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글리세롤로부터 수증기 개질에 의한 수소 생산공정의 모델링, 시뮬레이션 및 최적화
Modeling, Simulation and Optimization of Hydrogen Production Process from Glycerol using Steam Reforming 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.52 no.6, 2014년, pp.727 - 735  

박정필 (명지대학교 화학공학과) ,  조성현 (명지대학교 화학공학과) ,  이승환 ,  문동주 (한국과학기술연구원) ,  김태옥 (명지대학교 화학공학과) ,  신동일 (명지대학교 화학공학과)

초록
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본 연구에서는 바이오디젤 생산의 부산물인 글리세롤로부터 수증기 개질(Steam Reforming, SR) 반응을 통해 수소를 생산하는 공정의 모델링과 모사 및 최적화를 수행했다. 글리세롤을 이용한 수소 생산 방법은 기존의 수소 생산방법인 메탄의 수증기 개질법(Steam Methane Reforming, SMR)을 대체할 수 있는 새로운 방법으로 세계 여러 곳에서 연구가 진행 중이다. 글리세롤과 수증기의 기체 혼합물을 고온의 반응기 내에서 개질시켜 합성가스(CO, $H_2$)를 생산하고, 합성가스에 포함된 일산화탄소를 수성 가스 전화 반응(Water-Gas Shift, WGS)을 통해 수증기와 반응시켜 수소를 생성하고, 최종적으로 Pressure Swing Adsorption (PSA) 공정을 통하여 이산화탄소와 수소를 분리하여 정제된 수소를 얻는다. 공정시뮬레이션 프로그램인 UniSim을 이용하여 시뮬레이션을 진행하였으며, 열효율 개선을 실시하여 운전 비용을 절감하고자 하였다. 기존 연구인 미국 DOE와 독일 Linde의 글리세롤 이용 수소 생산공정과 수율 비교를 진행하였고, 수소 에너지 인프라 구축에 기여하기 위한 최적의 생산방법을 제안하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

For improved sustainability of the biorefinery industry, biorefinery-byproduct glycerol is being investigated as an alternate source for hydrogen production. This research designs and optimizes a hydrogen-production process for small hydrogen stations using steam reforming of purified glycerol as th...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 글리세롤을 이용한 수소 생산수율을 높이기 위하여 생산량이 적은 자열 개질방법 보다는 수증기를 이용한 개질방법을 이용하여 설계를 진행하였다. 또한 수증기 개질 반응기의 경우 기존 수소 생산방법인 천연가스를 이용한 메탄 수증기 개질반응에서도 사용하는 가장 보편적인 개질기이기 때문에 메탄 대신 글리세롤을 수증기 개질 하더라도 반응기 구조 측면에서는 큰 변화 없이도 사용할 수 있을 것이라는 가정 하에 선택하였다.
  • 2 USD/h 에 해당한다. 본래는 수소 1 kg 당 드는 생산비용을 USD/kg H2의 단위로 표현해야 하지만 본 연구에서는 개념설계를 진행하였기 때문에 장치비는 고려하지 않은 관계로 공정에서 시간당 소비되는 금액으로 표시하였다.

가설 설정

  • 이 crude글리세롤을 이용하여 수소를 생산하기 위해서는 물을 이용하여 염을 씻어내는 방법 또는 증류를 이용한 정제 등 다양한 방법을 이용하여 글리세롤의 순도를 높여야 한다. 그러나 본 논문에서는 글리세롤 정제과정에 대해서는 시뮬레이션 하지 않고, 원료를 순수 글리세롤로 사용했다고 가정하였다.
  • 본 연구에서는 글리세롤을 이용한 수소 생산수율을 높이기 위하여 생산량이 적은 자열 개질방법 보다는 수증기를 이용한 개질방법을 이용하여 설계를 진행하였다. 또한 수증기 개질 반응기의 경우 기존 수소 생산방법인 천연가스를 이용한 메탄 수증기 개질반응에서도 사용하는 가장 보편적인 개질기이기 때문에 메탄 대신 글리세롤을 수증기 개질 하더라도 반응기 구조 측면에서는 큰 변화 없이도 사용할 수 있을 것이라는 가정 하에 선택하였다.
  • 본 논문에서는 PSA를 위하여 UniSim 설계 프로그램 내에서 제공하는 Component Splitter를 이용하였으며, 수소의 회수율은 약 80%, 순도는 100%로 가정하고, 시뮬레이션을 진행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
수증기 개질반응과 비교했을 때 자열 개질반응의 단점은? 부분 산화반응은 수증기 개질 반응에서 발생하는 글리세롤 분해반응인 식 (3)이 강력한 흡열반응인 것과 대조적인데, 이 두 가지 반응이 동시에 한 개질기 내에서 일어나게 되면 글리세롤 분해 반응에서 필요로 하는 열을 부분 산화반응에서 공급하기 때문에 수증기 개질반응에 비해 개질기 내부온도 유지에 드는 에너지 비용이 감소하게 된다는 점이 장점이라고 할 수 있다. 그러나 수증기 개질반응에 비해 최종적으로 생성되는 수소의 양이 상대적으로 적고, 반응에 필요한 산소를 공급하기 위해서 공기 중에서 산소를 분리하여 공급하는 장치도 추가해야 한다는 단점이 있다.
대부분의 수소 생산은 어떻게 이루어지는가? 수소 생산의 대부분은 화석연료의 가공을 통해 이루어지고 있고, 이중에서 천연가스의 개질 반응을 통한 수소 생산이 가장 큰 비중을 차지한다. 최근 미국에서 시작된 셰일가스 여파로 인하여 천연가스 가격이 많이 하락하긴 했으나 국내의 경우에는 천연가스를 수입하여 사용하고 있기 때문에 경제성이 떨어진다.
우리나라에서 신재생 에너지를 이용한 물의 전기분해 방식으로 수소를 생산하는 것이 비효율적인 이유는? 최근 미국에서 시작된 셰일가스 여파로 인하여 천연가스 가격이 많이 하락하긴 했으나 국내의 경우에는 천연가스를 수입하여 사용하고 있기 때문에 경제성이 떨어진다. 이 밖에는 태양광, 풍력 등 대체 전원인 신재생 에너지를 이용한 물의 전기분해 방식이 있으나, 우리나라의 경우 2012년 기준으로 신재생 에너지의 사용 비율이 전체 에너지 사용의 0.3%에 불과한데다가[1] 여름, 겨울철에는 전력 소비 증가로 인한 전력 부족 현상이 매년 발생하고 있기 때문에 물의 전기분해 방식은 다소 비효율적이다. 화석연료를 대체하기 위한 또 다른 방법은 친환경 연료를 사용하는 것으로, 대표적인 친환경 연료에는 곡물 및 바이오매스의 발표를 통해 얻는 바이오 에탄올과 유지의 에스테르화 반응을 통해 생산하는 바이오디젤이 있는데, 국내에서는 바이오에탄올은 사용하지 않고, 현재 일반 디젤에 바이오디젤을 혼합하여 사용하고 있다.
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참고문헌 (15)

  1. BP, "BP Statistical Review of World Energy 2013"(2013). 

  2. Tan, H. W., Aziz, A. R. A. and Aroua, M. K., "Glycerol Production and Its Applications as a Raw Material: A Review," Renewable and Sustainable Energy Reviews, 27, 118-127(2013). 

  3. Kim, D. W., Park, K. A., Kim, M. J. and Park, D. W., "Catalytic Performance of Ionic Liquids in the Synthesis of Glycerol Carbonate from Glycerol and Urea," Korean Chem. Eng. Res., 51, 347-351(2013). 

  4. Chen, Y., Wang, Y., Xu, H. and Xiong, G., "Efficient Production of Hydrogen from Natural Gas Steam Reforming in Palladium Membrane Reactor," Applied Catalysis B: Environmental, 80, 283-294(2008). 

  5. Tamhankar, S., "Green Hydrogen by Pyroreforming of Glycerol," WHEC(2012). 

  6. Ahmed, S. and Papadias, D., "Hydrogen from Glycerol: A Feasibility Study," DOE Hydrogen Program(2009). 

  7. Adhikari, S., Fernando, S., Gwaltney, S. R., To, S. D. F., Bricka, R. M., Steele, P. H. and Haryanto, A., "A Thermodynamic Analysis of Hydrogen Production by Steam Reforming of Glycerol," Int. J. Hydrogen Energy, 32, 2875-2880(2007). 

  8. Adhikari, S., Fernando, S. and Haryanto, A., "Kinetics and Reactor Modeling of Hydrogen Production from Glycerol via Steam Reforming Process over $Ni/CeO_2$ Catalysts," Chem. Eng. Technol., 32(4), 541-547(2009). 

  9. Huang, Z.-Y., Xu, C.-H., Liu, C.-Q., Xiao, H.-W., Chen, J., Zhang, Y.-X. and Lei, Y.-C., "Glycerol Steam Reforming over Ni/ ${\gamma}-Al_2O_3$ Catalysts Modified by Metal Oxides," Korean J. Chem. Eng., 30(3), 587-592(2013). 

  10. Sundari, R. and Vaidya, P. D., "Reaction Kinetics of Glycerol Steam Reforming Using a $Ru/Al_2O_3$ Catalyst," Energy Fuels, 26, 4195-4204(2012). 

  11. Adhikari, S., Fernando, S. and Haryanto, A., "Hydrogen Production from Glycerol: An Update," Energy Convers. Manage., 50, 2600-2604(2009). 

  12. Choi, Y. and Stenger, H. G., "Water Gas Shift Reaction Kinetics and Reactor Modeling for Fuel Cell Grade Hydrogen," J. Power Sources, 124, 432-439(2003). 

  13. Smith, R. J. B., Loganathan, M. and Shantha, M. S., "A Review of the Water Gas Shift Reaction Kinetics," Int. J. Chemical Reactor Eng., 8(1), 1-34(2010). 

  14. Yang, S. I., Park, J. Y., Jang, S. C., Choi, D. Y., Kim, S. H. and Choi, D. K., "Experiment and Simulation of 4-bed PSA for Hydrogen Separation from Multi-Component Mixture Gases," Korean Chem. Eng. Res., 46(2), 414-422(2008). 

  15. Chou, C., Chen, F., Huang, Y. and Yang, H., "Carbon Dioxide Capture and Hydrogen Purification from Synthesis Gas by Pressure Swing Adsorption," Chem. Eng. Trans., 32, 1855-1860(2013). 

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