KR101166177B1 - 개질기, 이를 구비한 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치 및 그 생산방법 - Google Patents

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Abstract

개질기, 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치 및 그 생산방법이 개시된다. 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치에 있어서, 유기성 폐기물을 열분해 하여 열분해 가스를 생성하는 열분해로; 열분해 가스를 고온으로 분해하여 개질 가스를 생성하는 개질기; 및 개질 가스로부터 수소를 분리하는 수소분리기를 포함하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치는, 난분해성 유기물의 배출이 감소되고, 수소 생산 수율이 향상될 수 있다.

Description

개질기, 이를 구비한 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치 및 그 생산방법{Reformer, Apparatus and Method for Producing Hydrogen Using Organic-Waste}
본 발명은 개질기, 이를 구비한 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치 및 그 생산방법에 관한 것이다.
기존의 가스화 장치들은 재료의 한계성 및 에너지 사용량 증가로 인한 효율 감소 등에 의해 비교적 낮은 온도인 섭씨600~800도에서 가스화 반응을 수행하고 있어, 상당량의 Tar와 Char가 생성되었다.
Tar의 발생 원인은 고체인 바이오 매스와 가스화제 간의 열 및 물질전달이 낮고, 불 균일하기 때문이다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 많은 연구자들은 촉매를 도입한 가스화 공정에 대한 연구를 수행하고 있는 상황이다.
그러나 비교적 높은 효율을 보이고 있는 Ni계 촉매는 Tar에 취약하고 회수, 재사용이 난이하며, 가격이 비교적 고가이기 때문에 추가적인 비용이 필요한 문제가 있으며. 알칼리금속류 촉매의 경우에는 주성분인 Silica와 결합하여 Silicate가 형성하며, 황과 결합하여 Alkali Sulfate를 형성하는 문제가 있다.
이러한 Alkali Silicate와 Alkali Sulfate는 녹는점이 700℃ 이하로서, 반응기 내벽에 부착되어 부식의 원인이 되며, 유동층 반응기의 경우 유동매체와 결합하여 소결과 비유동화의 문제를 일으킨다. 또한, Tar 제거에 대한 기술은 아직 연구단계에 있어, 많은 문제점을 가지고 있는 상황이다.
본 발명은 수소 수율이 향상된 개질기, 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치 및 그 생산방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치에 있어서, 유기성 폐기물을 열분해 하여 열분해 가스를 생성하는 열분해로; 열분해 가스를 고온으로 분해하여 개질 가스를 생성하는 개질기 및 개질 가스로부터 수소를 분리하는 수소분리기를 포함하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치가 제공된다.
여기서, 열분해로는, 개질 가스가 유기성 폐기물을 가열하도록, 개질기와 수소분리기 사이의 개질 가스의 유동 경로 상에 배치될 수 있으며, 열분해로는 개질 가스와 유기성 폐기물 사이의 열 교환이 원활하도록, 내부에 개질 가스가 유동되는 복수의 유동파이프를 포함할 수 있다.
그리고, 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치는, 개질 가스의 열을 이용하여 스팀을 생성하도록 열분해로와 수소분리기 사이에 개재되는 열교환기를 더 포함할 수 있으며, 스팀 또는 순산소는, 수증기 개질 반응(steam reforming reaction)과 수성가스 전환반응(water gas shift reaction), 부분 산화 반응(Partial Oxidation reaction)과 자열 개질 반응(Autothermal reforming reaction)을 이용하여 개질기의 개질(reforming) 효율이 향상되도록, 개질기에 공급되어 열분해 가스와 함께 가열될 수 있다.
그리고, 열분해로는 유기성 폐기물이 수용되는 본체; 유기성 폐기물을 투입받는 호퍼; 및 호퍼로 투입된 유기성 폐기물을 본체의 내부로 압송하는 공급기(feeder)를 포함할 수 있다.
이 때, 호퍼는 열분해 가스의 유출을 방지하는 밀폐커버를 더 포함할 수 있으며, 호퍼는 유기성 폐기물의 투입 상태가 확인 가능하도록 일측에 형성되는 윈도우를 더 포함할 수 있다.
그리고, 열분해로는 열분해 가스의 역류를 방지하도록 호퍼와 본체 사이에 개재되는 역류방지밸브를 더 포함할 수 있으며, 공급기는 유기성 폐기물을 압송하는 스크류; 및 스크류를 구동하는 구동모터를 포함할 수 있다.
그리고, 열분해로는 유기성 폐기물을 가열하도록 본체를 포위하는 전기히터를 더 포함할 수 있다.
그리고, 개질기는 열분해 가스가 유입되는 유입구; 개질 가스가 배출되는 유출구; 열분해 가스에 열과 산소를 공급하는 버너; 및 열분해 가스가 버너에 의해 직접 가열되는 제1 가열부를 포함할 수 있다.
여기서, 제1 가열부 내에는 열분해 가스의 체류 시간이 증가되도록, 열분해 가스에 유동 저항을 제공하는 복수의 파이프유닛이 충전될 수 있으며, 파이프유닛은 인코넬(inconel)을 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
그리고, 개질기는, 열분해 가스가 버너에 의해 간접 가열되도록, 유입구와 제1 가열부에 개재되는 제2 가열부를 더 포함할 수 있으며, 제2 가열부는 제1 가열부의 외측에 배치될 수 있다.
그리고, 개질기는, 열분해 가스가 버너에 의해 간접 가열되도록, 제1 가열부와 유출구 사이에 개재되는 제3 가열부를 더 포함할 수 있으며, 제3 가열부는 제2 가열부의 외측에 배치될 수 있다.
그리고, 개질기는, 버너에 의한 상승 기류에 편승하여 열분해 가스가 제1 가열부로 유입되도록 제1 가열부 및 제2 가열부의 버너와 대향하는 측에 개재되는 도입노즐부를 더 포함할 수 있다.
이 때, 도입노즐부는, 버너 측에서 제1 가열부 측을 향해 형성되는 중심관; 및 중심관과 제2 가열부를 연결하도록, 중심관의 일측에 형성되는 연결관을 포함할 수 있다.
그리고, 버너는 수소분리기를 통해 분리된 수소 또는 화석연료를 이용할 수 있다.
그리고, 개질기는 인코넬을 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
그리고, 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치는, 수소분리기로부터 분리된 수소를 저장하는 수소저장탱크; 및 수소저장탱크에 수소를 압송하는 부스터를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산방법에 있어서, 유기성 폐기물을 열분해 하여 열분해 가스를 생성하는 단계; 열분해 가스를 고온으로 분해하여 개질 가스를 생성하는 단계; 및 개질 가스로부터 수소를 분리하는 단계를 포함하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산방법이 제공된다.
여기서, 열분해 가스를 생성하는 단계는, 개질 가스를 열원으로 하여 유기성 폐기물을 가열할 수 있으며, 열분해 가스를 생성하는 단계는, 전기 히터를 이용하여 유기성 폐기물을 간접 가열하는 단계를 더 포함할 수 있다.
그리고, 개질 가스를 생성하는 단계는 수증기 개질 반응(steam reforming reaction)과 수성가스 전환반응(water gas shift reaction), 부분 산화 반응(Partial Oxidation reaction)과 자열 개질 반응(Autothermal reforming reaction)을 이용하여 개질기의 개질(reforming) 효율이 향상되도록, 열분해 가스와 스팀 또는 순산소를 혼합 가열할 수 있다.
이 때, 스팀은 개질 가스와 열 교환을 통해 생성될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 유기성 폐기물로부터 생성되는 열분해 가스로부터 수소를 포함하는 개질 가스를 생성하는 개질기에 있어서, 열분해 가스가 유입되는 유입구; 개질 가스가 배출되는 유출구; 열분해 가스에 열과 산소를 공급하는 버너; 및 열분해 가스가 버너에 의해 직접 가열되는 제1 가열부를 포함하는 개질기가 제공된다.
여기서, 제1 가열부 내에는 열분해 가스의 체류 시간이 증가되도록, 열분해 가스에 유동 저항을 제공하는 복수의 파이프유닛이 충전될 수 있으며, 파이프유닛은 인코넬(inconel)을 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
그리고, 개질기는, 열분해 가스가 버너에 의해 간접 가열되도록, 유입구와 제1 가열부에 개재되는 제2 가열부를 더 포함할 수 있으며, 제2 가열부는 제1 가열부의 외측에 배치될 수 있다.
그리고, 개질기는, 열분해 가스가 버너에 의해 간접 가열되도록, 제1 가열부와 유출구 사이에 개재되는 제3 가열부를 더 포함할 수 있으며, 제3 가열부는 제2 가열부의 외측에 배치될 수 있다.
그리고, 개질기는, 버너에 의한 상승 기류에 편승하여 열분해 가스가 제1 가열부로 유입되도록 제1 가열부 및 제2 가열부의 버너와 대향하는 측에 개재되는 도입노즐부을 더 포함할 수 있다.
이 때, 도입노즐부는, 버너 측에서 제1 가열부 측을 향해 형성되는 중심관; 및 중심관과 제2 가열부를 연결하도록, 중심관의 일측에 형성되는 연결관을 포함할 수 있다.
그리고, 버너는 수소분리기를 통해 분리된 수소 또는 화석연료를 이용할 수 있다.
그리고, 개질기는 인코넬을 포함하는 재질로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 난분해성 유기물의 배출이 감소되고, 수소 생산 수율이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치의 구성을 나타낸 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치의 열분해로를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치의 개질기의 단면을 나타낸 사시도.
도 4는 도 3의 일부를 나타낸 확대도.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치의 개질기를 나타낸 단면도.
도 6은 도 5의 일부를 나타낸 확대도.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명에 따른 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치의 구성을 나타낸 블럭도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치(이하, 수소 생산장치, 1000)는, 열분해로(100), 개질기(200), 열교환기(300), 수소분리기(400), 부스터(500) 및 저장탱크(600)를 포함함으로써, 유기성 폐기물을 열분해 하여 열분해 가스를 생성하는 단계(S100); 열분해 가스를 고온으로 분해하여 개질 가스를 생성하는 단계(S200); 및 개질 가스로부터 수소를 분리하는 단계(S300)를 포함하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산방법을 수행할 수 있다.
유기성 폐기물은 수소를 포함하는 폐 화합물로서, 예를 들어, 목질계, 농업계, 해양계 등의 바이오 매스(biomass), 플라스틱 폐기물, 폐타이어, 폐유 등과 같은 가연성 쓰레기를 혼합한 RDF(refuse derived fuel), 혼합 플라스틱만을 이용한 RPF(refuse plastic fuel) 등을 포함할 수 있다.
열분해로(100)는 유기성 폐기물을 열분해 하여 열분해 가스를 생성할 수 있다. (S100) 예를 들어, 바이오 매스는, cellulose, hemicelluloses 및 lignin을 포함할 수 있으며, cellulose는 화학식 1과 같은 반응을 거칠 수 있다.
Figure 112010032504379-pat00001
이상과 같이, 유기성 폐기물이 열분해로(100)를 거침으로 인해 생성되는 가스를 열분해 가스로 칭할 수 있으며, 열분해 가스는 CO, CO2, H2, CH4, CnHm 등의 성분을 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치(1000)의 열분해로(100)를 나타낸 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 열분해로(100)는 호퍼(130), 공급기(120) 및 본체(102)를 포함할 수 있다.
호퍼(130)는 유기성 폐기물을 투입 받는 부분일 수 있다. 호퍼(130)의 상측은 밀폐커버(132)에 의해 밀폐될 수 있다. 밀폐커버(132)는 호퍼(130)의 상측에 일측이 힌지 결합되어, 호퍼(130)의 상측의 개구부를 개폐할 수 있다.
이 때, 밀폐커버(132)는 호퍼(130)의 개구부와 기밀을 유지하여, 열분해로(100) 내부의 가스가 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다. 그리고, 밀폐커버(132)는 열분해로(100) 내부로 공기가 유입되는 것을 방지할 수 있다.
호퍼(130)의 일측에는 윈도우(134)가 형성될 수 있다. 윈도우(134)는 호퍼(130) 내부의 유기성 폐기물의 투입 상황을 관찰할 수 있도록, 호퍼(130) 일측이 투명한 재질로 이루어진 부분일 수 있다.
호퍼(130)와 본체 사이에는 역류방지밸브(136)가 개재될 수 있다. 역류방지밸브(136)는 투입되는 유기성 폐기물의 역류를 방지할 수 있으며, 열분해로(100) 내부의 가스의 외부로의 유출 방지와 함께 외부 공기의 유입을 방지할 수 있다. 역류방지밸브(136)는 예를 들어 실린더형 밸브가 적용될 수 있다.
본체(102)의 호퍼(130)의 하측에는 공급기(120)가 결합될 수 있다. 공급기(120)는 호퍼(130)를 통해 유입된 유기성 폐기물을 본체(102)의 내부로 압송시킬 수 있는 부분이다.
공급기(120)는 스크류(124)와 구동모터(122)를 포함할 수 있다. 본체(102)의 내부에는 유기성 폐기물이 유동되는 유동관(112)이 형성될 수 있으며, 스크류(124)는 유동관(112)의 내부에 회전 가능하게 결합될 수 있다. 스크류(124)의 말단에는 구동모터(122)가 결합되어, 스크류(124)를 회전시킬 수 있다. 즉, 스크류(124)의 구동으로 인해, 유기성 폐기물은 본체(102)의 내부까지 압송될 수 있다.
본체(102)는 원통형 챔버의 형태를 가질 수 있으며, 그 내부에 유기성 폐기물을 수용할 수 있다. 본체의 상측에는 개질 가스 유입구(106)와 개질 가스 유출구(104)가 형성될 수 있다.
그리고, 본체(102)의 내부에는 개질 가스가 유동하여, 유기성 폐기물과 열 교환을 할 수 있는 다수의 유동파이프(114)가 형성될 수 있다. (이와 같은 열분해로(100)는 원통다관식 열교환기(shell and tube heat exchanger, 300)의 형태를 가진다고 칭할 수 있다.)
개질 가스 유입구(106)와 개질 가스 유출구(104) 및 유동파이프(114)로 이루어지는 본체(102)의 내부의 개질 가스의 유동경로는, 본체(102) 내부에 형성되는 격벽(103)에 의해 유기성 폐기물 및 열분해 가스와 분리될 수 있다.
이와 같이, 열분해로(100)는 개질 가스의 폐 열을 열원으로 하여 유기성 폐기물을 가열함으로써, 열 효율의 향상을 기대할 수 있다. 이 때, 열분해로(100)는 유기성 폐기물로부터 열분해 가스를 얻기 위해 예를 들어, 섭씨 600도 내지 800도 정도로 유기성 폐기물을 가열할 수 있다.
그리고, 수소 생산장치(1000)의 동작 초기 단계에서 개질 가스를 이용하여 상기 온도에 도달하기 어려운 경우, 본체(102)의 외주면을 감싸는 전기히터(140)와 같은 보조 열원을 이용하여 유기성 폐기물을 가열할 수 있다.
본체(102)의 호퍼(130)의 타측에는 열분해 가스 배출구(108)와 트랩(110)이 형성될 수 있다. 열분해 가스 배출구(108)를 통해 배출된 열분해 가스는 개질기(200)로 유입될 수 있다. 그리고, 열분해 가스 생성 과정에서 발생된 ash, char, oil 및 tar 등은 트랩(110)을 통해 열분해로(100) 외부로 배출될 수 있다.
Oxidation &
Partial oxidation		 C + O2 ↔ CO2
C + 1/2O2 ↔ CO
CH4 + 1/2O2 ↔ CO + 2H2
H2 + 1/2 O2 ↔ H2O
CO + 1/2O2 ↔ CO2
Autothermal reforming reaction 2CH4+O2+2H2O→2CO2+6H2
Steam reforming reaction CH4 + H2O ↔ CO + 3H2
CH4 + 2 H2O ↔ CO2 + 4H2
Water gas shift reaction C + 2 H2O ↔ CO2 + 2H2
C + H2O ↔ CO + H2
CO + H2O ↔ CO2 + H2
표 1에 도시된 바와 같이, 개질기(200)는 (부분)산화반응, 자열 개질 반응, 수증기 개질 반응 및 수성가스 전환반응을 통해 열분해 가스를 고온으로 분해하여 수소를 포함하는 개질 가스를 생성할 수 있다. (S200)
(부분)산화반응은 후술할 버너(250)에 의해 공급되는 열 및 산소가 열분해 가스와 반응하여, 수소와 기타 화합물을 포함하는 개질 가스를 생성하는 과정을 말할 수 있다.
그리고, 자열 개질 반응, 수증기 개질 반응 및 수성가스 전환반응은, 개질기(200) 내부에서 열분해 가스와 함께 스팀(steam)을 혼합 가열하는 과정에서 발생되는 것으로, (부분)산화 반응과 더불어 수소의 수율을 향상시킬 수 있다. 특히, 수증기 개질 반응은 열분해 가스의 개질 과정에서 발생될 수 있는 타르를 환원시킬 수 있다.
그리고, 자열 개질 반응은 개질기(200) 내부에 스팀과 함께 산소를 첨가함으로써, 유도될 수 있다. 자열 개질 반응은 발열 반응과 함께 흡열 반응을 동시에 가지는 반응으로, 수증기 개질 반응 및 수성가스 전환 반응과 같은 흡열 반응을 상쇄시킬 수 있다. 이로써, 자열 개질 반응은 스팀의 첨가로 인해 개질기(200) 내부의 흡열반응의 증가되고, 이로 인해 에너지 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
개질기(200)는 예를 들어 섭씨900도 내지 1300도 범위의 고온에서 상기의 반응들이 일어날 수 있도록 하여, 열분해 가스의 개질 효율을 향상시켜 고농도의 수소를 얻을 수 있으며, NOx, SOx, 다이옥신 등과 같은 환경유해물질의 배출을 줄일 수 있다.
그리고, 개질기(200)는 상기와 같은 고온에서 열분해 가스를 개질함으로써, 별도의 촉매층의 사용을 생략할 수 있어, 경제적이고도 친환경적인 수소 생산을 가능하게 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치(1000)의 개질기(200)의 단면을 나타낸 사시도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 개질기(200)는 본체(202), 열분해 가스 유입구(204), 개질 가스 유출구(206), 스팀 유입구(208), 버너(250), 제1 가열부(222), 제2 가열부(224) 및 제3 가열부(226)를 포함할 수 있다.
본체(202)는 상하로 연장되는 원통형 형상을 가질 수 있으며, 그 내부에 열분해 가스를 수용할 수 있다. 본체(202)는 내열성이 좋은 인코넬(inconel)을 포함하는 재질로 이루어 질 수 있다.
인코넬은 니켈을 주성분으로 하고, 부수적으로 크롬, 철, 티타늄, 알루미늄, 망간 및 규소를 포함하여 이루어 질 수 있으며, 섭씨1300도의 고온에서 견딜 수 있으며, 섭씨900도 이상의 산화기류에 의해서도 산화되지 않을 수 있다.
본체(202)의 상측에는 열분해 가스 유입구(204)가 형성되며, 그 맞은 편에는 스팀 유입구(208)가 형성될 수 있다. 열분해 가스 유입구(204)와 스팀 유입구(208) 사이에는 혼합부(210)가 형성될 수 있다. 열분해 가스 유입구(204)와 스팀 유입구(208)를 통해 유입된 열분해 가스와 스팀은, 혼합부(210)에서 서로 혼합되어 가열부(222, 224, 226)로 유입될 수 있다. 이 때, 스팀 유입구(208)을 통해 자열 개질 반응을 위한 산소도 투입될 수 있다.
도 4는 도 3의 일부를 나타낸 확대도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 혼합부(210)와, 제1 내지 제3 가열부(222, 224, 226) 사이는 격벽(240)에 의해 구획되며, 격벽(240)에는 후술할 제2 가열부(224)와 연결되는 관통홀(242)이 형성될 수 있다. 이 관통홀(242)을 통해 혼합된 열분해 가스와 스팀이 제2 가열부(224)로 유입될 수 있다.
가열부는 제1 가열부(222), 제2 가열부(224), 제3 가열부(226)를 포함할 수 있다. 제1 내지 제3 가열부(222, 224, 226)는 열분해 가스가 개질기(200) 내부에 체류하는 시간을 증가시켜 개질기(200)의 개질 효율을 향상시킬 수 있다.
제1 가열부(222)는 실린더 형상을 가지며, 버너(250)의 상측인 개질기(200)의 중앙에 배치될 수 있다. 제2 가열부(224)는 제1 가열부(222)의 둘레에 배치되는 환형의 실린더 형상을 가질 수 있으며, 그 일단은 혼합부(210)와 연결되며, 그 타단은 제1 가열부(222)와 연결될 수 있다. 제3 가열부(226)는 제2 가열부(224)의 둘레에 배치되는 환형의 실린더 형상을 가질 수 있으며, 그 일단은 제1 가열부(222)와 연결되며, 그 타단은 개질 가스 유출구(206)와 연결될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치(1000)의 개질기(200)를 나타낸 단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 열분해 가스는 제2 가열부(224), 제1 가열부(222) 및 제3 가열부(226)를 순차적으로 경유할 수 있다.
제1 내지 제3 가열부(222, 224, 226) 또한 상술한 인코넬을 포함하는 재질을 포함하여 이루어 질 수 있다.
제1 가열부(222)와 제2 가열부(224) 사이에는 단열재(280)가 개재되어, 제1 가열부(222)의 열이 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다.
제1 가열부(222)의 내부에는 인코넬을 포함하여 이루어지는 재질의 다수의 파이프유닛(270)이 충전될 수 있다. 이 파이프유닛(270)은 제1 가열부(222) 내에서 열분해 가스에 유동저항을 제공하여, 열분해 가스의 체류시간을 증가시킬 수 있다. 결국, 파이프유닛(270)은 열분해 가스가 버너(250)에 의해 제공되는 열 및 산소와 접촉하는 시간을 증가시켜 개질 효율을 증가시킬 수 있다.
제1 가열부(222)와 제2 가열부(224)의 버너(250)와 인접한 측에는 도입노즐부(230)가 개재될 수 있다. 도 6은 도 5의 일부를 나타낸 확대도이다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 도입노즐부(230)는 버너(250) 측에서 제1 가열부(222)를 향해 관통되는 중심관(232)과, 중심관(232)의 일측에서 연장되어 제2 가열부(224)를 향해 관통되는 연결관(234)을 포함할 수 있다.
따라서, 버너(250)에 의해 제공되는 화염은 중심관(232)을 통해 강한 상승기류를 제공하고, 연결관(234)을 통해 유입되는 열분해 가스는 중심관(232)에 이르러 이 상승기류에 편승하여 제1 가열부(222)로 유입될 수 있다.
결국, 도입노즐부(230)는 제2 가열부(224)에서 제1 가열부(222)를 향하는 열분해 가스의 흐름을 형성하여. 개질기(200) 내부에서 열분해 가스의 역류를 방지할 수 있다.
버너(250)는 개질기(200)의 하측에 결합되어, 열분해 가스에 열과 산소를 제공할 수 있다. 버너(250)는 예를 들어, LPG와 같은 화석연료와 함께, 수소 생산장치(1000)에서 발생되는 수소를 동시에 연료로 사용할 수 있다.
따라서, 수소 생산장치(1000)는 버너(250)서 소비되는 연료를 선택적으로 사용함으로써,수소 생산장치(1000)를 가동하는데 필요한 화석 연료의 소비를 최소화할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 개질 가스 유출구를 통해 배출되는 개질 가스는 조절밸브(10)에 의해 열분해로(100)를 선택적으로 경유하여 열교환기(300)로 이동될 수 있다. 개질 가스는 열분해로(100)를 경유하는 동안, 개질 가스가 가지는 열을 유기성 폐기물에 제공하여 수소 생산장치(1000)의 열효율을 향상시킬 수 있다.
다음으로, 개질 가스는 열교환기(300)를 거칠 수 있다. 열교환기(300)는 개질 가스가 가지는 폐 열을 수거하여 스팀을 생성할 수 있다. 이 때, 생산된 스팀은 상술한 바와 같이, 스팀 유입구(208)를 통해 개질기(200)에 공급될 수 있다.
개질기(200)를 통해 배출되는 개질 가스는 수소 이외의 일산화탄소 또는 이산화탄소 등의 가스를 포함할 수 있다. 수소분리기(400)는 개질 가스로부터 수소만을 분리할 수 있다. (S300)
수소분리기(400)를 통해 분리된 수소는 부스터(500)에 의해 저장탱크(600)에 고압으로 압축 저장될 수 있다. 저장탱크(600)에 저장된 수소의 일부는 버너(250)에 제공될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 실시 예 외의 많은 실시 예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
100: 열분해로 200: 개질기
300: 열교환기 400: 수소분리기
500: 부스터 600: 저장탱크
1000: 수소 생산장치

Claims (39)

  1. 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치에 있어서,
    상기 유기성 폐기물을 열분해 하여 열분해 가스를 생성하는 열분해로;
    상기 열분해 가스를 고온으로 분해하여 개질 가스를 생성하는 개질기; 및
    상기 개질 가스로부터 수소를 분리하는 수소분리기를 포함하며,
    상기 열분해로는
    상기 개질 가스와 상기 유기성 폐기물 사이의 열 교환이 원활하도록, 내부에 상기 개질 가스가 유동되는 복수의 유동파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열분해로는,
    상기 개질 가스가 상기 유기성 폐기물을 가열하도록, 상기 개질기와 상기 수소분리기 사이의 상기 개질 가스의 유동 경로 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서,
    상기 개질 가스의 열을 이용하여 스팀을 생성하도록 상기 열분해로와 상기 수소분리기 사이에 개재되는 열교환기를 더 포함하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 스팀은,
    수증기 개질 반응(steam reforming reaction)과 수성가스 전환반응(water gas shift reaction)을 이용하여 상기 개질기의 개질(reforming) 효율이 향상되도록, 상기 개질기에 공급되어 상기 열분해 가스와 함께 가열되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열분해로는
    상기 유기성 폐기물이 수용되는 본체;
    상기 유기성 폐기물을 투입받는 호퍼; 및
    상기 호퍼로 투입된 상기 유기성 폐기물을 상기 본체의 내부로 압송하는 공급기(feeder)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 호퍼는
    상기 열분해 가스의 유출을 방지하는 밀폐커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 호퍼는
    상기 유기성 폐기물의 투입 상태가 확인 가능하도록 일측에 형성되는 윈도우를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 열분해로는
    상기 열분해 가스의 역류를 방지하도록 상기 호퍼와 상기 본체 사이에 개재되는 역류방지밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 공급기는
    상기 유기성 폐기물을 압송하는 스크류; 및
    상기 스크류를 구동하는 구동모터를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 열분해로는
    상기 유기성 폐기물을 가열하도록 상기 본체를 포위하는 전기히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 개질기는
    상기 열분해 가스가 유입되는 유입구;
    상기 개질 가스가 배출되는 유출구;
    상기 열분해 가스에 열과 산소를 공급하는 버너; 및
    상기 열분해 가스가 상기 버너에 의해 직접 가열되는 제1 가열부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 가열부 내에는 상기 열분해 가스의 체류 시간이 증가되도록, 상기 열분해 가스에 유동 저항을 제공하는 복수의 파이프유닛이 충전되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 파이프유닛은 인코넬(inconel)을 포함하는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 개질기는,
    상기 열분해 가스가 상기 버너에 의해 간접 가열되도록, 상기 유입구와 상기 제1 가열부에 개재되는 제2 가열부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2 가열부는 상기 제1 가열부의 외측에 배치되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 개질기는,
    상기 열분해 가스가 상기 버너에 의해 간접 가열되도록, 상기 제1 가열부와 상기 유출구 사이에 개재되는 제3 가열부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 제3 가열부는 상기 제2 가열부의 외측에 배치되는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 개질기는,
    상기 버너에 의한 상승 기류에 편승하여 상기 열분해 가스가 상기 제1 가열부로 유입되도록 상기 제1 가열부 및 상기 제2 가열부의 상기 버너와 대향하는 측에 개재되는 도입노즐부을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 도입노즐부는,
    상기 버너 측에서 상기 제1 가열부 측을 향해 형성되는 중심관; 및
    상기 중심관과 상기 제2 가열부를 연결하도록, 상기 중심관의 일측에 형성되는 연결관을 포함하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 버너는
    상기 수소분리기를 통해 분리된 수소 또는 화석연료를 이용하는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 개질기는 인코넬을 포함하는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치.
  23. 제1항에 있어서,
    상기 수소분리기로부터 분리된 수소를 저장하는 수소저장탱크; 및
    상기 수소저장탱크에 상기 수소를 압송하는 부스터를 더 포함하는 유기성 폐기물을 이용한 수소 생산장치.
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 유기성 폐기물로부터 생성되는 열분해 가스로부터 수소를 포함하는 개질 가스를 생성하는 개질기에 있어서,
    상기 열분해 가스가 유입되는 유입구;
    상기 개질 가스가 배출되는 유출구;
    상기 열분해 가스에 열과 산소를 공급하는 버너; 및
    상기 열분해 가스가 상기 버너에 의해 직접 가열되는 제1 가열부를 포함하며,
    상기 제1 가열부 내에는 상기 열분해 가스의 체류 시간이 증가되도록, 상기 열분해 가스에 유동 저항을 제공하는 복수의 파이프유닛이 충전되는 것을 특징으로 하는 개질기.
  30. 삭제
  31. 제29항에 있어서,
    상기 파이프유닛은 인코넬(inconel)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 개질기.
  32. 제29항에 있어서,
    상기 열분해 가스가 상기 버너에 의해 간접 가열되도록, 상기 유입구와 상기 제1 가열부에 개재되는 제2 가열부를 더 포함하는 개질기.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 제2 가열부는 상기 제1 가열부의 외측에 배치되는 것을 특징으로 하는 개질기.
  34. 제32항에 있어서,
    상기 열분해 가스가 상기 버너에 의해 간접 가열되도록, 상기 제1 가열부와 상기 유출구 사이에 개재되는 제3 가열부를 더 포함하는 개질기.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 제3 가열부는 상기 제2 가열부의 외측에 배치되는 것을 특징으로 하는 개질기.
  36. 제32항에 있어서,
    상기 버너에 의한 상승 기류에 편승하여 상기 열분해 가스가 상기 제1 가열부로 유입되도록 상기 제1 가열부 및 상기 제2 가열부의 상기 버너와 대향하는 측에 개재되는 도입노즐부을 더 포함하는 개질기.
  37. 제36항에 있어서,
    상기 도입노즐부는,
    상기 버너 측에서 상기 제1 가열부 측을 향해 형성되는 중심관; 및
    상기 중심관과 상기 제2 가열부를 연결하도록, 상기 중심관의 일측에 형성되는 연결관을 포함하는 것을 특징으로 개질기.
  38. 제29항에 있어서,
    상기 버너는
    상기 개질 가스로부터 분리된 수소 또는 화석연료를 이용하는 것을 특징으로 하는 개질기.
  39. 제34항에 있어서,
    상기 개질기는 인코넬을 포함하는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 개질기.
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