메탄 변환을 위한 아크 플라즈마 반응기에서 방전기체에 대한 전산해석

Numerical analysis on discharge gases in an arc plasma reactor for methane conversion

메탄은 온실가스이면서 새로운 에너지원으로 각광받는 셰일가스의 주성분이다. 이러한 메탄은 적절한 방법을 통해 아세틸렌, 수소 등 산업에 유용한 기체로의 변환이 가능하다. 셰일가스의 매장 특성인 소량의 다양한 지역분포를 고려한 컴팩트한 메탄 변환용 아크 플라즈마 반응 시스템의 개발을 위해 아크 플라즈마 반응기에 대해 전산해석을 수행하였다. 전산해석에 사용된 운전변수로 45 L/min의 고정된 유량에서 방전기체의 종류를 He, N2, Ar으로 변화하였고, 입력전력을 1.2 ~ 7.5 kW로 변경해가며 전체 9종의 운전조건에 대해 전산해석을 수행하였다. 전산해석을 통해 방전기체 종류 따른 반응로 내부 온도 및 속도장을 계산하였다. He의 경우 아크 발생영역인 토치 영역에서 온도는 가장 높았으나 빠른 열전달로 인해 반응기 영역에서의 온도구배가 컸다. 반면 N2, Ar의 경우 낮은 온도구배로 인해 토치 영역에서는 He에 비해 초고온 영역이 비교적 적었으나 반응기 영역에서는 He보다 높은 온도분포를 보임을 확인하였다. He의 경우 비교적 높은 엔탈피로 인해 입력전력이 6.4 ~ 7.5 kW인 반면, N2, Ar의 경우 1.2 ~ 4.5 kW로 He을 방전기체로 사용했을 때의 출력이 N2, Ar에 비해 비교적 높음을 확인할 수 있다. 이러한 열유동에 대한 전산해석으로 부터 효율적인 아크 플라즈마 반응로의 개발을 위한 기반을 마련하였다.