전자파 플라즈마 토치에 의해 발생된 탄화수소 플라즈마 화염에 관한 연구

Abstract

열플라즈마는 전기 방전에 의해 발생시킨 전자, 이온, 중성입자(원자 및 분자)로 구성된 부분 이온화된 기체로, 국소열평형 상태를 유지하여 구성입자가 모두 수천에서 수만도에 이르는 같은 온도를 갖는 고속의 제트 불꽃 형태를 이루고 있다. 이렇게 고온, 고열용량, 고속, 다량의 활성입자를 갖는 열플라즈마의 특성을 이용하여, 재래식 기술에서는 얻을 수 없는 다양하고 효율적이며 환경 면에서 깨끗한 고온 열원이나 물리화학 반응로로 사용되어, 여러 산업분야에서 첨단기술에 활용되고 있다. 하지만 많은 양의 재료 공정, 환경보호와 개선, 그리고 고효율 에너지 창출과 이용 등의 분야에 플라즈마를 사용할 때에는 기존 기술에 비해 안전하고, 저비용, 고효율의 플라즈마 발생이 가능할 때에만 적용이 쉽게 이루어 질 것이다. 이러한 맥락에서 본 논문에서 제시된 마이크로웨이브 플라즈마 버너는 환경, 화생 독가스 제독 및 나노 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대되며, 기타 다양한 산업 분야에 적용될 수 있는 잠재성을 가지고 있다. 따라서 기존 플라즈마 토치와 관련된 문제점을 극복할 수 있는 새로운 플라즈마 버너의 개발 및 연구가 이루어지고 적용 가능한 산업분야에 대해 평가되어야 할 것이다. 이 논문에서는 탄화수소 계열의 연료를 이용하여 기존의 마이크로웨이브 플라즈마 토치에 비해 더 큰 부피와 처리량을 가질 수 있으며 상용화된 버너에 비해 높은 열과 효율을 가지는 플라즈마 버너에 대한 연구가 실행되었다. 탄화수소 연료로는 등유, 경유, 메탄을 사용하였으며, 각각의 실험에 대해 온도를 측정하였다. 0.025 lpm의 등유와 10 lpm 의 산소를 같이 주입하였을 때 중심부 온도는 약 1700 K로 나타났고, 경유는 같은 연료량에 30 lpm 의 산소를 주입하면 2280 K 로 측정되었다. 메탄의 경우 GC 와 FT-IR을 이용하여 연소 효율과 NO₂ 의 저감을 측정하였다. 60 lpm 의 와류공기와 4 lpm 의 메탄을 주입하였을 때 99.9%의 연소효율을 보였고, 마이크로웨이브 플라즈마 토치에서 발생되는 NO₂ 가 사라짐을 FT-IR 로 확인할 수 있었다. 또한 마이크로웨이브 플라즈마가 연소에 어떤 영향을 미치는지 OH 분광을 이용하여 단순 메탄 연소와 비교하였다. 또한 메탄의 주입량에 따른 NO, NO₂의 저감을 그래프로 나타내었다. NO₂의 경우 완전 연소조건에 가까워 질수록 수 ppm으로 줄어듦을 알 수 있었다. 마지막으로 생물학 무기에 쓰이는 에어로졸 제거를 위해 메탄 플라즈마를 이용하여 디젤 엔진에서 나오는 매연을 제거하는 실험을 진행하였다. 실험실에서는 실제 생물무기를 사용할 수 없으므로 디젤 엔진에서 나오는 에어로졸 형태의 매연을 처리함으로써 유사 실험을 진행하였다. 메탄을 연료로 사용한 마이크로웨이브 플라즈마 버너로 10,000cc 의 배기량을 가지는 버스의 매연을 처리하였고 이때 매연 제거 량은 약 80% 가량의 분해 효율을 보였으며, 이때의 단위 유량당 소비 에너지는 138.02 (J/L) 이였다. 거의 완전한 제거를 위해서는 30 lpm 의 메탄을 주입하여 처리 에너지 E 가 340 J/L 이 될 때 완전 제거가 가능하였다. 본 실험 연구에서 살펴본 바와 같이 플라즈마에서 나오는 많은 화학적 라디칼을 이용하여 CF4, SF6 등 오염 물질 제거 뿐만 아니라 생화학무기에 대한 처리도 가능하며, 다른 산업적 응용에도 쉽게 사용이 가능할 것이다.