산업배열 및 부산물을 활용한 10톤급 바이오 수소 생산 시뮬레이터 동적 열설계

국문 초록 (Abstract)

화석연료를 대체하고 지구온난화를 해결하기 위하여 연료전지 등을 기반으로 한 수소경제사회가 제시되고 있다. 수소경제사회를 실현하기 위해서는 경제적이고 안정적인 수소공급이 필수적인데 수소생산 공정의 경제성은 초기투자비와 공정의 생산성, 운영비에 의해서 결정된다.
이러한 배경에서 경제성을 갖춘 바이오 수소 생산 시스템이 제안되었다. Kim et al[1]은 미생물 NA1이 수소화 효소의 함량이 기존의 균주들에 비교해 2배 이상 높다는 것을 확인하였다. 따라서 미생물 NA1을 사용하여 CO를 CO2로 전환하며 수소를 생산하는 바이오 수소생산 시스템이 제안되었다.
본 연구는 제철소 공정을 활용한 10톤급 바이오 수소 생산 시스템을 설계를 목적으로 하고 있다. 이를 위해 먼저 제철소 공정 분석과 이를 바탕으로 1톤급 시뮬레이터 설계를 진행한다. 그 후 실험결과와 시뮬레이션 결과의 비교를 통해 시뮬레이션의 신뢰성을 확보한다. 시뮬레이션을 통해 10톤급 바이오 수소 생산 시스템의 최적화를 진행하도록 한다. 결과는 다음과 같다.
미생물에게 CO를 공급하기 위한 가스 선정을 위해 제철소 공정 분석을 진행하였다. 그 결과 LDG, COG, BFG의 부생가스가 존재함을 확인하였고 이 중 간헐적으로 발생하기 때문에 활용도가 낮아 방산되는 LDG가스를 선정하였다.
또한, 바이오 수소 생산 시스템에 활용 가능한 폐열은 가스 정화 포화기 공정의 냉각 회수열, 전로 가스 냉각기에서 생산된 공정스팀, 전로 스커트 냉각수가 있다. 이 중 온도가 반응기 최적온도 80oC와 가깝고 간헐적으로 배출되기 때문에 활용도가 낮은 전로 스커트 냉각수를 폐열로서 선정하였다.
위의 LDG 가스와 전로 스커트 냉각수를 활용한 1톤급 시뮬레이터를 설계하였다. 이렇게 설계된 시뮬레이터와 비교하기 위해 바이오수소 생산시스템의 반응기 온도 변화를 시뮬레이션 하였다. 1톤급 반응기 시뮬레이터와 시뮬레이션을 비교한 결과 온도수준과 경향이 일치된 모델링 결과를 보임을 확인하였다. 이를 통해 10톤급 반응기의 최적 설계를 위한 시뮬레이션의 신뢰성을 확인하였다.
10톤 반응기의 최소 크기를 선정하기 위한 시뮬레이션을 진행하였다. 10톤 반응기의 최적화를 위한 변수로 열교환기의 판의 개수, 반응기의 크기, 축열조의 크기 3가지를 선정하였으며 온도편차가 커지기 시작하는 시점까지 시뮬레이션을 진행하였다. 그 결과 축열조는 500kg, 열교환기는 판의 개수 10개를 최소크기로 선정하였다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 제철소 설비 현장 분석 및 특성 분석 5
• 2.1. 일관 제철 공정 분석 5
• 2.2. 제강공정 중 전로 설비 분석 8
• 2.3. 제철소 폐열 활용 방안 13
• 3. 1톤급 NA1 바이오수소 생산시스템 실험장치 및 시뮬레이션 15
• 3.1. 1톤급 바이오 수소 생산 실험장치 15
• 3.2. 바이오 수소 생산 시스템 열수지 분석 20
• 3.2.1. 시스템 요소별 현열 분석 20
• 3.2.2. 시스템 외기 열손실 분석 21
• 3.2.3. 생물반응 열수지 분석 23
• 3.3. 1톤급 바이오 수소 생산 모델링 27
• 3.3.1. 시스템 알고리즘 27
• 3.3.2. 급수 혼합조, 반응기 및 축열조 시뮬레이션 29
• 3.3.3. 열교환기 시뮬레이션 29
• 3.3.4. 시뮬레이션 모드 30
• 4. 결과 35
• 4.1. 1톤 반응기 시뮬레이션 35
• 4.2. 실험결과 비교 38
• 4.2.1. 기초 실험 결과 및 시뮬레이션 결과 38
• 4.2.2. 수소생산량의 영향 38
• 4.2.3. 축열조 크기의 영향 39
• 4.3. 10톤급 바이오 수소 생산 플랜트 설계 43
• 5. 결론 51
• 참고문헌 53
• Abstract 55