KR102293312B1 - Methane pyrolysis solar rotary reactor and method for producing hydrogen and carbon black using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 메탄 열분해 태양열 회전형 반응기 및 이를 이용한 수소 및/또는 카본블랙 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 메탄 열분해 태양열 회전형 반응기는 모터에 의해 회전가능한 축을 중심으로 하는 회전형 반응기로서, 태양열 집광기에 의해 집광된 태양열이 원통형 반응기 벽면으로 수직하게 입사하는 것이고, 스팀 인젝터(steam injector)의 기액 분무 노즐(gas-liquid atomizing nozzle)에 CH4 함유 가스 및 물을 주입시키는 CH4 및 H2O 분사부; 및 서로 연결된 기공들을 통해 탄소입자 유체가 흐를 수 있는 다공성 반응 층(bed)을 구비하고 집광된 태양열에 의해 상기 분사부에서 제공되는 CH4을 수소가스와 탄소입자(carbon black)로 분해시키는 반응부를 구비하되, CH4 및 H2O 분사부에서 제공되는 스팀(steam)이 반응부에서 집광된 태양열에 의해 가열된 후 다공성 반응 층을 코팅하고 탄소입자 유체 사이로 분산되어 다공성 반응 층에 탄소 침적을 억제하는 것이 특징이다. The present invention relates to a methane pyrolysis solar thermal rotary reactor and a method for producing hydrogen and/or carbon black using the same. The methane pyrolysis solar thermal rotational reactor according to the present invention is a rotational reactor centered on an axis rotatable by a motor, in which the solar heat collected by the solar thermal collector is vertically incident on the cylindrical reactor wall surface, and the steam injector a gas-liquid spray nozzle (gas-liquid atomizing nozzle) containing CH 4 CH 4 and H 2 O injection assembly to inject the gas and water; and a reaction unit having a porous reaction bed through which a carbon particle fluid can flow through the pores connected to each other and decomposing CH 4 provided from the injection unit by the concentrated solar heat into hydrogen gas and carbon black However, after the steam provided from the CH 4 and H 2 O injection unit is heated by the solar heat concentrated in the reaction unit, the porous reaction layer is coated and dispersed between the carbon particle fluids to suppress carbon deposition in the porous reaction layer. It is characterized by
Description
본 발명은 메탄 열분해 태양열 회전형 반응기 및 이를 이용한 수소 및/또는 카본블랙 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a methane pyrolysis solar thermal rotary reactor and a method for producing hydrogen and/or carbon black using the same.
온실가스, 특히 메탄 및 이산화탄소의 방출이 세계 기후 변화를 야기하고 있다. 특히, 화석연료 사용, 매립지에서의 폐기물 배출, 축산 사업, 바이오매스 증가 등에 따라 메탄의 발생이 증가하고 있다. 메탄은 전 세계적으로 연간 3억 7천만 톤(2010년 기준) 가효량이 대기 중으로 배출되고 있으며 같은 농도의 이산화탄소에 비해 21배 정도 온실가스 효과를 가지므로 메탄의 기후변화에 대응하기 위한 기술 개발이 요구된다. Emissions of greenhouse gases, particularly methane and carbon dioxide, are causing global climate change. In particular, the generation of methane is increasing due to the use of fossil fuels, the discharge of waste from landfills, the livestock industry, and the increase in biomass. Methane is emitted into the atmosphere in an effective amount of 370 million tons per year (as of 2010) worldwide and has a greenhouse gas effect that is 21 times more effective than carbon dioxide at the same concentration. do.
메탄은 탄화수소 물질 중에서 수소 대 탄소비가 가장 크기 때문에, 다른 여러 수소제조 원료에 비해 청정하다는 장점이 있다. 메탄 활용기술은 도시가스, 발전, 자동차 연료, 메탄올 액체연료, 수소 제조 분야 등에 적용될 수 있다. 포집, 정제된 메탄을 기준으로 하며, 향후 저농도 미활용 메탄 직접 전환 기술이 개발될 경우 시장 규모는 보다 확대될 수 있다.Since methane has the largest hydrogen-to-carbon ratio among hydrocarbon substances, it has the advantage of being cleaner than other hydrogen-producing raw materials. Methane utilization technology can be applied to city gas, power generation, automobile fuel, methanol liquid fuel, and hydrogen production fields. It is based on captured and purified methane, and if a technology for direct conversion of low-concentration unused methane is developed in the future, the market size can be further expanded.
수소는 가장 가볍고 풍부한 원소로서 자원이 무한하고 청결한 에너지이다. 수소제조기술은 크게 3가지로 분류된다. 첫째, 메탄수증기 개질법, 중유의 부분산화법, 천연가스의 촉매분해 등의 탄화수소 물질을 근간으로 하는 방법, 둘째, 열화학, 전기화학적 물분해 등의 비탄화수소를 근간으로 하는 방법, 셋째, 위의 두 가지 형태를 합친 형태들이 있다. 이중 천연가스로부터 수소를 제조하는 방법은 수소 제조시 많은 양의 이산화탄소를 발생시킨다는 문제를 안고 있다. Hydrogen is the lightest and most abundant element, with infinite resources and clean energy. Hydrogen production technology is broadly classified into three categories. First, methods based on hydrocarbon substances such as methane steam reforming, partial oxidation of heavy oil, and catalytic cracking of natural gas, second, methods based on non-hydrocarbons such as thermochemical and electrochemical water cracking, third, the above two methods There are forms that combine forms. Among them, the method of producing hydrogen from natural gas has a problem of generating a large amount of carbon dioxide during hydrogen production.
카본 블랙은 고무, 플라스틱, 페인트 그리고 잉크 내에 첨가물로서 사용되며, 기계적, 전기적 그리고 광학적 특성을 원하는 성질로 바꾸어주는 효과가 있다. 특히 카본 블랙은 고무를 강화시키는 능력이 있어서, 타이어나 산업용 호스와 같은 고무제품의 강화에도 사용된다. 또한, 카본블랙은 이차전지 전극소재, 촉매 담체 등과 같은 고부가가치 재료로 사용될 수 있다. 보통 중유의 불완전 연소에서 발생하는 검은 연기로부터 탄소입자를 분리시켜 제조하는데 평균적으로 카본블랙 1톤당 2.4톤의 이산화탄소를 배출시킨다. 스팀 메탄 개질 공정은 수소 1톤당 약 8톤의 이산화탄소를 방출한다.Carbon black is used as an additive in rubber, plastics, paints and inks, and has the effect of changing mechanical, electrical and optical properties into desired properties. In particular, carbon black has the ability to strengthen rubber, so it is also used to reinforce rubber products such as tires and industrial hoses. In addition, carbon black may be used as a high value-added material such as a secondary battery electrode material, a catalyst carrier, and the like. Usually, it is manufactured by separating carbon particles from black smoke generated from incomplete combustion of heavy oil, and on average, 2.4 tons of carbon dioxide is emitted per ton of carbon black. The steam methane reforming process emits about 8 tonnes of carbon dioxide per ton of hydrogen.
이러한 환경문제를 해결하기 위한 방법의 하나로, 메탄가스의 열분해법은 CH4를 고온에서 분해시켜 수소와 탄소로 전환시키는 기술이다. 메탄가스 열분해법의 가장 큰 장점은 이산화탄소의 발생 없이 수소와 탄소를 만드는 것이다. 기존의 수소 제조기술과 비교하여 수소를 대량으로 제조할 수 있으며 동시에 부산물로써 배출되는 고순도의 탄소를 활용할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 또한, 메탄가스 열분해법에 의해 제조된 수소는 이산화탄소 발생원에서 회수된 이산화탄소와 반응시켜 내연 기관의 연료로 사용되어 메탄올을 생산하는 기술과 효과적으로 연계될 수 있으며, 청정발전 기술인 연료전지의 수소 공급원으로 활용될 수 있다는 장점을 갖고 있다. As one of the methods for solving these environmental problems, the thermal decomposition of methane gas is a technology of decomposing CH 4 at a high temperature to convert it into hydrogen and carbon. The biggest advantage of methane gas pyrolysis is to produce hydrogen and carbon without generating carbon dioxide. Compared with the existing hydrogen production technology, it has the advantage of being able to produce hydrogen in large quantities and at the same time utilize high-purity carbon emitted as a by-product. In addition, hydrogen produced by methane gas pyrolysis can be used as fuel for internal combustion engines by reacting with carbon dioxide recovered from a carbon dioxide source, and can be effectively linked to a technology for producing methanol, and used as a hydrogen source for fuel cells, a clean power generation technology It has the advantage of being able to
한편, 메탄의 건조 개질로도 알려져 있는, 니켈, 귀금속 및 혼합된 산화물-기반 촉매들에서 메탄의 이산화탄소 개질은 온실가스인 CO2를 유용한 화학물질로 효과적으로 전환시킬 수 있다. 니켈 촉매는 고온 노출시 금속소결되어 촉매활성이 저하된다. 이에, 낮은 가격, 고온 내성 및 무-황 독성과 같은 이점을 갖는 탄소질 촉매가 금속-기반 촉매의 대체제로서 관심을 받고 있다.Meanwhile, carbon dioxide reforming of methane in nickel, noble metal and mixed oxide-based catalysts, also known as dry reforming of methane, can effectively convert greenhouse gas CO 2 into useful chemicals. When the nickel catalyst is exposed to high temperature, the catalytic activity is reduced by sintering the metal. Accordingly, carbonaceous catalysts having advantages such as low cost, high temperature resistance and sulfur-free toxicity are attracting attention as replacements for metal-based catalysts.
한편, 메탄은 매우 안전한 화학물질로 이를 전환하기 위해서는 고온의 열원이 필요하며, 이때 온실가스 저감 측면에서 신재생 에너지원이 필요하다. 태양에너지 기술은 태양으로부터 오는 복사에너지를 흡수하여 열에너지로 변화시키는 기술로써 무공해, 무한정, 무가격 청정에너지원이다. 따라서, 신재생에너지원을 이용하여 메탄의 고부가가치 자원화 기술은 지구온난화를 해결할 수 있는 기술이자 온실가스 자원화기술이다. On the other hand, methane requires a high-temperature heat source to convert it into a very safe chemical, and at this time, a new renewable energy source is needed in terms of reducing greenhouse gas. Solar energy technology is a technology that absorbs radiant energy from the sun and converts it into thermal energy. Therefore, the high value-added resource conversion technology of methane using new and renewable energy sources is a technology that can solve global warming and a greenhouse gas resource conversion technology.
그러나, 메탄가스 고온 열분해법을 이용하여 메탄으로부터 수소와 탄소 생성시 열분해탄소(pyrocarbon)가 반응관 내벽에 생성되며 그 위에 탄소가 퇴적되는 폐색(plugging) 현상이 발생한다.However, when hydrogen and carbon are generated from methane using the methane gas high-temperature pyrolysis method, pyrocarbon is generated on the inner wall of the reaction tube, and a plugging phenomenon occurs in which carbon is deposited thereon.
자연에너지인 태양열을 효율적으로 이용하기 위해서는 메탄 분해 시 촉매반응을 통하여 반응온도를 낮춰야 한다. 촉매 도입 시 반응온도를 1400 내지 1500 K까지 낮출 수는 있지만 메탄 분해 시 생성되는 카본이 촉매 표면에 침척되는 현상으로 촉매가 쉽게 비활성화가 되는 것으로 보고되고 있다. 카본계 촉매 도입 시 반응온도 1473K에서 초기 메탄 전환율이 90% 이상을 유지하다 반응시간 1500 초만에 무촉매 반응과 같이 전환율이 45%까지 급속하게 저하되는 것으로 보고되고 있다. 따라서, 1400 내지 1500K의 낮은 반응온도에서 카본 침척에 내성을 갖는 고전환율 촉매 및 반응시스템의 개발이 필요하다.In order to efficiently use solar heat, a natural energy, it is necessary to lower the reaction temperature through a catalytic reaction during methane decomposition. Although the reaction temperature can be lowered to 1400 to 1500 K when the catalyst is introduced, it is reported that the catalyst is easily deactivated due to the deposition of carbon generated during methane decomposition on the catalyst surface. It is reported that, when the carbon-based catalyst is introduced, the initial methane conversion rate is maintained at over 90% at the reaction temperature of 1473K, and the conversion rate is rapidly reduced to 45% as in the non-catalytic reaction within 1500 seconds of the reaction time. Therefore, it is necessary to develop a high conversion catalyst and reaction system that is resistant to carbon precipitation at a low reaction temperature of 1400 to 1500 K.
본 발명은 태양광을 집열하여 회전형 반응기 내부의 온도를 1000도까지 올리고 회전모터를 이용하여 반응기를 일정속도로 회전시킴으로써 반응기 내부 온도를 일정하게 할 수 있으며, 기존의 고정형 촉매 반응기의 고압으로 인한 촉매층 크랙문제를 해결하고 촉매 수명과 효율 증가 및 가스 흐름에 의한 가압 및 운전 편의성 증대시킬 수 있다. 여기에 바이오가스(주성분 CH4)를 분사시켜 카본블랙(C)과 수소(H2)를 반응기에, 분무 노즐(atomizing nozzle)이 장착된 스팀 인젝터(steam injector)를 통하여 바이오가스와 함께 물을 스팀으로 분사하여, 메탄 열분해 다공성 반응층 및/또는 촉매층에 탄소침적을 억제시키고자 한다. The present invention collects sunlight to raise the temperature inside the rotary reactor to 1000 degrees and rotates the reactor at a constant speed using a rotary motor to make the inside temperature of the reactor constant. It is possible to solve the catalyst bed crack problem, increase catalyst life and efficiency, and increase pressurization and operation convenience by gas flow. Here, by injecting biogas (main component CH 4 ), carbon black (C) and hydrogen (H 2 ) are injected into the reactor, and water is injected with biogas through a steam injector equipped with an atomizing nozzle. It is intended to suppress carbon deposition in the methane pyrolysis porous reaction layer and/or catalyst layer by spraying with steam.
본 발명의 제1양태는 모터에 의해 회전가능한 축을 중심으로 하는 원통형 메탄 열분해 태양열 회전형 반응기로서, 태양열 집광기에 의해 집광된 태양열이 원통형 반응기 벽면으로 수직하게 입사하는 것이고, 스팀 인젝터(steam injector)의 기액 분무 노즐(gas-liquid atomizing nozzle)에 CH4 함유 가스 및 물을 주입시키는 CH4 및 H2O 분사부; 및 서로 연결된 기공들을 통해 탄소입자 유체가 흐를 수 있는 다공성 반응 층(bed)을 구비하고 집광된 태양열에 의해 상기 분사부에서 제공되는 CH4을 수소가스와 탄소입자(carbon black)로 분해시키는 반응부를 구비하되, CH4 및 H2O 분사부에서 제공되는 스팀(steam)이 반응부에서 집광된 태양열에 의해 가열된 후 다공성 반응 층을 코팅하고 탄소입자 유체 사이로 분산되어 다공성 반응 층에 탄소 침적을 억제하는 것인, 회전형 반응기를 제공한다.A first aspect of the present invention is a cylindrical methane pyrolysis solar thermal rotary reactor centered on an axis rotatable by a motor, wherein solar heat collected by a solar collector is vertically incident on a cylindrical reactor wall surface, and a steam injector a gas-liquid spray nozzle (gas-liquid atomizing nozzle) containing CH 4 CH 4 and H 2 O injection assembly to inject the gas and water; and a reaction unit having a porous reaction bed through which a carbon particle fluid can flow through the pores connected to each other and decomposing CH 4 provided from the injection unit by the concentrated solar heat into hydrogen gas and carbon black However, after the steam provided from the CH 4 and H 2 O injection unit is heated by the solar heat concentrated in the reaction unit, the porous reaction layer is coated and dispersed between the carbon particle fluids to suppress carbon deposition in the porous reaction layer. To provide a rotary reactor.
본 발명의 제2양태는 기액 분무 노즐(gas-liquid atomizing nozzle)이 장착된 스팀 인젝터(steam injector)에 CH4 함유 가스 및 물을 주입시키는 제1단계; 및집광된 태양열에 의해 메탄을 수소가스와 탄소입자(carbon black)로 분해시키는 다공성 반응 층(bed)에 상기 스팀 인젝터를 통해 CH4 및 스팀을 분사시키면서 메탄 열분해시키는 제2단계를 포함하되, 스팀 인젝터에서 분사되는 스팀(steam)이 집광된 태양열에 의해 가열된 후 다공성 반응 층을 코팅하고 탄소입자 유체 사이로 분산되어 다공성 반응 층에 탄소 침적이 억제되는 것인 수소, 카본블랙 또는 둘다를 제조하는 방법으로서, 상기 다공성 반응 층은 원통형 반응기 내벽을 둘러싼 것으로 모터에 의해 반응기가 1 내지 100 RPM 속도로 회전하면서 반응기 내부 온도를 제어하는 것이 특징인, 제조방법을 제공한다. A second aspect of the present invention is a first step of injecting CH 4 containing gas and water into a steam injector equipped with a gas-liquid atomizing nozzle; and a second step of thermally decomposing methane while spraying CH 4 and steam through the steam injector to a porous reaction bed that decomposes methane into hydrogen gas and carbon black by the concentrated solar heat, steam A method for producing hydrogen, carbon black, or both, in which steam injected from an injector is heated by concentrated solar heat, and then the porous reaction layer is coated and dispersed between the carbon particle fluids to suppress carbon deposition in the porous reaction layer As such, the porous reaction layer surrounds the inner wall of the cylindrical reactor, and the reactor is rotated at a speed of 1 to 100 RPM by a motor to control the internal temperature of the reactor.
이하, 본 발명을 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.
메탄을 높은 온도(1170 - 1620K)로 가열하면 메탄 (CH4)은 하기 반응식 1과 같이 분해된다.When methane is heated to a high temperature (1170 - 1620K), methane (CH 4 ) is decomposed as shown in
[반응식 1][Scheme 1]
CH4 → C + 2H2 ΔHo = 74.6 kJ/molCH 4 → C + 2H 2 ΔH o = 74.6 kJ/mol
메탄의 직접분해법은 전혀 이산화탄소를 발생하지 않으며, 주요한 생성물로 수소 생산과 부산물로 고순도의 탄소(Carbon black)를 얻을 수 있다는 큰 장점이다. 탄소는 미래에 이용될 목적으로 저장되거나, 2차 전지의 전극, 촉매, 담체 등 고부가가치 재료로 또는 고무 및 전기 첨가제로서 사용될 수 있다.The direct decomposition of methane does not generate carbon dioxide at all, and is a major advantage in that it produces hydrogen as a major product and obtains high-purity carbon as a by-product. Carbon can be stored for future use, used as a high value-added material such as an electrode, catalyst, carrier, etc. of a secondary battery, or as a rubber and electrical additive.
자연에너지를 이용한 바이오메탄 에너지화 기술은 하기 반응식 2과 같다. Biomethane energy conversion technology using natural energy is shown in
[반응식 2][Scheme 2]
CH4 + CO2 → 2H2 + 2CO, ΔHo = 247 kJ/molCH 4 + CO 2 → 2H 2 + 2CO, ΔH o = 247 kJ/mol
바이오 가스는 메탄(~50%)과 이산화탄소(~50%)를 함유하고, 이때 CO2는 발열량을 떨어뜨린다.Biogas contains methane (~50%) and carbon dioxide (~50%), where CO 2 lowers the calorific value.
바이오메탄과 CO2가 동시에 공급되어 개질되는 반응식 2의 경우, 기존 바이오메탄 발전시스템의 메탄 발열량(-74.6 kJ/mol) 대비 고부가가치의 합성 가스 생산으로 CH4 1 mol당 247 kJ의 추가 발전 효과가 기대된다.In the case of
바이오메탄과 CO2를 분리하고 순수한 메탄이 열분해되는 반응식 1의 경우 기존 스팀 메탄 개질 공정 대비 수소 1 kg 생산 당 277 MJ의 에너지가 절약되고 14 kg CO2 배출이 회피되는 효과가 있다.In the case of
메탄의 열분해시 메탄의 전환율을 높이기 위해서는 높은 온도와 낮은 압력에서 유리하며 반응은 흡열반응이다. In order to increase the conversion rate of methane during thermal decomposition of methane, it is advantageous at high temperature and low pressure, and the reaction is endothermic.
이론적으로는 상압 조건하에서 반응온도 1070K 정도에서 수소의 평형조성이 97% 이상에 달하지만 실제 반응조건에서는 활성화 에너지의 장벽을 넘어야 하므로 반응온도가 이보다 훨씬 높아져야 하고, 또는 체류시간이 더욱 길어져야 한다.Theoretically, the equilibrium composition of hydrogen reaches more than 97% at a reaction temperature of about 1070K under atmospheric conditions.
촉매 없이 메탄의 열분해가 가능하나, 촉매를 사용하는 경우 열분해 반응온도를 낮출 수 있다. 촉매는 일반적으로 Ni-Mo/Alumina를 사용하며, 일부 촉매는 성능시험에서 아주 우수하여 전환율은 거의 100%로 알려져 있다. Although pyrolysis of methane is possible without a catalyst, the pyrolysis reaction temperature can be lowered when a catalyst is used. The catalyst is generally Ni-Mo/Alumina, and some catalysts are very good in performance tests, and the conversion rate is known to be almost 100%.
본 발명은 모터(도 2)에 의해 회전가능한 축을 중심으로 하는 원통형 메탄 열분해 태양열 회전형 반응기로서 기존의 고정형 촉매층을 구비한 반응기의 고압에 의한 촉매층 크랙 현상 및 별도의 태양빛 투과 위한 quartz window를 필요로 하지 않아 고압에 의한 상기 윈도우 깨짐 문제와 상기 윈도우 표면에서 메탄이 반응하여 코팅됨으로써 윈도우의 태양빛 투과도가 감소하는 문제도 해결할 수 있다. 상기 회전형 반응기는 SUS 금속으로 이루어지며 추가적으로 Inconel을 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. The present invention is a cylindrical methane pyrolysis solar thermal rotary reactor centered on a shaft rotatable by a motor (Fig. 2). A quartz window is required for cracking the catalyst layer due to high pressure of the conventional reactor having a fixed catalyst layer and for transmitting sunlight separately. It is also possible to solve the problem of window breakage due to high pressure and methane reaction and coating on the window surface, thereby reducing the sunlight transmittance of the window. The rotary reactor is made of SUS metal and may additionally include Inconel, but is not limited thereto.
본 발명의 회전형 반응기는 태양열 집광기에 의해 집광된 태양열이 원통형 반응기 벽면으로 수직하게 입사하는 것이다. In the rotary reactor of the present invention, the solar heat collected by the solar heat collector is vertically incident on the wall of the cylindrical reactor.
본 발명에 따른 메탄 열분해 태양열 반응기는 기액 분무 노즐(gas-liquid atomizing nozzle)이 장착된 스팀 인젝터(steam injector)가 설치된 CH4 및 H2O 분사부; 및 집광된 태양열에 의해 CH4을 수소가스와 탄소입자(carbon black)로 분해시키는 반응부를 구비한다.Methane pyrolysis solar thermal reactor according to the present invention is a gas-liquid atomizing nozzle (gas-liquid atomizing nozzle) is equipped with a steam injector (steam injector) installed CH 4 and H 2 O injection unit; and a reaction unit for decomposing CH 4 into hydrogen gas and carbon black by the concentrated solar heat.
본 발명의 상기 모터(도 2)에 의한 반응기 회전속도는 1 내지 100 RPM 인 것일 수 있다. 1 RPM 미만이면 회전속도가 느려 집광된 태양광이 반응기 특정 위치에만 집중적으로 조사되어 반응기가 부식되는 문제가 있을 수 있으며, 100 RPM 초과인 경우, 반응기 회전에 따른 대류현상으로 반응기 표면의 온도가 승온되는 속도가 감소하는 문제가 있을 수 있다. The reactor rotation speed by the motor (FIG. 2) of the present invention may be 1 to 100 RPM. If it is less than 1 RPM, the rotation speed is slow and the concentrated sunlight is intensively irradiated to a specific location of the reactor, so there may be a problem that the reactor is corroded. There may be problems with slowing down.
본 발명의 메탄 열분해 태양열 반응기의 일구체예의 수직 단면도는 도 3에 나타난 바와 같다. 본 발명의 메탄 열분해 태양열 반응기는 메탄 전환율이 80%이상일 수 있다.A vertical cross-sectional view of one embodiment of the methane pyrolysis solar thermal reactor of the present invention is as shown in FIG. 3 . The methane pyrolysis solar thermal reactor of the present invention may have a methane conversion rate of 80% or more.
본 발명에 따라 집광된 태양열에 의해 CH4을 수소가스와 탄소입자(carbon black)로 분해시키는 반응부는 서로 연결된 기공들을 통해 탄소입자 유체가 흐를 수 있는 다공성 반응 층(bed)을 구비한다. 본 발명에서 다공성 반응 층은 촉매 없는 다공성 층이거나 촉매가 적용된 다공성 층일 수 있다. 비제한적인 예로, 다공성 반응 층은 Ceria coated zirconia foam device일 수 있다. 또한, 다공성 반응 층은 균일한 온도 구배를 발휘할 수 있다.According to the present invention, the reaction unit for decomposing CH 4 into hydrogen gas and carbon black by the concentrated solar heat includes a porous reaction bed through which a carbon particle fluid can flow through pores connected to each other. In the present invention, the porous reactive layer may be a catalyst-free porous layer or a catalyst-applied porous layer. As a non-limiting example, the porous reactive layer may be a Ceria coated zirconia foam device. In addition, the porous reaction layer can exhibit a uniform temperature gradient.
다공성 반응 층은 집광된 태양열 및 CH4 함유 반응물을 수용할 수 있는 용기 형태일 수 있으며, 이의 내부 공간에 스팀 인젝터를 통해 CH4 및 스팀 함유 유체가 분사될 수 있고 태양열이 집광될 수 있으므로, CH4 및 스팀 함유 유체는 메탄 열분해 온도 또는 그 이상까지 집광된 태양열에 의해 가열될 수 있다. 이로 인해 다공성 반응 층에서 메탄은 수소가스와 탄소입자(carbon black)로 열분해 및/또는 수증기 개질 반응이 일어날 수 있다. Since the porous reaction layer may be capable of receiving the light collecting solar heat and CH 4 containing reaction vessel form, can be CH 4, steam-containing fluid injected through the steam injector in the internal space thereof can be solar power is converged, CH 4 and the steam containing fluid can be heated by concentrated solar heat up to or above the methane pyrolysis temperature. Due to this, methane may be thermally decomposed and/or steam reformed into hydrogen gas and carbon black in the porous reaction layer.
메탄 열분해의 주요 가스 생성물들은 H2, C2H6, C2H4, C2H2 그리고 C3H6이다. 코크란 메탄 열분해 동안 생성된 탄화수소 물질 및/또는 열분해탄소(pyrocarbon)를 말하며, 코크는 열분해하는 동안 기상으로 반응기 벽면에 퇴적된다.The main gaseous products of methane pyrolysis are H 2 , C 2 H 6 , C 2 H 4 , C 2 H 2 and C 3 H 6 . Coke refers to hydrocarbon material and/or pyrocarbon produced during methane pyrolysis, and coke is deposited on the reactor wall as a gas phase during pyrolysis.
따라서, 수소가스와 탄소입자(carbon black)를 생성하는 메탄의 열분해 반응은 다공성 반응층의 기공 및/또는 촉매에 탄소침적이 발생하여, 기공이 폐쇄되고/되거나 대부분의 촉매는 탄소퇴적에 의해 활성이 저하되어 촉매 수명이 짧아지는 단점이 있다. Therefore, the pyrolysis reaction of hydrogen gas and methane to produce carbon black particles causes carbon deposition in the pores and/or catalyst of the porous reaction layer, so that the pores are closed and/or most catalysts are activated by carbon deposition. This lowers the catalyst life, there is a disadvantage.
유입 메탄양이 증가함에 따라 수소생산량은 계속 증가하나, 메탄 유량이 많을수록 생성되는 탄소의 양이 많아지게 되므로 유량이 적을 때보다 더 빨리 반응기를 막아버리는 결과를 초래하게 된다. 즉 volume reaction이 아닌 surface reaction에 의해 반응기 벽에 다량의 pyrocarbon이 형성되어 반응기를 막는 현상이 일어난다. 따라서, 메탄가스의 고온열분해에 의해 대량생산하기 위해서는 surface reaction을 효과적으로 막을 수 있는 반응기의 개발이 필요하다.As the amount of inflow methane increases, the hydrogen production continues to increase, but as the flow rate of methane increases, the amount of carbon produced increases, resulting in the reactor clogging faster than when the flow rate is low. That is, a large amount of pyrocarbon is formed on the wall of the reactor by the surface reaction rather than the volume reaction, which causes the reactor to clog. Therefore, in order to mass-produce methane gas by high-temperature thermal decomposition, it is necessary to develop a reactor capable of effectively preventing the surface reaction.
이를 위해, 본 발명에 따라 집광된 태양열을 통해 다공성 반응 층의 온도를 메탄 열분해 온도 이상으로 가열하는 메탄 열분해 태양열 반응기는, 기액 분무 노즐(gas-liquid atomizing nozzle)이 장착된 스팀 인젝터(steam injector)를 통해 CH4 뿐만 아니라 스팀(steam) 액적으로 H2O 를 다공성 반응 층에 분사하고, 집광된 태양열에 의해 CH4 는 열분해되고 스팀 액적은 가열된 후, 가열된 스팀 액적이 다공성 반응 층을 코팅하고 탄소입자 유체 사이로 분산되어 다공성 반응 층에 탄소 침적을 억제시키는 것이 특징이다.To this end, the methane pyrolysis solar thermal reactor that heats the temperature of the porous reaction layer above the methane pyrolysis temperature through the concentrated solar heat according to the present invention is a steam injector equipped with a gas-liquid atomizing nozzle. the CH 4 as well as steam (steam) to the liquid injecting H 2 O into the porous reaction layer, and by the focused solar CH 4 is thermally decomposed and the steam droplets heated then been heated steam solution coating the porous reaction layer through It is characterized in that it is dispersed between the carbon particle fluid and suppresses carbon deposition in the porous reaction layer.
본 발명의 CH4 및 H2O 분사부는 스팀 인젝터의 기액 분무 노즐에 CH4 함유 가스 주입부 및 물 주입부가 연결되어 있을 수 있다(도 5). The CH 4 and H 2 O injection unit of the present invention may be connected to the gas-liquid spray nozzle of the steam injector by the CH 4 containing gas injection unit and the water injection unit ( FIG. 5 ).
본 발명에서 CH4 및 H2O 분사부는 스팀 인젝터의 구조를 가지며, 기액 분무 노즐을 통해 CH4 함유 가스에 의해 물을 스팀으로 분무시킬 수 있다(도 5). 이때, CH4 함유 가스는 압축된 가스일 수 있다.In the present invention, CH 4 and H 2 O injection unit has a structure of a steam injector, and water may be sprayed as steam by a CH 4 containing gas through a gas-liquid spray nozzle (FIG. 5). In this case, the CH 4 containing gas may be a compressed gas.
본 발명에서 스팀 인젝터는 스팀을 in-situ로 생성시킬 수 있는 장치로, 통상 liquid air atomizing nozzle(도 4)로 알려진 기액 분무 노즐(gas-liquid atomizing nozzle)이 장착된 것이다. 본 발명의 스팀 인젝터에서는 liquid air atomizing nozzle와 동일한 작용원리(도 5)가 적용된 것으로 liquid로 물이 air 대신 CH4 함유 가스가 사용되는 것이다. 따라서, liquid air atomizing nozzle를 그대로 또는 설계 변경하여, 본 발명의 스팀 인젝터 내 기액 분무 노즐로 사용할 수 있다.In the present invention, the steam injector is a device capable of generating steam in-situ, and is equipped with a gas-liquid atomizing nozzle, commonly known as a liquid air atomizing nozzle (FIG. 4). In the steam injector of the present invention, the same principle of operation as the liquid air atomizing nozzle (FIG. 5) is applied, and CH 4 containing gas is used instead of air as liquid. Therefore, the liquid air atomizing nozzle can be used as it is or by changing the design, and can be used as the gas-liquid atomizing nozzle in the steam injector of the present invention.
기액 분무 노즐은 기체와 액체의 충돌을 이용하여 원자화(atomization)된 스프레이를 제공할 수 있다(도 5). 공기 원자화 어셈블리(air atomizing assembly)에 해당하는 기액 분무 노즐은 압축 기체를 사용하여 유체를 운반하고 스프레이된 유체를 원자화하여 최상의 액적 크기로 제공할 수 있다. 기액 분무 노즐의 설계변경을 통해 특정 분사 및 흐름 패턴으로 가스와 혼합하여 액체를 미세 분무할 수 있다. 예컨대, 도 6에 예시된 바와 같은 노즐 캡(cap)의 디자인에 따라 미세 분무 스프레이, 미스트 또는 안개를 형성할 수 있으며, 다양한 스프레이 패턴이 가능하다. 또한, 다양한 기체 및 액체 혼합 유형이 가능하다. 따라서, 본 발명은 기액 분무 노즐을 통해 CH4 함유 가스와 함께 스팀의 유속, 액적 크기, 분무 분포 및 적용 범위(flow rate, drop size, spray distribution and coverage)를 미세 조정할 수 있다.A gas-liquid spray nozzle may provide atomized spray using the collision of gas and liquid (FIG. 5). A gas-liquid spray nozzle, which corresponds to an air atomizing assembly, can use compressed gas to transport the fluid and atomize the sprayed fluid to provide the best droplet size. By changing the design of the gas-liquid spray nozzle, it is possible to finely atomize the liquid by mixing it with the gas in a specific spray and flow pattern. For example, according to the design of the nozzle cap as exemplified in FIG. 6 , a fine spray spray, mist or mist may be formed, and various spray patterns are possible. Also, various gas and liquid mixing types are possible. Accordingly, the present invention can fine-tune the flow rate, drop size, spray distribution and coverage of steam together with the CH 4 containing gas through the gas-liquid spray nozzle.
CH4 함유 가스 및 물을 기액 분무 노즐에 주입시키면 물을 스팀으로 in-situ로 생성시키면서 CH4 함유 운반 가스에 스팀 액적이 분산되어 다공성 반응층에 분사되고, 집광된 태양열에 의해 가열된다. 이어서 CH4가 열분해되어 수소가스와 탄소입자가 형성되고, 유속을 갖는 고온의 스팀이 다공성 반응 층을 코팅하고 탄소입자 유체 사이로 분산되어 다공성 반응 층의 기공에 코크 형성(Coke formation) 및 탄소 침적(carbon deposition)을 억제하거나 탄소 침적을 제거할 수 있다.When CH 4 containing gas and water are injected into the gas-liquid spray nozzle, steam droplets are dispersed in the CH 4 containing carrier gas while generating water in-situ as steam and sprayed on the porous reaction layer, and heated by the concentrated solar heat. Subsequently, CH 4 is pyrolyzed to form hydrogen gas and carbon particles, and high-temperature steam having a flow rate coats the porous reaction layer and disperses between the carbon particle fluids to form coke in the pores of the porous reaction layer and carbon deposition ( carbon deposition) or eliminate carbon deposition.
따라서, 본 발명은 CH4 및 H2O 분사부에 주입되는 물의 사용량을 조절하여, CH4 및 H2O 분사부에서 제공되는 스팀(steam)이 집광된 태양열에 의해 가열된 후 다공성 반응 층을 코팅하고 탄소입자 유체 사이로 분산되어 다공성 반응 층에 탄소 침적을 억제할 수 있다.Accordingly, the present invention CH 4 and by controlling the water amount to be injected into the H 2 O injection assembly, CH 4 and H 2 O injection assembly porous reaction layer after the steam (steam) is heated by the focused solar heat provided by the It can be coated and dispersed between the carbon particle fluid to inhibit carbon deposition in the porous reactive layer.
스팀 인젝터를 통해 분사된 CH4 함유 가스와 스팀 함유 유체는 시계방향 또는 반시계방향으로 소용돌이 효과(Swirl effect)를 발휘하면서 다공성 반응 층에 반응물로 공급되고, 이로 인해 난류 유동(Turbulent flow)에 의해 열전달을 증가시킬 수 있다. The CH 4 containing gas and the steam containing fluid injected through the steam injector are supplied as a reactant to the porous reaction layer while exerting a swirl effect in a clockwise or counterclockwise direction, thereby causing a turbulent flow. It can increase heat transfer.
본 발명은 다공성 반응 층의 기공에 Coke formation 억제 및 carbon deposition 최소화하도록 스팀 인젝터를 통해 CH4 함유 가스와 스팀을 다공성 반응 층에 반응물로 공급한다. In the present invention, CH 4 containing gas and steam are supplied as reactants to the porous reaction layer through a steam injector to suppress Coke formation and minimize carbon deposition in the pores of the porous reaction layer.
본 발명에서 CH4는 천연가스 또는 바이오메탄으로부터 공급될 수 있다. 예컨대 CH4 함유 가스는 천연가스 또는 바이오가스일 수 있다. 바이오가스는 유기물의 혐기소화에 의해 생산되는데, 유기물에 함유된 CHO 성분들이 CH4 와 CO2를 주성분으로 하는 가스로 전환된다. 따라서, 본 발명에서 CH4 함유 가스는 CO2 를 더 포함할 수 있다.In the present invention, CH 4 may be supplied from natural gas or biomethane. For example, the CH 4 containing gas may be natural gas or biogas. Biogas is produced by anaerobic digestion of organic matter, and CHO components contained in organic matter are converted into a gas mainly composed of CH 4 and CO 2 . Accordingly, in the present invention, the CH 4 containing gas may further include CO 2 .
도면에는 도시되어 있지 아니하나, 다공성 반응 층을 구비한 반응부의 하단(downstream)에 탄소입자 포집부를 구비하여 필터를 통해 탄소입자와 수소 함유 생성물 가스를 분리할 수 있다.Although not shown in the drawings, a carbon particle collecting unit may be provided at a lower end of the reaction unit having a porous reaction layer to separate carbon particles and hydrogen-containing product gas through a filter.
또한, 본 발명에 따라 수소 및/또는 카본블랙을 제조하는 방법은 In addition, the method for producing hydrogen and/or carbon black according to the present invention is
기액 분무 노즐(gas-liquid atomizing nozzle)이 장착된 스팀 인젝터(steam injector)에 CH4 함유 가스 및 물을 주입시키는 제1단계; 및 A first step of injecting CH 4 containing gas and water into a steam injector equipped with a gas-liquid atomizing nozzle; and
집광된 태양열에 의해 메탄을 수소가스와 탄소입자(carbon black)로 분해시키는 다공성 반응 층(bed)에 상기 스팀 인젝터를 통해 CH4 및 스팀을 분사시키면서 메탄 열분해시키는 제2단계를 포함한다. and a second step of thermally decomposing methane while injecting CH 4 and steam through the steam injector into a porous reaction bed that decomposes methane into hydrogen gas and carbon black by the concentrated solar heat.
단계들은 전술한 본 발명의 메탄 열분해 태양열 반응기에서 수행될 수 있다. The steps may be carried out in the methane pyrolysis solar reactor of the present invention described above.
이때, 스팀 인젝터에서 분사되는 스팀(steam)이 집광된 태양열에 의해 가열된 후 다공성 반응 층을 코팅하고 탄소입자 유체 사이로 분산되어 다공성 반응 층에 탄소 침적이 억제될 수 있다.At this time, after the steam injected from the steam injector is heated by the concentrated solar heat, the porous reaction layer is coated and dispersed between the carbon particle fluid, so that carbon deposition in the porous reaction layer can be suppressed.
본 발명의 방법 및 장치를 생활폐기물 매립장을 포함하여 다양한 규모의 매립지에 활용하면, 매립지의 메탄을 처리할 수 있으며 이에 따른 온실가스 저감 뿐만 아니라, 신재생에너지 확보, 폐기물에너지를 생산, 대용량 배출권 확보 및 이산화탄소 감축이 가능하다.If the method and apparatus of the present invention are used in landfills of various sizes, including domestic waste landfills, methane in the landfill can be treated and thus not only reduce greenhouse gas, but also secure new and renewable energy, produce waste energy, and secure large-capacity emission rights. and carbon dioxide reduction.
대용량 수소 제조 기술이 개발되고 있으나, 화석연료의 개질 혹은 가스화를 통해 수소를 제조하는 기술은 에너지 소비가 높아 다량의 이산화탄소를 배출시키는 단점이 있다. 반면 본 발명은 자연 에너지인 태양에너지를 이용하여 수소를 제조하며, 사용하는 공급가스로 바이오 가스를 이용하기 때문에 온실가스를 줄이면서 수소를 경제적으로 생산할 수 있다.Although large-capacity hydrogen production technology is being developed, the technology for producing hydrogen through reforming or gasification of fossil fuels has a disadvantage in that it emits a large amount of carbon dioxide due to high energy consumption. On the other hand, in the present invention, hydrogen is produced using solar energy, which is natural energy, and since biogas is used as a supply gas to be used, hydrogen can be economically produced while reducing greenhouse gas.
또한, 본 발명의 방법 및 장치를 사용하면, 원통형 반응기 내부의 온도를 일정하게 조절할 수 있고 고압에 의한 촉매층 크랙 현상을 방지하여 촉매층의 수명 및 효율을 향상시킬 수 있다. In addition, by using the method and apparatus of the present invention, the temperature inside the cylindrical reactor can be constantly controlled, and cracking of the catalyst layer due to high pressure can be prevented, thereby improving the life and efficiency of the catalyst layer.
또한, CH4 및 H2O 분사부로 기액 분무 노즐가 장착된 스팀 인젝터(steam injector)를 사용함으로써, 메탄 열분해 태양열 반응기에서의 Coke formation 억제 및 carbon deposition 최소화할 수 있다.In addition, by using a steam injector equipped with a gas-liquid spray nozzle as the CH 4 and H 2 O injection part, it is possible to suppress Coke formation and minimize carbon deposition in the methane pyrolysis solar thermal reactor.
도 1은 본 발명의 메탄 열분해 태양열 반응기에 연동될 수 있는 태양광 집열 장치의 일례이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전형 모터의 설계도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄 열분해 태양열 회전형 반응기의 설계도이다.
도 4은 liquid air atomizing nozzle이 장착된 스팀 인젝터의 내부 구조를 도시한 도면이다.
도 5은 스팀 인젝터에 주입되는 CH4 함유 가스 및 물이 CH4 및 스팀으로 분사되는 작동원리를 도시한 것이다.
도 6은 시판중인 Air Atomizing Nozzles의 다양한 Cap 을 예시한 사진이다.1 is an example of a solar collector that can be linked to the methane pyrolysis solar thermal reactor of the present invention.
2 is a design diagram of a rotary motor according to an embodiment of the present invention.
3 is a design diagram of a methane pyrolysis solar thermal rotary reactor according to an embodiment of the present invention.
4 is a view showing an internal structure of a steam injector equipped with a liquid air atomizing nozzle.
FIG. 5 illustrates an operating principle in which CH 4 containing gas and water injected into the steam injector are injected into CH 4 and steam.
6 is a photograph illustrating various Caps of Air Atomizing Nozzles on the market.
본 발명의 전형적인 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS A typical embodiment of the present invention is described with reference to the accompanying drawings. These examples are only for illustrating the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited by these examples.
본 발명의 메탄 열분해 태양열 반응기에 연동될 수 있는 태양광 집열 장치의 일례가 도 1에 도시되어 있으며, 이에 대한 설명은 한국 등록특허 10-1008500에 기재되어 있으며, 본 명세서에 통합된다(도 1).An example of a solar collector that can be linked to the methane pyrolysis solar thermal reactor of the present invention is shown in FIG. 1, a description thereof is described in Korean Patent Registration No. 10-1008500, which is incorporated herein (FIG. 1) .
본 발명의 일 실시예에 따른 메탄 열분해 태양열 회전형 반응기의 설계도가 도 3에 도시되어 있다. 모터(도 2)에 의해 회전가능한 축(7)을 중심으로 반응기가 회전한다. 상기 모터에 의한 반응기 회전속도는 온도 제어 및 부식도 고려하여 1 내지 100 RPM 으로 조절될 수 있다(도 3). A design diagram of a methane pyrolysis solar thermal rotary reactor according to an embodiment of the present invention is shown in FIG. 3 . The reactor is rotated about a
일 실시 예에 따른 상기 회전모터는 회전 샤프트용 실링(2)과 샤프트(4)를 포함하며, 베어링(3)이 제공되어 상기 샤프트의 회전이 가능하게 지지되며 상기 베어링은 회전모터 프레임 바디의 가운데 위치한다(도 2). The rotary motor according to an embodiment includes a
상기 태양열 집광기에 의해 집광된 태양열이 회전하는 원통형 반응기 벽면으로 수직하게 입사하면서, 반응기 내부의 온도가 메탄 열분해 반응이 일어나는 온도인 1100K 내지 1700K 범위로 일정하게 유지되도록 제어할 수 있다. 상기 반응기 내부에는 용기 형태의 다공성 반응 층(8)이 위치한다. 예를 들어 상기 다공성 반응 층은 일체형으로 내부가 비어 있는 원통형일 수 있다. 따라서, 길이방향 축을 기준으로 다공성 반응 층의 수직 단면은 사각형 모양일 수 있다(도 3).It can be controlled so that the temperature inside the reactor is constantly maintained in the range of 1100K to 1700K, which is the temperature at which the methane pyrolysis reaction occurs, while the solar heat collected by the solar collector is vertically incident on the wall of the rotating cylindrical reactor. A
일 실시예에서, 반응기 내 스팀 인젝터(10)가 위치할 수 있다(도 4 및 도 5). 구체적으로, 다공성 반응 층(8)에 CH4 함유 가스 및 스팀을 공급하기 위하여 스팀 인젝터(10)의 CH4 함유 가스 및 스팀 분사 배출구가, 반응물이 진입하는 다공성 반응 층(8)의 내벽에 인접하여 위치하여, 다공성 반응 층(8)의 내벽 및 기공 안으로 스팀을 공급할 수 있다. CH4 및 H2O 분사부에서 제공되는 스팀(steam)이 반응부에서 집광된 태양열에 의해 가열된 후 다공성 반응 층을 코팅하고 탄소입자 유체 사이로 분산되어 다공성 반응 층에 탄소 침적을 억제할 수 있다. 이로 인해 탄소입자 유체가 다공성 반응 층(bed) 내 서로 연결된 기공들을 통해 흐를 수 있어 반응 층 내부면에서 외부면으로 배출될 수 있을 뿐만 아니라, 촉매층의 탄소 침적에 의한 비활성화를 막을 수 있다. 즉, 스팀 인젝터(10)로부터 배출된 고온, 고속의 스팀 액적은 다공성 반응 층의 탄소 침적을 억제하거나, 탄소 침적을 제거함으로써, 촉매 활성 저하를 막고 가스의 유동을 원활히 유지한다. In one embodiment, a
본 발명은 스팀 인젝터(10)를 통해 CH4 함유 가스 및 스팀(H2O)을 다공성 반응 층(8)에 반응물을 공급하므로, 수증기 개질 부반응(Additional hydrogen production by steam reforming side reaction)을 통해 추가로 수소를 더 생산할 수 있다.In the present invention, since the reactants are supplied to the
본 발명의 메탄 열분해 태양열 반응기는 원통형 반응기로서 내부에 또한 선택적으로 다공성 반응 층(8)이 위치하여, 다공성 반응 층과 반응기 내벽을 서로 이격시켜 탄소입자를 비롯한 생성물 가스를 포집하여 배출부(9)를 통해 메탄 열분해 태양열 반응기 밖으로 배출시킬 수 있다. 다공성 반응 층의 하류에 반응기에 가스 배출부(9)가 연결될 수 있다.The methane pyrolysis solar thermal reactor of the present invention is a cylindrical reactor, and a
본 발명은 기액 분무 노즐이 장착된 스팀 인젝터(10)가 반응기에 연결되어 있으며, 각 스팀 인젝터는 유입 라인(11)을 통해 가스 및 물을 공급받는다. 스팀 인젝터(10)는 하나 또는 복수 개 구비될 수 있으며, 이의 갯수에 제한되지 않는다.In the present invention, a
스팀 인젝터(10)를 통해 CH4 및 스팀 함유 유체를 다공성 반응 층(8)에 분사시키면(도 4 및 도 5) 다공성 반응 층(8)의 내부 공간에서 분사된 CH4 및 스팀 함유 유체는 집광된 태양열에 의해 메탄 열분해 온도 이상으로 가열되고, 이로 인해 메탄은 수소가스와 탄소입자(carbon black)로 열분해 및/또는 수증기 개질 반응이 일어날 수 있다. 다공성 반응 층의 다공성 폼(foam)을 거쳐 메탄의 열분해 및/또는 수증기 개질 반응의 생성물이 다공성 반응 층의 밖으로 빠져나간다. 이와 같이 다공성 반응 층을 통과한 생성물은 반응기 하부쪽으로 포집되고, 배출부(9)를 통해 배출된다. When CH 4 and the steam-containing fluid are injected into the
도면에는 도시되어 있지 아니하나, 다공성 반응 층을 구비한 반응부의 하단(downstream)에 탄소입자 포집부를 구비하여 필터를 통해 탄소입자와 수소 함유 생성물 가스를 분리할 수 있다.Although not shown in the drawings, a carbon particle collecting unit may be provided at a lower end of the reaction unit having a porous reaction layer to separate carbon particles and hydrogen-containing product gas through a filter.
메탄 열분해의 주요 생성물인 탄소입자와 가스 생성물을 분리하기 위해, 메탄 열분해 태양열 회전형 반응기는 배출부(outlet port)에 연결된 탄소입자 포집부를 더 구비할 수 있으며, 탄소입자와 가스를 분리하는 필터가 구비된 탄소 포집기 (carbon trap) 및 이의 후단에 선택적으로 싸이클론 (cyclone)으로 구성될 수 있다. In order to separate carbon particles and gas products, which are the main products of methane pyrolysis, the methane pyrolysis solar thermal rotary reactor may further include a carbon particle collecting unit connected to an outlet port, and a filter for separating carbon particles and gas is provided. It may be composed of a carbon trap provided and optionally a cyclone at the rear end thereof.
탄소 포집기는 탄소 입자의 생성 유무 및 생성량을 육안으로 확인할 수 있도록 내부가 투명한 Pyrex 재질로 제작할 수 있다. 메탄 열분해시 생성된 대부분의 탄소 입자는 일차적으로 탄소입자 포집기에서 포집되어지고, 탄소입자 포집기에서 포집되지 않고 가스와 함께 나오는 미세한 탄소입자는 싸이클론에서 완전히 포집될 수 있다. 탄소입자 포집부로부터 배출되는 물질은 수소가스와 미 반응 메탄가스이다.The carbon collector can be made of a transparent Pyrex material so that the presence and amount of carbon particles can be visually checked. Most of the carbon particles generated during methane pyrolysis are primarily captured by the carbon particle collector, and the fine carbon particles that are not captured by the carbon particle collector and come out with the gas can be completely captured in the cyclone. The substances discharged from the carbon particle collecting unit are hydrogen gas and unreacted methane gas.
가스 배출부(9)에서는 탄소입자 포집기와 싸이클론을 통과하면서 탄소입자가 완전히 제거된 배출가스를 dry gas meter에서 유량이 적산된 후 외부로 배출될 수 있다.In the
본 명세서는 본 출원의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자이면 충분히 인식하고 유추할 수 있는 내용은 그 상세한 기재를 생략하였으며, 본 명세서에 기재된 구체적인 예시들 이외에 본 출원의 기술적 사상이나 필수적 구성을 변경하지 않는 범위 내에서 보다 다양한 변형이 가능하다. 따라서 본 출원은 본 명세서에서 구체적으로 설명하고 예시한 것과 다른 방식으로 실시될 수 있으며, 이는 본 출원의 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자이면 이해할 수 있는 사항이다.In this specification, the detailed description of the contents that can be sufficiently recognized and inferred by those of ordinary skill in the technical field of the present application is omitted, and the technical idea or essential configuration of the present application is changed in addition to the specific examples described in the present specification More various modifications are possible within the scope not to do so. Accordingly, the present application may be practiced in a manner different from that specifically described and exemplified in the present specification, which can be understood by those of ordinary skill in the art of the present application.
1. 스프링
2. 실링(SEAL RING)
3. 베어링
4. 샤프트
5. 커버
6. 바디
7.회전축
8.다공성 반응 층
9.배출부
10.스팀 인젝터
11.유입라인1. Spring
2. SEAL RING
3. Bearing
4. Shaft
5. Cover
6. body
7. Rotation shaft
8. Porous Reaction Layer
9. Discharge part
10.Steam Injector
11. Inlet line
Claims (11)
태양열 집광기에 의해 집광된 태양열이 태양빛 투과를 위한 윈도우 없이 원통형 반응기 벽면으로 수직하게 입사하는 것이고,
상기 회전형 반응기는 1 RPM 내지 100 RPM의 회전속도로 회전하고,
스팀 인젝터(steam injector)의 기액 분무 노즐(gas-liquid atomizing nozzle)에 CH4 함유 가스 및 물을 주입시키는 CH4 및 H2O 분사부; 및 서로 연결된 기공들을 통해 탄소입자 유체가 흐를 수 있는 다공성 반응 층(bed)을 구비하고 집광된 태양열에 의해 상기 분사부에서 제공되는 CH4을 수소가스와 탄소입자(carbon black)로 분해시키는 반응부를 구비하되,
CH4 및 H2O 분사부에서 제공되는 스팀(steam)이 반응부에서 집광된 태양열에 의해 가열된 후 다공성 반응 층을 코팅하고 탄소입자 유체 사이로 분산되어 다공성 반응 층에 탄소 침적을 억제하는 것인, 회전형 반응기.A cylindrical methane pyrolysis solar rotary reactor centered on an axis rotatable by a motor, comprising:
The solar heat condensed by the solar concentrator is vertically incident on the cylindrical reactor wall without a window for sunlight transmission,
The rotary reactor rotates at a rotation speed of 1 RPM to 100 RPM,
CH 4 and H 2 O injection unit for injecting CH 4 containing gas and water to the gas-liquid atomizing nozzle of the steam injector; and a reaction unit having a porous reaction bed through which a carbon particle fluid can flow through the pores connected to each other and decomposing CH 4 provided from the injection unit by the concentrated solar heat into hydrogen gas and carbon black provided, but
After the steam provided from the CH 4 and H 2 O injection unit is heated by the solar heat concentrated in the reaction unit, the porous reaction layer is coated and dispersed among the carbon particle fluid to suppress carbon deposition in the porous reaction layer. , a rotary reactor.
상기 모터에 의한 반응기 회전속도는 1 내지 100 RPM 인 것인 회전형 반응기. According to claim 1,
The rotational speed of the reactor by the motor is 1 to 100 RPM of the rotary reactor.
상기 CH4 함유 가스는 CO2를 더 포함하는 것인 회전형 반응기.According to claim 1,
The CH 4 containing gas is a rotary reactor that further comprises CO 2 .
상기 CH4 함유 가스는 유기물의 혐기소화에 의해 생산되는 CH4 및 CO2 함유 바이오가스인 것인 회전형 반응기.According to claim 1,
The CH 4 containing gas is a rotary reactor that is produced by anaerobic digestion of organic matter, CH 4 and CO 2 containing biogas.
상기 다공성 반응 층을 구비한 반응부의 하단(downstream)에 필터를 통해 탄소입자와 가스를 분리하는 탄소입자 포집부를 더 구비한 것인 회전형 반응기.According to claim 1,
A rotary reactor further comprising a carbon particle collecting unit for separating carbon particles and gas through a filter at a lower end of the reaction unit having the porous reaction layer.
상기 다공성 반응 층은 원통형 형상인 것인 회전형 반응기.According to claim 1,
The porous reaction layer is a rotary reactor of a cylindrical shape.
상기 다공성 반응 층은 촉매 없는 다공성 층이거나 촉매가 적용된 다공성 층인 것인 회전형 반응기.According to claim 1,
The porous reaction layer is a porous layer without a catalyst or a porous layer to which a catalyst is applied.
상기 집광된 태양열을 통해 다공성 반응 층의 온도를 메탄 열분해 온도 이상으로 가열하는 것인 회전형 반응기.According to claim 1,
A rotary reactor that heats the temperature of the porous reaction layer above the methane pyrolysis temperature through the concentrated solar heat.
상기 CH4 및 H2O 분사부로부터 CH4 및 스팀을 반응부에 제공하여 집광된 태양열을 통해 가열시키고 다공성 반응 층에서 수증기 개질 부반응을 통해 추가로 수소를 더 생산하는 것인 회전형 반응기.According to claim 1,
From the CH 4 and H 2 O injection unit, CH 4 and steam are provided to the reaction unit, heated through concentrated solar heat, and further hydrogen is produced through a steam reforming side reaction in the porous reaction layer.
집광된 태양열에 의해 메탄을 수소가스와 탄소입자(carbon black)로 분해시키는 다공성 반응 층(bed)에 상기 스팀 인젝터를 통해 CH4 및 스팀을 분사시키면서 메탄 열분해시키는 제2단계를 포함하되,
스팀 인젝터에서 분사되는 스팀(steam)이 집광된 태양열에 의해 가열된 후 다공성 반응 층을 코팅하고 탄소입자 유체 사이로 분산되어 다공성 반응 층에 탄소 침적이 억제되는 것인 수소, 카본블랙 또는 둘다를 제조하는 방법으로서,
상기 다공성 반응 층은 원통형 반응기 내벽을 둘러싼 것으로 모터에 의해 반응기가 1 내지 100 RPM 속도로 회전하면서 반응기 내부 온도를 제어하고,
집광된 태양열은 태양빛 투과를 위한 윈도우 없이 반응기 내부에 제공되어 상기 스팀을 가열하는, 제조방법. A first step of injecting CH 4 containing gas and water into a steam injector equipped with a gas-liquid atomizing nozzle; and
A second step of thermally decomposing methane while spraying CH 4 and steam through the steam injector to a porous reaction bed that decomposes methane into hydrogen gas and carbon black by the concentrated solar heat,
After the steam injected from the steam injector is heated by the concentrated solar heat, the porous reaction layer is coated and dispersed between the carbon particle fluids to suppress carbon deposition in the porous reaction layer To produce hydrogen, carbon black, or both As a method,
The porous reaction layer surrounds the inner wall of the cylindrical reactor and controls the internal temperature of the reactor while the reactor is rotated at a speed of 1 to 100 RPM by a motor,
Concentrated solar heat is provided inside the reactor without a window for sunlight transmission to heat the steam.
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