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석유 코크스, 바이오매스, 혼합연료의 이산화탄소 가스화 반응 연구
A Reaction Kinetic Study of CO2 Gasification of Petroleum Coke, Biomass and Mixture 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.26 no.2, 2015년, pp.184 - 192  

국진우 (전북대학교 자원에너지공학과) ,  신지훈 (전북대학교 자원에너지공학과) ,  곽인섭 (전북대학교 자원에너지공학과) ,  이시훈 (전북대학교 자원에너지공학과)

초록
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석유 코크스, 바이오매스, 혼합연료들의 이산화탄소 가스화 반응성을 측정하고 비교하기 위해서 TGA (Thermogravimetric analyzer)를 이용하여 $1,100{\sim}1,400^{\circ}C$의 char-$CO_2$ 가스화 반응을 조사하였다. 기-고체반응속도 모델들에 적용하여 $1,100{\sim}1,400^{\circ}C$의 온도 영역에서의 반응 속도 상수를 구하였다. 또한 반응 속도 상수와 온도와의 관계를 Arrhenius 식에 적용하여 각 모델에서의 활성화에너지(Ea) 및 빈도 인자($K_0$)를 구하고 이를 실험값과 비교하여 석유 코크스, 바이오매스, 혼합 연료들의 이산화탄소 가스화 반응을 잘 모사하는 반응 속도식을 제시하였다. 반응온도가 증가할수록 이산화탄소 가스화에 소요되는 반응시간은 감축되었다. 또한 바이오매스와의 혼합이 증가할수록 활성화 에너지의 감소를 보여 바이오매스의 혼합이 석유 코크스의 이산화탄소 가스화 반응에 시너지 효과를 가져옴을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Characteristics of Char-$CO_2$ gasification for petroleum coke, biomass and mixed fuels were compared in the temperature range of $1,100{\sim}1,400^{\circ}C$ using TGA (Thermogravimetric analyzer). Kinetic constants with respect to reaction temperature were determined by using ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그러나 고온의 분류층 가스화기 운전 영역에서 높은 이산화탄소 농도로 인하여 발생할 수 있는 이산화탄소 가스화 반응에 대한 연구는 미비한 실정이다. 이에 본 연구에서는 높은 발열량을 지녔으나 낮은 반응성으로 인해 연구가 잘 이루어지지 않았던 석유 코크스의 이산화탄소 가스화 반응 특성을 TGA (Thermogravimetric analyzer)를 이용하여 고찰하였다. 또한 낮은 온도 영역에서도 반응이 잘 진행되는 바이오매스 3종의 이산화탄소 가스화 반응과 반응 특성을 비교하였으며 서로 다른 연료 특성을 지닌 석유 코크스와 바이오매스의 혼합이 이산화탄소 가스화 반응에 미치는 영향을 고찰하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
석유 코크스란 무엇인가? 석유 코크스는 정유공정에서 생기는 부산물로서 150∼250 ℃와 250∼350 ℃에서 상압증류에 의해 등유와 경유를 분리하고, 상압증류의 잔유물을 감압증류설비에 공급하여 중질유분을 정제한 다음, 최종적으로 처리가 어려운 유분을 코킹공정을 거쳐 생산되어진다. 석유 코크스는 7∼8 wt%의 황을 포함하여 유독성 폐기물로 분류되어 있으나 석유 가격의 급상승과 친환경적인 에너지 전환이 강조되면서 단순 소각에서 벗어나 석유 코크스를 하나의 자원으로 인식하고 이용하려는 시도가 증가하고 있다[4].
석유 코크스와 바이오매스 혼합연료를 가스화 공정에 적용하기 위해 요구되는 필수 조건은 무엇인가? 고유가로 인한 정제설비의 증설 추세로 석유 코크스의 생산량은 지속적으로 증가할 것으로 보이며, 석유 코크스의 고부가화를 위해 바이오매스를 혼합하여 석유화학 산업의 기초 원료인 수소, 일산화탄소 등을 생산하는 가스화 공정으로의 적용이 적극적으로 진행되고 있다. 석유 코크스와 바이오매스 혼합연료를 가스화 공정에 적용하기 위해서는 연료의 안정적인 공급과 더불어 반응기의 설계 및 운전조건, 가스화 반응해석에 적용되는 반응속도론적 해석은 필수적이다[8-12].
화석연료의 고갈에 대응하기 위한 친환경적 에너지 전환 기술의 대표적인 예로 가스화 기술은 무엇인가? 산업구조의 고도화와 함께 세계 각국의 에너지 소비는 지속적으로 증가하고 있으며, 에너지 다소비 국가들은 강화된 환경법과 화석연료의 고갈에 대응하기 위해 친환경적 에너지 전환 기술개발을 위해 다각적 노력을 기울이고 있다[1]. 대표적으로 가스화 기술은 석유 코크스, 석탄, 바이오매스 등과 같이 탄소를 함유하는 모든 물질을 산소(Oxygen), 스팀(Steam), 이산화탄소(Carbon dioxide)와 같은 산화성 기체와 반응시켜 수소(H2)와 일산화탄소(CO)가 주성분인 합성가스(H2 + CO)를 생성하는 공정이다. 합성가스(H2 + CO)를 이용하여 제조할 수 있는 제품으로는 암모니아, 메탄올, 산업용가스 등과 같은 화학물질에서부터 청정연료가스, 전력생산과 같은 유틸리티에 걸쳐 매우 다양하다[2].
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참고문헌 (18)

  1. Y. Yun, Coal gasification technologies: past experience and future direction in Korea, Clean coal day, 1-20 (2006). 

  2. R. W. Breault, Gasification processes old and new: a basic review of the major technologies, Energy, 3, 216-240 (2010). 

  3. S. Kim, Analysis of economic feasibility of integrated gasification combined cycle (IGCC) as a next generation power supply in Korea, Journal of economic research, 13, 149-174 (2008). 

  4. S. J. Yoon, Y. C. Choi, S. H. Lee, and J. G. Lee, Thermogravimetric study of coal and petroleum coke for co-gasification, Korean J. Chem. Eng., 24(3), 512-517 (2007). 

  5. J. Fermoso, B. Arias, M. V. Gil, M. G. Plaza, C. Pevida, J. J. Pis, and F. Rubiera, Co-gasification of different rank coals with biomass and petroleum coke in a high-pressure reactor for H2-rich gas production, Bioresour. Technol., 101, 3230-3235 (2010). 

  6. S. H. Lee, S. J. Yoon, H. W. Ra, Y. I. Son, J. C. Hong, and J. G. Lee, Gasification characteristics of coke and mixture with coal in an entrained-flow gasifier, Energy, 35, 3239-3244 (2010). 

  7. C. Zhao, L. Lin, K. Pang, W. Xiang, and X. Chen, Experimental study on catalytic steam gasification of natural coke in a fluidized bed, Fuel Process Technol., 91, 805-809 (2010). 

  8. S. J. Gong, X. Zhu, Y. J. Kim, B. H. Song, W. Yang, W. S. Moon, and Y. S. Byoun, A Kinetic Study of Steam Gasification of Low Rank Coal, Wood Chip and Petroleum Coke, Korean Chem. Eng. Res., 48(1), 80-87 (2010). 

  9. B. R. Clements, Q. Zhuang, R. Pomalis, J. Wong, and D. Campbell, Ignition characteristics of co-fired mixtures of petroleum coke and bituminous coal in a pilot-scale furnace, Fuel, 97, 315-320 (2012). 

  10. E. M. A. Edreis, G. Luo, A. Li, C. Chao, H. Hu, S. Zhang, B. Gui, L. Xiao , K. Xu, P. Zhang, and H. Yao, CO2 co-gasification flower sulphur petroleum coke and sugar cane bagasse via TG-FTIR analysis technique, Bioresour. Technol., 136, 595-603 (2013). 

  11. J. Fermoso, B. Arias, M. G. Plaza, C. Pevida, F. Rubiera, J. J. Pis, F. Garcia-Pena, and P. Casero, High-pressure co-gasification of coal with biomass and petroleum coke, Fuel Process Technol., 90, 926-932 (2009). 

  12. A. Gonzalez, N. Moreno, R. Navia, and X. Querol, Study of a Chilean petroleum coke fluidized bed combustion fly ash and its potential application in copper, lead and hexavalent chromium removal, Fuel, 89, 3012-3021 (2010). 

  13. S. T. Park, Y. T. Choi, and J. M. Sohn, The study of $CO_{2}$ gasification of low rank coal impregnated by $K_{2}CO_{3}$ , $Mn(NO_{3})_{2}$ and $Ce(NO_{3})_{3}$ , Appl. Chem. Eng., 22, 312-318 (2011). 

  14. D. W. Kim, J. M. Lee, J. S. Kim, and P. K. Seon, Study on the Combustion Characteristics of Wood-pellet and Korean Anthracite using TGA, Korean Chem. Eng. Res., 48(1), 58-67 (2010). 

  15. D. K. Park, S. D. Kim, S. H. Lee, and J. G. Lee, Co-pyrolysis characteristics of sawdust and coal blend in TGA and a fixed bed reactor, Bioresour Technol., 101(15), 6151-6156 (2010). 

  16. M. Ishida and C. Y. Wen, Comparison of zone-reaction model and unreacted-core shrinking model in solid-gas reactions-I Isothermal analysis. Chem. Eng. Sci., 26, 1031-1041 (1971). 

  17. O. Levenspiel, Chemical Reaction Engineering, Seconded, Wiley, New York (1972). 

  18. S. Kasaoka, Y. Sakata, and C. Tong, Kinetics evaluation of the reactivity of various coal chars for gasification with carbon dioxide in comparison with steam, Int. Chem. Eng., 25, 160-175 (1985). 

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