서론
Reforming은 촉매 화학 공정의 3가지 공정 중 가장 기본적이고 첫 번째로 행해지는 공정으로 기본적으로 4가지 유형이 있습니다. 이 글에서는 이 4가지 유형인 Steam reforming, Dry reforming, Autothermal reforming, Partial oxidation에 대해 자세히 알아보고자 합니다.
Steam reforming, Dry reforming
Steam methane reforming (SMR)이라고도 불리며 전 세계 수소생산량의 95%를 차지하는 가장 흔한 방법입니다. Metal-based catalyst(ex. Nickel) 하에서 steam과 반응시켜 H2와 CO를 발생시킵니다. (H2/CO=3). 높은 operation temperature 때문에 surface area/volume ratio가 높은 촉매를 사용해야 합니다. 그러한 촉매의 모양의 예로는 구멍이 있는 링 모양, 기어바퀴 모양 등이 있습니다. 이러한 모양들은 낮은 pressure drop의 이점도 가지고 있습니다. 흡열반응이기 때문에 고온 조건(700~800°C)이 필요하고 가격이 비싸며, 물을 계속 공급해주어야 한다는 특징을 가집니다. Dry reforming은 Carbon dioxide reforming 이라고도 부릅니다. Catalyst 하에서 steam과 반응시켜 H2와 CO를 발생시킵니다. (H2/CO=1) 흡열반응으로 고온 조건(900~1000°C)이 필요하고 압력도 높아야 하며 가격 또한 비쌉니다. 또한 C의 비율이 높아서 Carbon deposit 및 Carbon coking으로 인해 촉매의 reaction site 가 감소합니다. 그리고 반응 결과 발생되는 CO로 인해 greenhouse effect 도 이슈가 되는 공정입니다.
Autothermal reforming, Partial oxidation
Adiabatic steam reforming과 non-catalytic partial oxidation을 섞어 놓은 시스템으로 Autothermal reforming은 partial oxidation에서 발생되는 열을 Steam reforming에 사용합니다. 가격이 비교적 저렴하며 carbon coking도 적게 일어나는 편입니다. 반응 엔탈피는 catalytic partial oxidation나 steam reforming 반응보다 0에 가까우며 전체적인 엔탈피를 0에 가깝도록 하기 위해 발열반응인 partial oxidation과 흡열반응인 steam reforming 의 균형을 섬세하게 맞춰줘야 합니다. 주로 1-80 bar의 범위 내에서 1173-1773 K (900-1500°C) 사이에서 반응이 일어납니다. H2/CO의 비는 스팀, 산소, 연료의 양에 따라 달라지는데, 보통 2에 가깝습니다. Partial oxidation은 발열반응이기 때문에 고온의 조건이 필요하지 않지만 O2를 계속 공급해 주어야 하기 때문에 가격이 비쌉니다. Steam reforming과 달리 스팀의 추가 없이 작동할 수 있습니다. 폭발의 가능성도 있고 Carbon coking의 문제 또한 심각합니다. Steam reforming 보다 훨씬 빠르고 reactor의 부피가 작습니다. 종류는 크게 TPOX(Thermal partial oxidation)과 CPOX(Catalytic partial oxidation) 두 종류로 나눌 수 있습니다. TPOX(Thermal partial oxidation)는 air-fuel ratio에 의존적이고 1200°C 이상의 고온에서 반응이 일어나며 CPOX(Catalytic partial oxidation)는 촉매를 사용하여 필요한 반응 온도가 600~900°C로 조금 더 낮습니다.