Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.22
no.2
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pp.644-650
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2021
This study characterized the reforming of methane with carbon dioxide, which is a major cause of global warming. The methane decomposition reaction with carbon dioxide was carried out using transition metal catalysts. The reactivity of tin was lower than that of a transition metal, such as nickel and iron. Most of the decomposition reaction occurred in the solid state. The melting point of tin is 505.03 K. Tin reacts in a liquid phase at the reaction temperature and has the advantage of separating carbon produced by the decomposition of methane from the liquid tin catalyst. Therefore, deactivation due to the deposition of carbon in the liquid tin can be prevented. Methane decomposition with carbon dioxide produced carbon monoxide and hydrogen. Ni was used to promote the catalyst performance and enhance the activity of the catalyst and lifetime. In this study, catalysts were synthesized using the excess wet impregnation method. The effect of the reaction temperature, space velocity was measured to calculate the activity of catalysts, such as the activation energy and regeneration of catalysts. The carbon-deposited tin catalyst regeneration temperature was 1023 K. The reactivity was improved using a nickel co-catalyst and a water supply.
최근 실내 공기질(IAQ; indoor air quality)을 악화시키는 물질 중 하나인 이산화탄소 저감 연구가 다수 진행되고 있다. 현재 이산화탄소를 저감하는 방법에는 흡착법, 흡수법, 막분리법 등이 있다. 그 중 흡수법은 액체 상태의 흡수제를 분사하는 공정 특성상 실내에 적용하기 어렵고 2차 오염물 또는 폐수가 발생할 수 있다. 또한, 막분리법은 이산화탄소 분리를 위한 응집 및 침전과 같은 전처리 과정이 필요하므로 실내 이산화탄소 저감에 적합하지 않다. 반면, 흡착법은 비교적 저렴하고 운영이 간단하여 적용 사례가 증가하였으며, 유동 인구가 많고 환기가 어려운 지하철, 버스 등의 대중교통 차량 내부 및 교실, 사무실, 공공시설에서 배출되는 실내 이산화탄소를 제어할 수 있다는 장점이 있어 가장 적합한 해결책으로 알려져 있다. 흡착 공정에 사용되는 대표적인 흡착제 종류에는 활성탄, 제올라이트, 알루미나 등이 있으며, 이 흡착제들을 개질 및 성형하여 흡착제의 성능 및 기계적 강도를 증진시키는 고도화 연구가 활발히 수행되고 있다. 이처럼 적용 대상 내 설치 및 교체가 용이하도록 하는 흡착제 제조 기술 개발이 필요한 실정이며, 흡착제를 상용화 수준까지 발전시킴으로써 강화된 실내 공기질 규제 기준에 대한 대응 및 삶의 질 향상이 기대된다.
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.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2012.05a
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pp.414-415
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2012
Reforming catalyst of synthesis gas for GTL-FPSO process is presented in this paper. In the present study, the Ni foam catalyst was compared with the existing $Al_2O_3$ pellet catalyst. The SCR reaction on the catalyst was evaluated at the different temperature. The $CH_4$ conversions increased with the reactor temperature. Also, the Ni foam catalyst had a higher $CH_4$ conversion than a pellet catalyst.
In order to enhance the adsorption capacity of $CO_2$, a commercial zeolite and coal fly ash were chemically modified with alkali cations (Li, K) and alkaline-earth cations (Ca, Mg). Adsorbents containing Ca and Mg showed slightly lower surface areas. The adsorption capacity at the ambient temperature was highest with Ca, then in order of Mg, Li, and K. On the contrary, regeneration efficiency of the adsorbents with Ca and Mg was relatively low, because Ca and Mg cations had stronger affinity of carbon dioxide. The affinity between cations and $CO_2$ molecule also may improve the selectivity in favor of $CO_2$ adsorption.
Cha, Wang Seog;Lim, Byeong Jun;Kim, Jun Su;Lee, Sung Youn;Park, Tae Jun;Jang, Hyun Tae
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.22
no.4
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pp.17-24
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2021
The development of a new sorbent for carbon dioxide depends on several factors, such as fast adsorption/absorption velocity, hydrophobicity, and lower regeneration temperature than commercial sorbent. In this study, aminosilane grafted activated carbon was synthesized to capture CO2. Methyltrimethoxysilane (MTMS) and 3-aminopropyl-triethoxysilane (APTES) were used as the grafting precursor of the amine functional group. The APTES grafting activated carbon showed higher sorption property than MTMS used one. The characteristics of the separation mechanism of carbon dioxide were examined by measuring the adsorption capacity according to temperature and carbon dioxide partial pressure. The absorption capacity of carbon dioxide was similar to amine grafting activated carbon and activated carbon at 25℃, but amine-grafted activated carbon was higher at 75℃. The amine functional group-grafted activated carbon showed higher absorption capacity than activated carbon with a 1% carbon dioxide partial pressure. Aminosilane grafting of activated carbon was chemically absorbed but also showed the characteristics of physical adsorption. The reforming activated carbon with an amine functional group grafted solid absorption/adsorption sorbent would significantly impact the material engineering industry and carbon dioxide adsorption process. The functionalized sorbent is a high-performance composite material. The developed sorbent may have applications in other industrial processes of absorption/adsorption and separation.
For the $CO_2$ reforming of $CH_4$, Ni catalyst was supported on La-hexaaluminate or on $\gamma$-$Al_2O_3$. The catalytic activities of Ni/La-hexaaluminate catalysts were measured at $700^{\circ}C$ using gas chromatography (GC) for 72 h, and the reaction was maintained up to 72 hfor the investigation of catalyst deactivation. The surface of each catalyst after 72 h reaction was investigated using SEM and TEM, and the composition of the carbon deposits was investigated by using EA, TPO and TGA. Ni/La-hexaaluminate shows higher resistance to coke deposition than conventional Ni/$Al_2O_3$ which seems to be due to strong interaction between Ni and the support material. As a result of the reforming reaction, various types of carbon deposits were created on catalyst surface and the amounts of them were much smaller in the case of La-hexaaluminate than on $Al_2O_3$.
Nickel catalyst has been used for natural gas reforming with carbon dioxide, In this study, catalyst support used was HY zeolite. The optimum loading of Ni in the catalysts was 13 wt%. The effect of promoters, such as Mg, Mn, and K, was also studied. The addition of promoters to Ni catalyst improved the stability of catalysts and carbon deposition on Ni catalyst was suppressed. The reforming reactivity of promoter-added Ni catalyst was higher than that of Ni catalyst without any promoters. SEM, XRD, BET, TGA and FTIR tests were tried to characterize the catalyst structure before and after reaction.
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.28
no.3
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pp.323-328
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2006
The purpose of this paper was to investigate the reforming characteristics and optimum operating condition of the GlidArc-assisted $C_3H_8$ reforming reaction for the synthesis gas(SynGas) production without formation of carbon black from propane using GildArc plasma reforming. Also, in order to increase the hydrogen production and the propane conversion rate, 13 wt % nickel catalyst was filled into the catalytic reactor and parametric screening studies were conducted, in which there were the variations of vapor mole ratio$(H_2O/C_3H_8),\;CO_2$ mole ratio($CO_2/C_3H_8$), input power and injection flow rate. When the variations of vapor mole ratio, $CO_2$ mole ratio, input power and injection flow rate were 1.86, 0.48, 1.37 kW and 14 L/min, respectively, the conversion rate of the propane reached its most optimal condition, or 62.6%. Under the condition mentioned above, the dry basic concentrations of the SynGas were $H_2\;44.4%,\;CO\;18.2%,\;CH_4\;11.2%,\;C_2H_2\;2.0%,\;C_3H_6\;1.6%,\;C_2H_4\;0.6%\;and\;C_3H_4$ 0.4%. The conversion rate of carbon dioxide was 29.2% and the concentration ratio of hydrogen to carbon monoxide($H_2/CO$) in the SynGas was 2.4.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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