[논문]바이오가스 직접 개질을 위한 플라즈마 수소 추출기 운전 특성 연구

이병진; 위수빈; 이동규; 황상연; 송형운

doi:10.14478/ace.2023.1038

[국내논문] 바이오가스 직접 개질을 위한 플라즈마 수소 추출기 운전 특성 연구
Operation Characteristics of a Plasma Reformer for Biogas Direct Reforming 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.34 no.4, 2023년, pp.404 - 411

이병진 (고등기술연구원 수소에너지솔루션센터) , 위수빈 (고등기술연구원 수소에너지솔루션센터) , 이동규 (고등기술연구원 수소에너지솔루션센터) , 황상연 (고등기술연구원 수소에너지솔루션센터) , 송형운 (고등기술연구원 수소에너지솔루션센터)

초록
AI-Helper

바이오가스 직접 개질을 위해 플라즈마 방전영역을 확장할 수 있는 3상 글라이딩 아크 플라즈마 수소 추출기를 설계하고 스팀과 메탄의 부피 비율, 가스 유량, 플라즈마 입력 전력에 대해 개질 특성을 평가하여 운전 조건을 최적화했다. 수소생산효율은 플라즈마 에너지 밀도가 작을수록 증가하는 것으로 확인되었지만 C_XH_Y 혹은 carbon soot와 같은 촉매 내구성에 영향을 줄 수 있는 부산물들이 발생했다. 부산물 생성을 억제하기 위해 스팀과 메탄의 비율 혹은 플라즈마 에너지 밀도를 높여야 했고 플라즈마 개질기 최적 조건으로 스팀과 메탄의 비율을 3, 플라즈마 에너지 밀도를 5.5 ~ 6.0 kJ/L로 선정했다. 또한 플라즈마 개질기에서 발생하는 열이 반응가스를 500 ℃ 이상까지 올려줄 수 있어 바이오가스 버너의 연료사용량을 줄여 수소생산효율을 높일 수 있을 것으로 기대할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

For the direct reforming of biogas, a three-phase gliding arc plasma reformer was designed to expand the plasma discharge region, and the operation conditions of the plasma reformer, such as the S/C ratio, the gas flow rate, and the plasma input power, were optimized. The H2 production efficiency is increased at a lower specific plasma input energy density, but byproducts such as CXHY and carbon soot are generated along with the increase in H2 production efficiency. The formation of byproducts is decreased at higher specific plasma input energy densities and S/C ratios. The optimized operation conditions are 5.5 ~ 6.0 kJ/L for the specific plasma input energy density and 3 for the S/C ratio, considering the conversion efficiency, H2 production, and byproduct formation. It is expected that the H2 production efficiency will improve with the decrease in fuel consumption in biogas burners because the heat generated from plasma discharge heats up the feed gas to over 500 ℃.

주제어

표/그림 (17)

그림 Figure 1. Hydrogen production system from biogas.
그림 Figure 2. a) Schematic of overall plasma-catalyst hybrid biogas reforming system, b) image of 3-phase gliding arc discharge.
그림 Figure 3. a: Conversion (CH₄, CO₂) and yield (H₂, CO) as a function of input power, b: H₂, CO selectivity as a function of input power.
표 Table 1. Experimental Conditions
그림 Figure 4. Fluctuation of CO₂ and CO after plasma discharge without CH₄ (CO₂: 1.8 L/min, H₂O: 8.1 L/min, plasma input power: 1.2 kW).
그림 Figure 5. Production of C₂H₂, C₂H₄, and C₂H₆ by plasma reforming as a function of input power.
표 Table 2. H₂/CO Ratio as a Function of Input Power
그림 Figure 6. a: Conversion (CH₄, CO₂) and yield (H₂, CO) as a function of input power, b: H₂, CO selectivity as a function of S/C ratio.
그림 Figure 7. Production of C₂H₂, C₂H₄, and C₂H₆ by plasma reforming as a function of S/C ratio.
그림 Figure 8. a: Conversion (CH₄, CO₂) and yield (H₂, CO) as a function of input power, b: H₂, CO selectivity as a function of flow rate.
표 Table 3. H₂/CO Ratio as a Function of S/C Ratio
그림 Figure 9. Production of C₂H₂, C₂H₄, and C₂H₆ by plasma reforming as a function of flow rate.
그림 Figure 10. The production amount per unit volume of C₂ products.
그림 Figure 11. H₂ production in plasma reformer at each condition as a function of SED.
그림 Figure 12. CO selectivity in plasma reformer at each condition as a function of SED.
그림 Figure 13. Gas temperature of plasma reformer each condition as a function of SED.
표 Table 4. H₂/CO Ratio as a Function of Flow Rate

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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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