KR101336868B1 - 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 바이오디젤 생산 부산물로부터 합성가스 급속 생산 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 바이오디젤 생산 부산물로부터 합성가스의 급속 생산 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 플라즈마 발생장치에 의해 플라즈마 화염을 생성시키고, 생성된 고온의 플라즈마 화염에 바이오디젤 생산 부산물인 폐글리세린을 연료로 공급하여 가스화가 이루어지도록 하되, 상기 연료는 플라즈마 화염과의 접촉시간 또는 접촉면적이 증가되도록 다양한 형태 및 방법으로 공급하여 가스화를 촉진시키고, 공급되는 스팀, 산소 및 플라즈마 파워를 조절하여 가연성가스의 수취량을 증가시키고, 급속 생산이 가능한 합성가스의 급속 생산 장치 및 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 바이오디젤 생산 부산물로부터 합성가스의 급속 생산 장치 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 플라즈마 발생장치에 의해 플라즈마 화염을 생성시키고, 생성된 고온의 플라즈마 화염에 바이오디젤 생산 부산물인 폐글리세린을 연료로 공급하여 가스화가 이루어지도록 하되, 상기 연료는 플라즈마 화염과의 접촉시간 또는 접촉면적이 증가되도록 다양한 형태로 공급하여 가스화를 촉진시키고, 공급되는 스팀, 산소 및 플라즈마 파워를 조절하여 가연성가스의 수취량을 증가시키는 급속 생산이 가능한 합성가스의 급속 생산 장치 및 방법에 관한 것이다.
플라즈마란 물질의 제4의 상태로 불리는 원자핵과 전자가 분리된 전리기체를 말한다. 플라즈마의 형성은 그 발생과 더불어 화학적 반응을 활성화시킬 수 있는 다량의 라디칼을 형성시킨다. 플라즈마는 크게 저온 플라즈마와 고온 플라즈마로 분류할 수 있다.
저온 플라즈마는 100℃ 이하의 저온에서 화학적 반응이 요구되는 분야에 사용되며, 고온 플라즈마의 경우 5000℃ 이상의 온도도 짧은 시간내에 올릴 수 있기 때문에 고온이 요구되는 소각, 용해 등의 분야에 적용될 수 있다. 최근에는 단순한 소각, 연소에서 공정의 효율 및 생성가스의 활용이 다양한 가스화 기술에 고온 플라즈마 기술이 적용, 연구되고 있다. 현재까지 가장 널리 사용되고 있는 플라즈마 방법으로는 아크 방전을 이용한 토치를 사용하는 방법이 적용되고 있으나, 방전 중에 발생하는 고온으로 인한 전극수명의 한계가 있고, 많은 전류가 흘러야 하기 때문에 높은 전력이 요구되며, 가스화 반응에 필요한 스팀을 주입하는 경우 전극의 수명을 단축시킬 수 있다. 따라서, 최근 마이크로웨이브를 활용한 고온 플라즈마 응용 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히 기존에 폐기물 처리에 많이 응용되던 아크토치 플라즈마 가스화 기술에서 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 가스화 연구가 주목받고 있다.
아울러 가스화란 탄화수소계 물질의 부분산화를 통하여 수소, 일산화탄소 및 메탄과 같은 가연성의 혼합가스 형태로 전환시키는 공정을 말한다. 기존 가스화는 연료를 일부 연소시켜 그 열로 가스화 온도를 유지하는 방식으로 운전온도인 1300℃ 정도까지 장치의 초기 예열이 필요로 한다. 이러한 예열은 버너, 공급연료, 공급배관 및 설비 등이 추가적으로 요구되며, 가스화기 내화물의 온도도 충분히 예열되어야 하기 때문에 상당히 오랜 시간 연료를 연소시켜 주어야 한다. 따라서, 석탄 등을 이용하는 분류층 가스화기의 경우 특히 한번 예열 후에는 수개월간 지속적으로 운전을 하고 있다.
반면 플라즈마 가스화기의 경우 외부의 전력으로 플라즈마를 생성해 화염을 형성시켜서 반응 온도를 유지하는 것으로, 연료의 연소를 통한 온도유지가 필요 없다. 또한 플라즈마 중심부의 온도는 기존 가스화 방식보다 수천도 높은 온도를 단시간에 형성시킬 수 있기 때문에 예열에 필요한 시간이 매우 짧은 장점을 갖고 있다. 매우 높은 온도조건에서 가스화가 이루어지기 때문에 짧은 체류시간 및 높은 연료의 전환율을 얻을 수 있으며, 황화합물 등이 플라즈마를 통하여 분해됨으로써 청정한 합성가스의 수취가 가능하다.
기존 가스화에서 공정효율에 많은 영향을 미치는 부분은 가스화기로 연료를 주입하는 과정이다. 연료를 주입하는 방식에 따라 연료를 가스화기 내부에 미립 분사시킴으로써 열화학적 전환 효율을 높일 수 있으며, 고온의 가스화 반응기 내 체류시간을 조절할 수 있고, 가스화기의 구조 및 형태에 따라 연료 중 연소가 되지 않은 재의 배출이 원활하게 이루어지도록 할 수 있고, 이는 플라즈마 가스화에서도 동일하다. 마이크로웨이브 플라즈마의 경우 플라즈마 형성가스가 마이크로웨이브 영역을 거치면서 플라즈마 화염이 형성된 이후에 탄화수소 연료가 공급되어야 하는데, 이때 플라즈마는 중심부 영역이 매우 고온이며 주위로 갈수록 온도가 급격히 낮아지기 때문에 연료를 플라즈마 중심부 영역으로 적절히 공급해 주어야 하는 기술적인 문제점이 있다. 실험실 규모에서는 실험의 편리성 때문에 수평형으로 사용하는 경우가 많으며, 이러한 수평형 구조에서는 플라즈마 화염 직후에 탄화수소 연료를 화염과 수직으로 공급함으로써 화염의 중심 고온영역에 연료를 공급하는 것이 용이하다.
상기 플라즈마 가스화장치에 사용되는 연료로는 기존에는 석탄과 같은 화석에너지를 사용하였지만, 상기 화석에너지는 가채매장량의 한계와 유가변동, 국제적인 CO2 배출 규제가 강화되고 있어 대체에너지로써 신재생에너지원의 활용에 대한 관심과 연구가 증가하고 있다. CO2 - neutral 에너지인 바이오매스는 연소를 통한 열 및 전기를 얻는 일차적인 활용 뿐 아니라, 바이오디젤과 같은 석유 대체가 가능한 수송용 연료로의 변환을 통한 고부가가치 활용에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
전세계 바이오디젤 생산량은 2000년도부터 2010년 사이에 평균 연간 32.5% 증가하는 추세이다. 특히 2006년도부터 최근까지 생산량은 2006년 이전에 비하여 급격히 증가하고 있다. 향후 US와 EU에서 2020년과 2030년에 석유기반 디젤의 20%와 30%를 바이오디젤로 대체하려는 목표를 달성하기 위해서는 바이오디젤의 생산량은 지속적으로 증가할 것으로 예상된다.
현재 바이오디젤의 주요 생산 방법으로는 식물성유지(팜오일, 폐식용유, 대두유, 유채유 등) 및 동물성지방에 알코올과 촉매를 첨가하여 에스테르반응이 이루어지도록 하여 지방산 메틸에스테르를 생산하는 방법을 사용하고 있다. 이때, 10wt% 정도의 부산물로 폐글리세린(crude glycerin)이 생성된다. 이러한 폐글리세린 또한 바이오디젤과 함께 그 발생량이 증가할 것으로 예상되며, 폐글리세린의 효과적인 활용은 경제적, 환경적인 차원에서 중요하다.
현재 폐글리세린은 단순 연소를 통한 열적으로 이용하거나, 에너지화 공정에서 폐기되어 다른 분야에 사용되고 있다. 그러나 상기 폐글리세린은 고온에서 스팀과 반응하여 수소를 포함하는 합성가스를 생산하게 됨으로 이러한 원리를 이용하면 가연성가스를 생산할 수 있으며, 열적 활용 뿐 아니라, 수소 및 전기생산, 다양한 화학물질의 원료로 활용이 가능하며, 최종적으로는 바이오에너지 생산의 다변화를 가져올 수 있다.
기존의 플라즈마를 이용하지 않는 가스화 방식의 경우 반응기의 예열에 필요한 시간 및 에너지가 많이 필요하며, 이 때문에 한번 장치를 가동시키면 수개월간 지속적으로 운전해야 함으로 생산량이 불균일한 폐글리세린을 이용하기 곤란하였다. 반면, 플라즈마 토치를 이용한 가스화의 경우에는 고온의 플라즈마 화염을 이용하기 때문에 예열에 필요한 시간이 거의 없으며, 폐글리세린 생산량의 불균일, 불균형한 경우에도 언제든 가동과 중단이 가능하고, 가연성의 합성가스가 필요한 수요처에 급속으로 합성가스의 생산을 통한 공급이 가능하다.
따라서, 점성이 큰 폐글리세린을 연료로 사용하고 이를 플라즈마 반응에 의해 급속으로 가연성가스를 생산할 수 있는 장치에 대한 연구가 필요하다.
이에 본 발명의 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 바이오디젤 생산 부산물로부터 합성가스 급속생산 장치 및 방법은,
생성량이 일정하지 않아 연소연료 또는 타분야에 사용되는 바이오디젤 생산부산물인 폐글리세린을 연료로하여 플라즈마 분해에 의한 가스화가 이루어지도록 해 합성가스를 급속 생산할 수 있는 장치의 제공을 목적으로 한다.
또한, 점성이 큰 폐글리세린을 플라즈마 화염 부분으로 안정적으로 공급하되, 플라즈마화염과의 접촉면적과 시간을 증대시키고 스팀과 산소 혼합비를 조절하여 CO2의 발생량을 줄이면서 가연성가스의 발생량을 증가시켜 가스화효율을 향상시키는 장치 및 방법의 제공을 목적으로 한다.
상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 바이오디젤 생산 부산물로부터 합성가스 급속생산 장치는,
플라즈마 발생가스가 공급되는 수직관체인 가스공급챔버와, 상기 가스공급챔버의 하단에 동일축으로 결합되는 석영관을 내포하여 마이크로웨이브를 석영관에 고밀도 응집시켜 플라즈마 발생가스를 해리시키고 플라즈마 방전에 의해 플라즈마화염을 형성하는 플라즈마 발생장치와, 상기 플라즈마발생장치에 결합되어 석영관과 동일축으로 긴밀하게 연통설치되고, 측면으로부터 연료공급수단에 의해 연료를 플라즈마 화염으로 공급되는 연료공급챔버와, 상기 연료공급챔버의 하단에 동일축으로 결합되어 고온에서 가스화가 이루어지는 가스화챔버와, 상기 가스화챔버 하단에 설치되어 기체와 고체성분을 분리하는 사이클론을 포함하는 합성가스 급속 생산장치에 있어서, 상기 연료공급챔버로 연료를 공급하는 연료공급수단은, 연료를 저장하는 연료저장탱크와; 상기 저장된 연료를 이송하는 연료이송관과; 상기 연료이송관의 라인상에 설치되어 연료저장탱크에 저장된 연료를 정량공급하는 펌프와; 상기 연료이송관을 통해 공급받은 연료를 가열시켜 열분해가 용이하도록 예열시키는 예열조와; 상기 예열된 연료를 연료공급구를 통해 연료공급챔버 내부에 형성되는 플라즈마 화염으로 공급하는 연료투입관;을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 본 발명의 합성가스 급속생산장치를 이용한 합성가스 급속생산방법은,
합성가스 급속생산방법에 있어서, 플라즈마발생가스를 가스공급챔버로 공급하는 단계와; 공급된 플라즈마 발생가스에 플라즈마발생장치에서 생성된 마이크로웨이브를 공급하는 단계와; 공급된 마이크로웨이브의 전기장에 의해 플라즈마발생가스의 분자를 해리시켜 플라즈마 방전으로 플라즈마화염을 형성하는 단계와; 폐글리세린을 가열하여 유동성증가와 예열이 이루어지도록 하고, 이송가스에 의해 플라즈마화염으로 미립화하여 분산공급하는 폐글리세린 미립화 분산공급단계와; 상기 플라즈마 화염으로 공급된 연료인 폐글리세린은 플라즈마화염의 고열에 의해 열분해하여 합성가스를 생산하는 단계와; 합성가스에 포함된 회재 및 촤를 분리하여 단계;를 포함하여 이루어진다.
상기 해결수단에 의한 본 발명의 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 바이오디젤 생산 부산물로부터 합성가스의 급속생산 장치 및 방법은,
생성량이 일정하지 않아 연소연료 또는 타분야에 사용되는 바이오디젤 생산부산물인 폐글리세린을 연료로하여 플라즈마 분해에 의한 가스화가 이루어지도록 해 급속한 합성가스를 생산할 수 있는 효과가 있다.
또한, 점성이 큰 폐글리세린을 플라즈마 화염의 시작부분과 최대한 가까운 위치로 미립화 분산공급하여 접촉시간과 접촉면적을 증가시키고, 공급되는 스팀과 산소의 혼합비와 플라즈마 파워의 조절에 의해 CO2의 발생량을 줄이면서 가연성가스인 H2의 수취량을 증대시키는 장치 및 방법의 제공이 가능하게 되었다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 합성가스 급속생산장치를 도시한 전체 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 연료공급수단을 도시한 구성도.
도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 연료공급수단의 1개 또는 2개의 예열유로를 갖는 예열조를 도시한 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 연료투입관을 도시한 개략도.
도 5a와 도 5b는 본 발명에 따른 연료투입관의 노즐팁을 도시한 요부단면도.
도 6은 본 발명에 따른 합성가스 급속생산과정을 도시한 흐름도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 산소/연료 혼합비 변경에 따른 합성가스조성비를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 스팀/연료 혼합비 변경에 따른 합성가스조성비를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마파워 변경에 따른 합성가스조성비를 나타낸 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 연료공급수단을 도시한 구성도.
도 3a와 도 3b는 본 발명에 따른 연료공급수단의 1개 또는 2개의 예열유로를 갖는 예열조를 도시한 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 연료투입관을 도시한 개략도.
도 5a와 도 5b는 본 발명에 따른 연료투입관의 노즐팁을 도시한 요부단면도.
도 6은 본 발명에 따른 합성가스 급속생산과정을 도시한 흐름도.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 산소/연료 혼합비 변경에 따른 합성가스조성비를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 스팀/연료 혼합비 변경에 따른 합성가스조성비를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 플라즈마파워 변경에 따른 합성가스조성비를 나타낸 그래프.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 합성가스 급속생산장치를 개략도시한 구성도이다. 참조한 바와같이 본 발명에 따른 합성가스 급속생산장치(1)는 관체형태인 가스공급챔버(2)와, 플라즈마 발생장치(3)의 석영관(301)과, 연료공급챔버(4)와, 가스화챔버(5)가 동일축으로 결합되고, 가스화챔버의 단부에는 사이클론(6)이 결합되어 합성가스에 포함된 고체성분을 분리제거하도록 한다.
상기 가스공급챔버(2)는 플라즈마 발생가스가 공급되는 것으로, 공급되는 플라즈마 발생가스로는 질소, 산소, 스팀이 있으며, 각 가스 공급라인에는 가스내의 이물질을 제거하도록 하는 필터와, 공급되는 가스량을 조절하기 위한 유량제어기와, 가스공급라인을 단속하는 밸브가 설치될 수 있다. 상기 플라즈마 발생가스는 한 종류의 가스만 공급하거나 다수 가스를 혼합하여 공급되게 할 수 있으며, 도시된 바와같이 혼합장치(201)에 의해 산소와 질소를 먼저 혼합하여 공급한 다음 스팀발생장치(202)에 의해 발생된 스팀을 공급하도록 하거나, 산소공급없이 질소와 스팀만을 공급하도록 할 수 있다.
상기 플라즈마 발생장치(3)는 마이크로웨이브를 발생시키는 마이크로웨이브 소스(302)와, 상기 마이크로웨이브 소스에 연계된 도파관(303)을 포함한다.
상기 마이크로웨이브 소스(302)의 예로는 마그네트론이 있으며, 전원을 공급받아 마이크로웨이브를 발생시킨다. 또한 일측에는 플라즈마제어기(304)가 설치되어 마이크로웨이브의 발생출력(플라즈마발생장치 파워)을 조절하도록 한다.
또한, 상기 마이크로웨이브 소스에서 발생된 마이크로웨이브는 도파관(303)에 의해 일측으로 이동된다. 상기 도파관은 수평으로 형성하여 발생된 마이크로웨이브를 수평이동시키고, 일측면에는 테이퍼부(305)를 형성하여 이동되는 마이크로웨이브를 고밀도로 응집시켜 출력전기장을 최대로 높일 수 있다.
이와같이 수평배관되는 도파관(303)은 발생된 마이크로웨이브가 고밀도로 응집되는 단부에 석영관(301)을 수직설치하여 상기 석영관의 상단을 가스공급챔버(2)와 연통설치되고, 동일축상으로 석영관 하단을 연료공급챔버(4)가 연통설치된다. 상기 도파관 내부의 관체인 석영관을 가스공급챔버 또는 연료공급챔버와 같은 금속재질로 하지 않는 것은 고밀도의 마이크로웨이브에 의해 도파관을 삽통하는 관체가 가열되어 융해될 수 있으므로 이를 방지하기 위해 석영관을 안치한 것이다.
또한, 상기 도파관(303)에는 질소공급관을 연통시켜 도파관 내부압력을 가스공급챔버(2)의 압력과 동일 또는 유사한 고압으로 형성하여 가스공급챔버로 공급된 플라즈마발생가스가 안치된 석영관과 도파관의 틈을 통해 도파관 내부로 유입되는 것을 방지하도록 할 수 있다.
상기 석영관(301)을 통과하는 플라즈마발생가스는 도파관에 의해 인가된 전기장으로 기체분자의 연결을 끊는 해리상태가 되며, 플라즈마 방전에 의해 플라즈마 화염을 형성하고, 상기 플라즈마 화염은 고속의 유체흐름에 의해 연료공급챔버(4) 내부로 길게 형성된다.
상기 연료공급챔버(4)는 석영관(301) 하부에 연통되도록 설치된 관체로, 내부에 형성된 플라즈마화염으로 연료를 정량공급하여 열분해가 이루어지도로 한다. 상기 공급되는 연료로는 탄화수소를 포함하는 가연성가스로 전환될 수 있는 물질이며, 대표적으로는 석탄, 바이오매스, 석유코크스, 폐플라스틱, 유기성 폐기물 등을 사용할 수 있다.
특히 본 발명은 점성이 커서 주로 연소연료로 사용되는 바이오디젤 생산부산물인 폐글리세린이나 팜오일을 연료로 사용하며, 이를 안정적으로 연료공급챔버로 공급하도록 연료공급수단(10)이 더 구비되어 있고 이에 대한 구체적인 서술은 후술한다.
상기 가스화챔버(5)는 연료공급챔버(4)에서 공급된 연료가 열분해되어 진행되는 관체이다. 즉, 연료공급챔버(4)에서 플라즈마화염으로 투입된 연료는 플라즈마화염과 접하면서 대부분 열분해가 이루어지고, 열분해가 이루어지지 않은 소량의 잔여물질은 가스화챔버(5)를 따라 진행되면서 고온에 의해 추가 열분해가 이루어진다.
상기 가스공급챔버(2)와 연료공급챔버(4)와 가스화챔버(5)를 포함하는 내부유로는 유량흐름조절기에 의해 압력이 조절되어 생성된 가스가 가스화챔버의 하부를 통해 사이클론(6)으로 유입되도록 한다.
상기 사이클론(6)은 가스성분과 회재 및 미반응물질인 촤를 포함하는 고체성분을 분리하는 것으로 회재 및 촤 성분이 분리된 가스성분인 합성가스는 포집탱크에 포집 또는 사용처로의 공급이 이루어지도록 한다.
여기서 상기 사이클론(6)에 의해 분리된 가스성분은 성분분석기에 의해 분석되어 분석값에 의해 플라즈마발생가스 공급량, 연료공급량 또는 플라즈마발생장치의 파워(마이크로웨이브 발생출력)를 조절하도록 할 수 있고, 이러한 컨트롤은 별도의 제어부를 통해 실행되도록 할 수 있으며, 이때 상기 플라즈마제어기는 제어부의 일부분으로 구성될 수 있다.
이러한 구성에서 상기 연료공급챔버(4)로 연료를 공급하는 연료공급수단(10)은,
연료를 저장하는 연료저장탱크(20)와; 상기 저장된 연료를 이송하는 연료이송관(30)과; 상기 연료이송관의 라인상에 설치되어 연료저장탱크(20)에 저장된 연료를 정량이송시키는 펌프(40)와; 상기 연료이송관을 통해 공급받은 연료를 예열시켜 유동성을 향상시키는 예열조(50)와; 상기 예열된 연료를 연료공급챔버 내부에 형성되는 플라즈마 화염으로 공급하는 연료투입관(60);을 포함하여 구성된다.
도 2를 참조한 바와같이 상기 연료저장탱크(20)는, 연료가 저장되는 중공부가 형성된 통체인 저장탱크본체(21)로 구성된다. 상기 저장탱크본체는 중공부 하부의 측면으로 연료이송관(30)이 연통설치되어 저장된 연료(폐글리세린)가 배출되도록 한다. 또한 폐구되어 있는 상부에는 내부압력을 유지시키기 위해 가스공급구(211)와 릴리프밸브(212)가 설치될 수 있다. 상기 가스공급구를 통해 가스(질소)가 연속적으로 유입되고, 중공부의 압력이 일정압력 이상이면 내부에 충전된 가스는 일부 릴리프밸브로 배출시켜 중공부가 항상 일정한 압력상태를 유지하도록 한다.
또한, 상기 저장탱크본체(21)에는 하나 또는 다수개의 저장탱크가열봉(22)이 설치된다. 상기 저장탱크가열봉(22)은 저장탱크본체 저면을 통해 내부 중공부로 연장설치되어 외부로부터 열원 또는 전원을 공급받아 발열이 이루어져 저장된 연료(폐글리세린)을 가열시키는 장치이다. 즉, 본 발명에서 연료로 사용되는 폐글리세린은 점성이 높아 유동성이 떨어지므로 가열에 의해 유동성을 증가시켜 연료이송관(30)을 통한 이송이 용이하게 이루어지도록 하는 것이다.
아울러 상기 저장탱크본체에는 연료를 내입시키는 연료공급구가 더 형성될 수 있으며, 순환관을 설치하여 하부에 유동성이 증가된 연료를 펌핑하여 상부로 투입해 저장된 연료의 상하순환이 이루어지도록 할 수 있다.
상기 연료이송관(30)은 연료저장탱크(20)에 저장된 연료를 예열조(50)로 이송시키는 관체로, 라인상에 펌프(40)를 설치하여 연료의 펌핑이 이루어지도록 하며, 연료이송관의 길이가 길에 연장될 경우에는 내부에 이송되는 연료의 유동성이 저하되는 것을 방지하기 위해 연료이송관의 외면에 열공급수단을 설치하여 연료의 응고를 방지하고 유동성을 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 펌프는 다양한 종류를 사용할 수 있으나, 일정한 량 또는 압력으로 연료를 공급하는 정량펌프를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 예열조(50)는 이송되는 연료(폐글리세린)에 열을 더 가하여 열분해가 용이한 온도까지 예열시켜 유동성을 더욱 증가시키면서 플라즈마화염과 접촉시 열분해효율을 증대시키기 위한 것이다.
도 3a를 참조한 바와같이 예열조(50)는 내부에 예열유로(51)가 수직방향으로 형성되고, 상기 예열유로의 일측단부인 상부의 측면에는 입구(52)가 형성되어 연통설치된 연료이송관(30)으로부터 연료를 공급받고, 타측단부인 하부에는 하측으로 출구(53)가 형성되어 연료투입관(60)을 통해 연료의 배출이 이루어지도록 한다. 또한, 상기 예열유로(51) 내부에는 가열봉(54)을 설치하여 입구로 유입된 연료가 유로를 통과하면서 예열되어 배출이 이루어지도록 한 것으로, 상기 가열봉(54)은 예열조의 상부에서 예열유로 내부로 삽통설치된다. 상기 가열봉이 설치된 예열유로(51)는 내벽과 가열봉(54)의 외면이 일정간격 이격되어 이격된 틈을 통해 연료의 이송이 이루어지도록 한 것이다.
도 3b를 참조한 바와같이 상기 예열조(50)의 예열유로(51)를 2개로 형성할 수 있다. 상기 두 예열유로의 일측단부(도시된 도면의 상부)를 서로 연통시켜 유로가 연결되도록 하고, 유로가 연결되지 않은 타측단부(도면의 하부)에는 각각 연료이송관(30)과 연료투입관(60)을 연결하고, 상기 두 예열유로의 내부에는 각각 가열봉(54)을 설치하여 연료이송관을 통해 유입된 연료가 두 유로를 순차적으로 통과하면서 예열되어 연료투입관을 통해 배출되도록 할 수 있다.
이러한 예열유로(51)는 길이를 더욱 증가시키거나 2개 이상으로 형성하여 유로를 통과하는 시간인 예열시간을 증대시켜 예열에 의한 열분해율을 향상시킬 수 있다. 또한, 예열유로의 출구측에 온도센서를 장착하여 연료의 예열온도를 측정하여 측정된 온도에 의해 가열봉의 가열온도를 증감시키도록 할 수 있다.
상기 연료투입관(60)은 예열조(50)의 예열유로 출구에 결합되어 예열된 연료를 연료공급챔버(4) 내부로 공급한다.
도 4를 참조한 바와같이 상기 연료투입관(60)은, 예열조(50)에 일단이 결합되는 연결부(61)를 구비한다. 상기 연결부(61)는 하나의 관체로 형성되거나 도시된 바와같이 다수의 커넥터가 연결된 형태로 제공될 수 있다. 이러한 연결부는 다수의 커넥터를 통과하면서 내부유로를 점진적으로 좁게 형성하여 후술되는 이중관(64)의 내관(641)과 동일 또는 유사한 직경으로 형성하도록 한다.
다음으로 상기 연료투입관(60)은 튜브티(62)를 구비한다. 상기 튜브티(62)는 "T"자형태로 수직방향의 양단에는 동일축상으로 연결부(61)와 이중관(64)이 결합되고 측면으로는 이송가스공급관(63)이 결합된다. 상기 튜브티의 측면으로 연통되는 이송가스공급관(63)은 이송가스를 튜브티(62)를 통패 이중관(64)으로 공급하는 것으로 대표적인 이송가스로는 질소가 있다.
또한, 상기 이중관(64)은 연결부(61)와 동일축상으로 위치하여 튜브티(62)를 통해 연결부(61)와 이송가스공급관(63)에 연통된다. 즉, 상기 이중관(64)은 내관(641)과 외관(642)으로 구성되어 내관(641)은 연결부(61)와 연통되고, 외관(642)은 이송가스공급관(63)과 연통되도록 하며, 내관으로는 연료가 이송되어 토출되고 외관으로는 이송가스가 이송되어 토출이 이루어지도록 한다.
이러한 이중관의 단부에는 노즐팁(65)을 더 설치하여 연료와 이송가스의 고압토출로 미립화가 이루어져 플라즈마화염과의 접촉면적을 증가시켜 열분해효율이 증가되도록 한다.
상기 노즐팁(65)은 도 5a에 도시된 바와같이 단부에 토출구(651)가 형성되고, 내측으로는 토출구와 이격되도록 분리대(652)를 장착하여 토출구와 분리대 사이에 혼합공간(653)이 형성되도록 하면서 노즐팁(65)을 이중관이 단부 예컨대 외관(642)에 결합되도록 한다. 상기 분리대(652)는 중앙에 중앙통공(654)이 형성되고, 상기 중앙통공 외측둘레를 따라 다수의 외측통공(655)이 형성되어, 상기 중앙통공(654)은 내관(641)과 연통되어 연료가 토출되도록 하고, 외측통공(655)은 외관(642)과 연통되어 이송가스가 토출되도록 하며, 상기 혼합공간(653)에서는 이송가스의 고속흐름에 의해 이송가스와 연료가 1차 혼합되면서 노즐팁의 토출구(651)를 통해 배출되고, 배출되는 과정에서 분산이 이루어짐으로 연료가 미립화되어 플라즈마화염으로 공급되도록 한다.
또한, 상기 노즐팁의 분리대(652)는 중앙통공(654)이 이중관의 내관과 직접 연통되도록 설치되거나 도시된 바와같이 별도의 내관보다 직경이 작은 연장관(656)을 이용하여 내관과 중앙통공을 연결해 연료토출압력이 증가되도록 할 수 있다.
아울러 상기 노즐팁(65)은 도 5b를 참조한 바와같이 노즐팁을 이중관의 외관에 결합한 형태로 중앙에 내관(641)이 연통되는 중앙통공(654)과, 상기 중앙통공 외측둘레를 따라 외관(642)과 연통되는 다수의 외측통공(655)이 형성되는 형태로 제공될 수 있다.
여기서 상기 노즐팁(65)은 단부에 원추형의 분사홈(657)이 형성되는데 상기 분사홈의 중앙에는 중앙통공(654)이 형성되고, 분사홈의 경사진 내면에는 다수의 외측통공(655)이 경사면의 수직 또는 이와 근접한 각도로 형성된다. 따라서, 연료는 중앙통공으로부터 도면의 수직하방으로 토출되고, 이송가스는 분사홈의 경사면에서 중앙의 연료 토출방향으로 고압분사가 이루어짐으로, 상기 토출되는 연료는 이송가스의 분사압력에 의해 미립화되어 확산되면서 플라즈마화염으로 공급되어 플라즈마화염과의 접촉면적증가로 열분해효율이 증대된다. 이외에도 상기 이송가스의 토출방향을 조절하여 다양한 형태로의 연료를 확산시켜 열분해효율을 증대시킬 수 있다.
그리고 상기 연료투입관(60)을 이용한 연료공급챔버(4)로의 연료공급은 플라즈마화염의 시작부분과 최대한 근접한 부분에 투입하여 플라즈마화염과 연료의 접촉시간을 증가시키는 것이 바람직하다. 따라서, 연료공급챔버에서 연료투입관이 결합되는 부분도 최대한 플라즈마발생장치에 가까운 상부측에 형성되도록 하는 것이 바람직하며, 공급방향도 수평이거나 일정각(10~30ㅀ) 하향경사를 갖도록 하여 연료공급챔버 내의 유체흐름방향에 저항을 최소화하면서 최대한 긴 반응시간을 제공하도록 하는 것이 바람직하다.
아울러 상술한 바와같은 본 발명에 따른 급속생산장치를 이용한 합성가스 급속생산방법을 도 6을 참조하여 설명하면, 먼저 플라즈마발생가스를 가스공급챔버로 공급하는 단계가 선행되어 이루어진다. 상기 플라즈마발생가스로는 질소, 산소, 스팀을 이용하고, 모두 한번에 혼합하여 공급하거나, 도1에서와 같이 질소와 산소를 먼저 혼합한 다음 스팀을 공급하는 방식을 적용할 수 있다.
다음으로는 플라즈마발생장치를 이용하여 석영관을 통과하는 플라즈마 발생가스에 마이크로웨이브를 고밀도로 공급하는 마이크로웨이브 공급 단계가 수행된다.
상기 고밀도로 공급되는 마이크로웨이브의 전기장에 의해 석영관에서는 플라즈마발생가스의 분자가 해리되고, 플라즈마 방전에 의해 플라즈마화염이 형성하는 단계가 이루어진다.
상기 형성된 플라즈마화염으로는 가열에 의해 유동성증가와 예열이 이루어진 폐글리세린을 공급하되 이송가스에 의해 미립화하여 분산공급시키는 단계가 수행된다.
상기 폐글리세린 미립화 분산공급단계에는, 연료저장탱크에 열을 가하여 저장된 폐글리세린의 응고를 방지하고 유동성을 증가시키는 연료가열단계와; 가열된 폐글리세린을 연료이송관을 통해 예열조를 통해 연료투입관으로 공급하는 연료이송계와; 예열조를 통과하는 폐글리세린을 가열하여 폐글리세린의 온도를 상승시키는 연료예열단계와; 연료투입관의 단부를 통해 폐글리세린을 토출하면서 이송가스를 고압배출시켜 폐글리세린을 미립화시키는 폐글리세린 미립화단계;가 포함되어 이루어진다.
상기 플라즈마 화염으로 공급된 연료인 폐글리세린은 플라즈마화염의 고열에 의해 열분해하여 합성가스를 생산하는 단계가 수행되며, 이어서 합성가스에 내포된 회재 및 촤를 분리하여 단계를 수행하여 급속으로 합성가스를 수취하도록 한다.
상기 과정에서 산소/연료(폐글리세린) 비는 0.0~0.8, 스팀/연료(폐글리세린) 비는 0.4~1.0로 공급하고, 플라즈마발생장치의 파워는 1.2~1.6kWe로 설정하여 운전할 수 있다. 상기 산소의 공급비가 증가되면 연소에 의해 가연성가스의 함량이 줄어듬으로 산소/연료의 혼합비는 0~0.8이 바람직하다.
실시예
본 발명에 따른 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 바이오디젤 생산부산물(폐글리세린)로부터 합성가스의 급속 생산은 도 1에 도시된 바와같이 본 발명에 따른 합성가스 급속 생산장치를 이용하였다. 플라즈마 형성 가스로는 질소, 산소, 스팀을 사용하였다. 사용된 바이오디젤 생산 부산물인 폐글리세린의 원소, 공업 및 발열량 분석값을 표1에 나타내었다.
| 공업분석(wt.%) | |
| 수분 | 15.41 |
| 휘발분 | 77.48 |
| 회재 | 5.74 |
| 고정탄소 | 1.37 |
| 원소분석(wt.%) | |
| 탄소 | 47.29 |
| 수소 | 10.03 |
| 질소 | 0.68 |
| 산소 | 19.71 |
| 황 | 0.31 |
| 고위발열량 (kcal/Nm3) | 5,606 - 6643 (5회 측정) |
- 플라즈마발생장치의 플라즈마 파워 1.6kWe, 스팀/연료 혼합비가 0.4인 조건에서 산소/연료의 혼합비를 0부터 시작하여 1.2 까지 산소의 혼합비를 단계적으로 증가시켰으며, 이때 발생된 합성가스의 조성비를 측정하여 도 7에 나타내었다.
산소의 혼합비가 증가하면서 생성가스 내 수소와 메탄의 함량이 줄어들고, 이산화탄소의 함량이 증가함을 알 수 있다. 일산화탄소의 경우 산소/연료의 혼합비가 0.6인 경우 최고 함량을 보였다. 외부 전력으로 반응에 필요한 열을 공급해줄 수 있는 플라즈마 가스화 기술의 경우 산소의 공급이 없는 상태에서도 운전이 가능하며, 이때 이산화탄소가 거의 없는 고농도 수소 함량을 갖는 생성가스를 수취할 수 있었다. 많은 산소의 공급은 연료를 연소시켜 가연성가스의 수취량이 적어지기 때문에, 산소/연료 혼합비는 0에서 0.8이 최적의 조건임을 알 수 있다.
- 다음으로 플라즈마 파워 1.6kWe, 산소/연료 혼합비가 0.6인 조건에서 스팀/연료 혼합비를 0부터 시작하여 1.4 까지 스팀의 혼합비를 단계적으로 증가시켰으며, 이때 발생된 합성가스의 조성비를 측정하여 도 8에 나타내었다.
스팀의 혼합비가 증가하면서 생성가스 내 수소와 이산화탄소 함량이 증가하고, 일산화탄소의 함량이 감소함을 보였다. 메탄의 경우 약간 증가하는 경향을 보였다. 이때, 과량의 스팀 공급은 상대적으로 고온의 반응기 내 온도를 낮추는 역할을 하기 때문에 효율을 감소시킨다. 따라서, 스팀/연료 혼합비는 0.4에서 1.0이 최적의 조건임을 알 수 있다.
산소/연료 혼합비와 스팀/연료 혼합비가 각각 0.6, 0.4인 조건에서 플라즈마 파워를 1.0부터 1.8까지 단계적으로 증가시켰으며, 이때 발생된 합성가스의 조성비를 측정하여 도 9에 나타내었다.
플라즈마 파워가 증가하면서 생성가스 내 수소, 일산화탄소의 함량이 증가하고, 이산화탄소와 메탄의 경우 감소하는 경향을 보였다. 플라즈마 파워를 증가시키는 경우 플라즈마 화염의 길이가 증가하면서, 연료와 고온의 플라즈마 화염 접촉시간이 증가하였고, 이로 인하여 폐글리세린의 더 많은 가연성가스로의 전환으로 가스화효율이 향상되었다.
1 : 급속생산장치 2 : 가스공급챔버
3 : 플라즈마발생장치 4 : 연료공급챔버
5 : 가스화챔버 6 : 사이클론
7 : 연료공급수단
10 : 연료공급수단
20 : 연료저장탱크
21 : 저장탱크본체 22 : 저장탱크가열봉
201 : 혼합장치 202 : 스팀발생장치
211 : 가스공급구 212 : 릴리프밸브
301 : 석영관 302 : 마이크로웨이브 소스
303 : 도파관 304 : 플라즈마제어기
305 : 테이퍼부
30 : 연료이송관
40 : 펌프
50 : 예열조
51 : 예열유로 52 : 입구
53 : 출구 54 : 가열봉
60 : 연료투입관
61 : 연결부 62 : 튜브티
63 : 이송가스공급관 64 : 이중관
65 : 노즐팁
641 : 내관 642 : 외관
651 : 토출구 652 : 분리대
653 : 혼합공간 654 : 중앙통공
655 : 외측통공 656 : 연장관
657 : 분사홈
3 : 플라즈마발생장치 4 : 연료공급챔버
5 : 가스화챔버 6 : 사이클론
7 : 연료공급수단
10 : 연료공급수단
20 : 연료저장탱크
21 : 저장탱크본체 22 : 저장탱크가열봉
201 : 혼합장치 202 : 스팀발생장치
211 : 가스공급구 212 : 릴리프밸브
301 : 석영관 302 : 마이크로웨이브 소스
303 : 도파관 304 : 플라즈마제어기
305 : 테이퍼부
30 : 연료이송관
40 : 펌프
50 : 예열조
51 : 예열유로 52 : 입구
53 : 출구 54 : 가열봉
60 : 연료투입관
61 : 연결부 62 : 튜브티
63 : 이송가스공급관 64 : 이중관
65 : 노즐팁
641 : 내관 642 : 외관
651 : 토출구 652 : 분리대
653 : 혼합공간 654 : 중앙통공
655 : 외측통공 656 : 연장관
657 : 분사홈
Claims (9)
- 플라즈마 발생가스가 공급되는 수직관체인 가스공급챔버(2)와, 상기 가스공급챔버의 하단에 동일축으로 결합되는 석영관을 내포하여 마이크로웨이브를 석영관에 고밀도 응집시켜 플라즈마 발생가스를 해리시키고 플라즈마 방전에 의해 플라즈마화염을 형성하는 플라즈마 발생장치(3)와, 상기 플라즈마발생장치에 결합되어 석영관과 동일축으로 긴밀하게 연통설치되고, 측면으로부터 연료공급수단에 의해 연료를 플라즈마 화염으로 공급되는 연료공급챔버(4)와, 상기 연료공급챔버의 하단에 동일축으로 결합되어 고온에서 가스화가 이루어지는 가스화챔버(5)와, 상기 가스화챔버 하단에 설치되어 기체와 고체성분을 분리하는 사이클론(6)을 포함하는 합성가스 급속 생산장치에 있어서,
상기 연료공급챔버로 연료를 공급하는 연료공급수단(10)은,
연료를 저장하는 연료저장탱크(20)와;
상기 저장된 연료를 이송하는 연료이송관(30)과;
상기 연료이송관의 라인상에 설치되어 연료저장탱크에 저장된 연료를 정량공급하는 펌프(40)와;
상기 연료이송관을 통해 공급받은 연료를 가열시켜 열분해가 용이하도록 예열시키는 예열조(50)와;
상기 예열된 연료를 연료공급구를 통해 연료공급챔버 내부에 형성되는 플라즈마 화염으로 공급하는 연료투입관(60);을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 합성가스 급속생산장치. - 제1항에 있어서,
상기 연료는 바이오디젤 생산 부산물인 폐글리세린인 것을 특징으로 하는 합성가스 급속생산장치. - 제1항에 있어서, 상기 연료저장탱크(20)는,
연료가 저장되도록 중공부가 형성되고, 중공부의 하부에는 연료이송관이 결합되는 통체의 저장탱크본체(21)와; 상기 저장탱크본체의 저면을 통해 내부로 연장설치되어 저장된 연료를 가열하는 저장탱크가열봉(22);으로 구성되는 것을 특징으로 하는 합성가스 급속생산장치. - 제1항에 있어서, 상기 예열조(50)는,
내부에 예열유로(51)가 형성되고, 상기 예열유로의 일측 단부에는 입구(52)가 형성되어 연료이송관(30)과 연통되고, 타측 단부에는 출구(53)가 형성되어 연료투입관(60)을 통해 연료를 배출시키며, 상기 예열유로 내부에는 가열봉(54)을 설치하여 입구로 유입된 연료가 유로를 통과하면서 예열되어 배출되도록 한 것을 특징으로 하는 합성가스 급속생산장치. - 제1항에 있어서, 상기 예열조(50)는,
내부에 예열유로(51)가 2개 형성되고 두 예열유로의 일측단부는 서로 연통하여 유로가 연결되도록 하고, 유로가 연결되지 않은 타측단부에는 각각 연료이송관(30)과 연료투입관(60)을 연결하고, 상기 두 예열유로의 내부에는 가열봉(54)을 설치하여 연료이송관(30)을 통해 유입된 연료가 두 유로를 순차적으로 통과하면서 예열되어 연료투입관(60)을 통해 배출되도록 한 것을 특징으로 하는 합성가스 급속생산장치. - 제1항에 있어서, 상기 연료투입관(60)은,
예열조에 일단이 결합되는 연결부(61)와, 상기 연결부의 타단과 결합되는 튜브티(62)와, 상기 튜브티의 측면에 결합되어 이송가스를 공급하는 이송가스공급관(63)과, 상기 연결부와 동일축상에 위치하도록 튜브티에 결합되는 내관(641)과 외관(642)으로 구성되는 이중관(64)과, 상기 이중관의 단부에 설치되는 노즐팁(65)으로 이루어지되,
상기 이중관의 내관(641)은 연결부(61)와 연통되어 연료가 이송되도록 하고, 상기 외관(642)은 이송가스공급관(63)과 연통되어 이송가스가 이송되도록 하여 노즐팁(65)의 토출구(651)를 통해 연료를 미립화해 분산 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 합성가스 급속생산장치. - 플라즈마 발생가스가 공급되는 가스공급챔버와 플라즈마발생장치의 석영관과 플라즈마화염으로 연료를 공급하는 연료공급챔버와 고온가스화가 이루어지는 가스화챔버가 수직배관되고, 상기 연료공급챔버에는 연료저장탱크와, 저장된 연료가 이송되는 연료이송관과, 이송되는 연료를 가열하는 예열조와, 예열된 연료를 연료공급챔버 내부로 공급하는 연료투입관으로 구성된 연료투입수단이 설치되는 합성가스 급속생산장치를 이용한 합성가스 급속생산방법에 있어서,
플라즈마발생가스를 가스공급챔버로 공급하는 단계와;
공급된 플라즈마 발생가스에 플라즈마발생장치에서 생성된 마이크로웨이브를 공급하는 단계와;
공급된 마이크로웨이브의 전기장에 의해 플라즈마발생가스의 분자를 해리시켜 플라즈마 방전으로 플라즈마화염을 형성하는 단계와;
폐글리세린을 가열하여 유동성증가와 예열이 이루어지도록 하고, 이송가스에 의해 플라즈마화염으로 미립화하여 분산공급하는 폐글리세린 미립화 분산공급단계와;
상기 플라즈마 화염으로 공급된 연료인 폐글리세린은 플라즈마화염의 고열에 의해 열분해하여 합성가스를 생산하는 단계와;
합성가스에 포함된 회재 및 촤를 분리하여 단계;를 포함하여 이루지는 것을 특징으로 하는 합성가스 급속생산방법. - 제7항에 있어서,
상기 폐글리세린 미립화 분산공급단계는,
연료저장탱크에 열을 가하여 저장된 폐글리세린의 응고를 방지하고 유동성을 증가시키는 연료가열단계와;
가열된 폐글리세린을 연료이송관을 통해 예열조를 통해 연료투입관으로 공급하는 연료이송계와;
예열조를 통과하는 폐글리세린을 가열하여 폐글리세린의 온도를 상승시키는 연료예열단계와;
연료투입관의 단부를 통해 폐글리세린을 토출하면서 이송가스를 고압배출시켜 폐글리세린을 미립화시키는 폐글리세린 미립화단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 합성가스 급속생산 방법. - 제8항에 있어서,
상기 플라즈마발생가스는 산소, 질소, 스팀이며,
산소/연료(폐글리세린) 비는 0.0~0.8, 스팀/연료(폐글리세린) 비는 0.4~1.0로 공급하고,
플라즈마발생장치의 파워는 1.2~1.6kWe로 설정하여 운전되는 것을 특징으로 하는 합성가스 급속생산 방법.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020120091876A KR101336868B1 (ko) | 2012-08-22 | 2012-08-22 | 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 바이오디젤 생산 부산물로부터 합성가스 급속 생산 장치 및 방법 |
| US13/973,340 US8999018B2 (en) | 2012-08-22 | 2013-08-22 | Apparatus and method for rapidly producing synthetic gas from bio-diesel by-product using microwave plasma |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020120091876A KR101336868B1 (ko) | 2012-08-22 | 2012-08-22 | 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 바이오디젤 생산 부산물로부터 합성가스 급속 생산 장치 및 방법 |
Publications (1)
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| KR101336868B1 true KR101336868B1 (ko) | 2013-12-05 |
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| KR1020120091876A KR101336868B1 (ko) | 2012-08-22 | 2012-08-22 | 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 바이오디젤 생산 부산물로부터 합성가스 급속 생산 장치 및 방법 |
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