KR101334848B1 - Plasma Gasifier - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따르면, 기 설정된 주파수의 전자파를 발진하는 전자파 공급부(124); 상기 전자파 및 보조가스로부터 플라즈마를 생성시키는 방전관(112); 상기 방전관(112)의 내부로 제1보조가스를 소용돌이 형태로 주입하는 제1가스공급부(114); 상기 방전관(112) 내부에서 생성된 상기 플라즈마에 미분탄을 공급하는 미분탄공급부(116); 상기 방전관(112)의 상부에 형성되고, 상기 제1보조가스가 소용돌이 형태에서 상기 플라즈마의 토출 방향과 평행한 방향의 직선운동 형태로 변화되도록 상기 제1보조가스의 흐름을 제어하며, 상기 플라즈마 및 상기 미분탄과의 반응에 의하여 합성가스가 생성되는 노즐부(118); 및 상기 노즐부(118)의 내벽을 따라 상기 플라즈마의 토출 방향과 평행한 방향으로 흐르는 제2보조가스를 주입하는 제2가스공급부(120);를 포함하는 플라즈마 가스화기를 개시한다.According to the present invention, an electromagnetic wave supply unit 124 for oscillating an electromagnetic wave of a predetermined frequency; A discharge tube 112 for generating a plasma from the electromagnetic wave and the auxiliary gas; A first gas supply unit 114 for injecting a first auxiliary gas into a vortex form into the discharge tube 112; Pulverized coal supply unit 116 for supplying pulverized coal to the plasma generated inside the discharge tube (112); The first auxiliary gas is formed on the discharge tube 112, and the flow of the first auxiliary gas is controlled so that the first auxiliary gas is changed from a vortex form into a linear motion in a direction parallel to the discharge direction of the plasma. A nozzle unit 118 for generating syngas by reaction with the pulverized coal; And a second gas supply unit 120 for injecting a second auxiliary gas flowing in a direction parallel to the discharge direction of the plasma along the inner wall of the nozzle unit 118.
Description
본 발명은 플라즈마 가스화기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 석탄 가스화 복합 발전에서 석탄을 가스화하는 공정에 적용되며 플라즈마를 이용하여 석탄입자로 이루어진 미분탄으로부터 합성가스를 생성하기 위한 플라즈마 가스화기에 관한 것이다.
The present invention relates to a plasma gasifier, and more particularly, to a process for gasifying coal in a coal gasification combined cycle, and to a plasma gasifier for generating syngas from pulverized coal made of coal particles using plasma.
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.Integrated Gasification Combined Cycle (IGCC) is a form of generating electricity by converting coal into a synthesis gas composed mainly of hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO), and then turning the gas turbine with this gas. Means development.
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.Coal gasification combined cycle power generation has the greatest advantage in that it can generate electricity by using the rich reserve of coal resources worldwide. In addition, in the case of coal gasification combined cycle power generation, high thermal efficiency can reduce the generation of carbon dioxide, sulfur oxides, nitrogen oxides and dusts per unit power generation, and can reduce the generation of warm water due to the low ratio of steam turbine output to plant output. It is evaluated as a very environmentally friendly technology. In addition, it is attracting attention as a pivotal technology of future type power generation that can be applied to carbon dioxide separation storage technology, hydrogen production technology, and fuel cell related system.
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.In the case of coal gasification combined-cycle power generation, there is an advantage in terms of efficiency and environmental pollution, as well as being able to combine with various fields, as compared with conventional thermal power generation using coal. However, in the case of the conventional coal gasification combined cycle power generation system, the coal is gasified by the radiant heat of the high temperature in the gasification process of the coal. Therefore, the preheating of 1300 to 1500 degrees Celsius is required for the operation of the gasifier, And it becomes costly. In addition, since a high pressure of 25 atm or higher is required for gasification, it is very difficult to miniaturize the gasifier itself, and control of the gasifier is also difficult.
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.In order to solve such a problem, a coal gasification technology using a plasma gasifier has been proposed. When using plasma, it is possible to gasify coal by a low-pressure (1 atm) process as compared with the prior art, and it is advantageous that the gasifier itself can be miniaturized.
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.
In the case of plasma gasifiers, in order to stably generate plasma, an auxiliary gas such as steam is injected into the waveguide in a vortex form. However, when injecting the vortex-shaped auxiliary gas (swirl gas), the coal particles injected by the centrifugal force of the swirl gas escape the plasma, thereby lowering the gasification efficiency.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 플라즈마를 이용한 플라즈마 가스화기에 있어 스월가스의 원심력에 의해 플라즈마로부터 외측으로 벗어나는 미분탄을 플라즈마의 중심부로 집중시킴으로써 가스화 효율을 향상시킨 플라즈마 가스화기를 제공하는 데 그 목적이 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to improve gasification efficiency by concentrating pulverized coal, which is moved outward from the plasma by the centrifugal force of swirl gas, to the center of the plasma in a plasma gasifier using plasma. The purpose is to provide a plasma gasifier.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 플라즈마 가스화기는, 기 설정된 주파수의 전자파를 발진하는 전자파 공급부(124); 상기 전자파 및 보조가스로부터 플라즈마를 생성시키는 방전관(112); 상기 방전관(112)의 내부로 제1보조가스를 소용돌이 형태로 주입하는 제1가스공급부(114); 상기 방전관(112) 내부에서 생성된 상기 플라즈마에 미분탄을 공급하는 미분탄공급부(116); 상기 방전관(112)의 상부에 형성되고, 상기 제1보조가스가 소용돌이 형태에서 상기 플라즈마의 토출 방향과 평행한 방향의 직선운동 형태로 변화되도록 상기 제1보조가스의 흐름을 제어하며, 상기 플라즈마 및 상기 미분탄과의 반응에 의하여 합성가스가 생성되는 노즐부(118); 및 상기 노즐부(118)의 내벽을 따라 상기 플라즈마의 토출 방향과 평행한 방향으로 흐르는 제2보조가스를 주입하는 제2가스공급부(120);를 포함한다.
Plasma gasifier according to the present invention for achieving the above object, the electromagnetic
본 발명에 따른 플라즈마 가스화기에 의하면, 노즐부 내부에서 스월형태로 공급되는 보조가스의 흐름을 직선 형태로 변화시킴으로써 스월가스의 원심력에 의해 플라즈마로부터 외측으로 벗어나는 미분탄을 플라즈마의 중심부로 집중시킬 수 있게 되어 플라즈마에 의한 합성가스 생성효율을 극대화시킬 수 있다.
According to the plasma gasifier according to the present invention, by changing the flow of the auxiliary gas supplied in the swirl form inside the nozzle portion in a straight line form, the pulverized coal deviating outward from the plasma by the centrifugal force of the swirl gas can be concentrated in the center of the plasma. It is possible to maximize the synthesis gas generation efficiency by the plasma.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 가스화기의 구성을 나타낸 블록도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 가스화기의 도파관과 방전관이 연결되는 부분을 도시한 수직단면도,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제1가스공급부의 구성 및 제1보조가스가 스월형태로 배출되는 동작원리를 나타낸 수평단면도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가이드홈의 구성을 나타낸 도 2의 A-A'를 절단한 수평단면도,
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가이드홈의 구성에 의해 노즐부 내부 위치별 제1보조가스의 이동속도가 변환된 상태를 나타낸 그래프,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가이드홈에 의해 미분탄 입자들이 플라즈마가 형성되는 중심부에 집중되어 배출되는 상태를 나타낸 사진,
도 7은 상기 가이드홈이 구비되지 않은 상태에서 미분탄 입자들이 방사형으로 퍼지며 배출되는 상태를 나타낸 사진,
도 8은 상기 가이드홈이 구비되지 않은 상태에서 생성되는 합성가스의 조성을 나타낸 그래프,
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가이드홈이 구비된 상태에서 생성되는 합성가스의 조성을 나타낸 그래프,
도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제2가스공급부의 구성을 나타낸 도 2의 B-B'를 절단한 수평단면도,
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제2보조가스의 주입량별로 구분하여 배출되는 미분탄 입자의 흐름을 나타낸 사진,
도 12는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가이드홈 및 제2가스공급부에 의해 주입된 미분탄이 중심부의 플라즈마로 집중되는 동작원리를 나타낸 단면도이다.1 is a block diagram showing the configuration of a plasma gasifier according to a preferred embodiment of the present invention;
2 is a vertical cross-sectional view showing a portion where the waveguide and the discharge tube of the plasma gasifier according to the present invention is connected;
Figure 3 is a horizontal cross-sectional view showing the configuration of the first gas supply unit according to a preferred embodiment of the present invention and the operation principle of the first auxiliary gas is discharged in a swirl form,
4 is a horizontal cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 2 showing the configuration of the guide groove according to the preferred embodiment of the present invention;
5 is a graph showing a state in which the moving speed of the first auxiliary gas for each position inside the nozzle unit is converted by the configuration of the guide groove according to the preferred embodiment of the present invention;
6 is a photograph showing a state in which pulverized coal particles are concentrated and discharged in a center where plasma is formed by a guide groove according to a preferred embodiment of the present invention;
7 is a photograph showing a state in which pulverized coal particles are radially spread and discharged in a state where the guide groove is not provided;
8 is a graph showing the composition of the synthesis gas generated in a state where the guide groove is not provided,
9 is a graph showing the composition of the synthesis gas generated in the state provided with a guide groove according to a preferred embodiment of the present invention,
10 is a horizontal cross-sectional view taken along line B-B 'of FIG. 2 showing a configuration of a second gas supply unit according to an exemplary embodiment of the present invention;
Figure 11 is a photograph showing the flow of pulverized coal particles discharged separately for each injection amount of the second auxiliary gas according to a preferred embodiment of the present invention,
12 is a cross-sectional view illustrating an operation principle in which pulverized coal injected by a guide groove and a second gas supply unit is concentrated to a plasma at a central portion according to a preferred embodiment of the present invention.
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.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms, and the inventor should appropriately interpret the concepts of the terms appropriately The present invention should be construed in accordance with the meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention.
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.Therefore, the embodiments described in this specification and the configurations shown in the drawings are merely the most preferred embodiments of the present invention and do not represent all the technical ideas of the present invention. Therefore, It is to be understood that equivalents and modifications are possible.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 가스화기의 구성을 나타낸 블록도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 가스화기(100)는 전원부(102), 전자파 발진기(104), 순환기(106), 튜너(108), 도파관(110), 방전관(112), 제1가스공급부(114), 미분탄공급부(116), 노즐부(118), 제2가스공급부(120) 및 가스배출부(122)를 포함한다.1 is a block diagram showing the configuration of a plasma gasifier according to a preferred embodiment of the present invention. As shown, the
먼저, 상기 전원부(102)는, 외부로부터 구동전력을 인가받아 플라즈마 가스화기(100)의 구동에 필요한 전력을 공급한다.First, the
상기 전자파 발진기(104)는, 전원부(102)와 연결되며, 전원부(102)로부터 전력을 공급받아 전자파를 발진한다. 본 실시예에서는 상용주파수의 전자파 발진기(마그네트론)를 이용한다. 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.The
상기 순환기(106)는, 상기 전자파 발진기(104)와 연결되며, 전자파 발진기(104)에서 발진된 전자파를 출력함과 동시에 임피던스 부정합으로 반사되는 전자파 에너지를 소멸시켜 전자파 발진기(104)를 보호한다.The
상기 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.The
상기 도파관(110)은, 상기 튜너(108)와 방전관(112) 사이에 연결되며, 튜너(108)로부터 입력되는 전자파를 방전관(112)으로 전송한다.The
전술한 전원부(102), 전자파 발진기(104), 순환기(106), 튜너(108), 및 도파관(110)은 본 발명에서 전자파 공급부(124)를 구성한다. 즉, 상기 전자파 공급부(124)는 기 설정된 주파수의 전자파를 발생시켜 방전관(112)으로 공급하는 역할을 수행한다.The
상기 방전관(112)은, 전자파 공급부(120)로부터 공급된 상기 전자파 및 제1보조가스로부터 플라즈마를 생성하며, 생성된 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.The
상기 제1가스공급부(114)는, 방전관(112)의 내부에 상기 제1보조가스를 소용돌이 형태로 주입한다. 상기 제1보조가스는 산소, 스팀 또는 산소와 스팀의 혼합가스 중 어느 하나로 구성될 수 있다. 이와 같이 제1가스공급부(114)를 통하여 방전관(112) 내부에 주입된 제1보조가스는 방전관(112) 내에 소용돌이(스월; Swirl)를 형성함으로써 생성된 플라즈마를 안정화시킴과 동시에 고온의 플라즈마 화염으로부터 방전관(112)의 내벽을 보호하게 된다.The first
한편, 상기 제1보조가스에 포함된 스팀(H2O)과 산소(O2)의 혼합 비율을 제어함으로써 생성되는 합성가스(Syn-gas)의 조성비율을 제어하는 것 또한 가능하다. 예를 들어, 제1보조가스로 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.On the other hand, it is also possible to control the composition ratio of the synthesis gas (Syn-gas) generated by controlling the mixing ratio of the steam (H 2 O) and oxygen (O 2 ) contained in the first auxiliary gas. For example, when pure steam (H 2 O) is used as the first auxiliary gas, OH, H, and O are generated by plasma, and dominant species are OH and H. Therefore, when coal is gasified in a pure steam plasma, it can be predicted that the amount of hydrogen produced is greater than carbon monoxide from the reaction of coal and steam plasma.
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, 제1보조가스에서 산소의 혼합율이 증가할수록 수소보다 일산화탄소의 발생량이 많아지게 되며, 이로부터 스팀과 산소의 혼합율을 제어함으로서 석탄 가스화로부터의 합성가스의 조성을 변화시킬 수 있다.
However, when coal is gasified from a mixed gas of steam and oxygen, when the mole fraction of oxygen (Mole Fraction,%) is gradually increased from 0 to 100, the amount of oxygen atoms is increased more than the amount of hydrogen atoms generated from steam. . That is, as the mixing ratio of oxygen in the first auxiliary gas increases, the amount of carbon monoxide generated is greater than that of hydrogen. From this, the composition of the synthesis gas from coal gasification can be changed by controlling the mixing ratio of steam and oxygen.
상기 플라즈마에 의하여 상기 방전관(112) 내부에서는 다음과 같은 반응이 일어나게 된다.The following reaction occurs in the
(1) 산소에 의한 연소(산화반응) : C + O2 → CO2 (1) Combustion by oxygen (oxidation reaction): C + O 2 → CO 2
- 본 반응은 발열반응이며 매우 빠르게 일어난다. 이 반응을 통하여 석탄의 가스화에 필요한 열을 공급받을 수 있다.This reaction is exothermic and occurs very quickly. This reaction can provide the heat required for gasification of coal.
(2) 산소에 의한 가스화(부분산화반응) : C + 1/2 O2 → CO(2) Gasification with oxygen (partial oxidation reaction): C + 1/2 O 2 → CO
- 본 반응 또한 발열반응이며 매우 빠르게 일어난다.This reaction is also exothermic and occurs very quickly.
(3) 이산화탄소에 의한 가스화(Boudouard 반응) : C + CO2 → 2CO(3) Gasification with carbon dioxide (Boudouard reaction): C + CO 2 → 2CO
- 본 반응은 흡열반응이며 상기 산화반응보다 느린 반응이다.This reaction is endothermic and slower than the oxidation reaction.
(4) 스팀에 의한 가스화 : C + H2O ↔ CO + H2 (4) Gasification by steam: C + H 2 O ↔ CO + H 2
- 흡열반응이며 상기 산화반응보다 느린 반응이다. 높은 온도와 저압에서 선호되는 반응이다.Endothermic and slower than the oxidation reaction. It is the preferred reaction at high temperatures and low pressures.
(5) 수소에 의한 가스화 : C + 2H2 ↔ CH4 (5) Gasification with Hydrogen: C + 2H 2 ↔ CH 4
- 발열반응이며 느린 반응이다. 다만 고압일 경우 예외적으로 반응 속도가 빨라진다.Exothermic and slow reaction. At high pressures, however, the reaction rate is exceptionally fast.
(6) 물-가스 이동 반응 (Water gas shift (WGS) reaction : Dussan reaction) : CO + H2O ↔ H2 + CO2 (6) Water gas shift (WGS) reaction: Dussan reaction: CO + H 2 O ↔ H 2 + CO 2
- 다소 흡열반응이며 빠른 반응이다. 합성가스의 H2 : CO 비율은 본 반응에 의해 영향을 받게 된다.-It is rather endothermic and rapid. The H2: CO ratio of the syngas is affected by this reaction.
(7) 메탄 생성 반응 : CO + 3H2 ↔ CH4 (7) Methane Formation Reaction: CO + 3H 2 ↔ CH 4
- 발열반응이며 매우 느린 반응이다.
Exothermic and very slow reaction.
상기 미분탄공급부(116)는, 방전관(112) 하부에 배치되어 방전관(112) 내부에서 생성된 상기 플라즈마에 합성가스 생성을 위한 원료가 되는 석탄입자로 이루어진 미분탄을 공급한다.The pulverized
상기 노즐부(118)는, 상기 방전관(112)의 상부에 형성되고, 상기 제1보조가스가 소용돌이 형태에서 상기 플라즈마의 토출 방향과 평행한 방향의 직선운동 형태로 변화되도록 상기 제1보조가스의 흐름을 제어하며, 상기 플라즈마 및 미분탄과의 반응에 의하여 합성가스를 생성시킨다.The
상기 제2가스공급부(120)는 노즐부(118)의 내벽을 따라 상기 플라즈마의 토출 방향과 평행한 방향으로 흐르는 제2보조가스를 주입한다. 상기 제2보조가스는 스팀(H2O), 산소(O2), 공기(Air), 또는 이산화탄소(CO2) 중 하나 이상을 포함하여 구성될 수 있다. 이와 같은 제2가스공급부(120)의 상세구성에 대해서는 이하에서 상세히 설명한다.The second
상기 가스배출부(122:도 1 참조)는, 방전관(112)의 상단에 구비되며, 플라즈마에 의하여 생성된 합성가스를 외부로 배출한다. 가스배출부(122)를 통하여 배출된 합성가스는 가스 정제 과정을 거쳐 전력을 생성하거나 액화 연료, 화학 연료 등을 생산하는 데 사용된다.The gas discharge part 122 (refer to FIG. 1) is provided at an upper end of the
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 가스화기의 도파관(110)과 방전관(112)이 연결되는 부분을 도시한 수직단면도이다. 도시된 바와 같이, 방전관(112)은 도파관(110)과 연결되어 도파관(110)을 통해 입력되는 전자파에 의해 플라즈마가 생성되는 공간(200)을 제공한다.2 is a vertical cross-sectional view showing a portion where the
상기 방전관(112)은, 원통형으로 형성되어 도파관(110)의 종단으로부터 도파관(110) 내파장의 1/8 내지 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.The
상기 노즐부(118)는, 방전관(112)의 상단에 형성되며, 방전관(112)과 동일한 직경을 가지는 원통형으로 형성된다.The
상기 제1가스공급부(114)는, 방전관(112)의 하단부에 형성되며, 미분탄공급부(116)는 노즐부(118)의 하단부에 형성된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1가스공급부(114)는 등간격으로 배열되며, 방전관(112)의 내부로 제1보조가스를 공급하는 하나 이상의 제1가스공급관(300)을 포함할 수 있다.The first
이와 같은 제1가스공급관(300)은, 공급되는 제1보조가스가 방전관(112)의 내주면을 따라 소용돌이 형태로 회전하도록 방전관(112)으로 공급된다. 도시된 바와 같이 제1가스공급관(300)은 방전관(112) 내부로 배출되는 제1보조가스가 방전관(112)의 내주면을 따라 즉, 내주면과 평행하게 배출되도록 방전관(112)의 내부와 연결된다.The first
이를 위하여, 제1가스공급관(300)이 방전관(112)과 연결되는 일단 부근에서 는 제1가스공급관(300)의 진행 방향이 방전관(112)의 내주면과 평행하도록 구성되며, 이에 따라 공급되는 제1보조가스는 방전관(112)의 내부에서 방전관(112)의 내벽을 따라 일방향으로 회전하면서 소용돌이 형태를 띄게 된다. 제1가스공급관(300)에서 공급되는 제1보조가스의 회전 방향이 모두 동일하도록 구성되어야 함은 당연하다. 한편, 도시된 실시예에서는 4개의 제1가스공급관(300)이 등간격으로 배열되는 실시예를 나타내었으나, 이는 예시적인 것이며, 필요에 따라 적절한 개수의 제1가스공급관(300)을 구비할 수 있다.To this end, in the vicinity of one end where the first
한편, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가이드홈의 구성을 나타낸 도 2의 A-A'를 절단한 수평단면도이다. 도시된 바와 같이, 노즐부(118)는 원통 형상으로 형성되어 상기 원통의 내부로 상기 플라즈마가 관통하도록 구성되는 주실린더(400) 및, 상기 주실린더(400)의 내주면에 형성되는 하나 이상의 가이드홈(402)을 포함한다.On the other hand, Figure 4 is a horizontal cross-sectional view taken along the line AA 'of Figure 2 showing the configuration of a guide groove according to a preferred embodiment of the present invention. As shown, the
여기서, 상기 주실린더(400)는, 그 내경이 방전관(112)의 내경과 동일하도록 구성되며, 이에 따라 방전관(112)에서 형성된 플라즈마가 용이하게 주실린더(400)를 통과하여 토출되도록 구성된다. 상기 가이드홈(402)은 예를 들어 반원형의 홈(Groove) 형태로 주실린더(400)의 내주면에 동일 간격으로 배치될 수 있다. 이와 같은 가이드홈(402)은 소용돌이 형태(Swirl Flow)로 방전관(112)을 통과한 제1보조가스의 흐름을 직선 형태(Straight Flow)로 변화시킨다. 즉, 소용돌이 형태의 제1보조가스는 노즐부(118)를 통과하면서 가이드홈(402)에 의해 그 운동 방향이 안내되면서 변경되어 플라즈마의 토출 방향과 평행한 방향으로 직선 운동하게 된다. 전술한 바와 같이, 가이드홈(402)은 주실린더(400)의 내주면을 따라 배열되므로, 이러한 가스 흐름의 변화는 노즐부(118)의 가장자리에서 가장 강하게 일어나며, 노즐부(118)의 중심부로 갈수록 약해진다.Here, the
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가이드홈의 구성에 의해 노즐부 내부 위치별 제1보조가스의 이동속도가 변환된 상태를 나타낸 그래프이다. 도시된 바와 같이, 주실린더(400)의 내주면을 따라 배열된 가이드홈(402)에 의하여 노즐부(118)의 중심으로 갈수록 제1보조가스의 이동 속도가 느려지고, 중심에서 벗어날수록 보조 가스의 이동 속도가 빨라지게 된다. 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.5 is a graph showing a state in which the moving speed of the first auxiliary gas for each position inside the nozzle unit is changed by the configuration of the guide groove according to the preferred embodiment of the present invention. As shown, the moving speed of the first auxiliary gas is slowed toward the center of the
한편, 주실린더(400)의 내경을 R, 가이드홈(402)의 내경을 R'라할 때, R : R' = 1 : 0.1 내지 1 : 1 을 만족하도록 구성된다. 만약 R'가 R보다 큰 경우에는 주실린더(400)의 내벽에 실질적으로 가이드홈(402)이 형성될 수 없으며, R'의 값이 R의 1/10 이하인 경우에는 가이드홈(402)의 크기가 너무 작아서 제1보조가스의 흐름 방향을 충분히 변화시키지 못하게 되기 때문이다.On the other hand, when the inner diameter of the
도 6 및 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가이드홈(402)의 효과를 설명하기 위한 것으로서, 도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가이드홈(402)에 의해 미분탄 입자들이 플라즈마가 형성되는 중심부에 집중되어 배출되는 상태를 도시하며, 도 7은 상기 가이드홈(402)이 구비되지 않은 상태에서 미분탄 입자들이 방사형으로 퍼지며 배출되는 상태를 각각 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 가이드홈(402)을 구비한 경우 미분탄 입자들이 플라즈마가 형성되는 중심부에 집중되나, 가이드홈(402)을 구비하지 않은 경우에는 입자들이 방사형으로 퍼지는 것을 확인할 수 있다.6 and 7 illustrate the effect of the
도 8 및 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가이드홈(402)의 미분탄 가스화 효율 향상 효과를 설명하기 위한 것으로서, 도 8은 상기 가이드홈(402)이 구비되지 않은 상태에서 생성되는 합성가스의 조성을 나타낸 그래프, 도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가이드홈(402)이 구비된 상태에서 생성되는 합성가스의 조성을 나타낸 그래프이다. 도시된 바와 같이, 미분탄 대 스팀의 비가 약 0.4:1인 경우, 가이드홈(402)을 구비하지 않은 경우에는 수소의 함량이 약 40%, 이산화탄소의 함량이 약 39%이나, 가이드홈(402)을 구비한 경우에는 수소의 함량이 약 48%로 증가하고 이산화탄소의 함량이 약 35%로 감소한 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따를 경우 종래에 비해 플라즈마에 의한 가스화가 더 효율적으로 일어나게 된다.8 and 9 are for explaining the effect of improving the pulverized coal gasification efficiency of the
한편, 도 10은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제2가스공급부의 구성을 나타낸 도 2의 B-B'를 절단한 수평단면도이다. 도시된 바와 같이, 노즐부(118)는 원통 형상으로 형성되어 상기 원통의 내부로 상기 플라즈마가 관통하도록 구성된다. 상기 제2가스공급부(120)는, 노즐부(118)의 하부에 형성되고, 상기 노즐부(118)의 내벽을 따라 상기 플라즈마의 토출 방향과 평행한 방향으로 흐르는 제2보조가스를 주입하는 구성요소로서, 노즐부(118)의 하단에 구비되며, 도시된 바와 같이 제2보조가스를 공급하는 복수 개의 가스공급관을 포함한다.10 is a horizontal cross-sectional view taken along line B-B 'of FIG. 2 showing a configuration of a second gas supply unit according to an exemplary embodiment of the present invention. As shown, the
여기서, 각각의 가스공급관은 각 가이드홈(402)별로 매칭되어 등간격으로 배열될 수 있다. 또한, 각각의 가스공급관은 노즐부(118)의 내주면과 연결되는 끝단(120a)이 상기 가이드홈(402)의 내부에서 상기 플라즈마 토출 방향과 평행하도록 형성되어 상기 가이드홈(402)을 따라 상기 제2보조가스가 배출되도록 형성된다. 이에 따라, 도 12의 화살표로 표시한 것과 같이, 가스공급관으로 주입된 제2보조가스는 끝단(120a)에서 그 방향이 변화하여 플라즈마의 토출 방향과 평행한 방향으로 노즐부(118)의 내주면을 따라 직선으로 흐르게 된다. Here, each gas supply pipe may be matched with each
이러한 제2보조가스의 흐름은 노즐부(118)의 가장자리에서 가장 강하게 일어나며, 노즐부(118)의 중심부로 갈수록 약해진다. 즉, 제2보조가스의 이동속도는 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.The flow of the second auxiliary gas occurs most strongly at the edge of the
또한, 제2가스공급부(120)에서 공급되는 단위 시간당 제2보조가스 공급량을 M이라 하고, 제1가스공급부(114)에서 공급되는 단위 시간당 제1보조가스 공급량을 N이라 할 때, M : N = 2 : 1 내지 4 : 1의 범위를 만족하도록 구성된다. 만약 제2보조가스 공급량이 너무 적을 경우에는 미분탄을 집중시키기 위한 충분한 압력구배를 형성할 수 없으며, 제2보조가스 공급량이 4 이상이 되면 공급량 증가에 따른 효율 향상 효과가 더 이상 나타나지 않기 때문이다.In addition, when the second auxiliary gas supply amount per unit time supplied from the second
도 11은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 제2보조가스의 주입량별로 배출되는 미분탄 입자의 흐름을 구분하여 나타낸 사진으로, 스월가스 형태의 제1보조가스를 30lpm의 용량으로 주입할 때, 제2보조가스의 주입량을 0lpm, 20lpm, 40lpm, 60lpm, 80lpm, 100lpm으로 변화시킬 경우의 미분탄 입자의 흐름을 각각 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 제2보조가스의 주입량이 제1보조가스 공급량의 2배인 60lpm 미만일 경우에는 미분탄 입자들이 방사형으로 퍼지나, 60lpm 이상일 경우에는 점차 입자들이 중심부로 집중되는 것을 알 수 있다.FIG. 11 is a photograph showing the flow of pulverized coal particles discharged for each injection amount of a second auxiliary gas according to a preferred embodiment of the present invention. The flow of pulverized coal particles when the injection amount of the auxiliary gas is changed to 0lpm, 20lpm, 40lpm, 60lpm, 80lpm, and 100lpm is shown. As shown, when the injection amount of the second auxiliary gas is less than 60lpm, which is twice the supply amount of the first auxiliary gas, the pulverized coal particles are radially spread, but when the amount of the second auxiliary gas is more than 60lpm, the particles are gradually concentrated to the center.
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 가이드홈(402) 및 제2가스공급관(120)을 구비하지 않을 경우에는 소용돌이 형태의 제1보조가스에 따른 원심력에 의하여 주입된 미분탄 입자들이 플라즈마로부터 벗어나게 된다. 그러나 본 발명의 경우 도 12에 도시된 바와 같이, 제1가스공급부(114)에 의해 스월 형태로 유동하며 공급되는 제1보조가스는 가이드홈(402)에 의해 안내되면서 그 운동방향이 직선 형태 즉, 플라즈마의 토출 방향과 평행한 방향으로 변경되어 상기 미분탄을 플라즈마 방향으로 집중시키게 되고, 상기 가이드홈(402)의 내부에 배치되어 상기 플라즈마의 토출 방향과 평행한 방향으로 제2보조가스를 공급하는 제2가스공급부(120)에 의해 상기 미분탄이 플라즈마 방향으로 집중되는 정도가 더욱 증가하게 되어 합성가스의 생성 효율을 극대화할 수 있다.By the above-described effects, in the case of the present invention, the injected pulverized coal is concentrated in the plasma of the center, thereby increasing the production efficiency of syngas compared to the conventional art. That is, when the
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.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It is to be understood that various modifications and changes may be made without departing from the scope of the appended claims.
102...전원부 104...전자파 발진기
106...순환기 108...튜너
110...도파관 112...방전관
114...제1가스공급부 116...미분탄공급부
118...노즐부 120...제2가스공급부
122...가스배출부 124...전자파 공급부
200...플라즈마 생성 공간 202...방전관 지지체
300...가스 공급관 400...주실린더
402...가이드홈102
110 ...
1st
118.Nozzle section 120.2nd gas supply section
122 ...
200 ...
300
402 ... Guide groove
Claims (7)
상기 전자파 및 보조가스로부터 플라즈마를 생성시키는 방전관(112);
상기 방전관(112)의 내부로 제1보조가스를 소용돌이 형태로 주입하는 제1가스공급부(114);
상기 방전관(112) 내부에서 생성된 상기 플라즈마에 미분탄을 공급하는 미분탄공급부(116);
상기 방전관(112)의 상부에 형성되고, 상기 제1보조가스가 소용돌이 형태에서 상기 플라즈마의 토출 방향과 평행한 방향의 직선운동 형태로 변화되도록 상기 제1보조가스의 흐름을 제어하며, 상기 플라즈마 및 상기 미분탄과의 반응에 의하여 합성가스가 생성되는 노즐부(118); 및
상기 노즐부(118)의 내벽을 따라 상기 플라즈마의 토출 방향과 평행한 방향으로 흐르는 제2보조가스를 주입하는 제2가스공급부(120);를 포함하되,
상기 노즐부(118)는,
원통 형상으로 형성되어 상기 원통의 내부로 상기 플라즈마가 관통하도록 구성되는 주실린더(400) 및,
상기 주실린더(400)의 내주면에서 주실린더(400)의 연장된 길이방향을 따라 형성되는 하나 이상의 가이드홈(402)을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가스화기.
An electromagnetic wave supply unit 124 for oscillating electromagnetic waves of a preset frequency;
A discharge tube 112 for generating a plasma from the electromagnetic wave and the auxiliary gas;
A first gas supply unit 114 for injecting a first auxiliary gas into a vortex form into the discharge tube 112;
Pulverized coal supply unit 116 for supplying pulverized coal to the plasma generated inside the discharge tube (112);
The first auxiliary gas is formed on the discharge tube 112, and the flow of the first auxiliary gas is controlled so that the first auxiliary gas is changed from a vortex form into a linear motion in a direction parallel to the discharge direction of the plasma. A nozzle unit 118 for generating syngas by reaction with the pulverized coal; And
And a second gas supply unit 120 for injecting a second auxiliary gas flowing in a direction parallel to the discharge direction of the plasma along the inner wall of the nozzle unit 118.
The nozzle unit 118,
A main cylinder 400 formed in a cylindrical shape and configured to penetrate the plasma into the cylinder;
Plasma gasifier characterized in that it comprises one or more guide grooves (402) formed along the extended longitudinal direction of the main cylinder (400) on the inner circumferential surface of the main cylinder (400).
상기 제1보조가스는,
산소, 스팀 또는, 산소와 스팀의 혼합가스 중 어느 하나 인것을 특징으로 하는 플라즈마 가스화기.
The method of claim 1,
The first auxiliary gas,
Plasma gasifier characterized in that any one of oxygen, steam or a mixed gas of oxygen and steam.
상기 제2가스공급부(120)에서 공급되는 단위 시간당 제2보조가스 공급량과 상기 제1가스공급부(114)에서 공급되는 단위 시간당 제1보조가스 공급량 비는 2:1 내지 4:1 사이인 것을 특징으로 하는 플라즈마 가스화기.
The method of claim 1,
The second auxiliary gas supply amount per unit time supplied from the second gas supply unit 120 and the first auxiliary gas supply amount per unit time supplied from the first gas supply unit 114 may be between 2: 1 and 4: 1. Plasma gasifier.
상기 가이드홈(402)은, 상기 주실린더(400)의 내주면에 동일간격으로 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가스화기.
The method of claim 1,
The guide groove (402), the plasma gasifier, characterized in that disposed on the inner circumferential surface of the main cylinder 400 at equal intervals.
상기 주실린더(400)의 내경(R) 및 상기 가이드홈(402)의 내경(R')의 비는 1:0.1 내지 1:1 사이인 것을 특징으로 하는 플라즈마 가스화기.
The method of claim 1,
The ratio of the inner diameter (R) of the main cylinder (400) and the inner diameter (R ') of the guide groove (402) is 1: 0.1 to 1: 1, characterized in that the plasma gasifier.
상기 제2가스공급부(120)는,
상기 노즐부(118)의 하부에 형성되고, 상기 노즐부(118)의 내주면과 연결되는 끝단(120a)이 상기 가이드홈(402)의 내부에서 상기 플라즈마의 토출 방향과 평행하도록 형성되어 상기 가이드홈(402)을 따라 상기 제2보조가스가 배출되도록 형성되는 복수 개의 가스공급관을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가스화기.The method of claim 1,
The second gas supply unit 120,
An end 120a formed below the nozzle unit 118 and connected to an inner circumferential surface of the nozzle unit 118 is formed to be parallel to the discharge direction of the plasma in the guide groove 402 to guide the guide groove. And a plurality of gas supply pipes formed to discharge the second auxiliary gas along 402.
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