[논문]원통형 수증기 개질기의 경계 온도 분포에 따른 개질 가스 조성 변화

김석; 한훈식; 김서영; 현재민

doi:10.6110/kjacr.2011.23.6.383

원통형 수증기 개질기의 경계 온도 분포에 따른 개질 가스 조성 변화
Effect of Boundary Temperature Distributions on the Outlet Gas Composition of the Cylindrical Steam Reformer 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.23 no.6, 2011년, pp.383 - 391

김석 (한국과학기술원 기계공학과) , 한훈식 (한국과학기술원 기계공학과) , 김서영 (한국과학기술연구원) , 현재민 (한국과학기술원 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Numerical simulations have been conducted for the cylindrical steam reformer having various boundary temperature distributions. $CH_4$, $H_2O$, CO, $H_2$ and $CO_2$ are often generated or destroyed by the reactions, namely the Steam Reofrming(SR) reaction, the Water-Gas Shift (WGS) reaction and the Direct Steam Reforming(DSR) reaction. The SR and the DSR reactions are endothermic reactions, and the WGS reaction is an exothermic reaction. The rate of reactions can be slightly controlled by artificially given boundary temperature distributions. Therefore, the component ratio of the gases at the outlet are different for various boundary temperature distributions, namely the constant, cubic and linear distributions. Among these distributions, the linear temperature distribution is outstanding for efficient hydrogen production of the steam reformer.

주제어

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문제 정의

O의 비율)이 일정한 경우, 개질기 내의 온도 분포는 수소 생산 능력에 매우 중요한 변수로 작용한다. 따라서 본 논문에서는 개질기의 경계 온도 분포를 변화시킴으로써 내부 반응률과 기체 전환율의 변화 양상을 도시하고, 이에 따른 수소 생산 능력의 변화를 알아보고자 한다. 수소뿐만 아니라, 피독성 물질인 CO에 대한 영향도 함께 조사하였다.
지금까지 수증기 개질 반응에 대한 여러 가지 수치해석 연구들이 있지만, 대부분 SCR(Steam to Carbon Ratio), 개질기의 입구 온도, 경계 온도, 내부 형상 등에 따른 개질기의 성능 변화를 중점적으로 연구하였고, 이들의 변화에 따른 수소 생산의 최적점을 찾고자 하였다.
^{(2, 3)} 그 중에서, 경계 온도는 대부분 수평 온도 분포의 형태를 가졌다. 하지만 개질기는 수평 경계 온도 분포 외에 다른 형태의 경계 온도 분포를 가질 수 있고, 또한 수평 경계 온도 분포가 수소 생산에 최적의 경계 온도 분포가 아닐 수 있으므로, 본 논문에서는 다양한 경계 온도 분포를 적용하여 그 영향을 알아보고자 한다.

가설 설정

(4) 또한 내부 압력은 1.5 bar로, 반응물이 개질기 내부에 체류하는 시간(residence time)은 3.59 kg-cat · s/mol로 가정하였다.
2에 나타내었다. Hoang 등은 개질기 내의 유동을 등류로 가정하였지만, 본 논문에서는 완전 발달 유동으로 가정하였다. 또한 Hoang 등은 단상 매질 접근법이 아닌 촉매와 주변 기체들 사이에 대류를 통한 열전달이 존재하여 온도 차이를 가진다고 생각하는 이상 매질 접근법(two medium approach)을 사용하였기 때문에 국소적으로는 다소 차이를 보인다.
⁽⁴⁾개질기의 입구에서는 T_i의 온도로 가열된 연료가스(CH₄와 H₂O)가 공급되고, 축 방향(z)에 따라 다양한 온도분포(T_b)를 가지는 형태(원주 방향에 대해서는 대칭적)이다. 개질기의 내부는 입자반경(particle size) 1.75 mm, 공극률(porosity) 0.35를 가지는 다공성 매질로 가정하였다.⁽⁴⁾ 또한 내부 압력은 1.

제안 방법

개질기 내부에 대한 화학 반응과 유동 및 열전달에 대해 수치 모델을 적용하여, 수치 코드를 개발하고 그 결과를 해석하였다. 각 반응의 반응률, 각 기체의 전환율 그리고 출구에서의 조성비를 통해, 수평, 3차 그리고 선형 경계 온도 분포에 대한 개질기의 성능을 수치 해석적으로 연구하였다.
개질기 내부에 대한 화학 반응과 유동 및 열전달에 대해 수치 모델을 적용하여, 수치 코드를 개발하고 그 결과를 해석하였다. 각 반응의 반응률, 각 기체의 전환율 그리고 출구에서의 조성비를 통해, 수평, 3차 그리고 선형 경계 온도 분포에 대한 개질기의 성능을 수치 해석적으로 연구하였다.
이 때, 입구 부근의 온도를 증가시켜 SR 반응의 반응률을 증가시키면, 연료인 CH₄의 소모가 더욱 활발할 것이며 결국 H₂의 생산량이 증가할 것으로 예상되었다. 따라서 입구 부근의 온도를 높이고, 상대적으로 출구 부근의 온도를 낮추는 3차 경계 온도 분포와 선형 경계 온도 분포를 Fig. 4와 같이 설정하여 내부 반응 및 출구에서의 가스 조성비를 확인하였다.
따라서 본 논문에서는 개질기의 경계 온도 분포를 변화시킴으로써 내부 반응률과 기체 전환율의 변화 양상을 도시하고, 이에 따른 수소 생산 능력의 변화를 알아보고자 한다. 수소뿐만 아니라, 피독성 물질인 CO에 대한 영향도 함께 조사하였다.
4와 같은 분포를 가지고 있으며, 축 방향에 대한 평균 온도가 T_m이고, 입구 온도와 평균 온도의 차가 T_g이다. 평균온도 T_m은 873K부터 1173K까지 50K씩 변화시켜가면서, 온도차 T_g는 0 K부터 200K까지 50K씩 변화시켜가면서 계산을 수행하였다.

대상 데이터

본 논문에 사용된 축대칭 형태의 원통형 개질기는 Fig. 1과 같이 지름 1 cm, 길이 15 cm로 설정되었다.⁽⁴⁾개질기의 입구에서는 T_i의 온도로 가열된 연료가스(CH₄와 H₂O)가 공급되고, 축 방향(z)에 따라 다양한 온도분포(T_b)를 가지는 형태(원주 방향에 대해서는 대칭적)이다.

데이터처리

본 논문에서 사용된 수치 모델의 유효성을 검증하기 위해 Hoang 등의 결과와 비교하였다.⁽⁴⁾먼저 SCR 이 3.

이론/모형

(11) 운동량 방정식의 비선형항 처리를 위해 QUICK scheme을 적용하였다.⁽¹²⁾또한 지배방정식의 이산화 과정 후에 생성되는 선형 대수 방정식의 해결을 위해 Stone's method(SIP)를 적용하였다.
(12) 또한 지배방정식의 이산화 과정 후에 생성되는 선형 대수 방정식의 해결을 위해 Stone's method(SIP)를 적용하였다.
식(13)에서 마지막 두 항은 Ergun’s equation으로, 이러한 개질기 내의 다공성 매질에 의한 압력 강하를 나타낸다. 또한 정상상태에서는 촉매와 주변 기체 사이의 온도 차이가 크게 나지 않기 때문에, 두 매질의 온도가 같다고 가정하는 단상 매질 접근법(onemedium approach)이 식(14)에 적용되었다. 또한 식 (14)의 마지막 항은 SR, WGS, DSR 반응들에 의해 생성된 열을 나타내는 열 생성항으로, 발열량 또는 흡열량을 나타내며, 식(15)의 마지막 항은 각 기체의 생성량 또는 소모량을 나타낸다.
수증기 개질기 내의 유동과 열전달 및 농도 해석을 위해, FVM에 기초한 SIMPLER 알고리즘을 이용하여 FORTRAN code를 구성하였다.⁽¹¹⁾운동량 방정식의 비선형항 처리를 위해 QUICK scheme을 적용하였다.

성능/효과

(1) 수평 경계 온도 분포의 경우, 입구 근방에서 SR 반응에 의한 흡열에 의해 내부 온도가 감소하였다.
(2) 수평 경계 온도 분포, 3차 경계 온도 분포, 선형 경계 온도 분포 순서대로 입구 근방에서의 SR 반응과 WGS 반응의 반응률이 높아졌다.
(2, 3) 그 중에서, 경계 온도는 대부분 수평 온도 분포의 형태를 가졌다. 하지만 개질기는 수평 경계 온도 분포 외에 다른 형태의 경계 온도 분포를 가질 수 있고, 또한 수평 경계 온도 분포가 수소 생산에 최적의 경계 온도 분포가 아닐 수 있으므로, 본 논문에서는 다양한 경계 온도 분포를 적용하여 그 영향을 알아보고자 한다.
(3) 위의 순서대로 입구 근방에서 CH₄와 H₂O의 소모가, H₂와 CO의 생성이 촉진되었다.
1과 같이 지름 1 cm, 길이 15 cm로 설정되었다.⁽⁴⁾개질기의 입구에서는 T_i의 온도로 가열된 연료가스(CH₄와 H₂O)가 공급되고, 축 방향(z)에 따라 다양한 온도분포(T_b)를 가지는 형태(원주 방향에 대해서는 대칭적)이다. 개질기의 내부는 입자반경(particle size) 1.
(4) 따라서 출구에서는 경계 온도 분포의 온도차 (T_g)가 클수록, H₂의 생산성이 좋아졌으며, 이는 선형 경계 온도 분포일 때가 3차 경계 온도 분포 일 때보다 더 효율적이었다.
두 경우 모두 T_g가 0 K일 때는 수평 경계 온도 분포를 나타낸다. 두 경우 모두, 같은 T_m에서 T_g가 증가할수록 H2의 출구 조성비가 증가하였으며, 그 기울기는 선형 경계 온도 분포일 때 더 크게 나타났다.
15는 각각 3차 경계 온도 분포 그리고 선형 경계 온도 분포일 때, 출구에서의 CO의 몰비 선도이다. 두 경우에 사이에 큰 다른 점은 없지만, 수평 경계 온도 분포( T_g = 0 K)인 경우보다 T_g가 증가할수록 출구에서의 CO의 생산량이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
이는 연료의 몰비가 높은 입구 쪽에 온도의 가중치를 더 높임으로 해서 SR 반응의 반응률을 증가시킨 결과이다. 또한, 3차 경계 온도 분포에서는 T_g가 100K 이상이 되어야 수소 생산량 증가의 뚜렷한 효과가 생기는 반면, 선형 경계 온도 분포에서는 50K만 넘어도 그 효과가 두드러졌다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	탄화수소를 개질하는 방법에는 무엇이 있는가?	탄화수소를 개질하는 방법에는 수증기 개질 반응, 부분 산화 반응, 자열 개질 반응 등이 있으며, 이 중 수증기 개질 반응은 다른 반응들에 비해 수소의 높은 수율을 확보할 수 있는 반응으로 알려져 있다.(1) 또한 전체 반응이 흡열 반응이기 때문에 외부에서 반응열을 공급해주어야 하며, 이 외부로부터의 열 전달이 개질기의 성능에 중요한 영향을 미친다.
	신재생 에너지 중, 수소가 각광받고 있는 이유는 무엇인가?	최근 석유 고갈, 환경 문제 등의 문제로 인하여, 화석 연료에 대한 회의적인 시각이 늘고 있다. 이를 대체하기 위하여 태양, 풍력, 지열 등과 같은 친환경 에너지가 대두되고 있으며, 이러한 신재생 에너지 중, 수소는 오염 물질 배출이 적고, 에너지 밀도가 높다는 장점 때문에 더욱 각광받고 있다. 하지만, 수소의 저장과 공급은 그 위험도가 매우 높고 기반 시설 등이 부족한 것이 단점이다.
	수소의 저장과 공급은 그 위험도가 매우 높고, 기반 시설 등이 부족한 단점이 있으므로 어떻게 사용하는 것이 효율적인가?	하지만, 수소의 저장과 공급은 그 위험도가 매우 높고 기반 시설 등이 부족한 것이 단점이다. 따라서 연료 수송에 있어 안전하고 제반 시설이 이미 확보되어 있는 탄화수소로부터 수소를 개질하여 사용하는 것이 효율적이다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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