KR20240072816A - 탄화수소가스 열분해 공정용 가스주입 노즐 - Google Patents

탄화수소가스 열분해 공정용 가스주입 노즐 Download PDF

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KR20240072816A
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강승범
이경석
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재단법인 한국탄소산업진흥원
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Abstract

본 발명은 주입관용 하우징에 결합되며, 설정 반응온도로 가열된 상기 유도가열로의 내부로 탄화수소가스를 바로 주입하는 가스 주입관을 구비한다. 따라서, 설정 반응온도가 정확하게 형성된 위치에서 열분해 반응을 진행할 수 있다. 또한, 탄화수소가스를 유도가열로 내부로 주입하는 가스 주입관에 인접하게 배치되어 가스 주입관을 냉각시키는 냉각수가 흐르는 제1냉각관로를 구비한다. 이로 인해, 내부 온도가 ~2,000 ℃인 고온의 유도가열로로 가스 주입관을 직접 삽입하더라도 가스 주입관이 고온에 의해 손상되는 것을 막을 수 있으므로, 시스템 및 공정 안정성을 확보할 수 있다.

Description

탄화수소가스 열분해 공정용 가스주입 노즐{Gas injection nozzle for pyrolysis process of hydrocarbon gas}
본 발명은 탄화수소가스 열분해 공정용 가스주입 노즐에 관한 것이다.
연료전지는 수소와 같은 연료를 이용하여 화학적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키는 장치다. 연료전지는 동일한 전기화학반응의 속도에 있어서 평형전위에서 분극이 최소화할 수 있도록, 과전압을 최소로 하는 반응을 유도하는 것이 중요하다. 이를 위해서 촉매입자의 분산도를 향상시키고, 촉매가 반응에 참여할 수 있는 최적의 형태를 가져야 한다.
이를 위해 연료전지에 사용되는 전극 촉매 지지체로, 높은 비표면적을 가진 카본블랙을 사용하는 연구가 진행되고 있다. 카본블랙의 구조, 입자크기, 결정크기, 비표면적 등과 같은 주요 물성의 차이에 따라, 촉매 지지체의 성능이 확연히 달라지므로, 주문자가 요구한 촉매 지지체의 성능에 맞게, 카본블랙의 물성을 카본블랙 제조 시부터 정밀하게 조절하는 것이 중요하다.
카본블랙을 제조하기 위해서는 메탄, 아세틸렌 등과 같은 탄화수소가스를 고온으로 열분해한다. 탄화수소가스의 고온 열분해 공정은 탄화수소가스를 내부 온도가 ~2,000 ℃인 고온 가열로에 주입하여 이루어진다. 그런데 탄화수소가스를 주입할 때, 고온 가열로에서 전달되는 열에 의해 고온 가열로와 가스 주입부 사이에 온도 구배가 필연적으로 형성된다. 이로 인해, 열분해 반응 시 정확한 설정 반응온도를 유지하기가 불가능하고, 고온으로 인해 가스 주입부가 손상을 입는 경우가 많다.
한국등록특허(10-1788951)
본 발명의 목적은, 상술한 문제점을 해결할 수 있는 탄화수소가스 열분해 공정용 가스주입 노즐을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 탄화수소가스 열분해 공정용 가스주입 노즐은,
탄화수소가스를 열분해하여 카본블랙을 생성하는 유도가열로에 결합되는 결합용 하우징;
상기 결합용 하우징에 결합되며, 상기 결합용 하우징을 관통하여 상기 유도가열로의 내부로 연장된 주입관용 하우징;
상기 주입관용 하우징에 결합되며, 설정 반응온도로 가열된 상기 유도가열로의 내부로 상기 탄화수소가스를 바로 주입하는 가스 주입관; 및
상기 주입관용 하우징에 결합되며, 상기 가스 주입관에 인접하게 배치되어 상기 가스 주입관을 냉각시키는 냉각수가 흐르는 제1냉각관로를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 주입관용 하우징에 결합되며, 설정 반응온도로 가열된 상기 유도가열로의 내부로 탄화수소가스를 바로 주입하는 가스 주입관을 구비한다. 따라서, 설정 반응온도가 정확하게 형성된 위치에서 열분해 반응을 진행할 수 있다.
본 발명은 탄화수소가스를 유도가열로 내부로 주입하는 가스 주입관에 인접하게 배치되어 가스 주입관을 냉각시키는 냉각수가 흐르는 제1냉각관로를 구비한다. 이로 인해, 내부 온도가 ~2,000 ℃인 고온의 유도가열로로 가스 주입관을 직접 삽입하더라도 가스 주입관이 고온에 의해 손상되는 것을 막을 수 있으므로, 시스템 및 공정 안정성을 확보할 수 있다.
본 발명은 가스 주입관에 인접하게 배치되어 가스 주입관을 냉각시키는 냉각수가 흐르는 제1냉각관로에, 결합용 하우징에 결합되며 결합용 하우징을 냉각시키는 냉각수가 흐르는 제2냉각관로를 추가하여 이중 냉각수 공급 구조를 형성한다. 이로 인해, 유도가열로에서 전달되는 고온의 열에 의해 가스 주입관이 손상되는 것을 막을 수 있어, 시스템 및 공정 안정성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소가스 열분해 공정용 가스주입 노즐이 설치된 유도가열로를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 A 영역을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소가스 열분해 공정용 가스주입 노즐을 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소가스 열분해 공정용 가스주입 노즐을 자세히 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소가스 열분해 공정용 가스주입 노즐(100)은 유도가열로(2)에 결합된다. 먼저, 유도가열로(2)에 대해 설명한다.
[유도가열로(2)]
유도가열로(2)는 무산소 분위기에서 유도가열방식으로 탄화수소가스를 열분해시켜 카본블랙을 제조한다. 본 발명에서 유도가열방식을 사용하는 이유는, 고온에서 산소와 만나면 폭발하는 탄화수소가스의 특성상, 산소가 완전히 차단된 밀폐된 흑연튜브(21) 내를 탄화수소가스가 흐르는 동안에, 흑연튜브(21)를 통해서 탄화수소가스에 열을 간접적으로 줘야 하기 때문이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 유도가열로(2)는 흑연튜브(21), 단열재(22), 석영관(23), 유도코일(24), 가열로 하우징(26)으로 구성된다.
흑연튜브(21)의 내부로 탄화수소가스 또는/및 질소 가스가 공급된다. 흑연튜브(21)는 흑연 또는 흑연을 포함하는 소재로 제작된다.
단열재(22)는 흑연튜브(21)의 외주면을 감싼다. 단열재(22)는 세라믹, 다공성 흑연을 포함하는 소재로 제작된다.
석영관(23)은 단열재(22)의 외주면을 감싼다.
유도코일(24)은 석영관(23)을 감아 둘러싼다. 유도코일(24)은 전력 공급부(25)와 연결되어, 50Hz 내지 400kHz의 교류 전류를 공급받는다.
유도코일(24)에 교류 전류가 공급되면 주위로 자기장이 형성되고, 전자기유도에 의해 흑연튜브(21)에 와전류 손실과 히스테리시스 손실에 의한 열이 발생한다. 이때, 흑연튜브(21)를 통과하는 탄화수소가스가 열분해되어 카본블랙이 제조된다. 유도코일(24)에 공급되는 교류 전력의 주파수와 세기를 조절하면, 흑연튜브(21)의 온도를 800~2000℃로 조절할 수 있다. 흑연튜브(21)의 온도가 달라지면 탄화수소가스의 열분해 온도가 달라진다. 따라서, 열분해 온도를 조절하여 물성이 서로 다른 카본블랙을 제조할 수 있다.
가열로 하우징(26)은 단열재(22), 석영관(23), 유도코일(24)로 둘러싸인 흑연튜브(21)를 수용한다.
탄화수소가스가 열분해되는 온도를 측정하기 위해, 온도센서(미도시)가 석영관(23), 단열재(22)를 뚫고 들어가 흑연튜브(21)의 온도를 측정한다. 온도센서는 흑연튜브(21)의 온도를 측정한 후, 그 온도값을 시스템의 제어부에 실시간으로 보낸다. 물론, 온도센서는 시스템 곳곳에 더 설치될 수 있다.
한편, 탄화수소가스가 열분해될 때 흑연튜브(21)의 내부 압력을 측정하기 위해, 압력센서(미도시)가 흑연튜브(21)의 전후 배관에 설치된다. 압력센서는 흑연튜브(21)의 내부 압력을 측정한 후, 그 압력값을 시스템의 제어부에 실시간으로 보낸다. 물론, 압력센서는 시스템 곳곳에 더 설치될 수 있다.
[탄화수소가스 열분해 공정용 가스주입 노즐(100)]
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소가스 열분해 공정용 가스주입 노즐(100)은 결합용 하우징(110), 주입관용 하우징(120), 가스 주입관(130), 제1냉각관로(140), 제2냉각관로(150)로 구성된다.
<결합용 하우징(110)>
결합용 하우징(110)은 탄화수소가스를 열분해하여 카본블랙을 생성하는 유도가열로(2)에 결합된다.
결합용 하우징(110)은 제1커버(111), 결합용 몸체(112), 제2커버(113)로 구성된다.
제1커버(111)는 유도가열로(2)에 결합되며, 유도가열로(2)의 상부 입구를 폐쇄한다.
결합용 몸체(112)는 제1커버(111)에 결합되며, 유도가열로(2) 밖으로 연장된 주입관용 하우징(120)을 감싼다. 결합용 몸체(112)의 외벽은 후술되는 제2냉각관로(150)에 의해 감싸진다.
제2커버(113)는 결합용 몸체(112)에 결합되며, 결합용 몸체(112)와 결합용 몸체(112)를 감싼 제2냉각관로(150)의 상단을 폐쇄한다.
<주입관용 하우징(120)>
주입관용 하우징(120)은 결합용 하우징(110)에 결합되며, 결합용 하우징(110)을 관통하여 유도가열로(2)의 내부로 연장된다. 즉, 주입관용 하우징(120)은 제1커버(111), 결합용 몸체(112), 제2커버(113)를 관통하여 유도가열로(2) 내부로 삽입된다.
주입관용 하우징(120)은 하우징 몸체(121), 제1냉각관로용 유입부(122), 제1냉각관로용 유출부(123)로 구성된다.
하우징 몸체(121)는 후술되는 가스 주입관(130)과 제1냉각관로(140)를 감싼다. 하우징 몸체(121)의 하부 영역은 유도가열로(2) 내부에 위치하여 유도가열로(2)의 흑연튜브(21) 내부까지 연장되고, 하우징 몸체(121)의 상부 영역은 결합용 하우징(110)을 관통하여 결합용 하우징(110)의 상단 밖으로 연장된다. 하우징 몸체(121)는 스테인레스 스틸로 만들어지는 것이 바람직하다.
제1냉각관로용 유입부(122)와 제1냉각관로용 유출부(123)는 결합용 하우징(110)의 상단 밖으로 연장된 하우징 몸체(121)의 상부 영역에 각각 결합된다. 제1냉각관로용 유입부(122)는 후술되는 제1냉각관로(140)에 연결되어 냉각수를 제1냉각관로(140)의 내부로 유입시킨다. 제1냉각관로용 유출부(123)는 제1냉각관로(140)에 연결되어 제1냉각관로(140)의 내부로 유입된 냉각수를 제1냉각관로(140)의 외부로 유출시킨다. 제1냉각관로용 유입부(122)와 제1냉각관로용 유출부(123) 각각에는 냉각수를 유동시키는 냉각수 유동관(미도시)이 연결된다.
<가스 주입관(130)>
가스 주입관(130)은 주입관용 하우징(120)에 결합되며, 탄화수소가스를 유도가열로(2)의 내부로 주입한다.
가스 주입관(130)은 하우징 몸체(121)에 의해 감싸진 상태에서, 하부 영역은 유도가열로(2) 내부에 위치하여 유도가열로(2)의 흑연튜브(21) 내부까지 연장되고, 상부 영역은 결합용 하우징(110)을 관통하여 결합용 하우징(110)의 상단 밖으로 연장된다. 가스 주입관(130)의 상단부는 하우징 몸체(121)가 감싸지 않아 외부로 노출된다. 하우징 몸체(121)의 외부로 노출된 가스 주입관(130)의 상단부 영역은 별도의 가스용 유입관(미도시)에 연결되어 가스 공급부(미도시)로부터 탄화수소가스를 공급받는다.
이와 같이 가스 주입관(130)이 유도가열로(2)의 흑연튜브(21) 내부까지 연장됨으로써, 설정 반응온도로 가열된 공간으로 탄화수소가스를 바로 주입할 수 있다. 또한 가스 주입관(130)의 상단부가 하우징 몸체(121)의 외부로 노출됨으로써, 가스 주입관(130)에 가스용 유입관을 연결하기 용이해진다.
가스 주입관(130)은 테프론관 또는 스틸관으로 형성되는 것이 바람직하다.
<제1냉각관로(140)>
제1냉각관로(140)는 주입관용 하우징(120)에 결합되며, 가스 주입관(130)에 인접하게 배치되어 가스 주입관(130)을 냉각시키는 냉각수가 흐른다.
제1냉각관로(140)는 하우징 몸체(121)의 내부에 위치하며, 가스 주입관(130)의 둘레를 전부 또는 일부를 감싸도록 배치된다. 제1냉각관로(140)의 상단부는 제1냉각관로용 유입부(122)와 제1냉각관로용 유출부(123)와 연통된다.
제1냉각관로용 유입부(122)로 유입된 냉각수는 제1냉각관로(140)를 따라 유동하여 제1냉각관로용 유출부(123)로 유출된다. 이 과정에서 제1냉각관로(140)를 흐르는 냉각수는 내부 온도가 ~2,000 ℃인 고온의 유도가열로(2) 내부에 배치된 가스 주입관(130)을 냉각시킨다.
<제2냉각관로(150)>
제2냉각관로(150)는 결합용 하우징(110)에 결합되며, 결합용 하우징(110)을 냉각시키는 냉각수가 흐른다.
제2냉각관로(150)는 결합용 몸체(112)의 외벽을 감싼다. 제2냉각관로(150)의 하단은 제1커버(111)에 의해 폐쇄되고, 제2냉각관로(150)의 상단은 제2커버(113)에 의해 폐쇄된다.
제2냉각관로(150)에는 냉각수를 제2냉각관로(150)의 내부로 유입시키는 제2냉각관로용 유입부(151)와, 제2냉각관로(150)의 내부로 유입된 냉각수를 제2냉각관로(150)의 외부로 유출시키는 제2냉각관로용 유출부(152)가 연결된다. 제2냉각관로용 유입부(151)와 제2냉각관로용 유출부(152) 각각은 냉각수를 유동시키는 냉각수 유동관(미도시)에 연결된다.
제2냉각관로용 유입부(151)로 유입된 냉각수는 제2냉각관로(150)를 따라 유동하여 제2냉각관로용 유출부(152)로 유출된다. 이 과정에서 제2냉각관로(150)를 흐르는 냉각수는 결합용 하우징(110)을 냉각시키고, 이로 인해 유도가열로(2) 외부에 배치된 가스 주입관(130)도 냉각된다.
이와 같이 제1냉각관로(140)와 제2냉각관로(150)에 의한 이중 냉각수 공급 구조를 형성함으로써, 유도가열로(2)에서 전달되는 고온의 열에 의해 가스 주입관(130)이 손상되는 것을 막을 수 있다.
제2냉각관로용 유입부(151)는 제2냉각관로용 유출부(152)보다 유도가열로(2)에 근접한 위치에 배치된다. 본 실시예에서 제2냉각관로용 유입부(151)는 결합용 하우징(110)의 하단 영역에 배치되고, 제2냉각관로용 유출부(152)는 결합용 하우징(110)의 상단 영역에 배치된다.
이와 같이 제2냉각관로용 유입부(151)가 제2냉각관로용 유출부(152)보다 유도가열로(2)에 근접한 위치에 배치됨으로써, 결합용 하우징(110)과 열교환이 이루어지기 전의 차가운 냉각수가 유도가열로(2)에 근접한 위치에서 제2냉각관로(150)로 유입되어 냉각효율이 좋아진다.
2: 유도가열로
100: 탄화수소가스 열분해 공정용 가스주입 노즐
110: 결합용 하우징 111: 제1커버
112: 결합용 몸체 113: 제2커버
120: 주입관용 하우징 121: 하우징 몸체
122: 제1냉각관로용 유입부 123: 제1냉각관로용 유출부
130: 가스 주입관 140: 제1냉각관로
150: 제2냉각관로 151: 제2냉각관로용 유입부
152: 제2냉각관로용 유출부

Claims (5)

  1. 탄화수소가스를 열분해하여 카본블랙을 생성하는 유도가열로에 결합되는 결합용 하우징;
    상기 결합용 하우징에 결합되며, 상기 결합용 하우징을 관통하여 상기 유도가열로의 내부로 연장된 주입관용 하우징;
    상기 주입관용 하우징에 결합되며, 설정 반응온도로 가열된 상기 유도가열로의 내부로 상기 탄화수소가스를 바로 주입하는 가스 주입관; 및
    상기 주입관용 하우징에 결합되며, 상기 가스 주입관에 인접하게 배치되어 상기 가스 주입관을 냉각시키는 냉각수가 흐르는 제1냉각관로를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소가스 열분해 공정용 가스주입 노즐.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주입관용 하우징은,
    상기 가스 주입관과 상기 제1냉각관로를 감싸며, 상기 유도가열로 내부와 상기 결합용 하우징의 외부로 연장된 하우징 몸체;
    상기 하우징 몸체에 결합되며, 상기 제1냉각관로에 연결되어 상기 냉각수를 상기 제1냉각관로의 내부로 유입시키는 제1냉각관로용 유입부; 및
    상기 하우징 몸체에 결합되며, 상기 제1냉각관로에 연결되어 상기 제1냉각관로의 내부로 유입된 냉각수를 상기 제1냉각관로의 외부로 유출시키는 제1냉각관로용 유출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소가스 열분해 공정용 가스주입 노즐.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하우징 몸체의 하부 영역은 상기 유도가열로 내부에 위치하여 유도가열로의 흑연튜브 내부까지 연장되고,
    상기 하우징 몸체의 상부 영역은 결합용 하우징을 관통하여 결합용 하우징의 상단 밖으로 연장되는 것을 특징으로 하는 탄화수소가스 열분해 공정용 가스주입 노즐.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1냉각관로용 유입부와 상기 제1냉각관로용 유출부는 상기 결합용 하우징의 상단 밖으로 연장된 상기 하우징 몸체의 상부 영역에 각각 결합되는 것을 특징으로 하는 탄화수소가스 열분해 공정용 가스주입 노즐.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 결합용 하우징에 결합되며, 상기 결합용 하우징을 냉각시키는 냉각수가 흐르는 제2냉각관로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소가스 열분해 공정용 가스주입 노즐.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101788951B1 (ko) 2013-03-15 2017-10-20 캐보트 코포레이션 증량제 유체를 사용한 카본 블랙의 제조 방법

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KR101788951B1 (ko) 2013-03-15 2017-10-20 캐보트 코포레이션 증량제 유체를 사용한 카본 블랙의 제조 방법

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