KR102211017B1 - 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템에 관한 것으로, 본 발명에 따른 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템은 바이오가스를 공급하는 공급수단(100), 바이오가스를 전달받아, 바이오가스를 정제하는 정제수단(200), 바이오가스를 전달받아, 바이오가스로부터 산소를 제거하는 산소제거수단(300), 바이오가스를 전달받아, 바이오가스로부터 탄산가스를 제거하는 탄산가스제거수단(400), 태양광을 집광하는 집광수단(500), 바이오가스를 전달받고, 집광수단(500)에서 집광된 태양광을 이용하여 바이오가스를 열분해시킴으로써 수소와 카본블랙을 생성하는 반응기(600), 및 반응기(600)로부터 수소와 카본블랙을 전달받아, 수소와 카본블랙을 분리하는 분리수단(700)를 포함한다.

Description

태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템{System for thermal decomposition of methane using solar energy}
본 발명은 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템에 관한 것이다.
지금까지는 에너지원으로 대부분 석탁 및 석유를 이용하여 산업이 발전해 왔으나, 현재는 석탄 및 석유의 고갈로 인해 수소를 기반으로 하는 대체 에너지원으로 부탄, 프로판, 그리고 천연가스가 가정과 산업에서 많은 부분에서 사용되고 있다.
이러한 추세로 볼 때, 머지않아 수소를 기반으로 하는 에너지원이 산업사회를 주도할 것으로 예상된다. 수소는 가장 가볍고 풍수한 원소로서 무한하고 청결한 에너지이다. 따라서, 수소에너지 기술은 21세기의 에너지 문제와 환경 문제를 동시에 해결할 수 있는 유일한 대안으로 인식되고 있다. 그래서 수소의 제조, 저장 및 이용기술을 확립하기 위해 미국, 일본, 유럽 등을 비롯한 기술 선진국들의 주도하에 전 세계적으로 관련 연구가 매우 활발히 진행되는 단계에 있다.
수소제조기술 방법은 크게 3가지로 분류된다.
첫째, 메탄수증기 개질법, 중유의 부분산화법, 천연가스의 촉매분해 등의 탄화수소 물질을 근간으로 하는 방법, 둘째, 열화학, 전기화학적 물분해 등의 비탄화수소를 근간으로 하는 방법, 셋째, 위의 두가지 방법을 합친 형태들이 있다.
이중, 천연가스로부터 수소를 제조하는 방법은 그 동안 계속적으로 연구가 되어왔으나, 수소 제조시 많은 양의 이산화탄소를 발생시킨다는 문제를 안고 있다. 이는 온실가스 배출 규제 강화를 골자로 하는 기후변화협약을 이행하려는 국제적인 추세에 역행하는 결과를 가져올 수 있다.
이러한 환경문제를 해결하기 위한 방법의 하나로 천연가스의 열분해법을 통해서 수소를 제조하는 방법이 존재한다. 천연가스의 열분해법은 수소제조에 있어서 이산화탄소 발생이 없어 환경 친화적이며, 기존의 수소 제조기술과 비교하여 수소를 대량으로 제조할 수 있으며 동시에 부산물로 배출되는 고순도의 탄소를 활용할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 따라서, 천연가스 열분해법은 관련분야에서 많은 주목의 대상이 되고 있다.
한편, 천연가스의 열분해법은 통상 연소 가스나 히터 등의 별도의 열원을 이용하는데, 이를 더욱 친환경적으로 대체하기 위하여 태양광을 열원을 활용하는 방안이 연구되고 있으나, 아직까지는 태양광을 이용하여 효과적으로 천연가스를 열분해할 수 있는 기술이 부족한 상황이다.
KR 10-1430138 B1
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 공급수단, 정제수단, 산소제거수단, 탄산가스제거수단, 집광수단, 반응기, 및 분리수단을 포함하여, 태양광을 이용하여 바이오메탄을 효과적으로 열분해할 수 있는 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템은 바이오가스를 공급하는 공급수단, 바이오가스를 전달받아, 바이오가스를 정제하는 정제수단, 바이오가스를 전달받아, 바이오가스로부터 산소를 제거하는 산소제거수단, 바이오가스를 전달받아, 바이오가스로부터 탄산가스를 제거하는 탄산가스제거수단, 태양광을 집광하는 집광수단, 바이오가스를 전달받고, 상기 집광수단에서 집광된 태양광을 이용하여 바이오가스를 열분해시킴으로써 수소와 카본블랙을 생성하는 반응기, 및 상기 반응기로부터 수소와 카본블랙을 전달받아, 수소와 카본블랙을 분리하는 분리수단를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템에 있어서, 상기 정제수단은, 바이오가스로부터 황화수소와 암모니아를 제거하는 제1 정제수단, 바이오가스로부터 수분을 제거하는 수분제거수단, 및 바이오가스로부터 실록산을 제거하는 제2 정제수단중 적어도 어느 하나를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템에 있어서, 상기 제1 정제수단은 철계 흡착제를 통해서 바이오가스로부터 황화수소와 암모니아를 제거한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템에 있어서, 상기 수분제거수단은 열교환기에 의해서 바이오가스로부터 수분을 제거한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템에 있어서, 상기 제2 정제수단은 흡착제를 이용하여 바이오가스로부터 실록산을 제거한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템에 있어서, 상기 집광수단은, 태양광을 반사경으로 반사시켜 일정한 방향으로 보내는 헬리오스탯(heliostat), 및 상기 헬리오스탯으로부터 태양광을 전달받아, 상기 반응기 방향으로 반사시켜 일정한 초점에 태양광을 모으는 태양열 집열기를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템에 있어서, 상기 반응기는, 하우징, 및 상기 하우징에 설치되되, 상기 하우징에 대해서 회전되고, 상기 집광수단에서 집광된 태양광을 이용하여 바이오가스를 열분해시킴으로써 수소와 카본블랙을 생성하는 본체를 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템에 있어서, 상기 반응기는, 상기 본체에 바이오가스와 스팀 액적으로 물을 분사하는 분사부를 더 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템에 있어서, 상기 본체는, 유체가 통과가능한 기공을 포함하는 다공성 반응층(bed)을 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템에 있어서, 상기 본체는 상기 하우징에 대해서 1RPM 내지 100RPM으로 회전된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템에 있어서, 상기 다공성 반응층은 촉매를 포함하는 다공성층 또는 촉매를 포함하지 않은 다공성층이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템에 있어서, 상기 본체는, 유체가 통과가능한 기공을 포함하는 다공성 반응층(bed)을 포함하고, 상기 스팀 액적은 상기 다공성 반응층에서 집광된 태양광에 의해 수증기 개질 부반응이 발생함으로써, 추가로 수소를 생성한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에 따르면, 공급수단, 정제수단, 산소제거수단, 탄산가스제거수단, 집광수단, 반응기, 및 분리수단을 포함함으로써, 태양광을 이용하여 바이오메탄을 효과적으로 열분해할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 집광된 태양광이 전달되는 반응기가 회전됨으로써, 반응기가 국부적으로 과열되는 것을 방지하는 동시에, 전체적으로 균일한 온도로 가열되어, 반응 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템의 개념도,
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 실시예에 따른 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템의 반응기의 횡단면도와 종단면도, 및
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템의 반응기(본체) 내부의 온도분포를 시뮬레이션한 결과 그림이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, "제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위해 사용되는 것으로, 구성요소가 상기 용어들에 의해 제한되는 것은 아니다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템의 개념도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템은 바이오가스를 공급하는 공급수단(100), 바이오가스를 전달받아, 바이오가스를 정제하는 정제수단(200), 바이오가스를 전달받아, 바이오가스로부터 산소를 제거하는 산소제거수단(300), 바이오가스를 전달받아, 바이오가스로부터 탄산가스를 제거하는 탄산가스제거수단(400), 태양광을 집광하는 집광수단(500), 바이오가스를 전달받고, 집광수단(500)에서 집광된 태양광을 이용하여 바이오가스를 열분해시킴으로써 수소와 카본블랙을 생성하는 반응기(600), 및 반응기(600)로부터 수소와 카본블랙을 전달받아, 수소와 카본블랙을 분리하는 분리수단(700)를 포함한다.
상기 공급수단(100)은 바이오가스를 저장하다가, 바이오가스를 정제수단(200), 산소제거수단(300), 탄산가스제거수단(400), 반응기(600) 등으로 공급하는 역할을 수행한다. 여기서, 공급수단(100)은 바이오가스가 저장된 탱크(105), 바이오가스를 공급하는 공급라인(107), 공급라인(107)에 설치되어 공급라인(107)을 개폐하는 밸브, 바이오가스를 이송시키는 블로워(110, blower), 및 바이오가스의 유량을 체크하는 유량계 등을 포함할 수 있다. 한편, 공급수단(100)에 저장된 바이오가스는 미생물 등을 이용하여 하수나 동물의 분변 등을 분해할 때 생산되는 가스로, 메탄(CH4), 암모니아(NH3), 황화수소(H2S), 실록산(siloxane), 수분(H2O), 산소(O2), 이산화탄소(CO2), 분진 등을 포함할 수 있다.
상기 정제수단(200)은 바이오가스를 전달받아 바이오가스를 정제하는 역할을 수행한다. 여기서, 정제수단(200)은 공급수단(100)으로부터 바이오가스를 전달받아, 바이오가스로부터 황화수소, 암모니아, 수분, 실록산 등을 제거하는 것이다. 구체적으로, 정제수단(200)은 제1 정제수단(210), 수분제거수단(220), 및 제2 정제수단(230) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이때, 제1 정제수단(210)은 바이오가스로부터 황화수소와 암모니아를 제거하고, 수분제거수단(220)은 바이오가스로부터 수분을 제거하며, 제2 정제수단(230)은 바이오가스로부터 실록산을 제거한다. 예를 들어, 제1 정제수단(210)은 철계 흡착제(산화철 등)를 통해서 바이오가스로부터 황화수소와 암모니아를 제거할 수 있다. 또한, 수분제거수단(220)은 열교환기(예를 들어, 관성충돌형 열교환기, 혹은 제습기)를 통해서 바이오가스로부터 수분을 제거할 수 있다. 예를 들어, 수분제거수단(220)은 열교환기에 의해서 바이오가스를 냉각시켜 액체형태로 응축수를 배출시킴으로써 바이오가스로부터 수분을 제거할 수 있다. 그리고, 제2 정제수단(230)은 흡착제를 이용하여 바이오가스로부터 실록산을 제거할 수 있다. 이때, 흡착제는 실리카라이트(Silicalite), 철-킬레이트(Iron-Chelate), 산화촉매(Oxidation Catalyst), 활성탄(Activated Carbon), 실리카겔(Silica Gel), 규조토(Diatomite), 활성 알루미나(Activated Alumina), 및 제올라이트(Zeolite) 중 어느 하나일 수 있다. 다만, 제2 정제수단(230)은 반드시 흡착제를 분말 형태로 분사해야 하는 것은 아니고, 흡착제가 부착된 필터를 이용하여 바이오가스로부터 실록산을 제거할 수도 있다.
상기 산소제거수단(300)은 바이오가스를 전달받아 바이오가스로부터 산소를 제거하는 역할을 수행한다. 여기서, 산소제거수단(300)은 정제수단(200)으로부터 바이오가스를 전달받아, 바이오가스로부터 산소를 제거하는 것이다. 이때, 산소제거수단(300)은 산소를 제거할 수 있다면 특별히 한정되는 것은 아니지만, 산소를 연소시켜 제거하거나, 또는 산소흡착특성을 갖는 세라믹 흡착제 등을 이용하여 바이오가스로부터 산소를 제거할 수 있다.
상기 탄산가스제거수단(400)은 바이오가스를 전달받아 바이오가스로부터 탄산가스를 제거하는 역할을 수행한다. 여기서, 탄산가스제거수단(400)은 산소제거수단(300)으로부터 바이오가스를 전달받아, 바이오가스로부터 이산화탄소와 같은 탄산가스를 제거하는 것이다. 이때, 탄산가스제거수단(400)은 막 접촉기(membrane contactor)를 이용하여 바이오가스로부터 탄산가스(이산화탄소)를 제거할 수 있다. 이외에도, 탄산가스제거수단(400)은 흡수법, 흡착법, 막분리법 중 어느 하나를 이용하여 바이오가스로부터 탄산가스를 제거할 수 있다.
상술한 바와 같이, 바이오가스는 공급수단(100)으로부터 정제수단(200)->산소제거수단(300)->탄산가스제거수단(400) 순으로 전달되면서, 암모니아(NH3), 황화수소(H2S), 실록산(siloxane), 수분(H2O), 산소(O2), 이산화탄소(CO2) 등의 불순물이 제거되고, 주로 메탄(CH4)이 잔존할 수 있다. 불순물이 제거되고 주성분이 메탄인 바이오가스는 이후 반응기(600)에 전달되어 수소와 카본블랙으로 열분해될 수 있는데, 이와 관련한 구체적인 내용은 후술하도록 한다. 한편, 상술한 설명에서 바이오가스가 정제수단(200)->산소제거수단(300)->탄산가스제거수단(400) 순으로 전달되는 것으로 기술하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고 바이오가스가 정제수단(200), 산소제거수단(300), 탄산가스제거수단(400)에 전달되는 순서는 변경될 수 있다.
상기 집광수단(500)은 태양광을 반응기(600)에 집광시키는 역할을 수행한다. 여기서, 집광수단(500)은 헬리오스탯(510)과 태양열 집열기(520)를 포함할 수 있다. 이때, 헬리오스탯(510)은 태양을 추적하고 반사경으로 반사시켜 일정한 방향으로 보내는 것으로, 전체적으로 평판형의 제1 반사체(515)와 제1 반사체(515)를 지지하는 제1 지지수단(517)을 포함할 수 있다. 또한, 제1 반사체(515)가 태양을 추적할 수 있도록, 제1 지지수단(517)에 대한 제1 반사체(515)의 각도는 조절될 수 있다. 제1 반사체(515)의 각도 조절을 위해서, 제1 지지수단(517)에 대해서 제1 반사체(515)를 회동시키는 모터와 감속기가 구비될 수 있다. 추가적으로, 제1 반사체(515)에는 태양광의 집광을 모니터링할 수 있는 카메라가 설치될 수 있다. 또한, 태양열 집열기(520)는 헬리오스탯(510)에서 반사된 태양광을 전달받아, 반응기(600) 방향으로 반사시켜 일정한 초점에 태양광을 모으는 것으로, 전체적으로 포물선형(단면 기준)의 제2 반사체(525)와 제2 반사체(525)를 지지하는 제2 지지수단(527)을 포함할 수 있다. 여기서, 제2 반사체(525)는 다수의 반사판이 조합되어 단면을 기준으로 볼 때 포물선형을 이룬다. 따라서, 제2 반사체(525)는 일정한 초점에 태양광을 모을 수 있다. 이때, 일정한 초점은 반응기(600, 또는 반응기(600) 부근)에 배치되므로, 반응기(600)는 집광된 태양광에 의해서 효과적으로 가열될 수 있다.
상기 반응기(600)는 바이오가스를 열분해시켜 수소와 카본블랙을 생성하는 역할을 수행한다. 구체적으로, 반응기(600)에는 불순물(암모니아(NH3), 황화수소(H2S), 실록산(siloxane), 수분(H2O), 산소(O2), 이산화탄소(CO2) 등)이 제거되고, 주성분이 메탄인 바이오가스가 전달된다. 또한, 반응기(600)에는 집광수단(500)에 의해서 집광된 태양광이 전달되어 반응기(600)가 약 1000℃ 내지 1200℃로 가열될 수 있다. 이와 같이, 반응기(600)가 고온으로 가열되면, 반응기(600)로 전달된 바이오가스(주성분 메탄)는 고온으로 가열되어 다음과 같은 반응식으로 열분해된다.
CH4 -> C + H2
결국, 반응기(600)는 집광된 태양광을 이용하여 바이오가스(주성분 메탄)을 열분해시킴으로써, 수소와 카본블랙을 생성할 수 있는 것이다.
도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 반응기(600)는 하우징(610)과 본체(620)를 포함할 수 있다. 이때, 하우징(610)은 원통형으로 형성된 내측이 본체(620)를 둘러싸도록 지지수용하는 것이고, 본체(620)는 원통형으로 형성되고, 집광된 태양광에 의해서 바이오가스를 열분해시킴으로써 수소와 카본블랙을 생성하는 것이다. 이때, 하우징(610)의 일측에는 개방된 개구부(615)가 형성되는데, 집광된 태양광은 하우징(610)의 개구부(615)를 통해서 본체(620)의 측면에 도달될 수 있다. 이때, 하우징(610)의 정면을 기준으로 볼 때, 개구부(615)는 원형이나 사각형으로 형성될 수 있다. 한편, 하우징(610)의 횡단면을 기준으로 볼 때(도 2a 참조), 개구부(615)는 외측에서 본체(620) 방향으로 갈수록 폭이 증가할 수 있다. 따라서, 개구부(615)를 통해서 진입하는 집광된 태양광이 다소 퍼지더라도 본체(620)의 측면에 모두 도달할 수 있다. 이때, 개구부(615)는 마주보는 두 내측면(615a)이 서로 예각(약 10° 내지 20°정도)을 이루도록 연장될 수 있다.
또한, 하우징(610)의 횡단면을 기준으로 볼 때(도 2a 참조), 하우징(610)은 개구부(615)가 형성된 제1 하우징(611)과 본체(620)를 둘러싸도록 내측이 반원형으로 형성되어 제1 하우징(611)에 결합된 제2 하우징(613)을 포함할 수 있다. 즉, 횡단면을 기준으로 볼 때, 제1 하우징(611)이 상대적으로 전방에 배치되고, 제2 하우징(613)이 상대적으로 후방에 배치될 수 있다. 이때, 제1 하우징(611)과 제2 하우징(613)은 예를 들어 경첩(614) 등의 체결수단에 의해서 분리가능하게 결합될 수 있다. 제1 하우징(611)과 제2 하우징(613)이 서로 분리될 수 있어, 본체(620), 촉매, 히터(619) 등을 쉽게 교체할 수 있다.
한편, 본체(620)는 하우징(610)의 내부에 설치되되, 하우징(610)에 대해서 회전가능하다. 도 2b 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 본체(620)는 회전축(625)을 기준으로 하우징(610)에 대해서 회전될 수 있고, 회전축(625)에는 구동력을 제공하는 구동수단(650, 모터)과 구동수단(650)의 구동력을 회전축(625)에 전달하는 감속기가 연결될 수 있다. 이때, 회전축(625)이 자유롭게 회전될 수 있도록, 회전축(625)은 분사부(630) 및 배출부(640)와 베어링 등으로 연결될 수 있다. 상술한 바와 같이, 구동수단(650)에 의해서 회전축(625)이 회전하면, 회전축(625)이 회전함에 따라 본체(620)는 하우징(610)에 대해서 회전할 수 있다. 결국, 집광된 태양광이 회전하는 원통형의 본체(620)에 도달되므로, 반응기(600)의 본체(620)는 국부적으로 과열되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 전체적으로 균일한 온도로 가열됨으로써, 반응 효율을 높일 수 있다. 실제로 반응기(600, 본체(620)) 내부 온도 분포를 시뮬레이션한 결과(도 3 참조), 대부분의 영역에서 거의 동일한 온도를 나타냈다(평균 벽면온도: 1116℃, 평균 출구온도: 1090℃). 한편, 본체(620)가 하우징(610)에 대해서 회전하는 속도는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 1RPM 내지 100RPM일 수 있다.
또한, 본체(620)는 예를 들어 SUS 310 등 스테인리스강으로 형성될 수 있다. 그리고, 고온 환경에서 공기와 접촉되는 본체(620) 외벽이 부식되는 것을 방지하기 위한 배부식성 코팅이 가능하며 태양광이 집중되는 지점의 본체 온도를 100도 내외 낮추기 위한 열차폐코팅(TBC)으로 본체(620)의 내구성을 높일 수 있다. 하우징(610)은 내측에 단열부재(617)이 구비되어, 본체(620)로부터 열이 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다. 이때, 단열부재(617)는 특별히 한정되는 것은 아니지만, 예를 들어 세라믹 보드(ceramic board), 또는 파이버(fiber) 등일 수 있다. 한편, 상술한 하우징(610)의 개구부(615)는 단열부재(617)에 의해서 정의될 수 있다.
추가적으로, 하우징(610)의 내측에는 히터(619)가 1개 이상 구비될 수 있다. 여기서, 히터(619)는 하우징(610, 단열부재(617))과 본체(620) 사이에 배치되어, 본체(620)를 추가 가열하거나 열손실에 대해서 보상하는 역할을 수행한다. 예를 들어, 본체(620)를 고르게 가열하기 위해서, 히터(619)는 본체(620)의 측면과 마주보면서 본체(620)의 길이방향과 나란하도록 길게 연장될 수 있고, 4개가 구비되어 본체(620)의 원주방향을 따라 일정 각도마다 배치될 수 있다.
또한, 본체(620)는 다공성 반응층(bed)을 포함할 수 있다. 여기서, 다공성 반응층은 내부가 비어있는 중공형일 수 있고, 메탄, 또는 메탄이 열분해되어 생성된 수소와 카본블랙의 혼합유체 등의 유체가 통과할 수 있는 기공을 포함할 수 있다. 이러한 다공성 반응층으로 인하여 유체가 자유롭게 유동할 수 있으므로, 반응 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 균일한 온도 구배를 구현할 수 있다. 한편, 다공성 반응층은 촉매를 포함하는 다공성층이거나 촉매를 포함하지 않은 다공성층일 수 있다. 예를 들어, 다공성 반응층은 카본 촉매가 삽입된 SiC foam 등일 수 있다.
추가적으로, 반응기(600)는 바이오가스와 물을 분사하는 분사부(630)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 분사부(630)는 기액 분무 노즐(gas-liquid atomizing nozzle)이 장착된 스팀 인젝터(steam injector)를 통해서 메탄 뿐만 아니라 스팀(steam) 액적으로 물을 다공성 반응층에 분사한다. 이때, 메탄은 집광된 태양광에 의해서 열분해된다. 또한, 스팀 액적은 집광된 태양광에 의해서 가열된 후, 다공성 반응층에 코팅되며 고온/고속으로 분산되어, 다공성 반응층의 기공에 코크 형성(coke formation) 및 탄소 침적(carbon deposition)을 억제하거나 탄소 침적을 제거할 수 있다. 상술한 기액 분무 노즐은 물과 메탄이 공급되는 것으로, 물과 메탄의 충돌을 이용하여 원자화(atomization)된 분무를 제공할 수 있다. 또한, 기액 분무 노즐에서 분사된 메탄과 스팀 액적은 본체(620)에 대해서 상대적으로 시계방향 또는 반시계방향으로 회전되면서 소용돌이 효과(swirl effect)를 발휘하며, 다공성 반응층에 공급되고, 이로 인해 난류 유동(turbulent flow)에 의해 열전달을 증가시킬 수 있다.
또한, 기액 분무 노즐에서 분사된 스팀 액적은 다공성 반응층에서 집광된 태양광에 의해서 수증기 개질 부반응(additional hydrogen production by steam reforming side reaction)이 발생함으로써, 추가로 수소를 생성할 수 있다.
전체적으로, 메탄은 다공성 반응층을 거치면서 열분해되어 수소와 카본블랙이 생성되고, 생성된 수소와 카본블랙은 본체(620)의 하부에 포집되고, 이후 배출부(640)를 통해서 배출된다.
한편, 본체(620)의 회전에 기준이 되는 회전축(625)은 분사부(630)과 본체(620)를 유체소통시키도록 관형으로 형성된 제1 회전축(625a), 및 배출부(640)와 분체(620)를 유체소통시키도록 관형으로 형성된 제2 회전축(625b)을 포함할 수 있다. 따라서, 제1 회전축(625a)은 분사구(630)로부터 바이오가스와 물을 공급받아 본체(620)에 전달할 수 있고, 제2 회전축(625b)은 본체(620)로부터 수소와 카본블랙을 공급받아 배출부(640)에 전달할 수 있다.
상기 분리수단(700, 도 1 참조)은 수소와 카본블랙을 분리하는 역할을 수행한다. 여기서, 분리수단(700)은 반응기(600)에서 생성된 수소와 카본블랙을 배출부(640)를 통해서 전달받아(물통을 거쳐 전달받을 수 있음), 수소와 카본블랙을 분리할 수 있다. 이때, 분리수단(700)은 배출부(640)에 연결된 탄소입자 포집기, 및 탄소입자 포집기에 연결된 싸이클론(cyclone)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 탄소입자 포집기는 필터를 이용하여 카본블랙을 포집할 수 있고, 탄소입자 포집기에서 포집되지 않은 미세한 카본블랙은 싸이클론에서 완전히 포집될 수 있다. 결국, 분리수단(700)에서 카본블랙은 포집되고, 분리수단(700)으로부터 카본블랙이 제거된 배출가스(수소)가 배출될 수 있다. 분리수단(700)에 포집된 카본블랙은 별도의 카본블랙 수집수단에 저장될 수 있고, 분리수단(700)으로부터 배출된 가스 역시 별도의 가스 수집수단에 저장될 수 있다.
도 1을 참조하여, 본 실시예에 따른 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템의 작동과정을 살펴보도록 한다.
우선, 바이오가스는 공급수단(100)으로부터 밸브, 블로워(110), 유량계 등을 거쳐서 전처리시설(정제수단(200), 산소제거수단(300), 탄산가스제거수단(400) 등)으로 전달된다. 이때, 바이오가스는 블로워(110)에 의해서 예를 들어 약 10Nm3/h로 전처리시설로 전달될 수 있다.
다음, 바이오가스는 전처리시설 중 정제수단(200)로 전달되어, 제1 정제수단(210)에서 황화수소와 암모니아가 제거되고, 수분제거수단(220)에서 수분이 제거되어, 제2 정제수단(230)에서 실록산이 제거될 수 있다.
다음, 바이오가스는 전처리시설 중 산소제거수단(300)으로 전달되어, 산소가 제거될 수 있고, 이후 전처리시설 중 탄산가스제거수단(400)으로 전달되어, 이산화탄소가 제거될 수 있다.
상술한 과정을 통해서, 바이오가스는 암모니아, 황화수소, 수분, 산소, 이산화탄소 등의 불순물이 제거될 수 있다. 이후, 불순물이 제거된 바이오가스는 반응기(600)에 전달되기 전에 압축될 수 있다.
한편, 집광수단(500)은 태양광을 집광하여 반응기(600)에 전달한다. 이때, 태양 추적 시스템(810) 등으로 태양광을 추적하여, 집광수단(500)은 태양광을 계속 추적하면서 태양광을 집광할 수 있다. 또한, 일사량계 등을 포함하는 기상측정수단(820)을 이용하여 태양광을 모니터링하여, 바이오가스의 공급량이나 반응기(600)의 회전속도 등을 조절할 수 있다. 상술한 태양광의 추적, 바이오가스의 공급량, 또는 반응기(600)의 회전속도 등은 모니터링 시스템(800)을 통해서 모니터링하면서 제어할 수 있다.
다음, 불순물이 제거된 바이오가스는 반응기(600)로 전달된다. 이때, 바이오가스는 예를 들어 약 5Nm3/h로 반응기(600)로 전달될 수 있다. 반응기(600)는 집광수단(500)으로 집광된 태양광에 의해서 가열되므로, 반응기(600)에 전달된 바이오가스는 수소와 카본블랙으로 열분해된다. 이때, 반응기(600)의 본체(620)는 회전한다. 이와 같이, 본체(620)가 회전함에 따라, 집광된 태양광은 반응기(600)의 본체(620)의 둘레를 따라서 고르게 가열한다. 따라서, 반응기(600)가 국부적으로 과열되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 반응기(600)가 전체적으로 균일한 온도로 가열됨으로써, 반응 효율을 높일 수 있다.
다음, 반응기(600)에서 생성된 수소와 카본블랙은 분리수단(700)으로 전달된다. 분리수단(700)은 수소와 카본블랙을 분리하여 각각 저장할 수 있다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
100: 공급수단 110: 블로워
200: 정제수단 210: 제1 정제수단
220: 수분제거수단 230: 제2 정제수단
300: 산소제거수단 400: 탄산가스제거수단
500: 집광수단 510: 헬리오스탯
520: 태양열 집열기 600: 반응기
610: 하우징 615: 개구부
617: 단열부재 619: 히터
620: 본체 625: 회전축
630: 분사부 640: 배출부
650: 구동수단 700: 분리수단
800: 모니터링 시스템 810: 태양 추적 시스템
820: 기상측정수단

Claims (12)

  1. 바이오가스를 공급하는 공급수단;
    바이오가스를 전달받아, 바이오가스를 정제하는 정제수단;
    바이오가스를 전달받아, 바이오가스로부터 산소를 제거하는 산소제거수단;
    바이오가스를 전달받아, 바이오가스로부터 탄산가스를 제거하는 탄산가스제거수단;
    태양광을 집광하는 집광수단;
    바이오가스를 전달받고, 상기 집광수단에서 집광된 태양광을 이용하여 바이오가스를 열분해시킴으로써 수소와 카본블랙을 생성하는 반응기; 및
    상기 반응기로부터 수소와 카본블랙을 전달받아, 수소와 카본블랙을 분리하는 분리수단;
    를 포함하고,
    상기 반응기는,
    하우징; 및
    상기 하우징에 설치되되, 상기 하우징에 대해서 회전되고, 상기 집광수단에서 집광된 태양광을 이용하여 바이오가스를 열분해시킴으로써 수소와 카본블랙을 생성하는 본체;
    를 포함하는 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 정제수단은,
    바이오가스로부터 황화수소와 암모니아를 제거하는 제1 정제수단;
    바이오가스로부터 수분을 제거하는 수분제거수단; 및
    바이오가스로부터 실록산을 제거하는 제2 정제수단;
    중 적어도 어느 하나를 포함하는 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 정제수단은 철계 흡착제를 통해서 바이오가스로부터 황화수소와 암모니아를 제거하는 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 수분제거수단은 열교환기에 의해서 바이오가스로부터 수분을 제거하는 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2 정제수단은 흡착제를 이용하여 바이오가스로부터 실록산을 제거하는 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템.
  6. ◈청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈
    청구항 1에 있어서,
    상기 집광수단은,
    태양광을 반사경으로 반사시켜 일정한 방향으로 보내는 헬리오스탯(heliostat); 및
    상기 헬리오스탯으로부터 태양광을 전달받아, 상기 반응기 방향으로 반사시켜 일정한 초점에 태양광을 모으는 태양열 집열기;
    를 포함하는 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템.
  7. 삭제
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응기는,
    상기 본체에 바이오가스와 스팀 액적으로 물을 분사하는 분사부;
    를 더 포함하는 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 본체는,
    유체가 통과가능한 기공을 포함하는 다공성 반응층(bed);
    을 포함하는 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 본체는 상기 하우징에 대해서 1RPM 내지 100RPM으로 회전되는 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 다공성 반응층은 촉매를 포함하는 다공성층 또는 촉매를 포함하지 않은 다공성층인 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 본체는,
    유체가 통과가능한 기공을 포함하는 다공성 반응층(bed);
    을 포함하고,
    상기 스팀 액적은 상기 다공성 반응층에서 집광된 태양광에 의해 수증기 개질 부반응이 발생함으로써, 추가로 수소를 생성하는 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템.
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