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아역청탄 촤와 아역청탄으로부터 추출한 초청정탄 촤를 사용한 촉매가스화 반응성 비교 연구

The comparative study of catalytic gasification reaction using sub-bituminous coal char and ultra clean coal char extracted from sub-bituminous coal

초록/요약

최근 석유 가격의 불안정으로 에너지를 안정적으로 공급 할 수 있는 석탄이 각광받고 있다. 석탄은 전 세계적으로 널리 분포되어 있으며 앞으로 약 100년간 에너지 공급원으로 안정적인 공급을 할 수 있다. 또한 지금까지 사용이 미비하였던 저급탄을 사용한 석탄가스화 기술이 활발히 연구되고 있어 그 기대가 크다. 석탄가스화 기술은 대기 오염물질 발생량이 적고 IGCC(Integrated Gasification Combined Cycle), SNG(Substitute Natural Gas), IGFC(Integrated Gasification Fuel Cell)과 같은 공정에 활용될 수 있는 장점을 지닌다. 하지만 석탄가스화 반응의 주반응은 흡열반응으로 온도가 1400℃이상의 고온을 필요로 하며 에너지 손실이 크다. 이를 해결하기 위해 촉매를 사용하여 반응의 활성화 에너지를 줄여 가스화반응성을 향상시키는 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 아역청탄인 Indonesia Roto South원탄과 이 원탄으로부터 추출한 초청탄을 이용하였고 촉매가스화 실험은 이를 촤 형태로 만들어 진행하였다. 실험 조건은 다음과 같다. 첫 번째는 온도 변화(600, 700, 800℃)에 다른 실험, 두 번째는 촉매 유무에 따른 실험, 세 번째는 촉매의 침지량(10, 15, 20%) 및 섞는 방법(침지법, 직접법)에 따른 실험, 그리고 스팀의 양에 따른 실험을 수행하였다. 또한 촉매는 가격이 저렴하고 구하기 쉬우며 회수가 용이한 탄산칼륨(K2CO3)을 사용하였다. 열천칭반응기를 사용하여 가스화 반응을 진행하였고 매분 무게 감소량을 측정하여 이로 부터 얻은 결과로 탄소전환율을 구하여 반응성 비교했다. 그 결과 온도에 따른 반응성은 반응온도가 800℃에서 초청정탄 촤의 경우 탄소전환율이 50%가 되기까지 소요된 시간은 2.8분으로, 다른 반응온도에 비해 가스화반응이 좋았다. 또한, 이를 VRM(Volume Reaction Model) 및 SCM(Shrinking Core Model)에 적용하여 활성화 에너지를 구하였고 다른 연구결과와 활성화 에너지를 비교해 보았다. 이로부터 초청정탄 촤를 사용하여 촉매가스화를 진행하였을 경우의 결과를 SCM에 적용하여 활성화 에너지를 구한 결과 10.10kJ/mol로 다른 조건의 가스화반응에 비해 작은 것을 확인 할 수 있었다.

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목차

제 1 장 서론 1

제 1 절 연구 배경 1
제 2 절 연구 목적 및 범위 4

제 2 장 촉매가스화 기술 소개 5

제 1 절 촉매가스화 기술 및 활용 5
제 2 절 촉매가스화를 이용한 공정 6

제 3 장 촉매의 역할 9

제 1 절 촉매의 역할 및 종류 9
제 2 절 촉매가스화에서의 촉매 매커니즘 11

제 4 장 촉매가스화 실험 14

제 1 절 촉매가스화 장치 14
제 2 절 촉매가스화 대상탄 16
제 3 절 촉매가스화 실험 조건 및 실험 절차 18

제 1 항 석탄 촤(char)의 제조 18
제 2 항 촉매가스화 반응 실험 19
제 5 장 촉매가스화 실험 결과 및 고찰 21

제 1 절 촉매가스화 반응 비교 21

제 1 항 초청정탄과 원탄의 가스화 반응 비교 22
제 2 항 촉매 유무에 따른 가스화 반응 비교 24
제 3 항 온도에 따른 가스화 반응 비교 27
제 4 항 반응가스(스팀)양에 따른 가스화 반응 비교 30

제 2 절 모델의 적용 33

제 1 항 원탄, 온도변화에 따른 10%의 촉매를 혼합한 경우 34
제 2 항 초청정탄, 온도변화에 따른 10%의 촉매를 혼합한 경우 36
제 3 항 초청정탄, 온도변화 따른 무촉매의 경우 39

제 6 장 결론 및 향후 연구 방향 45

참고문헌 47

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