KR101316607B1 - 고효율 플라즈마 가스화기 - Google Patents

Abstract

고효율 플라즈마 가스화기가 도시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 가스화기는 기 설정된 주파수의 전자파를 발진하는 전자파 공급부, 상기 전자파 및 보조가스로부터 플라즈마가 발생되는 방전관, 상기 방전관의 내부로 소용돌이 형태의 제1 보조가스를 주입하는 제1가스 공급부, 상기 방전관 내부에서 생성된 상기 플라즈마에 미분탄을 공급하는 미분탄 공급부, 상기 방전관의 상부에 형성되며, 상기 플라즈마 및 상기 미분탄과의 반응에 의하여 합성가스가 생성되는 노즐부, 및 상기 노즐부의 내벽을 따라 상기 플라즈마의 토출 방향과 평행한 방향으로 흐르는 제2 보조가스를 주입하는 제2가스 공급부를 포함한다.

Description

고효율 플라즈마 가스화기{HIGH EFFICIENCY PLASMA GASIFIER}

본 발명은 플라즈마를 이용하여 석탄으로부터 합성가스를 얻기 위한 기술과 관련된다.

석탄 가스화 복합 발전(IGCC; Integrated Gasification Combined Cycle)이란, 석탄을 수소(H₂)와 일산화탄소(CO)를 주성분으로 한 합성가스로 전환한 뒤 이 가스로 가스터빈을 돌리는 방식으로 전기를 생산하는 형태의 발전을 의미한다.

석탄 가스화 복합 발전을 이용할 경우 전세계적으로 매장량이 풍부한 석탄 자원을 이용하여 발전을 할 수 있다는 점에서 가장 큰 장점이 있다. 또한 석탄 가스화 복합 발전의 경우 열효율이 높아 단위 발전전력량당 이산화탄소, 황산화물, 질소산화물, 분진의 발생량을 절감할 수 있으며, 플랜트 출력에 대한 증기터빈 출력의 비가 낮아 온배수의 발생량을 절감할 수 있는 등 환경성이 매우 우수한 기술로 평가받고 있다. 또한 이산화탄소 분리저장기술, 수소생산기술, 연료전지와 연계한 시스템 등에 응용이 가능한 미래형 발전의 중추적인 기술로 주목을 받고 있다.

석탄 가스화 복합 발전의 경우 종래의 석탄을 이용한 화력발전보다 효율 및 환경 오염 면에서 장점이 있을 뿐 아니라 다양한 분야와 결합이 가능한 장점이 있다. 그러나 종래의 석탄 가스화 복합 발전의 경우 석탄의 가스화 공정에 있어 고온로의 복사열에 의하여 석탄을 가스화하게 되므로 가스화기의 가동을 위하여 섭씨 1300~1500도로의 예열이 필요하므로, 가스화기의 예열을 위한 시간 및 비용이 많이 소요되게 된다. 또한 가스화를 위하여 25기압 이상의 고압을 요하게 되므로 가스화기 자체의 소형화가 매우 어렵고 가스화기의 제어 또한 어려운 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 플라즈마 가스화기를 이용한 석탄의 가스화 기술이 제안되었다. 플라즈마를 이용할 경우 종래에 비해 저압(1기압) 공정으로 석탄의 가스화가 가능하며 가스화기 자체의 소형화가 가능하다는 장점이 있다.

플라즈마 가스화기의 경우 안정적으로 플라즈마를 발생시키기 위하여 스팀 등의 보조가스를 소용돌이 형태로 도파관 내에 주입하는 것이 일반적이다. 그러나 이와 같이 소용돌이 형태의 보조 가스(스월 가스)를 주입할 경우 스월 가스의 원심력에 의하여 주입된 석탄 입자들이 플라즈마를 벗어나게 됨으로써 가스화 효율이 낮아지는 문제점이 있었다.
[선행기술문헌] 한국공개특허 제10-2005-0102958호(폐기물 가스화 복합발전 시스템, 공개일 2005.10.27)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 스월 가스를 이용한 플라즈마 가스화기에 있어 미분탄을 플라즈마의 중심부로 집중시킴으로써 가스화 효율을 향상하는 데 그 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 가스화기는 기 설정된 주파수의 전자파를 발진하는 전자파 공급부; 상기 전자파 및 보조가스로부터 플라즈마가 발생되는 방전관; 상기 방전관의 내부로 소용돌이 형태의 제1 보조가스를 주입하는 제1가스 공급부; 상기 방전관 내부에서 생성된 상기 플라즈마에 미분탄을 공급하는 미분탄 공급부; 상기 방전관의 상부에 형성되며, 상기 플라즈마 및 상기 미분탄과의 반응에 의하여 합성가스가 생성되는 노즐부; 및 상기 노즐부의 내벽을 따라 상기 플라즈마의 토출 방향과 평행한 방향으로 흐르는 제2 보조가스를 주입하는 제2가스 공급부를 포함한다.

이때, 상기 제1 보조가스는 산소, 스팀 또는 산소와 스팀의 혼합가스 중 어느 하나일 수 있다.

그리고 상기 제2 보조가스는 스팀, 산소, 공기 또는 이산화탄소 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

한편 상기 제2가스 공급부는, 상기 노즐부의 하부에 형성되며, 상기 노즐부의 내주면과 연결되는 끝단이 상기 플라즈마의 토출 방향과 평행하도록 형성되는 복수 개의 가스 공급관을 포함할 수 있으며, 상기 복수 개의 가스 공급관은 상기 노즐부의 내주면을 따라 등간격으로 배열될 수 있다.

그리고 상기 제2가스 공급부에서 공급되는 단위 시간당 제2 보조가스 공급량과 상기 제1가스 공급부에서 공급되는 단위 시간당 제1 보조가스 공급량 비는 2:1 내지 4:1일 수 있다.

본 발명에 따를 경우, 플라즈마 가스화기의 노즐부의 내벽을 따라 플라즈마의 토출 방향과 평행한 방향으로 흐르는 강한 가스의 흐름을 형성하여 노즐부 내벽면의 압력이 중심축보다 더 큰 압력 구배를 갖도록 함으로써, 주입되는 미분탄을 플라즈마가 내부로 집중시킬 수 있게 되어 플라즈마에 의한 합성가스 생성 효율을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 가스화기(100)의 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 가스화기(100)의 도파관(110)과 방전관(112)이 연결되는 부분을 도시한 수직 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 공급부의 수평 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 노즐부를 A-A' 선을 따라 절단한 수평 단면도이다.
도 5는 제2 가스 공급부에 의하여 공급되는 가스의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 플라즈마 가스화기의 미분탄 집중 효과를 설명하기 위한 도면이다.

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 일 실시예에 따른 플라즈마 가스화기(100)의 블록도이다. 도시된 바와 같이, 플라즈마 가스화기(100)는 전원부(102), 전자파 발진기(104), 순환기(106), 튜너(108), 도파관(110), 방전관(112), 제1 가스 공급부(114), 미분탄 공급부(116), 노즐부(118), 제2 가스 공급부(120) 및 가스 배출부(122)를 포함한다.

전원부(102)는 플라즈마 가스화기(100)의 구동에 필요한 전력을 공급한다.

전자파 발진기(104)는 전원부(102)와 연결되며, 전원부(102)로부터 전력을 공급받아 전자파를 발진한다. 본 발명에서는 상용주파수의 전자파 발진기(마그네트론)를 이용하며, 예를 들어 2.45GHz의 주파수를 갖는 전자파 발진기, 또는 902~928MHz(915MHz 마그네트론) 또는 886~896MHz(896MHz 마그네트론)의 주파수 범위를 갖는 전자파를 발진하는 전자파 발진기를 사용할 수 있다.

순환기(106)는 전자파 발진기(104)와 연결되며, 전자파 발진기(104)에서 발진된 전자파를 출력함과 동시에 임피던스 부정합으로 반사되는 전자파 에너지를 소멸시켜 전자파 발진기(104)를 보호한다.

튜너(108)는 순환기(106)로부터 출력된 전자파의 입사파와 반사파의 세기를 조절하여 임피던스 정합을 유도함으로써 상기 전자파로 유도된 전기장이 방전관(112) 내에서 최대가 되도록 한다.

도파관(110)은 튜너(108)로부터 입력되는 전자파를 방전관(112)으로 전송한다.

도시된 바와 같이, 전술한 전원부(102), 전자파 발진기(104), 순환기(106), 튜너(108), 및 도파관(110)은 본 발명에서 전자파 공급부(124)를 구성한다. 즉, 전자파 공급부(124)는 기 설정된 주파수의 전자파를 발생시켜 방전관(112)으로 공급하는 역할을 수행한다.

방전관(112)은 전자파 공급부(124)로부터 공급된 상기 전자파 및 제1 보조가스로부터 플라즈마를 생성하며, 생성된 상기 플라즈마를 이용하여 미분탄을 가스화함으로써 합성가스(Syn-gas)를 생성한다. 상기 합성가스는 주로 일산화탄소(CO)와 수소(H₂)로 구성되며, 그 외에 황화합물 등의 불순물을 포함한다.

제1 가스 공급부(114)는 방전관(112)의 내부에 상기 제1 보조가스를 소용돌이 형태로 주입한다. 상기 보조가스는 산소, 스팀 또는 산소와 스팀의 혼합가스 중 어느 하나로 구성될 수 있다. 이와 같이 제1 가스 공급부(114)를 통하여 방전관(112) 내부에 주입된 보조가스는 방전관(112) 내에 소용돌이(스월; swirl)를 형성함으로써 생성된 플라즈마를 안정화시킴과 동시에 고온의 플라즈마 화염으로부터 방전관(112)의 내벽을 보호하게 된다.

한편, 상기 보조가스에 포함된 스팀(H₂O)과 산소(O₂)의 혼합 비율을 제어함으로써 생성되는 합성가스(Syn-gas)의 조성비율을 제어하는 것 또한 가능하다. 예를 들어, 보조가스로 순수한 스팀(H₂O)을 사용할 경우, 플라즈마에 의하여 OH, H, O가 생성되며, 이 중 우세한(dominant) 종들은 OH와 H이다. 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 산소원자의 발생량이 스팀으로부터 발생되는 수소원자의 양보다 점점 많아지게 된다. 즉 보조가스에서 산소의 혼합율이 증가할수록 수소보다 일산화탄소의 발생량이 많아지게 되며, 이로부터 스팀과 산소의 혼합율을 제어함으로서 석탄 가스화로부터의 합성가스의 조성을 변화시킬 수 있다.

상기 플라즈마에 의하여 상기 방전관(112) 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 느린 반응이다. 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 + H₂0

- 발열반응이며 매우 느린 반응이다.

미분탄 공급부(116)는 방전관(112) 내부에서 생성된 상기 플라즈마에 합성가스 생성을 위한 원료가 되는 미분탄을 공급한다.

노즐부(118)는 방전관(112)의 상부에 형성되며, 발생된 상기 플라즈마 및 미분탄과의 반응에 의하여 합성가스를 생성시킨다.

제2 가스 공급부(120)는 노즐부(118)의 내벽을 따라 상기 플라즈마의 토출 방향과 평행한 방향으로 흐르는 제2 보조가스를 주입한다. 상기 제2 보조가스는 스팀(H₂O), 산소(O₂), 공기(Air), 또는 이산화탄소(CO₂) 중 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다. 이와 같은 노즐부(118)의 및 제2 가스 공급부(120)의 상세 구성에 대해서는 이하에서 상세히 설명한다.

가스 배출부(122)는 방전관(112)의 상단에 구비되며, 플라즈마에 의하여 생성된 합성가스를 외부로 배출한다. 가스 배출부(122)를 통하여 배출된 합성가스는 가스 정제 과정을 거쳐 전력을 생성하거나 액화 연료, 화학 연료 등을 생산하는 데 사용된다.

도 2는 본 발명에 따른 플라즈마 가스화기(100)의 도파관(110)과 방전관(112)이 연결되는 부분을 도시한 수직 단면도이다.

도시된 바와 같이, 방전관(112)은 도파관(110)과 연결되어 도파관(110)을 통해 입력되는 전자파에 의해 플라즈마가 생성되는 공간(200)을 제공한다. 방전관(112)은 원통형으로 형성되어 도파관(110)의 종단으로부터 도파관(110) 내 파장의 1/8~1/2 사이, 바람직하게는 1/4에 해당하는 지점에서 도파관(110)을 수직하게 관통하도록 설치되며, 전자파의 용이한 투과를 위해 석영, 알루미나, 또는 세라믹으로 구성될 수 있다. 도파관(110)의 외부면에서 도파관(110)을 감싸도록 형성된 방전관 지지체(202)는 방전관(112)이 안정적으로 도파관(110) 내부에 삽입되어 고정되도록 방전관(112)을 지지한다.

노즐부(118)는 방전관(112)의 상단에 형성되며, 방전관(112)과 동일한 직경을 가지는 원통형으로 형성된다.

제1 가스 공급부(114)는 방전관(112)의 하단부에 형성되며, 미분탄 공급부(116)는 노즐부(118)의 하단부에 형성된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 가스 공급부(114)는 등간격으로 배열되며, 방전관(112)의 내부로 제1 보조가스를 공급하는 하나 이상의 제1 가스 공급관(300)을 포함할 수 있다. 이와 같은 제1 가스 공급관(300)은 공급되는 제1 보조가스가 방전관(112)의 내주면을 따라 소용돌이 형태로 회전하도록 방전관(112)으로 공급된다. 이를 위하여, 도시된 바와 같이 제1 가스 공급관(300)은 방전관(112) 내부로 배출되는 제1 보조가스가 방전관(112)의 내주면을 따라 (즉, 내주면과 평행하게) 배출되도록 방전관(112)의 내부와 연결된다. 이를 위하여, 제1 가스 공급관(300)이 방전관(112)과 연결되는 일단 부근에서는 제1 가스 공급관(300)의 진행 방향이 방전관(112)의 내주면과 평행하도록 구성되며, 이에 따라 공급되는 제1 보조가스는 방전관(112)의 내부에서 방전관(112)의 내벽을 따라 일방향으로 회전하면서 소용돌이 형태를 띄게 된다. 제1 가스 공급관(300)에서 공급되는 제1 보조가스의 회전 방향이 모두 동일하도록 구성되어야 함은 당연하다. 한편, 도시된 실시예에서는 4개의 제1 가스 공급관(300)이 등간격으로 배열되는 실시예를 나타내었으나, 이는 예시적인 것이며, 필요에 따라 적절한 개수의 제1 가스 공급관(300)을 구비할 수 있다.

도 4는 도 2에 도시된 노즐부(118)를 A-A' 선을 따라 절단한 수평 단면도이다. 도시된 바와 같이, 노즐부(118)는 원통 형상으로 형성되어 상기 원통의 내부로 상기 플라즈마가 관통하도록 구성된다.

제2 가스 공급부(120)는 노즐부(118)의 하단에 구비되며, 도시된 바와 같이 제2 보조 가스를 공급하는 복수 개의 가스 공급관을 포함한다. 도시된 바와 같이, 각각의 가스 공급관은 노즐부(118)의 내주면을 따라 등간격으로 배열될 수 있다. 또한 각각의 가스 공급관은 노즐부(118)의 내주면과 연결되는 끝단(120a)이 플라즈마의 토출 방향과 평행하도록 형성된다. 이에 따라, 도 5의 화살표로 표시한 것과 같이, 가스 공급관으로 주입된 제2 보조가스는 끝단(120a)에서 그 방향이 변화하여 플라즈마의 토출 방향과 평행한 방향으로 노즐부(118)의 내주면을 따라 직선으로 흐르게 된다.

이러한 제2 보조가스의 흐름은 노즐부(118)의 가장자리에서 가장 강하게 일어나며, 노즐부(118)의 중심부로 갈수록 약해진다. 즉, 제2 보조가스의 이동 속도는 노즐부(118)의 가장자리에서 가장 빠르고 노즐부(118)의 중심에서 가장 느리다. 이와 같은 속도 차이에 따라 노즐부(118) 내부의 압력 또한 중심으로 갈수록 낮아지고 중심에서 벗어날수록 높아지게 되며, 이에 따라 노즐부(118)로 주입되는 미분탄은 상기 압력 차이로 인하여 플라즈마가 형성된 노즐부(118)의 중심으로 집중된다.

상술한 바와 같은 효과에 의하여, 본 발명에 따를 경우 주입된 미분탄이 중심부의 플라즈마로 집중됨으로써 종래에 비해 합성가스의 생산 효율을 높일 수 있게 된다. 즉, 노즐부(118) 내에 상기와 같은 형태의 제2 가스 공급부(120)를 구비하지 않을 경우에는 소용돌이 형태의 제1 보조가스에 따른 원심력에 의하여 주입된 미분탄 입자들이 플라즈마로부터 벗어나게 된다. 그러나 본 발명의 경우 제2 가스 공급부(120)에 의하여 제2 보조가스를 주입함으로써 미분탄을 플라즈마 방향으로 집중시키게 되어 합성가스의 생성 효율을 높일 수 있다.

한편, 제2가스 공급부(120)에서 공급되는 단위 시간당 제2 보조가스 공급량을 M이라 하고, 제1가스 공급부(114)에서 공급되는 단위 시간당 제1 보조가스 공급량을 N이라 할 때, M:N = 2 ~ 4 : 1의 범위를 만족하도록 구성된다. 만약 제2 보조가스 공급량이 너무 적을 경우에는 미분탄을 집중시키기 위한 충분한 압력구배를 형성할 수 없으며, 제2 보조가스 공급량이 4 이상이 되면 공급량 증가에 따른 효율 향상 효과가 더 이상 나타나지 않기 때문이다.

도 6은 스월가스 형태의 제1 보조가스를 30lpm의 용량으로 주입할 때, 제2 보조가스의 주입량을 0lpm, 20lpm, 40lpm, 60lpm, 80lpm, 100lpm으로 변화시킬 경우의 미분탄 입자의 흐름을 각각 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 제2 보조가스의 주입량이 제1 보조가스 공급량의 2배인 60lpm 미만일 경우에는 미분탄 입자들이 방사형으로 퍼지나, 60lpm 이상일 경우에는 점차 입자들이 중심부로 집중되는 것을 알 수 있다.

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: 플라즈마 가스화기
102: 전원부
104: 전자파 발진기
106: 순환기
108: 튜너
110: 도파관
112: 방전관
114: 제1 가스 공급부
116: 미분탄 공급부
118: 노즐부
120: 제2 가스 공급부
122: 가스 배출부
124: 전자파 공급부
200: 플라즈마 생성 공간
202: 방전관 지지체
300: 제1 가스 공급관

Claims (6)

1. 기 설정된 주파수의 전자파를 발진하는 전자파 공급부;
   상기 전자파 및 보조가스로부터 플라즈마가 발생되는 방전관;
   상기 방전관의 내부로 소용돌이 형태의 제1 보조가스를 주입하는 제1가스 공급부;
   상기 방전관 내부에서 생성된 상기 플라즈마에 미분탄을 공급하는 미분탄 공급부;
   상기 방전관의 상부에 형성되며, 상기 플라즈마 및 상기 미분탄과의 반응에 의하여 합성가스가 생성되는 노즐부; 및
   상기 노즐부의 내벽을 따라 상기 플라즈마의 토출 방향과 평행한 방향으로 흐르는 제2 보조가스를 주입하는 제2가스 공급부를 포함하는 플라즈마 가스화기.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 보조가스는 산소, 스팀 또는 산소와 스팀의 혼합가스 중 어느 하나인, 플라즈마 가스화기.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2 보조가스는 스팀, 산소, 공기 또는 이산화탄소 중 하나 이상을 포함하는, 플라즈마 가스화기.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2가스 공급부는, 상기 노즐부의 하부에 형성되며, 상기 노즐부의 내주면과 연결되는 끝단이 상기 플라즈마의 토출 방향과 평행하도록 형성되는 복수 개의 가스 공급관을 포함하는, 플라즈마 가스화기.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 복수 개의 가스 공급관은 상기 노즐부의 내주면을 따라 등간격으로 배열되는, 플라즈마 가스화기.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2가스 공급부에서 공급되는 단위 시간당 제2 보조가스 공급량과 상기 제1가스 공급부에서 공급되는 단위 시간당 제1 보조가스 공급량의 부피비는 2:1 내지 4:1인, 플라즈마 가스화기.

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