KR100537658B1 - Plasma Reforming Method and Apparatus for Biogas - Google Patents

Plasma Reforming Method and Apparatus for Biogas Download PDF

Info

Publication number
KR100537658B1
KR100537658B1 KR10-2003-0078450A KR20030078450A KR100537658B1 KR 100537658 B1 KR100537658 B1 KR 100537658B1 KR 20030078450 A KR20030078450 A KR 20030078450A KR 100537658 B1 KR100537658 B1 KR 100537658B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
biogas
gas
plasma
plasma reforming
reforming reactor
Prior art date
Application number
KR10-2003-0078450A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR20050043531A (en
Inventor
전영남
김시욱
송형운
Original Assignee
학교법인조선대학교
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 학교법인조선대학교 filed Critical 학교법인조선대학교
Priority to KR10-2003-0078450A priority Critical patent/KR100537658B1/en
Publication of KR20050043531A publication Critical patent/KR20050043531A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR100537658B1 publication Critical patent/KR100537658B1/en

Links

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10LFUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L3/00Gaseous fuels; Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by subclass C10G, C10K; Liquefied petroleum gas
    • C10L3/06Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by C10G, C10K3/02 or C10K3/04
    • C10L3/10Working-up natural gas or synthetic natural gas
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10LFUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L2270/00Specifically adapted fuels
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10LFUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L2270/00Specifically adapted fuels
    • C10L2270/06Specifically adapted fuels for fuel cells
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10LFUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L2290/00Fuel preparation or upgrading, processes or apparatus therefore, comprising specific process steps or apparatus units
    • C10L2290/38Applying an electric field or inclusion of electrodes in the apparatus
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02ATECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
    • Y02A50/00TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE in human health protection, e.g. against extreme weather
    • Y02A50/20Air quality improvement or preservation, e.g. vehicle emission control or emission reduction by using catalytic converters

Abstract

본 발명은 바이오가스 및 천연가스나 LPG 등의 가스연료 등을 이용하여 화학, 전자 및 반도체 등의 원료로서, 연료전지를 이용한 발전용으로서, 그리고 화석연료의 청정 대체에너지로서 활용할 수 있는 합성가스/수소 생산을 위한 바이오가스의 플라즈마 개질방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention is a synthetic gas that can be utilized as raw materials for chemical, electronic and semiconductor using biogas and gas fuel such as natural gas or LPG, for power generation using fuel cells, and as clean alternative energy for fossil fuels. The present invention relates to a plasma reforming method and apparatus for biogas for hydrogen production.

본 발명의 바이오가스의 플라즈마 개질방법은 각종 바이오가스를 가스 도입부(14)를 거쳐 플라즈마 개질반응기(4)로 공급하는 바이오가스 도입단계(S10); 증기발생기(8)로부터 상기 플라즈마 개질반응기(4)로 수증기를 공급하는 수증기 공급단계(S20); 상기 가스 도입부(14)로부터 공급되는 바이오가스를 가열장치(46)로 가열한 다음 상기 플라즈마 개질반응기(4)에서 발생된 저온플라즈마 또는 고온플라즈마에 의해 개질하는 플라즈마 개질단계(S30); 및 기액분리기(9)에 의해 상기 플라즈마 개질반응기(4)에서 생성된 합성가스로부터 수분을 분리해낸 후 저장조(10)에 저장하는 합성가스 저장단계(S40);로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.The plasma reforming method of the biogas of the present invention includes a biogas introduction step (S10) of supplying various biogases to the plasma reforming reactor (4) via the gas introduction unit (14); Steam supply step (S20) for supplying steam to the plasma reforming reactor (4) from the steam generator (8); A plasma reforming step (S30) of heating the biogas supplied from the gas introducing unit 14 by a heating device 46 and then reforming the biogas supplied by the low temperature plasma or the high temperature plasma generated in the plasma reforming reactor (4); And a syngas storage step (S40) for separating water from the syngas generated in the plasma reforming reactor (4) by the gas-liquid separator (9) and storing it in the storage tank (10).

따라서, 본 발명에 의하면 바이오가스를 직접 연소하기 보다는 양질의 합성가스로 전환시킴으로써 합성가스로 자원화 할 수 있음은 물론, 바이오가스의 휘발성 유기화합물을 안전하게 처리할 수 있으며, 따라서 바이오가스로 인한 악취나 온실가스의 발생량을 크게 줄일 수 있게 된다.Therefore, according to the present invention, by converting the biogas into a high-quality synthetic gas rather than directly burning it, it can be recycled as a synthetic gas, and can safely treat volatile organic compounds of the biogas. The amount of greenhouse gas generated can be greatly reduced.

Description

바이오가스의 플라즈마 개질방법 및 장치{Plasma Reforming Method and Apparatus for Biogas}Plasma Reforming Method and Apparatus for Biogas

본 발명은 각종 바이오가스의 플라즈마 개질방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 음식물 쓰레기처리와 폐수처리 공정 중의 혐기 반응조나 매립장 등에서 발생되는 바이오가스 및 천연가스나 LPG 등의 가스연료 등을 이용하여 화학, 전자 및 반도체 등의 원료로서, 연료전지를 이용한 발전용으로서, 그리고 화석연료의 청정 대체에너지로서 활용할 수 있는 합성가스(SynGas 라고도 함)/수소 생산을 위한 바이오가스의 플라즈마 개질방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a plasma reforming method for a variety of biogas, and more specifically, using a biogas generated in an anaerobic reaction tank or landfill during the food waste treatment and wastewater treatment process, using a gas, such as natural gas or LPG, A method and apparatus for plasma reforming of biogas for syngas (also referred to as SynGas) / hydrogen production, which can be used as raw materials for electronics and semiconductors, for power generation using fuel cells, and as clean alternative energy for fossil fuels .

산업의 발전과 과학기술 문명의 발달로 인하여 개인 당 에너지의 수효가 급증하고 있지만 화석연료의 한계성으로 인한 에너지 고갈의 문제로 인해 대체에너지의 개발이 시급한 실정이다. 현재 다양한 대체에너지 개발에 대한 연구가 진행되어지고 있는데, 그 중 폐기물 매립장, 폐수처리장, 음식물 쓰레기의 메탄생성 혐기성 발효조 등에서 발생되는 바이오가스의 대체에너지 이용기술에 대해 점차 관심이 증가되고 있다. 하지만 이러한 바이오가스의 경우 직접연소 시 발열량이 낮아 연소성이 떨어지고, 암모니아(NH3) 등의 불순물이 포함되어 다량의 대기오염물이 발생되는 문제점이 있었다. 또한, 가스의 조성이 균일하지 않아 직접 연소하여 폐열을 이용할 경우에는 보일러 변동(boiler fluctuation) 등의 문제로 인해 일정한 열공급이 어려운 또 다른 문제점을 가지고 있었다.Although the number of energy per person is increasing rapidly due to the development of industry and the development of scientific and civilization, the development of alternative energy is urgent due to the problem of energy depletion due to the limitation of fossil fuel. Currently, research on the development of various alternative energies is being conducted. Among them, interest in the use of alternative energy for biogas generated from landfills, wastewater treatment plants, and methane-producing anaerobic fermenters of food waste is gradually increasing. However, in the case of such a biogas, low calorific value during direct combustion decreases in combustibility, and ammonia (NH 3 ) There was a problem that a large amount of air pollutants are generated by including impurities such as. In addition, there is another problem that the constant heat supply is difficult due to problems such as boiler fluctuation when using the waste heat by direct combustion because the composition of the gas is not uniform.

따라서 이러한 바이오가스를 직접 연소하기 보다는 양질의 합성가스(SynGas)로 자원화 하여 휘발성 유기화합물을 안전하게 처리하면서 악취와 온실가스 발생량을 크게 줄일 수 있도록 하는 기술이 요구되어져 왔으며, 이러한 기술인 합성가스의 개질방법으로 부분산화법(Partial oxidation), CO2 개질법(CO2 reforming), 수증기 개질법(Steam reforming) 등 여러 방법이 제안된 바 있다. 그 중 수증기 개질법이 가스 처리량과 수소 생산수율 등의 장점으로 현재 가장 많이 사용되고 있지만 높은 온도와 압력이 요구되며 수소 전환율을 높이기 위해 촉매가 사용되는 문제점이 있었다.Therefore, there has been a demand for a technology that can significantly reduce odors and greenhouse gas emissions while treating volatile organic compounds by recycling them into high-quality synthetic gas (SynGas) rather than directly burning them. as is the number of ways, such as the proposed partial oxidation method (partial oxidation), CO 2 reforming (CO 2 reforming), steam reforming (steam reforming). Among them, the steam reforming method is most used at present due to advantages such as gas throughput and hydrogen production yield, but high temperature and pressure are required, and a catalyst is used to increase the hydrogen conversion rate.

본 발명은 위와 같은 종래의 개질방법이 가지고 있는 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 모사 바이오가스(simulated biogas)를 사용하여 바이오가스 전환율에 영향을 미치는 인자인 펄스 주파수, 바이오가스 성분비, 수증기 유량비, 가스 유속, 펄스전력 변화에 따른 개질특성을 파악함으로써, 바이오가스를 양질의 저공해 대체에너지인 합성가스로 전환하고자 하는 데 그 목적이 있다. The present invention has been proposed to solve the problems of the conventional reforming method as described above, using the simulated biogas (simulated biogas) factors affecting the biogas conversion rate pulse frequency, biogas component ratio, water vapor flow rate ratio, The purpose of this study is to convert biogas into synthetic gas, which is a high quality low pollution alternative energy, by identifying the reforming characteristics according to gas flow rate and pulse power change.

본 발명은 위와 같은 목적을 달성하기 위해, 각종 바이오가스를 가스 도입부를 거쳐 플라즈마 개질반응기로 공급하는 바이오가스 도입단계; 증기발생기로부터 플라즈마 개질반응기로 수증기를 공급하는 수증기 공급단계; 가스 도입부로부터 공급되는 바이오가스를 가열장치로 가열한 다음 플라즈마 개질반응기에서 발생된 저온플라즈마 또는 고온플라즈마에 의해 개질하는 플라즈마 개질단계; 및 기액분리기에 의해 플라즈마 개질반응기에서 생성된 합성가스로부터 수분을 분리해낸 후 저장조에 저장하는 합성가스 저장단계;로 구성되어 있는 바이오가스의 플라즈마 개질방법을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a biogas introduction step of supplying various biogases to a plasma reforming reactor through a gas introduction unit; Steam supply step of supplying steam from the steam generator to the plasma reforming reactor; A plasma reforming step of heating the biogas supplied from the gas introduction unit with a heating device and then reforming the biogas supplied by the low temperature plasma or the high temperature plasma generated in the plasma reforming reactor; And a syngas storage step of separating water from the syngas generated in the plasma reforming reactor by a gas-liquid separator and storing the syngas in a storage tank.

본 발명은 또한 각종 바이오가스를 압축하여 저장하는 가스 도입부, 이 가스 도입부에서 공급되는 바이오가스를 가열장치로 예열하여 내부에서 발생된 플라즈마에 의해 개질하는 플라즈마 개질반응기, 이 플라즈마 개질반응기로 수증기를 공급하는 증기발생기, 및 플라즈마 개질반응기에서 생성된 합성가스로부터 수분을 분리해낸 후 저장하는 합성가스 저장부로 구성되어 있는 바이오가스의 플라즈마 개질장치를 제공한다.The present invention also provides a gas introduction unit for compressing and storing various biogas, a plasma reforming reactor for preheating the biogas supplied from the gas introduction unit with a heating device, and reforming by plasma generated therein, and supplying steam to the plasma reforming reactor. The present invention provides a plasma reforming apparatus for a biogas comprising a steam generator and a syngas storage unit for separating and storing moisture from syngas generated in a plasma reforming reactor.

이제, 첨부도면을 참조로 본 발명에 따른 합성가스/수소 생산을 위한 바이오가스의 플라즈마 개질방법 및 장치를 상세히 설명한다.Now, a plasma reforming method and apparatus for biogas for syngas / hydrogen production according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

먼저, 본 발명의 플라즈마 개질장치는 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이 크게, 가스 도입부(14), 플라즈마 개질반응기(4), 증기발생기(8) 및 합성가스 저장부(15)로 이루어져 있다.First, the plasma reforming apparatus of the present invention includes a gas introducing unit 14, a plasma reforming reactor 4, a steam generator 8, and a syngas storage unit 15, as shown schematically in FIG.

여기에서, 가스 도입부(14)는 도시된 것처럼 혐기 반응조(1)와 연결된 압축기(2)와 이 압축기(2)에 의해 압축된 바이오가스를 저장하는 가스저장조(3)로 구성되어 있다. Here, the gas introduction part 14 is comprised from the compressor 2 connected with the anaerobic reactor 1, and the gas storage tank 3 which stores the biogas compressed by this compressor 2 as shown.

가스 도입부(14)의 가스저장조(3)에 연결된 플라즈마 개질반응기(4)는 가스 도입부(14)에서 공급되는 바이오가스를 내부에서 발생된 플라즈마에 의해 개질하도록 되어 있으며, 내부로 유입되는 바이오가스를 예열하도록 입구측에 가열장치(46)가 장착되어 있다.The plasma reforming reactor 4 connected to the gas storage tank 3 of the gas introduction unit 14 is configured to reform the biogas supplied from the gas introduction unit 14 by the plasma generated therein, and The heating device 46 is attached to the inlet side to preheat.

또한, 플라즈마 개질반응기(4)는 방전극의 형태에 따라 와이어형(wire type)과 부채형(gliding type) 두 가지 형태로 구분되는데, 와이어형 개질반응기(4)는 도 2에 도시된 바와 같이, 중공 봉 형상의 몸체(43), 이 몸체(43) 내부의 와이어 방전극(45), 몸체(43)의 가스 입구측에 부착된 가열장치(46) 그리고 몸체(43) 출구(42)측 끝부분에 구비된 관찰창(47)으로 이루어져 있다. 여기에서 봉 형상 몸체(43)는 바람직하게는 스테인레스 원형관으로 되어 있으며, 양단에 가스 유출입구(41,42)가 형성되어 있다. 와이어 방전극(45)은 예컨대, 니켈-크롬 재질로 제작되며, 몸체(43) 내부에 축선을 따라 길게 배열되어 있다. 또한 와이어 방전극(45)의 입구(41) 쪽 끝부분에는 입구를 통해 몸체(43)로 유입되기 전에 가스를 예열하기 위한 가열장치(46)가 설치되어 있으며, 몸체(43)의 출구측 끝면에 반응기(4) 내부를 살펴볼 수 있는 관찰창(47)이 설치되어 있다. 따라서, 가스저장조(3)에서 공급된 바이오가스는 가열장치 즉, 히터(46)의 가스유입구(48)로 유입되어 예열된 후 반응기 몸체(43) 안으로 공급되어 개질반응이 이루어짐으로써 합성가스가 생산된다. 이러한 와이어형 개질반응기는 직류의 고전압 저전류가 인가된 나노초(nano second) 간격으로 주기적인 펄스가 발생되는 펄스 플라즈마 개질에 사용될 경우 유용하다. In addition, the plasma reforming reactor (4) is divided into two types, the wire type (wire type) and the fan type (gliding type) according to the shape of the discharge electrode, the wire-type reforming reactor (4) is shown in Figure 2, Hollow rod-shaped body 43, wire discharge electrode 45 in the body 43, the heating device 46 attached to the gas inlet side of the body 43 and the end of the body 43 outlet 42 side It consists of an observation window 47 provided in. Here, the rod-shaped body 43 is preferably made of a stainless circular tube, and gas outlets 41 and 42 are formed at both ends. The wire discharge electrode 45 is made of, for example, nickel-chromium material, and is arranged long along the axis in the body 43. In addition, the inlet 41 side end of the wire discharge electrode 45 is provided with a heating device 46 for preheating the gas before entering the body 43 through the inlet, the outlet side of the body 43 Observation window 47 is installed to look inside the reactor (4). Accordingly, the biogas supplied from the gas storage tank 3 is introduced into the heating device, that is, the gas inlet 48 of the heater 46, is preheated, and then supplied into the reactor body 43 to generate a reforming reaction, thereby producing syngas. do. Such a wire reforming reactor is useful when used for pulsed plasma reforming in which periodic pulses are generated at nanosecond intervals to which high voltage low current of direct current is applied.

개질반응기(4)의 다른 실시예로서 도 3에 도시된 부채형 개질반응기(104)는 또한 전체적으로 이중관 형태를 취하도록 크게 외통(142), 내통(143), 방전극(146), 분사노즐(149), 환형 다이어프램(151), 가스 히터(154), 관찰창(155)으로 구성되어 있다. 여기에서, 외통(142)은 가스 도입부(14)와 합성가스 저장부(16) 사이에 설치된 원통체로서 내통(143) 둘레를 감싸도록 되어 있으며, 하단 일측에 가스 도입부(14)와 연결된 입구(141)가, 상단 일측에 분사노즐(149)로 이어진 연결구(144)가 각각 형성되어 있고, 외통(142) 내주면에 가스 히터(154)가 설치되어 있다.As another embodiment of the reforming reactor (4), the fan-shaped reforming reactor (104) shown in FIG. 3 also has a large outer tube (142), inner cylinder (143), discharge electrode (146), and spray nozzle (149) so as to take the form of a double tube as a whole. ), An annular diaphragm 151, a gas heater 154, and an observation window 155. Here, the outer cylinder 142 is a cylindrical body installed between the gas introduction unit 14 and the syngas storage unit 16 is to surround the inner cylinder 143, the inlet connected to the gas introduction unit 14 on the lower side ( 141, the connector 144 is connected to the injection nozzle 149 on one side of the upper end, respectively, the gas heater 154 is provided on the inner peripheral surface of the outer cylinder 142.

상기 외통(142) 내주면과의 사이에 예열통로(153)를 형성하도록 외통(142) 내부에 동축상으로 설치되어 있는 원통형의 내통(143)은 출구(145)를 통해 합성가스 저장부(15)와 연결되어 있으며, 측벽면에 압력 게이지 또는 서모커플을 장착하거나 샘플을 채취하기 위한 복수의 구멍(157)들이 외통(142)을 관통하여 외부로 뻗어 있다. 또한, 내통(143)의 내부에는 복수의 부채형 방전극(146)이 방사상으로 배열되어 덮개(147)에 고정되어 전력공급장치(5)로부터 전원 공급을 받도록 되어 있으며, 예컨대, 방전극(146)은 4개의 판으로 구성되어 2개씩 축대칭으로 마주보고 있다. 방사상으로 배열된 방전극(146)의 중심 위치에 덮개(147)를 관통하도록 분사노즐(149)이 설치되어 있는데, 분사노즐(149)은 연결구(144)를 통해 예열통로(153)와 연결되어 입구(141)로 유입되어 히터(154)에 의해 예열된 바이오가스를 내통(143) 위쪽에서 분사하도록 되어 있다. 그리고 내통(143)의 내벽면 중간 부분에는 환형 다이어프램(151)이 부착되어 내통(143)을 상부의 플라즈마 발생부(148)와 하부의 반응 종료부(150)로 구분하도록 되어 있으며, 반응 종료부(150)는 환형 다이어프램(151)의 중앙 관통공(158)을 통해 내통(143)의 방전극(146) 부분과 연결 상태를 유지하도록 되어 있다. 아울러, 내통(143)의 하단면에는 내통(143) 내부에서 플라즈마 발생을 관찰할 수 있도록 관찰창(155)이 형성되어 있다. 따라서, 바이오가스는 팁의 내경이 1.8mm인 노즐(149)에 의해 반응기(104) 안으로 분사되므로, 플라스마 발생부(9) 내의 유체 유동이 지속적으로 순환되며, 반응 종료부(14)에서는 플라즈마 발생부(148)에서 생성된 라디칼을 반응에 의해 소멸시킨다. The cylindrical inner cylinder 143 which is installed coaxially in the outer cylinder 142 so as to form a preheating passage 153 between the outer cylinder 142 and the inner circumferential surface thereof has a syngas storage unit 15 through the outlet 145. And a plurality of holes 157 for mounting a pressure gauge or thermocouple on the side wall surface or for collecting a sample, and extend outward through the outer cylinder 142. In addition, a plurality of fan-shaped discharge electrodes 146 are radially arranged inside the inner cylinder 143 to be fixed to the cover 147 to receive power from the power supply device 5. It consists of four plates and faces two axisymmetrically. Injection nozzle 149 is installed to penetrate the cover 147 at the center position of the discharge electrode 146 radially arranged, the injection nozzle 149 is connected to the preheating passage 153 through the connector 144, the inlet The biogas flowing into 141 and preheated by the heater 154 is sprayed from above the inner cylinder 143. In addition, an annular diaphragm 151 is attached to an inner wall surface middle portion of the inner cylinder 143 to divide the inner cylinder 143 into an upper plasma generating unit 148 and a lower reaction terminating unit 150. 150 is connected to the discharge electrode 146 portion of the inner cylinder 143 through the central through hole 158 of the annular diaphragm 151. In addition, an observation window 155 is formed at a lower surface of the inner cylinder 143 so that plasma generation can be observed inside the inner cylinder 143. Therefore, since the biogas is injected into the reactor 104 by the nozzle 149 having an inner diameter of 1.8 mm, the fluid flow in the plasma generator 9 is continuously circulated, and the plasma is generated at the reaction terminator 14. The radicals generated in section 148 are extinguished by the reaction.

도 4에 도시된 증기발생기(8)는 플라즈마 개질반응기(4)로 수증기를 공급하기 위한 장치로서, 공급량을 미세 조절하면서 반응기(4)로 수증기를 공급하는 증기공급 시스템(18)의 일부를 구성하는데, 여기에서 증기공급 시스템(18)은 도 4에 도시된 것처럼, 증기발생기(8)와, 이 증기발생기(8)로 연결된 물탱크(8) 그리고 물탱크(8)로 염가의 불활성 가스인 고압의 질소를 공급하는 질소봄베(6)로 구성된다. 따라서, 물탱크(7)는 고압의 질소에 의해 압축되어 이 압력에 의해 내부에 저장된 물을 미터링 밸브(19)로 미세 조절하여 유량계(20)를 거쳐 증기발생기(8)로 균일하게 공급한다.The steam generator 8 shown in FIG. 4 is a device for supplying steam to the plasma reforming reactor 4, and constitutes a part of the steam supply system 18 for supplying steam to the reactor 4 while finely controlling the supply amount. Here, the steam supply system 18, as shown in Figure 4, the steam generator 8, the water tank (8) and the water tank (8) connected to the steam generator 8 is a cheap inert gas It consists of the nitrogen cylinder 6 which supplies nitrogen of high pressure. Accordingly, the water tank 7 is compressed by high pressure nitrogen and finely regulates the water stored therein by the pressure by the metering valve 19 to uniformly supply the steam generator 8 via the flow meter 20.

또한, 증기발생기(8)는 도 5에 도시된 바와 같이, 크게 가스관(80), 급수관(83), 무화노즐(85) 그리고 히팅로드(90)로 이루어져 있다. 여기에서 가스관(80)은 양단측면에 가스 도입부(14)에 연결된 흡기구(81)와 합성가스 저장부(15)에 연결된 배기구(82)가 형성되어 있으며, 내부 공간의 중간 부분까지 물탱크(7)와 연결된 급수관(83)이 뻗어 있고, 그 대향측에 히팅로드(90)가 뻗어 있으며, 급수관(83)과 히팅로드(90) 사이에는 급수관(83)의 선단에 결합된 무화노즐(85)이 내주면에 장착되어 있다. 또한, 무화노즐(85)은 노즐공(86)의 축경부(87)로 가스 분사로(89)가 관통 형성되어 연결되어 있으며, 무화노즐(85)에서 분사되는 분무는 히팅로드(90)에 의해 가열되어 수증기로 증발된다.In addition, as shown in FIG. 5, the steam generator 8 includes a gas pipe 80, a water supply pipe 83, an atomizing nozzle 85, and a heating rod 90. Here, the gas pipe 80 has an inlet port 81 connected to the gas inlet 14 and an exhaust port 82 connected to the syngas storage unit 15 at both ends thereof, and the water tank 7 to the middle part of the inner space. ) Connected to the water supply pipe 83 is extended, the heating rod 90 is extended to the opposite side, between the water supply pipe 83 and the heating rod 90 atomization nozzle 85 coupled to the tip of the water supply pipe 83 It is attached to this inner peripheral surface. In addition, the atomization nozzle 85 is connected to the gas injection path 89 through the shaft diameter portion 87 of the nozzle hole 86, the spray is sprayed from the atomization nozzle 85 is heated to the heating rod 90 Is heated and evaporated to water vapor.

플라즈마 개질반응기(4)의 출력측에 연결되어 있는 합성가스 저장부(15)는 플라즈마 개질반응기(4)에서 생성된 합성가스로부터 수분을 분리해낸 후 저장하는 부분으로, 도 1에 도시된 바와 같은 본 발명의 제1 실시예의 경우에 플라즈마 개질반응기(4)에서 생성된 합성가스로부터 수분을 분리해내는 기액분리기(9)와 기액분리된 합성가스를 저장하는 저장부(15)로 구성되어 있다.The syngas storage unit 15 connected to the output side of the plasma reforming reactor 4 is a portion for separating and storing water from the syngas generated in the plasma reforming reactor 4 and storing the water as shown in FIG. In the case of the first embodiment of the invention, it is composed of a gas-liquid separator 9 for separating moisture from the syngas generated in the plasma reforming reactor 4 and a storage unit 15 for storing the gas-separated syngas.

또한, 합성가스 저장부(15)의 제2 실시예로서 도 6에 도시된 바와 같은 플라즈마 개질장치는 도시된 것처럼 크게, CO 전환기(11), 기액분리기(12), 연료전지(13)로 구성되는데, 여기에서 CO 전환기(11)는 플라즈마 개질반응기(4)에서 생성된 합성가스 중의 CO를 CO2로 전환시키며, 기액분리기(12)는 CO전환기(11)에서 전달되는 합성가스 중에서 수분을 분리해낸다. 또한 기액분리기(12)의 출력측에 연결된 연료전지(13)는 기액분리기(12)에서 토출된 고농도 H2를 저장하도록 되어 있다.In addition, as a second embodiment of the syngas storage unit 15, the plasma reforming apparatus as shown in FIG. 6 is largely composed of a CO converter 11, a gas-liquid separator 12, and a fuel cell 13 as shown. Here, the CO converter 11 converts CO in the syngas generated in the plasma reforming reactor 4 into CO 2 , and the gas-liquid separator 12 separates water from the syngas delivered from the CO converter 11. Do it. In addition, the fuel cell 13 connected to the output side of the gas-liquid separator 12 is configured to store the high concentration H 2 discharged from the gas-liquid separator 12.

이제, 위와 같이 구성된 바이오가스의 플라즈마 개질장치에 의한 플라즈마 개질방법을 설명한다.Now, the plasma reforming method by the plasma reforming apparatus of the biogas configured as described above will be described.

먼저, 도 1에 도시된 본 발명의 제1 실시예에 따르면, 바이오가스를 개질시켜 합성가스를 생산하게 되며, 그 과정은 크게 바이오가스 도입단계(S10), 수증기 공급단계(S20), 플라즈마 개질단계(S30), 합성가스 저장단계(S40)로 이루어져 있다. 이 중, 첫 번째 단계인 바이오가스 도입단계(S10)에서는 혐기반응조(1)에서 가스 도입부(14)를 거쳐 플라즈마 개질반응기(4)로 각종 바이오가스를 공급하게 된다. 이어서, 수증기 공급단계(S20)에서는 증기발생기(8)에서 공급되는 수증기에 바이오가스 도입부(14)에서 공급되는 바이오가스를 혼합하여 개질반응기(4) 안으로 수증기를 공급한다. 다음에, 플라즈마 개질단계(S30)에서는 도 2 및 도 3에 도시된 와이어형 개질반응기(4) 또는 부채형 개질반응기(104)를 통해 가스 도입부(14)로부터 공급되는 바이오가스를 개질하게 되는데, 우선적으로 바이오가스 입구(48,141)측에 설치된 가열장치(46,154)에 의해 유입된 바이오가스를 예열한 뒤, 와이어형 또는 부채형 방전극(45,146)에서 발생되는 저온 또는 고온 플라즈마에 의해 바이오가스를 개질하게 된다. 끝으로, 합성가스 저장단계(S40)에서는 플라즈마 개질반응기(4 또는 104)에서 생성된 합성가스를 합성가스 저장부(15 또는 16)에 저장하게 되는 바, 도 1에 도시된 제1 실시예의 경우에는 일차적으로 합성가스 저장부(15)의 기액분리기(9)를 통해 합성가스로부터 수분을 분리해낸 다음 저장조(10)에 저장하여 보관하게 된다. First, according to the first embodiment of the present invention shown in Figure 1, to produce a synthesis gas by reforming the biogas, the process is largely biogas introduction step (S10), steam supply step (S20), plasma reforming It consists of a step (S30), the synthesis gas storage step (S40). Among these, in the first step, the biogas introduction step S10, various biogases are supplied to the plasma reforming reactor 4 through the gas introduction unit 14 in the anaerobic reactor 1. Subsequently, in the steam supply step (S20), the biogas supplied from the biogas introduction unit 14 is mixed with the water vapor supplied from the steam generator 8 to supply steam into the reforming reactor 4. Next, in the plasma reforming step (S30), the biogas supplied from the gas introduction unit 14 is reformed through the wire reforming reactor 4 or the fan reforming reactor 104 shown in FIGS. 2 and 3. First, the biogas introduced by the heating devices 46 and 154 installed at the bio gas inlets 48 and 141 is preheated, and the biogas is reformed by low temperature or high temperature plasma generated from the wire or fan discharge electrodes 45 and 146. do. Finally, in the syngas storage step S40, the syngas generated by the plasma reforming reactor 4 or 104 is stored in the syngas storage unit 15 or 16, in the case of the first embodiment illustrated in FIG. 1. First, water is separated from the synthesis gas through the gas-liquid separator 9 of the synthesis gas storage unit 15, and then stored in the storage tank 10.

한편, 도 6에 도시된 본 발명의 제2 실시예의 경우에는 또 다른 합성가스 저장단계(S140)를 통해 합성가스 저장부(16)에 합성가스를 저장하게 되는 바, 이 저장단계(S140)는 크게 CO 전환과정(S141), 수분 분리과정(S142) 및 연료전지 공급과정(S143)으로 이루어져 있다. 이 중 CO 전환과정(S141)에서는 CO 전환기(11)에 의해 상기 플라즈마 개질반응기(4)에서 생성된 합성가스 중의 CO를 CO2로 전환하게 된다.(S141) 뒤이어, 마찬가지로 기액분리기(12)에 의해 CO 전환기(11)로부터 공급되는 합성가스에서 수분을 분리해내게 된다.(S142) 그리고 나서 끝으로, CO 전환과정(S141)에서 발생한 H2를 연료전지(13)로 공급하여 전지를 제작하게 된다.(S143)Meanwhile, in the case of the second embodiment of the present invention shown in FIG. 6, the synthesis gas is stored in the synthesis gas storage unit 16 through another synthesis gas storage step (S140). It is composed of CO conversion process (S141), water separation process (S142) and fuel cell supply process (S143). This of CO conversion process (S141) in is converted to CO in the synthesis gas produced in the plasma reforming reactor 4 by the CO converter (11) to CO 2. (S141) Subsequently, similarly to the gas-liquid separator (12) The water is separated from the synthesis gas supplied from the CO converter 11 (S142). Finally, H 2 generated in the CO conversion process (S141) is supplied to the fuel cell 13 to manufacture a battery. (S143)

이와 같이, 본 발명에 따른 바이오가스의 플라즈마 개질방법에 의하면, 음식물 쓰레기처리와 폐수처리 공정의 경우 혐기 반응조(1)에서 메탄, 이산화탄소, 암모니아가 포함된 바이오가스가 발생되어 압축기(2)를 거쳐 가스 저장조(3)에 저장된 후 플라즈마 개질반응기(4)로 공급된다. 천연가스, LPG, 석탄가스화 연료, 액체연료, 석유화학공장에서 나프타를 원료로 하여 제품을 생산하는 과정에서 생산되는 탄소수 9~18개 정도의 부생가스 등은 가스 저장조(3)에 직접 저장된 후 개질반응기(4)로 공급될 수도 있다.As described above, according to the plasma reforming method of the biogas according to the present invention, in the case of food waste treatment and wastewater treatment, biogas containing methane, carbon dioxide, and ammonia is generated in the anaerobic reactor 1 through the compressor 2. It is stored in the gas reservoir 3 and then supplied to the plasma reforming reactor 4. Natural gas, LPG, coal gasification fuel, liquid fuel, and by-product gas of about 9 to 18 carbons produced during the production of products from naphtha in petrochemical plants are stored directly in the gas storage tank (3) and reformed. It may be fed to the reactor 4.

개질반응기(4)는 전력공급장치(5)로부터 전기가 공급되어 지는데 저온플라즈마(Non-Thermal Plasma; 이하 NTP라 칭함)와 고온플라즈마(High Temperature Plasma) 개질이 이루어 질 수 있다. 특히, 개질 전환율을 높이기 위해 펄스플라즈마 개질(Pulse Plasma Reforming)을 할 수도 있다. 이 때 펄스전원 공급장치는 전압 조절기(power regulator), 직류고전압 발생기, 펄스 발생기, 펄스 승압기(pulse transformer)로 구성되어 있으며, 예컨대, 최대전압은 50 kV, 최소 펄스길이(pulse length)는 600ns, 최대 주파수는 900 Hz인 펄스가 사용될 수 있다.The reforming reactor (4) is supplied with electricity from the power supply device (5), the low-temperature plasma (Non-Thermal Plasma (hereinafter referred to as NTP)) and high temperature plasma (High Temperature Plasma) reforming can be made. In particular, pulsed plasma reforming may be performed to increase the conversion rate. In this case, the pulse power supply is composed of a power regulator, a DC high voltage generator, a pulse generator, and a pulse transformer. For example, the maximum voltage is 50 kV and the minimum pulse length is 600 ns. A pulse with a maximum frequency of 900 Hz can be used.

또한, 플라즈마 개질반응기의 고온유지를 위해 가열장치(46)가 이용되는데 전기히터가열, 축열식 바이오가스 버너, 태양에너지 등의 열을 이용할 수 있다. In addition, a heating device 46 is used to maintain a high temperature of the plasma reforming reactor, and heat such as electric heater heating, heat storage biogas burner, and solar energy may be used.

수증기 개질반응을 위해 물탱크(7)와 증기발생기(8)로 구성되어 있는 수증기 공급장치에서 개질반응기(4)로 수증기가 공급된다. 수증기 첨가 시 개질반응과 함께 카본블랙(carbon black)의 생성이 억제되는 효과도 있다. Steam is supplied to the reforming reactor (4) from a steam feeder consisting of a water tank (7) and a steam generator (8) for steam reforming. When steam is added, there is an effect of suppressing the formation of carbon black along with the reforming reaction.

개질반응기(4)로부터 생성된 가스는 수소와 일산화탄소 외에 탄화수소 등의 중간생성물과 수분으로 구성되어 있는 합성가스로 기액분리기(9)에서 수분이 분리된 후 저장조(10)에 저장된다.The gas generated from the reforming reactor 4 is a synthesis gas composed of intermediate products such as hydrocarbons and water in addition to hydrogen and carbon monoxide and stored in the storage tank 10 after the water is separated from the gas-liquid separator 9.

본 발명의 제2 실시예로서, 도 6에 도시된 연료전지용 수소 생산을 위한 플라즈마 개질장치의 경우에는 연료전지용 고농도의 수소를 생산하도록 CO 전환기(11)에서 일산화탄소를 전환한 후 기액분리기(12)를 거쳐 연료전지(12)로 공급하여 발전에 사용한다. As a second embodiment of the present invention, in the case of the plasma reforming apparatus for producing hydrogen for fuel cells shown in FIG. 6, the gas-liquid separator 12 after converting carbon monoxide from the CO converter 11 to produce high concentration of hydrogen for fuel cells. The fuel cell 12 is supplied to the fuel cell 12 to be used for power generation.

플라즈마 개질반응기에서의 주요 반응이 다음과 같다.The main reactions in the plasma reforming reactor are as follows.

- 플라즈마 개질(크래킹)반응Plasma Reforming (Cracking) Reaction

2CH2CH 44 → C → C 22 HH 44 + 2H + 2H 22

2CH2CH 4 4 → C→ C 22 HH 22 + 3H + 3H 22

CC 22 HH 6 6 → C→ C 22 HH 4 4 + H + H 22

CC 22 HH 6 6 → C→ C 22 HH 2 2 + 2H + 2H 22

CC 33 HH 8 8 → C→ C 33 HH 6 6 + H + H 22

CC 44 HH 10 10 → 2C→ 2C 22 HH 44 + H + H 22

CC 44 HH 10 10 → 2C→ 2C 22 HH 22 + 3H + 3H 22

2NH2NH 33 → 2NH → 2NH 2 2 + H+ H 22

2NH2NH 33 → N → N 22 HH 4 4 + 2H+ 2H 22

- 수증기 개질반응Steam reforming reaction

CHCH 4 4 + H+ H 22 O → CO + 3HO → CO + 3H 22

CC nn HH 2n+2 2n + 2 + nH+ nH 22 O → nCO + (2n+1)HO → nCO + (2n + 1) H 22

- CO2 개질반응CO 2 reforming

CHCH 4 4 + CO+ CO 22 → 2CO + 2H → 2CO + 2H 22

CC nn HH 2n+2 2n + 2 + nCO+ nCO 22 → 2nCO + (n+1)H ¡Æ 2nCO + (n + 1) H 22

- 수분변환(water shifting)에 의한 정반응과 역반응-Forward and reverse reactions by water shifting

CO + HCO + H 22 O → COO → CO 2 2 + H+ H 22

또한, 바이오가스의 전환율은 모사가스 중의 프로판과 이산화탄소가 SynGas로 전환되는 바이오가스 전환율은 다음 수학식 1과 같다.In addition, the conversion rate of biogas is biogas conversion rate where the propane and carbon dioxide in the simulated gas is converted to SynGas is expressed by Equation 1 below.

여기서, 는 바이오가스 전환율(%), 은 C3H8의 유입부피(Nm3), 은 C3H8의 유출부피(Nm3) 이다.here, Is the biogas conversion rate (%), Is the inflow volume of C 3 H 8 (Nm 3 ), Is the outflow volume of C 3 H 8 (Nm 3 ).

펄스전력의 경우 전력계산은 다음 식에 의해 계산된다.In the case of pulse power, the power calculation is calculated by the following equation.

여기서, P는 전력(W), C는 캐패시터 용량(1EA = 3600×10-12 F), v는 펄스전압(V), f는 주파수(Hz)이다.Where P is power (W), C is capacitor capacity (1 EA = 3600 x 10 -12 F ), v is pulse voltage (V), and f is frequency (Hz).

본 발명에 따른 개질장치의 실험예는 다음과 같다. 모사 바이오가스는C3H8(propane), C3H6(propylene)와 CO2(carbon dioxide)로 구성되어 있으며, 이들 개질 반응을 통해 H2(hydrogen), CH4(methane), C2H2 (acetylene), CO(carbon monoxide), C2H4(ethylene) 등이 생성된다.Experimental examples of the reformer according to the present invention are as follows. Simulated biogas is composed of C 3 H 8 (propane), C 3 H 6 (propylene) and CO 2 (carbon dioxide), and these reforming reactions result in H 2 (hydrogen), CH 4 (methane) and C 2 H 2 (acetylene), carbon monoxide (CO) and C 2 H 4 (ethylene) are produced.

모사가스/수증기 공급라인은 프로판과 이산화탄소가 혼합탱크에서 혼합되며, 증기 발생기에서 완전 기화된 수증기와 혼합되어 개질반응기로 공급된다.In the simulated gas / steam supply line, propane and carbon dioxide are mixed in a mixing tank, mixed with fully vaporized steam in a steam generator and fed to the reforming reactor.

측정/분석라인은 전기특성 측정, 온도 측정, 가스 분석으로 구분된다. 전기특성 측정은 고전압 프르브(Tektronixa P6015A), 전류 프르브(Tektronix A6303)와 디지털 오실로스코프(Tektronix TDS 3052)에 의해 측정된다. 온도 측정은 직경이 0.3 mm인 K-type 열전대와 데이타 분석장치(Fluke Hydra Data Logger)로 구성되어 있다. 가스분석은 샘플링 라인과 가스크로마토그래프(SHIMADZU-14B)로 구성되어 있다.The measurement / analysis line is divided into electrical characteristic measurement, temperature measurement and gas analysis. Electrical measurements are made by high voltage probes (Tektronixa P6015A), current probes (Tektronix A6303) and digital oscilloscopes (Tektronix TDS 3052). The temperature measurement consists of a K-type thermocouple with a diameter of 0.3 mm and a Fluke Hydra Data Logger. Gas analysis consists of sampling lines and gas chromatographs (SHIMADZU-14B).

본 발명에 따른 개질방법의 실험예로서 먼저, 개질반응기의 온도를 800℃까지 가열하기 위해 반응기내로 공기를 보내어 전기 가열장치에 의해 120분 가열하여 안정화 시킨 후, 공기공급을 중단하고 수증기가 포함된 모사 바이오가스를 반응기로 공급하여 본 실험을 수행한다. 본 개질반응기의 시동특성의 예는 도 7과 같다.As an experimental example of the reforming method according to the present invention, first, by sending air into the reactor to heat the temperature of the reforming reactor to 800 ℃ and stabilized by heating for 120 minutes by an electric heating device, the air supply is stopped and contains steam This experiment is carried out by feeding simulated biogas into the reactor. An example of starting characteristics of the reforming reactor is shown in FIG. 7.

전기적 특성인 펄스 전압과 주파수 조절은 펄스전원 공급장치의 노브(nob)를 이용해서 조절되며, 고전압 프르브와 전류 프르브 그리고 디지털 오실로스코프에 의해 전압, 전류, 주파수를 각각 측정한다. 모사 바이오가스의 성분인 프로판과 이산화탄소는 각각의 봄베로부터 공급되어 유량계에서 유량이 조절된 후 혼합기에서 혼합된다. 또한, 수증기는 수증기 공급량으로 환산된 물의 양을 미세조절이 가능한 메터링 밸브에 의해 조절된 후 증기발생기에서 모사 바이오가스와 함께 유입되며, 증기로 전환되어 혼합기체의 상태로 반응기내로 보내어진다. SynGas의 채취는 반응기 출구에 설치된 샘플링 포트에서 이루어진다. 채취된 시료는 냉각장치를 통과하여 수분이 제거된 상태로 가스크로마토그래프의 샘플링 루프로 연속적으로 유입되어 분석된다. 분석은 TCD 검출기를 이용하였으며, 컬럼의 경우 H2, CO는 Molecular Sieve(5A 80/100 mesh)로, C3H8, CO2, CH4, C2H 2, C2H4, C3H6는 HayeSep R(100/120 mesh)를 사용하였다. 온도는 반응기와 반응기 입출구, 증기발생기에 열전대를 심어 데이타 분석장치에 의해 실시간으로 모니터링 하였다.The electrical characteristics of the pulse voltage and frequency control are controlled using the knob of the pulsed power supply, and the voltage, current and frequency are measured by a high voltage probe, a current probe and a digital oscilloscope, respectively. Propane and carbon dioxide, the components of the simulated biogas, are supplied from each bomber and mixed in a mixer after the flow rate is adjusted in the flow meter. In addition, the water vapor is controlled by a metering valve capable of fine control of the amount of water converted into the steam supply amount, and then flows together with the simulated biogas in the steam generator, and is converted into steam and sent into the reactor in a mixed gas state. Collection of SynGas takes place at sampling ports installed at the reactor outlet. The collected sample is passed through the cooling system and continuously flowed into the sampling loop of the gas chromatograph with water removed. For analysis, TCD detector was used. For the column, H 2 and CO were Molecular Sieve (5A 80/100 mesh), C 3 H 8 , CO 2 , CH 4 , C 2 H 2 , C 2 H 4 , C 3 H 6 used HayeSep R (100/120 mesh). The temperature was monitored in real time by a data analysis device by inserting a thermocouple in the reactor, the reactor inlet and the steam generator.

실험방법은 많은 반복 예비실험을 통해 최적조건을 도출하여 기준조건(표 1 참조)으로 정하여 실험을 하였다. 이 경우 반응기 온도를 800℃로 유지하고, 프로판, 이산화탄소, 수증기는 각각 9 l/min, 6 l/min, 13.7 l/min로 공급하였다. 또한 주파수 500Hz, 전압 15.6 kV로 공급하며, 펄스전력은 수학식 16의 계산에 의해 구해지며 657 W이다. 또한, 바이오가스의 개질에 영향을 미친다고 생각되는 펄스 주파수, 바이오가스 성분비(C3H8/CO2 유량비), 수증기 유량비(H2O/TFR 유량비), 가스유속, 펄스전력 변화에 대해 실험을 수행하였으며, 각각의 변수에 대한 변화량은 300Hz~600 Hz, 0.67~2.3, 0.42~0.52, 0.28~0.35 m/sec, 270 W~657 W이다.The experimental method was conducted by deciding the optimal condition through many repeated preliminary experiments and setting it as the reference condition (see Table 1). In this case, the reactor temperature was maintained at 800 ° C., and propane, carbon dioxide, and water vapor were supplied at 9 l / min, 6 l / min, and 13.7 l / min, respectively. In addition, the frequency is 500Hz, the voltage is supplied at 15.6 kV, the pulse power is obtained by the calculation of the equation (16) is 657 W. In addition, the pulse frequency, the biogas component ratio (C 3 H 8 / CO 2 flow rate ratio), and the water vapor flow rate ratio (H 2 O / TFR) which are considered to influence the reformation of the biogas. Flow rate ratio), gas flow rate, and pulse power change were carried out. The changes for each variable were 300 Hz to 600 Hz, 0.67 to 2.3, 0.42 to 0.52, 0.28 to 0.35 m / sec, and 270 W to 657 W.

단, 바이오가스 성분비 중 C3H8는 프로판 봄베(Fig.1 참조)에서 공급되는 가스를 표현한 것으로 실제 프로판 봄베의 성분은 C3H8 95 %, C3H6 4.5 %와 그 외 불순물로 구성되어 있다.Of the biogas components, C 3 H 8 represents the gas supplied from propane bomb (see Fig. 1). Actual components of propane bomb are C 3 H 8 95%, C 3 H 6 4.5% and other impurities. Consists of.

결과적으로, 저온 펄스플라즈마를 이용한 바이오가스의 개질특성을 반복실험 한 결과 본 실험에서 가장 바이오가스 전환율이 높은 조건을 기준조건으로 선택하였으며, 그 때의 실험조건 및 실험결과를 표 1 표준조건에서의 실험조건 및 데이타에 나타내었다. As a result, as a result of repeated experiments on the reforming characteristics of biogas using low-temperature pulsed plasma, the highest biogas conversion rate was selected as the reference condition in this experiment. Experimental conditions and data are shown.

설명 : 1) TFR : 총 유속(l/min) 즉, 바이오가스+ H2O, 2) 수학식 15로 계산됨Description: 1) TFR: total flow rate ( l / min), that is, biogas + H 2 O, 2) calculated by Equation 15

3) ITMs : 중간생성물 즉, CH4 + C2H2 + C3H 6 + CO + C2H4 3) ITMs: Intermediates, ie CH 4 + C 2 H 2 + C 3 H 6 + CO + C 2 H 4

기준조건의 개질반응 결과로 바이오가스로부터 생성된 수분을 제외한 주요 합성가스의 농도는 H2 64.5%, CH4 8.1%, C2H2 6.7%, C3 H6 4.9%, CO 0.8%, C2H4 0.4% 이다. 농도의 결과에서 알 수 있듯이 SynGas의 대부분이 수소이며, 수소와 중간생성물의 비는 3.1이다. 또한, 바이오가스 성분인 프로판과 이산화탄소의 바이오가스 전환율은 각각 49.1%, 42.3%이다. 바이오가스 전환율은 수학식 15에 의해 각각 구한 값이다.As a result of the reforming reaction under the standard conditions, the concentrations of the main syngases except the moisture generated from the biogas were H 2 64.5%, CH 4 8.1%, C 2 H 2 6.7%, C 3 H 6 4.9%, CO 0.8%, C 2 H 4 is 0.4%. As can be seen from the concentration results, most of SynGas is hydrogen, and the ratio of hydrogen to intermediate is 3.1. In addition, biogas conversion rates of biogas components propane and carbon dioxide are 49.1% and 42.3%, respectively. Biogas conversion rate is the value calculated | required by Formula (15), respectively.

바이오가스의 개질반응 특성에 영향을 미친다고 예상되는 펄스 주파수, 바이오가스 성분비, 수증기 유량비, 가스 유속, 펄스전력 변화에 따른 변수별 연구를 수행하였으며 그 결과는 다음과 같다.The study was performed for each variable according to the pulse frequency, biogas component ratio, water vapor flow rate, gas flow rate, and pulse power variation that are expected to affect the reforming reaction characteristics of biogas.

먼저, 펄스 주파수에 있어서, 도 8a는 펄스 주파수 변화에 따른 바이오가스의 개질특성을 파악하기 위하여 기준조건에서 주파수만을 300Hz∼600Hz로 변화시켰을 때의 실험결과이다.First, in the pulse frequency, FIG. 8A is an experimental result when only the frequency is changed from 300 Hz to 600 Hz under reference conditions in order to grasp the reforming characteristics of the biogas according to the change in the pulse frequency.

도 8a는 합성가스 중 선별된 대표가스의 농도를 나타낸 것이다. 이미 언급된 바와 같이 모사 바이오가스는 C3H8, C3H6 와 CO2로 구성되어 있으며 그 성분비는 각각 57% 2.7% 40% 인데, 도면의 결과에서 알 수 있듯이 주파수 변화에 따라 다소 차이는 있지만 개질반응로 인하여 C3H8과 CO2의 농도가 감소되어 H2 등으로 전환되는 것을 알 수 있다. 하지만 C3H6는 수증기와 이산화탄소 개질반응(수학식 2와 수학식 4 참조)에 의한 감소보다는 수학식 5의 플라즈마 개질반응인 크래킹 반응이 우선하여 다소 증가한다. 펄스 주파수가 500Hz에서 H2의 평균농도가 64.5%로 최대값을 보이는 반면, 바이오가스의 성분인 C3H8과 C3H6의 평균농도는 각각 30.6%와 4.9%로 최소값을 보이고 CO2의 평균농도는 큰 변화 없이 거의 23.1%로 일정하다. 이는 C3H8 과 C3H6가 이산화탄소 개질보다는 대부분이 수증기와 크래킹 개질에 의해 H2로 전환되기 때문이다.Figure 8a shows the concentration of the selected representative gas in the synthesis gas. As already mentioned, the simulated biogas is composed of C 3 H 8 , C 3 H 6 and CO 2 , and its component ratio is 57% 2.7% 40%, respectively. However, due to the reforming reaction, the concentrations of C 3 H 8 and CO 2 are reduced and converted to H 2 . However, C 3 H 6 is slightly increased in preference to the cracking reaction, which is a plasma reforming reaction of Equation 5, rather than a decrease caused by steam and carbon dioxide reforming reactions (see Equations 2 and 4). While the pulse frequency is the average concentration of H 2 at 500Hz is shown the maximum value to 64.5%, the average concentration of the components of the bio-gas, C 3 H 8 and C 3 H 6 are shown the minimum value of 30.6% and 4.9% each of CO 2 The average concentration of is almost constant at 23.1% without significant change. This is because most of C 3 H 8 and C 3 H 6 are converted to H 2 by steam and cracking reforming rather than carbon dioxide reforming.

도 8b는 바이오가스 전환율과 생성된 합성가스 중의 수소와 중간생성물의 비를 나타낸 것이다. 주파수 500Hz일 때 프로판의 전환율은 49.1%로 최대이지만 이산화탄소는 450Hz일 때 전환율이 43.3%로 최대이다. 따라서 도 8a에서 이미 언급했듯이 주파수 500Hz일 때 이산화탄소 개질보다는 대부분이 수증기와 크래킹 개질에 의해 H2로 전환되는 것을 확인 할 수 있다. 또한, 500Hz일 때 수소와 중간생성물의 비는 3.1로 최대값을 갖는데, 이는 이 주파수에서 타 중간생성물에 비해 청정연료인 수소로의 전환량이 많은 것을 의미한다.Figure 8b shows the biogas conversion and the ratio of hydrogen and intermediates in the syngas produced. Propane has a maximum conversion rate of 49.1% at a frequency of 500Hz, while carbon dioxide has a maximum conversion rate of 43.3% at 450Hz. Therefore, as already mentioned in FIG. 8a, it can be seen that most of the conversion to H 2 is due to steam and cracking reforming rather than carbon dioxide reforming at a frequency of 500 Hz. In addition, at 500 Hz, the ratio of hydrogen to intermediate product has a maximum value of 3.1, which means that the conversion of hydrogen to clean fuel at this frequency is higher than that of other intermediate products.

또한, 바이오가스 성분비에 있어서, 도 9는 다양한 바이오가스를 모사하기 위해 기타 변수들은 기준조건과 동일하게 유지한 상태에서 프로판과 이산화탄소의 성분비(C3H8/CO2)만 0.67∼2.3까지 변화시켰을 때의 실험결과이다.In addition, in the biogas component ratio, FIG. 9 changes only the component ratio (C 3 H 8 / CO 2 ) of propane and carbon dioxide from 0.67 to 2.3 in order to simulate various biogases while maintaining other variables the same as the reference conditions. Experimental results when

도 9a는 바이오가스 전환율과 수소와 중간생성물의 비를 나타낸 것이다. 바이오가스 전환율은 프로판과 이산화탄소 두 경우 모두 성분비가 증가함에 따라 증가하여 성분비가 각각 1.5와 1일 때 전환율이 최대값을 보인 후 다시 감소한다. 또한, 프로판의 전환율이 이산화탄소 전화율에 비해 성분비 변화에 큰 변화를 보인다. 수소와 중간생성물의 비 역시 프로판 전환율과 같은 유사한 형태의 경향을 보이며 성분비가 1.5 일 때 최대를 보이며, 도 10b의 H2농도에서도 확인 할 수 있다. 또한, C3H8와 CO2의 경우 예측된 바와 같이 성분비가 증가함에 따라 프로판 공급양의 증가로 C3H8의 농도가 증가되고, 상대적으로 CO2의 농도는 감소된다. 따라서 다양한 성분비로 구성되어 있는 바이오가스의 개질을 위해서는 각각의 바이오가스의 성분비에 맞는 적정한 운전조건의 변화가 요구된다는 것을 알 수 있다.Figure 9a shows the biogas conversion and the ratio of hydrogen and intermediates. In both propane and carbon dioxide, the biogas conversion rate increases as the component ratio increases, and then decreases again after the conversion ratio reaches a maximum when the component ratio is 1.5 and 1, respectively. In addition, the conversion rate of propane shows a great change in the composition ratio change compared to the carbon dioxide conversion rate. The ratio of hydrogen and intermediates also shows similar trends, such as propane conversion, maximum when the component ratio is 1.5, and can also be seen in the H 2 concentration of FIG. In addition, in the case of C 3 H 8 and CO 2 , as the component ratio increases, the concentration of C 3 H 8 increases with increasing propane supply amount, and the concentration of CO 2 decreases relatively. Therefore, it can be seen that in order to reform the biogas, which is composed of various component ratios, it is necessary to change an appropriate operating condition for each component ratio of the biogas.

또한 수증기 유량비에 있어서, 도 10은 바이오가스의 수증기개질 시 수증기량 변화에 따른 개질특성을 파악하기 위해 수증기 유량비(H2O/TFR)를 0.42∼0.52로 변화시킨 결과이다.In addition, in the steam flow rate ratio, FIG. 10 is a result of changing the steam flow rate ratio (H 2 O / TFR) to 0.42 to 0.52 in order to grasp the reforming characteristics according to the change in the amount of steam during steam reforming of the biogas.

도 10a에서 볼 수 있듯이 수증기 유량비가 증가함에 따라 H2의 농도가 급격히 증가하는데, 이는 수증기 개질반응과 수증기 전환반응의 정반응기 우선하기 때문이다. 하지만, 수증기 유량비가 0.48에서 최대값을 보인 후 다시 감소하기 시작하는데, 이는 수증기양의 증가로 인해 바이오가스 중의 H2 생성의 주 성분인 C3H8 과 C3H6의 농도밀도가 낮기 때문에 반응이 효과적으로 이루어지지 못하기 때문이다. H 2의 농도가 최대값을 갖는 수증기 유량비에서 C3H8 농도가 최소값을 보이는 데, 이는 C3H8 H2로의 전환량이 가장 크기 때문이며, 이는 도 10b의 프로판 전환율에서도 확인할 수 있다. 하지만 CO2 농도와 이산화탄소 전환율의 경우는 수증기 유량비 변화에 따라 큰 변화를 보이지 않는다.As can be seen in FIG. 10A, the concentration of H 2 increases rapidly as the steam flow rate ratio increases, because the steam reactor reforming and steam conversion reactions have the forward priority. However, the steam flow rate ratio reached a maximum value of 0.48 and then started to decrease again because of the low density density of C 3 H 8 and C 3 H 6 , which are the main components of H 2 production in biogas due to the increase in water vapor volume. This is because the reaction is not effective. C 3 H 8 at the steam flow rate ratio where the concentration of H 2 has a maximum value. The concentration shows the minimum value, which means that C 3 H 8 This is because the conversion to H 2 is the largest, which can also be confirmed in the propane conversion of FIG. 10B. However, the CO 2 concentration and the carbon dioxide conversion rate do not change significantly with the change of the steam flow rate ratio.

가스 유속 변화에 있어서는, 도 11은 반응기 내로 유입되는 바이오가스의 유속을 0.28∼0.35 m/sec로 변화시켰을 때의 실험결과이다. 반응기의 직경이 동일하므로 가스의 유속증가는 체류시간의 감소를 의미한다. In the gas flow rate change, FIG. 11 is an experimental result when the flow rate of the biogas flowing into the reactor was changed to 0.28 to 0.35 m / sec. As the diameter of the reactor is the same, an increase in flow rate of gas means a decrease in residence time.

도 11a에서 볼 수 있듯이 가스의 유속이 증가함에 따라 H2의 농도가 증가하여 최대값을 갖는데, 이는 바이오가스량의 증가로 인해 수소로 전환되는 양이 많아져 H2의 농도가 증가되기 때문이며 도 11b의 수소와 중간생성물의 비 결과에서도 확인할 수 있다. 그러나 H2의 농도가 최대값을 보인 후 감소하는 것은 본 펄스플라즈마 반응기 용량의 제약으로 인해 반응기 내 체류시간이 감소되기 때문에 충분한 개질반응이 어렵기 때문이다.As can be seen in Figure 11a as the flow rate of the gas increases the concentration of H 2 increases to have a maximum value, because the amount of conversion to hydrogen is increased due to the increase in the amount of biogas and the concentration of H 2 is increased and Figure 11b It can also be seen in the ratio of hydrogen to intermediate products. However, the concentration of H 2 decreases after showing a maximum value because the sufficient reforming reaction is difficult because the residence time in the reactor is reduced due to the limitation of the present pulse plasma reactor capacity.

또한, 도 11b에서 알 수 있듯이 프로판 전환율의 경우 H2의 농도가 최대값을 보이는 가스속도 0.32 m/s에서 높은 값을 갖지만 가스속도 0.28 m/s지점에서 최대가 되는데, 이는 도 11a의 CH4, C2H2, C2H4의 농도에서 확인할 수 있듯이 체류시간이 길어 중간생성물의 생성시간이 충분하기 때문이다. 하지만, 이산화탄소 전환율은 가스속도가 증가됨에 따라 지속적으로 감소함을 보였다.In addition, as can be seen in FIG. 11B, the concentration of H 2 has a high value at the gas velocity of 0.32 m / s, which shows the maximum value, but reaches a maximum at the gas velocity of 0.28 m / s, which is CH 4 of FIG. 11A. This is because the residence time is long enough to generate intermediate products, as can be seen from the concentrations of C 2 H 2 and C 2 H 4 . However, the carbon dioxide conversion rate decreased continuously with increasing gas velocity.

끝으로, 펄스전력 변화에 있어서,Finally, in the pulse power change,

도 12는 펄스전력을 270 W ~ 657 W로 변화시켰을 때의 실험결과이다. 펄스전력은 이미 언급된 바와 같이 수학식 11에 의해 구해진다.12 shows experimental results when the pulse power is changed from 270 W to 657 W. FIG. The pulse power is obtained by Equation 11 as already mentioned.

도 12a의 결과에서 알 수 있듯이 전력이 증가함에 따라 C3H8가 점진적으로 감소하는 반면 H2의 생성은 증가된다. 이는 반응기 내에 전기에너지가 증가됨에 따라 반응성이 강한 라디칼이 증가되어 개질반응이 활발하게 진행되기 때문이다.As can be seen from the result of FIG. 12A, while C 3 H 8 gradually decreases as power increases, The production of H 2 is increased. This is because, as the electric energy increases in the reactor, radicals with high reactivity increase, and the reforming reaction proceeds actively.

또한, 전력이 증가함에 따라 도 12b와 같이 수소와 중간생성물간의 비가 증가되는데, 이는 중간생성물이 상대적으로 감소하고 청정연료인 수소가 증가됨을 의미한다. 바이오가스 전환율은 도 12b의 결과로 정확히 파악하기는 어려우나 중간생성물인 CH4, C2H2의 농도로 볼 때 특정전압에서 전환율이 최대치를 갖은 것을 알 수 있다. 하지만 이에 대한 더 많은 연구가 필요하다.In addition, as the power increases, the ratio between the hydrogen and the intermediate product increases as shown in FIG. 12B, which means that the intermediate product decreases relatively and the hydrogen, which is a clean fuel, increases. It is difficult to accurately determine the biogas conversion rate as a result of FIG. 12B, but it can be seen that the conversion rate has a maximum value at a specific voltage when considering the concentrations of intermediate products CH 4 and C 2 H 2 . But more research is needed.

결과적으로, 저온 펄스플라즈마를 이용한 바이오가스의 개질에 대한 연구 결과는 다음과 같다.As a result, the results of the study on the reformation of biogas using low-temperature pulsed plasma are as follows.

본 와이어형 개질기에서 바이오가스 전환율이 최적인 경우를 기준조건으로 하였을 때 생성된 SynGas는 H2 64.5%, CH4 8.1%, C2H2 6.7%, C3H6 4.9%, CO 0.8%, C2H4 0.4%이고, 프로판과 이산화탄소의 전환율은 각각 49.1%, 42.3%이며, 수소와 중간생성물[표 1의 설명참조]의 비(H2/ITMs)는 3.1이다. 펄스주파수, 바이오가스 성분비, 수증기 유량비, 가스유속, 펄스전력 변화에 따라 개질특성을 파악하였으며, 그 결과 펄스전력 변화를 제외한 모든 경우 변수의 값이 증가함에 따라 프로판 전환율이 증가하여 최대값을 각각 500 Hz, 1.5, 0.52, 0.32 m/s을 보인 후 다시 감소하였다. 하지만 펄스전력 변화의 경우는 전력이 증가할수록 점차적으로 바이오가스 전환율이 증가하였다. 또한, 모든 변수의 경우 프로판가스의 전환율이 최대일 때 수소와 중간생성물의 비가 컸다.SynGas produced based on the optimum biogas conversion rate in this wire type reformer was H 2 64.5%, CH 4 8.1%, C 2 H 2 6.7%, C 3 H 6 4.9%, CO 0.8%, C 2 H 4 is 0.4%, the conversion of propane and carbon dioxide is 49.1% and 42.3%, respectively, and the ratio (H 2 / ITMs) of hydrogen and intermediates (see description in Table 1) is 3.1. The reforming characteristics were identified according to the pulse frequency, biogas component ratio, water vapor flow ratio, gas flow rate, and pulse power change. As a result, the propane conversion rate increased as the value of the variable increased except the pulse power change. Hz, 1.5, 0.52, 0.32 m / s was shown and then decreased again. However, in the case of pulse power change, the biogas conversion rate gradually increased as the power increased. In addition, for all variables, the ratio of hydrogen and intermediate products was large when the conversion of propane gas was maximum.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 합성가스/수소 생산을 위한 바이오가스의 플라즈마 개질방법 및 장치에 의하면, 바이오가스를 직접 연소하기 보다는 양질의 합성가스로 자원화함으로써, 바이오가스의 휘발성 유기화합물을 안전하게 처리하면서 악취와 온실가스 발생량을 크게 줄일 수 있게 된다.As described above, according to the plasma reforming method and apparatus for biogas for syngas / hydrogen production according to the present invention, the volatile organic compounds of the biogas are safely recycled by recycling the biogas into high quality synthetic gas rather than directly burning it. The treatment will significantly reduce odor and greenhouse gas emissions.

본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부 특허 청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.While the invention has been shown and described with respect to particular embodiments, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the invention as indicated by the appended claims. Anyone can easily know.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 합성가스 생산을 위한 플라즈마 개질방법 및 장치의 전체적인 구성을 보여주는 개략도.1 is a schematic view showing the overall configuration of a plasma reforming method and apparatus for syngas production according to a first embodiment of the present invention.

도 2는 도 1에 도시된 개질반응기 중 와이어형 개질반응기의 구성을 보여주는 개략도.Figure 2 is a schematic diagram showing the configuration of a wire-type reforming reactor of the reforming reactor shown in FIG.

도 3은 도 1에 도시된 개질반응기 중 부채형 개질반응기의 구성을 보여주는 개략도.Figure 3 is a schematic diagram showing the configuration of a fan-type reforming reactor of the reforming reactor shown in FIG.

도 4는 도 1에 도시된 구성에 적용되는 수증기 공급설비의 구성을 보여주는 개략도.Figure 4 is a schematic diagram showing the configuration of the steam supply equipment applied to the configuration shown in FIG.

도 5는 도 4에 도시된 증기발생기의 구성을 보여주는 개략도.5 is a schematic view showing the configuration of the steam generator shown in FIG.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 연료전지용 수소 생산을 위한 플라즈마 개질방법 및 장치의 전체적인 구성을 보여주는 개략도.Figure 6 is a schematic diagram showing the overall configuration of a plasma reforming method and apparatus for producing hydrogen for fuel cells according to a second embodiment of the present invention.

도 7은 개질반응기의 시동특성을 나타낸 그래프.7 is a graph showing the starting characteristics of the reforming reactor.

도 8은 펄스 주파수 변화에 따른 개질특성을 나타낸 그래프로서, 도 8a는 선택된 합성가스의 농도를, 도 8b는 바이오가스의 전환율 및 H2/중간생성물 비를 각각 도시한다.8 is a graph showing the reforming characteristics according to the change in the pulse frequency, Figure 8a shows the concentration of the selected synthesis gas, Figure 8b shows the conversion rate and H 2 / intermediate ratio of the biogas, respectively.

도 9는 바이오가스 성분비 변화에 따른 개질특성을 나타낸 그래프로서, 도 9a는 바이오가스 전환율 및 H2/중간생성물 비를, 도 9b는 선택된 합성가스의 농도를 각각 도시한다.9 is a graph showing the reforming characteristics according to the change of the biogas component ratio, FIG. 9A shows the biogas conversion rate and the H 2 / intermediate ratio, and FIG. 9B shows the concentration of the selected syngas.

도 10은 수증기 유량비 변화에 따른 개질특성을 나타낸 그래프로서, 도 10a는 선택된 합성가스의 농도를, 도 10b는 바이오가스 전환율과 H2/중간생성물 비를 각각 도시한다.10 is a graph showing the reforming characteristics according to the water vapor flow rate change, FIG. 10A shows the concentration of the selected syngas, and FIG. 10B shows the biogas conversion rate and the H 2 / intermediate ratio, respectively.

도 11은 가스유속 변화에 따는 개질특성을 나타낸 그래프로서, 도 11a는 선택된 합성가스의 농도를, 도 11b는 바이오가스 전환율과 H2/중간생성물 비를 각각 도시한다.11 is a graph showing the reforming characteristics according to the gas flow rate change, FIG. 11A shows the concentration of the selected syngas, and FIG. 11B shows the biogas conversion rate and the H 2 / intermediate ratio, respectively.

도 12는 펄스전력 변화에 따른 개질특성을 나타낸 그래프로서, 도 12a는 선택된 합성가스의 농도를, 도 12b는 바이오가스 전환율과 H2/중간생성물 비를 각각 도시한다.12 is a graph showing the reforming characteristics according to the pulse power change, FIG. 12A shows the concentration of the selected syngas, and FIG. 12B shows the biogas conversion rate and the H 2 / intermediate ratio, respectively.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on main parts of drawing

2 : 압축기 3 : 가스저장조2: compressor 3: gas reservoir

4,104 : 플라즈마 개질반응기 5 : 전력공급장치4,104: plasma reforming reactor 5: power supply device

7 : 물탱크 8 : 증기발생기7: water tank 8: steam generator

9,12 : 기액분리기 10 : 저장조 9,12: gas-liquid separator 10: reservoir

11 : CO 전환기 13 : 연료전지11: CO converter 13: fuel cell

14 : 가스 도입부 15,16 : 합성가스 저장부14 gas introduction unit 15,16 synthesis gas storage unit

Claims (13)

각종 바이오가스를 가스 도입부(14)를 거쳐 플라즈마 개질반응기(4)로 공급하는 바이오가스 도입단계(S10);A biogas introduction step (S10) of supplying various biogases to the plasma reforming reactor (4) via the gas introduction unit (14); 증기발생기(8)로부터 상기 플라즈마 개질반응기(4)로 수증기를 공급하는 수증기 공급단계(S20);Steam supply step (S20) for supplying steam to the plasma reforming reactor (4) from the steam generator (8); 상기 가스 도입부(14)로부터 공급되는 바이오가스를 가열장치(46)로 가열한 다음 상기 플라즈마 개질반응기(4)에서 발생된 저온플라즈마 또는 고온플라즈마에 의해 개질하는 플라즈마 개질단계(S30); 및A plasma reforming step (S30) of heating the biogas supplied from the gas introducing unit 14 by a heating device 46 and then reforming the biogas supplied by the low temperature plasma or the high temperature plasma generated in the plasma reforming reactor (4); And 기액분리기(9)에 의해 상기 플라즈마 개질반응기(4)에서 생성된 합성가스로부터 수분을 분리해낸 후 저장조(10)에 저장하는 합성가스 저장단계(S40);로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오가스의 플라즈마 개질방법.Biogas, characterized in that consisting of; gas separation step (S40) for separating the moisture from the synthesis gas produced in the plasma reforming reactor (4) by the gas-liquid separator (9) and storing in the storage tank (10); Plasma reforming method. 제1 항에 있어서,According to claim 1, 상기 합성가스 저장단계(S140)는 CO 전환기(11)에 의해 상기 플라즈마 개질반응기(4)에서 생성된 합성가스 중의 CO를 CO2로 전환하는 과정(S141), 기액분리기(12)에 의해 상기 CO 전환과정(S141)을 거친 합성가스로부터 수분을 분리해내는 과정(S142); 및 상기 CO 전환과정(S141)에서 발생한 H2를 연료전지로 공급하는 과정(S143)으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오가스의 플라즈마 개질방법.The syngas storage step (S140) is a process of converting CO in the syngas generated in the plasma reforming reactor (4) to CO 2 by the CO converter 11 (S141), the CO by the gas-liquid separator 12 Separating water from the synthesis gas having undergone the conversion process (S141) (S142); And supplying H 2 generated in the CO conversion process (S141) to a fuel cell (S143). 제1 항에 있어서, According to claim 1, 가스 도입부(14)에 저장되어 개질되는 상기 바이오가스는 천연가스, LPG, 액체연료, 석탄가스화 연료, 부생가스 중 어느 하나로 대체될 수 있는 것을 특징으로 하는 바이오가스의 플라즈마 개질방법.The biogas stored and reformed in the gas introduction unit 14 may be replaced with any one of natural gas, LPG, liquid fuel, coal gasification fuel, and by-product gas. 각종 바이오가스를 압축하여 저장하는 가스 도입부(14),A gas introduction unit 14 for compressing and storing various biogases, 상기 가스 도입부(14)에서 공급되는 바이오가스를 가열장치(46)로 예열하여 내부에서 발생된 플라즈마에 의해 개질하는 플라즈마 개질반응기(4),A plasma reforming reactor (4) for preheating the biogas supplied from the gas introduction unit (14) with a heating device (46) to be reformed by the plasma generated therein; 상기 플라즈마 개질반응기(4)로 수증기를 공급하는 증기발생기(8), 및A steam generator (8) for supplying steam to the plasma reforming reactor (4), and 상기 플라즈마 개질반응기(4)에서 생성된 합성가스로부터 수분을 분리해낸 후 저장하는 합성가스 저장부(15)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오가스의 플라즈마 개질장치.Biogas plasma reformer comprising a syngas storage unit (15) for separating and storing water from the syngas generated in the plasma reforming reactor (4). 제4 항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 합성가스 저장부(16)는 상기 플라즈마 개질반응기(4)에서 생성된 합성가스 중의 CO를 CO2로 전환하는 CO 전환기(11), 상기 CO 전환기(11)로부터의 합성가스에서 수분을 분리해내는 기액분리기(12), 상기 기액분리기(12)에서 토출된 고농도 H2를 저장하는 연료전지(13)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오가스의 플라즈마 개질장치.The syngas storage unit 16 separates moisture from the syngas from the CO converter 11 and the CO converter 11 for converting CO in the syngas generated in the plasma reforming reactor 4 into CO 2 . A gas reforming device comprising: a gas-liquid separator (12) and a fuel cell (13) for storing the high concentration H 2 discharged from the gas-liquid separator (12). 제4 항 또는 제5 항에 있어서,The method according to claim 4 or 5, 상기 가열장치(46)는 전기히터, 축열식 바이오가스 버너, 태양전지 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 바이오가스의 플라즈마 개질장치.The heating device 46 is a plasma reforming apparatus of a biogas, characterized in that any one of an electric heater, a heat storage biogas burner, a solar cell. 제4 항 또는 제5 항에 있어서,The method according to claim 4 or 5, 상기 플라즈마 개질반응기(4)는 양단에 가스 유출입구(41,42)가 형성된 봉 형상의 몸체(43), 상기 몸체(43)의 내부에 축선을 따라 배열 설치된 와이어 방전극(45), 상기 와이어 방전극(45) 일측단에 인접한 상기 몸체(43)의 측면에 일체로 부착된 가열장치(46), 및 상기 몸체(43)의 일측 단면에 장착된 관찰창(47)으로 구성되어 있는 와이어형 반응기인 것을 특징으로 하는 바이오가스의 플라즈마 개질장치.The plasma reforming reactor (4) has a rod-shaped body (43) having gas outlets (41, 42) formed at both ends, a wire discharge electrode (45) arranged along an axis in the body (43), and the wire discharge electrode. 45 is a wire-type reactor consisting of a heating device 46 integrally attached to the side of the body 43 adjacent to one side end, and an observation window 47 mounted on one end surface of the body 43. Plasma reformer for biogas, characterized in that. 제4 항 또는 제5 항에 있어서,The method according to claim 4 or 5, 상기 플라즈마 개질반응기(104)는 상기 가스 도입부(14)와 연결된 입구(141)를 통하여 바이오가스가 유입되는 외통(142), 상기 외통(142) 내주면과의 사이에 예열통로(153)를 형성하도록 상기 외통(142) 내부에 설치되어 출구(145)를 통해 상기 합성가스 저장부(15,16)와 연결되어 있는 내통(143), 상기 전력공급장치(5)와 연결된 상태로 상기 내통(143) 내부에 방사상으로 설치되는 복수의 부채형 방전극(146), 상기 방전극(146)의 중심 위치에서 상기 내통(143)의 덮개(147)에 관통 장착되는 분사노즐(149), 상기 내통(143)의 상기 방전극(146) 대향측에 반응 종료부(150)를 형성하도록 상기 내통(143) 내주면에 장착되는 환형 다이어프램(151), 상기 예열통로(153)를 따라 상기 외통(142) 내주면에 설치되는 가스 히터(154), 및 상기 반응 종료부(150) 측 상기 내통(143) 벽면에 설치된 관찰창(155)으로 구성되어 있는 부채형 반응기인 것을 특징으로 하는 바이오가스의 플라즈마 개질장치.The plasma reforming reactor 104 forms a preheating passage 153 between the outer cylinder 142 through which the biogas is introduced through the inlet 141 connected to the gas introduction unit 14, and the inner circumferential surface of the outer cylinder 142. An inner cylinder 143 installed inside the outer cylinder 142 and connected to the syngas storage units 15 and 16 through an outlet 145, and the inner cylinder 143 connected to the power supply device 5. Of the plurality of fan-shaped discharge electrode 146 radially installed therein, the injection nozzle 149 is mounted through the cover 147 of the inner cylinder 143 at the center position of the discharge electrode 146, the inner cylinder 143 An annular diaphragm 151 mounted on the inner circumferential surface of the inner cylinder 143 and a gas installed on the inner circumferential surface of the outer cylinder 142 along the preheating passage 153 to form a reaction terminating portion 150 on the opposite side of the discharge electrode 146. Observation window (1) provided on the heater 154, and the reaction end portion 150 side wall of the inner cylinder (143) A plasma reforming apparatus for biogas, characterized in that the fan-type reactor consisting of 55). 제4 항 또는 제5 항에 있어서,The method according to claim 4 or 5, 상기 플라즈마 개질반응기(4)에 연결된 전력공급장치(5)는 펄스전원 공급장치인 것을 특징으로 하는 바이오가스의 플라즈마 개질장치.The plasma reforming device of the biogas, characterized in that the power supply (5) connected to the plasma reforming reactor (4) is a pulsed power supply. 제7 항에 있어서,The method of claim 7, wherein 상기 플라즈마 개질반응기(4)에 연결된 전력공급장치(5)는 펄스전원 공급장치인 것을 특징으로 하는 바이오가스의 플라즈마 개질장치.The plasma reforming device of the biogas, characterized in that the power supply (5) connected to the plasma reforming reactor (4) is a pulsed power supply. 제8 항에 있어서,The method of claim 8, 상기 플라즈마 개질반응기(104)에 연결된 전력공급장치(5)는 펄스전원 공급장치인 것을 특징으로 하는 바이오가스의 플라즈마 개질장치.The plasma reforming device of the biogas plasma, characterized in that the power supply (5) connected to the plasma reforming reactor (104) is a pulsed power supply. 제4 항에 있어서, The method of claim 4, wherein 상기 증기발생기(8)는 가스 도입부(14)에 연결된 흡기구(81)와 합성가스 저장부(15)에 연결된 배기구(82)가 양단에 형성되어 있는 원통형 가스관(80), 물탱크(7)와 연결되어 상기 가스관(80)의 안쪽으로 중간 부분까지 뻗어 있는 급수관(83), 상기 급수관(83)의 선단에 결합되어 상기 가스관(80)의 내주면에 장착되어 있으며, 노즐공(86)의 축경부(87)로 연결된 가스 분사로(89)가 관통 형성되어 있는 무화노즐(85), 및 상기 무화노즐(85)에서 분사되는 분무를 가열하여 증발시키도록 상기 무화노즐(85)과 마주보는 상태로 상기 가스관(80) 내측에 뻗어 있는 히팅 로드(90)로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오가스의 플라즈마 개질장치.The steam generator 8 includes a cylindrical gas pipe 80 and a water tank 7 formed at both ends thereof with an inlet 81 connected to the gas inlet 14 and an exhaust port 82 connected to the syngas storage 15. Is connected to the front end of the water supply pipe 83, the water supply pipe 83 is extended to the middle portion of the gas pipe 80, is mounted on the inner peripheral surface of the gas pipe 80, the shaft diameter portion of the nozzle hole (86) The atomization nozzle 85 through which the gas injection path 89 connected to the through hole 87 and the atomization nozzle sprayed from the atomization nozzle 85 are heated to evaporate to face the atomization nozzle 85. Biogas plasma reforming device comprising a heating rod (90) extending inside the gas pipe (80). 혐기 반응조(1)에서 발생된 바이오가스를 압축기(2)를 거쳐 가스 저장조(3)에 저장한 후 플라즈마 개질반응기(4)로 공급하는 바이오가스 도입단계(S10);A biogas introduction step (S10) of storing the biogas generated in the anaerobic reaction tank 1 through the compressor 2 in the gas storage tank 3 and then supplying the biogas to the plasma reforming reactor 4; 물탱크(7)로부터 증기발생기(8)로 급수된 물로 증기를 발생시켜 상기 플라즈마 개질반응기(4)로 공급하는 수증기 공급단계(S20);Steam supply step (S20) for generating steam to the water supplied to the steam generator (8) from the water tank (7) to supply to the plasma reforming reactor (4); 상기 플라즈마 개질반응기(4)로 유입된 바이오가스를 가열장치(46)에 의해 가열하는 예열단계(S30); A preheating step (S30) of heating the biogas introduced into the plasma reforming reactor (4) by a heating device (46); 전력공급장치(5)로부터 공급되는 전기로 상기 플라즈마 개질반응기(4)에서 발생된 저온플라즈마 또는 고온플라즈마에 의해 상기 가스 저장조(3)로부터 공급된 바이오가스를 개질하는 플라즈마 개질단계(S40); 및A plasma reforming step (S40) of reforming the biogas supplied from the gas storage tank (3) by low temperature plasma or high temperature plasma generated in the plasma reforming reactor (4) with electricity supplied from a power supply device (5); And 기액분리기(9)에 의해 상기 플라즈마 개질반응기(4)에서 생성된 합성가스로부터 수분을 분리해낸 후 저장조(10)에 저장하는 합성가스 저장단계(S50);로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오가스의 플라즈마 개질방법.Biogas, characterized in that consisting of; gas separation step (S50) for separating the moisture from the synthesis gas generated in the plasma reforming reactor (4) by the gas-liquid separator (9) and storing in the storage tank (10); Plasma reforming method.
KR10-2003-0078450A 2003-11-06 2003-11-06 Plasma Reforming Method and Apparatus for Biogas KR100537658B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2003-0078450A KR100537658B1 (en) 2003-11-06 2003-11-06 Plasma Reforming Method and Apparatus for Biogas

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR10-2003-0078450A KR100537658B1 (en) 2003-11-06 2003-11-06 Plasma Reforming Method and Apparatus for Biogas

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20050043531A KR20050043531A (en) 2005-05-11
KR100537658B1 true KR100537658B1 (en) 2005-12-19

Family

ID=37244265

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR10-2003-0078450A KR100537658B1 (en) 2003-11-06 2003-11-06 Plasma Reforming Method and Apparatus for Biogas

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100537658B1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101501261B1 (en) * 2013-07-05 2015-03-12 한국기계연구원 Liquefied petroleum gas reformer
KR102026419B1 (en) * 2019-01-25 2019-09-27 한국화학연구원 Preparation method of syngas and methanol from landfill gas or bio gas containing methane and carbon dioxide

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101347788B1 (en) * 2012-05-23 2014-01-10 인하대학교 산학협력단 Process for the preparation of synthetic gas using steam plasma coal gasfication system

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101501261B1 (en) * 2013-07-05 2015-03-12 한국기계연구원 Liquefied petroleum gas reformer
KR102026419B1 (en) * 2019-01-25 2019-09-27 한국화학연구원 Preparation method of syngas and methanol from landfill gas or bio gas containing methane and carbon dioxide

Also Published As

Publication number Publication date
KR20050043531A (en) 2005-05-11

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jamróz et al. Microwave plasma application in decomposition and steam reforming of model tar compounds
Kim et al. Hydrogen-rich gas production from a biomass pyrolysis gas by using a plasmatron
Yang et al. Naphthalene destruction performance from tar model compound using a gliding arc plasma reformer
CN102821841A (en) Plasma reactor for gas to liquid fuel conversion
US20140054504A1 (en) Apparatus and method for rapidly producing synthetic gas from bio-diesel by-product using microwave plasma
Tamošiūnas et al. Biomass conversion to hydrogen-rich synthesis fuels using water steam plasma
Lim et al. Light tar decomposition of product pyrolysis gas from sewage sludge in a gliding arc plasma reformer
Jasiński et al. Hydrogen production via methane reforming using various microwave plasma sources
KR101032273B1 (en) Reforming system and method for producing hydrogen using the same
Chun et al. Destruction of anthracene using a gliding arc plasma reformer
Majd Alawi et al. Syngas formation by dry and steam reforming of methane using microwave plasma technology
KR100537658B1 (en) Plasma Reforming Method and Apparatus for Biogas
Spiess et al. Metal effect and flow rate effect in the hydrogen production from methane
Odeyemi et al. Gliding arc plasma-stimulated conversion of pyrogas into synthesis gas
KR100561166B1 (en) The apparatus and method for preparing synthesis gas by using barrier discharge reaction
Dors et al. Hydrogen production via biomethane reforming in DBD reactor
Chun et al. Syngas production from propane using gliding arc plasma reforming
Kim et al. Production of hydrogen by partial oxidation with thermal plasma
US8974557B2 (en) Tunable catalytic gasifiers and related methods
Chun et al. Steam plasma reforming of biogas by non-thermal pulsed discharge
Liu et al. Methane incorporation into liquid fuel by nonequilibrium plasma discharges
Bin et al. Performance study on simultaneous tar removal and bio-syngas methanation by combining catalysis with nonthermal plasma
Chun et al. Production of hydrogen-rich gas from methane by thermal plasma reform
Chun et al. Hydrogen-rich gas production from propane using plasma-assisted reforming
Arabi et al. Syngas production by plasma treatments of alcohols, bio-oils and wood

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20111205

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20121126

Year of fee payment: 8

LAPS Lapse due to unpaid annual fee