KR101460748B1 - 순산소연소와 촉매전환 공정을 연계한 융합형 이산화탄소 전환 시스템 - Google Patents

순산소연소와 촉매전환 공정을 연계한 융합형 이산화탄소 전환 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이산화탄소 전환 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공기 중 산소를 분리하는 ITM(Ion Transfer Membrane), ITM에서 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소시키는 순산소연소기, 순산소연소반응을 통하여 생성된 고농도의 이산화탄소를 합성가스(CO, H2)로 변환시켜주는 개질기, 그리고 합성가스를 메탄올 또는 케톤 또는 카보네이트 등으로 변환시켜주는 합성기 등으로 구성된 순산소연소와 촉매 전환공정을 연계한 융합형 이산화탄소 전환 시스템에 관한 것이다.

Description

순산소연소와 촉매전환 공정을 연계한 융합형 이산화탄소 전환 시스템{THE CO2 CONVERSION SYSTEM INTEGRATING OXYFUEL COMBUSTION AND CATALYTIC REFORMING}
본 발명은 이산화탄소 전환 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공기 중 산소를 분리하는 ITM(Ion Transfer Membrane), ITM에서 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소시키는 순산소연소기, 순산소연소반응을 통하여 생성된 고농도의 이산화탄소를 합성가스(CO, H2)로 변환시켜주는 개질기, 그리고 합성가스를 메탄올 또는 케톤 또는 카보네이트 등으로 변환시켜주는 합성기 등으로 구성된 순산소연소와 촉매 전환공정을 연계한 융합형 이산화탄소 전환 시스템에 관한 것이다.
순산소연소기술은 공기 중의 질소 및 다른 성분을 제거하지 않고 연소기에 주입되는 기존의 공기연소 방식에서 공기 중에 약 79%를 점하는 질소분을 제거한 순산소를 기존의 연소용 공기 대신 주입하여 연소시킨 후 이산화탄소의 포집을 쉽게 하는 순산소연소기술이다. 순산소연소를 채택하여 이산화탄소를 회수하는 기술에서는 산화제를 공기 대신 순도 95% 이상의 고농도 산소를 이용하여 연소시켜 열을 발생시킨다. 순산소연소를 통해서 발생하는 배기가스의 대부분은 이산화탄소와 수증기로 구성되어 있으며, 발생되는 배기가스의 약 70~80%를 다시 연소실로 재순환시켜 최종적으로 배기가시의 이산화탄소 농도를 80% 이상으로 농축시킬 수 있다. 배출되는 배기가스의 주성분 가운데 수증기를 응축시킬 경우, 거의 전량의 이산화탄소를 회수할 수 있으며, 회수된 이산화탄소를 저장시켜서 이산화탄소와 대기오염물질의 무 배출을 구현하는 기술이다.
이산화탄소 전환 시스템은 상기 언급한 바와 같이 고농도의 이산화탄소를 포집하는 시스템이다. 하지만 순산소연소를 하기 위해서는 고농도의 산소가 필요하며 이 때 공기 분리기(ASU, Air Seperation Unit)를 사용하여 공기 중 산소를 분리하면 많은 에너지가 소모되어 전체 시스템 효율이 낮아지는 단점이 있다.
또한, 종래의 시스템에서는 순산소연소를 거쳐 나온 고농도의 이산화탄소를 포집 및 수송하여 저장하는데 활용하여 그 효용가치가 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 종래의 순산소연소기는 산화제로 산소를 이용하는 것으로 공기를 이용하였을 때에 비하여 단일화염온도가 높아 연소기 외벽의 손상을 가져오므로 연소 온도를 감소시키기 위하여 수증기(Steam)를 유입시켰다. 이 경우 수증기를 생성시키기 위한 열원이 있어야 할 뿐만 아니라 수증기를 구동시키기 위한 별도의 Pump Work도 소모되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 공기 중 산소를 분리하는 ITM, ITM에서 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소시키는 순산소연소기, 순산소연소반응을 통하여 생성된 고농도의 이산화탄소를 합성가스(CO, H2)로 변환시켜주는 개질기, 그리고 합성가스를 메탄올 등으로 변환시켜주는 합성기 등으로 구성된 순산소연소와 촉매 전환공정을 연계한 융합형 이산화탄소 전환 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 포집된 이산화탄소를 새로운 연료나 유용한 화합물로 전환시키는 이산화탄소 전환 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 순산소연소기의 외벽에 개질를 통합한 통합반응기를 제공함으로써 순산소연소기의 수명증대 및 개질반응의 전환율을 향상 시킬수 있는 이산화탄소 전환 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 공기 중 산소를 분리하는 이온 전도성 멤브레인; 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소시키는 순산소연소기; 상기 순산소연소기의 순산소연소반응을 통하여 생성된 이산화탄소와 외부에서 공급되는 메탄가스를 드라이 개질반응하여 일산화탄소와 수소로 전환시켜주는 드라이-리포머(Dry-Reformer);를 포함하는 이산화탄소 전환 시스템을 제공한다.
또한, 상기 드라이-리포머에서 생성된 일산화탄소와 수소를 메탄올 ,케톤 또는 카보네이트 등으로 변환시켜주는 합성기;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 공기 중 산소를 분리하는 이온 전도성 멤브레인; 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소시키는 순산소연소기; 상기 순산소연소기의 순산소연소반응을 통하여 생성된 이산화탄소와 수증기, 외부에서 공급되는 메탄가스, 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 삼중 개질반응하여 일산화탄소와 수소로 전환시켜주는 트리-리포머(Tri-Reformer);를 포함하는 이산화탄소 전환 시스템을 제공한다.
또한, 상기 트리-리포머에서 생성된 일산화탄소와 수소를 메탄올, 케톤 또는 카보네이트 등으로 변환시켜주는 합성기;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 순산소연소기에서 배출되는 배기가스를 이용하여 터빈을 돌리고, 상기 터빈에 연결된 발전기를 통해서 전기를 생산하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 순산소연소기의 후단에 제 1 열교환기를 달아서 순환되는 흐름을 승온시켜주는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 터빈을 통과한 배기가스에서 수증기를 분리하여 상기 순산소연소기로 공급해주는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 순산소연소기에서 배출되는 배기가스에서 수증기를 분리하여 상기 트리-리포머 및 상기 순산소연소기에 공급해주는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 트리-리포머 및 상기 순산소연소기로 공급되는 수증기의 유량을 조절해주는 삼방밸브가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 공기 중 산소를 분리하는 이온 전도성 멤브레인; 순산소연소기의 외벽에 드라이-리포머를 배치시킨 통합반응기;를 포함하며, 상기 통합반응기의 순산소연소기에서는 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소반응이 일어나고, 상기 통합반응기의 드라이-리포머에서는 상기 순산소연소기의 순산소연소반응을 통하여 생성된 이산화탄소와 외부에서 공급되는 메탄가스를 드라이 개질반응하여 일산화탄소와 수소로 전환시켜주는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템을 제공한다.
또한, 상기 드라이-리포머에서 생성된 일산화탄소와 수소를 메탄올, 케톤 또는 카보네이트 등으로 변환시켜주는 합성기;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 공기 중 산소를 분리하는 이온 전도성 멤브레인; 순산소연소기의 외벽에 트리-리포머를 배치시킨 통합반응기;를 포함하며, 상기 통합반응기의 순산소연소기에서는 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소반응이 일어나고, 상기 통합반응기의 트리-리포머에서는 상상기 순산소연소기의 순산소연소반응을 통하여 생성된 이산화탄소와 수증기, 외부에서 공급되는 메탄가스, 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 삼중 개질반응하여 일산화탄소와 수소로 전환시켜주는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템을 제공한다.
또한, 상기 트리-리포머에서 생성된 일산화탄소와 수소를 메탄올, 케톤 또는 카보네이트 등으로 변환시켜주는 합성기;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 순산소연소기에서 배출되는 배기가스를 이용하여 터빈을 돌리고, 상기 터빈에 연결된 발전기를 통해서 전기를 생산하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 순산소연소기에서 배출되는 배기가스에서 수증기를 분리하여 상기 순산소연소기로 공급해주며, 상기 수증기의 유량을 조절하기 위해서 삼방밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 순산소연소기에서 배출되는 배기가스에서 수증기를 분리하여 상기 트리-리포머 및 상기 순산소연소기에 공급해주는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 트리-리포머 및 상기 순산소연소기로 공급되는 수증기의 유량을 조절해주는 삼방밸브가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이산화탄소 전환 시스템에 따르면 산소 생산 측면에서 ITM을 사용하여 공기 중 산소를 분리하는 ASU에 비하여 산소 생산비가 절감되어 시스템 효율의 향상시키는 효과가 있다.
개질기로부터 변환된 합성가스를 부가적인 공정을 거쳐 메탄올이나 케톤, 카보네이트 등과 같은 새로운 연료나 유용한 화합물질로 전환 및 합성을 할 수 있어 다양한 용도로의 활용이 가능하다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 전환 시스템에서 순산소연소기의 외벽에 트리-리포머 또는 드라이-리포머를 통합하여 제작함으로써, 순산소연소기의 외벽에 손실이 되는 열을 트리-리포머 또는 드라이-리포머로 전달시킬 수 있어 수증기의 유입이 불필요해지거나 그 양을 줄일 수 있게 되어 수증기 생성 및 구동을 위한 에너지 소모가 적어지는 효과가 있다.
또한, 트리-리포머 또는 드라이-리포머에 공급되는 열전달율도 향상시켜서 합성가스 전환율을 향상시킬수 있는 효과도 있다.
도 1은 종래의 ASU를 이용한 순산소 연소 시스템의 개략도이다.
도 2 내지 5는 본 발명에 따른 순산소연소와 촉매전환 공정을 연계한 융합형 이산화탄소 전환 시스템의 개략도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 순산소연소와 촉매전환 공정을 연계한 융합형 이산화탄소 전환 시스템의 바람직한 실시예들을 자세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 종래의 ASU를 이용한 순산소 연소 시스템을 나타낸 것으로, 상기 시스템은 크게 순산소연소기(1), ASU(2), 터빈(3), 열교환기(4), 히터(5), 송풍기(6), 발전기(7)로 구성된다.
순산소연소기(1)에서는 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소반응이 일어나며, 순산소연소기(1)에서 배출되는 배기가스는 주성분이 이산화탄소와 수증기가 된다. 상기 배기가스를 이용하여 터빈(3)을 구동시키고 상기 터빈(3)과 동일축에 연결된 발전기(7)에서 전기를 생산하게 된다.
터빈(3)을 통과한 배기가스는 히터(5)에 의해서 이산화탄소와 수증기로 분리가 되고, 분리된 수증기는 송풍기(7)에 의해 열교환기(4)로 보내진다. 열교환기(4)를 통과한 고온의 수증기는 다시 순산소연소기(1)로 재순환되는 과정을 거친다.
상술한 종래 시스템은 유입되는 공기중 산소를 분리시켜주는 ASU(2)를 이용하는데, 산소를 분리하는 과정에서 에너지가 소모되어 전체 시스템 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 순산소연소반응에 공기대신 산소를 산화제로 사용해서 단일화염온도가 높아서 순산소연소기(1)로 수증기를 공급해줘야 하는 문제가 있고, 순산소연소기(1)의 내구성이 떨어지는 문제가 있다.
도 2는 본 발명에 따른 제 1 실시예의 시스템 구성도를 나타낸 것이다.
[실시예 1]
실시예 1은 크게, 공기 중 산소를 분리하는 ITM(20), ITM(20)에서 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소시키는 순산소연소기(10), 순산소연소반응을 통하여 생성된 고농도의 이산화탄소를 합성가스(CO, H2)로 변환시켜주는 드라이-리포머(15), 그리고 합성가스를 메탄올 등으로 변환시켜주는 합성기(50) 등으로 구성된다.
ITM(20)에서의 산소 분리의 반응온도는 약 850℃, 작동압력은 약 1 bar이며 공급되는 공기의 온도를 별도의 열교환기를 통과시켜 승온시키거나 ITM(20)의 외부에 히터(21)를 설치하는 방법을 사용할 수 있다.
순산소연소반응은 상기 식(1)과 같은 반응을 하는데 순산소연소기(10)에 외부로부터 공급되는 천연가스(CH4)와 ITM(20)에서 분리된 산소, 순산소연소기(10)의 배기가스로부터 분리되어 순환되는 수증기(H20)가 투입되어서 연소반응을 하게 되면 이산화탄소와 수증기가 배기가스로 생성된다.
배출된 배기가스는 제 1 열교환기(11)를 거쳐서 터빈(12)을 구동시키고, 상기 터빈(12)과 동일축에 연결된 발전기(13)가 전기를 생산하게 된다. 터빈(12)을 통과한 배기가스는 제 2 열교환기(30)를 통과하고, 상기 제 2 열교환기(30)를 통과한 배기가스흐름은 히터(31)에 의해서 이산화탄소와 수증기로 분리된다.
상기 분리된 이산화탄소는 상기 제 1 열교환기(11)에서 승온되어 드라이-리포머(15)로 공급된다. 또한, 상기 분리된 수증기는 송풍기(32)에 의해서 제 2 열교환기(30)로 보내지고, 제 2 열교환기(30)에서 승온되어 순산소연소기(10)로 공급된다. 순산소연소기(10)로 공급되는 수증기의 양을 조절하기 위해서 삼방밸브(34)를 달수도 있다. 상기 삼방밸브(34)에서 순산소연소기(10)로 유입되는 수증기의 양을 조절하여 시스템 효율을 조절하는 기능을 한다.
드라이-리포머(15)는 작동온도가 약 700℃, 작동압력이 1bar이며, 공급되는 이산화탄소는 상기 언급한 바와 같이 순산소연소기(10)에서 배출되는 배기가스중에서 이산화탄소를 분리시켜서 순환시킨 후 제 1 열교환기(11)에서 승온시켜서 상기 드라이-리포머(15)로 공급한다.
본 실시예에서는 식(2)와 같은 드라이 개질반응(Dry-Reforming)이 일어난다.
상기 식(2)와 같은 드라이 개질반응은 1몰의 메탄과 1몰의 이산화탄소를 공급받아서 개질반응 후에 2몰의 일산화탄소와 2몰의 수소를 생성하는 반응이다. 드라이-리포머(15)는 외부에서 천연가스와 순산소연소반응에서 생성되는 이산화탄소를 이용하여 일산화탄소와 수소를 생성한다.
생성된 일산화탄소와 수소는 합성기(50)를 거쳐서 메탄올(Methanol) 또는 케톤(Ketone) 또는 카보네이트(Carbonate) 등과 같은 새로운 연료나 유용한 화학물질로 전환 및 합성될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 제 2 실시예의 시스템 구성도를 나타낸 것이다.
[실시예 2]
실시예 2는 크게, 공기 중 산소를 분리하는 ITM(20), ITM(20)에서 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소시키는 순산소연소기(10), 순산소연소반응을 통하여 생성된 고농도의 이산화탄소와 수증기, 외부로부터 공급되는 천연가스, ITM(20)에서 분리된 산소를 합성가스(CO, H2)로 변환시켜주는 트리-리포머(15), 그리고 합성가스를 메탄올 등으로 변환시켜주는 합성기(50) 등으로 구성된다.
실시예 1과는 달리 실시예 2에서는 삼중 개질반응(Tri-Reforming)을 하는 경우인데, 삼중 개질반응은 식(3)과 같은 반응식을 나타낸다.
삼중 개질반응은 이산화탄소와 천연가스만 유입시켜주는 드라이 개질반응과는 달리 부가적으로 산소와 수증기를 유입시켜줘야만 한다.
따라서, 산소를 유입시켜주기 위해서 ITM(20)에서 분리된 산소는 삼방밸브(35)에 의해서 순산소연소기(10) 또는 트리-리포머(16)로 유입될 수 있게 조절된다.
순산소연소기(10)에서 식(1)과 같은 순산소연소반응을 하고 배출되는 배기가스는 제 1 열교환기(11)로 이동한다. 상기 제 1 열교환기(11)를 통과한 배기가스는 터빈(12)을 구동시키고, 상기 터빈(12)과 동일축으로 연결된 발전기(13)에서 전기를 생산하게 된다.
상기 터빈(12)을 통과한 배기가스는 다시 제 2 열교환기(30)를 지나고, 상기 제 2 열교환기(30)를 통과한 배기가스는 히터(31)에 의해서 이산화탄소와 수증기로 분리된다. 분리된 수증기는 송풍기(32)에 의해서 제 2 열교환기(30)로 유입되고, 여기서 승온된 후 삼방밸브(34)에서 순산소연소기(10) 방향 또는 트리-리포머(16) 방향으로 흐름이 조절된다.
상기 삼방밸브(34)에서 트리-리포머(16) 방향으로 흐르는 흐름은 다시 혼합기(14)로 유입되는데, 상기 혼합기(14)는 상기 히터(31)에서 분리된 이산화탄소와 혼합되어서 제 1 열교환기(11)에서 승온된 후 트리-리포머(16)로 공급된다.
트리-리포머(16)는 작동온도가 약 800~900℃, 작동압력이 5bar으로 실시예 1에서 언급한 드라이-리포머(15)보다도 높은 온도와 압력에서 작동이 되는바, 제 1 열교환기(11)에서 수증기 및 이산화탄소가 충분히 승온된 후 트리-리포머(16)로 공급되어야 한다.
ITM(20)에서 분리된 산소의 온도는 트리 리포밍의 반응온도인 850℃에 대략적으로 부합하여 열교환기를 거치지 않고 공급될 수 있다.
트리-리포머(16)에서 생성된 일산화탄소와 수소는 합성기(50)를 거쳐서 메탄올(Methanol) 또는 케톤(Ketone) 또는 카보네이트(Carbonate) 등과 같은 새로운 연료나 유용한 화학물질로 전환 및 합성될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 제 3 실시예의 시스템 구성도를 나타낸 것이다.
[실시예 3]
실시예 3은 크게, 공기 중 산소를 분리하는 ITM(20), 순산소연소기(10)의 외벽에 순산소연소반응을 통하여 생성된 고농도의 이산화탄소를 합성가스(CO, H2)로 변환시켜주는 드라이-리포머(41)를 배치시킨 통합반응기(40), 그리고 합성가스를 메탄올 등으로 변환시켜주는 합성기(50) 등으로 구성된다.
종래의 순산소연소기는 산소를 산화제로 이용하여 단일화염온도가 높아 연소기의 외벽손상을 가져오므로 이를 막기 위해서 수증기를 유입시켜 연소 온도를 낮추는 형태로 반응을 진행시켰다. 이 경우 수증기를 생성시키기 위한 열원이 있어야 할 뿐만 아니라 수증기를 구동시키기 위한 별도의 펌프 동력이 필요하게 되어 시스템 구성이 복잡해지고, 전체적인 시스템 효율이 떨어지는 문제가 있었다.
이에 본 실시예 3에서는 원통형의 순산소연소기(10)의 외벽에 드라이-리포머(41)를 통합하여 통합반응기(40)를 본 시스템에 도입하였다. 이를 통해서 순산소연소기(10)에서 생성되는 열이 드라이-리포머(41) 전달되어 순산소연소기(10)의 단열화염온도를 낮춰줄 수 있어 기존의 순산소연소기에 비해서 유입되는 수증기의 양이 줄어들어 수증기를 생성시키기 위한 열 및 펌프의 소모동력을 감소시킬 수 있으며, 시스템의 구성을 간략하게 할 수도 있다.
순산소연소기(10)에서는 식(1)과 같은 반응 후에 배기가스로 이산화탄소와 수증기(또는 산소)를 배출한다. 배출된 배기가스는 터빈(12)을 구동시키고, 터빈(12)과 동일축에 연결된 발전기(13)에서 전기를 생산한다.
터빈(12)을 통과한 배기가스는 제 2 열교환기(30)를 통과하고, 히터(31)에 의해서 이산화탄소와 수증기로 분리된다. 분리된 수증기는 송풍기(32)에 의해서 다시 제 2 열교환기(30)로 유입되고, 승온된 후 다시 순산소연소기(10)로 순환된다. 순산소연소기(10)로 유입되기 전에 삼방밸브(34)에서 유량을 조절할 수도 있다.
분리된 이산화탄소는 드라이-리포머(41)로 공급되는데, 공급된 이산화탄소와 외부에서 유입되는 천연가스가 식(2)의 드라이 개질반응을 통해서 합성가스(일산화탄소, 수소)를 생성한다.
생성된 일산화탄소와 수소는 합성기(50)를 거쳐서 메탄올(Methanol) 또는 케톤(Ketone) 또는 카보네이트(Carbonate) 등과 같은 새로운 연료나 유용한 화학물질로 전환 및 합성될 수 있다.
순산소연소기(10)와 드라이-리포머(41)를 통합시킨 통합반응기(40)의 도입으로 시스템의 구성이 더 간단해지는 효과를 얻을 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 제 4 실시예의 시스템 구성도를 나타낸 것이다.
[실시예 4]
실시예 4은 크게, 공기 중 산소를 분리하는 ITM(20), 순산소연소기(10)의 외벽에 트리-리포머(42)를 배치시킨 통합반응기(40), 그리고 합성가스를 메탄올 등으로 변환시켜주는 합성기(50) 등으로 구성된다.
ITM(20)에서 분리된 산소는 삼방밸브(22)에 의해서 순산소연소기(10) 또는 트리-리포머(42)로 공급된다. ITM(20)에서 분리된 산소를 산화제로 순산소연소기(10)에서 순산소연소반응을 하고 이산화탄소와 수증기(또는 산소)를 배기가스로 배출한다.
배출된 배기가스는 터빈(12)을 구동시키고 상기 터빈(12)와 동일축에 있는 발전기(13)에 의해서 전기를 생산할 수도 있다. 터빈(12)를 통과한 배기가스는 제 1 열교환기(30)를 통과하고, 히터(31)에 의해서 이산화탄소와 수증기로 분리된다.
분리된 이산화탄소는 트리-리포머(42)로 공급되어서 식(3)에 나타난 삼중 개질반응을 하게 된다.
분리된 수증기는 송풍기(32)에 의해서 다시 제 1 열교환기(30)로 유입되고, 제 1 열교환기(30)에서 승온된 수증기는 트리-리포머(42) 또는 순산소연소기(10) 방향으로 흐르게 된다. 상기 흐름을 조절하는 삼방밸브(34)가 더 구비될 수도 있다.
트리-리포머(42)에서는 삼중 개질반응이 일어나는데, 외부에서 공급받는 천연가스와 히터(31)에서 분리된 이산화탄소, 제 1 열교환기를 통과한 수증기, ITM(20)에서 분리된 산소를 공급받아서 개질반응이 이루어진다. 실시예 3에서 나타난 드라이 개질반응과 달리 삼중 개질반응은 수증기와 산소의 공급이 부가적으로 필요하여 본 시스템과 같이 흐름을 구성하였다.
트리-리포머(42)에서 생성된 일산화탄소와 수소는 합성기(50)를 거쳐서 메탄올(Methanol) 또는 케톤(Ketone) 또는 카보네이트(Carbonate) 등과 같은 새로운 연료나 유용한 화학물질로 전환 및 합성될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 순산소연소기 2: ASU
3: 터빈 4: 열교환기
5: 히터 6: 송풍기
7: 발전기 10: 순산소연소기
11: 제 1 열교환기 12: 터빈
13: 발전기 14: 혼합기
15: 드라이-리포머 16: 트리-리포머
20: ITM 21: 히터
22: 삼방밸브 30: 제 2 열교환기
31: 히터 32: 송풍기
34: 삼방밸브 35: 삼방밸브
40: 통합반응기 41: 드라이-리포머
42: 트리-리포머 50: 합성기

Claims (17)

  1. 공기 중 산소를 분리하는 이온 전도성 멤브레인;
    상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소시키는 순산소연소기;
    상기 순산소연소기의 순산소연소반응을 통하여 생성된 이산화탄소와 외부에서 공급되는 메탄가스를 드라이 개질반응하여 일산화탄소와 수소로 전환시켜주는 드라이-리포머(Dry-Reformer);를 포함하는 이산화탄소 전환 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 드라이-리포머에서 생성된 일산화탄소와 수소를 메탄올, 케톤 또는 카보네이트 등으로 변환시켜주는 합성기;를 더 포함하는 이산화탄소 전환 시스템.
  3. 공기 중 산소를 분리하는 이온 전도성 멤브레인;
    상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소시키는 순산소연소기;
    상기 순산소연소기의 순산소연소반응을 통하여 생성된 이산화탄소와 수증기, 외부에서 공급되는 메탄가스, 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 삼중 개질반응하여 일산화탄소와 수소로 전환시켜주는 트리-리포머(Tri-Reformer);를 포함하는 이산화탄소 전환 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 트리-리포머에서 생성된 일산화탄소와 수소를 메탄올 ,케톤 또는 카보네이트 등으로 변환시켜주는 합성기;를 더 포함하는 이산화탄소 전환 시스템.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 순산소연소기에서 배출되는 배기가스를 이용하여 터빈을 돌리고, 상기 터빈에 연결된 발전기를 통해서 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 순산소연소기의 후단에 제 1 열교환기를 달아서 순환되는 흐름을 승온시켜주는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 터빈을 통과한 배기가스에서 수증기를 분리하여 상기 순산소연소기로 공급해주는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  8. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 순산소연소기에서 배출되는 배기가스에서 수증기를 분리하여 상기 트리-리포머 및 상기 순산소연소기에 공급해주는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 트리-리포머 및 상기 순산소연소기로 공급되는 수증기의 유량을 조절해주는 삼방밸브가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  10. 공기 중 산소를 분리하는 이온 전도성 멤브레인;
    순산소연소기의 외벽에 드라이-리포머를 배치시킨 통합반응기;를 포함하며,
    상기 통합반응기의 순산소연소기에서는 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소반응이 일어나고,
    상기 통합반응기의 드라이-리포머에서는 상기 순산소연소기의 순산소연소반응을 통하여 생성된 이산화탄소와 외부에서 공급되는 메탄가스를 드라이 개질반응하여 일산화탄소와 수소로 전환시켜주는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 드라이-리포머에서 생성된 일산화탄소와 수소를 메탄올, 케톤 또는 카보네이트 등으로 변환시켜주는 합성기;를 더 포함하는 이산화탄소 전환 시스템.
  12. 공기 중 산소를 분리하는 이온 전도성 멤브레인;
    순산소연소기의 외벽에 트리-리포머를 배치시킨 통합반응기;를 포함하며,
    상기 통합반응기의 순산소연소기에서는 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소반응이 일어나고,
    상기 통합반응기의 트리-리포머에서는 상상기 순산소연소기의 순산소연소반응을 통하여 생성된 이산화탄소와 수증기, 외부에서 공급되는 메탄가스, 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 삼중 개질반응하여 일산화탄소와 수소로 전환시켜주는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  13. 청구항 12 항에 있어서,
    상기 트리-리포머에서 생성된 일산화탄소와 수소를 메탄올, 케톤 또는 카보네이트 등으로 변환시켜주는 합성기;를 더 포함하는 이산화탄소 전환 시스템.
  14. 제 10 항 내지 제 13 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 순산소연소기에서 배출되는 배기가스를 이용하여 터빈을 돌리고, 상기 터빈에 연결된 발전기를 통해서 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  15. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    상기 순산소연소기에서 배출되는 배기가스에서 수증기를 분리하여 상기 순산소연소기로 공급해주며, 상기 수증기의 유량을 조절하기 위해서 삼방밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  16. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 순산소연소기에서 배출되는 배기가스에서 수증기를 분리하여 상기 트리-리포머 및 상기 순산소연소기에 공급해주는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 트리-리포머 및 상기 순산소연소기로 공급되는 수증기의 유량을 조절해주는 삼방밸브가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
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