초록 ▼

본 연구는 ZECP의 핵심 단위공정인 가스화 공정 반응특성 조사와 탄화 소성 공정 개발에 목적을 두고 있다. 이를 위해 중질탄소원을 이용한 수소첨가 가스화 반응특성을 조사하였으며, 탄화 소성 공정의 주요반응인 메탄수증기개질과 흡착제를 이용한 이산화탄소 흡 탈착에 대한 실험을 수행한 후 혼성반응 실험 및 실험결과 모사를 통하여 본 공정의 기본설계 기초자료를 확보하였다. 최종적으로 혼성실험 결과를 이용한 20kW급 ZECP 일팔공정 기본설계를 수행하였다. 이에 대한 구체적인 연구개발 결과는 다음과 같다. 수소첨가 가스화반응의 최적상태에

본 연구는 ZECP의 핵심 단위공정인 가스화 공정 반응특성 조사와 탄화 소성 공정 개발에 목적을 두고 있다. 이를 위해 중질탄소원을 이용한 수소첨가 가스화 반응특성을 조사하였으며, 탄화 소성 공정의 주요반응인 메탄수증기개질과 흡착제를 이용한 이산화탄소 흡 탈착에 대한 실험을 수행한 후 혼성반응 실험 및 실험결과 모사를 통하여 본 공정의 기본설계 기초자료를 확보하였다. 최종적으로 혼성실험 결과를 이용한 20kW급 ZECP 일팔공정 기본설계를 수행하였다. 이에 대한 구체적인 연구개발 결과는 다음과 같다. 수소첨가 가스화반응의 최적상태에서의 메탄가스조성은 45~50vol%로서 외국 Exxon사 등의 연구개발 결과와 거의 동일한 수준이다. 메탄수증기개질의 조업조건으로는 공간속도 $7,000hr^{-1}$이하, 온도 700~$800^{\circ}C$, 수증기/탄소-비 2.5~3, 압력 1~30기압에서 최적 조업조건을 얻었다. 고정층 반응기를 이용한 개발된 CaO 흡착제에 대한 $CO_2$ 파괴실험에서 흡착량은 반응온도 750>700>$800^{\circ}C$의 순으로 나타내었으며, 최종적으로 반복운전을 통하여 흡착제가 재현성이 있음을 확인하였다. 실험실 및 벤치규모 장치를 이용하여 혼성실험을 수행한 결과, 메탄수증기개질의 평형조성과 비교할 때 높은 수소 조성 및 낮은 $CO_2$ 조성을 타내었다. 혼성반응을 수치모사 한 결과, 시간에 따른 반응생성물의 조성변화를 잘 예측할 수 있었다. 최종적으로 Aspen Plus simulator를 이용하여 실험자료를 기초로 한 SOFC 200kW급에 적용 가능한 ZECP 일괄공정을 설계하였다.

Abstract ▼

In order to develop ZECP, pre-combustion decarbonisation technology that enable separation of $CO_2$ at low cost, this research focused on the development of the basic technology on the core process of ZECP. The details of the key research activities are as follows: hydrogasification of t

In order to develop ZECP, pre-combustion decarbonisation technology that enable separation of $CO_2$ at low cost, this research focused on the development of the basic technology on the core process of ZECP. The details of the key research activities are as follows: hydrogasification of the heavy hydrocarbons, methane steam reforming, manufacture of high-performance absorbent and its performance testing, hybrid reactions, development of hybrid reaction interpretation model, and basic design of the ZECP. The detailed informations on the scope of the research are as follows:
${\Box}$ 1st Year:
${\circ}$ Establish consecutive analysis system for the gases generated
${\circ}$ Make and operate unit process performance evaluation system
${\circ}$ Development key technology of carbonation/calcination process using the unit process performance test system
${\circ}$ Conduct research on the characterization of the gasification reactions against the bituminous coal for power generation
${\circ}$ Design the lab size process for hybrid reactions
${\Box}$ 2nd Year
${\circ}$ Produce the upgrade adsorbent and evaluate its performance
${\circ}$ Evaluate the characterization of the hybrid process in the lab
${\circ}$ Develop the model to interpret the reactions and adsorption on the fixed bed
${\circ}$ Conduct research on the characterization of gasification reactions for mixed coal (bituminous/anthracite coal)
${\circ}$ Design the bench size hybrid process
${\Box}$ 3rd Year
${\circ}$ Produce and evaluate the carbonation/calcination in the bench size ($10Nm^3$/hr)
${\circ}$ Develop a model to analyze the hybrid reaction process
${\circ}$ Conduct research on the characterization of gasification reactions for various heavy hydrocarbons
${\circ}$ Set up the basic design of the ZECP at 200kW

목차 Contents

• 표지...1
• 제출문...2
• 보고서 초록...3
• 요약문...4
• SUMMARY...8
• CONTENTS...13
• 목차...15
• 그림목차...17
• 표목차...24
• 제1장 연구개발과제의 개요...26
• 제1절 연구의 필요성...26
• 제2절 연구 목적...31
• 제3절 연구 범위...33
• 제2장 국내외 기술개발 현황...35
• 제1절 이산화탄소 분리/포획 기술...35
• 제2절 석탄이용 무공해 수소발전기술...44
• 제3절 화학물질을 이용한 $CO_2$ 원천포획 기술...51
• 제4절 이산화탄소 배출저감을 국외 기술개발 동향...53
• 제3장 연구개발수행 내용 및 결과...55
• 제1절 석탄의 수소첨가 가스화실험...55
• 1. 개요...55
• 2. 실험장치 및 방법...74
• 3. 실험결과 및 고찰...80
• 4. 결론...118
• 제2절 실험실규모 장치를 이용한 $CO_2$ 원천포획 실험...121
• 1. 개요...121
• 2. 메탄 수증기 개질 (Methane Stram Reforming) 실험...128
• 가. 실험장치...128
• 나. 실험방법 및 분석...131
• 다. 촉매 및 반응물...134
• 라. 실험결과 및 고찰...135
• 마. 결론...158
• 3. CaO 흡착제 제조실험...168
• 가. 실험방법...168
• 나. 흡착제 제조특성 결과...176
• 다. 결론...193
• 4. CaO 흡착제의 흡${\cdot}$탈착 실험...194
• 가. TGA를 이용한 CaO 흡착제의 흡탈착 실험...194
• 나. Batch type 실험장치를 이용한 흡착제의 흡착실험...206
• 다. 고정층 반응기 이용 흡착실험...212
• 라. 결론...223
• 5. 혼성공정(hybrid process) 실험...225
• 가. 기본설계...225
• 나. 실험장치 및 방법...227
• 다. 실험결과 및 고찰...228
• 라. 결론...255
• 제3절 벤치규모 장치를 이용한 $CO_2$ 원천포획 실험...256
• 1. 개요...256
• 2. 기본설계...256
• 3. 실험장치 및 방법...265
• 4. 실험결과 및 고찰...271
• 5. ZECP 경제성 평가...298
• 6. 결론...303
• 제4절 실험 결과 모사...305
• 1. 개요...305
• 2. 반응속도론...307
• 3. 모델 설정...311
• 4. 결과 및 고찰...315
• 5. 결론...342
• [부록1] Program List...344
• 제5절 ZECP 일괄공정 설계...351
• 제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도...446
• 제5장 연구개발결과의 활용계획...450
• 제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보...452
• 제7장 참고문헌...455