KR101326670B1 - 마이크로웨이브 플라즈마 토치가 장착된 순환 유동층 플라즈마 가스화장치 - Google Patents

마이크로웨이브 플라즈마 토치가 장착된 순환 유동층 플라즈마 가스화장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로웨이브 플라즈마 토치가 장착된 순환 유동층 가스화장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 플라즈마 발생장치에 의해 수천도에 해당하는 고온의 플라즈마 화염을 즉시 생성시키고, 생성된 플라즈마 화염에 탄화수소계열의 연료를 공급하여 반응기에서 연료가 유동화되면서 가스화가 이루어지도록 하되, 상기 가스화장치의 반응챔버는 플라즈마 화염에 의해 직접 열을 전달받아 가스화가 이루어지는 제1가스화챔버와, 상기 제1가스화챔버를 통해 간접적으로 열을 전달받아 가스화가 이루어지는 제2가스화챔버로 분리 구성하여 플라즈마화염에 의한 직접 및 간접 열전달에 의한 가스화가 동시에 이루어지도록 한 것이다. 또한, 상기 제1가스화챔버 또는 제2가스화챔버에는 다수의 환형돌출부를 형성하여 이동유로의 단면적이 확장과 축소가 반복되도록 하여 플라즈마 화염에 의해 발생된 열의 진행속도를 지연시켜 인접 챔버 또는 가스화 물질로의 열전달율을 증가시키고 체류 시간을 증가시켜 가스화에 의한 합성가스 생산을 촉진시키는 등 가스화장치의 예열시간을 단축시키고 합성가스 생산을 촉진시킬 수 있는 마이크로웨이브 플라즈마 토치가 장착된 순환 유동층 플라즈마 가스화 장치에 관한 것이다.

Description

마이크로웨이브 플라즈마 토치가 장착된 순환 유동층 플라즈마 가스화장치{Circulating Fluidized Bed Plasma Gasifier with Microwave Plasma Torch}
본 발명은 마이크로웨이브 플라즈마 토치가 장착된 순환 유동층 가스화장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 플라즈마 발생장치에 의해 수천도에 해당하는 고온의 플라즈마 화염을 즉시 생성시키고, 생성된 플라즈마 화염에 탄화수소계열의 연료를 공급하여 반응기에서 연료가 유동화되면서 가스화가 이루어지도록 하되, 상기 가스화장치의 반응챔버는 플라즈마 화염에 의해 직접 열을 전달받아 가스화가 이루어지는 제1가스화챔버와, 상기 제1가스화챔버를 통해 간접적으로 열을 전달받아 가스화가 이루어지는 제2가스화챔버로 분리 구성하여 플라즈마화염에 의한 직접 및 간접 열전달에 의한 가스화가 동시에 이루어지도록 한 것이다. 또한, 상기 제1가스화챔버 또는 제2가스화챔버에는 다수의 환형돌출부를 형성하여 이동유로의 단면적이 확장과 축소가 반복되도록 하여 플라즈마 화염에 의해 발생된 열의 진행속도를 지연시켜 인접 챔버 또는 가스화 물질로의 열전달율 및 체류시간을 증가시켜 가스화에 의한 합성가스 생산을 촉진시키는 등 가스화장치의 예열시간을 단축시키고 합성가스 생산을 촉진시킬 수 있는 마이크로웨이브 플라즈마 토치가 장착된 순환 유동층 플라즈마 가스화 장치에 관한 것이다.
플라즈마란 물질의 제4상태로 불리는 원자핵과 전자가 분리된 전리기체를 말한다. 플라즈마의 형성은 그 발생과 더불어 화학적 반응을 활성화시킬 수 있는 다량의 라디칼을 형성시킨다. 플라즈마는 크게 저온 플라즈마와 고온 플라즈마로 분류할 수 있다. 저온 플라즈마는 100℃ 이하의 저온에서 화학적 반응이 요구되는 분야에 사용되며, 고온 플라즈마의 경우 5000℃ 이상의 온도도 짧은 시간 내에 올릴 수 있기 때문에 고온이 요구되는 소각, 용해 등의 분야에 적용될 수 있다. 최근에는 단순한 소각, 연소에서 공정의 효율 및 생성가스의 활용이 다양한 가스화 기술에 고온 플라즈마 기술이 적용, 연구되고 있다. 현재까지 가장 널리 사용되고 있는 플라즈마 방법으로는 아크 방전을 이용한 토치를 사용하는 방법이 적용되고 있으나, 방전 중에 발생하는 고온으로 인한 전극수명의 한계가 있고, 많은 전류가 흘러야 하기 때문에 높은 전력이 요구되며, 가스화 반응에 필요한 스팀을 주입하는 경우 전극의 수명을 단축시킬 수 있다. 따라서 최근 전극을 사용하지 않고, 전력변환 효율이 높은 마이크로웨이브를 활용한 고온 플라즈마 응용 기술에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 특히 기존에 폐기물 처리에 많이 응용되던 아크토치 플라즈마 용융 및 고정층 가스화 기술에서 마이크로웨이브 플라즈마를 이용한 가스화연구가 주목받고 있다.
아울러 가스화란 탄화 수소계 물질을 부분 산화시켜 수소, 일산화탄소 및 메탄과 같은 가연성 혼합가스 형태로 전환시키는 공정을 말한다. 기존 가스화의 경우 연료를 일부 연소시킴으로써 그 열로 가스화 온도를 유지하는 방식으로 운전온도인 1300℃정도까지 장치의 초기예열을 위한 버너, 공급연료, 공급배관 및 설비 등이 추가적으로 요구되며, 가스화기 내화물의 온도가 충분히 예열되어야 하기 때문에 상당히 오랜 시간 연료를 연소시켜야 한다. 따라서, 석탄 등을 이용하는 분류층 가스화기에서 예열시간이 오래 소요되는 장치의 경우에는 예열 후 수개월간 지속적으로 운전을 하고 있다.
반면, 플라즈마가스화기의 경우 외부의 전력으로 플라즈마를 생성해 화염을 형성시켜 반응온도를 유지하는 것으로, 연료의 연소를 통한 온도유지가 필요 없다. 또한, 플라즈마 중심부의 온도는 기존 가스화방식보다 수천도 높은 온도를 단시간에 형성시킬 수 있기 때문에 예열에 필요한 시간이 매우 짧은 장점을 갖고 있다. 또한, 매우 높은 온도조건에서 가스화가 이루어짐으로 짧은 체류시간 및 높은 연료의 전환율을 얻을 수 있으며, 연료에 포함되어 있는 황화합물이 플라즈마를 통하여 분해됨으로써 청정한 합성가스의 수취가 가능하다.
기존 플라즈마를 활용한 연료가스화방식의 경우 플라즈마 화염이 생성되는 직후 석탄을 공급하여 순간적으로 고온의 플라즈마 화염과 석탄의 접촉 및 체류로 석탄을 가스화 시키는 방법을 사용하였다. 그러나, 이러한 방법으로는 고속의 플라즈마 화염의 속도 및 플라즈마 형성가스의 안정화를 위하여 선회형태로 주입되는 플라즈마 형성가스의 영향으로 인하여 고온의 플라즈마 화염에서의 연료체류시간이 매우 짧고 고온의 플라즈마 화염 중앙이 아닌 상대적으로 온도가 낮은 플라즈마 화염 주변에서 연료가 선회하여 접촉하기 때문에 고온의 플라즈마 화염을 적절히 활용하기 어렵고, 이로인하여 가스화의 효율 및 연료의 전환율이 낮아지는 문제점이 있다.
연료의 가스화를 통하여 합성가스를 생산하는 경우에는 H2, CO, CH4, CO2, N2 등을 포함하는 합성가스를 연료전지 및 정유공정의 수소화분해공정 등에 활용하는 경우 활용도가 높은 H2 및 CO를 고순도로 분리해 내는 것이 중요하다. 이러한 가스의 고순도 분리 및 전환을 위해서는 가스화기 후단공정이 복잡해지고 비용이 많이 소요된다.
즉, 기존에 제시되고 있는 고정층 또는 분류층 형태의 플라즈마 가스화기에서는 생성되는 모든 가스가 단일 출구를 통해 혼합배출되고 있으므로 이로부터 필요한 가스성분을 고순도로 수취하는 후단공정이 복잡해지는 문제점이 있다.
따라서, 플라즈마화염의 고온을 최대한 활용하면서 가스의 성분을 분리배출시켜 후단공정을 단순화시킬 수 있는 장치에 대한 연구가 필요한 실정이다.
이에 본 발명의 마이크로웨이브 플라즈마 토치가 장착된 순환 유동층 플라즈마 가스화장치는,
가스화장치의 반응챔버를 이중관으로 형성하여 내부공간으로는 플라즈마화염에 의한 가스화반응이 이루어지도록 하고, 외부공간으로는 플라즈마화염의 열을 전달받아 가스화 반응 혹은 부분 산화 반응이 이루어지도록 하며, 상기 두 가스화반응 공간에는 각각 배출구를 구비하여 발생된 가스를 혼합하지 않고 별도로 배출되도록 하는 등 성분혼합을 최소화해 고순도를 위한 후단공정의 부담을 최소화시킬 수 있는 장치의 제공을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 이중관으로 형성된 반응챔버의 내부공간인 제1가스화챔버 또는 외부공간인 제2가스화챔버에 환형돌출부를 다수 형성하여 내부 유로를 부분적으로 확장 또는 축소시켜 배출되는 기류흐름이 지연되도록 하여 가스화반응을 촉진시키고 체류 시간을 증가시켜 반응챔버를 구성하는 제1가스화챔버와 제2가스화챔버의 열교환율을 증진시키는 장치의 제공을 목적으로 한다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 마이크로웨이브 플라즈마 토치가 장착된 순환 유동층 플라즈마 가스화장치는,
마이크로웨이브 플라즈마 토치가 장착된 순환 유동층 플라즈마 가스화 장치에 있어서, 플라즈마 토치가 중앙축에 설치되어 상부로 플라즈마화염을 공급하고, 일측으로는 유동화기체공급관이 연통되어 가장자리의 상부로 유동화기체를 공급하는 도입챔버와; 상기 도입챔버의 상부 중심에 형성되어 하단으로부터 플라즈마화염을 공급받고 상단은 배출챔버 내에 위치하도록 설치된 제1가스화챔버와, 상기 제1가스화챔버를 내포하고 하단으로부터 유동화기체를 공급받는 제2가스화챔버와, 상기 제2가스화챔버와 하부 도입챔버를 구획하는 분산판과, 상기 제2가스화챔버 일측에 연통되어 분산판 상부로 연료가 적층되도록 공급하는 연료공급관과, 상기 제2가스화챔버와 제1가스화챔버의 하단을 연통시켜 제2가스화챔버에 적재된 연료를 일정량씩 제1가스화챔버로 공급되도록 하는 연료공급연통부와, 제2가스화챔버의 상부 일측에는 가스화된 합성가스를 배출시키는 제2합성가스배출구가 형성된 이중관인 반응챔버와; 상기 반응챔버 상부에 형성되고 반응챔버로부터 연장돌출된 제1가스화챔버의 상단에 장착되어 수직이동한 가스화물질을 양측으로 하향배출시키는 챔버캡과, 일측 상부에 형성되어 가스화물질 중 합성가스를 배출시키는 제1합성가스배출구와, 상기 제2가스화챔버와 공간을 구획하면서 상기 가스화물질 중 고체성분을 제2가스화챔버로 배출시키도록 중심부분이 제1가스화챔버 외면과 일정거리 이격된 원뿔구획판이 형성된 배출챔버;를 포함하여 구성된다.
여기서 연료공급관은 도입챔버로 연통되어 공급이 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 토치는, 상기 제1가스화챔버와 연통되도록 수직배관되고 하부로부터 플라즈마발생가스를 공급받는 플라즈마발생관과; 상기 플라즈마발생관의 중간 일부분을 내포하도록 교차설치되고, 교차된 부분으로 마이크로웨이브를 고밀도 응집시켜 플라즈마발생가스를 해리시키고, 플라즈마 방전에 의해 플라즈마 화염을 형성시키는 도파관;을 포함한다.
또한, 상기 플라즈마발생관에는 공기-산소 공급관 또는 스팀공급관이 더 연결될 수 있으며, 상기 제2가스화챔버의 유동화기체로는 공기/산소 또는 스팀을 사용될 수 있다.
또한, 상기 제1가스화챔버 또는 제2가스화챔버 또는 제1가스화챔버와 제2가스화챔버의 내벽에는 환형으로 돌출된 환형돌출부를 축방향으로 다수 형성될 수 있다.
또한, 상기 배출챔버의 원뿔구획판은 중앙단부로부터 하향으로 관부를 더 연장시켜 관부와 제1가스화챔버 사이에 협소구간이 형성되어 배출챔버와 제2가스화챔버의 합성가스가 서로 유통되는 것을 최소화할 수 있다.
상기 해결수단에 의한 본 발명의 마이크로웨이브 플라즈마 토치가 장착된 순환 유동층 플라즈마 가스화장치는,
가스화장치의 반응챔버를 이중관으로 형성하여 내부 제1가스화챔버에는 공기/산소 및 스팀을 플라즈마 생성가스로 사용하여 플라즈마화염의 온도를 상승시키면서 반응성을 향상시키고 외부 제2가스화챔버로도 마찬가지로 공기/산소 및 스팀을 공급하여 각각 가스화가 이루어지도록 하되, 공기 및 산소가 공급된 제1 또는 제 2 가스화챔버에서는 가스화된 합성가스에는 불활성기체가 포함되어 있으므로 불활성기체가 포함되지 않은 제 1 또는 제2 가스화챔버의 합성가스와는 별도로 포집 배출되도록 하여 합성가스의 가연성가스 고순도화를 위한 후단공정의 부담을 최소화할 수 있다.
또한, 제1가스화챔버에 다수의 환형돌출부를 형성하여 열의 배출을 지연시켜 가스화를 더 촉진시키고 체류시간을 증가시키거나, 인접한 제2가스화챔버로의 열전달이 더 이루어지도록 하며, 제2가스화챔버에 형성된 환형돌출부는 적재된 연료와의 접촉면적을 증가시켜 열전달이 더 용이하게 이루어지도록 하여 가스화효율을 증대시켜 합성가스 수취량을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 가스화장치는 고온의 플라즈마화염에 의해 가스화기의 예열시간을 대폭적으로 축소시켜 예열에 소모되는 에너지량을 줄일 수 있고, 필요시 즉시 가동시킬 수 있는 등 친환경적이고 편의성을 향상시킨 장치의 제공이 가능하게 되었다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 순환 유동층 플라즈마 가스화장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도입챔버를 개략도시한 구성도.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 도입챔버를 개략도시한 구성도.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 실시예에 따른 환형돌출부가 형성된 반응챔버의 다양한 형태를 도시한 개략도.
도 5와 도 6는 본 발명의 실시예에 따른 배출챔버를 개략도시한 구성도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 순환 유동층 플라즈마 가스화장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도입챔버를 개략도시한 구성도이고, 도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 실시예에 따른 환형돌출부가 형성된 반응챔버의 다양한 형태를 도시한 개략도이고, 도 4와 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배출챔버를 개략도시한 구성도이다.
참조한 바와같이 본 발명에 따른 플라즈마 가스화장치(10)는 수직 통체로 하단의 도입챔버(20)와, 중간의 반응챔버(30)와, 상단의 배출챔버(40)로 구성된다.
상기 도입챔버(20)는 가스화장치(10)의 가열수단인 마이크로웨이브 플라즈마 토치(21)가 장착되는 것으로, 도입챔버 중앙에는 플라즈마토치(21)가 설치되어 축방향으로 플라즈마화염(26)을 발생시켜 상부의 반응챔버(30)로 공급되도록 하고, 도입챔버의 일측에는 유동화기체공급관(25)이 연통설치되어 유동화기체를 유입하고 도입챔버 수평단면의 가장자리를 통해 상부로 공급한다.
즉, 상기 도입챔버(20)의 플라즈마토치(21)는 반응챔버(30)의 제1가스화챔버(31)와 연통되어 발생된 플라즈마화염(26)을 제1가스화챔버(31)로 공급되도록 하고, 상기 도입챔버(20)의 가장자리는 반응챔버의 제2가스화챔버(32)와 분산판(33)으로 구획되어 있어 유입된 유동화기체가 분산판(33)을 통해 제2가스화챔버(32)로 공급된다. 이 때 유동화기체로는 공기/산소 및 스팀을 사용할 수 있으며, 공급되는 량은 가스화챔버에 적층된 연료를 버블형태로 유동시키거나 최소 유동화 속도 이하의 이동층 조건 정도로 공급시킨다.
아울러 도 2를 참조한 바와같이 상기 도입챔버(20)의 플라즈마 토치(21)는 중앙에 제1가스화챔버(31)와 연통되도록 수직배관되는 플라즈마발생관(22)과, 상기 플라즈마발생관의 중앙 일부분을 내포하도록 교차설치된 도파관(23)을 포함하여 구성된다.
상기 플라즈마발생관(22)은 하부에 플라즈마발생가스 공급라인(24)이 연결되어 하부에서 상측으로 플라즈마발생가스를 공급하고, 공급된 플라즈마발생가스는 상기 도파관(23)을 통과하면서 플라즈마화염(26)을 형성한다.
상기 도파관(23)은 플라즈마발생관의 중간부분을 내포하는 것으로, 더 상세하게는 플라즈마발생관(22)은 상단부와 중간부 하단부로 분리구성되고 도파관에 내포되는 중간부를 석영관(221)으로 형성하여 마이크로웨이브가 응집되도록 한다. 즉, 상기 도파관(23)은 미도시된 플라즈마제어기를 통해 출력이 조절되는 마이크로웨이브 소스인 마그네트론으로부터 마이크로웨이브를 발생시키고, 발생된 마이크로웨이브를 일측으로 이동시키면서 도파관의 테이퍼부에 의해 마이크로웨이브를 고밀도로 응집시켜 출력전기장을 최대로 높인다.
이러한 마이크로웨이브의 고밀도 응집은 도파관(23)에 내포된 플라즈마발생관인 석영관(221) 내에서 이루어지도록 하며, 상기 석영관(221)을 통과하는 플라즈마발생가스는 전기장에 의해 기체분자의 연결이 끊어지는 해리상태가 되고 플라즈마 방전에 의해 플라즈마화염(26)이 발생된다. 상기 발생된 플라즈마화염을 플라즈마발생가스의 고속유체흐름에 의해 플라즈마발생관(22) 내부에서 축방향으로 길게 형성되어 일부가 반응챔버의 제1가스화챔버(31)까지 연장형성되어 공급되는 연료를 연소 혹은 가스화 시킨다.
아울러 상기 플라즈마발생관(22)의 하단은 도시된 바와같이 도입챔버(20) 내에 위치하도록 하여 플라즈마발생가스 공급라인(24)과 플라즈마발생관이 도입챔버 내에서 연결되도록 하거나, 플라즈마 발생관의 하단을 도입챔버 하단을 통해 외부로 표출되도록 함으로써 도입챔버 외부에서 라인 연결이 이루어지도록 하여 라인연결작업 및 보수관리가 편리하게 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 상기 플라즈마발생관(22)은 플라즈마화염이 발생된 부분인 상단부에 공기-산소 공급관(222) 또는 스팀공급관(223)을 연통시켜 챔버로 공기 또는 산소나 스팀을 더 공급하여 연소와 가스화를 촉진시키거나, 상기 공기-산소 공급관 또는 스팀공급관 없이 플라즈마발생가스 공급라인(24)을 통해 공기-산소 또는 스팀을 공급하여 플라즈마발생가스로 사용할 수 있다.
상기 플라즈마발생가스로는 N2, O2, CO2, Ar가 사용될 수 있고, 이외에 상술한 바와같이 스팀이나 공기를 사용할 수 있으며, 공급되는 공기와 스팀은 플라즈마발생가스 공급라인(24)을 통해 공급되어 도파관을 통과하면서 플라즈마화염을 형성시키도록 한다.
상기 스팀을 플라즈마발생가스 또는 유동화기체로 사용하게 되면 제1가스화챔버 또는 제2가스화챔버에서의 가스화 성분은 H2, CO, CH4, CO2가 다량 발생되며, 공기-산소를 플라즈마발생가스 또는 유동화기체로 사용하게 되면 H2, CO, CH4, CO2 이외에 다량의 N2 가 포함되어 있다. 특히 공기-산소의 경우에는 플라즈마화염의 길이를 증가시키고 온도를 상승시키고 인접한 제2가스화챔버로 고온을 전달할 수 있어 가스화율을 증가시키는 효과가 있다. 또한, 플라즈마발생가스로 공기 또는 산소와 스팀을 혼합사용하여 공기-산소에 의한 고온화 효과를 얻으면서 불활성기체인 질소의 함유량을 최소화해 가연성가스의 고순도화과정인 후단공정에서의 부담을 최소화 할 수 있다.
다음으로 상기 반응챔버(30)는 중앙의 제1가스화챔버(31)와, 상기 제1가스화챔버를 내포하는 제2가스화챔버(32)로 구성된 이중관으로 제공된다.
상기 제1가스화챔버(31)는 도입챔버에 설치된 플라즈마토치의 플라즈마발생관(22)과 연통되어 하부에 플라즈마화염이 형성되며, 상단은 배출챔버(40)에 위치하여 가스화에 의해 생성된 합성가스가 배출챔버로 배출되도록 한다.
또한, 상기 제2가스화챔버(32)는 제1가스화챔버(31)를 내포하고, 일측에는 연통된 연료공급관(34)을 통해 연료를 유입시켜 하단의 분산판(33)에 연료를 적층시키고 제1가스화챔버의 고열을 전달받아 건조, 열분해 및 가스화가 이루어지도록 한다. 상기 공급되는 연료로는 탄화수소계가 주로 사용될 수 있다.
상기 제1가스화챔버(31)와 제2가스화챔버(32)의 하단은 연료공급연통부(35)에 의해 일정구간 연통되어 제2가스화챔버(32)에 적층된 연료가 일정량 씩 제1가스화 챔버(31)로 유입되어 플라즈마화염에 의해 가스화가 이루어지도록 한다. 상기 제2가스화챔버(32)에는 분산판을 통해 유동화기체가 공급됨으로 적층된 연료에 버블형태로 유동이 이루어지거나 최소 유동화 속도 이하의 이동층 조건이 되도록하여 교반이 이루어지면서 연료공급연통부(35)가 막히는 것을 방지해 연속적인 연료공급이 이루어지도록 할 수 있다. 또한 상기 분산판(33)은 원뿔형태 등 연료공급연통부를 향하여 하향 경사를 갖는 형태로 형성하여 연료 자중에 의해 제1가스화챔버로 공급되도록 할 수 있다. 또한, 상기 제1가스화챔버(31)는 주입 유속이 빠른 고압상태이므로 제2가스화챔버(32)를 낮은 주입 유속으로 상대적으로 저압으로 형성하면 압력차에 의해 제2가스화챔버(32)에 적층된 연료가 제1가스화챔버(31)로 빨려들어가도록 할 수 있다. 상기 연료공급연통부(35)는 환형태로 제2가스화챔버와 제1가스화챔버를 연통시킨 형태이거나 부분적인 통공을 통해 연통된 형태 등 다양한 형태로 연통시킬 수 있다.
상기 제2가스화챔버(32)에는 상부 일측에 제2합성가스배출구(36)가 형성되어 제2가스화챔버(32)에서 가스화된 합성가스를 배출시키며, 제2가스화챔버에서 배출된 합성가스는 사이클론(50)을 통해 입자성분을 분리하여 포집하고, 사이클론(50)에 의해 분리된 입자성분은 제2가스화챔버(32)로 재공급하여 재가스화가 이루어지거나 제2가스화챔버를 통해 제1가스화챔버로 공급되어 연소 또는 가스화가 이루어지도록 할 수 있다.
아울러 도 3을 참조한 바와같이 본 발명에 따른 순환 유동층 가스화장치는 도 1과 같이 연료공급관(34)을 반응챔버(30)의 제2가스화챔버(32)에 연통되지 않고 도입챔버(20)에 연료공급관(27)을 연통시켜 연료공급이 이루어지도록 할 수 있다.
상기 도입챔버(20)에 연통되는 연료공급관(27)은 도입챔버의 플라즈마발생관(22) 중 플라즈마화염(26)이 발생되는 구역에 연통되어 연료를 공급한다. 상기 플라즈마화염(26)으로 직접 연료를 공급하면 플라즈마화염과의 접촉시간이 증가되어 연료의 가스화가 촉진되며, 가스화가 이루어지지 않은 잔류물은 제1가스화챔버(31) 상단의 챔버캡을 통해 배출되어 제2가스화챔버로 공급되어 적층된다.
상기 제2가스화챔버(32)에서는 유동화기체에 의해 유동화되거나 최소 유동화 속도 이하의 이동층 조건으로 제1가스화챔버(31)로부터 전달받은 열에 의해 일부 가스화가 이루어지며, 제2가스화챔버 하단의 연료공급연통부(35)를 통해서 적층된 층물질인 연료가 일정량씩 제1가스화챔버로 재투입되어 플라즈마화염에 의한 가스화가 이루어지도록 하는 등 순환구조에 의해 연료의 가스화가 이루어지도록 한다.
여기서 플라즈마발생가스로 공기/산소를 소량 더 공급하면 연료의 일부를 연소시켜 발생되는 열량을 높일수 있고, 플라즈마발생가스로 공기/산소 공급없이 스팀만을 사용하면 플라즈마화염에 의한 가스화만 발생되도록 하면서 불활성기체가 포함되지 않아 고순도의 합성가스를 수취할 수 있다.
한편 도 4a 내지 도 4c를 참조한 바와같이 상기 반응챔버(30)는 제2가스화챔버(32) 또는 제1가스화챔버(31) 또는 제1가스화챔버(31)와 제2가스화챔버(32)의 내벽에는 환형으로 돌출된 환형돌출부(37)를 축방향으로 다수 형성할 수 있다. 상기 환형돌출부(37)는 유로의 단면을 증가시키거나 축소시키는 것으로, 다수의 작은 챔버가 연속적으로 연결된 형태를 갖게 함으로써 유로를 통과하는 기체의 흐름을 일시적으로 정체시켜 유체의 통과시간을 연장시켜 체류시간을 증가하도록 한다.
일예로 도 4a와 같이 제1가스화챔버(31) 내벽면에 환형돌출부(37)가 다수 형성되면 플라즈마화염에 의한 연소 또는 가스화된 고온가스가 상향이동하는 과정에서 환형돌출부에 의해 유로단면적이 축소된 구간을 통과할 때 일시적인 정체가 이루어지고, 정체된 시간만큼 제1가스화챔버 벽면 또는 환형돌출부와의 열교환이 더 이루어져 인접한 제2가스화챔버(32)로 전달되는 열을 증가시킬 수 있다. 따라서, 상기 제1가스화챔버(31)에서 배출되는 합성가스의 온도를 낮출수 있고, 제2가스화챔버(32)의 온도를 상승시킬 수 있어 가스화효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 도 4b와 같이 제2가스화챔버(32) 내벽면에 환형돌출부(37)가 다수 형성되면 환형돌출부는 스팀 또는 공기 또는 제1가스화챔버로부터 전달된 열에 의해 가열되고, 가열된 환형돌출부(37)는 적층된 연료와 접하면서 연료를 가열시켜 가스화가 신속하게 이루어지도록 한다. 특히 환형돌출부는 적층된 연료의 내부까지 열을 직접 전달시킴으로써 적층된 연료 전체에 고른 열전달로 인해 가스화를 촉진시킬 수 있다. 가스화된 가스가 상승하면서 스팀과의 반응시간을 증가시켜 가연성가스의 함량을 상승시킬 수 있다.
또한, 도 4c를 참조한 바와같이 제1가스화챔버(31)와 제2가스화챔버(32) 내벽면 모두에 환형돌출부(37)를 형성시켜 제1가스화챔버에서 제2가스화챔버로의 열전달율을 높이면서 가스화반응 시간을 증가시켜 가연성가스의 함량을 증가시킬 수 있다.
상기 가스흐름을 일부 정체시키기 위한 수단으로는 상술된 환형돌출부 형태 이외에 제1가스화챔버 및/또는 제2가스화챔버의 내벽면에 다수의 베인을 형성시키거나, 돌기를 형성하여 생성된 가스의 배출유로를 증가시키는 방법이 적용될 수 있다.
다음으로 상기 배출챔버(40)는 도 5를 참조한 바와같이 반응챔버(30) 상부에 형성되고, 배출챔버 내에는 제1가스화챔버(31)의 상단이 위치하고, 배출챔버 상부 일측에는 제1합성가스배출구(42)가 형성되며, 배출챔버 하단에는 원뿔구획판(43)이 형성되어 제2가스화챔버와 배출챔버를 구획한다.
또한, 상기 제1가스화챔버 상단은 챔버캡(41)이 형성되는데, 상기 챔버캡은 제1가스화챔버(31) 내에서 부분가스화되어 축중심을 통해 상승한 가스화물질을 측면으로 하향 배출시키도록 한다. 배출된 가스화물질 중 입자성분은 자중에 의해 하부로 배출시키고, 가스성분은 배출챔버 상측에 형성된 제1합성가스배출구(42)를 통해 외부로 배출하게 되며, 배출된 합성가스는 사이클론(50)에 의해 입자성분을 분리한 다음 포집된다.
여기서 상기 원뿔구획판(43)은 상광하협의 원뿔형태로 챔버캡(41)에서 배출된 입자성분을 중심축으로 포집되도록 한다. 상기 원뿔구획판(43)은 중심축부분에 제1가스화챔버가 삽통설치되며, 원뿔구획판의 중앙 단부는 제1가스화챔버 외벽면과 일정거리 이격되어 있어 이격된 틈을 통해 챔버캡에서 배출된 입자성분이 제2가스화챔버로 재투입되도록 한다.
아울러 도 6을 참조한 바와같이 상기 원뿔구획판(43)은 중앙단부로부터 하향으로 연장된 관부(431)가 더 형성될 수 있다. 상기 관부(431)는 제1가스화챔버(31) 외면과의 간격을 협소하게 한 구간을 길게 형성하여 제2가스화챔버(32)에서 가스화된 함성가스가 이격틈을 통해 배출챔버(40)로 유입되거나, 배출챔버의 합성가스가 이격틈을 통해 제2가스화챔버로 유입되는 것을 최소화한다. 상기 관부(431)의 하단은 최소한 제2가스화챔버에 형성된 제2합성가스배출구(36)보다 하부에 위치하도록 함으로써 상승하는 합성가스가 원뿔구획판 관부 하단보다 상부공간에 포집되도록 한다.
또한, 상기 원뿔구획판의 관부(431) 내벽면에는 다수개의 돌기를 형성해 기체흐름에 저항으로 작용하게 함으로써 제2가스화챔버와 배출챔버 사이의 가스 유통이 거의 차단되도록 할 수 있다
이와같이 구성된 플라즈마 가스화장치(10)는 수천도의 온도를 갖는 플라즈마화염(26)을 이용해 반응챔버(30)의 온도를 급속하게 상승시킬 수 있어 예열공정에 의한 예열시간을 단축시켜 가스화장치를 즉시 구동시킬 수 있다.
또한, 공급 연료의 반응성이 낮아 플라즈마화염의 온도를 증가시켜야 하는 경우를 위해 플라즈마생성가스로 공기/산소를 포함하여 사용하여 제1가스화챔버(31)에서 일부 연소가 이루어지도록 하고, 제2가스화챔버(32)로는 유동화기체로 스팀을 제공하여 고온에서의 가스화가 이루어지도록 하며, 상기 공기에 의한 불활성가스가 포함된 제1가스화챔버와 불활성가스가 포함되지 않은 제2가스화챔버에서 각각 발생된 합성가스는 별도록 배출되도록 하여 각 성분이 혼합되는 것을 방지하였다.
즉, 공기/산소가 투입된 제1가스화챔버의 합성가스에는 불활성기체와 CO2가 다량 포함되어 있으나, 공기를 투입하지 않고 스팀만 공급한 제2가스화챔버의 합성가스는 불활성기체의 함량이 미비하며 가연성가스인 H2, CH4, CO 의 함량이 높다. 따라서, 이를 분리하여 배출시킴으로써 가연성가스 고순도 화가 이루어지는 후단공정에서의 부담을 줄일 수 있다.
아울러 제1가스화챔버 및/또는 제2가스화챔버의 내벽면에 형성된 다수의 환형돌출부(37)에 의해 가스의 흐름을 일시적으로 정체시켜 통과시간을 연장시킴으로써 반응시간이 증대되어 가연성가스의 수취율을 높일 수 있다.
10 : 가스화장치
20 : 도입챔버
21 : 플라즈마토치 22 : 플라즈마발생관
23 : 도파관 24 : 플라즈마발생가스 공급라인
25 : 유동화기체공급관 26 : 플라즈마화염
27,34 : 연료공급관
221 : 석영관 222 : 공기-산소 공급관
223 : 스팀공급관
30 : 반응챔버
31 : 제1가스화챔버 32 : 제2가스화챔버
33 : 분산판 35 : 연료공급연통부
36 : 제2합성가스배출구 37 : 환형돌출부
40 : 배출챔버
41 : 챔버캡 42 : 제1합성가스배출구
43 : 원뿔구획판 431 : 관부
50 : 사이클론

Claims (7)

  1. 마이크로웨이브 플라즈마 토치가 장착된 순환 유동층 플라즈마 가스화 장치에 있어서,
    플라즈마 토치(21)가 중앙축에 설치되어 상부로 플라즈마화염(26)을 공급하고, 일측으로는 유동화기체공급관(25)이 연통되어 가장자리의 상부로 유동화기체를 공급하는 도입챔버(20)와;
    상기 도입챔버의 상부 중심에 형성되어 하단으로부터 플라즈마화염을 공급받고 상단은 배출챔버(40) 내에 위치하도록 설치된 제1가스화챔버(31)와, 상기 제1가스화챔버를 내포하고 하단으로부터 유동화기체를 공급받는 제2가스화챔버(32)와, 상기 제2가스화챔버와 하부 도입챔버를 구획하는 분산판(33)과, 상기 제2가스화챔버 일측에 연통되어 분산판 상부로 연료가 적층되도록 공급하는 연료공급관(34)과, 상기 제2가스화챔버와 제1가스화챔버의 하단을 연통시켜 제2가스화챔버에 적재된 연료를 일정량씩 제1가스화챔버로 공급되도록 하는 연료공급연통부(35)와, 제2가스화챔버의 상부 일측에는 가스화된 합성가스를 배출시키는 제2합성가스배출구(36)가 형성된 이중관인 반응챔버(30)와;
    상기 반응챔버 상부에 형성되고 반응챔버로부터 연장돌출된 제1가스화챔버(31)의 상단에 장착되어 수직이동한 가스화물질을 양측으로 하향배출시키는 챔버캡(41)과, 일측 상부에 형성되어 가스화물질 중 합성가스를 배출시키는 제1합성가스배출구(42)와, 상기 제2가스화챔버와 공간을 구획하면서 상기 가스화물질 중 고체성분을 제2가스화챔버로 배출시키도록 중심부분이 제1가스화챔버 외면과 일정거리 이격된 원뿔구획판(43)이 형성된 배출챔버(40);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가스화장치.
  2. 마이크로웨이브 플라즈마 토치가 장착된 순환 유동층 플라즈마 가스화 장치에 있어서,
    플라즈마 토치(21)가 중앙축에 설치되어 상부로 플라즈마화염(26)을 공급하고, 일측으로는 유동화기체공급관(25)이 연통되어 가장자리의 상부로 유동화기체를 공급하고, 상기 플라즈마 토치의 플라즈마화염 발생구간에 연료를 공급하는 연료공급관(27)이 연통된 도입챔버(20)와;
    상기 도입챔버의 상부 중심에 형성되어 하단으로부터 플라즈마화염을 공급받고 상단은 배출챔버(40) 내에 위치하도록 설치된 제1가스화챔버(31)와, 상기 제1가스화챔버를 내포하고 하단으로부터 유동화기체를 공급받는 제2가스화챔버(32)와, 상기 제2가스화챔버와 하부 도입챔버를 구획하는 분산판(33)과, 상기 제2가스화챔버와 제1가스화챔버의 하단을 연통시켜 제2가스화챔버에 적재된 연료를 일정량씩 제1가스화챔버로 공급되도록 하는 연료공급연통부(35)와, 제2가스화챔버의 상부 일측에는 가스화된 합성가스를 배출시키는 제2합성가스배출구(36)가 형성된 이중관인 반응챔버(30)와;
    상기 반응챔버 상부에 형성되고 반응챔버로부터 연장돌출된 제1가스화챔버(31)의 상단에 장착되어 수직이동한 가스화물질을 양측으로 하향배출시키는 챔버캡(41)과, 일측 상부에 형성되어 가스화물질 중 합성가스를 배출시키는 제1합성가스배출구(42)와, 상기 제2가스화챔버와 공간을 구획하면서 상기 가스화물질 중 고체성분을 제2가스화챔버로 배출시키도록 중심부분이 제1가스화챔버 외면과 일정거리 이격된 원뿔구획판(43)이 형성된 배출챔버(40);를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가스화장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 토치(21)는, 상기 제1가스화챔버와 연통되도록 수직배관되고 하부로부터 플라즈마발생가스를 공급받는 플라즈마발생관(22)과;
    상기 플라즈마발생관의 중간 일부분을 내포하도록 교차설치되고, 교차된 부분으로 마이크로웨이브를 고밀도 응집시켜 플라즈마발생가스를 해리시키고, 플라즈마 방전에 의해 플라즈마 화염을 형성시키는 도파관(23);을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가스화장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 플라즈마발생관(22)에는 공기-산소 공급관(222) 또는 스팀공급관(223)이 더 연결되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가스화장치.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제2가스화챔버(32)의 유동화기체로는 공기 또는 산소 또는 스팀을 사용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 가스화장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1가스화챔버(31) 또는 제2가스화챔버(32) 또는 제1가스화챔버(31)와 제2가스화챔버(32)의 내벽에는 환형으로 돌출된 환형돌출부(37)를 축방향으로 다수 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 가스화장치.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 배출챔버의 원뿔구획판(43)은 중앙단부로부터 하향으로 관부(431)를 더 연장시켜 관부와 제1가스화챔버 사이에 협소구간이 형성되어 배출챔버와 제2가스화챔버의 합성가스가 서로 유통되는 것을 최소화한 것을 특징으로 하는 플라즈마 가스화장치.
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