단상 글라이딩 아크 플라즈마

냈다. 이는 수증기 공급량이 증가하여 S/C비가 증가함에 따라 수증기 전이 반응에 의해 일산화탄소는 감소하고 이산화탄소가 증가하기 때문이다.

Fig. 3-22 (b)는 메탄의 전환율과 에너지 전환 효율을 나타낸 것이다. 메탄 전 환율의 경우, S/C비가 증가할수록 70%에서 86.4%로 증가하였다. 단상 글라이딩 아 크 플라즈마의 경우 반응기 외부 온도를 히팅 코일을 이용하여 850℃ 가까이 유지 하였다. 따라서 플라즈마에 의한 개질반응과 수증기에 의한 메탄의 수증기 개질 반응이 동시에 진행되어 메탄의 전환율과 에너지 효율이 증가하는 것으로 나타났 다. 메탄 전환율은 S/C비가 2.6이상에서는 감소하는 결과를 나타냈으며, 이는 S/C 비의 증가로 공급가스량이 증가하게 되어 반응기 내부의 체류시간이 감소하는 것 으로 판단하였다. 에너지 전환 효율은 플라즈마 공급전력과 반응기 외부에 공급된 전력을 합하여 계산하였다. 에너지 전환 효율은 S/C비가 3.5에서 최대 21.8%로 나 타났다.

Fig. 3-22 (c)는 수소의 선택도 및 수율을 나타낸 것이다. 메탄의 전환효율이 증가할수록 선택도와 수율의 결과값의 차이가 감소하는 경향을 나타낸다. 수소의 선택도와 수율은 S/C비가 3에서 각각 최대 45.6%와 44.1%로 나타났다.

Fig. 3-22 (d)는 에너지 요구량과 비주입 에너지를 나타낸 것이다. 에너지 요구 량과 비주입에너지는 S/C비가 3.3에서 각각 최소를 나타냈으며 각각 184.9 kJ/mol 와 1.3 kWh/m³로 나타났다. 이는 S/C비가 증가하면서 합성가스에 생성에 필요한 에 너지가 감소하게 되는데 단상 글라이딩 아크 플라즈마의 경우, 외부 반응기 온도 를 850℃로 유지하므로 공급되는 수증기에 의한 추가적인 수증기 개질반응이 진행 되어 요구량이 감소되는 것으로 판단된다.

S/C ratio

H2,COconcentrations(%) CH4,CO2,C2H4,C2H6concentrations(%)

1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75 3 3.25

0 10 20 30 40 50

0 10 20 30 40 50

C₂H₆ CH₄ CO₂ H₂ CO C₂H₄

(a) Reformed gas concentrations

S/C ratio

CH4conversionrate(%) Energyconversionefficiency(%)

1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75 3 3.25

0 20 40 60 80 100

0 20 40 60 80 100

CH₄conversion rate Energy conversion efficiency

(b) CH4 conversion rate and energy conversion efficiency

S/C ratio

H2selectivity(%) H2yield(%)

1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75 3 3.25

0 10 20 30 40 50

0 10 20 30 40 50

H₂selectivity H₂yield

(c) H2 selectivity and yield

S/C ratio

Specificenergyrequirement(kJ/mol) Specificinputenergy(kWh/m3 )

1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75 3 3.25

0 100 200 300 400 500

0 1 2 3 4 5

Specific energy requirement Specific input energy

(d) Specific energy requirement and input energy

Fig. 3-22. Effect of the various S/C ratios on DC gliding arc plasma.

3.3.4 3상 글라이딩 아크 플라즈마

3상 글라이딩 아크 플라즈마 반응기는 단상 글라이딩 아크 플라즈마 실험 결과 를 통해 플라즈마 방전 영역을 증가시키기 위해 3개의 전극을 사용하였으며, 정류 기를 통해 교류를 직류로 변환하지 않고 교류 전압을 이용하여 안정적인 방전 상 태를 유지하였다. 그리고 반응기 내부 구조는 기존의 사각형 형태에서 미반응에 따른 영역이 존재하는 것을 파악하고 원통 형태와 외부가열 없이 그리고 내부 관 찰이 가능하도록 수정한 플라즈마 반응기이다.

바이오가스로부터 고농도 수소를 포함하는 합성가스를 생성하는 운전조건을 연 구하고자 에너지 전환 효율이 최대인 조건과 실험결과를 Table 3-6에 나타내었다.

기준조건에서 메탄 개질반응 결과로 생성된 주요 합성가스의 농도는 수소 56.2%, 일산화탄소 16.3%, 메탄 1.1% 이었다. 위 결과에서 알 수 있듯이 합성가스의 대부 분이 수소와 일산화탄소이고, H2/CO 농도 비는 3.4로 이는 Eq. (12)에 의한 플라즈 마 크랙킹 반응과 일산화탄소가 수증기 전이반응에 의해 감소되었기 때문이다. 주 입가스인 메탄의 전환율은 각각 92.7%로 주입된 대부분의 메탄이 개질반응을 통해 합성가스로 전환됨을 알 수 있다. 이때 주입 메탄으로부터 생성되는 수소 수율은 54.6%이다. 3상 글라이딩 아크 플라즈마 개질장치에 에너지 전환율은 98.6%와 에 너지 요구량은 61.4 kJ/mol을 나타냈다.

Table 3-6. Reference conditions and results for the 3-phase gliding arc plasma Reference condition

Conditions Component ratio (CH4:CO2)

Steam flow rate

(L/min) S/C ratio Input power (kW)

Specific energy input

(kWh/m³)

value 6:4 11.8 2.9 0.52 0.5

Experimental data SynGas components (%) CH4

conversion rate(%)

Energy conversion

efficiency (%)

H2

selectivity (%)

H2 yield (%)

Specific energy requirement

(kJ/mol) H2 CO CH4 CO2 C2H4C2H6

56.2 16.3 1.1 22.7 0 0 92.7 98.6 54.6 53.5 61.4

Fig. 3-23은 S/C비 변화에 대한 3상 글라이딩 아크 플라즈마의 바이오가스 개질 특성을 파악한 것이다.

Fig. 3-23 (a)는 개질된 합성가스의 농도를 나타낸 것이다. 수증기 유량비 변화 에서 S/C 비가 2.9일 때 합성가스의 주성분인 수소의 생성농도는 56.2%로 최대값 을 나타냈다. 일산화탄소의 경우 S/C비가 증가할수록 26.4%에서 9.4%로 감소하며 이산화탄소는 최대 25.4%에서 33.7%로 증가하는 경향을 나타냈다. 이는 수증기 공 급량이 증가함에 따라 S/C비가 증가하여 수증기 전이 반응에 의해 일산화탄소는 감소하고 이산화탄소가 증가하기 때문이다.

Fig. 3-23 (b)는 메탄의 전환율과 에너지 전환 효율을 나타낸 것이다. 메탄의 경우, S/C비가 1.9에서 2.6으로 증가할수록 85.4%에서 92.7%로 증가하였다. 플라 즈마에 의한 개질반응에 의해 메탄의 전환율과 에너지 효율이 증가하는 것으로 나 타났다. 메탄의 전환율은 S/C비가 2.6이상에서는 감소하는 결과를 나타냈으며 이 는 증가한 수증기량이 플라즈마 방전 시 생성된 전자 밀도에 제한을 가져오고 활 성화된 화학종이 수증기에 의해 냉각되기 때문에 수증기 주입량은 잘 조절되어야 한다¹²⁰⁾. 또한 S/C비의 증가로 공급가스량이 증가하게 되어 반응기 내부의 체류시 간이 감소하는 것으로 판단하였다. 에너지 전환 효율은 S/C비가 2.9에서 최대 98.6%로 나타났다.

Fig. 3-23 (c)는 수소의 선택도 및 수율을 나타낸 것이다. S/C비가 2.9에서 선 택도와 수율의 차이가 가장 작은 값을 나타냈다. 수소의 선택도와 수율은 S/C비가 2.9에서 각각 최대 54.6%와 53.5%로 나타났으며, 메탄의 전환율과 같은 그래프 유 형을 나타냈다.

Fig. 3-23 (d)는 에너지 요구량과 비주입 에너지를 나타낸 것이다. 에너지 요구 량과 비주입에너지는 S/C비가 2.9에서 각각 최소를 나타냈으며 각각 61.4 kJ/mol 와 0.5 kWh/m³로 나타났다. 이는 단상 글라이딩 아크 플라즈마에 비해 전력 공급량 이 적었으며, 전극의 증가로 플라즈마 방전영역의 증가가 에너지 요구량과 비주입 에너지를 낮추는데 기여한 것으로 판단된다.

S/C ratio

H2,COconcentrations(%) CH4,CO2,C2H4,C2H6concentrations(%)

1.5 2 2.5 3 3.5 4

0 20 40 60 80 100

0 10 20 30 40 50

C₂H₆ CH₄ CO₂ H₂ CO C₂H₄

(a) Reformed gas concentrations

S/C ratio

CH4conversionrate(%) Energyconversionefficiency(%)

1.5 2 2.5 3 3.5 4

50 60 70 80 90 100

50 60 70 80 90 100

CH₄conversion rate Energy conversion efficiency

(b) CH4 conversion rate and energy conversion efficiency

S/C ratio

H2selectivity(%) H2yield(%)

1.5 2 2.5 3 3.5 4

30 35 40 45 50 55 60

30 35 40 45 50 55 60 H₂selectivity

H₂yield

(c) H2 selectivity and yield

S/C ratio

Specificenergyrequirement(kJ/mol) Specificinputenergy(kWh/m3 )

1.5 2 2.5 3 3.5 4

50 60 70 80 90 100

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Specific energy requirement Specific input energy

(d) Specific energy requirement and input energy

Fig. 3-23. Effect of the various S/C ratios on 3-phase gliding arc plasma.