KR101166444B1 - 전자파로 발생한 이산화탄소 토치 및 그 응용 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자파로 발생한 이산화탄소 토치 및 그 응용에 관한 것으로, 그 목적은 이산화탄소가스를 전자파로 가열하여 순수한 이산화탄소 플라즈마 토치를 발생하고 발생된 이산화탄소 플라즈마에 기체, 액체 또는 고체 상태의 탄화수소 화합물을 공급하여 합성가스 원료를 생산하고, 소형화가 가능하여 이동성이 향상된 합성가스 발생장치를 제공하는 것이며, 또한 순수한 이산화탄소 플라즈마 토치를 발생함으로서 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 생산적으로 이용하기 위한 것으로 본 발명은 전자파를 발진하는 마그네트론; 상기 마그네트론으로 전력을 공급하는 전원공급부; 상기 마그네트론에서 발진된 전자파가 입력되는 도파관; 상기 도파관을 통해 입력되는 전자파 및 이산화탄소 와류가스에 의해 플라즈마를 생성하는 방전관; 상기 방전관으로 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소공급부; 상기 방전관 내에 유입된 전자파와 기체에 의한 플라즈마의 발생을 위한 초기 전자를 공급하는 점화부; 및 상기 방전관 내에 형성된 플라즈마에 연료를 공급함과 더불어 이산화탄소 플라즈마 토치에 의하여 개질된 개질가스 배출구를 제공하는 연료공급부 등을 포함하는 전자파로 발생한 이산화탄소 토치 및 그 응용에 관한 것을 그 기술적 요지로 한다.
이산화탄소토치, 전자파, 플라즈마, 연료개질, 합성가스

Description

전자파로 발생한 이산화탄소 토치 및 그 응용{A carbon dioxide torch powered by microwaves and its applications}
본 발명은 전자파로 발생한 이산화탄소 토치 및 그 응용에 관한 것으로, 특히 이산화탄소를 이용하여 발생된 대기압 전자파 플라즈마 토치에 기체, 액체 또는 고체 상태 탄화수소 계열의 연료를 주입하여 연료를 개질하고 합성가스를 생산하며 또한 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 생산적으로 이용할 수 있는 고온 이산화탄소 플라즈마 토치에 관한 것이다.
일반적으로, 플라즈마 토치는 두 전극 사이에서 플라즈마 아크 칼럼(Plasma Arc Column)을 생성, 유지하는 장치로서, 그 종류로는 직류아크토치와 유도결합플라즈마토치, 축전결합고주파토치 등이 있다. 상기 직류아크토치는 두 전극 사이에 직접 전기장을 걸어주는 방식으로 제한된 전극 수명으로 인해 전극을 자주 교체해야 하는 번거로움이 있고, 50～10,000암페어의 아크전류를 공급해야 하므로 고가의 전류공급장치가 필요함과 더불어 과다 전력의 사용이 요구된다. 한편, 상기 유도결합플라즈마토치와 축전결합고주파토치는 그 열효율이 40～50％로 매우 떨어지는 문제가 있다. 결국, 이러한 기존의 플라즈마토치는 플라즈마의 볼륨(Volume)이 작을 뿐만 아니라, 플라즈마의 생성비용이 매우 높고, 많은 부대설비가 요구되는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 고려하여 본 발명의 발명자는 대한민국 등록특허 제0394994호에서 전자파를 이용한 플라즈마토치를 제시한 바 있으며, 대한민국 등록특허 제0375423호에서 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 매연 제거 플라즈마장치를 제시한 바 있다. 또한 상기 두 특허의 플라즈마 볼륨이 작은 것을 개선하는 대한민국 등록특허 제10-0638109호에서 플라즈마 토치에 연료를 주입하여 플라즈마크기를 개선하는 플라즈마 화염장치를 제시한 바 있다. 최근에는 대한민국 등록특허 제10-0864695호에서 볼 수 있듯이 상온에서 쉽게 응축되는 수증기를 이용하여 순수 수증기 플라즈마 토치를 발생하는 쾌거를 이루었다. 엔탈피가 대단히 적은 기체중의 하나인 이산화탄소를 이용하여 토치를 발생한다면 이산화탄소가 분해하면서 발생될 수 있는 산소에 의한 부작용으로 토치가 안정적으로 발생함에 어려움이 예상되나 본 발명은 이러한 난관을 극복하면서 안정적인 토치를 발생함에 그 목적이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 이산화탄소가스를 방전관에 제공하여 전자파로 순수 이산화탄소 플라즈마 토치를 발생하고 이 토치를 통하여 지구 온난화의 주범인 이산화탄소를 생산적으로 이용하며 합성가스를 생산함으로서 효율적인 에너지 활용에 기여하고자 한다.
특히 이산화탄소가 분해되어 발생하는 일산화탄소는 다른 여러 가지 고분자 화합물을 합성하는 것에 원료로 이용될 수 있어 다량의 일산화탄소를 생산한다.
본 발명의 다른 목적은 소형화가 가능하여 이동성이 향상된 연료개질에 의한 합성가스 생산 장치를 제공함에 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 이산화탄소 분자를 고온에서 열에너지에 의하여 분해하여 화학적으로 활성화된 일산화탄소, 산소원자 그리고 탄소원자 등의 활성입자를 생성하여 생산적인 산업적 원료를 재생산하는 것으로 이산화탄소를 열에 의하여 안정적으로 분해할 수 있는 방법으로서 이산화탄소 토치를 발명하게 되었으며, 특히 전자파 플라즈마 토치는 전극을 사용하지 않기 때문에 이산화탄소가 분해하면서 발생하는 산소원자에 의한 전극 산화의 문제점이 없다. 이러한 맥락에서 전자파로 발생하는 이산화탄소 토치는 장시간 안정적으로 운전할 수 있는 발명품이다.
본 발명은 상술한 바와 같이 전자파로 발생한 이산화탄소 토치 및 그 응용에 관한 것으로, 이산화탄소가스를 전자파로 가열하여 순수한 이산화탄소 플라즈마 토치를 발생하고 발생된 이산화탄소 플라즈마에 기체, 액체 또는 고체상태의 탄화수소 연료를 공급하여 합성가스를 생산하며, 소형화가 가능하여 이동성이 향상된 합성가스 발생장치를 제공할 수 있게 되었다.
또한 본 발명은 순수한 이산화탄소 플라즈마 토치를 고온의 개질원료로 변환함으로서 지구온난화의 주범인 이산화탄소를 생산적인 원료로 재사용할 수 있는 방법을 제시하고 있다.
또한, 본 발명에서 발생된 순수 이산화탄소 토치에서 이산화탄소가 분해되어 발생되는 일산화탄소는 고분자를 제조하는 원료로 사용할 수 있어 고분자 합성에 새로운 전환점을 제시할 수 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 전자파로 발생한 이산화탄소 토치 및 그 응용에 관한 구성을 나타낸 블록도,
도 2 은 본 발명의 전자파로 발생한 이산화탄소 토치가 지름 3cm 길이 30cm 인 석영관속이 들어있는 사진.
도 3 은 분해 전 이산화탄소 (n O)에 대한 분해 후 이산화탄소 (n co2)의 상대적인 밀도 (n co2 /n O )를 가스의 절대온도 T의 함수로 표시한 것으로 식 2, 3, 4에서 도출.
도 4 는 탄소원자 (n c)에 대한 산소원자 (n o) 밀도의 비 즉 γ=n o/n c를 가스온도 T의 함수로 표시한 것으로 식3에서 도출, 분해 전 (n O)과 분해 후 (n co2) 이산화탄소의 중성입자 (n N )에 대한 상대적 밀도 (n O /n N , n co2 /n N ) 도 표시됨.
도 5 는 산소 (n o /n N )와 탄소 (n c /n N ) 원자의 상대적인 밀도를 온도의 함수 T로 표시한 것으로 식 2, 3, 4에서 도출. 비교 목적으로 일산화탄소의 상대적인 밀도 (n co /n N )도 온도의 함수 T로 표시.
도 6 는 산소 (n o2 /n N )와 탄소 (n c2 /n N ) 분자의 상대적인 밀도를 식 2, 3, 4에서 도출하여 가스온도 T의 함수로 표시.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 전자파를 발진하는 마그네트론;
상기 마그네트론으로 전력을 공급하는 전원공급부;
상기 마그네트론에서 발진된 전파를 출력함과 더불어 마그네트론으로 반사되는 반사파를 흡수하는 순환기;
상기 순환기를 통해 전송된 전자파를 출력함과 더불어 입사파와 반사파의 세기를 모니터링하는 방향성 결합기;
상기 방향성 결합기로부터 입력되는 전자파에 대해 입사파와 반사파의 세기를 조절하여 임피던스를 정합시키는 스터브 튜너;
상기 스터브 튜너로부터 전송되는 전자파가 입력되는 도파관:
상기 도파관을 통해 입력되는 전자파 및 외부로부터 주입되는 이산화탄소 와류가스에 의해 플라즈마를 생성하는 방전관;
상기 방전관으로 이산화탄소 와류가스를 공급하는 이산화탄소공급부; 및
상기 방전관 내에 유입된 전자파와 이산화탄소에 의한 플라즈마의 발생을 위한 초기 전자를 공급하는 점화부; 를 포함하는 전자파로 발생한 이산화탄소 토치 발생장치를 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 전자파를 발진하는 마그네트론;
상기 마그네트론으로 전력을 공급하는 전원공급부;
상기 마그네트론이 장착된 마이크로웨이브 헤드;
상기 마이크로웨이브 헤드가 장착되며, 마그네트론으로부터 발생된 전자파를 전송하는 도파관;
상기 도파관을 통해 입력되는 전자파 및 외부로부터 주입되는 이산화탄소 와류가스에 의해 플라즈마를 생성하는 방전관;
상기 방전관으로 이산화탄소 와류가스를 공급하는 이산화탄소공급부;
상기 방전관 내에 유입된 전자파와 기체에 의한 플라즈마의 발생을 위한 초기 전자를 공급하는 점화부; 및
상기 방전관 내에 형성된 이산화탄소 플라즈마에 연료를 공급하여 개질된 가스가 배출되는 개질가스 배출구를 제공하는 연료공급부; 를 포함하는 전자파로 발생한 이산화탄소 토치에 의한 합성가스 발생장치를 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전자파로 발생한 이산화탄소 토치 발생장치와 연료개질에 관한 구성을 개념적으로 나타낸 블록도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전자파로 발생한 이산화탄소 토치 발생장치는 마그네트론(10)과, 전원공급부(20)와, 순환기(30)와, 방향성 결합기(40)와, 스터브 튜너(50)와, 도파관(60)과, 방전관(70)과, 이산화탄소공급부(80)와, 점화부(90)와, 연료공급부(100)로 구성된다. 상기 마그네트론(10)은 10 ㎒ ～ 10 ㎓ 대역의 전자파를 발진하는 마그네트론이 사용되며, 바람직하게는 2.45㎓ 전자파를 발진하도록 구성된다. 상기 전원공급부(20)는 전파전압배율기와 펄스 및 직류(DC)장치로 구성되어 마그네트론(10)으로 전력을 공급하도록 구성된다. 상기 순환기(30)는 마그네트론(10)에서 발진된 전자파를 출력함과 더불어 임피던스 부정합으로 반사되는 전자파 에너지를 소멸시켜 마그네트론(10)을 보호하도록 구성된다. 상기 방향성 결합기(40)는 순환기(30)를 통해 전송된 전자파를 출력함과 더불어 입사파와 반사파의 세기를 모니터링하는 기능을 제공하게 된다. 상기 언급된 모니터링이란 입사파와 반사파의 세기를 측정하는 기능을 의미한다. 상기 스터브 튜너(50)는 방향성 결합기(40)로부터 입력되는 전파자에 대해 입사파와 반사파의 세기를 조절하여 임피던스 정합을 유도함으로써 전자파로 유도된 전기장이 방전관(70) 내에서 가장 강한 현상을 나타내도록 구성된다. 이때 상기 스터브 튜너(50)는 반사파의 세기가 입사파의 1％ 이내가 되도록 조절하게 되며, 플라즈마 생성이 초기화되면, 스터브 튜너(50) 없이도 반사파의 강도는 입사파의 10％ 보다 작게 된다. 상기 도파관(60)은 스터브 튜너(50)로부터 입력되는 전자파를 방전관(70)으로 전송하도록 구성된다. 상기 방전관(70)은 도파관(60)의 종단에 설치되어 도파관(60)을 통해 입력되는 전자파에 의해 플라즈마가 생성되는 공간을 제공하도록 구성된다. 상기 이산화탄소공급부(80)는 생성된 플라즈마의 안정화와 방전관(70)의 내벽 보호를 위한 이산화탄소 와류가스를 공급하도록 구성되며 이산화탄소 토치에 필요한 이산화탄소를 외부에서 공급한다. 상기 점화부(90)는 플라즈마의 생성을 위한 초기 전자를 공급하도록 구성된다. 상기 연료공급부(100)는 기체, 액체, 또는 고체상태의 탄화수소 연료를 생성된 플라즈마에 공급함으로써 탄화수소 연료가 고온 이산화탄소 플라즈마에 의하여 개질되고 합성가스가 생성되도록 구성된다.
도파관(60)은 스터브 튜너(50)측으로부터 방전관(70)측으로 갈수록 그의 단면적이 감소하는 테이퍼 형상으로 형성되어 스터브 튜너(50)로부터 입력된 전자파가 방전관(70)측으로 갈수록 에너지 밀도가 증가하도록 구성된다. 상기 방전관(70)은 도파관(60)의 종단으로부터 관내 파장의 1/8～1/2 사이에서 도파관(60)을 수직하게 관통하도록 설치된다. 바람직하게 상기 방전관(70)은 도파관(60)의 종단으로부터 관내 파장의 1/4 떨어진 위치에 설치되며, 전자파의 용이한 투과를 위해 석영이나 알루미나 또는 세라믹으로 구성된다.
상기 이산화탄소공급부(80)는 플라즈마의 안정화와 플라즈마로부터 방전관(70)의 내면을 보호하기 위한 이산화탄소 와류가스를 공급하며 이산화탄소 플라즈마 토치에 필요한 이산화탄소를 공급하는 것으로, 이산화탄소 주입구는 적어도 하나 이상으로 가지를 처 원주방향을 따라 나선형으로 상향 경사지게 설치되어 있다. 이러한 주입구를 통해 공급되는 이산화탄소 와류가스는 방전관(70) 내에서 와류를 발생시켜 플라즈마를 안정화시키고, 플라즈마에 의한 방전관(70) 내면의 손상을 방지하게 되며, 연료공급부(100)에 의해 공급되는 연료를 개질을 하게 된다.
상기 점화부(90)는 초기에 플라즈마의 생성을 위한 전자를 방전관(70) 내에 공급하는 것으로, 한쌍의 텅스텐 전극이 방전관(70)의 내부에 위치하도록 설치되며, 전극 간의 아크 발생을 방지하도록 상기 전극은 유전체관으로 쌓여져 있다. 한편, 상기 한쌍의 텅스텐 전극의 끝단은 0.1-50mm의 방전 간격을 유지하도록 구성된다.
상기 연료공급부(100)는 생성된 플라즈마에 탄화수소 연료를 공급하여 이산화탄소 플라즈마 화염 속에서 연료가 개질 되도록 하며, 경우에 따라서는 연료가 이산화탄소와 함께 이산화탄소 주입부를 통하여 방전관 (70)에 유입될 수도 있다. 개질된 가스는 개질가스 배출구 (103)을 통하여 배출된다. 도1에 표시된 것처럼, 연료공급부 (100)가 따로 있을 경우에는 연료공급부 (100)는 연료공급 노즐과 개질가스 배출구 (103)으로 구성된다. 방전관 (70)에 부착된 연료공급 노즐은 방전관(70)내에 탄화수소 연료를 분사하는 것으로, 적어도 하나 이상의 노즐이 방전관(70)의 원주방향에 대하여 등각도 간격을 갖도록 설치된다. 상기 노즐에서 분사된 탄화수소 연료는 이산화탄소 플라즈마 화염에 의하여 연료개질이 된다. 이러한 노즐에 의해 분사되는 탄화수소 연료로는 고체상태의 미분탄, 탄소가루, 액체 상태의 DME, 가솔린, 경유, 등유, 벙커 C유, 정제된 폐유 및 기체 상태의 메탄, 에탄, 프로판, 에틸렌, 부탄 등이 사용될 수 있다. 방전관 (70)을 보호하고 전자파를 차단하기 위하여 방전관을 금속이나 금속으로 코팅된 물질로 된 원통조형물이 방전관(70)을 감싸 안을 수 있다.
상기와 같이 구성된 전자파로 발생한 이산화탄소 토치 및 연료개질 장치의 작동과정에 대해 설명하면 다음과 같다.
전원공급부(20)로부터 마그네트론(10)으로 전원이 공급되면, 마그네트론(10)은 전자파를 발진하게 되고, 이처럼 발진된 전자파는 순환기(30)와 방향성 결합기(40)와 스터브 튜너(50) 및 도파관(60)을 통해 방전관(70)으로 전달된다. 한편, 상기 이산화탄소공급부(80)는 미도시된 외부 이산화탄소공급원으로부터 공급되는 이산화탄소를 와류가스형태로 방전관(70)의 내부 공간으로 주입하게 된다.
상기와 같이 방전관(70)의 내부로 전자파가 유입되고, 이산화탄소 와류가스가 공급되면, 점화부(90)의 전극에 전압이 인가되어 플라즈마 생성에 필요한 전자를 공급해줌으로써 플라즈마를 생성하게 된다. 한편, 공급된 이산화탄소 와류가스는 생성된 플라즈마를 안정화시키고 방전관(70) 내에 와류를 형성하여 고온의 플라즈마 화염으로부터 방전관(70)의 내벽을 보호하게 된다. 결국, 공급된 이산화탄소 와류가스는 방전관(70)을 열적으로 보호하고 플라즈마를 안정화하는 기능을 제공하게 되며 순수 이산화탄소 토치를 형성한다. 예를 들어, 진동수가 2.45 ㎓인 전자파 3 kW를 사용하여 이산화탄소 플라즈마 토치를 생성할 경우, 플라즈마 화염의 중심온도 섭씨 5000 ～ 6000 도의 이산화탄소 플라즈마에서 이산화탄소 분자가 고온에서 분해하게 한다. 이러한 고온 이산화탄소 플라즈마 토치는 이산화탄소 분자를 방응성이 강한 산소와 일산화탄소로 분해하게 되고 이를 이용하여 여러 가지 합성가스를 생산할 수 있다.
＜실시예 1＞
한 실시예로서 2.45 ㎓의 진동수를 가진 전자파를 이용하여 이산화탄소 플라즈마 토치를 만드는 실험을 실시하였다. 편의상 이산화탄소 가스 실린더를 구입하여 분당 15 리터의 이산화탄소를 이산화탄소 공급부 (80)의 이산화탄소 주입구를 통하여 이산화탄소를 방전관 (70)내에 유입시킨다. 도2은 본 발명에 있어서 3kW의 전자파로 발생한 순수 이산화탄소 토치의 사진이다. 플라즈마 토치 불꽃이 지름 3cm 길이 30cm 인 석영관속이 들어있는 사진이다. 3kW이상의 불꽃은 너무 뜨거워 주위의 석영관도 덥혀 석영관 자신이 빛을 발사하여 사진으로는 석영관 속의 불꽃을 아주 자세히 볼 수 없지만 그래도 상당히 분명하게 육안으로 불꽃의 구조를 관찰할 수 있다. 도2에서 플라즈마 불꽃이 두개의 구혁으로 나뉘어져 있는 것을 관찰할 수 있다. 밝고 하얀 부분과 약간 어둡고 푸르스름한 부분이다. 맨 눈으로도 이러한 불꽃을 관찰할 수 있으나, 밝고 하얀 부분의 온도는 적어도 섭씨 2000도에서 6000도 이므로, 해를 바라보는 것처럼 눈에 상처를 입힐 수도 있어 주의가 요망된다. 전자파의 전력이 증가하면 불꽃의 길이도 길어진다. 실린더속의 이산화탄소가 다 사용될 때까지 플라즈마 불꽃은 안정적으로 유지되었다. 긴 석영관 (길이 50cm) 속에 토치불꽃을 발생하고 불꽃의 길이와 지름을 측정하였으며 예상한데로 불꽃의 부피가 전자파의 전력에 비례하는 것을 관찰하였다.
1기압에서 발생한 이산화탄소 플라즈마 토치 불꽃의 온도를 토치 축을 따라 측정하는 것은 토치의 물리적 성질을 이해하는 면에서 대단히 중요하다. 대단히 높은 온도는 분광학적으로 측정할 수 있다. 도파관 (60) 내부를 z = 0이라 하여 중심부라 하고 방전관 (70)의 축을 따라 온도를 측정한다. 절대온도 2천도 이상은 분광학적으로 측정하고 절대온도 2천도 이하는 Thermocouple 장치를 이용하여 온도를 측정할 수 있다. 토치 중심으로부터 불꽃 축을 따라 온도를 측정할 수 있다. z = 0 에서 z = 10cm는 밝고 하얀 불꽃 부위로 대표적인 고온 플라즈마 불꽃이며, z = 10cm 이후 또는 밝은 부위 주변은 어둡고 푸르스름한 부위로 일산화탄소가 산소 속에서 타는 것을 보여주고 있다. 분당 15 리터의 이산화탄소의 플라즈마 불꽃을 만들 때, 석영관의 내부직경이 2.6cm이면 절대온도 6천도에서 불꽃 가스의 속도는 약 0.6km/s이다. 밝고 하얀 불꽃 부위의 온도는 섭씨 2000도에서 6000도에 이르는 대표적인 토치불꽃이다.
이산화탄소분자는 고온에서 다음과 같이 CO 라디칼과 산소분자로 분해한다. 반응은 CO2 + O → CO + O2 로서 반응상수는 α CO2 = 3.56 × 10-12exp(-26458/T)cm3/분자/s이며 이 값은 다른 어떤 이산화탄소 분해상수보다 훨씬 크다. 이산화탄소분자로 다시 합성되는 반응은 CO + O → CO2로서 반응상수는 α CO = 1.18 × 10-13(Tr/T)exp(-3610/T)cm3/분자/s. 여기서 절대온도 T r = 298도 상온이며, T 는 기체의 절대온도이다. 그래서 이산화탄소분자 밀도 n CO2 에 대한 생성반응 식은
Figure 112010502126595-pat00007
이다. 여기서 n co 와n o 은 CO와 산소원자의 밀도를 나타낸다. 1기압에서 중성입자 밀도는 n N = 2.7 × 1019(T r /T)입자/cm3으로 이상기체 상태방정식에 따르면 기체온도 T에 반비례한다. 열적 평형상태 즉 식(1)의 dn H2O /dt = 0에서 중성입자에 대한 이산화탄소의 밀도 χ = n co2 /n N 을 다음과 같이 계산할 수 있다.
Figure 112010502126595-pat00008
여기서 γ=no/nc는 산소원자의 탄소원자밀도에 대한 비이며 다음과 같이 표시된다.
Figure 112010502126595-pat00009
여기서 상수는 α = 30(T/Tr)exp(-22848/T) 이고 δ = 0.24(T/Tr)2.6exp(-26458/T)이다.
중성입자에 대한 이산화탄소의 상대적인 밀도 (χ = n co2 /n N )는 식(2)를 통하여 주어진 기체온도에서 쉽게 구할 수 있다. 주어진 상대밀도 값 χ에 대한 이산화탄소의 밀도 n co2 는 중성입자 밀도 n N 에 비례하며 따라서 가스온도 T 에 반비례한다. 다른 라디칼의 상대적인 밀도는 식(2)에 주어진 이산화탄소의 밀도를 이용하여 구하여지며 그 관계식은 다음과 같다.
Figure 112010502126595-pat00010
여기서 β =2.27(T r /T)1.3 and ε = 0.158(T r /T)exp(-26458/T), 그리고 n c , n c2 , n o2 는 탄소원자, 탄소분자 그리고 산소분자의 밀도를 각각 표시한다. 분해 전 이산화탄소의 밀도 n o 는 n O = n co2 + n co + n c 로 계산되며 이 값을 다른 라디칼의 밀도와 비교할 수 있다.
도3은 분해 전 이산화탄소에 대한 분해 후 이산화탄소의 상대적인 밀도를 가스의 절대온도 T의 함수로 나타낸 것으로 식 2, 3, 그리고 4를 이용하여 도출한 것이며 이산화탄소 분자가 약 2400K에서 분해하기 시작하여 약 3600K에서 절반가량이 분해하는 것을 볼 수 있는데, Gibbs의 Free Energy를 이용하여 분석한 것과 잘 일치하는 것을 볼 수 있다. 예를 들어 이산화탄소가 일산화탄소와 산소원자로 분해한다고 가정하면 즉 CO 2 →CO+ O, 이 반응에 수반되는 엔탈피와 엔트로피의 변화는 ΔH = 530kJ/mole과 ΔS = 147J/mole/degree로서 Gibbs Free Energy는 G = ΔH -TΔS로 기술되며 따라서 이 반응이 자발적으로 일어나는 온도는 T = ΔH/ΔS 로서 3600K로 계산된다. 가스의 온도가 7000K에서는 대부분의 이산화탄소가 분해해 버린다는 것을 도3에서 볼 수 있다.
도4는 탄소원자에 대한 산소원자 밀도의 비 즉 γ=no/nc를 가스 온도 T의 함수로 표시한 것으로 식3에서 얻은 것이고, 분해 전과 분해 후 이산화탄소의 중성입자에 대한 상대적 밀도 (n O /n N , n co2 /n N ) 도 표시되어 있다. 가스온도가 올라가면 밀도 비 γ=no/nc는 점점 줄어들어 2에 접근하는 것을 볼 수 있는데 이것은 대단히 높은 온도에서는 이산화탄소의 모든 분자가 원자화하는 것을 의미한다. 따라서 분해 전 이산화탄소의 중성입자에 대한 상대적인 밀도 n O /n N 가 아주 높은 온도에서는 1/3에 접근하는 것을 또한 예견할 수 있다.
도5는 식 2, 3, 4 로부터 도출된 산소와 탄소원자의 상대적인 밀도, n O /n N , n c /n N ,를 온도의 함수로 표시한 것이다. 가스의 온도가 4200K이상으로 증가하면 일산화탄소마저도 분해하여 산소와 탄소원자가 급격히 증가하는 것을 도5에서 관찰할 수 있다. 비교할 목적으로 도5에 일산화탄소의 상대적인 밀도 n co /n N 도 온도의 함수T로 표시하였다. 도5에서 여러 가지 현상을 관찰할 수 있는데, 첫째, 고온에서는 중성입자의 밀도에 비하여 산소와 탄소원자의 밀도가 꽤 높은 것을 볼 수 있다. 예를 들어 가스온도 4500K에서 n o /n N = 0.55, n c /n N = 0.175 그리고 n co /n N = 0.2로서 산소와 탄소입자의 보존성을 보장하는 관계식 n o +n co = 2(n c +n co )을 만족하는 것을 볼 수 있다. 둘째, 4500K이상의 고온에서 산소원자 밀도가 탄소원자 밀도의 3배 이상이 되는 것을 관찰할 수 있는데 이는 상당한 분량의 일산화탄소가 분해했다는 것을 의미한다. 셋째, 산소원자 밀도가 항상 일산화탄소 밀도보다 높은 것을 관찰할 수 있다. 4800K이상에서는 일산화탄소 분자가 분해를 하여 탄소원자밀도가 일산화탄소 밀도보다 더 높은 것을 볼 수 있다. 마지막으로, 비교적 낮은 불꽃온도에서도 많은 량의 일산화탄소와 산소원자가 발생된 것을 관찰한다. 예를 들어 가스온도 1500K에서, 산소원자와 일산화탄소의 밀도는 n o = 2.41×1014molecules/cm3and n co = 1.98×1014molecules/cm3로서 이러한 온도에서도 활발한 화학반응을 할 수 있는 충분한 라디칼을 공급하는 것을 볼 수 있다.
도6는 산소와 탄소분자의 상대적인 밀도, n o2 /n N , n c2 /n N ,를 식 2, 3, 4로부터 도출하여 가스온도 T의 함수로 표시한 것이다. 예상한 데로 탄소와 산소분자의 밀도는 산소와 탄소원자 밀도에 비하여 월등히 낮다. 온도가 4000K도 이상이 되면 산소와 탄소분자의 밀도가 감소하는 것을 관찰할 수 있는데 이는 고온에서 분자가 분해하기 때문이다.
고온의 이산화탄소 토치는 탄화수소 연료를 1기압에서 개질할 수 있다. 예를 들어 메탄개질은 CO2 + CH4 → 2CO + 2H2의 반응식이 된다. 이때 엔탈피와 엔트로피 변화는 각 각 ΔH = 247kJ/mole과 ΔS = 257J/mole/deg.이며 이 반응에 대한 깊스 자유에너지는 G = ΔH -TΔS로서 개질 자발반응이 일어나는 온도는 T = ΔH/ΔS = 961K가 된다. 도2에 발진된 이산화탄소 토치의 온도는 개질에 필요한 절대온도 961도보다 월등히 높다. 그리고 탄화수소 개질에 참여하는 산소와 CO 라디칼의 밀도가 대단히 높다. 따라서 메탄개질은 이산화탄소 토치를 통하여 1기압에서 쉽게 이루어진다. 상기 탄화수소 계열의 연료는 고체상태의 미분탄, 탄소가루, 액체 상태의 DME, 가솔린, 경유, 등유, 벙커 C유, 정제된 폐유 등이며 기체 상태의 메탄, 에탄, 프로판, 에틸렌, 부탄 등을 말한다.
지금까지 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 설명하였다. 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외 에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.
10 : 마그네트론 20 : 전원공급부
30 : 순환부 40 : 방향성 결합기
50 : 스터브 튜너 60 : 도파관
70 : 방전관 80 : 수증기공급부
90 : 점화부 100 : 연료공급부
103 : 개질가스 배출구 T : 가스온도
K : 절대온도 표시
n co2 /n O : 분해 전 이산화탄소에 대한 분해 후 이산화탄소의 상대적 밀도
γ=no/nc : 탄소원자에 대한 산소원자의 상대적인 밀도
n o /n N : 중성입자에 대한 산소원자의 상대적인 밀도
n c /n N : 중성입자에 대한 탄소원자의 상대적인 밀도
n O /n N : 중성입자에 대한 분해 전 이산화탄소의 상대적인 밀도
n co2 /n N : 중성입자에 대한 분해 후 이산화탄소의 상대적인 밀도
n co /n N : 중성입자에 대한 일산화탄소의 상대적이 밀도
n o2 /n N : 중성입자에 대한 산소분자의 상대적인 밀도
n c2 /n N :중성입자에 대한 탄소분자의 상대적인 밀도

Claims (12)

  1. 전자파가 입력되는 도파관;
    상기 도파관을 통해 입력되는 전자파 및 외부로부터 주입되는 이산화탄소 와류가스에 의해 플라즈마를 생성하는 방전관;
    상기 방전관으로 이산화탄소 와류가스를 공급하는 이산화탄소공급부; 및
    상기 방전관 내에 유입된 전자파와 이산화탄소에 의한 플라즈마의 발생을 위한 초기 전자를 공급하는 점화부; 및
    상기 방전관 내에 형성된 플라즈마에 탄화수소연료를 공급하는 연료 공급부를 포함하며,
    상기 탄화수소연료는, 상기 플라즈마에 의해 이산화탄소가 분해되어 발생한 라디칼들과의 화학 반응으로 개질되어 개질 가스를 생성하는, 이산화탄소 플라즈마 토치에 의한 개질 가스 생성장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 방전관은 도파관의 종단으로부터 전자파 파장의 1/8～1/2 위치에서 도파관을 수직하게 관통하도록 설치됨을 특징으로 하는, 이산화탄소 플라즈마 토치에 의한 개질 가스 생성장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 이산화탄소공급부는, 상기 방전관의 내부 공간에 연속되는 방전관의 하단부에 설치되며 방전관 내부표면을 따라 나선형으로 이산화탄소 와류가스가 주입되는 유로를 제공하는 적어도 하나 이상의 이산화탄소 주입구;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 플라즈마 토치에 의한 개질 가스 생성장치.
  4. 전자파를 발진하는 마그네트론;
    상기 마그네트론으로 전력을 공급하는 전원공급부;
    상기 마그네트론이 장착된 마이크로웨이브 헤드;
    상기 마이크로웨이브 헤드가 장착되며, 마그네트론으로부터 발생된 전자파를 전송하는 도파관;
    상기 도파관을 통해 입력되는 전자파 및 외부로부터 주입되는 이산화탄소 와류가스에 의해 플라즈마를 생성하는 방전관;
    상기 방전관으로 이산화탄소 와류가스를 공급하는 이산화탄소공급부;
    상기 방전관 내에 유입된 전자파와 이산화탄소에 의한 플라즈마의 발생을 위한 초기 전자를 공급하는 점화부; 및
    상기 방전관 내에 형성된 플라즈마에 탄화수소연료를 공급하는 연료공급부;를 포함하며,
    상기 탄화수소연료는, 상기 플라즈마에 의해 이산화탄소가 분해되어 발생한 라디칼들과의 화학 반응으로 개질되어 개질 가스를 생성하는, 이산화탄소 플라즈마 토치에 의한 개질 가스 생성장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 이산화탄소공급부는, 상기 방전관의 내부 공간에 연속되는 방전관의 하단부에 설치되며 방전관 내부표면을 따라 나선형으로 이산화탄소 와류가스가 주입되는 유로를 제공하는 적어도 하나 이상의 이산화탄소 주입구;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 플라즈마 토치에 의한 개질 가스 생성장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 연료공급부는,
    상기 방전관의 상부에 형성되고, 상기 개질 가스를 외부로 배출하는 개질 가스 배출구;
    금속 또는 금속으로 코팅된 물질로 이루어지고, 상기 방전관을 감싸며 형성되어 상기 방전관을 보호하는 원통조형물;
    상기 원통조형물과 방전관을 통하여 내부로 연료를 공급하는 적어도 하나 이상의 노즐;을 포함하는 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 플라즈마 토치에 의한 개질 가스 생성장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 노즐로부터 공급되는 연료는, 고체, 액체, 및 기체 상태 중 어느 한 상태의 탄화수소 연료인 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 플라즈마 토치에 의한 개질 가스 생성장치.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 노즐은, 다수개가 구비되고,
    상기 다수개의 노즐들은, 상기 원통조형물의 원주방향에 대하여 상호 등각도 간격을 갖도록 설치됨을 특징으로 하는, 이산화탄소 플라즈마 토치에 의한 개질 가스 생성장치.
  9. 전자파를 발생하여 방전관 내부로 상기 전자파를 유입시키는 단계;
    상기 방전관에 플라즈마의 생성을 위한 초기 전자를 공급하는 단계;
    상기 방전관에 이산화탄소 와류 가스를 공급하여 이산화탄소 플라즈마 토치를 생성하는 단계; 및
    상기 방전관에 탄화수소연료를 공급하여 상기 탄화수소연료를 개질하는 단계를 포함하며,
    상기 탄화수소연료를 개질하는 단계는, 상기 탄화수소연료가 상기 이산화탄소 플라즈마 토치에 의해 이산화탄소가 분해되어 발생한 라디칼들과의 화학 반응으로 개질되어 개질 가스를 생성하는, 이산화탄소 플라즈마 토치에 의한 개질 가스 생성방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 탄화수소연료는,
    고체상태의 미분탄, 탄소가루, 액체 상태의 DME, 가솔린, 경유, 등유, 벙커 C유, 정제된 폐유 및 기체 상태의 메탄, 에탄, 에틸렌, 프로판, 부탄 중에서 선택된 어느 하나의 물질인 것을 특징으로 하는, 이산화탄소 플라즈마 토치에 의한 개질 가스 생성방법.

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