KR102251314B1 - System for producing carbon monoxide and hydrogen from carbon dioxide and steam through a redox process and the method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 가역적 산화-환원 변환제를 사용하여 이산화탄소로부터 합성가스를 제조하는 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 환원상태의 가역적 산화-환원 변환제가 충전된 산화-환원 변환 반응기 내로 이산화탄소(CO2), 수증기(H20) 중 하나 이상을 포함하는 원료가스를 공급하고, 플라즈마 발생 장치를 통해 생성되는 열을 공급함으로써, 상기 환원상태의 금속산화물이 산화되면서 이산화탄소(CO2) 및 수증기(H20)로부터 산소를 빼앗아 일산화탄소(CO)와 수소(H2)를 생산하고, 산화상태의 가역적 산화-환원 변환제가 충전된 산화-환원 변환 반응기 내로 불활성 가스를 공급하고, 플라즈마를 사용하여 상기 산화상태의 가역적 산화-환원 변환제가 환원되도록 하는 가역적 산화-환원 변환제를 사용하여 이산화탄소와 물로부터 일산화탄소 및 수소를 제조하는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a system and method for producing syngas from carbon dioxide using a reversible oxidation-reduction converting agent, and carbon dioxide (CO 2 ) into an oxidation-reduction conversion reactor filled with a reversible oxidation-reduction converting agent in a reduced state, By supplying a source gas containing one or more of water vapor (H 2 0) and supplying heat generated through a plasma generating device, the reduced metal oxide is oxidized and carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 0 ) To produce carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ), supply an inert gas into an oxidation-reduction conversion reactor filled with an oxidized reversible oxidation-reduction converter, and use plasma to produce carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ). It relates to a system and method for producing carbon monoxide and hydrogen from carbon dioxide and water using a reversible oxidation-reduction converting agent such that the reversible oxidation-reduction converting agent is reduced.

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Description

가역적 산화-환원 변환제를 사용하여 이산화탄소 및 물로부터 일산화탄소와 수소를 생산하는 시스템 및 그 방법{SYSTEM FOR PRODUCING CARBON MONOXIDE AND HYDROGEN FROM CARBON DIOXIDE AND STEAM THROUGH A REDOX PROCESS AND THE METHOD THEREOF}A system and method for producing carbon monoxide and hydrogen from carbon dioxide and water using a reversible oxidation-reduction converting agent

본 발명은 가역적 산화-환원 변환제를 사용하여 이산화탄소 및 물로부터 일산화탄소와 수소를 생산하는 시스템 및 그 방법에 대한 것으로, 더욱 상세하게는, 가역적 산화-환원 변환제를 플라즈마를 통하여 산소결핍 상태로 만들고 상기 산소가 결핍된 상태의 가역적 산화-환원 변환제를 이산화탄소(CO2), 수증기(H20) 중 하나 이상을 포함하는 가스와 접촉시킴으로써 일산화탄소(CO), 수소(H2)등을 생산하는 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a system and method for producing carbon monoxide and hydrogen from carbon dioxide and water using a reversible oxidation-reduction converting agent, and more particularly, making a reversible oxidation-reduction converting agent into an oxygen-deficient state through plasma. To produce carbon monoxide (CO), hydrogen (H 2 ), etc. by contacting the oxygen-deficient reversible oxidation-reduction converting agent with a gas containing at least one of carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 0). It relates to a system and a method thereof.

최근 지구온난화와 화석연료의 고갈에 따른 대체에너지의 연구개발에 대한 요구가 지속적으로 높아지고 있는 가운데 실용 가능성 있는 환경 및 에너지 문제 해결의 대안으로 열화학적 레독스 사이클을 이용하여 이산화탄소와 수증기를 분해하여 일산화탄소와 수소를 생산하고 이들로부터 탄화수소 에너지를 제조하는 기술이 주목받고 있다. In recent years, the demand for research and development of alternative energy due to global warming and depletion of fossil fuels is constantly increasing, and carbon monoxide is decomposed by using the thermochemical redox cycle as an alternative to solving practical environmental and energy problems. The technology of producing and hydrogen and producing hydrocarbon energy from them is attracting attention.

열화학적 레독스 사이클은 고온에서의 공정을 의미하며, 이와 같은 고온의 에너지원으로 현재 태양에너지를 사용하는 기술이 활발히 연구개발 중에 있다. The thermochemical redox cycle refers to a process at a high temperature, and a technology that uses solar energy as such a high-temperature energy source is actively under research and development.

일반적으로 태양열의 열화학적 레독스 사이클은 반응 매개체로서 가역적으로 산소결함이 생성 및 치유될 수 있는 금속산화물 등(이후 '가역적 산화-환원 변환제'라 함)을 이용하여 두개의 별도의 환원/산화단계에서 일어난다. 여기서 가역적 산화 첫 단계에서 가역적 산화-환원 변환제는 집중된 태양에너지에 의해 고온상태에서 환원되며(일반적으로 > 1473K), 다음단계에서 환원된 가역적 산화-환원 변환제는 이산화탄소 및/또는 수증기와 접촉하여 일산화탄소와 수소를 생성한다. 결과로서 생긴 합성가스 혼합물은 피셔-트롭쉬(FiscHer-TropscH) 합성 등의 산업적으로 확인된 촉매를 사용하여 대체 가능한 탄화수소(가솔린, 디젤, 등유 등)로 전환된다. In general, the thermochemical redox cycle of solar heat uses two separate reduction/oxidation agents using metal oxides (hereinafter referred to as'reversible oxidation-reduction converters') that can reversibly generate and heal oxygen defects as a reaction medium. It happens in stages. Here, in the first stage of reversible oxidation, the reversible oxidation-reduction converter is reduced at high temperature by concentrated solar energy (typically> 1473 K), and the reversible redox converter reduced in the next stage is brought into contact with carbon dioxide and/or water vapor. Produces carbon monoxide and hydrogen. The resulting syngas mixture is converted to replaceable hydrocarbons (gasoline, diesel, kerosene, etc.) using industrially identified catalysts such as FiscHer-TropscH synthesis.

더욱 상세하게는, 현재 사용되고 있는 이산화탄소(CO2)와 수증기(H20)를 분해하여 일산화탄소(CO)와 수소(H2)를 생성시키기 위해 가역적 산화-환원 변환제의 산화/환원 반응에 기초한 2 단계 열화학적 레독스 사이클은 다음과 같다.More specifically, it is based on the oxidation/reduction reaction of a reversible oxidation-reduction converter to generate carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) by decomposing carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 0) that are currently used. The two-stage thermochemical redox cycle is as follows.

1 단계(환원 단계) : 열원으로 농축된 태양 에너지를 사용하며, 가역적 산화-환원 변환제는 산소를 잃어 산소가 일부 결핍된 상태로 되며, 제거된 산소는 분자산소의 형태로 생성된다.(1)Step 1 (reduction step): Using concentrated solar energy as a heat source, the reversible oxidation-reduction converting agent loses oxygen and becomes partially deficient in oxygen, and the removed oxygen is produced in the form of molecular oxygen. )

MOox → MOred + 0.5 O2 (1)MO ox → MO red + 0.5 O 2 (1)

2 단계(산화 단계): 상기 1 단계에서 생성된 산소가 결핍된 상태의 가역적 산화-환원 변환제에 이산화탄소(CO2)와 수증기(H20)를 공급하여 상기 가역적 산화-환원 변환제가 이산화탄소(CO2)와 수증기(H20)의 산소를 얻어 산화되며 일산화탄소(CO)와 수소(H2)를 생성시키고(2a, 2b), 가역적 산화-환원 변환제는 원래의 상태로 되돌아 간다. Step 2 (Oxidation step): By supplying carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 0) to the reversible oxidation-reduction converting agent in the oxygen-deficient state produced in the first step, the reversible oxidation-reduction converting agent is carbon dioxide ( It is oxidized by obtaining oxygen of CO 2 ) and water vapor (H 2 0) to produce carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) (2a, 2b), and the reversible oxidation-reduction converting agent returns to its original state.

MOred + H2O → MOox + H2 (2a)MO red + H 2 O → MO ox + H 2 (2a)

MOred + CO2 → MOox + CO (2b)MO red + CO 2 → MO ox + CO (2b)

상기 원래 상태로 되돌아온 산화-환원 변환제는 다시 상기 1 단계의 과정을 거쳐 환원되고, 2 단계에서 재산화된다.The oxidation-reduction converting agent returned to its original state is reduced again through the process of the first step, and reoxidized in the second step.

상기와 같이 집광된 태양에너지를 사용하는 열화학 레독스 사이클은 높은 태양에너지 변환효율을 달성할 수 있으며, 친환경 재생 에너지를 사용한다는 장점이 있으나, 열화학적 레독스 사이클에 필요한 고온을 공급하기 위한 태양열 집열 설비를 구축하기 위해서는 공간과 비용의 소모가 너무 크다는 문제가 있었다. The thermochemical redox cycle using the condensed solar energy as described above can achieve high solar energy conversion efficiency and has the advantage of using eco-friendly renewable energy, but it collects solar heat to supply the high temperature required for the thermochemical redox cycle. There was a problem that the consumption of space and cost was too great to build a facility.

상기와 같은 실정에 따라 본 발명은 태양열 에너지를 이용하지 않고, 플라즈마를 이용한 열화학적 레독스 사이클을 통해 이산화탄소(CO2)와 수증기(H20) 등으로부터 일산화탄소와 수소를 제조하는 새로운 시스템에 대해 제시하고자 한다.According to the above circumstances, the present invention relates to a new system for producing carbon monoxide and hydrogen from carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 0) through a thermochemical redox cycle using plasma without using solar energy. I would like to present it.

또한 본 발명은 이와 같은 플라즈마를 발생시 사용되는 전력을 발전소에서 초과 생산하여 발생하는 잉여 전력, 야간의 잉여 전력 및 재생에너지를 포함하는 유동 전력을 전력원으로 사용함으로써 발생할 수 있는 전력 수급의 문제를 해소하고자 한다.In addition, the present invention solves the problem of power supply and demand that may occur by using floating power including surplus power, surplus power at night, and renewable energy generated by over-producing the power used when generating such plasma in a power plant as a power source. I want to.

현재의 전력 시스템은 실시간으로 수요와 공급이 일치하는 중앙 집중형 시스템이다. 전력 사업자가 수요를 예측해서 공급 계획을 수립하면, 발전소에서 일괄적으로 전기를 생산해서 소비자에게 즉시 제공하는 방식이다. 때문에 전력회사들은 정확하게 수요를 예측해, 적시에 적절한 수의 발전기를 돌려, 적절한 양의 전력을 생산하기 위해 많은 노력을 기울이고 있으나, 그러나 전력 수요 예측의 어려움, 안정적인 전력 공급을 위한 예비전력의 여유 등, 여러 요인으로 인해 항상 잉여 전력이 발생하고 있다.The current power system is a centralized system in which supply and demand are matched in real time. When a power provider predicts demand and establishes a supply plan, the power plant generates electricity collectively and immediately provides it to consumers. For this reason, power companies are making a lot of effort to accurately predict the demand, turn the right number of generators in a timely manner, and produce the right amount of power, but it is difficult to predict the power demand, spare power for stable power supply, etc. Surplus power is always generated due to various factors.

또한, 신재생 에너지의 경우는 상기 발전소와 같이 전력 소모를 예측하고 그에 맞추어 전기를 생산하는 것이 불가능하다. 실제로 갑자기 바람의 방향이 바뀌거나, 맑은 날씨임에도 설치된 태양광 패널 위로 구름이 지나가는 일이 빈번하게 발생하고 있다. In addition, in the case of new and renewable energy, it is impossible to predict power consumption and generate electricity accordingly, as in the power plant. In fact, the direction of the wind suddenly changes, or clouds frequently pass over the installed solar panels even in clear weather.

이와 같이, 발전소 및 재생에너지의 전력 시스템에서는 수요전력과 공급전력의 불일치에 의해 발생하는 변동된 주파수를 표준 주파수로 되돌리기 위하여, 주파수가 변동하게 되는데, 발전소는 주파수 조정을 통하여 시시각각 변하는 부하변동에 즉시 반응하도록 발전력을 조정한다. 우리나라 전력계통의 표준 주파수는 60Hz로 규정되어 있다. 전력 수요가 늘어나 공급전력이 부족하게 되면 주파수가 60Hz 이하로 떨어지기 때문에 발전소에서 출력을 올려 주파수를 조정하고, 전력 수요가 줄어들어 공급전력이 남는 경우 주파수가 60Hz를 넘어가기 때문에 발전소에서 출력을 줄여 주파수 추종운전 방식을 통해 주파수를 조정해 왔으나, 상기 주파수 추종운전 방식의 경우, 운전비용이 많이 소요되고 발전소마다 발전기 효율이 달라 출력을 조정할 때 발전소 효율이 나빠져 실질공급능력의 감소가 초래될 수 있으며, 발전소 기기의 고장률이 높아진다는 문제점이 있다.In this way, in the power system of power plants and renewable energy, the frequency fluctuates in order to return the fluctuated frequency caused by the mismatch between the power demand and the supply power to the standard frequency. Adjust power generation to respond. The standard frequency of Korea's power system is set at 60Hz. When the power demand increases and the supply power becomes insufficient, the frequency drops below 60Hz, so the power plant raises the output and adjusts the frequency.If the power demand decreases and the supply power remains, the power plant reduces the output frequency because the frequency exceeds 60Hz. Although the frequency has been adjusted through the follow-up operation method, in the case of the frequency follow-up operation method, operation costs are high and the generator efficiency is different for each power plant, so when adjusting the output, the power plant efficiency may deteriorate, resulting in a decrease in the actual supply capacity. There is a problem that the failure rate of power plant equipment increases.

본 발명은 이와 같은 문제를 해결하기 위한 방법으로서, 발전소에서 초과 생산하여 발생하는 잉여 전력, 야간의 잉여 전력 및 재생에너지를 포함하는 유동 전력 등의 수요전력과 공급전력의 불일치로 인해 발생하는 유동 전력을 플라즈마 발생장치에 이용함으로써, 일반전력에 비해 저렴한 비용으로 전력을 공급받음과 동시에 발전소에서 수요전력과 공급전력의 불일치로 인해 발생하는 상기와 같은 문제를 해결할 수 있다. The present invention is a method for solving such a problem, as a method for solving such a problem, the floating power generated due to the inconsistency between the demanded power and the supplied power, such as surplus power generated by excess production in a power plant, surplus power at night, and floating power including renewable energy. By using the plasma generator, it is possible to receive power at a lower cost compared to general power, and at the same time, solve the above problem caused by a mismatch between the power demand and the power supplied in the power plant.

다음으로 본 발명의 기술이 속하는 분야에 존재하는 선행기술에 대하여 간략하게 설명하고, 이어서 본 발명이 상기 선행기술에 비하여 차별적으로 이루고자 하는 기술적 사항에 대해 설명하도록 한다.Next, the prior art existing in the field to which the technology of the present invention belongs will be briefly described, and then the technical matters that the present invention intends to achieve differently compared to the prior art will be described.

공개특허공보 10-2018-0004165(2018-01-10 공개)는, 이산화탄소(CO2)의 합성가스로의 전환방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, Cu 및 Mn을 포함하는 고체-지지된 촉매를 포함하는 반응 챔버를 제공하는 단계; H2 및 CO2를 포함하는 반응 혼합물을 반응 챔버에 공급하는 단계; 및 H2 및 CO를 포함하는 생성 혼합물을 제공하기 위해 600℃ 초과의 반응 온도에서 H2 및 CO2를 촉매와 접촉시키는 단계;를 포함하는 합성가스 제조방법에 관한 기술이 기재되어 있다. 상기 선행기술은 수소와 이산화탄소(CO2)를 촉매 존재하의 반응시켜 일산화탄소(CO)를 제조하는 기술로서, 수소를 사용하지 않고 오히려 생성하며, 반응에 필요한 열원으로서 플라즈마를 사용하는 기술은 포함하고 있지 않다. Publication No. 10-2018-0004165 (published 2018-01-10) relates to a method for converting carbon dioxide (CO 2 ) into a synthesis gas, and more specifically, a solid-supported catalyst comprising Cu and Mn. Providing a reaction chamber comprising; Supplying a reaction mixture comprising H 2 and CO 2 to the reaction chamber; There is synthesis gas technology relates to a process for the manufacture are described containing; and H 2 and the step of contacting the H 2 and CO 2 with a catalyst at a reaction temperature of 600 ℃ excess to provide a product mixture containing CO. The prior art is a technology for producing carbon monoxide (CO) by reacting hydrogen and carbon dioxide (CO 2 ) in the presence of a catalyst, and does not include a technology that generates carbon monoxide (CO) rather than using hydrogen, and uses plasma as a heat source required for the reaction. not.

또한, 등록특허공보 10-1768001(2017.08.08. 공고)는 산소공여입자를 이용한 하이브리드 태양열-화학적 순환공정에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 태양열 집광기를 통해 고온의 열을 환원 반응기에 공급하고, 탄화수소 연료와 산소공여입자를 상기 환원 반응기에 공급하여, 탄화수소 연료는 산소공여입자에 의한 부분 산화 반응에 의하여 합성가스로 전환되고, 산소공여입자는 환원시킨 후 환원된 산소공여입자를 산화 반응기로 이송하여 스팀에 의한 환원 반응에 의하여 수소(H2)를 생성하는 데 관한 기술이 기재되어 있다. 상기 선행기술 등록특허공보 10-1768001은 산소공여입자(본 발명에서의 가역적 산화-환원 변환제)를 환원시키는데 환원가스를 이용하기 때문에 이산화탄소(CO2), 질소산화물 등의 온실가스를 배출하는 문제가 있었고, 또한 태양열 집열 시스템 사용에 따른 공간 및 비용의 제약 등 문제가 있다.In addition, Patent Publication No. 10-1768001 (Announcement on Aug. 08, 2017) relates to a hybrid solar-chemical cycle process using oxygen donating particles, and more specifically, to supply high-temperature heat to a reduction reactor through a solar concentrator, Hydrocarbon fuel and oxygen donating particles are supplied to the reduction reactor, and the hydrocarbon fuel is converted to synthesis gas by partial oxidation by the oxygen donating particles, and the oxygen donating particles are reduced and then the reduced oxygen donating particles are transferred to the oxidation reactor. Thus, a technique for generating hydrogen (H 2 ) by a reduction reaction by steam is described. The prior art registered patent publication 10-1768001 is a problem of emitting greenhouse gases such as carbon dioxide (CO 2 ) and nitrogen oxides because reducing gas is used to reduce oxygen donating particles (reversible oxidation-reduction converting agent in the present invention). In addition, there are problems such as space and cost constraints due to the use of the solar heat collection system.

또한, 일본공개특허공보 JP 2003-027241(2003.01.29. 공고)은 이산화탄소(CO2)와 수소(H2) 및/또는 수증기(H20)로 구성되는 원료가스를 저압력으로 마이크로파 플라스마 발생 수단을 구비하고 있는 반응챔버 내에 고정해서 배치된 촉매에 접촉시킨 후, 일산화탄소(CO)를 포함한 가연성 가스를 반응챔버 외부로 연속적으로 취출하는 이산화탄소(CO2)를 가연성 가스로 전환하는 방법에 관한 기술이 기재되어 있다. 상기 일본공개특허공보 JP 2003-027241은 플라즈마를 이용하여 이산화탄소(CO2)를 전환하는 기술이긴 하나, 가역적 산화-환원 변환제를 사용한 본 발명과 차이가 있다.In addition, Japanese Laid-Open Patent Publication JP 2003-027241 (announced on January 29, 2003) generates microwave plasma at low pressure using a raw material gas consisting of carbon dioxide (CO 2 ), hydrogen (H 2 ) and/or water vapor (H 2 0). A technology related to a method of converting carbon dioxide (CO 2 ), which continuously takes out combustible gas including carbon monoxide (CO) to the outside of the reaction chamber, into a combustible gas after contacting a catalyst fixed and arranged in a reaction chamber equipped with a means. Is described. The Japanese Laid-Open Patent Publication JP 2003-027241 is a technology for converting carbon dioxide (CO 2 ) using plasma, but is different from the present invention using a reversible oxidation-reduction converter.

공개특허공보 10-2018-0004165(2018-01-10 공개)Unexamined Patent Publication 10-2018-0004165 (published 2018-01-10) 등록특허공보 10-1768001(2017.08.08. 공고)Registered Patent Publication 10-1768001 (2017.08.08. Announcement) 일본공개특허공보 JP 2003-027241(2003.01.29. 공고)Japanese Published Patent Publication JP 2003-027241 (announced on January 29, 2003)

본 발명은 이산화탄소(CO2)와 수증기(H20) 등으로부터 산소를 빼앗아 일산화탄소(CO) 및 수소(H2) 등을 제조하는 시스템에 있어서, 더 높은 효율을 가진 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention is to provide a system with higher efficiency in a system for producing carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) by taking oxygen from carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 0), etc. There is this.

또한, 본 발명은 발전소에서 초과 생산하여 발생하는 잉여 전력, 야간의 잉여 전력 및 불규칙하게 발생되는 재생에너지 등의 유동 전력을 유용한 에너지원으로 사용할 수 있도록 하여 유동전력의 효율적 사용을 담보할 수 있는 시스템 및 그 방법을 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.In addition, the present invention is a system capable of ensuring efficient use of floating power by enabling the use of floating power such as surplus power generated by excess production in a power plant, surplus power at night, and irregularly generated renewable energy as a useful energy source. And it has its purpose to provide a method.

상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 가역적 산화-환원 변환제를 이용하여 이산화탄소, 수증기 중 하나 이상을 포함한 원료가스로부터 일산화탄소, 수소 중 하나 이상을 포함하는 생성가스를 제조하는 시스템은, 일실시예로서 가역적 산화-환원 변환제가 충전될 수 있도록 내부에 공간이 형성된 산화-환원 변환 반응기; 상기 산화-환원 변환 반응기의 내부 공간에 플라즈마를 발생시킬 수 있는 플라즈마 발생장치; 상기 산화-환원 변환 반응기의 내부 공간으로 불활성가스, 이산화탄소(CO2), 수증기(H20) 중 하나 이상을 공급할 수 있도록 하는 가스 유입부; 및 상기 산환-환원 변환 반응기에서 일산화탄소, 수소 중 하나 이상을 포함하는 가스를 외부로 배출할 수 있도록 하는 가스 배출부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.As a means for solving the above problem, a system for producing a product gas containing at least one of carbon monoxide and hydrogen from a raw material gas containing at least one of carbon dioxide and water vapor using a reversible oxidation-reduction converting agent, as an embodiment An oxidation-reduction conversion reactor having a space formed therein so that the reversible oxidation-reduction conversion agent can be filled; A plasma generator capable of generating plasma in the inner space of the oxidation-reduction conversion reactor; A gas inlet to supply at least one of an inert gas, carbon dioxide (CO 2 ), and water vapor (H 2 0) to the inner space of the oxidation-reduction conversion reactor; And a gas discharge unit configured to discharge a gas including at least one of carbon monoxide and hydrogen from the oxidation-reduction conversion reactor to the outside. It characterized in that it comprises a.

또한 일실시예로서, 상기 시스템은 가역적 산화-환원 변환제의 환원 공정에서 상기 산화-환원 변환 반응기의 외부로 배출되는 고온의 배출가스의 열을 이용하여, 상기 산화공정에서 산화-환원 변환 반응기 내부로 공급되는 이산화탄소(CO2) 및/또는 수증기(H20)를 가열하는 열교환기;를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, as an embodiment, the system uses the heat of the high-temperature exhaust gas discharged to the outside of the oxidation-reduction conversion reactor in the reduction process of the reversible oxidation-reduction conversion agent, and the inside of the oxidation-reduction conversion reactor in the oxidation process. It characterized in that it further comprises a; heat exchanger for heating the carbon dioxide (CO 2 ) and/or water vapor (H 2 0) supplied to.

또한 일실시예로서, 상기 가역적 산화-환원 변환제의 환원 공정에서는, 상기 산화-환원 변환 반응기 내로 불활성가스를 공급하고, 상기 산화상태의 가역적 산화-환원 변환제가 환원되면서 빠져나온 격자산소가 산소 가스로 배출되도록 하며, 상기 가역적 산화-환원 변환제의 산화 공정에서는, 상기 산화-환원 변환 반응기 내로 이산화탄소(CO2), 수증기(H20)중 하나 이상을 포함한 가스를 공급하고, 상기 환원상태의 가역적 산화-환원 변환제가 산화되면서 이산화탄소(CO2), 수증기(H20) 중 하나 이상으로부터 산소를 빼앗아 일산화탄소(CO), 수소(H2) 중 하나 이상을 생산하며, 상기 플라즈마 발생장치를 통해 상기 가역적 산화-환원 변환제의 환원 공정 및 산화 공정에 필요한 열을 공급하는 것을 특징으로 한다.In addition, as an embodiment, in the reduction process of the reversible oxidation-reduction converting agent, an inert gas is supplied into the oxidation-reduction conversion reactor, and the lattice oxygen released while the reversible oxidation-reduction converting agent in the oxidation state is reduced is oxygen gas. In the oxidation process of the reversible oxidation-reduction conversion agent, a gas including at least one of carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 0) is supplied into the oxidation-reduction conversion reactor, and the reduced state As the reversible oxidation-reduction converter is oxidized, it takes oxygen from at least one of carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 0) to produce at least one of carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ), and through the plasma generator It is characterized in that it supplies heat required for the reduction process and the oxidation process of the reversible oxidation-reduction converter.

또한 일실시예로서, 상기 플라즈마 발생장치는 유동 전력으로 구동되며, 상기 유동 전력은 발전소에서 초과 생산하여 발생하는 잉여 전력, 야간의 잉여 전력 및 재생에너지를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, as an embodiment, the plasma generating device is driven by flowing power, and the floating power includes surplus power generated by excess production in a power plant, surplus power at night, and renewable energy.

또한 일실시예로서, 상기 가역적 산화-환원 변환제는 형석형 구조를 가지는 금속 산화물; 스피넬 구조를 가지는 금속 산화물; 일반식 ABO3(A 및 B는 금속 원소)로 표시되는 페로브스카이트형 구조를 가지는 산화물; 일반식 A2B2O5(A 및 B는 금속 원소)로 표시되는 브라운 미라 라이트형 구조를 가지는 산화물; AlOx, MnOx, FeOx, CoOx, NiOx, CrOx, BiOx, GaOx, BOx, LaOx, CeOx 중 선택되는 적어도 하나 이상을 사용하는 것을 특징으로 한다.In addition, as an embodiment, the reversible oxidation-reduction converter is a metal oxide having a fluorspar-type structure; Metal oxides having a spinel structure; Oxides having a perovskite structure represented by the general formula ABO 3 (A and B are metal elements); Oxides having a brown miralite structure represented by the general formula A 2 B 2 O 5 (A and B are metal elements); It is characterized in that at least one selected from AlOx, MnOx, FeOx, CoOx, NiOx, CrOx, BiOx, GaOx, BOx, LaOx, and CeOx is used.

또한 일실시예로서, 상기 산화-환원 변환 반응기는 적어도 하나 이상으로 구비되며, 각각의 산화-환원 변환 반응기에서 상기 가역적 산화-환원 변환제의 환원 공정과 산화 공정이 모두 수행되는 것을 특징으로 한다.In addition, as an embodiment, the oxidation-reduction conversion reactor is provided in at least one or more, and each oxidation-reduction conversion reactor is characterized in that both a reduction process and an oxidation process of the reversible oxidation-reduction conversion agent are performed.

또한 일실시예로서, 상기 산화-환원 변환 반응기는 적어도 둘 이상으로 구비되며, 상기 가역적 산화-환원 변환제의 환원 공정과 산화 공정은 각각 별개의 산화-환원 변환 반응기에서 수행되는 것을 특징으로 한다.In addition, as an embodiment, the oxidation-reduction conversion reactor is provided in at least two or more, and the reduction process and the oxidation process of the reversible oxidation-reduction conversion agent are respectively performed in separate oxidation-reduction conversion reactors.

한편, 본 발명의 가역적 산화-환원 변환제를 이용하여 이산화탄소, 수증기 중 하나 이상을 포함한 원료가스로부터 일산화탄소, 수소 중 하나 이상을 포함하는 생성가스를 제조하는 방법은 일실시예로서, (1) 내부 공간에 산화상태의 가역적 산화-환원 변환제가 충전되어 있는 산화-환원 변환 반응기 내로 불활성가스를 공급하고, 플라즈마를 이용하여 열에너지를 공급하여 상기 산화상태의 가역적 산화-환원 변환제를 환원시키며, 상기 가역적 산화-환원 변환제로부터 빠져나온 격자산소는 가스로 배출되도록 하는 제1단계; 및 (2) 상기 제1단계 후 환원상태의 가역적 산화-환원 변환제가 충전되어 있는 공간으로 이산화탄소(CO2), 수증기(H20) 중 하나 이상을 공급하여 상기 가역적 산화-환원 변환제가 산화되면서 이산화탄소(CO2), 수증기(H20) 중 하나 이상으로부터 산소를 빼앗아 일산화탄소(CO), 수소(H2) 중 하나 이상을 생산하는 제2단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the method of producing a product gas containing at least one of carbon monoxide and hydrogen from a raw material gas containing at least one of carbon dioxide and water vapor using the reversible oxidation-reduction converter of the present invention is an embodiment, (1) internal An inert gas is supplied into an oxidation-reduction conversion reactor in which a reversible oxidation-reduction converter in an oxidized state is filled in the space, and thermal energy is supplied using plasma to reduce the reversible oxidation-reduction converter in the oxidized state, and the reversible A first step of allowing lattice oxygen released from the oxidation-reduction converter to be discharged as a gas; And (2) after the first step, at least one of carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 0) is supplied to a space filled with a reversible oxidation-reduction converter in a reduced state, so that the reversible oxidation-reduction converter is oxidized. And a second step of producing at least one of carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) by taking oxygen from at least one of carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 0).

또한 일실시예로서, 상기 방법은 제1단계에서 상기 산화-환원 변환 반응기 외부로 배출되는 고온의 배출가스 열을 이용하여, 제2단계의 산화-환원 변환 반응기 내부로 공급되는 공급물을 가열하는 것을 특징으로 한다.In addition, as an embodiment, the method uses the high temperature exhaust gas heat discharged to the outside of the oxidation-reduction conversion reactor in the first step to heat the feed supplied into the oxidation-reduction conversion reactor in the second step. It is characterized by that.

또한 일실시예로서, 상기 방법은 상기 제1단계에서의 플라즈마 발생은 발전소에서 초과 생산하여 발생하는 잉여 전력, 야간의 잉여 전력 및 재생에너지 중 하나 이상의 유동 전력으로 구동되는 것을 특징으로 한다.In addition, as an embodiment, the method is characterized in that the plasma generation in the first step is driven by one or more of flowing power among surplus power generated by excess production in a power plant, surplus power at night, and renewable energy.

또한 일실시예로서, 상기 가역적 산화-환원 변환제의 환원 단계의 온도는 1000 ℃ ~ 2000 ℃로 하고, 상기 가역적 산화-환원 변환제의 산화 단계의 온도는 500 ℃ ~ 1400 ℃로 하는 것을 특징으로 한다.In addition, as an embodiment, the temperature of the reduction step of the reversible oxidation-reduction converter is 1000 ℃ ~ 2000 ℃, the temperature of the oxidation step of the reversible oxidation-reduction converter is 500 ℃ ~ 1400 ℃ characterized in that do.

또한 일실시예로서, 상기 방법은 피셔-트롭쉬(FiscHer-TropscH) 반응을 이용하여 상기 가역적 산화-환원 변환제의 산화 단계에서 생산되는 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)를 포함하는 합성가스로부터 탄화수소 연료를 생산하는 연료생산 단계;를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, as an embodiment, the method is a synthesis gas containing carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) produced in the oxidation step of the reversible oxidation-reduction converter using a FiscHer-TropscH reaction. It characterized in that it further comprises a; fuel production step of producing a hydrocarbon fuel from.

본 발명은 레독스 프로세스를 사용하여 이산화탄소(CO2)와 물(H20) 등으로부터 산소를 빼앗아 일산화탄소(CO) 및 수소(H2) 등을 제조하는 시스템에 있어서, 순간 기동이 가능한 플라즈마를 사용함으로써, 설치 공간 및 비용을 절약할 수 있으며, 필요한 곳에 대하여 설치 장소를 적용할 수 있는 분산형, 모듈형 설계가 가능하다. 또한 플라즈마를 열원으로 이용함으로써, 상기 레독스 프로세스의 단계별 전환에 필요한 시간을 단축시킬 수 있으며, 종래의 외부 가열 방식에 비하여 격자산소의 제거 효율이 높고, 격자 산소의 제거 소요 시간을 크게 감소시켜 이산화탄소(CO2)와 물(H20) 등으로부터 일산화탄소(CO) 및 수소(H2) 등을 제조하는 공정의 효율성을 높일 수 있다.The present invention uses a redox process to take oxygen from carbon dioxide (CO 2 ) and water (H 2 0) to produce carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ). By using it, installation space and cost can be saved, and a distributed, modular design that can apply an installation site to a required place is possible. In addition, by using plasma as a heat source, it is possible to shorten the time required for step-by-step switching of the redox process. Compared to the conventional external heating method, the removal efficiency of lattice oxygen is high, and the time required to remove lattice oxygen is greatly reduced, thereby reducing carbon dioxide. It is possible to increase the efficiency of the process of producing carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) from (CO 2 ) and water (H 2 0).

또한, 본 발명은 유동 전력 발생시 즉각적인 구동이 가능하기 때문에 발전소에서 초과 생산하여 발생하는 잉여 전력, 야간의 잉여 전력 및 불연속적으로 생산되는 재생에너지를 에너지원으로 사용할 수 있으며, 발전소에 적용되어 발전량을 조절하여 유동 전류를 줄이는 방식에서 벗어나 전력 품질이나 효율을 유지하는데 드는 비용 등을 절감할 수 있으면서도 유용한 에너지를 창출할 수 있는 효과가 있고, 잉여전력을 화학적 에너지로 저장할 수 있는 효과가 있으며, 탄소자원화 기술 보급에도 긍정적인 효과를 창출하는 효과가 있다 In addition, the present invention can be used as an energy source using excess power generated by excess production in a power plant, surplus power at night, and discontinuously produced renewable energy as an energy source, since it is possible to immediately drive when flowing power is generated, and applied to a power plant to reduce the amount of power generated. It has the effect of creating useful energy while reducing the cost of maintaining power quality and efficiency by reducing the flow current by controlling it, and has the effect of storing surplus power as chemical energy, and carbon resource conversion. There is an effect of creating a positive effect on the dissemination of technology.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가역적 산화-환원 변환제를 사용하여 이산화탄소(CO2) 및 수증기(H20)를 전환하는 시스템을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환기를 추가적으로 포함하는 가역적 산화-환원 변환제를 사용하여 이산화탄소(CO2) 및 수증기(H20)를 전환하는 시스템을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가역적 산화-환원 변환제를 사용하여 이산화탄소(CO2) 및 수증기(H20)를 전환하는 시스템에 있어서, 산화-환원 변환 반응기에 대해 나타낸 것이다.
도 4는 가역적 산화-환원 변환제의 환원과정에서, 외부 가열에 의한 세리아 샘플의 산소 발생량을 열중량분석기(TGA)를 이용하여 측정한 그래프이다.
도 5는 가역적 산화-환원 변환제의 환원과정에서, 플라즈마에 의한 세리아 샘플의 산소 발생량을 나타낸 그래프이다.
1 illustrates a system for converting carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 0) using a reversible oxidation-reduction converter according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows a system for converting carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 0) using a reversible oxidation-reduction converting agent additionally including a heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing an oxidation-reduction conversion reactor in a system for converting carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 0) using a reversible oxidation-reduction converter according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph obtained by measuring the amount of oxygen generated in a ceria sample by external heating in a process of reducing a reversible oxidation-reduction converter using a thermogravimetric analyzer (TGA).
5 is a graph showing the amount of oxygen generated in a ceria sample by plasma during the reduction process of the reversible oxidation-reduction converting agent.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명에 따른 시스템 및 그 방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. Hereinafter, a system according to the present invention and a preferred embodiment of the method thereof will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those of ordinary skill in the art can easily implement the present invention.

본 발명의 각 도면에 있어서, 구조물들의 사이즈나 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이고, 특징적 구성이 드러나도록 공지의 구성들은 생략하여 도시하였으므로 도면으로 한정하지는 아니한다.In each drawing of the present invention, the size or dimensions of the structures are shown to be enlarged or reduced than in actuality for the sake of clarity of the present invention, and the known configurations have been omitted so as to reveal a characteristic configuration, so the drawings are not limited thereto. .

본 발명의 바람직한 실시예에 대한 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.In describing the principle of the preferred embodiment of the present invention in detail, when it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.In addition, the embodiments described in the present specification and the configurations shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention, and do not represent all the technical spirit of the present invention. It should be understood that there may be equivalents and variations.

본 발명은 플라즈마 발생장치를 이용하여 산화 및 환원 반응에 필요한 열을 공급하며, 가역적 산화-환원 변환제의 산화 공정에서는 가역적 산화-환원 변환제가 이산화탄소(CO2) 및/또는 수증기(H20)로부터 산소를 빼앗아 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)를 생산하고, 가역적 산화-환원 변환제의 환원 공정에서는 산화상태의 가역적 산화-환원 변환제에서 격자 산소를 제거하여 산소가 결핍된 상태의 가역적 산화-환원 변환제를 생성하는 시스템에 관한 것이다.The present invention supplies heat required for oxidation and reduction reactions using a plasma generator, and in the oxidation process of the reversible oxidation-reduction converting agent, the reversible oxidation-reduction converting agent is carbon dioxide (CO 2 ) and/or water vapor (H 2 0). It takes oxygen from and produces carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ), and in the reversible oxidation-reduction conversion agent's reduction process, the reversible oxidation-reduction converter removes lattice oxygen from the oxygen-depleted state. It relates to a system for producing an oxidation-reduction converting agent.

상기 가역적 산화-환원 변환제는 산소 이온 전도성을 가지며, 가역적인 산소 결손을 가질 수 있는 금속/비금속 산화물을 모두 포함한다. 상기 가역적 산화환원변환제는 전술한 바와 같이 이산화탄소(CO2) 및/또는 수증기(H20)와 반응하여 산소를 받아들여 스스로 산화되며, 또 환원과정에서는 높은 열에너지로 인해서 격자내의 산소가 빠져나가 환원되는 등 그 자체가 반응 과정에 직접 참여하는 것이므로 촉매와는 다르다.The reversible oxidation-reduction converter has oxygen ion conductivity and includes both metal/nonmetal oxides capable of having reversible oxygen vacancies. The reversible redox converter reacts with carbon dioxide (CO 2 ) and/or water vapor (H 2 0) as described above to receive oxygen and oxidizes itself, and in the reduction process, oxygen in the lattice escapes due to high thermal energy. It is different from a catalyst because it directly participates in the reaction process, such as being reduced.

상기 가역적 산화-환원 변환제의 비제한적 예로는 산화 세륨; 안정화 지르코니아 등으로 대표되는 형석형 구조를 가지는 금속 산화물; 스피넬형 구조를 가지는 금속 산화물; 일반식 ABO3(A 및 B는 금속 원소)로 표시되는 페로브스카이트형 구조를 가지는 산화물; 일반식 A2B2O5(A 및 B는 금속 원소)로 표시되는 브라운 미라 라이트형 구조를 가지는 산화물; AlOx, MnOx, FeOx, CoOx, NiOx, CrOx, BiOx, GaOx, BOx, LaOx, CeOx중 선택되는 적어도 하나 이상을 사용할 수 있다. Non-limiting examples of such reversible oxidation-reduction converting agents include cerium oxide; Metal oxides having a fluorspar-like structure typified by stabilized zirconia and the like; Metal oxides having a spinel structure; Oxides having a perovskite structure represented by the general formula ABO 3 (A and B are metal elements); Oxides having a brown miralite structure represented by the general formula A 2 B 2 O 5 (A and B are metal elements); At least one or more selected from AlOx, MnOx, FeOx, CoOx, NiOx, CrOx, BiOx, GaOx, BOx, LaOx, and CeOx may be used.

또한, 본 발명에서 산화상태의 가역적 산화-환원 변환제는 MOox 이고, 환원상태의 가역적 산화-환원 변환제는 MOred로 나타낸다. 즉 본 발명에서의 레독스 프로세스는 반응 매개체로서 가역적 산화-환원 변환제의 산화환원쌍(Redox pair: MOox/MOred)를 이용하는 것이다.Further, in the present invention, the reversible oxidation-reduction converting agent in the oxidation state is MO ox, and the reversible oxidation-reduction converting agent in the reduced state is expressed as MO red. I.e. redox processes in the present invention is reversible oxidation as a reaction medium - a redox pair of reduced conversion claim: to use a (Redox pair MO ox / MO red ).

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세하게 설명하도록 한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.

도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 본 발명의 가역적 산화-환원 변환제를 사용하여 이산화탄소로부터 합성가스를 제조하는 시스템은, 산화-환원 변환 반응기(110, 110′), 플라즈마 발생장치(120), 가스 유입부(130, 130′), 가스 배출부(140, 140′) 및 전원 공급부(150)를 포함하여 구성된다. As shown in Fig. 1, the system for producing syngas from carbon dioxide using the reversible oxidation-reduction converter of the present invention includes oxidation-reduction conversion reactors 110 and 110 ′, plasma generator 120, It is configured to include a gas inlet (130, 130'), gas discharge (140, 140') and a power supply (150).

상기 산화-환원 변환 반응기(110, 110′)는 내부에 내부 공간이 형성되고, 상기 내부 공간에 가역적 산화-환원 변환제가 충전되는 구조를 가진다.The oxidation-reduction conversion reactors 110 and 110 ′ have an internal space formed therein, and a reversible oxidation-reduction converter is filled in the internal space.

상기 플라즈마 발생장치(120)는 상기 산화-환원 변환 반응기의 내부에 플라즈마를 발생시킬 수 있는 장치이다. The plasma generating device 120 is a device capable of generating plasma inside the oxidation-reduction conversion reactor.

일반적으로 플라즈마는 고온 플라즈마(평형플라즈마)와 저온 플라즈마(비평형플라즈마)로 분류되며, 고온 플라즈마는 1000℃ 이상의 고온을 유도하는 플라즈마로서 본 발명에서는 가역적 산화-환원 변환제에서 산소결핍 상태를 형성하는 단계에서는 높은 온도가 필요하므로 고온 플라즈마를 사용 한다.In general, plasma is classified into high-temperature plasma (equilibrium plasma) and low-temperature plasma (non-equilibrium plasma), and high-temperature plasma is a plasma that induces a high temperature of 1000°C or higher. High temperature plasma is used because high temperature is required.

전기 에너지를 이용한 고온 열플라즈마(Thermal Plasma) 발생장치(Plasma Torch, Plasmatron)는 처리대상물의 용융 및 환원 등에 사용할 수 있는 다량의 열에너지로 전환시키는 장치로 정의할 수 있다. A high-temperature thermal plasma generating device (Plasma Torch, Plasmatron) using electric energy can be defined as a device that converts a large amount of thermal energy that can be used for melting and reduction of an object to be treated.

고온 열플라즈마 발생은 가스 이온화를 위한 충분한 에너지가 공급되어져야 한다. 비제한적으로 이러한 에너지는 두 개의 전극에서 발생하는 전기 아크로서 발생시킬 수 있다. 가스를 고온의 아크 사이에 통과시키면 가스 플라즈마로서의 전이가 가능하다. 이러한 과정에 의해 플라즈마를 발생시키는 장치를 아크(arc) 플라즈마 발생장치 혹은 직류 플라즈마법이라 하며 가장 널리 사용되는 방법이다. For the generation of high-temperature thermal plasma, sufficient energy must be supplied for gas ionization. Without limitation, this energy can be generated as an electric arc generated by two electrodes. When the gas is passed between the hot arcs, the transition to the gas plasma is possible. A device that generates plasma by this process is called an arc plasma generator or a direct-current plasma method, and is the most widely used method.

또한 플라즈마의 생성은 강한 전기장을 통해 가능하며 방전관 외부에 설치된 환형전극을 이용한 외부 용량 플라즈마(Capacitive Plasma), 그리고 원주형태의 유도코일에 의해 유기되는 고주파 전자장을 이용하는 유도 플라즈마(Inductive Plasma)등이 있다.In addition, plasma generation is possible through a strong electric field, and there are external capacitive plasma using an annular electrode installed outside the discharge tube, and inductive plasma using a high-frequency electromagnetic field induced by a cylindrical induction coil. .

또한, 상기 가스 유입부(130, 130′)는 상기 산화-환원 변환 반응기의 내부 공간으로 불활성가스, 이산화탄소(CO2) 및 수증기(H20)를 공급하는 것이다. 상기 가스 유입부는 밸브 등의 가스 유입 조절 장치를 통하여 반응기 내부로 불활성가스, 이산화탄소(CO2) 및 수증기(H20)를 선택적으로 공급할 수 있다.In addition, the gas inlets 130 and 130 ′ supply inert gas, carbon dioxide (CO 2 ), and water vapor (H 2 0) to the inner space of the oxidation-reduction conversion reactor. The gas inlet may selectively supply an inert gas, carbon dioxide (CO 2 ), and water vapor (H 2 0) into the reactor through a gas inflow control device such as a valve.

또한, 가스 배출부(140, 140′)는 상기 산환-환원 변환 반응기 내부의 가스를 외부로 배출할 수 있도록 하는 것이다.In addition, the gas discharge units 140 and 140 ′ are configured to discharge the gas inside the oxidation-reduction conversion reactor to the outside.

또한, 본 발명의 가역적 산화-환원 변환제를 사용하여 이산화탄소를 전환하는 시스템은, 상기 산화-환원 변환 반응기(110, 110′), 플라즈마 발생장치(120), 가스 유입부(130, 130′), 가스 배출부(140, 140′)외에 가열장치(121) 및/또는 제어부(미도시)를 추가적으로 포함하여 구성될 수도 있다. In addition, the system for converting carbon dioxide using the reversible oxidation-reduction converting agent of the present invention includes the oxidation-reduction conversion reactors 110 and 110 ′, plasma generator 120 and gas inlets 130 and 130 ′. , In addition to the gas discharge units 140 and 140 ′, it may be configured to additionally include a heating device 121 and/or a control unit (not shown).

또한, 상기 전원 공급부(150)는 상기 산화-환원 변환 반응기(110, 110′), 플라즈마 발생장치(120), 가열장치(121), 가스 유입부(130, 130′), 가스 배출부(140, 140′), 제어부(미도시) 등에 전원을 공급하는 것이다. In addition, the power supply unit 150 is the oxidation-reduction conversion reactor (110, 110'), a plasma generator (120), a heating device (121), a gas inlet (130, 130'), a gas discharge portion (140). , 140′), and a control unit (not shown).

상기 가역적 산화-환원 변환제의 환원 공정에서는, 고온 플라즈마를 이용하여 상기 가역적 산화-환원 변환제에 고온의 열을 전달함으로써 상기 가역적 산화-환원 변환제의 격자 산소 중 일부가 제거되고, 상기 가역적 산화-환원 변환제는 산소가 결핍된 상태로 전환되어, 외부로부터 산소를 받아들이기 쉬운 상태로 된다.In the reduction process of the reversible oxidation-reduction converting agent, some of the lattice oxygen of the reversible oxidation-reduction converting agent is removed by transferring high temperature heat to the reversible oxidation-reduction converting agent using a high-temperature plasma, and the reversible oxidation -The reduction converter is converted into a state deficient in oxygen, making it easy to receive oxygen from the outside.

상기 가역적 산화-환원 변환제의 산화 공정에서는, 상기 산화-환원 변환 반응기 내로 이산화탄소(CO2), 수증기(H20) 중 하나 이상을 포함하는 가스를 공급하여 상기 산소가 결핍된 상태의 가역적 산화-환원 변환제가 이산화탄소(CO2), 수증기(H20) 중 하나 이상으로부터 산소를 받아들여 결핍된 산소를 채우게 되며, 상기 이산화탄소와 수증기는 각각 일산화탄소(CO)와 수소(H2)로 전환된다.In the oxidation process of the reversible oxidation-reduction converter, by supplying a gas containing at least one of carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 0) into the oxidation-reduction conversion reactor, the reversible oxidation of the oxygen-deficient state -The reduction converter receives oxygen from one or more of carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 0) to fill the deficient oxygen, and the carbon dioxide and water vapor are converted into carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ), respectively. .

더욱 상세하게는, 본 발명에 따른 가역적 산화-환원 변환제를 사용한 시스템은, 플라즈마 발생 장치를 통해 생성되는 열을 공급하여 열화학반응에 의해 상기 가역적 산화-환원 변환제에서 일부의 격자산소가 탈리된다. 상기 탈리된 격자산소는 빠르게 제거되어 최종적으로 산소가 결핍된 상태의 가역적 산화-환원 변화제가 형성된다. 이 때, 상기 격자산소는 기체 산소의 형태로 불활성 기체와 함께 변환 반응기 외부로 배출된다(제1단계: 가역적 산화-환원 변환제의 환원 공정). More specifically, in the system using the reversible oxidation-reduction converter according to the present invention, some lattice oxygen is desorbed from the reversible oxidation-reduction converter by a thermochemical reaction by supplying heat generated through a plasma generating device. . The desorbed lattice oxygen is rapidly removed to finally form a reversible oxidation-reduction modifier in an oxygen-deficient state. At this time, the lattice oxygen is discharged to the outside of the conversion reactor together with an inert gas in the form of gaseous oxygen (first step: a process of reducing a reversible oxidation-reduction converting agent).

상기와 같이, 본 발명의 시스템은 가역적 산화-환원 변환제에서 산소를 일부 제거하는 데 있어서, 별도의 환원 반응물을 공급하지 않고 오직 불활성가스만을 공급하고, 플라즈마 발생장치를 통해 상기 불활성가스를 플라즈마화 시켜서 산화상태의 가역적 산화-환원 변환제와 접촉하도록 함으로써, 열화학적인 방법으로만 가역적 산화-환원 변환제를 환원시키는 방법을 사용한다. As described above, in the system of the present invention to partially remove oxygen from the reversible oxidation-reduction converter, only an inert gas is supplied without supplying a separate reduction reactant, and the inert gas is converted to plasma through a plasma generator. The method of reducing the reversible oxidation-reduction converting agent only by a thermochemical method is used by allowing it to come into contact with the reversible oxidation-reduction converting agent in the oxidized state.

이와 같이, 열화학적인 방법으로만 가역적 산화-환원 변환제로부터 산소를 떼어내어야 하기 때문에 상기 가역적 산화-환원 변환제의 환원 공정에서는 고온의 열이 필요하며, 최소 1000 ℃ 이상의 온도가 필요하며, 바람직하게는 1200℃ 이상, 더욱 바람직하게는 1600℃이상이다.As described above, since oxygen must be removed from the reversible oxidation-reduction converter only by a thermochemical method, high temperature heat is required in the reduction process of the reversible oxidation-reduction converter, and a temperature of at least 1000°C is required, and preferably Is 1200°C or higher, more preferably 1600°C or higher.

상기 불활성 가스는 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 제논(Xe), 라돈(Rn), 질소 등에서 선택된 하나 또는 둘 이상의 혼합물일 수 있으며, 제논, 크립톤 등이 효율적인 플라즈마 발생기체로 사용될 수 있다. The inert gas may be one or a mixture of two or more selected from helium (He), neon (Ne), argon (Ar), krypton (Kr), xenon (Xe), radon (Rn), nitrogen, etc. It can be used as an efficient plasma generator gas.

이후 상기 제1단계에서 생성된 산소가 결핍된 가역적 산화-환원 변환제는 산소를 받아들이기 쉬운 상태가 되어 안정된 분자인 이산화탄소(CO2)와 수증기(H20)로부터도 비교적 낮은 온도에서 산소를 받아들일 수 있게 된다. 따라서 상기 제2단계에서의 온도는 제1단계의 온도보다 훨씬 낮은 온도에서도 수행될 수 있다. Thereafter, the oxygen-deficient reversible oxidation-reduction converter produced in the first step is in a state that is easy to accept oxygen, so that oxygen is removed from stable molecules such as carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 0) at a relatively low temperature. It becomes acceptable. Therefore, the temperature in the second step can be performed even at a temperature much lower than the temperature in the first step.

기존의 태양열이나 가열로 등 전통적인 방식의 가열의 경우는 주로 외부로부터 열에너지가 전달되어 가역적 산화-환원 변환제 뿐만이 아니라 상기 가역적 산화-환원 변환제를 지지하고 있는 변환반응기 등의 주변 장치들도 같이 가열되어져야만 하므로 가열에 필요한 에너지가 많이 소요되고, 가열을 위한 공정시간 역시 길어지게 되어 환원반응을 위한 시간이 많이 소요되는 단점이 있었다. In the case of conventional heating such as conventional solar heat or heating furnace, heat energy is mainly transferred from the outside to heat not only the reversible oxidation-reduction converting agent, but also peripheral devices such as the conversion reactor supporting the reversible oxidation-reduction converting agent. Since it has to be done, a lot of energy required for heating is required, and the process time for heating is also lengthened, so there is a disadvantage that a lot of time is required for the reduction reaction.

그러나 플라즈마를 열원으로 사용할 경우, 직접적으로 가역적 산화-환원 변환제만을 선택적으로 가열할 수 있어 에너지의 효율성이 상대적으로 높으며, 또한 가열속도 역시 상당히 빨라 산화와 환원의 전환에 소요되는 시간이 단축될 수 있으므로 유동전력의 불확실한 발생상황에도 효과적으로 대처할 수 있어 공정 효율성이 높아지는 장점이 있다.However, when plasma is used as a heat source, only the reversible oxidation-reduction converting agent can be directly and selectively heated, so the energy efficiency is relatively high, and the heating rate is also quite fast, so the time required for the conversion of oxidation and reduction can be shortened. Therefore, there is an advantage in that process efficiency can be increased because it can effectively cope with an uncertain occurrence situation of flowing power.

상기 플라즈마를 이용한 가역적 산화-환원 변환제의 가열시 가열속도는 분당 50℃~1000℃, 바람직하게는 분당 100~500℃ 인 것이 적당하다.When heating the reversible oxidation-reduction converting agent using the plasma, the heating rate is preferably 50°C to 1000°C per minute, preferably 100 to 500°C per minute.

제2단계에서는 상기 환원 상태의 가역적 산화-환원 변환제에 이산화탄소(CO2), (H20) 중 하나 이상을 포함하는 가스를 접촉시켜 일산화탄소(CO), 수소(H2)를 생산한다(제2단계: 가역적 산화-환원 변환제의 산화 공정).In the second step, carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) are produced by contacting a gas containing one or more of carbon dioxide (CO 2 ) and (H 2 0) with the reversible oxidation-reduction converter in the reduced state ( Step 2: Oxidation process of reversible oxidation-reduction converting agent).

상기 제2단계에서의 가열은 제1단계에서의 배출가스 열을 사용할 수 있다. 이를 위하여 본 발명의 시스템은 열교환기(160)를 추가적으로 포함할 수도 있다. 상기 제1단계에서 외부로 배출되는 산소가스를 포함하는 불활성 가스는 매우 높은 고온인 반면, 상기 제2단계에서의 공급가스인 이산화탄소(CO2) 및 수증기(H20)는 저온에서 반응에 필요한 온도까지 가열되어야 하므로, 상기 제1단계의 배출가스와 제2단계의 공급가스를 상기 열교환기를 통과시켜 열교환하여 제2단계의 공급가스의 온도를 높여주는 과정을 거칠 수 있다. The heating in the second step may use the exhaust gas heat in the first step. To this end, the system of the present invention may additionally include a heat exchanger 160. While the inert gas including oxygen gas discharged to the outside in the first step is at a very high temperature, carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 0), which are the supply gases in the second step, are required for the reaction at a low temperature. Since it must be heated to a temperature, the exhaust gas of the first step and the supply gas of the second step pass through the heat exchanger to exchange heat, thereby increasing the temperature of the supply gas of the second step.

상기 열교환기는 원통다관식(Shell&Tube) 열교환기, 이중관식(Double Pipe Type) 열교환기, 평판형(Plate Type) 열교환기 또는 코일식(Coil Type) 열교환기 등의 형태 중 하나 이상으로 구성될 수 있다. The heat exchanger may be composed of at least one of a shell & tube heat exchanger, a double pipe type heat exchanger, a plate type heat exchanger, or a coil type heat exchanger. .

상기 제2단계에서의 필요 반응 온도는 제1단계에 비하여 훨씬 낮기 때문에 제2단계와 제1단계에서의 가스 유량을 적절히 조절 한다면, 제2단계에서는 제1단계의 배출가스의 폐열을 이용하는 것만으로도 반응에 필요한 열을 공급받을 수 있어 외부에서의 열에너지 공급을 피할 수 있다.Since the required reaction temperature in the second step is much lower than that of the first step, if the gas flow rate in the second step and the first step is properly adjusted, the second step only needs to use the waste heat of the exhaust gas of the first step. Also, heat required for the reaction can be supplied, so that the supply of heat energy from the outside can be avoided.

그러나 상기 폐열의 이용만으로 열에너지가 불충분할 경우에는 추가로 외부 가열 혹은 플라즈마에 의하여 열에너지를 공급해 줄 수 있다. However, when heat energy is insufficient only by the use of the waste heat, heat energy may be additionally supplied by external heating or plasma.

발명에 따른 가역적 산화-환원 변환제를 사용한 시스템에서, 상기 제1공정인 가역적 산화-환원 변환제의 환원 공정시의 온도는 1000 ℃ ~ 2000 ℃로 하고, 상기 제2공정인 가역적 산화-환원 변환제의 산화 공정시의 온도는 500 ℃ ~ 1400 ℃로 한다. 바람직하게는 상기 제1공정의 온도는 1400 ℃ ~ 1800 ℃로 하고, 상기 가역적 산화-환원 변환제의 산화 공정시의 온도는 900 ℃ ~ 1400 ℃로 설정한다. 상기 환원 공정시의 온도가 1000℃ 미만이면 환원이 일어나기 어려워지며, 2000℃가 넘어가면 열에너지의 효율성이 낮아진다. 또한 산화 공정시의 온도가 500℃ 이하이거나, 1400℃ 이상이면 산화반응이 일어나기 어려울 수 있다. In the system using the reversible oxidation-reduction converting agent according to the invention, the temperature during the reduction process of the first step, the reversible oxidation-reduction converter, is set to 1000° C. to 2000° C., and the second step, the reversible oxidation-reduction conversion. The temperature during the oxidizing process of the agent is set at 500°C to 1400°C. Preferably, the temperature of the first step is set to 1400°C to 1800°C, and the temperature of the reversible oxidation-reduction converter is set to 900°C to 1400°C. If the temperature at the time of the reduction process is less than 1000° C., reduction is difficult to occur, and when the temperature exceeds 2000° C., the efficiency of thermal energy decreases. In addition, when the temperature during the oxidation process is 500°C or less or 1400°C or more, it may be difficult for the oxidation reaction to occur.

또한, 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 시스템은, 플라즈마 발생 장치의 전력원으로서, 유동 전력(Fluctuating power)을 에너지원으로 사용한다.In addition, the system using plasma according to the present invention uses fluctuating power as an energy source as a power source of the plasma generating device.

상기 유동 전력(Fluctuating power)은 예로서, 화력 발전소, 원자력 발전소 등 발전소에서 수요 전력을 초과하여 생산되는 잉여 전력이거나, 태양력 에너지, 풍력 에너지 등 공급이 불안정한 재생에너지 등일 수 있다. 바람직하게는 화력 발전소에서 생산되는 잉여 전력을 이용하는 것이 화력 발전에서 필수적으로 발생하는 이산화탄소(CO2)를 개질 반응에 필요한 공급원료(feedstock)로 직접적으로 이용할 수 있기 때문에 좋다. The flowing power may be, for example, surplus power produced in excess of power demand in a power plant such as a thermal power plant or a nuclear power plant, or renewable energy in which supply is unstable, such as solar energy or wind energy. Preferably, the use of excess power produced in a thermal power plant is good because carbon dioxide (CO 2 ), which is essentially generated in thermal power generation, can be directly used as a feedstock required for the reforming reaction.

이와 같이, 발전소에서 초과 생산하여 발생하는 잉여 전력이나 전력 발생량 및 발생시간 등이 불규칙적인 재생에너지를 포함하는 유동 전력을 이용함으로써, 공정비용을 절약할 수 있고, 유동 전력 발생시 즉각적인 구동이 가능하기 때문에 불연속적으로 생산되는 재생에너지도 유동 전력으로 사용할 수 있게 된다.In this way, by using the surplus power generated by over-producing in the power plant or the floating power including renewable energy whose generation amount and generation time are irregular, it is possible to save the process cost and to immediately drive when the floating power is generated. Renewable energy produced discontinuously can also be used as current power.

또한, 본 발명에 따른 가역적 산화-환원 변환제를 사용하는 시스템은, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 가역적 산화-환원 변환제의 환원 공정과 산화 공정은 하나의 산화-환원 변환 반응기에서 수행될 수도 있고, 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 가역적 산화-환원 변환제의 환원 공정과 산화 공정은 각각 별개의 산화-환원 변환 반응기에서 수행될 수도 있다. 즉, 상기 가역적 산화-환원 변환제의 환원 공정은 제1 산화-환원 변환 반응기(110)에서 수행되도록 하고, 상기 가역적 산화-환원 변환제의 산화 공정은 제2 산화-환원 변환 반응기(110′)에서 수행되도록 할 수도 있는 것이다.In addition, the system using the reversible oxidation-reduction converter according to the present invention, as shown in Figure 3, the reduction process and the oxidation process of the reversible oxidation-reduction converter is performed in one oxidation-reduction conversion reactor. 1 and 2, the reduction process and the oxidation process of the reversible oxidation-reduction conversion agent may be performed in separate oxidation-reduction conversion reactors, respectively. That is, the reduction process of the reversible oxidation-reduction conversion agent is performed in the first oxidation-reduction conversion reactor 110, and the oxidation process of the reversible oxidation-reduction conversion agent is the second oxidation-reduction conversion reactor 110 ′. It can also be done in a way.

상기 가역적 산화-환원 변환제의 환원 공정과 산화 공정은 하나의 산화-환원 변환 반응기에서 수행될 경우, 가역적 산화-환원 변환제 산화 공정에서는 산화-환원 변환 반응기 내로 이산화탄소(CO2), 수증기(H20) 중 하나 이상을 포함하는 가스를 공급하고, 산화상태의 가역적 산화-환원 변환제의 환원 공정에서는 산화-환원 변환 반응기 내로 불활성가스를 공급한다.When the reversible oxidation-reduction conversion agent reduction process and the oxidation process are performed in one oxidation-reduction conversion reactor, in the reversible oxidation-reduction conversion agent oxidation process, carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H) into the oxidation-reduction conversion reactor. 2 A gas containing at least one of 0) is supplied, and in the reduction process of the reversible oxidation-reduction converter in an oxidized state, an inert gas is supplied into the oxidation-reduction conversion reactor.

또한, 상기 가역적 산화-환원 변환제의 환원 공정과 산화 공정은 각각 별개의 산화-환원 변환 반응기에서 수행될 경우, 상기 제1 산화-환원 변환 반응기(110) 내의 환원상태의 가역적 산화-환원 변환제를 상기 제2 산화-환원 변환 반응기(110′)로 공급하고, 상기 제2 산화-환원 변환 반응기 내의 산화상태의 가역적 산화-환원 변환제를 상기 제1 산화-환원 변환 반응기로 공급하여 산화-환원 변환제를 이동시킬 수도 있으며, 산화-환원 변환제의 산화와 환원상태에 따라 공급하는 가스를 전환하는 방식을 사용할 수도 있다. In addition, when the reduction process and the oxidation process of the reversible oxidation-reduction conversion agent are performed in separate oxidation-reduction conversion reactors, respectively, the reversible oxidation-reduction conversion agent in a reduced state in the first oxidation-reduction conversion reactor 110 Is supplied to the second oxidation-reduction conversion reactor (110 ′), and a reversible oxidation-reduction conversion agent in an oxidation state in the second oxidation-reduction conversion reactor is supplied to the first oxidation-reduction conversion reactor, thereby oxidation-reduction. The converting agent may be moved, and a method of converting the supplied gas according to the oxidation and reduction states of the oxidation-reduction converting agent may be used.

한편, 본 발명의 산화-환원 변환 반응기의 형태는 고정층(fixed bed), 유동층(fluidized bed)이나 이동층(moving bed), 혹은 가역적 산화-환원 변환제가 가스 흐름과 동반되는 분류층(entrained flow bed) 등일 수 있다. On the other hand, the form of the oxidation-reduction conversion reactor of the present invention is a fixed bed, a fluidized bed or a moving bed, or an entrained flow bed in which a reversible oxidation-reduction converter is accompanied by a gas flow. ), etc.

또한, 본 발명에 따른 가역적 산화-환원 변환제를 사용하는 시스템은, 피셔-트롭쉬(FiscHer-TropscH) 반응기를 추가적으로 포함하며, 상기 피셔-트롭쉬 반응기를 이용하여 상기 산화-환원 변환 반응기에서 생산되는 합성가스로부터 탄화수소(가솔린, 디젤, 등유 등) 연료를 생산할 수도 있다. In addition, the system using the reversible oxidation-reduction converter according to the present invention additionally includes a FiscHer-TropscH reactor, and is produced in the oxidation-reduction conversion reactor using the Fischer-Tropsch reactor. Hydrocarbon (gasoline, diesel, kerosene, etc.) fuel can also be produced from syngas.

이하, 본 발명에 따른 플라즈마를 이용한 가역적 산화-환원 변환 시스템에 대하여 실험예 등을 통하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a reversible oxidation-reduction conversion system using plasma according to the present invention will be described in detail through experimental examples.

본 발명의 바람직한 실시예에 대한 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.In describing the principle of the preferred embodiment of the present invention in detail, when it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, a detailed description thereof will be omitted.

<실험예 1> 세리아에서 격자 산소를 제거하여 산소가 결핍된 상태로의 전환<Experimental Example 1> Conversion to an oxygen-deficient state by removing lattice oxygen from ceria

<비교예 1-1><Comparative Example 1-1>

플라즈마를 이용한 세리아의 환원 실험의 대조군으로 외부 가열을 이용한 세리아의 환원실험을 진행하였다. 이를 위해 열중량 분석기 (Setaram Instrumntation 社, SETSYS Evolution TGA)를 이용하였다. 먼저 분석기 내의 다른 물질로부터 산소가 발생하는지 확인하기 위해 세리아를 넣지 않은 상태로 실험을 진행하였다. Ar 가스를 120 cc/min의 속도로 분석기 내로 공급하였고, 산소 농도를 정량하기 위해 산소 측정기 (제디스 社, ZR-5)를 이용하였다. 승온 단계는 도4에 도시된 것과 동일한 과정으로 승온하였다. 승온속도는 10℃/min 로 1600℃ 까지 승온하여 1 시간 유지하였다. Ar 가스 투입 후 분석기 챔버 내의 산소가 Ar 유입으로 인해 천천히 줄어들다가 약 140분 후 산소가 전혀 측정되지 않았으며, 이 후 1600℃ 까지 승온 과정 및 승온 후에도 산소가 전혀 측정이 되지 않았다. 이로써 분석기 내에는 산소 발생원이 없는 것을 확인하였다.As a control for the reduction experiment of ceria using plasma, an experiment of reduction of ceria using external heating was conducted. For this, a thermogravimetric analyzer (Setaram Instrumntation, SETSYS Evolution TGA) was used. First, the experiment was conducted without ceria in order to check whether oxygen was generated from other substances in the analyzer. Ar gas was supplied into the analyzer at a rate of 120 cc/min, and an oxygen meter (Jedith, ZR-5) was used to quantify the oxygen concentration. In the heating step, the temperature was raised in the same process as shown in FIG. 4. The temperature increase rate was increased to 1600°C at 10°C/min and maintained for 1 hour. After the introduction of Ar gas, oxygen in the analyzer chamber slowly decreased due to the introduction of Ar. After about 140 minutes, oxygen was not measured at all. After that, oxygen was not measured at all even after heating up to 1600°C and after heating. This confirmed that there was no oxygen generating source in the analyzer.

<비교예 1-2><Comparative Example 1-2>

상기 비교예 1-1의 분석기 내에 세리아 분말 114.9 mg 준비하였으며, 비교예 1-1에서와 같은 방식으로 Ar (120cc/min)을 투입하였다. 상기 비교예 1-1과 같이 Ar을 흘린 후 140분에서는 산소가 측정되지 않는 것을 확인하였다. 승온 단계는 도 4에 도시된 바와 같으며 승온속도는 10℃/min 로 하여 1600℃ 까지 승온하여 1 시간 유지하였다. 세리아에서 외부로 배출되는 산소를 정량하기 위해 산소 측정기 (제디스 社, ZR-5)를 이용하였다. 도 4에서와 같이 측정 기준 240분 시점 (1200oC)에서부터 산소가 측정되는 것을 확인하였으며, 이는 세리아로부터 생성된 산소로서, 그 발생 양을 정량하여 표1에 나타내었다. 표 1에서 산소발생 소요시간은 세리아에서 산소가 발생하기 시작하여 더 이상의 격자산소가 빠져나오지 않을 때까지의 시간을 의미한다. 온도 실험에 사용된 세리아 (CeO2) 가 최대로 환원되었을 경우(CeO2 => Ce2O3) 발생되는 산소의 질량(이론 산소 발생질량)은 5.337mg 인데, 비교예 1-2 실험에서는 0.3167 mg 으로 이론값 대비 5.9% 수준이며, 상기 산소가 모두 제거되는데 소요되는 시간은 약 23.5분 이었다. 114.9 mg of ceria powder was prepared in the analyzer of Comparative Example 1-1, and Ar (120 cc/min) was added in the same manner as in Comparative Example 1-1. As in Comparative Example 1-1, it was confirmed that oxygen was not measured in 140 minutes after flowing Ar. The heating step is as shown in FIG. 4 and the temperature was raised to 1600°C at a rate of 10°C/min and maintained for 1 hour. An oxygen meter (Jedis, ZR-5) was used to quantify oxygen discharged from ceria to the outside. As shown in FIG. 4, it was confirmed that oxygen was measured from 240 minutes (1200 o C) of the measurement standard, which is oxygen generated from ceria, and the amount of the generated is quantified and shown in Table 1. In Table 1, the time required for oxygen generation refers to the time until oxygen starts to be generated in ceria and no more lattice oxygen escapes. When ceria (CeO 2 ) used in the temperature experiment is reduced to the maximum (CeO 2 => Ce 2 O 3 ), the mass of oxygen generated (theoretical oxygen generation mass) is 5.337 mg, but in Comparative Example 1-2 experiment, 0.3167 It is a level of 5.9% of the theoretical value in mg, and the time required to remove all of the oxygen was about 23.5 minutes.

[표 1][Table 1]

Figure 112019031939942-pat00001
Figure 112019031939942-pat00001

<실시예 1><Example 1>

플라즈마 장비 실험 내부에 4g 의 실린더 형태 세리아 (공극률 42%)를 배치하였다. 세리아에서 외부로 배출되는 산소를 정량하기 위해 산소 측정기 (제디스 社, ZR-5)를 이용하였다. 플라즈마 산화/환원 반응 전에 Ar 으로 퍼지 작업을 통해 산소가 측정되지 않도록 준비하였으며, 플라즈마를 생성시키기 위해 저압으로 낮춘 이후 플라즈마를 발생시켜 세리아의 환원반응을 진행하였으며, 플라즈마 발생 시작 후부터의 산소농도 측정 값을 도 5에 나타내었다. 이 때 공급 되는 Ar양은 24 L/min 이다. 플라즈마 장비는 짧은 시간 (5분 이내) 1600℃ 이상의 고온까지 승온 시킬 수 있기 때문에 도 5에서 보는 바와 같이 플라즈마 생성 후 단시간에 세리아의 격자산소가 제거되는 온도까지 승온되므로 약 4분 안에 산소가 측정 되는 것을 확인할 수 있다. A 4g cylinder-shaped ceria (42% porosity) was placed inside the plasma equipment experiment. An oxygen meter (Jedis, ZR-5) was used to quantify oxygen discharged from ceria to the outside. Before the plasma oxidation/reduction reaction, it was prepared so that oxygen was not measured by purging with Ar. After lowering the pressure to low pressure to generate the plasma, the plasma was generated to proceed with the reduction reaction of ceria, and the measured value of oxygen concentration from the start of plasma generation Is shown in FIG. 5. The amount of Ar supplied at this time is 24 L/min. Since the plasma equipment can raise the temperature to a high temperature of 1600℃ or higher for a short time (within 5 minutes), as shown in Fig. 5, the oxygen is measured in about 4 minutes since it is heated to the temperature at which the lattice oxygen of ceria is removed in a short time after plasma generation. Can be confirmed.

플라즈마 내부의 챔버 온도는 순간적으로 온도가 증가되어 일정하게 승온속도를 유지할 수는 없으나 5분 내에 1600℃로 승온되는 것은 확인되었다. 산소 발생량은 표 2에 나타내었으며, 이론 산소 발생량 대비 약 7.1 %의 산소가 발생하였으며, 산소발생 지속시간은 0.53분 이었다.It was confirmed that the temperature of the chamber inside the plasma increased instantaneously, so that the temperature rising rate could not be maintained at a constant rate, but the temperature was increased to 1600°C within 5 minutes. The oxygen generation amount is shown in Table 2, and about 7.1% of oxygen was generated compared to the theoretical oxygen generation amount, and the oxygen generation duration was 0.53 minutes.

실시예1과 비교예1-2를 대비하여 보면, 플라즈마를 이용할 경우 일반적인 승온 장비 (열중량 분석기)를 이용하는 경우 보다 승온속도가 매우 빨라 가역적 산화-환원 변환제에서 격자 산소를 제거하여 산소가 결핍된 상태로의 전환에 소요되는 시간이 훨씬 짧고, 또한 산환-환원 변환제의 환원도도 더 높으며, 산소발생 소요시간도 크게 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이로서 플라즈마를 활용할 경우 통상적인 가열 설비를 이용하는 경우에 비하여, 매우 빠른 시간 내에 더 효율적으로 산화-환원 변환 반응을 진행할 수 있다는 것을 확인할 수 있다. In contrast to Example 1 and Comparative Example 1-2, when plasma is used, the heating rate is much faster than when a general temperature increasing equipment (thermogravimetric analyzer) is used, so that the reversible oxidation-reduction converter removes lattice oxygen, thereby depleting oxygen. It can be seen that the time required for conversion to the state is much shorter, the degree of reduction of the oxidation-reduction converting agent is higher, and the time required for oxygen generation is also greatly reduced. As a result, it can be seen that when using plasma, the oxidation-reduction conversion reaction can be carried out more efficiently within a very short time compared to the case of using a conventional heating facility.

[표 2][Table 2]

Figure 112019031939942-pat00002
Figure 112019031939942-pat00002

<실험예 2> 산소 결핍 세리아로부터 스팀 공급을 통한 수소 생산 실험<Experimental Example 2> Hydrogen production experiment through steam supply from oxygen-deficient ceria

<비교예 2-1><Comparative Example 2-1>

스팀의 온도에 의한 열분해 가능성을 확인하기 위하여 세리아를 장착하지 않은 상태에서 열중량 분석기 (Setaram Instrumntation 社, SETSYS Evolution TGA)의 온도를 900℃로 유지하였고, 스팀과 Ar의 온도를 900℃로 설정하여 각각 50 cc/min 으로 공급하였다. 수소의 발생량을 정량하기 위해 가스크로마토그래피 (영린기기 社, YL 6100)를 이용하였다. 실험에서는 수소가 발생되지 않음을 확인하였다. In order to check the possibility of thermal decomposition by the temperature of the steam, the temperature of the thermogravimetric analyzer (Setaram Instrumntation, SETSYS Evolution TGA) was maintained at 900℃ without ceria, and the temperature of steam and Ar was set to 900℃. Each was supplied at 50 cc/min. Gas chromatography (Youngrin, YL 6100) was used to quantify the amount of hydrogen generated. In the experiment, it was confirmed that hydrogen was not generated.

<비교예 2-2><Comparative Example 2-2>

실험예 1에서의 비교예 1-2의 조건에서 만들어진 격자산소가 결핍된 세리아에 스팀을 공급하여 수소 발생량을 정량하였다. 스팀과 Ar의 온도를 900℃로 설정하여 각각 50 cc/min 으로 공급하였다. 수소의 발생량을 정량하기 위해 가스크로마토 그래피 (영린기기 社, YL 6100)를 이용하여, 표 3 과 같은 결과를 얻었으며, 결핍된 산소 대비 생산된 수소의 비율은 81% 수준임을 확인하였다. 상기 결핍된 산소 대비 생산된 수소의 비율은 세리아의 결핍된 산소가 모두 채워질 경우 발생하는 수소 부피의 이론값(이론 수소 발생 부피)을 이용하여 계산하였다.Steam was supplied to ceria deficient in lattice oxygen produced under the conditions of Comparative Example 1-2 in Experimental Example 1 to quantify the amount of hydrogen generated. The temperature of steam and Ar was set to 900°C and supplied at 50 cc/min, respectively. In order to quantify the amount of hydrogen generated, gas chromatography (YL 6100, YL 6100) was used to obtain the results shown in Table 3, and it was confirmed that the ratio of produced hydrogen to depleted oxygen was 81%. The ratio of the produced hydrogen to the depleted oxygen was calculated using the theoretical value of the volume of hydrogen generated when all of the depleted oxygen of ceria is filled (theoretical hydrogen generation volume).

[표 3][Table 3]

Figure 112019031939942-pat00003
Figure 112019031939942-pat00003

2) 실시예 2 2) Example 2

실험예 1에서의 실시예 1의 조건에서 격자산소가 결핍된 세리아에 스팀을 공급하여 수소 발생량을 정량하였다. 스팀과 Ar의 온도를 900℃로 설정하여 각각 12 L/min 으로 공급하였다. 수소의 발생량을 정량하기 위해 가스크로마토 그래피 (영린기기 社, YL 6100)를 이용하였으며, 표 4와 같은 결과를 얻었다. 결핍된 산소량 대비 생산된 수소의 몰 비는 85% 수준임을 확인하였다. In Experimental Example 1, under the conditions of Example 1, steam was supplied to ceria deficient in lattice oxygen to quantify the amount of hydrogen generated. The temperature of steam and Ar was set to 900°C and supplied at 12 L/min, respectively. Gas chromatography (Youngrin, YL 6100) was used to quantify the amount of hydrogen generated, and the results shown in Table 4 were obtained. It was confirmed that the molar ratio of produced hydrogen to the amount of oxygen depleted was 85%.

상기 비교예 2-2와 실시예 2를 대비하여 보면, 본 발명에 따른 실시예 2의 수소 생성이 더 높게 나타나는데, 이는 본 발명에 따른 플라즈마를 이용하여 환원한 산화-환원 변환제의 환원도가 더 높아 물의 분해가 더 잘 이루어지기 때문으로 추측된다.When comparing Comparative Example 2-2 and Example 2, the hydrogen generation of Example 2 according to the present invention is higher, which is the degree of reduction of the oxidation-reduction converting agent reduced by using the plasma according to the present invention. It is presumed to be because it is higher and the water is more easily decomposed.

[표 4] [Table 4]

Figure 112019031939942-pat00004
Figure 112019031939942-pat00004

<< 실험예Experimental example 3> 산소 결핍 3> oxygen starvation 세리아에Seria 의한 이산화탄소의 일산화탄소 전환 실험 Carbon monoxide conversion experiment of carbon dioxide by

<비교예 3-1><Comparative Example 3-1>

이산화탄소의 온도에 의한 열분해 가능성을 확인하기 위하여 세리아를 장착하지 않은 상태에서 열중량 분석기 (Setaram Instrumntation 社, SETSYS Evolution TGA)의 온도를 900℃로 유지하였고, CO2와 Ar의 온도를 900℃로 설정하여 각각 50 cc/min 으로 공급하였다. 일산화탄소의 발생량을 정량하기 위해 가스크로마토 그래피 (영린기기 社, YL 6100)를 이용하였다. 실험에서는 일산화탄소가 발생되지 않음을 확인하였다. In order to check the possibility of thermal decomposition by the temperature of carbon dioxide, without ceria The temperature of the thermogravimetric analyzer (Setaram Instrumntation, SETSYS Evolution TGA) was maintained at 900°C, and the temperatures of CO 2 and Ar were set at 900°C, respectively, and supplied at 50 cc/min. Gas chromatography (Youngrin, YL 6100) was used to quantify the amount of carbon monoxide generated. In the experiment, it was confirmed that no carbon monoxide was generated.

(2) 비교예 3-2(2) Comparative Example 3-2

비교예 1-2의 조건에서 격자산소가 결핍된 세리아에 이산화탄소를 공급하여 생성되는 일산화탄소의 발생량을 정량하였다. 이산화탄소와 Ar의 온도를 900℃로 설정하여 각각 50 cc/min 으로 공급하였다. 일산화탄소의 발생량을 정량하기 위해 가스크로마토 그래피 (영린기기 社, YL 6100)를 이용하였고, 표 5에 결과를 나타내었다. 결핍된 산소량 대비 생산된 일산화탄소의 몰비는 89% 수준임을 확인하였다. 상기 결핍된 산소 대비 생산된 CO의 비율은 상기 세리아의 결핍된 산소가 모두 채워질 경우 발생하는 CO 부피의 이론값(이론 CO 발생 부피)을 이용하여 계산하였다.The amount of carbon monoxide generated by supplying carbon dioxide to ceria deficient in lattice oxygen under the conditions of Comparative Example 1-2 was quantified. The temperatures of carbon dioxide and Ar were set at 900° C. and supplied at 50 cc/min, respectively. In order to quantify the amount of carbon monoxide generated, gas chromatography (Youngrin Machinery Co., Ltd., YL 6100) was used, and the results are shown in Table 5. It was confirmed that the molar ratio of produced carbon monoxide to the amount of oxygen depleted was 89%. The ratio of the produced CO to the depleted oxygen was calculated using the theoretical value of the CO volume (theoretical CO generation volume) generated when all the depleted oxygen of the ceria is filled.

[표 5][Table 5]

Figure 112019031939942-pat00005
Figure 112019031939942-pat00005

2) 실시예 3 2) Example 3

실험예 1에서의 실시예 1 조건에서 격자산소가 결핍된 세리아에 이산화탄소를 공급하여 생성되는 일산화탄소의 발생량을 정량하였다. 이산화탄소와 Ar의 온도를 900℃로 설정하여 각각 12 L/min 으로 공급하였다. 일산화탄소의 발생량을 정량하기 위해 가스크로마토 그래피 (영린기기 社, YL 6100)를 이용하였다. 표 6과 같은 결과를 얻었으며, 결핍된 산소량 대비 생산된 일산화탄소의 몰 비는 90% 수준임을 확인하였다. The amount of carbon monoxide generated by supplying carbon dioxide to ceria deficient in lattice oxygen under the conditions of Example 1 in Experimental Example 1 was quantified. The temperatures of carbon dioxide and Ar were set at 900° C. and supplied at 12 L/min, respectively. Gas chromatography (Youngrin, YL 6100) was used to quantify the amount of carbon monoxide generated. The results shown in Table 6 were obtained, and it was confirmed that the molar ratio of the produced carbon monoxide to the amount of deficient oxygen was at the level of 90%.

상기 비교예 3-2와 실시예 3을 대비하여 보면, 본 발명에 따른 실시예 3의 일산화탄소 생성이 더 높게 나타나는데, 이는 본 발명에 따른 플라즈마를 이용하여 환원한 산화-환원 변환제의 환원도가 더 높아 일산화탄소를 더 잘 분해하기 때문으로 추측된다.When comparing the Comparative Example 3-2 and Example 3, the carbon monoxide generation of Example 3 according to the present invention is higher, which is the degree of reduction of the oxidation-reduction converting agent reduced using the plasma according to the present invention. It is presumed to be because it is higher and better decomposes carbon monoxide.

[표 6][Table 6]

Figure 112019031939942-pat00006
Figure 112019031939942-pat00006

이상으로 본 발명은 첨부된 도면과 실시예, 비교예 등을 참조하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술에 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.As described above, the present invention has been described with reference to the accompanying drawings, examples, and comparative examples, but this is only exemplary, and various modifications and equivalent other implementations from those of ordinary skill in the art pertaining to the art. You will understand that an example is possible. Therefore, the technical protection scope of the present invention should be determined by the following claims.

110, 110′ : 산화-환원 변환 반응기
120 : 플라즈마 발생장치
121 : 가열장치
130, 130′ : 가스 유입부
140, 140′ : 가스 배출부
150 : 전원 공급부
160 : 열교환기
110, 110′: oxidation-reduction conversion reactor
120: plasma generating device
121: heating device
130, 130′: gas inlet
140, 140′: gas discharge unit
150: power supply
160: heat exchanger

Claims (11)

이산화탄소 및/또는 수증기를 포함한 원료가스로부터 일산화탄소 및/또는 수소를 포함하는 생성가스 제조 시스템에 있어서,
가역적 산화-환원 변환제가 충전될 수 있도록 내부에 공간이 형성된 산화-환원 변환 반응기;
상기 산화-환원 변환 반응기의 내부 공간에 플라즈마를 발생시킬 수 있는 플라즈마 발생장치;
상기 산화-환원 변환 반응기의 내부 공간으로 불활성가스, 이산화탄소(CO2), 수증기(H20) 중 하나 이상을 공급할 수 있도록 하는 가스 유입부; 및
상기 산화-환원 변환 반응기에서 생성된 합성가스를 포함한 가스를 외부로 배출할 수 있도록 하는 가스 배출부; 를 포함하되,
상기 생성가스 제조 시스템은 가역적 산화-환원 변환제의 환원 공정에서는 산화-환원 변환 반응기 내로 불활성가스를 공급하여 가역적 산화-환원 변환제가 환원되면서 빠져나온 격자산소가 가스로 배출되도록 하고,
가역적 산화-환원 변환제의 산화공정에서는, 이산화탄소 및/또는 수증기를 포함하는 원료가스를 공급하여 환원상태의 가역적 산화-환원 변환제가 산화되면서 원료가스로부터 산소를 빼앗아 일산화탄소 및/또는 수소를 포함하는 생성가스를 생성하도록 구성되며,
상기 플라즈마 발생장치를 통해 가역적 산화-환원 변환제의 환원 공정에 필요한 열을 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 가역적 산화-환원 변환제를 이용한 이산화탄소 및/또는 수증기를 포함한 원료가스로부터 일산화탄소 및/또는 수소의 생성가스 제조 시스템.
In a product gas production system containing carbon monoxide and/or hydrogen from a source gas containing carbon dioxide and/or water vapor,
An oxidation-reduction conversion reactor having a space formed therein so that the reversible oxidation-reduction conversion agent can be filled;
A plasma generator capable of generating plasma in the inner space of the oxidation-reduction conversion reactor;
A gas inlet for supplying one or more of an inert gas, carbon dioxide (CO 2 ), and water vapor (H 2 0) to the internal space of the oxidation-reduction conversion reactor; And
A gas discharge unit for discharging the gas including the syngas generated in the oxidation-reduction conversion reactor to the outside; Including,
The product gas production system supplies an inert gas into the oxidation-reduction conversion reactor in the reduction process of the reversible oxidation-reduction converting agent so that lattice oxygen escaped while the reversible oxidation-reduction converting agent is reduced is discharged as gas,
In the oxidation process of the reversible oxidation-reduction converting agent, a source gas containing carbon dioxide and/or water vapor is supplied to oxidize the reversible oxidation-reduction converting agent in a reduced state while taking oxygen from the source gas to produce carbon monoxide and/or hydrogen. Is configured to generate gas,
Carbon monoxide and/or hydrogen from a source gas including carbon dioxide and/or water vapor using a reversible oxidation-reduction converting agent, characterized in that it is configured to supply heat necessary for the reduction process of the reversible oxidation-reduction converting agent through the plasma generator. Production gas production system.
제1항에 있어서,
상기 가역적 산화-환원 변환제의 환원 공정에서 상기 산화-환원 변환 반응기의 외부로 배출되는 고온의 배출가스의 열을 이용하여, 상기 산화공정에서 산화-환원 변환 반응기 내부로 공급되는 상기 원료가스를 가열하는 열교환기;를 추가적으로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가역적 산화-환원 변환제를 이용한 이산화탄소 및/또는 수증기를 포함한 원료가스로부터 일산화탄소 및/또는 수소를 포함하는 생성가스 제조 시스템.
The method of claim 1,
Heating the raw material gas supplied to the inside of the oxidation-reduction conversion reactor in the oxidation process by using the heat of the high-temperature exhaust gas discharged to the outside of the oxidation-reduction conversion reactor in the reduction process of the reversible oxidation-reduction conversion agent. A system for producing a product gas comprising carbon monoxide and/or hydrogen from a source gas including carbon dioxide and/or steam using a reversible oxidation-reduction converter, further comprising: a heat exchanger.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 플라즈마 발생장치를 사용하여 가역적 산화-환원 변화제의 산화 공정에도 열에너지를 공급하는 것을 특징으로 하는 가역적 산화-환원 변환제를 이용한 이산화탄소 및/또는 수증기를 포함한 원료가스로부터 일산화탄소 및/또는 수소를 포함하는 생성가스 제조 시스템.
The method according to claim 1 or 2,
Including carbon monoxide and/or hydrogen from a source gas including carbon dioxide and/or water vapor using a reversible oxidation-reduction converter, characterized in that heat energy is supplied to the oxidation process of the reversible oxidation-reduction converter using the plasma generator. The generated gas production system.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 플라즈마 발생장치는 유동 전력으로 구동되며,
상기 유동 전력은 발전소에서 초과 생산하여 발생하는 잉여 전력, 야간의 잉여 전력 및 재생에너지를 포함하는 것을 특징으로 하는 가역적 산화-환원 변환제를 이용한 이산화탄소 및/또는 수증기를 포함한 원료가스로부터 일산화탄소 및/또는 수소를 포함하는 생성가스 제조 시스템.
The method according to claim 1 or 2,
The plasma generating device is driven by flowing power,
The flow power is carbon monoxide from raw material gas including carbon dioxide and/or water vapor using a reversible oxidation-reduction converter, characterized in that it includes surplus power generated by excess production in a power plant, surplus power at night, and renewable energy. A production gas production system containing hydrogen.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 가역적 산화-환원 변환제는, 형석형 구조를 가지는 금속 산화물; 스피넬 구조를 가지는 금속 산화물; 일반식 ABO3(A 및 B는 금속 원소)로 표시되는 페로브스카이트형 구조를 가지는 산화물; 일반식 A2B2O5(A 및 B는 금속 원소)로 표시되는 브라운 미라 라이트형 구조를 가지는 산화물; AlOx, MnOx, FeOx, CoOx, NiOx, CrOx, BiOx, GaOx, BOx, LaOx, CeOx 중 선택되는 적어도 하나 이상을 사용하는 것을 특징으로 하는, 가역적 산화-환원 변환제를 이용한 이산화탄소 및/또는 수증기를 포함한 원료가스로부터 일산화탄소 및/또는 수소를 포함하는 생성가스 제조 시스템.
The method according to claim 1 or 2,
The reversible oxidation-reduction converting agent may include a metal oxide having a fluorspar-like structure; Metal oxides having a spinel structure; Oxides having a perovskite structure represented by the general formula ABO 3 (A and B are metal elements); Oxides having a brown miralite structure represented by the general formula A 2 B 2 O 5 (A and B are metal elements); AlOx, MnOx, FeOx, CoOx, NiOx, CrOx, BiOx, GaOx, BOx, LaOx, characterized by using at least one selected from CeOx, including carbon dioxide and/or water vapor using a reversible oxidation-reduction converter A production gas production system containing carbon monoxide and/or hydrogen from a source gas.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 산화-환원 변환 반응기는 적어도 하나 이상으로 구비되며,
각각의 산화-환원 변환 반응기에서 상기 가역적 산화-환원 변환제의 환원 공정과 산화 공정이 모두 수행되는 것을 특징으로 하는 가역적 산화-환원 변환제를 이용한 이산화탄소 및/또는 수증기를 포함한 원료가스로부터 일산화탄소 및/또는 수소를 포함하는 생성가스 제조 시스템.
The method according to claim 1 or 2,
The oxidation-reduction conversion reactor is provided with at least one or more,
Carbon monoxide and/or carbon monoxide from a source gas including carbon dioxide and/or water vapor using a reversible oxidation-reduction converter, characterized in that both the reduction process and the oxidation process of the reversible oxidation-reduction converter are performed in each oxidation-reduction conversion reactor. Or a production gas production system containing hydrogen.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 산화-환원 변환 반응기는 적어도 둘 이상으로 구비되며, 상기 가역적 산화-환원 변환제의 환원 공정과 산화 공정은 각각 별개의 산화-환원 변환 반응기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 가역적 산화-환원 변환제를 이용한 이산화탄소 및/또는 수증기를 포함한 원료가스로부터 일산화탄소 및/또는 수소를 포함하는 생성가스 제조 시스템.
The method according to claim 1 or 2,
The oxidation-reduction conversion reactor is provided in at least two or more, and the reversible oxidation-reduction conversion agent is characterized in that the reduction process and the oxidation process of the reversible oxidation-reduction conversion agent are performed in separate oxidation-reduction conversion reactors. A product gas production system containing carbon monoxide and/or hydrogen from a source gas containing carbon dioxide and/or water vapor used.
가역적 산화-환원 변환제를 사용한 이산화탄소 및/또는 수증기를 포함한 원료가스로부터 일산화탄소 및/또는 수소를 포함하는 생성가스를 제조하는 방법에 있어서,
(1) 내부 공간에 산화상태의 가역적 산화-환원 변환제가 충전되어 있는 산화-환원 변환 반응기 내로 불활성가스를 공급하고, 플라즈마를 발생시켜 열에너지를 공급하여 상기 산화상태의 가역적 산화-환원 변환제를 환원시키며, 상기 가역적 산화-환원 변환제로부터 빠져나온 격자산소는 가스로 배출되도록 하는 제1단계; 및
(2) 상기 제1단계 후 환원상태의 가역적 산화-환원 변환제가 충전되어 있는 공간으로 상기 이산화탄소 및/또는 수증기를 포함한 원료가스를 공급하여 상기 가역적 산화-환원 변환제가 산화되면서 상기 이산화탄소 및/또는 수증기를 포함한 원료가스로부터 산소를 빼앗아 상기 일산화탄소 및/또는 수소를 포함하는 생성가스를 생산하는 제2단계;를 포함하는 가역적 산화-환원 변환제를 사용하여 이산화탄소 및/또는 수증기를 포함한 원료가스로부터 일산화탄소 및/또는 수소를 포함하는 생성가스를 제조하는 방법.
In the method for producing a product gas containing carbon monoxide and/or hydrogen from a source gas containing carbon dioxide and/or water vapor using a reversible oxidation-reduction converter,
(1) An inert gas is supplied into an oxidation-reduction conversion reactor filled with an oxidized-state reversible oxidation-reduction converter in the internal space, and plasma is generated to supply thermal energy to reduce the oxidized-state reversible oxidation-reduction converter. And a first step of allowing lattice oxygen to escape from the reversible oxidation-reduction converter to be discharged as a gas; And
(2) After the first step, a source gas including carbon dioxide and/or water vapor is supplied to a space filled with a reversible oxidation-reduction converter in a reduced state, and the carbon dioxide and/or water vapor is oxidized while the reversible oxidation-reduction converter is oxidized. A second step of producing a product gas containing carbon monoxide and/or hydrogen by depriving oxygen from a source gas including carbon monoxide from a source gas including carbon dioxide and/or water vapor using a reversible oxidation-reduction converting agent containing, and / Or a method for producing a product gas containing hydrogen.
제8항에 있어서,
제1단계에서 상기 산화-환원 변환 반응기 외부로 배출되는 고온의 배출가스의 열을 이용하여, 제2단계의 산화-환원 변환 반응기 내부로 공급되는 공급물을 가열하는 것을 특징으로 하는 가역적 산화-환원 변환제를 사용하여 이산화탄소 및/또는 수증기를 포함한 원료가스로부터 일산화탄소 및/또는 수소를 포함하는 생성가스를 제조하는 방법.
The method of claim 8,
Reversible oxidation-reduction, characterized in that heating the feed supplied to the inside of the oxidation-reduction conversion reactor of the second stage by using the heat of the high-temperature exhaust gas discharged to the outside of the oxidation-reduction conversion reactor in the first step. A method of producing a product gas containing carbon monoxide and/or hydrogen from a source gas containing carbon dioxide and/or water vapor using a converting agent.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 제1단계의 플라즈마의 발생은 발전소에서 초과 생산하여 발생하는 잉여 전력, 야간의 잉여 전력 및 재생에너지 중 하나 이상의 유동 전력으로 구동되는 것을 특징으로 하는 가역적 산화-환원 변환제를 사용하여 이산화탄소 및/또는 수증기를 포함한 원료가스로부터 일산화탄소 및/또는 수소를 포함하는 생성가스를 제조하는 방법.
The method according to claim 8 or 9,
The generation of the plasma in the first step is performed by using a reversible oxidation-reduction converting agent, characterized in that it is driven by at least one flowing power among surplus power generated by excess production in a power plant, surplus power at night, and renewable energy. Or a method for producing a product gas containing carbon monoxide and/or hydrogen from a source gas containing steam.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 가역적 산화-환원 변환제의 환원 단계의 온도는 1000 ℃ ~ 2000 ℃로 하고, 상기 가역적 산화-환원 변환제의 산화 단계의 온도는 500 ℃ ~ 1400 ℃로 하는 것을 특징으로 하는 가역적 산화-환원 변환제를 사용하여 이산화탄소 및/또는 수증기를 포함한 원료가스로부터 일산화탄소 및/또는 수소를 포함하는 생성가스를 제조하는 방법.

The method according to claim 8 or 9,
Reversible oxidation-reduction conversion, characterized in that the temperature of the reduction step of the reversible oxidation-reduction converter is 1000 ℃ ~ 2000 ℃, the temperature of the oxidation step of the reversible oxidation-reduction converter is 500 ℃ ~ 1400 ℃ A method of producing a product gas containing carbon monoxide and/or hydrogen from a source gas containing carbon dioxide and/or water vapor using an agent.

KR1020190035869A 2018-03-30 2019-03-28 System for producing carbon monoxide and hydrogen from carbon dioxide and steam through a redox process and the method thereof KR102251314B1 (en)

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