KR102618893B1 - 고온 증기를 이용한 수소 추출 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 고온 증기를 이용한 수소 추출 장치는, 탄소를 갖는 연료로부터 수소를 추출하기 위한 장치로서, 상기 연료를 고온 증기를 이용하여 개질시키는 용융 수단과, 상기 용융 수단에 의한 연료의 가열 후에 발생하는 수소 및 이산화탄소가 포함된 배출 가스를 냉각시켜 폐열회수가 이루어지도록 하는 열회수 수단과, 상기 열회수 수단에 의해 냉각된 후 이동하는 가스에 대해서 팔라듐 코팅 분리막을 이용하여 수소만을 추출하여 추출된 수소를 -273℃ 이하 냉각과정에 의해 액화된 수소를 저장하는 수단과, 수소 추출 후 남은 이산화탄소 먼지는 백필터를 통해 먼지는 포집되고 통과한 이산화탄소는 31.5℃ 이하로 냉각 후 압축하여 액상으로 저장보관하는 시설을 포함한다.
Description
본 발명은 고온의 순수증기를 이용하여 가연성연료(폐기물)를 개질시켜 수소와 이산화탄소로 분리 및 추출할 수 있는 장치에 관한 것이다.
산업용으로 수소를 생산하는 대표적인 방법으로는 석유 부산물 및 나프타분해공정을 들 수 있다. 나프타 분해공정(NCC : NAPHTHA CRACKING CENTER)은 일반적으로 석유화학의 기초원료인 에틸렌(C2H4)과 프로필렌(C2C3H6)을 생산하는 공정이나, 수소 생산을 위해 연결 공정으로 접목한 것이다. 그러나, 위 공정은 수소 생산을 위한 에너지 소비가 높을 뿐만 아니라 단위 공정으로써 수소만을 필요로 하는 산업에 접목하기가 어려운 실정이다. 또한, 차량 등의 운송 수단을 이용함으로 인해 상당량의 추가 비용을 증가시키는 요인이 된다.
한편, 열화학 기상증착식 탄소나노튜브 생산 방식에서는 많은 양의 수소를 필요로 하고 수소에 함유된 불순물에 의해 생산되는 탄소나노튜브의 품질이 저하되는 문제점도 가지고 있었다. 따라서, 현장에서 고순도의 수소를 생산하여 곧바로 생산설비에 공급할 수 있는 On-Site시스템 적용이 생산력을 갖추는데 있어서 필요하다. 기타의 방법으로는 탄화수소와 물을 촉매분해하거나, 물을 전기분해 하는 등 여러방법이 시도되고 있으나, 아직 기술적으로 연구 수준에 있다.
본 발명은 수증기 온도를 폐기물의 개질화가 가능할 정도로 고온으로 올릴 수 있는 증기 발생 수단을 이용하여 폐기물을 개질화시키고, 그로부터 수소와 이산화탄소를 분리하여 추출할 수 있는 장치를 제안하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따른 고온 증기를 이용한 수소 추출 장치는, 탄소를 갖는 연료로부터 수소를 추출하기 위한 장치로서, 상기 연료를 고온 증기를 이용하여 개질시키는 용융 수단과, 상기 용융 수단에 의한 연료의 가열 후에 발생하는 수소 및 이산화탄소가 포함된 배출 가스를 냉각시켜 열회수가 이루어지도록 하는 열회수 수단과, 상기 열회수 수단에 의해 냉각된 후 이동하는 가스에 대해서 팔라듐 코팅 분리막을 이용하여 수소와 이산화탄소를 분리하는 수소 추출수단과, 상기 수소 추출수단에 의해 추출 후 압축된 수소를 저장하는 수소 저장수단을 포함한다.
그리고, 상기 수소 추출수단에서 수소 추출이 이루어진 뒤 액화된 이산화탄소로부터 먼지를 제거한 다음 보관하는 이산화탄소 포집수단을 더 포함한다.
그리고, 상기 용융 수단은, 상기 연료가 저장되는 연료통과, 상기 연료통에 저장된 연료를 이동시키기 위한 정량 공급 스크류와, 상기 정량 공급 스크류를 통하여 정량 이동되는 연료를 전달받아 하강 이송시키는 열분해실 스크류와, 상기 열분해실 스크류의 단부에 연결되어 상기 연료의 개질화 후 남게되는 잔여물을 하강 이동시키는 재이송 스크류와, 상기 열분해실 스크류를 감싸는 형상의 원통으로 형성되면서 복수개의 홀이 형성되어 있는 다공 원통과, 상기 다공 원통을 감싸는 형상으로 이루어지면서 상기 다공 원통 외주면으로부터 소정 거리 이격되도록 형성된 열분해실 원통과, 상기 다공 원통과 열분해실 원통 사이로 증기가 공급되도록 하는 제 1 고온증기 공급관을 포함한다.
그리고, 상기 열분해실 원통의 일부를 감싸는 형상으로 이루어지는 제 1 외통과, 상기 제 1 외통의 일부를 감싸는 형상으로 이루어진 제 2 외통과, 상기 제 1 외통과 제 2 외통 사이의 공간으로 증기가 공급되도록 연결된 제 2 고온증기 공급관과, 상기 열분해실 스크류와 재이송 스크류 사이에는 상기 연료 중 개질후 남게되는 잔여 연료를 거르기 위한 가스재 분리망과, 상기 가스재 분리망을 통과하여 하측으로 이동한 재를 포집하기 위한 재통을 더 포함한다.
그리고, 상기 수소 추출수단은, 원통 형상의 팔라듐 코팅 분리막과, 상기 팔라듐 코팅 분리막을 둘러싸는 형상의 원통으로 이루어진 수소 추출 외통을 포함하고, 상기 열회수 수단에 의해 냉각된 후 이동하는 가스는 상기 팔라듐 코팅 분리막과 수소 추출 외통 사이의 공간으로 이동하도록 구성된다.
제안되는 바와 같은 수소 추출 장치에 의해서, 탄소가 포함된 연료(폐기물)에 대해서 고온 증기를 이용한 개질화가 이루어지도록 하여 환경 오염의 문제가 없으며, 수소와 이산화탄소를 효율적이면서도 낮은 비용으로 분리/추출해낼 수 있는 장점이 있다.
도 1과 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수소 추출 장치의 전체 구성을 보여주는 도면이다.
도 3과 도 4는 본 실시예의 수소 추출 장치를 구성하는 고온 증기 생성 수단을 보여주는 도면이다.
도 3과 도 4는 본 실시예의 수소 추출 장치를 구성하는 고온 증기 생성 수단을 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1과 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수소 추출 장치의 전체 구성을 보여주는 도면이다.
본 발명은 다양한 종류의 연료(폐기물)를 개질시켜 수소와 이산화탄소를 각각 분리/추출하는 장치에 대한 것으로서, 도 1 및 도 2를 참조하면, 실시예의 수소 추출 장치는, 연료(폐기물)를 고온의 증기를 이용하여 개질시키는 용융 수단과, 상기 용융 수단에 의해 가열 및 개질화되어 이동되는 수소 및 이산화탄소가 포함된 배출 가스를 냉각시켜 열회수(필요 스팀)가 이루어지도록 하는 열회수 수단(2)과, 상기 열회수 수단(2)에 의해 냉각된 가스에 대해서 팔라듐 코팅 분리막(301)을 이용하여 수소와 이산화탄소를 분리하는 수소 추출수단(3)과, 상기 수소 추출수단(3)에 의해 추출된 수소를 저장하는 수소 저장수단(4)과, 상기 수소 추출수단(3)에서 수소 추출이 이루어진 뒤 남은 이산화탄소에서 먼지를 제거한 뒤 보관하는 이산화탄소 포집수단(5)을 포함한다.
본 발명의 수소 추출 장치를 구성하는 각 수단에 대해서 상세히 설명하여 본다.
먼저, 용융 수단은, 연료(폐기물) 등에 고온의 증기를 이용하여 개질화시켜 기체 형태로 스팀발생이 가능할 보일러를 포함하는 열회수 수단(2)으로 전달하며, 연료인 폐기물이 저장되는 연료통(11)과, 상기 연료통(11)의 연료의 일정한 양을 일정한 속도로 이동시키기 위한 정량 공급 스크류(21)와, 상기 정량 공급 스크류(21)를 통하여 정량 이동되는 연료를 전달받아 개질화가 이루어지도록 하강 이송시키는 열분해실 스크류(22)와, 상기 열분해실 스크류(22)의 단부에 연결되어 연료의 개질화 후 남게되는 잔여물을 하강이동시키는 재이송 스크류(23)를 포함하고, 이들 스크류(21,22,23)들은 각각의 회전이 이루어지도록 동력을 제공하는 모터가 구성된다.
상기 재이송 스크류(23)에 의해 하강되는 잔여물은 일측에 구성된 재통(12)에 수집된다.
본 발명의 장치는 탄소가 포함된 폐기물 등의 연료로부터 수소를 추출하기 위한 것으로서, 기존의 일반적인 방법인 전기를 이용하여 수소를 추출하게 되면 막대한 비용이 소요되는 반면에, 본 발명에서는 고온의 증기를 이용하여 연료를 개질시켜 수소를 추출할 수 있도록 한다.
그리고, 상기 열분해실 스크류(22)는 정량 공급되는 연료를 하강 이송시키면서 고온의 증기를 통한 개질화가 이루어지는 열분해실 내에 배치되며, 이러한 열분해실은 상기 열분해실 스크류(22)를 감싸는 형상의 원통으로 형성되면서 복수개의 홀이 형성되어 있어 증기가 상기 열분해실 스크류(22)로 이동되도록 하는 다공 원통(51)과, 상기 다공 원통(51)을 감싸는 형상으로 이루어지면서 상기 다공 원통(51) 외주면으로부터 소정 거리 이격되도록 형성된 열분해실 원통(52)과, 상기 열분해실 원통(52)의 일부를 감싸는 형상으로 이루어지는 제 1 외통(53)과, 상기 제 1 외통(53)의 일부를 감싸는 형상으로 이루어진 제 2 외통(54)을 포함한다.
그리고, 상기 열분해실 원통(52)으로 고온의 증기를 공급하기 위하여, 제 1 고온증기 공급관(41)과, 상기 제 1 고온증기 공급관(41)을 통해 공급되는 증기를 필요에 따라 더욱 가열시키기 위한 수소 버너(31)를 포함한다.
상기 제 1 고온증기 공급관(41)을 통해 공급되는 증기는 상기 열분해실 수소 버너(31)를 거쳐 상기 다공 원통(51)과 열분해실 원통(52) 사이로 공급되는데, 상기 다공 원통(51)에는 복수개의 홀들이 형성되어 있어 공급된 고온의 증기는 열분해실 스크류(22), 즉, 연료에 접촉하도록 공급된다. 대략 1,300℃의 고온의 증기가 상기 열분해실 스크류(22)로 공급되어, 연료의 개질화가 이루어지도록 한다.
즉, 상기 다공 원통(51)에는 타공망이 다수개 형성되어 있어 고온의 증기가 연료에 직접 접촉하게 되는데, 예를 들어, 상온의 20℃ 정도의 폐기물은 1,300℃ 고온의 증기에 의해 900℃ 정도에서 개질화가 이루어질 수 있다. 이때, 연료의 탄소가 촉매가 되어 CO로 발열하며 변하게 되고, 형성된 OH기에 의해 다시 CO2로 되면서 흡열반응하며, 공급되는 증기에서 산소가 제거되어 수소가 남게 된다. 즉, 연료의 탄소와 고온 증기의 반응으로 CO2로 변하면서, 수소가 남게 되고, 남게되는 재는 아래로 이동하게 된다.
그리고, 수소, 탄산가스로 하부로 선회하다가 증기를 다시 수소 버너(31)를 통해 하부에서 올라오는 증기와 만나 상승하게 된다.
또한, 본 실시예에서는 상기 제 1 고온증기 공급관(41)을 통해 공급되는 고온의 증기를 이용한 연료의 개질화에 더하여, 추가적인 잔여 연료에 대한 개질화가 이루어지도록 하기 위한 제 2 고온증기 공급관(42)을 더 포함하고, 상기 제 2 고온증기 공급관(42)을 통해 공급되는 증기를 더 가열할 수 있는 추가 수소 버너(32)가 상기 제 2 고온증기 공급관(42) 단부에 결합된다.
상기 제 2 고온증기 공급관(42)을 통하여 공급되는 증기와 수소 버너(32)에서 가열된 증기는 제 1 외통(53)과 제 2 외통(54) 사이의 공간으로 공급되도록 구성되고, 대략 그 온도는 800℃ ~ 1,000℃의 온도로 이루어진다. 그리고, 상기 열분해실(52) 하측의 재이송 스크류(23)와 콘(62)내의 하측에 남아있는 잔여 연료를 추가적으로 개질화시킨 후 다시 상승한다. 그리고, 열분해실(52)에서 고온의 증기에 의한 연료의 개질화를 수행한 개질가스 역시 하측의 가스재 분리망(61)으로 이동하고, 상기 콘(62) 내에서 개질화를 마친 가스와 함께 선회 상승하며 제 1 외통(53) 내부를 따라 이동하면서 열회수 수단(2)으로 연결관을 통해 이동하게 된다.
상기 열분해실 스크류(22) 하측에 구성된 가스재 분리망(61)은 연료의 개질화 후 남게되는 먼지 등의 재와, 개질화가 이루어지지 않은 잔여 연료를 분리하기 위한 역할을 수행하며, 상기 가스재 분리망(61) 하측에는 재이송 스크류(23)가 구성되어, 상기 가스재 분리망(61)을 통과한 재가 상기 재이송 스크류(23)를 따라 하측으로 이동하여 재통(12)에 포집된다.
상기 가스재 분리망(61)이 구성된 위치의 제 2 외통(54)은, 도시된 바와 같이, 그 일부가 꼬깔(cone))(62)의 형상으로 이루어지도록 구성되어, 재통(12)으로 포집하기전 일부 개질이 되지 않은 재와, 제 2 고온증기 공급관(42)을 통해 공급되는 증기와 수소 버너(32)에서 가열된 증기를 이용한 추가적인 개질화가 이어지도록 구성된다.
다음으로, 연료의 개질화를 위해 사용된 증기(제 1 고온증기 공급관과 제 2 고온증기 공급관을 통해 공급된 증기)는 개질 후 CO2와 H2로의 가스로 되어 연결관을 통해 열회수 수단(2)으로 이송되고, 상기 열회수 수단(2)에서 물공급(205)으로 냉각, 즉, 스팀이 만들어진다.
상기 열회수 수단(2)은 대략 800℃ 정도의 온도로 연결관을 따라 이동되는 이산화탄소와 수소가스를 물(205)로 냉각하여 100℃ 이하로 하는 전열면적으로 열회수하고 필요량의 스팀을 갖는 역할을 하며, 물(205) 주입부가 설치된 열회수 보일러(200)와, 안전변(201), 재통(202), 스팀 출구부(203) 및 보일러 보조버너(204)를 포함한다.
상기 열회수 수단(2)에서 배출되는 증기는 다시 제 1 고온증기 공급관(41)과 제 2 고온증기 공급관(42)으로 공급될 수 있으며, 상기 제 1 및 제 2 고온증기 공급관(41)에는 별도의 고온 증기 수소버너(31,32)가 더 연결되어, 안정적으로 고온의 증기를 공급받을 수도 있다. 이러한 고온 증기 발생수단에 대해서는 도면과 함께 아래에서 자세히 살펴보기로 한다.
상기 열회수 수단(2)에서 이산화탄소와 수소는 열을 회수하고 난 뒤 낮아진 온도의 수소 추출을 위한 수소 추출수단(3)으로 이송되고, 상기 수소 추출수단(3)은 원통 형상의 팔라듐 코팅 분리막(301)과, 상기 팔라듐 코팅 분리막(301)을 둘러싸는 형상의 원통으로 이루어진 수소 추출 외통(302)을 포함하고, 상기 팔라듐 코팅 분리막(301) 내부를 통해 아래로 이동하는 수소를 흡입 및 압축하여(냉각하여) 수소 저장통(400)으로 이송시키는 수소 추출 가압펌프(311)와, 상기 팔라듐 코팅 분리막(301)과 수소 추출 외통(302) 사이의 공간으로 이동하는 이산화탄소를 흡입 및 압축하여(냉각하여) 이산화탄소 이동관(511)으로 이송시키는 이산화탄소 포집 가압펌프(312)를 포함한다.
특히, 상기 열회수 수단(2)으로부터 이송되는 이산화탄소와 수소는 상기 팔라듐 코팅 분리막(301)과 수소 추출 외통(302) 사이의 공간으로 공급되도록 구성되며, 상기 팔라듐 코팅 분리막(301)은 팔라듐 특성상 분자 크기가 작은 수소를 통과되도록 하면서, 이산화탄소는 통과하지 못하는 특성을 이용하여 팔라듐 코팅 분리막(301) 내부에는 수소만이 포집되도록 하고, 그 아래에 수소 추출 가압펌프(311)가 구성되어 압축저장하거나 수소를 냉각시켜 액화상태로 수소 저장통(400)에 보관시킨다. 상기 수소 추출 가압펌프는 75기압 이상으로 압축하거나 -273℃ 이하로 냉각하며, 압축 또는 냉각된 수소가 액화상태로 상기 수소 저장통(400)에 저장된다.
그리고, 상기 팔라듐 코팅 분리막(301)과 수소 추출 외통(302) 사이의 공간에서 아래로 이동하는 이산화탄소는 이산화탄소 포집 가압펌프(312)에 의해 흡입과 가압이 이루어지고 액화 상태의 이산화탄소가 상기 이산화탄소 이동관(511)을 통해 이산화탄소 포집수단(5)으로 이송된다. 상기 이산화탄소 포집 가압펌프(312)는 이산화탄소를 31.5℃ 이하로 냉각후 압축하여 액상으로 이산화탄소 포집통(510)에 저장되도록 한다.
상기 이산화탄소 포집수단(5)은 이송되는 이산화탄소에 포함된 먼지를 제거/집진하기 위하여 원심력을 발생시키면서 백필터를 포함하는 사이클론(500)과, 하측에서 집진되는 먼지를 보관하기 위한 먼지통(501)과, 먼지 제거된 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소 포집통(510)을 포함한다.
도 3과 도 4는 본 실시예의 수소 추출 장치를 구성하는 고온 증기 생성 수단을 보여주는 도면이다.
도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 고온 증기 발생수단은, 대략 300℃ 내지 1,500℃ 범위로 고온 증기를 생성하여 배출할 수 있는 장치로서, 생성된 고온의 증기는 제 1 차 열분해실(52, 열분해실 원통 내부) 및/또는 제 2 차 열분해 개질실(54, 제 2 외통 내부)로 공급될 수 있다.
이러한 고온의 배출 증기의 온도, 압력 및 양은 투입되는 수소 및 산소 기체의 온도, 압력 및 양을 이용해 조절이 가능하도록 한다.
고온 증기 발생수단은, 일측(도면에서 좌측)으로 연료 기체가 투입되고, 타측(도면에서 우측)으로 고온 증기가 배출 가스로 배출되는 구조로 이루어지며, 고온 연소가 이루어지는 연소실을 포함하는 내통(620)과, 상기 내통(620)을 감싸는 형상으로 이루어지면서 외형을 형성하는 외통(610)과, 상기 내통(620)과 외통(610) 사이에 형성된 메인 선회 유로와, 상기 내통(620)으로 연소의 대상이 되는 수소 기체가 공급되는 수소 투입관(621)과, 상기 수소 투입관(621)을 감싸는 형상으로 이루어지면서 산소 기체가 선회하면서 상기 수소 투입관(621) 외주면을 따라 이동하도록 하는 산소 선회통(622)과, 상기 산소 선회통(622)의 일부를 감싸는 형상으로 이루어지면서 증기가 선회하면서 상기 산소 선회통(622) 외주면을 따라 이동하도록 하는 증기 선회통(623)과, 상기 내통(620) 내부에 설치되어 상기 수소 투입관(621)을 통해 투입되는 수소 기체의 점화가 이루어지도록 하는 점화 플러그(624)와, 상기 내통(620)에서 수소와 산소의 연소 후 발생된 고온의 증기가 배출되는 배출부(603)를 포함한다.
상기 배출부(603)는 제 1 고온증기 공급관(41) 및/또는 제 2 고온증기 공급관(42)과 연결되도록 구성될 수 있다.
그리고, 상기 산소 선회통(622)과 증기 선회통(623) 내에서 선회하면서 상기 내통(620)측으로 이동하는 산소와 증기를 각각 이동시키는 산소 투입관(720)과 제 1 증기 투입관(730)이 산소 선회통(622)과 증기 선회통(623)에 연결된다.
또한, 상기 외통(610)과 내통(620) 사이에 형성된 메인 선회 유로로 증기를 공급하는 제 2 증기 투입관(810)을 포함한다.
상기 수소 투입관(621)을 통해 연소 대상의 수소 가스가 내통(620) 내부로 유입되고, 산소 선회통(622)을 통해 주입되는 산소를 이용하여 연소가 수행되는데, 120℃ 정도의 수증기를 이용하여 연소실 내부의 온도를 낮출 수 있다. 수소의 연소를 통해 매우 높은 고온으로 유지될 경우에 장치의 파손이 발생할 수 있기 때문에, 선회하여 연소실로 공급되는 증기들을 이용하여 장치의 소재가 견딜 수 있는 정도의 온도로 연소가 이루어지도록 한다.
각 투입관들(720,730,810)은 각 산소 선회통(622), 증기 선회통(623) 및 내통(620)/외통(610) 외벽의 접선 방향과 일치하는 방향으로 기체 유입 방향이 형성되도록 설치되어, 각 기체는 통 내부에서 원심력을 가지면서 이동하게 되고, 그 원심력이 보존된 상태로 점차 상승(도면에서는 우측방향)하게 된다.
예를 들면, 산소 투입관(720)은 수소 투입관(621)의 외벽(외주면)에 대해 접선 방향으로 상기 산소 선회통(622)에 결합된다. 그리고, 상기 산소 투입관(720)은 상기 산소 선회통(622)의 외벽(외주면)에 대해서 접선 방향으로 결합된다고도 할 수 있다. 투입관들의 결합 위치, 즉, 기체를 공급하는 방향은 내부에서 선회하면서 이동할 수 있도록 설치되는 것은 모두 동일하다.
산소 선회통(622) 및 증기 선회통(623) 내부를 따라 선회하면서 점차 점화플러그(624)가 위치한 내통(620)측으로 이동하는 산소와 증기는 수소 투입관(621)을 통해 공급되는 수소 기체와 함께 점화되어, 연소가 시작된다.
그리고, 제 2 증기 투입관(810)을 통해 공급되는 대략 120℃ 정도의 증기는 내통(620) 외벽의 접선 방향으로 공급되고, 상기 내통(620)과 외통(610) 사이의 메인 선회 유로를 따라 선회하면서 점차 배출부(603)로 이동하게 된다. 여기서, 상기 메인 선회 유로를 따라 선회하면서 점차 배출부(603)측으로 이동하는 제 1 상승 증기는 외통(610) 단부측에서 이동경로가 변경되고, 상기 내통(620) 내벽을 따라 선회하면서 점차 점화플러그(624)가 위치한 입구측으로 이동하는 하강 증기가 된다.
즉, 상기 메인 선회 유로를 따라 선회하면서 이동하는 증기가 상기 내통의 내주면을 따라 이동하도록 상기 내통과 외통 단부에 공간이 형성되어, 외통 단부에 부딪힌 증기가 내통 내주면을 따라 선회하도록 구성된다.
그리고, 하강 증기(b)는 연소가 이루어지는 공간, 즉, 내통(620) 중심부에서 다시 배출부(603)측으로 상승하는 제 2 상승 증기가 된다. 즉, 점화플러그(624)에 의해 연소가 개시되면서 발생되는 수소 연소불 주위를 선회하면서 제 2 상승 증기가 배출부(603)측으로 이동된다.
제 1 상승 증기가 내통(620) 외주면을 따라 선회하면서 이루어지는 이동, 하강 증기가 내통(620) 내주면을 따라 선회하면서 이루어지는 이동, 제 2 상승 증기가 내통(620) 중심부의 연소공간 내에서 선회하면서 점차 상승하는 이동 등의 과정을 통해, 연소실을 구성하는 내통(620) 내부에서의 연소 증기와의 접촉시간이 크게 증가되고, 이로 인해 매우 높은 온도의 증기를 만들어낼 수 있다.
특히, 내통(620)의 입구측에 수소와, 산소 및 증기가 혼합된 기체의 점화 및 연소가 이루어지기 때문에, 질소의 사용으로 인한 환경 오염을 문제가 없으며, 앞서 설명한 바와 같이 필요에 따라 공급되는 수소와 산소 그리고 증기의 양, 압력 및 온도를 조절함으로써 배출부(603)를 통해 배출되는 고온의 증기의 양, 압력 및 온도를 조절할 수 있다. 이와 함께, 제 1 증기 투입관(730)과 제 2 증기 투입관(810)을 통해 공급되는 증기의 양을 조절함으로써 배출되는 증기의 온도와 양을 조절할 수 있다.
제 1 증기 투입관(730)과 제 2 증기 투입관(810)을 통해 공급되는 고온의 증기는, 수소를 연소시켜 연소실 내부의 증기 온도를 300℃~1,500℃ 이상으로 조절하는 역할을 한다.
일반적으로, 증기를 700℃ 이상 올려야 개질이 되는데, 과열기를 이용하여 300~400℃까지는 높은 압력(30bar ~ 40bar)으로 올라가지만, 더 높은 온도로 가열시키고자 하는 경우에는 추가적인 가열기를 사용한 경우가 있었다. 만약, 탄소가 연소에 사용된다면 CO2가 발생하게 되고, 공기를 연소에 사용하게 되면 질소산화물이 생기는 등의 가열 후에 배출 가스가 문제된다.
이와 같은 연소시 개질화가 이루어지도록 하면서 배출 가스에 의한 환경 오염을 방지할 수 있도록 수소를 고온으로 일반스팀 120℃ 정도의 스팀과 섞어 필요한 스팀의 온도 1,000℃ 내지 1,500℃의 높은 온도의 증기를 발생시킬 수 있다.
Claims (6)
- 탄소를 갖는 연료로부터 수소를 추출하기 위한 장치로서,
상기 연료를 고온 증기를 이용하여 개질시키는 용융 수단과,
상기 용융 수단에 의한 연료의 가열 후에 발생하는 수소 및 이산화탄소가 포함된 배출 가스를 냉각시켜 폐열회수가 이루어지도록 하는 열회수 수단과,
상기 열회수 수단에 의해 냉각된 후 이동하는 가스에 대해서 팔라듐 코팅 분리막을 이용하여 수소만을 추출하여 추출된 수소를 저장하는 수소 추출수단과,
상기 수소 추출수단에 의해 수소 추출이 이루어진 뒤 남은 가스에서 먼지를 포집하여 제거한 다음 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소 포집수단을 포함하고,
상기 용융 수단은,
상기 연료가 저장되는 연료통과, 상기 연료통에 저장된 연료를 이동시키기 위한 정량 공급 스크류와, 상기 정량 공급 스크류를 통하여 정량 이동되는 연료를 전달받아 하강 이송시키는 열분해실 스크류와, 상기 열분해실 스크류의 단부에 연결되어 상기 연료의 개질화 후 남게되는 잔여물을 하강 이동시키는 재이송 스크류와, 상기 열분해실 스크류를 감싸는 형상의 원통으로 형성되면서 복수개의 홀이 형성되어 있는 다공 원통과, 상기 다공 원통을 감싸는 형상으로 이루어지면서 상기 다공 원통 외주면으로부터 소정 거리 이격되도록 형성된 열분해실 원통과, 상기 다공 원통과 열분해실 원통 사이로 증기가 선회 공급되도록 하는 제 1 고온 증기 공급관과, 상기 열분해실 스크류와 재이송 스크류 사이에는 상기 연료 중 개질후 남게되는 잔여물을 거르기 위한 가스재 분리망을 포함하는 고온 증기를 이용한 수소 추출 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 열분해실 원통의 일부를 감싸는 형상으로 이루어지는 제 1 외통과, 상기 제 1 외통의 일부를 감싸는 형상으로 이루어진 제 2 외통과, 상기 제 1 외통과 제 2 외통 사이의 공간으로 증기가 공급되도록 연결된 제 2 고온증기 공급관과, 상기 가스재 분리망을 통과하여 하측으로 이동한 재를 포집하기 위하여 재이송 스크류와 열분해실 스크류 사이에 배치되는 콘과, 이동되는 재를 담을 수 있는 재통을 더 포함하는 고온 증기를 이용한 수소 추출 장치. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 외통으로부터 연결된 통로를 통하여 고온 개질 가스를 받아 열회수를 하기 위한 증기 제조 보일러를 더 포함하고, 상기 증기 제조 보일러는 물 공급을 통해 스팀을 제조하는 것을 특징으로 하는 고온 증기를 이용한 수소 추출 장치. - 제 3 항에 있어서,
상기 열회수 수단에 의해 냉각된 가스인 이산화탄소와 수소는 상기 수소 추출수단으로 선회 투입되고,
상기 수소 추출수단은, 원통 형상의 팔라듐 코팅 분리막과, 상기 팔라듐 코팅 분리막을 둘러싸는 형상의 원통으로 이루어진 수소 추출 외통을 포함하고, 상기 팔라듐 코팅 분리막 내부를 통해 아래로 이동하는 수소를 75기압 이상으로 압축하거나 -273℃ 이하로 냉각하는 수소 추출 가압펌프와, 압축 또는 냉각된 수소를 저장하는 수소 저장통을 포함하는 고온 증기를 이용한 수소 추출 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 이산화탄소 포집수단은 이산화탄소를 31.5℃ 이하로 냉각후 압축하는 이산화탄소 포집 가압펌프와, 이송되는 이산화탄소에 포함된 먼지를 제거하기 위하여 원심력을 발생시키면서 백필터를 포함하는 사이클론과, 냉각된 이산화탄소가 저장되는 이산화탄소 포집통을 포함하는 고온 증기를 이용한 수소 추출 장치.
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| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant |