[국내논문]이중관형 연속 반응기에서 수증기-메탄 개질반응의 실험 및 CFD 시뮬레이션 A Comparison with CFD Simulation and Experiment for Steam-methane Reforming Reaction in Double pipe Continuous Reactor원문보기
고온개질기를 이용한 수증기 메탄 개질반응에 대해 실험 및 전산해석 기법을 이용하여 실제 개질기의 효율 및 개질기의 형상의 변화에 따른 열 분포 및 내부 유동에 대해서 연구하였다. 수증기 개질에 대한 반응모델은 Xu & Froment에 의해 개발된 수증기 반응 모델을 사용하였고, 그 결과로 고온개질기내에서 일어나는 화학반응은 Steam Reforming(SR), Water Gas Shift(WGS), Direct Steam Reforming(DSR) 반응이 다른 반응을 지배한다고 가정하였다. 고온개질기를 이용한 수증기 메탄 개질 반응 실험 결과로는 Steam Carbon Ratio(SCR)이 증가함에 따라 수소 수득율 또한 증가하고 일산화탄소와 메탄은 감소하는것을 알 수 있었다. 또한 입구가 한 개인 디자인과 두 개인 디자인을 비교, 분석하였을 때 입구가 두 개인 개질기보다 입구가 한 개인 개질기에서 열 분포 및 내부유동, 수소 수득율이 우수하다는 결과를 얻게 되었다.
고온개질기를 이용한 수증기 메탄 개질반응에 대해 실험 및 전산해석 기법을 이용하여 실제 개질기의 효율 및 개질기의 형상의 변화에 따른 열 분포 및 내부 유동에 대해서 연구하였다. 수증기 개질에 대한 반응모델은 Xu & Froment에 의해 개발된 수증기 반응 모델을 사용하였고, 그 결과로 고온개질기내에서 일어나는 화학반응은 Steam Reforming(SR), Water Gas Shift(WGS), Direct Steam Reforming(DSR) 반응이 다른 반응을 지배한다고 가정하였다. 고온개질기를 이용한 수증기 메탄 개질 반응 실험 결과로는 Steam Carbon Ratio(SCR)이 증가함에 따라 수소 수득율 또한 증가하고 일산화탄소와 메탄은 감소하는것을 알 수 있었다. 또한 입구가 한 개인 디자인과 두 개인 디자인을 비교, 분석하였을 때 입구가 두 개인 개질기보다 입구가 한 개인 개질기에서 열 분포 및 내부유동, 수소 수득율이 우수하다는 결과를 얻게 되었다.
The heat distribution and internal flow from the efficiency of actual reformer and specification variation, using the computer simulation and experiment about the steam methane reforming reaction which uses the high temperature reformer. Reaction model from steam refoemer uses the steam response mod...
The heat distribution and internal flow from the efficiency of actual reformer and specification variation, using the computer simulation and experiment about the steam methane reforming reaction which uses the high temperature reformer. Reaction model from steam refoemer uses the steam response model developed by Xu & Froment.As result we supposed the chemical react Steam Reforming(SR), Water Gas Shift(WGS), and Direct Steam Reforming(DSR) from the inner high temperature reformer dominates the response has dissimilar response. According to result of steam methane reforming reaction exam using high temperature reformer, we figured out when Steam Carbon Ratio(SCR) increase, number of hydrogen yield increases but methane decreases. When comparing and examining between design with one inlet and two inlet, result came out one inlet design is more outstanding at thermal distribution and internal flow, hydrogen yield in one inlet design than two inlet design.
The heat distribution and internal flow from the efficiency of actual reformer and specification variation, using the computer simulation and experiment about the steam methane reforming reaction which uses the high temperature reformer. Reaction model from steam refoemer uses the steam response model developed by Xu & Froment.As result we supposed the chemical react Steam Reforming(SR), Water Gas Shift(WGS), and Direct Steam Reforming(DSR) from the inner high temperature reformer dominates the response has dissimilar response. According to result of steam methane reforming reaction exam using high temperature reformer, we figured out when Steam Carbon Ratio(SCR) increase, number of hydrogen yield increases but methane decreases. When comparing and examining between design with one inlet and two inlet, result came out one inlet design is more outstanding at thermal distribution and internal flow, hydrogen yield in one inlet design than two inlet design.
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문제 정의
이에 본 연구에서는 실험을 통한 개질 특성 및 SCR(Steam Carbon Ratio)변화, 온도 변화를 통한 수소 수율 경향을 알아보고 상용 프로그램인 ANSYS사의 FLUENT를 사용하여 동일한 조건의 모델을 시뮬레이션 분석을 하여 실험과 시뮬레이션 사이의 오차를 알아보고 분석해 보았다. 더 나아가 시뮬레이션을 이용하여 다양한 조건, 즉 실험으로 알아볼 수 없는 개질기 디자인, 조건을 변경해 가며 최적의 고온 개질기를 설계하여 보았다.
본 연구에서는 각 모델별 가장 적정한 규모의 격자를 구성하기 위하여 여러 번의 시행착오를 거쳐 각 모델에 적합한 규모의 격자 구성을 하여 시뮬레이션을 시행하였다. 해석을 수행한 개질기는 ANSYS workbench를 사용하였다.
고온개질기의 온도는 1100℃이고, 고온 개질기에 주입한 스팀은 메탄에 포함되어 있는 Carbon의 양을 양론비로 계산하여 수증기를 주입하였다. 고온 개질기에서 스팀 주입량의 변화에 따른 생성 가스 및 수증기 개질 반응 특성을 확인하고자 하였다.
본 연구에서는 수증기 메탄 개질반응의 실험과 시뮬레이션을 통해서 고온 개질기 내부의 유동 및 기타 다른 영향에 대해서 분석하기 위해 위와 같은 실험을 통해 데이터를 얻을 수 있었다. 고온개질기의 운전의 작동조건은 다양하며, 효율적으로 운전하기 위해 각각의 성능에 미치는 영향을 분석해야 한다.
본 연구에서는 고온개질기의 개질 효율 특성을 조금 더 정확하게 표현하고 분석하기를 위해서 시뮬레이션을 병행하였고, 실험과 시뮬레이션을 비교해봄으로서 실험과 시뮬레이션의 오차 등을 분석하고 해결법에 대해서 확인 해 보았다. Fig.
본 연구는 고온개질기를 이용한 수증기 메탄 개질 반응에 대해 실험 및 CFD 시뮬레이션 기법을 이용하여 실제 개질기의 효율 및 개질기의 형상의 변화에 따른 효율에 대해서 조사하였다.
가설 설정
본 연구에서는 상용 CFD 소프트웨어인 FLUENT(Ver 12.1)를 사용하여 개질기에 대하여 정상상태로 가정하고 이에 대한 질량, 운동량, 에너지 및 성분 본존 방정식을 해석에 이용하였다. 주어진 계산영역에서의 지배방정직은 다음과 같다[6-8].
화학반응을 해석하기 위하여 본 연구에서는 Xu와 Froment에 의해 개발된 수증기-메탄 반응 메커니즘을 사용하였다. 제안된 반응 메커니즘은 아래의 세 가지 반응이 전체 반응을 지배한다고 가정하였다[9].
고온 개질기는 4기압에서 가동 하였다고 가정하였고, 연료로 사용되는 LPG는 60Nm3/h로 공급되었다. 메탄과 반응 할 물(수증기)은 Steam Carbon Ratio(SCR)가 3이 유지되도록 설정하였고, 메탄과 수증기 혼합물은 300℃로 고온 개질기에 공급되었다.
반응기 내부 온도는 1100℃로 설정하였고, inlet과 outlet의 온도는 300℃로 설정하였다. 모든 벽면(개질기 내부)은 외부와 완전히 단열되었다고 가정하였고, 모든 벽면에서는 No-slip 조건을 적용하였다. 반응 기 내부는 실험에 사용한 인코넬의 물성치와 동일하게 설정하였고, 전도에 의한 열손실은 없다고 가정하였다.
모든 벽면(개질기 내부)은 외부와 완전히 단열되었다고 가정하였고, 모든 벽면에서는 No-slip 조건을 적용하였다. 반응 기 내부는 실험에 사용한 인코넬의 물성치와 동일하게 설정하였고, 전도에 의한 열손실은 없다고 가정하였다. Table.
Xu 와 Froment에 의해 연구된 반응모델을 사용하였으며, 고온 개질기 내에서 일어나는 화학반응은 Steam Reforming(SR), Water Gas Shift(WGS), Direct Steam Reforming(DSR) 반응이 다른 반응을 지배한다고 가정하였다.
제안 방법
이에 본 연구에서는 실험을 통한 개질 특성 및 SCR(Steam Carbon Ratio)변화, 온도 변화를 통한 수소 수율 경향을 알아보고 상용 프로그램인 ANSYS사의 FLUENT를 사용하여 동일한 조건의 모델을 시뮬레이션 분석을 하여 실험과 시뮬레이션 사이의 오차를 알아보고 분석해 보았다. 더 나아가 시뮬레이션을 이용하여 다양한 조건, 즉 실험으로 알아볼 수 없는 개질기 디자인, 조건을 변경해 가며 최적의 고온 개질기를 설계하여 보았다.
고온 개질기를 디자인함에 있어서 개질기 대상과 조건을 선정하여 대상모델의 geometry를 디자인하여 구성한다. geometry 디자인은 ANSYS사에서 제공하는 Design modeler를 사용하여 3D로 구현하였다.
고온 개질기를 디자인함에 있어서 개질기 대상과 조건을 선정하여 대상모델의 geometry를 디자인하여 구성한다. geometry 디자인은 ANSYS사에서 제공하는 Design modeler를 사용하여 3D로 구현하였다. 그리고 geometry의 surface에 명칭을 부여하여 경계조건을 정의한다.
대상모델을 확정한 후 시뮬레이션을 위한 모델의 격자 구성작업을 시행한다. 격자구성작업은 시뮬레이션 결과의 품질과 시뮬레이션 시간을 결정하는 중요한 절차로 격자구성작업의 결과에 따라 시뮬레이션 결과의 품질이 결정된다고 해도 과언이 아닌 핵심 작업이다.
해석을 수행한 개질기는 ANSYS workbench를 사용하였다. 이를 토대로 실제 개질 반응기와 동일한 3차원 형상의 격자를 동일한 부피와 조건을 갖는 이중관형 형태와 디자인에 변화를 준 모델을 시뮬레이션 하였다.
먼저 아래 Fig. 1과 같은 개질기를 ANSYS design modeler로 형상화 하여 각각 주입구 미 배출구의 격자를 생성하고, 개질 반응이 활발히 일어나는 반응기 벽면과 반응이 끝난 후 생성된 합성 가스의 이동이 시작되는 부분 및 연소 반응에 의한 유동의 방향이 역류하게 되는 개질기 하부에 격자를 더 세밀하게 생성하였다. Fig.
상기와 같은 대상모델 확정 후 시뮬레이션을 위한 모델의 격자 구성을 시행하였다. 보다 정확한 시뮬레이션을 위하여 격자를 작고 조밀하게 구성할 수도 있으나 이는 기하급수적인 시뮬레이션 시간의 증가를 가져오게 되므로 가장 적정한 규모의 격자를 구성하는 것이 중요하다.
본 연구에서 실험과 해석을 진행한 형상은 컨트롤 박스, 열분해로, 개질기 등이 배치된 Fig. 4의 한 부분으로서 개질기인 Fig. 5 파트에 바로 메탄과 수증기를 주입시켜 실험을 진행하였다. 개질기는 큰 이중관형으로 되어있으며 하단부에 LPG와 공기를 주입시켜 열을 공급하고 메탄과 수증기는 상단부로 주입시켜 반응기 내부로 들어가는 형태이다.
고온개질기의 온도 조절 및 열원으로 사용되는 Burner의 유량을 조절할 수 있도록 Control Box를 설계하였다. 고온개질기의 온도는 반응기 외부에 닿아있는 K-type thermocouple 및 R-type thermocouple 을 통해 개질기의 온도를 감지하여 PLC를 통하여 PID 제어기가 자동적으로 제어하도록 설계하였다.
고온개질기의 온도 조절 및 열원으로 사용되는 Burner의 유량을 조절할 수 있도록 Control Box를 설계하였다. 고온개질기의 온도는 반응기 외부에 닿아있는 K-type thermocouple 및 R-type thermocouple 을 통해 개질기의 온도를 감지하여 PLC를 통하여 PID 제어기가 자동적으로 제어하도록 설계하였다. Burner의 연료가 되는 LPG과 공기의 경우 MFC를 통하여 연속적이고 정량적으로 공급할 수 있도록 설계하였다.
고온개질기의 온도는 반응기 외부에 닿아있는 K-type thermocouple 및 R-type thermocouple 을 통해 개질기의 온도를 감지하여 PLC를 통하여 PID 제어기가 자동적으로 제어하도록 설계하였다. Burner의 연료가 되는 LPG과 공기의 경우 MFC를 통하여 연속적이고 정량적으로 공급할 수 있도록 설계하였다.
인코넬은 내열성이 좋고 900?이상의 산화기류에서 산화되지 않으며, 황을 함유한 가스에서도 침지 되지 않는 성질을 가지고 있어, 본 연구 목적에 부합되는 재질이다. 1200℃이상의 개질기 내의 열손실을 최소화하기 위하여 2중 단열층을 구성하였다.
열 공급을 위하여, 여러 가지 가스연료 사용이 가능한 버너를 개발하여 사용하였고, 초기 운전을 할경우 목적 온도까지의 가열을 위하여 연료는 LPG를 사용하였고, 가스화제로서 Air를 사용하며 1차 열분해 가스를 상부로 공급하여 Down Stream 후 Up Stream으로의 흐름형태를 설정하여 가스의 개질기 내에서 일차 열분해가스의 체류시간은 길게 하였다. 이는 1차 열분해 가스가 개질기 내부에서 Cracking 및 후속반응이 활발히 일어나게 하기 위함이다.
생성되는 가스는 1200℃ 이상의 개질기 내부 온도에 의해, 물질 대부분의 결합을 Cracking시켜 H2, CO, CO2 등의 합성가스로 생성되고, NOx, SOx, 다이옥신과 같은 환경물질을 배출하지 않는다. 또한 개질기로부터 배출되는 고온의 폐열 에너지를 효율적으로 이용하기 위하여 개질기 외벽에 스테인레스 관을 감아 열 교환을 통해 스팀을 생성하여 개질기 상부로 주입하며, H2 수율의 증가를 위한 수증기개질(steam reforming)을 진행하였다.
기초 열분해 실험을 통하여 가스화의 산화제로서 스팀을 공급하기 위한 정량을 계산하였다. 스팀은 마스터 플럭스를 통해 주입된 초순수가 스팀라인을 통과하며 스팀으로 전환되어 열분해 반응기 내부로 공급되게 하였다.
스팀은 마스터 플럭스를 통해 주입된 초순수가 스팀라인을 통과하며 스팀으로 전환되어 열분해 반응기 내부로 공급되게 하였다. 본 실험에서는 기초 실험과는 다르게 고온 가스화를 통해 발생된 가스를 분석하여 수증기 개질의 주원이 되는 CH4과 수성 전이 반응의 주원인 CO의 정량을 양론적으로 계산하여 구하고 그에 맞춰 무게비율로서 주입해야할 초순수의 양을 결정했다. 따라서 기초 고온 가스화 실험과 동일한 조건 하에서 SCR의 양을 변화하며 생성물의 수율을 살펴보았다.
본 실험에서는 기초 실험과는 다르게 고온 가스화를 통해 발생된 가스를 분석하여 수증기 개질의 주원이 되는 CH4과 수성 전이 반응의 주원인 CO의 정량을 양론적으로 계산하여 구하고 그에 맞춰 무게비율로서 주입해야할 초순수의 양을 결정했다. 따라서 기초 고온 가스화 실험과 동일한 조건 하에서 SCR의 양을 변화하며 생성물의 수율을 살펴보았다.
열분해가스 와 개질가스 및 응축되지 않은 잔류가스의 정성, 정량 분석을 위해 가스크로마토그래피 분석을 실시하였다. 고온 개질기 후단의 Gas sampling port로부터 생성가스를 10분마다 포집하였고, 검출기로는 Gas Chromatography(Thermal Conductivity Detector, TCD)를 사용하였으며 H2, N2, CO, CH4, CO2를 분석하였다.
열분해가스 와 개질가스 및 응축되지 않은 잔류가스의 정성, 정량 분석을 위해 가스크로마토그래피 분석을 실시하였다. 고온 개질기 후단의 Gas sampling port로부터 생성가스를 10분마다 포집하였고, 검출기로는 Gas Chromatography(Thermal Conductivity Detector, TCD)를 사용하였으며 H2, N2, CO, CH4, CO2를 분석하였다. Table.
5에 나타낸 실험 조건에서 실험을 진행하였다. 고온개질기의 온도는 1100℃이고, 고온 개질기에 주입한 스팀은 메탄에 포함되어 있는 Carbon의 양을 양론비로 계산하여 수증기를 주입하였다. 고온 개질기에서 스팀 주입량의 변화에 따른 생성 가스 및 수증기 개질 반응 특성을 확인하고자 하였다.
각 디자인별 효율 확인을 위해 실제 실험값과 비교하였다. 그 결과, 시뮬레이션과 실험간 개질기 가스 성분 조성이 유사하게 나타남을 확인하였고 실험 결과와 시뮬레이션 결과에서 비슷한 경향을 보이므로 같은 해석을 사용하여 반응기 디자인에 변화를 준 시뮬레이션을 진행하였다.
대상 데이터
본 연구에서 해석하는 개질기 모델은 각각 입구가1개와 2개인 원통형 고온개질기의 형상을 디자인 하였다.
5는 고온 개질기의 개략도 및 실제 사진을 나타내었다. 고온 개질기의 크기는 내부 직경 250mm, 높이 1200mm의 인코넬 재질을 사용하였다. 일반적으로 많이 쓰이는 스테인레스는 본 연구에서의 개질기 내부온도(1200℃ 이상)에서 대부분 용해되므로 니켈을 주체로 한 내열합금인 인코넬(니켈 외, 크롬: 15%, 철: 6-7%, 티타늄: 2.
고온 개질기의 크기는 내부 직경 250mm, 높이 1200mm의 인코넬 재질을 사용하였다. 일반적으로 많이 쓰이는 스테인레스는 본 연구에서의 개질기 내부온도(1200℃ 이상)에서 대부분 용해되므로 니켈을 주체로 한 내열합금인 인코넬(니켈 외, 크롬: 15%, 철: 6-7%, 티타늄: 2.5%, 알루미늄, 망간, 규소: 1%이하)을 사용한다. 인코넬은 내열성이 좋고 900?이상의 산화기류에서 산화되지 않으며, 황을 함유한 가스에서도 침지 되지 않는 성질을 가지고 있어, 본 연구 목적에 부합되는 재질이다.
데이터처리
본 연구에서는 각 모델별 가장 적정한 규모의 격자를 구성하기 위하여 여러 번의 시행착오를 거쳐 각 모델에 적합한 규모의 격자 구성을 하여 시뮬레이션을 시행하였다. 해석을 수행한 개질기는 ANSYS workbench를 사용하였다. 이를 토대로 실제 개질 반응기와 동일한 3차원 형상의 격자를 동일한 부피와 조건을 갖는 이중관형 형태와 디자인에 변화를 준 모델을 시뮬레이션 하였다.
시뮬레이션에선 고온 개질기는 완벽한 단열로 설정하였고 일정한 온도로 유지하였다. 각 디자인별 효율 확인을 위해 실제 실험값과 비교하였다. 그 결과, 시뮬레이션과 실험간 개질기 가스 성분 조성이 유사하게 나타남을 확인하였고 실험 결과와 시뮬레이션 결과에서 비슷한 경향을 보이므로 같은 해석을 사용하여 반응기 디자인에 변화를 준 시뮬레이션을 진행하였다.
이론/모형
난류 유동의 지배방정식으로 standard k-e 모델을 적용하였다. turbulence kinetic energy k와 turbulence dissipation rate ε은 아래 transport equations로부터 구할 수 있다.
화학반응을 해석하기 위하여 본 연구에서는 Xu와 Froment에 의해 개발된 수증기-메탄 반응 메커니즘을 사용하였다. 제안된 반응 메커니즘은 아래의 세 가지 반응이 전체 반응을 지배한다고 가정하였다[9].
성능/효과
고온 개질기를 이용한 수증기 메탄 개질반응 실험 결과로는 Steam Carbon Ratio(SCR)이 증가함에 따라 수소 수득율 또한 증가하고 일산화탄소와 메탄은 감소하는 것을 알 수 있었다. 하지만 실험의 횟수가 늘어날수록 수소 수득률이 소폭 감소하였는데 이는 실험이 진행될수록 니켈을 주 원료로 한 개질기 내부 인코넬에 탄소 침착이 일어났기 때문이다.
8을 보면 SCR 증가에 따라 H2의 생성 유량이 계속적으로 증가하는 경향을 보여, 상대적으로 고온의 조건에서는 SCR의 증가에 따라 SR(Steam reforming)이 WGS(Water gas shift) 반응보다 더 활발히 일어나는 것으로 사료된다. 또한 SCR의 증가에 따라 CH4의 수율은 감소하는 결과를 보였다. CO2의 감소와 CO 수율의 증가의 경우, 예상한 결과와 전혀 다른 결과를 보였으며, 이는 개질기 내부에 증착되어 있는 Carbon에 의하여 고온에서 Boudouard 반응이 진행되어 CO2가 2CO로 전환 되었다.
또한 1100℃, SCR=3의 결과로부터, CO 및 CO2의 생성량이 일정한데 반하여 CH4의 생성량이 큰 감소폭을 보여, steam reforming 반응에 의한 CH4의 개질 반응이 커짐을 알 수 있었고, 수증기 개질 반응(Steam Reforming Reaction)과 수성 전이 반응(Water Gas Shift Reaction - WGSR)이 비슷한 비율로 일어나는 결과로 생각된다.
실험을 통해 입구 온도, SCR(Steam Carbon Ratio), 벽 온도, 메탄 유입량 등을 변화를 주어 수소 수득률의 차이를 알 수 있었다. 하지만 실험을 통해서는 내부 유동, 반응에 따른 내부 온도 변화는 유추할 뿐 정확히 확인할 수 없지만 시뮬레이션을 통해서 위 사항을 확인해 볼 수 있다.
11은 각 시뮬레이션 도중 내부 CO2 분포와 H2분포를 표현하였다. 본 그림으로 확인할 수 있듯이 outlet으로 이동 할수록 CO2와 H2가 조금씩 증가함을 확인 하였다.
12는 SCR(Steam Carbon Ratio)이 3일 때 시간에 따른 가스 분포 그래프이다. 실험과 동일한 시간으로 확인해 보았을 때 가스분포는 큰 차이는 보이지 않았으나 후반부로 갈수록 수소 분포는 소폭 증가함을 확인하였다.
13은 SCR(Steam Carbon Ratio)이 3일 때 개질기 상대적 길이에 따른 몰분율 그래프이다. 직접 실험을 수행한 개질기와 시뮬레이션 상 개질기의 상대적 길이로 봤을 때 시작점의 약 30%시점부터 수소 몰분율이 대폭 증가 하였다.
실험 결론으로는 SCR(Steam Carbon Ratio)이 높아질수록 WGS(Water Gas Shift)반응이 증가하고, 때문에 H2의 농도는 증가하고 CO의 농도는 감소하였다.
SCR=0 일 때 실험에서 고온에서 메탄이 직접 분해되어 CO2의 생성이 없었으며, 메탄의 전환율은 약 60%의 결과를 얻었다.
또한 SCR=3 일 때 실험에서는 주 반응에 의해서 대부분 CH4가 개질되었으며 전환율은 약 97%의 결과를 얻었다. 또한 실험 중 최대 수소수율은 약 71Vol%에서 561.
이상 본 연구결과를 통해서 고온 개질기의 경계조건 변화와 형상의 변화에 따라 미치는 영향을 알 수 있으며, 효율적인 고온 개질기를 제시할 수 있다. 또한 온도 분포 경향을 비교하여 개질기의 성능을 비교할 수 있음을 확인하였다.
이상 본 연구결과를 통해서 고온 개질기의 경계조건 변화와 형상의 변화에 따라 미치는 영향을 알 수 있으며, 효율적인 고온 개질기를 제시할 수 있다. 또한 온도 분포 경향을 비교하여 개질기의 성능을 비교할 수 있음을 확인하였다.
후속연구
우리 정부도 기후변화협약에 대응하고 에너지안보를 강화하기 위해 수소경제로의 조기진입을 목표로 2005년 3월 수소경제시대 원년을 선언한 바 있다. 향후 수소인프라 즉, 수소에너지의 생산, 저장, 수송, 변환 및 이용 시스템에 대한 집중적인 연구개발 및 투자를 모색하고 있다[1].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
본 연구에서 가스크로마토그래피 분석은 무엇을 분석하기 위해 실시되었는가?
열분해가스 와 개질가스 및 응축되지 않은 잔류가스의 정성, 정량 분석을 위해 가스크로마토그래피 분석을 실시하였다. 고온개질기 후단의 Gas sampling port로부터 생성가스를 10분마다 포집하였고, 검출기로는 Gas Chromatography(Thermal Conductivity Detector, TCD)를 사용하였으며 H2, N2, CO, CH4, CO2를 분석하였다.
입구 갯수에 따른 고온개질기의 성능차이는?
고온개질기를 이용한 수증기 메탄 개질 반응 실험 결과로는 Steam Carbon Ratio(SCR)이 증가함에 따라 수소 수득율 또한 증가하고 일산화탄소와 메탄은 감소하는것을 알 수 있었다. 또한 입구가 한 개인 디자인과 두 개인 디자인을 비교, 분석하였을 때 입구가 두 개인 개질기보다 입구가 한 개인 개질기에서 열 분포 및 내부유동, 수소 수득율이 우수하다는 결과를 얻게 되었다.
고온개질기를 이용한 수증기 메탄 개질반응 실험 결과는?
고온개질기를 이용한 수증기 메탄 개질반응 실험 결과로는 Steam Carbon Ratio(SCR)이 증가함에 따라 수소 수득율 또한 증가하고 일산화탄소와 메탄은 감소하는것을 알 수 있었다. 하지만 실험의 횟수가 늘어날수록 수소 수득률이 소폭 감소 하였는데 이는 실험이 진행될수록 니켈을 주 원료로 한 개질기 내부 인코넬에 탄소 침착이 일어났기 때문이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 불활성 가스를 이용한 내부 세척 및 실험 직후 급격하게 온도를 내리지 않고 천천히 내림으로서 탄소 침착을 지연시킬 수 있다.
고유상, "미국에서의 바이오에너지 개발동향", Journal of Korea Organic Resource Recycling Association, 2006 Vol. 14, No. 2, 22-28
명소영, 목재의 급속열분해 공정에 의한 액상생성 물 회수 특성 연구, 서울시립대 대학원, 2005, 서울
전종기, 김지만, 박영권, 박현주, 명소영, 김주식, 최진희, 김승도, 엄유진 외, 고체산 촉매에 의한 바이오매스의 직접 접촉 열분해 반응, Journal of the Korean Industrial and Engineering Chemistry, 2004, Vol.15, No.8, 901-906.
ANSYS FLUENT 12.0 Theory Guide; ANSYS, INC.(2009).
Kim, S. E., Choudhury, D. and Patel, B., "Computations of Complex Turbulent Flows Using the Commercial Code FLUENT," In Proceedings of the ICASE/LaRC/AFOSR Symposium on Modeling Complex Turbulent Flows, Hampton, Virginia(1997).
Shih, T. H., Liou, W. W, Shabbir, A., Yang, Z. and Zhu, J., "A New Eddy-Viscosity Model for High Reynolds Number Turbulent Flows -Model Development and Validation," Computers Fluids., 24(3), 227-238(1995).
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