초록 ▼

황산-요오드 열화학싸이클(IS 싸이클) 황산분해공정의 요소기술을 개발함.
(가) 대기압 폐싸이클 황산농축공정(20 L/h $H_2$ 규모)을 구성하고 연속운전을 수행하여 황산농축증발기의 용량을 측정하고, 구성장치에 대한 heat balance를 작성함.
(나) 가압 황산분해반응을 위해 Pt-lined 수평관 반응기를 포함한 고압 반응시스템을 구성하고 0~5기압 범위에서 황산분해 실험을 수행함.
- 평형전환율의 90% 이상의 S$O_2$ 분해수율을 얻었고, 850

황산-요오드 열화학싸이클(IS 싸이클) 황산분해공정의 요소기술을 개발함.
(가) 대기압 폐싸이클 황산농축공정(20 L/h $H_2$ 규모)을 구성하고 연속운전을 수행하여 황산농축증발기의 용량을 측정하고, 구성장치에 대한 heat balance를 작성함.
(나) 가압 황산분해반응을 위해 Pt-lined 수평관 반응기를 포함한 고압 반응시스템을 구성하고 0~5기압 범위에서 황산분해 실험을 수행함.
- 평형전환율의 90% 이상의 S$O_2$ 분해수율을 얻었고, 850$\degc$의 반응영역(1m)으로 ~170 L/h $H_2$ 규모의 황산분해반응을 수행할 수 있음을 확인함.
- 황산 공급속도를 변화시키며 반응영역에 대한 총괄열전달계수를 조사함.
(다) 다성분 비귀금속 촉매(Fe/Cu/Al 계)를 제조하여 S$O_3$/황산 분해 촉매활성, 내구성, 적정 반응조건을 조사하고, 상용 Pt-담지촉매, CuCrOx 촉매 등과의 활성비교를 통해 Pt 촉매에 준하는 촉매활성과 내구성을 갖는 촉매조성(Fe/Cu/Al 몰비)을 찾음.
(라) 고압 내식성 황산-물 VLE 측정장치를 설계하고, SiC/Inconel로 장치를 제작함.
(마) 반응기 배출 혼합가스로부터 S$O_2$ 분리를 위해 흡수제를 조사하고, 실험실적 상압 흡수분리장치를 제작함.
- 이온성액체를 이용하여 S$O_2$/$O_2$를 선택적 흡수분리 특성을 조사하고, 고압 S$O_2$/$O_2$ 분리공정 개념을 확보하고, PRO-II를 이용하여 분리장치 크기를 예측함.
(바) IR/near-IR을 이용하여 황산분해반응을 실시간으로 분석하는 in-situ 기기분석법을 개발하고, 황산, S$O_3$, S$O_2$의 특성분석 영역을 조사함.

Abstract ▼

Direct thermal dissociation of water can be achieved at about 3000K. Because of the lack of proper materials for the very high-temperature process, it is not reasonable to produce hydrogen by the direct thermal dissociation. Thermochemical cycles, which indirectly split water to hydrogen and oxygen

Direct thermal dissociation of water can be achieved at about 3000K. Because of the lack of proper materials for the very high-temperature process, it is not reasonable to produce hydrogen by the direct thermal dissociation. Thermochemical cycles, which indirectly split water to hydrogen and oxygen by using media in multi-step reactions, propose possibility of water splitting at low temperature. Iodine-Sulfur (IS) cycle is one of the most feasible thermochemical cycles to produce hydrogen from water at lower than 1000$\degc$. Heat from a very high temperature gas cooled nuclear reactor (VHTR) or solar energy can supply this high temperature which is required for the decomposition of sulfuric acid to S$O_3$ then to S$O_2$ and $O_2$ in the IS cycle.
In this work of phase I, a Pt-lined horizontal tubular reactor was designed for pressurized operation and operated at 5 atm and 800~900$\degc$. Sulfuric acid of 95wt% $H_2$S$O_4$ was dissociated and converted to S$O_2$ to an extent of over 90% of the equilibrium conversion by the Pt wall in the reactor as catalyst. The Pt-lined reactor of 1 m length was found able to produce S$O_2$ as much as the production of 170 L/h $H_2$ in the IS cycle. Non-noble catalysts such as metal oxide catalysts (Fe, Cu, and Co) were designed for the dissociation of S$O_3$ to S$O_2$ and $O_2$. Multi-component catalysts of Cu/Fe/Al with various compositions were prepared and characterized, and their activities were tested in the dissociation reactions of $H_2$S$O_4$ and S$O_3$. Cu/Fe/Al catalysts in a certain composition range showed good catalytic activity and life-time as high and long as commercial Pt catalysts.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 보고서 초록 ... 4
• 요약문 ... 5
• Summary ... 11
• CONTENTS ... 13
• 목차 ... 16
• 제 1 장. 연구개발과제의 개요 ... 19
• 1. 연구개발의 목적 ... 19
• 2. 연구개발의 필요성 ... 19
• 3. 연구개발의 범위 ... 23
• 제 2 장. 국내외 기술개발 현황 ... 25
• 1. 국내의 연구개발 실적 ... 25
• 2. 국외의 연구개발 실적 ... 25
• 3. 국내기술의 취약성 ... 27
• 4. 앞으로의 전망 ... 28
• 제 3 장. 연구개발 수행 내용 및 결과 ... 29
• 제 1 절. 열화학싸이클을 이용한 수소제조 기술 ... 29
• 제 2 절. 대기압 황산농축공정 운전시험 ... 33
• 제 3 절. 고압 황산분해 반응기 제작, 시험 ... 40
• 제 4 절. 고압 SO3/황산 분해 촉매 제조, 시험 ... 46
• 제 5 절. 고압 황산-물 VLE 실험장치 제작 ... 75
• 제 6 절. 고압 SO2/O2 분리를 위한 실험기반 확립 ... 80
• 제 7 절. 고압장치 실시간 정량분석을 위한 기반 확보 ... 98
• 제 8 절. 고압 황-싸이클 화학반응장치 운전시험 특성 ... 107
• 제 9 절. 고압 황-싸이클 기기 및 부품성능 시험 ... 120
• 제 10 절. 연구개발 결과 ... 132
• 제 4 장. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 135
• 1. 연구개발 목표의 달성도 ... 135
• 2. 관련분야에의 기여도 ... 137
• 제 5 장. 연구개발결과의 활용계획 ... 138
• 제 6 장. 연구개발 과정에서 수집된 해외과학기술정보 ... 139
• 제 7 장. 참고문헌 ... 144