WO2016093492A1

WO2016093492A1 - 스월기류와해가스 공급부가 형성된 도파관을 포함하는 플라즈마 토치

Info

Publication number: WO2016093492A1
Application number: PCT/KR2015/011548
Authority: WO
Inventors: 최윤석; 옥창우; 강병선; 이학주; 김호준
Original assignee: (주)그린사이언스
Priority date: 2014-12-11
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2016-06-16
Also published as: CN107006112A; CN107006112B; KR101579139B1

Abstract

본 발명에 따른 스월기류와해가스 공급부가 형성된 도파관을 포함하는 플라즈마 토치는, 일측에 개구부가 형성되며, 상기 개구부 측으로 마이크로웨이브를 조사하여 상기 개구부의 전방에 형성된 스월기류 내에 공급되는 탄화수소체를 가스화시키는 플라즈마를 생성하는 마이크로웨이브 조사부 및 상기 개구부의 전방에 형성된 스월기류의 일부를 와해시키는 스월기류와해가스를 공급하는 스월기류와해가스 공급부를 포함하는 도파관을 포함한다. 그리고 본 발명에 따른 스월기류와해가스 공급부가 형성된 도파관을 포함하는 플라즈마 토치의 또 다른 형태는, 내부에 반응공간이 형성되며, 상기 반응공간에 탄화수소체를 투입하는 원료투입부와, 상기 반응공간에 스월기류를 발생시키는 스월기류생성가스를 공급하는 스월기류생성가스 공급부를 포함하는 반응기 및 마이크로웨이브를 조사하여 상기 반응공간의 스월기류 내에 상기 탄화수소체를 가스화시키는 플라즈마를 생성하는 마이크로웨이브 조사부와, 상기 반응공간 내에 형성된 스월기류의 일부를 와해시키는 스월기류와해가스를 공급하는 스월기류와해가스 공급부를 포함하며, 상기 반응기와 연결되는 도파관을 포함한다.

Description

스월기류와해가스 공급부가 형성된 도파관을 포함하는 플라즈마 토치

본 발명은 탄화수소체를 가스화하여 합성가스를 생성하는 플라즈마 토치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반응공간 내에 형성된 스월기류를 와해시키는 스월기류와해가스 공급부가 형성된 도파관을 포함하는 플라즈마 토치에 관한 것이다.

일반적으로 석탄, 바이오메스 등으로부터 발생된 탄화수소체를 이용하여 연료화하거나 발전에 사용할 수 있도록 하기 위해 플라즈마 토치가 이용되고 있다.

상기 플라즈마 토치는 마이크로웨이브를 이용하여 플라즈마를 발생시키고, 상기 플라즈마에 탄화수소체를 공급하여 가스화시킴에 따라 합성가스를 생성하게 된다. 이 과정에서 발생된 플라즈마를 안정화시킬 필요가 있으며, 이를 위해 반응기 내에 스월기류를 발생시키는 소정의 가스를 주입하게 된다. 상기 주입된 가스에 의해 발생된 스월기류는 반응기의 둘레를 따라 유동되고, 이에 따라 상기 플라즈마는 스월기류 내에 안정화된다.

다만, 이와 같은 종래의 플라즈마 토치는 스월기류에 의해 플라즈마를 안정화시킬 수 있으나, 주입되는 탄화수소체가 상기 스월기류에 의해 플라즈마 내로 유입되지 못하는 현상이 발생하게 된다.

이에 따라 결과적으로 주입된 탄화수소체가 플라즈마 내를 정확하게 통과하지 못하여 합성가스의 생산 효율이 크게 떨어지는 문제가 있었다.

따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 탄화수소체가 반응기 내에 생성된 플라즈마 중심부에 정확하게 공급되도록 하기 위한 플라즈마 토치를 제공하기 위함이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스월기류와해가스 공급부가 형성된 도파관을 포함하는 플라즈마 토치는, 일측에 개구부가 형성되며, 상기 개구부 측으로 마이크로웨이브를 조사하여 상기 개구부의 전방에 형성된 스월기류 내에 공급되는 탄화수소체를 가스화시키는 플라즈마를 생성하는 마이크로웨이브 조사부 및 상기 개구부의 전방에 형성된 스월기류의 일부를 와해시키는 스월기류와해가스를 공급하는 스월기류와해가스 공급부를 포함한다.

그리고 상기 개구부의 상부 영역 중 적어도 일부에 형성되어 상기 스월기류와해가스의 유동 방향을 유도하는 스월기류와해가스 유도부를 더 포함할 수 있다.

*또한 상기 스월기류와해가스 유도부는 상기 개구부의 전방으로 돌출되도록 형성되고, 상기 스월기류와해가스의 유동을 유도하는 경사면을 포함할 수 있다.

그리고 상기 경사면의 높이는 상기 경사면의 돌출 길이 이상이 되도록 형성될 수 있다.

또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스월기류와해가스 공급부가 형성된 도파관을 포함하는 플라즈마 토치의 또 다른 형태는, 내부에 반응공간이 형성되며, 상기 반응공간에 탄화수소체를 투입하는 원료투입부와, 상기 반응공간에 스월기류를 발생시키는 스월기류생성가스를 공급하는 스월기류생성가스 공급부를 포함하는 반응기 및 마이크로웨이브를 조사하여 상기 반응공간의 스월기류 내에 상기 탄화수소체를 가스화시키는 플라즈마를 생성하는 마이크로웨이브 조사부와, 상기 반응공간 내에 형성된 스월기류의 일부를 와해시키는 스월기류와해가스를 공급하는 스월기류와해가스 공급부를 포함하며, 상기 반응기와 연결되는 도파관을 포함한다.

그리고 상기 반응기의 내면에는 상기 스월기류와해가스의 유동 방향을 유도하는 스월기류와해가스 유도부가 형성될 수 있다.

또한 상기 스월기류와해가스 유도부는 상기 도파관이 상기 반응기에 연결되는 부분의 상부 영역 중 적어도 일부에 형성될 수 있다.

그리고 상기 스월기류와해가스 유도부는 상기 반응기의 내측으로 돌출되도록 형성되어 상기 스월기류와해가스의 유동을 유도하는 경사면을 포함할 수 있다.

또한 상기 경사면의 높이는 상기 경사면의 돌출 길이 이상이 되도록 형성될 수 있다.

그리고 상기 스월기류와해가스 유도부는 상기 반응기의 내면에 탈착 가능하게 형성될 수 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 스월기류와해가스 공급부가 형성된 도파관을 포함하는 플라즈마 토치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 도파관에 의해 공급되는 스월기류와해가스에 의해 반응공간 내에 형성된 스월기류의 일부가 와해됨에 따라, 공급되는 탄화수소체가 플라즈마의 중심부를 정확하게 통과할 수 있도록 하여 반응 시간을 최대화할 수 있는 장점이 있다.

둘째, 이에 따라 합성가스 제조 효율이 극대화되는 장점이 있다.

셋째, 구조가 간단하여 구축 비용이 저렴하다는 장점이 있다.

넷째, 기존 설비에도 용이하게 적용할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 토치의 구조를 나타낸 단면도;

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 토치에 있어서, 도파관에 의해 스월기류와해가스가 주입되는 모습을 나타낸 단면도;

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 토치의 구조를 나타낸 단면도;

도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마 토치의 구조를 나타낸 단면도;

도 5는 본 발명에 따른 플라즈마 토치를 이용하여 합성가스를 생산하는 과정에 있어서, 스월기류와해가스를 주입하지 않은 상태에서 반응공간 내에 유동되는 스월기류의 모습을 나타낸 도면;

도 6은 본 발명에 따른 플라즈마 토치를 이용하여 합성가스를 생산하는 과정에 있어서, 스월기류와해가스를 주입한 상태에서 반응공간 내에 유동되는 스월기류의 모습을 나타낸 도면;

도 7은 본 발명에 따른 플라즈마 토치를 이용하여 합성가스를 생산하는 과정에 있어서, 스월기류와해가스를 주입하지 않은 상태에서의 실험 결과는 나타낸 그래프 및 도표; 및

도 8은 본 발명에 따른 플라즈마 토치를 이용하여 합성가스를 생산하는 과정에 있어서, 스월기류와해가스를 주입하지 않은 상태에서의 실험 결과는 나타낸 그래프 및 도표이다.

[부호의 설명]

110: 반응기 112: 반응공간 114: 원료투입부 116: 포집부

120: 도파관 122: 마이크로웨이브 조사부 124: 스월기류와해가스 공급부

130: 홀더 134: 스월기류생성가스 공급부 140: 스월기류와해가스 유도부

142: 수평면 144: 경사면

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

도 1는 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 토치의 구조를 나타낸 단면도이며, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 토치에 있어서, 도파관(120)에 의해 스월기류와해가스가 주입되는 모습을 나타낸 단면도이다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 토치는 반응기(110)와, 도파관(120)을 포함한다.

그리고 상기 반응기(110)는 내부에 반응공간(112)이 형성되며, 원료투입부(114)와, 스월기류생성가스 공급부(134)를 포함한다. 본 실시예의 경우, 상기 반응기(110)는 상하 방향으로 길게 형성되고, 홀더(130)에 결합된 형태를 가진다.

이때 상기 스월기류생성가스 공급부(134)는 상기 반응기(110)의 하부에 상기 홀더(130)와 상기 반응기(110)를 관통하여 형성되며, 이에 따라 스월기류생성가스를 반응기(110) 내에 공급하여 스월기류를 형성하게 된다. 또한 상기 원료투입부(114)는 상기 반응기(110)의 중단부 일측에 형성되며, 상기 반응공간(112)에 탄화수소체를 투입하는 유동경로를 가진다.

그리고 상기 탄화수소체는 석탄, 잔사유, 코크스, 바이오메스 등 다양한 재료일 수 있다. 이는 당업자에게는 자명한 사항이므로 자세한 설명은 생략하도록 한다.

상기 도파관(120)은 일측에 개구부가 형성되고, 상기 반응기(110)와 연결된 형태를 가지며, 본 실시예의 경우 상기 반응기(110)의 중단부에 연결된다. 그리고 상기 도파관(120)은 마이크로웨이브 조사부(122)와, 스월기류와해가스 공급부(124)를 포함한다.

상기 마이크로웨이브 조사부(122)는 마이크로웨이브를 조사하여 상기 반응공간(112) 내에 상기 탄화수소체를 가스화시키는 플라즈마(P)를 생성하며, 본 실시예의 경우 전술한 스월기류생성가스에 의해 플라즈마(P)가 스월기류 내에 안정화된다. 여기서 도시되지는 않았으나, 상기 마이크로웨이브 조사부(122)의 타측은 마이크로웨이브를 발생시키는 마이크로웨이브 발진장치와 연결될 수 있다.

그리고 상기 플라즈마(P)에 의해 상기 탄화수소체가 가스화되어 합성가스가 생산되며, 이는 상기 반응기(110)의 상측에 구비된 포집부(116)에 포집된다. 이와 같이 포집된 합성가스는 이후 정제 및 가공을 통해 연료로 사용되거나, 발전 등을 위해 사용될 수 있다.

한편 상기와 같이 스월기류는 상기 반응공간(112) 내에 플라즈마(P)를 안정화시킬 수 있도록 하나, 상기 원료투입부(114)에 의해 공급되는 탄화수소체가 상기 스월기류에 의해 플라즈마 내로 유입되지 못하는 현상이 발생할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 이와 같은 문제를 해결하기 위해 상기 도파관(120)에 스월기류와해가스 공급부(124)가 형성된다.

상기 스월기류와해가스 공급부(124)는 상기 도파관(120)에 형성되어 상기 반응공간(112) 내에 형성된 스월기류의 일부를 와해시키는 스월기류와해가스를 공급하게 된다. 이에 따라 도 2와 같이 도파관(120)으로 마이크로웨이브가 조사되어 반응공간(112) 내에 플라즈마(P)를 발생시키는 동시에, 상기 스월기류와해가스 공급부(124)로부터 공급되는 스월기류와해가스가 도파관(120)으로부터 배출되며 상기 반응공간(112)에 형성된 스월기류를 와해시키게 된다.

즉 상기 스월기류와해가스가 상기 반응공간(112)에 배출되면서 스월기류와 충돌하여 스월기류의 일부를 와해시키게 되며, 이에 따라 공급되는 탄화수소체는 플라즈마(P) 내측으로 유입되어 중심부를 정확하게 통과할 수 있어 합성가스의 생산 효율을 증대시킬 수 있게 된다.

이하에서는 본 발명의 다른 실시예들에 대해 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 토치의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 5에 도시된 본 발명의 제2실시예의 경우, 전술한 제1실시예와 마찬가지로 도파관(120) 및 반응기(110)가 서로 연결되며, 상기 도파관(120)은 마이크로웨이브 조사부(122)와 스월기류와해가스 공급부(미도시)를 포함한다.

다만, 본 실시예에서 상기 반응기(110)의 내면에는, 상기 스월기류와해가스의 유동 방향을 유도하는 스월기류와해가스 유도부(140)가 더 형성된다. 즉 상기 스월기류와해가스 유도부(140)는 상기 도파관(120)의 배출구 측에 형성되어, 배출되는 스월기류와해가스가 기 설정된 방향으로 유동되도록 하여 스월기류를 와해시키고, 보다 안정적으로 가스화연료를 가스화시킬 수 있다.

그리고 상기 스월기류와해가스 유도부(140)는 상기 도파관(120)이 상기 반응기(110)에 연결되는 부분의 상부 영역 중 적어도 일부에 형성될 수 있다. 즉 상기 반응기(110)의 내주면 전체를 따라 연속적으로 형성될 수도 있으나, 둘레 중 일부에만 형성되는 것도 가능함은 물론이다.

본 실시예의 경우, 상기 스월기류와해가스 유도부(140)는 상기 반응기(110)의 내주면 전체에 걸쳐 형성되며, 특히 상기 반응기(110)의 내측으로 돌출되도록 형성된다.

보다 구체적으로 상기 스월기류와해가스 유도부(140)는 상기 스월기류와해가스의 유동을 유도하는 경사면(144)을 포함하며, 이에 따라 상기 스월기류와해가스는 상기 경사면(144)을 따라 반응공간(112)의 내측으로 유동된다. 이와 같이 상기 스월기류와해가스 유도부(140)에 의해 상기 스월기류와해가스와 스월기류와의 충돌각을 용이하게 조절할 수 있게 된다.

한편 상기 경사면(144)의 높이는 상기 경사면(144)의 돌출 길이 이상이 되도록 형성될 수 있다. 그리고 본 실시예에서 상기 경사면(144)의 높이(d₂)는 상기 경사면(144)을 돌출시키는 수평면(142)의 길이(d₁)와 동일하게 형성하였다.

도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마 토치의 구조를 나타낸 단면도이다.

도 4에 도시된 본 발명의 제3실시예의 경우, 전술한 제2실시예와 마찬가지로 상기 반응기(110)의 내면에는, 상기 스월기류와해가스의 유동 방향을 유도하는 스월기류와해가스 유도부(240)가 더 형성된다.

다만, 본 실시예의 경우 상기 스월기류와해가스 유도부(240)에 형성된 상기 경사면(244)의 높이(d₃)는 상기 경사면(244)을 돌출시키는 수평면(142)의 길이(d₁)보다 길게 형성된다. 특히 본 실시예에서는 상기 경사면(244)의 높이(d₃)와 수평면(142)의 길이(d₁)의 비가 2:1이 되도록 하였으며, 이에 따라 상기 스월기류와해가스가 스월기류에 충돌 시 스월기류가 최소화되도록 할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 따르면 상기 스월기류와해가스의 공급으로 인해 스월기류의 일부를 와해시켜 탄화수소체가 플라즈마(P) 중심부를 정확하게 통과할 수 있으며, 또한 경우에 따라 스월기류와해가스 유도부(140, 240)를 형성하여 자연스러운 충돌각을 형성할 수 있다.

한편 전술한 제2실시예 및 제3실시예의 경우 스월기류와해가스 유도부(140, 240)는 상기 반응기(110)를 형성하는 프레임을 변형하여 형성하였으나, 이와 달리 상기 스월기류와해가스 유도부(140, 240)는 상기 반응기(110)와 별도로 형성하여 상기 반응기(110)의 내면에 탈착 가능하게 형성되도록 할 수도 있다. 이와 같은 경우 기존의 설비에도 적용할 수 있는 장점을 가진다.

이하에서는, 본 발명에 따른 플라즈마 토치를 이용하여 진행한 실험결과에 대해 설명하도록 한다. 본 실험에서는 상기 탄화수소체로 석탄 분말을 사용하였다.

도 5는 본 발명에 따른 플라즈마 토치를 이용하여 합성가스를 생산하는 과정에 있어서, 스월기류와해가스를 주입하지 않은 상태에서 반응공간 내에 유동되는 스월기류의 모습을 나타낸 도면이며, 도 6은 본 발명에 따른 플라즈마 토치를 이용하여 합성가스를 생산하는 과정에 있어서, 스월기류와해가스를 주입한 상태에서 반응공간 내에 유동되는 스월기류의 모습을 나타낸 도면이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 스월기류와해가스를 주입하지 않은 상태의 경우 반응기의 전체 길이에 걸쳐 스월기류가 형성됨을 확인할 수 있으며, 이와 같은 상태에서 도 6과 같이 스월기류와해가스가 공급된 경우, 도파관의 주변 영역에서 스월기류가 와해됨을 확인할 수 있다.

이와 같이 일시적으로 스월기류가 와해된 후 다시 생성되는 스월기류 내에서는 주입된 탄화수소체와 플라즈마 간의 반응성이 활발해지게 된다.

도 7은 본 발명에 따른 플라즈마 토치를 이용하여 합성가스를 생산하는 과정에 있어서, 스월기류와해가스를 주입하지 않은 상태에서의 실험 결과는 나타낸 그래프 및 도표이며, 도 8은 본 발명에 따른 플라즈마 토치를 이용하여 합성가스를 생산하는 과정에 있어서, 스월기류와해가스를 주입하지 않은 상태에서의 실험 결과는 나타낸 그래프 및 도표이다.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 스월기류와해가스를 주입하지 않은 상태에서는 냉가스효율(CGE)이 71%로, 카본 전환율(CCR)이 84%인 것으로 나타나며, 스월기류와해가스를 주입한 상태에서는 냉가스효율(CGE)이 78.5%로, 카본 전환율(CCR)이 89.3%인 것으로 나타났다.

이와 같이, 스월기류와해가스를 주입하여 스월기류의 일부를 일시적으로 와해시킨 상태에서의 공정이 종래의 공정에 비해 효율이 향상된 것을 증명할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

Claims

일측에 개구부가 형성되며, 상기 개구부 측으로 마이크로웨이브를 조사하여 상기 개구부의 전방에 형성된 스월기류 내에 공급되는 탄화수소체를 가스화시키는 플라즈마를 생성하는 마이크로웨이브 조사부; 및

상기 개구부의 전방에 형성된 스월기류의 일부를 와해시키는 스월기류와해가스를 공급하는 스월기류와해가스 공급부;

를 포함하는 도파관을 포함하는 플라즈마 토치.
제1항에 있어서,

상기 개구부의 상부 영역 중 적어도 일부에 형성되어 상기 스월기류와해가스의 유동 방향을 유도하는 스월기류와해가스 유도부를 더 포함하는 플라즈마 토치.
제2항에 있어서,

상기 스월기류와해가스 유도부는 상기 개구부의 전방으로 돌출되도록 형성되고, 상기 스월기류와해가스의 유동을 유도하는 경사면을 포함하는 플라즈마 토치.
제3항에 있어서,

상기 경사면의 높이는 상기 경사면의 돌출 길이 이상이 되도록 형성된 플라즈마 토치.
내부에 반응공간이 형성되며, 상기 반응공간에 탄화수소체를 투입하는 원료투입부와, 상기 반응공간에 스월기류를 발생시키는 스월기류생성가스를 공급하는 스월기류생성가스 공급부를 포함하는 반응기; 및

마이크로웨이브를 조사하여 상기 반응공간의 스월기류 내에 상기 탄화수소체를 가스화시키는 플라즈마를 생성하는 마이크로웨이브 조사부와, 상기 반응공간 내에 형성된 스월기류의 일부를 와해시키는 스월기류와해가스를 공급하는 스월기류와해가스 공급부를 포함하며, 상기 반응기와 연결되는 도파관;

을 포함하는 플라즈마 토치.
제5항에 있어서,

상기 반응기의 내면에는 상기 스월기류와해가스의 유동 방향을 유도하는 스월기류와해가스 유도부가 형성된 플라즈마 토치.
제6항에 있어서,

상기 스월기류와해가스 유도부는,

상기 도파관이 상기 반응기에 연결되는 부분의 상부 영역 중 적어도 일부에 형성된 플라즈마 토치.
제7항에 있어서,

상기 스월기류와해가스 유도부는 상기 반응기의 내측으로 돌출되도록 형성되어 상기 스월기류와해가스의 유동을 유도하는 경사면을 포함하는 플라즈마 토치.
제8항에 있어서,

상기 경사면의 높이는 상기 경사면의 돌출 길이 이상이 되도록 형성된 플라즈마 토치.
제6항에 있어서,

상기 스월기류와해가스 유도부는 상기 반응기의 내면에 탈착 가능하게 형성된 플라즈마 토치.