가스화 공정을 위한 소형 질소 열플라즈마의 전산해석

가스화 반응은 저급석탄, 바이오매스, 유기 폐기물 등으로부터 에너지 생산에 사용되 는 수소와 일산화탄소를 합성하는 환경기술이다. 유럽이나 일본과 같은 환경 선진국에 서 상용화된 가스화 공정은 널리 알려진 유동층 반응로에 기반한 시스템을 이용한 경 우가 대부분이다. 그러나 가스화 반응에서 이산화탄소나 탄화수소와 같이 원하지 않는 부산물의 생성을 억제하면서 냉기체 효율(Cold Gas Efficiency)를 향상시키기 위해서 는 초고온의 환경에서 원료물질과 수증기나 산소와 같은 반응성 물질간의 화학반응 및 탄화수소의 열분해에 의한 수소생산이 필수적이다. 따라서 가스화 반응 공정에서 초고 온의 열플라즈마를 이용하는 방법이 최근 연구되고 있다. 그러나 열플라즈마만을 열원 으로 이용할 경우, 전기에너지의 사용 및 플라즈마 토치의 운전에 필수적으로 사용되 는 냉각수에 의한 열손실로 인해 경제적인 가스화 공정을 실현하기 어렵게 된다. 따라 서 본 연구에서는 열플라즈마에 의한 에너지 손실을 줄이면서 가스화 반응을 향상시킬 수 있는 1차 열분해 반응기와 2차 플라즈마 반응기가 결합된 가스화 공정 시스템에 대 해 연구하였다. 적은 출력의 열플라즈마로도 초고온의 환경을 제공하여 가스화 반응 및 탄화수소의 분해가 가능한지 살펴보기 위하여 3 kW 급의 소형 질소 플라즈마 토치 에서 발생된 열플라즈마에 대해 자기유체역학 (MHD, Magnetohydrodynamics) 코드를 적 용하여 전산해석 하였다. 저전류-고전압으로 운전되는 전계방출형 질소 열플라마 토치 내부의 온도장 및 속도장을 전산모사 하여, 플라즈마 반응기에서 추가적인 가스화 반응에 기여할 수 있는지를 살펴보았다. 또한, 1차 열분해 반응기에서 넘어오는 기체 유 량에 대한 실험적 측정치의 평균값인 60 L/min에 대하여, 설계변수인 플라즈마 반응기 의 형상에 따라 반응기 내부 열유동의 온도 분포 및 반응기 내벽의 온도를 전산모사 함으로서 효과적인 가스화 반응을 일으키면서 시스템의 내구성을 확보 할 수 있는 조건에 대해 알아보았다.