KR101136234B1 - 폐열을 이용한 바이오가스 개질 시스템 및 바이오가스 개질 방법 - Google Patents

폐열을 이용한 바이오가스 개질 시스템 및 바이오가스 개질 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101136234B1
KR101136234B1 KR1020100106697A KR20100106697A KR101136234B1 KR 101136234 B1 KR101136234 B1 KR 101136234B1 KR 1020100106697 A KR1020100106697 A KR 1020100106697A KR 20100106697 A KR20100106697 A KR 20100106697A KR 101136234 B1 KR101136234 B1 KR 101136234B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
reforming
biogas
catalyst
gas
type
Prior art date
Application number
KR1020100106697A
Other languages
English (en)
Inventor
송순호
김태수
차효석
Original Assignee
연세대학교 산학협력단
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 연세대학교 산학협력단 filed Critical 연세대학교 산학협력단
Priority to PCT/KR2010/007532 priority Critical patent/WO2012057380A1/ko
Priority to KR1020100106697A priority patent/KR101136234B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101136234B1 publication Critical patent/KR101136234B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/10—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture adding acetylene, non-waterborne hydrogen, non-airborne oxygen, or ozone
    • F02M25/12—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture adding acetylene, non-waterborne hydrogen, non-airborne oxygen, or ozone the apparatus having means for generating such gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
    • F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
    • F02M21/0203—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels characterised by the type of gaseous fuel
    • F02M21/0215—Mixtures of gaseous fuels; Natural gas; Biogas; Mine gas; Landfill gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N5/00—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy
    • F01N5/02—Exhaust or silencing apparatus combined or associated with devices profiting by exhaust energy the devices using heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B43/00—Engines characterised by operating on gaseous fuels; Plants including such engines
    • F02B43/10—Engines or plants characterised by use of other specific gases, e.g. acetylene, oxyhydrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G5/00—Profiting from waste heat of combustion engines, not otherwise provided for
    • F02G5/02—Profiting from waste heat of exhaust gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
    • F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
    • F02M21/0218—Details on the gaseous fuel supply system, e.g. tanks, valves, pipes, pumps, rails, injectors or mixers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M21/00—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form
    • F02M21/02—Apparatus for supplying engines with non-liquid fuels, e.g. gaseous fuels stored in liquid form for gaseous fuels
    • F02M21/0218—Details on the gaseous fuel supply system, e.g. tanks, valves, pipes, pumps, rails, injectors or mixers
    • F02M21/0227—Means to treat or clean gaseous fuels or fuel systems, e.g. removal of tar, cracking, reforming or enriching
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M27/00—Apparatus for treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture, by catalysts, electric means, magnetism, rays, sound waves, or the like
    • F02M27/02—Apparatus for treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture, by catalysts, electric means, magnetism, rays, sound waves, or the like by catalysts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M31/00—Apparatus for thermally treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture
    • F02M31/02—Apparatus for thermally treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture for heating
    • F02M31/04—Apparatus for thermally treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture for heating combustion-air or fuel-air mixture
    • F02M31/06—Apparatus for thermally treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture for heating combustion-air or fuel-air mixture by hot gases, e.g. by mixing cold and hot air
    • F02M31/08—Apparatus for thermally treating combustion-air, fuel, or fuel-air mixture for heating combustion-air or fuel-air mixture by hot gases, e.g. by mixing cold and hot air the gases being exhaust gases
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
    • Y—GENERAL 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Abstract

본 발명은 폐열을 이용한 바이오가스 개질 시스템 및 이를 이용한 바이오가스 개질 방법에 관한 것으로서, 자세하게는 i) 바이오가스를 주연료로 하는 가스엔진, ⅱ) 상기 바이오가스 엔진의 배기가스로부터 열을 회수하여 개질용 바이오가스의 온도를 높이는 열교환기(heat exchanger), 및 ⅲ) 상기 열교환기를 통하여 가열된 개질용 바이오가스를 수소가 포함된 합성가스로 촉매 개질한 후, 상기 개질 가스를 바이오가스 엔진으로 유입시키는 리포머(reformer)를 포함하는 폐열을 이용한 바이오가스 개질 시스템 및 개질 방법에 대한 것이다.

Description

폐열을 이용한 바이오가스 개질 시스템 및 바이오가스 개질 방법{Biogas Reforming System Using Waste Heat, And Biogas Reforming Method Using The Same}
본 발명은 폐열을 이용한 바이오가스 개질 시스템 및 이를 이용한 바이오가스 개질 방법에 관한 것으로서, 자세하게는 i) 바이오가스를 주연료로 하는 가스엔진, ⅱ) 상기 바이오가스 엔진의 배기가스로부터 열을 회수하여 개질용 바이오가스의 온도를 높이는 열교환기(heat exchanger), 및 ⅲ) 상기 열교환기를 통하여 가열된 개질용 바이오가스를 수소가 포함된 합성가스로 촉매 개질한 후, 상기 개질 가스를 바이오가스 엔진으로 유입시키는 리포머(reformer)를 포함하는 폐열을 이용한 바이오가스 개질 시스템 및 개질 방법에 대한 것이다.
현재의 전기 생산을 위한 화력이나 원자력, 수력 등의 대규모 발전소는 규모의 경제 측면에서 이점이 있지만, 온실가스를 대량 배출하고 소비자와 멀리 떨어져 있어 송전 손실이 발생하게 되며 송전 및 변전 설비 등이 기피 시설로 인식되는 등 사회적, 환경적인 부정적 요인이 존재한다.
분산 전원은 이러한 문제점들을 해결하기 위하여 에너지 실수요자 근처 혹은 건물 내부에 소형 발전 설비를 설치하여 에너지 손실과 송전 및 배전 설비를 줄이려는 노력에서 출발하였으며, 현재는 통신 기술 발전과 더불어 원격 자동운전 등을 통해 경제성 있는 규모로도 분산 전원 구현이 가능해졌다. 특히, 최근에는 태양광, 마이크로 가스터빈, 가스엔진 등 다양한 신재생 에너지 개발과 그 적용이 분산전원의 대표적인 형태로 간주되고 있다.
태양광 분산 전원의 경우 에너지 실수요자 근처에 설치 가능하나, 단위전력당 생산단가가 상대적으로 높고 효율이 낮으며 인버터로 인한 고주파가 발생한다는 문제점이 있으며, 마이크로 가스터빈을 이용한 분산발전은 규모가 작고 소음이 적으며 친환경적이라는 장점이 있으나, 고속으로 회전하는 터빈 블레이드의 내구성 문제와 가스엔진에 비해 생산전력 당 높은 설치 및 유지비용이 소요되기 때문에 상용화에 한계가 있다.
이에 비하여 가스엔진을 이용한 분산전원은 내구성이 높고 소형화가 용이할 뿐만 아니라, 비용적 측면에서도 이점이 존재하므로 비교적 쉽게 상용화할 수 있다. 또한 가스엔진을 이용한 분산발전은 열효율 개선을 위한 폐열 회수와 일 손실 개선 등이 가능하며, 천연가스와 같은 화석 연료와 더불어 바이오가스와 같은 신재생 에너지를 이용하여 전력을 생산하는데 큰 어려움이 없다는 장점을 지니고 있다.
한편, 바이오가스는 폐자원 활용 측면에서 주목받고 있으며, 이를 활용하는 방안에 대하여 국내 및 국외에서 많은 기술 개발과 연구가 진행되고 있다. 이와 관련된 연구의 일환으로 최근 국내에서는 축산분뇨로부터 생산된 바이오가스를 가스엔진에 적용하여 전력을 생산하는 분산발전 시스템 실증사업이 진행되고 있다.
그러나, 바이오가스를 연료로 이용한 가스엔진 발전기의 경우에는 천연가스와 같은 기존 화석연료를 이용한 경우보다 전체적으로 낮은 열효율과 연소 속도를 보이는데, 이는 하기 표 1에서 볼 수 있듯이, 바이오가스에 포함되어 있는 이산화탄소가 연소를 방해하기 때문이다.
Composition of biogas
Methane (CH4) 55-65%
Carbon dioxide (CO2) 35-45%
Hydrogen sulfide (H2S) 0-1ppm
Nitrogen (N2) 0-3ppm
Hydrogen (H2) 0-1ppm
Oxygen (O2) 0-2ppm
Ammonia (NH3) 0-1ppm
이를 개선하기 위한 연구가 다양하게 진행되고 있으며, 그 중 연소속도가 빠른 수소를 바이오가스에 첨가하여 전체적인 연소 효율을 개선시키는 연구가 활발하게 진행되고 있다.
Ilbas et al.은 2006년에 수소-공기와 수소-메탄-공기 혼합 가스의 층류 화염속도를 측정하여, 수소 농도가 증가할수록 연소 속도와 가연성이 증가한다는 사실을 발표하였으며(Ilbas M, Crayford AP, Yilmaz I, Bowen PJ, Syred N. Laminarburning velocities of hydrogen-ir and hydrogen-methane-air mixture:an experimental study. Int J Hydrogen Energy 2006;31:1768~79), 그 이후로 많은 연구들에서 천연가스와 메탄가스와 같은 가스 연료의 경우, 수소 첨가가 엔진 출력에 큰 영향을 미친다는 사실이 확인되었다.
그러나 현재까지 수소 첨가 연구에 사용되는 수소는 모두 외부에서 공급해주고 있으며, 수소의 제조보다는 수소 첨가 시 바이오가스 연소 특성에 초점을 맞추어 연구를 진행해왔기 때문에 바이오가스에 첨가할 수소 생성 방법에 대한 연구는 미비하였다.
이에, 본 발명은 소형 가스엔진 발전기의 열적 효율(thermal efficiency)을 개선하면서도 첨가용 수소를 별도로 공급할 필요가 없는 On-board 형태의 소형 가스엔진 발전기용 바이오가스 연료 개질 기술을 개발하였다.
본 발명은 배기가스의 폐열을 회수하여 개질 촉매의 활성 온도 유지에 이용하고, 이를 이용하여 수소가 포함된 개질 가스를 제조함으로써 바이오가스에 원활한 수소 첨가를 가능하게 하는 시스템 및 개질 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 바와 같은 목적 달성을 위하여, 본 발명은 i) 바이오가스를 주연료로 하는 가스엔진, ⅱ) 상기 바이오가스 엔진의 배기가스로부터 열을 회수하여 개질용 바이오가스의 온도를 높이는 열교환기(heat exchanger), 및 ⅲ) 상기 열교환기를 통하여 가열된 개질용 바이오가스를 수소가 포함된 합성가스로 촉매 개질한 후, 상기 개질 가스를 바이오가스 엔진으로 유입시키는 리포머(reformer)를 포함하며, 상기 배기가스와 개질용 바이오가스가 혼합되지 않고 열교환할 수 있도록, 상기 열교환기가 비고정식(floating type), 고정식(fixed type), U자형(U-type), 원통코일식(shell and coil type), 평판식(plate type) 또는 이중 파이프식(double pipe type)이고, 바이오가스 엔진에서 필요로 하는 수소 가스의 양과 촉매의 개질 효율에 따라 상기 리포머로 유입되는 개질용 바이오가스의 유량이 결정되고, 상기 결정된 개질용 바이오가스의 유량에 따라 열교환기의 종류 및 크기가 조절되는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 바이오가스 개질 시스템을 제공한다.
한편, 상술한 바와 같은 목적 달성을 위하여, 본 발명은 i) 바이오가스 엔진의 배기가스로부터 배기열을 회수하여 개질용 바이오가스를 가열시키는 단계; ii) 상기 가열된 바이오가스를 개질 촉매를 이용하여 수소가 포함된 합성가스로 개질하는 단계; 및 iii) 상기 개질된 합성가스를 바이오가스 엔진에 유입시키는 단계;를 포함하고, 상기 배기가스를 이용한 개질용 바이오가스의 가열이 비고정식(floating type), 고정식(fixed type), U자형(U-type), 원통코일식(shell and coil type), 평판식(plate type) 또는 이중 파이프식(double pipe type) 열교환기에 의하여 서로 혼합되지 않고 이루어지며, 상기 개질용 바이오가스의 유량이 바이오가스 엔진에서 필요로 하는 수소 가스의 양과 촉매의 개질 효율에 따라 결정되며, 상기 수소 가스의 양과 촉매의 개질 효율에 따라 결정된 개질용 바이오가스의 유량에 따라 열교환기의 종류 및 크기가 조절되는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 바이오가스 개질 방법을 제공한다.
상기 개질 시스템과 개질 방법은 회수된 배기열이 개질 반응을 일으키기에 충분하지 않은 경우, 개질 반응에 필요한 추가적인 에너지를 공급하기 위한 버너(burner)를 이용할 수 있으며, 상기 버너는 바이오가스를 연소시키는 가스 버너, 전기 히터 또는 플라즈마 버너일 수 있다.
삭제
삭제
또한, 상기 개질 촉매는 모노리스(monolith), 펠렛(pellet), 또는 파우더(powder) 타입일 수 있고, 상기 개질 촉매의 체적은 개질 반응을 위해 촉매로 유입되는 바이오가스의 유량에 따라 결정될 수 있다.
상기 리포머의 개질 촉매 반응은 이산화탄소 개질(CO2 reforming) 반응 또는 이산화탄소 개질(CO2 reforming)과 부분산화 개질(partial oxidation reforming)의 혼합 반응인 것이 바람직하며, 상기 개질 촉매는 백금(Pt), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru)과 같은 귀금속이 사용되는 것이 바람직하다.
본 발명의 폐열을 이용한 바이오가스 개질 시스템을 이용함으로써, 소형 가스엔진 발전기의 열적 효율을 개선할 수 있으며, 첨가용 수소를 별도로 공급할 필요가 없는 On-board 형태의 소형 가스엔진 발전기용 바이오가스 연료개질 시스템을 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바이오가스 개질 시스템의 전체 구성도이다.
도 2은 본 발명의 열교환기와 리포머의 일실시예를 보여주는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 바이오가스 개질 시스템에 사용되는 비고정식(floating type) 열교환기의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 바이오가스 개질 시스템에 사용되는 고정식(fixed type) 열교환기의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 바이오가스 개질 시스템에 사용되는 U자형(U-type) 열교환기의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 바이오가스 개질 시스템에 사용되는 원통코일식(shell and coil type) 열교환기의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 바이오가스 개질 시스템에 사용되는 평판식(plate type) 열교환기의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 바이오가스 개질 시스템에 사용되는 이중 파이프식(double pipe type) 열교환기의 단면도이다.
본 발명에 따른 바이오가스 개질 시스템은, 도 1에서 보는 바와 같이 i) 바이오가스를 주연료로 하는 가스엔진, ⅱ) 상기 바이오가스 엔진의 배기가스로부터 열을 회수하여 개질용 바이오가스의 온도를 높이는 열교환기(heat exchanger), 및 ⅲ) 상기 열교환기를 통하여 가열된 개질용 바이오가스를 수소가 포함된 합성가스로 촉매 개질한 후, 상기 개질 가스를 바이오가스 엔진으로 유입시키는 리포머(reformer)로 구성된다.
또한, 상기 시스템을 이용한 바이오가스 개질 방법은 i) 바이오가스 엔진의 배기열을 회수하여 개질용 바이오가스를 가열시키는 단계, ii) 상기 가열된 바이오가스를 촉매를 이용하여 수소가 포함된 합성가스로 개질하는 단계, 및 iii) 상기 생성된 개질 가스를 바이오가스 엔진에 유입시키는 단계로 이루어진다.
바이오가스를 연료로 이용한 가스엔진 발전기의 경우 바이오가스에 포함되어 있는 이산화탄소가 연소를 방해하기 때문에 기존 화석연료보다 전체적으로 낮은 열효율과 연소속도를 보이게 되지만, 빠른 반응 속도를 가지는 수소가스를 바이오가스에 첨가하면 바이오가스 엔진의 전체적인 연소 효율을 향상시킬 수 있다.
바이오가스를 개질하여 수소를 포함하는 합성 가스를 생성하기 위해서는 개질 반응에 적합한 촉매가 필요할 뿐만 아니라, 상기 촉매가 개질용 바이오가스와 반응하여 개질 반응이 일으킬 수 있도록 활성화 온도를 유지시켜 주어야 한다.
대부분의 촉매 활성화 온도는 약 400℃에서 800℃에 이를 만큼 고온이기 때문에 많은 에너지 투입이 요구되지만, 본 발명의 시스템에서는 촉매 활성화 온도 유지를 위한 에너지를 엔진에서 배출되는 배기가스의 폐열로부터 얻기 위해 열교환기를 설치한다.
즉, 가스엔진으로 유입되는 바이오가스는 엔진의 실린더 내부에서 연소반응 후 고온의 배기가스 형태로 배기관을 통해 외부로 배출되게 되는데, 이렇게 배출되는 고온의 배기가스로부터 열을 회수하여 수소 가스를 생성한 후 이를 다시 가스 엔진으로 유입시켜 결과적으로 바이오가스 엔진의 전체적인 열효율을 향상시킬 수 있다.
이때, 상기 열교환기는 다양한 형식이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 상기 배기가스와 개질용 바이오가스가 서로 혼합되지 않고 열교환할 수 있도록, 도 3 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 비고정식(floating type), 고정식(fixed type), U자형(U-type), 원통코일식(shell and coil type), 평판식(plate type) 또는 이중 파이프식(double pipe type)의 열교환기가 사용될 수 있다.
상기 열교환기를 통하여 배기가스로부터 열을 공급받은 바이오가스는 리포머에서 촉매 개질 반응을 통해 수소 가스를 포함한 합성가스로 개질되게 되며, 이때 효과적인 열 회수를 위해 열교환기를 포함한 장치는 엔진으로부터 근접한 지점에 설치하는 것이 바람직하다.
또한, 열교환기 내 바이오가스의 유량에 따라 바이오가스가 열교환기 내에 머무는 시간이 변하기 때문에 열교환기를 거친 후의 바이오가스의 온도는 유량에 따라 변하게 된다.
따라서, 요구되는 수소 개질 가스의 양과 촉매의 개질 효율에 따라 개질 반응에 필요한 바이오가스의 유량이 결정되게 되며, 상기 결정된 바이오가스의 유량에 따라 열교환기의 종류 및 치수 또한 영향을 받게 된다.
한편, 바이오가스로부터 합성가스를 생성하기 위해서는 개질 촉매의 존재가 필수적이며, 상기 개질 촉매를 지지함과 동시에 열교환기와 더불어 배기가스의 폐열을 촉매로 전달해주는 역할을 하는 장치가 리포머이다.
이때 상기 리포머 내부에 채워지는 촉매의 종류는 연료와 개질의 종류에 따라 다양하지만 크게 금속 촉매와 귀금속 촉매로 구분할 수 있으며, 촉매마다 개질 반응이 활성화되는 온도와 개질 효율이 달라지게 된다.
예를 들어, 주로 메탄과 이산화탄소로 구성된 바이오가스를 이산화탄소 개질(CO2 reforming) 반응으로 개질하는 경우, 주로 사용되는 금속 촉매로는 니켈(Ni)등이 있으며, 귀금속 촉매로는 백금(Pt), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru) 등이 사용될 수 있다.
일반적으로 금속 촉매를 이용한 개질 반응에 비해 귀금속 촉매를 이용할 경우, 촉매 활성화 온도가 상대적으로 낮고 탄소 침착(carbon deposition)으로 인한 촉매의 활성 영역 감소 현상이 적게 나타난다.
촉매를 이용한 연료 개질의 유형은 크게 세가지로 분류할 수 있는데, 첫 번째 유형은 고순도 수소를 얻기 위하여 현재 상업적으로 사용되고 있는 수증기 개질(steam reforming) 방법이다.
상기 수증기 개질 방법은 천연가스를 이용한 수증기 개질 반응에서 주로 사용되며, 메탄(CH4), 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 수소(H2), 물(H2O), 탄소(C)와 같은 성분들이 반응 과정에서 존재할 수 있다. 상기 수증기 개질 반응으로부터 일어날 수 있는 반응들은 다음과 같다.
반응식 반응열
(1) CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 ΔH = 49.2 kcal/mol
(2) CO + H2O ↔ CO2 + H2 ΔH = -9.8 kcal/mol
(3) CH4 + 2H2O ↔ CO2 + 4H2 ΔH = 39.4 kcal/mol
(4) CH4 + CO2 ↔ 2CO + 2H2 ΔH = 59.0 kcal/mol
(5) CH4 + 3CO2 ↔ 4CO + 2H2O ΔH = 78.8 kcal/mol
(6) CH4 ↔ C + 2H2 ΔH = 17.9 kcal/mol
(7) 2CO ↔ C +CO2 ΔH = -41.4 kcal/mol
(8) CO + H2 ↔ C + H2O ΔH = -31.3 kcal/mol
(9) CO2 + 2H2 ↔ C + 2H2O ΔH = -21.5 kcal/mol
(10) CH4 + 2CO ↔ 3C + 2H2 ΔH = -44.8 kcal/mol
(11) CH4 + CO2 ↔ 2C + 2H2O ΔH = -3.7 kcal/mol
최근의 연구결과들을 통하여 위 반응들 중 실제로 수증기 개질 반응 조건에서 일어날 수 있는 것은 (1)~(3) 반응임이 보고되었는데, (1)과 (3)은 흡열 반응이고, (2)는 발열반응이다.
수증기 개질 공정은 주로 황 성분이 제거된 천연가스를 개질시킴으로써 고농도의 수소를 일차적으로 생산하게 되는 단위 반응공정으로서 부분산화 및 자열개질 공정에 비하여 메탄 1몰 당 수소생산 수율이 높기 때문에 경제적인 수소생산 방법이라 할 수 있다.
그러나 평형 반응에 의한 반응속도가 느리므로 공정규모가 커야 함과 동시에 부하변동에 대한 정상상태로의 응답특성이 느리며, 강한 흡열 반응으로서 고온 및 저압 조건에서만 정반응의 진행이 유리하다는 단점이 있다.
두 번째 개질 공정은 부분산화 개질(partial oxidation reforming) 방법으로, 완전연소에 필요한 양론 이하의 산소를 제한적으로 연료와 동시에 공급함으로써 합성가스를 얻는 공정이며, 부분산화 반응에 의한 약한 발열반응이 동반된다.
따라서, 부분 산화 개질 공정은 수증기 개질 공정과 달리 외부 열원이 반드시 필요하지 않기 때문에 반응기의 규모가 비교적 작고 초기 시동 및 부하 응답 특성이 우수하다는 장점이 있으나, 타 공정에 비하여 상대적으로 수소 생산 효율이 낮다는 단점이 있다. 일반적인 부분산화 반응식은 다음과 같다.
CH4 + 1/2O2 → CO + 2H2 ΔH = -9 kcal/mol
마지막으로 이산화탄소 개질(CO2 reforming) 공정은 지구 온난화 기체인 이산화탄소를 보다 유용한 화합물로 화학적 전화하고자 하는 노력의 일환으로 활발히 진행되고 있는 방법으로, 기존의 수증기 개질 반응에 비해 고농도 일산화탄소가 함유된 합성가스를 얻을 수 있다. 일반적인 이산화탄소 반응식은 다음과 같다.
CH4 + CO2 → 2CO + 2H2 ΔH = 59 kcal/mol
바이오가스의 경우에는 이산화탄소가 이미 가스 내에 포함되어 있기 때문에 이산화탄소 개질 반응을 유도하는 것이 용이하다. 그러나, 상기 이산화탄소 개질 반응이 강한 흡열 반응이며 사용되는 촉매의 활성화 온도가 비교적 고온이므로 부분 산화 개질 반응과 같은 다른 개질 반응을 선택적으로 함께 진행시킬 수도 있다.
촉매의 형태는 모노리스(monolith), 펠렛(pellet), 파우더(powder) 유형 등다양한 형태의 사용이 가능하다. 또한, 촉매의 크기 및 체적은 개질 반응을 위해 촉매로 유입되는 바이오가스의 유량을 고려하여 결정될 수 있으며, 이때 기체 공간 속도(Gas Hourly Space Velocity, GHSV)의 개념을 사용할 수 있다. 기체 공간 속도의 식은 다음과 같다.
GHSV = Fv/Vr [L/hr] (Vr: 촉매의 체적, Fv: 바이오가스의 체적공급속도)
한편, 엔진에서 배출되는 고온의 배기가스로부터 폐열을 회수하여 바이오가스 개질 반응에 적용할 때, 추가적인 에너지 공급이 필요한 경우 별도의 버너를 설치하여 에너지를 공급할 수 있다. 상기 가스 버너의 위치는 효과적인 열전달을 고려하여 결정하게 되며, 도 1에서와 같이 열교환기와 리포머 전체를 가열할 수 있도록 형성되거나, 도 2에서와 같이 열교환기 내로 들어가는 배기가스 라인에 직접적으로 형성될 수도 있다.
상기 버너는 바이오가스와 산소 및 공기를 혼합하여 연소함으로써 방출된 열로 배기가스, 열교환기, 리포머 등을 가열하는 가스 버너일 수 있으며,
또한, 가스 버너 이외에도 전기 히터 및 플라즈마 버너 등 다양한 형태의 버너가 사용될 수 있다.
상기에서 설명한 구성을 가진 바이오가스 개질 시스템을 이용함으로써, 소형 바이오가스 엔진의 열적 효율을 개선할 수 있으며, 첨가용 수소를 별도로 공급할 필요가 없는 On-board 형태의 소형 바이오가스 연료 개질 시스템을 구현할 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.

Claims (18)

  1. i) 바이오가스를 주연료로 하는 가스엔진, ⅱ) 상기 바이오가스 엔진의 배기가스로부터 열을 회수하여 개질용 바이오가스의 온도를 높이는 열교환기(heat exchanger), 및 ⅲ) 상기 열교환기를 통하여 가열된 개질용 바이오가스를 수소가 포함된 합성가스로 촉매 개질한 후, 상기 개질 가스를 바이오가스 엔진으로 유입시키는 리포머(reformer)를 포함하며,
    상기 배기가스와 개질용 바이오가스가 혼합되지 않고 열교환할 수 있도록, 상기 열교환기가 비고정식(floating type), 고정식(fixed type), U자형(U-type), 원통코일식(shell and coil type), 평판식(plate type) 또는 이중 파이프식(double pipe type)이고,
    바이오가스 엔진에서 필요로 하는 수소 가스의 양과 촉매의 개질 효율에 따라 상기 리포머로 유입되는 개질용 바이오가스의 유량이 결정되고, 상기 결정된 개질용 바이오가스의 유량에 따라 열교환기의 종류 및 크기가 조절되며,
    상기 열교환기를 통하여 회수된 배기열이 개질 반응을 일으키기에 충분하지 않은 경우, 개질 반응에 필요한 추가적인 에너지를 공급하기 위한 버너(burner)를 포함하며, 상기 버너가 바이오가스를 연소시키는 가스 버너, 전기 히터 또는 플라즈마 버너인 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 바이오가스 개질 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 개질 촉매가 모노리스(monolith), 펠렛(pellet), 또는 파우더(powder) 타입이며, 상기 개질 촉매의 체적이 개질 반응을 위해 촉매로 유입되는 바이오가스의 유량에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 바이오가스 개질 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 리포머에서 이루어지는 개질 반응이 이산화탄소 개질(CO2 reforming) 반응 또는 이산화탄소 개질(CO2 reforming)과 부분산화 개질(partial oxidation reforming)의 혼합 반응인 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 바이오가스 개질 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 개질 촉매가 백금(Pt), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru)과 같은 귀금속인 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 바이오가스 개질 통합 시스템.
  10. i) 바이오가스 엔진의 배기가스로부터 배기열을 회수하여 개질용 바이오가스를 가열시키는 단계; ii) 상기 가열된 개질용 바이오가스를 개질 촉매를 이용하여 수소가 포함된 합성가스로 개질하는 단계; 및 iii) 상기 개질된 합성가스를 바이오가스 엔진에 유입시키는 단계;를 포함하고,
    상기 배기가스를 이용한 개질용 바이오가스의 가열이 비고정식(floating type), 고정식(fixed type), U자형(U-type), 원통코일식(shell and coil type), 평판식(plate type) 또는 이중 파이프식(double pipe type) 열교환기에 의하여 서로 혼합되지 않고 이루어지며,
    상기 개질용 바이오가스의 유량이 바이오가스 엔진에서 필요로 하는 수소 가스의 양과 촉매의 개질 효율에 따라 결정되며, 상기 수소 가스의 양과 촉매의 개질 효율에 따라 결정된 개질용 바이오가스의 유량에 따라 열교환기의 종류 및 크기가 조절되며,
    상기 바이오가스 엔진으로부터 회수된 배기열이 개질 반응을 일으키기에 충분하지 않은 경우, 상기 개질용 바이오가스 또는 개질 촉매에 버너(burner)를 통하여 개질 반응에 필요한 추가적인 에너지를 공급하며, 상기 버너가 바이오가스를 연소시키는 가스 버너, 전기 히터 또는 플라즈마 버너인 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 바이오가스 개질 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 제10항에 있어서, 상기 개질 촉매가 모노리스(monolith), 펠렛(pellet), 또는 파우더(powder) 타입이며, 상기 개질 촉매의 체적이 개질 반응을 위해 촉매로 유입되는 바이오가스의 유량에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 바이오가스 개질 방법.
  17. 제10항에 있어서, 상기 촉매를 이용한 바이오가스의 개질 반응이 이산화탄소 개질(CO2 reforming) 반응 또는 이산화탄소 개질(CO2 reforming)과 부분산화 개질(partial oxidation reforming)의 혼합 반응인을 특징으로 하는 폐열을 이용한 바이오가스 개질 방법.
  18. 제10항에 있어서, 상기 개질 촉매가 백금(Pt), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru)과 같은 귀금속인 것을 특징으로 하는 폐열을 이용한 바이오가스 개질 방법.













KR1020100106697A 2010-10-29 2010-10-29 폐열을 이용한 바이오가스 개질 시스템 및 바이오가스 개질 방법 KR101136234B1 (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/KR2010/007532 WO2012057380A1 (ko) 2010-10-29 2010-10-29 폐열을 이용한 바이오가스 개질 시스템 및 바이오가스 개질 방법{biogas reforming system using waste heat, and biogas reforming method using the same}
KR1020100106697A KR101136234B1 (ko) 2010-10-29 2010-10-29 폐열을 이용한 바이오가스 개질 시스템 및 바이오가스 개질 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020100106697A KR101136234B1 (ko) 2010-10-29 2010-10-29 폐열을 이용한 바이오가스 개질 시스템 및 바이오가스 개질 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101136234B1 true KR101136234B1 (ko) 2012-04-17

Family

ID=45994076

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020100106697A KR101136234B1 (ko) 2010-10-29 2010-10-29 폐열을 이용한 바이오가스 개질 시스템 및 바이오가스 개질 방법

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR101136234B1 (ko)
WO (1) WO2012057380A1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101480801B1 (ko) 2013-05-08 2015-01-12 한국화학연구원 이산화탄소 개질반응용 모노리스 촉매, 이의 제조방법 및 이를 이용한 합성가스의 제조방법
KR20220023494A (ko) 2020-08-21 2022-03-02 조선대학교산학협력단 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템
KR20220093960A (ko) * 2020-12-28 2022-07-05 한국에너지기술연구원 암모니아 분해 반응을 이용한 연소 시스템

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005214013A (ja) * 2004-01-27 2005-08-11 Mitsubishi Heavy Ind Ltd メタン含有ガスを供給ガスとした発電システム
JP2009185625A (ja) * 2008-02-04 2009-08-20 Nissan Motor Co Ltd 内燃機関の燃料改質および廃熱回収装置と、燃料改質および廃熱回収方法
KR20100000543A (ko) * 2008-06-25 2010-01-06 한국기계연구원 엔진의 개질가스 공급시스템
JP2010025031A (ja) * 2008-07-22 2010-02-04 Toyota Motor Corp 燃料改質装置

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101030394B1 (ko) * 2008-12-31 2011-04-20 연세대학교 산학협력단 개질기를 이용한 엔진의 유해배출물 저감 장치, 이에사용되는 개질기 및 이를 이용한 엔진의 유해배출물 저감방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005214013A (ja) * 2004-01-27 2005-08-11 Mitsubishi Heavy Ind Ltd メタン含有ガスを供給ガスとした発電システム
JP2009185625A (ja) * 2008-02-04 2009-08-20 Nissan Motor Co Ltd 内燃機関の燃料改質および廃熱回収装置と、燃料改質および廃熱回収方法
KR20100000543A (ko) * 2008-06-25 2010-01-06 한국기계연구원 엔진의 개질가스 공급시스템
JP2010025031A (ja) * 2008-07-22 2010-02-04 Toyota Motor Corp 燃料改質装置

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101480801B1 (ko) 2013-05-08 2015-01-12 한국화학연구원 이산화탄소 개질반응용 모노리스 촉매, 이의 제조방법 및 이를 이용한 합성가스의 제조방법
KR20220023494A (ko) 2020-08-21 2022-03-02 조선대학교산학협력단 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템
KR20220093960A (ko) * 2020-12-28 2022-07-05 한국에너지기술연구원 암모니아 분해 반응을 이용한 연소 시스템
KR102483101B1 (ko) * 2020-12-28 2023-01-02 한국에너지기술연구원 암모니아 분해 반응을 이용한 연소 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
WO2012057380A1 (ko) 2012-05-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5595265B2 (ja) 合成ガスの製造方法
AU2009226379B2 (en) Hydrogen generator, ammonia combustion internal combustion engine, and fuel cell
US7537750B2 (en) Method for producing hydrogen gas by steam methane reforming using solar energy
Tamošiūnas et al. Glycerol steam reforming for hydrogen and synthesis gas production
Cipitì et al. Design of a biogas steam reforming reactor: A modelling and experimental approach
Rathod et al. Experimental investigation on biogas reforming for syngas production over an alumina based nickel catalyst
CN103979492A (zh) 二氧化碳-甲烷自热重整制备合成气的工艺方法
JP2015536894A (ja) 純酸素燃焼と触媒転換工程を連携した融合型二酸化炭素転換システム
Juangsa et al. CO2-free power generation employing integrated ammonia decomposition and hydrogen combustion-based combined cycle
Lin et al. Hydrogen-rich syngas production and carbon dioxide formation using aqueous urea solution in biogas steam reforming by thermodynamic analysis
Chiodo et al. Molten carbonate fuel cell system fed with biofuels for electricity production
US8674532B2 (en) Hybrid concentrated solar combined cycle power plant and solar reformer for use therein
KR101136234B1 (ko) 폐열을 이용한 바이오가스 개질 시스템 및 바이오가스 개질 방법
Chen et al. Methanol partial oxidation accompanied by heat recirculation in a Swiss-roll reactor
Rosha et al. Thermodynamic equilibrium analysis of oxy‐dry reforming of biogas with CO2 sequestration using Aspen HYSYS
JP2007246369A (ja) 水素製造装置、水素製造システム及び水素製造方法
US20070275278A1 (en) Integrated catalytic and turbine system and process for the generation of electricity
Qiu et al. Green energy based thermochemical and photochemical hydrogen production
KR20200048814A (ko) 바이오가스의 열화학적 고질화 시스템
CN100404409C (zh) 二氧化碳-甲烷重整制合成气工艺
Nishimura et al. The impact of operating conditions on the performance of a CH4 dry reforming membrane reactor for H2 production
JP7570830B2 (ja) メタンリッチガスを製造する方法
US20240351875A1 (en) Reforming units for hydrogen production
Giaconia et al. Experimental and theoretical studies of solar steam reforming assisted by molten salts
WO2023028698A1 (en) Reforming units for hydrogen production

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
AMND Amendment
E601 Decision to refuse application
AMND Amendment
X701 Decision to grant (after re-examination)
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160426

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20170403

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180416

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190401

Year of fee payment: 8