KR101743954B1 - 플라즈마-촉매 하이브리드형 개질 반응장치 - Google Patents

플라즈마-촉매 하이브리드형 개질 반응장치 Download PDF

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류재홍
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Abstract

본 발명은 플라즈마-촉매 하이브리드형 개질 반응장치에 관한 것으로, 이산화탄소와 메탄가스에서 수소와 일산화탄소를 생산하는 플라즈마-촉매 개질 반응을 하나의 복합 장치에서 수행함으로써 플라즈마 반응의 열원을 효율적으로 활용할 수 있으며, 스팀공급으로 고체 탄소 입자(coke)를 산화시켜 탄소전환율 및 합성가스 선택
성이 증대하는 플라즈마-촉매 하이브리드형 개질 반응장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른, 플라즈마-촉매 하이브리드형 개질 반응장치는 주입가스(이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4)가스)를 합성가스로 개질하는 개질 반응기; 상기 개질 반응기 내부에 설치되며, 상기 주입가스가 유동하는 반응관; 상기 반응관에 연결되어 상기 주입가스와 플라즈마 개질 반응을 일으키도록 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부; 상기 반응관에 연결되어 상기 플라즈마 개질 반응을 통해 생성된 탄소 입자를 CO나 CO2로 전환시키는 스팀 공급부; 및 상기 개질 반응기 내부에 설치되고, 상기 스팀 공급부 하부에 설치되며, 상기 반응관 주위를 감싸는 원통형의 촉매 반응기;를 포함하되, 상기 주입가스는 일정 압력에 의해 상기 반응관에 주입되어 상기 반응관을 통과하면서, 플라즈마 반응을 하고 스팀에 의해 탄소 산화반응을 하며, 상기 반응관 말단을 지나 상기 촉매 반응기에서 촉매 개질 반응을 하여 합성가스를 생성하며, 생성된 합성가스는 상기 개질 반응기 상부에 설치된 배출구를 통해 배출되는 것을 포함한다.

Description

플라즈마-촉매 하이브리드형 개질 반응장치{Hybrid reformer using plasma and catalyst}
본 발명은 플라즈마-촉매 하이브리드형 개질 반응장치에 관한 것으로, 이산화탄소와 메탄가스에서 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 생산하는 플라즈마-촉매 개질 반응을 하나의 복합 장치에서 수행함으로써 플라즈마 반응의 열원을 효율적으로 활용할 수 있으며, 스팀공급으로 고체 탄소 입자(coke)를 산화시켜 탄소전환율 및 합성가스 선택성이 증대하는 플라즈마-촉매 하이브리드형 개질 반응장치에 관한 것이다.
일반적으로, 합성가스란 CO, H2의 혼합기체로 전력 생산 뿐 아니라 화학 공업에서 매우 중요한 원료이다. 합성가스를 이용하여 alkane계 물질을 생산할 때, H2/CO비가 0.5~1 수준에서 생성된다. 현재까지 합성가스를 제조하는 방법은 천연가스 수증기 개질(Steam methane reforming; CH4+H2O→ CO+3H2) 및 화석 연료의 가스화에 의해 제조하고 있다. 기존의 수증기 개질 반응은 운전조건이 900℃, 15∼30atm에서 이루어지는 고온, 고압반응이며, H2/CO비가 3 수준이므로, 합성가스를 이용한 alkane계 물질 등을 생산하기 위해서는 추가적인 공정을 이용하여 H2/CO 비율을 맞춰주어야 하는 단점을 가지고 있다.
반면, CO2에 의한 건식개질 반응 (Dry reforming; CH4 + CO2 → 2H2 + 2CO)에서는 H2/CO비를 1 수준으로 얻을 수 있다. 특히, 단위 합성가스 생산을 위한 건식 개질 공정은 메탄 소비량을 줄이고 이산화탄소를 사용한다는 측면에서 매력적이다. 즉, 동일한 양의 일산화탄소를 얻는데 메탄 소요량을 50% 정도 절감할 수 있는데 이는 개질 공정에서 CO2도 탄소공급원으로 작용하기 때문이다. 석유화학단지, 천연가스 산지, 매립지 가스에서는 CH4 및 CO2가 동시에 발생할 수 있어서 건식개질에 의해 합성가스를 생산하고 이를 통하여 고부가 물질을 생산할 수 있다.
그러나, 메탄-이산화탄소 촉매 반응을 통한 CO2 개질 방법인 이산화탄소 건식 개질 방법(Carbondioxide DryReforming, CDR)은 700℃ 이상의 고온에서 운전이 되어야 하고 열역학적 반응조건이 coke 유발에 취약하므로 촉매의 탄소 침적 문제가 있어서 고정층 반응기에서 탄소침적에 의한 압력 강하(pressure drop) 문제가 발생하고 쐐기현상에 의한 촉매 펠렛구조 붕괴 등의 어려움이 있다. 한편, 플라즈마 기술에 의한 가스 개질 기술들은 플라즈마가스 개질 반응장치의 에너지 효율, 처리 용량 및 낮은 전환율 등의 문제로 단일 가스개질 상용장비로의 적용에 한계를 나타내고 있다.
(문헌 1) 대한민국 등록특허공보 제10-1326670호(2013.11.01.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 이산화탄소와 메탄가스에서 합성가스를 생산하는 플라즈마-촉매 개질 반응을 하나의 복합 장치에 의해 수행함으로써, 플라즈마 개질 반응에서 발생한 열원으로 흡열반응인 스팀에 의한 탄소 산화반응(SCR, Steam Carbon dioxide Reforming) 및 촉매 개질 반응을 진행하므로 추가적인 열에너지 공급을 최소화하고, 플라즈마 개질 반응으로 생성된 고체 탄소 입자(Coke)를 산화시켜 배관이 막히는 문제를 해결하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 주입가스(이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4)가스)를 합성가스로 개질하는 개질 반응기; 상기 개질 반응기 내부에 설치되며, 상기 주입가스가 유동하는 반응관; 상기 반응관에 연결되어 상기 주입가스와 플라즈마 개질 반응을 일으키도록 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부; 상기 반응관에 연결되어 상기 플라즈마 개질 반응을 통해 생성된 탄소 입자를 CO나 CO2로 전환시키는 스팀 공급부; 및 상기 개질 반응기 내부에 설치되고, 상기 스팀 공급부 하부에 설치되며, 상기 반응관 주위를 감싸는 원통형의 촉매 반응기;를 포함하되, 상기 주입가스는 일정 압력에 의해 상기 반응관에 주입되어 상기 반응관을 통과하면서, 플라즈마 반응을 하고 스팀에 의해 탄소 산화반응을 하며, 상기 반응관 말단을 지나 상기 촉매 반응기에서 촉매 개질 반응을 하여 합성가스를 생성하며, 생성된 합성가스는 상기 개질 반응기 상부에 설치된 배출구를 통해 배출되는, 플라즈마-촉매 하이브리드형 개질 반응장치를 제공한다.
상기 반응관과 상기 촉매 반응기 사이에는 일정간격으로 방열판이 설치되는 것이 바람직하다.
상기 촉매 반응기의 외측면의 말단부는 상기 개질 반응기의 바닥부와 맞닿도록 설치되고, 상기 반응관의 말단과 상기 촉매 반응기의 바닥부는 상기 개질 반응기 바닥부에서 이격되도록 설치되는 것이 바람직하다.
상기 반응관을 감싸는 상기 촉매 반응기의 바닥부에는 분말형태의 촉매가 배출되지 않도록 촉매입자보다 작은 공극을 갖는 분산판이 설치되는 것이 바람직하다.
상기 촉매 반응기에서 촉매 개질 반응으로 생성된 합성가스는 상기 촉매 반응기의 상부로 유동되어 상기 배출구로 배출되는 것이 바람직하다.
상기 촉매 반응기에 주입되는 촉매는 상기 촉매 반응기 하단에 형성된 촉매 유동 통로를 통해 상기 촉매 반응기로 유입된 후, 상기 촉매 반응기의 상부로 유동하다 상기 촉매 반응기 외부로 배출되어 촉매 침강 공간으로 하강하여 다시 상기 촉매 유동 통로로 유입되어 계속 순환하게 되는 것이 바람직하다.
상기 촉매 반응기 상부로 배출되고, 자중에 의해 하강하지 않고 합성가스와 함께 상승하는 일부 촉매는 촉매 필터에 의해 걸러지는 것이 바람직하다.
상기 촉매 반응기 상부로 배출된 촉매가 상부로 상승하지 않도록 하고, 상기 촉매 필터에 의해 걸러진 촉매가 상기 촉매 반응기로 떨어지지 않도록 가이드하는 촉매 가이드를 설치하는 것이 바람직하다.
상기 개질 반응기는 상단부와 하단부로 나뉘며, 하단부의 상부 횡단면 직경이 하단부의 하부 횡단면 직경보다 큰 쐐기형 구조인 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 플라즈마-촉매 개질 반응을 하나의 복합 장치에 의해 수행함으로써, 플라즈마 개질 반응에서 발생한 열원으로 흡열반응인 스팀에 의한 탄소 산화반응(SCR, Steam Carbon dioxide Reforming) 및 촉매 개질 반응을 진행하므로 추가적인 열에너지 공급을 최소화하며, 플라즈마 개질 반응으로 생성된 고체 탄소 입자(Coke)를 산화시켜 가스상 물질로 전환하므로 탄소전환율 및 합성가스 선택성이 증대하며, 촉매 수명을 증대시키고 공정 안정성을 높이는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마-촉매 하이브리드형 개질 반응장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마-촉매 하이브리드형 개질 반응장치의 가스와 촉매의 흐름을 도시한 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마-촉매 하이브리드형 개질 반응기 하부를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시례를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 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.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시례에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 하기 실시례는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마-촉매 하이브리드형 개질 반응장치를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 플라즈마-촉매 하이브리드형 개질 반응장치의 가스와 촉매의 흐름을 도시한 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 플라즈마-촉매 하이브리드형 개질 반응기 하부를 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 플라즈마-촉매 하이브리드형 개질 반응장치(100)는 이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4)가스와 같은 주입가스를 합성가스(수소(H2)와 일산화탄소(CO))로 개질하기 위해서, 개질 반응기(110), 개질 반응기(110) 내부에 설치되며, 주입가스가 유동하는 반응관(120), 반응관(120)에 연결되어 주입가스와 플라즈마 개질 반응을 일으키도록 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부(130), 반응관(120)에 연결되어 플라즈마 개질 반응을 통해 생성된 탄소 입자를 CO나 CO2로 전환시키는 스팀 공급부(140) 및 개질 반응기(110) 내부에 설치되고, 스팀 공급부(140) 하부에 설치되며, 반응관(120) 주위를 감싸는 원통형의 촉매 반응기(150)를 포함할 수 있으며, 주입가스는 일정 압력에 의해 반응관(120)에 주입되어 반응관(120)을 통과하면서, 플라즈마 반응을 하고 스팀에 의해 탄소 산화반응을 하며, 반응관(120) 말단을 지나 촉매 반응기(150)에서 촉매 반응을 한 후, 개질 반응기(110) 상부에 설치된 배출구(115)를 통해 배출될 수 있다.
개질 반응기(110)의 본체는 상단부(111)와 하단부(112)로 나눌 수 있으며, 하단부(112)는 하단부(112)의 상부의 횡단면 직경이 하단부(112)의 하부의 횡단면 직경보다 큰 형태의 쐐기형 구조를 가질 수 있으며, 이러한 형태는 후술할 촉매 순환시 촉매 반응기(150) 외측면(151)과 개질 반응기(110) 하단부(112)의 내측면에 형성되는 촉매 침강 공간(160)으로 침강된 촉매가 하부로 갈수록 밀도가 높아져 촉매 유동 통로(152)를 통하여 촉매 반응기(150) 내부로 원활히 인입될 수 있는 이점이 있다.
플라즈마 발생부(130)는 플라즈마를 발생시켜 반응관(120)의 유입구(121)로 일정 압력으로 주입되는 주입가스와 플라즈마 개질 반응이 일어나도록 할 수 있다. 별도로 설치되어 있는 플라즈마 발생장치를 통해 형성된 고출력 에너지가 도파될 수 있는 관 형태로 설치된 플라즈마 발생부(130)는 반응관(120)과 직교하여 접하는 구간에서 에너지 방사를 통하여 플라즈마 반응이 진행되며, 1000℃ 이상의 고온이 발생하게 된다. 플라즈마 개질 반응식은 다음과 같다.
(1) CH4 → C+2H2
(2) CO2 → CO + O
(3) C + O → CO
(4) H2 + O → H2O
위와 같은 반응식에 의해 주입된 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2) 가스는 플라즈마 개질 반응에 의해 수소(H2)와 일산화탄소(CO)로 전환될 수 있다. 그런데, 플라즈마 개질 반응식 (1)에서 (4)까지의 반응은 각 전환율이 100%가 되지 않기 때문에 필수적으로 고체의 탄소 입자(Coke)가 발생하며 플라즈마 개질 반응 후의 생성물은 H2, CO, CH4(미반응물), CO2(미반응물), C, H2O 가 혼합되어 있을 수 있다.
이 경우, 고체의 탄소 입자의 생성으로 반응관이 막힐 수 있으므로, 플라즈마 개질 반응 후 스팀 공급부(140)에서 반응관(120)으로 스팀을 공급하여 고체의 탄소 입자를 가스상 물질로 전환할 수 있다. 스팀 공급부(140)는 플라즈마 발생부(130) 바로 아래에 위치함으로써 플라즈마 발생부(130)에서 생성된 1000℃ 이상의 고온의 가스가 열원을 공급하므로, 탄소입자 산화반응에 별도의 열원이 필요하지 않다. 아래와 같은 탄소 산화 반응식에 의해 고체의 탄소 입자가 기체 상태의 CO와 CO2로 전환되어 반응관(120)이 고체 탄소 입자로 막히는 현상을 방지할 수 있다. 탄소 산화 반응식은 다음과 같다.
(5) C + H2O → H2 + CO
(6) CO + H2O → H2 + CO2
위와 같이 스팀에 의해 탄소 산화 반응이 완료되면, 생성된 기체들은 반응관(120)의 흐름에 따라 반응관의 말단(122)을 지나 촉매 반응기(150)로 이동하여 촉매 개질 반응이 일어나게 된다.
촉매 반응기(150)는 반응관(120) 하부에 반응관(120) 외측을 감싸는 원통형으로 설치될 수 있으며, 반응관(120)과 원통형의 촉매 반응기(150) 사이에는 일정 간격으로 방열판(153)이 설치될 수 있다. 방열판(153)은 판형으로 반응관(120)과 접합되어 플라즈마 발생부(130)에서 발생한 고온의 전도열을 전달받아, 방열면적이 확대되어 촉매입자로 열을 방출하는 역할을 할 수 있다. 즉, 방열판(153)에서 방출되는 열은 순환하고 있는 촉매에 공급됨으로써 촉매 반응에 필요로 하는 열에너지를 공급받을 수 있으며, 이로써 촉매반응을 위하여 별도의 열원을 공급할 필요가 없다.
또한, 촉매 반응기(150)의 외측면(151)의 말단부(151a)는 개질 반응기(110)의 바닥부(113)와 맞닿도록 설치되고, 반응관(120)의 말단(122)과 촉매 반응기(150)의 바닥부(154)는 개질 반응기(110) 바닥부(113)에서 이격되도록 설치될 수 있으며, 이격 높이는 약 1cm 쯤 되어, 플라즈마 개질 반응과 스팀 산화 반응으로 생성된 가스가 이동하는 공간을 형성할 수 있다.
한편, 촉매 반응기(150)의 바닥부(154)에는 플라즈마 개질 반응과 스팀 산화 반응으로 생성된 가스가 반응관(120) 말단(122)을 지나 촉매 반응기(150)로 이동하기 위해 분산판(155)이 설치되며, 분산판(155)은 분말형태의 촉매가 배출되지 않도록 촉매입자보다 작은 공극(156)을 갖는 다공성판일 수 있다.
또한, 촉매 반응기(150)의 하단 외측면(151) 둘레를 따라 촉매 유동 통로(152)가 형성될 수 있으며, 이 촉매 유동 통로(152)를 통해 촉매가 유입되고, 유입된 촉매가 촉매 반응기(150)를 지나 촉매 침강 공간(160)으로 침강하여 다시 촉매 반응기(150)로 유입되는 통로가 될 수 있다.
촉매는 고체의 분말 입자로서 금속 산화물 촉매일 수 있으며, 예컨대, 알루미나(Al2O3)가 주성분일 수 있고, 활성성분은 니켈(Ni)이 사용될 수 있다. 촉매가 촉매 반응기를 유동하고 순환할 수 있는 구동력은 주입가스가 유입될 때 가해지는 일정 압력에 의해 형성된다. 즉, 주입가스가 유입될 때 가해지는 압력으로 전체 시스템에서 가스의 유로를 형성하는 구동력이 되고, 촉매가 순환할 수 있는 운동 에너지를 공급하게 된다.
반응관(120) 말단(122)을 지나 분산판(155)을 통해 촉매 반응기(150)로 유입되어 상방으로 역전되어 흐르는 가스(도 2의 실선 화살표)는 촉매 유동 통로(152)로 유입된 촉매(도 2의 점선 화살표)와 촉매 개질 반응을 일으키며, 촉매 개질 반응식은 다음과 같다.
(7) CH4 + CO2 → 2H2 + 2CO
(8) CH4 + H2O → 3H2 + CO
상기 반응에 의하여 촉매 반응기(150)로 주입된 플라즈마 개질 반응 후 가스 중 CH4, CO2, H2O가 H2와 CO로 전환되며, 이로써, 플라즈마 개질 반응에서 미반응된 CH4와 CO2를 전환하는 역할을 수행할 수 있다.
촉매 반응기(150)를 통해 생성된 수소와 일산화탄소는 촉매 반응기(150) 상부로 이동하여 배출구(115)를 통해 배출될 수 있다.
촉매 반응기(150) 상부로 배출된 촉매는 자중에 의해 촉매 침강 공간(160)으로 하강하다가 다시 촉매 유동 통로(152)로 유입되어 순환하게 되며, 촉매 침강 공간(150)으로 하강하지 않는 일부 촉매는 생성된 가스와 함께 상승하게 되는데 상승한 촉매가 배출구(115)를 통해 배출되지 않도록 촉매 필터(180)가 설치되어 촉매를 걸러낼 수 있다.
한편, 촉매 가이드(170)는 플라즈마 발생부(130) 위치에 원형판 형태로 설치될 수 있으며, 상부면은 중심에서 외주면으로 5도 이상의 각도로 기울어지도록 깔대기 형태로 마련될 수 있으며, 하부면도 중심에서 외주면으로 5도 이상의 각도로 기울어지게 형성되어, 촉매 반응기(150) 상부로 배출된 촉매가 촉매 가이드(170) 하부면과 충돌하면서 운동에너지가 감소하고 중력에 의해 촉매 침강 공간(160)으로 하강하도록 가이드되고, 촉매 필터(180)에 의해 걸러진 촉매가 촉매 반응기(150) 내부로 떨어지지 않고 촉매 침강 공간(160)으로 떨어지도록 안내할 수 있다.
이상과 같이 본 발명 따른 플라즈마-촉매 하이브리드형 개질 반응장치는 플라즈마-촉매 개질 반응을 하나의 복합 장치에 의해 수행함으로써, 플라즈마 개질 반응에서 발생한 열원으로 흡열반응인 스팀에 의한 탄소 산화반응(SCR, Steam Carbon dioxide Reforming) 및 촉매 개질 반응을 진행하므로 추가적인 열에너지 공급을 최소화하며, 플라즈마 개질 반응으로 생성된 고체 탄소 입자(Coke)를 산화시켜 가스상 물질로 전환하므로 탄소전환율 및 합성가스 선택성이 증대하며, 촉매 수명을 증대시키고 공정 안정성을 높이는 이점이 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 실시례들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시례에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명은 상기 실시례에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
110 : 개질 반응기 120 : 반응관
130 : 플라즈마 발생부 140 : 스팀 공급부
150 : 촉매 반응기 151 : 촉매 반응기 외측면
152 : 촉매 유동 통로 153 : 방열판
154 : 바닥부 155 : 분산판
160 : 촉매 침강 공간 170 : 촉매 가이드
180 : 촉매 필터

Claims (9)

  1. 주입가스(이산화탄소(CO2)와 메탄(CH4)가스)를 합성가스로 개질하는 개질 반응기;
    상기 개질 반응기 내부에 설치되며, 상기 주입가스가 유동하는 반응관;
    상기 반응관에 연결되어 상기 주입가스와 플라즈마 개질 반응을 일으키도록 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 발생부;
    상기 반응관에 연결되어 상기 플라즈마 개질 반응을 통해 생성된 탄소 입자를 CO나 CO2로 전환시키는 스팀 공급부; 및
    상기 개질 반응기 내부에 설치되고, 상기 스팀 공급부 하부에 설치되며, 상기 반응관 주위를 감싸는 원통형의 촉매 반응기;를 포함하되,
    상기 주입가스는 일정 압력에 의해 상기 반응관에 주입되어 상기 반응관을 통과하면서, 플라즈마 반응을 하고 스팀에 의해 탄소 산화반응을 하며, 상기 반응관 말단을 지나 상기 촉매 반응기에서 촉매 개질 반응을 하여 합성가스를 생성하며, 생성된 합성가스는 상기 개질 반응기 상부에 설치된 배출구를 통해 배출되며,
    상기 촉매 반응기에 주입되는 촉매는 상기 촉매 반응기 하단에 형성된 촉매 유동 통로를 통해 상기 촉매 반응기로 유입된 후, 상기 촉매 반응기의 상부로 유동하다 상기 촉매 반응기 외부로 배출되어 촉매 침강 공간으로 하강하여 다시 상기 촉매 유동 통로로 유입되어 계속 순환하게 되며,
    상기 촉매는 상기 주입가스가 상기 반응관에 주입될 때 가해지는 압력으로 유동하고 순환되는, 플라즈마-촉매 하이브리드형 개질 반응장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응관과 상기 촉매 반응기 사이에는 일정간격으로 방열판이 설치되는, 플라즈마-촉매 하이브리드형 개질 반응장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 촉매 반응기의 외측면의 말단부는 상기 개질 반응기의 바닥부와 맞닿도록 설치되고, 상기 반응관의 말단과 상기 촉매 반응기의 바닥부는 상기 개질 반응기 바닥부에서 이격되도록 설치되는, 플라즈마-촉매 하이브리드형 개질 반응장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응관을 감싸는 상기 촉매 반응기의 바닥부에는 분말형태의 촉매가 배출되지 않도록 촉매입자보다 작은 공극을 갖는 분산판이 설치되는, 플라즈마-촉매 하이브리드형 개질 반응장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 촉매 반응기에서 촉매 개질 반응으로 생성된 합성가스는 상기 촉매 반응기의 상부로 유동되어 상기 배출구로 배출되는, 플라즈마-촉매 하이브리드형 개질 반응장치.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 촉매 반응기 상부로 배출되고, 자중에 의해 하강하지 않고 합성가스와 함께 상승하는 일부 촉매는 촉매 필터에 의해 걸러지는, 플라즈마-촉매 하이브리드형 개질 반응장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 촉매 반응기 상부로 배출된 촉매가 상부로 상승하지 않도록 하고, 상기 촉매 필터에 의해 걸러진 촉매가 상기 촉매 반응기로 떨어지지 않도록 가이드하는 촉매 가이드를 설치하는, 플라즈마-촉매 하이브리드형 개질 반응장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 개질 반응기는 상단부와 하단부로 나뉘며, 하단부의 상부 횡단면 직경이 하단부의 하부 횡단면 직경보다 큰 쐐기형 구조인, 플라즈마-촉매 하이브리드형 개질 반응장치.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102026419B1 (ko) * 2019-01-25 2019-09-27 한국화학연구원 이산화탄소 및 메탄 함유 매립지 가스 또는 바이오 가스로부터 합성가스 및 메탄올 제조 방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101277122B1 (ko) 2012-09-28 2013-06-20 한국기초과학지원연구원 마이크로웨이브 플라즈마 개질기
KR101326670B1 (ko) * 2013-06-07 2013-11-08 한국에너지기술연구원 마이크로웨이브 플라즈마 토치가 장착된 순환 유동층 플라즈마 가스화장치
KR101401423B1 (ko) 2013-08-16 2014-06-02 한국에너지기술연구원 마이크로웨이브 플라즈마­촉매 하이브리드 공정을 이용한 이산화탄소로부터 가연성 합성가스 제조 장치 및 방법
US9017437B2 (en) 2012-12-11 2015-04-28 Ceramatec, Inc. Method for forming synthesis gas using a plasma-catalyzed fuel reformer

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101277122B1 (ko) 2012-09-28 2013-06-20 한국기초과학지원연구원 마이크로웨이브 플라즈마 개질기
US9017437B2 (en) 2012-12-11 2015-04-28 Ceramatec, Inc. Method for forming synthesis gas using a plasma-catalyzed fuel reformer
KR101326670B1 (ko) * 2013-06-07 2013-11-08 한국에너지기술연구원 마이크로웨이브 플라즈마 토치가 장착된 순환 유동층 플라즈마 가스화장치
KR101401423B1 (ko) 2013-08-16 2014-06-02 한국에너지기술연구원 마이크로웨이브 플라즈마­촉매 하이브리드 공정을 이용한 이산화탄소로부터 가연성 합성가스 제조 장치 및 방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102026419B1 (ko) * 2019-01-25 2019-09-27 한국화학연구원 이산화탄소 및 메탄 함유 매립지 가스 또는 바이오 가스로부터 합성가스 및 메탄올 제조 방법

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