수증기 개질 반응기의 효율 향상을 위한 버너 구조 연구

성봉현(Sung, Bong-Hyun),한재찬(Han, Jae-Chan),신장식(Shin, Jang-Sik),이승영(Lee, Seung-Young),양혜경(Yang, Hye-Kyong),신석재(Shin, Seok-Jae),박종원(Park, Jong-Won),김두훈(Kim, Doo-Hoon) 한국신재생에너지학회 2007 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2007 No.06

가정용 연료전지 수소 공급용 연료변환 장치는 LNG, LPG를 이용하여 수소를 제조하는 수증기 개질과 제조된 합성가스의 정제공정으로 저온/고온 전이 반응 및 선택적 산화 반응을 포함하게 된다. 이중 전체 연료변환 장치 효율은 공정중의 유일한 흡열 반응인 수증기 개질 반응기 구조와 반응열 공급용 버너에 의해 결정된다. 반응열 공급용 버너의 형식, 구조 등의 변수를 통해 본 연구진에 의해 개발된 반응구조의 최적 열원 공급 방식을 산출하고자 하였다. 이를 위하여 본 연구에서는 원통형 개질 반응기에 적용 가능한 버너의 구조, 토출 각도, 토출구의 수 등의 버너 설계 변수가 버너의 성능의 미치는 영향에 대하여 연구하였다. 연구에 사용된 버너는 적용 연료의 혼합 특성을 증가시키기 위해 혼합공간을 충분히 유지 하였으며, 버너의 구조와 연소용 기체의 토출각 및 토출구의 위치 변화를 통한 불꽃의 형태를 변화 시켜 반응기 내의 온도 분포 특성을 비교 분석하였으며, 분석 결과에 의해 원통형 개질 반응기에서 최대 효율을 가지는 버너의 구조로부터 수증기 개질 반응을 평가하였다.

소규모 현장 생산 방식에 의한 수소 제조용 천연가스 수증기 개질기 개발

서동주(Seo, Dong Joo),서유택(Seo, Yutaek),서용석(Seo, Yong Seog),박상호(Park, Sang Ho),정진혁(Jeong, Jin Hyeok),윤왕래(Yoon, Wang Lai) 한국신재생에너지학회 2005 한국신재생에너지학회 학술대회논문집 Vol.2005 No.06

수소의 소규모 분산 생산 기술은 본격적 인 수소 인프라가 도입되기 전에 연료전지 자동차의 수소 충 전용이나 분산 발전형 연료전지의 수소 공급을 위해 필요하다. 생산 용량은 수소 기준으로 10~100 Nm³/hr 정도로 현재로선 천연가스의 수증기 개질법이 가장 경제적인 공정으로 알려져 있다. 소규모 생산에 따른 열효율 저하를 줄이 기 위해 단위 공정들이 통합된 컴팩트 개질 시스템의 개발이 필요하다. 핵심 기술인 컴팩트 리포머의 국산화 기술 확보를 위하여 20 Nm³/hr용량의 동심관형 리포머를 설계, 제작하였다. 내부구조는 제작의 단순화를 고려하여 중첩된 동심관이 배열되었고 압력 손실과 열웅력 발생을 억제하도록 유로를 배치하였다. 수증기개질 반응에 필요한 반응열은 리포머 본체에 부착된 버너를 이용하여 공급하였다. 성능 측정을 위한 부속 기기로 상온 흡착식 탈황기, 폐열 회수형 수증기 발생기, 반응물 예열을 위한 열교환기, 생성 가스 응축기를 설계 제작하여 전체 리포밍 시스템을 구성하였다. 반응 온도 680~720?C, 탄소 대 수중기 비(S/C ratio) 2.7~3.2 조건에서 수증기 개질 반응을 수행하였다. 해당 반응 조건에서 메탄 전환율 89% 이상, 저위 발열량 기준 개질 열효율 70% 이상을 달성하였고 개질 생성가스 내 수소의 최대 유량은 23.4Nm³/h였다. 개발된 리포밍 시스템은 고순도 수소 생산이 필요한 경우, 수소 수율 향상을 위한 고온 수성 가스 전화 반응기를 통합 가능하도록 열교환기 구성을 조정할 수 있으며 용융 탄산염 연료전지와 같이 고온형 연료전지의 경우 550?C 이상으로 개질 생성 가스를 공급하도록 구성할 수도 있다. 향후 리포머 본체의 개질 효율 향상 및 장치 소형화, 부속 기기의 최적화를 통한 전체 리포밍 시스템 개선, 스케일 업 설계를 위한 엔지니어링 설계 패키지 구성을 계획하고 있다.

염색슬러지 회분을 이용한 바이오매스 가스화 반응으로부터 생성된 타르의 수증기 개질 반응 Kinetic 연구

남성방,윤영식,박영수,구재회,성호진 한국폐기물자원순환학회 2013 한국폐기물자원순환학회 학술대회 Vol.2013 No.2

바이오매스 가스화 반응으로부터 생성되는 타르는 가스화 효율을 낮추고 배관폐쇄에 의한 가스화 시스템의 연속운전에 대한 저해 요소로 작용한다. 효율적으로 합성가스 내 타르를 제거하기 위한 방안으로, 촉매를 활용한 수증기 개질 반응이 주목되고 있다. 특히, 수증기 개질 반응을 거친 타르는 합성가스 내 CO와 H2로 분리되어 더 높은 바이오매스 가스화 효율을 얻을 수 있다. 최근 Iron-based 촉매는 타르 분해 반응에 대한 효과가 보고되고 있으며, 열적 안정성이 우수하다고 알려져 있다. 본 연구에서는 Fe 성분을 함유하고 있는 염색슬러지의 회분을 이용하여 대표적인 타르 성분으로 알려진 벤젠의 수증기 개질 반응 특성에 대하여 알아보았다. 또한 최종적으로 촉매 활성을 잘 표현하는 Kinetic을 개발하였다. 염색슬러지 회분을 활용한 타르의 수증기 개질 반응은 weight hour space velocity(WHSV) 및 반응 온도에 대하여 수행 되었다. 염색슬러지 회분을 이용한 모사타르인 벤젠의 최대 분해 효율은 900℃ 조건에서 약 40%로 분석되었다. 상용촉매에 비해 분해 효율은 낮지만 폐기물 유래 촉매로서 추가비용이 들지 않고 공급량이 충분하기 때문에 접촉시간을 충분히 유지한다면 분해 효율은 더욱 증가할 것으로 기대된다. Kinetic 반응의 Power law model를 통해 측정된 벤젠과 수증기의 반응 차수는 각각 0.43과 0이었으며, 활성화 에너지는 187.6 kJ mol-1로 측정되었다.

C-38 : 염색슬러지 회분을 이용한 바이오매스 가스화 반응으로부터 생성된 타르의 수증기 개질 반응 Kinetic 연구

남성방,윤영식,박영수,구재회,성호진 한국폐기물자원순환학회(구 한국폐기물학회) 2013 한국폐기물자원순환학회 추계학술발표논문집 Vol.2013 No.-

바이오매스 가스화 반응으로부터 생성되는 타르는 가스화 효율을 낮추고 배관폐쇄에 의한 가스화 시스템의 연속운전에 대한 저해 요소로 작용한다. 효율적으로 합성가스 내 타르를 제거하기 위한 방안으로, 촉매를 활용한 수증기 개질 반응이 주목되고 있다. 특히, 수증기 개질 반응을 거친 타르는 합성가스 내 CO와 H2로 분리되어 더 높은 바이오매스 가스화 효율을 얻을 수 있다. 최근 Iron-based 촉매는 타르 분해 반응에 대한 효과가 보고되고 있으며, 열적 안정성이 우수하다고 알려져 있다. 본 연구에서는 Fe 성분을 함유하고 있는 염색슬러지의 회분을 이용하여 대표적인 타르 성분으로 알려진 벤젠의 수증기 개질 반응 특성에 대하여 알아보았다. 또한 최종적으로 촉매 활성을 잘 표현하는 Kinetic을 개발하였다. 염색슬러지 회분을 활용한 타르의 수증기 개질 반응은 weight hour space velocity(WHSV) 및 반응 온도에 대하여 수행 되었다. 염색슬러지 회분을 이용한 모사타르인 벤젠의 최대 분해 효율은 900℃ 조건에서 약 40%로 분석되었다. 상용 촉매에 비해 분해 효율은 낮지만 폐기물 유래 촉매로서 추가비용이 들지 않고 공급량이 충분하기 때문에 접촉 시간을 충분히 유지한다면 분해 효율은 더욱 증가할 것으로 기대된다. Kinetic 반응의 Power law model를 통해 측정된 벤젠과 수증기의 반응 차수는 각각 0.43과 0이었으며, 활성화 에너지는 187.6 kJ mol-1로 측정되었다.

촉매연소를 이용한 동심 원관형 반응기 내의 수증기 개질 반응에 관한 실험적 연구

강태규(Tae Gyu Ghang),유상석(Sang Seok Yu),김용모(Yong Mo Kim),안국영(Kook Young Ahn) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集B Vol.34 No.4

촉매연소를 열원으로 하여 수증기 개질 반응을 수행하는 동심 2중관 원관형 반응기에서의 반응 및 열전달 특성을 제시하였다. 동심 2중관 반응기는 각각 연소 촉매와 개질 촉매가 장입된 충전층 반응기로 제작하였으며 개질 반응인 흡열 반응과 발열 반응인 연소 반응의 열적 거동을 실험적으로 연구하였다. 연소용 혼합 가스는 MCFC(용융탄산염 연료전지) 연료극에서 슬립(slip)되는 합성가스를 성분별로 용량에 맞게 공급 하였으며, 개질 반응에서는 적당한 수증기/탄소비를 고정하여 실험하였다. 이 연구를 토대로 수소 생산량이 최대가 되는 개질 측 반응 온도분포를 예측하기 위한 반 경험적 고찰을 수행하였고 이는 장차 이 연구에서와 같은 연소반응과 개질반응이 복합된 수소생산용 개질기에 대한 기본설계 지침을 제시할 수 있을 것이다. In this paper, the heat-transfer characteristics of steam reforming in an annular reactor are presented. Heat is supplied by the catalytic combustion of syn-gas. The thermal behaviors of exothermic and endothermic reactions in a directly coupled concentric-tube packed-bed reactor were investigated experimentally. The gas mixture supplied for catalytic combustion consisted of the off-gas emitted from MCFC anode. Methane in steam at a suitable S/C (steam-to-carbon) ratio was used in the reforming reactions. On the basis of the experimental results, a simple simulation was performed to predict the temperature profile required in the reforming side of the reactor to achieve optimum hydrogen yield. The results of this study may be utilized as reference data in future studies for further development of coupled reactors.

마이크로채널 메탄 수증기 개질 반응기의 열 및 물질 전달 특성에 관한 수치해석 연구

전승원(Seung Won Jeon),이규정(Kyu Jung Lee),조연화(Yeon Hwa Cho),문동주(Dong Ju Moon) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集B Vol.36 No.9

마이크로채널 메탄 수증기 개질 반응기의 열 및 물질 전달 특성을 이해하기 위한 수치해석 연구를 수행하였다. Rh-촉매의 메탄 수증기 개질 반응과 Pt-촉매의 메탄 연소 반응을 함께 모델링하였다. 화학 반응의 반응 속도를 해석 모델에 적용하였다. 접촉시간, 평행류·대향류 등 유동 패턴, 채널 크기 등이 개질 성능과 온도 분포에 미치는 영향을 관찰하였다. 평행류와 대향류는 서로 반대되는 온도 분포를 갖게 되고, 그로 인해 서로 다른 반응 속도와 화학종 몰분율을 나타낸다. 접촉시간이 짧아지고 채널 크기가 증가할수록 촉매층과 혼합물 유동 사이의 물질 전달이 제한되어 개질 성능은 감소하게 된다. A numerical study of a microchannel steam methane reforming reactor has been performed to understand the characteristics of heat and mass transfer. The integration of Rh-catalyzed steam methane reforming and Pt-catalyzed methane combustion has been simulated. The reaction rates for chemical reactions have been incorporated into the simulation. This study investigated the effect of contact time, flow pattern (parallel or counter), and channel size on the reforming performance and temperature distribution. The parallel and counter flow have opposite temperature distribution, and they show a different type of reaction rate and species mole fraction. As the contact time decreases and channel size increases, mass transfer between the catalyst layer and the flow is limited, and the reforming performance is decreased.

무인기용 연료전지 구동을 위한 간소화된 메탄올-과산화수소 산화수증기개질 개념검증

박병섭,권세진 한국항공우주학회 2014 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2014 No.11

수소공급원으로 널리 연구되는 기존 메탄올 개질이 가지는 시스템적 복잡성을 해결하기 위해 과산화수소 분해반응을 이용하여 간소화된 새로운 방식의 메탄올 개질 방식을 구현하였다. 본 연구에서는 과산화수소 분해반응을 통하여 개질에 필요한 산소, 수증기 그리고 열을 공급함으로써 기존 개질 방식에서 사용된 부수적 열원장치와 반응기들을 제거하였다. 과산화수소와 메탄올 개질에 모두 사용 가능한 백금촉매를 활용하여 단일 반응기 내에서 세 가지 70% 과산화수소/메탄올 혼합조건에 대한 산화수증기 개질을 수행하였다. 혼합조건들 가운데 3.036 혼합비율에서 메탄올 변환율, CO 농도 그리고 수소발생량에서 가장 우수한 성능을 보였다. 이를 통해 최적성능 혼합비를 예측하였으며, 향후 다양한 혼합비에서의 추가적 실험을 통해 정확한 최적성능 혼합비를 찾을 예정이다. The compact and portable reforming concept using the mixture of hydrogen peroxide and methanol was validated. The catalytic decomposition of hydrogen peroxide emits oxygen, water vapor and heat, which are elements for the oxidative steam reforming of methanol. Therefore, the reforming process was conducted without the additional equipment such as air pump, evaporators, external supplier etc. Pt/γ-Al₂O₃ was used for oxidative steam reforming of methanol-hydrogen peroxide (OSRMH) because Pt was simultaneously used for the decomposition of hydrogen peroxide and the methanol reforming. The mixture ratios of 70 wt% hydrogen peroxide to methanol were determined for parametric study. The best performance was indicated at mixture ratio of 3.306 for hydrogen yield rate, CO concentration and average conversion rate. As a result, an optimal mixture ratio was estimated.

5kW급 중온형 메탄-수증기 개질기의 운전 조건 변화에 따른 성능 특성

조경인(Kyungin Cho),윤진원(Jinwon Yun),유상석(Sangseok Yu) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集B Vol.42 No.4

수증기 개질법은 연료전지에 연료로 공급되는 수소를 고효율로 생산하는 기술이다. 개질 반응은 흡열 반응으로 고온의 열원을 공급해주기 위해 보통 연소기를 사용하지만, 최근 새롭게 개발되고 있는 연료전지-엔진 하이브리드 시스템에서는 연소기 대신 2차 동력발생 장치를 사용하여 추가적인 전기에너지를 생산하고 남은 폐열을 개질에 활용하고 있다. 그러므로 개질기에 공급해줄 수 있는 열원이 현저히 줄어들기 때문에 중온의 열원으로 운전 가능한 열전달 촉진형 개질 기술의 개발이 필요하다. 이를 위해 본 연구에서는 중온형 메탄-수증기 개질기의 특성 평가 장치를 구축하고, 중온의 열원 하에서 운전과 설계에 필요한 각종 변수들에 따라 개질 특성이 어떻게 영향을 받는지에 대하여 조사하였다. 결론적으로 고온 운전과 달리 중온에서는 열전달에 영향을 주는 변수들이 개질에 더 큰 영향을 준다는 결과를 얻었다. Steam reforming is a technology that efficiently produces hydrogen for a fuel cell. Because the reforming reaction is endothermic, a conventional burner is used in a normal fuel cell system to supply the high temperature heat source. However, the solid oxide fuel cell-homogeneous charge compression ignition hybrid system that uses a secondary power generation device provides limited heat. Thus, the thermal activation of the reformer remains different from the high-temperature steam reformer. Because the heat source of the reformer decreases remarkably, it is necessary to investigate the performance of reforming reactions that can operate with a mid-temperature heat source. A performance evaluation system of the methane-steam reformer is constructed, and experimental analysis is carried-out using various parameters with a mid-temperature heat source. As a result, the refined heat transfer mechanism becomes crucial to operate the steam reformer at mid-temperatures.

Ni/Ru-X/Al₂O₃ (X=K or Mn) 촉매를 이용한 바이오매스 가스화 타르의 수증기개질

오건웅(Gunung Oh),박서윤(Seo Yoon Park),이재구(Jae-Goo Lee),김용구(Yong Ku Kim),라호원(Ho Won Ra),서명원(Myung Won Seo),윤상준(Sang Jun Yoon) 한국청정기술학회 2016 청정기술 Vol.22 No.1

니켈 촉매 상에서 에탄으로부터 수소생산을 위한 반응기 사이징

성민준(Minjun Seong),이경은(Kyungeun Lee),조정호(Jung-Ho Cho),이영철(Young-Chul Lee),전종기(Jong-Ki Jeon) 한국청정기술학회 2013 청정기술 Vol.19 No.1