KR20220070790A - 촉매 활성 저하를 해결한 탄화수소 열분해 수소 생산 장치 및 수소 생산 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 촉매 활성 저하를 해결한 탄화수소 열분해 수소 생산 장치 및 수소 생산 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응기 내부의 중앙에 이젝터를 구비하여 가스 분사 노즐을 통해 이젝터로 공급되는 탄화수소 가스와 압력차에 의해 이젝터로 유입되는 반응기 하단의 미반응 탄화수소 및 수소를 혼합하고 예비 가열한 후 온도가 상대적으로 높고 균일한 반응기의 가장자리에 구비된 촉매에서 반응을 시킴으로써 탄화수소의 열분해 반응성이 향상될 뿐만 아니라 탄화수소 가스에 수소가 혼합된 상태에서 촉매에서 열분해가 이뤄지도록 함으로써 촉매의 활성이 저하되는 것을 방지하여 수소의 생산성을 향상시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.

Description

촉매 활성 저하를 해결한 탄화수소 열분해 수소 생산 장치 및 수소 생산 방법{HYDROCARBON PYROLYSIS APPARATUS AND OPERATION METHOD THEREOF}
본 발명은 촉매 활성 저하를 해결한 탄화수소 열분해 수소 생산 장치 및 수소 생산 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응기 내부의 중앙에 이젝터를 구비하여 반응기 하단에서 탄화수소 가스와 함께 고농도의 수소를 이젝터로 유입시키면서 반응을 수행함으로써 탄화수소의 열분해 반응성이 향상될 뿐만 아니라 촉매로 공급되는 수소에 의해 촉매의 활성이 저하되는 것을 방지하여 수소의 생산성을 향상시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.
수소는 화학제품의 원료 및 화학공장의 공정가스로 널리 사용되고 있으며, 최근에는 미래의 에너지기술인 연료 전지의 원료로서 그 수요가 증대되고 있다. 또한, 현재 인류가 당면하고 있는 환경문제 및 화석연료의 가격상승이나 고갈의 문제점을 해결할 수 있는 가장 유력하고 유일한 대안으로 평가되고 있으며, 특히 21세기에는 지구온난화와 대기오염의 대비 및 에너지 안보와 자급 차원에서 수소의 제조, 저장 및 이용에 관한 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있다.
수소는 궁극적으로 재생 가능한 에너지원으로부터 제조되는 것이 이산화탄소도 발생시키지 않고 바람직한 것으로 평가되고 있으나, 현재로서는 석탄이나 천연가스로부터 제조되는 것이 가장 경제적이며 이산화탄소 배출을 상당부분 줄일 수 있다.
탄화수소로부터 수소를 대량으로 생산하는 방법으로는, 천연가스의 수증기 개질법, 탄화수소의 부분산화법 등이 공지되어 있으나, 기존의 방법들은 많은 양의 이산화탄소가 동시에 생성되기 때문에 지구온난화와 같은 환경문제를 유발하는 문제점이 있다.
다른 방법으로는, 연구가 많이 진행되어 노르웨이를 비롯한 일부 국가에서 상업화 단계에 있는 플라즈마 분해법을 들 수 있다. 그러나, 플라즈마 분해법은 전력이 많이 소요되기 때문에 경제성이 없으며, 전력 생산에 이산화탄소의 방출이 불가피하므로 환경적인 문제가 제기될 수 있다.
또 다른 방법으로는, 천연가스, 중질유, 콜타르(coal tar) 등을 고온 열분해하여 카본블랙과 수소를 생산하는 공정을 들 수 있다. 그러나, 이 방법은 1400 ℃ 이상의 매우 높은 반응온도를 필요로 하며, 생성되는 카본의 침적으로 인하여 2개의 반응기를 주기적으로 사용하는 번거로움이 있는 반-연속식 공정이다.
또 다른 방법으로는, 탄화수소의 직접 분해 시 필요로 하는 높은 반응온도를 낮추기 위한 방법으로 금속촉매를 사용하는 촉매분해법을 들 수 있다. 그러나, 촉매분해반응의 과정에서 생성되는 카본이 촉매에 증착되어 촉매의 활성을 저하시키는 문제점이 발생하여, 활성이 저하된 촉매를 재생하기 위하여 고온에서 공기 또는 수증기를 이용하여 촉매를 재생하는 공정이 추가로 요구되며, 이러한 재생과정에서 온실가스인 이산화탄소가 발생하는 문제점이 있다.
또한, 상기와 같은 촉매분해법은 반응기 내부의 온도가 균일하지 못하여 탄화수소의 열분해 반응성이 저하되는 문제점이 있다. 즉, 반응기의 가장자리 부분은 온도가 상대적으로 높고 균일한 반면 반응기의 중심 부분은 복사, 전도 등을 통한 열전달이 상대적으로 어렵기 때문에 반응기의 가장자리에 비해 상대적으로 온도가 낮아 반응기의 중심부분에서는 탄화수소의 열분해 반응의 활성이 낮아지게 되는 문제점이 있다.
한편, 탄화수소 열분해 장치에 관한 종래기술로는 대한민국등록특허 제10-0886148호가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 반응기 내부의 중앙에 이젝터를 구비하여 탄화수소 가스와 함께 수소를 유입시켜 열분해 반응을 수행하게 되므로 촉매의 활성이 저하되는 것을 방지하여 수소의 생산성을 향상시킬 수 있는 촉매 활성 저하를 해결한 탄화수소 열분해 수소 생산 장치 및 수소 생산 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 전술한 과제로 제한되지 아니하며, 언급되지 아니한 또 다른 기술적 과제들은 후술할 내용으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치는 탄화수소 가스를 수소와 탄소로 분해하는 반응기; 및 상기 반응기의 내부에 구비되는 이젝터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 이젝터는 상기 반응기의 내부 중앙에 위치하고, 상기 촉매는 상기 이젝터와 상기 반응기의 내벽 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 수소 생산 장치는, 상기 반응기에서 분해된 수소를 회수하고 미반응 탄화수소를 상기 반응기로 재공급하기 위해 마련되는 순환 배관;을 더 포함하며, 상기 순환 배관은 상기 반응기의 상단에 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 이젝터의 입구는 상기 촉매보다 아래쪽에 위치하고, 상기 이젝터의 출구는 상기 촉매보다 위쪽에 위치하는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치의 수소 생산 방법은 고압의 탄화수소 가스를 이젝터의 챔버에 분사하는 단계; 상기 이젝터 하단으로 고농도의 수소가 유입되어 상기 탄화수소 가스에 혼합되는 단계; 및 상기 이젝터의 확산부를 통해 혼합가스가 상기 반응기의 상단부로 분사된 후 하강하면서 촉매의 존재 하에 분해되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 이젝터를 통과하는 가스는 상기 이젝터 내에서 상승하면서 예비 가열되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 촉매 활성 저하를 해결한 탄화수소 열분해 수소 생산 장치 및 수소 생산 방법은 반응기 내부의 중앙에 이젝터를 구비하여 탄화수소 가스와 반응과정을 통해 생성된 수소를 함께 공급하기 때문에 촉매의 활성이 저하되는 것을 지연시킬 수 있다.
또한 반응기의 이젝터의 외측 둘레의 공간에 촉매가 배치됨으로써 온도가 상대적으로 높고 균일한 반응기의 가장자리 영역에서 열분해 반응이 이루어지게 되어 반응온도의 균일화를 달성할 수 있다.
또한, 촉매를 거치면서 분해되지 않은 미반응 탄화수소를 이젝터를 통해 유입시켜 반응기 내부 상단으로 다시 재순환시켜 반응과정에 투입하기 때문에 미반응 탄화수소가 버려지지 않게되어 경제적이다.
또한, 미반응 탄화수소가 순환배관을 통해 반응기로 재 유입되는 유입구와 이젝터의 확산부를 서로 일정 간격 이격된 상태로 마주보도록 형성함으로써 순환배관을 통해 반응기에 유입되는 미반응 탄화수소 가스가 이젝터의 확산부를 통해 분사되는 혼합 가스에 혼합된 후 촉매로 유동할 수 있도록 하여 반응기 내부 가스의 혼합성 및 유동성을 향상시킬 수 있다.
또한, 탄화수소 가스 공급 배관을 통해 반응기로 공급되는 탄화수소 가스와 연소실에서 배출되는 연소 배기가스를 열교환기를 통해 열교환시켜 탄화수소 가스를 예비 가열함으로써 가스 분사 노즐의 탄화수소 가스 분사속도를 높여 이젝터의 챔버 및 혼합부의 압력을 더욱 낮춤으로써 이젝터 주변과의 압력차를 보다 크게 하여 반응기 하단의 미반응 탄화수소 및 고농도 수소의 재순환 유량을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 촉매의 활성이 저하되는 것을 저지하는 효과가 향상될 뿐만 아니라 보다 많은 미반응 탄화수소가 반응기 내에서 바로 재순환 되어 촉매를 통해 재 반응함으로써 수소의 생산성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치에서 반응기의 내부 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치에서 반응기의 외부 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치의 전체 구성을 도시한 개략도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지되어진 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치에 대하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치에서 반응기의 내부 구조를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치에서 반응기의 외부 구조를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치의 전체 구성을 도시한 개략도이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치는 탄화수소 가스 공급 제어 밸브(100), 탈황장치(120), 압축기(130), 열교환기(140), 반응기(200), 이젝터(240), 탄소회수장치(300), 수소분리기(400), 퍼지밸브(800), 버퍼탱크(500) 및 재순환 블로어(600)를 포함하여 형성되며, 도면에는 도시되지 않았지만 탄화수소 열분해 수소 생산 장치의 전체구성을 제어하기 위한 제어기(미도시)가 별도로 구비된다.
탄화수소 가스 공급 제어 밸브(100)는 탄화수소 가스 공급 배관(110)을 통해 공급되는 탄화수소 가스의 공급 및 차단을 제어한다.
탈황장치(120)는 공급되는 탄화수소 가스에 포함된 황을 제거하기 위해 마련된다.
압축기(130)는 탄화수소 가스를 고압으로 압축시키기 위해 마련된다.
열교환기(140)는 탄화수소 가스 공급 배관(110)을 통해 유입된 탄화수소 가스와 연소 배기 가스 유입 배관(141)을 통해 연소실(210)로부터 열교환기(140)로 유입된 연소 배기 가스를 서로 열교환시켜 탄화수소 가스를 예열하는 역할을 하며, 열교환을 마친 연소 배기 가스는 연소 배기 가스 배출 배관(142)을 통해 배출된다.
상기와 같이 열교환기(140)를 통해 탄화수소 가스를 예열하여 가스의 온도를 높인 후 가스 분사 노즐(150)로 공급함으로써 가스 분사 노즐(150)의 가스 분사 속도도 높일 수 있다.
즉, 상기와 같이 본 발명에서는 압축기(130)와 열교환기(140)를 통해 탄화수소 가스를 압축하고 예열하여 고온 고압의 탄화수소 가스를 가스 분사 노즐(150)로 공급함으로써 가스 분사 노즐(150)의 가스 분사 속도를 높일 수 있으며, 열교환기(140)를 통해 탄화수소 가스의 온도가 상승함에 따라 가스 분사 노즐(150) 내부의 온도가 상승하게 되고, 이에 따라 노즐의 음속이 증가(노즐의 음속 a =
Figure pat00001
RT,
Figure pat00002
: 비열비, R : 가스 상수, T : 절대 온도, 즉 노즐의 음속 a는 노즐 내부의 절대 온도 T에 비례하여 상승함하게 되며, 가스 분사 노즐(150)의 끝단에서의 가스 분사 속도는 음속과 동일한 속도가 되기 때문에 열교환기(140)를 통해 탄화수소 가스를 예열함으로써 가스 분사 노즐(150)의 분사 속도를 최대로 높일 수 있는 것(노즐의 유체 분사 속도는 음속을 넘어설 수 없음)이다.
반응기(200)는 탄화수소 가스를 기체상태의 수소와 고체 상태의 탄소로 분해하기 위해 마련되며, 반응기(200)의 내부 온도를 반응 온도로 높이기 위한 연소실(210)과 전기히터(220)가 반응기(200)의 외측 둘레를 감싸도록 형성되고, 반응기(200)의 내측 가장자리에는 담지체에 담지된 촉매(250)가 구비된다. 이에 따라 반응기(200)로 공급된 탄화수소 가스는 촉매(250)의 존재 하에 흡열반응을 통하여 기체상태의 수소와 고체 상태의 탄소로 분해된다. 이때, 본 발명에서는 필요에 따라 반응기(200)에 연소실(210) 또는 전기히터(220)를 선택적으로 설치하는 것도 가능하다.
담지체는 다수의 촉매(250)를 담지할 수 있도록 높은 다공성을 가지고 조건에 따라 촉매(250)에 증착한 고체 상태의 탄소가 중력과 유동에 의해 아래로 떨어질 수 있도록 설계되며, 촉매(250)는 니켈, 철, 탄소, 백금족 금속(PGM) 등의 불균일 촉매가 사용된다.
또한, 탄화수소 가스는 메탄, 프로판, 부탄, 액화석유가스(LPG ; Liquified Petroleum Gas), 액화천연가스(LNG ; Liquified Natural Gas), 메탄올, 에탄올 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.
또한, 연소실(210)에는 공기 주입 배관(211)을 통해 연소에 필요한 공기가 공급되며 공기 주입 배관(211)에는 오리피스(212)가 구비되어 연소실(210)로 공급되는 공기의 유량을 조절하고, 연소실(210)에서 생성된 연소 배기 가스는 연소 배기 가스 유입 배관(141)을 통해 열교환기(140)로 유입되어 탄화수소 가스를 예열한 후 연소 배기 가스 배출 배관(142)을 통해 배출된다.
한편, 반응기(200)의 내부 중심부에는 이젝터(240)가 구비된다. 이러한 이젝터(240)는 가스 분사 노즐(150)을 통해 분사된 탄화수소 가스가 유입되는 챔버(241)와 내경이 급격히 감소되는 혼합부(242)와 내경이 급격히 증가하는 확산부(243)로 구성된다.
상기와 같이 구성된 이젝터(240)에 의해 가스 분사 노즐(150)에서 고속으로 분사된 탄화수소 가스가 이젝터(240)의 챔버(241)를 거쳐 내경이 급격히 감소하는 혼합부(242)로 이동하면서 속도가 급격히 증가함에 따라 압력이 급격하게 감소하면서 이젝터(240)의 챔버(241) 및 혼합부(242)의 압력을 급격하게 감소시키게 된다. 이에 따라 이젝터(240)의 챔버(241) 및 혼합부(242)와 챔버(241) 주변(반응기(200)의 하단부) 사이에 큰 압력차가 발생하게 되면서 반응기(200)의 하단에 존재하는 미반응 탄화수소 및 반응과정을 통해 생성된 수소가 이젝터(240)의 챔버(241)로 유입되어 공급된 탄화수소 가스와 혼합되어 혼합가스를 형성한다. 이후, 혼합가스는 이젝터(240)의 확산부(243)를 거쳐 반응기(200)의 상단부로 상승한 후 이젝터(240)의 외측 둘레 공간을 따라 다시 하강하면서 촉매(250)의 존재 하에 열분해 반응이 이루어진 후 반응기(200)의 하단으로 이동하게 된다.
이에 따라, "이젝터(240)로 공급되는 탄화수소 가스와 압력차에 의해 이젝터(240)로 유입되는 반응기(200) 하단의 미반응 탄화수소 및 수소"는 서로 혼합된 후 이젝터(240)의 내부를 이동하면서 예비 가열되어 온도가 높아지고 반응기(200)의 중앙에 위치하는 이젝터(240) 외측의 둘레 공간에 배치된 촉매(250)에서 열분해 반응을 함으로써 반응 온도의 균일화를 얻을 수 있고 따라서 탄화수소의 열분해 반응성을 향상시켜 수소의 생산성을 높일 수 있다.
또한, 촉매(250)를 거치면서 분해되지 않은 미반응 탄화수소가 다시 이젝터(240)로 유입된 후 반응기(200)의 촉매로 재순환됨으로써 미반응 탄화수소를 다시 반응에 참여시켜 열분해시킬 수 있다.
또한, 반응기(200) 하단에서 반응과정을 통해 생성된 고농도의 수소를 이젝터(240)를 통해 재유입시켜 탄화수소 가스와 혼합된 상태에서 촉매(250)로 공급함으로써 촉매(250)의 활성이 저하되는 것을 방지하거나 지연시킬 수 있다. 반응기(200)의 촉매(250)에 공급되는 탄화수소 가스에 수소를 첨가할 경우 수소가 촉매(250)의 안정성을 향상시켜 촉매(250)의 열화를 지연시키는 것은 아래 논문에서 확인되고 있는 공지의 사실이다. (논문 참조 : Jiaofei Wang, Lijun Jin, Yang Li, Mingyi Wang, Haoquan Hu, "Effect of hydrogen additive on methane decomposition to hydrogen and carbon over activated carbon catalyst", International Journal of Hydrogen Energy, Volume 43, Issue 37, 13 September 2018, Pages 17611-17619)
한편, 본 실시예에서는 가스 분사 노즐(150)이 이젝터(240)와는 별도로 형성된 것으로 기재하였으나, 가스 분사 노즐(150)을 이젝터(240)에 일체로 형성하는 것도 가능하다.
본 발명에서는 상술한 바와 같이 압축기(130)와 열교환기(140)를 통해 예열된 고압의 탄화수소 가스를 가스 분사 노즐(150)로 공급해주어 가스의 분사 속도를 최대한 증가시킴에 따라 분사된 탄화수소 가스가 이젝터(240)의 혼합부(242)에서 속도가 더욱 급격하게 상승하면서 챔버(241) 및 혼합부(242)의 압력을 더 크게 떨어뜨리게 되고, 이로 인해 이젝터(240)의 챔버(241) 및 혼합부(242)와 챔버(241) 주변(반응기(200)의 하단부)의 압력차가 더욱 커지게 되어 반응기(200) 하단의 미반응 탄화수소가 이젝터(240)의 챔버(241)로 더욱 많이 유입되어 재순환 유량이 증가된다. 이에 따라, 보다 많은 미반응 탄화수소가 반응기(200) 내에서 바로 재순환 되어 촉매(250)를 통해 재 반응함으로써 수소의 생산성을 향상시킬 수 있다.
탄소회수장치(300)는 촉매(250)에 증착된 고체 상태의 탄소가 하강하면 이를 회수하여 외부로 배출하기 위해 마련되며, 내측에는 탄소필터(미도시)가 구비된다.
수소분리기(400)는 수소와 미반응 탄화수소가 혼합된 혼합 가스에서 수소를 분리하여 수소 배출 배관(410)을 통해 외부로 배출하는 역할을 한다.
퍼지밸브(800)는 일정 주기로 개방되어 수소분리기(400)를 거치면서 수소가 분리되고 남은 미반응 탄화수소를 연소가스 유입 배관(810)을 통해 연소실(210)로 유입시키는 역할을 하며, 이에 따라 퍼지밸브(800)에 의해 연소실(210)에 열원이 주기적으로 공급된다.
버퍼 탱크(500)는 순환 배관(610)을 통해 반응기(200)로 재순환 되는 미반응 탄화수소의 압력을 일정하게 유지하는 역할을 한다.
재순환 블로어(600)는 미반응 탄화수소를 순환 배관(610)을 통해 반응기(200)로 재순환 시키는 역할을 한다. 이때, 본 발명에서는 미반응 탄화수소가 순환 배관(610)을 통해 반응기(200)로 유입되는 유입구(611)와 이젝터(240)의 확산부(243)를 서로 일정 간격 이격된 상태로 마주보도록 형성함으로써 순환 배관(610)을 통해 반응기(200)에 유입되는 미반응 탄화수소가 이젝터(240)의 확산부(243)를 통해 분사되는 혼합 가스에 혼합된 후 촉매(250)로 유동할 수 있도록 하여 반응기 내부 가스의 혼합성 및 유동성을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명에서는 필요에 따라 질소 퍼지를 위한 질소가스 공급부(700), 유량제어기(720) 및 질소가스 공급 배관(710)을 필요에 따라 선택적으로 설치하는 것도 가능하다.
이하에서는 상기와 같은 구성의 본 발명에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치의 수소 생산 방법에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.
탄화수소 가스 공급 제어 밸브(100)에 의해 탄화수소 가스 공급 배관(110)에 공급된 탄화수소 가스는 탈황장치(120)를 거치면서 황이 제거되고, 압축기(130)와 열교환기(140)를 통해 압축되고 예열되어 고온 고압의 상태로 가스 분사 노즐(150)을 통해 이젝터(240)의 챔버(241)에 분사된다.
이젝터(240)의 챔버(241)에 분사된 탄화수소 가스는 내경이 급격히 감소하는 혼합부(242)로 이동하면서 속도가 급격히 증가함에 따라 압력이 급격하게 감소하면서 이젝터(240)의 챔버(241) 및 혼합부(242)의 압력을 급격하게 감소시키게 된다. 이에 따라 이젝터(240)의 챔버(241) 및 혼합부(242)와 챔버(241) 주변(반응기(200)의 하단부) 사이에 큰 압력차가 발생하게 되면서 반응기(200)의 하단에 존재하는 미반응 탄화수소 및 열반응과정에서 생성된 수소가 압력차에 의해 이젝터(240)의 챔버(241)로 유입되어 탄화수소 가스에 혼합된다.
이후, 혼합가스가 확산부(243)로 유입되면서 속도가 급격히 하강하고 압력이 급격히 높아지면서 반응기(200)의 상단부로 분사된 후 하강하면서 촉매(250)의 존재 하에 흡열반응을 통해 분해되어 반응기(200)의 하단으로 이동하게 된다.
상기와 같이 본 발명에서는 이젝터(240)로 공급되는 탄화수소 가스와 압력차에 의해 이젝터(240)로 유입되는 반응기(200) 하단의 미반응 탄화수소 및 고농도의 수소가 서로 혼합된 후 상승하면서 예비 가열된 상태에서 온도가 상대적으로 높고 균일한 반응기(200)의 가장자리에 구비된 촉매(250)에서 열분해 반응을 함으로써 탄화수소의 열분해 반응성을 향상시켜 수소의 생산성을 높일 수 있다. 즉, 본 발명에서는 탄화수소 가스가 반응기(200)에 공급되면서 바로 촉매(250)와 반응하지 않고 이젝터(240)를 통해 반응기(200)의 상단으로 이동한 후 다시 하강하면서 촉매(250)와 반응하기 때문에 촉매(250)와 반응하기 전에 이젝터(240)의 내측에서 상승하면서 예비 가열이 이루어진 후 촉매(250)와 반응하게 되는 것이다.
또한, 촉매(250)를 거치면서 분해되지 않은 미반응 탄화수소를 이젝터(240)를 통해 유입시켜 반응기(200) 내부 상단으로 다시 재순환시킴으로써 미반응 탄화수소가 반응기(200) 내에서 바로 재순환 되어 촉매(250)를 통해 분해될 수 있다.
또한, 반응과정을 통해 생성된 수소가 반응기(200)의 하부에서 이젝터(240)를 통해 유입되어 탄화수소 가스와 혼합된 상태에서 촉매(250)로 공급되므로 촉매(250)의 활성이 저하되는 것을 지연시킬 수 있다.
이때, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 압축기(130)와 열교환기(140)를 통해 고온 고압의 탄화수소 가스를 가스 분사 노즐(150)로 공급하여 가스 분사 노즐(150)의 분사 속도를 최대치로 상승시킴에 따라 분사된 탄화수소 가스가 이젝터(240)의 혼합부(242)에서 속도가 더욱 급격하게 상승하면서 챔버(241) 및 혼합부(242)의 압력을 더 크게 떨어드리게 되고, 이로 인해 이젝터(240)의 챔버(241) 및 혼합부(242)와 챔버(241) 주변(반응기(200)의 하단부)의 압력차가 더욱 커지게 되어 반응기(200) 하단의 미반응 탄화수소 및 고농도의 수소가 이젝터(240)의 챔버(241)로 더욱 많이 유입되어 재순환 유량이 증가하게 된다. 이에 따라, 재순환 유량이 증가됨에 따라 촉매(250)의 활성이 저하되는 것을 저지하는 효과가 향상될 뿐만 아니라 보다 많은 미반응 탄화수소가 반응기(200) 내에서 바로 재순환 되어 촉매(250)를 통해 재 반응함으로써 수소의 생산성을 향상시킬 수 있다.
한편, 촉매(250)에 의해 분해되어 반응기(200)의 하단으로 이동한 미반응 탄화수소와 수소 중 일부는 다시 이젝터(240)에 유입되어 반응기(200) 내부에서 재순환하고 나머지는 고체 상태의 탄소와 함께 순환 배관(610)을 통해 유동하여 고체 상태의 탄소는 탄소회수장치(300)로 회수되고 수소와 미반응 탄화수소가 혼합된 혼합 기체는 탄소회수장치(300)을 통과하여 수소분리기(400)로 유입된다.
수소분리기(400)에서 수소가 분리되어 수소 배출 배관(410)을 통해 배출되고 미반응 탄화수소는 버퍼탱크(500) 및 재순환 블로어(600)에 의해 순환 배관(610)을 거쳐 다시 반응기(200)로 공급된다.
반응기(200) 상단의 유입구(611)를 통해 유입된 미반응 탄화수소는 이젝터(240)의 확산부(243)를 통해 토출되는 혼합 가스에 혼합된 후 촉매(250)를 거쳐 반응기(200)의 하단으로 유동한다.
이상과 같은 본 발명에 따른 촉매 활성 저하를 해결한 탄화수소 열분해 수소 생산 장치 및 수소 생산 방법은 반응기 내부의 중앙에 이젝터를 구비하여 이젝터로 유입되는 반응기 하단의 미반응 탄화수소 및 수소를 혼합하고 예비 가열한 후 온도가 상대적으로 높고 균일한 반응기의 가장자리에 구비된 촉매에서 열분해 반응을 시킴으로써 탄화수소의 열분해 반응성을 향상시켜 수소의 생산성을 높일 수 있다.
또한, 촉매를 거치면서 분해되지 않은 미반응 탄화수소를 이젝터를 통해 유입시켜 반응기 내부 상단으로 다시 재순환시킴으로써 미반응 탄화수소가 반응기 내에서 바로 재순환 되어 촉매를 통해 분해될 수 있다.
또한, 반응기 하단에 이미 존재하고 있는 높은 농도의 수소가 이젝터를 통해 유입되어 반응부에 공급됨으로써 촉매의 활성이 저하되는 것을 방지하거나 지연시킬 수 있다.
또한, 미반응 탄화수소가 순환배관을 통해 반응기로 재 유입되는 유입구와 이젝터의 확산부를 서로 일정 간격 이격된 상태로 마주보도록 형성함으로써 순환배관을 통해 반응기에 유입되는 미반응 탄화수소 가스가 이젝터의 확산부를 통해 분사되는 혼합 가스에 혼합된 후 촉매로 유동할 수 있도록 하여 반응기 내부 가스의 혼합성 및 유동성을 향상시킬 수 있다.
또한, 탄화수소 가스 공급 배관을 통해 반응기로 공급되는 탄화수소 가스와 연소실에서 배출되는 연소 배기가스를 열교환기를 통해 열교환시켜 탄화수소 가스를 예비 가열함으로써 수소 생산 효율이 향상되고, 반응기 하단의 수소를 이젝터를 통해 재순환시켜 촉매로 공급함으로써 촉매의 활성이 저하되는 것을 방지하거나 지연시키는 효과가 있으며, 미반응 탄화수소가 반응기 내에서 바로 재순환 되어 촉매를 통해 재 반응함으로써 수소의 생산성을 향상시킬 수 있다.
위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어져야 할 것이다.
100 : 탄화수소 가스 공급 제어 밸브
110 : 탄화수소 가스 공급 배관
120 : 탈황장치
130 : 압축기
140 : 열교환기
141 : 연소 배기 가스 유입 배관
142 : 연소 배기 가스 배출 배관
150 : 가스 분사 노즐
200 : 반응기
210 : 연소실
211 : 공기 주입 배관
212 : 오리피스
220 : 전기히터
240 : 이젝터
241 : 챔버
242 : 혼합부
243 : 확산부
250 : 촉매
300 : 탄소 회수 장치
400 : 수소분리기
410 : 수소 배출 배관
500 : 버퍼탱크
600 : 재순환 블로어
610 : 순환배관
611 : 유입구
700 : 질소가스 공급부
710 : 질소가스 공급 배관
720 : 유량제어기
800 : 퍼지 밸브
810 : 연소가스 유입 배관

Claims (6)

  1. 탄화수소 가스를 수소와 탄소로 분해하는 반응기; 및
    상기 반응기의 내부에 구비되는 이젝터;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해 수소 생산 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 이젝터는 상기 반응기의 내부 중앙에 위치하고,
    상기 촉매는 상기 이젝터와 상기 반응기의 내벽 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해 수소 생산 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수소 생산 장치는,
    상기 반응기에서 분해된 수소를 회수하고 미반응 탄화수소를 상기 반응기로 재공급하기 위해 마련되는 순환 배관;을 더 포함하며,
    상기 순환 배관은 상기 반응기의 상단에 연결되는 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해 수소 생산 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이젝터의 입구는 상기 촉매보다 아래쪽에 위치하고, 상기 이젝터의 출구는 상기 촉매보다 위쪽에 위치하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해 수소 생산 장치.
  5. 고압의 탄화수소 가스를 이젝터의 챔버에 분사하는 단계;
    상기 이젝터 하단으로 고농도의 수소가 유입되어 상기 탄화수소 가스에 혼합되는 단계; 및
    상기 이젝터의 확산부를 통해 혼합가스가 상기 반응기의 상단부로 분사된 후 하강하면서 촉매의 존재 하에 분해되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해 수소 생산 장치의 수소 생산 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 이젝터를 통과하는 가스는 상기 이젝터 내에서 상승하면서 예비 가열되는 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해 수소 생산 장치의 수소 생산 방법.
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