스화 특성을 고찰하여 수소 생산 수율을 높이는 최적의 조건을 도출하고, 생성된 가스에 대하여 기체분리막을 이용하여 수소의 선택적 분리에 관한 연구를 통하여, 이 기술들을 연결한 수소에너지 생산시스템의 개발 방안을 모색하고자 한다. 고정층 및 유동층 반응기에서의 촉매를 적용한 바이오매스 및 고분자 폐기물 혼합연료에 대한 열분해를 통한 수소 생산에 관한 연구로부터의 수소 수율 향상에 대한 결과로서, 수소를 많이 포함하고 있는 고분자 폐기물이 포함된 시료에 대한 수소 수율이 높은 것으로 나타났다. 온도에 대해서는 대부분의 시료에 대하여 높은 온도 범위에서 최대값을 얻을 수 있었다. 촉매 혼합비에 대한 영향으로서, 대부분의 조건에서 높은 혼합비를 갖는 시료의 수소수율이 가장 높은 결과를 보였고, 촉매 반응이 무촉매 반응에 비하여 높은 수소 수율을 얻을 수 있었다. 촉매 종류에 대해서는, 탄산염 촉매인 Na2CO3 및 K2CO3보다 Ni-ZrO2 촉매가 수소 수율 증가를 위해 더 적합한 촉매임을 알 수 있었으며, 본 연구로부터 얻은 최대 수소 수율은 고정층의 경우, 900℃, 20wt.%의 Ni-ZrO2 (1:9)가 혼합된 Pitch Pine/PE 시료에 대하여 65.9 Vol.%의 높은 수소 수율을 얻을 수 있었고, 유동층의 경우, 분위기 가스 유량 4 L/min에서 Na2CO3 촉매하의 700℃에서 34.9 Vol.%의 결과를 얻었다. 기체분리막을 이용한 수소 분리 실험 결과, H2의 투과율은 전체 실험 조건에 대하여 90% 이상의 투과율을 나타냈다. 높은 유량의 Retentate의 조건에서 수소 이외의 가스에 대한 제거율이 최대 64.6%의 결과를 얻었으며, Permeate 유량의 증가와 함께 가스 제거율이 감소하였다.CO2의 경우, 전체 실험 조건에 대하여 제거율이 20% 이하의 결과를 나타었으며, CO2의 선택적 분리를 위한 활성탄 흡착 공정 적용에 의해 400 mL/min Retentate, 500 mL/min의 Permeate 유량 조건에서 최대 99.1%의 제거율을 가짐을 확인하였다.
Hydrogen is a clean and efficient energy source and is expected to take an important role in future energy demand. A possibly good route to produce hydrogen is by using cheap biomass as a source through thermochemical conversion technology: pyrolysis, gasification or combustion. The concern of using...
Hydrogen is a clean and efficient energy source and is expected to take an important role in future energy demand. A possibly good route to produce hydrogen is by using cheap biomass as a source through thermochemical conversion technology: pyrolysis, gasification or combustion. The concern of using biomass in pyrolysis to produce a hydrogen rich product has been getting a particular attention in recent years. The reasons may be attributed to: (1) hydrogen is a clean energy carrier for heat supply and transportation purposes; (2) hydrogen is a safe source and can be easily stored as a gas or a liquid; (3) hydrogen has good properties in fuelling engines in automobiles; and (4) most importantly, current and future energy technologies are extensively increasing the possibility of utilizing hydrogen with economic acceptance. In this study, we consider gas generation characteristics on pyrolysis of eco-fuel which were made by mixing of Pitch Pine and Lauan sawdust as biomass and polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS) as municipal plastic wastes with catalyst in fixed and fluidized bed reactor, and consider selective separation characteristics of hydrogen using the Hollow-Fiber membrane. The yield of hydrogen from gasification of biomass containing plastic wastes such as PE, PP and PS were obtained higher than that of sole biomass. The high temperature and mixing ratio of catalyst conditions induced to high hydrogen yield in most of the samples. As the influence of catalyst, the hydrogen yield by catalytic reaction was higher than non-catalytic reaction. We confirmed that Ni-ZrO2 catalyst is more active in increasing the hydrogen yield in comparison with that of carbonate catalyst. The maximum hydrogen yield was 65.9 Vol.% (Pitch Pine / PE / 20wt.% Ni-ZrO2 (1:9) at 900℃). From the results of hydrogen separation experiment using a gas separation membrane, the permeation rate of H2 was more than 90% at the all experiment conditions. The removal rate of CO, CH4, N2 gas was decreased with increase of Permeate flux. The maximum removal rate was obtained 64.6%. The removal rate of CO2 was less than 20% at the all experiment conditions. The activated carbon absorption process was applied to increase the removal rate of CO2. After applying the activated carbon process, we confirmed that CO2 was removed maximum 99.1%.
Hydrogen is a clean and efficient energy source and is expected to take an important role in future energy demand. A possibly good route to produce hydrogen is by using cheap biomass as a source through thermochemical conversion technology: pyrolysis, gasification or combustion. The concern of using biomass in pyrolysis to produce a hydrogen rich product has been getting a particular attention in recent years. The reasons may be attributed to: (1) hydrogen is a clean energy carrier for heat supply and transportation purposes; (2) hydrogen is a safe source and can be easily stored as a gas or a liquid; (3) hydrogen has good properties in fuelling engines in automobiles; and (4) most importantly, current and future energy technologies are extensively increasing the possibility of utilizing hydrogen with economic acceptance. In this study, we consider gas generation characteristics on pyrolysis of eco-fuel which were made by mixing of Pitch Pine and Lauan sawdust as biomass and polyethylene (PE), polypropylene (PP), polystyrene (PS) as municipal plastic wastes with catalyst in fixed and fluidized bed reactor, and consider selective separation characteristics of hydrogen using the Hollow-Fiber membrane. The yield of hydrogen from gasification of biomass containing plastic wastes such as PE, PP and PS were obtained higher than that of sole biomass. The high temperature and mixing ratio of catalyst conditions induced to high hydrogen yield in most of the samples. As the influence of catalyst, the hydrogen yield by catalytic reaction was higher than non-catalytic reaction. We confirmed that Ni-ZrO2 catalyst is more active in increasing the hydrogen yield in comparison with that of carbonate catalyst. The maximum hydrogen yield was 65.9 Vol.% (Pitch Pine / PE / 20wt.% Ni-ZrO2 (1:9) at 900℃). From the results of hydrogen separation experiment using a gas separation membrane, the permeation rate of H2 was more than 90% at the all experiment conditions. The removal rate of CO, CH4, N2 gas was decreased with increase of Permeate flux. The maximum removal rate was obtained 64.6%. The removal rate of CO2 was less than 20% at the all experiment conditions. The activated carbon absorption process was applied to increase the removal rate of CO2. After applying the activated carbon process, we confirmed that CO2 was removed maximum 99.1%.
주제어
#Hydrogen Production Biomass Municipal Plastic Wastes Pyrolysis Gasification Fixed bed Fluidized bed Hydrogen Separation
학위논문 정보
저자
김철호
학위수여기관
서울산업대학교
학위구분
국내박사
학과
신에너지공학과
지도교수
김래현
발행연도
2008
키워드
Hydrogen Production Biomass Municipal Plastic Wastes Pyrolysis Gasification Fixed bed Fluidized bed Hydrogen Separation
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