[논문]마이크로파 가열에 의한 탄소물질의 CO2 가스화

송희관; 김은혁; 전영남

doi:10.7316/khnes.2019.30.1.35

마이크로파 가열에 의한 탄소물질의 CO2 가스화
CO2 Gasification of Carbon Materials by Microwave Heating 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.30 no.1, 2019년, pp.35 - 42

송희관 (조선대학교 공과대학 환경공학과) , 김은혁 (조선대학교 공과대학 환경공학과) , 전영남 (조선대학교 공과대학 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the gradual increase in energy acceptance is mostly satisfied by fossil fuels, but research and development of renewable energy sources are attracting attention due to fossil fuel supply and greenhouse gas problem. The disadvantage is that renewable energy can not be produced continuously. This being so, energy storage is an important technology in renewable energy. In this study, microwave was used to convert carbon receptor-carbon dioxide to gas fuel.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Carbon-CO₂ gasification for energy storage
그림 Fig. 2. Microwave gasification test setup
표 Table 1. Chemical characteristics of the carbon materials for microwave receptor
표 Table 2. Inorganic composition of the carbon materials for microwave receptor (wt%)
그림 Fig. 3. Results of carbon-CO₂ gasification in energy storage
그림 Fig. 4. Effect of gasification temperature in the microwave-heating gasification
그림 Fig. 5. Effect of gas flow rate in the microwave-heating gasification
그림 Fig. 6. Effect of carbon receptors in the microwave-heating gasification

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 마이크로웨이브 탄소 수용체를 이용한 이산화탄소 가스화에 대한 진행과정에 대하여 심도 깊게 규명하였다. 그리고 이산화탄소 가스화의 주요 영향변수인 개질온도, 가스체류시간, 탄소 수용 체별 이산화탄소 전환 및 생성가스 특성을 파악하였다.
탄화물을 고온 마이크로웨이브를 이용하여 CO2 가스화를 통한 화학에너지로의 전환을 위한 가능성에 대하여 연구하였다.

제안 방법

본 연구에서는 마이크로웨이브 탄소 수용체를 이용한 이산화탄소 가스화에 대한 진행과정에 대하여 심도 깊게 규명하였다. 그리고 이산화탄소 가스화의 주요 영향변수인 개질온도, 가스체류시간, 탄소 수용 체별 이산화탄소 전환 및 생성가스 특성을 파악하였다.
개질기 온도설정은 최대 1,000℃까지 설정할 수 있고 온도제어는 마이크로웨이브 수용체 내 열전대(thermocouple; k-type, 직경 2 mm)와 컨트롤러를 연결하여 미세 제어되었다. 또한, 데이터 로거(data logger; Model Hydra data logger 2625A, Fluke, USA)를 사용하여 탄소 수용체 내부의 온도 변화를 지속적으로 측정하였다. 탄소 수용체 샘플 바스켓(sample basket)이 개질기 내부에서 따로 상하가변되게 하여 수용체 샘플이 반응기 내로 유입 및 배출이 가능하도록 하였다.
가스공급라인 구성은 이산화탄소(CO₂) 개질가스 봄베와 질소(N₂) 운반가스 봄베에 각각 유량조절 MFC (BRONKHORST, F201ACFAC-22-V, Netherlands)를 사용하여 유량을 조절하여 개질기로 공급되었다. 모니터링/제어장치는 LabVIEW(Model LabVIEW 8.6, National Instrument, USA)를 이용하여 가스유량 제어와 온도를 연속적으로 모니터링을 하였다. 샘플링/분석라인은 검뎅과 수분을 제거하기 위하여 임핀져에 유리섬유필터(Glass wool filter)와 염화칼슘을 주입하였다.
6, National Instrument, USA)를 이용하여 가스유량 제어와 온도를 연속적으로 모니터링을 하였다. 샘플링/분석라인은 검뎅과 수분을 제거하기 위하여 임핀져에 유리섬유필터(Glass wool filter)와 염화칼슘을 주입하였다. 생성가스 분석을 위하여 GC-TCD (CP-4900, Varian, Netherland)를 연결하여 측정하였다.
샘플링/분석라인은 검뎅과 수분을 제거하기 위하여 임핀져에 유리섬유필터(Glass wool filter)와 염화칼슘을 주입하였다. 생성가스 분석을 위하여 GC-TCD (CP-4900, Varian, Netherland)를 연결하여 측정하였다.
마이크로웨이브 전력 공급은 1 kW로 하여 샘플 온도가 상온에서 선형적으로 증가한 후 설정온도에서 일정하게 유지되게 하였다. 생성가스 샘플링은 실험 시작부터 일정시간 간격으로 가스 포집용 테들라 백(tedla bag)에 각각 포집하여 가스성분을 분석하였다. 주입가스와 생성가스의 경우 GC-TCD에 의하여 분석되었다.
수용체 탄화물을 활성탄으로 하고 가스화 온도를 900℃로 일정하게 유지한 상태에서 상온의 처리가스 유량을 변화시켜가면서 이산화탄소 가스화에 대한 실험을 수행하였으며 그 결과는 Fig. 5와 같다.
온실가스인 이산화탄소의 탄소 수용체 마이크로웨이브 가열 전환 특성을 파악하기 위하여 체적 공간속도(VHSV)를 0.3 L/g·h로 일정하게 한 상태에서 CRR 온도를 각각 900℃로 하여 실험이 진행되었으며 그 결과는 Fig. 3과 같다.
가스화를 통한 화학에너지로의 전환을 위한 가능성에 대하여 연구하였다. 이를 위하여 탄화물 수용체인 활성탄과 촤콜을 이용하여 CO₂ 전환과 생성가스의 특성을 규명하였다.
Table 1은 탄화물 수용체인 활성탄 시료의 4가지 성분, 원소분석 성분의 특성을 나타내었다. 이산화탄소 가스화시 활성탄 탄화물의 촉매작용에 관여될 무기산화물 분석을 위하여 X-ray fluorescence (XRF) Spectrometer(Shimadzu Co., ED-720)를 통하여 K, Ca, Fe 등을 측정하였으며 Table 2와 같다.
이산화탄소 가스화의 주요 영향변수인 가스화 온도, CRR 가스 체류시간, 탄소 수용체 종류에 대한 전환 특성과 생성물 등에 대한 비교 분석하였다.
또한, 데이터 로거(data logger; Model Hydra data logger 2625A, Fluke, USA)를 사용하여 탄소 수용체 내부의 온도 변화를 지속적으로 측정하였다. 탄소 수용체 샘플 바스켓(sample basket)이 개질기 내부에서 따로 상하가변되게 하여 수용체 샘플이 반응기 내로 유입 및 배출이 가능하도록 하였다. 가스공급라인 구성은 이산화탄소(CO₂) 개질가스 봄베와 질소(N₂) 운반가스 봄베에 각각 유량조절 MFC (BRONKHORST, F201ACFAC-22-V, Netherlands)를 사용하여 유량을 조절하여 개질기로 공급되었다.
탄소 수용체는 2-3 mm로 체 거름하여 8 g을 샘플 바스켓에 넣어 탄소 수용체 개질기(CRR) 중심에 위치하도록 하였다.
이산화탄소 가스화를 위한 탄화물 마이크로웨이브 수용체는 야자각(coconut shell) 활성탄과 촤콜이 적용되었다. 탄소 수용체의 특성 파악을 위하여 개략분석(Thermolyne Co., Type48000 Furnace/Hansung Co., HS2140 Electronic Balance)과 원소분석(Thermofinnigan Co., EA2000/EA1112)을 수행하였다. Table 1은 탄화물 수용체인 활성탄 시료의 4가지 성분, 원소분석 성분의 특성을 나타내었다.
탄화물 마이크로웨이브 CO₂ 가스화 특성을 파악하기 위하여 실험실 규모의 실험을 수행하였다.

대상 데이터

탄소 수용체 샘플 바스켓(sample basket)이 개질기 내부에서 따로 상하가변되게 하여 수용체 샘플이 반응기 내로 유입 및 배출이 가능하도록 하였다. 가스공급라인 구성은 이산화탄소(CO₂) 개질가스 봄베와 질소(N₂) 운반가스 봄베에 각각 유량조절 MFC (BRONKHORST, F201ACFAC-22-V, Netherlands)를 사용하여 유량을 조절하여 개질기로 공급되었다. 모니터링/제어장치는 LabVIEW(Model LabVIEW 8.
연구에서 사용된 마이크로웨이브 가열 가스화 실험장치는 Fig. 2와 같이 마이크로웨이브 가스전환기(microwave gas convertor, MGC), 가스공급라인(gas feed line), 모니터링/제어장치(monitoring & control equipment), 샘플링/분석라인(sampling & analysis line)으로 구성되었다.
이산화탄소 가스화를 위한 탄화물 마이크로웨이브 수용체는 야자각(coconut shell) 활성탄과 촤콜이 적용되었다. 탄소 수용체의 특성 파악을 위하여 개략분석(Thermolyne Co.

성능/효과

Fig. 3(a)는 이산화탄소 가스화 전환이 시작된 이후 CO₂ 전환율이 급격히 증가되어 최대 전환율 80%를 보이며 1시간까지 지속적으로 거의 일정하게 진행되었다. Fig.
가스화 온도를 800℃에서 900℃로 증가시킴에 따라 CO₂의 전환율이 각각 30%에서 50%까지 증가되었다. 이는 이산화탄소 전환에 기여하는 가스화 반응인식 (3) (boudouard reaction)이 가스화 온도에 상당한 영향을 미치는 것을 알 수 있으며 900℃에서의 CO₂ 전환율이 800℃에 비하여 1.
결과적으로 VHSV 0.3 (처리가스 유량 40 mL/min)일 경우 상대적으로 다른 조건에 비하여 탄소 수용체에서 체류시간이 증가되어 상기에 언급된 마이크로가열 효과가 증대하여 이산화탄소 가스화 반응이 더욱 촉진되어 CO₂ 전환율이 높은 값을 보였다.
첫째, 높은 설정 온도까지 오르는 데 소요시간이 짧으며 에너지 효율이 높아 급격한 가열이 가능하다. 둘째, 마이크로플라즈마로 불리는 미세 과열부(hot spot)가 생성되고 작은 스파크와 전기 아크가 비선형적으로 관찰된다.
마이크로웨이브 CO₂ 가스화시 가스화 온도가 높고 공간속도가 낮았을 때 CO₂ 전환율이 높았다.
처리가스 유량이 0.04 L/min (VHSV=0.3)일 때 CO2의 평균 전환율이 50%였으며 처리가스 유량을 0.12 L/min (VHSV=0.9)로 증가시켰을 때 CO2의 평균 전환율이 46%로 감소되었다.
. 첫째, 높은 설정 온도까지 오르는 데 소요시간이 짧으며 에너지 효율이 높아 급격한 가열이 가능하다. 둘째, 마이크로플라즈마로 불리는 미세 과열부(hot spot)가 생성되고 작은 스파크와 전기 아크가 비선형적으로 관찰된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	마이크로웨이브 가열은 무엇인가?	마이크로웨이브 가열은 수용체의 외부에서 열원이 전달되어 가열되는 기존의 가열방식과 다르게 마이크로웨이브 에너지가 수용체 내부로부터 물체 진동에 의하여 운동에너지가 열에너지로 전환되어 가열되는 방식이다. 따라서 유전체(dielectric solid)인 탄소 수용체가 내부에 에너지를 받아 마이크로플라즈마(microplasma)가 발생되고 열수용체 배드 온도보다 특정 위치에서 고온이 유지되는 형태를 보인다.
	탄소물질(carbon materials)의 가스화의 장점은 무엇인가?	탄소물질(carbon materials)의 가스화는 상기에 언급된 기존의 화학에너지 저장문제를 해결하는 매력적인 대체방법이다. 이 방법은 탄화물(carbonaceous material) 가스화에 의한 고정탄소에너지 활용 가능으로 인하여 이전에 가스화에 의하여 생성된 생성가스의 연소에 소모된 에너지의 회복이 가능하다. 여러 가스화 가스(스팀, O2, CO2) 중 이산화탄소의 선택은 생성가스 연소 생성물이므로 가스화 과정에서 리사이클이 가능하여 가장 좋은 옵션이다.
	재생에너지에 문제점은 무엇인가?	재생에너지는 에너지 생산이 연속적이지 못하다는 중요한 문제를 가지고 있다2) . 이러한 상황은 에너지를 지속적으로 공급하지 못하는 중대한 문제를 가지고 있다.

참고문헌 (9)

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Y. N. Chun and B. R. Jeong, "Characteristics of the microwave pyrolysis and microwave $CO_2$ -assisted gasification of dewatered sewage sludge", Environmental technology, Vol. 39, No. 19, 2018, pp. 2484-2494, doi: https://doi.org/10.1080/09593330.2017.1357758.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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