KR20210128746A - 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치 및 방법과, 암모니아 생성 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 방전가스인 질소가스(N2)로 생성되는 플라즈마를 이용하고 물을 원료로 하여 수소(H2)를 생성하는 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치는, 전기적으로 접지되고 내부에 방전공간을 형성하고 끝에 토출구를 구비하는 하우징, 상기 하우징의 일측에 장착되어 고전압에 연결되어 상기 방전공간에 플라즈마 방전을 일으키는 고전압전극, 상기 고전압전극의 일측으로 질소가스(N2)를 공급하는 질소가스 공급구, 및 상기 고전압전극의 전방에서 상기 질소가스 플라즈마에 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부를 포함한다.

Description

수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치 및 방법과, 암모니아 생성 장치 및 방법 {HYDROGEN AND NITROGEN MONOXIDE GENERATION DEVICE AND METHOD, AMMONIFICATION DEVICE AND METHOD USING PLASMA DISCHARGING IN WATER}
본 발명은 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치 및 방법과, 암모니아 생성 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기 에너지 및 플라즈마를 이용하고 물을 원료로 사용하여 수소(H2)와 함께 생성된 산소(O2)를 제거하기 위해 생성된 산소를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성하고, 합성촉매를 통하여 일산화질소(NO)로 암모니아(NH3)를 생산하는 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치 및 방법과, 암모니아 생성 장치 및 방법에 관한 것이다.
알려진 바에 따르면, 암모니아는 인류의 삶을 바꾸어 놓은 대표적인 화합물들 중 하나이다. 암모니아의 인공 합성을 통해 인류의 농업생산성이 급격히 향상되었고, 이를 가능하게 한 것이 하버-보슈법(Haber-Bosch Process)이다. 하버-보슈법은 질소와 수소로부터 암모니아를 바로 합성하지만, 약 200 기압의 고압, 및 400~500℃ 정도의 고온 조건을 필요로 하기 때문에 공정의 에너지 비용이 매우 높은 문제점을 안고 있다. 인류가 사용하는 연간 에너지 소비의 2% 이상을 암모니아 생성에 사용하고 있을 정도이다. 이 때문에 하버-보슈법을 대체하기 위한 다양한 반응들이 연구되어 왔으나, 이렇다 할 성과를 보여주지 못하고 있다. 고온, 고압 조건에서 가능한 하버-보슈법의 특징으로 인하여, 암모니아 생산 공정은 대규모 플랜트 형태로 진행되고 있다.
한편, 신재생 에너지는 에너지원의 특성상, 생산 전력의 변동폭이 커서 잉여 전력이 상시 발생한다. 이러한 잉여 전력은 발생량이 시간에 따라 유동적이므로 예측이 어렵다. 이 때문에 시간에 대해 빠르게 부하 변동을 추종할 수 있는 형태의 활용처가 있다면 버려지는 에너지를 활용할 수 있는 가능성이 열리게 된다. 이러한 배경에서 부하변동에 빠르게 대응 가능하도록 상압 혹은 이에 준하는 높지 않은 압력 조건에서 하버-보슈법에 필적한 만한 에너지 비용으로 암모니아의 생성 반응을 얻을 수 있다면, 에너지 시스템에서 매우 획기적인 활용방안이 도출 될 수 있다.
하버-보슈법에서, 공정 비용이 높은 이유는 질소를 분해하는 과정이 매우 높은 활성화 에너지를 요구하기 때문이다. 높은 수율(YIELD)을 얻기 위해서 고온, 고압 조건으로 촉매반응을 진행하게 되는데 이 촉매반응과정에서 높은 공정 비용이 발생한다.
이에 비하여, 플라즈마는 질소가 분해 가능한 높은 온도 조건을 형성하기에 매우 용이한 장점을 가지고 있다. 그러나 플라즈마의 적용만 있을 경우도 질소를 분해할 수는 있지만 질소를 암모니아로 전환하기 위한 반응은 유도되지 않는다.
한편, 물을 분해해서 수소를 얻기 위해서 플라즈마를 적용하는 경우, 통상 플라즈마가 제공하는 높은 온도로 물이 분해되어 수소와 산소가 발생된다. 그러나 플라즈마로 물을 분해하는 경우, 생성물에 수소와 산소가 혼재되어 있기 때문에 폭발 위험성이 있고, 이로 인하여, 물 분해시, 분리막이 요구되며, 높은 수소 농도에서의 운전이 곤란한 문제점들이 도출된다.
본 발명의 목적은 방전가스인 질소가스(N2)로 생성되는 플라즈마를 이용하고 물을 원료로 하여 수소(H2)를 생성하는 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 수소(H2)와 함께 생성된 산소(O2)를 제거하기 위해 생성된 산소를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성하고, 합성촉매에서 수소와 일산화질소(NO)로 암모니아를 생성하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치는, 전기적으로 접지되고 내부에 방전공간을 형성하고 끝에 토출구를 구비하는 하우징, 상기 하우징의 일측에 장착되어 고전압에 연결되어 상기 방전공간에 플라즈마 방전을 일으키는 고전압전극, 상기 고전압전극의 일측으로 방전가스인 질소가스(N2)를 공급하는 질소가스 공급구, 및 상기 고전압전극의 전방에서 상기 질소가스 플라즈마에 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부를 포함한다.
상기 물공급부는 물을 분사하는 물분사 노즐로 형성될 수 있다. 상기 물공급부는 스팀을 공급하는 스팀공급구로 형성될 수 있다.
상기 물분사 노즐은 상기 방전공간의 길이 방향의 중간에서 상기 하우징에 설치되어 물을 상기 플라즈마 방전의 플라즈마 아크 도중에 분사할 수 있다.
상기 하우징은 상기 방전공간에서 통로가 좁아진 부분, 및 상기 좁아진 부분에 연결되고 끝에 상기 토출구를 구비하는 연결부를 더 구비하고, 상기 물공급부는 상기 좁아진 부분의 끝에서 상기 연결부에 설치되어 물을 상기 플라즈마 방전의 플라즈마 아크 끝에 공급할 수 있다.
상기 물공급부는 상기 고전압 전극에 형성되어 상기 플라즈마 방전의 플라즈마 아크 외곽으로 물을 공급할 수 있다.
상기 물공급부는 상기 고전압 전극에 형성되어 상기 플라즈마 방전의 플라즈마 아크 전방으로 물을 공급할 수 있다.
상기 토출구는 수축-확장(converging-diverging) 구조의 노즐로 구성되어, 플라즈마, 질소가스 플라즈마에 물을 분사하여 생성된 생성물이 상기 토출구를 통해 배출되면서 냉각될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 방법은, 내부에 방전공간을 형성하고 끝에 토출구를 구비하는 유도결합 유전체 튜브, 상기 유도결합 유전체 튜브의 외주에 구비되어 방전공간에 유도결합플라즈마 방전을 일으키는 방전코일, 상기 유도결합 유전체 튜브의 일측으로 방전가스인 질소가스(N2)를 공급하는 질소가스 공급구, 및 상기 방전공간의 질소가스 유도결합플라즈마에 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부를 포함할 수 있다.
상기 물공급부는 물을 분사하는 물분사 노즐로 형성될 수 있다. 상기 물공급부는 스팀을 공급하는 스팀공급구로 형성될 수 있다.
상기 물공급부는 상기 유도결합 유전체 튜브의 길이 방향 일측에 구비되어, 상기 방전공간의 상기 유도결합플라즈마에 물을 공급할 수 있다.
상기 물공급부는 상기 유도결합 유전체 튜브의 길이 방향에서 상기 방전코일의 전방에 구비되어, 상기 방전공간의 상기 유도결합플라즈마 전방에 물을 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치는, 내부에 방전공간을 형성하고 끝에 토출구를 구비하는 하우징, 상기 하우징의 외부에 구비되어 방전공간에 마이크로 웨이브 플라즈마를 발생시키는 마이크로 웨이브 가이드, 상기 하우징의 일측으로 질소가스(N2)를 공급하는 질소가스 공급구, 및 상기 방전공간의 질소가스 마이크로 웨이브 플라즈마에 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부를 포함한다.
상기 물공급부는 물을 분사하는 물분사 노즐로 형성될 수 있다. 상기 물공급부는 스팀을 공급하는 스팀공급구로 형성될 수 있다.
상기 물공급부는 상기 하우징의 길이 방향 일측에 구비되어, 상기 방전공간의 상기 마이크로 웨이브 플라즈마에 물을 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 방법은, 방전기체인 질소가스(N2)로 플라즈마를 발생하여 상기 플라즈마에서 제공되는 높은 에너지로 물을 수소와 산소로 분해하는 제1단계, 상기 제1단계에서 분해된 산소가 플라즈마 발생 과정에서 생성된 질소(N2)와 반응하여 일산화질소(NO) 또는 이산화질소(NO2)를 생성하는 제2단계, 및 상기 제2단계에서 생성된 일산화질소(NO) 또는 이산화질소(NO2)와 상기 제1단계에서 생성된 수소(H2)를 주 생성물로 하여 배출하는 제3단계를 포함한다.
상기 제1단계는 물분해 과정에서 발생되는 플라즈마 발생온도를 1000~2000K 범위의 웜플라즈마(warm plasma) 형태로 발생시킬 수 있다.
상기 제2단계는 상기 제1단계를 통해서 물분해 과정에서 생성된 모든 산소가 질소와 반응하게 되어, 기상의 생성물을 반응하지 않는 질소(N2), 수소(H2), 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)로 구성할 수 있다.
상기 제3단계는 상기 제2단계 이후 플라즈마가 고온의 반응대로부터 좁아지는 배출구를 통하여 제트 형태로 배출되면서, 상기 제2단계 생성물이 상기 배출구를 통과하는 과정에서 빠르게 온도를 저하시켜 일산화질소(NO)가 이산화질소(NO2)로 산화되는 반응을 억제하여, 일산화질소(NO)의 선택도를 높일 수 있다.
상기 제3단계는 상기 제2단계 이후 플라즈마가 고온의 반응대로부터 좁아지는 배출구에 구비되는 열교환부를 통과하는 과정에서 빠르게 온도를 저하시켜 일산화질소(NO)가 이산화질소(NO2)로 산화되는 반응을 억제하여, 일산화질소(NO)의 선택도를 높일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치는, 플라즈마에 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)를 생성하는 수소 생성부, 및 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 합성하여 암모니아(NH3)를 생성하는 합성촉매부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치는, 상기 수소 생성부와 상기 합성촉매부 사이의 내부공간에 구비되어 상기 수소 생성부에서 배출되는 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 수소(H2)의 배출가스를 냉각하여 상기 합성촉매의 촉매 반응에 적합한 온도로 제어하는 열교환부를 더 포함할 수 있다.
상기 열교환부는 입구로 공급되는 저온의 물로 상기 내부공간의 열을 흡수하여 상기 수소 생성부에 공급하는 물공급부에 출구로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치는, 상기 합성촉매부의 후류(downstream)에 배치되어 합성된 암모니아(NH3)를 회수하는 암모니아 회수부, 및 암모니아 회수부를 경유한 배출가스에서 수소와 질소를 분리하는 가스분리부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법은, 플라즈마에 물을 공급하며 방전기체인 질소가스를 사용하여 질소(N2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 수소(H2)의 배출가스를 배출하는 제10단계, 및 상기 제10단계의 생성물인 질소(N2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 수소(H2)의 배출가스를 배출 합성촉매에 공급하여 암모니아를 합성하고 합성된 암모니아를 배출하는 제20단계를 포함한다.
상기 제10단계는 생성물을 암모니아 합성을 위한 상기 합성촉매에 공급하기 위해, 촉매 반응에 적절한 온도 조건으로 열교환 하는 제11단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제20단계는 암모니아 합성 후 합성된 상온에서 액상인 암모니아(NH3)를 나머지 기체와 분리하여 회수하는 제21단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제20단계는 상기 제21단계에 이어서 나머지 배출가스에서 수소와 질소를 분리하는 제22단계를 더 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예의 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치 및 방법은, 질소가스 공급구로 방전가스인 질소가스(N2)를 공급하여 질소가스 플라즈마 방전을 일으키고, 물공급부로 질소가스 플라즈마에 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고, 생성된 산소(O2)를 제거하기 위하여 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)를 생성케 하면서, 수소(H2)를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예의 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치 및 방법은, 수소 생성부의 질소가스 플라즈마에 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고, 생성된 산소(O2)를 제거하기 위하여 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)를 생성하며, 합성촉매부로 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 합성하여 암모니아(NH3)를 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 수소와 일산화질소 생성 장치에서 전력량 조건에 따른 수소와 산소의 발생량의 관계를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제5실시예에 따른 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 제6실시예에 따른 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치의 구성도이다.
도 9는 본 발명의 제7실시예에 따른 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치의 구성도이다.
도 10은 도 1을 적용한 본 발명의 제1실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치의 구성도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 방법의 순서도이다.
도 12는 본 발명의 제2실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치의 구성도이다.
도 13은 본 발명의 제3실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치의 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 제1실시예의 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치(1)는 하우징(10), 고전압전극(20), 질소가스 공급구(30) 및 물공급부(40)를 포함한다.
하우징(10)은 전기적으로 접지되며, 내부에 방전공간(DV)을 형성하고, 끝에 토출구(11)를 구비한다. 고전압전극(20)은 하우징(10)의 일측에 장착되며, 고전압(HV)에 연결되어 방전공간(DV)에 플라즈마 방전을 일으킨다. 질소가스 공급구(30)는 고전압전극(20)의 일측으로 방전가스인 질소가스(N2)를 공급한다.
물공급부(40)는 물을 분사하는 물분사 노즐로 형성되거나, 스팀을 공급하는 스팀공급구로 형성될 수 있다. 일례로써, 물분사 노즐은 고전압전극(20)의 전방(질소가스 또는 플라즈마 아크(PA)의 흐름 방향에서 앞 부분)에서 질소가스 플라즈마에 물을 분사(WSP1)하여, 고온의 질소가스 플라즈마로 물을 분해하여 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고, 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)를 생성케 하여, 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 토출구(11)로 배출되게 한다.
물공급부(40), 즉 물분사 노즐은 방전공간(DV)의 길이 방향(질소가스 또는 플라즈마 아크(PA)의 흐름 방향)의 중간에서 하우징(10)에 설치되어, 물을 플라즈마 방전의 플라즈마 아크(PA)의 도중에 공급(분사)(WSP1)한다. 따라서 하우징(10)이 접지되므로 물공급부(40), 즉 물분사 노즐에서 공급(분사)(WSP1)되는 물이 접지된다.
질소가스를 방전기체로 하는 플라즈마 방전공간(DV)에 물을 공급하면, 질소가스 플라즈마 발생을 위해 공급한 고전압(HV)의 전력량에 따라 공급(분사)(WSP1)되는 물의 일부 또는 전부가 기화 또는 분해되어 수소(H2)와 산소(O2)를 발생시킨다. 이와 같이, 질소가스 플라즈마의 아크 방전을 이용하여 물을 분해할 수 있다.
H20 → H2 + ½O2
도 2는 도 1의 수소와 일산화질소 생성 장치에서 전력량(power) 조건에 따른 수소와 산소의 발생량(yield)의 관계를 도시한 그래프이다. 도 2를 참조하면, 제1실시예의 수소와 일산화질소 생성 장치(1)는 고전압전극(20)에 인가되는 전력량(power)의 조건과 수소와 산소의 발생량(yield)의 관계를 구현한다.
이때 질소가스 플라즈마 발생을 위하여 고전압전극(20)에 공급되는 전력량(SEI)의 조건에 따라 특정 에너지, 즉 제1전력량(SEI1)까지는 전력량(SEI)이 증가할수록 공급(분사)(WSP1)된 물로부터 분해된 수소와 산소의 생성량이 증가한다. 제1전력량(SEI1) 이상의 전력이 공급되면 질소와 산소의 결합이 증가하면서 질소와 산소의 반응에 의해 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)가 생성된다.
제1전력량(SEI1)에서 제2전력량(SEI2)까지는 전력량(SEI)을 증가할수록 공급(분사)(WSP1)된 물의 분해에서 생성된 산소(O2)가 질소(N2)와 결합하는 양이 증가하면서 배출되는 산소(O2)의 양이 점점 감소하다가 산소(O2)가 모두 소진된다. 이때, 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치(1)는 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 주로 배출하며, 일산화질소(NO)에 비하여 상대적으로 작은 양의 이산화질소(NO2)가 생성되게 할 수도 있다.
이와 같이, 질소가스 플라즈마로 물을 분해할 때, 생성물의 주성분은 수소(H2)와 일산화질소(NO)가 되고, 산소(O2)는 자연스럽게 사라진다. 수소(H2)와 일산화질소(NO)가 주성분인 배출가스는 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치를 구성할 때, 합성촉매(54, 도 10 참조)로 전달되어 합성됨으로써 암모니아를 생성하게 된다.
질소가스 플라즈마에 의해서 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 포함하는 배출가스가 가열되어 배출되므로 촉매합성(54, 도 10 참조)에 필요한 온도로 조절될 수 있다. 즉 질소가스 플라즈마 방전을 통해서 산소(O2)가 없고, 일산화질소(NO)와 수소(H2)를 주성분으로 하는 기체 생성물을 얻을 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 방법의 순서도이다. 도 3을 참조하면, 일 실시예의 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 방법은 제1실시예의 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치(1)를 이용하는 제1단계(ST1), 제2단계(ST2) 및 제3단계(ST3)를 포함한다. 제1단계(ST1)는 방전기체인 질소가스 플라즈마를 발생하여 질소가스 플라즈마에서 제공되는 높은 에너지로 공급된(분사)(WSP1)된 물을 수소와 산소의 2:1 몰비로 분해한다.
제1단계(ST1)는 물분해 과정에서 발생되는 질소가스 플라즈마 발생 시 온도가 과도하게 높아지지 않도록 플라즈마 온도를 1000~2000K 범위의 웜플라즈마(warm plasma) 형태로 발생시킨다.
제2단계(ST2)는 제1단계(ST1)의 물분해 과정에서 생성된 모든 산소(O2)가 질소(N2)와 반응하게 되어, 기상의 생성물을 반응하지 않는 질소(N2), 수소(H2), 질산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)로 구성한다.
제3단계(ST3)는 제2단계(ST2) 이후 플라즈마가 고온의 반응대로부터 좁아지는 배출구(11)를 통하여 제트 형태로 배출되면서 상기 제2단계 생성물이 배출구를 통과하는 과정에서 빠르게 온도를 저하시켜 일산화질소(NO)가 이산화질소(NO2)로 산화되는 반응을 억제하여, 이산화질소(NO2)에 비하여 일산화질소(NO)의 선택도를 높일 수 있다. 즉 질소가스 플라즈마 방전을 통해서 산소(O2) 없이 일산화질소(NO)와 수소(H2)를 주 성분으로 하는 기체 생성물을 얻을 수 있다. 토출구(11)는 수축-확장(converging-diverging) 구조의 노즐로 구성된다. 따라서 플라즈마, 질소가스 플라즈마에 물을 공급(분사)하여 생성된 생성물이 토출구(11)를 통해 배출되면서 냉각될 수 있다.
또한, 제3단계(ST3)는 제2단계(ST2) 이후 플라즈마가 고온의 반응대로부터 좁아지는 배출구(11)에 구비되는 열교환부(도 12의 103 참조)를 통과하는 과정에서 빠르게 온도를 저하시켜 일산화질소(NO)가 이산화질소(NO2)로 산화되는 반응을 억제하여, 일산화질소(NO)의 선택도를 높일 수 있다.
이하 본 발명의 다른 실시예들의 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치에 대하여 설명한다. 다른 실시예들을 제1실시예 및 기 설명된 실시예들과 비교하여 동일한 구성들을 생략하고 서로 다른 구성들에 대하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치의 구성도이다. 도 4를 참조하면, 제2실시예의 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치(2)에서, 하우징(10)은 방전공간(DV)에서 통로가 좁아진 부분(12), 및 좁아진 부분(12)에 연결되고 끝에 토출구(11)를 구비하는 연결부(13)를 더 구비한다.
물공급부(41)는 방전공간(DV)의 전방에서 질소가스 플라즈마에 물을 공급(일례로써 분사)(WSP2)하여, 질소가스 플라즈마로 물을 분해하여 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고, 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)를 생성케 하여, 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 토출구(11)로 배출되게 한다.
물공급부(41)는 좁아진 부분(12)의 끝에 연결부(13)에 설치되어, 물을 플라즈마 방전의 플라즈마 아크(PA) 끝에 공급(일례로써 분사)(WSP2)한다. 따라서 하우징(10)이 접지되므로 물공급부(41)에서 공급(WSP2)되는 물이 접지된다.
물공급부(41)는 제1실시예에서 물공급부(41)로 방전공간(DV)에 물을 공급(분사)(WSP1)하는 구조에 비하여, 통로가 좁은 연결부(13)에서 플라즈마 아크(PA) 끝에 물을 집중적으로 공급(분사)(WSP2)할 수 있다.
질소가스를 방전기체로 하는 플라즈마 방전공간(DV)의 전방에서 공급(분사)(WSP2)되는 물을 공급하면, 플라즈마 발생을 위해 공급한 고전압(HV)의 전력량(SEI)에 따라 물의 일부 또는 전부가 기화 또는 분해되어 수소(H2)와 산소(O2)를 발생시킨다. 좁은 통로의 연결부(13)에 설치되는 물공급부(41)는 연결부(13)의 내부에 물을 보다 집중적으로 공급(분사)(WSP2)하여 분해할 수 있게 한다.
이와 같이, 질소가스 플라즈마의 플라즈마 아크(PA) 방전을 이용하여 공급(분사)(WSP2)된 물을 분해할 수 있다. 이때 질소가스 플라즈마 발생을 위하여 고전압전극(20)에 공급되는 전력량(SEI)의 조건에 따라 물로부터 분해된 수소(H2)와 산소(O2)의 생성량이 변화한다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치의 구성도이다. 도 5를 참조하면, 제3실시예의 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치(3)에서, 물공급부(42)는 고전압전극(320)에 형성되어 질소가스 플라즈마 방전의 플라즈마 아크(PA)의 외곽으로 물을 공급(분사)(WSP3)한다.
물공급부(42)는 고전압전극(320)에서 고전압전극(320)의 전방 및 측방으로 질소가스 플라즈마에 물을 공급(분사)(WSP3)하여, 질소가스 플라즈마로 물을 분해하여 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고, 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)를 생성케 하여, 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 토출구(11)로 배출되게 한다.
물공급부(42)는 고전압전극(320)의 중심에 설치되어 물을 질소가스 플라즈마 방전의 플라즈마 아크(PA) 외곽에 공급(분사)(WSP3)하도록 구성된다. 물공급부(42)는 고전압전극(320)의 중심에서 길이 방향으로 형성되고, 고전압전극(320)의 전방 및 측방을 향하도록 분지되어 복수로 형성될 수 있다.
따라서 물공급부(42)에서 공급(분사)(WSP3)되는 물은 고전압전극(320)의 전방 및 측방을 감싸는 입체 구조를 형성할 수 있다. 이때, 하우징(10)이 접지되므로 물공급부(42)에서 공급(분사)(WSP3)되는 물이 고전압을 띄게 된다.
질소가스를 방전기체로 하는 질소가스 플라즈마의 방전공간(DV)에 물을 공급하면, 질소가스 플라즈마 발생을 위해 공급한 고전압(HV)의 전력량(SEI)에 따라 분사(WSP3)되는 물의 일부 또는 전부가 기화 또는 분해되어 수소(H2)와 산소(O2)를 발생시킨다. 이와 같이, 질소가스 플라즈마의 플라즈마 아크(PA) 방전을 이용하여 물을 분해할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치의 구성도이다. 도 6을 참조하면, 제4실시예의 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치(4)에서, 물공급부(43)는 고전압전극(420)에 형성되어 질소가스 플라즈마 방전의 플라즈마 아크(PA)의 전방으로 물을 공급(분사)(WSP4)한다.
물공급부(43)는 고전압전극(420)에서 고전압전극(420)의 전방으로 질소가스 플라즈마에 물을 공급(분사)(WSP4)하여, 질소가스 플라즈마로 물을 분해하여 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고, 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)를 생성케 하여, 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 토출구(11)로 배출되게 한다.
물공급부(44)는 고전압전극(420)의 중심에 설치되어 물을 질소가스 플라즈마 방전의 플라즈마 아크(PA) 전방에 공급(분사)(WSP4)하도록 구성된다. 물공급부(43)는 고전압전극(420)의 중심에서 길이 방향으로 형성되고, 고전압전극(420)의 전방을 향하도록 형성될 수 있다.
따라서 물공급부(43)에서 공급(분사)(WSP4)되는 물은 고전압전극(420)의 전방으로 뻗는 입체 구조를 형성할 수 있다. 이때, 하우징(10)이 접지되므로 물공급부(43)에서 공급(분사)(WSP4)되는 물이 고전압을 띄게 된다.
질소가스를 방전기체로 하는 질소가스 플라즈마의 방전공간(DV)에 물을 공급하면, 질소가스 플라즈마 발생을 위해 공급한 고전압(HV)의 전력량(SEI)에 따라 공급(분사)(WSP4)되는 물의 일부 또는 전부가 기화 또는 분해되어 수소(H2)와 산소(O2)를 발생시킨다. 이와 같이, 플라즈마 아크(PA) 방전을 이용하여 물을 분해할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제5실시예에 따른 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치의 구성도이다. 도 7을 참조하면, 제5실시예의 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치(5)는 유도결합 유전체 튜브(510), 방전코일(520), 질소가스 공급구(30) 및 물공급부(44)를 포함한다.
물공급부(44)는 물을 분사하는 물분사 노즐로 형성되거나, 스팀을 공급하는 스팀공급구로 형성될 수 있다. 일례로써, 유도결합 유전체 튜브(510)는 내부에 방전공간(DV5)을 형성하고 끝에 토출구(11)를 구비한다. 방전코일(520)은 유도결합 유전체 튜브(510)의 외주에 구비되어 방전공간(DV5)에 유도결합플라즈마 방전을 일으킨다. 질소가스 공급구(30)는 유도결합 유전체 튜브(510)의 일측으로 질소가스(N2)를 공급한다.
물공급부(44)는 방전공간의 질소가스 유도결합플라즈마(ICP)에 물을 공급(분사)(WSP5)하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 토출구(11)로 배출되게 한다.
물공급부(44)는 유도결합 유전체 튜브(510)의 길이 방향(질소가스 및 유도결합플라즈마의 흐름 방향) 일측에 구비되어, 방전공간(DV5)의 유도결합플라즈마(ICP)에 물을 공급(분사)(WSP5)한다.
질소가스를 방전기체로 하는 플라즈마 방전공간(DV5)에 물을 공급하면, 유도결합플라즈마(ICP) 발생을 위해 공급한 전력량(SEI)에 따라 공급(분사)(WSP5)되는 물의 일부 또는 전부가 기화 또는 분해되어 수소(H2)와 산소(O2)를 발생시킨다. 이와 같이, 유도결합플라즈마 방전을 이용하여 물을 분해할 수 있다.
이때 유도결합플라즈마(ICP)의 발생을 위하여 방전코일(520)에 공급되는 전력량(SEI)의 조건에 따라 특정 에너지, 제1전력량(SEI1)까지는 전력량이 증가할수록 공급(분사)(WSP5)된 물로부터 분해된 수소(H2)와 산소(O2)의 생성량이 증가한다. 제1전력량(SEI1) 이상의 전력이 공급되면 질소(N2)와 산소(O2)의 결합이 증가하면서 질소(N2)와 산소(O2)의 반응에 의해 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)가 생성된다.
제1전력량(SEI1)에서 제2전력량(SEI2)까지는 사용되는 전력을 증가할수록 공급(분사)(WSP5)된 물의 분해에서 생성된 산소(O2)가 질소(N2)와 결합하는 양이 증가하면서 배출되는 산소(O2)의 양이 점점 감소하다가 산소(O2)가 모두 소진된다. 이때, 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치(5)는 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 주로 배출하며, 일산화질소(NO)에 비하여 상대적으로 작은 양의 이산화질소(NO2)가 생성되게 할 수도 있다.
이와 같이, 질소가스 유도결합플라즈마(ICP)로 물을 분해할 때, 생성물의 주성분은 수소(H2)와 일산화질소(NO)가 되고 산소는 자연스럽게 사라진다. 수소(H2)와 일산화질소(NO)가 주성분인 배출가스는 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치를 구성할 때, 합성촉매로 전달되어 합성됨으로써 암모니아를 생성하게 된다.
도 8은 본 발명의 제6실시예에 따른 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치의 구성도이다. 도 8을 참조하면, 제6실시예의 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치(6)에서, 물공급부(45)는 유도결합 유전체 튜브(510)의 길이 방향에서 방전코일(520)의 전방에 구비되어, 방전공간(DV5)의 유도결합플라즈마 전방에 물을 공급(분사)(WSP6)한다.
물공급부(45)는 방전공간(DV5)의 전방에서 질소가스 유도결합플라즈마(ICP)에 물을 공급(분사)(WSP6)하여, 질소가스 유도결합플라즈마(ICP)로 물을 분해하여 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고, 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)를 생성케 하여, 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 토출구(11)로 배출되게 한다.
물공급부(45)는 유도결합플라즈마 방전의 유도결합플라즈마(ICP) 끝에 집중적으로 공급(분사)(WSP6)한다. 물공급부(45)는 제5실시예에서 물공급부(44)로 방전공간(DV5)에 물을 공급(분사)(WSP5)하는 구조에 비하여, 전방에서 유도결합플라즈마(ICP) 끝에 물을 집중적으로 공급(분사)(WSP6)할 수 있다.
질소가스를 방전기체로 하는 플라즈마 방전공간(DV5)의 전방에서 공급(분사)(WSP6)되는 물을 공급하면, 유도결합플라즈마(ICP) 발생을 위해 공급한 전력량(SEI)에 따라 물의 일부 또는 전부가 기화 또는 분해되어 수소(H2)와 산소(O2)를 발생시킨다. 전방에 설치되는 물공급부(44)는 유도결합 플라즈마(ICP)에 물을 보다 집중적으로 공급(분사)(WSP6)하여 분해할 수 있게 한다.
이와 같이, 유도결합플라즈마 방전을 이용하여 공급(분사)(WSP6)된 물을 분해할 수 있다. 이때 유도결합플라즈마 발생을 위하여 방전코일(520)에 공급되는 전력량(SEI)의 조건에 따라 물로부터 분해된 수소와 산소의 생성량이 변화한다.
도 9는 본 발명의 제7실시예에 따른 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치의 구성도이다. 도 9를 참조하면, 제7실시예의 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치(7)는 하우징(610), 마이크로 웨이브 가이드(620), 질소가스 공급구(30) 및 물공급부(44)를 포함한다.
하우징(610)은 내부에 방전공간(DV)을 형성하고 끝에 토출구(11)를 구비한다. 마이크로 웨이브 가이드(620)는 하우징(610)의 외부에 구비되어 방전공간(DV)에 마이크로 웨이브 플라즈마(MWP)를 발생시킨다. 질소가스 공급구(30)는 하우징(610)의 일측으로 질소가스(N2)를 공급한다.
물공급부(44)는 물을 분사하는 물분사 노즐로 형성되거나, 스팀을 공급하는 스팀공급구로 형성될 수 있다. 일례로써, 물공급부(44)는 방전공간(DV)의 질소가스 마이크로 웨이브 플라즈마(MWP)에 물을 공급(분사)(WSP7)하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구(11)로 배출되게 한다. 물공급부(44)는 하우징(610)의 길이 방향 일측에 구비되어, 방전공간(DV)의 마이크로 웨이브 플라즈마(MWP)에 물을 공급(분사)(WSP7)한다.
질소가스를 방전기체로 하는 방전공간(DV)에 물을 공급하면, 마이크로 웨이브 플라즈마 발생을 위해 공급한 전력량에 따라 공급(분사)(WSP7)되는 물의 일부 또는 전부가 기화 또는 분해되어 수소(H2)와 산소(O2)를 발생시킨다. 이와 같이, 마이크로 웨이브 플라즈마 방전을 이용하여 물을 분해할 수 있다.
이하에서는 제1실시예 내지 제7실시예의 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치(1 내지 7)를 적용하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치에 대하여 설명한다. 편의상, 제1실시예의 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치(1)를 적용하여 일례로써 암모니아 생성 장치를 설명한다.
도 10은 도 1을 적용한 본 발명의 제1실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치의 구성도이다. 도 10을 참조하면, 제1실시예의 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치(100)는 수소 생성부(101)와 합성촉매부(102)를 포함한다.
수소 생성부(101)는 제1실시예의 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치(1)로 형성되어, 플라즈마에 물을 공급(예, 분사)하는 수방전으로 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)를 생성하도록 구성된다. 일례로써, 수소 생성부(101)의 하우징(10)은 좁아진 부분(12), 연결부(13) 및 연결부(13)의 끝에 구비되는 토출구(11)를 구비한다.
합성촉매부(102)는 수소 생성부(101)에 연결되어 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 합성하여 암모니아(NH3)를 생성하도록 구성된다. 합성촉매부(102)는 수소 생성부(101)의 하우징(10)에 연결되기 위하여, 하우징(10)과 반대 구조로 형성될 수 있다. 일례로써, 합성촉매부(102)는 토출구(11)에 연결되어 통로가 넓어지는 확장부분(52), 확장부분(52)에 연결되는 원통부(53) 및 원통부(53)의 끝에 구비되는 토출구(51)를 포함한다.
합성촉매부(102)는 질소가스를 이용한 물 방전으로 인한 생성물로부터 수소(H2)와 일산화질소(NO)로 암모니아(NH3)를 생성하는 촉매 반응을 사용하여 암모니아(NH3)를 만들 수 있도록 구성된다. 일례로써, 합성촉매부(102)는 원통부(53)에 합성촉매(54)를 내장하는 구조로 형성될 수 있다.
합성촉매(54)가 넓은 원통부(53)에 내장되므로 연결부(13) 및 토출구(11)의 좁은 통로로 공급되는 생성물로부터 수소(H2)와 일산화질소(NO)의 촉매 합성 반응공간을 충분히 확보할 수 있게 한다.
이때, 질소가스를 이용한 물 방전을 이용할 경우, 즉각적으로 방전을 통한 수소(H2) 및 일산화질소(NO)를 얻을 수 있고, 전력량의 공급에 따라 생성량을 유연하게 제어할 수 있다. 이를 통해서 신재생 에너지의 불연속적인 잉여 전기 공급 부하 변동에도 자유롭게 대응하여 수소(H2), 일산화질소(NO) 스트림(stream)을 생성해 낼 수 있다. 이 공정을 사용할 경우, 종래의 하버-보슈법에 근접하는 공정 비용으로 암모니아를 생산할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 방법의 순서도이다. 도 11을 참조하면, 일 실시예의 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 방법은 제10단계(ST10) 및 제20단계(ST20)를 포함한다.
제10단계(ST10)는 수소 생성부(101)에서 플라즈마에 물을 공급하여 플라즈마 수방전을 이용하며, 방전기체인 질소가스를 사용하여 질소(N2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 수소(H2)의 배출가스를 토출구(11)로 배출한다. 배출가스는 수소 생성부(101)에서 합성촉매부(102)로 배출된다.
제10단계(ST10)는 제11단계(ST11)를 더 포함할 수 있다. 제11단계(ST11)는 생성물을 암모니아 합성을 위한 합성촉매부(102)의 합성촉매(54)에 공급하기 위해, 열교환부(103)에서 촉매 반응에 적절한 온도 조건으로 열교환 한다(도 12 참조).
제20단계(ST20)는 합성촉매부(102)에서 플라즈마 수방전의 생성물인 질소(N2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 수소(H2)의 배출가스를 합성촉매부(102)의 배출 합성촉매(54)에 공급하여 암모니아를 합성하고 합성된 암모니아를 토출구(51)로 배출한다.
제20단계(ST20)는 제21단계(ST21) 및 제22단계(ST22)를 더 포함할 수 있다. 제21단계(ST21)는 암모니아 회수부(104)에서 암모니아 합성 후 합성된 상온에서 액상인 암모니아(NH3)를 나머지 기체와 분리하여 회수한다(도 13 참조). 제22단계(ST22)는 가스분리부(105)에서 제21단계(ST21)에 이어서 나머지 배출가스에서 수소와 질소를 분리한다(도 13 참조).
도 12는 본 발명의 제2실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치의 구성도이다. 도 12를 참조하면, 제2실시예의 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치(200)는 열교환부(103)를 더 포함한다.
열교환부(103)는 수소 생성부(101)와 합성촉매부(102) 사이의 내부공간에 구비되어, 수소 생성부(101)에서 배출되는 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 수소(H2)의 배출가스를 냉각하여 합성촉매(54)의 촉매 반응에 적합한 온도로 제어한다.
열교환부(103)는 입구(131)로 공급되는 저온의 물로 내부공간의 열을 흡수하여 수소 생성부(101)에 공급(분사)되는 물공급(40)에 출구(132)로 연결된다. 따라서 입구(131)로 공급되는 저온의 물은 열교환부(103)에서 내부공간의 열을 흡수하여 출구(132)를 통하여 물공급부(40)로 공급되어 방전공간(DV)에 공급(분사)(WSP1)된다.
즉 수소 생성부(101)에서 토출구(11)로 배출되는 배출가스의 플라즈마 열을 이용하여 물을 가열하고, 가열된 물을 토출구(11)로 배출되는 배출가스의 온도로 가열하여, 촉매 반응에 적합하도록 열제어한다.
도 13은 본 발명의 제3실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치의 구성도이다. 도 13을 참조하면, 제3실시예의 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치(300)는 암모니아 회수부(104) 및 가스분리부(105)를 포함한다.
암모니아 회수부(104)는 합성촉매부(102)의 전방, 즉 후류(downstream)에 배치되어 합성된 암모니아(NH3)를 회수하도록 구성된다. 가스분리부(105)는 암모니아 회수부(104)를 경유한 배출가스에서 수소와 질소를 분리하도록 구성된다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7: 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치
10, 610: 하우징 11: 토출구
12: 좁아진 부분 13: 연결부
20, 320, 420: 고전압전극 30: 질소가스 공급구
40, 41, 42, 43, 44, 45: 물공급부(물분사 노즐, 스팀공급구)
52: 확장부분 53: 원통부
54: 합성촉매 101: 수소 생성부
100, 200, 300: 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치
102: 합성촉매부 103: 열교환부
104: 암모니아 회수부 105: 가스분리부
131: 입구 132: 출구
510: 유도결합 유전체 튜브 520: 방전코일
620: 마이크로 웨이브 가이드 DV, DV5: 방전공간
HV: 고전압 ICP: 유도결합플라즈마
MWP: 마이크로 웨이브 플라즈마 PA: 플라즈마 아크
SEI1: 제1전력량 SEI2: 제2전력량
WSP1, WSP2, WSP3: 공급(분사) WSP4, WSP5, WSP6, WSP7: 공급(분사)

Claims (30)

  1. 전기적으로 접지되고 내부에 방전공간을 형성하고 끝에 토출구를 구비하는 하우징;
    상기 하우징의 일측에 장착되어 고전압에 연결되어 상기 방전공간에 플라즈마 방전을 일으키는 고전압전극;
    상기 고전압전극의 일측으로 방전가스인 질소가스(N2)를 공급하는 질소가스 공급구; 및
    상기 고전압전극의 전방에서 상기 질소가스 플라즈마에 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부
    를 포함하는 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 물공급부는
    물을 분사하는 물분사 노즐로 형성되는 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 물공급부는
    스팀을 공급하는 스팀공급구로 형성되는 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 물분사 노즐은
    상기 방전공간의 길이 방향의 중간에서 상기 하우징에 설치되어 물을 상기 플라즈마 방전의 플라즈마 아크 도중에 분사하는
    수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은
    상기 방전공간에서 통로가 좁아진 부분, 및 상기 좁아진 부분에 연결되고 끝에 상기 토출구를 구비하는 연결부를 더 구비하고,
    상기 물공급부는
    상기 좁아진 부분의 끝에서 상기 연결부에 설치되어 물을 상기 플라즈마 방전의 플라즈마 아크 끝에 공급하는
    수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 물공급부는
    상기 고전압 전극에 형성되어 상기 플라즈마 방전의 플라즈마 아크 외곽으로 물을 공급하는
    수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 물공급부는
    상기 고전압 전극에 형성되어 상기 플라즈마 방전의 플라즈마 아크 전방으로 물을 공급하는
    수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 토출구는
    수축-확장(converging-diverging) 구조의 노즐로 구성되어,
    플라즈마, 질소가스 플라즈마에 물을 분사하여 생성된 생성물이 상기 토출구를 통해 배출되면서 냉각되는
    수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치.
  9. 내부에 방전공간을 형성하고 끝에 토출구를 구비하는 유도결합 유전체 튜브;
    상기 유도결합 유전체 튜브의 외주에 구비되어 방전공간에 유도결합플라즈마 방전을 일으키는 방전코일;
    상기 유도결합 유전체 튜브의 일측으로 방전가스인 질소가스(N2)를 공급하는 질소가스 공급구; 및
    상기 방전공간의 질소가스 유도결합플라즈마에 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부
    를 포함하는 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 물공급부는
    물을 분사하는 물분사 노즐로 형성되는 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 물공급부는
    스팀을 공급하는 스팀공급구로 형성되는 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 물공급부는
    상기 유도결합 유전체 튜브의 길이 방향 일측에 구비되어, 상기 방전공간의 상기 유도결합플라즈마에 물을 공급하는
    수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 물공급부는
    상기 유도결합 유전체 튜브의 길이 방향에서 상기 방전코일의 전방에 구비되어, 상기 방전공간의 상기 유도결합플라즈마 전방에 물을 공급하는
    수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치.
  14. 내부에 방전공간을 형성하고 끝에 토출구를 구비하는 하우징;
    상기 하우징의 외부에 구비되어 방전공간에 마이크로 웨이브 플라즈마를 발생시키는 마이크로 웨이브 가이드;
    상기 하우징의 일측으로 방전가스인 질소가스(N2)를 공급하는 질소가스 공급구; 및
    상기 방전공간의 질소가스 마이크로 웨이브 플라즈마에 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부
    를 포함하는 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 물공급부는
    물을 분사하는 물분사 노즐로 형성되는 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 물공급부는
    스팀을 공급하는 스팀공급구로 형성되는 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 물공급부는
    상기 하우징의 길이 방향 일측에 구비되어, 상기 방전공간의 상기 마이크로 웨이브 플라즈마에 물을 공급하는
    수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 장치.
  18. 방전기체인 질소가스(N2)로 플라즈마를 발생하여 상기 플라즈마에서 제공되는 높은 에너지로 물을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하는 제1단계;
    상기 제1단계에서 분해된 산소가 플라즈마 발생 과정에서 생성된 질소(N2)와 반응하여 일산화질소(NO) 또는 이산화질소(NO2)를 생성하는 제2단계; 및
    상기 제2단계에서 생성된 일산화질소(NO) 또는 이산화질소(NO2)와 상기 제1단계에서 생성된 수소(H2)를 주 생성물로 하여 배출하는 제3단계
    를 포함하는 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제1단계는
    물분해 과정에서 발생되는 플라즈마 온도를 1000~2000K 범위의 웜플라즈마(warm plasma) 형태로 발생시키는
    수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제2단계는
    상기 제1단계를 통해서 물분해 과정에서 생성된 모든 산소가 질소와 반응하게 되어, 기상의 생성물을 반응하지 않는 질소(N2), 수소(H2), 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)로 구성하는
    수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제3단계는
    상기 제2단계 이후 플라즈마가 고온의 반응대로부터 좁아지는 배출구를 통하여 제트 형태로 배출되면서,
    상기 제2단계 생성물이 상기 배출구를 통과하는 과정에서 빠르게 온도를 저하시켜 일산화질소(NO)가 이산화질소(NO2)로 산화되는 반응을 억제하여, 일산화질소(NO)의 선택도를 높이는 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 방법.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 제3단계는
    상기 제2단계 이후 플라즈마가 고온의 반응대로부터 좁아지는 배출구에 구비되는 열교환부를 통과하는 과정에서 빠르게 온도를 저하시켜 일산화질소(NO)가 이산화질소(NO2)로 산화되는 반응을 억제하여, 일산화질소(NO)의 선택도를 높이는 수방전을 이용한 수소와 일산화질소 생성 방법.
  23. 플라즈마에 물을 공급하여 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)를 생성하는 수소 생성부; 및
    수소(H2)와 일산화질소(NO)를 합성하여 암모니아(NH3)를 생성하는 합성촉매부
    를 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 수소 생성부와 상기 합성촉매부 사이의 내부공간에 구비되어 상기 수소 생성부에서 배출되는 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 수소(H2)의 배출가스를 냉각하여 상기 합성촉매의 촉매 반응에 적합한 온도로 제어하는 열교환부
    를 더 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 열교환부는
    입구로 공급되는 저온의 물로 상기 내부공간의 열을 흡수하여 상기 수소 생성부에 공급하는 물공급부에 출구로 연결되는
    수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 촉매합성부의 후류(downstream)에 배치되어 합성된 암모니아(NH3)를 회수하는 암모니아 회수부, 및
    암모니아 회수부를 경유한 배출가스에서 수소와 질소를 분리하는 가스분리부
    를 더 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  27. 플라즈마에 물을 공급하며 방전기체인 질소가스를 사용하여 질소(N2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 수소(H2)의 배출가스를 배출하는 제10단계; 및
    상기 제10단계의 생성물인 질소(N2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 수소(H2)의 배출가스를 배출 합성촉매에 공급하여 암모니아를 합성하고 합성된 암모니아를 배출하는 제20단계
    를 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 제10단계는
    생성물을 암모니아 합성을 위한 상기 합성촉매에 공급하기 위해, 촉매 반응에 적절한 온도 조건으로 열교환 하는 제11단계
    를 더 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 제20단계는
    암모니아 합성 후 합성된 상온에서 액상인 암모니아(NH3)를 나머지 기체와 분리하여 회수하는 제21단계
    를 더 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법.
  30. 제29항에 있어서,
    상기 제20단계는
    상기 제21단계에 이어서 나머지 배출가스에서 수소와 질소를 분리하는 제22단계
    를 더 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법.
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