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.

DME 생산 시스템의 다양한 공급원료에 대한 지속가능성 평가분석

김효석 서울대학교 대학원 2011 국내석사

가압 순산소 연소 연계 CO2 가스화 공정에 대한 연구

박소담 연세대학교 대학원 2020 국내석사

Coal and biomass have the advantage of highly supply stability and rich reserves. Clean fuel conversion technology that can minimized the impact on global warming is required to continue to use solid fuels when the existing generation method using combustion has reached its limit due to climate change problems. Pressurized oxy-fuel combustion is a research field that has recently been attracting attention as it overcomes the limitations of atmospheric oxy- combustion technology by improving combustion efficiency, recovering latent heat, and simultaneously reducing NOx/SOx. Gasification is an technology that can convert solid fuel into clean syngas, and various gasifiers can be used depending on a different purpose. And also gasification can optionally constitute a process that can maximize hydrogen production, in which case hydrogen, which is free from CO2 emissions such as fuel cells and hydrogen turbines, can be supplied in large quantities to the hydrogen needed for high-efficiency power generation and transportation systems. This study targeted a gasification system with a pressurized oxy combustion. It is a complex system that can use the exhaust gas of hightemperature and high-pressure generated from combustor as a gasification agent and unreacted gas generated from gasification as a fuel entering the combustor. A CO2 of high-temperature, which occupies most of the combustion gas, is supplied to the gasifier with a certain amount of O2 and H2O to be used as a gasification agent, supply of reaction and fluidizing agent. Since the pressurized oxy combustor supplies pure oxygen instead of air to burn the fuel, the main components of the exhaust gas are CO2 and H2O. These gases are supplied to the gasifier, and it affects the yield of the CO, H2 and CO2 in the syngas through the boudouard reaction and the steam gasification reaction. Since combustion gas supplies heat necessary for gasification, it affects the gasifier reaction temperature and syngas quality. Commercial process analysis tools were used to simulate the process and to derive optimal operating conditions. The chemical reaction for the combustion and gasification process simulation utilized experimental results conducted in the previous research, and it was confirmed that the experimental results were adequately simulated within an error rate of 10%. Based on this, the performance of the process was grasped under various operating conditions, and the efficiency was analyzed focusing on carbon conversion rate, energy conversion and lower heating value of syngas. 석탄과 같은 탄화수소 연료는 지역적으로 편재되어 있지 않아 공급 안정성이 높고 매장량이 풍부하다는 장점을 가지고 있다. 기후변화 문제로 보일러 중심의 단순 연소를 이용한 기존 발전 방식이 한계에 부딪힌 시점에서 고체연료를 지속적으로 활용하기 위해서는 지구온난화에 대한 영향을 최소화 할 수 있는 청정연료 전환 기술이 필요하다. 가압 순산소 연소는 연소 효율 향상, 잠열 회수, NOx/SOx의 동시 저감을 통해 상압 순산소 연소 기술의 한계를 극복한 방식으로 최근 주목받고 있는 연구 분야이다. 가스화는 고체 연료를 청정 합성가스로 전환할 수 있는 기술로 목적에 따라 다양한 가스화제를 활용할 수 있다. 가스화는 선택적으로 수소 생산을 극대화 할 수 있는 공정을 구성할 수 있으며 이 경우 연료전지, 수소 터빈 등 CO2 배출에서 자유로운 수소 기반 고효율 발전 및 수송 시스템에 필요한 수소를 대량으로 공급할 수 있다. 본 연구는 가압 순산소 연소와 연계한 가스화 시스템을 대상으로 하였다. 가압 순산소 연소에서 생성된 고온·고압의 배가스를 가스화제로 사용하고 가스화에서 발생된 미반응 촤를 연소기 연료로 사용할 수 있는 복합 시스템이다. 서로 다른 복수의 반응기 간 열·물질 전달에 강점이 있는 이중 유동층 시스템을 이용하여 연소-가스화 연계 반응기를 구성하였다. 이때 연소가스의 대부분을 차지하는 고온의 CO2는 일정량의 H2O, O2와 함께 가스화기로 공급되어 가스화제, 반응열 공급 및 유동화제로 사용된다. 가압 순산소 연소기는 공기 대신 순수한 산소를 공급하여 연료를 연소하기 때문에 배가스의 주성분이 CO2와 H2O이며 이 가스들은 가스화기로 공급되어 각각 부다 반응, 스팀 가스화 반응을 통해 합성가스 내 CO, H2, CO2의 수율에 영향을 미친다. 뿐만 아니라 연소가스는 가스화에 필요한 현열을 공급하기 때문에 가스화기 반응온도 및 합성 가스의 품질에 영향을 준다. 공정 구성 및 최적 운전 조건 도출을 위해 상용 공정 해석 프로그램을 활용 하였으며 이때 유동층 내부의 세밀한 수력학적 모사는 제외하였다. 연소 및 가스화 공정 모사를 위한 화학반응은 기존연구에서 수행된 실험결과를 활용하였으며 같은 조건에서 합성가스 조성을 기준으로 비교할 경우 10% 오차율 이내에서 적절하게 모사함을 확인하였다. 이를 토대로 다양한 운전 조건 하에서 공정의 성능을 파악하였으며 합성가스 발열량, 탄소 전환율, 에너지 전환율등을 중심으로 효율을 분석하였다.

Modeling and optimization of aromatic hydrocarbon separation from a hydrocarbon mixture by extractive distillation

고민수 서울대학교 대학원 2005 국내박사