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개질관 내부 레이놀즈 수와 버너 온도에 따른 열유동 및 반응 특성
Characteristics of Heat Transfer and Chemical Reaction in Reformer Tube for Fuel Reynolds Number and Burner Gas Temperature 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.19 no.5, 2015년, pp.69 - 74  

한준희 (중앙대학교 기계시스템 엔지니어링학과) ,  윤기봉 (중앙대학교 기계공학부) ,  김지윤 (중앙대학교 차세대 에너지안전연구소) ,  이성혁 (중앙대학교 기계공학부)

초록
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본 연구의 목적은 촉매가 삽입된 단일 개질관 내 가스의 주입 속도와 버너의 고온공기 주입온도에 따른 3차원 전산 유체 해석(Fluent ver. 16.1)을 수행하여, 열유동 및 화학반응 특성을 파악하는 것이다. 개질관 내부 촉매는 니크롬 재질의 다공성 영역으로 가정하였다. 메탄-수증기 개질반응은 1000 K 이상의 고온 환경에서 작동하므로 전도, 대류 및 복사를 고려한 복합열전달을 해석했다. 수소 개질량을 비교하기 위한 두 개의 레이놀즈 수는 49,000과 88,000이고, 레이놀즈 수가 88,000인 경우, 고온공기의 온도를 각각 1100 K, 1200 K 및 1300 K로 설정하였다. 수치해석 결과, 레이놀즈 수가 낮을 경우 개질관 내부의 온도가 상승하였으며, 수소 개질량도 증가하였다. 레이놀즈 수가 높을수록 상대적으로 온도가 낮은 가스의 대류 열전달량이 증가하여 개질관 내의 온도는 낮아져 수소 개질량은 감소한다. 그리고 고온 공기의 온도가 높을수록 개질관 내부의 온도가 증가하므로, 수소 개질량도 증가한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The study investigated numerically the heat transfer and chemical reaction characteristics of a methane-steam reforming by using a 3-dimensional computational fluid dynamics (CFD) code (Fluent ver. 16.1). The fuel temperature and its species mole fractions were estimated for various Reynolds number ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구에서는, 수증기 개질법의 작동 조건을 고려한 개질관 내 유동 및 버너에서의 고온공기를 사용한 복합열전달과 그 영향으로 인한 화학반응을 분석하기 위해, 개질관에 주입되는 가스의 주입 속도에 따른 레이놀즈 수를 계산하여 열유동 및 화학반응 특성을 분석하였으며, 고온 공기 주입 온도에 따른 개질관 내부의 온도와 수소 개질량의 변화를 예측하였다.
  • 본 연구는 수치 해석을 통하여 촉매가 삽입된 3차원 단일관 내부에서의 레이놀즈 수와 고온 공기 온도에 따른 열유동 및 화학반응 특성을 단일관 내부 온도 분포 및 수소 개질 성능을 파악 하였으며, 결론은 다음과 같다.

가설 설정

  • 2와 같다. 개질 단관은 버너로 들어오는 공기로 인해 온도가 상승하며, 이 때 공기는 고온의 공기로 가정하여 수치해석 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
탄화수소 계열인 천연가스로부터 수소를 대량으로 생산하는 기술은 무엇인가? 그 중 수소는 무공해 청정 연료이기 때문에 수소자동차 및 연료전지 등에 사용 할 수 있고, 메탄을 비롯한 탄화수소 자원으로부터 얻을 수 있다. 최근 탄화수소 계열인 천연가스로부터 수소를 대량으로 생산하는 기술이 주목받고 있고[2,3], 특히 메탄을 사용하여 수소를 생산하는 방법이 일반적이다. 수소개질 방법으로는 수증기 개질법, 부분산화법, 자연 개질법 등이 많이 사용되며, 특히 수증기 개질은 수증기와 메탄을 혼합하여 수소를 생산하는 방식이며 다른 개질방법에 비해 수소 생산량이 많고 경제성이 우수하다[1,4-7]. 수증기 개질방법은 버너에서의 고온의 열을 이용한 흡열 반응에 의해 수소가 생성된다.
친환경 신재생에너지의 개발이 시급한 상황인 이유는 무엇인가? 현재 세계는 석유자원의 고갈 및 환경오염 등의 원인으로 친환경 신재생에너지의 개발이 시급한 상황이다. 따라서 선진국을 중심으로 각종 대체연료 개발에 노력을 기울이고 있다[1].
수소는 어디에 사용되며 어디서 얻는가? 따라서 선진국을 중심으로 각종 대체연료 개발에 노력을 기울이고 있다[1]. 그 중 수소는 무공해 청정 연료이기 때문에 수소자동차 및 연료전지 등에 사용 할 수 있고, 메탄을 비롯한 탄화수소 자원으로부터 얻을 수 있다. 최근 탄화수소 계열인 천연가스로부터 수소를 대량으로 생산하는 기술이 주목받고 있고[2,3], 특히 메탄을 사용하여 수소를 생산하는 방법이 일반적이다.
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참고문헌 (15)

  1. A. Demirbas, Biofuels sources, "Biofuels Policy, Biofuel Economy and Global Biofuel Projections, Energy Conversion and Management. Manage., 49, 2106-2116 (2008). 

  2. D. L. Hoang, S. H. Chan, and O. L. Ding, "Kinetic and Modelling Study of Methane Steam Reforming over Sulfide Nickel Catalyst on a Gamma Alumina Support", Chemical Engineering Journal, 112, 1-11 (2005). 

  3. H. S. Roh, D. K. Lee, K. Y. Koo, U. H. Jung, and W. L. Yoon, "Natural gas Steam Reforming for Hydrogen Production over Metal Monolite Catalyst with Efficient Heat-transfer", International Journal of Hydrogen Energy, 35, 1613-1619 (2010) 

  4. B. T. Schadel, M. Duisberg, and O. Deutschmann, "Steam Reforming of Methane, Ethane, Propane, Butane, and Natural Gas over a Rhodium-based Catalyst", Catalysis Today, 142, 42-51 (2009). 

  5. L. Basini, K. Aasberg-Petersen, A. Guarinoni, and M. Ostberg, "Catalytic Partial Oxidation of Natural Gas at Evlevated Pressure and Low Residence Time", Catalysis Today, 64, 21-30 (2001). 

  6. A. Qi, S. Wang, C. Ni, and D. Wu, "Autothermal Reforming of Gasoline on Rh-based Monolithic Catalysts", International Journal of Hydrogen Energy, 32, 981-991 (2007). 

  7. H. Arbag, S. Yasyerli, N. Yasyerli, and C. Dogu, "Activity and Stability Enhancement of Ni-MCM-41 Catalysts by Rh Incorporation for Hydrogen from Dry Reforming of Methane", International journal of Hydrogen Energy, 35, 2296-2304 (2010). 

  8. M. Ertan Taskin, CFD simulation of transport and reaction in cylindrical catalst particles, WORCESTER POLYTECHNIC INSTITUTE (2007). 

  9. ANSYS FLUENT Theory Guide: Version 13.0, Ansys Inc., Canonsburg, (2010). 

  10. D. Spalding, "Mixing and Chemical Reaction in Steady Confined Turbulent Flames", Symposium (International) on Combustion, 13, 649-657, (1971). 

  11. S. Ergun, "Fluid flow through packed columns", Chemical engineering progress, 48, (1952). 

  12. I. Ziolkowska and D. Ziolkowski, "Fluid flow inside packed beds", Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 23, 137-164, (1988). 

  13. Mayu KUROKI, Shinichi OOKAWARA, and Kohei OGAWA, "A High-Fidelity CFD Model of methane steam reforming in a packed bed reactor", Journal of Chemical Engineering of Japan, 42, 73-78, (2009). 

  14. C.-G. Choi, T.-Y. Chung, J.-H. Nam, and D.-H. Shin, "A comparative study for steam-methane reforming reaction analysis model", Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers B, 497-503, (2008). 

  15. G. D. Wehinger, E. Thomas, K. Matthias, "Detailed Numerical Simulations of Catalytic Fixed-bed reactors : Heterogeneous dry reforming of Methane", Chemical Engineering Science, 122, 197-209, (2015). 

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