[논문]수증기 개질 반응로에 대한 열유동 해석

한정옥; 이중성; 이영철; 홍성호; 홍성국; 동상근

doi:10.7842/kigas.2013.17.2.78

초록
AI-Helper

수증기 개질 반응로 설계를 위해 수증기 개질 반응로에 대한 열유동 해석을 수행하였다. 6개의 이중관형 개질기 튜브들과 1개의 버너로 구성된 반응로에 대해 개질반응과 열유동 해석을 연계하여 수치계산을 수행하였다. 버너 형상 변화에 따른 반응로 내에서의 유동구조를 계산하여 버너 형상을 선택하였다. 개질반응 통합해석 결과, 반응로 상하단내에서 온도구배가 크게 나타났으며 개질기 튜브 내의 조성 변화도 반응로 온도분포의 영향을 받는 것으로 나타났다. 또한, 운전조건인 SCR 및 GHSV 변동에 따른 개질 반응특성이 변화함을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

A numerical study on the heat and fluid flow has carried out for the design of the steam reforming reactor which consists of six reforming tubes and one burner. Reforming reaction calculation is coupled with the heat and fluid flow one. The burner type in the reforming reactor is chosen through the ...

A numerical study on the heat and fluid flow has carried out for the design of the steam reforming reactor which consists of six reforming tubes and one burner. Reforming reaction calculation is coupled with the heat and fluid flow one. The burner type in the reforming reactor is chosen through the fluid flow calculation according to different type of burner structure. It is shown that the significant temperature gradient exists in the reforming reactor, affecting the component variation along the length of reforming tube. The component ratio of reforming gas is changed by the variation of SCR and GHSV.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

하지만 여전히 3차원적인 해석을 통한 수증기 개질기에 대한 연구가 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 수증기 개질 반응로 설계 기초자료를 확보하기 위해 3차원 수치해석 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 기본적인 유동장 해석을 통해 반응로 내 보다 적합한 버너 구조를 선정하고, 통합적인 개질 반응로 해석을 통해 반응로 내 온도 및 유동장 분포를 살펴보았다. 또한, 운전조건인 SCR 및 GHSV 변화에 따른 개질 반응특성을 고찰하였다.

가설 설정

25에 해당된다. 또한, 개질기 튜브에 공급되는 반응연료(메탄 + 수증기)는 반응로 후단에 설치되는 배가스 폐열회수장치를 이용하여 예열된다고 가정하여 650K 온도로 유입되는 것으로 가정하였다.
본 연구에서는 반응로에 대해 3차원 정상상태로 가정하여 질량, 운동량, 에너지 및 성분 보존 방정식을 계산하였다. 또한 반응로 내 유동장 해석시 난류 모델은 Standard k-e model을 사용하였으며 연소반응은 EDM(Eddy-Dissipation Model)을 사용하였다.
또한, 복사모델로는 DOM(Discrete Ordinates Model)을 적용하였으며 연소가스의 흡수율 계산에는 WSGGM(Weighted-Sum-of-Grey-Gases Model)이 사용되었다. 한편, 개질기 내부의 촉매층은 균일한 다공성 매질로 고려하여, 층류영역으로 가정하고 계산을 수행하였다. 이러한 계산에는 상용 해석프로그램인 Fluent가 사용되었다.

제안 방법

이러한 반응로내에서의 유동구조를 고려해 볼 때 Bcase1이 Bcase2에 비해 연소가스와 개질기 튜브간의 열교환이 잘 될 것으로 판단된다. 따라서, 이후 Bcase1을 기본형상으로 채택하여 반응로 통합해석을 수행하였다.
본 연구에서는 기본적인 유동장 해석을 통해 반응로 내 보다 적합한 버너 구조를 선정하고, 통합적인 개질 반응로 해석을 통해 반응로 내 온도 및 유동장 분포를 살펴보았다. 또한, 운전조건인 SCR 및 GHSV 변화에 따른 개질 반응특성을 고찰하였다.
2에서 도시된 것과 같이, metal fiber burner 형태로 수평으로 연소가스가 분사되는 버너구조(Bcase1)와 nozzle mixing burner 형태로 수직으로 연소가스가 분사되는 버너구조(Bcase2)를 고려해 볼 수 있으며 각각 Bcase1과 Bcase2로 명명하였다. 본 연구에서는 보다 효과적인 버너구조 선택을 위해 두 가지 버너형태에 대한 반응로에 대한 유동장 해석을 수행하였으며 개질기 튜브도 동시에 유동해석을 수행하였다. 한편, 유동해석을 위해 적용된 각각의 경계조건은 Table 2와 같다.
설계하고자 하는 개질기 튜브에 대한 운전조건을 파악하기 위해 운전조건인 SCR 및 GHSV 변화에 따른 개질특성인 수소분율(H₂ mole ratio)을 살펴보았다. Fig.
유동해석에서 선정된 버너구조(Bcase1)에 대해 개질반응을 포함한 반응로 내의 연소 및 열전달을 모두 고려한 반응로 통합해석을 수행하였다. 반응로 통합해석을 위해 개질기 튜브와 버너에 적용된 계산조건은 Table 3와 같으며, 기본 해석조건은 GHSV=2570h^-1, SCR=3.
이고, 상기 계산식을 User-defined function(UDF)로 구현하여 열유동 계산과 연계하였다. 한편, 본 해석에서는 촉매층 반응에 대한 Effectiveness factor를 기존 연구들[4, 7]에서 제시된 범위 내 값을 사용하였다.
이중관형 수증기 개질기 튜브들로 구성된 수증기 개질 반응로에 대해 개질반응을 고려한 열유동 해석 연구를 수행하였다. 이에 대한 결론은 다음과 같다.

대상 데이터

한편, 본 해석 형상은 축대칭 구조이기 때문에 전체 영역에서 60 ￮ 해당되는 영역만 계산 영역으로 선정하여 계산을 수행하였다. 본 연구에서 고려된 반응로 직경(Dr) 및 길이(Hr)는 0.65 m 와 1.4 m이며, 개질기 튜브의 직경(Dt) 및 길이(Ht)는 0.09 m와 1.3 m에 해당된다.

데이터처리

한편, 개질기 내부의 촉매층은 균일한 다공성 매질로 고려하여, 층류영역으로 가정하고 계산을 수행하였다. 이러한 계산에는 상용 해석프로그램인 Fluent가 사용되었다. 한편, 개질 반응 계산을 위해서는 다음과 같은 반응식이 고려되었다.

이론/모형

본 연구에서는 반응로에 대해 3차원 정상상태로 가정하여 질량, 운동량, 에너지 및 성분 보존 방정식을 계산하였다. 또한 반응로 내 유동장 해석시 난류 모델은 Standard k-e model을 사용하였으며 연소반응은 EDM(Eddy-Dissipation Model)을 사용하였다. 또한, 복사모델로는 DOM(Discrete Ordinates Model)을 적용하였으며 연소가스의 흡수율 계산에는 WSGGM(Weighted-Sum-of-Grey-Gases Model)이 사용되었다.
또한 반응로 내 유동장 해석시 난류 모델은 Standard k-e model을 사용하였으며 연소반응은 EDM(Eddy-Dissipation Model)을 사용하였다. 또한, 복사모델로는 DOM(Discrete Ordinates Model)을 적용하였으며 연소가스의 흡수율 계산에는 WSGGM(Weighted-Sum-of-Grey-Gases Model)이 사용되었다. 한편, 개질기 내부의 촉매층은 균일한 다공성 매질로 고려하여, 층류영역으로 가정하고 계산을 수행하였다.
이러한 반응해석을 구현하기 위해 본 연구에서는 기존 연구들에서 널리 사용되고 있는 Xu와 Froment가 제안한 반응식을 사용하였다.[7-9] 한편, 보다 정확한 반응해석을 모사하기 위해서는 개질기 튜브에 사용하고자 하는 촉매 실험값을 참고하여 반응식 계산에 필요한 반응계수 및 흡수계수를 사용하여 하나 본 연구에서는 기존 연구[7]에서 제시된 니켈 촉매에 대한 값을 사용하였다.
이고, 상기 계산식을 User-defined function(UDF)로 구현하여 열유동 계산과 연계하였다. 한편, 본 해석에서는 촉매층 반응에 대한 Effectiveness factor를 기존 연구들[4, 7]에서 제시된 범위 내 값을 사용하였다.

성능/효과

(1) 버너 형태에 따른 반응로 내 유동 해석결과, 수평으로 넓게 배출되는 버너구조(Bcase1)적용시 수직으로 좁게 배출되는 버너구조(Bcase2) 비해 연소가스가 개질기 튜브면과 접촉이 잘 되는 것으로 예측되었다.
(2) 통합 반응해석을 수행한 결과, 반응로 내 상하단영역에서 큰 온도구배가 형성되었다. 또한, 낮은 온도영역인 개질기 튜브 초기영역에서는 낮은 개질반응이 예측되었으며 높은 온도영역에서는 개질반응이 보다 활성화됨을 확인할 수 있었다.
(3) 개질기 튜브의 운전 조건인 SCR 및 GHSV에 변동에 따른 해석을 수행한 결과, SCR 및 GHSV가 감소할수록 생산되는 수소 분율은 증가되었다. 하지만 GHSV가 감소할수록 수소 생산량은 줄어드는 경향을 확인할 수 있었다.
그림에서와 같이, GHSV 증가는 투입되는 개질용 연료가 촉매층에 머무르는 체류시간 감소에 따라 개질반응 감소로 낮은 수소분율이 형성되는 것으로 예측되었다. 그러나 GHSV 증가는 투입되는 개질용 연료 총량이 증가되어 낮은 수소분율에 불구하고 결국 개질기 튜브로부터 얻어지는 수소 총량은 증가되는 것으로 예측되었다. 따라서, 수소분율과 수소생산량을 고려하여 적정한 GHSV 작동범위를 설정하는 것이 필요하다.
(2) 통합 반응해석을 수행한 결과, 반응로 내 상하단영역에서 큰 온도구배가 형성되었다. 또한, 낮은 온도영역인 개질기 튜브 초기영역에서는 낮은 개질반응이 예측되었으며 높은 온도영역에서는 개질반응이 보다 활성화됨을 확인할 수 있었다.
(3) 개질기 튜브의 운전 조건인 SCR 및 GHSV에 변동에 따른 해석을 수행한 결과, SCR 및 GHSV가 감소할수록 생산되는 수소 분율은 증가되었다. 하지만 GHSV가 감소할수록 수소 생산량은 줄어드는 경향을 확인할 수 있었다. 운전조건 선정시 수소분율과 수소생산량을 고려하여 적정한 GHSV 작동범위를 설정하는 것이 필요하다.

후속연구

한편, 반응로 상단부 개질기 튜브내의 국소적인 촉매층 온도는 실제 촉매 운전온도에 비해 높게 예측되고 있는데 이는 반응로 모사를 위해 사용된 연소모델로 얻어진 연소가스 온도분포가 실제현상 보다 높게 예측된 영향에 기인한 것으로 판단된다. 따라서 향후 정확한 반응로 해석을 위해서는 보다 현실적인 연소모델 적용이 필요할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	SCR 증가될수록 개질되는 수소분율은 감소되는 특성을 보이고 있으며 수소 생산량도 줄어들게 되는 이유는 무엇인가?	8에서 나타나듯이 SCR 증가될수록 개질되는 수소분율은 감소되는 특성을 보이고 있으며 수소 생산량(Product of H2)도 줄어들게 된다. 이는 SCR이 증가되면서 상대적으로 투입되는 CH4 유량이 줄어들면서 개질 반응 절대량이 감소되었기 때문으로 판단된다.
	가장 널리 활용되고 있는 수소 제조 방법은 무엇인가?	따라서, 수소를 생산할 수 있는 개질기에 대한 관심이 높아지고 있다. 이러한 수소를 생산하기 위해서 다양한 방법들이 연구되고 있으며, 이 중 수증기 개질법은 가장 널리 활용되고 있는 수소 제조 방법이다[1-3]. 이러한 수증기 개질법을 활용하여 수소를 최적으로 생산하기 위해서는 설계 용량에 적합한 개질기 최적화 설계기술이 중요하다.
	반응로 내 유동장 해석시 난류 모델은 무엇을 사용하였는가?	본 연구에서는 반응로에 대해 3차원 정상상태로 가정하여 질량, 운동량, 에너지 및 성분 보존 방정식을 계산하였다. 또한 반응로 내 유동장 해석시 난류 모델은 Standard k-e model을 사용하였으며 연소반응은 EDM(Eddy-Dissipation Model)을 사용하였다. 또한, 복사모델로는 DOM(Discrete Ordinates Model)을 적용하였으며 연소가스의 흡수율 계산에는 WSGGM(Weighted-Sum-of-Grey-Gases Model)이 사용되었다.

참고문헌 (9)

Yoon, Y.S, Hydrogen Production Hydrogen Station for the steam reforming of natural gas supply system technology, SK Technology division, (2006)
Yoon, W.R, Study on natural gas using high efficiency integrated compact reformer design technology, KIER, (2005)
Yoon, W.R, Supply system, development of natural gas steam reforming hydrogen production for hydrogen filling stations, KIER, (2009)
Seo, Y. S. et al., "Investigation of the characteristics of a compact steam reformer integrated with a water-gas shift reactor", Journal of Power Sources, 161, 1208-1216, (2006)

상세보기
Davieau, D. D. et al., "The effect of geometry on reactor performance in the steam reaformation process", Int. J. Hydro. Energy, 32, 1192-1200, (2007)

상세보기
Choi, C. G. et al., "A Comparative Study for Steam-Methane Reforming Reaction Analysis Model", KSME-B. 42, 409-503, (2008)

원문보기 상세보기
Xu, J.,and Froment, G. F., "Methane steam reforming, methanation and water-gas shift: I. Intrinsic kinetics", AIChE J, 35, 88-96, (1989)

상세보기
Kim, J.S, Impact on the efficiency of the heat flow characteristics and reforming combustor is equipped with a steam reformer operating conditions, KOSCO, 16, 36-45, (2011)
Park, J. G. et al., "Heat flux analysis of a cylindrical steam reformer by a modified Nusselt number", International Journal of Hydrogen Energy, 34, 1828-1834, (2009)

상세보기

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

수증기 개질 반응로에 대한 열유동 해석
A Numerical Study on the Heat and Fluid Flow in Steam Reforming Reactor 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

수증기 개질 반응로에 대한 열유동 해석 A Numerical Study on the Heat and Fluid Flow in Steam Reforming Reactor 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

한정옥 (24) 이중성 (13) 이영철 (22) 홍성호 (41) 홍성국 (3) 동상근 (4)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

수증기 개질 반응로에 대한 열유동 해석
A Numerical Study on the Heat and Fluid Flow in Steam Reforming Reactor 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper