KR102117455B1 - 에너지자립형 메탄가스생산장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 에너지자립형 메탄가스생산장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일산화탄소 또는 이산화탄소로 구성된 산화탄소를 포집하여 가압공정을 통해 가압된 산화탄소를 공급하는 산화탄소공급기, 신재생에너지를 통해 전기를 생산하도록 구비된 신재생에너지장치, 상기 신재생에너지장치에서 생산된 전기를 공급받아 수전해를 통해 산소와 수소를 분리하도록 구비된 수전해장치, 상기 산화탄소공급기로 공급되는 산화탄소와 수전해장치를 통해 공급되는 수소의 온도를 높혀 반응성을 향상시키도록 구비된 제 1 열교환기 및 상기 제 1 열교환기를 통해 공급되는 산화탄소와 수소가 유동층 반응을 통해 메탄으로 합성되도록 구비된 유동층반응기를 포함한다.

Description

에너지자립형 메탄가스생산장치{ENERGY-INDEPENDENT METHANE GAS PRODUCTION EQUIPMENT}
본 발명은 에너지자립형 메탄가스생산장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 에너지자립형 시스템과 유동층반응기가 적용되어 메탄을 생산할 수 있는 에너지자립형 메탄가스생산장치에 관한 것이다.
메탄은 산업 현장, 취사 및 연료, 운송 분야에서 매우 중요한 에너지 자원으로 활용되고 있다. 전세계적으로 메탄을 기반한 인프라가 널리 분포하고 있으며, 이는 현대 산업에서 매우 중요한 위치를 차지하고 있다.
현재 사용되는 메탄의 대부분은 화석연료에 기반한 천연가스로부터 얻어지고 있다. 화석연료의 유한성과 기후 변화 등의 문제에 대응하기 위해서 단순히 자원을 소비하는 차원에서 지속가능한 메탄 공급 방법에 대한 논의가 활발하다. 특히, 메탄을 연소할 때 발생하는 일산화탄소 또는 이산화탄소를 포함하는 산화탄소로부터 메탄을 생산하기 위한 방법에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
메탄 생산은 혼합 탱크 반응기 등에서 진행되는 70℃ 이하의 저온반응과 촉매를 이용한 고정층 반응기에서 진행되는 250℃ 이상의 반응으로 나눌 수 있다. 저온반응은 반응 수율이 낮고 반응속도가 낮아, 촉매를 이용한 고정층 반응기에 대한 연구가 주를 이루고 있다. 촉매를 이용한 메탄화 반응은 일산화탄소를 이용한 반응과 이산화탄소를 이용한 반응으로 나눌 수 있으며, 각각의 반응식은 하기와 같다.
CO + 3H2 ↔ CH4 + H2O(g) -206kJ/mol (at 298K)
CO2 + 4H2 ↔ CH4 + 2H2O(g) -164kJ/mol (at 298K)
상기 반응은 모두 발열반응으로서 공통적으로 물이 생성된다. 촉매를 이용하여 상기 반응을 진행할 경우 400℃ 내지 500℃의 고온에서 진행되는 경우가 많고 반응이 빠르게 진행되나, 생성되는 반응열에 의해서 전환율이 떨어지는 문제가 있다.
따라서, 메탄을 효율적으로 생산하고, 메탄을 생산하는 과정에서 발생되는 열 등을 이용하여 추가적인 에너지를 활용하는 방안 등이 필요한 실정이다.
공개특허공보 제 10- 2007-0015564호(2007.02.05.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 온실가스 등으로부터 발생되는 일산화탄소 또는 이산화탄소와 같은 산화탄소와 수전해를 통해 분리된 수소를 합성하여 연료로 사용가능한 메탄을 생산하거나, 수전해과정에서 분리된 수소와 산소를 연료전기발전을 통해 전기를 생산하며, 메탄의 생산과정에서 발생되는 열을 이용하여 스팀을 생산하여 에너지의 자립성을 향상시키고, 산화탄소와 수소의 합성에서 유동층반응기를 활용하여 효율을 향상시킬 수 있는 에너지자립형 메탄가스생산장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 에너지자립형 메탄가스생산장치는 일산화탄소 또는 이산화탄소로 구성된 산화탄소를 포집하여 가압공정을 통해 가압된 산화탄소를 공급하는 산화탄소공급기, 신재생에너지를 통해 전기를 생산하도록 구비된 신재생에너지장치, 상기 신재생에너지장치에서 생산된 전기를 공급받아 수전해를 통해 산소와 수소를 분리하도록 구비된 수전해장치, 상기 산화탄소공급기로 공급되는 산화탄소와 수전해장치를 통해 공급되는 수소의 온도를 높혀 반응성을 향상시키도록 구비된 제 1 열교환기 및 상기 제 1 열교환기를 통해 공급되는 산화탄소와 수소가 유동층 반응을 통해 메탄으로 합성되도록 구비된 유동층반응기를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 산화탄소공급기는 포집된 산화탄소를 제 1 스크러버를 통해서 수분을 제거하고, 가압공정을 통해 2 내지 4bara로 제 1 압축기를 통해 가압하는 것도 가능하다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제 1 압축기를 통해 가압된 산화탄소는 제 2 스크러버를 통해 수분을 제거하고, 가압공정을 통해 7 내지 12bara 및 100℃의 온도 제 2 압축기를 통해 추가 가압하는 것도 가능하다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 신재생에너지장치는 풍력, 수력 및 태양광과 같은 신재생에너지를 적어도 하나 이상 이용하여 전기를 생산하는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 수전해장치의 전기 생산력이 부족하면 저장된 전기를 통해 전기를 보충하고, 상기 수전해장치의 전기 생산력이 초과되면 생산된 전기를 저장하거나 외부로 송출하도록 배터리가 구비된 가능하다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 수전해장치를 통해 분리된 수소는 전기가 필요할 경우 유동층반응기로 공급되지 않고, 연료전지발전방식으로 산화 및 환원반응의 에너지를 통해 전기를 생산하도록 연료전지발전기가 구비된 것도 가능하다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 수전해장치를 통해 분리된 수소는 공급탱크에 저장되고, 상기 공급탱크는 메탄의 생산이 필요할 때는 유동층반응기로 수소를 공급하고, 전기의 생산이 필요할 때는 연료전지발전기로 수소를 선택적으로 공급하는 것도 가능하다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제 1 열교환기는 유동층반응기에서 산화탄소 및 수소의 반응으로 발생되는 열을 냉각시키는 동시에 발생되는 열을 통해 상기 유동층반응기로 공급되는 산화탄소 및 수소의 온도를 높이는 것도 가능하다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 유동층반응기에는 산화탄소 및 수소의 반응으로 발생되는 열을 회수하도록 제 2 열교환기가 구비되고, 상기 제 2 열교환기에 펌프를 통해 물을 공급하여 스팀을 생산하는 것도 가능하다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 유동층반응기를 통해 생산된 반응물에서 수분을 제거하도록 분리기가 구비되고, 상기 분리기를 거친 반응물에서 메탄을 제외한 나머지 물질을 분리하도록 멤브레인정제기가 구비된 것도 가능하다.
본 발명의 실시예에 있어서, 에너지자립형 메탄가스생산장치는 산화탄소 및 수소의 결합을 통해 생산된 메탄을 연료로 사용하는 에너지자립형 메탄가스생산장치를 통해 제조된 메탄화 연료일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 온실가스 등으로부터 발생되는 일산화탄소 또는 이산화탄소와 같은 산화탄소와 수전해를 통해 분리된 수소를 합성하여 연료로 사용가능한 메탄을 생산하거나, 수전해과정에서 분리된 수소와 산소를 연료전기발전을 통해 전기를 생산하며, 메탄의 생산과정에서 발생되는 열을 이용하여 스팀을 생산하여 에너지의 자립성을 향상시키고, 산화탄소와 수소의 합성에서 유동층반응기를 활용하여 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지자립형 메탄가스생산장치의 회로도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지자립형 메탄가스생산장치가 적용된 반응기를 도시한 단면도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 에너지자립형 메탄가스생산장치의 회로도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 에너지자립형 메탄가스생산장치(100)은 일산화탄소 또는 이산화탄소로 구성된 산화탄소를 포집하여 가압공정을 통해 가압된 산화탄소를 공급하는 산화탄소공급기(110), 신재생에너지를 통해 전기를 생산하는 신재생에너지기, 상기 신재생에너지기에서 생산된 전기를 공급받아 수전해를 통해 산소와 수소를 분리하는 수전해장치(130), 상기 산화탄소공급기(110)로 공급되는 산화탄소와 수전해장치(130)를 통해 공급되는 수소의 온도를 높혀 반응성을 향상시키도록 구비된 제 1 열교환기(140) 및 상기 제 1 열교환기(140)를 통해 공급되는 산화탄소와 수소가 유동층 반응을 통해 메탄으로 합성되는 유동층반응기(150)를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 일산화탄소 또는 이산화탄소로 구성된 산화탄소를 포집하여 가압공정을 통해 가압된 산화탄소를 공급하는 산화탄소공급기(110)를 포함한다.
보다 상세하게는, 상기 산화탄소공급기(110)는 외부로부터 일산화탄소 또는 이산화탄소로 구성된 산화탄소를 포집하고, 포집된 산화탄소를 가압공정을 통해 가압하여 공급하도록 구비된다.
즉, 상기 산화탄소는 화석연료의 연소로 인해 발생되는 온실가스 등의 일부를 구성하는 산화탄소를 포집하고, 가압공정을 통해 가압하여 공급한다. 따라서, 가압된 산화탄소는 밀집도 증가 및 온도 상승으로 수소 등의 물질과 반응성이 향상된다.
또한, 신재생에너지를 통해 전기를 생산하는 신재생에너지장치(120)가 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 신재생에너지장치(120)는 신재생에너지를 통해 전기를 생산하도록 풍력, 수력 및 태양광과 같은 에너지를 활용할 수 있다. 따라서, 신재생에너지를 활용함으로써, 추가적인 에너지의 공급없이 수전해를 통해 산소 및 수소를 생산할 수 있다.
또한, 신재생에너지장치(120)에서 생산된 전기를 공급받아 수전해를 통해 산소와 수소를 분리하도록 구비된 수전해장치(130)가 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 수전해장치(130)는 상기 신재생에너지장치(120)를 통해 생산된 전기를 사용하여 물을 전기분해하고, 이를 통해 산소와 수소를 분리한다. 상기 신재생에너지장치(120)는 바람직하게는 잉여전기를 통해서 분해하여 산소 및 수소를 저장하고 생산된 산소 및 수소 판매하거나 필요에 따라 이용한다.
또한, 산화탄소공급기(110)로 공급되는 산화탄소와 수전해장치(130)를 통해 공급되는 수소의 온도를 높혀 반응성을 향상시키도록 구비된 제 1 열교환기(140)가 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 제 1 열교환기(140)는 열교환을 통해 산화탄소 및 수소의 온도를 높여 반응성을 향상시킨다.
즉, 상기 산화탄소공급기(110)로부터 공급되는 산화탄소와 수전해장치(130)를 통해 공급되는 수소의 온도를 높여 상기 산화탄소 및 수소의 결합을 통해 메탄의 생산 시 반응성을 향상시켜 메탄의 생산을 높일 수 있다.
또한, 제 1 열교환기(140)를 통해 공급되는 산화탄소와 수소가 유동층 반응을 통해 메탄으로 합성되도록 유동층반응기(150)가 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 유동층반응기(150)는 산화탄소와 수소의 유동층 반응을 통해 메탄으로 합성되도록 구비된다.
즉, 산화탄소공급기(110)로부터 공급되는 산화탄소와 수전해장치(130)를 통해 공급되는 수소를 촉매와 결합시켜 메탄을 생산하도록 유동층반응기(150)가 구비되고, 반응과 동시에 열회수 및 촉매의 고열방지를 위해서 고정층 보다는 유동층을 통해 산화탄소 및 수소가 반응하게 된다.
또한, 산화탄소공급기(110)는 포집된 산화탄소를 제 1 스크러버(111)를 통해서 수분을 제거하고, 가압공정을 통해 2 내지 4bara로 가압되도록 제 1 압축기(112)가 구비될 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 제 1 스크러버(111)는 포집된 산화탄소의 수분을 제거하고, 상기 제 1 압축기(112)를 통해 가압공정을 수행하여 산화탄소가 2 내지 4bara로 가압되도록 할 수 있으며, 압축으로 인해 온도가 상승된 산화탄소를 제 1 냉각기를 통해 냉각 시킬 수 있다.
따라서, 상기 산화탄소는 상기 제 1 스크러버(111)로 인해 수분이 제거되고, 제 1 압축기(112)를 통해2 내지 4bara로 가압되므로, 상기 산화탄소의 수소와의 결합성을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 제 1 압축기(112)를 통해 가압된 산화탄소는 제 2 스크러버(114)를 통해 수분을 제거하고, 가압공정을 통해 7 내지 12bara 및 100℃의 온도 제 2 압축기(115)를 통해 추가 가압되도록 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 제 2 스크러버(114)는 포집된 산화탄소의 수분을 제거하고, 상기 제 2 압축기(115)를 통해 가압공정을 수행하여 산화탄소가 7 내지 12bara로 가압되도록 할 수 있으며, 압축으로 인해 온도가 상승된 산화탄소를 제 2 냉각기를 통해 냉각 시킬 수 있다.
따라서, 상기 산화탄소는 상기 제 3 스크러버로 인해 수분이 제거되고, 제 3 압축기를 통해7 내지 12bara로 추가 가압되므로, 상기 산화탄소의 수소와의 결합성을 향상시킬 수 있고, 제 1 스크러버(111) 및 제 1 압축기(112)를 통해 가압된 산화탄소의 추가 가압을 통해 상기 산화탄소의 수소와의 결합성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 수전해장치(130)의 전기 생산력이 부족하면 저장된 전기를 통해 전기를 보충하고, 상기 수전해장치(130)의 전기 생산력이 초과되면 생산된 전기를 저장하거나 외부로 송출하도록 배터리가 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 수전해장치(130)는 전기를 공급받아 수소와 산소를 분리하는데 상기 신재생에너지장치(120)로부터 공급받는 전기가 부족하면 상기 배터리를 통해 전기를 보충하고, 신재생에너지장치(120)로부터 공급받는 전기가 수소와 산소를 분리하는데 사용되는 전기를 초과하면 배터리에 저장하게 된다.
따라서, 수소와 산소를 분리하기위한 전기가 부족하더라도 상기 배터리를 통해 안정적으로 보충할 수 있다.
또한, 수전해장치(130)를 통해 분리된 수소는 전기가 필요할 경우 유동층반응기(150)로 공급되지 않고, 연료전지발전방식으로 산화 및 환원반응의 에너지를 통해 전기를 생산하도록 연료전지발전기(170)가 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 수전해장치(130)를 통해 분리된 수소는 메탄을 생산하기 위해 유동층반응기(150)로 보내지는데 추가적인 전기의 생산이 필요한 경우 연료전지발전방식으로 수소와 산소의 산화 및 환원반응을 통해 전기를 생산할 수 있다.
또한, 수전해장치(130)를 통해 분리된 수소는 공급탱크(180)에 저장되고, 상기 공급탱크(180)는 메탄의 생산이 필요할 때는 유동층반응기(150)로 수소를 공급하고, 전기의 생산이 필요할 때는 연료전지발전기(170)로 수소를 선택적으로 공급할 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 공급탱크(180)는 상기 수전해장치(130)로부터 수소를 공급받도록 연결되고, 필요에 따라 상기 유동층반응기(150)나 연료전지발전기(170)로 수소를 공급할 수 있다.
이때, 상기 공급탱크(180)부터 저장된 수소를 제 2 제어밸브(181)를 통해 상기 유동층반응기(150)로 전달되는 수소를 제어하고, 제 3 제어밸브(182)를 통해 상기 연료전지발전기(170)로 공급되는 수소를 제어할 수 있다.
즉, 상기 공급탱크(180)는 메탄의 생산이 필요할 때는 유동층반응기(150)로 수소를 공급하고, 전기의 생산이 필요할 때는 연료전지발전기(170)로 수소를 선택적으로 공급할 수 있다. 따라서, 상기 공급탱크(180)로 인해 메탄의 생산이나 전기의 생산을 필요에 따라 선택할 수 있다.
또한, 제 1 열교환기(140)는 유동층반응기(150)에서 산화탄소 및 수소의 반응으로 발생되는 열을 회수하는 동시에 발생되는 열을 통해 상기 유동층반응기(150)로 공급되는 산화탄소 및 수소의 온도를 높일 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 유동층반응기(150)에서 산화탄소 및 수소의 반응으로 발생되는 열을 회수하고, 이를 통해 상기 유동층반응기(150)에서 상기 산화탄소 및 수소의 반응성을 향상시키도록 상기 제 1 열교환기(140)는 상기 유동층반응기(150)로 공급되는 산화탄소 및 수소의 온도를 높일 수 있다.
즉, 상기 상기 유동층반응기(150)는 산화탄소 및 수소의 반응으로 메탄이 생산되는 과정에서 다량의 열이 발생하게 되는데 이를 상기 열교환기를 통해 열을 회수하고, 회수된 열을 통해 상기 유동층반응기(150)로 공급되는 산화탄소 및 수소의 온도를 높여 반응성을 향상시킬 수 있다.
따라서, 상기 제 1 열교환기(140)는 상기 유동층반응기(150)의 열을 효과적으로 사용함으로써, 전체적인 열효율을 향상시킬 수 있고, 산화탄소 및 수소의 반응성도 향상시킬 수 있다.
또한, 유동층반응기(150)에는 산화탄소 및 수소의 반응으로 발생되는 열을 회수하도록 제 2 열교환기가 구비되고, 상기 제 2 열교환기에 펌프를 통해 물을 공급하여 스팀을 생산할 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 유동층반응기(150)에는 산화탄소 및 수소의 반응으로 메탄의 생산 시 다량의 열이 발생하게 되고, 이를 냉각시키고, 발생되는 열을 회수하도록 제 2 열교환기가 구비된다.
따라서, 상기 제 2 열교환기는 발생되는 열을 통해 물을 가열하여 스팀을 생산하거나, 상기 제 2 열교환기의 냉매로 물을 사용함으로써, 스팀을 생산할 수 있다. 또한, 생산된 스팀을 판매하거나 발전기의 터빈을 회전시켜 전기를 생산하는 것 또한 가능하다.
또한, 유동층반응기(150)를 통해 생산된 반응물에서 수분을 제거하도록 분리기(160)가 구비되고, 상기 분리기(160)를 거친 반응물에서 메탄을 제외한 나머지 물질을 분리하도록 멤브레인정제기(161)가 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 유동층반응기(150)를 통해 생산된 반응물은 메탄뿐만아니라 물과 미반응 산화탄소 및 수소 등이 포함된다. 따라서, 상기 분리기(160)를 통해 물을 분리하고, 상기 멤브레인정제기(161)를 통해 메탄만을 정제하여 고질화된 메탄을 생산할 수 있다.
또한, 상기 유동층반응기(150)로부터 생산된 메탄을 포함하는 반응물은 상기 제 1 열교환기를 통해 냉각되어 상기 분리기로 전달되는데, 상기 반응물이 고온 상태이므로, 상기 제 1 제어밸브(152)를 통해 압력을 적절히 제어하여 과냉각 또는 냉각부족이 되지 않도록 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 에너지자립형 메탄가스생산장치가 적용된 반응기를 도시한 단면도이다.
하나의 실시예에 있어서, 상기 반응기(200)는 메탄화를 위한 일체형 다단 반응기(200)로 구비될 수 있고, 이와 관련하여 도3을 참조하면, 메탄화를 위한 일체형 다단 반응기(200)는 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소를 반응시켜 메탄화하기 위한 반응기에 있어서, 내부에 기체가 유동되도록 중공의 관형상으로 형성된 본체부(210), 상기 본체부(210)의 내부의 하단에 배치되고, 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스와 고온의 촉매 전환 반응이 일어나도록 구비된 제 1 챔버(221), 상기 본체부(210)의 하단에 구비되고, 제 1 챔버(221)의 하단으로 혼합가스를 공급하도록 구비된 공급부(231), 상기 공급부(231) 및 제 1 챔버(221)의 하단의 사이에 배치되고, 상기 공급부(231)로부터 공급된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소를 상기 제 1 챔버(221)에 균일하게 분배하도록 구비된 제 1 가스분배기(241), 상기 제 1 챔버(221)의 상부와 연결되고, 상기 제 1 챔버(221)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 구비된 제 1 열교환호퍼(251), 상기 제 2 가스분리부의 상단에 배치되고, 상기 제 1 챔버(221)로부터 유동된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응이 일어나도록 구비된 제 2 챔버(222), 상기 제 1 열교환호퍼(251)와 상기 제 2 챔버(222)의 하단의 사이에 배치되고, 상기 제 1 챔버(221)로부터 유동된 탄소, 물, 일산화탄소 또는 이산화탄소 및 수소를 상기 제 2 챔버(222)에 균일하게 분배하도록 구비된 제 2 가스분배기(242), 상기 제 2 챔버(222)의 상부와 연결되고, 상기 제 2 챔버(222)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 구비된 제 2 열교환호퍼(261), 상기 제 3 가스분리부의 상단에 배치되고, 상기 제 2 챔버(222)로부터 유동된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응이 일어나도록 구비된 제 3 챔버(223), 상기 제 2 열교환호퍼(261)와 상기 제 3 챔버(223)의 하단의 사이에 배치되고, 상기 제 2 챔버(222)로부터 유동된 탄소, 물, 일산화탄소 또는 이산화탄소 및 수소를 상기 제 3 챔버(223)에 균일하게 분배하도록 구비된 제 3 가스분배기(243), 상기 제 3 챔버(223)의 상부와 연결되고, 상기 제 3 챔버(223)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 구비된 제 3 열교환호퍼(271), 상기 본체부(210)의 상단에 구비되어 상기 제 3 열교환호퍼(271)의 상부에 배치되고, 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소와 촉매의 반응으로 생성된 메탄 및 물이 배출되는 배출부(232)를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 내부에 기체가 유동되도록 중공의 관형상으로 형성된 본체부(210)를 포함한다.
보다 상세하게는, 상기 본체부(210)는 내부에 일산화탄소 또는 이산화탄소 등과 같은 산화탄소와 수소가 유동되도록 중공의 긴 관형상으로 형성된다. 따라서, 산화탄소와 수소가 상기 본체부(210)의 내부에 유동되며 반응하여 메탄이 생성된다.
또한, 상기 본체부(210)의 내부의 하단에 배치되고, 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스와 고온의 촉매 전환 반응이 일어나도록 제 1 챔버(221)가 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 제 1 챔버(221)는 상기 본체부(210)의 내부의 하단에 배치되고, 외부로부터 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소를 공급받아 고온의 촉매 전환 반응을 통해 메탄이 생산된다.
이때, 촉매 전환 반응은 고온에서 전환 반응이 일어나고, 이때 내부 흐름은 고속유동층(fast fluidized bed) 영역이고, 상기 촉매는 일반적으로 니켈계 촉매가 사용되나, 상기 산화탄소와 수소의 반응을 촉진시켜 메탄을 생산할 수 있다면 크게 제한되지 않는다.
또한, 본체부(210)의 하단에 구비되고, 제 1 챔버(221)의 하단으로 혼합가스를 공급하도록 공급부(231)가 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 공급부(231)는 상기 본체부(210)의 하단에 구비되어 외부로부터 공급된 산화탄소 및 수소로 구성된 혼합가스를 상기 제 1 챔버(221)로 공급한다. 따라서, 상기 공급부(231)는 관과 같은 수단에 의해 상기 본체부(210)와 연결되어 상기 제 1 챔버(221)로 공급할 수 있다.
또한, 공급부(231) 및 제 1 챔버(221)의 하단의 사이에 배치되고, 상기 공급부(231)로부터 공급된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소를 상기 제 1 챔버(221)에 균일하게 분배하도록 제 1 가스분배기(241)가 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 제 1 가스분배기(241)는 상기 본체부(210)의 내부에서 상기 공급부(231) 및 제 1 챔버(221)의 하단의 사이에 배치되어 상기 공급부(231)로부터 공급된 혼합가스를 상기 제 1 챔버(221)에 균일하게 분배하도록 구비된다. 따라서, 상기 제 1 가스분배기(241)는 상기 혼합가스를 균일하게 분배하여 촉매 전환 반응이 효과적으로 이루어지도록 한다.
또한, 제 1 챔버(221)의 상부와 연결되고, 상기 제 1 챔버(221)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 제 1 열교환호퍼(251)가 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 제 1 열교환호퍼(251)는 혼합가스를 냉각시키도록 상기 본체부(210)의 내부에서 상기 제 1 챔버(221)의 상부와 연결되어 상기 제 1 챔버(221)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환됨으로써 냉각시키게 된다.
이때, 상기 냉매는 상기 혼합가스를 냉각시킬 수 있다면 크게 제한되지 않으나 바람직하게는 물을 사용하는 것이다. 따라서, 상기 메탄화공정을 통해 생산된 메탄과 물 중 물을 냉매로 다시 투입하는 것도 가능하다.
또한, 상기 제 1 열교환호퍼(251)의 상단에 배치되고, 상기 제 1 챔버(221)로부터 유동된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응이 일어나도록 제 2 챔버(222)가 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 제 2 챔버(222)는 상기 본체부(210)의 내부에서 상기 제 1 열교환호퍼(251)의 상단에 배치되고, 상기 제 1 열교환호퍼(251)를 통해 냉각된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응을 통해 메탄이 생산된다.
즉, 상기 제 2 챔버(222)는 상기 제 1 챔버(221)로부터 유동된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 상기 제 1 열교환호퍼(251)를 통해 냉각되고, 이와 함께 촉매를 통해 촉매 전환 반응이 일어나게 된다.
또한, 제 1 열교환호퍼(251)와 상기 제 2 챔버(222)의 하단의 사이에 배치되고, 상기 제 1 챔버(221)로부터 유동된 탄소, 물, 일산화탄소 또는 이산화탄소 및 수소를 상기 제 2 챔버(222)에 균일하게 분배하도록 제 2 가스분배기(242)가 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 제 2 가스분배기(242)는 상기 본체부(210)의 내부에서 상기 제 1 열교환호퍼(251)와 제 2 챔버(222)의 하단의 사이에 배치되어 상기 제 1 열교환호퍼(251)로부터 유동된 혼합가스를 상기 제 2 챔버(222)에 균일하게 분배하도록 구비된다. 따라서, 상기 제 2 가스분배기(242)는 상기 혼합가스를 균일하게 분배하여 촉매 전환 반응이 효과적으로 이루어지도록 한다.
또한, 제 2 챔버(222)의 상부와 연결되고, 상기 제 2 챔버(222)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 제 2 열교환호퍼(261)가 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 제 2 열교환호퍼(261)는 혼합가스의 온도를 냉각시키도록 상기 본체부(210)의 내부에서 상기 제 2 챔버(222)의 상부와 연결되어 상기 제 2 챔버(222)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환됨으로써 냉각시키게 된다.
또한, 제 3 가스분리부의 상단에 배치되고, 상기 제 2 챔버(222)로부터 유동된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응이 일어나도록 제 3 챔버(223)가 구비된다.
상기 제 3 챔버(223)는 상기 본체부(210)의 내부에서 상기 제 2 열교환호퍼(261)의 상단에 배치되고, 상기 제 2 열교환호퍼(261)를 통해 냉각된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응을 통해 메탄이 생산된다.
또한, 제 2 열교환호퍼(261)와 상기 제 3 챔버(223)의 하단의 사이에 배치되고, 상기 제 2 챔버(222)로부터 유동된 탄소, 물, 일산화탄소 또는 이산화탄소 및 수소를 상기 제 3 챔버(223)에 균일하게 분배하도록 제 3 가스분배기(243)가 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 제 3 가스분배기(243)는 상기 본체부(210)의 내부에서 상기 제 2 열교환호퍼(261)와 제 3 챔버(223)의 하단의 사이에 배치되어 상기 제 2 열교환호퍼(261)로부터 유동된 혼합가스를 상기 제 3 챔버(223)에 균일하게 분배하도록 구비된다. 따라서, 상기 제 3 가스분배기(243)는 상기 혼합가스를 균일하게 분배하여 촉매 전환 반응이 효과적으로 이루어지도록 한다.
또한, 제 3 챔버(223)의 상부와 연결되고, 상기 제 3 챔버(223)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 제 3 열교환호퍼(271)가 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 제 3 열교환호퍼(271)는 혼합가스의 온도를 냉각시키도록 상기 본체부(210)의 내부에서 상기 제 3 챔버(223)의 상부와 연결되어 상기 제 3 챔버(223)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환됨으로써 냉각시키게 된다.
또한, 본체부(210)의 상단에 구비되어 상기 제 3 열교환호퍼(271)의 상부에 배치되고, 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소와 촉매의 반응으로 생성된 메탄 및 물이 배출되는 배출부(232)가 구비된다.
보다 상세하게는, 상기 본체부(210)의 하단에 구비된 공급부(231)를 통해 유입된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 제 1 챔버(221), 제 2 챔버(222) 및 제 3 챔버(223)를 지나 촉매와 반응되어 메탄과 물이 생성되고, 상기 본체부(210)의 상단에 형성된 배출부(232)를 통해서 배출된다.
이때, 상기 배출부(232)는 상기 본체부(210)의 상단과 관과 같은 수단에 의해 연결되어 메탄 및 물을 배출한다.
또한, 제 3 열교환호퍼(271)는 상기 제 3 챔버(223)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 낮추도록 코일형상의 긴관으로 배치되고, 내부에 냉매가 유동되도록 일측 끝단에 냉매가 유입되는 제 1 유입구(252)가 구비되고, 타측 끝단에 열교환이 수행되고 냉매가 배출되도록 제 1 배출구(253)가 구비될 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 제 3 열교환호퍼(271)는 코일형상의 긴관으로 형성되어 내부에 냉매가 유동되고, 상기 냉매에 의해서 상기 제 3 열교환호퍼(271)는 상기 제 3 챔버(223)로부터 상기 배출부(232)로 유동되는 혼합가스를 열교환에 의해서 냉각시키게 된다.
따라서, 상기 제 3 열교환호퍼(271) 일측 끝단에는 외부로부터 냉매가 유입되는 제 1 유입구(252)가 구비되고, 상기 제 1 유입구(252)를 통해 유입된 냉매가 코일형상으로 형성된 관을 지남으로써, 상기 제 3 열교환호퍼(271)의 외부를 지나가는 혼합가스를 냉각시키고, 열교환이 수행된 후 타측 끝단의 제 1 배출구(253)를 통해 배출된다.
또한, 제 2 열교환호퍼(261)는 상기 제 2 챔버(222)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 낮추도록 코일형상의 긴관으로 배치되고, 내부에 냉매가 유동되도록 일측 끝단에 상기 제 1 배출구(253)로부터 냉매가 유입되는 제 2 유입구(262)가 구비되고, 타측 끝단에 열교환이 수행되고 냉매가 배출되도록 제 2 배출구(263)가 구비될 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 제 2 열교환호퍼(261)는 코일형상의 긴관으로 형성되어 내부에 냉매가 유동되고, 상기 냉매에 의해서 상기 제 2 열교환호퍼(261)는 상기 제 2 챔버(222)로부터 상기 제 3 챔버(223)로 유동되는 혼합가스를 열교환에 의해서 냉각시키게 된다.
따라서, 상기 제 2 열교환호퍼(261) 일측 끝단에는 상기 제 1 배출구(253)와 연결되어 제 1 배출구(253)로부터 냉매가 유입되는 제 2 유입구(262)가 구비되고, 상기 제 2 유입구(262)를 통해 유입된 냉매가 코일형상으로 형성된 관을 지남으로써, 상기 제 2 열교환호퍼(261)의 외부를 지나가는 혼합가스를 냉각시키고, 열교환이 수행된 후 타측 끝단에 구비된 제 2 배출구(263)를 통해 냉매가 배출된다.
또한, 제 1 열교환호퍼(251)는 상기 제 1 챔버(221)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 낮추도록 코일형상의 긴관으로 배치되고, 내부에 냉매가 유동되도록 일측 끝단에 상기 제 2 배출구(263)로부터 냉매가 유입되는 제 3 유입구(272)가 구비되고, 타측 끝단에 열교환이 수행되고 냉매가 배출되도록 제 3 배출구(273)가 구비될 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 제 1 열교환호퍼(251)는 코일형상의 긴관으로 형성되어 내부에 냉매가 유동되고, 상기 냉매에 의해서 상기 제 1 열교환호퍼(251)는 상기 제 1 챔버(221)로부터 상기 제 2 챔버(222)로 유동되는 혼합가스를 열교환에 의해서 냉각시키게 된다.
따라서, 상기 제 1 열교환호퍼(251) 일측 끝단에는 상기 제 2 배출구(263)와 연결되어 제 2 배출구(263)로부터 냉매가 유입되는 제 3 유입구(272)가 구비되고, 상기 제 3 유입구(272)를 통해 유입된 냉매가 코일형상으로 형성된 관을 지남으로써, 상기 제 1 열교환호퍼(251)의 외부를 지나가는 혼합가스를 냉각시키고, 열교환이 수행된 후 타측 끝단에 구비된 제 3 배출구(273)를 통해 냉매가 배출된다.
또한, 제 1 챔버(221)는 400℃ 내지 500℃의 온도에서 전환반응이 일어나고, 상기 제 1 열교환호퍼(251)에서 혼합가스가 일차적으로 냉각될 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 제 1 챔버(221)는 공급부(231)를 통해 유입된 혼합가스 및 촉매가 반응속도를 높이기 위해 400℃ 내지 500℃의 고온에서 촉매전환반응이 일어나고, 가열된 혼합가스가 상기 제 1 열교환호퍼(251)에 의해서 일차적으로 냉각된다. 따라서, 상기 제 1 챔버(221)는 고온에서 촉매전환반응이 실행되어 효율적으로 메탄을 생산할 수 있다.
또한, 상기 제 2 챔버(222)는 상기 제 1 열교환호퍼(251)에 의해 냉각된 혼합가스 및 촉매가 350℃ 내지 400℃의 온도에서 전환반응이 일어나고, 상기 제 2 열교환호퍼(261)에서 혼합가스 및 촉매가 이차적으로 냉각될 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 제 2 챔버(222)는 상기 제 1 챔버(221)를 통해 유입된 혼합가스 및 촉매가 350℃ 내지 400℃의 온도에서 전환반응이 일어나고, 상기 제 1 챔버(221)보다 낮은 온도에서 전환반응이 일어남으로써, 반응속도보다 높은 평형 전환율을 달성할 수 있으며, 가열된 혼합가스가 상기 제 2 열교환호퍼(261)에 의해서 이차적으로 냉각되어 효율적으로 메탄을 생산할 수 있다.
또한, 제 3 챔버(223)는 상기 제 2 열교환호퍼(261)에 의해 냉각된 혼합가스 및 촉매가 250℃ 내지 350℃의 온도에서 전환반응이 일어나고, 상기 제 3 열교환호퍼(271)에서 혼합가스가 삼차적으로 냉각될 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 제 3 챔버(223)는 상기 제 2 챔버(222)를 통해 유입된 혼합가스 및 촉매가 250℃ 내지 350℃의 온도에서 전환반응이 일어나고, 상기 제 2 챔버(222)보다 낮은 온도에서 전환반응이 일어남으로써, 반응속도보다 높은 평형 전환율을 달성할 수 있으며, 가열된 혼합가스가 상기 제 3 열교환호퍼(271)에 의해서 삼차적으로 냉각되어 효율적으로 메탄을 생산할 수 있다.
또한, 제 1 챔버(221), 제 2 챔버(222) 및 제 3 챔버(223)를 통과한 혼합가스는 상기 제 1열교환호퍼, 제 2 열교환호퍼(261) 및 제 3 열교환호퍼(271)로 인해 순차적으로 냉각되어 점차 온도가 낮아질 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 제 1 챔버(221), 제 2 챔버(222) 및 제 3 챔버(223)는 상기 본체부(210)의 내부에 순차적으로 배치되고, 상기 제 1 챔버(221)와 제 2 챔버(222)의 사이에는 제 1열교환호퍼가 배치되고, 제 2 챔버(222)의 제 3 챔버(223) 사이에는 제 2열교환호퍼가 배치되며, 상기 제 3 챔버(223)의 상부에는 제 3열교환호퍼가 배치되고, 혼합가스가 상기 제 1 챔버(221), 제 2 챔버(222) 및 제 3 챔버(223)를 순차적으로 통과하며 촉매와 함께 촉매전환반응이 수행됨으로써, 상기 제 1열교환호퍼, 제 2 열교환호퍼(261) 및 제 3 열교환호퍼(271)를 통해 상기 혼합가스가 순차적으로 냉각된다.
따라서, 초기의 고온의 조건에서 촉매전환반응을 수행하여 높은 반응속도를 갖고 순차적으로 낮은온도에서 촉매전환반응을 수행하여 높은 평형 전환율을 갖게 되어 효율적으로 메탄을 생산할 수 있다.
또한, 냉매는 제 3열교환호퍼를 시작으로 제 2 열교환호퍼(261)와 제 1 열교환호퍼(251)의 순으로 유동되어 상기 제 3 챔버(223), 제 2 챔버(222) 및 제 1 챔버(221)에 의해 순차적으로 가열되어 점차 온도가 상승될 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 제 3 열교환호퍼(271), 제 2 열교환호퍼(261) 및 제 3 열교환호퍼(271)가 서로 연결되어 냉매가 순차적으로 유동하고, 냉매는 제 3 챔버(223), 제 2 챔버(222) 및 제 1 챔버(221) 순으로 냉각됨에 따라 냉매의 온도가 점차 상승하게 된다.
즉, 상기 혼합가스는 상기 본체를 기준으로 하단으로 공급되어 상단으로 이동될수록 온도가 감소하게 되고, 상기 냉매는 상기 본체부(210)를 기준으로 상단에서 하단으로 이동될수록 온도가 상승하게 된다.
또한, 수소는 신재생에너지를 통해 생산된 잉여 전기로 수전해를 통해 산소와 수소를 분리하여 공급할 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 수소는 물을 전기분해하여 산소와 수소를 분리하여 공급하는 것으로, 신재생에너지 또는 발전소를 통해 생산된 잉여전기를 통해 얻을 수 있다.
하나의 예로, 섬과 같은 독립된 공간에 풍력발전이나 태양광발전을 통해 발생되는 잉여에너지를 통해 물을 전기분해하여 산소와 수소를 분리하고, 생산된 산소는 판매하고, 나머지 수소를 통해 산화탄소를 메탄화하여 에너지로 사용할 수 있다.
또한, 일산화탄소 또는 이산화탄소는 온실가스를 통해 배출된 일산화탄소 또는 이산화탄소를 포집하여 공급할 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 일산화탄소 또는 이산화탄소 등과 같은 산화탄소를 자동차의 매연이나 화석연료의 사용을 통해 손쉽게 얻을 수 있고, 이러한 산화탄소를 포집하여 메탄화할 수 있다.
또한, 제 1 열교환호퍼(251)는 상기 제 1 챔버(221)를 냉각시켜 온도가 상승된 냉매를 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소의 반응을 통해 생성된 물을 가열시켜 스팀을 생산할 수 있다.
보다 상세하게는, 상기 제 1 챔버(221)는 400℃ 내지 500℃의 온도에서 혼합가스 및 촉매가 전환반응이 일어나고, 상기 제 1 열교환호퍼(251)가 이를 냉각시키게 된다.
따라서, 상기 제 1 열교환호퍼(251)의 냉매는 높은 온도를 유지하고 있으므로, 이를 통해 물을 가열시킴으로써 스팀을 얻을 수 있고, 이를 통해 생산된 스팀을 판매하거나 또는 이를 발전시켜 전기를 생산할 수 있다.
또한, 메탄화를 위한 일체형 다단 반응기(200)는 이산화탄소와 수소의 반응을 통해 생성된 메탄을 생산하도록 메탄화 공정에 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 메탄화를 위한 일체형 다단 반응기(200)에서 촉매는 혼합가스와 고정층이 아닌 유동층으로 반응함으로써, 반응과 동시에 열회수 및 촉매 고열(반응열)을 방지할 수 있는데 제 1 가스분배기(241), 제 2 가스분배기(242) 및 제 3 가스분배기(243)를 통한 촉매의 투입에 따른 최소유동화속도 계산식인
Figure 112018107539266-pat00001
는 아래의 계산식을 따른다.
Figure 112018107539266-pat00002
Figure 112018107539266-pat00003
= minimum fluidizing condition,
Figure 112018107539266-pat00004
= screen size
Figure 112018107539266-pat00005
= gas density
Figure 112018107539266-pat00006
= coefficient of viscosity
Figure 112018107539266-pat00007
= bed voidage
Figure 112018107539266-pat00008
= (
Figure 112018107539266-pat00009
) of same volume
Figure 112018107539266-pat00010
(sheres), 0<
Figure 112018107539266-pat00011
<1(all other particle shapes)
Figure 112018107539266-pat00012
= particle density or catalyst density
Figure 112018107539266-pat00013
= gravitational acceleration
또한, 상기 제 1 가스분배기(241), 제 2 가스분배기(242) 및 제 3 가스분배기(243)를 통해 투입되는 촉매입자의 크기, 밀도를 제어함으로써, 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소의 유량 및 속도를 제어할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 에너지자립형 메탄가스생산장치
110: 산화탄소공급기
111: 제 1 스크러버
112: 제 1 압축기
113: 제 1 냉각기
114: 제 2 스크러버
115: 제 2 압축기
116: 제 2 냉각기
120: 신재생에너지장치
130: 수전해장치
140: 제 1 열교환기
150: 유동층반응기
151: 제 2 열교환기
152: 제 1 제어밸브
160: 분리기
161: 멤브레인정제기
170: 연료전지발전기
180: 공급탱크
181: 제 2 제어밸브
182: 제 3 제어밸브
200: 반응기
210: 본체부
221: 제 1 챔버
222: 제 2 챔버
223: 제 3 챔버
231: 공급부
232: 배출부
241: 제 1 가스분배기
242: 제 2 가스분배기
243: 제 3 가스분배기
251: 제 1 열교환호퍼
252: 제 1 유입구
253: 제 1 배출구
261: 제 2 열교환호퍼
262: 제 2 유입구
263: 제 2 배출구
271: 제 3 열교환호퍼
272: 제 3 유입구
273: 제 3 배출구

Claims (11)

  1. 일산화탄소 또는 이산화탄소로 구성된 산화탄소를 포집하여 가압공정을 통해 가압된 산화탄소를 공급하는 산화탄소공급기;
    신재생에너지를 통해 전기를 생산하도록 구비된 신재생에너지장치;
    상기 신재생에너지장치와 전기적으로 연결되고, 상기 신재생에너지장치에서 생산된 전기를 공급받아 수전해를 통해 산소와 수소를 분리하도록 구비된 수전해장치;
    상기 수전해장치와 전기적으로 연결되는 배터리;
    상기 수전해장치와 전기적으로 연결되는 연료전지 발전기;
    상기 수전해장치와 상기 연료전지 발전기 사이에 위치하고 상기 수전해장치 및 상기 연료전지 발전기와 연통하는 공급탱크;
    유동층반응기와 상기 공급탱크 사이에 위치하고, 상기 유동층반응기 및 상기 공급탱크와 연통하며, 상기 산화탄소공급기로 공급되는 산화탄소와 수전해장치를 통해 공급되는 수소의 온도를 높혀 반응성을 향상시키도록 구비된 제 1 열교환기;
    상기 제 1 열교환기와 연통하고 상기 유동층반응기를 통해 생산된 반응물에서 수분을 제거하도록 분리기;
    상기 제1 열교환기와 연통하고, 상기 제 1 열교환기를 통해 공급되는 산화탄소와 수소가 유동층 반응을 통해 메탄으로 합성되도록 구비된 유동층반응기;
    를 포함하고,
    상기 배터리는 상기 수전해장치의 전기 생산력이 부족하면 저장된 전기를 통해 전기를 보충하고, 상기 수전해장치의 전기 생산력이 초과되면 생산된 전기를 저장하거나 외부로 송출하며,
    상기 연료전지발전기는 전기가 필요할 경우 상기 수전해장치를 통해 분리된 수소를 상기 유동층반응기로 공급되지 않고, 연료전지발전방식으로 산화 및 환원반응의 에너지를 통해 전기를 생산하고,
    상기 공급탱크는 상기 수전해장치를 통해 분리된 수소가 저장되고, 메탄의 생산이 필요할 때 상기 유동층반응기로 수소를 공급하고, 전기의 생산이 필요할 때 상기 연료전지발전기로 수소를 선택적으로 공급하며,
    상기 제 1 열교환기는 상기 유동층반응기에서 산화탄소 및 수소의 반응으로 발생되는 열을 냉각시키는 동시에 발생되는 열을 통해 상기 유동층반응기로 공급되는 산화탄소 및 수소의 온도를 높이고,
    상기 유동층반응기에는 산화탄소 및 수소의 반응으로 발생되는 열을 회수하도록 상기 제 2 열교환기에 펌프를 통해 물을 공급하여 스팀을 생산하는 제 2 열교환기가 구비되며,
    상기 유동층반응기는 상기 제 2 열교환기와 전기적으로 연결되고 상기 제1 열교환기를 통해 냉각되어 상기 분리기로 전달되도록 상기 유동층반응기로부터 생산된 메탄을 포함하는 반응물의 압력을 조절하여 과냉각 또는 냉각부족을 방지하는 제 1 제어밸브;를 더 포함하고,
    상기 공급탱크는 상기 공급탱크와 상기 제 1 열교환기 사이에 위치하고, 상기 공급탱크 및 상기 제 1 열교환기와 전기적으로 연결되며, 상기 수전해장치를 통해 분리되어 상기 공급탱크로 저장된 수소가 상기 유동층반응기로 공급되는 공급량을 조절하는 제 2 제어밸브;를 더 포함하며,
    상기 연료전지 발전기 및 상기 공급탱크 사이에 위치하여 상기 연료전지 발전기와 상기 공급탱크를 전기적으로 연결하고, 상기 연료전지발전기로 공급되는 수소의 공급량을 조절하는 제 3 제어밸브;를 더 포함하고,
    상기 분리기는 상기 분리기와 연통하여 상기 분리기를 거친 반응물에서 메탄을 제외한 나머지 물질을 분리하도록 멤브레인정제기;를 더 포함하는 에너지자립형 메탄가스생산장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 산화탄소공급기는 포집된 산화탄소를 제 1 스크러버를 통해서 수분을 제거하고, 가압공정을 통해 2 내지 4bara로 제 1 압축기를 통해 가압하는 것을 특징으로 하는 에너지자립형 메탄가스생산장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 압축기를 통해 가압된 산화탄소는 제 2 스크러버를 통해 수분을 제거하고, 가압공정을 통해 7 내지 12bara 및 100℃의 온도 제 2 압축기를 통해 추가 가압하는 것을 특징으로 하는 에너지자립형 메탄가스생산장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 신재생에너지장치는 풍력, 수력 및 태양광 중 적어도 하나의 신재생에너지를 이용하여 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 에너지자립형 메탄가스생산장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 제 1 항에 따른, 상기 에너지자립형 메탄가스생산장치는 산화탄소 및 수소의 결합을 통해 생산된 메탄을 연료로 사용하는 것을 특징으로 하는 에너지자립형 메탄가스생산장치를 통해 제조된 메탄화 연료.
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