Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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제35권4호
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pp.406-413
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2011
최근 선박에서 배출되는 온실가스를 저감하기 위한 기술로 연료전지가 주목 받고 있다. 본 연구에서는 메탄을 연료로 사용한 내부개질형 500kW급 고체산화물 연료전지의 선박 적용을 가정하여 연료전지 스택을 모델링하여 스택을 구성하는 셀의 수, 수소 변환율, 셀의 반응면적에 따른 출력 및 효율에 관한 특성을 평가하고, 공기와 메탄의 공급조건이 연료전지 스택의 성능에 미치는 영향 등에 관하여 검토하였다. 그 결과 셀의 수, 수소 변환율, 셀의 반응면적 및 공급 공기 유량이 증가할수록 스택의 출력 및 효율이 증가하였고, 메탄 공급 유량이 증가하면 출력은 증가하지만 효율은 감소하였다. 또한 Case 3의 경우에 전류가 976.4 A, 전압이 529.1 V에서 출력이 516.6 kW이고 이때의 연료전지 스택의 효율은 42.91%를 얻을 수있었다.
본 실험은 동일 사료원료 조건에서 농후사료와 조사료를 혼합 급여하는 섬유질배합사료(TMR)와 분리급여 방식이 메탄발생량에 미치는 효과를 조사하기 위하여 홀스타인 거세 숫소 6두(평균체중 $203{\pm}24.8kg$)를 공시하여 changeover design으로 실험을 수행하였다. TMR구는 육성기용 배합사료, 티모시 건초 그리고 비지를 생중량 기준 각각 40, 48, 12% 비율로 매일 혼합 급여하였고, 분리급여구는 배합사료와 비지만을 급여 전 혼합하여 대사틀에 설치된 사료통에 먼저 넣고 그 위에 티모시를 올려주었다. 사료급여량은 공시축이 전량 섭취할 수 있도록 약 0.2 kg의 일당증체 수준으로 제한 급여하였기 때문에 처리구간 차이가 없었고, 메탄발생량(g/d)에서도 유의적인 차이가 없었다(P>0.1). 그러나 메탄 전변율(Ym, 메탄 에너지/GE intake)은 TMR구가 분리급여구 보다 유의적으로 높았다(p=0.05). 두 처리 평균 메탄 배출계수(kg $CH_4$/head/year)는 21.4였고, 평균 메탄 전변율은 0.05이었으며, 공시축의 대사체중(metabolic BW, $kg^{0.75}$)과 메탄발생량(g/d)과는 높은 상관관계($R^2=0.8057$, p<0.001)를 보였다. 반추가축의 대표적인 사료급여방식 차이가 메탄발생량에 미치는 효과에 대한 결론을 얻기 위해서는 보다 많은 연구가 필요할 것으로 사료된다.
The combustion characteristics of the hybrid catalytic(catalytic+thermal) combustor with a lean methane-air mixture on platinum catalyst were investigated numerically using a 2-D boundary layer model with detailed homogeneous and heterogeneous chemistries. for the more accurate calculations, the actual surface site density of monolith coated with platinum was decided by the comparison with experimental data. It was found that the homogeneous reactions in the monolith had little effect on the change of temperature profile, methane conversion rate and light off location. However, the radicals such as OH and CO were produced rapidly at exit by homogeneous reactions. The effect of operation conditions such as equivalence ratio, temperature, velocity, pressure and diameter of the monolith channel at the entrance were studied. In thermal combustor, the production of N$_2$O was more dominant than that of NO due to the relative importance of the reaction N$_2$+O(+M)→N$_2$O(+M). Finally the productions of CO and NOx by amount of methane addition were studied.
Methanol was directly produced by the partial oxidation of methane with four-component mixed oxide catalysts. Four-component(Mo-Bi-Cr-Si) mixed oxide catalysts were prepared by the co-precipitation and sol-gel methods. The catalyst prepared by the sol-gel method showed about eleven times higher surface area than that prepared by the co-precipitation method. From the $O_2$-TPD experiment of the prepared catalysts, it was proven that there exists two types of oxygen species, and the oxygen species that participates in the partial oxidation reaction is the lattice oxygen desorbing around $750^{\circ}C$. The optimum reaction condition for methanol production was $420^{\circ}C$, 50 bar, flow rate of 115 mL/min, and $CH_4/O_2$ ratio of 10/1.5, providing methane conversion and methanol selectivity of 3.2 and 26.7%, respectively.
Experiments were conducted to investigate the temperature profile and the emissions conversion efficiency of catalytic converters for natural gas vehicles. Two types of the catalyst structure and several transient engine operating conditions were used. The dual-bed catalyst effectively reduced the emissions in a transient period due to the low heat capacity of the front bed. The lanthanoid additives were effective in improving catalyst durability. When the natural gas fueled engine were operated outside of a very narrow window of excess air ratio (from 0.993 to 1.004), the HC and NOx conversion efficiency dropped off. The drop-off were especially fast on the lean side of the window.
The steam reformer for hydrogen production from methane is studied by a numerical method. Langmuir- Hinshelwood model is incorporated for catalytic surface reactions, and the pseudo-homogeneous model is used to take into account local equilibrium phenomena between a catalyst and bulk gas. Dominant chemical reactions are Steam Reforming (SR) reaction, Water-Gas Shift (WGS) reaction, and Direct Steam Reforming (DSR) reaction. The numerical results are validated with experimental results at the same operating conditions. Using the validated code, parametric study has been numerically performed in view of the steam reformer performance. As increasing a wall temperature, the fuel conversion increases due to the high heat transfer rate. When Steam to Carbon Ratio (SCR) increases, the concentration of carbon monoxide decreases since WGS reaction becomes more active. When increasing Gas Hourly Space Velocity (GHSV), the fuel conversion decreases due to the heat transfer limitation and the low residence time. The reactor shape effects are also investigated. The length and radius of cylindrical reactors are changed at the same catalyst volume. The longer steam reformer is, the better steam reformer performs. However, system energy efficiency decreases due to the large pressure drop.
본 연구에서는 Pd-Ni-YSZ 촉매의 형태 및 공급되는 가스 조성에 따른 수증기-이산화탄소 복합개질 반응 특성을 평가하였다. 촉매는 분말 형태와 다공성 디스크 형태로 제조되었으며 주입 가스는 $CH_4/CO_2/H_2O$ ratio를 각각 다르게 하여 공급하였다. 그 결과 분말 형태의 촉매와 비교하여 다공성 디스크 형태 촉매를 사용하였을 때 $CH_4$와 $CO_2$ 전환율이 전반적으로 향상되었으며, 공급가스의 $CH_4/CO_2/H_2O$ ratio를 1 : 0.5 : 0.5로 하였을 때 $H_2/CO$ ratio가 2에 가깝게 조절되었다. 하지만 탄소침적에 의해 반응 시작 6 h 이후 $CH_4$ 전환율이 일부 감소하였으며 압력 강하가 0.1에서 0.8로 증가하였다. 이를 해결하기 위하여 공급되는 가스의 $CH_4/CO_2/H_2O$ ratio를 조절하여 수분 비율을 최적화한 결과, 1 : 0.5 : 1의 비율로 가스를 공급할 경우 탄소 침적 방지를 통한 내구성 확보가 가능하였으며 전환율 역시 비교적 높은 수준으로 유지됨을 확인하였다.
Methane의 부분산화에 의하여 일산화탄소를 발생시키고 이를 이용하여 온실가스로 알려져 있는 $N_2O$를 분해시키기 위한 이중 촉매 반응시스템의 반응 특성을 살펴보았다. 일산화탄소를 발생시키기 위한 제1 반응기의 조건은 Co-Rh-Al (1/0.2/1) 촉매를 사용할 때 $500^{\circ}C$의 온도에서 methane과 산소의 비율이 5:1이고 GHSV $8,000h^{-1}$ 일때 가장 적합하였다. 제1 반응기에서 methane을 부분산화시켜 얻은 혼합 가스를 사용하는 이중 반응시스템에서 제2 반응기에 촉매로 Co-Rh-Al(1/0.2/1)과 Co-Rh-Zr-Al(1/0.2/0.3/1)을 사용한 경우 Co-Rh-Al(1/0.2/1) 촉매를 사용한 single bed system 보다 $250^{\circ}C$ 이하의 저온에서 우수한 분해성능을 나타내었다. 두 경우 모두 $250^{\circ}C$ 이상의 온도에서는 $N_2O$가 100% 분해되었다. 또한, 제2 반응기에서 $N_2O$ 분해성능은 NO의 존재 유무에 관계없이 산소의 농도가 증가할수록 감소함을 보여주었다. 다만 NO가 존재할 경우 산소의 농도가 10,000 ppm 이하일 때 100% 분해율을 보이며 그 이상일 경우 급격히 감소하였다.
Limited sources of fossil fuels and also global climate changes caused by $CO_2$ emissions are currently discussed around the world. As a renewable, carbon neutral and widely available energy source, biogas is regarded as a promising alternative to fossil fuels. In this study, a plasma dump reformer was proposed to produce $H_2$-rich synthesis gas by a model biogas. The three-phase gliding arc plasma and dump combustor were combined. Screening studies were carried out with the parameter of a dump injector flow rate, water feeding flow rate, air ratio, biogas component ratio and input power. As the results, methane conversion rate, carbon dioxide conversion rate, hydrogen selectivity, carbon monoxide yield at the optimum conditions were achieved to 98%, 69%, 42%, 24.7%, respectively.
The catalytically stabilized combustion of $CH_4$-air mixture on platinum catalyst was investigated numerically using a 2-D boundary layer model with detailed heterogeneous and homogeneous chemistries. The actual surface site density of monolith coated with platinum was decided by the comparison with experimental data. The comparisons were made between results for cases where only heterogeneous chemistry was allowed and both heterogeneous and homogeneous chemistries were allowed. It was found that the homogeneous reaction in the monolith had little effect on the change of temperature profile, methane conversion rate and light off location. The contributions of each reactions related with CO formation were discussed on the surface. The effects of operation conditions such as equivalence ratio, temperature, velocity and pressure at the entrance were studied. In thermal combustor, CO and NOx was produced less than 1 ppm at the exit and the production of $N_{2}O$ was more dominant than that of NO.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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