KR20240022529A - 수소 생성을 위한 복합 연소 및 열분해 반응기, 연관 시스템 및 방법 - Google Patents
수소 생성을 위한 복합 연소 및 열분해 반응기, 연관 시스템 및 방법 Download PDFInfo
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Abstract
복합 연소 및 열분해(CCP) 시스템, 연관 시스템 및 방법이 본 명세서에 개시된다. 몇몇 실시예에서, CCP 시스템은 탄화수소 반응물을 수용하기 위해 연료 공급원에 유체 결합 가능한 입력 밸브, 입력 밸브에 유체 결합되는 CCP 반응기, 및 CCP 반응기에 유체 결합되는 탄소 분리 구성요소를 포함한다. CCP 반응기는 연소 챔버, 연소 챔버와 열 전달하고 그리고/또는 입력 밸브에 유체 결합되는 반응 챔버, 및 연소 챔버 및/또는 반응 챔버로부터의 열 손실을 감소시키도록 위치되는 절연재를 포함할 수 있다. CCP 반응기는 또한 연소 챔버 내에서 연료를 연소하도록 위치된 연소 구성요소를 포함할 수 있다. 연소는 반응 챔버와 그를 통해 유동하는 탄화수소 반응물을 가열할 수 있다. 열은 수소 가스와 탄소를 생성하는 탄화수소 반응물의 열분해를 야기한다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 2021년 11월 24일 출원된 미국 가특허 출원 제63/283,156호 및 2021년 6월 4일 출원된 미국 가특허 출원 제63/197,255호에 대한 우선권을 주장한다.
기술분야
본 발명의 기술은 일반적으로 수소 생성을 위한 복합 연소 및 열분해 반응기, 및 연관 시스템 및 방법에 관한 것이다. 대표적인 시스템은 분산 주거용 및/또는 상업용 용례를 위해 사용될 수 있고, 수소에 추가하여 열, 전력 및/또는 다른 출력을 생성할 수 있다.
수소는 통상적으로 산업 환경에서 고온에서 동작하는 대규모 반응기에서 생성된다. 수소를 생성하기 위한 몇몇 산업적 방법은 증기 메탄 개질(SMR)과 석탄 가스화를 포함한다. 이들 프로세스는 높은 직접 온실 가스(GHG) 배출을 야기한다. 예를 들어, SMR은 수소 1 kg 당 약 10 kg의 이산화탄소를 생성할 수 있고, 석탄 가스화는 수소 1 kg당 20 kg의 이산화탄소를 생성할 수 있다. 생성된 수소는 이어서 연료 전지 및/또는 특정 암모니아 기반 비료 생성과 같은 다른 산업 프로세스에서 궁극적 사용을 위해 수송된다. 최근, 수소 가스는 화학 반응물로서 그리고 난방 및 전기용 열에너지 소스로서 사용을 위해, 저 GHG 방법을 사용하여 생성되어 왔다. 이 접근법은 수소 가스를 연소하는 것이 어떠한 온실 가스 또는 다른 유해한 화학 물질도 방출하지 않기 때문에, 전력 및/또는 열을 생성하거나 다양한 프로세스에 수소를 공급하는 매력적인 방법으로 관심을 얻고 있다. 그러나, 연소하는 수소 가스는 몰(mol) 기준으로 천연 가스보다 적은 열을 방출하고, 따라서 생성을 위한 효율적인 시스템을 필요로 한다.
메탄 열분해는 더 낮은 직접 온실 가스 배출을 갖고 수소를 생성하기 위한 대체 프로세스이다. 계속 추구되어 온 메탄 열분해 변형예에 대한 연구 및 선도자는 플라즈마 구동 해리, 열 해리, 촉매 용융 금속 또는 염의 사용 및 다양한 반응기 구성(예를 들어, 유동층 반응기)에서 촉매 이용을 포함한다. 이들 시스템은 탄소가 열분해 반응 중에 자연적으로 고체 형태로 격리되기 때문에, 온실 가스의 동시 방출 없이 수소 생성을 가능하게 하는 유망한 개발을 나타낸다. 그러나, 열분해 반응 흡열을 공급하기 위해, 이들 프로세스는 통상적으로 메탄 개질 또는 해리 프로세스에 전력을 공급하기 위해 전기 및/또는 열을 생성하도록 탄소 기반 재료에 의해 연료 공급되는 에너지 소스를 사용한다. 대안으로서, 재생 가능 전력이 제안되어 왔지만; 재생 가능 전력은 일반적으로, 통상적으로 연속적인 동작을 수반하는 산업 대규모 용례의 지속적인 에너지 요건을 충족하기 위해 급전 가능하지 않고, 오늘날 필요한 총 에너지 생성 용량의 작은 부분만을 포함한다. 이에 따라, 대규모 수소 생성을 위한 재생 가능 전력의 가용성과 분산된 소규모 생성을 위한 프로세스를 축소하는 데 불능성 사이의 부정합이 이 기술 부문에서의 요구를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 국부 분배, 소비 및/또는 저장을 위한 수소 가스를 생성하기 위한 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 다양한 대표적인 용례에 대한 전력, 난방, 냉방 및 천연 가스 수요 및 용법을 예시하고 있는 표이다.
도 3은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 수소 가스를 생성하기 위한 반응기 시스템의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 기술의 다양한 실시예에 따른 통합 난방 특징부를 갖는 반응기 시스템의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 수소 가스를 생성하기 위한 대표적인 반응기 시스템의 블록도이다.
도 6은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 도 4의 반응기 시스템에서 사용을 위한 반응 챔버의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 반응 챔버의 길이와 다양한 유량에 대한 반응 챔버를 통해 유동하는 반응물의 온도 사이의 관계를 도시하고 있다.
도 8은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 반응 챔버 내의 반응에 대한 표면 대 체적 비와 유동 챔버의 직경 사이의 관계의 효과를 도시하고 있다.
도 9는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 반응기를 가로지르는 최대 압력 강하에 대한 균질한 반응 조건을 만족시키는 반응 챔버에 대한 대표적인 치수를 도시하고 있다.
도 10은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 다중 반응 챔버를 갖는 도 4의 반응기 시스템의 개략도이다.
도 11은 본 발명의 기술의 실시예에 따라 구성된 반응기 시스템의 대표적인 구성요소의 개략도이다.
도 12는 본 발명의 기술의 실시예에 따라 구성된 반응기 시스템의 대표적인 구성요소를 도시하고 있는 블록도이다.
도 13은 본 발명의 기술의 다른 실시예에 따라 구성된 반응기 시스템의 대표적인 구성요소의 개략도이다.
도 14a 내지 도 14l은 본 발명의 기술의 실시예에 따라 구성된 탄소 제거 구성요소를 갖는 반응기 시스템의 부분 개략도이다.
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 기술의 실시예에 따라 구성된 탄소 제거 구성요소를 갖는 RTP 반응기 시스템의 부분 개략도이다.
도 16a 내지 도 16d는 본 발명의 기술의 또 다른 실시예에 따라 구성된 탄소 제거 구성요소를 갖는 반응기 시스템의 부분 개략도이다.
도 17a 내지 도 17c는 본 발명의 기술의 실시예에 따른 탄소 제거 기술의 효능을 입증하는 테스트 데이터를 도시하고 있다.
도 18a 내지 도 18c는 본 발명의 기술의 실시예에 따른 축방향 및 반경방향 열분해 구역을 갖는 대표적인 반응기 모델을 도시하고 있다.
도 19a 내지 도 19f는 도 18a 내지 도 18c에 도시되어 있는 대표적인 반응기 모델에 대한 예측된 성능 파라미터를 도시하고 있다.
도 20a 내지 도 20h는 본 발명의 기술의 실시예에 따른 다양한 대표적인 열분해 반응기 시스템에 대한 테스트 데이터를 도시하고 있다.
도 21은 본 발명의 기술의 실시예에 따른 반응물과 연소 연료의 다양한 비에 대한 열 손실과 열분해 변환 백분율 사이의 관계를 도시하고 있다.
도 22는 본 발명의 기술의 실시예에 따라 구성된 반응기의 테스트로부터의 스펙트럼 데이터를 도시하고 있다.
도 23은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 수소 가스로부터 탄소를 분리하기 위한 사이클론 분리기의 개략도이다.
도 24a 내지 도 24c는 본 발명의 기술의 다양한 실시예에 따른 탄소 수집 시스템의 부분 개략 등각도이다.
도 2는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 다양한 대표적인 용례에 대한 전력, 난방, 냉방 및 천연 가스 수요 및 용법을 예시하고 있는 표이다.
도 3은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 수소 가스를 생성하기 위한 반응기 시스템의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 기술의 다양한 실시예에 따른 통합 난방 특징부를 갖는 반응기 시스템의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 수소 가스를 생성하기 위한 대표적인 반응기 시스템의 블록도이다.
도 6은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 도 4의 반응기 시스템에서 사용을 위한 반응 챔버의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 반응 챔버의 길이와 다양한 유량에 대한 반응 챔버를 통해 유동하는 반응물의 온도 사이의 관계를 도시하고 있다.
도 8은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 반응 챔버 내의 반응에 대한 표면 대 체적 비와 유동 챔버의 직경 사이의 관계의 효과를 도시하고 있다.
도 9는 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 반응기를 가로지르는 최대 압력 강하에 대한 균질한 반응 조건을 만족시키는 반응 챔버에 대한 대표적인 치수를 도시하고 있다.
도 10은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 다중 반응 챔버를 갖는 도 4의 반응기 시스템의 개략도이다.
도 11은 본 발명의 기술의 실시예에 따라 구성된 반응기 시스템의 대표적인 구성요소의 개략도이다.
도 12는 본 발명의 기술의 실시예에 따라 구성된 반응기 시스템의 대표적인 구성요소를 도시하고 있는 블록도이다.
도 13은 본 발명의 기술의 다른 실시예에 따라 구성된 반응기 시스템의 대표적인 구성요소의 개략도이다.
도 14a 내지 도 14l은 본 발명의 기술의 실시예에 따라 구성된 탄소 제거 구성요소를 갖는 반응기 시스템의 부분 개략도이다.
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 기술의 실시예에 따라 구성된 탄소 제거 구성요소를 갖는 RTP 반응기 시스템의 부분 개략도이다.
도 16a 내지 도 16d는 본 발명의 기술의 또 다른 실시예에 따라 구성된 탄소 제거 구성요소를 갖는 반응기 시스템의 부분 개략도이다.
도 17a 내지 도 17c는 본 발명의 기술의 실시예에 따른 탄소 제거 기술의 효능을 입증하는 테스트 데이터를 도시하고 있다.
도 18a 내지 도 18c는 본 발명의 기술의 실시예에 따른 축방향 및 반경방향 열분해 구역을 갖는 대표적인 반응기 모델을 도시하고 있다.
도 19a 내지 도 19f는 도 18a 내지 도 18c에 도시되어 있는 대표적인 반응기 모델에 대한 예측된 성능 파라미터를 도시하고 있다.
도 20a 내지 도 20h는 본 발명의 기술의 실시예에 따른 다양한 대표적인 열분해 반응기 시스템에 대한 테스트 데이터를 도시하고 있다.
도 21은 본 발명의 기술의 실시예에 따른 반응물과 연소 연료의 다양한 비에 대한 열 손실과 열분해 변환 백분율 사이의 관계를 도시하고 있다.
도 22는 본 발명의 기술의 실시예에 따라 구성된 반응기의 테스트로부터의 스펙트럼 데이터를 도시하고 있다.
도 23은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 수소 가스로부터 탄소를 분리하기 위한 사이클론 분리기의 개략도이다.
도 24a 내지 도 24c는 본 발명의 기술의 다양한 실시예에 따른 탄소 수집 시스템의 부분 개략 등각도이다.
설명의 목적으로, 이하의 설명은 대응 제목 아래 여러 섹션으로 제시되어 있다. 달리 명시적으로 언급되지 않으면, 임의의 제목 아래에 설명된 요소는 비한정적으로, 다른 제목 아래에 설명된 시스템에 적용될 수도 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 섹션은 이하를 포함한다:
1. 개요
2. 대표적인 전체 연소 열분해 시스템
3. 대표적인 재생 열분해 시스템
4. 대표적인 복합 연소 및 열분해 시스템
5. 퇴적된 탄소 제거 시스템을 갖는 대표적인 반응기 구성
6. 대표적인 테스트 및 시뮬레이션 데이터
7. 액체 중간 생성물
8. 대표적인 가스 함유 탄소 제거 시스템
1. 개요
증기 메탄 개질(SMR) 및 가스화를 사용하는 산업용 반응기에 의해 생성된 수소의 광범위한 사용을 가능하게 하기 위해, 수소 운송 및 저장 기술과 기반시설이 요구될 것이다. 이는 이어서 기존의 천연 가스 파이프라인을 수소 호환성 재료로 교체하거나, 또는 수소를 저장하거나 운송하는 더 경제적이고 질량/체적 효율적인 방식을 발견하는 것을 요구할 것이다. 현재 최신 기술 수소 저장 장치는 수소 중량과 저장 탱크 중량 사이의 대략 5:95의 비를 갖는다. 이러한 요인 및 다른 요인은 가스 파이프라인의 대대적인 교체 및/또는 새로운 운송 기반시설의 생성이 엄청나게 비용이 많이 들고 그리고/또는 신속하게 채택되기에는 느릴 수도 있다는 것을 나타낼 것이다. 이들 제한으로 인해, 수소 사용은 주로 수소가 생성되는 곳과 가까운 장소에서 화학 분자로서 사용하는 데 한정되어 왔다. 예를 들어, 미국은 약 1,600 마일의 수소 파이프라인(대부분 정제소/화학 공장 부근에 위치됨) 대 2,000,000 마일의 천연 가스 파이프라인을 갖는다. 그러나, 현재의 산업적 수소 생성 방법은 다량의 온실 가스(GHG)를 방출하여, 규모 확대에 대한 그 잠재성을 제한한다. 유사하게, 이들 현재 생성 방법을 탈탄소화(decarbonizing)하는 것은 탄소 포획 및 저장(CCS)을 요구하는데, 이는 소규모로 동작이 어렵고 비경제적이다. 마지막으로, 현재의 수소 생성 방법은 소규모에서는 덜 효율적이게 된다. 이와 함께, 이들 요인은 국부 수요를 충족하고 수소 운송 및 저장의 어려움과 비용을 회피하기 위해, 현재의 수소 생성 방법의 규모 축소의 잠재성을 제한한다.
수소가 국부적으로 낮은 GHG 배출로, 운송 및 저장을 회피하게 될 수 있으면, 반응물로서 화학 물질에 사용하는 것을 넘어 그 사용자 기반을: 건물 부문(난방, 냉방, 전기), 발전(전기), 운송 연료(예를 들어, 트럭, 선박, 자동차 및/또는 다른 차량용), 다른 산업 부문(철강, 유리, 시멘트) 및/또는 다른 전통적인 화학 공장 사용자를 포함하는 용례로 확장할 수 있다. 연소용 연료 또는 깨끗한 화학 반응물로서 수소로 전환은 막대한 환경적 이익을 제공할 것이다.
예를 들어, 건물 부문(상업용 및 주거용)에서, 화석 연료를 통한 공간 난방 및 온수 난방은 전세계 온실 가스 배출의 가장 큰 요인 중 하나이다. 이에 따라, 건물 기기에서 수소 연소로의 전환은 막대한 환경적 이익을 제공할 것이다. 수소는 또한 건물 레벨에서 연료 전지 및/또는 다른 디바이스를 사용하여 직접, 또는 열-전기 변환기 및 열 기관을 통해 간접적으로 전기로 변환될 수 있다. 전기를 국부적으로 생성하기 위한 수소의 사용(예를 들어, 동일한 건물 내, 동일한 이웃 내, 단일 기기 및/또는 하우징 내, 전통적인 기기용으로 이전에 지정된 공간 내, 및/또는 지역 열병합 발전용으로)은 탄소 배출 전력 소스에 대한 의존도를 더 감소시켜, 이에 의해 더 많은 환경적 이익을 제공할 수 있다.
국부 분배, 소비 및/또는 저장을 위한 수소 가스 생성용 시스템, 및 관련 디바이스 및 방법이 본 명세서에 개시된다. 몇몇 실시예에서, 대표적인 시스템은 탄화수소 또는 탄화수소의 혼합물을 포함하는 반응 재료의 공급원에 연결 가능한 입력 라인, 및 입력 라인과 유체 연통하는 반응기를 포함한다. 반응기는 반응 재료에 열을 전달하여 탄화수소를 수소 가스, 탄소 미립자 및 열(뿐만 아니라 잔류 반응 재료 및 중간물과 같은 다른 가스)를 포함하는 출력물(예를 들어, 출력 생성물 스트림)로 변환하도록 위치된 하나 이상의 유동 채널을 포함한다. 전체 시스템은 또한 반응기로부터 탄소를 제거하기 위한 탄소 제거 시스템, 및 출력 스트림 내의 탄소 미립자로부터 수소 가스를 분리하기 위해 반응기에 동작 가능하게 결합된 분리 시스템을 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 시스템은 여과된 수소 가스를 국부적으로 소비하기 위한 구성요소를 또한 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템은 수소 가스의 모두 또는 일부를 연소하는 하나 이상의 버너(burners)와 버너로부터 반응기(및/또는 반응기 내의 특정 챔버)로 열을 전달하는 버너와 반응기 사이에 결합된 하나 이상의 열 경로를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 예를 들어, 시스템의 동작은 가열 기간에 이어서 동작 기간을 포함한다. 가열 기간 동안, 반응기는 원하는 속도로 열분해를 야기하기 위해 충분한 열을 반응물 내로 전달할 수 없다(예를 들어, 반응기 및/또는 반응기 벽이 아직 충분히 고온이 아니기 때문에). 이에 따라, 열분해 반응은 비교적 낮은 속도로 발생하고(예를 들어, 더 적은 양의 반응물이 반응기를 통과하고 그리고/또는 큰 비율의 반응물이 통과하는 동안 반응하지 않음), 수소 가스 생성이 비교적 낮다. 그 결과, 반응에 의해 생성된 수소 가스의 모두(또는 대부분)가 반응기를 계속 가열하는 데 필요할 수도 있다. 동작 기간 동안, 반응기(및/또는 반응기 내의 벽)는 원하는 속도로 열분해 반응을 추진하기에 충분한 온도에 있다. 이에 따라, 수소 가스의 일부만이 반응기를 계속 가열하기 위해 소비되도록 과잉 수소 가스가 생성될 수 있다. 열을 전달하기 위해, 일 예에서, 열 경로는 버너로부터의 고온 연도 가스(flue gas)를 반응기 위로 및/또는 통해 유도할 수 있다. 특정 예에서, 버너는 반응기의 제1 챔버 내에 위치될 수 있고 공유 벽을 통한 전도 및/또는 복사를 통해 열을 제2 챔버 내로 전달할 수 있다.
시스템은 반응기 및/또는 버너에 동작 가능하게 결합된 하나 이상의 발전기를 또한 포함할 수 있다. 발전기는 수소 및/또는 열을 수용하여 전기를 발생한다. 전기는 시스템의 다양한 구성요소에 전력 공급하는 데 사용될 수 있고 그리고/또는 전력망(electric grid)으로 유도될 수 있다. 이어서, 전력망은 단독 주택, 다가구 주택, 상업용 건물 및/또는 임의의 다른 적합한 공간에 전력 공급할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 근거리 사용(예를 들어, 건물 레벨에서)을 위해 소비되는 것보다 더 많은 전기가 생성된다. 몇몇 이러한 실시예에서, 여분의 전기는 외부 전력망으로 내보내진다. 몇몇 이러한 실시예에서, 여분의 전기는 건물 규모에서 이후의 소비를 위해 2차 전기화학 또는 열 저장 시스템에 저장된다. 전체 시스템은 열 경로를 통해 반응기, 버너 및/또는 발전기에 동작 가능하게 결합된 순환 시스템을 또한 포함할 수 있다. 순환 시스템은 시스템의 다른 구성요소로부터 여분의 열을 수용하여 단독 주택, 다가구 주택, 상업용 건물 및/또는 임의의 다른 적합한 공간을 위한 난방 그리드 및/또는 온수 그리드 내에서 열을 순환시킨다.
시스템은 반응물로서 H2의 사용을 위해 오일 및 가스 정제소, 화학 공장에, 또는 예를 들어 탱크 내의 압축 및 저장을 통해, 정화 및 저장을 위해 가스 공급자에 이를 공급함으로써 화학 반응물로서 사용을 위해 수소 생성물을 이용하는 하나 이상의 방식을 또한 포함할 수 있다. 이어서, 압축 수소 가스 탱크는 연료 전지 스테이션, 특수 및 정밀 화학 물질 생성을 위한 소규모 수소 사용자와 같은 다양한 용도로 분배될 수 있다.
본 명세서에 개시된 바와 같이, 대표적인 시스템은: (a) 주거용, 이웃 또는 단일 상업용 건물 레벨; (b) 산업 사용자 - 소규모 수소 사용자 또는 대규모 사용자; 및/또는 (c) 연료로서 - 예를 들어 자동차에 전력 공급하기 위한 연료 전지 스테이션을 위한 또는 다른 전력 또는 열 생성 목적으로 적절한 용례를 정합하기 위해 규모 조절(축소 또는 확대)될 수 있다. 임의의 이들 실시예에서, 수소는 사용 지점 부근에서 생성되어, 이에 의해 수소 또는 혼합 수소/천연 가스 그리드를 가능하게 하기 위한 기반시설 정비의 필요성을 회피한다. 즉, 개시된 시스템 디자인의 실시예는, 수소가 천연 가스로부터 현장에서 생성되고 또한 현장에서 소비되기 때문에, 천연 가스 그리드에 대한 어떠한 변경도 없이 상기 식별된 부문의 부분적 또는 완전한 탈탄소화를 가능하게 한다. 그러나, 소규모의 열분해 반응기는 또한 수많은 과제를 야기한다. 이들 과제에 대처하기 위해, 본 명세서에 개시된 다양한 실시예는 소규모 분산 용례 및/또는 건물 난방 시스템과의 통합을 위해 열분해 반응기를 적응시키는 특징부를 포함한다.
대표적인 시스템은 고체 탄소 부산물을 생성하는 하나 이상의 방식을 또한 포함할 수 있다. 시스템으로부터 수집된 고체 탄소는, 이들에 한정되는 것은 아니지만, 물과 영양분 유지를 위한 토양 개량 재료, 도로 건설, 타이어, 건물 건설, 방수 재료, 카본 블랙, 활성탄, 흑연 탄소, 폴리머 및 금속 복합재용 첨가제, 결합제 또는 충전제 재료, 촉매 지지부, 내화 재료, 탄소-탄소 브레이크, 잉크 및 코팅용 열 페이스트, 철강 제조용 야금 코크스의 대체물 및/또는 탄화수소 연료의 열분해 반응을 돕기 위해 촉매 또는 핵 생성 부위로서 작용하는 열분해 반응기 시스템으로의 재순환으로서 사용을 포함하는 다양한 용례에 사용될 수 있다. 벌크 탄소 부산물은 다양한 등급으로 분리될 수 있고 다양한 의도된 용례에 대해 화학적 및/또는 물리적 기능화를 받게 될 수 있다.
대표적인 시스템은 액체 또는 고체(예를 들어, 왁스) 탄화수소 생성물로 응축될 수 있는 중간 생성물로 탄화수소 연료의 불완전한 변환을 위한 특징부를 또한 포함할 수 있다. 중간 생성물은 또한 주요 부산물(예를 들어, 고체 탄소)에 대한 결합제로 사용되기에 충분한 양을 생성하기 위해 간헐적으로 생성될 수 있다. 대안적으로, 중간 생성물은 기체 천연 가스 공급물 또는 완전 변환의 생성물 - 즉, 수소에 비교하여 운송이 더 쉬운 높은 물리적 및 에너지 밀도를 갖는 연료 또는 화학 물질로서 사용될 수 있다.
시스템은 또한 반응기로부터 고체 탄소 부산물을 제거하고 이들을 기체 수소로부터 분리하는 하나 이상의 방식을 포함할 수 있다. 방법은 주기적 또는 연속적 기반으로 탄소를 제거하기 위한 기계적 및 비기계적 방식의 모두를 포함한다. 여러 대표적인 기술이 이후에 설명된다.
시스템은 또한 시동, 정지 및 정상 상태 동작 중에 시스템을 제어하기 위한, 그 자신의 동작을 감지하기 위한 및/또는 조작자와 통신하기 위한 구성요소 및 방법을 포함할 수도 있다. 예를 들어, 하나 이상의 센서는 압력 강하 및 유량을 감지하고, 적절한 제어기를 통해, 밸브 및/또는 다른 구성요소를 조정하여 동작을 최적화하거나, 또는 일시적으로 변하는 수소 생성 수요에 정합하도록 동작을 조정할 수도 있다. 시스템은 원격 모니터링을 위한 통신 디바이스, 뿐만 아니라 로컬 모니터링 스테이션(예를 들어, 스크린 및/또는 다른 표시기를 통해 조작자로)을 또한 포함할 수도 있다. 시스템은 시스템이 가열되고 그리고/또는 제1 연소 연료(예를 들어, 천연 가스 및/또는 다른 적합한 탄화수소)에 의해 초기에 흡열이 공급되는 것을 가능하게 하는 밸브 서브시스템을 또한 포함할 수도 있다. 이어서, 일단 시스템이 적합한 동작 온도에 도달하면, 밸브는 시스템을 가열하고 그리고/또는 제2 연소 연료(예를 들어, 시스템 내의 열분해 반응에 의해 생성된 수소 및/또는 생성된 수소와 제1 연소 연료의 혼합물)를 통해 흡열을 공급하도록 전환할 수 있다. 시스템은 연속/정상 상태 모드에서 동작하도록 구성될 수도 있고, 또는 조작자, 센서 및/또는 다른 자동화 시스템으로부터의 명령 또는 신호에 따라 턴온 및 턴오프되도록 구성될 수도 있다. 예를 들어, 시스템은 건물 내의 열 수요에 따라 턴온 또는 턴오프될 수도 있고, 서모스탯 또는 다른 HVAC 제어 시스템과 통신하기 위한 하드웨어를 포함할 수 있다. 유사하게, 시스템은 유지 보수를 위해 필요에 따라 유닛을 턴오프하고 시동하기 위한 제어 유닛을 포함할 수도 있다.
용이한 참조를 위해, 그 시스템 및 구성요소는 때때로 도면에 도시되어 있는 실시예의 공간 배향에 대해 상 및 하, 상부 및 하부, 상향 및 하향, 및/또는 수평 평면, x-y 평면, 수직, 또는 z-방향을 참조하여 본 명세서에 설명된다. 그러나, 그 시스템 및 구성요소는 본 발명의 기술의 개시된 실시예의 구조 및/또는 기능을 변경하지 않고 상이한 공간 배향으로 이동되고, 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
또한, 천연 가스를 국부 소비를 위해 수소 가스로 분해하기 위한 시스템으로서 본 명세서에 주로 설명되지만, 통상의 기술자는 본 발명의 기술의 범주가 그와 같이 한정되는 것은 아니라는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 명세서에 설명된 열분해 반응기는 또한 임의의 다른 적합한 탄화수소 또는 탄화수소 혼합물을 분해하는 데 사용될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 기술의 범주는 실시예의 임의의 특정한 서브세트에 한정되지 않는다.
본 명세서에 개시된 대표적인 시스템은 재생 열분해(RTP) 반응기 및/또는 복합 연소 및 열분해(CCP) 반응기를 포함한다. RTP 반응기는 통상적으로 직렬로 동작하는 적어도 2개의 반응 용기 또는 챔버를 포함하고, 하나의 완전히 가열된 용기는 열분해 반응을 수행하고, 다른 용기는 가열중이다. CCP 반응기는 통상적으로 연소 챔버와 반응기 챔버 사이에 예를 들어 동심 또는 환형 배열의 공통 벽 또는 표면을 갖는다.
2. 대표적인 전체 연소 열분해 시스템
도 1은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 국부화 규모로 수소 가스를 생성 및/또는 이용(예를 들어, 분배, 소비 및/또는 저장)할 수 있는 시스템(100)의 블록도이다. 몇몇 실시예에서, 시스템(100)에서 수소 가스의 생성 및 이용은 단독 주택 가정 내에서 발생한다. 예를 들어, 시스템(100)은 종래의 천연 가스 노(furnaces) 또는 버너에 의해 이전에 점유된 공간 내에 위치된 단일 기기로서 구현될 수 있고 그리고/또는 이들 종래의 기기에 대한 직접적인 대체품으로서 작용할 수 있다. 다른 예에서, 시스템(100)은 서로 동작 가능하게 연결된 다수의 디바이스 및/또는 기기의 형태를 취할 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 시스템(100)은 다른 국부화 규모에서 수소 가스를 생성하고 이용한다. 예를 들어, 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 시스템(100)은 원룸, 단독 주택 가정, 다가구 가정, 아파트 건물, 주거 이웃, 공공 건물(예를 들어, 단일 상점, 정부 건물, 병원, 학교 또는 임의의 다른 공공 공간), 상업용 건물(예를 들어, 사무실 건물), 데이터 센터 또는 임의의 다른 적합한 공간을 위해 수소 가스를 생성하고 이용할 수 있다. 시스템(100)이 국부적으로 수소 가스를 생성하고 이용하기 때문에, 시스템(100)은 기반시설의 어떠한 정비도 없이, 탄화수소 연료(예를 들어, 천연 가스, 메탄 및 다른 탄화수소)의 기존의 사용을 대체 및/또는 보충하고, 뿐만 아니라 기존의 전기 소스를 대체 및/또는 보충하도록 구현될 수 있다.
예시된 실시예에서, 전체 시스템(100)은 반응기 시스템(110), 하나 이상의 공기 송풍기(118), 발전 시스템(120), 순환 시스템(130) 및 순환 시스템(130)과 별개인 냉방 시스템(140)을 포함한다. 반응기 시스템(110)은 연료 공급원(10)에 동작 가능하게 결합된 반응기(112) 및 반응기(112)에 동작 가능하게 결합된 탄소 분리기(114)를 포함한다. 연료 공급원(10)으로부터의 반응물은 반응기 시스템(110)에 의해 분해될 수 있는 탄화수소를 포함한다. 적합한 반응물의 예는 천연 가스 또는 메탄, 가솔린, 제트 연료, 프로판, 등유, 디젤 및/또는 임의의 다른 적합한 탄화수소 연료를 포함한다.
아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이, 반응기(112)는 반응물을 수용하고 탄화수소를 수소 가스 및 탄소 미립자로 분해하는데, 이들 탄소 미립자는 이어서 탄소 분리기(114)로 유도된다. 탄소 분리기(114)는 수소 가스로부터 탄소 미립자를 제거하여, 이에 의해 수소 연료를 생성한다. 탄소 분리기(114)는 탄소 미립자를 탄소 처리 구성요소(20)(예를 들어, 비움 가능한 빈(emptiable bin))로 유도하여, 탄소가 처리되고, 저장되거나 재판매될 수 있게 할 수 있고, 반면 수소 가스는 반응기 시스템(110) 및/또는 전체 시스템(100)의 다른 장소 내에서 이용될 수 있다. 예를 들어, 예시된 실시예에서, 반응기 시스템(110)은 수소 가스를 연소시키기 위해 하나 이상의 공기 송풍기(118)에 동작 가능하게 결합된 하나 이상의 버너(들)(116)를 또한 포함한다. 버너(들)(116)와 반응기(112) 사이의 열 경로는 수소 가스를 연소시킴으로써 생성된 열을 전달할 수 있다. 예를 들어, 열 경로는 반응기(112) 주위에 및/또는 통해 고온 연도 가스를 유도할 수 있다. 반응기(112)는 연소하는 수소 가스로부터 열을 수용하고 추가 탄화수소를 분해하기 위해 열을 사용한다.
부가적으로 또는 대안적으로, 반응기 시스템(110)은 분배 및/또는 이후의 소비를 위해 발전 시스템(120)(소비되는 장소) 및/또는 수소 저장 구성요소(30)로 수소 가스를 유도할 수 있다. 예를 들어, 수소 저장 구성요소(30)는 미사용 기간 후에 반응기(112)를 재가열하기 위해 연소 연료를 위해 이용될 수 있다. 0.21 입방 피트의 체적을 갖고 알루미나 쉘로서 형성된 반응기(112)의 경우, 반응기(112)를 실온으로부터 약 1000℃의 동작 온도로 가열하기 위한 에너지의 양은 대략 720 킬로주울(kJ)이다. 이 에너지는 열의 비교적 완전한 이용을 가정할 때, 약 66 표준 리터의 수소 가스를 연소함으로써 생성될 수 있다. 다른 예에서, 수소 저장은 수소의 생성을 수소의 소비로부터 분리하는 데 사용될 수 있다. 즉, 저장된 수소는 높은 수요의 기간 동안 생성된 수소의 스트림을 보충 및/또는 대체할 수 있다. 다른 예에서, 저장된 수소는 수소 그리드로 재분배될 수 있다. 수소 그리드는 연료 전지(예를 들어, 시스템(100)에 의해 이후에 사용되는, 자동차에 사용되는 연료 전지 및/또는 임의의 다른 적합한 연료 전지)를 충전하고, 그리고/또는 최소의 기반시설 추가로 더 높은 에너지 수요를 갖는 이웃 아파트, 가정 및/또는 건물에 수소를 재분배하는 데 사용될 수 있다.
수소를 저장하는 데 사용될 수 있는 재료의 비한정적 예는 아래의 표 1에 기술된 제올라이트, Pd, H3N:BH3 및/또는 임의의 고체 재료와 같은 통상적인 가스 저장 탱크 및 고체 재료를 포함한다.
도 1에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 발전 시스템(120)은 수소 가스를 연소시키기 위해 공기 송풍기(들)(118)에 동작 가능하게 결합된 하나 이상의 버너(116), 및 버너(들)(116) 및/또는 반응기(112)로부터의 출력물(예를 들어, 고온 가스, 수소 가스, 및/또는 열 전달 유체와 같은 물리적 전달 매체를 통한 열)에 동작 가능하게 결합된 하나 이상의 발전기(124)를 또한 포함한다. 발전기(들)(124)는 버너(들)(116)로부터의 연도 가스, 버너(들)(116)로부터의 열, 및/또는 반응기(112)로부터의 출력물을 사용하여 전기를 발생한다. 다양한 실시예에서, 발전기(들)(124)는 열이온 변환기, 열광전 시스템, 알칼리 금속 열에너지 변환기(AMTEC), 연료 전지, 내연 기관, 터빈 또는 마이크로터빈, 열전 발전기, 증기 터빈 및/또는 스털링 엔진을 포함할 수 있다. 발전 시스템(120)은 이어서 발생된 전기를 국부 소비, 국부 저장 및/또는 분배를 위해 전력망(40)으로 유도할 수 있다. 예를 들어, 전력망(40)은 발생된 전기의 일부를 저장하는 2차 전지 및 발생된 전기의 일부를 소비하는 주거용 가정 내의 다양한 전자 기기를 포함할 수 있다. 전술된 바와 같이, 몇몇 실시예에서, 근거리 사용(예를 들어, 국부적)에서 소비되는 것보다 더 많은 전기가 생성된다. 몇몇 이러한 실시예에서, 여분의 전기는 전력망(40)으로 내보내지고 그리고/또는 이후의 소비를 위해 2차 연료에 저장된다.
도 1에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 발전 시스템(120)은 여분의 고온 연도 가스 및/또는 열을 반응기 시스템(110) 및/또는 순환 시스템(130)으로 유도할 수 있다. 반응기 시스템(110)은 추가의 탄화수소를 수소 가스로 분해하기 위해 반응기를 가열하는 것을 돕기 위해 비변환 열 및 연도 가스를 사용할 수 있다. 반응기 시스템(110)은 이어서 여분 및/또는 기생적으로 손실된 열을 순환 시스템(130)으로 유도할 수 있다(예를 들어, 고온 가스 및/또는 고온 유체의 유동을 통해, 및/또는 열 전달 유체 또는 다른 적합한 열 전달 매체와 같은 물리적 전달 매체를 통해).
예시된 실시예에서, 순환 시스템(130)은 반응기 시스템(110)에 동작 가능하게 결합된 응축 열 교환기(132), 발전 시스템(120)에 동작 가능하게 결합된 히트 싱크(134), 및 응축 열 교환기(132) 및 히트 싱크(134)에 동작 가능하게 결합된 순환 펌프(136)를 포함한다. 응축 열 교환기(132)는 반응기 시스템(110)으로부터 여분 및/또는 기생적으로 손실된 열을 수용한다. 응축 열 교환기(132)는 이어서 난방 그리드(50)로 열을 순환시키기 위해 열을 재생한다(예를 들어, 보일러, 노 및/또는 유사한 기기 내에서). 예를 들어, 응축 열 교환기(132)는 아파트 건물을 위한 온수를 공급하기 위해 반응기(112)로부터의 여분의 열을 사용할 수 있다. 히트 싱크(134)는 발전 시스템(120)으로부터 여분 및/또는 기생적으로 손실된 열을 수용한다. 순환 펌프(136)는 이어서 히트 싱크(134) 및 응축 열 교환기(132)에 걸쳐 유체(예를 들어, 물, 공기 또는 다른 적합한 열 전달 유체)를 순환시켜 난방 그리드(50) 내로의 부가의 재생을 위해 히트 싱크(134)로부터 응축 열 교환기(132)로 열을 전달한다.
도 1에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 시스템(100)의 구성요소가 다양한 용도를 위해 연도 가스로부터 열을 추출한 후, 시스템(100)은 연도 가스를 배기 시스템(60)으로 유도할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 시스템(100)은 반응물 내의 탄화수소를 반응기 시스템(110)으로부터의 수소 가스 생성물로 완전히 대체한다. 이에 따라, 이들 실시예에서, 연도 가스는 수증기, 산소 가스, 및/또는 공기 송풍기(들)(118)로부터의 공기 내에 존재하는 임의의 다른 분자(예를 들어, 질소 가스)만을 포함한다. 즉, 연도 가스는 일반적으로 탄화수소 연소로부터 발생할 것인 새로운 이산화탄소 분자를 포함되지 않는다. 몇몇 실시예에서, 배기 시스템(60)은 시스템(100)이 구현되는 공간에서 기존의 환기 시스템 내의 기존의 환기 시스템(예를 들어, 노로부터 이격하여 이산화탄소를 유도하는 기존의 환기 시스템)을 이용한다.
도 1에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 발전 시스템(120)은 열 및/또는 전기를 냉방 시스템(140) 내로 유도할 수 있다. 냉방 시스템(140)은 냉기를 순환하기 위해 열 및/또는 전기를 이용한다. 다양한 실시예에서, 냉방 시스템(140)은 흡수 냉각기, 압축 공기 조화기 및/또는 히트 펌프를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 냉방 시스템(140)은 수소 가스 및/또는 열(도시되어 있지 않음)을 수용하기 위해 반응기 시스템(110)에 직접 동작 가능하게 결합된다. 이러한 실시예에서, 냉방 시스템(140)은 전술된 임의의 냉방 시스템 구성요소를 구동하기 위해 수소 가스 및/또는 열을 이용한다. 또한, 몇몇 실시예에서, 냉방 시스템(140)은 순환 시스템(130)과 및/또는 내에 통합될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 반응기 시스템(110) 및/또는 발전 시스템(120)은, 예를 들어 유체를 순환시키지 않고 단방향 방식으로 난방 구성요소 및/또는 냉방 구성요소에 열 및/또는 전기를 유도할 수 있다. 예를 들어, 난방 구성요소(예를 들어, 응축 열 교환기(132))는 반응기(112)로부터 열을 수용하고, 유체(예를 들어, 물, 공기 또는 다른 적합한 유체) 내로 열을 전달하고, 유체를 다시 수용하지 않고 난방 그리드(50) 내로 가열된 유체를 유도할 수 있다. 특정 예에서, 난방 구성요소는 반응기(112)로부터 열을 수용하고, 외부 공급원으로부터 물 내로 열을 전달하고, 온수를 주거 공간 내로 유도할 수 있다. 사용된 온수는 이어서 순환 시스템(130) 내로 다시 순환되기보다는 하수(sewage) 및/또는 중수(greywater) 처리 시스템으로 배출된다. 다른 특정 예에서, 냉방 구성요소는 발전기(들)(124)로부터 열 및/또는 전기를 수용하고, 냉기 발생기를 구동하기 위해 열 및/또는 전기를 사용하고, 냉기를 주거 공간 내로 유도할 수 있다. 냉기는 이어서 주거 공간에서 소산될 수 있고 반면 냉방 구성요소는 외부 소스로부터 냉방을 위해 새로운 공기를 끌어올 수 있다.
다양한 실시예에서, 반응기 시스템(110), 발전 시스템(120), 순환 시스템(130) 및/또는 냉방 시스템(140)은 시스템의 구성요소와 연관된 데이터를 수집하기 위한 하나 및/이상의 센서(142)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서는 반응기 시스템(110)에 의해 생성된 고체 탄소의 중량 및/또는 광학 특성을 측정할 수 있다. 이들 센서로부터의 데이터는 이어서 반응물로부터 제거된 탄소의 양에 대한 보고서를 생성하여, 사용자가 탄소 배출권 또는 탄소 감축 지불금(예를 들어, 주, 연방 및/또는 상업 탄소 시장)에 액세스할 수 있게 하는 데 사용될 수 있다. 데이터는 또한 사용자에게 탄소 처리 구성요소(20)가 가득 찼음을(또는 거의 가득 찼음을) 경고하여, 사용자에게 탄소 처리 구성요소(20)를 비우도록 촉구하는 데 사용될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 센서는 반응기(112)에서 전기적 특성(예를 들어, 전도도, 주파수 의존 전도도, 전기 임피던스 분광법, 및/또는 임의의 다른 적합한 특성)을 측정할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 센서는 반응기(112)를 통한 반응물 유동 및/또는 반응기(112) 내의 탄소의 축적을 결정하기 위해 초음파 측정을 수행할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 가스 유량 센서는 반응기(112) 외부로 유동하는 생성물(예를 들어, 수소)에 대한 반응물(예를 들어, 메탄)의 비를 결정할 수 있다. 이러한 실시예에서, 비는 반응기(112) 내에서 발생하는 열분해 반응의 정도/효율을 나타낼 수 있다. 몇몇 실시예에서, 열전쌍 및/또는 다른 온도 센서가 반응기(112), 버너(들)(116)로부터의 연도 가스, 발전기(들)(124), 응축 열 교환기(132), 및/또는 시스템(100)의 임의의 다른 적합한 구성요소의 온도를 측정한다. 몇몇 실시예에서, 수소 가스 센서(예를 들어, 팔라듐 와이어를 통해 전류를 통과시키는 센서)는 반응물 변환 및/또는 수소 생성 속도를 모니터링한다.
몇몇 실시예에서, 시스템(100)은 입출력(I/O) 링크를 통해 센서 및 시스템의 다양한 구성요소에 동작 가능하게 결합된 제어기(150)를 포함한다. 전술된 임의의 측정에 기초하여, 제어기(150)는 시스템(100)의 동작을 조정할 수 있다. 예를 들어, 제어기(150)는 반응기(112)의 출구에서 측정된 수소 가스에 대한 반응물의 비에 기초하여 반응물의 입력 유동 및/또는 반응기(112)의 동작 온도를 조정할 수 있다(예를 들어, 비 내의 수소의 양을 증가/감소시키기 위해). 몇몇 실시예에서, 제어기(150)는 과거 조건 및 수소 소비를 저장하는 메모리, 뿐만 아니라 예측 분석 구성요소를 포함하고 그리고/또는 이들에 결합된다. 전술된 임의의 측정치 및 메모리로부터의 데이터에 기초하여, 예측 분석 구성요소는 시스템(100) 내의 임의의 구성요소의 동작에 대한 조정을 결정할 수 있고 제어기(150)는 조정을 완료할 수 있다. 예를 들어, 예측 분석은 높은 및 낮은 수소 수요의 기간을 결정할 수 있고 제어기(150)는 결정된 기간에 따라 반응기(112)를 토글 온 오프할 수 있다(예를 들어, 반응물의 입력을 시작 및 정지함으로써).
전술된 바와 같이, 시스템(100)은 원룸, 단독 주택 가정, 다가구 가정, 아파트 건물, 주거 이웃, 공공 건물(예를 들어, 단일 상점, 정부 건물, 병원, 학교 또는 임의의 다른 공공 공간), 상업용 건물(예를 들어, 사무실 건물), 데이터 센터 또는 임의의 다른 적합한 공간을 위해 수소 가스를 생성하고 이용하도록 규모 조절될 수 있다. 규모는 통상적인 반응물 소비율의 견지에서 정량화될 수 있다. 예를 들어, 반응물로서 메탄을 사용하여, 통상적인 규모는 단일 가구 주택(예를 들어, 단독 주택 또는 다가구 건물 내의 단일 유닛)에 대해 약 500 분당 표준 입방 센티미터(standard cubic centimeter per minute: sccm) 내지 약 37,500 sccm; 중앙 집중식 시스템(100)을 갖는 다가구 건물에 대해 약 150,000 sccm 내지 약 3,750,000 sccm; 중앙 집중식 시스템(100)을 갖는 이웃에 대해 약 150,000 sccm 내지 약 3,750,000 sccm의 천연 가스 유량 범위를 포함한다. 반응물로서 메탄을 사용하는 다른 정량화 예에서, 통상적인 규모는 단일 가구 주택에 대해 약 10 연간 백만 영국 열 단위(million British thermal units per year: MMBtu/year) 내지 약 164 MMBtu/year(또는 약 15981 Btu/hr 내지 약 18721 Btu/hr); 소형 다가구 건물에 대해 약 4875 MMBtu/year 내지 약 6300 MMBtu/year; 중앙 집중식 시스템(100)을 갖는 있는 상업용 건물(예를 들어, 산업 현장 및 사무실, 캠퍼스, 공항, 병원, 쇼핑몰 및/또는 임의의 다른 적합한 상업용 건물)에 대해 약 9500 MMBtu/year 내지 약 136,189 MMBtu/year; 더 대형 다가구 건물 및/또는 이웃에 대해 약 453,963 MMBtu/year 내지 약 1,232,184 MMBtu/year; 및 높은 전력 및 냉방 수요를 갖는 데이터 센터에 대해 약 2,468,421 MMBtu/year 내지 약 3,350,000 MMBtu/year의 천연 가스 소비율을 포함한다.
도 2는 다양한 용례에 대한 규모, 뿐만 아니라 상이한 규모에서 대표적인 시스템(100)의 특정 구성요소에 의해 소비되는 전력의 부가의 예를 갖는 표를 포함한다. 도시되어 있는 바와 같이, 표는 시스템(100)(도 1)의 상이한 실시예를 위해 요구되는 전력, 난방, 냉방 및 천연 가스, 뿐만 아니라 수요 및 용법의 견지에서 각각의 실시예에 대한 대략적인 규모를 나타낸다. 예시된 규모는 주거, 상업, 지역 및 데이터 센터 사용량 및 전력, 난방 및 냉방에 대한 연관 요구를 포함한다. 이에 따라, 도 2의 표는 수소의 산업적 생성에 사용되는 훨씬 더 대규모에 대조적으로 이들 실시예에 대한 요구 및 시스템 요건을 차별화하기 위한 맥락을 제공한다. 그러나, 도 2의 표에 있는 값은 예시적인 예이고, 예시된 특정 예에 본 발명의 기술을 한정하려는 의도는 아니라는 것이 이해될 수 있을 것이다.
도 1로 복귀하면, 전술된 임의의 용례에서, 시스템(100)은 시스템(100)이 전개되는 공간의 소비 요구를 충족시키기 위해 다중 반응기(112)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 반응물로서 메탄을 사용하여, 단일 반응기는 약 500 sccm 내지 약 172,853,881 sccm, 또는 약 10 MMBtu/year 내지 약 3,350,000 MMBtu/year의 CH4 소비율을 가질 수 있다. 이 범위는 다중 반응기(112)가 함께 사용될 때에도, 산업화된 열분해 반응기의 통상적인 출력보다 상당히 낮다. 반응기(112)가 국부화된 소비를 위해 요구된 규모, 특히 주거 레벨에서 효율적으로 동작하는 것을 가능하게 하기 위해, 반응기는 다수의 단점을 해결하기 위한 하나 이상의 특징부를 포함한다.
먼저, 통상적인 실시예에서 열분해 반응에 의해 생성된 탄소는 반응기(112)로부터 제거되고 안전, 효율 및 편의 문제를 균형화하면서 생성물 스트림으로부터 분리될 수 있다. 예를 들어, 탄소는 사용자와 반응기(112)의 비교적 고온 구성요소 사이의 분리를 제공하는 방식으로 반응기(112)로부터 제거될 수 있다. 또한, 탄소는 과도하게 빈번한(예를 들어, 매시간, 매일, 매주 등) 유지를 요구하지 않는 시스템에 의해 분리될 수 있어, 사용자(예를 들어, 주거 소비자)가 반응기를 더 기꺼이 채택할 것이다. 다른 예에서, 탄소는 시스템(100)의 효율을 유용한 레벨 미만으로 감소시키는 것을 회피하기 위해, 많은 전력을 소비하지 않는 시스템에 의해 분리될 수 있다. 이에 따라, 다양한 실시예에서, 반응기 시스템(110)은 이들 문제를 해결하는 것을 돕는 특징부를 포함할 수 있다.
둘째, 주거 및/또는 단일 건물 환경에서 열 및 전기에 대한 주기적 및/또는 불균일 수요 때문에, 반응기(112)의 출력이 빈번히 조절될 필요가 있을 수도 있다. 몇몇 실시예에서, 목표 조절 규모는 몇 분 내지 몇 시간의 정도이다. 또한, 몇몇 실시예에서, 조절은 수소 가스가 요구되지 않을 때(예를 들어, 주택이 근무일 동안 비어 있을 때) 및 수소 가스가 반응기에 의해 생성될 수 있는 것보다 더 높은 비율로 수요될 때(예를 들어, 피크 전력 소비 시간 동안)의 기간을 포함한다.
셋째, 반응기(112)는 공간 제약을 받게 될 수도 있다. 예를 들어, 반응기는 기존의 기기 공간(예를 들어, 노 공간) 내로 개조될 수도 있다. 이에 따라, 반응기(112)는 공간 제약에도 불구하고 효율적으로 동작할 수 있게 하는 특징부를 포함할 수 있다. 이와 관련하여, 시스템(100) 및/또는 반응기(112)는 기생 열 손실을 감소 및/또는 최소화하는 것을 돕고, 이에 의해 반응기(112)로부터의 에너지 효율을 증가(또는 최대화)시키는 특징부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 전술된 바와 같이, 반응기(112)는 순환 시스템(130) 내에서 기생 열 손실을 재생하기 위해 순환 시스템(130)에 결합될 수 있다. 시스템(100) 및/또는 반응기(112)의 효율에 관한 문제는 주거용 규모의 반응기에서 특히 중요할 수 있는 데, 이는 산업용 규모 시스템에 비해 비교적 높은 표면적 대 체적 비를 가질 수 있고, 따라서 더 많은 기생 열 손실을 가질 수 있기 때문이다. 게다가, 반응기(112)는 수소 가스 생성물의 주거 규모 및/또는 국부화 소비에 고유한 모니터링 및 제어 방안을 포함할 수 있다.
게다가, 시스템(100)은 특정 시간에 특정 요구 사항에 따라, 상이한 출력 모드에 따라 동작될 수 있다. 예를 들어, 도시되어 있는 바와 같이, 발전기(들)(124)로부터의 전기는 반응기 시스템(110)으로 유도되어 그 내부의 하나 이상의 구성요소에 전력 공급할 수 있고, 또는 반응기(112)는 발전기(124)를 위한 에너지를 제공할 수 있다. 발전기(124)에 의해 생성된 전기는 열 발생기(예를 들어, 반응기에 결합된 저항 코일), 입력 밸브, 출력 밸브, 탄소 분리기(114), 및/또는 임의의 다른 적합한 구성요소에 전력 공급할 수 있다. 예시된 실시예에서, 발전기(들)(124)로부터의 고온 연도 가스는 순환 시스템(130) 내로 열을 전달하기 위해 응축 열 교환기(132)로 직접 보내진다.
도 3은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 대표적인 반응기 시스템(110)을 통한 재료의 유동의 개략도이다. 도시되어 있는 바와 같이, 반응물은 입력 경로(302)를 따라 반응기로 진입한다. 전술된 바와 같이, 반응물은 천연 가스 또는 순수 메탄일 수 있다. 이러한 실시예에서, 입력 경로(302)는 반응물을 반응기(112)에 공급하기 위해 기존의 가스 라인에 연결될 수 있다. 반응기(112)는 임의의 양의 열분해 반응이 발생하게 하기 위한 최소 에너지를 나타내는 엔탈피점을 넘어 반응물을 제어 가능하게 가열한다(예를 들어, 반응기(112)는 적어도 개시 에너지를 제공함). 그 결과, 반응기(112)는 반응물 내의 탄화수소를 수소 가스와 탄소로 분해하는 열분해 반응을 야기한다. 예를 들어, 메탄 반응기에 대해, 열분해 반응은 다음과 같다:
CH4(기체) → C(고체) + 2 H2(기체).
또한, CH4에 대해, 열분해의 엔탈피는 CH4의 몰당 약 75 kJ이고, 이는 CH4가 약 650℃로 가열되게 한다. 몇몇 실시예에서, 열분해 반응이 비교적 짧은 체류 시간 동안(예를 들어, 몇 초 정도) 완전히 발생하는 것을 보장하기 위해, 반응기(112)는 반응물을 약 1000℃ 초과로 제어 가능하게 가열한다. 몇몇 실시예에서, 반응기(112)는 용융 금속, 용융 염 및/또는 이들의 조합과 같은 용융 재료를 포함하는 가열된 컬럼이거나 이를 포함한다. 고온 액체는 순수 재료 또는 다수의 재료의 혼합물을 포함할 수 있다. 이러한 실시예에서, 반응물은 예를 들어 표면하 전달 튜브 또는 다공성 스파저(sparger)에 의해 액체의 표면 아래의 반응기(112) 내로 전달된다. 반응기는 그 부력에 의해 가열된 컬럼의 상단으로 운반되는 기포로 반응물이 분리되게 하는 구성요소를 포함한다. 기포가 상승함에 따라, 고온 액체는 반응물에 열을 전달하여 전술된 열분해 반응을 야기한다. 몇몇 실시예에서, 반응기(112)는 아래에 설명되는 몇몇 실시예에 따라 반응 챔버를 가질 수 있는 하나 이상의 열 저장 디바이스를 포함한다.
각각의 반응 챔버는 열 교환 재료 및 열 교환 재료를 통한 반응물을 위한 하나 이상의 유로를 포함한다. 열 교환 재료는 재료의 열 전도도, 비교적 낮은 열 팽창 계수, 및/또는 비교적 높은 열 안정성에 기초하여 선택될 수 있다. 다양한 실시예에서, 열 교환 재료는 코디어라이트, 멀라이트, 알파 알루미나, 및/또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 반응물이 유로를 통해 유동함에 따라, 열 교환 재료는 반응물에 열을 전달하여 전술된 열분해 반응을 야기한다.
도 3에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 반응기(112)로부터의 출력은 열분해 반응으로부터의 2개의 주 생성물에 대응하는 수소 경로(310) 및 탄소 경로(320)로 분할된다. 수소 가스는 수소 경로(310) 내로 유도되고, 반면 탄소 미립자는 탄소 경로(320)로 유도된다. 전술된 바와 같이, 수소 경로(310) 내의 수소는 반응기 시스템(110) 및/또는 시스템(100)의 다른 장소 내로 다시 유도될 수 있다(도 1). 탄소 경로(320)는 처리 시스템(예를 들어, 도 1과 관련하여 설명된 탄소 처리 구성요소(20))으로 탄소를 유도할 수 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 탄소 경로(320)는 공기 송풍기(118)와 유체 연통하여 탄소 미립자가 반응기(112)로부터의 출구를 막히게 하기보다, 탄소 처리 구성요소(30)(도 1)까지 줄곧 이동하는 것을 보장하는 것을 도울 수 있다. 몇몇 실시예에서, 분할은 반응기(112)로부터 분리되고 그와 유체 연통하는 탄소 분리기(이후에 설명됨)에 의해 달성된다.
예시된 실시예에서, 수소 경로(310)는 제1 및 제2 수소 경로(312, 314)로 분할될 수 있다. 수소 가스의 일부는 제1 수소 경로(312)에서 버너(116)를 향해 유도된다. 버너(116)는 제1 수소 경로(312) 내의 수소 가스를 공기 입력 경로(304)를 통해 공기 송풍기(118)로부터 수용된 공기와 혼합하고 연소시켜 열 유로(332)를 따라 반응기(112)에 열을 제공한다. 열은 반응기(112)로부터의 기생 열 손실(342)을 보상하고 열분해 반응을 야기하기 위해 엔탈피점을 넘어 반응물을 가열하는 데 필요한 에너지를 공급한다. 수소 가스의 다른 부분은 도 1을 참조하여 전술된 임의의 목적을 위해 제2 수소 경로(314)를 따라 반응기 시스템(110) 외부로 유도된다. 즉, 제2 수소 경로(314)를 따라 반응기 시스템(110) 외부로 유도되는 수소 가스는 전체 시스템(100)(도 1) 내에서 열 및/또는 전기를 발생하는 데 사용될 수 있고, 이후의 사용을 위해 저장될 수 있고, 그리고/또는 추가 분배에 투입될 수 있다. 예를 들어, 이웃 또는 다가구 규모 디바이스에서, 제2 수소 경로(314)를 따라 반응기 시스템(110)을 빠져나가는 수소 가스는 국부 소비를 위해 파이프 시스템을 통해 개별 가정 또는 유닛으로 전달될 수 있다.
도 3에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 버너(116)로부터의 연도 가스는 반응기(112)를 가열한 후에 연도 경로(334)를 통해 반응기 시스템(110)을 빠져나간다. 몇몇 실시예에서, 연도 경로(334)는 소비를 위해 다른 시스템(예를 들어, 도 1과 관련하여 전술된 발전 시스템(120) 및/또는 순환 시스템(130))으로 가스를 유도한다. 몇몇 실시예에서, 연도 경로(334)는 방출될 출구로(예를 들어, 도 1과 관련하여 전술된 배기 시스템(60) 내로) 가스를 유도한다.
도 4는 본 발명의 기술의 실시예에 따른 반응기(112)에 통합된 하나 이상의 신속 가열 특징부를 포함하는 반응기 시스템(110)의 개략도이다. 반응기(112)의 본체(412)는 챔버(440)에 의해 에워싸일 수 있다. 챔버(440)는 하나 이상의 전기 가열기(444)(2개가 도시되어 있음)를 갖는 공간(442)을 포함한다. 낮은 수요의 기간 동안, 공간(442)은 기생 열 손실을 감소시키기 위해 진공배기될 수 있다(예를 들어, 적어도 부분 진공을 생성함). 몇몇 실시예에서, 챔버(440)의 내부 표면은 기생 열 손실을 추가로 감소시키기 위해 반사성이다. 수요가 상승하기 시작할 때, 공간(442)은 채워질 수 있고(예를 들어, 공기로) 전기 가열기(444)는 본체(412) 주위에 열을 전달할 수 있고, 반면 버너(116)는 반응기(112)를 신속하게 재가열하기 위해 본체(412) 내로 열을 전달한다. 몇몇 실시예에서, 전기 가열기(444)는 기생 열 손실을 추가로 감소시키기 위해 낮은 수요의 기간 동안 본체(412) 주위에 열을 전달한다. 또한, 몇몇 실시예에서, 챔버(440)는 기생 열 손실의 일부를 포획하는 발전기(예를 들어, 열전 발전기)를 포함한다. 몇몇 이러한 실시예에서, 포획된 기생 열 손실은 이어서 반응기를 재가열하기 위해 전기 가열기(444)에 전력 공급하는 데 사용된다.
3. 대표적인 재생 열분해 시스템
몇몇 실시예에서, 반응기는 재생 구성을 가질 수 있다. 이러한 반응기는 본 명세서에서 재생 열분해(RTP) 반응기로 지칭될 수도 있다. 이러한 반응기는 통상적으로 직렬로 동작하는 적어도 2개의 반응 용기 또는 챔버를 포함하고, 하나의 완전히 가열된 용기는 열분해 반응을 수행하고, 다른 용기는 가열중이다. 제1 용기 내의 열이 고갈될 때, 반응은 이제 완전히 가열된 제2 용기로 시프트되고, 반면 제1 용기는 재가열된다.
도 5는 본 발명의 기술의 실시예에 따른 대표적인 재생 열분해 반응기(112)를 통한 재료의 유동을 도시하고 있는 블록도이다. 예시된 실시예에서, 반응기(112)는 연료 공급원(10)에 동작 가능하게 결합된 입력 밸브(502), 입력 밸브(502)에 동작 가능하게 결합된 2개의 반응 챔버(512)(개별적으로 제1 반응 챔버(512a) 및 제2 반응 챔버(512b)라 칭함) 및 반응 챔버(512)에 동작 가능하게 결합된 하나 이상의 출력 밸브(504)를 포함한다. 각각의 반응 챔버(512)는 열 교환 재료 및 열 교환 재료를 통한 하나 이상의 유로를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에서, 열 교환 재료는 코디어라이트, 멀라이트, 알파 알루미나, 및/또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 각각의 반응 챔버(512)는 열 교환 재료에 의해 형성된 일체형 및/또는 단일체 구조를 갖는다. 반응물이 반응 챔버(512) 중 하나를 통해 유동할 때, 열 교환 재료는 열분해 반응을 위한 엔탈피점 초과로 반응물을 가열하여, 이에 의해 반응물 내의 탄화수소가 수소 가스와 탄소 미립자로 분해되게 한다. 수소 가스는 이어서 열 및/또는 전기를 발생하는 데 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 수소 가스는 반응 챔버(512)의 열을 예열 및/또는 유지하기 위해 연소된다.
상기에 소개된 바와 같이, 반응 챔버(512)는 주기적 방식으로 동작한다. 예를 들어, 제1 시간 기간 동안, 입력 밸브(502)는 반응물을 제1 반응 챔버(512a) 내로 유도할 수 있다. 제1 반응 챔버(512a)는 열분해 반응을 지원하여, 반응물을 탄소 미립자와 수소 가스로 분해할 수 있다. 출력 밸브(504)는 이어서 제1 반응 챔버(512a)로부터의 출력물의 적어도 일부를 탄소 분리기(114), 공기 송풍기(118) 및 버너(116)로 유도할 수 있다. 전술된 바와 같이, 탄소 분리기(114)는 수소 가스의 유동으로부터 탄소 미립자를 제거할 수 있고, 공기 송풍기(118)는 수소 가스를 산소와 혼합할 수 있으며, 버너(116)는 수소를 산소와 연소시킬 수 있다. 연도 밸브(506)는 이어서 제2 반응 챔버(512b)를 가열하기 위해 생성된 고온 연도 가스를 제2 반응 챔버(512b) 내로 및/또는 다른 방식으로 열 전달하게 유도할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 고온 연도 가스는 제2 반응 챔버(512b) 내의 탄소가 연소되게 하여, 제2 반응 챔버(512b)에 추가로 열을 전달한다. 출력 밸브(504)는 제2 반응 챔버(512b) 외부로 유동하는 고온 연도 가스를 발전기(124) 및/또는 순환 시스템(130)을 향해 유도할 수 있다. 발전기(124)는 전기를 발생하고 전력망(40) 내로 출력하기 위해 고온 연도 가스를 사용할 수 있고, 반면 순환 시스템(130)은 난방 그리드(50) 내로 열을 출력하기 위해 고온 연도 가스를 사용할 수 있다. 임의의 나머지 연도 가스가 이어서 배기 시스템(60)을 통해 방출된다.
제2 시간 기간 동안, 밸브(502, 504, 506)는 열분해 반응을 야기하고 제1 반응 챔버(512a)를 재가열하기 위해 제2 반응 챔버(512b) 내로 전달된 열을 이용하기 위해 재설정될 수 있다. 즉, 입력 밸브(502)는 제2 반응 챔버(512b) 내로 반응물을 유도하고, 출력 밸브(504)는 제2 반응 챔버(512b)로부터 버너(116)를 향해 수소 가스의 적어도 일부를 유도하고, 연도 밸브(506)는 제1 반응 챔버(512a) 내로 열 전달하게 고온 연도 가스를 유도하고, 출력 밸브(504)는 제1 반응 챔버(512a)로부터 발전기(124) 및/또는 순환 시스템(130)을 향해 고온 연도 가스를 유도한다.
몇몇 실시예에서, 반응기(112)는 적합한 양의 시간 후에 활성 스테이지와 예열 스테이지 사이에서 반응 챔버(512)를 순환시킨다(예를 들어, 제1 반응 챔버(512a) 내로 반응물을 유도하는 것으로부터 제2 반응 챔버(512b) 내로 반응물을 유도하는 것으로 전환함으로써). 예를 들어, 다양한 실시예에서, 반응기(112)는 1분마다, 2분마다, 10분마다, 30분마다, 또는 임의의 다른 적합한 기간 후에 반응 챔버(512) 사이에서 순환할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 반응기(112)는 활성 반응 챔버(예를 들어, 열분해 반응을 야기하는 반응 챔버) 내의 온도가 미리 결정된 지점 아래로 떨어질 때 반응 챔버(512) 사이에서 순환한다. 활성 반응 챔버 내에 있는 동안 반응물이 충분히 반응하는 것을 보장하는 것을 돕기 위해 미리 결정된 지점이 선택될 수 있다. 미리 결정된 지점 아래에서, 반응물은 활성 반응 챔버 내에서 충분히 빠르게 반응하지 않을 수도 있고 그리고/또는 전혀 반응하지 않을 수도 있다. 다양한 실시예에서, 반응기(112)는 활성 반응 챔버 내의 온도가 약 1200℃ 미만으로 떨어질 때 반응 챔버(512) 사이에서 순환할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 반응 챔버(512)의 입력 및 출력은 배관 시스템에 의해 밸브(502, 504, 506)에 연결될 수 있고 밸브(502, 504, 506)는 파이프를 통해 유체의 유동을 유도하기 위해 밸브(502, 504, 506)를 토글하기 위해 액추에이터에 결합될 수 있다. 이에 따라, 반응기(112)는 밸브(502, 504, 506)를 토글하도록 스위치에 명령함으로써 반응 챔버(512) 사이에서 순환할 수 있다. 그 결과, 반응기(112)는 위치를 변경하기 위해 밸브를 사용하는 시간에 따라, 빠르고 효율적인 방식으로 반응 챔버(512) 사이에서 순환할 수 있다. 다양한 실시예에서, 반응기(112)는 1분 미만, 30초 미만, 10초 미만 또는 거의 순간적으로 반응 챔버(512) 사이에서 순환할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 각각의 밸브(502, 504, 506)는 동시에 토글할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 밸브(502, 504, 506) 중 하나 이상은 순차적으로 토글될 수 있다. 예를 들어, 출력 밸브(504)는 활성 반응 챔버로부터의 모든 수소 가스가 적절한 목적지로 유도된 후에 토글할 수 있다.
출력 밸브(504)는 반응기(112)로부터 이격한 활성 반응 챔버로부터의 수소 가스의 일부를, 예를 들어 전기를 생성하기 위해 발전기(124)로, 및/또는 수소 저장 시설로 유도할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 저장된 수소 가스는 이후에 반응 챔버(512)의 하나 이상을 가열하는 데 사용될 수 있다. 몇몇 이러한 실시예에서, 저장된 수소의 사용은 반응기(112)를 재시동하기 위해 다른 에너지(예를 들어, 열 및/또는 전기) 소스를 요구하지 않고 높은 사용 기간 사이에 반응기(112)가 냉각될 수 있게 한다.
반응기(112)는 하나 이상의 부가의 구성요소 및/또는 전술된 구성요소의 하나 이상의 대안적인 배열을 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 예를 들어, 탄소 분리기(114)는 반응 챔버와 출력 밸브(504) 사이에 위치될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 반응기(112)는 다중 출력 밸브(504), 다중 탄소 분리기(114) 및/또는 다중 버너(116)를 포함할 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 반응기(112)의 구성요소 중 하나 이상은 조합된다. 예를 들어, 버너(116)는 공기 송풍기(118)와 단일 구성요소로 통합될 수 있다. 다른 예에서, 밸브(502, 504, 506) 중 하나 이상은 단일 구성요소로 조합될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 반응기(112)는 3개, 4개, 5개, 10개 및/또는 임의의 다른 적합한 수의 반응 챔버(512)와 같은, 2개 초과의 반응 챔버(512)를 포함할 수 있다. 몇몇 이러한 실시예에서, 2개 이상의 반응 챔버(512)는 반응기(112)의 동작 중에 활성화된다(예를 들어, 반응물을 가열하는 데 사용됨). 몇몇 이러한 실시예에서, 2개 이상의 반응 챔버(512)는 반응기(112)의 동작 중에 예열된다.
도 6은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따른 도 5의 반응기(112)에서 사용을 위한 반응 챔버(612)의 부분 개략도이다. 예시된 실시예에서, 반응 챔버(612)는 반응 챔버(612)의 제1 단부(614)로부터 제1 단부(614)에 대향하는 반응 챔버(612)의 제2 단부(616)로 연장하는 다수의 유동 채널(680)을 포함한다. 함께, 유동 채널(680)은 반응 챔버(612)의 열 교환 재료를 통한 경로(672)를 형성한다. 이에 따라, 동작 중에, 반응물은 제1 단부(614)에서 유동 채널(680) 내로, 경로(672)를 따라, 제2 단부(616)에서 유동 채널(680) 외부로 유동할 수 있다. 반응 챔버(612)는 경로(672)를 따라 이동하는 반응물에 열을 전달하여, 이에 의해 열분해 반응이 발생되게 할 수 있다.
예시된 실시예에서, 반응 챔버(612)는 원형 튜브 형상을 갖는다. 다양한 다른 실시예에서, 반응 챔버(612)는 정사각형, 직사각형, 육각형 및/또는 다른 관형 형상, 예를 들어 코일 또는 다른 비축방향 형상 및/또는 임의의 다른 적합한 형상과 같은 다른 단면 형상을 가질 수 있다. 유사하게, 예시된 실시예에서, 각각의 개별 유동 채널(680)은 원형 튜브 형상을 갖는다. 다양한 다른 실시예에서, 유동 채널(680) 및 반응 챔버(612)는 정사각형, 직사각형, 육각형 및/또는 다른 관형 형상, 예를 들어 코일 및/또는 임의의 다른 적합한 형상과 같은 다른 단면 형상을 가질 수 있다. 반응 챔버(612)는 다양한 알려진 제조 기술에 의해 제조될 수 있다. 예를 들어, 반응 챔버(612)는 적층 제조 프로세스(예를 들어, 3차원 인쇄), 다이 프로세스, 몰딩 프로세스, 압출 프로세스, 및/또는 이러한 제조 기술의 임의의 조합에 의해 제조될 수 있다.
도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 반응 챔버(612)는 경로(672)의 길이에 대응하는 길이(L) 및 직경(D1)을 갖는다. 또한 도시되어 있는 바와 같이, 각각의 유동 채널(680)은 직경(D2)을 갖는다. 길이(L), 직경(D1) 및 직경(D2)은 각각 반응 챔버(612)에 대한 원하는 출력 능력, 반응기(112)(도 5)가 통합될 것인 공간에 대한 크기 요건, 및/또는 반응 챔버(612)에 대한 바람직한 동작 조건에 기초하여 변할 수 있다. 또한, 치수는 상호 의존적일 수 있다. 예를 들어, 직경(D1)은 직경(D2) 및 원하는 채널 밀도에 따라 설정될 수 있다. 다른 예에서, 길이(L)는 유동 채널(680)을 통해 유동하는 반응물이 반응 챔버(612) 내의 엔탈피점에 도달하는 것을 보장하는 것을 돕기 위해 직경(D2)에 부분적으로 의존할 수 있다. 다양한 예시적인 실시예에서, 반응 챔버(612)의 길이(L)는 약 0.5 미터(m) 내지 약 10 m 범위일 수 있고; 반응 챔버(612)의 직경(D1)은 약 0.1 m 내지 약 1 m 범위일 수 있고; 유동 채널의 직경(D2)은 약 0.01 센티미터(cm) 내지 약 1 m의 범위일 수 있고; 그리고/또는 채널 밀도는 약 1 평방 인치당 채널(CPI) 내지 약 500 CPI의 범위일 수 있다. 일 실시예에서, 예를 들어, 반응 챔버(612)의 길이(L)는 약 1 m이고, 반응 챔버(612)의 직경(D1)은 약 1.3 cm이고, 유동 채널의 직경(D2)은 약 0.635 cm이고, 채널 밀도는 약 4 CPI이다.
각각의 치수가 동작 고려 사항에 의해 어떻게 영향을 받을 수 있는지에 대한 부가의 상세가 아래에 기술된다. 통상의 기술자는 아래에서 설명되는 예시적인 동작 조건이 단지 예일 뿐이고, 반응기가 전술된 출력 수요를 충족시키기 위해 다양한 다른 적합한 동작 고려 사항을 가질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 반응 챔버(612)는 1 분당 표준 리터(SLPM) 및 5 SLPM의 반응물 입력 유량으로 아래에 설명되지만, 반응 챔버(612)는 임의의 다른 적합한 반응물 입력 유량을 가질 수 있다.
반응 챔버 치수에 대한 하나의 고려 사항은 유입 반응물을 원하는 반응 온도 초과로(예를 들어, 엔탈피점 초과 또는 엔탈피점 충분히 초과로) 가열하는 반응 챔버(612)의 능력이다. 예를 들어, 주어진 열 전달 재료, 반응 챔버의 주어진 온도 및 유동 채널(680)에 대한 주어진 표면 대 체적(S/V) 비(유동 채널(680)의 직경(D2)에 의해 정의됨), 반응 챔버(612)는 속도(R1)로 유입 반응물에 열을 전달한다. 열 전달 속도(R1)에서, 특정 유도 시간(예를 들어, 반응물을 원하는 온도 초과로 가열하기 위한 시간) 및 체류 시간(예를 들어, 반응 시간)은 열분해 반응을 통해 유입 반응물 내의 탄화수소를 수소 및 탄소로 변환하도록 요구된다. 이에 따라, 열 전달 속도(R1)에서, 반응물은 열분해 반응에서 원하는 변환 정도(예를 들어, 분해된 탄화수소의 원하는 백분율)에 도달하기 위해 총 시간 요건을 가질 수 있다. 이어서, 반응 챔버(612)의 길이(L) 및/또는 반응물의 입력 유량은 총 시간 요건을 만족하도록 변경될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, S/V 비는 총 시간 요건을 만족시키기 위해 설정된 길이(L)에 대해 선택될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 원하는 동작 온도는 약 1200℃ 내지 약 1600℃일 수 있다. 몇몇 이러한 실시예에서, 탄화수소의 모두 또는 거의 모두를 수소 가스 및 탄소로 변환하기 위해 요구되는 체류 시간은 1초 미만을 포함하는 초 규모이다. 일 실시예에서, 예를 들어, 동작 온도는 약 5 SLPM의 입구 유량 및 약 1.3 cm의 유동 채널의 직경(D2)을 갖는 반응기에서 약 1200℃ 내지 약 1400℃로 변할 수 있어, 약 0.27초의 유도 시간 및 약 0.38초의 체류 시간을 야기한다. 약 1 m의 길이(L)를 갖는 반응 챔버에 대해, 반응물의 약 90%가 반응 챔버 내에서 변환될 것이다.
도 7은 반응 챔버(612)의 길이와 다양한 입력 유량 및 다양한 열 전달 속도에 대한 반응 챔버(612)를 통해 유동하는 반응물의 온도 사이의 관계의 예를 도시하고 있다. 도시되어 있는 바와 같이, 20 평방 켈빈당 와트(W/m2K)의 제1 열 전달 속도 및 1 SLPM의 반응물의 입력 유량에서, 반응물은 약 40 cm의 길이(L)에 걸쳐 1200℃만큼 온도가 증가한다. 대조적으로, 제1 열 전달 속도 및 5 SLPM의 반응물의 입력 유량에서, 반응물은 약 100 cm의 길이(L)에 걸쳐 1200℃만큼 온도가 증가한다. 또한 대조적으로, 5 SLPM의 반응물의 입력 유량 및 100 W/m2K의 제2 열 전달 속도에서, 반응물은 약 40 cm의 길이(L)에 걸쳐 1200℃만큼 온도가 증가한다. 다양한 실시예에서, 본 발명자는 약 1 SLPM로부터 약 5 SLPM으로 변하는 입력 유량, 약 0.5 cm 내지 약 5 cm 범위의 유동 채널(680)의 직경(D2), 약 1000℃의 원하는 동작 온도 증가에 대해, 요구 길이(L)가 약 0.05 m 내지 약 1.3 m로 변할 수 있다고 결정했다.
몇몇 실시예에서, 반응 챔버(612)의 크기는 반응 챔버(612)에 진입하기 전에 반응물을 예열함으로써 더 감소될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예에서, 반응물은 반응물이 반응 챔버(612)에 진입하기 전에 약 500℃의 온도로 예열된다. 몇몇 실시예에서, 반응물은 활성 반응 챔버 및/또는 예열 반응 챔버 외부로 유동하는 고온 출력물을 사용하여 예열된다. 예를 들어, 반응물에 대한 입력 라인은 동시에 출력물을 냉각하고 반응물을 예열하기 위해 활성 반응 챔버로부터 출력물 주위에 감겨진 코일을 포함할 수 있다. 다른 예에서, 도 5와 관련하여 전술된 바와 같이, 반응물에 대한 입력 라인은 동시에 연도 가스를 냉각하고 반응물을 예열하기 위해 예열 반응 챔버로부터의 출력물 주위에 감겨진 코일을 포함할 수 있다.
반응 챔버의 치수에 대한 다른 고려 사항은 연속 및/또는 연장 동작을 지속할 수 있는 반응 챔버(612)의 능력이다. 이러한 동작에 대한 하나의 제한은 반응 챔버(612) 내의 열 교환 재료가 고온(예를 들어, 1000℃ 초과)에서 유동 채널(680) 사이의 비교적 높은 압력 강하를 견딜 수 없다는 것이다. 이에 따라, 반응 챔버(612)의 치수 및 미리 결정된 동작 조건은 동작 중에 유동 채널(680)을 가로지르는 예상 압력 강하에 적어도 부분적으로 기초하여 선택될 수 있다.
예를 들어, 유동 채널(680)을 가로지르는 압력 강하는 반응물의 가스 또는 유체 유동, 채널 직경(D2), 및 채널 길이(예를 들어, 반응 챔버(612)의 길이(L))에 의존한다. 이에 따라, 몇몇 실시예에서, 유동 채널(680)의 직경(D2) 및/또는 반응 챔버(612)의 길이(L)는 유동 채널(680)을 가로지르는 압력 강하를 고려하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 본 발명자는 약 5 m의 길이(L), 약 0.5 cm 내지 약 1.5 cm의 유동 채널 직경(D2 ), 약 1 SLPM 내지 약 5 SLPM의 반응물 입력 유량, 및 약 1500℃의 동작 온도를 갖는 반응 챔버(612)에 대해, 압력 강하는 약 1 평방 인치당 파운드(psi) 미만이며, 이는 허용 가능한 범위 내에 있다고 결정했다.
또한, 몇몇 실시예에서, 유동 채널(680)의 표면 벽 상에 퇴적된 탄소 재료(또한 "오염"이라고도 칭함)는 동작 중에 유동 채널(680)을 부분적으로(또는 완전히) 막히게 할 수 있다. 오염으로 인한 유동 채널 직경(D2 )의 감소는 압력 강하 요건을 충족하도록 선택된 반응 챔버(612)의 치수에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 이질 및/또는 균질 열분해 반응의 결과로서 반응 챔버(612) 내에 탄소 미립자가 생성될 수 있다. 이질 반응은 반응물과 반응 챔버(612)의 고온 표면 또는 벽 사이의 상호 작용에 기초한다. 대조적으로, 균질 반응은 반응물의 기상(gas phase)에서 발생하여, 기체 반응물에서 탄소 미립자의 핵 생성 및 성장으로 이어진다. 균질 반응을 통해 생성된 탄소 미립자는 가스 유동에 의해 반응 챔버(612)의 제2 단부(616)로 운반된다. 일단 반응 챔버(612) 외부에 있으면, 탄소 미립자는 일련의 사이클론 및/또는 탄소 필터와 같은 탄소 분리기에 의해 수집될 수 있다. 이질 반응을 통해 생성된 탄소 미립자는 종종 반응 챔버(612)의 유동 챔버 내에 남아 있어, 이에 의해 시간 경과에 따라 유동 채널(680)을 오염시킨다. 이질 반응과 균질 반응의 비는 유동 채널(680) 내의 S/V 비(유동 채널(680)의 직경(D2)에 의해 결정됨) 및 반응 챔버(612)의 벽과 반응물의 접촉 시간에 의해 영향을 받는다. 이에 따라, 몇몇 실시예에서, 유동 채널(680)의 직경(D2)은 균질 반응으로서 발생하는 열분해 반응의 양을 최대화하도록 선택된다.
도 8은 주어진 입력 유량에 대한 도 6의 반응 챔버(612) 내의 반응 유형에 대한 S/V 비와 유동 채널(680)의 직경(D2) 사이의 관계의 효과를 도시하고 있다. 예시된 관계에서, 제1 영역(1902)은 약 10,000/cm 내지 약 1000/cm의 S/V 비에 대응한다. 제1 영역(1902)에서, 열분해 반응은 완전히(또는 거의 완전히) 이질 반응이다. 제2 영역(1904)은 약 1000/cm 내지 약 100/cm의 S/V 비에 대응한다. 제2 영역(1904)에서, 열분해 반응은 주로 이질 반응이고, 일부 균질 반응이 발생하기 시작한다. 제3 영역(1906)은 약 100/cm 내지 약 20/cm의 S/V 비에 대응한다. 제3 영역(1906)에서, 열분해 반응은 주로 균질 반응이고, 일부 이질 반응이 남아 있다. 제4 영역(1908)은 약 20/cm 미만의 S/V 비에 대응한다. 제4 영역(1908)에서, 열분해 반응은 완전히(또는 거의 완전히) 균질 반응이다. 이에 따라, 몇몇 실시예에서, 유동 채널 직경(D2)은 제4 영역(1908) 내에서 선택될 수 있고, 따라서 약 0.2 cm 이상의 직경(D2)을 가질 수 있다. 이러한 실시예에서, 오염은 유동 채널 사이의 압력 강하에서 최소의 역할을 할 수 있다.
또한, 본 발명자들은 제4 영역(1908) 내의 유동 채널에 대한 압력 강하가 모두 전술된 압력 강하 요건을 만족한다고 결정했다(예를 들어, 1 psig/m 미만의 압력 강하를 가짐). 예를 들어, 도 9는 직경(D2)과 다양한 입력 유량에 대한 유동 채널을 가로지르는 압력 강하 사이의 관계를 도시하고 있다. 도 9에서, 1 psig/m 미만의 압력 강하를 유지하기 위한 최소 직경은 라인(2002)으로 표시된다. 예를 들어, 1 SLPM의 입력 유량에 대해, 라인(2002)으로 표시된 최소 직경은 약 0.3 cm이다. 다른 예에서, 50 SLPM의 입력 유량에 대해, 라인(2002)으로 표시된 최소 직경은 약 1.1 cm이다. 각각의 라인(2002)에 의해 표시된 바와 같이, 각각의 입력 유량에 대한 최소 직경은 도 8과 관련하여 전술된 제4 영역(1908)에 대해 0.2 cm 초과이다. 이에 따라, 1 psig/m 압력 강하에 대한 압력 강하 요건을 만족하는 직경은 또한 거의 완전히 균질 반응을 생성할 것이고, 이에 의해 오염으로부터의 압력 강하 문제를 회피한다.
도 10은 본 발명의 기술의 몇몇 실시예에 따라 구성된, 도 5에 도시되어 있는 유형의 반응기(112)의 부분 개략도이다. 예를 들어, 예시된 실시예에서, 반응기(112)는 입력 밸브(602), 2개의 반응 챔버(612), 2개의 출력 밸브(604)(개별적으로 제1 출력 밸브(604a) 및 제2 출력 밸브(604b)라 칭함), 탄소 분리기(114) 및 버너(116)를 포함한다. 도 10에서, 반응기(112)를 통한 재료의 유동은 일반적으로 도 5와 관련하여 전술된 것과 동일한 방식으로 제1 시간 기간 동안 화살표로 표시된다. 그러나, 예시된 실시예에서, 출력 밸브(604)는 함께 동작하도록 연도 밸브(506)(도 5)와 조합되었다. 예를 들어, 제1 출력 밸브(604a)는 제1 반응 챔버(612a)로부터 탄소 분리기(114) 및 버너(116)로 출력물을 유도하고, 반면 제2 출력 밸브(604b)는 버너(116)로부터 제2 반응 챔버(612b)로 연도 가스를 유도한다. 제2 시간 기간 동안, 반응기(112)를 통한 유체의 유동은 역전된다. 제2 시간 기간 동안, 제2 출력 밸브(604b)는 제2 반응 챔버(612b)로부터 탄소 분리기(114) 및 버너(116) 내로 출력물을 유도하고, 반면 제1 출력 밸브(604a)는 버너(116)로부터 제1 반응 챔버(612a)로 연도 가스를 유도한다.
도 10에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 반응기(112)의 반응 챔버(612)는 수직 방향으로(예를 들어, z-축을 따라) 배향될 수 있다. 수직 배향은 반응 챔버(612) 외부로 탄소 미립자를 운반하는 것을 돕기 위해 중력을 사용함으로써 오염으로부터의 효과를 회피하는 것을 도울 수 있다. 중력 보조 특징부는 탄소 미립자가 유효 유체 밀도 및/또는 속도, 및 따라서 탄소가 완전히 균질 반응에 의해 형성되더라도 반응기 외부로 탄소를 운반하는 유체의 능력을 변경할 수 있기 때문에 중요할 수 있다. 본 발명자는 약 1 초당 미터(m/s) 내지 약 30 m/s의 표면 가스 속도, 약 1400℃의 동작 온도 및 CH4 분자에 대한 거의 100% 열분해를 갖는 반응 챔버(612)에 대해, 반응 챔버(612)는 오염 효과를 회피하기 위해 약 268 입방 미터당 그램(g/m3)의 탄소 미립자를 제거하는 것이 가능해야 할 필요가 있을 것이라고 결정했다. 본 발명자는 또한 약 1 cm 내지 약 5 cm의 유동 채널(680)의 직경(D2)(도 6) 및 수직 배향을 갖는 반응 챔버(612)에서, 탄소 미립자가 반응 챔버(612)를 통한 가스의 유동을 안정화할 것이고 그를 통한 재료의 유동에 의해 반응 챔버(612)로부터 제거될 것이라고 결정했다. 또한, 약 1 cm 내지 약 5 cm의 유동 채널(680)의 직경(D2)(도 6)에 대해, 탄소가 수평 반응물 유동 및/또는 수직 상향 반응물 유동의 경우에도 반응 챔버(612)로부터 완전히 제거될 것으로 고려된다. 또한, 본 발명자는 더 큰 직경(D2)을 갖는 유동 채널(680)에 대해, 압력 강하가 더 낮을 것이라고 결정했다. 이에 따라, 이러한 유동 채널(680)에 대해, 본 발명자들은 압력 강하 문제를 회피하면서 더 큰 유량이 가능하다고 결정했다.
도 10에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 입력 밸브(602)는 고온 연도 가스를 반응기(112) 외부로 유도하기 위해 예열 반응 챔버(예를 들어, 예시된 유동에서 제2 반응 챔버(612b))에 대한 출력 밸브로서 작용할 수 있다. 이에 따라, 몇몇 실시예에서, 입력 밸브(602)는 반응기(112) 내로 유동하는 반응물을 예열하기 위해 고온 연도 가스로부터의 열을 사용하기 위해 반응 챔버(612)로부터의 출력 채널 주위에 감겨진 입력 코일을 포함할 수 있다. 또한, 몇몇 실시예에서, 반응기로부터의 출력 라인은 반응기로의 입력 라인에 인접하게 위치될 수 있어, 또한 고온 연도 가스가 반응기(112) 내로 유동하는 반응물을 예열할 수 있게 한다.
4. 대표적인 복합 연소 및 열분해 시스템
도 11은 본 발명의 기술의 다른 실시예에 따라 구성된 시스템(1100)의 부분 개략 등각도이다. 이 유형의 시스템은 때때로 본 명세서에서 서로 열 전달하는 제1 챔버 및 제2 챔버를 갖는 복합 연소 및 열분해(CCP) 시스템이라 지칭된다. 열 전달의 결과로서, 제1 챔버(예를 들어, 연소 챔버) 내의 연소는 제2 챔버(예를 들어, 반응 챔버) 내의 반응물을 가열하여 제2 챔버 내에 열분해 반응을 추진할 수 있다. 열 전달은 임의의 적합한 수단에 의해 설정될 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 챔버의 동심 또는 환형 배열 사이의 공통 벽 또는 표면은 그 사이에 열 전달을 설정할 수 있다. 예를 들어, 도 11에 도시되어 있는 바와 같이, 시스템(1100)은 환형 반응 챔버(1112)(때때로 본 명세서에서 또한 "반응기(1112)"라고도 지칭됨)에 의해 둘러싸인 중심 연소 챔버(1111)(때때로 본 명세서에서 또한 "연소기(1111)"라고도 지칭됨)을 포함할 수 있다. 연소기(1111)는 연료(예를 들어, 메탄, 천연 가스, 수소 및/또는 다른 적합한 가연성 재료)를 산화제(예를 들어, 공기, 순수 산소 및/또는 다른 적합한 산소 함유 재료)로 연소시켜 반경방향 외향으로 위치된 반응 챔버(1112)를 가열할 수 있다. 메탄 또는 천연 가스와 같은 탄화수소 연료(때때로 본 명세서에서 "반응물" 및/또는 "반응물 연료"라고 지칭됨)는 반응 챔버(1112) 내로 유도되고 연소기(1111)에서 연소로부터의 열에 의해 가열된다. 열은 열분해 반응을 통해 탄화수소가 해리 또는 분해되게 하여, 수소 가스와 탄소 미립자(예를 들어, 미반응 탄화수소 연료 및/또는 2차 반응으로부터의 부산물 가스를 포함함)를 포함하는 출력물을 생성한다. 분리기(1114)는 출력물 내의 탄소와 수소를 분리한다. 예를 들어, 분리기(1114)는 스크린 필터, 백하우스 필터, 사이클론 분리기, 구불구불한 유동 채널, 및/또는 출력물로부터 탄소 미립자를 제거하기 위한 다양한 다른 적합한 구조체를 포함할 수 있다. 탄소는 이어서 탄소 격리를 포함하여 임의의 수의 목적으로 사용될 수 있다.
수소는 수소 가스를 하나 이상의 종단점으로 유도하는 수소 분배기(1116)로 유도된다. 예를 들어, 예시된 바와 같이, 수소 가스의 일부는 반응기(1112)를 계속 가열하기 위해 연소기(1111)로 다시 유도될 수 있고(예를 들어, 연소에 완전히 또는 부분적으로 연료 공급함), 반면 수소 가스의 다른 부분은 다른 목적으로 시스템(1100) 외부로 유도될 수 있다. 예를 들어, 수소 가스의 일부는 공기와 혼합되고 연소되어 열과 전력을 생성하는 열병합 발전기(1117)로 유도될 수 있다. 다양한 다른 예에서, 수소 가스의 일부는 이후에 소비를 위해 수소 저장 디바이스로 유도되고, 발전기에서 사용되고(예를 들어, 단지 전기를 생성하기 위해), 연료 전지 내에 패킹되고(예를 들어, 차량에 전력 공급하기 위해 이후의 사용을 위해), 비료 생성에 사용되고, 다양한 제조 프로세스에서 사용되고(예를 들어, 전자 기기 제조에서 캐리어 가스로서, 유리 제조에서 플로트 가스로서 등), 그리고/또는 다양한 다른 적합한 설정에 사용될 수 있다.
도 11에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 연소기(1111)로부터의 배기 스트림(예를 들어, 연소로부터의 연도 가스)은 열 교환기(1113)를 통해 및/또는 접촉하여 유도되어 반응기(1112) 내로 유도되는 탄화수소 연료 내에 열을 전달할 수 있다. 즉, 배기 스트림 내의 남아 있는 열은 복열기에 의해 재순환되어 반응기(1112) 내로 유도되는 탄화수소 연료를 예열할 수 있다. 탄화수소 연료를 예열함으로써, 복열기는 수소 가스 및 탄소로 변환되는 탄화수소 연료의 양을 증가시킬 수 있다(예를 들어, 탄화수소 연료가 열분해 반응을 위한 엔탈피점을 초과하는 시간을 증가시킴으로써). 비교적 저온인 배기는 이어서 처리, 스크러빙 및/또는 다른 후처리 기능을 위해 배기 시스템(1115)(예를 들어, 도 1의 배기 시스템(60)과 유사함)으로 유도될 수 있다.
도 12는 도 11을 참조하여 전술된 여러 요소를 갖는 대표적인 CCP 시스템(1200)을 도시하고 있는 블록도이다. 특히, 도 12는 메탄, 천연 가스, 및/또는 다른 적합한 탄화수소 반응물을 반응 챔버(1212)(예를 들어, 도 11의 반응기(1112))에 공급하기 위해 입력 밸브(1211)에 유체 결합 가능한 연료 공급원(1220)을 도시하고 있다. 반응 챔버(1212)에서 열분해 반응을 경험한 후, 반응 생성물(예를 들어, 수소 가스, 탄소 미립자, 미반응 탄화수소 반응물 등)은 하나 이상의 분리기(들)(1214)를 통해 유도된다. 분리기(들)(1214)는 출력물로부터 탄소의 적어도 일부를 제거하기 위한 탄소 분리기 및/또는 출력물로부터 비수소 가스(예를 들어, 미반응 탄화수소, 부산물 가스 등) 중 적어도 일부를 제거하기 위한 기체 분리기를 포함할 수 있다. 분리된 출력물 내의 수소는 이어서 출력 밸브(1223) 내로 유도되고 다양한 목적지로 보내질 수 있다.
예를 들어, 도 12에 도시되어 있는 바와 같이, 수소의 일부(또는 모두)는 수소 저장 시설(1221)로 유도될 수 있고 그리고/또는 블록(1222)에서 다양한 제조 목적으로 사용될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 수소의 일부(또는 모두)는 열병합 발전 시설(1217)로 유도될 수 있다. 열병합 발전 시설(1217)은 수소를 연소하여 전력(예를 들어, 전기)을 발생하는 발전기를 포함할 수 있고, 이 전력은 이어서 전력망 또는 다른 최종 사용자에게 유도된다. 미변환(예를 들어, 여분의) 열은 순환 시스템으로 유도될 수 있다. 순환 시스템은 주거용 및/또는 다른 난방 용례를 위해 여분의 열을 이용하기 위한 열 교환기 및/또는 다른 구성요소를 포함할 수 있다. 나머지 열/성분은 궁극적으로 배기 시스템으로 유도된다.
부가적으로 또는 대안적으로, 수소의 일부(또는 모두)는 버너(1210)(또는 점화기, 화염 홀더, 스파커 등과 같은 다른 적합한 연소 개시기)를 포함하는 연소 구성요소(1206)로 유도될 수 있고 공기 송풍기(1209)(또는 다른 산화제 공급원)에 유체 결합 가능하다. 몇몇 실시예에서, 연소 구성요소(1206)는 공기 송풍기를 포함할 수 있다. 연소 구성요소(1206)에서, 수소(및/또는 천연 가스와 같은 임의의 다른 적합한 연료)는 공기 송풍기(1209)로부터의 공기와 혼합되어 버너(1210)에 도입될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 버너(1210)에 진입하는 연소 연료와 산소의 비는 제어된다(예를 들어, 화학양론적 비를 유지하기 위해). 버너(1210)에서, 수소-공기 혼합물은 연소되어, 이어서 반응 챔버(1212)와 그 내부의 탄화수소 연료를 가열하는 데 사용되는 열을 발생한다. 연소 프로세스로부터의 배기 스트림(예를 들어, 연도 가스)은 이어서 연도 밸브(1208)를 통해 복열기 내의 열 교환기(1213)로 유도될 수 있다. 열 교환기(1213)는 연도 가스로부터 여분의(예를 들어, 미사용) 열을 흡수하고 반응 챔버(1212) 내로 도입되기 전에 연료 공급원(1220)으로부터의 탄화수소 연료를 예열하기 위해 흡수된 열을 사용할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 열 교환기(1213)는 연도 가스로부터 여분의 열을 흡수하고 연소 구성요소(1206) 내에 도입되기 전에 연소 연료(예를 들어, 수소 가스, 천연 가스, 공기 등)를 예열하기 위해 흡수된 열을 사용할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 열 교환기(1213)는 연도 가스 유동(예를 들어, 배기 시스템 내에서 이동함)과 반응 챔버(1212)에 진입하는 탄화수소 반응물 유동 및/또는 버너(1210)에 진입하는 연소 연료 사이의 상호 전도성 벽이다.
몇몇 실시예에서, 출력 밸브(1223)는 분리된 출력물을 다양한 목적지 사이에 능동적으로 분배할 수 있다. 예를 들어, 출력 밸브는 여과된 출력물의 제어된 부분(또는 모두)을 연소 구성요소(1206)로 유도하는 제1 위치, 및 여과된 출력물의 제어된 부분(또는 모두)을 시스템(1200) 외부로(예를 들어, 수소 저장 시설(1221) 및/또는 열병합 발전 시설(1217)) 유도하는 제2 위치를 가질 수 있다. 다양한 실시예에서, 제1 및/또는 제2 위치는 또한 분리된 출력물의 일부를 임의의 다른 적합한 목적지에 제어 가능하게 분배할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 출력 밸브(1223)는 분리된 출력물을 수동적으로 분배한다. 예를 들어, 출력 밸브(1223)는 분리된 출력물을 연소 구성요소(1206)로 유도하도록 위치된 제1 출구 및 분리된 출력물을 시스템(1200) 외부로 유도하도록 위치된 제2 출구 위치를 갖는 접합부(예를 들어, T-접합부)를 포함할 수 있다.
도 13은 도 11 및 도 12를 참조하여 전술된 것들과 일반적으로 유사한 요소를 갖는 다른 CCP 시스템(1300)의 개략 단면도이다. 예시된 바와 같이, 시스템(1300)은 고온(예를 들어, 1000℃ 이상)을 견디고 그 내부에 형성된 챔버 사이에 열을 전달하도록 선택된 재료로 제조된 2개의 동심 실린더를 포함할 수 있다. 예시된 실시예에서, 내부 실린더는 연소 챔버(1311)를 형성하고, 제1 유로(F1)를 따라 연료(예를 들어, 수소, 수소/천연 가스 혼합물, 순수한 천연 가스 또는/또는 다른 탄화수소)를 그리고 제2 유로(F2)를 따라 산화제 공급원으로부터의 산화제(예를 들어, 공기, 산소 및/또는 다른 산소 함유 성분)를 수용하기 위해 연료 공급원(예를 들어, 가스 계량기)에 결합 가능한 연소 구성요소(1310)를 갖추고 있다. 연소 구성요소(1310)는 이어서 연소 챔버(1311) 내에서 연료와 산화제를 연소시킨다. 또한, 천연 가스 및/또는 다른 탄화수소 반응물은 제3 유로(F3)를 따라 외부 실린더(예를 들어, 반응 챔버(1312), 때때로 또한 본 명세서에서 열분해기라고도 지칭됨)에 도입된다. 도 12를 참조하여 전술된 바와 같이, 탄화수소 반응물의 입력물은 입력 밸브에 의해 제어될 수 있다(예를 들어, 도 11 참조). 충분히 높은 온도에서, 탄화수소 반응물은 열분해 반응을 통해 수소와 탄소로 해리된다. 예를 들어, 전술된 바와 같이, 천연 가스 내의 메탄에 대한 열분해 반응은 이하와 같다:
CH4 → C + 2H2; ΔH = 76 kJ/몰 메탄
연소 챔버(1311) 내의 연소는 탄화수소 반응물을 충분히 높은 온도로 가열(또는 추가로 가열)할 수 있다. 예를 들어, 연료와 산소를 연소시킴으로써 발생된 열은 연소 챔버(1311)와 반응 챔버(1312) 사이의 공유 벽(W)을 통해 제1 열 경로(H1)를 따라 복사 및 전도를 통해 반경방향 외향으로 외부 실린더(예를 들어, 반응 챔버(1312)) 내로 전달된다. 또한, 절연재(1307)(예를 들어, 내화 재료)는 제2 열 경로(H2)를 따라 반응 챔버(1312)로부터의 열 손실을 감소시켜, 이에 의해 시스템(1300) 내의 연소로부터 열을 유지하는 데 도움을 줄 수 있다.
반응으로부터의 출력물(예를 들어, H2, 잔류 탄화수소 및 탄소)은 제4 유로(F4)를 따라 반응 챔버(1312)를 빠져나가고 분리기(1314)로 진입한다. 분리기(1314)는 출력물 내의 기체 수소 및 잔류 기체 반응 재료로부터 고체 입자(예를 들어, 탄소 미립자)를 분리한다. 탄소는 이어서 제5 유로(F5)를 따라 탄소 처리 시스템(1315)으로 이동된다(예를 들어, 수동으로, 기계적으로, 유체적으로 등). 이어서, 반응 챔버(1312)로부터의 기체 생성물의 제1 부분(때때로 본 명세서에서 분리된 출력물로 지칭됨)은 이어서 제6 유로(F6)를 따라 분리기(1314) 외부로 유동할 수 있다. 분리된 출력물의 부분은 이어서 연소 챔버(1311) 내에서 연소되도록 제7 유로(F7)를 따라 연소 구성요소(1310)로 복귀될 수 있다. 분리된 출력물의 제2 부분은 전술된 바와 같은 다양한 목적을 위해 사용되도록(예를 들어, 수소 저장 디바이스(1316)에 저장됨) 제8 유로(F8)를 따라 시스템(1300)으로부터 이격하여 유도될 수 있다. 제1 부분은 분리된 출력물의 5%, 10%, 20%, 50%, 100%, 및/또는 임의의 다른 적합한 부분과 같은, 분리된 출력물의 임의의 적합한 부분을 포함할 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 유사하게, 제2 부분은 분리된 출력물의 임의의 적합한 부분을 포함할 수 있다.
시간 경과에 따라, 반응 챔버(1312) 내에서 열분해 반응에 의해 생성된 고체 탄소의 일부는 반응 챔버(1312)의 벽 상에 퇴적 및/또는 축적되어, 이에 의해 가교부 및/또는 응괴를 형성한다. 탄소 퇴적물은 반응 챔버(1312)의 막힘을 유발할 수 있고, 이는 시스템(1300)을 과잉 가압할 수 있고 그리고/또는 시스템(1300)의 생산성을 감소시킬 수 있다. 바람직하지 않은 변화는 예로서 반응기를 냉각하거나 정지시킴으로써, 또는 일부는 휴면 상태에 있고 반면 다른 시스템은 사용 중인 여러 병렬 시스템을 요구함으로써, 온도 및/또는 압력의 변화를 포함할 수 있다. 모든 전술된 유해한 변화는 감소된 효율을 야기할 수 있고, 이에 따라 이러한 프로세스를 감소시키거나 제거하는 본 발명의 기술의 실시예는 효율을 증가시킬 수 있다.
예를 들어, 본 명세서에 제시된 다양한 실시예는 간헐적 또는 연속적 기반으로 퇴적된 및/또는 축적된 탄소를 제거하여, 이에 의해 반응기 조건에 대한 상당한 변화를 요구하지 않고 적어도 의사-연속적인 동작을 허용하는 방법 및 디바이스를 설명한다. 예를 들어, 대표적인 탄소 제거 디바이스는 플런저 또는 피스톤(1306)(본 명세서에서는 "플런저(1306)"로 지칭됨)을 포함하고, 그 다양한 실시예가 아래에서 더 상세히 설명된다. 플런저(1306)는 반응 챔버(1312)의 종축을 따라 이동하고 이동함에 따라 반응 챔버(1312)의 벽을 스크레이핑할 수 있다. 스크레이핑 모션은 탄소 퇴적물을 흩어지게 하고, 분리하고, 그리고/또는 다른 방식으로 제거하여, 이에 의해 전술된 유해한 변화를 감소시킨다.
도 11 및 도 13에 도시되어 있는 동심 구성은 열의 증가된(예를 들어, 최대) 사용을 허용한다. 예를 들어, 내부 실린더로부터 이웃하는 외부 실린더로의 복사/전도를 통한 연소 열 손실은 외부 실린더에서 수행되는 흡열 열분해 반응을 공급하는 데 직접 사용된다. 또한, 내부 실린더로부터의 열은 반응 챔버(1312)를 통해 반경방향 외향으로만 유동할 수 있다. 이어서, 절연재(1307)는 반응 챔버(1312)를 반경방향으로 둘러싸서, 반응 챔버(1312)로부터 반경방향 외향으로 복사/전도를 통한 열 손실을 감소시킨다. 따라서, 내부 실린더 내의 연소로부터의 열은 외부 실린더 내의 탄화수소 반응물을 효과적으로 가열할 수 있다.
연소 챔버(1311)를 빠져나가는 연도 가스는 통상적으로 H2O, N2, 잔류 H2, 잔류 탄화수소 연료 및 미량의 NOx, SOx, CO2 및/또는 CO를 포함한다. 연도 가스는 반응 챔버(1312)에 전달되지 않는 열(때때로 본 명세서에서 "여분의 열" 및/또는 "미사용 열"이라고 지칭됨)을 제9 유로(F9)를 따라 연소 챔버(1311) 외부로 운반할 수 있다. 출구 스트림 내의 여분의 열은 열 복열기(1313)를 통해 적어도 부분적으로 회수되어 반응 챔버(1312)로 진입하는 탄화수소 반응물 및/또는 연소 챔버 및/또는 반응 챔버로 진입하는 연소 연료(예를 들어, 공기, 수소, 천연 가스 및/또는 다른 탄화수소 연료)를 예열할 수 있다. 예를 들어, 탄화수소 반응물을 예열함으로써, 복열기(1313)는 시스템(1300)의 효율을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 예열된 탄화수소 반응물은 반응 챔버(1312) 내에서 더 신속하게 열분해 온도에 도달할 수 있고, 따라서 반응 챔버(1312)를 빠져나가기 전에 열분해 반응이 완료되게 하는 데 더 많은 시간을 가질 수 있다. 그 결과, 반응 챔버(1312)로부터의 출력물은 미반응 탄화수소에 대한 더 큰 비의 수소 가스 및 탄소를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 연소 연료를 예열하는 것은 연소를 야기하는 데 요구되는 입력 열을 감소시킬 수 있어, 이에 의해 연소 구성요소에 대한 입력 에너지를 감소시키기 위해 여분의 열을 사용한다. 대안적으로, 몇몇 실시예에서, 플라즈마가 더 빠른 동역학을 위해 스트림을 목표 온도로 예열하는 데 사용될 수 있다.
시동 단계 동안, 시스템(1300)은 열분해 반응이 출력물 내의 수소의 일부를 연소 구성요소에 공급하기에 충분한 속도로 진행되게 하도록 CCP 반응기가 적합한 온도까지 가열될 때까지 저장된 수소, 천연 가스(예를 들어, 가스 계량기로부터의) 및/또는 다른 탄화수소를 연소시킴으로써 동작할 수도 있다. 그 시점에, 제어 유닛(온도 및/또는 다른 센서에 결합됨)은 전술된 재순환 방법으로 전환하도록 밸브(예를 들어, 도 12의 출력 밸브(1223)) 및/또는 다른 하드웨어에 지시할 수 있고, 여기서 출력물 내의 수소의 일부는 연소되어 탄화수소 열분해를 위한 열을 제공한다.
제어 시스템은 전술된 시동 단계를 포함하여, 시스템 동작의 대응 양태를 제어하기 위해 임의의 광범위한 적합한 센서를 포함할 수 있다. 센서(들)는 시스템 전체에 걸쳐 다양한 지점에서 임의의 가스 스트림의 온도, 조성 및/또는 압력을 측정할 수 있고, 그리고/또는 다른 동작 파라미터를 측정할 수 있다. 센서(들)로부터의 데이터는 조작자 또는 자동화 제어 시스템으로 전송될 수 있고, 시스템의 성능을 제어 및/또는 개선(예를 들어, 최적화)하고, 그리고/또는 예를 들어 예방적 유지 보수가 요구될 때를 통지하기 위해 그 동작을 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 다른 센서(들) 또는 제어 루프(들)는 얼마나 많은 생성된 수소가 버너/연소 공급 스트림으로 재순환할지, 및/또는 얼마나 많은 천연 가스가 연소 공급 스트림 내에 혼합될지를 결정할 수 있고, 이에 따라 시스템(1300)에 대한 다양한 수요 및/또는 시스템(1300)에 의해 생성된 수소와 동작을 정렬하기 위해(예를 들어, 시스템 시동 동안 또는 최종 사용자로부터의 수요의 변화를 수용하기 위해) 하나 이상의 밸브 또는 다른 구성요소를 작동시킬 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 다른 센서(들) 또는 제어 루프(들)는 얼마나 많은 탄소가 열분해 챔버 내에 축적되었는지를 결정하고(예를 들어, 시스템의 특정 부품 내의 압력 변화에 의해 표시됨), 탄소 퇴적물의 적어도 일부를 탈착(예를 들어, 스크레이핑, 제거, 연마, 연삭, 이탈 및/또는 세정)하기 위해 하나 이상의 탄소 제거 메커니즘을 작동/개시할 수 있다(예를 들어, 플런저(1306)를 작동시킴).
제어 루프는 예를 들어 미리 결정된 시간 간격, 동작 시간 간격, 및/또는 누적 열분해 공급물 유동 간격으로 탄소 제거 메커니즘을 주기적으로 작동시키는 데 사용될 수 있다. 다른 센서(들) 또는 제어 루프(들)는 탄소 수집 시스템이 가득 찰 때를 감지하고, 자동 비우기 프로세스를 트리거링하거나 조작자에게 이러한 프로세스를 수행하도록 조작자에게 신호를 보낼 수 있다. 또 다른 센서(들) 또는 제어 루프(들)는 최종 사용으로부터 수소, 열 또는 전기에 대한 일시적으로 변하는 수요에 따라 연소 가스 및 열분해 가스의 유량을 조정할 수 있다. 예를 들어, 제어 루프는 플런저(1306)가 작동되는 동안(예를 들어, 플런저(1306)가 반응 챔버(1312)를 통한 유로를 완전히 차단할 때) 부가의 탄화수소 반응물이 반응 챔버(1312)에 진입하는 것을 차단하도록 밸브를 작동시킨다. 다른 예에서, 제어 루프는 플런저(1306)가 작동되는 동안 탄화수소 반응물의 유동의 일부(또는 모두)를 유지할 수 있다. 또 다른 센서(들) 또는 제어 루프(들)는 열병합 발전 시스템과 통신하여 문제나 결함을 감지하고, 이에 따라 반응기를 턴오프하거나, 또는 이에 따라 수요에 정합하기 위해 연소 또는 열분해 유량을 조절할 수 있다. 또 다른 센서(들) 또는 제어 루프(들)는 안전 조건(예를 들어, 누설)을 모니터링하고 시스템 또는 시스템의 부분을 안전하게 턴오프할 수 있다. 다른 센서(들) 또는 제어 루프(들)는 생성된 수소의 양을 측정하고 조작자에게 신호를 송신하여, 예를 들어 그 수소 소비에 기초하여 최종 사용자에게 요금을 부과할 수 있다.
5. 퇴적된 탄소 제거 시스템을 갖는 대표적인 반응기 구성
도 14a 및 도 14b는 각각 동심 반응기/연소 챔버 배열을 갖는 대표적인 시스템(1400a)의 부분 개략 단면도 및 평면도이다. 도 14a 및 도 14b는 도 13을 참조하여 전술된 시스템의 단순화된 버전을 나타낸다. 도 14a에 도시되어 있는 바와 같이, 시스템(1400a)은 동심의 제2 챔버(1412)에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸인 중심 제1 챔버(1411)를 포함할 수 있다. 제2 챔버(1412)는 절연재(1407)(예를 들어, 하나 이상의 고체, 액체 및/또는 기체 재료 및/또는 진공 챔버)에 둘러싸여 제1 및 제2 챔버(1411, 1412)로부터의 열 손실을 감소시키거나 제거할 수 있다. 예시된 실시예에서, 제1 챔버(1411)는 연소 챔버로서 사용되고, 반면 제2 챔버(1412)는 반응 챔버로서 사용된다. 그러나, 도 14c를 참조하여 더 상세히 설명된 바와 같이, 이용은 전환될 수 있다(예를 들어, 제1 챔버(1411)가 반응 챔버로서 사용될 수 있고, 반면 제2 챔버(1412)가 연소 챔버로서 사용됨). 예시된 실시예로 복귀하여, 반응 가스(들)("반응물")(예를 들어, 탄화수소 반응물)은 화살표(R)에 의해 표시된 바와 같이 제2 챔버(1412)에 도입된다. 연소 구성요소(1410a)는 연료(예를 들어, 수소 가스, 천연 가스, 및/또는 임의의 다른 적합한 연료)를 연소하여 제2 챔버(1412) 내에서 열분해 반응을 수행하는 데 요구되는 열을 생성한다. 열은 동심 챔버의 공유 벽을 통한 전도 및/또는 복사를 통해 제2 챔버 내로 그리고 그 내부의 반응물 내로 전달된다. 일단 반응물 온도가 엔탈피점을 초과하면, 열분해 반응은 반응물이 분해되어 수소 가스와 탄소를 포함하는 출력물을 생성한다.
제1 및 제2 챔버(1411, 1412) 내의 유동이 병류 구성으로 예시되어 있지만, 유동은 또한 역류 구성일 수도 있다(예를 들어, 2개의 챔버 내의 유동이 반대 방향으로 이동함)일 수 있는 것으로 이해된다. 제2 챔버(1412)(예를 들어, 열분해 반응이 탄소 미립자를 생성하는 곳)는 수직으로 배향될 수 있고 탄소를 제거하는 것을 돕기 위해 중력을 활용하기 위한 위에서 아래로의 유동을 가질 수 있다. 시스템(1400a)의 병류 구성에서, 연소 구성요소(1410a)는 또한 화염이 하향을 지향한 상태로 상단에 설치된다. 이 배향에서, 연소로 인해 생성된 수소 가스(및 다른 연도 가스) 및/또는 물 응축물의 유동을 관리하는 것이 훨씬 더 쉽다. 이는 시스템(1400a)이 안정한 화염을 유지할 수 있게 한다. 그러나, 병류 배열은 제1 챔버(1411) 내의 연소로부터 제2 챔버(1412) 내의 반응 가스로의 열악한 열 전달을 가져, 더 낮은 변환을 야기할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 병류 배열은 유입 천연 가스 스트림을 예열하기에 충분한 체류 시간을 허용하지 않아, 또한 더 낮은 변환을 야기할 수도 있다. 대조적으로, 연소 구성요소(1410a)가 제1 챔버(1411)의 하단에 위치되고 상향으로 지향하고 반응물이 제2 챔버(1412)에서 위에서 아래로 유동하는 역류 구성은, 열 교환을 위한 더 큰 체류 시간 및/또는 고온 연도 가스와 반응물 사이의 더 큰 표면적을 허용함으로써 유입 천연 가스를 예열하기 위한 더 양호한 열 전달을 허용한다. 이에 따라, 역류 구성은 전체 변환을 개선시킬 수 있다. 그러나, 역류 구성은 연소에 의해 생성된 수소 가스 및/또는 물 응축물이 연소를 방해하는 것을 방지하기 위한 물 관리 및/또는 제거 시스템을 요구할 수 있다. 예를 들어, 역류 구성은 제1 챔버 전체에 걸쳐 충분히 높은 온도를 유지할 수 있거나(모든 물은 증기상으로 유지됨) 또는 연소 구성요소(1410a) 내의 화염으로부터 이격하여 물 응축물을 유도하기 위한 유로를 생성할 수 있다.
전술된 바와 같이, 제2 챔버(1412) 내에서 열분해 반응에 의해 생성된 탄소가 제2 챔버(1412)의 벽 상에 침전될 수도 있기 때문에, 시스템(1400a)은 가동 플런저(1406a)를 포함할 수 있다. 가동 플런저(1406a)는 제2 챔버(1412)의 벽을 스크레이핑하여 퇴적된 탄소를 흩어지게 하고, 분리하고, 그리고/또는 다른 방식으로 제거할 수 있다. 다양한 실시예에서, 플런저(1406a)는 다수의 플런저 중 하나일 수 있거나, 또는 단일 환형 플런저의 형태를 가질 수 있다. 다양한 실시예에서, 플런저(1406a)는 간단한 스크레이퍼 배열을 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 플런저(1406a)는 탄소를 제거하는 것을 돕기 위한 하나 이상의 날카로운 나이프 블레이드, 및/또는 제2 챔버(1412)로부터 분리기(1414) 내로 미립자 탄소를 제거하기 위한 중력 기반 프로세스를 돕기 위한 선택적인 진공 펌프를 포함할 수 있다. 임의의 이들 실시예에서, 플런저(1406a)는 퇴적된 탄소를 제거하기 위해 벽과 접촉하면서 제2 챔버(1412) 내에서 종방향으로(예를 들어, 예시된 배향에서 상향 및/또는 하향으로) 이동할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 시스템(1400a)은 주기적으로 및/또는 때때로 공기 또는 다른 산화제를 제2 챔버(1412) 내에 공급하여 잔류 탄소를 연소시킬 수 있다.
플런저(1406a)에 의해 제거된 탄소 생성물은 분리기(1414)로 유도된다(예를 들어, 중력 및/또는 제2 챔버(1412) 내의 가스의 유동에 의해 운반됨). 분리기(1414)는 탄소가 가스 유동 외로 떨어지는 것을 허용하는 구불구불한 유로 및/또는 출력물로부터 미립자 탄소를 분리하기 위한 다양한 다른 특징부(예를 들어, 스크린, 필터, 사이클론 분리기, 다른 유로 억제기 등)을 형성하는 배플(1405)을 포함할 수 있다.
연소 생성물(예를 들어, 연도 가스)은 제1 챔버(1411)에 제공된 연소 연료 및/또는 제2 챔버(1412)에 제공된 반응물을 예열하기 위해 복열기로(예를 들어, 열 교환기와 접촉하여) 유도될 수 있다. 그 후, 연소 생성물은 배기 시스템으로 유도될 수 있다.
도 14a 및 도 14b를 참조하여 전술된 대표적인 실시예에서, 반응 챔버는 연소 챔버 주위에 동심으로 위치된다. 도 14c는 이들 위치가 역전된 시스템(1400b)을 도시하고 있다. 특히, 제1 챔버(1411)는 중심 위치에 위치되고 반응 챔버로서 사용되며, 반면 제2 챔버(1412)는 제1 챔버(1411)로부터 동심으로 외향으로 위치되고 연소 챔버로서 사용된다. 몇몇 이러한 실시예에서, 연소 구성요소(1410b)는 제2 챔버(1412)의 동심 배열에 정합하도록, 동심 버너를 포함한다. 예시된 실시예에서, 연소 구성요소(1410b)는 제2 챔버(1412) 주위에 원주방향으로 위치된 다수의 버너(예를 들어, 2개, 4개, 5개, 10개 및/또는 임의의 다른 적합한 수)를 포함한다. 이어서, 플런저(1406b)는 예를 들어 제1 챔버(1411)의 원형 단면 형상에 정합하도록, 간단한 원형 형상을 가질 수 있다.
도 14a 내지 도 14c를 참조하여 전술된 시스템(1400a, 1400b) 중 어느 하나에 대해, 제1 및 제2 챔버(1411, 1412)는 다양한 수요를 충족하도록 규모 조절될 수 있는 것이 이해될 수 있을 것이다. 예를 들어, 고출력 시스템은 일반적으로 더 저출력 시스템의 것들보다 더 큰 직경을 갖는 챔버를 요구할 것이다. 다양한 실시예에서, 제1 챔버(1411)의 직경은 약 0.01 미터(m) 내지 약 10 m일 수 있고, 반면 제2 챔버(1412)의 직경은 약 0.1 m 내지 약 20 m일 수 있다(제1 챔버(1411)보다 더 큰 직경을 유지하면서). 부가적으로 또는 대안적으로, 제1 및 제2 챔버(1411, 1412) 내의 탄화수소 반응물의 유량(및/또는 연소의 속도)은 출력물의 체적(및 그 내부의 수소 가스의 양)을 증가 및/또는 감소시키기 위해 규모 조절될 수 있다. 예를 들어, 탄화수소 반응물의 유량을 증가시키는 것은 출력물의 체적을 증가시킬 수 있다. 그러나, 증가하는 유량은 감소하는 리턴을 가질 수 있다(예를 들어, 연소로부터의 열이 탄화수소 반응물을 충분한 온도 및/또는 충분한 속도로 가열할 수 없을 때, 출력물 내의 수소 가스의 양이 불충분할 수도 있음). 다른 예에서, 연소 챔버 내로의 연료 가스의 유량을 증가시키는 것은 출력물 내의 미반응 탄화수소 반응물에 대한 수소 가스의 비를 증가시킬 수 있다.
도 14d 및 도 14e는 본 발명의 기술의 다른 실시예에 따른 동심 챔버를 갖는 시스템(1400c)의 부분 개략 단면도 및 평면도를 각각 도시하고 있다. 특히, 시스템(1400c)은 중심 제1 챔버(1401)("제1 챔버(1401)), 및 제1 챔버(1401)로부터 반경방향 외향으로 위치된 연속적인 동심의 제2 및 제3 챔버(1402, 1403)를 포함한다. 모든 3개의 전술된 챔버는 시스템(1400c)의 동작 단계 또는 모드에 따라, 연소 챔버 또는 반응 챔버로서 동작할 수 있다. 이에 따라, 예를 들어, 제1 내지 제3 챔버(1401 내지 1403)의 각각은 3개의 연소 구성요소(1410c1, 1410c2, 1410c3)로서 도시되어 있는 대응 연소 구성요소를 가질 수 있다. 각각의 챔버는 또한 챔버가 반응 챔버로서 동작할 때 챔버로부터 미립자 탄소를 제거하기 위한 대응 플런저(1406c1, 1406c2, 1406c3)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 14d에 도시되어 있는 구성에서, 제1 챔버(1410c1) 및 제3 챔버(1410c3)는 반응 챔버로서 동작하고, 반응물은 반응물 화살표(R)를 따라 하향으로 제1 챔버(1410c1) 및 제3 챔버(1410c3) 내로 유동한다. 또한, 중간 제2 챔버(1410c2)는 연소 챔버로서 동작하고, 여기서 제2 연소 구성요소(1410c2)는 제1 및 제3 챔버(1410c1, 1410c3) 내로 유동하는 반응물을 가열하도록 활성화될 수 있다. 예시된 실시예의 일 양태에서, 활성 연소 챔버(예를 들어, 제2 챔버(1402))용 플런저(1406c2)는 연소 프로세스를 방해하지 않기 위해 버너(1410c2) 위에 위치되도록 후퇴될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 제1 내지 제3 챔버(1401 내지 1403)는 다양한 동작 단계 동안 및/또는 출력에 대한 다양한 수요를 수용하기 위해 연소 챔버로서 동작하는 것과 반응 챔버로서 동작하는 것 사이를 순환한다. 순수히 예로서, 제2 챔버(1402)는 연소 챔버(예를 들어, 연소, 열분해 없음)로서 동작할 수 있고, 반면 제1 및 제3 챔버(1401, 1403)는 동작의 제1 단계 동안 반응 챔버(예를 들어, 열분해, 연소 없음)로서 동작한다. 동작의 제2 단계 동안, 역할은 역전될 수 있어 제1 및 제3 챔버(1401, 1403)가 연소 챔버로서 동작하고 반면 제2 챔버(1402)가 반응 챔버로서 동작하게 된다. 다른 예에서, 제2 챔버(1402)는 연소 챔버로서 풀타임으로 동작할 수 있고, 반면 제1 및 제3 챔버(1401, 1403)는 활성 반응 단계와 세정 단계 사이에서 회전한다. 즉, 동작의 제1 단계 동안 제1 챔버(1401)는 반응 챔버로서 동작할 수 있고 반면 제3 챔버(1403)는 플런저(1406c3)에 의해 세정된다. 다음, 동작의 제2 단계 동안, 제3 챔버(1403)가 반응 챔버로서 동작할 수 있고, 반면 제1 챔버(1401)는 플런저(1406c1)에 의해 세정된다.
동작을 순환하기 위해, 제1 내지 제3 챔버(1401 내지 1403)의 각각은, 이어서 반응물 공급원에 유체 결합되는 입력 밸브(예를 들어, 도 12의 입력 밸브(1211))에 유체 결합될 수 있다. 또한, 입력 밸브 및 연소 구성요소(1410c1, 1410c2, 1410c3)는 제어기(예를 들어, 도 1의 제어기(150))에 동작 가능하게 결합되어 다양한 단계를 순환할 수 있다. 예를 들어, 전술된 동작의 제1 단계에서, 제어기는 연소 구성요소(1410c2)가 연료를 연소하게 하고 입력 밸브가 반응물을 제1 및 제3 챔버(1401, 1403)를 통해 유도하게 할 수 있다. 그 결과, 연소(그러나 열분해 없음)가 제2 챔버(1402)에서 발생하고, 반면 열분해(그러나 연소 없음)가 제1 및 제3 챔버(1401, 1403)에서 발생한다. 전술된 동작의 제2 단계 동안, 제어기는 동작이 역전되게 할 수 있다.
도 14f 및 도 14g는 본 발명의 기술의 또 다른 실시예에 따라 구성된 시스템(1400e)의 부분 개략 측단면도 및 평면도를 각각 도시하고 있다. 도 14f에 도시되어 있는 바와 같이, 시스템(1400e)은 중심 제2 챔버(1412)(예를 들어, 반응 챔버) 및 동심으로 둘러싸는 제1 챔버(1411)(예를 들어, 연소 챔버)를 포함한다. 제1 챔버(1411)는 하나 이상의 연소 구성요소(1410e)(도 14f의 단면도에 2개가 도시되어 있고, 도 14g의 평면도에 6개가 도시되어 있음)를 포함할 수 있다. 각각의 연소 구성요소(1410e)는 제1 챔버(1411) 내에 위치되고 제2 챔버(1412)의 공유 벽과 접촉하게 연소 연도 가스를 유도하도록 배향된다. 전술된 실시예와 유사하게, 플런저(1406)는 제2 챔버(1412)의 벽으로부터 탄소 미립자를 제거하는 데 사용될 수 있다. 도 14g에 가장 양호하게 도시되어 있는 바와 같이, 시스템(1400e)은 축대칭성 원형 단면 형상을 가질 수 있다. 대안적으로, 도 14h의 평면도에 도시되어 있는 실시예에 의해 도시되어 있는 바와 같이, 시스템(1400e)은 직사각형 단면 형상을 가질 수 있다.
도 14i 및 도 14j는 본 발명의 기술의 또 다른 실시예에 따라 구성된 시스템(1400f)의 부분 개략 등각도 및 평면도를 각각 도시하고 있다. 예시된 실시예에서, 시스템(1400f)은 복수의 제1 챔버(1411)(15개가 도시되어 있음), 복수의 제2 챔버(1412)(15개가 도시되어 있음), 및 제1 및 제2 챔버(1411, 1412)를 둘러싸는 절연재(1407)를 포함한다. 동작 중에, 제1 챔버(1411) 중 하나 이상(또는 모두)은 연소 챔버로서 동작할 수 있고, 반면 제2 챔버(1412) 중 하나 이상(또는 모두)은 반응 챔버로서 동작할 수 있다. 이에 따라, 제1 챔버(1411)의 각각은 제1 챔버(1411) 내에서 연료를 연소시키도록 위치된 대응 연소 구성요소(예를 들어, 도 14d 참조)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 시스템(1400f)은 제1 챔버(1411) 내에서 연소의 일부를 야기하고 그리고/또는 연소로부터의 연도 가스를 제1 챔버(1411)를 통해 유도하도록 위치된 개별 버너 및/또는 출구를 갖는 단일 연소 구성요소(예를 들어, 도 14c 참조)를 포함할 수 있다. 유사하게, 제2 챔버(1412)의 각각은 대응 플런저 및 입력 밸브(모두 도시되어 있지 않음)를 포함할 수 있다.
도 14j에 가장 양호하게 도시되어 있는 바와 같이, 제1 및 제2 챔버(1411, 1412)는 교번 패턴으로 배열될 수 있다. 그 결과, 예를 들어, 제1 챔버(1411)의 각각은 제2 챔버(1412) 또는 절연재(1407)와 단지 벽만 공유한다. 따라서, 제1 챔버(1411)의 각각에서 발생된 열은 주로 제2 챔버(1412) 내로 외향으로 복사 및/또는 전도된다(예를 들어, 절연재(1407) 내로 유도된 열은 주로 반사됨). 제1 및 제2 챔버(1411, 1412)의 각각은 상이한 단면 형상을 가질 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 순수히 예로서, 제1 및 제2 챔버(1411, 1412)의 각각은 정사각형 단면 형상을 가질 수 있다. 정사각형 단면은 제1 및 제2 챔버(1411, 1412) 사이의 공유 벽의 표면적을 증가시킬 수 있는데, 이는 제1 및 제2 챔버(1411, 1412) 사이의 열 전달을 증가시키는 데 도움이 될 수 있다. 다양한 다른 예에서, 제1 및 제2 챔버(1411, 1412)의 각각은 육각형 단면, 팔각형 단면, 및/또는 임의의 다른 적합한 단면을 가질 수 있다.
몇몇 실시예에서, 제1 및 제2 챔버(1411, 1412)의 서브세트는 시스템(1400f)의 동작 단계에 따라 동작된다. 예를 들어, 제1 및 제2 챔버(1411, 1412)의 제1 서브세트는 제2 서브세트의 제2 챔버(1412)가 그 대응 플런저에 의해 스크레이핑되는 동안 동작될 수 있다. 동작은 이어서 제1 서브세트의 제2 챔버(1412)가 그 대응 플런저에 의해 스크레이핑될 수 있게 하도록 뒤집힐 수 있다. 다른 예에서, 동작하는 제1 및 제2 챔버(1411, 1412)의 수는 출력에 대한 수요에 따라 규모 조절될 수 있다. 즉, 출력에 대한 수요가 낮은 동안, 단지 제1 및 제2 챔버(1411, 1412) 중 일부만 동작된다. 수요가 증가함에 따라, 동작되는 제1 및 제2 챔버(1411, 1412)의 수는 증가하는 수요를 충족시키기 위해 증가할 수 있다.
도 14k 및 도 14l은 본 발명의 기술의 또 다른 실시예에 따라 구성된 시스템(1400g)의 부분 개략 등각도 및 평면도를 각각 도시하고 있다. 예시된 실시예에서, 시스템(1400g)은 더 큰 제2 챔버(1412)를 통해 연장되는 복수의 제1 챔버(1411)(25개가 도시되어 있음)를 포함한다. 이어서, 제2 챔버(1412)는 절연재(1407)에 의해 둘러싸여 있다. 제1 챔버(1411)의 각각은 연소 챔버로서 동작할 수 있고, 반면 제2 챔버(1412)는 반응 챔버로서 동작할 수 있다. 이에 따라, 제1 챔버(1411)의 각각은 제1 챔버(1411) 내에서 연료를 연소시키도록 위치된 대응 연소 구성요소(예를 들어, 도 14d 참조)를 포함할 수 있다. 대안적으로, 시스템(1400f)은 제1 챔버(1411) 내에서 연소의 일부를 야기하고 그리고/또는 연소로부터의 연도 가스를 제1 챔버(1411)를 통해 유도하도록 위치된 개별 버너 및/또는 출구를 갖는 단일 연소 구성요소(예를 들어, 도 14c 참조)를 포함할 수 있다.
이어서, 시스템(1400g)은 제2 챔버의 벽을 스크레이핑하기 위해 제2 챔버(1412)를 통해 연장될 수 있는 하나 이상의 플런저(예를 들어, 도 14d 참조)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 플런저는 비교적 작은 단면적을 갖고 제2 챔버(1412)의 설치 공간 내에서 이동 가능하다. 이러한 실시예에서, 플런저는 제2 챔버(1412)의 일부를 스크레이핑할 수 있고, 반면 나머지는 반응 챔버로서 작용하고 다양한 부분을 스크레이핑하는 것을 통해 순환하도록 계속해서 이동할 수 있다.
제1 및 제2 챔버(1411, 1412)의 구성은 뒤집힐 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 즉, 제1 챔버(1411)의 각각은 반응 챔버로서 작용할 수 있고, 반면 제2 챔버(1412)는 반응 챔버를 둘러싸는 연소 챔버로서 작용한다.
반응 챔버의 벽으로부터 탄소를 제거하기 위한 플런저 배열은 전술된 바와 같이 CCP 반응기에 적용될 수 있고, 그리고/또는 도 15a 및 도 15b를 참조하여 아래에 설명되는 바와 같이, RTP 반응기에 적용될 수 있다. 도 15a에서, 공통 챔버(1501)는 연료를 연소시키고 탄화수소 반응물을 가열하는 동안 공통 챔버(1501) 내에 존재하는 산소의 양을 제어할 수 있는 연소 구성요소(1510)를 포함한다. 연소 구성요소(1510)는 공통 챔버(1501)를 가열하는 버너 및/또는 공통 챔버(1501) 내에서 열분해될 탄화수소 반응물을 제공하도록 제어하는 입력 밸브를 포함할 수 있다. 연소 중에, 연소 구성요소(1510)는 모든 산소가 버너에 의해 소비되는 것을 보장하기 위해 공통 챔버(1501) 내의 산소 레벨을 제어할 수 있다. 그 결과, 탄화수소 반응물은 가열됨에 따라 연소되기보다는 열분해 반응을 경험한다. 몇몇 실시예에서, 연소 연료와 탄화수소 반응물은 동일하다. 예를 들어, 연소 연료와 탄화수소 반응물은 모두 천연 가스일 수 있다. 이러한 실시예에서, 연소 구성요소(1510)는 공통 챔버(1501) 내로의 모든 천연 가스 입력물을 연소시키기에 충분한 산소가 존재하지 않는 것을 보장할 수 있다. 그 결과, 제1 부분은 열분해 반응을 경험하게 될 제2 부분을 연소하고 가열할 것이다.
도 15a에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 플런저(1506a)는 개방된 중심부를 포함하는 링형 본체를 가질 수 있다. 링 형상은 연소 연도 가스, 수소 가스, 탄소 미립자 및/또는 미반응 탄화수소가 공통 챔버(1501)를 통해 이동하는 동안 플런저(1506a)가 공통 챔버(1501)의 벽을 스크레이핑할 수 있게 한다. 공통 챔버(1501)로부터의 출력물은 이어서 출력 밸브(1523)를 통해 분리기(1514) 내로 통과한다. 출력 밸브(1523)는 예를 들어 공통 챔버(1501)가 가열 사이클을 경험하고 있을 때(예를 들어, 공통 챔버에서 빠져나가는 연소 연도 가스만) 출력물을 배기 시스템으로 유도하는 제1 위치를 포함할 수 있다. 전술된 바와 같이, 분리기(1514)는 출력물로부터 탄소 및/또는 비수소 가스를 제거할 수 있다. 분리된 출력물은 이어서 목적지(예를 들어, 연소될 공통 챔버(1501) 내로 다시, 수소 저장 탱크로, 및/또는 임의의 다른 적합한 목적지로) 유도될 수 있다.
도 15b에서, 반응 챔버(1512)는 별개의 연소 프로세스에 의해 가열된다. 별개의 연소 프로세스는 반응 챔버(1512)와 공통 벽을 공유하지 않는 별개의 챔버 내에서(예를 들어, 제2 챔버 내에서) 수행될 수 있다. 오히려, 제2 연소 프로세스는 다른 디바이스에 의해 반응 챔버(1512)에 열적으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 연소 프로세스로부터의 연도 가스는 연소 프로세스 직후에 반응 챔버(1512)를 통해 유도될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 연소 프로세스는 반응 챔버(1512)에 인접하여 수행되고 복사 가열을 통해 열적으로 결합될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 연소 프로세스는 반응 챔버(1512)를 예열하기 위해 반응 챔버(1512) 내에서 사전에 완료될 수 있다. 도 15b에 또한 도시되어 있는 바와 같이, 플런저(1506b)는 전술된 방식으로 반응 챔버(1512)의 벽으로부터 탄소 미립자를 제거하는 데 사용될 수 있다. 예시된 실시예에서, 플런저(1506b)는 가스가 통과할 수 있게 하는 개방 중심을 포함하지 않는다. 대신에, 예를 들어, 플런저(1506b)는 반응 프로세스를 통한 사이클 후(예를 들어, 반응 챔버(1512)를 재가열하기 전) 반응 챔버(1512)에서 작동될 수 있다.
도 16a 내지 도 16c는 도 14a를 참조하여 전술된 플런저(1406a) 및 분리기(1414)에 추가하여, 또는 대신에, 반응 챔버 및/또는 출력물로부터 탄소 미립자를 제거하기 위한 추가 배열의 부분 개략도이다. 예를 들어, 도 16a는 도 14a를 참조하여 전술된 시스템(1400a)과 일반적으로 유사한 시스템(1600a)을 도시하고 있다. 시스템(1600a)은 제1 챔버(1411), 주변 제2 챔버(1412), 제1 챔버(1411) 내에서 연료를 연소시키도록 위치된 연소 구성요소(1410a), 및 제2 챔버(1412)의 벽으로부터 탄소를 제거하도록 동작 가능한 플런저(1406a)를 포함한다. 그러나, 도시되어 있는 바와 같이, 시스템(1600a)은 제2 챔버(1412)와 유체 연통하는 하나 이상의 로킹 호퍼(1621)를 더 포함할 수 있다. 로킹 호퍼(들)(1621)는 제2 챔버(1412)로부터의 출력물로부터 고체 탄소의 연속적인 여과 및/또는 회수를 허용한다. 로킹 호퍼(들)(1621)는 분리된 출력물을 분리기(1414)로 유도하여 고체 탄소 생성물로부터 기체 생성물을 추가로 분리할 수 있다. 예를 들어, 출력물은 사이클론, 백하우스 및/또는 다른 디바이스를 통과하여 출력물 내의 고체 재료로부터 기체 재료(예를 들어, 수소 가스, 잔류 탄화수소 반응물 등)를 분리할 수 있다. 순수히 예로서, 예시된 실시예에서, 출력물은 액체 컬럼(1622)을 통과하여 출력물 내의 고체 재료로부터 기체 재료를 추가로 분리한다.
도 16b는 도 16a를 참조하여 전술된 플런저(1406a) 대신에, 제2 챔버(1412)의 벽으로부터 탄소를 제거할 수 있는 하나 이상의 스크류형 압출기(1623)(2개가 도시되어 있음, 때때로 또한 본 명세서에서 "오거(auger)(1623)"라고도 지칭됨)를 포함하는 시스템(1600b)의 부분 개략 단면도이다. 각각의 오거(1623)는 제2 챔버(1412)의 벽으로부터 미립자 탄소를 스크레이핑하는 회전 스크류형 부재를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 오거(1623)는 제2 챔버(1412)의 전체 길이(예를 들어, 높이)로부터 미립자를 제거하고 그리고/또는 동작 중에 제거되도록 제2 챔버(1412)의 길이를 따라 축방향으로 이동한다. 몇몇 실시예에서, 오거(1623)는 고정된 종방향 위치에 유지되고 회전하여 벽을 스크레이핑하고 그리고/또는 제거된 탄소를 제2 챔버(1412) 외부로 밀어낸다. 몇몇 실시예에서, 제2 챔버(1412)는 제1 챔버(1411)와 동심이고 이를 둘러싸는(예를 들어, 제1 챔버(1411)에 대응하는 중공 부분을 가짐) 단일 오거(1623)를 포함한다.
몇몇 실시예에서, 예를 들어 도 16c의 평면도에 도시되어 있는 바와 같이, 2개의 오거(1623)는 서로 연결될 수 있고, 환형 제2 챔버(1412)를 통해 원형 경로를 따라 이동하여 제2 챔버(1412)의 내부 및 외부 원주방향 벽으로부터 미립자를 제거할 수 있다. 이에 따라, 오거(1623)는 화살표(C)에 의해 표시된 바와 같이, 그 자신의 축을 중심으로 회전할 수 있고, 화살표(D)에 의해 표시된 바와 같이, 공통 중심축을 중심으로 선회할 수 있다. 공통 중심축을 중심으로 하는 회전은 오거(1623)가 벽으로부터 탄소를 제거하는 동안 제2 챔버(1412)의 일부가 사용 중으로 유지될 수 있게 한다.
제1 챔버(1411)가 반응 챔버로서 동작하는 실시예에서, 시스템은 제1 챔버(1411) 내에 위치되고 그리고/또는 이동 가능한 하나 이상의 오거(1623)를 포함할 수 있다는 것이 이해될 수 있을 것이다. 예를 들어, 2개의 오거(1623)는 중심축을 중심으로 회전하여 제1 챔버(1411)의 원주방향 벽을 세정할 수 있고 반면 중심부와 다른 벽은 제1 챔버(1411)가 사용 중으로 유지될 수 있게 한다. 다른 예에서, 일반적으로 제1 챔버(1411)와 유사한 직경을 갖는 단일 오거가 제1 챔버(1411)의 벽을 동시에 스크레이핑할 수 있다.
도 16d는 본 발명의 기술의 또 다른 실시예에 따라 구성된 시스템(1600d)의 단면도이다. 예시된 실시예에서, 시스템은 가압 유체를 통해 챔버 벽으로부터 탄소 미립자를 제거하고, 그리고/또는 미립자가 전혀 축적되지 않게 방지하는 가스 제트(1624)의 배열(예를 들어, 오거(1623) 대신에)을 포함한다.
6. 대표적인 테스트 및 시뮬레이션 데이터
도 17a 내지 도 17c는 본 발명의 기술의 실시예에 따라 구성된 대표적인 탄소 제거 시스템에 대해 획득된 테스트 데이터를 도시하고 있다. 이들 도면은 (a) 탄소 미립자 제거를 위해 유체 유동에 의존하는 시스템 및 (b) 유체 유동에 추가하여 기계적 제거 디바이스를 포함하는 시스템의 탄소 제거 효능을 비교한다. 도 17a는 수소와 탄소를 생성하는 반응기를 통한 메탄 유동이 1 SLPM 메탄 유동 및 60분 동안 1150℃에서의 프로세스에서 생성된 총 탄소의 최대 66%까지 수집할 수 있다는 것을 도시하고 있다. 다른 예에서, 30분 동안 실행된 1500℃에서 5 SLPM 메탄 유동은 탄소 분리기 내의 반응기 외부에서 43%의 탄소를 생성하였다.
시스템은 또한 단부에 원통형 피스톤 또는 플런저를 갖는 초합금 로드로 제조된 기계 디바이스를 사용하여 테스트되었다. 플런저는 반응기 내에 형성된 탄소를 탄소 분리기로 밀어내는 데 사용되었다. 1500℃에서 30분 동안 5 SLPM 메탄 유동에서 비교 가능한 실험에서, 탄소 분리기의 탄소 수집(수집된 탄소를 형성된 총 탄소로 나눈 값)은 플런저의 추가로 인해 43%로부터 77%로 증가되었다. 실험이 더 계속되었을 때, 탄소를 제거한 후, 플런저가 33분 후 다시 사용되었을 때 수집된 전체 탄소는 77%로부터 86%로 증가되었다. 증가하는 수의 탄소 제거의 사이클에 따라, 탄소 수집은 점근적으로 100%로 증가한다. 도 17b는 플런저를 갖는 및 갖지 않는, 다수의 테스트에서 다수의 메탄 유량에 대한 대표적인 수집 값을 도시하고 있다. 도 17c는 초기 제거 후 연속적인 실행에 따른 탄소 수집의 증가를 도식적으로 도시하고 있다.
도 18a 내지 도 18c는 재생 열분해(RTP) 반응기의 성능과 복합 연소 열분해(CCP) 반응기의 성능을 비교하는 데 사용된 시뮬레이션을 도시하고 있다. 도 18a 및 도 18b는 원통형 반응기의 단면도이다. RTP 반응기(도 18a)에서, 유체는 순환 방식으로 연소 가스로부터 열분해 가스로 전환된다. 달리 말하면, 라벨이 붙은 연소 구역은 구역이 유입 가스를 연소함으로써 가열되는 가열 단계와, 유입 가스가 현재 가열된 반응기에서 열분해되는 열분해 단계 사이를 교번한다. CCP 반응기(도 18b)에서, 연소는 중심 연소 구역에서 수행되고, 열분해는 반경방향 외향 동심 열분해 구역에서 수행된다. 시뮬레이션은 5 SLPM 수소 연소와 5 SLPM 메탄 열분해에 대해 수행되었다. RTP 시스템에서, 유체는 상기에 표시된 바와 같이, 순환 방식으로 연소 가스로부터 열분해 가스로 전환된다. 이에 따라, 연소 프로세스의 종료시의 정상 상태 연소 온도 프로파일은 열분해 단계에 대한 시작 조건으로 고려되었다. 도 18c는 아래의 도 19a 내지 도 19f의 설명 후에, 이후에 설명된다.
도 19a는 RTP 반응기와 CCP 반응기에 대해, 연소 구역의 길이에 따른 거리의 함수로서 유체 온도 프로파일을 도시하고 있다. 단열 조건을 가정하면, 유체 및 알루미나 벽의 온도는 거리에 따라 증가한다. 도 19b는 RTP 반응기와 CCP 반응기에 대해, 열분해 구역의 길이에 따른 거리의 함수로서 온도 프로파일을 도시하고 있다. 열분해 프로세스는 정상 상태가 달성될 때까지 시뮬레이션되었다(도 19b에서 RTP-열분해의 종료라 지칭됨). CCP 시스템의 경우, 반응기의 열분해 및 연소 부분은 정상 상태에서 시뮬레이션된다. RTP 시스템에서 달성된 연소 온도는 CCP 시스템의 것보다 더 높고, 반면 열분해 온도는 RTP 시스템에 비교하여 CCP 시스템에서 더 높다. CCP 시스템에 대한 알루미나 벽 온도는 또한 도 19c에 도시되어 있는 열분해 구역의 길이에 따른 거리의 함수로서 온도 프로파일에 의해 나타낸 바와 같이, RTP 시스템의 것보다 더 낮다.
전술된 예는 단열 외부 벽(예를 들어, 주변 환경으로 열 손실이 없음)을 가정했다. 실제로, RTP 및 CCP 반응기 시스템의 중요한 요인은 주변 환경으로의 열 손실이다. 도 19d 내지 도 19f는 CCP 시스템의 비단열 벽으로부터의 열 손실의 효과를 도시하고 있다. 특히, 도 19d는 단열 및 비단열 벽에 대한 연소 구역의 길이를 따른 거리의 함수로서 유체 온도 프로파일을 도시하고 있고; 도 19e는 단열 및 비단열 벽에 대한 열분해 구역의 길이를 따른 거리의 함수로서 온도 프로파일을 도시하고 있고; 도 19f는 단열 및 비단열 조건을 가정하여 CCP 반응기의 길이에 따른 알루미나 벽 온도를 도시하고 있다. 주변 환경으로의 열 손실을 감소시키는(예를 들어, 최소화하는) 것은 RTP 시스템의 성능을 상당히 개선시킨다. CCP 시스템에서, 연소가 내부 실린더에서 발생한다. 연소로부터 손실된 열은 주변 열분해 구역에서 열분해 반응을 위해 이용된다. 이에 따라, CCP 시스템의 주요 열 손실 메커니즘은 열분해 구역으로부터 주변 환경으로의 손실이다. RTP 및 CCP 시스템의 모두에서, 효과적인 절연은 성능을 상당히 개선시킨다.
도 18c는 외부 벽이 단열성이 아닌 대표적인 CCP 반응기를 도시하고 있다. 대신, 외부 벽은 0.15 W/m/K의 열 전도도, 3 W/m2K의 열 손실 계수, 0.7의 복사율(복사 열 전달), 및 25℃의 외부 온도를 갖는 절연 층을 갖는다. 도 19d 내지 도 19f는 단열 및 비단열 모델에 대한 유체 및 벽 온도를 비교하여, 단열 벽 가정의 영향과, 반응기 주위의 효과적인 절연의 중요성을 나타낸다. 비단열 반응기는 단열 대응부와 동일한 변환을 달성하기 위해 더 긴 체류 시간을 필요로 할 것이다. 이에 따라, 절연 두께가 증가되어 주변으로의 열 손실을 감소시킬 수 있다. 적어도 몇몇 실시예에서, 절연 및 열분해 구역 사이에 하나 이상의 부가의 채널(예를 들어, 동심 채널)이 추가될 수 있다. 이들 부가의 채널은 그렇지 않으면 낭비될 수도 있는 열을 포획하는 방식으로 열 전달 유체(예를 들어, 메탄, 이는 이어서 열분해되도록 반응 챔버 내로 유도됨)를 순환시킬 수 있다. 다른 실시예에서, 부가의 채널은 추가 절연을 제공하기 위해 진공배기될 수 있고, 또는 부가의 채널이 추가 열분해 반응을 수행하기 위해 사용될 수 있다.
이에 따라, 대표적인 시스템은 특정 최종 사용자 수요를 충족시키면서 안전을 위해 그리고 동작을 개선(예를 들어, 최적화)하기 위해 선택된 구성을 갖는다. 이들 결과를 달성하기 위해 선택된 대표적인 파라미터는: 연소 챔버와 열분해 챔버 사이의 치수 및 치수 비, 열분해 공급 유량에 대한 연소 공급 유량의 비(시간의 함수로서 변경될 수도 있음), 및/또는 연소 가스 공급물에서 탄화수소에 대한 수소의 유량(또는 질량 또는 체적 비)(이는 또한 시간의 함수로서 변경될 수도 있음)을 포함한다.
유사하게, 재료는 연소 챔버로부터 열분해 챔버로의 열 전달을 최대화하거나 다른 방식으로 조절하도록 선택될 수도 있다. 예를 들어, 연소 챔버는 코팅을 갖는 금속(예를 들어, W, Mo, Nb 또는 Ta와 같은 세라믹 코팅 내화 금속), 세라믹(산화알루미늄, 탄화규소, 질화알루미늄, 붕화지르코늄, 산화지르코늄, 이트륨 도핑된 산화지르코늄, 내화 벽돌 등과 같은 탄화물, 질화물, 붕화물 또는 산화물) 및/또는 복합재(예를 들어, 탄소 매트릭스 복합재)와 같은 고온 호환성 재료를 포함할 수도 있고, 유사하게, 재료는 열분해 챔버로부터 시스템 외부로의 열 전달을 최소화하거나 다른 방식으로 조절하기 위해 열분해 챔버에 대해 선택될 수도 있다. 재료는 상기에 나열된 임의의 것들을 포함할 수도 있다. 다양한 표면은 의도적으로 연마되거나 연마되지 않을 수도 있으며, 또는 열 전달을 조정하기 위해 반사 또는 비반사(저 또는 고 복사율) 재료로 코팅될 수도 있다. "내화" 재료는 상기 목록으로부터의 벌크 재료, 또는 에어로겔, 진공 환경, 저압 가스(예를 들어, He 또는 Ar), 절연 시트, 또는 몇몇 조합, 복합재 또는 상기의 다른 조합(예를 들어, 층)을 포함할 수도 있다.
열 전달 특징부는 다양한 표면 상에 포함될 수도 있다. 예를 들어, 연소 챔버 내부 벽 또는 외부 벽은 핀(fins), 채널 및/또는 다른 표면적 향상 특징부를 가질 수도 있다. 연소 및/또는 열분해 가스는 열 전달을 향상시키기 위해 소용돌이치도록 유도될 수도 있다. 열분해 가스는 열분해 및 수소의 수율 또는 탄소의 제거를 최적화하기 위해 열분해 챔버의 직경, 원주, 및/또는 높이를 따라 다수의 입구 지점을 가질 수도 있다. 연소 가스는 연소 및/또는 열 전달을 개선(예를 들어, 최적화)하기 위해 연소 챔버의 직경, 원주 또는 길이를 따라 다수의 입구 지점을 가질 수도 있다. 유사하게, 연소 챔버의 벽은 그 자체로 버너, 예를 들어 다공성 매체 버너 또는 촉매 표면 버너이거나 이를 포함할 수도 있다.
열분해 챔버 및 연소 챔버는 원형 단면을 갖지 않을 수도 있다. 예를 들어, 이들은 육각형 또는 팔각형 단면 형상을 가질 수도 있다. 열분해 챔버 및 연소 챔버는 또한 유동 축을 따라 동일한 유효 직경을 갖지 않을 수도 있다. 예를 들어, 탄소 제거를 용이하게 하기 위해, 열분해 챔버는 그 직경이 가스 입구로부터 더 멀리 이격하여 증가하도록 외향으로 테이퍼진 측벽을 가질 수도 있다. 이 접근법은 가스가 팽창할 수 있게 하는데, 이는 입자를 감속한다. 또한, 더 큰 개구는 더 긴 시간 기간 동안 반응기의 막힘을 방지하고, 반응기 출구에서 미립자를 수집하는 것을 단순화한다. 이 접근법은 또한 반응기로부터 탄소를 제거하기 위해 기계 디바이스가 사용되는 빈도를 감소시킬 수 있다. CCP 시스템은 예를 들어 도 14c를 참조하여 전술된 바와 같이, 단일 연소 채널 및 단일 열분해 채널, 또는 임의의 적합한 수의 각각을 포함할 수 있다.
다수의 개별 CCP 시스템을 포함하는 설비에서, 제1 반응기(A)가 실행 중일 수도 있고 그 수소 출력은 제2 반응기(B)에 대한 공급물로서 사용될 수도 있다. 이는 시동 중에 또는 그 동안에 제2 반응기(B)가 턴온 또는 턴오프되거나 다른 방식으로 조절될 수도 있는 수소 생성에 대한 일시적인 과도 수요 동안 특히 가치가 있는데, 이는 제2 반응기(B)의 가열을 재시작하기 위해 탄화수소를 연소하는 요건을 회피하고, 대신에 수소가 온실 가스를 생성하지 않고 제2 반응기(B)를 가열하기 위해 연소될 수 있기 때문이다.
도 20a 내지 도 20h는 본 발명의 기술의 실시예에 따른 다양한 대표적인 열분해 반응기 시스템에 대한 테스트 데이터를 도시하고 있다. 특히, 테스트는 전술된 다양한 특징으로부터의 개선 뿐만 아니라 다양한 동작 조건(예를 들어, 유량)의 결과를 예시하고 있다. 예를 들어, 테스트는 CCP 반응기 시스템의 연소 챔버와 반응 챔버 사이의 열 전달을 개선하기 위해 멀라이트를 포함하는 세라믹의 단일체 벽의 이익을 도시하고 있다. 다른 예에서, 연소 전 공기 예열, 메탄(예를 들어, 탄화수소 반응물로서 사용됨) 예열, 및 반응기 시스템 내로의 메탄 유량의 변경의 효과가 테스트되었다. 도 20a의 표는 대표적인 테스트 결과를 도시하고 있다. 테스트는 연소로부터의 화염에 대한 단일체 벽의 근접도, 단일체 벽의 평방 인치당 셀, 및 개선된 절연 효과를 변경하는 것을 포함하였다. 도 20a의 표는 또한 튜브-인-튜브 반응기(예를 들어, 동심 연소 및 반응 챔버를 갖는 반응기(예를 들어, 도 14a 및 도 14b에 도시되어 있는 바와 같음))의 효과를 도시하고 있다.
도 21은 여러 대표적인 연소 연료:탄화수소 반응물 비에 대한 열 손실과 열분해 변환 비율 사이의 관계를 도시하고 있다. 더 구체적으로, 도 21은 메탄 가스(탄화수소 반응물)에 대한 수소 가스(연소 연료로서)의 대표적인 비에 대한 관계를 도시하고 있다. 관계는 전역 질량 및 에너지 균형 한계에 의해 정의된다. 그 결과, 예를 들어, 열분해 변환은 열 손실이 최소화될 때 최대화된다. 도 21에 명백하게 도시되어 있는 바와 같이, 더 높은 연소 연료:탄화수소 반응물 비는 유지하는 동안 더 많은 열이 손실될 수 있게 한다.
7. 액체 중간 생성물
전술된 고체 탄소 제거 기술에 추가하여, 대표적인 반응기는 액체 제거 기술, 예를 들어 반응기 내에서 반응이 중단되는 지점을 조정함으로써 액체 탄화수소를 형성하는 것을 포함할 수 있다. 반응이 기체 수소와 고체 탄소로 줄곧 진행될 수 있게 하는 대신, 일부 또는 모든 반응물은 수지 또는 더 무거운 탄화수소의 형태를 취할 수 있다. 이는, (a) 탄화수소 수지가 탄소를 포집할 수 있고 그리고/또는 (b) 수지가 중력을 통해 반응기 외부로 유동하여 낙하할 수 있기 때문에 탄소의 일부 또는 모두를 제거하는 더 간단한 방식일 수도 있다. 반응 조건을 조정하는 것은 또한 생성되는 수소의 양을 조정하는 데 사용될 수도 있다.
특정 예에서, 실험은 25 mm ID, 1000 mm 길이의 알루미나 반응기로 수행되었다. 주어진 체적 유량에서 반응기 내의 체류 시간은 60 mm ID 반응기에서보다 25 mm 반응기의 경우 더 낮다. 1 SLPM 및 1250℃에서, 반응기 외부에 수집된 탄소는 매우 유사한 탄소 변환 값을 갖고 60 mm 반응기에 비교하여 25 mm 반응기에서 더 높았다(58.2% 대 47.8%). 가장 현저하게, 5 SLPM에서, 16% H2가 출구 가스 분석기에서 식별되었지만, 탄소가 탄소 분리기(114)에서 수집되지 않았다(예를 들어, 도 14a 참조). 탄소 분리기는 이들에 한정되는 것은 아니지만, 배플, 백 필터 및/또는 미립자 분리를 위한 액체 버블러(bubbler)와 같은 하나 이상의 분리 구성요소를 포함할 수 있다. 본 발명자들은 수집 상자의 입구에서 오일 형성을 관찰했다. 반응기 내의 체류 시간은 CH4를 탄소로 완전히 변환하기에는 충분하지 않고, 단지 수지성 탄화수소로만 변환하기에만 충분하였다. 이는 탄소로 변환된 메탄의 백분율을 동일한 유량, 예를 들어 각각 5 SLPM, 1250℃(8.8% 대 22.2%)에서 2개의 직경(25 mm 대 60 mm) 사이에서 비교할 때 매우 명백하다.
액체 생성물은 조성을 결정하기 위해 크로마토그래프/질량 분광계를 통해 특성화되었다. 크로마토그램은 도 22에 제공되어 있다. 주요 선택된 피크는 분 단위의 유지 시간에 있다 - 페난트렌에 대응하는 21.525(23.795%), 페난트렌에 대응하는 21.606(5.175%), 피렌에 대응하는 24.322(8.437%), 또한 피렌에 대응하는 24.881(31.153%). 페난트렌은 C14H10이고 피렌은 C16H10이다. 양 분자 모두 다환방향족 탄화수소이고, 주위 조건에서 액상이다.
8. 대표적인 가스 함유 탄소 제거 시스템
고체 탄소 및 액체 탄소 포획 기술은 전술되어 있다. 대표적인 시스템은 예를 들어 전술된 임의의 탄소/수소 분리기의 부분으로서 가스 함유 탄소 미립자를 위한 분리 시스템을 또한 포함할 수 있다.
도 23은 임의의 전술된 분리기, 예를 들어 도 1에 도시되어 있는 탄소 분리기(114)에 이용될 수 있는 사이클론 분리기(2300)의 개략도이다. 도 23에 도시되어 있는 바와 같이, 사이클론 분리기(2300)는 입구 튜브(2310)(개별적으로 제1 입구 튜브(2310a) 및 제2 입구 튜브(2310b)라 칭함)와 유체 연통하는 메인 배럴(2302), 메인 배럴(2302)과 유체 연통하는 원추 섹션(2304), 원추 섹션(2304)과 유체 연통하는 수집 섹션(2306), 및 수집 섹션(2306)과 유체 연통하는 딥레그(dipleg)(2308)를 포함한다.
제1 입구 튜브(2310a)는 반응기 출력 경로(2312)를 따라 탄소 미립자와 수소 가스를 포함하는 혼합물을 수용하기 위해 전술된 임의의 반응기로부터의 출구와 유체 연통할 수 있다. 제2 입구 튜브(2310b)는 촉매 입력 경로(2314)를 따라 촉매 증기를 수용하기 위해 촉매 증기 소스에 연결될 수 있다. 도 23에 도시되어 있는 바와 같이, 촉매 입력 경로(2314)는 메인 배럴(2302) 내의 반응기 출력 경로(2312)와 충돌하여 사이클론 분리기(2300) 내에서 하향 이동하는 사이클론을 생성한다. 이어서, 사이클론은 그 내부에 유동하는 탄소 미립자와 수소 가스의 혼합물에 원심력을 부여한다. 이 힘으로부터의 영향과 수소 가스와 탄소 미립자 사이의 밀도의 차이에 기초하여, 혼합물은 사이클론 분리기(2300)를 통해 이동함에 따라 분리된다. 원추 섹션(2304)의 테이퍼진 벽은 사이클론의 속도를 유지하고 혼합물을 수집 섹션(2306) 및 딥레그(2308)를 향해 깔때기형으로 집중시킨다. 탄소 미립자의 일부 또는 모두는 수집 섹션(2306) 내에 포획되어 딥레그(2308)가 생성된 수소 가스를 다른 장소로 보내기 전에 탄소 처리 구성요소(20)(도 1)로 보내진다. 몇몇 실시예에서, 사이클론 분리기(2300)는 약 10 마이크로미터(㎛) 이상의 직경을 갖는 탄소 미립자를 포획한다. 약 10 ㎛ 미만의 직경을 갖는 탄소 미립자는 사이클론 분리기(2300)의 출력부 내로 빠져나갈 수 있다. 이에 따라, 다양한 실시예에서, 탄소 분리기(114)는 일련의 사이클론 분리기 및/또는 습식 스크러빙 구성요소, 백하우스 필터, 및/또는 전기 집진기 및/또는 다른 적합한 구성요소와 같은 다른 미립자 포획 유닛을 포함할 수 있다.
예를 들어, 탄소 분리기(114)는 혼합물로부터 부가의 탄소 미립자를 포획하기 위해 사이클론 분리기(2300)에 동작 가능하게 결합된 백하우스 필터를 포함할 수 있다. 백하우스 필터는 먼지와 고체 미립자가 개방된 환경에서 빠져나가지 못하도록 제조 및 다른 산업 작업으로부터 미립자 제거를 위해 채용되는 직물 필터 공기-재료 분리기의 유형이다. 백하우스는 일렬로 배열되고 시트 금속 하우징 내에 수직으로 장착된 직물 필터 백 및/또는 주름진 필터를 이용한다. 먼지가 많은 가스 스트림은 공기 송풍기에 의해 이동되고 덕트 시스템을 통해 백하우스 내로 흡인된다. 스트림 내의 가스는 이어서 필터를 통과하고, 반면 입자는 필터 매체 표면 상에 남아 있어, 따라서 가스로부터 미립자를 분리한다. 시간 경과에 따라, 먼지가 축적되기 시작하여 필터 표면 상에 필터 케이크를 형성한다. 이에 따라, 다양한 세정 시스템이 필터로부터 먼지를 제거하기 위해 사용될 수 있고 그리고/또는 필터는 주기적으로 수동으로 비워질 수 있다. 탄소 분리기(114)에 적용된 바와 같이, 백하우스 필터는 수소 가스 및 탄소 미립자의 유동을 수용할 수 있다. 수소 가스는 직물 필터를 통과할 수 있지만, 탄소 미립자는 필터에 의해 걸러질 수 있다.
도 24a 내지 도 24c는 본 발명의 기술의 다양한 실시예에 따른 탄소 수집 시스템(2420a 내지 2420c)의 부분 개략 등각도이다. 도시되어 있는 바와 같이, 각각의 탄소 수집 시스템(2420a 내지 2420c)은 시스템(100)(도 1)으로부터 탄소를 수집하기 위한 입구 및 큰 저장 영역을 포함한다. 도 24a에 도시되어 있는 바와 같이, 탄소 수집 시스템(2420a)은 주기적으로 비워지고 그리고/또는 교체될 수 있는 제거 가능한 저장 빈을 포함할 수 있다. 도 24b에 도시되어 있는 바와 같이, 탄소 수집 시스템(2420b)은 탄소가 탄소 수집 시스템(2420b)으로부터 연속적으로 및/또는 주기적으로 제거될 수 있게 할 수 있는 하부 개구로 이어지는 깔때기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 매주 1회 개구를 통해 탄소 수집 시스템(2420b)을 비울 수 있다. 도 24c에 도시되어 있는 바와 같이, 탄소 수집 시스템(2420c)은 일회용 저장 탱크를 포함할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 주기적으로 저장 탱크 중 하나(또는 양자 모두)를 제거하고 이들을 빈 저장 탱크로 대체할 수 있다. 가득 찬 저장 탱크는 이어서 다른 장소로 취해져서 빈 저장 탱크로 교체되고 그리고/또는 폐기될 수 있다.
본 명세서에 설명된 기술의 실시예는 여러 유리한 특징을 포함할 수 있다. 예를 들어, 시스템은 반응기에서 수행되는 열분해 반응에 공급하기 위해 반응기에 의해 생성된 수소를 사용하여, 자립형 방식으로 동작할 수 있다. 이는 통상적으로 탄화수소 연료 또는 전기와 같은 외부 에너지 소스를 사용(예를 들어, 독점적으로 사용)하는 종래의 반응기와는 다르다. 다른 특징은 시스템의 실시예가 탄소가 기계적으로 제거되는 동안 연속적으로 실행될 수 있다는 것이다. 이는 탄소가 수집되어 제거되기 전에 반응기를 정지시키는 것을 요구하는 종래의 기술에 대조적이다. 또 다른 특징은 시스템의 실시예가 그렇지 않으면 손실될 연소 열을 사용하여 대신에 열분해 반응기를 가열하고, 따라서 전체 열 효율을 개선하는 것이다. 종래의 간접 가열 산업 시스템에서는, 복사 손실이 상당하고, 이는 효율을 감소시킨다. 또 다른 특징으로는 반응기 내부의 입자 퇴적을 감소(예를 들어, 최소화)시키기 위해 특별히 선택된(예를 들어, 최적화된) 표면/체적 비를 갖는 유동 채널을 갖는 시스템에서 중력을 활용함으로써 탄소 입자의 유동을 개선하는 "하향 유동(flow down)" 배열을 포함한다.
본 명세서에 사용될 때, "A 및/또는 B"에서와 같이 용어 "및/또는"은 A만, B만 및 A와 B의 모두를 나타낸다.
본 명세서에 사용될 때, 용어 "약" 및 "대략"은 언급된 값의 10% 이내의 값을 의미한다.
본 명세서에 참조로서 합체되어 있는 임의의 자료가 본 개시내용과 충돌하는 한에는, 본 개시내용이 우선한다.
전술된 내용으로부터, 개시된 기술의 특정 실시예가 예시의 목적으로 본 명세서에 설명되었지만, 기술로부터 벗어나지 않고 다양한 수정이 이루어질 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, RTP 반응기의 맥락에서 전술된 여러 특징은 CCP 반응기에 적용될 수 있고, 그 반대도 마찬가지이다. 특정 실시예의 맥락에서 설명된 기술의 특정 양태는 다른 실시예에서 조합되거나 제거될 수도 있다. 또한, 개시된 기술의 특정 실시예와 연관된 장점이 이들 실시예의 맥락에서 설명되었지만, 다른 실시예가 또한 이러한 장점을 나타낼 수도 있고, 모든 실시예가 본 발명의 기술 내에 있도록 반드시 이러한 장점을 나타낼 필요가 있는 것은 아니다. 이에 따라, 본 개시내용 및 연관 기술은 본 명세서에 명시적으로 나타내거나 설명되지 않은 다른 실시예를 포함할 수 있다.
이하의 예는 본 발명의 기술의 부가의 대표적인 특징을 제공한다.
예
1. 복합 연소 및 열분해(CCP) 시스템이며,
CCP 반응기로서,
연소 챔버;
연소 챔버 내에서 연료를 연소시키고 생성된 연도 가스를 연소 챔버를 통해 유도하도록 위치된 연소 구성요소;
(1) 반응물을 수용하기 위해 반응물 공급원에 유체 결합 가능한 제1 영역, 및 (2) 제1 영역의 하류의 제2 영역을 갖는 반응 챔버로서, 반응 챔버는 반응물을 가열하고 반응 챔버 내에서 열분해 반응을 야기하기 위해 연소 챔버와 열 전달하고, 열분해 반응은 수소 가스와 탄소를 포함하는 출력물을 생성하는, 반응 챔버; 및
연소 챔버 또는 반응 챔버 중 적어도 하나로부터의 열 손실을 감소시키도록 위치된 절연재를 포함하는, CCP 반응기; 및
분리된 출력물을 형성하기 위해 출력물로부터 탄소의 적어도 일부를 제거하기 위해 반응 챔버의 제2 영역과 유체 연통하는 탄소 분리 구성요소를 포함하는, CCP 시스템.
2. 예 1에 있어서, 분리된 출력물을 수용하기 위해 탄소 분리 구성요소와 유체 연통하는 출력 밸브를 더 포함하고, 출력 밸브는 적어도 제1 위치 및 제2 위치를 갖고,
제1 위치에서, 출력 밸브는 분리된 출력물의 적어도 일부를 연소 구성요소 내로 유도하고;
제2 위치에서, 출력 밸브는 분리된 출력물의 적어도 일부를 CCP 시스템 외부로 유도하는, CCP 시스템.
3. 예 1 및 2 중 어느 하나에 있어서, 연소 구성요소는:
연소 구성요소 내의 연료와 산소 사이의 비를 제어하기 위해 산화제 공급원에 유체 결합된 산화제 입력 밸브; 및
산소를 수용하고 상기 비에서 연료와 산소의 혼합물을 연소시키기 위해 산화제 입력 밸브에 동작식으로 결합된 버너를 포함하는, CCP 시스템.
4. 예 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서, 반응 챔버는 연소 챔버와 동심이고 그로부터 반경방향 외향에 있고, 절연재는 반응 챔버와 동심이고 그로부터 반경방향 외향에 있는, CCP 시스템.
5. 예 1 내지 4 중 어느 하나에 있어서, 연소 챔버는 반응 챔버와 동심이고 그로부터 반경방향 외향에 있고, 절연재는 연소 챔버와 동심이고 그로부터 반경방향 외향에 있는, CCP 시스템.
6. 예 1 내지 5 중 어느 하나에 있어서, (1) 연소 챔버를 빠져나가는 연도 가스 및 (2) (a) 연소 구성요소에 진입하는 연료의 유동 또는 (b) 연도 가스로부터의 열을 (a) 연료 또는 (b) 연소 챔버에 진입하는 산화제 중 적어도 하나 내로 전달하기 위해 연소 챔버에 진입하는 산화제 중 적어도 하나와 열 전달하는 복열기를 더 포함하는, CCP 시스템.
7. 예 1 내지 6 중 어느 하나에 있어서, 연도 가스로부터 반응 챔버에 진입하는 반응물 내로 열을 전달하기 위해 반응 챔버에 진입하는 반응물의 유동과 연소 챔버를 빠져나가는 연도 가스의 모두와 열 전달하는 복열기를 더 포함하는, CCP 시스템.
8. 예 1 내지 7 중 어느 하나에 있어서, 반응 챔버 내의 적어도 하나의 표면으로부터 탄소 퇴적물을 제거하기 위해 반응 챔버 내에 적어도 부분적으로 위치되는 탄소 제거 디바이스를 더 포함하는, CCP 시스템.
9. 예 8에 있어서, 탄소 제거 디바이스는: 적어도 하나의 표면으로부터 탄소 퇴적물을 스크레이핑하기 위해 반응 챔버의 종방향 유로를 따라 이동 가능한 플런저, 적어도 하나의 표면으로부터의 탄소 퇴적물을 스크레이핑하기 위해 회전식으로 이동 가능한 스크류형 압출기, 또는 적어도 하나의 표면으로부터 탄소 퇴적물을 제거하기 위해 가압된 가스 유동을 유도하도록 위치된 하나 이상의 가스 제트 중 적어도 하나를 포함하는, CCP 시스템.
10. 예 8에 있어서, 탄소 제거 디바이스는 적어도 하나의 표면으로부터 탄소 퇴적물을 스크레이핑하기 위해 반응 챔버의 종방향 유로를 따라 이동 가능한 플런저를 포함하는, CCP 시스템.
11. 예 1 내지 10 중 어느 하나에 있어서, 연소 챔버는 제1 연소 챔버이고, 연소 구성요소는 제1 연소 구성요소이고, 반응 챔버는 제1 반응 챔버이고, CCP 반응기는:
적어도 하나의 부가의 연소 챔버;
적어도 하나의 부가의 연소 챔버 내에서 연료를 연소하고 생성된 연도 가스를 적어도 하나의 부가의 연소 챔버를 통해 유도하도록 위치된 적어도 하나의 부가의 연소 구성요소; 및
반응물을 수용하기 위해 반응물 공급원에 유체 결합 가능한 제1 영역 및 제1 영역에 대향하는 제2 영역을 각각 갖는 적어도 하나의 부가의 반응 챔버를 더 포함하는, CCP 시스템.
12. 예 11에 있어서, 절연재는 제1 연소 챔버, 제1 반응 챔버, 적어도 하나의 부가의 연소 챔버, 및 적어도 하나의 부가의 반응 챔버의 각각으로부터 반경방향 외향에 위치되는, CCP 시스템.
13. 예 1 내지 12 중 어느 하나에 있어서, 반응 챔버는 공유 벽을 통한 전도 및/또는 복사를 통해 연소 챔버와 열 전달하는, CCP 시스템.
14. 예 1 내지 13 중 어느 하나에 있어서, 반응물은 천연 가스를 포함하는, CCP 시스템.
15. 예 1 내지 14 중 어느 하나에 있어서, 반응물 공급부와 반응 챔버 사이에 유체 결합되는 입력 밸브를 더 포함하는, CCP 시스템.
16. 예 1 내지 14 중 어느 하나에 있어서, 출력 접합부를 더 포함하고, 출력은 분리된 출력물의 적어도 일부를 연소 구성요소 내로 유도하도록 위치된 제1 출구 및 분리된 출력물의 적어도 일부를 CCP 시스템의 외부로 유도하도록 위치된 제2 출구를 갖는, CCP 시스템.
17. 탄화수소 반응물을 수소 가스와 탄소를 포함하는 출력물로 변환하기 위한 복합 연소 및 열분해(CCP) 시스템이며,
복수의 챔버 및 복수의 챔버로부터의 열 손실을 감소시키도록 위치된 절연재를 포함하는 CCP 반응기로서, 복수의 챔버의 각각은 제1 부분 및 제1 부분에 대향하는 제2 부분을 갖는, CCP 반응기를 포함하고,
적어도 제1 챔버는 연료의 공급원에 결합 가능하고 연소 연도 가스를 제1 챔버를 통해 유도하도록 위치된 연소 구성요소를 포함하고;
적어도 제2 챔버는 탄화수소 반응물을 수용하기 위해 입력 밸브에 유체 결합 가능하고 출력물을 생성하는 열분해 반응을 야기하기 위해 탄화수소 반응물에 연소 열을 전달하기 위해 제1 챔버와 열 전달하고;
탄소 분리 구성요소가 출력물로부터 탄소의 적어도 일부를 제거하기 위해 CCP 반응기와 유체 연통하는, CCP 시스템.
18. 예 17에 있어서, 연소 구성요소에 진입하는 연료, 제2 챔버에 진입하는 탄화수소 반응물, 및/또는 연소 구성요소에 진입하는 산화제를 예열하기 위해 제1 챔버를 빠져나가는 연소 연도 가스로부터 열을 회수하기 위해 연소 챔버와 유체 연통하는 열 복열기를 더 포함하는, CCP 시스템.
19. 예 17 및 18 중 어느 하나에 있어서, 출력물은 미반응 탄화수소 가스를 더 포함하고, CCP 시스템은 출력물을 수용하고 출력물로부터 미반응 탄화수소 가스의 적어도 일부를 제거하기 위해 CCP 반응기와 유체 연통하는 가스 분리기를 더 포함하는, CCP 시스템.
20. 예 17 내지 19 중 어느 하나에 있어서, 복수의 챔버는 동심이고, 제1 챔버는 제2 챔버로부터 반경방향 내향에 위치되고, 절연재는 제2 챔버로부터 반경방향 외향에 위치되는, CCP 시스템.
21. 예 20에 있어서,
연소 구성요소는 제1 연소 구성요소이고, 연소 연도 가스는 제1 연소 연도 가스이고;
제2 챔버는 연료의 공급원에 결합 가능하고 제2 연소 연도를 제2 챔버를 통해 유도하도록 위치된 제2 연소 구성요소를 포함하고;
CCP 반응기는:
제2 챔버와 동심이고 그로부터 반경방향 외향에 있는 제3 챔버로서, 제3 챔버는 탄화수소 반응물을 수용하기 위해 입력 밸브에 유체 결합 가능하고 열분해 반응을 야기하기 위해 제1 및/또는 제2 연소 구성요소로부터의 연소 열을 탄화수소 반응물에 전달하도록 제1 챔버 및 제2 챔버와 열 전달하는, 제3 챔버; 및
(1) 제1 및 제2 챔버 중 적어도 하나에서 연소 및 열분해 없음, 및 (2) 제2 및 제3 챔버 중 적어도 하나에서 열분해 및 연소 없음을 지시하도록 제1 연소 구성요소, 제2 연소 구성요소, 및 입력 밸브의 각각에 동작 가능하게 결합된 제어기를 더 포함하는, CCP 시스템.
22. 예 21에 있어서,
제3 챔버는 연료의 공급원에 결합 가능하고 제3 연소 연도 가스를 제3 챔버를 통해 유도하도록 위치된 제3 연소 구성요소를 포함하고;
제1 챔버는 탄화수소 반응물을 수용하고 열분해 반응을 야기하기 위해 연소 열을 제2 및/또는 제3 연소 구성요소로부터 탄화수소 반응물로 전달하도록 입력 밸브에 유체 결합 가능하고;
제어기는 또한 (3) 제3 챔버에서 연소 및 열분해 없음, 및 (4) 제1 챔버에서 열분해 및 연소 없음을 지시하기 위해 제3 연소 구성요소 및 입력 밸브에 동작 가능하게 결합되는, CCP 시스템.
23. 예 22에 있어서,
제1 챔버 내의 적어도 하나의 표면으로부터 탄소 퇴적물을 스크레이핑하기 위해 제1 챔버의 종방향 유로를 따라 이동 가능한 제1 플런저; 및
제2 챔버 내의 적어도 하나의 표면으로부터 탄소 퇴적물을 스크레이핑하기 위해 제2 챔버의 종방향 유로를 따라 이동 가능한 제2 플런저를 더 포함하는, CCP 시스템.
24. 예 17 내지 23 중 어느 하나에 있어서, 제1 챔버는 제1 챔버와 제2 챔버 사이에 벽을 형성하는 전도성 재료에 의해 제2 챔버에 열적으로 결합되는, CCP 시스템.
25. 수소 가스를 생성하기 위한 복합 연소 및 열분해(CCP) 시스템을 동작하기 위한 방법이며,
CCP 반응기의 제1 챔버를 통해 반응물을 유도하는 단계로서, 제1 챔버는 열 전도성 공유 벽을 통해 CCP 반응기의 제2 챔버와 열 전달하는, 반응물 유도 단계;
연소 구성요소를 통해, 제1 챔버 내의 반응물을 반응 온도 초과로 가열하기 위해 제2 챔버 내의 연료를 연소하는 단계로서, 반응 온도에서, 반응물의 적어도 일부는 수소 가스와 탄소 미립자를 포함하는 출력물로 변환되는, 연소 단계; 및
출력물 외부로 탄소 미립자의 적어도 일부를 분리하는 단계를 포함하는, 방법.
26. 예 25에 있어서, 제2 챔버를 빠져나가는 연도 가스로부터의 열을 연료 및/또는 연소 구성요소에 진입하는 산화제 및/또는 제1 챔버에 진입하는 반응물로 전달하는 단계를 더 포함하는, 방법.
27. 예 25 및 26 중 어느 하나에 있어서, 연소 구성요소에 진입하는 연료를 보충하기 위해 출력물 내의 수소 가스의 적어도 일부를 연소 구성요소 내로 유도하는 단계를 더 포함하는, 방법.
28. 예 25 내지 27 중 어느 하나에 있어서, 탄소 제거 구성요소로, CCP 반응기의 제2 챔버 내의 적어도 하나의 표면으로부터 탄소 퇴적물을 탈착하는 단계를 더 포함하는, 방법.
29. 예 28에 있어서, 반응물을 제1 챔버를 통해 유도하고 연료를 연소시키면서 연마가 수행되는, 방법.
30. 예 25 내지 29 중 어느 하나에 있어서, 반응물을 제1 챔버를 통해 유도하기 전에 CCP 반응기를 예열하는 단계를 더 포함하는, 방법.
31. 예 30에 있어서, CCP 반응기를 예열하는 단계는 연소 구성요소를 통해, 제2 챔버 내의 연료를 연소하는 단계를 포함하는, 방법.
32. 예 30에 있어서, 연소 구성요소는 제1 연소 구성요소이고, CCP 반응기를 예열하는 단계는 제2 연소 구성요소를 통해, CCP 반응기의 제1 챔버 내에서 연료를 연소하는 단계를 포함하는, 방법.
33. 예 25 내지 32 중 어느 하나에 있어서,
입력 밸브를 제1 위치로부터 제2 위치로 이동시키는 단계로서,
제1 위치에서, 입력 밸브는 반응물을 제1 챔버를 통해 유도하고;
제2 위치에서, 입력 밸브는 제2 챔버와 열 전달하는 제3 챔버를 통해 반응물을 유도하는, 이동 단계; 및
연소 구성요소를 통해, 제3 챔버 내의 반응물을 반응 온도 초과로 가열하기 위해 제2 챔버 내의 연료를 연소하는 단계를 더 포함하는, 방법.
34. 예 33에 있어서, 탄소 제거 구성요소로, 입력 밸브가 제2 위치에 있는 동안 CCP 반응기의 제1 챔버 내의 적어도 하나의 표면으로부터 탄소 퇴적물을 탈착하는 단계를 더 포함하는, 방법.
35. 열분해 시스템이며,
연료를 수용하도록 위치된 연소 챔버 입구, 및 배기 생성물을 배출하도록 위치된 연소 챔버 출구를 갖는 연소 챔버;
연소 챔버에 대해 동심으로 위치되고 연소 챔버와 공통인 열 전달 벽을 갖는 반응 챔버로서, 반응 챔버는 탄화수소를 수용하도록 위치된 반응 챔버 입구, 및 열분해 생성물을 배출하도록 위치된 반응 챔버 출구를 갖는, 반응 챔버; 및
반응 챔버 내에 위치되고, 반응 챔버 내의 적어도 하나의 표면으로부터 탄소 퇴적물을 제거하기 위해 반응 챔버 내에서 이동 가능한 탄소 제거 디바이스를 포함하는, 시스템.
36. 예 1에 있어서, 연소 챔버는 반응 챔버로부터 반경방향 내향으로 위치되는, 시스템.
37. 예 1에 있어서, 연소 챔버는 반응 챔버로부터 반경방향 외향으로 위치되는, 시스템.
38. 예 1에 있어서, 적어도 하나의 표면은 공통 벽을 포함하는, 시스템.
39. 예 1에 있어서, 반응 챔버 출구에 결합되고 반응 챔버를 빠져나가는 열분해 생성물의 유동에서 수소로부터 탄소 미립자를 분리하도록 구성된 분리기를 더 포함하는, 시스템.
40. 예 1에 있어서, 연소 챔버에 진입하는 연료의 유동과, 연소 챔버에서 빠져나가는 배기 생성물의 유동의 모두와 열 전달하여, 연소 챔버에 진입하는 연료의 유동을 가열하는 열 교환기를 더 포함하는, 시스템.
41. 예 1에 있어서, 반응 챔버에 진입하는 탄화수소의 유동과, 연소 챔버에서 빠져나가는 배기 생성물의 유동의 모두와 열 전달하여, 반응 챔버에 진입하는 탄화수소의 유동을 가열하는 열 교환기를 더 포함하는, 시스템.
42. 예 1에 있어서, 열분해 생성물로부터의 수소의 일부를 연소 챔버 내로 유도하기 위해 반응 챔버 출구와 연소 챔버 입구 사이에 결합된 유로를 더 포함하는, 시스템.
43. 예 1에 있어서, 탄소 제거 디바이스는 적어도 하나의 표면으로부터 탄소 퇴적물을 스크레이핑하도록 위치된 플런저를 포함하는, 시스템.
Claims (34)
- 복합 연소 및 열분해(CCP) 시스템이며,
CCP 반응기로서,
연소 챔버;
연소 챔버 내에서 연료를 연소시키고 생성된 연도 가스를 연소 챔버를 통해 유도하도록 위치된 연소 구성요소;
(1) 반응물을 수용하기 위해 반응물 공급원에 유체 결합 가능한 제1 영역, 및 (2) 제1 영역의 하류의 제2 영역을 갖는 반응 챔버로서, 반응 챔버는 반응물을 가열하고 반응 챔버 내에서 열분해 반응을 야기하기 위해 연소 챔버와 열 전달하고, 열분해 반응은 수소 가스와 탄소를 포함하는 출력물을 생성하는, 반응 챔버; 및
연소 챔버 또는 반응 챔버 중 적어도 하나로부터의 열 손실을 감소시키도록 위치된 절연재를 포함하는, CCP 반응기; 및
분리된 출력물을 형성하기 위해 출력물로부터 탄소의 적어도 일부를 제거하기 위해 반응 챔버의 제2 영역과 유체 연통하는 탄소 분리 구성요소를 포함하는, CCP 시스템. - 제1항에 있어서, 분리된 출력물을 수용하기 위해 탄소 분리 구성요소와 유체 연통하는 출력 밸브를 더 포함하고, 출력 밸브는 적어도 제1 위치 및 제2 위치를 갖고,
제1 위치에서, 출력 밸브는 분리된 출력물의 적어도 일부를 연소 구성요소 내로 유도하고;
제2 위치에서, 출력 밸브는 분리된 출력물의 적어도 일부를 CCP 시스템 외부로 유도하는, CCP 시스템. - 제1항에 있어서, 연소 구성요소는:
연소 구성요소 내의 연료와 산소 사이의 비를 제어하기 위해 산화제 공급원에 유체 결합된 산화제 입력 밸브; 및
산소를 수용하고 상기 비에서 연료와 산소의 혼합물을 연소시키기 위해 산화제 입력 밸브에 동작식으로 결합된 버너를 포함하는, CCP 시스템. - 제1항에 있어서, 반응 챔버는 연소 챔버와 동심이고 그로부터 반경방향 외향에 있고, 절연재는 반응 챔버와 동심이고 그로부터 반경방향 외향에 있는, CCP 시스템.
- 제1항에 있어서, 연소 챔버는 반응 챔버와 동심이고 그로부터 반경방향 외향에 있고, 절연재는 연소 챔버와 동심이고 그로부터 반경방향 외향에 있는, CCP 시스템.
- 제1항에 있어서, (1) 연소 챔버를 빠져나가는 연도 가스 및 (2) (a) 연소 구성요소에 진입하는 연료의 유동 또는 (b) 연도 가스로부터의 열을 (a) 연료 또는 (b) 연소 챔버에 진입하는 산화제 중 적어도 하나 내로 전달하기 위해 연소 챔버에 진입하는 산화제 중 적어도 하나와 열 전달하는 복열기를 더 포함하는, CCP 시스템.
- 제1항에 있어서, 연도 가스로부터 반응 챔버에 진입하는 반응물 내로 열을 전달하기 위해 반응 챔버에 진입하는 반응물의 유동과 연소 챔버를 빠져나가는 연도 가스의 모두와 열 전달하는 복열기를 더 포함하는, CCP 시스템.
- 제1항에 있어서, 반응 챔버 내의 적어도 하나의 표면으로부터 탄소 퇴적물을 제거하기 위해 반응 챔버 내에 적어도 부분적으로 위치되는 탄소 제거 디바이스를 더 포함하는, CCP 시스템.
- 제8항에 있어서, 탄소 제거 디바이스는: 적어도 하나의 표면으로부터 탄소 퇴적물을 스크레이핑하기 위해 반응 챔버의 종방향 유로를 따라 이동 가능한 플런저, 적어도 하나의 표면으로부터의 탄소 퇴적물을 스크레이핑하기 위해 회전식으로 이동 가능한 스크류형 압출기, 또는 적어도 하나의 표면으로부터 탄소 퇴적물을 제거하기 위해 가압된 가스 유동을 유도하도록 위치된 하나 이상의 가스 제트 중 적어도 하나를 포함하는, CCP 시스템.
- 제8항에 있어서, 탄소 제거 디바이스는 적어도 하나의 표면으로부터 탄소 퇴적물을 스크레이핑하기 위해 반응 챔버의 종방향 유로를 따라 이동 가능한 플런저를 포함하는, CCP 시스템.
- 제1항에 있어서, 연소 챔버는 제1 연소 챔버이고, 연소 구성요소는 제1 연소 구성요소이고, 반응 챔버는 제1 반응 챔버이고, CCP 반응기는:
적어도 하나의 부가의 연소 챔버;
적어도 하나의 부가의 연소 챔버 내에서 연료를 연소하고 생성된 연도 가스를 적어도 하나의 부가의 연소 챔버를 통해 유도하도록 위치된 적어도 하나의 부가의 연소 구성요소; 및
반응물을 수용하기 위해 반응물 공급원에 유체 결합 가능한 제1 영역 및 제1 영역에 대향하는 제2 영역을 각각 갖는 적어도 하나의 부가의 반응 챔버를 더 포함하는, CCP 시스템. - 제11항에 있어서, 절연재는 제1 연소 챔버, 제1 반응 챔버, 적어도 하나의 부가의 연소 챔버, 및 적어도 하나의 부가의 반응 챔버의 각각으로부터 반경방향 외향에 위치되는, CCP 시스템.
- 제1항에 있어서, 반응 챔버는 공유 벽을 통한 전도 및/또는 복사를 통해 연소 챔버와 열 전달하는, CCP 시스템.
- 제1항에 있어서, 반응물은 천연 가스를 포함하는, CCP 시스템.
- 제1항에 있어서, 반응물 공급부와 반응 챔버 사이에 유체 결합되는 입력 밸브를 더 포함하는, CCP 시스템.
- 제1항에 있어서, 출력 접합부를 더 포함하고, 출력은 분리된 출력물의 적어도 일부를 연소 구성요소 내로 유도하도록 위치된 제1 출구 및 분리된 출력물의 적어도 일부를 CCP 시스템의 외부로 유도하도록 위치된 제2 출구를 갖는, CCP 시스템.
- 탄화수소 반응물을 수소 가스와 탄소를 포함하는 출력물로 변환하기 위한 복합 연소 및 열분해(CCP) 시스템이며,
복수의 챔버 및 복수의 챔버로부터의 열 손실을 감소시키도록 위치된 절연재를 포함하는 CCP 반응기로서, 복수의 챔버의 각각은 제1 부분 및 제1 부분에 대향하는 제2 부분을 갖는, CCP 반응기를 포함하고,
적어도 제1 챔버는 연료의 공급원에 결합 가능하고 연소 연도 가스를 제1 챔버를 통해 유도하도록 위치된 연소 구성요소를 포함하고;
적어도 제2 챔버는 탄화수소 반응물을 수용하기 위해 입력 밸브에 유체 결합 가능하고 출력물을 생성하는 열분해 반응을 야기하기 위해 탄화수소 반응물에 연소 열을 전달하기 위해 제1 챔버와 열 전달하고;
탄소 분리 구성요소가 출력물로부터 탄소의 적어도 일부를 제거하기 위해 CCP 반응기와 유체 연통하는, CCP 시스템. - 제17항에 있어서, 연소 구성요소에 진입하는 연료, 제2 챔버에 진입하는 탄화수소 반응물, 및/또는 연소 구성요소에 진입하는 산화제를 예열하기 위해 제1 챔버를 빠져나가는 연소 연도 가스로부터 열을 회수하기 위해 연소 챔버와 유체 연통하는 열 복열기를 더 포함하는, CCP 시스템.
- 제17항에 있어서, 출력물은 미반응 탄화수소 가스를 더 포함하고, CCP 시스템은 출력물을 수용하고 출력물로부터 미반응 탄화수소 가스의 적어도 일부를 제거하기 위해 CCP 반응기와 유체 연통하는 가스 분리기를 더 포함하는, CCP 시스템.
- 제17항에 있어서, 복수의 챔버는 동심이고, 제1 챔버는 제2 챔버로부터 반경방향 내향에 위치되고, 절연재는 제2 챔버로부터 반경방향 외향에 위치되는, CCP 시스템.
- 제20항에 있어서,
연소 구성요소는 제1 연소 구성요소이고, 연소 연도 가스는 제1 연소 연도 가스이고;
제2 챔버는 연료의 공급원에 결합 가능하고 제2 연소 연도를 제2 챔버를 통해 유도하도록 위치된 제2 연소 구성요소를 포함하고;
CCP 반응기는:
제2 챔버와 동심이고 그로부터 반경방향 외향에 있는 제3 챔버로서, 제3 챔버는 탄화수소 반응물을 수용하기 위해 입력 밸브에 유체 결합 가능하고 열분해 반응을 야기하기 위해 제1 및/또는 제2 연소 구성요소로부터의 연소 열을 탄화수소 반응물에 전달하도록 제1 챔버 및 제2 챔버와 열 전달하는, 제3 챔버; 및
(1) 제1 및 제2 챔버 중 적어도 하나에서 연소 및 열분해 없음, 및 (2) 제2 및 제3 챔버 중 적어도 하나에서 열분해 및 연소 없음을 지시하도록 제1 연소 구성요소, 제2 연소 구성요소, 및 입력 밸브의 각각에 동작 가능하게 결합된 제어기를 더 포함하는, CCP 시스템. - 제21항에 있어서,
제3 챔버는 연료의 공급원에 결합 가능하고 제3 연소 연도 가스를 제3 챔버를 통해 유도하도록 위치된 제3 연소 구성요소를 포함하고;
제1 챔버는 탄화수소 반응물을 수용하고 열분해 반응을 야기하기 위해 연소 열을 제2 및/또는 제3 연소 구성요소로부터 탄화수소 반응물로 전달하도록 입력 밸브에 유체 결합 가능하고;
제어기는 또한 (3) 제3 챔버에서 연소 및 열분해 없음, 및 (4) 제1 챔버에서 열분해 및 연소 없음을 지시하기 위해 제3 연소 구성요소 및 입력 밸브에 동작 가능하게 결합되는, CCP 시스템. - 제22항에 있어서,
제1 챔버 내의 적어도 하나의 표면으로부터 탄소 퇴적물을 스크레이핑하기 위해 제1 챔버의 종방향 유로를 따라 이동 가능한 제1 플런저; 및
제2 챔버 내의 적어도 하나의 표면으로부터 탄소 퇴적물을 스크레이핑하기 위해 제2 챔버의 종방향 유로를 따라 이동 가능한 제2 플런저를 더 포함하는, CCP 시스템. - 제17항에 있어서, 제1 챔버는 제1 챔버와 제2 챔버 사이에 벽을 형성하는 전도성 재료에 의해 제2 챔버에 열적으로 결합되는, CCP 시스템.
- 수소 가스를 생성하기 위한 복합 연소 및 열분해(CCP) 시스템을 동작하기 위한 방법이며,
CCP 반응기의 제1 챔버를 통해 반응물을 유도하는 단계로서, 제1 챔버는 열 전도성 공유 벽을 통해 CCP 반응기의 제2 챔버와 열 전달하는, 반응물 유도 단계;
연소 구성요소를 통해, 제1 챔버 내의 반응물을 반응 온도 초과로 가열하기 위해 제2 챔버 내의 연료를 연소하는 단계로서, 반응 온도에서, 반응물의 적어도 일부는 수소 가스와 탄소 미립자를 포함하는 출력물로 변환되는, 연소 단계; 및
출력물 외부로 탄소 미립자의 적어도 일부를 분리하는 단계를 포함하는, 방법. - 제25항에 있어서, 제2 챔버를 빠져나가는 연도 가스로부터의 열을 연료 및/또는 연소 구성요소에 진입하는 산화제 및/또는 제1 챔버에 진입하는 반응물로 전달하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제25항에 있어서, 연소 구성요소에 진입하는 연료를 보충하기 위해 출력물 내의 수소 가스의 적어도 일부를 연소 구성요소 내로 유도하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제25항에 있어서, 탄소 제거 구성요소로, CCP 반응기의 제2 챔버 내의 적어도 하나의 표면으로부터 탄소 퇴적물을 탈착하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제28항에 있어서, 반응물을 제1 챔버를 통해 유도하고 연료를 연소시키면서 연마가 수행되는, 방법.
- 제25항에 있어서, 반응물을 제1 챔버를 통해 유도하기 전에 CCP 반응기를 예열하는 단계를 더 포함하는, 방법.
- 제30항에 있어서, CCP 반응기를 예열하는 단계는 연소 구성요소를 통해, 제2 챔버 내의 연료를 연소하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제30항에 있어서, 연소 구성요소는 제1 연소 구성요소이고, CCP 반응기를 예열하는 단계는 제2 연소 구성요소를 통해, CCP 반응기의 제1 챔버 내에서 연료를 연소하는 단계를 포함하는, 방법.
- 제25항에 있어서,
입력 밸브를 제1 위치로부터 제2 위치로 이동시키는 단계로서,
제1 위치에서, 입력 밸브는 반응물을 제1 챔버를 통해 유도하고;
제2 위치에서, 입력 밸브는 제2 챔버와 열 전달하는 제3 챔버를 통해 반응물을 유도하는, 이동 단계; 및
연소 구성요소를 통해, 제3 챔버 내의 반응물을 반응 온도 초과로 가열하기 위해 제2 챔버 내의 연료를 연소하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제33항에 있어서, 탄소 제거 구성요소로, 입력 밸브가 제2 위치에 있는 동안 CCP 반응기의 제1 챔버 내의 적어도 하나의 표면으로부터 탄소 퇴적물을 탈착하는 단계를 더 포함하는, 방법.
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