KR102333666B1 - 이산화탄소를 배출하지 않는 수소 생산 시스템 및 수소 생산 방법 - Google Patents

이산화탄소를 배출하지 않는 수소 생산 시스템 및 수소 생산 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수소 생산 시스템에 관한 것으로, 연료를 연소하여 열을 공급하는 연소기, 상기 연소기에서 공급되는 열로 연료를 열분해하여 수소를 생산하는 열분해 반응기 및 상기 연소기에서 생성되는 이산화탄소를 연료와 반응시켜 수소 및 일산화탄소를 생성하는 이산화탄소 전환 반응기를 포함하여, 연소 과정에서 발생한 이산화탄소를 외부로 배출하지 않고, 화학반응을 통하여 수소 및 일산화탄소를 생산하므로 환경 오염을 방지하고 수소의 생산량을 향상시키는 효과가 있다.

Description

이산화탄소를 배출하지 않는 수소 생산 시스템 및 수소 생산 방법 {CO2-FREE HYDROGEN PRODUCTION SYSTEM AND HYDROGEN PRODUCTION METHOD}
본 발명은 수소 생산 시스템 및 수소 생산 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전체 공정에서 발생한 이산화탄소를 외부로 배출하지 않으면서 화학반응을 통하여 수소를 생산하며, 부산물로 고체탄소 및 일산화탄소를 생산하는 수소 생산 시스템 및 수소 생산 방법에 관한 것으로, 연소 과정에서 발생하는 열을 서로 다른 온도의 반응기에서 순차적으로 이용함으로써 에너지 효율을 향상시키는 수소 생산 시스템 및 수소 생산 방법에 관한 것이다.
탄소배출 저감 및 수소 경제의 확대에 따라 에너지원인 수소에 대한 중요성이 대두되고 있으며, 미래의 수소 사회에 대응가능한 수소생산기술은 경제성을 확보하고 있고, 이산화탄소를 배출하지 않으며, 대량생산이 가능해야 한다는 세 가지 요구조건을 만족하여야 한다.
한편, 현재 수소는 대부분 화석연료로부터 생산되는 추출 수소(refomred hydrogen) 방식으로 생산되고 있다. 추출 수소 방식은 메탄과 같은 화석연료와 수증기의 화학반응에 기반하여 생산되므로 대량생산이 용이하며, 경제성이 우수하다.
그러나, 기존의 추출 수소 생산 기술은 메탄과 같은 탄화 수소를 분해하는 과정에서 다량의 이산화탄소(CO2)를 배출하고, 수소를 생산하는 과정이 에너지를 많이 소비한다는 단점을 가지고 있다. 한편, 이산화탄소(CO2) 배출을 감소시키기 위하여 별도의 이산화탄소 포집/활용 기술(CCUS, CO2 Capture, Utilization, and Sequestration)을 적용할 경우, 경제성이 저하되는 한계가 있다.
이에 대한 대안으로, 수전해 방식으로 수소를 생산하는 기술이 개발되고 있으나, 수전해 방식은 아직까지 대량생산 및 경제성 확보가 어렵고, 수전해에 공급하는 전력이 재생에너지 발전으로부터 공급되지 않으면 이산화탄소를 배출한다는 단점을 가지고 있다..
따라서, 이산화탄소 발생 없이 수소를 안정적으로 대량 생산할 수 있고, 수소의 생산 과정에서 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 기술의 개발이 필요하다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래 수소 생산 시스템 및 수소 생산 방법이 가지는 문제점들을 개선하기 위해 창출된 것으로 이산화탄소를 배출시키지 않는 수소 생산 시스템 및 수소 생산 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 한번의 연소 과정에서 발생하는 열을 서로 다른 온도의 반응기에서 순차적으로 이용함으로써 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 수소 생산 시스템 및 수소 생산 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 수소 생산 시스템은, 연료를 연소하여 열을 공급하는 연소기; 상기 연소기에서 공급되는 열로 탄소를 포함하는 연료를 열분해하여 수소(H2)와 고체탄소(C)를 생산하는 열분해 반응기; 및 상기 연소기에서 생성되는 이산화탄소를 연료와 반응시켜 수소(H2) 및 일산화탄소(CO)를 생성하는 이산화탄소 전환 반응기;를 포함할 수 있다.
이때, 상기 이산화탄소 전환 반응기는, 상기 연소기에서 공급되는 열을 이용하여 이산화탄소와 연료를 반응시킬 수 있다.
그리고, 상기 연소기에서 공급되는 열은, 상기 열분해 반응기에 열을 공급한 후, 상기 이산화탄소 전환 반응기에 열을 공급할 수 있다.
또한, 상기 연소기는, 일반 공기보다 높은 산소농도를 가지는 순산소를 산화제로 이용하여 연료를 연소시킬 수 있다.
그리고, 상기 연료는, 메탄(Methane)일 수 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 수소 생산 방법은, 연료를 연소하여 열을 공급하는 연소 단계; 및 상기 연소 단계에서 생성된 이산화탄소를 연료와 반응시켜 수소 및 일산화탄소를 생성하는 업사이클링 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 수소 생산 방법은, 상기 연소 단계에서 공급된 열로 연료를 열분해하여 수소를 생산하는 열분해 단계;를 더 포함하는 수소 생산 방법일 수 있다.
이때, 상기 업사이클링 단계에서는, 상기 연소 단계에서 공급된 열을 이용하여 이산화탄소를 연료와 반응시킬 수 있다.
또한, 상기 업사이클링 단계에서는, 상기 열분해 단계에서 사용된 후 온도가 낮아진 열을 이용하여 이산화탄소를 연료와 반응시킬 수 있다.
한편, 상기 연소 단계에서는, 소정 농도 이상의 순산소를 이용하여 연료를 연소시킬 수 있다.
한편, 상기 열분해 단계에서는, 고체상태의 탄소를 생산할 수 있다.
본 발명에 의한 수소 생산 방법은, 상기 업사이클링 단계에서 생성된 일산화탄소를 이용하여 유기화합물을 생성하는 일산화탄소 사용 단계;를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 수소 생산 방법은, 상기 열분해 단계에서의 반응 온도가 상기 업사이클링 단계에서의 반응 온도보다 높을 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 수소 생산 방법은, 상기 연소 단계에서 공급하는 열의 열량이 상기 열분해 단계에서 요구되는 열량보다 크고, 상기 열분해 단계 후에 잔존하는 열량이 상기 업사이클링 단계 요구되는 열량보다 클 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 수소 생산 시스템 및 수소 생산 방법에 의하면, 연소 과정에서 발생한 이산화탄소를 외부로 배출하지 않고, 화학반응을 통하여 수소, 고체탄소 및 일산화탄소를 생산하므로 온실가스 배출과 환경 오염을 방지하고 수소의 생산량을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 한번의 연소 과정에서 발생하는 열을 순차적으로 이용하므로 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수소 생산 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 발명의 제3 실시예에 따른 수소 생산 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 발명의 제4 실시예에 따른 수소 생산 시스템을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산 시스템을 통한 에너지의 흐름을 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 의도는 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지 않을 수 있다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
"및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함할 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급되는 경우는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해될 수 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것으로서, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해될 수 있다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가질 수 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석될 수 있으며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않을 수 있다.
아울러, 이하의 실시예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산 시스템을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산 시스템을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산 시스템(1)은, 연소기(100), 연소 가스 배출 배관(200), 열분해 반응기(300), 이산화탄소 전환 반응기(400) 및 기액 분리기(500)를 포함한다.
연소기(100)는 연료를 연소하여 본 발명의 수소 생산 시스템(1)에 열을 공급할 수 있다.
연소기(100)는 연료 공급장치(10)로부터 연료를 공급받을 수 있다. 예를 들어, 연소기(100)의 연료 유입구(미도시)는 연료 배관(110)을 통하여 연료 공급장치(10)와 연결될 수 있다. 따라서, 연료 공급장치(10)에 저장되어 있는 연료는 연료 배관(110)을 유동하여 연소기(100)에 공급될 수 있다. 한편, 실시예에 따라, 연료 배관(110) 상에는 블로워(미도시)가 구비되어 연료의 유동력을 발생시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에서 연료는 탄화수소(hydrocarbon)일 수 있고, 바람직하게는 메탄(Methane)일 수 있다. 또한 메탄을 주성분으로 하는 천연 가스(Natural Gas), 액화천연가스(liquefied natural gas), 또는 바이오메탄(Bio-Methane)이 이용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
연소기(100)에는 순산소가 산화제로 공급될 수 있다.
일 예로, 연소기(100)는 순산소 공급장치(20)로부터 산소를 공급받을 수 있다. 예를 들어, 연소기(100)의 산소 유입구(미도시)는 산소 배관(120)을 통하여 순산소 공급장치(20)와 연결될 수 있다. 따라서, 순산소 공급장치(20)에 저장되어 있는 순산소는 산소 배관(120)을 유동하여 연소기(100)에 공급될 수 있다. 한편, 실시예에 따라, 산소 배관(120) 상에는 블로워(미도시)가 구비되어 순산소의 유동력을 발생시킬 수 있다.
다른 예로, 연소기(100)는 공기 분리기(ASU, Air Seperation Unit)를 포함하고, 외부의 공기를 흡입하여 공기 분리기(미도시)에서 질소를 분리한 다음, 순산소를 연료와 반응시키는 것도 가능하다.
또 다른 예로, 연소기(100)는 ITM(Ion Transfer Membrane)을 포함하고, 외부의 공기를 흡입하여 ITM에서 질소를 분리한 다음, 순산소를 연료와 반응시키는 것도 가능하다.
연소기(100)는 소정 농도 이상의 순산소(pure Oxygen)를 이용하여 연료를 연소시킬 수 있다. 여기에서 순산소는 공기(Air)에서 질소(N2)를 제거한 고농도 산소(O2)를 의미할 수 있다. 일 예로, 연소기(100)는 95% 이상, 100% 이하의 순산소를 이용하여 연료를 연소시킬 수 있다.
이와 같은 구성으로, 연료를 공기 중에서 연소시키는 것과 비교하여, 순산소를 연료와 반응시켜 더 높은 온도의 열을 발생시킬 수 있다. 예를 들어, 연소기(100)에서는 연료를 순산소 조건에서 연소하여, 배출 가스의 온도를 섭씨 2000도(℃) 이상까지 상승시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 연소기(100)에 의하면, 순산소 연소(oxyfuel combustion)를 통하여 높은 온도의 배출 가스를 연소 가스 배출 배관(200)으로 배출할 수 있고, 결과적으로 열분해 반응기(300) 및 이산화탄소 전환 반응기(400)에 필요한열량을 공급할 수 있다.
또한, 본 발명의 연소기(100)는 순산소를 이용하여 연료를 연소시킴으로써 이산화탄소(CO2)와 수증기(H2O)를 주성분으로 하는 배출 가스를 배출할 수 있다. 이는, 질소가 포함되지 않기 고농도의 산소를 연소시켜 공기 중의 질소로 인한 Thermal-NOx가 발생하지 않는다는 장점이 있다.
한편, 연소기(100)의 배출구(미도시)는 연소 가스 배출 배관(200)이 연결될 수 있다. 이때, 연소 가스 배출 배관(200) 상에는 열분해 반응기(300), 이산화탄소 전환 반응기(400) 및 기액 분리기(500)가 차례로 배치될 수 있다.
연소 가스 배출 배관(200)은 연소기(100)에서 배출된 배출 가스의 유동을 가이드할 수 있다. 구체적으로, 연소 가스 배출 배관(200)은 열분해 반응기(300), 이산화탄소 전환 반응기(400) 및 기액 분리기(500)를 연결하여 배출 가스의 유동을 가이드할 수 있다.
따라서, 연소기(100)에서 배출되는 유체(배출 가스)는 연소 가스 배출 배관(200)을 따라 유동할 수 있고, 연소 가스 배출 배관(200)을 따라 유동하는 배출 가스는 열분해 반응기(300) 및 이산화탄소 전환 반응기(400)에 열(에너지)을 공급한 후, 기액 분리기(500)에서 이산화탄소와 수분으로 분리될 수 있다.
열분해 반응기(300)는 연소기에서 공급되는 열로 연료를 열분해하여 수소를 생산할 수 있다.
열분해 반응기(300)는 연료 공급장치(10)로부터 연료를 공급받을 수 있다. 예를 들어, 열분해 반응기(300)의 연료 유입구(미도시)는 연료 배관(310)을 통하여 연료 공급장치(10)와 연결될 수 있다. 따라서, 연료 공급장치(10)에 저장되어 있는 연료는 연료 배관(310)을 유동하여 열분해 반응기(300)에 공급될 수 있다. 한편, 실시예에 따라, 연료 배관(310) 상에는 블로워(미도시)가 구비되어 연료의 유동력을 발생시킬 수 있다.
열분해 반응기(300)는 연소기(100)에서 공급되는 열로 열분해 반응을 일으킬 수 있다.
열분해 반응기(300)는 작동 온도가 섭씨 1100도 내지 1200도(℃)일 수 있다. 이때, 열분해 반응기(300)는 연소 가스 배출 배관(200)을 따라 유동하는 배출 가스와 열교환을 통하여 열을 공급받을 수 있다. 예를 들어, 열분해 반응기(300)는 연소 가스 배출 배관(200)과의 열교환을 통하여 1200도(℃) 이상의 온도까지 가열될 수 있다. 특히, 본 발명에서는 연소기(100)에서 2000℃ 이상의 고온의 열이 공급될 수 있으므로, 연소기(100)에서 공급되는 열을 이용하여 열분해 반응기(300)를 1200도(℃) 이상의 온도까지 가열할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 열분해 반응기(300)는 열분해를 위하여 별도의 가열 장치를 구비하지 않고, 연료를 열분해시킬 수 있다.
한편, 열분해 반응기(300)의 구조 및 연소 가스 배출 배관(200)의 구조는 열교환 면적을 넓히기 위한 다양한 구조가 적용될 수 있다.
열분해 반응기(300)에서는 연료(메탄)를 수소(H2) 및 고체 탄소(C)로 열분해할 수 있다. 메탄의 열분해 반응에 관한 반응식은 다음과 같다.
CH4 → 2H2+C(S)
한편, 본 발명의 실시예에서 열분해 반응기(300)에는 촉매층이 코팅되어 열분해 효율을 향상시키는 것도 가능하다. 또한, 본 발명의 실시예에서 열분해 반응기(300)에는 상기 촉매층을 보호하기 위한 보호층이 더 코팅되는 것도 가능하다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에서는 알루미나(Al2O3)를 대략 1nm 두께로 촉매층 위에 코팅할 수 있다. 이와 같은 구성으로, 촉매의 활성을 유지하면서 1200℃ 이상의 고온에서도 촉매층에 크랙이 발생하거나 촉매층의 응결이 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
열분해 반응기(300)는 수소 공급장치(30)로 수소를 공급할 수 있다. 예를 들어, 열분해 반응기(300)의 수소 공급구(미도시)는 수소 배관(320)을 통하여 수소 공급장치(30)와 연결될 수 있다. 따라서, 열분해 반응기(300)에서 생성되는 수소는 수소 배관(320)을 유동하여 수소 공급장치(30)에 저장될 수 있다.
또한, 열분해 반응기(300)는 탄소 포집기(40)를 통하여 생성된 고체 탄소를 포집할 수 있다. 이때, 탄소 포집기(40)는 고체 탄소를 모을 수 있는 다양한 형태로 구성될 수 있다.
이산화탄소 전환 반응기(400)는 연소기(100)에서 생성되는 이산화탄소를 연료와 반응시켜 수소 및 일산화탄소를 생성할 수 있다.
이산화탄소 전환 반응기(400)는 연료 공급장치(10)로부터 연료를 공급받을 수 있다. 예를 들어, 이산화탄소 전환 반응기(400)의 연료 유입구(미도시)는 연료 배관(410)을 통하여 연료 공급장치(10)와 연결될 수 있다. 따라서, 연료 공급장치(10)에 저장되어 있는 연료는 연료 배관(410)을 유동하여 이산화탄소 전환 반응기(400)에 공급될 수 있다. 한편, 실시예에 따라, 연료 배관(410) 상에는 블로워(미도시)가 구비되어 연료의 유동력을 발생시킬 수 있다.
또한, 이산화탄소 전환 반응기(400)는 연소기(100)에서 생성되는 이산화탄소를 공급받을 수 있다. 예를 들어, 이산화탄소 전환 반응기(400)의 이산화탄소 유입구(미도시)는 후술할 이산화탄소 배관(510)을 통하여 기액 분리기(500)와 연결될 수 있다. 따라서, 연소기(100)에서 배출 가스로 배출된 후, 기액 분리기(500)를 통하여 수분과 분리된 이산화탄소는 이산화탄소 배관(510)을 유동하여 이산화탄소 전환 반응기(400)에 공급될 수 있다.
이산화탄소 전환 반응기(400)는 연소기(100)에서 공급되는 열을 이용하여 이산화탄소와 연료를 반응시킬 수 있다.
이산화탄소 전환 반응기(400)는 작동 온도가 섭씨 800도 내지 1000도(℃)일 수 있다. 이때, 이산화탄소 전환 반응기(400)는 연소 가스 배출 배관(200)을 따라 유동하는 배출 가스와 열교환을 통하여 열을 공급받을 수 있다. 예를 들어, 이산화탄소 전환 반응기(400)는 연소 가스 배출 배관(200)과의 열교환을 통하여 900도(℃) 이상의 온도까지 가열될 수 있다.
특히, 본 발명에서는 연소기(100)에서 2000℃ 이상의 고온의 열이 공급될 수 있으므로, 열분해 반응기(300)에 열을 공급한 후에도, 연소 가스 배출 배관(200)을 따라 1200℃ 이상의 고온의 열이 공급될 수 있다. 따라서, 연소 가스 배출 배관(200)을 따라 유동하는 열로 이산화탄소 전환 반응기(400)를 1000도(℃) 이상의 온도까지 가열할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 이산화탄소 전환 반응기(400)는 화학 반응을 위하여 별도의 가열 장치를 구비하지 않고, 연소기(100)에서 공급되는 열을 이용하여 화학 반응을 일으킬 수 있다.
한편, 이산화탄소 전환 반응기(400)의 구조 및 연소 가스 배출 배관(200)의 구조는 열교환 효율을 높이기 위한 다양한 구조가 적용될 수 있다.
이산화탄소 전환 반응기(400)에서는 이산화탄소를 연료와 화학 반응시켜 수소 및 일산화탄소를 생성할 수 있다. 예를 들어, 이산화탄소와 메탄을 화학 반응시켜 수소 및 일산화탄소를 생성하는 반응식은 다음과 같다.
CH4+CO2 → 2H2+2CO
이산화탄소 전환 반응기(400)는 수소 공급장치(30)로 수소를 공급할 수 있다. 예를 들어, 이산화탄소 전환 반응기(400)의 수소 공급구(미도시)는 수소 배관(420)을 통하여 수소 공급장치(30)와 연결될 수 있다. 따라서, 이산화탄소 전환 반응기(400)에서 생성되는 수소는 수소 배관(420)을 유동하여 수소 공급장치(30)에 저장될 수 있다.
또한, 이산화탄소 전환 반응기(400)는 합성기(600)로 일산화탄소를 공급할 수 있다. 예를 들어, 이산화탄소 전환 반응기(400)의 일산화탄소 공급구(미도시)는 일산화탄소 배관(430)을 통하여 합성기(600)와 연결될 수 있다. 따라서, 이산화탄소 전환 반응기(400)에서 생성되는 일산화탄소는 일산화탄소 배관(430)을 유동하여 합성기(600)로 공급될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 연소 과정에서 발생한 이산화탄소를 외부로 배출하지 않고, 화학 반응을 통하여 수소 및 일산화탄소를 생산하므로 환경 오염을 방지하고 수소의 생산량을 향상시키는 효과가 있다.
기액 분리기(500)는 배출 가스를 이산화탄소와 수분으로 분리할 수 있다.
기액 분리기(500)는 배출 가스를 공급받을 수 있다. 예를 들어, 기액 분리기(500)의 배출 가스 유입구(미도시)는 연소 가스 배출 배관(200)을 통하여 연소기(100)와 연결될 수 있다. 따라서, 연소기(100)에서 배출되는 배출 가스는 연소 가스 배출 배관(200)을 유동하여 기액 분리기(500)에 공급될 수 있다.
기액 분리기(500)는 배출 가스에 포함된 이산화탄소와 수분(수증기)를 분리할 수 있다. 예를 들어, 기액 분리기(500)에는 배출 가스를 응축시킬 수 있는 열교환기 등의 구성이 구비될 수 있다. 이에 따라 기체 상태의 이산화탄소와 액체 상태로 응축된 수분이 서로 분리될 수 있다.
기액 분리기(500)는 이산화탄소 전환 반응기(400)로 이산화탄소를 공급할 수 있다. 예를 들어, 기액 분리기(500)의 이산화탄소 공급구(미도시)는 이산화탄소 배관(510)을 통하여 이산화탄소 전환 반응기(400)와 연결될 수 있다. 따라서, 기액 분리기(500)에서 분리된 이산화탄소는 이산화탄소 배관(510)을 유동하여 이산화탄소 전환 반응기(400)에 공급될 수 있다.
또한, 기액 분리기(500)는 외부로 수분을 배출할 수 있다. 이때, 기액 분리기(500)는 수분 배출구(미도시)를 통하여 응축된 수분을 외부로 직접 배출시키는 것은 물론, 응축된 수분을 이용하여 배출 가스와 열교환시키는 것도 가능하다.
합성기(600)는 이산화탄소 전환 반응기(400)에서 생성된 일산화탄소를 이용하여 화학물질을 합성하거나, 일산화탄소에서 다른 화학물질로 전환할 수 있다.
합성기(600)는 이산화탄소 전환 반응기(400)에서 일산화탄소를 공급받을 수 있다. 예를 들어, 합성기(600)의 일산화탄소 유입구(미도시)는 일산화탄소 배관(430)을 통하여 이산화탄소 전환 반응기(400)와 연결될 수 있다. 따라서, 이산화탄소 전환 반응기(400)에서 배출되는 일산화탄소는 일산화탄소 배관(430)을 유동하여 합성기(600)에 공급될 수 있다.
합성기(600)는 일산화탄소를 이용하여 화학물질을 합성하거나, 일산화탄소에서 다른 화학물질로 전환할 수 있다. 예를 들어, 합성기(600)는 일산화탄소를 이용하여 메탄올(Methanol) 또는 케톤(Ketone) 또는 카보네이트(Carbonate) 등과 같은 새로운 연료나 유용한 화학물질을 전환 및 합성할 수 있다.
한편, 도 2에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 수소 생산 시스템을 설명하기 위한 도면이 개시되어 있다.
도 2를 참고하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 수소 생산 시스템(1`)을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 수소 생산 시스템(1`)은, 통합 반응기(1100), 연소 가스 배출 배관(1200), 이산화탄소 전환 반응기(1400) 및 기액 분리기(1500)를 포함한다.
한편, 중복되는 설명을 피하기 위하여, 본 실시예에서 특별히 설명하는 내용을 제외하고는, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산 시스템(1)의 구성 및 효과와 동일하므로, 이를 원용할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서의 연소 가스 배출 배관(1200), 이산화탄소 전환 반응기(1400) 및 기액 분리기(1500)는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소 가스 배출 배관(200), 이산화탄소 전환 반응기(400) 및 기액 분리기(500)와 그 구성 및 효과가 동일하므로 이를 원용할 수 있다.
본 실시예에서 통합 반응기(1100)는 연소기(1110) 및 열분해 반응기(1120)를 통합하여 하나의 장치로 구성되는 것을 특징으로 한다. 한편, 본 실시예에서의 연소기(1110)에서의 연소 반응 및 열분해 반응기(1120)에서의 열분해 반응은, 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기(110) 및 열분해 반응기(1120)에서의 반응과 동일하다.
따라서, 본 실시예에서는 통합 반응기(1100)의 하우징 내부에 연소기(1110) 및 열분해 반응기(1120)가 모두 구비되어, 연소기(1110)에서 발생하는 연소 열로 즉시 열분해 반응기(1120)를 가열할 수 있다.
이와 같은 구성으로, 본 발명의 일 실시예와 같이 연소기(100)에서 배출되는 연소 열이 연소 가스 배출 배관(200)을 통하여 유동하는 과정에서 손실되는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 연소기와 열분해 반응기를 별도로 배치시키는 것에 비하여 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 통합 반응기(1100)는 연료 공급장치(10)로부터 연료를 공급받을 수 있다. 예를 들어, 통합 반응기(1100)의 연료 유입구(미도시)는 연료 배관(1130)을 통하여 연료 공급장치(10)와 연결될 수 있다. 따라서, 연료 공급장치(10)에 저장되어 있는 연료는 연료 배관(1130)을 유동하여 통합 반응기(1100)에 공급될 수 있다.
한편, 본 실시예에서의 연료 배관(1130)은 통합 반응기(1100) 내부에서 분기되어 연소기(1110) 및 열분해 반응기(1120)에 각각 연결될 수 있다. 이와 같은 구성으로, 전체적인 수소 생산 시스템(1`)의 구성을 최적화할 수 있다.
한편, 통합 반응기(1100)에는 순산소가 공급될 수 있다.
일 예로, 본 실시예에서는 통합 반응기(1100)는 순산소 공급장치(20)로부터 산소를 공급받을 수 있다. 예를 들어, 통합 반응기(1100)의 산소 유입구(미도시)는 산소 배관(1140)을 통하여 순산소 공급장치(20)와 연결될 수 있다. 따라서, 순산소 공급장치(20)에 저장되어 있는 순산소는 산소 배관(1140)을 유동하여 통합 반응기(1100)에 공급될 수 있다.
다른 예로, 통합 반응기(1100)는 공기 분리기(ASU, Air Seperation Unit)를 포함하고, 외부의 공기를 흡입하여 공기 분리기(미도시)에서 질소를 분리한 다음, 순산소를 연료와 반응시키는 것도 가능하다.
또 다른 예로, 통합 반응기(1100)는 ITM(Ion Transfer Membrane)을 포함하고, 외부의 공기를 흡입하여 ITM에서 질소를 분리한 다음, 순산소를 연료와 반응시키는 것도 가능하다.
한편, 본 실시예에서는 통합 반응기(1100)는 수소 공급장치(30)로 수소를 공급할 수 있다. 예를 들어, 통합 반응기(1100)의 수소 공급구(미도시)는 수소 배관(1150)을 통하여 수소 공급장치(30)와 연결될 수 있다. 따라서, 통합 반응기(1100)에서 생성되는 수소는 수소 배관(1150)을 유동하여 수소 공급장치(30)에 저장될 수 있다.
또한, 본 실시예에서 통합 반응기(1100)는 탄소 포집기(40)를 통하여 생성된 고체 탄소를 포집할 수 있다. 이때, 탄소 포집기(40)는 고체 탄소를 모을 수 있는 다양한 형태로 구성될 수 있다.
한편, 도 3에는 본 발명의 제3 실시예에 따른 수소 생산 시스템을 설명하기 위한 도면이 개시되어 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 수소 생산 시스템(1``)은, 연소기(2100), 연소 가스 배출 배관(2200), 열분해 반응기(2300) 및 이산화탄소 전환 반응기(2400)를 포함한다. 즉, 본 실시예에서는 기액 분리기를 사용하지 않고 이산화탄소와 수분을 이산화탄소 전환 반응기(2400)로 공급하는 것을 특징으로 한다.
한편, 중복되는 설명을 피하기 위하여, 본 실시예에서 특별히 설명하는 내용을 제외하고는, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산 시스템(1)의 구성 및 효과와 동일하므로, 이를 원용할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서의 연소기(2100) 및 열분해 반응기(2300)는 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기(100) 및 열분해 반응기(300)와 그 구성 및 효과가 동일하므로 이를 원용할 수 있다.
본 실시예의 연소기(2100)의 배출구(미도시)는 연소 가스 배출 배관(2200)이 연결될 수 있다. 이때, 연소 가스 배출 배관(2200) 상에는 열분해 반응기(2300) 및 이산화탄소 전환 반응기(2400)가 차례로 배치될 수 있다.
연소 가스 배출 배관(2200)은 연소기(2100)에서 배출된 배출 가스의 유동을 가이드할 수 있다. 구체적으로, 연소 가스 배출 배관(2200)은 열분해 반응기(2300), 이산화탄소 전환 반응기(2400)를 연결하여 배출 가스의 유동을 가이드할 수 있다.
따라서, 연소기(2100)에서 배출되는 유체(배출 가스)는 연소 가스 배출 배관(2200)을 따라 유동할 수 있고, 연소 가스 배출 배관(2200)을 따라 유동하는 배출 가스는 열분해 반응기(2300) 및 이산화탄소 전환 반응기(2400)에 열(에너지)을 공급한 후, 이산화탄소 전환 반응기(2400)에 이산화탄소와 수분을 공급할 수 있다.
한편, 본 실시예의 이산화탄소 전환 반응기(2400)는 연소기(2100)에서 생성되는 이산화탄소와 수분을 연료와 반응시켜 수소 및 일산화탄소를 생성할 수 있다.
이산화탄소 전환 반응기(2400)는 연료 공급장치(10)로부터 연료를 공급받을 수 있다. 예를 들어, 이산화탄소 전환 반응기(2400)의 연료 유입구(미도시)는 연료 배관(2410)을 통하여 연료 공급장치(10)와 연결될 수 있다. 따라서, 연료 공급장치(10)에 저장되어 있는 연료는 연료 배관(2410)을 유동하여 이산화탄소 전환 반응기(2400)에 공급될 수 있다. 한편, 실시예에 따라, 연료 배관(2410) 상에는 블로워(미도시)가 구비되어 연료의 유동력을 발생시킬 수 있다.
또한, 이산화탄소 전환 반응기(2400)는 연소기(2100)에서 생성되는 이산화탄소 및 수분을 공급받을 수 있다. 예를 들어, 이산화탄소 전환 반응기(2400)의 이산화탄소 유입구(미도시)는 연소 가스 배출 배관(2200)을 통하여 연소기(2100)와 연결될 수 있다. 따라서, 연소기(2100)에서 배출된 이산화탄소 및 수분은 연소 가스 배출 배관(2200)을 유동하여 이산화탄소 전환 반응기(2400)에 공급될 수 있다.
이산화탄소 전환 반응기(2400)는 연소기(2100)에서 공급되는 열을 이용하여 이산화탄소와 연료를 반응시킬 수 있다.
이산화탄소 전환 반응기(2400)는 작동 온도가 섭씨 800도 내지 1000도(℃)일 수 있다. 이때, 이산화탄소 전환 반응기(2400)는 연소 가스 배출 배관(2200)을 따라 유동하는 배출 가스와 열교환을 통하여 열을 공급받을 수 있다. 예를 들어, 이산화탄소 전환 반응기(2400)는 연소 가스 배출 배관(2200)과의 열교환을 통하여 1000도(℃) 이상의 온도까지 가열될 수 있다.
이산화탄소 전환 반응기(2400)에서는 이산화탄소와 수분을 연료와 화학 반응시켜 수소 및 일산화탄소를 생성할 수 있다. 예를 들어, 이산화탄소 및 수분과 메탄을 화학 반응시켜 수소 및 일산화탄소를 생성하는 반응식은 다음과 같다.
3CH4+CO2+2H2O→ 8H2+4CO
이산화탄소 전환 반응기(2400)는 수소 공급장치(30)로 수소를 공급할 수 있다. 예를 들어, 이산화탄소 전환 반응기(2400)의 수소 공급구(미도시)는 수소 배관(2420)을 통하여 수소 공급장치(30)와 연결될 수 있다. 따라서, 이산화탄소 전환 반응기(2400)에서 생성되는 수소는 수소 배관(2420)을 유동하여 수소 공급장치(30)에 저장될 수 있다.
또한, 이산화탄소 전환 반응기(2400)는 합성기(2600)로 일산화탄소를 공급할 수 있다. 예를 들어, 이산화탄소 전환 반응기(2400)의 일산화탄소 공급구(미도시)는 일산화탄소 배관(2430)을 통하여 합성기(2600)와 연결될 수 있다. 따라서, 이산화탄소 전환 반응기(2400)에서 생성되는 일산화탄소는 일산화탄소 배관(2430)을 유동하여 합성기(2600)로 공급될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 연소 과정에서 발생한 이산화탄소를 외부로 배출하지 않고, 화학 반응을 통하여 수소 및 일산화탄소를 생산하므로 환경 오염을 방지하고 수소의 생산량을 향상시키는 효과가 있다.
한편, 도 4에는 본 발명의 제4 실시예에 따른 수소 생산 시스템을 설명하기 위한 도면이 개시되어 있다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 제4 실시예에 따른 수소 생산 시스템(1```)은, 통합 반응기(3100), 연소 가스 배출 배관(3200), 이산화탄소 전환 반응기(3400)를 포함한다.
본 실시예에서 통합 반응기(3100)는 연소기(3110) 및 열분해 반응기(3120)를 통합하여 하나의 장치로 구성되는 것을 특징으로 한다. 한편, 본 실시예에서의 연소기(3110)에서의 연소 반응 및 열분해 반응기(3120)에서의 열분해 반응은, 본 발명의 일 실시예에 따른 연소기(110) 및 열분해 반응기(1120)에서의 반응과 동일하다.
한편, 중복되는 설명을 피하기 위하여, 본 실시예에서 특별히 설명하는 내용을 제외하고는, 본 발명의 제3 실시예에 따른 수소 생산 시스템(1)의 구성 및 효과와 동일하므로, 이를 원용할 수 있다. 따라서, 본 실시예에서의 연소 가스 배출 배관(3200), 이산화탄소 전환 반응기(3400)는 본 발명의 제3 실시예에 따른 연소 가스 배출 배관(2200) 및 이산화탄소 전환 반응기(2400)와 그 구성 및 효과가 동일하므로 이를 원용할 수 있다.본 실시예의 통합 반응기(3100)의 배출구(미도시)는 연소 가스 배출 배관(3200)이 연결될 수 있다. 이때, 연소 가스 배출 배관(3200) 상에는 이산화탄소 전환 반응기(3400)가 배치될 수 있다.
연소 가스 배출 배관(3200)은 통합 반응기(3100)에서 배출된 배출 가스의 유동을 가이드할 수 있다. 구체적으로, 연소 가스 배출 배관(3200)은 통합 반응기(3100)와 이산화탄소 전환 반응기(2400)를 연결하여 배출 가스의 유동을 가이드할 수 있다.
따라서, 통합 반응기(3100)에서 배출되는 유체(배출 가스)는 연소 가스 배출 배관(2200)을 따라 유동할 수 있고, 연소 가스 배출 배관(2200)을 따라 유동하는 배출 가스는 이산화탄소 전환 반응기(2400)에 열과 이산화탄소 및 수분을 공급할 수 있다.
한편, 본 실시예의 이산화탄소 전환 반응기(3400)는 통합 반응기(3100)에서 생성되는 이산화탄소와 수분을 연료와 반응시켜 수소 및 일산화탄소를 생성할 수 있다.
이산화탄소 전환 반응기(3400)는 연료 공급장치(10)로부터 연료를 공급받을 수 있다.
또한, 이산화탄소 전환 반응기(3400)는 통합 반응기(3100)에서 생성되는 이산화탄소 및 수분을 공급받을 수 있고, 통합 반응기(3100)에서 공급되는 열을 이용하여 이산화탄소와 연료를 반응시킬 수 있다.
이산화탄소 전환 반응기(3400)는 작동 온도가 섭씨 800도 내지 1000도(℃)일 수 있다. 이때, 이산화탄소 전환 반응기(3400)는 연소 가스 배출 배관(3200)을 따라 유동하는 배출 가스와 열교환을 통하여 열을 공급받을 수 있다. 이와는 달리, 본 실시예에서는 통합 반응기(3100)에서 공급되는 열을 연소 가스 배출 배관(3200)을 통하여 직접 공급받는 것도 가능하다.
이산화탄소 전환 반응기(3400)에서는 이산화탄소와 수분을 연료와 화학 반응시켜 수소 및 일산화탄소를 생성할 수 있다.
이산화탄소 전환 반응기(3400)는 수소 공급장치(30)로 수소를 공급할 수 있다. 또한, 이산화탄소 전환 반응기(3400)는 합성기(3600)로 일산화탄소를 공급할 수 있다.
한편, 도 5에는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산 방법을 설명하기 위한 도면이 개시되어 있고, 도 6에는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산 시스템을 통한 에너지의 흐름을 설명하기 위한 도면이 도시되어 있다.
도 5 및 도 6을 참고하여 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산 방법을 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시예에 의한 수소 생산 방법은, 연소 단계(S10), 열분해 단계(S20), 업사이클링 단계(S40)를 포함할 수 있다.
연소 단계(S10)에서는 연료를 연소하여 열을 공급할 수 있다. 구체적으로, 연소 단계(S10)에서는 연료 및 소정 농도 이상의 순산소를 공급받아 연소시킬 수 있다. 일 예로, 연소 단계(S10)에서는 메탄 및 순산소를 연소기(10)에 공급하고, 이를 연소시켜 열을 공급할 수 있다.
그 결과, 연료와 순산소의 산화 반응에 의하여 이산화탄소 및 수분이 생성될 수 있고, 이와 함께 섭씨 2000도 이상의 열을 공급할 수 있다.
열분해 단계(S20)에서는 연소 단계(S10)에서 공급된 열을 이용하여 연료를 열분해할 수 있다. 구체적으로, 열분해 단계(S20)에서는 연료를 공급받고, 연소 단계(S10)에서 공급되는 열을 이용하여 연료를 열분해시킬 수 있다. 일 예로, 열분해 단계(S20)에서는, 메탄을 열분해 반응기(300)에 공급하고, 연소기(100)에서 공급되는 열을 이용하여 열분해 반응기(300)를 섭씨 1200도 이상까지 가열하여, 메탄을 열분해시킴을써 수소 및 고체상태의 탄소를 생산할 수 있다.
따라서, 본 발명에 의하면, 열분해 단계(S20)에서 발생하는 열을 이용하여 연료를 열분해하므로, 열분해를 위하여 별도의 가열 과정을 거치지 않을 수 있고, 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에 의한 수소 생산 방법은, 연소 단계(S10)에서 생성된 이산화탄소 및 수분을 서로 분리하는 이산화탄소 분리 단계(S30)를 더 포함할 수 있다. 이산화탄소 분리 단계(S30)에서는 연소 단계(S10)에서 생성되어 배출된 이산화탄소 및 수분을 기액분리기(500)를 통하여 분리시킬 수 있다. 이때, 이산화탄소 분리 단계(S30)에서 분리된 이산화탄소는 이산화탄소 전환 반응기(400)로 유동하여 후술할 업사이클링 단계(S40)에서 화학 반응될 수 있다. 또한, 이산화탄소 분리 단계(S30)에서 분리된 수분은 외부로 배출될 수 있다. 다만, 수분의 경우 항상 외부로 배출되는 것은 아니고, 필요에 따라 후술할 업사이클링 단계(S40)에서 화학 반응에 참가하도록 이산화탄소 전환 반응기(400)로 공급되는 것도 가능하다.
업사이클링 단계(S40)에서는 연소 단계(S10)에서 생성된 이산화탄소를 연료와 반응시켜 수소 및 일산화탄소를 생성할 수 있다. 구체적으로, 업사이클링 단계(S40)에서는 연료 및 연소 단계(S10)에서 생성되어 이산화탄소 분리 단계(S30)에서 분리된 이산화탄소를 공급받고, 연소 단계(S10)에서 공급된 열을 이용하여 이산화탄소를 연료와 반응시킬 수 있다. 일 예로, 업사이클링 단계(S40)에서는 메탄 및 연소 단계(S10)에서 생성된 이산화탄소를 이산화탄소 전환 반응기(400)에 공급하고, 연소 단계(S10)에서 공급된 열을 이용하여 이산화탄소 전환 반응기(400)를 섭씨 900도 이상까지 가열할 수 있다.
그 결과, 업사이클링 단계(S40)에서는 연료와 연소 단계(S10)에서 생성된 이산화탄소가 화학 반응하여 수소 및 일산화탄소를 생성할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 연소 단계(S10)에서 발생한 이산화탄소를 외부로 배출하지 않고, 업사이클링 단계(S40)에서 화학 반응을 통하여 수소 및 일산화탄소를 생산하여 환경 오염을 방지하고 수소의 생산량을 향상시키는 효과가 있다. 즉, 업사이클링(up-cycling) 단계(S40)에 의하여 이산화탄소를 재활용하여(recycling), 보다 유용한 일산화탄소로 개선(value-upgrade)시키는 효과가 있다.
한편, 업사이클링 단계(S40)에서는, 열분해 단계(S20)에서 연료를 열분해한 후에 잔존하는 열을 이용하여 이산화탄소를 연료와 반응시킬 수 있다. 즉, 본 발명에서는 연소 단계(S10)에서 2000℃ 이상의 고온의 열을 공급할 수 있고, 열분해 단계(S20)에서는 연소 단계(S10)에서 공급된 열을 일부 사용하여 1200℃ 이상의 열분해 반응 온도 조건을 만족시킬 수 있다. 그리고, 열분해 단계(S20)에서 일부 열량이 사용되고 잔존하는 열은 업사이클링 단계(S40)에서 사용되어 900도℃ 이상의 화학 반응 온도 조건을 만족시킬 수 있다.
즉, 본 발명에 의하면, 연소 단계(S10)에서 배출하는 열의 온도가 열분해 단계(S20)에서의 열분해 반응 온도보다 높고, 열분해 단계(S20)에서의 열분해 반응 온도가 업사이클링 단계(S40)에서의 화학 반응 온도보다 높다. 따라서, 본 발명에 의하면, 연소 단계(S10)에서 발생하는 열을 이용하여 복수 회 수소를 생성시킬 수 있으므로 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
한편, 본 발명에 의한 수소 생산 방법은, 업사이클링 단계(S40)에서 생성된 일산화탄소를 이용하여 유기화합물을 생성하는 일산화탄소 사용 단계(S50)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 일산화탄소 사용 단계(S50)에서는 업사이클링 단계(S40)에서 생성된 일산화탄소를 이용하여 메탄올(Methanol) 또는 케톤(Ketone) 또는 카보네이트(Carbonate) 등과 같은 새로운 연료나 유용한 화학물질을 전환 및 합성할 수 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명은 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1: 수소 생산 시스템
10: 연료 공급장치
30: 수소 공급장치
100: 연소기
200: 연소 가스 배출 배관
300: 열분해 반응기
400: 이산화탄소 전환 반응기

Claims (13)

  1. 연료를 연소하여 열을 공급하는 연소기;
    상기 연소기에서 공급되는 열로 연료를 열분해하여 수소를 생산하는 열분해 반응기;
    상기 연소기에서 생성되는 이산화탄소를 연료와 반응시켜 수소 및 일산화탄소를 생성하는 이산화탄소 전환 반응기; 및
    상기 연소기에서 배출된 배출 가스의 열을 상기 열분해 반응기와 상기 이산화탄소 전환 반응기에 공급하고, 상기 배출 가스에 포함된 이산화탄소를 상기 이산화탄소 전환 반응기로 공급하는 연소 가스 배출 배관;
    을 포함하는 수소 생산 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이산화탄소 전환 반응기는,
    상기 연소기에서 공급되는 열을 이용하여 이산화탄소와 연료를 반응시키는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연소기에서 공급되는 열은,
    상기 열분해 반응기에 열을 공급한 후, 상기 이산화탄소 전환 반응기에 열을 공급하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 연소기는,
    소정 농도 이상의 순산소를 이용하여 연료를 연소시키는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료는,
    메탄(Methane)인 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
  6. 연료를 연소하여 열을 공급하는 연소 단계;
    상기 연소 단계에서 공급된 열만으로 연료를 열분해하여 수소를 생산하는 열분해 단계; 및
    상기 연소 단계에서 생성된 이산화탄소를 연료와 반응시켜 수소 및 일산화탄소를 생성하는 업사이클링 단계;
    를 포함하고,
    상기 업사이클링 단계에서는,
    상기 연소 단계에서 공급된 열만을 이용하여 이산화탄소를 연료와 반응시키는 것을 특징으로 하는 수소 생산 방법.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 업사이클링 단계에서는,
    상기 열분해 단계에서 연료를 열분해한 후에 잔존하는 열을 이용하여 이산화탄소를 연료와 반응시키는 것을 특징으로 하는 수소 생산 방법.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 연소 단계에서는,
    소정 농도 이상의 순산소를 이용하여 연료를 연소시키는 것을 특징으로 하는 수소 생산 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 열분해 단계에서는,
    고체상태의 탄소를 생산하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 업사이클링 단계에서 생성된 일산화탄소를 이용하여 유기화합물을 생성하는 일산화탄소 사용 단계;
    를 더 포함하는 수소 생산 방법.
  12. 제6항에 있어서,
    상기 열분해 단계에서의 반응 온도가 상기 업사이클링 단계에서의 반응 온도보다 높은 것을 특징으로 하는 수소 생산 방법.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 연소 단계에서 공급하는 열의 열량이 상기 열분해 단계에서 요구되는 열량보다 크고, 상기 열분해 단계 후에 잔존하는 열량이 상기 업사이클링 단계 요구되는 열량보다 큰 것을 특징으로 하는 수소 생산 방법.
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