KR20230088936A - Appratus for extracting hydrogen using steam - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예에 따른 고온 증기를 이용한 수소 추출 장치는, 탄소를 갖는 연료로부터 수소를 추출하기 위한 장치로서, 상기 연료를 고온 증기를 이용하여 개질시키는 용융 수단과, 상기 용융 수단에 의한 연료의 가열 후에 발생하는 수소 및 이산화탄소가 포함된 배출 가스를 냉각시켜 폐열회수가 이루어지도록 하는 열회수 수단과, 상기 열회수 수단에 의해 냉각된 후 이동하는 가스에 대해서 팔라듐 코팅 분리막을 이용하여 수소만을 추출하여 추출된 수소를 -273℃ 이하 냉각과정에 의해 액화된 수소를 저장하는 수단과, 수소 추출 후 남은 이산화탄소 먼지는 백필터를 통해 먼지는 포집되고 통과한 이산화탄소는 31.5℃ 이하로 냉각 후 압축하여 액상으로 저장보관하는 시설을 포함한다. An apparatus for extracting hydrogen using high-temperature steam according to an embodiment of the present invention is an apparatus for extracting hydrogen from a fuel having carbon, comprising: a melting means for reforming the fuel by using high-temperature steam; A heat recovery means that cools the exhaust gas containing hydrogen and carbon dioxide generated after heating to recover waste heat, and extracts only hydrogen using a palladium-coated separator for the gas that moves after being cooled by the heat recovery means. A means for storing liquefied hydrogen by cooling hydrogen below -273℃, and the remaining carbon dioxide dust after hydrogen extraction is collected through a bag filter, and the passed carbon dioxide is cooled to below 31.5℃ and compressed to be stored in liquid form. including facilities that
Description
본 발명은 고온의 순수증기를 이용하여 가연성연료(폐기물)를 개질시켜 수소와 이산화탄소로 분리 및 추출할 수 있는 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an apparatus capable of separating and extracting hydrogen and carbon dioxide by reforming combustible fuel (waste) using high-temperature pure steam.
산업용으로 수소를 생산하는 대표적인 방법으로는 석유 부산물 및 나프타분해공정을 들 수 있다. 나프타 분해공정(NCC : NAPHTHA CRACKING CENTER)은 일반적으로 석유화학의 기초원료인 에틸렌(C2H4)과 프로필렌(C2C3H6)을 생산하는 공정이나, 수소 생산을 위해 연결 공정으로 접목한 것이다. 그러나, 위 공정은 수소 생산을 위한 에너지 소비가 높을 뿐만 아니라 단위 공정으로써 수소만을 필요로 하는 산업에 접목하기가 어려운 실정이다. 또한, 차량 등의 운송 수단을 이용함으로 인해 상당량의 추가 비용을 증가시키는 요인이 된다.Representative methods for producing hydrogen for industrial use include petroleum by-products and naphtha cracking processes. The naphtha cracking center (NCC: NAPHTHA CRACKING CENTER) is a process that produces ethylene (C 2 H 4 ) and propylene (C 2 C 3 H 6 ), which are generally basic raw materials for petrochemicals, but is grafted into a connected process for hydrogen production. it did However, the above process is difficult to apply to industries that require only hydrogen as a unit process as well as high energy consumption for hydrogen production. In addition, due to the use of transportation means such as vehicles, it becomes a factor that increases a considerable amount of additional cost.
한편, 열화학 기상증착식 탄소나노튜브 생산 방식에서는 많은 양의 수소를 필요로 하고 수소에 함유된 불순물에 의해 생산되는 탄소나노튜브의 품질이 저하되는 문제점도 가지고 있었다. 따라서, 현장에서 고순도의 수소를 생산하여 곧바로 생산설비에 공급할 수 있는 On-Site시스템 적용이 생산력을 갖추는데 있어서 필요하다. 기타의 방법으로는 탄화수소와 물을 촉매분해하거나, 물을 전기분해 하는 등 여러방법이 시도되고 있으나, 아직 기술적으로 연구 수준에 있다.On the other hand, the thermal chemical vapor deposition type carbon nanotube production method requires a large amount of hydrogen and has a problem in that the quality of the produced carbon nanotubes is deteriorated due to impurities contained in the hydrogen. Therefore, it is necessary to apply the On-Site system that can produce high-purity hydrogen on site and supply it directly to production facilities in order to have productivity. As other methods, various methods such as catalytic decomposition of hydrocarbons and water or electrolysis of water have been tried, but they are still at the technical level of research.
본 발명은 수증기 온도를 폐기물의 개질화가 가능할 정도로 고온으로 올릴 수 있는 증기 발생 수단을 이용하여 폐기물을 개질화시키고, 그로부터 수소와 이산화탄소를 분리하여 추출할 수 있는 장치를 제안하고자 한다. The present invention is to propose a device capable of reforming waste by using a steam generator capable of raising the temperature of water vapor to a high enough temperature to allow reforming of waste, and separating and extracting hydrogen and carbon dioxide therefrom.
본 발명의 실시예에 따른 고온 증기를 이용한 수소 추출 장치는, 탄소를 갖는 연료로부터 수소를 추출하기 위한 장치로서, 상기 연료를 고온 증기를 이용하여 개질시키는 용융 수단과, 상기 용융 수단에 의한 연료의 가열 후에 발생하는 수소 및 이산화탄소가 포함된 배출 가스를 냉각시켜 열회수가 이루어지도록 하는 열회수 수단과, 상기 열회수 수단에 의해 냉각된 후 이동하는 가스에 대해서 팔라듐 코팅 분리막을 이용하여 수소와 이산화탄소를 분리하는 수소 추출수단과, 상기 수소 추출수단에 의해 추출 후 압축된 수소를 저장하는 수소 저장수단을 포함한다. An apparatus for extracting hydrogen using high-temperature steam according to an embodiment of the present invention is an apparatus for extracting hydrogen from a fuel having carbon, comprising: a melting means for reforming the fuel by using high-temperature steam; Hydrogen and carbon dioxide are separated by using a heat recovery unit that cools the exhaust gas containing hydrogen and carbon dioxide generated after heating so that heat recovery is performed, and a palladium-coated separator for the moving gas after being cooled by the heat recovery unit. It includes an extraction means, and a hydrogen storage means for storing compressed hydrogen after extraction by the hydrogen extraction means.
그리고, 상기 수소 추출수단에서 수소 추출이 이루어진 뒤 액화된 이산화탄소로부터 먼지를 제거한 다음 보관하는 이산화탄소 포집수단을 더 포함한다. And, it further includes a carbon dioxide collecting means for storing after removing dust from the liquefied carbon dioxide after the hydrogen extraction is performed in the hydrogen extracting means.
그리고, 상기 용융 수단은, 상기 연료가 저장되는 연료통과, 상기 연료통에 저장된 연료를 이동시키기 위한 정량 공급 스크류와, 상기 정량 공급 스크류를 통하여 정량 이동되는 연료를 전달받아 하강 이송시키는 열분해실 스크류와, 상기 열분해실 스크류의 단부에 연결되어 상기 연료의 개질화 후 남게되는 잔여물을 하강 이동시키는 재이송 스크류와, 상기 열분해실 스크류를 감싸는 형상의 원통으로 형성되면서 복수개의 홀이 형성되어 있는 다공 원통과, 상기 다공 원통을 감싸는 형상으로 이루어지면서 상기 다공 원통 외주면으로부터 소정 거리 이격되도록 형성된 열분해실 원통과, 상기 다공 원통과 열분해실 원통 사이로 증기가 공급되도록 하는 제 1 고온증기 공급관을 포함한다. Further, the melting means includes a fuel tank for storing the fuel, a fixed-rate supply screw for moving the fuel stored in the fuel tank, and a pyrolysis chamber screw for receiving and descending the fuel transferred through the fixed-rate supply screw; A re-transfer screw connected to the end of the pyrolysis chamber screw and lowering the residue remaining after reforming the fuel, a porous cylinder having a plurality of holes formed as a cylinder surrounding the pyrolysis chamber screw, and , A thermal decomposition chamber cylinder formed in a shape surrounding the porous cylinder and spaced apart from the outer circumferential surface of the porous cylinder by a predetermined distance, and a first high-temperature steam supply pipe for supplying steam between the porous cylinder and the thermal decomposition chamber cylinder.
그리고, 상기 열분해실 원통의 일부를 감싸는 형상으로 이루어지는 제 1 외통과, 상기 제 1 외통의 일부를 감싸는 형상으로 이루어진 제 2 외통과, 상기 제 1 외통과 제 2 외통 사이의 공간으로 증기가 공급되도록 연결된 제 2 고온증기 공급관과, 상기 열분해실 스크류와 재이송 스크류 사이에는 상기 연료 중 개질후 남게되는 잔여 연료를 거르기 위한 가스재 분리망과, 상기 가스재 분리망을 통과하여 하측으로 이동한 재를 포집하기 위한 재통을 더 포함한다.In addition, steam is supplied to a first outer cylinder having a shape surrounding a part of the cylinder of the thermal decomposition chamber, a second outer cylinder having a shape surrounding a part of the first outer cylinder, and a space between the first outer cylinder and the second outer cylinder. Between the connected second high-temperature steam supply pipe, the pyrolysis chamber screw and the retransfer screw, a gas ash separation network for filtering residual fuel remaining after reforming of the fuel, and ash moving downward through the gas ash separation network It further includes an ashes for collection.
그리고, 상기 수소 추출수단은, 원통 형상의 팔라듐 코팅 분리막과, 상기 팔라듐 코팅 분리막을 둘러싸는 형상의 원통으로 이루어진 수소 추출 외통을 포함하고, 상기 열회수 수단에 의해 냉각된 후 이동하는 가스는 상기 팔라듐 코팅 분리막과 수소 추출 외통 사이의 공간으로 이동하도록 구성된다. The hydrogen extraction means includes a cylindrical palladium-coated separator and a hydrogen extraction outer cylinder formed of a cylinder surrounding the palladium-coated separator, and the gas that moves after being cooled by the heat recovery means is coated with the palladium. It is configured to move to the space between the separation membrane and the hydrogen extraction outer cylinder.
제안되는 바와 같은 수소 추출 장치에 의해서, 탄소가 포함된 연료(폐기물)에 대해서 고온 증기를 이용한 개질화가 이루어지도록 하여 환경 오염의 문제가 없으며, 수소와 이산화탄소를 효율적이면서도 낮은 비용으로 분리/추출해낼 수 있는 장점이 있다. With the proposed hydrogen extraction device, there is no problem of environmental pollution by reforming carbon-containing fuel (waste) using high-temperature steam, and hydrogen and carbon dioxide can be separated/extracted efficiently and at low cost There are advantages to being
도 1과 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수소 추출 장치의 전체 구성을 보여주는 도면이다.
도 3과 도 4는 본 실시예의 수소 추출 장치를 구성하는 고온 증기 생성 수단을 보여주는 도면이다. 1 and 2 are views showing the overall configuration of a hydrogen extraction device according to an embodiment of the present invention.
3 and 4 are views showing high-temperature steam generating means constituting the hydrogen extraction device of this embodiment.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Hereinafter, the embodiments disclosed in this specification will be described in detail with reference to the accompanying drawings, but the same or similar elements are given the same reference numerals regardless of reference numerals, and redundant description thereof will be omitted. The suffixes "module" and "unit" for components used in the following description are given or used together in consideration of ease of writing the specification, and do not have meanings or roles that are distinct from each other by themselves. In addition, in describing the embodiments disclosed in this specification, if it is determined that a detailed description of a related known technology may obscure the gist of the embodiment disclosed in this specification, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the accompanying drawings are only for easy understanding of the embodiments disclosed in this specification, the technical idea disclosed in this specification is not limited by the accompanying drawings, and all changes included in the spirit and technical scope of the present invention , it should be understood to include equivalents or substitutes.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.It is understood that when an element is referred to as being "connected" or "connected" to another element, it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in the middle. It should be. On the other hand, when an element is referred to as “directly connected” or “directly connected” to another element, it should be understood that no other element exists in the middle.
도 1과 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수소 추출 장치의 전체 구성을 보여주는 도면이다. 1 and 2 are views showing the overall configuration of a hydrogen extraction device according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 종류의 연료(폐기물)를 개질시켜 수소와 이산화탄소를 각각 분리/추출하는 장치에 대한 것으로서, 도 1 및 도 2를 참조하면, 실시예의 수소 추출 장치는, 연료(폐기물)를 고온의 증기를 이용하여 개질시키는 용융 수단과, 상기 용융 수단에 의해 가열 및 개질화되어 이동되는 수소 및 이산화탄소가 포함된 배출 가스를 냉각시켜 열회수(필요 스팀)가 이루어지도록 하는 열회수 수단(2)과, 상기 열회수 수단(2)에 의해 냉각된 가스에 대해서 팔라듐 코팅 분리막(301)을 이용하여 수소와 이산화탄소를 분리하는 수소 추출수단(3)과, 상기 수소 추출수단(3)에 의해 추출된 수소를 저장하는 수소 저장수단(4)과, 상기 수소 추출수단(3)에서 수소 추출이 이루어진 뒤 남은 이산화탄소에서 먼지를 제거한 뒤 보관하는 이산화탄소 포집수단(5)을 포함한다. The present invention relates to an apparatus for separating/extracting hydrogen and carbon dioxide by reforming various types of fuel (waste), respectively. Referring to FIGS. A melting means for reforming using steam, a heat recovery means 2 for heat recovery (necessary steam) by cooling the exhaust gas containing hydrogen and carbon dioxide that is heated and reformed by the melting means and transported, A hydrogen extraction means (3) for separating hydrogen and carbon dioxide from the gas cooled by the heat recovery means (2) using a palladium-coated separator (301), and storing the hydrogen extracted by the hydrogen extraction means (3) It includes a hydrogen storage means (4) and a carbon dioxide collecting means (5) for storing dust after removing dust from carbon dioxide remaining after hydrogen extraction in the hydrogen extraction means (3).
본 발명의 수소 추출 장치를 구성하는 각 수단에 대해서 상세히 설명하여 본다. Each means constituting the hydrogen extraction device of the present invention will be described in detail.
먼저, 용융 수단은, 연료(폐기물) 등에 고온의 증기를 이용하여 개질화시켜 기체 형태로 스팀발생이 가능할 보일러를 포함하는 열회수 수단(2)으로 전달하며, 연료인 폐기물이 저장되는 연료통(11)과, 상기 연료통(11)의 연료의 일정한 양을 일정한 속도로 이동시키기 위한 정량 공급 스크류(21)와, 상기 정량 공급 스크류(21)를 통하여 정량 이동되는 연료를 전달받아 개질화가 이루어지도록 하강 이송시키는 열분해실 스크류(22)와, 상기 열분해실 스크류(22)의 단부에 연결되어 연료의 개질화 후 남게되는 잔여물을 하강이동시키는 재이송 스크류(23)를 포함하고, 이들 스크류(21,22,23)들은 각각의 회전이 이루어지도록 동력을 제공하는 모터가 구성된다. First, the melting means reforms fuel (waste) using high-temperature steam and transfers the heat to the heat recovery means 2 including a boiler capable of generating steam in gaseous form, and
상기 재이송 스크류(23)에 의해 하강되는 잔여물은 일측에 구성된 재통(12)에 수집된다. The residue descended by the
본 발명의 장치는 탄소가 포함된 폐기물 등의 연료로부터 수소를 추출하기 위한 것으로서, 기존의 일반적인 방법인 전기를 이용하여 수소를 추출하게 되면 막대한 비용이 소요되는 반면에, 본 발명에서는 고온의 증기를 이용하여 연료를 개질시켜 수소를 추출할 수 있도록 한다. The device of the present invention is for extracting hydrogen from fuel such as carbon-containing waste, and extracting hydrogen using electricity, which is a conventional general method, requires enormous costs, whereas in the present invention, high-temperature steam It is used to reform fuel to extract hydrogen.
그리고, 상기 열분해실 스크류(22)는 정량 공급되는 연료를 하강 이송시키면서 고온의 증기를 통한 개질화가 이루어지는 열분해실 내에 배치되며, 이러한 열분해실은 상기 열분해실 스크류(22)를 감싸는 형상의 원통으로 형성되면서 복수개의 홀이 형성되어 있어 증기가 상기 열분해실 스크류(22)로 이동되도록 하는 다공 원통(51)과, 상기 다공 원통(51)을 감싸는 형상으로 이루어지면서 상기 다공 원통(51) 외주면으로부터 소정 거리 이격되도록 형성된 열분해실 원통(52)과, 상기 열분해실 원통(52)의 일부를 감싸는 형상으로 이루어지는 제 1 외통(53)과, 상기 제 1 외통(53)의 일부를 감싸는 형상으로 이루어진 제 2 외통(54)을 포함한다. In addition, the thermal
그리고, 상기 열분해실 원통(52)으로 고온의 증기를 공급하기 위하여, 제 1 고온증기 공급관(41)과, 상기 제 1 고온증기 공급관(41)을 통해 공급되는 증기를 필요에 따라 더욱 가열시키기 위한 수소 버너(31)를 포함한다. And, in order to supply high-temperature steam to the thermal
상기 제 1 고온증기 공급관(41)을 통해 공급되는 증기는 상기 열분해실 수소 버너(31)를 거쳐 상기 다공 원통(51)과 열분해실 원통(52) 사이로 공급되는데, 상기 다공 원통(51)에는 복수개의 홀들이 형성되어 있어 공급된 고온의 증기는 열분해실 스크류(22), 즉, 연료에 접촉하도록 공급된다. 대략 1,300℃의 고온의 증기가 상기 열분해실 스크류(22)로 공급되어, 연료의 개질화가 이루어지도록 한다. Steam supplied through the first high-temperature
즉, 상기 다공 원통(51)에는 타공망이 다수개 형성되어 있어 고온의 증기가 연료에 직접 접촉하게 되는데, 예를 들어, 상온의 20℃ 정도의 폐기물은 1,300℃ 고온의 증기에 의해 900℃ 정도에서 개질화가 이루어질 수 있다. 이때, 연료의 탄소가 촉매가 되어 CO로 발열하며 변하게 되고, 형성된 OH기에 의해 다시 CO2로 되면서 흡열반응하며, 공급되는 증기에서 산소가 제거되어 수소가 남게 된다. 즉, 연료의 탄소와 고온 증기의 반응으로 CO2로 변하면서, 수소가 남게 되고, 남게되는 재는 아래로 이동하게 된다. That is, a plurality of perforated networks are formed in the perforated
그리고, 수소, 탄산가스로 하부로 선회하다가 증기를 다시 수소 버너(31)를 통해 하부에서 올라오는 증기와 만나 상승하게 된다. Then, while turning downward with hydrogen and carbon dioxide gas, the steam meets the steam rising from the lower part through the
또한, 본 실시예에서는 상기 제 1 고온증기 공급관(41)을 통해 공급되는 고온의 증기를 이용한 연료의 개질화에 더하여, 추가적인 잔여 연료에 대한 개질화가 이루어지도록 하기 위한 제 2 고온증기 공급관(42)을 더 포함하고, 상기 제 2 고온증기 공급관(42)을 통해 공급되는 증기를 더 가열할 수 있는 추가 수소 버너(32)가 상기 제 2 고온증기 공급관(42) 단부에 결합된다. In addition, in this embodiment, in addition to the reforming of the fuel using the high-temperature steam supplied through the first high-temperature
상기 제 2 고온증기 공급관(42)을 통하여 공급되는 증기와 수소 버너(32)에서 가열된 증기는 제 1 외통(53)과 제 2 외통(54) 사이의 공간으로 공급되도록 구성되고, 대략 그 온도는 800℃ ~ 1,000℃의 온도로 이루어진다. 그리고, 상기 열분해실(52) 하측의 재이송 스크류(23)와 콘(62)내의 하측에 남아있는 잔여 연료를 추가적으로 개질화시킨 후 다시 상승한다. 그리고, 열분해실(52)에서 고온의 증기에 의한 연료의 개질화를 수행한 개질가스 역시 하측의 가스재 분리망(61)으로 이동하고, 상기 콘(62) 내에서 개질화를 마친 가스와 함께 선회 상승하며 제 1 외통(53) 내부를 따라 이동하면서 열회수 수단(2)으로 연결관을 통해 이동하게 된다. The steam supplied through the second high-temperature
상기 열분해실 스크류(22) 하측에 구성된 가스재 분리망(61)은 연료의 개질화 후 남게되는 먼지 등의 재와, 개질화가 이루어지지 않은 잔여 연료를 분리하기 위한 역할을 수행하며, 상기 가스재 분리망(61) 하측에는 재이송 스크류(23)가 구성되어, 상기 가스재 분리망(61)을 통과한 재가 상기 재이송 스크류(23)를 따라 하측으로 이동하여 재통(12)에 포집된다. The gas
상기 가스재 분리망(61)이 구성된 위치의 제 2 외통(54)은, 도시된 바와 같이, 그 일부가 꼬깔(cone))(62)의 형상으로 이루어지도록 구성되어, 재통(12)으로 포집하기전 일부 개질이 되지 않은 재와, 제 2 고온증기 공급관(42)을 통해 공급되는 증기와 수소 버너(32)에서 가열된 증기를 이용한 추가적인 개질화가 이어지도록 구성된다. As shown, the second
다음으로, 연료의 개질화를 위해 사용된 증기(제 1 고온증기 공급관과 제 2 고온증기 공급관을 통해 공급된 증기)는 개질 후 CO2와 H2로의 가스로 되어 연결관을 통해 열회수 수단(2)으로 이송되고, 상기 열회수 수단(2)에서 물공급(205)으로 냉각, 즉, 스팀이 만들어진다. Next, the steam used for reforming the fuel (steam supplied through the first high-temperature steam supply pipe and the second high-temperature steam supply pipe) is converted into CO 2 and H 2 gas after reforming, and the heat recovery means (2 ), and cooled by the
상기 열회수 수단(2)은 대략 800℃ 정도의 온도로 연결관을 따라 이동되는 이산화탄소와 수소가스를 물(205)로 냉각하여 100℃ 이하로 하는 전열면적으로 열회수하고 필요량의 스팀을 갖는 역할을 하며, 물(205) 주입부가 설치된 열회수 보일러(200)와, 안전변(201), 재통(202), 스팀 출구부(203) 및 보일러 보조버너(204)를 포함한다. The heat recovery means 2 cools the carbon dioxide and hydrogen gas moving along the connecting pipe at a temperature of about 800 ° C with
상기 열회수 수단(2)에서 배출되는 증기는 다시 제 1 고온증기 공급관(41)과 제 2 고온증기 공급관(42)으로 공급될 수 있으며, 상기 제 1 및 제 2 고온증기 공급관(41)에는 별도의 고온 증기 수소버너(31,32)가 더 연결되어, 안정적으로 고온의 증기를 공급받을 수도 있다. 이러한 고온 증기 발생수단에 대해서는 도면과 함께 아래에서 자세히 살펴보기로 한다. The steam discharged from the heat recovery means 2 may be supplied to the first high-temperature
상기 열회수 수단(2)에서 이산화탄소와 수소는 열을 회수하고 난 뒤 낮아진 온도의 수소 추출을 위한 수소 추출수단(3)으로 이송되고, 상기 수소 추출수단(3)은 원통 형상의 팔라듐 코팅 분리막(301)과, 상기 팔라듐 코팅 분리막(301)을 둘러싸는 형상의 원통으로 이루어진 수소 추출 외통(302)을 포함하고, 상기 팔라듐 코팅 분리막(301) 내부를 통해 아래로 이동하는 수소를 흡입 및 압축하여(냉각하여) 수소 저장통(400)으로 이송시키는 수소 추출 가압펌프(311)와, 상기 팔라듐 코팅 분리막(301)과 수소 추출 외통(302) 사이의 공간으로 이동하는 이산화탄소를 흡입 및 압축하여(냉각하여) 이산화탄소 이동관(511)으로 이송시키는 이산화탄소 포집 가압펌프(312)를 포함한다. In the heat recovery means (2), carbon dioxide and hydrogen are transferred to the hydrogen extraction means (3) for extracting hydrogen at a lower temperature after recovering heat, and the hydrogen extraction means (3) is a cylindrical palladium-coated separator (301). ) and a hydrogen extraction
특히, 상기 열회수 수단(2)으로부터 이송되는 이산화탄소와 수소는 상기 팔라듐 코팅 분리막(301)과 수소 추출 외통(302) 사이의 공간으로 공급되도록 구성되며, 상기 팔라듐 코팅 분리막(301)은 팔라듐 특성상 분자 크기가 작은 수소를 통과되도록 하면서, 이산화탄소는 통과하지 못하는 특성을 이용하여 팔라듐 코팅 분리막(301) 내부에는 수소만이 포집되도록 하고, 그 아래에 수소 추출 가압펌프(311)가 구성되어 압축저장하거나 수소를 냉각시켜 액화상태로 수소 저장통(400)에 보관시킨다. 상기 수소 추출 가압펌프는 75기압 이상으로 압축하거나 -273℃ 이하로 냉각하며, 압축 또는 냉각된 수소가 액화상태로 상기 수소 저장통(400)에 저장된다. In particular, carbon dioxide and hydrogen transported from the heat recovery means 2 are configured to be supplied to the space between the palladium-coated
그리고, 상기 팔라듐 코팅 분리막(301)과 수소 추출 외통(302) 사이의 공간에서 아래로 이동하는 이산화탄소는 이산화탄소 포집 가압펌프(312)에 의해 흡입과 가압이 이루어지고 액화 상태의 이산화탄소가 상기 이산화탄소 이동관(511)을 통해 이산화탄소 포집수단(5)으로 이송된다. 상기 이산화탄소 포집 가압펌프(312)는 이산화탄소를 31.5℃ 이하로 냉각후 압축하여 액상으로 이산화탄소 포집통(510)에 저장되도록 한다. In addition, the carbon dioxide moving downward in the space between the palladium-coated
상기 이산화탄소 포집수단(5)은 이송되는 이산화탄소에 포함된 먼지를 제거/집진하기 위하여 원심력을 발생시키면서 백필터를 포함하는 사이클론(500)과, 하측에서 집진되는 먼지를 보관하기 위한 먼지통(501)과, 먼지 제거된 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소 포집통(510)을 포함한다. The carbon
도 3과 도 4는 본 실시예의 수소 추출 장치를 구성하는 고온 증기 생성 수단을 보여주는 도면이다. 3 and 4 are views showing high-temperature steam generating means constituting the hydrogen extraction device of this embodiment.
도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 고온 증기 발생수단은, 대략 300℃ 내지 1,500℃ 범위로 고온 증기를 생성하여 배출할 수 있는 장치로서, 생성된 고온의 증기는 제 1 차 열분해실(52, 열분해실 원통 내부) 및/또는 제 2 차 열분해 개질실(54, 제 2 외통 내부)로 공급될 수 있다. As shown in FIGS. 3 and 4, the high-temperature steam generator is a device capable of generating and discharging high-temperature steam in the range of about 300 ° C to 1,500 ° C, and the generated high-temperature steam is generated in the first thermal decomposition chamber (52 , inside the cylinder of the pyrolysis chamber) and/or to the second pyrolysis reforming chamber (54, inside the second outer cylinder).
이러한 고온의 배출 증기의 온도, 압력 및 양은 투입되는 수소 및 산소 기체의 온도, 압력 및 양을 이용해 조절이 가능하도록 한다. The temperature, pressure, and amount of the high-temperature exhaust steam can be controlled using the temperature, pressure, and amount of hydrogen and oxygen gases introduced.
고온 증기 발생수단은, 일측(도면에서 좌측)으로 연료 기체가 투입되고, 타측(도면에서 우측)으로 고온 증기가 배출 가스로 배출되는 구조로 이루어지며, 고온 연소가 이루어지는 연소실을 포함하는 내통(620)과, 상기 내통(620)을 감싸는 형상으로 이루어지면서 외형을 형성하는 외통(610)과, 상기 내통(620)과 외통(610) 사이에 형성된 메인 선회 유로와, 상기 내통(620)으로 연소의 대상이 되는 수소 기체가 공급되는 수소 투입관(621)과, 상기 수소 투입관(621)을 감싸는 형상으로 이루어지면서 산소 기체가 선회하면서 상기 수소 투입관(621) 외주면을 따라 이동하도록 하는 산소 선회통(622)과, 상기 산소 선회통(622)의 일부를 감싸는 형상으로 이루어지면서 증기가 선회하면서 상기 산소 선회통(622) 외주면을 따라 이동하도록 하는 증기 선회통(623)과, 상기 내통(620) 내부에 설치되어 상기 수소 투입관(621)을 통해 투입되는 수소 기체의 점화가 이루어지도록 하는 점화 플러그(624)와, 상기 내통(620)에서 수소와 산소의 연소 후 발생된 고온의 증기가 배출되는 배출부(603)를 포함한다. The high-temperature steam generating means has a structure in which fuel gas is input to one side (left side in the drawing) and high-temperature steam is discharged as exhaust gas to the other side (right side in the drawing), and the
상기 배출부(603)는 제 1 고온증기 공급관(41) 및/또는 제 2 고온증기 공급관(42)과 연결되도록 구성될 수 있다. The
그리고, 상기 산소 선회통(622)과 증기 선회통(623) 내에서 선회하면서 상기 내통(620)측으로 이동하는 산소와 증기를 각각 이동시키는 산소 투입관(720)과 제 1 증기 투입관(730)이 산소 선회통(622)과 증기 선회통(623)에 연결된다. In addition, an
또한, 상기 외통(610)과 내통(620) 사이에 형성된 메인 선회 유로로 증기를 공급하는 제 2 증기 투입관(810)을 포함한다. In addition, a second
상기 수소 투입관(621)을 통해 연소 대상의 수소 가스가 내통(620) 내부로 유입되고, 산소 선회통(622)을 통해 주입되는 산소를 이용하여 연소가 수행되는데, 120℃ 정도의 수증기를 이용하여 연소실 내부의 온도를 낮출 수 있다. 수소의 연소를 통해 매우 높은 고온으로 유지될 경우에 장치의 파손이 발생할 수 있기 때문에, 선회하여 연소실로 공급되는 증기들을 이용하여 장치의 소재가 견딜 수 있는 정도의 온도로 연소가 이루어지도록 한다. The hydrogen gas to be burned is introduced into the
각 투입관들(720,730,810)은 각 산소 선회통(622), 증기 선회통(623) 및 내통(620)/외통(610) 외벽의 접선 방향과 일치하는 방향으로 기체 유입 방향이 형성되도록 설치되어, 각 기체는 통 내부에서 원심력을 가지면서 이동하게 되고, 그 원심력이 보존된 상태로 점차 상승(도면에서는 우측방향)하게 된다. The
예를 들면, 산소 투입관(720)은 수소 투입관(621)의 외벽(외주면)에 대해 접선 방향으로 상기 산소 선회통(622)에 결합된다. 그리고, 상기 산소 투입관(720)은 상기 산소 선회통(622)의 외벽(외주면)에 대해서 접선 방향으로 결합된다고도 할 수 있다. 투입관들의 결합 위치, 즉, 기체를 공급하는 방향은 내부에서 선회하면서 이동할 수 있도록 설치되는 것은 모두 동일하다. For example, the
산소 선회통(622) 및 증기 선회통(623) 내부를 따라 선회하면서 점차 점화플러그(624)가 위치한 내통(620)측으로 이동하는 산소와 증기는 수소 투입관(621)을 통해 공급되는 수소 기체와 함께 점화되어, 연소가 시작된다. While swirling along the inside of the
그리고, 제 2 증기 투입관(810)을 통해 공급되는 대략 120℃ 정도의 증기는 내통(620) 외벽의 접선 방향으로 공급되고, 상기 내통(620)과 외통(610) 사이의 메인 선회 유로를 따라 선회하면서 점차 배출부(603)로 이동하게 된다. 여기서, 상기 메인 선회 유로를 따라 선회하면서 점차 배출부(603)측으로 이동하는 제 1 상승 증기는 외통(610) 단부측에서 이동경로가 변경되고, 상기 내통(620) 내벽을 따라 선회하면서 점차 점화플러그(624)가 위치한 입구측으로 이동하는 하강 증기가 된다. In addition, the steam of about 120° C. supplied through the second
즉, 상기 메인 선회 유로를 따라 선회하면서 이동하는 증기가 상기 내통의 내주면을 따라 이동하도록 상기 내통과 외통 단부에 공간이 형성되어, 외통 단부에 부딪힌 증기가 내통 내주면을 따라 선회하도록 구성된다. That is, a space is formed at the end of the inner cylinder and the outer cylinder so that the steam moving while turning along the main swirling passage moves along the inner circumferential surface of the inner cylinder, so that the steam hitting the end of the outer cylinder turns along the inner circumferential surface of the inner cylinder.
그리고, 하강 증기(b)는 연소가 이루어지는 공간, 즉, 내통(620) 중심부에서 다시 배출부(603)측으로 상승하는 제 2 상승 증기가 된다. 즉, 점화플러그(624)에 의해 연소가 개시되면서 발생되는 수소 연소불 주위를 선회하면서 제 2 상승 증기가 배출부(603)측으로 이동된다.And, the falling steam (b) becomes the second rising steam that rises toward the
제 1 상승 증기가 내통(620) 외주면을 따라 선회하면서 이루어지는 이동, 하강 증기가 내통(620) 내주면을 따라 선회하면서 이루어지는 이동, 제 2 상승 증기가 내통(620) 중심부의 연소공간 내에서 선회하면서 점차 상승하는 이동 등의 과정을 통해, 연소실을 구성하는 내통(620) 내부에서의 연소 증기와의 접촉시간이 크게 증가되고, 이로 인해 매우 높은 온도의 증기를 만들어낼 수 있다. The movement of the first rising steam while turning along the outer circumferential surface of the
특히, 내통(620)의 입구측에 수소와, 산소 및 증기가 혼합된 기체의 점화 및 연소가 이루어지기 때문에, 질소의 사용으로 인한 환경 오염을 문제가 없으며, 앞서 설명한 바와 같이 필요에 따라 공급되는 수소와 산소 그리고 증기의 양, 압력 및 온도를 조절함으로써 배출부(603)를 통해 배출되는 고온의 증기의 양, 압력 및 온도를 조절할 수 있다. 이와 함께, 제 1 증기 투입관(730)과 제 2 증기 투입관(810)을 통해 공급되는 증기의 양을 조절함으로써 배출되는 증기의 온도와 양을 조절할 수 있다. In particular, since ignition and combustion of a mixture of hydrogen, oxygen, and steam are performed at the inlet side of the
제 1 증기 투입관(730)과 제 2 증기 투입관(810)을 통해 공급되는 고온의 증기는, 수소를 연소시켜 연소실 내부의 증기 온도를 300℃~1,500℃ 이상으로 조절하는 역할을 한다. The high-temperature steam supplied through the first
일반적으로, 증기를 700℃ 이상 올려야 개질이 되는데, 과열기를 이용하여 300~400℃까지는 높은 압력(30bar ~ 40bar)으로 올라가지만, 더 높은 온도로 가열시키고자 하는 경우에는 추가적인 가열기를 사용한 경우가 있었다. 만약, 탄소가 연소에 사용된다면 CO2가 발생하게 되고, 공기를 연소에 사용하게 되면 질소산화물이 생기는 등의 가열 후에 배출 가스가 문제된다. In general, reforming takes place only when the steam is raised to 700 ° C or higher. It is raised to a high pressure (30 bar to 40 bar) up to 300 ~ 400 ° C using a superheater, but in the case of heating to a higher temperature, an additional heater was used. . If carbon is used for combustion, CO 2 is generated, and when air is used for combustion, exhaust gas after heating is a problem such as nitrogen oxides are generated.
이와 같은 연소시 개질화가 이루어지도록 하면서 배출 가스에 의한 환경 오염을 방지할 수 있도록 수소를 고온으로 일반스팀 120℃ 정도의 스팀과 섞어 필요한 스팀의 온도 1,000℃ 내지 1,500℃의 높은 온도의 증기를 발생시킬 수 있다. In order to prevent environmental pollution caused by exhaust gas while reforming during such combustion, hydrogen is mixed with steam at a high temperature of about 120 ° C. can
Claims (6)
상기 연료를 고온 증기를 이용하여 개질시키는 용융 수단과,
상기 용융 수단에 의한 연료의 가열 후에 발생하는 수소 및 이산화탄소가 포함된 배출 가스를 냉각시켜 폐열회수가 이루어지도록 하는 열회수 수단과,
상기 열회수 수단에 의해 냉각된 후 이동하는 가스에 대해서 팔라듐 코팅 분리막을 이용하여 수소만을 추출하여 추출된 수소를 저장하는 수소 추출수단과,
상기 수소 추출수단에 의해 수소 추출이 이루어진 뒤 남은 가스에서 먼지를 포집하여 제거한 다음 이산화탄소를 저장하는 이산화탄소 포집수단을 포함하는 고온 증기를 이용한 수소 추출 장치. An apparatus for extracting hydrogen from a carbon-containing fuel, comprising:
Melting means for reforming the fuel by using high-temperature steam;
Heat recovery means for recovering waste heat by cooling the exhaust gas containing hydrogen and carbon dioxide generated after heating the fuel by the melting means;
A hydrogen extraction means for extracting only hydrogen from the moving gas cooled by the heat recovery means using a palladium-coated separator and storing the extracted hydrogen;
Hydrogen extraction device using high-temperature steam comprising a carbon dioxide collecting means for collecting and removing dust from the gas remaining after hydrogen extraction by the hydrogen extracting means and then storing carbon dioxide.
상기 용융 수단은,
상기 연료가 저장되는 연료통과, 상기 연료통에 저장된 연료를 이동시키기 위한 정량 공급 스크류와, 상기 정량 공급 스크류를 통하여 정량 이동되는 연료를 전달받아 하강 이송시키는 열분해실 스크류와, 상기 열분해실 스크류의 단부에 연결되어 상기 연료의 개질화 후 남게되는 잔여물을 하강 이동시키는 재이송 스크류와, 상기 열분해실 스크류를 감싸는 형상의 원통으로 형성되면서 복수개의 홀이 형성되어 있는 다공 원통과, 상기 다공 원통을 감싸는 형상으로 이루어지면서 상기 다공 원통 외주면으로부터 소정 거리 이격되도록 형성된 열분해실 원통과, 상기 다공 원통과 열분해실 원통 사이로 증기가 선회 공급되도록 하는 제 1 고온 증기 공급관과, 상기 열분해실 스크류와 재이송 스크류 사이에는 상기 연료 중 개질후 남게되는 잔여물을 거르기 위한 가스재 분리망을 포함하는 고온 증기를 이용한 수소 추출 장치. According to claim 1,
The melting means,
A fuel tank in which the fuel is stored, a fixed-rate supply screw for moving the fuel stored in the fuel tank, a pyrolysis chamber screw for receiving and descending the fuel transferred through the fixed-rate supply screw, and at an end of the pyrolysis chamber screw A re-transfer screw connected to move the residue left after reforming of the fuel downwardly, a porous cylinder having a plurality of holes formed as a cylinder surrounding the pyrolysis chamber screw, and a shape surrounding the porous cylinder. A thermal decomposition chamber cylinder formed to be spaced apart from the outer circumferential surface of the porous cylinder by a predetermined distance, a first high-temperature steam supply pipe through which steam is supplied in a swirling manner between the porous cylinder and the thermal decomposition chamber cylinder, and between the thermal decomposition chamber screw and the re-transfer screw A hydrogen extraction device using high-temperature steam including a gas material separation network for filtering out residues remaining after reforming of fuel.
상기 열분해실 원통의 일부를 감싸는 형상으로 이루어지는 제 1 외통과, 상기 제 1 외통의 일부를 감싸는 형상으로 이루어진 제 2 외통과, 상기 제 1 외통과 제 2 외통 사이의 공간으로 증기가 공급되도록 연결된 제 2 고온증기 공급관과, 상기 가스재 분리망을 통과하여 하측으로 이동한 재를 포집하기 위하여 재이송 스크류와 열분해실 스크류 사이에 배치되는 콘과, 이동되는 재를 담을 수 있는 재통을 더 포함하는 고온 증기를 이용한 수소 추출 장치. According to claim 2,
A first outer cylinder having a shape surrounding a part of the cylinder of the thermal decomposition chamber, a second outer cylinder having a shape surrounding a part of the first outer cylinder, and a first outer cylinder connected so that steam is supplied to the space between the first outer cylinder and the second outer cylinder. 2 High-temperature steam supply pipe, a cone disposed between the re-transfer screw and the pyrolysis chamber screw to collect the ash that has moved downward through the gas ash separation network, and a ash container that can contain the ash that is being moved. Hydrogen extraction device using steam.
상기 제 2 외통으로부터 연결된 통로를 통하여 고온 개질 가스를 받아 열회수를 하기 위한 증기 제조 보일러를 더 포함하고, 상기 증기 제조 보일러는 물 공급을 통해 스팀을 제조하는 것을 특징으로 하는 고온 증기를 이용한 수소 추출 장치. According to claim 3,
A hydrogen extraction device using high-temperature steam, characterized in that it further comprises a steam production boiler for receiving high-temperature reformed gas through a passage connected from the second outer cylinder and recovering heat, wherein the steam production boiler produces steam through water supply .
상기 열회수 수단에 의해 냉각된 가스인 이산화탄소와 수소는 상기 수소 추출수단으로 선회 투입되고,
상기 수소 추출수단은, 원통 형상의 팔라듐 코팅 분리막과, 상기 팔라듐 코팅 분리막을 둘러싸는 형상의 원통으로 이루어진 수소 추출 외통을 포함하고, 상기 팔라듐 코팅 분리막 내부를 통해 아래로 이동하는 수소를 75기압 이상으로 압축하거나 -273℃ 이하로 냉각하는 수소 추출 가압펌프와, 압축 또는 냉각된 수소를 저장하는 수소 저장통을 포함하는 고온 증기를 이용한 수소 추출 장치. According to claim 4,
Carbon dioxide and hydrogen, which are gases cooled by the heat recovery means, are swirled and introduced into the hydrogen extraction means,
The hydrogen extraction unit includes a cylindrical palladium-coated separator and a hydrogen extraction outer cylinder made of a cylinder surrounding the palladium-coated separator, and the hydrogen moving downward through the inside of the palladium-coated separator is reduced to 75 atmospheres or more. A hydrogen extraction device using high-temperature steam including a hydrogen extraction pressure pump that compresses or cools to -273 ° C or less, and a hydrogen storage tank that stores compressed or cooled hydrogen.
상기 이산화탄소 포집수단은 이산화탄소를 31.5℃ 이하로 냉각후 압축하는 이산화탄소 포집 가압펌프와, 이송되는 이산화탄소에 포함된 먼지를 제거하기 위하여 원심력을 발생시키면서 백필터를 포함하는 사이클론과, 냉각된 이산화탄소가 저장되는 이산화탄소 포집통을 포함하는 고온 증기를 이용한 수소 추출 장치.
According to claim 5,
The carbon dioxide collecting means is a carbon dioxide collecting pressurized pump that compresses carbon dioxide after cooling it to 31.5 ° C or lower, a cyclone including a bag filter while generating centrifugal force to remove dust contained in the transferred carbon dioxide, and the cooled carbon dioxide is stored A hydrogen extraction device using high-temperature steam including a carbon dioxide collection cylinder.
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