KR20080105344A - 플라즈마를 이용한 수소 및 카본블랙 제조장치 - Google Patents

플라즈마를 이용한 수소 및 카본블랙 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 플라즈마를 이용한 수소 및 카본블랙 제조장치에 관한 것으로서, 플라즈마를 이용하여 탄화수소 및 알코올 등 카본과 수소 원소가 포함된 화합물을 열분해하여, 수소와 카본블랙을 생산하는 공정 중 플라즈마 반응기 내에 카본블랙의 적층을 최소화 하여 장시간 신뢰성 있는 수소와 카본블랙의 제조를 가능하게 하는 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
이러한 특징적인 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 플라즈마 스트림에 탄화수소, 알코올 등 탄소와 수소 원소를 가진 화합물을 주입, 열분해하여 수소와 카본블랙을 연속적으로 제조하는 플라즈마 반응기; 열분해 과정에서 생성되는 가스상과 카본블랙을 분리시키는 사이클론; 가스상 물질 중 수소와 나머지 가스를 분리하는 PSA; 및 나머지 가스 중 질소 등의 불활성 가스를 분리하여 회수하는 집진수단; 을 포함한다.
카본블랙, 수소, 플라즈마, 반응기

Description

플라즈마를 이용한 수소 및 카본블랙 제조장치{Apparatus for manufacturing hydrogen and carbon black using plasma}
도 1 은 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 수소 및 카본블랙 제조장치에 관한 구성도.
도 2 는 본 발명에 따른 플라즈마 반응기의 구조에 관한 제 1 예시도.
도 3 은 본 발명에 따른 플라즈마 반응기의 구조에 관한 제 2 예시도.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
110: 플라즈마 반응기 111: 플라즈마 토치
120: 사이클론 130: PSA
140: 집진수단
본 발명은 열 플라즈마를 이용하여 수소 및 카본블랙이 연속 생산 가능한 제조장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열 플라즈마를 이용하여 고밀도 플라즈마 내로 탄화수소 또는 알코올류 등 카본과 탄소원소를 포함한 물질을 열분해 뿐 아니라 플라즈마 현상에 의해 분해시켜 고순도의 수소와 고품위 카본블랙을 연속적 으로 얻을 수 있고 수소 스테이션(Hydrogen station) 등에 이용 가능한 열 플라즈마 반응기를 구비한 수소 및 카본블랙 제조장치에 관한 것이다.
현재 이산화탄소와 같은 온실가스에 의한 지구 온난화 문제 및 화석연료의 고갈 등 에너지 문제를 해결하기 위해 여러 가지 방법이 제안되고 있다. 그 중 수소를 에너지로 사용하여 지구 온난화를 비롯한 화석 연료를 사용함으로서 제기되는 여러 가지 대기오염 문제를 해결하고자 하는 방안이 제시되고 있다. 이렇듯 수소를 에너지로 사용하기 위해서는 경제적이고 손쉬운 방법으로 수소를 생산 하는 기술이 필요하게 되었다. 궁극적으로는 핵에너지와 같은 비 화석 에너지를 이용한 수소 생산이 그 방법이 될 것으로 예상하고 있으나 수소경제로 전환의 진입단계에서는 화석연료를 개질하여 수소를 생산하는 방법이 유력하게 대두 되고 있다. 종래에 수소 생산에 가장 흔하게 사용되고 있는 방법은 탄화수소의 부분산화(Partial Oxidation) 방법이 있다.
한편 탄화수소를 열분해하여 수소 생산과 동시에 고품위의 카본블랙을 생산함으로서 수소생산에 있어 경제성을 극복하고자 하는 연구가 진행되어 왔다. 예를 들어 미국 특허 제 4,101,639호는 플라즈마를 이용한 열분해법을 사용하여 카본블랙을 제조하는 방법을 개시하고 있는데, 이 방법은 수증기가 플라즈마 스트림내로 반응 챔버의 벽에 대하여 방사상 및 벽의 축에 대해 수직방향으로 주입되어 열분해성 탄소 및 카본블랙의 흑연 형성을 방지할 뿐만 아니라, 수증기의 챔버 축방향에 대한 수직방향 기류는 반응 챔버의 벽을 플라즈마 스크림의 고온으로부터 보호해 주며, 챔버 벽상에 응축된 탄소의 퇴적을 방지하는 장점을 갖지만, 물이 분해되어 카본블랙 표면에 산소 함유기를 생성시켜 카본블랙의 품질 저하를 초래한다. 또한 물이 고온에서 반응하여 산화탄소 및 산화질소와 같은 환경오염을 유발하는 산화물을 형성한다.
또한, 최근 미국의 MIT의 블롬버그(Bromberg) 교수팀은 화석연료를 개질할 수 있는 저출력의 플라즈마트론(Plasmatron)이라는 플라즈마 개질기를 제안하였으며, 고순도의 수소를 제조할 수 있는 가능성을 제시하였다.
그러나, 종래 기술에서는 에너지 효율 문제뿐만 아니라 플라즈마 반응 챔버 내의 카본블랙의 적층으로 인하여 장기간 연속적이고 신뢰성 있는 수소 및 카본블랙의 생산에 어려움이 있는 실정이다.
본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 플라즈마를 이용하여 탄화수소 및 알코올 등 카본과 수소 원소가 포함된 화합물을 열분해하여, 수소와 카본블랙을 생산하는 공정 중 플라즈마 반응기 내에 카본블랙의 적층을 최소화 하여 장시간 신뢰성 있는 수소와 카본블랙의 제조를 가능하게 하는 장치를 제공함에 그 특징적인 목적이 있다.
상기 과제를 달성하기 위한 플라즈마 반응기를 포함한 수소 및 카본블랙의 제조장치는, 5 kW 이상의 출력을 내는 열플라즈마 전원장치, 동급의 플라즈마 발생기(이하, '플라즈마 토치'), 플라즈마 토치에서 발생되는 플라즈마 스트림과 탄화수소 등의 수소 및 탄소 소스(source)가 잘 혼합될 수 있는 구조를 가진 플라즈마 반응기, 열분해 반응으로부터 생성된 수소, 질소, 미반응 탄화수소, 아르곤과 같은 불활성 가스(이하, '가스상')과 카본블랙과 분리시키는 사이클론, 회전냉각드럼, 백필터(집진수단) 등으로 구성되어 있으며, 상기 생성된 가스상 중 수소를 나머지 가스(질소 및 탄화수소)와 분리시키는 PSA(Pressure swing adsorption concentrator)를 포함한다.
본 발명은 플라즈마를 이용한 수소 및 카본블랙 제조장치에 관한 것으로서, 플라즈마 스트림에 탄화수소, 알코올 등 탄소와 수소 원소를 가진 화합물을 주입, 열분해하여 수소와 카본블랙을 연속적으로 제조하는 플라즈마 반응기; 상기 열분해 과정에서 생성되는 가스상과 카본블랙을 분리시키는 사이클론; 상기 가스상 물질 중 수소와 나머지 가스를 분리하는 PSA; 및 상기 나머지 가스 중 질소 등의 불활성 가스를 분리하여 회수하는 집진수단; 을 포함한다.
바람직하게 상기 플라즈마 반응기는, 카본블랙의 적층을 방지하기 위한 쉴드 가스를 주입할 수 있는 주입할 수 있는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
그리고 바람직하게 상기 플라즈마 반응기는, 대기압하에서 직류 아크 방전에 의해 생성되는 플라즈마 스트림을 생성하는 플라즈마 토치; 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 1 은 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 수소 및 카본블랙 제조장치(100)를 개념적으로 도시한 구성도로서, 도시된 바와 같이 플라즈마 스트림에 탄화수소, 알코올 등 탄소와 수소 원소를 가진 화합물을 주입, 열분해하여 수소와 카본블랙을 연속적으로 제조하는 플라즈마 반응기(110)와, 열분해 과정에서 생성되는 가스상과 카본블랙을 분리시키는 사이클론(120)과, 가스상 물질 중 수소와 나머지 가스를 분리하는 PSA(130) 및 나머지 가스 중 질소 등의 불활성 가스를 분리하여 회수하는 집진수단(140)을 포함한다.
플라즈마 반응기(110)는 직류 아크방전에 의해 적어도 1000 ℃ 이상의 플라즈마 스트림을 형성하는 플라즈마 토치(111)를 구비한다. 이때 플라즈마를 형성하기 위한 기체로는 질소, 아르곤 등 주로 불활성 가스를 사용하며, 일부 용도에 따라 수증기, 수소, 헬륨, 탄화수소 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
본 발명에 사용되는 플라즈마 반응기(110)는 플라즈마 토치(111)와 체결하여 사용하며, 플라즈마 토치(111)에서 발생하는 플라즈마 스트림과 탄화수소 등 탄소 와 수소 소스 기체와 잘 혼합할 수 있는 구조로 형성되어 있으며, 열분해에 의해 플라즈마 반응기(110) 상단과 내벽 부분에 카본블랙이 적층되는 것을 방지하기 위하여 쉴드(shield) 가스 출구가 존재한다. 플라즈마 반응기(110)의 재질은 열플라즈마의 고온에 견딜 수 있으면서 에너지 효율을 높일 수 있는 내열 및 단열재료를 사용하며, 용도에 따라서는 냉각이 가능한 구조를 가질 수도 있다.
상기한 플라즈마 반응기(110)와 플라즈마 토치(111)가 체결된 후, 탄화수소 등을 주입하여 열분해 반응을 진행하게 되면 수소와 카본블랙으로 분해된다. 열분해 반응은 주로 플라즈마 토치 하단과 플라즈마 반응기 내부에서 일어나게 되며, 열분해 반응의 예로서 탄화수소 등의 일종인 메탄(CH4)의 열분해 반응식은 다음과 같다.
CH4 → C + 2H ΔH = -75.6 kJ ........................... [반응식 1]
상기 열분해 반응에는 탄화수소 등의 열분해에 의하여 생성되는 수소와 카본블랙 외에 플라즈마 발생 가스(주로 질소), 미반응 탄화수소 등이 배출된다. 이는 회전냉각드럼, 사이클론, 필터 등에 의해 가스상과 카본블랙으로 분리 되며, 가스상 중 수소는 PSA를 이용하여 나머지 가스와 분리 정제한다.
전술한 바와 같이 플라즈마 반응기에는 정확하게 규명되지 않은 이유로 반응기 내벽에 카본블랙이 적층되는 현상이 있다. 이러한 카본블랙의 적층현상이 계속될 경우 내벽이 좁아져 원활한 플라즈마 스트림이 형성되지 않게 되어 종국에는 플라즈마 형성에 방해가 되어 더 이상 탄화수소 등의 열분해 반응 일어나지 않게 된 다. 본 발명에서는 이러한 적층현상을 해소하기 위하여 다음과 같은 구조를 갖는 플라즈마 반응기(110)를 제시한다.
도 2 는 본 발명의 특징적인 일양상에 따른 플라즈마 반응기(110)의 구조에 관한 제 1 실시예로서, 도시된 바와 같이 플라즈마 반응기(110)는 플라즈마 토치(111), 플라즈마 스트림(112), 플라즈마 반응부(113)를 포함하며, 쉴드(shield) 가스가 주입된다.
플라즈마 토치(111)로부터 플라즈마 스트림(112)이 발생하고, 플라즈마 반응부(113)에서 탄화수소 등의 물질과 플라즈마가 적절한 혼합과 열분해가 동시에 일어난다.
이때, 플라즈마 반응부(113) 내벽과 플라즈마 스트림(112) 사이에서 수소와 카본블랙이 동시에 연속적으로 생산되는 과정에 일반적으로 플라즈마 스트림(112)과 플라즈마 반응기(113) 사이에 카본블랙이 적층된다.
따라서, 본 발명에서는 이를 해결하고자 질소와 같은 불활성 가스를 쉴드(shield) 가스로 주입하여, 카본블랙이 플라즈마 반응기 내벽에 적층되는 현상을 최소화 한다. 이때 쉴드 가스는 플라즈마 스트림(112) 주위의 방사상으로 수직 방향 뿐만 아니라 1°이상의 각도를 가지며 2개 이상, 직경 0.1mm 이상의 주입구를 통하여 주입하고 동시에 플라즈마 스트림(112)과 평행 방향으로 방사상으로 2개 이상, 직경 0.1 mm이상의 주입구를 통하여 주입된다.
도 3 은 본 발명의 특징적인 일양상에 따른 플라즈마 반응기(110)의 구조에 관한 제 2 실시예로서, 도시된 바와 같이 플라즈마 반응기(110) 아래에 또 하나의 측벽이 형성된 구조로서, 제 1 실시예와 같이 플라즈마 토치(111a), 플라즈마 스트림(112a), 플라즈마 반응부(113a)가 형성되어 쉴드(shield) 가스가 주입되되, 그 하단에 플라즈마 반응부(113b)가 연속되어 구성되어 있다.
플라즈마 반응부(113a,114b)에서는 탄화수소류의 열분해 반응이 진행되며, 쉴드 가스를 주입함으로서 반응기 내부에 카본블랙이 적층되는 것을 방지한다.
플라즈마 반응부(113a)에 주입되는 쉴드 가스는 플라즈마 스트림(112a) 주위의 방사상으로 수직 방향 뿐 아니라 1°이상의 각도를 가질 수도 있으며, 2개 이상, 직경 0.1mm 이상의 주입구를 통하여 주입하고 동시에 플라즈마 스트림(112a)과 평행 방향으로 방사상으로 2개 이상, 직경 0.1 mm이상의 주입구를 통하여 주입되며, 연속적으로 구성된 플라즈마 반응부(113b)로는 플라즈마 스트림(112a)과 평행 방향으로 방사상으로 2개 이상, 직경 0.1 mm이상의 주입구를 통하여 쉴드 가스가 주입된다.
이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 탄화수소 및 알코올 등 카본과 수소원소가 포함된 화합물을 열분해하여, 수소와 카본블랙을 생산하는 공정 중 플라즈마 반응기 내에 카본블랙의 적층을 최소화 할 수 있는 효과가 있다.
그리고 이러한 제조장치를 통해 수소 및 카본블랙의 연속 제조공정이 가능함으로써, 장기간 신뢰성 있는 수소 및 카본블랙의 생산을 할 수 있는 효과도 있다.

Claims (3)

  1. 플라즈마를 이용한 수소 및 카본블랙 제조장치에 있어서,
    플라즈마 스트림에 탄화수소, 알코올 등 탄소와 수소 원소를 가진 화합물을 주입, 열분해하여 수소와 카본블랙을 연속적으로 제조하는 플라즈마 반응기(110);
    상기 열분해 과정에서 생성되는 가스상과 카본블랙을 분리시키는 사이클론(120);
    상기 가스상 물질 중 수소와 나머지 가스를 분리하는 PSA(130); 및
    상기 나머지 가스 중 질소 등의 불활성 가스를 분리하여 회수하는 집진수단(140); 을 포함하는 플라즈마를 이용한 수소 및 카본블랙 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응기(110)는,
    카본블랙의 적층을 방지하기 위한 쉴드 가스를 주입할 수 있는 주입할 수 있는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 수소 및 카본블랙 제조장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 반응기(110)는,
    대기압하에서 직류 아크 방전에 의해 생성되는 플라즈마 스트림을 생성하는 플라즈마 토치(111); 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 수소 및 카본블랙 제조장치.
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