연구개요 본 연구에서는 크러스레이트 화합물의 형성을 이용하여 합성가스의 주요 구성 성분(CO
2, CO, H
2)이 크러스레이트 화합물 내로 포집되는지 여부를 확인하며, 필요에 따라 주요 성분들의 분리/농축을 달성할 수 있도록 하며 이에 따른 합성가스 연료의 발열량 및 엔진 효율의 변화를 파악하는 것을 목표로 함. 이를 위하여 합성가스 주요 구성 성분들의 순수 상태 및 이들 성분이 다양한 조성으로 혼합된 2성분/3성분 혼합 가스로부터 크러스레이트 화합물 샘플을 형성하고 분광학적 분석을 통해 분석함으로써 크러스레이트 화합물 내로 포집되는 기체의 포집률과 이에 따른 혼합 가스로부터의 분리 효율을 정량적으로 분석하고자 함. 연구 목표대비 연구결과 본 연구에서는 최초에 설정하였던 목표들을 모두 달성하였다. 우선적으로 합성가스를 구성하고 있는 순수물질들이 유기 크러스레이트를 형성하면서 그 내부에 포집되는지를 3가지 순수 가스인 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO
2) 및 수소(H
2)에 대해 확인하였고, 그 결과 CO와 CO
2는 유기 크러스레이트를 형성하는 반응을 하며 내부로 포집되는 반면, H
2는 반응이 일어나지 않고 포집도 되지 않음을 확인하였다. 이어서 다양한 조성의 2성분 혼합가스인 (CO+CO
2), (CO
2+H
2) 및 (CO+H
2)에 대해서도 마찬가지로 유기 크러스레이트 형성 실험을 수행하였다. 그 결과 H
2는 포집이 되지 않기 때문에 (CO
2+H
2) 및 (CO+H
2)의 혼합 가스에서는 조성에 관계없이 CO와 CO
2만을 선택적으로 포집하는 것이 확인되었으며, 1-step으로 분리 공정을 설계할 수 있다는 결론을 도출하였다. 반면, 두 가지 성분이 모두 포집되는 (CO+CO
2) 혼합 가스의 경우에는 압력 및 온도 조건에 따라서 원하는 성분만을 선택적으로 분리/회수하는 것이 가능할 것으로 판단되었다. 3성분 혼합 기체에 대해서도 분광학적 분석 실험과 GC/EA를 사용한 정량 분석 실험을 수행함으로써 성분별 분리 거동을 확인할 수 있었는데, 3성분 혼합기체로부터 CO
2의 선택적 분리는 낮은 압력(5~40 bar)을 사용하여 하이드로퀴논과 반응함으로써 1-step으로 수행할 수 있으며, CO만을 선택적으로 분리하기 위해서는 낮은 압력에서의 CO
2 분리 후 높은 반응 압력(40~80 bar)을 사용하여 2-step으로 수행할 수 있다는 결과가 얻어졌다. H
2는 반응 이후 최종적으로 분리되지 않은 채로 기상에 남게 된다. 40 mol% CO+40mol% H
2+20 mol% CO
2로 구성된 feed gas의 1 ton/day 공급에 따른 CO
2의 포집 분리를 모사한 결과, CO
2의 완전한 분리를 위해 필요한 하이드로퀴논의 양은 3,527 kg/day이며 이 경우 CO
2가 완전히 제거됨으로써 합성가스의 발열량은 최초 대비 73.3% 증가하게 됨. 만일 CO
2의 완전한 분리를 달성할 필요가 없거나 하이드로퀴논 반응물에 소모되는 비용을 줄이기 위해 이보다 적은 양을 사용할 경우, 500∼3000 kg/day의 사용량에 따라 재가스화 후 재활용을 하는 방식으로 운용할 수 있다고 판단됨. 연구발성과의 활용 계획 및 기대효과 (연구개발결과의 중요성) 확보된 분석 연구 자료는 추후 한국에너지기술연구원 같은 기관과의 협의를 통하여 파일럿 플랜트 및 실제 플랜트 규모에서 사용되는 혼합연료 조성에 대해 적용함으로써 분리/회수 기술 적용시 발열량과 엔진효율 게산을 위한 기본 핵심 자료로 사용하며, 이에 필요한 실험 자료를 우선적으로 확보하고 이를 활용하여 발열량 및 분리 시 효율 향상을 파악하는 데에 주력할 예정이다. 향후 이러한 연구를 통하여 공정의 scale-up이나 공정조건에 따른 효율 개선 작업에 필요할 경우, 추가 연구를 통하여 필요한 핵심 자료를 함께 제공함으로써 우수한 연구 성과 도출을 위해 지속적으로 사용될 예정에 있다. 분석 연구를 통해 얻어진 합성가스의 성분별 분리/정제 및 그 불순물 제거에 대한 실험 결과는 관련 분야에서 중요성을 갖는 우수한 연구 성과이므로 앞으로도 다수의 논문 발표를 통하여 성과를 국내외에 지속적으로 알릴 예정임. (출처 : 요약문 2p)
- 연구책임자 : 이종원
- 주관연구기관 : 공주대학교
- 발행년도 : 20210300
- Keyword : 1. 합성가스;크러스레이트;수소;분리;하이드로퀴논; 2. syngas;clathrate;hydrogen;separation;hydroquinone;
