가압 기포 유동층 반응기에서의 Ni계 촉매 CO 2 메탄화 특성 연구

전 세계적으로 재생에너지의 비율이 증가함에 따라, 재생에너지로부터 생산되는 불연속적이고 간헐적인 에너지 저장 문제가 주목을 받고 있다. 다양한 에너지 저장 시스템(ESS) 중에서 CO 2 메탄화 기술은 타 시스템에 비해 높은 저장 용량과 저장 기간으로 각광 받고 있다. CO 2 메탄화 반응은 발열반응이며, 촉매가 낮은 온도 범위(250-500℃)에서 높은 활성 및 메탄 선택도를 갖는다. 기존의 고정층 방식에 비하여 유동층 반응기는 높은 열전달 특성으로 인해 발열 반응에 적합하며, 열전달과 물질 전달이 유리한 장점을 갖고 있다. 본 연구에서는, 촉매 특성 평가를 위해 기포유동층 반응기(Diameter: 0.025 m, Height: 0.35 m)와 Ni/γ-Al 2 O 3 (Ni 70% and γ-Al 2 O 3 30%) 촉매를 사용하였다. 반응 조건은 H 2 /CO 2 mole ratio: 4.0-6.0, 조업온도 300-420 ℃, 조업 압력 1-9 bar 및 U o /U mf 1-5이었다. 생성 가스의 조성은 NDIR를 통해 분석하였으며, CO 2 전환율은 H 2 /CO 2 ratio, 압력, 온도가 증가함에 따라 높아지는 경향을 보였다. 이에 반해 가스유속이 빨라질수록 CO 2 전환율은 떨어졌다. 최적의 운전 조건은 H 2 /CO 2 ratio: 5, 조업온도 400℃, 조업 압력 9 bar 및 1.4-3 U mf 이었으며 이 때 CO 2 전환율은 99.6%로 나타났다. 본 실험 촉매의 경우 장기 운전 시 촉매 성능 저하가 없이 CO 2 전환율이 일정하게 유지하는 것을 확인하였다. Storing the surplus energy from renewable energy resource is one of the challenges related to intermittent and fluctuating nature of renewable energy electricity production. CO 2 methanation is well known reaction that as a renewable energy storage system. CO 2 methanation requires a catalyst to be active at relatively low temperatures (250-500℃) and selectivity towards methane. In this study, the catalytic performance test was conducted using a pressurized bubbling fluidized bed reactor (Diameter: 0.025 m and Height: 0.35 m) with Ni/γ-Al 2 O 3 (Ni70%, and γ-Al 2 O 3 30%) catalyst. The range of the reaction conditions were H 2 /CO 2 mole ratio range of 4.0-6.0, temperature of 300-420℃, pressure of 1-9 bar, and gas velocity (U 0 /U mf ) of 1-5. As the H 2 /CO 2 mole ratio, temperature and pressure increased, CO 2 conversion increases at the experimental temperature range. However, CO 2 conversion decreases with increasing gas velocity due to poor mixing characteristics in the fluidized bed. The maximum CO 2 conversion of 99.6% was obtained with the operating condition as follows; H 2 /CO 2 ratio of 5, temperature of 400℃, pressure of 9 bar, and U 0 /U mf of 1.4-3.