KR102460460B1 - 탄화수소 열분해 수소생산 장치 및 이의 운용 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄화수소 열분해 장치 및 이의 운용 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 밸브의 제어를 통해 고온 반응기의 내부의 탄화수소 가스의 압력을 급격히 변동시킴으로써, 압력 변동에 따른 강한 파동과 펄스 유동을 발생시켜 촉매에 증착된 탄소를 주기적으로 탈착시켜 촉매의 활성을 유지할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
Description
본 발명은 수소를 생산하는 탄화수소 열분해 장치 및 이의 운용 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄화수소 가스의 유량 및 압력을 제어함으로써 촉매에 증착된 탄소를 제거하여 촉매의 활성을 유지할 수 있어서 이산화탄소의 배출을 최소화하면서도 수소를 연속적으로 생산할 수 있는 탄화수소 열분해 장치 및 이의 운용 방법에 관한 것이다.
수소는 화학제품의 원료 및 화학공장의 공정가스로 널리 사용되고 있으며, 최근에는 미래의 에너지기술인 연료 전지의 원료로서 그 수요가 증대되고 있다. 또한, 현재 인류가 당면하고 있는 환경문제 및 화석연료의 가격상승이나 고갈의 문제점을 해결할 수 있는 가장 유력하고 유일한 대안으로 평가되고 있으며, 특히 21세기에는 지구온난화와 대기오염의 대비 및 에너지 안보와 자급 차원에서 수소의 제조, 저장 및 이용에 관한 연구가 전세계적으로 활발하게 진행되고 있다.
수소는 궁극적으로 재생 가능한 에너지원으로부터 제조되는 것이 이산화탄소도 발생시키지 않고 바람직한 것으로 평가되고 있으나, 현재로서는 석탄이나 천연가스로부터 제조되는 것이 가장 경제적이며 이산화탄소 배출을 상당부분 줄일 수 있다.
탄화수소로부터 수소를 대량으로 생산하는 방법으로는, 천연가스의 수증기 개질법, 탄화수소의 부분산화법 등이 공지되어 있으나, 기존의 방법들은 많은 양의 이산화탄소가 동시에 생성되기 때문에 지구온난화와 같은 환경문제를 유발하는 문제점이 있다.
다른 방법으로는, 연구가 많이 진행되어 노르웨이를 비롯한 일부 국가에서 상업화 단계에 있는 플라즈마 분해법을 들 수 있다. 그러나, 플라즈마 분해법은 전력이 많이 소요되기 때문에 경제성이 없으며, 전력 생산에 이산화탄소의 방출이 불가피하므로 환경적인 문제가 제기될 수 있다.
또 다른 방법으로는, 천연가스, 중질유, 콜타르(coal tar) 등을 고온 열분해하여 카본블랙과 수소를 생산하는 공정을 들 수 있다. 그러나, 이 방법은 1400 ℃ 이상의 매우 높은 반응온도를 필요로 하며, 생성되는 카본의 침적으로 인하여 2개의 반응기를 주기적으로 사용하는 번거로움이 있는 반-연속식 공정이다.
또 다른 방법으로는, 탄화수소의 직접 분해 시 필요로 하는 높은 반응온도를 낮추기 위한 방법으로 금속촉매를 사용하는 촉매분해법을 들 수 있다. 그러나, 촉매분해반응에서 생성되는 카본이 촉매에 증착되어 의 활성을 저하시키는 문제점이 발생하여, 활성이 저하된 촉매를 재생하기 위하여 고온에서 공기 또는 수증기를 이용하여 촉매를 재생하는 공정이 추가로 요구되며, 이러한 재생과정에서 온실가스인 이산화탄소가 발생하는 문제점이 있다.
한편, 탄화수소 열분해 장치에 관한 종래기술로는 대한민국등록특허 제10-0886148호가 있다.
탄화수소를 고온의 반응기에서 직접 탄소와 수소로 분해하는 연구는 1400도 이상의 고온의 반응이 필요하여 효율적인 운전이 어렵고 촉매를 사용하여 반응온도를 500~ 700도 내외로 낮춘 경우에는 생성된 탄소가 촉매의 활성을 떨어뜨리는 문제가 해결되지 않고 있다. 저하된 촉매 활성은 코크(coke)를 생성시키기 때문에 반응의 전환율을 떨어뜨리며 열분해의 생성 가스의 선택성(selectivity)를 크게 떨어뜨린다.
본 발명에서는 초기 담지체에 올린 촉매가 초기의 활성을 계속 유지하기 위하여, 생성된 탄소가 가능한 촉매에 증착을 최소화 하며, 증착된 탄소가 유동과 중력에 의해 쉽게 반응기에서 나오도록 하는 것이다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 밸브의 제어를 통해 탄화수소 가스의 유량 및 압력을 제어함으로써 고온 반응기의 강한 유동 요동(fluctuation flow)과 난류(turbulence flow)로 촉매에 증착된 미세한 탄소를 주기적으로 탈착시켜 촉매의 활성을 유지하거나 촉매의 수명을 늘이는 운전장치와 장치의 운전 방법이다. 반응기의 압력 제어를 통해 강한 비정정상 유동이 발생하도록 하기 위해 두 개의 밸브(가스 공급밸브와 배기 조절 밸브)와 압력센서, 이를 지원하는 제어기를 사용하여 수소와 탄소를 생산하는 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 전술한 과제로 제한되지 아니하며, 언급되지 아니한 또 다른 기술적 과제들은 후술할 내용으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한
본 발명에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치 및 이의 운용 방법은 퍼지 밸브를 반응기의 운전조건에 따라 개방 및 폐쇄시킴으로써 고온 반응기 내부에 큰 압력 변동에 따른 파동이 발생하도록 하고, 이러한 파동에 의해 촉매와 담지체가 진동하면서 촉매에 증착된 탄소가 탈착된다. 또한, 퍼지 밸브 개방 시에 고온 반응기와 탄소포집부 간의 큰 압력차에 의해 탄화수소 가스가 유속이 급격히 증가하면서 하강하게 됨에 따라 촉매에 증착된 탄소가 하강하는 탄화수소 가스에 의해 쓸려나가 탄소포집부에 회수된다.
이에 따라 촉매에 증착된 탄소가 제거되기 때문에 촉매의 활성을 유지할 수 있다.
또한, 상기와 같이 퍼지 밸브를 주기적으로 개방 및 폐쇄하여 촉매에 증착된 탄소를 회수하는 운용 방법 이외에도 탄화수소 가스 공급 제어 밸브의 제어를 통해 탄화수소 가스의 공급 유량 및 압력을 조절함으로써 촉매에 증착된 탄소를 제거하는 것도 가능하다.
또한, 제1 및 제2압력센서 중 적어도 하나를 통해 파악된 고온 반응기의 내부의 압력값이 설정값을 초과할 경우 퍼지 밸브를 큰 수준으로 개방시켜 반응기 내부의 급격한 압력변동에 따른 파동을 야기하여 촉매에 증착된 탄소를 이탈시킬 수 있다.
또한 제1 및 제2압력센서 중 적어도 하나를 통해 파악된 고온 반응기의 입구와 출구의 압력차를 통해 촉매에 증착된 탄소의 양을 파악하여 고온 반응기의 입구와 출구의 압력차가 기준 값을 초과할 경우 퍼지 밸브의 개방 주기 및 시간을 증대시켜 촉매에 증착된 탄소를 제거할 수 있다. 이때, 상기와 같이 퍼지 밸브의 개방 주기 및 시간 증대에도 고온 반응기의 입구와 출구의 압력차가 줄어들지 않을 경우에는 탄화수소 가스 공급 제어 밸브를 제어하여 탄화수소 가스의 공급 유량을 감소시켜 탄소의 생성량을 감소시키거나 고온 반응기의 반응 온도를 증가시켜 생성된 탄소가 서로 엉겨 붙는 것을 방지하여 탄소 덩어리의 입자 크기를 더 작게 하고 촉매에 흡착되지 않도록 하여 촉매에 증착된 탄소의 양을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치의 전체 구성을 보여주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치에서 퍼지 밸브를 개방시켰을 때의 고온 반응기 내부의 압력변동을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치에서 탄화수소 가스 공급량을 변화시켰을 때의 고온 반응기 내부의 압력변동을 나타낸 그래프이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치에서 퍼지 밸브를 개방시켰을 때의 고온 반응기 내부의 압력변동을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치에서 탄화수소 가스 공급량을 변화시켰을 때의 고온 반응기 내부의 압력변동을 나타낸 그래프이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지되어진 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 수소를 연속적으로 생산할 수 있는 탄화수소 열분해 장치에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치의 전체 구성을 보여주는 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치는 제어기(1), 탄화수소 가스 공급 제어 밸브(10), 릴리프 밸브(40), 고온 반응기(50), 퍼지 밸브(20) 및 탄소포집부(90)를 포함하여 형성된다.
제어기(1)는 탄화수소 열분해 장치의 전체구성을 제어하기 위해 마련된다.
탄화수소 가스 공급 제어 밸브(10)는 탄화수소 가스 공급 배관(12)에 설치되는 유량제어밸브이며 제어기(1)에 의해 개폐되어 탄화수소 가스 공급 배관(12) 및 가스 분배기(51)로의 탄화수소의 공급 및 유량/압력을 제어하며, 탄화수소 가스 공급 배관(12)에는 제1압력센서(11)가 설치된다. 제어기(1)는 제1압력센서(11) 및 제2압력센서(22)의 적어도 하나에 의해 측정된 압력 측정값에 따라 탄화수소 가스의 공급 유량 및 압력을 제어함으로써 탄화수소 가스에 의한 고온 반응기(50)의 압력을 설정된 압력으로 제어한다. 탄화수소 가스 공급 배관(12)의 탄화수소 가스 공급 제어 밸브(10)로는 고압의 탄화수소 가스가 공급된다.
릴리프 밸브(40)는 평소에는 폐쇄된 상태로 유지되다가 제1압력센서(11) 및 제2압력센서(22)에 의해 측정된 압력 측정값이 미리 설정된 고온 반응기(50) 목표 압력에 비해 현저히 높아지는 경우와 같이 압력제어에 오류가 발생한 경우에 제어기(1)에 의해 개방되어 탄화수소 가스를 외부로 배출함으로써 긴급 상황의 안전을 대비하기 위해 마련된다.
유량제어기(MFC)(18)는 비활성가스 공급배관(17)에 형성되어 반응기(50)로 아르곤(Ar), 헬륨(He) 등의 비활성가스를 공급하는 기능을 한다.
고온 반응기(50)는 탄화수소 가스를 기체상태의 수소와 고체 상태의 탄소로 분해하기 위해 마련되며, 히터가 구비된 퍼니스(53)가 고온 반응기(50)의 외측 둘레를 감싸도록 형성되고, 고온 반응기(50)의 내부에는 담지체에 담지된 촉매(52)가 구비된다. 이에 따라 고온 반응기(50)로 공급된 탄화수소 가스는 촉매(52)의 존재 하에 퍼니스(53)의 히터에 의해 가열된 가스로부터 열을 흡수하는 흡열반응을 통하여 기체상태의 수소와 고체 상태의 탄소로 분해된다. 고온 반응기(50)는 탄화수소 가스 공급 배관(12) 및 반응완료 가스 배출 배관(92)에 연결된다.
이때, 담지체는 다수의 촉매(52)를 담지할 수 있도록 높은 다공성을 가지고 조건에 따라 촉매(52)에 증착한 고체 상태의 탄소가 중력과 유동에 의해 아래로 떨어질 수 있도록 설계되며, 촉매(52)는 니켈, 철, 탄소, 백금족 금속(PGM) 등의 불균일 촉매가 사용된다. 담지체의 기공도(porosity)는 30~97%의 범위에서 선택할 수 있다. 담지체의 기공도가 너무 작은 경우에는 촉매로부터 탄소를 이탈(탈착)시켜 배출하는 과정이 방해를 받을 수 있어서 바람직하지 않다. 즉 압력변동에 의한 파동으로 발생한 충격이 충분히 촉매에 가해지려면 높은 기공성을 가져야 하며, 이후 촉매로부터 탈락된 탄소가 쉽게 담지체를 빠져나가기 위해서도 담지체의 기공도는 높아야 하는 것이다.
또한, 탄화수소 가스는 메탄, 프로판, 부탄, 액화석유가스(LPG ; Liquified Petroleum Gas), 액화천연가스(LNG ; Liquified Natural Gas) 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 또한 탄화수소 가스 이외에도 메탄올, 에탄올 등이 사용될 수도 있다.
탄소포집부(90)는 탄소를 포집 및 회수하여 외부로 배출하기 위한 구성으로서 사이클론방식 또는 정전기집진방식의 탄소포집장치이며, 탄소포집부(90)의 내측에는 탄소필터(91)가 구비된다.
퍼지 밸브(20)는 정상 작동 조건에서는 반응기의 내부의 압력값을 일정하게 유지시키기 위해 제어기(1)에 의해 일정 운전조건(반응기 내부 설정압력값 초과시)에 도달하면 개방하였다가 폐쇄되는 작동을 하도록 제어되며 그 결과 촉매(52)에 증착된 탄소가 촉매(52)에서 이탈되어 촉매(52)의 활성을 유지할 수 있도록 한다. 이 때 퍼지 밸브(20)의 개방은 큰 수준으로 개방되어 거의 최대한으로 열려짐으로써 반응기의 내부에 급격하고 큰 수준의 압력변동을 야기한다. 즉 퍼지 밸브의 개방은 반응기 내부의 압력을 일정하게 유지시키는 기능도 물론 수행하지만 본 발명에서는 반응기의 내부의 압력의 급격한 변동을 발생시키는 작동을 하게 되는 것이므로 퍼지 밸브는 최대한으로 열려지는 수준으로 크게 개방되는 것이다.
또한, 탄소포집부(90)에 회수된 고체 상태의 탄소를 외부로 배출할 때에는 제어기(1)에 의해 퍼지 밸브(20)가 폐쇄됨으로써 수소와 미반응 탄화수소가 혼합된 혼합 가스가 반응완료 가스 배출 배관(92)으로 흐르지 못하도록 함으로써 가스가 누출되는 것을 방지한다. 반응완료 가스 배출 배관(92)에는 제2압력센서(22)가 설치된다.
이하에서는 상기와 같은 구성의 본 발명에 따른 탄화수소 열분해 장치의 운용 방법에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
먼저, 정상 작동 조건에서는 탄화수소 가스가 탄화수소 가스 공급 제어 밸브(10)를 거쳐 탄화수소 가스 공급 배관(12) 및 가스 분배기(51)를 통해 고온 반응기(50)로 공급되고, 퍼지 밸브(20)는 일정 조건에 도달하였을 때에 개방되었다가 폐쇄된다.
이때 퍼지 밸브(20)가 폐쇄된 상태에서 탄화수소 가스가 공급된 고온 반응기(50)의 압력은 일정 수준을 유지하게 되며, 반응기(50)의 내부의 압력은 퍼지 밸브(20)의 아래쪽(예를 들면 탄소포집부 등)의 압력보다는 훨씬 크게 된다. 따라서 퍼지 밸브(20)가 일정 조건하에 개방되면, 반응기(50)의 내부와 밸브(20)의 아래쪽의 압력차에 의해, 고온 반응기(50) 내부에 큰 압력 변동이 발생하고 또한 압력변동에 따른 파동(반응기 내부의 충격)이 발생한다. 이러한 파동에 의해 촉매(52)와 담지체는 진동을 일으키게되며 그 결과 촉매(52)로부터 탄소가 이탈된다. 도 2를 참조하면, 퍼지 밸브(10)가 개방(On)되면 반응기 내부의 압력은 급격히 떨어지는 것을 확인할 수 있고 퍼지 밸브(10)가 폐쇄(Off)되면 다시 반응기 내부 압력이 상승하는 것을 알 수 있다. 또한 퍼지 밸브(10)의 온/오프는 반응기 내부의 운전조건(반응기 내부 압력값)에 따라 반복적으로 이루어지게 된다. 즉 반응기 내부 압력이 설정값을 초과하는 조건이 발생할 때마다 퍼지 밸브(20)는 개방되었다가 폐쇄되는 작동을 반복하게 된다. 여기서 반응기(50)의 내부의 압력은 제1압력센서 또는 제2압력센서에 의해 측정될 수 있다.
또한, 퍼지 밸브(10) 개방 시에 고온 반응기(50) 내부와 탄소포집부(90) 내부의 압력차에 의해 고온 반응기(50)에 있던 가스가 급격하게 하강하게 되고 촉매(52)에서 이탈된 탄소는 반응완료 가스 배출 배관(92)을 통해 탄소포집부(90)에 회수된다.
구체적으로, 퍼지 밸브(20)가 폐쇄되면 반응완료 가스 배출 배관(92)으로 가스가 유출되지 못하기 때문에 고온 반응기(50)에 공급된 가스가 고온 반응기(50) 내부에 채워지면서 고온 반응기(50) 내부의 압력이 크게 상승하게 되고, 이 상태에서 퍼지 밸브(20)가 개방되면 고온 반응기(50) 내부에 머물던 가스가 반응완료 가스 배출 배관(92)을 통해 유출되면서 고온 반응기(50) 내부의 압력이 급격하게 하강하게 된다. 따라서, 퍼지 밸브(20)가 개방되면 고온 반응기(50) 내부에 큰 압력 변동이 발생하게 되고, 이러한 압력 변동에 따라 고온 반응기(50) 내부에 파동이 발생하여 촉매(52)와 담지체를 진동시켜서 촉매(52)에 증착된 탄소를 이탈시키는 것이다.
또한, 퍼지 밸브(20)가 폐쇄되면 반응완료 가스 배출 배관(92)으로 가스가 이송되지 못하기 때문에 탄소포집부(90)로는 더 이상 가스가 공급되지 않는 상태이다. 즉, 고온 반응기(50)의 내부 압력은 상대적으로 높은 상태가 되고, 탄소포집부(90)의 내부 압력은 상대적으로 낮은 상태가 된다. 이러한 상태에서 퍼지 밸브(20)가 개방되면 고온 반응기(50)와 탄소포집부(90) 내부의 큰 압력차에 의해 고온 반응기(50) 내부의 가스가 급격하게 하강하면서 촉매(52)로부터 이탈된 탄소를 휩쓸어 내려가서 탄소포집부(90)로 보내게 된다.
상기와 같이 퍼지 밸브(20)가 일정한 시간 간격으로 개방과 폐쇄를 반복하는 동작을 함에 따라 촉매(52)에 증착된 고체 상태의 탄소가 촉매(52)로부터 이탈된 후 반응완료 가스 배출 배관(92)을 통해 하강하여 탄소포집부(90)로 회수되고 발생된 수소는 수소 배출 배관(81)을 통해 이송된다.
이때, 상기와 같이 정상 작동 중 제1압력센서(11) 및 제2압력센서(22)는 각각 고온 반응기(50)의 입구 쪽 압력과 출구 쪽 압력을 지속적으로 측정하여 측정값을 제어기(1)로 송신하며, 제어기(1)는 수신 받은 고온 반응기(50)의 입구와 출구 쪽 압력 값을 통해 고온 반응기(50)의 입구와 출구의 압력차를 파악하여 촉매(52)에 증착된 탄소의 양을 파악할 수 있다. 즉, 촉매(52)에 증착된 탄소의 양이 많은 경우에는 증착된 탄소가 가스가 유동할 수 있는 공간들을 막는 작용을 함에 따라 고온 반응기(50)로 공급된 탄화수소 가스가 고온 반응기(50)의 하단으로 원활하게 이동하지 못하여 고온 반응기(50)의 입구 쪽 압력은 상승하고 출구 쪽 압력은 하강하게 된다. 이에 따라, 고온 반응기(50)의 입구 쪽 압력과 출구 쪽 압력의 차이가 증가하게 된다. 반면 촉매(52)에 증착된 탄소의 양이 적은 경우에는 고온 반응기(50)로 공급된 탄화수소 가스가 고온 반응기(50)의 하단으로 원활하게 이동하면서 고온 반응기(50)의 입구 쪽 압력과 출구 쪽 압력이 차이가 줄어들게 된다. 따라서, 고온 반응기(50)의 입구와 출구 쪽 압력 값을 통해 고온 반응기의 입구와 출구의 압력차를 파악하면 촉매(52)에 증착된 탄소의 양을 파악할 수 있는 것이다.
이렇게 고온 반응기(50)의 입구와 출구의 압력차가 미리 설정된 기준 값을 초과하는 경우 제어기(1)는 퍼지 밸브(20)를 폐쇄시켰다가 개방시켜줌으로써 촉매(52)에 증착된 탄소를 제거시키는 것이다.
이때, 상기와 같이 퍼지 밸브(20)를 폐쇄하였다가 개방시키는 작업을 수행했음에도 불구하고 고온 반응기(50)의 입구와 출구의 압력차가 줄어들지 않을 경우에는 탄화수소 가스 공급 제어 밸브(10)를 제어하여 탄화수소 가스의 공급 유량을 감소시켜 탄소의 생성량을 감소시키거나 또는 고온 반응기(50)의 반응 온도를 증가시켜 생성된 탄소가 서로 엉겨 붙는 것을 방지하여 탄소 덩어리의 입자 크기를 더 작게 함과 동시에 생성된 탄소가 촉매(52)에 흡착되지 않도록 하여 촉매(52)에 증착된 탄소의 양을 감소시킬 수 있다.
이후, 고온 반응기(50)의 입구와 출구 쪽 압력차가 미리 설정된 기준 값 미만으로 낮아지게 되면 다시 정상 작동 조건으로 작동하게 된다. 이때의 기준 값은 정상 작동으로 돌아가기 위한 기준이 되는 값으로, 정상 작동 중 탄소를 더 많이 제거하기 위한 작동을 시작하는 기준 값과는 다르다. 즉, 정상 작동으로 돌아가기 위한 기준이 되는 값은 정상 작동 중 탄소를 더 많이 제거하기 위한 작동을 시작하는 기준 값보다 더 낮은 값으로 설정된다.
한편, 본 발명에서는 상기와 같이 퍼지 밸브(20)를 주기적으로 개방 및 폐쇄하여 촉매(52)에 증착된 탄소를 회수하는 방법 이외에도 제어기(1)에 의해 탄화수소 가스 공급 밸브(10)의 제어를 통해 탄화수소 가스의 공급 유량 및 압력을 조절함으로써 촉매(52)에 증착된 탄소를 회수하는 방법을 사용할 수 있다.
구체적으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 퍼지 밸브(20)가 개방된 상태에서 제어기(1)가 탄화수소 가스 공급 밸브(10)를 제어하여 탄화수소 가스의 공급 유량을 감소시켰다가 다시 탄화수소 가스의 공급 유량을 급격하게 상승시키면, 고온 반응기(50) 내부에 큰 압력 변동(압력의 급격한 상승)에 따른 파동이 발생하도록 하고, 이러한 파동에 의해 촉매(52)와 담지체가 진동하면서 촉매(52)에 증착된 탄소가 탈착된다. 즉 도 3을 참조하면, 탄화수소 가스의 공급량을 서서히 감소시키다가 공급량이 최소화되는 시점에서 갑자기 탄화수소 가스 공급량을 급격히 증가시키면 반응기 내부의 압력이 최소수준이었다가 급격이 증가하는 것을 알 수 있다.
또한, 탄화수소 가스의 공급 유량이 급격하게 상승하면 고온 반응기(50)의 내부에 있던 가스가 급격하게 하강하면서, 촉매(52)로부터 이탈된 고체 상태의 탄소가 가스에 의해 휩쓸려서 반응완료 가스 배출 배관(92)을 통해 하강하여 탄소포집부(90)에 회수된다.
이때, 정상 작동 중 고온 반응기(50)의 입구와 출구의 압력차가 미리 설정된 기준 값을 훨씬 크게 초과하는 경우 제어기(1)는 탄화수소 가스 공급 밸브(10)를 제어하여 탄화수소 가스의 공급 유량을 더 크게하여 그 결과 반응기 내부의 압력의 변동 폭을 더욱 크게 함으로써 촉매(52)에 증착된 탄소가 더 많이 이탈되어 제거되도록 할 수 있다.
이때, 상기와 같은 방법으로도 고온 반응기(50)의 입구와 출구의 압력차가 줄어들지 않을 경우에는 앞서 설명한 바와 같이 탄화수소 가스의 공급 유량을 감소시켜 탄소의 생성량을 감소시키거나 고온 반응기(50)의 반응 온도를 증가시켜서 탄소가 촉매(52)에 흡착되는 것을 감소시킬 수 있다.
이상과 같은 본 발명에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치 및 이의 운용 방법은 퍼지 밸브를 급격히 개방시키거나 또는 탄화수소 가스의 공급 유량을 급격히 증대시킴으로써, 고온 반응기 내부에 큰 압력 변동에 따른 파동이 발생하도록 하고, 이러한 파동에 의해 촉매와 담지체가 진동하면서 촉매에 증착된 탄소가 이탈되어 배출된다. 따라서 촉매에 증착된 탄소가 제거되기 때문에 촉매의 활성이 열화되는 것을 방지하거나 최소화시킬 수 있다.
또한, 제1 및 제2압력센서를 통해 파악된 고온 반응기의 입구와 출구의 압력차를 통해 촉매에 증착된 탄소의 양을 파악하여 고온 반응기의 입구와 출구의 압력차가 기준 값을 초과할 경우 퍼지 밸브의 개방 주기 및 시간을 증대시켜 촉매에 증착된 탄소를 제거할 수 있다. 이때, 상기와 같이 퍼지 밸브의 개방 주기 및 시간 증대에도 고온 반응기의 입구와 출구의 압력차가 줄어들지 않을 경우에는 탄화수소 가스 공급 제어 밸브를 제어하여 탄화수소 가스의 공급 유량을 감소시켜 탄소의 생성량을 감소시키거나 고온 반응기의 반응 온도를 증가시켜 생성된 탄소가 서로 엉겨 붙는 것을 방지하여 탄소 덩어리의 입자 크기를 더 작게 하고 촉매에 흡착되지 않도록 하여 촉매에 증착된 탄소의 양을 감소시킬 수 있다.
또한 상기 퍼지 밸브의 제어에도 불구하고 압력차가 줄어들지 않을 경우 공급하는 탄화수소 가스의 양을 줄이는 방법을 사용할 수 있음을 설명하였는데, 이 경우 반응기로 유입되는 가스의 양이 작아지는 결과를 가져오게 된다. 그러나 반응기 내부의 가스의 양이 작아지면 앞서 설명한 퍼지 밸브를 개방하고 폐쇄하는 작동을 할때에 반응기 내부의 압력변동과 그에 따른 파동의 크기가 작아질 수 밖에 없고, 또한 퍼지밸브를 개방시에 반응기를 빠져나가는 반응완료가스의 유속도 감소될 수 밖에 없다. 따라서 본 발명에서는 탄화수소 가스의 공급량을 감소시키는 경우 그 감소되는 공급량을 보충하도록 제어기가 유량제어기(MFC)를 제어하여 반응기로 Ar, He와 같은 비활성 가스를 공급해주게 된다. 이 경우 비활성 가스는 반응에 참여하지 않으면서도 반응기 내부의 가스의 양을 그 이전(탄화수소 가스 공급량 감소 이전)과 대등한 양으로 유지시켜주게 되므로 본 발명에서 퍼지밸브의 개방 및 폐쇄 작동에 의한 급격한 압력변동과 이에 따라 발생하는 파동의 크기를 그 이전과 같이 대등한 수준으로 발생할 수 있도록 한 것이다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어져야 할 것이다.
10 : 탄화수소 가스 공급 제어 밸브
11 : 제1압력센서
12 : 탄화수소 가스 공급 배관
20 : 퍼지 밸브
22 : 제2압력센서
40 : 릴리프 밸브
50 : 고온 반응기
51 : 가스 분배기
52 : 촉매
53 : 퍼니스
81 : 수소 배출 배관
90 : 탄소포집부
91 : 탄소필터
92 : 반응완료 가스 배출 배관
11 : 제1압력센서
12 : 탄화수소 가스 공급 배관
20 : 퍼지 밸브
22 : 제2압력센서
40 : 릴리프 밸브
50 : 고온 반응기
51 : 가스 분배기
52 : 촉매
53 : 퍼니스
81 : 수소 배출 배관
90 : 탄소포집부
91 : 탄소필터
92 : 반응완료 가스 배출 배관
Claims (9)
- 히터가 구비된 퍼니스에 의해 감싸지며 촉매를 담지한 담지체가 내부에 구비되어 탄화수소 가스를 기체상태의 수소와 고체 상태의 탄소로 분해하는 고온 반응기;
상기 고온 반응기의 내부의 압력을 측정하는 압력센서;
상기 고온 반응기로 공급되는 탄화수소 가스의 유량을 제어하는 탄화수소 가스 공급 제어 밸브;
상기 고온 반응기에서 반응을 수행한 반응완료가스의 배출을 제어하는 퍼지밸브;
내측에 탄소필터가 구비되어 탄소를 포집 및 회수하여 외부로 배출하는 탄소포집부; 및
상기 탄화수소 가스 공급 제어 밸브 및 상기 퍼지밸브의 작동을 제어하는 제어기;를 포함하며,
상기 압력센서에서 측정된 압력값이 기준치를 초과하는 경우 상기 제어기에서 상기 퍼지밸브를 폐쇄시켜 상기 고온 반응기 내부의 압력을 상승시킨 후 상기 퍼지 밸브가 개방되도록 제어함으로써 내부 압력이 상대적으로 높은 상기 고온 반응기와 내부 압력이 상대적으로 낮은 상기 탄소포집부 사이의 압력차에 의해 상기 고온 반응기 내부의 가스가 급격하게 하강하면서 상기 고온 반응기 내부에 압력 변동에 따른 파동이 발생하도록 하여 상기 촉매를 담지한 담지체를 진동시켜 증착된 탄소가 이탈되도록 하고,
상기 퍼지 밸브의 제어에도 불구하고 상기 압력센서에서 측정된 상기 압력값이 줄어들지 않을 경우 상기 제어기에서 상기 퍼지 밸브를 개방시킨 상태에서 상기 탄화수소 가스 공급 밸브를 제어하여 탄화수소 가스의 공급 유량을 감소시켰다가 급격하게 상승시켜 상기 고온 반응기 내부에 큰 압력 변동에 따른 파동이 발생하도록 하여 상기 촉매를 담지한 담지체를 진동시켜 증착된 탄소를 이탈시키는 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해 수소 생산 장치.
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 탄화수소 열분해 수소 생산 장치는,
상기 고온 반응기에 배치되는 담지체의 기공도는 30% 내지 97%의 범위 이내인 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해 수소 생산 장치.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 퍼지 밸브 및 탄화수소 가스 공급 제어 밸브의 제어에도 불구하고 상기 압력값이 줄어들지 않을 경우 탄화수소 가스의 공급 유량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해 수소 생산 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 퍼지 밸브 및 탄화수소 가스 공급 제어 밸브의 제어에도 불구하고 상기 압력값이 줄어들지 않을 경우 상기 고온 반응기의 반응 온도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해 수소 생산 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 퍼지 밸브 및 탄화수소 가스 공급 제어 밸브의 제어에도 불구하고 상기 압력값이 줄어들지 않을 경우 탄화수소 가스의 공급 유량을 감소시키는 동시에 비활성 가스를 반응기로 공급하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해 수소 생산 장치. - 삭제
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| KR1020200132185A KR102460460B1 (ko) | 2020-10-13 | 2020-10-13 | 탄화수소 열분해 수소생산 장치 및 이의 운용 방법 |
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| KR20220048845A KR20220048845A (ko) | 2022-04-20 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020200132185A KR102460460B1 (ko) | 2020-10-13 | 2020-10-13 | 탄화수소 열분해 수소생산 장치 및 이의 운용 방법 |
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Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
| JP4622667B2 (ja) | 2004-05-19 | 2011-02-02 | 三菱マテリアル株式会社 | 多孔質金属触媒及びその製造方法 |
| JP5509595B2 (ja) | 2006-09-08 | 2014-06-04 | 日立化成株式会社 | カーボンナノチューブの製造方法 |
| KR101807152B1 (ko) | 2016-11-22 | 2018-01-10 | 현대자동차 주식회사 | 차량의 서지 방지 방법 및 시스템 |
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|---|---|---|---|---|
| KR101678299B1 (ko) * | 2015-04-13 | 2016-11-21 | 경상대학교산학협력단 | 촉매필터형 천연가스 개질기 |
-
2020
- 2020-10-13 KR KR1020200132185A patent/KR102460460B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (3)
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| KR101807152B1 (ko) | 2016-11-22 | 2018-01-10 | 현대자동차 주식회사 | 차량의 서지 방지 방법 및 시스템 |
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