[논문]수소 생성을 위한 고정상 메탄 매체 순환 개질 시스템 모델링

하종주; 송순호

doi:10.7316/khnes.2017.28.5.453

수소 생성을 위한 고정상 메탄 매체 순환 개질 시스템 모델링
Packed Bed Methane Chemical-Looping Reforming System Modeling for the Application to the Hydrogen Production 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.28 no.5, 2017년, pp.453 - 458

하종주 (연세대학교 대학원 기계공학과) , 송순호 (연세대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

A study on the modeling of the methane Chemical Looping Reforming system was carried out. It is aimed to predict the temperature and concentration behavior of the product through modeling of oxygen carrier fixed bed reactors composed of multiple stacks. In order to design the reaction system, first of all, the flow rate of the hydrogen to be produced was calculated. The flow rate ratio of the oxidation/reduction reactor was calculated considering the heat of reaction between adjacent reactors. Finally, in this paper, kinetic model including empirical coefficients was suggested.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

메탄의 specific energy를 활용하면 84,915 J/min이 나오며, 수소의 energy density를 이용하면 분당 8.5L의 수소를 생산하는 것을 목표로 삼을 수 있다
국내에도 산소전달물질을 이용한 고정상 개질 시스템에 대한 특허⁵⁾가 등록된 바 있다. 본 논문은 고정상 매체 개질 시스템을 통한 수소 생성 및 활용을 위한 기초 연구에 초점을 맞추고 의 모델링을 실시하였다. 생산한 수소 가스를 엔진 시스템 등에 적용 가능하며, 터보 gasoline direct injection(GDI, 가솔린 직접 분사) 엔진의 exhaust gas recirculation (EGR, 배기가스 재순환)에 적용한 연구 결과⁶⁾도 있다.
생산한 수소 가스를 엔진 시스템 등에 적용 가능하며, 터보 gasoline direct injection(GDI, 가솔린 직접 분사) 엔진의 exhaust gas recirculation (EGR, 배기가스 재순환)에 적용한 연구 결과⁶⁾도 있다. 수소 외의 생성물의 반응시간에 따른 온도 및 농도를 예측하고 적절한 시스템 설계 방법을 제시하는 것을 목적으로 한다.

가설 설정

목표로 하는 수소의 몰수를 정하기 위하여 엔진으로부터 발생하는 연료의 에너지 대비 1-2%의 수소를 얻는 것을 목표로 하며 구체적인 계산을 위하여 실제 엔진에서 공급되는 연료 유량을 기준으로 한다. 2,000 cc급 엔진의 데이터를 인용하여 공기유량을 1,500mg/stroke라고 가정하였을 때, 가솔린 엔진과 같은 공연비 14.7:1로 가정한다면 연료 유량은 약 102mg/stroke이다. 메탄 개질을 통한 수소로의 개질이므로 메탄과 수소의 specific energy와 energy density 값이 필요하며 Table 2에 정리하였다.
반응온도는 600℃로 하고, 앞서 계산하였던 반응 소요시간 및 수소 목표 생성량을 고려하여 계산을 진행하였다. 반응 시간이 총 231초 동안 이루어지는 경우를 가정하여 계산을 진행하였으며 Fig. 4는 산소전달물질의 변환율의 시간에 따른 경향을 나타내었으며, Fig. 5는 생성물의 시간에 따른 양에 대하여 예측한 그래프이다.
열역학적인 접근은 반응 시간이 충분히 빠른 경우를 가정하여, 반응이 종료되었을 시의 결과를 가정함으로써 반응 시스템의 스케일에 대한 신속한 판단을 가능하게 한다. 앞서 언급하였듯이 약 0.
Stack 1개당 담지되는 니켈의 양을 산출하는 과정이 필요하다. 폼이 차지하는 부피당 산소전달물질의 질량을 150 g/L로 가정한다. 이 수치는 촉매합성 및 담지 과정에서 안정적인 효율을 낼 수 있는 최소한의 질량을 경험적으로 제시한 것이다.

제안 방법

1) 반응기 외곽은 스택형으로 제작하도록 하며 내부는 FeCrAlloy를 기반으로 설정, plate 양면에 와이어를 소착(燒着)을 시키는 개념으로 설계하였다.
2) 메탄 개질을 통한 수소 생성의 목적에 따라, 생성량에 대한 계산을 진행하였다. CNG 엔진 2,000cc급 데이터를 인용하여, 분당 약 8.
3) 산화/환원 반응기 사이의 열교환을 이용하는스택형 반응기의 크기에 대한 설계를 수행하였다. 산소전달물질에 포함된 니켈의 단위체적당 담지량, 반응기의 크기, 산소전달물질의 질량 및 몰수를 활용하여 환원 반응기와 산화 반응기의 유량 비율을 2.
5) 산소전달물질 변환율의 시간에 따른 변화율은 온도와, 변환율과 비례한다는 기본 관계식으로부터 출발하며, 선행 연구를 참조하여 지수 값을 대입하여 시간에 따른 변환율의 관계를 확인하였다. 시간에 따른 산소전달물질의 변환율 데이터를 기반으로 생성물 중 기체 화학종(CO, H₂)의 생성예측량을 계산하였다.
기존 선행 연구 등에서 알려진 pre-exponential factor 및 활성화 에너지 값(Table 4)⁷⁾을 대입하고 반응기의 반응 온도를 설정하여 대입하도록 한다.
메탄의 개질 및 수소 생성을 위하여 도입된 매체 순환 연소를 통한 개질 시스템에 대한 모델링을 실시하였으며, 이의 하드웨어 설계 및 스케일설계, 간단한 형태의 관계식으로부터 실험적으로 구해야 할 변수에 대하여 정리하였다.
Energy density는 단위 크기에 따라 정해진 시스템이 공간 영역에 저장되는 에너지의 양이며 정확한 의미는 비율 에너지이다. 목표로 하는 수소의 몰수를 정하기 위하여 엔진으로부터 발생하는 연료의 에너지 대비 1-2%의 수소를 얻는 것을 목표로 하며 구체적인 계산을 위하여 실제 엔진에서 공급되는 연료 유량을 기준으로 한다. 2,000 cc급 엔진의 데이터를 인용하여 공기유량을 1,500mg/stroke라고 가정하였을 때, 가솔린 엔진과 같은 공연비 14.
반응기 공간의 효율적인 활용을 위하여 사각형의 스택을 병렬로 연결한 형태를 채택하였으며 반응기의 높이는 200 mm, 정육면체 형태의 폼의 폭을 5 mm로 설정하여 초기 설계를 실시하였다.
반응기를 병렬로 배치한 모델을 설계하였다. 한쪽 반응기에서 산화반응을 하는 동안, 다른 쪽 반응에서 환원반응이 일어나도록 반응물 유동을 제어한다.
5로 설정하여 도시하면 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다. 반응온도는 600℃로 하고, 앞서 계산하였던 반응 소요시간 및 수소 목표 생성량을 고려하여 계산을 진행하였다. 반응 시간이 총 231초 동안 이루어지는 경우를 가정하여 계산을 진행하였으며 Fig.
단일 반응기를 사용하였을 때에 비하여 연속적으로 번갈아 개질 생성물을 얻을 수 있는 장점이 있으며 부가적으로 산화/환원 과정에서의 발열/흡열반응에서의 열교환 효과를 기대할 수 있다. 본 논문에서는 메탄의 부분산화반응식(식 (1)) 및 니켈의 산화반응식(식 (2))만을 고려한다.
5) 산소전달물질 변환율의 시간에 따른 변화율은 온도와, 변환율과 비례한다는 기본 관계식으로부터 출발하며, 선행 연구를 참조하여 지수 값을 대입하여 시간에 따른 변환율의 관계를 확인하였다. 시간에 따른 산소전달물질의 변환율 데이터를 기반으로 생성물 중 기체 화학종(CO, H₂)의 생성예측량을 계산하였다.

성능/효과

4) 열역학적인 접근은, 반응이 종료되었을 때의 결과를 고려하므로, 시스템의 스케일에 대한 신속한 판단이 가능하다. 반응 종료까지의 소요시간이 30초 이내로 종결되어 매우 짧은 경우 적용이 가능하며, 처음에 가정하였던 조건은 반응이 종료될 때까지 약 4분의 시간이 소요되었다.
목표 수소량이 8.5 LPM으로 계산되었고, 표준상태에서의 수소 1 mol 당 부피는 약 25 L가 되므로 0.34 mol이 생성 목표량이 되며, 절반인 0.17mol의 산소전달물질이 필요하여 기본적으로 설계하였던 크기의 약 4.4배의 스케일로 반응기가 제작되어야 한 다는 사실을 확인하였다.
3) 산화/환원 반응기 사이의 열교환을 이용하는스택형 반응기의 크기에 대한 설계를 수행하였다. 산소전달물질에 포함된 니켈의 단위체적당 담지량, 반응기의 크기, 산소전달물질의 질량 및 몰수를 활용하여 환원 반응기와 산화 반응기의 유량 비율을 2.7:1로 설정해야 한다는 것을 확인하였다.
45×10^-4 m³/s 기준으로 니켈의 산화 반응을 위해 설정한 시간은 23초에 불과하다. 환산하면 약 32.7 LPM이며, 열역학적인 접근을 위해서는 반응 종료까지의 소요시간을 최소화하기 위해 높은 유량 조건을 설정하는 것이 유리하다는 결론을 얻을 수 있다. 한편 환원 반응에 있어서도, 상기의 높은 유량 조건으로 인하여 반응기 후단에서 측정되는 메탄의 농도가 안정화되는 시점(환원 반응 종료 시점)은 반응 시작 후 불과 6초이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반응기를 병렬로 배치하는 방법의 장점은 무엇인가?	산화 및 환원 반응이 끝나면 반대로 반응을 일으켜 총 1주기를 구성할 수 있도록 한다. 단일 반응기를 사용하였을 때에 비하여 연속적으로 번갈아 개질 생성물을 얻을 수 있는 장점이 있으며 부가적으로 산화/환원 과정에서의 발열/흡열반응에서의 열교환 효과를 기대할 수 있다. 본 논문에서는 메탄의 부분산화반응식(식 (1)) 및 니켈의 산화반응식(식 (2))만을 고려한다.
	매체 순환 연소 기술이란 무엇인가?	매체 순환 연소 기술은 일종의 순산소연소가 가능한 미래형 연소기술이며 별도의 이산화탄소 포집설비 없이 연료의 연소 중에 이산화탄소를 원천적으로 분리할 수 있는 기술이다. 낮은 에너지와 비용을 요하는 새로운 이산화탄소 포집 기술 중 하나이다3).
	반응기 공간의 효율적인 활용을 위한 설계 방법은 무엇인가?	반응기 공간의 효율적인 활용을 위하여 사각형의 스택을 병렬로 연결한 형태를 채택하였으며 반응기의 높이는 200 mm, 정육면체 형태의 폼의폭을 5 mm로 설정하여 초기 설계를 실시하였다.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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