KR101318980B1 - 합성 천연 가스 생성 장치 및 방법 - Google Patents

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김형택
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아주대학교산학협력단
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Abstract

본 실시예에 따른 합성 천연 가스 생성 장치는, 탄소 포함 물질을 포함하는 원료 물질이 위치하는 메쉬부가 내부 공간에 형성되는 반응로를 포함하는 반응부; 및 상기 반응로를 감싸도록 위치하며 합성 천연 가스 생성 반응의 반응 온도로 유지하는 전기로를 포함한다. 상기 전기로 내부에 위치하는 상기 반응로 내에서 상기 탄소 포함 물질로부터 합성 천연 가스를 포함하는 혼합 가스가 직접 생성된다.

Description

합성 천연 가스 생성 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR GENERATING SYNTHETIC NATURAL GAS}
본 발명은 합성 천연 가스 생성 장치 및 방법에 관한 것으로, 좀더 상세하게는, 합성 천연 가스를 단일 공간 내에서 단일 공정에 의하여 생성할 수 있는 합성 천연 가스 생성 장치 및 방법에 관한 것이다.
지구 온난화와 같은 환경 문제가 대두되면서 청정 기술을 활용하여 화석 연료, 특히, 석탄으로부터 에너지를 생산하는 기술이 개발되고 있다. 이러한 기술에서는 환경 오염이 심한 석탄의 직접적 연속 방식 대신 열화학적 전환 공정을 통하여 석탄을 수소와 일산화탄소의 합성 가스를 생산하는 가스화 기술이 사용된다.
종래의 메탄 가스 생성 장치에는 고온, 고압 조건에서 석탄 등을 가스화하여 일산화탄소 가스, 수소 가스 등을 생산한 다음, 생산된 일산화탄소 가스와 수소 가스를 메탄화 반응기에서 메탄화 시켜서 메탄 가스를 생성하였다. 이러한 고정은 전체 공정의 운영비가 많이 들며 설치 부지가 커져야 하는 단점이 있다.
예를 들어, 국내 공개특허공보 제2010-0116540호에 개시된 기술은 수성 가스 전환 반응기와 메탄화 반응기를 별도로 구비하여 설비 및 공정이 복잡하다. 또한 낮은 비율로 포함되는 메탄 가스의 농도를 높이기 위하여 메탄화 반응기 이후에 후속 공정을 수행하는 다양한 설비가 포함된다. 이에 따라 설비 및 공정이 복잡해지고, 이에 따라 제조 비용이 상승될 수 있다.
본 실시예는 간단한 설비 및 공정을 이용하여 높은 부피 비율로 합성 천연 가스를 포함하는 혼합 가스를 생성할 수 있는 합성 천연 가스 생성 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
본 실시예에 따른 합성 천연 가스 생성 장치는, 탄소 포함 물질을 포함하는 원료 물질이 위치하는 메쉬부가 내부 공간에 형성되는 반응로를 포함하는 반응부; 및 상기 반응로를 감싸도록 위치하며 합성 천연 가스 생성 반응의 반응 온도로 유지하는 전기로를 포함한다. 상기 전기로 내부에 위치하는 상기 반응로 내에서 상기 탄소 포함 물질로부터 합성 천연 가스를 포함하는 혼합 가스가 직접 생성된다.
본 실시예에 따른 합성 천연 가스 생성 방법은, 탄소 포함 물질을 포함하는 원료 물질이 위치하는 메쉬부가 내부 공간에 형성되는 제1 반응로, 그리고 제2 반응로를 포함하는 반응부; 및 상기 제1 또는 제2 반응로를 감싸도록 위치하며 합성 천연 가스 생성 반응의 반응 온도로 유지하는 전기로를 포함하는 합성 천연 가스 생성 장치를 이용한 합성 천연 가스 생성 방법이다. 이때, 상기 전기로의 내부 온도를 상기 반응 온도까지 상승시킬 때에는 상기 제2 반응로를 상기 전기로 내부에 위치시키고, 상기 전기로의 내부 온도가 상기 반응 온도에 도달한 때에는 상기 제2 반응로를 빼내고 상기 제1 반응로를 상기 전기로 내부에 위치시켜 상기 합성 천연 가스 생성 반응이 일어나도록 한다. 이에 의하여 상기 제1 반응로 내에서 상기 탄소 포함 물질로부터 합성 천연 가스를 포함하는 혼합 가스가 직접 생성된다.
본 실시예에서는 단일 공간 내에서 비교적 낮은 반응 온도에서 탄소 포함 물질로부터 합성 천연 가스를 직접 생성할 수 있다. 특히, 화력 발전 및 가스화의 연료로 부적합한 저급탄을 합성 천연 가스를 포함하는 혼합 가스로 변화시킬 수 있다. 이때, 혼합 가스 내의 합성 천연 가스(일례로, 메탄 가스)의 부피 비율은 높은 수준(일례로, 30% 이상, 좀더 구체적으로 35 내지 38%)일 수 있다.
즉, 본 실시예에 따르면 간단한 공정 및 설비를 이용하여 탄소 포함 물질로부터 높은 부피 비율로 합성 천연 가스를 포함하는 혼합 가스를 직접 생성할 수 있다. 이에 따라 제조 비용을 절감하여 생산성을 향상할 수 있다.
또한, 반응로가 위치되는 전기로 내부의 온도를 반응온도로 상승시킨 후 탄소 포함 물질이 놓여있는 반응로를 전기로에 넣음으로써 탄소 포함 물질의 반응온도를 급격하게 올림으로써 고농도의 메탄을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 합성 천연 가스 생성 장치를 개략적으로 도시한 개략도이다.
도 2는 도 1의 합성 천연 가스 생성 장치의 반응로, 반응로 덮개 및 고정 부재를 도시한 분해 사시도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 합성 천연 가스 생성 방법을 도시한 개략도들이다.
도 4는 실험예 1, 2 및 3에 의해 생성된 혼합 가스에 포함된 수소 가스, 이산화탄소 가스, 일산화탄소 가스, 메탄 가스의 부피 비율을 각각 측정하여 그 결과를 나타낸 그래프이다.
도 5는 실험예 1, 2 및 3에 의해 생성된 혼합 가스에 포함된 메탄 가스의 부피 비율을 시간에 따라 측정한 후 그 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 실험예 3에 의해 생성된 혼합 가스 내에 포함된 수소 가스, 이산화탄소 가스, 일산화탄소 가스, 메탄 가스의 부피 비율을 시간에 따라 측정한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니며 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.
도면에서는 본 발명을 명확하고 간략하게 설명하기 위하여 설명과 관계 없는 부분의 도시를 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 극히 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 참조부호를 사용한다. 그리고 도면에서는 설명을 좀더 명확하게 하기 위하여 두께, 넓이 등을 확대 또는 축소하여 도시하였는바, 본 발명의 두께, 넓이 등은 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.
그리고 명세서 전체에서 어떠한 부분이 다른 부분을 "포함"한다고 할 때, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 부분을 배제하는 것이 아니며 다른 부분을 더 포함할 수 있다. 또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 부분이 위치하는 경우도 포함한다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 위치하지 않는 것을 의미한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 합성 천연 가스 생성 장치 및 방법을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 합성 천연 가스 생성 장치를 개략적으로 도시한 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 합성 천연 가스 생성 장치(100)는, 탄소 함유 물질을 메탄 가스로 변환하는 반응을 위한 원료 가스를 제공하는 원료 가스 공급부(10)와, 내부를 가열하는 전기로(22)를 포함하는 온도 조절부(20)와, 전기로 내부에 위치하여 합성 천연 가스 생성 반응이 일어나는 반응로(42, 44)를 포함하는 반응부(40)를 포함한다. 그리고 전기로(22)에는 전기로(22) 내부에 위치하는 반응로(42 또는 44)(이하, "반응로(42, 44)")를 덮는 반응로 덮개(30)가 일체로 형성되어 반응로(42, 44)를 밀폐한다. 이 외에도 합성 천연 가스 생성 장치(100)는 가스 응축기(50), 가스 가스 필터(52), 가스 분석기(54), 기록계(56), 데이터 저장부(58) 등을 더 포함할 수 있다. 이를 좀더 상세하게 설명한다.
원료 가스 공급부(10)는 반응에 필요한 수증기를 제공하는 수증기 발생기(12)를 포함한다. 그리고 원료 가스 공급부(10)는 수증기 발생기(12)로부터 발생되는 수증기를 반응로(42, 44)로 원활하게 공급하기 위한 이송 가스(일례로, 질소 가스)를 제공하는 이송 가스 공급기(14)를 포함할 수 있다. 이송 가스의 유량은 이송 가스 공급기(14)에 연결된 유량계(16)에 의하여 조절될 수 있다. 제한되지 않으나 400 ~ 600 ml/min 으로 가스 공급기를 조절할 수 있다. 수증기 발생기(12), 이송 가스 공급기(14) 및 유량계(16)로는 알려진 다양한 구조 및 방식의 장치가 적용될 수 있다.
온도 조절부(20)는, 내부를 가열하는 전기로(22)와, 전기로(22)의 내부 온도를 측정하는 온도 측정기(24)와, 전기로(22)에 연결되어 전기로(22) 내부의 온도를 제어하는 온도 제어기(26)를 포함할 수 있다.
전기로(22)는 반응로(42, 44)를 감싸도록 위치하여 반응로(42, 44) 내부가 반응 온도를 유지할 수 있도록 전기로(22) 내부를 가열한다. 전기로(22)는 전기 에너지를 이용하여 가열하는 노(furnace)로서, 가열 방식에 따라 저항로, 아크로, 유도로, 전자빔로 등으로 분류될 수 있다.
온도 측정기(24)는 반응로(42, 44) 내에 위치하여 온도를 측정한다. 이러한 온도 측정기(24)로는 다양한 구조 및 방식이 적용될 수 있다. 일례로 열전대를 온도 측정기(24)로 사용할 수 있다. 이렇게 측정된 온도는 기록계(56)를 통하여 데이터 저장부(58)에 저장될 수 있다.
온도 제어기(26)는 전기로(22)를 켜거나 끄거나, 또는 전기로(22)의 발열량을 높이거나 줄여 반응로(42, 44)가 원하는 반응 온도를 가질 수 있도록 한다. 이러한 온도 제어기(26)로는 다양한 구조 및 방식이 적용될 수 있다. 그리고 일례로, 데이터 저장부(58)에 저장된 온도를 이용하여 온도를 조절할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 방식에 의하여 전기로(22) 내의 온도를 제어할 수 있다.
이와 같이 내부를 가열하기 위하여 전기로(22)를 사용하여 연료를 사용하는 연소로에 비해 배기 가스의 발생이 적고 노내 분위기의 제어가 용이하다. 또한 전기로(22)는 온도 제어기(26)에 의하여 온도가 쉽게 제어될 수 있으며 온도 제어를 자동화할 수 있다. 즉 본 실시예에 따른 온도 조절부(20)는 합성 천연 가스 생성 반응이 일어나는 반응로(42, 44)가 적당한 반응 온도로 유지될 수 있도록 한다.
본 실시예에서는 전기로(22)에 반응로(42, 44)를 덮는 반응로 덮개(30)가 일체로 형성될 수 있다. 이에 의하여 합성 천연 가스 생성 장치(100)의 구조를 단순화할 수 있으며, 전기로(22) 내부에서 반응로(42, 44)를 효과적으로 밀폐할 수 있다. 반응로 덮개(30)의 구체적인 형상은 도 2를 참조하여 추후에 상세하게 설명한다.
본 실시예에서 반응부(40)는 적어도 하나의 반응로(42, 44)를 포함할 수 있는데, 일례로, 제1 반응로(42)와 제2 반응로(44)를 포함할 수 있다. 이는 실제 합성 천연 가스 생성 반응이 일어나는 반응로와 전기로(22)의 내부 온도를 올릴 때 사용하는 반응로를 별도로 구비하기 때문인데, 이에 대해서는 추후에 다시 설명한다. 그리고 제1 반응로(42) 및 제2 반응로(44)의 각각의 하부에는 제1 밸브(42a) 및 제2 밸브(44a)가 위치하여 제1 및 제2 반응로(42, 44)의 개폐를 조절할 수 있다.
이하에서는 도 2를 참조하여 제1 및 제2 반응로(42, 44), 반응로 덮개(30) 및 고정 부재(32)를 좀더 상세하게 설명한다. 도 2는 도 1의 합성 천연 가스 생성 장치(100)의 반응로(42, 44), 반응로 덮개(30) 및 고정 부재(32)를 도시한 분해 사시도이다. 간략한 도시 및 명확한 설명을 위하여 도 2에서는 제1 및 제2 반응로(42, 44) 중 제1 반응로(42)만을 도시하였으며 이하에서는 제1 반응로(42)를 기준으로 설명하였다. 따라서 이하의 제1 반응로(42)에 대한 설명은 제2 반응로(44)에 적용될 수 있다.
도 2를 참조하면, 제1 반응로(42)는 전기로(도 1의 참조부호 22, 이하 동일) 내부에 삽입될 수 있으며 반응이 일어나는 공간을 제공할 수 있는 다양한 형상을 가질 수 있다. 일례로, 제1 반응로(42)는, 메쉬부(421a)를 포함하여 반응 공간을 제공하는 관 형상부(421)와, 관 형상부(421)의 하부에는 관 형상부(421)의 하부에 위치하는 바닥부(423)을 포함할 수 있다.
본 실시예에서 관 형상부(421)의 상부에는 상부를 전체적으로 개방하는 개구부(421b)가 형성되어 개구부(421b)를 통하여 원료 가스가 공급될 수 있도록 한다. 그리고 관 형상부(421)의 내부에는 합성 천연 가스 생성 반응을 위한 원료 물질이 위치하면서 생성된 혼합 가스는 외부로 배출될 수 있도록 하는 메쉬부(421a)가 형성될 수 있다. 메쉬부(421a)의 메쉬는 메쉬부(421a) 위에 올려지는 원료 물질의 입자 크기보다 작아서 원료 물질이 메쉬부(421a) 위에서 안정적으로 위치하도록 하면서 반응에 의하여 생성된 혼합 가스는 통과할 수 있는 크기를 가져야 한다.
이때, 관 형상부(421)가 원형의 내부 단면을 가지는 것에 의하여, 관 형상부(421)의 내부에 위치한 원료 물질이 균일하게 가열될 수 있으며 반응로 덮개(30)와의 고정이 좀더 용이하게 이루어질 수 있다.
바닥부(423)는 제1 반응로(42)의 하부를 막으면서 형성되되, 합성 천연 가스 생성 반응에 의하여 생성된 혼합 가스가 통과할 수 있도록 제1 통로(423a)를 가지면서 형성된다. 그리고 바닥부(423)의 측면으로는 반응로 덮개(30)와의 고정을 위하여 외측으로 돌출되는 플랜지부(423b)가 위치할 수 있다. 이러한 플랜지부(423b)는, 일례로, 환형 형상을 가질 수 있고, 플랜지부(423b)의 상면에는 환형 형상의 실링 패킹(423c)이 위치할 수 있다. 실링 패킹(423c)는 반응 온도에서 변형되거나 손상되지 않는 고온용 실링 물질로 이루어질 수 있다.
반응로 덮개(30)는 제1 반응로(42)를 밀폐할 수 있으며 전기로(22)와 일체로 형성될 수 있는 다양한 형상을 가질 수 있다. 일례로, 반응로 덮개(30)는, 제1 반응로(42)의 관 형상부(421)를 감싸는 형상을 가지는 관 형상부(301)와, 관 형상부(301)의 상부에 위치하는 덮개부(303)을 포함할 수 있다. 그리고 관 형상부(301)의 하부에서 외측으로 돌출되는 플랜지부(305)를 포함할 수 있다.
반응로 덮개(30)의 관 형상부(301)의 하부에는 상부를 전체적으로 개방하는 개구부(301b)가 형성되어 개구부(301b)를 통하여 제1 반응로(42)가 삽입될 수 있도록 한다. 이때, 관 형상부(301)가 원형의 내부 단면을 가지는 것에 의하여, 제1 반응로(42)의 관 형상부(421)가 내부에 밀착 고정될 수 있도록 할 수 있다.
덮개부(303)는 반응로 덮개(30)의 상부를 막으면서 형성되되, 원료 가스가 공급될 수 있도록 제2 통로(303a)를 가지면서 형성된다. 본 실시예에서는 덮개부(303)가 관 형상부(301) 및 전기로(22)의 내부 평면적보다 큰 평면적을 가지도록 형성되어, 도 1에 도시한 바와 같이, 전기로(22)의 위에 덮개부(303)를 고정하는 것에 의하여 전기로(22)와 덮개부(303)를 일체로 고정할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 관 형상부(303)의 하부에는 제1 반응로(42)와의 고정을 위하여 외측으로 돌출되는 플랜지부(305)가 위치할 수 있다. 이러한 플랜지부(305)는, 일례로, 환형 형상을 가질 수 있다.
그리고 본 실시예에서는 제1 반응로(42)와 반응로 덮개(30)를 고정된 상태로 유지할 수 있도록 하는 고정 부재(32)가 구비될 수 있다. 고정 부재(32)는, 제1 반응로(42)의 플랜지부(423b)와 반응로 덮개(30)의 플랜지부(305)를 밀착한 상태에서 이들을 외부에서 클램핑하는 클램프(321)와, 클램프(321)를 이동 불가능하게 고정하는 잠금 부재(323)를 포함할 수 있다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 제1 반응로(42)와 반응로 덮개(30)를 고정하는 다양한 구조 및 방식의 고정 부재(32)가 적용될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 제1 반응로(42) 및 제2 반응로(44) 중 어느 하나는 전기로(22)가 원하는 반응 온도가 될 때까지 온도를 상승할 때 전기로(22)의 내부로 삽입되어 전기로(22)의 온도를 빠르게 상승시키도록 유도하는 역할을 한다. 제1 반응로(42) 및 제2 반응로(44) 중 다른 하나는 내부에 원료 물질을 위치시켜 합성 천연 가스 생성 반응이 일어나도록 하는 역할을 한다.
이러한 제1 및 제2 반응로(42, 44)의 역할을 좀더 구체적으로 설명한다. 이하의 설명에서는 편의를 위하여 원하는 반응 온도까지 전기로(22)를 가열하기 위한 반응로를 제2 반응로(44)로 지칭하고, 합성 천연 가스 생성 반응이 일어나는 공간을 제공하는 반응로를 제1 반응로(42)로 지칭한다.
본 실시예에서는 원료 물질의 온도를 급격하게 상승시켜 종래보다 낮은 반응 온도에서 단일 공간 내에서 모든 합성 천연 가스 생성 반응이 일어날 수 있도록 한다. 이를 위하여 전기로(22)가 원하는 반응 온도까지 도달할 때까지 원료 물질이 위치하지 않은 제2 반응로(44)를 전기로(22)의 내부로 삽입한다. 전기로(22)의 내부에 반응로가 위치하지 않은 상태에서 전기로(22)를 이용하여 내부 온도를 높이면 전기로(22)의 내부가 외부와 개방된 상태이므로 온도를 올리는 데 어려움이 있다. 그리고 전기로(22) 내부에 원료 물질이 위치한 제1 반응로(42)를 위치시킨 상태로 전기로(22)의 온도를 높이면 제1 반응로(42) 내부에 위치한 원료 물질의 온도가 서서히 증가하여 비교적 낮은 반응 온도에서 단일 공간 내에서 합성 천연 가스 생성 반응의 모든 반응이 일어나기 어려울 수 있다.
이를 고려하여 본 실시예에서는 전기로(22)가 원하는 반응 온도에 도달할 때까지는 원료 물질이 위치하지 않은 제2 반응로(44)를 전기로(22)의 내부에 위치시켜 전기로(22) 내부의 온도를 효과적으로 상승시킨다. 전기로(22)의 내부가 원하는 반응 온도까지 가열되면, 전기로(22)의 내부로부터 제2 반응로(44)를 빼내고 메쉬부(421a) 위에 원료 물질이 위치한 제1 반응로(42)를 전기로(22)의 내부로 삽입한 후 반응로 덮개(30)와 밀폐하여 원료 물질의 온도를 반응 온도까지 급격하게 상승시킨다. 일례로, 본 실시예에 따른 원료 물질의 온도를 50 ~ 500 ℃/min 의 속도로 상승시킬 수 있다. 그러면, 종래보다 낮은 반응 온도에서 원료 물질과 반응 가스가 반응하여 합성 천연 가스 생성 반응에 필요한 모든 반응이 함께 이루어질 수 있다. 합성 천연 가스 생성 반응에 의하여 메탄 가스를 포함하는 혼합 가스를 생성하는 경우를 일례로 하여 이를 좀더 상세하게 설명한다.
이 경우 원료 가스로는 수증기와 이를 이송하기 위한 이송 가스인 질소 가스가 사용될 수 있고, 원료 물질로는 탄소 포함 물질과 촉매 등을 사용할 수 있다. 탄소 함유 물질은 석탄, 석유 코크스 등과 같이 탄소를 기본 성분으로 포함하고 있는 물질일 수 있다. 그리고 촉매는 탄소 함유 물질을 메탄 가스로 변화시키는 반응을 촉진하는 다양한 물질일 수 있다. 일례로, 촉매는 리튬, 나트륨, 칼륨, 세슘 등과 같은 알칼리 금속, 또는 마그네슘, 칼슘 등과 같은 알칼리 토금속을 포함할 수 있다. 이때, 촉매는 상술한 단일 금속의 수산화물, 산화물, 탄화물, 금속염일 수 있으며, 두 가지 이상이 혼합물 상태로 포함될 수 있다. 이 외에도 일반적인 가스화 반응용 촉매와 혼용하여 사용될 수도 있다. 촉매는 바람직하기로는 탄소 함유 물질의 중량 대비 5~20 중량% 사용될 수 있다.
이러한 원료 가스와 원료 물질을 사용하면, 아래 반응식 1과 같은 가스화 반응, 아래 반응식 2와 같은 수성 가스 전환 반응, 및 아래 반응식 3과 같은 메탄화 반응에 의하여 아래 반응식 4와 같은 합성 천연 가스 생성 반응이 일어나게 된다.
[반응식 1]
2C + 2H2O → 2H2 + 2CO
[반응식 2]
CO + H2O → H2 + CO2
[반응식 3]
CO + 3H2 → CH4 + H2O
[반응식 4]
2C + 2H2O → CH4 + CO2
본 실시예에서는 원료 물질의 온도를 급격하게 상승시켜 상술한 가스화 반응, 수성 가스 전환 반응 및 메탄화 반응이 제1 반응로(42)의 단일 공간 내에서 함께 일어날 수 있다. 그리고 그 반응 온도도 종래보다 낮게 할 수 있다. 이에 대해서는 추후에 좀더 상세하게 설명한다.
본 실시예에서는 제1 및 제2 반응로(42, 44) 각각에 메쉬부(421a)가 형성되어 상황에 따라 제1 반응로(42)를 반응을 위한 반응로로 사용할 수 있고 제2 반응로(44)를 반응을 위한 반응로로 사용할 수 있다. 그러나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 상술한 바와 같이 본 실시예에서는 제1 반응로(42)에서만 합성 천연 가스 생성 반응이 일어나고 제2 반응로(44)는 전기로(22)의 온도 상승을 돕는 역할을 하므로, 반응이 일어나는 제1 반응로(42)에만 메쉬부(421a)가 형성될 수도 있다.
제1 반응로(42)의 제2 통로(423a)에 가스 응축기(50)가 연결되어 제2 반응로(44)에서 생성되어 배출되는 혼합 가스의 온도를 저하시킨다. 그러면, 타르(tar), 응축수 등이 응축되어 가스 응축기(50)에 형성된 배출구(50a)를 통하여 외부로 배출되어 제거된다. 가스 응축기(50)로는 알려진 다양한 구조 및 방식이 적용될 수 있다.
가스 응축기(50)를 통과한 혼합 가스가 통과하는 가스 필터(52)는 혼합 가스에 포함된 미량의 타르, 먼지(dust) 등을 제거하여 혼합 가스를 정제하는 역할을 한다. 가스 필터(52)로는 알려진 다양한 구조 및 방식이 적용될 수 있다.
가스 필터(52)를 통과한 정제된 혼합 가스가 통과하는 가스 분석기(54)는 정제된 혼합 가스의 조성을 분석한다. 가스 분석기(54)에 의하여 분석된 조성 분석 자료는 기록계(56)를 통하여 데이터 저장부(58)에 저장된다. 가스 분석기(54), 기록계(56) 및 데이터 저장부(58)로는 알려진 다양한 구조 및 방식이 적용될 수 있다.
상술한 합성 천연 가스 생성 장치(100)를 이용한 합성 천연 가스 생성 방법을 좀더 상세하게 설명한다. 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 합성 천연 가스 생성 방법을 도시한 개략도들이다.
먼저, 도 3a에 도시한 바와 같이, 전기로(22)의 내부에 제2 반응로(44)를 위치시킨 상태에서 원하는 반응 온도에 도달할 때까지 전기로(22)를 가열한다. 이때, 반응로 덮개(30)의 플랜지(305)와 제2 반응로(44)의 제2 플랜지(423b) 및 실링 패킹(423c)을 밀착시킨 상태에서 클램프(321) 및 잠금 부재(323)를 이용하여 제2 반응로(44) 및 반응로 덮개(30)를 고정한다.
그러면, 제2 반응로(44)가 전기로(22)의 내부에서 안정적으로 고정되며 밀폐된 상태에서 전기로(22)의 내부가 가열된다. 이에 의하여 전기로(22)의 내부 온도가 좀더 빠르게 상승될 수 있다.
이때, 온도 측정기(24)에 의하여 온도가 측정되고, 측정된 온도가 기록계(56)를 통하여 데이터 저장부(58)에 저장된다. 온도 제어기(26)가 전기로(22)를 제어하여 내부 온도가 원하는 반응 온도가 되도록 한다.
본 실시예에서 메탄 가스를 포함하는 혼합 가스를 생성하는 경우를 예로 들면 전기로(22)의 내부 온도가 600 내지 900℃가 되도록 전기로(22)를 가열할 수 있다. 바람직하게는, 반응 온도를 600 내지 800℃로 유지할 수 있다. 반응 온도가 800℃를 초과하면 높은 반응 온도에 의하여 공정 비용 등이 상승할 수 있으며 설비에 부담이 생길 수 있다. 반응 온도가 600℃ 미만이면 합성 천연 가스 생성 반응이 충분히 일어나지 않을 수 있다.
이어서, 도 3b에 도시한 바와 같이, 전기로(22)로부터 제2 반응로(44)를 빼낸 후에 제1 반응로(42)를 전기로(22)의 내부에서 반응로 덮개(30)를 이용하여 밀폐 시킨다. 이때, 제1 반응로(42)의 메쉬부(421a) 위에 탄소 포함 물질, 촉매 등의 원료 물질(60)이 위치한다. 반응로 덮개(30)를 이용한 제1 반응로(42)의 밀폐 방법은 위에서 설명한 제2 반응로(44)에서와 동일하므로 상세한 생략을 설명한다. 제1 반응로(42)의 하부에 위치한 제1 밸브(42a)를 열어 유체가 흐를 수 있도록 한다.
이 상태에서 수증기 발생기(12)에 의해 발생된 수증기와 이송 가스 공급기(14)로부터 공급되는 이송 가스를 포함하는 원료 가스를 제2 통로(303a)를 통하여 제1 반응로(42) 내부로 공급한다. 이때, 유량계(16)를 이용하여 이송 가스의 양을 조절하면서 이송 가스를 공급한다.
공급된 수증기와 원료 물질(60)이 반응하여 메탄 가스, 수소 가스, 이산화탄소 가스 등을 포함하는 혼합 가스를 생성하고, 이 혼합 가스가 메쉬부(421a)의 메쉬를 통하여 제1 반응로(42)의 제1 통로(423a)를 통하여 배출된다. 배출된 혼합 가스는 가스 응축기(50)를 통과하고 이때 배출된 혼합 가스 내의 타르, 응축수 등이 배출구(50a)를 통하여 외부로 배출된다. 가스 응축기(50)를 통과한 혼합 가스는 가스 필터(52)를 통과하여 잔여 타르, 먼지 등이 제거되어 정제된다. 정제된 혼합 가스는 가스 분석기(54)를 통하여 조성이 분석되고, 조성 분석 자료는 기록계(56)를 통하여 데이터 저장부(58)에 저장된다. 그리고 제2 반응로(44) 내에 위치한 온도 측정기(24)에 의하여 측정된 온도가 기록계(56)를 통하여 데이터 저장부(58)에 저장된다. 데이터 저장부(58)에 의하여 저장된 온도 자료를 이용하여 온도 제어기(26)가 전기로(22)의 작동을 제어하여 제1 반응로(42)를 원하는 반응 온도로 유지한다.
본 실시예에서는 전기로(22)가 원하는 반응 온도를 유지한 상태에서 원료 물질(60)을 포함하는 제1 반응로(42)를 전기로(22) 내부로 삽입하고 원료 가스를 주입한다. 그러면, 원료 물질(60)의 온도가 급격하게 상승하여 비교적 낮은 반응 온도(일례로, 600 내지 800℃)에서 반응이 이루어지도록 할 수 있다. 이에 따라 제1 반응로(42) 내의 단일 공간 내에서 가스 생성 반응에 필요한 모든 반응(가스화 반응, 수성 가스 전환 반응, 메탄화 반응)이 동시에 일어날 수 있도록 한다.
이와 같이 본 실시예에서는 단일 공간 내에서 600 내지 800℃의 종래보다 낮은 반응 온도에서 탄소 포함 물질로부터 메탄 가스를 직접 생성할 수 있다. 일례로, 본 실시예는 화력 발전 및 가스화의 연료로 부적합한 저급탄을 메탄 가스를 포함하는 혼합 가스로 변화시킬 수 있다. 이때, 혼합 가스 내의 메탄 가스의 부피 비율은 18% 이상(일례로, 30% 이상, 좀더 구체적으로 35 내지 38%)이 되도록 할 수 있다. 그리고 원료 물질(60)의 탄소 전환율은 80% 이상으로 높은 값을 가질 수 있다.
종래에는 수성 가스 전환 반응을 위한 장치와 메탄화 반응을 위한 장치 등을 별도로 구비하고, 이들 각각을 가열하기 위한 가열기 등을 구비하였다. 이에 의하여 합성 천연 가스인 메탄 가스를 단일 공간에서 단일 공정으로 생성하지 못하여 설비 및 공정이 복잡하였다. 반면, 본 실시예에서는 상술한 바와 같이 간단한 설비 및 공정을 이용하여 저급탄으로부터 고농도의 메탄 가스를 포함하는 혼합 가스를 생산할 수 있다.
이하, 본 발명의 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 본 발명을 예시하기 위하여 제시한 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실험예 1
원료 물질이 없는 제1 반응로를 전기로의 내부에 위치한 상태에서 전기로 내부를 600℃까지 가열하였다. 제2 반응로의 메쉬부 위에 원료 물질인 탄소 포함 물질로 2g의 석탄, 촉매로 0.2g의 탄산칼륨(K2CO3) 0.2g을 위치시킨 다음, 제1 반응로를 전기로의 내부로부터 빼내고 제2 반응로를 전기로의 내부로 삽입하였다. 제2 반응로와 반응로 덮개를 클램프와 잠금 장치를 이용하여 밀폐 고정한 후에 제2 반응로 내부로 원료 가스인 수증기와 질소 가스를 공급하여, 메탄을 포함하는 혼합 가스를 생성하였다. 원료 가스의 유량은 500ml/min였다.
실험예 2
반응 온도가 700℃라는 점을 제외하고는 실험예 1과 동일한 방법에 의하여 혼합 가스를 생성하였다.
실험예 3
반응 온도가 800℃라는 점을 제외하고는 실험예 1과 동일한 방법에 의하여 혼합 가스를 생성하였다.
실험예 1, 2 및 3에서 석탄의 반응 전 무게 및 반응 후 무게를 측정하고 이를 이용하여 탄소 전환율을 계산하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다.
반응 전 무게 반응 후 무게 탄소 전환율
실험예 1 2g 0.395g 80.25%
실험예 2 2g 0.328g 83.6%
실험예 3 2g 0.28g 86%
표 1을 참조하면, 실험예 1, 2 및 3에서는 탄소 전환율이 80% 이상으로 우수한 것을 알 수 있다. 특히, 반응 온도가 800℃인 실험예 3에서는 탄소 전환율이 86%로 매우 우수한 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면 단일 공간인 제2 반응로 내에서 종래보다 낮은 온도에서 합성 천연 가스인 메탄이 직접 생성될 수 있음을 알 수 있다.
실험예 1, 2 및 3에 의해 생성된 혼합 가스에 포함된 수소 가스, 이산화탄소 가스, 일산화탄소 가스, 메탄 가스의 부피 비율을 각각 측정하여 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4를 참조하면, 메탄 가스의 부피 비율이 18% 이상으로 우수한 것을 알 수 있다. 특히, 실험예 3에 따르면 메탄 가스의 부피 비율이 36%에 달해 메탄 가스를 높은 비율로 생성할 수 있음을 알 수 있다.
실험예 1, 2 및 3에 의해 생성된 혼합 가스에 포함된 메탄 가스의 부피 비율을 시간에 따라 측정한 후 그 결과를 도 5에 나타내었다. 도 5을 참조하면, 20분 내의 빠른 시간 내에 메탄 가스가 생성되는 것을 알 수 있다. 특히, 실험예 3에서는 10분 내의 빠른 시간 내에 메탄 가스가 생성되는 것을 알 수 있다.
실험예 3에 의해 생성된 혼합 가스 내에 포함된 수소 가스, 이산화탄소 가스, 일산화탄소 가스, 메탄 가스의 부피 비율을 시간에 따라 측정한 후 그 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6을 참조하여 메탄 가스, 수소 가스, 일산화탄소 가스, 이산화탄소 가스와의 상관 관계를 파악해보면, 메탄 가스의 부피 비율이 증가할 때 수소 가스의 농도가 급격히 저하되는 것을 알 수 있다. 이는 수성 가스 전환 반응을 통해 생성된 많은 양의 수소 가스가 메탄화 반응의 반응제로 사용되어 메탄 가스가 생성된 것을 예상된다.
이와 같이 본 발명에서는 종래보다 낮은 반응 온도(일례로, 600 내지 800℃)에서 촉매를 이용하여 탄소 포함 물질과 원료 가스를 반응시켜 단일 공간 내에서 메탄을 직접 형성할 수 있다. 특히, 탄소 포함 물질로는 기존에 화력 발전 및 가스화의 연료로 부적합한 저급탄을 사용한 경우에도, 생성된 혼합 가스 내에 메탄 가스가 18% 이상의 부피 비율(일례로, 30% 이상, 좀더 구체적으로 35 내지 38%)을 가지도록 할 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따르면 단순한 공정에 의하여 저급탄으로부터 높은 부피 비율로 메탄 가스를 포함하는 혼합 가스를 생성할 수 있다. 혼합 가스는 가스 분리 유닛에 의하여 분리되어 고농도의 메탄 가스를 생산할 수 있다.
본 실시예에서는 합성 천연 가스의 일례로 메탄 가스를 생성하는 것을 예시하였으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 따라서 본 실시예에 따른 합성 천연 가스 생성 장치 및 방법을 이용하여 메탄 가스 이외의 합성 천연 가스를 생성하는 것도 가능하다.
즉, 상술한 바에 따른 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 합성 천연 가스 생성 장치
10: 원료 가스 공급부
20: 온도 조절부
30: 반응로 덮개
40: 반응부
42: 제1 반응로
44: 제2 반응로

Claims (17)

  1. 다수의 반응로를 포함하는 반응부;
    상기 다수의 반응로 중 적어도 하나 이상의 반응로 내부를 합성 천연 가스 생성 반응의 반응 온도로 유지하는 전기로;를 포함하며,
    상기 다수의 반응로는 제1 반응로 및 제2 반응로를 포함하고,
    상기 제1 반응로는 탄소 포함 물질을 포함하는 원료 물질이 위치하는 메쉬부가 내부 공간에 형성되고, 상기 제1 반응로 내에서 상기 탄소 포함 물질로부터 합성 천연 가스를 포함하는 혼합 가스가 직접 생성되는 합성 천연 가스 생성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기로의 내부 온도를 상기 반응 온도까지 상승시킬 때는 상기 제2 반응로를 상기 전기로 내부에 위치시키고,
    상기 전기로의 내부 온도가 상기 반응 온도에 도달한 때에는 상기 원료 물질이 상기 메쉬부 위에 위치한 상기 제1 반응로를 상기 전기로 내부에 위치시켜 상기 합성 천연 가스 생성 반응이 일어나도록 하는 합성 천연 가스 생성 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반응부는
    상기 전기로에 상기 반응로를 덮어 밀폐하는 반응로 덮개를 더 포함하는 합성 천연 가스 생성 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 반응로는, 상기 내부 공간을 제공하며 상부가 개구되는 제1 관 형상부와, 제1 통로를 제외한 상기 제1 관 형상부의 하부를 막는 바닥부를 포함하고,
    상기 반응로 덮개는, 상기 제1 관 형상부를 감싸는 제2 관 형상부와, 제2 통로를 제외한 상기 제2 관 형상부의 상부를 막는 덮개부를 포함하는 합성 천연 가스 생성 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 덮개부는 상기 전기로의 내부 공간보다 큰 면적을 가지도록 형성되고, 상기 전기로 상부 부분에 일체로 고정되는 합성 천연 가스 생성 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 반응로는 상기 바닥부로부터 외측을 향해 돌출되는 제1 플랜지부를 더 포함하고,
    상기 반응로 덮개는 상기 제2 관 형상부의 하부에서 외측을 향해 돌출되는 제2 플랜지부를 더 포함하며,
    상기 반응로는 상기 제1 플랜지부와 상기 제2 플랜지부를 고정하는 고정 부재를 더 포함하는 합성 천연 가스 생성 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 고정 부재는, 상기 제1 플랜지부와 상기 제2 플랜지부를 클램핑하는 클램프와, 상기 클램프를 고정하는 잠금 부재를 포함하는 합성 천연 가스 생성 장치.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 반응로는 상기 바닥부로부터 외측을 향해 돌출되는 제1 플랜지부를 더 포함하고,
    상기 반응로 덮개는 상기 제2 관 형상부의 하부에서 외측을 향해 돌출되는 제2 플랜지부를 더 포함하며,
    상기 제1 플랜지부 상에 실링 패킹이 위치하는 합성 천연 가스 생성 장치.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 제2 통로의 개폐를 조절하는 밸브를 더 포함하는 합성 천연 가스 생성 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 원료 물질이 촉매를 더 포함하고,
    상기 촉매가 알칼리 금속 및 알칼리 토금속 중 적어도 하나를 포함하여 상기 합성 천연 가스로 메탄 가스를 생성하는 합성 천연 가스 생성 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 반응로 내의 온도를 600 내지 800℃로 유지하는 합성 천연 가스 생성 장치.
  12. 탄소 포함 물질을 포함하는 원료 물질이 위치하는 메쉬부가 내부 공간에 형성되는 제1 반응로, 그리고 제2 반응로를 포함하는 반응부; 및 상기 제1 또는 제2 반응로를 감싸도록 위치하며 합성 천연 가스 생성 반응의 반응 온도로 유지하는 전기로를 포함하는 합성 천연 가스 생성 장치를 이용한 합성 천연 가스 생성 방법에 있어서,
    상기 전기로의 내부 온도를 상기 반응 온도까지 상승시킬 때에는 상기 제2 반응로를 상기 전기로 내부에 위치시키고,
    상기 전기로의 내부 온도가 상기 반응 온도에 도달한 때에는 상기 제2 반응로를 빼내고 상기 제1 반응로를 상기 전기로 내부에 위치시켜 상기 합성 천연 가스 생성 반응을 일으켜서, 상기 탄소 포함 물질로부터 합성 천연 가스를 포함하는 혼합 가스가 직접 생성되는 합성 천연 가스 생성 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 원료 물질이 촉매를 포함하고,
    상기 촉매가 알칼리 금속 및 알칼리 토금속 중 적어도 하나를 포함하여 상기 합성 천연 가스로 메탄 가스를 생성하는 합성 천연 가스 생성 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 반응 온도가 600 내지 800℃인 합성 천연 가스 생성 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 제1 반응로 내부에서 가스화 반응, 수성 가스 전환 반응기 및 메탄화 반응이 함께 일어나는 합성 천연 가스 생성 방법.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 혼합 가스 내의 상기 메탄 가스의 부피 비율이 30% 이상인 합성 천연 가스 생성 방법.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 원료 물질의 탄소 전환율이 80% 이상인 합성 천연 가스 생성 방법.
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