원거리 수소 가스 원격 계측을 위한 On-axis 라만 라이다 장치 개발

최인영,백성훈,임재영,차정호,김진호,Choi, In Young,Baik, Sung Hoon,Lim, Jae Young,Cha, Jung Ho,Kim, Jin Ho 한국광학회 2018 한국광학회지 Vol.29 No.3

수소 가스는 신 재생 에너지원으로서, 에너지의 발생과정에서 오염물질의 배출이 없는 친환경적인 에너지원이다. 그러나 수소 가스는 인화 에너지가 낮으며, 무색, 무취의 화염 전파성과 폭발성이 강한 매우 위험한 물질 중 하나이다. 수소 가스의 검출을 위한 다양한 기술이 있으나, 대부분 센서를 이용하여 대기 중의 수소 가스를 수집하여 측정하는 근거리 측정 기술이 대부분이다. 수소 가스 측정 기술 중 하나인 라만 라이다 장치는 수소 가스의 강한 라만 산란 현상을 이용하여 원거리에서 수소 가스 농도 검출 및 분포를 계측할 수 있는 장점을 갖고 있다. 본 연구에서는 넓은 영역에서(2~50 m) 누출된 수소 가스의 원거리 측정을 위한 on-axis 형태를 갖는 라만 라이다 장치를 개발하였다. 본 연구를 통하여 개발된 수소 가스 원거리 탐지 거리가 향상된 라만 라이다 장치의 성능을 검증하기 위하여, 수소 가스 폭발을 방지 및 농도 변화가 가능한 가스 챔버를 이용하여 라만 라이다 장치로부터 50 m 거리에 위치한 수소 가스 농도 측정 실험을 수행하였다. 그 결과, 개발된 라만 라이다 장치를 이용하여 50 m 거리에 위치한 0.66 Vol.%의 수소 가스 검출이 가능함을 증명하였다. Hydrogen gas is an important and promising energy resource that has no emissions of pollutants during power generation. However, hydrogen gas is very dangerous because it is colorless, odorless, highly flammable, and explosive at low concentration. Conventional techniques for hydrogen gas detection are very difficult for measuring the hydrogen gas distribution at long distances, because they sample the gas to measure its concentration. Raman lidar is one of the techniques for remotely detecting hydrogen gas and measuring the range of the hydrogen gas distribution. A Raman lidar system with an on-axis optical receiver was developed to improve the range of hydrogen gas detection at long distance. To verify the accuracy and improvement in the range of detecting the hydrogen gas, experiments measuring the hydrogen gas concentration are carried out using the developed on-axis Raman lidar system and a gas chamber, to prevent explosion of the hydrogen gas. As a result, our developed on-axis Raman lidar system can measure a minimum hydrogen gas concentration of 0.66 volume percent at a distance of 50 m.

석탄가스화 수소생산 기술개발

김재성(Kim, Jae-Sung),이종민(Lee, Jong-Min),김동원(Kim, Dong-Won) 한국신재생에너지학회 2007 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2007 No.11

석탄가스화 수소생산 기술 분야는 석탄 등의 화석연료를 이용하여 고온, 고압하에서 반응가스(산소, 수증기, 수소)와의 화학적 반응을 통해 생산된 연소성 가스 (H₂, CO, CO₂ 등)를 전환반응(WGS) 및 분리반응을 거쳐 효율적으로 청정하게 수소를 생산해 내는 기술이다. 전력산업에서 석탄가스화 수소생산은 그 사용 방법(연료전지, 수소 터빈, 분산 이용 등)에 따라 발전시스템의 고효율화를 지향하고, zero-emission을 실현하는 첨단 발전 시스템의 종합 구현을 목표로 하고 있으며, 더불어, 도래하는 수소 경제로의 전이에 대비에 석탄을 이용한 중앙(Central) 수소생산 시스템을 구현하여 이송 및 전환을 통한 지역적 분산 이용을 가능케 하는 종합적인 인프라를 구축하는 기술이다. 본 기술에는 석탄가스화 기술, 수성가스 전환기술, 수소/CO₂ 분리기술, 이송용 연료 전환기술 등이 포함된다. 석탄가스화 수소생산 기술은 급등하는 오일 가격과 이의 수입사용 증가에 대응하기 위한 에너지 안보 대책 마련 및 효율 극대화의 필요성과 더불어, 전력산업에서 화력 발전시스템의 궁극적 실현 목표인 고효율, 초청정의 전력생산 시스템의 구현을 가능케 하여, 향후 화석 연료를 이용한 미래 발전 기술을 선도 할 것으로 기대된다. 더불어, 수소 경제로의 전환 시 수소 수요의 급팽창에 대비한 경제적인 대규모 수소생산 기술의 개발이 필요하며, 이에 기술 실현성이 가장 높은 석탄가스화 수소생산 기술의 개발 구현이 요구된다.

국내 유기성폐기물의 바이오수소 잠재량 분석

김지민(Jimin Kim),임성원(Seongwon Im),알사예드(Alsayed Mostafa),프라카시옴(Om Prakash),김동훈(Dong-Hoon Kim) 대한환경공학회 2021 대한환경공학회지 Vol.43 No.9

목적: 우리나라는 지구온난화의 가속을 줄이기 위해 온실가스 배출량을 저감시키는 방법 중 하나로 화석연료 사용량의 일부를 수소 에너지로 대체하기 위해 지속적으로 노력하고 있다. 수소는 천연가스, 석탄 등의 다른 에너지원에 비해 높은 발열량(122 MJ/kg)을 가지고 있으며 연소 시 온실가스를 배출하지 않는 청정에너지원으로 주목받고 있지만, 현재 국내의 그린수소 생산방법인 재생에너지원을 이용한 수전해 방식은 기후조건에 영향을 받기 때문에 공급량이 불안정하다는 문제점이 있다. 본 연구에서는 수소 생산량을 보완하기 위한 방법으로 폐자원·바이오매스 중 기존 바이오가스화 시설과 연계할 수 있는 유기성폐기물(음식물류폐기물, 가축분뇨, 하수슬러지)로부터 회수 가능한 수소 잠재량을 산정하였고, 이에 따른 온실가스 저감효과를 파악하고자 하였다. 방법: 유기성폐기물로부터 생산할 수 있는 수소 잠재량을 산정하기 위해 유기성폐기물의 국내 연간 발생량과 일반적인 유기물 성상을 이용하여 암발효와 바이오가스 개질 공정을 통해 생산될 수 있는 연간 수소 잠재량을 산정하였으며, 생산된 수소를 화석연료 대체 에너지원으로 사용하였을 때 저감시킬 수 있는 온실가스양을 산출하였다. 결과 및 토의 : 유기성폐기물의 연간 발생량과 기초 성상을 이용하여 암발효와 바이오가스 개질공정을 통해 생산될 수 있는 수소양은 각각 연간 4만톤, 67만톤이며, 유기성폐기물 종류별 수소 생산량은 가축분뇨 86%, 음식물류폐기물 10%, 하수슬러지 4%순으로 산정되었다. 총 수소 생산량은 연간 72만톤으로 2040년도 국내 수소생산 목표량의 약 14%를 차지할 수 있다. 생산된 바이오수소의 온실가스 저감으로서의 가치는 총 500만톤 CO₂-eq이다. 수소 제조 공정 시 소모되는 전력에 따른 온실가스 배출량을 고려하면, 암발효의 경우 수소생산전력의 7%, 바이오가스 개질은 60%가 전력으로 소비되어 저감 가능한 온실가스 양은 연간 211만톤 CO₂-eq으로 파악되었다. 결론: 본 연구는 국내 대표적 유기성폐기물로부터 생산 가능한 바이오수소 잠재량을 분석한 최초의 결과로서, 향후 폐자원/바이오매스 활용 그린수소 정책 계획에 적극적으로 활용이 가능할 것으로 판단된다. Objectives : To mitigate greenhouse gas (GHG) emissions, our country is trying to replace fossil fuel to hydrogen (H₂). H₂ has higher energy yield (122 MJ/kg) than other energy sources (natural gas, coal, etc.), and is considered a clean fuel that produces only water upon combustion. The water electrolysis using renewable energy is one of the green-H₂ producing methods, but its unstable characteristics depending on weather condition impede its practical application. Therefore, to establish green-H₂ society, the use of waste and biomass is essential to fulfil the demand. Methods : In this study, we estimated the biohydrogen potential of organic solid wastes: food waste, livestock manure, and sewage sludge, which are the main feedstock of domestic biogas plant. For the H₂ generation process, dark fermentation (DF) and steam biogas reforming (SBR) were considered. Results and Discussion : The potential amount of H₂ through DF and SBR was 44,000 ton/y and 675,000 ton/y, respectively. The GHG reducing potential was estimated to be 5 million tons CO₂-eq/year, but it can be lowered down to 2 million tons CO₂-eq/year, considering the energy consumption during H₂ generation process. Among the energy potential of produced H₂, 7% and 60% is required for H₂ production in DF and SBR, respectively. Conclusion : The expected biohydrogen production was 718,000 ton/y which can account for about 14% of the domestic H₂ production target in 2040 (526 million tons). The main source was livestock manure (86%), and minor fraction was from food waste (10%), and sewage sludge (4%). The GHG reducing potential was estimated to be 2 million tons CO₂-eq/year, considering the energy consumption during H₂ generation process.

바이오가스에 포함된 이산화탄소의 원예시설 이용을 위한 습식 흡착에 의한 황화수소 흡착 성능에 관한 연구

장재경 ( Jae Kyung Jang ),문종필 ( Jong-pil Moon ),황정수 ( Jeongsu Hwang ),윤성욱 ( Sung-wook Yun ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

기후변화로 인하여 기존 화석연료 기반의 에너지에서 신재생에너지로의 전환이 요구되면서 농업 분야에서도 가축분뇨를 이용한 바이오가스 생산 시설 확대를 추진하고 있다. 그러나 바이오가스는 메탄뿐만 아니라 다양한 가스(이산화탄소, 황화수소, 암모니아 등)가 혼재되어 있어 저품위의 에너지원으로 사용되고 있다. 따라서 바이오가스의 고품질화가 필요하며 이 과정에서 발생하는 온실가스인 이산화탄소의 처리, 활용 기술 개발이 동반 필요하다. 따라서 본 연구는 이산화탄소를 원예시설에서 사용하는 액화탄산 대체용으로 활용하기 위해 습식 흡착법을 이용한 황화수소 저감 기술을 개발하기 위한 것이다. 황화수소는 낮은 농도에서도 작물피해 영향이 커 사전 제거가 필요하다. 이를 위해 바이오가스를 모사하여 100ppm H₂S, 30% CO₂, CH₄을 밸런스 가스로 하는 혼합가스를 이용하였다. 습식 흡착 반응기는 직경 5cm, 높이 30cm의 원통형으로 상부에 노즐을 장착한 별도의 챔버를 두고 살수할 수 있도록 하였다. 흡착제로 활성탄(4*8, 290g)을 이용하였으며, 혼합가스는 활성탄 충진층 하부 1cm 위로 유입되어 상향류하여 상부에서 유출되도록 하였다. 혼합가스는 450ml/min으로 유지하면서 흡착 시험을 수행하였다. 가스 분석은 암모니아, 황화수소를 동시에 측정할 수 있는 바이오테크 5000(영국) 이용하였다. 실험하는 동안 물을 이용하여 활성탄 층에 간헐적으로 살수하면서 실시하였다. 가스 분석하기 전 공기를 이용하여 바이오가스 측정 센서를 크리닝한 후 측정하였으며, 표준 농도 검정용으로 조제한 혼합가스를 이용하였다. 혼합가스 실측한 결과 CH₄ 69.0%, CO₂ 29.6%, 황화수소 113ppm, 암모니아 109ppm으로 나타나 조제한 성분과 유사함을 확인하였다. 이 결과 황화수소는 유입농도 113ppm에서 유출농도 1ppm으로 99.1%가 제거되는 것이 확인되었다. 이와 함께 혼합가스에 포함되어 있던 암모니아 가스 경우에도 109ppm에서 유출될 때는 0ppm으로 나타나 100% 제거되는 것으로 확인되었다. 따라서 활성탄을 이용한 습식 흡착으로 황화수소와 암모니아 가스 성분을 효과적으로 처리할 수 있음을 확인하였다.

소형 가스터빈의 연료개질에 따른 연소 효율 연구

신미수,박민정,김용주,장동순 한국폐기물자원순환학회 2017 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2017 No.11

전 세계적으로 에너지 소비가 급속하고 늘고 있는 추세이며, 화학연료를 이용한 전기 생산은 기후변화를 야기시키므로 새로운 형태의 친환경적인 발전 시스템의 개발이 매우 중요한 현안으로 떠오르고 있다. 전력수급의 많은 부분을 원자력과 화력발전에 의존하고 있는 우리나라의 경우 증가하는 전력 수요를 가스터빈을 이용한 복합발전이나 열병합 발전이 분담을 해야 하므로 가스터빈 관련 연구 개발은 매우 중요하다고 할 수 있다. 최근에는 분산발전에 대한 관심이 고조되면서 이에 적합한 동력원으로 고려되고 있는 마이크로 터빈 및 이에 대한 응용시스템 연구개발이 국내외에서 활발히 수행되고 있다. 마이크로 가스터빈은 중대형 가스터빈에 비해 개발기간이 짧고 개발비 규모가 작아 세계시장에서도 경쟁력있는 상품이 될수 있을 것으로 판단된다. 본 연구는 60KW 출력의 마이크로 가스터빈을 대상으로 메탄/수소, 메탄/산소-수소 혼합기체를 혼합한 연료에 대한 연소 특성 및 내부 열유동을 수치해석적 연구를 통하여 검토하였다. 수소 및 산소-수소 혼합연료의 체적분율을 변화시켜 변수연구를 수행하였다. 연구 결과를 살펴보면 연료 중 수소 및 산소/수소 기체의 체적분율을 높일수록 연소기 내부의 primary zone의 화염온도가 현저히 상승하며 연소기 내부의 고온영역이 넓게 분포되는 것을 볼 수 있다.이는 수소나 산소-수소 기체로 대체했을 때 수소의 빠른 연소속도에 의해 단시간에 화염온도의 상승을 이룰수 있고 수소의 강한 반응성과 높은 열확산성으로 인하여 순신간에 가스터빈 내부의 연료와 공기의 난류혼합을 활발하게 하여 가스 터빈의 효율 향상에 일조한다는 것이다. 수소비율에 따라 가스터빈의 연소성능과 관련이 있는 primary zone의 평균온도, 출구의 평균온도, 출구에서의 온도의 편차비(pattern factor)와 같은 결과를 검토하여 의미있는 결과를 도출하였다. 향후 최적 운전을 위한 적절한 연료의 혼합비율은 가스터빈의 형상 및 규모 등 다양한 변수를 고려하여 도출하는 것이 필요할 것으로 판단된다.

수산화철-활성탄 혼합 흡착제의 황화수소와 실록산 동시 제거: 수분의 영향

이성우,김신동,김대근 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2016 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2016 No.-

바이오가스 활용을 위해서는 설비의 부식과 마모를 일으키는 황화수소와 실록산의 제거가 필수적이다. 황화수소와 실록산을 제거하기 위해서는 가스 물질별로 단일 공정이 적용되어 설비의 초기 투자비용과 유지비용이 증가할 수 있기 때문에 경제성을 확보하기 위하여 황화수소와 실록산의 동시 제거 공정이 필요하다. 황화수소와 실록산을 제거하기 위해서는 흡착법이 사용될 수 있다. 황화수소는 금속산화물을 이용한 화학적 흡착기작으로 제거 될 수 있으며 사용되는 금속의 종류가 다양하다. 수산화철은 황 제거 효율이 높고 실온과 대기압의 조건에서 사용된다는 장점으로 황화수소 제거에 사용된다. 수산화철은 제조 시에 상호간의 응집현상으로 흡착 대상물질과의 접촉표면이 감소되며 이와 같은 현상을 방지하기 위하여 분말활성탄을 투입하여 수산화철의 고분산을 유도하며 활성탄의 물리적 흡착 기작을 이용하여 실록산을 동시 제거 할 수 있다. 본 연구의 목적은 수산화철-활성탄 혼합 흡착제를 이용하여 황화수소와 실록산을 동시 제거하는데 목적이 있다. 실험에 사용된 흡착제는 수산화철-활성탄 혼합흡착제로 제조하여 사용하였으며 흡착제의 특성을 파악하였다. 황화수소와 실록산의 동시 제거는 파과실험을 통하여 확인하였으며 습도의 영향을 파악하기 위하여 습도를 조절하여 각 가스의 흡착능을 기준으로 성능을 파악하였다. 흡착제의 특성 분석은 XRD, TGA-DTG, FT-IR, BET, SEM을 이용하여 실시하였다. 흡착제의 성능평가는 파과실험으로 진행되었으며 황화수소와 실록산(D4, octamethylcyclotetrasiloxane) 모델가스를 유입시켜 흡착제가 들어있는 반응기에 통과시켰다. 파과점은 유입농도의 5% (C/Co=0.05)가 되는 점으로 하였으며 황화수소는 바이오가스 센서를 이용하여 측정하였으며 실록산은 GC-FID를 이용하여 측정하였다. 건가스 조건에서 황화수소 단일가스 흡착능은 0.053 g/g으로 나타났으며 습도가 유입됨에 따라 3.58배(RH 45%), 5.09(RH 60%), 2.83배(RH90%)로 증가하였다. 습도에 따른 영향은 흡착제의 표면에 수분이 응축되어 화학적 흡착기작과 흡수에 의한 황화수소 제거로 흡착능이 증가한 것으로 판단된다. 실록산의 흡착능은 건가스 조건에서 0.050 g/g으로 습도에 의하여 감소하는 경향을 나타냈다. 물리적 흡착 기작으로 제거되는 실록산은 수분에 의하여 흡착이 방해된 것으로 판단된다. 건가스 조건에서 황화수소와 실록산 동시 제거에서는 황화수소의 흡착능은 변화가 없었지만 습도의 영향으로 황화수소의 흡착능은 증가하는 것으로 나타났다. 실록산의 경우 습도가 45%까지 흡착능이 증가하였지만 60%, 90%까지 흡착능이 감소하는 경향을 나타내었다. 자세한 연구결과는 발표를 통하여 나타낼 것이며 황화수소와 실록산을 동시 제거하는데 필요한 자료로 사용될 것으로 판단된다.

바이오가스에 포함된 이산화탄소의 원예시설 이용을 위한 습식 흡착에 의한 황화수소 흡착 성능에 관한 연구

장재경 ( Jae Kyung Jang ),문종필 ( Jong-pil Moon ),황정수 ( Jeongsu Hwang ),윤성욱 ( Sung-wook Yun ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2

기후변화로 인하여 기존 화석연료 기반의 에너지에서 신재생에너지로의 전환이 요구되면서 농업 분야에서도 가축분뇨를 이용한 바이오가스 생산 시설 확대를 추진하고 있다. 그러나 바이오가스는 메탄뿐만 아니라 다양한 가스(이산화탄소, 황화수소, 암모니아 등)가 혼재되어 있어 저품위의 에너지원으로 사용되고 있다. 따라서 바이오가스의 고품질화가 필요하며 이 과정에서 발생하는 온실가스인 이산화탄소의 처리, 활용 기술 개발이 동반 필요하다. 따라서 본 연구는 이산화탄소를 원예시설에서 사용하는 액화탄산 대체용으로 활용하기 위해 습식 흡착법을 이용한 황화수소 저감 기술을 개발하기 위한 것이다. 황화수소는 낮은 농도에서도 작물피해 영향이 커 사전 제거가 필요하다. 이를 위해 바이오가스를 모사하여 100ppm H₂S, 30% CO₂, CH₄을 밸런스 가스로 하는 혼합가스를 이용하였다. 습식 흡착 반응기는 직경 5cm, 높이 30cm의 원통형으로 상부에 노즐을 장착한 별도의 챔버를 두고 살수할 수 있도록 하였다. 흡착제로 활성탄(4*8, 290g)을 이용하였으며, 혼합가스는 활성탄 충진층 하부 1cm 위로 유입되어 상향류하여 상부에서 유출되도록 하였다. 혼합가스는 450ml/min으로 유지하면서 흡착 시험을 수행하였다. 가스 분석은 암모니아, 황화수소를 동시에 측정할 수 있는 바이오테크 5000(영국) 이용하였다. 실험하는 동안 물을 이용하여 활성탄 층에 간헐적으로 살수하면서 실시하였다. 가스 분석하기 전 공기를 이용하여 바이오가스 측정 센서를 크리닝한 후 측정하였으며, 표준 농도 검정용으로 조제한 혼합가스를 이용하였다. 혼합가스 실측한 결과 CH₄ 69.0%, CO₂ 29.6%, 황화수소 113ppm, 암모니아 109ppm으로 나타나 조제한 성분과 유사함을 확인하였다. 이 결과 황화수소는 유입농도 113ppm에서 유출농도 1ppm으로 99.1%가 제거되는 것이 확인되었다. 이와 함께 혼합가스에 포함되어 있던 암모니아 가스 경우에도 109ppm에서 유출될 때는 0ppm으로 나타나 100% 제거되는 것으로 확인되었다. 따라서 활성탄을 이용한 습식 흡착으로 황화수소와 암모니아 가스 성분을 효과적으로 처리할 수 있음을 확인하였다.

고농도 수소생산을 위한 바이오원유 가스화에 관한 연구

황재규 ( Jae Gyu Hwang ),최항석 ( Hang Seok Choi ),최명규 ( Myung Kyu Choi ),최동혁 ( Dong Hyeok Choi ),홍성완 ( Seong Wan Hong ),홍승현 ( Seung Hyeon Hong ),김범석 ( Beom Seog Kim ) 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2021 한국폐기물자원순환학회 춘계학술발표논문집 Vol.2021 No.-

바이오매스를 이용한 바이오에너지 기술은 지구온난화와 환경오염 등의 문제를 야기하는 화석연료의 사용을 저감할 수 있는 친환경 에너지로 주목받고 있다. 국내 목재 수급이 증가함에 따라 미이용 산림바이오매스의 발생량 또한 증가하고 있으나 수거비용의 과다로 인해 활용하지 못하고 임지에 방치되는 실정이다. ‘수소경제 활성화 로드맵’에 따르면 2022년까지 47 만톤/년의 수소 공급 계획을 수립하고 2040년에는 526 만톤/년 이상의 수소공급을 목표하였다. 더불어 수소경제로 전환함으로써 에너지수급 자립도 확보를 꾀하고 있다. 국내외 실정 및 정부의 계획에 부응하여 본 연구에서는 미이용 산림바이오매스 톱밥을 급속열분해 하여 얻은 바이오원유를 가스화 및 촉매개질하여 고농도 수소함량의 합성가스를 생산하는 연구를 수행하였다. 바이오원유의 가스화는 entrained-flow 가스화기(0.1 m diameter × 1.4 m height, cylindrical)를 사용하여 가스화 온도, E/R ratio, 산화제 등을 운전변수로 하여 가스화 하였으며, 생산되는 합성가스의 조성을 micro GC를 이용하여 분석하여 고품질 syngas를 생산할 수 있는 최적 조건에 대한 연구를 진행하였다. 또한 촉매개질반응기를 가스화반응기 후단에 설치하여 합성가스 내 타르함량을 저감할 수 있는 방법에 대한 연구를 진행하였다. 연구결과 steam 가스화, 가스화온도 1000℃, Ni-Al 촉매를 사용하여 개질을 하였을 때 합성가스 내 수소함량이 가장 높고 타르가 낮아 최적의 가스화 조건으로 판단하였다.

수소 생산을 위한 석유코크스 연료의 가스화 성능 연구

정석우(Seok Woo Chung),정기진(Gi Jin Jeong),이진욱(Jin Wook Lee),윤용승(Yongseung Yun) 한국에너지기후변화학회 2021 한국에너지기후변화학회 학술대회 Vol.2021 No.11

국내에서 발생하는 저급자원 중 국가 수소사회 구현에 필요한 수소의 수십 %를 해외의존 없이 공급 가능한 방안으로 재생가능에너지 생산 전기에 기반한 Green 수소가 실용적 보급되기 전까지는 합성가스에 기반한 Gray 수소가 가교역할을 하게 되는데, 우리나라의 자체 기술력으로 도전이 충분히 가능하다 할 수 있다. 그리고 합성가스 생산기술은 저급자원을 청정한 가스 자원으로 변환시키는 핵심기술로서 수소사회 진입에 필요한 저렴한 청정수소 공급원으로서 매우 중요한 역할을 할 것으로 예상된다. 국가 에너지 안보 차원에서 미래 수소에너지 사회를 대비하여 국내외 원유 정제공정에서 다량 발생하는 저급자원인 석유 코크스를 이용하여 수소를 확보할 수 있는 신에너지 기술이 필요하다. 또한, 수소 경제사회 진입에 따른 시장 진출을 위해서는 국내 고유의 핵심 기반 기술의 확보가 필요하며, 국내 고유 기술 기반으로 시장 진입 및 확대를 위해서는 기존 국외 상용기술과 비교하여 시장 경쟁력을 갖춘 기술의 확보가 필수적이라 할 수 있다. 석유 코크스의 경우 단일 플랜트에서 수십∼수백 톤/일 규모로 대용량의 수소를 생산할 수 있는 대용량화가 가능하므로, 국내에서 생산되는 석유 코크스를 대상으로 20 톤/일급의 합성가스 생산, 고도정제, 수성가스 전환, 고순도 수소생산(3 톤/일급)을 위한 실증플랜트 구축/운영 및 최적화를 통해 대용량 통합 플랜트 기본설계 패키지 개발을 위한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 이러한 기술개발의 일환으로 석유 코크스를 이용한 합성가스 생산 공정의 최적화 개발을 위한 사전연구로 1~2 톤/일급 파일롯 규모의 가스화시스템을 이용하여 석유 코크스 연료의 가스화 성능시험을 진행하였으며, 이를 통해 양질의 합성가스 생산을 위한 운전조건을 도출하였다.

소형 가스터빈의 연료개질에 따른 연소 효율 연구

신미수,박민정,김용주,장동순 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2017 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2017 No.-

전 세계적으로 에너지 소비가 급속하고 늘고 있는 추세이며, 화학연료를 이용한 전기 생산은 기후변화를 야기시키므로 새로운 형태의 친환경적인 발전 시스템의 개발이 매우 중요한 현안으로 떠오르고 있다. 전력수급의 많은 부분을 원자력과 화력발전에 의존하고 있는 우리나라의 경우 증가하는 전력 수요를 가스터빈을 이용한 복합발전이나 열병합 발전이 분담을 해야 하므로 가스터빈 관련 연구 개발은 매우 중요하다고 할 수 있다. 최근에는 분산발전에 대한 관심이 고조되면서 이에 적합한 동력원으로 고려되고 있는 마이크로 터빈 및 이에 대한 응용시스템 연구개발이 국내외에서 활발히 수행되고 있다. 마이크로 가스터빈은 중대형 가스터빈에 비해 개발기간이 짧고 개발비 규모가 작아 세계시장에서도 경쟁력있는 상품이 될수 있을 것으로 판단된다. 본 연구는 60KW 출력의 마이크로 가스터빈을 대상으로 메탄/수소, 메탄/산소-수소 혼합기체를 혼합한 연료에 대한 연소 특성 및 내부 열유동을 수치해석적 연구를 통하여 검토하였다. 수소 및 산소-수소 혼합연료의 체적분율을 변화시켜 변수연구를 수행하였다. 연구 결과를 살펴보면 연료 중 수소 및 산소/수소 기체의 체적분율을 높일수록 연소기 내부의 primary zone의 화염온도가 현저히 상승하며 연소기 내부의 고온영역이 넓게 분포되는 것을 볼 수 있다.이는 수소나 산소-수소 기체로 대체했을 때 수소의 빠른 연소속도에 의해 단시간에 화염온도의 상승을 이룰수 있고 수소의 강한 반응성과 높은 열확산성으로 인하여 순신간에 가스터빈 내부의 연료와 공기의 난류혼합을 활발하게 하여 가스터빈의 효율 향상에 일조한다는 것이다. 수소비율에 따라 가스터빈의 연소성능과 관련이 있는 primary zone의 평균온도, 출구의 평균온도, 출구에서의 온도의 편차비(pattern factor)와 같은 결과를 검토하여 의미있는 결과를 도출하였다. 향후 최적 운전을 위한 적절한 연료의 혼합비율은 가스터빈의 형상 및 규모 등 다양한 변수를 고려하여 도출하는 것이 필요할 것으로 판단된다.