이중관형 연속 반응기에서 수증기-메탄 개질반응의 실험 및 CFD 시뮬레이션 = A Comparison with CFD Simulation and Experiment for Steam-methane Reforming Reaction in Double pipe Continuous Reactor

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This thesis studies the heat distribution and internal flow from the efficiency of actual reformer and specification variation, using the computer simulation and experiment about the steam methane reforming reaction which uses the high temperature reformer. Reaction model from steam refoemer uses the steam response model developed by Xu & Froment.As result we supposed the chemical react Steam Reforming(SR), Water Gas Shift(WGS), and Direct Steam Reforming(DSR) from the inner high temperature reformer dominates the response has dissimilar response.We installed combustor materializing CH4+Air to provide heat since steam reforming reaction requires a heat resource of the outside using strong endothermic reaction. Substantially, we used insulation filler in this examination to minimize loosing heat from the outside, and supposed the surface of reformer is completely insulated from outside, also supposed it has no loss of heat from the outside in this simulation. We processed in same boundary condition to prove result of analysis, and it consequently showed similar gas ingredient of reformer between the simulation and the exam.We processed using a design change in this simulation, since the result of the examination and the simulation respond unlikely.
According to result of steam methane reforming reaction exam using high temperature reformer, we figured out when Steam Carbon Ratio(SCR) increase, number of hydrogen yield increases but methane decreases. However, the more number of examining became decreasing small margin of hydrogen yield because inside of reformer that consist of nickel has carbon pigmentation as progressing the exam. To resolve this problem, dropping temperature down slowly will be able to delay carbon pigmentation than dropping rapidly, immediately after using inactivity gas to cleaning inner part and examining.
When comparing and examining between design with one inlet and two inlet, result came out one inlet design is more outstanding at thermal distribution and internal flow, hydrogen yield in one inlet design than two inlet design. The reformer which contains two inlet response less inner velocity of flow and liquidity of linier, since it reacts less, and the two reformer's surface presents higher temperature, since its endothermic reaction present lesser than the reformer which has one inlet. It showed that the reformer has one inlet reacts mostly top section of the reformer, and it does not reacts from the lower section. It proved to anticipate the respond completed quick. And, we expected it would be more effective hydrogen yield when we increase rate of discharge methane and vapor till the react goes the lower section.
This research shows operating condition of hydrogen methane reforming reaction of high temperature reformer. the reformer has one inlet performs the most effective when its temperature of the wall is 1100℃, Steam Carbon Ratio(SCR) 3.

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 고온개질기를 이용한 수증기 메탄 개질반응에 대해 실험 및 전산해석 기법을 이용하여 실제 개질기의 효율 및 개질기의 형상의 변화에 따른 열 분포 및 내부 유동에 대해서 연구하였다. 수증기 개질에 대한 반응모델은 Xu & Froment에 의해 개발된 수증기 반응 모델을 사용하였고, 그 결과로 고온개질기 내에서 일어나는 화학반응은 Steam Reforming(SR), Water Gas Shift(WGS), Direct Steam Reforming(DSR) 반응이 다른 반응을 지배한다고 가정하였다. 수증기 개질반응은 강한 흡열반응으로 외부의 열원이 필요하므로 외부에 CH4+Air 를 원료로 하는 연소기를 설치해 열을 공급하였다. 실제 실험에서는 보온 충진제를 사용하여 외부로부터의 열 손실을 최소화 하였으며, 시뮬레이션 상으로는 개질기 벽면은 외부와 완전히 단열되었다고 가정을 하고, 외부와의 열 손실 또한 없다고 가정하였다. 해석결과를 검증하기 위해서 실제 실험 결과와 동일한 경계조건 하에 시뮬레이션을 진행하였고, 그 결과, 시뮬레이션과 실험간 개질기 가스 성분 조성이 유사하게 나타남을 확인하였다. 실험 결과와 시뮬레이션 결과에서 경향성이 유사하므로 같은 해석을 사용하여 반응기 디자인에 변화를 준 시뮬레이션을 진행하였다
고온개질기를 이용한 수증기 메탄 개질반응 실험 결과로는 Steam Carbon Ratio(SCR)이 증가함에 따라 수소 수득율 또한 증가하고 일산화탄소와 메탄은 감소하는것을 알 수 있었다. 하지만 실험의 횟수가 늘어날수록 수소 수득율이 소폭 감소 하였는데 이는 실험이 진행될수록 니켈을 주 원료로 한 개질기 내부 인코넬에 탄소 침착이 일어났기 때문이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 불활성 가스를 이용한 내부 세척 및 실험 직후 급격하게 온도를 내리지 않고 천천히 내림으로서 탄소 침착을 지연시킬 수 있다.
입구가 한 개인 디자인과 두 개인 디자인을 비교, 분석하였을 때 입구가 두 개인 개질기보다 입구가 한 개인 개질기에서 열 분포 및 내부유동, 수소 수득율이 우수하다는 결과를 얻게 되었다. 입구가 두 개인 개질기에서는 반응이 적게 일어나 내부 유속이 적고 직선적인 유동을 보이며, 흡열 반응이 주 반응인 화학 반응이 적게 일어나 입구가 한 개인 개질기보다 표면 온도는 높게 나타났다. 입구가 한 개인 개질기에서는 개질기 상단부에서 주로 개질반응이 일어나며 하단부로 갈수록 반응이 일어나지 않음을 확인할 수 있었다. 이는 유량이 적어 반응이 일찍 완료 되었다고 예측할 수 있다. 메탄 및 수증기의 유량을 증가시키면 반응기 하단부에서 까지 반응이 일어나 효율적인 수소 수득율을 보일 것으로 예상된다.
본 연구 결과로 고온개질기의 수증기 메탄 개질 반응의 운전조건은 한 개의 입구를 갖는 원통형의 개질기에 벽 온도는 1100℃, Steam Carbon Ratio(SCR) 3 일때 가장 우수한 효율를 보였다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 요 약 ⅰ
• 표 목 차 ⅲ
• 그림목차 ⅳ
• 1. 서 론 1
• 1.1. 연구 배경 1
• 1.2. 연구 동향 3
• 1.3. 연구 목적 4
• 2. 이론적 배경 6
• 2.1. 메탄 6
• 2.2. 수소 제조 기술 7
• 2.3. 지배방정식 16
• 2.4. 화학반응식 22
• 2.5. 전산유체역학 26
• 3. 실험장치 및 실험방법 28
• 3.1. 실험 장치 28
• 3.1.1. Control Box 28
• 3.1.2. 고온 개질기 29
• 3.2. 실험 방법 및 실험 조건 31
• 4. 전산해석 34
• 4.1. 시뮬레이션 절차 및 방법 34
• 4.2. 모델설정 35
• 4.3 격자 생성 38
• 4.4 경계 조건 45
• 5. 결과 및 고찰 48
• 5.1. 고온개질기에서 수증기 메탄 개질 반응 실험 결과 48
• 5.2. 고온개질기에서 수증기 메탄 개질 반응 시뮬레이션 결과 55
• 5.3. 개질기 디자인에 따른 시뮬레이션 비교 59
• 5.4 실험치와 시뮬레이션 결과 비교 74
• 6. 결 론 76
• 참 고 문 헌 78
• Abstract 81
• 감사의 글 83