• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제23권1호
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• pp.73-82
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• 2012

A 2-dimensional heterogeneous reactor model was developed and simulated for a tube reactor of packed bed where the steam-$CO_2$ combined reforming reaction of natural gas proceeded to produce synthesis gas. Under the reactor feeding rate, 45 $Nm^3$/h, of the reactant gas stream, the 2-dimensional heterogeneous reactor model showed the similar results to those from the ASPEN simulator although there were some discrepancies between the two in the temperature and the $H_2$/CO ratio of the reformed gas at the reactor exit. The calculated enthalpy difference between the reformed gas at the reactor exit and the reactant gas fed to the reactor was closely correspondent to the total amount of heat transferred to the reactor interior from the furnace. This supports that the 2-dimensional heterogeneous reactor model was reasonably established and the numerical solution was properly obtained.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제15권4호
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• pp.301-308
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• 2004

The methane reforming with $CO_2$ and steam for manufacture of synthesis gas over $Ni/ZrO_2$ catalyst was investigated. Mixed reforming carried out $CO_2$ dry reforming with $O_2$ and steam for development of DME process in pilot plant. To improve a catalyst deactivation by coke formation, the mixed reforming added carbon dioxide and steam as a oxidizer of the methane reforming was suggested. The result of experiments over commercial catalyst in $CO_2$ dry reforming has shown that the catalyst activity decrease rapidly after 20 hours. In case of $NiO-MgO/Al_2O_3$ catalyst, the deactivation of 20 percent after 30 hours was occurred. The activity of Ni/C catalyst still was not decreased dramatically after 100 hours. The effect of $H_2$ reforming with steam over $Ni/CO_2$ catalyst obtained the optimal conversion of methane and carbon dioxide, and could be produced synthesis gas at ratio of $H_2/CO$ under 1.5.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2010년도 춘계학술대회 초록집
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• pp.223.2-223.2
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• 2010

용융탄산염 연료전지(MCFC)는 $650^{\circ}C$에서 작동하는 고온형 연료전지 시스템이다. 이 시스템은 천연가스 등을 개질하여 생산된 수소를 바로 전기로 생산할 수 있는 시스템으로 열효율이 높으며, 현재 대체 발전시스템으로 각광을 받고 있다. MCFC는 개질방식에 따라 내부개질 방식과 외부개질 방식이 있다. 내부개질 방식은 수소를 생산하는 개질기가 스택내부에 장착된 형식으로 천연가스를 스택내부에서 개질하여 바로 전기를 생산하는 방식이다. 이 내부개질반응에 사용되는 촉매로는 알루미나에 담지된 니켈(Ni) 계열촉매이 주로 쓰이고 있다. 또한 내부개질촉매의 형태는 작은 원주형의 촉매형태로 성형되어 사용된다. 이 성형된 촉매의 크기가 바로 내부개질 스택의 크기를 결정하는 중요한 요소이다. 그래서 촉매의 크기는 되도록이면 작게 성형하는 것이 중요하다. 그러나 촉매의 크기가 너무 작으면 촉매를 성형하는데 큰 어려움이 생기게 된다. 본 연구에서는 니켈 촉매를 공침법이 아닌 균일용액침전법을 이용하여 제조하였으며, 이 촉매를 이용하여 지름이 약 2 mm 이하로 촉매를 압출성형하는 방법을 연구하였다. 먼저 요소(urea)를 이용한 균일용액침전법으로 촉매를 제조하였다. 최적의 촉매 합성조건을 살펴보기 위해서, 반응 온도를 80, 85, 90, 95, $100^{\circ}C$로 변화 시키면서 제조된 촉매의 특성을 살펴보았다. 그리고 촉매의 적절한 니켈 양을 알아보기 위해서 니켈의 양을 30, 40, 50, 60, 70 wt%로 변화 시켰으며, 조촉매로 사용되는 MgO 양을 5, 10, 15, 20 wt%로 변화 시켜서 제조된 촉매의 특성을 살펴보았다. 물성을 비교하기 위해서, X-선 회절분석(XRD) 및 TPR, 물리화학흡착을 하였다. 그 결과 침전반응온도가 $80^{\circ}C$에서 촉매가 가장 좋은 물성을 보였으며, 우수한 개질성능을 보였다. 그리고 촉매 활성물질인 니켈의 함량은 50 wt% 정도가 가장 적절한 함량이었으며, MgO의 함량이 15 wt%일 때 가장 우수한 물성과 개질 성능을 보여주었다. 이 촉매들은 공침법으로 제조된 상용촉매와 비교하였을 때, 보다 우수한 물성과 개질성능 보였다. 그래서 이 촉매를 균일침전법을 이용하여 대량으로 제조한 다음 압출성형 방법을 이용하여 촉매를 원주형으로 제조하였다. 먼저 제조된 촉매는 별도의 분쇄작업(볼밀 혹은 제트밀)을 거치지 않아도 입자사이즈가 약 $4{\mu}m$ 수준이 나오도록 촉매 제조조건을 조절 하였다. 그리고 소량의 Methyl cellulose(MC) 바이더와 물만 사용하여 촉매를 혼합한 다음 스크류 압출기를 이용하여 촉매를 성형하였다. 이 촉매는 지름이 약 2 mm 이하로 제조할 수 있었으며, 기계적 강도는 타정기로 성형한 상용촉매보다 우수하였다. 그리고 촉매 성능 또한 상용촉매와 비교하였을 때, 우수한 성능 보였다. MCFC용 내부개질 촉매로 균일용액침전법을 사용한 촉매가 적합하다고 판단되며, 압출성형에도 적합하다고 판단되었다.

• 한국가스학회지
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• 제20권6호
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• pp.95-101
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• 2016

본 연구에서는 다양한 수소 생산 방법 중 하나인 천연가스 수증기 개질반응(natural gas steam reforming reaction)에 대해 일반적인 충전층반응기와 반응기와 수소분리기가 결합된 새로운 형태의 분리막 반응기에서의 성능에 대한 비교분석을 수행하였다. Xu 와 Froment에 의해 기존에 발표된 실험결과를 바탕으로 상업용 화학공정모사기인 Aspen $HYSYS^{(R)}$ 모델이 개발되었으며, 반응온도, $H_2$ 투과량, Ar 유량 등이 분리막 반응기에서의 반응물의 전환율 및 $H_2$ 수율 향상도에 미치는 영향에 대해 분석한 결과 분리막 반응기에서 보다 많은 양의 수소수율 및 메탄전환율이 확인되었다. 더 나아가, 전체 시스템에서 필요로 하는 열량을 공급하기 위해 요구되는 천연가스의 양에 초점을 맞춰 분리막 반응기에서의 원가절감 가능성을 평가한 결과, 분리막 반응기에서 10.94%의 원가절감이 관찰되었다.

• 한국태양에너지학회:학술대회논문집
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• 한국태양에너지학회 2008년도 추계학술발표대회 논문집
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• pp.294-299
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• 2008

Steam reforming of methane is the most wide spread method for hydrogen production. It has heed studied more than 60 years. methane reforming has advantages in technological maturity and economical production cost. Using a high-temperature solar thermal energy is an advanced technology in Steam reforming process. The synthesis gas, the product of the reforming process, can be applied directly for a combined cycle or separated for a hydrogen. In this paper, hydrogen conversion rate of a solar chemical reactor is calculated using commercial CFD program. 2 models are considered. Model-1 is original model which is designed from the former researches. And model-2 is ring-disk set of baffle is inserted to enhance the performance. The solar chemical reactor has 3 inlet nozzle at the bottom of the side wall near quartz glass and an exit is located at the top. Methane and steam is premixed with 50:50 mole fraction and goes into the inside. Passing through the porous media, the reactants are conversed into hydrogen and carbon monoxide.

• 한국신재생에너지학회:학술대회논문집
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• 한국신재생에너지학회 2009년도 춘계학술대회 논문집
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• pp.731-734
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• 2009

KIER has been developed a compact and highly efficient fuel processor which is one of the key component of the residential PEM fuel cells system. The fuel processor uses methane steam reforming to convert natural gas to a mixture of water, hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide and unreacted methane. Then carbon monoxide is converted to carbon dioxide in water-gas-shift reactor and preferential oxidation reactor. A start-up time of the fuel processor is about 1h and CO concentration among the final product is maintained less than 5 vol. ppm. To achieve high thermal efficiency of 80% on a LHV basis, an optimal thermal network was designed. Internal heat exchange of the fuel processor is so efficient that the temperature of the reformed gas and the flue gas at the exit of the fuel processor remains less than $100^{\circ}C$. A compact design considering a mixing and distribution of the feed was applied to reduce the reactor volume. The current volume of the fuel processor is 17L with insulation.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제18권1호
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• pp.12-25
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• 2007

Numerical simulation of the natural gas steam reforming process for on-site hydrogen production in a $H_2$ fueling station was conducted on the basis of process material and heat balances. The effects of reforming parameters on the process efficiency of hydrogen production were investigated, and set-point values of each of the parameters to minimize the sizes of unit process equipments and to secure a stable operability of the reforming process were suggested. S/C ratio of the reforming reactants was found to be a crucial parameter in the reforming process mostly governing both the hydrogen production efficiency and the stable operability of the process. The operation of the process was regarded to be stable if the feed water(WR) as a reforming reactant could evaporate completely to dry steam through HRSG. The optimum S/C ratio was 3.0 where the process efficiency of hydrogen production was maximized and the stable operability of the process was secured. The optimum feed rates of natural gas(NGR) and WR as reforming reactants and natural gas(NGB) as a burner fuel were also determined for the hydrogen production rate of $27\;Nm^3/h$.

• 한국가스학회지
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• 제8권3호
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• pp.16-23
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• 2004

현재 많은 연구가 진행되고 있는 막반응기를 이용한 수소 생산기술은 열역학적 평형의 한계(thermodynamic equilibrium limit)를 뛰어 넘는 생산성을 얻을 수 있음과 동시에 생산되는 수소를 별다른 과정이나 장치 없이 분리할 수 있다는 점에서 경제적으로 매우 기대되는 공정이다. 메탄의 개질반응에서 생성되는 합성가스에 수증기를 첨가하면 널리 알려진 수성가스전환반응이 이루어진다. 이 반응은 수소 생산 공정에 사용되는 주요 반응 중 하나이다. 본 연구에서는 새롭게 제안된 cell을 이용한 해석 기법을 통해 막반응기를 모사하여 막을 이용하지 않은 반응기의 모사 결과와 비교 분석하였으며, 막반응기의 우수성을 검증해 보았다. 막을 사용하지 않은 반응기에서 압력의 영향에 따른 반응속도의 변화는 수성가스전환반응에서 무시할 수 있을 만큼 작았다. 막반응기에서 튜브 측(tube side)의 압력은 높을수록, 쉘 측(shell side)의 압력은 낮을수록 CO의 전환율이 좋았다. 낮은 온도에서 반응의 속도가 낮았으며, 온도가 증가함에 따라 점차 증가하여 600$\pm$30K에서 최대의 CO전환율을 가졌으며 더 증가하면 열역학적 평형의 감소로 인하여 점차 감소하였다. Cell을 이용한 막반응기 모델은 미분방정식을 이용한 모델보다 간단하게 모사를 할 수 있었으며, 신뢰할만한 모사 결과를 얻을 수 있었다.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제26권5호
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• pp.402-408
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• 2015

In D-T fusion reaction, $D_2$ (duterium) and $T_2$(tritium) are used as fuel gas. The exhaust gas of nuclear fusion includes hydrogen isotopes $Q_2$ (Q means H, D or T), tritiated components ($CQ_4$ and $Q_2O$), CO, $CO_2$, etc. All of hydrogen isotopes should be recovered before released to the atmosphere. This study focused on the recovery of hydrogen isotopes from $CQ_4$ and $Q_2O$. Two kinds of experiments were conducted to investigate the catalytic reaction characteristics of SMR (Steam Methane Reforming) and WGS (Water Gas Shift) reactions using Pt catalyst. First test was performed to convert $CH_4$ into $H_2$ using 6% $CH_4$, 6% CO/Ar feed gas. In the other test, 100% CO gas was used to convert $H_2O$ into $H_2$ at various reaction conditions (reaction temperature, S/C ratio, GHSV). As a result of the first test, $CH_4$ and CO conversion were 41.6%, 57.8% respectively at $600^{\circ}C$, S/C ratio 3, GHSV $2000hr^{-1}$. And CO conversion was 72% at $400^{\circ}C$, S/C ratio 0.95, GHSV $333hr^{-1}$ in the second test.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제56권2호
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• pp.169-175
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• 2018

본 연구는 핵융합 배가스 중 삼중수소가 포함된 화합물인 메탄($CQ_4$) 및 물($Q_2O$)로부터 수소동위원소를 회수하기 위한 공정에 관한 것이다(Q는 수소, 중수소, 삼중수소). 수증기-메탄 개질반응과 수성가스 전환반응을 이용하여 $CQ_4$와 $Q_2O$를 $Q_2$로 변환시키고, 후속하는 팔라듐 분리막으로 생성된 $Q_2$를 회수한다. 본 연구에서는 $CQ_4$ 및 $Q_2O$ 중 하나의 물질인 $CH_4$ 및 $H_2O$로부터 수소 회수를 위해 촉매반응기, 팔라듐 분리막, 순환펌프로 구성된 순환루프를 적용하였다. 촉매반응온도 및 순환유량을 변화시켜가며 $CH_4$ 및 $H_2O$의 전환율을 측정하였다. $CH_4$ 중 수소 회수는 촉매반응온도 $650^{\circ}C$, 순환유량 2.0 L/min 조건에서 99% 이상의 $CH_4$ 전환율을확인하였고, $H_2O$ 중수소 회수는촉매반응온도 $375^{\circ}C$, 순환유량 1.8 L/min 조건에서 96% 이상의 $H_2O$ 전환율을 확인하였다. 이와 더불어, 향후 핵융합 실증로(K-DEMO)에서의 $CQ_4$ 발생량을 예측하고, 이에 대한 처리공정을 제안하였으며, HAZOP (Hazard and Operability) 분석을 실시하여 공정의 위험요소와 운전상의 문제점을 도출하고 해결방안을 제시하였다.