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5㎾급 고분자연료전지용 천연가스 개질기 시스템 운전 특성 연구
윤왕래,박종원,이영우,한명완,정진혁,박종수,정헌,이호태,김창수 한국화학공학회 2003 Korean Chemical Engineering Research(HWAHAK KONGHA Vol.41 No.3
가정용 고분자 연료전지 스택운전에 필요한 수소공급기술로서 천연가스 수증기 개질법에 기초한 5k급 열 및 시스템 통합형 연료개질기 시작품을 설계 및 제작하였다. 수증기 개질에 필요한 흡열 반응열은 복사 전열 방식의 metal fiber burner를 이용하여 공급하였다. 시스템 성능은 각 반응기의 일정한 공간속도 및 상압조건 하에서 개질기 반응온도 600-800℃에서 운전결과를 토대로 평가하였다. 최종시작품인 β+ 형에 있어서 개질가스 총유량은 6.5N㎥/h(H_2 농도: 74%, 건식 기준)이었으며 이때의 수증기 개질 반응기에 있어서 반응온도 및 GHSV는 각기 800℃, 1,950 h^-1이었다. 그리고 개질기 출구(혹은 스택 입구) 제한조건인 CO 농도를 맞추기 위하여 2단 직렬 선택적 산화 반응기(1단 : P_t, 2단 : Ru)를 구성하였으며, 1단과 2단 반응기 사이에 공냉식 핀(fin) 형 열교환기를 설치하여 1단 반응기에서 배출되는 개질가스의 온도를 저온(120℃)으로 제어 유지시킨 후 2단 PrOx 반응기로 공급함으로써 최종 개질가스 중의 일산화탄소의 농도를 10ppm 이하로 낮출 수 있었다. 연료 개질 효율(개질된 수소의 고발열량/리포머 및 버너에 공급된 천연가스의 고위발열량×100%)은 약 52% 정도로서 약간 낮은 편이며 이는 리포머 열공급을 위한 버너 연소열이 시스템 외부로 과도하게 배출되는 것에 기인하였다. Prototype 5 kW-class fuel processor based on steam reforming of natural gas with heat and system integration has been designed and fabricated for use in proton exchange membrane(PEM) fuel cell with residential applications. Endothermic heat for steam reforming has been supplied by radiation type metal fiber burner. The performance of the integrated system has been experimentally evaluated for the reformer temperature of 600-800℃ at constant GHSV of each reactor and atmospheric system pressure. The final product(β^= type) can produce the total gas flow of 6.5 6.5N㎥/h(H_2 conc.: 74%, dry basis) under reformer temperature and space velocities of 800℃, 1,950 h^-1, respectively and also remove CO concentration under 10 ppm by two series fin type packed beds employing Pt[λ2O_2/CO)=2.1] and Ru[λ(2O_2/CO)=3.5] catalysts with interstage cooling. The overall fuel processing efficiency of about 52% calculated by the total H_2 output after PrOx to total methane flow into the reformer and the burner based upon higher heating values is somewhat lower. This was mainly attributed from the fact that heat loss from the exhaust gas after supplying heat necessary for raising the reformer temperature by combustion of natural gas was excessively high.
통계적 실험계획에 의한 폐플라스틱/폐유의 최적 열분해 반응조건 결정
윤왕래,박종수,정헌,이호태,고성혁,김성현,Yoon, Wang-Lai,Park, Jong-Soo,Jung, Heon,Lee, Ho-Tae,Ko, Sung-Hyuk,Kim, Sung-Hyun 한국에너지학회 1999 에너지공학 Vol.8 No.1
범용 열가소성 플라스틱(polyethylene(PE), polypropylene(PP), polystyrene(PS), polyethylene-terephthalate(PET), acrylonitrile-butandiene-styrene(ABS))과 폐윤활유의 동시처리 열분해반응 실험을 수행하였다. 반응실험은 40$m\ell$ 용량의 회분식 미분반응기(microreactor)를 이용한 실험과 1리터 용량의 autoclave를 이용한 실험의 두 가지로 구분하여 행하였다. 전자의 경우는 통계적 실험적계획법(statistical experimental design)의 하나인 회전계획실험(rotatable design experiments)으로서 오각형 실험계획(pentagonal experimental design)에 의거한 반응변수 실험을 수행한 후 반응표면(response surface)을 회기분석법에 의하여 분석함으로써 최대의 오일 수율을 얻을 수 있는 최적 반응조건을 추적, 결정하였다. Autoclave 반응실험의 기본적인 목적은 실제 연속공정에 있어서 열분해 반응기 거동을 모사하기 위한 전초단계로서 충분한 시료의 확보를 통하여 이 때 생성된 연로유의 체계적인 분석(비등점분포특성, 진공증류, 기체분석, 원소분석, 발열량, 비중 등)을 행함으로써 연료유 수율 및 품질을 모사하고자 하였다. 미분반응기 실험에 있어서 주 범용열가소성수지인 PE, PP 그리고 PS는 각각의 최적반응조건하에서 거의 100%에 가깝게 오일로 전환되었지만 응축수지인 PET와 그래프트공중합수지인 ABS의 오일수율은 각기 78% 및 90%로서 상대적으로 낮게 나타났다. Autoclave를 이용한 실험의 경우 혼합플라스틱을 폐유에 대하여 40wt% 혼합하여 열분해하였을 때, 80wt% 오일, 15wt% 코우크, 그리고 나머지 5wt%는 탄화수소기체(C1-C6)로 전환되었다. 진공증류(252$^{\circ}C$,2 torr) 결과, 기/액-분리도는 3으로서 이는 생성오일의 75wt%가 경질연료유(가솔린, 등유, 경유)로 회수 가능하였다.