논문현황

INSTITUTE FOR ADVANCED ENGINEERING

플랜트공정개발센터 바이오가스 유래 수소제조기술 동향 및 효과적인 적용

· 저자

송형운,정희숙,엄성현


바이오가스를 이용한 수소 제조는 주요한 에너지 및 환경 관련 이슈들을 동시에 해결할 수 있다는 장점으로 꾸준히 주목받아 왔다. 바이오가스 정제를 통해 얻은 바이오메탄 수증기 개질은 천연가스 개질을 대체할 수 있는 좋은 현실적인 대안이다. 하지만 경제성과 환경 유해성을 모두 고려한다면 바이오가스를 직접 개질반응에 활용하는 바이오가스 수증기 개질 및 건식 개질을 활용한 수소 제조가 보다 효과적이라 평가된다. 본 논문에서는 바이오가스 기반 추출수소 제조관련 최근의 기술 이슈 및 개발 동향을 소개하며 향후 상업화를 위한 효과적인 적용 방향에 대해서 고찰하고자 한다.


플랜트공정개발센터 상사이론 기반 설계된 가스 스크러버 반응챔버 내 열유동특성에 관한 연구

· 저자

윤종혁,김동수,김현경,송형운


반응챔버와 세정부로 구성되는 가스 스크러버는 반도체 제조공정으로부터 배출되는 폐가스를 정제하기 위해 사용되고 있다. 이때, 전반적인 운전안정성 및 높은 제거효율을 얻기 위해 스크러버에에서 반응챔버의 효율적인 설계가 필수적이다. 본 연구에서는 상용 반응챔버에 대한 기하학적 상사 및 운동학적 상사를 만족하는 반응챔버 축소모델을 설계·제작하고 상용 CFD 코드를 이용한 수치해석 연구를 수행하여 반응챔버 내부 열유동 특성을 분석하였다. 이를 통해 개선설계안 도출을 위한 설계기초자료를 확보하여 다양한 종류의 스크러버를 설계하기 위한 자료로 활용 될 것으로 기대한다.


플랜트공정개발센터 반도체 폐가스처리용 가스 스크러버의 전열반응기내 열유동 특성에 관한 수치해석 연구

· 저자

윤종혁,김영배,송형운


최근에 반도체 산업의 지속적인 발전에 따라 반도체 생산공정에서 발생하는 다양한 오염가스를 처리하는 기술에 대한 관심도 늘어나고 있다. 이처럼 반도체 공정후 배출되는 폐가스를 제거하는 장치 중의 하나로서 다양한 종류의 스크러버 시스템이 사용되고 있다. 이러한 스크러버 시스템 내 열분해반응기 성능은 폐가스 내 오염원 제거효율와 전반적인 운전안정성에 영향을 미치기 때문에 열분해반응기의 효율적인 설계가 매우 중요하다. 본 연구에서는 수치해석 방법을 기반으로 반응기 내 폐가스의 열유동특성을 파악하고자 하였다. 해석기법을 검증하기 위해 온도분포에 대한 해석결과를 실험결과와 비교하였다. 온도결과에 대한 해석과 실험간의 약 1.27~2.25% 수준의 낮은 오차를 보였으며 이를 통해 해석결과의 타당성을 확보하였다. 검증된 해석기법을 이용하여, 기존 반응기의 성능개선을 위한 설계가이드라인을 제시하기 위해 폐가스 형상 변화에 따른 해석을 수행하여 기존모델 및 수정모델에서 폐가스의 거동특성을 비교분석하였다. 본 연구에서 수행한 결과는 다양한 스크러버 시스템 내 열유동특성을 분석하는데 기초자료로 활용할 것으로 기대한다.


플랜트공정개발센터 2 kW급 고체산화물연료전지의 고온배기가스 폐열회수를 위한 일체형 Hot BoP의 설계 및 성능 평가

· 저자

김영배,김은주,윤종혁,송형운


본 연구에서는 2 kW급 SOFC에서 배출되는 고온 배기가스의 폐열회수를 위한 일체형 Hot BoP의 설계와 성능 분석에 대한 연구를 수행하였다. Hot BoP 시스템은 스택 배기가스의 연소를 위한 촉매 연소기와 연소 후 배기가스의 폐열회수를 위한 원통다관형 공기예열기 및 스팀발생기로 구성되었다. 시스템 설계에서 폐열회수 시스템의 배치에 따른 최대허용열용량을 산출하여 열분배 공정을 분석하였으며, 열전달 방정식을 통하여 공기예열기 및 스팀 발생기의 상세설계를 수행하였다. Hot BoP는 방열손실의 저감을 위해 일체형으로 제작되었으며, SOFC와 연계운전을 가정한 스택배기가스를 모사하여 성능실험에 사용하였다. Hot BoP 성능실험에서 부하별 열전달량 및 시스템 효율이 측정 및 분석되었으며, 당량비에 따른 배기가스의 CO 발생량을 측정하여 연소성을 분석하였다. 실험결과로써, 2 kW급 SOFC 정격운전시 배기가스 연소열부하 기준으로 hot BoP의 열적 효율은 약 60%이며, 연소 후 배기가스의 CO 발생량은 당량비 0.25 이상에서 급격히 감소되는 것으로 나타났다.


플랜트공정개발센터 단동온실의 태양복사에 의한 열유동 특성 해석

· 저자

윤종혁,김영배,유인호,이종원,송형운


본 연구에서는 대류 및 복사열전달에 따른 단동온실 내 열유동 특성을 예측하기 위해 3차원 정상상태 열유동해석을 수행하였다. 넓은 파장대역폭에서 연속적으로 방사되는 태양복사에너지를 수치해석적으로 모사하기 위해 특정 파장영역대를 기준으로 복사에너지를 유한한 영역으로 구분하는 다중대역모델 적용하였다. 또한 비회체 특성을 갖는 비닐의 물성을 해석상에 적용하기 위해 파장영역대별 투과율(또는 흡수율)을 변화하여 적용하였고 유속, 온도, 복사에너지의 경계조건을 변화시켜 추가적인 해석을 수행하였다. 이러한 수치해석기법을 검증하기 위해 수치해석 결과를 실제 온실에서 측정된 온도 값과 비교분석한 결과 평균오차가 12.2~14.2 % 정도에 차이를 보이지만 유사한 경향성을 나타내고 있어 해석기법의 타당성을 확인하였다. 또한 복사에너지는 파장영역대별 비닐 투과율에 따라 온실 내에서 복사강도가 현저히 감소하고, 온실 내 열유동은 환기팬에 의한 강제 대류에 의해 크게 영향을 받고 있음을 확인하였다.


플랜트공정개발센터 음식물류 폐기물 분해산물 활용 고형연료 생산에서 고품위화 특성

· 저자

송형운,정철진,박세용


본 연구에서는 높은 함수율을 가진 음식물류 폐기물을 Bio-dying 공법을 이용하여 처리 후 발생되는 분해산물을 활용하여 고형연료의 가치를 확인하고 고품위화를 위한 고형연료 제조의 조건 도출 및 분석을 통해 특성 확인을 하였다. 왕겨 혼합비율 10%와 볏짚 혼합비율이 5%에서 외형유지와 강도에서 좋은 품질을 나타내었고 혼합 펠렛의 겉보기 밀도는 평균 605 kg/m3의 값을 나타내었다. 이때, 압출 성형기에 부하를 주지 않는 혼합 펠렛 제조 함수율 조건은 25%가 최적인 것으로 판단되었다. 열중량 분석을 통한 중량 감소 곡선을 보면 볏짚, 왕겨 및 분해산물 원료의 순서로 가장 먼저 열분해 되었으며 혼합비율 왕겨 5%, 볏짚 10%, 볏짚 5%, 왕겨 10%의 순서대로 천천히 진행되었다. 볏짚 혼합비율 10% 보다 5%가 천천히 열분해가 진행되고 이는 밀도 값과 관련하여 5%의 펠렛 압축력이 높음을 간접적으로 확인되었고 볏짚은 혼합비율 5%가 최적 조건인 것으로 판단되었다. 왕겨와 볏짚의 혼합비율을 비교하면 왕겨의 혼합비율이 10%일 때 펠렛 밀도가 가장 높은 것으로 확인되어 본 실험결과에서는 혼합 효율면에서 왕겨의 혼합비율 10%가 최적의 혼합 연료 조건일 것으로 판단된다. 혼합 펠렛의 고위발열량은 평균 3,870 kcal/kg으로 분해산물 원료보다 5% 증가하였고 3,500 kcal/kg 이상의 값을 나타내었다.


플랜트공정개발센터 2 kW급 SOFC 시스템에서 Hot BoP의 열분배시스템과 열적 성능에 대한 실험적 연구

· 저자

김영배,김은주,윤종혁,송형운


본 연구에서는 SOFC 시스템에서 배출되는 폐열원을 효과적으로 활용하기 위하여 수치적인 계산과 실험적 검증을 수행하였다. Hot BoP 내 열분배 시스템은 열원의 효율적인 공급을 위한 연소기 및 공기예열과 폐열회수를 위한 열교환기들로 구성되었다. 실험에 사용된 연료는 메탄가스이며 일정한 과잉공기와 합께 예혼합되어 안정적인 희박연소가 가능하게 하였다. 결과로써, SOFC 시스템의 열 부하에 따른 열교환기의 전열면적과 열교환율이 반복적 수치 계산을 통하여 분석되었다. 또한 연료의 저위발열량을 기준으로 시스템의 열부하, 열교환기의 효율, 열 손실, 열 회수 성능을 실험적으로 비교분석하였다. 최종적으로 열분배 시스템은 2 kW급 SOFC 시스템에 상응하는 열 부하에서 약 40 %의 열효율 성능을 나타내었다.


플랜트공정개발센터 Pd-Pt계 촉매를 이용한 Anode Off Gas (AOG) 산화특성 및 활성평가

· 저자

김은주,김영배,윤종혁,송형운


SOFC 스택에서 배출되는 가스는 미반응 연료를 포함하고 있으며, 연료전지 시스템 열관리에 활용할 수 있다. 본 연구에서는 2 kW급 SOFC 양극오프가스(AOG)의 촉매 산화실험을 통해 산화반응 특성 및 촉매활성을 평가하였다. AOG 산화촉매로써 2 wt% Pd-Pt 허니컴과 볼 형상의 상용 촉매를 사용하였으며, 스택 모사장치 및 촉매 산화기를 포함하는 촉매 산화시스템을 구축하였다. 산화실험에서 촉매의 유무 및 조성에 따른 반응온도 분석을 통해 촉매산화 성능을 평가하였으며, 배기가스 내 일산화탄소 농도 분석으로부터 촉매의 AOG 산화활성을 확인하였다. 이때, 허니컴 형태의 촉매가 가장 낮은 일산화탄소 및 질소산화물의 배출 농도를 나타내어 산화성능이 가장 우수한 촉매로 평가되었다. 그리고 산화염 발달특성을 비교하기 위해 허니컴 촉매를 적용하여 당량비에 따른 산화염 가시화 분석을 진행하였고, 환형의 산화염이 발달되는 현상을 확인하였다. 또한, 당량비별 AOG 산화실험을 통해 시스템의 열부하에 대한 대응성을 평가하였다. 최종적으로 설계된 촉매산화시스템은 2 kW급 SOFC 시스템의 정격출력 조건하에서 미반응가스의 산화특성이 우수한 것으로 평가된다.


플랜트공정개발센터 Numerical and experimental analysis of thermal-flow characteristics in a pyrolysis reactor of a gas scrubber designed based on similitude theory

· 저자

송형운,윤종혁,김영배


In this study, the thermal and flow characteristics in the reactor were examined through experiments and numerical analysis using a small-scale model of simplified pyrolysis reactor. Furthermore, a prototype model of pyrolysis reactor was designed through analysis result of small-scale model based on the similitude theory. The results of this study can be used as basic data for analyzing thermal and flow characteristics in a variety of scrubber systems. Implications: This study investigated and suggested a methodology for designing a pyrolysis reactor of the gas scrubber to overcome the design failure by using the concept of similarity, which can use the results from one system to explain phenomena in another system.


플랜트공정개발센터 Experimental Analysis for Thermal Performance of Heat Distribution System in hot BoP of 2 kW-class SOFC

· 저자

송형운,윤종혁,김영배,김은주


This study designed and tested the components of hot balance of plant (BoP) included in a 2 kW-class solid oxide fuel cell (SOFC) system and evaluated their thermal performance. In experimental results, the thermal efficiency of the integrated system was 60% at the reference heat input and 70% at low heat input. The oxidizing flame of the catalyst was visualized, and the oxidation characteristics of the catalytic combustor were analyzed by measuring the concentration of the final discharged gas, that is, carbon monoxide (CO). This study helps to fabricate the integrated hot BoP system, as it provides design techniques and efficient system configuration.


플랜트공정개발센터 알카라인 연료전지 가스확산층 내구성 향상을 위한 초발수 코팅 최적화 연구

· 저자

엄성현,김숭연 서민혜


본 연구에서는 알카라인 연료전지 환원극 가스확산층에 내열화학성이 우수한 초발수 성능을 부여하기 위하여 PDMS 코팅 공정을 최적화하였다. 성격이 상이한 두 개의 상용 가스확산층을 선택하였으며, 소재의 열적 안정성을 검토하여 코팅 온도를 최적화하고, PDMS 점도를 제어하여 코팅 균일성을 확보하고자 하였다. PDMS 전구체의 점도와 관계없이 200 ℃ 부근에서 코팅하게 되면 모든 확산층 표면에서 높은 초발수 성능을 나타내었다. 가혹실험 조건에서 초발수 성능 변화를 측정한 결과 1000 CS PDMS를 이용하여 28BC 가스확산층에 코팅한 경우가 가장 높은 내구성을 나타내었다.


플랜트공정개발센터 온도조절 화학기상증착법을 활용한 대용량 허니컴 구조촉매 제조 연구

· 저자

엄성현,서민혜,김숭연,김영독


본 연구에서는 대용량 구조 촉매의 제조 및 활용 가능성을 확인하고자 셀 밀도가 높은 세라믹 허니컴 구조체와 온도조절 화학기상증착법을 활용하여 촉매를 제조하고 건식 개질 반응에 대한 촉매 활성을 평가하였다. 셀 밀도 600 cpsi 코디어라이트 허니컴(CDR)을 대상으로 니켈을 코팅한 NiO/CDR 촉매는 코팅 조건과 시간을 조절함으로써 허니컴 구 조체 셀 내부까지 충분한 균일 증착이 가능하였다, 800 ℃, 공간속도 10,000 h-1과 CH4와 CO2를 1 : 1로 주입한 조건에서 CH4는 약 83%, CO2는 약 90% 이상의 우수한 전환율을 보여 건식 개질 반응에 효과적으로 적용이 가능하다는 것을 확인하였다. 이 결과를 토대로 대면적, 대용량 촉매 제조 시 온도조절 화학기상증착법이 매우 유용하게 활용될 수 있음을 확인하였다.


플랜트공정개발센터 산화철 허니컴 구조 촉매를 활용한 일산화탄소 저온 산화반응 연구

· 저자

엄성현,이동헌


코디어라이트 허니컴 표면에 알루미나 워시코트 지지체를 형성시키고 비교적 단순한 건식 코팅 공정으로 산화철 촉 매를 코팅함으로써 실제 환경에 효과적으로 적용이 가능한 모노리스 구조 촉매를 제조하였다. 허니컴 통로 벽 구석으로 형성된 워시코트 알루미나 미세 기공으로 균일하게 코팅된 산화철 촉매를 확인하였으며, 일산화탄소 산화 반응에 적용하기 위하여 산화철 촉매의 열처리 효과를 검증하였다. 350 ℃ 부근에서 처리한 산화철 촉매가 가장 우수한 촉매 성능을 발휘하였고, 200 ℃ 이상의 온도 영역에서 100% 전환율을 나타내었다.


플랜트공정개발센터 Highly stable barium zirconate supported nickel oxide catalyst for dry reforming of methane: From powders toward shaped catalysts

· 저자

엄성현,서민혜,김숭연


We report the barium zirconate supported NiOx catalysts (NiOx/BZO) for dry reforming of methane and feasibility test for their industrial application by using temperature-regulated chemical vapor deposition together with extrusion. Nickel oxide nanoparticles are well deposited and dispersed on BZO powders as well as structures in a gear form, showing high catalytic activity and extraordinary stability even at relatively lower temperature and higher space velocity. The NiOx/BZO catalyst are highly coke resistant for 50 h operation with almost negligible agglomeration of NiOx nanoparticles. Judging from XPS and high ion conducting properties of BZO supports, the eOH or eO species are expected to play an important role in promoting the self-decoking of surface carbon species to form CO and CO2.