KR20140054676A - Non-thermal plasma device for activating reaction in the gasification and combustion - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a low-temperature plasma device for gasification and combustion reaction activation and, more particularly, to a low-temperature plasma device for gasification and combustion reaction activation with which a small amount of energy is injected to obtain a high synthesis gas yield. The low-temperature plasma device for gasification and combustion reaction activation according to the present invention includes a chamber where a gas injection port is formed on one side for gas to be injected and a gas discharge port is formed on the other side to discharge gas inside to a combustion chamber; and a dielectric barrier discharge device that is disposed in an inner space of the chamber, and changes the gas which is injected through the gas injection port of the chamber into gas containing a large amount of radicals and ions through a low-temperature discharge treatment.

Description

가스화 및 연소 반응 활성화를 위한 저온 플라즈마 장치{Non-thermal Plasma Device for Activating Reaction in the Gasification and Combustion}TECHNICAL FIELD [0001] The present invention relates to a low-temperature plasma apparatus for gasification and activation of a combustion reaction,

본 발명은 가스화 및 연소 반응 활성화를 위한 저온 플라즈마 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 적은 양의 에너지를 투입하여 높은 합성가스의 수율을 얻을 수 있는 가스화 및 연소 반응 활성화를 위한 저온 플라즈마 장치에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a low temperature plasma apparatus for gasification and activation of a combustion reaction, and more particularly, to a low temperature plasma apparatus for gasification and activation of a combustion reaction capable of obtaining a high synthesis gas yield by injecting a small amount of energy .

일반적으로 가스화(Gasification) 공정은 탄소를 함유한 고체 연료, 예를 들면 석탄을 이용하여 CO, H2와 같은 가연성 가스 연료(Gas fuel)로 만드는 일련의 과정을 말한다. 즉, 탄화수소로 구성된 연료를 고온/고압에서 부분 산화하여 발생하는 열과 CO2, H2O를 이용하여 연료 중의 타르(Char)와 흡열 반응에 의해 합성가스(Syngas, CO+H2)를 생산하는 기술이다. 이러한 과정을 통해 생산된 가연성 가스는 내부 공정 또는 다른 외부 목적을 위한 스팀의 생산, 스팀 터빈을 통한 전기의 생성을 위한 보일러에서의 연소, 전기의 생산을 위한 가스 터빈 또는 가스 엔진에서의 직접적 연소, 연료전지, 메탄올 및 다른 액체 연료의 생산 등에 사용되고 있다. 특히, 가스화 공정을 이용한 발전은 직접 연소에 의한 기존의 발전 방식보다 효율이 높고 친환경적이기 때문에 향후 강화될 환경규제치를 만족할 수 있는 다양한 장점을 갖는다.Generally, the gasification process is a series of processes for making solid fuels containing carbon, for example, coal, into gas fuels such as CO and H 2 . That is, synthesis gas (Syngas, CO + H 2 ) is produced by endothermic reaction with tar in fuel using heat generated by partial oxidation of hydrocarbon composed of hydrocarbon at high temperature / high pressure and CO 2 and H 2 O Technology. Combustible gases produced through this process can be used to produce steam for internal processes or other external purposes, combustion in a boiler for the generation of electricity through a steam turbine, direct burning in a gas turbine or gas engine for the production of electricity, Fuel cells, methanol and other liquid fuels. In particular, the power generation using the gasification process is more efficient and environmentally friendly than the existing power generation by direct combustion, and thus has various advantages that can satisfy the environmental regulation value to be strengthened in the future.

한편, 종래의 탄소를 함유한 연료의 가스화를 위한 하나의 방법으로 플라즈마(Plasma) 가열 기술을 이용한 가스화 방법이 있었다. 이러한 플라즈마를 이용한 가스화 기술은 이미 수년 동안 사용되어 온 기술로서, 그 일 예로 한국 특허공개 제2009-0040406호에는 이와 같은 플라즈마 가열 기술을 이용한 가스 연소 시스템이 제시되어 있다. 일반적으로 물질의 상태는 고체, 액체, 기체로 나눌 수 있는데, 기체 상태의 물질에 에너지를 가해주면 원자나 분자에서 전자가 분리되어 전자와 이온들이 존재하는 플라즈마 상태가 된다. 이러한 플라즈마는 고온 발광성 가스로서, 화학적으로 반응성이 큰 매개체이다. 이와 같은 플라즈마를 발생시키기 위한 플라즈마 장치는 기체를 이온화시켜 반응성을 높이는 역할을 수행하게 된다. On the other hand, there is a conventional gasification method using a plasma heating technique as a method for gasification of a fuel containing carbon. Such a plasma-based gasification technology has been used for many years. For example, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2009-0040406 discloses a gas combustion system using such a plasma heating technique. In general, the state of a substance can be divided into solid, liquid, and gas. When an energy is applied to a gaseous substance, electrons are separated from the atom or molecule, resulting in a plasma state in which electrons and ions are present. Such a plasma is a high-temperature luminescent gas, and is a chemically reactive medium. The plasma apparatus for generating the plasma plays a role of ionizing the gas to increase the reactivity.

이와 같은 종래의 플라즈마 방전을 이용한 가스화 공정은 대부분 고온 플라즈마 방전이 많이 이용되고 있다. 이러한 고온 플라즈마에 의한 가스화 공정은 주입 공기와 석탄의 혼합과정에서 강한 전기장을 가하여 이온화를 극대화시키고 반응효율을 높이는 방식으로서, 에너지 밀도와 온도가 높아 소규모 반응기에서 많은 양의 연료를 가스화할 수 있고, 높은 열 플럭스로 인해 운전시 정상조건에 빠르게 도달하기 때문에 작동개시 및 정지 시간이 빠르며, 열원을 위해 연료가 연소되지 않아 배기가스의 발생량이 적은 다양한 장점들로 인해 종래의 가스화 방법으로 많이 사용되고 있었다. 그러나, 상기와 같은 고온 플라즈마를 이용한 종래의 가스화 공정은 고온 플라즈마를 발생시키기 위해 상대적으로 많은 에너지가 필요하다. 이 때문에 에너지를 생산하는 가스화 발전을 위해 상당히 높은 에너지를 투입해야만 하는 비효율적인 문제점이 있었다. 또한, 고온 영역 발생으로 인한 내열성 확보를 위해 가스를 재구성하는 챔버를 내화물질로 라이닝하는 등의 대책이 강구되어야 한다는 문제점이 있었다.Most of the conventional gasification processes using the plasma discharge are used for high temperature plasma discharge. This gasification process by high temperature plasma is a method of maximizing ionization and increasing reaction efficiency by applying a strong electric field in the mixing process of the injection air and coal, and it is possible to gasify a large amount of fuel in a small scale reactor due to high energy density and temperature, Due to the high heat flux, it has been widely used as a conventional gasification method due to various advantages such as fast starting time and stopping time because it reaches the normal condition during operation, and the fuel is not burned for the heat source and the amount of generated exhaust gas is small. However, in the conventional gasification process using the high-temperature plasma, relatively high energy is required to generate the high-temperature plasma. For this reason, there has been an inefficient problem that a considerably high energy must be input for the gasification power generation that generates energy. Further, in order to secure heat resistance due to the occurrence of a high-temperature region, measures have to be taken such as lining the chamber for refurbishing the gas with a refractory material.

이에, 본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 가스화 연소 시스템에서 가스화 및 연소 반응시 반응성을 높이기 위하여 대기압 조건에서 동작하고 고출력 방전을 할 수 있으며 복잡한 펄스 전력 공급기 없이도 방전 가능한 유전체 장벽 방전(Dielectic Barrier Discharge)장치를 이용하여 가스의 저온 플라즈마 방전을 수행함으로써, 유전체 장벽 방전장치에 의한 저온 플라즈마 방전으로 다량의 라디칼(radical) 및 이온을 포함한 가스를 연소실로 투입하여 연료와의 반응성을 증대시킬 수 있고 이로 인해 최종적으로 생산되는 합성가스의 수율을 높일 수 있는 가스화 및 연소 반응 활성화를 위한 저온 플라즈마 장치를 제공함에 있다.It is therefore an object of the present invention to provide a gasification and combustion system capable of operating at atmospheric pressure and capable of high output discharge in order to increase reactivity in a gasification and combustion reaction in a gasification combustion system, By performing a low-temperature plasma discharge of a gas using a dischargeable dielectric barrier discharge device, a gas containing a large amount of radicals and ions is injected into the combustion chamber by a low-temperature plasma discharge by the dielectric barrier discharge device, Temperature plasma apparatus for activating gasification and combustion reaction, which can increase the reactivity of the synthesis gas with the reaction gas, and thereby increase the yield of the finally produced synthesis gas.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 가스화 및 연소 반응 활성화를 위한 저온 플라즈마 장치에 있어서, 일측에 가스가 투입되는 가스 투입구가 형성되고 다른 일측에는 내부의 가스를 연소실로 배출하기 위한 가스 토출구가 형성된 챔버와; 상기 챔버의 내부 공간에 설치되며, 상기 챔버의 가스 투입구를 통해 투입된 가스를 저온 플라즈마 방전 처리하여 다량의 라디칼(radical)과 이온을 포함하는 가스로 변화시키는 유전체 장벽 방전장치;를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a low-temperature plasma apparatus for activating a gasification and a combustion reaction, the apparatus comprising: a gas inlet through which gas is introduced into one side and a gas outlet for discharging gas from the inside into the combustion chamber; A chamber formed therein; And a dielectric barrier discharge device installed in an inner space of the chamber and converting the gas introduced through the gas inlet of the chamber into a gas containing a large amount of radicals and ions by low temperature plasma discharge treatment do.

여기서, 상기 유전체 장벽 방전장치는 유전체 물질(dielectric substance)로 이루어진 판 형상의 구조물로서, 복수 개가 상하방향으로 일정간격을 두고 적층되어 서로 평행하게 배치된 복수의 유전체판과; 상기 적층된 홀수 번째 유전체판 내부에 설치되며 일부분이 외부로 노출되어 외부전원과 연결되는 제1전극판과; 상기 적층된 짝수 번째 유전체판 내부에 설치되며 상기 제1전극판의 반대편 방향으로 일부분이 노출되어 외부전원과 연결되는 제2전극판과; 상기 적층된 유전체판들 사이에 설치되며 상기 유전체판들 사이 간격을 일정하게 유지시켜 주도록 하는 적어도 2개 이상의 스페이서(spacer);를 포함하여 구성될 수 있다.Here, the dielectric barrier discharge device is a plate-like structure made of a dielectric substance, and includes a plurality of dielectric plates stacked in parallel at a predetermined interval in a vertical direction; A first electrode plate installed inside the stacked odd-numbered dielectric plates and partially connected to an external power source by being exposed to the outside; A second electrode plate installed inside the stacked even-numbered dielectric plate and partially exposed in a direction opposite to the first electrode plate and connected to an external power source; And at least two spacers provided between the stacked dielectric plates to maintain a constant gap between the dielectric plates.

그리고, 상기 유전체 장벽 방전장치의 상부 및 하부 끝단에는 각각 상부 플레이트 및 하부 플레이트가 추가적으로 설치될 수 있다.The upper and lower ends of the dielectric barrier discharge device may further include an upper plate and a lower plate, respectively.

이때, 상기 상부 및 하부 플레이트와 이들과 인접하는 각각의 유전체판들 사이에는 적어도 2개 이상의 스페이서가 추가적으로 설치될 수 있다.At this time, at least two spacers may be additionally provided between the upper and lower plates and the adjacent dielectric plates.

또한, 상기 상부 및 하부 플레이트는 아크릴(Acryl) 재질로 구성하고, 상기 유전체판은 산화 알루미늄(Alumina)으로 구성할 수 있다.The upper and lower plates may be made of an acrylic material, and the dielectric plate may be made of aluminum oxide.

그리고, 상기 제1 및 제2전극판에 공급되는 외부전원은 교류(AC) 전원으로 사용하는 것이 바람직하다.The external power supply to the first and second electrode plates is preferably used as an AC power source.

또한, 상기 스페이서는 아크릴 재질로 구성하되, 그 두께를 수 밀리미터(mm) 범위 내의 두께를 갖도록 구성할 수 있다.The spacer may be formed of an acrylic material and may have a thickness within a range of several millimeters (mm).

그리고, 상기 유전체 장벽 방전장치의 전방측에는 상기 가스 투입구를 통해 투입된 가스를 균일하게 확산시켜주는 유동 분리판을 추가적으로 설치하여 구성할 수 있다.In addition, a flow dividing plate for uniformly diffusing the gas introduced through the gas inlet may be additionally provided on the front side of the dielectric barrier discharge device.

이때, 상기 유동 분리판 내부에 가스가 통과되는 다수의 통공들을 구비하고, 상기 통공들이 상기 유동 분리판의 중심부에서 외곽으로 갈수록 구멍의 크기가 점차 커지는 형태로 배열되도록 구성할 수도 있다.
At this time, the flow dividing plate may have a plurality of through holes through which the gas passes, and the through holes may be arranged so that the size of the holes gradually increases from the center of the flow dividing plate toward the outer side.

상기한 구성을 갖는 본 발명에 따르면, 가스화 연소 시스템에서 스팀 및 가스가 연소실(반응기)로 진입하기 전에 대기압 조건에서 동작하는 저온 플라즈마 장치인 유전체 장벽 방전장치를 통과하여 방전이 이루어지도록 함으로써 유전체 장벽 방전(DBD)을 통해 발생된 다량의 라디칼 및 이온을 포함한 가스를 반응기로 투입하여 연료와의 가스화 과정에서 반응성을 증대시킬 수 있고 최종적으로 생산되는 합성가스의 수율을 높일 수 있다. 따라서, 기존의 고온 플라즈마 방전을 이용한 가스화 방식보다 적은 양의 에너지를 투입하고서도 높은 합성가스의 수율을 얻을 수 있는 장점이 있다.According to the present invention having the above-described configuration, the gas is discharged through the dielectric barrier discharge device, which is a low-temperature plasma device operating at atmospheric pressure, before the steam and gas enter the combustion chamber (reactor) It is possible to increase the reactivity in the gasification process with the fuel by introducing a gas containing a large amount of radicals and ions generated through the DBD into the reactor and to increase the yield of the finally produced synthesis gas. Therefore, there is an advantage that a yield of a high synthesis gas can be obtained even though a small amount of energy is supplied to the gasification system using a conventional high temperature plasma discharge.

도 1은 본 발명에 따른 저온 플라즈마 장치를 도시한 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 유전체 장벽 방전장치(DBD)를 도시한 사시도.
도 3은 도 2의 측면도.
도 4는 도 1에 도시된 유동분리판의 정면도
도 5는 도 1의 단면도 1 is a perspective view showing a low-temperature plasma apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing the dielectric barrier discharge device DBD shown in FIG. 1. FIG.
Figure 3 is a side view of Figure 2;
Fig. 4 is a front view of the flow dividing plate shown in Fig. 1
5 is a cross-

본 발명에 따른 저온 플라즈마 장치는 가스화 및 연소 반응을 위한 연소 시스템에서 연소실(또는 반응기)의 전단부에 배치되어 외부에서 투입되는 가스(예컨대, 공기)를 저온 플라즈마 방전을 통해 이온화시킨 상태에서 연소실 내부로 투입하는 전처리 장치로서, 연소실 내에서 가스와 연료와의 연소 반응을 활성화하여 수율을 증대시키기 위한 장치이다.The low-temperature plasma apparatus according to the present invention is disposed in the front end portion of a combustion chamber (or reactor) in a combustion system for gasification and combustion reaction, and a gas (for example, air) injected from the outside is ionized through a low- And is a device for increasing the yield by activating the combustion reaction between the gas and the fuel in the combustion chamber.

이하, 본 발명의 일실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 저온 플라즈마 장치를 도시한 사시도이다.1 is a perspective view illustrating a low temperature plasma apparatus according to the present invention.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 저온 플라즈마 장치(100)는 일측에 가스(예컨대, 공기)가 투입되는 가스 투입구(102)가 형성되고 다른 일측에는 내부에서 이온화된 가스를 연소실(미도시)로 배출하기 위한 가스 토출구(104)가 형성된 챔버(110)와, 상기 챔버(110)의 내부 공간에 설치되며 상기 챔버(110)의 가스 투입구(102)를 통해 투입된 가스를 저온 플라즈마 방전 처리하여 다량의 라디칼(radical)과 이온을 포함하는 가스로 변화시키도록 하는 유전체 장벽 방전장치(130)를 포함한다.1, a low-temperature plasma apparatus 100 according to the present invention includes a gas inlet 102 through which a gas (for example, air) is introduced into one side, and a gas inlet port 102 through which a gas, And a gas discharge port 104 for discharging the gas into the chamber 110. The gas introduced through the gas inlet 102 of the chamber 110 installed in the internal space of the chamber 110 is subjected to a low temperature plasma discharge treatment, And a dielectric barrier discharge device 130 for converting the gas into a gas containing a radical and ions of the dielectric barrier.

상기 챔버(chamber)(110)는 가스 투입구(102)를 통해 투입된 가스가 연소실로 들어가기 전에 저온 플라즈마 장치인 유전체 장벽 방전장치(130)와 반응을 일으키는 공간으로서, 상기 챔버(110)의 일측 단부에는 외부로부터 가스가 투입되는 가스 투입구(102)가 형성되고, 타측 단부에는 내부에서 이온화된 가스가 연소실로 토출되는 가스 토출구(104)가 형성된다. 이때 상기 챔버(110) 내부에 투입되는 가스는 연소 방식에 따라 공기, 질소, 산소 등의 다양한 가스가 투입될 수 있다. The chamber 110 is a space for reacting with the dielectric barrier discharge device 130 which is a low temperature plasma device before the gas introduced through the gas inlet 102 enters the combustion chamber. A gas inlet 102 into which a gas is injected from the outside is formed and a gas outlet 104 through which gas ionized inside is discharged into the combustion chamber is formed at the other end. At this time, various gases such as air, nitrogen, and oxygen may be introduced into the chamber 110 according to the combustion method.

상기 챔버(110)의 내부 후방측에는 챔버(110) 내부로 투입된 가스를 유전체 장벽 방전을 통해 반응 활성화가 높은 가스로 이온화시킬 수 있는 유전체 장벽 방전장치(130)가 설치되고, 상기 유전체 장벽 방전장치(130)의 전방측에는 가스 투입구(102)를 통해 투입된 가스를 상기 유전체 장벽 방전장치(130)로 균일하게 확산시켜주는 유동 분리판(120)이 설치된다.A dielectric barrier discharge device 130 is provided at an inner rear side of the chamber 110 to ionize the gas introduced into the chamber 110 into a gas having a high reaction activation through a dielectric barrier discharge, 130 is provided with a flow dividing plate 120 for uniformly diffusing the gas introduced through the gas inlet 102 into the dielectric barrier discharge device 130.

상기 유전체 장벽 방전장치(130)는 대기압 상태에서 플라즈마를 발생시키는 유전체 장벽 방전(DBD; Dielectric barrier discharge)을 이용하는 장치로서, 이러한 유전체 장벽 방전(DBD)은 대기압에서 아주 큰 비-평형 조건에서 동작하고, 국부적으로 파동이나 잡음을 일으키는 불꽃이 존재하지 않는 저온 플라즈마 방전을 한다. 또한, 유전체 장벽 방전은 고출력 방전을 할 수 있으며 플라즈마 방전 과정에서 방전소음을 발생시키지 않고, 복잡한 펄스 전력 공급기가 없어도 되는 다양한 장점을 갖는다. 이러한 유전체 장벽 방전은 사인함수 혹은 펄스형 전원으로 점화되며, 투입 가스의 조성, 전압 그리고 여기 주파수에 따라 방전은 필라멘트 형태 혹은 글로우 형태의 방전을 수행하게 된다. The dielectric barrier discharge device 130 is a device that uses a dielectric barrier discharge (DBD) that generates a plasma at atmospheric pressure. The dielectric barrier discharge DBD operates in a very large non-equilibrium condition at atmospheric pressure , And a low-temperature plasma discharge in which there is no local wave or a spark causing noise is performed. In addition, dielectric barrier discharge has various advantages such that it can perform a high output discharge, does not generate discharge noise during plasma discharge, and does not require a complicated pulse power supply. The dielectric barrier discharge is ignited by a sine function or a pulsed power source, and discharge is performed in a filament type or a glow type depending on the composition, voltage and excitation frequency of the input gas.

이와 같은 유전체 장벽 방전장치(130)는 상단 및 하단에 각각 배치되는 상부 플레이트(131) 및 하부 플레이트(132)와, 상기 상부 플레이트(131)와 하부 플레이트(132) 사이에 배치되어 상하방향으로 일정 간격을 두고 평행하게 적층되는 복수의 유전체판(133)과, 상기 유전체판(133) 내부에 부분적으로 삽입되어 상기 유전체판(133)의 좌우에서 외부전원(150)과 각각 연결되는 제1전극판(135) 및 제2전극판(136)과, 상기 제1전극판(135)과 제2전극판(136) 사이에 개재되어 상기 전극판들(135)(136) 사이의 간격을 일정하에 유지시켜 주는 스페이서(spacer)(134)를 포함하여 구성된다.The dielectric barrier discharge device 130 includes an upper plate 131 and a lower plate 132 disposed at upper and lower ends of the dielectric barrier discharge device 130 and a plurality of dielectric barrier discharge devices 130 disposed between the upper plate 131 and the lower plate 132, A plurality of dielectric plates 133 laminated in parallel with each other with a predetermined gap therebetween and a first electrode plate 133 partially inserted into the dielectric plate 133 and connected to the external power source 150 at the right and left sides of the dielectric plate 133, The first electrode plate 135 and the second electrode plate 136 are interposed between the first electrode plate 135 and the second electrode plate 136 to keep the gap between the electrode plates 135 and 136 constant And a spacer 134 for applying a voltage thereto.

상기 상부 플레이트(131) 및 하부 플레이트(132)는 유전체 장벽 방전장치(130) 전체를 지탱해주는 구조물로서, 2개의 전극판(135)(136) 사이에 전원 인가시 유전체판(133) 표면에서 발생하는 플라즈마가 다른 방향으로 흐르지 않고 정해진 유동방향으로만 흐를 수 있도록 가이드 해주는 역할도 하게 된다. 이러한 상,하부 플레이트(131)(132)는 절연물질인 아크릴(arcryl) 재질로 구성되는데, 이러한 아크릴 물질 외에 우수한 구조적 강성을 갖는 다른 절연 물질로 대체하여 적용할 수도 있다.The upper plate 131 and the lower plate 132 support the entire dielectric barrier discharge device 130 and are formed between the two electrode plates 135 and 136 at the surface of the dielectric plate 133 The plasma does not flow in the other direction but guides the plasma only in the predetermined flow direction. The upper and lower plates 131 and 132 are made of an acrylic material, which is an insulating material. In addition to the acrylic material, other insulating materials having excellent structural rigidity may be used instead.

상기 유전체판(133)은 유전체 물질(dielectric substance)로 구성된 판 구조물로서, 상하방향으로 복수 개가 상하방향으로 일정간격을 두고 적층된 구조를 갖는다. 이러한 유전체판(133)은 알루미늄 산화물인 알루미나(alumina) 재질로 구성되며, 그 내부에는 제1전극판(135) 또는 제2전극판(136)이 부분적으로 삽입된 구조를 갖는다.The dielectric plate 133 is a plate structure composed of a dielectric substance, and has a structure in which a plurality of dielectric plates 133 are vertically stacked at a predetermined interval in the vertical direction. The dielectric plate 133 is made of alumina, which is made of aluminum oxide, and has a structure in which the first electrode plate 135 or the second electrode plate 136 is partially inserted.

상기 제1전극판(135)과 제2전극판(136)은 동박(copper foil)으로 구성된 전도성 판 구조물로서, 상기 제1전극판(135)은 상하로 적층된 복수의 유전체판(133)들 중 홀수 번째의 유전체판들 내부에 부분적으로 삽입된 형태로 설치되고 외부로 노출된 일부분은 외부전원(150)과 연결된다. 아울러 상기 제2전극판(136)은 짝수 번째 유전체판들 내부에 부분적으로 삽입된 형태로 설치되며 그 일부분은 상기 제1전극판(135)의 노출된 부분과 반대편 방향으로 노출되어 외부전원(150)과 연결된다. The first electrode plate 135 and the second electrode plate 136 are a conductive plate structure composed of a copper foil. The first electrode plate 135 includes a plurality of dielectric plates 133 stacked one above the other And a portion of the dielectric layer, which is exposed to the outside, is connected to the external power source 150. [ In addition, the second electrode plate 136 is partially inserted into the even-numbered dielectric plates, and a part of the second electrode plate 136 is exposed in a direction opposite to the exposed portion of the first electrode plate 135, ).

이와 같이 상기 제1전극판(135)과 제2전극판(136)은 유전체판(133)의 좌,우측에서 외부전원(150)과 연결되어 통전시 상기 유전체판(133)의 표면에 플라즈마를 발생시키게 된다. 이때, 상기 외부전원(150)으로는 사인함수(sine function) 혹은 펄스형태의 전원을 발생시키는 교류(AC) 전원이 사용된다. 그리고, 상기 제1 및 제2전극판(135)(136)은 앞서 언급된 동박 재질 이외에 전도성이 우수한 다른 금속 재질이 적용될 수 있다. The first electrode plate 135 and the second electrode plate 136 are connected to the external power source 150 at the left and right sides of the dielectric plate 133 to apply plasma to the surface of the dielectric plate 133 . At this time, the external power source 150 uses an AC power source that generates a sine function or a pulsed power source. In addition, the first and second electrode plates 135 and 136 may be made of another metal material having excellent conductivity in addition to the above-mentioned copper foil material.

상기 스페이서(spacer)(134)는 상하로 적층된 복수의 유전체판(133)들 사이에 좌우 한쌍을 이루며 배치된다. 아울러, 상기 상,하부 플레이트(131)(132)와 이들과 인접하는 유전체판(133) 사이 부분에도 위와 동일한 배치구조로 설치된다. 이러한 스페이서(134)는 상하로 적층된 복수의 유전체판(133)들 사이 간격을 일정한 간격으로 유지해주는 역할을 한다. The spacer 134 is disposed between the dielectric plates 133 stacked one above the other. In addition, the upper and lower plates 131 and 132 and the dielectric plate 133 adjacent to the upper and lower plates 131 and 132 are disposed in the same arrangement as described above. The spacers 134 function to maintain the spacing between the plurality of dielectric plates 133 stacked one above the other at regular intervals.

또한, 상기 스페이서(134)의 장변측 방향 길이는 상기 유전체판(133)의 유전체판(133)의 단변측 방향 길이와 동일하게 형성된다. 이러한 구조로 인해 적층된 유전체판(133)들의 좌,우측은 상기 좌우 한쌍의 스페이서(134)를 통해 폐쇄되어 가스의 흐름이 유전체판(133)의 전방측 방향에서 후방측 방향으로만 흐를 수 있도록 되어 있다.The length of the spacer 134 in the lateral direction is the same as the length in the short side of the dielectric plate 133 of the dielectric plate 133. Due to such a structure, the left and right sides of the stacked dielectric plates 133 are closed through the pair of left and right spacers 134 so that the flow of gas can flow only in the rearward direction from the front side direction of the dielectric plate 133 .

이때, 상기 제1전극판(135)과 제2전극판(136) 사이에 교류 전원을 인가하여 플라즈마를 발생하는 경우에 안정적인 플라즈마 작동을 보장할 수 있도록 하기 위하여 상기 제1전극판(135)과 제2전극판(136) 사이의 간격을 수 밀리미터(mm) 범위 내로 제한하여야 한다. 이는 상기 유전체판(133) 사이에 설치되는 스페이서(134)의 두께를 조정하는 것을 통해 가능하다.In order to ensure stable plasma operation when AC power is applied between the first electrode plate 135 and the second electrode plate 136 to generate plasma, the first electrode plate 135 and the second electrode plate 136 The distance between the second electrode plates 136 should be limited within a range of several millimeters (mm). This is possible by adjusting the thickness of the spacer 134 provided between the dielectric plates 133.

한편, 유동 분리판(Flow separator)(120)은 챔버(110) 내부로 투입된 가스(공기)를 균일한 유동(laminar flow)로 변환해 주기 위한 것으로서, 내부에는 가스가 통과되는 다수의 통공(122)들이 구비된다. 이때, 상기 통공(122)들은 유동 분리판(120)의 중심부에서 외곽으로 갈수록 구멍의 크기가 점차 커지는 형태로 배열 형성된다. 이와 같은 구조로 형성하게 되면 유동 분리판(120)에 형성된 서로 다른 크기의 통공(122)들을 통해 가스 유동의 흐름이 많은 중심부 부분에는 상대적으로 적은 양의 가스가 통과되도록 하고 가스 유동이 적은 외곽 부분에는 상대적으로 많은 양의 가스가 통과되도록 하여 유전체 장벽 방전장치(130)로 가스 유동이 고르고 균일하게 공급되도록 할 수 있다. 이렇게 되면, 유전체 장벽 방전장치(130) 내부에서 각 전극들과 가스와의 반응 면적을 최대화시킬 수 있고, 따라서, 상기 유전체 장벽 방전장치(130) 내에서 플라즈마 방전을 통해 발생하는 라디칼(radical)과 이온의 양을 최대화시킬 수 있다.The flow separator 120 is provided to convert the gas (air) introduced into the chamber 110 into a laminar flow. The flow separator 120 includes a plurality of through holes 122 . At this time, the through holes 122 are arranged in such a manner that the size of the holes gradually increases from the central portion of the flow dividing plate 120 to the outer perimeter. With such a structure, a relatively small amount of gas is allowed to pass through the center portion having a large flow of gas flow through the through holes 122 having different sizes formed in the flow dividing plate 120, A relatively large amount of gas can be passed through the dielectric barrier discharge device 130 so that the gas flow can be uniformly and uniformly supplied to the dielectric barrier discharge device 130. Accordingly, it is possible to maximize the reaction area between each of the electrodes and the gas in the dielectric barrier discharge device 130, and thus, the radicals generated through the plasma discharge in the dielectric barrier discharge device 130 The amount of ions can be maximized.

상기한 구성을 갖는 본 발명의 저온 플라즈마 장치(100)의 작동을 설명하면 다음과 같다.The operation of the low temperature plasma apparatus 100 of the present invention having the above-described configuration will be described below.

먼저, 챔버(110)의 선단부에 있는 가스 투입구(102)로 가스가 투입되면, 투입된 가스는 유동 분리판(120)을 통과하여 균일한 유동으로 변화된 상태에서 후방측에 위치한 유전체 장벽 방전장치(130)로 투입된다. 그리고, 상기 유전체 장벽 방전장치(130)로 투입된 가스는 유전체판(133)과 스페이서(134)로 둘러싸인 공간을 통과하여 후방측으로 이동하게 되는데, 이때, 제1전극판(135)과 제2전극판(136) 사이에서 발생하는 플라즈마와 반응하여 다량의 라디칼(radical)과 이온들을 발생시키게 된다. 그리고, 이러한 다량의 라디칼과 이온들을 포함한 가스는 챔버(110)의 후방측 가스 토출구(104)를 통해 연소실로 토출되어 연소실 내에서 연료와 연소 반응을 하게 된다. 연소실 내부로 유입된 다량의 라디칼과 이온을 포함하고 있는 가스는 연료와 높은 반응성을 가지며 반응하게 됨으로써 높은 연소효율을 얻을 수 있게 된다. 여기서, 유전체 장벽 방전장치(130)에서 생성된 플라즈마와 투입된 가스가 반응하여 발생하는 라디칼과 이온들은 빠르게 소산(消散)되는 특성이 있으므로 이들 라디칼과 이온들이 소산되지 않고 연소실로 빠르게 공급되도록 하기 위해 투입 가스의 유량을 증가시키는 것이 바람직하다.When the gas is introduced into the gas inlet 102 at the front end of the chamber 110, the introduced gas passes through the flow dividing plate 120 and is converted into a uniform flow, ). The gas introduced into the dielectric barrier discharge device 130 passes through a space surrounded by the dielectric plate 133 and the spacer 134 and moves to the rear side. At this time, the first electrode plate 135 and the second electrode plate And generates a large amount of radicals and ions by reacting with the plasma generated between the electrodes 136. The gas containing such a large amount of radicals and ions is discharged to the combustion chamber through the gas discharge opening 104 on the rear side of the chamber 110 and is subjected to a combustion reaction with the fuel in the combustion chamber. The gas containing a large amount of radicals and ions introduced into the combustion chamber reacts with the fuel with high reactivity, thereby achieving high combustion efficiency. Here, the radicals and ions generated by the reaction between the plasma generated in the dielectric barrier discharge device 130 and the input gas are rapidly dissipated. Therefore, in order to rapidly supply these radicals and ions to the combustion chamber without dissipation, It is preferable to increase the flow rate of the gas.

상술한 바와 같이, 본 발명은 가스화 및 연소 반응의 활성화를 위해 연소실(반응기)로 투입되는 가스를 상기 연소실로 진입하기 전 단계에서 본 발명의 저온 플라즈마 장치(100)에 구비된 유전체 장벽 방전장치(130)에 통과시켜 저온 플라즈마 방전을 통한 다량의 라디칼(radical)과 이온을 함유한 높은 반응성을 갖는 가스로 변화시킨 상태에서 연소실 내부로 투입되도록 함으로써, 연소실 내부의 가스화 과정에서 연료와의 반응성을 증대시켜 최종적으로 생산되는 합성가스의 수율을 높일 수 있다. 아울러, 본 발명의 저온 플라즈마 장치(100)는 작은 에너지를 투입하여 가스를 충분히 이온화시킨 상태에서 연소실로 전달할 수 있도록 되어 있기 때문에, 이온화된 가스의 이동시간을 최소화하여 이동 중에 가스가 소산되는 것을 억제할 수 있고 기존 방식들보다 합성가스의 수율을 높이는 데에 기여할 수 있다. As described above, according to the present invention, the gas introduced into the combustion chamber (reactor) for activation of the gasification and the combustion reaction is supplied to the dielectric barrier discharge device (not shown) provided in the low temperature plasma device 100 of the present invention 130) to a high-reactivity gas containing a large amount of radicals and ions through a low-temperature plasma discharge, thereby increasing the reactivity with the fuel during the gasification process inside the combustion chamber The yield of the finally produced synthesis gas can be increased. In addition, since the low-temperature plasma apparatus 100 of the present invention is capable of transferring a small amount of energy to the combustion chamber in a state in which the gas is sufficiently ionized, the movement time of the ionized gas is minimized, And can contribute to higher syngas yield than conventional processes.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is clearly understood that the same is by way of illustration and example only and is not to be construed as limited to the embodiments set forth herein. Will be possible.

100 : 저온 플라즈마 장치 102 : 가스 투입구
104 : 가스 토출구 110 : 챔버
120 : 유동 분리판 122 : 통공
130 : 유전체 장벽 방전장치 131,132 : 상,하부 플레이트
133 : 유전체판 134 : 스페이서(spacer)
135,136 : 제1전극판,제2전극판 100: low temperature plasma apparatus 102: gas inlet
104: gas outlet 110: chamber
120: flow separation plate 122: through hole
130: dielectric barrier discharge device 131, 132: upper and lower plate
133: dielectric plate 134: spacer
135, 136: a first electrode plate, a second electrode plate

Claims (20)

유전체 물질(dielectric substance)로 이루어진 판 형상의 구조물로서, 복수 개가 상하방향으로 일정간격을 두고 적층되어 서로 평행하게 배치된 복수의 유전체판과;
상기 적층된 홀수 번째 유전체판 내부에 설치되며 일부분이 외부로 노출되어 외부전원과 연결되는 제1전극판과;
상기 적층된 짝수 번째 유전체판 내부에 설치되며 상기 제1전극판의 반대편 방향으로 일부분이 노출되어 외부전원과 연결되는 제2전극판과;
상기 적층된 유전체판들 사이에 설치되며 상기 유전체판들 사이 간격을 일정하게 유지시켜 주도록 하는 적어도 2개 이상의 스페이서(spacer);를 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 장벽 방전장치
1. A plate-like structure made of a dielectric substance, comprising: a plurality of dielectric plates stacked in parallel at a predetermined interval in a vertical direction;
A first electrode plate installed inside the stacked odd-numbered dielectric plates and partially connected to an external power source by being exposed to the outside;
A second electrode plate installed inside the stacked even-numbered dielectric plate and partially exposed in a direction opposite to the first electrode plate and connected to an external power source;
And at least two spacers disposed between the stacked dielectric plates to maintain a constant gap between the dielectric plates. The dielectric barrier discharge device according to claim 1,
제1항에 있어서, 상기 유전체 장벽 방전장치의 상부 및 하부 끝단에 각각 설치되는 상부 플레이트 및 하부 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유전체 장벽 방전장치
The dielectric barrier discharge device according to claim 1, further comprising an upper plate and a lower plate installed at upper and lower ends of the dielectric barrier discharge device, respectively,
제2항에 있어서, 상기 상부 및 하부 플레이트와 이들과 인접하는 각각의 유전체판들 사이에는 적어도 2개 이상의 스페이서가 추가적으로 설치되는 것을 특징으로 하는 유전체 장벽 방전장치
The dielectric barrier discharge device according to claim 2, wherein at least two spacers are additionally provided between the upper and lower plates and dielectric plates adjacent to the upper and lower plates, respectively.
제2항에 있어서, 상기 상부 및 하부 플레이트는 아크릴(Acryl) 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유전체 장벽 방전장치
The dielectric barrier discharge device according to claim 2, wherein the upper and lower plates are made of an acrylic material.
제1항에 있어서, 상기 유전체판은 산화 알루미늄(Alumina)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유전체 장벽 방전장치
The dielectric barrier discharge device according to claim 1, wherein the dielectric plate is made of aluminum oxide.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2전극판에 공급되는 외부전원은 교류(AC) 전원인 것을 특징으로 하는 유전체 장벽 방전장치
2. The dielectric barrier discharge device according to claim 1, wherein the external power source supplied to the first and second electrode plates is an alternating current (AC)
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 스페이서는 아크릴 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 유전체 장벽 방전장치
The dielectric barrier discharge device according to claim 1 or 3, wherein the spacer is made of an acrylic material.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 스페이서의 두께는 수 밀리미터(mm) 범위 내의 두께로 적용되는 것을 특징으로 하는 유전체 장벽 방전장치
4. The dielectric barrier discharge device according to any one of claims 1 to 3, wherein the thickness of the spacer is in a range of several millimeters (mm)
가스화 및 연소 반응 활성화를 위하여 연소실의 전방측에 설치되는 플라즈마 장치에 있어서,
일측에 가스가 투입되는 가스 투입구가 형성되고 다른 일측에는 내부의 가스를 연소실로 배출하기 위한 가스 토출구가 형성된 챔버와;
상기 챔버의 내부 공간에 설치되며, 상기 챔버의 가스 투입구를 통해 투입된 가스를 저온 플라즈마 방전 처리하여 다량의 라디칼(radical)과 이온을 포함하는 가스로 변화시키는 유전체 장벽 방전장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스화 및 연소 반응 활성화를 위한 저온 플라즈마 장치
A plasma apparatus installed on a front side of a combustion chamber for gasification and activation of a combustion reaction,
A chamber having a gas inlet through which gas is introduced into one side and a gas discharge port through which gas in the other side is discharged to the combustion chamber;
And a dielectric barrier discharge device installed in an inner space of the chamber and converting the gas introduced through the gas inlet of the chamber into a gas containing a large amount of radicals and ions by low temperature plasma discharge treatment Low temperature plasma system for gasification and combustion reaction activation
제9항에 있어서, 상기 유전체 장벽 방전장치는,
유전체 물질(dielectric substance)로 이루어진 판 형상의 구조물로서, 복수 개가 상하방향으로 일정간격을 두고 적층되어 서로 평행하게 배치된 복수의 유전체판과;
상기 적층된 홀수 번째 유전체판 내부에 설치되며 일부분이 외부로 노출되어 외부전원과 연결되는 제1전극판과;
상기 적층된 짝수 번째 유전체판 내부에 설치되며 상기 제1전극판의 반대편 방향으로 일부분이 노출되어 외부전원과 연결되는 제2전극판과;
상기 적층된 유전체판들 사이에 설치되며 상기 유전체판들 사이 간격을 일정하게 유지시켜 주도록 하는 적어도 2개 이상의 스페이서(spacer);를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스화 및 연소 반응 활성화를 위한 저온 플라즈마 장치
10. The apparatus of claim 9, wherein the dielectric barrier discharge device comprises:
1. A plate-like structure made of a dielectric substance, comprising: a plurality of dielectric plates stacked in parallel at a predetermined interval in a vertical direction;
A first electrode plate installed inside the stacked odd-numbered dielectric plates and partially connected to an external power source by being exposed to the outside;
A second electrode plate installed inside the stacked even-numbered dielectric plate and partially exposed in a direction opposite to the first electrode plate and connected to an external power source;
And at least two spacers spaced from each other between the dielectric plates to maintain a constant gap between the dielectric plates. The plasma display apparatus of claim 1,
제10항에 있어서, 상기 유전체 장벽 방전장치의 상부 및 하부 끝단에 각각 설치되는 상부 플레이트 및 하부 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가스화 및 연소 반응 활성화를 위한 저온 플라즈마 장치
11. The apparatus as claimed in claim 10, further comprising an upper plate and a lower plate installed at upper and lower ends of the dielectric barrier discharge device, respectively,
제11항에 있어서, 상기 상부 및 하부 플레이트와 이들과 인접하는 각각의 유전체판들 사이에는 적어도 2개 이상의 스페이서가 추가적으로 설치되는 것을 특징으로 하는 가스화 및 연소 반응 활성화를 위한 저온 플라즈마 장치
12. The method of claim 11, wherein at least two spacers are additionally provided between the upper and lower plates and dielectric plates adjacent to the upper and lower plates, respectively,
제11항에 있어서, 상기 상부 및 하부 플레이트는 아크릴(Acryl) 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스화 및 연소 반응 활성화를 위한 저온 플라즈마 장치
12. The method of claim 11, wherein the upper and lower plates are made of an acrylic material.
제10항에 있어서, 상기 유전체판은 산화 알루미늄(Alumina)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스화 및 연소 반응 활성화를 위한 저온 플라즈마 장치
11. The method as claimed in claim 10, wherein the dielectric plate is made of aluminum oxide.
제10항에 있어서, 상기 제1 및 제2전극판에 공급되는 외부전원은 교류(AC) 전원인 것을 특징으로 하는 가스화 및 연소 반응 활성화를 위한 저온 플라즈마 장치
11. The method of claim 10, wherein the external power source supplied to the first and second electrode plates is an alternating current (AC) power source.
제10항 또는 제12항에 있어서, 상기 스페이서는 아크릴 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 가스화 및 연소 반응 활성화를 위한 저온 플라즈마 장치
13. The method of claim 10 or 12, wherein the spacers are made of acrylic material.
제10항 또는 제12항에 있어서, 상기 스페이서의 두께는 수 밀리미터(mm) 범위 내의 두께로 적용되는 것을 특징으로 하는 가스화 및 연소 반응 활성화를 위한 저온 플라즈마 장치
13. The method of claim 10 or 12, wherein the thickness of the spacers is in the range of a few millimeters (mm).
제9항에 있어서, 상기 유전체 장벽 방전장치의 전방측에는 상기 가스 투입구를 통해 투입된 가스를 균일하게 확산시켜주는 유동 분리판이 설치된 것을 특징으로 하는 가스화 및 연소 반응 활성화를 위한 저온 플라즈마 장치.
The low-temperature plasma apparatus for activating the gasification and combustion reaction according to claim 9, wherein a flow separating plate for uniformly diffusing the gas introduced through the gas inlet is provided at a front side of the dielectric barrier discharge device.
제18항에 있어서, 상기 유동 분리판 내부에는 가스가 통과되는 다수의 통공들이 구비되며, 상기 통공들은 상기 유동 분리판의 중심부에서 외곽으로 갈수록 구멍의 크기가 점차 커지는 형태로 배열되는 것을 특징으로 하는 가스화 및 연소 반응 활성화를 위한 저온 플라즈마 장치.
The flow dividing plate as claimed in claim 18, wherein the flow dividing plate has a plurality of through holes through which the gas passes, and the through holes are arranged such that the size of the holes gradually increases from the center of the flow dividing plate toward the outer side Low temperature plasma apparatus for gasification and activation of combustion reaction.
연소실의 선단부에 상기 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항의 저온 플라즈마 장치를 구비한 연소 시스템A combustion system comprising a low-temperature plasma apparatus according to any one of claims 1 to 11 at the tip of a combustion chamber
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