Synthesis gas is a high valued compound as a basic chemicals at various chemical processes. Synthesis gas is mainly produced commercially by a steam reforming process. However, the process is highly endothermic so that the process is very energy-consuming process. Thus, this study was carried out to produce synthesis gas by the partial oxidation of methane to decrease the energy cost. The effects of reaction temperature and flow rate of reactants on the methane conversion, product selectivity, product ratio, and carbon deposition were investigated with 13wt% Ni/MgO catalyst in a fluidized bed reactor. With the fluidized bed reactor, CH4 conversion was 91%, and Hz and CO selectivities were both 98% at 850℃ and total flow rate of 100 mL/min. These values were higher than those of fixed bed reactor. From this result, we found that with the use of the fluidized bed reactor it was possible to avoid the disadvantage of fixed bed reactor (explosion) and increase the productivity of synthesis gas.

The effect of La promoter on the carbon deposition and catalytic activity in the synthesis gas production with supported Ni catalysts was investigated. Active component was Ni and support was CeO2 and the promoter used was La. The reaction was carried out in a fixed bed reactor at 1 atm and 650~800℃. The catalysts were prepared by two methods, the impregnation method and urea method. The catalysts prepared by the urea method showed 10 times higher surface area than those of prepared by the impregnation method. By the introduction of La promoter in the catalyst system, carbon deposition was remarkably reduced from 16% to 2%. It appears that the promoter facilitates the formation of a stable fluoride-type phase, which reduces the carbon deposition. The best catalytic activity and CO and H2 selectivities were obtained with 2.5wt% Ni/Ce(La)Ox catalyst at 750℃, giving 90% methane conversion, 93 and.80% of CO and H2 selectivities, respectively.

The effects of reaction temperature and flow rate of reactants on the methane conversion, product selectivity, product ratio, and carbon deposition were investigated with 13wt% Ni/MgO catalyst. Reaction temperatures were changed from 600 to 850℃, and reactants flow rates were changed from 100 to 200 mL/mim. There were no significant changes in the methane conversion observed in the range of temperatures used. It is possibly stemmed from the nearly total exhaustion of oxygen introduced. The selectiveties of hydrogen and carbon monoxide did not largely depend on the reaction temperature. The selectivities of hydrogen and carbon monoxide were 96 and 90%, respectively. Carbon deposition observed was the smallest at 750℃ and the largest at 850℃. It is found that the proper reaction temperature is 750℃. The best reactant flow rate was 150 ml/min.

Synthesis gas is produced commercially by a steam reforming process. However, the process is highly endothermic and energy intensive. Thus, this study was conducted to produce synthesis gas by the partial oxidation of methane to cut down the energy cost. Supported Ni catalysts were prepared by the impregnation method. To examine the activity of the catalysts, a differential fixed bed reactor was used, and the reaction was carried out at 750~850℃ and 1 atm. The fresh and used catalysts were characterized by XRD, XPS, TGA and AAS. The highest catalytic activity was obtained with the 13wt% Ni/MgO catalyst, with which methane conversion was 81%, and H2 and CO selectivities were 94% and 93%, respectively. 13wt% Ni/MgO catalyst showed the best MgNiO2 solid solution state, which can explain the highest catalytic activity of the 13wt% Ni/MgO catalyst.

Liquid-phase methanol synthesis via methyl formate using coal-derived syngas was carried out in a bench-scale(diameter 173 mm and dispersion height 1200 mm) slurry bubble column reactor(SBCR) Under the condition of 180˚. 61 atm, 30 L/min, H2/CO=2 and a slurry mixture of 2 kg of copper chromite and 0.5 kg of KOCH3 suspended in 14 L of methanol, the per pass conversions of syngas is 6 %, maximum concentration of methyl formate 3.088 mol% and maximum synthesis, rate of methanol 0.8 gmole/kg · hr. It is a significant evidence that copper chromite powder as heterogeneous catalyst didn't active for the hydrogenolysis of methyl formate to methanol, resulting copper chromite powder was not efficiently suspended in a slurry mixture. To enhance the hydrogenolysis of methyl formate in liquid-phase methanol synthesis process, the designed SBCR have need to use the higher specific gravity solvent and/or decrease the catalyst particle size.

본 연구에서는 고밀도 플라즈마를 형성하는 planar magnetron RF 플라즈마 CVD를 이용하여 DLC(diamond-like carbon) 박막을 합성하였다. 이 방법을 이용하여 DLC 박막을 합성한다면 고밀도 플라즈마 때문에 종래의 플라즈마 CVD(RF-PECVD)법보다 증착속도가 더욱더 향상될 것이라는 것에 착안하였다. 이를 위해 magnetron에 의한 고밀도 플라즈마가 존재할 때도 역시 DLC박막형성에 미치는 RF 전력과 반응가스 압력이 중요한 반응변수인가에 대해 조사하였고, 일정한 자기장의 세기에서 RF전력과 DC self-bias 전압과의 관계를 조사하였다. 또한 RF전력변화에 따른 박막의 증착속도와 밀도를 측정하였다. 본 연구에 의해 얻어진 박막의 증착속도는 magnetron에 의한 이온화율이 매우 높아 기존의 RF-PECVD 법보다 매우 빠르며, DLC박막의 구조와 물질특성을 알아보기 위해 FTIR(fourier transform infrared)및 Raman 분광분석을 행한 결과 전형적인 양질의 고경질 다이아몬드상 탄소박막임을 알 수 있었다.

Ultra thin films of HDSM-CuPc(Tetra-3-hexadecylsulphamoylcopperphthalocya-nine) were formed on various substrates by Langmuir-Blodgett method, where HDSM-CuPc was synthesized by attaching long-chain alkylamine(hexa-decylamine) to CuPc. The reaction product was identified with FT- IR, UV-visible absorption spectroscopies, elemental analysis and thin layer chromatography. The formation of ultrathin films of HDSM-CuPc was confirmed by FT-IR and UV-visible spectroscpies.

본 연구에서는 폐자원 합성가스를 이용한 고온전이반응용 Ce가 첨가된 Cu/γ-Al2O3 촉매의 물리 화학적 특성을 비교 분석하였다. 합성방법에 따른 촉매의 특성을 비교하기 위해 활성물질의 담지 순서를 변경하여 Ce/Cu/γ-Al2O3, Ce-Cu/γ-Al2O3, Cu/Ce/γ-Al2O3, Cu/γ-Al2O3 촉매를 제조하였다. 제조된 촉매 중 Ce/Cu/γ-Al2O3 촉매가 가장 높은 활성도 및 안전성을 나타냈다. 제조된 촉매의 물리-화학적 특성은 XRD, H2-TPR, XPS, Raman, Photoluminescence 등으로 분석하였다. 그리고 CO 전환율에서도 CeO2로 첨가된 모든 Cu/γ-Al2O3 촉매는 Cu/γ-Al2O3보다 높은 CO 전환율을 보였다. 이 연구결과는 CeO2의 첨가가 고온전이반응에서 Cu/γ-Al2O3 촉매의 성능을 향상 시킨 것을 나타낸다. 또한, Ce/Cu/γ-Al2O3 촉매의 높은 촉매 활성은 주로 고농도 산소저장능 및 환원된 Cu종과 관련이 있음을 알 수 있었다.

본 연구에서는 선행 연구를 통해 고온전이반응(HTS: High Temperature Shift reaction)에서 높은 활성 및 안정성을 나타내는 Fe-Al-Cu 촉매에 대한 연구를 수행하였다. 연구실 규모(3gcatal./batch)에서 공침법으로 제조된 Fe-Al-Cu 촉매 시스템을 대용량 규모로 스케일-업하기 위해 연구실 규모와 대용량 규모로 제조된 Fe-Al-Cu 촉매의 다양한 물리-화학적 특성을 XRD, H2-TPR, BET, N2 흡착 분석 등으로 분석하였다. 배치당 제조량을 달리하여 제조된 Fe-Al-Cu 촉매는 촉매반응장치를 통해 정량적으로 성능을 비교 평가하였으며 제조된 촉매의 성능을 입증하기 위해 상업용 Fe-Cr 촉매와 성능을 직접 비교하였다. 특히, 선행 연구를 통해 최적화된 고활성 및 고안정성 Fe-Al-Cu 촉매를 대용량 규모로 제조하여 제조량에 따른 성능 변화와 물리화학적 특성간의 상관관계에 대해 규명하였다.

지구의 온도가 지속적으로 상승하는 기후 변화가 가속화되고 있는 현재 상황에서 신재생에너지의 활용을 적극적으로 검토하여 한다. 또한 1차 에너지원의 대부분을 수입하고 있는 국내의 현실을 감안하면 저급자원이고 필연적으로 발생하고 있는 폐기물 또는 바이오매스의 적극적인 활용에 관심을 기울여야 할 필요성이 강하다고 판단된다. 특히 SRF 가스화를 통하여 합성가스를 생산하여 활용할 경우 발전, CO/H2 생산 및 각종 화학물질생산 등 넓은 산업 분야에서 환경 친화적임과 동시에 고효율로 활용할 수 있으므로 전 세계적으로 연구개발이 활발하게 진행되고 있다. SRF를 가스화할 때에 발생하는 합성가스의 조성 및 성능 예측을 통하여 미리 설계조건 또는 운전조건에 반영할 수 있다면 연구 개발 및 상업용 플랜트 설계 시에 유용하게 활용될 수 있다. 그러나 SRF 가스화의 경우 비교적 낮은 출구온도, 이에 따라 화학적 평형상태로 보기 어려운 점 등으로 인하여 조성 및 유량 등의 합성가스의 특성을 사전에 예측하기에 어려운 점이 있다. 이에 본 연구에서는 SRF 가스화 시의 합성가스 조성과 유량 계산, 성능 예측 및 운전조건 사전 설정 등을 가능하게 하여 연구 및 상업용 플랜트개발에 도움을 줄 수 있는 프로그램을 개발하고자 하였다. 우선 평형상태 계산으로부터 일반적인 SRF 가스화 운전조건에서 화학적 평형상태에서는 CH4, C2 이상 물질 및 타르 등이 생성되지 않으므로 이들 물질의 생성에 대한 관계식이 필요함을 알 수 있었으며, 이에 본 연구의 선행연구에서 진행된 각종 실험결과를 이용하여 관계식을 만들고, 합성가스 내에 가장 중요한 조성인 CO, CO2, H2, H2O에 대해서는 화학적 평형상태 계산을 수행할 수 있도록 하였다. 또한 가스화 시스템의 에너지 정산을 수행할 수 있는 각종 보조 수식을 적용하여 에너지정산을 수행하고, 합성가스 조성 계산과 에너지 정산이 완벽하게 맞게 되는 산소공급량을 반복계산법으로 구할 수 있도록 프로그램을 구성하였다. 개발된 프로그램을 활용하여 SRF의 발열량, 가스화기의 열손실 및 산소부화조건 등의 운전조건 변화에 따른 합성가스 조성 및 가스화 시스템의 성능 변화를 비교 및 고찰하였다. 열손실 및 탄소전환율이 가스화 시스템의 성능에 아주 큰 영향을 미치는 인자임을 알 수 있었다.

현대의 경제적인 번영과 함께 가축 및 유제품에 대한 전 세계적인 수요는 지속하여 증가해왔다. 이에 가축의 광대한 수요는 환경문제를 일으키지 않는 가축 분뇨 처리에 대한 많은 걱정을 불러 일으켰다. 가축 분뇨의 탄소 중립성 때문에 가축 분뇨가 재생 가능한 탄소 원으로서 고려할 때 바이오 연료의 원료로서 가축 분뇨를 이용하는 것은 친환경 적이고 에너지 회수에 있어 지속 가능한 방법이다. 그러므로 가축 분뇨를 처리하는 친환경적이고 효과적인 기술을 고안하는 것은 중요하다. 이러한 관점에서 이산화탄소를 이용한 바이오매스의 열분해가 연구되어져 왔고 이산화탄소가 바이오매스 열분해의 열효율을 증대시킨다는 것이 밝혀졌다. 본 연구는 에너지 회수 뿐 만 아니라 벤젠 유도체의 형성 저감의 관점에서 우분의 열적 분해 동안에 이산화탄소의 역할에 대한 이해에 대하여 주로 다루고 있다. 우선 우분의 열중량분석을 통해 질소와 이산화탄소 조건에서 열적 분해특성을 알아보기 위하여 수행되어졌다. 다음으로 반응 열화학 공정에서 매개체로서 이산화탄소의 도입은 질소대비 일산화탄소의 농도가 향상되었다. 이러한 결과는 이산화탄소에 의해 향상된 열분해로부터 유도되어진 휘발성 유기물질들과 이산화탄소의 직접 반응하는 열적 분해로부터 초래 되었다. 게다가 열분해로부터 발생되어진 타르에서 벤젠 유도체들의 양은 열분해 매개체로서 질소 대신에 이산화탄소를 사용할 때 감소되어졌다. 이러한 연구의 결과는 전통적인 열화학 공정들보다 더 향상된 에너지 회수를 보이고 더 적은 오염 물질들을 방출하는 새로운 방식의 지속가능한 가축 분뇨 처리 방법임을 제시한다.

폐기물, 바이오매스, 석탄, 정유공장 부산물 등을 청정하면서 이용이 편리한 가스 형태인 합성가스로 변화시켜 발전과 화학원료 생산과 같은 고부가가치로 활용 가능한 가스화 기술은 최근 환경과 청정에너지 관점에서 국제적으로 관심이 높아져 사업 기회가 점점 증가하고 있다. 합성가스 이용 발전기술은 가스엔진, 연료전지, 가스터빈, 스팀터빈으로 분류되고 중･소규모 시설의 경우 현재 가스엔진 기술이 가장 일반적으로 적용되고 있다. 합성가스 이용 가스엔진 발전의 경우 공기 또는 산소부화 조건에서의 비용융 가스화가 일반적으로 적용되며 이때의 가스화기 반응온도는 900~1100℃이고, 합성가스 내 H2, CO 이외의 CH4, C2H4, C3H8 등의 탄화수소를 일부 포함하고 있으며, 발열량 900~1,600 kcal/kg정도이다. 본 연구에서는 폐기물 처리량 기준 8톤/일급 규모의 가스화 발전 파일럿 플랜트에서의 생활폐기물 비성형 고형연료로부터 생산된 합성가스를 이용하여 500 rpm 저속엔진을 이용한 합성가스 조성에 따른 발전특성과 연소특성을 파악하였다. 실험결과 본 연구에 사용된 저속 가스엔진을 통한 합성가스 내 탄화수소류의 연소율은 최대 100%를 보였으며, 동일 합성가스 발열량 기준 탄화수소류의 농도 변화는 가스엔진 발전량에 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.

In this study, gasification experiments were conducted using high calorific waste by measuring flue gas and gaseous pollutant composition. The feedstock used in this experiment was collected from industrial wastes and had a heating value more than 5,000 kcal/kg as well as low moisture and ash contents. Experiments were conducted at 1,200°C temperature by changing equivalent ratios (ERs) to find out an optimum condition for syngas production. Results showed that at ER 0.3, the highest syngas composition (around 81%) was obtained in flue gas. In this study, gas pollutant was sampled in cold absorbent by following Korean air pollutant standard sampling method. Later, sampled solutions were analyzed by IC (Ion Chromatography) to find out gaseous pollutant concentration. Usually, after gas cleanup system, all of the gaseous pollutants are removed by wet scrubber and catalyst reactor. However, in this study, due to gaseous pollutants removed by wet scrubber, the removal efficiency of gaseous pollutants showed lower performance compared with other catalyst clean up system. Thus, it is advisable to install a cleaning unit to deal with tar and soot.

기후변화가 가속되는 현 상황에서 신재생에너지의 적극적 활용은 전세계적인 추세이며, 국내에서도 가연성 폐자원의 효율적인 친환경적 처리, 에너지 회수를 위한 다양한 연구가 진행되고 있으며, 관련정책과 법규가 만들어져 있다. 가연성 폐기물로부터 에너지를 회수할 수 있는 가스화 기술은 생산된 합성가스를 다양한 방법으로 활용할 수 있다. 합성가스가 가지고 있는 화학적 에너지를 활용하여 직접 엔진을 가동할 수 있으며, 가스화 방식에 따라 합성가스 내에 포함된 수소, 일산화탄소 등의 성분을 화학반응의 원료로 사용할 수도 있다. 따라서, 국내에서도 폐기물로부터 얻어진 합성가스를 다양한 방법으로 활용하기 위한 많은 연구들이 진행중에 있다. 본 연구에서는 폐기물 고형연료 가스화 플랜트 기술의 개발을 위해 생활폐기물을 대상으로 비성형 고형연료를 제조하고, 제조된 고형연료를 파일럿 규모의 고정층 가스화를 통해 합성가스를 생산하여 이를 직접 가스엔진 발전기에 도입함에 있어서, 고정층 반응기에서 발생되는 합성가스의 생산특성에 대해 알아보고자 한다.

일반적으로 저급의 화석연료나 폐기물로부터 thermochemical conversion을 통해서 고급의 에너지를 얻는 전환기술은 열분해, 가스화, 액화, 연소 등을 들 수 있는데 이들 전환기술들은 반응 온도, 압력, 그리고 공급된 반응물 종류 및 유무에 따라 서로 다른 1차 생성물을 얻을 수 있으며 이들 1차 생성물들은 다시 사용 목적에 따라 여러 단계의 변환 공정을 통하여 최종적으로 유용한 생성물을 만들게 된다. 특히 폐기물을 대상으로 하는 가스화 공정은 환경문제와 에너지 효율을 동시에 접근할 수 있는 공정으로 각광을 받고 있다. 가연성 폐기물로부터 일산화탄소와 수소가 주성분인 합성 가스를 얻기 위한 주된 반응은 환원 반응이다. 이반응은 흡열반응으로 연이어서 발생하는 연소반응에서 생성된 열을 이용한다. 연소반응으로 생성된 CO2와 H2O를 환원시켜 결과적으로 CO와 H2를 생성한다. CO2 + H2O → CO + H2 본 연구에서는 이러한 가스화 반응으로 얻어진 합성가스를 기존의 LNG 연소로에 적용할 때 내부 온도 및 유동의 변화를 해석하여 향후 가스화 공정으로부터 얻어진 합성가스의 산업 현장에의 적용가능성을 평가해 보고자 한다. 합성가스는 기체상 연료이므로 발열량의 차이는 존재하지만 기존의 LNG를 연료로 사용하고 있는 산업용 연소로에 버너의 큰 교체 없이 사용이 가능할 것으로 판단되며 내부 열유동에 큰 변화가 생기지 않는다면 가스화 장치로부터 얻어진 합성가스의 판로 개척에 일조를 할 것으로 판단된다. 본 연구에서는 LNG를 연료로 사용하는 연소로를 대상으로 LNG의 70%를 합성가스 연료로 대체했을 때 연소로의 내부 열유동 해석 및 합성가스의 주입노즐 배치 및 주입 방법 등을 변화시켜 다양한 변수 연구를 수행하여 의미있는 결과를 도출하였다. 연구 결과 발열량 차이에 따라 주입량이 증가되므로 그 점을 감안하여 적절한 방법으로 주입하면 연소로 내부 열유동 분포의 큰 변화 없이 연료대체가 가능한 것으로 나타났다.

매립지에서 발생하는 매립가스는 악취를 발생시켜 주변지역 대기환경을 저해하고 있다. 매립가스의 주성분은 온실가스인 이산화탄소(CO2)와 메탄가스(CH4)로 구성되어 있어, 바이오에너지와 같은 대체에너지 생산 기술 등의 연구에 활용되고 있다. 본 연구에서는 가스화 공정에서 발생하는 RDF char를 이용하여 CO2/CH4 개질 반응을 통해 생성되는 합성가스의 주성분인 CO, H2의 생성 특성에 대해 연구하였다. 1023∼1173K의 온도에서 CH4/CO2 ratio는 1.3으로 고정하여 혼합된 CO2와 CH4를 RDF char와 반응시켜 생성되는 H2와 CO의 변화를 측정하였다. 실험 결과에는 반응 온도가 1123K일 때 SUS bed의 CO2 전환율은 3.2%로 나타났으며, 반면 RDF char에서의 CO2 전환율은 81.7%로 나타났다. 이러한 실험결과로 RDF char는 CO2 개질반응에 촉매 역할을 하는 것으로 판단된다. 반응 후 RDF char 성분 분석 결과에 따라 함량이 높은 CaO는 반응전과 후 비슷한 결과를 나타났고 CO2 전환에 영향을 주지 않아 촉매 역할을 하는 Fe2O3나 TiO2에 의한 것으로 판단된다. 산소가 없는 경우에 RDF char에 의한 CO2와 CH4 개질 반응은 온도 증가에 따라 CO2 전환율은 45.3%(1023K)에서 83.16%(1173K)로 증가하였고 CH4 전환율은 10.2%(1023K)에서 27.0%(1173K)로 증가하였다. 또한 산소가 있는 경우는 산소 없는 경우보다 CH4 전환율은 1173K에서 27.0%에서 41.1%로 증가하고 발생가스의 H2 비율은 15.8%에서 22.3%로 증가한 것으로 나타났다. 이는 RDF char에 의해 메탄과 이산화탄소 개질 반응에 Reforming reaction과 Reverse WG shift reaction, Boudouard reaction, Reverse WG shift reaction에 의한 영향을 받는 것으로 판단된다.

The synthetic gas obtained from the gasification of waste material becomes more important not only in waste reduction but also for the generation of clean energy directly applicable to industrial combustors firing LNG fuel without any major modification of the boiler system. Therefore, in this study, a systematic calculation was made for the turbulent reaction inside a conventional LNG combustor to determine the temperature distribution and fluid flow field. By doing this, the syngas obtained from gasification of combustible waste could be evaluated for the potential applicability of syngas as a substitute for LNG fuel in the industrial field. In this calculation, the ratio of the syngas amount to the LNG amount was fixed. That is, based on calorific value, 70% of the fuel was syngas and 30% was LNG. Since the calorific value of the syngas was different from that of LNG with a high energy density, the different volumetric flow rate was expected to give rise to a visible flow field change together with the local velocity. Thus, in this study, the swirl intensity and the inlet nozzle diameter were varied carefully in order to resolve the flow field and turbulence effects on the reaction characteristics of the co-burning flame. First of all, the calculation result of pure LNG combustion was made successfully as a reference and for evaluation of the code implementation. The results obtained from the numerical simulation of the burning of syngas in the LNG boiler could duplicate the combustion feature almost similar to that of 100% LNG fuels by changing the injection method of the syngas without any major change of the boiler system. The results suggested the high potential of syngas as an economic substitute for conventional LNG fuel.

폐기물 가스화는 폐기물 내에 포함되어있는 C, H 성분을 CO, H2가 주성분인 합성가스로 전환하는 기술이다. 가스화로부터 생산된 합성가스는 수성가스전이반응 (Water Gas Shift, CO + H2O → CO2 + H2, ΔH = -41.1 kJ mol-1) 공정을 통해 고순도 수소로 전환이 가능하다. 최근 연구 결과 보고에서 바이메탈 형태의 Ni-Cu-CeO2 촉매는 고온 수성가스전이반응에 매우 높은 활성과 선택도를 보였다. 본 연구에서는 Ni-Cu-CeO2 촉매의 제조방법 최적화를 위해 Ni-Cu-CeO2 촉매를 함침법, 공침법, 졸-겔법, 수열합성법으로 제조하고 활성을 비교 평가 하였다. 다양한 제조방법 중 졸-겔법으로 제조한 Ni-Cu-CeO2 촉매가 가장 높은 CO 전환율을 나타내었다. 이는 졸-겔법으로 제조한 촉매의 높은 표면적과 활성물질-담체간 강한 상호작용에 기인한 결과이다.