KR101560266B1 - Method for producing syngas containing carbon monoxide(co) and hydrogen(h2) - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이산화탄소(CO2)로부터 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)를 포함하는 합성 가스를 생산하는 방법으로서, 이산화탄소(CO2)가 플라즈마를 통해 흐르게 함에 따라 이산화탄소(CO2)를 분해 생성물로 분해시키고, 이어서, 이러한 분해 생성물이 탄화수소 함유 가스를 통해 흐르게 함에 따라 분해 생성물을 가스성 탄화수소와 반응시킴으로써 합성 가스를 생산하는 방법에 관한 것이다.The present invention is carbon dioxide (CO 2) from carbon monoxide (CO) and hydrogen as a method for producing synthesis gas comprising (H 2), carbon dioxide (CO 2) the decomposition of carbon dioxide (CO 2) as the flow through the plasma product And then reacting the decomposition products with gaseous hydrocarbons as the decomposition products flow through the hydrocarbon containing gas.
Description
본 발명은 이산화탄소(CO2)로부터 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)를 포함하는 합성 가스를 생산하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a synthesis gas containing carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2) from carbon dioxide (CO 2).
합성 가스, 즉, 수소 가스 혼합물, 더욱 특히, 일산화탄소와 수소의 가스 혼합물의 생산 또는 연료의 생산을 위해 이산화탄소를 사용하는 것은 알려져 있다. It is known to use carbon dioxide for synthesis gas, i. E. Hydrogen gas mixtures, more particularly for the production of gas mixtures of carbon monoxide and hydrogen or for the production of fuels.
특히, 촉매적 생산 공정을 이용하는 경우에, 사용된 촉매가 충분한 수명을 나타내지 않는다는 문제가 발생한다. 이에 대한 한 가지 이유는 열역학 현상 때문이고, 또 다른 이유는 사용된 촉매 재료의 재료 특성 때문이다. 예를 들어, 400℃ 미만의 반응 온도에서는 화학적 전환이 없다. 반응 온도를 증가시키면 열역학적으로 탄소의 형성이 선호되고, 이때 촉매는 코킹(coking)될 위험성이 있는데 이는 촉매가 더 이상 사용가능하지 않음을 의미한다. 이는 900℃ 초과의 상승된 반응 온도에 의해 방지될 수 있지만, 마찬가지로 촉매의 수명을 제한하는 촉매 재료의 소결이 발생할 수 있다.Particularly, when a catalytic production process is used, there arises a problem that the catalyst used does not exhibit a sufficient lifetime. One reason for this is due to thermodynamic phenomena, and another reason is due to the material properties of the catalyst materials used. For example, there is no chemical conversion at reaction temperatures below 400 ° C. Increasing the reaction temperature thermodynamically favored the formation of carbon, which means that there is a risk that the catalyst will be coked, which means that the catalyst is no longer available. This can be prevented by an elevated reaction temperature of over 900 [deg.] C, but sintering of the catalyst material can likewise occur which limits the lifetime of the catalyst.
소위 플라즈마-기반 유전체 장벽 방전(plasma-based dielectric barrier discharge)이라 칭해지는 것의 사용이 제안되었는데, 이러한 경우에는 심지어 20 내지 30℃의 온도에서 이산화탄소-메탄 혼합물을 합성 가스로 전환시키는 것이 가능하다. 그러나, 여기서 문제는 효율인데, 왜냐하면 상당한 전환을 얻기 위해서는 반응 엔탈피의 10배의 에너지 비용이 필요하기 때문이다.The use of what is referred to as a so-called plasma-based dielectric barrier discharge has been proposed, in which case it is possible to convert the carbon dioxide-methane mixture to syngas, even at temperatures of 20 to 30 占 폚. However, the problem here is efficiency, because it requires 10 times the energy cost of the reaction enthalpy to obtain a significant conversion.
또한, 최근에는 합성 가스를 생산하는데 촉매와 플라즈마를 조합하는 것이 제안되었다. 이러한 경우에, 700℃ 초과의 반응 온도에서 합성 가스의 전환과 효율 둘 모두는 증가하였지만, 코킹, 즉, 그을음(soot) 형성 및 결부되는 촉매 수명의 제한에 대한 문제가 여전히 해결되지 않았다.In addition, recently, it has been proposed to combine a catalyst and a plasma to produce syngas. In this case both conversion and efficiency of syngas increased at reaction temperatures above 700 ° C, but the problem of caulking, that is to say soot formation and limitations of the associated catalyst lifetime, was still not solved.
따라서, 본 발명은 이산화탄소로부터 진행되는 합성 가스의 생산을 위한 개선된 공정을 명시하는 문제를 다루고 있다.Thus, the present invention addresses the problem of specifying an improved process for the production of synthesis gas from carbon dioxide.
그러한 문제는, 이산화탄소가 플라즈마를 통해 흐르게 함에 따라 이산화탄소를 분해 생성물로 분해시킨 후, 이러한 분해 생성물이 탄화수소성 가스를 통해 흐르게 함에 따라 분해 생성물을 가스성 탄화수소와 반응시킴으로써 합성 가스를 생산하기 위한 본 발명에 따른 상기 명시된 유형의 공정에 의해 해결된다. Such a problem is solved by the present invention for producing a synthesis gas by decomposing carbon dioxide into decomposition products as carbon dioxide flows through the plasma and then reacting the decomposition products with gaseous hydrocarbons as the decomposition products flow through the hydrocarbon gas Lt; RTI ID = 0.0 > of the < / RTI >
본 발명에 따른 공정에는 합성 가스, 즉, 일산화탄소와 수소의 가스 혼합물의 생산을 위해서 2-단계 공정 순서가 고려되는데, 첫 번째 단계에서 바람직하게는 사용된 가스성 이산화탄소가 플라즈마 발생 장치에 의해 발생된 플라즈마를 통해 흐르고, 이러한 플라즈마는 유리하게는 상기 이산화탄소를 분해 생성물로 완전히 전환시키며, 상기 사용된 가스성 이산화탄소는 순수한 형태이거나 가스 혼합물의 일부일 수 있다. 여기서, 섭씨 수 천도의 온도에 이르게 된다. In the process according to the invention, a two-step process sequence is taken into account for the production of a synthesis gas, i. E. A gas mixture of carbon monoxide and hydrogen. In the first step, preferably the gaseous carbon dioxide used is generated by a plasma generator The plasma flows through the plasma, which advantageously converts the carbon dioxide completely into the decomposition product, and the gaseous carbon dioxide used can be in pure form or part of a gas mixture. Here, the temperature reaches several thousand degrees Celsius.
두 번째 단계에서 분해 생성물이 탄화수소성 가스에 공급되거나 탄화수소성 가스를 통해 흐름에 따라 이러한 분해 생성물이 가스성 탄화수소와 혼합되며, 상기 분해 생성물의 예에는 원소 탄소 및 산소, 탄소 또는 산소 라디칼 뿐만 아니라 다양한 분자 단편들이 포함된다. 여기서, 순수한 가스성 탄화수소를 사용하는 것이 바람직하다. 가스성 분해 생성물의 높은 온도로 인해, 혼합 동안 합성 가스를 제공하는 탄화수소와의 흡열 반응이 일어난다. 혼합 시간은 비교적 짧은데, 이는 혼합이 바람직하게는 수 밀리세컨드(ms) 내에 일어나는 것을 의미한다.In the second step, the decomposition products are supplied to the hydrocarbon gas or mixed with the gaseous hydrocarbons as they flow through the hydrocarbon gas. Examples of the decomposition products include elemental carbon and oxygen, carbon or oxygen radicals as well as various Molecular fragments. Here, it is preferable to use pure gaseous hydrocarbons. Due to the high temperature of the gaseous cracking products, an endothermic reaction occurs with the hydrocarbons providing synthesis gas during mixing. The mixing time is relatively short, which means that mixing preferably occurs within a few milliseconds (ms).
따라서, 본 발명은 신속한 효율적인 화학적 전환을 야기하는 합성 가스의 생산에 열역학적으로 선호되는 공정 경로를 제안한다. 탄화수소와 이산화탄소의 분해 생성물의 높은 혼합 및 반응 속도에 의해, 그을음 형성이 열역학적으로 선호되는 온도 범위를 예상한 대로 거치게 될 전형적으로 이용되는 탄화수소와 이산화탄소의 가스 혼합물의 가열이 방지된다.Thus, the present invention proposes a thermodynamically preferred process path for the production of syngas resulting in rapid efficient chemical conversion. Due to the high mixing and reaction rates of the hydrocarbons and carbon dioxide decomposition products, heating of the gas mixture of hydrocarbon and carbon dioxide typically used, which soot formation will pass through as expected in the thermodynamically favored temperature range, is prevented.
바람직하게는, 이산화탄소 및/또는 분해 생성물은 10 내지 100 m/s의 유속으로 흐른다. 그러한 높은 유속은 먼저 플라즈마에서 이산화탄소의 체류 시간을 단축시키므로, 이때 이산화탄소의 분해 반응(들)의 열역학적 평형이 확립될 수 없다. 따라서, 이산화탄소 분자의 분해를 위해 플라즈마의 전기 에너지가 더 높은 비율로 이용되고, 두 번째 공정 단계에서 가스성 탄화수소와 분해 생성물의 높은 혼합 속도가 달성된다. 이러한 방식에서, 합성 가스의 수율, 그에 따라서, 본 발명에 따른 공정의 효율이 전반적으로 증가될 수 있으며, 요망되는 일산화탄소 및 수소 생성물이 높은 선택성으로 얻어질 수 있다. 예외적인 경우에, 유속이 또한 더 높거나 더 낮을 수 있다.Preferably, the carbon dioxide and / or decomposition products flow at a flow rate of 10 to 100 m / s. Such a high flow rate first shortens the residence time of the carbon dioxide in the plasma, so that the thermodynamic equilibrium of the decomposition reaction (s) of the carbon dioxide can not be established. Thus, the electrical energy of the plasma is used at a higher rate for the decomposition of the carbon dioxide molecules, and a high mixing rate of gaseous hydrocarbons and decomposition products is achieved in the second process step. In this way, the yield of synthesis gas, and thus the efficiency of the process according to the invention, can be increased overall, and the desired carbon monoxide and hydrogen product can be obtained with high selectivity. In exceptional cases, the flow rate may also be higher or lower.
개발된 본 발명에서, 플라즈마는 작동 가스에서 약 100 V/mm bar 내지 약 10 kV/mm bar 범위의 환산 전기장 세기의 크기를 제공하는 플라즈마 발생 장치를 사용하여 발생될 수 있다. 이에 상응하여, 환산 전기장은 플라즈마에서 고-에너지 전자를 생성시키고, 이는 이산화탄소의 분해를 촉진하거나 가속화시킨다. 플라즈마는 바람직하게는 완전히 열중성자화(thermalize)되지 않는다. 즉, 열역학적 평형에 있지 않다. 대기압 및 10 kV의 작동 전압에서 이는 플라즈마 발생에 사용되는 전극이 1 mm 내지 100 mm로 분리될 수 있음을 의미한다. 더 높은 압력에서는 더 높은 작동 전압 또는 더 적은 전극 분리가 필요하다. 플라즈마 발생은 물론 이러한 범위의 구성 파라미터와 작동 조건으로 제한되지 않는다. 더욱 특히, 또한 100 V/mm bar 미만의 환산 전기장 세기에서 플라즈마를 작동하는 것이 가능한데, 이러한 경우에는 이산화탄소 분해에 더 낮은 효율이 예상되지만, 다른 한 편으로, 플라즈마 발생 장치 또는 플라즈마 반응기의 가스 흐름 및 전기 공급에 대하여 더 유동적인 작동이 가능하다.In the present invention, the plasma may be generated using a plasma generator that provides a magnitude of the converted field strength in the working gas range from about 100 V / mm bar to about 10 kV / mm bar. Correspondingly, the converted electric field produces high-energy electrons in the plasma, which accelerates or accelerates decomposition of the carbon dioxide. The plasma is preferably not completely thermalized. That is, they are not in thermodynamic equilibrium. At atmospheric pressure and an operating voltage of 10 kV, this means that the electrodes used for plasma generation can be separated from 1 mm to 100 mm. At higher pressures, higher operating voltages or fewer electrode separations are required. Plasma generation is of course not limited to these ranges of configuration parameters and operating conditions. More particularly, it is also possible to operate the plasma at a converted field strength of less than 100 V / mm bar, in which case lower efficiency is expected for carbon dioxide decomposition, but on the other hand, the gas flow and / More fluid operation is possible for the electricity supply.
유리하게는, 분해 생성물은 생산되는 합성 가스의 온도가 1100℃ 또는 그 미만, 특히, 700 내지 1000℃가 되게 하는 방식으로 탄화수소성 가스와 혼합된다. 이에 따라서, 공정의 종료 후에는 합성 가스의 온도가 약 1000℃ 정도이거나 이보다 낮게 된다. 이러한 공정은 유리하게는 이러한 기준이 충족되게 하는 방식으로 수행되어야 하는데, 마찬가지로 이에 대한 중요한 이유는 열역학적으로 선호되는 평형 조건이기 때문이다.Advantageously, the decomposition product is mixed with the hydrocarbon gas in such a way that the temperature of the synthesis gas produced is 1100 ° C or less, in particular 700 to 1000 ° C. Accordingly, after the end of the process, the temperature of the synthesis gas is about 1000 캜 or lower. This process should advantageously be carried out in such a way that these criteria are met, and likewise an important reason for this is the thermodynamically favored equilibrium condition.
플라즈마 발생은 흐르는 이산화탄소와 직접적으로 접촉하는 전극, 및 직류, 교류, 특히, 저주파수 교류, 또는 펄스-주기 전류(pulse-periodic current)를 사용하여 달성될 수 있다. 펄스-주기 전류의 사용은 열중성자화, 즉, 열역학적 평형의 확립이 억제된다는 이점을 지니지만, 이러한 목적을 위해서는 전기 에너지 공급에 대한 비용의 증가가 불가피하다. 직류 플라즈마 또는 저주파수 교류 플라즈마의 경우에 전극은 플라즈마와 직접적으로 접촉될 수 있고, 이러한 경우에는 흑연 전극(graphite electrode)을 사용하는 것이 바람직하다.Plasma generation can be accomplished using an electrode that is in direct contact with the flowing carbon dioxide, and a direct current, alternating current, especially a low frequency alternating current, or a pulse-periodic current. The use of pulse-period currents has the advantage that thermal neutronization, i.e. the establishment of thermodynamic equilibrium, is suppressed, but for this purpose an increase in the cost of supplying electrical energy is inevitable. In the case of direct current plasma or low frequency alternating plasma, the electrode may be in direct contact with the plasma, in which case a graphite electrode is preferably used.
대안적으로, 플라즈마의 발생은 흐르는 이산화탄소와 직접적으로 접촉하지 않는 전극, 및 펄스-주기 전류, 특히, 고주파수 펄스-주기 전류, 교류, 특히, 고주파수 교류, 또는 전자기파, 특히, 마이크로파를 사용하여 달성될 수 있다. 무선주파수 범위의 마이크로파 또는 고주파수 교류를 사용하는 경우에는 이에 따라서 플라즈마와 전극의 직접적인 접촉을 방지하는 것이 가능해서 보호성 가스가 필요하지 않다. 이산화탄소 또는 분해 생성물 또는 탄화수소성 가스 혼합물의 특히 높은 유속에서 표면파 플라즈마의 사용이 바람직하다. Alternatively, the generation of the plasma may be accomplished using electrodes that are not in direct contact with the flowing carbon dioxide, and pulse-period currents, particularly high frequency pulse-period currents, alternating currents, especially high frequency alternating currents, or electromagnetic waves, especially microwaves . In the case of using microwave or high-frequency AC in the radio frequency range, it is possible to prevent direct contact between the plasma and the electrode accordingly, and no protective gas is required. The use of surface wave plasmas at particularly high flow rates of carbon dioxide or decomposition products or mixtures of hydrocarbon gases is preferred.
특히 유리하게는, 공정에서 생성된 폐열은 증기 발생을 위한 장치, 특히, 증기 발생을 위한 열 교환기에 공급된다. 따라서, 공정에서 생긴 열 에너지가 기술적으로 이용될 수 있고, 이러한 경우에, 발생된 증기, 즉, 더욱 특히, 발생된 스팀은 더욱 바람직하게는 이산화탄소의 분해 생성물 및/또는 탄화수소성 가스에 공급된다. 이러한 방식에서, 합성 가스의 냉각 과정에서 바람직하지 않은 그을음 형성이 열역학적으로 억제될 수 있고, 생성물의 화학적 평형이 수소쪽으로 이동될 수 있다.Particularly advantageously, the waste heat generated in the process is fed to a device for generating steam, in particular to a heat exchanger for steam generation. Therefore, the heat energy generated in the process can be technically used, and in this case, the generated steam, more particularly, the generated steam, is more preferably supplied to the decomposition products of carbon dioxide and / or the hydrocarbon gas. In this way, undesirable soot formation in the cooling process of the syngas can be thermodynamically suppressed, and the chemical equilibrium of the product can be shifted toward hydrogen.
합성 가스는 후속-반응을 위해 촉매, 특히, 니켈(Ni) 또는 지르코늄(Zr)을 기반으로 하는 촉매에 공급되는 것이 가능하다. 이러한 방식에서, 생산 공정 동안 완전히 전환되지 않은 물질이 촉매 담체(catalytic support)에 의한 반응의 가능성에 주어져서 합성 가스를 제공한다. 촉매는, 예를 들어, 고체 형태, 예를 들어, 허니콤(honeycomb) 구조의 고체 형태로, 또는 분말 형태로 존재할 수 있다. 상기 언급된 니켈 또는 지르코늄 촉매뿐만 아니라, 그 밖의 촉매 재료를 사용하는 것이 또한 가능하다.The syngas can be fed to the catalyst for subsequent reactions, in particular to a catalyst based on nickel (Ni) or zirconium (Zr). In this way, the material that has not been completely converted during the production process is given the possibility of reaction by a catalytic support to provide a syngas. The catalyst may be present, for example, as a solid form, for example, as a solid form of a honeycomb structure, or in powder form. It is also possible to use other catalyst materials as well as the above-mentioned nickel or zirconium catalysts.
유리하게는, 합성 반응에, 특히, 메탄올 또는 디메틸 에테르 합성에 합성 가스를 공급하는 것이 가능하다. 본 발명의 이러한 변형예에서, 생산된 합성 가스의 열 에너지가 하류 공정에 이용되고; 그에 따라서, 공정 열이 효율적으로 이용된다. 후속적인 디메틸 에테르 합성에서 기본적으로 메탄올로부터 물을 제거하여 디메틸 에테르를 제공하는 것으로 구성되는 관례적인 촉매적 생산 공정을 개선시키는 것이 가능한데, 왜냐하면 전형적으로 필요한 수소의 사용이 감소되기 때문이다. 마찬가지로, 디메틸 에테르 합성의 효율이 증가될 수 있다.Advantageously, it is possible to supply the synthesis gas to the synthesis reaction, in particular to the methanol or dimethyl ether synthesis. In this variant of the invention, the thermal energy of the produced syngas is used for the downstream process; Accordingly, process heat is efficiently used. In subsequent dimethyl ether synthesis it is possible to improve the conventional catalytic production process which consists essentially of removing water from methanol to provide dimethyl ether, because typically the use of the required hydrogen is reduced. Likewise, the efficiency of the dimethyl ether synthesis can be increased.
또한, 본 발명은, 상기 기재된 공정을 수행하도록 구성된, 이산화탄소로부터 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성 가스를 생산하기 위한 장치에 관한 것이다. 그러한 장치는 하나 이상의 제 1 반응 챔버 및 하나 이상의 제 2 반응 챔버를 포함하는데, 상기 제 1 반응 챔버는 이산화탄소의 분해를 위한 하나 이상의 플라즈마 발생 장치를 포함하고, 이러한 제 1 반응 챔버에 이산화탄소가 하나 이상의 공급 라인을 통해 공급되고, 이를 통해 이산화탄소가 분해 생성물로 흐르고; 상기 제 2 반응 챔버는 하나 이상의 라인을 통해 제 1 반응 챔버의 하류에 연결되거나 제 1 반응 챔버에 바로 연결되고, 이러한 제 2 반응 챔버에 공급 라인을 통해 공급된 탄화수소성 가스가 함유되거나 이를 통해 탄화수소성 가스가 흐르고; 합성 가스는 분해 생성물이 가스성 탄화수소를 통해 흐르는 과정에서 분해 생성물이 가스성 탄화수소와 반응함에 따라 생산되고, 출구 라인을 통해 내보내 진다. 이에 따라서, 본 발명의 장치로 합성 가스를 제조하기 위한 본 발명의 2-단계 생산 공정은, 공급된 이산화탄소가 반응 챔버 또는 제 1 반응 챔버(들)에서 그 안에 발생된 플라즈마에 의해 분해되고, 반응 챔버 또는 제 2 반응 챔버(들)에서 탄화수소성 가스와 이산화탄소의 분해 생성물의 후속 혼합이 이루어지게 하는 방식으로 설계될 수 있다. 모든 반응 챔버에는 적합한 유입 및 유출 라인이 장착되어, 본 발명에 따른 생산 공정에 사용되는 가스성 물질이 이들 사이에서 흐를 수 있다. 마찬가지로, 하나 이상의 제 2 반응 챔버(들)가 하나 이상의 제 1 반응 챔버(들)에 바로 연결되거나, 이들 사이에 직접적인 접촉이 이루어지는 것이 가능하다. 또한, 본 발명의 장치는 특히 평행하게 연결되어 있는 합성 가스 생산을 위한 둘 이상의 개별 장치 유닛들을 지니는 것이 가능하고, 이들 각각은 상응하는 장치 유닛들이 다수인 경우에 개별적이거나 그룹으로 되어 있는 하나 이상의 제 1 및 하나 이상의 제 2 반응 챔버를 포함한다.The present invention also relates to an apparatus for producing a synthesis gas comprising carbon monoxide and hydrogen from carbon dioxide, which is configured to perform the process described above. Such a device comprises at least one first reaction chamber and at least one second reaction chamber, wherein the first reaction chamber comprises at least one plasma generating device for the decomposition of carbon dioxide, wherein at least one Feed through a feed line, through which carbon dioxide flows into the decomposition product; The second reaction chamber is connected downstream of the first reaction chamber through one or more lines or directly connected to the first reaction chamber, and the hydrocarbon gas supplied through the supply line to the second reaction chamber is contained or supplied to the hydrocarbon Gas is flowing; The synthesis gas is produced as the decomposition product reacts with the gaseous hydrocarbons in the process of the decomposition products flowing through the gaseous hydrocarbons, and is discharged through the outlet line. Accordingly, the two-step production process of the present invention for producing syngas with the apparatus of the present invention is characterized in that the supplied carbon dioxide is decomposed by the plasma generated therein in the reaction chamber or the first reaction chamber (s) So that subsequent mixing of the decomposition products of the hydrocarbon gas with carbon dioxide in the chamber or the second reaction chamber (s) can be achieved. All reaction chambers are equipped with suitable inlet and outlet lines so that gaseous materials used in the production process according to the invention can flow between them. Likewise, it is possible for one or more second reaction chamber (s) to be connected directly to one or more first reaction chamber (s), or to make direct contact therebetween. The apparatus of the present invention is also particularly capable of having two or more individual device units for the production of syngas connected in parallel, each of which may be an individual or grouped one or more 1 and at least one second reaction chamber.
플라즈마 발생 장치는 여러 개의 플라즈마 공급원을 지니는 것이 바람직하다. 이는 가스성 탄화수소와 분해 생성물의 혼합이 개선되게 하는데, 이에 대한 특정 이유는 이산화탄소의 분해를 위한 여러 개의 작은 플라즈마 공급원의 사용이 공간에 대해 보다 큰 비율의 접촉 면적을 제공하기 때문이다. 상기 언급된 바와 같이, 플라즈마 공급원은 상이한 전기 여기(electrical excitation)를 지닐 수 있다. 플라즈마 공급원의 환산 전기장 세기는 바람직하게는 약 100 V/mm bar 내지 약 10 kV/mm bar의 범위이다.Preferably, the plasma generator has a plurality of plasma sources. This results in improved mixing of gaseous hydrocarbons and decomposition products, a particular reason for this is that the use of several small plasma sources for the decomposition of carbon dioxide provides a greater ratio of contact area to space. As mentioned above, the plasma source may have different electrical excitation. The converted field strength of the plasma source is preferably in the range of about 100 V / mm bar to about 10 kV / mm bar.
유리하게는, 제 1 반응 챔버들과 제 2 반응 챔버들 및/또는 제 2 반응 챔버 사이의 하나 이상의 라인은 증기, 특히, 스팀의 도입을 위한 하나 이상의 오리피스(orifice)를 지닌다. 본 발명에 따른 공정에 대해 기재된 바와 같이, 소량의 스팀을 공급하는 것은 합성 가스를 냉각하는 과정에서 그을음 형성을 열역학적으로 억제하고, 또한 생성물 스펙트럼을 수소에 우세하게 이동시킬 수 있다.Advantageously, the at least one line between the first reaction chambers and the second reaction chambers and / or the second reaction chamber has one or more orifices for the introduction of steam, in particular steam. As described for the process according to the present invention, feeding a small amount of steam thermodynamically suppresses soot formation during the cooling of syngas, and can also predominantly transfer the product spectrum to hydrogen.
합성 가스의 후속-반응을 위해, 제 2 반응 챔버에 이어서 하류에 촉매, 특히, 니켈(Ni) 또는 지르코늄(Zr)을 기반으로 하는 촉매가 있을 수 있다. 이에 따라서, 합성 가스로 불완전하게 전환된 물질 또는 화합물을 촉매작용에 의해 합성 가스로 전환시키는 것이 가능하고, 이는 합성 가스 생산의 효율을 증가시킨다.For the subsequent reaction of the synthesis gas, there may be a catalyst downstream of the second reaction chamber, in particular a catalyst based on nickel (Ni) or zirconium (Zr). Accordingly, it is possible to catalytically convert the incompletely converted material or compound into syngas, which increases the efficiency of syngas production.
또한, 제 2 반응 챔버의 하류에 연결된 어떠한 촉매 또는 제 2 반응 챔버에 이어서 하류에 합성 반응, 특히, 메탄올 또는 디메틸 에테르 합성을 수행하기 위한 추가의 반응 챔버가 있을 수 있다. 이러한 방식에서, 합성 가스의 열 에너지는 하류 공정을 위해 효율적으로 이용될 수 있다.Further, there may be additional reaction chambers for performing synthesis reactions, particularly methanol or dimethyl ether synthesis, downstream of any catalyst or second reaction chamber connected downstream of the second reaction chamber. In this way, the thermal energy of the syngas can be efficiently used for the downstream process.
본 발명의 추가의 이점, 특징 및 세부 사항은 이하에서 기재되는 작업예로부터, 그리고 도면으로부터 입증된다.Further advantages, features and details of the present invention are evidenced from the working examples described below and from the drawings.
도 1은 첫 번째 구체예에 따라 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 장치를 나타낸 것이다.
도 2는 두 번째 구체예에 따라 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 장치를 나타낸 것이다.
도 3은 세 번째 구체예에 따라 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 장치를 나타낸 것이다.
도 4는 네 번째 구체예에 따라 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 장치를 나타낸 것이다.
도 5는 다섯 번째 구체예에 따라 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 장치를 나타낸 것이다.
도 6은 여섯 번째 구체예에 따라 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 장치를 나타낸 것이다.
도 7은 일곱 번째 구체예에 따라 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 장치의 일부를 나타낸 것이다.
도 8은 여덟 번째 구체예에 따라 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 장치를 나타낸 것이다.Figure 1 shows an apparatus for carrying out the process according to the invention according to a first embodiment.
Figure 2 shows an apparatus for carrying out the process according to the invention according to a second embodiment.
Figure 3 shows an apparatus for carrying out the process according to the invention according to a third embodiment.
4 shows an apparatus for carrying out the process according to the invention according to a fourth embodiment.
Figure 5 shows an apparatus for carrying out the process according to the invention in accordance with a fifth embodiment.
Figure 6 shows an apparatus for carrying out the process according to the invention according to a sixth embodiment.
Figure 7 shows a part of an apparatus for carrying out the process according to the invention according to a seventh embodiment.
Figure 8 shows an apparatus for carrying out the process according to the invention according to an eighth embodiment.
도 1은 첫 번째 구체예에 따라 이산화탄소(CO2)로부터 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)를 포함하는 합성 가스를 생산하기 위해 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 장치(1)를 나타낸 것이다. 장치(1)는 기본적으로 제 1 및 제 2 반응 챔버(2, 3)를 포함하며, 이러한 챔버들은 라인(4)을 통해 서로 연결된다. 또한, 반응 챔버(2, 3)에는 전용 유입 라인(5, 6)이 배치되며, 제 2 반응 챔버(3)에는 배출 라인(7)이 배치된다.Figure 1 shows an
제 1 반응 챔버(2)는, 유리하게는, 도 7에 나타난 바와 같이, 여러 개의 플라즈마 공급원(8')을 지니는 하나 이상의 플라즈마 발생 장치(8)를 포함한다. 플라즈마 발생 장치(8) 및 플라즈마 공급원(8')은 전기 에너지 공급 라인(17)에 의해 전기 에너지 공급부(16)에 연결된다.The
제 1 반응 챔버(2)는 이산화탄소를 분해하는 역할을 하고, 이러한 이산화탄소는 유입 라인(5)을 통해 공급되고 제 1 반응 챔버(2)를 통해, 예를 들어, 약 50 m/s의 유속으로 분해 생성물로 흐른다. 이는 수 천 ℃의 온도에서 이루어진다. 플라즈마 발생 장치(8)는, 예를 들어, 1 kV/mm bar의 환산 전기장 세기로 작동되는데, 이는 발생된 플라즈마가 완전히 열중성자화되지 않게, 즉, 열역학적 평형 상태에 있지 않게 하는 것을 보장한다. 플라즈마를 발생시키기 위하여, 무선주파수 범위의 고주파수 교류를 이용하는 것이 바람직한데, 왜냐하면 이러한 방식에서는 플라즈마와 플라즈마 발생 장치(8)의 전극의 접촉이 필요하지 않고, 또한 보호 가스의 사용이 필요하지 않기 때문이다. 또한, 요망되는 높은 유속을 위해서 표면파 플라즈마를 사용하는 것이 유리하다. 더욱 특히, 플라즈마 파워는 이산화탄소가 상기 언급된 높은 유속으로 흐르는 작은 공간에 집중된다. 따라서, 전기 에너지 소산 구역에서 체류 시간은 열역학적 평형의 확립이 억제되기에 충분히 짧고, 높은 비율의 전기 에너지가 이산화탄소의 분해에 이용된다.The
분해 생성물은 라인(4)을 통해 제 2 반응 챔버(3)로 흐름에 따라 라인(6)을 통해 공급된 가스성 탄화수소와 혼합되고, 이어서, 합성 가스로 전환되고, 라인(7)을 통해 약 800 내지 900℃의 온도로 최종 생성물로서 제 2 반응 챔버(3)로부터 내보내 진다. 여기서, 또한, 분해 생성물과 가스성 탄화수소 둘 모두는 유속이 높은 것이 유리한데, 왜냐하면 그에 의해서 높은 혼합 속도가 야기되기 때문이다. 혼합 시간은, 예를 들어, 단지 수 밀리세컨드(ms)이다. 라인(4)에서는 이산화탄소의 분해 생성물을 포함하는 플라즈마 가스가 반응 챔버(3) 내에 통과되는 과정에서 원치않는 열 손실 및 후속-반응을 방지하기 위해서 짧게 머물게 된다. 또한, 이는, 플라즈마 발생 장치(8), 즉, 플라즈마 반응기의 반응 챔버(2)가 반응 챔버(3)와 직접적으로 접촉되도록 완전히 생략될 수 있다.The decomposition products are mixed with the gaseous hydrocarbons fed via
유리하게는, 도 2에 나타난 바와 같이, 적절한 플라즈마 발생 장치(8) 또는 플라즈마 반응기를 지니는 여러 개의 제 1 반응 챔버(2)는 리포밍(reforming)을 위해 제 2 반응 챔버(3)에 배치될 수 있다. 이에 의해서 플라즈마 가스와 탄화수소 사이에 요망되는 큰 접촉 면적이 달성된다. Advantageously, as shown in Figure 2, a
본 발명에 따른 공정은 합성 가스에 사용되는 물질의 신속한 효율적인 화학적 전환을 야기하는 열역학적으로 선호되는 공정 경로로 구성된다. 이와 동시에, 기본적으로 두 가지 단계로 공정을 나눔으로써 이산화탄소와 탄화수소의 가스 혼합물이 가열되는 것이 방지되고, 그에 의해서 그을음 형성에 열역학적으로 선호되는 온도 범위를 거치지 않게 된다. 플라즈마 발생 장치(8) 및 플라즈마 공급원(8')의 작동에 요망되는 반응 챔버(2, 3) 및 에너지 공급부(16) 또는 전기 전력 공급부는 소형이고 저렴하다.The process according to the invention consists of a thermodynamically favorable process path leading to a rapid and efficient chemical conversion of the materials used in the synthesis gas. At the same time, basically dividing the process into two steps prevents the gas mixture of carbon dioxide and hydrocarbon from being heated, thereby avoiding the thermodynamically favorable temperature range for soot formation. The
도 3은 세 번째 구체예에 따라 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 장치(1)를 나타낸 것이다. 도 1 또는 2에 따른 구체예에서 기본적으로 상이한 점은 스팀이 열 교환기(10)로부터 추가의 공급 라인(9)을 통해 제 2 반응 챔버(3)에 공급된다는 점이고, 이의 결과로 그을음 형성이 합성 가스의 냉각 과정에서 열역학적으로 억제되고, 생산된 합성 가스의 생성물 스펙트럼이 수소에 우세하게 이동된다. 열 교환기(10)는 유리하게는 본 발명에 따른 공정에서 생긴 공정 열을 이용하여 작동될 수 있다. Figure 3 shows an
도 4는 스팀이 제 2 반응 챔버(3)로 바로 나가지 않고, 오히려 두 개의 반응 챔버(2, 3)를 연결하는 라인(4)으로 나가서 분해 생성물을 증기와 예비혼합시킬 수 있는 변형예를 나타낸 것이다.4 shows a variant in which steam does not exit directly into the
도 5는 다섯 번째 구체예에 따라 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 장치(1)를 나타낸 것이다. 여기서, 제 2 반응 챔버(3)의 하류에 연결된 촉매(11)는 불완전하게 전환된 물질을 후속-반응시켜, 그에 따라서, 사용된 물질의 완전한 전환을 달성시키는 역할을 한다. 촉매(11)는, 예를 들어, 활성 원소로서 지르코늄을 지니는 페로브스카이트(perovskite) 구조를 기반으로 한 고체-상태 촉매로 구성될 수 있다.Figure 5 shows an
도 6은, 도 5에 따른 구체예를 기초로 하여, 촉매(11)를 통과한 후, 촉매(11)의 하류에 연결된 반응 챔버(12)에서 일어나는 하류 공정, 즉, 예를 들어, 메탄올 합성 또는 디메틸 에테르 합성에 합성 가스를 공급하는 옵션을 나타낸 것이다. 이러한 목적을 위하여, 촉매(11)는 라인(13)을 통해 반응 챔버(12)에 연결된다. 여기서, 저장소(14)로부터 수소를 라인(15)을 통해 반응 챔버(12)에 공급하여 합성 가스에서 요망되는 일산화탄소 대 수소의 비를 확립하는 것이 가능할 수 있다. 수소는, 예를 들어, 전기분해 공정을 통해 얻어질 수 있다. 전반적으로, 이에 따라서 본 발명에 따른 공정에서 얻어지는 열 에너지가 메탄올 합성에 효율적으로 사용될 수 있다는 이점이 발생한다. 직접적인 디메틸 에테르 합성이 반응 챔버(12)에서 이루어지는 때에 동일한 점이 적용되는데, 왜냐하면, 특히, 종래 기술로부터 공지된 디메틸 에테르 합성을 위한 2-단계 촉매적 공정에 비해, 본 발명에 따른 공정에 의해 제공되는 공정 열은 여기서 마찬가지로 반응의 효율을 증가시키기 때문이다.Fig. 6 is a graph showing the results of the downstream process occurring in the
도 8은 본 발명에 따른 공정의 스케일링(scaling)을 위한 추가의 옵션을 나타낸 것이다. 이산화탄소의 플라즈마 분해를 위한 여러 개의 제 1 반응 챔버(2)가 리포밍을 위해 큰 제 2 반응 챔버(3)에 배치되는 대신에 여기서는 본 발명의 장치(1, 1')가 여러 개의 유닛으로 평행하게 연결되며, 이때 장치(1, 1')는 각각 제 1 및 제 2 반응 챔버(2, 3), 및, 임의로, 촉매(11) 또는 촉매 반응기로 구성된다. 이는 이산화탄소의 분해 생성물을 포함하는 플라즈마 가스와 탄화수소 사이의 접촉 면적이 플랜트 크기(plant size)로 성장하는 것을 보장한다.Figure 8 shows a further option for scaling the process according to the invention. Instead of arranging a plurality of
Claims (26)
상기에서 이산화탄소(CO2) 및/또는 분해 생성물은 10 내지 100 m/s의 유속으로 흐르며, 플라즈마는 100 V/mm bar 내지 10 kV/mm bar 범위의 환산 전기장 세기로 플라즈마 발생 장치를 이용하여 발생되며, 생산되는 합성 가스의 온도가 1100℃ 또는 그 미만이 되게 하는 방식으로 분해 생성물이 탄화수소성 가스와 혼합됨을 특징으로 하는 방법.Carbon dioxide as a method for producing synthesis gas from (CO 2) include carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2), carbon dioxide (CO 2) is as the flow through the plasma by decomposing carbon dioxide (CO 2) as a degradation product And then producing the synthesis gas by reacting the decomposition products with the gaseous hydrocarbons as the decomposition products flow through the hydrocarbon gas,
Wherein the carbon dioxide (CO 2 ) and / or decomposition products flow at a flow rate of 10 to 100 m / s and the plasma is generated using a plasma generator at a converted electric field intensity in the range of 100 V / mm bar to 10 kV / mm bar And the decomposition product is mixed with the hydrocarbon gas in such a way that the temperature of the produced synthesis gas is 1100 ° C or less.
상기에서 이산화탄소(CO2) 및/또는 분해 생성물은 10 내지 100 m/s의 유속으로 흐르며, 플라즈마 발생 장치(8)에서 플라즈마가 100 V/mm bar 내지 10 kV/mm bar 범위의 환산 전기장 세기로 발생되며, 생산되는 합성 가스의 온도가 1100℃ 또는 그 미만이 되게 하는 방식으로 분해 생성물이 탄화수소성 가스와 혼합됨을 특징으로 하는 장치.Claim 1 or configured to perform a 2 of the process, carbon dioxide as an apparatus for producing synthesis gas comprising carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2) from (CO 2), the device (1) has at least one first comprising: a reaction chamber (2) and at least one second reaction chamber 3, and the first reaction chamber comprises at least one plasma generating device (8) for the decomposition of carbon dioxide (CO 2), this first reaction Carbon dioxide is supplied to the chamber 2 through one or more supply lines through which carbon dioxide flows into the decomposition products; The second reaction chamber 3 is connected to the downstream side of the first reaction chamber 2 via one or more lines 4 or directly connected to the first reaction chamber 2, The hydrocarbonaceous gas fed through the feed line 5 is contained or flows therethrough; The synthesis gas is produced as the decomposition products react with the gaseous hydrocarbons in the course of the decomposition products flowing through the gaseous hydrocarbons, is discharged through the outlet line 7,
(CO 2 ) and / or decomposition products flow at a flow rate of 10 to 100 m / s and the plasma is generated in the plasma generator 8 at a converted electric field intensity in the range of 100 V / mm bar to 10 kV / mm bar And the decomposition product is mixed with the hydrocarbon gas in such a manner that the temperature of the produced synthesis gas is 1100 ° C or less.
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