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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 발행연도
- 2013
- 저작권
- 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수10
이 논문의 연구 히스토리 (6)
2013
2012
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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.
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
목 차요 약 ⅰ표 목 차 ⅲ그림목차 ⅳ1. 서 론 11.1. 연구 배경 11.2. 연구 동향 31.3. 연구 목적 42. 이론적 배경 62.1. 메탄 62.2. 수소 제조 기술 72.3. 지배방정식 162.4. 화학반응식 222.5. 전산유체역학 263. 실험장치 및 실험방법 283.1. 실험 장치 283.1.1. Control Box 283.1.2. 고온 개질기 293.2. 실험 방법 및 실험 조건 314. 전산해석 344.1. 시뮬레이션 절차 및 방법 344.2. 모델설정 354.3 격자 생성 384.4 경계 조건 455. 결과 및 고찰 485.1. 고온개질기에서 수증기 메탄 개질 반응 실험 결과 485.2. 고온개질기에서 수증기 메탄 개질 반응 시뮬레이션 결과 555.3. 개질기 디자인에 따른 시뮬레이션 비교 595.4 실험치와 시뮬레이션 결과 비교 746. 결 론 76참 고 문 헌 78Abstract 81감사의 글 83
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