[논문]천연가스 조성에 따른 수소 생산 시에 발생하는 이산화탄소 배출량 산출에 대한 연구

조정호; 노재현; 김동선

doi:10.7316/khnes.2019.30.6.485

천연가스 조성에 따른 수소 생산 시에 발생하는 이산화탄소 배출량 산출에 대한 연구
A Study on the Estimation of Carbon Dioxide Generation During High Purity Hydrogen Production According to Natural Gas Composition 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.30 no.6, 2019년, pp.485 - 489

조정호 (공주대학교 공과대학 화학공학부) , 노재현 (공주대학교 공과대학 화학공학부) , 김동선 (공주대학교 공과대학 화학공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Hydrogen is known to be a clean fuel which does not generate a green house gas during the combustion. However, about 8 kg of carbon dioxide is generated during the course of producing 1 kg of hydrogen through reforming, water gas shift reaction and pressure swing adsorption in order to obtain a high purity hydrogen over 99.999% by volume. In this work, carbon dioxide generation is estimated according to four kinds of natural gas compositions supplied by Korea Gas Corporation and regarding natural gas as pure methane. For the simulation of the modeling, PRO/II with PROVISION V10.2 at AVEVA was utilized and Peng-Robinson equation of state with Twu's alpha function was selected.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Process flow sheet diagram for the hydrogen production process
표 Table 1. Reforming reaction equations and their standard heat of reactions for several hydrocarbons
표 Table 2. Combustion reaction equations and their standard combustion reactions for several hydrocarbons
표 Table 3. LNG compositions
표 Table 4. Variables and operating conditions for a process simulation
그림 Fig. 3. Reaction rate expression and kinetic parameters for reforming reaction for several hydrocarbons
그림 Fig. 2. PRO/II flow sheet drawing for the hydrogen production process
그림 Fig. 4. Daily CO₂ generation according to natural gas gross heating value (500 kg/day hydrogen production basis)
표 Table 5. Langmuir-Hinshelwood kinetic parameters
표 Table 6. Pre-exponential factor, activation energy and reaction orders
표 Table 7. LNG compositions

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 한국가스공사에서 제공하는 4가지 조성의 천연가스와 순수한 메탄에 대해서 고순도 수소를 생산하는 과정에서 발생하는 이산화탄소 양을 추산한 결과 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 한국가스공사에서 제공하는 4가지 종류의 천연가스 조성과 순수한 메탄 성분에 대해서 개질반응과 전환반응 그리고 개질반응에 필요한 열량을 공급하기 위해서 천연가스의 연소반응과 압력변환 흡착에 의해서 99.999% 이상의 하루 500 kg 용량의 고순도 수소를 제조하는 공정에서 발생하는 이산화탄소의 양을 산출하였다. Table 3에는 한국가스공사에서 제공하는 4가지 종류의 천연가스 조성과 평균 분자량 및 발열량을 나타내었다⁵⁾.

제안 방법

본 연구에서는 Fig. 1의 공정배열을 통해서 하루 500 kg 이상의 고순도 수소를 생산하는 과정에서 천연가스의 조성에 따른 이산화탄소 발생량을 전산모사를 통해서 산출 및 비교하였다.

이론/모형

고순도 수소생산 공정의 전산모사를 위해서 AVEVA사의 PRO/II with PROVISION V10.2 (이하 PRO/II)를 사용하였으며, 전산모사를 위한 열역학 모델식으로는 Peng-Robinson 상태방정식⁹⁾과 각각의 순수성분의 온도에 따른 증기압을 좀 더 잘 추산하기 위한 Twu 등¹⁰⁾의 alpha 함수를 적용하였다. Fig.

성능/효과

둘째, 천연가스 중의 메탄의 함량이 낮을수록, 즉 순수한 메탄의 경우가 동일한 수소 생산량 대비 이산화탄소 발생량이 감소함을 알 수 있었다.
셋째, 천연가스 발생량이 낮을수록 메탄 함량이 낮을수록 동일한 수소 생산량 대비 이산화탄소 발생량이 낮은 것은 탄소에 대한 수소의 몰비가 메탄의 경우가 4로 가장 크기 때문인 것으로 결론지을 수 있다.
첫째, 천연가스의 발열량이 낮을수록 동일한 수소 생산량 대비 이산화탄소의 발생량이 감소함을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내에서 생산하는 고순도 수소는 어떻게 제조되는가?	999% 이상의 고순도 제조 스테이션이 수소를 연료로 하는 자동차용으로 공급하기 위해서 가동 중에 있다. 국내에서 생산하는 고순도 수소는 모두 천연가스의 개질반응과 전환반응 후에 압력변환 흡착공정에 의해서 제조되고 있다. 식 (2)와 식 (3)에는 탄화수소 성분의 개질반응과 전환반응에 대한 양론식을 나타내었다.
	수소는 무슨 방법으로 제조가 가능한가?	수소는 전기분해 또는 탄화수소의 개질반응으로부터 제조가 가능하다1-4). 식 (1)에는 물의 전기분해를 통해서 수소를 생산하는 경우에 대한 반응 양론식과 표준 반응열을 나타내었다.
	본 연구에서는 한국가스공사에서 제공하는 4가지 조성의 천연가스와 순수한 메탄에 대해서 고순도 수소를 생산하는 과정에서 발생하는 이산화탄소 양을 추산하였다, 이를 통해 얻은 결과는?	첫째, 천연가스의 발열량이 낮을수록 동일한 수소 생산량 대비 이산화탄소의 발생량이 감소함을 알 수 있었다. 둘째, 천연가스 중의 메탄의 함량이 낮을수록, 즉 순수한 메탄의 경우가 동일한 수소 생산량 대비 이산화탄소 발생량이 감소함을 알 수 있었다. 셋째, 천연가스 발생량이 낮을수록 메탄 함량이 낮을수록 동일한 수소 생산량 대비 이산화탄소 발생량이 낮은 것은 탄소에 대한 수소의 몰비가 메탄의 경우가 4로 가장 크기 때문인 것으로 결론지을 수 있다.

참고문헌 (10)

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M. J. Seong, M. Shin, J. H. Cho, Y. C. Lee, Y. K. Park, and J. K. Jeon, "Reactor sizing for butane steam reforming over Ni and Ru catalysts", Korean J. Chem. Eng, Vol. 31, No. 3, 2014, pp. 412-418, doi: https://doi.org/10.1007/s11814-013-0225-2.

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M. J. Seong, K. E. Lee, J. H. Cho, Y. C. Lee, and J. K. Jeon, "Reactor sizing for hydrogen production from ethane over Ni catalyst", Clean Technology, Vol. 19, No. 1, 2013, pp. 51-58.

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C. H. Twu, D. B. Bluck, J. R. Cunningham, and J. E. Coon, "A cubic equation of state with a new alpha function and a new mixing rule", Fluid Phase Equilibria, Vol. 69, 1991, pp. 33-50, doi: https://doi.org/10.1016/0378-3812(91)90024-2.

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