KR20200064468A - Apparatus and Method for Thermal Decomposition of Methane - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 메탄의 열분해 장치 및 메탄의 열분해 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a pyrolysis apparatus for methane and a pyrolysis method for methane.
지금까지는 에너지원으로 대부분 석탄 및 석유를 이용하여 산업이 발전해 왔으나, 현재는 석탄 및 석유의 고갈로 인해 수소를 기반으로 하는 대체 에너지원으로 부탄, 프로판 그리고 천연가스가 가정과 산업에서 많은 부분에서 사용되고 있다.Until now, most of coal and petroleum industries have been developed as energy sources, but nowadays, butane, propane, and natural gas are used in many parts of the home and industry as alternative energy sources based on hydrogen due to depletion of coal and oil. .
이러한 추세로 볼 때, 머지않아 수소를 기반으로 하는 에너지원이 산업사회를 주도할 것으로 예상된다. 수소는 가장 가볍고 풍부한 원소로서 자원이 무한하고 청결한 에너지이다. 따라서 수소에너지 기술은 21세기의 에너지 문제와 환경 문제를 동시에 해결할 수 있는 유일한 대안으로 인식되고 있다. 그래서 수소의 제조, 저장 및 이용기술을 확립하기 위해 미국, 일본, 유럽 등을 비롯한 기술 선진국들의 주도하에 전 세계적으로 관련 연구가 매우 활발히 진행되는 단계에 있다.In view of this trend, it is expected that an energy source based on hydrogen will soon lead the industrial society. Hydrogen is the lightest and most abundant element, with unlimited resources and clean energy. Therefore, hydrogen energy technology is recognized as the only alternative that can solve both energy and environmental problems in the 21st century. Therefore, in order to establish the manufacturing, storage and utilization technology for hydrogen, related research around the world is being actively conducted under the leadership of advanced countries such as the United States, Japan, and Europe.
수소제조기술 방법은 크게 3가지로 분류된다.There are three major methods of hydrogen production technology.
첫째, 메탄수증기 개질법, 중유의 부분산화 법, 천연가스의 촉매분해 등의 탄화수소 물질을 근간으로 하는 방법, 둘째, 열화학, 전기화학적 물분해 등의 비탄화수소를 근간으로 하는 방법, 셋째, 위의 두 가지 형태를 합친 형태들이 있다.First, a method based on hydrocarbon materials such as methane steam reforming method, partial oxidation of heavy oil, catalytic decomposition of natural gas, second, a method based on non-hydrocarbon such as thermochemical and electrochemical water decomposition, and third, above There are forms that combine branches.
이중 천연가스로부터 수소를 제조하는 방법은 그 동안 계속적으로 연구가 되어왔으나, 수소 제조시 많은 양의 이산화탄소를 발생시킨다는 문제를 안고 있다. 이는 온실가스 배출 규제 강화를 골자로 하는 기후변화협약을 이행하려는 국제적 추세에 역행하는 결과를 가져올 수 있다.Among them, the method of producing hydrogen from natural gas has been continuously studied, but has a problem of generating a large amount of carbon dioxide during hydrogen production. This could have the effect of countering the international trend to implement the Climate Change Convention, which aims to strengthen regulations on greenhouse gas emissions.
이러한 환경문제를 해결하기 위한 방법의 하나로 천연가스 열분해법을 통해 수소를 제조하는 방법이 존재한다. 천연가스 열분해법은 수소제조에 있어서 이산화탄소 발생이 없어 환경친화적이며, 기존의 수소 제조기술과 비교하여 수소를 대량으로 제조할 수 있으며 동시에 부산물로써 배출되는 고순도의 탄소를 활용할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 따라서, 천연가스 열분해법은 관련분야에서 많은 주목의 대상이 되고 있다.As one of the methods for solving the environmental problem, there is a method of producing hydrogen through natural gas pyrolysis. The natural gas pyrolysis method is environmentally friendly because it does not generate carbon dioxide in the production of hydrogen, and has the advantage of being able to manufacture a large amount of hydrogen and utilize high-purity carbon emitted as a by-product compared to the existing hydrogen production technology. Therefore, the natural gas pyrolysis method has attracted much attention in related fields.
한편, 천연가스 열분해법은 통상 연소가스나 히터 등 별도의 열원을 이용하는데, 이를 더욱 친환경적으로 대체하기 위하여 태양광을 열원으로 활용하는 방안이 연구되고 있으나, 아직까지 태양광을 이용하여 효과적으로 천연가스를 열분해할 수 있는 기술이 부족한 상황이다.On the other hand, the natural gas pyrolysis method usually uses a separate heat source such as combustion gas or a heater, and a method of using sunlight as a heat source to replace it more eco-friendly is being studied, but it is still effective to use natural gas using sunlight. There is a shortage of technologies to pyrolyze.
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 하우징의 내부에 나선형으로 연장된 반응관을 구비하여, 메탄의 체류시간을 증가시킴으로써 메탄의 열분해 효율을 높일 수 있는 메탄의 열분해 장치에 관한 것이다.The present invention is to solve the problems of the prior art described above, one aspect of the present invention is to have a reaction tube extending in a spiral inside the housing, to increase the residence time of methane to increase the thermal decomposition efficiency of methane It relates to a methane pyrolysis apparatus.
본 발명의 실시예에 따른 메탄의 열분해 장치는 내부에 공간이 구비되고, 일측에 태양광이 유입되는 개구부가 형성된 하우징, 및 상기 하우징의 내부에서 나선형으로 연장되고, 메탄이 흐르며 상기 개구부로부터 유입되는 태양광에 의해서 메탄이 열분해되는 반응관을 포함한다.The methane pyrolysis apparatus according to an embodiment of the present invention is provided with a space therein, a housing having an opening through which sunlight enters, and a spiral extending inside the housing, where methane flows and flows in from the opening It includes a reaction tube in which methane is thermally decomposed by sunlight.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 메탄의 열분해 장치에 있어서, 상기 하우징의 일측과 마주보는 측면을 상기 하우징의 대향측이라 정의할 때, 상기 반응관은, 상기 개구부로부터 상기 하우징의 대향측으로 향하는 가상의 소정축을 중심으로 하여, 나선형으로 연장된다.In addition, in the pyrolysis apparatus for methane according to an embodiment of the present invention, when defining a side facing the one side of the housing as the opposite side of the housing, the reaction tube is virtual from the opening toward the opposite side of the housing About a predetermined axis of, it extends in a spiral.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 메탄의 열분해 장치에 있어서, 상기 반응관은, 상기 개구부에서 멀어질수록 상기 소정축과의 거리가 가까워지도록 나선형으로 연장된다.In addition, in the pyrolysis apparatus for methane according to the embodiment of the present invention, the reaction tube extends in a spiral shape so that the distance from the predetermined axis becomes closer to the distance from the opening.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 메탄의 열분해 장치에 있어서, 상기 반응관은 연장되면서 일측이 개방된 보울(bowl)을 형성하고, 상기 보울의 개방된 일측과 상기 개구부가 정렬된다.In addition, in the pyrolysis apparatus for methane according to an embodiment of the present invention, the reaction tube is extended to form an open bowl on one side, and the open side is aligned with the open side of the bowl.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 메탄의 열분해 장치에 있어서, 상기 보울의 내측 방향으로 노출되는 상기 반응관의 외면에는 열흡수 물질이 코팅된다.In addition, in the thermal decomposition device of methane according to an embodiment of the present invention, a heat absorbing material is coated on the outer surface of the reaction tube exposed in the inner direction of the bowl.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 메탄의 열분해 장치에 있어서, 상기 반응관이 연장되면서 형성된 상기 보울과 상기 하우징 사이에는 단열재가 구비된다.In addition, in the thermal decomposition device of methane according to an embodiment of the present invention, an insulating material is provided between the bowl and the housing formed while the reaction tube is extended.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 메탄의 열분해 장치에 있어서, 바이오가스를 공급하는 바이오가스 공급원, 상기 바이오가스 공급원으로부터 바이오가스를 공급받아 이산화탄소와 메탄을 분리하여 이산화탄소와 메탄 중 어느 하나를 상기 반응관에 공급하는 이산화탄소/메탄 분리수단, 및 상기 반응관에 카본 촉매를 공급하는 촉매 공급수단을 더 포함하고, 상기 이산화탄소/메탄 분리수단으로부터 상기 반응관으로 이산화탄소가 공급되고, 상기 촉매 공급수단으로부터 상기 반응관으로 카본 촉매가 공급되어, 상기 반응관에서 카본 촉매가 이산화탄소에 의해서 활성화된다.In addition, in the thermal decomposition device of methane according to an embodiment of the present invention, a biogas supply source for supplying biogas, receiving biogas from the biogas supply source, separating carbon dioxide and methane, and reacting any one of carbon dioxide and methane to the reaction. Carbon dioxide / methane separation means for supplying to the tube, and further comprising a catalyst supply means for supplying a carbon catalyst to the reaction tube, carbon dioxide is supplied from the carbon dioxide / methane separation means to the reaction tube, the catalyst from the supply means Carbon catalyst is supplied to the reaction tube, whereby the carbon catalyst is activated by carbon dioxide.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 메탄의 열분해 장치에 있어서, 상기 반응관에서 카본 촉매가 이산화탄소에 의해서 활성화될 때, 상기 개구부로부터 유입된 태양광에 의해서 열이 공급된다.In addition, in the thermal decomposition device of methane according to an embodiment of the present invention, when the carbon catalyst is activated by carbon dioxide in the reaction tube, heat is supplied by sunlight introduced from the opening.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 메탄의 열분해 장치에 있어서, 상기 반응관에서 카본 촉매가 이산화탄소에 의해서 활성화된 이후에, 상기 이산화탄소/메탄 분리수단으로부터 상기 반응관으로 메탄이 공급되고, 상기 촉매 공급수단으로부터 상기 반응관으로 카본 촉매가 공급된다.In addition, in the thermal decomposition apparatus for methane according to an embodiment of the present invention, after the carbon catalyst is activated by carbon dioxide in the reaction tube, methane is supplied from the carbon dioxide/methane separation means to the reaction tube, and the catalyst is supplied. Carbon catalyst is supplied from the means to the reaction tube.
본 발명의 실시예에 따른 메탄의 열분해 장치를 이용하는 메탄의 열분해 방법에 있어서, 바이오가스로부터 이산화탄소와 메탄을 분리하여 이산화탄소를 상기 반응관에 공급하고, 카본 촉매를 상기 반응관에 공급하여, 상기 반응관에서 카본 촉매를 이산화탄소에 의해서 활성화시키는 단계, 및 바이오가스로부터 분리한 메탄을 상기 반응관에 공급하고, 활성화시킨 카본 촉매를 상기 반응관에 공급하여, 상기 반응관에서 메탄이 열분해되는 단계를 포함한다.In the thermal decomposition method of methane using a methane pyrolysis apparatus according to an embodiment of the present invention, carbon dioxide and methane are separated from biogas to supply carbon dioxide to the reaction tube, and a carbon catalyst is supplied to the reaction tube, so that the reaction The carbon catalyst is activated by carbon dioxide in a tube, and methane separated from biogas is supplied to the reaction tube, and the activated carbon catalyst is supplied to the reaction tube, whereby methane is thermally decomposed in the reaction tube. do.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.The features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings.
이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Prior to this, the terms or words used in the specification and claims should not be interpreted in a conventional and lexical sense, and the inventor can properly define the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. It should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it exists.
본 발명에 따르면, 하우징의 내부에 나선형으로 연장된 반응관을 구비하여, 메탄의 체류시간을 증가시킴으로써 메탄의 열분해 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.According to the present invention, it is provided with a reaction tube helically extended inside the housing, thereby increasing the residence time of methane to increase the thermal decomposition efficiency of methane.
또한, 본 발명에 따르면, 메탄의 원료인 바이오가스로부터 이산화탄소를 공급받고, 메탄의 열분해시 사용하는 반응관과 집광된 태양광을 그대로 활용하여, 카본 촉매를 활성화시킴으로써, 카본 촉매를 활성화시키기 위한 별도의 장치를 도입할 필요가 없는 효과가 있다.In addition, according to the present invention, carbon dioxide is supplied from biogas, a raw material of methane, and a reaction tube used for thermal decomposition of methane and condensed sunlight are used as it is to activate the carbon catalyst, thereby separately activating the carbon catalyst. There is no need to introduce the device of the.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 메탄의 열분해 장치의 단면도, 및
도 2 내지 도 3는 본 발명의 실시예에 따른 메탄의 열분해 장치의 개념도이다.1 is a cross-sectional view of a methane pyrolysis apparatus according to an embodiment of the present invention, and
2 to 3 is a conceptual diagram of a methane pyrolysis apparatus according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.The objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments that are associated with the accompanying drawings. It should be noted that in this specification, when adding reference numerals to the components of each drawing, the same components have the same number as possible even though they are displayed on different drawings. Hereinafter, in describing the present invention, detailed descriptions of related well-known technologies that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention are omitted.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 메탄의 열분해 장치의 단면도이다.1 is a cross-sectional view of a methane pyrolysis apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 메탄의 열분해 장치는 내부에 공간이 구비되고, 일측(100a)에 태양광이 유입되는 개구부(110)가 형성된 하우징(100), 및 하우징(100)의 내부에서 나선형으로 연장되고, 메탄이 흐르며 개구부(110)로부터 유입되는 태양광에 의해서 메탄이 열분해되는 반응관(200)을 포함한다.As shown in FIG. 1, the device for thermal decomposition of methane according to this embodiment is provided with a space therein, a
상기 하우징(100)은 메탄의 열분해 장치의 외관을 이루는 것으로, 내부에 공간이 구비되어 반응관(200)이 연장된다. 여기서, 하우징(100)의 일측(100a)은 개방될 수 있고, 개방된 일측(100a)에는 차단판(120)이 구비될 수 있다. 이때, 차단판(120)의 중심에는 원형의 개구부(110, opening)가 형성될 수 있다. 이러한 개구부(110)를 통해서 헬리오스탯(heliostat)과 디쉬(dish)를 통해서 집광된 태양광이 유입된다. 이와 같이, 집광된 태양광이 개구부(110)로 유입되면, 반응관(200)의 내부는 약 1600k~1700k의 고온까지 가열될 수 있다. 이때, 반응관(200)에 흐르는 메탄은 열분해되는데, 이와 관련된 구체적인 내용은 후술하도록 한다. 한편, 하우징(100)은 전체적으로 박스형으로 형성될 수 있고, 종단면을 기준으로 볼 때 장방형으로 형성될 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 당업계에 공지된 모든 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 하우징(100)의 재질은 특별히 한정되는 것은 아니지만, 경판(panel board)일 수 있다. 한편, 개구부(110)에는 윈도우(130, window) 등이 형성되어, 태양광의 복사열이 하우징(100)의 외부로 유출되는 것을 가능한 한 방지할 수 있다.The
상기 반응관(200)은 관형으로 형성되어 그 내부를 따라 메탄이 흐르는 것이다. 상술한 바와 같이, 집광된 태양광에 의해서 반응관(200)의 내부는 고온으로 가열되므로, 반응관(200)에 흐르는 메탄에도 열이 전달된다. 이러한 열에 의해서 메탄(CH4)은 다음과 같은 반응식으로 분해된다.The
CH4 -> C + 2H2 CH 4 -> C + 2H 2
즉, 메탄은 집광된 태양광에 의해서 탄소와 수소로 열분해될 수 있다. 이러한 메탄의 열분해 효율을 높이기 위해서는 반응시간을 최대한 연장시키는 것이 바람직하다. 즉, 메탄이 반응관(200)에서 흐르는 체류시간을 증가시키는 것이 바람직하다. 이를 위해서, 반응관(200)은 하우징(100)의 내부에서 나선형으로 연장될 수 있다. 반응관(200)이 나선형으로 연장됨으로써, 반응관(200)에 흐르는 메탄의 이동거리를 최대한 증가시킬 수 있고, 그에 따라 체류시간이 증가하여 반응시간이 연장될 수 있다. That is, methane can be thermally decomposed into carbon and hydrogen by condensed sunlight. In order to increase the thermal decomposition efficiency of methane, it is desirable to extend the reaction time as much as possible. That is, it is preferable to increase the residence time that methane flows in the
이하에서는, 더욱 구체적으로 나선형으로 연장된 반응관(200)을 살펴보도록 한다. 우선, 하우징(100)의 일측(100a)과 마주보는 측면을 하우징(100)의 대향측(100b, opposite side)이라고 할 때, 하우징(100)의 일측(100a)에 형성된 개구부(110)로부터 하우징(100)의 대향측(100b)으로 향하는 가상의 소정축(100c)을 정의할 수 있다. 더욱 구체적으로, 가상의 소정축(100c)은 개구부(110)의 중심으로부터 하우징(100)의 대향측(100b)으로 향할 수 있다(소정축(100c)은 개구부(110)의 방사방향에 대해 수직으로 연장될 수 있음). 이때, 반응관(200)은 가상의 소정축(100c)을 중심으로 하여 나선형으로 연장될 수 있다. 여기서, 반응관(200)은 개구부(110)에서 멀어질수록(하우징(100)의 일측(100a)에서 멀어질수록) 가상의 소정축(100c)과의 거리가 가까워지도록 나선형으로 연장될 수 있다. 즉, 나선형으로 연장된 반응관(200)이 이루는 반경이 개구부(110)에서 멀어질수록 감소할 수 있는 것이다. 따라서, 종단면 기준으로 볼 때, 반응관(200)은 일정한 각도로 경사진 형태를 형성할 수 있다. 더욱 구체적으로, 개구부(110)로부터 소정거리까지 반응관(200)은 제1 각도로 경사진 형태를 형성할 수 있고, 개구부(110)로부터 소정거리 이후부터 반응관(200)은 제2 각도로 경사진 형태를 형성할 수 있다. 이때, 제1 각도보다 제2 각도가 클 수 있다. 전체적으로, 종단면을 기준으로 볼 때, 반응관(200)이 경사진 형태를 형성하므로, 반응관(200)은 집광된 태양광으로부터 상대적으로 균일하게 복사열을 흡수할 수 있다. 즉, 태양광이 유입되는 개구부(110)와 가까운 부분(일측(100a) 근방)에서는 소정축(100c)과 반응관(200)이 거리가 멀고, 태양광이 유입되는 개구부(110)와 먼 부분(타측(100b) 근방)에서는 소정축(100c)과 반응관(200)이 거리가 가까워, 태양광으로부터 가능한 한 균일하게 복사열을 흡수할 수 있는 것이다.Hereinafter, the
한편, 반응관(200)은 나선형으로 연장되면서, 전체적으로 일측이 개방된 보울(210, bowl)을 형성할 수 있다. 즉, 종단면을 기준을 볼 때, 반응관(200)은 전체적으로 U형을 형성할 수 있는 것이다. 이때, 반응관(200)이 형성하는 보울(210)의 일측은 하우징(100)의 개구부(110)와 정렬될 수 있다. 따라서, 개구부(110)로부터 유입된 태양광으로부터 반응관(200)은 열을 효과적으로 흡수할 수 있다. 특히, 보울(210)은 그 내부에 일종의 캐비티(220, cavity)를 형성할 수 있어, 개구부(110)로부터 유입된 태양광의 복사열은 보울(210)의 내부에 갇힐 수 있다. 한편, 보울(210)의 내측 방향으로 노출되는 반응관(200)의 외면에는 열흡수 물질이 형성될 수 있다. 여기서, 열흡수 물질은 복사열을 효과적으로 흡수하고 방사율을 낮추는 역할을 한다. 이와 같이, 반응관(200)의 외면에 열흡수 물질이 형성되면, 반응관(200)으로 형성된 보울(210)은 흑체(black body) 역할을 하여, 태양광의 복사열 흡수효율을 높일 수 있다. 게다가, 반응관(200)으로 형성된 보울(210)로부터 방사되는 복사열을 다시 반응관(200)이 흡수하여 가열되는 효과를 구현할 수 있다.On the other hand, while the
추가적으로, 반응관(200)이 연장되면서 형성된 보울(210)과 하우징(100) 사이에는 단열재(300)가 구비될 수 있다. 이와 같이, 단열재(300)가 보울(210)과 하우징(100) 사이 구비되므로, 태양광의 복사열이 보울(210) 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 단열재(300)의 재질은 그래파이트 펠트(graphite felt), 세라믹 파이버(ceramic fiber) 등일 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 당업계에 공지된 모든 종류의 단열소재가 사용될 수 있다.Additionally, a
한편, 반응관(200)에서 메탄이 열분해되어 발생한 탄소와 수소는 탄소 포집기(carbon trap), 싸이클로(cyclone) 등에 의해서 탄소가 포집됨으로써, 탄소와 수소가 분리될 수 있다.On the other hand, carbon and hydrogen generated by thermal decomposition of methane in the
도 2 내지 도 3는 본 발명의 실시예에 따른 메탄의 열분해 장치의 개념도이다. 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 메탄의 열분해 장치는 전체적으로 바이오가스 공급원(400), 이산화탄소/메탄 분리수단(500), 촉매 공급수단(600) 등을 더 포함할 수 있다.2 to 3 is a conceptual diagram of a methane pyrolysis apparatus according to an embodiment of the present invention. 2 to 3, the thermal decomposition device of methane according to this embodiment may further include a
여기서, 바이오가스 공급원(400)은 바이오가스를 공급하는 역할을 수행한다. 바이오가스는 예를 들어 매립가스(landfill gas)로부터 NH3, H2S, 실록산(Siloxane), H2O, O2 등을 제거한 가스일 수 있다. 이러한 바이오가스는 바이오가스 공급원(400)으로부터 이산화탄소/메탄 분리수단(500)으로 공급될 수 있다.Here, the
이산화탄소/메탄 분리수단(500)는 바이오가스를 공급받아, 이산화탄소와 메탄을 분리하여 이산화탄소와 메탄 중 어느 하나를 반응관(200)에 공급할 수 있다. 구체적으로, 반응관(200)에서 카본 촉매가 활성활될 때는 이산화탄소를 공급하고, 반응관(200)에서 메탄이 열분해될 때는 메탄을 공급하는 것인데, 이에 관련한 상세한 내용은 후술하도록 한다.The carbon dioxide/methane separation means 500 may receive biogas, separate carbon dioxide and methane, and supply any one of carbon dioxide and methane to the
또한, 촉매 공급수단(600)은 반응관(200)에 카본 촉매를 공급할 수 있다. 여기서, 카본 촉매는 반응관(200)에서 메탄이 열분해될 때 반응온도를 낮추는 역할을 수행할 수 있다. 이때, 카본 촉매는 예를 들어 카본 블랙(carbon black)일 수 있다. 대부분의 촉매는 메탄의 열분해시 발생하는 탄소퇴적에 의해서 활성이 저하되어 수명이 짧은 단점이 있지만, 메탄의 열분해에 따른 부산물인 탄소를 이용하는 카본 촉매는 탄소퇴적에 의한 영향이 상대적으로 매우 적다.Further, the catalyst supply means 600 may supply a carbon catalyst to the
다만, 높은 반응 효율을 위해서 카본 촉매는 큰 비표면적과 큰 미세기공의 부피를 갖는 것이 바람직하다. 따라서, 본 실시예에 따른 메탄의 열분해 장치는 카본 촉매를 활성화시키는 과정을 포함할 수 있다. 구체적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 메탄의 열분해 반응 전, 이산화탄소/메탄 분리수단(500)으로부터 반응관(200)으로 이산화탄소가 공급되고, 촉매 공급수단(600)으로부터 반응관(200)으로 카본 촉매가 공급될 수 있다. 즉, 반응관(200)에 이산화탄소와 카본 촉매가 동시에 공급되는 것이고, 이때 반응관(200)에서는 카본 촉매가 이산화탄소에 의해서 활성화될 수 있다. 한편, 이산화탄소로 카본 촉매를 활성화시키기 위해서는 고온(800~1000℃)을 유지하여야 하는데, 고온을 유지하기 위해 태양광이 이용될 수 있다. 즉, 반응관(200)에서 카본 촉매가 이산화탄소에 의해서 활성화될 때, 개구부(110)로부터 유입된 태양광에 의해서 열이 공급되어, 고온에서 카본 촉매가 이산화탄소로 활성화될 수 있는 것이다. 이와 같이, 카본 촉매가 활성화되면, 비표면적과 미세기공의 부피가 증가하여 높은 반응 효율을 가질 수 있다.However, for high reaction efficiency, the carbon catalyst preferably has a large specific surface area and a large micropore volume. Therefore, the thermal decomposition device of methane according to the present embodiment may include a process of activating the carbon catalyst. Specifically, as shown in FIG. 2, before the thermal decomposition reaction of methane, carbon dioxide is supplied from the carbon dioxide/methane separation means 500 to the
상술한 바와 같이, 반응관(200)에서 카본 촉매가 이산화탄소에 의해서 활성화된 이후에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 이산화탄소/메탄 분리수단(500)으로부터 반응관(200)으로 메탄이 공급되고, 촉매 공급수단(600)으로부터 반응관(200)으로 활성화된 카본 촉매가 공급될 수 있다. 즉, 반응관(200)에 메탄과 활성화된 카본 촉매가 동시에 공급되는 것이고, 이때 반응관(200)에서는 카본 촉매에 의해서 상대적으로 낮은 온도에서 메탄이 열분해될 수 있다. 최종적으로, 메탄이 열분해되면 수소와 탄소를 얻을 수 있다. As described above, after the carbon catalyst is activated by carbon dioxide in the
결국, 본 실시예에 따른 메탄의 열분해 장치는 메탄의 원료인 바이오가스로부터 이산화탄소를 공급받고, 메탄의 열분해시 사용하는 반응관(200)과 집광된 태양광을 그대로 활용하여, 카본 촉매를 활성화시킬 수 있는 것이다. 따라서, 본 실시예에 따른 메탄의 열분해 장치는 카본 촉매를 활성화시키기 위해서 별도의 장치를 도입할 필요가 없는 장점이 있다.After all, the thermal decomposition device of methane according to the present embodiment is supplied with carbon dioxide from biogas, a raw material of methane, and utilizes the
한편, 본 실시예에 따른 메탄의 열분해 장치를 이용하여 카본 촉매를 활성화시킨 후 활성화된 카본 촉매를 메탄의 열분해에 활용하는 방법은 다음과 같은 단계로 정리될 수 있다.Meanwhile, a method of using the activated carbon catalyst for thermal decomposition of methane after activating the carbon catalyst using the methane pyrolysis apparatus according to the present embodiment can be summarized as the following steps.
우선, 바이오가스로부터 이산화탄소와 메탄을 분리하여 이산화탄소를 반응관에 공급하고, 카본 촉매를 반응관에 공급하여, 반응관에서 카본 촉매를 이산화탄소에 의해서 활성화시키는 단계이다. 이 단계를 통해서 카본 촉매가 활성화될 수 있다.First, carbon dioxide and methane are separated from biogas to supply carbon dioxide to the reaction tube, and a carbon catalyst is supplied to the reaction tube to activate the carbon catalyst by carbon dioxide in the reaction tube. The carbon catalyst can be activated through this step.
이후, 바이오가스로부터 분리한 메탄을 반응관에 공급하고, 활성화시킨 카본 촉매를 반응관에 공급하여, 반응관에서 메탄이 열분해되는 단계이다. 이 단계를 통해서 메탄이 활성화된 카본 촉매에 의해 상대적으로 낮은 온도에서 열분해될 수 있다.Thereafter, methane separated from biogas is supplied to the reaction tube, and an activated carbon catalyst is supplied to the reaction tube, whereby methane is thermally decomposed in the reaction tube. Through this step, methane can be thermally decomposed at a relatively low temperature by an activated carbon catalyst.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.Although the present invention has been described in detail through specific examples, the present invention is specifically for describing the present invention, and the present invention is not limited to this, and by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention. It is clear that modification and improvement are possible.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.All simple modifications or changes of the present invention belong to the scope of the present invention, and the specific protection scope of the present invention will be clarified by the appended claims.
100: 하우징
100a: 하우징의 일측
100b: 하우징의 대향측
100c: 소정축
110: 개구부
120: 차단판
130: 윈도우
200: 반응관
210: 보울
220: 캐비티
300: 단열재
400: 바이오가스 공급원
500: 이산화탄소/메탄 분리수단
600: 촉매 공급수단100:
100b: opposite side of
110: opening 120: blocking plate
130: Windows 200: reaction tube
210: bowl 220: cavity
300: insulation 400: biogas supply
500: carbon dioxide / methane separation means 600: catalyst supply means
Claims (10)
상기 하우징의 내부에서 나선형으로 연장되고, 메탄이 흐르며 상기 개구부로부터 유입되는 태양광에 의해서 메탄이 열분해되는 반응관;
을 포함하는 메탄의 열분해 장치.
A housing provided with a space therein and having an opening through which sunlight enters; And
A reaction tube extending in a spiral shape inside the housing, methane flows, and methane is thermally decomposed by sunlight flowing from the opening;
Pyrolysis device of methane containing.
상기 하우징의 일측과 마주보는 측면을 상기 하우징의 대향측이라 정의할 때,
상기 반응관은,
상기 개구부로부터 상기 하우징의 대향측으로 향하는 가상의 소정축을 중심으로 하여, 나선형으로 연장되는 메탄의 열분해 장치.
The method according to claim 1,
When defining a side facing the one side of the housing as the opposite side of the housing,
The reaction tube,
A pyrolysis apparatus for methane that extends spirally around a virtual predetermined axis that is directed from the opening toward the opposite side of the housing.
상기 반응관은,
상기 개구부에서 멀어질수록 상기 소정축과의 거리가 가까워지도록 나선형으로 연장되는 메탄의 열분해 장치.
The method according to claim 2,
The reaction tube,
A device for pyrolysis of methane that extends spirally so that the distance from the predetermined axis is closer to the distance from the opening.
상기 반응관은 연장되면서 일측이 개방된 보울(bowl)을 형성하고,
상기 보울의 개방된 일측과 상기 개구부가 정렬되는 메탄의 열분해 장치.
The method according to claim 2,
The reaction tube is extended to form an open bowl (bowl) on one side,
Pyrolysis device of methane in which the opening is aligned with the open side of the bowl.
상기 보울의 내측 방향으로 노출되는 상기 반응관의 외면에는 열흡수 물질이 코팅되는 메탄의 열분해 장치.
The method according to claim 4,
Pyrolysis device of methane coated with a heat absorbing material on the outer surface of the reaction tube exposed in the inner direction of the bowl.
상기 반응관이 연장되면서 형성된 상기 보울과 상기 하우징 사이에는 단열재가 구비되는 메탄의 열분해 장치.
The method according to claim 1,
Pyrolysis device of methane that is provided with an insulating material between the bowl and the housing formed while the reaction tube is extended.
바이오가스를 공급하는 바이오가스 공급원;
상기 바이오가스 공급원으로부터 바이오가스를 공급받아 이산화탄소와 메탄을 분리하여 이산화탄소와 메탄 중 어느 하나를 상기 반응관에 공급하는 이산화탄소/메탄 분리수단; 및
상기 반응관에 카본 촉매를 공급하는 촉매 공급수단;
을 더 포함하고,
상기 이산화탄소/메탄 분리수단으로부터 상기 반응관으로 이산화탄소가 공급되고, 상기 촉매 공급수단으로부터 상기 반응관으로 카본 촉매가 공급되어, 상기 반응관에서 카본 촉매가 이산화탄소에 의해서 활성화되는 메탄의 열분해 장치.
The method according to claim 1,
A biogas source supplying biogas;
A carbon dioxide/methane separation means for receiving biogas from the biogas source and separating carbon dioxide and methane to supply either carbon dioxide or methane to the reaction tube; And
A catalyst supply means for supplying a carbon catalyst to the reaction tube;
Further comprising,
Carbon dioxide is supplied from the carbon dioxide/methane separation means to the reaction tube, and a carbon catalyst is supplied from the catalyst supply means to the reaction tube, whereby the carbon catalyst is activated by carbon dioxide in the reaction tube.
상기 반응관에서 카본 촉매가 이산화탄소에 의해서 활성화될 때, 상기 개구부로부터 유입된 태양광에 의해서 열이 공급되는 메탄의 열분해 장치.
The method according to claim 7,
When the carbon catalyst is activated by carbon dioxide in the reaction tube, methane pyrolysis apparatus to which heat is supplied by sunlight introduced from the opening.
상기 반응관에서 카본 촉매가 이산화탄소에 의해서 활성화된 이후에,
상기 이산화탄소/메탄 분리수단으로부터 상기 반응관으로 메탄이 공급되고, 상기 촉매 공급수단으로부터 상기 반응관으로 카본 촉매가 공급되는 메탄의 열분해 장치.
The method according to claim 7,
After the carbon catalyst is activated by carbon dioxide in the reaction tube,
A methane pyrolysis apparatus in which methane is supplied from the carbon dioxide/methane separation means to the reaction tube, and a carbon catalyst is supplied from the catalyst supply means to the reaction tube.
바이오가스로부터 이산화탄소와 메탄을 분리하여 이산화탄소를 상기 반응관에 공급하고, 카본 촉매를 상기 반응관에 공급하여, 상기 반응관에서 카본 촉매를 이산화탄소에 의해서 활성화시키는 단계; 및
바이오가스로부터 분리한 메탄을 상기 반응관에 공급하고, 활성화시킨 카본 촉매를 상기 반응관에 공급하여, 상기 반응관에서 메탄이 열분해되는 단계;
를 포함하는 메탄의 열분해 방법.In the pyrolysis method of methane using the methane pyrolysis apparatus according to claim 1,
Separating carbon dioxide and methane from biogas to supply carbon dioxide to the reaction tube, and supplying a carbon catalyst to the reaction tube, thereby activating the carbon catalyst by carbon dioxide in the reaction tube; And
Supplying methane separated from biogas to the reaction tube, and supplying an activated carbon catalyst to the reaction tube, whereby methane is thermally decomposed in the reaction tube;
Pyrolysis method of methane containing.
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