KR101277123B1 - 플라즈마 건식 개질장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 플라즈마를 통해 주입된 메탄과 이산화탄소를 개질하여 수소와 일산화탄소를 주성분으로 하는 합성가스를 생성하는 플라즈마 건식 개질장치에 있어서, 내부로 공급되는 이산화탄소를 플라즈마화하여 이산화탄소 플라즈마를 생성하고, 생성된 이산화탄소 플라즈마에 탄화수소체를 공급하여 플라즈마 화염을 점화하며, 상기 플라즈마 화염에 메탄을 공급하여 상기 합성가스를 생성하는 플라즈마 개질기(100,200);를 포함하는 플라즈마 건식 개질장치를 개시한다.

Description

플라즈마 건식 개질장치{Plasma Dry Reforming Apparatus}
본 발명은 플라즈마 건식 개질장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마를 통해 주입된 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)를 개질하여 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 주성분으로 하는 합성가스를 생성하는 플라즈마 건식 개질장치에 관한 것이다.
일반적으로 수소와 일산화탄소의 혼합가스인 합성가스는 암모니아, 메탄올, 아세트산, DME(DiMethyl Ether), 합성 가솔린과 경유와 같은 화학원료와 환경적으로 청정 연료를 합성하는데에 있어서 중요한 매개체 물질이며 상기와 같은 생산물들을 합성하기 위해서는 수소와 일산화탄소의 다양한 몰비(H2/CO)가 필요하다. 예를 들어, 메탄올을 합성하기 위해서는 2/1의 몰비가, 아세트산 또는 Methyl Formate, DME를 합성하기 위해서는 1/1의 몰비가 필요하다.
상기 합성가스는 석탄, 석유, 천연가스, 바이오매스(Biomass)로부터 만들어지며 심지어 유기화합물질의 폐기물(Organic Waste)들로부터도 만들어지고 있으나, 현재, 천연가스는 합성가스를 생산하는 데에 가장 큰 소스(Source)이며 가장 저렴하고 환경친화적인 이유로 합성가스를 생산하는 데에 그 사용이 점점 늘어나고 있다.
천연가스를 이용하는 합성가스를 제조하는 기술에는, 메탄의 스팀 개질(습식 개질), 메탄의 부분 산화(Partial Oxidation), 메탄의 이산화탄소 개질(건식 개질) 및, 상기 메탄의 스팀 개질과 이산화탄소 개질의 조합된 방식을 이용할 수 있으나, 합성가스를 생산하는 전통적이고 잠재적 산업공정은 메탄의 스팀 개질 방법이다.
이 방법은 일반적으로 습식 개질이라 하며 수소/일산화탄소 몰비는 3 또는 그 이상이며, 습식 개질은 암모니아 합성에 적당하지만 메탄올과 다른 많은 합성 공정들에서 여분의 수소를 필요로 한다. 반면에, 습식 공정 반응에서 1몰의 일산화탄소를 만드는 데에 최소한 1몰의 메탄이 필요하다.
CH4 + H2O → CO + 3H2 ΔH = 206kJ/mol
CH4 + CO2 → 2CO + 2H2 ΔH = 247kJ/mol
CH4-CO2 개질은 메탄의 소비를 줄일 뿐만 아니라, 이산화탄소를 사용하기 때문에 매우 매력적인 합성가스 제조공정으로 관심을 끌고 있다.
습식개질과 부분산화 공정과 비교했을 때, 이산화탄소 또한 탄소 소스(Carbon source)이기 때문에 화학양론적으로 CH4-CO2 개질은 1 몰의 일산화탄소를 만드는 데에 ½ 몰의 메탄을 필요로 한다. CH4-CO2 개질은 1/1의 수소/일산화탄소 몰비를 갖지만, 공정의 Feeding에서 메탄/이산화탄소 비율을 조절함으로서 수소/일산화탄소 몰비를 비교적 쉽게 제어할 수 있다. 그러므로, CH4-CO2 개질로부터 합성가스는 아세트산 또는 Methyl Formate 제조공정에서 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 습식 공정과 결합시켰을 때, 다양한 물질을 제조하는 데에 필요한 수소/일산화탄소 몰비를 만족시킬 수 있다.
그러나, CH4-CO2 개질 공정은 높은 흡열반응이며 산업에서 요구하는 조건을 만족시키기 위해서는 상당한 반응율(Reaction Rate)을 달성할 수 있는 특별한 방법들이 필요하다. 이런 맥락에서 촉매와 플라즈마 기술들은 산업에서 요구하는 조건을 만족시킬 수 있는 잠재적 기술로서 여겨져 왔지만, 지금까지 상업화되지 못하였다.
도 1 및 도 2를 참고하면, CH4-CO2 촉매개질 공정은 그 촉매 반응 공정에서 메탄와 이산화탄소는 촉매로 채워진 Tubiform 고정층 반응기로 주입되며 반응에 필요한 열에너지는 반응기 외부에서 천연가스의 연소에너지로부터 공급된다. CH4-CO2 촉매개질 반응기가 메탄의 습식개질 반응기와 같이 사용될 수 있을지라도, CH4-CO2 촉매 개질 공정이 실험실 규모에서 상업화 규모로 넘어가는 데에 걸림돌이 되는 가장 큰 장벽은 촉매 비활성화의 원인이 되는 촉매 표면의 탄소 증착이다.
한편, 플라즈마 CH4-CO2 개질 공정은 아크 방전을 이용하여 매우 제한적인 조건에서 수행되었다. 촉매 개질 공정과 비교하였을 때, 전자유도 화학반응과 열화학 반응을 가진 플라즈마 CH4-CO2 개질 반응은 높은 전환율과 선택성을 보여주었으며 탄소 증착의 문제가 없었다. 그러므로, 플라즈마 발생의 에너지 사용이라는 문제에도 불구하고 지난 10여년 동안 지속적 연구 관심의 증가를 보이고 있다.
한국 공개특허공보 제2010-0017757호(2010.02.16), 합성 가스의 제조 방법
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 플라즈마를 통해 주입된 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)를 개질하여 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 주성분으로 하는 합성가스를 생성함으로써, 메탄의 소비는 감소시킴과 동시에 이산화탄소의 소비는 대폭 증가시킬 수 있는 플라즈마 건식 개질장치를 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 플라즈마를 이용한 건식 개질공정에 스팀(H2O)를 주입하여 플라즈마 습식공정을 결합시킴으로써 플라즈마를 위한 전기에너지 사용량은 감소시키면서 수소/일산화탄소 몰비를 제어하여 다양한 화학 물질을 생성할 수 있는 플라즈마 건식 개질장치를 제공하는 것에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 건식 개질장치는, 플라즈마를 통해 주입된 메탄과 이산화탄소를 개질하여 수소와 일산화탄소를 주성분으로 하는 합성가스를 생성하는 플라즈마 건식 개질장치에 있어서, 내부로 공급되는 이산화탄소를 플라즈마화하여 이산화탄소 플라즈마를 생성하고, 생성된 이산화탄소 플라즈마에 탄화수소체를 공급하여 플라즈마 화염을 점화하며, 상기 플라즈마 화염에 메탄을 공급하여 상기 합성가스를 생성하는 플라즈마 개질기(100,200);를 포함한다.
여기서, 상기 플라즈마 개질기(100)는, 내부에는 플라즈마가 생성되는 반응공간부(111)가 형성되고, 하부에는 상기 반응공간부(111)와 연통되어 상기 메탄을 상기 반응공간부(111)의 내부로 주입하는 메탄공급관(112)이 형성되며, 측부 둘레에는 상기 반응공간부(111)와 연통되어 상기 이산화탄소를 상기 반응공간부(111)의 내부로 주입하는 이산화탄소 공급관(113)이 형성되는 몸체부(110); 상기 몸체부(110)의 반응공간부(111) 내에 안착되며, 마이크로웨이브를 공급받아 상기 반응공간부(111) 내에서 플라즈마를 생성하는 방전관(120); 상기 방전관(120)와 연결되도록 상기 몸체부(110)에 체결되며, 기 설정된 주파수의 마이크로웨이브를 전달받아 상기 방전관(120)에 인가하는 도파관(130); 및 상기 반응공간부(111)의 내부로 탄화수소체를 주입하는 탄화수소체 공급관(140);을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 플라즈마 건식 개질장치에 의하면,
첫째, 플라즈마를 통해 주입된 메탄과 이산화탄소를 개질하여 수소와 일산화탄소를 주성분으로 하는 합성가스를 생성함으로써, 상기 합성가스를 생성하는데 필요한 메탄의 소비는 감소시킴과 동시에 이산화탄소의 소비는 대폭 증가시킬 수 있다. 즉, 지구온난화 물질인 이산화탄소를 원료로 사용함으로써 이산화탄소를 저감할 수 있는 효과를 구현한다.
둘째, 플라즈마를 이용한 건식 개질공정에 스팀(H2O)를 주입하여 플라즈마 습식공정을 결합시킴으로써 플라즈마 생성을 위한 전기에너지 사용량은 감소시키면서 수소/일산화탄소 몰비를 제어하여 다양한 화학 물질을 생성할 수 있다.
셋째, 플라즈마 메탄-일산화탄소 개질 반응으로부터 생성된 합성가스를 디메틸에테르를 생성하기 위한 DME 제조공정, 합성가스로부터 수소와 일산화탄소를 상호 분리시키는 합성가스 분리공정 및 전기를 생성하기 위한 발전공정에 선택적으로 제공할 수 있는 효과를 제공한다.
넷째, 이산화탄소 공급관 및 탄화수소체 공급관은, 방전관 또는 몸체부의 둘레면에 대하여 접선(Tangent Line)된 형태로 형성되어, 외부로부터 공급되는 이산화탄소 및 탄화수소체가 상기 방전관 또는 몸체부의 내벽면에 의해 안내되어 와류를 형성하며 상기 반응공간부로 유입되면서 플라즈마와 상호 혼합되며 반응함으로써, 이산화탄소, 메탄, 플라즈마 및 탄화수소체가 반응공간부 내에서 균일하게 혼합되면서 안정적으로 화학적 반응할 수 있음은 물론, 고온의 플라즈마 화염으로부터 방전관 및 몸체부의 내벽면을 보호할 수 있다.
다섯째, 상기 이산화탄소 공급관은, 상기 몸체부의 수평중심선(L)에 대하여 상부방향으로 일정각도로 기울어진 상태로 배치되어 상기 반응공간부의 내부에 상향하면서 와류되는 이산화탄소를 주입하며, 탄화수소체 공급관은 상기 몸체부의 수평중심선(L)에 대하여 하부방향으로 일정각도로 기울어진 상태로 배치되어 상기 반응공간부의 내부로 하향하면서 와류되는 탄화수소체를 주입함으로써, 상기 이산화탄소 공급관으로부터 주입되는 이산화탄소에 의한 상승 기류는 개질된 합성가스의 배출방향에 대하여 순방향 와류(Conventional Vortex Flow)로서 작용하며, 상기 탄화수소체 공급관으로부터 주입되는 탄화수소체에 의한 기류는 개질된 합성가스의 배출방향에 대하여 역방향 와류(Reverse Vortex Flow)로서 작용하게 되어, 각 가스 유동의 상호작용으로 반응공간부 내부에서 플라즈마, 이산화탄소, 메탄 및 탄화수소체가 상호 반응되어 개질될 수 있는 시간이 증가하면서 개질의 효율성이 극대화된다.
도 1 및 도 2는 종래의 촉매개질기를 이용한 개질장치의 구성을 나타낸 개략도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 건식 개질장치의 구성을 나타낸 개략도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로웨이브 토치 플라즈마 건식개질기의 구성을 나타낸 단면도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로웨이브 토치 플라즈마 건식개질기의 이산화탄소 공급관이 몸체부의 둘레면에 대하여 접선된 형태로 형성된 구성을 나타낸 단면도,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 아크 토치 플라즈마 건식 개질기의 구성을 나타낸 단면도,
도 7은 열플라즈마에서 온도에 따른 이산화탄소와 분해 산물의 몰분율 변화를 나타낸 그래프,
도 8은 플라즈마 전자로부터 이산화탄소 분자의 다양한 여기경로(채널)들로 전달되는 비열 이산화탄소 방전 에너지의 분율을 나타낸 그래프,
도 9는 이산화탄소의 Low Electronic Terms을 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순수 CO2 플라즈마의 optical emission spectrum을 나타낸 그래프,
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 개질기의 내벽 또는 내부에는 광촉매가 채워진 상태를 나타낸 개략도,
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 건식 개질장치의 다른 구성을 나타낸 개략도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 건식 개질장치는, 플라즈마를 통해 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)를 개질하여 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 주성분으로 하는 합성가스를 생성하며, 생성된 합성가스를 디메틸에테르를 생성하는 DME 제조공정, 합성가스로부터 수소와 일산화탄소를 상호 분리시키는 합성가스 분리공정 및 전기를 생성하기 위한 발전공정에 선택적으로 제공할 수 있는 개질장치로서, 도 3에 도시된 바와 같이, 플라즈마 개질기(100,200), CO2 흡수공정부(300), DME 제조공정부(400) 및 발전부(600)를 포함하여 구비된다.
먼저, 상기 플라즈마 개질기(100,200)는, 내부로 공급되는 이산화탄소를 플라즈마화하여 이산화탄소 플라즈마를 생성하고, 생성된 이산화탄소 플라즈마에 탄화수소체를 공급하여 플라즈마 화염을 점화하며, 상기 플라즈마 화염에 메탄을 공급하여 상기 합성가스를 생성하는 구성요소로서, 상기 플라즈마를 생성하는 방식에 따라 마이크로웨이브 토치 플라즈마 건식개질기(100)와 아크 토치 플라즈마 건식 개질기(200)로 구분하여 이용할 수 있다.
상기 마이크로웨이브 토치 플라즈마 건식개질기(100)는, 도 4에 도시된 바와 같이 몸체부(110), 방전관(120), 도파관(130) 및 탄화수소체 공급관(140)를 포함하여 구비된다.
상기 몸체부(110)는 플라즈마 개질기(100)의 베이스를 형성하는 구성요소로서, 내부에는 플라즈마가 생성되는 반응공간부(111)가 형성되고, 하부에는 상기 반응공간부(111)와 연통되어 상기 메탄을 반응공간부(111)의 내부로 주입하는 메탄공급관(112)이 형성되며, 측부 둘레에는 상기 반응공간부(111)와 연통되어 상기 이산화탄소를 반응공간부(111)의 내부로 주입하는 이산화탄소 공급관(113)이 형성된다.
여기서, 상기 이산화탄소 공급관(113)은, 도 5에 도시된 바와 같이 몸체부(110)의 둘레를 따라 등간격으로 이격되어 복수 개가 형성되되, 상기 몸체부(110)의 둘레면에 대하여 접선(Tangent Line)된 형태로 형성되어, 외부로부터 공급되는 이산화탄소가 상기 몸체부(110)의 내벽면(115)에 의해 안내되어 와류를 형성하며 상기 반응공간부(111)으로 유입되면서 상기 플라즈마 및 메탄과 상호 혼합되며 반응하도록 구비될 수 있다.
이로 인해, 도 5와 같이 외부로부터 공급되는 이산화탄소가 상기 몸체부(110)의 내벽면(115)에 의해 안내되어 와류를 형성하며 상기 반응공간부(111)로 유입되면서 플라즈마와 상호 혼합되며 반응함으로써, 이산화탄소, 메탄, 플라즈마 및 탄화수소체가 반응공간부(111) 내에서 균일하게 혼합되면서 안정적으로 화학적 반응할 수 있음은 물론, 고온의 플라즈마 화염으로부터 방전관(120) 및 몸체부(110)의 내벽면(115)을 보호할 수 있는 것이다.
또한, 상기 이산화탄소 공급관(113)은 도 4에 도시된 바와 같이 상기 몸체부(110)의 수평중심선(L)에 대하여 상부방향으로 일정각도로 기울어진 상태로 배치되어 상기 반응공간부(111)의 내부에 상향하면서 와류되는 이산화탄소를 주입할 수 있다.
이로 인해, 상기 이산화탄소 공급관(113)으로부터 주입되는 이산화탄소에 의한 기류는 개질된 합성가스의 배출방향에 대하여 순방향 와류(Conventional Vortex Flow)로서 작용하게 되어, 플라즈마의 하부로 주입되는 이산화탄소 기류의 세기를 증가시켜 상기 플라즈마와 이산화탄소가 보다 원활하게 혼합될 수 있다.
더불어, 상기 이산화탄소 공급관(113)은 이산화탄소와 메탄이 상호 혼합된 혼합가스를 상기 반응공간부(111)의 내부로 주입할 수 있다.
그리고, 상기 이산화탄소 공급관(113)은 이산화탄소와 공기, 산소 또는, 이산화탄소와 스팀이 상호 혼합된 혼합물을 상기 반응공간부(111)의 내부로 주입할 수 있으며, 상기 이산화탄소 공급관(113)과는 별개로 상기 몸체부(110) 또는 방전관(120)의 둘레에는 공기, 산소 또는, 스팀을 상기 반응공간부(111)의 내부로 주입하는 공급관(미도시)이 형성될 수 있다.
이와 같이, 상기 이산화탄소와 공기 또는 산소를 상호 혼합시켜 이산화탄소 공급관(113)으로 주입하여 반응공간부(111) 내부에 형성된 플라즈마에 공급함으로써 메탄의 부분산화 또는 연소 공정을 통한 반응기의 개질온도(반응기 내부의 온도 유지)를 제공할 수 있으며, 상기 스팀(H2O)을 주입(단, Ratio of H2O/CO2 > 1)함으로써 메탄의 부분산화 공정을 통해 일산화탄소와 수소의 생산을 증가시킬 수 있다. 또한, 상시 스팀을 제어함으로써 Ratio of H2O/CO2를 제어할 수 있다.
상기 방전관(120)은, 몸체부(110)의 반응공간부(111) 내에 안착되며, 마이크로웨이브를 공급받아 상기 반응공간부(111) 내에서 플라즈마를 생성하는 구성요소로서, 원통형상으로 형성되어 상기 반응공간부(111)과 동심원을 형성하도록 수직배치된다.
상기 도파관(130)은, 방전관(120)과 연결되도록 몸체부(110)에 체결되며, 기 설정된 주파수의 마이크로웨이브를 전달받아 방전관(120)에 인가하는 구성요소로서, 도 4에는 도시되지 않았으나, 상기 도파관(130)의 전단에는, 외부로부터 공급되는 구동전력을 인가받아 마이크로웨이브를 발진하는 고주파발진기와, 상기 고주파발진기에서 발진된 마이크로웨이브를 출력함과 동시에 임피던스 부정합으로 반사되는 마이크로웨이브 에너지를 소멸시켜 상기 고주파발진기를 보호하는 순환기와, 상기 순환기로부터 출력된 마이크로웨이브의 입사파와 반사파의 세기를 조절하여 임피던스 정합을 유도함으로써 상기 마이크로웨이브로 유도된 전기장이 방전관(120) 내에서 최대가 되도록 하는 튜너를 포함하는 마이크로웨이브 공급수단에 연결된다.
여기서, 상기 마이크로웨이브 공급수단을 통해 도파관(130)에 마이크로웨이브를 공급하는 구성은 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 공지되어 이용되고 있는 기술구성이므로 구체적인 기술설명은 생략하기로 한다.
상기 탄화수소체 공급관(140)은 상기 반응공간부(111)의 내부로 탄화수소체를 주입하여 반응공간부(111)에서 생성된 플라즈마에 탄화수소체를 공급하는 구성요소로서, 도면에는 상기 방전관(120)의 둘레 일측에 배치된 것을 예시하였으나 이에 국한되는 것은 아니며, 상기 몸체부(110)의 둘레 일측 또는, 방전관(120)의 상부 둘레를 커버하는 별도의 커버부가 구비될 경우 상기 커버부의 둘레 일측에 배치되어 상기 반응공간부(111)에서 형성된 플라즈마를 향해 탄화수소체를 주입하도록 구비될 수도 있다.
여기서, 상기 탄화수소체 공급관(140)은, 상술한 이산화탄소 공급관(113)과 마찬가지로, 방전관(120) 또는 몸체부(110)의 둘레를 따라 등간격으로 이격되어 복수 개가 형성도되, 상기 방전관(120) 또는 몸체부(110)의 둘레면에 대하여 접선(Tangent Line)된 형태로 형성되어, 외부로부터 공급되는 탄화수소체가 상기 방전관(120) 또는 몸체부(110)의 내벽면(115)에 의해 안내되어 와류를 형성하며 상기 반응공간부(111)으로 유입되면서 상기 이산화탄소, 플라즈마 및 메탄과 상호 혼합되며 반응하도록 구비될 수 있다.
이로 인해, 외부로부터 공급되는 탄화수소체가 상기 방전관(120) 또는 몸체부(110)의 내벽면(115)에 의해 안내되어 와류를 형성하며 상기 반응공간부(111)로 유입되면서 플라즈마와 상호 혼합되며 반응함으로써, 이산화탄소, 메탄, 플라즈마 및 탄화수소체가 반응공간부(111) 내에서 더욱 균일하게 혼합되면서 안정적으로 화학적 반응할 수 있으며, 상기 반응공간부(111) 내에서 와류되는 기류의 세기를 더욱 증대시킬 수 있다.
또한, 도면에는 도시되지 않았으나, 상기 탄화수소체 공급관(140)은 상기 방전관(120) 또는 몸체부(110)의 수평중심선(L)에 대하여 하부방향으로 일정각도로 기울어진 상태로 배치되어 상기 반응공간부(111)의 내부에 하향하면서 와류되는 이산화탄소를 주입하도록 구비되는 것이 바람직하다.
이로 인해, 상기 이산화탄소 공급관(113)으로부터 주입되는 이산화탄소에 의한 상승 기류는 개질된 합성가스의 배출방향에 대하여 순방향 와류(Conventional Vortex Flow)로서 작용하며, 상기 탄화수소체 공급관(140)으로부터 주입되는 탄화수소체에 의한 하강 기류는 개질된 합성가스의 배출방향에 대하여 역방향 와류(Reverse Vortex Flow)로서 작용하게 되어, 각 가스 유동의 상호작용으로 반응공간부(111) 내부에서 플라즈마 화염과 이산화탄소, 메탄 및 탄화수소체가 상호 반응되어 개질될 수 있는 시간이 증가하면서 개질의 효율성을 극대화할 수 있다.
상기 탄화수소체는 탄소와 수소를 주로 포함하는 유기화합물로서, 기체, 액체, 고체의 탄화수소 화합물을 의미한다. 여기서, 상기 탄화수소체로서, 기체상태의 메탄, 에탄, 프로판, 에틸렌, 부탄 또는, 액체상태의 DME, 가솔린, 경유, 등유, 벙커 C유, 정제된 폐유 또는 고체상태의 석탄, 바이오매스 중 어느 하나를 이용할 수 있다.
또한, 상기 탄화수소체 공급관(140)은, 상기 탄화수소체로 메탄을 이용하지 않는 경우, 탄화수소체와 메탄이 상호 혼합된 혼합물을 상기 반응공간부(111)의 내부에 형성된 플라즈마로 주입하도록 구비될 수 있다.
따라서, 상기 탄화수소체로 고체 또는 액체의 탄화수소 화합물을 이용하는 경우, 반응공간부(111) 내에 형성된 플라즈마를 유지하지 못하거나 또는 불안정하게 유지될 수 있으므로, 상기 메탄을 해당 탄화수소체에 혼합하여 탄화수소체 공급관(140)을 통해 플라즈마로 주입할 수 있다.
한편, 아크 토치 플라즈마 건식 개질기(200)는, 도 6에 도시된 바와 같이 리액터부(210), 캐소드부(230) 및 전원공급부(240)를 포함하여 구비된다.
상기 리액터부(210)는 내부에 중공형태의 제1반응공간부(211)가 형성되어 플라즈마가 생성되는 공간을 제공하며, 상기 애노드부(220)는 리액터부(210)의 상부에 배치되고 상기 제1반응공간부(211)와 연통되는 중공형태의 제2반응공간부(221)가 형성되며 전원공급부(240)로부터 양전하를 인가받는다. 여기서, 상기 애노드부(220)는 도시된 바와 같이 리액터부(210)의 상부에 복수 개의 층 형태로 연속 배치될 수 있다.
상기 캐소드부(230)는 애노드부(220)의 상부에서 애노드부(220)와 인접된 위치에 배치되며 전원공급부(240)로부터 음전하를 인가받으며, 상기 전원공급부(240)는 애노드부(220)와 캐소드부(230)에 고전압을 인가한다.
따라서, 상기 전원공급부(240)에 의해 애노드부(220) 및 캐소드부(230)에 고전압이 인가되면, 상기 애노드부(220)와 캐소드부(230)의 전위차에 의해 아크가 발생하면서 플라즈마가 생성되어 상기 플라즈마를 통해 내부로 주입된 이산화탄소 또는, 이산화탄소와 메탄의 혼합가스를 개질하여 상기 합성가스를 생성하도록 동작한다.
여기서, 상기 이산화탄소 또는, 이산화탄소와 메탄의 혼합가스는 리액터부(210)와 애노드부(220)의 간극 및 복수 개의 애노드부(220)의 간극을 통해 상기 제1반응공간부(211) 및 제2반응공간부(221)로 주입될 수 있다.
일반적으로 플라즈마는 에너지 밀도 수준(Density Level), 온도, 밀도에 의존하기 때문에 CH4-CO2 개질에 적용되는 플라즈마는 열역학적 비평형(Thermodynamic Non-Equilibrium) 플라즈마(이른바, Cold Plasma(상온 플라즈마 ; 전자의 kinetic 에너지가 무거운 입자(이온, 중성입자)에 비해 훨씬 큰)와 열 역학적(Thermodynamic Equilibrium) 평형 플라즈마로 나눌 수 있다.
저온 플라즈마에서 화학반응은 전기장에 의해 가속되는 전자에 의해 대부분 발생되며 전자 충돌 해리(Dissociation), 여기(Excitation), 이온화(Ionization) 과정을 통해 중성입자에 에너지를 전달한다.
반면, 열역학적 평형 플라즈마는 열 플라즈마로서 불리워지고 무거운 입자와 전자의 온도가 거의 비슷하다. 전자와 무거운 입자와의 많은 충돌로 인해 열플라즈마에서 전자의 밀도는 저온 플라즈마 보다 더 높다. 전기장에 의해 가속된 전자의 대부분은 무거운 입자를 가열시켜 전자와 무거운 입자간의 열역학적 평형상태를 유지하게 된다. 이런 이유로, 열 플라즈마에서 화학반응은 전자와 열 화학 반응이 동시에 일어나게 된다.
도 7에서 보듯이, p = 0.16 atm.에서 4500K이면 이산화탄소는 거의 완벽하게 분해된다. p = 1 atm.이라면, 7000K에서 완벽하게 분해되는 것을 예상할 수 있다. 이런 측면에서 대기압에서 발생되는 마이크로웨이브 토치 플라즈마(중심온도 6500K)와 아크토치(중심온도 11000K)의 장점이 있다.
예를 들어, 이산화탄소가 일산화탄소와 산소원자로 분해한다고 가정하면 즉, CO2 → CO + O 이 반응에 수반되는 엔탈피와 엔트로피의 변화는 △H = 530kJ/mole과 △S = 147J/mole/degree로서 Gibbs Free Energy는 G = △H -T△S로 기술되며, 따라서 이 반응이 자발적으로 일어나는 온도는 T = △H/△S 로서 3600K로 계산된다. 가스의 온도가 7000K에서는 대부분의 이산화탄소가 분해해 버린다는 것을 알 수 있다
플라즈마에서 이산화탄소 해리(Dissociation)의 가장 효율적인 여기 경로(채널)은 Vibrational Excitation)이다. 도 8에서 보듯이, 방전 에너지의 대부분은 플라즈마 전자로부터 이산화탄소를 진동 여기시키는 데에 전달된다. 이때의 에너지는 1eV 근처이다. 앞서 설명한, 1기압 마이크로웨이브 토치 플라즈마와 아크 토치의 에너지 수준이다.
도 8에서 전자 충돌에 의한 이산화탄소의 진동 여기(Vibrational Excitation) 속도 상수는 약 kev = 1~3 × 10-8 cm3/s의 최대 값에 이른다. Vibrational-Transitional(VT) Relaxation(이완)을 통한 진동 여기 에너지 손실은 대칭적인 진동 모드와 관련되어 있고 이 것들은 상대적으로 느리다. 결국, 플라즈마 이온화도(ne/n0 ≥ 10-6)의 충분한 값을 가지고 있는 플라즈마는 CO2 Ground Electronic State(1Σ+) Vibrational Level들이 충분히 Overeqilibrium Population에 이르도록 할 수 있다(도 9 참조). 대부분 플라즈마 전자들은 Ground Electronic state CO2 1Σ+의 낮은 Vibrational Levels을 여기시킨다(도 9). 매우 높이 여기된 Levels의 Population은 Vibrational-Vibrational(V-V) Relaxation에 기인한다.
매우 큰 Vibrational 여기된 CO2 분자들이 Dissociation Threshold 값을 초과할 때, CO2 → CO + O (ΔH = 5.5 eV/mol)를 일으킬 수 있다. 도 9에서 Vibrationally 여기된 이산화탄소 분자의 Straightforward Adiabatic 해리는 여기된 산소 원자를 형성하고 7eV 이상의 에너지를 요구한다 [CO2*(1Σ+) → CO(1Σ+) + O(1D)].
Non-adiabatic Transition 1Σ+ → 3B2는 Step-by-step Vibrational 여기에 의해 훨씬 더 효율적인 해리 공정을 제공한다. CO2*(1Σ+) → CO2*(3B2) → CO(1Σ+)+ O(3P), Ea = 5.5 eV/mol]. 도 9에서 보듯이, 위의 공정은 Ground(바닥) 상태의 산소 원자[O(3P)]를 형성하고 OC=O의 결합에너지인 5.5eV의 에너지를 요한다. 이렇게 생산된 산소원자는 Vibrationally 여기된 이산화탄소 분자와 함께 두 번째 반응에 참여한다. O + CO2* → CO + O2, ΔH = 5.5 eV/mol, Ea = 0.5 . 1 eV/mol
이 반응은 Vibrational 온도(Tv)가 너무 낮지 않을 때(Tv ≥ 0.1eV), 두 번째의 CO를 만들어 낸다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 건식 개질장치(1)에서는, 상기 플라즈마 개질기(100,200)의 내벽 또는 내부에 광촉매를 채워 촉매반응 공간을 구성함으로써, 플라즈마 개질후 개질 효율을 증대시킬 수 있다. 여기서, 도 11에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 개질기(100,200)의 내벽 또는 내부에는 광촉매가 채워진 상태를 나타낸 개략도가 도시되어 있다.
일반적인 광촉매(ZnO, TiO2, 등)는 일반적으로 3.2eV의 에너지를 받게 되면 여기되어 광촉매 역할을 하게 된다. 도 8에서 보듯이 Vibrational Excitation 모드들의 대부분은 0.5eV 이상의 에너지에서 이산화탄소를 여기시키고 바닥상태로 내려오면서 해당되는 에너지 만큼의 빛을 낸다. 이런 이유로 플라즈마 개질기(100,200)의 내벽 또는 내부에 광촉매를 채움으로서 개질 효율을 높일 수 있고, 도 10에서 보듯이 순수 이산화탄소 플라즈마는 300-400 nm(~3.2 eV 근처)의 빛은 내면서 상기와 같은 이유로 광촉매를 여기시켜 개질 효과를 높일 수 있다.
상기 반응기에 채울수 있는 촉매는 하기의 [표 1]과 같다.

Catalysts		 component
Mn-Based Oxide Catalysts Mn-O/SiO2


Cr-Based Oxide Catalysts		 Cr2O3/SiO2
Cr2O3/ZrO2
Cr2O3/Al2O3
Cr2O3/TiO2
Ga-Based Oxide Catalysts Ga2O3/TiO2

Ce-Based Oxide Catalysts
 CeO2
CaO-CeO2






Other Catalysts		 Ni/Al2O3
Ni/SiO2
Ni/MgO
Ru/MgO
Ru/Eu2O2
Ru/Al2O3
Ru/Al2O3
Ru/MgO
Pt/MgO
Pt/ZrO2
Pd/MgO
Cu/SiO2
한편, 도 3 및 도 12에 도시된 바와 같이 상기 CO2 흡수공정부(300)는, 상기 플라즈마 개질기(100,200)에서 생성된 합성가스에 포함된 이산화탄소를 흡수하여 CO2 흡수공정부(300)의 후단에 배치되는 DME 제조공정부(400), 극저온 증류탑부(500) 및 발전부(600)에 수소와 일산화탄소만이 공급될 수 있도록 동작하는 구성요소로서, 상기 플라즈마 개질기(100,200)의 후단에 배치되어 상기 플라즈마 개질기(100,200)와 연결된 합성가스 공급라인을 통해 플라즈마 개질기(100,200)로부터 생성된 합성가스를 공급받으며, 상기 합성가스에 포함된 이산화탄소를 흡수한다.
여기서, 상기 CO2 흡수공정부(300)는 생성된 합성가스로부터 이산화탄소를 흡수함에 있어서 알카놀 아민 흡수제(MEA or MDEA)를 사용할 수 있다. 상기 알카놀 아민은 적어도 1개 또는 그 이산의 수산기(-OH)와 아민기(NH2-)를 가지고 있으며, 일반적으로 수산기는 증기압을 감소시켜 수용성을 증가시키는 반면, 아민기는 흡수제의 염기도를 높임으로써 산성 가스를 흡수 할 수 있는 것으로 알려져 있다.
알카놀아민은 아민기와 결합된 수산(OH-, 알콜기)기를 포함한 탄소의 수에 따라 제 1급, 제 2급 및 제 3급 알카놀 아민으로 분류되며, 이와 같은 알카놀 아민을 이용한 이산화탄소 흡수공정은 수용액이 이산화탄소와 직접 반응하거나 산-염기 중화반응에 의하여 비휘발성 이온성분을 생성하는 화학반응에 의하여 수용액에서 산성인 이산화탄소와 결합하게 된다.
상기 DME 제조공정부(400)는, 생성된 합성가스를 이용하여 디메틸 에테르(DiMethyl Ether)를 합성하는 구성요소로서, 상기 CO2 흡수공정부(300)의 후단에 배치되어 상기 CO2 흡수공정부(300)와 연결된 합성가스 공급라인을 통해 CO2 흡수공정부(300)로부터 이산화탄소가 제거된 합성가스를 공급받는다.
여기서, 상기 DME 제조공정부(400)는, 수소와 일산화탄소로 이루어진 합성가스로부터 촉매반응을 통해 상기 디메틸에테르를 합성할 수 있다. 이러한 디메틸에테르를 합성하는 방법에는 상기 합성가스로부터 메탄올을 만들고, 상기 메탄올을 탈수반응하여 디메틸에테르를 2단계 간접합성 반응과, 상기 합성가스로부터 디메틸에테르를 직접합성하는 1단계 직접합성 반응으로 구분할 수 있다. 하기의 [표 2]에는 디메틸에테르를 합성하기 위한 반응식이 나타나 있다.
Chemical reaction 반응열 (kcal/mol) 자유에너지, ΔG600K (kJ/mol-DME)
(1) 3CO+3H2 →CH3OCH3+CO2 From synthesis gas +58.8 +63.6
(2) 2CO+4H2 → CH3OCH3+H2O Combination of (3) and (4) +49.0 +80.1
(3) 2CO+4H2 → 2CH3OH Methanol synthesis +43.4 +90.8
(4) 2CH3OH → CH3OCH3+H2O Dehydration reaction +5.6 -10.7
(5) CO+H2O → CO2+H2CO shift conversion +9.8 -16.5
(6)2CH4+CO2+O2→ 3CO+3H2+H2O Methane reforming reaction - -
상기 극저온 증류탑부(500)는, 생성된 합성가스에 포함된 수소와 일산화탄소를 상호 분리시켜 용도에 따라 상기 수소와 일산화탄소를 각각 구분하여 이용할 수 있도록 하는 구성요소로서, 상기 CO2 흡수공정부(300)의 후단에 배치되어 상기 CO2 흡수공정부(300)와 연결된 합성가스 공급라인을 통해 CO2 흡수공정부(300)로부터 이산화탄소가 제거된 합성가스를 공급받는다.
여기서, 혼합물에서 순수한 물질을 분리하는 방법 중의 하나인 증류(Distillation)는 각 구성 성분의 휘발성(증기 상태로 되기 쉬운 정도) 차이를 이용하는 방법이다. 혼합물을 가열하면 휘발성이 큰 성분이 먼저 증발되며, 증발된 증기는 응축기를 거치면서 액체로 응축된다. 즉, 혼합된 일산화탄소와 수소를 휘발성 차이에 의한 분리하는 방법이다. 상대적으로 휘발성이 낮은 일산화탄소는 잔류분으로 모이게 되고 휘발성이 높은 수소는 기화되어 점점 층마다 쌓이게 된다.
상기 발전부(600)는, 도 12에 도시된 바와 같이 생성된 합성가스를 이용하여 소정의 전기를 생성하는 구성요소로서, 상기 CO2 흡수공정부(300)의 후단에 배치되어 상기 CO2 흡수공정부(300)와 연결된 합성가스 공급라인을 통해 CO2 흡수공정부(300)로부터 이산화탄소가 제거된 합성가스를 공급받는다,
여기서, 상기 발전부(600)는 가스엔진, 가스터빈, 스팀터빈 또는 연료전지와 같이 일산화탄소 또는 수소를 이용하여 전기를 생성하는 방식에 따라 다양한 전기 생성장치가 이용될 수 있으며, 각 전기 생성장치에서 상기 일산화탄소 또는 수소를 이용하여 전기를 생성하는 구성은 본 발명이 속하는 기술분야에서 널리 이용되고 있는 기술구성이며, 각 장치별로 다양한 형태 및 기능을 갖는 기술구성이 존재하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 건식 개질장치는, 상기 플라즈마 개질기(100,200) 및 CO2 흡수공정부(300)가 필수적으로 포함된 조건에서 도 3에 도시된 바와 같이 DME 제조공정부(400) 및 극저온 증류탑부(500)가 함께 배치되거나, 상기 DME 제조공정부(400) 및 발전부(600)가 함께 배치될 수 있으며, DME 제조공정부(400), 극저온 증류탑부(500) 및 발전부(600) 중 하나의 구성만이 선택적으로 배치될 수도 있음은 물론이다.
즉, 플라즈마 메탄-일산화탄소 개질 반응으로부터 생성된 합성가스를 디메틸에테르를 생성하기 위한 DME 제조공정, 합성가스로부터 수소와 일산화탄소를 상호 분리시키는 합성가스 분리공정 및 전기를 생성하기 위한 발전공정에 선택적으로 제공할 수 있는 효과를 제공할 수 있는 것이다.
또한, 흡수한 이산화탄소를 상기 플라즈마 개질기(100,200)와 연결된 피드백라인(310)을 통해 상기 플라즈마 개질기(100,200)의 이산화탄소 공급루트로 피드백하여 공급할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 건식 개질장치의 각 구성 및 기능에 의해, 플라즈마를 통해 주입된 메탄과 이산화탄소를 개질하여 수소와 일산화탄소를 주성분으로 하는 합성가스를 생성함으로써, 메탄의 소비는 감소시킴과 동시에 이산화탄소의 소비는 대폭 증가시킬 수 있는 플라즈마 건식 개질장치를 제공하여 지구온난화 물질인 이산화탄소를 원료로 사용함으로써 이산화탄소를 저감할 수 있는 효과를 구현한다.
또한, 플라즈마를 이용한 건식 개질공정에 스팀(H2O)를 주입하여 플라즈마 습식공정을 결합시킴으로써 플라즈마를 위한 전기에너지 사용량은 감소시키면서 수소/일산화탄소 몰비를 제어하여 다양한 화학 물질을 생성할 수 있는 플라즈마 건식 개질장치를 제공하는 것에 있다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
100,200...플라즈마 개질기 110...몸체부
111...반응공간부 112...메탄공급관
113...이산화탄소 공급관 120...방전관
130...도파관 140...탄화수소체 공급관
210...리액터부 220...애노드부
230...캐소드부 240...전원공급부
300...CO2 흡수공정부 400...DME 제조공정부
500...극저온 증류탑부 600...발전부

Claims (23)

  1. 플라즈마를 통해 주입된 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)를 개질하여 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 포함하는 합성가스를 생성하는 플라즈마 건식 개질장치에 있어서,
    내부로 공급되는 이산화탄소를 플라즈마화하여 이산화탄소 플라즈마를 생성하고, 생성된 이산화탄소 플라즈마에 탄화수소체를 공급하여 플라즈마 화염을 점화하며, 상기 플라즈마 화염에 메탄을 공급하여 상기 합성가스를 생성하는 플라즈마 개질기(100,200);를 포함하되,
    상기 플라즈마 개질기(100)는,
    내부에는 플라즈마가 생성되는 반응공간부(111)가 형성되고, 하부에는 상기 반응공간부(111)와 연통되어 상기 메탄을 상기 반응공간부(111)의 내부로 주입하는 메탄공급관(112)이 형성되며, 측부 둘레에는 상기 반응공간부(111)와 연통되어 상기 이산화탄소를 상기 반응공간부(111)의 내부로 주입하는 이산화탄소 공급관(113)이 형성되는 몸체부(110);
    상기 몸체부(110)의 반응공간부(111) 내에 안착되며, 마이크로웨이브를 공급받아 상기 반응공간부(111) 내에서 플라즈마를 생성하는 방전관(120);
    상기 방전관(120)과 연결되도록 상기 몸체부(110)에 체결되며, 기 설정된 주파수의 마이크로웨이브를 전달받아 상기 방전관(120)에 인가하는 도파관(130); 및
    상기 반응공간부(111)의 내부로 탄화수소체를 주입하는 탄화수소체 공급관(140);을 포함하고,
    상기 이산화탄소 공급관(113)은, 이산화탄소와 공기 또는 이산화탄소와 스팀이 상호 혼합된 혼합물을 상기 반응공간부(111)의 내부로 주입하거나,
    상기 방전관(120) 또는 몸체부(110)의 둘레에는, 공기 또는 스팀을 상기 반응공간부(111)의 내부로 주입하는 공급관이 별도로 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 건식 개질장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 이산화탄소 공급관(113)은,
    상기 몸체부(110)의 둘레를 따라 간격으로 이격되어 복수 개가 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 건식 개질장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 이산화탄소 공급관(113)은,
    상기 몸체부(110)의 둘레면에 대하여 접선(Tangent Line)된 형태로 형성되어, 외부로부터 공급되는 이산화탄소가 상기 몸체부(110)의 내벽면(115)에 의해 안내되어 와류를 형성하며 상기 반응공간부(111)으로 유입되면서 상기 플라즈마 및 메탄과 상호 혼합되며 반응하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 건식 개질장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 이산화탄소 공급관(113)은,
    상기 몸체부(110)의 수평중심선(L)에 대하여 상부방향으로 일정각도로 기울어진 상태로 배치되어 상기 반응공간부(111)의 내부에 상향하면서 와류되는 이산화탄소를 주입하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 건식 개질장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 탄화수소체 공급관(140)은,
    상기 방전관(120) 또는 몸체부(110)의 둘레를 따라 간격으로 이격되어 복수 개가 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 건식 개질장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 탄화수소체 공급관(140)은,
    상기 방전관(120) 또는 몸체부(110)의 둘레면에 대하여 접선(Tangent Line)된 형태로 형성되어, 외부로부터 공급되는 탄화수소체가 상기 방전관(120) 또는 몸체부(110)의 내벽면(115)에 의해 안내되어 와류를 형성하며 상기 반응공간부(111)로 유입되면서 상기 플라즈마 및 이산화탄소와 상호 혼합되며 반응하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 건식 개질장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 탄화수소체 공급관(140)은,
    상기 방전관(120) 또는 몸체부(110)의 수평중심선(L)에 대하여 하부방향으로 일정각도로 기울어진 상태로 배치되어 상기 반응공간부(111)의 내부에 하향하면서 와류되는 이산화탄소를 주입하는 것을 특징으로 하는 건식 개질장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 탄화수소체 공급관(140)로 공급되는 탄화수소체는, 메탄인 것을 특징으로 하는 플라즈마 건식 개질장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 탄화수소체 공급관(140)으로 공급되는 탄화수소체는,
    기체상태의 에탄, 프로판, 에틸렌, 부탄 또는, 액체상태의 DME, 가솔린, 경유, 등유, 벙커 C유, 정제된 폐유 또는 고체상태의 석탄, 바이오매스 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 건식 개질장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 탄화수소체 공급관(140)은,
    상기 탄화수소체와 메탄이 상호 혼합된 혼합물을 상기 반응공간부(111)의 내부로 주입하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 건식 개질장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 이산화탄소 공급관(113)에는,
    이산화탄소와 메탄이 상호 혼합된 혼합가스를 상기 반응공간부(111)의 내부로 주입하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 건식 개질장치.
  13. 삭제
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 플라즈마 개질기(200)는,
    내부에는 플라즈마가 생성되는 중공형태의 제1반응공간부(211)가 형성된 리액터부(210);
    상기 리액터부(210)의 상부에 배치되고, 상기 제1반응공간부(211)와 연통되는 중공형태의 제2반응공간부(221)가 형성되며, 양전하를 인가받는 애노드부(220);
    상기 애노드부(220)의 상부에서 애노드부(220)와 인접된 위치에 배치되며, 음전하를 인가받는 캐소드부(230); 및
    상기 애노드부(220)와 캐소드부(230)에 고전압을 인가하는 전원공급부(240);를 포함하되,
    상기 전원공급부(240)에 의해 고전압이 인가되면 상기 애노드부(220)와 캐소드부(230)의 전위차에 의해 아크가 발생하면서 플라즈마가 생성되어 상기 플라즈마를 통해 내부로 주입된 이산화탄소 또는 이산화탄소와 메탄의 혼합가스를 개질하여 상기 합성가스를 생성하는 아크 토치 플라즈마 건식 개질기인 것을 특징으로 하는 플라즈마 건식 개질장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 플라즈마 개질기(200)는,
    상기 리액터부(210)와 애노드부(220)의 간극을 통해 상기 이산화탄소 또는 이산화탄소와 메탄의 혼합가스를 주입하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 건식 개질장치.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 플라즈마 개질기(200)는,
    상기 리액터부(210)의 상부에 복수 개의 애노드부(220)가 연속 배치되며,
    상기 복수 개의 애노드부(220)의 간극을 통해 상기 이산화탄소 또는 이산화탄소와 메탄의 혼합가스를 주입하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 건식 개질장치.
  17. 제 1항 또는 제 14항에 있어서,
    상기 플라즈마 개질기(100,200)의 후단에 배치되어 상기 플라즈마 개질기(200)로부터 생성된 상기 합성가스를 공급받으며, 상기 합성가스에 포함된 이산화탄소를 흡수하는 CO2 흡수공정부(300);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 건식 개질장치.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 CO2 흡수공정부(300)는,
    흡수한 이산화탄소를 상기 플라즈마 개질기(100,200)와 연결된 피드백라인(310)을 통해 상기 플라즈마 개질기(100,200)의 이산화탄소 공급루트로 피드백하여 공급하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 건식 개질장치.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 CO2 흡수공정부(300)의 후단에 배치되어 이산화탄소가 제거된 합성가스를 공급받으며, 상기 합성가스에 포함된 수소와 일산화탄소를 이용하여 디메틸 에테르(DiMethyl Ether)를 합성하는 DME 제조공정부(400);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 건식 개질장치.
  20. 제 17항에 있어서,
    상기 CO2 흡수공정부(300)의 후단에 배치되어 이산화탄소가 제거된 합성가스를 공급받으며, 상기 합성가스로부터 수소와 일산화탄소를 상호 분리하는 극저온 증류탑부(500);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 건식 개질장치.
  21. 제 17항에 있어서,
    상기 CO2 흡수공정부(300)의 후단에 배치되어 이산화탄소가 제거된 합성가스를 공급받으며, 상기 합성가스를 연료로 하여 소정의 전기를 생성하는 발전부(600);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 건식 개질장치.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 발전부(600)는,
    가스엔진, 가스터빈, 스팀터빈 또는 연료전지 중 어느 하나의 전기 생성장치인 것을 특징으로 하는 플라즈마 건식 개질장치.
  23. 제 1항 또는 제 14항에 있어서,
    상기 플라즈마 개질기(100,200)의 내벽 또는 내부에는 광촉매가 채워진 촉매반응공간이 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 건식 개질장치.
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