선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 연구에서는 다양한 크기의 석탄을 이용하여 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 석탄 가스화 특성을 조사하였다. 플라즈마 형성 가스는 질소, 스팀을 사용하였으며, O2/fuel ratio와 steam/fuel ratio를 변화하여 합성가스의 조성을 확인하였고 플라즈마 파워의 출력을 변화시켜 보았다.
- 본 연구에서는 마이크로웨이브 플라즈마를 이용하여 석탄의 크기, O2/fuel ratio, steam/fuel ratio 및 플라즈마 파워에 따른 석탄가스화 생성가스 특성 변화를 알아보았다. 석탄의 크기가 작아질수록 수소의 함량이 줄어들고 CO2의 함량이 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
제안 방법
- Steam/fuel ratio는 0에서 1.5까지 변화시켜 45μm 크기의 석탄을 대표로 이용하여 생성되는 합성가스 조성을 비교해 보았다.
- Table 2는 플라즈마 출력 증가에 따른 투입되는 석탄의 양 증가와 O2/fuel ratio, steam/fuel ratio의 변화에 따른 합성가스 변화를 알아보았다. Case 1과 2를 비교해보면 5kW에서 5.
- 반응기 위치별 온도 측정을 위하여 정확도 ±0.1℃의 2개의 R-type 및 4개의 K-type thermocouple을 석탄 공급부로부터 일정한 간격으로 설치하였다.
- 플라즈마 가스화 반응으로 생성된 합성가스는 미연탄소, 회재 및 수분 등의 제거를 위하여 cyclone, filter를 거친 후 정량, 정성 분석을 위하여 GC(HP6890)로 공급되도록 하였다. 반응기 위치별 온도, 유량, 합성가스 조성은 컴퓨터를 통하여 실시간으로 확인하였다.
- 본 연구에서의 주요변수는 석탄의 크기, O2/fuel ratio, steam/fuel ratio와 플라즈마의 출력을 실험변수로 선정하였고 실험변수를 변화시켜 합성가스 생성특성을 알아보았다. 실험에 사용된 석탄의 크기는 45, 63, 106, 150μm의 크기로 4가지를 준비하였고 O2/fuel ratio를 0에서부터 1.
- 8cm인 반응기로 공급되는 플라즈마 형성가스와 산소, 스팀의 경우 플라즈마 화염의 응집, 반응기 열적 충격을 줄이며 반응기 내 체류시간을 높이기 위해 선회 기류로 공급되도록 하였다. 석탄 공급부는 플라즈마 형성을 위한 플라즈마 형성가스와 마이크로웨이브가 만나 플라즈마 화염이 형성되는 지점에서 2cm 정도 떨어진 지점에서 공급되도록 하였다. 반응기 위치별 온도 측정을 위하여 정확도 ±0.
- 5kW로 높이는 경우 합성가스의 변화도 확인하였다. 실험변수가 가스화 특성에 미치는 전반적인 영향을 고찰하였기 때문에 샘플링을 하는 시간을 일정하게 하였으며 반복측정을 하여 오차를 줄였다.
- 가스화제로 사용된 스팀의 경우 스팀보일러를 이용하여 가스화 반응기로 공급하였다. 직경이 5.8cm인 반응기로 공급되는 플라즈마 형성가스와 산소, 스팀의 경우 플라즈마 화염의 응집, 반응기 열적 충격을 줄이며 반응기 내 체류시간을 높이기 위해 선회 기류로 공급되도록 하였다. 석탄 공급부는 플라즈마 형성을 위한 플라즈마 형성가스와 마이크로웨이브가 만나 플라즈마 화염이 형성되는 지점에서 2cm 정도 떨어진 지점에서 공급되도록 하였다.
- 1℃의 2개의 R-type 및 4개의 K-type thermocouple을 석탄 공급부로부터 일정한 간격으로 설치하였다. 플라즈마 가스화 반응으로 생성된 합성가스는 미연탄소, 회재 및 수분 등의 제거를 위하여 cyclone, filter를 거친 후 정량, 정성 분석을 위하여 GC(HP6890)로 공급되도록 하였다. 반응기 위치별 온도, 유량, 합성가스 조성은 컴퓨터를 통하여 실시간으로 확인하였다.
- 플라즈마 가스화에서 스팀의 양에 따른 H2를 포함하는 합성가스 조성 변화를 확인하기 위하여 O2/fuel ratio가 0.39, 플라즈마 파워 1.6kW로 일정한 조건에서 45μm크기의 석탄을 이용한 플라즈마 가스화 실험을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 6에 보였다.
- 본 연구에서는 다양한 크기의 석탄을 이용하여 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 석탄 가스화 특성을 조사하였다. 플라즈마 형성 가스는 질소, 스팀을 사용하였으며, O2/fuel ratio와 steam/fuel ratio를 변화하여 합성가스의 조성을 확인하였고 플라즈마 파워의 출력을 변화시켜 보았다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 석탄은 국내 수입탄 중 하나인 역청탄 계열의 중국 Shenhua탄으로 원소, 공업, 발열량 분석값을 Table 1에 정리하였다. Shenhua탄은 수분함량과 회분함량이 각각 5.
- 본 연구에서는 플라즈마를 생성하기 위해서 6kW의 microwave generator(2.45GHz, SM1280, Richardson Electronics)를 사용하였고 플라즈마 가스화 장치의 개략도를 Fig. 1에 나타내었다. 장치는 석탄의 정량 공급부, 마이크로웨이브 생성기, 스팀 공급부, 가스화제 및 플라즈마 형성가스 공급부, 가스화 반응기, 가스 정제 및 분석기, 데이터 수집 부분으로 구성된다.
- 실험에 사용된 석탄의 크기는 45, 63, 106, 150μm의 크기로 4가지를 준비하였고 O2/fuel ratio를 0에서부터 1.3까지 넓은 범위의 변화를 주어 각각 실험하였다.
- 플라즈마 가스화에 사용된 석탄은 분쇄한 후 45～150 μm 크기로 선별하여 사용하였다.
- 석탄 공급부에서는 1～66g/min의 양으로 스크류 피더를 사용하여 정량공급 하였다. 플라즈마 형성가스로는 질소와 스팀을 사용하였고, 가스화 산화제로는 산소를 사용하였으며 MFC를 이용하여 공급하였다. 가스화제로 사용된 스팀의 경우 스팀보일러를 이용하여 가스화 반응기로 공급하였다.
성능/효과
- /fuel ratio, steam/fuel ratio의 변화에 따른 합성가스 변화를 알아보았다. Case 1과 2를 비교해보면 5kW에서 5.5kW로 플라즈마 출력이 증가할수록 H2의 함량이 31.79%에서 35.6%로 증가한 것을 확인할 수 있고 CO2와 CO의 함량이 조금 줄어들긴 했으나 H2의 증가에 의하여 가스의 발열량이 1,998kcal/Nm3로 높은 것을 확인할 수 있다. 또한 탄소전환율과 냉가스효율이 5kW 플라즈마 화염일 때보다 높았다.
- Case 3은 플라즈마 출력을 5kW로 높였을 때 스팀에 의한 영향을 비교해보았다. Fig. 6의 steam/fuel ratio가 0.5일 때 데이터와 비교해보면 5kW의 플라즈마 출력을 사용하였을 때는 H2의 함량이 25.9%에서 46.65%로 증가하였으며 CO는 33.6%에서 31.73%로 감소하였고 CO2의 함량은 40.3%에서 20.67%로 감소한 것을 확인할 수 있다. 석탄의 투입량에 대한 영향을 알아보기 위해서 case 4와 5를 비교해보았다.
- 이는 가스화기에 공급되는 스팀의 양이 증가하면서 C + H2O반응이 활성화된 것으로 판단된다. O2/fuel ratio에 의한 영향이 steam/fuel ratio에 의한 영향보다 더 큰 것으로 나타났으며 산소를 주입하지 않아도 되는 플라즈마 가스화의 특성에 의하여 O2/fuel ratio가 0인 경우 60%대의 합성가스 내 높은 H2 함량을 얻을 수 있었다. 플라즈마의 출력을 높였을 때 플라즈마 화염의 길이가 길어져서 보다 좋은 가스화 효율을 얻을 수 있었다.
- 6에 보였다. Steam/fuel ratio가 0에서 1.5로 증가할수록 H2의 함량은 20.3%에서 32.4%로 증가하였고 CO의 함량은 17.1%에서 31%로 증가하였다. H2와 CO가 증가한다는 것은 C + H2O반응이 활성화된다는 것을 의미한다.
- O2/fuel ratio가 증가할수록 CO2는 증가하고 H2는 감소하는 경향을 보였는데 이는 산소의 양이 증가하여 석탄이 연소가 되어 CO2가 증가한 것으로 판단된다. Steam/fuel ratio가 증가함에 따라 합성가스 내 H2와 CO는 증가하고 CO2는 감소하는 것으로 나타났다. 이는 가스화기에 공급되는 스팀의 양이 증가하면서 C + H2O반응이 활성화된 것으로 판단된다.
- 그러나 106μm, 150μm크기의 석탄과 마찬가지로 O2/fuel ratio가 증가할수록 H2의 함량이 감소하며 CO2의 함량이 증가하는 것으로 나타났다.
- 그러나 산소를 주입하지 않은 경우 H2는 66.4%로 150μm크기의 석탄을 사용하여 가스화 후 생성된 합성가스와 별 차이가 없었으나 O2/fuel ratio가 증가할수록 H2의 양이 줄어들어 O2/fuel ratio가 1.3일 때 H2가 15%로 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
- /fuel ratio, steam/fuel ratio 및 플라즈마 파워에 따른 석탄가스화 생성가스 특성 변화를 알아보았다. 석탄의 크기가 작아질수록 수소의 함량이 줄어들고 CO2의 함량이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 플라즈마 형성가스에 의한 기류에 의하여 플라즈마의 화염과 석탄과의 체류시간이 줄어들어서 가스화 효율이 떨어진 것으로 판단된다.
- 앞에서 설명한 106μm, 150μm크기의 석탄과 63μm석탄의 가스화 합성가스 조성 결과를 비교해보면 석탄의 크기가 작아질수록 합성가스 내 H2와 CO 함량은 줄어들고 CO2는 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- O2/fuel ratio에 의한 영향이 steam/fuel ratio에 의한 영향보다 더 큰 것으로 나타났으며 산소를 주입하지 않아도 되는 플라즈마 가스화의 특성에 의하여 O2/fuel ratio가 0인 경우 60%대의 합성가스 내 높은 H2 함량을 얻을 수 있었다. 플라즈마의 출력을 높였을 때 플라즈마 화염의 길이가 길어져서 보다 좋은 가스화 효율을 얻을 수 있었다.
후속연구
- 2의 결과를 보면 O2/fuel ratio에 의하여 합성가스의 조성이 많이 변화하는 것을 확인 할 수 있다. 이를 다르게 말하면 합성가스의 조성을 폭넓게 변화시킬 수 있다는 것으로 가스화에 의해 생성된 합성가스를 이용하여 암모니아, 메탄올, 산업용가스 등을 제조할 수 있고 청정연료가스, 전력과 같은 유틸리티에 걸쳐 다양하게 사용이 가능할 것으로 생각되어진다. 이런 결과가 얻어진 이유는 앞에서도 언급하였듯이 플라즈마 가스화의 경우는 외부의 열을 이용하기 때문에 기존 가스화에 열을 발생시키기 위해 필요한 연료의 부분산화에 필요한 산소를 주입하지 않아도 되기 때문이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.