KR102433433B1 - Hydrogen production apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 수소 생산 장치에 관한 것으로, 상세하게는 열회수를 위한 열교환 공정과 탄소 분리 및 회수 공정이 하나의 장치에서 동시에 이루어지도록 하여, 공정 및 장치의 간소화와 유지 비용을 절감할 수 있으면서도 반응 성능과 탄소 및 수소의 회수율을 높일 수 있는 수소 생산 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen production device, and more particularly, by allowing a heat exchange process for heat recovery and a carbon separation and recovery process to be performed simultaneously in one device, thereby reducing the simplification and maintenance cost of the process and device, while reducing the reaction performance and performance It relates to a hydrogen production device capable of increasing the recovery rate of carbon and hydrogen.
수소는 화학제품의 원료 및 화학공정의 공정가스로 널리 사용되고 있으며, 최근에는 미래의 에너지기술인 연료전지의 원료로서 그 수요가 증대되고 있다. 뿐만 아니라, 최근의 환경문제 및 화석연료의 가격상승이나 고갈의 문제점을 해결할 수 있는 대안으로 평가되고 있으며, 특히 지구온난화와 대기오염의 대비 차원에서 수소의 제조, 저장 및 이용에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.Hydrogen is widely used as a raw material for chemical products and as a process gas for chemical processes, and its demand is increasing recently as a raw material for fuel cells, a future energy technology. In addition, it is evaluated as an alternative to solve recent environmental problems and problems of rising or exhausting the price of fossil fuels. is in progress
수소는 기본적으로 이산화탄소를 발생시키지 않는 측면에서는 재생 가능한 에너지원으로부터 제조되는 것이 바람직하다. 그러나, 현재로서는 석탄이나 천연가스로부터 제조되는 것이 경제적이며 이산화탄소를 상당 부분 제거하므로 화석연료의 청정화에도 기여하고 있다.Hydrogen is preferably produced from a renewable energy source in terms of not basically generating carbon dioxide. However, at present, it is economical to manufacture from coal or natural gas, and since it removes a significant portion of carbon dioxide, it also contributes to the purification of fossil fuels.
탄화수소로부터 수소를 생산하는 방법으로는, 수증기 개질법, 부분 산화법 등이 공지되어 있으나, 이러한 기존 방법들은 많은 양의 이산화탄소가 동시에 생성되기 때문에 지구온난화와 같은 환경 문제를 유발하는 문제점이 있다.As a method for producing hydrogen from hydrocarbons, steam reforming method, partial oxidation method, etc. are known, but these existing methods have a problem of causing environmental problems such as global warming because a large amount of carbon dioxide is simultaneously generated.
탄화수소로부터 수소를 생산하는 다른 방법으로는, 천연가스나 중질유 등을 고온 환경에서 열분해하여 탄소와 수소를 동시에 생산하여 이산화탄소 배출을 크게 줄일 수 있는 공정이 있다. 그러나, 이 방법은 1200도 이상의 매우 높은 반응온도가 요구되며, 생성되는 탄소의 침적으로 인하여 연속적인 공정이 수행될 수 없는 문제점이 있다.As another method for producing hydrogen from hydrocarbons, there is a process capable of significantly reducing carbon dioxide emissions by simultaneously producing carbon and hydrogen by thermally decomposing natural gas or heavy oil in a high temperature environment. However, this method requires a very high reaction temperature of 1200 degrees or more, and there is a problem in that a continuous process cannot be performed due to the deposition of the generated carbon.
이를 위해 탄화수소의 열분해 시 요구되는 높은 반응온도를 낮추기 위한 방법으로 금속촉매를 사용하는 촉매 분해법이 있다. 그러나, 촉매 분해 반응에서 생성되는 탄소가 촉매의 활성을 저하시키기 때문에, 금속촉매를 재생하기 위하여 고온에서 공기나 수증기를 이용하여 금속촉매를 재생하는 공정이 추가로 요구되는 문제점이 있으며, 이러한 재생 과정에서 이산화탄소의 발생이 더욱 증대되는 문제점이 있다.To this end, there is a catalytic decomposition method using a metal catalyst as a method for lowering the high reaction temperature required for thermal decomposition of hydrocarbons. However, since carbon generated in the catalytic decomposition reaction lowers the activity of the catalyst, there is a problem in that a process of regenerating the metal catalyst using air or steam at a high temperature is additionally required to regenerate the metal catalyst. There is a problem in that the generation of carbon dioxide is further increased.
결과적으로, 금속촉매를 사용하는 촉매 열분해 공정에서는 반응기로 공급되는 탄화수소가스의 입구온도를 높임으로써 반응 효율을 높일 수 있고, 반응기에서 배출되는 반응가스 내 포함된 탄소를 효과적으로 제거함으로써 탄소 및 수소의 회수율을 높일 수 있다. 그러나, 단지 예열 혹은 예냉을 위한 열교환기의 수량 및 용량을 추가하는 것만으로는 공정 및 장치가 복잡해지고 크기가 커지는 문제점이 있으며, 무엇보다 유지 비용이 증대되는 문제점이 있다.As a result, in the catalytic pyrolysis process using a metal catalyst, the reaction efficiency can be increased by increasing the inlet temperature of the hydrocarbon gas supplied to the reactor, and the recovery rate of carbon and hydrogen by effectively removing the carbon contained in the reaction gas discharged from the reactor can increase However, only adding the quantity and capacity of the heat exchanger for pre-heating or pre-cooling has a problem in that the process and apparatus become complicated and increase in size, and above all, there is a problem in that the maintenance cost is increased.
일 예로, 수소 생산 장치의 설계 시, 고온 반응기의 하류에 열교환기를 배치하여, 고온 반응기에서 배출되는 배출가스의 온열에너지를 회수하는 방식을 채택하고, 이렇게 회수된 온열에너지를 이용하여 고온 반응기의 입구온도를 높이는데 활용하는 경우가 있다. 그러나, 이 경우 열교환기를 경유하는 배출가스의 온도가 지나치게 낮아져 배출가스에 포함된 탄소입자가 서로 엉겨붙어서 입자화가 가속화되어 열교환기의 냉각핀이나 튜브에 달라붙어 스케일을 형성하는 문제가 발생되고, 이러한 스케일은 열교환기의 성능을 떨어뜨리고 결국에는 열교환기 내부를 막거나 높은 압력손실을 초래하는 문제가 발생된다.For example, when designing a hydrogen production device, a heat exchanger is disposed downstream of the high-temperature reactor to recover thermal energy of exhaust gas discharged from the high-temperature reactor, and the inlet of the high-temperature reactor using the recovered thermal energy It is sometimes used to raise the temperature. However, in this case, the temperature of the exhaust gas passing through the heat exchanger is too low, so that the carbon particles contained in the exhaust gas are agglomerated with each other, thereby accelerating particle formation, causing a problem of sticking to the cooling fins or tubes of the heat exchanger to form scale. Scale deteriorates the performance of the heat exchanger, and eventually causes a problem of clogging the inside of the heat exchanger or causing high pressure loss.
다른 예로, 수소 생산 장치의 설계 시, 고온 반응기에 연결된 탄소 분리 및 회수기의 하류에 열교환기를 배치하여, 고온 반응기에서 배출되는 배출가스 내 포함된 탄소입자를 먼저 분리 및 회수한 다음, 탄소입자가 제거된 배출가스의 온열에너지를 회수하여 고온 반응기의 입구온도를 높이는데 활용하는 경우도 있다. 그러나, 이 경우에는 고온 반응기에서 배출되는 배출가스의 온도가 600도 이상의 고온이기 때문에 탄소입자가 서로 엉겨붙지 않아서 탄소 분리 및 회수의 효율이 떨어지는 문제가 발생되고, 이러한 탄소 분리 및 회수 공정에서 발생되는 열손실로 인하여 하류에 배치되는 열교환기의 열회수 성능이 떨어지는 문제가 발생된다.As another example, when designing a hydrogen production device, a heat exchanger is disposed downstream of a carbon separation and recovery device connected to a high-temperature reactor to first separate and recover carbon particles contained in the exhaust gas discharged from the high-temperature reactor, and then remove the carbon particles In some cases, the thermal energy of the exhaust gas is recovered and used to increase the inlet temperature of the high-temperature reactor. However, in this case, since the temperature of the exhaust gas discharged from the high-temperature reactor is at a high temperature of 600 degrees or more, the carbon particles do not agglomerate with each other, so that the efficiency of carbon separation and recovery is lowered. Due to heat loss, there is a problem in that the heat recovery performance of the heat exchanger disposed downstream is deteriorated.
따라서, 공정 및 장치의 간소화와 유지 비용을 절감할 수 있으면서, 열회수 공정은 높은 온도 조건에서 이루어지고, 탄소 분리 및 회수 공정은 낮은 온도 조건에서 이루어지도록 하여, 생성되는 탄소 및 수소의 회수율을 높일 수 있는 새로운 구조의 수소 생산 장치가 요구된다.Therefore, while simplifying the process and device and reducing maintenance costs, the heat recovery process is performed at a high temperature condition, and the carbon separation and recovery process is performed at a low temperature condition, thereby increasing the recovery rate of generated carbon and hydrogen. A hydrogen production device with a new structure is required.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 과제는 열회수를 위한 열교환 공정과 탄소 분리 및 회수 공정이 하나의 장치에서 동시에 이루어지도록 하여, 공정 및 장치의 간소화와 유지 비용을 절감할 수 있으면서도 반응 성능과 탄소 및 수소의 회수율을 높일 수 있는 수소 생산 장치를 제공함에 있다.An object of the present invention for solving the above-described problems is to allow the heat exchange process for heat recovery and the carbon separation and recovery process to be performed simultaneously in one device, thereby reducing the simplification and maintenance cost of the process and the device while reducing the reaction performance and carbon And to provide a hydrogen production device capable of increasing the recovery rate of hydrogen.
또한, 본 발명의 과제는 반응기로 공급되는 탄화수소가스의 냉열 에너지를 이용하여 수소가스 내 포함된 탄소입자의 분리 시 예냉 과정을 거치도록 하여 미립화된 탄소입자의 회수율을 높이고, 반응기에서 배출되는 수소가스의 온열 에너지를 이용하여 반응기로 공급되는 탄화수소가스가 예열 과정을 거치도록 하여 반응기의 반응 성능을 높일 수 있는 수소 생산 장치를 제공함에 있다.In addition, an object of the present invention is to increase the recovery rate of atomized carbon particles by performing a pre-cooling process when separating carbon particles contained in hydrogen gas using the cooling and heat energy of hydrocarbon gas supplied to the reactor, and hydrogen gas discharged from the reactor An object of the present invention is to provide a hydrogen production device capable of increasing the reaction performance of the reactor by allowing the hydrocarbon gas supplied to the reactor to undergo a preheating process using the thermal energy of the reactor.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 수소 생산 장치는, 외부에서 공급되는 탄화수소가스를 열분해하여 수소가스를 포함한 혼합가스를 생성하는 반응기; 및 상기 반응기에서 배출되는 혼합가스를 경유시키는 내측유로와, 상기 반응기에 공급되는 탄화수소가스를 경유시키는 외측유로를 가지며, 상기 내측유로를 경유하는 혼합가스와 상기 외측유로를 경유하는 탄화수소가스의 열교환과 동시에, 상기 내측유로를 경유하는 혼합가스에 포함된 탄소입자를 분리하는 열교환형 탄소분리부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Hydrogen production apparatus according to an embodiment of the present invention for solving the above problems, a reactor for generating a mixed gas including hydrogen gas by thermal decomposition of hydrocarbon gas supplied from the outside; and an inner passage through which the mixed gas discharged from the reactor passes, and an outer passage through which the hydrocarbon gas supplied to the reactor passes, and heat exchange between the mixed gas passing through the inner passage and the hydrocarbon gas passing through the outer passage; At the same time, it characterized in that it comprises a; heat exchange type carbon separation unit for separating the carbon particles contained in the mixed gas passing through the inner flow path.
본 실시예에 따른 수소 생산 장치에 있어서, 상기 열교환형 탄소분리부는, 내부에 상기 내측유로를 형성하며, 상기 내측유로를 경유하는 혼합가스의 사이클론 유동을 유도하여 혼합가스에 포함된 탄소입자를 분리하기 위한 내측챔버와, 상기 내측챔버를 감싸도록 배치되어 상기 내측챔버와의 사이에 상기 외측유로를 형성하는 외측챔버를 포함하며, 상기 내측유로를 경유하는 혼합가스의 온열 에너지에 의하여 상기 외측유로를 경유하는 탄화수소가스가 예열되어 상기 반응기로 공급되고, 상기 외측유로를 경유하는 탄화수소가스의 냉열 에너지에 의하여 상기 내측유로를 경유하는 혼합가스가 예냉될 수 있다.In the hydrogen production apparatus according to this embodiment, the heat exchange type carbon separation unit forms the inner flow path therein, and induces a cyclonic flow of the mixed gas passing through the inner flow path to separate carbon particles included in the mixed gas and an inner chamber for the purpose of The hydrocarbon gas passing through may be preheated and supplied to the reactor, and the mixed gas passing through the inner channel may be pre-cooled by the cooling energy of the hydrocarbon gas passing through the outer channel.
본 실시예에 따른 수소 생산 장치에 있어서, 상기 열교환형 탄소분리부는, 탄화수소가스공급부에서 공급되는 탄화수소가스를 1차 예열하고, 상기 반응기에서 배출되는 혼합가스에 포함된 탄소입자를 1차 분리하는 제1열교환형 탄소분리부와, 상기 제1열교환형 탄소분리부에 연결되며, 상기 제1열교환형 탄소분리부에서 배출되는 탄화수소가스를 2차 예열하여 상기 반응기로 공급하고, 상기 제1열교환형 탄소분리부에서 배출되는 혼합가스에 포함된 잔여 탄소입자를 2차 분리하는 제2열교환형 탄소분리부를 포함할 수 있다.In the hydrogen production apparatus according to this embodiment, the heat exchange type carbon separation unit is a first preheating hydrocarbon gas supplied from the hydrocarbon gas supply unit, and the first separation of carbon particles contained in the mixed gas discharged from the reactor The first heat exchange type carbon separation unit and the first heat exchange type carbon separation unit are connected to the first heat exchange type carbon separation unit, and the hydrocarbon gas discharged from the first heat exchange type carbon separation unit is preheated for secondary preheating and supplied to the reactor, and the first heat exchange type carbon It may include a second heat exchange type carbon separation unit for secondary separation of residual carbon particles contained in the mixed gas discharged from the separation unit.
본 실시예에 따른 수소 생산 장치에 있어서, 상기 내측챔버는, 상기 반응기에서 배출되는 혼합가스가 유입되는 제1내측유로를 가지며, 상기 제1내측유로를 경유하는 혼합가스의 사이클론 유동을 유도하여 혼합가스에 포함된 탄소입자를 1차 분리하는 제1내측챔버와, 상기 제1내측챔버에서 배출되는 혼합가스가 유입되는 제2내측유로를 가지며, 상기 제2내측유로를 경유하는 혼합가스의 사이클론 유동을 유도하여 혼합가스에 포함된 탄소입자를 2차 분리하는 제2내측챔버를 포함할 수 있다.In the hydrogen production apparatus according to this embodiment, the inner chamber has a first inner flow path through which the mixed gas discharged from the reactor is introduced, and induces a cyclonic flow of the mixed gas passing through the first inner flow path to be mixed It has a first inner chamber for primary separation of carbon particles contained in gas, and a second inner passage through which the mixed gas discharged from the first inner chamber is introduced, and a cyclonic flow of the mixed gas passing through the second inner passage. to induce a second inner chamber for secondary separation of carbon particles contained in the mixed gas.
본 실시예에 따른 수소 생산 장치에 있어서, 상기 열교환형 탄소분리부에서 배출되는 탄소입자를 회수하기 위한 탄소회수부;를 더 포함할 수 있고, 이 경우 상기 탄소회수부는 탄소입자를 포집하는 필터일 수 있다.In the hydrogen production apparatus according to this embodiment, a carbon recovery unit for recovering the carbon particles discharged from the heat exchange type carbon separation unit; may further include, in this case, the carbon recovery unit is a filter for collecting carbon particles can
본 실시예에 따른 수소 생산 장치에 있어서, 상기 열교환형 탄소분리부에서 배출되는 수소가스에 포함된 미반응 탄화수소가스를 분리하기 위한 미반응 가스분리기;를 더 포함할 수 있다.In the hydrogen production apparatus according to this embodiment, an unreacted gas separator for separating unreacted hydrocarbon gas contained in the hydrogen gas discharged from the heat exchange type carbon separator; may further include.
본 실시예에 따른 수소 생산 장치에 있어서, 상기 열교환형 탄소분리부 및 상기 반응기를 연결하는 탄화수소가스 스트림 상에 설치되며, 상기 열교환형 탄소분리부에서 배출되는 탄화수소가스와, 상기 미반응 가스분리기에서 분리된 미반응 탄화수소가스를 혼합하는 가스혼합부;를 더 포함할 수 있다.In the hydrogen production apparatus according to this embodiment, it is installed on the hydrocarbon gas stream connecting the heat exchange type carbon separation unit and the reactor, and the hydrocarbon gas discharged from the heat exchange type carbon separation unit and the unreacted gas separator It may further include; a gas mixing unit for mixing the separated unreacted hydrocarbon gas.
본 실시예에 따른 수소 생산 장치에 있어서, 상기 열교환형 탄소분리부는, 상기 외측유로에 배치되며 혼합가스와 탄화수소가스 간의 열교환을 촉진시키기 위한 유동안내부재를 더 포함할 수 있다.In the hydrogen production apparatus according to the present embodiment, the heat exchange type carbon separation unit may further include a flow guide member disposed in the outer flow path to promote heat exchange between the mixed gas and the hydrocarbon gas.
본 실시예에 따른 수소 생산 장치에 있어서, 상기 유동안내부재는, 탄화수소가스가 유입되는 상기 외측유로의 하부영역에서 탄화수소가스가 배출되는 상기 외측유로의 상부영역으로 가며 나선 형상으로 배치될 수 있다.In the hydrogen production apparatus according to this embodiment, the flow guide member may be arranged in a spiral shape from a lower region of the outer passage through which hydrocarbon gas is introduced to an upper region of the outer passage through which hydrocarbon gas is discharged.
본 실시예에 따른 수소 생산 장치에 있어서, 상기 유동안내부재는, 상기 외측유로를 따라 이동하는 탄화수소가스의 대류 열교환이 촉진되도록, 표면에 구멍, 홈 및 돌기 중 적어도 어느 하나가 형성될 수 있다.In the hydrogen production apparatus according to this embodiment, the flow guide member may have at least one of holes, grooves and protrusions formed on the surface so as to promote convective heat exchange of hydrocarbon gas moving along the outer flow path.
본 실시예에 따른 수소 생산 장치에 있어서, 상기 유동안내부재는, 탄화수소가스가 유입되는 상기 외측유로의 하부영역에서 탄화수소가스가 배출되는 상기 외측유로의 상부영역을 향하여 연장 형성되며, 상기 내측챔버의 원주방향을 따라 균일한 간격을 유지하며 복수개가 구비될 수도 있다.In the hydrogen production apparatus according to this embodiment, the flow guide member is formed to extend from a lower region of the outer passage through which hydrocarbon gas is introduced toward an upper region of the outer passage through which hydrocarbon gas is discharged, A plurality may be provided while maintaining uniform intervals along the circumferential direction.
본 실시예에 따른 수소 생산 장치에 있어서, 상기 유동안내부재는, 상기 외측유로의 하부영역에 배치되며, 상측으로 가며 비스듬히 경사지게 연장 형성되는 하측유동안내부와, 상기 외측유로의 상부영역에 배치되며, 상측으로 가며 수직하게 연장 형성되는 상측유동안내부를 포함할 수도 있다.In the hydrogen production apparatus according to this embodiment, the flow guide member is disposed in the lower region of the outer flow path, and is disposed in an upper region of the outer flow path and an inner lower flow channel extending obliquely toward the upper side. , it may include an inner portion of the upper flow while going to the upper side and extending vertically.
본 발명에 따르면, 처리되는 가스의 분리 작용과 함께 예냉 및 예열을 위한 열교환을 동시에 수행할 수 있는 열교환형 탄소분리부를 이용하므로, 장치의 크기 및 공정을 간소화할 수 있고, 공정에서 소비되는 에너지를 크게 절감할 수 있다.According to the present invention, since the heat exchange type carbon separator capable of simultaneously performing heat exchange for pre-cooling and pre-heating together with the separation action of the gas to be treated is used, the size and process of the device can be simplified, and energy consumed in the process can be reduced. You can save a lot.
본 발명에 따르면, 사이클론 효과를 위한 내측챔버 및 열교환 효과를 위한 외측챔버를 가지는 열교환형 탄소분리부를 이용하여, 반응기로 공급되는 탄화수소가스의 냉열 에너지를 이용하여 탄소입자의 분리 시 예냉 과정을 거치도록 하므로 미립화된 탄소의 입자화를 가속시켜 회수율을 크게 높일 수 있다.According to the present invention, a heat exchange type carbon separation unit having an inner chamber for a cyclone effect and an outer chamber for a heat exchange effect is used to perform a pre-cooling process when the carbon particles are separated using the cooling and heat energy of the hydrocarbon gas supplied to the reactor. Therefore, it is possible to greatly increase the recovery rate by accelerating the particleization of atomized carbon.
본 발명에 따르면, 열교환형 탄소분리부를 통해 반응기에서 배출되는 혼합가스에 대한 탄소 분리 및 회수와 함께 열회수를 동시에 수행하므로, 열교환 과정에서 탄소입자의 스케일 형성을 억제할 수 있다.According to the present invention, since the heat recovery is performed simultaneously with the carbon separation and recovery of the mixed gas discharged from the reactor through the heat exchange type carbon separation unit, it is possible to suppress the formation of scale of carbon particles in the heat exchange process.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 수소 생산 장치를 나타낸 예시도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환형 탄소분리부를 나타낸 측면 예시도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 열교환형 탄소분리부의 부분 단면 사시도이다.
도 4는 도 3의 열교환형 탄소분리부의 측면 예시도이다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 열교환형 탄소분리부의 부분 단면 사시도이다.
도 6은 도 5의 A-A선 및 B-B선을 따라 취한 단면 예시도이다.
도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 열교환형 탄소분리부를 나타낸 예시도이다.
도 8은 본 발명의 제5실시예에 따른 열교환형 탄소분리부를 나타낸 예시도이다.1 is an exemplary view showing a hydrogen production apparatus according to a first embodiment of the present invention.
2 is a side view illustrating a heat exchange type carbon separator according to a first embodiment of the present invention.
3 is a partial cross-sectional perspective view of a heat exchange type carbon separation unit according to a second embodiment of the present invention.
4 is an exemplary side view of the heat exchange type carbon separation unit of FIG. 3 .
5 is a partial cross-sectional perspective view of a heat exchange type carbon separation unit according to a third embodiment of the present invention.
6 is an exemplary cross-sectional view taken along lines AA and BB of FIG. 5 .
7 is an exemplary view showing a heat exchange type carbon separator according to a fourth embodiment of the present invention.
8 is an exemplary view showing a heat exchange type carbon separator according to a fifth embodiment of the present invention.
이하 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용될 수 있으며 이에 따른 부가적인 설명은 생략될 수 있다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention in which the above-described problems to be solved can be specifically realized will be described with reference to the accompanying drawings. In describing the present embodiments, the same names and reference numerals may be used for the same components, and an additional description thereof may be omitted.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 수소 생산 장치를 나타낸 예시도이다.1 is an exemplary view showing a hydrogen production apparatus according to a first embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 수소 생산 장치는 반응기(100), 탄화수소가스공급부(200), 열교환형 탄소분리부(300), 탄소회수부(400) 및 수소가스저장부(500)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , the hydrogen production apparatus according to this embodiment includes a
반응기(100)는 화학 반응을 통하여 외부에서 공급되는 탄화수소가스를 열분해하여 수소가스를 포함하는 혼합가스를 생성할 수 있다.The
탄화수소가스로는 탄화수소를 포함하는 천연가스(NG), 액화천연가스(LNG), 나프타(Naphtha) 등이 사용될 수 있다. 이러한 탄화수소가스는 반응기(100)를 통과하면서 수소 및 탄소를 포함하는 혼합가스를 생성할 수 있다.As the hydrocarbon gas, natural gas (NG) containing hydrocarbons, liquefied natural gas (LNG), naphtha, etc. may be used. The hydrocarbon gas may generate a mixed gas including hydrogen and carbon while passing through the
반응기(100)는 촉매 열분해 반응기가 사용될 수 있다.The
이러한 촉매 열분해 반응기(100)는 히터(110)를 포함할 수 있고, 반응공간의 외부에 배치되는 히터(110)를 이용한 외부 가열방식이 적용될 수 있다. 이러한 히터(110)를 통하여 반응기(100)의 내부는 고온 환경이 조성될 수 있고, 반응기(100)의 내부로 유입된 탄화수소가스는 고온 환경에서 열분해되어 수소 및 탄소로 분해될 수 있다.The
또한, 촉매 열분해 반응기(100)는 금속촉매(120)를 포함할 수 있고, 반응공간의 내부에 배치되는 금속촉매(120)를 통하여 탄화수소가스의 열분해 반응이 촉진될 수 있다. 금속촉매(120)는 열분해되는 탄화수소계 탄화수소가스의 반응온도(700 ~ 1200도)를 낮출 수 있으며, 금속촉매(120)로는 니켈, 철, 백금 등의 귀금속 촉매가 사용될 수 있다.In addition, the
이처럼 금속촉매(120)에 의하여 촉매를 사용하지 않는 경우와 비교하여 반응기(100)의 반응온도(700 ~ 1200도)를 상대적으로 낮출 수 있으므로, 반응기(100)에서의 반응속도를 높일 수 있으며, 히터(110)의 열원(130)으로는 태양열, 지열, 풍력 등 신재생 에너지가 활용될 수 있다.As such, since the reaction temperature (700 to 1200 degrees) of the
탄화수소가스공급부(200)는 탄화수소가스 스트림인 제1스트림(S1)을 통하여 열교환형 탄소분리부(300)와 연결될 수 있고, 열교환형 탄소분리부(300)에 탄화수소가스를 공급해 줄 수 있다. 이후 열교환형 탄소분리부(300)를 경유한 탄화수소가스는 제2스트림(S2)를 거쳐 반응기(100)에 공급될 수 있다.The hydrocarbon
그리고, 수소 생산 장치는 탄화수소가스 유량조절부(210)를 더 포함할 수 있는데, 탄화수소가스 유량조절부(210)는 제1스트림(S1) 상에 설치될 수 있고, 탄화수소가스공급부(200)에서 열교환형 탄소분리부(300)로 공급되는 탄화수소가스의 유량을 조절할 수 있다. 탄화수소가스 유량조절부(210)로는 밸브가 사용될 수 있다.And, the hydrogen production apparatus may further include a hydrocarbon gas flow
열교환형 탄소분리부(300)는 반응기(100), 탄화수소가스공급부(200), 탄소회수부(400) 및 수소가스저장부(500)를 연결하는 스트림 상에 설치될 수 있다. 이러한 열교환형 탄소분리부(300)는 반응기(100)에서 배출되는 혼합가스 내의 수소가스와 탄소입자를 분리할 수 있고, 탄소입자의 분리 과정에서 혼합가스를 예냉하여 탄소의 입자화를 가속시키므로 탄소입자의 회수율을 높일 수 있으며, 경유하는 탄화수소가스를 예열하여 반응기(100)의 입구온도를 높일 수도 있다. 이러한 열교환형 탄소분리부(300)에 대해서는 후술하여 상세히 설명한다.The heat exchange type
탄소회수부(400)는 탄소 스트림인 제4스트림(S4)을 통하여 열교환형 탄소분리부(300)와 연결될 수 있고, 열교환형 탄소분리부(300)에서 분리 배출되는 탄소입자를 회수할 수 있다.The
탄소회수부(400)로는 탄소입자를 포집하는 필터가 사용될 수 있고, 이때 탄소회수부(400)는 제4스트림(S4)에 설치될 수 있다.A filter for collecting carbon particles may be used as the
그리고, 수소 생산 장치는 부압발생부(410)를 더 포함할 수 있는데, 부압발생부(410)는 열교환형 탄소분리부(300)와 제4스트림(S4)으로 연결될 수 있으며, 제4스트림(S4)의 이송 압력을 제공할 수 있다.And, the hydrogen production apparatus may further include a
또한, 수소 생산 장치는 이송압력조절부(420)를 더 포함할 수 있는데, 이송압력조절부(420)는 제4스트림(S4) 상에 설치될 수 있고, 제4스트림(S4)에 작용하는 이송압력을 조절 및 설정할 수 있다. 이송압력조절부(420)로는 밸브가 사용될 수 있다.In addition, the hydrogen production apparatus may further include a conveying
수소가스저장부(500)는 수소 스트림인 제5스트림(S5)을 통하여 열교환형 탄소분리부(300)와 연결될 수 있고, 열교환형 탄소분리부(300)에서 분리 배출되는 수소가스를 저장할 수 있다.The hydrogen
그리고, 수소 생산 장치는 가스분석기(600) 및 미반응 가스분리기(700)를 더 포함할 수 있다.In addition, the hydrogen production apparatus may further include a
가스분석기(600)는 제5스트림(S5) 상에 설치될 수 있고, 열교환형 탄소분리부(300)에서 분리 배출되는 수소가스 내에 포함된 미반응 탄화수소가스의 농도를 측정할 수 있다.The
미반응 가스분리기(700)는 제5스트림(S5) 상에서 가스분석기(600)의 하류에 설치될 수 있고, 열교환형 탄소분리부(300)에서 분리 배출되는 수소가스 내에 포함된 미반응 탄화수소가스를 분리할 수 있고, 이에 따라, 고순도의 수소가스를 획득할 수 있다.The
예컨대, 가스분석기(600)를 통하여 제5스트림(S5)을 따라 이송되는 수소가스 내에 존재하는 미반응 탄화수소가스의 농도 값이 미리 설정된 기준 값을 초과하여 원하는 수소가스의 순도(농도)가 만족되지 않을 경우, 미반응 가스분리기(700)는 수소가스 내에 존재하는 미반응 탄화수소가스를 분리하여, 미반응 탄화수소가스가 제거된 고순도의 수소가스를 수소가스저장부(500)에 저장할 수 있다.For example, the concentration value of the unreacted hydrocarbon gas present in the hydrogen gas transferred along the fifth stream S5 through the
물론, 수소 생산 장치는 생산된 수소가스가 사용되는 사용처에 따라, 전술한 수소가스저장부(500)가 배재될 수도 있다. 즉, 열교환형 탄소분리부(300)에서 배출되는 수소가스는 사용처의 열원으로 곧바로 이용될 수도 있다.Of course, in the hydrogen production apparatus, the hydrogen
또한, 수소 생산 장치는 생산된 수소가스가 사용되는 사용처에 따라, 전술한 가스분석기(600) 및 미반응 가스분리기(700)가 배재될 수도 있다. 즉, 열교환형 탄소분리부(300)에서 배출되는 미반응 탄화수소가스를 포함한 수소가스는 별도의 정제 공정 없이 사용처의 열원으로 직접 이용될 수도 있다.In addition, in the hydrogen production apparatus, the
한편, 미반응 가스분리기(700)는 바이패스 스트림(S6)을 통하여 탄화수소가스 스트림인 제2스트림(S2)에 연결될 수 있고, 미반응 가스분리기(700)에서 분리된 미반응 탄화수소가스는 바이패스 스트림(S6)을 통하여 제2스트림(S2)에 합류될 수 있다. 즉, 미반응 가스분리기(700)에서 분리된 미반응 탄화수소가스는 반응기(100)로 재공급될 수 있다.Meanwhile, the
또한, 수소 생산 장치는 가스혼합부(800)를 더 포함할 수 있는데, 가스혼합부(800)는 제2스트림(S2) 상에 설치되어 열교환형 탄소분리부(300)에서 배출되는 탄화수소가스와 미반응 가스분리기(700)에서 분리 배출되는 미반응 탄화수소가스를 혼합할 수 있고, 이후 혼합된 탄화수소가스가 반응기(100)로 공급될 수 있다.In addition, the hydrogen production apparatus may further include a
또한, 수소 생산 장치는 열교환부(900)를 더 포함할 수 있는데, 열교환부(900)는 수소가스 스트림인 제5스트림(S5) 상에 설치될 수 있다. 즉, 열교환부(900)는 제5스트림(S5)에서 유동하는 수소가스를 냉매로 하여 외부 사용수를 가열할 수 있고, 가열된 사용수는 다양한 사용처에 사용될 수 있다. 이와 같이, 열교환부(900)를 적용할 경우 수소가스저장부(500)에 저장되는 수소가스의 온도를 낮출 수 있으므로, 수소가스저장부(500)에 저장되는 수소가스의 손실을 줄일 수 있다.In addition, the hydrogen production apparatus may further include a
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 열교환형 탄소분리부를 나타낸 측면 예시도이다.2 is a side view illustrating a heat exchange type carbon separator according to a first embodiment of the present invention.
도 1 및 도 2를 참조하면, 열교환형 탄소분리부(300)는 기본적으로 반응기(100)에 배출되는 혼합가스 내의 수소가스와 탄소입자를 분리할 수 있다. 또한, 열교환형 탄소분리부(300)는 탄소입자의 분리 과정에서 혼합가스를 예냉하여 탄소의 입자화를 가속시키므로 탄소입자의 회수율을 높일 수 있다. 또한, 열교환형 탄소분리부(300)는 반응기(100)로 공급되는 탄화수소가스를 예열하여 반응기(100)의 입구온도를 높이므로 반응기(100)에서의 반응 효율을 크게 높일 수 있다.1 and 2 , the heat exchange type
구체적으로, 먼저 열교환형 탄소분리부(300)는 탄화수소가스공급부(200)에 제1스트림(S1)으로 연결될 수 있고, 탄화수소가스공급부(200)에서 공급되는 탄화수소가스는 반응기(100)에 공급되기 이전에 열교환형 탄소분리부(300)를 먼저 경유할 수 있다.Specifically, first, the heat exchange type
또한, 열교환형 탄소분리부(300)는 반응기(100)에 제2스트림(S2)으로 연결될 수 있고, 열교환형 탄소분리부(300)에서 배출되는 탄화수소가스는 제2스트림(S2)을 거쳐 반응기(100)로 공급될 수 있다.In addition, the heat exchange type
또한, 열교환형 탄소분리부(300)는 반응기(100)에 제3스트림(S3)으로 연결될 수 있고, 반응기(100)에서 배출되는 혼합가스는 제3스트림(S3)을 거쳐 열교환형 탄소분리부(300)로 공급될 수 있다.In addition, the heat exchange type
또한, 열교환형 탄소분리부(300)는 부압발생부(410)에 제4스트림(S4)으로 연결될 수 있고, 열교환형 탄소분리부(300)에서 분리 배출되는 탄소입자는 제4스트림(S4) 상에 설치된 탄소회수부(400)에서 회수될 수 있다.In addition, the heat exchange type
또한, 열교환형 탄소분리부(300)는 수소가스저장부(500)에 제5스트림(S5)으로 연결될 수 있고, 열교환형 탄소분리부(300)에서 분리 배출되는 수소가스는 제5스트림(S5)을 거쳐 수소가스저장부(500)에 저장될 수 있다.In addition, the heat exchange type
이러한 열교환형 탄소분리부(300)는 반응기(100)에 배출되는 혼합가스 내의 수소가스와 탄소입자를 분리할 시, 혼합가스의 온열 에너지를 이용하여 반응기(100)로 공급되는 탄화수소가스를 예열하여 반응기(100)의 입구온도를 높일 수 있고, 탄화수소가스의 냉열 에너지를 이용하여 혼합가스의 분리 시 혼합가스를 예냉하여 탄소의 입자화를 가속시키므로 탄소회수부(400)에서 회수되는 탄소입자의 회수율을 높일 수 있다.When the heat exchange type
이를 위해 열교환형 탄소분리부(300)는 내측챔버(310) 및 외측챔버(320)를 포함할 수 있다.To this end, the heat exchange type
내측챔버(310)는 반응기(100)에서 배출되는 혼합가스 내에 포함된 수소가스 및 탄소입자를 분리할 수 있다.The
내측챔버(310)는 내부에 반응기(100)에서 배출되는 혼합가스가 유입되는 내측유로(311)를 가질 수 있다. 내측유로(311)는 상광하협의 원통 구조를 가질 수 있다.The
또한, 내측챔버(310)는 제3스트림(S3)과 내측유로(311)의 상부를 연결하는 혼합가스 유입구(312)를 가질 수 있고, 혼합가스 유입구(312)는 내측유로(311)의 중심에서 편심된 일측에 배치될 수 있다. 따라서, 혼합가스 유입구(312)를 통하여 내측유로(311)의 내부로 유입되는 혼합가스는 내측유로(311)의 중심을 기준으로 선회하면서 서서히 하강하는 사이클론 유동이 발생될 수 있다.In addition, the
이러한 사이클론 유동에 의해 혼합가스 중 상대적으로 가벼운 수소가스는 내측유로(311)의 상측으로 유동하고, 상대적으로 무거운 탄소입자는 내측유로(311)의 하측으로 유동할 수 있다.Due to this cyclone flow, a relatively light hydrogen gas among the mixed gases may flow upwards of the
또한, 내측챔버(310)는 제4스트림(S4)과 내측유로(311)의 하부를 연결하는 탄소 배출구(313)를 가질 수 있고, 내측유로(311)에서 분리된 탄소입자는 탄소 배출구(313)를 통하여 제4스트림(S4)으로 이송될 수 있다.In addition, the
또한, 내측챔버(310)는 제5스트림(S5)과 내측유로(311)의 상부를 연결하는 수소가스 배출구(314)를 가질 수 있고, 내측유로(311)에서 분리된 수소가스는 수소가스 배출구(314)를 통하여 제5스트림(S5)으로 이송될 수 있다.In addition, the
이러한 내측챔버(310)로는 열전달이 우수한 소재가 사용될 수 있다. 즉, 내측면에 접촉하는 혼합가스의 온열에너지를 외측면으로 전달할 수 있고, 외측면에 접촉하는 탄화수소가스의 냉열에너지를 내측면으로 전달할 수 있다. 그리고, 도시되진 않았지만, 내측챔버(310)의 외측면에는 열교환 면적이 증대되도록 방열핀이 돌출 형성될 수도 있다.A material having excellent heat transfer may be used as the
외측챔버(320)는 탄화수소가스공급부(200)에서 반응기(100)로 이송되는 탄화수소가스를 경유시켜 반응기(100)로 공급되는 탄화수소가스를 예열할 수 있다.The
외측챔버(320)는 내측챔버(310)를 감싸도록 배치될 수 있고, 내측챔버(310)와의 사이에 외측유로(321)를 형성할 수 있다. 즉, 외측유로(321)는 내측챔버(310)의 외측면 및 외측챔버(320)의 내측면에 의해 형성될 수 있다.The
또한, 외측챔버(320)는 제1스트림(S1)과 외측유로(321)의 하부를 연결하는 탄화수소가스 유입구(322)를 가질 수 있고, 제1스트림(S1)을 따라 이송되는 탄화수소가스는 탄화수소가스 유입구(322)를 통하여 외측유로(321)의 하부로 이송될 수 있다.In addition, the
또한, 도시되진 않았지만, 외측챔버(320)는 바닥면에 유동확산부재를 가질 수 있다. 유동확산부재는 탄화수소가스 유입구(322)를 통하여 외측유로(321)의 하부영역의 중심으로 유입되는 탄화수소가스를 외측유로(321)의 둘레영역으로 고르게 확산시킬 수 있다. 즉, 유동확산부재에 의해 탄화수소가스 유입구(322)를 통하여 외측유로(321)의 하부영역의 중심으로 유입되는 탄화수소가스는 내측챔버(310)를 감싸도록 균일하게 분산될 수 있다.In addition, although not shown, the
또한, 외측챔버(320)는 제2스트림(S2)과 외측유로(321)의 상부를 연결하는 탄화수소가스 배출구(323)를 가질 수 있고, 외측유로(321)를 경유한 탄화수소가스는 탄화수소가스 배출구(323)를 통하여 제2스트림(S2)으로 이송될 수 있다.In addition, the
이러한 외측챔버(320)로는 단열이 우수한 소재가 사용될 수 있고, 외측챔버(320)의 외측면에는 단열커버가 더 구비될 수도 있다.A material having excellent thermal insulation may be used as the
이처럼 내측유로(311)에서 유동하는 혼합가스가 가지는 온열 에너지는 내측챔버(310)를 거쳐 외측유로(321)로 전달될 수 있고, 외측유로(321)에서 유동하는 탄화수소가스가 가지는 냉열 에너지는 내측챔버(310)를 거쳐 내측유로(311)로 전달될 수 있다. 이러한 열교환에 의하여, 내측유로(311)에서 유동하는 혼합가스는 온도가 하강될 수 있고, 외측유로(321)에서 유동하는 탄화수소가스는 온도가 상승될 수 있다.As such, the thermal energy of the mixed gas flowing in the
결과적으로, 탄화수소가스공급부(200)에서 공급되는 탄화수소가스는 외측유로(321)를 경유하면서 내측유로(311)를 경유하는 혼합가스의 온열 에너지에 의하여 예열되어 온도가 상승한 상태에서 반응기(100)로 공급될 수 있고, 반응기(100)의 입구온도를 높일 수 있으므로 반응 효율을 높일 수 있다. 또한, 반응기(100)로 공급되는 탄화수소가스를 예열하기 위한 별도의 열교환기가 배제될 수 있어 공정 및 장치가 간소화될 수 있고, 유지 비용이 절감될 수 있다.As a result, the hydrocarbon gas supplied from the hydrocarbon
또한, 반응기(100)에서 배출되는 혼합가스는 내측유로(311)에서 사이클론 유동하는 중 외측유로(321)를 경유하는 탄화수소가스의 냉열 에너지에 의하여 예냉되어 미립화된 탄소들이 서로 뭉쳐지면서 입자화가 가속화될 수 있다. 이에 따라, 필터 구조의 탄소회수부(400)에서 포집되는 탄소입자의 회수율이 높아질 수 있다. 또한, 혼합가스를 냉각하는 별도의 열교환기가 배제될 수 있어 공정 및 장치가 간소화될 수 있고, 유지 비용이 절감될 수 있다.In addition, the mixed gas discharged from the
한편, 도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 열교환형 탄소분리부의 부분 단면 사시도이고, 도 4는 도 3의 열교환형 탄소분리부의 측면 예시도이다.Meanwhile, FIG. 3 is a partial cross-sectional perspective view of a heat exchange type carbon separation unit according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 4 is an exemplary side view of the heat exchange type carbon separation unit of FIG. 3 .
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 열교환형 탄소분리부(300)는 유동안내부재(330)를 더 포함할 수 있다.3 and 4 , the heat exchange type
유동안내부재(330)는 외측유로(321)에 배치될 수 있고, 외측유로(321)에서 유동하는 탄화수소가스와, 내측유로(311)에서 유동하는 혼합가스 간의 열교환 효율을 높일 수 있다.The
유동안내부재(330)는 외측유로(321) 상에 나선 형상으로 배치될 수 있으며, 이러한 유동안내부재(330)에 의해 외측유로(321)는 나선 형상의 유로를 가질 수 있다. 구체적으로, 유동안내부재(330)는 내측챔버(310)의 외측면에 결합될 수 있고, 탄화수소가스 유입구(322)가 연결되는 외측유로(321)의 하부영역에서 탄화수소가스 배출구(323)가 연결되는 외측유로(321)의 상부영역으로 가면서 나선 형상으로 배치될 수 있다.The
이에 따라, 탄화수소가스 유입구(322)에서 유입되는 탄화수소가스는 내측챔버(310)를 감싸는 나선 형상의 외측유로(321)를 따라 서서히 이동하면서, 탄화수소가스 배출구(323)에서 배출되기 전에 충분한 시간을 두고 내측챔버(310)와 열교환될 수 있다. 결과적으로, 외측유로(321)의 하부영역으로 유입된 탄화수소가스는 나선 형상의 유동안내부재(330)에 접촉되면서 외측유로(321)의 상부영역을 향하여 나선 형상으로 유동하면서 유동 시간이 지연될 수 있고, 이로써 외측유로(321)의 전체 영역에서 보다 효과적인 열교환이 이루어질 수 있다.Accordingly, while the hydrocarbon gas flowing in from the
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 열교환형 탄소분리부의 부분 단면 사시도이고, 도 6은 도 5의 A-A선 및 B-B선을 따라 취한 단면 예시도이다.5 is a partial cross-sectional perspective view of a heat exchange type carbon separation unit according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 6 is an exemplary cross-sectional view taken along lines A-A and B-B of FIG. 5 .
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 유동안내부재(330")는 내측챔버(310)의 외측면에 결합될 수 있고, 내측챔버(310)의 원주방향을 따라 균일한 간격을 유지하며 복수개가 구비될 수 있다. 따라서, 복수개의 유동안내부재(330")에 의해 외측유로(321)는 복수개의 유동공간으로 구획될 수 있다. 그리고, 탄화수소가스 유입구(322)를 통하여 외측유로(321)의 하부영역의 중심으로 유입되는 탄화수소가스는 유동확산부재에 의해 외측유로(321)의 둘레영역으로 고르게 확산되고, 이후 유동안내부재(330")에 의해 구획되는 복수개의 외측유로(321)를 향하여 유동이 고르게 분산될 수 있다.5 and 6 , the
또한, 유동안내부재(330")는 상측유동안내부(331) 및 하측유동안내부(332)를 포함할 수 있다.In addition, the
상측유동안내부(331)는 외측유로(321)의 상부영역에 배치될 수 있고, 하측유동안내부(332)는 외측유로(321)의 하부영역에 배치될 수 있으며, 상측유동안내부(331) 및 하측유동안내부(332)는 개별적으로 설치될 수 있다.The upper flow passage inner 331 may be disposed in an upper region of the
즉, 상측유동안내부(331)는 탄화수소가스 유입구(322)에 인접한 외측유로(321)의 하부영역에서 탄화수소가스 배출구(323)에 인접한 외측유로(321)의 상부영역을 향하여 수직하게 연장 형성될 수 있다. 따라서, 탄화수소가스는 상측유동안내부(331)에 접촉되면서 탄화수소가스 배출구(323)를 향하는 외측유로(321)의 상부영역으로 수직 유동이 안내될 수 있다.That is, during the upper flow, the inner 331 extends vertically from the lower region of the
하측유동안내부(332)는 탄화수소가스 유입구(322)에 인접한 외측유로(321)의 하부영역에서 탄화수소가스 배출구(323)에 인접한 외측유로(321)의 상부영역을 향하며 비스듬히 경사지게 형성될 수 있다. 따라서, 탄화수소가스는 하측유동안내부(332)에 접촉되면서 외측유로(321)의 상부영역으로 경사지게 유동하면서 유동 시간이 지연될 수 있다.The
물론, 도시된 바와 달리, 유동안내부재(330")는 수직한 유로를 형성하는 상측유동안내부(331)만으로 구성될 수도 있고, 비스듬히 경사진 유로를 형성하는 하측유동안내부(332)만으로 구성될 수도 있다.Of course, unlike the one shown, the
바람직하게는, 탄화수소가스 유입구(322)에 인접하고 내측챔버(310)의 축소되는 단면 형상으로 인하여 상대적으로 넓은 면적의 유로가 확보되는 외측유로(321)의 하부영역에는 하측유동안내부(332)가 배치될 수 있고, 탄화수소가스 배출구(323)에 인접하고 내측챔버(310)의 확대된 단면 형상으로 인하여 상대적으로 좁은 면적의 유로가 확보되는 외측유로(321)의 상부영역에는 상측유동안내부(331)가 배치될 수 있다.Preferably, in the lower region of the
예컨대, 도 6 (a)에서와 같이, 하측유동안내부(332)는 하단부에서 상단부로 가면서 비스듬히 경사지게 형성될 수 있고, 외측유로(321)의 원주방향을 따라 상대적으로 적은 수량을 가지도록 배치될 수 있다. 이러한 하측유동안내부(332)는 탄화수소가스의 유동시간을 지연시켜 열교환이 효과적으로 이루어지게 함으로써, 외측유로(321)로 유입된 탄화수소가스의 온도를 급속히 상승시킬 수 있고, 내측유로(311)의 하부영역에서 강한 사이클론 유동을 구현하고 있는 혼합가스의 온도를 효과적으로 냉각시킬 수 있다.For example, as shown in Fig. 6 (a), the
또한, 도 6 (b)에서와 같이, 상측유동안내부(331)는 하단부에서 상단부로 가면서 수직하게 형성될 수 있고, 외측유로(321)의 원주방향을 따라 상대적으로 많은 수량을 가지도록 배치될 수 있다. 이러한 상측유동안내부(331)는 탄화수소가스 배출구(323)를 통해 배출되기 직전까지 탄화수소가스와의 충분한 열교환이 확보되는 동시에, 탄화수소가스 배출구(323)를 향하는 탄화수소가스의 수직한 유동을 안내하여 탄화수소가스 배출구(323)에서 배출되는 탄화수소가스의 압력손실을 줄일 수 있다.In addition, as shown in FIG. 6 (b), the
또한, 상대적으로 적은 수량의 하측유동안내부(332)와, 상대적으로 많은 수량의 상측유동안내부(331)로 인하여, 외측유로(321)의 하부영역에서 상부영역으로 유동하는 탄화수소가스는 하측유동안내부(332) 및 상측유동안내부(331)의 경계영역에서 재차 분산 및 확산되면서 대류 열교환이 촉진될 수 있다.In addition, due to the relatively small amount of the lower flow
이와 같이, 유동안내부재(330,330")는 내측챔버(310) 및 외측챔버(320)의 형상 및 요구되는 반응기(100)의 입구온도에 따라, 수량, 형상 및 배치 구조가 적절히 변경될 수 있고, 이에 따라, 내측유로(311)에서 유동하는 혼합가스와 외측유로(321)에서 유동하는 탄화수소가스의 효과적인 열교환이 이루어질 수 있다.As such, according to the shape of the
한편, 유동안내부재(330,330")는 표면에 관통 구멍, 홈 혹은 돌기가 형성될 수도 있다. 이러한 관통 구멍, 홈 혹은 돌기는 유동안내부재(330,330")의 표면을 따라 유동하는 탄화수소가스의 난류 유동을 활성화하여 외측유로(321)의 전체 영역에서 대류 열교환이 더욱 활성화될 수 있다.On the other hand, the
한편, 도 7은 본 발명의 제4실시예에 따른 열교환형 탄소분리부를 나타낸 예시도이다.Meanwhile, FIG. 7 is an exemplary view showing a heat exchange type carbon separation unit according to a fourth embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 열교환형 탄소분리부(3000)는 다단의 열교환형 탄소분리부를 가지는 점에서 전술한 실시예와 구별된다.Referring to FIG. 7 , the heat exchange type
구체적으로, 본 실시예에 따른 다단의 열교환형 탄소분리부(3000)는 제1열교환형 탄소분리부(3100) 및 제2열교환형 탄소분리부(3200)를 포함할 수 있다. 이때, 제1열교환형 탄소분리부(3100) 및 제2열교환형 탄소분리부(3200)는 각각 전술한 일실시예에 따른 열교환형 탄소분리부(300)와 동일하게 구성될 수 있다.Specifically, the multi-stage heat exchange type
제1열교환형 탄소분리부(3100)는 탄화수소가스공급부(200)에서 공급되는 탄화수소가스의 냉열 에너지와 반응기(100)에 배출되는 혼합가스의 온열 에너지 간의 1차 열교환을 통하여, 탄화수소가스공급부(200)에서 공급되는 탄화수소가스를 1차 예열할 수 있고, 반응기(100)에서 배출되는 혼합가스에 포함된 탄소입자를 1차로 분리할 수 있다.The first heat exchange type
또한, 제2열교환형 탄소분리부(3200)는 제1열교환형 탄소분리부(3100)의 하류에 연결되며, 제1열교환형 탄소분리부(3100)에서 1차로 예열된 후 배출되는 탄화수소가스의 냉열 에너지와 제1열교환형 탄소분리부(3100)에서 탄소입자가 1차로 분리된 후 배출되는 혼합가스의 온열 에너지 간의 2차 열교환을 통하여, 제1열교환형 탄소분리부(3100)에서 배출되는 탄화수소가스를 2차 예열하여 반응기(100)로 공급할 수 있고, 제1열교환형 탄소분리부(3100)에서 배출되는 혼합가스에 포함된 잔여 탄소입자를 2차로 분리할 수 있다.In addition, the second heat exchange type
이처럼 다단의 열교환형 탄소분리부(3000)를 구비하면, 반응기(100)로 공급되는 탄화수소가스의 입구온도를 더욱 높일 수 있고, 탄소회수부(400)에서의 탄소 회수율 및 수소가스저장부(500)에서의 수소 회수율을 더욱 높일 수 있다.As such, if the multi-stage heat exchange type
도시된 바로는, 제1열교환형 탄소분리부(300)의 용량 및 제2열교환형 탄소분리부(300)의 용량을 서로 동일하게 도시하였지만, 제2열교환형 탄소분리부(300)의 용량은 제1열교환형 탄소분리부(300)의 용량보다 작게 설계될 수 있다.As shown, the capacity of the first heat exchange type
도 8은 본 발명의 제5실시예에 따른 열교환형 탄소분리부를 나타낸 예시도이다.8 is an exemplary view showing a heat exchange type carbon separator according to a fifth embodiment of the present invention.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 열교환형 탄소분리부(3000")는 다단의 내측챔버를 가지는 점에서 전술한 실시예와 구별된다.Referring to FIG. 8 , the heat exchange type
구체적으로, 본 실시예에 따른 열교환형 탄소분리부(3000")는 제1내측챔버(3310), 제2내측챔버(3320) 및 외측챔버(3330)를 포함할 수 있다.Specifically, the heat exchange type
제1내측챔버(3310)는 반응기(100)에서 배출되는 혼합가스가 유입되는 제1내측유로(3311)를 가지며, 제1내측유로(3311)를 경유하는 혼합가스의 사이클론 유동을 유도하여 혼합가스에 포함된 탄소입자를 1차 분리할 수 있다.The first
제2내측챔버(3320)는 제1내측챔버(3310)에서 배출되는 혼합가스가 유입되는 제2내측유로(3321)를 가지며, 제2내측유로(3321)를 경유하는 혼합가스의 사이클론 유동을 유도하여 혼합가스에 포함된 탄소입자를 2차 분리할 수 있다.The second
이때, 외측챔버(3330)는 제1내측챔버(3310) 및 제2내측챔버(3320)를 감싸도록 배치될 수 있고, 제1내측챔버(3310) 및 제2내측챔버(3320)와의 사이에 외측유로(3331)를 형성할 수 있다.In this case, the
이처럼 하나의 외측챔버(3330)의 내부에 다단의 내측챔버를 구비하면, 반응기(100)로 공급되는 탄화수소가스의 입구온도를 더욱 높일 수 있고, 탄소회수부(400)에서의 탄소 회수율 및 수소가스저장부(500)에서의 수소 회수율을 더욱 높일 수 있다.As such, if a multi-stage inner chamber is provided inside one
이상에서와 같이, 본 발명에 따른 수소 생산 장치는 사이클론 효과를 위한 내측챔버(310) 및 열교환 효과를 위한 외측챔버(320)를 가지는 열교환형 탄소분리부(300)를 이용하여, 반응기(100)로 공급되는 탄화수소가스의 냉열 에너지를 이용하여 탄소입자의 분리 시 예냉 과정을 거치도록 하므로 미립화된 탄소의 입자화를 가속시켜 탄소회수부(400)에서의 탄소 회수율을 크게 높일 수 있으며, 반응기(100)에서 배출되는 혼합가스의 온열 에너지를 이용하여 반응기(100)로 공급되는 탄화수소가스가 예열 과정을 거치도록 하므로 반응기(100)의 입구온도를 높여 반응기(100)에서의 반응 효율을 크게 높일 수 있다.As described above, the hydrogen production apparatus according to the present invention uses the heat exchange type
또한, 본 발명에 따른 수소 생산 장치는 처리되는 가스의 분리 작용과 함께 예냉 및 예열을 위한 열교환을 동시에 수행할 수 있는 이중 유로의 열교환형 탄소분리부(300)를 이용하므로, 장치의 크기 및 공정을 간소화할 수 있고, 공정에서 소비되는 에너지를 크게 절감할 수 있다.In addition, since the hydrogen production device according to the present invention uses the heat exchange type
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.Although the preferred embodiment of the present invention has been described with reference to the drawings as described above, those skilled in the art may vary the present invention in various ways without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. may be modified or changed.
100: 반응기
300: 열교환형 탄소분리부
310: 내측챔버
320: 외측챔버100: reactor
300: heat exchange type carbon separation unit
310: inner chamber
320: outer chamber
Claims (12)
상기 반응기에서 배출되는 혼합가스를 경유시키는 내측유로와, 상기 반응기에 공급되는 탄화수소가스를 경유시키는 외측유로를 가지며, 상기 내측유로를 경유하는 혼합가스와 상기 외측유로를 경유하는 탄화수소가스의 열교환과 동시에, 상기 내측유로를 경유하는 혼합가스에 포함된 탄소입자를 분리하는 열교환형 탄소분리부;를 포함하고,
상기 열교환형 탄소분리부는 내부에 상기 내측유로를 형성하며, 상기 내측유로를 경유하는 혼합가스의 사이클론 유동을 유도하여 혼합가스에 포함된 탄소입자를 분리하기 위한 내측챔버와, 상기 내측챔버를 감싸도록 배치되어 상기 내측챔버와의 사이에 상기 외측유로를 형성하는 외측챔버를 포함하며,
상기 내측유로를 경유하는 혼합가스의 온열 에너지에 의하여 상기 외측유로를 경유하는 탄화수소가스가 예열되어 상기 반응기로 공급되고, 상기 외측유로를 경유하는 탄화수소가스의 냉열 에너지에 의하여 상기 내측유로를 경유하는 혼합가스가 예냉되는 것을 특징으로 하는 수소 생산 장치.a reactor that pyrolyzes hydrocarbon gas supplied from the outside to generate a mixed gas including hydrogen gas; and
It has an inner passage through which the mixed gas discharged from the reactor passes and an outer passage through which the hydrocarbon gas supplied to the reactor passes, and at the same time as heat exchange between the mixed gas passing through the inner passage and the hydrocarbon gas passing through the outer passage. , a heat exchange type carbon separation unit for separating carbon particles contained in the mixed gas passing through the inner flow path;
The heat exchange type carbon separation unit forms the inner flow path therein, and induces a cyclone flow of the mixed gas passing through the inner flow path to separate the carbon particles contained in the mixed gas, and surrounds the inner chamber. and an outer chamber disposed to form the outer flow path between the inner chamber and the inner chamber,
The hydrocarbon gas passing through the outer channel is preheated by the warm energy of the mixed gas passing through the inner channel and supplied to the reactor, and the mixture passing through the inner channel by the cooling energy of the hydrocarbon gas passing through the outer channel Hydrogen production device, characterized in that the gas is pre-cooled.
상기 열교환형 탄소분리부는,
탄화수소가스공급부에서 공급되는 탄화수소가스를 1차 예열하고, 상기 반응기에서 배출되는 혼합가스에 포함된 탄소입자를 1차 분리하는 제1열교환형 탄소분리부와,
상기 제1열교환형 탄소분리부에 연결되며, 상기 제1열교환형 탄소분리부에서 배출되는 탄화수소가스를 2차 예열하여 상기 반응기로 공급하고, 상기 제1열교환형 탄소분리부에서 배출되는 혼합가스에 포함된 잔여 탄소입자를 2차 분리하는 제2열교환형 탄소분리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 장치.According to claim 1,
The heat exchange type carbon separation unit,
A first heat exchange type carbon separation unit for preheating the hydrocarbon gas supplied from the hydrocarbon gas supply unit and first separating carbon particles contained in the mixed gas discharged from the reactor;
It is connected to the first heat exchange type carbon separation unit, and the hydrocarbon gas discharged from the first heat exchange type carbon separation unit is preheated for secondary preheating and supplied to the reactor, and the mixed gas discharged from the first heat exchange type carbon separation unit is supplied to the reactor. Hydrogen production apparatus comprising a second heat exchange type carbon separation unit for secondary separation of the contained residual carbon particles.
상기 내측챔버는,
상기 반응기에서 배출되는 혼합가스가 유입되는 제1내측유로를 가지며, 상기 제1내측유로를 경유하는 혼합가스의 사이클론 유동을 유도하여 혼합가스에 포함된 탄소입자를 1차 분리하는 제1내측챔버와,
상기 제1내측챔버에서 배출되는 혼합가스가 유입되는 제2내측유로를 가지며, 상기 제2내측유로를 경유하는 혼합가스의 사이클론 유동을 유도하여 혼합가스에 포함된 탄소입자를 2차 분리하는 제2내측챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 장치.According to claim 1,
The inner chamber,
A first inner chamber having a first inner flow path through which the mixed gas discharged from the reactor is introduced, and for inducing a cyclone flow of the mixed gas passing through the first inner channel to first separate carbon particles contained in the mixed gas; ,
a second inner flow path through which the mixed gas discharged from the first inner chamber is introduced, and inducing a cyclonic flow of the mixed gas passing through the second inner flow path to secondaryly separate carbon particles contained in the mixed gas Hydrogen production apparatus comprising an inner chamber.
상기 열교환형 탄소분리부에서 배출되는 탄소입자를 회수하기 위한 탄소회수부;를 더 포함하고,
상기 탄소회수부는 탄소입자를 포집하는 필터인 것을 특징으로 하는 수소 생산 장치.According to claim 1,
Further comprising; a carbon recovery unit for recovering the carbon particles discharged from the heat exchange type carbon separation unit;
The carbon recovery unit is a hydrogen production device, characterized in that the filter for collecting carbon particles.
상기 열교환형 탄소분리부에서 배출되는 수소가스에 포함된 미반응 탄화수소가스를 분리하기 위한 미반응 가스분리기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 장치.According to claim 1,
Hydrogen production apparatus further comprising a; unreacted gas separator for separating unreacted hydrocarbon gas contained in the hydrogen gas discharged from the heat exchange type carbon separator.
상기 열교환형 탄소분리부 및 상기 반응기를 연결하는 탄화수소가스 스트림 상에 설치되며, 상기 열교환형 탄소분리부에서 배출되는 탄화수소가스와, 상기 미반응 가스분리기에서 분리된 미반응 탄화수소가스를 혼합하는 가스혼합부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 장치.7. The method of claim 6,
Gas mixture installed on the hydrocarbon gas stream connecting the heat exchange type carbon separation unit and the reactor, and mixing the hydrocarbon gas discharged from the heat exchange type carbon separation unit and the unreacted hydrocarbon gas separated in the unreacted gas separator Hydrogen production apparatus comprising a part;
상기 열교환형 탄소분리부는, 상기 외측유로에 배치되며 혼합가스와 탄화수소가스 간의 열교환을 촉진시키기 위한 유동안내부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 장치.According to claim 1,
The heat exchange type carbon separation unit, disposed in the outer flow path, hydrogen production apparatus, characterized in that it further comprises a flow guide member for promoting heat exchange between the mixed gas and the hydrocarbon gas.
상기 유동안내부재는, 탄화수소가스가 유입되는 상기 외측유로의 하부영역에서 탄화수소가스가 배출되는 상기 외측유로의 상부영역으로 가며 나선 형상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 수소 생산 장치.9. The method of claim 8,
The flow guide member, Hydrogen production apparatus, characterized in that arranged in a spiral shape from a lower region of the outer passage through which hydrocarbon gas is introduced to an upper region of the outer passage through which hydrocarbon gas is discharged.
상기 유동안내부재는, 상기 외측유로를 따라 이동하는 탄화수소가스의 대류 열교환이 촉진되도록, 표면에 구멍, 홈 및 돌기 중 적어도 어느 하나가 형성되는 것을 특징으로 하는 수소 생산 장치.9. The method of claim 8,
The flow guide member, hydrogen production apparatus, characterized in that at least one of a hole, a groove and a protrusion is formed on the surface so as to promote convective heat exchange of the hydrocarbon gas moving along the outer flow path.
상기 유동안내부재는, 탄화수소가스가 유입되는 상기 외측유로의 하부영역에서 탄화수소가스가 배출되는 상기 외측유로의 상부영역을 향하여 연장 형성되며, 상기 내측챔버의 원주방향을 따라 균일한 간격을 유지하며 복수개가 구비되는 것을 특징으로 하는 수소 생산 장치.9. The method of claim 8,
The flow guide member is formed to extend from a lower region of the outer flow path through which hydrocarbon gas is introduced to an upper region of the outer flow path through which hydrocarbon gas is discharged, and maintain a uniform distance along the circumferential direction of the inner chamber. Hydrogen production device, characterized in that it is provided.
상기 유동안내부재는,
상기 외측유로의 하부영역에 배치되며, 상측으로 가며 비스듬히 경사지게 연장 형성되는 하측유동안내부와,
상기 외측유로의 상부영역에 배치되며, 상측으로 가며 수직하게 연장 형성되는 상측유동안내부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 장치.12. The method of claim 11,
The flow guide member,
an inner portion of a lower flow passage disposed in a lower region of the outer flow passage and extending obliquely to an upper side;
It is disposed in the upper region of the outer flow path, hydrogen production apparatus, characterized in that it comprises an upper flow inner portion extending vertically while going to the upper side.
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