열플라즈마 공정에서 고밀도 폴리에틸렌의 가스화 특성

플라즈마 가스화 시스템을 이용한 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)으로부터 합성가스(CO+H2)를 생성하는 실 험을 진행하였다. 원료물질인 고밀도 폴리에틸렌은 98%의 휘발성 물질과 85%의 탄소를 함유하고 있으 며, 저위발열량(LHV)은 45 MJ/kg이다. 플라즈마 가스화 공정은 열분해 반응기와 플라즈마 반응기로 각각 구성하였다. 가스화 반응기에선 주로 열분해반응, 수소첨가 가스화반응, 산화 반응이 주로 발생하며, 플 라즈마 반응기에서는 고온의 플라즈마를 이용한 메탄 개질 및 산화반응이 진행된다. 원료물질인 폴리에 틸렌의 주입 유속은 1.32 kg/h로 일정하게 유지하였고, 산소 주입량은 5 ~ 35 L/min으로 변화시켰으며, 스 팀의 주입량은 15 g/min으로 고정하였다. 가스화 반응기 하부에서 주입되는 산소량에 따라 가스화 반응 기 내부온도는 820 ~ 950 K, 플라즈마 반응기 내부온도는 900 ~ 920 K으로 유지되었다. 플라즈마 입력전력 을 3 kW로 고정하였으며, 발생 가스로 질소를 사용하였다. 실험변수는 산소 주입량을 원료 주입량으로 나눈 O2 / Fuel 비를 사용하였으며, 실험조건은 산소와 스팀을 동시 주입하는 방식과 산소만을 주입하는 2가지 방식을 적용하였다. 가스화 반응기의 출구와 플라즈마 반응기의 출구에서 각각 측정한 기체조성 을 분석한 결과, 가스화 반응기에서 생성된 메탄과 탄화수소 기체가 열 플라즈마 영역 내에서 개질되어 합성가스 수율 및 Cold gas efficiency가 향상되었다. O2 / Fuel 비가 1.30인 반응조건에서 산소만을 반응 기체로 사용한 경우 생성된 가스 성분은 일산화탄소 (41%), 이산화탄소 (28%), 메탄 (13%), 수소 (18%)로 측정되었으며, 수율은 50 mol/h 이었으나, 산소와 스팀을 동시 사용한 경우 가스성분은 일산화탄소 (36%), 이산화탄소 (16%), 메탄 (22%), 수소 (26%)이며, 합성가스 수율은 86 mol/h로 산소만 사용한 조건에 비해 수율이 72% 향상되었다. Cold gas efficiency를 분석한 결과, 산소만을 사용한 조건에서는 59%인 반면, 산소와 스팀을 동시 사용한 조건에서는 79%로 측정됨에 따라 효율이 20% 향상되었다. 결과적으로 열 플라즈마를 이용함으로써 메탄 및 탄화수소 개질반응을 통해 합성가스 생산을 증가시킬 수 있으며 가스 화 시스템의 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.