바이오가스 직접 이용 수소 생산 공정 모델링
Process Modeling of the Hydrogen Production through Direct Utilization of Biogas
- 주제(키워드) 공정모델링 , 바이오가스 , 수소 생산 , 탄소 중립
- 주제(DDC) 660
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 박명준
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 화학공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000034502
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
수소는 현시점 가장 활발하게 연구되고 있고 개발되어야 하는 물질 중 하나이다. 그러나 현재 생산되는 수소의 90 % 이상은 화석연료를 원료로서 사용하고 있고, 이에 수소 생산에 있어 화석연료를 대체할 수 있는 현실적인 에너지원으로 바이오가스가 주목받고 있다. 바이오가스는 유기성 폐자원으로부터 발생한 에너지원으로 ‘탄소 중립’의 의미를 지니고 있으며 보편적이고 친환경적이라는 장점으로 활성화가 진행되고 있다. 뿐만 아니라 고질화 공정을 통해 바이오가스 내 바이오메탄을 추출하여 기존 수소 생산 공정의 원료로 사용하는 기술은 꾸준히 개발되고 있으며 국내에서 상용화까지 진행된 기술이다. 그러나 공정 내 고질화 기술에 대한 높은 유지보수 비용과 에너지 소모량 등의 문제들은 해당 공정에서 해결이 필요한 과제로서 인식되고 있다. 따라서 본 연구에서는 고질화 공정을 거치지 않은 바이오가스를 버너의 연료, 수소 생산의 원료로서 활용하여, 수소 생산 설비의 운전 특성과 개질 효율을 실험적으로 분석하였으며, 이를 바탕으로 공정 모델링과 공정 개선을 진행하였다. 실험 결과, 메탄 전환율 94.2 %, 수소 선택도 57.9 % 수소 수율 0.1789 kgH2/Nm3biogas 로 목표한 개질 수준을 나타내는 것을 확인하였다. 또한 실험 결과 분석을 통해 운전적, 설계적 측면에서의 일부 개선 사항을 도출하였고, 이를 해결하기 위해 공정 시뮬레이션 소프트웨어(Unisim)를 활용한 공정 모델링과 시뮬레이션을 진행하였다. 우선 실제 실험 설비를 기반으로 공정 모델을 구성하였고, 수소 개질 반응, 수성가스 전이반응에 대한 반응 속도 모델을 대입하였다. 최종 구축된 공정 모델은 실제 실험 값과의 상관분석을 통해 검증하여 타당성을 검토하였고, 이후 공정 모델 개선을 진행하였다. 공정 모델 개선은 두 가지 케이스 분석을 통해 진행하였다. 첫 번째 케이스에서는 물 공급 조건의 변화에 따른 설비의 특성을 분석하여 물 공급 조건을 재설정하였고, 두 번째 케이스에서는 버너의 온도 제어 부담을 최소화할 수 있도록 에너지 효율 측면에서의 열교환망 개선을 진행하였다. 이를 통해 최종적으로 변경된 운전 조건과 개선된 공정 모델을 제시하였다.
more목차
1. 서론 1
2. 이론적 배경 3
가. 바이오가스 3
나. 바이오가스를 통한 수소 생산 공정 10
1) 전처리 및 고질화 기술 10
2) 수소 개질 기술 15
3) 수성가스 전이 반응 기술 18
4) 수소 정제 기술 19
다. 바이오가스를 통한 수소 생산 공정의 한계 및 기술 개발의 필요성 20
3. 수소 생산 설비 실험 및 공정 모델링 22
가. 바이오가스 직접 이용 수소 생산 실험 22
1) 실험 장치 구축 22
2) 수소 생산 실험 및 실험 결과 39
나. 바이오가스 직접 이용 수소 생산 공정 모델링 45
1) 공정 구성 45
2) 반응 속도 모델 58
4. 수소 생산 설비 공정 평가 및 공정 개선 60
가. 공정 모델 평가 및 검증 60
나. 실험 및 시뮬레이션 기반 공정 모델 개선 64
5. 결론 80
