KR101255152B1 - 플라즈마 가스화기를 이용한 발전 시스템 - Google Patents

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Abstract

플라즈마 가스화기를 이용한 발전 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템은 미분 탄 또는 바이오 매스(Biomass)를 플라즈마를 이용하여 연소시켜 수소 및 일산화탄소를 포함하는 합성가스(Syn-gas)를 생성하는 플라즈마 가스화기; 생성된 상기 합성가스에 포함된 불순물을 제거하는 불순물 제거 장치; 상기 불순물 제거 장치에서 불순물이 제거된 합성가스가 저장되는 가스 저장 탱크; 및 상기 가스 저장 탱크에 저장된 합성가스를 연소시켜 전기를 생산하는 가스 엔진을 포함한다.

Description

플라즈마 가스화기를 이용한 발전 시스템{POWER GENERATION SYSTEM USING PLASMA GASIFIER}
본 발명은 석탄 또는 바이오매스를 포함한 탄화수소체 가스화 복합 발전 시스템과 관련된다.
석탄가스화복합발전(IGCC; Integrated Gasification Combined Cycle)이란, 석탄을 수소(H2)와 일산화탄소(CO)가 주성분인 합성가스로 전환한 뒤 이 가스를 이용하여 전기를 생산하는 형태의 발전을 의미한다.
석탄가스화복합발전을 이용할 경우 세계적으로 널리 분포하고 매장량이 풍부한 석탄 자원을 이용하여 발전을 할 수 있다는 점에서 가장 큰 장점이 있다. 또한 석탄가스화복합발전의 경우 열효율이 높아 단위 발전전력량당 이산화탄소, 황산화물, 질소산화물, 분진의 발생량을 절감할 수 있으며, 환경성 또한 매우 우수한 기술로 평가 받고 있다. 또한 이산화탄소 분리저장기술, 수소생산기술, 연료전지와 연계한 시스템 등에 응용이 가능한 미래형 발전의 중추적인 기술로 주목을 받고 있다.
도 9는 이와 같은 석탄가스화복합발전의 개념도를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 석탄가스화복합발전 시스템에서는 먼저 석탄을 연소시켜 합성가스(Syn-gas)를 생성하며, 생성된 합성가스는 가스터빈으로 주입되어 전력을 생산하게 된다. 또한 가스터빈에서 방출되는 배기가스의 열로 스팀 터빈을 돌림으로써 한번 더 전력을 생산할 수 있다. 또한 상기 합성가스는 단순히 발전에만 이용되는 것이 아니라 석탄액화기술 등을 사용하여 디젤, 가솔린, DME 등의 액화연료, 메탄올, 에틸렌 등의 화학원료 또한 생산이 가능하며, 합성가스로부터 수소 또한 생산될 수 있다.
이와 같이 석탄가스화복합발전의 경우 종래의 석탄을 이용한 화력발전보다 효율 및 환경오염 면에서 장점이 있을 뿐 아니라 다양한 분야와 결합이 가능한 장점이 있다. 그러나 종래의 석탄가스화복합발전은 다음과 같은 문제점이 있다.
먼저, 종래의 석탄가스화복합발전의 경우 석탄의 가스화 공정에 있어 고온로의 복사열에 의하여 석탄을 가스화하게 되므로 가스화기의 가동을 위하여 섭씨 1300~1500도로의 예열이 필요하다. 따라서 가스화기의 예열을 위한 시간 및 비용이 많이 소요되게 된다.
또한 종래의 석탄가스화복합발전의 경우 가스화를 위하여 25기압 이상의 고압을 요하게 되므로 가스화기 자체의 소형화가 매우 어렵고 가스화기의 제어 또한 어려운 문제점이 있었다.
또한, 순산소 가스화에 필요한 산소 발생 설비 비용이 전체 건설비의 15%를 차지할 정도로 산소 발생설비에 많은 비용이 소요되게 된다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 석탄가스화복합발전을 위한 발전 시스템에 있어 플라즈마 가스화기를 이용하여 합성가스를 생산함으로써, 회재 함량이 높은 저급탄을 이용하더라도 발전이 가능하며, 1기압 공정을 채택하여 저비용으로 전력 생산이 가능한 발전 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.
더욱 바람직하게는, 순수 스팀 플라즈마를 이용하여 높은 비율의 H2/CO 조성을 갖는 석탄 가스화에 그 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 발전 시스템은 미분 탄 또는 바이오 매스(Biomass)를 플라즈마를 이용하여 연소시켜 수소 및 일산화탄소를 포함하는 합성가스(Syn-gas)를 생성하는 플라즈마 가스화기; 생성된 상기 합성가스에 포함된 불순물을 제거하는 불순물 제거 장치; 상기 불순물 제거 장치에서 불순물이 제거된 합성가스가 저장되는 가스 저장 탱크; 및 상기 가스 저장 탱크에 저장된 합성가스를 연소시켜 전기를 생산하는 가스 엔진을 포함한다.
또한 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 발전 시스템은 미분 탄 또는 바이오 매스(Biomass)를 플라즈마를 이용하여 연소시켜 수소 및 일산화탄소를 포함하는 합성가스(Syn-gas)를 생성하는 플라즈마 가스화기; 생성된 상기 합성가스에 포함된 불순물을 제거하는 불순물 제거 장치; 상기 불순물 제거 장치에서 불순물이 제거된 합성가스가 저장되는 가스 저장 탱크; 및 상기 가스 저장 탱크에 저장된 합성가스를 이용하여 전기를 생산하는 고체산화물 연료전지(SOFC)를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따를 경우, 일반적으로는 화력발전에 사용될 수 없는 고회재 성분(회재성분 45%) 이상의 저급 탄을 이용하더라도 플라즈마를 이용한 가스화기를 통하여 합성가스의 생산이 가능하므로, 발전을 위한 석탄의 이용 범위를 늘릴 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명의 실시예들에 따를 경우 1기압 환경 하에서 합성 가스의 생산이 이루어지므로 발전 설비의 소형화가 가능하고, 저비용으로 발전 설비를 건설할 수 있는 장점이 있으며, 1기압 공정을 사용하므로 가스 터빈이 아닌 가스 엔진 또는 SOFC를 이용한 발전이 가능한 장점이 있다.
또한 본 발명의 경우 석탄이 아닌 바이오 매스를 이용하더라도 가스화가 가능하므로 기술 및 장치적인 측면에서도 종래 발전 방식에 비해 유리하다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 가스화기를 이용한 발전 시스템(100)을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 가스화기를 이용한 발전 시스템(200)을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치(300)의 블록 구성도이다.
도 4는 순수한 스팀(H2O)만을 사용한 전자파 플라즈마 토치로부터 얻은 광 방출 스펙트럼(optical emission spectrum)을 나타낸 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치(300)의 도파관(310)과 방전관(312)이 연결되는 부분을 도시한 수직 단면도이다.
도 6a 내지 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치(300)의 가스 공급부(314)의 상세 구성을 나타낸 수평 단면도이다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치(300)의 석탄 공급부(316)의 상세 구성을 나타낸 수평 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 플라즈마 발생장치(200)를 하나 이상 포함하여 구성되는 플라즈마 발생장치(300)의 실시예를 나타낸 도면이다.
도 9는 일반적인 석탄가스화복합발전 시스템의 개념도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 가스화기를 이용한 발전 시스템(100)을 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 다른 플라즈마 가스화기를 이용한 발전 시스템(100)은 플라즈마 가스화기(102), 불순물 제거 장치(104), 가스 저장 탱크(106) 및 가스 엔진(108)을 포함한다.
플라즈마 가스화기(102)는 플라즈마를 이용하여 미 분탄 또는 바이오 매스(Biomass)로부터 수소 및 일산화탄소를 포함하는 합성가스(Syn-gas)를 생성하는 장치이다. 이와 같은 플라즈마 가스화기(102)의 상세 구성에 대해서는 후술하기로 한다.
불순물 제거 장치(104)는 플라즈마 가스화기(102)에서 생성된 상기 합성가스에 포함된 불순물을 제거한다. 이와 같은 불순물 제거 장치(104)는 도시된 바와 같이 분진 제거부(110) 및 황화합물 제거부(112)를 포함할 수 있다. 분진 제거부(110)는 플라즈마 가스화기(102)에서 생성된 상기 합성가스에 포함된 재(ash) 등의 분진을 제거한다. 또한 황화합물 제거부(112)는 상기 합성가스에 포함된 황화합물(Sulfur Compounds)을 제거한다. 이와 같은 분진 제거부(110) 및 황화합물 제거부(112)의 상세 구성 및 이에 따른 분진 및 황화합물 제거 방법에 대해서는 본 기술분야에서 잘 알려져 있으므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한 불순물 제거 장치(104)는 이외에도 상기 합성가스에 포함된 불순물을 제거하기 위한 다른 수단들을 포함하여 구성될 수 있다.
가스 저장 탱크(106)는 불순물 제거 장치(104)에서 분진 또는 황화합물 등의 불순물이 제거된 합성가스가 저장되는 공간이다. 가스 저장 탱크(106)에는 본 발명의 발전 시스템의 초기 동작에 사용되도록 일정량의 합성 가스가 미리 저장되도록 구성될 수 있다. 이에 따라 가스 엔진(108)은 발전 시스템의 초기 동작 시, 가스 저장 탱크(106)에 기 저장된 합성가스를 연소시켜 전기를 생산하고, 생산된 전기 중 일부를 이용하여 플라즈마 가스화기(102)를 가동시킴으로서 본 발명의 제 1 실시예에 따른 발전 시스템(100) 전체가 동작하도록 할 수 있다.
가스 엔진(108)은 가스 저장 탱크(106)에 저장된 합성가스를 연소시켜 전기를 생산한다. 일반적인 석탄 가스화 복합 발전의 경우 가스 터빈을 이용하여 전기를 생산하도록 구성되나, 본 발명의 실시예의 경우 1기압 공정으로 합성가스를 생산하도록 구성되는 바, 상기 합성가스를 이용하여 가스 터빈이 아닌 가스 엔진(108)을 구동시킴으로써 전기를 생산하도록 구성된다. 이와 같이, 플라즈마 가스화기(102)를 이용하여 합성 가스를 생산하고, 상기 합성 가스를 이용하여 가스 엔진(108)을 구동시킬 경우 전체적으로 1기압 하에서 가스 생산 및 전력 생산이 이루어지므로 종래의 석탄 가스화 복합 발전에 비하여 소형화가 가능하다는 장점이 있다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 가스화기를 이용한 발전 시스템(100)의 동작을 에너지 관점에서 설명하면 다음과 같다.
먼저, 원료인 석탄(미 분탄)에 포함된 탄소와 가연성 탄화수소의 일반적인 질량 성분비를
C : H2 : O2 = 70% : 7% : 23%
라 할 때, 이를 몰(Mole)비로 환산하면
C : H2 : O2 = 5.83 : 3.5 : 1.44
가 되며, 탄소의 몰비를 1로 환산하면,
C : H2 : O2 = 1 : 0.6 : 0.25
가 된다.
한편, 산소와 수소가 함유된 탄화수소의 분해에 필요한 엔탈피는 △H = 40kJ 이다. 이때 탄화수소는 고분자 탄화수소와 메탄올 같은 화합물로 가정한다.
플라즈마 가스화기(102) 내의 플라즈마 토치 내부에서의 석탄에 포함된 탄소 및 탄화수소의 반응은 다음과 같다.
C + (1/4)O2 + (0.6)H2 + (1/2)H2O -> CO + (1.1)H2
이 때의 엔탈피 변화는 △H = 10.4kJ이다.
한편 가스 엔진(108) 내부에서의 연소반응은,
CO + (1.1)H2 + (1.05)O2 -> CO2 + (1.1)H2O
이며, 이와 같은 연소반응에서의 엔탈피 변화는 △H = -549kJ이다.
만약 가스 엔진(108)의 전력생산효율을 약 32%라고 하면, 탄소 1몰 당 전력생산량은 549 kJ X 0.32 = 175.7kJ이 되며, 이때 필요한 전기 에너지는 40 + 10.4 = 50.4kJ이므로, 순수 전력생산량은 175.7 - 50.4 = 125.3kJ이 된다.
한편, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 플라즈마 가스화기를 이용한 발전 시스템(100)은 플라즈마 가스화기(102), 플라즈마 가스화기(102)로부터 생산된 합성가스 또는 가스 엔진(108)으로부터 발생되는 열을 스팀으로 변환하는 열 교환기(114, 116, 118) 및 열교환기(114, 116, 118)로부터 생성된 스팀을 이용하여 전기를 생산하는 스팀 터빈(120)을 더 포함할 수 있다. 이와 같이 스팀 터빈(120)을 이용하여 상기 발전 시스템(100)에서 발생되는 열을 전기로 변환함으로써 발전 시스템(100)의 효율을 높일 수 있다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 가스화기를 이용한 발전 시스템(200)을 나타낸 도면이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 가스화기를 이용한 발전 시스템(200)은 플라즈마 가스화기(102), 불순물 제거 장치(104), 가스 저장 탱크(106) 및 고체산화물 연료전지(202, SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)를 포함한다.
이 중 도 1과 동일한 도면부호를 가지는 것으로 도시된 플라즈마 가스화기(102), 불순물 제거 장치(104) 및 가스 저장 탱크(106)는 실질적으로 제 1 실시예와 동일한 기능을 수행하므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.
본 실시예의 경우, 제 1 실시예와는 달리 고체산화물 연료전지(202)를 이용하여 전력을 생산한다. 고체산화물 연료전지(202)는 탄화수소 연료를 사용하여 화학적 에너지를 전기 에너지로 변환해주는 장치로서, 에너지 전환 효율이 매우 높고, 고체를 사용하기 때문에 안정성이 높고 취급이 쉽다는 장점이 있다. 종래의 석탄 가스화 복합 발전의 경우 고압 하에서 공정이 진행되므로 고체산화물 연료전지의 사용이 불가능하였으나, 본 실시예의 경우 전술한 제 1 실시예와 마찬가지로 1기압 하에서 공정이 진행되므로 고체산화물 연료전지(202)를 이용한 발전이 가능하게 된다.
한편, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 플라즈마 가스화기를 이용한 발전 시스템(100)은 제 1 실시예와 마찬가지로 플라즈마 가스화기(102) 또는 플라즈마 가스화기(102)로부터 생산된 합성가스로부터 발생되는 열을 스팀으로 변환하는 열 교환기(114, 116) 및 열교환기(114, 116)로부터 생성된 스팀을 이용하여 전기를 생산하는 스팀 터빈(120)을 더 포함할 수 있다. 이와 같이 스팀 터빈(120)을 이용하여 상기 발전 시스템(100)에서 발생되는 열을 전기로 변환함으로써 발전 시스템(100)의 효율을 높일 수 있다.
또한 본 실시예에서도 제 1 실시예와 마찬가지로 초기에는 가스 저장 탱크(106)에 저장된 합성가스로 고체산화물 연료전지(202)를 구동시켜 초기 전력을 생산하며, 생산된 전력을 이용하여 플라즈마 가스화기(102)를 구동시킴으로써 전체 시스템을 동작시키게 된다.
이하에서는 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 사용되는 플라즈마 가스화기에 대하여 설명하기로 한다. 본 발명의 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 사용되는 플라즈마 가스화기(102)는 하나 이상의 플라즈마 발생장치(300) 및 플라즈마 발생장치(300)로부터 발생된 플라즈마에 의하여 합성가스가 생성되는 가스화 반응기(800)를 포함한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마 발생장치(300)의 블록 구성도이다.
도시된 바와 같이, 플라즈마 발생장치(300)는 전원부(302), 전자파 발진기(304), 순환기(306), 튜너(308), 도파관(310), 방전관(312), 가스 공급부(314), 석탄 공급부(316), 점화부(318) 및 가스 배출부(320)를 포함하여 구성된다.
전원부(302)는 플라즈마 발생장치(300)의 구동에 필요한 전력을 공급한다.
전자파 발진기(304)는 전원부(302)와 연결되며, 전원부(302)로부터 전력을 공급받아 전자파를 발진한다. 본 발명에서는 902~928MHz 또는 886~896MHz의 주파수 범위를 갖는 전자파를 발진하는 전자파 발진기를 사용하며, 바람직하게는 전자파 발진기(304)를 이용하여 915MHz 또는 896MHz의 주파수를 갖는 전자파를 발진하게 된다.
순환기(306)는 전자파 발진기(304)와 연결되며, 전자파 발진기(304)에서 발진된 전자파를 출력함과 동시에 임피던스 부정합으로 반사되는 전자파 에너지를 소멸시켜 전자파 발진기(304)를 보호한다.
튜너(308)는 순환기(204)로부터 출력된 전자파의 입사파와 반사파의 세기를 조절하여 임피던스 정합을 유도함으로써 상기 전자파로 유도된 전기장이 방전관(312) 내에서 최대가 되도록 한다.
도파관(310)은 튜너(308)로부터 입력되는 전자파를 방전관(312)으로 전송한다. 본 발명에서 도파관(310)의 크기는 전자파 발진기(304)에서 발진되는 전자파의 주파수와 관계가 있다. 전자파 발진기(304)에서 발진되는 전자파의 주파수가 작아지면 파장이 길어지므로 일정 크기의 도파관에 서로 다른 주파수를 갖는 전자파를 유입시킬 경우, 도파관 고유의 차단주파수보다 낮은 주파수의 전자파는 도파관으로 유입되지 않는다. 즉, 도파관은 일종의 하이패스 필터(high pass filter)로 작용하게 되며, 따라서 사용되는 주파수에 따라 도파관의 크기가 정해지게 된다.
도파관 고유의 차단주파수는 다음의 수학식 1과 같이 정해진다.
Figure 112010079145337-pat00001
상기 수학식에서 f c 는 차단주파수, c는 빛의 속도, a는 도파관의 가로 크기, b는 도파관의 세로 크기, m과 n은 도파관에서의 전자파 모드 번호이다.
본 발명에서는 가로(a) * 세로(b) 의 크기가 25cm * 12.5cm 인 도파관을 사용한다. 또한 본 발명에서는 TE10 모드로 전자파를 발진하므로 이 경우 m 값은 1, n 값은 0이 된다. 본 발명에서의 도파관(310)의 차단주파수를 계산하여 보면 다음의 수학식 2와 같다.
Figure 112010079145337-pat00002
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전자파 발진기(304)는 902~928MHz 또는 886~896MHz의 주파수 범위를 갖는 전자파를 발진하므로 도파관(310)의 차단주파수보다 높으며 따라서 전자파 발진기(304)에서 발진된 전자파는 차단되지 않고 도파관(310)으로 유입됨을 알 수 있다.
한편, 상기 도파관(310)에서의 차단 파장은 다음의 수학식 3과 같이 구해진다.
Figure 112010079145337-pat00003
만약 전자파 발진기(304)에서의 발진 주파수가 915MHz일 경우의 도파관 내 파장(λg)은 다음의 수학식 4와 같다.
Figure 112010079145337-pat00004
방전관(312)이 도파관(310)의 종단으로부터 관내 파장(λg)의 1/4 떨어진 위치에 삽입되는 경우, 방전관이 삽입되는 위치는 종단으로부터 약 11cm (≒43.5 / 4)인 곳이다.
도시된 바와 같이, 전술한 전원부(302), 전자파 발진기(304), 순환기(306), 튜너(308), 및 도파관(310)은 본 발명에서 전자파 공급부(322)를 구성하며, 전자파 공급부(322)는 전자파를 발생시켜 방전관(312)으로 공급하는 역할을 수행한다.
방전관(312)은 전자파 공급부(322)로부터 공급된 상기 전자파 및 스팀과 산소를 포함하는 혼합가스로부터 플라즈마를 생성하며, 생성된 상기 플라즈마를 이용하여 고체 형태의 석탄을 가스화하여 합성가스(Syn-gas)를 생성한다. 상기 합성가스는 주로 일산화탄소(CO)와 수소(H2)로 구성되며, 그 외에 황화합물 등의 불순물을 포함한다.
상기와 같이 방전관(312) 내부에 주입된 상기 혼합가스는 생성된 플라즈마를 안정화시키고 방전관(312) 내에 소용돌이(swirl)를 형성하여 고온의 플라즈마 화염으로부터 방전관(312)의 내벽을 보호하게 된다. 일반적으로 대기압 상태에서 순수 스팀만을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 것은 매우 어려우며, 발생되더라도 플라즈마가 쉽게 꺼지는 등의 문제점이 있다 이에 본 발명에서는 순수 스팀을 기본으로 하고 여기에 산소 또는 공기를 추가하여 혼합가스를 구성함으로써 순수 스팀을 사용한 경우에서보다 훨씬 안정적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
또한 상기 혼합가스에서의 스팀(H2O)과 산소(O2)의 혼합 비율을 제어함으로써 생성되는 합성가스(Syn-gas)의 조성비율을 제어하는 것 또한 가능하다. 도 4는 순수한 스팀(H2O)만을 사용한 전자파 플라즈마 토치로부터 얻은 광 방출 스펙트럼(optical emission spectrum)이다. 도시된 바와 같이, 순수한 스팀(H2O) 플라즈마는 OH, H, O를 생성하며, 우세한(dominant) 종들은 OH와 H 임을 알 수 있다. 그러므로 순수한 스팀 플라즈마에서 석탄을 가스화할 경우, 석탄과 스팀 플라즈마의 반응으로부터 수소의 생성량이 일산화탄소보다 많음을 예측할 수 있다. 그러나, 스팀과 산소의 혼합가스로부터 석탄을 가스화할 경우, 산소의 몰분율(mole fraction, %)을 0으로부터 100까지 서서히 증가하면, 상기 도면에서 777nm와 844.5nm의 산소원자의 발생량이 스팀으로부터 발생되는 수소원자의 양보다 많아지게 된다. 따라서 산소의 혼합율이 증가할수록 수소보다 일산화탄소의 발생량이 많아지게 되며, 이에 따라 스팀과 산소의 혼합율을 제어함으로서 석탄 가스화로부터의 합성가스의 조성을 변화시킬 수 있다.
상기 플라즈마에 의하여 상기 방전관(312) 내부에서는 다음과 같은 반응이 일어나게 된다.
(1) 산소에 의한 연소(산화반응) : C + O2 -> CO2
- 본 반응은 발열반응이며 매우 빠르게 일어난다. 이 반응을 통하여 석탄의 가스화에 필요한 열을 공급받을 수 있다.
(2) 산소에 의한 가스화(부분산화반응) : C + 1/2 O2 -> CO
- 본 반응 또한 발열반응이며 매우 빠르게 일어난다.
(3) 이산화탄소에 의한 가스화(Boudouard 반응) : C + CO2 -> 2CO
- 본 반응은 흡열반응이며 상기 산화반응보다 느린 반응이다.
(4) 스팀에 의한 가스화 : C + H2O -> CO + H2
- 흡열반응이며 상기 산화반응보다 느린 반응이다. 높은 온도와 저압에서 선호되는 반응이다.
(5) 수소에 의한 가스화 : C + 2H2 -> CH4
- 발열반응이며 느린반응이다. 다만 고압일 경우 예외적으로 반응 속도가 빨라진다.
(6) 물-가스 이동 반응 (Water gas shift (WGS) reaction : Dussan reaction) : CO + H2O -> H2 + CO2
- 다소 흡열반응이며 빠른 반응이다. 합성가스의 H2 : CO 비율은 본 반응에 의해 영향을 받게 된다.
(7) 메탄 생성 반응 : CO + 3H2 -> CH4 +H2O
- 발열반응이며 매우 느린 반응이다.
다음으로, 가스 공급부(314)는 방전관(312)에 상기 혼합가스를 소용돌이 형태로 주입하며, 석탄 공급부(316)는 방전관(312) 내부에서 생성된 플라즈마에 고체 형태의 석탄(미 분탄)을 공급한다. 가스 공급부(314)와 석탄 공급부(316)의 구체적인 구성에 대해서는 후술하기로 한다.
점화부(318)는 방전관(312) 내부에 설치되는 한 쌍의 전극을 포함하며 상기 전극을 통하여 플라즈마의 생성을 위한 초기 전자를 공급한다.
가스 배출부(320)는 방전관(312)의 상단에 구비되며, 플라즈마에 의하여 생성된 합성가스를 외부로 배출한다. 가스 배출부(320)를 통하여 배출된 합성가스는 불순물 제거 장치(104)에서 정제되어 가스 저장 탱크(106)에 저장되었다가 가스 엔진(108)으로 공급된다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치(300)의 도파관(310)과 방전관(312)이 연결되는 부분을 도시한 수직 단면도이다.
먼저 도 5a에 도시된 바와 같이, 방전관(312)은 도파관(310)과 연결되어 도파관(310)을 통해 입력되는 전자파에 의해 플라즈마가 생성되는 공간을 제공한다. 방전관(312)은 원통형으로 형성되어 도파관(310)의 종단으로부터 도파관(310) 내 파장의 1/8~1/2 사이, 바람직하게는 1/4에 해당하는 지점에서 도파관(310)을 수직하게 관통하도록 설치될 수 있으며, 전자파의 용이한 투과를 위해 석영, 알루미나, 또는 세라믹으로 구성될 수 있다. 도파관(310) 아래에 형성된 방전관 홀더(500)는 방전관(312)이 안정적으로 도파관(310) 내부에 삽입되어 고정되도록 방전관(312)을 지지한다.
가스 공급부(314)는 방전관(312)의 하단부에서 방전관(312)을 감싸는 형태로 형성되며, 석탄 공급부(316)는 가스 공급부(314)의 상단, 즉 방전관(312)에서 플라즈마가 형성되는 부분을 감싸는 형태로 형성된다.
도 5b의 경우, 방전관(312)과 도파관(310)이 연결되는 형태는 동일하나, 방전관(312)이 용이하게 고정되는 동시에 가스 유출을 억제하기 위하여 방전관(312)의 하단에 바깥으로 돌출된 걸림턱(312-1)이 부설되어 있다는 점이 상이하다. 이와 같은 걸림턱(312-1)은 제1카본 블록(502) 및 제2카본 블록(504)의 사이에 삽입되어 제1카본 블록(502) 및 제2카본 블록(504)에 의하여 지지되며, 제1카본 블록(502) 및 제2카본 블록(504)의 외부에는 케이스(506)가 형성됨으로써 방전관(312)이 고정될 수 있도록 한다. 본 실시예에서 가스 공급부(314)는 제2카본 블록(504)에 형성되며, 방전관(312)의 하단으로 가스를 공급하게 된다.
도 6a 내지 6c는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치(300)의 가스 공급부(314)의 상세 구성을 나타낸 수평 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치(300)의 가스 공급부(314)는 하나 이상의 스팀 공급관(600) 및 하나 이상의 산소 공급관(602)을 포함한다. 스팀 공급관(600) 및 산소 공급관(602)은 각각 일단이 방전관(312)의 내부와 연결되어 방전관(312) 내부로 스팀 및 산소(또는 산소를 포함하는 공기)를 공급하도록 구성된다. 스팀 공급관(600) 및 산소 공급관(602) 각각으로 공급된 스팀 및 산소는 방전관(312)의 내부에서 혼합되어 스팀 및 산소의 혼합가스를 형성하게 된다.
스팀 공급관(600) 및 산소 공급관(602)은 필요에 따라 가스 공급부(314)의 내부에 적정한 개수로 형성될 수 있다. 도 6a는 스팀 공급관(600) 및 산소 공급관(602)이 각각 1개씩 형성된 실시예를, 도 6b 및 6c는 스팀 공급관(600) 및 산소 공급관(602)이 각각 2개 또는 3개씩 설치된 실시예를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 스팀 공급관(600) 및 산소 공급관(602)은 각각 동일한 개수로 가스 공급부(314) 내에 형성될 수 있다. 즉, 스팀 공급관(600)이 2개 형성될 경우 산소 공급관(602) 또한 2개가 형성되도록 구성될 수 있다. 또한 스팀 공급관(600) 및 산소 공급관(602)는 가스 공급부(314) 내에서 방전관(312) 주위에 동일 간격으로 배치될 수 있으며, 도시된 바와 같이 스팀 공급관(600) 및 산소 공급관(602)이 가스 공급부(314) 내에서 번갈아 (즉, 스팀 공급관(600), 산소 공급관(402), 스팀 공급관(600), 산소 공급관(602) ... 의 순서로) 배치될 수 있다.
스팀 공급관(600) 및 산소 공급관(602)은 공급된 스팀 및 산소의 혼합가스가 방전관(312)의 내주면을 따라 소용돌이 형태로 회전하도록 방전관(312)으로 공급된다. 이를 위하여, 도시된 바와 같이 스팀 공급관(600) 및 산소 공급관(602)은 방전관(312) 내부로 배출되는 스팀 및 산소가 방전관(312)의 내주면을 따라 (즉, 내주면과 평행하게) 배출되도록 방전관(312)의 내부와 연결된다. 이를 위하여, 스팀 공급관(600) 및 산소 공급관(602)이 방전관(312)과 연결되는 일단 부근에서는 스팀 공급관(600) 및 산소 공급관(602)의 진행 방향이 방전관(312)의 내주면과 평행하도록 구성되어야 한다. 이렇게 구성될 경우, 공급된 스팀 및 산소는 방전관(312)의 내부에서 서로 혼합되면서 일방향으로 회전하여 소용돌이 형태를 띄게 된다. 또한 스팀 공급관(600) 및 산소 공급관(602)에서 공급되는 스팀 및 산소의 회전 방향이 모두 동일하도록 구성된다.
도 7a 및 7b는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치(300)의 석탄 공급부(316)의 상세 구성을 나타낸 수평 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치(300)의 석탄 공급부(316)는 하나 이상의 석탄 공급관(700)을 포함하며, 석탄 공급관(700)을 통하여 방전관(312) 내부에 형성된 플라즈마에 가루 형태의 석탄(미분 탄)을 공급하게 된다.
석탄 공급관(700) 또한 필요에 따라 석탄 공급부(316)의 내부에 적정한 개수로 형성될 수 있으며, 스팀 공급관(600) 및 산소 공급관(602)과 마찬가지로 석탄 공급관(700) 또한 석탄 공급부(316) 내에서 방전관(312) 주위에 동일 간격으로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 석탄 공급관(700)은 공급된 가루 형태의 석탄이 방전관(312)의 내주면을 따라 소용돌이 형태로 회전하도록 방전관(312)으로 공급될 수 있다. 이를 위하여, 도 7a에 도시된 바와 같이, 석탄 공급관(700)은 방전관(312) 내부로 배출되는 석탄이 방전관(312)의 내주면을 따라 (즉, 내주면과 평행하게) 배출되도록 방전관(312)의 내부와 연결된다. 이를 위하여, 스팀 공급관(600) 및 산소 공급관(602)과 마찬가지로 석탄 공급관(700) 또한 방전관(312)과 연결되는 일단 부근에서는 석탄 공급관(700)의 진행 방향이 방전관(312)의 내주면과 평행하도록 구성된다. 이렇게 구성될 경우, 공급된 석탄은 방전관(312)의 내부에서 일방향으로 회전하여 소용돌이 형태를 띄게 된다. 이때 상기 소용돌이의 회전 방향은 스팀 및 산소의 혼합가스의 회전 방향과 일치하는 것이 바람직하다.
도 7b에 도시된 다른 실시예에서는, 석탄 공급관(700)이 방전관(312) 내부에 형성된 플라즈마의 중심부를 향하도록 형성될 수 있다. 이 경우에는 석탄 공급관(700)을 통하여 분출된 미분 탄이 고온을 띄는 플라즈마의 중심부를 향하여 직접 분사됨으로써 석탄의 부분연소 및 가스화가 좀 더 용이하게 일어날 수 있다.
상기 방전관(312) 내부로 석탄(미분 탄)을 공급하기 위한 캐리어 가스로는 이산화탄소(CO2)가 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치(300)에서 생성되는 합성가스는 수소(H2)와 일산화탄소 이외에 상당량의 이산화탄소를 포함하게 된다. 따라서 상기 이산화탄소를 합성가스로부터 분리하여 상기 석탄의 이송을 위한 캐리어가스로 재활용하게 되면 석탄을 방전관(312) 내의 플라즈마로 효과적으로 이송함과 동시에 이산화탄소의 공기 중 배출로 인한 환경오염 또한 방지할 수 있는 효과가 있다. 이밖에 상기 캐리어 가스로는 상기 가스 공급부(314)와 동일하게 산소와 스팀의 혼합가스를 사용할 수 있으며, 순수 스팀 또는 산소 또한 캐리어 가스로 사용 가능하다.
도 8a는 전술한 바와 같은 플라즈마 발생장치(200)를 하나 이상 포함하여 구성되는 플라즈마 발생장치(300)의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 가스화기(102)는 하나 이상의 플라즈마 발생장치(300) 및 플라즈마 발생장치(300)로부터 발생된 플라즈마에 의하여 합성가스가 생성되는 가스화 반응기(800)를 포함한다. 도시된 바와 같이, 하나 이상의 플라즈마 발생장치(300)는 원통형의 가스화 반응기(800)의 주변에 위치하며, 각각의 플라즈마 발생장치(300)는 가스 배출부(320)가 가스화 반응기(800)의 내부와 연결될 수 있도록 가스화 반응기(800)와 결합된다. 각 플라즈마 발생장치(300)로부터 발생되는 플라즈마에 의하여 생성되는 합성가스는 가스화 반응기(800) 상단의 합성가스 배출구(802)로 모이게 되며, 이 과정에서 발생되는 부산물은 하단의 부산물 배출구(804)로 배출된다.
도 8b는 전술한 바와 같은 플라즈마 발생장치(300)를 하나 이상 포함하여 구성되는 플라즈마 가스화기(102)의 다른 실시예를 나타낸 도면이다. 도 8a와 마찬가지로 본 실시예에 따른 플라즈마 가스화기(102) 하나 이상의 플라즈마 발생장치(300), 가스화 반응기(800), 합성가스 배출구(802) 및 부산물 배출구(804)를 포함하며, 플라즈마 발생장치(300)가 가스화 반응기(800)의 하단이 아닌 상단에 위치하고 있다는 점을 제외하고는 모든 구성이 도 8a에 도시된 플라즈마 가스화기(102)와 동일하다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100, 200 : 발전 시스템 102 : 플라즈마 가스화기
104 : 불순물 제거 장치 106 : 가스 저장 탱크
108 : 가스 엔진 110 : 분진 제거부
112 : 황화합물 제거부 114 : 열교환기
116 : 열교환기 118 : 열교환기
120 : 스팀 터빈 202 : 고체산화물 연료전지
300 : 플라즈마 발생장치 302 : 전원부
304 : 전자파 발진기 306 : 순환기
308 : 튜너 310 : 도파관
312 : 방전관 314 : 가스 공급부
316 : 석탄 공급부 318 : 점화부
320 : 가스 배출부 322 : 전자파 공급부

Claims (20)

  1. 미분 탄 또는 바이오 매스(Biomass)를 플라즈마를 이용하여 연소시켜 수소 및 일산화탄소를 포함하는 합성가스(Syn-gas)를 생성하는 플라즈마 가스화기;
    생성된 상기 합성가스에 포함된 불순물을 제거하는 불순물 제거 장치;
    상기 불순물 제거 장치에서 불순물이 제거된 합성가스가 저장되는 가스 저장 탱크; 및
    상기 가스 저장 탱크에 저장된 합성가스를 연소시켜 전기를 생산하는 가스 엔진;
    을 포함하며,
    상기 플라즈마 가스화기는 하나 이상의 플라즈마 발생장치를 포함하며,
    상기 플라즈마 발생장치는,
    소정 주파수의 전자파를 발진하는 전자파 공급부;
    상기 전자파 공급부로부터 공급된 상기 전자파 및 스팀과 산소의 혼합가스로부터 플라즈마가 발생되는 방전관;
    상기 방전관에 스팀과 산소의 혼합가스를 소용돌이 형태로 주입하는 가스 공급부;
    상기 방전관 내부에서 생성된 상기 플라즈마에 고체 형태의 석탄을 공급하는 석탄 공급부;
    상기 방전관 내부에 플라즈마 발생을 위한 초기 전자를 공급하는 점화부; 및
    상기 방전관에서 생성된 플라즈마와 석탄의 반응으로부터 합성된 합성가스를 배출하는 가스 배출부;
    를 포함하는 발전 시스템.
  2. 미분 탄 또는 바이오 매스(Biomass)를 플라즈마를 이용하여 연소시켜 수소 및 일산화탄소를 포함하는 합성가스(Syn-gas)를 생성하는 플라즈마 가스화기;
    생성된 상기 합성가스에 포함된 불순물을 제거하는 불순물 제거 장치;
    상기 불순물 제거 장치에서 불순물이 제거된 합성가스가 저장되는 가스 저장 탱크; 및
    상기 가스 저장 탱크에 저장된 합성가스를 이용하여 전기를 생산하는 고체산화물 연료전지(SOFC);
    을 포함하며,
    상기 플라즈마 가스화기는 하나 이상의 플라즈마 발생장치를 포함하며,
    상기 플라즈마 발생장치는,
    소정 주파수의 전자파를 발진하는 전자파 공급부;
    상기 전자파 공급부로부터 공급된 상기 전자파 및 스팀과 산소의 혼합가스로부터 플라즈마가 발생되는 방전관;
    상기 방전관에 스팀과 산소의 혼합가스를 소용돌이 형태로 주입하는 가스 공급부;
    상기 방전관 내부에서 생성된 상기 플라즈마에 고체 형태의 석탄을 공급하는 석탄 공급부;
    상기 방전관 내부에 플라즈마 발생을 위한 초기 전자를 공급하는 점화부; 및
    상기 방전관에서 생성된 플라즈마와 석탄의 반응으로부터 합성된 합성가스를 배출하는 가스 배출부;
    를 포함하는 발전 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 불순물 제거 장치는,
    상기 합성가스에 포함된 분진을 제거하는 분진 제거부; 및
    상기 합성가스에 포함된 황화합물(Sulfur Compounds)을 제거하는 황화합물 제거부;
    를 포함하는 발전 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스 엔진은 상기 발전 시스템의 초기 동작 시, 상기 가스 저장 탱크에 기 저장된 합성가스를 연소시켜 전기를 생산하고, 생산된 전기 중 일부를 이용하여 상기 플라즈마 가스화기를 가동시키도록 구성되는 발전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발전 시스템은,
    상기 플라즈마 가스화기에서 발생되는 열, 상기 플라즈마 가스화기에서 생성되는 상기 합성가스에서 발생되는 열, 또는 상기 가스 엔진에서 발생되는 열 중 하나 이상을 이용하여 전기를 생산하는 스팀 터빈을 더 포함하는, 발전 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 고체산화물 연료전지는 상기 발전 시스템의 초기 동작 시, 상기 가스 저장 탱크에 기 저장된 합성가스를 이용하여 전기를 생산하고, 생산된 전기 중 일부를 이용하여 상기 플라즈마 가스화기를 가동시키도록 구성되는 발전 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 발전 시스템은,
    상기 플라즈마 가스화기에서 발생되는 열 또는 상기 플라즈마 가스화기에서 생성되는 상기 합성가스에서 발생되는 열을 이용하여 전기를 생산하는 스팀 터빈을 더 포함하는 발전 시스템.
  8. 삭제
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전자파 공급부에서 발진되는 전자파는 902~928MHz 또는 886~896MHz의 주파수 범위를 갖도록 구성되는 발전 시스템.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 가스 공급부는, 상기 방전관의 하단부에 상기 방전관을 감싸는 형태로 형성되며,
    일단이 상기 방전관의 내부와 연결되어 상기 방전관 내부로 스팀을 공급하는 하나 이상의 스팀 공급관; 및
    일단이 상기 방전관의 내부와 연결되어 상기 방전관 내부로 산소를 공급하는 하나 이상의 산소 공급관;
    을 포함하는 발전 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 가스 공급부는 동일한 개수의 상기 스팀 공급관 및 상기 산소 공급관을 포함하는 발전 시스템.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 하나 이상의 스팀 공급관 및 상기 하나 이상의 산소 공급관은, 상기 가스 공급부 내부에 동일 간격으로 배치되는 발전 시스템.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 하나 이상의 스팀 공급관 및 상기 하나 이상의 산소 공급관은, 상기 가스 공급부 내부에서 서로 번갈아 배치되는 발전 시스템.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 하나 이상의 스팀 공급관 및 상기 하나 이상의 산소 공급관은, 상기 방전관의 내부로 배출되는 스팀 및 산소가 상기 방전관의 내주면과 평행하게 배출되도록 상기 방전관의 내부와 연결됨으로써, 상기 방전관의 내부로 분출된 스팀 및 산소가 서로 혼합되어 소용돌이를 형성하도록 구성되는 발전 시스템.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 석탄 공급부는, 상기 가스 공급부의 상단에 상기 방전관을 감싸는 형태로 형성되며,
    일단이 상기 방전관의 내부와 연결되어 상기 방전관 내부에서 생성된 상기 플라즈마에 고체 형태의 석탄을 공급하는 하나 이상의 석탄 공급관을 포함하는 발전 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 하나 이상의 석탄 공급관은, 상기 석탄 공급부 내부에 동일 간격으로 배치되는 발전 시스템.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 하나 이상의 석탄 공급관은, 상기 방전관의 내부와 연결되는 일단이 상기 방전관 내부에 형성된 플라즈마의 중심부를 향하도록 형성됨으로써, 상기 석탄 공급관을 통하여 공급된 석탄이 상기 플라즈마의 중심부를 향하여 분출되도록 구성되는 발전 시스템.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 하나 이상의 석탄 공급관은, 상기 방전관의 내부로 배출되는 석탄이 상기 방전관의 내주면과 평행하게 배출되도록 상기 방전관의 내부와 연결됨으로써, 상기 방전관의 내부로 분출된 석탄이 소용돌이를 형성하도록 구성되는 발전 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 하나 이상의 석탄 공급관은, 분출된 석탄이 상기 가스 공급부에서 공급된 스팀과 산소의 혼합가스와 동일한 방향의 소용돌이를 형성하도록 상기 석탄 공급부 내부에 배치되는 발전 시스템.
  20. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 석탄 공급부는 상기 석탄을 스팀, 산소, 스팀과 산소의 혼합가스 또는 이산화탄소 중 하나 이상의 가스와 혼합하여 상기 방전관 내부로 공급하는 발전 시스템.
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