메탄의 열플라즈마 분해를 통한 수소생산

Abstract

본 논문에서는 현재 수소에너지 생산 기술 동향에 대한 조사와 그 중 온실가스 중 하나인 이산화탄소의 양을 줄일 수 있으며, 가장 경제적인 수소 생산 방식인 열플라즈마를 이용한 메탄 열분해의 기초적인 수소 생산 실험을 진행하여 보았다. 과거부터 친환경적 에너지원을 이용하여 수소를 생산하는 방법에 관해 많은 연구가 이루어져 왔다. 현재 대표적인 수소 생산 기술로는 물을 전기 분해하여 수소를 생산하는 수전해, 석유화학·철강 공정의 부산물로 부생수소를 얻는 생산 방식, 탄소와 수소로 구성된 천연가스에서 수소를 추출하는 천연가스 개질 등으로 분류할 수 있다. 이 중 열플라즈마를 기반으로 한 메탄 열분해는 환경친화적 뿐만 아니라, 이산화탄소 배출을 하지 않는다. 또한 열분해 후 발생하는 카본블랙 등의 부산물들은 활용도가 매우 좋다는 장점을 가지고 있다. 또한 플라즈마를 통한 열분해는 전력을 소비하여 수소 생산을 함으로, 이를 통한 열분해가 가능해진다면 현재 제주의 경우 잉여전력 문제도 해결할 수 있을 것으로 보인다. 따라서 본 실험에서는 열플라즈마를 이용하여 메탄을 열분해하는 기초실험을 진행하였으며, 플라즈마 방전 기체(Ar)의 유량을 변화시키고 각 플라즈마의 방전 기체 조건에서 메탄 처리 유량을 변화시키는 경우 메탄의 분해율, 생성된 H2, C2H2의 선택도를 비교 및 분석하였다. 메탄의 분해율은 최대 40%, H2의 선택도는 최대 75%, C2H2의 선택도는 최대 35%의 결과를 얻었다. 방전 기체의 변화에 따른 내부온도의 변화는 미미한 것으로 확인되었으며, 방전 기체 유량이 증가하면 메탄의 체류시간이 줄어 반응시간 또한 감소하여 분해율 또한 감소하는 것으로 확인되었다. 하지만 메탄 유량이 증가할 시에는 냉각 속도가 증가함에도 불구하고 H2, C2H2의 선택도가 감소하였다. 이는 메탄의 증가로 활성종의 양이 증가하는데, 활성종의 결합으로 PAHs로의 변환 속도가 증가하여 H2 혹은 C2H2가 부산물로 나오지 않게 되는 것이라 해석되었다.