CO2 원천분리 수소 제조 공정을 위한 이동 층 반응기의 개념 설계 및 수력학적 특성

Abstract

CO2 원천 분리 수소제조 반응시스템은 금속 산화물의 산화/환원 반응을 이용하여 기존의 수증기-메탄 개질 반응을 3단계의 반응시스템으로 분리함으로써 메탄 연소 시 발생되는 CO2를 원천적으로 분리함과 동시에 고 순도 수소를 별도의 후단 공정 없이 직접 생산해 내는 신 개념의 수소 생산 기술이다. 반응 시스템은 크게 연료 (즉, CH4)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.