Investigation of a catalyst support material, optimum washcoat and catalyst loading of a reactor bed of combustor, and catalyst for removal of hydrogen in low-inflammability limit mixture with air are described in the present paper. The catalyst bed is an essential component of a passive autocatalytic recombiner (PAR) for removal of hydrogen which is accidently released when the melt down of the reactor occurs. Nuclear safety regulations require a large number of PARs to be installed in a nuclear power plant. A thin metal foam was selected as the catalyst support in the present study. The metallic support had excellent thermal conductivity as well as surface to volume ratio. The active surface area of the catalyst surface was further expanded by alumina washcoat. Three different washcoat weights were tested and the washcoat weight that resulted in the best recombination performance was determined. The present reactor bed is superior to that of the conventional PARs which have a number of vertical plates coated with catalyst in parallel. The surface to volume ratio of the conventional PAR design was low even when washcoat was done on the surface on the plates. Another problem of the conventional PAR was the formation of hot spots at the leading edge of the vertical plates. This can be avoided by using the metal foam as the catalyst support material. The metal foam has a high thermal conductivity and effectively dissipates the accumulation of heat at the leading edge.
PAR systems are actually operated by buoyancy force using heat generated in the reaction region. Therefore in order to confirm the temperature distribution of the nickel foam and to investigate a formation of natural convection, a numerical analysis was performed about both forced convection and pure natural convection. From the numerical analysis, we obtained the distributions of pressure, velocity, temperature, and hydrogen mole fraction and also confirmed the potential of the formation of natural convection driven by reaction heat. And relation between hydrogen mass flow rate or hydrogen mass flux and length of PAR’s duct was also obtained to remove a large amount of hydrogen and to optimize PAR design. From this results, we can obtain passive autocatalytic recombiner parameters as pre-design variables.
PAR(Passive Autocatalytic Recombiner)시스템을 설계하는 데에 있어서 매우 중요한 요소인 HPCS(High Porosity Catalyst Support)의 재료선정 및 제작, 성능평가와 이에 대한 수치해석을 수행하였다. 이를 요약해보면 아래와 같다.
1) 재료 선정, 촉매 및 촉매지지체 제작
여러 가지 촉매지지체들 중 압력손실이 낮고 표면적이 넓으며, 열전달 성능이 우수한 니켈-폼을 선정하였다. 수소-공기 혼합가스와 촉매와의 반응성을 더욱 향상시키기 위하여 니켈-폼의 표면적 증가에 추가적으로 γ-알루미나를 코팅하였으며, SEM을 통해 표면적이 증가하였음을 확인하였다. 니켈-폼에 알루미나를 졸-겔(Sol-Gel) 법을 이용하여 코팅하였으며, 수소촉매반응에 매우 우수한 백금을 선정, 염화백금산$(H_2PtCl_6·6H_2O)$을 전구체로 하여 아세톤에 용해시켜 코팅하였다. 이로써 니켈-폼 위에 알루미나를 코팅하고 증가된 표면적 위에 백금촉매를 코팅하여 HPCS를 제작하였다.
2) 실험장치 구성
성능평가를 위한 실험장치 설치로 HPCS의 수소전환성능을 확인하기 위한 반응기와 수소가스분석기, 수소와 공기를 공급 및 혼합하는 여러 장치로 구성된다. 반응기는 알루미나와 백금의 코팅양에 따른 변화를 알아보기 위해 4cm X 4cm의 크기로 제작된 KPAR-1과 HPCS의 크기변화에 따른 성능 확인을 위해 2cm X 2cm, 4cm X 4cm, 6cm X 6cm 이렇게 3가지의 다른 형태로 조립이 가능한 KPAR-2를 설계하였다. 또한 수소가스분석기, 수소-공기 공급 매니폴드, 수소-공기 혼합기, 수소-공기 혼합가스 희석장치 등 장치들을 유기적으로 제어할 수 있도록 밸브 컨트롤러를 제작하여 실험에 안전 및 정확도를 높였다.
3) HPCS 성능평가
HPCS의 성능에 영향을 미치는 요소로 표면적에 영향을 주는 알루미나 코팅양과, 촉매의 절대적 양인 백금 코팅양을 변수로 선정하였으며, 이를 바탕으로 실험조건을 정립하였다. 또한 최적의 성능을 보이는 알루미나 코팅양과 백금 코팅양을 기본으로 HPCS의 크기에 따른 변화를 알아보기 위해 2cm X 2cm, 4cm X 4cm, 6cm X 6cm의 3가지 다른 종류의 HPCS를 제작하여 평가하였다. 알루미나 코팅양에 따른 성능변화는 알루미나 코팅양이 26 wt%로 적고, 공급되는 수소유량이 1.78 g/s·m2으로 상대적으로 낮은 경우에 수소전환율이 59%로 낮게 측정되었으며, 그 외의 영역에서는 수소전환율이 96%이상으로 대부분의 수소가 반응하여 제거되었음을 확인하였다. 또한 대부분의 수소가 반응하여, 발생한 열이 유사하게 나타나기 때문에 온도 변화에는 큰 차이를 보이지 않았으며, 수소공급 유량이 증가함에 따라 전환율은 약간 낮아지고 온도변화율은 증가함을 확인하였다. 백금 코팅에 따른 성능변화는 백금 코팅양이 1 wt%이며, 수소 공급유량이 1.78 g/s·m2인 경우를 제외하고 수소전환율이 96%이상을 보였으며, 알루미나 코팅양의 변화와 같이 대부분의 수소가 반응하여 열로 발생하므로 온도는 유사하게 나타남을 확인하였다. 이로써 수소전환율이 96%를 보이며, 낮은 수소 공급유량에서도 높은 성능을 보이는 알루미나 코팅양이 45 wt%, 백금 코팅양이 3 wt%인 경우가 PAR시스템을 적용하는 데에 있어서 최적의 조건임을 확인하였다.
HPCS의 크기 변화에 따른 성능을 파악하기 위해 알루미나 코팅양이 45 wt%이며, 백금 코팅양이 3 wt%인 경우에 대해서 3가지 다른 면적을 지니는 HPCS를 제작하였다. 크기변화에 따라 수소유량이 증가할수록 수소전환율을 감소하였으며, 단위면적당 수소유량의 증가에서도 수소전환율이 감소하였다. 이는 수소-공기 혼합가스와 백금촉매와의 체류시간(residence time)의 감소에 의한 결과임을 확인하였다. 수소전환율이 감소함에 따라 반응에 의해 생성된 열의 감소로 온도가 감소하는 것을 확인하였고, 또한 크기가 증가할수록 수소유량에 대한 수소전환율이 증가함을 확인하였다.
4) PAR시스템 해석
실험결과와의 비교와 실험스케일 모델을 이용하여 해석을 수행하였으며, 상용코드 FLUENT를 이용하였다. 해석의 편의를 위해 2 차원, 단열, 정상상태로 가정하여 해석을 수행하였으며 그 결과를 실험결과와 비교한 결과 유사한 경향성을 보였다. 또한 자연대류에 대한 해석도 병행하였으며, 그 결과 강제대류만큼의 유량을 보이지는 않았으나, 유동의 형성을 확인할 수 있었다. 위의 결과를 바탕으로 실제 크기의 PAR시스템 설계를 위해 기하학적 변수로 PAR시스템의 높이와 폭을 설정하고 수소처리 요구조건인 수소 질량유량에 대한 관계를 확인하였다. 이를 수학적으로 표현하여 PAR시스템의 모든 높이 및 폭에 대한 수소 질량유량과 단위면적당 수소 질량유량과의 관계 그래프를 얻을 수 있었다.
