KR101285223B1 - 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 점화방법, 소형 연소장치 및 연소방법 - Google Patents

물 플라즈마를 이용한 금속 분말 점화방법, 소형 연소장치 및 연소방법 Download PDF

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Abstract

물 플라즈마를 이용한 금속 분말 점화장법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 점화방법은 금속 분말과 수증기만을 연소실(300)에 정량 공급하면서 물 플라즈마(water plasma)를 이용하여 연소실(300) 내 금속 분말을 점화시키되, 금속 분말과 수증기는, 스월 유동(swirl flow)에 의해 상기 연소실(300)의 한정된 길이의 공간부내에서의 체류시간이 보다 연장되어 일측으로 진행되며, 물 플라즈마는 스월 유동의 중심에 위치되는 상기 연소실(300) 내 중앙부로 상기 금속 분말 및 수증기의 진행방향을 향하여 분사된다.

Description

물 플라즈마를 이용한 금속 분말 점화방법, 소형 연소장치 및 연소방법{ignition method, compact combustion apparatue and combustion method of metal particle using water plasma}
본 발명은 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 점화방법, 소형 연소장치 및 연소방법에 관한 것이다.
탄화수소(CxHy) 계열 연료의 한정된 매장량과 환경오염에 대한 대안으로 태양, 풍력, 조력 등 다양한 청정 에너지가 대두되고 있으며, 그 중 단시간에 대량의 에너지를 생성할 수 있는 에너지원으로서 금속을 적극적으로 이용하고자 하는 시도가 이루어지고 있다.
예를 들어, 금속 소재 중 알루미늄은 지구상에 존재하는 원소질량의 약 8.2%를 차지할 정도로 매장량이 많으며 그 처리 기술의 발전에 의해 쉽게 정제할 수 있게 되었을 뿐 아니라, 연소 후 발생되는 알루미나(Al2O3)는 재처리과정을 통해 재생 가능하고, 연소과정에서 발생되는 수소 또한 연료전지의 에너지원으로 활용할 수 있다.
도 1은 탄화수소(C3H8) 계열 연료와, 알루미늄, 마그네슘의 반응식과 반응열을 정리한 것이며, 도 2, 3은 알루미늄 금속 입자의 점화 과정을 정리한 것이다.
도 1을 참조하면, 알루미늄과 물의 반응이 탄화수소 계열의 연료보다 현저히 많은 에너지를 발생시키는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 특성을 이용해 고에너지를 필요로 하는 폭발물이나 우주 및 해수 추진시스템 분야 등에 유용하게 활용될 수 있다.
이와 같이 금속은 탄화수소 계열의 연료에 비해 매장량이 풍부하고 환경, 경제적으로 이점을 가지고 있으나 일반적으로 대체 청정에너지로 각광받지는 못하고 있다. 이는 도 2, 3에 도시된 바와 같이 점화메커니즘이 복잡하고, 2345K의 높은 용융점을 가지는 산화피막으로 인해 점화가 용이하지 않기 때문이다.
기존에 점화지연시간을 단축시키기 위해 수소-산소 화염을 점화원으로 사용하고 700K의 증기를 산화제로 하여 20% 과잉 공급하거나, 피스톤을 이용한 유동층(fluidized bed) 분말 연료 공급 시스템을 사용한 사례 등이 개시되어 있다.
그러나 종래에는 금속 분말의 점화, 연소 자체를 구현하고 금속 분말의 동적, 연소 특징 등을 분석하는 것에 의해 금속 분말을 이용한 추진 시스템이나 에너지 발전 시스템으로의 가능성을 확인하는 실험적인 수준에 그치고 있어, 산업상 보편화 등을 위해 실질적으로 금속 연료를 주요 에너지원으로 이용가능하도록 하는 금속 분말 연소기의 개발이 필요하다.
일본공개특허 2008-211620 일본공개특허 2009-179543 미국등록특허 6156994
상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 친환경 대체 에너지원으로서 금속 연료를 안정적으로 이용할 수 있도록 하는 금속 분말 연소기의 구현에 적합한 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 점화방법, 소형 연소장치 및 연소방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, 금속 분말과 상기 금속 분말 연소를 위한 산화제가 되는 수증기의 혼합체에 물 플라즈마(water plasma)를 분사하여 점화, 연소시키는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 점화장치를 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 금속 분말은, 알루미늄 또는 마그네슘으로 구성되며, 상기 물 플라즈마는, 수증기를 이온화하여 생성시킨 1000℃이상의 고온 플라즈마일 수 있다.
또한, 본 발명은, 금속 분말과 수증기만을 연소실(300)에 정량 공급하면서 물 플라즈마(water plasma)를 이용하여 상기 연소실(300) 내 금속 분말을 점화시키는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 점화방법을 다른 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 금속 분말과 수증기는, 스월 유동(swirl flow)에 의해 상기 연소실(300)의 한정된 길이의 공간부내에서의 체류시간이 보다 연장되어 일측으로 진행되며, 상기 물 플라즈마는, 상기 스월 유동의 중심에 위치되는 상기 연소실(300) 내 중앙부로 상기 금속 분말 및 수증기의 진행방향을 향하여 분사될 수 있다.
또한, 본 발명은, 연소실(300); 상기 금속 분말을 상기 연소실(300)로 공급하는 금속분말 공급기(100); 200~400℃의 수증기를 생성하여 상기 연소실(300)로 공급하는 수증기 공급기(200); 및 상기 연소실(300)로 공급된 상기 금속 분말과 수증기를 물 플라즈마로 점화시키는 물 플라즈마 점화기(400);를 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치를 또 다른 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 연소실(300)은, 공급단부가 상기 연소실(300)의 가장자리 둘레에 접선방향으로 연결되어 상기 연소실(300) 내에 상기 금속 분말 및/또는 수증기를 접선방향으로 공급하여 스월 유동(swirl flow)을 발생시키는 접선공급관(310);을 포함할 수 있다.
또한, 상기 연소실(300)은, 상기 금속 분말을 공급하는 제1접선공급관(311)과 상기 수증기를 공급하는 제2접선공급관(312)의 공급단부가 가장자리 둘레에 지정간격을 두고 배치되며, 상기 제1접선공급관(311)과 제2접선공급관(312)을 통해 인입된 상기 금속 분말과 수증기가 내벽을 따라 스월 유동되며 혼합가능한 원반형 혼합공간부를 형성하는 와류챔버(320); 및상기 와류챔버(320)보다 길고 단면적이 작은 원통형 구조를 가지고 일단부가 상기 와류챔버(320) 중앙부에 연결되며, 상기 와류챔버(320)와의 연결부를 통해 인입된 상기 금속 분말과 수증기의 혼합체가 내벽을 따라 나선 유동되며 타단부로 진행되는 연소챔버(330);를 포함할 수 있다.
또한, 상기 와류챔버(320)은, 내부 중앙부가 상기 연소챔버(330)측으로 돌출되어 상기 연소챔버(330)측으로의 유동 진행을 유도하는 유도돌출부(321);를 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속분말 공급기(100)는, 상기 금속 분말이 저장되며, 상, 하부에 상기 금속 분말이 배출되는 배출구와, 이송가스가 유입되는 이송가스 유입구가 각각 형성되는 분말저장조(110); 및 상기 이송가스 유입구를 통해 상기 분말저장조(110)에 이송가스를 공급하여 상기 분말저장조(110)에 저장, 적층된 금속 분말 중 일부를 상기 배출구측으로 부유시켜 상기 연소실(300)측으로 공급하는 이송가스 공급기(120);를 포함할 수 있다.
또한, 상기 이송가스 공급기(120)는, 상기 이송가스가 저장되는 가스저장조(121); 상기 가스저장조(121)에서 상기 분말저장조(110)까지 형성된 가스공급관로상에 설치되어 공압을 측정하는 압력변환기(pressure transducer)(122); 상기 분말저장조(110)의 무게를 측정하는 것에 의해 상기 금속 분말의 상기 연소실(300)측 공급량을 측정하는 전자저울(ectronic scale)(123); 및 상기 압력변환기(122)와 전자저울(123)로 측정된 데이터를 이용하여 상기 이송가스 공급에 따른 상기 금속 분말의 상기 연소실(300)측 공급량을 제어하는 분말공급 제어기(124);를 포함할 수 있다.
또한, 상기 금속 분말 대신 퍼지가스(purge gas)를 상기 연소실(300)로 공급가능하게 상기 분말저장조(110)에서 상기 연소실(300)까지 형성된 분말공급관로상에 공급단부가 연결되는 퍼지가스 공급기(600);를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 수증기 공급기(200)는, 전력과 물을 공급받아 고온의 수증기를 발생시키는 증기발생기(210); 및 상기 증기발생기(210)에서 상기 연소실(300)까지 형성된 증기공급관로상에서 분기된 바이패스(bypath)(221)를 통해 상기 연소실(300)로 공급되는 수증기의 공급량을 제어하는 증기공급 제어기(220);를 포함할 수 있다.
또한, 상기 증기공급관로상에서 바이패스(221)된 고온의 수증기를 냉각수와의 열교환에 의해 냉각, 배출시키는 증기냉각기(230);를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 물 플라즈마 점화기(400)의 물 플라즈마는, 수증기를 공급가스로 하여 1000℃이상의 수소와 산소 플라즈마로 이온화시켜 상기 연소실(300) 내부로 분사할 수 있다.
또한, 상기 연소실(300) 내 가스가 배출되는 연소가스 배출단부에 설치되며, 연소 과정에서 생성된 금속 분말 슬러그의 외부 유출을 방지하도록 집진하는 집진기(500);를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명은, 금속 분말과 200~400℃의 수증기를 연소실(300)에 정량 공급하는 금속분말공급단계; 상기 연소실(300) 내에서 금속 분말과 수증기를 스월 유동(swirl flow)에 의해 혼합하는 혼합유동단계; 상기 연소실(300) 내 상기 금속 분말과 수증기를 연료와 산화제로 하여 물 플라즈마로 점화시키는 점화단계; 및 상기 물 플라즈마의 분사가 중지되어도 상기 금속 분말의 연소가 지속되기까지 상기 물 플라즈마 분사를 지정 시간 유지하는 점화유지단계;를 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 연소방법을 또 다른 기술적 요지로 한다.
여기서, 상기 금속분말공급단계는, 상기 금속 분말 및/또는 수증기를 상호 독립된 경로를 통해 상기 연소실(300) 내에 접선방향으로 공급할 수 있다.
또한, 상기 금속분말공급단계는, 상기 금속 분말을 에너지 회생 시스템(Energy Recuperation System)이나 재생 열교환기에 의해 예열시켜 상기 연소실(300)로 공급할 수 있다.
또한, 상기 혼합유동단계는, 상기 연소실(300) 내에 접선방향으로 공급된 상기 금속 분말과 수증기를 상기 연소실(300)의 원반형 혼합공간부 내에서 내벽을 따라 스월 유동에 의해 순환시키며 혼합하는 예혼합단계; 및 상기 예혼합단계를 거쳐 생성된 상기 금속 분말과 수증기의 혼합체를 상기 연소실(300) 내 별도의 원통형 공간부 내로 진입시켜 나선 유동에 의해 보다 증가된 체류시간에 걸쳐 일측으로 진행시키는 나선유동단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 점화단계는, 수증기를 공급가스로 하여 1000℃이상의 수소와 산소 플라즈마로 이온화시켜 상기 연소실(300) 내부로 분사할 수 있다.
또한, 상기 점화유지단계 이후에, 상기 물 플라즈마의 분사를 중지시킨 상태로 상기 금속분말과 수증기만을 상기 연소실(300)로 공급하며 상기 금속 분말의 연소를 유지하는 연소유지단계;를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시예에 의하면, 금속 분말과 수증기만을 연소실에 정량 공급하면서 물 플라즈마(water plasma)를 이용하여 금속 분말을 점화시키는 소형의 청정 연소장치를 구현함으로써 환경오염이 없는 친환경 대체 고에너지원으로서 금속 연료를 안정적으로 이용(산업화, 상용화)할 수 있도록 한다.
이에 따라, 기존의 탄소 연료(석탄, 석유 등)나, 탄화수소 연료(메탄가스, 프로판 가스 등)를 이용하는 경우와 달리, 오염물, 오염가스의 배출이 없는 친환경적인 열에너지 획득장치로써 독립적으로 또는 기존의 가열부 등에 부가적으로 결합하여 적용할 수 있다.
또한, 물 플라즈마 장치를 점화원으로써 적용하는 것에 의해 물 플라즈마 장치에서 공급되는 고온의 플라즈마 입자에 의해 금속 분말을 안정적으로 점화시킬 수 있을 뿐 아니라, 물 플라즈마의 산소, 수소 이온 공급에 의해, 산화제로 공급되는 수증기량을 저감시킬 수 있으며, 플라즈마 공급기체(예를 들어, Ar 등)에 의한 오염을 원천적으로 방지할 수 있다.
또한, 물 플라즈마 장치를 적용하면, 기존의 아크 플라즈마 장치와 비교해 상대적으로 저전압을 사용하고 수증기(물)를 공급기체로 함으로써, 저렴하면서도 유독가스의 발생 우려없이 안전하고 친환경적으로 점화 에너지를 제공할 수 있다.
또한, 금속 분말로써 알루미늄 분말을 적용하는 경우, 연소 후 발생되는 생성물인 알루미나(Al2O3)는 재처리과정을 통해 재생 가능하며, 수소(H2)는 연료전지를 통해 에너지원으로 활용할 수 있다.
예를 들어, 알루미늄 금속 분말의 연소 반응을 통하여 발생되는 에너지를 활용하여 터빈의 구동에너지로 사용하고, 생성물인 수소를 재처리하여 연료 전지의 에너지원으로 사용할 수 있으며, 해수를 산화제로 이용하는 것에 의해 군사용 초공동 어뢰의 추진기관 등에도 확대 적용할 수 있다.
또한, 알루미늄 계열 산업폐기물의 처리를 위해 적용하거나, 수소나 세라믹 알루미나 분말을 생산하기 위한 하나의 방법으로서 알루미늄의 연소에 적용할 수도 있다.
도 1 - 탄화수소 계열 연료와, 알루미늄, 마그네슘의 반응식과 반응열을 정리한 표
도 2 - 알루미늄 금속 입자의 점화 과정을 정리한 모식도
도 3 - 알루미늄 금속 입자의 점화 과정을 설명하기 위한 순서도
도 4 - 본 발명의 제1실시예에 따른 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치의 개념도
도 5 - 연소실의 사시도
도 6 - 도 5의 정면도
도 7 - 도 5의 좌측면도
도 8 - 본 발명의 제1실시예에 따라 실제로 제작한 금속 분말 소형 연소장치의 시제품 사진
도 9 - 금속분말 공급기에서 이송가스 공급압력에 따른 금속 분말 공급량을 측정한 그래프
도 10 - 수증기 공급기에서 증기발생기 내 압력에 따른 수증기 공급량을 측정한 그래프
도 11 - 물 플라즈마 점화기 노즐에서의 온도구배를 나타낸 그래프
도 12 - 광전자증배관을 이용해 알루미늄 분말의 점화 및 연소에 따른 빛의 강도를 측정한 일례를 나타낸 그래프
도 13 - 금속 분말 공급 전, 점화기 작동 중인 상태의 연소기를 촬상한 사진
도 14 - 금속 분말 공급 후, 연소 중인 상태의 연소기를 촬상한 사진
도 15 - 수증기 공급량을 조절하여 도 17에 비해 보다 활발하게 연소 중인 상태의 연소기를 촬상한 사진
도 16 - 점화기 작동을 중지시킨 상태의 연소기를 촬상한 사진
도 17 - 금속 분말 공급을 중지하여 소염시킨 상태의 연소기를 촬상한 사진
본 발명은 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 점화장치, 점화방법, 소형 연소장치 및 연소방법에 관한 것으로, 금속 분말과 수증기를 연소실에 정량 공급하면서 물 플라즈마(water plasma)를 이용하여 상기 금속 분말을 점화시키는 소형의 청정 연소장치를 구현하는 기술에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 의하면 금속과 수증기를 연료와 산화제, 물 플라즈마의 공급가스로 하여, 금속과 수증기만을 이용해 고효율의 열에너지를 생성할 수 있어, 점화오염물, 오염가스의 배출이 전혀 없는 친환경적인 열에너지 획득장치를 구현할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치의 개념도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치는, 금속분말 공급기(metal powder feeder)(100), 수증기 공급기(200), 연소실(300), 물 플라즈마 점화기(400), 집진기(500), 퍼지가스 공급기(600)를 포함하는 구조를 가진다.
상기 금속분말 공급기(100)는 상기 금속 분말을 상기 연소실(300)로 정량 공급하는 장치로, 상기 금속 분말(metal powder)이 저장, 적층되는 분말저장조(110)와, 상기 금속 분말을 상기 연소실(300)측으로 이송시키기 위한 압력차 내지 유류를 형성하기 위해 이송가스(carrier gas)를 공급, 제어하는 이송가스 공급기(120)로 이루어진다.
상기 분말저장조(110)는 내부에 상기 금속 분말을 지정높이 내지 지정량 수용가능한 저장공간을 제공하며, 하부에는 상기 이송가스가 유입되는 이송가스 유입구(도면부호 미표기)가 형성되고, 상부에는 상기 금속 분말이 상기 이송가스와 함께 상기 연소실(300)측으로 배출되는 배출구(도면부호 미표기)가 형성된다.
상기 금속 분말은 도 1의 표에 기재된 바와 같이, 탄화수소 계열 연료에 비해 높은 반응열을 가지는 것이 증명된 알루미늄 또는 마그네슘 등의 고에너지 금속 소재를 그 성분으로 한다.
상기 이송가스 공급기(120)는 상기 이송가스 유입구를 통해 상기 분말저장조(110)에 이송가스를 공급하여 상기 분말저장조(110)에 저장, 적층된 상태의 상기 금속 분말 중 일부를 상기 배출구측으로 부유시켜 상기 연소실(300)측으로 공급한다.
상기 이송가스는 상기 금속 분말의 산화 등을 방지할 수 있도록 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스를 이용하는 것이 바람직하며, 상기 이송가스 공급기(120)는, 가스저장조(121), 압력변환기(pressure transducer)(122), 전자저울(ectronic scale)(123), 분말공급 제어기(124)를 포함하는 구조를 가진다.
상기 가스저장조(121)에 압축된 상태로 저장되어 있던 상기 이송가스는 상기 가스저장조(121)에서 상기 분말저장조(110)의 이송가스 유입구까지 형성된 가스공급관로(도면부호 미표기)를 통해 상기 분말저장조(110) 내부로 공급된다.
상기 압력변환기(122)는 상기 가스공급관로 내 공압을 측정하도록 설치되고, 상기 전자저울(123)은 상기 분말저장조(110)의 무게를 측정하는 것에 의해 상기 금속 분말의 질량 변화 즉, 상기 연소실(300)측 공급량을 감지하도록 상기 분말저장조(110) 하측에 설치된다.
상기 분말공급 제어기(124)는 상기 압력변환기(122)와 전자저울(123)로 측정된 데이터를 수집(DAQ, Data Acquisition)하여 이를 토대로 상기 이송가스 공급량에 따른 상기 금속 분말의 상기 연소실(300)측 공급량을 제어한다.
상기 압력변환기(122)와 전자저울(123)을 통해 상기 이송가스 공급량과 금속 분말 공급량을 실시간으로 확인하면서, 상기 분말공급 제어기(124)에 의해 상기 이송가스 공급량을 증감시키는 제어를 수행함으로써 상기 분말저장조(110)의 배출구를 통해 상기 연소실(300)측으로 배출되는 상기 금속 분말의 양을 유연하고 정확하게 증감조정할 수 있다.
상기 분말저장조(110)의 배출구를 통해 배출된 상기 금속 분말은 상기 분말저장조(110)에서 상기 연소실(300)까지 형성된 분말공급관로(도면부호 미표기)를 통해 상기 연소실(300)로 공급된다.
상기 분말공급관로상에는 퍼지가스(purge gas)를 공급하는 상기 퍼지가스 공급기(600)의 공급단부가 연결되어, 점화, 연소 시에는 상기 분말공급관로를 통해 상기 금속 분말을 상기 연소실(300)로 공급하며, 소염, 미연소 시에는 상기 금속 분말 대신 퍼지가스를 상기 연소실(300)로 공급하게 된다.
상기 수증기 공급기(200)는 200~400℃의 고온 수증기(super heated vapor)를 생성하여 상기 연소실(300)로 공급하는 장치로, 증기발생기(steam generator)(210)와 증기공급 제어기(220), 증기냉각기(230)를 포함하는 구조를 가진다.
상기 증기발생기(210)는 전력과 물을 공급받아 고온의 수증기를 발생시키며, 상기 물 플라즈마 점화기(400)의 사양이 일정하다면, 상기 연소실(300) 내부로 공급되는 상기 수증기가 고온일수록 점화, 연소가 안정적으로 이루어질 수 있으므로, 200℃이상으로 수증기를 가열하는 것이 바람직하며, 관로를 통해 공급되는 고온 수증기로 인한 안전상 문제와 전력을 이용한 에너지 효율성 등을 고려하여 400℃를 초과하지 않는 것이 바람직하다.
상기 증기발생기(210)에서 생성된 고온의 수증기는 상기 증기발생기(210)에서 상기 연소실(300)까지 형성된 증기공급관로(도면부호 미표기)를 통해 상기 연소실(300)로 공급된다.
상기 증기공급 제어기(220)는 상기 증기공급관로상에 설치된 제어밸브(control valve)와 상기 증기공급관로상에서 분기된 바이패스(bypath)(221)에 의해 상기 연소실(300)로 공급되는 수증기의 공급량을 증감 제어한다.
상기 증기냉각기(230)는 상기 연소실(300) 내로 공급되지 못하고 상기 증기공급관로상에서 바이패스(221)된 고온의 수증기를 냉각수와의 열교환에 의해 냉각하여 배출시키는 장치로, 냉각수 저장탱크 등을 통과시키며 열교환에 의해 냉각시킨 후 펌프(pump)를 이용해 외부의 지정위치로 배출, 배기시킬 수 있다.
도 5, 6, 7은 각각 상기 연소실의 사시도, 정면도, 좌측면도를 도시한 것이다.
도 4 내지 7을 참조하면, 상기 연소실(300)은 상기 금속분말 공급기(100), 수증기 공급기(200)로부터 상기 금속 분말과 수증기를 공급받아 상기 물 플라즈마 점화기(400)에 의해 연소가 이루어지게 되는 장치로, 접선공급관(310), 와류챔버(320), 연소챔버(330)를 포함하는 구조를 가진다.
상기 접선공급관(310)은 상기 금속분말 공급기(100), 수증기 공급기(200)로부터 상기 금속 분말과 수증기를 공급받는 부분으로, 상기 연소실(300)과의 연결부(이하 '공급단부'라 함)가 상기 연소실(300)의 가장자리 둘레에 접선방향으로 연결된다.
상기와 같이 상기 연소실(300)의 가장자리 둘레에 접선방향으로 연결된 상기 접선공급관(310)의 구조에 의해, 상기 금속 분말과 수증기는 상기 연소실(300) 내에 접선방향으로 진입하게 된다.
상기 금속 분말을 공급하는 제1접선공급관(311)과 상기 수증기를 공급하는 제2접선공급관(312)의 공급단부가 상기 연소실(300)의 가장자리 둘레에 지정간격을 두고 배치시키면, 상기 연소실(300) 내에 접선방향으로 진입한 상기 금속 분말과 수증기는 상기 연소실(300) 내벽을 따라 동일한 동선, 경로로 스월 유동(swirl flow)되며 균일하게 혼합될 수 있다.
상기 와류챔버(320)는 상기 제1접선공급관(311)과 제2접선공급관(312)을 통해 인입된 상기 금속 분말과 수증기가 내벽을 따라 스월 유동되며 혼합가능한 협소한 원반형 혼합공간부를 제공하며, 상기와 같은 상기 접선공급관(310) 배치구조에 의해 상기 와류챔버(320) 내에 상기 금속 분말과 수증기가 혼합된 상태(이하 '혼합체'라 함)의 강한 와류를 형성할 수 있다.
상기 연소챔버(330)는 상기 와류챔버(320)보다 길고 단면적이 작은 원통형 구조를 가지고 일단부가 상기 와류챔버(320) 중앙부에 연결되며, 상기 와류챔버(320)와의 연결부를 통해 인입된 상기 금속 분말과 수증기의 혼합체가 내벽을 따라 나선 유동되며 상기 연소챔버(330)의 타단부측으로 진행된다.
상기 와류챔버(320) 내부에는 상기 연소챔버(330)측으로 갈수록 그 너비가 축소되게 경사지거나 굴곡된 측면형상을 가지고 상기 연소챔버(330)측으로 돌출된 유도돌출부(321)가 중앙부에 형성되어, 상기 금속 분말, 이송가스, 수증기의 진입에 따라 상기 와류챔버(320) 내에서 접선방향으로 주요하게 이루어지고 있던 유동 진행방향을 상기 연소챔버(330)측으로의 유도하게 된다.
상기 유도돌출부(321)에 의해 상기 와류챔버(320) 내 상기 혼합체는 원형 경로를 반복적으로 순환하는 스월 유동 형태에서 점차 나선형으로 변하면서 상기 연소챔버(330)측으로 진행하게 되며, 상기 연소챔버(330) 내로 편향되게 인입된 상기 혼합체는 상기 연소챔버(330)의 내벽을 따라 나선 유동을 연속적으로 구현하며 진행하게 된다.
상기 금속 분말과 수증기의 상기 연소실(300) 내 체류시간이 연장될수록 연료, 산화제, 점화열간의 접촉성 향상에 의해 안정된 점화, 연소를 구현할 수 있으나, 종래에는 단순히 연소실을 길게 형성하는 것에 의해 연소실 내 체류시간을 연장시키고 있어 연소실의 예열과 열손실 문제로 실질적인 산업상 활용이 어려웠다.
상기 연소실(300) 구조에 의하면, 상기 혼합체의 고속의 스월 유동, 나선 유동에 의해, 상기 금속 분말의 엉킴 등을 방지하며 수증기와 고르게 분산, 혼합시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상기 연소실(300) 전반에 걸쳐 고르게 열전도(heat flux)를 구현할 수 있다.
또한, 상기 혼합체의 상기 연소실(300)내 체류시간을 증가시킬 수 있으며, 상기 연소실(300) 내 연소속도, 화염전파 속도를 증가시켜 보다 완전연소에 가깝게 연소시킴으로써 고출력을 가능하게 할 뿐 아니라, 기존에 비해 보다 소형의 연소실을 구현가능하게 한다.
상기 물 플라즈마 점화기(400)는 상기 연소실(300)로 공급된 상기 금속 분말과 수증기를 물 플라즈마로 점화시키는 장치로, 상기 금속 분말과 상기 금속 분말 연소를 위한 산화제가 되는 수증기의 혼합체에 1000℃이상의 물 플라즈마(water plasma)를 분사하여 점화, 연소시킨다.
온도가 높아짐에 따라 물질의 상태는 고체에서 액체로, 액체에서 기체로 변화되며, 기체에 지속적으로 열을 가하여 수천도(℃)가 되면 기체 분자가 원자로 해리되고 원자는 다시 전자와 양전하를 가진 이온으로 전리되는데, 이와 같이 고온에서 전자와 이온으로 분리된 기체로서 그 전리도가 중성원자에 비해 상당히 높으면서도 전체적으로는 음과 양의 전하수가 거의 같아서 중성을 띠고 있는 기체를 플라즈마라 한다.
일반적으로 플라즈마는 전자가 전기장으로부터 에너지를 얻는 전자가열 과정과 중성입자의 전자를 떼어내는 이온화 과정을 통해 발생되며, 상기 물 플라즈마 점화기(400)는 수증기를 공급가스로 하여 상기 금속 분말을 점화, 연소시킬 수 있는 1000℃이상의 수소와 산소 플라즈마로 이온화시키는 물 플라즈마(water plasma) 장치를 적용할 수 있다.
상기 물 플라즈마 점화기(400)는 상기와 같이 수증기를 공급가스로 하여 1000℃이상의 고온 플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 상기 연소실(300) 내부에 플라즈마 분사단부를 설치할 수 있다면, 공지의 물 플라즈마 장치를 포함하여 특정한 구조와 형태로 한정되지 않으며, 수증기를 공급가스로 하여 고온 플라즈마를 발생시킬 수 있는 물 플라즈마 장치의 기본 구조를 따르므로 이에 대한 상세한 설명을 생략한다.
상기 물 플라즈마는 상기 금속 분말의 성분, 입자 크기 등에 따라 다른 온도, 분사량이 적용되는 것이 바람직하며, 예를 들어, 상기 금속 분말의 주요 성분이 알루미늄으로 기정된 경우에는 알루미늄 산화피막의 용융 온도인 2345K 이상의 플라즈마를 생성 가능한 사양을 적용한다.
상기 물 플라즈마는 상기 스월 유동의 중심에 위치되는 상기 연소실(300) 내 중앙부로 상기 금속 분말 및 수증기의 진행방향, 즉 상기 연소실의 와류챔버(320)측에서 상기 연소챔버(330)측을 향해 분사되어 상기 연소챔버(330) 내에서 상기 금속 분말을 점화, 연소시키게 된다.
상기 집진기(precipitator)(500)는 상기 연소실(300) 내 가스가 배출되는 연소가스 배출단부에 설치되어, 연소 과정에서 생성된 금속 분말 슬러그의 외부 유출을 방지하도록 집진하며, 전기집진기(electrostatic precipitator) 등을 포함하여 연소가스 중에 부유중인 분진 등을 분리, 수집, 제거할 수 있다면 기존의 공지기술을 포함하여 특정한 구조와 형상으로 한정되지 않는다.
다음으로, 상기 본 발명의 제1실시예에 따른 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치를 이용하여 금속 분말 연소시키는 방법(이하 '물 플라즈마를 이용한 금속 분말 연소방법'이라 한다)에 대해 설명하기로 한다.
상기 본 발명의 제1실시예에 따른 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 연소방법은, 금속분말공급단계, 혼합유동단계, 점화단계, 점화유지단계, 연소유지단계를 순차적으로 거쳐 이루어질 수 있다.
상기 금속분말공급단계에서는 상기 금속 분말과 200~400℃의 수증기를 연소실(300)에 정량(연소에 적합한 지정량) 공급하며, 상기 금속분말 공급기(100)와 제1접선공급관(311), 상기 수증기 공급기(200)와 제2접선공급관(312)에 해당되는 상호 독립된 경로를 통해 상기 금속 분말과 수증기를 상기 연소실(300) 내에 접선방향으로 공급한다.
상기 혼합유동단계에서는 예혼합단계와 나선유동단계를 순차적으로 거쳐 상기 연소실(300) 내에서 상기 금속 분말과 수증기를 스월 유동(swirl flow)에 의해 혼합하고 나선 유동시키며 일측으로 진행시킨다.
상기 예혼합단계에서는 상기 연소실(300) 내에 접선방향으로 공급된 상기 금속 분말과 수증기를 상기 연소실의 와류챔버(320) 내에서 내벽을 따라 스월 유동에 의해 순환시키며 혼합하면서, 상기 연소실(300) 중 상기 금속 분말의 연소가 주요하게 이루어지는 상기 연소챔버(330)측으로의 유동 진행을 유도한다.
상기 나선유동단계에서는 상기 예혼합단계를 거쳐 생성된 상기 금속 분말과 수증기의 혼합체를 상기 와류챔버(320)와 별도로 형성된 원통형의 상기 연소챔버(330) 내로 진입시켜 한정된 길이의 상기 연소챔버(330) 내에서 상기 혼합체의 나선 유동에 의해 보다 증가된 체류시간에 걸쳐 일측으로 진행시킨다.
상기 점화단계에서는 상기 물 플라즈마 점화기(400)에서 분사되는 고온의 상기 물 플라즈마로 상기 연소실(300)로 공급된 상기 금속 분말과 수증기를 점화시키며, 상기 물 플라즈마 점화기(400)는 수증기를 공급가스로 하여 1000℃이상의 수소와 산소 플라즈마로 이온화시켜 상기 연소실(300) 내부로 분사한다.
상기 점화단계는 상기 물 플라즈마에 의해 상기 금속 분말의 점화가 이루어지는 공정을 의미하는 것으로, 상기 물 플라즈마 점화기(400)는 상기 점화단계에서 그 작동이 시작될 수도 있으며, 상기 금속분말공급단계를 거치기 이전에 그 작동이 시작된 상태에서 상기 혼합유동단계를 거친 후 상기 금속 분말의 점화가 이루어질 수도 있다.
상기 점화단계에서의 점화 촉진을 위해, 상기 금속 분말을 대기온도 이상으로 예열시키는 금속분말 예열단계를 거친 후 상기 금속분말공급단계를 수행할 수 있다.
상기 금속분말 예열단계에서 금속 분말을 예열함에 있어서는, 별도의 전력이나 열에너지원을 이용할 수도 있으나, 상기 수증기 공급기(200)에서 상기 바이패스(221)를 통해 분리, 배출되는 고온 수증기의 열에너지 등과 같이 상기 제1실시예에 따른 금속 분말 소형 연소장치의 가동 시 소모되는 에너지들을 에너지원으로 하여 에너지 회생 시스템(energy recuperation system)이나 재생 열교환기에 의해 예열할 수 있다.
상기 금속 분말이 알루미늄 입자인 경우, 점화 과정에서 가장 장시간이 소요되는 과정은 산화피막이 제거되는 과정으로, 알루미늄 산화피막이 제거되기 위해서는 2345K까지 가열되어야 하는데, 상기 금속 분말을 예열하면 용융 온도까지 도달하는 시간을 절감할 수 있다.
상기 점화단계에서 상기 금속 분말의 점화가 이루어진 후 상기 물 플라즈마 점화기(400)의 작동을 즉시 중지하게 되면, 상기 연소실(300) 내 상기 금속 분말과 수증기의 공급이 지속되더라도 상기 금속 분말의 점화, 연소상태가 유지되지 못하고 소염(消焰)되어 버린다.
상기 점화유지단계에서는 상기 물 플라즈마의 분사가 중지되더라도 상기 연소실(300) 내 상기 금속 분말과 수증기의 공급이 지속되면 상기 금속 분말의 연소가 지속될 수 있을 때까지 상기 물 플라즈마 분사를 지정 시간 유지한다.
상기 연소유지단계에서는 상기 물 플라즈마 점화기(400)의 작동을 중지하여 상기 물 플라즈마의 분사를 중지시킨 상태에서 상기 금속분말과 수증기만을 상기 연소실(300)로 공급하며 상기 금속 분말의 연소를 유지한다.
다음으로, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시예에 따른 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 점화장치, 소형 연소장치의 시제품(proto type)을 실제로 제작하여 상기 금속 분말과 수증기만으로 점화, 연소를 구현, 확인한 실험 과정, 결과에 대해 설명하고자 한다.
도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 물 플라즈마를 이용한 소형 연소장치를 실제로 제작한 금속 분말 소형 연소장치의 시제품 사진이다.
도 8을 참조하면, 상기 금속분말 공급기(100), 수증기 공급기(200), 연소실(300), 물 플라즈마 점화기(400), 집진기(500)로 시제품을 구성하였으며, 대기압 환경에서 수십 마이크로 크기의 금속 분말을 연료, 아르곤을 이송가스, 수증기를 산화제로 하고, 초고온의 물 플라즈마에 의해 점화시킨 후 연소 현상을 관찰하였다.
도 9는 상기 금속분말 공급기(100)에서 이송가스 공급압력에 따른 금속 분말 공급량을 측정한 그래프이다.
아르곤(Ar) 이송가스를 금속 분말이 저장된 상기 분말저장조(110)측으로 공급하면서, 이송가스상에 금속 분말이 균일하게 분산, 혼합된 유동층(Fluidized bed)의 형태로 상기 금속 분말을 상기 연소실(300)측으로 이송, 공급하였으며, 이러한 과정에서 상기 전자저울(123)로 금속 분말을 계량하는 것을 지속하였다.
도 9를 참조하면, 상기 분말조장조(110) 내 금속 분말의 질량이 선형적으로 일정한 비율로 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 평균 32 g/min(0.54 g/sec)의 질량유량(mass flowrate)이 측정되었다.
도 10은 상기 수증기 공급기(200)에서 상기 증기발생기(210) 내 압력에 따른 수증기 공급량을 측정한 그래프이다.
상기 증기발생기(210)로 상온의 물과 전력을 공급하였으며 전열기에 의해 약 370~400 ℃의 고온 증기 상태로 가열된 수증기를 상기 연소실(300)로 공급하였으며, 지정량을 초과한 여분은 상기 바이패스(221)를 통해 상기 증기냉각기(230)에서 응축시켜 배출하였다.
금속 분말과의 균일한 혼합을 위해 인젝터(injector)를 이용해 상기 연소실(300) 내에 분무 형태로 수증기를 공급하였으며, 상기 인젝터는 축방향-접선방향 모멘텀비, 분출각, 유량, 공급압력 등을 종합적으로 고려하여 기하학적 형상변수를 설계하였다.
도 10을 참조하면, 상기 증기발생기(210) 내 온도가 약 370~385 ℃, 압력이 약 3.5~4.5 bar의 일정한 상태로 유지될 때, 평균 49.4 g/min의 질량유량이 측정되었다.
도 11은 상기 물 플라즈마 점화기(400) 노즐에서의 온도구배를 나타낸 그래프이다.
상기 물 플라즈마 점화기(400)로는 물 플라즈마 토치를 적용하였으며, 물 플라즈마 토치의 단부에 형성된 노즐을 통해 상기 연소실(300) 내에 물 플라즈마를 분사하였다.
도 11을 참조하면, 상기 물 플라즈마 점화기(400)의 노즐 단부로부터 50mm 이내의 거리에는 1000℃ 이상의 온도장, 10mm 이내의 거리에는 3000℃ 이상의 온도장이 형성되고, 분사된 물 플라즈마가 4000℃ 이상의 최대 온도를 가지는 것을 확인할 수 있으며, 이에 따라 물 플라즈마를 알루미늄, 마그네슘(용융점 650℃)의 점화를 위한 점화 에너지원으로서 적용하기 적합하다는 것을 확인할 수 있다.
도 12는 광전자증배관을 이용해 알루미늄 분말의 점화 및 연소에 따른 빛의 강도를 측정한 일례를 나타낸 그래프이다.
점화 및 연소 상태를 확인하기 위해 온도를 측정함에 있어서는 접촉식과 비접촉식 측정 방법이 있는데, 접촉식의 경우 금속 분말 부착, 측정기기로의 무리한 열전달에 의해 측정 온도를 신뢰할 수 없어, 본 실험에서는 광전자증배관(PMT, Photo Multiplier Tube)를 이용하여 빛의 강도를 측정하였으며, 그 외 포토다이오드(photodiode), CCD(Charge Coupled Device)를 이용할 수 있다.
도 12에 도시된 그래프에서 빛의 강도가 급격하게 상승하는 부분이 있는데 이 시점에서 점화가 시작된 것으로 판단할 수 있으며, 이에 따라 물 플라즈마를 분사한 시점과 빛의 강도가 급격하게 상승하는 시점 간의 시간 간격을 점화지연시간으로 판단할 수 있다.
도 13은 금속 분말 공급 전, 점화기 작동 중인 상태의 연소기를 촬상한 사진이고, 도 14는 금속 분말 공급 후, 연소 중인 상태의 연소기를 촬상한 사진이며, 도 15는 수증기 공급량을 조절하여 도 17에 비해 보다 활발하게 연소 중인 상태의 연소기를 촬상한 사진이고, 도 16은 점화기 작동을 중지시킨 상태의 연소기를 촬상한 사진이며, 도 17은 금속 분말 공급을 중지하여 소염시킨 상태의 연소기를 촬상한 사진이다.
상기 퍼지가스 공급기(600)와 수증기 공급기(200)에 의해 상기 연소실(300) 내에 퍼지 가스(purge gas)와 고온의 수증기(산화제)를 먼저 공급하여 예열하고, 상기 물 플라즈마 점화기(400)를 작동시킨 상태에서 상기 금속분말 공급기(100)에 의해 금속 분말을 공급하였으며, 금속 분말은 입도 74 μm로 규소, 망간 등이 미량 함유되고 98.5%의 순도를 가지는 마그네슘 분말을 원료로 하였다.
금속 분말과 수증기를 접선방향으로 공급하여 스월 유동에 의해 예혼합하고 나선 유동시키며 일측으로 진행시키는 상기 연소실(300) 구조에 의해 축방향으로 220mm 길이를 가지는 소형의 연소실의 설계가 가능했다.
상기 물 플라즈마 점화기(400)를 작동시킨 상태에서 금속 분말을 공급하기 이전에는 도 13에 촬상된 바와 같이 점화가 이루어지지 않다가, 금속 분말을 공급한 후에는 도 14에 촬상된 바와 같이 점화가 이루어지는 것을 확인할 수 있었으며, 상기 금속 분말과 수증기의 공급 비율을 조정하면서 도 15에 촬상된 바와 같이 보다 활발한 연소를 구현할 수 있었다.
상기 물 플라즈마 점화기(400)의 작동을 중지시키더라도 금속 분말(연료)과 수증기(산화제)의 공급만으로 도 16에 촬상된 바와 같이 연소가 지속되는 것을 확인할 수 있었으며, 금속 분말의 공급을 중지시키는 것에 의해 도 20에 도시된 바와 같이 화염을 소염시켰다.
도 9에 도시된 바와 같이 마그네슘 분말의 공급량이 약 32g/min(0.54 g/sec)일 때 도 16에 촬상된 바와 같이 연소가 지속되었으며, 마그네슘 분말 전체가 산화제와 반응했다고 가정하면 당량비 0.49의 연료 희박 조건에서 연소가 지속되었음을 산출할 수 있고, 단위 부피당 수밀도(number density)로 환산해 보면 약 200g/m3로 일반적으로 알려진 금속의 폭발 하한 수밀도 30g/m3에 비하면 현격히 높은 수밀도라 할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 상기 실시예들을 기존의 공지기술과 단순히 조합적용한 실시예와 함께 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 변형하여 이용할 수 있는 기술은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.
100 : 금속분말 공급기 110 : 분말저장조
120 : 이송가스 공급기 121 : 가스저장조
122 : 압력변환기 123 : 전자저울
124 : 분말공급 제어기 200 : 수증기 공급기
210 : 증기발생기 220 : 증기공급 제어기
221 : 바이패스 230 : 증기냉각기
300 : 연소실 310 : 접선공급관
311 : 제1접선공급관 312 : 제2접선공급관
320 : 와류챔버 321 : 유도돌출부
330 : 연소챔버 400 : 점화기
500 : 집진기 600 : 퍼지가스 공급기

Claims (21)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 금속 분말과 수증기만을 연소실(300)에 정량 공급하면서 물 플라즈마(water plasma)를 이용하여 상기 연소실(300) 내 금속 분말을 점화시키되,
    상기 금속 분말과 수증기는,
    스월 유동(swirl flow)에 의해 상기 연소실(300)의 한정된 길이의 공간부내에서의 체류시간이 보다 연장되어 일측으로 진행되며,
    상기 물 플라즈마는,
    상기 스월 유동의 중심에 위치되는 상기 연소실(300) 내 중앙부로 상기 금속 분말 및 수증기의 진행방향을 향하여 분사되는 금속 분말 점화방법.
  4. 삭제
  5. 연소실(300);
    금속 분말을 상기 연소실(300)로 공급하는 금속분말 공급기(100);
    200~400℃의 수증기를 생성하여 상기 연소실(300)로 공급하는 수증기 공급기(200); 및
    상기 연소실(300)로 공급된 상기 금속 분말과 수증기를 물 플라즈마로 점화시키는 물 플라즈마 점화기(400);
    를 포함하며,
    상기 연소실(300)은,
    공급단부가 상기 연소실(300)의 가장자리 둘레에 접선방향으로 연결되어 상기 연소실(300) 내에 상기 금속 분말 및 수증기를 접선방향으로 공급하여 스월 유동(swirl flow)을 발생시키는 접선공급관(310);
    을 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치.
  6. 삭제
  7. 제5항에 있어서,
    상기 연소실(300)은,
    상기 금속 분말을 공급하는 제1접선공급관(311)과 상기 수증기를 공급하는 제2접선공급관(312)의 공급단부가 가장자리 둘레에 지정간격을 두고 배치되며, 상기 제1접선공급관(311)과 제2접선공급관(312)을 통해 인입된 상기 금속 분말과 수증기가 내벽을 따라 스월 유동되며 혼합가능한 원반형 혼합공간부를 형성하는 와류챔버(320); 및
    상기 와류챔버(320)보다 길고 단면적이 작은 원통형 구조를 가지고 일단부가 상기 와류챔버(320) 중앙부에 연결되며, 상기 와류챔버(320)와의 연결부를 통해 인입된 상기 금속 분말과 수증기의 혼합체가 내벽을 따라 나선 유동되며 타단부로 진행되는 연소챔버(330);
    를 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 와류챔버(320)은,
    내부 중앙부가 상기 연소챔버(330)측으로 돌출되어 상기 연소챔버(330)측으로의 유동 진행을 유도하는 유도돌출부(321);
    를 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 금속분말 공급기(100)는,
    상기 금속 분말이 저장되며, 상, 하부에 상기 금속 분말이 배출되는 배출구와, 이송가스가 유입되는 이송가스 유입구가 각각 형성되는 분말저장조(110); 및
    상기 이송가스 유입구를 통해 상기 분말저장조(110)에 이송가스를 공급하여 상기 분말저장조(110)에 저장, 적층된 금속 분말 중 일부를 상기 배출구측으로 부유시켜 상기 연소실(300)측으로 공급하는 이송가스 공급기(120);
    를 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 이송가스 공급기(120)는,
    상기 이송가스가 저장되는 가스저장조(121);
    상기 가스저장조(121)에서 상기 분말저장조(110)까지 형성된 가스공급관로상에 설치되어 공압을 측정하는 압력변환기(pressure transducer)(122);
    상기 분말저장조(110)의 무게를 측정하는 것에 의해 상기 금속 분말의 상기 연소실(300)측 공급량을 측정하는 전자저울(ectronic scale)(123); 및
    상기 압력변환기(122)와 전자저울(123)로 측정된 데이터를 이용하여 상기 이송가스 공급에 따른 상기 금속 분말의 상기 연소실(300)측 공급량을 제어하는 분말공급 제어기(124);
    를 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 금속 분말 대신 퍼지가스(purge gas)를 상기 연소실(300)로 공급가능하게 상기 분말저장조(110)에서 상기 연소실(300)까지 형성된 분말공급관로상에 공급단부가 연결되는 퍼지가스 공급기(600);
    를 더 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치.
  12. 제5항에 있어서,
    상기 수증기 공급기(200)는,
    전력과 물을 공급받아 고온의 수증기를 발생시키는 증기발생기(210); 및
    상기 증기발생기(210)에서 상기 연소실(300)까지 형성된 증기공급관로상에서 분기된 바이패스(bypath)(221)를 통해 상기 연소실(300)로 공급되는 수증기의 공급량을 제어하는 증기공급 제어기(220);
    를 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 증기공급관로상에서 바이패스(221)된 고온의 수증기를 냉각수와의 열교환에 의해 냉각, 배출시키는 증기냉각기(230);
    를 더 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치.
  14. 제5항에 있어서,
    상기 물 플라즈마 점화기(400)의 물 플라즈마는,
    수증기를 공급가스로 하여 1000℃이상의 수소와 산소 플라즈마로 이온화시켜 상기 연소실(300) 내부로 분사하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치.
  15. 제5항에 있어서,
    상기 연소실(300) 내 가스가 배출되는 연소가스 배출단부에 설치되며, 연소 과정에서 생성된 금속 분말 슬러그의 외부 유출을 방지하도록 집진하는 집진기(500);
    를 더 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치.
  16. 금속 분말과 200~400℃의 수증기를 연소실(300)에 정량 공급하는 금속분말공급단계;
    상기 연소실(300) 내에서 금속 분말과 수증기를 스월 유동(swirl flow)에 의해 혼합하는 혼합유동단계;
    상기 연소실(300) 내 상기 금속 분말과 수증기를 연료와 산화제로 하여 물 플라즈마로 점화시키는 점화단계; 및
    상기 물 플라즈마의 분사가 중지되어도 상기 금속 분말의 연소가 지속되기까지 상기 물 플라즈마 분사를 지정 시간 유지하는 점화유지단계;
    를 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 연소방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 금속분말공급단계는,
    상기 금속 분말 및 수증기를 상호 독립된 경로를 통해 상기 연소실(300) 내에 접선방향으로 공급하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 연소방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 금속분말공급단계는,
    상기 금속 분말을 에너지 회생 시스템(Energy Recuperation System)이나 재생 열교환기에 의해 예열시켜 상기 연소실(300)로 공급하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 연소방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 혼합유동단계는,
    상기 연소실(300) 내에 접선방향으로 공급된 상기 금속 분말과 수증기를 상기 연소실(300)의 원반형 혼합공간부 내에서 내벽을 따라 스월 유동에 의해 순환시키며 혼합하는 예혼합단계; 및
    상기 예혼합단계를 거쳐 생성된 상기 금속 분말과 수증기의 혼합체를 상기 연소실(300) 내 별도의 원통형 공간부 내로 진입시켜 나선 유동에 의해 보다 증가된 체류시간에 걸쳐 일측으로 진행시키는 나선유동단계;
    를 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 연소방법.
  20. 제16항에 있어서,
    상기 점화단계는,
    수증기를 공급가스로 하여 1000℃이상의 수소와 산소 플라즈마로 이온화시켜 상기 연소실(300) 내부로 분사하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소방법.
  21. 제16항에 있어서,
    상기 점화유지단계 이후에, 상기 물 플라즈마의 분사를 중지시킨 상태로 상기 금속분말과 수증기만을 상기 연소실(300)로 공급하며 상기 금속 분말의 연소를 유지하는 연소유지단계;
    를 더 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 연소방법.
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