[논문]RPF 열분해 가스화시 합성가스에 대한 화학평형 계산

강필선; 배수우; 송순호; 황정호

[국내논문] RPF 열분해 가스화시 합성가스에 대한 화학평형 계산
An Equilibrium Analysis to Generate Syngas in the Pyrolysis and Gasification of Refuse Plastic Fuel 원문보기

강필선 (연세대학교 기계공학과) , 배수우 (연세대학교 기계공학과) , 송순호 (연세대학교 기계공학과) , 황정호 (연세대학교 기계공학과)

The aim of this study is to find out the condition that generates maximum $H_2$ through the calculation of equilibrium model with conditions of pyrolysis gases of Refuse Plastic Fuel(RPF). This study deals with the computational simulation of a RPF gasification using an equilibrium model based on minimization of the Gibbs free energy. An equilibrium analysis was carried out to determine species composition of Syngas in RPF gasification and reactions to variation of temperature, $O_2$/Fuel ratio and Steam/Fuel ratio. Calculated results showed that $O_2$/Fuel ratio, Steam/Fuel ratio and temperature affected on mole fraction of $H_2$, CO.

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가설 설정

본 연구에서는 그에 대한 기초연구로 가스화시 반응은 일반적으로 매우 빠르기 때문에 국부적으로 가스화 생성물이 열역학적 평형상태에 있다고 가정하여 생성물의 몰분포를 계산하는 Gibbs 자유에너지가 최소화되는 원리를 이용하였다. RPF를 열분해 시켰을 때 발생되는 열분해 가스의 GC분석을 통하여 구하여진 열분해 가스의 조성으로 화학평형계산을 통해 H₂, CO의 양을 최대로 얻을 수 있는 조건을 찾고자 한다.
RPF 열분해 가스로 선정 되어진 3가지의 탄화수소류와 CO, H2, CO2, N2, O2, H2O를 Reactant로 결정하였으며, 1기압 480K의 조건으로 반응로로 주입된다고 가정하였다.

제안 방법

본 연구에서는 그에 대한 기초연구로 가스화시 반응은 일반적으로 매우 빠르기 때문에 국부적으로 가스화 생성물이 열역학적 평형상태에 있다고 가정하여 생성물의 몰분포를 계산하는 Gibbs 자유에너지가 최소화되는 원리를 이용하였다. RPF를 열분해 시켰을 때 발생되는 열분해 가스의 GC분석을 통하여 구하여진 열분해 가스의 조성으로 화학평형계산을 통해 H₂, CO의 양을 최대로 얻을 수 있는 조건을 찾고자 한다.
이때 사용되는 Oxidizer로는 공기가 아닌 순 산소로 하였다. 반응로를 통과하여 배출되는 Product 가스는 CH₄, C₂H₄, C₂H₆, CO, H₂, CO₂, H₂O, N₂ 로 가정하였으며 1기압 상태에서 반응온도를 1000K~1500K까지 100K씩 변화시키면서 각 조건에서 Product 가스인 CH₄, C₂H₄, C₂H₆, CO, H₂의 mole fraction을 확인하였다. 전체 반응에 대한 화학 반응식은 식 (1)과 같다.
본 연구를 통해 열분해 가스화를 거쳐 생성되는 합성가스의 조성에 대해 화학평형 계산을 통하여 예측할 수 있었으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
가스화란 일반적인 연소와는 달리 의도적인 불완전 연소를 시킴으로써 CO와 H2가 포함된 Product 가스를 얻는 것이다. 따라서 이론적으로 완전연소에 필요한 O₂/Fuel 비에서 O₂의 양을 0.9~0.5까지 조절하며 Product 가스 중 CO와 H₂의 mole fraction을 알아보았다. 화학반응식은 식 (2)와 같다.

대상 데이터

Table 1에서와 같이 기존 RPF 열분해 실험에서 GC의 분석 결과를 토대로 RPF의 열분해 가스 중 가장 많은 비중을 차지하는 CH4(Methane)를 포함한 총 3가지의 탄화수소류 { C2H4(Ethylene), C2H6(Ethan) }와 H2, CO를 선정하였다.

성능/효과

2는 주어진 O₂/Fuel ratio에서 온도에 따른 CO와 H₂의 mole fraction을 나타낸 그래프이다. 전체적으로 온도가 증가할수록 CO의 mole fraction은 증가하고 H₂의 mole fraction은 감소하는 경향을 보인다. 또한 O₂/Fuel ratio가 작아짐에 따라 CO와 H₂의 mole fration은 증가함을 알 수 있다.
5로 변화를 주었다. 온도가 올라 갈수록 CO는 증가하고 H₂는 감소하는 경향을 보이며, CO는 Steam/Fuel ratio가 증가할수록 감소하고, H2는 Steam/Fuel ratio가 증가할수록 그 양이 증가하는 것을 알 수 있었다.
5로 변화를 주었다. 온도가 올라 갈수록 CO는 증가하고 H₂는 감소하는 경향을 보이며, CO는 Steam/Fuel ratio가 증가 할수록 감소하고, H₂는 Steam/Fuel ratio가 증가 할수록 전체 합성가스 중 차지하는 비율이 증가하는 것을 알 수 있었다.
5에서 계산하였다. 온도가 올라 갈수록 CO는 증가하고 H₂는 감소하는 경향을 보이며, CO는 Steam이 주입되면 Steam이 주입되지 않았을 때보다 감소하고, H₂는 Steam이 주입되면 Steam이 주입되지 않았을 때보다 증가하는 경향이 나타났다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

가스화란 무엇인가?

가스화란 일반적인 연소와는 달리 의도적인 불완전 연소를 시킴으로써 CO와 H2가 포함된 Product 가스를 얻는 것이다. 따라서 이론적으로 완전연소에 필요한 O2/Fuel 비에서 O2의 양을 0.

화석연료를 기반으로 한 에너지의 문제점은?

현재 화석연료를 기반으로 한 에너지 형태는 SOx, NOx 그리고 다이옥신과 같은 환경오염물질 배출과 생태계 파괴, 지구 온난화 문제의 주원인이 되고 있기 때문에 결국은 재생가능 에너지나 수소에너지와 같은 청정한 에너지 형태로 전이될 것이라는 사실은 자명해 지고 있다(1). 또한 산업 및 소비 활동에 의해 필연적으로 발생되는 폐기물은 인구 증가와 산업의 발달에 따라 그 종류 및 발생량도 급증하게 되었으며, 이의 처리는 날로 심각성이 더해가고 있다.

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