• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2008.05a
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• pp.361-363
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• 2008

탄소 개질반응은 $1200^{\circ}C$(도1) 이상에서 모든 탄화물질과 수분 또는 $CO_2$ 사이에서 흡열/환원반응이 일어나서 합성가스를 생성한다. 개질반응로는 산화반응로와 연결되어, 수소가스와 CO 가스의 혼합인,합성가스가 산화반응로 내에서 산소가스와 연소하여 열과 $H_2O+CO_2$를 생성하여 환원 반응로 내로 유입되어, 환원 반응로를 $1200^{\circ}C$ 이상으로 유지하고, $H_2O$와 $CO_2$는 석탄 속의 모든 탄소를 CO로 개질한다(도2). 동시에 수소가스가 생성되어 합성가스를 생성하게 된다. 석탄 속의 비탄소 물질인 슬래그(Slag)는 개질로 내에 남게 되는데, 개질로를 슬래그 융점(non-fluid point) 이하에서 고체상태로 포집함으로서 Fly-ash로 처리된다. 개질로 내의 온도를 $1200{\sim}1300^{\circ}C$(석탄 슬래그 융점)로 유지함으로서 개질반응이 지속되어 합성가스가 생성된다. IGCC 시스템에서는 합성가스를 가스터빈 속에서 $O_2E가스와 연소하여 고온의 가스를 생성하여 터빈을 가동해 발전을 하고 배출가스를 $1500{\sim}1700^{\circ}C$에서 배출한다. 재래식 IGCC(도4)에서는 ${\sim}1500^{\circ}C$의 배출가스를 열교환 시스템에 의해 증기를 생성하여 Steam turbine(증기터빈)을 가동하여 추가 전력을 생산했다. 그러나 본 시스템에서는 배출가스(증기와 $CO_2E 가스)를 위의 개질로에 유입하여 개질로 온도를 $1200{\sim}1300^{\circ}C$로 유지함으로서 더 많은 합성가스를 생성 하게 된다(도3). 이렇게 하여 Oxidation-reduction cycle을 형성하게 된다. 새로운 IGCC 시스템에서 가스 터빈의 배출가스가 석탄 개질로에 연결되고 석탄개질로의 합성가스 출구가 가스터빈의 가스 입구에 연결됨으로서,외부에너지 주입 없이 지속 가능한 가스화 반응과 터빈 사이클(Cycle)을 완성하여 IGCC 시스템의 석탄 열효율을 1단계 상승시켰다. 이렇게 설계된 석탄가스화기는 Lurgi형 석탄가스화 기와 달리 석탄개질반응의 효율을 높일 수 있고, 슬래그 처리가 간단하기 때문에 석탄가스화기가 소형화 될 수 있으며 슬래그(Slag)용융에 따른 석탄가스화기의 외벽손상을 피할 수 있다.

• Journal of Energy Engineering
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• v.8 no.1
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• pp.34-47
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• 1999

본 연구에서는 촉매상에서 메탄의 산화시 발생되는 반응열을 이용하고 반응생성물과 미반응 메탄과의 개질반응에 의해 합성가스의 수율을 증대시키기 위하여 연소촉매와 개질촉매를 연속적으로 배치한 hybrid 촉매상에서 개질촉매에 따른 메탄의 부분산화반응의 반응 특성과 합성가스 수율에 미치는 영향을 관찰하였다. 메탄의 산화를 위해서 Pt-Rh/cordierite 촉매를 사용하였으며, 개질촉매로는 상업용 개질촉매인 R67, ICI46-1, 수성가스 전환반응촉매인 LX821 촉매와 6 wt% Ni/cordierite 촉매를 사용하였다. 실험결과 연소촉매와 개질촉매를 연속적으로 사용한 경우 메탄의 산화 과정에서 생성된 CO2 및 H2O가 미반응 메탄과의 개질반응 촉진으로 인하여 합성가스이 수율이 증가됨을 확인할 수 있었다. 이때 생성되는 합성가스의 H2/CO 몰비는 온도에 따라 감소하는 것으로 나타났으며, 80$0^{\circ}C$에서 촉매에 따라 2.2~2.8의 값을 가짐을 알 수 있었다. 개질촉매로 R67 및 Ni/cordierite 촉매를 사용하였을 경우 가장 높은 합성가스의 수율을 얻을 수 있었으며, 연소촉매와 개질촉매의 질량비는 1:1~1:2에서 가장 높은 수율의 합성가스를 얻을 수 있었다. 메탄과 산소의 몰비가 2:2에서 메탄의 전환율과 수소 수율이 가장 높게 나타났으며 메탄의 몰비 증가에 따라 감소되는 경향을 보였다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2011.11a
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• pp.138-138
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• 2011

GTL(Gas to Liquid) 합성유 생산 공정은 크게 합성가스 개질공정(reformer), FT 반응공정, upgrading 공정으로 구성된다. 본 연구에서는 FT 반응기에 유입되는 합성가스의 생산공정인 개질공정 최적화 시뮬레이션을 수행하였다. 기존에 HYSYS 공정 모사 tool로 구현한 개질공정 모델에 dynamic simulation을 적용하여 공정 운전 시간 변화에 따른 온도/압력/조성의 일정범위 별 생산 가스의 성분비를 모사하고자 한다. Dynamic 공정 시뮬레이션은 모사 대상 공정의 운전 시간 별 결과값 변화를 산출할 수 있는 방법으로 기존 정상상태(steady-state) 시뮬레이션에 비해 현실 공정의 운전 변수를 보다 더 정확하게 반영할 수 있는 장점이 있다. 본 시뮬레이션은 1bpd급 GTL 파일럿 플랜트의 설계 자료를 근거로 수행되었으며, 향후 운전 데이터를 feedback하여 최적의 운전 매뉴얼 도출자료로 활용코자 한다. 아울러, 다음의 시간 변화별 모사 결과 데이터들을 산출하고 공정의 최적운전 조건을 분석하고자 한다. - 시간에 따른 공정의 온도/압력 변화, 이에 연동되는 반응기 출구의 1) $H_2$/CO 비율, 2) $CH_4$ conversion, 3) $CO_2$ conversion 본 연구의 결과 데이터를 1bpd급 GTL 플랜트 내 합성가스 개질공정의 운전조건 최적화에 적용코자 하며, 이는 개질반응기의 안정적인 연속운전을 통한 GTL 통합공정의 운전 효율향상에 기여 가능하리라 기대된다. 향후 개질공정의 후단공정인 FT 합성공정 시뮬레이션 과업과 연계하여 GTL 통합공정 시뮬레이션 및 최적화에 따른 실증 규모의 스케일업 기반 데이터를 마련할 수 있을 것이다.

• 한국가스학회:학술대회논문집
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• 2007.04a
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• pp.33-36
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• 2007

합성가스는 C1화학을 시작하는 반응원료 물질로 최근 DME(dimethyl-ether), 메탄올, GTL(gas to liquid), CTL(coal to liquid), 암모니아 생성 공정 등 많은 화학공정에 사용되고 있다. 합성가스를 생산하는 방법은 천연가스 개질반응과 석탄의 가스화반응, 그리고 원유의 정제 등을 통해 얻을 수 있다. 삼중개질반응은 천연가스와 산소, 수증기, 이산화탄소를 원료로 $1000^{\circ}C$ 이상의 고온에서 반응시켜 합성가스를 생산하며, 균일반응계와 불균일반응계로 이루어져 있다. 균일반응계에서는 천연가스와 산소가 주로 반응하며, 원료로 투입된 대부분의 산소는 균일반응계에서 소모되어 일산화탄소와 이산화탄소를 생성한다. 삼중개질반응의 균일반응계에서는 산소와 천연가스와의 반응으로 많은 발열이 발생하여 전체 반응계의 온도를 유지할 수 있도록 해준다. 본 연구에서는 산소로 인한 삼중개질반응의 온도 조절과 균일반응계의 온도 분포를 위치에 따라 관찰해 보았으며, 실험과 모사를 통해 비교해 보았다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2008.05a
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• pp.243-246
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• 2008

목질계 바이오매스 가스화 발전에 있어서는 가스화 가스중에 함유되어있는 타르를 가능한 한 가연성 가스로 전환하여 냉가스효율을 향상시키는 것 및 잔유하는 타르는 후단기기에 악영향을 초래할 우려가 있기 때문에 타르를 저감 제거하는 것이 바람직하다. 본 연구에서는 공기 수증기를 사용하여 타르개질 프로세스의 개선을 위해서 타르에서 가스성분으로의 전환에 관한 개질 실험을 실시하여 Wood chip 타르의 열분해 개질 생성물 거동에 대하여 검토하였다. Wood chip 열분해로 생성된 타르의 원소분석 및 $^1H$ NMR분석의 결과로 타르를 치환기를 가지지 않는 방향족, alkyl-기를 가지는 방향족, 산소 함유 방향족, 지방족의 4개로 분류하였다. 개질제에 의해 경질 타르, 중질 타르 모두 감소하였다. 개질 공기는 타르를 연소시키지만 그 속도는 가연성 가스와 경합하고 $900^{\circ}C$에서는 타르의 연소는 나타나지 않았다. alkyl-기를 가지는 방향족은 메탄과 치환기를 가지지 않는 방향족으로 전환되고, 치환기를 가지지 않는 방향족은 수소와 soot로 전환되고, 산소 함유 방향족은 일산화탄소와 치환기를 가지지 않는 방향족으로 전환되는 것을 알았다. 또한, 개질제에 의해alkyl-기를 가지는 방향족, 치환기를 가지지 않는 방향족, 산소 함유방향족 모두가 일산화탄소,이산화탄소로 전환되는 것을 알았다.

• Proceedings of the Korean Vacuum Society Conference
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• 2013.08a
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• pp.71.1-71.1
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• 2013

메탄가스와 이산화탄소는 지구온난화 가스이기 때문에 배출규제가 점차 강화될 것으로 전망되고 있다. 또한 이들 가스는 매립지 또는 바이오 공정을 통해 발생되는 가스이기 때문에 단순히 배출을 억제하는 데 그치지 않고 보다 적극적으로 활용해야할 필요성이 있다. 현재 메탄과 이산화탄소를 동시에 활용하는 기술로는 촉매공정을 통해 메탄과 이산화탄소를 수소와 일산화탄소로 전환하는 방법이 대표적이나, 본 공정은 $800{\sim}900^{\circ}C$의 고온조건을 필요로 하고 고압조건에서 다량으로 생성되는 탄소에 의한 촉매 활성도의 저하문제로 인해 해당 기술의 실제 보급에 어려움이 있는 것으로 알려져 있다. 한편, 플라즈마를 활용한 메탄가스 개질(reforming) 기술은 고온 플라즈마인 경우 60~70년 전부터 상용화 사례가 있으며, 저온 플라즈마의 경우는 약 10여 년 전부터 개질반응의 공정온도를 낮추려는 연구를 중심으로 기초연구가 수행되어왔다. 이들 플라즈마를 활용한 메탄개질 기술은 메탄의 직접분해, 부분산화, 수증기 개질 및 건식개질 등으로 분류되는 데, 최근 지구온난화가스인 이산화탄소의 처리에 대한 관심이 높아지면서 이산화탄소를 활용하는 건식개질 기술에 대한 관심이 높아지고 있는 상황이다. 현재 플라즈마 건식개질기술에서 주된 이슈는 높은 전력비용이고, 이를 낮추기 위해 촉매를 활용하거나 플라즈마 발생을 최적화하려는 연구가 진행되고 있다. 본 발표에서는 플라즈마를 활용한 건식개질 기술의 장단점, 실용화 가능성 및 향후의 과제를 다루고 있으며, 이를 위해 기계연구원에서의 연구결과 및 국내외 연구실의 결과를 살펴보았다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.11a
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• pp.113.1-113.1
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• 2010

본 연구에서는 중 소형 SOFC에 적용할 수 있는 연료 변환 시스템으로 자체 기동 및 독립운전이 가능한 천연가스 자열개질(ATR) 반응기를 $10Nm^3/hr$급으로 개발하고자한다. 설계된 천연가스 자열개질기는 자열개질 촉매를 코팅한 금속 모노리스형 촉매체를 반응기 내에 장착함으로써 반응열을 신속하게 제거 또는 공급할 수 있는 시스템으로 구성되었다. 이는 금속 모노리스의 뛰어난 열전도 능력에 의해 반응기 내의 촉매층 전체 온도 분포를 균일하게 유지할 수 있는 저에너지형 자열개질 반응기이다. 또한 빠른 기동 특성을 실현하기 위하여 전기 발열식 촉매체(EHC ; Electically Heated Catalyst)를 장착한 start-up 시스템을 적용하여 천연가스 자열개질 반응기의 신속한 기동과 장치 간편화를 실현하였으며, 합성 syngas의 배열 회수를 위한 최적 열교환 시스템을 설계/적용함으로써 에너지 효율 향상을 도모하였다. 이와 같은 촉매 및 구조 시스템을 가지는 천연가스 자열개질 반응용 소형 연료변환 시스템을 원통형의 이중관 구조로 구성하고, 독립운전 모드로 개발함으로써 소형 SOFC의 연료 변환장치의 적용에 용이하게 하고자 한다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.11a
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• pp.86.1-86.1
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• 2010

예비개질기(Pre-reformer)는 중대형 내부개질형 용융탄산염 연료전지(MCFC) 시스템에서 다양한 연료를 사용하기 위한 필수적인 화학반응기이다. 예비개질기는 스택 전단에 설치함으로서 스택 내부의 열균형을 유지하고, 다양한 원료를 연료로 이용할 수 있도록 하며, 황화물로부터 후단의 개질촉매 및 전극촉매를 보호하여 주개질 반응의 부담을 감소시켜 MCFC 시스템의 내구성 향상의 중요한 역할을 한다. 본 연구는 예비개질 반응기 설계에 CFD 모델링을 적용하기에 앞서 파일롯 반응기 내 농도/ 온도 구배를 측정하고자 하는 목적으로 수행되었다. 반응가스로는 천연가스 내 고차탄화수소(C2 이상) 중 상대적으로 높은 농도를 가진 에탄을 이용하였고, MCFC용 예비개질기의 운전특성을 고려하여 비교적 낮은 온도와 높은 수증기/탄소 비에서 단열반응기로 실험을 진행하였다. 향후 본 실험결과를 이용하여 CFD 모델링에 대한 검증을 수행할 예정이며, 하수처리장부생가스(ADG)/ 매립지 가스(LFG)용 MCFC 시스템을 위한 예비개질기 설계에도 적용을 하고자 한다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2010.06a
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• pp.224.2-224.2
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• 2010

연료개질기는 연료전지 시스템의 핵심 구성요소 중의 하나로 도시가스로부터 수소를 생산하는 역할을 담당한다. 연료개질기는 주로 탈황, 수증기 개질, 수성가스 전이, 선택적 산화 반응의 4단계로 구성되어 있으며 이 중 상온 탈황부분을 제외한 나머지 부분은 일체화 설계를 통해 제작된다. 탈황의 경우 도시가스에 포함된 부취제인 황화합물를 제거하여 후단에 위치한 촉매층이 황에 의해 피독되는 것을 막는 역할을 하며 주로 상온흡착식 탈황제를 사용한다. 황이 제거된 도시가스는 물과 함께 연료개질기로 도입되어 수증기 개질반응을 통하여 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 및 소량의 메탄과 미반응 수증기로 구성된 개질가스로 전환된다. 이후의 수성가스 전이반응에서는 일산화탄소가 물과 반응하여 수소 생산량을 늘리며 동시에 일산화탄소의 농도를 낮추게 된다. 또한 고분자 전해질 연료전지에 공급되는 개질가스는 선택적 산화반응을 통하여 일산화탄소의 농도를 10ppm이하로 유지하게 된다. 이러한 기능의 연료개질기 개발의 주요 이슈로는 컴팩트화 및 고효율화이며 이 두가지 요소를 고려하여 연료개질기를 설계하여야 한다. 연료전지 시스템의 전체부피를 줄이기 위한 노력의 일환으로 연료개질기의 컴팩트화가 요구되는데 가정용 연료전지 기술 선진국인 일본 제품의 경우 $1Nm^3/h$급 연료개질기의 부피는 20L정도로 알려져 있다. 또한 연료전지 시스템의 효율은 연료개질기의 개질효율과 연료전지 스택의 발전효율의 곱으로 계산되기 때문에 연료개질기의 연료개질 효율은 전체 시스템의 효율에 직접적으로 영향을 미치게 된다. 한국에너지기술연구원에서는 수소생산량 기준 $1Nm^3/h$급 연료개질기의 개발을 완료하였으며 크기 및 효율면에서 선진국 제품과 비교하여 동등 또는 우위의 수준을 달성하였다. 연료개질기 내부의 혼합 및 분배 구조를 개선하고 각 촉매층의 최적 배치를 통해 연료개질기의 부피를 최소화 하였으며 연료개질기 내부에서 고온부위와 저온부위 사이의 최적 열교환을 통해 열효율을 극대화 시켰다. 현재 개발된 $1Nm^3/h$급 개질기의 단열 후 부피는 13.5L 그리고 단독운전 시 열효율은 80%(LHV)로 측정되었다. 또한 $1Nm^3/h$급의 연료개질기의 스케일-업 설계를 통하여 수소생산량 3, $5Nm^3/h$ 규모의 연료개질기를 개발하였으며 성능평가가 진행 중이다.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 2005.06a
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• pp.264-267
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• 2005

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 $10\~100 Nm^3/hr$ 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 $20 Nm^3/hr$용량의 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 $680\~720^{\circ}C$, 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 $23.4Nm^3/h$였다. 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 $550^{\circ}C$ 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.