KR100775995B1 - Method for producing hydrocarbons by thermal pyrolysis and reverse polarized hollow type plasma torch therefore - Google Patents

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Abstract

본 발명은 얇고 납작한 특이한 형태의 카본을 생산하기 위하여 한쪽 끝이 막힌 공동형 후방 전극을 양극으로, 양쪽이 모두 열린 전방 전극을 음극으로 하고, 두 전극 사이에 형성되는 직류 아크를 이용하여 고온, 고속의 열플라즈마를 전방전극을 통해 내보내는 것을 특징으로 하는 역극성 공동형 플라즈마 토치를 제공하며 이를 이용하여 천연가스, 메탄 등과 같은 탄화수소류를 열분해하고 그 부산물인 카본블랙을 생산하는 것에 관한 발명이다. In order to produce a thin, flat and unusual form of carbon, a high temperature, high speed is achieved by using a cavity-shaped rear electrode with one end closed as an anode, a front electrode with both open as a cathode, and a direct current arc formed between the two electrodes. The present invention relates to a reverse polarity cavity-type plasma torch, which emits thermal plasma through a front electrode and to thermally decompose hydrocarbons such as natural gas and methane and produce carbon black as a byproduct thereof.

Description

고온 열플라즈마로 열분해를 시켜 카본 블랙을 얻는 방법 및 이를 위한 간극을 갖는 역극성 공동형 토치{METHOD FOR PRODUCING HYDROCARBONS BY THERMAL PYROLYSIS AND REVERSE POLARIZED HOLLOW TYPE PLASMA TORCH THEREFORE}METHOD FOR PRODUCING HYDROCARBONS BY THERMAL PYROLYSIS AND REVERSE POLARIZED HOLLOW TYPE PLASMA TORCH THEREFORE}

도 1은 본 발명에 의한 간극을 갖는 역극성 공동형 토치의 단면도1 is a cross-sectional view of a reverse polarity cavity type torch having a gap according to the present invention.

도2는 역그성 공동형 토치에 의해 발생된 플라즈마를 도시하는 도면.2 shows a plasma generated by an inverted cavity-shaped torch.

도3은 기체를 주입하였을때의 현상을 도시하는 도면.3 is a diagram showing a phenomenon when gas is injected;

도 4는 본 발명에 따라 생산된 카본블랙의 투과 전자현미경 사진(TEM)Figure 4 is a transmission electron micrograph (TEM) of the carbon black produced according to the present invention

본 발명은 한쪽 끝이 막힌 공동형 후방 전극을 양극으로, 양쪽이 모두 열린 전방 전극을 음극으로 하고, 두 전극 사이에 형성되는 직류 아크를 이용하여 고온, 고속의 열플라즈마를 전방전극을 통해 내보내는 것을 특징으로 하는 역극성 공동형 플라즈마 토치와 이를 이용하여 천연가스, 메탄 등과 같은 탄화수소류를 열분해하는 방법 및 그 부산물인 카본블랙에 관한 것이다. According to the present invention, a high temperature and high speed thermal plasma is discharged through the front electrode by using the cavity-type rear electrode closed at one end as the anode, and the front electrode which is open at both sides as the cathode, and using a direct current arc formed between the two electrodes. The present invention relates to a reverse polarity cavity type plasma torch, a method of pyrolyzing hydrocarbons such as natural gas, methane, and the like, and a by-product carbon black.

역극성 공동형 플라즈마 토치는, 전극 수명을 늘리고, 또한 수명이 다한 음극을 쉽게 교체해 주기 위해, 표준적인 공동형 토치의 통상적인 전기결선과는 반대 로, 한 쪽이 막힌 공동형 후방 전극을 양극으로, 양쪽이 모두 열린 전방 전극을 음극으로 전기적 결선을 하고, 두 전극 사이의 간격으로 강한 와류 성분을 가진 플라즈마 기체를 주입시켜 아크를 발생시키는 장치이다. 이와 같은 역전극 방식으로 공동형 토치를 설계하고 사용할 경우, 양극점은 후방 전극 표면에서 고정되지만, 음극점은 전방 전극을 따라 흐르는 유동 방향으로 원하는 만큼 쉽게 밀어 낼 수 있어서, 최현구 등의 특허에서 거론된 바와 같이, 아크 길이를 전방 전극을 통해 연장시켜 아크 전압을 상승시킬 수 있다는 장점이 있다. 따라서, 전극 침식의 주원인인 아크 전류 상승을 최대한 억제한 채, 플라즈마의 출력을 높이는 데 유리하므로, 쓰레기 소각 등과 같은 고출력 플라즈마 응용에 역극성 공동형 토치가 많이 활용되고 있다. 한편, 역극성 공동형 토치에서 아크길이를 늘려 플라즈마 출력을 높이기 위해선, 음극 (전방전극) 길이 역시 길어져야 하는데, 음극 길이가 긴 토치의 경우, 전극 표면을 따라 형성되는 차가운 경계층 내 와류 강도가 벽과의 마찰에 의해 길이가 길수록 점점 더 감소하게 되어 아크 형성 및 유지가 상대적으로 불안정해진다. 아크의 반경방향 요동을 억제하고 안정화 시키는 역할을 하는 경계층 내 와류 강도의 감소는 아크가 음극 표면의 임의의 지점에 부딪힐 가능성 (음극 내부 아킹)의 증가로 이어지고, 아크의 불안정에 따른 음극 내부 아킹의 발생은 원하지 않는 음극 부위의 침식과 플라즈마 출력 요동으로 연결된다. 음극 길이 증가와 함께 나타나는 이러한 와류강도 감소 문제 해결을 위해, 종래의 역극성 토치들은 기체 유량을 크게 증가시켜, 아크 안정화에 필요한 와류 강도를 전방전극 끝까지 유지시키는 방식으로 설계 및 운전되었다. 그 결과, 플라즈마 기체로 대량의 공기를 사용하고, 고출력을 통해 많은 양의 활성종을 대량 생성시켜 음식쓰레기와 같은 유기폐기물을 대규모로 처리하는 소각용으로는 적합하지만, 고가의 불활성 기체(아르곤 등) 사용 및 안정적인 출력이 요구되는 탄화수소류 열분해와 같은 소재공정용으로 사용될 경우, 대량의 기체유량 운전조건과 상대적인 아크 불안정성은 치명적 약점으로 인식되고 있다. The reverse polarity cavity plasma torch has the one-sided closed cavity back electrode as the anode, as opposed to the standard electrical connection of a standard cavity torch, to extend the life of the electrode and to easily replace the dead end of the cathode. In this case, an arc is generated by electrically connecting the front electrode, which is open on both sides, to the cathode and injecting plasma gas having a strong vortex component at intervals between the two electrodes. When the cavity torch is designed and used in the reverse electrode type, the anode point is fixed at the rear electrode surface, but the cathode point can be easily pushed out as desired in the flow direction flowing along the front electrode. As can be seen, there is an advantage that the arc voltage can be raised by extending the arc length through the front electrode. Therefore, since it is advantageous to increase the output of the plasma while suppressing the increase of the arc current, which is the main cause of electrode erosion, the reverse polarity cavity type torch is widely used for high power plasma applications such as waste incineration. On the other hand, in order to increase the plasma output by increasing the arc length in the reverse polarity cavity torch, the length of the cathode (front electrode) must also be increased. In the case of the torch having a long cathode length, the vortex strength in the cold boundary layer formed along the electrode surface is increased. The longer the length is due to friction with, the arc formation and maintenance becomes relatively unstable. The reduction of the vortex strength in the boundary layer, which serves to suppress and stabilize the radial fluctuations of the arc, leads to an increase in the likelihood that the arc will strike any point on the cathode surface (cathodic internal arcing) and the arcing arcing due to arc instability The occurrence of leads to erosion of the unwanted cathode site and fluctuations in plasma output. In order to solve this problem of decrease in vortex strength with increasing cathode length, conventional reverse polarity torches have been designed and operated in such a way as to greatly increase the gas flow rate to maintain the vortex strength necessary for arc stabilization to the front electrode end. As a result, it is suitable for incineration of large amounts of organic waste such as food waste by using a large amount of air as a plasma gas and generating a large amount of active species through high power, but it is expensive inert gas (argon, etc.). When used for materials processing, such as hydrocarbon pyrolysis, which requires high use and stable output, large gas flow operating conditions and relative arc instability are perceived as fatal weaknesses.

플라즈마 형성 기체를 음극과 양극사이에서 발생시킨 아크를 통과시켜 그 젯트를 분사시키는 비이송식 토치에 있어서, 막대형 음극과 원통형 양극 사이 또는 원통형 음극과 원통형 양극 사이에 간극을 두는 방식은, 미국 특허 3,360,988 및 4,543,470에서 각각 그 기술이 공개된 바와 같이, 간극 길이만큼 늘어난 아크길이에 의한 전압 상승 및 출력 증가 효과와 간극과 전극 사이의 간격으로 플라즈마 형성 기체를 나누어 주입 시켜 와류강도를 보충해줌으로써, 길이가 늘어난 아크를 상대적으로 적은 유량의 기체로 안정화 시킬 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 상기 미국 특허에서 공개된 것은 원통형 전극들을 소정의 간격을 두고 단순 배치해 놓은 것으로서, 각 전극 사이의 간격을 통해 강한 와류 성분을 가진 플라즈마 기체를 주입할 경우, 도 2에 표기된 바와 같이, 주입된 기체(17)은 원통형 전극의 축방향에 대해 둘로 나뉘어서, 후방 및 전방을 향해 각각 반대 방향으로 몰려간다. 이 때, 후방쪽으로 가는 역류는 그 앞단의 간격에서 주입되어 간극을 통해 전방으로 향하고 있는 플라즈마 유동에 대해서는 반대방향의 와류성분과 방향을 가지고 있으므로, 상기 플라즈마 유동의 진행을 방해할 뿐만 아니라, 와류강도를 감소시키는 역할을 하여 간극 내에서 내부 아킹의 가능성을 오히려 높일 수 있다는 단점이 존재 한다. 공개된 미국특허 등은, 각 간극의 직경을 전방쪽으로 점차적으로 늘려서, 이러한 단점을 최소화할 수 있다는 점을 내세우고 있으나, 출력이 높아질수록, 유량이 늘어날수록, 그 영향을 완전히 제거하기가 어렵다.In a non-feeding torch, in which a plasma forming gas is passed through an arc generated between a cathode and an anode to spray the jet, a method of placing a gap between the rod cathode and the cylindrical anode or between the cylindrical cathode and the cylindrical anode is US patent. As the technique is disclosed in 3,360,988 and 4,543,470 respectively, the voltage rise and output increase effect by the arc length increased by the gap length, and the plasma forming gas is injected into the gap between the gap and the electrode to supplement the vortex intensity, The advantage is that the increased arc can be stabilized with a relatively low flow rate of gas. However, what is disclosed in the above-mentioned US patent is a simple arrangement of cylindrical electrodes at predetermined intervals. When injecting plasma gas having a strong vortex component through the intervals between the electrodes, as shown in FIG. The gas 17 is divided into two with respect to the axial direction of the cylindrical electrode, and is driven in opposite directions toward the rear and the front, respectively. At this time, the backward flow toward the rear has a vortex component and a direction in the opposite direction to the plasma flow injected in the gap of the front end to the front through the gap, not only hinder the progress of the plasma flow, the vortex intensity There is a disadvantage in that it can increase the possibility of internal arcing in the gap by acting to reduce the. The published U.S. Patent and the like suggest that this gap can be minimized by gradually increasing the diameter of each gap toward the front, but the higher the output, the higher the flow rate, the more difficult it is to completely eliminate the effect.

본 발명은 공동형 후방전극과 원통형 전방전극 사이에 양쪽이 열린 간극을 1개 이상 배치하여, 첫째, 간극 길이만큼 늘어난 아크 길이에 의한 전압상승 및 출력 증가 효과와 둘째, 각 간격에서 주입된 기체를 통해 벽과의 마찰에 의해 손실된 와류 강도를 보충할 수 있으므로, 전방전극 끝까지 아크 안정화에 필요한 와류강도를, 상대적으로 적은 기체유량으로 달성할 수 있도록 고안된 간극을 가진 역극성 공동형 토치를 구성함으로써, 재래의 역극성 공동형 토치를 소재 공정용으로 응용 할 경우 발생하는 불리한 점을 극복하면서도, 고출력에 유리한 역극성 공동형 토치의 장점을 동시에 지닌 토치를 제안하는 것에 해당한다. 특히, 본 발명은, 삽입된 간극과 전방전극의 직경을 다르게 한 뒤, 이들의 근접지점을 도 3과 같이 서로 겹치도록 하여, 간극과 전방전극(음극) 사이에 환형의 유로를 만들고, 이 유로를 통해, 토치 내부를 관통하는 플라즈마 유동과 같은 방향의 와류 성분을 가진 기체를 주입할 수 있도록 함으로써, 단순 간극 삽입시 야기되는 상기한 바와 같은 역류에 의한 악영향을 제거할 수 있도록 하였다.According to the present invention, at least one open gap is disposed between the cavity rear electrode and the cylindrical front electrode. First, the effect of voltage increase and power increase due to the arc length increased by the gap length and second, the gas injected at each interval. By compensating for the vortex strength lost by friction with the wall, the reverse polarity cavity torch with a gap designed to achieve the vortex strength required for arc stabilization to the front electrode tip with a relatively low gas flow rate can be obtained. It is equivalent to suggesting a torch that overcomes the disadvantages of applying a conventional reverse polarity torch to a material process while simultaneously having the advantages of a reverse polarity torch for high power. In particular, the present invention, after changing the diameter of the gap between the gap and the front electrode, and their adjacent points overlap each other as shown in Figure 3, to create an annular flow path between the gap and the front electrode (cathode), this flow path Through the injection of the gas having the vortex component in the same direction as the plasma flow passing through the torch, it is possible to eliminate the adverse effects of the reverse flow caused by the simple gap insertion as described above.

따라서, 최근 급증하고 있는 메탄, 천연가스 등과 같은 탄화수소류의 직접 열분해와 같은 대규모 소재공정 응용시, 요구되는, 출력 증가와 비용 감소에 대해, 고출력 운전에 유리한 역극성 공동형 토치의 장점을 살리면서도, 과도한 플라즈마 기체 유량의 증가와 역류에 의한 플라즈마 유동의 교란 및 이로 인한 음극 내부 아 킹 없이, 균일한 출력을 제공해 줄 수 있는 '간극을 가진 역극성 공동형 토치'의 구성 방법과 이를 이용한 탄화수소류의 직접 열분해 공정의 실현이 가능하게 된다.Thus, in the case of large-scale material processing applications such as direct pyrolysis of hydrocarbons such as methane, natural gas, etc., which is increasing recently, while taking advantage of the reverse polarity cavity type torch, which is advantageous for high power operation, the power increase and the cost reduction are required. In addition, a method of constructing a reverse polarity cavity type torch with a gap that can provide a uniform output without increasing the plasma gas flow rate and disturbing the plasma flow due to the reverse flow and the internal arcing of the cathode, and hydrocarbons using the same Direct pyrolysis process can be realized.

상기의 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 공동형 후방 양극(3)과 양쪽이 모두 열린 전방 음극(14) 사이에, 양극 및 음극으로부터 전기적으로 플로팅(floating) 될 수 있도록 전기회로(19,20,21,22,23)가 연결된, 양쪽이 모두 열린 형태의 간극(6)을 동축으로 1개 이상 배치하여, 아크(24)의 길이를, 간극 길이 및 개수에 비례하여 늘릴 수 있도록 함으로써 전압증가에 의한 플라즈마 출력 증가를 가능하게하고, 기체 공급부(4,10)로부터, 각 전극들 간의 간격 사이로 와류 성분을 가진 기체(16,17)를 주입시키되, 상기 간극(6)과 전방 음극(14) 사이의 간격은, 간극의 일부가 전방음극 안으로 들어가도록 하여 만들어진 환형 유로(28)로 이어질 수 있도록 하여, 늘어난 토치 길이 때문에 발생하는 플라즈마 기체의 와류 강도 감소를 보충시킬 수 있을 뿐만 아니라, 주입된 기체가 거꾸로 역류하는 것을 방지하게 함으로써, 아크 안정성을 유지, 강화할 수 있도록 의도된, 간극을 갖는 역극성 공동형 토치를 제공하고 이를 이용하여 메탄이나 천연가스 등과 같은 탄화수소류를 직접 열분해하여 특수한 형태의 카본블랙을 생산하는 방식을 제안하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention for solving the above problems is to provide an electrical circuit 19 between the cavity rear anode 3 and the front cathode 14 both open, so that they can be electrically floated from the anode and the cathode. By arranging one or more gaps 6 of both sides, each of which is connected to 20, 21, 22, and 23, coaxially, the length of the arc 24 can be increased in proportion to the gap length and number. It is possible to increase the plasma output by the increase, and to inject the gas (16,17) with the vortex component from the gas supply (4,10) between the gaps between the electrodes, the gap (6) and the front cathode (14) The spacing between) may lead to an annular flow path 28 made by allowing a portion of the gap to enter the front cathode, thereby compensating for the reduction in the vortex intensity of the plasma gas caused by the increased torch length, as well as By preventing the reverse flow of gas backwards, it provides a reverse polarity cavity-type torch with a gap, intended to maintain and enhance arc stability, and directly pyrolyzes hydrocarbons such as methane or natural gas to form a special form. It is to propose a method of producing carbon black.

상기 목적을 이루기 위해 본 발명은, 간극을 갖는 역극성 공동형 토치를 제 공하는데, 상기 토치는 한쪽 끝이 막힌 공동형 후방 전극(3)을 양극으로 하고 양쪽이 모두 열린 전방 전극(14)을 음극으로 하여 생성된 전기아크(24)에 의해 고온의 열플라즈마를 발생시키는 역전극 방식의 공동형 플라즈마 토치에 있어서, 양쪽이 모두 열린 형태로된 1개 이상의 간극(6)이, 전기적으로 플로팅(floating) 된 채, 상기 전극들 사이에 간격(25,26)을 두고 상기 전극과 동축으로 배치되고, 상기 전방전극(14)과 이와 이웃한 간극(6)의 일부분이 서로 겹쳐져서 이루어지는 환형(annular) 유로(28)를 형성하는데 상기 환형유로는 상기 간격(26)과 이어지며, 각 전극들 간의 간격 (25,26)사이로 기체(16,17)를 주입시킬 수 있는 기체 공급부(4,10)를 갖는 것일 수 있다. In order to achieve the above object, the present invention provides a reverse polarity cavity torch having a gap, the torch being a cathode having one end of a closed cavity type electrode 3 and an open front electrode 14 both open. In the reverse electrode type cavity plasma torch which generates a high temperature thermal plasma by the electric arc 24 produced as a cathode, the one or more gaps 6 of which both sides are open form are electrically floating. Are arranged coaxially with the electrodes at intervals 25 and 26 between the electrodes, and the front electrode 14 and a portion of the adjacent gap 6 overlap each other. The annular flow path is formed in the flow path 28. The annular flow path is connected to the gap 26, and a gas supply part 4, 10 capable of injecting the gas 16, 17 between the gaps 25, 26 between the electrodes is provided. It may be to have.

상기 간극의 길이가 간극 내경의 10배 이하인 것 일 수 있다. The gap may have a length less than or equal to 10 times the gap inner diameter.

생성된 전기 아크에 직접 노출되는 각 간극(6)들의 내부 면의 1/2 이상이 상기 전방전극(14)의 내부 면과 재질이 동일한 것일 수 있다. At least one half of the inner surface of each of the gaps 6 directly exposed to the generated electric arc may be made of the same material as the inner surface of the front electrode 14.

상기 전방전극(14) 내부 면을 형성하는 부분의 재질이 흑연(graphite)인 것일 수 있다.  The material forming the inner surface of the front electrode 14 may be graphite.

또한 초고온 열플라즈마로 열분해를 시켜 카본 블랙을 얻는 방법을 제공하는데, 상기 방법은,The present invention also provides a method of obtaining carbon black by pyrolysis with an ultra high temperature thermal plasma.

한쪽 끝이 막힌 공동형 후방 전극(3)을 양극으로 하고 양쪽이 모두 열리고 내부면을 형성하는 부분의 재질이 흑연인 전방 전극(14)을 음극으로 하여 생성된 전기아크(24)에 의해 고온의 열플라즈마를 발생시키는 역전극 방식의 공동형 플라즈마 토치를 제공하는 단계와A high temperature is generated by the electric arc 24 generated by using the cavity-shaped rear electrode 3, one end of which is closed, as the anode, and the front electrode 14 made of graphite, the material of which both sides are opened and forms the inner surface. Providing a cavity plasma torch of the reverse electrode type to generate thermal plasma;

상기 전극 사이에 상기 전극과 동축으로, 전기적으로 플로팅된 간극을 제공하는 단계로서, 상기 간극과 상기 전극사이에는 간격(25,26)을 두고, 상기 전극중 전방전극과 사이에 환형유로를 형성하도록 상기 간극의 일부과 상기 전방전극의 일부가 겹치도록 하면서, 상기 환형유로와 상기 간격(26)이 이어지게 하는, 간극을 제공하는 단계와;Providing an electrically floated gap coaxially with the electrode between the electrodes, with a gap (25, 26) between the gap and the electrode to form an annular flow path between the front electrode and the electrode; Providing a gap such that a portion of the gap and a portion of the front electrode overlap with each other such that the annular flow path and the gap 26 follow;

상기 간격사이로 기체를 주입하여 플라즈마를 발생시키는 단계와Generating a plasma by injecting a gas between the intervals;

상기 간격과 상기 전방음극 벽면의 구멍 (30) 을 통하여 탄화수소류(메탄, 아세틸렌, 석유계 화합물, 석탄)를 주입하는 단계;를 포함하는 것일 수 있다. Injecting hydrocarbons (methane, acetylene, petroleum-based compounds, coal) through the gap and the hole 30 of the front cathode wall surface; may include.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described the present invention in more detail.

도 1은 본 발명에 의한 간극을 갖는 역극성 공동형 토치의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a reverse polarity cavity type torch having a gap according to the present invention.

도면에서 참조되는 바와 같이, 간극을 갖는 역극성 공동형 토치는 전기 아크(24)가 지속적으로 생성 유지되는 전극인 공동형 후방전극(양극, 3)과 양쪽이 열린 전방전극(음극, 14) 및 이들 사이에 1개 이상 동축으로 배치되는 간극(6)이 있고, 각 전극들 사이에 형성되는 간격(25,26)과 이 간격으로 와류성분을 가지는 기체(16,17)가 주입될 수 있는 기체 공급부(4,10)로 주요하게 구성된다. 기체 공급부는 내부 전극들 사이 및 이들 내부 전극들과 외부 금속 하우징과의 전기적 절연을 유지시켜주면서도, 설계 및 제작의 편의를 위하여, 냉각수 통로를 겸하도록 설계될 수 있다. 아크의 발생은 초기에 간극과 양극 사이에 형성되며, 이 때, 간극(6)은 전방 음극(14)과 전기 스위치(22)에 의해 연결되어 있어서, 음극의 구실을 하게 된다. 그러나, 아크가 발생된 뒤, 이 스위치(22)를 개방함으로써, 간극은 전기적 으로 floating 되고, 아크는 전방 음극(14)으로 유도되며, 형성된 아크의 음극점 (27)은 유동에 의해 밀려나 음극의 모서리 부분에 안착될 수 있다. 탄화수소류의 열분해와 같은 소재공정 응용 시에는, 음극 침식 및 불안정한 운전 조건시 발생할 지도 모르는 간극 내부 아킹에 의한 오염을 줄이기 위해, 음극을 흑연으로 사용 할 수 있으며, 간극 내부면의 일정 부분 이상을 도 2 및 3에 보인 바와 같이 흑연재질로 된 라이닝 (31)을 덧댈 수 있다. As referred to in the figure, the reverse polarity cavity type torch having a gap is a cavity type rear electrode (anode 3), which is an electrode in which the electric arc 24 is continuously generated and maintained, and a front electrode (cathode 14) open on both sides and There is a gap 6 disposed at least one coaxially between them, the interval 25, 26 formed between each electrode and the gas 16, 17 having a vortex component at this interval can be injected It consists mainly of the supply part 4,10. The gas supply may be designed to serve as a coolant passage for ease of design and fabrication while maintaining electrical insulation between the inner electrodes and between these inner electrodes and the outer metal housing. The generation of the arc is initially formed between the gap and the anode, at which time the gap 6 is connected by the front cathode 14 and the electrical switch 22 to serve as the cathode. However, after the arc is generated, by opening this switch 22, the gap is electrically floating, the arc is led to the front cathode 14, and the cathode point 27 of the formed arc is pushed by the flow to It can be seated at the corners. In material processing applications, such as pyrolysis of hydrocarbons, the cathode can be used as graphite to reduce contamination caused by cathodic erosion and arcing arcing that may occur during unstable operating conditions. As shown in 2 and 3, a lining 31 of graphite material may be padded.

아크의 반경방향 요동은 양극과 간극 및 간극과 음극 사이에 존재하는 간격(25,26)을 통해 각각 주입된 기체들(16,17)의 와류 성분에 의해 안정화된다. 먼저, 공동형 양극(3)과 간극(6) 사이에서 주입되는 와류 성분을 가진 기체(16)는 플라즈마 아크(24)를 형성, 유지하는 데 쓰이는 플라즈마 형성기체이다. 와류 성분을 가지고, 양극과 간극이 이루는 좁은 간격(25) 사이로 강하게 주입된 플라즈마 형성기체(16)는 도 2에 나타낸 바와 같이 양극(3) 및 간극(6)의 내부 표면을 따라 둘로 나뉘어서 한 쪽은 후방 전극(3,양극)으로 한 쪽은 전방 전극(14,음극)을 향해 진행한다. 후방전극(3,양극)으로 퍼져간 플라즈마 형성기체는 막힌 벽 때문에 되돌아 나가게 되며, 이 되돌아 나가는 유동 때문에, 공동형 후방전극 내부의 유체흐름은 도 2와 같이 중심축을 따라서는 전방전극으로 향하되, 내부표면에서는 방향이 역전되는 지점(29)이 발생한다. 아크점은 상대적으로 이 지점에서 부착되기 쉬우며, 역극성 공동형 토치의 경우, 양극점이 이 부근에서 고정된다. 이와 같은 현상은 도 2에 보인 바와 같이, 와류 성분을 가진 기체가 소정의 간격을 두고 단순 배치된 간극(6)과 음극(14) 사이의 간격(26)을 통해 주입되었을 경우의 유동흐름에도 나타 난다. 이 경우, 후방전극(3)을 향해 올라오는 역류 때문에 전방전극을 향해 나가는 간극(6) 내부의 유동흐름이 방해를 받게 되며, 간격 26으로 주입되는 기체(17)의 유량이 많으면 많을수록 이와 같은 역류 현상이 강해진다. 이러한 역류에 의한 내부 유동의 교란 및 교란된 지점에서의 내부 아킹을 막기 위해, 본 발명에서는 간극(6)과 음극(14)의 직경을 다르게 만들고, 이들의 근접지점을 도 3과 같이 서로 겹치도록 하였다. 도 3에 보인 바와 같이, 상대적으로 음극(14)의 직경을 간극(6)의 직경보다 크게 만들고 서로 겹친 후, 둘 사이에 생성되는 환형 유로(28)를 통해, 내부 유동과 같은 방향의 와류 성분을 가진 기체를 주입하게 되면, 와류 성분에 의해 기체들은 음극벽으로 몰려서 내려오게 되고, 환형 유로를 빠져나온 다음에는 콘다(coanda) 효과에 의해 간극 내부를 통해 흘러 나오는 유동들을 음극 벽쪽으로 끌어들이는 역할을 함으로써, 역류를 완벽하게 방지할 수 있게 된다.The radial fluctuations of the arc are stabilized by the vortex components of the injected gases 16, 17, respectively, through the gaps 25, 26 between the anode and the gap and the gap and the cathode. First, the gas 16 having the vortex component injected between the cavity anode 3 and the gap 6 is a plasma forming gas used to form and maintain the plasma arc 24. Plasma forming gas 16 having a vortex component and strongly injected between the narrow gap 25 between the anode and the gap is divided into two along the inner surface of the anode 3 and the gap 6 as shown in FIG. 2. The silver electrode is the rear electrode 3 (anode), and one side is directed toward the front electrode 14 (anode). Plasma-forming gas spread to the rear electrode 3 (anode) is returned due to the blocked wall, and because of this outgoing flow, the fluid flow inside the cavity-type rear electrode is directed to the front electrode along the central axis as shown in FIG. On the inner surface, a point 29 is generated whose direction is reversed. The arc point is relatively easy to attach at this point, and in the case of a reverse polarity cavity torch, the anode point is fixed at this point. This phenomenon is also shown in the flow when the gas having the vortex component is injected through the gap 26 between the gap 6 and the cathode 14 which are simply arranged at predetermined intervals, as shown in FIG. 2. Flies In this case, the flow flow inside the gap 6 going toward the front electrode is disturbed due to the reverse flow directed toward the rear electrode 3, and the more the flow rate of the gas 17 injected at the interval 26, the more the counter flow The phenomenon becomes stronger. In order to prevent the disturbance of the internal flow due to such a reverse flow and the internal arcing at the disturbed point, in the present invention, the diameters of the gap 6 and the cathode 14 are made different, and their proximal points overlap each other as shown in FIG. 3. It was. As shown in Fig. 3, the diameter of the cathode 14 is made larger than the diameter of the gap 6 and overlapped with each other, and then through the annular flow path 28 created between the two, the vortex component in the same direction as the internal flow. When the gas is injected, the vortices cause the gases to flow down the cathode wall, and after exiting the annular flow path, the coanda effect draws the flows flowing through the interior of the gap toward the cathode wall. By doing so, it is possible to completely prevent backflow.

상기와 같이 설계된 간극과 환형 유로를 갖는 공동형 토치를 이용하여, 탄화수소류를 열분해 처리하기 위한 일 예로서, 음극(14) 벽면에 구멍(30)을 뚫어 음극의 내부와 외부를 연결되게 한 다음 이를 통해 메탄 혹은 천연가스 등의 탄화수소류(18)를 주입할 수 있다. 이를 통해 주입된 탄화수소류(18)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 간극(6)을 사이에 두고 음극(14)과 양극(3) 사이에 형성된 고출력의 초고온 전기 아크(24)에 직접 닿게 됨으로써, 분해에 필요한 에너지 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 탄화수소류의 열분해가 재래의 방식에 비해 3000 C 이상의 초고온에서 이루어지므로, 얇고, 납작한 형태를 가진 특수한 형태의 카본블랙 생산을 기대할 수 있다. As an example for pyrolyzing hydrocarbons using a cavity-shaped torch having a gap and an annular flow passage designed as described above, a hole 30 is formed in the wall of the cathode 14 to connect the inside and the outside of the cathode. Through this, hydrocarbons 18 such as methane or natural gas can be injected. As shown in FIG. 1, the hydrocarbons 18 injected therethrough directly come into contact with the high-power ultra high temperature electric arc 24 formed between the cathode 14 and the anode 3 with the gap 6 therebetween. In addition to improving the energy efficiency required for decomposition, the pyrolysis of hydrocarbons is performed at an ultra-high temperature of 3000 C or more, compared to conventional methods, and thus, a special form of carbon black having a thin and flat form can be expected.

도 4는 이와 같은 방식을 통해 생산된 카본블랙의 투과 전자현미경 사진(TEM)이다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 생성된 카본블랙의 형상은 대부분 구형 또는 구형과 비슷한 모습을 가진 상용의 다른 카본블랙과는 달리 납작한 종이 또는 이 종이들이 구겨진 형태를 가짐을 알 수 있다. Figure 4 is a transmission electron micrograph (TEM) of the carbon black produced through this method. As can be seen in Figure 4, the shape of the carbon black produced, unlike most other commercially available carbon black with a spherical or spherical shape similar to the flat paper or these papers can be seen that the crumpled form.

상기한 바와 같이, 본 발명은 1개 이상의 간극(6)과 공동형 후방 양극(3) 및 음극(14) 사이의 간격으로 기체(16,17)를 주입함으로써, 아크(24)길이를 간극 길이에 비례하여 늘릴 수 있어, 전압 증가에 의한 고출력화가 가능하다.As described above, the present invention injects gases 16 and 17 at a distance between at least one gap 6 and the cavity rear anode 3 and cathode 14, thereby reducing the arc 24 length to the gap length. Since it can increase in proportion to, it is possible to increase the output by increasing the voltage.

또한, 고출력 운전시 야기되는 아크의 반경방향 불안정성을 각 전극 간격(25,26) 사이로 주입되는 기체들의 강한 와류 유동으로 안정화시켜 불필요한 내부 아킹을 막아줄 수 있고, 아크 안정화에 필요한 와류 강도를 간극(6)과 전방 전극(14) 사이의 환형 유로(28)를 통해 보충해줌으로써, 재래식 역극성 공동형 토치에 비해 소모성 기체 유량을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 간극과 전극이 단순 배치된 기존 간극형 토치에서 발생하기 쉬운 역류에 의한 내부 플라즈마유동의 교란이 없기 때문에, 상대적으로 적은 기체 유량으로 안정적인 플라즈마의 발생 및 유지가 요구되는 고출력 소재공정용으로 활용이 가능하다.In addition, the radial instability of the arc caused during high power operation can be stabilized by the strong vortex flow of gases injected between the electrode gaps 25 and 26 to prevent unnecessary internal arcing, and the vortex strength required for arc stabilization can be avoided. By replenishing through the annular flow passage 28 between the 6) and the front electrode 14, not only can the gas flow rate be reduced compared to conventional reverse polarity cavity torch, but also existing gap type torch with simple arrangement of gap and electrode. Since there is no disturbance of internal plasma flow due to backflow, which is easy to occur at, it can be utilized for high power material process requiring stable plasma generation and maintenance with relatively low gas flow rate.

고출력 소재공정의 일 예로서 탄화수소 열분해에 의한 카본블랙 제조 공정 응용 시, 본 발명은, 간극과 간극, 또는 간극과 전방전극 사이에 탄화수소류와 같은 반응성 기체를 주입하여 아크와 직접 반응을 유도할 수 있어서, 반응성 기체의 열분해 및 카본블랙 합성 등에 응용할 수 있다.In an application of a carbon black manufacturing process by hydrocarbon pyrolysis as an example of a high power material process, the present invention can induce a direct reaction with an arc by injecting a reactive gas such as hydrocarbons between the gap and the gap, or between the gap and the front electrode. The present invention can be applied to pyrolysis of reactive gas and synthesis of carbon black.

Claims (5)

한쪽 끝이 막힌 공동형 후방 전극(3)을 양극으로 하고 양쪽이 모두 열린 전방 전극(14)을 음극으로 하여 생성된 전기아크(24)에 의해 고온의 열플라즈마를 발생시키는 간극을 갖는 역극성 공동형 토치에 있어서, 양쪽이 모두 열린 형태로된 1개 이상의 간극(6)이, 전기적으로 플로팅(floating) 된 채, 상기 후방전극과 상기 전방전극 사이에 간격(25,26)을 두고 상기 후방전극과 상기 전방전극과 동축으로 배치되고, 상기 전방전극(14)과 이와 이웃한 간극(6)의 일부분이 서로 겹쳐져서 이루어지는 환형(annular) 유로(28)를 형성하는데 상기 환형유로는 상기 간격(26)과 이어지며, 각 전극들 간의 간격 (25,26)사이로 기체(16,17)를 주입시킬 수 있는 기체 공급부(4,10)를 가지며 상기 간극의 길이가 간극 내경의 10배 이하인 것을 특징으로 하는, 간극을 갖는 역극성 공동형 토치Reverse polarity cavity having a gap for generating a high temperature thermal plasma by the electric arc 24 generated by using the cavity-shaped rear electrode 3 whose one end is blocked as an anode and the front electrode 14 which is open on both sides as a cathode. In the torch, at least one of the gaps 6, both of which are open, is electrically floated, and the rear electrodes are spaced 25 and 26 between the rear electrode and the front electrode. And an annular flow passage 28 arranged coaxially with the front electrode, the annular flow passage 28 formed by overlapping the front electrode 14 and a portion of the adjacent gap 6 with each other. ) And a gas supply part 4, 10 through which gas 16, 17 can be injected between the gaps 25, 26 between the electrodes, and the length of the gap is 10 times or less of the gap inner diameter. Reverse polarity cavity with gap 삭제delete 제1항에 있어서, 생성된 전기 아크에 직접 노출되는 각 간극(6)들의 내부 면의 1/2 이상이 상기 전방전극(14)의 내부 면과 재질이 동일한 것을 특징으로 하는 간극을 갖는 역극성 공동형 토치The reverse polarity of claim 1, wherein at least one half of the inner surface of each of the gaps 6 directly exposed to the generated electric arc is made of the same material as the inner surface of the front electrode 14. Cavity torch 제3항에 있어서, 상기 전방전극(14) 내부 면을 형성하는 부분의 재질이 흑연 (graphite)인 것을 특징으로 하는, 간극을 갖는 역극성 공동형 토치The reverse polarity cavity type torch with a gap according to claim 3, characterized in that the material of the portion forming the inner surface of the front electrode (14) is graphite. 초고온 열플라즈마로 열분해를 시켜 카본 블랙을 얻는 방법으로서, As a method of obtaining carbon black by pyrolysis with ultra-high temperature plasma, 한쪽 끝이 막힌 공동형 후방 전극(3)을 양극으로 하고 양쪽이 모두 열리고 내부면을 형성하는 부분의 재질이 흑연인 전방 전극(14)을 음극으로 하여 생성된 전기아크(24)에 의해 고온의 열플라즈마를 발생시키는 역전극 방식의 공동형 플라즈마 토치를 제공하는 단계와A high temperature is generated by the electric arc 24 generated by using the cavity-shaped rear electrode 3, one end of which is closed, as the anode, and the front electrode 14 made of graphite, the material of which both sides are opened and forms the inner surface. Providing a cavity plasma torch of the reverse electrode type to generate thermal plasma; 상기 후방전극과 상기 전방전극 사이에 상기 후방전극및 상기 전방전극과 동축으로, 전기적으로 플로팅된 간극을 제공하는 단계로서, 상기 간극과 상기 후방전극과 상기 전방전극사이에는 간격(25,26)을 두고, 상기 전극중 전방전극과 사이에 환형유로를 형성하도록 상기 간극의 일부과 상기 전방전극의 일부가 겹치도록 하면서, 상기 환형유로와 상기 간격(26)이 이어지게 하는, 간극을 제공하는 단계와;Providing an electrically floating gap between the rear electrode and the front electrode coaxially with the rear electrode and the front electrode, wherein a gap 25, 26 is formed between the gap and the rear electrode and the front electrode. Providing a gap such that a portion of the gap overlaps with a portion of the front electrode to form an annular flow path between the front electrode and the gap, the annular flow path and the gap 26 being connected to each other; 상기 간격사이로 기체를 주입하여 플라즈마를 발생시키는 단계와Generating a plasma by injecting a gas between the intervals; 상기 간격과 상기 전방전극 벽면의 구멍 (30) 을 통하여 탄화수소류(메탄, 아세틸렌, 석유계 화합물, 석탄)를 주입하는 단계;를 포함하는,Injecting hydrocarbons (methane, acetylene, petroleum-based compounds, coal) through the gaps and the holes 30 in the front electrode wall; 고온 열플라즈마로 열분해를 시켜 카본 블랙을 얻는 방법How to obtain carbon black by pyrolysis with high temperature thermal plasma
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