WO2026079540A1 - 미분탄의 나노화를 통한 합성가스 제조장치 - Google Patents

미분탄의 나노화를 통한 합성가스 제조장치

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Abstract

본 발명은 호퍼로부터 공급되는 미분탄을 초미세하게 분쇄하는 분쇄기, 상기 분쇄기에서 초미세하게 분쇄된 초미세 미분탄을 와류챔버 내의 통형 헤더에 압송하여 분사하는 복수 개의 분사기, 상기 분쇄기와 상기 분사기 사이의 관로 도중에 설치되고, 상기 각 분사기에 상기 초미세 미분탄을 균등하게 공급하는 분배기, 상기 와류챔버 내에 공기의 소용돌이를 일으켜 상기 초미세 미분탄을 기파 생성에 의한 원심력과 구심력의 접점에서 충돌과 반복 마찰로 나노화시키는 와류팬, 상기 와류챔버와 격벽에 의해 상하로 분리된 진공챔버, 상기 헤더의 사방에 한쪽 단부가 각각 연결 고정되고, 다른 한쪽 단부가 상기 진공챔버 내부와 각각 연결되어 상기 진공챔버 내로 공급되는 나노화된 미분탄의 응폭 현상을 유도하는 복수 개의 나선형 분기관, 상기 진공챔버 내의 나노화된 미분탄 및 기체를 이온화 및 라디칼화시키는 플라즈마화하여 합성가스로 전환시키는 플라즈마 발생기 및 상기 진공챔버 내의 합성가스를 포집하고 저장하는 가스포집기를 포함하는 미분탄의 나노화를 통한 합성가스 제조장치를 개시한다.

Description

미분탄의 나노화를 통한 합성가스 제조장치
본 발명은 미분탄을 원료로 가스화(gasification)를 통해 CO, H2가 주성분인 합성가스를 제조하는 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 미분탄을 초미립자화하고 응폭(Implosion)한 후, 플라즈마 가스화(Plasma gasification)를 통해 플라즈마화 시켜서 합성가스를 제조하기 위한 미분탄의 나노화를 통한 합성가스 제조장치에 관한 것이다.
일반적으로 석탄은 석유, 천연가스와 같은 화석연료에 비해 매장량이 풍부하나 직접적인 연소를 통해 사용하게 되면 지구온난화의 주범인 이산화탄소 및 환경오염 물질인 SOx와 NOx가 다량으로 발생한다.
이러한 석탄을 고온으로 열분해하여 가스화한 후 집진과 정제공정 및 CO2 제거공정을 거쳐 일산화탄소, 수소, 이산화탄소가 대부분인 합성가스(synthetic gas; H2 및 CO)를 제조하고, 이를 반응물로 메탄화 반응(methanation)을 거쳐 메탄이 주성분인 합성천연가스(SNG; Synthetic Natural Gas)로 전환하는 연구가 활발히 진행되고 있다.
합성가스를 이용하여 메탄이 주성분인 합성천연가스를 만드는 주요 반응식 및 반응열은 다음과 같다.
CO + 2H2 → CH4 + H2O (반응열 : 206KJ/mol)
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O (반응열 : 165KJ/mol)
한편, 합성가스(Syngas, synthetic gas 또는 synthesis gas)는 화학반응의 공급 원료로 사용하는 수소와 일산화탄소의 혼합 기체이다.
이러한 합성가스는 도 1에 도시한 바와 같이 암모니아, 디메틸에테르, 메탄올을 포함하는 다양한 화학제품의 원료가 되거나 혹은 전기 발전 등의 에너지원이 될 수 있다.
또한, 석탄, 나프타 같은 석유계 탄화수소 화합물뿐만 아니라 바이오메스와 이산화탄소를 활용해 합성가스를 생산할 수 있다.
최근에는 합성가스로 수소를 생산하는 기술까지 등장해, 기존 화학제품 원료에서 에너지원으로서의 합성연료로 그 활용방법이 다양해지고 있다.
석탄은 가스화 설비를 통해 합성가스로 전환되는데, 가스화기 내부에서는 부분 산화, 수증기 개질, 이산화탄소 개질, 수소 개질, 수성가스화 등 여러 반응이 일어나면서 합성가스가 만들어진다. 이후, 정제공정을 통해 불순물을 제거한 후 화학물질을 합성하거나 연료로 공급된다.
기존 합성가스 생산 공정은 가스의 분리와 정제를 위해 높은 열을 가하는 과정에서 이산화탄소를 배출할 뿐만 아니라 고온에서 일어나는 개질 반응의 부반응으로 검댕(carbon)이 생성되는 문제점이 있다.
한편, 특허문헌 1에는 바이오 가스(biogas)를 이용하여 미분탄을 가스화기로 공급하고, 가스화기 내에서 가스화 반응을 일으켜 합성가스를 생성하는 '가스화기 시스템 및 그의 합성가스 생성 방법'이 공개된 바 있다.
그러나 이는 미분탄을 이송하기 위해 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)가 주성분인 바이오 가스를 사용하는 특성상 반응속도가 상당히 느린 데다 합성가스의 성분 중 지구 온실효과의 가장 큰 원인인 이산화탄소의 양이 증가하는 한계가 있다.
그뿐만 아니라 미분탄을 고온 고압에서 당량 이하의 산소, 수증기와의 반응을 이용하여 불완전 연소시켜 일산화탄소(CO)와 수소(H2)가 주성분인 합성가스를 생산하는 방식이기 때문에 무기질 성분의 슬래그(slag)가 다량으로 발생하는 문제점이 있다.
여기서 상술한 배경기술 또는 종래기술은 본 발명자가 보유하거나 본 발명을 도출 및 완성하는 과정에서 습득한 정보로서 본 발명의 기술적 의의를 이해하는 데 도움이 되고 선행기술조사 및 심사에 유용하여 명시한 것일 뿐, 본 발명의 출원 전에 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 일반적으로 알려지고 널리 사용되는 기술을 의미하는 것은 아님을 밝힌다.
이에 본 발명자는 상술한 제반 사항을 종합적으로 고려함과 동시에 기존의 미분탄을 원료로 CO, H2가 주성분인 합성가스를 제조하는 장치 및 기술이 지닌 기술적 한계 및 문제점들을 해결하려는 발상에서, 미분탄을 초미립자화하고 빠르게 회전시켜 활동성을 높여주어 기체의 내부중심을 향하여 수축하는 응집성 폭발 현상(Implosion)을 유도한 후, 플라즈마 가스화(Plasma gasification)를 통해 플라즈마화 시켜서 합성가스를 제조할 수 있는 새로운 구조의 미분탄의 나노화를 통한 합성가스 제조장치를 개발하고자 각고의 노력을 기울여 부단히 연구하던 중 그 결과로써 본 발명을 창안하게 되었다.
따라서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 미분탄을 초미립자화하고 응폭한 후 플라즈마 가스화를 통해 플라즈마화 시켜서 합성가스를 제조할 수 있도록 하는 미분탄의 나노화를 통한 합성가스 제조장치를 제공하는 데 있는 것이다.
여기서 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제 및 목적은 이상에서 언급한 기술적 과제 및 목적으로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제 및 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 기술적 과제를 해결하기 위한 새로운 착상을 구체화하면서 특정의 기술적 목적을 효과적으로 달성하기 위한 본 발명의 실시 태양(aspect)에 따른 구체적인 수단은, 미분탄을 저장 및 공급하는 호퍼, 상기 호퍼로부터 투입되는 미분탄을 초미세하게 분쇄하는 분쇄기, 상기 분쇄기에서 초미세하게 분쇄된 초미세 미분탄을 압송하여 와류챔버 내의 통형 헤더 안에 분사하는 복수 개의 분사기, 상기 분쇄기와 상기 분사기 사이의 관로 도중에 설치되고, 상기 각 분사기에 상기 초미세 미분탄을 균등하게 공급하는 분배기, 전동기에 의해 회전하면서 상기 와류챔버 내에 공기의 소용돌이를 일으켜 상기 초미세 미분탄을 기파 생성에 의한 원심력과 구심력의 접점에서 충돌과 반복 마찰로 나노화시키는 한 쌍의 와류팬, 상기 와류챔버와 격벽에 의해 상하로 분리된 진공챔버, 한쪽 단부가 상기 헤더의 바깥쪽에서 통하도록 연결 고정되고, 다른 한쪽(반대쪽) 단부가 상기 진공챔버 내부와 통하도록 연결되어 상기 진공챔버 내로 공급되는 나노화된 미분탄의 응폭(Implosion) 현상을 유도하는 복수 개의 나선형 분기관, 상기 진공챔버 내의 나노화된 미분탄 및 기체를 이온화 및 라디칼화시키는 플라즈마화(Plasma Gasification)하여 합성가스로 전환시키는 플라즈마 발생기 및 상기 진공챔버 내의 합성가스를 포집하고 저장하는 가스포집기를 포함하여 채용하는 것을 특징으로 하는 미분탄의 나노화를 통한 합성가스 제조장치를 제시한다.
이로써 본 발명은 미분탄을 초미립자화하고 빠르게 회전시켜 활동성을 높여주어 기체의 내부중심을 향하여 수축하는 응집성 폭발 현상(Implosion)을 유도한 후, 플라즈마 가스화(Plasma gasification)를 통해 플라즈마화 시켜서 CO, H2가 주성분인 합성가스를 안정적으로 제조할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 태양(aspect)은 상기 와류챔버 내의 황화철(FeS2)을 자력으로 선별하여 포집하는 전자석을 더 포함하여 구성됨으로써 황 화합물 성분을 제거하여 정제할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 태양(aspect)은 상기 진공챔버 내의 플라즈마 가스화를 촉진하고 라디칼의 엔트로피를 높이기 위해 산소를 공급하는 산소공급기, 상기 진공챔버 내의 원자나 이온 에너지를 활성화(activation)하기 위해 온도를 조절하는 히터 및 냉각기를 더 포함하여 구성됨으로써 미분탄의 투입량 대비 합성가스 생성 효율을 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 태양(aspect)으로 상기 한 쌍의 와류팬은, 서로 반대 방향으로 회전되고, 각 와류팬은 전동기의 모터축에 2개가 이중으로 겹쳐서 장착되고, 상기 와류챔버 내에 수평면에 대하여 30 내지 60도 각도로 비스듬히 기울어지게 설치됨으로써 초미세 미분탄 분자의 운동 속도를 자동으로 가감속하여 더욱 효과적으로 나노화할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 태양(aspect)으로 상기 분기관은, 상기 헤더의 사방에 배치되고, 상기 헤더 쪽의 한쪽 끝에서 바깥쪽 끝으로 갈수록 점차 내경이 작아지는 원뿔 모양의 나선형 관으로 형성됨으로써 진공챔버 내로 공급되는 나노화된 미분탄의 응폭(Implosion) 현상을 더욱 원활하게 유도할 수 있다.
본 발명의 기술적 과제를 해결하기 위해 특유한 해결 수단이 기초하고 있는 기술사상을 구현하는 실시 예(embodiment)에 따르면, 미분탄을 초미립자화하고 빠르게 회전시켜 활동성을 높여주어 기체의 내부중심을 향하여 수축하는 응집성 폭발 현상(Implosion)을 유도한 후, 플라즈마 가스화(Plasma gasification)를 통해 플라즈마화 시켜서 CO, H2가 주성분인 합성가스를 안정적으로 제조할 수 있다.
즉, 와류챔버 내의 초미세 미분탄과 공기를 분기관 내에 소용돌이 형태로 주입함으로써 초미세 미분탄을 안정적으로 나노화시켜 진공챔버에 공급할 수 있고, 아울러 진공챔버 내에서 플라즈마에서 발생된 높은 에너지를 갖는 전자들이 나노화된 미분탄과 산소를 함유하고 있는 기체 분자들과 충돌에 의해 합성가스로 전환되므로 미분탄 투입량 대비 합성가스 생성 효율을 극대화시킬 수 있다.
또한, 이산화탄소의 발생량과 수소의 소모량이 최소화되어 친환경적일 뿐만 아니라 제조비용을 절감하여 경제적이고 효율적으로 합성가스를 생산할 수 있다.
여기서 본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 국한하지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 미분탄을 이용한 합성가스 제조 과정을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 미분탄의 나노화를 통한 합성가스 제조장치를 개략적으로 나타낸 부분단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 미분탄의 나노화를 통한 합성가스 제조장치를 구성하는 분기관을 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 미분탄의 나노화를 통한 합성가스 제조장치의 작동 상태에 대한 이해를 돕기 위한 도면이다.
이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
이에 앞서, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석하여야 함을 명시한다.
또한, 본 발명과 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
여기서 첨부된 도면들은 기술의 구성, 기술의 작용 및 작동 원리에 대한 설명, 이해의 편의성, 기술의 명확성 등을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시될 수 있고, 그 도면상의 각 구성요소가 실제의 크기 및 형태와 정확하게 일치하는 것은 아님을 밝힌다.
아울러 본 명세서에서 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함하는 의미이며, 또 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
즉, 본 명세서에서 설시하고 있는 '포함하다', '가지다' 등의 용어는 특징, 개수, 단계, 공정, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계, 공정, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재와 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해해야 한다.
한편, 본 발명에서 사용하는 "부" 및 "유닛"의 의미는 장치 또는 시스템에서 목적하는 적어도 하나의 기능이나 어느 일정한 동작을 처리하는 단위 또는 역할을 하는 모듈 형태를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 혹은 하드웨어 및 소프트웨어의 결합 등을 통한 수단이나 독립적인 동작을 수행할 수 있는 디바이스 또는 어셈블리 등으로 구현할 수 있다.
그리고 본 발명에서 사용하는 상단, 하단, 상면, 하면, 또는 상부, 하부, 상측, 하측, 전후, 좌우 등의 용어는 각 구성요소에 있어 상대적인 위치를 구별하거나 운동 방향을 설명하기 위해 편의상 사용한다. 예를 들어, 도면상의 위쪽을 상부로 아래쪽을 하부로 명명하거나 지칭하고, 길이 방향을 전후 방향으로, 폭 방향을 좌우 방향으로 명명하거나 지칭할 수 있다.
또한, 본 발명에서 사용하는 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는 데 사용할 수 있다. 즉, 제1, 제2 등의 용어는 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하는 목적으로 사용할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 미분탄의 나노화를 통한 합성가스 제조장치를 구성하는 주요 요소는 도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이 호퍼(10), 분쇄기(20), 분사기(30), 분배기(40), 와류팬(50), 와류챔버(60), 진공챔버(70), 분기관(80), 플라즈마 발생기(90), 가스포집기(100), 전자석(110), 산소공급기(120), 히터(130) 및 냉각기(140)를 포함하고 있다.
호퍼(10)는 50~150㎛ 크기의 미분탄을 일정량 저장 및 공급하는 역할을 한다.
여기서 호퍼(10)는 미분탄을 자중에 의해 분쇄기(20)로 떨어뜨려 이송하는 깔때기 모양의 통으로 형성될 수 있다.
또한, 호퍼(10)는 필요에 따라 출구를 열어 미분탄을 분쇄기(20)로 연속적으로 이송하기 위한 자동공급장치가 구비될 수 있다.
분쇄기(20)는 호퍼(10)로부터 공급되는 50~150㎛ 크기의 미분탄을 20~50㎛ 크기로 초미세하게 분쇄하고 공급하는 역할을 한다.
여기서 분쇄기(20)로는 공기의 고속 와류(High Tubulence)와 고주파(High Frequency) 압력 변동에 따른 진동을 이용하여 자기파쇄(Self Grinding)시켜 초미분 입자를 얻는 에어-제트 밀(air jet mill)을 채택하여 적용할 수 있고, 아울러 전자기 진동공급장치 또는 전자기 진동 마그네틱 피더를 이용하여 초미세하게 분쇄된 초미세 미분탄을 분배기(40)에 고르게 안정적으로 공급할 수 있다.
분사기(30)는 와류챔버(60) 내의 통형 헤더(61) 안에 분쇄기(20)에서 초미세하게 분쇄되어 분배기(40)에 공급된 초미세 미분탄을 송입(送入)하는 역할을 한다.
즉, 분사기(30)는 와류챔버(60) 내에 장치되어 있고, 분배기(40)와 관로를 통해 분쇄기(20)와 연결되어 있다.
여기서 분사기(30)는 초미세 미분탄을 압축공기에 의해 압송하여 헤더(61) 내에 강하게 분사하는 공기분사식 장치로 구비될 수 있다.
또한, 분사기(30)는 암(arm)에 설치한 노즐에서 분사되는 초미세 미분탄과 공기의 반동에 의해 암이 회전하도록 되어 있는 회전식(rotary) 분사기를 채택하여 적용할 수 있다.
분배기(40)는 각 분사기(30)에 초미세 미분탄을 균등하게 공급하는 역할을 한다.
즉, 분배기(40)는 분쇄기(20)와 분사기(30) 사이의 관로 도중에 설치되어 분쇄기(20)로부터 공급되는 초미세 미분탄을 각 분사기(30)에 균등하게 공급한다.
와류팬(50)은 전동기(51)에 의해 회전하면서 와류챔버(60) 내에 공기의 소용돌이를 일으키는 역할을 한다.
그리고 와류팬(50)은 좌우 한 쌍으로 이루어져 있고, 각 와류팬(50)은 공기의 흐름이 교차하도록 와류챔버(60) 내에 수평면에 대하여 30 내지 60도 각도로 비스듬히 기울어진 채로 설치되어 있다.
즉, 한 쌍의 와류팬(50)은 초미세 미분탄을 기파 생성에 의한 원심력과 구심력의 접점에서 충돌과 반복 마찰로 나노화시키기 위해 와류챔버(60) 내에 서로 마주보도록 설치되어 있다.
예를 들어, 각 와류팬(50)은 각 전동기(51)에 의해 200~3600rpm으로 서로 마주보면서 반대 방향으로 회전함으로써 와류챔버(60) 내에 공기가 소용돌이치는 흐름으로 강하게 회전될 수 있다.
그리고 각 와류팬(50)은 각 전동기(51)의 모터축에 2개가 이중으로 겹쳐서 장착될 수 있다.
와류챔버(60)는 초미세 미분탄의 와류 생성을 위해 내화성 및 단열성 재질로 형성되어 있다.
즉, 와류챔버(60)는 분사기(30)에서 초미세 미분탄과 함께 내뿜어지는 공기가 그 안에서 와류 현상을 일으킬 수 있도록 형성되어 있다.
그리고 와류챔버(60) 내의 상부에는 복수 개의 분기관(80)을 연결 고정하는 통형 헤더(61)가 장착되어 있다.
진공챔버(70)는 대기압 이하의 압력을 유지하는 진공 상태에서 불순물의 영향을 최소화하고 완벽하고 균일한 플라즈마 생성을 가능하게 하도록 와류챔버(60)와 격벽(71)에 의해 상하로 분리되어 있다.
그리고 진공챔버(70)는 내부 온도 분포를 균일하게 유지하고, 정밀한 온도 제어가 가능하여 과열을 방지하며, 열효율을 최적화하도록 내화성 및 단열성 재질로 하여 와류챔버(60)의 상측에 형성되어 있다.
여기서 진공챔버(70)는 금속 등으로 높은 진공 압력을 견딜 수 있도록 설계될 수 있고, 아울러 공기를 제거 및 초고진공 상태를 유지하기 위해 내부의 압력을 낮추는 역할을 하는 진공펌프가 연결될 수 있다.
분기관(80)은 와류챔버(60) 내 헤더(61)의 사방에 여러 개가 배치되어 있다.
즉, 분기관(80)의 길이 방향 한쪽 단부(81)는 헤더(61)의 바깥쪽에서 그 헤더(61)의 내부와 통하도록 연결 고정되어 있고, 다른 한쪽(반대쪽) 단부(82)는 진공챔버(70)의 내부와 통하도록 연결되어 있다.
그리고 분기관(80)은 진공챔버(70) 내로 공급되는 나노화된 미분탄의 응폭(Implosion) 현상을 유도하기 위해 나노화된 미분탄이 유입되는 헤더(61) 쪽의 한쪽 단부(81)에서 나노화된 미분탄이 배출되는 바깥쪽 단부(82)로 갈수록 점차 내경이 작아지는 원뿔 모양의 나선형 관으로 형성되어 있다.
또한, 분기관(80)은 동합금 혹은 스테인리스강 등으로 하여 그 입구 쪽의 안지름은 100mm, 출구 쪽의 안지름은 1~2mm로 형성되어 있다.
이러한 분기관(80)은 미분탄을 초미립자화하고 빠르게 회전시켜 활동성을 높여주어 기체의 내부중심을 향하여 수축하는 응집성 폭발 현상(Implosion)을 유도한다.
플라즈마 발생기(90)는 진공챔버(70) 내의 나노화된 미분탄 및 기체를 이온화 및 라디칼화시키는 플라즈마화(Plasma Gasification)하여 합성가스로 전환시키는 역할을 한다.
여기서 플라즈마 발생기(90)는 Radio Frequency, 13.56MHz의 주파수의 교류를 걸어주어 전자의 이동방향을 매우 빠르게 바꿈으로써 중성입자와 충돌시켜 플라즈마를 발생시키는 RF 플라즈마 발생기를 채택하여 적용할 수 있다.
예를 들어, 진공챔버(70) 안의 압력을 10mmHg 정도로 유지하면, 100[V] 정도만 인가해도 플라즈마를 생성할 수 있다.
이러한 플라즈마 발생기(90)에 의한 플라즈마화는 산소가 부족한 상태의 진공챔버(70) 안에서 열화학적인 공정으로 일어나므로 산소에 의한 연소가 발생하지 않고, 미분탄이 열에 의해 단순한 분자들로 분해가 되고 청정에너지원인 합성가스로 전환되므로 대기 중에 오염물질를 배출하지 않는다.
가스포집기(100)는 진공챔버(70) 내의 합성가스를 흡입하여 포집하고 저장하는 역할을 한다.
즉, 가스포집기(100)는 진공챔버(70) 내 고순도의 합성가스를 회수하여 저장 및 송출한다.
이러한 가스포집기(100) 내의 합성가스는 후처리 공정인 메탄올 합성공정(합성섬유, 화학제품) 또는 F-T 합성공정(합성석유) 또는 DME 합성공정(디젤 대체연료) 또는 수소 정제공정(연료전지)을 통한 다양한 합성연료 제조의 원료로 사용될 수 잇다.
또한, 가스포집기(100) 내의 합성가스는 선택적으로 발전용 연료로 직접 사용될 수도 있음은 물론이다.
전자석(110)은 와류챔버(60) 내의 황화철(FeS2)을 자력으로 선별하여 포집하는 역할을 한다.
산소공급기(120)는 진공챔버(70) 내의 플라즈마 가스화를 촉진하고 라디칼의 엔트로피를 높이기 위해 산소를 진공챔버(70) 내에 분사하여 공급하는 역할을 한다.
히터(130)는 진공챔버(70) 내의 원자나 이온 에너지를 활성화(activation)하기 위해 온도를 높이는 역할을 한다.
냉각기(140)는 진공챔버(70) 내의 원자나 이온 에너지를 활성화하기 위해 온도를 낮추는 역할을 한다.
여기서 냉각기(140)로는 아르곤가스 냉각 및 순환시스템을 채택하여 적용할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 미분탄의 나노화를 통한 합성가스 제조장치는 별도의 컨트롤러에 의해 전체의 구성 및 작동을 전반적으로 제어할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 실시 예에 따른 미분탄의 나노화를 통한 합성가스 제조장치의 주요 작용과 작동원리 및 기능을 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 호퍼(10)로부터 이송되는 50~150㎛ 크기의 미분탄은 분쇄기(20)에서 20~50㎛ 크기로 초미세하게 분쇄된다.
이후, 분쇄기(20)에서 20~50㎛ 크기로 초미세하게 분쇄된 초미세 미분탄은 분사기(30)에 의해 압송되어 와류챔버(60) 내의 통형 헤더(61) 안에 분사된다.
이때, 와류챔버(60) 내의 초미세 미분탄과 공기는 와류팬(50)에 의해 헤더(61)와 분기관(80) 내에 소용돌이 형태로 주입됨으로써 초미세 미분탄을 안정적으로 나노화시켜 진공챔버(70)에 공급하게 된다.
이 과정에서 분쇄기(20)와 분사기(30) 사이를 연결하는 관로 도중에 설치되어 있는 분배기(40)에 의해 초미세 미분탄은 균일하게 분배되어 분사기(30)의 여러 노즐에 공급되며, 전자석(110)이 작동하여 와류챔버(60) 내에서 부유하는 황화철(FeS2)을 자력으로 선별하여 포집하게 된다.
아울러 분기관(80)이 헤더(61), 즉 안쪽에서 바깥쪽으로 갈수록 점차 내경이 작아지는 원뿔 모양의 나선형 관으로 형성되어 있는 형태적 특성상 분기관(80) 내에서 초미세 미분탄을 빠르게 회전시켜 활동성을 높여주어 기체의 내부중심을 향하여 수축하는 응집성 폭발 현상(Implosion)을 유도하고, 이로 인해 더욱 초미세 미분탄을 더욱 안정적으로 분자화 및 나노화시킨 상태로 진공챔버(70)에 공급할 수 있다.
이후, 진공챔버(70) 내의 나노화된 미분탄은 플라즈마 발생기(90)에 의해 플라즈마 가스화(Plasma gasification)를 통해 플라즈마화되어 CO, H2가 주성분인 합성가스로 전환된다.
이 과정에서 산소공급기(120)에 의해 진공챔버(70) 내에 산소가 공급됨으로써 플라즈마 가스화를 촉진하고 라디칼의 엔트로피를 높일 수 있다.
또한, 히터(130)와 냉각기(140)에 의해 진공챔버(70) 내의 원자나 이온 에너지를 활성화(activation)하기 위해 온도를 조절할 수 있다.
이후, 가스포집기(100)를 통해 진공챔버(70) 내의 합성가스를 포집하고 저장할 수 있고, 가스밸브(101)의 개폐에 따라 별도의 저장탱크 등으로 배출할 수 있다.
이처럼 본 발명의 실시 예에 따른 미분탄의 나노화를 통한 합성가스 제조장치는 진공챔버(70) 내에서 플라즈마에서 발생된 높은 에너지를 갖는 전자들이 나노화된 미분탄과 산소를 함유하고 있는 기체 분자들과 충돌에 의해 합성가스로 전환되므로 미분탄 투입량 대비 합성가스 생성 효율을 극대화시킬 수 있다.
한편, 본 발명은 상술한 실시 예(embodiment) 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 안에서 예시되지 않은 여러 가지로 다양하게 변형하고 응용할 수 있음은 물론이고 각 구성요소의 치환 및 균등한 타 실시 예로 변경하여 폭넓게 적용할 수도 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백하다.
그러므로 본 발명의 기술적 특징을 변형하고 응용하는 것에 관계된 내용은 본 발명의 기술사상 및 범위 내에 포함되는 것으로 해석하여야 할 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 미분탄의 나노화를 통한 합성가스 제조장치는 미분탄을 초미립자화하고 응집성 폭발 현상(Implosion)을 유도한 후, 플라즈마 가스화(Plasma gasification)를 통해 플라즈마화 시키는 방식으로, 다양한 산업 분야에서 대체 연료로 사용되는 CO, H2가 주성분인 합성가스를 얻기 위한 것이므로, 산업적으로 이용할 수 있는 발명이다.

Claims (5)

  1. 미분탄을 저장 및 공급하는 호퍼;
    상기 호퍼로부터 공급되는 미분탄을 초미세하게 분쇄하여 공급하는 분쇄기;
    상기 분쇄기에서 초미세하게 분쇄된 초미세 미분탄을 압송하여 와류챔버 내의 통형 헤더 안에 분사하는 복수 개의 분사기;
    상기 분쇄기와 상기 분사기 사이의 관로 도중에 설치되고, 상기 분쇄기로부터 공급되는 상기 초미세 미분탄을 상기 각 분사기에 균등하게 공급하는 분배기;
    전동기에 의해 회전하면서 상기 와류챔버 내에 공기의 소용돌이를 일으켜 상기 초미세 미분탄을 기파 생성에 의한 원심력과 구심력의 접점에서 충돌과 반복 마찰로 나노화시키는 한 쌍의 와류팬;
    상기 와류챔버와 격벽에 의해 상하로 분리된 진공챔버;
    한쪽 단부가 상기 헤더의 바깥쪽에서 상기 헤더의 내부와 통하도록 연결 고정되고, 다른 한쪽(반대쪽) 단부가 상기 진공챔버의 내부와 통하도록 연결되어 상기 진공챔버 내로 공급되는 나노화된 미분탄의 응폭(Implosion) 현상을 유도하는 복수 개의 나선형 분기관;
    상기 진공챔버 내의 나노화된 미분탄 및 기체를 이온화 및 라디칼화시키는 플라즈마화(Plasma Gasification)하여 합성가스로 전환시키는 플라즈마 발생기; 및
    상기 진공챔버 내의 합성가스를 포집하고 저장하는 가스포집기;
    를 포함하는, 미분탄의 나노화를 통한 합성가스 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 와류챔버 내의 황화철(FeS2)을 자력으로 선별하여 포집하는 전자석;
    을 더 포함하는, 미분탄의 나노화를 통한 합성가스 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 진공챔버 내의 플라즈마 가스화를 촉진하고 라디칼의 엔트로피를 높이기 위해 산소를 공급하는 산소공급기;
    상기 진공챔버 내의 원자나 이온 에너지를 활성화(activation)하기 위해 온도를 조절하는 히터; 및 냉각기;
    를 더 포함하는, 미분탄의 나노화를 통한 합성가스 제조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 와류팬은, 서로 반대 방향으로 회전되고, 각 와류팬은 상기 전동기의 모터축에 2개가 이중으로 겹쳐서 장착되고, 공기의 흐름이 교차하도록 상기 와류챔버 내에 수평면에 대하여 30 내지 60도 각도로 비스듬히 기울어지게 설치된, 미분탄의 나노화를 통한 합성가스 제조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분기관은, 상기 헤더의 사방에 배치되고,
    상기 헤더 쪽의 한쪽 끝에서 바깥쪽 끝으로 갈수록 점차 내경이 작아지는 원뿔 모양의 나선형 관으로 형성된, 미분탄의 나노화를 통한 합성가스 제조장치.
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