청록수소와 고부가 고체탄소 동시 생산을 위한 삼중 열플라즈마 열분해 시스템 개발

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 탄소중립 실현을 위한 차세대 기술로 주목받는 플라즈마 기반 메탄 열분해 공정을 통해, 바이오가스를 청정수소와 고부가가치 탄소 소재로 전환하는 기술 개발 및 사업화 전략을 제시한다. 메탄 열분해는 이산화탄소를 직접 배출하지 않으면서 에너지지원 수소와 소재 활용 가치가 높은 고체 탄소를 동시에 생산할 수 있어, 최근 국내 바이오가스 생산량 증대 및 미활용 폐자원의 고도화 측면에서 그 중요성이 부각되고 있다.
그러나 기술적 측면에서 메탄은 높은 활성화 에너지와 가역적 반응 특성을 지니며, 특히 반응 과정에서 발생하는 고체 탄소 입자의 벽면 부착 및 코킹(Coking) 현상은 연속 운전의 안정성을 저해하는 주요 장벽으로 작용해 왔다. 본 연구에서는 이를 해결하기 위해 다중 DC 열플라즈마 토치를 적용한 삼중 열플라즈마 시스템을 제안하였으며, 플라즈마의 고온 반응 영역을 극대화할 수 있는 반응기 구조와 대향 주입 기반의 원료 공급 방식을 도입하였다. 실험 결과, 제안된 삼중 시스템은 고유량 조건에서도 단일 시스템(74%) 대비 월등히 향상된 최대 92% 수준의 메탄 전환율을 기록하였으며, 반응기 설계 최적화를 통해 고체 탄소의 퇴적 문제를 효과적으로 제어하였다.
나아가 본 기술은 단순한 수소 생산 공정을 넘어, 부산물인 고체 탄소를 전도성 카본블랙, 이차전지용 탄소 소재, EMI 차폐 복합재 등 고부가가치 응용 시장에 공급하는 비즈니스 모델을 지향한다. 결과적으로 본 연구는 수소의 경제성 확보가 탄소 소재의 수익성에 직결됨을 확인하였으며, 수소와 탄소를 동시에 자원화하는 이중 수익 모델(Dual-revenue Model)을 통해 플라즈마 메탄 열분해 기술의 상용화 가능성을 입증하였다.