KR20130115924A - 마이크로웨이브 플라즈마 가스화장치 및 이를 이용한 가스화효율을 향상시키는 가스화방법 - Google Patents

마이크로웨이브 플라즈마 가스화장치 및 이를 이용한 가스화효율을 향상시키는 가스화방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 합성가스 생산을 위한 마이크로웨이브 플라즈마 가스화장치 및 이를 이용한 가스화효율을 향상시키는 가스화방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 플라즈마 발생장치에 의해 플라즈마 화염을 생성시키고, 생성된 플라즈마 화염에 탄화수소물질인 연료를 공급하여 가스화가 이루어지도록 하되, 상기 연료는 플라즈마 화염과의 접촉시간 또는 접촉면적이 증가되도록 공급하여 가스화를 촉진시키고, 공급되는 스팀,산소,연료의 혼합비를 조절하여 가연성가스의 수취량을 증가시킬 수 있는 가스화장치 및 가스화방법에 관한 것이다.

Description

마이크로웨이브 플라즈마 가스화장치 및 이를 이용한 가스화효율을 향상시키는 가스화방법{Microwave Plasma Gasifier and Improve Method of Gasification Efficiency using thereof}
본 발명은 합성가스 생산을 위한 마이크로웨이브 플라즈마 가스화장치 및 이를 이용한 가스화효율을 향상시키는 가스화방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 플라즈마 발생장치에 의해 플라즈마 화염을 생성시키고, 생성된 플라즈마 화염에 탄화수소물질인 연료를 공급하여 가스화가 이루어지도록 하되, 상기 연료는 플라즈마 화염과의 접촉시간 또는 접촉면적이 증가되도록 공급하여 가스화를 촉진시키고, 공급되는 스팀,산소,연료의 혼합비를 조절하여 가연성가스의 수취량을 증가시킬 수 있는 가스화장치 및 가스화방법에 관한 것이다.
플라즈마란 물질의 제4의 상태로 불리는 원자핵과 전자가 분리된 전리기체를 말한다. 플라즈마의 형성은 그 발생과 더불어 화학적 반응을 활성화시킬 수 있는 다량의 라디칼을 형성시킨다. 플라즈마는 크게 저온 플라즈마와 고온 플라즈마로 분류할 수 있다.
저온 플라즈마는 100℃ 이하의 저온에서 화학적 반응이 요구되는 분야에 사용되며, 고온 플라즈마의 경우 5000℃ 이상의 온도도 짧은 시간내에 올릴 수 있기 때문에 고온이 요구되는 소각, 용해 등의 분야에 적용될 수 있다. 최근에는 단순한 소각, 연소에서 공정의 효율 및 생성가스의 활용이 다양한 가스화 기술에 고온 플라즈마 기술이 적용, 연구되고 있다. 현재까지 가장 널리 사용되고 있는 플라즈마 방법으로는 아크 방전을 이용한 토치를 사용하는 방법이 적용되고 있으나, 방전 중에 발생하는 고온으로 인한 전극수명의 한계, 많은 전류가 흘러야 하기 때문에 높은 전력이 요구되며, 가스화 반응에 필요한 스팀을 주입하는 경우 전극의 수명을 단축시킬 수 있다. 따라서, 최근 마이크로웨이브를 활용한 고온 플라즈마 응용 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히 기존에 폐기물 처리에 많이 응용되던 아크토치 플라즈마 가스화 기술에서 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 가스화 연구가 주목받고 있다.
가스화란 탄화수소계 물질의 부분산화를 통하여 수소, 일산화탄소 및 메탄과 같은 가연성의 혼합가스 형태로 전환시키는 공정을 말한다. 기존 가스화의 경우 연료를 일부 연소시킴으로써 그 열로 가스화 온도를 유지하는 방식으로 운전온도인 1300℃ 정도까지 장치의 초기 예열을 위한 버너, 공급연료, 공급배관 및 설비 등이 추가적으로 요구되며, 가스화기 내화물의 온도가 충분히 예열되어야 하기 때문에 상당히 오랜 시간 연료를 연소시켜 주어야 한다. 그렇기 때문에 석탄등을 이용하는 분류층 가스화기의 경우 특히 한번 예열 후에는 수개월간 지속적으로 운전을 하고 있다. 반면 플라즈마 가스화기의 경우 외부의 전력으로 플라즈마를 생성해 화염을 형성시켜서 반응 온도를 유지하는 것으로, 연료의 연소를 통한 온도유지가 필요 없다. 또한 플라즈마 중심부의 온도는 기존 가스화 방식보다 수천도 높은 온도를 단시간에 형성시킬 수 있기 때문에 예열에 필요한 시간이 매우 짧은 장점을 갖고 있다. 매우 높은 온도조건에서 가스화가 이루어지기 때문에 짧은 체류시간 및 높은 연료의 전환율을 얻을 수 있으며, 황화합물 등이 플라즈마를 통하여 분해됨으로써 청정한 합성가스의 수취가 가능하다.
기존 가스화 방식의 경우에도 공정의 효율에 많은 영향을 미치는 부분이 가스화기로 연료를 주입하는 방식이다. 연료를 주입하는 방식에 따라 연료를 가스화기 내부에 미립 분사시킴으로써 열화학적 전환 효율을 높일 수 있으며, 고온의 가스화 반응기 내 체류시간을 조절할 수 있고, 가스화기의 구조 및 형태에 따라 연료 중 연소가 안되는 재의 원활한 배출이 가능하며, 이는 플라즈마 가스화에서도 동일하다. 마이크로웨이브 플라즈마의 경우 플라즈마 형성가스가 마이크로웨이브 영역을 거치면서 플라즈마 화염이 형성된 이후에 탄화수소 연료가 공급되어야 하는데, 이때 플라즈마는 중심부 영역이 매우 고온이며 주위로 갈수록 온도가 급격히 낮아지기 때문에 석탄을 플라즈마 중심부 영역으로 적절히 공급해 주어야 하는 기술적인 문제점이 있다. 실험실 규모에서는 실험의 편리성 때문에 수평형으로 사용하는 경우가 많으며, 이러한 수평형 구조에서는 플라즈마 화염 직후에 탄화수소 연료를 화염과 수직으로 공급함으로써 화염의 중심 고온영역에 연료를 공급하는 것이 용이하다. 그러나, 수평형의 경우 연료 내 포함되어 있는 재 성분의 원활한 연속적인 배출이 어렵고, 공급관 하부에 쌓여 플라즈마 화염을 간섭함으로써 가스화 효율을 저하시킬 수 있다. 따라서 화염이 아래쪽으로 향하는 수직형 구조로 장치를 운용하는 것이 이러한 문제점을 해결해 줄 수 있을 것이다. 그러나, 이러한 수직형 구조의 경우 플라즈마 화염 형성 후 탄화수소 연료를 화염 중앙 고온부에 효과적으로 공급하는 방법이 어려우며, 이로 인하여 생산되는 가연성가스의 효율이 저하되는 단점이 있다.
따라서, 수직형 마이크로웨이브 플라즈마 가스화기의 구조적 배치와 이때 탄화수소 연료를 화염 중심부로 효과적으로 공급하면서 가스화 시킬 수 있는 장치에 대한 연구가 필요하다.
이에 본 출원인은 특허출원 10-2010-0082419(2010.8.25.출원)호에서 합성가스 제조용 마이크로웨이브 플라즈마 가스화장치 및 방법을 제시하였다. 상기 선출원건은 플라즈마가 수직방향으로 형성하고 이에 연료를 공급하여 가스화하고 남은 잔여 회재성분은 낙하하여 제거되도록 함으로써 가스화에 저해되지 않도록 한 것이다.
상기 선출원된 플라즈마 가스화장치는 다양한 성질의 연료로부터 즉시 가스화가 가능하여 예열시간을 단축해 에너지소비력을 절감시킬 수 있는 장점이 있다.
그러나 상기 가스화장치는 플라즈마화염의 형성길이를 증가시켜 공급되는 연료와의 접촉면적을 증가시키는 방식만 제시하고 있어 이외에 다양한 방식에 대한 추가 연구와, 가연성가스의 수취량을 증가시킬 수 있는 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
이에 본 발명의 마이크로웨이브 플라즈마 가스화장치 및 이를 이용한 가스화효율을 향상시키는 가스화방법은,
연료와 플라즈마의 접촉시간이 증대되도록 플라즈마화염이 시작되는 머리부분에 최대한 근접되도록 연료를 공급하고, 스팀,산소,연료의 혼합비를 조절하여 CO2의 발생량을 줄이고 가연성가스의 발생량을 증가시켜 가스화효율을 향상시키는 장치 및 방법의 제공을 목적으로 한다.
상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 마이크로웨이브 플라즈마 가스화장치는,
탄화수소 연료와 스팀을 고온의 마이크로웨이브 플라즈마화염하에서 반응시켜 합성가스로 전환시키도록 플라즈마 발생가스가 공급되는 가스공급챔버와, 상기 가스공급챔버와 연통된 석영관을 내포하여 플라즈마화염을 생성하는 플라즈마 발생장치와, 생성된 플라즈마화염으로 연료를 투입하는 연료공급챔버와, 연료공급챔버의 하단에 연통설치되어 가스화가 이루어지는 수직관체인 가스화챔버를 포함하여 구성된 가스화장치에 있어서, 상기 플라즈마발생장치는, 전원을 공급받아 마이크로웨이브를 발생시키는 마이크로웨이브소스와, 상기 마이크로웨이브 소스에서 발생된 마이크로웨이브를 일측으로 이동시키고 이동과정에서 유로를 점진적으로 협소하게 하여 마이크로웨이브를 고밀도로 응집시켜 출력전기장을 최대로하는 수평관인 도파관과, 상기 마이크로웨이브 소스의 마이크로웨이브 발생 출력을 조절하는 플라즈마제어기와, 상기 도파관의 협소해진 유로를 갖는 단부에 수직내설되고 상단이 가스공급챕버와 연통되어 플라즈마발생가스가 이송되는 석영관으로 구성되어 석영관을 통과하는 플라즈마생성가스에 고밀도 마이크로웨이브를 조사하여 전기장 상승에 의해 플라즈마 발생가스를 해리시키고 플라즈마 방전에 의해 플라즈마 화염을 형성하도록 하고; 상기 연료공급챔버는 상기 석영관의 하단에 연통되어 가스공급챔버와 동일한 축으로 수직유로가 형성되고, 상기 수직유로에는 수직유로를 중심축으로 하는 링형연료분사구가 형성되며, 측면에는 이송가스에 혼합된 연료를 정량공급하는 연료공급관이 연통설치되어 연료공급관을 통해 공급된 연료를 링형연료분사구를 통해 플라즈마화염으로 투입되도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가스화장치를 이용한 가스화효율을 향상시키는 가스화방법은,
탄화수소 연료와 스팀을 고온의 마이크로웨이브 플라즈마 화염하에서 반응시켜 합성가스로 전환시키도록 플라즈마 발생가스가 공급되는 가스공급챔버와, 상기 가스공급챔버와 연통된 석영관을 내포하는 플라즈마 발생장치와, 생성된 플라즈마화염으로 연료를 투입하는 연료공급챔버와, 연료공급챔버의 하단에 연통설치되어 가스화가 이루어지는 수직관체인 가스화챔버를 포함하여 구성된 가스화장치를 이용한 가스화방법에 있어서, 산소와 스팀를 혼합하여 플라즈마발생가스를 생성하는 플라즈마발생가스 생성단계와; 생성된 플라즈마발생가스를 수직유로를 통해 하부로 고압공급하는 플라즈마발생가스 공급단계와; 공급된 플라즈마 발생가스에 플라즈마발생장치에서 생성된 마이크로웨이브를 조사하는 단계와; 조사되는 마이크로웨이브의 전기장에 의해 플라즈마발생가스의 분자를 해리시켜 플라즈마 방전으로 플라즈마화염을 형성하는 단계와; 상기 플라즈마화염이 시작되는 머리부분에 근접된 부분에서 이송가스에 혼합된 연료를 하향분사하되, 분사는 링형연료분사구를 통해 플라즈마화염의 외주면에서 축중심방향으로 이루어지는 링형 연료공급단계와; 상기 플라즈마 화염의 고열에 의해 공급된 연료를 열분해하여 합성가스를 생산하는 단계와; 생산된 합성가스로부터 회재 및 촤를 분리하여 저장하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 해결수단에 의한 본 발명의 마이크로웨이브 플라즈마 가스화장치 및 이를 이용한 가스화효율을 향상시키는 가스화방법은,
플라즈마가 형성되는 도파관에 근접되도록 연료공급수단을 위치시켜 발생된 플라즈마 화염과 공급되는 연료와의 접촉시간을 증대시켜 가스화에 의한 가연성가스의 수취율을 증대시키는 효과가 있다.
또한, 스팀,산소,연료의 혼합비를 조절하여 CO2의 발생량을 줄이고 가연성가스 특히 H2의 수취량을 증가시키는 것이 가능하게 되었다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로웨이브 플라즈마 가스화장치를 도시한 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료공급챔버 부분을 확대도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 보조공급판이 설치된 연료공급챔버를 부분확대 도시한 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 가스화방법을 도시한 블록도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 연료공급경로를 도시한 가스화장치의 개략단면도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 연료 공급 방법에 따른 합성가스 조성의 변화를 비교하여 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 연료 공급 방법에 따른 탄소전환율과 냉가스효율의 변화를 비교하여 나타낸 그래프.
도 8 내지 도 11은 본 발명에 따른 연료공급을 위한 이송가스의 종류 및 유량에 따른 합성가스 조성의 변화 및 탄소전환율과 냉가스효율의 변화를 나타낸 그래프.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로웨이브 플라즈마 가스화장치를 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 연료공급챔버 부분을 확대도시한 단면도이다.
참조한 바와같이 탄화수소 연료와 스팀을 고온의 마이크로웨이브 플라즈마 화염하에서 반응시켜 합성가스로 전환시키는 가스화장치(1)는, 가스공급챔버(10)와 연료공급챔버(30)와 가스화챔버(40)가 동일수직축상에 설치되어 내부유로가 연통되도록 한다.
상기 가스공급챔버(10)에는 플라즈마 발생가스를 내부 수직유로(80)의 축방향으로 고압으로 공급하는 챔버이다. 상기 공급되는 플라즈마 발생가스로는 산소와 스팀이 있으며, 산소이외에 공기를 대체공급하거나, 질소를 혼합공급하여 공급되는 유량을 일정하게 유지하면서 산소투입량을 조절할 수 있다. 각 공급라인에는 가스내의 이물질을 제거하는 필터와, 공급되는 가스량을 조절하는 유량제어기와, 가스공급라인을 단속하는 밸브가 더 설치될 수 있다.
상기 플라즈마 발생가스는 한 종류의 가스만 공급하거나 다수 가스를 혼합하여 공급되게 할 수 있다. 본 발명에서는 가스공급챔버(10)의 단부에 혼합장치(11)를 설치하여 공급되는 산소와 스팀을 혼합하여 공급되도록 한다. 물론 상기 산소와 스팀은 별도의 공급라인을 통해 가스공급챔버로 공급되도록 할 수 있으며, 이때 가스공급챔버의 축방향으로 공급하여 유속이 저하되는 것을 방지하는 것이 바람직하다.
상기 공급된 플라즈마생성가스는 플라즈마발생장치(20)의 도파관(22)을 통과하여 연료공급챔버(30)로 공급된다.
여기서 상기 플라즈마 발생장치(20)는, 마이크로웨이브를 발생시키는 마이크로웨이브 소스(21)와, 상기 마이크로웨이브 소스에 연계된 도파관(22)을 포함한다. 상기 마이크로웨이브 소스(21)의 예로는 마그네트론이 있으며, 전원을 공급받아 마이크로웨이브를 발생시킨다. 또한 일측에는 플라즈마제어기(23)가 설치되어 마이크로웨이브의 발생출력을 조절하도록 한다.
또한, 상기 마이크로웨이브 소스(21)에서 발생된 마이크로웨이브는 도파관(22)에 의해 일측으로 이동된다. 상기 도파관(22)은 수평으로 형성하여 발생된 마이크로웨이브를 수평이동시키고, 일측에는 내부유로가 점진적으로 협소해지는 테이퍼부(221)가 형성되어 이동되는 마이크로웨이브를 고밀도로 응집시켜 출력전기장을 최대로 높일 수 있다.
이와같이 수평배관되는 도파관(22)은 발생된 마이크로웨이브가 고밀도로 응집되는 단부에 석영관(24)을 수직설치하여 상기 석영관의 상단이 가스공급챔버(10)와 연통설치되고, 동일축상으로 석영관 하단이 연료공급챔버(30)와 연통되도록 설치한다. 상기 도파관 내부의 관을 가스공급챔버 또는 연료공급챔버와 같은 금속재질로 하지 않는 것은 고밀도의 마이크로웨이브에 의해 도파관을 삽통하는 관체가 가열되어 융해될 수 있으므로 이를 방지하기 위해 석영관을 안치한 것이다.
또한, 상기 도파관(22)에는 질소공급관을 연통시켜 도파관 내부압력을 가스공급챔버의 압력과 동일 또는 유사한 고압으로 형성하여 가스공급챔버로 공급된 플라즈마발생가스가 안치된 석영관과 도파관의 틈을 통해 도파관 내부로 유입되는 것을 방지하도록 할 수 있다.
상기 도파관(22)의 석영관(24)을 통과하는 플라즈마발생가스는 도파관에 의해 인가된 전기장으로 기체분자의 연결을 끊는 해리상태가 되어 가연성기체인 수소와 산소가 생성된다. 상기 생성가스는 플라즈마 방전에 의해 플라즈마 화염(25)을 형성한다. 상기 플라즈마 화염은 고속의 유체흐름에 의해 연료공급챔버(30) 내부로 길게 형성된다.
상기 연료공급챔버(30)는 측면에 연통설치된 연료공급관(32)을 통해 연료를 유입하여 내부 수직유로에 형성된 플라즈마 화염(25)으로 연료를 정량 공급한다. 이 때 연료로는 탄화수소를 포함한 가연성가스로 전환될 수 있는 물질이며, 대표적으로는 석탄, 바이오매스, 석유코크스, 폐플라스틱, 유기성 폐기물 등 이다. 상기 공급되는 연료는 정량공급피더에 의해 정량공급되고, 이송가스로는 질소 또는 아르곤이 사용된다.
또한, 상기 연료공급관(32)을 통한 연료의 공급방향으로는 플라즈마화염에 직접 향하도록 공급하며, 최대한 플라즈마화염(25)의 발생시작부분과 가까운 부분으로 연료의 공급이 이루어지도록 하여 연료가 플라즈마 화염이 형성되는 영역에 위치하는 시간을 증가시키도록 한다.
예컨대 도파관(22)에 최대한 가까운 부분의 연료공급챔버를 통해 연료를 공급하거나, 별도의 연료공급챔버 없이 도파관을 고정시키기 위한 플랜지부분을 통해 연료의 공급이 이루어지도록하여 플라즈마화염의 영역에 연료가 통과하는 시간을 증가시킬 수 있다.
또한, 상기 연료는 연료공급챔버(30)의 하부에 연통설치된 가스화챔버(40)를 통과하면서 열분해가 진행된다. 또한, 상기 가스화챔버를 포함한 가스화장치의 내부 수직유로는 유량흐름조절기에 의해 압력이 조절되어 생성된 가스가 가스화챔버 하부로 이동되어 배출구를 통해 배출이 이루어지도록 한다.
상기 배출구를 통해 배출되는 가스와 회재 및 미반응물질인 촤는 사이클론(50)에 의해 분리되고, 회재 및 촤 성분이 분리된 기체성분인 합성가스는 포집탱크(60)에 포집된다.
여기서 상기 사이클론(50)에 의해 분리된 가스성분은 성분분석기(70)에 의해 분석되어 분석값에 의해 플라즈마 발생가스 공급량, 연료공급량 또는 플라즈마발생장치의 마이크로웨이브 발생출력을 조절하도록 할 수 있고, 이러한 컨트롤은 별도의 제어부를 통해 실행되도록 할 수 있으며, 이때 상기 플라즈마제어기는 제어부의 일부분으로 구성될 수 있다.
한편, 상기 구성에서 연료공급챔버는 플라즈마발생장치의 석영관 하단에 연통되어 가스공급챔버(10)와 동일한 축으로 수직유로(80)가 형성되고, 상기 수직유로에는 수직유로를 중심축으로 하는 링형연료분사구(31)가 형성되며, 측면에는 연료를 이송가스로 정량공급하는 연료공급관(32)이 연통설치되어 연료공급관(32)에서 공급된 연료를 링형연료분사구(31)를 통해 플라즈마화염으로 투입되는 구조이다.
상기 연료공급챔버(30)는 내부에 링형연료분사구 유로를 구비하는 일체형으로 형성하거나, 다수의 부재를 다단 적층결합하여 각 부재의 결합틈에 의해 링형연료분사구가 형성되도록 할 수 있다.
예컨대 도 2를 참조한 바와같이 상기 연료공급챔버(30)는 플라즈마발생장치(20)와 연통되는 상부공급판(34)과, 상기 상부공급판의 하부에 결합되어 가스화챔버(40)와 연통되는 하부공급판(33)으로 분리구성할 수 있다.
상기 상부공급판(34)과 하부공급판(33)은 내부에 가스공급챔버(10)와 동일한 축을 갖는 수직유로가 형성된 것이다. 상부공급판과 하부공급판은 외주면을 따라 플랜지가 형성되어 서로 결합함은 물론 연료공급챔버의 상하부에 위치하는 플라즈마발생장치(20) 및 가스화챔버(40)에 각각 결합되도록 한다.
이러한 상기 상부공급판(34)의 저면에는 수직유로가 형성된 중앙부분이 하부로 돌출된 상판돌기부(341)가 형성되며, 돌출된 외면은 중심축을 향하여 점진적으로 직경이 축소되는 원뿔대의 형상으로 형성된다. 또한, 상기 하부공급판(33)의 상면에는 수직유로가 형성된 중앙부분이 하부로 함몰된 하판홈부(331)가 형성되고, 상기 하판홈부의 함몰된 내면은 중심축을 향하여 점진적으로 직경이 축소되는 원뿔대 형상을 갖도록 한다.
상기 상판돌기부(341)의 외면과 상기 상판돌기부가 내입되는 하판홈부(331)의 내면은 일정간격 이격되어 중앙의 수직유로를 향하여 링형연료분사구(31)가 형성되도록 한다. 상기 상판돌기부와 하판홈부 사이의 이격틈에는 외부의 연료공급관(32)을 연통시켜 연료가 이격틈으로 유입되도록 하고, 유입된 연료는 링형연료분사구(31)를 통해 수직유로(80)로 분사되도록 한다.
여기서 상기 연료공급관(32)은 도시된 바와같이 상부공급판(34)에 연통설치되고, 연료공급관의 단부로부터 이격틈까지는 상부공급판 또는 하부공급판 중 어느 하나 또는 양측모두를 통해 유로를 형성하여 연료의 공급이 이루어지도록 할 수 있다. 또한 상기 연료공급관으로부터 이격틈까지의 연료를 공급하기 위한 유로는 길이형태로 형성하여 직접 링형분사구로 공급되는 것 보다는 수직유로를 중심축으로 하는 링형원판홈으로 형성하여 링형태로 형성된 이격틈 또는 링형연료분사구에 최대한 균일한 량으로 공급하여 균일한 분사가 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
아울러 상기 링형연료분사구(31)는 상판돌기부(341)와 하판홈부(331)의 면 형성각도에 의해 하향분사가 이루어지도록 하고 있다. 상기 하향분사는 연료분사에 의해 플라즈마화염의 진행속도가 저하되어 플라즈마화염의 형성길이가 짧아지는 것을 방지하기 위한 것이다. 이러한 링형연료분사구(31)는 상판돌기부(341)와 하판홈부(331)의 면 형성각도를 다르게하여 연료의 고압분사가 이루어지도록 할 수 있다. 즉, 링형연료분사구(31)를 형성하는 이격틈은 외경으로부터 내경방향으로 상하폭이 점진적으로 작아지도록 하여 연료분사가 이루어지도록 한 것이다.
또한, 상기 링형연료분사구(31)는 상판돌기부(341)와 하판홈부(331)의 면을 중심축의 하향경사를 갖도록 형성하여 연료의 분사도 하향으로 이루어지도록 하고 있으나, 하향경사로 이루어지지 않고 수평으로 이격틈 및 링형연료분사구를 형성하여 수평분사가 이루어져 최대한 플라즈마화염의 시작부분과 근접된 부분으로 연료의 공급이 이루어지도록 할 수 있다.
그리고, 상기 하부공급판(33)은 두께를 증가시켜 링형연료분사구에서 분사된 연료의 진행이 안정적으로 이루어지게 할 수 있으며, 이외에 도시된 바와같이 하부공급판의 저면에 하판돌기부(332)를 더 형성하여 하부공급판의 중앙 일부만 두께를 증가시켜 제조비용을 절감시킬 수 있다.
또한, 상기 연료공급챔버(30)에 형성된 수직유로(80)는 상부에서 하부로 점진적으로 직경이 확장되는 원뿔대형으로 형성할 수 있다. 이는 연료공급챔버(30) 하부의 가스화챔버(40)가 연료공급챔버 상부의 가스공급챔버(10)보다 유로직경이 더 크게 형성되기 때문에 연료공급챔버 내의 수직유로를 점진적으로 확장시켜 내부 유로가 급격하게 확장되거나 축소되는 것을 방지하고, 연료 또는 이송가스의 공급으로 유량변화에 의해 내부유속이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
상기 연료공급챔버(30)에는 보조공급판(35)을 더 설치하여 링형가스분사구(36)가 더 형성되게 할 수 있다. 상기 링형가스분사구(36)는 링형연료분사구(31) 이전에 플라즈마화염(25)으로 불활성기체 예컨대 질소를 분사하되 분사압력을 조절하여 플라즈마화염을 응집시키거나 분산시키도록 한다. 상기 플라즈마화염을 응집시키면 플라즈마화염의 형성길이를 연장시켜 링형연료분사구에서 플라즈마화염으로 연료 분사시 연료가 플라즈마화염을 통과하는 시간을 증가시켜 분해가 용이하게 이루어지도록 한 것이며, 플라즈마화염을 분산시키면 플라즈마화염이 넓은 면적으로 분산되어 공급되는 연료와의 접촉면적이 증가되어 분해를 촉진시키도록 한 것이다.
도 3을 참조한 바와같이 상기 보조공급판(35)은 상부공급판(34)의 상부에 안치되되 연료공급챔버의 수직유로와 동일축을 갖도록 축설된다. 상기 보조공급판(35)은 상부가 플라즈마발생장치(20)에 결합되거나 상부공급판(34)에 결합 또는 견고하게 안착되도록 하고, 보조공급판(35)과 상부공급판(34) 사이에는 내주면이 수직유로와 연통되는 링형태의 이격틈을 형성하여 수직유로방향으로 형성된 링형가스분사구(36)를 통해 질소가스를 분사하도록 한다. 여기서 상기 보조공급판(35)과 상부공급판(34) 사이의 이격틈에는 질소를 공급하기 위한 유로에 의해 상부공급판의 일측에 설치된 질소공급관(37)과 연통되어 질소공급관을 통해 공급되는 질소가 유로를 통해 보조공급판과 상부공급판 사이의 이격틈으로 공급되고, 공급된 질소는 링형가스분사구(36)를 통해 수직유로의 축방향으로 분사가 이루어지도록 한다.
이때 상기 링형가스분사구(36)는 하향경사를 갖도록 하여 수직유로의 축방향으로 형성되는 플라즈마화염의 진행방향과 동일한 하향으로 가스가 진행하면서 축중심으로 향하여 분사되어 플라즈마화염을 고밀도로 응집 또는 분산시킨다.
따라서 상기 링형가스분사구(36)는 수직유로의 축중심으로 하향분사되도록 상기 상부공급판(34)의 상면에는 수직유로가 형성된 중앙부분에 상판홈부(342)를 형성하고, 상기 보조공급판(35)의 저면에는 수직유로가 형성된 중앙부분에 하부로 돌출된 보조돌기부(351)를 형성한다. 상기 상판홈부면과 보조돌기부면은 상하로 이격되어 이격틈이 형성되도록 하여 수직유로를 형성하는 내주면을 따라 링형태로 개구된 링형가스분사구(36)가 형성되도록 한다.
이와같이 본 발명에 따른 연료공급챔버(30)는 상부공급판(34)과 하부공급판(33)으로 구성하여 링형연료분사구(31)만 형성하여 연료공급이 이루어지도록 하거나, 보조공급판(35)을 더 추가구성하여 링형가스분사구(36)를 형성해 플라즈마화염의 상태를 변경하여 공급되는 연료의 가스화가 용이하게 이루어지도록 할 수 있다.
도 4를 참조한 바와같이 상기 마이크로웨이브 플라즈마 가스화장치를 이용한 가스화방법은,
먼저 산소와 스팀를 혼합하여 플라즈마발생가스를 생성하는 플라즈마발생가스 생성단계가 이루어진다.
다음으로는 생성된 플라즈마발생가스는 수직유로를 따라 하부로 고압공급하는 플라즈마발생가스 공급단계가 수행된다.
수직유로를 형성하는 플라즈마발생장치의 석영관을 통과하는 플라즈마발생가스에는 플라즈마발생장치에서 생성된 마이크로웨이브를 조사하는 단계가 이루어진다.
조사되는 마이크로웨이브의 전기장에 의해 플라즈마발생가스의 분자를 해리시켜 플라즈마 방전으로 플라즈마화염을 형성하는 단계가 수행된다.
상기 플라즈마화염이 시작되는 머리부분에 근접된 부분에서 이송가스에 혼합된 연료를 하향분사하되, 분사는 링형연료분사구를 통해 플라즈마화염의 외주면에서 축중심방향으로 이루어지는 링형 연료공급단계가 이루어진다. 즉, 본 단계에서는 링형연료분사구에서 연료가 하향으로 축중심을 향해 원뿔형태로 분사가 이루어져 플라즈마화염 외주면을 따라 연료가 공급되도록 하는 것이다.
이러한 링형 연료공급단계 이전에는 불활성가스 대표적으로 질소를 플라즈마화염의 외주면을 따라 링형으로 분사하고 분사압력을 조절하여 플라즈마화염을 응집시키거나 분산시켜 링형연료공급단계에서 공급되는 연료와의 접촉시간 또는 접촉면적을 증가시키는 플라즈마화염 상태조절단계가 더 이루어질 수 있다. 즉, 분사압력을 일정수준으로 유지하면 질소분사압력에 의해 플라즈마화염의 외면이 가압되어 플라즈마화염을 축 중심방향으로 응집시켜 플라즈마화염이 길게 형성되도록 할 수 있다. 또한, 상기 분사압력보다 더 강한게 분사되도록 조절하면 분사압력에 의해 플라즈마화염은 넓은 면적으로 분산된다. 따라서, 분사압력 조절에 의해 플라즈마화염의 길이를 길게 하거나 넓은 면적으로 분산되도록 하여 접촉시간 또는 접촉면적을 증가시켜 열분해를 촉진시킬 수 있다.
다음으로는 상기 플라즈마 화염으로 열분해된 성분으로 합성가스를 생산하는 단계와, 생산된 합성가스로부터 회재 및 촤를 분리하여 저장하는 단계가 이루어진다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 설명한다.
실시예
본 발명에 따른 가스화효율 향상은 도 1에 도시된 바와같이 본 발명에 따른 마이크로웨이브 플라즈마 가스화장치를 이용하였다. 공급되는 연료로는 탄화수소 연료의 대표적인 물질 중 하나인 석탄을 사용하였으며, 사용된 석탄의 원소, 공업 및 발열량 분석값을 표1에 나타내었다.
Shenhua coal
원산지 중국
공업분석(wt.%)
수분 5.174
휘발분 31.707
회재 5.803
고정탄소 57.316
원소분석(wt.%)
탄소 67.46
수소 4.964
질소 1.033
산소 14.858
황 0.71
고위발열량 (kcal/Nm3) 6,465
마이크로웨이브 플라즈마 화염을 이용하여 석탄을 가스화 하는 경우 플라즈마 화염과 공급되는 석탄의 원활한 접촉 및 체류시간의 증가는 가스화 효율을 높이는데 매우 중요하다.
도 5는 본 발명에서 개발한 3가지의 다른 연료주입 위치를 도시한 것이다. 첫번째인 ① 방향의 경우는 하향으로 벽면을 타며 선회하면서 플라즈마 화염에 공급되는 방식이고, 두번째인 ②의 경우는 반응기 옆방향에서 선회되도록 공급하는 방식이다. 세번째인 ③의 경우 플라즈마 화염이 생성되는 가장 가까운 지점에서 플라즈마 화염에 직접 공급되는 방식이다.
도 6은 석탄 공급 방법에 따른 합성가스 조성의 변화를 비교하여 나타낸 그래프이다.
실험에서 연료로는 신화탄(Shenhual coal)을 사용하였으며, 스팀/연료 비는 0.873, 산소/연료 비는 0.272로 일정하게 공급하였다. 플라즈마 파워 5kWe 조건에서 플라즈마 형성가스로는 공기와 스팀을 사용하였다.
나타난 바와같이 석탄공급 방법 ①, ②, ③의 순서대로 생성가스 중 H2의 함량은 증가하는 경향을 보였으며, CO와 CO2의 경우 감소하는 경향을 보였다. 석탄공급 방법에 따른 CH4의 조성 변화는 거의 없었다. 따라서, 플라즈마화염에 근접하여 연료를 공급한 ②, ③에서 H2의 함량증가와 CO2의 감소가 좋게 나타났다.
도 7은 석탄 공급 방법에 따른 탄소전환율과 냉가스효율의 변화를 비교하여 나타낸 그래프이다.
석탄공급방법인 ①, ②, ③의 순서대로 동일한 반응 조건에서 탄소전환율과 냉가스효율이 증가하여 ③에서 가장 좋은 결과가 나타났으며, 석탄공급 방법의 변화만으로 탄소전환율의 경우 25% 이상, 냉가스효율의 경우 30% 정도 증가시킬 수 있었다.
이의 결과를 통하여 플라즈마 화염이 생성되는 지점 근처로 석탄을 주입하는 것이 더 오랜 체류를 통한 가스화 효율을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
도 8은 플라즈마화염으로 연료를 직접 공급하는 플라즈마 가스화장치에서 연료인 석탄을 플라즈마화염으로 이송하는 이송가스로 질소를 사용하는 경우 이송가스 유량에 따른 합성가스 조성의 변화를 비교하여 나타낸 그래프이다.
이송 가스의 양을 증가시키는 경우 생성되는 가스의 조성은 거의 변화가 없었다. 생성가스 중 CO의 농도가 약간 감소하였으며, CO2의 농도는 약간 증가함을 알 수 있었다.
도 9는 연료인 석탄을 플라즈마화염으로 이송하는 이송가스로 질소를 사용하는 경우 이송가스 유량에 따른 탄소전환율과 냉가스효율의 변화를 비교하여 나타낸 그래프이다.
이송가스의 양을 증가시키는 경우 탄소전환율과 냉가스효율은 5∼8% 증가하였다. 이는 비활성 기체인 N2를 석탄 이송기체로 사용하여 이송기체의 공급량을 증가하여도 가스화반응으로 생성되는 기체조성은 변화되지 않지만, 연료인 석탄을 플라즈마화염으로 미립화 분산시키며 플라즈마 화염과의 접촉면적을 증가시켜 생성가스의 양을 증가시킴으로써 탄소전환율과 냉가스효율을 향상시킨 것이다.
도 10은 연료인 석탄을 플라즈마화염으로 이송하는 가스로 공기를 사용하는 경우 이송가스 유량에 따른 합성가스 조성의 변화를 비교하여 나타낸 그래프이다.
이송기체 유량이 증가할수록 플라즈마화염에 의한 반응부분에 공급되는 산소의 양이 증가되어 산소/연료 비를 증가시키는 결과가 초래하며, 이는 곧 생성가스 내 H2의 감소, CO의 증가를 야기하였다.
따라서, H2의 수취량을 증가시키기 위해서는 이송가스로 공기보다는 비활성기체인 질소를 사용하는 것이 바람직하다.
도 11은 연료인 석탄을 플라즈마화염에 의한 반응부로 이송하는 이송가스를 공기로 사용하는 경우 이송가스 유량에 따른 탄소전환율과 냉가스효율의 변화를 비교하여 나타낸 그래프이다.
이송가스의 양을 증가시키는 경우 탄소전환율의 경우 25% 정도, 냉가스 효율의 경우 6% 정도 증가하는 경향을 보였다.
앞서 N2를 석탄 이송기체로 사용하는 경우와 비교하면, 탄소전환율은 공기를 사용하는 경우가 더 높은 값을 보였지만, 냉가스효율의 경우 N2를 사용하는 경우가 더 좋았다.
결국 공기를 사용하는 경우 반응기로 공급되는 산소의 양 증가로 연소반응으로 인하여 탄소전환율은 향상시키지만, 가연성 가스의 생성이 적어짐으로 인하여 냉가스효율은 감소하는 결과를 보였다.
전반적으로 연료의 공급방법의 변화를 통하여 일산화탄소 보다는 수소의 함량이 높고 이산화탄소의 발생이 적은 합성가스의 제조가 가능하였으며, 플라즈마 가스화 효율을 향상시킬 수 있었다.
1 : 가스화장치
10 : 가스공급챔버 11 : 혼합장치
20 : 플라즈마발생장치
21 : 마이크로웨이브소스 22 : 도파관
23 : 플라즈마제어기 24 : 플라즈마화염
25 : 석영관 221 : 테이퍼부
30 : 연료공급챔버
31 : 링형연료분사구 32 : 연료공급관
33 : 하부공급판 34 : 상부공급판
35 : 보조공급판 36 : 링형가스분사구
37 : 질소공급관
331 : 하판홈부 332 : 하판돌기부
341 : 상판돌기부 342 : 상판홈부
351 : 보조돌기부
40 : 가스화챔버
50 : 사이클론
60 : 포집탱크
70 : 성분분석기
80 : 수직유로

Claims (9)

  1. 탄화수소 연료와 스팀을 고온의 마이크로웨이브 플라즈마화염하에서 반응시켜 합성가스로 전환시키도록 플라즈마 발생가스가 공급되는 가스공급챔버(10)와, 상기 가스공급챔버와 연통된 석영관(24)을 내포하여 플라즈마화염(25)을 생성하는 플라즈마 발생장치(20)와, 생성된 플라즈마화염으로 연료를 투입하는 연료공급챔버(30)와, 연료공급챔버의 하단에 연통설치되어 가스화가 이루어지는 수직관체인 가스화챔버(40)를 포함하여 구성된 가스화장치(1)에 있어서,
    상기 플라즈마발생장치(20)는, 전원을 공급받아 마이크로웨이브를 발생시키는 마이크로웨이브소스(21)와, 상기 마이크로웨이브 소스에서 발생된 마이크로웨이브를 일측으로 이동시키고 이동과정에서 유로를 점진적으로 협소하게 하여 마이크로웨이브를 고밀도로 응집시켜 출력전기장을 최대로하는 수평관인 도파관(22)과, 상기 마이크로웨이브 소스의 마이크로웨이브 발생 출력을 조절하는 플라즈마제어기(23)와, 상기 도파관의 협소해진 유로를 갖는 단부에 수직내설되고 상단이 가스공급챕버와 연통되어 플라즈마발생가스가 이송되는 석영관(24)으로 구성되어 석영관을 통과하는 플라즈마생성가스에 고밀도 마이크로웨이브를 조사하여 전기장 상승에 의해 플라즈마 발생가스를 해리시키고 플라즈마 방전에 의해 플라즈마 화염(25)을 형성하도록 하고;
    상기 연료공급챔버(30)는 상기 석영관(24)의 하단에 연통되어 가스공급챔버(10)와 동일한 축으로 수직유로가 형성되고, 상기 수직유로에는 수직유로를 중심축으로 하는 링형연료분사구(31)가 형성되며, 측면에는 이송가스에 혼합된 연료를 정량공급하는 연료공급관(32)이 연통설치되어 연료공급관을 통해 공급된 연료를 링형연료분사구(31)를 통해 플라즈마화염으로 투입되도록 한 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 플라즈마 가스화장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연료공급챔버(30)는 플라즈마발생장치(20)와 연통되는 상부공급판(34)과, 상기 상부공급판의 하부에 결합되어 가스화챔버(40)와 연통되는 하부공급판(33)으로 분리구성하고,
    상기 상부공급판(34)의 저면은 수직유로가 형성된 중앙부분에 하부로 상판돌기부(341)가 형성되고, 상기 하부공급판(33)의 상면은 수직유로가 형성된 중앙부분에 상기 상판돌기부 면과 이격틈인 링형연료분사구(31)가 형성되도록 하판홈부(331)를 형성하고, 상기 상판돌기부와 하판홈부의 이격틈으로는 연료공급관(32)을 연통시켜 공급받은 연료를 링형연료분사구(31)를 통해 수직유로의 중심축으로 하향분사되도록 한 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 플라즈마 가스화장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 상부공급판(34)의 상부에는 수직유로가 형성된 보조공급판(35)을 축설하고,
    상기 상부공급판(34)의 상면에는 수직유로가 형성된 중앙부분에 상판홈부(342)를 형성하고, 상기 보조공급판(35)의 저면에는 수직유로가 형성된 중앙부분에 상기 상판홈부면과 이격틈이 형성되도록 하부로 돌출된 보조돌기부(351)를 형성하여 상기 보조돌기부와 상판홈부 사이의 이격틈에 의해 수직유로의 내주면을 따라 링형태로 링형가스분사구(36)가 형성되도록 하고, 상기 이격틈의 일측에는 외부로 형성된 유로에 의해 질소공급관(37)과 연통되도록 하여 질소공급관을 통해 공급받은 질소를 링형가스분사구(36)를 통해 수직유로의 축중심으로 하향분사되도록 한 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 플라즈마 가스화장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 링형연료분사구(31)를 형성하는 이격틈은 외경으로부터 내경으로 상하폭이 점진적으로 작아지도록 하여 링형연료분사구에서 연료를 고압분사되도록 한 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 플라즈마 가스화장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료공급챔버(30)에 형성된 수직유로는 상부에서 하부로 점진적으로 직경이 확장되도록 한 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 플라즈마 가스화장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생가스는 산소, 스팀이며,
    상기 산소와 스팀은 혼합장치에 의해 혼합되고, 혼합된 산소와 스팀의 혼합가스는 가스공급챔버의 축중심방향으로 고압공급하는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 플라즈마 가스화장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 스팀/연료비는 0.8~0.9 이고, 산소/연료비는 0.2~0.3으로 공급하여 수소의 수취량을 증가시키는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 플라즈마 가스화장치.
  8. 탄화수소 연료와 스팀을 고온의 마이크로웨이브 플라즈마 화염하에서 반응시켜 합성가스로 전환시키도록 플라즈마 발생가스가 공급되는 가스공급챔버와, 상기 가스공급챔버와 연통된 석영관을 내포하는 플라즈마 발생장치와, 생성된 플라즈마화염으로 연료를 투입하는 연료공급챔버와, 연료공급챔버의 하단에 연통설치되어 가스화가 이루어지는 수직관체인 가스화챔버를 포함하여 구성된 가스화장치를 이용한 가스화방법에 있어서,
    산소와 스팀을 혼합하여 플라즈마발생가스를 생성하는 플라즈마발생가스 생성단계와;
    생성된 플라즈마발생가스를 수직유로를 통해 하부로 고압공급하는 플라즈마발생가스 공급단계와;
    공급된 플라즈마 발생가스에 플라즈마발생장치에서 생성된 마이크로웨이브를 조사하는 단계와;
    조사되는 마이크로웨이브의 전기장에 의해 플라즈마발생가스의 분자를 해리시켜 플라즈마 방전으로 플라즈마화염을 형성하는 단계와;
    상기 플라즈마화염이 시작되는 머리부분에 근접된 부분에서 이송가스에 혼합된 연료를 하향분사하되, 분사는 링형연료분사구를 통해 플라즈마화염의 외주면에서 축중심방향으로 이루어지는 링형 연료공급단계와;
    상기 플라즈마 화염의 고열에 의해 공급된 연료를 열분해하여 합성가스를 생산하는 단계와;
    생산된 합성가스로부터 회재 및 촤를 분리하여 저장하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 플라즈마 가스화장치를 이용한 가스화방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 링형연료공급단계 이전에는 불활성가스를 플라즈마화염의 외주면을 따라 링형으로 분사하고 분사압력을 조절하여 플라즈마화염을 응집시키거나 분산시켜 링형연료공급단계에서 공급되는 연료와의 접촉시간 또는 접촉면적을 증가시키는 플라즈마화염 상태조절단계;가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 마이크로웨이브 플라즈마 가스화장치를 이용한 가스화방법.
KR1020120038725A 2012-04-13 2012-04-13 마이크로웨이브 플라즈마 가스화장치 및 이를 이용한 가스화효율을 향상시키는 가스화방법 KR101325947B1 (ko)

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