KR20230110000A - 건식 수소 생산 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 건식 수소 생산 기술은 수증기나 물의 공급없이 건식 바이오매스로부터 수소를 생산하는 청정기술을 제공하며, 장치 부하가 적고, 에너지 소비가 적으며, 불필요한 유해한 부산물 없이 청정 에너지인 수소를 생산할 수 있는 것이며, 특히 기존에 음식물쓰레기를 소각 또는 매립 처리하며 발생하였던 환경문제를 해결할 수 있는 대안이 될 수 있다.
Description
본 발명은 수증기나 물의 공급 없이 건조 바이오매스로부터 수소를 생산하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
온실가스 배출과 지구온난화 문제로 인하여 화석연료를 대체할 수 있는 신재생에너지 개발 및 확산의 필요성이 증가하며, 청정에너지원으로 평가되는 수소가 주목을 받고 있다. 수소는 지구상에서 가장 많이 존재하는 원소이며, 화석연료, 바이오매스 및 물 등의 다양한 형태로 존재한다. 이와 같은 수소를 연료로 사용하기 위해서는 경제적이면서도 환경에 미치는 영향을 최소화하는 방법으로 생산하는 것이 중요하다.
수소생산방법에는 전통방식인 화석연료 개질 반응을 통한 생산과 재생가능한 방법인 바이오매스와 물을 이용한 생산이 있다. 이 중 전통 개질 방식은 습윤개질 반응(steam reforming), 부분산화 반응(partial oxidation), 자열개질 반응(autothermal reforming) 그리고 가스화 반응(gasification)이 있다.
또한, 재생 가능한 방식으로는 바이오매스를 이용한 열화학적 방법과 생물학적 방법으로 나뉘고, 물을 이용한 방법은 전기분해법, 열분해 법 그리고 광분해법으로 나뉜다.
현재까지는 수소 수요의 약 96%가 화석연료를 이용한 개질 반응을 통해 생산하고, 바이오매스를 이용한 수소생산은 그 양이 매우 미미한 수준에 그치고 있다. 하지만, 바이오매스는 지구상에서 탄소가 순환된다는 점에서 청정 에너지원으로 평가되고 있는 만큼, 보다 효율적으로 수소를 생산하고 산업에 적용함으로써 수요를 충족시킬 필요가 있다.
또한, 최근 음식물 쓰레기(슬러지)를 귀찮은 폐기물에서 에너지 자원으로서 재검토하려는 움직임이 있지만, 효과적인 방안을 찾지 못하는 실정이다.
구체적으로, US 4,822,497에서는 초임계 수중에서 유해 물질을 산화하기 위한 반응기로서 압력조가 개시되어 있고 상기 압력조에 있어서 반응 조건 하에서의 소금 형성 및 -제거에 관한 문제가 발생하고 있다.
Y. Raja, Gasification of waste to produce low-BTU gas by Molten Salt Technique, J. Institution of Engineers India, 제70권, 파트 T2, 제15 페이지, 1989에 의하면 건조염 용융물 중에서의 바이오매스의 기화 시에 높은 변환율이 발생하지만, 단, 이 경우, 많은 일산화탄소가 발생한다. 또한 수소를 발생시키기 위한 시프트 컨버터를 후속 해야 한다. 또한 건조염 용융물 중에서의 변환 시 목탄 또는 코크스의 형성은 완전하게는 회피되지 않는다.
DE 202 20 307 Ul에는 초임계 수중에서 유동성 재료를 취급하기 위한 장치가 개시되어 있고 이 경우, 이 장치는 출발 재료 공급관로 및 생성물 도출관로를 위한 압력 관을 구비한 원통형 반응기로 구성되고 그 때, 생성물 도출관로는 직립관으로서 형성되어 있고 이 경우, 이 관은 위에서 반응실 중에 돌출되어 있고 반응기하 3분의 1에서 종료해 있고 반응기의 하단에 바닥부 배출을 설치해 이것은 가장 좁은 부분에 있고 냉각기 및 연속적(또는 단속적)인 바닥부 배출을 위한 밸브의 배치를 가진다.
US 6,878,479 B2에는 연료를 전기 에너지에 직접 변환 하기 위한 장치가 개시되어 있고 그 때, 그 때마다 융해 한 전해질이 존재하는 전기 화학적 전지는 양극성의 경사진(gekippten) 구조로 전지 간의 전기 저항이 최소한이 되도록 배치되어 있다.
G. Lee, T. Nunoura, Y. Matsumura 및 K. Yamamoto, Comparison of the Effects of the addition of NaOH on the decomposition of 2- chlorophenol and phenol in supercritical water and under supercritical water oxidation conditions, J. Supercritical Fluids, 제24권, 제239페이지~250페이지, 2002년부터 최적화된 반응 조건 및 최적화된 반응기 디자인의 결정시에는 유기 화합물의 분해상에서의 NaOH의 영향을 고려해야 하는 것이 알려져 있다.
M. D. Bermejo, A. Martin, L. J. Florusse, C. J. Peters 및 M. J. Cocero, Bubble points of the Systems isopropanol-water, isopropanol-water-sodium acetate and isopropanol-water-sodium oleate at high pressure, Fluid Phase Equilibria, 제 244권, 제78 페이지~85 페이지, 2006년부터 초임계 수중에서의 산화가 높은 수율을 포함한 유기성 폐기물의 분해를 위한 효과적인 기술을 나타내는 것으로 알려져 있다.
대한민국 공개특허 KR2002-0055346에는 바이오매스 원료에 의한 메탄올 제조방법 및 장치를 개시하고 있다. 보다 구체적으로, 해당 특허는 바이오매스를 가스화시켜 생성되는 생성 가스 중에서 반응에 필요한 수소 가스를 연속 공급하기 위하여 수소가스 공급수단을 포함하는 바이오매스 원료에 의한 메탄올 제조장치를 개시하고 있다.
대한민국 등록특허 KR10-2138897에는 수소연료전지자동차용 바이오매스 연료 처리 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로, 필터를 포함하여 반응조건을 유지할 수 있는 수소연료전지자동차용 바이오매스 연료 처리 시스템에 대해 개시하고 있다.
종래 바이오매스 특히, 음식물 쓰레기(슬러지)의 처리를 위해 상기와 같이 여러 방법들이 제안되어 있지만, 효율적이고 효과적인 방안이 없다는 점을 해소하기 위해 본 발명이 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 수증기나 물의 공급없이 건식 바이오매스로부터 수소를 생산하는 청정기술을 제공하여, 불필요한 유해한 부산물 없이 청정 에너지인 수소를 생산하기 위한 것이다.
본 발명에 따른 슬러지로부터의 건식 수소 생산 장치는,
물 또는 수증기 공급이 없는 반응기;
반응기를 200~800℃로 가열하는 가열수단;
반응기에 연결되는 알칼리 및 알칼리토류 중 하나 이상의 수산화물 공급라인;
반응기에 연결되는 바이오매스 공급라인;
반응기에 연결되는 적어도 하나의 캐리어 가스 공급라인;
반응기에 연결되는 기상 반응생성물 유출라인;
기상 반응생성물 유출라인에 연결되는 고체-기체분리기; 및
고체-기체분리기에 연결되는 기체분리기;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 알칼리 수산화물은 수산화나트륨인 것이 바람직하다.
상기 고체-기체분리기에 연통되는 폐수처리장치를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 고체-기체분리기와 기체분리기 사이에 건조기를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 반응기에 연결되는 이산화탄소 공급라인을 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 기상 반응생성물 유출라인에서 이산화탄소를 분리시켜 배출시키는 이산화탄소 유출라인을 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 캐리어 가스는 공기, 질소 또는 불활성기체인 것이 바람직하다.
상기 반응기에 연결된 고체생성물 배출라인을 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 고체생성물은 알칼리 및 알칼리토류 중 하나 이상의 탄산염을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 고체생성물은 탄산나트륨을 포함하는 것이 보다 바람직하다.
상기 고체생성물 배출라인 후단에 연결되어 고체생성물의 순도를 높이기 위한 장치가 추가로 포함되는 것이 바람직하다.
상기 기체분리기는 압력스윙흡착(PSA) 장치인 것이 바람직하다.
상기 가열수단은 튜브형 열교환기인 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 구체예로서, 본 발명에 따른 바이오매스로부터의 건식 수소 생산 방법은,
상기 반응기에 바이오매스를 공급하는 단계;
상기 반응기 내 상기 수산화물과 상기 바이오매스 혼합물을 유동화시키기 위하여 캐리어 가스를 공급하면서, 물 또는 수증기의 공급없이 상기 반응기를 200~800℃로 가열하여 반응생성물을 제조하는 단계;
상기 반응기로부터 제조된 기상 반응생성물을 유출시키는 단계;
상기 기상 반응생성물을 고체-기체 분리시켜 기체유출물 및 고체유출물로 분리시키는 단계; 및
상기 기체유출물로부터 기체-기체분리하여 기체생성물을 생산하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 알칼리 수산화물은 수산화나트륨인 것이 바람직하다.
상기 고체-기체분리된 고체유출물을 처리하기 위한 폐수처리 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 단계(6) 이전에 상기 기체유출물을 건조시키는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 반응기 하부로 이산화탄소를 공급하여 알칼리 및 알칼리토류 중 하나 이상의 수산화물을 알칼리 및 알칼리토류 중 하나 이상의 탄산염으로 변환시키는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 기상 반응생성물을 유출시키는 단계에 이산화탄소를 별도로 분리 배출시키는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 반응기 상부로 캐리어 가스를 공급하여 알칼리 및 알칼리토류 중 하나 이상의 탄산염을 포함하는 고체생성물을 반응기 하부로부터 배출시키는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 캐리어 가스는 공기, 질소 또는 불활성 기체인 것이 바람직하다.
상기 알칼리 탄산염은 탄산나트륨인 것이 바람직하다.
상기 고체생성물을 반응기 하부로부터 배출시키는 단계에 이어서 연결되어 고체생성물의 순도를 높이기 위한 단계가 추가로 포함되는 것이 바람직하다.
상기 로딩된 알칼리 수산화물에 대한 바이오매스의 공급량이 건조 중량비로 1~3:1 (알칼리 수산화물:바이오매스)인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 건식 수소 생산 기술은 수증기나 물의 공급없이 건식 바이오매스로부터 수소를 생산하는 청정기술로서, 장치 부하가 적고, 비열이 높은 물을 사용하지 않으므로 에너지 소비가 적으며, 불필요한 유해한 부산물 없이 청정 에너지인 수소를 생산할 수 있는 것이다.
뿐만 아니라, 기존에 음식물쓰레기를 소각 또는 매립 처리하며 발생하였던 환경문제를 해결할 수 있는 대안이 될 수 있다.
도 1 내지 도 4는 본 발명을 구현하기 위한 장치를 작동 순서에 따라 개략적으로 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 부호가 사용되며, 이에 따라 중복되는 부가적인 설명은 아래에서 생락된다. 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.
더불어, 용어 "또는"은 배타적 "또는"이 아니라 내포적 "또는"을 의미하는 것으로 의도된다. 즉, 달리 특정되지 않거나 문맥상 명확하지 않은 경우에, "X는 A 또는 B를 이용한다"는 자연적인 내포적 치환 중 하나를 의미하는 것으로 의도된다. 즉, X가 A를 이용하거나; X가 B를 이용하거나; 또는 X가 A 및 B 모두를 이용하는 경우, "X는 A 또는 B를 이용한다"가 이들 경우들 어느 것으로도 적용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 사용된 "및/또는"이라는 용어는 열거된 관련 아이템들 중 하나 이상의 아이템의 가능한 모든 조합을 지칭하고 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 해당 특징 및/또는 구성요소가 존재함을 의미하지만, 하나 이상의 다른 특징, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 달리 특정되지 않거나 단수 형태를 지시하는 것으로 문맥상 명확하지 않은 경우에, 본 명세서와 청구범위에서 단수는 일반적으로 "하나 또는 그 이상"을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 구체예로서 본 발명에 따른 바이오매스로부터의 건식 수소 생산 장치는, 도 1~4에 도시된 바와 같이,
공급되는 바이오매스와 알칼리 및 알칼리토류 중 하나 이상의 수산화물을 물 또는 수증기의 공급이 없이 반응시키기 위한 반응기;
상기 반응기를 반응온도인 200~800℃로 가열하는 가열수단;
상기 반응기에 알칼리 및 알칼리토류 중 하나 이상의 수산화물을 공급하기 위해 연결되는 수산화물 공급라인;
상기 반응기에 반응물인 바이오매스를 공급하기 위해 연결되는 바이오매스 공급라인;
상기 반응기에 연결되어 반응물을 유출시키기 위한 캐리어 가스 공급라인;
상기 캐리어 가스에 의해 반응생성물을 유출시키기 위해 반응기에 연결되는 기상 반응생성물 유출라인;
상기 기상 반응생성물 유출라인에 의해 유출되는 기상 반응생성물을 분리시키기 위해 상기 기상 반응생성물 유출라인에 연결되는 고체-기체분리기(K/O Drum); 및
상기 고체-기체분리기에서 분리된 기체유출물을 추가로 분리하기 위해 고체-기체분리기에 연결되는 기체분리기;를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 기체분리기는 압력스윙흡착(PSA) 장치인 것이 바람직하지만, 당업자의 자명한 범위내에서 이에 제한되지 않는다.
상기 고체-기체분리기에 의해 분리된 고체유출물을 처리하기 위해 상기 고체-기체분리기에 연통되는 폐수처리장치(WWT)를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 고체-기체분리기와 기체분리기 사이에는 기체분리기의 부하 및 성능향상을 위해 건조기(Dryer)를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 바이오매스와 알칼리 및 알칼리토류 중 하나 이상의 수산화물의 반응이 완료되면, 미반응 수산화물을 알칼리 및 알칼리토류 중 하나 이상의 탄산염으로 전환시키기 위한 이산화탄소를 공급하기 위해 상기 반응기에 연결되는 이산화탄소 공급라인을 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 이산화탄소 공급라인을 통해 공급된 이산화탄소 중에서 미반응 이산화탄소를 분리하기 위해 상기 기체유출물 유출라인에서 이산화탄소를 분리시켜 배출시키는 이산화탄소 유출라인을 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기에서 공급된 이산화탄소에 의해 알칼리 탄산염이 생성된 후에, 상기 알칼리 탄산염을 반응기로부터 배출시키기 위해 상기 상기 반응기에 연결된 캐리어 가스 공급라인을 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 캐리어 가스에 의해 알칼리 탄산염을 포함하는 고체생성물을 반응기로부터 배출시키기 위해 상기 반응기에 연결된 고체생성물 배출라인을 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 발생된 고체생성물의 주된 성분인 알칼리 탄산염 혹은 알칼리 토금속 탄산염의 순도를 높이기 위한 장치를 추가로 포함하는 것이 바람직하며, 당업자에게 자명한 범위내에서 특별히 한정되지 않는다.
상기 가열수단은 Thermal oil 등을 사용하는 튜브형 열교환기인 것이 바람직하지만 일반적인 히터도 가능하며, 당업자에게 자명한 범위내에서 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 다른 구체예로서, 본 발명에 따른 바이오매스로부터의 건식 수소 생산 방법은,
반응기에 알칼리 및 알칼리토류 중 하나 이상의 수산화물을 로딩하는 단계(1);
반응기에 바이오매스를 공급하는 단계(2);
반응기 내 수산화물과 바이오매스 혼합물을 유동화시키기 위하여 캐리어 가스를 공급하면서, 물 또는 수증기의 공급없이 반응기를 200~800℃로 가열하여 반응생성물을 제조하는 단계(3);
반응이 완료되면 반응기로부터 기상 반응생성물을 유출시키는 단계(4);
상기 기상 반응생성물을 고체-기체 분리시켜 기체유출물 및 고체유출물로 분리시키는 단계(5); 및
상기 기체유출물로부터 기체-기체분리하여 기체생성물을 생산하는 단계(6);를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 바이오매스는 해조류, 음식물 쓰레기와 같이 글루코오스가 포함된 유기물 슬러지를 포함할 수 있으며, 당업자에게 자명한 범위내에서 이에 제한되지 않는다. 상기 바이오매스는 오물이나 악취를 제거하기 위해 세척된 바이오매스를 수분을 거의 함유하지 않은 상태로 건조시킨 것이다. 건조 방법은 당업자에게 자명한 범위에서 다양할 것이며, 특정 방법에 제한되지 않는다.
상기 수산화물은 금속 원소와 음전하를 띤 수산화 이온(OH-)으로 이루어진 화합물일 수 있다. 보다 구체적으로, 수산화물은 알칼리 금속이 수산화 이온(OH-)과 결합된 알칼리 금속 화합물이나, 알칼리토류 금속이 수산화 이온(OH-)과 결합된 알칼리토류 금속 화합물을 포함할 수 있다. 예를 들어, 수산화물은 수산화칼륨(KOH), 수산화나트륨(NaOH), 수산화리튬(LiOH), 수산화칼슘(Ca(OH)2), 수산화마그네슘(Mg(OH)2) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 또한, 실시예에 따라서, 하나 이상의 수산화물이 조합되어 사용될 수도 있다. 그리고, 실시예에 따라 수산화물은 건조 분말 형태로 또는 다른 용매(예컨대, 물)과 함께 용액의 형태로 반응기에 투입될 수 있다. 전술한 수산화물의 기재는 예시일 뿐, 본 개시는 이에 제한되지 않는다.
본 발명에 따른 일 구체예에서는, 상기 알칼리 수산화물이 수산화나트륨인 것이 바람직하다.
상기 로딩된 알칼리 수산화물에 대한 바이오매스의 공급량은, 충분한 반응을 확보하기 위하여 동량 이상의 수산화물을 사용하며, 건조 중량비로 1~3:1 (알칼리 수산화물:바이오매스)인 것이 바람직하다.
본 발명의 실시 형태에 따라 촉매를 포함할 수 있다. 촉매는 바이오매스 및 수산화물의 반응을 도와 수소로의 가스화 반응을 용이하게 도와주는 물질을 포함할 수 있다. 보다 구체적으로, 촉매는 니켈(Ni) 및 철(Fe) 중 적어도 하나의 원소를 포함할 수 있다. 그리고, 촉매는 바이오매스 및 수산화물에 사전에 혼합되어 반응기로 투입될 수 있다. 또한, 촉매는 지르코니아, 실리카, 알루미나, 카본 등의 무기 나노섬유 구조 속에 배치될 수 있다.
상기 바이오매스, 수산화물, 반응생성물 등은 물을 포함하지 않기 때문에, 반응물로부터 생성물까지 공정 전반에 걸쳐 캐리어 가스가 필요하며, 상기 캐리어 가스는 본 발명의 목적 범위내에서 특정 기체에 제한되지 않으나, 공기 또는 질소 또는 불활성기체인 것이 바람직하다. 캐리어 가스의 유량은 반응기 내부의 유동화를 유기하기 위한 최소 유동화 속도를 만족시키는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 바이오매스나 수산화물에 수분(물)이 존재하지도 않고, 상기 반응기 내에서 물 또는 수증기의 공급도 없이 반응기를 200~800℃로 가열하여 반응생성물을 제조하는 단계(3)를 수행한다. 상기 온도 범위 외에서는 반응이 일어나지 않거나 부산물의 생성이 보다 크기 때문에 바람직하지 않으며, 특히 상기 온도 범위를 초과하면 에너지 소모가 지대하여 바람직하지 않다.
상기 반응기에서 캐리어 가스를 도입시키면서 바이오매스 및 수산화물의 혼합물을 사전 설정된 온도 이상으로 가열함으로써 가스화 반응을 발생시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 반응기에 바이오매스 및 수산화물의 혼합물이 위치한 경우, 반응기는 반응기 내부의 온도를 사전 설정된 온도 이상으로 가열함으로써 바이오매스의 가스화 반응을 발생시킬 수 있다. 그리고, 실시예에 따라, 반응기는 바이오매스 혼합물에서 더 이상 가스화 반응이 일어나지 않을 때까지 상기 온도 조건을 유지할 수 있다. 여기서 반응기의 온도는 표준압 기준 200~800℃일 수 있다. 이에 따라, 반응기는 반응이 완료될 때까지 탄산염 및 수소가 생성되는 온도 조건을 유지할 수 있다. 또한, 다른 실시예에 따른 반응기는 바이오매스 혼합물의 가스화 반응이 완료되기 전에 추가적인 바이오매스 혼합물이 공급될 수 있다. 이와 같은 경우, 추가되는 바이오매스 혼합물은 반응기 내의 반응 조건이 유지될 수 있는 양이 공급될 수 있다.
여기서 가스화 반응은 바이오매스 및 수산화물을 포함하는 바이오매스 혼합물을 반응물로 하고, 수소 및 탄산염을 생성물로 하는 화학 반응일 수 있다. 보다 구체적으로, 반응기는 바이오매스 혼합물을 가열하여 가스화 반응을 발생시킴으로써 기체 상태의 수소와 애쉬(ash) 상태의 탄산염을 생성할 수 있다. 여기서 바이오매스 혼합물의 가스화 반응을 통해 주산물인 수소와 부산물인 탄산염 등이 생성될 수 있다. 물론, 미반응 수산화물 등의 불순물이 애쉬 상태로 존재할 수 있음은 자명하다.
상기 반응생성물 중 수소를 포함한 기체는 반응기 상부로부터 유출되어 기상 반응생성물이 되며, 탄산염을 포함하는 애쉬 상태의 고체는 반응기 하부로부터 유출되어 탄산염을 포함한 고체생성물이 된다.
반응이 완료되면, 반응기에 캐리어 가스, 바람직하게는 공기를 공급하여 기상 반응생성물을 유출시키는 단계(4)를 수행한다.
상기 기상 반응생성물은 추가로 고체-기체 분리시켜 기체유출물 및 고체유출물로 분리시키는 단계(5)를 수행한다. 상기 기상 반응생성물에는 미량의 고체생성물, 미반응 수산화물, 불순물 등이 포함될 수 있으므로, K/O Drum, 필터 등을 이용하여 기상 반응생성물로부터 고체유출물을 제거할 수 있으며, 이러한 수단은 본 발명의 목적 범위내에서 당업자에게 자명한 수단이 사용될 수 있다.
또한, 상기 기체유출물로부터 추가로 기체-기체분리하여 최종 기체생성물인 수소를 생산하는 단계(6)를 수행한다. 이러한 기체-기체 분리는 특별히 제한되지 않으며, 본 발명에서는 압력스윙흡착(PSA)을 사용하여 수행되는 것이 바람직하다.
상기 단계(6) 이전에 상기 기체유출물을 건조시키는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다. 기체유출물로부터 수분을 제거하기 위한 수단은 특별히 제한되지 않으며, 바람직하게는 건조기를 사용할 수 있다.
상기 고체-기체분리된 고체유출물은 후속하여 폐수처리 단계를 거쳐 처리되는 것이 바람직하다. 상기 폐수처리 수단은 당업자에게 자명한 통상적인 수단을 사용할 수 있다.
상기 탄산염(M2CO3)은 바이오매스와 수산화물의 가스화 반응을 통해 생성될 수 있다. 여기서 탄산염은 탄산이온(CO3 2-)을 포함하는 이온 결정을 포함할 수 있다. 상기 상기 탄산염은 알칼리 또는 알칼리토류의 탄산염을 포함하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 수산화물로 수산화나트륨이 사용되는 경우, 슬러지와 수산화나트륨의 가스화 반응을 통해 수소와 탄산나트륨이 생성될 수 있다.
또한, 상기 반응기 하부로 이산화탄소를 공급하여 미반응 알칼리 및 알칼리토류의 하나 이상의 수산화물을 탄산염으로 변환시키는 단계(7)를 추가로 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 공급되는 이산화탄소의 양은 미반응 수산화물을 고려하여 결정하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 공급된 이산화탄소를 분리시키기 위해, 상기 기상 반응생성물을 유출시키는 단계(4)에 이산화탄소를 별도로 분리 배출시키는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 탄산염을 포함하는 고체생성물은 상기 반응기 상부로 캐리어 가스, 바람직하게는 공기를 공급하여 반응기 하부로부터 배출시키는 단계(8)를 추가로 포함하여 처리되는 것이 바람직하다. 이 경우, 배출구는 중력을 이용할 수 있도록 반응기 하부에 구비하는 것이 바람직하다.
상기 탄산염을 포함하는 고체생성물이 배출된 이후, 고체생성물의 탄산염 순도를 높이기 위한 중금속 제거 등의 기능을 하는 공정을 하부에 추가하는 것이 바람직하다. 이 경우, 중금속의 주 성분은 음식물 쓰레기에 미량 포함되어 있는 크롬(Cr) 성분이 대부분일 것으로 생각되며, 이를 제거하기 위한 방법은 음이온 처리 방법, 필터식 제거 방법 등의 방법을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
종래, 상기 반응기에 수산화나트륨을 공급하지 않으며 수증기만 공급하는 경우에, 수소 생산량이 적고, 생성물의 생산 시작 온도가 700℃를 초과하며, 이산화탄소 등과 같은 부산물의 생성이 커서 바람직하지 않다.
또한, NaOH 및 수증기를 모두 사용하는 경우에 바람직한 온도 범위에서 수소 생산이 가능하였으나, 소비되는 에너지가 지나치게 과량이므로 바람직하지 않다.
반면에, 본 발명에 따른 실시예의 경우에는 저온에서 수소 생산이 가능하며, 캐리어 가스가 공기 및 질소인 경우 모두 가능하였고, 물 또는 수증기를 사용하지 않으므로 장치에 부하가 적고, 소비되는 에너지가 적으므로 바람직하였다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.
Claims (24)
- 물 또는 수증기 공급이 없는 반응기;
상기 반응기를 200~800℃로 가열하는 가열수단;
상기 반응기에 연결되는 알칼리 및 알칼리토류 중 하나 이상의 수산화물 공급라인;
상기 반응기에 연결되는 바이오매스 공급라인;
상기 반응기에 연결되는 적어도 하나의 캐리어 가스 공급라인;
상기 반응기에 연결되는 기상 반응생성물 유출라인;
상기 기상 반응생성물 유출라인에 연결되는 고체-기체분리기; 및
상기 고체-기체분리기에 연결되는 기체분리기;를 포함하는 건식 수소 생산 장치. - 제 1 항에 있어서, 상기 알칼리 수산화물이 수산화나트륨인 것을 특징으로 하는 건식 수소 생산 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 고체-기체분리기에 연통되는 폐수처리장치를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 수소 생산 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 고체-기체분리기와 상기 기체분리기 사이에 건조기를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 수소 생산 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 반응기에 연결되는 이산화탄소 공급라인을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 수소 생산 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기상 반응생성물 유출라인에서 이산화탄소를 분리시켜 배출시키는 이산화탄소 유출라인을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 수소 생산 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 캐리어 가스가 공기, 질소 또는 불활성기체인 것을 특징으로 하는 건식 수소 생산 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 반응기에 연결된 고체생성물 배출라인을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 수소 생산 장치.
- 제 8 항에 있어서, 상기 고체생성물이 알칼리 및 알칼리토류 중 하나 이상의 탄산염을 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 수소 생산 장치.
- 제 8 항에 있어서, 상기 고체생성물이 탄산나트륨을 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 수소 생산 장치.
- 제 8 항에 있어서, 상기 고체생성물 배출라인 후단에 연결되어 고체생성물의 순도를 높이기 위한 장치가 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 건식 수소 생산 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 기체분리기가 압력스윙흡착(PSA) 장치인 것을 특징으로 하는 건식 수소 생산 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 가열수단이 튜브형 열교환기인 것을 특징으로 하는 건식 수소 생산 장치.
- 반응기에 알칼리 및 알칼리토류 중 하나 이상의 수산화물을 로딩하는 단계;
상기 반응기에 바이오매스를 공급하는 단계;
상기 반응기 내 상기 수산화물과 상기 바이오매스 혼합물을 유동화시키기 위하여 캐리어 가스를 공급하면서, 물 또는 수증기의 공급없이 상기 반응기를 200~800℃로 가열하여 반응생성물을 제조하는 단계;
상기반응기로부터 제조된 기상 반응생성물을 유출시키는 단계;
상기 기상 반응생성물을 고체-기체 분리시켜 기체유출물 및 고체유출물로 분리시키는 단계; 및
상기 기체유출물로부터 기체-기체분리하여 기체생성물을 생산하는 단계;를 포함하는 건식 수소 생산 방법. - 제 14 항에 있어서, 상기 알칼리 수산화물이 수산화나트륨인 것을 특징으로 하는 건식 수소 생산 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 고체-기체분리된 고체유출물을 처리하기 위한 폐수처리 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 수소 생산 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 단계 이전에 상기 기체유출물을 건조시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 수소 생산 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 반응기 하부로 이산화탄소를 공급하여 알칼리 및 알칼리토류 중 하나 이상의 수산화물을 알칼리 및 알칼리토류 중 하나 이상의 탄산염으로 변환시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 수소 생산 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 기상 반응생성물을 유출시키는 단계에 이산화탄소를 별도로 분리 배출시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 수소 생산 방법.
- 제 18 항에 있어서, 상기 반응기 상부로 캐리어 가스를 공급하여 알칼리 및 알칼리토류 중 하나 이상의 탄산염을 포함하는 고체생성물을 상기 반응기 하부로부터 배출시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 건식 수소 생산 방법.
- 제 14 항 또는 제 20 항에 있어서, 상기 캐리어 가스가 공기, 질소 또는 불활성 기체인 것을 특징으로 하는 건식 수소 생산 방법.
- 제 18 항에 있어서, 상기 알칼리 탄산염이 탄산나트륨인 것을 특징으로 하는 건식 수소 생산 방법.
- 제 20 항에 있어서, 상기 고체생성물을 반응기 하부로부터 배출시키는 단계에 이어서 연결되어 고체생성물의 순도를 높이기 위한 단계가 추가로 포함되는 것을 특징으로 하는 건식 수소 생산 방법.
- 제 14 항에 있어서, 상기 로딩된 알칼리 수산화물에 대한 바이오매스의 공급량이 건조 중량비로 1~3:1 (알칼리 수산화물:바이오매스)인 것을 특징으로 하는 건식 수소 생산 방법.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220005963A KR20230110000A (ko) | 2022-01-14 | 2022-01-14 | 건식 수소 생산 장치 및 방법 |
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