KR20110012175A - Plasma gasifier for integrated gasification combined cycle - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 석탄가스화복합발전용 플라즈마 가스화기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 석탄가스화복합발전에 사용되는 전자파 플라즈마 가스화기에 있어, 스팀과 산소의 혼합가스를 소용돌이 형태로 주입함으로써 안정된 플라즈마를 발생시킴과 동시에 상기 혼합가스의 스팀과 산소의 비율을 제어함으로써 일산화탄소와 수소가 포함된 합성가스(Syn-gas)를 용이하게 생산할 수 있는 석탄가스화복합발전용 플라즈마 가스화기에 관한 것이다.The present invention relates to a plasma gasifier for coal gasification combined cycle, and more particularly, to an electromagnetic plasma gasifier used for coal gasification combined cycle power generation, and generates a stable plasma by injecting a mixture of steam and oxygen in a vortex form. In addition, the present invention relates to a coal gasification combined cycle plasma gasifier capable of easily producing a syngas containing carbon monoxide and hydrogen by controlling a ratio of steam and oxygen of the mixed gas.
석탄가스화복합발전(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 producing electricity by converting coal into a synthesis gas composed mainly of hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) and turning the gas turbine with this gas. Means development.
석탄가스화복합발전을 이용할 경우 세계적으로 널리 분포하고 매장량이 풍부한 석탄 자원을 이용하여 발전을 할 수 있다는 점에서 가장 큰 장점이 있다. 또한 석탄가스화복합발전의 경우 열효율이 높아 단위 발전전력량당 이산화탄소, 황산화 물, 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 biggest advantage in that it can generate power using coal resources that are widely distributed and rich in the world. In addition, in the case of coal gasification combined cycle power generation, the thermal efficiency is high, which can reduce the generation of carbon dioxide, sulfate, nitrogen oxide, and dust per unit power generation, and it 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 excellent technology. It is also attracting attention as a pivotal technology of future power generation that can be applied to carbon dioxide separation storage technology, hydrogen production technology, and fuel cell-linked systems.
도 8은 이와 같은 석탄가스화복합발전의 개념도를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 석탄가스화복합발전 시스템에서는 먼저 석탄을 연소시켜 합성가스(Syn-gas)를 생성하며, 생성된 합성가스는 가스터빈으로 주입되어 전력을 생산하게 된다. 또한 가스터빈에서 방출되는 배기가스의 열로 스팀 터빈을 돌림으로써 한번 더 전력을 생산할 수 있다. 또한 상기 합성가스는 단순히 발전에만 이용되는 것이 아니라 석탄액화기술 등을 사용하여 디젤, 가솔린, DME 등의 액화연료, 메탄올, 에틸렌 등의 화학원료 또한 생산이 가능하며, 합성가스로부터 수소 또한 생산될 수 있다.8 is a view showing a conceptual diagram of such coal gas combined cycle power generation. As shown, the coal gasification combined cycle system first burns coal to generate syngas, and the generated syngas is injected into a gas turbine to produce electric power. Power can also be produced once more by turning the steam turbine with the heat of the exhaust gas emitted from the gas turbine. In addition, the syngas is not only used for power generation, but also liquefied fuel such as diesel, gasoline, DME, etc., chemical raw materials such as methanol and ethylene can be produced using coal liquefaction technology, and hydrogen can also be produced from syngas. have.
이와 같이 석탄가스화복합발전의 경우 종래의 석탄을 이용한 화력발전보다 효율 및 환경오염 면에서 장점이 있을 뿐 아니라 다양한 분야와 결합이 가능한 장점이 있다. 그러나 종래의 석탄가스화복합발전은 다음과 같은 문제점이 있다.Thus, in the case of coal gas combined cycle power generation, there is an advantage in terms of efficiency and environmental pollution as well as in combination with various fields. However, conventional coal gasification combined cycle has the following problems.
먼저, 종래의 석탄가스화복합발전의 경우 석탄의 가스화 공정에 있어 고온로의 복사열에 의하여 석탄을 가스화하게 되므로 가스화기의 가동을 위하여 섭씨 1300~1500도로의 예열이 필요하다. 따라서 가스화기의 예열을 위한 시간 및 비용이 많이 소요되게 된다.First, in the conventional coal gasification combined cycle power generation, the coal is gasified by radiant heat of a high temperature furnace in the gasification process of coal, and thus preheating of 1300 to 1500 degrees Celsius is required for the operation of the gasifier. Therefore, it takes a lot of time and money for the preheating of the gasifier.
또한 종래의 석탄가스화복합발전의 경우 가스화를 위하여 25기압 이상의 고압을 요하게 되므로 가스화기 자체의 소형화가 매우 어렵고 가스화기의 제어 또한 어려운 문제점이 있었다.In addition, since the conventional coal gasification combined cycle power generation requires a high pressure of 25 atm or more for gasification, miniaturization of the gasifier itself is very difficult, and control of the gasifier is also difficult.
본 발명의 목적은 석탄가스화복합발전에 사용되는 전자파 플라즈마 가스화기에 있어, 스팀과 산소의 혼합가스를 소용돌이 형태로 주입함으로써 1기압 하에서 안정된 플라즈마를 생성시킴과 동시에 상기 혼합가스의 스팀과 산소의 비율을 제어함으로써 일산화탄소와 수소가 포함된 합성가스(Syn-gas)의 일산화탄소 및 수소의 비율을 제어 가능한 석탄가스화복합발전용 플라즈마 가스화기를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to produce a stable plasma at a pressure of 1 atm by mixing a mixture of steam and oxygen in an eddy form in an electromagnetic plasma gasifier used in coal gasification combined cycle power generation. The present invention provides a plasma gasifier for coal gasification / complexation that can control the ratio of carbon monoxide and hydrogen in a syngas containing carbon monoxide and hydrogen.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄가스화복합발전에 사용되는 플라즈마 가스화기는 하나 이상의 플라즈마 발생장치를 포함하며, 상기 플라즈마 발생장치는 소정 주파수의 전자파를 발진하는 전자파 공급부, 상기 전자파 공급부로부터 공급된 상기 전자파 및 스팀과 산소의 혼합가스로부터 플라즈마가 발생되는 방전관, 상기 방전관에 스팀과 산소의 혼합가스를 소용돌이 형태로 주입하는 가스 공급부, 상기 방전관 내부에서 생성된 상기 플라즈마에 고체 형태의 석탄을 공급하는 석탄 공급부, 상기 방전관 내부에 플라즈마 발생을 위한 초기 전자를 공급하는 점화부 및 상기 방전관에서 생성된 플라즈마와 석탄의 반응으로부터 합성된 합성가스를 배출하는 가스 배출부를 포함하여 구성된다.Plasma gasifier used in coal gasification combined cycle power generation according to an embodiment of the present invention for achieving the above object includes at least one plasma generating device, the plasma generating device is an electromagnetic wave supply unit for generating an electromagnetic wave of a predetermined frequency, A discharge tube in which a plasma is generated from the electromagnetic wave supplied from the electromagnetic wave supply unit, and a mixed gas of steam and oxygen, a gas supply unit injecting a mixed gas of steam and oxygen into the discharge tube in a vortex form, and a solid in the plasma generated inside the discharge tube A coal supply unit for supplying coal in the form, an ignition unit for supplying initial electrons for plasma generation inside the discharge tube, and a gas discharge unit for discharging the synthesis gas synthesized from the reaction of plasma and coal generated in the discharge tube. .
이때, 상기 전자파 공급부에서 발진되는 전자파는 902~928MHz 또는 886~896MHz의 주파수 범위를 갖도록 구성될 수 있다.At this time, the electromagnetic wave oscillated by the electromagnetic wave supply unit may be configured to have a frequency range of 902 ~ 928MHz or 886 ~ 896MHz.
그리고 상기 가스 공급부는, 상기 방전관의 하단부에 상기 방전관을 감싸는 형태로 형성되며, 일단이 상기 방전관의 내부와 연결되어 상기 방전관 내부로 스팀을 공급하는 하나 이상의 스팀 공급관; 및 일단이 상기 방전관의 내부와 연결되어 상기 방전관 내부로 산소를 공급하는 하나 이상의 산소 공급관;을 포함할 수 있다.The gas supply unit may include one or more steam supply pipes formed at a lower end portion of the discharge tube and having one end connected to the inside of the discharge tube to supply steam into the discharge tube; And one or more oxygen supply pipes whose one end is connected to the inside of the discharge tube to supply oxygen into the discharge tube.
이때, 상기 가스 공급부는 동일한 개수의 상기 스팀 공급관 및 상기 산소 공급관을 포함할 수 있으며, 상기 하나 이상의 스팀 공급관 및 상기 하나 이상의 산소 공급관은, 상기 가스 공급부 내부에 동일 간격으로 배치될 수 있다. In this case, the gas supply unit may include the same number of the steam supply pipe and the oxygen supply pipe, the one or more steam supply pipe and the one or more oxygen supply pipe, may be arranged at the same interval inside the gas supply.
또한, 상기 하나 이상의 스팀 공급관 및 상기 하나 이상의 산소 공급관은, 상기 가스 공급부 내부에서 서로 번갈아 배치될 수 있다. The one or more steam supply pipes and the one or more oxygen supply pipes may be alternately arranged in the gas supply part.
그리고 상기 하나 이상의 스팀 공급관 및 상기 하나 이상의 산소 공급관은, 상기 방전관의 내부로 배출되는 스팀 및 산소가 상기 방전관의 내주면과 평행하게 배출되도록 상기 방전관의 내부와 연결됨으로써, 상기 방전관의 내부로 분출된 스팀 및 산소가 서로 혼합되어 소용돌이를 형성하도록 구성될 수 있다.The one or more steam supply pipes and the one or more oxygen supply pipes are connected to the inside of the discharge tube so that the steam and oxygen discharged into the discharge tube are discharged in parallel with the inner circumferential surface of the discharge tube, thereby ejecting the steam into the discharge tube. And oxygen may be mixed with each other to form a vortex.
한편 상기 석탄 공급부는, 상기 가스 공급부의 상단에 상기 방전관을 감싸는 형태로 형성되며, 일단이 상기 방전관의 내부와 연결되어 상기 방전관 내부에서 생성된 상기 플라즈마에 고체 형태의 석탄을 공급하는 하나 이상의 석탄 공급관을 포함할 수 있다.On the other hand, the coal supply unit is formed in a form surrounding the discharge tube on the upper end of the gas supply unit, one end is connected to the interior of the discharge tube to supply one or more coal supply pipe to supply the coal in the form of solid in the plasma generated inside the discharge tube It may include.
이때 상기 하나 이상의 석탄 공급관은, 상기 석탄 공급부 내부에 동일 간격으로 배치될 수 있다.In this case, the one or more coal supply pipes may be arranged at equal intervals inside the coal supply unit.
또한 상기 하나 이상의 석탄 공급관은, 상기 방전관의 내부와 연결되는 일단이 상기 방전관 내부에 형성된 플라즈마의 중심부를 향하도록 형성됨으로써, 상기 석탄 공급관을 통하여 공급된 석탄이 상기 플라즈마의 중심부를 향하여 분출되도록 구성되거나, 상기 방전관의 내부로 배출되는 석탄이 상기 방전관의 내주면과 평행하게 배출되도록 상기 방전관의 내부와 연결됨으로써, 상기 방전관의 내부로 분출된 석탄이 소용돌이를 형성하도록 구성될 수 있다.In addition, the at least one coal supply pipe is configured such that one end connected to the inside of the discharge pipe is directed toward the center of the plasma formed inside the discharge pipe, so that coal supplied through the coal supply pipe is ejected toward the center of the plasma. The coal discharged into the discharge tube may be configured to form a vortex by being connected to the inside of the discharge tube such that the coal discharged into the discharge tube is discharged in parallel with the inner circumferential surface of the discharge tube.
이때 상기 하나 이상의 석탄 공급관은, 분출된 석탄이 상기 가스 공급부에서 공급된 스팀과 산소의 혼합가스와 동일한 방향의 소용돌이를 형성하도록 상기 석탄 공급부 내부에 배치될 수 있다.In this case, the one or more coal supply pipes may be disposed inside the coal supply unit such that the ejected coal forms a vortex in the same direction as the mixed gas of steam and oxygen supplied from the gas supply unit.
또한 상기 석탄 공급부는 상기 석탄을 스팀, 산소, 스팀과 산소의 혼합가스 또는 이산화탄소 중 하나 이상의 가스와 혼합하여 상기 방전관 내부로 공급할 수 있다.The coal supply unit may supply the coal into the discharge tube by mixing the coal with at least one gas of steam, oxygen, a mixed gas of steam and oxygen, or carbon dioxide.
본 발명은 스팀과 산소의 혼합가스를 도파관 내에 소용돌이 형태로 주입함으로써 1기압 하에서 안정적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있는 장점이 있다.The present invention has the advantage of generating a plasma stably at 1 atm by injecting a mixture of steam and oxygen in a vortex form into the waveguide.
또한 상기 혼합가스의 스팀과 산소의 비율을 제어함으로써 일산화탄소와 수소가 포함된 합성가스(Syn-gas)의 일산화탄소 및 수소의 비율을 제어하여 원하는 형태의 합성가스를 생산할 수 있는 장점이 있다.In addition, by controlling the ratio of steam and oxygen of the mixed gas there is an advantage that can produce a synthesis gas of the desired form by controlling the ratio of carbon monoxide and hydrogen of the syngas (Syn-gas) containing carbon monoxide and hydrogen.
이하, 도 1 내지 도 7b를 참조하여 본 발명에 따른 석탄가스화복합발전용 플라즈마 가스화기의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.Hereinafter, a specific embodiment of the coal gasification combined cycle plasma gasifier according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 7B. However, this is only an example and the present invention is not limited thereto.
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.In describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. The following terms are defined in consideration of the functions of the present invention, and may be changed according to the intention or custom of the user, the operator, and the like. Therefore, the definition should be based on the contents throughout this specification.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 진보적인 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.The technical spirit of the present invention is determined by the claims, and the following embodiments are merely one means for efficiently explaining the technical spirit of the present invention to those skilled in the art to which the present invention pertains.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄가스화복합발전 시스템(100)의 구성을 나타낸 블록 다이어그램이다.1 is a block diagram showing the configuration of a coal gas combined cycle
도시된 바와 같이, 석탄가스화복합발전 시스템(100)에서는 먼저 석탄을 가스화기(102)에서 연소시켜 합성가스(Syn-gas)를 생성한다. 상기 합성가스는 수소와 일산화탄소를 주성분으로 하며 황화합물 등의 불순물을 일부 포함하고 있다. 생성된 합성가스는 가스 정제 과정(104)을 거쳐 황화합물, 분진 등의 불순물을 제거하고 순수한 수소와 일산화탄소만을 포함하는 합성가스로 정제된다. 상기 합성가스 생성 과정에서 발생하는 슬래그 등은 건축자재 등으로 활용되며 상기 정제과정에서 분리된 황화합물 등은 화학공장에서 재활용될 수 있다.As illustrated, in the coal gasification combined
이렇게 석탄으로부터 생성 및 정제된 합성가스는 가스터빈(106)으로 주입되 어 가스터빈(106)을 돌리는 방식으로 전력을 생산하게 된다. 또한 가스터빈(106)에서 방출되는 배기가스의 열을 모아 스팀발생기(108)에서 스팀을 발생시켜 스팀터빈(110)을 돌림으로써 한번 더 전력을 생산하게 된다. 이와 같은 과정을 거쳐 전력을 생산할 경우 현재 30%대에 있는 기존 석탄 화력발전의 열효율을 40%대로 끌어올릴 수 있을 뿐만 아니라, 발전 과정에서 발생되는 이산화탄소 및 황화합물의 양을 획기적으로 낮출 수 있다.The syngas generated and purified from coal is injected into the
또한 상기 합성가스를 가스 분리기(112)에서 분리함으로써 수소를 생산할 수 있으며, 합성가스를 석탄액화기술 등을 사용하여 변환(114)함으로써 디젤, 가솔린, DME 등의 액화연료, 메탄올, 에틸렌 등의 화학원료 또한 생산이 가능하다.In addition, hydrogen may be produced by separating the syngas from the
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄가스화복합발전용 플라즈마 가스화기에 포함되는 플라즈마 발생장치(200)의 블록 구성도이다.2 is a block diagram of the
도시된 바와 같이, 플라즈마 발생장치(200)는 전원부(202), 전자파 발진기(204), 순환기(206), 튜너(208), 도파관(210), 방전관(212), 가스 공급부(214), 석탄 공급부(216), 점화부(218), 및 가스 배출부(220)를 포함하여 구성된다.As shown, the
전원부(202)는 플라즈마 발생장치(200)의 구동에 필요한 전력을 공급한다.The power supply unit 202 supplies power required for driving the
전자파 발진기(204)는 전원부(202)와 연결되며, 전원부(202)로부터 전력을 공급받아 전자파를 발진한다. 본 발명에서는 902~928MHz 또는 886~896MHz의 주파수 범위를 갖는 전자파를 발진하는 전자파 발진기를 사용하며, 바람직하게는 전자파 발진기(204)를 이용하여 915MHz 또는 896MHz의 주파수를 갖는 전자파를 발진하게 된다.The
순환기(206)는 전자파 발진기(204)와 연결되며, 전자파 발진기(204)에서 발진된 전자파를 출력함과 동시에 임피던스 부정합으로 반사되는 전자파 에너지를 소멸시켜 전자파 발진기(204)를 보호한다.The
튜너(208)는 순환기(204)로부터 출력된 전자파의 입사파와 반사파의 세기를 조절하여 임피던스 정합을 유도함으로써 상기 전자파로 유도된 전기장이 방전관(212) 내에서 최대가 되도록 한다.The
도파관(210)은 튜너(208)로부터 입력되는 전자파를 방전관(212)으로 전송한다. 본 발명에서 도파관(210)의 크기는 전자파 발진기(204)에서 발진되는 전자파의 주파수와 관계가 있다. 전자파 발진기(204)에서 발진되는 전자파의 주파수가 작아지면 파장이 길어지므로 일정 크기의 도파관에 서로 다른 주파수를 갖는 전자파를 유입시킬 경우, 도파관 고유의 차단주파수보다 낮은 주파수의 전자파는 도파관으로 유입되지 않는다. 즉, 도파관은 일종의 하이패스 필터(high pass filter)로 작용하게 되며, 따라서 사용되는 주파수에 따라 도파관의 크기가 정해지게 된다.The
도파관 고유의 차단주파수는 다음의 수학식 1과 같이 정해진다.The inherent cutoff frequency of the waveguide is determined by Equation 1 below.
상기 수학식에서 fc는 차단주파수, c는 빛의 속도, a는 도파관의 가로 크기, b는 도파관의 세로 크기, m과 n은 도파관에서의 전자파 모드 번호이다.In the above equation, f c is the cutoff frequency, c is the speed of light, a is the width of the waveguide, b is the length of the waveguide, and m and n are the electromagnetic wave mode numbers in the waveguide.
본 발명에서는 가로(a) * 세로(b) 의 크기가 25cm * 12.5cm 인 도파관을 사용한다. 또한 본 발명에서는 TE10 모드로 전자파를 발진하므로 이 경우 m 값은 1, n 값은 0이 된다. 본 발명에서의 도파관(210)의 차단주파수를 계산하여 보면 다음의 수학식 2와 같다.In the present invention, the waveguide having the size of the width (a) * length (b) is 25cm * 12.5cm. In the present invention, since the electromagnetic wave is oscillated in the TE 10 mode, the m value is 1 and the n value is 0. When the cutoff frequency of the
전술한 바와 같이, 본 발명의 전자파 발진기(204)는 902~928MHz 또는 886~896MHz의 주파수 범위를 갖는 전자파를 발진하므로 도파관(210)의 차단주파수보다 높으며 따라서 전자파 발진기(204)에서 발진된 전자파는 차단되지 않고 도파관(210)으로 유입됨을 알 수 있다.As described above, since the
한편, 상기 도파관(210)에서의 차단 파장은 다음의 수학식 3과 같이 구해진다.On the other hand, the cutoff wavelength in the
만약 전자파 발진기(204)에서의 발진 주파수가 915MHz일 경우의 도파관 내 파장(λg)은 다음의 수학식 4와 같다.If the oscillation frequency in the
방전관(212)이 도파관(210)의 종단으로부터 관내 파장(λg)의 1/4 떨어진 위치에 삽입되는 경우, 방전관이 삽입되는 위치에서의 파장은 약 11cm (≒43.5÷4)가 된다.When the
도시된 바와 같이, 전술한 전원부(202), 전자파 발진기(204), 순환기(206), 튜너(208), 및 도파관(210)은 본 발명에서 전자파 공급부(222)를 구성하며, 전자파 공급부(222)는 전자파를 발생시켜 방전관(212)으로 공급하는 역할을 수행한다.As shown, the power supply unit 202, the
방전관(212)은 전자파 공급부(222)로부터 공급된 상기 전자파 및 스팀과 산소의 혼합가스로부터 플라즈마를 생성하며, 생성된 상기 플라즈마를 이용하여 고체 형태의 석탄을 가스화하여 합성가스(Syn-gas)를 생성한다. 상기 합성가스는 주로 일산화탄소(CO)와 수소(H2)로 구성되며, 그 외에 황화합물 등의 불순물을 포함한다.The
상기와 같이 방전관(212) 내부에 주입된 스팀과 산소의 혼합가스는 생성된 플라즈마를 안정화시키고 방전관(212) 내에 소용돌이(swirl)를 형성하여 고온의 플라즈마 화염으로부터 방전관(212)의 내벽을 보호하게 된다. 일반적으로 대기압 상태에서 순수 스팀만을 이용하여 플라즈마를 발생시키는 것은 매우 어려우며, 발생되더라도 플라즈마가 쉽게 꺼지는 등의 문제점이 있으나, 본 발명에서는 스팀과 산소의 혼합가스를 사용함으로써 순수 스팀을 사용한 경우에서보다 훨씬 안정적으로 플라즈마를 발생시킬 수 있다. As described above, the mixed gas of steam and oxygen injected into the
또한 상기 스팀(H2O)와 산소(O2)의 혼합가스의 혼합 비율을 제어함으로써 생성되는 합성가스(Syn-gas)의 조성비율을 제어하는 것 또한 가능하다. 도 3은 순수한 스팀(H2O)만을 사용한 전자파 플라즈마 토치로부터 얻은 광방출 스펙트럼(optical emission spectrum)이다. 도시된 바와 같이, 순수한 스팀(H2O) 플라즈마는 OH, H, O를 생성하며, 우세한(dominant) 종들은 OH와 H 임을 알 수 있다. 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, 상기 도면에서 777nm와 844.5 nm의 산소원자의 발생량이 스팀으로부터 발생되는 수소원자의 양보다 앞서게 된다. 따라서, 산소의 혼합율이 증가할수록 수소보다 일산화탄소의 발생량이 많아지게 되며, 이로부터 스팀과 산소의 혼합율의 제어함으로서 석탄 가스화로부터의 합성가스의 조성을 변화시킬 수 있다. In addition, it is also possible to control the composition ratio of the synthesis gas (Syn-gas) generated by controlling the mixing ratio of the mixed gas of the steam (H 2 O) and oxygen (O 2 ). 3 is an optical emission spectrum obtained from an electromagnetic plasma torch using pure steam (H 2 O) only. As shown, pure steam (H 2 O) plasma produces OH, H, O, and the 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. However, when coal is gasified from a mixture gas of steam and oxygen, if the mole fraction (%) of oxygen is gradually increased from 0 to 100, the oxygen atoms of 777 nm and 844.5 nm are generated from steam in the drawing. It is ahead of the amount of hydrogen atoms. Therefore, as the mixing ratio of oxygen increases, the amount of carbon monoxide generated is greater than that of hydrogen, and thereby 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(212) 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 선 호되는 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 느린반응이다. 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 H 2 : CO ratio of 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.
다음으로, 가스 공급부(214)는 방전관(212)에 스팀과 산소의 혼합가스를 소용돌이 형태로 주입하며, 석탄 공급부(216)는 방전관(212) 내부에서 생성된 플라즈마에 고체 형태의 석탄(미분탄)을 공급한다. 가스 공급부(214)와 석탄 공급부(216)의 구체적인 구성에 대해서는 후술하기로 한다.Next, the
점화부(218)는 방전관(212) 내부에 설치되는 한 쌍의 전극을 포함하며 상기 전극을 통하여 플라즈마의 생성을 위한 초기 전자를 공급한다.The
가스 배출부(220)는 방전관(212)의 상단에 구비되며, 플라즈마에 의하여 생성된 합성가스를 외부로 배출한다. 가스 배출부(220)를 통하여 배출된 합성가스는 가스 정제 과정을 거쳐 전력을 생성하거나 액화 연료, 화학 연료 등을 생산하는 데 사용된다.The
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치(200)의 도파관(210)과 방전관(212)이 연결되는 부분을 도시한 수직 단면도이다.4 is a vertical cross-sectional view showing a portion where the
도시된 바와 같이, 방전관(212)은 도파관(210)과 연결되어 도파관(210)을 통해 입력되는 전자파에 의해 플라즈마가 생성되는 공간을 제공한다. 방전관(212)은 원통형으로 형성되어 도파관(210)의 종단으로부터 도파관(210) 내 파장의 1/8~1/2 사이, 바람직하게는 1/4에 해당하는 지점에서 도파관(210)을 수직하게 관통하도록 설치될 수 있으며, 전자파의 용이한 투과를 위해 석영, 알루미나, 또는 세라믹으로 구성될 수 있다. 도파관(210) 아래에 형성된 방전관 홀더(300)는 방전관(212)이 안정적으로 도파관(210) 내부에 삽입되어 고정되도록 방전관(212)을 지지한다.As shown, the
가스 공급부(214)는 방전관(212)의 하단부에 방전관(212)을 감싸는 형태로 형성되며, 석탄 공급부(216)는 가스 공급부(214)의 상단, 즉 방전관(212)에서 플라즈마가 형성되는 부분을 감싸는 형태로 형성된다.The
도 5a 내지 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치(200)의 가 스 공급부(214)의 상세 구성을 나타낸 수평 단면도이다.5A to 5C are horizontal cross-sectional views showing the detailed configuration of the
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치(200)의 가스 공급부(214)는 하나 이상의 스팀 공급관(400) 및 하나 이상의 산소 공급관(402)을 포함한다. 스팀 공급관(400) 및 산소 공급관(402)은 각각 일단이 방전관(212)의 내부와 연결되어 상기 방전관 내부로 스팀 및 산소를 공급하도록 구성된다. 스팀 공급관(400) 및 산소 공급관(402) 각각으로 공급된 스팀 및 산소는 방전관(212)의 내부에서 혼합되어 스팀 및 산소의 혼합가스를 형성하게 된다.As shown, the
스팀 공급관(400) 및 산소 공급관(402)은 필요에 따라 가스 공급부(214)의 내부에 적정한 개수로 형성될 수 있다. 도 5a는 스팀 공급관(400) 및 산소 공급관(402)이 각각 1개씩 형성된 실시예를, 도 5b 및 5c는 스팀 공급관(400) 및 산소 공급관(402)이 각각 2개 또는 3개씩 설치된 실시예를 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 스팀 공급관(400) 및 산소 공급관(402)은 각각 동일한 개수로 가스 공급부(214) 내에 형성될 수 있다. 즉, 스팀 공급관(400)이 2개 형성될 경우 산소 공급관(402) 또한 2개가 형성되도록 구성될 수 있다. 또한 스팀 공급관(400) 및 산소 공급관(402)는 가스 공급부(214) 내에서 방전관(212) 주위에 동일 간격으로 배치될 수 있으며, 도시된 바와 같이 스팀 공급관(400) 및 산소 공급관(402)이 가스 공급부(214) 내에서 번갈아 (즉, 스팀 공급관(400), 산소 긍곱관(402), 스팀 공급관(400), 산소 공급관(402) … 의 순서로) 배치될 수 있다. The
스팀 공급관(400) 및 산소 공급관(402)은 공급된 스팀 및 산소의 혼합가스가 방전관(212)의 내주면을 따라 소용돌이 형태로 회전하도록 방전관(212)으로 공급된 다. 이를 위하여, 도시된 바와 같이 스팀 공급관(400) 및 산소 공급관(402)은 방전관(212) 내부로 배출되는 스팀 및 산소가 방전관(212)의 내주면을 따라 (즉, 내주면과 평행하게) 배출되도록 방전관(212)의 내부와 연결된다. 이를 위하여, 스팀 공급관(400) 및 산소 공급관(402)이 방전관(212)과 연결되는 일단 부근에서는 스팀 공급관(400) 및 산소 공급관(402)의 진행 방향이 방전관(212)의 내주면과 평행하도록 구성되어야 한다. 이렇게 구성될 경우, 공급된 스팀 및 산소는 방전관(212)의 내부에서 서로 혼합되면서 일방향으로 회전하여 소용돌이 형태를 띄게 된다. 스팀 공급관(400) 및 산소 공급관(402)에서 공급되는 스팀 및 산소의 회전 방향이 모두 동일하도록 구성되어야 함은 당연하다.The
도 6a 및 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치(200)의 석탄 공급부(216)의 상세 구성을 나타낸 수평 단면도이다.6A and 6B are horizontal cross-sectional views showing the detailed configuration of the
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치(200)의 석탄 공급부(216)는 하나 이상의 석탄 공급관(500)을 포함하며, 석탄 공급관(500)을 통하여 방전관(212) 내부에 형성된 플라즈마에 가루 형태의 석탄(미분탄)을 공급하게 된다.As shown, the
석탄 공급관(500) 또한 필요에 따라 석탄 공급부(216)의 내부에 적정한 개수로 형성될 수 있으며, 스팀 공급관(400) 및 산소 공급관(402)과 마찬가지로 석탄 공급관(500) 또한 석탄 공급부(216) 내에서 방전관(212) 주위에 동일 간격으로 배치될 수 있다.The
일 실시예에서, 석탄 공급관(500)은 공급된 가루 형태의 석탄이 방전관(212)의 내주면을 따라 소용돌이 형태로 회전하도록 방전관(212)으로 공급될 수 있다. 이를 위하여, 도 6a에 도시된 바와 같이, 석탄 공급관(500)은 방전관(212) 내부로 배출되는 석탄이 방전관(212)의 내주면을 따라 (즉, 내주면과 평행하게) 배출되도록 방전관(212)의 내부와 연결된다. 이를 위하여, 스팀 공급관(400) 및 산소 공급관(402)과 마찬가지로 석탄 공급관(500) 또한 방전관(212)과 연결되는 일단 부근에서는 석탄 공급관(500)의 진행 방향이 방전관(212)의 내주면과 평행하도록 구성되어야 한다. 이렇게 구성될 경우, 공급된 석탄은 방전관(212)의 내부에서 일방향으로 회전하여 소용돌이 형태를 띄게 된다. 이때 상기 소용돌이의 회전 방향은 스팀 및 산소의 혼합가스의 회전 방향과 일치하는 것이 바람직하다.In one embodiment, the
도 6b에 도시된 다른 실시예에서는, 석탄 공급관(500)이 방전관(212) 내부에 형성된 플라즈마의 중심부를 향하도록 형성될 수 있다. 이 경우에는 석탄 공급관(500)을 통하여 분출된 미분탄이 고온을 띄는 플라즈마의 중심부를 향하여 직접 분사됨으로써 석탄의 부분연소 및 가스화가 좀 더 용이하게 일어날 수 있다.In another embodiment illustrated in FIG. 6B, the
상기 방전관(212) 내부로 석탄(미분탄)을 공급하기 위한 캐리어 가스로는 이산화탄소(CO2)가 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 플라즈마 발생장치(200)에서 생성되는 합성가스는 수소(H2)와 일산화탄소 이외에 상당량의 이산화탄소를 포함하게 된다. 따라서 상기 이산화탄소를 합성가스로부터 분리하여 상기 석탄의 이송을 위한 캐리어가스로 재활용하게 되면 석탄을 방전관(212) 내의 플라즈마로 효과적으로 이 송함과 동시에 이산화탄소의 공기중 배출로 인한 환경오염 또한 방지할 수 있는 효과가 있다. 이밖에 상기 캐리어 가스로는 상기 가스 공급부(214)와 동일하게 산소와 스팀의 혼합가스를 사용할 수 있으며, 순수 스팀 또는 산소 또한 캐리어 가스로 사용 가능하다.Carbon dioxide (CO 2 ) may be used as a carrier gas for supplying coal (pulverized coal) into the
도 7a는 전술한 바와 같은 플라즈마 발생장치(200)를 복수 개 포함하여 구성되는 석탄가스화복합발전용 플라즈마 가스화기(600a)의 일 실시예를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 플라즈마 가스화기(600a)는 원통형의 몸체(602a) 주변으로 복수 개의 플라즈마 발생장치(200)를 구비하며, 각각의 플라즈마 발생장치(200)는 가스 배출부(220)가 몸체(602a)의 내부와 연결될 수 있도록 몸체(602a)와 결합된다. 따라서 각 플라즈마 발생장치(200)로부터 생성되는 합성가스는 몸체(602a) 상단의 합성가스 배출구(604a)로 모이게 되며, 이 과정에서 발생되는 부산물은 하단의 부산물 배출구(606a)로 배출된다.FIG. 7A is a diagram illustrating an embodiment of a coal gasification /
도 7b는 전술한 바와 같은 플라즈마 발생장치(200)를 복수 개 포함하여 구성되는 석탄가스화복합발전용 플라즈마 가스화기(600b)의 다른 실시예를 나타낸 도면이다. 도 7a와 마찬가지로 본 실시예에 따른 플라즈마 가스화기(600b) 또한 원통형의 몸체(602b), 합성가스 배출구(604b) 및 부산물 배출구(606a)를 포함하며, 플라즈마 발생장치(200)가 몸체(602b)의 하단이 아닌 상단에 위치하고 있다는 점을 제외하고는 모든 구성이 도 7a에 도시된 플라즈마 가스화기(600a)와 동일하다.FIG. 7B is a view showing another embodiment of the coal gasification combined
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. Although the present invention has been described in detail with reference to exemplary embodiments above, those skilled in the art to which the present invention pertains can make various modifications to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. Will understand.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined by the claims below and equivalents thereof.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄가스화복합발전 시스템의 구성을 나타낸 블록 다이어그램이다.1 is a block diagram showing the configuration of a coal gas combined cycle power system according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 석탄가스화복합발전용 플라즈마 가스화기에 사용되는 플라즈마 발생장치(200)의 블록 구성도이다.2 is a block diagram of a
도 3은 순수한 스팀(H2O)만을 사용한 전자파 플라즈마 토치로부터 얻은 광방출 스펙트럼(optical emission spectrum)이다. 3 is an optical emission spectrum obtained from an electromagnetic plasma torch using pure steam (H 2 O) only.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치(200)의 도파관(210)과 방전관(212)이 연결되는 부분을 도시한 수직 단면도이다.4 is a vertical cross-sectional view showing a portion where the
도 5a 내지 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치(200)의 가스 공급부(214)의 상세 구성을 나타낸 수평 단면도이다.5A to 5C are horizontal cross-sectional views showing the detailed configuration of the
도 6a 및 6b는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생장치(200)의 석탄 공급부(216)의 상세 구성을 나타낸 수평 단면도이다.6A and 6B are horizontal cross-sectional views showing the detailed configuration of the
도 7a는 플라즈마 발생장치(200)를 복수 개 포함하여 구성되는 석탄가스화복합발전용 플라즈마 가스화기(600a)의 일 실시예를 나타낸 도면이다.FIG. 7A is a diagram illustrating an embodiment of a
도 7b는 플라즈마 발생장치(200)를 복수 개 포함하여 구성되는 석탄가스화복합발전용 플라즈마 가스화기(600b)의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.FIG. 7B is a view showing another embodiment of the
도 8은 석탄가스화복합발전 시스템의 개념도이다.8 is a conceptual diagram of a coal gas combined cycle power generation system.
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