KR101982171B1 - 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치 및 그 방법 - Google Patents

플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 플라즈마 방전으로 개질 반응을 일으키면서 기체 온도를 설정 수준(950~1300K)으로 가열 유지하여 반응의 열적 효율을 개선하고, 개질되는 합성가스의 생성 효율을 향상시키는 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치는, 메탄과 이산화탄소를 포함하는 제1온도의 매립지 가스를 공급받아 플라즈마 방전에 의하여 제2온도(950~1300K)로 가열하고 일부 개질 반응을 일으키는 플라즈마 반응부, 및 상기 플라즈마 반응부로부터 공급되는 가열되고 일부 개질된 제2온도의 기체에 촉매가 개질 반응하여 제2온도보다 낮고 일산화탄소와 수소를 포함하는 제3온도의 합성가스로 전환하는 촉매 반응부를 포함한다.

Description

플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치 및 그 방법 {PLASMA AND CATALYST TYPE DRY REFORMING APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 매립지 가스(landfill gas) 또는 바이오 가스를 합성가스로 건식 개질하는 것으로서 보다 상세하게는 플라즈마 방식과 촉매 방식으로 매립지 가스 또는 바이오 가스를 건식 개질하는 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
매립지 가스(landfill gas, LFG)를 활용하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 일반적으로, 건식 개질 반응을 통하여, 매립지 가스는 합성가스(CO, H2)로 개질되어 고부가가치의 다른 화합물로 전환된다.
알려진 건식 개질 반응은 1000K 이상의 고온 조건에서 촉매를 활용하여 반응시키고 있으나, 에너지 효율 및 촉매 내구성 및 장치의 소형화 한계 등으로 인하여 상용화에 이르지 못하고 있다.
매립지 가스의 경우, 통상 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)가 6:4의 비율로 조성되며, 건식 개질 반응에서 이상적 조성인 1:1과 맞지 않아서, 합성가스의 수율을 제한한다.
건식 개질 반응은 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)를 포함하는 매립지 가스를 개질하여 일산화탄소와 수소를 주성분으로 하는 합성가스로 전환한다. 이 경우, 일산화탄소와 수소는 합성가스 상태로 화학 공정의 원료로 사용될 수 있고, 수소를 분리하여 고순도의 수소를 활용할 수 있다.
CO2 + CH4 → 2CO + 2H2
또한, 건식 개질 반응은 높은 흡열 반응으로 에너지 비용이 높은 단점을 가진다. 건식 개질 반응은 높은 흡열 반응으로 인하여, 반응을 일으키기 위하여 촉매를 사용하는 경우에도 800℃ 이상의 고온 조건을 필요로 한다. 이와 같이, 많은 열을 공급하기 때문에 반응의 효율이 떨어진다.
따라서 유전체 장벽 방전(DBD)과 같은 저온 플라즈마를 이용하여 외부로부터의 열 공급 없이 건식 개질을 일으키고자 하는 다양한 연구들이 소개되고 있다. 그러나 저온 플라즈마의 경우, 플라즈마 발생 과정에서의 비효율성으로 인하여 1리터 정도의 매립지 가스 처리에 수십 내지 수백 KJ의 에너지를 사용하게 되어, 경제적 효과나 상용화 가능성이 매우 낮다.
반면, 상대적으로 고온 조건(1000K 이상)을 형성할 수 있는 통상의 고온 플라즈마는 기체 온도가 수천 K 이상으로 과도한 고온 조건으로 인하여 반응기의 열적 내구성 및 비효율성 문제를 발생시킨다.
본 발명의 목적은 플라즈마 방전으로 개질 반응을 일으키면서 기체 온도를 설정 수준(950~1300K)으로 가열 유지하여 반응의 열적 효율을 개선하고, 개질되는 합성가스의 생성 효율을 향상시키는 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 상기 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치를 이용하여 개질되는 합성가스의 생성 효율을 향상시키는 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치는, 메탄과 이산화탄소를 포함하는 제1온도의 매립지 가스를 공급받아 플라즈마 방전에 의하여 제2온도로 가열하고 일부 개질 반응을 일으키는 플라즈마 반응부, 및 상기 플라즈마 반응부로부터 공급되는 가열되고 일부 개질된 제2온도의 기체에 촉매가 개질 반응하여 제2온도보다 낮고 일산화탄소와 수소를 포함하는 제3온도의 합성가스로 전환하는 촉매 반응부를 포함한다.
상기 플라즈마 반응부는 플라즈마 방전으로 발생된 화염을 분출하는 플라즈마 하우징을 포함하고, 상기 촉매 반응부는 촉매를 내장하고 상기 플라즈마 하우징에 연결되는 촉매 하우징을 포함할 수 있다.
상기 촉매 하우징은 상기 플라즈마 하우징에 직접 연결되고, 상기 촉매는 상기 화염을 수용하도록 상기 플라즈마 하우징을 향하여 개방되는 중공의 수용 공간을 형성할 수 있다.
상기 플라즈마 하우징과 상기 촉매 하우징은 연결 하우징으로 연결되며, 상기 연결 하우징은 산소나 공기를 공급하는 공기관, 물을 공급하는 물관, 및 매립지 가스나 바이오 가스를 추가로 공급하는 추가관 중 적어도 하나에 연결될 수 있다.
상기 촉매 반응부는 상기 촉매 하우징의 내부에서 상기 촉매의 전방에 배치되는 메쉬 부재를 더 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 반응부는, 구동 전압(HV)이 인가되는 전극, 상기 전극과의 사이에 방전갭(G)을 형성하고 전기적으로 접지되는 플라즈마 하우징, 및 상기 플라즈마 하우징의 일측에 구비되는 유입구를 포함하고, 상기 유입구는 매립지 가스 또는 바이오 가스를 방전갭(G)으로 유입하고, 산소나 공기를 더 유입하여 메탄의 일부를 연소되게 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치는, 상기 플라즈마 반응부 및 상기 촉매 반응부에 연결되어 공급되는 제1온도의 매립지 가스를 상기 촉매 반응부로부터 공급되는 제2-3온도로 가열된 기체에 의하여 제1온도로부터 승온된 제2-4온도로 상기 플라즈마 반응부로 공급하며, 열교환 과정에서 제2-3온도에서 하강한 제3온도의 합성가스를 배출하는 열교환부를 더 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 반응부는, 제1온도의 매립지 가스를 공급받아서 제2온도로 배출하는 제1관체, 및 상기 제1관체에 내장되어 플라즈마 방전으로 발생된 화염을 분출하는 플라즈마 하우징을 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 반응부는, 상기 플라즈마 하우징에 형성되는 유입구에 연결되어 유입되는 제1온도의 매립지 가스의 유량을 제어하는 유량 조절밸브, 및 상기 유입구에 연결되어 산소나 공기를 공급하는 공기관을 더 포함하며, 플라즈마 방전에 의하여 연소된 이산화탄소와 물을 주성분으로 하는 연소 생성물인 제2온도의 기체를 배출할 수 있다.
상기 플라즈마 반응부와 상기 촉매 반응부는 연결 하우징으로 연결되며, 상기 연결 하우징은 상기 플라즈마 반응부로부터 공급되는 제2온도의 기체를 추가 플라즈마 방전으로 제2-3온도의 기체로 더 가열하고, 플라즈마에 의한 개질 반응을 통하여 제2온도의 기체에 포함된 메탄과 이산화탄소의 일부를 개질하여 합성가스를 생성하여, 상기 촉매 반응부로 배출하는 추가 플라즈마 반응부를 구비할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치는, 제2온도의 기체를 토출하는 상기 플라즈마 하우징의 화염 토출 측에 연결되어 상기 촉매 반응부의 내부를 경유하고, 상기 촉매 반응부에 유출 관로로 연결되어 상기 제1관체에서 분기된 제2관체에 유입 관로로 연결되며, 상기 촉매 반응부 내에서 열교환을 통한 흡열 반응으로 저하된 촉매의 온도를 상승시키도록 제2온도에서 저하된 제2-3온도의 기체를 배출하는 열교환부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치는, 상기 제2관체 상에서, 상기 유입 관로와 상기 촉매 반응부 사이에 구비되어, 상기 열교환부를 경유한 제2-3온도의 기체를 추가 플라즈마 방전으로 제2-4온도의 기체로 더 가열하고, 플라즈마에 의한 개질 반응을 통하여 제2-3온도의 기체에 포함된 메탄과 이산화탄소 및 제1온도의 기체의 일부를 개질하여 합성가스를 생성하여, 상기 촉매 반응부로 배출하는 추가 플라즈마 반응부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치는, 상기 제1관체에서 분기되는 제2관체, 및 상기 제2관체에 연결되어, 상기 플라즈마 반응부에 의하여 연소된 이산화탄소와 물을 주성분으로 하는 연소 생성물인 제2온도의 기체로부터 열을 교환하여, 제2온도에서 저하된 제2-3온도의 기체를 배출하는 열교환부를 더 포함할 수 있다.
상기 열교환부는 내부에 추가 플라즈마 반응부를 구비하며, 상기 추가 플라즈마 반응부는 상기 열교환부의 내부에서, 상기 제2관체로 공급되는 제1온도의 기체와 상기 플라즈마 반응부 및 상기 열교환부를 경유하면서 가열 및 냉각된 제2-3온도의 기체를 제2-4온도로 가열하고, 플라즈마에 의한 개질 반응을 통하여 제2-3온도의 기체에 포함된 메탄과 이산화탄소의 일부를 개질하여 합성가스를 생성하여, 상기 촉매 반응부로 배출하며, 상기 촉매 반응부는 상기 열교환부의 내부에서 상기 추가 플라즈마 반응부에 연결되어, 제2-4온도의 기체를 합성가스로 전환할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치는, 상기 추가 플라즈마 반응부와 상기 촉매 반응부 사이에 배치되어 제1온도와 제2-3온도에서 가열된 제2-4온도의 기체로 핫존을 형성하는 보염기를 더 포함할 수 있다.
상기 보염기는, 상기 추가 플라즈마 반응부를 향하여 개방되어 플라즈마 하우징의 토출측을 수용하여 제2-4온도의 기체를 포함하는 화염으로부터 열을 받는 열접수부, 및 상기 열접수부에 폐쇄된 구조로 연결되어 상기 촉매 반응부의 내부에 배치되는 열전달부를 포함할 수 있다.
상기 열접수부는 상기 플라즈마 하우징을 향하여 설정된 높이를 가지고, 동심원 구조로 배치되며, 측방으로 관통공들을 형성하고, 상기 플라즈마 하우징의 단부와 높이 차이 및 간격을 형성하는 제1원통부재들을 포함할 수 있다.
상기 열전달부는 상기 촉매 반응부를 향하여 설정된 길이를 가지고, 동심원 구조로 배치되는 제2원통부재들을 포함할 수 있다.
상기 제2온도는 950~1300K일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 방법은, 메탄과 이산화탄소를 포함하는 제1온도의 매립지 가스를 플라즈마 반응부로 공급받아 플라즈마 방전에 의하여 제2온도(750~1000K)로 가열하고 일부 개질 반응을 일으키는 제1단계, 및 상기 제1단계로부터 공급되는 가열되고 일부 개질된 제2온도의 기체에 촉매 반응부의 촉매가 개질 반응하여 제2온도보다 낮고 일산화탄소와 수소를 포함하는 제3온도의 합성가스로 전환하는 제2단계를 포함할 수 있다.
상기 제1단계는 상기 플라즈마 반응부로부터 토출되는 화염으로 상기 촉매 반응부의 촉매를 직접 가열할 수 있다.
상기 제1단계는 상기 제2단계 시작 전, 제2온도의 기체에, 산소나 공기, 물, 매립지 가스, 바이오 가스 중 적어도 하나를 추가로 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2단계는, 상기 촉매의 개질 반응 후, 제2-3온도로 가열된 기체에 의하여 제1온도로부터 승온된 제2-4온도의 기체를 상기 제1단계로 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1단계는 제1관체 내에서 제1온도의 매립지 가스를 유량 제어하여 공급받고 산소나 공기를 공급받는 단계를 더 포함하며, 플라즈마 방전에 의하여 연소된 이산화탄소와 물을 주성분으로 하는 연소 생성물인 제2온도의 기체를 배출할 수 있다.
상기 제1단계는 상기 제2단계 시작 전에, 상기 제1단계에서 제2온도로 가열된 기체를 추가 플라즈마 방전에 의하여 제2-3온도의 기체로 가열하고, 플라즈마에 의한 개질 반응을 통하여 제2온도의 기체에 포함된 메탄과 이산화탄소의 일부를 개질하여 합성가스를 생성하여, 제2-3온도의 기체와 합성가스를 배출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1단계는 상기 제2단계 시작 전, 제2온도의 기체로 촉매 반응부의 내부를 경유하고, 상기 촉매 반응부 내에서 열교환을 통한 흡열 반응으로 저하된 촉매의 온도를 상승시키도록 제2온도에서 저하된 제2-3온도의 기체를 배출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1단계는 열교환 후, 제2-3온도의 기체를 추가 플라즈마 방전에 의하여 제2-4온도의 기체로 더 가열하고, 플라즈마에 의한 개질 반응을 통하여 제2-3온도의 기체에 포함된 메탄과 이산화탄소 및 제1온도의 기체의 일부를 개질하여 합성가스를 생성하여, 제2-4온도의 기체와 합성가스를 배출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제1단계는 상기 제2단계 시작 전, 제1온도 및 제2-3온도의 기체를 추가 플라즈마 방전에 의하여 제2-4온도의 기체로 가열하고, 플라즈마에 의한 개질 반응을 통하여 제1온도 및 제2-3온도의 기체에 포함된 메탄과 이산화탄소의 일부를 개질하여 합성가스를 생성하여, 제2-4온도의 기체와 합성가스를 배출하여 정체시켜 핫존을 형성하고, 상기 핫존의 가열된 제2-4온도의 기체로부터 열교환되어 촉매 반응부의 촉매로 열을 전달하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 매립지 가스를 플라즈마 방전으로 제2온도(예, 950~1300K) 수준으로 가열하고 일부 개질 반응을 일으키며, 가열된 기체가 촉매에서 개질 반응하여 제3온도의 합성가스로 전환하므로 반응의 열적 효율을 개선하여, 합성가스의 생성 효율을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제5실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제6실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제7실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 제8실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치의 구성도이다.
도 9는 도 8의 플라즈마 반응부와 촉매 반응부 사이에 형성되는 보염기를 구체적으로 도시한 단면도이다.
도 10은 도 9에 적용되는 보염기의 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 방법의 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치의 단면도이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 방법의 순서도이다. 편의상, 이하에서는 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치와 방법에 대하여 같이 설명한다.
도 1 및 도 11을 참조하면, 제1실시예의 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치(1)는 제1단계(S1)를 수행하는 플라즈마 반응부(10)와 제2단계(S2)를 수행하는 촉매 반응부(20)를 포함한다.
플라즈마 반응부(10)는 제1단계(S1)에서 메탄과 이산화탄소를 포함하는 제1온도(T1)의 매립지 가스를 공급받아 플라즈마 방전에 의하여 제2온도(T2)(일례로써, 950~1300K)로 가열하고, 플라즈마에 의하여 일부 개질 반응을 일으킨다. 이때, 반응물과 함께 산소(공기)를 공급하게 되면, 공급된 메탄의 일부는 산소에 의하여 연소된 이산화탄소와 물을 주 성분으로 하는 연소 생성물로 전환된다.
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O
이때 일반적인 매립지 가스 또는 바이오가스에서의 CH4/CO2 비는 6/4 에서 1~2 사이의 값으로 조정될 수 있다.
촉매 반응부(20)는 제2단계(S2)에서 플라즈마 반응부(10)로부터 공급되는 가열되고 일부 개질된 제2온도(T2)의 기체에 촉매가 개질 작용하여 일산화탄소와 수소를 포함하는 제3온도(T3)의 합성가스로 전환한다. 이때, 일부 메탄의 연소 과정을 통해 증가된 이산화탄소는 메탄의 전환률을 높이고 개질 생성물에서의 H2/CO 비를 후속 공정에 유리한 조건으로 생성할 수 있도록 한다. 제3온도(T3)는 제2온도(T2)보다 낮다. 즉 메탄과 이산화탄소의 반응은 흡열 반응이므로 촉매(21)의 개질 작용 시, 제2온도(T2)에서 제3온도(T3)로 온도가 하강한다.
CO2 + CH4 → 2CO + 2H2
이와 같이, 제1실시예의 건식 개질 장치(1)는 플라즈마 발생 시, 기체 온도를 제2온도(T2)의 950~1300K 수준으로 유지하면서 일부 개질 반응을 일으켜, 제2온도(T2)보다 높은 온도의 고온 플라즈마에 비하여, 플라즈마 반응부(10)의 내구성 저하를 최소화하여 공정 비용을 낮추면서 반응의 열적 효율을 개선하므로 개질되는 합성가스의 생성 효율을 향상시킬 수 있다.
제2온도(T2)인 950~1300K는 촉매 반응부(20)에 내장된 촉매(21)에 의한 개질 반응을 가능하게 한다. 따라서 플라즈마 반응부(10)는 플라즈마 방전으로 기체의 온도를 제2온도(T2)로 가열하면서 부분적인 개질 반응을 수행하고, 동시에 촉매 반응부(20)에서 촉매(21)에 의한 개질 반응을 가능하게 한다.
보다 구체적으로 설명하면, 플라즈마 반응부(10)는 구동 전압(HV)이 인가되는 전극(11)을 수용하며, 전극(11)과의 사이에 방전갭(G)을 형성하고 전기적으로 접지되는 플라즈마 하우징(12)을 포함한. 플라즈마 하우징(12)은 일측에 구비되는 유입구(121)를 통하여 매립지 가스 또는 바이오 가스를 방전갭(G)으로 유입하며, 전극(11)에 인가되는 구동 전압(HV)에 의하여, 플라즈마 방전을 발생시키고, 매립지 가스에 대한 플라즈마 방전으로 아크 및/또는 제트의 화염(F)을 분출한다. 즉 플라즈마 반응부(10)는 플라즈마 방전으로 제1온도(T1)의 매립지 가스를 제2온도(T2)로 가열하고, 플라즈마에 의한 개질 반응을 통하여 합성가스로 전환하여 배출한다. 도시하지 않았으나, 플라즈마 반응부(10)는 유입구(121)로 산소나 공기를 더 공급하여, 공급되는 매립지 가스에 포함된 메탄의 일부를 연소되게 할 수 있다.
제1실시예에서 플라즈마 반응부(10)는 아크 및/또는 제트를 분출하는 회전 아크 타입을 예시하고 있으나, 할로우(hollow) 타입 또는 마이크로 웨이브(microwave) 타입을 적용할 수도 있다.
촉매 반응부(20)는 촉매(21)를 내장하여 플라즈마 하우징(12)에 연결되는 촉매 하우징(22)을 포함한다. 촉매 하우징(22)은 플라즈마 하우징(12)에 직접 연결되고, 촉매(21)는 플라즈마 하우징(12)을 향하여 개방되는 중공의 수용 공간(RS)을 형성한다. 촉매(21)는 수용 공간(RS)의 외곽에서 균일한 두께로 형성될 수 있다.
따라서 수용 공간(RS)은 아크 및/또는 제트의 화염(F)을 수용하여 복사 열 및 대류열에 의하여 촉매(21)를 효과적으로 가열할 수 있게 한다. 즉, 제1단계(S1)는 플라즈마 반응부(10)로부터 토출되는 화염(F)으로 촉매 반응부(20)의 촉매(21)를 직접 가열한다. 촉매 반응부(20)는 제2온도(T2)의 기체에 촉매(21)가 개질 반응하여 일산화탄소와 수소를 포함하는 제3온도(T3)의 합성가스를 생성한다.
이와 같이, 촉매 하우징(22)과 플라즈마 하우징(12)의 직접 연결 구조는, 도시하지 않았으나 촉매 반응부가 플라즈마 반응부의 후단에 위치하는 경우와 비교할 때, 건식 개질 장치(1)의 크기를 더 소형화(compact) 할 수 있고, 촉매(21)를 화염(F)으로 직접 가열함으로써, 촉매(21)의 길이 방향에 대한 온도 균일성을 더 구현할 수 있다. 즉 촉매(21)에서 길이 방향의 온도 편차에 의한 촉매(21)의 반응 효율 저하가 더 방지될 수 있다.
이하 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 설명한다. 제1실시예 및 기 설명된 실시예와 동일한 구성에 대한 설명을 생략하고, 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치의 단면도이다. 도 2 및 도 11을 참조하면, 제2실시예의 건식 개질 장치(2)는 플라즈마 하우징(212)과 촉매 하우징(222)를 연결 하우징(223)으로 연결한다.
연결 하우징(223)은 산소나 공기를 공급하는 공기관(224), 물을 공급하는 물관(225), 및 매립지 가스나 바이오 가스를 추가로 공급하는 추가관(226) 중 적어도 하나에 연결된다. 이 경우, 제1단계(S1)는 제2단계(S2) 시작 전, 제2온도(T2)의 기체에, 산소나 공기, 물, 매립지 가스 중 적어도 하나를 추가로 공급할 수 있다.
공기관(224), 물관(225), 및 추가관(226)은 대용량의 매립지 가스나 바이오 가스를 처리하거나, 비용을 줄이고 반응 효율을 높이기 위하여 촉매 반응부(220)의 촉매(221)를 활용할 수 있게 한다. 이하에서는, 편의상 매립지 가스나 바이오 가스를 매립지 가스로 지칭한다.
일례로써, 물관(225)을 통하여 연결 하우징(223)으로 공급되는 물은 촉매(221)로 공급되어 촉매(221)에 증착된 카본을 제거하고, 수소의 발생량을 늘릴 수 있다. 촉매(221)에 증착된 카본(carbon deposition)은 촉매(221)의 활성을 저하시킨다. 이때, 물은 제2온도(T2)의 고온 조건을 형성하는 연결 하우징(223)에 공급되므로 별도의 스팀 발생 장치를 필요로 하지 않고, 촉매(221)에 공급될 수 있다.
공기관(224)을 통하여 연결 하우징(223)으로 공급되는 산소나 공기는 개질 반응에서 촉매(221)에 발생될 수 있는 카본(coking)을 주기적으로 연소시켜 제거할 수 있다.
추가관(226)을 통하여 연결 하우징(223)으로 공급되는 메탄과 이산화탄소는 미반응 메탄과 함께 촉매(221)에서 개질 반응하게 되어, 촉매(221)만으로 반응을 진행할 때 보다 촉매(221)의 양을 줄일 수 있고, 촉매(221)의 운전을 위한 별도의 외부 열원을 필요로 하지 않게 한다.
촉매 반응부(220)는 촉매 하우징(222)의 내부에서 촉매(221)의 전방에 배치되는 메쉬 부재(227)를 더 포함한다. 메쉬 부재(227)는 연결 하우징(223)으로 공급되는 제2온도(T2)의 기체를 촉매(221)에 균일하게 공급되고, 공기관(224), 물관(225), 및 추가관(226)으로 공급되는 공기, 물 및 메탄이나 바이오 가스를 촉매(221)에 균일하게 공급될 수 있게 한다.
한편, 플라즈마 반응부(210)는 연결 하우징(223)에 연결되는 플라즈마 하우징(212)의 토출단(213)을 연장하여 전극(211)의 단부와 토출단(213) 사이에 아크 인장 길이(ED)를 설정한다.
플라즈마 반응부(210)가 회전 아크를 형성하는 경우, 아크 인장 길이(ED)에 의하여 구동 전압(HV)이 결정된다. 아크 인장 길이(ED)의 대소에 따라 공급된 구동 전압(HV)에 의한 에너지가 열전달되는 공간(즉 부피)이 다르게 된다. 따라서 열의 과도한 집중을 막으면서도 적절한 고온 상태를 형성하기 위하여, 아크 인장 길이(ED)의 적절한 설계가 필요하다.
예를 들면, 아크 인장 길이(ED)가 적절한 길이로 형성되어서, 방전 시 운전 실효(rms) 전압 범위가 300~600V 범위이면, 5~9A 조건이 되어, 유량 10lpm 정도의 반응물을 950~1300K 범위로 가열할 수 있게 된다.
이 과정에서 반응물인 메탄과 이산화탄소에 대하여 일부 개질 반응이 일어나고, 잔여 개질 반응이 촉매(221)에서 일어난다. 이때, 아크 인장 길이(ED)를 이보다 더 길게 하면, 동일 전력 조건에서 구동 전압 값이 증가하고 전류 값이 감소하며 아크가 안정적으로 토출되지 않는다. 즉 방전 불안정성이 발생하고, 배출 가스의 온도 저하가 발생한다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치의 구성도이다. 도 3 및 도 11을 참조하면, 제3실시예의 건식 개질 장치(3)는 촉매 반응부(20, 220)에 연결되는 열교환부(30)를 더 포함한다. 따라서 제2단계(S2)는 열교환 단계를 더 포함한다.
열교환부(30)는 플라즈마 반응부(10) 및 상기 촉매 반응부(20, 220)에 연결되어, 공급되는 제1온도(T1)의 매립지 가스를 촉매 반응부(20, 220)로부터 공급되는 제2-3온도(T2-3)로 가열된 기체에 의하여 제1온도(T1)로부터 승온된 제2-4온도(T2-4)로 플라즈마 반응부(10)로 공급한다. 열교환부(30)는 열교환 과정에서 제2-3온도(T2-3)에서 하강한 제3온도(T3)의 합성가스를 배출한다. 즉 제2단계(S2)는 촉매의 개질 반응 후, 제2-3온도(T2-3)로 가열된 기체에 의하여 제1온도(T1)로부터 승온된 제2-4온도(T2-4)의 기체를 플라즈마 방전으로 가열하고 일부 개질하는 단계로 공급한다.
열교환부(30)에서 플라즈마 반응부(10)로 공급되는 제2-4온도(T2-4)의 기체는 제2온도(T2)로 가열되고 부분 개질되며, 촉매 반응부(20)에 내장된 촉매의 개질 반응에 의하여 제3온도(T3)의 합성가스로 전환하는 효율을 향상시킨다.
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치의 구성도이다. 도 4 및 도 11을 참조하면, 제4실시예의 건식 개질 장치(4)에서, 플라즈마 반응부(410)는 제1온도(T1)의 매립지 가스를 공급받아서 제2온도(T2)로 배출하는 제1관체(413), 및 제1관체(413)에 내장되어 플라즈마 방전으로 발생된 화염을 분출하는 플라즈마 하우징(412)을 포함한다. 즉 플라즈마 하우징(412)으로부터 분출되는 화염은 제1관체(413)로 유입되는 매립지 가스에 혼합되어 제2온도(T2)로 전환된 기체를 제1관체(413)로 배출된다.
플라즈마 반응부(410)는 플라즈마 하우징(412)에 형성되는 유입구(121)에 연결되는 유량 조절밸브(414), 및 유입구(121)에 연결되어 산소나 공기를 공급하는 공기관(415)을 더 포함한다. 플라즈마 반응부(410)는 플라즈마 방전에 의하여 연소된 이산화탄소와 물을 주성분으로 하는 연소 생성물인 제2온도(T2)의 기체를 배출한다.
유량 조절밸브(414)는 유입구(121)로 유입되는 제1온도(T1)의 매립지 가스의 유량을 제어한다. 공기관(415)은 제1관체(413)를 통과하여 유량 조절밸브(414)의 후방에 연결되어 유입구(121)로 공기를 공급한다.
제1단계(S1)는 제1관체(413) 내에서 제1온도(T1)의 매립지 가스를 유량 제어하여 공급받고, 산소나 공기를 공급받는 단계를 더 포함한다. 제1단계(S1)는 플라즈마 방전에 의하여 연소된 이산화탄소와 물을 주성분으로 하는 연소 생성물인 제2온도(T2)의 기체를 배출한다. 즉 제1단계(S1)는 매립지 가스의 유량 제어 및 공기의 추가 공급과 함께 플라즈마 방전에 의하여 연소된 연소 생성물인 제2온도(T2)의 기체를 배출한다.
매립지 가스의 조성에 따라 플라즈마 반응부(410)에서 연소시키는 메탄의 양을 조절할 필요가 있다. 유량 조절밸브(414)는 매립지 가스, 즉 메탄의 양을 조절하고, 공기관(415)은 설정된 양의 공기, 즉 산소를 공급한다.
일례를 들면, 매립지 가스의 조성이 메탄 60%와 이산화탄소 40% 일 때, 메탄의 10%를 연소시켜서, 메탄 50%와 이산화탄소 50%의 비율을 맞출 수 있다. 이때, 메탄 10%를 완전 연소시킬 수 있도록 산소, 즉 공기를 설정량으로 공급하면서, 유량 조절밸브(414)로 메탄의 양을 조절한다.
따라서 플라즈마 반응부(410)를 경유한 제2온도(T2)의 기체는 메탄과 이산화탄소 비율을 1:1 또는 1:2로 조절될 수 있다. 반응 이론 당량비는 1:1 이지만, 실제 반응은 메탄(CH4)보다 이산화탄소(CO2)가 다소 많을 때, 더 높은 합성가스의 전환률을 얻을 수 있다.
제2온도(T2)의 기체는 연결 하우징(223)에서 공급되는 물과 함께 촉매 반응부(420)의 촉매(421)로 공급되어, 촉매(421)의 개질 반응에 의하여 일산화탄소와 수소를 포함하는 제3온도(T3)의 합성가스로 전환된다.
도 5는 본 발명의 제5실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치의 구성도이다. 도 5 및 도 11을 참조하면, 제5실시예의 건식 개질 장치(5)에서, 플라즈마 반응부(410)와 촉매 반응부(420)는 연결 하우징(223)으로 연결된다.
연결 하우징(223)은 플라즈마 반응부(410)로부터 공급되는 제2온도(T2)의 기체를 추가 플라즈마 방전으로 제2-3온도(T2-3)의 기체로 더 가열하고, 플라즈마에 의한 개질 반응을 통하여 제2온도(T2)의 기체에 포함된 메탄과 이산화탄소의 일부를 개질하여 합성가스를 생성하여, 촉매 반응부(420)로 배출하는 추가 플라즈마 반응부(440)를 더 구비한다.
추가 플라즈마 반응부(440)는 연결 하우징(223)의 내에 방전갭을 형성하는 전극(441)을 구비하고, 연결 하우징(223)에 유입구(121)을 구비하여 플라즈마 반응부(410)의 플라즈마 하우징(412)에 연결관(416)으로 연결된다.
제1단계(S1)는 제2단계(S2) 시작 전에, 제1단계(S1)에서 제2온도(T2)로 가열된 기체를 추가 플라즈마 방전에 의하여 제2-3온도(T2-3)로 가열하고, 플라즈마에 의한 개질 반응을 통하여 제2온도(T2)의 기체에 포함된 메탄과 이산화탄소의 일부를 개질하여 합성가스를 생성하여, 제2-3온도(T2-3)의 기체와 합성가스를 배출하는 단계를 더 포함한다.
추가 플라즈마 반응부(440)는 추가 플라즈마 방전을 통하여 제2온도(T2)의 기체의 일부를 개질하면서, 촉매(421)의 촉매 반응에 필요한 제2-3온도(T2-3)로 기체를 승온시킨다. 제2-3온도(T2-3)의 기체는 촉매(421)의 보다 효과적인 개질 반응에 의하여 일산화탄소와 수소를 포함하는 제3온도(T3)의 합성가스로 전환된다.
도 6은 본 발명의 제6실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치의 구성도이다. 도 6 및 도 11을 참조하면, 제6실시예의 건식 개질 장치(6)는 제1관체(613)와 플라즈마 하우징(412)를 포함하는 플라즈마 반응부(610), 제1관체(613)에서 분기된 제2관체(614)에 설치되는 촉매 반응부(620) 및 플라즈마 반응부(610)에 연결되는 열교환부(630)를 포함한다.
열교환부(630)는 제2온도(T2)의 기체를 토출하는 플라즈마 하우징(412)의 화염 토출 측에 연결되어, 촉매 반응부(620)의 내부를 경유한다. 열교환부(630)는 촉매 하우징(422)에 유출 관로(631)로 연결되고, 제2관체(614)에 유입 관로(632)로 연결된다. 열교환부(630)는 촉매 반응부(620) 내에서 열교환을 통한 흡열 반응으로 저하된 촉매(421)의 온도를 상승시키도록 제2온도(T2)에서 저하된 제2-3온도(T2-3)의 기체를 배출한다. 제6실시예에서 열교환부(630)는 촉매 반응부(620)에 대하여 내부에 설치되는 내부 열교환형을 형성한다.
따라서 제1단계(S1)는 제2단계 시작 전, 제2온도(T2)의 기체로 촉매 반응부(620)의 내부를 경유하고, 촉매 반응부(620) 내에서 열교환을 통한 흡열 반응으로 저하된 촉매(421)의 온도를 상승시키도록 제2온도(T2)에서 저하된 제2-3온도(T2-3)의 기체를 배출하는 단계를 더 포함한다.
즉 열교환부(630)는 제2온도(T2)에서 제2-3온도(T2-3)로 기체를 냉각시키면서 촉매(421)을 가열시키며, 제2관체(614)로 유입되는 제1온도(T1)의 매립지 가스를 제2-3온도(T2-3)로 가열시킨다.
가열된 촉매(421) 및 제2-3온도(T2-3)의 기체는 촉매(421)의 보다 효과적인 개질 반응에 의하여 일산화탄소와 수소를 포함하는 제3온도(T3)의 합성가스로 전환된다.
도 7은 본 발명의 제7실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치의 구성도이다. 도 7 및 도 11을 참조하면, 제7실시예의 건식 개질 장치(7)는 도 6의 제6실시예의 건식 개질 장치(6)에 추가 플라즈마 반응부(640)를 더 포함한다.
추가 플라즈마 반응부(640)는 제2관체(614) 상에서, 유입 관로(632)와 촉매 반응부(620) 사이에 구비되며, 제2관체(614) 내에 방전갭을 형성하는 전극(441)을 구비하고, 제2관체(614)에 유입구(121)을 구비하여 제2관체(614)에 연결관(416)으로 연결된다.
추가 플라즈마 반응부(640)는 열교환부(630)를 경유한 제2-3온도(T2-3)의 기체를 추가 플라즈마 방전으로 제2-4온도(T2-4)의 기체로 더 가열하고, 플라즈마에 의한 개질 반응을 통하여 제2-3온도(T2-3)의 기체에 포함된 메탄과 이산화탄소 및 제1온도(T1)의 기체의 일부를 개질하여 합성가스를 생성하여, 촉매 반응부(620)로 공급한다.
제1단계(S1)는 열교환 후, 제2-3온도(T2-3)의 기체를 추가 플라즈마 방전에 의하여 제2-4온도(T2-4)의 기체로 더 가열하고, 플라즈마에 의한 개질 반응을 통하여 제2-3온도(T2-3)의 기체에 포함된 메탄과 이산화탄소 및 제1온도(T1)의 기체의 일부를 개질하여 합성가스를 생성하여, 배출하는 단계를 더 포함한다.
추가 플라즈마 반응부(640)는 추가 플라즈마 방전을 통하여 제1온도(T1) 및 제2-3온도(T2-3)의 기체의 일부를 개질하면서, 촉매(421)의 개질 반응에 필요한 제2-4온도(T2-4)로 기체를 승온시킨다. 제2-4온도(T2-4)의 기체는 촉매(421)의 보다 효과적인 개질 반응에 의하여 일산화탄소와 수소를 포함하는 제3온도(T3)의 합성가스로 전환된다.
도 8은 본 발명의 제8실시예에 따른 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치의 구성도이고, 도 9는 도 8의 플라즈마 반응부와 촉매 반응부 사이에 형성되는 보염기를 구체적으로 도시한 단면도이며, 도 10은 도 9에 적용되는 보염기의 사시도이다.
도 8 내지 도 11을 참조하면, 제8실시예의 건식 개질 장치(8)는 제1관체(613)에서 분기되는 제2관체(614), 및 제2관체(614)에 연결되어, 플라즈마 반응부(810)에 의하여 연소된 이산화탄소와 물을 주성분으로 하는 연소 생성물인 제2온도(T2)의 기체로부터 열을 교환하여, 제2온도(T2)에서 저하된 제2-3온도(T2-3)의 기체를 배출하는 열교환부(830)를 포함한다. 제8실시예에서 열교환부(830)는 추가 촉매 반응부(820) 및 촉매 반응부(820)에 대하여 외부에 설치되는 외부 열교환형을 형성한다.
열교환부(830)는 내부에 추가 플라즈마 반응부(840)와 촉매 반응부(820)를 구비한다. 추가 플라즈마 반응부(840)는 열교환부(830)의 내부에서, 제2관체(614)로 공급되는 제1온도(T1)의 기체와 플라즈마 반응부(810) 및 열교환부(830)를 경유하면서 가열 및 냉각된 제2-3온도(T2-3)의 기체를 추가 플라즈마 반응으로 제2-4온도(T2-4)로 가열하고, 플라즈마에 의한 개질 반응을 통하여 제2-3온도(T2-3)의 기체에 포함된 메탄과 이산화탄소의 일부를 개질하여 합성가스를 생성하여, 촉매 반응부(820)로 배출한다.
촉매 반응부(820)는 열교환부(830)의 내부에서 추가 플라즈마 반응부(840)에 연결되어, 제2-4온도(T2-4)의 기체를 제3온도(T3)의 합성가스로 전환한다. 열교환부(830)는 추가 플라즈마 반응부(840)와 촉매 반응부(820)를 내장하므로 제2온도(T2)의 기체의 복사열로 추가 플라즈마 반응부(840)와 촉매 반응부(820) 내부로 진행되는 기체 및 촉매를 가열할 수 있다.
추가 플라즈마 반응부(840)와 촉매 반응부(820) 사이에는 보염기(850)가 배치된다. 보염기(850)는 제1온도(T1)와 제2-3온도(T2-3)에서 가열된 제2-4온도(T2-4)의 기체로 핫존(hot zone)을 형성한다. 보염기(850)의 핫존은 추가 플라즈마 반응부(840)의 후방에서 추가 플라즈마 방전으로 생성되는 카본을 제거하여 촉매 반응부(820)의 효율 저하를 방지한다. 또한 보염기(850)의 핫존은 제2-4온도(T2-4)의 고온 조건에서 메탄을 수소와 일산화탄소로 전환시킬 수 있는 반응 시간과 공간을 제공한다.
보염기(850)는 열접수부(851)와 열전달부(852)를 포함한다. 열접수부(851)는 추가 플라즈마 반응부(840)를 향하여 개방되어 플라즈마 하우징(842)의 토출측을 수용하여 제2-4온도(T2-4)의 기체를 포함하는 화염으로부터 열을 받는다. 열전달부(852)는 열접수부(851)에 폐쇄된 구조로 연결되어 촉매 반응부(820)의 내부에 배치된다.
열접수부(851)는 플라즈마 하우징(842)을 향하여 설정된 높이를 가지고, 동심원 구조로 배치되며, 측방으로 관통공들(853)을 형성하고, 플라즈마 하우징(842)의 단부와 높이 차이(ΔH) 및 간격(G2)을 형성하는 제1원통부재들(857)을 포함한다.
열전달부(852)는 촉매 반응부(820)를 향하여 설정된 길이(L)를 가지고, 동심원 구조로 배치되는 제2원통부재들(856)을 포함한다. 제2원통부재들(856)은 내외측으로 돌출되는 핀(858)을 구비하여 촉매 반응부(820)로의 열전달 효율을 향상시킬 수 있다.
핫존의 제2-4온도(T2-4)의 기체는 열접수부(851)의 제1원통부재들(857)에서 정체되고, 높이 차이(ΔH) 및 간격(G2)을 경유하여, 촉매 반응부(820)로 공급되며, 열전달부(852)의 제2원통부재들(856) 및 핀(858)을 통하여 촉매 반응부(820)로 열전달된다.
제1단계(S1)는 제2단계(S2) 시작 전, 제1온도(T1) 및 제2-3온도(T2-3)의 기체를 추가 플라즈마 방전에 의하여 제2-4온도(T2-4)의 기체로 가열하고, 플라즈마에 의한 개질 반응을 통하여 제1온도(T1) 및 제2-3온도(T2-3)의 기체에 포함된 메탄과 이산화탄소의 일부를 개질하여 합성가스를 생성하여, 제2-4온도(T2-4)의 기체와 합성가스를 배출하여 정체시켜 핫존을 형성하고, 핫존의 가열된 제2-4온도(T2-4)의 기체로부터 열교환되어 촉매 반응부(820)의 촉매로 열을 전달하는 단계를 더 포함한다. 제2-4온도(T2-4)의 기체는 촉매 반응부(820)의 보다 효과적인 개질 반응에 의하여 일산화탄소와 수소를 포함하는 제3온도(T3)의 합성가스로 전환된다.
별도로 도시하지 않았으나(도 2 참조), 핫존에 물이나 공기를 별도로 공급하면, 물은 촉매 반응부(820)로 공급되어 촉매에 증착된 카본을 제거하고, 수소의 발생량을 늘릴 수 있으며, 공기는 개질 반응에서 촉매에 발생될 수 있는 카본을 주기적으로 연소시켜 제거할 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8: 건식 개질 장치
10, 210, 410, 610, 810: 플라즈마 반응부
12, 212, 412, 842: 플라즈마 하우징
20, 220, 420, 620, 820: 촉매 반응부
440, 640, 840: 추가 플라즈마 반응부
11, 441: 전극 21, 221, 421: 촉매
22, 222, 422: 촉매 하우징 30, 630, 830: 열교환부
121: 유입구 213: 토출단
223: 연결 하우징 224, 415: 공기관
225: 물관 226: 추가관
227: 메쉬 부재 413, 613: 제1관체
414: 유량 조절밸브 416: 연결관
614: 제2관체 631, 632: 유출, 유입 관로
850: 보염기 851: 열접수부
852: 열전달부 853: 관통공
856: 제2원통부재 857: 제1원통부재
858: 핀 ED: 아크 인장 길이
F: 화염 G: 방전갭
G2: 간격 HV: 구동 전압
L: 길이 RS: 수용 공간
T1: 제1온도 T2: 제2온도
T3: 제3온도 T2-3: 제2-3온도
T2-4: 제2-4온도 T4: 제4온도
ΔH: 높이 차이

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  11. 메탄과 이산화탄소를 포함하는 제1온도의 매립지 가스를 공급받아 플라즈마 방전에 의하여 제2온도로 가열하고 일부 개질 반응을 일으키는 플라즈마 반응부; 및
    상기 플라즈마 반응부로부터 공급되는 가열되고 일부 개질된 제2온도의 기체에 촉매가 개질 반응하여 제2온도보다 낮고 일산화탄소와 수소를 포함하는 제3온도의 합성가스로 전환하는 촉매 반응부
    를 포함하며,
    상기 플라즈마 반응부는
    제1온도의 매립지 가스를 공급받아서 제2온도로 배출하는 제1관체, 및
    상기 제1관체에 내장되어 플라즈마 방전으로 발생된 화염을 분출하는 플라즈마 하우징을 포함하고,
    상기 플라즈마 반응부는
    상기 플라즈마 하우징에 형성되는 유입구에 연결되어 유입되는 제1온도의 매립지 가스의 유량을 제어하는 유량 조절밸브, 및
    상기 유입구에 연결되어 산소나 공기를 공급하는 공기관
    을 더 포함하며,
    플라즈마 방전에 의하여 연소된 이산화탄소와 물을 주성분으로 하는 연소 생성물인 제2온도의 기체를 배출하고,
    제2온도의 기체를 토출하는 상기 플라즈마 하우징의 화염 토출 측에 연결되어 상기 촉매 반응부의 내부를 경유하고,
    상기 촉매 반응부에 유출 관로로 연결되어 상기 제1관체에서 분기된 제2관체에 유입 관로로 연결되며,
    상기 촉매 반응부 내에서 열교환을 통한 흡열 반응으로 저하된 촉매의 온도를 상승시키도록 제2온도에서 저하된 제2-3온도의 기체를 배출하는
    열교환부
    를 더 포함하는 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2관체 상에서, 상기 유입 관로와 상기 촉매 반응부 사이에 구비되어,
    상기 열교환부를 경유한 제2-3온도의 기체를 추가 플라즈마 방전으로 제2-4온도의 기체로 더 가열하고,
    플라즈마에 의한 개질 반응을 통하여 제2-3온도의 기체에 포함된 메탄과 이산화탄소 및 제1온도의 기체의 일부를 개질하여 합성가스를 생성하여,
    상기 촉매 반응부로 공급하는
    추가 플라즈마 반응부
    를 더 포함하는 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치.
  13. 삭제
  14. 메탄과 이산화탄소를 포함하는 제1온도의 매립지 가스를 공급받아 플라즈마 방전에 의하여 제2온도로 가열하고 일부 개질 반응을 일으키는 플라즈마 반응부; 및
    상기 플라즈마 반응부로부터 공급되는 가열되고 일부 개질된 제2온도의 기체에 촉매가 개질 반응하여 제2온도보다 낮고 일산화탄소와 수소를 포함하는 제3온도의 합성가스로 전환하는 촉매 반응부
    를 포함하며,
    상기 플라즈마 반응부는
    제1온도의 매립지 가스를 공급받아서 제2온도로 배출하는 제1관체, 및
    상기 제1관체에 내장되어 플라즈마 방전으로 발생된 화염을 분출하는 플라즈마 하우징을 포함하고,
    상기 제1관체에서 분기되는 제2관체, 및
    상기 제2관체에 연결되어, 상기 플라즈마 반응부에 의하여 연소된 이산화탄소와 물을 주성분으로 하는 연소 생성물인 제2온도의 기체로부터 열을 교환하여, 제2온도에서 저하된 제2-3온도의 기체를 배출하는 열교환부
    를 더 포함하며,
    상기 열교환부는 내부에 추가 플라즈마 반응부를 구비하며,
    상기 추가 플라즈마 반응부는
    상기 열교환부의 내부에서, 상기 제2관체로 공급되는 제1온도의 기체와 상기 플라즈마 반응부 및 상기 열교환부를 경유하면서 가열 및 냉각된 제2-3온도의 기체를 제2-4온도로 가열하고,
    플라즈마에 의한 개질 반응을 통하여 제2-3온도의 기체에 포함된 메탄과 이산화탄소의 일부를 개질하여 합성가스를 생성하여,
    상기 촉매 반응부로 배출하며,
    상기 촉매 반응부는
    상기 열교환부의 내부에서 상기 추가 플라즈마 반응부에 연결되어, 제2-4온도의 기체를 합성가스로 전환하는 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 추가 플라즈마 반응부와 상기 촉매 반응부 사이에 배치되어 제1온도와 제2-3온도에서 가열된 제2-4온도의 기체로 핫존을 형성하는 보염기
    를 더 포함하는 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 보염기는
    상기 추가 플라즈마 반응부를 향하여 개방되어 플라즈마 하우징의 토출측을 수용하여 제2-4온도의 기체를 포함하는 화염으로부터 열을 받는 열접수부, 및
    상기 열접수부에 폐쇄된 구조로 연결되어 상기 촉매 반응부의 내부에 배치되는 열전달부
    를 포함하는 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 열접수부는
    상기 플라즈마 하우징을 향하여 설정된 높이를 가지고, 동심원 구조로 배치되며, 측방으로 관통공들을 형성하고, 상기 플라즈마 하우징의 단부와 높이 차이 및 간격을 형성하는 제1원통부재들을 포함하는 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 열전달부는
    상기 촉매 반응부를 향하여 설정된 길이를 가지고, 동심원 구조로 배치되는 제2원통부재들을 포함하는 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 제2온도는 950~1300K인 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 장치.
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  21. 삭제
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 삭제
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  26. 메탄과 이산화탄소를 포함하는 제1온도의 매립지 가스를 플라즈마 반응부로 공급받아 플라즈마 방전에 의하여 제2온도로 가열하고 일부 개질 반응을 일으키는 제1단계; 및
    상기 제1단계로부터 공급되는 가열되고 일부 개질된 제2온도의 기체에 촉매 반응부의 촉매가 개질 반응하여 제2온도보다 낮고 일산화탄소와 수소를 포함하는 제3온도의 합성가스로 전환하는 제2단계
    를 포함하며,
    상기 제1단계는
    상기 제2단계 시작 전, 제2온도의 기체로 촉매 반응부의 내부를 경유하고,
    상기 촉매 반응부 내에서 열교환을 통한 흡열 반응으로 저하된 촉매의 온도를 상승시키도록 제2온도에서 저하된 제2-3온도의 기체를 배출하는
    단계
    를 더 포함하는 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 제1단계는
    열교환 후, 제2-3온도의 기체를 추가 플라즈마 방전에 의하여 제2-4온도의 기체로 더 가열하고,
    플라즈마에 의한 개질 반응을 통하여 제2-3온도의 기체에 포함된 메탄과 이산화탄소 및 제1온도의 기체의 일부를 개질하여 합성가스를 생성하여,
    제2-4온도의 기체와 합성가스를 배출하는
    단계
    를 더 포함하는 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 방법.
  28. 메탄과 이산화탄소를 포함하는 제1온도의 매립지 가스를 플라즈마 반응부로 공급받아 플라즈마 방전에 의하여 제2온도로 가열하고 일부 개질 반응을 일으키는 제1단계; 및
    상기 제1단계로부터 공급되는 가열되고 일부 개질된 제2온도의 기체에 촉매 반응부의 촉매가 개질 반응하여 제2온도보다 낮고 일산화탄소와 수소를 포함하는 제3온도의 합성가스로 전환하는 제2단계
    를 포함하며,
    상기 제1단계는
    제1관체 내에서 제1온도의 매립지 가스를 유량 제어하여 공급받고 산소나 공기를 공급받는 단계를 더 포함하며,
    플라즈마 방전에 의하여 연소된 이산화탄소와 물을 주성분으로 하는 연소 생성물인 제2온도의 기체를 배출하고,
    상기 제1단계는
    상기 제2단계 시작 전, 제1온도 및 제2-3온도의 기체를 추가 플라즈마 방전에 의하여 제2-4온도의 기체로 가열하고,
    플라즈마에 의한 개질 반응을 통하여 제1온도 및 제2-3온도의 기체에 포함된 메탄과 이산화탄소의 일부를 개질하여 합성가스를 생성하여,
    제2-4온도의 기체와 합성가스를 배출하여 정체시켜 핫존을 형성하고,
    상기 핫존의 가열된 제2-4온도의 기체로부터 열교환되어 촉매 반응부의 촉매로 열을 전달하는
    단계
    를 더 포함하는 플라즈마 촉매 방식의 건식 개질 방법.
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