Zero Emission 분산형 에너지를 위한 1.5kW급 메탄 개질기 特性 硏究

곽민호 京畿大學校 大學院 2005 국내석사

최근 전력에너지의 소비량은 기하급수적으로 증가하고 있다. 전기 에너지 절약 및 여름철 피크부하는 전력 예비율과 상관하여 대단히 중요한 문제로 대두되고 있다. 따라서 피크전력을 피크시간대에서 다른 시간대고 옮길 수 있는 피크 쉬프트 제어방식의 적용이 필요하다. 즉 심야의 값싼 전력을 저장했다가 주간에 소비전력 증가 시에 사용하는 방식인 분산형 발전의 개발이 시급한 실정이다. 분산형 발전 중에서 수요가 많이 발생할 것으로 예측되는 기술은 연료전지 기술이다. 연료전지는 수소를 연료로 사용하고 있으며, 수소를 만드는 방법 중에서 천연가스 개질(LNG reforming)이 널이 이용되고 있다. 본 연구에서는 천연가스 개질기(reformer)를 제작하여 운전한 결과와 simulation 결과를 비교하였다. 또한 개질기의 상용화를 위해서 고려하여야 할 중요한 인자들을 정리하였다. simulation은 실제 공정 분석에 많이 사용되고 있는 ASPEN PLUS을 이용하였다. 개질기의 주요 반응은 수소를 만들어내는 STR(Steam Reforming)과 CO를 제거하는 WGS(Water Gas Shift), PrOx(Preferential Oxidation) 반응이다. 본 연구에서는 촉매의 최적 활성을 나타내는 조건으로 시스템을 설계하였다. 이는 다음과 같다. 먼저 STR의 S/C(steam)/carbon ratio)는 3.0으로 고정하였고 압력은 1~2기압, 온도는 750℃의 조건이다. WGS와 PrOx는 각각2단의 반응기를 두어 CO제거에 효율성을 높였고, 전체시스템의 SV는 5000hr^(-1)로 하였다. 그리고 반응기의 보다 콤팩트화를 위해 metal fiber burner(lean burn)를 사용 하였다. 이러한 조건으로 개질기를 제작 운전하였고, 촉매의 활성 결과와의 운전결과와의 차이를 비교하였다. 실험 결과 등온반응기의 설계가 전체 시스템의 결과에 매우 중요한 부분 이라는 것을 확인하였다. 실제로 촉매의 최적활성을 보이는 온도와 시스템에 장착되어 최적활성을 보이는 온도가 차이를 보이고 있다는 것이 이를 증명한다. 최종 배출가스의 전체적 추이는 수소가 60%(wet base). CO가 1% 를 나타내었고, SR의 온도는 750℃, WGS는 250℃~300℃, PrOx는 180℃~200℃에서 최적의 운전이 이루어졌다. 본 연구에서 제작되어진 개질기의 크기의 대부분은 시스템의 콘트롤 부분과 Water Tank, 냉각부분이 전체 개질기 시스템 2/3을 차지하고 있다. 장치의 상용화를 위해서는 보다 컴팩트한 제품의 설계가 필요할 것으로 판단된다. Recently, the electric power consumption have been increasing exponentially. In case of a peak load related backup power in summer season, it has become conspicuous a long pending issue. Therefore, we really need the peak shift control method to move peak electric power consumption from a peak period to another period in daytime. We need an electric power production system of dispersion type. That is to say, we have to develop a distributed generation system which product electric power and save it at night and use it at daytime. Among the distributed generation system, a fuel cell technology is predicted that the potential demand is very high. The fuel cell is using hydrogen, and the LNG reforming technology is used very widely among this technology. In this study, we compared the practical operating results and the computer simulation results for reformer's efficiency by using LNG reformer. Also, we investigated the important factors considered to commercialize the reformer. We applied a computer simulation program ASPEN PLUS used in a field of process analysis practically. We could know that the main reactions were the STR(Steam Reforming) making hydrogen, PrOx(Preferential Oxidation) reaction removing CO. In the results of this study, we designed the system as follows to induce for an optimum activity of catalysts. Initial S/C(steam/carbon ratio) of STR was fixed by 3.0. Its pressure was 1-2atm, and the temperature was maintained at 750℃. WGS & PrOx designed dual reactor for rise CO removal efficiency. Moreover, we used the metal fiber burner(lean burn) to make reactor more compactly. Syngas composition was hydrogen 70%, CO 0.15% and CH4 0.21% (at dry base). It was SR 750℃, WGS 250℃~300℃ and PrOx 180℃~200℃ that temperature on steady state The size of the greater part of reformer made recently consisted of a control part, water tank, and their composition ratio were about 2/3 of the total reformer system. To commercialize this system, it is very important to decrease a total size of reformer.

촉매 유효도 상관식을 이용한 모노리스형 수증기 메탄 개질기의 CFD 해석 모델

오윤석 서울대학교 대학원 2020 국내석사

최근 많은 문헌에서 수증기 메탄 개질(Steam methane reforming)을 이용하여 수소를 생산하는 연료전지 응용 분야와 같은 소용량(small scale) 개질기 시스템에 대한 많은 수치적 연구들이 수행되고 있다. 개질기 성능의 정확한 예측을 위해 상당히 많은 수의 격자계를 필요로 한다. 또한 화학 반응을 포함하는 개질 공정을 고려한 CFD 해석은 정확한 계산을 위해 더 많은 수의 격자가 불가피하며, 이에 따라서 계산 비용(computational cost)을 필요로 하게 된다. 본 연구에서는 유효도 촉매 상관식을 이용하여 계산 영역의 격자 수를 줄이고 계산 비용을 줄이는 효율적인 CFD 모델을 제안하였다. 해석 모델은 니켈(Ni) 와시코트 층이 코팅된 사각 채널 형상의 모노리스형 수증기 메탄 개질기에 대해서 해석을 수행하였고, 개질기의 성능을 실험값과 비교하여 검증하였다. 개질기 내에서 발생하는 열전달, 유체 유동 및 화학반응이 고려된 복잡한 계산은 상용 툴인 ANSYS FLUENT를 사용하여 적절한 운전 조건에서 수행되었다. 1 bar 압력, 873-1073K의 온도 및 SC 3의 범위에서 각 변수의 영향을 조사하기 위해 운전 조건을 변화시키며 수행되었다. 개발된 3차원 해석 모델의 타당성을 입증하기 위해 기존의 실험치를 사용하여 모델의 예측치와 비교 검증하였다. 또한 상세 모델과 촉매 유효도 모델의 계산 시간을 비교하여 모델의 효율성 또한 확인하였다. In recent years, many studies have focused on the development of small-scale methane reformer systems suitable for fuel cell applications. An accurate prediction of the reforming process is essential for designing the reformer systems and determining their optimal operation policies. In this regard, computational fluid dynamics (CFD) provides a proper tool to obtain the detailed information needed for such design and optimization tasks. However, CFD simulations with realistic reformer geometries require significant computational costs because large numbers of grid points are inevitable to accurately consider the reforming process in thin reaction zones. In this study, we propose an efficient CFD model that can greatly reduce the computational costs by using the effectiveness factor correlations. The coupled heat transfer, mass transfer, fluid flow, and chemical reactions inside the reformer are calculated using ANSYS FLUENT. The accuracy and efficiency of the proposed CFD model is demonstrated by simulating a monolithic steam methane reactor composed of square channels coated with Ni washcoat layers and then comparing the results with available numerical and experimental data.

촉매유효도 상관식에 기반한 마이크로채널형 수증기/메탄 개질기의 1차원 해석모델 개발

이대훈 서울대학교 대학원 2023 국내석사

수소의 운반 및 저장에 소요되는 비용 및 위험성을 줄이기 위한 분산형 수소생산시스템에 관한 연구가 활발하게 이뤄지고 있다. 하지만 소형화로 인해 발생되는 효율 감소 및 안정성의 문제로 인해 최적화가 요구되고 이를 위한 높은 정확도의 해석이 필수적이다. 정확한 공정 예측을 위해 전산유체역학에 기반한 해석모델 개발이 주로 이뤄졌으나 개질 과정 예측을 위해 많은 격자가 배치되어 해석에 소요되는 비용이 상당히 높다는 한계점이 있다. 본 연구에서는 분산 발전용 연료전지의 개질시스템에 적합한 저압 개질 조건(1~3bar)에서의 소형 마이크로채널 수증기/메탄 개질기를 효율적으로 해석할 수 있는 간략화된 1차원 해석모델을 개발하였다. 촉매유효도 상관식을 도입하여 다공성 촉매층 내부의 복잡한 반응/확산 문제를 간단하게 계산하였고 개질기 내부의 온도 및 농도는 에너지 보존과 화학종 보존을 고려해 계산하는 방식을 취하였다. 제시된 모델은 개질 과정을 상세히 고려한 CFD 해석모델과의 비교를 통해 신뢰성을 입증하고 파라미터 연구를 진행하여 다양한 공정 변수가 개질 과정에 미치는 영향을 조사하였다. 추가적으로 각 영역에 대한 개별적인 결과를 계산할 수 있는 1차원 상세모델을 개발하여 제시된 간략화모델의 한계점을 극복하고 정확도를 향상시키기 위한 연구가 진행되었다. 개발된 2개의 1차원모델은 CFD 해석모델과의 해석 시간을 비교하여 실효성을 증명하였다. Distributed hydrogen production systems are being actively studied to reduce the cost and risk of hydrogen transportation and storage. However, miniaturization of these systems can lead to decreased efficiency and stability, which requires optimization. High-accuracy analysis is essential for this. In this study, a simplified 1D analysis model was developed that can efficiently analyze a small microchannel steam/methane reformer under low-pressure reforming conditions (1-3 bar) suitable for the reforming system of distributed power generation fuel cells. The catalyst efficiency correlation was introduced to simply calculate the complex reaction/diffusion problem inside the porous catalyst layer, and the temperature and concentration inside the reformer were calculated by energy conservation and mass conservation. The presented model was validated through comparison with a CFD analysis model that considered the reforming process in detail, and a parametric study was conducted to investigate the influence of various operating and design conditions on the reforming process. In addition, a 1D detailed model that can calculate individual results for each region was developed to overcome the limitations of the presented simplified model and improve accuracy. The two 1D models developed were proved to be effective by comparing the CPU time with the CFD analysis model. The results of this study suggest that the 1D analysis model is a promising tool for the optimization of distributed hydrogen production systems.