[논문]RPF 열분해 가스화시 합성가스 조성에 대한 화학평형 계산

강필선; 배수우; 송순호; 황정호

[국내논문] RPF 열분해 가스화시 합성가스 조성에 대한 화학평형 계산
An Equilibrium Analysis to Generate Syngas in the Pyrolysis and Gasification of Refuse Plastic Fuel 원문보기

The aim of this study is to find out the condition that generates maximum $H_2$ through the calculation of equilibrium model with conditions of pyrolysis gases of Refuse Plastic Fuel(RPF). This study deals with the computational simulation of a RPF gasification using an equilibrium model based on minimization of the Gibbs free energy. An equilibrium analysis was carried out to determine species composition of Syngas in RPF gasification and reactions to variation of temperature, $O_2/Fuel$ ratio and Steam/Fuel ratio. Calculated results shows that hydrocarbons in pyrolyzed gas are converted to synthesis gas which is formed on hydrogen and carbon monoxide.

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가설 설정

본 연구에서는 그에 대한 기초연구로써 가스화시 반응은 일반적으로 매우 빠르기 때문에 국부적으로 가스화 생성물이 열역학적 평형상태에 있다고 가정하여 생성물의 몰 분포를 계산하는 Gibbs 자유에너지가 최소화되는 원리를 이용하였다 [7]. 본 연구에서 사용된 RPF(refused Plastic fuel)는 고상 폐기물 중 EPR(생산자 책임 재활용 제도)대상인 폐플라스틱, 비닐 등을 60% 이상으로 하여 고형 연료화한 것이다.
평형 모델계산 시 입력 값은 Table 3와 같이 4가지의 탄화수소류와 CO, H₂i CO₂로 구성된 RPF 열분해 가스와 산화제인O2, 탄화수소류의 개질을 위한 수증기인 HzO로 결정하였으며, 실험을 통하여 결정된 열분해 가스의 온도인 480K, 1기압의 조건으로 반응로로 주입된다고 가정하였다. 출력값으로는 가스화 반응의 화학평형 계산 연구들이 가장 많이 채택하고 있는 가스화 반응 주요 생성물인 CHi, C₂H₄, C₂H₆, QH₁₀, CO, H₂, CO₂, H₂O 로 가정하였으며 1기압 상태에서 반응온도를 1100K-1400K까지 100K씩 변화시키면서 각 조건에서 생성 가스인 CH₄, C₂H₁, C₂H₆, QHio, CO, H2의 몰분율을 확인하였다[9].
평형 모델계산 시 입력 값은 Table 3와 같이 4가지의 탄화수소류와 CO, H₂i CO₂로 구성된 RPF 열분해 가스와 산화제인O2, 탄화수소류의 개질을 위한 수증기인 HzO로 결정하였으며, 실험을 통하여 결정된 열분해 가스의 온도인 480K, 1기압의 조건으로 반응로로 주입된다고 가정하였다. 출력값으로는 가스화 반응의 화학평형 계산 연구들이 가장 많이 채택하고 있는 가스화 반응 주요 생성물인 CHi, C₂H₄, C₂H₆, QH₁₀, CO, H₂, CO₂, H₂O 로 가정하였으며 1기압 상태에서 반응온도를 1100K-1400K까지 100K씩 변화시키면서 각 조건에서 생성 가스인 CH₄, C₂H₁, C₂H₆, QHio, CO, H2의 몰분율을 확인하였다[9].

제안 방법

실험에 사용한 RPF의 공업분석치, 원소분석치, 발열량은 Table 1과 같다⑻. 열분해로 로는 TGACThenno -gravimetric Analyzer)를 사용하여 온도변화에 따른 질량변화와 발생가스를 측정하였다. RPF를열분해 시켰을 때 발생되는 가스의 GC분석을 통하여 구하여진 열분해 가스의 조성을 가스 화기의 입구 조건으로 가정하고 화학 평형 계산을 통해 H₂, CO의 양을 최대로 얻을 수 있는 운전 조건을 찾고자 한다.
열분해로 로는 TGACThenno -gravimetric Analyzer)를 사용하여 온도변화에 따른 질량변화와 발생가스를 측정하였다. RPF를열분해 시켰을 때 발생되는 가스의 GC분석을 통하여 구하여진 열분해 가스의 조성을 가스 화기의 입구 조건으로 가정하고 화학 평형 계산을 통해 H₂, CO의 양을 최대로 얻을 수 있는 운전 조건을 찾고자 한다.
얻는 것이다. 따라서 식(1)을 통하여 얻은 이론적으로 완전연소에 필요한의 비와 Table 3의 몰 비를 기준으로 완전연소에 필요한 O2의 양을 구하고, 그 양의 10%-50%까지 10% 간격으로의 양을 조절하며 생성 가스 중 CO 와 H2의 몰분율을 알아보았다.
본 계산에서도 생성 가스 중 수증기 주입에알른 H2의 몰분율 변화와 CO의 몰분율 변화를와아보았으며 이때 수증기/연료의 비는 수증기와 연료가스의 질량비로 계산하였다. 일반적인 수성가스 전 이 반응(Water-Gas shift reaction)은 (2)과 같이, 탄화수소의 수증기 개질반응(Steam reforming)은 (3)과 같이 나타낼 수 있다.
5, 6은 산소량 30%에서 수증기/연료량의 변화에 따른 CO와 H?의 몰분율을 나타낸 그래프이다. 이때 수증기/연료의 비는 수증기와 연료가스의 질량비로 계산하였고 각각 0, 0.5, 1.0, 1.5로 변화를 주었다. 또한 결과 값인 몰분율은 생성물의 수증기를 제외한 몰분율이다.
본 연구를 통해 열분해 가스화를 거쳐 생성되는 합성가스의 조성에 대해 화학평형 계산을 통하여 예측할 수 있었으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

대상 데이터

Table 2에서와 같이 기존 RPF 열분해 실험⑻ 에서 GC의 분석 결과를 토대로 RPF의 열분해 가스 중 많은 비중을 차지하는 연소성 가스인 CzHMEthylene)를 포함한 총 4가지의 탄화수소류 {CHKMethane), C₄H₁MN-Butane), CzHHEthane)} 와 H₂, CO, CO₂를 원료로 선정하였다. 평형 모델계산 시 입력 값은 Table 3와 같이 4가지의 탄화수소류와 CO, H₂i CO₂로 구성된 RPF 열분해 가스와 산화제인O2, 탄화수소류의 개질을 위한 수증기인 HzO로 결정하였으며, 실험을 통하여 결정된 열분해 가스의 온도인 480K, 1기압의 조건으로 반응로로 주입된다고 가정하였다.

성능/효과

2는 주어진 산소량에서 온도에 따른 CO 와 H₂의 몰분율을 나타낸 그래프이다. 전체적으로 온도가 증가할수록 CO의 몰분율은 증가하고 H2의 몰분율은 감소하는 경향을 보인다. 또한 # 이 20-30% 에서 CO와 H2의 몰분율은 최대가 됨을 알 수 있다.
또한 이상의 실험 조건하에서 열분해 가스의 대부분을 차지하고 있던 4가지 탄화수소류(C2H4, CH₄, C₂H₆, GHm)의 양은 10-5이하로 나타났다.
것으로 계산되어졌다. 따라서 수증기와 산소의 가스화 반응을 거쳐 Cracking이 일어나는 것을 알 수 있었다.
- 수증기의 주입 여부에 따라서는 수증기가 주입되지 않았을 때 보다 수증기가 주입되었을 때 CO의 발생량은 감소하였고, H2의 발생량은 증가하는 것을 알 수 있었다.

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