세계적인 기후위기에 대응하기 위해 우리나라를 비롯한 여러 나라에서 탄소중립을 달성하기 위한 노력을 하고 있으며 그 일환으로 수소경제의 활성화를 목표로 하고 있다. 개질수소는 탄화수소를 주요 개질연료로 사용하여 수소를 대량으로 생산할 수 있고 생산비용이 낮아 생산비용이 높은 친환경 에너지와 ...
세계적인 기후위기에 대응하기 위해 우리나라를 비롯한 여러 나라에서 탄소중립을 달성하기 위한 노력을 하고 있으며 그 일환으로 수소경제의 활성화를 목표로 하고 있다. 개질수소는 탄화수소를 주요 개질연료로 사용하여 수소를 대량으로 생산할 수 있고 생산비용이 낮아 생산비용이 높은 친환경 에너지와 수전해를 통해 생산하는 수소를 보조하여 수소의 공급량과 가격목표를 충족할 수 있다. DME는 저장과 운송, 도입이 용이하고 다양한 원료로부터 생산할 수 있으며 수소저장능력(Hydrogen storage capacity)이 13 wt.%로 메탄올보다 높으면서 인체에 독성을 지니지 않아 미래의 유력한 수소운반체로 주목받고 있다. DME 수증기 개질 반응은 반응온도 300℃ 이상에서 이루어지는 흡열반응이므로 효율적인 가열방식이 필요하다. 유도가열은 전자기 유도현상을 이용하여 금속 피가열물을 접촉 없이 빠른 속도로 가열할 수 있는 기술로 최대 95%의 에너지 효율을 가져 대부분의 다른 가열방식에 비해 에너지 효율이 높다. 최근 유도가열을 촉매 반응기에 적용하기 위한 연구가 이루어지고 있으며 이 연구의 목적은 유도가열을 이용하여 에너지 효율이 높은 DME 수증기 개질 반응기를 개발하고 DME의 수증기 개질 특성과 에너지 효율을 평가하는 것이다. DME 수증기 개질촉매는 γ-Al2O3를 지지체로 하여 Cu의 담지량이 5~15 wt%가 되도록 함침법으로 제조하였으며, XRF, N2 isotherm, XRD, XPS, H2-TPR, NH3-TPD 분석을 통해 촉매의 물리적, 화학적 특성을 파악하였다. 저항가열을 이용한 DME 수증기 개질 실험 결과 Cu/Al2O3 촉매의 DME 수증기 개질에 최적인 반응조건은 H2O/DME ratio = 6, 반응온도 350~400℃, WHSV = 2000 cm3gcat−1h−1였다. 최적 Cu 담지량은 15 wt.%이며 수소환원처리 온도가 500℃일 때 가장 우수한 DME 개질 특성을 보였다. 500℃에서 수소환원처리 된 15Cu/Al2O3 촉매는 350℃에서 99.65%의 DME 정화율을 달성하였으며 최대 H2 농도는 375℃에서 74.08%이었다. 15Cu/Al2O3 촉매는 500℃에서 수소환원처리 된 경우 DME hydrolysis 반응에 유리한 중간 산점의 양이 증가하고 메탄올 수증기 개질 반응에 활성을 가지는 표면의 Cu0, Cu+의 비율이 증가하여 다른 촉매에 비해 낮은 온도에서 우수한 DME 수증기 개질 성능을 달성했다. 유도가열 DME 수증기 개질기에서 15Cu/Al2O3 촉매는 325℃에서 99.08%의 DME 정화율과 73.37%의 H2 농도를 달성하여 최적 반응온도가 25℃ 낮아졌으나 반응기 내부의 온도 불균형으로 인해 CO의 농도가 1.23%로 저항가열 방식 대비 0.76% 증가했다. 유도가열 DME 수증기 개질기는 저항가열 방식보다 최대 25% 낮은 소모 에너지를 달성하였으며 최적 운전조건인 325℃에서 DME 수증기 개질기의 에너지 소모는 18.19 kWh/LH2로 저항가열 방식보다 8.12 kWh/LH2 낮았다.
세계적인 기후위기에 대응하기 위해 우리나라를 비롯한 여러 나라에서 탄소중립을 달성하기 위한 노력을 하고 있으며 그 일환으로 수소경제의 활성화를 목표로 하고 있다. 개질수소는 탄화수소를 주요 개질연료로 사용하여 수소를 대량으로 생산할 수 있고 생산비용이 낮아 생산비용이 높은 친환경 에너지와 수전해를 통해 생산하는 수소를 보조하여 수소의 공급량과 가격목표를 충족할 수 있다. DME는 저장과 운송, 도입이 용이하고 다양한 원료로부터 생산할 수 있으며 수소저장능력(Hydrogen storage capacity)이 13 wt.%로 메탄올보다 높으면서 인체에 독성을 지니지 않아 미래의 유력한 수소운반체로 주목받고 있다. DME 수증기 개질 반응은 반응온도 300℃ 이상에서 이루어지는 흡열반응이므로 효율적인 가열방식이 필요하다. 유도가열은 전자기 유도현상을 이용하여 금속 피가열물을 접촉 없이 빠른 속도로 가열할 수 있는 기술로 최대 95%의 에너지 효율을 가져 대부분의 다른 가열방식에 비해 에너지 효율이 높다. 최근 유도가열을 촉매 반응기에 적용하기 위한 연구가 이루어지고 있으며 이 연구의 목적은 유도가열을 이용하여 에너지 효율이 높은 DME 수증기 개질 반응기를 개발하고 DME의 수증기 개질 특성과 에너지 효율을 평가하는 것이다. DME 수증기 개질촉매는 γ-Al2O3를 지지체로 하여 Cu의 담지량이 5~15 wt%가 되도록 함침법으로 제조하였으며, XRF, N2 isotherm, XRD, XPS, H2-TPR, NH3-TPD 분석을 통해 촉매의 물리적, 화학적 특성을 파악하였다. 저항가열을 이용한 DME 수증기 개질 실험 결과 Cu/Al2O3 촉매의 DME 수증기 개질에 최적인 반응조건은 H2O/DME ratio = 6, 반응온도 350~400℃, WHSV = 2000 cm3gcat−1h−1였다. 최적 Cu 담지량은 15 wt.%이며 수소환원처리 온도가 500℃일 때 가장 우수한 DME 개질 특성을 보였다. 500℃에서 수소환원처리 된 15Cu/Al2O3 촉매는 350℃에서 99.65%의 DME 정화율을 달성하였으며 최대 H2 농도는 375℃에서 74.08%이었다. 15Cu/Al2O3 촉매는 500℃에서 수소환원처리 된 경우 DME hydrolysis 반응에 유리한 중간 산점의 양이 증가하고 메탄올 수증기 개질 반응에 활성을 가지는 표면의 Cu0, Cu+의 비율이 증가하여 다른 촉매에 비해 낮은 온도에서 우수한 DME 수증기 개질 성능을 달성했다. 유도가열 DME 수증기 개질기에서 15Cu/Al2O3 촉매는 325℃에서 99.08%의 DME 정화율과 73.37%의 H2 농도를 달성하여 최적 반응온도가 25℃ 낮아졌으나 반응기 내부의 온도 불균형으로 인해 CO의 농도가 1.23%로 저항가열 방식 대비 0.76% 증가했다. 유도가열 DME 수증기 개질기는 저항가열 방식보다 최대 25% 낮은 소모 에너지를 달성하였으며 최적 운전조건인 325℃에서 DME 수증기 개질기의 에너지 소모는 18.19 kWh/LH2로 저항가열 방식보다 8.12 kWh/LH2 낮았다.
The purpose of this study is to investigate hydrogen generation characteristics of reduced DME steam reforming catalysts according to heating methods. To selection of optimal catalytic reaction conditions, the experiment was conducted with quartz reaction tube under different conditions of H2O/DME r...
The purpose of this study is to investigate hydrogen generation characteristics of reduced DME steam reforming catalysts according to heating methods. To selection of optimal catalytic reaction conditions, the experiment was conducted with quartz reaction tube under different conditions of H2O/DME ratio, hydrogen reduction treatment, and weight hourly space velocity. Heating methods were applicated a conventional electric furnace and an induction heater to evaluate the energy efficient under optimal reaction conditions. The DME steam reforming catalysts were prepared by impregnation of Cu as active material, using γ-Al2O3¬ supporter. Characterization of reforming catalysts were carried out by Automated Surface Area analyzer, X-ray diffraction (XRD), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), hydrogen temperature programed reduction (H2–TPR), and ammonia temperature programmed desorption (NH3–TPD). It was found that the hydrogen reduction treatment lead different characteristics for each Cu loadings of Cu/Al2O3 catalysts, especially the transition of acidity of catalyst had a dominant effect on the DME–SR activity. 15Cu/Al¬2O3 afforded superior DME-SR performance in consideration of catalytic activity at low temperature and by–product selectivity owing to abundant intermediate acidic sites, and its highest H2 concentration was 74.08% at 375℃. The optimal space velocity was 2000 cm3gcat−1h−1 when considering the high DME conversion and high hydrogen generation under low CO formation conditions. The energy consumption of the induction heating reactor which was 25% lower than that of the resistive heating method.
The purpose of this study is to investigate hydrogen generation characteristics of reduced DME steam reforming catalysts according to heating methods. To selection of optimal catalytic reaction conditions, the experiment was conducted with quartz reaction tube under different conditions of H2O/DME ratio, hydrogen reduction treatment, and weight hourly space velocity. Heating methods were applicated a conventional electric furnace and an induction heater to evaluate the energy efficient under optimal reaction conditions. The DME steam reforming catalysts were prepared by impregnation of Cu as active material, using γ-Al2O3¬ supporter. Characterization of reforming catalysts were carried out by Automated Surface Area analyzer, X-ray diffraction (XRD), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), hydrogen temperature programed reduction (H2–TPR), and ammonia temperature programmed desorption (NH3–TPD). It was found that the hydrogen reduction treatment lead different characteristics for each Cu loadings of Cu/Al2O3 catalysts, especially the transition of acidity of catalyst had a dominant effect on the DME–SR activity. 15Cu/Al¬2O3 afforded superior DME-SR performance in consideration of catalytic activity at low temperature and by–product selectivity owing to abundant intermediate acidic sites, and its highest H2 concentration was 74.08% at 375℃. The optimal space velocity was 2000 cm3gcat−1h−1 when considering the high DME conversion and high hydrogen generation under low CO formation conditions. The energy consumption of the induction heating reactor which was 25% lower than that of the resistive heating method.
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