WO2014109458A1 - 이산화탄소 재사용 시스템 - Google Patents

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WO2014109458A1
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reactor
plasma
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discharge tube
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이봉주
신동훈
이상주
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(주)그린사이언스
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Definitions

  • the present invention relates to a carbon dioxide reuse system capable of effectively removing carbon dioxide emitted from a coal gasification combined use plasma gasifier, an integrated gasification combined cycle (IGCC), a thermal power plant and a cogeneration plant, and recycling the same as an energy resource.
  • IGCC integrated gasification combined cycle
  • Carbon dioxide is one of the major drivers of global warming, and there are increasing attempts to control carbon dioxide emissions worldwide.
  • Korea will be included in the target countries for the prevention of global warming from 2013 under the Kyoto Protocol on the Prevention of Global Warming, which was adopted in 1997 and entered into force on February 16, 2005.
  • Embodiments of the present invention aim to provide a means for effectively removing carbon dioxide and at the same time obtaining useful energy sources therefrom.
  • a carbon dioxide absorption tower for capturing carbon dioxide from the exhaust gas generated in the power plant using a carbon dioxide absorber, the carbon dioxide is removed from the carbon dioxide absorber trapped carbon dioxide
  • a plasma generation unit for generating a plasma by oscillating a carbon dioxide regeneration tower, an electromagnetic wave having a predetermined frequency or a radio frequency (RF) wave, and ionizing and ionizing carbon dioxide supplied from the carbon dioxide regeneration tower using the electromagnetic wave or the RF wave
  • a fuel injection unit for injecting hydrocarbon fuel into the plasma, a carbon dioxide reforming unit for reacting the plasma and the hydrocarbon fuel to produce a synthesis gas, and a synthesis gas discharge unit for discharging the generated synthesis gas.
  • carbon dioxide is ionized and ionized to generate a carbon dioxide plasma, and a hydrocarbon fuel is reacted with the generated carbon dioxide plasma to effectively remove carbon dioxide and generate a syngas based on pure carbon monoxide.
  • the produced carbon monoxide can be used as a basic component of various organic compounds.
  • the carbon monoxide may be injected into a gas engine or a gas turbine to produce electrical energy, and it is also possible to produce a transport fuel by reacting carbon monoxide and hydrogen.
  • FIG. 1 is a block diagram of a carbon dioxide reuse system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the detailed configuration of the plasma generating unit 108 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a vertical cross-sectional view showing a portion where the waveguide 210 and the discharge tube 212 of the plasma generating unit 108 according to an embodiment of the present invention is connected.
  • 4A to 4C are horizontal cross-sectional views showing the detailed configuration of the carbon dioxide supply unit 214 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 5 is a graph showing a light emission spectrum of the carbon dioxide plasma generated in the discharge tube 212 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a first embodiment of the carbon dioxide reforming unit 112 of the carbon dioxide reuse system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing a second embodiment of the carbon dioxide reforming unit 112 of the carbon dioxide reuse system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 8 is a vertical cross-sectional view of the carbon dioxide reforming unit 112 of the plasma gasifier 100 according to the second embodiment.
  • FIG 9 is a horizontal cross-sectional view of the carbon dioxide reforming unit 112 of the plasma gasifier 100 according to the second embodiment.
  • FIG. 10 is a block diagram showing a detailed configuration of the syngas discharge unit 114 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 illustrates an embodiment of the present invention, in which a synthesis gas containing carbon monoxide as a main component is generated by decomposing carbon dioxide using a Chinese coal (Shenhua Coal), a kind of high-grade coal, as a hydrocarbon fuel. will be.
  • a Chinese coal Shenhua Coal
  • a kind of high-grade coal as a hydrocarbon fuel.
  • the carbon dioxide reuse system 100 is a carbon dioxide absorption tower 104, carbon dioxide regeneration tower 106, plasma generating unit 108, fuel injection unit 110, carbon dioxide reforming The unit 112 and the syngas discharge 114.
  • the carbon dioxide absorption tower 104 collects carbon dioxide from exhaust gas generated in the power generation facility 102 using a carbon dioxide absorbent.
  • the power generation equipment 102 refers to a facility that produces electric energy by burning fossil fuel or waste, such as a coal gas combined cycle power plant, a thermal power plant, or a cogeneration plant.
  • Exhaust gas generated from the power plant 102 includes various kinds of gases such as hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), methane (CH 4 ), and carbon dioxide (CO 2 ), and a carbon dioxide absorption tower 104.
  • H 2 hydrogen
  • CO carbon monoxide
  • CH 4 methane
  • CO 2 carbon dioxide
  • Captures only carbon dioxide from the exhaust gas using a carbon dioxide absorbent for example, monoethanolamine (MEA) may be used as the carbon dioxide absorbent, but the present invention is not limited thereto, and various materials capable of capturing carbon dioxide may be used without limitation.
  • MEA monoethanolamine
  • the combustible exhaust gas remaining after absorbing carbon dioxide from the carbon dioxide absorption tower 104 may be supplied to the gas engine or the gas turbine 116 and used as a raw material for producing electrical energy.
  • carbon dioxide generated during the production of electrical energy in the gas engine or the gas turbine 116 may be supplied to the carbon dioxide absorption tower 104 again.
  • the carbon dioxide regeneration tower 106 removes carbon dioxide from the carbon dioxide absorbent in which the carbon dioxide is collected.
  • An absorbent such as monoethanolamine, which collects carbon dioxide in the carbon dioxide absorption tower 104, is introduced into the carbon dioxide regeneration tower 106, and the carbon dioxide regeneration tower 106 removes carbon dioxide from the introduced absorbent.
  • the carbon dioxide removal reaction in the carbon dioxide regeneration tower 106 is an endothermic reaction, for example, in the case of monoethanolamine, carbon dioxide may be removed only when the temperature of about 110 degrees or more is maintained in the carbon dioxide regeneration tower 106.
  • the carbon dioxide regeneration tower 106 may be supplied with thermal energy for removal of the carbon dioxide from the waste heat generated during the power generation of the power plant 102. With this configuration, carbon dioxide can be removed from the carbon dioxide regeneration tower 106 without additional energy input.
  • the plasma generator 108 oscillates electromagnetic waves or radio frequency (RF) waves of a predetermined frequency, and generates plasma by ionizing and ionizing carbon dioxide using the electromagnetic waves or RF waves.
  • RF radio frequency
  • the fuel injection unit 110 injects hydrocarbon fuel into the plasma generated by the plasma generation unit 108.
  • the hydrocarbon fuel may be a liquid fuel such as gasoline, kerosene or diesel, gaseous fuel such as LNG (Liquified Natural Gas), or liquefied petroleum gas (LPG) and solids such as coal, pulverized coal, and carbon black. Contains all the fuel.
  • the fuel injection unit 110 may inject liquid hydrocarbon fuel into the plasma in the same manner as an atomizer.
  • the fuel injection unit 110 may be mixed with a suitable gas and injected into the plasma.
  • the carbon dioxide reforming unit 112 generates a synthesis gas by reacting the plasma and the hydrocarbon fuel.
  • the syngas has carbon monoxide (CO) as a main component, which will be described in detail below.
  • Synthetic gas mainly composed of carbon monoxide generated by the carbon dioxide reforming unit 112 may be supplied to the gas engine or the gas turbine 116 and used to produce electrical energy.
  • the syngas discharge unit 114 discharges and collects the generated syngas.
  • the carbon monoxide collected from the syngas discharge unit 114 may be used as a basic component for synthesizing various kinds of organic compounds, for example, to produce fuel for transportation by reacting with hydrogen.
  • the plasma generator 108 is a power supply unit 202, electromagnetic wave oscillator 204, circulator 206, tuner 208, waveguide 210, discharge tube 212 And a carbon dioxide supply unit 214 and an ignition unit 216.
  • the power supply unit 202 supplies power required for driving the plasma generator 108.
  • the electromagnetic wave oscillator 204 is connected to the power supply unit 202 and receives power from the power supply unit 202 to oscillate electromagnetic waves.
  • an electromagnetic wave oscillator for oscillating an electromagnetic wave having a frequency range of 902 to 928 MHz or 886 to 906 MHz is used.
  • the electromagnetic wave having the frequency of 915 MHz or 896 MHz is oscillated using the electromagnetic wave oscillator 204.
  • the circulator 206 is connected to the electromagnetic wave oscillator 204 and protects the electromagnetic wave oscillator 204 by dissipating electromagnetic energy reflected by impedance mismatch while outputting electromagnetic waves oscillated from the electromagnetic wave oscillator 204.
  • the tuner 208 adjusts the intensity of the incident wave and the reflected wave of the electromagnetic wave output from the circulator 204 to induce impedance matching so that the electric field induced by the electromagnetic wave is maximized in the discharge tube 212.
  • the waveguide 210 transmits the electromagnetic wave input from the tuner 208 to the discharge tube 212.
  • the size of the waveguide 210 is related to the frequency of the electromagnetic wave oscillated by the electromagnetic wave oscillator 204. As the frequency of the electromagnetic wave oscillated by the electromagnetic wave oscillator 204 decreases, the wavelength becomes longer. Therefore, when electromagnetic waves having different frequencies are introduced into a waveguide of a predetermined size, electromagnetic waves of frequencies lower than the inherent cutoff frequency do not flow into the waveguide. . In other words, the waveguide acts as a kind of high pass filter, and thus the waveguide is sized according to the frequency used.
  • Equation 1 The inherent cutoff frequency of the waveguide is determined by Equation 1 below.
  • f c is the cutoff frequency
  • c is the speed of light
  • a is the width of the waveguide
  • b is the length of the waveguide
  • n is the electromagnetic wave mode number in the waveguide.
  • a waveguide having a size of a width (a) * length (b) of 25cm * 12.5cm is used.
  • the m value is 1 and the n value is 0.
  • the cutoff frequency of the waveguide 210 in the present invention is calculated, the following equation (2) is obtained.
  • the electromagnetic wave oscillator 204 oscillates the electromagnetic wave having a frequency range of 902 ⁇ 928MHz or 886 ⁇ 906MHz and is higher than the cutoff frequency of the waveguide 210 and thus the electromagnetic wave oscillated by the electromagnetic wave oscillator 204 It can be seen that the flow into the waveguide 210 is not blocked.
  • the cutoff wavelength in the waveguide 210 is obtained as shown in Equation 3 below.
  • the wavelength ⁇ g in the waveguide is expressed by Equation 4 below.
  • the position where the discharge tube is inserted is about 11 cm (# 43.5 / 4) from the end.
  • the power supply unit 202, the electromagnetic wave oscillator 204, the circulator 206, the tuner 208, and the waveguide 210 constitute the electromagnetic wave supply unit 218 in the present invention, and the electromagnetic wave supply unit 218.
  • the electromagnetic wave supply unit 218 Generates electromagnetic waves and supplies them to the discharge tube 212.
  • the discharge tube 212 generates a plasma (carbon dioxide plasma) from the electromagnetic wave supplied from the electromagnetic wave supply unit 322 and carbon dioxide supplied from the carbon dioxide supply unit 214. Specifically, the discharge tube 212, the carbon dioxide is fed into the ionization chamber and is ionized by the electromagnetic wave (e + 2 CO -> CO + O -), from which the high-temperature, high-density plasma is generated.
  • a plasma carbon dioxide plasma
  • the carbon dioxide supply unit 214 supplies carbon dioxide supplied from the carbon dioxide regeneration tower 106 into the discharge tube 212.
  • the carbon dioxide supplying unit 214 is connected to the inside of the discharge tube 212 so that the carbon dioxide discharged into the discharge tube 212 is discharged in parallel with the inner circumferential surface of the discharge tube 212, thereby being supplied into the discharge tube 212.
  • the carbon dioxide may be configured to form a vortex. This will be described in detail with reference to FIGS. 4A, 4B, and 4C.
  • the ignition unit 216 includes one or more electrodes installed inside the discharge tube 212 and supplies initial electrons for generating plasma through the electrodes.
  • the plasma generating unit 108 may be configured to include an RF wave supply unit instead of the electromagnetic wave supply unit 218.
  • the RF wave supply unit may be configured to include a coil surrounding the discharge tube 212 composed of a quartz tube, or a glass tube.
  • an RF wave for example, an RF wave having a frequency of 1 MHz to 300 MHz
  • a magnetic field is formed in the axial direction of the coil according to Faraday's law, and the induced electromotive force is caused by the magnetic field. Is generated.
  • ionization and multiplication processes occur due to the collision of the accelerated electrons in the magnetic field. Accordingly, thermal plasma is generated by the dielectric breakdown of the carbon dioxide injected into the discharge tube 212 to form a plasma torch.
  • FIG 3 is a vertical cross-sectional view showing a portion where the waveguide 210 and the discharge tube 212 of the plasma generating unit 108 according to an embodiment of the present invention is connected.
  • the discharge tube 212 is connected to the waveguide 210 to provide a space where the plasma is generated by the electromagnetic waves input through the waveguide 210.
  • the waveguide 210 may be configured to have a taper shape in which its diameter decreases closer to the discharge tube 212.
  • the discharge tube 212 is formed in a cylindrical shape to vertically guide the waveguide 210 at a point corresponding to 1/8 to 1/2 of the wavelength in the waveguide 210, preferably 1/4, from the end of the waveguide 210. It may be installed to penetrate, and may be made of quartz, alumina, or ceramic for easy transmission of electromagnetic waves.
  • the discharge tube holder 300 formed under the waveguide 210 supports the discharge tube 212 so that the discharge tube 212 is stably inserted into the waveguide 210 and fixed.
  • the carbon dioxide supply unit 214 is formed at the lower end of the discharge tube 212, and may be composed of a plurality of carbon dioxide supply tubes as shown. At this time, each carbon dioxide supply pipe may be inclined so that the carbon dioxide is directed toward the plasma.
  • At least one fuel injection unit 110 for injecting hydrocarbon fuel into the generated plasma may be formed at an upper end of the discharge tube 212.
  • 4A to 4C are horizontal cross-sectional views showing the detailed configuration of the carbon dioxide supply unit 214 according to an embodiment of the present invention.
  • the carbon dioxide supply unit 214 includes one or more carbon dioxide supply pipes 400.
  • Each carbon dioxide supply pipe 400 has one end connected to the inside of the discharge tube 212 and configured to supply carbon dioxide into the discharge tube 212.
  • the carbon dioxide supply pipe 400 may be formed in an appropriate number as needed.
  • 4A illustrates an embodiment in which two carbon dioxide supply pipes 400 are formed
  • FIGS. 4B and 4C illustrate embodiments in which four or six carbon dioxide supply pipes 400 are installed.
  • the carbon dioxide supply pipe 400 is supplied to the discharge tube 212 so that the supplied carbon dioxide rotates in a vortex form along the inner circumferential surface of the discharge tube 212.
  • the carbon dioxide supply pipe 400 is connected to the inside of the discharge tube 212 such that carbon dioxide discharged into the discharge tube 212 is discharged along the inner circumferential surface of the discharge tube 212 (ie, parallel to the inner circumferential surface). .
  • the traveling direction of the carbon dioxide supply pipe 400 should be configured to be parallel to the inner circumferential surface of the discharge tube 212.
  • the supplied carbon dioxide is mixed with each other in the discharge tube 212 and rotates in one direction to form a vortex (vortex).
  • each carbon dioxide supply pipe 400 is configured such that the rotational direction of the carbon dioxide supplied is all the same.
  • FIG. 5 is a graph showing a light emission spectrum of the carbon dioxide plasma generated in the discharge tube 212 according to an embodiment of the present invention.
  • the horizontal axis represents wavelength of light (nm) and the vertical axis represents intensity of light (Intensity, Arb. Units), respectively.
  • the light emission spectrum shows the distribution of radicals, atoms and molecules of the carbon dioxide plasma when the carbon dioxide is ionized / ionized. Through this spectrum, the amount of radicals, atoms, and molecules that change when the amount of discharge gas and electromagnetic wave power that can affect the carbon dioxide plasma can be known through the relative size of the vertical axis.
  • the carbon dioxide reforming unit 112 includes a cylindrical reactor 600 formed on the top of the discharge tube 212.
  • the hydrocarbon fuel injected through the fuel injection unit 110 rotates in a vortex form along the inside of the reactor 600 by the vortex formed in the carbon dioxide supply unit 214.
  • the hydrocarbon fuel is generated in the discharge tube 212 is converted into a synthesis gas mainly composed of carbon monoxide by the plasma introduced into the reactor 600 (CO 2 + C-> 2CO).
  • the thick straight arrow indicates the direction of the plasma
  • the vortex-shaped arrow indicates the direction of the syngas.
  • each of the reactors constituting the carbon dioxide reforming unit 112 in the present embodiment and the following embodiments may be configured to include a fire-resistant material, a heat insulating material and a housing.
  • FIG. 7 is a view showing a second embodiment of the carbon dioxide reforming unit 112 of the carbon dioxide reuse system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the carbon dioxide reforming portion 112 according to the present embodiment is each formed in a cylindrical shape, each is formed in a cylindrical shape, so that the plasma generated from each of the separate plasma generator 108 into the cylinder flows in One or more primary reactors 702 and the secondary reactor (702) is formed in a cylindrical shape having a larger diameter than the primary reactor 702, the primary reactor 702 is connected along the side of the cylinder ( 704).
  • the primary reactor 702 has a shape similar to the reactor 600 shown in FIG. 6. That is, one end of the primary reactor 702 is connected to the discharge tube 212, and the other end penetrates through the side of the secondary reactor 702 and is connected to the secondary reactor 704. Accordingly, the plasma, the hydrocarbon fuel, and the syngas formed in the primary reactor 702 are introduced into the secondary reactor 704 into the primary reactor 702.
  • the primary reactor 702 may be configured to be connected to the secondary reactor 704 at the upper and lower sides of the secondary reactor 704, respectively.
  • the primary reactor 702 connected to the upper side of the secondary reactor 704 is connected to face the lower direction of the secondary reactor 704, the secondary reactor 704
  • the primary reactor 702 connected to the lower side of the side is connected to face the top direction of the secondary reactor (704). Accordingly, the hydrocarbon fuel and the syngas flowing from the primary reactor 702 connected to the upper portion are reversed to the lower side of the secondary reactor 704 and then back to the upper portion of the secondary reactor 704.
  • the hydrocarbon fuel and syngas coming from the primary reactor 702 connected to the bottom rises to the top of the secondary reactor 704 and back down to the bottom of the secondary reactor 704.
  • the reaction time between the plasma and the hydrocarbon fuel in the carbon dioxide reforming unit 112 is increased, which leads to an improvement in the yield of syngas.
  • the heat transfer efficiency inside the carbon dioxide reforming unit 112 is improved, thereby maintaining the temperature inside the carbon dioxide reforming unit 112 at a high temperature. Accordingly, the pyrolysis reaction of the hydrocarbon fuel in the carbon dioxide reforming unit 112 is performed. I can promote it.
  • the proportion of the amount of hydrocarbon fuel discharged from may be between 1: 1 and 1: 100.
  • an outlet 800 through which the syngas is discharged may be formed in at least one of the upper and lower ends of the secondary reactor 704.
  • the outlet 800 may be formed only at the top or bottom of the secondary reactor 704, or may be formed at both the upper and lower ends according to the embodiment.
  • FIG. 9 is a horizontal cross-sectional view of the carbon dioxide reforming unit 112 of the plasma gasifier 100 according to the second embodiment.
  • the primary reactor 702 is connected to the secondary reactor 704 such that its end is parallel to the inner circumferential surface of the secondary reactor 704, whereby the primary reactor 702
  • the hydrocarbon fuel and the syngas discharged from may be configured to form a vortex inside the secondary reactor 704.
  • the syngas discharge unit 114 is a block diagram showing a detailed configuration of the syngas discharge unit 114 according to an embodiment of the present invention. As shown, the syngas discharge unit 114 according to an embodiment of the present invention includes an impurity removal unit 1002 and a syngas collection unit 1004.
  • the impurity remover 1002 removes the solid impurities from the syngas generated by the carbon dioxide reforming unit 112.
  • the impurities may be, for example, dust such as ash generated in the carbon dioxide reforming unit 112.
  • dust such as ash generated in the carbon dioxide reforming unit 112.
  • the impurity removing unit 1002 may be configured to include other means for removing impurities contained in the synthesis gas.
  • the carbon monoxide collecting unit 1004 collects carbon monoxide from the synthesis gas from which impurities are removed from the impurity removing unit 1002.
  • the carbon monoxide collected by the synthesis gas collecting unit 1004 may be used as a basic component for producing, for example, a fuel for transportation by reacting with hydrogen or synthesizing various kinds of organic compounds.
  • the carbon dioxide reuse system 100 may further include an oxygen supply unit (not shown) for supplying oxygen into the carbon dioxide reforming unit 112. Since the reaction inside the carbon dioxide reforming unit 112 is an endothermic reaction having CO 2 + C-> 2CO + 172 kJ / mol, when oxygen is supplied into the carbon dioxide reforming unit 112, the temperature inside the carbon dioxide reforming unit 112 is changed to a high temperature. To promote the pyrolysis reaction.
  • FIG. 11 illustrates an embodiment of the present invention, in which a synthesis gas containing carbon monoxide as a main component is generated by decomposing carbon dioxide using a Chinese coal (Shenhua Coal), a kind of high-grade coal, as a hydrocarbon fuel.
  • a synthesis gas containing carbon monoxide as a main component is generated by decomposing carbon dioxide using a Chinese coal (Shenhua Coal), a kind of high-grade coal, as a hydrocarbon fuel.
  • the reaction inside the reactor 600 is an endothermic reaction of CO 2 + C-> 2CO + 172kJ / mol
  • oxygen when oxygen is added to the inside of the reactor 600, The temperature can be maintained at a high temperature to promote the pyrolysis reaction.
  • the coal since the coal contains moisture, it is also possible to produce hydrogen using a H 2 0 + C-> H 2 + CO reaction.

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Abstract

이산화탄소 재사용 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 재사용 시스템은, 이산화탄소 흡수제를 이용하여 발전 설비에서 발생되는 배가스로부터 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소 흡수탑, 상기 이산화탄소가 포집된 이산화탄소 흡수제로부터 이산화탄소를 탈거하는 이산화탄소 재생탑, 소정 주파수의 전자파 또는 RF파를 발진하고, 상기 전자파 또는 RF파를 이용하여 상기 이산화탄소 재생탑으로부터 공급된 이산화탄소를 이온화 및 전리시켜 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생부, 상기 플라즈마에 탄화수소 연료를 주입하는 연료 주입부, 상기 플라즈마 및 상기 탄화수소 연료를 반응시켜 합성가스를 생성하는 이산화탄소 개질부, 및 생성된 상기 합성가스를 배출하는 합성가스 배출부를 포함한다.

Description

이산화탄소 재사용 시스템
본 발명은 석탄가스화복합발전용 플라즈마 가스화기, IGCC(Integrated gasification combined cycle), 화력발전소 및 열병합발전소 등에서 배출되는 이산화탄소를 효과적으로 제거하고 이를 에너지 자원으로 재활용할 수 있는 이산화탄소 재사용 시스템에 관한 것이다.
이산화탄소는 지구온난화 효과를 나타내는 주요 요인 중 하나로서, 전세계적으로 이산화탄소의 배출량을 통제하려는 시도들이 증가하고 있다. 특히 우리나라는 1997년 채택되고 2005년 2월 16일 발효된 지구온난화 방지에 관한 교토 의정서에 의하여 2013년부터 지구온난화 방지 협상 대상국에 포함될 예정이어서 이산화탄소 배출 억제 기술이 필수적으로 요구된다.
현재까지 공장 굴뚝, 대기, 화력 발전소, 열병합발전소, IGCC 등에서 배출되는 이산화탄소는 포집, 이송, 저장(Carbon dioxide capture and storage, CCS)기술로 바다, 폐기가스 혹은 유정 중에 고립하여 제거하는 것이 일반적이었다. 그러나 이와 같은 종래기술의 경우 이산화탄소의 처리, 이송 및 저장 과정에서 많은 비용이 필요하며, 또한 이산화탄소를 대규모로 처리하는 데 있어서도 기술적 어려움이 존재하였다. 이에 따라 배출되는 이산화탄소를 효과적으로 제거하기 위한 기술이 필요하게 되었다.
본 발명의 실시예들은 이산화탄소를 효과적으로 제거하는 동시에, 이로부터 유용한 에너지 자원을 얻기 위한 수단을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 재사용 시스템은, 이산화탄소 흡수제를 이용하여 발전 설비에서 발생되는 배가스로부터 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소 흡수탑, 상기 이산화탄소가 포집된 이산화탄소 흡수제로부터 이산화탄소를 탈거하는 이산화탄소 재생탑, 소정 주파수의 전자파 또는 RF(Radio Frequency)파를 발진하고, 상기 전자파 또는 RF파를 이용하여 상기 이산화탄소 재생탑으로부터 공급된 이산화탄소를 이온화 및 전리시켜 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생부, 상기 플라즈마에 탄화수소 연료를 주입하는 연료 주입부, 상기 플라즈마 및 상기 탄화수소 연료를 반응시켜 합성가스를 생성하는 이산화탄소 개질부, 및 생성된 상기 합성가스를 배출하는 합성가스 배출부를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따를 경우, 이산화탄소를 이온화 및 전리시켜 이산화탄소 플라즈마를 생성하고, 탄화수소 연료를 생성된 이산화탄소 플라즈마에 반응시킴으로써, 이산화탄소를 효과적으로 제거하는 동시에 순수 일산화탄소를 주성분으로 하는 합성가스를 생성할 수 있는 장점이 있다.
생성된 상기 일산화탄소는 다양한 유기화합물질의 기초 성분으로 사용할 수 있다. 또한 상기 일산화탄소를 가스 엔진 또는 가스 터빈에에 주입함으로써 전기에너지를 생산할 수 있으며, 일산화탄소와 수소를 반응시켜 수송용 연료를 생산하는 것 또한 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 재사용 시스템(100)의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생부(108)의 상세 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생부(108)의 도파관(210)과 방전관(212)이 연결되는 부분을 도시한 수직 단면도이다.
도 4a 내지 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 공급부(214)의 상세 구성을 나타낸 수평 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 방전관(212)에서 발생되는 이산화탄소 플라즈마의 광방출 스펙트럼을 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 재사용 시스템(100)의 이산화탄소 개질부(112)의 제1 실시예를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 재사용 시스템(100)의 이산화탄소 개질부(112)의 제2 실시예를 나타낸 도면이다.
도 8은 상기 제2 실시예에 따른 플라즈마 가스화 장치(100)의 이산화탄소 개질부(112)의 수직 단면도이다.
도 9는 상기 제2 실시예에 따른 플라즈마 가스화 장치(100)의 이산화탄소 개질부(112)의 수평 단면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성가스 배출부(114)의 상세 구성을 나타낸 블록도이다.
도 11은 본 발명의 실시예를 나타낸 것으로서, 고급탄의 일종인 중국의 신화탄(Shenhua Coal)을 탄화수소 연료로 이용하여 이산화탄소를 분해하여 일산화탄소를 주성분으로 하는 합성가스를 생성한 실시예를 도시한 것이다.
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 용어들로서 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 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 재사용 시스템(100)의 블록도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 재사용 시스템(100)은 이산화탄소 흡수탑(104), 이산화탄소 재생탑(106), 플라즈마 발생부(108), 연료 주입부(110), 이산화탄소 개질부(112) 및 합성가스 배출부(114)를 포함한다.
이산화탄소 흡수탑(104)은 이산화탄소 흡수제를 이용하여 발전 설비(102)에서 발생되는 배가스로부터 이산화탄소를 포집한다. 이때 발전 설비(102)는, 예를 들어 석탄가스화복합발전소, 화력발전소 또는 열병합발전소 등의 화석 연료 또는 폐기물 등을 태움으로써 전기에너지를 생산하는 설비를 의미한다. 이와 같은 발전 설비(102)에서 발생하는 배가스에는 수소(H2), 일산화탄소(CO), 메탄(CH4), 및 이산화탄소(CO2) 등 다양한 종류의 기체가 포함되어 있으며, 이산화탄소 흡수탑(104)에서는 이산화탄소 흡수제를 이용하여 상기 배가스로부터 이산화탄소만을 포집한다. 이때 상기 이산화탄소 흡수제로는 예를 들어 모노에탄올아민(MEA; monoethanolamine) 등이 이용될 수 있으나, 반드이 이에 한정되는 것은 아니며, 이산화탄소를 포집 가능한 다양한 물질이 제한 없이 사용될 수 있다.
한편, 이산화탄소 흡수탑(104)에서 이산화탄소를 흡수하고 남은 연소 가능한 배가스는 가스 엔진 또는 가스 터빈(116)으로 공급되어 전기에너지를 생산하기 위한 원료 물질로 사용될 수 있다. 또한, 상기 가스 엔진 또는 가스 터빈(116)에서의 전기에너지 생산 과정에서 발생되는 이산화탄소는 재차 이산화탄소 흡수탑(104)으로 공급될 수 있다.
이산화탄소 재생탑(106)은 상기 이산화탄소가 포집된 이산화탄소 흡수제로부터 이산화탄소를 탈거한다. 이산화탄소 흡수탑(104)에서 이산화탄소를 포집한 상기 모노에탄올아민 등의 흡수제는 이산화탄소 재생탑(106)으로 유입되며, 이산화탄소 재생탑(106)에서는 유입된 상기 흡수제로부터 이산화탄소를 탈거한다. 이때 이산화탄소 재생탑(106)에서의 이산화탄소 탈거 반응은 흡열 반응으로서, 예를 들어 모노에탄올아민의 경우 이산화탄소 재생탑(106)에 약 110도 이상의 온도가 유지되어야 이산화탄소의 탈거가 가능하다. 이를 위하여, 이산화탄소 재생탑(106)은 발전 설비(102)의 발전 과정에서 발생되는 폐열로부터 상기 이산화탄소의 탈거를 위한 열에너지를 공급받을 수 있다. 이와 같이 구성됨으로써 별도의 에너지 투입 없이도 이산화탄소 재생탑(106)에서의 이산화탄소 탈거가 가능하게 된다.
플라즈마 발생부(108)는 소정 주파수의 전자파 또는 RF(Radio Frequency)파를 발진하고, 상기 전자파 또는 RF파를 이용하여 이산화탄소를 이온화 및 전리시켜 플라즈마를 생성한다.
연료 주입부(110)는 플라즈마 발생부(108)에서 발생되는 상기 플라즈마에 탄화수소 연료를 주입한다. 이때 상기 탄화수소 연료는 가솔린, 등유, 경유 등의 액체 연료, 액화천연가스(LNG; Liquified Natural Gas), 액화석유가스(LPG; Liquified Petroleum Gas) 등의 기체연료 및 석탄, 미분탄, 카본 블랙 등의 고체 연료를 모두 포함한다. 예를 들어, 연료 주입부(110)는 액체 형태의 탄화수소 연료를 마치 분무기와 같은 방식으로 플라즈마에 분사할 수 있다. 또한 상기 탄화수소 연료가 고체인 경우, 연료 주입부(110)는 이를 적절한 기체와 섞어 상기 플라즈마로 분사할 수 있다.
이산화탄소 개질부(112)는 상기 플라즈마 및 상기 탄화수소 연료를 반응시켜 합성가스를 생성한다. 이때 상기 합성가스는 일산화탄소(CO)를 주성분으로 하며, 이에 대해서는 이하에서 상세히 설명한다. 이산화탄소 개질부(112)에서 생성된 일산화탄소를 주성분으로 하는 합성가스는 가스 엔진 또는 가스 터빈(116)으로 공급되어 전기에너지를 생산하는 데 이용될 수 있다.
마지막으로, 합성가스 배출부(114)는 생성된 상기 합성가스를 배출 및 포집한다. 합성가스 배출부(114)에서 포집된 일산화탄소는, 예를 들어 수소와 반응하여 수송용 연료를 생산하거나, 또는 다양한 종류의 유기화합물질을 합성하기 위한 기초 성분으로 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생부(108)의 상세 구성을 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생부(108)는 전원부(202), 전자파 발진기(204), 순환기(206), 튜너(208), 도파관(210), 방전관(212), 이산화탄소 공급부(214) 및 점화부(216)를 포함하여 구성된다.
전원부(202)는 플라즈마 발생부(108)의 구동에 필요한 전력을 공급한다.
전자파 발진기(204)는 전원부(202)와 연결되며, 전원부(202)로부터 전력을 공급받아 전자파를 발진한다. 본 발명에서는 902~928MHz 또는 886~906MHz의 주파수 범위를 갖는 전자파를 발진하는 전자파 발진기를 사용하며, 바람직하게는 전자파 발진기(204)를 이용하여 915MHz 또는 896MHz의 주파수를 갖는 전자파를 발진하게 된다.
순환기(206)는 전자파 발진기(204)와 연결되며, 전자파 발진기(204)에서 발진된 전자파를 출력함과 동시에 임피던스 부정합으로 반사되는 전자파 에너지를 소멸시켜 전자파 발진기(204)를 보호한다.
튜너(208)는 순환기(204)로부터 출력된 전자파의 입사파와 반사파의 세기를 조절하여 임피던스 정합을 유도함으로써 상기 전자파로 유도된 전기장이 방전관(212) 내에서 최대가 되도록 한다.
도파관(210)은 튜너(208)로부터 입력되는 전자파를 방전관(212)으로 전송한다. 본 발명에서 도파관(210)의 크기는 전자파 발진기(204)에서 발진되는 전자파의 주파수와 관계가 있다. 전자파 발진기(204)에서 발진되는 전자파의 주파수가 작아지면 파장이 길어지므로 일정 크기의 도파관에 서로 다른 주파수를 갖는 전자파를 유입시킬 경우, 도파관 고유의 차단주파수보다 낮은 주파수의 전자파는 도파관으로 유입되지 않는다. 즉, 도파관은 일종의 하이패스 필터(high pass filter)로 작용하게 되며, 따라서 사용되는 주파수에 따라 도파관의 크기가 정해지게 된다.
도파관 고유의 차단주파수는 다음의 수학식 1과 같이 정해진다.
수학식 1
Figure PCTKR2013008928-appb-M000001
상기 수학식에서 f c 는 차단주파수, c는 빛의 속도, a는 도파관의 가로 크기, b는 도파관의 세로 크기, m과 n은 도파관에서의 전자파 모드 번호이다.
본 발명에서는 가로(a) * 세로(b) 의 크기가 25cm * 12.5cm 인 도파관을 사용한다. 또한 본 발명에서는 TE10 모드로 전자파를 발진하므로 이 경우 m 값은 1, n 값은 0이 된다. 본 발명에서의 도파관(210)의 차단주파수를 계산하여 보면 다음의 수학식 2와 같다.
수학식 2
Figure PCTKR2013008928-appb-M000002
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 전자파 발진기(204)는 902~928MHz 또는 886~906MHz의 주파수 범위를 갖는 전자파를 발진하므로 도파관(210)의 차단주파수보다 높으며 따라서 전자파 발진기(204)에서 발진된 전자파는 차단되지 않고 도파관(210)으로 유입됨을 알 수 있다.
한편, 상기 도파관(210)에서의 차단 파장은 다음의 수학식 3과 같이 구해진다.
수학식 3
Figure PCTKR2013008928-appb-M000003
만약 전자파 발진기(204)에서의 발진 주파수가 915MHz일 경우의 도파관 내 파장(λg)은 다음의 수학식 4와 같다.
수학식 4
Figure PCTKR2013008928-appb-M000004
방전관(212)이 도파관(210)의 종단으로부터 관내 파장(λ)의 1/4 떨어진 위치에 삽입되는 경우, 방전관이 삽입되는 위치는 종단으로부터 약 11cm (≒43.5/4)인 곳이다.
도시된 바와 같이, 전술한 전원부(202), 전자파 발진기(204), 순환기(206), 튜너(208), 및 도파관(210)은 본 발명에서 전자파 공급부(218)를 구성하며, 전자파 공급부(218)는 전자파를 발생시켜 방전관(212)으로 공급하는 역할을 수행한다.
방전관(212)은 전자파 공급부(322)로부터 공급된 상기 전자파 및 이산화탄소 공급부(214)로부터 공급되는 이산화탄소로부터 플라즈마(이산화탄소 플라즈마)를 발생시킨다. 구체적으로, 방전관(212) 내부로 공급되는 이산화탄소는 전자파에 의하여 이온화 및 전리되며(e + CO2 -> CO + O-), 이로부터 고온, 고밀도의 플라즈마가 발생된다.
이산화탄소 공급부(214)는 이산화탄소 재생탑(106)에서 공급되는 이산화탄소를 방전관(212)의 내부로 공급한다. 이때, 이산화탄소 공급부(214)는 방전관(212)의 내부로 배출되는 상기 이산화탄소가 방전관(212)의 내주면과 평행하게 배출되도록 방전관(212)의 내부와 연결됨으로써, 방전관(212)의 내부로 공급되는 상기 이산화탄소가 와류를 형성하도록 구성될 수 있다. 이에 대해서는 도 3 도 4a, 4b, 4c에서 상세히 설명한다.
점화부(216)는 방전관(212) 내부에 설치되는 하나 이상의 전극을 포함하며 상기 전극을 통하여 플라즈마의 생성을 위한 초기 전자를 공급한다.
한편, 전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생부(108)는 전자파 공급부(218) 대신에 RF파 공급부를 포함하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 RF파 공급부는 석영관, 또는 유리관으로 구성되는 방전관(212)을 감싸는 코일을 포함하도록 구성될 수 있다. 이때, 상기 코일에 소정 주파수의 RF파(예를 들어, 1 MHz ~ 300 MHz의 주파수를 갖는 RF파)를 인가하면 패러데이 법칙에 따라 코일의 축 방향으로 자기장이 형성되며, 상기 자기장에 의하여 유도 기전력이 생성된다. 이에 따라 자기장 안에서 가속된 전자들의 충돌에 의하여 이온화 및 증배 과정이 일어나며, 이에 따라 방전관(212)으로 주입된 이산화탄소의 절연 파괴에 의하여 열 플라즈마가 발생되어 플라즈마 토치의 형태를 이루게 된다.
도 3은 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 발생부(108)의 도파관(210)과 방전관(212)이 연결되는 부분을 도시한 수직 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 방전관(212)은 도파관(210)과 연결되어 도파관(210)을 통해 입력되는 전자파에 의해 플라즈마가 생성되는 공간을 제공한다. 이떼, 도파관(210)은 방전관(212)과 가까워질수록 그 직경이 감소하는 테이퍼(taper) 형상을 가지도록 구성될 수 있다. 방전관(212)은 원통형으로 형성되어 도파관(210)의 종단으로부터 도파관(210) 내 파장의 1/8~1/2 사이, 바람직하게는 1/4에 해당하는 지점에서 도파관(210)을 수직하게 관통하도록 설치될 수 있으며, 전자파의 용이한 투과를 위해 석영, 알루미나, 또는 세라믹으로 구성될 수 있다. 도파관(210) 아래에 형성된 방전관 홀더(300)는 방전관(212)이 안정적으로 도파관(210) 내부에 삽입되어 고정되도록 방전관(212)을 지지한다.
이산화탄소 공급부(214)는 방전관(212)의 하단부에 형성되며, 도시된 바와 같이 복수 개의 이산화탄소 공급관으로 구성될 수 있다. 이때 각 이산화탄소 공급관은 이산화탄소가 플라즈마 방향을 향하도록 경사지게 배치될 수 있다.
한편, 방전관(212)의 상단에는 발생된 플라즈마에 탄화수소 연료를 주입하기 위한 하나 이상의 연료 주입부(110)가 형성될 수 있다.
도 4a 내지 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 공급부(214)의 상세 구성을 나타낸 수평 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 공급부(214)는 하나 이상의 이산화탄소 공급관(400)을 포함한다. 각 이산화탄소 공급관(400)은 각각 일단이 방전관(212)의 내부와 연결되어 방전관(212) 내부로 이산화탄소를 공급하도록 구성된다.
이산화탄소 공급관(400)은 필요에 따라 적절한 개수로 형성될 수 있다. 도 4a는 이산화탄소 공급관(400)이 2개 형성된 실시예를, 도 4b 및 4c는 이산화탄소 공급관(400)이 각각 4개 또는 6개씩 설치된 실시예를 도시한 것이다. 또한, 이산화탄소 공급관(400)은 공급된 이산화탄소가 방전관(212)의 내주면을 따라 소용돌이 형태로 회전하도록 방전관(212)으로 공급된다. 이를 위하여, 도시된 바와 같이 이산화탄소 공급관(400)은 방전관(212) 내부로 배출되는 이산화탄소가 방전관(212)의 내주면을 따라 (즉, 내주면과 평행하게) 배출되도록 방전관(212)의 내부와 연결된다. 이를 위하여, 이산화탄소 공급관(400)이 방전관(212)과 연결되는 일단 부근에서는 이산화탄소 공급관(400)의 진행 방향이 방전관(212)의 내주면과 평행하도록 구성되어야 한다. 이렇게 구성될 경우, 공급된 이산화탄소는 방전관(212)의 내부에서 서로 혼합되면서 일방향으로 회전하여 소용돌이(와류) 형태를 띄게 된다. 또한 각 이산화탄소 공급관(400)은 공급되는 이산화탄소의 회전 방향이 모두 동일하도록 구성된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 방전관(212)에서 발생되는 이산화탄소 플라즈마의 광방출 스펙트럼을 나타낸 그래프이다. 상기 그래프에서 가로축은 빛의 파장(wavelength, nm)을, 세로축은 빛의 세기(Intensity, Arb. Units)를 각각 나타낸다. 상기 광방출 스펙트럼을 통하여 이산화탄소가 이온화/전리된 플라즈마 상태일 때 이산화탄소 플라즈마의 라디칼, 원자, 분자 분포를 알 수 있다. 이 스펙트럼을 통해 이산화탄소 플라즈마에 영향을 끼칠 수 있는 방전 가스의 양, 전자파 파워 등의 변화 시 바뀌는 라디칼, 원자, 분자의 양을 세로축의 상대적 크기를 통해 그 양의 변화 정도를 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 재사용 시스템(100)의 이산화탄소 개질부(112)의 제1 실시예를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 이산화탄소 개질부(112)는 방전관(212)의 상단에 형성되는 원통형의 반응로(600)를 포함한다. 이 경우, 연료 주입부(110)를 통하여 주입된 탄화수소 연료는 이산화탄소 공급부(214)에서 형성된 와류에 의하여 반응로(600) 내부를 따라 와류 형태로 회전하게 된다. 또한 상기 탄화수소 연료는 방전관(212)에서 발생되어 반응로(600) 내부로 유입된 플라즈마에 의하여 일산화탄소를 주성분으로 한 합성가스로 변화된다(CO2 + C -> 2CO). 도면에서 굵은 직선 화살표는 플라즈마의 진행 방향을, 와류 형태의 화살표는 합성가스의 방향을 각각 나타낸다.
전술한 바와 같이, 반응로(600) 내부에서 탄화수소 연료가 반응로(600) 내벽을 따라 와류 형태로 회전할 경우 탄화수소 연료의 반응로(600) 내부에서의 체류 시간을 길게 할 수 있다. 이에 따라 플라즈마 화염과 탄화수소 연료의 반응시간이 증가하게 되며, 반응로(600) 내부의 열전달 효율이 향상되어 반응로(600) 내부를 고온으로 유지함으로써 탄화수소 연료의 열분해 반응을 촉진할 수 있다. 한편, 본 실시예 및 이하의 실시예에서 이산화탄소 개질부(112)를 구성하는 각 반응로는 내화재, 단열재 및 하우징을 포함하여 구성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 재사용 시스템(100)의 이산화탄소 개질부(112)의 제2 실시예를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 이산화탄소 개질부(112)는 각각 원통형으로 형성되며, 각각 원통형으로 형성되며, 상기 원통의 내부에 각각 별도의 플라즈마 발생부(108)로부터 발생된 플라즈마가 유입되도록 구성되는 하나 이상의 1차 반응로(702) 및 1차 반응로(702)보다 더 큰 직경을 갖는 원통형으로 형성되며, 원통의 측면을 따라 1차 반응로(702)가 연결되는 2차 반응로(704)를 포함한다.
1차 반응로(702)는 도 6에 도시된 반응로(600)와 유사한 형상을 가진다. 즉 1차 반응로(702)의 일단은 방전관(212)과 연결되며, 타단은 2차 반응로(702)의 측면을 관통하여 2차 반응로(704)와 연결된다. 이에 따라 1차 반응로(702)로 인입되는 플라즈마, 상기 탄화수소 연료 및 1차 반응로(702) 내에서 형성된 상기 합성가스가 2차 반응로(704) 내부로 유입된다.
도 8은 상기 제2 실시예에 따른 플라즈마 가스화 장치(100)의 이산화탄소 개질부(112)의 수직 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예의 경우 1차 반응로(702)는 2차 반응로(704)의 측면 상단 및 하단에서 각각 2차 반응로(704)와 연결되도록 구성될 수 있다. 이때, 도시된 바와 같이 2차 반응로(704)의 측면 상단에 연결되는 1차 반응로(702)는 2차 반응로(704)의 하단 방향을 향하도록 연결되고, 2차 반응로(704)의 측면 하단에 연결되는 1차 반응로(702)는 2차 반응로(704)의 상단 방향을 향하도록 연결된다. 이에 따라 상단에 연결된 1차 반응로(702)로부터 유입되는 탄화수소 연료 및 합성가스는 2차 반응로(704)의 하단으로 내려갔다가 다시 2차 반응로(704)의 상단으로 올라가는 리버스 볼텍스 플로우(reverse voltex flow)를 형성하고, 하단에 연결된 1차 반응로(702)로부터 유입되는 탄화수소 연료 및 합성가스는 2차 반응로(704)의 상단으로 올라갔다가 다시 2차 반응로(704)의 하단으로 내려가는 컨벤셔널 볼텍스 플로우(conventional voltex flow)를 형성함으로써, 이산화탄소 개질부(112) 내부에서 플라즈마와 탄화수소 연료와의 반응시간이 증가하게 되며 이를 합성가스의 수율 향상으로 이어지게 된다. 또한 이를 통하여 이산화탄소 개질부(112) 내부의 열전달 효율이 향상되어 이산화탄소 개질부(112) 내부의 온도를 고온으로 유지할 수 있게 되며, 이에 따라 이산화탄소 개질부(112) 내부에서의 탄화수소 연료의 열분해 반응을 촉진할 수 있다.
한편, 2차 반응로(704)의 측면 상단에 연결되는 1차 반응로(702)로부터 배출되는 상기 탄화수소 연료의 양 및 2차 반응로(704)의 측면 하단에 연결되는 1차 반응로(702)로부터 배출되는 상기 탄화수소 연료의 양의 비율은 1:1 내지 1:100 사이일 수 있다.
한편, 도시된 바와 같이 2차 반응로(704)의 상단 또는 하단 중 적어도 하나에 상기 합성가스가 배출되는 배출구(800)가 형성될 수 있다. 배출구(800)는 2차 반응로(704)의 상단 또는 하단에만 형성되거나, 또는 실시예에 따라 상하단 모두에 형성될 수 있다.
도 9는 상기 제2 실시예에 따른 플라즈마 가스화 장치(100)의 이산화탄소 개질부(112)의 수평 단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 1차 반응로(702)는 그 끝단이 2차 반응로(704)의 내주면과 평행하도록 2차 반응로(704)와 연결됨으로써, 1차 반응로(702)에서 배출되는 상기 탄화수소 연료 및 상기 합성가스가 2차 반응로(704) 내부에서 와류를 형성하도록 구성될 수 있다. 이와 같은 구성을 가짐으로써 이산화탄소 개질부(112) 내부에서 플라즈마와 탄화수소 연료와의 반응시간을 증가시키는 동시에 이산화탄소 개질부(112) 내부의 연전달 효율을 향상시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성가스 배출부(114)의 상세 구성을 나타낸 블록도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 합성가스 배출부(114)는 불순물 제거부(1002) 및 합성가스 포집부(1004)를 포함한다.
불순물 제거부(1002)는 이산화탄소 개질부(112)에서 생성된 합성가스로부터 고체 형태의 불순물을 제거한다. 상기 불순물은, 예를 들어, 이산화탄소 개질부(112)에서 생성된 재(ash) 등의 분진일 수 있다. 이와 같은 불순물 제거부(1002)의 상세 구성 및 이에 따른 분진 제거 방법에 대해서는 본 기술분야에서 잘 알려져 있으므로 여기서는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한 불순물 제거부(1002)는 이외에도 상기 합성가스에 포함된 불순물을 제거하기 위한 다른 수단들을 포함하여 구성될 수 있다.
일산화탄소 포집부(1004)는 불순물 제거부(1002)에서 불순물이 제거된 합성가스에서 일산화탄소를 포집한다. 합성가스 포집부(1004)에서 포집된 일산화탄소는, 예를 들어 수소와 반응하여 수송용 연료를 생산하거나, 또는 다양한 종류의 유기화합물질을 합성하기 위한 기초 성분으로 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 재사용 시스템(100)은 이산화탄소 개질부(112) 내부에 산소를 공급하는 산소 공급부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이산화탄소 개질부(112) 내부의 반응은 CO2 + C -> 2CO + 172kJ/mol인 흡열반응이므로, 이산화탄소 개질부(112) 내부에 산소를 공급할 경우 이산화탄소 개질부(112) 내부의 온도를 고온으로 유지하여 열분해 반응을 촉진할 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예를 나타낸 것으로서, 고급탄의 일종인 중국의 신화탄(Shenhua Coal)을 탄화수소 연료로 이용하여 이산화탄소를 분해하여 일산화탄소를 주성분으로 하는 합성가스를 생성한 실시예를 도시한 것이다. 이때 이산화탄소 개질부(112)로는 도 6에 도시된 제1 실시예와 동일한 반응로(600)를 사용하였다. 도시된 바와 같이, 시간이 경과할수록 이산화탄소의 양은 감소하는 동시에 일산화탄소의 양이 증가함을 알 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이 반응로(600) 내부의 반응은 CO2 + C -> 2CO + 172kJ/mol인 흡열반응이므로, 반응로(600) 내부에 산소를 추가할 경우 반응로(600) 내부의 온도를 고온으로 유지하여 열분해 반응을 촉진할 수 있다. 또한, 석탄 내부에는 수분이 포함되어 있으므로, H20 + C -> H2 + CO 반응을 이용해 수소를 생산하는 것 또한 가능하다.
[부호의 설명]
100: 이산화탄소 재사용 시스템
102: 발전 설비
104: 이산화탄소 흡수탑
106: 이산화탄소 재생탑
108: 플라즈마 발생부
110: 연료 주입부
112: 이산화탄소 개질부
114: 합성가스 배출부
116: 가스 엔진 또는 가스 터빈
202: 전원부
204: 전자파 발진기
206: 순환기
208: 튜너
210: 도파관
212: 방전관
214: 이산화탄소 공급부
216: 점화부
300: 방전관 홀더
400: 이산화탄소 공급관
600: 반응로
702: 1차 반응로
704: 2차 반응로
800: 배출구
1002: 불순물 제거부
1004: 합성가스 포집부

Claims (15)

  1. 이산화탄소 흡수제를 이용하여 발전 설비에서 발생되는 배가스로부터 이산화탄소를 포집하는 이산화탄소 흡수탑;
    상기 이산화탄소가 포집된 이산화탄소 흡수제로부터 이산화탄소를 탈거하는 이산화탄소 재생탑;
    소정 주파수의 전자파 또는 RF(Radio Frequency)파를 발진하고, 상기 전자파 또는 상기 RF파를 이용하여 상기 이산화탄소 재생탑으로부터 공급된 이산화탄소를 이온화 및 전리시켜 플라즈마를 생성하는 플라즈마 발생부;
    상기 플라즈마에 탄화수소 연료를 주입하는 연료 주입부;
    상기 플라즈마 및 상기 탄화수소 연료를 반응시켜 합성가스를 생성하는 이산화탄소 개질부; 및
    생성된 상기 합성가스를 배출하는 합성가스 배출부를 포함하는 이산화탄소 이산화탄소 재사용 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이산화탄소 재생탑은, 상기 발전 설비로부터 발생되는 열에너지를 이용하여 상기 이산화탄소 흡수제로부터 이산화탄소를 탈거하는, 이산화탄소 재사용 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라즈마 발생부는,
    소정 주파수의 전자파를 발진하는 전자파 공급부;
    상기 전자 공급부로부터 공급된 상기 전자파 및 상기 이산화탄소로부터 플라즈마가 발생되는 방전관; 및
    상기 방전관의 내부로 상기 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부를 포함하는, 이산화탄소 재사용 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 전자파 공급부에서 발진되는 상기 전자파는 902 내지 928MHz 또는 886 내지 906MHz의 주파수 범위를 가지도록 구성되는, 이산화탄소 재사용 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 플라즈마 발생부는,
    소정 주파수의 RF파를 발진하는 RF파 공급부;
    상기 RF파 및 상기 이산화탄소로부터 플라즈마가 발생되는 방전관; 및
    상기 방전관의 내부로 상기 이산화탄소를 공급하는 이산화탄소 공급부를 포함하는, 이산화탄소 재사용 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 RF파 공급부에서 발진되는 상기 RF파는 1MHz 내지 300MHz의 주파수 범위를 가지도록 구성되는, 이산화탄소 재사용 시스템.
  7. 청구항 3 또는 5에 있어서,
    상기 이산화탄소 공급부는, 상기 방전관의 내부로 배출되는 상기 이산화탄소가 상기 방전관의 내주면과 평행하게 배출되도록 상기 방전관의 내부와 연결됨으로써, 상기 방전관의 내부로 공급되는 상기 이산화탄소가 와류를 형성하도록 구성되는, 이산화탄소 재사용 시스템.
  8. 청구항 3 또는 5에 있어서,
    상기 이산화탄소 개질부는, 상기 방전관의 상단에 형성되는 원통형의 반응로를 포함하며, 상기 방전관에서 발생되어 상기 반응로 내부로 유입된 상기 플라즈마 및 상기 반응로 내부를 따라 와류 형태로 회전하는 상기 탄화수소 연료를 반응시켜 일산화탄소를 포함하는 상기 합성가스를 생성하는, 이산화탄소 재사용 시스템.
  9. 청구항 3 또는 5에 있어서,
    상기 이산화탄소 개질부는,
    각각 원통형으로 형성되며, 상기 원통의 내부에 각각 별도의 플라즈마 발생부로부터 발생된 플라즈마가 유입되도록 구성되는 하나 이상의 1차 반응로; 및
    상기 1차 반응로보다 더 큰 직경을 갖는 원통형으로 형성되며, 원통의 측면을 따라 상기 1차 반응로가 연결되는 2차 반응로를 포함하는, 이산화탄소 재사용 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 1차 반응로는 상기 2차 반응로의 측면을 관통하여 상기 2차 반응로와 연결됨으로써, 상기 1차 반응로로 주입된 상기 플라즈마, 상기 탄화수소 연료 및 상기 1차 반응로 내에서 형성된 상기 합성가스가 상기 2차 반응로 내부로 유입되도록 구성되는, 이산화탄소 재사용 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 1차 반응로는 그 끝단이 상기 2차 반응로의 내주면과 평행하도록 상기 2차 반응로와 연결됨으로써, 상기 1차 반응로에서 배출되는 상기 탄화수소 연료 및 상기 합성가스가 상기 2차 반응로 내부에서 와류를 형성하도록 구성되는, 이산화탄소 재사용 시스템.
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 2차 반응로의 측면 상단에 연결되는 1차 반응로는 상기 2차 반응로의 하단 방향을 향하도록 연결되고, 상기 2차 반응로의 측면 하단에 연결되는 1차 반응로는 상기 2차 반응로의 상단 방향을 향하도록 연결되는, 이산화탄소 재사용 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 2차 반응로의 측면 상단에 연결되는 1차 반응로로부터 배출되는 상기 탄화수소 연료의 양 및 상기 2차 반응로의 측면 하단에 연결되는 1차 반응로로부터 배출되는 상기 탄화수소 연료의 양의 비율은 1:1 내지 1:100 사이인, 이산화탄소 재사용 시스템.
  14. 청구항 1에 있어서,
    상기 이산화탄소 개질부 내부에 산소를 공급하는 산소 공급부를 더 포함하는, 이산화탄소 재사용 시스템.
  15. 청구항 1에 있어서,
    상기 합성가스 배출부는,
    상기 합성가스로부터 고체 형태의 불순물을 제거하는 불순물 제거부; 및
    상기 불순물이 제거된 합성가스를 포집하는 합성가스 포집부를 포함하는, 이산화탄소 재사용 시스템.
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