[논문자료] CFD 모델링을 통한 연료전지용 디젤의 흡착탈황 반응기 디자인

출처: 픽사베이

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최근 여러 산업 분야에서 환경오염 방지에 관련한 정책들이 강화되고 있다. 이에 따라, 대규모의 디젤엔진을 운영하는 선박에 관련된 환경오염 방지 정책 역시 강화되고 있다. 이러한 정부 정책으로 인하여, 친환경적인 동력 발생 장치의 필요성이 대두하고 있으며, 수요 역시 꾸준히 증가하고 있다[1,2]. 여러 친환경 동력 발생 장치 중 현실적으로 적용 가능성이 큰 대표적인 장치로 손꼽히는 것 중 하나가 바로 연료전지이다.

 

여러 종류의 연료전지 중 디젤을 활용하는 선박용 디젤 연료전지에서 중요한 부분은 디젤 중의 황 화합물을 제거하는 탈황 프로세스이다. 일반적인 시판용 디젤의 경우, 디젤 중의 황 화합물이 5~10 ppm 정도 포함되어 있다. 연료전지의 전극 및 투과막의 경우, 촉매의 역할을 하는데 이러한 황 화합물이 촉매의 기능을 저하할 수 있다. 보고된 연구 결과에 따르면 연료전지의 부품들에 10 ppm의 황 화합물의 농도는 연료전지 효율과 수명에 치명적인 영향을 미칠 수 있다[3]. 또한, 수소개질기 역시 Ni, Ru 등의 성분을 포함한 촉매를 사용하게 되는데, 디젤 중 황 화합물이 개질 공정 중에서 촉매의 독성 물질로 작용하므로 황의 제거가 필요하다[4]. 따라서 일반적인 시판 디젤을 연료전지에 사용하기 위해서는 고심도 탈황장치를 이용하여 디젤 중의 황 화합물의 농도를 1 ppm 이하로 낮추는 것이 필수적이다[5].

 

논문 출처: https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO201511366273327

 

본 연구에서는 수치해석을 통해 연료전지용 디젤 흡착 탈황 반응기에 대한 주요 디자인 정보를 도출하는 기초 연구를 수행하였다. 반응기 디자인의 주요 인자로 디젤의 유량, 반응기의 크기, 그리고 충전된 탈황 촉매의 투과율의 영향에 대해 살펴보았다. 유량 변화에 따른 반응기 내부의 유동 및 황 화합물의 물질 전달 변화를 모사하여 출구에서의 황 화합물의 농도 변화를 살펴봄으로써 출구에서의 황 화합물의 기준 농도(1 ppm)를 맞추기 위한 탈황 촉매의 성능을 예측하였다. 반응기의 길이와 지름의 변화에 따른 영향을 각각 살펴보았다. 반응기의 길이 변화에 따른 영향은 선형적 압력 강하, 체류시간의 증가 등 이론식들로 간단히 예측되는 결과에 부합하는 결과를 보였다. 하지만 반응기의 지름 변화는 길이의 변화보다 복잡하고 다양하게 반응기 성능에 영향을 미쳤다. 특히 출입구에 연결된 관과의 지름 차이가 작을수록 입구 효과가 줄어들어 반응기 중심과 반응기 벽면의 유동 차이가 없으나, 지름 차이가 클수록 반응기 벽면과의 유동에 차이가 생겼으며 이러한 유동의 차이는 반응기 내부 반응에 영향을 미쳐 출구에서의 황 화합물 농도에 큰 영향을 미쳤다. 충전된 탈황 촉매의 투과율은 내부 유동의 변화를 유도하여 출구에서의 황 화합물 농도에 상당한 영향을 미쳤으며 향후 상세 디자인시 촉매의 투과율에 따른 효과를 반드시 고려해야 함을 알 수 있었다.

 

본 연구 결과로부터 디자인된 흡착 탈황 반응기는 선박 연료전지용 디젤의 탈황기술에 이용될 수 있으며, 기존 연료전지의 크기를 효과적으로 감소시키고 효율을 크게 높일 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 향후 탈착 반응 등을 추가로 고려 함으로써 열 순환식 흡착(Thermal Swing Adsorption) 기술을 [13] 활용하여 연속적으로 흡착-재생을 반복하는 전체적인 탈황 프로세스 개발에 이용될 것이다. 이러한 연료 정제 시스템의 개발은 국내의 화공장치, 조선, 철강, 건설, 전자 IT 산업 등을 포함하는 국내 세계 일류 산업 인프라와 연계시켜 원자 재 및 공정의 국산화를 통해 최종 제품의 기술 완성도와 경제성을 향상해 수입품 대체 및 수출 산업으로의 육성을 가능하게 할 것이다.

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다목적 반응기

다목적용 반응기

다목적 반응기는 고온·고압의 조건 속에서 합성, 승화, 추출, 분해, 수열합성, 촉매 반응 등의 연구를 수행할 수 있는 연구용 고압 반응기입니다. 고온·고압 장비 전문 기업인 ㈜일신오토클레이브의 고압 반응기는 온도, 압력, 용량, 소재, RPM 등을 선택할 수 있으며 다양한 옵션 선택을 통해 사용자의 편의와 사용 목적에 적합하게 이용할 수 있습니다.

 

 

다목적 반응기의 작동원리

원료 ▶ 혼합 ▶ 수열 반응 ▶ 세정 및 여과 ▶ 건조 후 분쇄 ▶ 분말

 

기밀이 유지되는 Vessel에 시료를 인입하고 유지시간, 온도, 혼합이 이루어지도록 RPM을 설정하면 가열과 동시에 포화 수증기압 등의 분위기를 조성하여 합성 반응 또는 촉매 반응을 일으키게 됩니다.

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적정 조건에 따라 입자 크기와 입경, 형상, 입도분포, 조성 및 순도를 제어할 수 있으며, 반응 속도에 영향을 줄 수 있는 촉매를 투입하여 활성화 에너지를 낮추어 반응 속도를 제어합니다.

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