KR100589202B1 - The synthesis gas preparing apparatus and method for controlling the composition of synthesis gas - Google Patents

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Abstract

본 발명은 메탄과 함산소화합물(이하, "반응물"로 칭함)로부터 합성가스의 조성 제어가 가능한 수소와 일산화탄소(이하, "합성가스"로 칭함)를 제조하는 장치 및 이를 이용한 합성가스 제조 방법에 관한 것으로, 본 발명의 장치는, 반응물인 메탄과 함산소화합물을 반응기 내부로 도입하기 위한 각각의 인입관(1 및 2), 상기 인입관(1 및 2)을 통해 반응기 내부로 도입하는 상기 반응물의 유량을 제어하여 그 비율을 조절하기 위한 각각의 유량조절밸브(7a 및 7b), 인입관(2)에 연결되고 반응기 중간에 배치되어 반응물이 도입되는 위치를 조절하기 위한 위치조절밸브(8a 내지 8f), 반응기의 몸체를 이루며 유전체의 역할을 하는 반응관(5), 반응기의 내부전극(3), 반응기의 외부전극(4), 상기 내부전극(3) 및 외부전극(4)에 전류를 공급하여 플라즈마를 발생시키기 위한 전원(6), 전류가 통과하는 전선(10 및 11), 전류의 접지부분(12), 및 반응이 완료되어 제조된 생성물(합성가스)을 외부로 배출시키기 위한 배출구(9)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.The present invention relates to a device for producing hydrogen and carbon monoxide (hereinafter referred to as "synthetic gas") that can control the composition of the synthesis gas from methane and oxygen compounds (hereinafter referred to as "reactant"), and a method for producing syngas using the same In the present invention, the apparatus of the present invention, through the respective introduction tubes (1 and 2), the introduction tubes (1 and 2) for introducing the reactant methane and oxygen compounds into the reactor, the reactant Position control valves 8a through 7a and 7b for controlling the flow rate of the gas and controlling the rate of the reaction products are connected to the inlet pipe 2 and arranged in the middle of the reactor to control the introduction of the reactants. 8f), the reaction tube (5) forming the body of the reactor and acting as a dielectric, the current to the inner electrode (3), the outer electrode (4) of the reactor, the inner electrode (3) and the outer electrode (4) To generate plasma It comprises a power source 6, electric wires 10 and 11 through which the current passes, a ground portion 12 of the electric current, and an outlet 9 for discharging the product (synthetic gas) produced after the reaction is completed to the outside. It is characterized by.

또한, 본 발명의 상기 제조 방법은, 반응물인 메탄과 함산소화합물을 각각의 인입관(1 및 2)을 통해 반응기 내부로 도입하면서 유량조절밸브(7a 및 7b)를 이용하여 유량을 제어하여 그 비율을 조절하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계에서 인입관(2)으로 도입되는 반응물을 위치조절밸브(8a 내지 8f)에 의하여 선택된 위치에서 반응기 내부로 도입하는 제 2 단계; 상기 제 1 단계 및 제 2 단계를 수행함과 동시에, 반응기의 내부전극(3)과 반응기의 외부전극(4)에 고전압의 전원(6)을 인가하여 반응관(5) 내부에 플라즈마를 생성시켜 합성가스를 제조하는 제 3 단계; 및 상기 제 3 단계에서 수득된 합성가스를 반응기의 배출구(9)를 통해 외부로 배출하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, the production method of the present invention, by controlling the flow rate using the flow control valves (7a and 7b) while introducing the reactant methane and oxygen compounds into the reactor through the respective inlet pipe (1 and 2) A first step of adjusting the ratio; A second step of introducing a reactant introduced into the inlet pipe (2) in the first step into the reactor at a position selected by the position control valves (8a to 8f); Simultaneously with the first and second steps, a high voltage power supply 6 is applied to the inner electrode 3 of the reactor and the outer electrode 4 of the reactor to generate a plasma inside the reaction tube 5 to synthesize the same. A third step of producing a gas; And a fourth step of discharging the syngas obtained in the third step to the outside through the outlet 9 of the reactor.

본 발명의 상압 배리어 방전 반응을 이용하여 반응물인 메탄과 함산소화합물을 함께 반응시켜 합성가스의 조성제어가 가능한 합성가스를 제조하는 장치 및 방법을 이용하면, 저온에서 배리어 방전 플라즈마를 이용하여 메탄과 함산소화합물로부터 합성가스를 제조함에 있어서 다음 단계에서 필요한 조성의 합성가스를 원하는 대로 쉽게 만들 수 있기 때문에, 합성가스를 이용하는 다른 공정에서 합성가스를 사용함에 있어서 수소와 일산화탄소를 따로 구입하여 이용하는 대신 천연가스인 메탄과 이산화탄소로부터 직접 합성할 수 있기 때문에 원료비에 있어 대단히 경제적인 공정을 설계할 수 있을 것이다.By using the atmospheric barrier discharge reaction of the present invention using the apparatus and method for producing a synthesis gas capable of controlling the composition of the synthesis gas by reacting the reactant methane and the oxygen compound together, using the barrier discharge plasma at a low temperature In the production of syngas from oxygen-containing compounds, it is easy to make syngas with the composition required in the next step as desired. Therefore, instead of purchasing hydrogen and carbon monoxide separately from using syngas in another process using syngas, The ability to synthesize directly from the gases methane and carbon dioxide will allow the design of a very economical process for raw material costs.

메탄, 함산소화합물, 수소, 일산화탄소, 합성가스, 배리어 방전, 플라즈마Methane, Oxygen Compounds, Hydrogen, Carbon Monoxide, Syngas, Barrier Discharge, Plasma

Description

합성가스의 조성 제어가 가능한 합성가스 제조 장치 및 이를 이용한 합성가스 제조 방법{The synthesis gas preparing apparatus and method for controlling the composition of synthesis gas} Synthesis gas production apparatus capable of controlling the composition of the synthesis gas and the synthesis gas production method using the same {The synthesis gas preparing apparatus and method for controlling the composition of synthesis gas}             

도 1은 본 발명에 사용된 합성가스의 조성 제어가 가능한 합성가스 제조 장치의 개략적인 단면도이고, 1 is a schematic cross-sectional view of a syngas production apparatus capable of controlling the composition of syngas used in the present invention.

도 2는 본 발명의 장치에서 조합 가능한 반응물의 혼합방법 및 혼합위치에 관한 일례에 관한 도이고,2 is a view related to an example of a mixing method and a mixing position of reactants that can be combined in the apparatus of the present invention.

도 3은 종래 기술의 방법을 이용하여 제조한 합성가스 비율을 나타낸 도이다. Figure 3 is a diagram showing the ratio of the synthesis gas produced using the method of the prior art.

도 4는 본 발명의 장치를 이용하여 제조한 합성가스 조성의 일례를 나타낸 도이다.4 is a diagram showing an example of a syngas composition produced using the apparatus of the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

1 및 2: 인입관 3: 내부전극1 and 2: Inlet tube 3: Internal electrode

4: 외부전극 5: 반응관4: external electrode 5: reaction tube

6: 전원 7a 및 7b: 유량조절밸브6: power supply 7a and 7b: flow control valve

8a 내지 8f: 위치조절밸브 9: 배출구8a to 8f: Position control valve 9: Outlet

10 및 11: 전선 12: 전류의 접지부분10 and 11: wire 12: grounding current

본 발명은 메탄과 함산소화합물(이하, "반응물"로 칭함)로부터 합성가스의 조성 제어가 가능한 수소와 일산화탄소(이하, "합성가스"로 칭함)를 제조하는 장치 및 이를 이용한 합성가스 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a device for producing hydrogen and carbon monoxide (hereinafter referred to as "synthetic gas") that can control the composition of the synthesis gas from methane and oxygen compounds (hereinafter referred to as "reactant"), and a method for producing syngas using the same It is about.

천연가스는 천연적으로 지하로부터 발생하는 가스로, 그 매장량이 막대하고 또한 광범위한 지역에 분포하고 있기 때문에 매우 유용한 자원중 하나이다. 따라서 천연가스를 메탄올 또는 액체연료와 같은 보다 유용한 물질로 전환시키려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 천연가스의 대부분은 메탄이 차지하고 있는데, 메탄은 포화탄화수소로서 매우 안정한 물질이기 때문에 전환반응에 많은 어려움이 있다. 일반적으로 천연가스는 합성가스를 거쳐 액체연료, 혹은 유용한 화합물로 전환되거나 C2 탄화수소 또는 메탄올로 직접 전환될 수 있다. 오늘날 상업적으로 운전되는 대부분의 천연가스 전환 과정은 천연가스를 수증기 개질에 의해 합성가스로 전환한 후 이를 중간체로 하여 메탄올이나 가솔린을 합성한다. Natural gas is a natural gas from underground, which is one of the most useful resources because of its huge reserves and its wide distribution. Therefore, there is an active research to convert natural gas into more useful materials such as methanol or liquid fuel. Most of natural gas is made up of methane. Since methane is a very stable substance as saturated hydrocarbon, there are many difficulties in the conversion reaction. In general, natural gas can be converted to liquid fuels or useful compounds via synthesis gas or directly to C 2 hydrocarbons or methanol. Most of the natural gas conversion processes that are operated commercially today convert natural gas into syngas by steam reforming and then synthesize methanol or gasoline as an intermediate.

한편, 천연가스 중 메탄과 이산화탄소는 대표적인 온실가스로서 최근 지구온 난화 문제 때문에 이를 처리하기 위한 연구가 여러 방면에서 수행되고 있다. 특히, 이산화탄소는 국제협약에 의한 탄소세의 부과 방침에 따라 시급히 해결되어야 할 문제로 대두되어 있다. Meanwhile, methane and carbon dioxide among natural gases are representative greenhouse gases, and researches for dealing with them due to global warming problems have been conducted in various aspects. In particular, carbon dioxide has emerged as a problem that needs to be addressed urgently in accordance with the carbon tax imposed by international conventions.

합성가스는 수소와 일산화탄소의 화합물로써 연료가스와 용도적으로 구분하기 위해 특히 합성가스라고 한다. 현재 가장 대표적인 제조법은, ① 코크스 또는 석탄과 같은 고체연료를 산소(또는 공기)를 써서 백열상태로 가열하고, 이것에 수증기를 동시에 또는 간헐적으로 불어넣는 수성(水性) 가스화법, ② 저급 탄화수소가스(메탄·에탄·프로판·부탄 등)·나프타·중유 등의 유체연료를 고온에서 수증기와 반응시키는 수증기개질법(스팀 리포밍이라고도 하며, 저급 탄화수소가스 나프타에는 니켈계 촉매, 중유에는 촉매를 사용하지 않고 고온·고압 하에서 반응시킨다)으로 크게 구별된다. 어느 경우에나 수소·일산화탄소·이산화탄소를 주성분으로 하는 혼합가스가 생긴다. 혼합가스는 불순물을 제거하는 각종 정제공정을 거친 후, 합성반응에 알맞은 가스조성으로 조정된다. Syngas is a compound of hydrogen and carbon monoxide, specifically called syngas to distinguish it from fuel gas. At present, the most representative manufacturing method is ① water gasification method in which solid fuel such as coke or coal is heated in incandescent state using oxygen (or air), and steam is injected simultaneously or intermittently, ② lower hydrocarbon gas ( Steam reforming method (referred to as steam reforming) to react fluid fuels such as methane, ethane, propane, butane, naphtha, heavy oil and so on with steam at high temperature. Nickel-based catalyst for lower hydrocarbon gas naphtha and no catalyst for heavy oil. React under high pressure). In either case, a mixed gas mainly containing hydrogen, carbon monoxide and carbon dioxide is produced. The mixed gas is subjected to various purification steps to remove impurities, and then adjusted to a gas composition suitable for the synthesis reaction.

기존의 수증기개질법은 고온에서 촉매를 이용하는데 보통 니켈촉매가 전통적으로 사용되고 있으며, 대한민국 등록특허 제0246079호 및 대한민국 공개특허 제 1996-0009892호에서와 같이 Pd, Rd 등 귀금속 촉매를 이용하거나 알칼리금속 및 알칼리토금속류 촉매가 사용되기도 한다. In the conventional steam reforming method, nickel catalysts are traditionally used to use a catalyst at a high temperature. As shown in Korean Patent Registration No. 0246079 and Korean Patent Application Publication No. 1996-0009892, a precious metal catalyst such as Pd, Rd, or an alkali metal and Alkaline earth metal catalysts may also be used.

또한, 수증기개질법에서 수증기를 이용하는 대신 이산화탄소를 이용한 메탄의 이산화탄소개질법이 있는데, 메탄의 이산화탄소 개질 반응은 하기와 같은 반응식으로 진행되며 강한 흡열반응이다.In addition, instead of using steam in the steam reforming method, there is a carbon dioxide reforming method of methane using carbon dioxide. The carbon dioxide reforming reaction of methane proceeds with the following reaction formula and is a strong endothermic reaction.

[화학 반응식 1][Chemical Scheme 1]

CH4 + CO2 ↔2CO + 2H2 △H = 247 kJ/mol CH 4 + CO 2 ↔2CO + 2H 2 △ H = 247 kJ / mol

상기 반응은 상압에서는 고온에서 촉매의 존재 하에 일어나는데 수증기개질반응과 유사하게 800 ℃ 정도의 온도에서 니켈계 촉매가 주로 이용된다. The reaction takes place in the presence of a catalyst at a high temperature at atmospheric pressure, and a nickel-based catalyst is mainly used at a temperature of about 800 ° C. similarly to steam reforming.

한편, 안정된 메탄을 분해하기 위한 방법으로 저온 플라즈마를 이용할 수 있다. 플라즈마에 의한 메탄 활성화는 플라즈마의 높은 에너지에 의해서 메틸라디칼을 쉽게 얻을 수 있다는 장점을 가지고 있을 뿐만 아니라, 이를 이용하여 여러 가지 다양한 화학반응을 유도할 수 있다는 점에서 매우 유용하다. On the other hand, low-temperature plasma can be used as a method for decomposing stable methane. Methane activation by plasma not only has the advantage of easily obtaining methyl radicals by the high energy of the plasma, but also is very useful in that it can induce various chemical reactions.

플라즈마는 고온 플라즈마와 저온 플라즈마로 구분할 수 있는데, 주로 이용하는 것이 저온플라즈마이며, 그 중에서도 배리어 방전이다. 배리어 방전은 무성방전식 전기방전이 가장 많이 이용되고 있으며, 이 대표적인 예가 유리나 세라믹의 유전체를 사이에 두고 내 외 양측에 스테인레스 등의 금속 전극을 동심상으로 배치한 동축방식의 발생기이다. 이 방법을 이용하여 합성가스를 제조하는 방법으로 여러 가지가 제시되었으며, 그 대표적인 예로서 미국특허 제6284157호, 제6045761호, 제6326407호, 제6284105호, 제6027617호, 제6136278호, 제6326407호 등이 있다. Plasma can be classified into a high temperature plasma and a low temperature plasma, and mainly used is a low temperature plasma, and among them, barrier discharge. The barrier discharge is the most widely used silent discharge electric discharge, a typical example of this is a coaxial generator in which metal electrodes such as stainless steel are concentrically arranged on both the inside and the outside of a glass or ceramic dielectric. Various methods have been proposed as a method of preparing a synthesis gas using this method, and as representative examples thereof, US Pat. Nos. 6,162,277, 60,607,632,407, 6,628,105, 6,676,278, 6,363,407. Etc.

그러나, 이들 방법은 단순히 전기방전을 이용한 합성가스를 제조하는 것에 관한 것으로, 생성되는 합성가스의 조성에 대해서는 특별한 제어방법이 없다. 이 중 미국특허 제 6284157호 같은 경우에는 도입되는 이산화탄소와 메탄의 비율을 조절하여 생성되는 합성가스의 조성을 제어하는 방법을 제시하였으며 이를 실험식으로 표현하여 다양한 조성의 합성가스를 제조할 수 있다고 하였다. 그러나, 이 방법은 단순히 도입기체의 유량만을 제어한 방법으로서 적용범위에 한계가 있으며 보다 유연한 조절을 위해서는 좀 더 개량된 방법이 필요한 실정이다.However, these methods are merely related to the production of syngas using electric discharge, and there is no particular control method for the composition of the syngas produced. In the case of US Pat. No. 6,284,157, a method of controlling the composition of syngas generated by controlling the ratio of carbon dioxide and methane introduced is presented, and this can be expressed by an empirical formula to produce syngas having various compositions. However, this method is a method of controlling only the flow rate of the introduced gas, which is limited in the scope of application and a more advanced method is required for more flexible adjustment.

생성된 합성가스의 조성이 중요한 이유는 합성가스로부터 다른 화합물을 생성함에 있어서 원하는 생성물에 따라 각각 다른 조성의 합성가스를 이용해야 하기 때문이다. 즉 합성가스로 메탄올을 합성하는 경우는 도입되는 수소와 일산화탄소의 몰비가 2:1이 되어야 한다. The composition of the produced syngas is important because it is necessary to use syngas having different compositions depending on the desired product in producing different compounds from the syngas. In other words, when synthesizing methanol with syngas, the molar ratio of hydrogen and carbon monoxide to be introduced should be 2: 1.

[화학 반응식 2][Chemical Scheme 2]

2H2 + CO ↔CH3OH2H 2 + CO ↔CH 3 OH

다른 예를 들면 대한민국 공개특허공보 제2004-0012837호에서는 합성가스에서 1,3-프로판올을 제조하기 위하여 H2/CO(몰비) = 4의 기체를 사용하였고, 대한민국 공개특허공보 제2000-0076574호에서는 DME(dimethylether)를 합성하는데 H2/CO(몰비) = 2.75를 이용하였다. 또한 대한민국 공개특허공보 제1993-0000475호에서는 대칭형 N,N'-치환방향족우레아를 제조함에 있어서 H2/CO(몰비) = 5 이하를 제시하였으며 대한민국 공개특허공보 제1984-0002259호에서는 고급알코올 제조를 위하여 H2/CO(몰비) = 0.2~10을 규정하고 있다. In another example, Korean Patent Laid-Open Publication No. 2004-0012837 used gas of H 2 / CO (molar ratio) = 4 to prepare 1,3-propanol in syngas, and Korean Patent Laid-Open Publication No. 2000-0076574 Used H 2 / CO (molar ratio) = 2.75 to synthesize dimethylether (DME). In addition, the Republic of Korea Patent Publication No. 199-0000475 suggests that H 2 / CO (molar ratio) = 5 or less in the preparation of the symmetrical N, N'-substituted aromatic urea, and in the Republic of Korea Patent Publication No. 1984-0002259 For this purpose, H 2 / CO (molar ratio) = 0.2 to 10 is specified.

이와 같이, 생성되는 물질의 종류에 따라 조성이 달라지는데 종래 기술의 방법을 이용하는 경우 생성된 합성가스를 수소와 일산화탄소로 분리하여 다시 원하는 조성으로 맞추어야 하는 과정이 추가되어야 한다. 이 과정을 줄이기 위하여서는 생성되는 합성가스를 원하는 조성으로 맞추는 것이 경제적으로 유리하다. As such, the composition varies depending on the type of material to be produced, but in the case of using the conventional method, a process of separating the generated syngas into hydrogen and carbon monoxide and then adjusting the composition to a desired composition should be added. To reduce this process, it is economically advantageous to tailor the resulting syngas to the desired composition.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 배리어 전기 방전을 이용한 합성가스 제조에 있어서 생성되는 합성가스의 조성을 마음대로 조절할 수 있는 장치 및 방법을 제공하고자 한다. 이는 미국특허 제6284157호에서 제시한 방법보다 더 세밀하고 넓은 범위에서 생성되는 합성가스의 조성을 제어하는 것이 특징이다. 이를 위해, 본 발명에서는 배리어 전기 방전을 이용하여 메탄과 함산소화합물, 예를 들면, 이산화탄소로부터 합성가스를 제조함에 있어서 도입하는 기체의 조성뿐만 아니라 도입하는 위치를 제어함으로써, 합성가스의 조성제어가 가능한 합성가스를 제조하는 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide an apparatus and method capable of arbitrarily controlling the composition of syngas produced in syngas production using a barrier electric discharge. This is characterized by controlling the composition of the syngas generated in a finer and wider range than the method proposed in US Pat. To this end, in the present invention, the composition control of the synthesis gas is controlled by controlling not only the composition of the gas to be introduced but also the position to be introduced in the production of the synthesis gas from methane and an oxygen compound such as carbon dioxide using a barrier electric discharge. It is an object of the present invention to provide an apparatus and method for producing possible syngas.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 합성가스의 조성 제어가 가능한 합성가스를 제조하기 위한 장치로, 반응물인 메탄과 함산소화합물을 반응기 내부로 도입하기 위한 각각의 인입관(1 및 2), 상기 인입관(1 및 2)을 통해 반응기 내부로 도입하는 상기 반응물의 유량을 제어하여 그 비율을 조절하기 위한 각각의 유량조절밸브(7a 및 7b), 인입관(2)에 연결되고 반응기 중간에 배치되어 반응물이 도입되는 위치를 조절하기 위한 위치조절밸브(8a 내지 8f), 반응기의 몸체를 이루며 유전체의 역할을 하는 반응관(5), 반응기의 내부전극(3), 반응기의 외부전극(4), 상기 내부전극(3) 및 외부전극(4)에 전류를 공급하여 플라즈마를 발생시키기 위한 전원(6), 전류가 통과하는 전선(10 및 11), 전류의 접지부분(12), 및 반응이 완료되어 제조된 생성물(합성가스)을 외부로 배출시키기 위한 배출구(9)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 합성가스의 조성 제어가 가능한 합성가스 제조 장치를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention is a device for producing a synthesis gas capable of controlling the composition of the synthesis gas, the respective inlet pipe (1 and 2) for introducing the reactant methane and oxygen compounds into the reactor, In order to control the flow rate of the reactant introduced into the reactor through the inlet pipe (1 and 2) and to control the ratio of the respective flow control valves (7a and 7b), connected to the inlet pipe (2) and in the middle of the reactor Positioning valves (8a to 8f) arranged to control the position where the reactants are introduced, the reaction tube (5) forming the body of the reactor and acts as a dielectric, the inner electrode (3) of the reactor, the outer electrode (4) of the reactor ), A power supply 6 for supplying current to the internal electrode 3 and the external electrode 4 to generate a plasma, wires 10 and 11 through which the current passes, a ground portion 12 of the current, and a reaction The finished product (synthetic gas) to the outside It provides an outlet (9), synthesis gas production unit is controlling the composition of the synthesis gas capable of being configured including for Ex.

상기 인입관(2)으로 도입된 반응물은 상기 위치조절밸브(8a 내지 8f)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 이용하여 반응기 내부로 도입할 수 있다.The reactant introduced into the inlet pipe (2) can be introduced into the reactor using any one selected from the group consisting of the position control valve (8a to 8f).

상기 함산소화합물은 이산화탄소, 물, 공기를 포함하는 군으로부터 선택된 어느 하나, 바람직하게는 이산화탄소를 사용할 수 있다.The oxygen compound may be any one selected from the group consisting of carbon dioxide, water and air, preferably carbon dioxide.

상기 전극으로는 전도성 금속을 모두 사용할 수 있으며, 내부전극(3)은 여러 형태로 사용할 수 있는데, 일반적인 금속선, 얇은 금속관 또는 스프링 형태로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.The conductive metal may be used as the electrode, and the internal electrode 3 may be used in various forms, and any one selected from the group consisting of a general metal wire, a thin metal tube, or a spring shape may be used.

상기 외부전극(4)은 얇은 금속판을 두른 것 또는 금속페이스트를 이용하여 코팅한 것을 사용할 수 있다.The external electrode 4 may be coated with a thin metal plate or a metal paste.

상기 반응관(5)은 수정관, 알루미늄관, 지르코니아관 및 뮬라이트관으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.The reaction tube 5 may be any one selected from the group consisting of quartz tube, aluminum tube, zirconia tube and mullite tube.

상기 전원(6)은 교류 또는 펄스 전원을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 고전압 또는 고주파 교류 전원을 사용할 수 있다.The power supply 6 may be an alternating current or pulsed power supply, preferably a high voltage or high frequency AC power supply.

상기 위치조절밸브(8a 내지 8f)는 개폐식 밸브임을 특징으로 한다. The position control valve (8a to 8f) is characterized in that the closing valve.

상기 위치조절밸브(8a 내지 8f)의 개수 및 간격은 필요에 따라 변화시킬 수 있다.The number and spacing of the position control valves 8a to 8f can be changed as necessary.

반응은 반응기의 몸체를 이루며 유전체의 역할을 하는 관(5) 내부의 내부전극(3)과 외부전극(4) 사이의 공간에서 플라즈마가 발생됨으로 인하여 이 구간을 반응물이 통과할 때 일어난다. The reaction occurs when a reactant passes through this section due to the generation of plasma in the space between the inner electrode 3 and the outer electrode 4 inside the tube 5, which forms the body of the reactor and serves as a dielectric.

또한, 본 발명은 합성가스의 조성 제어가 가능한 합성가스를 제조하기 위한 방법으로, 반응물인 메탄과 함산소화합물을 각각 인입관(1 및 2)을 통해 반응기 내부로 도입하면서 유량조절밸브(7a 및 7b)를 이용하여 유량을 제어하여 그 비율을 조절하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계에서 인입관(2)으로 도입되는 반응물을 위치조절밸브(8a 내지 8f)에 의하여 선택된 위치에서 반응기 내부로 도입하는 제 2 단계; 상기 제 1 단계 및 제 2 단계를 수행함과 동시에, 반응기의 내부전극(3)과 반응기의 외부전극(4)에 고전압의 전원(6)을 인가하여 반응관(5) 내부에 플라즈마를 생성시켜 합성가스를 제조하는 제 3 단계; 및 상기 제 3 단계에서 수득된 합성가스를 반응기의 배출구(9)를 통해 외부로 배출하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 합성가스의 조성 제어가 가능한 합성가스 제조 방법을 제공한다.In addition, the present invention is a method for producing a synthesis gas controllable composition of the synthesis gas, the flow control valve 7a and the introduction of the reactant methane and oxygen compounds into the reactor through the inlet pipe (1 and 2), respectively A first step of controlling the flow rate by controlling the flow rate using 7b); A second step of introducing a reactant introduced into the inlet pipe (2) in the first step into the reactor at a position selected by the position control valves (8a to 8f); Simultaneously with the first and second steps, a high voltage power supply 6 is applied to the inner electrode 3 of the reactor and the outer electrode 4 of the reactor to generate a plasma inside the reaction tube 5 to synthesize the same. A third step of producing a gas; And a fourth step of discharging the syngas obtained in the third step to the outside through the outlet port 9 of the reactor.

상기 함산소화합물은 이산화탄소, 물, 공기를 포함하는 군으로부터 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다.The oxygen compound may be used any one selected from the group containing carbon dioxide, water, air.

상기 전극으로는 전도성 금속을 모두 사용할 수 있으며, 내부전극(3)은 여러 형태로 사용할 수 있는데, 일반적인 금속선, 얇은 금속관 또는 스프링 형태로 이루어진 군 중에서 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다. The conductive metal may be used as the electrode, and the internal electrode 3 may be used in various forms, and any one selected from the group consisting of a general metal wire, a thin metal tube, or a spring shape may be used.

상기 외부전극(4)은 얇은 금속판을 두른 것 또는 금속페이스트를 이용하여 코팅한 것을 사용할 수 있다. The external electrode 4 may be coated with a thin metal plate or a metal paste.

상기 반응관(5)은 수정관, 알루미늄관, 지르코니아관 및 뮬라이트관으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 사용할 수 있다. The reaction tube 5 may be any one selected from the group consisting of quartz tube, aluminum tube, zirconia tube and mullite tube.

상기 전원(6)은 교류 또는 펄스 전원을 사용할 수 있으며, 바람직하게는 고전압 또는 고주파 교류 전원을 사용할 수 있다.The power supply 6 may be an alternating current or pulsed power supply, preferably a high voltage or high frequency AC power supply.

상기 위치조절밸브(8a 내지 8f)는 개폐식 밸브임을 특징으로 한다. The position control valve (8a to 8f) is characterized in that the closing valve.

상기 위치조절밸브(8a 내지 8f)의 개수 및 간격은 필요에 따라 변화시킬 수 있는 것임을 특징으로 한다.The number and spacing of the position control valve (8a to 8f) is characterized in that it can be changed as necessary.

본 발명의 상기 장치 및 방법에서, 반응기는 인입관의 개수에 따라서 다양한 조합이 가능하며 이 조합을 통해 반응생성물인 합성가스의 조성을 제어할 수 있다. 예를 들면 반응기 중간에 세 개의 인입관이 있는 경우, 도 2에 나타낸 바와 같이 모두 일곱 가지의 도입 경로가 생기게 되며 각각의 경우에 대해 반응물인 메탄과 이산화탄소의 조성을 바꾸어줄 수 있다. 또한, 인입관의 수를 늘린다면 더 많은 경 우의 수가 생기게 된다. In the above apparatus and method of the present invention, the reactor may be variously combined according to the number of the inlet pipes, and the combination may control the composition of the synthesis gas as a reaction product. For example, if there are three inlet tubes in the middle of the reactor, as shown in FIG. 2, there are seven introduction paths, and in each case, the composition of reactants methane and carbon dioxide can be changed. In addition, increasing the number of incoming pipes will result in more cases.

하기에서 실시예를 통하여 본 발명을 더 구체적으로 설명한다. 그러나, 아래의 실시예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 예시의 목적으로만 제공된 것일 뿐 본 발명의 범주 및 범위가 여기에 한정되지 않음을 밝혀둔다.The present invention will be described in more detail with reference to the following Examples. However, the following examples are provided only for the purpose of illustration in order to facilitate the understanding of the present invention, and the scope and scope of the present invention is not limited thereto.

<비교예 1>Comparative Example 1

본 발명에서 제시하는 방법을 이용한 경우와 종래 기술의 방법을 이용한 경우를 비교하기 위하여, 본 비교예 1에서는 반응기 입구에서 메탄과 이산화탄소의 농도를 조절하여 하기 실시예와 동일한 방법으로 실험을 수행하였으며, 그 결과를 도 3에 나타내었다. 도 4에서 x축은 H2/CO의 비이고 y축은 혼합기체 중의 이산화탄소의 농도이다. In order to compare the case of using the method of the present invention and the case of the prior art, in Comparative Example 1, the experiment was performed in the same manner as in the following example by adjusting the concentration of methane and carbon dioxide at the inlet of the reactor, The results are shown in FIG. In FIG. 4, the x axis is the ratio of H 2 / CO and the y axis is the concentration of carbon dioxide in the mixed gas.

도 3에 나타낸 바와 같이, 반응물인 메탄과 이산화탄소의 조성을 변화시키면서 실험한 경우는 이산화탄소의 농도가 20부피%일 경우 H2/CO의 몰비가 2.5, 이산화탄소의 농도가 80부피%인 경우 H2/CO의 몰비가 0.53의 값을 나타내었다. 이는 미국특허에 나타난 것과 같이 2.5이상의 값을 원하는 경우 조절이 쉽지 않음을 알 수 있다. If, as shown in Figure 3, in a concentration in the case of the experiment, while the composition of the reaction of methane and carbon dioxide changes when the concentration of carbon dioxide at 20% by volume of a molar ratio of H 2 / CO 2.5, CO 80 vol% H 2 / The molar ratio of CO showed a value of 0.53. This can be seen that the adjustment is not easy if you want a value of 2.5 or more as shown in the US patent.

실시예Example

도 1의 합성가스의 조성 제어가 가능한 합성가스 제조 장치를 이용하여 본 실시예 1 내지 24를 수행하였다.  Embodiments 1 to 24 were performed using a syngas production apparatus capable of controlling composition of the syngas of FIG. 1.

이 때, 반응기는 외경이 8 mm이고 두께가 1 mm인 석영관(5) 외부에 일정 길 이로 은도금을 하여 외부전극(4)으로 이용하였고, 내부전극(3)으로는 직경 5 mm인 스프링을 사용하였다. 반응영역의 길이는 20 cm이고, 반응영역 중간에 밸브를 달아 기체가 도입되는 부분을 바꾸어가면서 반응실험을 수행하기 위하여, 반응기에 3개의 위치조절밸브를 만들었는데, 반응영역의 길이를 기준으로 1/2, 1/4, 3/4 위치에 각각의 위치조절밸브를 설치하였다. 이로써, 반응실험이 가능한 경우의 수는 도 2에서와 같이 총 7가지의 경우로, 각각의 경우 도입기체의 유량비를 바꾸어가면서 반응실험을 수행하였다. 전원(6)은 교류 전원을 사용하였는데 주파수는 20 kHz, 전압 0~10 kV 내에서 조절이 가능하였다. 본 실험에서는 전압을 3 kV, 주파수를 20 kHz로 일정하게 고정하여 실험하였으며, 이때 입력 전력(Input power)은 약 80 W였다. 입력 전력은 전력 측정기(power meter) (Metax M3860M)를 이용하여 측정하였고, 각 반응기에서의 스프링의 간격 및 외부지름에 따른 축전용량은 RCL 측정기(Fluke, PM6304)로 측정하였으며, 합성가스의 분석은 GC(TCD, 영인680D, Porapak Q,R(1:1) + Molecular sieve 5A)를 사용하였다. 도입기체(㎖/분) 유량비는 CH4/CO2 비로 0.5, 1, 2의 유량비로 실험하였다. 유량비 3가지와 도입(feed) 유형 7가지를 변화시켜 총 21가지의 경우의 수를 확인하였다.At this time, the reactor was used as the external electrode 4 by silver plating the outside of the quartz tube 5 having an outer diameter of 8 mm and a thickness of 1 mm with a predetermined length. A spring having a diameter of 5 mm was used as the internal electrode 3. Used. The length of the reaction zone was 20 cm, and three position control valves were made in the reactor in order to perform the reaction experiment while changing the part where gas was introduced by attaching a valve in the middle of the reaction zone. The respective position control valves were installed at positions 2, 1/4 and 3/4. As a result, the number of cases where the reaction experiment is possible is a total of seven cases as shown in Figure 2, in each case the reaction experiment was performed while changing the flow rate ratio of the introduced gas. The power source 6 used an AC power source, and the frequency was 20 kHz and the voltage could be adjusted within 0-10 kV. In this experiment, the voltage was fixed at 3 kV and the frequency was fixed at 20 kHz. The input power was about 80 W. Input power was measured using a power meter (Metax M3860M), and the capacitance according to the spring spacing and external diameter in each reactor was measured by an RCL meter (Fluke, PM6304). GC (TCD, Youngin 680D, Porapak Q, R (1: 1) + Molecular sieve 5A) was used. The gas flow rate (ml / min) was tested at a flow rate of 0.5, 1, or 2 with a CH 4 / CO 2 ratio. A total of 21 cases were identified by varying three flow ratios and seven feed types.

<실시예 1 내지 7><Examples 1 to 7>

본 실시예 1(1a 및 1b) 내지 실시예 7은 도입되는 CH4/CO2 비가 0.5일때 가능한 7가지의 유형으로서, 실시예 1a와 실시예 2 내지 4는 메탄이 인입관(1)으로 도 입되고, 이산화탄소가 인입관(2)으로 도입되어 위치조절밸브에 의하여 선택된 위치에서 주입되는 경우이고, 실시예 1b와 실시예 5 내지 7은 이산화탄소가 인입관(1)으로 도입되고, 메탄이 인입관(2)으로 도입되어 위치조절밸브에 의하여 선택된 위치에서 주입되는 경우이다. 여기서, 실시예 1a 및 1b는 메탄과 이산화탄소가 반응기 도입부에서 함께 반응기로 도입되는 경우로서, 실험결과가 동일하다. Examples 1 (1a and 1b) to Example 7 are seven types that are possible when the CH 4 / CO 2 ratio to be introduced is 0.5. Examples 1a and Examples 2 to 4 show that methane is introduced into the inlet pipe (1). And carbon dioxide is introduced into the inlet pipe 2 and injected at a position selected by the position control valve. In Examples 1b and 5 to 7, carbon dioxide is introduced into the inlet pipe 1, and methane is introduced. In the case of being introduced into the pipe (2) and injected at the position selected by the position control valve. Here, Examples 1a and 1b is a case where methane and carbon dioxide are introduced into the reactor together at the reactor introduction portion, and the experimental results are the same.

실시예 1 내지 7의 결과는 하기 표 1 및 표 2에 정리하였다. 이때, 표 1 및 표 2에서 수소의 선택도는 메탄의 수소수를 기준으로 하였으며, 일산화탄소의 선택도는 메탄과 이산화탄소의 탄소수를 기준으로 하였다.The results of Examples 1 to 7 are summarized in Table 1 and Table 2 below. In this case, the selectivity of hydrogen in Table 1 and Table 2 was based on the hydrogen water of methane, the selectivity of carbon monoxide was based on the carbon number of methane and carbon dioxide.

실시예Example 인입관의 거리 [cm]Distance of inlet pipe [cm] 전화율 [%]Conversion rate [%] 선택도 [%]Selectivity [%] H2/COH 2 / CO 메탄methane 이산화탄소carbon dioxide 수소Hydrogen 일산화탄소carbon monoxide 실시예 1aExample 1a 00 45.145.1 30.030.0 64.464.4 37.137.1 1.741.74 실시예 2Example 2 55 42.342.3 25.625.6 70.270.2 32.732.7 2.142.14 실시예 3Example 3 1010 42.042.0 22.622.6 65.665.6 25.825.8 2.542.54 실시예 4Example 4 1515 38.238.2 13.513.5 64.764.7 13.513.5 4.814.81

실시예Example 인입관의 거리 [cm]Distance of inlet pipe [cm] 전화율 [%]Conversion rate [%] 선택도 [%]Selectivity [%] H2/COH 2 / CO 메탄methane 이산화탄소carbon dioxide 수소Hydrogen 일산화탄소carbon monoxide 실시예 1bExample 1b 00 45.145.1 30.030.0 64.464.4 37.137.1 1.741.74 실시예 5Example 5 55 37.437.4 32.432.4 58.858.8 40.340.3 1.461.46 실시예 6Example 6 1010 31.431.4 36.336.3 46.146.1 39.239.2 1.171.17 실시예 7Example 7 1515 24.324.3 35.035.0 38.638.6 39.839.8 0.970.97

<실시예 8 내지 14><Examples 8 to 14>

본 실시예 8(8a 및 8b) 내지 14는 도입되는 CH4/CO2 비가 1.0일 때 가능한 7가지의 유형으로서, 실시예 8a와 실시예 9 내지 11은 메탄이 인입관(1)으로 도입되고, 이산화탄소가 인입관(2)을 통하여 위치조절밸브에 의하여 선택된 위치에서 도입되는 경우이고, 실시예 8b와 실시예 12 내지 14는 이산화탄소가 인입관(1)으로 도입되고, 메탄이 인입관(2)으로 도입되어 위치조절밸브에 의하여 선택된 위치에서 주입되는 경우이다. 여기서, 실시예 8a 및 8b는 메탄과 이산화탄소가 반응기 도입부에서 함께 반응기로 도입되는 경우로서, 실험결과가 동일하다. Examples 8 (8a and 8b) to 14 are seven types that are possible when the CH 4 / CO 2 ratio to be introduced is 1.0, and Examples 8a and 9 to 11 show that methane is introduced into the inlet tube 1 , When carbon dioxide is introduced at the position selected by the position control valve through the inlet pipe (2), in Examples 8b and Examples 12 to 14 carbon dioxide is introduced into the inlet pipe (1), methane is introduced into the inlet pipe (2) This is the case where it is introduced at) and injected at the position selected by the position control valve. Here, Examples 8a and 8b are the case where methane and carbon dioxide are introduced into the reactor together at the reactor introduction portion, and the experimental results are the same.

실시예 8 내지 14의 결과는 하기 표 3 및 표 4에 정리하였다. 이때, 표 3 및 표 4에서 수소의 선택도는 메탄의 수소수를 기준으로 하였으며, 일산화탄소의 선택도는 메탄과 이산화탄소의 탄소수를 기준으로 하였다.The results of Examples 8 to 14 are summarized in Tables 3 and 4 below. In this case, the selectivity of hydrogen in Table 3 and Table 4 was based on the hydrogen number of methane, the selectivity of carbon monoxide was based on the carbon number of methane and carbon dioxide.

실시예Example 인입관의 거리 [cm]Distance of inlet pipe [cm] 전화율 [%]Conversion rate [%] 선택도 [%]Selectivity [%] H2/COH 2 / CO 메탄methane 이산화탄소carbon dioxide 수소Hydrogen 일산화탄소carbon monoxide 실시예 8aExample 8a 00 43.143.1 30.330.3 62.962.9 57.157.1 1.101.10 실시예 9Example 9 55 42.642.6 18.518.5 75.875.8 56.456.4 1.351.35 실시예 10Example 10 1010 40.240.2 11.811.8 85.485.4 51.651.6 1.651.65 실시예 11Example 11 1515 41.141.1 9.59.5 79.579.5 25.125.1 3.173.17

실시예Example 인입관의 거리 [cm]Distance of inlet pipe [cm] 전화율 [%]Conversion rate [%] 선택도 [%]Selectivity [%] H2/COH 2 / CO 메탄methane 이산화탄소carbon dioxide 수소Hydrogen 일산화탄소carbon monoxide 실시예 8bExample 8b 00 43.143.1 30.330.3 62.962.9 57.157.1 1.101.10 실시예 12Example 12 55 34.034.0 19.819.8 69.169.1 73.873.8 0.940.94 실시예 13Example 13 1010 28.228.2 24.924.9 49.149.1 68.468.4 0.720.72 실시예 14Example 14 1515 16.516.5 24.324.3 38.538.5 71.271.2 0.540.54

<실시예 15 내지 21><Examples 15 to 21>

본 실시예 15(15a 및 15b) 내지 21은 도입되는 CH4/CO2 비가 2.0일 때 가능한 7가지의 유형으로서, 실시예 15a와 실시예 16 내지 18은 메탄이 인입관(1)으로 도입되고, 이산화탄소가 인입관(2)을 통하여 위치조절밸브에 의하여 선택된 위치에서 도입되는 경우이고, 실시예 15b와 실시예 19 내지 21은 이산화탄소가 인입관(1)으로 도입되고, 메탄이 인입관(2)으로 도입되어 위치조절밸브에 의하여 선택된 위치에서 주입되는 경우이다. 여기서, 실시예 15a 및 15b는 메탄과 이산화탄소가 반응기 도입부에서 함께 반응기로 도입되는 경우로서, 실험결과가 동일하다. Examples 15 (15a and 15b) to 21 are seven types that are possible when the CH 4 / CO 2 ratio to be introduced is 2.0. Examples 15a and Examples 16 to 18 show that methane is introduced into the inlet tube 1 , When carbon dioxide is introduced at the position selected by the position control valve through the inlet pipe (2), in Examples 15b and 19 to 21, carbon dioxide is introduced into the inlet pipe (1), methane is introduced into the inlet pipe (2) This is the case where it is introduced at) and injected at the position selected by the position control valve. Here, Examples 15a and 15b are cases in which methane and carbon dioxide are introduced into the reactor together at the reactor introduction portion, and the experimental results are the same.

실시예 15 내지 21의 결과는 하기 표 5 및 표 6에 정리하였다. 이때, 표 5 및 표 6에서 수소의 선택도는 메탄의 수소수를 기준으로 하였으며, 일산화탄소의 선택도는 메탄과 이산화탄소의 탄소수를 기준으로 하였다.The results of Examples 15 to 21 are summarized in Tables 5 and 6 below. In this case, the selectivity of hydrogen in Table 5 and Table 6 was based on the hydrogen water of methane, the selectivity of carbon monoxide was based on the carbon number of methane and carbon dioxide.

실시예Example 인입관의 거리 [cm]Distance of inlet pipe [cm] 전화율 [%]Conversion rate [%] 선택도 [%]Selectivity [%] H2/COH 2 / CO 메탄methane 이산화탄소carbon dioxide 수소Hydrogen 일산화탄소carbon monoxide 실시예 15aExample 15a 00 47.247.2 29.129.1 56.356.3 71.671.6 0.790.79 실시예 16Example 16 55 52.352.3 24.324.3 58.158.1 63.163.1 0.920.92 실시예 17Example 17 1010 53.553.5 19.619.6 61.061.0 54.454.4 1.121.12 실시예 18Example 18 1515 52.552.5 15.415.4 60.860.8 36.136.1 1.681.68

실시예Example 인입관의 거리 [cm]Distance of inlet pipe [cm] 전화율 [%]Conversion rate [%] 선택도 [%]Selectivity [%] H2/COH 2 / CO 메탄methane 이산화탄소carbon dioxide 수소Hydrogen 일산화탄소carbon monoxide 실시예 15bExample 15b 00 47.247.2 29.129.1 56.356.3 71.671.6 0.790.79 실시예 19Example 19 55 38.738.7 22.822.8 54.254.2 83.883.8 0.650.65 실시예 20Example 20 1010 35.535.5 24.524.5 37.637.6 75.375.3 0.500.50 실시예 21Example 21 1515 25.825.8 27.127.1 19.519.5 68.968.9 0.280.28

상기 표 1 내지 표 6에서 알 수 있는 바와 같이, 전체적인 경향을 보면 메탄을 먼저 도입하고 이산화탄소가 나중에 도입되는 경우는 전반적으로 이산화탄소의 도입시기가 늦어질수록 메탄과 이산화탄소의 전화율이 점차 감소하나, 합성가스의 비(H2/CO)는 반대로 점차 증가하는 것을 볼 수 있다(표 1, 3, 5 참조). 반면, 이산화탄소를 먼저 도입하고 메탄이 나중에 도입되는 경우는 메탄의 도입시점이 늦어질수록 메탄의 전화율은 감소하고, 이산화탄소의 전화율은 증가하거나 일정하였다(표 2, 4, 6 참조). 이산화탄소의 유량이 커질수록 이 경우에서 이산화탄소의 전화율 증가가 둔화되며, 도입 유량비가 2.0 까지 올라가면 이산화탄소의 전화율도 함께 감소하였다. 합성가스의 비는 앞의 경우와 반대로 점차 감소하였다. As can be seen from Table 1 to Table 6, when looking at the overall trend, when methane is introduced first and carbon dioxide is introduced later, the conversion rate of methane and carbon dioxide gradually decreases as the introduction of carbon dioxide is delayed, but synthesis It can be seen that the ratio of gas (H 2 / CO) gradually increases on the contrary (see Tables 1, 3 and 5). On the other hand, when carbon dioxide is introduced first and methane is introduced later, the conversion rate of methane decreases and the conversion rate of carbon dioxide increases or is constant as methane is introduced (see Tables 2, 4 and 6). As the flow rate of carbon dioxide increases, the conversion rate of carbon dioxide increases in this case, and as the rate of introduction flow increases to 2.0, the conversion rate of carbon dioxide also decreases. The ratio of syngas decreased gradually as opposed to the previous case.

또한, 모든 실험에서 공통으로 나타나는 현상은 이산화탄소의 분율이 증가할 수록 전체적인 전화율이 증가한다는 점이고, 합성가스의 비가 작아져 CO의 발생량이 많아진다는 점이다. In addition, the phenomenon common to all experiments is that the overall conversion rate increases as the fraction of carbon dioxide increases, and the ratio of syngas decreases, thereby increasing the amount of CO generated.

생성물의 양을 보면, 원하는 생성물인 합성가스의 경우 각 경우에 따라 H2/CO의 비가 약 0.3에서 4.8까지 광범위한 범위에서 생성되었다. 이는 도입 위치와 유량을 잘 조절하여 원하는 조성의 합성가스를 얻을 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 합성가스비 1.7을 얻기 위해서는 도입 유량비 0.5로 두 기체를 동시에 넣어 반응시켜도 되고, 도입 유량비를 1로 하는 경우 이산화탄소를 반응기 중간에 도입시키면 얻을 수 있으며, 도입 유량이 2인 경우는 이산화탄소를 반응기 후반부에서 도입시키면 됨을 알 수 있다. In terms of the amount of product, in the case of syngas, the desired product, the ratio of H 2 / CO was generated in a wide range from about 0.3 to 4.8 in each case. This means that the synthesis gas of the desired composition can be obtained by controlling the introduction position and flow rate well. For example, in order to obtain a synthesis gas ratio of 1.7, two gases may be simultaneously added and reacted at an introduction flow rate of 0.5. When the introduction flow rate is 1, carbon dioxide may be introduced in the middle of the reactor. It can be seen that the introduction in the latter half of the reactor.

또한, 상기 표 1 내지 6의 결과들을 종합하여 도 4에 나타내었다. 도 4에서 x축은 반응영역 시작부에서 인입관이 위치한 곳까지의 거리이며 y축은 생성된 H2/CO의 비이다. In addition, the results of Tables 1 to 6 are collectively shown in FIG. 4. In FIG. 4, the x-axis is the distance from the beginning of the reaction zone to where the inlet pipe is located and the y-axis is the ratio of the generated H 2 / CO.

도 4에 있어서, ●표시는 반응물인 메탄/이산화탄소의 몰비가 0.5일때, 메탄이 인입관(1)으로 도입되고, 이산화탄소가 인입관(2)으로 도입되어 위치조절밸브에 의하여 선택된 위치에서 주입되는 경우의 도입 위치에 따른 H2/CO의 몰비를 나타내고, ■표시는 반응물인 메탄/이산화탄소의 몰비가 1.0일때, 메탄이 인입관(1)으로 도입되고, 이산화탄소가 인입관(2)으로 도입되어 위치조절밸브에 의하여 선택된 위치에서 주입되는 경우의 도입 위치에 따른 H2/CO의 몰비를 나타내고, ▲표시는 반응물인 메탄/이산화탄소의 몰비가 2.0일때, 메탄이 인입관(1)으로 도입되고, 이산화탄소가 인입관(2)으로 도입되어 위치조절밸브에 의하여 선택된 위치에서 주입되는 경우의 도입 위치에 따른 H2/CO의 몰비를 나타낸다. In FIG. 4,? Indicates that when the molar ratio of reactant methane / carbon dioxide is 0.5, methane is introduced into the inlet tube 1, and carbon dioxide is introduced into the inlet tube 2 and injected at a position selected by the position control valve. In this case, the molar ratio of H 2 / CO according to the introduction position is indicated, and the mark indicates that when the molar ratio of reactant methane / carbon dioxide is 1.0, methane is introduced into the inlet tube 1 and carbon dioxide is introduced into the inlet tube 2. The molar ratio of H 2 / CO according to the introduction position in the case of being injected at the position selected by the position control valve, the ▲ mark indicates that when the molar ratio of the reactant methane / carbon dioxide is 2.0, methane is introduced into the inlet pipe (1), The molar ratio of H 2 / CO according to the introduction position when carbon dioxide is introduced into the inlet pipe 2 and injected at the position selected by the position control valve is shown.

또한, 도 4에 있어서, ○표시는 반응물인 메탄/이산화탄소의 몰비가 0.5일때, 이산화탄소가 인입관(1)으로 도입되고, 메탄이 인입관(2)으로 도입되어 위치조절밸브에 의하여 선택된 위치에서 주입되는 경우의 도입 위치에 따른 H2/CO의 몰비를 나타내고, □표시는 반응물인 메탄/이산화탄소의 몰비가 1.0일때, 이산화탄소가 인입관(1)으로 도입되고, 메탄이 인입관(2)으로 도입되어 위치조절밸브에 의하여 선택된 위치에서 주입되는 경우의 도입 위치에 따른 H2/CO의 몰비를 나타내고, △표시는 반응물인 메탄/이산화탄소의 몰비가 2.0일때, 이산화탄소가 인입관(1)으로 도입되고, 메탄이 인입관(2)으로 도입되어 위치조절밸브에 의하여 선택된 위치에서 주입되는 경우의 도입 위치에 따른 H2/CO의 몰비를 각각 나타낸다. In addition, in Fig. 4, the symbol O indicates that when the molar ratio of methane / carbon dioxide which is a reactant is 0.5, carbon dioxide is introduced into the inlet pipe 1, and methane is introduced into the inlet pipe 2 at the position selected by the position control valve. The molar ratio of H 2 / CO according to the introduction position in the case of injection is indicated by □, and when the molar ratio of methane / carbon dioxide as a reactant is 1.0, carbon dioxide is introduced into the inlet tube 1 and methane is introduced into the inlet tube 2. The molar ratio of H 2 / CO according to the introduction position in the case of being introduced and injected at the position selected by the position control valve, and the △ mark, the carbon dioxide is introduced into the inlet pipe (1) when the molar ratio of the reactant methane / carbon dioxide is 2.0 And the molar ratio of H 2 / CO according to the introduction position when methane is introduced into the inlet pipe 2 and injected at the position selected by the position control valve, respectively.

이 때, 도 4의 가장 위의 선부터 각각 하기 수학식 1 내지 6으로 나타낼 수 있다(하기 수학식에서, 공통적으로, x는 반응영역 시작부분부터 인입관까지의 거리로 cm 단위).At this time, it can be represented by the following equations 1 to 6 from the top line of Figure 4 (in the following equation, x, in common, x is the distance from the beginning of the reaction zone to the inlet pipe in cm unit).

H2/CO비 = 1.734 + 0.06e0.26x H 2 / CO ratio = 1.734 + 0.06e 0.26x

H2/CO비 = 1.06 + 0.062e0.24x H 2 / CO ratio = 1.06 + 0.062e 0.24x

H2/CO비 = 0.76 + 0.047e0.2x H 2 / CO ratio = 0.76 + 0.047e 0.2x

H2/CO비 = 1.73 - 0.052x H 2 / CO ratio = 1.73-0.052x

H2/CO비 = 1.1 - 0.038xH 2 / CO ratio = 1.1-0.038x

H2/CO비 = 0.81 - 0.034xH 2 / CO ratio = 0.81-0.034x

본 실험 결과로부터, H2/CO비를 0.28 내지 4.8 범위에서 제어할 수 있다. From the results of this experiment, the H 2 / CO ratio can be controlled in the range of 0.28 to 4.8.

한편, 본 실시예는 반응기 중간의 인입관을 1/4 단위로 3개만 사용한 경우이 고, 반응물의 유량비도 3가지 경우만 이용한 경우의 결과이므로, 인입관의 개수 및 반응물 유량의 변화에 따라 H2/CO 비는 0.3 이하와 4.8 이상의 경우도 충분히 제어 가능함을 알 수 있다. On the other hand, since the present embodiment is the case of using only three inlet tubes in the unit of the reactor in a quarter unit, and the flow rate ratio of the reactants is also used only three cases, according to the change in the number of inlet pipes and the reactant flow rate H 2 It can be seen that the / CO ratio is sufficiently controllable in the case of 0.3 or less and 4.8 or more.

<실시예 22 내지 24><Examples 22 to 24>

본 실시예 22 내지 24는 동일한 조건에서 함산소화합물로 각각 이산화탄소, 공기(산소), 물을 사용하였을 경우의 효과를 알아보기 위한 것으로, 실험방법은 전압을 6 kV를 사용한 것을 제외하고는, 상기 실시예와 동일하였다. Examples 22 to 24 show the effects of using carbon dioxide, air (oxygen), and water as oxygen-containing compounds, respectively, under the same conditions, except that the test method uses a voltage of 6 kV. Same as the example.

실시예 22는 이산화탄소를 사용한 경우로, 도입되는 CH4/CO2의 몰비가 1일 때, 메탄과 이산화탄소가 반응기 도입부에서 함께 반응기로 도입되는 경우이고, 실시예 23은 공기(산소)를 사용한 경우로, 도입되는 CH4/O2의 몰비가 2일 때, 메탄과 공기(산소)가 반응기 도입부에서 함께 반응기로 도입되는 경우이며, 실시예 24는 물을 사용한 경우로, 도입되는 CH4/H2O의 몰비가 0.8일 때, 메탄과 물이 반응기 도입부에서 함께 반응기로 도입되는 경우이다. 한편, 상기 실시예 23에서, 공기로 산소와의 반응 결과를 기재하였는데, 이는 공기 중 실제로 산소가 반응하기 때문이다. Example 22 is a case where carbon dioxide is used, when the molar ratio of CH 4 / CO 2 is 1, when methane and carbon dioxide are introduced into the reactor together at the reactor inlet, Example 23 is when air (oxygen) is used In this case, when the molar ratio of CH 4 / O 2 introduced is 2, methane and air (oxygen) are introduced together into the reactor at the reactor inlet, and Example 24 is the case of using water, and CH 4 / H introduced When the molar ratio of 2 O is 0.8, methane and water are introduced together into the reactor at the reactor inlet. On the other hand, in Example 23, the result of the reaction with oxygen as air was described, because oxygen actually reacts in the air.

실시예 22의 결과는 하기 표 7에 나타내었고, 실시예 23의 결과는 하기 표 8에 나타내었으며, 실시예 24의 결과는 하기 표 9에 나타내었다. 이 때, 표 7 내지 표 9에서 수소의 선택도는 메탄의 수소수를 기준으로 하였으며, 일산화탄소의 선택도는 메탄과 이산화탄소의 탄소수를 기준으로 하였다. The results of Example 22 are shown in Table 7 below, the results of Example 23 are shown in Table 8 below, and the results of Example 24 are shown in Table 9 below. In this case, in Tables 7 to 9, the selectivity of hydrogen was based on the hydrogen number of methane, and the selectivity of carbon monoxide was based on the carbon number of methane and carbon dioxide.

실시예Example 인입관의 거리 [cm]Distance of inlet pipe [cm] 전화율 [%]Conversion rate [%] 선택도 [%]Selectivity [%] H2/COH 2 / CO 메탄methane 이산화탄소carbon dioxide 수소Hydrogen 일산화탄소carbon monoxide 실시예 22Example 22 00 34.434.4 13.013.0 71.371.3 51.551.5 1.381.38

실시예Example 인입관의 거리 [cm]Distance of inlet pipe [cm] 전화율 [%]Conversion rate [%] 선택도 [%]Selectivity [%] H2/COH 2 / CO 메탄methane 산소Oxygen 수소Hydrogen 일산화탄소carbon monoxide 실시예 23Example 23 00 57.257.2 100.0100.0 62.362.3 63.963.9 0.980.98

실시예Example 인입관의 거리 [cm]Distance of inlet pipe [cm] 전화율 [%]Conversion rate [%] 선택도 [%]Selectivity [%] H2/COH 2 / CO 메탄methane water 수소Hydrogen 일산화탄소carbon monoxide 실시예 24Example 24 00 45.345.3 -- 75.675.6 21.021.0 3.63.6 * 물의 전화율은 응축 때문에 정확한 측정이 불가능하였음.* The conversion rate of water was not accurate due to condensation.

상기 표 7 내지 9에서 알 수 있는 바와 같이, 함산소화합물로 각각 이산화탄소, 공기(산소), 물을 사용하였을 경우에 동일한 생성물 즉, 합성가스를 얻을 수 있음을 확인하였다.As can be seen in Tables 7 to 9, it was confirmed that the same product, that is, synthesis gas, can be obtained when carbon dioxide, air (oxygen), and water are used as the oxygen compound.

비록 상기에서 본 발명은 상세히 설명되었지만, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 본 발명자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것은 당연한 것이다.Although the invention has been described in detail above, it will be apparent to the inventors that various modifications and changes are possible within the scope and spirit of the invention, and it is obvious that such modifications and modifications fall within the scope of the appended claims.

본 발명의 합성가스의 조성 제어가 가능한 합성가스 제조 장치 및 이를 이용한 합성가스 제조 방법을 이용하면, 저온 배리어방전 플라즈마를 이용하여 합성가스를 제조함에 있어서 다음 단계에 필요한 조성의 합성가스를 원하는 대로 쉽게 만들 수 있기 때문에, 합성가스를 이용하는 다른 공정에서 합성가스를 사용함에 있어서 수소와 일산화탄소를 따로 구입하여 이용하는 대신 천연가스인 메탄과 이산화탄소로부터 직접 합성할 수 있기 때문에 원료비에 있어 대단히 경제적인 공정을 설계할 수 있을 것이다.
By using the synthesis gas production apparatus and the synthesis gas production method using the composition control of the composition of the synthesis gas of the present invention, the synthesis gas of the composition required for the next step in the production of the synthesis gas using a low temperature barrier discharge plasma easily as desired It is possible to design a very economical process for raw material costs because it can be synthesized directly from natural gas methane and carbon dioxide instead of purchasing hydrogen and carbon monoxide separately in using syngas in another process using syngas. Could be.

Claims (11)

합성가스의 조성 제어가 가능한 합성가스를 제조하기 위한 장치로, 반응물인 메탄과 이산화탄소, 물 및 공기를 포함하는 군으로부터 선택된 어느 하나의 함산소화합물을 반응기 내부로 도입하기 위한 각각의 인입관(1 및 2), 상기 인입관(1 및 2)을 통해 반응기 내부로 도입하는 상기 반응물의 유량을 제어하여 그 비율을 조절하기 위한 각각의 유량조절밸브(7a 및 7b), 인입관(2)에 연결되고 반응기 중간에 배치되어 반응물이 도입되는 위치를 조절하기 위한 위치조절밸브(8a 내지 8f), 반응기의 몸체를 이루며 유전체의 역할을 하는 반응관(5), 반응기의 내부전극(3), 반응기의 외부전극(4), 상기 내부전극(3) 및 외부전극(4)에 전류를 공급하여 플라즈마를 발생시키기 위한 전원(6), 전류가 통과하는 전선(10 및 11), 전류의 접지부분(12), 및 Apparatus for producing a synthesis gas capable of controlling the composition of the synthesis gas, each inlet pipe (1) for introducing any one oxygen compound selected from the group containing reactants methane and carbon dioxide, water and air (1) And 2) each of the flow control valves 7a and 7b for controlling the flow rate of the reactants introduced into the reactor through the inlet pipes 1 and 2 and adjusting the ratio thereof, and connected to the inlet pipe 2. Position control valve (8a to 8f) for controlling the position where the reactants are introduced in the middle of the reactor, the reaction tube (5) forming the body of the reactor and acts as a dielectric, the internal electrode (3) of the reactor, A power supply 6 for generating a plasma by supplying current to the external electrode 4, the internal electrode 3 and the external electrode 4, wires 10 and 11 through which the current passes, and a ground portion 12 of the current. ), And 반응이 완료되어 제조된 생성물(합성가스)을 외부로 배출시키기 위한 배출구(9)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 합성가스의 조성 제어가 가능한 합성가스 제조 장치.Synthetic gas production apparatus capable of controlling the composition of the synthesis gas, characterized in that it comprises a discharge port (9) for discharging the product (synthetic gas) produced by the reaction is completed. 제 1항에 있어서, 상기 인입관(2)으로 도입된 반응물은 상기 위치조절밸브(8a 내지 8f)로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나를 이용하여 반응기 내부로 도입하는 것을 특징으로 하는 합성가스의 조성 제어가 가능한 합성가스 제조 장치.The composition control of the synthesis gas according to claim 1, wherein the reactant introduced into the inlet pipe (2) is introduced into the reactor by using any one selected from the group consisting of the position control valves (8a to 8f). Syngas production apparatus possible. 삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 외부전극(4)은 얇은 금속판을 두른 것 또는 금속페이스트를 이용하여 코팅한 것임을 특징으로 하는 합성가스의 조성 제어가 가능한 합성가스 제조 장치. 2. The syngas production apparatus of claim 1, wherein the external electrode (4) is coated with a thin metal plate or coated with a metal paste. 제 1항에 있어서, 상기 반응관(5)은 수정관, 알루미늄관, 지르코니아관 및 뮬라이트관으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나임을 특징으로 하는 합성가스의 조성 제어가 가능한 합성가스 제조 장치. The syngas production apparatus according to claim 1, wherein the reaction tube (5) is any one selected from the group consisting of quartz tubes, aluminum tubes, zirconia tubes, and mullite tubes. 제 1항에 있어서, 상기 위치조절밸브(8a 내지 8f)는 개폐식 밸브임을 특징으로 하는 합성가스의 조성 제어가 가능한 합성가스 제조 장치. The syngas production apparatus of claim 1, wherein the position control valves (8a to 8f) are open / close valves. 합성가스의 조성 제어가 가능한 합성가스를 제조하기 위한 방법으로, 반응물인 메탄과 이산화탄소, 물 및 공기를 포함하는 군으로부터 선택된 어느 하나의 함산소화합물을 각각 인입관(1 및 2)을 통해 반응기 내부로 도입하면서 유량조절밸브(7a 및 7b)를 이용하여 유량을 제어하여 그 비율을 조절하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계에서 인입관(2)으로 도입되는 반응물을 위치조절밸브(8a 내지 8f)에 의하여 선택된 위치에서 반응기 내부로 도입하는 제 2 단계; 상기 제 1 단계 및 제 2 단계를 수행함과 동시에, 반응기의 내부전극(3)과 반응기의 외부전극(4)에 고전압의 전원(6)을 인가하여 반응관(5) 내부에 플라즈마를 생성시켜 합성가스를 제조하는 제 3 단계; 및 A method for producing a synthesis gas capable of controlling the composition of the synthesis gas, the reactor containing one of the oxygen compounds selected from the group containing reactant methane and carbon dioxide, water and air through the inlet pipe (1 and 2), respectively A first step of controlling the flow rate by controlling the flow rate using the flow rate control valves 7a and 7b while being introduced into; A second step of introducing a reactant introduced into the inlet pipe (2) in the first step into the reactor at a position selected by the position control valves (8a to 8f); Simultaneously with the first and second steps, a high voltage power supply 6 is applied to the inner electrode 3 of the reactor and the outer electrode 4 of the reactor to generate a plasma inside the reaction tube 5 to synthesize the same. A third step of producing a gas; And 상기 제 3 단계에서 수득된 합성가스를 반응기의 배출구(9)를 통해 외부로 배출하는 제 4 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 합성가스의 조성 제어가 가능한 합성가스 제조 방법. And a fourth step of discharging the syngas obtained in the third step to the outside through the outlet (9) of the reactor. 삭제delete 제 7항에 있어서, 상기 외부전극(4)은 얇은 금속판을 두른 것 또는 금속페이스트를 이용하여 코팅한 것임을 특징으로 하는 합성가스의 조성 제어가 가능한 합성가스 제조 방법. 8. A method according to claim 7, wherein the external electrode (4) is coated with a thin metal plate or coated with a metal paste. 제 7항에 있어서, 상기 반응관(5)은 수정관, 알루미늄관, 지르코니아관 및 뮬라이트관으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나임을 특징으로 하는 합성가스의 조성 제어가 가능한 합성가스 제조 방법. 8. The method according to claim 7, wherein the reaction tube (5) is any one selected from the group consisting of quartz tubes, aluminum tubes, zirconia tubes, and mullite tubes. 제 7항에 있어서, 상기 위치조절밸브(8a 내지 8f)는 개폐식 밸브임을 특징으로 하는 상압 배리어 방전 반응을 이용한 다양한 조성의 합성가스 제조 방법. 8. Method according to claim 7, wherein said position control valves (8a to 8f) are open / close valves.
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