플라즈마트론

고온 플라즈마 화염이 안정적으로 형성되는 공기 유량과 입력 전력을 각각 5.1 ℓ/min, 6.4 kW로 고정한 후 바이오가스 개질 반응하여 고농도 수소를 포함한 합 성가스를 생산하였다. Table 3-3은 기준 조건 시에 개질 결과를 나타낸 것이다.

기준 조건에서 바이오가스 개질반응 결과로 생성된 합성가스 농도는 수소 54.5%, 일산화탄소 6.1%, 이산화탄소 2%, 에틸렌 0.2%, 에탄 0.1% 이었다.

이 결과에서 알 수 있듯이 합성가스의 대부분이 수소이고, S/C 비는 3.5에서 플 라즈마 개질이 진행되었을 때 H2/CO 비가 8.6으로 이상적인 수증기 개질반응의 H2/CO 비 2.0보다 높은 값을 나타내고 있다. 이는 반응식(12), (14)의 플라즈마 개 질에 의해 메탄 및 이산화탄소가 카본(carbon)과 일산화탄소로 크래킹(cracking) 되고, 수증기 전이 반응인 반응식(26)에 의해 일산화탄소가 이산화탄소로 전환되 어 일산화탄소의 농도가 감소하였기 때문이다. 메탄 전환율은 95.6%로 주입된 대 부분의 메탄이 개질반응을 통해 합성가스로 전환됨을 알 수 있다. 이때 주입 메탄 으로부터 생성되는 수소 수율은 77.7%이다. 플라즈마트론 개질장치에 에너지 전환 율은 21.8%와 에너지 요구량은 929.9 kJ/mol을 나타냈다.

  _ → __ ∆     ···(26)

Table 3-3. Reference conditions and results for the thermal plasmatron Reference condition

Conditions Component ratio (CH4:CO2)

Air flow rate (L/min)

Steam flow rate

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

Specific energy

input (kWh/m³)

value 6:4 5.1 7.9 3.5 6.4 7

Experimental data SynGas components (%) CH4

conversion rate(%)

Energy conversion efficiency

(%)

H2

selectivi (%)ty

H2 yield (%)

Specific energy requirement

(kJ/mol) H2 CO CH4 CO2 C2H4 C2H6 N2

54.5 6.1 0.4 2 0.2 0.1 36.6 95.6 21.8 78.6 77.7 929.9

Fig. 3-20은 바이오가스의 개질특성을 파악하기 위하여 S/C비를 0.58~3.5로 조절하여 개질특성을 파악한 것이다.

Fig. 3-20 (a)는 개질된 합성가스의 농도를 나타낸 것이다. 수증기 유량비 변 화에서 S/C 비가 3.5일 때 합성가스의 주성분인 수소의 생성농도는 54.5%로 최대 값을 보이고 있지만 일산화탄소의 경우 6.1%로 감소하며 이산화탄소는 최대2%로 증가하는 경향을 나타냈다. 이는 수증기 공급량이 증가함에 따라 S/C비가 증가하 여 수증기 전이 반응에 의해 일산화탄소는 감소하고 이산화탄소가 증가하기 때문 이다. Fig. 3-20 (b)는 메탄의 전환율과 에너지 전환 효율을 나타낸 것이다. 메탄 의 경우, S/C비가 증가할수록 92.5%에서 95.6%로 증가하였으며 평균 92.4%를 나타 냈다. 고온 플라즈마의 경우 반응기 내부 온도가 1000℃ 가까이 유지되므로 플라 즈마에 의한 개질반응과 수증기에 의한 메탄의 수증기 개질 반응이 동시에 진행되 어 메탄의 전환율과 에너지 효율이 증가하는 것으로 나타났다. 에너지 전환 효율 은 S/C비가 3.5에서 최대 21.8%로 나타났다.

Fig. 3-20 (c)는 수소의 선택도 및 수율을 나타낸 것이다. 수소 선택도 및 수율 은 식 (22), (23)에 의해 계산되었으며, 차이는 메탄의 전환 효율에 의해 수소 선 택도는 계산되며, 메탄의 주입량에 의해 수소 수율이 계산된다. 따라서 선택도가 수율보다 높게 나타났으며, 메탄의 전환효율이 증가할수록 선택도와 수율의 결과 값의 차이가 감소하는 경향을 나타낸다. 수소의 선택도와 수율은 S/C비가 3.5에서 각각 최대 78.6%와 77.7%로 나타났다.

Fig. 3-20 (d)는 에너지 요구량과 비주입 에너지를 나타낸 것이다. 에너지 요구 량과 비주입 에너지는 식 (24), (25)에 의해 계산되었으며, 차이는 생성된 합성가 스의 mol수에 의해 에너지 요구량은 계산되며, 공급가스량에 의해 비주입에너지는 계산된다. 따라서 에너지 요구량은 합성가스를 생성하는데 필요한 에너지를 나타 내며, 비주입에너지는 플라즈마가 처리 가능한 용량을 나타낸다. 에너지 요구량과 비주입에너지는 S/C비가 3.5에서 각각 최소를 나타냈으며 각각 929.9 kJ/mol와 7 kWh/m³로 나타났다. 이는 S/C비가 증가하면서 합성가스 생성에 필요한 에너지가 감 소하게 되는데 고온플라즈마의 경우, 내부 반응기 온도가 1000℃ 이상이므로 공급 되는 수증기에 의한 추가적인 수증기 개질반응이 진행되어 요구량이 감소되는 것 으로 판단된다.

S/C ratio

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

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

C₂H₆ CH₄ CO₂ H₂ CO C₂H₄

(a) Reformed gas concentrations

S/C ratio

CH4conversionrate(%) Energyconversionefficiency(%)

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

0 20 40 60 80 100

0 5 10 15 20 25 30

CH₄conversion rate Energy conversion efficiency

(b) CH4 conversion rate and energy conversion efficiency

S/C ratio

H2selectivity(%) H2yield(%)

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

50 60 70 80 90 100

50 60 70 80 90 100

H₂selectivity H₂yield

(c) H2 selectivity and yield

S/C ratio

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

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

0 10 20 30

Specific energy requirement Specific input energy

(d) Specific energy requirement and input energy

Fig. 3-20. Effect of the various S/C ratios on plasmatron.