KR20240079804A

KR20240079804A - 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치

Info

Publication number: KR20240079804A
Application number: KR1020220163107A
Authority: KR
Inventors: 황대석
Original assignee: 주식회사 엔비유
Priority date: 2022-11-29
Filing date: 2022-11-29
Publication date: 2024-06-05
Anticipated expiration: 2042-11-29
Also published as: KR102675592B1

Abstract

본 발명은 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 매립지가스 또는 바이오가스에 있어 메탄과 이산화탄소를 원료로 합성가스 내지 수소를 효율적으로 개질하는 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치을 제공한다.

Description

매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치 {DUAL STRUCTURE PLASMA GENERATOR FOR EFFICIENT REFORMING OF LANDFILL GAS AND BIOGAS}

본 발명은 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 매립지가스 또는 바이오가스에 있어 메탄과 이산화탄소를 원료로 합성가스 내지 수소를 효율적으로 개질하는 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치에 관한 것이다.

매립지가스 또는 바이오가스는 음식물쓰레기, 도축장 폐수, 생활 및 산업 폐기물 등의 유기성 폐수처리과정에서 발생하는 슬러지 등의 침전물로부터 발생하는 가스로, 주요 가스는 황화수소, 이산화탄소, 메탄, 수분, 실록산 등으로 구성되어 있다.

이러한 매립지가스 또는 바이오가스는 폐기물의 종류, 계절 등의 영향을 크게 받으며, 이와 함게 생성되는 가스의 양 및 조성이 균일하지 않아 산업적 이용가치가 높지않다.

매립지가스 또는 바이오가스의 대부분은 50~60%의 메탄과 40~50%의 이산화탄소, 5~10% 불순물(질소, 산소, 황화수소, 실록산, VOC 및 미세먼지)이 포함되어 있어 수분, 먼지, 황화수소 등의 전처리를 통한 가스의 고질화를 통해 정제 및 포집으로 개질시 사용하게 된다.

이들 가스의 활용을 위해 불순물인 황화수소나 실록산 화합물을 제거하는 전처리 공정을 거쳐 사용하는 공정을 통해 온실가스인 메탄과 이산화탄소의 분리 및 생물학적 전환 또는 화학적 전환 과정을 통해 수소나 합성가스 제조 공정이 일반적이다.

화학적 전환에 있어 이산화탄소와 메탄의 개질은 강한 흡열 반응으로, 충분한 열을 외부에서 공급하여야하며, 이상적으로 메탄과 이산화탄소를 각각 1몰씩 주입하여 개질하여 일산화탄소 2몰과 수소 2몰, 또는 메탄과 스팀을 각각 1몰씩 주입하여 일산화탄소 1몰과 수소 3몰로 개질이 가능하다.

이러한 매립지가스 또는 바이오가스는 직접연소를 통한 전기생산 및 보일러 열원으로 사용하고 있으나, 발열량이 낮고 불순물이 많아 연소가 불안정하고 다량의 이산화탄소가 고온으로 대기에 방출되므로 온실가스 저감효과를 감쇄하는 단점이 있으며, 매립지가스 또는 바이오가스는 계절과 원료(음식물 종류, 매립물 종류)에 따라 생성되는 가스의 양 및 조성이 균일하지 않아 산업적 이용시 어려움이 많은 문제가 있다.

플라즈마를 이용한 열화학적 개질시 메탄 1몰과 이산화탄소 1몰을 이용하여 일산화탄소 2몰과 수소 2몰을 생산하는것이 이상적이나, 실제 열화학적 개질시는 장치의 효율에 따라 이산화탄소 1~1.5몰에 메탄 1몰을 연료로 하여 메탄 2몰과, 일산화탄소 2몰을 생산하게 된다.

하지만 매립지가스 또는 바이오가스의 경우 메탄의 농도가 이산화탄소보다 높으며, 두 가스의 농도비가 생산 재료 및 환경에 따라 변경되어 이를 보완하기 위해 외부로부터 부족한 이산화탄소의 공급을 필요로 하게 되는 문제가 있다.

한국등록특허 [10-1475822]에서는 전자파 플라즈마 토치가 개시되어 있다.

한국등록특허 [10-1475822](등록일자: 2014년12월17일)

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 매립지가스 또는 바이오가스에 있어 메탄과 이산화탄소를 원료로 합성가스 내지 수소를 효율적으로 개질하는 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예들의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치는, 제1플라즈마발생부(100); 제1마이크로웨이브(11)를 상기 제1플라즈마발생부(100)로 전송하는 제1도파관(110); 스팀(12)을 상기 제1플라즈마발생부(100)로 주입하는 스팀주입부(120); 상기 제1플라즈마발생부(100)의 상부에 연통되도록 구비된 제2플라즈마발생부(200); 제2마이크로웨이브(21)를 상기 제2플라즈마발생부(200)로 전송하는 제2도파관(210); 이산화탄소(22)를 상기 제2플라즈마발생부(200)로 주입하는 이산화탄소주입부(220); 상기 제2플라즈마발생부(200)의 상부에 구비되며, 상기 제1플라즈마발생부(100)와 제2플라즈마발생부(200)와 연통되며, 개질 과정이 이루어지는 반응부(300); 상기 제2플라즈마발생부(200)의 상부에 구비되며, 상기 반응부(300) 외주면에 공간이 형성되고, 상기 반응부(300)와 연통된 메탄분배부(310); 및 메탄(32)을 상기 메탄분배부(310)로 주입하는 메탄주입부(320);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치는 안정적인 가스 개질을 위해 요구되는 메탄과 이산화탄소의 농도비에 해당되는 경우 제2플라즈마발생부(200)에 이산화탄소(22)를 주입하여 이산화탄소 플라즈마(23)를 발생시킨 후 상기 반응부(100)에 메탄(32)를 주입하여 혼합개질(33)하며, 안정적인 가스 개질을 위해 요구되는 메탄과 이산화탄소의 농도비 보다 메탄(32)의 농도가 높은 경우 제1플라즈마발생부(100)에 스팀(12)을 주입하여 스팀 플라즈마(13)를 발생시키고 제2플라즈마발생부(200)에 이산화탄소(22)를 주입하여 이산화탄소 플라즈마(23)를 발생시킨 후 상기 반응부(100)에 메탄(32)를 주입하여 혼합개질(33)하는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치는 상기 제1플라즈마발생부(100), 제2플라즈마발생부(200) 및 반응부(300)가 상기 스팀주입부(120)의 중심축을 중심으로 하여 상기 스팀주입부(120)의 중심축을 따라 일직선으로 배치된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2플라즈마발생부(200)는 하부에서 상부 방향으로 일정 각도 경사진 형태의 경사형가스주입구(201)가 형성된 것을 특징으로 한다.

또, 상기 경사형가스주입구(201)는 상기 스팀주입부(120)의 중심축을 중심으로한 동심원을 따라 2~64개 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 경사형가스주입구(201)는 상기 스팀주입부(120)의 중심축과 평행한 기준축으로부터 15~75도 경사지게 형성된 것을 특징으로 한다.

또, 상기 제2플라즈마발생부(200)는 하부에 이산화탄소가 이동할 수 있도록 공간이 형성된 이산화탄소분배부(202)가 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반응부(300)는 상기 스팀주입부(120)의 중심축을 향하는 상기 스팀주입부(120)의 중심축과 수직한 방향으로 중공된 수평가스주입구(301)가 형성된 것을 특징으로 한다.

또, 제1마이크로웨이브(11)는 TE(Transverse Electric)10모드(Mode)인 것을 특징으로 한다.

아울러, 제2마이크로웨이브(21)는 TE(Transverse Electric)20모드(Mode)인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치는 스팀 플라즈마를 이용하여 외부에서 이산화탄소를 구입하여 공급하지 않아도 매립지가스 또는 바이오가스의 개질이 가능함으로써, 계절과 폐기물에 따라 생산량과 가스조성이 일정하지 않은 매립지가스 또는 바이오가스를 원료로 안정적으로 개질이 가능하여 합성가스 및 수소의 생산 비용을 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 메탄과 이산화탄소의 농도비를 근거로 스팀 플라즈마 발생을 제어함으로써, 보다 효율적인 합성가스 및 수소의 생산 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

또, 제1플라즈마발생부, 제2플라즈마발생부 및 반응부가 직선 형태로 배치되도록 하여, 스팀 플라즈마, 이산화탄소 플라즈마 및 메탄이 한 공간에서 효율적으로 만날 수 있도록 함으로써, 보다 효율적인 합성가스 및 수소의 생산 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 경사형가스주입구가 경사진 형태로 형성되도록 하여 이산화탄소 플라즈마가 더 길게 형성될 수 있도록 함으로써, 보다 효율적인 합성가스 및 수소의 생산 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

또, 이산화탄소가 중심축의 동심원을 따라 고르게 분배될 수 있도록 이산화탄소분배부를 형성함으로써, 보다 효율적인 합성가스 및 수소의 생산 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

아울러, 메탄이 이산화탄소 플라즈마에 혼입되기 용이하도록 수평가스주입구가 형성됨으로써, 보다 효율적인 합성가스 및 수소의 생산 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치의 개념도.
도 2 및 도 3은 도 1에서의 기체의 유동, 플라즈마 발생 및 개질 과정을을 보여주는 개념도.
도 4는 도 1의 제2플라즈마발생부로 이산화탄소가 유입되는 형태의 일 예를 보여주는 개념도.
도 5는 도 1의 반응부로 메탄이 유입되는 형태의 일 예를 보여주는 개념도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 공정, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치의 개념도이고, 도 2 및 도 3은 도 1에서의 기체의 유동, 플라즈마 발생 및 개질 과정을을 보여주는 개념도이며, 도 4는 도 1의 제2플라즈마발생부로 이산화탄소가 유입되는 형태의 일 예를 보여주는 개념도이고, 도 5는 도 1의 반응부로 메탄이 유입되는 형태의 일 예를 보여주는 개념도.이다

본 발명의 일 실시예에 따른 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치는 매립지가스 또는 바이오가스의 개질에 있어 공급되는 원료 가스의 조성이 일정하지 않아, 개질 효율이 저하되는 것을 개선하고, 개질을 위한 가스조성비를 위한 추가적인 이산화탄소 내지 메탄의 공급없이 높은 효율의 가스 개질을 위한 이중구조 플라즈마 개질 장치에 관한 것이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치는 제1플라즈마발생부(100), 제1도파관(110), 스팀주입부(120), 제2플라즈마발생부(200), 제2도파관(210), 이산화탄소주입부(220), 반응부(300), 메탄분배부(310) 및 메탄주입부(320)를 포함한다.

제1플라즈마발생부(100)는 방전관이라고 불리우며, 제1도파관(110)의 종단에 관통 설치되어 제1도파관(110)을 통해 입력되는 전자파에 의해 플라즈마가 생성되는 공간을 제공하도록 구성된다. 이 경우 바람직하게 방전관은 도파관을 수직으로 관통한다.

제1도파관(110)은 제1마이크로웨이브(11)를 상기 제1플라즈마발생부(100)로 전송한다.

상기 제1도파관(110)은 발진된 상기 제1마이크로웨이브(11)를 제1플라즈마발생부(100)로 전송하도록 구성된다.

상기 제1도파관(110)은 사각 관 형태로 형성될 수 있다.

스팀주입부(120)는 스팀(12)을 상기 제1플라즈마발생부(100)로 주입한다.

상기 스팀주입부(120)는 스팀(steam)(12)을 상기 제1플라즈마발생부(100)에 주입하는 모든 관련된 구성을 말한다. 즉, 스팀(12)이 이동되는 통로 뿐 아니라, 밸브 등 스팀(12)의 이동을 제어하는 구성도 포함된다.

제2플라즈마발생부(200)는 상기 제1플라즈마발생부(100)의 상부에 연통되도록 구비된다.

제2플라즈마발생부(200)는 역시 방전관이라고 불리우며, 제2도파관(210)의 종단에 관통 설치되어 제2도파관(210)을 통해 입력되는 전자파에 의해 플라즈마가 생성되는 공간을 제공하도록 구성된다. 이 경우 역시 바람직하게 방전관은 도파관을 수직으로 관통한다.

제2도파관(210)은 제2마이크로웨이브(21)를 상기 제2플라즈마발생부(200)로 전송한다.

상기 제2도파관(210)은 발진된 상기 제2마이크로웨이브(21)를 제2플라즈마발생부(200)로 전송하도록 구성된다.

상기 제2도파관(210) 역시 사각 관 형태로 형성될 수 있다.

이산화탄소주입부(220)는 이산화탄소(22)를 상기 제2플라즈마발생부(200)로 주입한다.

상기 이산화탄소주입부(220)는 이산화탄소(22)를 상기 제2플라즈마발생부(200)에 주입하는 모든 관련된 구성을 말한다. 즉, 이산화탄소(22)가 이동되는 통로 뿐 아니라, 밸브 등 이산화탄소(22)의 이동을 제어하는 구성도 포함된다.

반응부(300)는 상기 제2플라즈마발생부(200)의 상부에 구비되며, 상기 제1플라즈마발생부(100)와 제2플라즈마발생부(200)와 연통되며, 개질 과정이 이루어진다.

상기 반응부(300)는 상기 제1플라즈마발생부(100)와 제2플라즈마발생부(200)에서 생성된 플라즈마와 상기 반응부(300)에 주입된 메탄(32)이 혼합되고, 열 공급을 통해 개질과정이 이루어 진다.

개질은 매립지 등에서 나오는 가스를 유용한 용도로 변환하는 것으로, 이산화탄소와 메탄을 그대로 버리면 안 되기 때문에, 플라즈마 버너(토치)를 이용하여 수소와 일산화탄소를 만드는 것을 말한다.

메탄분배부(310)는 상기 제2플라즈마발생부(200)의 상부에 구비되며, 상기 반응부(300) 외주면에 공간이 형성되고, 상기 반응부(300)와 연통된다.

상기 메탄분배부(310)는 메탄(32)이 상기 반응부(300)에 고르게 주입될 수 있도록 도와주는 구성으로, 상기 반응부(300)와 메탄주입부(320)를 이어주는 통로 역할을 한다.

메탄주입부(320)는 메탄(32)을 상기 메탄분배부(310)로 주입한다.

상기 메탄주입부(320)는 메탄(32)를 상기 반응부(300)에 주입하는 모든 관련된 구성을 말한다. 즉, 메탄(32)이 이동되는 통로 뿐 아니라, 밸브 등 메탄(32)의 이동을 제어하는 구성도 포함된다.

매립지가스 또는 바이오가스에는 여러 가스들이 혼합되어 있는데, 이러한 혼합가스를 직접 개질하는 것은 효율이 떨어진다.

또한, 메탄은 플라즈마화가 잘 안되고, 스팀과 이산화탄소는 플라즈마화가 잘되기 때문에, 분리막 등을 이용하여 이산화탄소와 메탄을 분리하고, 분리과정을 거친 이산화탄소는 이산화탄소주입부(220)로 보내지고, 분리과정을 거친 메탄은 메탄주입부(320)로 보내지도록 분리된 이산화탄소와 메탄이 서로 다른 경로로 투입되도록 하며, 이산화탄소를 먼저 플라즈마화 시킨 후 메탄을 투입하여 개질과정이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

이산화탄소(22)가 제2플라즈마발생부(200)에 공급되 이산화탄소 플라즈마(23)가 발생되면 3000~4000도 정도의 온도가 발생되고, 이 상태에서 메탄(32)이 공급되면 열화학적 분해가 일어나 혼합개질(33) 된다.

이때, 이산화탄소의 양이 부족할 경우, 스팀까지 플라즈마화 시킨 후 메탄을 투입하여 개질과정이 이루어지도록 하면, 외부에서 이산화탄소를 구입하여 공급하지 않아도 매립지가스 또는 바이오가스의 개질이 가능하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치는 이러한 조건을 만족한다.

도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치는 안정적인 가스 개질을 위해 요구되는 메탄과 이산화탄소의 농도비에 해당되는 경우 제2플라즈마발생부(200)에 이산화탄소(22)를 주입하여 이산화탄소 플라즈마(23)를 발생시킨 후 상기 반응부(100)에 메탄(32)를 주입하여 혼합개질(33)하며, 안정적인 가스 개질을 위해 요구되는 메탄과 이산화탄소의 농도비 보다 메탄(32)의 농도가 높은 경우 제1플라즈마발생부(100)에 스팀(12)을 주입하여 스팀 플라즈마(13)를 발생시키고 제2플라즈마발생부(200)에 이산화탄소(22)를 주입하여 이산화탄소 플라즈마(23)를 발생시킨 후 상기 반응부(100)에 메탄(32)를 주입하여 혼합개질(33)하는 것을 특징으로 할 수 있다.

즉, 외부로부터 추가적인 이산화탄소 공급없이도 매립지가스 또는 바이오가스의 개질이 가능하다 판단되면 스팀(12)이 공급되지 않도록 하고, 이산화탄소(22)와 메탄(32)이 공급되도록 하여 개질과정이 이루어 지도록 할 수 있다.

또한, 매립지가스 또는 바이오가스의 개질에 필요한 이산화탄소가 부족하다 판단되면 스팀(12), 이산화탄소(22)와 메탄(32)이 공급되도록 하여 개질과정이 이루어 지도록 할 수 있다.

안정적인 가스 개질을 위해 요구되는 메탄과 이산화탄소의 농도비는 1:1 ~ 1:1.5 정도 이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치는 상기 제1플라즈마발생부(100), 제2플라즈마발생부(200) 및 반응부(300)가 상기 스팀주입부(120)의 중심축을 중심으로 하여 상기 스팀주입부(120)의 중심축을 따라 일직선으로 배치된 것을 특징으로 할 수 있다.

즉, 스팀(12), 이산화탄소(22) 및 메탄(32)이 스팀주입부(120)의 중심축을 따라 투입되도록 함으로써, 스팀 플라즈마(13), 이산화탄소 플라즈마(23), 혼합개질(33)이 이루어지는 영역이 스팀주입부(120)의 중심축을 따라 형성(도 2 및 도 3 참조)되도록 하여, 스팀(12)과 이산화탄소(22) 또는 이산화탄소(22)를 플라즈마화 시킨 후 메탄을 투입하여 개질과정이 효과적으로 이루어지도록 할 수 있다.

이때, 스팀 플라즈마(13)가 형성되는 영역이 스팀주입부(120)의 중심축에 가장 가깝게 형성되도록 하고, 이산화탄소 플라즈마(23)가 형성되는 영역이 스팀주입부(120)의 중심축에서 다음으로 멀게 형성되도록 하며, 혼합개질(33)이 이루어지는 영역이 스팀주입부(120)의 중심축에서 가장 멀게 형성되도록 하는 것(도 2 및 도 3 참조)이 바람직하다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치의 제2플라즈마발생부(200)는 하부에서 상부 방향으로 일정 각도 경사진 형태의 경사형가스주입구(201)가 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 경사형가스주입구(201)는 이산화탄소(22)가 스크류 형태로 회전하면서 제2플라즈마발생부(200)에 진입할 수 있도록 도와주는 구성으로, 이산화탄소(22)를 중심축 주위로 회전 시키면, 이산화탄소 플라즈마(23)가 중심 방향으로 더 길게 형성될 수 있다.

이를 위해, 상기 경사형가스주입구(201)의 경사 방향은 중심축을 동심으로 하는 동심원 원주 접선 방향으로 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시예에 따른 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치의 경사형가스주입구(201)는 상기 스팀주입부(120)의 중심축을 중심으로한 동심원을 따라 2~64개 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 경사형가스주입구(201)의 수는 이산화탄소가 제2플라즈마발생부(200)에 무리 없이 투입될 수 있다면 2~64개 중 선택되는 어느 하나일 수 있으며, 이산화탄소가 고르게 투입될 수 있도록 스팀주입부(120)의 중심축을 중심으로한 동심원을 따라 어느 한 쪽에 치우치지 않고 균등하게 배치되도록 하는 것이 바람직하다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치의 경사형가스주입구(201)는 상기 스팀주입부(120)의 중심축과 평행한 기준축으로부터 15~75도 경사지게 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 경사형가스주입구(201)의 경사 각도는 이산화탄소의 중심축 방향 직진성을 높일 것인지 중심축을 중심으로 하는 회전력을 높일 것인지에 따라 15~75도 사이에서 결정될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치의 제2플라즈마발생부(200)는 하부에 이산화탄소가 이동할 수 있도록 공간이 형성된 이산화탄소분배부(202)가 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 이산화탄소분배부(202)는 도넛 형태의 공간이 형성될 수 있다.

상기 이산화탄소분배부(202)에 형성된 공간은 상기 제2플라즈마발생부(200)와 이산화탄소주입부(220)를 연통시킨다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치의 반응부(300)는 상기 스팀주입부(120)의 중심축을 향하는 상기 스팀주입부(120)의 중심축과 수직한 방향으로 중공된 수평가스주입구(301)가 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 수평가스주입구(301)는 상기 반응부(300)에 형성되며, 메탄(32)이 이산화탄소 플라즈마(23)에 혼입될 수 있도록 도와주는 구성으로, 상기 수평가스주입구(301)를 통과한 메탄(32)이 이산화탄소 플라즈마(23)에 혼입될 수 있는 최단거리로 메탄(32) 이동 경로가 형성될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

따라서, 수평가스주입구(301)가 바라보는 방향이 상기 스팀주입부(120)의 중심축과 수직한 방향이 되도록 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치의 제1마이크로웨이브(11)는 TE(Transverse Electric)10모드(Mode)인 것을 특징으로 할 수 있다.

모드(mode)란 어떤 구조물에서 특정 주파수의 에너지가 집중되는 형태를 의미한다.

도파관이의 경우 (특정 주파수대역의) 전자파가 진행하는 형태를 의미한다. 이것은 구조특성에 따라 에너지가 특정 주파수에 집중되는 현상과 관련있다.

여기서 중요한 것은 모드(mode)는 결국 구조물의 형태에 의해 결정되는 것이라는 점이다.

사용자가 특정 모드(mode)를 사용하기 위해서는, 그 모드(mode)에 원하는 주파수에너지가 수렴되도록 구조를 설계해야 한다는 의미이다.

유전율 ε과 투자율 μ인 물질로 채워진 구형 도파관, x축의 길이가 y축의 길이보다 길게 형성된 도파관이 TE(Transverse Electric) 모드(mode)이다.

모드(mode)에는 TE01, TE10, TE20과 같이 각각 차수(order)를 의미하는 계수가 붙을 수 있다.

주로 TE 웨이브(wave)에서 중요한 의미로 분류된다.

전자파는 전압이 +와 -로 교차되는 반파장 단위로 공진특성이 가장 강한데, 차수(order)는 하나의 단위진행 경로당 몇 개의 반파장이 있는가에 대한 수치로 이해할 수 있다.

TE10은 한번의 단위진행경로에 1개의 반파장 성분이 있고, TE20은 한번의 단위진행경로에 2개의 반파장 성분이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치의 제2마이크로웨이브(21)는 TE(Transverse Electric)20모드(Mode)인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.

11: 제1마이크로웨이브 12: 스팀
13: 스팀 플라즈마
21: 제2마이크로웨이브 22: 이산화탄소
23: 이산화탄소 플라즈마
32: 메탄
33: 혼합개질
100: 제1플라즈마발생부
110: 제1도파관 120: 스팀주입부
200: 제2플라즈마발생부
201: 경사형가스주입구 202: 이산화탄소분배부
210: 제2도파관 220: 이산화탄소주입부
300: 반응부
310: 메탄분배부
320: 메탄주입부
301: 수평가스주입구

Claims

제1플라즈마발생부(100);
제1마이크로웨이브(11)를 상기 제1플라즈마발생부(100)로 전송하는 제1도파관(110);
스팀(12)을 상기 제1플라즈마발생부(100)로 주입하는 스팀주입부(120);
상기 제1플라즈마발생부(100)의 상부에 연통되도록 구비된 제2플라즈마발생부(200);
제2마이크로웨이브(21)를 상기 제2플라즈마발생부(200)로 전송하는 제2도파관(210);
이산화탄소(22)를 상기 제2플라즈마발생부(200)로 주입하는 이산화탄소주입부(220);
상기 제2플라즈마발생부(200)의 상부에 구비되며, 상기 제1플라즈마발생부(100)와 제2플라즈마발생부(200)와 연통되며, 개질 과정이 이루어지는 반응부(300);
상기 제2플라즈마발생부(200)의 상부에 구비되며, 상기 반응부(300) 외주면에 공간이 형성되고, 상기 반응부(300)와 연통된 메탄분배부(310); 및
메탄(32)을 상기 메탄분배부(310)로 주입하는 메탄주입부(320);
를 포함하는 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치.
제1항에 있어서,
상기 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치는
안정적인 가스 개질을 위해 요구되는 메탄과 이산화탄소의 농도비에 해당되는 경우 제2플라즈마발생부(200)에 이산화탄소(22)를 주입하여 이산화탄소 플라즈마(23)를 발생시킨 후 상기 반응부(100)에 메탄(32)를 주입하여 혼합개질(33)하며,
안정적인 가스 개질을 위해 요구되는 메탄과 이산화탄소의 농도비 보다 메탄(32)의 농도가 높은 경우 제1플라즈마발생부(100)에 스팀(12)을 주입하여 스팀 플라즈마(13)를 발생시키고 제2플라즈마발생부(200)에 이산화탄소(22)를 주입하여 이산화탄소 플라즈마(23)를 발생시킨 후 상기 반응부(100)에 메탄(32)를 주입하여 혼합개질(33)하는 것을 특징으로 하는 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치.
제1항에 있어서,
상기 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치는
상기 제1플라즈마발생부(100), 제2플라즈마발생부(200) 및 반응부(300)가 상기 스팀주입부(120)의 중심축을 중심으로 하여 상기 스팀주입부(120)의 중심축을 따라 일직선으로 배치된 것을 특징으로 하는 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치.
제1항에 있어서,
상기 제2플라즈마발생부(200)는
하부에서 상부 방향으로 일정 각도 경사진 형태의 경사형가스주입구(201)가 형성된 것을 특징으로 하는 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치.
제4항에 있어서,
상기 경사형가스주입구(201)는
상기 스팀주입부(120)의 중심축을 중심으로한 동심원을 따라 2~64개 형성된 것을 특징으로 하는 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치.
제4항에 있어서,
상기 경사형가스주입구(201)는
상기 스팀주입부(120)의 중심축과 평행한 기준축으로부터 15~75도 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치.
제1항에 있어서,
상기 제2플라즈마발생부(200)는
하부에 이산화탄소가 이동할 수 있도록 공간이 형성된 이산화탄소분배부(202)가 형성된 것을 특징으로 하는 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치.
제1항에 있어서,
상기 반응부(300)는
상기 스팀주입부(120)의 중심축을 향하는 상기 스팀주입부(120)의 중심축과 수직한 방향으로 중공된 수평가스주입구(301)가 형성된 것을 특징으로 하는 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치.
제1항에 있어서,
제1마이크로웨이브(11)는
TE(Transverse Electric)10모드(Mode)인 것을 특징으로 하는 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치.
제1항에 있어서,
제2마이크로웨이브(21)는
TE(Transverse Electric)20모드(Mode)인 것을 특징으로 하는 매립지가스 또는 바이오가스의 효율적인 개질을 위한 이중구조 플라즈마 발생장치.