KR20130112940A - Method for producing syngas containing carbon monoxide(co) and hydrogen(h2) - Google Patents
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Abstract
본 발명은 이산화탄소(CO2)로부터 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)를 포함하는 합성 가스를 생산하는 방법으로서, 이산화탄소(CO2)가 플라즈마를 통해 흐르게 함에 따라 이산화탄소(CO2)를 분해 생성물로 분해시키고, 이어서, 이러한 분해 생성물이 탄화수소 함유 가스를 통해 흐르게 함에 따라 분해 생성물을 가스성 탄화수소와 반응시킴으로써 합성 가스를 생산하는 방법에 관한 것이다.The present invention is carbon dioxide (CO 2) from carbon monoxide (CO) and hydrogen as a method for producing synthesis gas comprising (H 2), carbon dioxide (CO 2) the decomposition of carbon dioxide (CO 2) as the flow through the plasma product To a synthesis gas by reacting the decomposition product with a gaseous hydrocarbon as it is decomposed to a gas, and then the decomposition product flows through the hydrocarbon-containing gas.
Description
본 발명은 이산화탄소(CO2)로부터 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)를 포함하는 합성 가스를 생산하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of manufacturing a synthesis gas containing carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2) from carbon dioxide (CO 2).
합성 가스, 즉, 수소 가스 혼합물, 더욱 특히, 일산화탄소와 수소의 가스 혼합물의 생산 또는 연료의 생산을 위해 이산화탄소를 사용하는 것은 알려져 있다. It is known to use carbon dioxide for the production of syngas, ie a hydrogen gas mixture, more particularly a gas mixture of carbon monoxide and hydrogen, or the production of fuel.
특히, 촉매적 생산 공정을 이용하는 경우에, 사용된 촉매가 충분한 수명을 나타내지 않는다는 문제가 발생한다. 이에 대한 한 가지 이유는 열역학 현상 때문이고, 또 다른 이유는 사용된 촉매 재료의 재료 특성 때문이다. 예를 들어, 400℃ 미만의 반응 온도에서는 화학적 전환이 없다. 반응 온도를 증가시키면 열역학적으로 탄소의 형성이 선호되고, 이때 촉매는 코킹(coking)될 위험성이 있는데 이는 촉매가 더 이상 사용가능하지 않음을 의미한다. 이는 900℃ 초과의 상승된 반응 온도에 의해 방지될 수 있지만, 마찬가지로 촉매의 수명을 제한하는 촉매 재료의 소결이 발생할 수 있다.In particular, when using a catalytic production process, the problem arises that the catalyst used does not exhibit sufficient life. One reason for this is due to thermodynamic phenomena and another due to the material properties of the catalyst materials used. For example, there is no chemical conversion at reaction temperatures below 400 ° C. Increasing the reaction temperature favors the formation of carbon thermodynamically, where the catalyst is at risk of coking, which means that the catalyst is no longer available. This can be prevented by elevated reaction temperatures above 900 ° C., but sintering of the catalyst material may likewise limit the lifetime of the catalyst.
소위 플라즈마-기반 유전체 장벽 방전(plasma-based dielectric barrier discharge)이라 칭해지는 것의 사용이 제안되었는데, 이러한 경우에는 심지어 20 내지 30℃의 온도에서 이산화탄소-메탄 혼합물을 합성 가스로 전환시키는 것이 가능하다. 그러나, 여기서 문제는 효율인데, 왜냐하면 상당한 전환을 얻기 위해서는 반응 엔탈피의 10배의 에너지 비용이 필요하기 때문이다.The use of what is called a plasma-based dielectric barrier discharge has been proposed, in which case it is even possible to convert the carbon dioxide-methane mixture into a synthesis gas at a temperature of 20 to 30 ° C. However, the problem here is efficiency, because obtaining a significant conversion requires 10 times the energy cost of the reaction enthalpy.
또한, 최근에는 합성 가스를 생산하는데 촉매와 플라즈마를 조합하는 것이 제안되었다. 이러한 경우에, 700℃ 초과의 반응 온도에서 합성 가스의 전환과 효율 둘 모두는 증가하였지만, 코킹, 즉, 그을음(soot) 형성 및 결부되는 촉매 수명의 제한에 대한 문제가 여전히 해결되지 않았다.In recent years, it has also been proposed to combine a catalyst and a plasma to produce synthesis gas. In this case, both the conversion and the efficiency of the synthesis gas increased at reaction temperatures above 700 ° C., but the problem of coking, i.e., soot formation and limitations on the catalyst lifetime associated, was still not solved.
따라서, 본 발명은 이산화탄소로부터 진행되는 합성 가스의 생산을 위한 개선된 공정을 명시하는 문제를 다루고 있다.Accordingly, the present invention addresses the problem of specifying an improved process for the production of syngas from carbon dioxide.
그러한 문제는, 이산화탄소가 플라즈마를 통해 흐르게 함에 따라 이산화탄소를 분해 생성물로 분해시킨 후, 이러한 분해 생성물이 탄화수소성 가스를 통해 흐르게 함에 따라 분해 생성물을 가스성 탄화수소와 반응시킴으로써 합성 가스를 생산하기 위한 본 발명에 따른 상기 명시된 유형의 공정에 의해 해결된다. Such a problem is the invention for producing synthesis gas by decomposing carbon dioxide into decomposition products as the carbon dioxide flows through the plasma, and then reacting the decomposition products with gaseous hydrocarbons as these decomposition products flow through the hydrocarbonaceous gas. Solved by a process of the type specified above.
본 발명에 따른 공정에는 합성 가스, 즉, 일산화탄소와 수소의 가스 혼합물의 생산을 위해서 2-단계 공정 순서가 고려되는데, 첫 번째 단계에서 바람직하게는 사용된 가스성 이산화탄소가 플라즈마 발생 장치에 의해 발생된 플라즈마를 통해 흐르고, 이러한 플라즈마는 유리하게는 상기 이산화탄소를 분해 생성물로 완전히 전환시키며, 상기 사용된 가스성 이산화탄소는 순수한 형태이거나 가스 혼합물의 일부일 수 있다. 여기서, 섭씨 수 천도의 온도에 이르게 된다. The process according to the invention contemplates a two-step process sequence for the production of a synthesis gas, ie a gas mixture of carbon monoxide and hydrogen, wherein the gaseous carbon dioxide preferably used in the first step is generated by a plasma generating device. Flowing through a plasma, this plasma advantageously completely converts the carbon dioxide into decomposition products, and the gaseous carbon dioxide used may be in pure form or part of a gas mixture. Here, the temperature reaches thousands of degrees Celsius.
두 번째 단계에서 분해 생성물이 탄화수소성 가스에 공급되거나 탄화수소성 가스를 통해 흐름에 따라 이러한 분해 생성물이 가스성 탄화수소와 혼합되며, 상기 분해 생성물의 예에는 원소 탄소 및 산소, 탄소 또는 산소 라디칼 뿐만 아니라 다양한 분자 단편들이 포함된다. 여기서, 순수한 가스성 탄화수소를 사용하는 것이 바람직하다. 가스성 분해 생성물의 높은 온도로 인해, 혼합 동안 합성 가스를 제공하는 탄화수소와의 흡열 반응이 일어난다. 혼합 시간은 비교적 짧은데, 이는 혼합이 바람직하게는 수 밀리세컨드(ms) 내에 일어나는 것을 의미한다.In the second stage, as the decomposition products are supplied to or flow through the hydrocarbonaceous gases, these decomposition products are mixed with the gaseous hydrocarbons, examples of which include various elements as well as elemental carbon and oxygen, carbon or oxygen radicals. Molecular fragments are included. Here, it is preferable to use pure gaseous hydrocarbons. Due to the high temperature of the gaseous decomposition products, endothermic reactions occur with the hydrocarbons providing the synthesis gas during mixing. The mixing time is relatively short, which means that mixing preferably takes place within a few milliseconds (ms).
따라서, 본 발명은 신속한 효율적인 화학적 전환을 야기하는 합성 가스의 생산에 열역학적으로 선호되는 공정 경로를 제안한다. 탄화수소와 이산화탄소의 분해 생성물의 높은 혼합 및 반응 속도에 의해, 그을음 형성이 열역학적으로 선호되는 온도 범위를 예상한 대로 거치게 될 전형적으로 이용되는 탄화수소와 이산화탄소의 가스 혼합물의 가열이 방지된다.Thus, the present invention proposes a process route that is thermodynamically preferred for the production of syngas resulting in rapid and efficient chemical conversion. The high mixing and reaction rates of the decomposition products of hydrocarbons and carbon dioxide prevent the heating of the gas mixtures of hydrocarbons and carbon dioxide that are typically used where soot formation will undergo a thermodynamically preferred temperature range.
바람직하게는, 이산화탄소 및/또는 분해 생성물은 10 내지 100 m/s의 유속으로 흐른다. 그러한 높은 유속은 먼저 플라즈마에서 이산화탄소의 체류 시간을 단축시키므로, 이때 이산화탄소의 분해 반응(들)의 열역학적 평형이 확립될 수 없다. 따라서, 이산화탄소 분자의 분해를 위해 플라즈마의 전기 에너지가 더 높은 비율로 이용되고, 두 번째 공정 단계에서 가스성 탄화수소와 분해 생성물의 높은 혼합 속도가 달성된다. 이러한 방식에서, 합성 가스의 수율, 그에 따라서, 본 발명에 따른 공정의 효율이 전반적으로 증가될 수 있으며, 요망되는 일산화탄소 및 수소 생성물이 높은 선택성으로 얻어질 수 있다. 예외적인 경우에, 유속이 또한 더 높거나 더 낮을 수 있다.Preferably, the carbon dioxide and / or the decomposition product flows at a flow rate of 10 to 100 m / s. Such high flow rates first shorten the residence time of carbon dioxide in the plasma, so that the thermodynamic equilibrium of the decomposition reaction (s) of carbon dioxide cannot be established. Therefore, the electrical energy of the plasma is used at a higher rate for the decomposition of carbon dioxide molecules, and a high mixing rate of gaseous hydrocarbons and decomposition products is achieved in the second process step. In this way, the yield of synthesis gas, and thus the efficiency of the process according to the invention, can be increased overall, and the desired carbon monoxide and hydrogen products can be obtained with high selectivity. In exceptional cases, the flow rate may also be higher or lower.
개발된 본 발명에서, 플라즈마는 작동 가스에서 약 100 V/mm bar 내지 약 10 kV/mm bar 범위의 환산 전기장 세기의 크기를 제공하는 플라즈마 발생 장치를 사용하여 발생될 수 있다. 이에 상응하여, 환산 전기장은 플라즈마에서 고-에너지 전자를 생성시키고, 이는 이산화탄소의 분해를 촉진하거나 가속화시킨다. 플라즈마는 바람직하게는 완전히 열중성자화(thermalize)되지 않는다. 즉, 열역학적 평형에 있지 않다. 대기압 및 10 kV의 작동 전압에서 이는 플라즈마 발생에 사용되는 전극이 1 mm 내지 100 mm로 분리될 수 있음을 의미한다. 더 높은 압력에서는 더 높은 작동 전압 또는 더 적은 전극 분리가 필요하다. 플라즈마 발생은 물론 이러한 범위의 구성 파라미터와 작동 조건으로 제한되지 않는다. 더욱 특히, 또한 100 V/mm bar 미만의 환산 전기장 세기에서 플라즈마를 작동하는 것이 가능한데, 이러한 경우에는 이산화탄소 분해에 더 낮은 효율이 예상되지만, 다른 한 편으로, 플라즈마 발생 장치 또는 플라즈마 반응기의 가스 흐름 및 전기 공급에 대하여 더 유동적인 작동이 가능하다.In the present invention, the plasma can be generated using a plasma generating device which provides a magnitude of the converted electric field strength in the working gas in the range of about 100 V / mm bar to about 10 kV / mm bar. Correspondingly, the converted electric field produces high-energy electrons in the plasma, which promotes or accelerates the decomposition of carbon dioxide. The plasma is preferably not fully thermalized. That is, not in thermodynamic equilibrium. At atmospheric pressure and operating voltage of 10 kV, this means that the electrodes used for plasma generation can be separated from 1 mm to 100 mm. Higher pressures require higher operating voltages or less electrode separation. Plasma generation is of course not limited to this range of configuration parameters and operating conditions. More particularly, it is also possible to operate the plasma at an equivalent electric field strength of less than 100 V / mm bar, in which case a lower efficiency is expected for carbon dioxide decomposition, but on the other hand, the gas flow and More fluid operation is possible with respect to the electricity supply.
유리하게는, 분해 생성물은 생산되는 합성 가스의 온도가 1100℃ 또는 그 미만, 특히, 700 내지 1000℃가 되게 하는 방식으로 탄화수소성 가스와 혼합된다. 이에 따라서, 공정의 종료 후에는 합성 가스의 온도가 약 1000℃ 정도이거나 이보다 낮게 된다. 이러한 공정은 유리하게는 이러한 기준이 충족되게 하는 방식으로 수행되어야 하는데, 마찬가지로 이에 대한 중요한 이유는 열역학적으로 선호되는 평형 조건이기 때문이다.Advantageously, the decomposition product is mixed with the hydrocarbonaceous gas in such a way that the temperature of the synthesis gas produced is 1100 ° C. or lower, in particular 700-1000 ° C. Accordingly, after completion of the process, the temperature of the synthesis gas is about 1000 ° C. or lower. This process should advantageously be carried out in such a way that these criteria are met, as well as an important reason for this being thermodynamically preferred equilibrium conditions.
플라즈마 발생은 흐르는 이산화탄소와 직접적으로 접촉하는 전극, 및 직류, 교류, 특히, 저주파수 교류, 또는 펄스-주기 전류(pulse-periodic current)를 사용하여 달성될 수 있다. 펄스-주기 전류의 사용은 열중성자화, 즉, 열역학적 평형의 확립이 억제된다는 이점을 지니지만, 이러한 목적을 위해서는 전기 에너지 공급에 대한 비용의 증가가 불가피하다. 직류 플라즈마 또는 저주파수 교류 플라즈마의 경우에 전극은 플라즈마와 직접적으로 접촉될 수 있고, 이러한 경우에는 흑연 전극(graphite electrode)을 사용하는 것이 바람직하다.Plasma generation can be achieved using electrodes in direct contact with flowing carbon dioxide, and direct current, alternating current, in particular low frequency alternating current, or pulse-periodic current. The use of pulsed-cycle currents has the advantage that thermal neutronization, ie the establishment of thermodynamic equilibrium, is suppressed, but for this purpose an increase in the cost of supplying electrical energy is inevitable. In the case of a direct current plasma or a low frequency alternating plasma, the electrode can be in direct contact with the plasma, in which case it is preferable to use a graphite electrode.
대안적으로, 플라즈마의 발생은 흐르는 이산화탄소와 직접적으로 접촉하지 않는 전극, 및 펄스-주기 전류, 특히, 고주파수 펄스-주기 전류, 교류, 특히, 고주파수 교류, 또는 전자기파, 특히, 마이크로파를 사용하여 달성될 수 있다. 무선주파수 범위의 마이크로파 또는 고주파수 교류를 사용하는 경우에는 이에 따라서 플라즈마와 전극의 직접적인 접촉을 방지하는 것이 가능해서 보호성 가스가 필요하지 않다. 이산화탄소 또는 분해 생성물 또는 탄화수소성 가스 혼합물의 특히 높은 유속에서 표면파 플라즈마의 사용이 바람직하다. Alternatively, the generation of the plasma can be achieved using electrodes which are not in direct contact with the flowing carbon dioxide, and pulse-cycle currents, in particular high-frequency pulse-cycle currents, alternating currents, in particular high-frequency alternating currents, or electromagnetic waves, in particular microwaves. Can be. In the case of using microwave or high frequency alternating current in the radio frequency range, it is possible to prevent the direct contact between the plasma and the electrode accordingly, so that no protective gas is required. The use of surface wave plasmas at particularly high flow rates of carbon dioxide or decomposition products or hydrocarbonaceous gas mixtures is preferred.
특히 유리하게는, 공정에서 생성된 폐열은 증기 발생을 위한 장치, 특히, 증기 발생을 위한 열 교환기에 공급된다. 따라서, 공정에서 생긴 열 에너지가 기술적으로 이용될 수 있고, 이러한 경우에, 발생된 증기, 즉, 더욱 특히, 발생된 스팀은 더욱 바람직하게는 이산화탄소의 분해 생성물 및/또는 탄화수소성 가스에 공급된다. 이러한 방식에서, 합성 가스의 냉각 과정에서 바람직하지 않은 그을음 형성이 열역학적으로 억제될 수 있고, 생성물의 화학적 평형이 수소쪽으로 이동될 수 있다.Particularly advantageously, the waste heat produced in the process is fed to a device for generating steam, in particular to a heat exchanger for generating steam. Thus, the thermal energy generated in the process can be used technically, in which case the generated steam, ie more particularly the generated steam, is more preferably supplied to the decomposition products and / or hydrocarbonaceous gases of carbon dioxide. In this way, undesirable soot formation can be thermodynamically suppressed in the course of cooling the synthesis gas and the chemical equilibrium of the product can be shifted towards hydrogen.
합성 가스는 후속-반응을 위해 촉매, 특히, 니켈(Ni) 또는 지르코늄(Zr)을 기반으로 하는 촉매에 공급되는 것이 가능하다. 이러한 방식에서, 생산 공정 동안 완전히 전환되지 않은 물질이 촉매 담체(catalytic support)에 의한 반응의 가능성에 주어져서 합성 가스를 제공한다. 촉매는, 예를 들어, 고체 형태, 예를 들어, 허니콤(honeycomb) 구조의 고체 형태로, 또는 분말 형태로 존재할 수 있다. 상기 언급된 니켈 또는 지르코늄 촉매뿐만 아니라, 그 밖의 촉매 재료를 사용하는 것이 또한 가능하다.It is possible for the synthesis gas to be fed to a catalyst, in particular a catalyst based on nickel (Ni) or zirconium (Zr), for subsequent reactions. In this way, materials which have not been completely converted during the production process are given the possibility of reaction by catalytic support to provide the synthesis gas. The catalyst can be present, for example, in solid form, for example in solid form in a honeycomb structure, or in powder form. In addition to the aforementioned nickel or zirconium catalysts, it is also possible to use other catalytic materials.
유리하게는, 합성 반응에, 특히, 메탄올 또는 디메틸 에테르 합성에 합성 가스를 공급하는 것이 가능하다. 본 발명의 이러한 변형예에서, 생산된 합성 가스의 열 에너지가 하류 공정에 이용되고; 그에 따라서, 공정 열이 효율적으로 이용된다. 후속적인 디메틸 에테르 합성에서 기본적으로 메탄올로부터 물을 제거하여 디메틸 에테르를 제공하는 것으로 구성되는 관례적인 촉매적 생산 공정을 개선시키는 것이 가능한데, 왜냐하면 전형적으로 필요한 수소의 사용이 감소되기 때문이다. 마찬가지로, 디메틸 에테르 합성의 효율이 증가될 수 있다.Advantageously, it is possible to feed the synthesis gas in the synthesis reaction, in particular in the synthesis of methanol or dimethyl ether. In this variant of the invention, the thermal energy of the syngas produced is used in a downstream process; Thus, process heat is used efficiently. In subsequent dimethyl ether synthesis it is possible to improve the customary catalytic production process which consists essentially of removing water from methanol to provide dimethyl ether, since typically the use of the required hydrogen is reduced. Likewise, the efficiency of dimethyl ether synthesis can be increased.
또한, 본 발명은, 상기 기재된 공정을 수행하도록 구성된, 이산화탄소로부터 일산화탄소 및 수소를 포함하는 합성 가스를 생산하기 위한 장치에 관한 것이다. 그러한 장치는 하나 이상의 제 1 반응 챔버 및 하나 이상의 제 2 반응 챔버를 포함하는데, 상기 제 1 반응 챔버는 이산화탄소의 분해를 위한 하나 이상의 플라즈마 발생 장치를 포함하고, 이러한 제 1 반응 챔버에 이산화탄소가 하나 이상의 공급 라인을 통해 공급되고, 이를 통해 이산화탄소가 분해 생성물로 흐르고; 상기 제 2 반응 챔버는 하나 이상의 라인을 통해 제 1 반응 챔버의 하류에 연결되거나 제 1 반응 챔버에 바로 연결되고, 이러한 제 2 반응 챔버에 공급 라인을 통해 공급된 탄화수소성 가스가 함유되거나 이를 통해 탄화수소성 가스가 흐르고; 합성 가스는 분해 생성물이 가스성 탄화수소를 통해 흐르는 과정에서 분해 생성물이 가스성 탄화수소와 반응함에 따라 생산되고, 출구 라인을 통해 내보내 진다. 이에 따라서, 본 발명의 장치로 합성 가스를 제조하기 위한 본 발명의 2-단계 생산 공정은, 공급된 이산화탄소가 반응 챔버 또는 제 1 반응 챔버(들)에서 그 안에 발생된 플라즈마에 의해 분해되고, 반응 챔버 또는 제 2 반응 챔버(들)에서 탄화수소성 가스와 이산화탄소의 분해 생성물의 후속 혼합이 이루어지게 하는 방식으로 설계될 수 있다. 모든 반응 챔버에는 적합한 유입 및 유출 라인이 장착되어, 본 발명에 따른 생산 공정에 사용되는 가스성 물질이 이들 사이에서 흐를 수 있다. 마찬가지로, 하나 이상의 제 2 반응 챔버(들)가 하나 이상의 제 1 반응 챔버(들)에 바로 연결되거나, 이들 사이에 직접적인 접촉이 이루어지는 것이 가능하다. 또한, 본 발명의 장치는 특히 평행하게 연결되어 있는 합성 가스 생산을 위한 둘 이상의 개별 장치 유닛들을 지니는 것이 가능하고, 이들 각각은 상응하는 장치 유닛들이 다수인 경우에 개별적이거나 그룹으로 되어 있는 하나 이상의 제 1 및 하나 이상의 제 2 반응 챔버를 포함한다.The invention also relates to an apparatus for producing a synthesis gas comprising carbon monoxide and hydrogen from carbon dioxide, which is configured to carry out the process described above. Such a device comprises at least one first reaction chamber and at least one second reaction chamber, the first reaction chamber comprising at least one plasma generating device for the decomposition of carbon dioxide, wherein at least one carbon dioxide is contained in the first reaction chamber. Fed through a feed line, through which carbon dioxide flows into the decomposition product; The second reaction chamber is connected downstream of the first reaction chamber or directly to the first reaction chamber via one or more lines, the second reaction chamber containing or through hydrocarbon hydrocarbon gas supplied via a feed line. Sex gas flows; Syngas is produced as the cracked product reacts with the gaseous hydrocarbon in the course of the cracked product flowing through the gaseous hydrocarbon, and is sent out through the outlet line. Accordingly, the two-step production process of the present invention for producing syngas with the apparatus of the present invention is that the supplied carbon dioxide is decomposed by the plasma generated therein in the reaction chamber or the first reaction chamber (s), and the reaction It can be designed in such a way that subsequent mixing of the decomposition product of the hydrocarbonaceous gas and carbon dioxide in the chamber or the second reaction chamber (s) takes place. All reaction chambers are equipped with suitable inlet and outlet lines so that gaseous materials used in the production process according to the invention can flow between them. Likewise, it is possible for one or more second reaction chamber (s) to be connected directly to one or more first reaction chamber (s) or direct contact therebetween. It is also possible for the apparatus of the present invention to have two or more separate device units, in particular for syngas production, which are connected in parallel, each of which is one or more of the individual or groupings in the case of multiple corresponding device units. One and one or more second reaction chambers.
플라즈마 발생 장치는 여러 개의 플라즈마 공급원을 지니는 것이 바람직하다. 이는 가스성 탄화수소와 분해 생성물의 혼합이 개선되게 하는데, 이에 대한 특정 이유는 이산화탄소의 분해를 위한 여러 개의 작은 플라즈마 공급원의 사용이 공간에 대해 보다 큰 비율의 접촉 면적을 제공하기 때문이다. 상기 언급된 바와 같이, 플라즈마 공급원은 상이한 전기 여기(electrical excitation)를 지닐 수 있다. 플라즈마 공급원의 환산 전기장 세기는 바람직하게는 약 100 V/mm bar 내지 약 10 kV/mm bar의 범위이다.The plasma generating device preferably has several plasma sources. This leads to improved mixing of gaseous hydrocarbons and cracked products, the particular reason being that the use of several small plasma sources for the decomposition of carbon dioxide provides a larger proportion of contact area to space. As mentioned above, the plasma source may have different electrical excitations. The converted electric field strength of the plasma source is preferably in the range of about 100 V / mm bar to about 10 kV / mm bar.
유리하게는, 제 1 반응 챔버들과 제 2 반응 챔버들 및/또는 제 2 반응 챔버 사이의 하나 이상의 라인은 증기, 특히, 스팀의 도입을 위한 하나 이상의 오리피스(orifice)를 지닌다. 본 발명에 따른 공정에 대해 기재된 바와 같이, 소량의 스팀을 공급하는 것은 합성 가스를 냉각하는 과정에서 그을음 형성을 열역학적으로 억제하고, 또한 생성물 스펙트럼을 수소에 우세하게 이동시킬 수 있다.Advantageously, one or more lines between the first reaction chambers and the second reaction chambers and / or the second reaction chamber have one or more orifices for the introduction of steam, in particular steam. As described for the process according to the present invention, supplying a small amount of steam can thermodynamically suppress soot formation in the course of cooling the synthesis gas and also shift the product spectrum predominantly to hydrogen.
합성 가스의 후속-반응을 위해, 제 2 반응 챔버에 이어서 하류에 촉매, 특히, 니켈(Ni) 또는 지르코늄(Zr)을 기반으로 하는 촉매가 있을 수 있다. 이에 따라서, 합성 가스로 불완전하게 전환된 물질 또는 화합물을 촉매작용에 의해 합성 가스로 전환시키는 것이 가능하고, 이는 합성 가스 생산의 효율을 증가시킨다.For the subsequent-reaction of the synthesis gas, there may be a catalyst based on the catalyst, in particular nickel (Ni) or zirconium (Zr), downstream of the second reaction chamber. Thus, it is possible to convert a substance or compound incompletely converted into syngas by means of catalysis, which increases the efficiency of syngas production.
또한, 제 2 반응 챔버의 하류에 연결된 어떠한 촉매 또는 제 2 반응 챔버에 이어서 하류에 합성 반응, 특히, 메탄올 또는 디메틸 에테르 합성을 수행하기 위한 추가의 반응 챔버가 있을 수 있다. 이러한 방식에서, 합성 가스의 열 에너지는 하류 공정을 위해 효율적으로 이용될 수 있다.There may also be additional catalyst chambers for carrying out the synthesis reaction, in particular methanol or dimethyl ether synthesis, downstream of any catalyst or second reaction chamber connected downstream of the second reaction chamber. In this way, the thermal energy of the synthesis gas can be used efficiently for the downstream process.
본 발명의 추가의 이점, 특징 및 세부 사항은 이하에서 기재되는 작업예로부터, 그리고 도면으로부터 입증된다.Further advantages, features and details of the present invention are demonstrated from the working examples described below and from the drawings.
도 1은 첫 번째 구체예에 따라 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 장치를 나타낸 것이다.
도 2는 두 번째 구체예에 따라 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 장치를 나타낸 것이다.
도 3은 세 번째 구체예에 따라 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 장치를 나타낸 것이다.
도 4는 네 번째 구체예에 따라 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 장치를 나타낸 것이다.
도 5는 다섯 번째 구체예에 따라 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 장치를 나타낸 것이다.
도 6은 여섯 번째 구체예에 따라 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 장치를 나타낸 것이다.
도 7은 일곱 번째 구체예에 따라 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 장치의 일부를 나타낸 것이다.
도 8은 여덟 번째 구체예에 따라 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 장치를 나타낸 것이다.1 shows an apparatus for carrying out a process according to the invention according to a first embodiment.
2 shows an apparatus for carrying out a process according to the invention according to a second embodiment.
3 shows an apparatus for carrying out a process according to the invention according to a third embodiment.
4 shows an apparatus for carrying out a process according to the invention according to a fourth embodiment.
5 shows an apparatus for carrying out a process according to the invention according to a fifth embodiment.
6 shows an apparatus for carrying out a process according to the invention according to a sixth embodiment.
7 shows part of an apparatus for carrying out a process according to the invention according to a seventh embodiment.
8 shows an apparatus for carrying out a process according to the invention according to an eighth embodiment.
도 1은 첫 번째 구체예에 따라 이산화탄소(CO2)로부터 일산화탄소(CO) 및 수소(H2)를 포함하는 합성 가스를 생산하기 위해 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 장치(1)를 나타낸 것이다. 장치(1)는 기본적으로 제 1 및 제 2 반응 챔버(2, 3)를 포함하며, 이러한 챔버들은 라인(4)을 통해 서로 연결된다. 또한, 반응 챔버(2, 3)에는 전용 유입 라인(5, 6)이 배치되며, 제 2 반응 챔버(3)에는 배출 라인(7)이 배치된다.Figure 1 shows an
제 1 반응 챔버(2)는, 유리하게는, 도 7에 나타난 바와 같이, 여러 개의 플라즈마 공급원(8')을 지니는 하나 이상의 플라즈마 발생 장치(8)를 포함한다. 플라즈마 발생 장치(8) 및 플라즈마 공급원(8')은 전기 에너지 공급 라인(17)에 의해 전기 에너지 공급부(16)에 연결된다.The
제 1 반응 챔버(2)는 이산화탄소를 분해하는 역할을 하고, 이러한 이산화탄소는 유입 라인(5)을 통해 공급되고 제 1 반응 챔버(2)를 통해, 예를 들어, 약 50 m/s의 유속으로 분해 생성물로 흐른다. 이는 수 천 ℃의 온도에서 이루어진다. 플라즈마 발생 장치(8)는, 예를 들어, 1 kV/mm bar의 환산 전기장 세기로 작동되는데, 이는 발생된 플라즈마가 완전히 열중성자화되지 않게, 즉, 열역학적 평형 상태에 있지 않게 하는 것을 보장한다. 플라즈마를 발생시키기 위하여, 무선주파수 범위의 고주파수 교류를 이용하는 것이 바람직한데, 왜냐하면 이러한 방식에서는 플라즈마와 플라즈마 발생 장치(8)의 전극의 접촉이 필요하지 않고, 또한 보호 가스의 사용이 필요하지 않기 때문이다. 또한, 요망되는 높은 유속을 위해서 표면파 플라즈마를 사용하는 것이 유리하다. 더욱 특히, 플라즈마 파워는 이산화탄소가 상기 언급된 높은 유속으로 흐르는 작은 공간에 집중된다. 따라서, 전기 에너지 소산 구역에서 체류 시간은 열역학적 평형의 확립이 억제되기에 충분히 짧고, 높은 비율의 전기 에너지가 이산화탄소의 분해에 이용된다.The
분해 생성물은 라인(4)을 통해 제 2 반응 챔버(3)로 흐름에 따라 라인(6)을 통해 공급된 가스성 탄화수소와 혼합되고, 이어서, 합성 가스로 전환되고, 라인(7)을 통해 약 800 내지 900℃의 온도로 최종 생성물로서 제 2 반응 챔버(3)로부터 내보내 진다. 여기서, 또한, 분해 생성물과 가스성 탄화수소 둘 모두는 유속이 높은 것이 유리한데, 왜냐하면 그에 의해서 높은 혼합 속도가 야기되기 때문이다. 혼합 시간은, 예를 들어, 단지 수 밀리세컨드(ms)이다. 라인(4)에서는 이산화탄소의 분해 생성물을 포함하는 플라즈마 가스가 반응 챔버(3) 내에 통과되는 과정에서 원치않는 열 손실 및 후속-반응을 방지하기 위해서 짧게 머물게 된다. 또한, 이는, 플라즈마 발생 장치(8), 즉, 플라즈마 반응기의 반응 챔버(2)가 반응 챔버(3)와 직접적으로 접촉되도록 완전히 생략될 수 있다.The cracked product is mixed with the gaseous hydrocarbons fed through
유리하게는, 도 2에 나타난 바와 같이, 적절한 플라즈마 발생 장치(8) 또는 플라즈마 반응기를 지니는 여러 개의 제 1 반응 챔버(2)는 리포밍(reforming)을 위해 제 2 반응 챔버(3)에 배치될 수 있다. 이에 의해서 플라즈마 가스와 탄화수소 사이에 요망되는 큰 접촉 면적이 달성된다. Advantageously, as shown in FIG. 2, several
본 발명에 따른 공정은 합성 가스에 사용되는 물질의 신속한 효율적인 화학적 전환을 야기하는 열역학적으로 선호되는 공정 경로로 구성된다. 이와 동시에, 기본적으로 두 가지 단계로 공정을 나눔으로써 이산화탄소와 탄화수소의 가스 혼합물이 가열되는 것이 방지되고, 그에 의해서 그을음 형성에 열역학적으로 선호되는 온도 범위를 거치지 않게 된다. 플라즈마 발생 장치(8) 및 플라즈마 공급원(8')의 작동에 요망되는 반응 챔버(2, 3) 및 에너지 공급부(16) 또는 전기 전력 공급부는 소형이고 저렴하다.The process according to the invention consists of a thermodynamically preferred process route which leads to a fast and efficient chemical conversion of the materials used in the synthesis gas. At the same time, the process is basically divided into two stages to prevent the gas mixture of carbon dioxide and hydrocarbons from being heated, thereby avoiding the thermodynamically preferred temperature range for soot formation. The
도 3은 세 번째 구체예에 따라 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 장치(1)를 나타낸 것이다. 도 1 또는 2에 따른 구체예에서 기본적으로 상이한 점은 스팀이 열 교환기(10)로부터 추가의 공급 라인(9)을 통해 제 2 반응 챔버(3)에 공급된다는 점이고, 이의 결과로 그을음 형성이 합성 가스의 냉각 과정에서 열역학적으로 억제되고, 생산된 합성 가스의 생성물 스펙트럼이 수소에 우세하게 이동된다. 열 교환기(10)는 유리하게는 본 발명에 따른 공정에서 생긴 공정 열을 이용하여 작동될 수 있다. 3 shows an
도 4는 스팀이 제 2 반응 챔버(3)로 바로 나가지 않고, 오히려 두 개의 반응 챔버(2, 3)를 연결하는 라인(4)으로 나가서 분해 생성물을 증기와 예비혼합시킬 수 있는 변형예를 나타낸 것이다.FIG. 4 shows a variant in which steam does not go directly to the
도 5는 다섯 번째 구체예에 따라 본 발명에 따른 공정을 수행하기 위한 장치(1)를 나타낸 것이다. 여기서, 제 2 반응 챔버(3)의 하류에 연결된 촉매(11)는 불완전하게 전환된 물질을 후속-반응시켜, 그에 따라서, 사용된 물질의 완전한 전환을 달성시키는 역할을 한다. 촉매(11)는, 예를 들어, 활성 원소로서 지르코늄을 지니는 페로브스카이트(perovskite) 구조를 기반으로 한 고체-상태 촉매로 구성될 수 있다.5 shows an
도 6은, 도 5에 따른 구체예를 기초로 하여, 촉매(11)를 통과한 후, 촉매(11)의 하류에 연결된 반응 챔버(12)에서 일어나는 하류 공정, 즉, 예를 들어, 메탄올 합성 또는 디메틸 에테르 합성에 합성 가스를 공급하는 옵션을 나타낸 것이다. 이러한 목적을 위하여, 촉매(11)는 라인(13)을 통해 반응 챔버(12)에 연결된다. 여기서, 저장소(14)로부터 수소를 라인(15)을 통해 반응 챔버(12)에 공급하여 합성 가스에서 요망되는 일산화탄소 대 수소의 비를 확립하는 것이 가능할 수 있다. 수소는, 예를 들어, 전기분해 공정을 통해 얻어질 수 있다. 전반적으로, 이에 따라서 본 발명에 따른 공정에서 얻어지는 열 에너지가 메탄올 합성에 효율적으로 사용될 수 있다는 이점이 발생한다. 직접적인 디메틸 에테르 합성이 반응 챔버(12)에서 이루어지는 때에 동일한 점이 적용되는데, 왜냐하면, 특히, 종래 기술로부터 공지된 디메틸 에테르 합성을 위한 2-단계 촉매적 공정에 비해, 본 발명에 따른 공정에 의해 제공되는 공정 열은 여기서 마찬가지로 반응의 효율을 증가시키기 때문이다.FIG. 6 shows, on the basis of the embodiment according to FIG. 5, a downstream process taking place in the
도 8은 본 발명에 따른 공정의 스케일링(scaling)을 위한 추가의 옵션을 나타낸 것이다. 이산화탄소의 플라즈마 분해를 위한 여러 개의 제 1 반응 챔버(2)가 리포밍을 위해 큰 제 2 반응 챔버(3)에 배치되는 대신에 여기서는 본 발명의 장치(1, 1')가 여러 개의 유닛으로 평행하게 연결되며, 이때 장치(1, 1')는 각각 제 1 및 제 2 반응 챔버(2, 3), 및, 임의로, 촉매(11) 또는 촉매 반응기로 구성된다. 이는 이산화탄소의 분해 생성물을 포함하는 플라즈마 가스와 탄화수소 사이의 접촉 면적이 플랜트 크기(plant size)로 성장하는 것을 보장한다.8 shows a further option for scaling of the process according to the invention. Instead of having several
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