[논문]플라즈마-축열버너 부분산화 개질장치

안준; 전영남

doi:10.7316/khnes.2021.32.1.68

플라즈마-축열버너 부분산화 개질장치
Partial Oxidation Reformer in a Plasma-Recuperative Burner 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.32 no.1, 2021년, pp.68 - 76

안준 (조선대학교 공과대학 환경공학과) , 전영남 (조선대학교 공과대학 환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Climate change problems occur during the use of fossil fuel and the process of biogas production. Research continues to convert carbon dioxide and methane, the major causes of climate change, into high-quality energy sources. in order to present the performance potential for the novel plasma-recuperative burner reformer, the reforming characteristics for each variable were indentified. The optimal operating condition of was an O2/C ratio of 1.0 and a total gas supply of 20 L/min. At this time, CH4 conversion was 64%, H2 selectivity was 39%, and H2/CO ratio was 1.13, which were the results applicable to the solid oxide fuel cell fuel stack for RPG, or Residential Power Generator. Recirculation of reformed gas increases the amount of H2 and CO, which are combustible gases, especially the amount of H2. As a result, the H2 selectivity is improved, and high-quality gas can be produced.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of plasma-recuperative burner re-former experiment setup
표 Table 1. Test condition and ranges of experiment parameters
그림 Fig. 2. Effect of O₂/C ratio. (a) CH₄ conversion, (b) gas yield, H₂/CO and H₂ selectivity(Plasma only was used data at S₁; combined plasma-recuperative burner was data sampled at S₂)
그림 Fig. 3. Effect of total gas feed rate. (a) CH₄ conversion, (b) gas yield, H₂/CO and H₂ selectivity(Plasma only was used data at S₁; combined plasma-burner was data sampled at S₂)
그림 Fig. 4. Effect of CO₂:CH₄ ratio on CH₄ and CO₂ conversions at sampling ports S₁ and S₂; (a) CH₄ conversion, (b) CO₂ conversion
그림 Fig. 5. Product gas concentration according to the CO₂:CH4 ratio at sampling ports S₁ and S₂
그림 Fig. 6. Effect of reformed gas recirculation. (a) CH₄ conversion, (b) gas yield, H₂/CO and H₂ selectivity; this data was used for the combined plasma-burner.
표 Table 2. Optimal operating condition its results

AI 본문요약
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문제 정의

이상과 같이 두 가지 기술이 융합된 플라즈마-축열 버너 개질기는 기존의 방식에 비해 초기 시동이 우수하고 촉매 피독이 없고 생성가스의 질이 높고 개질 에너지 효율이 높은 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 새로운 형태의 플라즈마-축열버너개질기(plasma-recuperative burner reformer, PBR)를제안하고 상기에 언급된 주요 특성을 검증하기 위해 메탄 공급 시 O₂/C비와 가스 공급량에 대한 전환 특성을 파악하고, 아울러 온실가스인 CO₂의 추가 특성을 파악하고자 CH₄-CO₂비에 대한 혼합개질 특성을 규명하였다. 또한, 이러한 변수별 전환 성능을 근거로 하여 최적 전환 운전조건을 제시하였다.
본 연구에서는 이러한 문제를 해결하고자 저온 플라즈마 연소기와 축열식 버너를 일체형으로 한 부분 산화 개질기를 개발하고자 하였다. 플라즈마 연소기는 플라즈마 방전 시 발생되는 전자, 이온, 여기 분자 등에 의해 반응성이 높아져서 저발열량 연료나 희박혼합기에서 연소가 가능하다.
본 연구에서는 플라즈마 연소기-축열버너가 병합된 형태의 새로운 PBR 개질 전환 장치를 개발하고자 개질에 영향을 미치는 변수별 연구를 진행하였다. 그리고 각 경우에 대한 개질특성을 파악하였고 이를 근거로 최적의 운전조건을 제시하였다.
이와 같이 바이오가스는 생성 발생원에 따라 메탄과 이산화탄소의 비율이 달라지고 그 외 다양한 성분들이 함께 함유되어 있다. 본연구에서는 다양한 발생원에서 발생되는 바이오가스에 대해 새로이 제안된 PBR이 적용 가능한 성능을 가지고 있는지 확인하고자 메탄과 이산화탄소 구성비에 대해 실험을 수행하였다.
새로운 형태의 PBR을 개발하고자 메탄과 이산화탄소의 개질특성에 영향을 미치는 요소에 대해 실험적 연구를 진행하였으며, 각 변수별 실험범위는 Table 1과 같다. 기준조건은 각 실험 변수의 기준이 되는 조건이다.

제안 방법

진행하였다. 그리고 각 경우에 대한 개질특성을 파악하였고 이를 근거로 최적의 운전조건을 제시하였다.
본 연구에서는 새로운 형태의 플라즈마-축열버너개질기(plasma-recuperative burner reformer, PBR)를제안하고 상기에 언급된 주요 특성을 검증하기 위해 메탄 공급 시 O₂/C비와 가스 공급량에 대한 전환 특성을 파악하고, 아울러 온실가스인 CO₂의 추가 특성을 파악하고자 CH₄-CO₂비에 대한 혼합개질 특성을 규명하였다. 또한, 이러한 변수별 전환 성능을 근거로 하여 최적 전환 운전조건을 제시하였다.
본 연구에서 새로이 제안된 PBR 개발을 위하여 메탄과 이산화탄소 개질에 영향을 미치는 주요 영향 인자인 O₂/C비, 전체가스공급량, CO₂:CH₄비, 개질 가스 재순환에 대해 변수별 연구를 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
75 kW로 일정하게 공급되었다. 생성가스 분석은 GC (CP-4900, Varian, Middelburg, Netherland)가 이용되었으며, Molecular Sieve 5A Capillary Columm (MS 5A, Varian)에서 H₂, CO, O₂, N₂, CH₄를 분석하고 PoraPLOT Q Capillary columm (Model PPQ, Varian)으로 CO₂, C₂H₄, C₂H₂, C₂H₆ 및 C₃H₈을 분석하였다.
실험 방법은 플라즈마 연소기로 메탄 또는 메탄- 이산화탄소가 공급되며 부분산화를 위한 일정 공기비에 맞게 연소용 공기가 벤츄리 가스 혼합기에서 혼합된 후 PBR로 공급되었다. 재순환 실험의 경우 재순 환관 밸브를 열고 실험이 진행되었다.

대상 데이터

지지체는 전극과의 절연을 위해 세라믹으로 제작되었다. 연소기는 세라믹 재질로 된 관(직경 100 mm, 길이 155 mm)으로 제작하였다. 가스분사 노즐(내경 3 mm) 은 전극 상부 중심에 위치한 상태에서 지지체에 고정되었다.
전원공급장치는 전기를 공급하는 파워서플라이 (UAP-15K1A, Unicorn Tech., Gunpo, Korea)와 전기적 특성을 측정하는 전압 프루브(P6015, Tektronix, Beaverton, USA), 전류 프루브(A6303, Tektronix) 등으로 구성되었다. 파워서플라이는 3상 교류를 최대 15 kW (전압: 15 kV, 교류전류: 1 A)까지 3상 글라이딩 아크 플라즈마 연소기로 공급할 수 있다.
플라즈마연소기는 3상 글라이딩 아크 플라즈마가 발생되는형식으로 칼날형태(폭 25 mm, 높이 127 mm, 두께2 mm)로 된 3개 전극은 지지체에 각각 120°로 배치하였으며 전극 간격은 4 mm로 유지하였다. 지지체는 전극과의 절연을 위해 세라믹으로 제작되었다. 연소기는 세라믹 재질로 된 관(직경 100 mm, 길이 155 mm)으로 제작하였다.
가스분사 노즐(내경 3 mm) 은 전극 상부 중심에 위치한 상태에서 지지체에 고정되었다. 축열버너는 플라즈마 연소기 상부에 직경이 78 mm인 원형판(두께 2.5 mm) 금속파이버 2개가 45 mm와 75 mm 위치에 각각 설치되었다. 그리고 플라즈마 버너 후단부로 부터 입구로 재순환 관이 연결된 구조로 되어 있다.
측정 및 분석라인은 PBR 전단부에 유입가스 측정을 위한 샘플링 포트(S₀)가 설치되어 있고 플라즈마연소기 후단과 축열버너 후단부에서 전환된 생성 가스를 포집하기 위해 각각 샘플링 포트(S₁, S₂)가 설치되어 있다. PBR에서 전환된 생성가스는 검뎅을 제거하기 위해 석면(glass wool)을 거친 후 가스를 냉 각시켜 수분을 응축시키기 위해 -20℃로 작동되는 냉각기(HC-30, JELO TECH, Billerica, USA)를 거쳐 흡입 펌프(N-820.
플라즈마연소기는 3상 글라이딩 아크 플라즈마가 발생되는형식으로 칼날형태(폭 25 mm, 높이 127 mm, 두께2 mm)로 된 3개 전극은 지지체에 각각 120°로 배치하였으며 전극 간격은 4 mm로 유지하였다. 지지체는 전극과의 절연을 위해 세라믹으로 제작되었다.

성능/효과

적다. CH₄:CO₂비가 7:3에서 5:5로 변화됨에 따라 CO₂ 전환은 플라즈마 연소기는 23%에서 12%로 11% 감소되었고 축열버너 역시 26%에서 14%로 12%가 감소되었다. 이는 PBR의 플라즈마 연소기와 축열버너 모두에서 CO₂크래킹 또는 건식개질(식 9)에 의해 개질이 이루어지는데, 이 반응이 바이오 가스 중 CO₂농도가 커질수록 감소되기 때문이다.
공급연료를 메탄만 적용할 경우 CH₄ 전환은 O₂/C 비가 증가할수록 전체 가스공급량이 감소할수록 CH₄ 전환이 높았다. H₂/CO와 H₂선택도는 O₂/C 비와 전체 가스공급량이 감소될수록 증가되었다.
값이 다소 증가되었다. 그 증가 정도는 전체 가스공급량이 20 L/min 플라즈마 연소기에서의 CH₄ 전환은 62%이고 축열버너는 70%로 11% 증가되었고 60 L/min에서 축열버너에서의 CH₄전환은 39% 이고 축열 버너는 52%로 25% 증가되었다.
6(b)에 나타낸 개질가스 H₂와 CO의 농도에서 확인되듯이 재순환 하지 않았을 때 각각의 농도가 9%, 7%인데 재순환 시 11%와 9%로 증가된것을 보면 알 수 있다. 그리고 H₂/CO비와 H₂ 선택도도 각각 1.18%, 34%에서 1.31%, 55%로 증가되었다이상에서 알 수 있는 바와 같이 개질가스 재순환 시 가연가스인 수소와 일산화탄소 생성량이 다소 증가되었으며 특히 상대적으로 수소증가가 크기 때문에 H₂/CO비 특히 수소 선택도가 개선되어 양질의고품이 가스 생산이 가능하다.
2(a)에 보는 바와 같이 CH₄ 전환은 플라즈마연소기만 운전(plasma combustor only)되었을 때와플라즈마-축열 버너 연계된 상태로 운전(combined plasma-recuperative burner)된 두 경우 모두 O₂/C 비가 증가됨에 따라 증가되었다. 그리고 모든 O₂/C 비에서 CH₄ 전환이 플라즈마 연소기(S₁)에서 보다 축열버너(S₂)에서 증가된 값을 가졌다.
그리고 전체 가스 공급량 변화에 관계없이 모든 경우에 대해 플라즈마 버너에서 주로 CH₄전환이 이루어 진 후 축열버너에서 일부 추가적으로 진행되어 그 값이 다소 증가되었다. 그 증가 정도는 전체 가스공급량이 20 L/min 플라즈마 연소기에서의 CH₄ 전환은 62%이고 축열버너는 70%로 11% 증가되었고 60 L/min에서 축열버너에서의 CH₄전환은 39% 이고 축열 버너는 52%로 25% 증가되었다.
5는 CH₄:CO₂비 변화에 따른 생성가스 농도 H₂/CO, H₂ 선택도를 나타낸 것이다. 바이오가스 중 이산화탄소 농도가 증가될수록 생성가스 중 H₂의 농도는 플라즈마 연소기와 축열버너 모두에서 감소되었다. 그러나 CO의 농도는 플라즈마 연소기와 축열 버너 모두에서 증가되었다.
상기의 변수별 개질 특성을 파악하여 PBR의 최적의 운전조건은 O₂/C비가 1.0이고 전체 가스공급량이 20 L/min이었다. 이때 CH₄ 전환은 67%이고 H₂ 선택도는 34%이고 H₂/CO비는 1.
3(b)는 생성가스의 농도, H₂/CO, H₂ 선택도를 나타낸 것이다. 생성가스 중 H₂, CO, THCs의 농도는 이미 예측된 바와 같이 전체가스 공급량이 증가됨에 따라 PBR 내에서 개질반응의 체류시간 확보가감소되어 그 농도가 감소되었다. H₂/CO비와 H₂ 선택도가 감소되었는데, 이는 수소전환 반응에 상대적으로 큰 영향을 미치는 플라즈마 연소기의 방전영역의 역할이 감소되었기 때문이다.
다공성 재료를 통하여 유입되는 예혼합 연료-공기가 반응 영역을 통과하면서 연소되고, 연소열의 일부는 다공체에 축적되어 높은 에너지 환경에서 연속 연소가 가능하게 한다^11, 12). 이상과 같이 두 가지 기술이 융합된 플라즈마-축열 버너 개질기는 기존의 방식에 비해 초기 시동이 우수하고 촉매 피독이 없고 생성가스의 질이 높고 개질 에너지 효율이 높은 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 새로운 형태의 플라즈마-축열버너개질기(plasma-recuperative burner reformer, PBR)를제안하고 상기에 언급된 주요 특성을 검증하기 위해 메탄 공급 시 O₂/C비와 가스 공급량에 대한 전환 특성을 파악하고, 아울러 온실가스인 CO₂의 추가 특성을 파악하고자 CH₄-CO₂비에 대한 혼합개질 특성을 규명하였다.

후속연구

본 연구 결과는 상기에 언급된 문제를 해결된 주거용 열병합시스템(residential power generator, RPG) 용 연료전지인 고체산화물형연료전지(solid oxide fuel cell, SOFC)에 적용 가능할 것으로 판단된다.

참고문헌 (14)

R. Snoeckx and A. Bogaerts, "Plasma technology - a novel solution for CO 2 conversion?", Chem. Soc. Rev., Vol. 46, No. 19, 2017, pp. 5805-5863, doi: https://doi.org/10.1039/C6CS00066E.

상세보기
H. S. Song, S. J. Kwon, W. S. Epling, S. C. Nam, and K. B. Yi, "Synthesis gas production via partial oxidation, CO 2 reforming, and oxidative CO 2 reforming of CH 4 over a Ni/Mg-Al hydrotalcite-type catalyst", Clean Technology, Vol. 20, No. 2, 2014, pp. 189-201, doi: https://doi.org/10.7464/ksct.2014.20.2.189.

원문보기 상세보기
J. H. Hong, H. J. Ha, and J. D. Han, "The promotion effects on partial oxidation of methane for hydrogen production over Co/Al 2 O 3 and Ni/Al 2 O 3 catalysts", Clean Technology, Vol. 18, No. 1, 2012, pp. 95-101, doi: https://doi.org/10.7464/ksct.2012.18.1.095.

원문보기 상세보기
P. Beckhaus, A. Heinzel, J. Mathiak, and J. Roes, "Dynamics of H 2 production by steam reforming", J. Power Sources, Vol. 127, No. 1-2, 2004, pp. 294-299, doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2003.09.026.

상세보기
S. G. Wang, Y. W. Li, J. X. Lu, M. Y. He, and H. Jiao, "A detailed mechanism of thermal CO 2 reforming of CH 4 ", J. Molecular. Structure, Vol. 673, No. 1-3, 2004, pp. 181-189, doi: https://doi.org/10.1016/j.theochem.2003.12.013.

상세보기
A. E. Lutz, R. W. Bradshaw, L. Bromerg, and A. Rabinovich, "Thermodynamic analysis of hydrogen production by partial oxidation reforming", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 29, No. 8, 2004, pp. 809-816, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2003.09.015.

상세보기
L. Xu, Y. Liu, Y. Li, Z. Lin, X. Ma, Y. Zhang, M. D. Argyle, and M. Fan, "Catalytic CH 4 reforming with CO 2 over activated carbon based catalysts", Appl. Catal A Gen., Vol. 469, 2014, pp. 387-397, doi: https://doi.org/10.1016/j.apcata.2013.10.022.

상세보기
L. Li, H. Wang, X. Jiang, Z. Song, X. Zhao, and C. Ma, "Microwave-enhanced methane combined reforming by CO 2 and H 2 O into syngas production on biomass-derived char", Fuel, Vol. 185, pp. 692-700, doi: https://doi.org/10.1016/j.fuel.2016.07.098.

상세보기
Y. N. Chun, Y. C. Yang, and K. Yoshikawa, "Hydrogen generation from biogas reforming using a gliding arc plasmacatalyst reformer", Catalysis Today, Vol. 148, No. 3-4, pp. 283-289, doi: https://doi.org/10.1016/j.cattod.2009.09.019.

상세보기
H. Zhang, X. Li, F. Zhu, K. Cen, C. Du, and X. Tu, "Plasma assisted dry reforming of methanol for clean syngas production and high-efficiency CO 2 conversion", Chem. Eng. J., Vol. 310, No. 1, pp. 114-119, doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2016.10.104.

상세보기
T. Takeno and K. Sato, "An excess enthalpy flame theory", Combustion Sience and Technology, Vol. 20, No. 1-2, 1979, pp. 73-84, doi: https://doi.org/10.1080/00102207908946898.

상세보기
A. I. Bakry, "Stabilized premixed combustion within atmospheric gas porous inert medium (PIM) burner", Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part A, Journal of Power and Energy, Vol. 222, No. 8, 2008, pp. 781-789, doi: https://doi.org/10.1243/09576509JPE608.

상세보기
Y. Ju and W. Sun, "Plasma assisted combustion: dynamics and chemistry", Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 48, 2015, pp. 21-83, doi: https://doi.org/10.1016/j.pecs.2014.12.002.

상세보기
R. K. Singha, A. Shukla, A. Yadav, S. Adak, Z. Iqbal, N. Siddiqui, and R. Bal, "Energy efficient methane tri-reforming for synthesis gas production over highly coke resistant nan ocrystalline Ni-ZrO 2 catalyst", Appled Energy, Vol. 178, 2016, pp. 110-125, doi: https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2016.06.043.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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