KR20070025139A - 고온 열플라즈마로 열분해를 시켜 카본 블랙을 얻는 방법및 이를 위한 간극을 갖는 역극성 공동형 토치 - Google Patents

고온 열플라즈마로 열분해를 시켜 카본 블랙을 얻는 방법및 이를 위한 간극을 갖는 역극성 공동형 토치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 얇고 납작한 특이한 형태의 카본을 생산하기 위하여 한쪽 끝이 막힌 공동형 후방 전극을 양극으로, 양쪽이 모두 열린 전방 전극을 음극으로 하고, 두 전극 사이에 형성되는 직류 아크를 이용하여 고온, 고속의 열플라즈마를 전방전극을 통해 내보내는 것을 특징으로 하는 역극성 공동형 플라즈마 토치를 제공하며 이를 이용하여 천연가스, 메탄 등과 같은 탄화수소류를 열분해하고 그 부산물인 카본블랙을 생산하는 것에 관한 발명이다.

Description

고온 열플라즈마로 열분해를 시켜 카본 블랙을 얻는 방법 및 이를 위한 간극을 갖는 역극성 공동형 토치{METHOD FOR PRODUCING HYDROCARBONS BY THERMAL PYROLYSIS AND REVERSE POLARIZED HOLLOW TYPE PLASMA TORCH THEREFORE}
도 1은 본 발명에 의한 간극을 갖는 역극성 공동형 토치의 단면도
도2는 역그성 공동형 토치에 의해 발생된 플라즈마를 도시하는 도면.
도3은 기체를 주입하였을때의 현상을 도시하는 도면.
도 4는 본 발명에 따라 생산된 카본블랙의 투과 전자현미경 사진(TEM)
본 발명은 한쪽 끝이 막힌 공동형 후방 전극을 양극으로, 양쪽이 모두 열린 전방 전극을 음극으로 하고, 두 전극 사이에 형성되는 직류 아크를 이용하여 고온, 고속의 열플라즈마를 전방전극을 통해 내보내는 것을 특징으로 하는 역극성 공동형 플라즈마 토치와 이를 이용하여 천연가스, 메탄 등과 같은 탄화수소류를 열분해하는 방법 및 그 부산물인 카본블랙에 관한 것이다.
역극성 공동형 플라즈마 토치는, 전극 수명을 늘리고, 또한 수명이 다한 음극을 쉽게 교체해 주기 위해, 표준적인 공동형 토치의 통상적인 전기결선과는 반대 로, 한 쪽이 막힌 공동형 후방 전극을 양극으로, 양쪽이 모두 열린 전방 전극을 음극으로 전기적 결선을 하고, 두 전극 사이의 간격으로 강한 와류 성분을 가진 플라즈마 기체를 주입시켜 아크를 발생시키는 장치이다. 이와 같은 역전극 방식으로 공동형 토치를 설계하고 사용할 경우, 양극점은 후방 전극 표면에서 고정되지만, 음극점은 전방 전극을 따라 흐르는 유동 방향으로 원하는 만큼 쉽게 밀어 낼 수 있어서, 최현구 등의 특허에서 거론된 바와 같이, 아크 길이를 전방 전극을 통해 연장시켜 아크 전압을 상승시킬 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 전극 침식의 주원인인 아크 전류 상승을 최대한 억제한 채, 플라즈마의 출력을 높이는 데 유리하므로, 쓰레기 소각 등과 같은 고출력 플라즈마 응용에 역극성 공동형 토치가 많이 활용되고 있다. 한편, 역극성 공동형 토치에서 아크길이를 늘려 플라즈마 출력을 높이기 위해선, 음극 (전방전극) 길이 역시 길어져야 하는데, 음극 길이가 긴 토치의 경우, 전극 표면을 따라 형성되는 차가운 경계층 내 와류 강도가 벽과의 마찰에 의해 길이가 길수록 점점 더 감소하게 되어 아크 형성 및 유지가 상대적으로 불안정해진다. 아크의 반경방향 요동을 억제하고 안정화 시키는 역할을 하는 경계층 내 와류 강도의 감소는 아크가 음극 표면의 임의의 지점에 부딪힐 가능성 (음극 내부 아킹)의 증가로 이어지고, 아크의 불안정에 따른 음극 내부 아킹의 발생은 원하지 않는 음극 부위의 침식과 플라즈마 출력 요동으로 연결된다. 음극 길이 증가와 함께 나타나는 이러한 와류강도 감소 문제 해결을 위해, 종래의 역극성 토치들은 기체 유량을 크게 증가시켜, 아크 안정화에 필요한 와류 강도를 전방전극 끝까지 유지시키는 방식으로 설계 및 운전되었다. 그 결과, 플라즈마 기체로 대량의 공기를 사용하고, 고출력을 통해 많은 양의 활성종을 대량 생성시켜 음식쓰레기와 같은 유기폐기물을 대규모로 처리하는 소각용으로는 적합하지만, 고가의 불활성 기체(아르곤 등) 사용 및 안정적인 출력이 요구되는 탄화수소류 열분해와 같은 소재공정용으로 사용될 경우, 대량의 기체유량 운전조건과 상대적인 아크 불안정성은 치명적 약점으로 인식되고 있다.
플라즈마 형성 기체를 음극과 양극사이에서 발생시킨 아크를 통과시켜 그 젯트를 분사시키는 비이송식 토치에 있어서, 막대형 음극과 원통형 양극 사이 또는 원통형 음극과 원통형 양극 사이에 간극을 두는 방식은, 미국 특허 3,360,988 및 4,543,470에서 각각 그 기술이 공개된 바와 같이, 간극 길이만큼 늘어난 아크길이에 의한 전압 상승 및 출력 증가 효과와 간극과 전극 사이의 간격으로 플라즈마 형성 기체를 나누어 주입 시켜 와류강도를 보충해줌으로써, 길이가 늘어난 아크를 상대적으로 적은 유량의 기체로 안정화 시킬 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 상기 미국 특허에서 공개된 것은 원통형 전극들을 소정의 간격을 두고 단순 배치해 놓은 것으로서, 각 전극 사이의 간격을 통해 강한 와류 성분을 가진 플라즈마 기체를 주입할 경우, 도 2에 표기된 바와 같이, 주입된 기체(17)은 원통형 전극의 축방향에 대해 둘로 나뉘어서, 후방 및 전방을 향해 각각 반대 방향으로 몰려간다. 이 때, 후방쪽으로 가는 역류는 그 앞단의 간격에서 주입되어 간극을 통해 전방으로 향하고 있는 플라즈마 유동에 대해서는 반대방향의 와류성분과 방향을 가지고 있으므로, 상기 플라즈마 유동의 진행을 방해할 뿐만 아니라, 와류강도를 감소시키는 역할을 하여 간극 내에서 내부 아킹의 가능성을 오히려 높일 수 있다는 단점이 존재 한다. 공개된 미국특허 등은, 각 간극의 직경을 전방쪽으로 점차적으로 늘려서, 이러한 단점을 최소화할 수 있다는 점을 내세우고 있으나, 출력이 높아질수록, 유량이 늘어날수록, 그 영향을 완전히 제거하기가 어렵다.
본 발명은 공동형 후방전극과 원통형 전방전극 사이에 양쪽이 열린 간극을 1개 이상 배치하여, 첫째, 간극 길이만큼 늘어난 아크 길이에 의한 전압상승 및 출력 증가 효과와 둘째, 각 간격에서 주입된 기체를 통해 벽과의 마찰에 의해 손실된 와류 강도를 보충할 수 있으므로, 전방전극 끝까지 아크 안정화에 필요한 와류강도를, 상대적으로 적은 기체유량으로 달성할 수 있도록 고안된 간극을 가진 역극성 공동형 토치를 구성함으로써, 재래의 역극성 공동형 토치를 소재 공정용으로 응용 할 경우 발생하는 불리한 점을 극복하면서도, 고출력에 유리한 역극성 공동형 토치의 장점을 동시에 지닌 토치를 제안하는 것에 해당한다. 특히, 본 발명은, 삽입된 간극과 전방전극의 직경을 다르게 한 뒤, 이들의 근접지점을 도 3과 같이 서로 겹치도록 하여, 간극과 전방전극(음극) 사이에 환형의 유로를 만들고, 이 유로를 통해, 토치 내부를 관통하는 플라즈마 유동과 같은 방향의 와류 성분을 가진 기체를 주입할 수 있도록 함으로써, 단순 간극 삽입시 야기되는 상기한 바와 같은 역류에 의한 악영향을 제거할 수 있도록 하였다.
따라서, 최근 급증하고 있는 메탄, 천연가스 등과 같은 탄화수소류의 직접 열분해와 같은 대규모 소재공정 응용시, 요구되는, 출력 증가와 비용 감소에 대해, 고출력 운전에 유리한 역극성 공동형 토치의 장점을 살리면서도, 과도한 플라즈마 기체 유량의 증가와 역류에 의한 플라즈마 유동의 교란 및 이로 인한 음극 내부 아 킹 없이, 균일한 출력을 제공해 줄 수 있는 '간극을 가진 역극성 공동형 토치'의 구성 방법과 이를 이용한 탄화수소류의 직접 열분해 공정의 실현이 가능하게 된다.
상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 공동형 후방 양극(3)과 양쪽이 모두 열린 전방 음극(14) 사이에, 양극 및 음극으로부터 전기적으로 플로팅(floating) 될 수 있도록 전기회로(19,20,21,22,23)가 연결된, 양쪽이 모두 열린 형태의 간극(6)을 동축으로 1개 이상 배치하여, 아크(24)의 길이를, 간극 길이 및 개수에 비례하여 늘릴 수 있도록 함으로써 전압증가에 의한 플라즈마 출력 증가를 가능하게하고, 기체 공급부(4,10)로부터, 각 전극들 간의 간격 사이로 와류 성분을 가진 기체(16,17)를 주입시키되, 상기 간극(6)과 전방 음극(14) 사이의 간격은, 간극의 일부가 전방음극 안으로 들어가도록 하여 만들어진 환형 유로(28)로 이어질 수 있도록 하여, 늘어난 토치 길이 때문에 발생하는 플라즈마 기체의 와류 강도 감소를 보충시킬 수 있을 뿐만 아니라, 주입된 기체가 거꾸로 역류하는 것을 방지하게 함으로써, 아크 안정성을 유지, 강화할 수 있도록 의도된, 간극을 갖는 역극성 공동형 토치를 제공하고 이를 이용하여 메탄이나 천연가스 등과 같은 탄화수소류를 직접 열분해하여 특수한 형태의 카본블랙을 생산하는 방식을 제안하는 데 있다.
상기 목적을 이루기 위해 본 발명은, 간극을 갖는 역극성 공동형 토치를 제 공하는데, 상기 토치는 한쪽 끝이 막힌 공동형 후방 전극(3)을 양극으로 하고 양쪽이 모두 열린 전방 전극(14)을 음극으로 하여 생성된 전기아크(24)에 의해 고온의 열플라즈마를 발생시키는 역전극 방식의 공동형 플라즈마 토치에 있어서, 양쪽이 모두 열린 형태로된 1개 이상의 간극(6)이, 전기적으로 플로팅(floating) 된 채, 상기 전극들 사이에 간격(25,26)을 두고 상기 전극과 동축으로 배치되고, 상기 전방전극(14)과 이와 이웃한 간극(6)의 일부분이 서로 겹쳐져서 이루어지는 환형(annular) 유로(28)를 형성하는데 상기 환형유로는 상기 간격(26)과 이어지며, 각 전극들 간의 간격 (25,26)사이로 기체(16,17)를 주입시킬 수 있는 기체 공급부(4,10)를 갖는 것일 수 있다.
상기 간극의 길이가 간극 내경의 10배 이하인 것 일 수 있다.
생성된 전기 아크에 직접 노출되는 각 간극(6)들의 내부 면의 1/2 이상이 상기 전방전극(14)의 내부 면과 재질이 동일한 것일 수 있다.
상기 전방전극(14) 내부 면을 형성하는 부분의 재질이 흑연(graphite)인 것일 수 있다.
또한 초고온 열플라즈마로 열분해를 시켜 카본 블랙을 얻는 방법을 제공하는데, 상기 방법은,
한쪽 끝이 막힌 공동형 후방 전극(3)을 양극으로 하고 양쪽이 모두 열리고 내부면을 형성하는 부분의 재질이 흑연인 전방 전극(14)을 음극으로 하여 생성된 전기아크(24)에 의해 고온의 열플라즈마를 발생시키는 역전극 방식의 공동형 플라즈마 토치를 제공하는 단계와
상기 전극 사이에 상기 전극과 동축으로, 전기적으로 플로팅된 간극을 제공하는 단계로서, 상기 간극과 상기 전극사이에는 간격(25,26)을 두고, 상기 전극중 전방전극과 사이에 환형유로를 형성하도록 상기 간극의 일부과 상기 전방전극의 일부가 겹치도록 하면서, 상기 환형유로와 상기 간격(26)이 이어지게 하는, 간극을 제공하는 단계와;
상기 간격사이로 기체를 주입하여 플라즈마를 발생시키는 단계와
상기 간격과 상기 전방음극 벽면의 구멍 (30) 을 통하여 탄화수소류(메탄, 아세틸렌, 석유계 화합물, 석탄)를 주입하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 간극을 갖는 역극성 공동형 토치의 단면도이다.
도면에서 참조되는 바와 같이, 간극을 갖는 역극성 공동형 토치는 전기 아크(24)가 지속적으로 생성 유지되는 전극인 공동형 후방전극(양극, 3)과 양쪽이 열린 전방전극(음극, 14) 및 이들 사이에 1개 이상 동축으로 배치되는 간극(6)이 있고, 각 전극들 사이에 형성되는 간격(25,26)과 이 간격으로 와류성분을 가지는 기체(16,17)가 주입될 수 있는 기체 공급부(4,10)로 주요하게 구성된다. 기체 공급부는 내부 전극들 사이 및 이들 내부 전극들과 외부 금속 하우징과의 전기적 절연을 유지시켜주면서도, 설계 및 제작의 편의를 위하여, 냉각수 통로를 겸하도록 설계될 수 있다. 아크의 발생은 초기에 간극과 양극 사이에 형성되며, 이 때, 간극(6)은 전방 음극(14)과 전기 스위치(22)에 의해 연결되어 있어서, 음극의 구실을 하게 된다. 그러나, 아크가 발생된 뒤, 이 스위치(22)를 개방함으로써, 간극은 전기적 으로 floating 되고, 아크는 전방 음극(14)으로 유도되며, 형성된 아크의 음극점 (27)은 유동에 의해 밀려나 음극의 모서리 부분에 안착될 수 있다. 탄화수소류의 열분해와 같은 소재공정 응용 시에는, 음극 침식 및 불안정한 운전 조건시 발생할 지도 모르는 간극 내부 아킹에 의한 오염을 줄이기 위해, 음극을 흑연으로 사용 할 수 있으며, 간극 내부면의 일정 부분 이상을 도 2 및 3에 보인 바와 같이 흑연재질로 된 라이닝 (31)을 덧댈 수 있다.
아크의 반경방향 요동은 양극과 간극 및 간극과 음극 사이에 존재하는 간격(25,26)을 통해 각각 주입된 기체들(16,17)의 와류 성분에 의해 안정화된다. 먼저, 공동형 양극(3)과 간극(6) 사이에서 주입되는 와류 성분을 가진 기체(16)는 플라즈마 아크(24)를 형성, 유지하는 데 쓰이는 플라즈마 형성기체이다. 와류 성분을 가지고, 양극과 간극이 이루는 좁은 간격(25) 사이로 강하게 주입된 플라즈마 형성기체(16)는 도 2에 나타낸 바와 같이 양극(3) 및 간극(6)의 내부 표면을 따라 둘로 나뉘어서 한 쪽은 후방 전극(3,양극)으로 한 쪽은 전방 전극(14,음극)을 향해 진행한다. 후방전극(3,양극)으로 퍼져간 플라즈마 형성기체는 막힌 벽 때문에 되돌아 나가게 되며, 이 되돌아 나가는 유동 때문에, 공동형 후방전극 내부의 유체흐름은 도 2와 같이 중심축을 따라서는 전방전극으로 향하되, 내부표면에서는 방향이 역전되는 지점(29)이 발생한다. 아크점은 상대적으로 이 지점에서 부착되기 쉬우며, 역극성 공동형 토치의 경우, 양극점이 이 부근에서 고정된다. 이와 같은 현상은 도 2에 보인 바와 같이, 와류 성분을 가진 기체가 소정의 간격을 두고 단순 배치된 간극(6)과 음극(14) 사이의 간격(26)을 통해 주입되었을 경우의 유동흐름에도 나타 난다. 이 경우, 후방전극(3)을 향해 올라오는 역류 때문에 전방전극을 향해 나가는 간극(6) 내부의 유동흐름이 방해를 받게 되며, 간격 26으로 주입되는 기체(17)의 유량이 많으면 많을수록 이와 같은 역류 현상이 강해진다. 이러한 역류에 의한 내부 유동의 교란 및 교란된 지점에서의 내부 아킹을 막기 위해, 본 발명에서는 간극(6)과 음극(14)의 직경을 다르게 만들고, 이들의 근접지점을 도 3과 같이 서로 겹치도록 하였다. 도 3에 보인 바와 같이, 상대적으로 음극(14)의 직경을 간극(6)의 직경보다 크게 만들고 서로 겹친 후, 둘 사이에 생성되는 환형 유로(28)를 통해, 내부 유동과 같은 방향의 와류 성분을 가진 기체를 주입하게 되면, 와류 성분에 의해 기체들은 음극벽으로 몰려서 내려오게 되고, 환형 유로를 빠져나온 다음에는 콘다(coanda) 효과에 의해 간극 내부를 통해 흘러 나오는 유동들을 음극 벽쪽으로 끌어들이는 역할을 함으로써, 역류를 완벽하게 방지할 수 있게 된다.
상기와 같이 설계된 간극과 환형 유로를 갖는 공동형 토치를 이용하여, 탄화수소류를 열분해 처리하기 위한 일 예로서, 음극(14) 벽면에 구멍(30)을 뚫어 음극의 내부와 외부를 연결되게 한 다음 이를 통해 메탄 혹은 천연가스 등의 탄화수소류(18)를 주입할 수 있다. 이를 통해 주입된 탄화수소류(18)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 간극(6)을 사이에 두고 음극(14)과 양극(3) 사이에 형성된 고출력의 초고온 전기 아크(24)에 직접 닿게 됨으로써, 분해에 필요한 에너지 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 탄화수소류의 열분해가 재래의 방식에 비해 3000 C 이상의 초고온에서 이루어지므로, 얇고, 납작한 형태를 가진 특수한 형태의 카본블랙 생산을 기대할 수 있다.
도 4는 이와 같은 방식을 통해 생산된 카본블랙의 투과 전자현미경 사진(TEM)이다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 생성된 카본블랙의 형상은 대부분 구형 또는 구형과 비슷한 모습을 가진 상용의 다른 카본블랙과는 달리 납작한 종이 또는 이 종이들이 구겨진 형태를 가짐을 알 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 1개 이상의 간극(6)과 공동형 후방 양극(3) 및 음극(14) 사이의 간격으로 기체(16,17)를 주입함으로써, 아크(24)길이를 간극 길이에 비례하여 늘릴 수 있어, 전압 증가에 의한 고출력화가 가능하다.
또한, 고출력 운전시 야기되는 아크의 반경방향 불안정성을 각 전극 간격(25,26) 사이로 주입되는 기체들의 강한 와류 유동으로 안정화시켜 불필요한 내부 아킹을 막아줄 수 있고, 아크 안정화에 필요한 와류 강도를 간극(6)과 전방 전극(14) 사이의 환형 유로(28)를 통해 보충해줌으로써, 재래식 역극성 공동형 토치에 비해 소모성 기체 유량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 간극과 전극이 단순 배치된 기존 간극형 토치에서 발생하기 쉬운 역류에 의한 내부 플라즈마유동의 교란이 없기 때문에, 상대적으로 적은 기체 유량으로 안정적인 플라즈마의 발생 및 유지가 요구되는 고출력 소재공정용으로 활용이 가능하다.
고출력 소재공정의 일 예로서 탄화수소 열분해에 의한 카본블랙 제조 공정 응용 시, 본 발명은, 간극과 간극, 또는 간극과 전방전극 사이에 탄화수소류와 같은 반응성 기체를 주입하여 아크와 직접 반응을 유도할 수 있어서, 반응성 기체의 열분해 및 카본블랙 합성 등에 응용할 수 있다.

Claims (5)

  1. 한쪽 끝이 막힌 공동형 후방 전극(3)을 양극으로 하고 양쪽이 모두 열린 전방 전극(14)을 음극으로 하여 생성된 전기아크(24)에 의해 고온의 열플라즈마를 발생시키는 역전극 방식의 공동형 플라즈마 토치에 있어서, 양쪽이 모두 열린 형태로된 1개 이상의 간극(6)이, 전기적으로 플로팅(floating) 된 채, 상기 전극들 사이에 간격(25,26)을 두고 상기 전극과 동축으로 배치되고, 상기 전방전극(14)과 이와 이웃한 간극(6)의 일부분이 서로 겹쳐져서 이루어지는 환형(annular) 유로(28)를 형성하는데 상기 환형유로는 상기 간격(26)과 이어지며, 각 전극들 간의 간격 (25,26)사이로 기체(16,17)를 주입시킬 수 있는 기체 공급부(4,10)를 갖는 것을 특징으로 하는, 간극을 갖는 역극성 공동형 토치
  2. 제 1항에 있어서, 상기 간극의 길이가 간극 내경의 10배 이하인 것을 특징으로 하는, 간극을 갖는 역극성 공동형 토치
  3. 제1항에 있어서, 생성된 전기 아크에 직접 노출되는 각 간극(6)들의 내부 면의 1/2 이상이 상기 전방전극(14)의 내부 면과 재질이 동일한 것을 특징으로 하는 간극을 갖는 역극성 공동형 토치
  4. 제3항에 있어서, 상기 전방전극(14) 내부 면을 형성하는 부분의 재질이 흑연 (graphite)인 것을 특징으로 하는, 간극을 갖는 역극성 공동형 토치
  5. 초고온 열플라즈마로 열분해를 시켜 카본 블랙을 얻는 방법으로서,
    한쪽 끝이 막힌 공동형 후방 전극(3)을 양극으로 하고 양쪽이 모두 열리고 내부면을 형성하는 부분의 재질이 흑연인 전방 전극(14)을 음극으로 하여 생성된 전기아크(24)에 의해 고온의 열플라즈마를 발생시키는 역전극 방식의 공동형 플라즈마 토치를 제공하는 단계와
    상기 전극 사이에 상기 전극과 동축으로, 전기적으로 플로팅된 간극을 제공하는 단계로서, 상기 간극과 상기 전극사이에는 간격(25,26)을 두고, 상기 전극중 전방전극과 사이에 환형유로를 형성하도록 상기 간극의 일부과 상기 전방전극의 일부가 겹치도록 하면서, 상기 환형유로와 상기 간격(26)이 이어지게 하는, 간극을 제공하는 단계와;
    상기 간격사이로 기체를 주입하여 플라즈마를 발생시키는 단계와
    상기 간격과 상기 전방음극 벽면의 구멍 (30) 을 통하여 탄화수소류(메탄, 아세틸렌, 석유계 화합물, 석탄)를 주입하는 단계;를 포함하는,
    고온 열플라즈마로 열분해를 시켜 카본 블랙을 얻는 방법
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