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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 서태범
- 발행연도
- 2022
- 저작권
- 인하대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수50
이 논문의 연구 히스토리 (10)
2022
2021
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본 연구는 바이오가스의 주성분인 메탄을 수소로 전환시켜 배기 중으로 배출되는 온실가스를 줄이고 버려지는 자원을 효과적으로 활용하는 것을 목적으로 한다. 또한 메탄 분해 시 에너지원으로 석탄, 석유 등 기존의 화석연료 대신 재생에너지인 태양열을 이용하여 이산화탄소 배출을 최소화 하였다. 이를 위해 한국에너지기술연구원의 40 kWth급 태양로에서 실험을 수행하였다. 태양열 집광 시스템 및 메탄 분해에 적합한 반응기를 개발하였으며 초기 쿼츠를 이용한 직접 가열식 반응기를 시작으로 여러 실험 및 개선과정을 거쳐 단열용 캐비티, 열차폐 코팅이 적용된 간접 가열식 반응기가 개발되었다.
특히 캐비티 개선 과정에서 Monte Carlo 광선 추적 기반 프로그램인 TracePro 및 전산유체역학 프로그램인 Flunet를 사용하여 광학, 열전달 및 화학 반응 시뮬레이션을 수행하였다. 실제 실험과 동일한 환경에서 수행하였으며 캐비티 개선을 통해 기존 캐비티 대비 열손실을 12.5 % 줄였을 때 메탄 전환율이 33.5 % 증가함을 확인하였다.
반응기 내부에는 메탄 분해 시 반응 온도와 활성화 에너지를 낮추고 전환율을 상승시키기 위해 카본 블랙 계열의 촉매를 삽입하였다. 초기 펠렛 촉매를 시작으로 반응기 내부의 열전달 향상을 위해 다공성 금속 촉매에 카본 블랙이 코팅된 촉매를 사용하였으며 실험을 통해 성능을 비교하였다. 최종적으로 금속 촉매 및 개선형 반응기를 사용한 실험을 통해 메탄 유속이 20 L/min 및 40 L/min일 때 96.7%, 82.6%의 전환율을 각각 달성하였다.
특히 캐비티 개선 과정에서 Monte Carlo 광선 추적 기반 프로그램인 TracePro 및 전산유체역학 프로그램인 Flunet를 사용하여 광학, 열전달 및 화학 반응 시뮬레이션을 수행하였다. 실제 실험과 동일한 환경에서 수행하였으며 캐비티 개선을 통해 기존 캐비티 대비 열손실을 12.5 % 줄였을 때 메탄 전환율이 33.5 % 증가함을 확인하였다.
반응기 내부에는 메탄 분해 시 반응 온도와 활성화 에너지를 낮추고 전환율을 상승시키기 위해 카본 블랙 계열의 촉매를 삽입하였다. 초기 펠렛 촉매를 시작으로 반응기 내부의 열전달 향상을 위해 다공성 금속 촉매에 카본 블랙이 코팅된 촉매를 사용하였으며 실험을 통해 성능을 비교하였다. 최종적으로 금속 촉매 및 개선형 반응기를 사용한 실험을 통해 메탄 유속이 20 L/min 및 40 L/min일 때 96.7%, 82.6%의 전환율을 각각 달성하였다.
목차
제 1 장 서 론 11.1 연구 배경 11.2 연구 동향 51.2.1 태양열 메탄 분해 반응기 51.2.2 메탄 분해용 촉매 101.3 연구 목적 11제 2 장 메탄 열분해 실험 132.1 태양열 공급 시스템 132.2 사전 연구 182.2.1 쿼츠형 반응기 (직접 가열식) 182.2.2 나선형 튜브 반응기 (간접 가열식) 252.2.3 결론 322.3 실험 장치 구성 332.4 반응기 개발 및 실험 392.4.1 원통형 반응기 392.4.1.1 반응기 개발 392.4.1.2 반응기 실험 672.4.2 개선형 반응기 및 캐비티 782.4.2.1 반응기 개발 782.4.2.2 반응기 실험 852.4.3 열 내구성 개선형 반응기 912.4.3.1 반응기 개발 912.4.3.2 반응기 실험 952.5 결론 99제 3 장 메탄 열분해 반응기 해석 1013.1 해석 목적 1013.1.1 메탄 열분해 반응 시스템 1033.1.1.1 접시형 집광기 1033.1.1.2 반응기 및 캐비티 1063.1.1.3 촉매 1153.2 반응기 광학 해석 1183.2.1 해석 방법 1183.2.2 해석 결과 1213.3 반응기 열전달 및 화학 반응 해석 1293.3.1 해석 방법 1293.3.1.1 복사 모델 1343.3.1.2 화학 반응 모델 1353.3.2 해석 결과 1363.3.2.1 열손실 1363.3.2.2 메탄-수소 전환율 1413.4 결론 152제 4 장 결 론 153참고문헌 155
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