CO_2 원천분리 수소 제조 공정을 위한 이동 층 반응기의 개념 설계 및 수력학적 특성 (Conceptual Design and Hydrodynamic Properties of a Moving Bed Reactor for Intrinsic CO_2 Separation Hydrogen Production Process)

서지정보

· 발행기관 : 한국청정기술학회
· 수록지 정보 : Clean Technology / 17권 / 1호 / 69 ~ 77페이지
· 저자명 : 박동규, 김상돈, 조원철, 서명원, 강경수, 박주식

초록

CO_2 원천 분리 수소제조 반응시스템은 금속 산화물의 산화/환원 반응을 이용하여 기존의 수증기-메탄 개질 반응을 3단계의 반응시스템으로 분리함으로써 메탄 연소 시 발생되는 CO_2를 원천적으로 분리함과 동시에 고 순도 수소를 별도의 후단 공정 없이 직접 생산해 내는 신 개념의 수소 생산 기술이다. 반응 시스템은 크게 연료 (즉, CH_4)가 공급되는 연료반응기 (FR: Fuel Reactor), 수증기가 공급되는 수증기반응기 (SR: Steam Reactor) 및 공기가 공급되는 공기반응기 (AR: Air Reactor)로 구성되며, 다른 반응기와 비교하여 반응 매체의 전환율과 선택도를 높이기 위하여 긴 체류 시간을 확보할 수 있는 두 개의 이동 층 (FR, SR)으로 구성되었다. 본 연구에서는 200 l/h의 수소를 생산할 수 있는 매체 순환 식 이동 층 반응기 제작을 목적으로 수소 발열량 기준 0.55 kW급 이동 층 반응기의 개념 설계 및 cold model을 설계 제작하고 주요 운전 변수에 따른 수력학적 특성을 결정하였다. 개념 설계 결과 원하는 매체 전환율을 얻기 위해 필요한 고체 순환 속도 범위 (20- 100 kg/m2s)를 결정하였다. Cold-model 실험 결과, loop-seal의 유속이 증가함에 따라 고체 순환 속도가 증가하였으며 이를 통하여 고체 순환 속도 조절이 가능하였다. 반응 시스템의 안정적인 조업을 위해서는 이동 층 (FR, SR) 조업 조건을 최소 유동화 속도 부근으로 유지하는 것이 좋은 것으로 나타났다. 이동 층 내 고체 체류 량은 기상 유속 및 고체 순환 속도 증가에 따라 감소하였다. 본 연구를 통하여 조업 조건에서 개념 설계에서 원하는 고체 순환 속도 및 흐름 특성을 얻을 수 있음을 확인하였다.

영어초록

The intrinsic CO_2 separation and hydrogen production system is a novel concept using oxidation and reduction reactions of oxygen carrier for both CO_2 capture and high purity hydrogen production. The process consists of a fuel reactor (FR), a steam reactor (SR) and an air reactor (AR). The natural gas (CH_4) is oxidized to CO2 and steam by the oxygen carrier in FR, whereas the steam is reduced to hydrogen by oxidation of the reduced oxygen carrier in SR. The oxygen carrier is fully oxidized by air in AR. In the present study, the chemical looping moving bed reactor having 200 l/h hydrogen production capacity is designed and the hydrodynamic properties were determined. Compared with other reactors, two moving bed reactors (FR, SR) were used to obtain high conversion and selectivity of the oxygen carrier. The desirable solid circulation rates are calculated to be in the range of 20- 100 kg/m2s from the conceptual design. The solid circulation rate can be controlled by aeration in a loop-seal. To maintain the gas velocity in the moving beds (FR, SR) at the minimum fluidization velocity is found to be suitable for the stable operation. The solid holdup in moving beds decrease with increasing gas velocity and solid circulation rate.

참고자료

· 없음