LFG (Land-Fill Gas) includes components of $CH_4$, $CO_2$, $O_2$, $N_2$, and water. The preparation of synthesis gas from LFG as a DME (Dimethyl Ether) feedstock was studied by methane reforming of $CO_2$, $O_2$ and steam over NiO-MgO...
LFG (Land-Fill Gas) includes components of $CH_4$, $CO_2$, $O_2$, $N_2$, and water. The preparation of synthesis gas from LFG as a DME (Dimethyl Ether) feedstock was studied by methane reforming of $CO_2$, $O_2$ and steam over NiO-MgO-$CeO_2$/$Al_2O_3$ catalyst. Our experiments were performed to investigate the effects of methane conversion and syngas ratio on the amount of LFG components over NiO-MgO-$CeO_2$/$Al_2O_3$ catalyst. Results were obtained through the activity reaction experiments at the temperature of $900^{\circ}C$ and GHSV of 4,000. The results were as following; it has generally shown that methane conversion rate increased with the increase of oxygen and carbon dioxide amounts. Highly methane conversion of 92~93% and syngas ratio of approximately 1.0 were obtained in the feed of gas composition flow-rate of 243ml/min of $CH_4$, 241ml/min of $CO_2$, 195ml/min of $O_2$, 48ml/min of $N_2$, and 360ml/min of water, respectively, under reactor pressure of 15 bar for 50 hrs of reaction time. Also, it was shown that catalyst deactivation by coke formation was reduced by excessively adding oxygen and steam as an oxidizer of the methane reforming.
LFG (Land-Fill Gas) includes components of $CH_4$, $CO_2$, $O_2$, $N_2$, and water. The preparation of synthesis gas from LFG as a DME (Dimethyl Ether) feedstock was studied by methane reforming of $CO_2$, $O_2$ and steam over NiO-MgO-$CeO_2$/$Al_2O_3$ catalyst. Our experiments were performed to investigate the effects of methane conversion and syngas ratio on the amount of LFG components over NiO-MgO-$CeO_2$/$Al_2O_3$ catalyst. Results were obtained through the activity reaction experiments at the temperature of $900^{\circ}C$ and GHSV of 4,000. The results were as following; it has generally shown that methane conversion rate increased with the increase of oxygen and carbon dioxide amounts. Highly methane conversion of 92~93% and syngas ratio of approximately 1.0 were obtained in the feed of gas composition flow-rate of 243ml/min of $CH_4$, 241ml/min of $CO_2$, 195ml/min of $O_2$, 48ml/min of $N_2$, and 360ml/min of water, respectively, under reactor pressure of 15 bar for 50 hrs of reaction time. Also, it was shown that catalyst deactivation by coke formation was reduced by excessively adding oxygen and steam as an oxidizer of the methane reforming.
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문제 정의
본 연구에서는 매립지가스를 촉매 개질반응에 의해 합성가스를 제조하는 연구를 수행하였다. 매립지 가스성분이 매립시간 경과에 따라 변화하고 있기 때문에 메탄, 이산화탄소, 산소, 물로 이루어진 매립가스의 각각 성분들이 변화함에 반응에 미치는 영향을 연구하였으며, 또한 최적의 조건인 가스 성분 하에서약 50시간 반응하여 얻은 메탄 전환율과 합성가스 비율에 대한 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 쓰레기 매립지에서 발생되는 LFG (Land Fill Gas)로부터 합성가스를 제조하고자 실험을 하였다. LFG 성분은 메탄, 이산화탄소, 질소, 산소가 45%, 45%, 9%, 1% 비율과 약간의 수분으로 구성되었다.
LFG 성분은 메탄, 이산화탄소, 질소, 산소가 45%, 45%, 9%, 1% 비율과 약간의 수분으로 구성되었다. 화학적으로 매우 안정된 두 물질(CO2와 CH4)을 통하여 소위 CO2 dry reforming과 산소와 수증기를 첨가하여 혼합 개질반응(mixed reforming 반응)으로부터 H2 : CO = 1 : 1인 합성가스를 얻어 DME 원료로서 활용하기 위한 기초연구를 수행하고자 한다.
제안 방법
본 연구에서는 매립지가스를 촉매 개질반응에 의해 합성가스를 제조하는 연구를 수행하였다. 매립지 가스성분이 매립시간 경과에 따라 변화하고 있기 때문에 메탄, 이산화탄소, 산소, 물로 이루어진 매립가스의 각각 성분들이 변화함에 반응에 미치는 영향을 연구하였으며, 또한 최적의 조건인 가스 성분 하에서약 50시간 반응하여 얻은 메탄 전환율과 합성가스 비율에 대한 결과는 다음과 같다.
메탄 개질반응에 수증기, 이산화탄소 그리고 산소에 의한 반응이 일어나기 때문에 이에 적합한 촉매를 제조하여 실험하였다. 먼저 수증기의 영향을 보기 위해 수증기양을 160(=0.66mole), 190(=0.78mole), 230(=1.0mole), 290 (=1.2mole), 360(=1.5mole)ml로 변화하여 메탄 개질반응 실험을 하여 Fig. 4에 메탄 전환율과 H2/CO 비율 변화로 나타냈다. 그림에서 보는 것과 같이 8, 15bar 하에서는 높은 메탄 전환율과 합성가스 비율은 약간 증가하다 감소하여 1.
매립지 가스에서는 메탄을 포함하여 이산화탄소, 산소, 질소성분으로 이루어져 있다. 메탄 개질반응에 수증기, 이산화탄소 그리고 산소에 의한 반응이 일어나기 때문에 이에 적합한 촉매를 제조하여 실험하였다. 먼저 수증기의 영향을 보기 위해 수증기양을 160(=0.
반응기 상·중·하 부위에 온도센서와 압력센서를 각각 설치하고 촉매 개질반응에 의해서 생성되는 물을 분리하기 위해서 separator를 설치하였으며 생성 가스는 in-situ GC(영린기기, M600D)로 분석하였다.
개질반응을 수행하였다. 즉 메탄 243ml 고정으로 하고 영향분석을 하고자 하는 성분을 제외하고는 기준 가스양을 넣어 실험을 실시하였다. 이 연구 반응에 사용된 가스는 메탄으로는 한국산업가스에서 제공하는 99.
합성가스를 제조하기 위한 실험으로는 이산화탄소 개질반응(Carbon dioxide reforming; CDR)과 수증기를 첨가한 수증기-이산화탄소 개질반응(Steam-Carbon dioxide reforming ; SCDR)을 수행하여 촉매반응 활성을 반응촉매 NiO-MgO-CeO2/Al2O3 촉매(KOGAS 제공)를 사용하였으며, CO2의 촉매 개질반응(CDR)은 고압 INCONEL 반응기에서 Table 1과 같은 모델 가스 조건에서 CH4 개질반응을 수행하였다. 즉 메탄 243ml 고정으로 하고 영향분석을 하고자 하는 성분을 제외하고는 기준 가스양을 넣어 실험을 실시하였다.
대상 데이터
반응기 상·중·하 부위에 온도센서와 압력센서를 각각 설치하고 촉매 개질반응에 의해서 생성되는 물을 분리하기 위해서 separator를 설치하였으며 생성 가스는 in-situ GC(영린기기, M600D)로 분석하였다. carboxen 1000 컬럼과 TCD 검출기를 사용하였다. GC는 반응기의 출구와 온라인으로 연결하여 사용하였으며, 샘플링 밸브로 주입되기 전에 응축을 방지하기 위하여 수분 제거 장치를 통과하도록 하였다.
즉 메탄 243ml 고정으로 하고 영향분석을 하고자 하는 성분을 제외하고는 기준 가스양을 넣어 실험을 실시하였다. 이 연구 반응에 사용된 가스는 메탄으로는 한국산업가스에서 제공하는 99.95% CH4을 사용하였으며, 고순도 이산화탄소와 산소를 사용하였다. 수증기는 혼합기 전단에서 항온조에 의해서 물의 포화온도에 따라서 습도 조절방법으로 사용하였다.
이론/모형
95% CH4을 사용하였으며, 고순도 이산화탄소와 산소를 사용하였다. 수증기는 혼합기 전단에서 항온조에 의해서 물의 포화온도에 따라서 습도 조절방법으로 사용하였다.
Table 2에 촉매의 표면적과 밀도를 측정하여 나타냈다. 질소의 물리흡착에 의한 표면적 및 세공 구조 분석은 BET(Autosorb-1 / Quantachrome, Brunauer-Emmett-Teller) 분석법을 사용하였다.
성능/효과
1) 8, 15bar 하에서 수증기 변화량에 대한 실험으로 부터 CH4:CO2:H2O = 1.0:1.0:1.5mole비에서 메탄 전환율은 95% 이상, 합성가스 비율은 약 1.0를 얻었다.
2) 산소량에 대해서는 증가하면서 메탄 전환율이 증가하나 합성가스 비율에는 거의 영향이 없었다.
3) 질소량에 대해서는 메탄 전환율과 합성가스 비율에 대한 영향이 거의 없었다.
4) 이산화탄량이 증가하면서 메탄 전환율은 약간 증가하나, 합성가스 비율은 감소하여 CH4:CO2=1.0:1.0에서 약 1.0을 얻을 수 있었다.
5) 반응압력이 증가하면서 메탄전환율과 합성가스 비율이 증가하는 경향으로 나타났고, 특히 16기압에서는 메탄 전환율이 낮아지는 결과를 얻었다.
6) 좋은 Feed gas의 조성, 즉 CH4, CO2, O2, N2, 수증기 양이 243, 241, 195, 48, 360ml으로 압력 15bar 하에서 약 50시간 반응 실험한 결과에서 메탄 전환율은 약 92~93%이며, 합성가스 비율은 약 1.5 로 디메틸에테르를 제조하기 비교적 양호한 합성 가스를 얻었다.
Fig. 8에서 보듯이 압력이 증가하면서 메탄 활성도는 비례적으로 증가하나 메탄 전환율은 15bar에서는 약간 감소하는 경향을 보였다. 이는 압력 증가에 따른 반응물 증가로 단위 촉매량에 대한 활성 감소로 인하여 메탄 전환율이 감소한 것으로 보이며, 메탄 활성도는 메탄이 합성가스 등으로 전환되는 양으로 표현한 것으로 메탄 활성도는 비례적으로 증가하는 것으로 나타났다.
5에 나타냈다. 산소량이 증가함에 따라 메탄 전환율이 약 96%을 얻었으며, 합성가스 비율은 큰 변동 없이 약 2.2 부근에서 유지하였다. 반면 메탄 활성도는 약간 감소하는 경향을 보였다.
8에서 보듯이 압력이 증가하면서 메탄 활성도는 비례적으로 증가하나 메탄 전환율은 15bar에서는 약간 감소하는 경향을 보였다. 이는 압력 증가에 따른 반응물 증가로 단위 촉매량에 대한 활성 감소로 인하여 메탄 전환율이 감소한 것으로 보이며, 메탄 활성도는 메탄이 합성가스 등으로 전환되는 양으로 표현한 것으로 메탄 활성도는 비례적으로 증가하는 것으로 나타났다.
6에 나타냈다. 질소량에 대해서는 메탄 전환율과 H2/CO 비율에 대해서는 영향을 받지 않으나 메탄 활성도에 대해서는 약간 영향을 받는 것으로 나타났다. 이는 질소가 비활성가스이므로 인해 많이 들어갈수록 반응기 체적 내 비활성가스가 차지하는 비율의 증가로 인하여 메탄 활성도는 낮아지는 것으로 보인다.
이산화탄소량이 증가할수록 메탄 전환율이 일정히 유지하다가 160ml 이상에서는 감소하는 경향을 나타내고 있으며, H2/CO 비율과 메탄 활성도는 점점 감소하는 경향을 보이고 있다. 특히 메탄과 이산화탄소의 원료 비율이 1:1 부근에서 H2/CO 비율이 1.0 부근으로 DME(Dimethylether)의 원료서 최적의 조건을 얻을 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
현재 공업적으로 합성가스를 얻는 가장 주된 방법은 무엇인가?
현재 공업적으로 합성가스를 얻는 가장 주된 방법은 메탄과 수증기를 고온의 촉매 상에서 반응시키는 수증기 개질공정으로 1926년 처음 개발된 이래 현재까지 세계적으로 널리 사용되고 있다. 최근 개질공정은 습식에서 건식으로, 흡열반응에서 발열반응으로, 짧은 반응시간으로, 단순하고 소형반응기로 변화가 되고 있다.
LFG (Land Fill Gas)의 성분은 무엇으로 구성되는가?
본 연구에서는 쓰레기 매립지에서 발생되는 LFG (Land Fill Gas)로부터 합성가스를 제조하고자 실험을 하였다. LFG 성분은 메탄, 이산화탄소, 질소, 산소가 45%, 45%, 9%, 1% 비율과 약간의 수분으로 구성되었다. 화학적으로 매우 안정된 두 물질(CO2와 CH4)을 통하여 소위 CO2 dry reforming과 산소와 수증기를 첨가하여 혼합 개질반응(mixed reforming 반응)으로부터 H2 : CO = 1 : 1인 합성가스를 얻어 DME 원료로서 활용하기 위한 기초연구를 수행하고자 한다.
최근 개질공정은 개질공정은 어떻게 변화하고 있는가?
현재 공업적으로 합성가스를 얻는 가장 주된 방법은 메탄과 수증기를 고온의 촉매 상에서 반응시키는 수증기 개질공정으로 1926년 처음 개발된 이래 현재까지 세계적으로 널리 사용되고 있다. 최근 개질공정은 습식에서 건식으로, 흡열반응에서 발열반응으로, 짧은 반응시간으로, 단순하고 소형반응기로 변화가 되고 있다. 건식 개질공정으로서 메탄의 부분산화에 의한 합성가스의 제조는 1946년 Prettre 등에 의하여 시작되었는데 메탄의 부분 산화반응은 반응속도가 빠르고 한 단계 반응으로도 높은 선택도를 얻을 수 있을 뿐 아니라 에너지 사용에 있어서 효율적인 방법이기 때문에 합성가스 제조에 있어서 투자비용과 운전비용을 상당히 줄일 수 있다고 보고되고 있다.
참고문헌 (10)
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