WO2014069796A1 - 순산소연소와 촉매전환공정을 연계한 융합형 이산화탄소 전환 시스템 - Google Patents

순산소연소와 촉매전환공정을 연계한 융합형 이산화탄소 전환 시스템 Download PDF

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이규호
안국영
강상규
이영덕
장태선
남승은
유지행
주종훈
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한국기계연구원
한국화학연구원
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Definitions

  • the present invention relates to a carbon dioxide conversion system, and more particularly, to a fusion type carbon dioxide conversion system in conjunction with pure oxygen combustion and catalytic conversion process.
  • the carbon dioxide conversion system is a system for capturing high concentrations of carbon dioxide as mentioned above.
  • pure oxygen requires high concentrations of oxygen, and when oxygen is separated from air using an air separator (ASU, Air Seperation Unit), a lot of energy is consumed, resulting in lower overall system efficiency.
  • ASU Air Seperation Unit
  • the conventional oxy-fuel burner uses oxygen as an oxidant, and since the single flame temperature is higher than that when using air, steam is introduced to reduce the combustion temperature. In this case, there must be a heat source for generating steam as well as a separate pump work for driving the steam.
  • the present invention has been proposed to solve the above problems, an ion conducting membrane (ITM: Ion Transfer Membrane) that separates oxygen from the air, a oxy-combustion unit for combustion using oxygen separated from the ITM as an oxidant, pure oxygen Converged carbon dioxide combined with pure oxygen combustion and catalytic conversion process consisting of a reformer that converts high concentration carbon dioxide produced through combustion reaction into synthesis gas (CO, H 2 ) and a synthesis unit that converts synthesis gas into methanol.
  • ITM Ion Transfer Membrane
  • the present invention provides a carbon dioxide conversion system incorporating an electrolytic and catalytic conversion process using pure oxygen combustion and renewable energy, further comprising an electrolytic reactor for converting carbon dioxide and water vapor into a synthetic gas by applying heat and electric energy.
  • It also provides a carbon dioxide conversion system that converts the captured carbon dioxide into a new fuel or useful compound.
  • the present invention provides an ion-conducting membrane which separates oxygen from air, a oxy-combustion unit for combusting using oxygen separated from the ion-conducting membrane as an oxidant, and oxy-combustion of the oxy-combustion unit. It provides a carbon dioxide conversion system including a dry-former (Dry-Reformer) for converting the carbon dioxide generated through the reaction and methane gas supplied from the outside to the carbon monoxide and hydrogen by a dry reforming reaction.
  • a dry-former Dry-Reformer
  • the present invention provides a carbon dioxide conversion system further comprising an electrolytic reactor for converting carbon dioxide and water vapor generated through the pure oxygen combustion reaction of the pure oxygen burner into carbon monoxide, hydrogen, and oxygen by applying heat and electric energy.
  • the apparatus may further include a synthesizer for converting carbon monoxide and hydrogen generated in the dry-reformer or the co-electrolyzer into methanol, ketone, or carbonate.
  • the apparatus may further include a mixer for mixing oxygen generated in the electrolyzer and oxygen separated from the ion conductive membrane, and supplying oxygen from the mixer to the pure oxygen combustion device.
  • the present invention is an ion-conducting membrane that separates oxygen in the air, a pure oxygen burner for burning by using the oxygen separated from the ion conductive membrane as an oxidant, and carbon dioxide produced through the pure oxygen combustion reaction of the pure oxygen burner And it provides a carbon dioxide conversion system including a tri-former (Tri-Reformer) to convert carbon monoxide and hydrogen by triple reforming reaction of the steam, externally supplied methane gas, the oxygen separated from the ion conductive membrane.
  • Tri-Reformer tri-former
  • the present invention provides a carbon dioxide conversion system further comprising an electrolytic reactor for converting carbon dioxide and water vapor generated through the pure oxygen combustion reaction of the pure oxygen burner into carbon monoxide, hydrogen, and oxygen by applying heat and electric energy.
  • it characterized in that it further comprises a synthesizer for converting the carbon monoxide and hydrogen generated in the tri-reformer or the co-electrolyzer to methanol, ketone or carbonate.
  • the apparatus may further include a mixer for mixing oxygen generated in the electrolyzer and oxygen separated from the ion conductive membrane, and a three-way valve for supplying oxygen to the oxy-fuel burner or the tri-reformer from the mixer. It is done.
  • the turbine by turning the turbine using the exhaust gas discharged from the oxy-fuel burner, it is characterized in that to produce electricity through a generator connected to the turbine.
  • a first heat exchanger is attached to the rear end of the oxy-fuel burner to increase the temperature of the circulated fluid.
  • the water vapor is separated from the exhaust gas passing through the turbine characterized in that it is supplied to the oxy-fuel combustion.
  • the water vapor is separated from the exhaust gas discharged from the oxy-fuel burner and supplied to the tri-reformer and the oxy-fuel burner.
  • the tri-reformer and the three-way valve for adjusting the flow rate of the water vapor supplied to the oxy-combustion is characterized in that it is further provided.
  • the present invention includes an ion-conductive membrane for separating oxygen in the air, and an integrated reactor in which a dry-reformer is disposed on the outer wall of the oxy-fuel burner, and in the oxy-fuel burner of the integrated reactor, oxygen separated from the ion-conducting membrane.
  • Combustion occurs using oxidant, and dry reformer of the integrated reactor converts carbon dioxide and methane gas supplied through the pure oxygen combustion reaction of the pure oxygen burner into dry carbon monoxide and hydrogen. It provides a carbon dioxide conversion system, characterized in that the giving.
  • the present invention provides a carbon dioxide conversion system further comprising an electrolytic reactor for converting carbon dioxide and water vapor generated through the pure oxygen combustion reaction of the pure oxygen burner into carbon monoxide, hydrogen, and oxygen by applying heat and electric energy.
  • the apparatus may further include a synthesizer for converting carbon monoxide and hydrogen generated in the dry-reformer or the co-electrolyzer into methanol, ketone, or carbonate.
  • the apparatus may further include a mixer for mixing oxygen generated in the electrolyzer and oxygen separated from the ion conductive membrane, and supplying oxygen from the mixer to the pure oxygen combustion device.
  • the present invention also includes an ion conductive membrane for separating oxygen from the air, and an integrated reactor in which a tri-reformer is disposed on an outer wall of the pure oxygen burner, and in the pure oxygen burner of the integrated reactor, oxygen separated from the ion conductive membrane. Combustion occurs using the oxidant, and in the tri-reformer of the integrated reactor, carbon dioxide and water vapor generated through the pure oxygen combustion reaction of the oxy-fuel burner, methane gas supplied from the outside, and oxygen separated from the ion conductive membrane It provides a carbon dioxide conversion system characterized in that the conversion to carbon monoxide and hydrogen by a triple reforming reaction.
  • the present invention provides a carbon dioxide conversion system further comprising an electrolytic reactor for converting carbon dioxide and water vapor generated through the pure oxygen combustion reaction of the pure oxygen burner into carbon monoxide, hydrogen, and oxygen by applying heat and electric energy.
  • it characterized in that it further comprises a synthesizer for converting the carbon monoxide and hydrogen generated in the tri-reformer or the co-electrolyzer to methanol, ketone or carbonate.
  • the apparatus may further include a mixer for mixing oxygen generated in the electrolyzer and oxygen separated from the ion conductive membrane, and a three-way valve for supplying oxygen from the mixer to a oxy-fuel burner or a tri-reformer. do.
  • the turbine by turning the turbine using the exhaust gas discharged from the oxy-fuel burner, it is characterized in that to produce electricity through a generator connected to the turbine.
  • the water vapor is separated from the exhaust gas discharged from the oxy-fuel burner and supplied to the oxy-fuel burner, characterized in that it further comprises a three-way valve to adjust the flow rate of the steam.
  • the water vapor is separated from the exhaust gas discharged from the oxy-fuel burner and supplied to the tri-reformer and the oxy-fuel burner.
  • the tri-reformer and the three-way valve for adjusting the flow rate of the water vapor supplied to the oxy-combustion is characterized in that it is further provided.
  • the oxygen production cost is reduced compared to the ASU that separates oxygen from the air using ITM in terms of oxygen production, thereby improving the system efficiency.
  • Synthetic gas converted from the reformer can be converted and synthesized into a new fuel or useful compound such as methanol, ketone, carbonate, etc. through an additional process, and thus can be utilized for various purposes.
  • the carbon dioxide conversion system according to the present invention by integrating the tri- reformer or dry reformer on the outer wall of the oxy-fuel burner, it is possible to transfer the heat loss to the outer wall of the oxy-fuel burner to the tri-reformer or dry-reformer Since the inflow of water vapor is unnecessary or the amount thereof can be reduced, energy consumption for generating and driving water vapor is reduced.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a pure oxygen combustion system using a conventional ASU.
  • FIGS. 2 to 9 are schematic diagrams of a fusion type carbon dioxide conversion system incorporating pure oxygen combustion and catalytic conversion processes or incorporating electrolytic and catalytic conversion processes using pure oxygen combustion and renewable energy.
  • Figure 1 shows a pure oxygen combustion system using a conventional ASU, the system is largely oxy-combustion (1), ASU (2), turbine (3), heat exchanger (4), heater (5), blower ( 6) and generator 7.
  • a combustion reaction takes place using the separated oxygen as an oxidant, and the exhaust gas discharged from the oxy-fuel burner (1) becomes carbon dioxide and water vapor as main components.
  • the exhaust gas is used to drive the turbine 3 and produce electricity in the generator 7 connected to the same axis as the turbine 3.
  • the exhaust gas passing through the turbine 3 is separated into carbon dioxide and water vapor by the heater 5, and the separated water vapor is sent to the heat exchanger 4 by the blower 7.
  • the high temperature water vapor passed through the heat exchanger (4) is subjected to the process of being recycled back to the oxy-fuel (1).
  • the conventional system described above uses an ASU 2 that separates oxygen from the inflowing air, and there is a problem in that energy is consumed in the process of separating oxygen, thereby lowering the overall system efficiency.
  • FIG. 2 shows a system configuration of the first embodiment according to the present invention.
  • Example 1 is largely, ITM 20 for separating oxygen from air, oxy-fuel burner 10 for burning using oxygen separated from ITM 20 as an oxidant, and high concentration of carbon dioxide produced through pure oxygen combustion reaction It is composed of a dry reformer (15) for converting the synthesis gas (CO, H 2 ), and a synthesizer (50) for converting the synthesis gas into methanol and the like.
  • the reaction temperature of oxygen separation in the ITM 20 is about 850 ° C.
  • the operating pressure is about 1 bar
  • the temperature of the supplied air is increased by passing through a separate heat exchanger or a heater 21 is installed outside the ITM 20. Can be used.
  • Oxygen combustion reaction is the same as the above formula (1), but the exhaust of the oxygen, oxy-combustor 10 separated from the natural gas (CH 4 ) and ITM (20) supplied from the outside to the pure-oxygen combustor (10) When the water vapor (H 2 O) separated from the gas is circulated to perform a combustion reaction, carbon dioxide and water vapor are generated as exhaust gas.
  • the discharged exhaust gas drives the turbine 12 through the first heat exchanger 11, and the generator 13 connected to the same axis as the turbine 12 produces electricity.
  • the exhaust gas passing through the turbine 12 passes through the second heat exchanger 30, and the exhaust gas flow passing through the second heat exchanger 30 is separated into carbon dioxide and water vapor by the heater 31.
  • the separated carbon dioxide is heated in the first heat exchanger 11 and supplied to the dry-reformer 15.
  • the separated steam is sent to the second heat exchanger 30 by the blower 32, the temperature is heated up in the second heat exchanger 30 and supplied to the oxy-fuel burner (10).
  • Three-way valve 34 may be attached to adjust the amount of water vapor supplied to the oxy-fuel burner (10). The three-way valve 34 to adjust the amount of water vapor flowing into the oxy-fuel burner 10 to adjust the system efficiency.
  • the dry-reformer 15 has an operating temperature of about 700 ° C. and an operating pressure of 1 bar, and the carbon dioxide supplied is circulated by separating carbon dioxide from the exhaust gas discharged from the oxy-fuel burner 10 as described above. The temperature is raised in the heat exchanger 11 and supplied to the dry reformer 15.
  • the dry reforming reaction (Dry-Reforming), such as the formula (2) occurs.
  • the dry reforming reaction as shown in Equation (2) is a reaction of generating 2 mol of carbon monoxide and 2 mol of hydrogen after reforming by receiving 1 mol of methane and 1 mol of carbon dioxide.
  • the dry-reformer 15 generates carbon monoxide and hydrogen by using carbon dioxide generated from a natural gas and pure oxygen combustion reaction from the outside.
  • Carbon monoxide and hydrogen generated in the dry-reformer 15 may be converted and synthesized through a synthesizer 50 into new fuels or useful chemicals such as methanol or ketone or carbonate.
  • the synthesizer 50 may be installed at the rear end of the dry reformer 15.
  • FIG 3 shows a system configuration of a second embodiment according to the present invention.
  • Embodiment 2 further includes an electrolyzer 60 for converting carbon dioxide and water vapor into syngas and oxygen by applying heat and electric energy in Embodiment 1 as described above.
  • Exhaust gas composed of carbon dioxide and water vapor discharged from the oxy-fuel burner 10 drives the turbine 12 via the first heat exchanger 11, and a generator 13 connected to the turbine 12 on the same axis is electrically powered. Will produce.
  • the exhaust gas passing through the turbine 12 branches into the flow from the three-way valve 61 to the second heat exchanger 30 and the flow to the idler 60.
  • Electrolytic process refers to a process that converts into syngas and oxygen by applying heat and electric energy. As described above, the electrolysis process requires heat and electric energy, and thus, surplus power and heat energy from late-night power or renewable energy may be used.
  • Electric power from renewable energy such as wind power and solar power can also be subjected to the electrostatic process in the same way as the method using the midnight power.
  • the resonator 60 if the resonator 60 is used, the discarded electric power can be used, and oxygen is additionally produced in addition to the syngas as a product, thereby reducing the amount of oxygen that must be produced in the ITM 20, and thus, relatively ITM (20). Can also reduce energy consumption.
  • Oxygen produced in the electrolyzer 60 is mixed with oxygen separated in the ITM 20 in the mixer 62 and supplied to the oxyfuel burner 10.
  • carbon monoxide and hydrogen generated in the dry-former (15) or the electrolyzer (60) is a new fuel or useful chemicals such as methanol or ketone or carbonate through the synthesizer (50) Can be converted and synthesized.
  • the synthesizer 50 may be installed at the rear end of the dry reformer 15 or the resonator 60.
  • FIG 4 shows a system configuration of a third embodiment according to the present invention.
  • Example 3 is largely the ITM 20 which separates oxygen from the air, the oxy-fuel burner 10 which burns using the oxygen separated in the ITM 20 as an oxidant, and the high concentration of carbon dioxide produced through the oxy-fuel combustion reaction. And water vapor, natural gas supplied from the outside, tri-reformer 16 for converting oxygen separated from ITM 20 into syngas (CO, H 2 ), and a synthesizer for converting syngas into methanol and the like ( 50).
  • Example 3 Unlike Examples 1 and 2, in Example 3, a triple reforming reaction is performed, and the triple reforming reaction shows a reaction formula as in Equation (3).
  • the triple reforming reaction must introduce additional oxygen and water vapor, unlike the dry reforming reaction, which only introduces carbon dioxide and natural gas.
  • the oxygen separated from the ITM 20 to introduce the oxygen is controlled to be introduced into the oxy-fuel burner 10 or the tri-reformer 16 by the three-way valve 35.
  • the oxy-oxygen combustion reaction as in Equation (1) is carried out, and the exhaust gas discharged is transferred to the first heat exchanger 11.
  • the exhaust gas passing through the first heat exchanger 11 drives the turbine 12, and generates electricity in the generator 13 connected to the turbine 12 in the same axis.
  • the exhaust gas passing through the turbine 12 passes through the second heat exchanger 30 again, and the exhaust gas flow passed through the second heat exchanger 30 is separated into carbon dioxide and water vapor by the heater 31. .
  • the separated water vapor is introduced into the second heat exchanger (30) by the blower (32), and after the temperature is raised, the flow is regulated in the direction of the oxy-fuel burner (10) or the tri-reformer (16) in the three-way valve (34). do.
  • the tri-reformer 16 is operated at a temperature and pressure higher than the dry-reformer 15 mentioned in Examples 1 and 2 with an operating temperature of about 800 to 900 ° C. and an operating pressure of 5 bar. In (11), the water vapor and carbon dioxide should be sufficiently heated and then supplied to the tri-reformer 16.
  • the temperature of the oxygen separated in the ITM 20 may be supplied without passing through a heat exchanger in approximately 850 ° C. which is a reaction temperature of the tree reforming.
  • Carbon monoxide and hydrogen produced in the tri-reformer 16 may be converted and synthesized through the synthesizer 50 into new fuels or useful chemicals such as methanol or ketone or carbonate.
  • FIG 5 shows a system configuration of a fourth embodiment according to the present invention.
  • Embodiment 4 further includes an electrolyzer 60 for converting carbon dioxide and water vapor into syngas and oxygen by applying heat and electric energy.
  • the exhaust gas passing through the turbine 12 branches into the flow from the three-way valve 61 to the second heat exchanger 30 and the flow to the idler 60.
  • the flow to the resonator 60 undergoes a coelectrolysis process in which carbon dioxide and water vapor in the exhaust gas are electrolyzed and converted into syngas and oxygen.
  • Oxygen produced in the electrolyzer 60 is mixed with oxygen separated in the ITM 20 in the mixer 62 and fed to the oxy-fuel burner 10 or the tri-reformer 16 by a three-way valve 35. Supplied.
  • Carbon monoxide and hydrogen generated in the tri-reformer (16) or electrolyzer (60) are converted to new fuels or useful chemicals such as methanol or ketone or carbonate through the synthesizer (50). And synthetic.
  • FIG. 6 shows a system configuration of a fifth embodiment according to the present invention.
  • Example 5 largely converts the high concentration of carbon dioxide produced by the pure oxygen combustion reaction on the outer wall of the ITM 20, the pure oxygen burner 10 to separate the oxygen in the air to the synthesis gas (CO, H 2 ) And an integrated reactor 40 in which the dry-reformer 41 is disposed, and a synthesizer 50 for converting the synthesis gas into methanol or the like.
  • the integrated reactor 40 was introduced into the system by integrating the dry reformer 41 on the outer wall of the cylindrical oxy-fuel burner 10.
  • the heat generated from the oxy-fuel burner 10 is transferred to the dry-reformer 41 to lower the adiabatic flame temperature of the oxy-fuel burner 10, so that the amount of water vapor introduced compared to the conventional oxy-fuel burner is increased.
  • the power consumption of the pump and heat to generate water vapor can be reduced, and the configuration of the system can be simplified.
  • the oxy-fuel burner 10 discharges carbon dioxide and water vapor (or oxygen) as exhaust gas after the reaction as shown in Equation (1).
  • the discharged exhaust gas drives the turbine 12, and generates electricity in the generator 13 connected to the same axis as the turbine 12.
  • the exhaust gas passing through the turbine 12 passes through the second heat exchanger 30, and is separated into carbon dioxide and water vapor by the heater 31.
  • the separated water vapor flows back into the second heat exchanger 30 by the blower 32, and after being heated up, is circulated to the oxy-fuel burner 10 again.
  • the flow rate may be adjusted in the three-way valve 34 before entering the oxy-fuel burner 10.
  • the separated carbon dioxide is supplied to the dry reformer 41, and the supplied carbon dioxide and natural gas introduced from the outside generate syngas (carbon monoxide, hydrogen) through a dry reforming reaction of Equation (2).
  • Carbon monoxide and hydrogen produced in the dry-reformer 41 may be converted and synthesized through a synthesizer 50 into new fuels or useful chemicals such as methanol or ketone or carbonate.
  • FIG. 7 shows a system configuration of a sixth embodiment according to the present invention.
  • the sixth embodiment further includes an electrolyzer 60 for converting carbon dioxide and water vapor into syngas and oxygen by applying heat and electric energy in the fifth embodiment.
  • the exhaust gas having passed through the turbine 12 is branched into a flow to the idler 60 and a flow to the second heat exchanger 30 by the three-way valve 61.
  • the flow to the resonator 60 undergoes a coelectrolysis process in which carbon dioxide and water vapor in the exhaust gas are electrolyzed and converted into syngas and oxygen.
  • Oxygen produced in the electrolyzer 60 is mixed with oxygen separated in the ITM 20 in the mixer 62 and supplied to the oxyfuel burner 10.
  • Carbon monoxide and hydrogen produced in the dry-reformer (41) or the electrolyzer (60) are converted to new fuels or useful chemicals such as methanol or ketone or carbonate through the synthesizer (50). And synthetic.
  • FIG 8 shows a system configuration of a seventh embodiment according to the present invention.
  • Example 7 the ITM 20 which separates oxygen in the air, the integrated reactor 40 having the tri-reformer 42 disposed on the outer wall of the oxy-fuel burner 10, and the synthesis gas are converted into methanol or the like.
  • the note is composed of a synthesizer 50 and the like.
  • the oxygen separated in the ITM 20 is supplied to the oxy-fuel burner 10 or the tri-reformer 42 by the three-way valve 22.
  • Oxygen separated from the ITM 20 is subjected to pure oxygen combustion in the pure oxygen combustion unit 10 as an oxidant, and carbon dioxide and water vapor (or oxygen) are discharged as exhaust gas.
  • the exhaust gas may drive the turbine 12 and produce electricity by the generator 13 coaxial with the turbine 12.
  • the exhaust gas passing through the turbine 12 passes through the second heat exchanger 30, and the exhaust gas flow passing through the second heat exchanger 30 is separated into carbon dioxide and water vapor by the heater 31.
  • the separated carbon dioxide is supplied to the tri-reformer 42 to undergo the triple reforming reaction shown in Equation (3).
  • the separated steam is introduced into the second heat exchanger 30 again by the blower 32, and the steam heated up in the second heat exchanger 30 flows in the direction of the tri-reformer 42 or the oxy-fuel burner 10. do.
  • Three-way valve 34 for adjusting the flow may be further provided.
  • the triple reforming reaction occurs in the tri-reformer 42.
  • the reforming reaction is supplied by receiving natural gas and carbon dioxide separated from the heater 31, water vapor passing through the first heat exchanger, and oxygen separated from the ITM 20. This is done. Unlike the dry reforming reactions shown in Examples 5 and 6, the triple reforming reaction additionally required the supply of water vapor and oxygen to form a flow as in the present system.
  • Carbon monoxide and hydrogen generated in the tri-reformer 42 may be converted and synthesized through the synthesizer 50 into new fuels or useful chemicals such as methanol or ketone or carbonate.
  • FIG. 9 shows a system configuration of an eighth embodiment according to the present invention.
  • the eighth embodiment further includes an electrolyzer 60 for converting carbon dioxide and water vapor into syngas and oxygen by applying heat and electric energy in the seventh embodiment.
  • the exhaust gas passing through the turbine 12 branches into the flow from the three-way valve 61 to the second heat exchanger 30 and the flow to the idler 60.
  • the flow to the resonator 60 undergoes a coelectrolysis process in which carbon dioxide and water vapor in the exhaust gas are electrolyzed and converted into syngas and oxygen.
  • Oxygen produced in the electrolyzer 60 is mixed with oxygen separated in the ITM 20 in the mixer 62 and fed to the oxy-fuel burner 10 or the tri-reformer 42 by the three-way valve 35. Supplied.
  • Carbon monoxide and hydrogen generated in the tri-reformer 42 or the electrolyzer 60 are converted to a new fuel or useful chemical such as methanol or ketone or carbonate through the synthesizer 50. And synthetic.
  • the oxygen production cost is reduced compared to the ASU that separates oxygen from the air using ITM in terms of oxygen production, thereby improving the system efficiency.
  • Synthetic gas converted from the reformer can be converted and synthesized into a new fuel or useful compound such as methanol, ketone, carbonate, etc. through an additional process, and thus can be utilized for various purposes.
  • the carbon dioxide conversion system according to the present invention by integrating the tri-reformer or dry-reformer on the outer wall of the oxy-fuel burner, it is possible to transfer the heat loss to the outer wall of the oxy-fuel burner to the tri-reformer or dry-reformer Since the inflow of water vapor is unnecessary or the amount thereof can be reduced, energy consumption for generating and driving water vapor is reduced.

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Abstract

본 발명은 이산화탄소 전환 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공기 중 산소를 분리하는 이온 전도성 멤브레인과, 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소시키는 순산소연소기, 및 상기 순산소연소기의 순산소연소반응을 통하여 생성된 이산화탄소와 외부에서 공급되는 메탄가스를 드라이 개질반응하여 일산화탄소와 수소로 전환시켜주는 드라이-리포머(Dry-Reformer)를 포함하는 이산화탄소 전환 시스템에 관한 것이다.

Description

순산소연소와 촉매전환공정을 연계한 융합형 이산화탄소 전환 시스템
본 발명은 이산화탄소 전환 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 순산소 연소와 촉매전환공정을 연계한 융합형 이산화탄소 전환 시스템에 관한 것이다.
순산소연소기술은 공기 중의 질소 및 다른 성분을 제거하지 않고 연소기에 주입되는 기존의 공기연소 방식에서 공기 중에 약 79%를 점하는 질소분을 제거한 순산소를 기존의 연소용 공기 대신 주입하여 연소시킨 후 이산화탄소의 포집을 쉽게 하는 순산소연소기술이다. 순산소연소를 채택하여 이산화탄소를 회수하는 기술에서는 산화제를 공기 대신 순도 95% 이상의 고농도 산소를 이용하여 연소시켜 열을 발생시킨다. 순산소연소를 통해서 발생하는 배기가스의 대부분은 이산화탄소와 수증기로 구성되어 있으며, 발생되는 배기가스의 약 70~80%를 다시 연소실로 재순환시켜 최종적으로 배기가스의 이산화탄소 농도를 80% 이상으로 농축시킬 수 있다. 배출되는 배기가스의 주성분 가운데 수증기를 응축시킬 경우, 거의 전량의 이산화탄소를 회수할 수 있으며, 회수된 이산화탄소를 저장시켜서 이산화탄소와 대기오염물질의 무 배출을 구현하는 기술이다.
이산화탄소 전환 시스템은 상기 언급한 바와 같이 고농도의 이산화탄소를 포집하는 시스템이다. 하지만 순산소연소를 하기 위해서는 고농도의 산소가 필요하며 이 때 공기 분리기(ASU, Air Seperation Unit)를 사용하여 공기 중 산소를 분리하면 많은 에너지가 소모되어 전체 시스템 효율이 낮아지는 단점이 있다.
또한, 종래의 시스템에서는 순산소연소를 거쳐 나온 고농도의 이산화탄소를 포집 및 수송하여 저장하는데 활용하여 그 효용가치가 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 종래의 순산소연소기는 산화제로 산소를 이용하는 것으로 공기를 이용하였을 때에 비하여 단일화염온도가 높아 연소기 외벽의 손상을 가져오므로 연소 온도를 감소시키기 위하여 수증기(Steam)를 유입시켰다. 이 경우 수증기를 생성시키기 위한 열원이 있어야 할 뿐만 아니라 수증기를 구동시키기 위한 별도의 펌프일(Pump Work)도 소모되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 공기 중 산소를 분리하는 이온 전도성 멤브레인(ITM: Ion Transfer Membrane), ITM에서 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소시키는 순산소연소기, 순산소연소반응을 통하여 생성된 고농도의 이산화탄소를 합성가스(CO, H2)로 변환시켜주는 개질기, 그리고 합성가스를 메탄올 등으로 변환시켜주는 합성기 등으로 구성된 순산소 연소와 촉매전환공정을 연계한 융합형 이산화탄소 전환 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 열과 전기에너지를 가하여 이산화탄소와 수증기를 합성가스로 전환해주는 공전해기를 더 포함하는, 순산소 연소와 신재생에너지를 이용한 공전해 및 촉매전환공정을 연계한 이산화탄소 전환 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 포집된 이산화탄소를 새로운 연료나 유용한 화합물로 전환시키는 이산화탄소 전환 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 순산소연소기의 외벽에 개질기를 통합한 통합반응기를 제공함으로써 순산소연소기의 수명증대 및 개질반응의 전환율을 향상 시킬수 있는 이산화탄소 전환 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 공기 중 산소를 분리하는 이온 전도성 멤브레인과, 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소시키는 순산소연소기, 및 상기 순산소연소기의 순산소연소반응을 통하여 생성된 이산화탄소와 외부에서 공급되는 메탄가스를 드라이 개질반응하여 일산화탄소와 수소로 전환시켜주는 드라이-리포머(Dry-Reformer) 를 포함하는 이산화탄소 전환 시스템을 제공한다.
또한, 열과 전기에너지를 가하여 상기 순산소연소기의 순산소연소반응을 통하여 생성된 이산화탄소와 수증기를 일산화탄소, 수소, 및 산소로 전환해주는 공전해기를 더 포함하는 이산화탄소 전환 시스템을 제공한다.
또한, 상기 드라이-리포머 또는 상기 공전해기에서 생성된 일산화탄소와 수소를 메탄올, 케톤 또는 카보네이트 등으로 변환시켜주는 합성기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공전해기에서 생성된 산소와 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 혼합하는 혼합기를 더 포함하고, 상기 혼합기에서 순산소연소기로 산소를 공급해주는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 공기 중 산소를 분리하는 이온 전도성 멤브레인과, 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소시키는 순산소연소기, 및 상기 순산소연소기의 순산소연소반응을 통하여 생성된 이산화탄소와 수증기, 외부에서 공급되는 메탄가스, 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 삼중 개질반응하여 일산화탄소와 수소로 전환시켜주는 트리-리포머(Tri-Reformer)를 포함하는 이산화탄소 전환 시스템을 제공한다.
또한, 열과 전기에너지를 가하여 상기 순산소연소기의 순산소연소반응을 통하여 생성된 이산화탄소와 수증기를 일산화탄소, 수소, 및 산소로 전환해주는 공전해기를 더 포함하는 이산화탄소 전환 시스템을 제공한다.
또한, 상기 트리-리포머 또는 상기 공전해기에서 생성된 일산화탄소와 수소를 메탄올, 케톤 또는 카보네이트 등으로 변환시켜주는 합성기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공전해기에서 생성된 산소와 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 혼합하는 혼합기, 및 상기 혼합기에서 순산소연소기 또는 트리-리포머로 산소를 공급해주기 위한 삼방밸브;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 순산소연소기에서 배출되는 배기가스를 이용하여 터빈을 돌리고, 상기 터빈에 연결된 발전기를 통해서 전기를 생산하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 순산소연소기의 후단에 제 1 열교환기를 달아서 순환되는 유체를 승온시켜주는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 터빈을 통과한 배기가스에서 수증기를 분리하여 상기 순산소연소기로 공급해주는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 순산소연소기에서 배출되는 배기가스에서 수증기를 분리하여 상기 트리-리포머 및 상기 순산소연소기에 공급해주는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 트리-리포머 및 상기 순산소연소기로 공급되는 수증기의 유량을 조절해주는 삼방밸브가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 공기 중 산소를 분리하는 이온 전도성 멤브레인과, 순산소연소기의 외벽에 드라이-리포머를 배치시킨 통합반응기 를 포함하며, 상기 통합반응기의 순산소연소기에서는 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소반응이 일어나고, 상기 통합반응기의 드라이-리포머에서는 상기 순산소연소기의 순산소연소반응을 통하여 생성된 이산화탄소와 외부에서 공급되는 메탄가스를 드라이 개질반응하여 일산화탄소와 수소로 전환시켜주는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템을 제공한다.
또한, 열과 전기에너지를 가하여 상기 순산소연소기의 순산소연소반응을 통하여 생성된 이산화탄소와 수증기를 일산화탄소, 수소, 및 산소로 전환해주는 공전해기를 더 포함하는 이산화탄소 전환 시스템을 제공한다.
또한, 상기 드라이-리포머 또는 상기 공전해기에서 생성된 일산화탄소와 수소를 메탄올, 케톤 또는 카보네이트 등으로 변환시켜주는 합성기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공전해기에서 생성된 산소와 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 혼합하는 혼합기를 더 포함하고, 상기 혼합기에서 순산소연소기로 산소를 공급해주는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 공기 중 산소를 분리하는 이온 전도성 멤브레인, 및 순산소연소기의 외벽에 트리-리포머를 배치시킨 통합반응기 를 포함하며, 상기 통합반응기의 순산소연소기에서는 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소반응이 일어나고, 상기 통합반응기의 트리-리포머에서는 상기 순산소연소기의 순산소연소반응을 통하여 생성된 이산화탄소와 수증기, 외부에서 공급되는 메탄가스, 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 삼중 개질반응하여 일산화탄소와 수소로 전환시켜주는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템을 제공한다.
또한, 열과 전기에너지를 가하여 상기 순산소연소기의 순산소연소반응을 통하여 생성된 이산화탄소와 수증기를 일산화탄소, 수소, 및 산소로 전환해주는 공전해기를 더 포함하는 이산화탄소 전환 시스템을 제공한다.
또한, 상기 트리-리포머 또는 상기 공전해기에서 생성된 일산화탄소와 수소를 메탄올, 케톤 또는 카보네이트 등으로 변환시켜주는 합성기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 공전해기에서 생성된 산소와 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 혼합하는 혼합기 및, 상기 혼합기에서 순산소연소기 또는 트리-리포머로 산소를 공급해주기 위한 삼방밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 순산소연소기에서 배출되는 배기가스를 이용하여 터빈을 돌리고, 상기 터빈에 연결된 발전기를 통해서 전기를 생산하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 순산소연소기에서 배출되는 배기가스에서 수증기를 분리하여 상기 순산소연소기로 공급해주며, 상기 수증기의 유량을 조절하기 위해서 삼방밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 순산소연소기에서 배출되는 배기가스에서 수증기를 분리하여 상기 트리-리포머 및 상기 순산소연소기에 공급해주는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 트리-리포머 및 상기 순산소연소기로 공급되는 수증기의 유량을 조절해주는 삼방밸브가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 이산화탄소 전환 시스템에 따르면 산소 생산 측면에서 ITM을 사용하여 공기 중 산소를 분리하는 ASU에 비하여 산소 생산비가 절감되어 시스템 효율의 향상시키는 효과가 있다.
개질기로부터 변환된 합성가스를 부가적인 공정을 거쳐 메탄올이나 케톤, 카보네이트 등과 같은 새로운 연료나 유용한 화합물질로 전환 및 합성을 할 수 있어 다양한 용도로의 활용이 가능하다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 전환 시스템에서 순산소연소기의 외벽에 트리-리포머 또는 드라이-리포머를 통합하여 제작함으로써, 순산소연소기의 외벽에 손실이 되는 열을 트리-리포머 또는 드라이-리포머로 전달시킬 수 있어 수증기의 유입이 불필요해지거나 그 양을 줄일 수 있게 되어 수증기 생성 및 구동을 위한 에너지 소모가 적어지는 효과가 있다.
또한, 트리-리포머 또는 드라이-리포머에 공급되는 열전달율도 향상시켜서 합성가스 전환율을 향상 시킬수 있는 효과도 있다.
또한, 심야전력이나 신재생에너지로부터 나오는 잉여전력 및 열에너지를 이용하여 합성가스를 새로운 연료나 유용한 화합물질로 전환 및 합성을 할 수 있어 다양한 용도로의 활용이 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 종래의 ASU를 이용한 순산소 연소 시스템의 개략도이다.
도 2 내지 9는 본 발명에 따른 순산소 연소와 촉매전환공정을 연계한, 또는 순산소 연소와 신재생에너지를 이용한 공전해 및 촉매전환공정을 연계한 융합형 이산화탄소 전환 시스템의 개략도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 의한 순산소 연소와 촉매전환공정을 연계한, 또는 순산소 연소와 신재생에너지를 이용한 공전해 및 촉매전환공정을 연계한 융합형 이산화탄소 전환 시스템의 바람직한 실시예들을 자세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 종래의 ASU를 이용한 순산소 연소 시스템을 나타낸 것으로, 상기 시스템은 크게 순산소연소기(1), ASU(2), 터빈(3), 열교환기(4), 히터(5), 송풍기(6), 발전기(7)로 구성된다.
순산소연소기(1)에서는 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소반응이 일어나며, 순산소연소기(1)에서 배출되는 배기가스는 주성분이 이산화탄소와 수증기가 된다. 상기 배기가스를 이용하여 터빈(3)을 구동시키고 상기 터빈(3)과 동일축에 연결된 발전기(7)에서 전기를 생산하게 된다.
터빈(3)을 통과한 배기가스는 히터(5)에 의해서 이산화탄소와 수증기로 분리가 되고, 분리된 수증기는 송풍기(7)에 의해 열교환기(4)로 보내진다. 열교환기(4)를 통과한 고온의 수증기는 다시 순산소연소기(1)로 재순환되는 과정을 거친다.
상술한 종래 시스템은 유입되는 공기중 산소를 분리시켜주는 ASU(2)를 이용하는데, 산소를 분리하는 과정에서 에너지가 소모되어 전체 시스템 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
또한, 순산소연소반응에 공기대신 산소를 산화제로 사용해서 단일화염온도가 높아서 순산소연소기(1)로 수증기를 공급해줘야 하는 문제가 있고, 순산소연소기(1)의 내구성이 떨어지는 문제가 있다.
도 2는 본 발명에 따른 제 1 실시예의 시스템 구성도를 나타낸 것이다.
[실시예 1]
실시예 1은 크게, 공기 중 산소를 분리하는 ITM(20), ITM(20)에서 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소시키는 순산소연소기(10), 순산소연소반응을 통하여 생성된 고농도의 이산화탄소를 합성가스(CO, H2)로 변환시켜주는 드라이-리포머(15), 그리고 합성가스를 메탄올 등으로 변환시켜주는 합성기(50) 등으로 구성된다.
ITM(20)에서의 산소 분리의 반응온도는 약 850℃, 작동압력은 약 1bar이며 공급되는 공기의 온도를 별도의 열교환기를 통과시켜 승온시키거나 ITM(20)의 외부에 히터(21)를 설치하는 방법을 사용할 수 있다.
CH4 + 2O2 -> CO2 + 2H2O ……………………………………………… 식 (1)
순산소연소반응은 상기 식 (1)과 같은 반응을 하는데 순산소연소기(10)에 외부로부터 공급되는 천연가스(CH4)와 ITM(20)에서 분리된 산소, 순산소연소기(10)의 배기가스로부터 분리되어 순환되는 수증기(H2O)가 투입되어서 연소반응을 하게 되면 이산화탄소와 수증기가 배기가스로 생성된다.
배출된 배기가스는 제 1 열교환기(11)를 거쳐서 터빈(12)을 구동시키고, 상기 터빈(12)과 동일축에 연결된 발전기(13)가 전기를 생산하게 된다. 터빈(12)을 통과한 배기가스는 제 2 열교환기(30)를 통과하고, 상기 제 2 열교환기(30)를 통과한 배기가스흐름은 히터(31)에 의해서 이산화탄소와 수증기로 분리된다.
상기 분리된 이산화탄소는 상기 제 1 열교환기(11)에서 승온되어 드라이-리포머(15)로 공급된다. 또한, 상기 분리된 수증기는 송풍기(32)에 의해서 제 2 열교환기(30)로 보내지고, 제 2 열교환기(30)에서 승온되어 순산소연소기(10)로 공급된다. 순산소연소기(10)로 공급되는 수증기의 양을 조절하기 위해서 삼방밸브(34)를 달수도 있다. 상기 삼방밸브(34)에서 순산소연소기(10)로 유입되는 수증기의 양을 조절하여 시스템 효율을 조절하는 기능을 한다.
드라이-리포머(15)는 작동온도가 약 700℃, 작동압력이 1bar이며, 공급되는 이산화탄소는 상기 언급한 바와 같이 순산소연소기(10)에서 배출되는 배기가스중에서 이산화탄소를 분리시켜서 순환시킨 후 제 1 열교환기(11)에서 승온시켜서 상기 드라이-리포머(15)로 공급한다.
본 실시예에서는 식(2)와 같은 드라이 개질반응(Dry-Reforming)이 일어난다.
CH4 + CO2 -> 2CO + 2H2 …………………………………………… 식 (2)
상기 식(2)와 같은 드라이 개질반응은 1몰의 메탄과 1몰의 이산화탄소를 공급받아서 개질반응 후에 2몰의 일산화탄소와 2몰의 수소를 생성하는 반응이다. 드라이-리포머(15)는 외부에서 천연가스와 순산소연소반응에서 생성되는 이산화탄소를 이용하여 일산화탄소와 수소를 생성한다.
드라이-리포머(15) 에서 생성된 일산화탄소와 수소는 합성기(50)를 거쳐서 메탄올(Methanol) 또는 케톤(Ketone) 또는 카보네이트(Carbonate) 등과 같은 새로운 연료나 유용한 화학물질로 전환 및 합성될 수 있다.
합성기(50)는 드라이-리포머(15)의 후단에 설치 될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 제 2 실시예의 시스템 구성도를 나타낸 것이다.
[실시예 2]
실시예 2는 앞서 살펴 본 실시예 1에서, 열과 전기에너지를 가하여 이산화탄소와 수증기를 합성가스와 산소로 전환해주는 공전해기(60)를 더 포함한다.
순산소연소기(10)로부터 배출된 이산화탄소와 수증기로 구성된 배기가스는 제1 열교환기(11)를 거쳐서 터빈(12)을 구동시키고, 상기 터빈(12)과 동일축에 연결된 발전기(13)가 전기를 생산하게 된다. 터빈(12)을 통과한 배기가스는 삼방밸브(61)에서 제2 열교환기(30)로 가는 흐름과 공전해기(60)로 가는 흐름으로 분기된다.
공전해기(60)로 가는 흐름은 배기가스 중의 이산화탄소와 수증기가 함께 전해하여 합성가스와 산소로 전환되는 공전해(Coelectrolysis) 공정을 거친다. 공전해 공정은 열과 전기에너지를 가하여 합성가스와 산소로 전환해주는 공정을 말한다. 상기 기술된 바와 같이 공전해 공정에는 열 및 전기에너지가 필요하므로 심야전력이나 신재생에너지로부터 나오는 잉여전력 및 열에너지를 이용할 수도 있다.
심야전력을 이용하는 경우, 주간에는 드라이 개질반응 또는 삼중 개질반응과 같은 촉매화학공정으로만 이산화탄소를 전화시키며, 야간에 잉여전력이 발생할 때, 잉여전력의 양에 해당하는 만큼 이산화탄소와 수증기를 공전해기(60)로 공급하여 합성가스와 산소를 생산하게 된다.
풍력, 태양력 등 신재생에너지로부터 나오는 전력도 심야전력을 이용하는 방법과 동일한 방법으로 공전해 공정을 할 수 있다. 이와 같이 공전해기(60)를 이용한다면 버려지는 전력을 이용할 수 있으며, 생성물로 합성가스외에도 산소가 부가적으로 생산되어 ITM(20)에서 생산되어야 하는 산소의 양도 줄일 수 있어 상대적으로 ITM(20)에서 소모되는 에너지도 감소시킬 수 있다.
공전해기(60)에서 생산되는 산소는 혼합기(62)에서, ITM(20)에서 분리된 산소와 혼합되어서 순산소연소기(10)로 공급된다.
한편, 드라이-리포머(15) 또는 공전해기(60)에서 생성된 일산화탄소와 수소는 합성기(50)를 거쳐서 메탄올(Methanol) 또는 케톤(Ketone) 또는 카보네이트(Carbonate) 등과 같은 새로운 연료나 유용한 화학물질로 전환 및 합성될 수 있다.
합성기(50)는 드라이-리포머(15) 또는 공전해기(60)의 후단에 설치 될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 제 3 실시예의 시스템 구성도를 나타낸 것이다.
[실시예 3]
실시예 3은 크게, 공기 중 산소를 분리하는 ITM(20), ITM(20)에서 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소시키는 순산소연소기(10), 순산소연소반응을 통하여 생성된 고농도의 이산화탄소와 수증기, 외부로부터 공급되는 천연가스, ITM(20)에서 분리된 산소를 합성가스(CO, H2)로 변환시켜주는 트리-리포머(16), 그리고 합성가스를 메탄올 등으로 변환시켜주는 합성기(50) 등으로 구성된다.
실시예 1 및 2와는 달리 실시예 3에서는 삼중 개질반응(Tri-Reforming)을 하는 경우인데, 삼중 개질반응은 식(3)과 같은 반응식을 나타낸다.
4CH4 + 2.5O2 + CO2 + H2O -> 4CO + CO2 + 2H2O + 7H2 … 식 (3)
삼중 개질반응은 이산화탄소와 천연가스만 유입시켜주는 드라이 개질반응과는 달리 부가적으로 산소와 수증기를 유입시켜줘야만 한다.
따라서, 산소를 유입시켜주기 위해서 ITM(20)에서 분리된 산소는 삼방밸브(35)에 의해서 순산소연소기(10) 또는 트리-리포머(16)로 유입될 수 있게 조절된다.
순산소연소기(10)에서 식(1)과 같은 순산소연소반응을 하고 배출되는 배기가스는 제 1 열교환기(11)로 이동한다. 상기 제 1 열교환기(11)를 통과한 배기가스는 터빈(12)을 구동시키고, 상기 터빈(12)과 동일축으로 연결된 발전기(13)에서 전기를 생산하게 된다.
상기 터빈(12)을 통과한 배기가스는 다시 제 2 열교환기(30)를 통과하고, 상기 제 2 열교환기(30)를 통과한 배기가스흐름은 히터(31)에 의해서 이산화탄소와 수증기로 분리된다. 분리된 수증기는 송풍기(32)에 의해서 제 2 열교환기(30)로 유입되고, 여기서 승온된 후 삼방밸브(34)에서 순산소연소기(10) 방향 또는 트리-리포머(16) 방향으로 흐름이 조절된다.
상기 삼방밸브(34)에서 트리-리포머(16) 방향으로 흐르는 흐름은 다시 혼합기(14)로 유입되는데, 상기 혼합기(14)는 상기 히터(31)에서 분리된 이산화탄소와 혼합되어서 제 1 열교환기(11)에서 승온된 후 트리-리포머(16)로 공급된다.
트리-리포머(16)는 작동온도가 약 800~900℃, 작동압력이 5bar으로 실시예 1 및 2에서 언급한 드라이-리포머(15)보다도 높은 온도와 압력에서 작동이 되는바, 제 1 열교환기(11)에서 수증기 및 이산화탄소가 충분히 승온된 후 트리-리포머(16)로 공급되어야 한다.
ITM(20)에서 분리된 산소의 온도는 트리 리포밍의 반응온도인 850℃에 대략적으로 부합하여 열교환기를 거치지 않고 공급될 수 있다.
트리-리포머(16) 에서 생성된 일산화탄소와 수소는 합성기(50)를 거쳐서 메탄올(Methanol) 또는 케톤(Ketone) 또는 카보네이트(Carbonate) 등과 같은 새로운 연료나 유용한 화학물질로 전환 및 합성될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 제4 실시예의 시스템 구성도를 나타낸 것이다.
[실시예 4]
실시예 4는 앞서 살펴 본 실시예 3에서, 열과 전기에너지를 가하여 이산화탄소와 수증기를 합성가스와 산소로 전환해주는 공전해기(60)를 더 포함한다.
터빈(12)을 통과한 배기가스는 삼방밸브(61)에서 제2 열교환기(30)로 가는 흐름과 공전해기(60)로 가는 흐름으로 분기된다.
공전해기(60)로 가는 흐름은 배기가스 중의 이산화탄소와 수증기가 함께 전해하여 합성가스와 산소로 전환되는 공전해(Coelectrolysis) 공정을 거친다.
공전해기(60)에서 생산되는 산소는 혼합기(62)에서, ITM(20)에서 분리된 산소와 혼합되고, 삼방밸브(35)에 의해서 순산소연소기(10) 또는 트리-리포머(16)로 공급된다.
트리-리포머(16) 또는 공전해기(60)에서 생성된 일산화탄소와 수소는 합성기(50)를 거쳐서 메탄올(Methanol) 또는 케톤(Ketone) 또는 카보네이트(Carbonate) 등과 같은 새로운 연료나 유용한 화학물질로 전환 및 합성될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 제 5 실시예의 시스템 구성도를 나타낸 것이다.
[실시예 5]
실시예 5는 크게, 공기 중 산소를 분리하는 ITM(20), 순산소연소기(10)의 외벽에 순산소연소반응을 통하여 생성된 고농도의 이산화탄소를 합성가스(CO, H2)로 변환시켜주는 드라이-리포머(41)를 배치시킨 통합반응기(40), 그리고 합성가스를 메탄올 등으로 변환시켜주는 합성기(50) 등으로 구성된다.
종래의 순산소연소기는 산소를 산화제로 이용하여 단일화염온도가 높아 연소기의 외벽손상을 가져오므로 이를 막기 위해서 수증기를 유입시켜 연소 온도를 낮추는 형태로 반응을 진행시켰다. 이 경우 수증기를 생성시키기 위한 열원이 있어야 할 뿐만 아니라 수증기를 구동시키기 위한 별도의 펌프 동력이 필요하게 되어 시스템 구성이 복잡해지고, 전체적인 시스템 효율이 떨어지는 문제가 있었다.
이에 본 실시예 5에서는 원통형의 순산소연소기(10)의 외벽에 드라이-리포머(41)를 통합하여 통합반응기(40)를 본 시스템에 도입하였다. 이를 통해서 순산소연소기(10)에서 생성되는 열이 드라이-리포머(41)로 전달되어 순산소연소기(10)의 단열화염온도를 낮춰줄 수 있어 기존의 순산소연소기에 비해서 유입되는 수증기의 양이 줄어들어 수증기를 생성시키기 위한 열 및 펌프의 소모동력을 감소시킬 수 있으며, 시스템의 구성을 간략하게 할 수도 있다.
순산소연소기(10)에서는 식(1)과 같은 반응 후에 배기가스로 이산화탄소와 수증기(또는 산소)를 배출한다. 배출된 배기가스는 터빈(12)을 구동시키고, 터빈(12)과 동일축에 연결된 발전기(13)에서 전기를 생산한다.
터빈(12)을 통과한 배기가스는 제 2 열교환기(30)를 통과하고, 히터(31)에 의해서 이산화탄소와 수증기로 분리된다. 분리된 수증기는 송풍기(32)에 의해서 다시 제 2 열교환기(30)로 유입되고, 승온된 후 다시 순산소연소기(10)로 순환된다. 순산소연소기(10)로 유입되기 전에 삼방밸브(34)에서 유량을 조절할 수도 있다.
분리된 이산화탄소는 드라이-리포머(41)로 공급되는데, 공급된 이산화탄소와 외부에서 유입되는 천연가스가 식(2)의 드라이 개질반응을 통해서 합성가스(일산화탄소, 수소)를 생성한다.
드라이-리포머(41) 에서 생성된 일산화탄소와 수소는 합성기(50)를 거쳐서 메탄올(Methanol) 또는 케톤(Ketone) 또는 카보네이트(Carbonate) 등과 같은 새로운 연료나 유용한 화학물질로 전환 및 합성될 수 있다.
순산소연소기(10)와 드라이-리포머(41)를 통합시킨 통합반응기(40)의 도입으로 시스템의 구성이 더 간단해지는 효과를 얻을 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 제6 실시예의 시스템 구성도를 나타낸 것이다.
[실시예 6]
실시예 6은 앞서 살펴 본 실시예 5에서, 열과 전기에너지를 가하여 이산화탄소와 수증기를 합성가스와 산소로 전환해주는 공전해기(60)를 더 포함한다.
터빈(12)을 통과한 배기가스는 삼방밸브(61)의 의해서 공전해기(60)로 가는 흐름과 제 2 열교환기(30)로 가는 흐름으로 분기된다.
공전해기(60)로 가는 흐름은 배기가스 중의 이산화탄소와 수증기가 함께 전해하여 합성가스와 산소로 전환되는 공전해(Coelectrolysis) 공정을 거친다.
공전해기(60)에서 생산되는 산소는 혼합기(62)에서, ITM(20)에서 분리된 산소와 혼합되어서 순산소연소기(10)로 공급된다.
드라이-리포머(41) 또는 공전해기(60)에서 생성된 일산화탄소와 수소는 합성기(50)를 거쳐서 메탄올(Methanol) 또는 케톤(Ketone) 또는 카보네이트(Carbonate) 등과 같은 새로운 연료나 유용한 화학물질로 전환 및 합성될 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 제 7 실시예의 시스템 구성도를 나타낸 것이다.
[실시예 7]
실시예 7은 크게, 공기 중 산소를 분리하는 ITM(20), 순산소연소기(10)의 외벽에 트리-리포머(42)를 배치시킨 통합반응기(40), 그리고 합성가스를 메탄올 등으로 변환시켜주는 합성기(50) 등으로 구성된다.
ITM(20)에서 분리된 산소는 삼방밸브(22)에 의해서 순산소연소기(10) 또는 트리-리포머(42)로 공급된다. ITM(20)에서 분리된 산소를 산화제로 순산소연소기(10)에서 순산소연소반응을 하고 이산화탄소와 수증기(또는 산소)를 배기가스로 배출한다.
배출된 배기가스는 터빈(12)을 구동시키고 상기 터빈(12)과 동일축에 있는 발전기(13)에 의해서 전기를 생산할 수도 있다.
상기 터빈(12)을 통과한 배기가스는 제 2 열교환기(30)를 통과하고, 상기 제 2 열교환기(30)를 통과한 배기가스흐름은 히터(31)에 의해서 이산화탄소와 수증기로 분리된다.
분리된 이산화탄소는 트리-리포머(42)로 공급되어서 식(3)에 나타난 삼중 개질반응을 하게 된다.
분리된 수증기는 송풍기(32)에 의해서 다시 제 2 열교환기(30)로 유입되고, 제 2 열교환기(30)에서 승온된 수증기는 트리-리포머(42) 또는 순산소연소기(10) 방향으로 흐르게 된다. 상기 흐름을 조절하는 삼방밸브(34)가 더 구비될 수도 있다.
트리-리포머(42)에서는 삼중 개질반응이 일어나는데, 외부에서 공급받는 천연가스와 히터(31)에서 분리된 이산화탄소, 제 1 열교환기를 통과한 수증기, ITM(20)에서 분리된 산소를 공급받아서 개질반응이 이루어진다. 실시예 5 및 6에서 나타난 드라이 개질반응과 달리 삼중 개질반응은 수증기와 산소의 공급이 부가적으로 필요하여 본 시스템과 같이 흐름을 구성하였다.
트리-리포머(42) 에서 생성된 일산화탄소와 수소는 합성기(50)를 거쳐서 메탄올(Methanol) 또는 케톤(Ketone) 또는 카보네이트(Carbonate) 등과 같은 새로운 연료나 유용한 화학물질로 전환 및 합성될 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 제8 실시예의 시스템 구성도를 나타낸 것이다.
[실시예 8]
실시예 8은 앞서 살펴 본 실시예 7에서, 열과 전기에너지를 가하여 이산화탄소와 수증기를 합성가스와 산소로 전환해주는 공전해기(60)를 더 포함한다.
터빈(12)을 통과한 배기가스는 삼방밸브(61)에서 제 2 열교환기(30)로 가는 흐름과 공전해기(60)로 가는 흐름으로 분기된다.
공전해기(60)로 가는 흐름은 배기가스 중의 이산화탄소와 수증기가 함께 전해하여 합성가스와 산소로 전환되는 공전해(Coelectrolysis) 공정을 거친다.
공전해기(60)에서 생산되는 산소는 혼합기(62)에서, ITM(20)에서 분리된 산소와 혼합되고, 삼방밸브(35)에 의해서 순산소연소기(10) 또는 트리-리포머(42)로 공급된다.
트리-리포머(42) 또는 공전해기(60)에서 생성된 일산화탄소와 수소는 합성기(50)를 거쳐서 메탄올(Methanol) 또는 케톤(Ketone) 또는 카보네이트(Carbonate) 등과 같은 새로운 연료나 유용한 화학물질로 전환 및 합성될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 이산화탄소 전환 시스템에 따르면 산소 생산 측면에서 ITM을 사용하여 공기 중 산소를 분리하는 ASU에 비하여 산소 생산비가 절감되어 시스템 효율의 향상시키는 효과가 있다.
개질기로부터 변환된 합성가스를 부가적인 공정을 거쳐 메탄올이나 케톤, 카보네이트 등과 같은 새로운 연료나 유용한 화합물질로 전환 및 합성을 할 수 있어 다양한 용도로의 활용이 가능하다는 장점이 있다.
본 발명에 따른 이산화탄소 전환 시스템에서 순산소연소기의 외벽에 트리-리포머 또는 드라이-리포머를 통합하여 제작함으로써, 순산소연소기의 외벽에 손실이 되는 열을 트리-리포머 또는 드라이-리포머로 전달시킬 수 있어 수증기의 유입이 불필요해지거나 그 양을 줄일 수 있게 되어 수증기 생성 및 구동을 위한 에너지 소모가 적어지는 효과가 있다.
또한, 트리-리포머 또는 드라이-리포머에 공급되는 열전달율도 향상시켜서 합성가스 전환율을 향상 시킬수 있는 효과도 있다.
또한, 심야전력이나 신재생에너지로부터 나오는 잉여전력 및 열에너지를 이용하여 합성가스를 새로운 연료나 유용한 화합물질로 전환 및 합성을 할 수 있어 다양한 용도로의 활용이 가능하다는 장점이 있다.

Claims (25)

  1. 공기 중 산소를 분리하는 이온 전도성 멤브레인;
    상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소시키는 순산소연소기; 및
    상기 순산소연소기의 순산소연소반응을 통하여 생성된 이산화탄소와 외부에서 공급되는 메탄가스를 드라이 개질반응하여 일산화탄소와 수소로 전환시켜주는 드라이-리포머(Dry-Reformer)를 포함하는 이산화탄소 전환 시스템.
  2. 제 1 항에서,
    열과 전기에너지를 가하여 상기 순산소연소기의 순산소연소반응을 통하여 생성된 이산화탄소와 수증기를 일산화탄소, 수소, 및 산소로 전환해주는 공전해기를 더 포함하는 이산화탄소 전환 시스템.
  3. 제 2 항에서,
    상기 드라이-리포머 또는 상기 공전해기에서 생성된 일산화탄소와 수소를 메탄올, 케톤 또는 카보네이트 등으로 변환시켜주는 합성기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  4. 제 2 항에서,
    상기 공전해기에서 생성된 산소와 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 혼합하는 혼합기를 더 포함하고, 상기 혼합기에서 순산소연소기로 산소를 공급해주는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  5. 공기 중 산소를 분리하는 이온 전도성 멤브레인;
    상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소시키는 순산소연소기; 및
    상기 순산소연소기의 순산소연소반응을 통하여 생성된 이산화탄소와 수증기, 외부에서 공급되는 메탄가스, 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 삼중 개질반응하여 일산화탄소와 수소로 전환시켜주는 트리-리포머(Tri-Reformer)를 포함하는 이산화탄소 전환 시스템.
  6. 제 5 항에서,
    열과 전기에너지를 가하여 상기 순산소연소기의 순산소연소반응을 통하여 생성된 이산화탄소와 수증기를 일산화탄소, 수소, 및 산소로 전환해주는 공전해기를 더 포함하는 이산화탄소 전환 시스템.
  7. 제 6 항에서,
    상기 트리-리포머 또는 상기 공전해기에서 생성된 일산화탄소와 수소를 메탄올, 케톤 또는 카보네이트 등으로 변환시켜주는 합성기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  8. 제 6 항에서,
    상기 공전해기에서 생성된 산소와 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 혼합하는 혼합기; 및
    상기 혼합기에서 순산소연소기 또는 트리-리포머로 산소를 공급해주기 위한 삼방밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 하나의 항에서,
    상기 순산소연소기에서 배출되는 배기가스를 이용하여 터빈을 돌리고, 상기 터빈에 연결된 발전기를 통해서 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 하나의 항에서,
    상기 순산소연소기의 후단에 제 1 열교환기를 달아서 순환되는 유체를 승온시켜주는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  11. 제 9 항에서,
    상기 터빈을 통과한 배기가스에서 수증기를 분리하여 상기 순산소연소기로 공급해주는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  12. 제 5 항 내지 제 8 항 중 어느 하나의 항에서,
    상기 순산소연소기에서 배출되는 배기가스에서 수증기를 분리하여 상기 트리-리포머 및 상기 순산소연소기에 공급해주는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  13. 제 12 항에서,
    상기 트리-리포머 및 상기 순산소연소기로 공급되는 수증기의 유량을 조절해주는 삼방밸브가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  14. 공기 중 산소를 분리하는 이온 전도성 멤브레인; 및
    순산소연소기의 외벽에 드라이-리포머를 배치시킨 통합반응기를 포함하며,
    상기 통합반응기의 순산소연소기에서는 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소반응이 일어나고,
    상기 통합반응기의 드라이-리포머에서는 상기 순산소연소기의 순산소연소반응을 통하여 생성된 이산화탄소와 외부에서 공급되는 메탄가스를 드라이 개질반응하여 일산화탄소와 수소로 전환시켜주는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  15. 제 14 항에서,
    열과 전기에너지를 가하여 상기 순산소연소기의 순산소연소반응을 통하여 생성된 이산화탄소와 수증기를 일산화탄소, 수소, 및 산소로 전환해주는 공전해기를 더 포함하는 이산화탄소 전환 시스템.
  16. 제 15 항에서,
    상기 드라이-리포머 또는 상기 공전해기에서 생성된 일산화탄소와 수소를 메탄올, 케톤 또는 카보네이트 등으로 변환시켜주는 합성기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  17. 제 15 항에서,
    상기 공전해기에서 생성된 산소와 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 혼합하는 혼합기를 더 포함하고, 상기 혼합기에서 순산소연소기로 산소를 공급해주는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  18. 공기 중 산소를 분리하는 이온 전도성 멤브레인; 및
    순산소연소기의 외벽에 트리-리포머를 배치시킨 통합반응기를 포함하며,
    상기 통합반응기의 순산소연소기에서는 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 산화제로 사용하여 연소반응이 일어나고,
    상기 통합반응기의 트리-리포머에서는 상기 순산소연소기의 순산소연소반응을 통하여 생성된 이산화탄소와 수증기, 외부에서 공급되는 메탄가스, 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 삼중 개질반응하여 일산화탄소와 수소로 전환시켜주는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  19. 제 18 항에서,
    열과 전기에너지를 가하여 상기 순산소연소기의 순산소연소반응을 통하여 생성된 이산화탄소와 수증기를 일산화탄소, 수소, 및 산소로 전환해주는 공전해기를 더 포함하는 이산화탄소 전환 시스템.
  20. 제 19 항에서,
    상기 트리-리포머 또는 상기 공전해기에서 생성된 일산화탄소와 수소를 메탄올, 케톤 또는 카보네이트 등으로 변환시켜주는 합성기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  21. 제 19 항에서,
    상기 공전해기에서 생성된 산소와 상기 이온 전도성 멤브레인에서 분리된 산소를 혼합하는 혼합기; 및
    상기 혼합기에서 순산소연소기 또는 트리-리포머로 산소를 공급해주기 위한 삼방밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  22. 제 14 항 내지 제 21 항 중 어느 하나의 항에서,
    상기 순산소연소기에서 배출되는 배기가스를 이용하여 터빈을 돌리고, 상기 터빈에 연결된 발전기를 통해서 전기를 생산하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  23. 제 14 항 내지 제 17 항 중 어느 하나의 항에서,
    상기 순산소연소기에서 배출되는 배기가스에서 수증기를 분리하여 상기 순산소연소기로 공급해주며, 상기 수증기의 유량을 조절하기 위해서 삼방밸브를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  24. 제 18 항 내지 제 21 항 중 어느 하나의 항에서,
    상기 순산소연소기에서 배출되는 배기가스에서 수증기를 분리하여 상기 트리-리포머 및 상기 순산소연소기에 공급해주는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
  25. 제 24 항에서,
    상기 트리-리포머 및 상기 순산소연소기로 공급되는 수증기의 유량을 조절해주는 삼방밸브가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 전환 시스템.
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