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ISSN : 1225-0112(Print)
ISSN : 2288-4505(Online)
Applied Chemistry for Engineering Vol.34 No.4 pp.404-411
DOI : https://doi.org/10.14478/ace.2023.1038

Operation Characteristics of a Plasma Reformer for Biogas Direct Reforming

Byungjin Lee, Subeen Wi, Dongkyu Lee, Sangyeon Hwang, Hyoungwoon Song†
Hydrogen Energy Solution Center, Institute for Advanced Engineering, Yongin 17180, Republic of Korea
† Corresponding Author: Institute for Advanced Engineering Hydrogen Energy Solution Center, Yongin 17180, Republic of Korea Tel: +82-31-330-7406 e-mail: hwsong@iae.re.kr
April 5, 2023 ; June 5, 2023 ; June 5, 2023

Abstract


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 °C.


Biogas direct reforming , Plasma reforming , Gliding arc , Hydrogen

바이오가스 직접 개질을 위한 플라즈마 수소 추출기 운전 특성 연구

이 병진, 위 수빈, 이 동규, 황 상연, 송 형운†
고등기술연구원 수소에너지솔루션센터

초록


바이오가스 직접 개질을 위해 플라즈마 방전영역을 확장할 수 있는 3상 글라이딩 아크 플라즈마 수소 추출기를 설계 하고 스팀과 메탄의 부피 비율, 가스 유량, 플라즈마 입력 전력에 대해 개질 특성을 평가하여 운전 조건을 최적화했다. 수소생산효율은 플라즈마 에너지 밀도가 작을수록 증가하는 것으로 확인되었지만 CXHY 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 °C 이상까지 올려줄 수 있어 바이오 가스 버너의 연료사용량을 줄여 수소생산효율을 높일 수 있을 것으로 기대할 수 있다.


    1. 서 론

    화석연료의 지나친 사용으로 인한 자원 고갈 및 지구온난화 문제로 화석연료를 대체할 수 있는 지속가능한 에너지의 중요성이 커지는 가 운데, 수소는 연료뿐만 아니라 에너지 저장 매체, 메탄올 및 암모니아 생산 원료, 에너지 수송체로 활용이 가능하여 큰 주목을 받고 있다 [1]. 수소는 석탄 가스화, 천연가스 리포밍, 물 전기분해, 바이오가스 리포밍, 태양 열화학 수소 등의 방법으로 생산이 되며[2-4], 이 중 바 이오가스 리포밍은 유기폐기물로부터 발생되는 바이오가스로 수소를 생산하는 친환경적인 방법이다[5]. 열화학적 수소 생산 방법은 메탄부 분산화(partial oxidation of methane, POM)[6], 건식 개질(dry reforming of methane, DRM)과 수증기 개질(steam reforming of methane, SRM)이 사용된다. 이 중 코킹에 대해 촉매 내구성이 높은 SRM은 가 장 기술 성숙도가 높아 상용화된 바이오가스 수소추출공정에 사용되 고 있다[7-9].

    • - 메탄부분산화(POM)

      C H 4 + 1 / 2 O 2   ↔ C O + 2 H 2   Δ H = − 36 k J / m o l
      (1)

    • - 건식 개질(DRM)

      C H 4 + C O 2   ↔ 2 C O + 2 H 2   Δ H = + 247.4 k J / m o l
      (2)

    • - 수증기 개질(SRM)

      C H 4 + H 2 O   ↔ C O + 3 H 2   Δ H = + 206.1 k J / m o l
      (3)

    하지만, SRM 반응에서는 CO2가 반응에 사용되지 않기 때문에 CH4 (55~70%)와 CO2 (30~40%)로 구성된 바이오가스 수소추출공정에서 는 바이오가스의 압축 비용과 열량을 높이기 위해 CO2를 제거하는 고 질화 공정(upgrading)을 거쳐 순도 95% 이상의 바이오CH4를 만들어 사용하며(Figure 1), 이 때 사용되는 고질화 공정은 압력순환흡착법 (pressure swing adsorption), 세정법(water scrubbing), 막분리법(membrane separation), 액화저온분리법(cryogenic separation)을 이용한다 [10,11]. 하지만 높은 압력을 요구하는 고질화공정의 운전 조건으로 인한 에너 지 소모 및 유지관리와 같은 경제적인 단점을 보완하고자 바이오가스 직접 개질을 통한 공정의 간소화 및 경제성 향상을 위한 방법을 연구 하고 평가하려고 한다.

    그 방법 중 하나로 DRM과 SRM을 동시에 할 수 있는 bi-reforming 이 연구되고 있는데, 이 기술의 핵심은 촉매로 DRM과 SRM처럼 니 켈계열 촉매를 많이 사용하지만, 높은 운전 온도와 코킹으로 인해 촉 매의 활성을 잃기 쉬워 안정적이고 효율적인 촉매 구조를 만드는 것 이 핵심이라 아직 더 많은 연구가 필요하다[12,13].

    이에 반해 플라즈마 개질(plasma reforming)은 상온에서 CH4와 CO2 를 분해할 수 있고 코크 생성에 큰 영향을 받지 않기 때문에 높은 운 전 온도 및 과량의 스팀을 요구하지 않아 바이오가스 직접 개질 방법 으로 연구되어왔다. 바이오가스 개질에는 주로 글라이딩 아크 플라즈 마(gliding arc plasma)[14-16], 회전 아크 플라즈마(rotating arc plasma) [17], 유전체장벽방전(dielectric barrier discharge)[18]이 많이 사용되고 있고, 이 중 글라이딩 아크 플라즈마는 초기 방전이 열플라즈마 형태 로 고온의 아크가 형성된 후 아크가 성장함에 따라 반응성이 강한 라 디칼을 생성하는 저온플라즈마로 특성이 변하는 특성을 지니고 있어 바이오가스 개질에 유리하다[14-16]. 하지만, 플라즈마의 단독 사용은 높은 전환율을 얻기 위해 높은 출력이 필요하기 때문에 에너지 효율 이 낮다는 단점이 있어 이를 보완하기 위해 촉매와의 하이브리드 시 스템 연구가 진행되고 있다[19-22].

    따라서, 본 연구에서는 바이오가스 직접 개질을 위해 촉매 개질기 로 공급 전 피딩 가스의 전처리 및 예열을 위한 플라즈마 개질 시스템 을 제작하였다. 글라이딩 아크 플라즈마의 효율을 높이기 위해 플라 즈마 방전영역을 확장할 수 있는 3상 글라이딩 아크 플라즈마 개질기 를 설계하고 플라즈마 입력 전력, S/C ratio (스팀과 CH4의 부피 비), 가스 유량에 따른 CH4 전환율과 CO2 전환율, 가스의 토출 온도, 단위 에너지당 H2 생산량과 같은 개질 성능을 평가하고, 이를 통해 촉매와 의 하이브리드 시스템의 최적 운전 조건을 선정하였다.

    2. 실 험

    2.1. 실험장치 구성 및 3-blade 글라이딩 아크 플라즈마 반응기

    Figure 2a는 전체 실험 장치 구성도를 보여준다. CH4와 CO2를 각각 의 질량 유량계 (M3030V, Line Tech Inc., Republic of Korea)를 통해 모사 바이오가스(CH4:CO2 = 6:4, 부피비)를 공급하고 개질 반응용 스 팀은 액상 연동펌프(Shenchen Pump YZ1515x, SHENCHEN, China)로 일정량의 증류수를 500 °C로 가열된 전기로로 주입하여 스팀을 공급 한다. 피드 가스는 최대 전압/전류 5k V/0.6 A인 AC-3상 고전압 전원 공급 장치(UAP-5k 0.6 A, UNICORN TECH, Republic of Korea)로부 터 전원을 공급받는 플라즈마 개질기로 들어간 후 펠렛타입(3.2 × 3.2 mm Tab)의 상용 Ni 촉매(HyProgen R-70, Clariant catalysts, India)로 충진된 촉매 개질기(운전온도: 800 °C)를 거쳐 응축기를 통해 수분을 제거하고 충진컬럼(PORAPAK N 80/100, Supelco/MOL SIEVE 13X 45/60, Supelco), 열전도도검출기(thermal conductivity detector, TCD), 불꽃이온화검출기(flame ionization detector, FID)가 설치된 가스크로 마토그래피(YL6500 GC, YOUNGIN Chromass, Republic of Korea)와 가스분석기(NOVA prime, MRU, Germany)를 이용하여 실시간 분석 한다.

    플라즈마 개질기는 플라즈마 방전 영역을 확장시키기 위해 단상이 아닌 3상 전극 구조를 갖는 글라이딩 아크 플라즈마 방식을 적용했고 플라즈마 방전 시 고온 열에 의한 변형을 방지하기 위하여 스테인리 스 스틸을 사용해 폭 25 mm, 높이 100 mm, 두께 2 mm인 칼날 형태 의 전극을 만들어 전극 간격을 3 mm로 하여 각각 120°로 배치하였다. Figure 2b에서 3개의 전극 하부에 방전이 시작되어 전극 끝으로 아크 가 확장되어 이동하는 형태의 방전 모습을 확인할 수 있다. 전극에서 개질기 내부로 스파크가 형성되는 것을 방지하기 위해 개질기와 플라 즈마 전극 사이에 세라믹 재질인 알루미나 절연판을 사용하였다. 플 라즈마 개질기의 부피는 0.29 L이며, 외벽은 플라즈마 방전 시 아크의 형상 및 특징을 관찰하기 위해 쿼츠 튜브(내경: 50 mm, 높이: 150 mm)를 사용했다.

    2.2. 실험조건 및 계산식

    플라즈마 개질 성능평가는 입력 전력, S/C ratio (스팀과 CH4의 부 피 비), 유량 변화를 운전 변수로 설정하여 개질 효율 평가 및 개질 특성 분석하였다. 여기서 S/C ratio는 3으로 가까워질수록 수증기 개 질 반응을 우세하게 하지만, 과량의 steam의 주입으로 인해 에너지 밀 도가 낮아져 에너지 효율을 낮춘다. 실험 조건은 Table 1에 정리했고 P (plasma input power), SED (specific energy density), H2 production 은 아래의 식으로 계산했다. 여기서 SED는 실제 플라즈마의 에너지 밀도로 가스 부피당 들어가는 플라즈마 에너지를 의미한다.

    P l a s m a   i n p u t   p o w e r ,   P ( k W ) = V × I
    (4)

    S p e c i f i c   e n e r g y   d e n s i t y ,   S E D ( k J / L ) = P / F t o t a l × 60
    (5)

    H 2   p r o d u c t i o n   ( m o l / k W h ) = F H 2 o u t l e t / 22.4 [ L / ( m o l ) ] 60 × P × 1000
    (6)

    여기서, V 는 방전전압(kV), I 는 방전전류(A), FH2,outlet 는 출구에서 의 H2 유량(L/min)이다.

    플라즈마 개질기에서 CH4의 반응경로는 아래와 같다.

    C H 4 + e → C H 3 + H + e
    (7)

    C H 3 + e → C H 2 + H + e
    (8)

    C H 2 + e → C H + H + e
    (9)

    C H + e → C + H + e
    (10)

    H 2 O + e → O H + H + e
    (11)

    C H 4 + O H → C H 3 + H 2 O
    (12)

    C H 3 + O H → C H 2 + H 2 O
    (13)

    C H 2 + O H → C H + H 2 O
    (14)

    C H + O H → C + H 2 O
    (15)

    C H + O H → C O + H 2
    (16)

    e에 의해 분해되는 과정을 전자에 의한 cracking 반응이라고 한다. 하지만. 반응식 10에서 e에 의한 분해과정은 전자 에너지가 14 eV 이 상에서 일어날 수 있어 본 시스템에서 일어날 확률이 적다[23]. 반응 식 10 이외에 카본 수트가 형성될 수 있는 다른 반응은 부다 반응 (Boudouard reaction)과 CH4 해리 반응(methane dissociation)이 있다.

    2 C O → C O 2 + C   Δ H = − 171   k J / m o l   ( B o u d o u a r d   r e a c t i o n )
    (17)

    C H 4 → 2 H 2 + C   Δ H = + 75   k J / m o l   ( m e t h a n e   d i s s o c i a t i o n )
    (18)

    C + H 2 O → C O + H 2
    (19)

    3. 결과 및 고찰

    3.1. 입력 전력 변화

    CH4의 전환율은 입력 전력의 증가에 따라 34.0%에서 35.9%로 약 간 증가했고 CO2의 전환율은 거의 일정했다(Figure 3a). 입력 전력 증 가에 따른 CH4의 전환율의 증가 때문에 H2와 CO의 수율이 증가했지 만, H2의 선택도가 100%보다 낮기 때문에 생성된 H2가 다른 물질과 반응하는 것을 알 수 있다(Figure 3b). CO2와 스팀만 주입하여 플라즈 마 방전한 결과, 이 시스템에서 반응식 20과 같이 CO2가 분해되지 않 는 것을 확인했다(Figure 4). 그러므로, CO2의 분해는 반응식 21과 22 와 같이 CH4 혹은 H2와 반응하여 분해되는 것으로 추측되고 H2 선택 도가 100%가 아니라는 점에서 반응식 22에 의해 분해될 가능성이 가 장 클 것으로 생각된다.

    C O 2 + e → C O + 1 / 2 O + e
    (20)

    C O 2 + C H 4 → 2 C O + 2 H 2
    (21)

    C O 2 + H 2 → C O + H 2 O
    (22)

    또한, CO의 선택도가 모든 입력 전력 조건에서 70% 미만인 것을 확인하였는데, 이는 C2 화합물의 생성과 반응식 10, 17, 18에서 생성 된 카본 수트가 활성화된 스팀과 반응하여 CO가 되는 반응식 19가 원활하게 일어나지 않아 CO의 선택도가 낮은 것으로 판단된다. 하지 만, 입력 전력이 증가할수록 스팀에 의한 카본 수트의 산화가 활발해 져 CO의 선택도가 60.7%에서 70.1%로 증가하는 것을 확인할 수 있 다. CH4의 분해과정 중에 생기는 CHx 라디칼로 인해 부산물인 탄화수 소가 생성이 되는데(Figure 5), 본 실험에서는 C2H2, C2H4, C2H6와 같 은 C2 계열의 탄화수소가 주로 생성됐다.

    C2 화합물 생성 경로

    • - 플라즈마 라디칼에 의한 경로

      ⋅   C H 3 + ⋅ C H 3 → C 2 H 6
      (23)

      ⋅   C H 2 + ⋅ C H 2 → C 2 H 4
      (24)

      ⋅   C H + ⋅ C H → C 2 H 2
      (25)

    • - 열분해에 의한 경로[24,25]

      C H 4 → C H 3 + H T = o v e r   3200   K
      (26)

      C H 3 + C H 3 → C 2 H 6 T = l o w   t e m p e r a t u r e
      (27)

      C 2 H 6 → C 2 H 4 + H 2 T = o v e r   1000   K
      (28)

      C 2 H 4 → C 2 H 4 + H 2 T = o v e r   1400   K
      (29)

      C 2 H 2 → C 2 ( c a r b o n ) + H 2 T = o v e r   1500   K
      (30)

    생성된 탄화수소는 C2H6, C2H4, C2H2 순으로 증가하지만 CH4 전환 율의 경향과 마찬가지로 입력 전력의 증가에 따라 크게 증가하진 않 았다. 이는 입력 전력 증가에 따른 플라즈마 에너지 밀도와 온도의 증 가보다 체류시간에 더 큰 영향을 받는 것으로 보인다[26]. H2/CO 값은 S/C ratio를 2로 고정하여 실험했기 때문에 입력 전력이 증가해도 큰 차이를 보이지 않았으며(Table 2), H2/CO 값이 3보다 작은 것으로 보 아 수증기 개질 반응도 일어나지만, CH4 cracking, DRM과 같이 H2 부 피 당량이 적은 반응이 복합적으로 일어난다. 또한, 플라즈마 영역에 서 CO2가 H2와 반응하여 CO로 분해되기 때문에 CO의 증가와 H2 소 모가 H2/CO 값의 감소에 큰 영향을 주었을 것으로 판단된다.

    3.2. S/C 비 변화

    전체 가스 조성 중 S/C 비가 증가할수록 CH4 전환율이 29.5%에서 34.3%로 증가하는 반면에 CO2 전환율은 거의 일정하여 DRM보다 스 팀의 양 증가에 따라 스팀 개질 반응이 우세해진 것으로 생각되고 (Figure 6a), 이에 따라 H2/CO 비가 2보다 커지는 것을 확인할 수 있다 (Table 3). 또한, 개질 반응에 사용되는 스팀의 양이 증가할수록 H2 수 율 및 CO 수율이 감소했는데, CO 수율의 감소는 과량의 스팀의 주입 으로 일부의 CO가 CO2로 산화되었기 때문으로 앞서 설명하였듯이 본 시스템에서 CO2의 단독 분해는 일어나기 어렵고 CH4 혹은 H2와 반응하여 CO2가 분해된 것으로 판단된다. Liu et al.의 연구에 따르면 O 계열 활성종/CH4 비율이 늘어나면 CH4의 부분산화에 영향을 주지 만 CO2 분해에 영향을 주지 않고, 이 때 CO2는 H2와 반응하여 CO와 H2O로 분해된다고 보고되었다[27]. 그러므로 스팀의 비율이 증가가 CO2의 분해에 큰 영향을 주지 않는 것으로 생각된다. 또한, 스팀 비율 의 증가로 인해 발생된 카본 수트가 스팀과 반응하여 CO와 H2가 생 성되므로 CO 선택도가 62.1%에서 82.0%로, H2 선택도가 80.0%에서 95.5%로 좋아지는 것을 확인했다(Figure 6b). 탄화수소의 생산량은 스 팀의 비율이 커질수록 점차 줄어드는 것으로 확인할 수 있는데, 이는 스팀 증가에 의해 산화작용이 우세해져 탄화수소가 더 산화되었기 때 문이다(Figure 7).

    3.3. 가스유량 변화

    일정한 플라즈마 전력에서 유량이 증가해 플라즈마의 에너지 밀도 가 낮아졌음에도 불구하고 가스 유량이 증가할수록 CH4 전환율이 31.2%에서 34.0%로, CO2 전환율이 7.5%에서 17.9%로 증가하는 것을 확인했다(Figure 8a). Shenoy et al.의 연구에 따르면 유량이 증가할수 록 가스가 아크를 밀어내 플라즈마 흄의 길이가 길어지게 되므로 반 응영역이 확장된다. 이 때문에 플라즈마 영역에서 반응가스의 체류시 간이 길어져 성능이 좋아진다고 보고됐다[28]. 본 연구에서도 가스유 량이 증가함에 따라 플라즈마 아크의 길이가 길어져 반응영역이 확장 되었고, 이에 따라 CO2와 H2의 반응이 활발해져 CO2 전환율이 향상 된 것으로 판단되며, CO2 전환율의 증가가 H2와의 반응으로 일어나기 때문에 H2 수율 및 CO 수율이 감소한 것을 알 수 있다. 이는 CO의 선택도와 관련이 있는데, 탄화수소 생성과 카본 수트 생성 때문에 CO 의 선택도도 유량이 증가할수록 100%에서 60.7%로 크게 감소했다 (Figure 8b). 가스 유량이 커질수록 탄화수소의 생성이 커지는 것을 확 인할 수 있고(Figure 9), 특히, C2H2의 생성이 우세해지는 것을 확인할 수 있다. 흥미롭게도 단위 유량당 C2H2의 생성은 증가하고 C2H4와 C2H6는 비슷했다(Figure 10). 플라즈마에서 생성된 라디칼에 의한 C2 화합물 생성 반응 이외에 열분헤에 의한 C2 화합물 생성 경로에서 C2H4 분해(T > 1000 K)와 C2H6 분해(T > 1400 K)는 충분한 열에너지 가 공급되어 원활히 분해되는 것으로 판단된다[24]. 하지만, 유량 증 가에 따라 단위 부피당 에너지밀도가 낮아져 고온 영역 형성이 불리 하기 때문에 1500 K에서 시작되는 C2H2 분해 반응은 1500 K에서 반 응 속도가 낮아 분해가 어려우며 충분한 열에너지가 공급되지 못해 쉽게 분해되지 못하고 증가하는 것으로 보인다[25]. 그렇기 때문에 유 량이 증가할수록 많은 양의 C2 화합물과 카본 수트가 생겨 CO의 선택 도가 낮아졌으며, H2/CO 값은 입력 전력 변화 실험과 마찬가지로 2보 다 약간 낮은 값을 나타내는 것을 Table 4에서 확인할 수 있다.

    3.4. 플라즈마 개질기 운전 조건 최적화

    Figure 11과 12은 각 운전 변수에 따른 SED별 단위 에너지당 H2 생산량과 CO 선택도를 보여주며, SED가 작을수록 플라즈마 에너지 밀도가 작으며 적은 양의 에너지가 필요하다는 의미로, 유량과 입력 전력에 따라 큰 영향을 받는다. 낮은 SED에서 단위에너지당 H2 생산 량이 증가했지만, 에너지밀도가 낮을수록 CO 선택도가 줄어들어 CXHY와 카본 수트와 같은 부산물이 많이 생성되기 때문에 후단의 촉 매 공정과 결합했을 때 촉매 내구성에 큰 영향을 줄 수 있다. 그렇기 때문에 부산물이 생기지 않고 에너지 밀도가 낮은 영역에서 플라즈마 개질기를 운전해야 촉매 개질기와의 하이브리드 시스템에서 촉매 내 구성 영향을 주지 않고 수소 생산 효율을 향상시킬 수 있을 것이다. 또한, S/C ratio가 증가할수록 CO 선택도가 증가하여 부산물의 생성을 줄일 수 있으므로 스팀화에 소모되는 에너지를 고려하여 적절한 값으 로 설정해야 한다. 그러므로, CO 선택도가 SED가 5.5 kJ/L에서 크게 떨어지므로 SED를 5.5~6.0 kJ/L로, S/C ratio를 3이 최적조건으로 판 단된다. 또한, 촉매층의 열공급을 위해 바이오가스 버너를 이용하는 데, 플라즈마 반응기 후단의 온도가 높게는 500 °C 이상까지 올릴 수 있어(Figure 13), 플라즈마에서 발생하는 열에너지를 이용한다면 촉매 층의 온도를 800 °C로 만들기 위해 사용되는 바이오가스 버너의 연료 량을 줄여 수소생산효율을 높일 수 있을 것으로 기대한다.

    4. 결 론

    바이오가스를 고질화 공정 없이 직접 개질할 수 있는 플라즈마 개 질 시스템 설계 및 성능 평가하였다. 글라이딩 아크 플라즈마의 효율 을 높이기 위해 플라즈마 방전영역을 확장할 수 있는 3상 글라이딩 아크 플라즈마 개질기를 설계했고 플라즈마 개질기의 운전 조건 최적 화를 위해 플라즈마 입력 전력, S/C ratio, 가스 유량에 따른 CH4 전환 율, CO2 전환율, 가스의 토출 온도, 단위 에너지당 H2 생산량 등에 대 해 플라즈마 개질 특성을 분석하였다. 그 결과는 아래와 같다.

    CH4과 CO2 전환율은 플라즈마 입력 전력과 S/C ratio보다 가스 유 량 변화에 더 큰 영향을 받았고, 유량이 증가하여 에너지 밀도가 낮아 졌음에도 불구하고 플라즈마의 아크가 길어지면서 반응영역이 확장 돼 플라즈마 영역과 유입 가스의 접촉 시간이 길어져 전환율이 향상 됐다.

    플라즈마의 에너지 밀도가 작을수록 CXHY 혹은 카본 수트와 같은 부산물이 발생하여 CO 선택도가 낮아졌으나 S/C ratio 혹은 플라즈마 에너지 밀도를 증가하여 부산물 생성을 억제할 수 있었다.

    이러한 부산물들의 생성은 촉매 내구성에 영향을 줄 수 있으므로 플라즈마 개질기의 최적 운전조건은 플라즈마 에너지 밀도를 5.5~6.0 kJ/L로, S/C ratio를 3으로 선정했다.

    플라즈마 개질기에서 발생하는 열이 반응가스를 500 °C 이상 올려 줄 수 있어 추후 촉매 공정과의 연계에서 연소반응의 미반응물인 CO2 의 열손실을 보상하여 촉매 버너의 바이오가스 사용량을 줄이고 개질 기에 더 많은 바이오가스를 공급할 수 있어 사용한 바이오가스 대비 H2 생산효율상승을 기대할 수 있다.

    감 사

    본 결과물은 농림축산식품부 및 과학기술정보통신부, 농촌진흥청의 재원으로 농림식품기술기획평가원과 재단법인 스마트팜연구개발사업 단의 스마트팜다부처패키지혁신기술개발사업의 지원을 받아 연구되 었음(421045-03)

    Figures

    ACE-34-4-404_F1.gif
    Hydrogen production system from biogas.
    ACE-34-4-404_F2.gif
    a) Schematic of overall plasma-catalyst hybrid biogas reforming system, b) image of 3-phase gliding arc discharge.
    ACE-34-4-404_F3.gif
    a: Conversion (CH4, CO2) and yield (H2, CO) as a function of input power, b: H2, CO selectivity as a function of input power.
    ACE-34-4-404_F4.gif
    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).
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    Production of C2H2, C2H4, and C2H6 by plasma reforming as a function of input power.
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    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.
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    Production of C2H2, C2H4, and C2H6 by plasma reforming as a function of S/C ratio.
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    a: Conversion (CH4, CO2) and yield (H2, CO) as a function of input power, b: H2, CO selectivity as a function of flow rate.
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    Production of C2H2, C2H4, and C2H6 by plasma reforming as a function of flow rate.
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    The production amount per unit volume of C2 products.
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    H2 production in plasma reformer at each condition as a function of SED.
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    CO selectivity in plasma reformer at each condition as a function of SED.
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    Gas temperature of plasma reformer each condition as a function of SED.

    Tables

    Experimental Conditions
    H2/CO Ratio as a Function of Input Power
    H2/CO Ratio as a Function of S/C Ratio
    H2/CO Ratio as a Function of Flow Rate

    References

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