열플라즈마를 이용한 메탄 열분해 공정의 광학진단

Abstract

열플라즈마는 이산화탄소를 배출하지 않는 청록 수소를 생산하는 메탄 열분해 공정에서 주목받고 있다. 공정을 효과적으로 운영하기 위해서는 열플라즈마의 상태를 정확히 진단할 필요가 있다. 플라즈마를 진단하는 방법에는 전기적 진단 방법과 광학적 진단 방법이 있다. 전기적 진단 방법의 경우 플라즈마 내부로 탐침을 삽입하기 때문에 공정에 직접적인 영향을 끼치며, 고온의 열플라즈마 제트 중심부의 온도를 진단하기에는 적합하지 않다. 그러나 광학적 진단 방법의 경우 플라즈마가 방출하는 빛을 분석하여 진단하기 때문에 공정에 직접적인 영향을 끼치지 않는다. 뿐만 아니라 플라즈마 제트 중심부의 고온의 영역도 진단이 가능하며, 플라즈마 제트 내부의 활성종에 대한 진단이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 광학적 진단 방법을 채택하여 열플라즈마의 온도와 화학종을 분석하였다. 특히 N2+ 회전에너지 준위의 파장대를 이용한 Boltzmann plot법을 도입하여 열플라즈마 제트의 온도를 진단하였다. 개발한 광학진단 방법론의 타당성을 검증하기위해 자체 개발한 자기유체역학 코드(DCTPUN)를 활용한 전산해석을 진행하였다. 단일 열플라즈마 토치의 전산해석 결과와 진단결과의 비교에서 약 10% 내외의 오차율로 타당성을 보였다. 본 연구에서 개발된 광학 진단 방법론을 삼중 열플라즈마 반응기에 적용하여, 방전기체 유량별 및 플라즈마 제트 위치별로 질소 플라즈마 제트의 내부 화학종 분포와 온도 변화를 성공적으로 확인하였다. 또한, 메탄 주입 유량별 및 플라즈마 제트 위치별로 메탄 열분해 공정 중의 플라즈마 제트 내부 화학종 분포와 온도 변화를 확인하였다.