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시멘트 산업의 공정열 및 CO<sub>2</sub>를 활용한 수소 생산 단위 공정의 경제성 평가
장종탁,최정호,조원희,임성선,윤성희,전일수,남성찬,윤여일 한국공업화학회 2020 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2020 No.-
혼합개질은 메탄의 수증기 개질(steam reforming of methane, SRM)과 이산화탄소 개질(dry reforming of methane, DRM)을 혼합한 반응으로써, 대량의 이산화탄소를 감축할 수 있는 유망한 이산화탄소 전환 기술 중 하나이다. 이 혼합개질과 고효율 수소 분리막을 연계하면, 혼합개질에서 생산된 합성가스를 수소 분리막을 통해 고순도 수소와 F-T 합성유의 원료인 합성가스 (H<sub>2</sub>/CO=2)로 동시 분리가 가능하다. 그뿐만 아니라 고온의 개질 반응에 필요한 높은 에너지 소비량을 시멘트 산업의 로터리 킬른 공정열로 일부 대체하여 경제성까지 확보할 수 있다. 본 연구에서는 혼합개질/공정열/분리막을 연계한 수소 생산 통합 시스템을 제안하였으며, 이를 기존 상용화된 SRM과 비교하여 경제적 타당성을 평가하였다. 기술 경제성 평가를 위해 두 공정의 물질 및 에너지 수지를 계산하여 PFD를 구축하였고, 결과를 바탕으로 공정 모사를 수행하여 장치 종류 및 크기를 추산하였다. 본 연구에서 제안한 수소 생산 단위 공정의 초기 투자비 및 총 생산비 산출과 더불어 민감도 분석을 통해 해당 공정의 경제성에 가장 큰 영향을 미치는 불확실성 인자를 파악하였다.
시멘트 산업의 로터리 킬른을 활용한 혼합개질로부터 합성가스 생산
장종탁,윤성희,최정호,조원희,정진영,전일수,임성선,윤여일 한국공업화학회 2019 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2019 No.1
대량의 수소 및 합성가스 생산을 위한 대표적 개질 공정은 수증기 개질(steam reforming of methane, SRM)과 이산화탄소 개질(dry reforming of methane, DRM)이 있다. 현재 상용화되어 있는 SRM은 고농도의 수소 제조가 가능하고 효율이 높지만, 반응 온도 및 압력이 높다 (>800도, 20 기압). 반면 DRM은 온실가스인 이산화탄소를 전환할 수 있는 장점이 있지만, SRM보다 에너지 소비량이 더 높고 과량의 탄소 침적이 발생하는 큰 단점이 있다. 본 연구에서는 개질 반응의 단점인 높은 에너지 소비량과 탄소 침적 문제를 극복하기 위해 1) 최근 탄소 감축 할당량 문제로 클링커 생산을 줄이고 있는 시멘트 산업의 유휴 로터리 킬른(1240도 제공)을 촉매 반응기로 제안하여 2) SRM과 DRM을 혼합한 혼합개질(combined steam and dry reforming of methane, CSDRM) 반응을 로터리 킬른에 적용하고자 한다. 회전형 킬른 반응기에 모노리스형 촉매를 사용하면, 열 및 물질 전달이 향상되어 탄소 침적을 억제할 수 있으며, 미량의 탄소가 침적되더라도 회전에 따른 원심력과 중력에 의해 물리적으로 제거되어 촉매의 활성저하 없이 대량의 합성가스 생산을 기대할 수 있다.
합성가스 및 수소의 동시 분리를 위한 혼합개질 반응의 열역학적 평형 분석 연구
장종탁,최정호,윤성희,조원희,정진영,전일수,임성선,윤여일 한국공업화학회 2019 한국공업화학회 연구논문 초록집 Vol.2019 No.1
메탄의 수증기 개질과 이산화탄소 개질을 혼합한 혼합개질(combined steam and dry reforming of methane, CSDRM) 반응은 온실가스인 이산화탄소를 감축할 수 있는 유망한 CCU(carbon capture and utilization) 기술 중 하나이다. 혼합개질에서 생성된 합성가스(H<sub>2</sub> + CO)는 사용하는 촉매, 반응 조건에 따라 다양한 비로 생성되지만, 주로 침적 탄소 억제와 동시에 이론적 합성가스 비(H<sub>2</sub>/CO = 2)를 갖도록 촉매의 생성가스 선택도 연구에 치중되어 있다. 본 연구에서는 혼합개질과 고효율 수소 분리막을 연계한 합성가스 및 수소 생산 통합 시스템을 제안하고자 한다. 혼합개질에서 과량의 수소가 포함된 합성가스 (H<sub>2</sub>/CO > 2)를 생산하고, 이어서 수소 분리막을 거쳐 일부 수소(순도 99.0% 이상)를 분리하면, 원하는 합성가스 비로 조절이 가능하다. 이를 위해 공급가스 비((CO<sub>2</sub> + H<sub>2</sub>O)/CH<sub>4</sub>, CO<sub>2</sub>/H<sub>2</sub>O)와 반응 온도에 따른 합성가스 비, 전환율, 생성가스 수율, 침적 탄소 등의 혼합개질 특성을 열역학적 평형 분석으로 조사하였으며, 실제 실험 결과와 대조하여 검증하였다.
고온 태양열 열화학사이클을 이용한 합성가스 및 수소생산
장종탁(Jang,Jong-Tak),한영규(Han Young-Kyu),윤기준(Yoon Ki-June),한귀영(Han Gui-Young) 한국태양에너지학회 2010 한국태양에너지학회 학술대회논문집 Vol.2010 No.11
금속산화물을 이용한 2단계 산화/환원 반응은 GTL, CTL 의 반응원료인 합성가스 및 수소 생산 기술이다. 이 기술은 메탄을 환원제로 사용함으로써 비교적 저온에서 산화/환원 반응을 할 수 있는 장점이 있다. 하지만 반복 사이클의 시연에서 금속산화물의 소결현상으로 인한 활성저하가 이 기술의 문제점 중의 하나이다. 본 연구에서는 2.5 ㎾ Xenon arc lamp 가 설치된 solar simulator 와 inconel 로 제작된 반응기를 사용 하였으며, 기존 논문에 보고되었던 WO₃ 와 우수한 활성이 기대되는 CeO₂ 를 이용하여 반응특성을 알아보았다. 또한, 금속산화물의 소결현상을 억제하기 위해 열적 안정성이 우수한 ZrO₂ 를 금속산화물의 지지체로 사용함으로써 연속적인 합성가스 및 수소 생산 가능성을 알아보았다.
합성가스 및 수소 생산을 위한 CeO2/ZrO2 nanotube 의 산화/환원 반응 특성
장종탁(Jang, Jong-Tak),이종민(Lee, Jong-Min),조은수(Cho, Eun-Su),윤기준(Yoon, Ki-June),한귀영(Han, Gui-Young) 한국태양에너지학회 2012 한국태양에너지학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.11
Syngas and hydrogen production process bv redox system of metal oxide was performed under direct irradiation of the metal oxide on the SiC ceramic foam device using solar simulator. CeO2/ZrO2 nanotube has been synthesized by anodic oxidation method. Syngas and hydrogen production process is one of the promising chemical pathway for storage and transportation of solar heat by converting solar energy to chemical energy. The produced syngas had the H2/CO ratio of 2, which was suitable for methanol synthesis or Fischer-Tropsch synthesis process. When the methane reforming-water splitting cyclic reactions were repeatedm the yield of syngas and hydrogen decreased from the first cycle to the second cycle, but from the second cycle to the fifth cycle the fas yields were maintained nearly constant.