화석연료의 사용과 바이오가스 생산 과정에서 공기오염과 기후변화문제가 발생된다. 기후변화 주요 원인물질인 이산화탄소와 메탄을 양질의 에너지원으로 전환하는데 연구가 지속되고 있다. 본 연구에서는 바이오가스를 양질의 에너지로 전환하고 태양광과 풍력과 같은 연속생산의 문제가 있는 재생에너지와 연계된 태양연료를 생산하기 위해 플라즈마-탄화물 전환장치를 제안하였다. 그리고 이에 대한 가능성을 제시하기 위해 바이오가스 전환에 영향을 미치는 O2/C비, 전체가스공급량, CO2/CH4공급비의 변화에 따른 전환 및 생성가스 특성 파악하였으며 그 결과는 다음과 같다. O2/C비가 높아질수록 메탄과 이산화탄소의 전환이 증가하였다. 전체가스공급량은 임의 특정 값에서 최대의 전환을 보였다. CO2/CH4비 감소할 때 전환율이 증가되었다. 이상의 결과로 볼 때 본 연구에서 새로이 제안된 플라즈마 산화분해-탄화물 가스화 전환에 의한 태양연료 생산의 가능성이 확인되었다. 그리고 O2/C비가 0.8이고 CO2/CH4를 0.67로 하여 전체가스공급량을 40 L min-1 (VHSV = 1.37)로 공급할 경우 이산화탄소와 메탄 전환이 최대가 되어 생성가스 중 양질의 연료인 수소와 일산화탄소로의 전환이 최대를 보였다.
화석연료의 사용과 바이오가스 생산 과정에서 공기오염과 기후변화문제가 발생된다. 기후변화 주요 원인물질인 이산화탄소와 메탄을 양질의 에너지원으로 전환하는데 연구가 지속되고 있다. 본 연구에서는 바이오가스를 양질의 에너지로 전환하고 태양광과 풍력과 같은 연속생산의 문제가 있는 재생에너지와 연계된 태양연료를 생산하기 위해 플라즈마-탄화물 전환장치를 제안하였다. 그리고 이에 대한 가능성을 제시하기 위해 바이오가스 전환에 영향을 미치는 O2/C비, 전체가스공급량, CO2/CH4공급비의 변화에 따른 전환 및 생성가스 특성 파악하였으며 그 결과는 다음과 같다. O2/C비가 높아질수록 메탄과 이산화탄소의 전환이 증가하였다. 전체가스공급량은 임의 특정 값에서 최대의 전환을 보였다. CO2/CH4비 감소할 때 전환율이 증가되었다. 이상의 결과로 볼 때 본 연구에서 새로이 제안된 플라즈마 산화분해-탄화물 가스화 전환에 의한 태양연료 생산의 가능성이 확인되었다. 그리고 O2/C비가 0.8이고 CO2/CH4를 0.67로 하여 전체가스공급량을 40 L min-1 (VHSV = 1.37)로 공급할 경우 이산화탄소와 메탄 전환이 최대가 되어 생성가스 중 양질의 연료인 수소와 일산화탄소로의 전환이 최대를 보였다.
The use of fossil fuel and biogas production causes air pollution and climate change problems. Research endeavors continue to focus on converting methane and carbon dioxide, which are the major causes of climate change, into quality energy sources. In this study, a novel plasma-carbon converter was ...
The use of fossil fuel and biogas production causes air pollution and climate change problems. Research endeavors continue to focus on converting methane and carbon dioxide, which are the major causes of climate change, into quality energy sources. In this study, a novel plasma-carbon converter was proposed to convert biogas into high quality gas, which is linked to photovoltaic and wind power and which poses a problem on generating electric power continuously. The characteristics of conversion and gas production were investigated to find a possibility for biogas conversion, involving parametric tests according to the change in the main influence variables, such as O2/C ratio, total gas feed rate, and CO2/CH4 ratio. A higher O2/C ratio gave higher conversions of methane and carbon dioxide. Total gas feed rate showed maximum conversion at a certain specified value. When CO2/CH4 feed ratio was decreased, both conversions increased. As a result, the production of solar fuel by plasma oxidation destruction-carbon material gasification conversion, which was newly suggested in this study, could be known as a possibly useful technology. When O2/C ratio was 0.8 and CO2/CH4 was 0.67 while the total gas supply was at 40 L min-1 (VHSV = 1.37), the maximum conversions of carbon dioxide and methane were achieved. The results gave the highest production for hydrogen and carbon dioxide which were high-quality fuel.
The use of fossil fuel and biogas production causes air pollution and climate change problems. Research endeavors continue to focus on converting methane and carbon dioxide, which are the major causes of climate change, into quality energy sources. In this study, a novel plasma-carbon converter was proposed to convert biogas into high quality gas, which is linked to photovoltaic and wind power and which poses a problem on generating electric power continuously. The characteristics of conversion and gas production were investigated to find a possibility for biogas conversion, involving parametric tests according to the change in the main influence variables, such as O2/C ratio, total gas feed rate, and CO2/CH4 ratio. A higher O2/C ratio gave higher conversions of methane and carbon dioxide. Total gas feed rate showed maximum conversion at a certain specified value. When CO2/CH4 feed ratio was decreased, both conversions increased. As a result, the production of solar fuel by plasma oxidation destruction-carbon material gasification conversion, which was newly suggested in this study, could be known as a possibly useful technology. When O2/C ratio was 0.8 and CO2/CH4 was 0.67 while the total gas supply was at 40 L min-1 (VHSV = 1.37), the maximum conversions of carbon dioxide and methane were achieved. The results gave the highest production for hydrogen and carbon dioxide which were high-quality fuel.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 상기에 언급된 저렴하고 활성도가 높은 탄화물을 이산화탄소/메탄 전환에 활용하고자 탄화물 베드층 전단에 플라즈마 방전에 부부산화를 적용한 새로운 형태의 플라즈마-탄화물 전환기를 제안하였다. 그리고 이산화탄소 전환에 영향을 미치는 주요 영향변수에 대해 플라즈마 산화와 탄화물 가스화에 대해 각각의 전환특성을 규명하고 이를 근거로 하여 새로이 제안된 이산화탄소 전환기의 최적운전 조건제시와 그 가능성을 보였다.
본 연구에서는 플라즈마 산화분해-탄화물 가스화에 의해 바이오가스 전환에 관한 연구를 수행하여 이산화탄소, 메탄 전환 및 생성가스 특성을 규명하였다.
온실가스 에너지 전환이용 기후기술(climate technology)의 개발을 위해 본 연구에서 새로이 제안된 플라즈마 산화분해탄화물 가스화 전환에 의한 태양연료 생산에 대한 연구를 수행하였다(태양연료는 태양광이나 풍력발전에 의해 만들어진 전기를 이용하여 만들어진 화학에너지임; 본 연구에서는 태양연료 생산 전체 시스템 중 주요 구성요소인 전환장치 개발에 대해 진행된 연구임).
제안 방법
으로 유량을 일정하게 유지하여 냉각기를 거쳐 수분 제거한 후 분석기기로 보내진다. 가스 분석은 GC가 이용되었으며, Molecular Sieve 5A capillary column (Model MS 5A, Varian, Netherland)에서 H2, CO, O2, N2, CH4를 분석하고 PoraPLOT Q capillary column (Model PPQ, Varian, Netherland)으로 CO2, C2H4, C2H2, C2H6 및 C3H8 을 분석하였다.
실험 방법은 플라즈마 연소기로 태양연료 원료가스인 이산화탄소-메탄과 플라즈마 부분산화 대상가스인 메탄과 공기가 일부가 각각 설정된 유량으로 혼합기에서 혼합되어 공급된다. 탄화물은 상용 활성탄(commercial activated carbon)이 사용되고 평균직경을 3 mm로 하여 일정량(175 g)을 탄화물 베드층에 넣고 실험의 재연성을 확보하기 위해 매 실험 마다 교체하였다.
실험장치 구성은 플라즈마탄화물 전환기(plasma-carbon material convertor), 전원공급장치(power supply equipment), 가스 및 공기 공급라인(gas & air feed line), 측정 및 분석라인(measuring & analysis line)으로 구성되었다.
이산화탄소/메탄 분해 및 가스화 전환 특성을 파악하고자 실험적 연구를 진행하였으며, 각 변수별 실험범위는 Table 1과 같다. 기준조건(reference condition)은 각 실험 변수의 기준이 되는 조건이다.
이산화탄소와 메탄 전환과 생성가스에 영향을 미치는 주요 인자인 O2/C비, 가스 공급량, CO2/CH4 공급비에 대해 변수별 연구를 수행하였으며 그 결과는 다음과 같다.
샘플링된 가스는 분석장비인 GC-TCD (Model CP-4900, Varian, Netherland)에서 주요 가스인 이산화탄소, 메탄, 일산화탄소, 수소 등이 분석된다. 탄화물 베드층의 온도는 CM Bed층 내로 삽입된 열 전대(k-type, 𝝓 0.3 mm)와 데이터로거(Model: FLUKE 2625A HYDRA, Japan)에 의해 측정하였다.
실험 방법은 플라즈마 연소기로 태양연료 원료가스인 이산화탄소-메탄과 플라즈마 부분산화 대상가스인 메탄과 공기가 일부가 각각 설정된 유량으로 혼합기에서 혼합되어 공급된다. 탄화물은 상용 활성탄(commercial activated carbon)이 사용되고 평균직경을 3 mm로 하여 일정량(175 g)을 탄화물 베드층에 넣고 실험의 재연성을 확보하기 위해 매 실험 마다 교체하였다. 플라즈마 공급 전력은 0.
플라즈마-탄화물 전환기(Plasma-CM Convertor)의 성능을 표현하기 위해 이산화탄소 전환(CO2 Conversion)과 메탄 전환(CH4 Conversion)으로 나타내었으며, Equation (1)과 같이 계산되었다.
대상 데이터
5 mm로 유지하였다. 지지체는 전극과의 절연을 위해 세라믹으로 제작되었다. 반응기는 세라믹 재질로 된 관(직경 100 mm, 길이 155 mm)으로 제작하였다.
측정 및 분석라인은 플라즈마 연소기 전·후 벽면에 각각 설치되어 있는 샘플링 포트(S0, S1)와 탄화물 베드층 후단부에 설치된 샘플링 포트(S2)에서 가스가 샘플링 된다.
플라즈마 연소기는 3상 글라이딩 아크 플라즈마가 발생되는 형식으로 칼날형태(폭 25 mm, 높이 127 mm, 두께 2 mm)로 된 3개 전극은 지지체에 각각 120°로 배치하였으며 전극 간격은 3.5 mm로 유지하였다.
성능/효과
1%까지 변화하였다. Figure 4(b) 생성가스 농도에서 볼 수 있듯이 CO2/CH4 비가 증가할 때 탄화물 베드층의 온도감소로 생성가스 농도가 크게 증가되지 않았다.
이는 이산화탄소와 메탄 전환이 탄화물 베드층의 온도보다 공간속도가 더 중요하다는 것을 알 수 있다[19]. 이는 Figure 3(b)의 생성가스 농에도에 볼 수 있듯이 탄화물 베드층의 후류의 가스농도가 전체가스량이 40 L min-1일 때 H2, CO 상대적으로 큰 값을 보였다.
전체가스공급량이 증가하였을 때 이산화탄소와 메탄의 전환은 플라즈마 버너에서 큰 변화를 보이지 않았으나 탄소층 베드에서는 특정 공간속소에서 최대값을 보였으며 생성가스의 양도 유사한 패턴늘 보였다. CO2/CH4비가 증가됨에 따라 상대적으로 연소에 관여하는 메탄의 공급량이 적어지게 되어 탄화물 베드층의 온도가 낮아지게 되어 메탄과 이산화탄소의 전환과 생성가스의 양이 급격히 감소하였다.
O2/C비가 높아질수록 탄화물 베드층의 온도가 높아짐을 보였고, 이에 따라 메탄과 이산화탄소의 전환이 증가하고 수소와 일산화탄소 생성가스의 양도 증가하였다. 전체가스공급량이 증가하였을 때 이산화탄소와 메탄의 전환은 플라즈마 버너에서 큰 변화를 보이지 않았으나 탄소층 베드에서는 특정 공간속소에서 최대값을 보였으며 생성가스의 양도 유사한 패턴늘 보였다.
따라서 본 연구에서는 상기에 언급된 저렴하고 활성도가 높은 탄화물을 이산화탄소/메탄 전환에 활용하고자 탄화물 베드층 전단에 플라즈마 방전에 부부산화를 적용한 새로운 형태의 플라즈마-탄화물 전환기를 제안하였다. 그리고 이산화탄소 전환에 영향을 미치는 주요 영향변수에 대해 플라즈마 산화와 탄화물 가스화에 대해 각각의 전환특성을 규명하고 이를 근거로 하여 새로이 제안된 이산화탄소 전환기의 최적운전 조건제시와 그 가능성을 보였다.
기존의 촉매적용 열적전환 기술은 고정과 유동 반응기 촉매 층에서의 이산화탄소 전환에 대한 다양한 연구가 진행되었다. 이때 메탈 촉매층 온도는 800에서 1,500K정도에서 유지되었으며 이산화탄소 전환의 활성도(activity)과 선택도(selectivity) 은 우수한 것으로 나타났다. 그러나 촉매 비용 등 산업에 적용 하기 위한 유용성에는 문제가 있는 것으로 보고되었다[13].
이산화탄소와 메탄의 전환은 O2/C비가 증가됨에 따라 증가되었으며 그 정도는 산소의 양이 증가될수록 컸다. 그리고 이산화탄소와 메탄이 플라즈마 버너(S1 plasma burner)서 일부 전환되고 그 후 탄화물 베드층(S2 CM bed)에서 생성된 가스가 2차 전환된 것을 알 수 있다.
이상의 결과로 볼 때 O2/C비가 0.8이고 CO2/CH4를 0.67로 하여 전체가스공급량을 40 L min-1 (VHSV = 1.37)로 공급할 경우 이산화탄소와 메탄 전환이 최대가 되어 생성가스 중양 질의 태양연료인 수소와 일산화탄소로의 전환이 최대를 보였다.
/C비가 높아질수록 탄화물 베드층의 온도가 높아짐을 보였고, 이에 따라 메탄과 이산화탄소의 전환이 증가하고 수소와 일산화탄소 생성가스의 양도 증가하였다. 전체가스공급량이 증가하였을 때 이산화탄소와 메탄의 전환은 플라즈마 버너에서 큰 변화를 보이지 않았으나 탄소층 베드에서는 특정 공간속소에서 최대값을 보였으며 생성가스의 양도 유사한 패턴늘 보였다. CO2/CH4비가 증가됨에 따라 상대적으로 연소에 관여하는 메탄의 공급량이 적어지게 되어 탄화물 베드층의 온도가 낮아지게 되어 메탄과 이산화탄소의 전환과 생성가스의 양이 급격히 감소하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고온 플라즈마의 문제점은?
플라즈마는 고온플라즈마(thermal plasma)와 저온플라즈마 (non-thermal plasma: NTP)가 있다. 고온 플라즈마는 고온이 형성되어 전환효율이 높으나 에너지 비용이 많이 소요되는 문제점을 가지고 있다. 저온플라즈마는 저온과 저압의 마일드 조건(mild condition)에서 운전이 가능하므로 에너지 비용이 기존의 열적전환 방식에 비해 저감이 가능하기 때문에 이산화탄소 이용(CO2 utilization)을 위한 유망기술 중 하나로 점 차 인식되고 있다[7].
저온플라즈마가 이산화탄소 이용을 위한 유망기술로 인식되는 이유는?
고온 플라즈마는 고온이 형성되어 전환효율이 높으나 에너지 비용이 많이 소요되는 문제점을 가지고 있다. 저온플라즈마는 저온과 저압의 마일드 조건(mild condition)에서 운전이 가능하므로 에너지 비용이 기존의 열적전환 방식에 비해 저감이 가능하기 때문에 이산화탄소 이용(CO2 utilization)을 위한 유망기술 중 하나로 점 차 인식되고 있다[7]. 이산화탄소 활성화(CO2 activation)에 사용된 여러가지 플라즈마 중 글라이딩 아크 방전(gliding arc discharge (GAD))이 저온(non-thermal)과 고온플라즈마(thermal plasma)의 두 가지 장점인 높은 공급전압, 선택도, 에너지 효율이 동시에 가능한 특징이 있어 특별한 관심의 대상이 되고 있다[8].
플라즈마 산화분해-탄화물 가스화에 의해 바이오가스 전환에 관한 연구를 수행하여 이산화탄소, 메탄 전환 및 생성가스 특성을 규명한 결과 이산화탄소와 메탄 전환이 최대가 되는 조건은?
이상의 결과로 볼 때 O2/C비가 0.8이고 CO2/CH4를 0.67로 하여 전체가스공급량을 40 L min-1 (VHSV = 1.37)로 공급할 경우 이산화탄소와 메탄 전환이 최대가 되어 생성가스 중양 질의 태양연료인 수소와 일산화탄소로의 전환이 최대를 보였다.
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