KR20130027867A - Ignition apparatue, ignition method, compact combustion apparatue and combustion method of metal particle using water plasma - Google Patents

Ignition apparatue, ignition method, compact combustion apparatue and combustion method of metal particle using water plasma Download PDF

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Abstract

PURPOSE: Small combustion device, combustion method, and metal power ignition method using water plasma are provided to fundamentally prevent contamination caused by a plasma gas and to reduce the amount of water vapor which is supplied for oxidizing by supplying the oxygen and hydrogen ions of water plasma. CONSTITUTION: A metal power ignition method using water plasma utilizes water plasma. The water plasma is injected to a water vapor mixture for ignition and combustion. The water vapor mixture is oxidant for the metal powder and combustion of the metal power. The metal powder comprises aluminum or magnesium. The water plasma is made of high temperature plasma with a temperature more than 1000°C. The high temperature plasma is generated by ionizing the water vapor.

Description

물 플라즈마를 이용한 금속 분말 점화장치, 점화방법, 소형 연소장치 및 연소방법{ignition apparatue, ignition method, compact combustion apparatue and combustion method of metal particle using water plasma}Ignition apparatue, ignition method, compact combustion apparatue and combustion method of metal particle using water plasma}

본 발명은 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 점화장치, 점화방법, 소형 연소장치 및 연소방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a metal powder ignition apparatus, an ignition method, a small combustion apparatus and a combustion method using water plasma.

탄화수소(CxHy) 계열 연료의 한정된 매장량과 환경오염에 대한 대안으로 태양, 풍력, 조력 등 다양한 청정 에너지가 대두되고 있으며, 그 중 단시간에 대량의 에너지를 생성할 수 있는 에너지원으로서 금속을 적극적으로 이용하고자 하는 시도가 이루어지고 있다.As an alternative to limited reserves and environmental pollution of hydrocarbon (CxHy) fuels, various clean energy sources such as solar, wind power, and tidal power are emerging. Among them, metal is actively used as an energy source capable of generating a large amount of energy in a short time. Attempts are being made.

예를 들어, 금속 소재 중 알루미늄은 지구상에 존재하는 원소질량의 약 8.2%를 차지할 정도로 매장량이 많으며 그 처리 기술의 발전에 의해 쉽게 정제할 수 있게 되었을 뿐 아니라, 연소 후 발생되는 알루미나(Al2O3)는 재처리과정을 통해 재생 가능하고, 연소과정에서 발생되는 수소 또한 연료전지의 에너지원으로 활용할 수 있다.For example, aluminum in metals is rich in reserves, accounting for about 8.2% of the mass of elements present on Earth, and can be easily refined by the development of processing technology.Alluminum (Al 2 O) generated after combustion 3 ) can be recycled through reprocessing, and hydrogen generated during combustion can also be used as an energy source for fuel cells.

도 1은 탄화수소(C3H8) 계열 연료와, 알루미늄, 마그네슘의 반응식과 반응열을 정리한 것이며, 도 2, 3은 알루미늄 금속 입자의 점화 과정을 정리한 것이다.FIG. 1 summarizes the reaction formula and heat of reaction of a hydrocarbon (C 3 H 8 ) -based fuel, aluminum and magnesium, and FIGS. 2 and 3 illustrate an ignition process of aluminum metal particles.

도 1을 참조하면, 알루미늄과 물의 반응이 탄화수소 계열의 연료보다 현저히 많은 에너지를 발생시키는 것을 확인할 수 있으며, 이러한 특성을 이용해 고에너지를 필요로 하는 폭발물이나 우주 및 해수 추진시스템 분야 등에 유용하게 활용될 수 있다.Referring to FIG. 1, it can be seen that the reaction between aluminum and water generates significantly more energy than the hydrocarbon-based fuel, and can be usefully used in explosives or space and seawater propulsion systems requiring high energy. Can be.

이와 같이 금속은 탄화수소 계열의 연료에 비해 매장량이 풍부하고 환경, 경제적으로 이점을 가지고 있으나 일반적으로 대체 청정에너지로 각광받지는 못하고 있다. 이는 도 2, 3에 도시된 바와 같이 점화메커니즘이 복잡하고, 2345K의 높은 용융점을 가지는 산화피막으로 인해 점화가 용이하지 않기 때문이다.As such, metals have abundant reserves and have environmental and economic advantages over hydrocarbon-based fuels, but are generally not spotlighted as alternative clean energy. This is because the ignition mechanism is complicated as shown in Figs. 2 and 3, and ignition is not easy due to the oxide film having a high melting point of 2345K.

기존에 점화지연시간을 단축시키기 위해 수소-산소 화염을 점화원으로 사용하고 700K의 증기를 산화제로 하여 20% 과잉 공급하거나, 피스톤을 이용한 유동층(fluidized bed) 분말 연료 공급 시스템을 사용한 사례 등이 개시되어 있다.In order to reduce the ignition delay time, a case of using a hydrogen-oxygen flame as an ignition source and supplying 20% of 700K of steam as an oxidant, or using a fluidized bed powder fuel supply system using a piston is disclosed. have.

그러나 종래에는 금속 분말의 점화, 연소 자체를 구현하고 금속 분말의 동적, 연소 특징 등을 분석하는 것에 의해 금속 분말을 이용한 추진 시스템이나 에너지 발전 시스템으로의 가능성을 확인하는 실험적인 수준에 그치고 있어, 산업상 보편화 등을 위해 실질적으로 금속 연료를 주요 에너지원으로 이용가능하도록 하는 금속 분말 연소기의 개발이 필요하다.
However, in the past, it is only an experimental level that confirms the possibility of the propulsion system or the energy generation system using the metal powder by implementing the ignition and combustion of the metal powder and analyzing the dynamic and combustion characteristics of the metal powder. There is a need for the development of metal powder combustors that substantially make metal fuel available as the main energy source for phase universalization and the like.

일본공개특허 2008-211620Japanese Laid-Open Patent 2008-211620 일본공개특허 2009-179543Japanese Laid-Open Patent 2009-179543 미국등록특허 6156994United States Patent 6156994

상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은, 친환경 대체 에너지원으로서 금속 연료를 안정적으로 이용할 수 있도록 하는 금속 분말 연소기의 구현에 적합한 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 점화장치, 점화방법, 소형 연소장치 및 연소방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
The present invention has been made to solve the problems described above, metal powder ignition apparatus using a water plasma suitable for the implementation of a metal powder combustor to enable the stable use of metal fuel as an environmentally friendly alternative energy source, ignition method, small combustion It is an object to provide an apparatus and a combustion method.

상술한 바와 같은 목적 달성을 위한 본 발명은, 금속 분말과 상기 금속 분말 연소를 위한 산화제가 되는 수증기의 혼합체에 물 플라즈마(water plasma)를 분사하여 점화, 연소시키는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 점화장치를 기술적 요지로 한다.The present invention for achieving the object as described above, the metal powder ignition apparatus using a water plasma to ignite, by burning a water plasma (water plasma) to a mixture of metal powder and water vapor to be an oxidant for burning the metal powder. It is a technical point.

여기서, 상기 금속 분말은, 알루미늄 또는 마그네슘으로 구성되며, 상기 물 플라즈마는, 수증기를 이온화하여 생성시킨 1000℃이상의 고온 플라즈마일 수 있다.Here, the metal powder is composed of aluminum or magnesium, the water plasma may be a high temperature plasma of 1000 ℃ or more generated by ionizing the water vapor.

또한, 본 발명은, 금속 분말과 수증기만을 연소실(300)에 정량 공급하면서 물 플라즈마(water plasma)를 이용하여 상기 연소실(300) 내 금속 분말을 점화시키는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 점화방법을 다른 기술적 요지로 한다.In addition, the present invention, the metal powder ignition method using a water plasma to ignite the metal powder in the combustion chamber 300 by using a water plasma (water plasma) while quantitatively supply only the metal powder and water vapor to another combustion technology Make a point.

여기서, 상기 금속 분말과 수증기는, 스월 유동(swirl flow)에 의해 상기 연소실(300)의 한정된 길이의 공간부내에서의 체류시간이 보다 연장되어 일측으로 진행되며, 상기 물 플라즈마는, 상기 스월 유동의 중심에 위치되는 상기 연소실(300) 내 중앙부로 상기 금속 분말 및 수증기의 진행방향을 향하여 분사될 수 있다.Here, the metal powder and the water vapor, by the swirl flow (swirl flow) the residence time in the space portion of the limited length of the combustion chamber 300 is further extended to one side, the water plasma, the water flow of the swirl flow It may be injected toward the progress direction of the metal powder and water vapor to the central portion in the combustion chamber 300 is located in the center.

또한, 본 발명은, 연소실(300); 상기 금속 분말을 상기 연소실(300)로 공급하는 금속분말 공급기(100); 200~400℃의 수증기를 생성하여 상기 연소실(300)로 공급하는 수증기 공급기(200); 및 상기 연소실(300)로 공급된 상기 금속 분말과 수증기를 물 플라즈마로 점화시키는 물 플라즈마 점화기(400);를 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치를 또 다른 기술적 요지로 한다.In addition, the present invention, the combustion chamber 300; A metal powder feeder (100) for supplying the metal powder to the combustion chamber (300); A steam supplier 200 generating steam at 200 to 400 ° C. and supplying the steam to the combustion chamber 300; And a water plasma igniter 400 for igniting the metal powder and water vapor supplied to the combustion chamber 300 with water plasma.

여기서, 상기 연소실(300)은, 공급단부가 상기 연소실(300)의 가장자리 둘레에 접선방향으로 연결되어 상기 연소실(300) 내에 상기 금속 분말 및/또는 수증기를 접선방향으로 공급하여 스월 유동(swirl flow)을 발생시키는 접선공급관(310);을 포함할 수 있다.Here, the combustion chamber 300, the supply end is connected tangentially around the edge of the combustion chamber 300, swirl flow by supplying the metal powder and / or water vapor in the tangential direction in the combustion chamber (300) It may include; tangential supply pipe 310 for generating a).

또한, 상기 연소실(300)은, 상기 금속 분말을 공급하는 제1접선공급관(311)과 상기 수증기를 공급하는 제2접선공급관(312)의 공급단부가 가장자리 둘레에 지정간격을 두고 배치되며, 상기 제1접선공급관(311)과 제2접선공급관(312)을 통해 인입된 상기 금속 분말과 수증기가 내벽을 따라 스월 유동되며 혼합가능한 원반형 혼합공간부를 형성하는 와류챔버(320); 및상기 와류챔버(320)보다 길고 단면적이 작은 원통형 구조를 가지고 일단부가 상기 와류챔버(320) 중앙부에 연결되며, 상기 와류챔버(320)와의 연결부를 통해 인입된 상기 금속 분말과 수증기의 혼합체가 내벽을 따라 나선 유동되며 타단부로 진행되는 연소챔버(330);를 포함할 수 있다.In addition, the combustion chamber 300, the supply end of the first tangential supply pipe 311 for supplying the metal powder and the second tangential supply pipe 312 for supplying the water vapor is arranged at a predetermined interval around the edge, A vortex chamber 320 swirling along the inner wall of the metal powder and water vapor introduced through the first tangential supply pipe 311 and the second tangential supply pipe 312 to form a disc-mixable mixed space; And a cylindrical structure having a cylindrical structure longer than the vortex chamber 320 and having a smaller cross-sectional area, and having one end connected to a central portion of the vortex chamber 320, and a mixture of the metal powder and water vapor introduced through a connection with the vortex chamber 320 is an inner wall. And a combustion chamber 330 spirally flowing along the other end thereof.

또한, 상기 와류챔버(320)은, 내부 중앙부가 상기 연소챔버(330)측으로 돌출되어 상기 연소챔버(330)측으로의 유동 진행을 유도하는 유도돌출부(321);를 포함할 수 있다.In addition, the vortex chamber 320 may include an induction protrusion 321 having an inner central portion protruding toward the combustion chamber 330 to induce flow to the combustion chamber 330.

또한, 상기 금속분말 공급기(100)는, 상기 금속 분말이 저장되며, 상, 하부에 상기 금속 분말이 배출되는 배출구와, 이송가스가 유입되는 이송가스 유입구가 각각 형성되는 분말저장조(110); 및 상기 이송가스 유입구를 통해 상기 분말저장조(110)에 이송가스를 공급하여 상기 분말저장조(110)에 저장, 적층된 금속 분말 중 일부를 상기 배출구측으로 부유시켜 상기 연소실(300)측으로 공급하는 이송가스 공급기(120);를 포함할 수 있다.The metal powder feeder 100 may include: a powder storage tank 110 in which the metal powder is stored, an outlet through which the metal powder is discharged and upper and lower discharge ports, and a transport gas inlet through which the transport gas is introduced; And a transfer gas supplied to the powder storage tank 110 through the transfer gas inlet to float some of the metal powder stored and stacked in the powder storage tank 110 to the discharge port to supply the combustion gas to the combustion chamber 300. Feeder 120; may include.

또한, 상기 이송가스 공급기(120)는, 상기 이송가스가 저장되는 가스저장조(121); 상기 가스저장조(121)에서 상기 분말저장조(110)까지 형성된 가스공급관로상에 설치되어 공압을 측정하는 압력변환기(pressure transducer)(122); 상기 분말저장조(110)의 무게를 측정하는 것에 의해 상기 금속 분말의 상기 연소실(300)측 공급량을 측정하는 전자저울(ectronic scale)(123); 및 상기 압력변환기(122)와 전자저울(123)로 측정된 데이터를 이용하여 상기 이송가스 공급에 따른 상기 금속 분말의 상기 연소실(300)측 공급량을 제어하는 분말공급 제어기(124);를 포함할 수 있다.In addition, the transfer gas supplier 120, the gas storage tank 121 in which the transfer gas is stored; A pressure transducer 122 installed on the gas supply line formed from the gas storage tank 121 to the powder storage tank 110 to measure air pressure; An electronic scale 123 for measuring the supply amount of the metal powder to the combustion chamber 300 by measuring the weight of the powder storage tank 110; And a powder supply controller 124 for controlling the supply amount of the metal powder to the combustion chamber 300 side according to the transport gas supply using data measured by the pressure transducer 122 and the electronic balance 123. Can be.

또한, 상기 금속 분말 대신 퍼지가스(purge gas)를 상기 연소실(300)로 공급가능하게 상기 분말저장조(110)에서 상기 연소실(300)까지 형성된 분말공급관로상에 공급단부가 연결되는 퍼지가스 공급기(600);를 더 포함할 수 있다.In addition, a purge gas supplier having a supply end connected to a powder supply passage formed from the powder storage tank 110 to the combustion chamber 300 to supply a purge gas to the combustion chamber 300 instead of the metal powder ( 600) may be further included.

또한, 상기 수증기 공급기(200)는, 전력과 물을 공급받아 고온의 수증기를 발생시키는 증기발생기(210); 및 상기 증기발생기(210)에서 상기 연소실(300)까지 형성된 증기공급관로상에서 분기된 바이패스(bypath)(221)를 통해 상기 연소실(300)로 공급되는 수증기의 공급량을 제어하는 증기공급 제어기(220);를 포함할 수 있다.In addition, the steam supplier 200, the steam generator 210 for receiving the power and water to generate high-temperature steam; And a steam supply controller 220 controlling a supply amount of steam supplied to the combustion chamber 300 through a bypass 221 branched from the steam generator 210 to the combustion chamber 300. It may include;

또한, 상기 증기공급관로상에서 바이패스(221)된 고온의 수증기를 냉각수와의 열교환에 의해 냉각, 배출시키는 증기냉각기(230);를 더 포함할 수 있다.In addition, a steam cooler 230 for cooling and discharging the high temperature water vapor bypassed by the bypass 221 on the steam supply pipe by heat exchange with the cooling water may be further included.

또한, 상기 물 플라즈마 점화기(400)의 물 플라즈마는, 수증기를 공급가스로 하여 1000℃이상의 수소와 산소 플라즈마로 이온화시켜 상기 연소실(300) 내부로 분사할 수 있다.In addition, the water plasma of the water plasma igniter 400 may be injected into the combustion chamber 300 by ionizing water vapor as a supply gas with hydrogen and oxygen plasma of 1000 ° C. or higher.

또한, 상기 연소실(300) 내 가스가 배출되는 연소가스 배출단부에 설치되며, 연소 과정에서 생성된 금속 분말 슬러그의 외부 유출을 방지하도록 집진하는 집진기(500);를 더 포함할 수 있다.In addition, the dust collector 500 is installed on the combustion gas discharge end for discharging the gas in the combustion chamber 300, the dust collector 500 to collect to prevent the outflow of the metal powder slug generated during the combustion process; may further include a.

또한, 본 발명은, 금속 분말과 200~400℃의 수증기를 연소실(300)에 정량 공급하는 금속분말공급단계; 상기 연소실(300) 내에서 금속 분말과 수증기를 스월 유동(swirl flow)에 의해 혼합하는 혼합유동단계; 상기 연소실(300) 내 상기 금속 분말과 수증기를 연료와 산화제로 하여 물 플라즈마로 점화시키는 점화단계; 및 상기 물 플라즈마의 분사가 중지되어도 상기 금속 분말의 연소가 지속되기까지 상기 물 플라즈마 분사를 지정 시간 유지하는 점화유지단계;를 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 연소방법을 또 다른 기술적 요지로 한다.In addition, the present invention, the metal powder supplying step of supplying a quantitative supply of metal powder and water vapor of 200 ~ 400 ℃ to the combustion chamber 300; A mixing flow step of mixing metal powder and water vapor by swirl flow in the combustion chamber 300; An ignition step of igniting water plasma with the metal powder and water vapor in the combustion chamber 300 as a fuel and an oxidant; And an ignition holding step of maintaining the water plasma injection for a predetermined time until the combustion of the metal powder is continued even when the injection of the water plasma is stopped, as another technical gist of the present invention.

여기서, 상기 금속분말공급단계는, 상기 금속 분말 및/또는 수증기를 상호 독립된 경로를 통해 상기 연소실(300) 내에 접선방향으로 공급할 수 있다.Here, in the metal powder supplying step, the metal powder and / or water vapor may be tangentially supplied into the combustion chamber 300 through mutually independent paths.

또한, 상기 금속분말공급단계는, 상기 금속 분말을 에너지 회생 시스템(Energy Recuperation System)이나 재생 열교환기에 의해 예열시켜 상기 연소실(300)로 공급할 수 있다.In addition, in the metal powder supplying step, the metal powder may be preheated by an energy recuperation system or a regenerative heat exchanger to be supplied to the combustion chamber 300.

또한, 상기 혼합유동단계는, 상기 연소실(300) 내에 접선방향으로 공급된 상기 금속 분말과 수증기를 상기 연소실(300)의 원반형 혼합공간부 내에서 내벽을 따라 스월 유동에 의해 순환시키며 혼합하는 예혼합단계; 및 상기 예혼합단계를 거쳐 생성된 상기 금속 분말과 수증기의 혼합체를 상기 연소실(300) 내 별도의 원통형 공간부 내로 진입시켜 나선 유동에 의해 보다 증가된 체류시간에 걸쳐 일측으로 진행시키는 나선유동단계;를 포함할 수 있다.In addition, the mixing flow step, pre-mixing the metal powder and water vapor supplied in the tangential direction in the combustion chamber 300 circulating and mixing by swirl flow along the inner wall in the disk-shaped mixing space of the combustion chamber 300 step; And a spiral flow step of advancing the mixture of the metal powder and water vapor generated through the pre-mixing step into a separate cylindrical space portion in the combustion chamber 300 and proceeding to one side through a further increased residence time by spiral flow. It may include.

또한, 상기 점화단계는, 수증기를 공급가스로 하여 1000℃이상의 수소와 산소 플라즈마로 이온화시켜 상기 연소실(300) 내부로 분사할 수 있다.In addition, in the ignition step, water vapor may be ionized by hydrogen or oxygen plasma of 1000 ° C. or more using a supply gas and injected into the combustion chamber 300.

또한, 상기 점화유지단계 이후에, 상기 물 플라즈마의 분사를 중지시킨 상태로 상기 금속분말과 수증기만을 상기 연소실(300)로 공급하며 상기 금속 분말의 연소를 유지하는 연소유지단계;를 더 포함할 수 있다.
Further, after the ignition holding step, the combustion holding step of supplying only the metal powder and water vapor to the combustion chamber 300 in the state of stopping the injection of the water plasma and maintains combustion of the metal powder; have.

상술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시예에 의하면, 금속 분말과 수증기만을 연소실에 정량 공급하면서 물 플라즈마(water plasma)를 이용하여 금속 분말을 점화시키는 소형의 청정 연소장치를 구현함으로써 환경오염이 없는 친환경 대체 고에너지원으로서 금속 연료를 안정적으로 이용(산업화, 상용화)할 수 있도록 한다.According to an embodiment of the present invention having the configuration as described above, environmental pollution is achieved by implementing a small clean combustion device that ignites the metal powder by using a water plasma (water plasma) while supplying only the metal powder and water vapor to the combustion chamber. As an eco-friendly alternative high energy source, it enables the stable use of metal fuel (industrialization and commercialization).

이에 따라, 기존의 탄소 연료(석탄, 석유 등)나, 탄화수소 연료(메탄가스, 프로판 가스 등)를 이용하는 경우와 달리, 오염물, 오염가스의 배출이 없는 친환경적인 열에너지 획득장치로써 독립적으로 또는 기존의 가열부 등에 부가적으로 결합하여 적용할 수 있다.Accordingly, unlike in the case of using conventional carbon fuel (coal, petroleum, etc.) or hydrocarbon fuel (methane gas, propane gas, etc.), as an environmentally friendly thermal energy acquisition device that does not emit pollutants or polluted gases, independently or existing. It can be applied in addition to the heating unit.

또한, 물 플라즈마 장치를 점화원으로써 적용하는 것에 의해 물 플라즈마 장치에서 공급되는 고온의 플라즈마 입자에 의해 금속 분말을 안정적으로 점화시킬 수 있을 뿐 아니라, 물 플라즈마의 산소, 수소 이온 공급에 의해, 산화제로 공급되는 수증기량을 저감시킬 수 있으며, 플라즈마 공급기체(예를 들어, Ar 등)에 의한 오염을 원천적으로 방지할 수 있다.In addition, by applying the water plasma apparatus as an ignition source, not only the metal powder can be stably ignited by the high temperature plasma particles supplied from the water plasma apparatus, but also supplied to the oxidant by supplying oxygen and hydrogen ions in the water plasma. The amount of water vapor to be reduced can be reduced, and contamination by plasma supply gas (for example, Ar, etc.) can be prevented at the source.

또한, 물 플라즈마 장치를 적용하면, 기존의 아크 플라즈마 장치와 비교해 상대적으로 저전압을 사용하고 수증기(물)를 공급기체로 함으로써, 저렴하면서도 유독가스의 발생 우려없이 안전하고 친환경적으로 점화 에너지를 제공할 수 있다.In addition, when the water plasma device is applied, by using a relatively low voltage and supplying water vapor (water) as compared to the conventional arc plasma device, it is possible to provide ignition energy inexpensively and safely and environmentally without fear of generating toxic gas. have.

또한, 금속 분말로써 알루미늄 분말을 적용하는 경우, 연소 후 발생되는 생성물인 알루미나(Al2O3)는 재처리과정을 통해 재생 가능하며, 수소(H2)는 연료전지를 통해 에너지원으로 활용할 수 있다.In addition, when aluminum powder is applied as a metal powder, alumina (Al 2 O 3 ), a product generated after combustion, can be recycled through a reprocessing process, and hydrogen (H 2 ) can be utilized as an energy source through a fuel cell. have.

예를 들어, 알루미늄 금속 분말의 연소 반응을 통하여 발생되는 에너지를 활용하여 터빈의 구동에너지로 사용하고, 생성물인 수소를 재처리하여 연료 전지의 에너지원으로 사용할 수 있으며, 해수를 산화제로 이용하는 것에 의해 군사용 초공동 어뢰의 추진기관 등에도 확대 적용할 수 있다.For example, the energy generated through the combustion reaction of aluminum metal powder can be used as a driving energy of a turbine, the product hydrogen can be reprocessed to be used as an energy source of a fuel cell, and by using seawater as an oxidant. It can also be extended to propulsion engines for military super-joint torpedoes.

또한, 알루미늄 계열 산업폐기물의 처리를 위해 적용하거나, 수소나 세라믹 알루미나 분말을 생산하기 위한 하나의 방법으로서 알루미늄의 연소에 적용할 수도 있다.
In addition, it may be applied to the treatment of aluminum-based industrial waste, or may be applied to the combustion of aluminum as one method for producing hydrogen or ceramic alumina powder.

도 1 - 탄화수소 계열 연료와, 알루미늄, 마그네슘의 반응식과 반응열을 정리한 표
도 2 - 알루미늄 금속 입자의 점화 과정을 정리한 모식도
도 3 - 알루미늄 금속 입자의 점화 과정을 설명하기 위한 순서도
도 4 - 본 발명의 제1실시예에 따른 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치의 개념도
도 5 - 연소실의 사시도
도 6 - 도 5의 정면도
도 7 - 도 5의 좌측면도
도 8 - 본 발명의 제1실시예에 따라 실제로 제작한 금속 분말 소형 연소장치의 시제품 사진
도 9 - 금속분말 공급기에서 이송가스 공급압력에 따른 금속 분말 공급량을 측정한 그래프
도 10 - 수증기 공급기에서 증기발생기 내 압력에 따른 수증기 공급량을 측정한 그래프
도 11 - 물 플라즈마 점화기 노즐에서의 온도구배를 나타낸 그래프
도 12 - 광전자증배관을 이용해 알루미늄 분말의 점화 및 연소에 따른 빛의 강도를 측정한 일례를 나타낸 그래프
도 13 - 금속 분말 공급 전, 점화기 작동 중인 상태의 연소기를 촬상한 사진
도 14 - 금속 분말 공급 후, 연소 중인 상태의 연소기를 촬상한 사진
도 15 - 수증기 공급량을 조절하여 도 17에 비해 보다 활발하게 연소 중인 상태의 연소기를 촬상한 사진
도 16 - 점화기 작동을 중지시킨 상태의 연소기를 촬상한 사진
도 17 - 금속 분말 공급을 중지하여 소염시킨 상태의 연소기를 촬상한 사진
1-Table summarizes the reaction formula and heat of reaction of hydrocarbon-based fuel, aluminum, magnesium
Figure 2-Schematic diagram summarizing the ignition process of aluminum metal particles
3-flow chart for explaining the ignition process of the aluminum metal particles
4-Conceptual view of a metal powder compact combustion apparatus using water plasma according to the first embodiment of the present invention
5-perspective view of the combustion chamber
6-5 a front view
7-5 left side view
8-prototype photograph of the metal powder compact combustion apparatus actually manufactured according to the first embodiment of the present invention.
9-Graph of measuring metal powder supply amount according to conveying gas supply pressure in metal powder feeder
10-A graph measuring the amount of steam supplied according to the pressure in the steam generator in the steam supply
11-Graph showing temperature gradient at water plasma igniter nozzle
12-A graph showing an example of measuring light intensity according to ignition and combustion of aluminum powder using a photomultiplier tube
13-Photographed image of the combustor with the igniter in operation before metal powder supply
14-Photographed image of the combustor in the state of burning after metal powder supply
FIG. 15 is a photograph of a combustor under active combustion compared to FIG. 17 by adjusting the water vapor supply amount. FIG.
16-Photographed image of the combustor with the igniter stopped
17-Photographed image of the combustor in the state in which the metal powder supply is stopped and quenched.

본 발명은 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 점화장치, 점화방법, 소형 연소장치 및 연소방법에 관한 것으로, 금속 분말과 수증기를 연소실에 정량 공급하면서 물 플라즈마(water plasma)를 이용하여 상기 금속 분말을 점화시키는 소형의 청정 연소장치를 구현하는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a metal powder ignition apparatus, an ignition method, a small combustion apparatus and a combustion method using water plasma, wherein the metal powder is ignited by using a water plasma while supplying quantitatively supplying metal powder and water vapor to a combustion chamber. The present invention relates to a technique for implementing a small clean combustion device.

본 발명의 실시예에 의하면 금속과 수증기를 연료와 산화제, 물 플라즈마의 공급가스로 하여, 금속과 수증기만을 이용해 고효율의 열에너지를 생성할 수 있어, 점화오염물, 오염가스의 배출이 전혀 없는 친환경적인 열에너지 획득장치를 구현할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, by using metal and water vapor as fuel, oxidant, and water plasma supply gas, high-efficiency heat energy can be generated using only metal and water vapor, so that no ignition pollutants and pollutant gases are emitted. An acquisition apparatus can be implemented.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면을 참조하여 자세히 설명하면 다음과 같다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치의 개념도이다.4 is a conceptual diagram of a metal powder compact combustion apparatus using water plasma according to the first embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치는, 금속분말 공급기(metal powder feeder)(100), 수증기 공급기(200), 연소실(300), 물 플라즈마 점화기(400), 집진기(500), 퍼지가스 공급기(600)를 포함하는 구조를 가진다.4, the metal powder compact combustion apparatus using water plasma according to the first embodiment of the present invention, a metal powder feeder (100), a steam supply (200), a combustion chamber (300), water It has a structure including a plasma igniter 400, a dust collector 500, a purge gas supplier 600.

상기 금속분말 공급기(100)는 상기 금속 분말을 상기 연소실(300)로 정량 공급하는 장치로, 상기 금속 분말(metal powder)이 저장, 적층되는 분말저장조(110)와, 상기 금속 분말을 상기 연소실(300)측으로 이송시키기 위한 압력차 내지 유류를 형성하기 위해 이송가스(carrier gas)를 공급, 제어하는 이송가스 공급기(120)로 이루어진다.The metal powder feeder 100 is a device for quantitatively supplying the metal powder to the combustion chamber 300, a powder storage tank 110 in which the metal powder is stored and stacked, and the metal powder in the combustion chamber ( It consists of a feed gas supplier 120 for supplying and controlling a carrier gas (carrier gas) to form a pressure difference to the oil to be transferred to the 300.

상기 분말저장조(110)는 내부에 상기 금속 분말을 지정높이 내지 지정량 수용가능한 저장공간을 제공하며, 하부에는 상기 이송가스가 유입되는 이송가스 유입구(도면부호 미표기)가 형성되고, 상부에는 상기 금속 분말이 상기 이송가스와 함께 상기 연소실(300)측으로 배출되는 배출구(도면부호 미표기)가 형성된다.The powder storage tank 110 provides a storage space for accommodating the metal powder to a predetermined height or a predetermined amount therein, and a transport gas inlet (not shown) is formed at a lower portion thereof, and the metal is disposed at an upper portion thereof. A discharge port (not shown) for discharging powder to the combustion chamber 300 side together with the transport gas is formed.

상기 금속 분말은 도 1의 표에 기재된 바와 같이, 탄화수소 계열 연료에 비해 높은 반응열을 가지는 것이 증명된 알루미늄 또는 마그네슘 등의 고에너지 금속 소재를 그 성분으로 한다.As shown in the table of FIG. 1, the metal powder contains a high energy metal material such as aluminum or magnesium, which is proven to have a higher reaction heat than a hydrocarbon-based fuel.

상기 이송가스 공급기(120)는 상기 이송가스 유입구를 통해 상기 분말저장조(110)에 이송가스를 공급하여 상기 분말저장조(110)에 저장, 적층된 상태의 상기 금속 분말 중 일부를 상기 배출구측으로 부유시켜 상기 연소실(300)측으로 공급한다.The transfer gas supplier 120 supplies a transfer gas to the powder storage tank 110 through the transfer gas inlet to store some of the metal powder in the stacked and stored state in the powder storage tank 110 to the outlet side. Supply to the combustion chamber 300 side.

상기 이송가스는 상기 금속 분말의 산화 등을 방지할 수 있도록 아르곤(Ar) 등의 불활성 가스를 이용하는 것이 바람직하며, 상기 이송가스 공급기(120)는, 가스저장조(121), 압력변환기(pressure transducer)(122), 전자저울(ectronic scale)(123), 분말공급 제어기(124)를 포함하는 구조를 가진다.Preferably, the transfer gas uses an inert gas such as argon (Ar) to prevent oxidation of the metal powder, and the like, and the transfer gas supplier 120 includes a gas storage tank 121 and a pressure transducer. 122, an electronic scale 123, and a powder supply controller 124.

상기 가스저장조(121)에 압축된 상태로 저장되어 있던 상기 이송가스는 상기 가스저장조(121)에서 상기 분말저장조(110)의 이송가스 유입구까지 형성된 가스공급관로(도면부호 미표기)를 통해 상기 분말저장조(110) 내부로 공급된다.The transport gas stored in the compressed state in the gas storage tank 121 is the powder storage tank through a gas supply pipe (not shown) formed from the gas storage tank 121 to the transport gas inlet of the powder storage tank 110. 110 is supplied inside.

상기 압력변환기(122)는 상기 가스공급관로 내 공압을 측정하도록 설치되고, 상기 전자저울(123)은 상기 분말저장조(110)의 무게를 측정하는 것에 의해 상기 금속 분말의 질량 변화 즉, 상기 연소실(300)측 공급량을 감지하도록 상기 분말저장조(110) 하측에 설치된다.The pressure transducer 122 is installed to measure the pneumatic pressure in the gas supply passage, and the electronic balance 123 measures the mass change of the metal powder, that is, the combustion chamber ( It is installed on the lower side of the powder reservoir 110 to detect the supply amount of 300) side.

상기 분말공급 제어기(124)는 상기 압력변환기(122)와 전자저울(123)로 측정된 데이터를 수집(DAQ, Data Acquisition)하여 이를 토대로 상기 이송가스 공급량에 따른 상기 금속 분말의 상기 연소실(300)측 공급량을 제어한다.The powder supply controller 124 collects data measured by the pressure transducer 122 and the electronic balance 123 (DAQ, Data Acquisition), and based on this, the combustion chamber 300 of the metal powder according to the supply gas supply amount. Control the side feed.

상기 압력변환기(122)와 전자저울(123)을 통해 상기 이송가스 공급량과 금속 분말 공급량을 실시간으로 확인하면서, 상기 분말공급 제어기(124)에 의해 상기 이송가스 공급량을 증감시키는 제어를 수행함으로써 상기 분말저장조(110)의 배출구를 통해 상기 연소실(300)측으로 배출되는 상기 금속 분말의 양을 유연하고 정확하게 증감조정할 수 있다. The powder is supplied by performing a control to increase or decrease the supply gas supply amount by the powder supply controller 124 while confirming the supply gas supply amount and the metal powder supply amount in real time through the pressure converter 122 and the electronic balance 123. The amount of the metal powder discharged to the combustion chamber 300 through the outlet of the storage tank 110 may be adjusted flexibly and accurately.

상기 분말저장조(110)의 배출구를 통해 배출된 상기 금속 분말은 상기 분말저장조(110)에서 상기 연소실(300)까지 형성된 분말공급관로(도면부호 미표기)를 통해 상기 연소실(300)로 공급된다.The metal powder discharged through the outlet of the powder storage tank 110 is supplied to the combustion chamber 300 through a powder supply pipe (not shown) formed from the powder storage tank 110 to the combustion chamber 300.

상기 분말공급관로상에는 퍼지가스(purge gas)를 공급하는 상기 퍼지가스 공급기(600)의 공급단부가 연결되어, 점화, 연소 시에는 상기 분말공급관로를 통해 상기 금속 분말을 상기 연소실(300)로 공급하며, 소염, 미연소 시에는 상기 금속 분말 대신 퍼지가스를 상기 연소실(300)로 공급하게 된다.A supply end of the purge gas supplier 600 for supplying a purge gas is connected to the powder supply line, and when the ignition and combustion are supplied, the metal powder is supplied to the combustion chamber 300 through the powder supply line. In addition, when extinguished or unburned, a purge gas is supplied to the combustion chamber 300 instead of the metal powder.

상기 수증기 공급기(200)는 200~400℃의 고온 수증기(super heated vapor)를 생성하여 상기 연소실(300)로 공급하는 장치로, 증기발생기(steam generator)(210)와 증기공급 제어기(220), 증기냉각기(230)를 포함하는 구조를 가진다.The steam supplier 200 is a device for generating a super heated vapor of 200 ~ 400 ℃ to supply to the combustion chamber 300, the steam generator 210 and the steam supply controller 220, It has a structure including a steam cooler (230).

상기 증기발생기(210)는 전력과 물을 공급받아 고온의 수증기를 발생시키며, 상기 물 플라즈마 점화기(400)의 사양이 일정하다면, 상기 연소실(300) 내부로 공급되는 상기 수증기가 고온일수록 점화, 연소가 안정적으로 이루어질 수 있으므로, 200℃이상으로 수증기를 가열하는 것이 바람직하며, 관로를 통해 공급되는 고온 수증기로 인한 안전상 문제와 전력을 이용한 에너지 효율성 등을 고려하여 400℃를 초과하지 않는 것이 바람직하다.The steam generator 210 is supplied with power and water to generate high temperature steam, and if the specification of the water plasma igniter 400 is constant, the higher the temperature of the steam supplied into the combustion chamber 300, the higher the ignition and combustion. Since it can be made stable, it is preferable to heat the steam to 200 ℃ or more, it is preferable not to exceed 400 ℃ in consideration of safety problems due to the high temperature steam supplied through the pipe and energy efficiency using power.

상기 증기발생기(210)에서 생성된 고온의 수증기는 상기 증기발생기(210)에서 상기 연소실(300)까지 형성된 증기공급관로(도면부호 미표기)를 통해 상기 연소실(300)로 공급된다.The high temperature water vapor generated by the steam generator 210 is supplied to the combustion chamber 300 through a steam supply pipe (not shown) formed from the steam generator 210 to the combustion chamber 300.

상기 증기공급 제어기(220)는 상기 증기공급관로상에 설치된 제어밸브(control valve)와 상기 증기공급관로상에서 분기된 바이패스(bypath)(221)에 의해 상기 연소실(300)로 공급되는 수증기의 공급량을 증감 제어한다.The steam supply controller 220 supplies a quantity of steam supplied to the combustion chamber 300 by a control valve installed on the steam supply line and a bypass 221 branched on the steam supply line. Control the increase and decrease.

상기 증기냉각기(230)는 상기 연소실(300) 내로 공급되지 못하고 상기 증기공급관로상에서 바이패스(221)된 고온의 수증기를 냉각수와의 열교환에 의해 냉각하여 배출시키는 장치로, 냉각수 저장탱크 등을 통과시키며 열교환에 의해 냉각시킨 후 펌프(pump)를 이용해 외부의 지정위치로 배출, 배기시킬 수 있다.The steam cooler 230 is a device that does not supply into the combustion chamber 300 and cools and discharges the high temperature steam, which is bypassed 221 on the steam supply pipe, by heat exchange with cooling water, and passes through a cooling water storage tank. After cooling by heat exchange, the pump can be discharged and exhausted to the designated place outside.

도 5, 6, 7은 각각 상기 연소실의 사시도, 정면도, 좌측면도를 도시한 것이다.5, 6 and 7 show a perspective view, a front view and a left side view of the combustion chamber, respectively.

도 4 내지 7을 참조하면, 상기 연소실(300)은 상기 금속분말 공급기(100), 수증기 공급기(200)로부터 상기 금속 분말과 수증기를 공급받아 상기 물 플라즈마 점화기(400)에 의해 연소가 이루어지게 되는 장치로, 접선공급관(310), 와류챔버(320), 연소챔버(330)를 포함하는 구조를 가진다.4 to 7, the combustion chamber 300 receives the metal powder and water vapor from the metal powder supplier 100 and the steam supplier 200 to be combusted by the water plasma igniter 400. The apparatus has a structure including a tangential supply pipe 310, a vortex chamber 320, and a combustion chamber 330.

상기 접선공급관(310)은 상기 금속분말 공급기(100), 수증기 공급기(200)로부터 상기 금속 분말과 수증기를 공급받는 부분으로, 상기 연소실(300)과의 연결부(이하 '공급단부'라 함)가 상기 연소실(300)의 가장자리 둘레에 접선방향으로 연결된다.The tangential supply pipe 310 is a portion that receives the metal powder and water vapor from the metal powder supply unit 100 and the steam supply unit 200, and a connection portion (hereinafter referred to as a 'supply end') of the combustion chamber 300 is provided. It is connected in a tangential direction around the edge of the combustion chamber (300).

상기와 같이 상기 연소실(300)의 가장자리 둘레에 접선방향으로 연결된 상기 접선공급관(310)의 구조에 의해, 상기 금속 분말과 수증기는 상기 연소실(300) 내에 접선방향으로 진입하게 된다.As described above, the metal powder and the water vapor enter the tangential direction in the combustion chamber 300 by the structure of the tangential supply pipe 310 connected tangentially around the edge of the combustion chamber 300.

상기 금속 분말을 공급하는 제1접선공급관(311)과 상기 수증기를 공급하는 제2접선공급관(312)의 공급단부가 상기 연소실(300)의 가장자리 둘레에 지정간격을 두고 배치시키면, 상기 연소실(300) 내에 접선방향으로 진입한 상기 금속 분말과 수증기는 상기 연소실(300) 내벽을 따라 동일한 동선, 경로로 스월 유동(swirl flow)되며 균일하게 혼합될 수 있다.If the supply end of the first tangential supply pipe 311 for supplying the metal powder and the second tangential supply pipe 312 for supplying the water vapor is arranged at a predetermined interval around the edge of the combustion chamber 300, the combustion chamber 300 The metal powder and the water vapor tangentially entered into the inside) are swirl flows through the same copper wire and path along the inner wall of the combustion chamber 300 and may be uniformly mixed.

상기 와류챔버(320)는 상기 제1접선공급관(311)과 제2접선공급관(312)을 통해 인입된 상기 금속 분말과 수증기가 내벽을 따라 스월 유동되며 혼합가능한 협소한 원반형 혼합공간부를 제공하며, 상기와 같은 상기 접선공급관(310) 배치구조에 의해 상기 와류챔버(320) 내에 상기 금속 분말과 수증기가 혼합된 상태(이하 '혼합체'라 함)의 강한 와류를 형성할 수 있다.The vortex chamber 320 provides a narrow disk-shaped mixing space portion in which the metal powder and water vapor introduced through the first tangential supply pipe 311 and the second tangential supply pipe 312 are swirled along the inner wall and are mixed. By the arrangement of the tangential supply pipe 310 as described above, a strong vortex may be formed in the vortex chamber 320 in a state in which the metal powder and water vapor are mixed (hereinafter referred to as 'mixture').

상기 연소챔버(330)는 상기 와류챔버(320)보다 길고 단면적이 작은 원통형 구조를 가지고 일단부가 상기 와류챔버(320) 중앙부에 연결되며, 상기 와류챔버(320)와의 연결부를 통해 인입된 상기 금속 분말과 수증기의 혼합체가 내벽을 따라 나선 유동되며 상기 연소챔버(330)의 타단부측으로 진행된다.The combustion chamber 330 has a cylindrical structure that is longer than the vortex chamber 320 and has a smaller cross-sectional area and has one end connected to a central portion of the vortex chamber 320, and the metal powder drawn through a connection with the vortex chamber 320. The mixture of the water vapor and the spiral flows along the inner wall and proceeds to the other end side of the combustion chamber 330.

상기 와류챔버(320) 내부에는 상기 연소챔버(330)측으로 갈수록 그 너비가 축소되게 경사지거나 굴곡된 측면형상을 가지고 상기 연소챔버(330)측으로 돌출된 유도돌출부(321)가 중앙부에 형성되어, 상기 금속 분말, 이송가스, 수증기의 진입에 따라 상기 와류챔버(320) 내에서 접선방향으로 주요하게 이루어지고 있던 유동 진행방향을 상기 연소챔버(330)측으로의 유도하게 된다.Inside the vortex chamber 320, the induction protrusion 321 protruding toward the combustion chamber 330 has an inclined or curved side shape such that its width is reduced toward the combustion chamber 330 toward the combustion chamber 330. As the metal powder, the transport gas, and the water vapor enter, the flow progressing direction, which is mainly made in the tangential direction in the vortex chamber 320, is guided to the combustion chamber 330.

상기 유도돌출부(321)에 의해 상기 와류챔버(320) 내 상기 혼합체는 원형 경로를 반복적으로 순환하는 스월 유동 형태에서 점차 나선형으로 변하면서 상기 연소챔버(330)측으로 진행하게 되며, 상기 연소챔버(330) 내로 편향되게 인입된 상기 혼합체는 상기 연소챔버(330)의 내벽을 따라 나선 유동을 연속적으로 구현하며 진행하게 된다.The mixture in the vortex chamber 320 by the guide protrusion 321 is gradually spiraled in a swirl flow form repeatedly circulating in a circular path, and proceeds toward the combustion chamber 330, and the combustion chamber 330. The mixture drawn deflected into the helical flow proceeds continuously implementing spiral flow along the inner wall of the combustion chamber 330.

상기 금속 분말과 수증기의 상기 연소실(300) 내 체류시간이 연장될수록 연료, 산화제, 점화열간의 접촉성 향상에 의해 안정된 점화, 연소를 구현할 수 있으나, 종래에는 단순히 연소실을 길게 형성하는 것에 의해 연소실 내 체류시간을 연장시키고 있어 연소실의 예열과 열손실 문제로 실질적인 산업상 활용이 어려웠다.As the residence time of the metal powder and water vapor in the combustion chamber 300 is extended, stable ignition and combustion can be realized by improving the contact between fuel, oxidant, and ignition heat, but conventionally, by simply forming a combustion chamber long, As the residence time is extended, practical industrial application is difficult due to the preheating of the combustion chamber and the loss of heat.

상기 연소실(300) 구조에 의하면, 상기 혼합체의 고속의 스월 유동, 나선 유동에 의해, 상기 금속 분말의 엉킴 등을 방지하며 수증기와 고르게 분산, 혼합시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상기 연소실(300) 전반에 걸쳐 고르게 열전도(heat flux)를 구현할 수 있다.According to the combustion chamber 300 structure, by the high-speed swirl flow, spiral flow of the mixture, the metal powder can be prevented from being entangled and can be dispersed and mixed with water vapor evenly, It is possible to realize heat flux evenly over.

또한, 상기 혼합체의 상기 연소실(300)내 체류시간을 증가시킬 수 있으며, 상기 연소실(300) 내 연소속도, 화염전파 속도를 증가시켜 보다 완전연소에 가깝게 연소시킴으로써 고출력을 가능하게 할 뿐 아니라, 기존에 비해 보다 소형의 연소실을 구현가능하게 한다.In addition, the residence time of the mixture in the combustion chamber 300 can be increased, and the combustion speed and flame propagation speed in the combustion chamber 300 can be increased to combust the combustion more closely to enable high power, Compared to this, it is possible to implement a smaller combustion chamber.

상기 물 플라즈마 점화기(400)는 상기 연소실(300)로 공급된 상기 금속 분말과 수증기를 물 플라즈마로 점화시키는 장치로, 상기 금속 분말과 상기 금속 분말 연소를 위한 산화제가 되는 수증기의 혼합체에 1000℃이상의 물 플라즈마(water plasma)를 분사하여 점화, 연소시킨다.The water plasma igniter 400 is a device for igniting the metal powder and water vapor supplied to the combustion chamber 300 by the water plasma, the 1000 ℃ or more in the mixture of the metal powder and water vapor to be an oxidant for burning the metal powder Water plasma is sprayed to ignite and burn.

온도가 높아짐에 따라 물질의 상태는 고체에서 액체로, 액체에서 기체로 변화되며, 기체에 지속적으로 열을 가하여 수천도(℃)가 되면 기체 분자가 원자로 해리되고 원자는 다시 전자와 양전하를 가진 이온으로 전리되는데, 이와 같이 고온에서 전자와 이온으로 분리된 기체로서 그 전리도가 중성원자에 비해 상당히 높으면서도 전체적으로는 음과 양의 전하수가 거의 같아서 중성을 띠고 있는 기체를 플라즈마라 한다.As the temperature increases, the state of matter changes from solid to liquid, from liquid to gas, and when the gas is continuously heated to thousands of degrees Celsius (° C), gas molecules dissociate into atoms, and the atoms again become electrons and positively charged ions. In this way, the gas separated into electrons and ions at a high temperature, and the ionization degree is considerably higher than that of the neutral atom, and the negative and positive charges are almost the same in general, is called a plasma.

일반적으로 플라즈마는 전자가 전기장으로부터 에너지를 얻는 전자가열 과정과 중성입자의 전자를 떼어내는 이온화 과정을 통해 발생되며, 상기 물 플라즈마 점화기(400)는 수증기를 공급가스로 하여 상기 금속 분말을 점화, 연소시킬 수 있는 1000℃이상의 수소와 산소 플라즈마로 이온화시키는 물 플라즈마(water plasma) 장치를 적용할 수 있다.In general, plasma is generated through an electron heating process in which electrons obtain energy from an electric field and an ionization process in which electrons of neutral particles are separated, and the water plasma igniter 400 ignites and burns the metal powder using water as a supply gas. It is possible to apply a water plasma (water plasma) device to ionize the hydrogen and oxygen plasma of 1000 ℃ or more.

상기 물 플라즈마 점화기(400)는 상기와 같이 수증기를 공급가스로 하여 1000℃이상의 고온 플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 상기 연소실(300) 내부에 플라즈마 분사단부를 설치할 수 있다면, 공지의 물 플라즈마 장치를 포함하여 특정한 구조와 형태로 한정되지 않으며, 수증기를 공급가스로 하여 고온 플라즈마를 발생시킬 수 있는 물 플라즈마 장치의 기본 구조를 따르므로 이에 대한 상세한 설명을 생략한다.The water plasma igniter 400 may generate a high temperature plasma of 1000 ° C. or more using water vapor as a supply gas as described above, and includes a known water plasma apparatus if a plasma injection end is provided in the combustion chamber 300. Therefore, the present invention is not limited to a specific structure and form, and thus a detailed description thereof will be omitted since it follows the basic structure of a water plasma apparatus capable of generating high temperature plasma using water vapor as a supply gas.

상기 물 플라즈마는 상기 금속 분말의 성분, 입자 크기 등에 따라 다른 온도, 분사량이 적용되는 것이 바람직하며, 예를 들어, 상기 금속 분말의 주요 성분이 알루미늄으로 기정된 경우에는 알루미늄 산화피막의 용융 온도인 2345K 이상의 플라즈마를 생성 가능한 사양을 적용한다. The water plasma is preferably applied at a different temperature and spraying amount depending on the component, particle size, etc. of the metal powder. For example, when the main component of the metal powder is designated as aluminum, the melting temperature of the aluminum oxide film is 2345K. The above specification which can generate a plasma is applied.

상기 물 플라즈마는 상기 스월 유동의 중심에 위치되는 상기 연소실(300) 내 중앙부로 상기 금속 분말 및 수증기의 진행방향, 즉 상기 연소실의 와류챔버(320)측에서 상기 연소챔버(330)측을 향해 분사되어 상기 연소챔버(330) 내에서 상기 금속 분말을 점화, 연소시키게 된다.The water plasma is sprayed toward the combustion chamber 330 from the vortex chamber 320 side of the combustion chamber in the advancing direction of the metal powder and water vapor to the center portion of the combustion chamber 300 positioned at the center of the swirl flow. Thus, the metal powder is ignited and combusted in the combustion chamber 330.

상기 집진기(precipitator)(500)는 상기 연소실(300) 내 가스가 배출되는 연소가스 배출단부에 설치되어, 연소 과정에서 생성된 금속 분말 슬러그의 외부 유출을 방지하도록 집진하며, 전기집진기(electrostatic precipitator) 등을 포함하여 연소가스 중에 부유중인 분진 등을 분리, 수집, 제거할 수 있다면 기존의 공지기술을 포함하여 특정한 구조와 형상으로 한정되지 않는다.
The precipitator 500 is installed at a combustion gas discharge end for discharging the gas in the combustion chamber 300 to collect dust to prevent the outflow of the metal powder slug generated in the combustion process, and an electrostatic precipitator. If it is possible to isolate, collect, and remove the floating dust and the like in the combustion gas, including, and the like is not limited to a specific structure and shape, including the known art.

다음으로, 상기 본 발명의 제1실시예에 따른 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치를 이용하여 금속 분말 연소시키는 방법(이하 '물 플라즈마를 이용한 금속 분말 연소방법'이라 한다)에 대해 설명하기로 한다.Next, a method of burning metal powder using a metal powder compact combustion apparatus using water plasma according to the first embodiment of the present invention (hereinafter referred to as 'metal powder combustion method using water plasma') will be described. do.

상기 본 발명의 제1실시예에 따른 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 연소방법은, 금속분말공급단계, 혼합유동단계, 점화단계, 점화유지단계, 연소유지단계를 순차적으로 거쳐 이루어질 수 있다.The metal powder combustion method using the water plasma according to the first embodiment of the present invention may be made through a metal powder supplying step, a mixed flow step, an ignition step, an ignition maintenance step, and a combustion maintenance step.

상기 금속분말공급단계에서는 상기 금속 분말과 200~400℃의 수증기를 연소실(300)에 정량(연소에 적합한 지정량) 공급하며, 상기 금속분말 공급기(100)와 제1접선공급관(311), 상기 수증기 공급기(200)와 제2접선공급관(312)에 해당되는 상호 독립된 경로를 통해 상기 금속 분말과 수증기를 상기 연소실(300) 내에 접선방향으로 공급한다.In the metal powder supplying step, the metal powder and water vapor at 200 ° C. to 400 ° C. are supplied to the combustion chamber 300 in a quantitative manner (a predetermined amount suitable for combustion), and the metal powder feeder 100 and the first tangential supply pipe 311 and the The metal powder and the water vapor are tangentially supplied into the combustion chamber 300 through mutually independent paths corresponding to the water vapor supplier 200 and the second tangential supply pipe 312.

상기 혼합유동단계에서는 예혼합단계와 나선유동단계를 순차적으로 거쳐 상기 연소실(300) 내에서 상기 금속 분말과 수증기를 스월 유동(swirl flow)에 의해 혼합하고 나선 유동시키며 일측으로 진행시킨다.In the mixing flow step, the pre-mixing step and the spiral flow step are sequentially performed, and the metal powder and water vapor are mixed in the combustion chamber 300 by swirl flow, and the spiral flow is performed to one side.

상기 예혼합단계에서는 상기 연소실(300) 내에 접선방향으로 공급된 상기 금속 분말과 수증기를 상기 연소실의 와류챔버(320) 내에서 내벽을 따라 스월 유동에 의해 순환시키며 혼합하면서, 상기 연소실(300) 중 상기 금속 분말의 연소가 주요하게 이루어지는 상기 연소챔버(330)측으로의 유동 진행을 유도한다.In the pre-mixing step, the metal powder and water vapor tangentially supplied into the combustion chamber 300 are circulated and mixed by swirl flow along the inner wall in the vortex chamber 320 of the combustion chamber, and among the combustion chamber 300. Induces flow to the combustion chamber 330 side where the combustion of the metal powder is mainly.

상기 나선유동단계에서는 상기 예혼합단계를 거쳐 생성된 상기 금속 분말과 수증기의 혼합체를 상기 와류챔버(320)와 별도로 형성된 원통형의 상기 연소챔버(330) 내로 진입시켜 한정된 길이의 상기 연소챔버(330) 내에서 상기 혼합체의 나선 유동에 의해 보다 증가된 체류시간에 걸쳐 일측으로 진행시킨다.In the spiral flow step, a mixture of the metal powder and water vapor generated through the premixing step is introduced into the cylindrical combustion chamber 330 formed separately from the vortex chamber 320 so that the combustion chamber 330 has a limited length. It proceeds to one side over the increased residence time by the spiral flow of the mixture within.

상기 점화단계에서는 상기 물 플라즈마 점화기(400)에서 분사되는 고온의 상기 물 플라즈마로 상기 연소실(300)로 공급된 상기 금속 분말과 수증기를 점화시키며, 상기 물 플라즈마 점화기(400)는 수증기를 공급가스로 하여 1000℃이상의 수소와 산소 플라즈마로 이온화시켜 상기 연소실(300) 내부로 분사한다.In the ignition step, the metal plasma and water vapor supplied to the combustion chamber 300 are ignited by the high temperature water plasma injected from the water plasma igniter 400, and the water plasma igniter 400 supplies water vapor as a supply gas. To be ionized with hydrogen and oxygen plasma of 1000 ° C. or higher and injected into the combustion chamber 300.

상기 점화단계는 상기 물 플라즈마에 의해 상기 금속 분말의 점화가 이루어지는 공정을 의미하는 것으로, 상기 물 플라즈마 점화기(400)는 상기 점화단계에서 그 작동이 시작될 수도 있으며, 상기 금속분말공급단계를 거치기 이전에 그 작동이 시작된 상태에서 상기 혼합유동단계를 거친 후 상기 금속 분말의 점화가 이루어질 수도 있다.The ignition step refers to a process in which the metal powder is ignited by the water plasma, and the water plasma igniter 400 may start its operation in the ignition step, before the metal powder supply step. Ignition of the metal powder may be performed after the mixing flow step in the operation started.

상기 점화단계에서의 점화 촉진을 위해, 상기 금속 분말을 대기온도 이상으로 예열시키는 금속분말 예열단계를 거친 후 상기 금속분말공급단계를 수행할 수 있다.In order to promote ignition in the ignition step, the metal powder supply step may be performed after the metal powder preheating step of preheating the metal powder to an ambient temperature or more.

상기 금속분말 예열단계에서 금속 분말을 예열함에 있어서는, 별도의 전력이나 열에너지원을 이용할 수도 있으나, 상기 수증기 공급기(200)에서 상기 바이패스(221)를 통해 분리, 배출되는 고온 수증기의 열에너지 등과 같이 상기 제1실시예에 따른 금속 분말 소형 연소장치의 가동 시 소모되는 에너지들을 에너지원으로 하여 에너지 회생 시스템(energy recuperation system)이나 재생 열교환기에 의해 예열할 수 있다.In preheating the metal powder in the metal powder preheating step, a separate electric power or a heat energy source may be used, but the heat energy of the hot water vapor separated and discharged through the bypass 221 from the steam supply 200 may be used. The energy consumed during the operation of the metal powder compact combustion apparatus according to the first embodiment may be preheated by an energy recuperation system or a regenerative heat exchanger as energy sources.

상기 금속 분말이 알루미늄 입자인 경우, 점화 과정에서 가장 장시간이 소요되는 과정은 산화피막이 제거되는 과정으로, 알루미늄 산화피막이 제거되기 위해서는 2345K까지 가열되어야 하는데, 상기 금속 분말을 예열하면 용융 온도까지 도달하는 시간을 절감할 수 있다.When the metal powder is aluminum particles, the longest process in the ignition process is to remove the oxide film. In order to remove the aluminum oxide film, the metal powder needs to be heated up to 2345K. Can reduce the cost.

상기 점화단계에서 상기 금속 분말의 점화가 이루어진 후 상기 물 플라즈마 점화기(400)의 작동을 즉시 중지하게 되면, 상기 연소실(300) 내 상기 금속 분말과 수증기의 공급이 지속되더라도 상기 금속 분말의 점화, 연소상태가 유지되지 못하고 소염(消焰)되어 버린다.If the operation of the water plasma igniter 400 is immediately stopped after the ignition of the metal powder is performed in the ignition step, the ignition and combustion of the metal powder even if the supply of the metal powder and water vapor in the combustion chamber 300 is continued. The state is not maintained, and it is extinguished.

상기 점화유지단계에서는 상기 물 플라즈마의 분사가 중지되더라도 상기 연소실(300) 내 상기 금속 분말과 수증기의 공급이 지속되면 상기 금속 분말의 연소가 지속될 수 있을 때까지 상기 물 플라즈마 분사를 지정 시간 유지한다.In the ignition maintaining step, even when the injection of the water plasma is stopped, if the supply of the metal powder and water vapor in the combustion chamber 300 is continued, the water plasma injection is maintained for a predetermined time until the combustion of the metal powder can be continued.

상기 연소유지단계에서는 상기 물 플라즈마 점화기(400)의 작동을 중지하여 상기 물 플라즈마의 분사를 중지시킨 상태에서 상기 금속분말과 수증기만을 상기 연소실(300)로 공급하며 상기 금속 분말의 연소를 유지한다.
In the combustion maintaining step, the operation of the water plasma igniter 400 is stopped to supply only the metal powder and water vapor to the combustion chamber 300 while stopping the injection of the water plasma to maintain combustion of the metal powder.

다음으로, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시예에 따른 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 점화장치, 소형 연소장치의 시제품(proto type)을 실제로 제작하여 상기 금속 분말과 수증기만으로 점화, 연소를 구현, 확인한 실험 과정, 결과에 대해 설명하고자 한다.Next, the metal powder ignition apparatus using the water plasma according to an embodiment of the present invention having the configuration as described above, the prototype (proto type) of a small combustion apparatus is actually manufactured to ignite, burn only by the metal powder and water vapor, I will explain the experimental process and the result.

도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 물 플라즈마를 이용한 소형 연소장치를 실제로 제작한 금속 분말 소형 연소장치의 시제품 사진이다.FIG. 8 is a prototype photograph of a metal powder compact combustion apparatus in which a compact combustion apparatus using water plasma according to a first embodiment of the present invention is actually manufactured.

도 8을 참조하면, 상기 금속분말 공급기(100), 수증기 공급기(200), 연소실(300), 물 플라즈마 점화기(400), 집진기(500)로 시제품을 구성하였으며, 대기압 환경에서 수십 마이크로 크기의 금속 분말을 연료, 아르곤을 이송가스, 수증기를 산화제로 하고, 초고온의 물 플라즈마에 의해 점화시킨 후 연소 현상을 관찰하였다.Referring to FIG. 8, a prototype was composed of the metal powder feeder 100, the steam feeder 200, the combustion chamber 300, the water plasma igniter 400, and the dust collector 500. The powder was used as fuel, argon as a transfer gas, and water vapor as an oxidizing agent, and the combustion phenomenon was observed after igniting by ultra-high temperature water plasma.

도 9는 상기 금속분말 공급기(100)에서 이송가스 공급압력에 따른 금속 분말 공급량을 측정한 그래프이다.9 is a graph measuring the metal powder supply amount according to the feed gas supply pressure in the metal powder feeder 100.

아르곤(Ar) 이송가스를 금속 분말이 저장된 상기 분말저장조(110)측으로 공급하면서, 이송가스상에 금속 분말이 균일하게 분산, 혼합된 유동층(Fluidized bed)의 형태로 상기 금속 분말을 상기 연소실(300)측으로 이송, 공급하였으며, 이러한 과정에서 상기 전자저울(123)로 금속 분말을 계량하는 것을 지속하였다.While supplying an argon (Ar) transfer gas to the powder storage tank 110 in which the metal powder is stored, the metal powder in the form of a fluidized bed in which the metal powder is uniformly dispersed and mixed on the transfer gas is supplied to the combustion chamber 300. It was transported to the side and supplied, and in this process, the metal powder 123 was continuously weighed.

도 9를 참조하면, 상기 분말조장조(110) 내 금속 분말의 질량이 선형적으로 일정한 비율로 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 평균 32 g/min(0.54 g/sec)의 질량유량(mass flowrate)이 측정되었다.Referring to FIG. 9, it can be seen that the mass of the metal powder in the powder aid 110 decreases linearly at a constant rate, and the mass flow rate of 32 g / min (0.54 g / sec) is averaged. This was measured.

도 10은 상기 수증기 공급기(200)에서 상기 증기발생기(210) 내 압력에 따른 수증기 공급량을 측정한 그래프이다.10 is a graph measuring the amount of steam supplied according to the pressure in the steam generator 210 in the steam supply 200.

상기 증기발생기(210)로 상온의 물과 전력을 공급하였으며 전열기에 의해 약 370~400 ℃의 고온 증기 상태로 가열된 수증기를 상기 연소실(300)로 공급하였으며, 지정량을 초과한 여분은 상기 바이패스(221)를 통해 상기 증기냉각기(230)에서 응축시켜 배출하였다.Water and power at room temperature were supplied to the steam generator 210, and water vapor heated in a high temperature steam of about 370 to 400 ° C. was supplied to the combustion chamber 300 by an electric heater. Condensed in the steam cooler 230 through the pass 221 and discharged.

금속 분말과의 균일한 혼합을 위해 인젝터(injector)를 이용해 상기 연소실(300) 내에 분무 형태로 수증기를 공급하였으며, 상기 인젝터는 축방향-접선방향 모멘텀비, 분출각, 유량, 공급압력 등을 종합적으로 고려하여 기하학적 형상변수를 설계하였다.Water vapor was sprayed into the combustion chamber 300 using an injector for uniform mixing with the metal powder, and the injector integrated the axial-tangential momentum ratio, the ejection angle, the flow rate, and the supply pressure. The geometric shape variable was designed in consideration of

도 10을 참조하면, 상기 증기발생기(210) 내 온도가 약 370~385 ℃, 압력이 약 3.5~4.5 bar의 일정한 상태로 유지될 때, 평균 49.4 g/min의 질량유량이 측정되었다.Referring to FIG. 10, when the temperature in the steam generator 210 was maintained at a constant state of about 370 to 385 ° C. and a pressure of about 3.5 to 4.5 bar, an average mass flow rate of 49.4 g / min was measured.

도 11은 상기 물 플라즈마 점화기(400) 노즐에서의 온도구배를 나타낸 그래프이다.11 is a graph showing a temperature gradient in the water plasma igniter 400 nozzle.

상기 물 플라즈마 점화기(400)로는 물 플라즈마 토치를 적용하였으며, 물 플라즈마 토치의 단부에 형성된 노즐을 통해 상기 연소실(300) 내에 물 플라즈마를 분사하였다.A water plasma torch was applied to the water plasma igniter 400, and water plasma was injected into the combustion chamber 300 through a nozzle formed at an end of the water plasma torch.

도 11을 참조하면, 상기 물 플라즈마 점화기(400)의 노즐 단부로부터 50mm 이내의 거리에는 1000℃ 이상의 온도장, 10mm 이내의 거리에는 3000℃ 이상의 온도장이 형성되고, 분사된 물 플라즈마가 4000℃ 이상의 최대 온도를 가지는 것을 확인할 수 있으며, 이에 따라 물 플라즈마를 알루미늄, 마그네슘(용융점 650℃)의 점화를 위한 점화 에너지원으로서 적용하기 적합하다는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 11, a temperature field of 1000 ° C. or more is formed at a distance within 50 mm from a nozzle end of the water plasma igniter 400, and a temperature field of 3000 ° C. or more is formed at a distance within 10 mm. It can be seen that it has a temperature, and thus it is confirmed that the water plasma is suitable for application as an ignition energy source for ignition of aluminum and magnesium (melting point 650 ° C.).

도 12는 광전자증배관을 이용해 알루미늄 분말의 점화 및 연소에 따른 빛의 강도를 측정한 일례를 나타낸 그래프이다.12 is a graph illustrating an example of measuring light intensity according to ignition and combustion of aluminum powder using a photomultiplier tube.

점화 및 연소 상태를 확인하기 위해 온도를 측정함에 있어서는 접촉식과 비접촉식 측정 방법이 있는데, 접촉식의 경우 금속 분말 부착, 측정기기로의 무리한 열전달에 의해 측정 온도를 신뢰할 수 없어, 본 실험에서는 광전자증배관(PMT, Photo Multiplier Tube)를 이용하여 빛의 강도를 측정하였으며, 그 외 포토다이오드(photodiode), CCD(Charge Coupled Device)를 이용할 수 있다. In order to check the ignition and combustion state, there are two types of contact and non-contact measurement methods. In the case of contact type, the measurement temperature cannot be reliable due to the attachment of metal powder and excessive heat transfer to the measuring device. Light intensity was measured using PMT, Photo Multiplier Tube (PMT), and photodiode and charge coupled device (CCD) can be used.

도 12에 도시된 그래프에서 빛의 강도가 급격하게 상승하는 부분이 있는데 이 시점에서 점화가 시작된 것으로 판단할 수 있으며, 이에 따라 물 플라즈마를 분사한 시점과 빛의 강도가 급격하게 상승하는 시점 간의 시간 간격을 점화지연시간으로 판단할 수 있다.In the graph shown in FIG. 12, there is a part where the intensity of light rises sharply, and it can be determined that ignition has started at this point. The interval can be determined by the ignition delay time.

도 13은 금속 분말 공급 전, 점화기 작동 중인 상태의 연소기를 촬상한 사진이고, 도 14는 금속 분말 공급 후, 연소 중인 상태의 연소기를 촬상한 사진이며, 도 15는 수증기 공급량을 조절하여 도 17에 비해 보다 활발하게 연소 중인 상태의 연소기를 촬상한 사진이고, 도 16은 점화기 작동을 중지시킨 상태의 연소기를 촬상한 사진이며, 도 17은 금속 분말 공급을 중지하여 소염시킨 상태의 연소기를 촬상한 사진이다.FIG. 13 is a photograph of a combustor in a state in which an igniter is in operation before supplying metal powder. FIG. 14 is a photograph of a combustor in a state in combustion after supplying metal powder. FIG. 15 is a photograph of a combustor in a state in combustion. Compared to the picture of the burner in a state of more active combustion, Fig. 16 is a picture of the burner in the state of igniter stopped, Fig. 17 is a picture of the burner in the state of extinguishing the supply of metal powder to be.

상기 퍼지가스 공급기(600)와 수증기 공급기(200)에 의해 상기 연소실(300) 내에 퍼지 가스(purge gas)와 고온의 수증기(산화제)를 먼저 공급하여 예열하고, 상기 물 플라즈마 점화기(400)를 작동시킨 상태에서 상기 금속분말 공급기(100)에 의해 금속 분말을 공급하였으며, 금속 분말은 입도 74 μm로 규소, 망간 등이 미량 함유되고 98.5%의 순도를 가지는 마그네슘 분말을 원료로 하였다.The purge gas and the high temperature water vapor (oxidant) are first supplied into the combustion chamber 300 by the purge gas supplier 600 and the water vapor supply 200, and the water plasma igniter 400 is operated. In this state, the metal powder was supplied by the metal powder feeder 100, and the metal powder was made of magnesium powder having a particle size of 74 μm, containing a small amount of silicon, manganese, etc. and having a purity of 98.5%.

금속 분말과 수증기를 접선방향으로 공급하여 스월 유동에 의해 예혼합하고 나선 유동시키며 일측으로 진행시키는 상기 연소실(300) 구조에 의해 축방향으로 220mm 길이를 가지는 소형의 연소실의 설계가 가능했다.The compact combustion chamber having a length of 220 mm in the axial direction was possible by the combustion chamber 300 structure in which the metal powder and the water vapor were supplied in a tangential direction, premixed by swirl flow, helical flow, and advanced to one side.

상기 물 플라즈마 점화기(400)를 작동시킨 상태에서 금속 분말을 공급하기 이전에는 도 13에 촬상된 바와 같이 점화가 이루어지지 않다가, 금속 분말을 공급한 후에는 도 14에 촬상된 바와 같이 점화가 이루어지는 것을 확인할 수 있었으며, 상기 금속 분말과 수증기의 공급 비율을 조정하면서 도 15에 촬상된 바와 같이 보다 활발한 연소를 구현할 수 있었다.Before the metal powder is supplied in the state where the water plasma igniter 400 is operated, the ignition is not performed as shown in FIG. 13, but after the metal powder is supplied, the ignition is performed as shown in FIG. 14. As shown in FIG. 15, more active combustion was achieved while adjusting the supply ratio of the metal powder and water vapor.

상기 물 플라즈마 점화기(400)의 작동을 중지시키더라도 금속 분말(연료)과 수증기(산화제)의 공급만으로 도 16에 촬상된 바와 같이 연소가 지속되는 것을 확인할 수 있었으며, 금속 분말의 공급을 중지시키는 것에 의해 도 20에 도시된 바와 같이 화염을 소염시켰다.Even when the operation of the water plasma igniter 400 was stopped, it was confirmed that the combustion continued as only the supply of the metal powder (fuel) and the water vapor (oxidant), as captured in FIG. 16, to stop the supply of the metal powder. The flame was extinguished as shown in FIG.

도 9에 도시된 바와 같이 마그네슘 분말의 공급량이 약 32g/min(0.54 g/sec)일 때 도 16에 촬상된 바와 같이 연소가 지속되었으며, 마그네슘 분말 전체가 산화제와 반응했다고 가정하면 당량비 0.49의 연료 희박 조건에서 연소가 지속되었음을 산출할 수 있고, 단위 부피당 수밀도(number density)로 환산해 보면 약 200g/m3로 일반적으로 알려진 금속의 폭발 하한 수밀도 30g/m3에 비하면 현격히 높은 수밀도라 할 수 있다.As shown in FIG. 9, the combustion continued as shown in FIG. 16 when the supply amount of magnesium powder was about 32 g / min (0.54 g / sec), and assuming that the entire magnesium powder reacted with an oxidizing agent, a fuel having an equivalence ratio of 0.49. can be calculated that the combustion is continued at a lean condition, look to in terms of per unit volume number density (number density) can be considered significantly higher number density compared to the explosion limit number density of the metal is generally known to be about 200g / m 3 30g / m 3 .

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되는 것이 아니고, 상기 실시예들을 기존의 공지기술과 단순히 조합적용한 실시예와 함께 본 발명의 특허청구범위와 상세한 설명에서 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 변형하여 이용할 수 있는 기술은 본 발명의 기술범위에 당연히 포함된다고 보아야 할 것이다.
The present invention has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, but the present invention is not limited to these embodiments, and the claims and detailed description of the present invention together with the embodiments in which the above embodiments are simply combined with existing known technologies. In the present invention, it can be seen that the technology that can be modified and used by those skilled in the art are naturally included in the technical scope of the present invention.

100 : 금속분말 공급기 110 : 분말저장조
120 : 이송가스 공급기 121 : 가스저장조
122 : 압력변환기 123 : 전자저울
124 : 분말공급 제어기 200 : 수증기 공급기
210 : 증기발생기 220 : 증기공급 제어기
221 : 바이패스 230 : 증기냉각기
300 : 연소실 310 : 접선공급관
311 : 제1접선공급관 312 : 제2접선공급관
320 : 와류챔버 321 : 유도돌출부
330 : 연소챔버 400 : 점화기
500 : 집진기 600 : 퍼지가스 공급기
100: metal powder feeder 110: powder storage tank
120: transfer gas supply 121: gas storage tank
122: pressure transducer 123: electronic balance
124: powder supply controller 200: water vapor supply
210: steam generator 220: steam supply controller
221: bypass 230: steam cooler
300: combustion chamber 310: tangential supply pipe
311: first tangential supply pipe 312: second tangential supply pipe
320: vortex chamber 321: guide protrusion
330: combustion chamber 400: igniter
500: dust collector 600: purge gas supply

Claims (21)

금속 분말과 상기 금속 분말 연소를 위한 산화제가 되는 수증기의 혼합체에 물 플라즈마(water plasma)를 분사하여 점화, 연소시키는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 점화장치.
A metal powder ignition apparatus using a water plasma to ignite and burn water plasma by spraying a water plasma on a mixture of metal powder and water vapor, which is an oxidant for burning the metal powder.
제1항에 있어서,
상기 금속 분말은,
알루미늄 또는 마그네슘으로 구성되며,
상기 물 플라즈마는,
수증기를 이온화하여 생성시킨 1000℃이상의 고온 플라즈마인 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 점화 장치.
The method of claim 1,
The metal powder,
Consists of aluminum or magnesium,
The water plasma,
Metal powder ignition apparatus using water plasma which is the high temperature plasma of 1000 degreeC or more produced by ionizing water vapor.
금속 분말과 수증기만을 연소실(300)에 정량 공급하면서 물 플라즈마(water plasma)를 이용하여 상기 연소실(300) 내 금속 분말을 점화시키는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 점화방법.
Metal powder ignition method using a water plasma to ignite the metal powder in the combustion chamber 300 by using a water plasma (water plasma) while supplying only the metal powder and water vapor to the combustion chamber (300).
제3항에 있어서,
상기 금속 분말과 수증기는,
스월 유동(swirl flow)에 의해 상기 연소실(300)의 한정된 길이의 공간부내에서의 체류시간이 보다 연장되어 일측으로 진행되며,
상기 물 플라즈마는,
상기 스월 유동의 중심에 위치되는 상기 연소실(300) 내 중앙부로 상기 금속 분말 및 수증기의 진행방향을 향하여 분사되는 금속 분말 점화방법.
The method of claim 3,
The metal powder and water vapor,
Swirl flow (swirl flow) to extend the residence time in the space of the limited length of the combustion chamber 300 to proceed to one side,
The water plasma,
The metal powder ignition method is injected in the combustion chamber (300) located in the center of the swirl flow toward the progress direction of the metal powder and water vapor.
연소실(300);
상기 금속 분말을 상기 연소실(300)로 공급하는 금속분말 공급기(100);
200~400℃의 수증기를 생성하여 상기 연소실(300)로 공급하는 수증기 공급기(200); 및
상기 연소실(300)로 공급된 상기 금속 분말과 수증기를 물 플라즈마로 점화시키는 물 플라즈마 점화기(400);
를 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치.
Combustion chamber 300;
A metal powder feeder (100) for supplying the metal powder to the combustion chamber (300);
A steam supplier 200 generating steam at 200 to 400 ° C. and supplying the steam to the combustion chamber 300; And
A water plasma igniter 400 for igniting the metal powder and water vapor supplied to the combustion chamber 300 with water plasma;
Metal powder compact combustion apparatus using a water plasma comprising a.
제5항에 있어서,
상기 연소실(300)은,
공급단부가 상기 연소실(300)의 가장자리 둘레에 접선방향으로 연결되어 상기 연소실(300) 내에 상기 금속 분말 및/또는 수증기를 접선방향으로 공급하여 스월 유동(swirl flow)을 발생시키는 접선공급관(310);
을 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치.
The method of claim 5,
The combustion chamber 300,
A tangential supply pipe 310 is connected in a tangential direction around an edge of the combustion chamber 300 so as to tangentially supply the metal powder and / or water vapor into the combustion chamber 300 to generate a swirl flow. ;
Metal powder compact combustion apparatus using a water plasma comprising a.
제6항에 있어서,
상기 연소실(300)은,
상기 금속 분말을 공급하는 제1접선공급관(311)과 상기 수증기를 공급하는 제2접선공급관(312)의 공급단부가 가장자리 둘레에 지정간격을 두고 배치되며, 상기 제1접선공급관(311)과 제2접선공급관(312)을 통해 인입된 상기 금속 분말과 수증기가 내벽을 따라 스월 유동되며 혼합가능한 원반형 혼합공간부를 형성하는 와류챔버(320); 및
상기 와류챔버(320)보다 길고 단면적이 작은 원통형 구조를 가지고 일단부가 상기 와류챔버(320) 중앙부에 연결되며, 상기 와류챔버(320)와의 연결부를 통해 인입된 상기 금속 분말과 수증기의 혼합체가 내벽을 따라 나선 유동되며 타단부로 진행되는 연소챔버(330);
를 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치.
The method according to claim 6,
The combustion chamber 300,
Supply ends of the first tangential supply pipe 311 for supplying the metal powder and the second tangential supply pipe 312 for supplying the water vapor are arranged at predetermined intervals around an edge, and the first tangential supply pipe 311 and the first tangential supply pipe 311 A vortex chamber 320 swirling along the inner wall of the metal powder and water vapor introduced through the two-tangential supply pipe 312 to form a disc-mixable mixing space portion; And
A cylindrical structure having a cylindrical structure longer than the vortex chamber 320 and having a smaller cross section is connected to a central portion of the vortex chamber 320, and a mixture of the metal powder and water vapor introduced through the connection with the vortex chamber 320 forms an inner wall. Combustion chamber 330 flowing along the spiral and proceeds to the other end;
Metal powder compact combustion apparatus using a water plasma comprising a.
제7항에 있어서,
상기 와류챔버(320)은,
내부 중앙부가 상기 연소챔버(330)측으로 돌출되어 상기 연소챔버(330)측으로의 유동 진행을 유도하는 유도돌출부(321);
를 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치.
The method of claim 7, wherein
The vortex chamber 320,
An induction protrusion 321 having an inner central portion protruding toward the combustion chamber 330 to induce a flow to the combustion chamber 330;
Metal powder compact combustion apparatus using a water plasma comprising a.
제5항에 있어서,
상기 금속분말 공급기(100)는,
상기 금속 분말이 저장되며, 상, 하부에 상기 금속 분말이 배출되는 배출구와, 이송가스가 유입되는 이송가스 유입구가 각각 형성되는 분말저장조(110); 및
상기 이송가스 유입구를 통해 상기 분말저장조(110)에 이송가스를 공급하여 상기 분말저장조(110)에 저장, 적층된 금속 분말 중 일부를 상기 배출구측으로 부유시켜 상기 연소실(300)측으로 공급하는 이송가스 공급기(120);
를 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치.
The method of claim 5,
The metal powder feeder 100,
A powder storage tank 110 in which the metal powder is stored, and a discharge port through which the metal powder is discharged and upper and lower discharge ports, and a transport gas inlet port through which the transport gas is introduced; And
Feed gas supply to supply the transport gas to the powder storage tank 110 through the transport gas inlet to float some of the metal powder stored and stacked in the powder storage tank 110 to the outlet side to supply to the combustion chamber 300 side 120;
Metal powder compact combustion apparatus using a water plasma comprising a.
제9항에 있어서,
상기 이송가스 공급기(120)는,
상기 이송가스가 저장되는 가스저장조(121);
상기 가스저장조(121)에서 상기 분말저장조(110)까지 형성된 가스공급관로상에 설치되어 공압을 측정하는 압력변환기(pressure transducer)(122);
상기 분말저장조(110)의 무게를 측정하는 것에 의해 상기 금속 분말의 상기 연소실(300)측 공급량을 측정하는 전자저울(ectronic scale)(123); 및
상기 압력변환기(122)와 전자저울(123)로 측정된 데이터를 이용하여 상기 이송가스 공급에 따른 상기 금속 분말의 상기 연소실(300)측 공급량을 제어하는 분말공급 제어기(124);
를 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치.
10. The method of claim 9,
The transfer gas supplier 120,
A gas storage tank 121 in which the transport gas is stored;
A pressure transducer 122 installed on the gas supply line formed from the gas storage tank 121 to the powder storage tank 110 to measure air pressure;
An electronic scale 123 for measuring the supply amount of the metal powder to the combustion chamber 300 by measuring the weight of the powder storage tank 110; And
A powder supply controller 124 for controlling a supply amount of the metal powder on the combustion chamber 300 side according to the transport gas supply using data measured by the pressure transducer 122 and the electronic balance 123;
Metal powder compact combustion apparatus using a water plasma comprising a.
제9항에 있어서,
상기 금속 분말 대신 퍼지가스(purge gas)를 상기 연소실(300)로 공급가능하게 상기 분말저장조(110)에서 상기 연소실(300)까지 형성된 분말공급관로상에 공급단부가 연결되는 퍼지가스 공급기(600);
를 더 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치.
10. The method of claim 9,
A purge gas supplier 600 having a supply end connected to a powder supply passage formed from the powder storage tank 110 to the combustion chamber 300 to supply a purge gas to the combustion chamber 300 instead of the metal powder. ;
Metal powder compact combustion apparatus using a water plasma further comprising.
제5항에 있어서,
상기 수증기 공급기(200)는,
전력과 물을 공급받아 고온의 수증기를 발생시키는 증기발생기(210); 및
상기 증기발생기(210)에서 상기 연소실(300)까지 형성된 증기공급관로상에서 분기된 바이패스(bypath)(221)를 통해 상기 연소실(300)로 공급되는 수증기의 공급량을 제어하는 증기공급 제어기(220);
를 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치.
The method of claim 5,
The steam supply unit 200,
A steam generator 210 that receives power and water to generate high temperature steam; And
A steam supply controller 220 for controlling a supply amount of steam supplied to the combustion chamber 300 through a bypass 221 branched on a steam supply pipe formed from the steam generator 210 to the combustion chamber 300. ;
Metal powder compact combustion apparatus using a water plasma comprising a.
제12항에 있어서,
상기 증기공급관로상에서 바이패스(221)된 고온의 수증기를 냉각수와의 열교환에 의해 냉각, 배출시키는 증기냉각기(230);
를 더 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치.
The method of claim 12,
A steam cooler 230 for cooling and discharging the high temperature water vapor bypassed on the steam supply pipe by heat exchange with cooling water;
Metal powder compact combustion apparatus using a water plasma further comprising.
제5항에 있어서,
상기 물 플라즈마 점화기(400)의 물 플라즈마는,
수증기를 공급가스로 하여 1000℃이상의 수소와 산소 플라즈마로 이온화시켜 상기 연소실(300) 내부로 분사하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치.
The method of claim 5,
The water plasma of the water plasma igniter 400,
Metal powder compact combustion apparatus using water plasma which is ionized by hydrogen and oxygen plasma of 1000 ° C or more using water vapor as a supply gas and sprayed into the combustion chamber (300).
제5항에 있어서,
상기 연소실(300) 내 가스가 배출되는 연소가스 배출단부에 설치되며, 연소 과정에서 생성된 금속 분말 슬러그의 외부 유출을 방지하도록 집진하는 집진기(500);
를 더 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소장치.
The method of claim 5,
A dust collector 500 installed at a combustion gas discharge end for discharging the gas in the combustion chamber 300 and collecting dust to prevent an external outflow of the metal powder slug generated during the combustion process;
Metal powder compact combustion apparatus using a water plasma further comprising.
금속 분말과 200~400℃의 수증기를 연소실(300)에 정량 공급하는 금속분말공급단계;
상기 연소실(300) 내에서 금속 분말과 수증기를 스월 유동(swirl flow)에 의해 혼합하는 혼합유동단계;
상기 연소실(300) 내 상기 금속 분말과 수증기를 연료와 산화제로 하여 물 플라즈마로 점화시키는 점화단계; 및
상기 물 플라즈마의 분사가 중지되어도 상기 금속 분말의 연소가 지속되기까지 상기 물 플라즈마 분사를 지정 시간 유지하는 점화유지단계;
를 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 연소방법.
A metal powder supplying step of supplying quantitatively supplying metal powder and water vapor at 200 to 400 ° C. to the combustion chamber 300;
A mixing flow step of mixing metal powder and water vapor by swirl flow in the combustion chamber 300;
An ignition step of igniting water plasma with the metal powder and water vapor in the combustion chamber 300 as a fuel and an oxidant; And
An ignition holding step of maintaining the water plasma injection for a predetermined time until the combustion of the metal powder continues even when the injection of the water plasma is stopped;
Metal powder combustion method using a water plasma comprising a.
제16항에 있어서,
상기 금속분말공급단계는,
상기 금속 분말 및/또는 수증기를 상호 독립된 경로를 통해 상기 연소실(300) 내에 접선방향으로 공급하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 연소방법.
17. The method of claim 16,
The metal powder supply step,
Metal powder combustion method using a water plasma to supply the metal powder and / or water vapor tangentially into the combustion chamber (300) through a mutually independent path.
제16항에 있어서,
상기 금속분말공급단계는,
상기 금속 분말을 에너지 회생 시스템(Energy Recuperation System)이나 재생 열교환기에 의해 예열시켜 상기 연소실(300)로 공급하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 연소방법.
17. The method of claim 16,
The metal powder supply step,
The method of claim 1, wherein the metal powder is preheated by an energy recuperation system or a regenerative heat exchanger to supply the metal powder to the combustion chamber.
제16항에 있어서,
상기 혼합유동단계는,
상기 연소실(300) 내에 접선방향으로 공급된 상기 금속 분말과 수증기를 상기 연소실(300)의 원반형 혼합공간부 내에서 내벽을 따라 스월 유동에 의해 순환시키며 혼합하는 예혼합단계; 및
상기 예혼합단계를 거쳐 생성된 상기 금속 분말과 수증기의 혼합체를 상기 연소실(300) 내 별도의 원통형 공간부 내로 진입시켜 나선 유동에 의해 보다 증가된 체류시간에 걸쳐 일측으로 진행시키는 나선유동단계;
를 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 연소방법.
17. The method of claim 16,
The mixing flow step,
A premixing step of circulating and mixing the metal powder and water vapor supplied in the tangential direction in the combustion chamber 300 by swirl flow along the inner wall in the disk-shaped mixing space portion of the combustion chamber 300; And
A spiral flow step of advancing a mixture of the metal powder and water vapor generated through the pre-mixing step into a separate cylindrical space in the combustion chamber 300 and progressing to one side through a more increased residence time by spiral flow;
Metal powder combustion method using a water plasma comprising a.
제16항에 있어서,
상기 점화단계는,
수증기를 공급가스로 하여 1000℃이상의 수소와 산소 플라즈마로 이온화시켜 상기 연소실(300) 내부로 분사하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 소형 연소방법.
17. The method of claim 16,
The ignition step,
Small metal combustion method using a water plasma which is ionized by hydrogen and oxygen plasma of 1000 ℃ or more using water vapor as a supply gas and sprayed into the combustion chamber (300).
제16항에 있어서,
상기 점화유지단계 이후에, 상기 물 플라즈마의 분사를 중지시킨 상태로 상기 금속분말과 수증기만을 상기 연소실(300)로 공급하며 상기 금속 분말의 연소를 유지하는 연소유지단계;
를 더 포함하는 물 플라즈마를 이용한 금속 분말 연소방법.
17. The method of claim 16,
After the ignition maintenance step, the combustion maintenance step of supplying only the metal powder and water vapor to the combustion chamber 300 in the state of stopping the injection of the water plasma and maintains combustion of the metal powder;
Metal powder combustion method using a water plasma further comprising.
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