KR102416196B1 - Device for thermal decomposition of methane - Google Patents

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장진숙
황인기
윤시영
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에너진(주)
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Abstract

The present invention relates to a pyrolyzing device of methane capable of securing operation stability of a pyrolyzing reactor by controlling a temperature for each position of the pyrolyzing reactor when generating hydrogen and carbon by pyrolyzing the methane; maintaining reactivity of methane pyrolysis; and easily separating and discharging hydrogen gas and carbon particles. A configuration of the present invention comprises: a container body; a reaction container; a heat-resistant container; an insulating material; and a cyclone separating device. The container body is made of a stainless material, and has a structure of opening and closing an inner accommodating space through a cover provided in an upper end unit. The reaction container is made of a quartz; is installed in the accommodating space of the container body; has a state of heating catalyst metal filled in an inner reaction space excluding an upper end unit and a lower end unit and melting the same; allows the lower end unit to be connected to a methane supply pipe provided outside of the container body; and connects a hydrogen supply pipe and a hydrogen and carbon discharge pipe in the upper end unit. The heat-resistant container is made of a graphite material with an opened inside to surround the entire reaction container excluding the upper end unit inside the container body; and allows a plurality of heaters to be installed on the outer circumferential surface. The insulating material is interposed between the inner circumferential surface of the container body and the outer circumferential surface of the heat-resistant container in which the heaters are installed, and is installed to form a shape surrounding the entire reaction container. The cyclone separating device is provided outside the container body to be connected to the hydrogen and carbon discharge pipe; and includes: a hydrogen circulation pipe, a hydrogen outlet pipe, and a carbon outlet pipe.

Description

메탄의 열분해장치{Device for thermal decomposition of methane}Device for thermal decomposition of methane

본 발명은 메탄의 열분해장치에 관한 것으로, 구체적으로는 메탄을 열분해하여 수소와 탄소가 생성되도록 함에 있어, 열분해반응기의 위치별 온도를 제어하여 열분해반응기의 가동 안정성을 확보할 수 있도록 하고, 메탄 열분해의 반응도를 유지할 수 있도록 하며, 수소기체와 탄소입자의 분리 배출이 용이하게 이루어질 수 있도록 하는 메탄의 열분해장치에 관한 것이다.The present invention relates to a pyrolysis device for methane, and specifically, in pyrolyzing methane to generate hydrogen and carbon, controlling the temperature for each location of the pyrolysis reactor to ensure operation stability of the pyrolysis reactor, and methane pyrolysis It relates to a thermal decomposition device for methane that can maintain the degree of reactivity of methane and can easily separate and discharge hydrogen gas and carbon particles.

지금까지는 에너지원으로 대부분 석탄 및 석유를 이용하여 산업이 발전해 왔으나, 현재는 석탄 및 석유의 고갈로 인해 수소를 기반으로 하는 대체 에너지원으로 부탄, 프로판 또는 천연가스가 가정과 산업의 많은 부분에서 사용되고 있다.Until now, industries have mostly developed using coal and oil as energy sources, but now, due to the depletion of coal and oil, butane, propane, or natural gas is used in many parts of homes and industries as alternative energy sources based on hydrogen. .

이러한 추세로 볼 때, 머지않아 수소를 기반으로 하는 에너지원이 산업사회를 주도할 것으로 예상된다.In view of this trend, it is expected that an energy source based on hydrogen will lead the industrial society in the near future.

수소는 가장 가볍고 풍부한 원소로서 자원이 무한하고 청결한 에너지원이다.Hydrogen is the lightest and most abundant element, and is a clean energy source with infinite resources.

따라서, 수소에너지 기술은 21세기의 에너지 문제와 환경 문제를 동시에 해결할 수 있는 유일한 대안으로 인식되고 있다.Therefore, hydrogen energy technology is recognized as the only alternative that can simultaneously solve the energy and environmental problems of the 21st century.

그렇기 때문에, 수소의 제조, 저장 및 이용 기술을 확립하기 위해 미국, 일본 또는 유럽 등을 비롯한 기술 선진국들의 주도 하에 전 세계적으로 관련 연구가 매우 활발히 진행되는 단계에 있다.Therefore, in order to establish a technology for producing, storing and using hydrogen, related research is being conducted very actively around the world under the leadership of technologically advanced countries including the United States, Japan, or Europe.

수소제조기술의 방법으로는 크게 3가지로 분류되는데, 메탄수증기 개질법, 중유의 부분산화법 또는 천연가스의 촉매분해 등의 탄화수소 물질을 근간으로 하는 방법과, 열화학 또는 전기화학적 물분해 등의 비탄화수소를 근간으로 하는 방법과, 상술한 두 가지의 형태를 합친 방법들이 있다.Methods of hydrogen production technology are broadly classified into three categories: methods based on hydrocarbon substances such as methane steam reforming, partial oxidation of heavy oil, or catalytic cracking of natural gas, and non-hydrocarbons such as thermochemical or electrochemical water cracking. There are a method based on the method and a method combining the above two types.

특히, 메탄의 열분해법을 사용한 수소제조방법은 용융금속 촉매법을 사용하여 1,000℃ 이하의 온도에서 열분해율을 90% 이상 얻는 방법이 연구되고 있다.In particular, as for the hydrogen production method using the thermal decomposition method of methane, a method for obtaining a thermal decomposition rate of 90% or more at a temperature of 1,000° C. or less using a molten metal catalyst method is being studied.

이렇게 열분해로 생성되는 탄소의 형태가 저온에서는 탄소나노튜브(CNT)를 생성할 수 있으므로 정제하여 높은 가격으로 판매가 가능해 경제성이 우수하다.Carbon nanotubes (CNTs) can be produced at low temperatures in the form of carbon produced by pyrolysis, so it can be purified and sold at a high price, which is excellent in economic feasibility.

그러나, 현재 메탄의 열분해법을 사용한 수소제조방법은, 그 기술의 수준에 있어 실험실 수준에서 여러 가지 가능성을 탐색하는 수준으로 큰 용량의 상업용 설비를 제작하는 단계에는 이르지 못하고 있는 실정이다.However, the current hydrogen production method using the pyrolysis method of methane has not reached the stage of manufacturing large-capacity commercial facilities at the level of exploring various possibilities at the laboratory level in terms of the level of technology.

구체적으로는, 용융한 금속촉매(예를 들어, 비스무트(Bi)계열 1원계 또는 2원계의 금속촉매)의 기포발생기 부근에서 메탄이 열분해되어 탄소가 기포발생기의 미세구멍을 막는 현상이나, 고온(대략 1,000℃ 부근)에서 석영으로 이루어진 반응기의 기계적 강도가 낮아 그 형상이 유지되기 어려움이나, 반응기 상부의 온도가 높아 탄소가 융착됨은 물론 그 입자가 불규칙하게 커지는 현상 등에 대한 개선이 필요하다.Specifically, methane is thermally decomposed in the vicinity of the bubble generator of the molten metal catalyst (for example, a bismuth (Bi)-based one- or binary-based metal catalyst) and carbon blocks the micropores of the bubble generator, or high temperature ( At about 1,000 ° C.), the mechanical strength of the reactor made of quartz is low, making it difficult to maintain its shape, but it is necessary to improve the phenomenon of carbon fusion as well as irregular growth of the particles due to the high temperature of the upper part of the reactor.

대한민국 공개특허공보 제10-2004-0004799호(2004.01.16. 공개)Korean Patent Publication No. 10-2004-0004799 (published on January 16, 2004) 대한민국 등록특허공보 제10-2144472호(2020.08.13. 공고)Republic of Korea Patent Publication No. 10-2144472 (2020.08.13. Announcement)

본 발명의 목적은 기포생성기 부근에서 탄소의 침적으로 인한 기공을 막는 현상이 방지될 수 있도록 하고, 열분해반응기에 충분한 열을 공급하여 최적의 온도를 유지하여 열분해 반응을 촉진시킬 수 있도록 하는 메탄의 열분해장치를 제공함에 있다.An object of the present invention is to prevent clogging of pores due to deposition of carbon in the vicinity of a bubble generator, and to maintain an optimum temperature by supplying sufficient heat to a pyrolysis reactor to promote pyrolysis reaction of methane. to provide the device.

그러면서도, 열분해장치 상부의 온도를 낮추어 반응을 억제하여 탄소의 결합을 방지할 수 있도록 하고, 석영으로 이루어진 반응기의 강도를 보강할 수 있도록 하며, 운용 압력을 견디는 내압 반응기의 구조를 이루도록 하는 메탄의 열분해장치를 제공하는 것도 본 발명의 목적에 속한다 할 것이다.At the same time, the pyrolysis of methane, which suppresses the reaction by lowering the temperature of the upper part of the pyrolysis device to prevent carbon bonding, reinforces the strength of the reactor made of quartz, and forms a structure of a pressure-resistant reactor that withstands operating pressure It will be said that providing a device is also an object of the present invention.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 메탄의 열분해장치는, 스테인리스 재질로 이루어지고, 상측 단부에 구비된 덮개를 통해 내측의 수용공간이 개폐 가능한 구조를 이루는 용기본체; 석영 재질로 이루어져 상기 용기본체의 수용공간에 설치되고, 상측 단부와 하측 단부를 제외한 내측의 반응공간에 채워진 촉매금속이 가열되어 융해된 상태를 이루며, 하측 단부가 상기 용기본체 외측에 구비된 메탄공급관과 연결을 이루고, 상측 단부에 수소공급관과 수소 및 탄소배출관이 연결 설치된 반응용기; 상기 용기본체의 내측에서 상기 반응용기의 상측 단부를 제외한 전체를 감싸도록 내측이 개방된 형상의 그라파이트 재질로 이루어지고, 외주면에 복수개의 전열기가 설치된 내열용기; 상기 용기본체의 내주면과 상기 전열기가 설치된 상기 내열용기의 외주면 사이에 개재됨은 물론 상기 반응용기 전체를 감싸는 형상을 이루도록 설치되는 단열재; 및 상기 용기본체의 외측에 구비되어 상기 수소 및 탄소배출관과 연결을 이루고, 수소순환관, 수소출구관 및 탄소출구관을 구비한 사이클론분리기;를 포함한다.Methane pyrolysis device according to the present invention for achieving the above object, the container body is made of a stainless material, the container body forming a structure in which the receiving space inside can be opened and closed through a cover provided on the upper end; A methane supply pipe made of a quartz material and installed in the receiving space of the vessel body, the catalyst metal filled in the inner reaction space except for the upper end and the lower end is heated to a molten state, and the lower end is provided on the outside of the vessel body and a reaction vessel in which a hydrogen supply pipe and a hydrogen and carbon discharge pipe are connected and installed at the upper end; a heat-resistant container made of a graphite material having an open inner side so as to cover the entire inside of the container body except for the upper end of the reaction container, and a plurality of heaters are installed on the outer circumferential surface; an insulator interposed between the inner circumferential surface of the container body and the outer circumferential surface of the heat-resistant container in which the heater is installed, as well as being installed to form a shape surrounding the entire reaction container; and a cyclone separator provided on the outside of the container body to form a connection with the hydrogen and carbon discharge pipe, and having a hydrogen circulation pipe, a hydrogen outlet pipe and a carbon outlet pipe.

상기 반응용기는 하측 단부에 상기 메탄공급관과 연결을 이루는 석영 재질의 기포생성부재를 구비하고, 상기 기포생성부재는 다수의 기포발생공이 등간격의 배치를 이루며 형성되어 상기 메탄공급관으로부터 공급된 메탄이 융해된 상태의 촉매금속으로 기포를 형성하며 상승하면서 촉매금속 표면의 온도 및 촉매금속의 촉매 작용에 의해 열분해될 수 있다.The reaction vessel includes a quartz bubble generating member connected to the methane supply pipe at the lower end thereof, and the bubble generating member is formed with a plurality of bubble generating holes arranged at equal intervals so that the methane supplied from the methane supply pipe is It can be thermally decomposed by the catalytic action of the catalytic metal and the temperature of the catalytic metal surface while rising while forming bubbles with the molten catalytic metal.

상기 반응용기 내에서, 상기 메탄공급관을 통해 공급된 메탄이 상기 기포생성부재를 통과하기 전까지의 구간과 상측 단부의 수소 및 탄소가 배출되는 구간의 온도는 400℃이고, 상기 기포생성부재를 통과한 메탄이 기포를 형성하면서 상승을 시작하는 구간과 메탄이 열분해되어 수소 및 탄소로 분리를 이루는 구간의 온도는 600℃이며, 메탄이 열분해를 이루는 구간의 온도는 1,000℃일 수 있다.In the reaction vessel, the temperature of the section before the methane supplied through the methane supply pipe passes through the bubble generating member and the section in which hydrogen and carbon at the upper end are discharged is 400 ° C. The temperature of the section where methane starts to rise while forming bubbles and the section where methane is thermally decomposed to separate into hydrogen and carbon may be 600° C., and the temperature of the section where methane is thermally decomposed may be 1,000° C.

상기 반응용기는 상측 단부에 덮개를 구비하여 내측에 형성된 반응공간의 밀폐를 유지하여 탄소 및 촉매금속의 입자들이 상기 용기본체 내측의 수용공간에서 비산되는 것을 방지할 수 있다.The reaction vessel may be provided with a cover at the upper end to maintain the seal of the reaction space formed inside, thereby preventing particles of carbon and catalyst metal from scattering in the receiving space inside the vessel body.

상기 전열기는 상기 반응용기에서 촉매금속이 채워진 부위에 대응하는 상기 내열용기의 외주면에 배치될 수 있다.The electric heater may be disposed on the outer peripheral surface of the heat-resistant vessel corresponding to the portion filled with the catalyst metal in the reaction vessel.

상기 수소공급관은 상기 수소순환관과 연결을 이루고, 상기 수소공급관과 상기 수소순환관의 연결부위에 송풍기가 설치되며, 상기 수소출구관은 상기 수소순환관에서 분기된 형태로 구비될 수 있다.The hydrogen supply pipe may be connected to the hydrogen circulation pipe, and a blower is installed at a connection portion between the hydrogen supply pipe and the hydrogen circulation pipe, and the hydrogen outlet pipe may be provided in a branched form from the hydrogen circulation pipe.

상기 사이클론분리기는 상기 수소 및 탄소배출관을 통해 배출된 기체 상태의 수소와 분말 상태의 탄소를 각각 상기 수소순환관 및 상기 탄소출구관으로 분리 배출할 수 있다.The cyclone separator may separate and discharge gaseous hydrogen and powdery carbon discharged through the hydrogen and carbon discharge pipe to the hydrogen circulation pipe and the carbon outlet pipe, respectively.

상기 사이클론분리기와 연결을 이루는 탄소 이송 및 배출기를 더 포함하고, 상기 탄소 이송 및 배출기는, 상기 탄소출구관과 연결을 이루어 배출된 탄소분말을 이송시키는 스크루컨베이어; 상기 스크루컨베이어와 연결을 이루어 이송된 탄소분말이 저장되는 저장챔버; 및 상기 저장챔버의 하측 단부에 설치되는 배출밸브;를 포함할 수 있다.The cyclone separator further includes a carbon transfer and ejector connected to, the carbon transfer and ejector, the screw conveyor is connected to the carbon outlet pipe to transfer the discharged carbon powder; a storage chamber in which the carbon powder transferred by being connected to the screw conveyor is stored; and a discharge valve installed at the lower end of the storage chamber.

상술한 본 발명의 구성에 의하면, 용기본체의 압력유지 작용을 통해 운용압력을 적절하게 설정할 수 있고, 내열용기를 적용하여 반응용기의 형상 및 크기를 자유롭게 설계할 수 있으며, 복수개의 전열기를 적용하여 구간별 온도를 제어할 수 있는 효과가 있다.According to the configuration of the present invention described above, the operating pressure can be appropriately set through the pressure maintaining action of the container body, the shape and size of the reaction container can be freely designed by applying the heat-resistant container, and a plurality of electric heaters can be applied to It has the effect of controlling the temperature for each section.

그리고, 반응용기의 구간별 온도를 제어함으로써, 메탄이 공급되는 구간의 온도를 낮게 조절하여 메탄의 분해반응을 억제하여 탄소의 침적에 의한 막힘 현상을 방지할 수 있고, 메탄이 분해를 이루는 구간의 온도를 대략 900 내지 1,000℃ 정도로 유지하여 메탄의 분해 반응율을 95% 이상으로 제어할 수 있으며, 반응용기 상부의 온도를 600℃ 정도로 유지하여 촉매금속과 탄소의 결합을 억제함과 동시에 분리 과정이 이루어지도록 할 수 있는 효과도 있다.And, by controlling the temperature of each section of the reaction vessel, the temperature of the section to which methane is supplied can be controlled to low, thereby suppressing the decomposition reaction of methane to prevent clogging caused by carbon deposition, and in the section where methane is decomposed By maintaining the temperature at about 900 to 1,000 ° C, the decomposition reaction rate of methane can be controlled to more than 95%, and by maintaining the temperature at the upper part of the reaction vessel at about 600 ° C, the bond between the catalyst metal and carbon is suppressed and the separation process is carried out at the same time. There is an effect that can make you lose.

또한, 수소순환관의 구성을 통해 탄소분말이 수소 기류를 타고 반응용기의 상부 및 용기본체를 빠져나와 사이클론분리기에서 원심 분리되는 자동배출기능을 구비함으로써 연속 운전이 가능한 효과도 있다.In addition, through the configuration of the hydrogen circulation pipe, carbon powder rides the hydrogen stream, exits the upper part of the reaction vessel and the body body, and has an automatic discharge function that is centrifuged in the cyclone separator, so that continuous operation is possible.

더불어, 단열재의 적용을 통해 운용에너지의 소모량을 줄일 수 있고, 용기본체의 온도를 상온으로 유지하여 운전의 안전성을 확보함은 물론 편리한 운용을 구현할 수 있는 효과도 있다.In addition, it is possible to reduce the consumption of operating energy through the application of the insulating material, and to secure the safety of operation by maintaining the temperature of the container body at room temperature, as well as to realize convenient operation.

이러한 효과가 있는 메탄의 열분해장치가 장시간 연속운전이 가능할 수 있도록 할 수 있고, 크기를 작게 제작하는 것 또한 가능할 수 있으며, 생성물인 수소는 수소연료전지 등에 사용할 수 있음은 물론 탄소는 카본블랙 또는 탄소나노튜브 등으로 수득하여 여러 산업의 소재로 활용되도록 할 수 있는 효과도 기대할 수 있게 된다.The pyrolysis device for methane having such an effect can be operated continuously for a long time, and it can also be made small in size, and the product hydrogen can be used for hydrogen fuel cells, etc. An effect that can be obtained as a nanotube or the like and used as a material for various industries can also be expected.

도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 메탄의 열분해장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.1 to 4 are views schematically showing a pyrolysis device for methane according to the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 상술한 본 발명의 목적을 구현하기 위한 바람직한 실시 구성과 이들 구성에 따른 작용관계에 대하여 설명하겠으며, 종래와 동일 내지 동일 범주에 있는 기술구성에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, preferred embodiments for implementing the above-described object of the present invention will be described and operational relationships according to these configurations will be described. do it with

본 발명은 메탄을 열분해하여 수소와 탄소가 생성되도록 함에 있어, 열분해반응기의 위치별 온도를 제어하여 열분해반응기의 가동 안정성을 확보할 수 있도록 하고, 메탄 열분해의 반응도를 유지할 수 있도록 하며, 수소기체와 탄소입자의 분리 배출이 용이하게 이루어질 수 있도록 하는 메탄의 열분해장치에 관한 것이다.In the present invention, in pyrolysis of methane to generate hydrogen and carbon, the temperature of each position of the pyrolysis reactor is controlled to ensure operation stability of the pyrolysis reactor, and the reactivity of methane pyrolysis can be maintained, and hydrogen gas and It relates to a pyrolysis device for methane that allows for easy separation and discharge of carbon particles.

이를 위해 본 발명에 따른 메탄의 열분해장치의 구성은, 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 용기본체(10), 반응용기(20), 내열용기(30), 단열재(40) 및 사이클론분리기(50)를 포함하여 이루어질 수 있다.For this, the configuration of the methane thermal decomposition apparatus according to the present invention is, as shown in FIGS. 1 to 3, the container body 10, the reaction container 20, the heat-resistant container 30, the heat insulating material 40, and the cyclone separator. (50) may be included.

본 발명의 용기본체(10)는, 스테인리스 재질로 이루어지고, 상측 단부에 구비된 덮개(11)를 통해 내측의 수용공간(12)이 개폐 가능한 구조를 이루는 것으로, 본 발명에서는 압력용기로서 작용하는 것에 기술적 요지가 있는 것이다.The container body 10 of the present invention is made of a stainless steel material, and has a structure in which the receiving space 12 inside can be opened and closed through the cover 11 provided at the upper end. There is a technical point to it.

용기본체(10)는 상부에 후술하는 수소공급관(22)과, 수소 및 탄소배출관(23)이 연결될 수 있고, 하부에는 메탄공급관(M)이 연결된 구조를 이룰 수 있다.The container body 10 may have a structure in which a hydrogen supply pipe 22, which will be described later, and a hydrogen and carbon discharge pipe 23 are connected to the upper part, and a methane supply pipe M is connected to the lower part.

이러한 용기본체(10)의 압력구조는 운용압력(예를 들어, 5기압)의 메탄 및 수소의 압력을 상온 또는 상온 이상의 온도에서 안정적으로 유지할 수 있도록 기능할 수 있다.The pressure structure of the container body 10 may function to stably maintain the pressures of methane and hydrogen at an operating pressure (eg, 5 atmospheres) at room temperature or at a temperature above room temperature.

예컨대, 용기본체(10)의 온도는 공장 또는 실험실의 대기온도보다 대략 20℃ 이상 높지 않도록 유지하는 것이 바람직하다.For example, the temperature of the container body 10 is preferably maintained so as not to be higher than about 20 ℃ higher than the ambient temperature of the factory or laboratory.

아울러, 용기본체(10)가 이루는 압력구조의 내부에는 메탄 열분해반응의 주장치인 후술할 석영 재질로 이루어진 반응용기(20)와 촉매금속, 그라파이트 재질로 이루어진 내열용기(30)의 반응용기(20) 보호구조, 전열기(31)의 설치 및 고온 단열재(40) 등을 장착할 수 있도록 하는 것에 구조적 특징이 있다.In addition, inside the pressure structure of the vessel body 10, a reaction vessel 20 made of a quartz material to be described later, which is the main device of the methane thermal decomposition reaction, and a heat-resistant vessel 30 made of a catalytic metal and graphite material, the reaction vessel 20 There are structural features in that the protective structure, the installation of the heater 31, and the high-temperature insulating material 40 can be mounted.

본 발명의 반응용기(20)는, 촉매금속, 메탄, 탄소 및 수소와 반응하지 않는 석영 재질로 이루어져 용기본체(10)의 수용공간(12)에 설치되고, 상측 단부와 하측 단부를 제외한 내측의 반응공간(21)에 채워진 촉매금속이 가열되어 융해된 상태를 이루며, 하측 단부가 용기본체(10) 외측에 구비된 메탄공급관(M)과 연결을 이루고, 상측 단부에 수소공급관(22)과 수소 및 탄소배출관(23)이 연결 설치될 수 있다.The reaction vessel 20 of the present invention is made of a quartz material that does not react with catalytic metal, methane, carbon and hydrogen, and is installed in the receiving space 12 of the vessel body 10, excluding the upper end and the lower end. The catalyst metal filled in the reaction space 21 is heated to form a molten state, the lower end is connected to the methane supply pipe M provided on the outside of the container body 10, and the hydrogen supply pipe 22 and hydrogen are at the upper end And the carbon discharge pipe 23 may be connected and installed.

반응용기(20)는 하측 단부에 메탄공급관(M)과 연결을 이루는 석영 재질의 기포생성부재(24)를 구비할 수 있고, 이러한 기포생성부재(24)도 반응용기(20)와 마찬가지로 촉매금속, 메탄, 탄소 및 수소와 반응하지 않는 특성을 통해, 그 설치 형상을 그대로 유지할 수 있게 된다.The reaction vessel 20 may be provided with a bubble generating member 24 made of a quartz material that is connected to the methane supply pipe M at the lower end thereof, and the bubble generating member 24 is also a catalyst metal similar to the reaction vessel 20 . , through the property of not reacting with methane, carbon and hydrogen, it is possible to maintain its installation shape as it is.

기포생성부재(24)는 다수의 기포발생공(24a)이 등간격의 배치를 이루며 형성되어 메탄공급관(M)으로부터 공급된 메탄이 융해된 상태의 촉매금속으로 기포를 형성하며 부력에 의해 상승하면서 촉매금속 표면의 온도 및 촉매금속의 촉매 작용에 의해 열분해될 수 있는 것이고, 예컨대 기포발생공(24a)은 직경이 5mm 정도일 수 있다.The bubble generating member 24 is formed with a plurality of bubble generating holes 24a arranged at equal intervals to form bubbles with the catalytic metal in a state in which the methane supplied from the methane supply pipe M is melted and rises by buoyancy. It can be thermally decomposed by the temperature of the surface of the catalyst metal and the catalytic action of the catalyst metal, for example, the bubble generating hole 24a may have a diameter of about 5 mm.

이렇게 다수의 기포발생공(24a)이 형성된 기포생성부재(24)가 반응용기(20)의 하부에 배치됨으로써, 메탄가스가 용융 촉매금속으로 잠입되어 운용될 수 있게 되어 반응도의 향상을 구현할 수 있게 된다.By disposing the bubble generating member 24 in which the plurality of bubble generating holes 24a are formed in the lower part of the reaction vessel 20, methane gas can be infiltrated into the molten catalytic metal and can be operated to improve the reactivity. do.

예컨대, 메탄공급관(M)은, 도 3과 같이, 반응용기(20)의 상부를 통해 삽입되어 반응용기(20)의 하측 단부에 배치되는 기포생성부재(24)와 일체를 이루는 메탄공급관 조립체로서 구비될 수 있고, 이 경우 메탄공급관(M)도 석영 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.For example, as shown in FIG. 3 , the methane supply pipe M is inserted through the upper portion of the reaction vessel 20 and is integral with the bubble generating member 24 disposed at the lower end of the reaction vessel 20 as a methane supply pipe assembly. It may be provided, and in this case, it is preferable that the methane supply pipe (M) is also made of a quartz material.

아울러, 촉매금속은 고체의 분말 또는 작은 조각들로 반응용기(20)에 채워진 상태에서 융점 이상으로 가열되어 녹아 액상의 상태로 채워진 상태를 유지하게 된다.In addition, the catalyst metal is heated above the melting point in a state filled with solid powder or small pieces in the reaction vessel 20 to melt and maintain the filled state in a liquid state.

반응용기(20)는 상측 단부에 덮개(25)를 구비하여 내측에 형성된 반응공간(21)의 밀폐를 유지하여 탄소 및 촉매금속의 입자들이 용기본체(10) 내측의 수용공간(12)에서 비산되는 것을 방지할 수 있고, 이러한 덮개(25) 또한 석영 재질로 이루어질 수 있다.The reaction vessel 20 is provided with a cover 25 at the upper end to maintain the seal of the reaction space 21 formed inside, so that particles of carbon and catalyst metal are scattered in the receiving space 12 inside the vessel body 10 . It can be prevented, and this cover 25 may also be made of a quartz material.

수소공급관(22)과, 수소 및 탄소배출관(23)은 반응용기(20)의 상측 단부에 장착되는 설치를 이룰 수 있다.The hydrogen supply pipe 22 and the hydrogen and carbon discharge pipe 23 may be installed to be mounted on the upper end of the reaction vessel 20 .

반응용기(20)는 후술할 그라파이트 재질로 이루어진 내열용기(30)에 삽입되어 용기본체(10)에 장착되는 설치를 이룰 수 있고, 제작시 내열용기(30)의 직경보다 작은 직경을 갖는 관 형상으로 제작되어 내열용기(30)의 내측에 삽입되어 조립할 수 있도록 하며, 조립 후 내측의 반응공간(21)에 촉매금속을 주입하고 가열하여 온도가 올라가면 내열용기(30)의 내주면에 밀착을 이루는 형태의 구조를 이룰 수 있다.The reaction vessel 20 is inserted into a heat-resistant container 30 made of a graphite material, which will be described later, can be installed to be mounted on the container body 10, and has a tubular shape having a diameter smaller than the diameter of the heat-resistant container 30 when manufactured. is manufactured and inserted into the inside of the heat-resistant container 30 so that it can be assembled, and after assembling, a catalyst metal is injected into the inner reaction space 21 and heated to increase the temperature, forming a form of close contact with the inner circumferential surface of the heat-resistant container 30 structure can be achieved.

예컨대, 반응용기(20)는 상측 단부의 단면적을 확장하는 형상으로 이루어져 촉매금속으로부터 수소 기포와 탄소 분말이 안정적으로 분리되어 촉매금속이 탄소 분말에 혼입되는 현상이 억제될 수 있는 구조를 가질 수 있다.For example, the reaction vessel 20 is formed in a shape that expands the cross-sectional area of the upper end so that hydrogen bubbles and carbon powder are stably separated from the catalyst metal, so that mixing of the catalyst metal into the carbon powder can be suppressed. .

본 발명의 내열용기(30)는, 용기본체(10)의 내측에서 반응용기(20)의 상측 단부를 제외한 전체를 감싸도록 내측이 개방된 형상의 그라파이트 재질로 이루어지고, 외주면에 복수개(예를 들어, 3개 또는 4개)의 전열기(31)가 설치될 수 있다.The heat-resistant container 30 of the present invention is made of a graphite material of an open shape so as to surround the entirety except for the upper end of the reaction container 20 from the inside of the container body 10, and a plurality of (eg, For example, three or four) of the heaters 31 may be installed.

내열용기(30)는 용기본체(10)에 체결되는 설치를 이루어 반응용기(20)를 고온에서 지지해주는 구조의 형태이고, 내주면은 반응용기(20) 외주면에 대응하는 형상을 이루며, 외주면은 전열기(31)의 장착과 후술하는 단열재(40)의 설치가 용이할 수 있도록 제작됨은 물론 반응용기(20)에 설치되는 온도센서 등이 관통될 수 있는 구조를 이루는 것이 바람직하다.The heat-resistant container 30 is installed to be fastened to the container body 10 to support the reaction container 20 at a high temperature, and the inner circumferential surface forms a shape corresponding to the outer circumferential surface of the reaction vessel 20, and the outer circumferential surface is an electric heater It is desirable to have a structure in which the temperature sensor installed in the reaction vessel 20 can pass through, as well as being manufactured so that the installation of 31 and the installation of the heat insulating material 40 to be described later can be facilitated.

예컨대, 내열용기(30)는 도 1 내지 도 3과 같이, 반응용기(20)에 채워진 촉매금속의 상면까지로의 높이를 가질 수 있다.For example, the heat-resistant vessel 30 may have a height up to the upper surface of the catalyst metal filled in the reaction vessel 20 as shown in FIGS. 1 to 3 .

이와 같이, 석영 재질로 이루어진 반응용기(20)와 반응용기(20)를 지지하는 그라파이트 재질로 이루어진 내열용기(30)의 열전도율 또는 내열강도 등의 특성간 유기적인 결합 관계를 통해, 운용과정에서 필요로 하는 열확산을 제어할 수 있게 된다.As described above, through the organic coupling relationship between characteristics such as thermal conductivity or heat resistance strength of the reaction vessel 20 made of a quartz material and the heat resistant vessel 30 made of a graphite material supporting the reaction vessel 20, it is necessary in the operation process. It becomes possible to control the thermal diffusion.

그리고, 그라파이트 재질로 이루어진 내열용기(30)의 열전도율을 적용하여 열확산이 필요한 부위로 열전달이 이루어지도록 함으로써 촉매금속의 온도를 제어하는 것 또한 가능하다.In addition, it is also possible to control the temperature of the catalyst metal by applying the thermal conductivity of the heat-resistant container 30 made of a graphite material to transfer heat to a region requiring thermal diffusion.

전열기(31)는 능동적인 열제어를 구현하기 위하여 내열용기(30)의 외주면에 설치되는 것으로, 필요한 온도를 얻기 위한 설치 위치, 크기 및 수량을 적절히 배치하여 필요 부위의 온도 상승 및 열량의 공급을 이룰 수 있도록 한다.The heater 31 is installed on the outer circumferential surface of the heat-resistant container 30 in order to implement active heat control. make it possible

전열기(31)는 내열용기(30)의 외주면에 부착되는 설치를 이룰 수 있고, 후술하는 단열재(40)로 그 외부가 감싸지는 형태의 구조를 가질 수 있으며, 반응용기(20)에서 촉매금속이 채워진 부위에 대응하는 내열용기(30)의 외주면에 배치되어 반응영역의 온도 분포를 제어하는 구조를 구현할 수 있게 된다.The heater 31 may be installed to be attached to the outer circumferential surface of the heat-resistant vessel 30, and may have a structure in which the outside is wrapped with an insulating material 40 to be described later, and the catalyst metal in the reaction vessel 20 It is disposed on the outer circumferential surface of the heat-resistant container 30 corresponding to the filled portion to implement a structure for controlling the temperature distribution of the reaction region.

예컨대, 전열기(31)를 통한 반응영역을 3등분하여 3개의 전열기(31)를 각각 제어할 수 있다.For example, the three electric heaters 31 may be controlled by dividing the reaction area through the electric heater 31 into three equal parts.

전열기(31)의 용량은 기동(가열시간에서 필요한)용량(P_start)과, 운용 소요용량(P_operate)로 계산하여 큰 값을 선택할 수 있다.The capacity of the electric heater 31 may be calculated as a starting (required for heating time) capacity (P_start) and a required operating capacity (P_operate), and a large value may be selected.

전열기(31)의 기동용량은 열분해반응기(반응용기(20))의 열저항(R)과 열용량(C)으로부터 시상수(Time constant, τ)를 구하고, 목표온도(Th)와 주변온도(Tamb)로부터 운용온도차(ΔT_operate)를 구하여, 이 온도차에 n배하여 기동온도차(ΔT_start=n*ΔT_operate)를 구한다.The starting capacity of the electric heater 31 is obtained by obtaining a time constant (τ) from the thermal resistance (R) and the thermal capacity (C) of the pyrolysis reactor (reaction vessel 20), the target temperature (Th) and the ambient temperature (Tamb) Calculate the operating temperature difference (ΔT_operate) from

운용온도차는 ΔT_operate=R*Qoperate이고, 시동온도차는 ΔT_start=n*ΔT_operate=n*R*Qoperate=R*Qstart이므로, Qstart=n*Qoperate이다.Since the operating temperature difference is ΔT_operate=R*Qoperate and the starting temperature difference is ΔT_start=n*ΔT_operate=n*R*Qoperate=R*Qstart, Qstart=n*Qoperate.

장비에 Qstart의 전열을 주입하면, ΔT_operate에 도달하는 시간(t_start)은 t_start=-τ*LN[(n-1)/n]이다.When the heat of Qstart is injected into the equipment, the time to reach ΔT_operate (t_start) is t_start=-τ*LN[(n-1)/n].

예를 들어, τ=5분 n=1.1이면 t_operate=20분(98%)이고, τ=5분 n=1.1이면 t_start=12분이며, τ=5분 n=1.2이면 t_start=9분이고, τ=5분 n=1.3이면 t_start=7.33분이다.For example, if τ=5 minutes n=1.1, then t_operate=20 minutes (98%), if τ=5 minutes n=1.1, t_start=12 minutes, τ=5 minutes n=1.2, then t_start=9 minutes, τ =5 minutes If n=1.3, then t_start=7.33 minutes.

이러한 전열기(31)는 대략 3개 또는 4개 정도를 장착하여 온도센서나 장치의 온도 특성에 따라 개별(병렬) 제어하여 위치별 최적의 온도를 유지할 수 있도록 한다.Approximately three or four of these heaters 31 are mounted and individually (parallel) controlled according to the temperature characteristics of the temperature sensor or device to maintain the optimum temperature for each location.

본 발명의 단열재(40)는, 수동적인 열제어를 구현하기 위하여 용기본체(10)의 내주면과 전열기(31)가 설치된 내열용기(30)의 외주면 사이에 개재됨은 물론 반응용기(20) 전체를 감싸는 형상을 이루도록 설치되는 것으로, 이를 통해 외부로 열이 손실되는 것을 억제하고, 장치 하부의 온도는 내열용기(30)의 열전도를 활용하여 필요한 온도를 얻을 수 있게 된다.The insulating material 40 of the present invention is interposed between the inner circumferential surface of the container body 10 and the outer circumferential surface of the heat-resistant container 30 in which the heater 31 is installed, as well as the entire reaction container 20, in order to implement passive heat control. It is installed to form an enveloping shape, thereby suppressing heat loss to the outside, and the temperature of the lower part of the device can be obtained by utilizing the heat conduction of the heat-resistant container 30 .

단열재(40)는 내열용기(30)와 전열기(31)의 외부를 감싸며, 반응용기(20)의 상부와 용기본체(10)의 상부 사이에 삽입되는 설치를 이룰 수 있고, 내열용기(30)의 외주면은 대략 1,000℃이고, 용기본체(10)의 내주면은 대략 20℃ 정도이므로 고온용 단열재를 사용함이 바람직하다.The insulating material 40 surrounds the outside of the heat-resistant container 30 and the heater 31, and can be installed to be inserted between the upper part of the reaction container 20 and the upper part of the container body 10, and the heat-resistant container 30 The outer peripheral surface is about 1,000 ℃, the inner peripheral surface of the container body 10 is about 20 ℃ it is preferable to use a high-temperature insulating material.

단열재(40)는 내열용기(30)를 용기본체(10)에 장착하는 설치구조에도 적용하여 단열구조를 이루도록 체결하는 설치를 이룰 수 있고, 용기본체(10)에서 체결부의 온도 상승을 줄이는 구조를 이루도록 함이 바람직하다.The heat insulating material 40 can be applied to the installation structure for mounting the heat-resistant container 30 to the container body 10 to achieve an installation that is fastened to form an insulating structure, and a structure that reduces the temperature rise of the fastening part in the container body 10 It is desirable to achieve

그러면서도, 단열재(40)는 전열기(31)가 장착된 내열용기(30)와 용기본체(10) 사이에 설치되어 내열용기(30)의 열손실을 줄이고, 용기본체(10)를 상온으로 유지하여 강도 저하를 방지하는 역할을 한다.Meanwhile, the insulator 40 is installed between the heat-resistant container 30 and the container body 10 on which the heater 31 is mounted to reduce the heat loss of the heat-resistant container 30, and to maintain the container body 10 at room temperature. It serves to prevent a decrease in strength.

이와 같이, 전열기(31)와 단열재(40)를 통한 온도제어는, 도 1 및 도 2와 같이, 구체적으로 반응용기(20) 내에서, 메탄공급관(M)을 통해 공급된 메탄이 기포생성부재(24)를 통과하기 전까지의 구간(a)과 상측 단부의 수소 및 탄소가 배출되는 구간(b)의 온도는 400℃이고, 기포생성부재(24)를 통과한 메탄이 기포를 형성하면서 상승을 시작하는 구간(c)과 메탄이 열분해되어 수소 및 탄소로 분리를 이루는 구간(d)의 온도는 600℃이며, 메탄이 열분해를 이루는 구간(e)의 온도는 1,000℃로 제어 및 유지될 수 있다.In this way, temperature control through the electric heater 31 and the heat insulating material 40, as shown in FIGS. 1 and 2, specifically in the reaction vessel 20, the methane supplied through the methane supply pipe (M) is a bubble generating member The temperature of the section (a) before passing through (24) and the section (b) in which hydrogen and carbon at the upper end are discharged is 400° C., and the methane that has passed through the bubble generating member 24 rises while forming bubbles. The temperature of the starting section (c) and the section (d) where methane is thermally decomposed to separate into hydrogen and carbon is 600 ° C, and the temperature of the section (e) where methane is thermally decomposed can be controlled and maintained at 1,000 ° C. .

여기에서, 상술한 위치 또는 구간별 온도는 변동될 수 있고, 전열기(31) 및 단열재(40)를 통한 능동 및 수동적인 온도 제어가 가능하다는 것에 기술적 요지가 있다 할 것이다.Here, the above-described temperature for each location or section can be changed, and the technical gist of it is that active and passive temperature control through the heater 31 and the insulator 40 is possible.

다만, 상술한 온도들 중 최저온도는 촉매금속의 융점보다 100℃ 이상 높은 온도로 설정되고, 기포생성부재(24)가 설치된 위치 또는 구간의 온도는 메탄의 열분해 반응온도 이하의 온도로 설정되며, 열분해가 이루어지는 구간의 온도는 900 내지 1,000℃에서 최적의 온도로 설정함이 바람직하다.However, the lowest temperature among the above-mentioned temperatures is set to a temperature higher than the melting point of the catalyst metal by 100 ° C. It is preferable to set the temperature of the section in which the thermal decomposition is performed to an optimal temperature in the range of 900 to 1,000 °C.

본 발명의 사이클론분리기(50)는, 용기본체(10)의 외측에 구비되어 수소 및 탄소배출관(23)과 연결을 이루고, 수소순환관(51), 수소출구관(52) 및 탄소출구관(53)을 구비한 구성으로 이루어질 수 있다.The cyclone separator 50 of the present invention is provided on the outside of the container body 10 to form a connection with the hydrogen and carbon discharge pipe 23, and a hydrogen circulation pipe 51, a hydrogen outlet pipe 52 and a carbon outlet pipe ( 53) may be configured.

여기에서, 수소공급관(22)는 수소순환관(51)과 연결을 이루고, 수소공급관(22)과 수소순환관(51)의 연결부위에 송풍기(54)가 설치되며, 수소출구관(52)은 수소순환관(51)에서 분기된 형태로 구비될 수 있다.Here, the hydrogen supply pipe 22 is connected to the hydrogen circulation pipe 51 , and a blower 54 is installed at the connection portion of the hydrogen supply pipe 22 and the hydrogen circulation pipe 51 , and the hydrogen outlet pipe 52 . may be provided in a branched form in the hydrogen circulation pipe 51 .

이러한 사이클론분리기(50)는 수소 및 탄소배출관(23)을 통해 배출된 기체 상태의 수소와 분말 상태의 탄소를 각각 수소순환관(51) 및 탄소출구관(53)으로 분리 배출하는 것이다.The cyclone separator 50 separates and discharges hydrogen and gaseous hydrogen and powdery carbon discharged through the carbon discharge pipe 23 into the hydrogen circulation pipe 51 and the carbon outlet pipe 53, respectively.

구체적으로, 반응용기(20)의 상부에는 메탄의 열분해를 통해 생성된 수소가스와 탄소분말이 분출함으로써, 탄소분말을 수소가스로 날려서 반응용기(20) 내에서 분리되도록 하는 것인데, 본 발명에서는 운용압력(예를 들어, 5기압)의 수소가스를 송풍기(54)로 다시 불어 넣어, 탄소분말과 혼합된 수소가스를 용기본체(10) 외측으로 불어내는 구조의 형태를 이루는 것이다.Specifically, hydrogen gas and carbon powder generated through thermal decomposition of methane are ejected from the upper portion of the reaction vessel 20, so that the carbon powder is blown into hydrogen gas to be separated in the reaction vessel 20. In the present invention, the operation The hydrogen gas at a pressure (eg, 5 atmospheres) is blown back by the blower 54 to form a structure in which the hydrogen gas mixed with the carbon powder is blown to the outside of the container body 10 .

용기본체(10) 외측으로 불어낸 탄소분말과 수소가스는 사이클론분리기(50)를 통해, 탄소분말을 상당부분 탄소출구관(53)으로 분리하고, 송풍기(54)를 가동시켜 반응용기(20) 상부로 수소가스를 불어 넣어 탄소분말을 불어내는 동작이 순환을 이루도록 연속적으로 진행될 수 있게 된다.The carbon powder and hydrogen gas blown out of the container body 10 are separated by a cyclone separator 50 to a significant portion of the carbon powder through the carbon outlet pipe 53, and the blower 54 is operated to operate the reaction vessel 20. The operation of blowing hydrogen gas to the upper part to blow carbon powder can be continuously performed to achieve circulation.

즉, 메탄의 열분해에 의해 생성된 수소를 송풍기(54)를 통해 순환시켜 그 기류로 탄소분말을 불어 배출되도록 하는 것이다.That is, hydrogen generated by thermal decomposition of methane is circulated through the blower 54 to blow carbon powder into the air stream to be discharged.

이렇게 생성된 수소가스는 사이클론분리기(50)를 통과한 후에 수소출구관(52)을 통해 배출되는데, 이때 배출압력을 유지해야 하기 때문에 용기본체(10)의 압력이 운용압력(설정압력) 이상이 되면 수소출구관(52)을 통해 수소가 배출되도록 압력 반응밸브를 구비토록 함이 바람직하다.The hydrogen gas thus generated is discharged through the hydrogen outlet pipe 52 after passing through the cyclone separator 50. At this time, since the discharge pressure must be maintained, the pressure of the container body 10 is higher than the operating pressure (set pressure). It is preferable to have a pressure reaction valve so that hydrogen is discharged through the hydrogen outlet pipe 52 when it is done.

본 발명에 따른 메탄의 열분해장치에서 배출되는 수소는 미세분말인 탄소입자가 포함되어 있을 수 있으므로, 탄소제거필터 또한 구비하여 이를 통해 배출되도록 함이 바람직하다.Since the hydrogen discharged from the methane pyrolysis device according to the present invention may contain fine powder carbon particles, it is preferable to also provide a carbon removal filter to discharge through it.

나아가, 배출된 수소를 저장하는 용기의 압력이 본 발명에 따른 메탄의 열분해장치의 운용압력 이상이면 구비된 수소압축펌프를 통하여 생성된 수소를 공급받아 압축하여 저장용기에 저장할 수 있도록 하여야 한다.Furthermore, if the pressure of the container for storing the discharged hydrogen is equal to or higher than the operating pressure of the methane pyrolysis device according to the present invention, the generated hydrogen is supplied through the provided hydrogen compression pump and compressed so that it can be stored in the storage container.

아울러, 본 발명에 따른 메탄의 열분해장치는, 사이클론분리기(50)와 연결을 이루는 탄소 이송 및 배출기(60)를 더 포함할 수 있다.In addition, the methane thermal decomposition apparatus according to the present invention may further include a carbon transfer and discharge unit 60 that is connected to the cyclone separator 50 .

본 발명의 탄소 이송 및 배출기(60)는, 도 4와 같이, 탄소출구관(53)과 연결을 이루어 배출된 탄소분말을 이송시키는 스크루컨베이어(61)와, 스크루컨베이어(61)와 연결을 이루어 이송된 탄소분말이 저장되는 저장챔버(62)와, 저장챔버(62)의 하측 단부에 설치되는 배출밸브(63)를 포함한 구성으로 이루어질 수 있다.The carbon transfer and discharge machine 60 of the present invention, as shown in FIG. 4, is connected to the carbon outlet pipe 53 and connected to the screw conveyor 61 for transferring the discharged carbon powder, and the screw conveyor 61 is connected. It may be configured to include a storage chamber 62 in which the transferred carbon powder is stored, and a discharge valve 63 installed at the lower end of the storage chamber 62 .

이를 통해, 메탄의 열분해를 통한 수소 수득과정의 중단 없이 연속적으로 탄소를 배출시킬 수 있게 되고, 예컨대 배출밸브(63)는 로터리 밸브를 적용하여 저장챔버(62)로 이송된 탄소분말을 외부로 배출할 수 있다.Through this, it is possible to continuously discharge carbon without stopping the hydrogen obtaining process through thermal decomposition of methane, for example, the discharge valve 63 applies a rotary valve to discharge the carbon powder transferred to the storage chamber 62 to the outside. can do.

본 발명에서 상기 실시 형태는 하나의 예시로서 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 갖고 동일한 작용효과를 이루는 것은 어떠한 것이라도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.In the present invention, the above embodiment is an example, and the present invention is not limited thereto. Anything that has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention and achieves the same operation and effect is included in the technical scope of the present invention.

10 : 용기본체 11 : 덮개
12 : 수용공간 20 : 반응용기
21 : 반응공간 22 : 수소공급관
23 : 수소 및 탄소배출관 24 : 기포생성부재
24a : 기포발생공 25 : 덮개
30 : 내열용기 31 : 전열기
40 : 단열재 50 : 사이클론분리기
51 : 수소순환관 52 : 수소출구관
53 : 탄소출구관 54 : 송풍기
60 : 탄소 이송 및 배출기 61 : 스크루컨베이어
62 : 저장챔버 63 : 배출밸브
M : 메탄공급관
10: container body 11: cover
12: accommodation space 20: reaction vessel
21: reaction space 22: hydrogen supply pipe
23: hydrogen and carbon discharge pipe 24: bubble generating member
24a: bubble generating hole 25: cover
30: heat-resistant container 31: electric heater
40: insulation material 50: cyclone separator
51: hydrogen circulation pipe 52: hydrogen outlet pipe
53: carbon outlet pipe 54: blower
60: carbon transfer and ejector 61: screw conveyor
62: storage chamber 63: discharge valve
M: methane supply pipe

Claims (8)

스테인리스 재질로 이루어지고, 상측 단부에 구비된 덮개를 통해 내측의 수용공간이 개폐 가능한 구조를 이루는 용기본체;
석영 재질로 이루어져 상기 용기본체의 수용공간에 설치되고, 상측 단부와 하측 단부를 제외한 내측의 반응공간에 채워진 촉매금속이 가열되어 융해된 상태를 이루며, 하측 단부가 상기 용기본체 외측에 구비된 메탄공급관과 연결을 이루고, 상측 단부에 수소공급관과 수소 및 탄소배출관이 연결 설치된 반응용기;
상기 용기본체의 내측에서 상기 반응용기의 상측 단부를 제외한 전체를 감싸도록 내측이 개방된 형상의 그라파이트 재질로 이루어지고, 외주면에 복수개의 전열기가 설치된 내열용기;
상기 용기본체의 내주면과 상기 전열기가 설치된 상기 내열용기의 외주면 사이에 개재됨은 물론 상기 반응용기 전체를 감싸는 형상을 이루도록 설치되는 단열재; 및
상기 용기본체의 외측에 구비되어 상기 수소 및 탄소배출관과 연결을 이루고, 수소순환관, 수소출구관 및 탄소출구관을 구비한 사이클론분리기;를 포함하되,
상기 전열기는 상기 반응용기에서 촉매금속이 채워진 부위에 대응하는 상기 내열용기의 외주면에 배치됨을 특징으로 하는 메탄의 열분해장치.
a container body made of a stainless steel material and having a structure in which the receiving space inside can be opened and closed through a cover provided at an upper end thereof;
A methane supply pipe made of a quartz material and installed in the receiving space of the vessel body, the catalyst metal filled in the inner reaction space except for the upper end and the lower end is heated to a molten state, and the lower end is provided on the outside of the vessel body and a reaction vessel in which a hydrogen supply pipe and a hydrogen and carbon discharge pipe are connected and installed at the upper end;
a heat-resistant container made of a graphite material having an open inner side so as to cover the entire inside of the container body except for the upper end of the reaction container, and a plurality of heaters are installed on the outer circumferential surface;
an insulator interposed between the inner circumferential surface of the container body and the outer circumferential surface of the heat-resistant container in which the heater is installed, as well as being installed to form a shape surrounding the entire reaction container; and
A cyclone separator provided on the outside of the container body to form a connection with the hydrogen and carbon discharge pipe, the cyclone separator having a hydrogen circulation pipe, a hydrogen outlet pipe and a carbon outlet pipe; including,
The methane thermal decomposition device, characterized in that the electric heater is disposed on the outer peripheral surface of the heat-resistant vessel corresponding to the portion filled with the catalyst metal in the reaction vessel.
제1항에 있어서,
상기 반응용기는 하측 단부에 상기 메탄공급관과 연결을 이루는 석영 재질의 기포생성부재를 구비하고,
상기 기포생성부재는 다수의 기포발생공이 등간격의 배치를 이루며 형성되어 상기 메탄공급관으로부터 공급된 메탄이 융해된 상태의 촉매금속으로 기포를 형성하며 상승하면서 촉매금속 표면의 온도 및 촉매금속의 촉매 작용에 의해 열분해됨을 특징으로 하는 메탄의 열분해장치.
According to claim 1,
The reaction vessel is provided with a bubble generating member made of quartz material that is connected to the methane supply pipe at the lower end,
The bubble generating member is formed with a plurality of bubble generating holes arranged at equal intervals, and the methane supplied from the methane supply pipe forms bubbles with the catalytic metal in a molten state and rises while rising, the temperature of the catalytic metal surface and the catalytic action of the catalytic metal A pyrolysis device for methane, characterized in that it is pyrolyzed by
제2항에 있어서,
상기 반응용기 내에서,
상기 메탄공급관을 통해 공급된 메탄이 상기 기포생성부재를 통과하기 전까지의 구간과 상측 단부의 수소 및 탄소가 배출되는 구간의 온도는 400℃이고,
상기 기포생성부재를 통과한 메탄이 기포를 형성하면서 상승을 시작하는 구간과 메탄이 열분해되어 수소 및 탄소로 분리를 이루는 구간의 온도는 600℃이며,
메탄이 열분해를 이루는 구간의 온도는 1,000℃임을 특징으로 하는 메탄의 열분해장치.
3. The method of claim 2,
in the reaction vessel,
The temperature of the section before the methane supplied through the methane supply pipe passes through the bubble generating member and the section in which hydrogen and carbon at the upper end are discharged is 400° C.,
The temperature of the section where methane that has passed through the bubble generating member starts to rise while forming bubbles and the section where methane is thermally decomposed to separate into hydrogen and carbon is 600 ° C,
A pyrolysis device for methane, characterized in that the temperature of the section where methane is thermally decomposed is 1,000 °C.
제1항에 있어서,
상기 반응용기는 상측 단부에 덮개를 구비하여 내측에 형성된 반응공간의 밀폐를 유지하여 탄소 및 촉매금속의 입자들이 상기 용기본체 내측의 수용공간에서 비산되는 것을 방지함을 특징으로 하는 메탄의 열분해장치.
According to claim 1,
The reaction vessel is provided with a cover at the upper end to maintain the airtightness of the reaction space formed inside to prevent particles of carbon and catalyst metal from scattering in the receiving space inside the vessel body.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 수소공급관은 상기 수소순환관과 연결을 이루고,
상기 수소공급관과 상기 수소순환관의 연결부위에 송풍기가 설치되며,
상기 수소출구관은 상기 수소순환관에서 분기된 형태로 구비됨을 특징으로 하는 메탄의 열분해장치.
According to claim 1,
The hydrogen supply pipe is connected to the hydrogen circulation pipe,
A blower is installed at the connection part of the hydrogen supply pipe and the hydrogen circulation pipe,
The hydrogen outlet pipe is a pyrolysis device for methane, characterized in that provided in a branched form from the hydrogen circulation pipe.
제6항에 있어서,
상기 사이클론분리기는 상기 수소 및 탄소배출관을 통해 배출된 기체 상태의 수소와 분말 상태의 탄소를 각각 상기 수소순환관 및 상기 탄소출구관으로 분리 배출함을 특징으로 하는 메탄의 열분해장치.
7. The method of claim 6,
The cyclone separator separates and discharges gaseous hydrogen and powdery carbon discharged through the hydrogen and carbon discharge pipe to the hydrogen circulation pipe and the carbon outlet pipe, respectively.
제1항에 있어서,
상기 사이클론분리기와 연결을 이루는 탄소 이송 및 배출기를 더 포함하고,
상기 탄소 이송 및 배출기는,
상기 탄소출구관과 연결을 이루어 배출된 탄소분말을 이송시키는 스크루컨베이어;
상기 스크루컨베이어와 연결을 이루어 이송된 탄소분말이 저장되는 저장챔버; 및
상기 저장챔버의 하측 단부에 설치되는 배출밸브;를 포함함을 특징으로 하는 메탄의 열분해장치.
According to claim 1,
Further comprising a carbon transfer and discharge unit connected to the cyclone separator,
The carbon transfer and discharge device,
a screw conveyor connected to the carbon outlet pipe to transport the discharged carbon powder;
a storage chamber in which the carbon powder transferred by being connected to the screw conveyor is stored; and
A pyrolysis device for methane comprising a; a discharge valve installed at the lower end of the storage chamber.
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