KR102526185B1 - 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 연료를 순산소 순환 유동층 연소하여 이산화탄소를 생성시키는 연소기, 연소기의 내부에 배치되고 외부로부터 메탄이 공급되어 순환하는 메탄 유로, 메탄 유로와 연통하고 연소기로부터 공급되는 비드로부터 전달되는 열을 이용하여 메탄 유로를 따라 공급되는 메탄의 열분해를 통해 수소 및 탄소를 생산하는 열분해기, 열분해기로부터 이송되는 수소 및 탄소를 분리시키고 탄소의 적어도 일부를 고체 탄소로 생성시키며 탄소의 다른 일부를 연소기로 공급하는 분리기, 외부로부터 공급되는 산소와 분리기로부터 공급되는 수소를 열교환시키는 제1 열교환기 및 메탄 유로의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되고 연소기로부터 공급되는 메탄과 이산화탄소를 열교환시키는 제2 열교환기를 포함하는 열교환기, 제2 열교환기를 통해 열교환된 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소 탱크 및 제1 열교환기를 통해 공급되는 산소를 연소기로 공급하는 산소 송풍기 및 이산화탄소 탱크로부터 공급되는 이산화탄소의 적어도 일부를 연소기로 공급하는 이산화탄소 송풍기를 포함하는 송풍기를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템을 제공한다.
Description
본 발명은 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다상유동(기체-고체) 반응에서 열 및 물질 전달에 탁월한 효과가 있는 유동층 기술 중 가열된 고온의 기체를 메탄의 열분해에 필요한 반응열을 공급하는 매체로 활용하고 메탄 열분해를 통해 생산된 탄소의 일부를 연료로 사용하는 순산소 연소를 통해 전체 반응공정에 필요한 반응열을 생성하는 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템에 관한 것이다.
현재, 탄화수소를 활용한 수소생산기술은 SMR(Steam Methane Reforming)으로 촉매를 활용해 메탄과 수증기를 고온에서 반응시키는 방법으로 철강, 석유화학 공정에서 발생되는 부생수소를 제외하면 상용 수소 생산의 95%를 차지하고 있다.
SMR 반응은 CH4 + 2H2O = 4H2 + CO2로 개질반응 이후 수소 분리를 위해 PSA에 사용되는 전력을 포함하면 1kg의 수소 13kg 내외의 이산화탄소를 발생시키는 그레이 (Grey) 수소 생산기술이기 때문에 CCUS 기술을 통해 CO2를 제거하지 않으면 지속가능하지 않다.
최근 메탄의 직접 열분해를 통해 수소와 고체상 탄소를 생산하는 기술개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 방법에 사용되는 화학반응식은 CH4 = 2H2 + C(s)로 표현할 수 있고, 메탄에 있는 탄화수소가 고체상 탄소로 생산되기 때문에 이산화탄소 발생이 없으며, 고부가 탄소소재 생산을 통해 추가적인 부가가치를 얻을 수 있는 장점이 있다.
대표적인 흡열반응인 메탄의 열분해 반응은 900 °C ~ 1200°C 사이에서 활성화 되며 고온으로 갈수록 메탄의 전환율이 100%에 근접하는 특성을 지닌다.
이와 관련한 메탄 열분해 기술은 액체금속과 용융염을 이용한 기술, 플라즈마를 이용한 기술, 고체촉매를 이용한 기술 등이 있다.
그러나, 액체금속과 용융염을 이용한 기술은 액상매체를 고온으로 가열하는데 제약이 있고, 고체탄소에 액체금속이나 용융염이 묻어나와 카본의 순도를 향상시키기 위해서는 별도의 공정이 필요한 문제점이 있었다.
또한, 플라즈마를 이용한 기술은 생성되는 막대한 양의 재생전력이 필요하며 원자단위로 생성되는 카본을 포집하기 위한 기술이 요구되는 문제점이 있었다.
아울러, 고체촉매를 이용한 기술은 열분해과정에서 생성된 탄소가 촉매 표면에 점착되는 코킹(coking) 현상에 의해 촉매의 활성이 빠르게 저하되는 문제가 있었다.
한편, CH4 = 2H2 + C(s)의 반응은 16kg의 메탄을 공급하였을 때 4kg의 수소와 12kg의 탄소를 얻게 되는데, 이때 생산되는 탄소의 양이 매우 크고, 이에 따라 대량의 메탄을 개질해 수소를 생산할 경우 고체탄소의 생산량이 현재 탄소시장의 수요를 초과할 수도 있는 문제점이 있었다.
따라서, 탄소를 순수한 고체탄소 소재 이외의 형태로 적절히 활용하는 기술뿐만 아니라 전술한 메탄의 열분해 반응을 구현하기 위하여 액체금속 또는 용융염과 같은 액상촉매를 활용하거나 플라즈마를 이용하거나 산화철, 니켈, 탄소기반 고체촉매를 활용하는 기술들이 제시되고 있으나 기술수준이 낮아 상용화를 위해서는 추가적인 기술개발이 필요한 상황이다.
(특허문헌 1) 공개특허공보 제10-2004-0004799호(2004.01.16.)
(특허문헌 2) 등록특허공보 제10-2211017호(2021.01.27.)
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 메탄 열분해로 생산된 고체 탄소의 일부를 연료로 하는 순산소 연소를 통해 100%의 이산화탄소(CO2)로 구성된 고온 가스를 생산하여 알루미나 등의 비드(=고체 열전달 물질)을 가열하고 여기에 메탄을 투입하여 열분해시킴에 따라 1000 °C 이상의 고온 흡열반응을 유지를 위한 반응열을 생산 및 전달하는 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 연소기로 비드에 점착된 탄소가 공급되면 연료로 활용되고 이 과정에서 비드가 자동으로 재생됨에 따라 종래기술에서 발생하던 유동사의 코킹(coking) 문제를 해소하는 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 액체촉매, 용융염, 고체촉매 등 별도의 촉매가 필요 없으며 생성된 고체 탄소에 이물질의 혼입이 원천적으로 차단되어 고순도 탄소를 얻을 수 있어 종래기술에서 발생하던 고체 탄소 생성물의 품질 문제를 해소하는 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 SMR과 같은 기존 공정의 경우 수소와 이산화탄소의 분리 공정이 필요한 것과 달리 열분해기에서 수소와 이산화탄소(CO2)가 분리되어 배출되므로 별도의 분리 공정이 필요 없고, 이에 따라 수소-이산화탄소 분리공정 비용을 최소화하는 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 열분해에서 생산된 고온의 탄소와 순산소 연소로 생산된 고온의 이산화탄소(CO2)를 반응시키면 부다 반응(Boudouard reaction)을 통해 고순도 일산화탄소(CO)를 쉽게 생산할 수 있고, 메탄 열분해 공정에서 발생된 탄소와 이산화탄소(CO2)가 모두 1000 °C 이상으로 별도의 열전달 공정의 추가 없이 상기한 반응을 쉽게 구현하는 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 연료를 순산소 순환 유동층 연소하여 이산화탄소를 생성시키는 연소기; 상기 연소기의 내부에 배치되고 외부로부터 메탄이 공급되어 순환하는 메탄 유로; 상기 메탄 유로와 연통하고 상기 연소기로부터 공급되는 비드로부터 전달되는 열을 이용하여 상기 메탄 유로를 따라 공급되는 메탄의 열분해를 통해 수소 및 탄소를 생산하는 열분해기; 상기 열분해기로부터 이송되는 상기 수소 및 상기 탄소를 분리시키고 상기 탄소의 적어도 일부를 고체 탄소로 생성시키며 상기 탄소의 다른 일부를 상기 연소기로 공급하는 분리기; 외부로부터 공급되는 산소와 상기 분리기로부터 공급되는 상기 수소를 열교환시키는 제1 열교환기 및 상기 메탄 유로의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되고 상기 연소기로부터 공급되는 상기 메탄과 상기 이산화탄소를 열교환시키는 제2 열교환기를 포함하는 열교환기; 상기 제2 열교환기를 통해 열교환된 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소 탱크; 및 상기 제1 열교환기를 통해 공급되는 상기 산소를 상기 연소기로 공급하는 산소 송풍기 및 상기 이산화탄소 탱크로부터 공급되는 상기 이산화탄소의 적어도 일부를 상기 연소기로 공급하는 이산화탄소 송풍기를 포함하는 송풍기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템을 제공한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 연료를 순산소 순환 유동층 연소하여 이산화탄소를 생성시키는 연소기; 상기 연소기의 내부에 배치되고 외부로부터 메탄이 공급되어 순환하는 메탄 유로; 상기 메탄 유로와 연통하고 상기 메탄 유로를 따라 공급되는 상기 메탄의 열분해를 통해 수소 및 탄소를 생산하는 열분해기; 상기 열분해기로부터 이송되는 상기 수소 및 상기 탄소를 분리시키고 상기 탄소의 적어도 일부를 고체 탄소로 생성시키며 상기 탄소의 다른 일부를 상기 연소기로 공급하는 분리기; 외부로부터 공급되는 산소와 상기 분리기로부터 공급되는 상기 수소를 열교환시키는 제1 열교환기 및 상기 메탄 유로의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되고 상기 연소기로부터 공급되는 상기 메탄과 상기 이산화탄소를 열교환시키는 제2 열교환기를 포함하는 열교환기; 상기 제2 열교환기를 통해 열교환된 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소 탱크; 및 상기 제1 열교환기를 통해 공급되는 상기 산소를 상기 연소기로 공급하는 산소 송풍기 및 상기 이산화탄소 탱크로부터 공급되는 상기 이산화탄소의 적어도 일부를 상기 연소기로 공급하는 이산화탄소 송풍기를 포함하는 송풍기;를 포함하고, 상기 열분해기는 상기 연소기의 내부에 위치하는 세라믹 반응기이고, 상기 비드에서 상기 열분해기의 외측면으로 전달되는 열을 이용하여 상기 메탄을 분해하는 것을 특징으로 하는 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템을 제공한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 연료를 순산소 순환 유동층 연소하여 이산화탄소를 생성시키는 연소기; 상기 연소기의 내부에 배치되고 외부로부터 메탄이 공급되어 순환하는 메탄 유로; 상기 메탄 유로와 연통하고 상기 메탄 유로를 따라 공급되는 메탄의 열분해를 통해 수소 및 탄소를 생산하는 열분해기; 상기 메탄 유로와 인접하고 상기 연소기의 내부에 위치하면서 상기 순산소 순환 유동층에서 비드를 분리하는 제1 비드 분리장치 및 제2 비드 분리장치를 포함하는 비드 분리장치; 상기 열분해기로부터 이송되는 상기 수소 및 상기 탄소를 분리시키고 상기 탄소의 적어도 일부를 고체 탄소로 생성시키는 분리기; 및 상기 메탄 유로의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되고 상기 제1, 2 비드 분리장치로부터 공급되는 상기 비드와 상기 연소기로부터 공급되는 상기 메탄을 열교환시키는 열교환기;를 포함하고, 상기 열분해기는 상기 연소기의 내부에 위치하는 세라믹 반응기이고, 상기 비드에서 상기 열분해기의 외측면으로 전달되는 열을 이용하여 상기 메탄을 분해하는 것을 특징으로 하는 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 연소기와 상기 열분해기 사이를 연통시키고 상기 연소기의 내부에 있던 상기 비드를 상기 열분해기로 이송시키는 제1 연결관; 및 상기 제1 연결관의 하부에 위치하면서 상기 연소기와 상기 열분해기 사이를 연통시키고 상기 열분해기에 열을 공급한 상기 비드를 상기 연소기로 이송시키는 제2 연결관;을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 메탄 유로는 상기 연소기의 내측면을 따라 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 열교환기는 상기 수소에 포함된 열이 상기 산소로 전달되도록 열교환시키고, 상기 제2 열교환기는 상기 이산화탄소에 포함된 열이 상기 메탄으로 전달되도록 열교환시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 분리기로부터 공급되는 상기 탄소의 적어도 일부의 양을 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 열교환기는 상기 연소기로부터 공급되는 이산화탄소에 포함된 열이 상기 메탄으로 전달되도록 열교환시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 비드 분리장치는 상기 메탄 유로와 인접하면서 상기 연소기의 하부 일측에 위치하고, 상기 제2 비드 분리장치는 상기 열분해기와 인접하면서 상기 연소기의 상부 타측에 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 비드 분리장치는 열분해 반응에서 생성된 탄소의 일부가 상기 메탄 유로의 내측면에 부착되는 경우, 상기 메탄 유로로 상기 비드를 공급하여 상기 메탄 유로의 내측면에 점착된 탄소 생성물을 분리시키는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 비드는 상기 메탄의 열분해 반응을 촉진하는 촉매 역할을 하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 연소기에서는 상기 연료가 상기 순산소 순환유동층 연소되는 산화 반응이 일어나고, 상기 열분해기에서는 상기 메탄이 열분해되는 환원 반응이 일어나는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, 메탄 열분해로 생산된 고체 탄소의 일부를 연료로 하는 순산소 연소를 통해 100%의 이산화탄소(CO2)로 구성된 고온 가스를 생산하여 알루미나 등의 비드(=고체 열전달 물질)을 가열하고 여기에 메탄을 투입하여 열분해시킴에 따라 1000 °C 이상의 고온 흡열반응을 유지를 위한 반응열을 생산 및 전달함으로써 에너지효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, 연소기로 비드에 점착된 탄소가 공급되면 연료로 활용되고 이 과정에서 비드가 자동으로 재생됨에 따라 종래기술에서 발생하던 유동사의 코킹(coking) 문제를 해소할 수 있다.
또한, 상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, 액체촉매, 용융염, 고체촉매 등 별도의 촉매가 필요 없으며 생성된 고체 탄소에 이물질의 혼입이 원천적으로 차단되어 고순도 탄소를 얻을 수 있어 종래기술에서 발생하던 고체 탄소 생성물의 품질 문제를 해소할 수 있다.
또한, 상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, SMR과 같은 기존 공정의 경우 수소와 이산화탄소의 분리 공정이 필요한 것과 달리 열분해기에서 수소와 이산화탄소(CO2)가 분리되어 배출되므로 별도의 분리 공정이 필요 없고, 이에 따라 수소-이산화탄소 분리공정 비용을 최소화할 수 있다.
또한, 상기와 같은 구성에 따르는 본 발명의 효과는, 열분해에서 생산된 고온의 탄소와 순산소 연소로 생산된 고온의 이산화탄소(CO2)를 반응시키면 부다 반응(Boudouard reaction)을 통해 고순도 일산화탄소(CO)를 쉽게 생산할 수 있고, 메탄 열분해 공정에서 발생된 탄소와 이산화탄소(CO2)가 모두 1000 °C 이상으로 별도의 열전달 공정의 추가 없이 상기한 반응을 쉽게 구현할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템을 나타낸 개념도이다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템을 나타낸 개념도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
1. 제1 실시예: 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템
이하, 도 1을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템을 설명하도록 한다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템은 연소기(100) 및 열분해기(200)를 포함하는 유동층 반응기가 간접 열교환 방식을 이용하여 메탄을 분해하는 공정으로 연소기(100)와 열분해기(200)가 분리되어 운영되는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템을 나타낸 개념도이다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템은 연소기(100), 열분해기(200), 메탄 유로(300), 열교환기(400), 분리기(500), 이산화탄소 탱크(600) 및 송풍기(700)를 포함한다.
연소기(100)는 고속 유동층(fast fluidized bed)을 이용하는 것으로서, 연료를 순산소 순환 유동층 연소하고, 연소하는 과정에서 생성되는 부산물인 이산화탄소를 생성시킨다.
여기서, 순산소 순환유동층 기술은 순산소 연소와 순환유동층 연소 기술이 합쳐져 온실가스의 저감은 물론 탈황 및 탈질까지 가능한 미래발전기술이다. 이때, 탄소의 순산소 연소는 하기의 <화학반응식 1>에 의해 구현된다.
<화학반응식 1>
C + O2 -> CO2
이와 관련하여 탄소의 순산소 연소를 통해 발생된 연소 가스는 순도 100%의 이산화탄소(CO2) 이므로 별도의 분리/포집 공정 없이 CCUS에 연계될 수 있다.
다양한 CCUS 기술적용이 가능하지만 순산소 연소로 발생된 고온의 이산화탄소(CO2)를 메탄 열분해에서 생산된 탄소와 반응시키면 C + CO2 = 2CO 부다 반응(Boudouard reaction)을 통해 화학원료로 사용되는 일산화탄소(CO)를 쉽게 얻을 수 있으며 부다 반응(Boudouard reaction)의 활성화 되는 온도가 1000°C 이상으로 메탄 열분해를 위한 반응온도와 유사하기 때문에 열적으로도 유리하다(메탄 열분해로 생산된 1000°C 내외의 고온의 고체에, 고온 열분해 공정을 유지하기 위해 1000°C 이상으로 만들어진 CO2 가스를 공급하면 별도의 열교환 없이 부다 반응(Boudouard reaction)을 구현할 수 있다.
순수한 이산화탄소(CO2)는 탄소의 순산소 연소 시 온도를 제어하는 용도로 사용할 수 있다.
또한, 전체 반응기의 운전 온도가 1000도 이므로 열교환 매체로 사용되는 고체의 비드는 알루미나와 같이 높은 융점을 가지는 물질을 사용하는 것이 바람직하다.
상기한 연소기(100)에서는 연료가 순산소 순환유동층 연소되는 산화 반응이 일어난다.
추가적으로 본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이 연소기(100)와 열분해기(200) 사이를 연통시키고 연소기(100)의 내부에 있던 비드를 열분해기(200)로 이송시키는 제1 연결관 및 제1 연결관의 하부에 위치하면서 연소기(100)와 열분해기(200) 사이를 연통시키고 열분해기(200)에 열을 공급한 비드를 연소기(100)로 이송시키는 제2 연결관을 더 포함할 수 있다.
이에 따라 연소기(100)는 연소기(100)의 내부에서 유동하는 비드를 제1 연결관으로 공급하고, 제1 연결관으로 공급된 비드는 열분해기(200)로 공급된다. 이때, 비드는 연소기(100)에서 가열되어 승온된 비드이다.
여기서, 비드는 일반적인 유동층 반응기에서 주로 사용되는 유동사와 유사한 기능을 수행하는 것으로서, 알루미나 비드(Alumina bead)일 수 있다.
상기한 비드는 연소기(100)의 내부에서 연료가 순산소 순환유동층 연소되는 과정에서 연소를 촉진시키고, 연소기(100)의 내부에서 승온된 후 제1 연결관을 통과하여 열분해기(200)의 내부로 유입된 후 메탄에게 열을 전달함으로써 메탄이 열분해되기 위해 필요한 반응열을 제공한다.
한편, 열분해기(200)로 유입된 비드는 메탄 유로(300)를 통해 열분해기(200)의 내부로 유입되는 메탄에게 열을 전달하고, 열분해기(200)는 열전달 후 하온된 비드를 제2 연결관으로 공급하며, 제2 연결관으로 공급된 하온된 비드는 다시 연소기(100)의 내부로 공급된 후 연소기(100)에 의해 승온된다.
추가적으로 열분해기(200)는 순산소 순환유동층 연소에 의해 생성되는 이산화탄소를 제2 열교환기(420)로 공급한다. 이때의 이산화탄소는 승온된 이산화탄소이다.
열분해기(200)는 기포 유동층(bubbling fluidized bed)을 이용하는 것으로서, 메탄 유로(300)와 연통하고 연소기(100)로부터 공급되는 비드로부터 전달되는 열을 이용하여 메탄 유로(300)를 따라 공급되는 메탄의 열분해를 통해 수소 및 탄소를 생산하고, 이때 열분해기(200)에서는 메탄이 열분해되는 환원 반응이 일어나는 것이다.
다만, 본 발명에서는 연소기(100)가 고속 유동층을 이용하고 열분해기(200)가 기포 유동층을 이용하는 것으로 설명하고 있으나, 서로 교체하여 사용해도 무방하다.
또한, 열분해기(200)는 생산된 수소 및 탄소를 분리기(500)로 공급한다.
구체적으로 수소와 탄소는 열분해기(200)의 상부 출구로 배출되어 분리기(500)에서 탄소와 수소로 분리되며, 탄소의 일부는 고체 탄소 소재로 활용되고 다른 일부는 연소기로 공급되어 연료로 사용된다.
열분해 반응기에서 열을 공급한 비드는 반응기 하단의 출구를 통해 연소기(100)로 이송되어 가열되고 지속적으로 순환하며 연소기(100)의 열을 열분해기(200)로 전달하는 역할을 담당한다.
열분해기(200)에서 생산된 탄소의 일부가 비드에 점착될 수 있는데 열분해기(200)에서 일부 탄소를 함유한 비드가 연소기(100)로 공급되는 과정에서 점착된 탄소는 다시 연료로써 순산소 연소 과정에 참여한다.
메탄 유로(300)는 연소기(100)의 내부에 배치되고 외부로부터 메탄이 공급되어 순환한다. 이때, 메탄은 메탄공급부(미도시)로부터 공급될 수 있다.
도 1에 도시된 노란색 라인은 메탄이 순환하는 메탄 유로(300)이자 열교환으로 예열되는 구간을 나타내고, 도 1에 도시된 회색 점선은 메탄이 열분해기(200)에서 고온의 비드와 만나 직접적으로 열을 전달받아 열분해 반응이 일어나는 구간을 의미한다.
구체적으로 메탄 유로(300)는 제2 열교환기(420)를 통과하도록 연장되고 연소기(100)와 연통하면서 연소기(100)의 내측면을 따라 형성된다. 또한, 메탄 유로(300)는 열분해기(200)와 연통한다.
특히, 상기한 구조에서 연소기(100)의 내부에 위치한 적어도 일부의 메탄 유로(300)는 연소기(100)에서 발생되는 열을 전달 받아서 메탄 유로(300)의 내부로 유동하는 메탄을 예열시키며, 이러한 메탄 유로(300)는 메탄을 예열시키기 위한 예열 구간이기도 하다.
상기한 메탄 유로(300)는 외부로부터 공급되는 메탄(CH4)을 열분해기(200)로 공급한다.
열교환기(400)는 제1 열교환기(410) 및 제2 열교환기(420)를 포함한다.
제1 열교환기(410)는 외부로부터 공급되는 산소와 분리기(500)로부터 공급되는 수소를 열교환시킨다. 이때, 산소는 산소공급부(미도시)로부터 공급될 수 있다.
구체적으로 제1 열교환기(410)는 수소에 포함된 열이 산소로 전달되도록 열교환시키고, 열교환 후 하온된 수소는 연료전지(Fuel Cell)이나 수소충전소(hydrogen station)로 공급되어 활용된다.
제2 열교환기(420)는 메탄 유로(300)의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되고 연소기(100)로부터 공급되는 메탄과 이산화탄소를 열교환시킨다.
구체적으로 제2 열교환기(420)는 이산화탄소에 포함된 열이 메탄으로 전달되도록 열교환시킨다.
분리기(500)는 열분해기(200)로부터 이송되는 수소 및 탄소를 분리시키고 탄소의 적어도 일부를 고체 탄소로 생성시키며 탄소의 다른 일부를 연소기(100)로 공급한다.
구체적으로 분리기(500)는 도 1에 도시된 바와 같이 탄소의 적어도 일부(C, solid)를 고체 탄소(Carbon CB, CNT)로 생성하고, 탄소의 다른 일부(C)를 연소기(100)로 공급한다.
한편, 분리기(500)는 분리된 수소를 제1 열교환기(410)로 공급한다.
이산화탄소 탱크(600)는 제2 열교환기(420)를 통해 열교환된 이산화탄소를 저장한다.
구체적으로 이산화탄소 탱크(600)는 도 1에 도시된 바와 같이 이산화탄소의 적어도 일부를 이산화탄소가 필요한 곳에 공급하여 활용하고, 이산화탄소의 다른 일부를 이산화탄소 송풍기(720)로 공급한다.
송풍기(700)는 산소 송풍기(710) 및 이산화탄소 송풍기(720)를 포함한다.
산소 송풍기(710)는 제1 열교환기(410)를 통해 공급되는 산소를 상기 연소기로 공급한다. 이를 위한 산소 송풍기(710)는 연소기(100)와 제1 열교환기(410) 사이에 위치하고, 연소기(100)와 제1 열교환기(410)를 연통시킴에 따라 제1 열교환기(410)를 통해 공급되는 산소를 연소기(100)로 공급한다.
이산화탄소 송풍기(720)는 이산화탄소 탱크(600)로부터 공급되는 이산화탄소의 적어도 일부를 연소기(100)로 공급한다.
나아가, 본 발명은 분리기(500)로부터 공급되는 탄소의 적어도 일부의 양을 조절하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
구체적으로 제어부(미도시)는 열분해기(200)에서 열분해되는 탄소의 양이 많을 경우, 분리기(500)에 의해 연소기(100)로 공급되는 탄소의 양을 조절하기 위하여 분리기(500)의 온/오프 및 송풍기(720)의 송풍세기 등을 제어할 수 있다.
예를 들어, 열분해되는 탄소의 양이 많을 경우, 제어부는 분리기(500)를 제어하여 연소기(100)로 공급되는 탄소의 양이 줄어들도록 하여 열원을 제어할 수 있다.
즉, 열분해기(200)에서 비드를 통해 공급되는 탄소가 많을 경우, 연소기(100)에 별도로 공급되는 탄소의 양을 줄이는 방식으로 열원을 제어한다.
또한, 필요에 따라 생산된 고온의 탄소 일부와 고온의 이산화탄소(CO2)를 반응시켜 일산화탄소(CO)를 생산하여 활용할 수 있다.
연소기(100)의 온도 제어를 위해 저온의 이산화탄소(CO2)를 재순환하여 활용할 수 있다. 이때, 생산된 가스 및 고체 물질들이 모두 고온이고 공급되는 반응물(메탄, 산소)은 상온이므로 이들의 상호 열교환을 통해 전체 공정의 열효율을 최적화 한다.
2. 제2 실시예: 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템
이하, 도 2를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템을 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템을 나타낸 개념도이다.
제2 실시예에 따른 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템은 제1 실시예와 달리 연소기와 열분해기가 분리되어 있지 않고 연소기의 내부에 열분해기가 위치하여 연소기의 내부에서 메탄의 열분해가 일어난다.
따라서, 이하에서는 제1 실시예와 동일한 구성요소에 대한 설명은 간략히 하고, 제1 실시예와 다른 구성요소 및 연결관계에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템은 연소기(100'), 열분해기(200'), 메탄 유로(300'), 열교환기(400'), 분리기(500'), 이산화탄소 탱크(600') 및 송풍기(700')를 포함한다.
연소기(100')는 연료를 순산소 순환 유동층 연소하여 부산물로 이산화탄소를 생성시킨다. 이때, 연료는 미분탄(=미분의 탄소)을 의미하고, 이에 따른 연소기(100')는 미분탄을 순산소 연소한다.
상기한 연소기(100')에서는 연료가 순산소 순환유동층 연소되는 산화 반응이 일어난다.
구체적으로 연소기(100')의 내부에서는 순산소 미분탄 연소(Oxy-PC) 또는 가압 순산소 연소(Poxy, Pressurized oxy combustion) 또는 마일드 폭시(Mild Poxy, 마일드 연소 조건에서의 Poxy)가 수행된다.
여기서, 마일드 폭시는 마일드 연소(mild combustion) 조건에서 수행하는 것을 의미하고, 상기한 마일드 연소(mild combustion)는 반응물과 산화제의 온도를 연료의 점화온도 이상으로 유지하여 보통 화염이 없는 조건에서 매우 균일한 온조장을 형성하는 연소기술이다.
열분해기(200')는 메탄 유로(300)와 연통하고 메탄 유로(300)를 따라 공급되는 메탄의 열분해를 통해 수소 및 탄소를 생산한다.
구체적으로 열분해기(200')는 연소기(100')의 내부에 위치하는 세라믹 반응기로서, 예시적으로 세리믹 파이프일 수 있다.
또한, 열분해기(200')는 비드에서 열분해기(200')의 외측면으로 전달되는 열을 이용하여 메탄을 분해한다.
이때, 열분해기(200')에서는 메탄이 열분해되는 환원 반응이 일어나게 된다.
도 2에 도시된 노란색 라인은 메탄이 순환하는 메탄 유로(300')이자 열교환으로 예열되는 구간을 나타내고, 도 2에 도시된 회색 점선은 메탄이 열분해기(200')에서 고온의 비드와 만나 직접적으로 열을 전달받아 열분해 반응이 일어나는 구간을 의미한다.
메탄 유로(300')는 연소기(100')의 내부에 배치되고 외부로부터 메탄이 공급되어 순환한다.
도 2에 도시된 노란색 선은 메탄 유로(300')이자 메탄 유로(300')의 내부에서 순환되는 메탄이 예열되는 구간을 의미하며, 도 2에 도시된 회색 점선은 세라믹 파이프와 같은 열분해기(200)이자 열분해기(200)의 내부에서 순환하는 메탄이 외부의 고온 연소가스에서(열분해기의 외측면을 통해) 간접적으로 전달된 열에 의해서 메탄이 직접 열분해가 일어나는 과정을 모사한 것이다.
노란색의 예열 구간도 열분해기(200)인 세라믹 파이프를 사용할 수 있지만 700 °C 이하의 열교환 영역에서는 열전달이 좋은 금속 재질을 사용해도 무방하다.
회색 점성의 세라믹 반응기인 열분해기(200)는 1000°C 이상으로 유지하여 메탄의 전환율을 높이는 역할을 한다.
또한, 메탄 유로(300')는 제2 열교환기(420)로부터 연소기(100')의 내부까지 연장 형성된다. 특히, 메탄 유로(300')의 적어도 일부는 연소기(100')의 내측면을 따라 형성될 수 있으며, 열분해기(200')와 연통한다.
상기한 메탄 유로(300')는 메탄을 예열시키기 위한 예열 구간이기도 하다.
열교환기(400')는 제1 열교환기(410') 및 제2 열교환기(420')를 포함한다.
제1 열교환기(410')는 외부로부터 공급되는 산소와 분리기(500)로부터 공급되는 상기 수소를 열교환시킨다.
상기한 제1 열교환기(410')는 수소에 포함된 열이 산소로 전달되도록 열교환시키고, 이러한 제1 열교환기(410')는 제1 실시예의 제1 열교환기(410)와 동일하므로 구체적인 설명은 전술한 바를 참고하도록 한다.
제2 열교환기(420')는 메탄 유로(300')의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되고 연소기(100')로부터 공급되는 메탄과 이산화탄소를 열교환시킨다.
상기한 제2 열교환기(420')는 이산화탄소에 포함된 열이 메탄으로 전달되도록 열교환시키고, 이러한 제2 열교환기(420')는 제1 실시예의 제2 열교환기(420)와 동일하므로 전술한 바를 참고하도록 한다.
분리기(500')는 열분해기(200')로부터 이송되는 수소 및 탄소를 분리시키고 탄소의 적어도 일부를 고체 탄소로 생성시키며 탄소의 다른 일부를 연소기(100')로 공급한다.
상기한 분리기(500')는 제1 실시예의 분리기(500)와 동일하므로 구체적인 설명은 전술한 바를 참고하도록 한다.
이산화탄소 탱크(600')는 제2 열교환기(420')를 통해 열교환된 이산화탄소를 저장한다.
송풍기(700')는 산소 송풍기(710') 및 이산화탄소 송풍기(720')를 포함한다.
산소 송풍기(710')는 제1 열교환기(410')를 통해 공급되는 산소를 연소기(100')로 공급하고, 이러한 산소 송풍기(710')는 제1 실시예의 산소 송풍기(710)와 동일하므로 구체적인 설명은 전술한 바를 참고하도록 한다.
이산화탄소 송풍기(720')는 이산화탄소 탱크(600')로부터 공급되는 이산화탄소의 적어도 일부를 연소기(100')로 공급하고, 이러한 이산화탄소 송풍기(720')는 제1 실시예의 이산화탄소 송풍기(720)와 동일하므로 구체적인 설명은 전술한 바를 참고하도록 한다.
나아가, 본 발명은 제1 실시예와 동일하게 분리기(500')로부터 공급되는 탄소의 적어도 일부의 양을 조절하는 제어부를 더 포함할 수 있고, 상기한 제어부는 제1 실시예의 제어부와 동일하므로 구체적인 설명은 전술한 바를 참고하도록 한다.
3. 제3 실시예: 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템
이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 제3 실시예에 따른 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템을 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템을 나타낸 개념도이다.
제3 실시예에 따른 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템은 제1, 2 실시예의 응용된 형태로서, 단일 미분탄 연소기의 내부에 비드 분리장치를 설치하고 메탄이 흐르는 메탄 유로의 내부에 세라믹 비드를 함께 투입하여 메탄 유로의 외측면에서 메탄으로의 열전달을 촉진하는 간접적인 열교환을 통하여 메탄을 열분해시킨다.
따라서, 이하에서는 제1, 2 실시예와 동일한 구성요소의 설명은 간략히 하고, 제1, 2 실시예와 다른 구성요소 및 연결관계에 대하여 구체적으로 설명하도록 한다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템은 연소기(100''), 열분해기(200''), 메탄 유로(300''), 열교환기(400''), 분리기(500'') 및 비드 분리장치(800'')를 포함한다.
연소기(100'')는 연료를 순산소 순환 유동층 연소하여 부산물인 이산화탄소를 생성시킨다. 이때, 연료는 미분탄(=미분의 탄소)을 의미하고, 이에 따른 연소기(100'')는 미분탄을 순산소 연소한다.
상기한 연소기(100'')에서는 연료가 순산소 순환유동층 연소되는 산화 반응이 일어나며, 이러한 연소기(100'')는 제2 실시예의 연소기(100')와 동일하므로 구체적인 설명은 전술한 바를 참고하도록 한다.
열분해기(200'')는 메탄 유로(300'')와 연통하고 메탄 유로(300'')를 따라 공급되는 메탄의 열분해를 통해 수소 및 탄소를 생산한다.
이때, 열분해기(200'')에서는 메탄이 열분해되는 환원 반응이 일어나게 된다.
구체적으로 열분해기(200'')는 연소기(100'')의 내부에 위치하는 세라믹 반응기로서, 예시적으로 세라믹 파이프일 수 있다.
또한, 열분해기(200'')는 비드에서 열분해기(200'')의 외측면으로 전달되는 열을 이용하여 메탄을 분해한다.
또한, 열분해기(200'')는 메탄을 열분해한 탄소와 수소를 분리기(500)로 공급한다.
도 3에 도시된 노란색 라인은 메탄이 순환하는 메탄 유로(300'')이자 열교환으로 예열되는 구간을 나타내고, 도 3에 도시된 회색 점선은 메탄이 열분해기(200'')에서 고온의 비드와 만나 직접적으로 열을 전달받아 열분해 반응이 일어나는 구간을 의미한다.
메탄 유로(300'')는 연소기(100'')의 내부에 배치되고 외부로부터 메탄이 공급되어 순환한다.
구체적으로 메탄 유로(300'')는 열교환기(400'')로부터 연소기(100'')의 내부까지 연장되고, 특히, 메탄 유로(300'')의 적어도 일부는 연소기(100'')의 내측면과 인접하도록 배치된다.
이러한 메탄 유로(300'')는 메탄을 예열시키기 위한 예열 구간이기도 하다.
열교환기(400'')는 메탄 유로(300'')의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되고 제1, 2 비드 분리장치(810'', 820'')로부터 공급되는 비드와 연소기(100'')로부터 공급되는 메탄을 열교환시킨다.
구체적으로 열교환기(400'')는 메탄 유로(300'')로 메탄을 공급하는 메탄공급부로 회수되는 고온의 비드가 메탄 유로(300'')를 통하여 메탄과 함께 메탄 유로(300'')를 순환하면서 비드의 열이 메탄으로 전달되도록 열교환시킨다.
즉, 열교환기(200'')는 연소기(100'')로부터 공급되는 이산화탄소에 포함된 열이 메탄으로 전달되도록 열교환시킨다.
분리기(500'')는 열분해기(200'')로부터 이송되는 수소 및 탄소를 분리시키고 탄소의 적어도 일부를 고체 탄소로 생성시키며, 이러한 분리기(500'')는 제1, 2 실시예의 분리기(500) 및 분리기(500')와 동일하므로 구체적인 설명은 전술한 바를 참고하도록 한다.
비드 분리장치(800'')는 사이클론 등을 이용해 연소기 내부의 기체와 고체를 분리하는 기능을 하며 분리된 고온의 비드는 메탄공급부에 재투입되어 반응기 내부에서 메탄의 온도를 높여주는 역할을 수행한다.
또한, 비드 분리장치(800'')는 열분해 반응에서 생성된 탄소의 일부가 연소기의 내측면에 부착될 경우 이를 벽에서 분리하여 연소기의 내부에서 탄소가 부착되는 것을 방지한다.
또한, 비드 분리장치(800'')는 비드로서, 세라믹 비드 대신 알갱이 형태의 탄소를 사용할 경우 메탄의 열분해 반응을 촉진하는 촉매역할을 하는 동시에 반응기 벽면에 탄소 부착을 막아주는 역할을 담당한다.
여기서, 비드는 메탄이 공급되는 메탄 유로(300'')의 내부에서만 활용된다.
메탄이 흐르는 연소기의 내부에 이러한 세라믹 비드를 사용하는 것은 제1 실시예의 경우 예열부에서 일부 열분해 반응에 의해 탄소가 연소기의 내측면에 부착되는 문제를 방지하거나, 제2 실시예 2에서 고온의 연소기의 내부에서 탄소가 연소기의 내측면에 부착되는 문제를 해결하는데 사용될 수 있다.
상기한 비드 분리장치(800'')는 제1 비드 분리장치(810'') 및 제2 비드 분리장치(820'')를 포함한다.
제1 비드 분리장치(810'')는 메탄 유로(300'')와 인접하고 연소기(100'')의 내부에 위치하면서 순산소 순환 유동층에서 비드를 분리한다.
구체적으로 제1 비드 분리장치(810'')는 메탄 유로(300'')와 인접하면서 연소기(100'')의 하부 일측에 위치하여 연소기(100'')의 내부에 있는 기체 및 고체 중에서 비드를 분리한 후 메탄공급부로 공급한다.
제2 비드 분리장치(820'')는 메탄 유로(300'')와 인접하고 연소기(100'')의 내부에 위치하면서 순산소 순환 유동층에서 비드를 분리한다.
구체적으로 제2 비드 분리장치(820'')는 열분해기(200'')와 인접하면서 연소기(100'')의 상부 타측에 위치하여 연소기(100'')의 내부에 있는 기체 및 고체 중에서 비드를 분리한 후 메탄공급부로 공급한다.
상기한 바에 따른 본 발명은 메탄 열분해로 생산된 고체 탄소의 일부를 연료로 하는 순산소 연소를 통해 100%의 이산화탄소(CO2)로 구성된 고온 가스를 생산하여 알루미나 등의 비드(=고체 열전달 물질)을 가열하고 여기에 메탄을 투입하여 열분해시킴에 따라 1000 °C 이상의 고온 흡열반응을 유지를 위한 반응열을 생산 및 전달한다.
또한, 본 발명은 열분해 반응 시 비드(=고체 열전달 물질)에 생산된 탄소가 일부 점착될 수 있으나, 순산소 연소기로 공급되면 연료로 활용되고 이 과정에서 비드가 자동으로 재생됨에 따라 종래기술에서 발생하던 유동사의 코킹(coking) 문제를 해결할 수 있다.
또한, 본 발명은 액체촉매, 용융염, 고체촉매 등 별도의 촉매가 필요 없으며 생성된 고체 탄소에 이물질의 혼입이 원천적으로 차단되어 고순도 탄소를 얻을 수 있어 종래기술에서 발생하던 고체 탄소 생성물의 품질 문제를 해소할 수 있다.
또한, 본 발명은 SMR과 같은 기존 공정의 경우 수소와 이산화탄소의 분리 공정이 필요한 것과 달리 열분해기에서 수소와 이산화탄소(CO2)가 분리되어 배출되므로 별도의 분리 공정이 필요 없고, 이에 따라 수소-이산화탄소 분리공정 비용을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명은 열분해에서 생산된 고온의 탄소와 순산소 연소로 생산된 고온의 이산화탄소(CO2)를 반응시키면 부다 반응(Boudouard reaction)을 통해 고순도 일산화탄소(CO)를 쉽게 생산할 수 있고, 메탄 열분해 공정에서 발생된 탄소와 이산화탄소(CO2)가 모두 1000도 이상으로 별도의 열전달 공정의 추가 없이 상기한 반응을 쉽게 구현한다.
아울러, 본 발명은 생산된 이산화탄소(CO2)의 순도가 100% 이므로 CCUS 기술 연계 시 유리한 장점이 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100, 100', 100'': 연소기
200, 200', 200'': 열분해기
300, 300', 300'': 메탄 유로
400, 400', 400'': 열교환기
410, 410': 제1 열교환기
420, 420': 제2 열교환기
500, 500', 500'': 분리기
600, 600': 이산화탄소 탱크
700, 700': 송풍기
710, 710': 산소 송풍기
720, 720': 이산화탄소 송풍기
800'': 비드 분리장치
810'': 제1 비드 분리장치
820'': 제2 비드 분리장치
200, 200', 200'': 열분해기
300, 300', 300'': 메탄 유로
400, 400', 400'': 열교환기
410, 410': 제1 열교환기
420, 420': 제2 열교환기
500, 500', 500'': 분리기
600, 600': 이산화탄소 탱크
700, 700': 송풍기
710, 710': 산소 송풍기
720, 720': 이산화탄소 송풍기
800'': 비드 분리장치
810'': 제1 비드 분리장치
820'': 제2 비드 분리장치
Claims (12)
- 연료를 순산소 순환 유동층 연소하여 이산화탄소를 생성시키는 연소기;
상기 연소기의 내부에 배치되고 외부로부터 메탄이 공급되어 순환하는 메탄 유로;
상기 메탄 유로와 연통하고 상기 연소기로부터 공급되는 비드로부터 전달되는 열을 이용하여 상기 메탄 유로를 따라 공급되는 메탄의 열분해를 통해 수소 및 탄소를 생산하는 열분해기;
상기 열분해기로부터 이송되는 상기 수소 및 상기 탄소를 분리시키고 상기 탄소의 적어도 일부를 고체 탄소로 생성시키며 상기 탄소의 다른 일부를 상기 연소기로 공급하는 분리기;
외부로부터 공급되는 산소와 상기 분리기로부터 공급되는 상기 수소를 열교환시키는 제1 열교환기 및 상기 메탄 유로의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되고 상기 연소기로부터 공급되는 상기 메탄과 상기 이산화탄소를 열교환시키는 제2 열교환기를 포함하는 열교환기;
상기 제2 열교환기를 통해 열교환된 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소 탱크; 및
상기 제1 열교환기를 통해 공급되는 상기 산소를 상기 연소기로 공급하는 산소 송풍기 및 상기 이산화탄소 탱크로부터 공급되는 상기 이산화탄소의 적어도 일부를 상기 연소기로 공급하는 이산화탄소 송풍기를 포함하는 송풍기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템.
- 연료를 순산소 순환 유동층 연소하여 이산화탄소를 생성시키는 연소기;
상기 연소기의 내부에 배치되고 외부로부터 메탄이 공급되어 순환하는 메탄 유로;
상기 메탄 유로와 연통하고 상기 메탄 유로를 따라 공급되는 상기 메탄의 열분해를 통해 수소 및 탄소를 생산하는 열분해기;
상기 열분해기로부터 이송되는 상기 수소 및 상기 탄소를 분리시키고 상기 탄소의 적어도 일부를 고체 탄소로 생성시키며 상기 탄소의 다른 일부를 상기 연소기로 공급하는 분리기;
외부로부터 공급되는 산소와 상기 분리기로부터 공급되는 상기 수소를 열교환시키는 제1 열교환기 및 상기 메탄 유로의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되고 상기 연소기로부터 공급되는 상기 메탄과 상기 이산화탄소를 열교환시키는 제2 열교환기를 포함하는 열교환기;
상기 제2 열교환기를 통해 열교환된 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소 탱크; 및
상기 제1 열교환기를 통해 공급되는 상기 산소를 상기 연소기로 공급하는 산소 송풍기 및 상기 이산화탄소 탱크로부터 공급되는 상기 이산화탄소의 적어도 일부를 상기 연소기로 공급하는 이산화탄소 송풍기를 포함하는 송풍기;를 포함하고,
상기 열분해기는 상기 연소기의 내부에 위치하는 세라믹 반응기이고, 상기 비드에서 상기 열분해기의 외측면으로 전달되는 열을 이용하여 상기 메탄을 분해하는 것을 특징으로 하는 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템.
- 연료를 순산소 순환 유동층 연소하여 이산화탄소를 생성시키는 연소기;
상기 연소기의 내부에 배치되고 외부로부터 메탄이 공급되어 순환하는 메탄 유로;
상기 메탄 유로와 연통하고 상기 메탄 유로를 따라 공급되는 메탄의 열분해를 통해 수소 및 탄소를 생산하는 열분해기;
상기 메탄 유로와 인접하고 상기 연소기의 내부에 위치하면서 상기 순산소 순환 유동층에서 비드를 분리하는 제1 비드 분리장치 및 제2 비드 분리장치를 포함하는 비드 분리장치;
상기 열분해기로부터 이송되는 상기 수소 및 상기 탄소를 분리시키고 상기 탄소의 적어도 일부를 고체 탄소로 생성시키는 분리기; 및
상기 메탄 유로의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되고 상기 제1, 2 비드 분리장치로부터 공급되는 상기 비드와 상기 연소기로부터 공급되는 상기 메탄을 열교환시키는 열교환기;를 포함하고,
상기 열분해기는 상기 연소기의 내부에 위치하는 세라믹 반응기이고, 상기 비드에서 상기 열분해기의 외측면으로 전달되는 열을 이용하여 상기 메탄을 분해하는 것을 특징으로 하는 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템.
- 제1 항에 있어서,
상기 연소기와 상기 열분해기 사이를 연통시키고 상기 연소기의 내부에 있던 상기 비드를 상기 열분해기로 이송시키는 제1 연결관; 및
상기 제1 연결관의 하부에 위치하면서 상기 연소기와 상기 열분해기 사이를 연통시키고 상기 열분해기에 열을 공급한 상기 비드를 상기 연소기로 이송시키는 제2 연결관;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템.
- 제1 항에 있어서,
상기 메탄 유로는 상기 연소기의 내측면을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템.
- 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 제1 열교환기는 상기 수소에 포함된 열이 상기 산소로 전달되도록 열교환시키고,
상기 제2 열교환기는 상기 이산화탄소에 포함된 열이 상기 메탄으로 전달되도록 열교환시키는 것을 특징으로 하는 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템.
- 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 분리기로부터 공급되는 상기 탄소의 적어도 일부의 양을 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템.
- 제3 항에 있어서,
상기 열교환기는 상기 연소기로부터 공급되는 이산화탄소에 포함된 열이 상기 메탄으로 전달되도록 열교환시키는 것을 특징으로 하는 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템.
- 제3 항에 있어서,
상기 제1 비드 분리장치는 상기 메탄 유로와 인접하면서 상기 연소기의 하부 일측에 위치하고,
상기 제2 비드 분리장치는 상기 열분해기와 인접하면서 상기 연소기의 상부 타측에 위치하는 것을 특징으로 하는 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템.
- 제3 항에 있어서,
상기 비드 분리장치는 열분해 반응에서 생성된 탄소의 일부가 상기 메탄 유로의 내측면에 부착되는 경우, 상기 메탄 유로로 상기 비드를 공급하여 상기 메탄 유로의 내측면에 점착된 탄소 생성물을 분리시키는 것을 특징으로 하는 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템.
- 제3 항에 있어서,
상기 비드는 상기 메탄의 열분해 반응을 촉진하는 촉매 역할을 하는 것을 특징으로 하는 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템.
- 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 연소기에서는 상기 연료가 상기 순산소 순환유동층 연소되는 산화 반응이 일어나고,
상기 열분해기에서는 상기 메탄이 열분해되는 환원 반응이 일어나는 것을 특징으로 하는 유동층 간접 열교환 방식의 메탄 열분해를 통한 수소 및 탄소 생산 시스템.
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| US20120219490A1 (en) | 2009-09-10 | 2012-08-30 | Suguru Noda | Method for simultaneously producing carbon nanotubes and hydrogen, and device for simultaneously producing carbon nanotubes and hydrogen |
| KR101379377B1 (ko) | 2012-10-31 | 2014-04-21 | 한국기계연구원 | 순산소연소와 신재생에너지를 이용한 공전해 및 촉매전환공정을 연계한 융합형 이산화탄소 전환 시스템 |
| KR101460748B1 (ko) | 2012-10-31 | 2014-11-24 | 한국기계연구원 | 순산소연소와 촉매전환 공정을 연계한 융합형 이산화탄소 전환 시스템 |
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| KR102211017B1 (ko) | 2020-07-07 | 2021-02-03 | 한국에너지기술연구원 | 태양열 에너지를 이용한 바이오메탄의 열분해 시스템 |
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| KR20040004799A (ko) * | 2002-07-05 | 2004-01-16 | 한국과학기술연구원 | 메탄을 열분해하여 수소와 카본블랙을 동시에 제조하는방법 |
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- 2021-09-29 KR KR1020210128845A patent/KR102526185B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (5)
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