KR20220126974A - 디젤을 전자파 플라스마 토치로 개질 하여 합성가스를 생산하는 장치와 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자파 플라즈마 토치를 이용하여 디젤을 개질 하여 합성가스를 대량 생산하는 것으로서, 보다 상세하게는 수증기 또는 이산화탄소를 전자파 플라즈마 토치 시스템에 주입하여 토치 불꽃에 발생되는 활성입자들 예를 들어 수소원자 산소원자 산화수소 분자 등과 고온의 개질 챔버 내에서 자체 발생한 활성입자들이 개질 챔버에 유입되는 디젤을 고 효율로 개질 하여 합성가스를 대량으로 생산하는 장치와 방법이다. 개질 챔버에서 개질로 생성된 합성가스는 주로 일산화탄소와 수소로서 연료전지 등을 통하여 효율적으로 전기를 생산할 수 있는 고품격 에너지 원이다.

Description

디젤을 전자파 플라스마 토치로 개질 하여 합성가스를 생산하는 장치와 방법 {Apparatus and method of synthetic gas production from reforming of diesel by microwave plasma torch}
본 발명은 전자파 플라즈마 토치를 이용하여 디젤을 개질 하여 합성가스를 대량 생산하는 장치와 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자파 플라즈마 토치를 통해서 유입되는 수증기 또는 이산화탄소 속에 발생되는 수소원자 산소원자 또는 산화수소 분자들을 이용하여 디젤을 개질 함으로써 합성가스를 대량으로 생산하는 장치와 방법에 관한 것이다.
우리가 살고 있는 지구공간은 대기층을 포함해서 한정되어 있다. 그럼에도 불구하고 우리 인간은 여러 물질로 끊임없이 대기층을 오염하고 있어 매일 미세먼지를 걱정해야 할 형편이고 지구 온난화 현상이 미래 인류의 존속을 위협하고 있는 실정이다. 대기 오염의 주범중의 하나가 디젤이다. 디젤은 운송수단에 사용되기도 하고 산업체에서 발전이나 다른 연료로 빈번하게 사용하고 있다. 이처럼 무분별하게 사용되는 디젤에서 미세먼지를 포함하여 산화질소 등 각종 오염물질이 배출되고 비 효율적으로 사용되는 디젤은 많은 이산화탄소를 방출하여 지구 온난화를 가속화하고 있다. 그래서 디젤을 더욱 효율적으로 사용할 수 있는 한 방법으로 디젤을 합성가스로 전환함으로써 대기 오염물질의 배출을 최소화하고 연료효율을 개선하여 이산화탄소 배출을 감소하려고 한다.
본 발명은 위에서 언급한 필요성을 충족하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 디젤을 개질 하여 합성가스를 생산하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 먼저 디젤의 성질을 고찰한다. 도 1은 분자식이 C12H26로 기술되는 디젤 (Diesel)의 분자구조를 도식화한 것이며 디젤 1몰의 분자량은 170g이다. 디젤의 학술적 이름은 Dodecane이며 액체 상태의 엔탈피는 -350.9kJ/mole이며 기체상태의 엔탈피는 -289.4kJ/mole이다. 디젤의 녹는점과 끓는점은 각각 -9.57°C 와 216.3°C이다.
디젤 (C12H26) 분자는 고온에서 작은 분자들로 스스로 분해한다. 예를 들어 C12H26 →2C6H13, C12H26 → C5H11 + C7H15, C12H26 → C4H9 + C8H17, C12H26 → C3H7 + C9H19, 그리고 C12H26 → C2H5 + C10H21 등으로 분해하는데, 그때 분해상수는
4×1032(298/T)14.42exp(-56077/T) (s-1) (1)
이고 절대온도 T=1500K에서 그 상수 값은 1.7×106/s로서 섭씨 1200도에서 이 분해는 1백만분의 1초에 이루어진다. 식 (1)에서 T는 개질 챔버 내의 온도로서 절대온도 K로 표기된다.
각각의 분해과정을 고찰해 보면 (1) C12H26 → 2C6H13 → 2C2H4　+　2C4H9 → 4C2H4　+　2C2H5, (2) C12H26 → C5H11 + C7H15 → C5H11 + 3C2H4　+　CH3 → 4C2H4　+　C3H7 +　CH3 → 5C2H4　+　2CH3, (3) C12H26 → C4H9 + C8H17 → C2H4　+　C2H5 + C8H17 → 4C2H4　+　2C2H5, (4) C12H26 → C3H7 + C9H19 → C3H7 + C2H4 + C7H15 → 2C3H7 + 3C2H4 → 5C2H4　+　2CH3 와 (5) C12H26 → C2H5 + C10H21 → C2H5 + C2H4 + C8H17 → C2H5 + 2C2H4 +　1-hexyl radical → C2H5 + 3C2H4　+　C4H9 → 4C2H4　+　2C2H5 이다. 이러한 분해가 절대온도 1500K에서는 1백만분의 1초에 이루어진다. 여기서 우리가 고찰하는 것은 모든 분해과정을 통하여 마지막에는 에틸렌 (Ethylene: C2H4), 에틸 (Ethyl: C2H5) 그리고 메틸 (Methyl: CH3)로 된 것을 볼 수 있다. 물론 주종은 에틸렌이고 에틸과 메틸이 부종으로 포함되어 있다. 절대온도 T = 1000K를 식 (1)에 대입하면 분해상수가 5/s로 산출되며 이는 0.3초에 이 분해가 이루어지는 것을 의미한다. 다시 말해서 절대온도 1000K에서도 디젤은 저 분자들 즉 에틸렌, 에틸 그리고 메틸로 변환될 수 있다는 것을 의미한다. 그러나, 더 작은 분자로 더 이상 스스로 분해하지는 않는다.
그래서 수증기 플라즈마 토치가 다음 단계의 분해과정을 유도할 수 있다. 일반적으로 전자파 플라즈마 토치 속의 불꽃 (Flame) 온도는 대단히 높다. 중심부는 섭씨 6천5백도이나 불꽃 끝으로 가면서 온도가 떨어진다. 대한민국 특허등록제 10-0864695는 수증기 전자파 플라즈마 불꽃의 성질이 기술되어 있다. 도 2은 산소 (nO) 수소 (nH) 원자와 산화수소(OH)분자 (nOH)의 밀도를 수증기 토치의 불꽃 부위의 온도 Tg로 표시한 것이다. 여기서 Tg는 절대온도를 의미한다. 절대온도 1500K의 불꽃 부위의 수소원자의 밀도가 6×1012/cm3 인 것을 볼 수 있다. 이정도의 수소원자가 저 분자 탄화수소 화합물을 공격하면 쉽게 개질이 일어날 수 있다.
방전관에 형성된 플라즈마 토치 온도 Tg는 개질 챔버 온도 T에 비하여 월등이 높은 것이 일반적이다. 플라즈마 토치에서 발생한 활성입자 예를 들어 산소와 수소원자들을 개질 챔버에 형성된 에틸렌. 에틸 그리고 메틸에 뿌려준다. 그럼 수소가 에틸렌과 반응 (C2H4 + H → C2H5)하여 에틸을 만드는데 그 반응상수 αC2H5 = 1.25×10-11(T/298)1.07exp(-730/T) (cm3/molecule/s)는 도 3에 표시되었다. 에틸은 다시 수소와 결합 (C2H5 + H → C2H6)하여 에탄(C2H6)을 합성하는데 그 반응상수 αC2H6 = 2.25×10-10(T/298)0.16 (cm3/molecule/s)도 도 3에 표시되었다. 이 반응상수들이 도 3에서 보는 것처럼 10-10cm3/molecule/s 정도여서 도 2의 수소원자 밀도가 1012molecule/cm3이 되면 반응이 쉽게 일어난다. 이렇게 해서 에틸렌이 에탄으로 변환한다.
에탄은 상온에서 대단히 안정한 화합물이나 고온에서는 스스로 분해 (C2H6 → 2CH3)하여 메틸이 된다. 그 분해상수 kC2H6가 도 4에 표시되어 있다. 개질 챔버의 내부 온도가 절대온도 T = 1400K가 되면 1미리초 이내에 에탄이 메틸로 분해한다. 그래서 디젤이 분해하여 생긴 에틸렌이나 에틸이 수증기에서 발생한 수소의 도움으로 메틸로 변화되는 것이다. 메틸은 수증기에서 발생한 산소원자를 만나 반응 (CH3 + O → CH2O + H)을 해서 포름알데히드 (CH2O)를 합성하는데 그 반응상수는 αCH2O = 1.4×10-10 (cm3/molecule/s)로서 대단히 효율적이고 포름알데히드는 스스로 분해(CH2O →CO + H2)하는데 그 분해상수는 kCH2O = 1.23×1014exp(-41757/T)/s로서 도 5에 표시되어 있다. 역시 개질 챔버 온도가 절대온도 T = 1400K이상이 되면 이 분해가 신속이 일어난다. 전자파 수증기 플라즈마 토치를 통하여 적절한 에너지를 공급하면 디젤이 개질 챔버에서 일산화탄소와 수소의 합성가스로 전환되는 것을 관찰하였다. 수증기토치에 의한 디젤 개질을 요약하면, C2H4 + H → C2H5, C2H5 + H → C2H6 → 2CH3, CH3 + O → CH2O + H, CH2O →CO + H2이다.
대한민국 특허등록제 10-1166444는 이산화탄소 전자파 플라즈마 토치를 기술하고 있다. 이산화탄소로 만든 전자파 플라즈마 토치 불꽃에서 산소원자가 발생하는 것은 도 6에서 관찰할 수 있다. 절대온도 1200K의 토치 부위에서 산소원자의 밀도 (nO)는 4×1017/cm3으로 엄청 높으며 이러한 산소원자 밀도가 1만분의 1초에 형성되는 것이다. 이산화탄소 플라즈마 토치에서 이렇게 형성된 산소원자들을 개질 챔버 속에 들어있는 에틸렌에 뿌려주면 산소원자가 에틸렌분자를 만나 반응 (C2H4　+　O →　CH3　+　HCO)하는데 그 반응상수 αCH3는 도 7에 표시되어 있다. 반응상수가 크고 산소원자 밀도가 높아 비교적 저온에서도 쉽게 메틸을 생산한다. 한편 에틸은 산소를 만나 반응 (C2H5　+　O　→　CH2O　+　CH3)하여 포름알데히드와 메틸로 전환되는데 그 반응상수는 2.67×10-11　[cm3/molecule s]로서 높은 산소원자의 밀도 때문에 역시 반응이 쉽게 일어난다. 이렇게 형성된 메틸은 산소원자를 만나 바로 포름알데히드로 변하면서 수소원자를 배출하는데 이 수소원자들은 에틸렌이 산소와 반응하면서 배출한 HCO 화합물과 반응 (HCO　+　H　→　CO　+　H2)하여 수소분자와 일산화탄소를 발생하게 된다. 이 반응상수는 1.5x10-10　[cm3/molecule s]로서 대단히 크다. 포름알데히드는 위에서 언급한 것처럼 수소분자와 일산화탄소로 자체 분해하면서 개질을 종결한다. 이산화탄소 토치에 의한 개질을 요약하면, C2H4　+　O →　CH3　+　HCO, C2H5 +　O　→　CH2O　+　CH3, CH3 + O → CH2O + H, HCO　+　H　→　CO　+　H2, CH2O →CO + H2 이다.
따라서 고온의 개질 챔버에 수증기나 이산화탄소 가스를 이용하여 만든 전자파 플라즈마 토치를 주입하면 아주 용이하게 저 분자화 된 에틸렌 에틸 그리고 메틸을 개질 하여 일산화탄소와 수소로 된 합성가스를 대량으로 생산할 수 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 전자파 토치를 이용하여 대량의 산소원자 수소원자 산화수소 분자 등의 활성입자를 발생하고 이를 통하여 디젤을 개질 하여 고품격 에너지로 전환함으로써 에너지 효율을 증대한다.
본 발명은 대량으로 발생된 산소원자 수소원자 산화수소 분자 등의 활성입자들을 이용하여 디젤을 개질 하여 사용함으로써 미세먼지와 질소산화물 방출을 억제함으로써 지구 대기질을 개선한다.
본 발명은 디젤을 개질 하여 에너지를 더욱 효율적으로 사용함으로써 이산화탄소 배출을 감소하는 간접적 효과와 더불어 지구 온난화에 긍정적 효과를 기대한다.
본 발명을 통하여 얻은 지식은 일반적인 탄화수소 화합물을 효율적으로 개질 할 수 있는 조건을 제시한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 분자식이 C12H26로 기술되는 디젤 (Diesel)의 분자구조를 도식화한 모식도.
도 2은 본 발명의 한 실시예에 따른 산소 (nO) 수소 (nH) 원자와 산화수소(OH)분자 (nOH)의 밀도를 수증기 토치의 불꽃 부위의 온도 Tg로 표시한 것.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 수소-에틸렌 반응상수 αC2H5와 에틸-수소 반응상수 αC2H6를 개질 챔버의 절대온도 T의 함수로 표시한 것.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 에탄이 메틸로 분해하는 분해상수 kC2H6를 개질 챔버 T의 함수로 표시한 것.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 포름알데히드가 스스로 분해하는 분해상수 kCH2O를 개질 챔버의 온도 T의 함수로 표시한 것.
도 6는 본 발명의 한 실시예에 따른 이산화탄소 플라즈마 토치 불꽃 속에서 산소원자의 밀도 (nO)와 그 밀도를 형성하는데 걸리는 시간 (thalf)을 불꽃 부위의 온도 Tg의 함수로 표시한 것.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 산소원자와 에틸렌분자 반응의 반응상수 αCH3를 개질 챔버의 온도 T의 함수로 표시한 것.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 디젤을 전자파 플라스마 토치로 개질 하여 합성가스를 생산하는 장치와 방법에 관한 블록도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어 들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤을 전자파 플라스마 토치로 개질 하여 합성가스를 생산하는 장치와 방법에 관한 블록도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤을 전자파 플라스마 토치로 개질 하여 합성가스를 생산하는 장치와 방법은 디젤 공급부(10), 개질 챔버(20), 전자파토치 시스템(30), 산소 공급부(40), 열 교환기(50)와 합성가스 응용(60)으로 구성된다.
디젤 공급부(10)는 어느정도 정제된 디젤을 액체상태로 개질 챔버(20)에 공급한다.
디젤 공급부(10)에서 공급되는 정제된 액체 디젤이 고온의 개질 챔버(20)에서 순식간에 기화하면서 빠르게 에틸렌, 에틸 그리고 메틸로 자발적으로 분해할 수 있도록 개질 챔버(20)은 고온환경을 유지하며 전자파토치 시스템(30)에서 유입되는 수증기 또는 이산화탄소 속에 발생된 활성입자들에 의해서 저 분자로 분해된 에틸렌, 에틸 그리고 메틸이 개질 될 수 있는 환경을 조성한다. 개질 챔버(20) 내부 벽은 고온에서 장시간 (1개월 이상) 견딜 수 있는 물질로 이루어진다. 예를 들어 내부표면은 섭씨 1800도까지 견딜 수 있는 열에 강한 HACT180이라는 세라믹 물질을 입히고 그 다음 층은 INCT120이라는 단열재 세라믹을 사용할 수도 있다. 융점이 섭씨 3550도인 흑연도 열 저항체로서 적합하다.
전자파토치 시스템(30)은 수증기 또는 이산화탄소를 이용하여 플라즈마 토치 불꽃을 발생하고 이 불꽃속에 산소 수소원자들과 산화수소(OH)분자 같은 다량의 활성입자들이 발생된 토치 불꽃을 개질 챔버(20)에 공급한다. 전자파토치 시스템(30)은 마그네트론과, 전원공급부와, 순환기와, 방향성 결합기와, 스터브 튜너와, 도파관과, 방전관으로 구성되어 있으며 마그네트론에서 발생된 전자파가 방전관에서 토치 불꽃을 발생하여 다량의 활성입자들을 생산하며 또한 토치가 품고 있는 고온의 열에너지를 개질 챔버(20)에 전달한다. 최근에 개발 성숙되어 가는 전자파 발진 반도체 소자가 마그네토론을 대치할 수도 있다.
전자파토치 시스템(30)에서는 고가의 전기에너지를 사용하여 토치 불꽃을 발생하고 이를 개질 챔버(20)에 제공한다. 그래서 개질에 필요한 모든 에너지를 전기에너지로 제공하기에는 경제적 어려움이 있을 수 있다. 그에 반해서 에너지를 많이 함유하고 있는 디젤의 일부를 연소하여 그것으로 개질 에너지 일부를 제공할 수도 있다. 그런 맥락에서 산소 공급부(40)는 산소를 개질 챔버(20)에 공급하여 디젤을 부분 산화하여 개질에 필요한 에너지 일부를 조달하기도 한다.
디젤이 개질 챔버(20)에서 개질된 합성가스는 주로 수소와 일산화탄소의 혼합 가스인데 합성가스가 개질 챔버(20)에서 배출될 때 온도는 일반적으로 섭씨 1천도에 육박하게 된다. 그런데 다음 응용 과정들은 상대적으로 낮은 온도에서 실시되기 때문에 합성가스 온도를 열 교환기(50)를 통하여 냉각을 할 필요가 있다. 합성가스가 냉각되는 과정에서 고온의 수증기가 발생하게 되는데 이 수증기는 전자파토치 시스템(30)에서 수증기 토치를 발생할 때에 사용하게 된다.
열 교환기(50)에서 적절히 냉각된 합성가스는 합성가스 응용(60) 시스템으로 이송된다. 합성가스는 많은 분야에 이용될 수 있다. 예를 들어 고온의 수소와 일산화탄소로 된 합성가스를 고체산화물 연료전지 (SOFC)에 투입하여 전기를 생산할 수도 있는데 연료전지의 연료전극 (Fuel Electrode)에서 수증기와 이산화탄소가 배출되고 그 중 이산화탄소는 포집하여 전자파토치 시스템(30)에서 이산화탄소 토치를 발생할 때에 사용될 수 있다. 또는 냉각된 합성가스를 수성가스 반응 (Water-shift Reaction)과 정제과정 (PSA: Pressure Swing Adsorption)을 통하여 정제된 수소를 생산할 수도 있다.
<실시 예1>
한 실시예로서 디젤을 수증기 플라즈마로 개질 한다. 이 개질의 포괄적인 화학 반응은
C12H26 + 12H2O→ 12CO + 25H2
로서 이 반응의 엔탈피 변화는 DH = 1926.5 kJ/mole로서 흡열반응이며 디젤의 분자량은 170g/mole이다. 디젤 1몰 개질로 합성가스 37몰이 발생한다.
우리는 약 1MW의 에너지를 함유한 시간당 300입방미터의 합성가스를 생산하는 것으로 가정한다. 그러면 시간당 362몰의 디젤이 개질 챔버(20)에 투입된다. 이는 0.1 mole/s에 해당한다. 따라서 개질에 필요한 에너지는 (0.1)(1926.5)= 194kW이다. 이정도 규모의 개질 챔버(20)는 내부 용량이 약 1.8입방미터이고 이 개질 과정에서 손실되는 에너지는 141kW 정도이다. 에너지 손실의 대부분은 합성가스가 품고 나오는 에너지이고 일부는 복사와 전도 등으로 사라진다. 그래서 개질 과정에 필요한 에너지는 335kW이다. 이 모든 개질 에너지를 고가의 전기로 투입하기에는 너무 부담이 있어 산소 공급부(40)로부터 산소를 개질 챔버(20)에 공급하여 디젤을 부분 산화하여 개질에 필요한 에너지 일부를 조달하기도 한다. 그러나 실시예 1에서는 이 이슈는 언급하지 않겠다.
디젤이 가진 에너지는 산화반응 C12H26 + 18.5O2 → 12CO2 + 13H2O에서 산출되며 이 산화반응의 엔탈피 변화는 DH = -7514.5/mole이다. 여기서도 수증기 엔탈피 -241.8kJ/mole을 사용하였다. 초당 0.1 mole/s의 디젤이 필요하므로 디젤이 함유한 에너지는 (7514.5kJ/mole)(0.1mole/s)= 751.5kW이다. 그래서 개질 챔버(20)에 투입되고 있는 총 에너지는 335+751.5= 1086kW이다. 생산된 합성가스에너지는 일산화탄소 산화반응 CO + O2 → CO2의 엔탈피 변화 283kJ/mole과 수소 산화반응 H2 + (1/2)O2 → H2O의 엔탈피 변화 241.8kJ/mole에서 계산되는데, 디젤 개질 반응에서 일산화탄소는 12몰 수소는 25몰이 발생하는 것을 고려하면 시간당 300루베의 합성가스 에너지는 (12×283 + 25×241.8)×0.1 =944.1kW이다. 그래서 개질 에너지 효율은 η = 944.1/1086 = 0.87이다. 시간당 투입되는 디젤 량은 (170g/mole)(362mole/h)= 61.5kg이다.
<실시 예2>
이 실시예에서는 디젤을 이산화탄소 플라즈마로 개질 한다. 이산화탄소 토치로 개질 할 때 포괄적인 화학 반응은
C12H26 + 12CO2 → 24CO + 13H2
로서 이 반응의 엔탈피 변화는 DH = 2420.9 kJ/mole로서 흡열반응이다. 여기서 이산화탄소의 엔탈피는 -393.5kJ/mole로 계산되었다. 이 개질에서도 디젤 1몰당 합성가스는 37몰이 생성된다. 이 경우 시간당 300입방미터의 합성가스 생산에 필요한 개질 에너지는 (0.1mole/s)(2420.9kJ/mole)= 242.1kW이다. 여기에 개질 챔버(20)에서의 에너지 손실 141kW를 첨부한다. 개질 챔버(20)에 투입되고 있는 총 에너지는 383.1+751.5=1134.6kW이다. 디젤의 이산화탄소에 의한 개질에서는 일산화탄소가 24몰 그리고 수소가 13몰이 생성된다. 그래서 발생되는 합성가스의 에너지는 (24×283 + 12×241.8)×0.1 = 969.4kW이다. 에너지 효율은 η = 969.4/1134.6 = 0.85이다. 시간당 투입되는 디젤 량은 61.5kg이다. 이산화탄소 토치의 경우가 수증기 토치에 비하여 에너지 효율이 2% 낮다. 그럼에도 불구하고 수증기 토치에 비하여 이산화탄소 토치 발생이 용이하며 도2과 도6을 비교할 때 이산화탄소 토치에서 산소원자 발생이 수증기 토치에 비하여 훨씬 높은 장점이 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
C12H26: 디젤 (경유)
Dodecane: 디젤의 학술 명
C12H26 → C5H11 + C7H15, C12H26 → C4H9 + C8H17, C12H26 → C3H7 + C9H19, C12H26 →
C2H5 + C10H21: 경유가 분해하는 반응식 들
C10H21 → C2H4 + C8H17: 화합물 C10H21가 분해하는 반응식
C2H6: Ethane, 에탄
C2H4: Ethylene, 에틸렌
CH3: Methyl, 메틸
CH5: Ethyl, 에틸
Flame: 불꽃
H: 수소원자
nO: 산소원자 밀도
nH: 수소원자 밀도
nOH: 산화수소 분자 밀도
Tg: 플라즈마 토치 불꽃 온도
αC2H5: 수소와 에틸렌의 반응상수
αC2H6: 수소와 에틸의 반응상수
kC2H6: 에탄의 분해상수
αCH2O: 산소와 메틸의 반응상수
kCH2O: 포름알데히드의 분해상수
αCH3: 산소와 에틸렌의 반응상수
K: 절대온도
Diesel: 경유
thalf: 산소원자밀도 형성시간
T: 개질 챔버 내부온도
HACT180: 내열성 세라믹
INCT120: 단열재 세라믹
H2: 수소분자
DH: 엔탈피 변화
CO: 일산화탄소
H2O: 물
CO2: 이산화탄소
O2: 산소분자
SOFC: 고체산화물연료전지
PSA (Pressure Swing Adsorption): 정제
η: 에너지 효율

Claims (9)

  1. 디젤을 전자파 플라스마 토치로 개질 하여 합성가스를 생산함에 있어 정제된 디젤을 액체 상태로 개질 챔버에 공급하는 디젤 공급부;
    상기 디젤 공급부에서 공급되는 액체 디젤을 수증기 또는 이산화탄소로 개질 하기에 적합한 고온 환경을 유지하는 개질 챔버;
    수증기 또는 이산화탄소를 이용하여 플라즈마 토치 불꽃을 발생하고 활성입자들이 다량으로 포함된 상기 토치 불꽃을 상기 개질 챔버에 공급하는 전자파토치 시스템;
    개질 에너지 일부를 제공하기 위하여 디젤 일부를 연소하는데 필요한 산소를 상기 개질 챔버에 공급하는 산소 공급부;
    상기 개질 챔버에서 고온으로 배출되는 개질 합성가스를 적정온도로 냉각하는 열 교환기; 및
    냉각된 상기 합성가스를 응용하는 합성가스 응용부위를 포함하는, 디젤을 전자파 플라스마 토치로 개질 하여 합성가스를 생산하는 장치
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적합한 고온 환경은 상기 개질 챔버 내부온도가 섭씨 1천도 이상을 유지되도록 하는 환경을 의미하는 것을 특징으로 하는, 디젤을 전자파 플라스마 토치로 개질 하여 합성가스를 생산하는 장치
  3. 제1항에 있어서,
    상기 활성입자들은 수증기 토치 불꽃일 때는 산소원자 수소원자 그리고 산화수소 분자들을 의미하고 이산화탄소 토치 불꽃일 때는 산소원자와 일산화탄소 분자들을 의미하는 것을 특징으로 하는, 디젤을 전자파 플라스마 토치로 개질 하여 합성가스를 생산하는 장치
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전자파토치 시스템은 상기 개질에 필요로 활성입자들과 에너지를 토치 불꽃으로 상기 개질 챔버에 공급하는 시스템으로서 마그네트론과, 전원공급부와, 순환기와, 방향성 결합기와, 스터브 튜너와, 도파관과, 방전관으로 구성되어 있으며 상기 마그네트론에서 발생된 전자파가 방전관에서 토치 불꽃을 발생하도록 하는 것을 특징으로 하는, 디젤을 전자파 플라스마 토치로 개질 하여 합성가스를 생산하는 장치
  5. 제1항에 있어서,
    상기 적정온도로 냉각은 상기 합성가스 응용부위에 적합한 온도로 냉각하는 것을 특징으로 하는, 디젤을 전자파 플라스마 토치로 개질 하여 합성가스를 생산하는 장치
  6. 제4항에 있어서,
    상기 마그네트론은 전자파 발진 반도체 소자로 대치될 수도 있는, 디젤을 전자파 플라스마 토치로 개질 하여 합성가스를 생산하는 장치
  7. 정제된 디젤을 액체상태로 개질 챔버에 주입하는 과정;
    전자파토치 시스템에 수증기나 이산화탄소 가스를 주입하는 과정;
    상기 전자파토치 시스템에서 방전관에 토치 불꽃을 발생하는 과정;
    상기 토치 불꽃속에 다량의 활성입자들을 발생하는 과정;
    상기 다량의 활성입자들을 이용하여 디젤을 개질하여 합성가스를 생산하는 과정; 및
    고온의 상기 합성가스를 냉각하는 과정으로 이루어진 디젤을 전자파 플라스마 토치로 개질 하여 합성가스를 생산하는 방법
  8. 제7항에 있어서,
    상기 다량의 활성입자들은 수증기 토치 불꽃일 때는 산소원자 수소원자 그리고 산화수소 분자들을 의미하고 이산화탄소 토치 불꽃일 때는 산소원자와 일산화탄소 분자들을 의미하는 디젤을 전자파 플라스마 토치로 개질 하여 수소를 생산하는 방법
  9. 제7항에 있어서,
    합성가스를 냉각하는 과정에서 전반적인 시스템 에너지 효율 증대를 위하여 고온 열에너지를 수거하는 과정으로 디젤을 전자파 플라스마 토치로 개질 하여 합성가스를 생산하는 방법

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