KR101272275B1 - Method and Apparatus for Underground Coal Gasification using Microwaves - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로파를 이용하여 지중 석탄층으로부터 합성가스 또는 메탄가스 등 발전 및 연료전환에 유효한 가스를 생산하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 구체적으로는 석탄의 열분해에 선택적인 가열특성을 가는 마이크로파를 이용하여 지하매장층까지 전송제어가 용이하며 전송 손실이 거의 없는 지중 석탄층의 가스화 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for producing a gas effective for power generation and fuel conversion, such as syngas or methane gas, from underground coal beds using microwaves. More specifically, the present invention relates to a method and apparatus for gasification of underground coal seams, which is easy to control transmission to underground storage layers and has little transmission loss by using microwaves having selective heating characteristics for coal pyrolysis.
Description
본 발명은 마이크로파를 이용하여 지중 석탄층으로부터 합성가스 또는 메탄가스 등 발전 및 연료전환에 유효한 가스를 생산하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 구체적으로는 석탄의 열분해에 선택적인 가열특성을 가는 마이크로파를 이용하여 지하매장층까지 전송제어가 용이하며 전송 손실이 거의 없는 지중 석탄층의 가스화 방법 및 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to a method and apparatus for producing a gas effective for power generation and fuel conversion, such as syngas or methane gas, from underground coal beds using microwaves. More specifically, the present invention relates to a method and apparatus for gasification of underground coal seams, which is easy to control transmission to underground storage layers and has little transmission loss by using microwaves having selective heating characteristics for coal pyrolysis.
최근 세계 각국은 지구온난화 및 석유자원 고갈에 대비한 청정 대체에너지 개발에 많은 노력을 기울이고 있다. 특히 석유에 비해 전세계적으로 지역적 편중이 심하지 않고 상대적으로 풍부한 매장량을 갖고 있는 석탄을 이용한 청정 에너지화 기술, 즉 석탄가스화복합발전(IGCC: Integrated Gasification Combined Cycle)이나 석탄액화(CTL: Coal to Liquids) 및 메탄화기술등이 다가올 오일피크(Hubbert's Peak)에 대비한 현실적 대안기술이 되고 있다. 그러나, 석탄의 채굴과정에서의 안전사고나 환경파괴, 이에 따른 복구비용등 막대한 사회경제적 비용을 포함하여, 연료사용 과정에 발생하는 분진이나 온실가스 및 산성가스등과 같은 대기오염, 사용후 고형 폐기물처리 비용등이 큰 부담으로 작용하고 있다. In recent years, many countries around the world are making great efforts to develop clean alternative energy in preparation for global warming and depletion of petroleum resources. In particular, clean energy technology using coal, which has less regional bias and relatively rich reserves worldwide than oil, namely Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC) or Coal to Liquids (CTL) And methanation technology are becoming realistic alternatives for the upcoming Oil Peak (Hubbert's Peak). However, air pollution, such as dust, greenhouse gases and acid gases, etc. generated during the fuel use process, including enormous socioeconomic costs such as safety accidents in the mining process of the coal, environmental damage, and recovery costs, etc. Costs act as a big burden.
따라서 최근에는 전통적인 석탄채굴 과정을 생략한 현장에서 직접 관공(borehole)을 석탄층까지 뚫어 스팀과 함께 공기 또는 산소를 주입하여 불완전연소에 의해 석탄을 가스화하고, 또 다른 가스관공을 통해 주 생성물인 합성가스(CO+H2)를 지상으로 추출하는 지중석탄가스화(UCG: Underground Coal Gasification) 방법이 새로이 검토되고 있다. 이때 지상으로 추출된 가스는 정제과정을 거쳐 IGCC발전이나 FT(Fischer-Tropsch)합성에 의한 액체연료 또는 화학제품 원료(chemicals)로 전환되어 유효 에너지자원으로 활용하는 방식이다.Therefore, in recent years, the conventional coal mining process directly bores the borehole to the coal bed and injects air or oxygen with steam to gasify coal by incomplete combustion, and through the other gas pipe, syngas as a main product Underground Coal Gasification (UCG), which extracts (CO + H 2 ) to the ground, is being reviewed. At this time, the gas extracted to the ground is converted into liquid fuel or chemical raw materials by IGCC power generation or FT (Fischer-Tropsch) synthesis through purification process and used as an effective energy source.
이러한 지중 석탄가스화방법은 1868년 독일의 Sir William Siemens가 처음 제안한 이후, 1-2차 세계대전과 대규모 천연가스 발견에 따라 지속적으로 기술개발은 진행되지 못했지만 러시아, 미국, 캐나다, 영국등을 중심으로 기초적인 실험연구와 현장적용 시험등이 진행되어, 최근에는 이를 바탕으로 대기오염 및 지구온난화, 석유고갈등에 대비한 청정화석에너지원 개발차원에서 러시아, 호주를 중심으로 상업적 모델플랜트까지 가동되고 있다.This underground coal gasification method was first proposed by Sir William Siemens of Germany in 1868, and has not been continuously developed due to World War II and the discovery of large-scale natural gas, but mainly in Russia, the United States, Canada and the United Kingdom. Basic experimental research and field application tests have been carried out, and recently, commercial model plants have been operated in Russia and Australia, focusing on the development of clean fossil energy sources for air pollution, global warming, and oil depletion.
현재의 지중 석탄가스화 기술의 대부분은 지하석탄 매장층까지 2개의 관공을 뚫어, 하나의 관공에 산화제를 주입하면서 전기적 또는 화학적 발화를 통해 석탄층이 연소되면서 생성된 가스는 다른 하나의 관공에서 지상으로 추출하는 방법이다. 이때 산화제 주입/확산방향 및 화염(연소) 진행방향에 따라 크게 역연소(Reverse Combustion)방법과 정연소(Forward Combustion) 방법으로 구분되며, 상업적으로는 대부분 역연소 방식을 채택하고 있다.Most of the current underground coal gasification technology drills two holes to underground coal deposits, and injects an oxidant into one hole, and the gas produced by burning coal layer through electrical or chemical ignition is extracted from the other hole to the ground. That's how. At this time, depending on the oxidant injection / diffusion direction and the flame (combustion) progress direction, it is divided into reverse combustion method and forward combustion method, and most commercially adopt reverse combustion method.
그러나, 이러한 지하 석탄층의 연소방식은 지하 연소표면의 비접근성으로 인하여 현재의 산화제 주입량의 제어만으로는 발화후 제어 불가능한 자발적 연소에 따른 급격한 온도상승 및 이로 인한 내부폭발, 지반침하나 수맥오염, 비상시 유독가스 유출등의 환경적 문제와 막대한 에너지자원의 손실등 경제적 문제점들이 내재되어 있다.
However, the combustion method of the underground coal seam has a sudden rise in temperature due to spontaneous combustion that cannot be controlled after ignition alone due to the inaccessibility of the underground combustion surface, and the internal explosion, ground subsidence or water pollution, and toxic gas in case of emergency. Economic problems such as environmental problems such as spills and huge loss of energy resources are inherent.
본 발명의 목적은, 석탄활용을 위한 전통적인 채굴과정의 문제점을 해소하고, 기존 연소에 의한 지중 석탄가스화 과정에서 발생하는 통제 불가능한 문제점을 해결하여, 지하 수십 내지 수천미터에 달하는 석탄매장 더미(pile) 또는 층(seam)까지 에너지전송 손실이 거의 없고, 제어가 용이하며, 석탄만의 선택적 가열특성을 갖는 마이크로파 에너지와 최소한의 산화제만으로 석탄을 열분해하여 유효가스를 추출하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
The object of the present invention is to solve the problems of the traditional mining process for coal utilization, and to solve the uncontrollable problems arising from the underground coal gasification process by existing combustion, coal pile piles of several tens to thousands of meters underground. Alternatively, there is provided a method and apparatus for extracting an effective gas by thermally decomposing coal with microwave energy and minimal oxidant with little energy transfer loss to the seam, easy to control, and having selective heating characteristics of coal only.
청구항 제1항의 발명은, 지중 석탄층의 가스화 방법이고, 지중 석탄층 또는 더미(12)에 적어도 하나의 마이크로파를 공급하는 단계(S1); 및 상기 공급된 마이크로파에 의하여 상기 지중 석탄층 또는 더미(12)로부터 생성된 가스를 수집하는 단계(S2)를 포함하고, 상기 마이크로파가 300Mhz~30GHz의 주파수 대역의 1cm~1m의 파장대역 중 ISM(Industry, Science, Medicine) 주파수의 적어도 하나의 마이크로파이다. 또한 상기 마이크로파를 공급하는 단계(S1)에서 상기 지중 석탄층에 상기 마이크로파외에 산화제가 더 공급되며, 주입관(30)과 추출관(40) 사이의 지중 석탄층을 크레킹하여 상기 주입관(30)과 상기 추출관(40) 사이에 초기 유체 흐름 통로를 확보하는 단계(S1')를 더 포함하며, 상기 초기 유체 흐름 통로 확보 단계(S1')는 상기 마이크로파 공급단계(S1)의 전 또는 후에 수행된다.The invention according to
청구항 제1항의 지중 석탄층의 가스화 방법에 의하면, 수십 내지 수천미터에 달하는 석탄층(seam) 또는 더미(pile)까지 에너지 전송 손실이 거의 없고, 제어가 용이하며, 석탄만을 선택적으로 가열하는 선택적 가열 특성을 갖는 마이크로파 에너지를 이용하므로, 지하 연소 표면의 비접근성으로 인한 제어불능한 자발적 연소게 따른 급격한 온도 상승, 이로 인한 내부폭발, 지반침하나 수맥오염, 유독가스 유출등의 환경 문제를 해소하고 에너지원의 손실없이 유효 에너지원을 활용할 수 있다. 그리고 석탄층에 공급된 산화제에 의하여 반응하여 불완전연소하므로, 초기 열분해를 개시하거나 촉진시킴으로써, 석탄층의 가스화를 보다 휴율적으로 수행할 수 있다. 또한, 주입관(30)과 추출관(40) 사이에 유체 흐름 통로가 확보되어 다른 곳으로 새어나가는 가스의 양을 줄일 있어, 보다 효율적으로 추출관(40)을 통해 가스를 추출할 수 있다.
According to the gasification method of the underground coal seam of
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청구항 제3항의 발명은, 청구항 제1항의 지중 석탄층의 가스화 방법이고, 상기 수집된 생성가스를 정제하고 상기 생성가스로부터 CO2를 분리하는 단계(S3); 상기 정제된 가스를 에너지원으로 전환시키는 단계(S4); 및 상기 CO2를 상기 산화제로 재활용하는 단계(S5)를 더 포함한다.The invention of
청구항 제3항의 지중 석탄층의 가스화 방법에 의하면, 지중 석탄층을 가스화하여 유효 에너지 자원으로 활용할 수 있으며, CO2를 재활용할 수 있어, 가스 제조의 원가를 줄일 수 있다.
According to the gasification method of claim of
청구항 제4항의 발명은, 청구항 제1항의 지중 석탄층의 가스화 방법이고, 상기 마이크로파는 지상(10)으로부터 상기 지중 석탄층 또는 더미(12)까지 관통된 주입관(30)을 통해 상기 지중 석탄층으로 공급되고, 상기 생성가스는 상기 주입관(30)으로부터 일정 거리 떨어져 위치한 방사상으로 배치된 추출관(40)을 통해 수집된다.The invention according to
청구항 제4항의 지중 석탄층의 가스화 방법에 의하면, 마이크로파 주입관(30)과 별도로 설치된 추출관(40)을 통해 생성가스가 수집되므로, 보다 효율적으로 가스 수집이 이루어질 수 있으며, 특히 추출관(40)이 방사상으로 배치되어 있어, 지중 석탄층에서 생성된 가스를 효율적으로 수집할 수 있다.
According to the gasification method of the underground coal bed of
청구항 제5항의 발명은, 청구항 제4항의 지중 석탄층의 가스화 방법이고, 상기 지중 석탄층으로부터 생성된 상기 생성가스의 수집이 상기 주입관(30)을 통해 이루어지고, 상기 주입관(30)은 절연체(Dielectric Insulator)를 사용하지 않는 도파관 형식의 동축 전송라인이다.The invention of claim 5 is the gasification method of the underground coal seam of
청구항 제5항의 지중 석탄층의 가스화 방법에 의하면, 하나의 관, 즉 주입관(30)을 통해 마이크로파의 주입과 생성가스의 수집이 모두 이루어질 수 있으므로, 시설 설치가 간단하며 설치비용을 줄일 수 있다.
According to the gasification method of the underground coal bed of claim 5, since the injection of microwaves and the collection of the generated gas can be made through one tube, that is, the
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청구항 제7항의 발명은, 청구항 제1항, 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항의 지중 석탄층의 가스화 방법이고, 상기 지중 석탄층에 마이크로파 흡수 개시제(Susceptor 또는 Sensitizer)가 사용된다.The invention according to claim 7 is the gasification method of the underground coal layer according to any one of
청구항 제7항의 지중 석탄층의 가스화 방법에 의하면, 탄화도(C/H 비)가 매우 낮아 마이크로파를 거의 흡수하지 않는 토탄(peat) 또는 갈탄(lignite)과 같은 역청탄급 이하의 지중석탄의 경우에도 마이크로파 흡수율이 증가되어 지중 석탄층을 가스화할 수 있다.
According to the gasification method of the underground coal seam of claim 7, the degree of absorption of microwaves is lower even in the case of underground coal of less than bituminous coal such as peat or lignite, which has a very low degree of carbonization (C / H ratio) and hardly absorbs microwaves. This can increase the gasification of the underground coal seam.
청구항 제8항의 발명은 청구항 제7항의 지중 석탄층의 가스화 방법이고, 상기 마이크로파 흡수 개시제는 열분해된 자체물질(Pyrolysis, Thermal decomposition)이다.The invention of claim 8 is a gasification method of the underground coal seam of claim 7, wherein the microwave absorption initiator is pyrolysis (thermal decomposition).
청구항 제8항의 지중 석탄층의 가스화 방법에 의하면, 열분해된 자체물질을 소량 첨가함으로서 마이크로파의 흡수율을 높일 수 있으므로, 별도의 이종 마이크로파 흡수 개시제를 사용하지 않고서도 용이하게 탄화도(C/H비)가 낮은 석탄층을 가스화 할 수 있다.
According to the gasification method of the underground coal bed according to claim 8, since the absorption rate of microwaves can be increased by adding a small amount of thermally decomposed self-material, the carbonization rate (C / H ratio) is easily low without using a separate heterogeneous microwave absorption initiator. The coal seam can be gasified.
청구항 제9항의 발명은, 지중 석탄층의 가스화 장치(1)이고, 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생부(2); 상기 마이크로파, 또는 마이크로파와 산화제를 지중 석탄층 또는 더미(12)에 공급하는 공급부(3); 및 상기 마이크로파에 의해 상기 지중 석탄층 또는 더미(12)로부터 생성된 가스를 추출하는 추출부(4)를 포함한다. 여기서 상기 공급부(3)는, 지상(10)로부터 상기 지중 석탄층 또는 더미(12)를 관통하도록 설치되어, 상기 마이크로파를 상기 지중 석탄층으로 주입하는 주입관(30); 및 상기 주입관(30)의 하부에 형성되어 상기 마이크로파가 상기 지중 석탁층 또는 더미(12)에 분산되도록 하는 다수의 마이크로파 분산 슬롯(32)으로 이루어지며, 상기 마이크로파 발생부(2)는, 상기 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생장치(21); 상기 마이크로파 발생장치(21)에 연결된 제어장치(20); 및 상기 마이크로파 발생장치(21)와 상기 공급부(3)를 연결하는 마이크로파 인입 전도관(22)을 포함하며, 상기 마이크로파 인입 전도관(22)은 그 내부에 마이크로파 인입 내부 전도관(24)을 포함한다.The invention according to claim 9 is a gasification apparatus (1) for underground coal seams, comprising: a microwave generator (2) for generating microwaves; A supply unit (3) for supplying the microwave, or the microwave and the oxidant to the underground coal layer or the heap (12); And an
청구항 제9항의 지중 석탄층의 가스화 장치(1)에 의하면, 수십 내지 수천미터에 달하는 석탄층(seam) 또는 더미(pile)까지 에너지 전송 손실이 거의 없고, 제어가 용이하며, 석탄만을 선택적으로 가열하는 선택적 가열 특성을 갖는 마이크로파 에너지를 이용하므로, 지하 연소 표면의 비접근성으로 인한 제어불능한 자발적 연소게 따른 급격한 온도 상승, 이로 인한 내부폭발, 지반침하나 수맥오염, 유독가스 유출등의 환경 문제를 해소하고 에너지원의 손실없이 유효 에너지원을 활용할 수 있다. 또한 마이크로파 발생장치에서 발생한 마이크로파가 상기 주입관(30)을 통해 따라 내려가 지중 석탄층 또는 더미(12)에 도달하고, 상기 마이크로파 분산 슬롯(32)을 통해 주변의 석탄층에 흡수되어 석탄을 열분해하여 석탄층의 가스화가 진행된다. 또한, 제어장치(20)에 의하여, 마이크로파 중 석탄층의 조건에 따라 마이크로파의 주파수를 제어할 수 있고, 이렇게 제어된 마이크로파는 마이크로파 인입 전도관(22)을 통해 공급부(3)에 공급되어 지중 석탄층의 가스화를 도모할 수 있으며, 마이크로파의 전달이 이중 전도관을 통해 이루어지므로, 어떤 마이크로파의 누설없이 공급부(3)에 전달될 수 있다.
According to the
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청구항 제12항의 발명은, 청구항 제10항의 지중 석탄층의 가스화 장치(1)이고, 상기 마이크로파 인입 전도관(22)에는 자동 임피던스 정합 제어장치(23)가 설치되어 있다.According to a twelfth aspect of the present invention, there is provided a gasification apparatus (1) for underground coal seams (10), and an automatic impedance matching controller (23) is provided in the microwave induction conductive pipe (22).
청구항 제12항의 지중 석탄층의 가스화 장치(1)에 의하면, 상기 자동 임피던스 정합 제어장치(23)에 의하여 상기 마이크로파 발생장치(21) 내의 마그네트론 헤드를 보호할 수 있어, 장비의 수명을 보다 길게 유지할 수 있다.
According to the
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청구항 제14항의 발명은, 청구항 제9항의 지중 석탄층의 가스화 장치(1)이고, 상기 주입관(30)은 그 내부에 내부 주입관(33)을 구비하며, 상기 내부 주입관(33)은 지상에 설치되어 있는 지상 내부 주입관(34)과 지하에 설치되어지는 지하 내부 주입관(31)으로 이루어지되, 상기 지상 내부 주입관(34)을 통해 주입된 상기 산화제가 상기 지하 내부 주입관(31)을 따라 지중 석탄층 또는 더미(12) 하부의 기반 암석층(13)의 공동(34, cavity)에 공급된다.The invention according to
청구항 제14항의 지중 석탄층의 가스화 장치(1)에 의하면, 상기 내부 주입관(33)을 통해 산화제가 지중 석탄층 또는 더미(12)에 공급되어 산화제가 확산됨에 따라 발열석탄이 부분 산화반응을 일으키면서 합성가스를 생산하게 되고, 또한 상기 주입관(30)의 내부표면(Outer Conductor)뿐만 아니라 기 내부 주입관(33)의 외부표면(Inner Conductor)을 따라서도 마이크로파 에너지가 전달되므로 보다 신속하게 마이크로파를 전달할 수 있어, 효율을 높일 수 있다.
According to the
청구항 제15항의 발명은, 청구항 제14항의 지중 석탄층의 가스화 장치(1)이고, 상기 주입관(30)의 상부에는 임피던스 정합 슬라이딩 밀봉장치(27, Sliding Seal)가 부착된 제1 쵸크부(25)가 설치된다.15. The invention according to claim 15 is the
청구항 제15항의 지중 석탄층의 가스화 장치(1)에 의하면, 제1 쵸크부(25)에 의하여 지상 내부 주입관(34)으로 어떠한 마이크로파 누설도 없이 인입된 모든 마이크로파 에너지를 지중 석탄층으로 흐르게 할 수 있다.
According to the
청구항 제16항의 발명은, 청구항 제15항의 지중 석탄층의 가스화 장치(1)이고, 상기 주입관(30)이 절연체(Dielectric Insulator)를 사용하지 않는 도파관 형식의 동축 전송라인이고, 상기 주입관(30)의 상단 일측면에 임피던스 정합 슬라이딩 밀봉장치가 부착된 제2 쵸크부(28)를 설치하고, 상기 제2 쵸크부(28)에 제1 가스관(29)이 설치되고, 상기 제1 쵸크부(25)가 단락될 때 상기 제2 쵸크부(28)도 단락된다.The invention according to claim 16 is the
청구항 제16항의 지중 석탄층의 가스화 장치(1)에 의하면, 필요에 따라 생성된 가스를 추출하거나, 산화제를 투입하는 관으로 사용되는 제1 가스관(29)을 통해서도 어떠한 마이크로파 누설없이 지중 석탄층으로 마이크파 에너지를 전달할 수 있다.
According to the
청구항 제17항의 발명은, 청구항 제9항의 지중 석탄층의 가스화 장치(1)이고, 상기 추출부(4)는 상기 지중 석탄층 또는 더미(12)로부터 생성된 가스를 지상(10)으로 추출하는 추출관(40); 상기 추출관(40)의 하부에 형성되어 상기 지중 석탄층 또는 더미(12)로부터 생성된 생성 가스를 상기 추출관(40)내로 흡입하는 추출관 하부 흡입 필터(41); 및 상기 추출관(40)의 상부에 설치되어 상기 추출관(40)을 통해 흘러나오는 생성가스를 지상으로 배출시키는 제2 가스관(42)을 포함한다.The invention according to claim 17 is the
청구항 제17항의 지중 석탄층의 가스화 장치(1)에 의하면, 지중 석탄층 또는 더미(12)로부터 생성된 가스가 흡입 필터(41)를 통해 필터링되어 혼합 가스만이 추출관(40)을 통해 지상의 제2 가스관(42)으로 추출되어 이후 에너지 전환등을 통해 대체 에너지로서 사용될 수 있다.
According to the
청구항 제18항의 발명은, 청구항 제17항의 지중 석탄층의 가스화 장치(1)이고, 상기 제2 가스관(42)에 연결되어 상기 생성가스를 정제하는 정제장치(50)를 더 포함한다.The invention of claim 18 is a gasifier of the underground coal seam (1) of claim 17, further comprising a refining device (50) connected to the second gas pipe (42) for purifying the product gas.
청구항 제18항의 지중 석탄층의 가스화 장치(1)에 의하면, 석탄의 열분해에 의해 생성된 혼합가스, CO + H2, H2O, CO2, CH4, H2S는 정제장치(50)에 의해 정제되어 모다 높은 순도로 사용될 수 있어 에너지 전환장치를 통해 필요한 에너지원로 전환될 때 보다 높은 효율을 얻을 수 있다.
According to claim 18, claim gasification of underground
청구항 제19항의 발명은, 청구항 제18항의 지중 석탄층의 가스화 장치(1)이고, 상기 정제장치(50)에 제1 연결관(52)을 통해 연결되어 정제된 가스로부터 CO2를 분리하는 CO2 분리장치(60), 상기 분리장치(60)와 상기 공급부(3)를 연결하여 상기 분리된 CO2를 상기 공급부(3)에 재활용되도록 하는 제2 연결관(62)을 더 포함한다.Claim invention nineteenth claim is, wherein the gasification unit (1) of claim 18, claim underground coal beds, CO 2 for separating the CO 2 from the first connector purified gas is connected via 52 to the
청구항 제19항의 지중 석탄층의 가스화 장치(1)에 의하면, 분리장치(60)에 의해 농축된 CO2를 다시 다른 산화제와 혼합하여 주입관(30)의 내부 주입관(31, 34)를 통해 공급되어 재활용될 수 있다. 따라서, 자원 절약, 원가 절감, 공해방지 등의 효과를 얻을 수 있다.
According to the gasifier of the
청구항 제20항의 발명은, 청구항 제9항 내지 제12항, 제14항 내지 제19항의 지중 석탄층의 가스화 장치(1)이고, 상기 추출부(4)에 연결되어 공급받은 상기 추출된 가스를 필요한 에너지원으로 전환시키는 에너지원 전환장치(70)를 더 포함한다.The invention according to
청구항 제20항의 지중 석탄층의 가스화 장치(1)에 의하면, 지중 석탄층의 석탄자원을 가스화하여 실제 필요한 에너지원으로 전환할 수 있으므로, 대기오염, 지구온난화, 석유고갈 등에 대비한 청청화석에너지원으로 사용될 수 있다.
According to the
본 발명에 따른 지중 석탄층의 가스화 방법 및 가스화 장치(1)에 의하면, 지하 수십 내지 수천미터에 달하는 석탄층 또는 더미까지 에너지 전송 손실이 거의 없고, 제어가 용이하며, 석탄에 대해서만 선택적 가열특성을 가는 마이크로파 에너지를 이용하여 석탄을 열분해하여 유효가스를 추출할 수 있다.According to the gasification method and gasification apparatus (1) of underground coal seams according to the present invention, there is almost no energy transmission loss to coal beds or piles of several tens to thousands of meters underground, easy to control, and microwave having selective heating characteristics only for coal. The energy can be used to pyrolyze coal to extract the effective gas.
따라서 본 발명에 의하면, 지중 석탄 활용을 위한 기존 문제점, 즉 지중 석탄화 과정에서 발생하는, 발아후 제어불가능한 자발적 연소에 따른 급격한 온도 상승, 이로 인한 내부폭발, 지반침하나 수맥오염, 비상시 유독가스 유출 등의 환경 문제, 경제적 문제를 해소하고, 청정의 대체 에너지원을 확보할 수 있다.
Therefore, according to the present invention, existing problems for the utilization of underground coal, namely, sudden temperature rise due to uncontrollable spontaneous combustion after germination, resulting in internal explosion, ground sedimentation or water pollution, and toxic gas leakage in emergency It can solve environmental problems, economic problems, etc., and secure clean alternative energy sources.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 석탄층의 가스화 장치(1)를 나타내는 개략도이다.
도 2는 국산무연탄의 마이크로파 열분해 가스의 시간에 따른 성분변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 석탄의 종류에 따른 마이크로파 흡수율을 비교한 그래프이다.
도 4는 탄화도(C/H비)에 따른 마이크로파 흡수 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5는 자기 개시제의 혼합 비율에 따른 마이크로파 흡수 특성을 나타낸 그래프이다.1 is a schematic view showing a
Figure 2 is a graph showing the changes in the components of the domestic anthracite coal pyrolysis gas over time.
3 is a graph comparing the microwave absorption rate according to the type of coal.
4 is a graph showing the microwave absorption characteristics according to the degree of carbonization (C / H ratio).
5 is a graph showing the microwave absorption characteristics according to the mixing ratio of the self-initiator.
이하, 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described more specifically.
본 발명의 일 실시예에 따른 지중 석탄층의 가스화 방법은, 지중 석탄층 또는 더미(12)에 적어도 하나의 마이크로파를 공급하는 단계(S1); 및 상기 공급된 마이크로파에 의하여 상기 지중 석탄층 또는 더미(12)로부터 생성된 가스를 수집하는 단계(S2)를 포함하고, 상기 마이크로파가 300Mhz~30GHz의 주파수 대역의 1cm~1m의 파장대역 중 ISM(Industry, Science, Medicine) 주파수의 적어도 하나의 마이크로파인 것을 특징으로 한다. 상기 주파수의 마이크로파는 지중 석탄 자체에 의해 선택적으로 흡수되어 석탄을 열분해한다. 이러한 마이크로파를 이용한 마이크로파 유전가열(Dielectric Heating)은 전자기장 내에서 물질을 구성하는 분극분자의 회전(Dipole Rotation) 또는 분자의 재배치(Realignment)에 의한 분자간 마찰 에너지를 이용하는 방식이다. 따라서 본 발명의 마이크로파를 이용한 지중 석탄층의 가스화 방법은 발화 및 연소과정없이 석탄만을 선택적으로 가열하여 신송하게 승온되어 열분해되거나 불완전 연소될 수 있어 비상시 운전 제어뿐만 아니라 목적하는 생성가스 조성을 용이하게 제어할 수 있다.
Gasification method of the underground coal bed according to an embodiment of the present invention, the step of supplying at least one microwave to the underground coal bed or pile 12 (S1); And collecting the gas generated from the underground coal layer or the
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 마이크로파를 공급할 때에는 상기 마이크로파외에 산화제와 함께 공급할 수도 있다. 산화제가 지중 석탄층에 확산되면 발열석탄이 부분 산화반응을 일으키면서 주성분인 합성가스(CO + H2)를 생성한다. 공급된 마이크로파 에너지에 의해 석탄이 열분해되거나 부분 산화반응에 의해 합성가스가 생산되면서, 석탄은 종국적으로 회재성분만 남게되고, 주변 석탄층은 마이크로파에 대해 반투명(semi-transparence) 또는 투명하게 되면, 마이크로파는 더욱 더 멀리 전파되면서 연속적인 석탄층의 가스화가 진행된다.
According to an embodiment of the present invention, the microwave may be supplied together with an oxidizing agent in addition to the microwave. When the oxidant diffuses into the underground coal bed, the exothermic coal undergoes a partial oxidation reaction, producing syngas (CO + H 2 ) as the main component. As coal is pyrolyzed by the supplied microwave energy or syngas is produced by partial oxidation, the coal eventually leaves only ash components, and the surrounding coal layer becomes semi-transparence or transparent to the microwaves. As it travels further and further, there is a continuous gasification of the coal seam.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 수집된 생성가스를 정제하고 상기 생성가스로부터 CO2를 분리하는 단계(S3); 상기 정제된 가스를 에너지원으로 전환시키는 단계(S4); 및 상기 CO2를 상기 산화제로 재활용하는 단계(S5)를 더 포함한다. According to one embodiment of the invention, the step of purifying the collected product gas and separating the CO 2 from the product gas (S3); Converting the purified gas into an energy source (S4); And recycling the CO 2 to the oxidant (S5).
상기 수집된 생성가스는 주성분인 합성가스(CO+H2)외에 스팀(H2O), CO2, CH4, H2S등으로 구성되어 있으므로, 합성가스 정제장치(50)와 열교환/CO2분리장치(60)를 거친 후, 석탄 복합화력발전(IGCC) 플랜트(51)나 석탄액화(CTL)용 F-T합성 반응장치(61)등을 거쳐 필요한 에너지자원으로 전환되어 사용될 수 있다. 또한, CO2분리장치(60)에서 농축된 CO2가스는 또 다른 산화제와 혼합되어 주입관(30)의 지상 내부 주입관(34)과 지하 내부 주입관(31)을 따라 석탄층(12) 하부의 기반 암석층(13) 공동(34, Cavity)으로 리사이클될 수 있다.
The collected product gas is composed of steam (H 2 O), CO 2 , CH 4 , H 2 S, etc. in addition to the synthesis gas (CO + H 2 ) as a main component, the heat exchange / CO with the
본 발명의 일 실시예 의하면, 마이크로파 주입부의 주입관(30)은 동축 전송라인(Coaxial Transmission Line) 또는 도파관(Waveguide)을 모두 사용할 수 있으며, 마이크로파와 일정량의 산화제를 석탄층까지 동시에 보낼 수 있는 구조로 되어있다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이 지상(10)으로부터 상기 지중 석탄층 또는 더미(12)까지 관통된 주입관(30)을 통해 마이크로파를 지중 석탄층으로 공급하고, 마이크로파에 의해 생성된 가스는 주입관(30)으로부터 일정 거리 떨어져 위치한 방사상으로 배치된 추출관(40)을 통해 수집된다. According to an embodiment of the present invention, the
그러나, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 절연제(Dielectric Insulator)를 사용하지 않는 도파관 형식의 동축 전송라인의 경우 생성가스 추출관(40)을 따로 설치함이 없이 상기 주입관(30)을 통해 지상(10)으로 추출되어 제1 가스관(29)을 통해 수집될 수 있다.
However, according to one embodiment of the present invention, in the case of the waveguide type coaxial transmission line that does not use an dielectric (Dielectric Insulator) through the
본 발명의 일 실시예 의하면, 주입관(30)과 상기 추출관(40) 사이의 지중 석탄층을 크레킹하여 상기 주입관(30)과 상기 추출관(40) 사이에 초기 유체 흐름 통로를 확보하는 단계(S1')를 더 포함하며, 상기 초기 유체 흐름 통로 확보 단계(S1')는 상기 마이크로파 공급단계(S1)의 전 또는 후에 수행된다. 크레킹 방법은 당해 기술분야에서 일반적으로 알려진 방법을 이용하여 수행될 수 있으며, 예를 들어 수압파쇄(Hydraulic Fracturing) 또는 지중폭발과 같은 다양한 방법들을 사용할 수 있다. 이러한 크레킹 방법에 의하여 지중 석탄층의 가스화에 의해 생성된 가스는 지하 석탄층의 확산 통로를 따라 추출관(40)하부로 흘러 흡입필터(41), 추출관(40)을 통해 지상의 제2 가스관(42)으로 수집된다.
According to an embodiment of the present invention, by cracking the underground coal layer between the
본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 지중 석탄층에 마이크로파 흡수 개시제(Susceptor 또는 Sensitizer)를 더 공급할 수 있다. 마이크로파 흡수 개시제는 마이크로파의 흡수율을 높이는 것으로서 열분해된 자체 물질, 또는 이종물질(Fe2O3, SiC등)이 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 열분해된 자체물질인 자기개시제는 탄화도 (C/H비)가 2.7이상이고, 전체 석탄량에 대하여 4~6wt.% 사용될 수 있다. 자기개시제의 함량이 4wt.% 미만이면 자기 개시제 효과가 미미하며 6wt.% 초과하여 첨가하여도 마이크로파의 흡수율이 크게 증가되지 않는다. 본 발명에 따라 마이크로파 흡수 개시제를 사용하면, 탄화도(C/H 비)가 매우 낮아 마이크로파를 거의 흡수하지 않는 토탄(peat) 또는 갈탄(lignite)과 같은 역청탄급 이하의 지중석탄의 경우에도 마이크로파 흡수율이 증가되어 지중 석탄층을 가스화할 수 있다.
According to an embodiment of the present invention, a microwave absorption initiator (Susceptor or Sensitizer) may be further supplied to the underground coal seam. As the microwave absorption initiator to increase the absorption rate of the microwave, pyrolyzed internal materials or heterogeneous materials (Fe 2
이하 도면을 참조로 하여 보다 상세히 본 발명을 설명한다. 그러나 이는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 도시된 개략도이며, 본 발명에서 나타내는 기능을 갖는 구성이면 어떠한 형태로도 가능하다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. However, this is to explain the present invention in more detail, the present invention is not limited thereto. In addition, Figure 1 is a schematic diagram according to an embodiment of the present invention, as long as the configuration having a function shown in the present invention may be in any form.
도 1을 참조로 하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 지중 석탄층의 가스화 장치(1)은, 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생부(2); 상기 마이크로파, 또는 마이크로파와 산화제를 지중 석탄층 또는 더미(12)에 공급하는 공급부(3); 및 상기 마이크로파에 의해 상기 지중 석탄층 또는 더미(12)로부터 생성된 가스를 추출하는 추출부(4)를 포함한다.Referring to FIG. 1, the
상기 마이크로파 발생부(2)는, 상기 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생장치(21); 상기 마이크로파 발생장치(21)에 연결된 제어장치(20); 및 상기 마이크로파 발생장치(21)와 상기 공급부(3)를 연결하는 마이크로파 인입 전도관(22)을 포함한다.
The
상기 마이크로파 인입 전도관(22)은 그 내부에 마이크로파 인입 내부 전도관(24)을 포함하고 있다. 상기 마이크로파 인입 전도관(22)에는 자동 임피던스 정합 제어장치(23)가 설치되어, 마이크로파 발생장치(21) 내의 마그네트론 헤드를 보호할 수 있어, 장비의 수명을 보다 길게 유지할 수 있다.The
지상(10)에 설치된 전력공급 및 제어장치(20)에 의해 마이크로파 발생장치(21)는 석탄층의 조건에 따라 마이크로파의 주파수를 변화시킬 수 있지만, 여기서는 주로 2450MHz 또는 915MHz 또는 460MHz의 ISM주파수 발생을 위해 작동된다. 물론 다른 주파수 역시 특별한 설치조건에 따라 사용 가능하다. 지중 석탄가스화 조건에 의해 결정된 특정 주파수의 발생 마이크로파는 지상부 마이크로파 인입 내부전도관(24, Inlet Inner Conductor)을 포함하고 있는 외부 인입 전도관(22, Inlet Outer Conductor)을 통해 지상의 주입관(30)과 연결된다. 이때 상기 마이크로파 인입 내부 전도관(24)에는 자동 임피던스 정합 제어장치(23)가 설치되어, 주입관(30)으로 전송된 마이크로파의 반사전력에 의해 마이크로파 발생장치(21)내 마그네트론 헤드가 손상되지 않도록 보호한다.
The power supply and
상기 공급부(3)는, 지상(10)로부터 대수층(11) 하단에 위치한 상기 지중 석탄층 또는 더미(12)를 완전히 관통하도록 설치되어, 상기 마이크로파를 상기 지중 석탄층으로 주입하는 주입관(30); 및 상기 주입관(30)의 하부에 형성되어 상기 마이크로파가 상기 지중 석탁층 또는 더미(12)에 분산되도록 하는 다수의 마이크로파 분산 슬롯(32)으로 이루어진다.
The
상기 주입관(30)은 동축 전송라인(Coaxial Transmission Line) 또는 도파관(Waveguide)을 모두 사용할 수 있으며, 마이크로파와 일정량의 산화제를 석탄층까지 동시에 보낼 수 있는 구조로 되어있다. The
본 발명의 일 실시예에 의하면, 주입관(30)이 절연제(Dielectric Insulator)를 사용하지 않는 도파관 형식의 동축 전송라인의 경우 생성가스 추출관(40)을 따로 설치함이 없이 다수의 마이크로파 분산 슬롯을 통해 생성가스를 추출하고, 제1 가스관(29)을 통해 지상(10)으로 생성 가스를 추출한다. According to an embodiment of the present invention, in the case of the waveguide type coaxial transmission line in which the
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 주입관(30)이 절연제를 사용하는 마이크로파 동축 전송라인의 경우 자체 동축라인을 통해 생성가스 추출이 불가능하기 때문에 일정 거리상에 다중의 방사상 형태로 배열된 생성가스 추출관(40)에 연통되어 있는 제2 가스관(42)을 통해 지상(10)으로 생성 가스를 추출한다.According to another embodiment of the present invention, in the case of the microwave coaxial transmission line in which the
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 가스관(29)은 공급부(3)와 별도로 설치되어 있는 추출부(4)의 제2 가스관(42)과 연결되어, 제1 가스관(29)을 통해 수집된 생성가스와 제2 가스관(42)을 통해 수집된 생성가스를 모아 정제장치(50) 및/또는 분리장치(60)로 공급할 수 있다.
According to an embodiment of the present invention, the
상기 마이크로파 분산 슬롯(32, slot array)은 상기 주입관(30)의 하단, 즉 지중 석탄층 또는 더미(12)에 관통되어 있는 주입관(30)의 하단에 다수 형성되며, 예를 들어 알루미나(Al2O3)와 같은 세라믹 필터로 이루어져 주입관(30)을 따라 흘러내려온 마이크로파를 지중 석탄층에 분산시키거나, 지중 석탄의 열분해로 인하여 생성된 가스를 흡입하는 흡입구로서 기능할 수 있다.
The microwave dispersion slot 32 (slot array) is formed at the lower end of the
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 주입관(30)은 그 내부에 내부 주입관(33)을 구비하며, 상기 내부 주입관(33)은 지상에 설치되어 있는 지상 내부 주입관(34)과 지하에 설치되어지는 지하 내부 주입관(31)으로 이루어지되, 상기 지상 내부 주입관(34)을 통해 주입된 상기 산화제가 상기 지하 내부 주입관(31)을 따라 지중 석탄층 또는 더미(12) 하부의 기반 암석층(13)의 공동(34, cavity)에 공급된다.
According to an embodiment of the present invention, the
따라서 상기 마이크로파 에너지가 주입관(30)의 내부표면(Outer Conductor)과 내부 주입관(31)의 외부표면(Inner Conductor) 사이를 따라 내려가서, 상기 수많은 마이크로 분산 슬롯(32)을 통해 지하 석탄층에 조사된다. 조사된 마이크로파 에너지는 마이크로파 분산 슬롯(32) 주변의 석탄층에 흡수되어 석탄자체의 고온발열을 일으켜 석탄을 열분해(pyrolysis)한다. 한편 지상 산화제 주입구(26)를 따라 석탄층(12) 하부의 기반 암석층(13) 주변 공동(34, Cavity)에 공급된 산화제는 확산되어 발열석탄이 부분 산화반응을 일으키면서 주성분인 합성가스를 생산한다. 이렇게 공급된 마이크로파 에너지에 의해 석탄이 열분해되거나 부분 산화반응에 의해 합성가스가 생산되면, 석탄은 종국적으로 회재성분만 남게 되고, 주변 석탄층은 마이크로파에 대해 반투명(semi-transparence) 또는 투명하게 되면, 마이크로파는 더욱 더 멀리 전파되면서 연속적인 석탄층의 가스화가 진행된다.
Therefore, the microwave energy goes down between the inner surface (Outer Conductor) of the
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 주입관(30)의 상부에는 임피던스 정합 슬라이딩 밀봉장치(27, Sliding Seal)가 부착된 제1 쵸크부(25)가 설치된다. 상기 임피던스 정합 슬라이딩 밀봉장치(27)는 인가된 주파수의 1/4 파장의 길이로 임피던스 정합하여, 상부의 내부 주입관(34)과 연결된 산화제 주입관(26)으로의 어떠한 마이크로파 누설도 없이 인입된 모든 마이크로파 에너지를 주입관(30)의 아랫방향, 즉 지중 석탄층으로 흐르게 한다.
According to an embodiment of the present invention, the
본 발명의 일 실시예에 의하면 상기 주입관(30)이 절연체(Dielectric Insulator)를 사용하지 않는 도파관 형식의 동축 전송라인이고, 상기 주입관(30)의 상단 일측면에 임피던스 정합 슬라이딩 밀봉장치(미도시)가 부착된 제2 쵸크부(28)를 설치하고, 상기 제2 쵸크부(28)에 제1 가스관(29)이 설치되고, 상기 제1 쵸크부(25)가 단락될 때 상기 제2 쵸크부(28)도 단락된다.
According to an embodiment of the present invention, the
상기 제2 초크부(28) 역시 인가된 주파수의 1/4파장의 길이를 갖는 동일 구조의 임피던스 정합 밀봉장치를 가지고 있어 어떠한 마이크로파의 누설도 없다. 특히 주입관(30)이 절연제를 사용하지 않은 도파관 형식의 동축라인인 경우 생성가스 추출부(40)를 따로 설치하지 않고서도 제2 초크부(28)에 연결된 제1 가스관(29)을 통해 지중 석탄가스화 생성물을 추출할 수 있다. 상기 제1 가스관(29)은 생성가스 추출부(40)가 따로 설치되어 있는 경우 다른 산화제 가스의 주입구로도 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다.
The
상기 추출부(4)는 상기 지중 석탄층 또는 더미(12)로부터 생성된 가스를 지상(10)으로 추출하는 추출관(40); 상기 추출관(40)의 하부에 형성되어 상기 지중 석탄층 또는 더미(12)로부터 생성된 생성 가스를 상기 추출관(40)내로 흡입하는 추출관 하부 흡입 필터(41); 및 상기 추출관(40)의 상부에 설치되어 상기 추출관(40)을 통해 흘러나오는 생성가스를 지상으로 배출시키는 제2 가스관(42)을 포함한다.The
상기 추출관(40)은 지상(10)으로부터 지중 석탄층 또는 더미(12)를 관통되도록 설치되어 있어, 지중 석탄층으로부터 생성된 가스를 곧바로 지상(10)으로 추출시킬 수 있다. 상기 추출관은 당해 기술분야에서 알려진 방법 및 재료로 제조되어 설치될 수 있으므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다. The
상기 흡입 필터(41)는 상기 추출관(40)의 하단 즉, 지중 석탄층(12) 내에 위치한 추출관(40)의 하단에 다수 형성되어 있고, 지중 석탄층으로부터 생성된 가스를 반응후 남은 재나 석탄 잔류물외에 생성가스만이 통과되도록 구성되어 있다. The
상기 제2 가스관(42)은 상기 추출관(40)을 통해 흘러 나온 생성가스를 수집하는 것으로, 상기 제2 가스관(42)은 상기 제1 가스관(29)와 연결되거나 또는 단독으로 여러 정제장치(50), 분리장치(60) 또는 에너지 전환장치(70)들에 차례로 또는 직접 연결 설치되어, 지중 석탄층으로부터 생성된 가스가 지상(10)에서 대체 에너지로서 사용될 수 있게 된다.
The
석탄의 열분해에 의해 생성된 가스는, 혼합가스로서 CO + H2, H2O, CO2, CH4, H2S 등으로 이루어져 있으며, 이는 정제장치(50)에 의해 정제될 수 있다.The gas produced by the thermal decomposition of coal is composed of CO + H 2 , H 2 O, CO 2 , CH 4 , H 2 S and the like as a mixed gas, which can be purified by the
정제된 가스는 다시 정제장치(50)에 제1 연결관(52)을 통해 연결된 분리장치(60)를 통해 CO2가 분리된다. 상기 분리된 CO2는 상기 공급부(3)에 연결된 제2 연결관(62)을 통해 산화제로서 재활용된다.
The purified gas is further separated from the CO 2 through a
또한, 상기 정제 및/또는 CO2 분리된 가스는 석탄 복합화력발전(IGCC) 플랜트(71) 또는 석탄액화(CTL)용 F-T 합성 반응장치(72) 등과 같은 에너지 전환장치(70)를 거쳐 필요한 에너지 자원으로 전환된다.
In addition, the purified and / or
이하 본 발명을 실시예를 통해 보다 상세히 설명한다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
실시예 1 (국산무연탄의 마이크로파 열분해 가스화)Example 1 (Microwave Pyrolysis Gasification of Domestic Anthracite Coal)
질소분위기의 내경 0.75“ 순환식 석영관 반응기에서 마이크로파에 의한 국산무연탄 가스화 실험결과, 생성된 가스는 주로 H2 , CO, CO2, CH4,성분이었다. 이는 원료석탄(KAC)이 석영관을 통해 입사된 마이크로파를 흡수하여 자체적으로 급속 발열함으로써 석탄 내에 존재하는 수분과 휘발성분이 다음 마이크로파 열분해 반응식에 따라 기질인 탄소와 반응하거나 분해되어 가스화됨을 나타낸다.In the experiment of domestic anthracite coal gasification by microwave in a 0.75 ”circulating quartz tube reactor with a nitrogen atmosphere, the produced gases were mainly H 2 , CO, CO 2 , CH 4 , and components. This indicates that the raw coal (KAC) absorbs the microwaves incident through the quartz tube and rapidly heats itself so that the water and volatile components present in the coal react or decompose with the substrate carbon according to the following microwave pyrolysis reaction.
도 2는 2.45GHz 마이크로파 입사전력이 800watts일 때 조사시간에 따른 생성가스의 조성변화를 나타낸 그래프이다(20g, N2). 이에 의하면 초기 생성된 CO2 및 CH4는 마이크로파 조사 약 10분 이후 재순환되면서 각각 다음 열분해 반응식에 의해 CO 및 H2로 분해되어 종국적으로 H2/CO비가 약 1.3인 합성가스를 얻을 수 있음을 알 수 있다.Figure 2 is a graph showing the composition change of the product gas with the irradiation time when the 2.45GHz microwave incident power is 800watts (20g, N 2 ). According to this, the generated CO 2 and CH 4 are recycled after about 10 minutes of microwave irradiation, and are respectively decomposed into CO and H 2 by the following pyrolysis reaction equation, and finally, a synthesis gas having an H 2 / CO ratio of about 1.3 can be obtained. Can be.
실시예 2 (석탄의 종류에 따른 마이크로파 흡수특성)Example 2 (Microwave Absorption Characteristics According to Type of Coal)
마이크로파 입사전력이 500watts일 때 실시예 1의 실험장치 및 방법과 동일한 조건에서 다양한 탄소성 물질등에 대한 단위무게 및 부피당 마이크로파 흡수율을 측정하여 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3으로부터, 탄화도(C/H비)가 높은 국산 무연탄시료(KAK-A2, KAM-A1)와 다공성 상용활성탄 시료(Calg-w1, FMC-char)의 마이크로파 흡수율은 매우 높은 반면, 탄화도가 낮은 중국산 동팡탄(CAD-A1, 아역청탄급)과 인도네시아 로토탄(IAR-A1, 갈탄급)의 경우 매우 낮은 마이크로파 흡수율을 보이는 것을 알 수 있다.특히 동일 탄질의 경우 다공성 시료가 보다 높은 마이크로파 흡수율을 보인다는 점에서, 다공성 상용 활성탄으로 가공된 미국 Calgon사 시료(Calg-w1, 800m2/g) 및 FMC사 시료(FMC-char, 62m2/g)와 거의 같거나 더 높은 단위부피당 마이크로파 흡수율을 보인 원료석탄 그대로의 국산무연탄(2-5m2/g)의 경우 마이크로파에 의한 자체 급속 발열특성을 이용한 지중 석탄가스화에 보다 유리함을 알 수 있다.
When the microwave incident power is 500watts, the unit weight and the microwave absorption rate per volume for various carbonaceous materials were measured under the same conditions as the experimental apparatus and method of Example 1, and the results are shown in FIG. 3. From FIG. 3, microwave absorption rates of domestic anthracite samples (KAK-A2, KAM-A1) and porous commercial activated carbon samples (Calg-w1, FMC-char) with high carbonization (C / H ratio) are very high, while the carbonization is low. In China, Dongfangtan (CAD-A1, sub-bituminous coal) and Indonesian Rototan (IAR-A1, lignite) show very low microwave absorption, especially in the same carbon, porous samples have higher microwave absorption. seen from point, the US Calgon Corporation sample (Calg-w1, 800m 2 / g) processing the porous commercial activated carbon with and FMC Corporation sample (FMC-char, 62m 2 / g) and approximately equal to or higher per unit volume of the microwave absorption rate The domestic anthracite coal (2-5m 2 / g) as raw coal is shown to be more advantageous to underground coal gasification using the rapid self-heating characteristics by microwave.
실시예 3 (자기개시제(Self-susceptor)를 이용한 가스화방법)Example 3 (Gasification Method Using Self-susceptor)
실시예 2과 동일한 방법으로 탄화도(C/H비)가 매우 낮아 마이크로파를 거의 흡수하지 않은 토탄(peat) 또는 갈탄(lignite)과 같은 역청탄급 이하의 지중석탄(CAD-A1, IAR-A1)의 마이크로파에 의한 흡수특성이 자기개시제에 의하여 증가될 수 있는지를 확인하기 위하여, 토탄보다 낮은 C/H비를 갖는 왕겨를 사용하여 마이크로파 흡수율을 측정하였다.
In the same way as in Example 2, the carbon (C / H ratio) is very low, and the bituminous coals (CAD-A1, IAR-A1) of sub-bituminous grades, such as peat or lignite, which hardly absorb microwaves. In order to confirm whether the absorption characteristics by microwaves can be increased by the magnetic initiator, the microwave absorption rate was measured using a rice hull having a lower C / H ratio than peat.
도 4는 자기개시제로 C/H 몰비에 따른 마이크로 흡수율을 측정한 것을 나타낸 그래프이다(열적 탄화왕겨와 원료왕겨의 혼합비율에 따른 마이크로파 흡수특성). 이에 의하면 C/H몰비가 2.7이상인 것을 혼합할 경우 연속적인 마이크로파 탄화 가능성을 확인할 수 있었다.Figure 4 is a graph showing the measurement of the micro-absorption rate according to the C / H molar ratio as a self-initiator (microwave absorption characteristics according to the mixing ratio of thermal carbonized chaff and raw rice husk). According to this, the possibility of continuous microwave carbonization was confirmed when mixing the C / H molar ratio of 2.7 or more.
도 5는 자기개시제의 함량을 변화시키면서 마이크로파 흡수율을 측정하여 그래프로 나타낸 것으로, 이에 의하면 자기개시제의 혼합비율에 따른 마이크로파 흡수율을 알 수 있다. 따라서 이로부터 지중석탄 가스화에 필요한 자기개시제의 최소 혼합비율을 알 수 있다. Figure 5 shows the graph by measuring the microwave absorption rate while changing the content of the magnetic initiator, it can be seen that the microwave absorption rate according to the mixing ratio of the magnetic initiator. Therefore, the minimum mixing ratio of the self-initiator required for underground coal gasification can be known from this.
즉, 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이 낮은 C/H비를 갖는 탄소성 벌크물질의 마이크로파 흡수율은 C/H비가 2.7이상으로 탄화된 자기개시제의 혼합비율을 높임에 따라 증가하였으나, 6wt.% 이상이 되면 거의 일정한 값을 갖는 것으로 보아 연속적인 지중 석탄층의 가스화를 위한 자기개시제의 최소 혼합비율은 약 6wt.% 이내임을 알 수 있다.
That is, as can be seen from Figure 4, the microwave absorption rate of the carbonaceous bulk material having a low C / H ratio was increased as the C / H ratio was increased to more than 2.7, the mixing ratio of the carbonized self-initiator, but more than 6wt.% In this case, since it has a substantially constant value, it can be seen that the minimum mixing ratio of the self-initiator for gasification of the continuous underground coal seam is within about 6 wt.%.
따라서 상기 실시예로부터 마이크로파에 의한 석탄의 가스화가 가능하며, 상기 마이크로파의 흡수율이 낮은 토탄등의 경우도 자기개시제와 같은 마이크로파 흡수 개시제에 의해 충분히 가스화가 가능하다는 것을 알 수 있다.
Accordingly, it can be seen from the above embodiment that the gas can be gasified by microwaves, and even in the case of peat and the like having low microwave absorption rate, gas can be sufficiently gasified by a microwave absorption initiator such as a magnetic initiator.
1: 지중 석탄층의 가스화 장치 2: 마이크로파 발생부
3: 공급부 4: 추출부
10: 지상 11: 대수층
12: 석탄층 또는 더미 13: 기반 암석층
14: 공동(Cavitiy)
20: 정제장치, 전력장치 21: 마이크로파 발생장치
22: 마이크로파 인입 전도관 23: 자동 임피던서 정합 제어장치
24: 마이크로파 인입 내부 전도관
25: 제1 쵸크부
27: 임피던스 정합 슬라이딩 밀봉장치
28: 제2 쵸크부 29: 제1 가스관
30: 주입관 32: 마이크로파 분산 슬롯
33: 내부 주입관 31: 지하 내부 주입관
34: 지상 내부 주입관
40: 추출관 41: 흡입 필터
42: 제2 가스관
50: 정제장치 52: 제1 연결관
60: 분리장치 62: 제2 연결관
70: 에너지 전환 장치 1: Gasifier of underground coal seam 2: Microwave generator
3: supply part 4: extraction part
10: ground 11: aquifer
12: coal seam or pile 13: based rock bed
14: Cavitiy
20: refinery device, power device 21: microwave generator
22: microwave induction conductor 23: automatic impedance matching controller
24: microwave entry inner conductor
25: First choke section
27: impedance matching sliding seal
28: second choke part 29: first gas pipe
30: injection tube 32: microwave dispersion slot
33: internal injection tube 31: underground internal injection tube
34: ground internal injection tube
40: extraction tube 41: suction filter
42: second gas pipe
50: refiner 52: first connector
60: separator 62: second connector
70: energy conversion device
Claims (20)
상기 마이크로파가 300Mhz~30GHz의 주파수 대역의 1cm~1m의 파장대역 중 ISM(Industry, Science, Medicine) 주파수의 적어도 하나의 마이크로파이며,
상기 마이크로파를 공급하는 단계(S1)에서 상기 지중 석탄층에 상기 마이크로파외에 산화제가 더 공급되고,
주입관(30)과 추출관(40) 사이의 지중 석탄층을 크레킹하여 상기 주입관(30)과 상기 추출관(40) 사이에 초기 유체 흐름 통로를 확보하는 단계(S1')를 더 포함하며, 상기 초기 유체 흐름 통로 확보 단계(S1')는 상기 마이크로파 공급단계(S1)의 전 또는 후에 수행되는 것을 특징으로 하는 지중 석탄층의 가스화 방법.Supplying at least one microwave to the underground coal bed or pile 12 (S1); And collecting the gas generated from the underground coal bed or the heap 12 by the supplied microwave (S2),
The microwave is at least one microwave of the ISM (Industry, Science, Medicine) frequency of the wavelength band of 1cm ~ 1m of the frequency band of 300Mhz ~ 30GHz,
In step S1 of supplying the microwave, an oxidizing agent is further supplied to the underground coal layer in addition to the microwave,
And cracking the underground coal layer between the injection pipe 30 and the extraction pipe 40 to secure an initial fluid flow path between the injection pipe 30 and the extraction pipe 40 (S1 '). And the initial fluid flow passage securing step (S1 ') is performed before or after the microwave supplying step (S1).
상기 수집된 생성가스를 정제하고 상기 생성가스로부터 CO2를 분리하는 단계(S3);
상기 정제된 가스를 에너지원으로 전환시키는 단계(S4); 및
상기 CO2를 상기 산화제로 재활용하는 단계(S5)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지중 석탄층의 가스화 방법.The method of claim 1,
Purifying the collected off-gas and separating CO 2 from the off-gas (S3);
Converting the purified gas into an energy source (S4); And
Recycling the CO 2 to the oxidizing agent (S5) further comprising the gasification method of the underground coal bed.
상기 마이크로파는 지상(10)으로부터 상기 지중 석탄층 또는 더미(12)까지 관통된 주입관(30)을 통해 상기 지중 석탄층으로 공급되고,
상기 생성가스는 상기 주입관(30)으로부터 일정 거리 떨어져 위치한 방사상으로 배치된 추출관(40)을 통해 수집되는 것을 특징으로 하는 지중 석탄층의 가스화 방법.The method of claim 1,
The microwave is supplied to the underground coal layer through the injection pipe 30 penetrated from the ground 10 to the underground coal layer or pile 12,
The product gas is a gasification method of the underground coal seam, characterized in that collected through the radially arranged extraction pipe 40 located a certain distance away from the injection pipe (30).
상기 지중 석탄층으로부터 생성된 상기 생성가스의 수집이 상기 주입관(30)을 통해 이루어지고,
상기 주입관(30)은 절연체(Dielectric Insulator)를 사용하지 않는 도파관 형식의 동축 전송라인인 것을 특징으로 하는 지중 석탄층의 가스화 방법.5. The method of claim 4,
Collection of the generated gas generated from the underground coal bed is made through the injection pipe 30,
The injection pipe (30) is a gasification method of underground coal seams, characterized in that the waveguide type coaxial transmission line using no insulator (Dielectric Insulator).
상기 지중 석탄층에 마이크로파 흡수 개시제(Susceptor 또는 Sensitizer)가 사용되는 것을 특징으로 하는 지중 석탄층의 가스화 방법.6. The method according to any one of claims 1 to 5,
Microwave absorption initiator (Susceptor or Sensitizer) is used for the underground coal bed gasification method of the underground coal bed.
상기 마이크로파 흡수 개시제는 열분해된 자체물질(Pyrolysis, Thermal decomposition)인 것을 특징으로 하는 지중 석탄층의 가스화 방법.The method of claim 7, wherein
The microwave absorption initiator is a method of gasification of the underground coal seam, characterized in that the pyrolysis (thermal decomposition) material.
상기 공급부(3)는, 지상(10)로부터 상기 지중 석탄층 또는 더미(12)를 관통하도록 설치되어, 상기 마이크로파를 상기 지중 석탄층으로 주입하는 주입관(30); 및 상기 주입관(30)의 하부에 형성되어 상기 마이크로파가 상기 지중 석탁층 또는 더미(12)에 분산되도록 하는 다수의 마이크로파 분산 슬롯(32)으로 이루어지고,
상기 마이크로파 발생부(2)는, 상기 마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생장치(21); 상기 마이크로파 발생장치(21)에 연결된 제어장치(20); 및 상기 마이크로파 발생장치(21)와 상기 공급부(3)를 연결하는 마이크로파 인입 전도관(22)을 포함하며, 상기 마이크로파 인입 전도관(22)은 그 내부에 마이크로파 인입 내부 전도관(24)을 포함하는 것을 특징으로 하는 지중 석탄층의 가스화 장치.A microwave generator 2 for generating microwaves; A supply unit (3) for supplying the microwave, or the microwave and the oxidant to the underground coal layer or the heap (12); And an extraction unit 4 for extracting the gas generated from the underground coal layer or the pile 12 by the microwaves,
The supply unit 3 is installed to penetrate the underground coal layer or pile 12 from the ground (10), the injection pipe 30 for injecting the microwave into the underground coal layer; And a plurality of microwave dispersion slots 32 formed in the lower portion of the injection tube 30 so that the microwaves are dispersed in the underground turbidity layer or the dummy 12.
The microwave generator 2 includes a microwave generator 21 for generating the microwaves; A control device 20 connected to the microwave generator 21; And a microwave induction conductor tube 22 connecting the microwave generator 21 and the supply part 3, wherein the microwave induction conductor tube 22 includes a microwave inlet conductor tube 24 therein. Gasification device of underground coal seam to be.
상기 마이크로파 인입 전도관(22)에는 자동 임피던스 정합 제어장치(23)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 지중 석탄층의 가스화 장치.10. The method of claim 9,
The microwave incoming conductive pipe (22) is a gasifier of the underground coal bed, characterized in that the automatic impedance matching control device (23) is provided.
상기 주입관(30)은 그 내부에 내부 주입관(33)을 구비하며,
상기 내부 주입관(33)은 지상에 설치되어 있는 지상 내부 주입관(34)과 지하에 설치되어지는 지하 내부 주입관(31)으로 이루어지되, 상기 지상 내부 주입관(34)을 통해 주입된 상기 산화제가 상기 지하 내부 주입관(31)을 따라 지중 석탄층 또는 더미(12) 하부의 기반 암석층(13)의 공동(34, cavity)에 공급되는 것을 특징으로 하는 지중 석탄층의 가스화 장치.10. The method of claim 9,
The injection tube 30 has an internal injection tube 33 therein,
The internal injection pipe 33 is composed of the above-ground internal injection pipe 34 is installed on the ground and the underground internal injection pipe 31 is installed in the base, the injection through the above ground internal injection pipe 34 An apparatus for gasification of underground coal seams, characterized in that an oxidant is supplied to the cavity (34, cavity) of the underground coal seam or base rock layer (13) below the pile (12) along the underground internal injection pipe (31).
상기 주입관(30)의 상부에는 임피던스 정합 슬라이딩 밀봉장치(27, Sliding Seal)가 부착된 제1 쵸크부(25)가 설치되는 것을 특징으로 하는 지중 석탄층의 가스화 장치.15. The method of claim 14,
The gasifier of the underground coal seam, characterized in that the first choke portion (25) having an impedance matching sliding sealing device (27, Sliding Seal) is installed on the injection pipe (30).
상기 주입관(30)이 절연체(Dielectric Insulator)를 사용하지 않는 도파관 형식의 동축 전송라인이고,
상기 주입관(30)의 상단 일측면에 임피던스 정합 슬라이딩 밀봉장치가 부착된 제2 쵸크부(28)를 설치하고, 상기 제2 쵸크부(28)에 제1 가스관(29)이 설치되고,
상기 제1 쵸크부(25)가 단락될 때 상기 제2 쵸크부(28)도 단락되는 것을 특징으로 하는 지중 석탄층의 가스화 장치.16. The method of claim 15,
The injection tube 30 is a waveguide type coaxial transmission line that does not use a dielectric insulator,
A second choke part 28 having an impedance matching sliding sealing device is installed on one side of the upper end of the injection pipe 30, and a first gas pipe 29 is installed in the second choke part 28.
The second choke part (28) is also short-circuited when the first choke part (25) is shorted.
상기 추출부(4)는 상기 지중 석탄층 또는 더미(12)로부터 생성된 가스를 지상(10)으로 추출하는 추출관(40);
상기 추출관(40)의 하부에 형성되어 상기 지중 석탄층 또는 더미(12)로부터 생성된 생성 가스를 상기 추출관(40)내로 흡입하는 추출관 하부 흡입 필터(41); 및
상기 추출관(40)의 상부에 설치되어 상기 추출관(40)을 통해 흘러나오는 생성가스를 지상으로 배출시키는 제2 가스관(42)을 포함하는 것을 특징으로 하는 지중 석탄층의 가스화 장치.10. The method of claim 9,
The extraction unit 4 is an extraction pipe 40 for extracting the gas generated from the underground coal layer or pile 12 to the ground (10);
An extraction pipe lower suction filter 41 formed below the extraction pipe 40 to suck the generated gas generated from the underground coal layer or the dummy 12 into the extraction pipe 40; And
The gasifier of the underground coal bed, characterized in that it comprises a second gas pipe (42) installed on the upper portion of the extraction pipe (40) for discharging the generated gas flowing through the extraction pipe (40) to the ground.
상기 제2 가스관(42)에 연결되어 상기 생성가스를 정제하는 정제장치(50)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지중 석탄층의 가스화 장치.18. The method of claim 17,
The gasifier of the underground coal bed further comprises a purifier (50) connected to the second gas pipe (42) to purify the generated gas.
상기 정제장치(50)에 제1 연결관(52)을 통해 연결되어 정제된 가스로부터 CO2를 분리하는 CO2 분리장치(60); 및
상기 분리장치(60)와 상기 공급부(3)를 연결하여 상기 분리된 CO2를 상기 공급부(3)에 재활용되도록 하는 제2 연결관(62)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지중 석탄층의 가스화 장치.19. The method of claim 18,
A CO 2 separation device 60 connected to the refining device 50 through a first connection pipe 52 to separate CO 2 from the purified gas; And
The gasifier of the underground coal bed further comprises a second connecting pipe 62 for connecting the separator 60 and the supply part 3 to recycle the separated CO 2 to the supply part 3. .
상기 추출부(4)에 연결되어 공급받은 상기 추출된 가스를 필요한 에너지원으로 전환시키는 에너지원 전환장치(70)를 더 포함것을 특징으로 하는 지중 석탄층의 가스화 장치.The method according to any one of claims 9, 12, 14-19,
An apparatus for gasification of underground coal beds, further comprising an energy source switching device (70) connected to the extraction unit (4) to convert the extracted gas into a required energy source.
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