KR101704768B1 - 초전효과를 이용하는 가스화장치 - Google Patents

초전효과를 이용하는 가스화장치 Download PDF

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Abstract

초전효과를 이용하는 가스화장치가 제공된다. 초전효과를 이용하는 가스화장치는, 탄소물질을 포함하는 연료를 열반응시켜 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 생성하는 반응로, 반응로 상부에 형성된 연료투입부, 반응로 하부에 형성된 연료찌꺼기배출부, 합성가스를 반응로 외부로 배출하는 가스배출관, 및 반응로와 가스배출관 사이의 합성가스의 유동경로 상에 배치되며 초전효과(pyroelectric effect)를 발생시키는 초전물질을 포함하는 촉매부를 포함한다.

Description

초전효과를 이용하는 가스화장치{Gasifier using pyroelectric effect}
본 발명은 폐기물 등을 열반응시켜 재생 에너지인 합성가스를 생산하는 가스화장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 초전효과를 이용하여 불순물 등을 처리하고 공정효율을 향상시킨 초전효과를 이용하는 가스화장치에 관한 것이다.
환경문제가 대두되면서 에너지 재활용 기술도 발전하고 있다. 엔진에서 발생하는 고온의 폐가스로부터 2차, 3차로 열교환하여 에너지를 회수하는 기술이 적용되고 있고, 기계적 움직임으로부터 전기에너지를 충전하는 기술도 상용화되고 있다. 종래 그대로 소각되었던 산업 폐기물 등에 대해서도 추가로 에너지를 얻을 수 있는 기술이 개발되어 적용되고 있다.
가스화 기술은 탄소물질이 함유된 폐기물 등을 화학 반응을 통해 처리하고 가연성의 생산물(합성가스/syngas)을 얻는 기술이다. 가스화 기술은 폐기물 등을 연료로 사용하여 열반응 시키는 기술로 특정 반응조건을 유지하는 가스화(gasification) 공정을 통해 연료의 완전 연소를 막고 추가적인 화학반응을 유도한다. 이를 통해 유용한 에너지원인 합성가스를 얻을 수 있다.
즉, 가스화 공정을 통해 폐기물을 처리하여 유용하게 활용 가능한 재생 에너지를 얻을 수 있다. 그러나, 일반적인 가스화 공정의 경우 열반응에 의해 생성된 타르 등의 불순물이 합성가스에 혼합되어 생산물의 순도를 적절한 수준으로 유지하기 어려운 문제가 있었다. 또한, 가스화 공정을 원활히 진행하기 위해서는 반응장치 내부의 온도를 일정온도로 조절하고 유지해야 하는바 종래 반응온도의 조절 및 유지가 쉽지 않은 문제가 있었다. 또한, 장치 내부의 반응조건을 유지하기 위해서 특정 반응물질을 적절히 공급해 주어야 하나 이러한 반응물질의 공급이 효율적으로 이루어지지 못하여 합성가스의 생산성이 감소하는 등의 문제를 가지고 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2012-0126172호, (2012.11.21)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 초전효과를 이용하여 불순물 등을 처리하고 공정효율을 향상시킨 초전효과를 이용하는 가스화장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 의한 초전효과를 이용하는 가스화장치는, 탄소물질을 포함하는 연료를 열반응시켜 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 생성하는 반응로; 상기 반응로 상부에 형성된 연료투입부; 상기 반응로 하부에 형성된 연료찌꺼기배출부; 상기 합성가스를 상기 반응로 외부로 배출하는 가스배출관; 및 상기 반응로와 상기 가스배출관 사이의 상기 합성가스의 유동경로 상에 배치되며 초전효과(pyroelectric effect)를 발생시키는 초전물질을 포함하는 촉매부를 포함한다.
상기 촉매부는 상기 반응로로부터 제공되는 열에 의해 초전효과가 발생될 수 있다.
상기 촉매부는 적어도 일부가 상기 반응로와 접하여 열을 제공받을 수 있다.
상기 반응로는, 투입된 연료가 건조되는 제1영역, 건조된 연료가 탄화되는 제2영역, 및 상기 반응로에 공급된 반응물질과 연료의 탄소성분이 열에 의해 산화 및 환원 반응하여 상기 합성가스를 생성하는 제3영역을 내부에 포함하고, 상기 촉매부는, 일 측은 상기 반응로의 상기 제3영역과 연통되고, 타 측은 상기 가스배출관과 연통되며, 일 측과 타 측 사이는 상기 제3영역을 접하며 둘러싸는 열교환통로를 포함하고, 상기 초전물질은, 상기 열교환통로에 접하며 상기 제3영역을 둘러쌀 수 있다.
상기 반응로 내부의 상기 제3영역에 배치되어 상기 반응로에 수소와 산소의 혼합가스인 산수소(oxyhydrogen)가스를 공급하는 제1노즐, 상기 제3영역의 상기 제1노즐 하부에 배치되어 상기 반응로에 공기를 공급하는 제2노즐, 및 상기 제3영역의 상기 제2노즐 하부에 배치되어 상기 제1영역 또는 상기 제2영역에서 발생하는 수분을 포함하는 열분해가스를 공급하는 제3노즐을 더 포함할 수 있다.
상기 초전물질은 토르말린광물을 포함할 수 있다.
상기 초전물질은 파쇄되어 상기 촉매부 내측에 수용되고, 상기 초전물질 사이에 다수의 기공이 형성될 수 있다.
본 발명에 의하면, 반응시 생성된 불순물 등을 매우 편리하게, 효과적으로 처리하여 합성가스의 순도를 높은 수준으로 유지할 수 있다. 또한, 반응장치 내부온도를 공정에 필요한 적정온도로 매우 편리하고 안정적으로 유지할 수 있으며, 반응조건을 유지하기 위한 반응물질을 장치 내부에 보다 효율적으로 공급할 수 있어 가스화 공정이 매우 효과적으로 진행된다. 따라서, 본 발명의 초전효과를 이용하는 가스화장치를 이용하여 합성가스의 생산성을 높일 수 있으며 보다 순도 높은 합성가스를 제조하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 초전효과를 이용하는 가스화장치의 개념도이다.
도 2는 도 1의 초전효과를 이용하는 가스화장치의 반응로를 보다 상세히 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 반응로 내부에서 진행되는 반응공정의 모식도이다.
도 4는 도 1의 초전효과를 이용하는 가스화장치의 촉매부를 확대하여 도시한 도면이다.
도 5는 도 2의 반응로에 설치된 제3노즐의 일 례를 도시한 사시도 및 단면도이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 초전효과를 이용하는 가스화장치의 반응공정을 순차적으로 도시한 작동도이다.
본 발명의 이점 및 특징 그리고 그것들을 달성하기 위한 방법들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 단지 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
본 명세서 상의 '초전효과(pyroelectric effect)'는 온도가 변화하면 자발적 전기분극에 의해 전기력이 형성되는 효과로, '초전물질'은 이러한 초전효과를 발생시킬 수 있는 물질을 의미한다. 초전물질은 예를 들어, 특정 세라믹과 같은 결정성의 물질을 포함할 수 있다.
이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 초전효과를 이용하는 가스화장치에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 초전효과를 이용하는 가스화장치의 개념도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 초전효과를 이용하는 가스화장치(1)는 탄소물질을 포함하는 연료를 열반응시켜 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 생성하는 반응로(10), 반응로(10) 상부에 형성된 연료투입부(20), 반응로(10) 하부에 형성된 연료찌꺼기배출부(30), 합성가스를 반응로(10) 외부로 배출하는 가스배출관(40), 및 반응로(10)와 상기 가스배출관(40) 사이의 합성가스의 유동경로 상에 배치되며 초전효과(pyroelectric effect)를 발생시키는 초전물질을 포함하는 촉매부(150)를 포함한다. 본 발명에 의한 초전효과를 이용하는 가스화장치(1)는 초전효과에 의한 촉매작용으로 합성가스에 섞인 불순물을 제거하며 동시에 유효성분(수소, 일산화탄소 등)을 증가시킬 수 있다. 이를 통해 합성가스의 생산성을 높이고 보다 순도 높은 합성가스를 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 초전효과를 이용하는 가스화장치(1)는 수소와 산소의 혼합가스(수소: 산소의 혼합비가 2:1일 수 있다)인 산수소가스를 반응로(10)에 주입하여 내부 연소특성을 조절하고 반응로(10)의 온도를 적정온도로 유지할 수 있다. 또한, 반응로(10) 내부의 서로 다른 영역을 연결하여 반응에 필요한 열분해가스를 순환 및 공급하는 구조로 반응효율을 크게 상승시킬 수 있다. 반응로(10)에 주입된 산수소가스는 반응로(10) 내 유체순환을 촉진하며 열반응에 의해 물을 생성하여 가스화 공정에 필요한 반응물질(물을 포함한다)도 반응로(10) 내부에서 매우 용이하게 제공받을 수 있다. 이러한 구조를 이용하여 최종 산출되는 합성가스의 생산성을 높이고 보다 순도 높은 합성가스를 효율적으로 제조하는 것이 가능하다.
이하, 이러한 특징을 갖는 본 발명의 초전효과를 이용하는 가스화장치(1)에 대해 각 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다. 이하의 설명을 통해서 언급되지 않은 본 발명의 다른 특징들도 보다 명확히 파악될 수 있을 것이다.
본 발명의 초전효과를 이용하는 가스화장치(1)는 도 1에 도시된 바와 같이 반응로(10)를 중심으로 연료를 투입하는 구조, 연료찌꺼기를 배출하는 구조, 반응로(10)에서 생산된 합성가스를 반응로(10) 외부로 배출하는 구조 등을 포함한다. 먼저, 도 1을 참조하여 초전효과를 이용하는 가스화장치(1)의 전체 구성에 대해서 설명한 후, 각 도면을 참조하여 반응로(10)의 구체적인 구조와 반응과정 등에 대해서 보다 상세히 설명하도록 한다.
반응로(10) 상부에는 연료투입부(20)가 형성된다. 반응로(10)에 투입되는 연료는 탄소물질(carbonaceous material)을 포함한다. 연료의 탄소성분은 반응로(10) 내부에서 적절한 반응조건으로 유지되며 투입된 반응물질(물을 포함한다)과 열반응하여 가연성의 합성가스를 생성한다. 연료는 탄소물질이 포함된 각종 폐기물을 활용할 수 있으며, 그 밖에 폐기물이 아니더라도 탄소성분을 포함하는 물질을 연료로 사용할 수 있다. 연료투입부(20)는 연료를 반응로(10)에 용이하게 투입할 수 있는 다양한 구조로 형성된다. 연료투입부(20)는 예를 들어, 반응로(10)에 연결된 관로, 슈트(chute), 호퍼(hopper) 등의 투입구조와 이러한 투입구조까지 연료물질을 이송하는 이송장치(컨베이어 등일 수 있다)로 이루어질 수 있다. 필요에 따라 다양한 형태로 연료투입부(20)를 구성할 수 있다.
반응로(10)는 연료투입부(20)와 연결되며 내부에 열반응을 진행할 수 있는 반응공간을 포함한다. 반응로(10) 내부의 반응공간은 투입된 연료가 건조되는 제1영역(도 2의 101참조), 건조된 연료가 탄화되는 제2영역(도 2의 102참조), 및 반응로(10)에 공급된 반응물질과 연료의 탄소성분이 열에 의해 산화 및 환원 반응하여 합성가스를 생성하는 제3영역(도 2의 103참조)으로 구분된다. 제1, 제2, 제3영역에서는 서로 다른 과정이 진행되며 반응로(10)의 내부에는 수소와 산소의 혼합가스를 주입하는 제1노즐(110), 반응로(10)로 공기를 공급하는 제2노즐(120), 반응로(10)로 수분을 포함하는 열분해가스를 공급하는 제3노즐(130)이 형성된다. 제3노즐(130)은 순환관(140)에 연결되어 반응로(10)의 제3노즐(130)이 배치되지 않은 다른 영역과 연통된다. 반응로(10)의 구조와 반응과정 등에 대해서는 후술하여 좀 더 상세히 설명한다.
반응로(10) 하부에는 연료찌꺼기배출부(30)가 형성된다. 반응로(10)는 도시된 바와 같이 밑부분의 너비가 점차 감소하는 형태로 형성되어 반응 후 남은 찌꺼기를 하방으로 용이하게 토출하도록 형성된다. 연료찌꺼기배출부(30)는 이러한 반응로(10)의 하부에 위치하여 토출된 연료찌꺼기를 회수하고 외부로 배출한다. 연료찌꺼기배출부(30)는 연료찌꺼기를 외부로 용이하게 배출할 수 있는 다양한 구조로 형성된다. 예를 들어, 벨트나 체인 등을 포함하는 컨베이어 장치, 관로의 내부에서 회전하는 스크류 등을 포함하는 스크류 컨베이어, 또는 수직 이동이 가능한 엘리베이터 장치나 배출배관 등의 다양한 구조를 이용하여 연료찌꺼기배출부(30)를 구성할 수 있다.
반응로(10) 일 측에는 가스배출관(40)이 형성된다. 가스배출관(40)은 반응로(10)에서 생성된 합성가스를 반응로(10)의 외부로 배출한다. 가스배출관(40)은 합성가스와 촉매 반응하는 촉매구조를 경유하여 반응로(10)와 연결된다. 즉 도시된 바와 같이, 반응로(10)와 가스배출관(40) 사이의 합성가스 유동경로 상에 촉매부(150)를 배치하여 합성가스가 촉매부를 거쳐 가스배출관(40)으로 배출되도록 구성할 수 있다.
가스배출관(40)의 형태는 도시된 바와 같은 형태로 한정될 필요는 없다. 초전효과를 이용하는 가스화장치(1)의 구조, 반응로(10)의 위치, 초전효과를 이용하는 가스화장치(1)의 설치장소 등에 따라 반응로(10)에서 생성된 합성가스를 반응로(10) 외부로 용이하게 배출 가능한 가스배출관(40)을 형성할 수 있다. 가스배출관(40) 후단에는 생산된 합성가스를 후처리 하거나 저장하는 장치가 추가로 연결될 수 있다. 즉, 탄소물질을 포함하는 폐기물 등의 연료를 반응로(10)에 투입하고 반응로(10)에서 열반응을 거쳐 재생 에너지원인 가연성 합성가스를 생산하여 가스배출관(40)으로 배출하고 저장할 수 있다. 이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여 합성가스를 생산하는 반응로의 구체적인 구조와 반응과정 등에 대해서 좀 더 상세히 설명한다.
도 2는 도 1의 초전효과를 이용하는 가스화장치의 반응로를 보다 상세히 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 반응로 내부에서 진행되는 반응공정의 모식도이며, 도 4는 도 1의 초전효과를 이용하는 가스화장치의 촉매부를 확대하여 도시한 도면이다. 도 5는 도 2의 반응로에 설치된 제3노즐의 일 례를 도시한 사시도 및 단면도이다.
도 2를 참조하면, 반응로(10)는 내부에 반응공간이 마련된 용기 형상의 구조로 형성된다. 반응로(10)의 반응공간 내부에는 서로 다른 반응공정이 진행되는 적어도 3개의 영역이 형성된다. 탄소물질이 포함된 연료가 건조되는 제1영역(101)이 최상층에 형성되고, 그 아래에 건조된 연료가 탄화되는 제2영역(102)이 형성되며, 다시 그 아래에 연료의 탄소성분과 공급된 반응물질이 열에 의해 산화 및 환원 반응하여 합성가스를 생성하는 제3영역(103)이 형성된다. 합성가스는 수소, 및 일산화탄소를 포함하는 가연성 가스로 가스배출관(40)을 통해 배출된 후 다양한 사용처에서 에너지원으로 사용된다. 반응과정을 좀 더 자세히 살펴보면 다음과 같다.
도 3에 도시된 바와 같이, 탄소물질을 포함하는 연료(A)는 투입된 후 우선 건조과정을 거친다. 건조과정에서 휘발성 물질 등이 증발하고 연료(A)가 고형화 될 수 있다. 이러한 연료(A)는 다시 열반응을 통해 탄화된다. 즉, 적절한 반응조건(적정온도 조성 및 반응물질의 공급)으로 연료(A)를 산화시켜 탄화물(char)을 생성할 수 있다. 탄화된 연료(A)의 탄소성분은 열반응을 통해 다른 반응물질과 산화 및 환원 반응하며 이를 통해 수소, 및 일산화탄소를 포함하는 가연성의 합성가스(E)가 생성될 수 있다(가스화 과정). 남은 연료찌꺼기(F)는 배출되어 처리된다. 합성가스(E)는 탄소성분과 수분의 열반응, 탄소성분과 산소의 열반응, 열반응으로 1차 생성된 물질의 2차 반응 등의 과정을 통해서 대량으로 생성된다. 반응로(10) 내 합성가스(E)를 생성하기 위한 반응으로 다음과 같은 반응식이 고려될 수 있다.
(반응식 1) C + H2O -> CO +H2, (반응식 2) C +2H2 -> CH4
상기 반응식의 탄소성분(C)은 전술한 탄화물(char)로부터 얻어지며, 탄소성분이 환원성 분위기에서 수증기 등과 반응함으로써 수소, 및 일산화탄소를 주성분으로 포함하는 가연성의 합성가스(E)를 얻을 수 있다. 가스화 과정은 반응열이 필요한 흡열반응이므로 반응온도를 적절히 상승시키면 반응속도가 증가하고 탄소가 합성가스 등의 반응물로 전환되는 전환률도 상승시킬 수 있다. 또한 탄화물(char)의 부분적인 연소에 의한 발열로 가스화 과정이 촉진될 수 있다. 탄소성분은 반응로(10) 내 제공된 다른 반응물질과 반응하여 합성가스(E)를 생성하고 2차 반응 등을 통해 메탄 등 또 다른 가연성 물질을 함유하는 것이 가능하다.
따라서, 탄소성분과 반응하기 위한 반응물질로서 물(수분)이나 산소를 포함하는 물질(공기)이 필요하다. 본 발명은 이를 위해 수소와 산소의 혼합가스인 산수소가스(B)와, 공기(C), 및 수분을 포함하는 열분해가스(D)를 반응과정 동안 공급한다. 본 발명의 산수소가스(B)는 수소: 산소의 혼합비가 2:1인 물질로, 이러한 비율로 혼합된 산수소가스(B)는 연소과정에서 안정적인 화염을 생성하고 반응온도를 효과적으로 유지하는 것이 알려져 있다. 따라서, 상기 산수소가스(B)로 반응로(도 2의 10참조) 내 연소특성을 조절하고 반응이 용이한 적정온도를 손쉽게 유지할 수 있다. 뿐만 아니라, 수소와 산소의 혼합가스인 상기 산수소가스(B)는 연소과정에서 손쉽게 물(수분)을 생성하므로 합성가스(E)를 생성하기 위한 반응물질을 반응로(10) 내에서 용이하게 생성 및 공급하는 것이 가능하다.
또한, 공기(C)와 함께 공급되는 수분을 포함하는 열분해가스(D)는 전술한 가스화 과정의 1차 또는 2차반응을 촉진하는 데 용이하게 사용될 수 있다. 수분을 포함하는 열분해가스(D)는 반응로(10) 내 타 영역(제1영역 또는 제2영역)에서 생성된 것을 가스화 과정이 진행되는 영역(제3영역)으로 순환시켜 재사용함으로써 반응효율을 극대화할 수 있다. 이와 같이 본 발명은 수소와 산소의 혼합가스인 산수소가스(B), 공기(C), 및 수분을 포함하는 열분해가스(D)를 반응과정에 유기적인 방식으로 제공함으로써 보다 효율적이고 효과적으로 합성가스(E)를 생산할 수 있다. 또한, 합성가스(E)는 전술한 촉매부(150)를 통과하면서 촉매 반응하여 순도가 상승되고 동시에 타르(tar) 등의 불순물도 제거될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 반응로(10) 내부에는 이러한 반응과정이 진행되는 제1영역(101), 제2영역(102), 및 제3영역(103)이 형성되어 있다. 반응로(10)와 가스배출관(40) 사이의 합성가스 유동경로에는 촉매부(150)가 배치된다. 특히, 가스화 과정이 진행되는 제3영역(103)에 수소와 산소의 혼합가스인 산수소가스를 주입하는 제1노즐(110)과, 공기(C)를 공급하는 제2노즐(120), 및 수분을 포함하는 열분해가스를 공급하는 제3노즐(130)이 형성된다. 제3노즐(130)은 제3노즐(130)과 제2영역(102)을 연결하는 순환관(140)에 연결되어 제1영역(101) 또는 제2영역(102)에서 발생하는 수분을 포함하는 열분해가스를 제3영역(103)에 공급한다. 즉, 제1노즐(110), 제2노즐(120), 제3노즐(130)이 제3영역(103)에 유기적으로 배치되어 전술한 산수소가스, 공기, 및 수분을 포함하는 열분해가스가 반응로(10)에 최적의 경로로 공급된다. 도시되지 않았지만, 반응로(10) 내 제1영역(101), 제2영역(102), 제3영역(103) 중 적어도 하나에는 토치 등 가열원이 하나 또는 하나 이상 설치될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이 제1노즐(110)은 제2노즐(120)의 상방에 위치하고, 제3노즐(130)은 제2노즐(120)의 하방에 위치한다. 즉, 제1노즐(110), 제2노즐(120), 및 제3노즐(130)은 모두 제3영역(103)에 위치하되 제3영역(103)의 상부로부터 하부로 차례로 배치된다. 이에 따라, 산수소가스가 제3영역(103)의 최상단으로 분사되고, 제3영역(103)의 중앙부로 공기가 분사되며, 제3영역(103)의 하부로 수분을 포함하는 열분해가스가 분사된다. 산수소가스는 제3영역(103)의 최상단에서 제2영역(102)으로 유동이 가능하므로 가열원(전술한 토치 등)에 의한 연소시 안정적인 화염조성을 통해 상방에 위치한 제2영역(102) 및 제1영역(101)까지 효과적으로 온도를 유지할 수 있다.
이처럼 제3영역(103)의 최상단으로 분사된 산수소가스는 전술한 바와 같이 연소시 물(수분)을 생성하므로 생성된 수분이 자연스럽게 하강하면서 가스화 가 진행되는 제3영역(103) 전체에 공급된다. 이로 인해 제3영역(103) 전체에 반응물질(물을 포함한다)이 용이하게 충전되고 탄소성분과 반응물질간 산화 및 환원반응(가스화 과정)이 매우 효과적으로 이루어진다. 또한, 제2노즐(120)과 제3노즐(130)은 각각 공기 및 수분을 포함하는 열분해가스를 분사하여 제3영역(103)에 반응물질을 제공하므로 전술한 가스화 과정의 1차, 2차 반응이 촉진되고 합성가스가 용이하게 생성된다. 산수소가스를 공급하는 제1노즐(110)과, 공기를 공급하는 제2노즐(120), 및 제1영역(101) 또는 제2영역(102)에서 발생하는 수분을 포함하는 열분해가스를 공급하는 제3노즐(130)을 이와 같이 제3영역(103) 내에 유기적으로 배치하여 합성가스를 매우 효율적으로 생성할 수 있다.
촉매부(150)는, 반응로(10)로부터 제공되는 열(G)에 의해 초전효과가 발생되며, 적어도 일부가 반응로(10)와 접하여 열을 제공받도록 형성된다. 도 4에 도시된 바와 같이 일 측은 반응로(10)의 제3영역(103)과 연통되고 타 측은 가스배출관(40)과 연통되며 일 측 과 타 측 사이는 제3영역(103)을 접하며 둘러싸는 열교환통로(151)를 포함하고, 초전물질은 열교환통로(151)에 접하며 제3영역(103)을 둘러싸도록 형성된다. 초전물질은 파쇄되어 촉매부(150)의 내측(즉, 열교환통로의 내측일 수 있다)에 수용되고 초전물질 사이에 다수의 기공이 형성되어 합성가스가 용이하게 유동할 수 있다. 기공은 파쇄된 초전물질 사이에 불규칙하게 형성된 간격에 의한 것이거나, 초전물질 자체에 형성된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서와 같이 초전물질은 토르말린광물(152)을 포함할 수 있고 토르말린광물(152)이 열교환통로(151)에 수용되어 초전효과를 발생시킬 수 있다. 이하, 본 발명의 일 실시예에서는 토르말린광물(152)로 초전물질을 대표하여 설명한다. 그러나, 다른 실시예에서 초전물질은 토르말린광물(152)이 아닌 물질을 포함할 수도 있다. 열교환통로(151)에 접하며 제3영역(103)을 둘러싸는 형태로 초전물질을 배치하여 열효율을 높이고 보다 효율적으로 촉매 반응하도록 형성할 수 있다.
열교환통로(151)는 도시된 바와 같이 반응로(10)의 하부를 둘러싸는 형태로 형성하여 반응로(10)와 접촉시킬 수 있으며 접촉면을 통해 반응로(10)의 열(G)을 용이하게 제공받을 수 있다. 이에 따라 열교환통로(151) 내부의 온도가 상승하면 토르말린광물(152)의 초전효과(pyroelectric effect)에 의해 전기력이 제공되고 합성가스(E)가 전기적으로 촉매 반응한다. 열교환통로(151)는 일 측은 반응로(10) 하부에 형성된 유입구(151a)와 연결되고 타 측은 가스배출관(40)에 면하는 배출구(151b)와 연결된 형태로 형성될 수 있다.
열교환통로(151)는 도시된 바와 같이 반응로(10)와 직접 맞닿는 형태로 구성되어 매우 효율적인 열교환이 가능하다. 통상 반응로(10)의 둘레에는 내화재 등이 부착되므로 열의 전파를 방해할 수 있는바, 본 발명의 열교환통로(151)와 반응로(10)의 사이에는 내화재 등 열전달 방해요소가 모두 제거된다. 따라서 열교환통로(151)는 반응로(10)와 직접 접촉하여 열교환이 가능하며 열교환통로(151)가 반응로(10)의 열을 용이하게 흡수하여 매우 효율적으로 가열된다. 이러한 구조를 통해 용이하게 초전효과를 유도하고 합성가스를 촉매 반응시킬 수 있다.
즉, 반응로(10)와 가스배출관(40) 사이에서 합성가스(E)를 용이하게 통과시키되 반응로(10)와 접촉하여 내부로 열(G)을 용이하게 전파할 수 있는 형태로 촉매부(150)가 구성된다. 이러한 구조를 이용하여 토르말린광물(152)의 초전효과를 유도하고, 합성가스를 전기적으로 촉매 반응시켜 합성가스에 섞인 불순물을 제거하고 유효성분의 농도를 증가시킬 수 있다. 특히, 이러한 촉매반응은 별도의 화학적 반응 없이 전기력에 의해서 진행되는 것으로 추가적인 불순물의 생성 없이 매우 효율적으로 합성가스(E)의 순도를 상승시키는 것이 가능하다. 촉매부(150)의 촉매작용을 포함하는 합성가스의 구체적인 제조과정에 대해서는 후술하여 좀 더 상세히 설명한다.
한편, 제3노즐(130)은 도 5에 도시된 바와 같은 형태로 형성할 수 있다. 제3노즐(130)은 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이 순환관(140)에 연결되며 일 측에는 공기주입관(134)이 연결된다. 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이 제3노즐(130)은 순환관(140)의 단부로부터 반응로(도 2의 10참조)의 내부를 향해 관통된 메인유로(131), 메인유로(131)의 내주면으로 개구되어 메인유로(131)에 고압공기를 주입하는 유도로(132), 및 유도로(132)와 순환관(140) 사이의 메인유로(131) 단부에 형성되며 순환관(140)을 향해 확장되는 곡면인 유도곡면(133)을 포함하는 형태로 형성될 수 있다.
제3노즐(130)의 유도곡면(133)은 순환관(140)으로부터 메인유로(131)를 향하는 유체흐름을 보다 효과적으로 유도한다. 즉, 도시된 바와 같이 유도로(132)에서 고압공기가 분사되면 고압공기를 따라 일차적인 유체흐름이 유도되고 순환관(140)으로부터 메인유로(131)를 향해 수분을 포함하는 열분해가스의 일부가 흡입된다. 이때, 흡입되는 열분해가스는 점성 등에 의해 메인유로(131)의 단부에서 유도곡면(133)을 따라 진행하며 메인유로(131)의 내주면에 밀착된 상태로 유동하는 상대적으로 빠른 유체흐름을 생성한다(코안다 효과). 이로 인해 메인유로(131)의 흡입력이 증가하여 순환관(140)으로부터 메인유로(131)로 보다 많은 열분해가스를 유입할 수 있다.
즉, 제3노즐(130)은 유도곡면(133)을 포함하는 노즐구조를 이용하여 순환관(140) 내부에 증가된 흡입력을 제공하고 순환관(140)을 통해서 보다 효과적으로 수분을 포함하는 열분해가스를 흡입할 수 있다. 이를 통해 건조가 진행되는 제1영역(도 1의 101참조) 또는 탄화가 진행되는 제2영역(도 2의 102참조)에서 생성된 열분해가스를 순환관(140)을 통해 가스화가 진행되는 제3영역(도 2의 103참조)으로 매우 효율적으로 공급할 수 있다. 즉, 순환관(140)은 제3노즐(130)과 제1영역(101) 또는 제2영역(102)을 연결하여 제1영역(101) 또는 제2영역(102)의 수분을 포함하는 열분해가스를 제3노즐(130)로 제공할 수 있다. 특히, 도시된 바와 같이 순환관(140)의 단부를 제1영역(101)에 연결할 수 있으며, 이를 통해 제2영역(102)에서 형성되고 상방으로 이동하여 제1영역(101)에 체류하는 열분해가스를 용이하게 흡입하여 제3영역(103)에 공급하도록 구성할 수 있다. 그러나, 제3노즐(130)의 형성방식 역시 이로써 한정될 필요는 없으며 보다 효율적인 형태로 구현이 가능한 경우에는 그에 대응하는 형태로 필요에 따라 변형이 가능하다.
이와 같이 제3노즐(130)을 구성함으로써 도 2에 도시된 바와 같은 반응로(10) 내부에 수분을 포함하는 열분해가스를 보다 효율적으로 공급할 수 있다. 제1노즐(110) 및 제2노즐(120)은 유체분사가 가능한 일반적인 노즐형태로 형성할 수 있으나, 필요에 따라 제3노즐(130)의 구조를 적용할 수도 있을 것이다. 제1노즐(110), 제2노즐(120), 및 제3노즐(130) 각각은 산수소가스, 공기, 및 수분을 포함하는 열분해가스를 보다 효율적으로 공급할 수 있는 여러 가지 적절한 형태로 형성할 수 있다.
촉매부(150)는 전술한 바와 같이 반응로(10)와 가스배출관(40) 사이의 합성가스 유동경로에 배치되어 초전효과(pyroelectric effect)에 의해 합성가스와 촉매 반응한다. 열교환통로(151) 내부에 수용된 토르말린광물(152)은 반응로(10)로부터 흡수된 열(도 4의 G참조)에 의해 가열되어 초전효과에 의해 전기력을 제공한다. 열교환통로(151)를 통과하는 합성가스는 토르말린광물(152)의 전기력에 의한 전기적 촉매작용에 의해 내부에 함유되어 함께 유동하는 물분자의 일부가 분해되거나, 타르성분이 분해될 수 있다. 이에 따라 수소의 양이 증가하거나, 일산화탄소의 양이 증가되어 수소, 및 일산화탄소를 포함하는 합성가스의 순도를 증가시킬 수 있다.
이와 같이 반응로(10) 내부에 배치되어 반응로(10)에 산수소가스, 공기, 및 수분을 포함하는 열분해가스를 유기적으로 공급하는 노즐구조(제1, 제2, 제3노즐)와, 반응로(10)와 가스배출관(40) 사이의 합성가스 유동경로에 배치되어 전기적 촉매작용을 가하는 촉매부(150) 등의 특징적인 구성을 이용하여 가스화 과정을 포함하는 연료의 열반응 과정을 보다 효과적으로 진행하고 합성가스를 용이하게 생산할 수 있다. 이하 도 6 내지 도 8을 참조하여 합성가스를 생산하는 반응공정에 대해서 좀 더 상세히 설명한다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 초전효과를 이용하는 가스화장치의 반응공정을 순차적으로 도시한 작동도이다.
먼저 도 6에 도시된 바와 같이 반응로(10) 내부로 연료(A)가 투입된다. 연료(A)는 반응로(10) 상부에 형성된 연료투입부(20)를 통해서 반응로(10) 내부로 자동 투입될 수 있다. 전술한 바와 같이 연료(A)는 탄소물질이 포함된 각종 폐기물을 활용할 수 있으며 그 밖에 폐기물이 아니더라도 탄소성분을 포함하는 물질을 연료(A)로 사용할 수 있다. 반응로(10) 내부에는 제1노즐(110)을 통해 수소와 산소의 혼합가스인 산수소가스(B)가 제공되고 제2노즐(120)을 통해 공기(C)가 제공되어 가열원에 의해 연소된다. 이에 따라 반응로(10) 내부 온도가 상승하고 화염이 생성되어 반응로(10)의 온도가 적정온도로 유지된다.
이러한 상태에서 반응로(10)에 투입된 연료(A)는 제1영역(101)을 통과하면서 건조되고, 제2영역(102)을 통과하면서 탄화된다. 즉, 전술한 바와 같이 건조과정에서 휘발성 물질 등이 증발하고 연료(A)가 고형화되며 다시 열반응을 통해 산화되어 탄화물(char)이 생성된다. 이때, 전술한 바와 같이 제1노즐(110)로부터 공급된 산수소가스(B)의 안정적인 화염조성을 통해 제1노즐(110)의 상방에 위치한 제2영역(102) 및 제1영역(101)까지 효과적으로 온도를 유지할 수 있다.
탄화된 연료는 도 7에 도시된 바와 같이 제3영역(103)을 통과하며 열에 의해 다른 반응물질과 산화 및 환원 반응한다. 즉, 탄화된 연료의 탄소성분이 물, 산소, 등을 포함하는 다른 반응물질과 반응하여 수소, 및 일산화탄소를 포함하는 가연성의 합성가스(E)가 생성된다. 합성가스(E)는 탄소성분과 수분의 열반응, 탄소성분과 산소의 열반응, 열반응으로 1차 생성된 물질의 2차 반응 등의 과정을 통해서 대량으로 생성된다. 제3영역(103)의 상부는 산화가 진행되는 산화영역으로, 하부는 환원이 진행되는 환원영역으로 구분될 수 있으나, 경우에 따라 산화 및 환원은 제3영역(103) 전체에서 진행될 수도 있다.
이때, 제3영역(103)에 배치된 제1노즐(110), 제2노즐(120), 및 제3노즐(130)을 통해서는 산수소가스(B), 공기(C), 및 수분을 포함하는 열분해가스(D)가 공급된다. 앞서 설명한 바와 같이 수소와 산소의 혼합가스인 산수소가스(B)는 연소과정에서 안정적인 화염을 생성하고 반응온도를 효과적으로 유지하는 것이 알려져 있을 뿐만 아니라 연소과정에서 손쉽게 물(수분)을 생성하므로, 합성가스(E)를 생성하기 위한 반응물질(물을 포함한다)을 반응로(10) 내에서 용이하게 생성 및 공급할 수 있다.
또한, 제3노즐(130)은 제1영역(101) 또는 제2영역(102)으로부터 순환관(140)을 통해 수분을 포함하는 열분해가스를 흡입하고 제3영역(103)으로 제공하여 가스화 과정의 1차 또는 2차반응을 촉진한다. 즉, 반응로(10) 내 타 영역에서 생성된 수분을 포함하는 열분해가스(D)를 가스화 과정이 진행되는 제3영역(103)으로 순환시켜 재사용함으로써 반응효율을 극대화할 수 있다. 이와 같이 본 발명은 수소와 산소의 혼합가스인 산수소가스(B), 공기(C), 및 수분을 포함하는 열분해가스(D)를 반응과정에 유기적인 방식으로 제공함으로써 보다 효율적이고 효과적으로 합성가스(E)를 생산할 수 있다. 남은 연료찌꺼기(F)는 연료찌꺼기배출부(30)에 의해 배출되어 용이하게 처리된다.
한편, 이와 같이 생성된 합성가스(E)는 다시 촉매부(150)를 통과하면서 촉매 반응하여 순도가 상승되고 동시에 타르(tar) 등의 불순물도 용이하게 제거된다. 즉, 제3영역(103)에서 생성된 합성가스(E)는 반응로(10) 하부에 형성된 유입구(151a)를 통해 열교환통로(151)로 이동하고 열교환통로(151) 내부의 가열된 토르말린광물(152)의 초전효과(pyroelectric effect)에 의해 촉매 반응한 후 배출구(151b)를 통해 가스배출관(40)으로 배출된다. 촉매 반응은 전술한 바와 같이 초전효과의 전기력에 의한 전기적 촉매 반응으로 이로 인해 합성가스(E) 내부에 함유되어 유동하는 물분자의 일부가 분해되거나, 타르성분이 분해된다.
즉, 합성가스(E)는 촉매부(150)를 통과하면서 초전효과에 의한 전기적 촉매 작용에 의해 수소의 양이 증가하거나, 일산화탄소의 양이 증가된다. 특히, 불순물인 전기적 촉매 작용에 의해 타르 성분을 분해하고 일산화탄소의 양을 증가시킬 수 있어 가스배출관(40)을 통해 최종 배출되는 수소, 및 일산화탄소를 포함하는 합성가스(E)의 순도를 증가시키고 보다 양질의 합성가스(E)를 생산하는 것이 가능하다. 이와 같은 방식으로 본 발명의 초전효과를 이용하는 가스화장치(1)를 이용하여 가스화 과정을 효과적으로 진행하고 양질의 순도 높은 합성가스(E)를 용이하게 생산할 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 초전효과를 이용하는 가스화장치 10: 반응로
20: 연료투입부 30: 연료찌꺼기배출부
40: 가스배출관 101: 제1영역
102: 제2영역 103: 제3영역
110: 제1노즐 120: 제2노즐
130: 제3노즐 131: 메인유로
132: 유도로 133: 유도곡면
134: 공기주입관 140: 순환관
150: 촉매부 151: 열교환통로
151a: 유입구 151b: 배출구
152: 토르말린광물
A: 연료 B: 산수소가스
C: 공기
D: 수분을 포함하는 열분해가스 E: 합성가스
F: 연료찌꺼기 G: 열

Claims (7)

  1. 탄소물질을 포함하는 연료를 열반응시켜 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 생성하는 반응로;
    상기 반응로 상부에 형성된 연료투입부;
    상기 반응로 하부에 형성된 연료찌꺼기배출부;
    상기 합성가스를 상기 반응로 외부로 배출하는 가스배출관; 및
    상기 반응로와 상기 가스배출관 사이의 상기 합성가스의 유동경로 상에 배치되며 초전효과(pyroelectric effect)를 발생시키는 초전물질을 포함하는 촉매부를 포함하되,
    상기 촉매부는, 상기 반응로의 하부를 둘러싸는 형태로 상기 반응로와 접촉하며 상기 반응로와 직접 맞닿아 열교환하는 열교환통로를 포함하고, 상기 열교환통로 내측에 상기 초전물질이 수용되는 초전효과를 이용하는 가스화장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매부는 상기 반응로로부터 제공되는 열에 의해 초전효과가 발생되는 초전효과를 이용하는 가스화장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 촉매부는 적어도 일부가 상기 반응로와 접하여 열을 제공받는 초전효과를 이용하는 가스화장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 반응로는,
    투입된 연료가 건조되는 제1영역, 건조된 연료가 탄화되는 제2영역, 및
    상기 반응로에 공급된 반응물질과 연료의 탄소성분이 열에 의해 산화 및 환원 반응하여 상기 합성가스를 생성하는 제3영역을 내부에 포함하고,
    상기 열교환통로는,
    일 측은 상기 반응로의 상기 제3영역과 연통되고, 타 측은 상기 가스배출관과 연통되며, 일 측과 타 측 사이는 상기 제3영역을 접하며 둘러싸고,
    상기 초전물질은,
    상기 열교환통로에 접하며 상기 제3영역을 둘러싸는 초전효과를 이용하는 가스화장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 반응로 내부의 상기 제3영역에 배치되어 상기 반응로에 수소와 산소의 혼합가스인 산수소(oxyhydrogen)가스를 공급하는 제1노즐,
    상기 제3영역의 상기 제1노즐 하부에 배치되어 상기 반응로에 공기를 공급하는 제2노즐, 및
    상기 제3영역의 상기 제2노즐 하부에 배치되어 상기 제1영역 또는 상기 제2영역에서 발생하는 수분을 포함하는 열분해가스를 공급하는 제3노즐을 더 포함하는 초전효과를 이용하는 가스화장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 초전물질은 토르말린광물을 포함하는 초전효과를 이용하는 가스화장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 초전물질 사이에 다수의 기공이 형성되는 초전효과를 이용하는 가스화장치.
KR1020160058031A 2016-05-12 2016-05-12 초전효과를 이용하는 가스화장치 KR101704768B1 (ko)

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