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문제 정의
- 본 연구에서는 고온 플라즈마를 적용한 플라즈마트론을 이용하여 메탄을 개질함으로 고농도 수소를 포함한 합성가스를 생산하고 수소 생성과 메탄 전환율이 최대인 최적 운전 조건을 파악하였다. 또한 수소 생성을 높이기 위해 개질 반응에 영향인자인 메탄 유량비, 이산화탄소 유량비, 수증기 유량비, 혼합 유량비, 촉매 첨가한 메탄유량비 변화에 대한 개질실험을 진행하였다.
- 본 연구에서는 메탄을 개질 반응하여 고농도 수소를 포함한 합성가스 생성이 최적인 개질 특성을 파악하였다.
제안 방법
- 플라즈마트론 개질기는플라즈마 토치와 반응기로 구성되었다. 고온에 의한 전극의 침식 현상을 완화하기 위해 플라즈마 토치의 두 전극에 냉각수를 공급하였으며, 내부 단열 및 절연을 위해 캐스터블을 사용하였다. 전원공급 장치는 전원공급기와 점화기, 트리거 시스템으로 구성되어 있으며, 전원공급기는 입력전력 10 kW(최대 전류 50 A, 최대 전압 200 V) 를 공급할 수 있다.
- 또한 개질 반응에 영향인 자를 파악하기 위해 변수별 연구로 메탄 유량비, 이산화탄소 유량비, 수증기 유량비, 혼합 유량비 변화에 대해 개질실험을 하였다. 그리고 촉매 첨가에 따른 개질특성 파악하기 위해 메탄 유량비와 동일한 조건에서 개질 실험을 수행하였다. 이때 첨가한 촉매는 $ 4 mm의 구형 알루미나 담체에 6 wt% 니켈 촉매를 담지하여 반응기에 충진하였다.
- 이에 모든 실험조건에서 주입 공기량과 입력전력을 고정한 상태에서 개질 반응하여 수소의 생성과 메탄 전환율이 최대인 조건을 기준조건(Table 2 참조)으로 정하였다. 또한 개질 반응에 영향인 자를 파악하기 위해 변수별 연구로 메탄 유량비, 이산화탄소 유량비, 수증기 유량비, 혼합 유량비 변화에 대해 개질실험을 하였다. 그리고 촉매 첨가에 따른 개질특성 파악하기 위해 메탄 유량비와 동일한 조건에서 개질 실험을 수행하였다.
- 또한 수소 생성을 높이기 위해 개질 반응에 영향 인자인 메탄 유량비, 이산화탄소 유량비, 수증기 유량비, 혼합 유량비, 촉매첨가 메탄 유량비변화에 대한 변수별 연구를 수행하였다.
- 또한 수소 생성을 높이기 위해 개질 반응에 영향인자인 메탄 유량비, 이산화탄소 유량비, 수증기 유량비, 혼합 유량비, 촉매 첨가한 메탄유량비 변화에 대한 개질실험을 진행하였다.
- 메탄에 이산화탄소와 수증기를 주입하여 플라즈마 개질 반응 시켰을 때 예상되는 반응은 매우 다양하므로 본 연구에서는 식(1)~(10)을 대표 개질 반응으로 하여 개질특성을 파악하였다.
- 본 연구는 고온 플라즈마 화염이 안정적으로 형성되는 공기 유량과 입력 전력을 각각 5.1 幻/min, 6.4 kW로 고정한 후 메탄 개질 반응하여 고농도수소를 포함한 합성가스를 생산하였다. Table 2는 기준 조건 시에 개질 결과를 나타낸 것이다.
- 분석은 TCD 검출기를 이용하였으며, 분석 컬럼에서 压는 Molecular Sieve 5A(80/100 mesh) 로 CO 는 Molecular Sieve 13X(80/100 mesh) 로 CH% CO2, C2H2는 HayeSep R(100/120 mesh)을 사용하였다.
- 된다. 이때 메탄을 주입하면 부분산화 반응이 진행되어 반응기 내 가스온도가 1, 100℃ 정도로 상승되어 일정하게 유지되는 시점에서부터 본 실험을 진행하였다.
- 4 kW이다. 이에 모든 실험조건에서 주입 공기량과 입력전력을 고정한 상태에서 개질 반응하여 수소의 생성과 메탄 전환율이 최대인 조건을 기준조건(Table 2 참조)으로 정하였다. 또한 개질 반응에 영향인 자를 파악하기 위해 변수별 연구로 메탄 유량비, 이산화탄소 유량비, 수증기 유량비, 혼합 유량비 변화에 대해 개질실험을 하였다.
- 전기적 특성인 입력 전압과 전류는 입력전원 공급 장치의 노브(knob)를 이용해서 조절되며, 고전압 프르브와 전류 프르브를 장착한 디지털 오실로스코프에 의해 전압, 전류를 각각 측정하였다. 주입 연료가스는 각각의 MFC에서 유량이 정밀조절되어 주입되고 수증기는 수증기 공급량으로 환산된 양에 물을 미세조절 가능한 메터링 밸브에 의해 조절한 후 기화기에서 주입 연료가스와 함께 유입되어 완전 기화된 혼합기체 상태로 반응기 내에 주입된다.
- 합성가스의 채취는 반응기 출구에 설치된 샘플링 포트에서 이루어지며, 채취된 시료 중에 수분량은 냉각장치를 통과하여 응축된 수분 무게를 측정하였으며, 개질가스는 건가스의 상태로 가스크로마토그래프의 샘플링 루프로 연속적으로 유입되어 분석되었다. 분석은 TCD 검출기를 이용하였으며, 분석 컬럼에서 压는 Molecular Sieve 5A(80/100 mesh) 로 CO 는 Molecular Sieve 13X(80/100 mesh) 로 CH% CO2, C2H2는 HayeSep R(100/120 mesh)을 사용하였다.
대상 데이터
- 전기특성 측정은 고전압 프르브(Tektronix P6015A)와 전류 프르브 (Tektronix A6303)가 장착된 디지털 오실로스코프(Tektronix TDS 3052)에 의해 측정된다. 온도측정은 직경이 0.3 mm 인 K-type 열전대와 데이타 분석징■치 (Fluke Hydra Data Logger) 로 구성되어 있다. 가스분석은 샘플링 라인과 가스크로마토그래프(Varian CP-4900)로 구성되어 있다.
성능/효과
- 이는 메탄 유량 비가 증가할수록 식(5에서 생성된 카본10)이 촉매 지지체에 흡착되어 촉매반응 영역을 감소시키므로 촉매 활성이 저하되었기 때문이다. CO와 CO2 농도는 촉매가 없는 경우와 유사한 농도분포를 보이며, Ha/CO 비는 메탄 유량비가 증가할수록 다소 감소하지만 평균 4.7이다. Fig.
- Table 2는 기준 조건 시에 개질 결과를 나타낸 것이다. 기준조건에서 메탄 개질반응 결과로 생성된 합성가스 농도는 H2 45.4%, CO 6.9%, CO2 1.5%, C2H2 1丄%이다. 이 결과에서 알 수 있듯이 합성 가스의 대부분이 수소이고, H2/CO 비는 6.
- Table 2는 기준 조건 시에 개질 결과를 나타낸 것이다. 기준조건에서 메탄 개질반응 결과로 생성된 합성가스 농도는 H2 45.4%, CO 6.9%, CO2 1.5%, C2H2 1丄%이다. 이 결과에서 알 수 있듯이 합성 가스의 대부분이 수소이고, H2/CO 비는 6.
- 이산화탄소 유량 비는 증가할수록 합성가스의 주성분인 H2가 수증기 전이반응에 역반응이 우세하게 진행되어 H2 농도가 감소함으로 고농도 수소 생성에는 이산화탄소 개질반응은 한계가 있다. 또한 적정한 수증기공급으로 수소 생성을 높일 수 있음을 확인하였다. 혼합 유량비 증가할수록 미반응 CO2 농도는 점차 증가함으로 미반응 CO2에 희석효과로 인해 H2 농도가 감소한다.
- 2(b)는 메탄 전환율과 에너지 전환율을 나타낸 것이다. 메탄 전환율과 에너지 전환율은 H2 생성이 최대인 메탄 유량비 38.5%에서 각각 99.2%와 63.6%로 최대값을 나타내고 있다. 이때 평균 메탄 전환율은 96%로 주입된 CH}의 대부분이 합성가스로 전환됨을 알 수 있다.
- 6%이다. 변수별 연구를 통한 개질 특성을 파악한 결과 메탄 유량비 변화에 대해 CO 농도는 플라즈마 개질 반응과 CO 산화반응에 의해 C(, 로 전환되어 농도 변화가 거의 일어나지 않는다. 이산화탄소 유량 비는 증가할수록 합성가스의 주성분인 H2가 수증기 전이반응에 역반응이 우세하게 진행되어 H2 농도가 감소함으로 고농도 수소 생성에는 이산화탄소 개질반응은 한계가 있다.
- 고온 플라즈마는 메탄의 직접 분해 및 폐기물 처리에 연구되어왔다. 본 연구에서는 상기 고온플라즈마를 이용한 소형의 플라즈마 개 질기를 설계하였으며 이는 이동형 장치에 수소를 빠른 시간에 공급해 줄 수 있는 응답성과 시동성이 우수하며 소형이어서 탑재가 용이하다. 또한 개질 시플라즈마의 자체 열과 부분산화에 따른 내부 반응열을 사용함으로 수 초의 빠른 시동 및 응답시간으로 넓은 범위의 유량과 다양한 가스 성상에 대해 적용이 가능하다.
- 8%이다. 본 연구의 플라즈마트론 개질장치에 에너지 전환율은 63.6%로 Pedersen- Mjaanes 등©이 메탄을 부분 산화하여 수소를 생성할 때에 에너지 전환율 46%보다 높은 전환효율을 보이고 있다. 또한 플라즈마 개질을 이용한 Minutillo*의 에너지 전환율 63%와는 유사한 값을 나타내고 있다.
- 4% 이상에서는 수소 수율이 급격히 감소한다. 이 결과 고농도 수소를 생성하기 위해서는 수증기 유량비를 50%이하로 수증기를 공급해주는 것이 효과적이다.
- 5%, C2H2 1丄%이다. 이 결과에서 알 수 있듯이 합성 가스의 대부분이 수소이고, H2/CO 비는 6.6으로 부분산화개질이 진행되었을 때의 이상적인 Hz/CO 비 2.0보다 높은 값을 나타내고 있다. 이는 식(7)의 플라즈마 개질에 의해 CO가 카본(carbon)과 CQ;로 크래킹 (cracking) 되고, 일부 CO는 식(9)의 CO 산화 반응에 의해 CO2로 전환되기 때문이다.
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