KR102608474B1 - 전자파 질소 플라스마 토치로 메탄을 개질 하여 시안화 수소를 생산하는 장치와 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전자파 질소-플라즈마 토치를 이용해서 메탄을 개질하여 시안화 수소를 생산하고 이를 통해서 수소를 대량 생산하는 것으로서, 보다 상세하게는 전자파 질소 플라즈마 속에서 질소원자를 대량 생산하고 이렇게 생산된 질소원자들을 메탄속에 투입하여 시안화 수소를 대량 생산하며 메탄 온도를 적절히 제어함으로써 낮은 온도에서는 신안화 수소 용액 즉 시안화 수소 산 (청산)을 대량 생산하기도 하고 높은 온도에서는 수소 및 탄소분말을 대량으로 생산하는 장치와 방법이다.
Description
본 발명은 전자파 질소-플라즈마 토치를 이용해서 메탄을 개질 하여 시안화 수소를 대량 생산하는 장치와 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전자파 질소-플라즈마 토치를 통해서 질소원자를 대량 생산하고 이를 메탄에 투입하여 시안화 수소를 대량 생산하며 메탄 온도를 적절히 제어함으로써 시안화 수소 산을 대량 생산하기도 하고 수소 및 탄소분말을 대량으로 생산하는 장치와 방법에 관한 것이다.
우리 삶의 터전인 지구 대기층이 우리 인간들의 무분별한 생활 패턴으로 미세먼지로 오염되어 하루하루 사는 것을 걱정을 해야 할 형편이고 특히 지구 온난화 현상은 미래 인류의 존속을 위협하고 있는 실정이다. 그러나 우리 생활에 필요한 것들을 무시할 수도 없는 입장이다. 에너지는 우리 인간의 생활에 필수품이다. 그래서 한 예로, 이산화탄소가 발생되지 않으면서 메탄을 에너지로 사용할 수 있는 방법을 찾아보려 한다. 또한 이 과정에서 시안화 수소도 만들어 낼 수 있는 것도 고려한다.
메탄에 질소원자를 투입해서 시안화 수소를 일부 생산하는 것을 과거 연구업적에서 찾아볼 수 있었다. 그러나 질소 원자를 대량으로 발생한다는 것이 용이하지가 않았다. 전자의 충돌로 질소 플라즈마 속의 질소분자가 쉽게 2개의 질소 원자로 분해되는 것을 관찰할 수 있다. 그래서 전자파 질소-플라즈마 토치를 이용하여 질소 원자를 대량으로 생산하고 이렇게 발생한 질소 원자들을 메탄속에 투입하여 시안화 수소를 대량으로 생산한다. 이 과정 중에 온도가 높은 메탄에서 분리된 수소원자가 시안화 수소와 반응하여 시안화물 (CN)를 생성하기도 하고 시안화물은 필경 질소 원자와 반응하여 탄소원자로 변한다. 그래서 결과적으로 메탄을 탄소입자와 수소로 전환할 수 있다. 탄소입자는 모아서 처리하고 수소는 에너지로 사용하면 된다.
본 발명은 위에서 언급한 필요성을 충족하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 메탄을 개질 하여 시안화 수소를 생산하기도 하고 또는 수소와 탄소분말을 생산하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 전자파 질소-플라즈마 토치를 이용하여 질소원자들을 대량으로 발생하여야 한다. 질소 플라즈마 토치 속에 있는 전자들이 질소분자를 충돌로 분해하여 2개의 질소원자를 만드는데 이것을 영어로 Electron Impact Dissociation이라 하며 분해상수는 k N(T e) =4.26×10-10 (10+2T e)exp(-10/T e)로 표기되는 전자온도 T e의 지수 함수로서 전자온도가 올라가면 급격히 증가한다. 전자파 토치 속의 전자의 온도는 일반적으로 1eV에서 2eV 정도이다. 한편 질소원자들은 다시 재결합하여 질소분자를 만드는데 이 재결합상수는 N2로 표기하며 토치 불꽃의 온도 (T g)의 함수이다. 토치 불꽃의 온도가 높아지면 재결합상수는 감소한다.
질소원자 밀도 nN의 시간에 대한 1차 미분함수는
(1)
여기서 np와 nN2는 플라즈마-전자와 질소분자의 밀도를 각각 표시한다. 식 1의 우변 첫 항은 전자충돌에 의한 질소원자 발생을 의미하며 둘째 항은 질소원자가 분자로 재 결합하는 것을 의미한다.
질소분자가 전자와 충돌하여 분해되는 것은 식 1에서 심볼 k N n p 로 표시되며 전자의 온도가 1.5eV라 하고 전자의 밀도가 1013/cm3이라할 때 심볼 k N n p 값은 86.3/s이다. 사실 여기에서 언급한 전자의 온도와 밀도 값은 아주 적게 간주한 것이다. 식 1의 해는
(2)
로 주어지며 시간 t의 단위는 초 (second)이다. 질소원자의 최종 밀도는 식 2에서 시간 t에 무한대를 대입했을 때 얻어지는 값을 도 1에 질소 토치 내부의 불꽃온도의 함수 T g 로 표시하였다. 그리고 최종 밀도의 반에 도달하는 시간을 t half 로 표시하였다.
도 1에서 질소원자 밀도의 최종 값은 대부분 1017/cm3 이상으로 나오는데 이는 질소 플라즈마 토치의 불꽃에는 질소원자가 대량으로 발생한다는 것을 의미하며 최종 값의 반에 도달하는 시간이 1 미리 초 이내로 계산된다. 다시 말해서 아주 빠른 시간내에 대량의 질소원자들이 발생된다는 것을 의미한다. 토치 속에서 질소 유체가 일반적으로 머무는 시간은 적어도 수십 미리 초이며 이는 질소원자가 대량으로 발생하는데 충분한 시간이다. 이렇게 대량으로 발생한 질소원자들을 우리가 개질 하고자 하는 메탄에 살포하여 개질을 용이하게 할 수 있다.
질소원자 (N)가 메탄 (CH4)을 분해하는 화학반응식은 CH4 + N → HCN + H2 + H로서 시안화 수소는 HCN으로 기술된다. 이 분해상수는 HCN = 2.51×10-14 (cm3/molecule/s)이다. 물론 고 온에서 메탄이 메칠(CH3)로 스스로 분해하기도 한다. 그러나 이렇게 분해된 메칠은 화학반응 CH3 + N → HCN + 2H을 통하여 신속하게 시안화 수소가 된다. 시안화 수소는 독성이 강한 물질이며 기화점은 1기압에서 섭씨 25.6도이다. 시안화 수소는 수소를 만나 시안화물 (CN)로 변하는데 반응식은 HCN + H → CN + H2로서 반응상수는 CN = 6.19×10-10exp(-12515/T) (cm3/molecule/s)이다. 여기서 기호 T는 절대온도 (K)로 표시한 메탄의 온도이다. 또한 2개의 수소원자는 서로 결합하여 수소분자를 형성하는데 반응식은 H + H → H2로서 결합상수는 H2 = 1.57×10-13(298/T)2(cm3/molecule/s)이다. 메탄이 질소원자와 반응하면서 생성된 수소원자가 시안화물을 만들면서 소진되기도 하고 스스로 결합하면서 사리지기도 한다. 도 2는 두 반응상수를 메탄의 온도 T로 표시한 것이다. 저온에서는 수소원자가 대부분 결합 ( H2)에 의하여 사라지고 고온에서는 시안화물을 합성( CN)하면서 사라진다.
수소원자 밀도 nH를 기술하는 식은
(3)
로서 기호 nCH4, nN 그리고 nHCN 은 메탄, 질소원자 그리고 시안화 수소 밀도를 표시한다. 한편 시안화 수소의 분자 밀도 nHCN은
(4)
로 기술되는데 컴퓨터를 통해서 식 3과 4를 수치적으로 동시에 풀 수는 있다. 그러나 분석적으로는 어렵다. 도 2에서 관찰한 것처럼 저온 부분에서는 H2 >> CN로서 이때 식 3으로부터 수소원자의 최종 밀도는 산출된다. 한편 이 수소원자의 밀도를 통해서 식 4로부터 시안화 수소의 밀도는 nHCN = HCNnCH4nN/( CNnH + HCNnN)로 주어진다. 상온 (T = 298K)에서 CN = 4.7×10-28 (cm3/molecule/s)으로 HCN = 2.51×10-14 (cm3/molecule/s)에 비하여 무시할 정도로 적어 이때 시안화 수소 밀도는 메탄의 밀도 (nHCN = nCH4)이다.
도 3은 수소원자 (nH)의 밀도와 시안화 수소 (nHCN)의 밀도를 메탄의 온도 T로 표시한 것이다. 가장 효율적인 시안화 수소의 생산은 상온 (T = 298K)에서 일어나며 도 2에 표시된 반응상수 CN이 가장 적기 때문에 탄소 분진도 가장 적게 발생한다. 온도가 올라갈수록 유독물질인 시안화 수소 농도는 감소하는데 예를 들어 T = 1300K온도에서의 발생량은 상온에서 발생할 수 있는 시안화 수소 량의 0.04%도 안된다. 그래서 고온에서는 비교적 안전하게 수소와 탄소분말을 생산할 수 있다.
한편 도 2의 반응상수 관계가 H2 << CN로 규정되어지는 온도가 높은 환경에서 메탄 개질을 할 때의 수소원자 밀도 nH는
에서 계산되며 이 방정식의 해는
로 주어지고 이때 정상상태의 수소원자 밀도는 로 주어진다. 이런 정상상태가 수 미리 초에 형성된다. 이때 수소분자 밀도는
에서 산출되고 역시 수소분자 밀도의 정상상태는 dnH2/dt = 0의 조건에서 계산되며 장황한 계산후에 수소분자 밀도가 2배의 메탄밀도 (nH2 = 2nCH4)로 되는 것을 볼 수 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 전자파 질소 토치를 이용하여 대량의 질소원자를 생산하고 이를 이용하여 메탄을 개질하여 시안화 수소를 효율적으로 생산한다
본 발명은 대량으로 발생된 시안화 수소 가스를 적정온도 (섭씨 25.6도) 이하로 냉각하여 시안화 수소 용액 즉 시안화 수소 산을 생산한다.
본 발명은 고온에서 질소원자로 메탄을 개질하여 시안화 수소 가스를 생산하고 이를 더욱 개질하여 수소와 탄소 분말을 대량으로 생산한다.
본 발명은 모든 온도대에서 메탄을 분해하여 수소와 탄소를 분리하고 순수한 수소만 얻어 고품격 에너지 원으로 사용한다. 그래서 지구 온난화를 부추기지 않으면서 메탄을 에너지 원으로 사용할 수 있는 기반을 조성한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 질소원자의 최종밀도(nN)와 최종 밀도의 반에 도달하는 시간(t half )을 질소-플라즈마 토치의 불꽃 부위의 온도 T g로 표시한 것.
도 2은 본 발명의 한 실시예에 따른 시안화 수소-질소원자의 반응상수 CN와 수소원자의 재결합 상수 H2를 메탄의 절대온도 T의 함수로 표시한 것.
도 3는 본 발명의 한 실시예에 따른 수소원자 (nH)와 시안화 수소 분자 (nHCN)의 밀도를 메탄의 절대온도 T의 함수로 표시한 것.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 전자파 질소-플라스마 토치로 메탄을 개질 하여 시안화 수소를 생산하고 이를 이용하여 시안화 수소 산, 수소 그리고 탄소분말을 생산하는 장치와 방법에 관한 블록도.
도 2은 본 발명의 한 실시예에 따른 시안화 수소-질소원자의 반응상수 CN와 수소원자의 재결합 상수 H2를 메탄의 절대온도 T의 함수로 표시한 것.
도 3는 본 발명의 한 실시예에 따른 수소원자 (nH)와 시안화 수소 분자 (nHCN)의 밀도를 메탄의 절대온도 T의 함수로 표시한 것.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 전자파 질소-플라스마 토치로 메탄을 개질 하여 시안화 수소를 생산하고 이를 이용하여 시안화 수소 산, 수소 그리고 탄소분말을 생산하는 장치와 방법에 관한 블록도.
이하, 도 4을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어 들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해 결정되며, 이하의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 효율적으로 설명하기 위한 일 수단일 뿐이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄을 전자파 질소-플라스마 토치로 개질 하여 시안화 수소가스를 합성하고 이를 이용하여 시안화 수소 산, 수소 그리고 탄소분말을 대량 생산하는 장치와 방법에 관한 블록도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄을 전자파 질소-플라즈마 토치로 개질 하여 시안화 수소가스를 생산하고 이를 이용하여 시안화 수소 산, 수소 그리고 탄소분말을 대량 생산하는 장치와 방법은 메탄 공급부(10), 질소가스 공급부(20), 전자파 토치 시스템(30), 개질 챔버(40), 탄소입자 포집기(50), 냉각장치(60), 시안화 수소 용액(70) 포집, 그리고 정제장치(80)로 구성된다.
메탄 공급부(10)는 어느정도 정제된 메탄가스를 개질 챔버(40)에 공급한다.
질소가스 공급부(20)는 질소분자 가스를 전자파 토치 시스템(30)에 공급한다. 전자파 토치 시스템(30)은 질소가스를 이용하여 플라즈마 토치 불꽃을 발생하고 이 플라즈마 불꽃속의 전자의 충돌에 의하여 질소분자가 질소원자로 분해되어 다량의 질소원자들이 발생된 토치 불꽃을 개질 챔버(40)에 공급한다. 전자파 토치 시스템(30)은 마그네트론과, 전원공급부와, 순환기와, 방향성 결합기와, 스터브 튜너와, 도파관과, 방전관으로 구성되어 있으며 마그네트론에서 발생된 전자파가 방전관에서 토치 불꽃을 발생하여 다량의 질소원자들을 생산하며 또한 토치가 품고 있는 고온의 열에너지를 개질 챔버(40)에 전달한다. 최근에 개발 성숙되어 가는 전자파 발진 반도체 소자가 마그네토론을 대치할 수도 있다.
메탄이 메탄 공급부(10)에서 그리고 전자파 토치 불꽃이 전자파 토치 시스템(30)에서 유입되어지는 개질 챔버(40)은 질소원자가 메탄분자를 분해할 수 있는 환경을 조성해 준다. 개질 챔버(40) 내부 벽은 변덕스러운 온도 변화와 화학물질에 견딜 수 있는 물질로 이루어진다. 예를 들어 내부표면은 고온에 견딜 수 있는 열에 강한 세라믹 물질을 입히고 그 다음 층은 단열재 세라믹을 사용할 수도 있다.
메탄이 개질 챔버(40)에서 질소원자들에 의해서 개질된 합성가스는 저온일 때는 시안화 수소 가스와 수소가스 질소가스 그리고 약간의 탄소 입자들이며 고온일 때는 탄소입자와 수소가스 질소가스 그리고 약간의 시안화 수소가스이다. 이 개질가스가 개질 챔버(40)에서 배출되어 탄소입자 포집기(50)를 지나면서 탄소 분말들은 모두 포집이 되고 기체만 냉각장치(60)를 지나게 되는데 기체온도가 섭씨 25.6도 이하로 냉각이 되면 시안화 수소 가스가 농축되어 시안화 수소 용액 즉 시안화 수소 산이 되고 이를 시안화 수소 용액(70)으로 포집한다. 그리고 질소와 수소기체만 냉각장치(60)에서 배출되고 이 기체들을 수소 정제장치(80)를 지나면서 분리되어 질소가스는 다시 사용하기 위하여 전자파 토치 시스템(30)에 보내지고 정화된 수소는 고품격 에너지 원으로 쓰이게 된다. 여기서 정제장치(80)는 통상 가스분리에 사용되는 PSA (Pressure Swing Adsorption)기술이다.
<실시 예1>
한 실시예로서 상온 (T=298K)에서 메탄을 질소 플라즈마로 개질 한다. 이 개질의 포괄적인 화학 반응은
CH4 + (1/2)N2→ HCN + (3/2)H2
이다. 시안화 수소의 엔탄피는 135.1kJ/mole이고 메탄의 엔탄피는 -74.8kJ/mole 이므로 시안화 수소 합성반응의 엔탈피 변화는 H = 210 kJ/mole로서 흡열반응이며 시안화 수소의 분자량은 27g/mole이다. 메탄 1몰 개질로 시안화 수소 1몰과 수소 1.5몰이 발생한다.
이 실시예에서 시간당 150kg의 시안화 수소 용액을 생산하기로 한다. 이는 초당 1.54몰의 메탄을 개질하는 것으로 시간당 125입방 미터의 메탄을 개질하는 것이다. 질소분자를 100% 원자화 한다고 가정할 때 시간당 62.5 입방 미터의 질소가스가 필요하지만 실제로는 이보다 몇배의 질소가스가 전자파 토치 시스템에 입력되어야 한다. 이 개질에서 수소가 시간당 187.5 입방 미터가 생산된다. 전력 소모량은 (210kJ/mole)(1.54mole/s) = 323kW으로 전자파 토치를 통하여 제공한다.
<실시 예2>
이 실시예에서는 메탄을 고온에서 질소-플라즈마로 개질하여 수소와 탄소분말을 생산한다. 이 개질에 대한 포괄적인 화학 반응은
CH4 + (1/2)N2 → C + 2H2 + (1/2)N2
이다. 메탄의 엔탈피와 엔트로피는 각각 -74.8 kJ/mole and 186.2 J/mole/K이다. 흑연탄소의 엔탈피와 엔트로피는 각각 0 kJ/mole and 5.7 J/mole/K이다. 수소의 엔트로피는 130.6J/mole/K이다. 그래서 이 반응의 엔탈피와 엔트로피의 변화는 H = 74.8 kJ/mole와 S = 80.7 J/mole/K이며 역시 흡열반응이다. 이 개질에서는 메탄 1몰당 수소 2몰이 생성된다. 이 반응에서 질소는 메탄이 탄소와 수소로 분리하도록 도움을 주는 역할을 한다. 수소 충전소용으로는 시간당 300입방미터의 수소 생산이 필요하다. 그래서 시간당 150입방미터의 메탄이 개질 되는데 이는 초당 1.86몰에 해당한다.
시간당 300입방미터의 수소 생산에 필요한 개질 에너지는 (1.86mole/s)(74.8kJ/mole)= 139.1kW이다. 여기에 개질 챔버(40)에서의 에너지 손실 140kW를 첨부한다. 개질 챔버(40)에 투입되고 있는 총 전기 에너지는 139.1+140=279.1kW이다. 전자파 시스템으로 적합한 것은 915MHz이며 용량 100kW가 적절하다. 이는 100kW 토치 4개를 이용하여 각각 70kW로 작동한다. 이 개질 챔버(40)의 내부 용적은 1.8입방미터로서 지름이 105cm 높이 210cm로 한다. 후단 수소 정제장치(80)에서 300입방미터의 수소를 정제하는데 60kW의 전력이 더 소모된다. 따라서, 총 전력 소모량은 339.1kW이다.
몰 당 메탄의 에너지 함량은 802.3kJ이다. 개질 챔버(40)에 투입되는 메탄의 에너지는 1492.5kW이다. 그래서 이 개질에 투입된 총 에너지는 1832kW다. 물의 엔탈피가 -285.8kJ/mole이므로 시간당 300입방미터의 수소가 가진 에너지는 1063.2kW이다. 수소 300입방미터를 생산하는 이 과정의 효율은 η= 1063.2/1832 = 58%이다. 그러나 탄소입자 포집기(50)를 통해서 다량의 탄소분말이 포집이 된다. 메탄 1몰 개질 때마다 탄소 1몰이 생산된다. 탄소의 분자량은 12g/mole이다. 초당 포집되는 탄소 량은 (1.86mole/s)(12g/mole) = 22.32g/s으로 이는 시간당 80.4kg/hr이다. 흑연탄소 1몰이 가진 에너지는 393.5kJ이다. 그래서 여기서 생산된 탄소의 에너지는 731.9kW이다. 이 개질에서 생산된 모든 물질의 에너지는 731.9+1063.2 = 1795.1kW이다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.
그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
CN: 시안화물
T e: 플라즈마 불꽃속의 전자 온도
k N: 전자충돌에 의한 질소분자 분해상수
N2: 질소원자의 재결합 상수
nN: 질소원자의 밀도
t: 시간
nN2: 질소분자의 밀도
np: 플라즈마 전자밀도
T g: 토치 불꽃온도
CH4: 메탄
N: 질소원자
HCN: 시안화 수소
H2: 수소분자
HCN: 질소원자에 의한 메탄의 분해상수
CH3: 메칠
H: 수소원자
CN: 수소에 의한 시안화 수소 분해상수
H2: 수소원자의 재결합상수
nH: 수소원자 밀도
nCH4: 메탄의 밀도
nHCN: 시안화 수소 분자밀도
nH2: 수소분자의 밀도
t half : 최종 밀도의 반에 도달하는 시간
T: 개질 챔버 내부온도 또는 개질 챔버 내의 메탄의 온도
K: 절대온도
H: 엔탈피 변화
S: 엔트로피 변화
PSA (Pressure Swing Adsorption): 정제장치
η: 에너지 효율
T e: 플라즈마 불꽃속의 전자 온도
k N: 전자충돌에 의한 질소분자 분해상수
N2: 질소원자의 재결합 상수
nN: 질소원자의 밀도
t: 시간
nN2: 질소분자의 밀도
np: 플라즈마 전자밀도
T g: 토치 불꽃온도
CH4: 메탄
N: 질소원자
HCN: 시안화 수소
H2: 수소분자
HCN: 질소원자에 의한 메탄의 분해상수
CH3: 메칠
H: 수소원자
CN: 수소에 의한 시안화 수소 분해상수
H2: 수소원자의 재결합상수
nH: 수소원자 밀도
nCH4: 메탄의 밀도
nHCN: 시안화 수소 분자밀도
nH2: 수소분자의 밀도
t half : 최종 밀도의 반에 도달하는 시간
T: 개질 챔버 내부온도 또는 개질 챔버 내의 메탄의 온도
K: 절대온도
H: 엔탈피 변화
S: 엔트로피 변화
PSA (Pressure Swing Adsorption): 정제장치
η: 에너지 효율
Claims (8)
- 질소를 전자파 플라즈마 토치에 주입하여 전자파 토치 불꽃을 발생할 수 있도록 하는 질소를 전자파 토치 시스템에 공급하는 질소 공급부위;
상기 전자파 토치 불꽃으로 메탄을 개질 하여 시안화 수소를 생산함에 있어 메탄을 개질 챔버에 공급하는 메탄 공급부;
전자파 토치 시스템에서 공급되는 상기 토치 불꽃으로 메탄을 개질하여 시안화 수소를 발생하고 이렇게 생산된 시안화 수소를 온도에 따라 재처리 하기에 적합한 온도 환경을 유지하는 개질 챔버;
질소를 이용하여 플라즈마 토치 불꽃을 발생하고 질소원자들이 다량으로 함유된 상기 토치 불꽃을 상기 개질 챔버에 공급하는 전자파 토치 시스템;
상기 개질 챔버에서 배출되는 개질된 가스속에 함유될 수도 있는 탄소입자들을 포집하는 탄소입자 포집기;
상기 탄소입자들이 제거된 개질가스를 적정온도로 냉각하여 상기 개질가스에 포함될 수도 있는 시안화 수소가스를 농축하는 냉각장치;
상기 냉각장치에서 농축된 용액을 모아서 만든 시안화 수소 용액;
상기 냉각장치를 지나 배출되는 가스속에 함유된 질소와 수소를 분리하고 정제하는 정제장치; 및
분리된 질소는 전자파 풀라즈마 불꽃을 발생하기 위하여 상기 전자파 토치 시스템으로 이송하고 미래 청정 에너지 등으로 사용할 수소를 모으는 수소 저장부를 포함하는, 전자파 질소 플라스마 토치로 메탄을 개질 하여 시안화 수소를 생산하는 장치
- 제1항에 있어서,
상기 적합한 온도 환경은 생산하고자 하는 물질에 따라 결정되는 것으로 시안화 수소 용액을 생산하려면 절대온도 500K 이하의 온도 환경이며 탄소 분말과 수소 생산을 할 때에는 비교적 높은 절대온도 800K 이상의 온도환경을 유지되도록 하는 환경을 의미하는 것을 특징으로 하는, 전자파 질소 플라스마 토치로 메탄을 개질 하여 시안화 수소를 생산하는 장치
- 제1항에 있어서,
상기 전자파토치 시스템은 상기 개질에 필요한 질소원자들과 에너지를 토치 불꽃으로 상기 개질 챔버에 공급하는 시스템으로서 마그네트론과, 전원공급부와, 순환기와, 방향성 결합기와, 스터브 튜너와, 도파관과, 방전관으로 구성되어 있으며 상기 마그네트론에서 발생된 전자파가 방전관에서 토치 불꽃을 발생하도록 하는 것을 특징으로 하는, 전자파 질소 플라스마 토치로 메탄을 개질 하여 시안화 수소를 생산하는 장치
- 제1항에 있어서,
상기 적정온도로 냉각은 상기 시안화 수소 가스가 1기압에서 농축되는 섭씨 25.6도 이하의 온도로 냉각하는 것을 특징으로 하는, 전자파 질소 플라스마 토치로 메탄을 개질 하여 시안화 수소를 생산하는 장치
- 제3항에 있어서,
상기 마그네트론은 전자파 발진 반도체 소자로 대치될 수도 있는, 전자파 질소 플라스마 토치로 메탄을 개질 하여 시안화 수소를 생산하는 장치
- 정제된 메탄을 개질 챔버에 공급하는 과정;
전자파토치 시스템에 질소를 주입하는 과정;
상기 전자파토치 시스템에서 방전관에 토치 불꽃을 발생하는 과정;
상기 토치 불꽃속에 다량의 질소원자들을 발생하는 과정;
상기 다량의 질소원자들을 이용하여 메탄을 개질하여 시안화 수소를 생산하는 과정;
상기 시안화 수소를 적합한 온도에 따라 재처리하는 과정;
개질된 가스속에 함유될 수도 있는 탄소입자들을 포집하는 과정;
상기 개질가스에 포함될 수도 있는 시안화 수소가스를 냉각으로 농축하여 시안화 수소 용액을 만드는 과정; 및
냉각되어 배출되는 가스속에 함유된 질소와 수소를 분리하고 정제하는 과정으로 이루어진 전자파 질소 플라스마 토치로 메탄을 개질 하여 시안화 수소를 생산하는 방법
- 제6항에 있어서,
상기 적합한 온도는 생산하고자 하는 물질에 따라 결정되는 것으로 시안화 수소 용액을 생산하려면 절대온도 500K 이하의 온도이며 탄소 분말과 수소 생산을 할 때에는 비교적 높은 절대온도 800K 이상의 온도를 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는, 전자파 질소 플라스마 토치로 메탄을 개질 하여 시안화 수소를 생산하는 방법
- 제7항에 있어서,
고온에서 탄소분말과 수소가스를 생산할 때에는 개질가스를 냉각하는 과정에서 전반적인 시스템 에너지 효율 증대를 위하여 고온 열에너지를 수거하는 과정으로 전자파 질소 플라스마 토치로 메탄을 개질 하여 시안화 수소를 생산하는 방법
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| KR101697291B1 (ko) | 2015-09-18 | 2017-01-17 | 엄환섭 | 전자파 고온 복합 가스화 장치와 방법 |
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| JP2022508353A (ja) | 2018-08-23 | 2022-01-19 | トランスフォーム マテリアルズ エルエルシー | 気体を処理するための系および方法 |
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| KR20210030040A (ko) * | 2019-09-09 | 2021-03-17 | 엄환섭 | 일산화질소 발생장치 |
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2022
- 2022-01-25 KR KR1020220010812A patent/KR102608474B1/ko active IP Right Grant
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