바이오가스의 수증기 복합 개질에서 열역학적 평형 계산을 통한 최적 반응 조건 도출 및 Ni계 촉매 성능에 관한 연구 = A study of the catalytic performance over Ni-based catalysts and the determination of optimal reaction condition through thermodynamic equilibrium analysis for the combined steam reforming of biogas
저자
김지은 ( Jee-eun Kim ) ; 공지현 ( Ji-hyeon Gong ) ; 김진희 ( Jin-hee Kim ) ; 김민주 ( Min-ju Kim ) ; 전경원 ( Kyung-won Jeon ) ; 장원준 ( Won-jun Jang )
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2021
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학술저널
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431-439(9쪽)
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본 연구에서는 유기성 폐기물에서 생성되는 바이오가스의 수증기 복합 개질에 대한 열역학적 평형 계산을 통해 최적 조건을 도출하였다. 열역학적 평형은 Gibbs 자유에너지 최소화 기법을 이용해 계산하였다. 바이오가스 내 메탄과 이산화탄소는 60 : 40으로 고정하였고, H<sub>2</sub>O/(CO<sub>2</sub> + CH<sub>4</sub>) 비(0 ~ 3.0)와 온도(500 ~ 1000℃)를 변수로 하여 CH<sub>4</sub> 전환율, CO<sub>2</sub> 전환율, H<sub>2</sub> 수율, CO 수율, 탄소침적 생성량, 생성된 합성가스의 H<sub>2</sub>/CO 비를 계산하였다. 최적 반응 조건 선정을 위해서는 투입 수증기량, 전환율, 수율, 탄소침적을 고려하였다. H<sub>2</sub>O/(CO<sub>2</sub> +CH<sub>4</sub>) 비 = 1.5 이상 시 모든 온도 영역에서 탄소침적이 생성되지 않아 해당 조건에서 반응 실험을 수행하고 검증하였다. 반응 실험 결과는 열역학적 평형과 유사한 결과값을 보였으나 H<sub>2</sub>O/(CO<sub>2</sub> + CH<sub>4</sub>) 비 = 1.5 조건에서는 역수성가스전이 반응(RWGS, Reverse water gas shift)에 의해 낮은 H<sub>2</sub> 수율을 보였다. 반면, H<sub>2</sub>O/(CO<sub>2</sub> + CH<sub>4</sub>) 비 = 2.0 조건에서는 우수한 전환율과 수율을 보였으며 평형과 일치하는 결과를 나타내어 바이오가스의 수증기 복합 개질로부터 수소 생산을 위한 최적 조건은 H<sub>2</sub>O/(CO<sub>2</sub> + CH<sub>4</sub>) 비 = 2.0, 온도 = 650℃ 이상으로 확인되었다. 또한, Ni-CZO 촉매와 다양한 조촉매(MgO, CaO, La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>)가 첨가된 촉매를 수증기 개질(SRM, Steam reforming of methane), 건식(이산화탄소) 개질(DRM, Dry reforming of methane)에 적용하였으며, 저온의 SRM 반응에서는 La<sub>2</sub>O<sub>3</sub>가 첨가된 Ni-CZO 촉매 그리고 고온의 DRM 반응에서는 MgO가 첨가된 Ni-CZO 촉매가 우수한 성능을 보였다.
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