KR102255606B1 - 신재생 전력이용 메탄화 시스템과 가스화 시스템을 포함하는 메탄화 시스템 및 이를 이용한 메탄가스 제조방법 - Google Patents

신재생 전력이용 메탄화 시스템과 가스화 시스템을 포함하는 메탄화 시스템 및 이를 이용한 메탄가스 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예는 일산화탄소의 메탄화 공정과 이산화탄소의 메탄화 공정을 일체화시키고, 메탄화 공정에 이용되는 각각의 가스의 비율을 제어할 수 있음으로써, 메탄가스 생산 공정의 효율 향상시킬 수 있는 시스템을 제공한다. 본 발명의 실시 예에 따른 신재생 전력이용 메탄화 시스템과 가스화 시스템을 포함하는 메탄화 시스템은, 연료를 공급하는 연료공급부; 연료공급부를 통해 공급된 연료를 에너지원으로 연소를 수행하는 가스화부; 신재생에너지를 통해 전기를 생산하는 신재생에너지부; 신재생에너지부를 통해 생산된 전기를 수전해에 이용하여 수소와 산소로 분리하는 수전해부; 가스화부의 내 연소 수행 시, 수전해부 또는 외부로부터 전달받은 순산소를 가스화부로 전달 공급하는 순산소공급부; 연료공급부와 연결되고, 가스화부로부터 생성된 배기가스를 정제하여 일산화탄소, 이산화탄소, 수소가스 또는 메탄가스 중 선택되는 하나 이상의 가스를 포함하는 합성가스를 생성하는 정제부; 수전해부를 통해 물로부터 분리된 수소에 정제부로부터 전달받은 합성가스 중 일산화탄소 또는 이산화탄소를 결합시켜 메탄가스를 생성시키는 메탄화부; 및 수전해부로부터 메탄화부로 전달되는 수소인 메탄화용 수소의 양 또는 정제부로부터 메탄화부로 전달되는 합성가스의 양을 제어하는 제어부;를 포함한다.

Description

신재생 전력이용 메탄화 시스템과 가스화 시스템을 포함하는 메탄화 시스템 및 이를 이용한 메탄가스 제조방법 {METHANE GAS MANUFACTURING SYSTEM INCLUDING METHANATION SYSTEM AND GASIFICATION SYSTEM USING RENEWABLE ENERGY AND METHANE GAS MANUFACTURING METHOD USING THE SAME}
본 발명은 신재생 전력이용 메탄화 시스템과 가스화 시스템을 포함하는 메탄화 시스템 및 이를 이용한 메탄가스 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 일산화탄소의 메탄화 공정과 이산화탄소의 메탄화 공정을 일체화시키고, 메탄화 공정에 이용되는 각각의 가스의 비율을 제어할 수 있음으로써, 메탄가스 생산 공정의 효율 향상시킬 수 있는 시스템에 관한 것이다.
전 세계적으로 온실가스 감축을 위한 재생에너지 보급이 확대되고 있으며, 최근 우리나라도 2030까지 국내 신재생에너지 발전 비중을 20%까지 높이는 것을 목표로 한 "재생에너지 2030"이행 계획을 발표하였다.
그러나, 전기는 다른 에너지원과 달리 저장이 어렵기 때문에 생산과 동시에 소비가 이루어져야 하지만 재생에너지가 가지고 있는 출력 변동성으로 인해 재생에너지원에 의해 생산된 전기를 효율적으로 이용하기 위한 수요와 공급의 균형 확보를 위한 수단이 필요하다.
따라서, 이를 대체하기 위한 수단으로 현재 온실가스의 메탄화에 대한 연구가 활발히 이뤄지고 있는 실정이다. 이러한 메탄의 대부분은 화석연료에 기반한 천연가스 및 석탄 가스화로부터 얻어지고 있는데 화석연료의 유한성과 기후 변화 등의 문제에 대응하기 위해서 단순히 자원을 소비하는 차원에서 지속가능한 메탄 공급 방법에 대한 논의가 활발하다. 특히, 메탄을 연소할 때 발생하는 일산화탄소 또는 이산화탄소를 포함하는 산화탄소로부터 메탄을 생산하기 위한 방법에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
메탄 생산은 혼합 탱크 반응기 등에서 진행되는 70℃ 이하의 저온반응과 촉매를 이용한 고정층 반응기에서 진행되는 250℃ 이상의 반응으로 나눌 수 있다. 저온반응은 반응 수율이 낮고 반응속도가 낮아, 촉매를 이용한 고정층 반응기에 대한 연구가 주를 이루고 있다. 촉매를 이용한 메탄화 반응은 일산화탄소를 이용한 반응과 이산화탄소를 이용한 반응으로 나눌 수 있으며, 각각의 반응식은 하기와 같다.
CO + 3H2 ↔ CH4 + H2O(g) -206kJ/mol (at 298K)
CO2 + 4H2 ↔ CH4 + 2H2O(g) -164kJ/mol (at 298K)
상기 반응은 모두 발열반응으로서 공통적으로 물이 생성된다. 촉매를 이용하여 상기 반응을 진행할 경우 400℃ 내지 500℃의 고온에서 진행되는 경우가 많고 반응이 빠르게 진행되나, 생성되는 반응열에 의해서 전환율이 떨어지는 문제가 있다.
또한, 실제 국내에서는 온실가스 감축을 위한 에너지자립섬 조성사업이 시행되었으나 이를 완료한 도서지역은 실제 디젤발전 등과 같은 수단에 의존하므로 에너지 자립도가 미흡한 실정이다.
공개특허공보 제 10- 2007-0015564호(2007.02.05.)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 메탄가스 생산을 위한 기존 석탄 이용의 SNG 공정에서 큰 설치비 및 운영비를 차지하는 공기분리공정(Air Separation Unit, ASU)을 제외하고 메탄을 생산하는 것이다.
그리고, 본 발명의 목적은, 메탄가스 생산 공정에 있어서, WGS(Water Gas Shift) 반응기의 사용을 배제하고, CO2 분리 공정을 배제하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 연료를 공급하는 연료공급부; 상기 연료공급부를 통해 공급된 연료를 에너지원으로 연소를 수행하는 가스화부; 신재생에너지를 통해 전기를 생산하는 신재생에너지부; 상기 신재생에너지부를 통해 생산된 전기를 수전해에 이용하여 수소와 산소로 분리하는 수전해부; 상기 가스화부의 내 연소 수행 시, 상기 수전해부 또는 외부로부터 전달받은 순산소를 상기 가스화부로 전달 공급하는 순산소공급부; 상기 연료공급부와 연결되고, 상기 가스화부로부터 생성된 배기가스를 정제하여 일산화탄소, 이산화탄소, 수소가스 또는 메탄가스 중 선택되는 하나 이상의 가스를 포함하는 합성가스를 생성하는 정제부; 상기 수전해부를 통해 물로부터 분리된 수소에 상기 정제부로부터 전달받은 합성가스 중 일산화탄소 또는 이산화탄소를 결합시켜 메탄가스를 생성시키는 메탄화부; 및 상기 수전해부로부터 상기 메탄화부로 전달되는 수소인 메탄화용 수소의 양 또는 상기 정제부로부터 상기 메탄화부로 전달되는 합성가스의 양을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 메탄화부에서 생성된 메탄 가스량을 분석하여, 메탄화용 수소의 양 또는 합성가스의 양을 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 정제부와 상기 메탄화부 사이에 형성되고, 합성가스 중 일부를 저장하는 합성가스저장부, 및 상기 수전해부와 상기 메탄화부 사이에 형성되고, 메탄화용 수소 중 일부를 저장하는 수소저장부,를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 정제부로부터 배출된 합성가스를 전달받이고 상기 제어부로부터 제어신호를 전달받아, 상기 메탄화부와 상기 합성가스저장부에 대한 합성가스 분배량을 조절하는 합성가스밸브부, 및 상기 수전해부로부터 배출된 메탄화용 수소를 전달받이고 상기 제어부로부터 제어신호를 전달받아, 상기 메탄화부와 상기 수소저장부에 대한 메탄화용 수소 분배량을 조절하는 수소밸브부,를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 메탄화부는, 일산화탄소 또는 이산화탄소 중 하나 이상의 산화탄소가 메탄화용 수소와 함께 촉매에 의한 촉매 전환 반응에 의해서 메탄으로 합성되도록 하는 반응기를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 반응기는, 일산화탄소 또는 이산화탄소 중 하나 이상의 산화탄소와 메탄화용 수소 및 촉매가 합성되는 챔버를 복수 개 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 메탄화부는, 메탄가스의 생성량을 측정하는 가스센서부를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 신재생에너지부는 전기를 생산하고, 생산된 전기를 상기 수전해부 또는 배터리로 전달할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 있어서, 상기 수전해부로부터 전지용 수소를 전달받고, 산화 및 환원반응의 에너지를 통해 전기를 생산하는 연료전지 발전을 통해 전기를 생산하는 연료전지발전부,를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 상기 연료공급부로부터 상기 가스화부로 연료가 공급되고, 상기 가스화부에서 생성된 배기가스가 상기 정제부에서 정제되어 합성가스가 생성되는 제1단계; 상기 신재생에너지부에서 생성된 전기를 이용하여 상기 수전해부에서 수전해에 의해 메탄화용 수소가 생성되는 제2단계; 상기 제어부의 제어신호에 의해 상기 합성가스밸브부와 상기 수소밸브부가 작동하여, 상기 메탄화부로 전달되는 합성가스 또는 메탄화용 수소의 양이 조절되는 제3단계; 및 상기 메탄화부에서 메탄화 반응이 수행되어 메탄가스가 생성되는 제4단계;를 포함한다.
상기와 같은 구성에 따른 본 발명의 효과는, 메탄가스 생산 공정에 있어서, SNG(Substituted Natural Gas, 대체천연가스) 공정 기술과 신재생에너지를 이용한 PTG(Power-to-Gas, 전력을 가스연료로 변환시키는 기술)를 접목시키고, 수전해 수소를 이용함으로써, 기존의 메탄가스 생산 공정에서 이용된 공기분리공정(Air Separation Unit, ASU)과 WGS(Water Gas Shift) 반응기의 사용을 배제시켜, 경제성 저하를 방지하고, 메탄화 공정에 이용되는 혼합가스 내 수소의 함량을 향상시킬 수 있다는 것이다.
또한, 본 발명의 효과는, 일산화탄소(CO)의 메탄화 공정과 이산화탄소(CO2)의 메탄화 공정을 일체화시킴으로써, CO2분리 공정이 필요 없게 되어 메탄가스 생산 공정의 효율을 현저히 향상시킬 수 있다는 것이다.
그리고, 본 발명의 효과는, 메탄화 공정에 이용되는 합성가스와 수소의 비율을 제어할 수 있어, 메탄가스를 생산하는 메탄화 공정의 효율을 극대화할 수 있다는 것이다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메탄화 시스템의 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반응기에 대한 개략도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시 예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 메탄화 시스템의 블럭도이다. 도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 메탄화 시스템은, 연료를 공급하는 연료공급부(50); 연료공급부(50)를 통해 공급된 연료를 에너지원으로 연소를 수행하는 가스화부(41); 신재생에너지를 통해 전기를 생산하는 신재생에너지부(60); 신재생에너지부(60)를 통해 생산된 전기를 수전해에 이용하여 수소와 산소로 분리하는 수전해부; 가스화부(41)의 내 연소 수행 시, 수전해부 또는 외부로부터 전달받은 순산소를 가스화부(41)로 전달 공급하는 순산소공급부(43); 연료공급부(50)와 연결되고, 가스화부(41)로부터 생성된 배기가스를 정제하여 일산화탄소, 이산화탄소, 수소가스 또는 메탄가스 중 선택되는 하나 이상의 가스를 포함하는 합성가스를 생성하는 정제부(42); 수전해부를 통해 물로부터 분리된 수소에 정제부(42)로부터 전달받은 합성가스 중 일산화탄소 또는 이산화탄소를 결합시켜 메탄가스를 생성시키는 메탄화부(10); 및 수전해부로부터 메탄화부(10)로 전달되는 수소인 메탄화용 수소의 양 또는 정제부(42)로부터 메탄화부(10)로 전달되는 합성가스의 양을 제어하는 제어부(20);를 포함한다. 그리고, 제어부(20)는, 메탄화부(10)에서 생성된 메탄 가스량을 분석하여, 메탄화용 수소의 양 또는 합성가스의 양을 제어할 수 있다.
연료공급부(50)는, 저등급연료를 공급할 수 있으며, 구체적으로, 연료공급부(50)는 석탄, 바이오매스 및 폐기물 중 선택되는 하나 이상의 연료를 공급할 수 있다. 이와 같이 저등급연료를 가스화부(41)로 공급함으로써 비용 절감 효과를 구현할 수 있다. 가스화부(41)는 연료공급부(50)로부터 전달된 저등급연료를 이용하여 연소를 수행하여 열에너지를 생성하고, 이와 같은 열에너지를 이용하여 전기 발전이 수행될 수 있다.
상기와 같이, 석탄, 바이오매스 및 폐기물과 같은 저등급연료를 이용하여 전기를 생산하고 이에 따른 부산물로 일산화탄소 또는 이산화탄소를 생산할 수 있다. 따라서, 도서지역에서 가스화부(41)를 이용한 발전을 기저발전으로 삼고 일산화탄소 또는 이산화탄소를 수소와 반응시켜 메탄을 생산함으로써 부가적인 에너지를 창출할 수 있고, 도서지역의 에너지 자립도를 향상시킬 수 있다.
신재생에너지부(60)는 전기를 생산하고, 생산된 전기를 수전해부 또는 배터리(72)로 전달할 수 있다. 신재생에너지부(60)는 풍력, 수력 및 태양광과 같은 신재생에너지를 적어도 하나 이상 이용하여 전기를 생산하는 것으로, 추가적인 장비나 에너지의 투입없이 풍력, 수력 및 태양광을 통해 전기를 생산할 수 있다. 그리고, 신재생에너지부(60)는 신재생에너지를 통해 전기를 생산할 수 있고, 수전해를 통해 생산하는 수소 또는 산소의 저장용량이 가득차거나 더 이상 생산이 필요 없는 경우, 생산된 신재생에너지를 통해 생산된 전기를 배터리(72)에 저장할 수 있으며, 이를 필요에 따라 다시 수전해에 이용할 수 있다.
수전해부는 신재생에너지부(60)를 통해 생산된 전기를 사용하여 물을 전기분해하고, 이를 통해 산소와 수소를 분리함으로써 메탄화용 수소 또는 전지용 수소를 생산할 수 있다.
가스화부(41)에서 연소 수행 시, 순산소공급부(43)는, 수전해부에서 물을 전기분해하여 생성된 순산소를 전달받아 가스화부(41)로 공급하거나, 또는, 외부로부터 별도의 순산소를 공급 받아 가스화부(41)로 전달할 수 있다. 이와 같이, 순산소공급부(43)를 통해 가스화부(41)로 순수한 산소를 공급하므로, 가스화부(41)에서는 물과 합성가스가 생성되며, 물과 합성가스에 비해 상대적으로 소량으로 불순물 입자 또는 타르 등이 생성될 수 있다. 여기서, 불순물 입자 또는 타르 등이 메탄화부(10)로 전달되는 경우, 메탄가스의 품질이 저하되고 생성량이 감소하므로, 메탄화부(10)와 가스화부(41) 사이에는 불순물 입자 또는 타르 등을 멤브레인을 이용하여 제거하는 정제부(42)가 형성될 수 있다. 정제부(42)는 가스화부(41)로부터 배기가스를 전달받고, 배기가스에 대한 정제를 수행하여 합성가스만 메탄화부(10)로 전달되도록 할 수 있다.
본 발명의 메탄화 시스템은, 수전해부로부터 전지용 수소를 전달받고, 산화 및 환원반응의 에너지를 통해 전기를 생산하는 연료전지 발전을 통해 전기를 생산하는 연료전지발전부(71),를 더 포함할 수 있다. 수전해부는 수전해를 통해 산소 및 수소(전지용 수소)를 분리할 수 있고, 필요에 따라 연료전지발전부(71)에서 이를 역반응시켜 전지용 수소와 산소를 반응시켜 전기와 열을 생산할 수 있다. 따라서, 온실가스의 발생을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 메탄화 시스템은, 정제부(42)와 메탄화부(10) 사이에 형성되고, 합성가스 중 일부를 저장하는 합성가스저장부(32), 및 수전해부와 메탄화부(10) 사이에 형성되고, 메탄화용 수소 중 일부를 저장하는 수소저장부(34),를 더 포함할 수 있다. 그리고, 본 발명의 메탄화 시스템은, 정제부(42)로부터 배출된 합성가스를 전달받이고 제어부(20)로부터 제어신호를 전달받아, 메탄화부(10)와 합성가스저장부(32)에 대한 합성가스 분배량을 조절하는 합성가스밸브부(31), 및 수전해부로부터 배출된 메탄화용 수소를 전달받이고 제어부(20)로부터 제어신호를 전달받아, 메탄화부(10)와 수소저장부(34)에 대한 메탄화용 수소 분배량을 조절하는 수소밸브부(33),를 더 포함할 수 있다. 그리고, 메탄화부(10)는, 메탄가스의 생성량을 측정하는 가스센서부를 구비할 수 있다. 가스센서부는, 복수 개의 가스센서를 구비하며, 상기와 같이 메탄화부(10)에서 생성되는 메탄가스의 생성량을 측정할 뿐만 아니라, 메탄화부(10)에 존재하는 수소가스, 일산화탄소 또는 이산화탄소의 양을 측정할 수 있다.
도 1에서 보는 바와 같이, 합성가스밸브부(31)는 정제부(42) 및 메탄화부(10)와 연결되며, 동시에, 합성가스저장부(32)와 연결될 수 있다. 그리고, 수소밸브부(33)는 수전해부 및 메탄화부(10)와 연결되며, 동시에, 수소저장부(34)와 연결될 수 있다. 여기서, 합성가스밸브부(31)는, 제어부(20)로부터 제어신호를 전달받아, 정제부(42)로부터 메탄화부(10)로 전달되는 합성가스의 양 또는 정제부(42)로부터 합성가스저장부(32)로 전달되는 합성가스의 양을 조절할 수 있다. 또한, 수소밸브부(33)는, 제어부(20)로부터 제어신호를 전달받아, 수전해부로부터 메탄화부(10)로 전달되는 메탄화용 수소의 양 또는 수전해부로부터 수소저장부(34)로 전달되는 메탄화용 수소의 양을 조절할 수 있다.
제어부(20)에는, 메탄가스의 생성에 필요한 일산화탄소, 이산화탄소 및 메탄화용 수소 각각의 양에 대한 비율 데이터인 레퍼런스 데이터가 저장되어 있으며, 제어부(20)는 레퍼런스 데이터를 이용하여 합성가스밸브부(31)와 수소밸브부(33)에 대한 제1차 제어를 수행할 수 있다. 여기서, 사용자 또는 외부기기로부터 제어부(20)로 메탄가스의 양 증가에 대한 명령이 입력되는 경우, 제어부(20)는 합성가스밸브부(31)와 수소밸브부(33)로 제어신호를 전달하고, 이에 따라, 정제부(42)로부터 합성가스저장부(32)로 전달되는 합성가스의 양이 감소되고 정제부(42)로부터 메탄화부(10)로 전달되는 합성가스의 양이 증가될 수 있으며, 수전해부로부터 수소저장부(34)로 전달되는 메탄화용 수소의 양이 감소되고 수전해부로부터 메탄화부(10)로 전달되는 메탄화용 수소의 양이 증가될 수 있다. 그리고, 사용자 또는 외부기기로부터 제어부(20)로 메탄가스의 양 증가에 대한 명령이 입력되는 경우, 제어부(20)는 합성가스밸브부(31)와 수소밸브부(33)로 제어신호를 전달하고, 이에 따라, 정제부(42)로부터 합성가스저장부(32)로 전달되는 합성가스의 양이 증가되고 정제부(42)로부터 메탄화부(10)로 전달되는 합성가스의 양이 감소될 수 있으며, 수전해부로부터 수소저장부(34)로 전달되는 메탄화용 수소의 양이 감소되고 수전해부로부터 메탄화부(10)로 전달되는 메탄화용 수소의 양이 증가될 수 있다.
제어부(20)는, 가스센서부로부터 실시간으로 생성되는 메탄가스의 양에 대한 데이터를 전달받을 수 있으며, 동시에, 메탄화부(10)에 존재하는 산화탄소(일산화탄소 또는 이산화탄소)의 양에 대한 데이터 및 수소의 양에 대한 데이터를 실시간으로 전달받을 수 있다. 그리고, 제어부(20)는 각각의 데이터를 이용하여 합성가스밸브부(31) 또는 수소밸브부(33)에 대한 제어인 제2차 제어를 수행할 수 있다.
구체적으로, 메탄화부(10)에 존재하는 산화탄소의 양 또는 메탄화 수소의 양 중 어느 하나의 양이 증가하는 것으로 제어부(20)에서 분석되는 경우, 메탄화부(10)에서 메탄가스의 생성 효율이 저하되는 것으로 판단하고, 외부로 메탄가스의 생성 효율에 대한 정보를 표시하고, 합성가스밸브부(31)와 수소밸브부(33)로 제어신호를 전달하여, 정제부(42)로부터 합성가스저장부(32)로 전달되는 합성가스의 양이 증가되고 정제부(42)로부터 메탄화부(10)로 전달되는 합성가스의 양이 감소되거나, 또는, 수전해부로부터 수소저장부(34)로 전달되는 메탄화용 수소의 양이 증가되고 수전해부로부터 메탄화부(10)로 전달되는 메탄화용 수소의 양이 감소될 수 있다.
이에 따라, 메탄화부(10)에 잔존하는 산화탄소 또는 메탄화 수소가 최소화되고, 산화탄소와 메탄화 수소를 이용한 메탄가스 생성 효율이 최대화될 수 있다. 그리고, 상기와 같이, 제1차 제어와 제2차 제어를 복합적으로 수행함으로써, 최적화된 조건에서 자동으로 메탄가스가 생성되도록 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반응기(100)에 대한 개략도이다. 도 2에서, 내부가 비어있는 화살표는 스팀의 유동을 나타내고, 내부가 채워진 화살표는 각각의 챔버 간 유동하는 가스를 나타낼 수 있다.
도 2에서 보는 바와 같이, 메탄화부(10)는, 일산화탄소 또는 이산화탄소 중 하나 이상의 산화탄소가 메탄화용 수소와 함께 촉매에 의한 촉매 전환 반응에 의해서 메탄으로 합성되도록 하는 반응기(100)를 구비할 수 있다. 그리고, 반응기(100)는, 일산화탄소 또는 이산화탄소 중 하나 이상의 산화탄소와 메탄화용 수소 및 촉매가 합성되는 챔버를 복수 개 구비할 수 있다. 촉매는 니켈성분을 기반으로 일산화탄소 또는 이산화탄소의 산소 운반체 입자로 사용되어 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소가 효과적으로 반응하도록 할 수 있다.
반응기(100)의 내부에는 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소가 유동되고, 유동방향을 따라 챔버들이 순차적으로 배치되어 고온에서 저온으로 각 챔버에서 촉매 전환 반응이 수행될 수 있다. 또한, 챔버들은 제1챔버(121), 제2챔버(122) 및 제3챔버(123)로 구성되고, 제1챔버(121)는 400℃~500℃, 제2챔버(122)는 350℃~400℃ 및 제3챔버(123)는 250℃~350℃의 온도로 설정되어, 일산화탄소 또는 이산화탄소 중 하나 이상의 산화탄소와 수소가 촉매 전환 반응이 수행될 수 있다. 그리고, 제1챔버(121), 제2챔버(122) 및 제3챔버(123)는 하나의 반응기(100)의 내부에 배치되고, 산화탄소와 수소가 반응기(100)의 일측으로 유입되어 반응기(100)의 내부의 제1챔버(121), 제2챔버(122) 및 제3챔버(123)에 순차적으로 유동되며 촉매 전환 반응이 수행되어 반응기(100)의 타측으로 반응된 결과물로 메탄과 물이 배출될 수 있다.
반응기는 메탄화를 위한 일체형 다단 반응기로 구비될 수 있고, 이와 관련하여 도2를 참조하면, 메탄화를 위한 일체형 다단으로 형성되는 반응기(100)는, 내부에 기체가 유동되도록 중공의 관형상으로 형성된 본체부(110), 본체부(110)의 내부의 하단에 배치되고, 일산화탄소 또는 이산화탄소 중 하나 이상의 산화탄소(이하, 기재의 편의를 위해 산화탄소라고 지칭하기로 한다)와 수소로 구성된 혼합가스(즉, 혼합가스는 합성가스에서 메탄이 제외된 가스일 수 있다. 합성가스의 메탄은 반응기 내 반응에 이용되지 않는다)와 고온의 촉매 전환 반응이 일어나도록 구비된 제1챔버(121), 본체부(110)의 하단에 구비되고, 제1챔버(121)의 하단으로 혼합가스를 공급하도록 구비된 공급부(131), 공급부(131) 및 제1챔버(121)의 하단의 사이에 배치되고, 공급부(131)로부터 공급된 산화탄소와 수소를 제1챔버(121)에 균일하게 분배하도록 구비된 제1가스분배기(141), 제1챔버(121)의 상부와 연결되고, 제1챔버(121)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 구비된 제1열교환호퍼(151), 제 2 가스분리부의 상단에 배치되고, 제1챔버(121)로부터 유동된 산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응이 일어나도록 구비된 제2챔버(122), 제1열교환호퍼(151)와 제2챔버(122)의 하단의 사이에 배치되고, 제1챔버(121)로부터 유동된 탄소, 물, 산화탄소 및 수소를 제2챔버(122)에 균일하게 분배하도록 구비된 제2가스분배기(142), 제2챔버(122)의 상부와 연결되고, 제2챔버(122)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 구비된 제2열교환호퍼(161), 제 3 가스분리부의 상단에 배치되고, 제2챔버(122)로부터 유동된 산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응이 일어나도록 구비된 제 3챔버(123), 제2열교환호퍼(161)와 제3챔버(123)의 하단의 사이에 배치되고, 제2챔버(122)로부터 유동된 탄소, 물, 산화탄소 및 수소를 제3챔버(123)에 균일하게 분배하도록 구비된 제3가스분배기(143), 제3챔버(123)의 상부와 연결되고, 제3챔버(123)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 구비된 제3열교환호퍼(171), 본체부(110)의 상단에 구비되어 제3열교환호퍼(171)의 상부에 배치되고, 산화탄소와 수소와 촉매의 반응으로 생성된 메탄 및 물이 배출되는 배출부(132)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 내부에 기체가 유동되도록 중공의 관형상으로 형성된 본체부(110)를 포함할 수 있다. 보다 상세하게는, 본체부(110)는 내부에 일산화탄소 또는 이산화탄소 등과 같은 산화탄소와 수소가 유동되도록 중공의 긴 관형상으로 형성된다. 따라서, 산화탄소와 수소가 본체부(110)의 내부에 유동되며 반응하여 메탄이 생성될 수 있다. 또한, 본체부(110)의 내부의 하단에 배치되고, 산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스와 고온의 촉매 전환 반응이 일어나도록 제1챔버(121)가 구비될 수 있다. 보다 상세하게는, 제1챔버(121)는 본체부(110)의 내부의 하단에 배치되고, 외부로부터 산화탄소와 수소를 공급받아 고온의 촉매 전환 반응을 통해 메탄이 생산될 수 있다. 이 때, 촉매 전환 반응은 고온에서 전환 반응이 일어나고, 이때 내부 흐름은 고속유동층(fast fluidized bed) 영역이고, 촉매는 일반적으로 니켈계 촉매가 사용되나, 산화탄소와 수소의 반응을 촉진시켜 메탄을 생산할 수 있다면 크게 제한되지 않을 수 있다.
또한, 본체부(110)의 하단에 구비되고, 제1챔버(121)의 하단으로 혼합가스를 공급하도록 공급부(131)가 구비될 수 있다. 보다 상세하게는, 공급부(131)는 본체부(110)의 하단에 구비되어 외부로부터 공급된 산화탄소 및 수소로 구성된 혼합가스를 제1챔버(121)로 공급할 수 있다. 따라서, 공급부(131)는 관과 같은 수단에 의해 본체부(110)와 연결되어 제1챔버(121)로 공급할 수 있다.
또한, 공급부(131) 및 제1챔버(121)의 하단의 사이에 배치되고, 공급부(131)로부터 공급된 산화탄소와 수소를 제1챔버(121)에 균일하게 분배하도록 제1가스분배기(141)가 구비될 수 있다. 보다 상세하게는, 제1가스분배기(141)는 본체부(110)의 내부에서 공급부(131) 및 제1챔버(121)의 하단의 사이에 배치되어 공급부(131)로부터 공급된 혼합가스를 1 챔버(121)에 균일하게 분배하도록 구비될 수 있다. 따라서, 제1가스분배기(141)는 혼합가스를 균일하게 분배하여 촉매 전환 반응이 효과적으로 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 제1챔버(121)의 상부와 연결되고, 제1챔버(121)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 제1열교환호퍼(151)가 구비될 수 있다. 보다 상세하게는, 제1열교환호퍼(151)는 혼합가스를 냉각시키도록 본체부(110)의 내부에서 제1챔버(121)의 상부와 연결되어 제1챔버(121)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환됨으로써 냉각시키게 될 수 있다. 이 때, 냉매는 혼합가스를 냉각시킬 수 있다면 크게 제한되지 않으나 바람직하게는 물을 사용하는 것이다. 따라서, 메탄화공정을 통해 생산된 메탄과 물 중 물을 냉매로 다시 투입하는 것도 가능할 수 있다.
, 제1열교환호퍼(151)의 상단에 배치되고, 제1챔버(121)로부터 유동된 산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응이 일어나도록 제2챔버(122)가 구비될 수 있다. 보다 상세하게는, 제2챔버(122)는 본체부(110)의 내부에서 제1열교환호퍼(151)의 상단에 배치되고, 제1열교환호퍼(151)를 통해 냉각된 산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응을 통해 메탄이 생산될 수 있다. 즉, 제2챔버(122)는 제1챔버(121)로부터 유동된 산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 제1열교환호퍼(151)를 통해 냉각되고, 이와 함께 촉매를 통해 촉매 전환 반응이 일어나게 될 수 있다. 또한, 제1열교환호퍼(151)와 제2챔버(122)의 하단의 사이에 배치되고, 제1챔버(121)로부터 유동된 탄소, 물, 산화탄소 및 수소를 제2챔버(122)에 균일하게 분배하도록 제2가스분배기(142)가 구비될 수 있다. 보다 상세하게는, 제2가스분배기(142)는 본체부(110)의 내부에서 제1열교환호퍼(151)와 제2챔버(122)의 하단의 사이에 배치되어 제1열교환호퍼(151)로부터 유동된 혼합가스를 제2챔버(122)에 균일하게 분배하도록 구비된다. 따라서, 제2가스분배기(142)는 혼합가스를 균일하게 분배하여 촉매 전환 반응이 효과적으로 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 제2챔버(122)의 상부와 연결되고, 제2챔버(122)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 제2열교환호퍼(161)가 구비될 수 있다. 보다 상세하게는, 제2열교환호퍼(161)는 혼합가스의 온도를 냉각시키도록 본체부(110)의 내부에서 제2챔버(122)의 상부와 연결되어 제2챔버(122)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환됨으로써 냉각시키게 될 수 있다.
또한, 제 3 가스분리부의 상단에 배치되고, 제2챔버(122)로부터 유동된 산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응이 일어나도록 제3챔버(123)가 구비될 수 있다. 제3챔버(123)는 본체부(110)의 내부에서 제2열교환호퍼(161)의 상단에 배치되고, 제2열교환호퍼(161)를 통해 냉각된 산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응을 통해 메탄이 생산될 수 있다.
또한, 제2열교환호퍼(161)와 제3챔버(123)의 하단의 사이에 배치되고, 제2챔버(122)로부터 유동된 탄소, 물, 산화탄소 및 수소를 제3챔버(123)에 균일하게 분배하도록 제3가스분배기(143)가 구비될 수 있다. 보다 상세하게는, 제3가스분배기(143)는 본체부(110)의 내부에서 제2열교환호퍼(161)와 제3챔버(123)의 하단의 사이에 배치되어 제2열교환호퍼(161)로부터 유동된 혼합가스를 제3챔버(123)에 균일하게 분배하도록 구비될 수 있다. 따라서, 제3가스분배기(143)는 혼합가스를 균일하게 분배하여 촉매 전환 반응이 효과적으로 이루어지도록 할 수 있다.
또한, 제3챔버(123)의 상부와 연결되고, 제3챔버(123)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 제3열교환호퍼(171)가 구비될 수 있다. 보다 상세하게는, 제3열교환호퍼(171)는 혼합가스의 온도를 냉각시키도록 본체부(110)의 내부에서 제3챔버(123)의 상부와 연결되어 제3챔버(123)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환됨으로써 냉각시키게 될 수 있다.
또한, 본체부(110)의 상단에 구비되어 제3열교환호퍼(171)의 상부에 배치되고, 산화탄소와 수소와 촉매의 반응으로 생성된 메탄 및 물이 배출되는 배출부(132)가 구비될 수 있다. 보다 상세하게는, 본체부(110)의 하단에 구비된 공급부(131)를 통해 유입된 산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 제1챔버(121), 제2 챔버(122) 및 제3챔버(123)를 지나 촉매와 반응되어 메탄과 물이 생성되고, 본체부(110)의 상단에 형성된 배출부(132)를 통해서 배출될 수 있다. 이 때, 배출부(132)는 본체부(110)의 상단과 관과 같은 수단에 의해 연결되어 메탄 및 물을 배출할 수 있다.
또한, 제3열교환호퍼(171)는 제3챔버(123)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 낮추도록 코일형상의 긴관으로 배치되고, 내부에 냉매가 유동되도록 일측 끝단에 냉매가 유입되는 제1유입구(152)가 구비되고, 타측 끝단에 열교환이 수행되고 냉매가 배출되도록 제1배출구(153)가 구비될 수 있다. 보다 상세하게는, 제3열교환호퍼(171)는 코일형상의 긴관으로 형성되어 내부에 냉매가 유동되고, 냉매에 의해서 제3열교환호퍼(171)는 제3챔버(123)로부터 배출부(132)로 유동되는 혼합가스를 열교환에 의해서 냉각시키게 될 수 있다. 따라서, 제3열교환호퍼(171) 일측 끝단에는 외부로부터 냉매가 유입되는 제1유입구(152)가 구비되고, 제1유입구(152)를 통해 유입된 냉매가 코일형상으로 형성된 관을 지남으로써, 제3열교환호퍼(171)의 외부를 지나가는 혼합가스를 냉각시키고, 열교환이 수행된 후 타측 끝단의 제1배출구(153)를 통해 배출될 수 있다.
또한, 제2열교환호퍼(161)는 제2챔버(122)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 낮추도록 코일형상의 긴관으로 배치되고, 내부에 냉매가 유동되도록 일측 끝단에 제1배출구(153)로부터 냉매가 유입되는 제2유입구(162)가 구비되고, 타측 끝단에 열교환이 수행되고 냉매가 배출되도록 제2배출구(163)가 구비될 수 있다. 보다 상세하게는, 제2열교환호퍼(161)는 코일형상의 긴관으로 형성되어 내부에 냉매가 유동되고, 냉매에 의해서 제2열교환호퍼(161)는 제2챔버(122)로부터 제3챔버(123)로 유동되는 혼합가스를 열교환에 의해서 냉각시키게 될 수 있다. 따라서, 제2열교환호퍼(161) 일측 끝단에는 제1배출구(153)와 연결되어 제1배출구(153)로부터 냉매가 유입되는 제2유입구(162)가 구비되고, 제2유입구(162)를 통해 유입된 냉매가 코일형상으로 형성된 관을 지남으로써, 제2열교환호퍼(161)의 외부를 지나가는 혼합가스를 냉각시키고, 열교환이 수행된 후 타측 끝단에 구비된 제2배출구(163)를 통해 냉매가 배출될 수 있다.
또한, 제1열교환호퍼(151)는 제1챔버(121)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 낮추도록 코일형상의 긴관으로 배치되고, 내부에 냉매가 유동되도록 일측 끝단에 제2배출구(163)로부터 냉매가 유입되는 제3유입구(172)가 구비되고, 타측 끝단에 열교환이 수행되고 냉매가 배출되도록 제3배출구(173)가 구비될 수 있다. 보다 상세하게는, 제1열교환호퍼(151)는 코일형상의 긴관으로 형성되어 내부에 냉매가 유동되고, 냉매에 의해서 제1열교환호퍼(151)는 제1챔버(121)로부터 제2챔버(122)로 유동되는 혼합가스를 열교환에 의해서 냉각시키게 될 수 있다. 따라서, 제1열교환호퍼(151) 일측 끝단에는 제2배출구(163)와 연결되어 제2배출구(163)로부터 냉매가 유입되는 제3유입구(172)가 구비되고, 제3유입구(172)를 통해 유입된 냉매가 코일형상으로 형성된 관을 지남으로써, 제1열교환호퍼(151)의 외부를 지나가는 혼합가스를 냉각시키고, 열교환이 수행된 후 타측 끝단에 구비된 제3배출구(173)를 통해 냉매가 배출될 수 있다.
또한, 제1챔버(121)는 400℃ 내지 500℃의 온도에서 전환반응이 일어나고, 제1열교환호퍼(151)에서 혼합가스가 일차적으로 냉각될 수 있다. 보다 상세하게는, 제1챔버(121)는 공급부(131)를 통해 유입된 혼합가스 및 촉매가 반응속도를 높이기 위해 400℃ 내지 500℃의 고온에서 촉매전환반응이 일어나고, 가열된 혼합가스가 제1열교환호퍼(151)에 의해서 일차적으로 냉각될 수 있다. 따라서, 제1챔버(121)는 고온에서 촉매전환반응이 실행되어 효율적으로 메탄을 생산할 수 있다. 또한, 제2챔버(122)는 제1열교환호퍼(151)에 의해 냉각된 혼합가스 및 촉매가 350℃ 내지 400℃의 온도에서 전환반응이 일어나고, 제 2열교환호퍼(161)에서 혼합가스 및 촉매가 이차적으로 냉각될 수 있다. 보다 상세하게는, 제2챔버(122)는 제1챔버(121)를 통해 유입된 혼합가스 및 촉매가 350℃ 내지 400℃의 온도에서 전환반응이 일어나고, 제1챔버(121)보다 낮은 온도에서 전환반응이 일어남으로써, 반응속도보다 높은 평형 전환율을 달성할 수 있으며, 가열된 혼합가스가 제2열교환호퍼(161)에 의해서 이차적으로 냉각되어 효율적으로 메탄을 생산할 수 있다.
또한, 제3챔버(123)는 제2열교환호퍼(161)에 의해 냉각된 혼합가스 및 촉매가 250℃ 내지 350℃의 온도에서 전환반응이 일어나고, 제3열교환호퍼(171)에서 혼합가스가 삼차적으로 냉각될 수 있다. 보다 상세하게는, 제3챔버(123)는 제2챔버(122)를 통해 유입된 혼합가스 및 촉매가 250℃ 내지 350℃의 온도에서 전환반응이 일어나고, 제2챔버(122)보다 낮은 온도에서 전환반응이 일어남으로써, 반응속도보다 높은 평형 전환율을 달성할 수 있으며, 가열된 혼합가스가 제3열교환호퍼(171)에 의해서 삼차적으로 냉각되어 효율적으로 메탄을 생산할 수 있다.
또한, 제1챔버(121), 제2챔버(122) 및 제3챔버(123)를 통과한 혼합가스는 제 1열교환호퍼, 제2열교환호퍼(161) 및 제3열교환호퍼(171)로 인해 순차적으로 냉각되어 점차 온도가 낮아질 수 있다. 보다 상세하게는, 제1챔버(121), 제2챔버(122) 및 제3챔버(123)는 본체부(110)의 내부에 순차적으로 배치되고, 제1챔버(121)와 제 2챔버(122)의 사이에는 제 1열교환호퍼가 배치되고, 제2챔버(122)의 제3챔버(123) 사이에는 제 2열교환호퍼가 배치되며, 제3챔버(123)의 상부에는 제3열교환호퍼가 배치되고, 혼합가스가 제1챔버(121), 제2챔버(122) 및 제3 챔버(123)를 순차적으로 통과하며 촉매와 함께 촉매전환반응이 수행됨으로써, 제 1열교환호퍼(151), 제2열교환호퍼(161) 및 제3열교환호퍼(171)를 통해 혼합가스가 순차적으로 냉각될 수 있다. 따라서, 초기의 고온의 조건에서 촉매전환반응을 수행하여 높은 반응속도를 갖고 순차적으로 낮은온도에서 촉매전환반응을 수행하여 높은 평형 전환율을 갖게 되어 효율적으로 메탄을 생산할 수 있다.
또한, 냉매는 제 3열교환호퍼를 시작으로 제2열교환호퍼(161)와 제1열교환호퍼(151)의 순으로 유동되어 제3챔버(123), 제2챔버(122) 및 제1챔버(121)에 의해 순차적으로 가열되어 점차 온도가 상승될 수 있다. 보다 상세하게는, 제3열교환호퍼(171), 제2열교환호퍼(161) 및 제3 열교환호퍼(171)가 서로 연결되어 냉매가 순차적으로 유동하고, 냉매는 제3챔버(123), 제2챔버(122) 및 제1챔버(121) 순으로 냉각됨에 따라 냉매의 온도가 점차 상승하게 될 수 있다. 즉, 혼합가스는 본체를 기준으로 하단으로 공급되어 상단으로 이동될수록 온도가 감소하게 되고, 냉매는 본체부(110)를 기준으로 상단에서 하단으로 이동될수록 온도가 상승하게 될 수 있다.
또한, 수소는 신재생에너지를 통해 생산된 잉여 전기로 수전해를 통해 산소와 수소를 분리하여 공급할 수 있다. 보다 상세하게는, 수소는 물을 전기분해하여 산소와 수소를 분리하여 공급하는 것으로, 신재생에너지 또는 발전소를 통해 생산된 잉여전기를 통해 얻을 수 있다.
하나의 예로, 섬과 같은 독립된 공간에 풍력발전이나 태양광발전을 통해 발생되는 잉여에너지를 통해 물을 전기분해하여 산소와 수소를 분리하고, 생산된 산소는 판매하고, 나머지 수소를 통해 산화탄소를 메탄화하여 에너지로 사용할 수 있다. 또한, 산화탄소는 온실가스를 통해 배출된 일산화탄소 또는 이산화탄소를 포집하여 공급할 수 있다. 보다 상세하게는, 산화탄소 등과 같은 산화탄소를 자동차의 매연이나 화석연료의 사용을 통해 손쉽게 얻을 수 있고, 이러한 산화탄소를 포집하여 메탄화할 수 있다.
또한, 제1열교환호퍼(151)는 제1챔버(121)를 냉각시켜 온도가 상승된 냉매를 산화탄소와 수소의 반응을 통해 생성된 물을 가열시켜 스팀을 생산할 수 있다. 보다 상세하게는, 제1챔버(121)는 400℃ 내지 500℃의 온도에서 혼합가스 및 촉매가 전환반응이 일어나고, 제1열교환호퍼(151)가 이를 냉각시키게 될 수 있다. 따라서, 제1열교환호퍼(151)의 냉매는 높은 온도를 유지하고 있으므로, 이를 통해 물을 가열시킴으로써 스팀을 얻을 수 있고, 이를 통해 생산된 스팀을 판매하거나 또는 이를 발전시켜 전기를 생산할 수 있다. 또한, 메탄화를 위한 일체형 다단 반응기(100)는 이산화탄소와 수소의 반응을 통해 생성된 메탄을 생산하도록 메탄화 공정에 적용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 메탄화를 위한 일체형 다단 반응기(100)에서 촉매는 혼합가스와 고정층이 아닌 유동층으로 반응함으로써, 반응과 동시에 열회수 및 촉매 고열(반응열)을 방지할 수 있는데 제1가스분배기(141), 제2가스분배기(142) 및 제3가스분배기(143)를 통한 촉매의 투입에 따른 최소유동화속도 계산식인는 아래의 계산식을 따른다.
Figure 112019106441998-pat00001
여기서, 각각의 기호 등은 하기와 같이 정의될 수 있다.
umf = minimum fluidizing condition, dp = screen size, ρg = gas density, μ= coefficient of viscosity, εmf= bed voidage, Фs = (surface of sphere/ surface of particle) of same volume, Фs = 1 (sheres), 0< Фs <1(all other particle shapes), ρs = particle density or catalyst density, g = gravitational acceleration
또한, 제1가스분배기(141), 제2가스분배기(142) 및 제3가스분배기(143)를 통해 투입되는 촉매입자의 크기, 밀도를 제어함으로써, 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소의 유량 및 속도를 제어할 수 있다. 순산소연소발전과 신재생에너지를 이용한 에너지자립시스템은 도서지역에서 순산소연소발전기를 기저발전으로 사용하고, 신재생에너지를 추가하여 에너지자립도를 향상시키도록 에너지자립시스템이 적용된 도서지역 발전기가 구비될 수 있다.
이하, 본 발명의 메탄화 시스템을 이용한 메탄가스 제조방법에 대해 설명하기로 한다.
제1단계에서, 연료공급부로부터 가스화부로 연료가 공급되고, 가스화부에서 생성된 배기가스가 정제부에서 정제되어 합성가스가 생성될 수 있다. 그리고, 제2단계에서, 신재생에너지부에서 생성된 전기를 이용하여 수전해부에서 수전해에 의해 메탄화용 수소가 생성될 수 있다. 제3단계에서, 다음으로, 제어부의 제어신호에 의해 합성가스밸브부와 수소밸브부가 작동하여, 메탄화부로 전달되는 합성가스 또는 메탄화용 수소의 양이 조절될 수 있다. 그 후, 제4단계에서, 메탄화부에서 메탄화 반응이 수행되어 메탄가스가 생성될 수 있다. 나머지 사항은 상기된 사항과 동일할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10 : 메탄화부 20 : 제어부
31 : 합성가스밸브부 32 : 합성가스저장부
33 : 수소밸브부 34 : 수소저장부
41 : 가스화부 42 : 정제부
43 : 순산소공급부 50 : 연료공급부
60 : 신재생에너지부 71 : 연료전지발전부
72 : 배터리 100 : 반응기
110 : 본체부 121 : 제1챔버
122 : 제2챔버 123 : 제3챔버
131 : 공급부 132 : 배출부
141 : 제1가스분배기 142 : 제2가스분배기
143 : 제3가스분배기 151 : 제1열교환호퍼
152 : 제1유입구 153 : 제1배출구
161 : 제2열교환호퍼 162 : 제2유입구
163 : 제2배출구 171 : 제3열교환호퍼
172 : 제3유입구 173 : 제3배출구

Claims (9)

  1. 연료를 공급하는 연료공급부;
    상기 연료공급부를 통해 공급된 연료를 에너지원으로 연소를 수행하는 가스화부;
    신재생에너지를 통해 전기를 생산하는 신재생에너지부;
    상기 신재생에너지부를 통해 생산된 전기를 수전해에 이용하여 수소와 산소로 분리하는 수전해부;
    상기 가스화부의 내 연소 수행 시, 상기 수전해부 또는 외부로부터 전달받은 순산소를 상기 가스화부로 전달 공급하는 순산소공급부;
    상기 연료공급부와 연결되고, 상기 가스화부로부터 생성된 배기가스를 정제하여 일산화탄소, 이산화탄소, 수소가스 또는 메탄가스 중 선택되는 하나 이상의 가스를 포함하는 합성가스를 생성하는 정제부;
    상기 수전해부를 통해 물로부터 분리된 수소에 상기 정제부로부터 전달받은 합성가스 중 일산화탄소 또는 이산화탄소를 결합시켜 메탄가스를 생성시키고, 일산화탄소 또는 이산화탄소 중 선택되는 하나 이상의 가스인 산화탄소가 메탄화용 수소와 함께 촉매에 의한 촉매 전환 반응에 의해서 메탄으로 합성되도록 하는 반응기를 구비하는 메탄화부; 및
    상기 수전해부로부터 상기 메탄화부로 전달되는 수소인 메탄화용 수소의 양 또는 상기 정제부로부터 상기 메탄화부로 전달되는 합성가스의 양을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 메탄화부에서 생성된 메탄 가스량을 분석하여, 메탄화용 수소의 양 또는 합성가스의 양을 제어하며,
    상기 반응기는, 산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스와 고온의 촉매 전환 반응을 일으키는 제1챔버, 상기 제1챔버로부터 유동된 상기 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응을 일으키도록 하는 제2챔버, 상기 제2챔버로부터 유동된 상기 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응을 일으키도록 하는 제3챔버를 구비하고,
    상기 제1챔버, 상기 제2챔버 및 상기 제3챔버 각각의 내부 온도 범위가 상이하며, 상기 혼합가스가 상기 제1챔버와 상기 제2챔버 및 상기 제3챔버를 순차적으로 통과하면서 가열과 냉각이 교번적으로 이루어져 촉매 전환 반응이 수행됨으로써 상기 반응기로부터 메탄과 물이 배출되는 것을 특징으로 하는 신재생 전력이용 메탄화 시스템과 가스화 시스템을 포함하는 메탄화 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 정제부와 상기 메탄화부 사이에 형성되고, 합성가스 중 일부를 저장하는 합성가스저장부, 및
    상기 수전해부와 상기 메탄화부 사이에 형성되고, 메탄화용 수소 중 일부를 저장하는 수소저장부,를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 전력이용 메탄화 시스템과 가스화 시스템을 포함하는 메탄화 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 정제부로부터 배출된 합성가스를 전달받이고 상기 제어부로부터 제어신호를 전달받아, 상기 메탄화부와 상기 합성가스저장부에 대한 합성가스 분배량을 조절하는 합성가스밸브부, 및
    상기 수전해부로부터 배출된 메탄화용 수소를 전달받이고 상기 제어부로부터 제어신호를 전달받아, 상기 메탄화부와 상기 수소저장부에 대한 메탄화용 수소 분배량을 조절하는 수소밸브부,를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 전력이용 메탄화 시스템과 가스화 시스템을 포함하는 메탄화 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 메탄화부는, 메탄가스의 생성량을 측정하는 가스센서부를 구비하는 것을 특징으로 하는 신재생 전력이용 메탄화 시스템과 가스화 시스템을 포함하는 메탄화 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 신재생에너지부는 전기를 생산하고, 생산된 전기를 상기 수전해부 또는 배터리로 전달하는 것을 특징으로 하는 신재생 전력이용 메탄화 시스템과 가스화 시스템을 포함하는 메탄화 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 수전해부로부터 전지용 수소를 전달받고, 산화 및 환원반응의 에너지를 통해 전기를 생산하는 연료전지 발전을 통해 전기를 생산하는 연료전지발전부,를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생 전력이용 메탄화 시스템과 가스화 시스템을 포함하는 메탄화 시스템.
  9. 청구항 3의 신재생 전력이용 메탄화 시스템과 가스화 시스템을 포함하는 메탄화 시스템을 이용한 메탄가스 제조방법에 있어서,
    상기 연료공급부로부터 상기 가스화부로 연료가 공급되고, 상기 가스화부에서 생성된 배기가스가 상기 정제부에서 정제되어 합성가스가 생성되는 제1단계;
    상기 신재생에너지부에서 생성된 전기를 이용하여 상기 수전해부에서 수전해에 의해 메탄화용 수소가 생성되는 제2단계;
    상기 제어부의 제어신호에 의해 상기 합성가스밸브부와 상기 수소밸브부가 작동하여, 상기 메탄화부로 전달되는 합성가스 또는 메탄화용 수소의 양이 조절되는 제3단계; 및
    상기 메탄화부에서 메탄화 반응이 수행되어 메탄가스가 생성되는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 메탄가스 제조방법.
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