WO2022050822A1 - 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치 및 방법 - Google Patents

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이대훈
김유나
강홍재
송호현
이희수
송영훈
김관태
무자밀이크발
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한국기계연구원
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Definitions

  • the present invention relates to an apparatus and method for generating ammonia using water discharge, and more particularly, using electric energy and plasma and water as a raw material to remove oxygen (O 2 ) generated together with hydrogen (H 2 ).
  • ammonia is one of the representative compounds that have changed human life.
  • human agricultural productivity has been rapidly improved, and it is the Haber-Bosch Process that made this possible.
  • the Haber-Bosch method directly synthesizes ammonia from nitrogen and hydrogen, but has a problem in that the energy cost of the process is very high because it requires a high pressure of about 200 atmospheres and a high temperature of about 400 to 500 °C. More than 2% of the annual energy consumption used by centuries is used for ammonia production. For this reason, various reactions to replace the Haber-Bosch method have been studied, but they do not show any remarkable results. Due to the characteristics of the Haber-Bosch method, which is possible under high-temperature and high-pressure conditions, the ammonia production process is being carried out in the form of a large-scale plant.
  • the reason why the process cost is high is that the process of decomposing nitrogen requires a very high activation energy.
  • the catalytic reaction is carried out under high temperature and high pressure conditions. In this catalytic reaction process, high process cost occurs.
  • plasma has an advantage in that it is very easy to form a high temperature condition in which nitrogen can be decomposed.
  • nitrogen can be decomposed, but a reaction for converting nitrogen into ammonia is not induced.
  • One aspect of the present invention is one of hydrocarbon gas and hydrogen and Using plasma generated with a discharge gas containing nitrogen gas (N 2 ) and using water as a raw material to generate hydrogen (H 2 ), oxygen (O 2 ) generated together with hydrogen (H 2 ) in the process of generating nitrogen plasma ) reacts with nitrogen (N2) to produce nitrogen monoxide (NO), and (hydrocarbon or hydrogen may be additionally supplied) produces solid carbon and hydrogen (H 2 ) in the decomposition process of hydrocarbons, To provide an apparatus and method for generating ammonia using water discharge for generating ammonia from hydrogen and nitrogen monoxide (NO) in a synthesis catalyst.
  • Another aspect of the present invention is to generate hydrogen (H 2 ) using plasma generated by nitrogen gas (N 2 ) as a discharge gas and water as a raw material, and in this process, oxygen (O) generated together with hydrogen (H 2 ) 2 ) reacts with nitrogen (N 2 ) to produce nitrogen monoxide (NO), and supplies hydrocarbon or hydrogen to produce solid carbon and hydrogen (H 2 ) in the process of water decomposition and hydrocarbon decomposition,
  • oxygen (O) generated together with hydrogen (H 2 ) 2
  • NO nitrogen monoxide
  • SO nitrogen monoxide
  • Another aspect of the present invention is to provide an apparatus and method for generating ammonia using water discharge, which reduces ammonia production costs because solid carbon generated in the process of decomposing hydrocarbons is used separately from ammonia generated.
  • Ammonia generating apparatus using water discharge hydrocarbon gas and
  • water By supplying water to the plasma generated by the discharge gas containing any one of hydrogen and nitrogen gas (N 2 ), hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) are generated from water, and oxygen (O 2 ) is converted to nitrogen (N 2 ) ) by reacting with nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO 2 ), and a plasma decomposition reaction unit for generating solid carbon and hydrogen (H 2 ) in the decomposition process of hydrocarbons; a thermal decomposition reaction unit connected to the lower side of the plasma decomposition reaction unit to generate solid carbon and hydrogen (H 2 ) by performing water decomposition and decomposition of hydrocarbons; and a synthesis catalyst unit connected to the pyrolysis reaction unit to synthesize hydrogen (H 2 ) and nitrogen monoxide (NO) separated from water to produce ammonia (NH 3 ).
  • the plasma decomposition reaction unit may further supply hydrocarbons or hydrogen through an additional supply port.
  • nitrogen monoxide is built in the thermal decomposition reaction unit between the plasma decomposition reaction unit and the synthesis catalyst unit and discharged from the plasma decomposition reaction unit.
  • Nitrogen dioxide (NO 2 ), hydrogen (H 2 ) by cooling the exhaust gas further includes a heat exchange unit for controlling the temperature suitable for the catalytic reaction of the synthesis catalyst.
  • the heat exchange unit may be connected as an outlet to a water supply unit that absorbs heat in the inner space with low-temperature water supplied to the inlet and supplies it to the plasma decomposition reaction unit.
  • Ammonia generating apparatus using water discharge is disposed downstream (downstream) of the catalyst synthesis unit to recover the synthesized ammonia (NH 3 ), and through the ammonia recovery unit It may further include a gas separator for separating hydrogen and nitrogen from the exhaust gas.
  • the plasma decomposition reaction unit includes: a housing electrically grounded, forming a discharge space therein, and having a discharge port of a narrow passage at the end; a high voltage electrode mounted on one side of the housing and connected to a high voltage to generate plasma discharge in the discharge space; A discharge gas supply port for supplying the discharge gas to one side of the high voltage electrode, water is supplied to the plasma from the front of the high voltage electrode, and hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) are generated from water and oxygen (O 2 ) ) reacts with nitrogen (N 2 ) to generate nitrogen monoxide (NO) to discharge hydrogen (H 2 ) and nitrogen monoxide (NO) to the outlet, and a water supply unit that is connected to the outlet to widen the passage It may include an extended portion connected to the extension of the pyrolysis reaction unit in a widened state and flowing down the solid carbon generated in the discharge space to the extension along with the supplied water.
  • the water supply unit may include a water spray nozzle for spraying water or a steam supply port for supplying steam.
  • the water spray nozzle may be installed in the housing in the middle of the longitudinal direction of the discharge space to spray water during the plasma arc of the plasma discharge.
  • Ammonia generating apparatus using water discharge is provided below the thermal decomposition reaction unit and supplied with the solid carbon among the solid carbon and hydrogen (H 2 ) generated in the plasma decomposition reaction unit. It further includes a recovery tank that is stored together with the carbon discharge port, and the synthesis catalyst unit may be connected to a discharge port provided on the lower side of the pyrolysis reaction unit.
  • the plasma decomposition reaction unit includes a housing electrically grounded, forming a discharge space therein, and having a discharge port at the end, a high voltage electrode mounted on one side of the housing and connected to a high voltage to generate plasma discharge in the discharge space, the high voltage electrode
  • a discharge gas supply port for supplying the discharge gas to one side, a narrow portion of the passage in the discharge space, a connection portion connected to the narrowed portion and having the discharge port at the end, and the connection portion at the end of the narrowed portion is supplied to the end of the plasma arc of the plasma discharge to generate hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) from water, and react oxygen (O 2 ) with nitrogen (N 2 ) to generate nitrogen monoxide (NO)
  • a water supply unit for discharging hydrogen (H 2 ) and nitrogen monoxide (NO) to the outlet, and connected to the extension of the pyrolysis reaction unit in a state where the passage is widened and widened by being connected to the outlet, the generated in the discharge space It
  • the plasma decomposition reaction unit includes: a housing electrically grounded, forming a discharge space therein, and having a discharge port of a narrow passage at the end; a high voltage electrode mounted on one side of the housing and connected to a high voltage to generate plasma discharge in the discharge space; A discharge gas supply port for supplying the discharge gas to one side of the high voltage electrode, which is formed in the high voltage electrode to supply water to the outside of the plasma arc of the plasma discharge, to generate hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) from the water and oxygen (O 2 ) reacts with nitrogen (N 2 ) to generate nitrogen monoxide (NO) to discharge hydrogen (H 2 ) and nitrogen monoxide (NO) to the outlet, and connected to the outlet It is connected to the extension of the pyrolysis reaction part in a state where the passage is widened and widened and may include an extension part flowing down the solid carbon generated in the discharge space to the extension part together with the supplied water.
  • the plasma decomposition reaction unit includes: a housing electrically grounded, forming a discharge space therein, and having a discharge port of a narrow passage at the end; a high voltage electrode mounted on one side of the housing and connected to a high voltage to generate plasma discharge in the discharge space; A discharge gas supply port for supplying the discharge gas to one side of the high voltage electrode is formed in the high voltage electrode to supply water to the front of the plasma arc of the plasma discharge, and hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) are generated from the water and oxygen (O 2 ) reacts with nitrogen (N 2 ) to generate nitrogen monoxide (NO) to discharge hydrogen (H 2 ) and nitrogen monoxide (NO) to the outlet, and connected to the outlet It is connected to the extension of the pyrolysis reaction part in a state where the passage is widened and widened and may include an extension part flowing down the solid carbon generated in the discharge space to the extension part together with the supplied water.
  • the water supply unit may include a water spray nozzle, and a tip of the water spray nozzle may be positioned inside the high voltage electrode.
  • the outlet may be configured as a nozzle having a converging-diverging structure, and a product generated by spraying water into plasma or nitrogen gas plasma may be cooled while being discharged through the outlet.
  • the plasma decomposition reaction unit is provided on the outer periphery of the inductively coupled dielectric tube, which forms a discharge space therein and has a discharge port of a narrow passage at the end, a discharge coil that causes an inductively coupled plasma discharge in the discharge space, the induction A discharge gas supply port for supplying a discharge gas containing hydrocarbon gas and nitrogen gas (N 2 ) to one side of the coupling dielectric tube, by supplying water to the inductively coupled plasma of the discharge space, hydrogen (H 2 ) and oxygen from water (O 2 ) and oxygen (O 2 ) by reacting nitrogen (N 2 ) to generate nitrogen monoxide (NO) to discharge hydrogen (H 2 ) and nitrogen monoxide (NO) to the outlet , and an extension connected to the extension of the pyrolysis reaction unit in a state where the passage is widened and widened by being connected to the discharge port and flowing down the solid carbon generated in the discharge space to the extension along with the supplied water. .
  • the water supply unit may include a water spray nozzle for spraying water.
  • the water supply unit may include a steam supply port for supplying steam.
  • the water supply unit may be provided on one side in the longitudinal direction of the inductively coupled dielectric tube to supply water to the inductively coupled plasma in the discharge space.
  • the plasma decomposition reaction unit is provided on the outer periphery of the inductively coupled dielectric tube, which forms a discharge space therein and has a discharge port of a narrow passage at the end, a discharge coil that causes an inductively coupled plasma discharge in the discharge space, the induction A discharge gas supply port for supplying a discharge gas containing hydrocarbon gas and nitrogen gas (N 2 ) to one side of the coupling dielectric tube, provided in front of the discharge coil in the longitudinal direction of the inductive coupling dielectric tube, of the discharge space
  • hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) are generated from water, and nitrogen (N 2 ) is reacted with oxygen (O 2 ) to generate nitrogen monoxide (NO) to produce hydrogen ( H 2 ) and a water supply unit for discharging nitrogen monoxide (NO) to the discharge port, and the solid carbon generated in the discharge space by being connected to the discharge port and connected to the extension of the pyrolysis reaction unit in a state where the passage is
  • the plasma decomposition reaction unit includes a housing having a discharge space formed therein and a discharge port narrowed at the end, a microwave guide provided outside the housing to generate microwave plasma in the discharge space, and the discharge gas to one side of the housing Discharge gas supply port for supplying, supplying water to the plasma in the discharge space, generating hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) from water, and reacting oxygen (O 2 ) with nitrogen (N 2 ) to monoxide
  • a water supply unit that generates nitrogen (NO) to discharge hydrogen (H 2 ) and nitrogen monoxide (NO) to the outlet, and connected to the outlet to make the passage wider and wider.
  • Connected to the extension of the pyrolysis reaction unit It may include an extended portion flowing down the solid carbon generated in the discharge space together with the supplied water to the extension portion.
  • the water supply unit may include a water spray nozzle for spraying water or a steam supply port for supplying steam.
  • the water supply unit may be provided on one side of the housing in the longitudinal direction to supply water to the plasma in the discharge space.
  • the ammonia generating apparatus using water discharge is connected to the thermal decomposition reaction unit, and among the solid carbon and hydrogen (H 2 ) generated in the plasma decomposition reaction unit and the water decomposition reaction unit, the It further includes; a recovery tank for storing solid carbon together with the supplied water and discharging it to the carbon outlet, wherein the synthesis catalyst unit may be connected to a discharge port provided in the connection unit of the plasma decomposition reaction unit.
  • the apparatus for generating ammonia using water discharge may further include a heat exchange unit provided between the discharge port of the pyrolysis reaction unit and the synthesis catalyst unit.
  • the apparatus for generating ammonia using water discharge may further include a heat exchange unit provided inside the pyrolysis reaction unit at an upper side of the discharge port of the thermal decomposition reaction unit.
  • the pyrolysis reaction unit and the recovery tank connect a narrowing part and a second expanding part having a narrow passage between each other, and a narrowing second connecting part connecting the contracted part and the second expanding part, and the synthesis catalyst part is the second connection part It may be connected to a discharge port provided in the.
  • Ammonia production method using water discharge hydrocarbon gas and
  • a discharge gas containing any one of hydrogen and nitrogen gas exhaust gases of nitrogen (N 2 ), nitrogen monoxide (NO), nitrogen dioxide (NO 2 ) and hydrogen (H 2 ) are discharged,
  • hydrocarbons or hydrogen may be further supplied through an additional supply port.
  • the twentieth step may further include a twenty-first step of heat-exchanging the product to a temperature condition suitable for the catalytic reaction in order to supply the product to the synthesis catalyst for ammonia synthesis.
  • the 30th step may further include a 31st step of separating and recovering liquid ammonia (NH 3 ) from the rest of the gas at room temperature synthesized after ammonia synthesis.
  • a 31st step of separating and recovering liquid ammonia (NH 3 ) from the rest of the gas at room temperature synthesized after ammonia synthesis.
  • the 30th step may further include a 32nd step of separating hydrogen and nitrogen from the remaining exhaust gas following the 31st step.
  • the tenth step is to generate a plasma with a discharge gas to decompose water into hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) with high energy provided from the plasma, and solid carbon and hydrogen (H 2 ) in the decomposition process of hydrocarbons a first step of generating
  • the third step of discharging nitrogen monoxide (NO) or nitrogen dioxide (NO 2 ) generated in the second step and hydrogen (H 2 ) generated in the first step as main products and discharging the solid carbon together with water may include
  • the plasma temperature generated in the water decomposition process may be generated in the form of a warm plasma in the range of 1000 to 2000K.
  • the plasma is discharged in the form of a jet through a narrow outlet from the high-temperature reaction zone, and the temperature of the second step product is rapidly lowered in the process of passing through the outlet to produce nitrogen monoxide (NO ) by inhibiting the oxidation reaction to nitrogen dioxide (NO 2 ), it is possible to increase the selectivity of nitrogen monoxide (NO).
  • the third step is a reaction in which nitrogen monoxide (NO) is oxidized to nitrogen dioxide (NO 2 ) by rapidly lowering the temperature in the process in which the plasma passes through the heat exchange unit provided at the outlet narrowing from the high-temperature reaction zone after the second step. By suppressing it, it is possible to increase the selectivity of nitrogen monoxide (NO).
  • NO nitrogen monoxide
  • Ammonia generating apparatus using water discharge by supplying water to plasma generated by nitrogen gas (N 2 ) as a discharge gas to generate hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) from water and oxygen (O 2 ) by reacting nitrogen (N 2 ) with a plasma decomposition reaction unit for generating nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO 2 ); a thermal decomposition reaction unit connected to the lower side of the plasma decomposition reaction unit to further supply hydrocarbons or hydrogen to an additional supply port to perform water decomposition and decomposition of hydrocarbons to generate solid carbon and hydrogen (H 2 ); and a synthesis catalyst unit connected to the pyrolysis reaction unit to synthesize hydrogen (H 2 ) and nitrogen monoxide (NO) separated from water to produce ammonia (NH 3 ).
  • Ammonia generation method using water discharge nitrogen (N 2 ), nitrogen monoxide (NO), nitrogen dioxide (NO 2 ) and hydrogen by supplying water to plasma generated by nitrogen gas as a discharge gas (H 2 )
  • a tenth step of discharging the exhaust gas A twentieth step of discharging solid carbon and hydrogen (H 2 ) obtained by performing water decomposition and decomposition of hydrocarbons by further supplying hydrocarbons or hydrogen subsequent to the tenth step;
  • the apparatus and method for generating ammonia for water discharge provides a discharge gas containing either hydrocarbon gas (eg, trace amount of methane) and hydrogen and nitrogen gas (N 2 ) to the discharge gas supply port by supplying plasma
  • Plasma discharge is generated in the decomposition reaction unit, and water is supplied to the plasma through the water supply unit to generate hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) from water, and oxygen (O) to remove the generated oxygen (O 2 ) 2 ) reacts with nitrogen (N 2 ) to produce nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO 2 ), obtaining hydrogen (H 2 ), and in the process of decomposing hydrocarbons, solid carbon and hydrogen (H 2 ), and when additional hydrocarbons or hydrogen are additionally supplied, solid carbon and hydrogen (H 2 ) may be further produced.
  • hydrocarbon gas eg, trace amount of methane
  • N 2 nitrogen gas
  • the ammonia generating apparatus and method using water discharge of an embodiment of the present invention uses a plasma generated from nitrogen gas (N 2 ) as a discharge gas and uses water as a raw material to generate hydrogen (H 2 ), and hydrogen (
  • nitrogen gas (N 2 ) is generated by reacting oxygen generated with nitrogen (N2) to remove oxygen (O 2 ) generated together with H 2 ).
  • Solid carbon and hydrogen (H 2 ) are produced, and ammonia can be produced from hydrogen and nitrogen monoxide (NO) in the synthesis catalyst.
  • ammonia (NH 3 ) hydrogen (H 2 ) and nitrogen monoxide (NO) are synthesized as a synthesis catalyst to produce ammonia (NH 3 ).
  • H 2 hydrogen
  • NO nitrogen monoxide
  • NH 3 ammonia
  • solid carbon is simultaneously produced in the plasma decomposition reaction section and the pyrolysis reaction section, so that when carbon is used, ammonia production cost can be reduced.
  • FIG. 1 is a block diagram of an ammonia generating apparatus using a water discharge according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the amounts of hydrogen and oxygen generated according to the wattage condition in the plasma decomposition reaction unit of FIG. 1 .
  • FIG. 3 is a configuration diagram of a plasma decomposition reaction unit applied to an ammonia generating apparatus using water discharge according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a configuration diagram of a plasma decomposition reaction unit applied to an ammonia generating apparatus using a water discharge according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a configuration diagram of a plasma decomposition reaction unit applied to an ammonia generating apparatus using water discharge according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of a plasma decomposition reaction unit applied to an ammonia generating apparatus using water discharge according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a configuration diagram of a plasma decomposition reaction unit applied to an ammonia generating apparatus using water discharge according to a sixth embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a configuration diagram of a plasma decomposition reaction unit applied to an ammonia generating apparatus using water discharge according to a seventh embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a flowchart of a method for generating ammonia using water discharge according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a flowchart for generating carbon, hydrogen, and nitrogen monoxide in the ammonia generation method using water discharge of FIG. 9 .
  • FIG. 11 is a block diagram of an ammonia generating apparatus using water discharge according to an eighth embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a block diagram of an ammonia generating apparatus using water discharge according to a ninth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a block diagram of an ammonia generating apparatus using water discharge according to a tenth embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a block diagram of an ammonia generating apparatus using water discharge according to an eleventh embodiment of the present invention.
  • 15 is a block diagram of an ammonia generating apparatus using water discharge according to a twelfth embodiment of the present invention.
  • 16 is a block diagram of an ammonia generating apparatus using water discharge according to a thirteenth embodiment of the present invention.
  • the ammonia generating apparatus 1 using water discharge according to the first embodiment includes a plasma decomposition reaction unit 101 , a thermal decomposition reaction unit 108 , and a synthesis catalyst unit 102 .
  • Plasma decomposition reaction unit 101 is any one of hydrocarbon gas and hydrogen and Hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) are generated from water by a water discharge that supplies (eg, sprays) water to plasma generated by a discharge gas containing nitrogen gas (N 2 ), and oxygen (O 2 ) is converted into nitrogen (N 2 ) and reacts to produce nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO 2 ), and is configured to produce solid carbon and hydrogen (H 2 ) in the process of decomposition of hydrocarbons.
  • Hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) are generated from water by a water discharge that supplies (eg, sprays) water to plasma generated by a discharge gas containing nitrogen gas (N 2 ), and oxygen (O 2 ) is converted into nitrogen (N 2 ) and reacts to produce nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO 2 ), and is configured to produce solid carbon and hydrogen (H 2 ) in the process of decomposition of hydrocarbons.
  • the thermal decomposition reaction unit 108 is connected to the lower side of the plasma decomposition reaction unit 101 and further supplies hydrocarbons (HC) such as methane or hydrogen to the additional supply port 701 to proceed with water decomposition and decomposition of hydrocarbons to perform solid carbon and hydrogen (H 2 ). Additional supply of hydrocarbon (HC) or hydrogen may or may not be selected as required.
  • hydrocarbons such as methane or hydrogen
  • the plasma decomposition reaction unit 101 may use nitrogen gas (N 2 ) as a discharge gas, in this case, the thermal decomposition reaction unit 108 is an additional supply port 701 such as hydrocarbon (HC) or hydrogen such as methane. By further supplying, water decomposition and hydrocarbon decomposition proceed to produce solid carbon and hydrogen (H 2 ).
  • nitrogen gas N 2
  • the thermal decomposition reaction unit 108 is an additional supply port 701 such as hydrocarbon (HC) or hydrogen such as methane.
  • the plasma decomposition reaction unit 101 includes a housing 10 , a high voltage electrode 20 , a discharge gas supply port 30 , a water supply unit 40 , and an extension part 52 .
  • the housing 10 forms a discharge space DV therein, and includes a narrowed portion 12 , a connecting portion 13 , and a discharge port 11 of a narrowed passage at the end of the connecting portion 13 .
  • the extended part 52 is connected to the discharge port 11 and connected to the extended part 70 of the pyrolysis reaction unit 108 in a state where the passage is widened and widened to supply solid carbon generated in the discharge space DV with the supplied water. together with the extension (70).
  • the thermal decomposition reaction unit 108 is connected to the extended portion 52 by an extension 70 to be connected to the extended portion 52 of the plasma decomposition reaction unit 101 .
  • the narrowed portion 12 , the connecting portion 13 , the expanded portion 52 , and the extended portion 70 stabilize the plasma arc PA during plasma discharge.
  • the synthesis catalyst unit 102 is connected to the thermal decomposition reaction unit 108 to synthesize the separated hydrogen (H 2 ) and nitrogen monoxide (NO) to generate ammonia (NH 3 ).
  • the synthesis catalyst part 102 is connected to the catalyst part discharge port 711 provided in the extension part 70 .
  • the synthesis catalyst unit 102 is a hydrocarbon gas and A catalytic reaction that produces ammonia (NH 3 ) with hydrogen (H 2 ) and nitrogen monoxide (NO) from a product caused by water discharge using a discharge gas containing nitrogen gas is configured to make ammonia (NH 3 ) do.
  • the synthesis catalyst unit 102 may have a structure in which the synthesis catalyst 54 is embedded.
  • the plasma decomposition reaction unit 101 may use a hydrocarbon gas such as methane and a gas containing trace nitrogen as the discharge gas.
  • a hydrocarbon gas such as methane and a gas containing trace nitrogen
  • solid carbon and hydrogen (H 2 ) can be obtained in the decomposition process of hydrocarbon water, and in this case, solid carbon is simultaneously produced in the ammonia (NH 3 ) production process. And when solid carbon is used, the production cost of ammonia can be greatly reduced.
  • the housing 10 is electrically grounded.
  • the high voltage electrode 20 is mounted on one side of the housing 10 and is connected to the high voltage HV to generate plasma discharge in the discharge space DV.
  • the discharge gas supply port 30 is one side of the high voltage electrode 20 with hydrocarbon gas and A discharge gas containing nitrogen gas (N 2 ) is supplied.
  • the water supply unit 40 may include a water spray nozzle for spraying water.
  • the water supply unit 40 may include a steam supply port for supplying steam.
  • the water spray nozzle sprays water (WSP1) to the nitrogen gas plasma from the front of the high voltage electrode 20 (the front part in the flow direction of nitrogen gas or plasma arc PA), decomposes to produce hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ), and by reacting oxygen (O 2 ) with nitrogen (N 2 ) to produce nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO 2 ), hydrogen ( H 2 ) and nitrogen monoxide (NO) are discharged to the discharge port (11).
  • the water supply unit 40 that is, the water spray nozzle is installed in the housing 10 in the middle of the longitudinal direction (the flow direction of nitrogen gas or plasma arc PA) of the discharge space DV, and water is supplied to the plasma arc of the plasma discharge.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the amounts of hydrogen and oxygen generated according to the wattage condition in the plasma decomposition reaction unit of FIG. 1 .
  • the plasma decomposition reaction unit 101 implements a relationship between a condition of an amount of power applied to the high voltage electrode 20 and a yield of hydrogen and oxygen.
  • the water supplied (sprayed) (WSP1) increases as the amount of energy (SEI) increases up to a specific energy, that is, the first amount of energy (SEI1).
  • SEI1 the water supplied (sprayed)
  • the amount of decomposed hydrogen and oxygen increases.
  • nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO 2 ) are generated by the reaction of nitrogen and oxygen while the combination of nitrogen and oxygen is increased.
  • the plasma decomposition reaction unit 101 mainly discharges hydrogen (H 2 ) and nitrogen monoxide (NO), and a relatively small amount of nitrogen dioxide (NO 2 ) compared to nitrogen monoxide (NO) It may be generated.
  • the main components of the product are hydrogen (H 2 ) and nitrogen monoxide (NO), and oxygen (O 2 ) disappears naturally.
  • the exhaust gas containing hydrogen (H 2 ) and nitrogen monoxide (NO) as main components is transferred from the plasma decomposition reaction unit 101 to the thermal decomposition reaction unit 108 and the synthesis catalyst 54 to be synthesized to produce ammonia.
  • the temperature required for the synthesis catalyst 54 can be adjusted. That is, through nitrogen gas plasma discharge, there is no oxygen (O 2 ), and a gas product containing nitrogen monoxide (NO) and hydrogen (H 2 ) as main components can be obtained.
  • the ammonia generating device 1 using water discharge further includes a recovery tank 60 .
  • the recovery tank 60 is provided below the thermal decomposition reaction unit 108 to supply solid carbon from the solid carbon and hydrogen (H 2 ) generated in the plasma decomposition reaction unit 101 and the thermal decomposition reaction unit 108 to the supplied water and It is stored together and discharged to the carbon outlet (50).
  • the carbon outlet 50 is provided at the lower side of the discharge space DV of the housing 10 to discharge solid carbon among the solid carbon and hydrogen (H2) generated in the discharge space DV together with the supplied water to generate ammonia Allows you to get carbon in the middle. At this time, water that is not vaporized among the water supplied (sprayed) (WSP1) is attached to the solid carbon to guide the solid carbon to the carbon outlet 50 .
  • WSP1 water that is not vaporized among the water supplied (sprayed)
  • exhaust gases of nitrogen monoxide (NO), nitrogen dioxide (NO 2 ) and hydrogen (H 2 ) are discharged to the carbon outlet 50 .
  • the undecomposed residues in the plasma decomposition reaction unit 101 are connected together with the supplied water 13 , the discharge port 11 , the extension portion 52 , and the extension portion 70 of the thermal decomposition reaction unit 108 . It cools while descending to the recovery tank 60 on the wall. Due to this cooling action, the exhaust gas discharged to the discharge port 711 of the extension part 70 is thermally controlled to a temperature more suitable for the catalytic reaction.
  • the synthesis catalyst unit 102 is connected to the discharge port 711 provided at the lower end of the extension unit 70, and hydrogen (H 2 ) and nitrogen monoxide (NO), which are discharged under thermal control, are combined with ammonia (NH) in the synthesis catalyst 54 . 3 ) to synthesize and recover.
  • the plasma decomposition reaction unit 2 applied to the ammonia generating apparatus using water discharge of the second embodiment includes a housing 10 , a high voltage electrode 20 , a discharge gas supply port 30 , and a water supply unit ( 41 ), and an extended portion 52 .
  • the housing 10 further includes a portion 12 in which the passage is narrowed in the discharge space DV, and a connection portion 13 connected to the narrowed portion 12 and having a discharge port 11 at the end.
  • the extended part 52 is connected to the discharge port 11 and connected to the extended part 70 of the pyrolysis reaction unit 108 in a state where the passage is widened and widened to supply solid carbon generated in the discharge space DV with the supplied water. together with the extension (70).
  • the water supply unit 41 supplies (as an example, spray) water to the nitrogen gas plasma from the front of the discharge space DV (WSP2), and decomposes the water into the nitrogen gas plasma to form hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) and oxygen (O 2 ) reacts with nitrogen (N 2 ) to generate nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO 2 ), and hydrogen (H 2 ) and nitrogen monoxide (NO) are discharged through the outlet (11) to be discharged with
  • the water supply part 41 is installed in the connection part 13 at the end of the narrowed part 12, and supplies (sprays as an example) water (WSP2) to the end of the plasma arc PA of the plasma discharge.
  • the water supply unit 41 supplies (sprays) water (WSP1) to the discharge space DV to the water supply unit 41 in the first embodiment, in the connection part 13 with a narrow passageway, the plasma arc (PA) It is possible to intensively supply (spray) water (WSP2) at the end.
  • the water supply part 41 installed in the connection part 13 of the narrow passage makes it possible to disassemble by supplying (spraying) water (WSP2) more intensively to the inside of the connection part 13 .
  • the supplied (sprayed) water can be decomposed by using the plasma arc (PA) discharge of the nitrogen gas plasma.
  • PA plasma arc
  • the amount of generated hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) decomposed from water is changed according to the condition of the amount of electric power (SEI) supplied to the high voltage electrode 20 for nitrogen gas plasma generation.
  • the plasma decomposition reaction unit 2 and the thermal decomposition reaction unit 108 generate solid carbon and hydrogen (H2) in the decomposition process of hydrocarbons, and water supplied with solid carbon among the generated solid carbon and hydrogen (H 2 ) It is stored with and discharged to the carbon outlet (50).
  • the plasma decomposition reaction unit 3 applied to the ammonia generating apparatus using water discharge according to the third embodiment includes a housing 10, a high voltage electrode 320, a discharge gas supply port 30, and a water supply unit ( 42 , and an expanded portion 52 .
  • the housing 10 further includes a portion 12 in which the passage is narrowed in the discharge space DV, and a connecting portion 13 connected to the narrowed portion 12 and having a discharge port 11 of the narrowed passage at the end.
  • the extended part 52 is connected to the discharge port 11 and connected to the extended part 70 of the pyrolysis reaction unit 108 in a state where the passage is widened and widened to supply solid carbon generated in the discharge space DV with the supplied water. together with the extension (70).
  • the water supply unit 42 is formed on the high voltage electrode 320 to supply (spray) water (WSP3) to the outside of the plasma arc PA of the nitrogen gas plasma discharge.
  • the water supply unit 42 supplies (sprays) water to the nitrogen gas plasma from the high voltage electrode 320 to the front and the side of the high voltage electrode 320 (WSP3), and decomposes the water into the nitrogen gas plasma to generate hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ), and by reacting oxygen (O 2 ) with nitrogen (N 2 ) to generate nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO 2 ), hydrogen (H 2 ) and nitrogen monoxide (NO) ) to be discharged to the outlet (11).
  • the water supply part 42 is installed at the center of the high voltage electrode 320 and is configured to supply (spray) (WSP3) water to the outside of the plasma arc PA of the nitrogen gas plasma discharge.
  • the water supply part 42 may be formed in the longitudinal direction from the center of the high voltage electrode 320 , and may be formed in plurality by branching toward the front and side of the high voltage electrode 320 . Accordingly, the water supplied (sprayed) (WSP3) from the water supply unit 42 may form a three-dimensional structure surrounding the front and sides of the high voltage electrode 320 .
  • the water supply part 42 may include a water spray nozzle, and the tip of the water spray nozzle may be positioned inside the high voltage electrode 320 . That is, since the outer surface of the high voltage electrode 320 protrudes from the tip of the water jet nozzle, it is possible to prevent a plasma arc from being generated at the tip of the water jet nozzle (which causes damage to the water jet nozzle).
  • the plasma decomposition reaction unit 3 and the thermal decomposition reaction unit 108 generate solid carbon and hydrogen (H2) in the decomposition process of hydrocarbons, and water supplied with solid carbon among the generated solid carbon and hydrogen (H 2 ) It is stored with and discharged to the carbon outlet (50).
  • the plasma decomposition reaction unit 4 applied to the ammonia generating apparatus using water discharge according to the fourth embodiment includes a housing 10, a high voltage electrode 420, a discharge gas supply port 30, and a water supply unit ( 43 ), and an expanded portion 52 .
  • the housing 10 further includes a portion 12 in which the passage is narrowed in the discharge space DV, and a connecting portion 13 connected to the narrowed portion 12 and having a discharge port 11 of the narrowed passage at the end.
  • the extended part 52 is connected to the discharge port 11 and connected to the extended part 70 of the pyrolysis reaction unit 108 in a state where the passage is widened and widened to supply solid carbon generated in the discharge space DV with the supplied water. together with the extension (70).
  • the water supply unit 43 is formed on the high voltage electrode 420 to supply (spray) water (WSP4) to the front of the plasma arc PA of the nitrogen gas plasma discharge.
  • the water supply unit 43 supplies (sprays) water to the nitrogen gas plasma from the high voltage electrode 420 to the front of the high voltage electrode 420 (WSP4), and decomposes the water into the nitrogen gas plasma to form hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) is generated, and oxygen (O 2 ) is reacted with nitrogen (N 2 ) to produce nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO 2 ), hydrogen (H 2 ) and nitrogen monoxide (NO) It is discharged through the outlet (11).
  • the discharge port 11 is configured in a converging-diverging structure, so that a product generated by spraying water into a plasma or nitrogen gas plasma is cooled while being discharged through the discharge port 11 .
  • the water supply unit 43 is installed in the center of the high voltage electrode 420 and is configured to supply (spray) water (WSP4) to the front of the plasma arc PA of the nitrogen gas plasma discharge.
  • the water supply part 43 may be formed in the longitudinal direction from the center of the high voltage electrode 420 and may be formed to face the front of the high voltage electrode 420 . Accordingly, water supplied (sprayed) (WSP4) from the water supply unit 43 may form a three-dimensional structure extending forward of the high voltage electrode 420 .
  • the water supply part 42 may include a water spray nozzle, and the tip of the water spray nozzle may be positioned inside the high voltage electrode 320 . That is, since the outer surface of the high voltage electrode 320 protrudes from the tip of the water jet nozzle, it is possible to prevent a plasma arc from being generated at the tip of the water jet nozzle (which causes damage to the water jet nozzle).
  • the plasma decomposition reaction unit 4 and the thermal decomposition reaction unit 108 generate solid carbon and hydrogen (H2) in the decomposition process of hydrocarbons, and supply solid carbon among the generated solid carbon and hydrogen (H 2 ) to water It is stored with and discharged to the carbon outlet (50).
  • the plasma decomposition reaction unit 5 applied to the ammonia generating apparatus using water discharge of the fifth embodiment includes an inductively coupled dielectric tube 510, a discharge coil 520, a discharge gas supply port 30, It includes a water supply part 44 and an extension part 52 .
  • the inductively coupled dielectric tube 510 further includes a portion 512 in which the passage is narrowed in the discharge space DV5, and a connection portion 513 connected to the narrowed portion 512 and having an outlet 11 of the narrowed passage at the end. .
  • the extended part 52 is connected to the discharge port 11 and connected to the extended part 70 of the pyrolysis reaction unit 108 in a state where the passage is widened and widened to supply solid carbon generated in the discharge space DV5 with the supplied water. together with the extension (70).
  • the inductively coupled dielectric tube 510 forms a discharge space DV5 therein and has a discharge port 11 at the end.
  • the discharge coil 520 is provided on the outer periphery of the inductively coupled dielectric tube 510 to generate an inductively coupled plasma discharge in the discharge space DV5.
  • the discharge gas supply port 30 supplies a discharge gas containing hydrocarbon gas and nitrogen gas (N 2 ) to one side of the inductively coupled dielectric tube 510 .
  • the water supply unit 44 may include a water spray nozzle for spraying water. Alternatively, the water supply unit 44 may include a steam supply port for supplying steam.
  • the water supply unit 44 supplies (sprays) water to the nitrogen gas inductively coupled plasma (ICP) of the discharge space (WSP5), and generates hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) from water and oxygen (O 2 ) reacts with nitrogen (N 2 ) to generate nitrogen monoxide (NO), so that hydrogen (H 2 ) and nitrogen monoxide (NO) are discharged to the outlet 11 .
  • ICP nitrogen gas inductively coupled plasma
  • WSP5 discharge space
  • NO nitrogen monoxide
  • the water supply unit 44 is provided on one side in the longitudinal direction (the flow direction of nitrogen gas and inductively coupled plasma) of the inductively coupled dielectric tube 510 to supply water to the inductively coupled plasma (ICP) of the discharge space (DV5) (spray) ) (WSP5).
  • ICP inductively coupled plasma
  • DV5 discharge space
  • WSP5 spray
  • the water supplied (sprayed) (WSP5) increases as the amount of power increases up to a specific energy and the first amount of power (SEI1)
  • the amount of hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) decomposed from the increases increases.
  • the plasma decomposition reaction unit 5 mainly discharges hydrogen (H 2 ) and nitrogen monoxide (NO), and a relatively small amount of nitrogen dioxide (NO 2 ) may be generated as compared to nitrogen monoxide (NO).
  • the plasma decomposition reaction unit 5 and the thermal decomposition reaction unit 108 generate solid carbon and hydrogen (H2) in the process of decomposing hydrocarbons, and supply solid carbon among the generated solid carbon and hydrogen (H 2 ) to water It is stored with and discharged to the carbon outlet (50).
  • the plasma decomposition reaction unit 6 applied to the ammonia generating apparatus using water discharge of the sixth embodiment includes an inductively coupled dielectric tube 510, a discharge coil 520, a discharge gas supply port 30, It includes a water supply part 45 and an extension part 52 .
  • the water supply part 45 is provided in front of the discharge coil 520 in the longitudinal direction of the inductively coupled dielectric tube 510 to supply (spray) water (WSP6) to the front of the inductive coupling plasma of the discharge space DV5.
  • WSP6 spray water
  • the water supply unit 45 supplies (sprays) water (WSP6) to the nitrogen gas inductively coupled plasma (ICP) from the front of the discharge space (DV5), and decomposes the water into nitrogen gas inductively coupled plasma (ICP) to generate hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) are produced, and oxygen (O 2 ) is reacted with nitrogen (N 2 ) to produce nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO 2 ), hydrogen (H 2 ) and nitrogen monoxide (NO) is discharged to the discharge port (11).
  • WSP6 sprays water
  • ICP nitrogen gas inductively coupled plasma
  • ICP nitrogen gas inductively coupled plasma
  • the water supply unit 45 intensively supplies (sprays) (WSP6) to the end of the inductively coupled plasma (ICP) of the inductively coupled plasma discharge.
  • WSP6 intensively supplies (sprays)
  • ICP inductively coupled plasma
  • the water supply part 45 concentrates water at the tip of the inductively coupled plasma (ICP) from the front. Can be supplied (sprayed) (WSP6).
  • WSP6 water supplied (sprayed) (WSP6) from the front of the plasma discharge space (DV5) using nitrogen gas as a discharge gas is supplied, part or all of the water is supplied according to the amount of power (SEI) supplied to generate inductively coupled plasma (ICP). It is vaporized or decomposed to generate hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ).
  • SEI power supplied to generate inductively coupled plasma
  • ICP inductively coupled plasma
  • H 2 hydrogen
  • O 2 oxygen
  • the water supply unit 44 installed in the front can be decomposed by supplying (spraying) water more intensively to the inductively coupled plasma (ICP) (WSP6).
  • WSP6 water supplied (sprayed)
  • SEI electric power
  • the plasma decomposition reaction unit 6 and the thermal decomposition reaction unit 108 generate solid carbon and hydrogen (H2) in the decomposition process of hydrocarbons, and supply solid carbon among the generated solid carbon and hydrogen (H 2 ) to water It is stored with and discharged to the carbon outlet (50).
  • the plasma decomposition reaction unit 7 applied to the ammonia generating apparatus using water discharge according to the seventh embodiment includes a housing 610 , a microwave guide 620 , a discharge gas supply port 30 , and a water supply unit. 44 and an expanded portion 52 .
  • the extended part 52 is connected to the discharge port 11 and connected to the extended part 70 of the pyrolysis reaction unit 108 in a state where the passage is widened and widened to supply solid carbon generated in the discharge space DV5 with the supplied water. together with the extension (70).
  • the housing 610 forms a discharge space DV therein and has a discharge port 11 at the end.
  • the microwave guide 620 is provided on the outside of the housing 610 to generate microwave plasma (MWP) in the discharge space (DV).
  • the discharge gas supply port 30 supplies nitrogen gas (N 2 ) to one side of the housing 610 .
  • the water supply unit 44 may include a water jet nozzle for spraying water, or the water supply unit 44 may include a steam supply port for supplying steam.
  • the water supply unit 44 supplies (sprays) water (WSP7) to the nitrogen gas microwave plasma (MWP) of the discharge space (DV) to generate hydrogen (H 2 ) and oxygen (O 2 ) from water. and oxygen (O 2 ) reacts with nitrogen (N 2 ) to generate nitrogen monoxide (NO), so that hydrogen (H 2 ) and nitrogen monoxide (NO) are discharged to the outlet 11 .
  • the water supply unit 44 is provided on one side in the longitudinal direction of the housing 610 to supply (spray) water (WSP7) to the microwave plasma MWP of the discharge space DV.
  • the plasma decomposition reaction unit 7 and the thermal decomposition reaction unit 108 generate solid carbon and hydrogen (H2) in the decomposition process of hydrocarbons, and water supplied with solid carbon among the generated solid carbon and hydrogen (H 2 ) It is stored with and discharged to the carbon outlet (50).
  • FIG. 9 is a flowchart of a method for generating ammonia using water discharge according to an embodiment of the present invention.
  • the method for generating ammonia using water discharge according to an embodiment includes a tenth step ( ST10 ), a twentieth step ( ST20 ), and a thirtieth step ( ST30 ).
  • any one of hydrocarbon gas and hydrogen A discharge gas containing nitrogen gas may be used, and in this case, in the twentieth step (ST20), one of hydrocarbon gas and hydrogen may or may not be supplied.
  • the tenth step (ST10) may use nitrogen gas as the discharge gas, in this case, the twentieth step (ST20) supplies one of hydrocarbon gas and hydrogen.
  • water is supplied to the plasma in the plasma decomposition reaction unit 101 to use plasma water discharge, and any one of hydrocarbon gas and hydrogen Discharge gas of nitrogen (N 2 ), nitrogen monoxide (NO), nitrogen dioxide (NO 2 ) and hydrogen (H 2 ) to the outlet 11 using a discharge gas containing nitrogen gas, and in the process of decomposing hydrocarbons Solid carbon and hydrogen (H 2 ) are primarily discharged.
  • the exhaust gas is discharged from the plasma decomposition reaction unit 101 to the synthesis catalyst unit 102 . Solid carbon and water are discharged to the water outlet (50).
  • one of hydrocarbon gas and hydrogen is further supplied following the tenth step (ST10), and solid carbon and hydrogen (H 2 ) obtained through water decomposition and hydrocarbon decomposition are discharged secondarily.
  • the carbon hydrogen generator 101 supplies water to the plasma to use plasma water discharge, and nitrogen (N 2 ), nitrogen monoxide (NO), The exhaust gas of nitrogen dioxide (NO 2 ) and hydrogen (H 2 ) may be discharged to the discharge port 11 .
  • the exhaust gas is discharged from the plasma decomposition reaction unit 101 to the synthesis catalyst unit 102 . Solid carbon and water are discharged to the water outlet (50).
  • hydrocarbon or hydrogen is further supplied following the 10th step (ST10) to proceed with water decomposition and decomposition of hydrocarbons and solid carbon and Hydrogen (H 2 ) may be discharged as a secondary.
  • the twentieth step ST20 may further include a twenty-first step ST21.
  • the heat exchange unit 103 exchanges heat under temperature conditions suitable for the catalytic reaction (see FIG. 11 ). .
  • the discharge of 102 is supplied to the synthesis catalyst 54 to synthesize ammonia, and the synthesized ammonia is discharged to the discharge port 51 of the catalyst unit.
  • the thirtieth step ST30 may further include a thirty-first step ST31 and a thirty-second step ST32.
  • step 31 ammonia (NH 3 ) liquid at room temperature synthesized after ammonia synthesis in the ammonia recovery unit 104 is separated from the remaining gas and recovered (see FIG. 12 ).
  • step 32 the gas separation unit 105 separates hydrogen and nitrogen from the remaining exhaust gas following the 31st step (ST31) (see FIG. 12 ).
  • a hydrocarbon gas such as methane and a gas including trace nitrogen may be used as the discharge gas.
  • solid carbon and hydrogen H 2
  • solid carbon is simultaneously produced in the process of generating ammonia (NH 3 ).
  • the production cost of ammonia can be greatly reduced.
  • the tenth step ST10 includes a first step ST1 , a second step ST2 , and a third step ST3 .
  • a hydrocarbon gas such as methane and a gas containing trace nitrogen
  • WSP1 water supplied (sprayed)
  • H 2 solid carbon and solid carbon in the decomposition process of hydrocarbons
  • the plasma temperature is generated in the form of a warm plasma in the range of 1000 to 2000 K so that the temperature is not excessively increased when the nitrogen gas plasma generated in the water decomposition process is generated.
  • the oxygen (O 2 ) generated in the water decomposition process of the first step (ST1) reacts with nitrogen (N 2 ), and nitrogen (N 2 ) that does not react with the gaseous product, It is composed of hydrogen (H 2 ), nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO 2 ).
  • the plasma is discharged in the form of a jet through the narrow outlet 11 from the high-temperature reaction zone to form a uniform high-temperature reaction space in the water decomposition space 108 . do.
  • the discharge port 11 is composed of a nozzle having a converging-diverging structure.
  • the temperature is rapidly lowered in the process in which the plasma passes through the heat exchange unit (refer to 103 of FIG. 11 ) provided in the outlet 11 narrowed from the high-temperature reaction zone after the second step ST2.
  • the ammonia generating apparatus 200 using water discharge according to the second embodiment further includes a heat exchange unit 103 in the plasma decomposition reaction unit 101 and the synthesis catalyst unit 102 .
  • the heat exchange unit 103 is provided inside the thermal decomposition reaction unit 108 between the plasma decomposition reaction unit 101 and the synthesis catalyst unit 102 , and nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide discharged from the plasma decomposition reaction unit 101 .
  • NO nitrogen monoxide
  • nitrogen dioxide discharged from the plasma decomposition reaction unit 101 .
  • NO 2 nitrogen monoxide
  • H 2 hydrogen
  • the exhaust gas is cooled and controlled to a temperature suitable for the catalytic reaction of the synthesis catalyst 54 .
  • the heat exchange unit 103 is connected to the outlet 132 to the water supply unit 40 supplied (sprayed) to the plasma decomposition reaction unit 101 by absorbing heat in the internal space with low-temperature water supplied to the inlet 131 . Therefore, the low-temperature water supplied to the inlet 131 absorbs heat from the internal space in the heat exchange unit 103, is supplied to the water supply unit 40 through the outlet 132, and is supplied (sprayed) to the discharge space DV ( WSP1).
  • water is heated in the thermal decomposition reaction unit 108 using the plasma heat of the exhaust gas discharged from the plasma decomposition reaction unit 101 to the discharge port 11, and the heated water is discharged through the discharge port 11 of the exhaust gas. It is heated to a temperature, and the heat is controlled so as to be suitable for the catalytic reaction.
  • the plasma decomposition reaction unit 101 generates solid carbon and hydrogen (H2) in the decomposition process of hydrocarbons, and stores the solid carbon among the generated solid carbon and hydrogen (H 2 ) together with the supplied water to carbon Discharge to the outlet (50).
  • Solid carbon generated in the discharge space (DV) and solid carbon in hydrogen (H 2 ) are discharged together with supplied water, so that carbon can be obtained during ammonia production.
  • FIG. 12 is a block diagram of an ammonia generating apparatus using water discharge according to a ninth embodiment of the present invention. 12 , the ammonia generating apparatus 300 using water discharge according to the ninth embodiment further includes an ammonia recovery unit 104 and a gas separation unit 105 .
  • the ammonia recovery unit 104 is disposed in front of the synthesis catalyst unit 102, that is, downstream (downstream), and is configured to recover the synthesized ammonia (NH 3 ).
  • the gas separation unit 105 is configured to separate hydrogen and nitrogen from the exhaust gas passed through the ammonia recovery unit 104 .
  • the plasma decomposition reaction unit 101 and the thermal decomposition reaction unit 108 generate solid carbon and hydrogen (H 2 ) in the decomposition process of hydrocarbons, and solid carbon among the generated solid carbon and hydrogen (H 2 ) It is stored together with the supplied water and discharged to the carbon outlet (50). Solid carbon generated in the discharge space (DV) and solid carbon in hydrogen (H 2 ) are discharged together with supplied water, so that carbon can be obtained during ammonia production.
  • FIG. 13 is a block diagram of an ammonia generating apparatus using water discharge according to a tenth embodiment of the present invention.
  • the synthesis catalyst unit 106 is connected to the discharge port 112 provided in the connection unit 13 of the plasma decomposition reaction unit 101 . do.
  • the synthesis catalyst unit 106 is connected to the discharge port 112 provided in the connection unit 13 positioned above the thermal decomposition reaction unit 109, and hydrogen (H 2 ) generated and discharged from the plasma decomposition reaction unit 101 and Nitrogen monoxide (NO) is synthesized and recovered as ammonia (NH 3 ) in the synthesis catalyst 54 .
  • the recovery tank 60 is connected to the extension part 70 of the pyrolysis reaction unit 109 in a state to be solid carbon and hydrogen (H 2 ) generated in the plasma decomposition reaction unit 101 and the pyrolysis reaction unit 109 . Carbon is stored together with the supplied water and discharged to the carbon outlet (50).
  • the apparatus 1 for generating ammonia using water discharge according to the eleventh embodiment further includes a heat exchange unit 203 .
  • the heat exchange unit 203 is provided between the discharge port 711 provided in the extension part 70 of the pyrolysis reaction part 108 and the synthesis catalyst part 108, and the product supplied from the extension part 70 is used for ammonia synthesis. Heat exchange under temperature conditions suitable for catalytic reaction
  • the ammonia generating device 805 using water discharge according to the twelfth embodiment further includes a heat exchange unit 204 .
  • the heat exchange unit 204 is provided inside the extension portion 70 of the thermal decomposition reaction unit 108 at the upper side of the discharge port 711 provided in the extension portion 70 of the thermal decomposition reaction unit 108, the extension portion 70
  • the product supplied from the top is heat exchanged under temperature conditions suitable for the catalytic reaction of ammonia synthesis.
  • FIG. 16 is a block diagram of an ammonia generating apparatus using water discharge according to a thirteenth embodiment of the present invention.
  • the passage between the extension 270 of the thermal decomposition reaction unit 107 and the recovery tank 60 is narrowed 271 and wide.
  • the branch includes a second extended portion 272 and a second connecting portion 273 connecting the narrowed portion 271 and the second extended portion 272 in a narrowed state.
  • the undecomposed residues in the plasma decomposition reaction unit 101 are connected together with the supplied water 13, the discharge port 11, the extended part 52, the extended part 70, the narrowed part 271, the first It cools while riding down the wall of the second connection part 273 and the second expansion part 272 and the recovery tank 60 . Due to this cooling action, the cooling efficiency of the exhaust gas discharged to the discharge port 711 is improved, and the exhaust gas is thermally controlled to a temperature more suitable for the catalytic reaction.
  • the synthesis catalyst unit 106 is connected to the discharge port 274 provided in the second connection unit 273, and heat-controlled discharged hydrogen (H 2 ) and nitrogen monoxide (NO) from the synthesis catalyst 54 to ammonia (NH 3 ) ) to be synthesized and recovered.
  • connection portion (second connection portion)
  • PA plasma arc
  • WSP4 WSP5, WSP6, WSP7 Supply (spray)

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 이용한 암모니아 생성 장치는, 질소가스(N2)를 방전가스로 발생한 플라즈마에 물을 공급하여 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)를 생성하는 플라즈마 분해 반응부, 상기 플라즈마 분해 반응부의 하방에 연결되어 추가 공급구로 탄화수소 또는 수소를 더 공급하여 물분해와 탄화수소의 분해를 진행하여 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성하는 열분해 반응부, 및 상기 열분해 반응부에 연결되어 물과 분리된 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 합성하여 암모니아(NH3)를 생성하는 합성촉매부를 포함한다.

Description

수방전을 이용한 암모니아 생성 장치 및 방법
본 발명은 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기 에너지 및 플라즈마를 이용하고 물을 원료로 사용하여 수소(H2)와 함께 생성된 산소(O2)를 제거하기 위해 생성된 산소를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성하고, 합성촉매를 통하여 일산화질소(NO)로 암모니아(NH3)를 생산하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치 및 방법에 관한 것이다.
알려진 바에 따르면, 암모니아는 인류의 삶을 바꾸어 놓은 대표적인 화합물들 중 하나이다. 암모니아의 인공 합성을 통해 인류의 농업생산성이 급격히 향상되었고, 이를 가능하게 한 것이 하버-보슈법(Haber-Bosch Process)이다. 하버-보슈법은 질소와 수소로부터 암모니아를 바로 합성하지만, 약 200 기압의 고압, 및 400~500℃ 정도의 고온 조건을 필요로 하기 때문에 공정의 에너지 비용이 매우 높은 문제점을 안고 있다. 인류가 사용하는 연간 에너지 소비의 2% 이상을 암모니아 생성에 사용하고 있을 정도이다. 이 때문에 하버-보슈법을 대체하기 위한 다양한 반응들이 연구되어 왔으나, 이렇다 할 성과를 보여주지 못하고 있다. 고온, 고압 조건에서 가능한 하버-보슈법의 특징으로 인하여, 암모니아 생산 공정은 대규모 플랜트 형태로 진행되고 있다.
한편, 신재생 에너지는 에너지원의 특성상, 생산 전력의 변동폭이 커서 잉여 전력이 상시 발생한다. 이러한 잉여 전력은 발생량이 시간에 따라 유동적이므로 예측이 어렵다. 이 때문에 시간에 대해 빠르게 부하 변동을 추종할 수 있는 형태의 활용처가 있다면 버려지는 에너지를 활용할 수 있는 가능성이 열리게 된다. 이러한 배경에서 부하변동에 빠르게 대응 가능하도록 상압 혹은 이에 준하는 높지 않은 압력 조건에서 하버-보슈법에 필적한 만한 에너지 비용으로 암모니아의 생성 반응을 얻을 수 있다면, 에너지 시스템에서 매우 획기적인 활용방안이 도출 될 수 있다.
하버-보슈법에서, 공정 비용이 높은 이유는 질소를 분해하는 과정이 매우 높은 활성화 에너지를 요구하기 때문이다. 높은 수율(YIELD)을 얻기 위해서 고온, 고압 조건으로 촉매반응을 진행하게 되는데 이 촉매반응과정에서 높은 공정 비용이 발생한다.
이에 비하여, 플라즈마는 질소가 분해 가능한 높은 온도 조건을 형성하기에 매우 용이한 장점을 가지고 있다. 그러나 플라즈마의 적용만 있을 경우도 질소를 분해할 수는 있지만 질소를 암모니아로 전환하기 위한 반응은 유도되지 않는다.
한편, 물을 분해해서 수소를 얻기 위해서 플라즈마를 적용하는 경우, 통상 플라즈마가 제공하는 높은 온도로 물이 분해되어 수소와 산소가 발생된다. 그러나 플라즈마로 물을 분해하는 경우, 생성물에 수소와 산소가 혼재되어 있기 때문에 폭발 위험성이 있고, 이로 인하여, 물 분해시, 분리막이 요구되며, 높은 수소 농도에서의 운전이 곤란한 문제점들이 도출된다.
질소가스(N2)로 물분위기 방전을 할 경우, 일산화질소(NO)와 수소(H2)가 생성되고, NO와 H로부터 암모니아(NH3)를 합성할 수 있게 된다. 다만. 이 경우 생성되는 NO와 H2의 비가 1:1에 가까운 비로 형성되어, 촉매 상에서 NH3 합성에 적합한 1:1.5 보다 작아 수소가 부족한 상태가 되어 NH3 합성의 수율이 떨어진다.
본 발명의 일 측면은 탄화수소 기체와 수소 중 하나와 질소가스(N2)를 포함하는 방전가스로 발생한 플라즈마를 이용하고 물을 원료로 하여 수소(H2)를 생성하며, 질소 플라즈마의 발생과정에서 수소(H2)와 함께 생성된 산소(O2)가 질소(N2)와 반응하여 일산화질소(NO)를 생성하고, (탄화수소 또는 수소를 추가로 공급할 수도 있음)탄화수소의 분해 과정에서 솔리드 카본(solid carbon)과 수소(H2)를 생성하며, 합성촉매에서 수소와 일산화질소(NO)로 암모니아를 생성하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 측면은 질소가스(N2)를 방전가스로 발생한 플라즈마를 이용하고 물을 원료로 하여 수소(H2)를 생성하며, 이 과정에서 수소(H2)와 함께 생성된 산소(O2)가 질소(N2)와 반응하여 일산화질소(NO)를 생성하고, 탄화수소 또는 수소를 공급하여 물분해와 탄화수소의 분해 과정에서 솔리드 카본(solid carbon)과 수소(H2)를 생성하며, 합성촉매에서 수소와 일산화질소(NO)로 암모니아를 생성하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 측면은 탄화수소의 분해 과정에서 생성되는 솔리드 카본을 생성되는 암모니아와 별도로 사용케 하므로 암모니아 생산 비용을 절감하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 이용한 암모니아 생성 장치는, 탄화수소 기체와 수소 중 어느 하나와 질소가스(N2)를 포함하는 방전가스로 발생한 플라즈마에 물을 공급하여 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)를 생성하며 탄화수소의 분해 과정에서 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성하는 플라즈마 분해 반응부; 상기 플라즈마 분해 반응부의 하방에 연결되어 물분해와 탄화수소의 분해를 진행하여 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성하는 열분해 반응부; 및 상기 열분해 반응부에 연결되어 물과 분리된 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 합성하여 암모니아(NH3)를 생성하는 합성촉매부를 포함한다.
상기 플라즈마 분해 반응부는 추가 공급구로 탄화수소 또는 수소를 더 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 이용한 암모니아 생성 장치는, 상기 플라즈마 분해 반응부와 상기 합성촉매부 사이의 상기 열분해 반응부에 내장되어 상기 플라즈마 분해 반응부에서 배출되는 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 수소(H2)의 배출가스를 냉각하여 상기 합성촉매의 촉매 반응에 적합한 온도로 제어하는 열교환부를 더 포함한다.
상기 열교환부는 입구로 공급되는 저온의 물로 상기 내부공간의 열을 흡수하여 상기 플라즈마 분해 반응부에 공급하는 물공급부에 출구로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 이용한 암모니아 생성 장치는, 상기 촉매합성부의 후류(downstream)에 배치되어 합성된 암모니아(NH3)를 회수하는 암모니아 회수부, 및 상기 암모니아 회수부를 경유한 배출가스에서 수소와 질소를 분리하는 가스분리부를 더 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 분해 반응부는, 전기적으로 접지되고 내부에 방전공간을 형성하고 끝에 좁아진 통로의 토출구를 구비하는 하우징, 상기 하우징의 일측에 장착되어 고전압에 연결되어 상기 방전공간에 플라즈마 방전을 일으키는 고전압전극, 상기 고전압전극의 일측으로 상기 방전가스를 공급하는 방전가스 공급구, 상기 고전압전극의 전방에서 상기 플라즈마에 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부, 및 상기 토출구에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 상기 열분해 반응부의 연장부에 연결되어 상기 방전공간에서 생성된 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 상기 연장부로 흘러내리는 확장부분을 포함할 수 있다.
상기 물공급부는 물을 분사하는 물분사 노즐 또는 스팀을 공급하는 스팀공급구를 포함할 수 있다.
상기 물분사 노즐은 상기 방전공간의 길이 방향의 중간에서 상기 하우징에 설치되어 물을 상기 플라즈마 방전의 플라즈마 아크 도중에 분사할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 이용한 암모니아 생성 장치는, 상기 열분해 반응부의 하방에 구비되어 상기 플라즈마 분해 반응부에서 생성된 솔리드 카본과 수소(H2) 중 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 저류하여 카본 배출구로 배출하는 회수조를 더 포함하며, 상기 합성촉매부는 상기 열분해 반응부의 하단 측방에 구비되는 토출구에 연결될 수 있다.
상기 플라즈마 분해 반응부는, 전기적으로 접지되고 내부에 방전공간을 형성하고 끝에 토출구를 구비하는 하우징, 상기 하우징의 일측에 장착되어 고전압에 연결되어 상기 방전공간에 플라즈마 방전을 일으키는 고전압전극, 상기 고전압전극의 일측으로 상기 방전가스를 공급하는 방전가스 공급구, 상기 방전공간에서 통로가 좁아진 부분, 및 상기 좁아진 부분에 연결되고 끝에 상기 토출구를 구비하는 연결부, 및 상기 좁아진 부분의 끝에서 상기 연결부에 설치되어 물을 상기 플라즈마 방전의 플라즈마 아크 끝에 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부, 및 상기 토출구에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 상기 열분해 반응부의 연장부에 연결되어 상기 방전공간에서 생성된 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 상기 연장부로 흘러내리는 확장부분을 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 분해 반응부는, 전기적으로 접지되고 내부에 방전공간을 형성하고 끝에 좁아진 통로의 토출구를 구비하는 하우징, 상기 하우징의 일측에 장착되어 고전압에 연결되어 상기 방전공간에 플라즈마 방전을 일으키는 고전압전극, 상기 고전압전극의 일측으로 상기 방전가스를 공급하는 방전가스 공급구, 상기 고전압 전극에 형성되어 상기 플라즈마 방전의 플라즈마 아크 외곽으로 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부, 및 상기 토출구에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 상기 열분해 반응부의 연장부에 연결되어 상기 방전공간에서 생성된 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 상기 연장부로 흘러내리는 확장부분을 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 분해 반응부는, 전기적으로 접지되고 내부에 방전공간을 형성하고 끝에 좁아진 통로의 토출구를 구비하는 하우징, 상기 하우징의 일측에 장착되어 고전압에 연결되어 상기 방전공간에 플라즈마 방전을 일으키는 고전압전극, 상기 고전압전극의 일측으로 상기 방전가스를 공급하는 방전가스 공급구, 상기 고전압전극에 형성되어 상기 플라즈마 방전의 플라즈마 아크 전방으로 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부, 및 상기 토출구에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 상기 열분해 반응부의 연장부에 연결되어 상기 방전공간에서 생성된 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 상기 연장부로 흘러내리는 확장부분을 포함할 수 있다.
상기 물공급부는 물분사 노즐을 포함하고, 상기 물분사 노즐의 팁은 상기 고전압전극의 내부로 인입되어 위치될 수 있다.
상기 토출구는 수축-확장(converging-diverging) 구조의 노즐로 구성되어, 플라즈마, 질소가스 플라즈마에 물을 분사하여 생성된 생성물이 상기 토출구를 통해 배출되면서 냉각될 수 있다.
상기 플라즈마 분해 반응부는, 내부에 방전공간을 형성하고 끝에 좁아진 통로의 토출구를 구비하는 유도결합 유전체 튜브, 상기 유도결합 유전체 튜브의 외주에 구비되어 방전공간에 유도결합플라즈마 방전을 일으키는 방전코일, 상기 유도결합 유전체 튜브의 일측으로 탄화수소 기체와 질소가스(N2)를 포함하는 방전가스를 공급하는 방전가스 공급구, 상기 방전공간의 유도결합플라즈마에 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부, 및 상기 토출구에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 상기 열분해 반응부의 연장부에 연결되어 상기 방전공간에서 생성된 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 상기 연장부로 흘러내리는 확장부분을 포함할 수 있다.
상기 물공급부는 물을 분사하는 물분사 노즐을 포함할 수 있다. 상기 물공급부는 스팀을 공급하는 스팀공급구를 포함할 수 있다.
상기 물공급부는 상기 유도결합 유전체 튜브의 길이 방향 일측에 구비되어, 상기 방전공간의 상기 유도결합플라즈마에 물을 공급할 수 있다.
상기 플라즈마 분해 반응부는, 내부에 방전공간을 형성하고 끝에 좁아진 통로의 토출구를 구비하는 유도결합 유전체 튜브, 상기 유도결합 유전체 튜브의 외주에 구비되어 방전공간에 유도결합플라즈마 방전을 일으키는 방전코일, 상기 유도결합 유전체 튜브의 일측으로 탄화수소 기체와 질소가스(N2)를 포함하는 방전가스를 공급하는 방전가스 공급구, 상기 유도결합 유전체 튜브의 길이 방향에서 상기 방전코일의 전방에 구비되어, 상기 방전공간의 유도결합플라즈마에 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부, 및 상기 토출구에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 상기 열분해 반응부의 연장부에 연결되어 상기 방전공간에서 생성된 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 상기 연장부로 흘러내리는 확장부분을 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 분해 반응부는, 내부에 방전공간을 형성하고 끝에 좁아진 토출구를 구비하는 하우징, 상기 하우징의 외부에 구비되어 방전공간에 마이크로 웨이브 플라즈마를 발생시키는 마이크로 웨이브 가이드, 상기 하우징의 일측으로 상기 방전가스를 공급하는 방전가스 공급구, 상기 방전공간의 상기 플라즈마에 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부, 및 상기 토출구에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 상기 열분해 반응부의 연장부에 연결되어 상기 방전공간에서 생성된 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 상기 연장부로 흘러내리는 확장부분을 포함할 수 있다.
상기 물공급부는 물을 분사하는 물분사 노즐 또는 스팀을 공급하는 스팀공급구를 포함할 수 있다.
상기 물공급부는 상기 하우징의 길이 방향 일측에 구비되어, 상기 방전공간의 상기 플라즈마에 물을 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 이용한 암모니아 생성 장치는, 상기 열분해 반응부에 연결되어, 상기 플라즈마 분해 반응부 및 상기 물분해 방응부에서 생성된 솔리드 카본과 수소(H2) 중 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 저류하여 카본 배출구로 배출하는 회수조;를 더 포함하며, 상기 합성촉매부는 상기 플라즈마 분해 반응부의 연결부에 구비되는 토출구에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 이용한 암모니아 생성 장치는, 상기 열분해 반응부의 토출구와 상기 합성촉매부 사이에 구비되는 열교환부;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 이용한 암모니아 생성 장치는, 상기 열분해 반응부의 토출구의 상측에서 상기 열분해 반응부의 내측에 구비되는 열교환부;를 더 포함할 수 있다.
상기 열분해 반응부와 회수조는, 서로 사이에 통로가 좁아지는 축소부분과 넓어지는 제2확장부분, 및 축소부분과 제2확장부분을 좁아진 제2연결부로 연결하며, 상기 합성촉매부는 상기 제2연결부에 구비되는 토출구에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 이용한 암모니아 생성 방법은, 탄화수소 기체와 수소 중 어느 하나와 질소가스를 포함하는 방전가스로 발생한 플라즈마에 물을 공급하여 질소(N2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 수소(H2)의 배출가스를 배출하고, 탄화수소의 분해 과정에서 얻은 솔리드 카본과 수소(H2)를 1차로 배출하는 제10단계; 상기 제10단계에 이어서 물분해와 탄화수소의 분해를 진행하여 얻은 솔리드 카본과 수소(H2)를 2차로 배출하는 제20단계; 및 상기 제10단계 및 상기 제20단계의 생성물인 질소(N2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 수소(H2)의 배출가스를 배출 합성촉매에 공급하여 암모니아를 합성하고 합성된 암모니아를 배출하는 제30단계를 포함한다.
상기 제20단계는 추가 공급구로 탄화수소 또는 수소를 더 공급할 수 있다.
상기 제20단계는 생성물을 암모니아 합성을 위한 상기 합성촉매에 공급하기 위해, 촉매 반응에 적절한 온도 조건으로 열교환 하는 제21단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제30단계는 암모니아 합성 후 합성된 상온에서 액상인 암모니아(NH3)를 나머지 기체와 분리하여 회수하는 제31단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제30단계는 상기 제31단계에 이어서 나머지 배출가스에서 수소와 질소를 분리하는 제32단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제10단계는 방전가스로 플라즈마를 발생하여 상기 플라즈마에서 제공되는 높은 에너지로 물을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하고, 탄화수소의 분해 과정에서 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성하는 제1단계, 상기 제1단계에서 분해된 산소가 플라즈마 발생 과정에서 생성된 질소(N2)와 반응하여 일산화질소(NO) 또는 이산화질소(NO2)를 생성하는 제2단계, 및 상기 제2단계에서 생성된 일산화질소(NO) 또는 이산화질소(NO2)와 상기 제1단계에서 생성된 수소(H2)를 주 생성물로 하여 배출하고 상기 솔리드 카본을 물과 함께 배출하는 제3단계를 포함할 수 있다.
상기 제1단계는 물분해 과정에서 발생되는 플라즈마 온도를 1000~2000K 범위의 웜플라즈마(warm plasma) 형태로 발생시킬 수 있다.
상기 제2단계는 상기 제1단계를 통해서 물분해 과정에서 생성된 모든 산소가 질소와 반응하게 되어, 기상의 생성물을 반응하지 않는 질소(N2), 수소(H2), 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)로 구성할 수 있다.
상기 제3단계는 상기 제2단계 이후 플라즈마가 고온의 반응대로부터 좁아지는 배출구를 통하여 제트 형태로 배출되면서, 상기 제2단계 생성물이 상기 배출구를 통과하는 과정에서 빠르게 온도를 저하시켜 일산화질소(NO)가 이산화질소(NO2)로 산화되는 반응을 억제하여, 일산화질소(NO)의 선택도를 높일 수 있다.
상기 제3단계는 상기 제2단계 이후 플라즈마가 고온의 반응대로부터 좁아지는 배출구에 구비되는 열교환부를 통과하는 과정에서 빠르게 온도를 저하시켜 일산화질소(NO)가 이산화질소(NO2)로 산화되는 반응을 억제하여, 일산화질소(NO)의 선택도를 높일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 이용한 암모니아 생성 장치는, 질소가스(N2)를 방전가스로 발생한 플라즈마에 물을 공급하여 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)를 생성하는 플라즈마 분해 반응부; 상기 플라즈마 분해 반응부의 하방에 연결되어 추가 공급구로 탄화수소 또는 수소를 더 공급하여 물분해와 탄화수소의 분해를 진행하여 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성하는 열분해 반응부; 및 상기 열분해 반응부에 연결되어 물과 분리된 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 합성하여 암모니아(NH3)를 생성하는 합성촉매부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 이용한 암모니아 생성 방법은, 질소가스를 방전가스로 발생한 플라즈마에 물을 공급하여 질소(N2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 수소(H2)의 배출가스를 배출하는 제10단계; 상기 제10단계에 이어서 탄화수소 또는 수소를 더 공급하여 물분해와 탄화수소의 분해를 진행하여 얻은 솔리드 카본과 수소(H2)를 배출하는 제20단계; 및 상기 제10단계 및 상기 제20단계의 생성물인 질소(N2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 수소(H2)의 배출가스를 배출 합성촉매에 공급하여 암모니아를 합성하고 합성된 암모니아를 배출하는 제30단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예의 수방전을 암모니아 생성 장치 및 방법은, 방전가스 공급구로 탄화수소 기체(예, 미량의 메탄)와 수소 중 어느 하나와 질소가스(N2)를 포함하는 방전가스를 공급하여 플라즈마 분해 반응부에서 플라즈마 방전을 일으키고, 물공급부로 플라즈마에 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고, 생성된 산소(O2)를 제거하기 위하여 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)를 생성케 하면서, 수소(H2)를 얻고, 탄화수소의 분해 과정에서 솔리드 카본(solid carbon)과 수소(H2)를 생성하며, 추가로 탄화수소 또는 수소를 더 공급하는 경우, 솔리드 카본(solid carbon)과 수소(H2)를 더 생성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예의 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치 및 방법은, 질소가스(N2)를 방전가스로 발생한 플라즈마를 이용하고 물을 원료로 하여 수소(H2)를 생성하며, 수소(H2)와 함께 생성된 산소(O2)를 제거하기 위해 생성된 산소를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성하고, 탄화수소 또는 수소를 공급하여 물분해와 탄화수소의 분해 과정에서 솔리드 카본(solid carbon)과 수소(H2)를 생성하며, 합성촉매에서 수소와 일산화질소(NO)로 암모니아를 생성할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예의 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치 및 방법은, 합성촉매부로 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 합성하여 암모니아(NH3)를 생성할 수 있고, 이 경우 암모니아(NH3) 생성 과정 중 플라즈마 분해 반응부 및 열분해 반응부에서 솔리드 카본을 동시에 생산하게 되어 카본을 활용할 경우 암모니아 생산 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 분해 반응부에서 전력량 조건에 따른 수소와 산소의 발생량의 관계를 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치에 적용되는 플라즈마 분해 반응부의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치에 적용되는 플라즈마 분해 반응부의 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치에 적용되는 플라즈마 분해 반응부의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제5실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치에 적용되는 플라즈마 분해 반응부의 구성도이다.
도 7은 본 발명의 제6실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치에 적용되는 플라즈마 분해 반응부의 구성도이다.
도 8은 본 발명의 제7실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치에 적용되는 플라즈마 분해 반응부의 구성도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법의 순서도이다.
도 10은 도 9의 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법 중 카본과 수소, 및 일산화질소를 생성하는 순서도이다.
도 11은 본 발명의 제8실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치의 구성도이다.
도 12는 본 발명의 제9실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치의 구성도이다.
도 13은 본 발명의 제10실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치의 구성도이다.
도 14는 본 발명의 제11실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치의 구성도이다.
도 15는 본 발명의 제12실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치의 구성도이다.
도 16은 본 발명의 제13실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치의 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아생성 장치의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 제1실시예의 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치(1)는 플라즈마 분해 반응부(101), 열분해 반응부(108)와 합성촉매부(102)를 포함한다.
플라즈마 분해 반응부(101)는 탄화수소 기체와 수소 중 어느 한 기체와 질소가스(N2)를 포함하는 방전가스로 발생한 플라즈마에 물을 공급(예, 분사)하는 수방전으로 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)를 생성하며, 탄화수소의 분해 과정에서 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성하도록 구성된다.
열분해 반응부(108)는 플라즈마 분해 반응부(101)에 하방에 연결되어 추가 공급구(701)로 메탄과 같은 탄화수소(HC) 또는 수소를 더 공급하여 물분해와 탄화수소의 분해를 진행하여 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성하도록 구성된다. 탄화수소(HC) 또는 수소의 추가 공급은 필요에 따라 선택할 수도 있고 선택하지 않을 수도 있다.
한편, 플라즈마 분해 반응부(101)가 질소가스(N2)를 방전가스로 사용할 수도 있는데, 이 경우, 열분해 반응부(108)는 추가 공급구(701)로 메탄과 같은 탄화수소(HC) 또는 수소를 더 공급하여, 물분해와 탄화수소의 분해를 진행하여 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성한다.
일례로써, 플라즈마 분해 반응부(101)는 하우징(10), 고전압전극(20), 방전가스 공급구(30), 물공급부(40), 및 확장부분(52)을 포함한다. 하우징(10)은 내부에 방전공간(DV)을 형성하고, 좁아진 부분(12), 연결부(13) 및 연결부(13)의 끝에 좁아진 통로의 토출구(11)를 구비한다. 확장부분(52)은 토출구(11)에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 열분해 반응부(108)의 연장부(70)에 연결되어 방전공간(DV)에서 생성된 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 연장부(70)로 흘러내리게 한다.
열분해 반응부(108)는 플라즈마 분해 반응부(101)의 확장부분(52)에 연결되기 위하여, 확장부분(52)에 연장부(70)로 연결된다. 좁아진 부분(12), 연결부(13), 확장부분(52) 및 연장부(70)는 플라즈마 방전시 플라즈마 아크(PA)를 안정시킨다.
합성촉매부(102)는 열분해 반응부(108)에 연결되어 분리된 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 합성하여 암모니아(NH3)를 생성하도록 구성된다. 일례로써, 합성촉매부(102)는 연장부(70)에 구비되는 촉매부 토출구(711)에 연결된다. 합성촉매부(102)는 탄화수소 기체와 질소가스를 포함하는 방전가스를 이용한 물 방전으로 인한 생성물로부터 수소(H2)와 일산화질소(NO)로 암모니아(NH3)를 생성하는 촉매 반응을 사용하여 암모니아(NH3)를 만들 수 있도록 구성된다. 일례로써, 합성촉매부(102)는 합성촉매(54)를 내장하는 구조로 형성될 수 있다.
탄화수소 기체와 질소가스를 포함하는 방전가스를 이용한 물 방전을 이용할 경우, 즉각적으로 방전을 통한 수소(H2) 및 일산화질소(NO)를 얻을 수 있고, 전력량의 공급에 따라 생성량을 유연하게 제어할 수 있다. 이를 통해서 신재생 에너지의 불연속적인 잉여 전기 공급 부하 변동에도 자유롭게 대응하여 수소(H2), 일산화질소(NO) 스트림(stream)을 생성해 낼 수 있다. 이 공정을 사용할 경우, 종래의 하버-보슈법에 근접하는 공정 비용으로 암모니아를 생산할 수 있다.
제1실시예의 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치(1)에서, 플라즈마 분해 반응부(101)는 메탄과 같은 탄화수소 기체와 미량 질소를 포함하는 기체를 방전가스로 사용할 수 있다. 이 방전가스로 플라즈마 방전을 일으키면, 탄화소수의 분해 과정에서 솔리드 카본(solid carbon)과 수소(H2)를 얻을 수 있고, 이 경우 암모니아(NH3) 생성 과정에서 솔리드 카본을 동시에 생산하게 된다. 그리고 솔리드 카본을 활용할 경우, 암모니아의 생산 비용이 크게 절감될 수 있다.
플라즈마 분해 반응부(101)에서 하우징(10)은 전기적으로 접지된다. 고전압전극(20)은 하우징(10)의 일측에 장착되며, 고전압(HV)에 연결되어 방전공간(DV)에 플라즈마 방전을 일으킨다. 방전가스 공급구(30)는 고전압전극(20)의 일측으로 탄화수소 기체와 질소가스(N2)를 포함하는 방전가스를 공급한다.
물공급부(40)는 물을 분사하는 물분사 노즐을 포함할 수 있다. 또는, 물공급부(40)는 스팀을 공급하는 스팀공급구를 포함할 수 있다. 일례로써, 물분사 노즐은 고전압전극(20)의 전방(질소가스 또는 플라즈마 아크(PA)의 흐름 방향에서 앞 부분)에서 질소가스 플라즈마에 물을 분사(WSP1)하여, 고온의 질소가스 플라즈마로 물을 분해하여 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고, 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)를 생성케 하여, 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 토출구(11)로 배출되게 한다.
물공급부(40), 즉 물분사 노즐은 방전공간(DV)의 길이 방향(질소가스 또는 플라즈마 아크(PA)의 흐름 방향)의 중간에서 하우징(10)에 설치되어, 물을 플라즈마 방전의 플라즈마 아크(PA)의 도중에 공급(분사)(WSP1)한다. 따라서 하우징(10)이 접지되므로 물공급부(40), 즉 물분사 노즐에서 공급(분사)(WSP1)되는 물이 접지된다.
탄화수소 기체와 질소가스(N2)를 방전가스로 하는 플라즈마 방전공간(DV)에 물을 공급하면, 질소가스 플라즈마 발생을 위해 공급한 고전압(HV)의 전력량에 따라 공급(분사)(WSP1)되는 물의 일부 또는 전부가 기화 또는 분해되어 수소(H2)와 산소(O2)를 발생시킨다. 이와 같이, 질소가스 플라즈마의 아크 방전을 이용하여 물을 분해할 수 있다.
H20 → H2 + ½O2
도 2는 도 1의 플라즈마 분해 반응부에서 전력량 조건에 따른 수소와 산소의 발생량의 관계를 도시한 그래프이다. 도 2를 참조하면, 플라즈마 분해 반응부(101)는 고전압전극(20)에 인가되는 전력량(power)의 조건과 수소와 산소의 발생량(yield)의 관계를 구현한다.
이때 질소가스 플라즈마 발생을 위하여 고전압전극(20)에 공급되는 전력량(SEI)의 조건에 따라 특정 에너지, 즉 제1전력량(SEI1)까지는 전력량(SEI)이 증가할수록 공급(분사)(WSP1)된 물로부터 분해된 수소와 산소의 생성량이 증가한다. 제1전력량(SEI1) 이상의 전력이 공급되면 질소와 산소의 결합이 증가하면서 질소와 산소의 반응에 의해 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)가 생성된다.
제1전력량(SEI1)에서 제2전력량(SEI2)까지는 전력량(SEI)을 증가할수록 공급(분사)(WSP1)된 물의 분해에서 생성된 산소(O2)가 질소(N2)와 결합하는 양이 증가하면서 배출되는 산소(O2)의 양이 점점 감소하다가 산소(O2)가 모두 소진된다. 이때, 플라즈마 분해 반응부(101)는 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 주로 배출하며, 일산화질소(NO)에 비하여 상대적으로 작은 양의 이산화질소(NO2)가 생성되게 할 수도 있다.
이와 같이, 질소가스 플라즈마로 물을 분해할 때, 생성물의 주성분은 수소(H2)와 일산화질소(NO)가 되고, 산소(O2)는 자연스럽게 사라진다. 수소(H2)와 일산화질소(NO)가 주성분인 배출가스는 플라즈마 분해 반응부(101)에서 열분해 반응부(108) 및 합성촉매(54)로 전달되어 합성됨으로써 암모니아를 생성하게 된다.
질소가스 플라즈마에 의해서 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 포함하는 배출가스가 가열되어 배출되므로 합성촉매(54)에 필요한 온도로 조절될 수 있다. 즉 질소가스 플라즈마 방전을 통해서 산소(O2)가 없고, 일산화질소(NO)와 수소(H2)를 주성분으로 하는 기체 생성물을 얻을 수 있게 된다.
한편, 플라즈마 분해 반응부(101) 및 열분해 반응부(108)는 탄화수소의 분해 과정에서 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성한다. 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치(1)는 회수조(60)를 더 포함한다. 회수조(60)는 열분해 반응부(108)의 하방에 구비되어 플라즈마 분해 반응부(101) 및 열분해 반응부(108)에서 생성된 솔리드 카본과 수소(H2) 중 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 저류하여 카본 배출구(50)로 배출한다.
카본 배출구(50)는 하우징(10)의 방전공간(DV)의 하측에 구비되어 방전공간(DV)에서 생성된 솔리드 카본과 수소(H2) 중 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 배출하여, 암모니아 생성 중에 카본을 얻을 수 있게 한다. 이때, 공급(분사)(WSP1)되는 물 중 기화되지 않은 물은 솔리드 카본에 부착되어 솔리드 카본을 카본 배출구(50)로 유도한다.
플라즈마 분해 반응부(101) 및 열분해 반응부(108)에서 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 수소(H2)의 배출가스가 카본 배출구(50)로 배출된다. 이때, 플라즈마 분해 반응부(101)에서 미분해된 잔여물은 공급된 물과 함께 연결부(13), 토출구(11), 확장부분(52) 및 열분해 반응부(108)의 연장부(70)의 벽을 타고 회수조(60)로 내려오면서 냉각 작용한다. 이 냉각 작용으로 인하여 연장부(70)의 토출구(711)로 배출되는 배출가스는 촉매 반응에 더 적합한 온도로 열제어된다.
한편, 플라즈마 분해 반응부(101)에서 상당한 양의 전력이 공급되기 때문에 물이 분해되는 고온의 반응영역이 아크 영역인 방전공간(DV)뿐만 아니라 그 후류로 상당히 넓게 형성된다. 후류로 형성되는 고온의 반응영역이 열분해 반응부(108)의 연장부(70)에 형성되기 때문에 아크 영역 이후에 메탄과 같은 탄화수소 또는 수소가 추가 공급구(701)로 공급되어도 분해되어 수소가 발생할 수 있다. 이와 같이 아크 영역 이후에 탄화수소를 공급할 경우, 솔리드 카본의 발생으로 인한 방전의 불안정화 가능성이 방지될 수 있다.
또한, 열분해 반응부(108)의 연장부(70) 내에서 탄화수소의 열분해에 의한 솔리드 카본 발생 시, 카본의 열복사(radiation)에 의해 미반응 물의 추가적인 분해 반응이 일어나 수소의 수율을 향상시킬 수 있게 된다. 수소의 수율 향상은 암모니아 합성 수율의 향상으로 이어진다.
합성촉매부(102)는 연장부(70)의 하단에 구비되는 토출구(711)에 연결되어, 열제어 배출되는 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 합성촉매(54)에서 암모니아(NH3)로 합성하여 회수하게 한다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치에 적용되는 플라즈마 분해 반응부의 구성도이다. 도 3을 참조하면, 제2실시예의 수방전을 이용한 암모니아생성 장치에 적용되는 플라즈마 분해 반응부(2)는 하우징(10), 고전압전극(20), 방전가스 공급구(30), 물공급부(41), 및 확장부분(52)을 포함한다. 하우징(10)은 방전공간(DV)에서 통로가 좁아진 부분(12), 및 좁아진 부분(12)에 연결되고 끝에 토출구(11)를 구비하는 연결부(13)를 더 구비한다. 확장부분(52)은 토출구(11)에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 열분해 반응부(108)의 연장부(70)에 연결되어 방전공간(DV)에서 생성된 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 연장부(70)로 흘러내리게 한다.
물공급부(41)는 방전공간(DV)의 전방에서 질소가스 플라즈마에 물을 공급(일례로써 분사)(WSP2)하여, 질소가스 플라즈마로 물을 분해하여 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고, 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)를 생성케 하여, 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 토출구(11)로 배출되게 한다. 물공급부(41)는 좁아진 부분(12)의 끝에 연결부(13)에 설치되어, 물을 플라즈마 방전의 플라즈마 아크(PA) 끝에 공급(일례로써 분사)(WSP2)한다.
물공급부(41)는 제1실시예에서 물공급부(41)로 방전공간(DV)에 물을 공급(분사)(WSP1)하는 구조에 비하여, 통로가 좁은 연결부(13)에서 플라즈마 아크(PA) 끝에 물을 집중적으로 공급(분사)(WSP2)할 수 있다.
질소가스를 방전기체로 하는 플라즈마 방전공간(DV)의 전방에서 공급(분사)(WSP2)되는 물을 공급하면, 플라즈마 발생을 위해 공급한 고전압(HV)의 전력량(SEI)에 따라 물의 일부 또는 전부가 기화 또는 분해되어 수소(H2)와 산소(O2)를 발생시킨다. 좁은 통로의 연결부(13)에 설치되는 물공급부(41)는 연결부(13)의 내부에 물을 보다 집중적으로 공급(분사)(WSP2)하여 분해할 수 있게 한다.
이와 같이, 질소가스 플라즈마의 플라즈마 아크(PA) 방전을 이용하여 공급(분사)(WSP2)된 물을 분해할 수 있다. 이때 질소가스 플라즈마 발생을 위하여 고전압전극(20)에 공급되는 전력량(SEI)의 조건에 따라 물로부터 분해된 수소(H2)와 산소(O2)의 생성량이 변화한다.
한편, 플라즈마 분해 반응부(2) 및 열분해 반응부(108)는 탄화수소의 분해 과정에서 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성하여, 생성된 솔리드 카본과 수소(H2) 중 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 저류하여 카본 배출구(50)로 배출한다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치에 적용되는 플라즈마 분해 반응부의 구성도이다. 도 4를 참조하면, 제3실시예의 수방전을 이용한 암모니아생성 장치에 적용되는 플라즈마 분해 반응부(3)는 하우징(10), 고전압전극(320), 방전가스 공급구(30), 물공급부(42), 및 확장부분(52)을 포함한다. 하우징(10)은 방전공간(DV)에서 통로가 좁아진 부분(12), 및 좁아진 부분(12)에 연결되고 끝에 좁아진 통로의 토출구(11)를 구비하는 연결부(13)를 더 구비한다. 확장부분(52)은 토출구(11)에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 열분해 반응부(108)의 연장부(70)에 연결되어 방전공간(DV)에서 생성된 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 연장부(70)로 흘러내리게 한다.
물공급부(42)는 고전압전극(320)에 형성되어 질소가스 플라즈마 방전의 플라즈마 아크(PA)의 외곽으로 물을 공급(분사)(WSP3)한다. 물공급부(42)는 고전압전극(320)에서 고전압전극(320)의 전방 및 측방으로 질소가스 플라즈마에 물을 공급(분사)(WSP3)하여, 질소가스 플라즈마로 물을 분해하여 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고, 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)를 생성케 하여, 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 토출구(11)로 배출되게 한다.
물공급부(42)는 고전압전극(320)의 중심에 설치되어 물을 질소가스 플라즈마 방전의 플라즈마 아크(PA) 외곽에 공급(분사)(WSP3)하도록 구성된다. 물공급부(42)는 고전압전극(320)의 중심에서 길이 방향으로 형성되고, 고전압전극(320)의 전방 및 측방을 향하도록 분지되어 복수로 형성될 수 있다. 따라서 물공급부(42)에서 공급(분사)(WSP3)되는 물은 고전압전극(320)의 전방 및 측방을 감싸는 입체 구조를 형성할 수 있다.
한편, 물공급부(42)가 물분사 노즐을 포함할 수 있는데, 물분사 노즐의 팁은 고전압전극(320)의 내부로 인입되어 위치될 수 있다. 즉, 고전압전극(320)의 외면이 물분사 노즐의 팁보다 돌출되어 있음으로써, 플라즈마 아크가 물분사 노즐의 팁으로 생성되는 것(이로 인하여 물분사 노즐이 손상되는 것)을 방지할 수 있다.
질소가스를 방전기체로 하는 질소가스 플라즈마의 방전공간(DV)에 물을 공급하면, 질소가스 플라즈마 발생을 위해 공급한 고전압(HV)의 전력량(SEI)에 따라 분사(WSP3)되는 물의 일부 또는 전부가 기화 또는 분해되어 수소(H2)와 산소(O2)를 발생시킨다. 이와 같이, 질소가스 플라즈마의 플라즈마 아크(PA) 방전을 이용하여 물을 분해할 수 있다.
한편, 플라즈마 분해 반응부(3) 및 열분해 반응부(108)는 탄화수소의 분해 과정에서 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성하여, 생성된 솔리드 카본과 수소(H2) 중 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 저류하여 카본 배출구(50)로 배출한다.
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치에 적용되는 플라즈마 분해 반응부의 구성도이다. 도 5를 참조하면, 제4실시예의 수방전을 이용한 암모니아생성 장치에 적용되는 플라즈마 분해 반응부(4)는 하우징(10), 고전압전극(420), 방전가스 공급구(30), 물공급부(43), 및 확장부분(52)을 포함한다. 하우징(10)은 방전공간(DV)에서 통로가 좁아진 부분(12), 및 좁아진 부분(12)에 연결되고 끝에 좁아진 통로의 토출구(11)를 구비하는 연결부(13)를 더 구비한다. 확장부분(52)은 토출구(11)에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 열분해 반응부(108)의 연장부(70)에 연결되어 방전공간(DV)에서 생성된 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 연장부(70)로 흘러내리게 한다.
물공급부(43)는 고전압전극(420)에 형성되어 질소가스 플라즈마 방전의 플라즈마 아크(PA)의 전방으로 물을 공급(분사)(WSP4)한다. 물공급부(43)는 고전압전극(420)에서 고전압전극(420)의 전방으로 질소가스 플라즈마에 물을 공급(분사)(WSP4)하여, 질소가스 플라즈마로 물을 분해하여 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고, 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)를 생성케 하여, 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 토출구(11)로 배출되게 한다. 토출구(11)는 수축-확장(converging-diverging) 구조로 구성되어, 플라즈마, 질소가스 플라즈마에 물을 분사하여 생성된 생성물이 토출구(11)를 통해 배출되면서 냉각되게 한다.
물공급부(43)는 고전압전극(420)의 중심에 설치되어 물을 질소가스 플라즈마 방전의 플라즈마 아크(PA) 전방에 공급(분사)(WSP4)하도록 구성된다. 물공급부(43)는 고전압전극(420)의 중심에서 길이 방향으로 형성되고, 고전압전극(420)의 전방을 향하도록 형성될 수 있다. 따라서 물공급부(43)에서 공급(분사)(WSP4)되는 물은 고전압전극(420)의 전방으로 뻗는 입체 구조를 형성할 수 있다.
한편, 물공급부(42)가 물분사 노즐을 포함할 수 있는데, 물분사 노즐의 팁은 고전압전극(320)의 내부로 인입되어 위치될 수 있다. 즉, 고전압전극(320)의 외면이 물분사 노즐의 팁보다 돌출되어 있음으로써, 플라즈마 아크가 물분사 노즐의 팁으로 생성되는 것(이로 인하여 물분사 노즐이 손상되는 것)을 방지할 수 있다.
질소가스를 방전기체로 하는 질소가스 플라즈마의 방전공간(DV)에 물을 공급하면, 질소가스 플라즈마 발생을 위해 공급한 고전압(HV)의 전력량(SEI)에 따라 공급(분사)(WSP4)되는 물의 일부 또는 전부가 기화 또는 분해되어 수소(H2)와 산소(O2)를 발생시킨다. 이와 같이, 플라즈마 아크(PA) 방전을 이용하여 물을 분해할 수 있다.
한편, 플라즈마 분해 반응부(4) 및 열분해 반응부(108)는 탄화수소의 분해 과정에서 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성하여, 생성된 솔리드 카본과 수소(H2) 중 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 저류하여 카본 배출구(50)로 배출한다.
도 6은 본 발명의 제5실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치에 적용되는 플라즈마 분해 반응부의 구성도이다. 도 6을 참조하면, 제5실시예의 수방전을 이용한 암모니아생성 장치에 적용되는 플라즈마 분해 반응부(5)는 유도결합 유전체 튜브(510), 방전코일(520), 방전가스 공급구(30), 물공급부(44) 및 확장부분(52)을 포함한다. 유도결합 유전체 튜브(510)은 방전공간(DV5)에서 통로가 좁아진 부분(512), 및 좁아진 부분(512)에 연결되고 끝에 좁아진 통로의 토출구(11)를 구비하는 연결부(513)를 더 구비한다. 확장부분(52)은 토출구(11)에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 열분해 반응부(108)의 연장부(70)에 연결되어 방전공간(DV5)에서 생성된 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 연장부(70)로 흘러내리게 한다.
일례로써, 유도결합 유전체 튜브(510)는 내부에 방전공간(DV5)을 형성하고 끝에 토출구(11)를 구비한다. 방전코일(520)은 유도결합 유전체 튜브(510)의 외주에 구비되어 방전공간(DV5)에 유도결합플라즈마 방전을 일으킨다. 방전가스 공급구(30)는 유도결합 유전체 튜브(510)의 일측으로 탄화수소 기체와 질소가스(N2)를 를 포함하는 방전가스를 공급한다.
물공급부(44)는 물을 분사하는 물분사 노즐을 포함할 수 있다. 또는, 물공급부(44)는 스팀을 공급하는 스팀공급구를 포함할 수 있다. 물공급부(44)는 방전공간의 질소가스 유도결합플라즈마(ICP)에 물을 공급(분사)(WSP5)하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 토출구(11)로 배출되게 한다.
물공급부(44)는 유도결합 유전체 튜브(510)의 길이 방향(질소가스 및 유도결합플라즈마의 흐름 방향) 일측에 구비되어, 방전공간(DV5)의 유도결합플라즈마(ICP)에 물을 공급(분사)(WSP5)한다.
질소가스를 방전기체로 하는 플라즈마 방전공간(DV5)에 물을 공급하면, 유도결합플라즈마(ICP) 발생을 위해 공급한 전력량(SEI)에 따라 공급(분사)(WSP5)되는 물의 일부 또는 전부가 기화 또는 분해되어 수소(H2)와 산소(O2)를 발생시킨다. 이와 같이, 유도결합플라즈마 방전을 이용하여 물을 분해할 수 있다.
이때 유도결합플라즈마(ICP)의 발생을 위하여 방전코일(520)에 공급되는 전력량(SEI)의 조건에 따라 특정 에너지, 제1전력량(SEI1)까지는 전력량이 증가할수록 공급(분사)(WSP5)된 물로부터 분해된 수소(H2)와 산소(O2)의 생성량이 증가한다. 제1전력량(SEI1) 이상의 전력이 공급되면 질소(N2)와 산소(O2)의 결합이 증가하면서 질소(N2)와 산소(O2)의 반응에 의해 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)가 생성된다.
제1전력량(SEI1)에서 제2전력량(SEI2)까지는 사용되는 전력을 증가할수록 공급(분사)(WSP5)된 물의 분해에서 생성된 산소(O2)가 질소(N2)와 결합하는 양이 증가하면서 배출되는 산소(O2)의 양이 점점 감소하다가 산소(O2)가 모두 소진된다. 플라즈마 분해 반응부(5)는 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 주로 배출하며, 일산화질소(NO)에 비하여 상대적으로 작은 양의 이산화질소(NO2)가 생성되게 할 수도 있다.
이와 같이, 질소가스 유도결합플라즈마(ICP)로 물을 분해할 때, 생성물의 주성분은 수소(H2)와 일산화질소(NO)가 되고 산소는 자연스럽게 사라진다. 수소(H2)와 일산화질소(NO)가 주성분인 배출가스는 수방전을 이용한 암모니아생성 장치를 구성할 때, 합성촉매로 전달되어 합성됨으로써 암모니아를 생성하게 된다.
한편, 플라즈마 분해 반응부(5) 및 열분해 반응부(108)는 탄화수소의 분해 과정에서 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성하여, 생성된 솔리드 카본과 수소(H2) 중 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 저류하여 카본 배출구(50)로 배출한다.
도 7은 본 발명의 제6실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치에 적용되는 플라즈마 분해 반응부의 구성도이다. 도 7을 참조하면, 제6실시예의 수방전을 이용한 암모니아생성 장치에 적용되는 플라즈마 분해 반응부(6)는 유도결합 유전체 튜브(510), 방전코일(520), 방전가스 공급구(30), 물공급부(45) 및 확장부분(52)을 포함한다.
물공급부(45)는 유도결합 유전체 튜브(510)의 길이 방향에서 방전코일(520)의 전방에 구비되어, 방전공간(DV5)의 유도결합플라즈마 전방에 물을 공급(분사)(WSP6)한다.
물공급부(45)는 방전공간(DV5)의 전방에서 질소가스 유도결합플라즈마(ICP)에 물을 공급(분사)(WSP6)하여, 질소가스 유도결합플라즈마(ICP)로 물을 분해하여 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고, 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)를 생성케 하여, 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 토출구(11)로 배출되게 한다.
물공급부(45)는 유도결합플라즈마 방전의 유도결합플라즈마(ICP) 끝에 집중적으로 공급(분사)(WSP6)한다. 물공급부(45)는 제5실시예에서 물공급부(44)로 방전공간(DV5)에 물을 공급(분사)(WSP5)하는 구조에 비하여, 전방에서 유도결합플라즈마(ICP) 끝에 물을 집중적으로 공급(분사)(WSP6)할 수 있다.
질소가스를 방전기체로 하는 플라즈마 방전공간(DV5)의 전방에서 공급(분사)(WSP6)되는 물을 공급하면, 유도결합플라즈마(ICP) 발생을 위해 공급한 전력량(SEI)에 따라 물의 일부 또는 전부가 기화 또는 분해되어 수소(H2)와 산소(O2)를 발생시킨다. 전방에 설치되는 물공급부(44)는 유도결합 플라즈마(ICP)에 물을 보다 집중적으로 공급(분사)(WSP6)하여 분해할 수 있게 한다.
이와 같이, 유도결합플라즈마 방전을 이용하여 공급(분사)(WSP6)된 물을 분해할 수 있다. 이때 유도결합플라즈마 발생을 위하여 방전코일(520)에 공급되는 전력량(SEI)의 조건에 따라 물로부터 분해된 수소와 산소의 생성량이 변화한다.
한편, 플라즈마 분해 반응부(6) 및 열분해 반응부(108)는 탄화수소의 분해 과정에서 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성하여, 생성된 솔리드 카본과 수소(H2) 중 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 저류하여 카본 배출구(50)로 배출한다.
도 8은 본 발명의 제7실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치에 적용되는 플라즈마 분해 반응부의 구성도이다. 도 8을 참조하면, 제7실시예의 수방전을 이용한 암모니아생성 장치에 적용되는 플라즈마 분해 반응부(7)는 하우징(610), 마이크로 웨이브 가이드(620), 방전가스 공급구(30), 물공급부(44) 및 확장부분(52)을 포함한다. 확장부분(52)은 토출구(11)에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 열분해 반응부(108)의 연장부(70)에 연결되어 방전공간(DV5)에서 생성된 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 연장부(70)로 흘러내리게 한다.
하우징(610)은 내부에 방전공간(DV)을 형성하고 끝에 토출구(11)를 구비한다. 마이크로 웨이브 가이드(620)는 하우징(610)의 외부에 구비되어 방전공간(DV)에 마이크로 웨이브 플라즈마(MWP)를 발생시킨다. 방전가스 공급구(30)는 하우징(610)의 일측으로 질소가스(N2)를 공급한다.
물공급부(44)는 물을 분사하는 물분사 노즐를 포함할 수 있다, 또는 물공급부(44)는 스팀을 공급하는 스팀공급구를 포함할 수 있다. 일례로써, 물공급부(44)는 방전공간(DV)의 질소가스 마이크로 웨이브 플라즈마(MWP)에 물을 공급(분사)(WSP7)하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구(11)로 배출되게 한다. 물공급부(44)는 하우징(610)의 길이 방향 일측에 구비되어, 방전공간(DV)의 마이크로 웨이브 플라즈마(MWP)에 물을 공급(분사)(WSP7)한다.
질소가스를 방전기체로 하는 방전공간(DV)에 물을 공급하면, 마이크로 웨이브 플라즈마 발생을 위해 공급한 전력량에 따라 공급(분사)(WSP7)되는 물의 일부 또는 전부가 기화 또는 분해되어 수소(H2)와 산소(O2)를 발생시킨다. 이와 같이, 마이크로 웨이브 플라즈마 방전을 이용하여 물을 분해할 수 있다.
한편, 플라즈마 분해 반응부(7) 및 열분해 반응부(108)는 탄화수소의 분해 과정에서 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성하여, 생성된 솔리드 카본과 수소(H2) 중 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 저류하여 카본 배출구(50)로 배출한다.
이하에서는 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법에 대하여 설명한다. 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법의 순서도이다. 도 9를 참조하면, 일 실시예의 수방전을 이용한 암모니아생성 방법은 제10단계(ST10), 제20단계(ST20) 및 제30단계(ST30)를 포함한다.
제10단계(ST10)는 탄화수소 기체와 수소 중 어느 하나와 질소가스를 포함하는 방전가스를 사용할 수 있고, 이 경우, 제20단계(ST20)는 탄화수소 기체와 수소 중 하나를 더 공급할 수도 있고, 공급하지 않을 수도 있다. 또한 제10단계(ST10)는 질소가스를 방전가스로 사용할 수 있으며, 이 경우, 제20단계(ST20)는 탄화수소 기체와 수소 중 하나를 공급한다.
제10단계(ST10)는 플라즈마 분해 반응부(101)에서 플라즈마에 물을 공급하여 플라즈마 수방전을 이용하며, 탄화수소 기체와 수소 중 어느 하나와 질소가스를 포함하는 방전가스를 사용하여 질소(N2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 수소(H2)의 배출가스를 토출구(11)로 배출하고, 탄화수소의 분해 과정에서 솔리드 카본과 수소(H2)를 1차로 배출한다. 배출가스는 플라즈마 분해 반응부(101)에서 합성촉매부(102)로 배출된다. 솔리드 카본과 물은 물 배출구(50)로 배출한다.
제20단계(ST20)는 제10단계(ST10)에 이어서 탄화수소 기체와 수소 중 하나를 더 공급하여 물분해와 탄화수소의 분해를 진행하여 얻은 솔리드 카본과 수소(H2)를 2차로 배출한다.
또한, 제10단계(ST10)는 카본 수소 생성부(101)에서 플라즈마에 물을 공급하여 플라즈마 수방전을 이용하며, 질소가스를 방전가스로 사용하여 질소(N2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 수소(H2)의 배출가스를 토출구(11)로 배출할 수 있다. 배출가스는 플라즈마 분해 반응부(101)에서 합성촉매부(102)로 배출된다. 솔리드 카본과 물은 물 배출구(50)로 배출한다.
제20단계(ST20)에서는 합성촉매(54)에서 필요로 하는 수소 공급량의 필요에 따라 제10단계(ST10)에 이어서 탄화수소 또는 수소를 더 공급하여 물분해와 탄화수소의 분해를 진행하여 얻은 솔리드 카본과 수소(H2)를 2차로 배출할 수도 있다.
제20단계(ST20)는 제21단계(ST21)를 더 포함할 수 있다. 제1단계(ST21)는 생성물을 암모니아 합성을 위한 합성촉매부(102)의 합성촉매(54)에 공급하기 위해, 열교환부(103)에서 촉매 반응에 적절한 온도 조건으로 열교환 한다(도 11 참조).
제30단계(ST30)는 합성촉매부(102)에서 플라즈마 수방전의 생성물인 질소(N2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 수소(H2)의 배출가스를 합성촉매부(102)의 배출 합성촉매(54)에 공급하여 암모니아를 합성하고 합성된 암모니아를 촉매부 토출구(51)로 배출한다.
제30단계(ST30)는 제31단계(ST31) 및 제32단계(ST32)를 더 포함할 수 있다. 제31단계(ST31)는 암모니아 회수부(104)에서 암모니아 합성 후 합성된 상온에서 액상인 암모니아(NH3)를 나머지 기체와 분리하여 회수한다(도 12 참조). 제32단계(ST32)는 가스분리부(105)에서 제31단계(ST31)에 이어서 나머지 배출가스에서 수소와 질소를 분리한다(도 12 참조).
일 실시예의 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법은 메탄과 같은 탄화수소 기체와 미량 질소를 포함하는 기체를 방전기체로 사용할 수 있다. 이 방전기체로 플라즈마 방전을 일으키면, 탄화소수의 분해 과정에서 솔리드 카본(solid carbon)과 수소(H2)를 얻을 수 있고, 이 경우 암모니아(NH3) 생성 과정에서 솔리드 카본을 동시에 생산하게 된다. 그리고 솔리드 카본을 활용할 경우, 암모니아의 생산 비용을 크게 절감될 수 있다.
도 10은 도 9의 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법 중 카본과 수소, 및 일산화질소를 생성하는 순서도이다. 도 10을 참조하면, 제10단계(ST10)는 제1단계(ST1), 제2단계(ST2) 및 제3단계(ST3)를 포함한다.
제1단계(ST1)는 메탄과 같은 탄화수소 기체와 미량 질소를 포함하는 기체를 방전가스로 사용하여, 플라즈마를 발생하여 질소가스 플라즈마에서 제공되는 높은 에너지로 공급된(분사)(WSP1)된 물을 수소와 산소의 2:1 몰비로 분해하고, 탄화수소의 분해 과정에서 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성한다.
제1단계(ST1)는 물분해 과정에서 발생되는 질소가스 플라즈마 발생 시 온도가 과도하게 높아지지 않도록 플라즈마 온도를 1000~2000K 범위의 웜플라즈마(warm plasma) 형태로 발생시킨다.
제2단계(ST2)는 제1단계(ST1)의 물분해 과정에서 생성된 모든 산소(O2)가 질소(N2)와 반응하게 되어, 기상의 생성물을 반응하지 않는 질소(N2), 수소(H2), 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)로 구성한다.
제3단계(ST3)는 제2단계(ST2) 이후 플라즈마가 고온의 반응대로부터 좁아지는 배출구(11)를 통하여 제트 형태로 배출되면서 물분해 공간(108)에서 균일한 고온의 반응공간을 형성하게 된다.
제3단계(ST3)는 질소가스 플라즈마 방전을 통해서 산소(O2) 없이 일산화질소(NO)와 수소(H2)를 주 성분으로 하는 기체 생성물로 하여 배출하고, 솔리드 카본을 물과 함께 배출하므로 기체 생성물과 솔리드 카본을 얻을 수 있다. 토출구(11)는 수축-확장(converging-diverging) 구조의 노즐로 구성된다.
또한, 제3단계(ST3)는 제2단계(ST2) 이후 플라즈마가 고온의 반응대로부터 좁아지는 배출구(11)에 구비되는 열교환부(도 11의 103 참조)를 통과하는 과정에서 빠르게 온도를 저하시켜 일산화질소(NO)가 이산화질소(NO2)로 산화되는 반응을 억제하여, 일산화질소(NO)의 선택도를 높일 수 있다.
도 11은 본 발명의 제8실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치의 구성도이다. 도 11을 참조하면, 제2실시예의 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치(200)는 플라즈마 분해 반응부(101)와 합성촉매부(102)에 열교환부(103)를 더 포함한다.
열교환부(103)는 플라즈마 분해 반응부(101)와 합성촉매부(102) 사이의 열분해 반응부(108) 내장에 구비되어, 플라즈마 분해 반응부(101)에서 배출되는 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 수소(H2)의 배출가스를 냉각하여 합성촉매(54)의 촉매 반응에 적합한 온도로 제어한다.
열교환부(103)는 입구(131)로 공급되는 저온의 물로 내부공간의 열을 흡수하여 플라즈마 분해 반응부(101)에 공급(분사)되는 물공급부(40)에 출구(132)로 연결된다. 따라서 입구(131)로 공급되는 저온의 물은 열교환부(103)에서 내부공간의 열을 흡수하여 출구(132)를 통하여 물공급부(40)로 공급되어 방전공간(DV)에 공급(분사)(WSP1)된다.
즉 플라즈마 분해 반응부(101)에서 토출구(11)로 배출되는 배출가스의 플라즈마 열을 이용하여 열분해 반응부(108)에서 물을 가열하고, 가열된 물을 토출구(11)로 배출되는 배출가스의 온도로 가열하여, 촉매 반응에 적합하도록 열제어한다.
이때, 한편, 플라즈마 분해 반응부(101)는 탄화수소의 분해 과정에서 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성하여, 생성된 솔리드 카본과 수소(H2) 중 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 저류하여 카본 배출구(50)로 배출한다. 방전공간(DV)에서 생성된 솔리드 카본과 수소(H2) 중 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 배출하여, 암모니아 생성 중에 카본을 얻을 수 있게 한다.
도 12는 본 발명의 제9실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치의 구성도이다. 도 12를 참조하면, 제9실시예의 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치(300)는 암모니아 회수부(104) 및 가스분리부(105)를 더 포함한다.
암모니아 회수부(104)는 합성촉매부(102)의 전방, 즉 후류(downstream)에 배치되어 합성된 암모니아(NH3)를 회수하도록 구성된다. 가스분리부(105)는 암모니아 회수부(104)를 경유한 배출가스에서 수소와 질소를 분리하도록 구성된다.
이때, 한편, 플라즈마 분해 반응부(101) 및 열분해 반응부(108)는 탄화수소의 분해 과정에서 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성하여, 생성된 솔리드 카본과 수소(H2) 중 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 저류하여 카본 배출구(50)로 배출한다. 방전공간(DV)에서 생성된 솔리드 카본과 수소(H2) 중 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 배출하여, 암모니아 생성 중에 카본을 얻을 수 있게 한다.
도 13은 본 발명의 제10실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치의 구성도이다. 도 13을 참조하면, 제10실시예의 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치(802)에서, 합성촉매부(106)는 플라즈마 분해 반응부(101)의 연결부(13)에 구비되는 토출구(112)에 연결된다.
합성촉매부(106)는 열분해 반응부(109)의 상부에 위치하는 연결부(13)에 구비되는 토출구(112)에 연결되어, 플라즈마 분해 반응부(101)에서 생성 배출되는 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 합성촉매(54)에서 암모니아(NH3)로 합성하여 회수하게 한다.
회수조(60)는 상태로 열분해 반응부(109)의 연장부(70)에 연결되어 플라즈마 분해 반응부(101) 및 열분해 반응부(109)에서 생성된 솔리드 카본과 수소(H2) 중 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 저류하여 카본 배출구(50)로 배출한다.
도 14는 본 발명의 제11실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치의 구성도이다. 도 13을 참조하면, 제11실시예의 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치(1)는 열교환부(203)를 더 포함한다.
열교환부(203)는 열분해 반응부(108)의 연장부(70)에 구비되는 토출구(711)와 합성촉매부(108) 사이에 구비되어, 연장부(70)로부터 공급되는 생성물을 암모니아 합성의 촉매 반응에 적절한 온도 조건으로 열교환 한다
도 15는 본 발명의 제12실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치의 구성도이다. 도 15를 참조하면, 제12실시예의 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치(805)는 열교환부(204)를 더 포함한다.
열교환부(204)는 열분해 반응부(108)의 연장부(70) 내에 구비되는 토출구(711)의 상측에서 열분해 반응부(108) 연장부(70)의 내측에 구비되어, 연장부(70)의 상부로부터 공급되는 생성물을 암모니아 합성의 촉매 반응에 적절한 온도 조건으로 열교환 한다.
도 16은 본 발명의 제13실시예에 따른 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치의 구성도이다. 도 16을 참조하면, 제13실시예의 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치(806)는 열분해 반응부(107)의 연장부(270)와 회수조(60) 사이에 통로가 좁아진 부분(271)과 넓어지는 제2확장부분(272), 및 좁아진 부분(271)과 제2확장부분(272)을 좁아진 상태로 연결하는 제2연결부(273)를 포함한다.
이때, 플라즈마 분해 반응부(101)에서 미분해된 잔여물은 공급된 물과 함께 연결부(13), 토출구(11), 확장부분(52), 연장부(70), 좁아진 부분(271), 제2연결부(273) 및 제2확장부분(272) 및 회수조(60)의 벽을 타고 내려오면서 냉각 작용한다. 이 냉각 작용으로 인하여 토출구(711)로 배출되는 배출가스의 냉각 효율이 향상되고, 배출가스는 촉매 반응에 더 적합한 온도로 열제어된다.
합성촉매부(106)는 제2연결부(273)에 구비되는 토출구(274)에 연결되어, 열제어 배출되는 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 합성촉매(54)에서 암모니아(NH3)로 합성하여 회수하게 한다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
(부호의 설명)
1, 200, 300, 802, 803, 804, 805: 암모니아 생성 장치
2, 3, 4, 5, 6, 7, 101: 플라즈마 분해 반응부
10, 610: 하우징 11, 112, 531, 711, 274: 토출구
12, 271, 512: 좁아진 부분 13(273), 513: 연결부(제2연결부)
20, 320, 420: 고전압전극 30: 방전가스 공급구
40, 41, 42: 물공급부 43, 44, 45: 물공급부
50: 카본 배출구 51: 촉매부 토출구
52, 272: 확장부분 54: 합성촉매
60: 회수조 70, 270: 연장부
102, 106, 107: 합성촉매부 103, 203, 204: 열교환부
104: 암모니아 회수부 105: 가스분리부
108, 109: 열분해 반응부 131: 입구
132: 출구 510: 유도결합 유전체 튜브
520: 방전코일 620: 마이크로 웨이브 가이드
701: 추가 공급구 ICP: 유도결합플라즈마
DV, DV5: 방전공간 MWP: 마이크로 웨이브 플라즈마
PA: 플라즈마 아크 WSP1, WSP2, WSP3: 공급(분사)
WSP4, WSP5, WSP6, WSP7: 공급(분사)

Claims (38)

  1. 탄화수소 기체와 수소 중 어느 하나와 질소가스(N2)를 포함하는 방전가스로 발생한 플라즈마에 물을 공급하여 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)를 생성하며 탄화수소의 분해 과정에서 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성하는 플라즈마 분해 반응부;
    상기 플라즈마 분해 반응부의 하방에 연결되어 물분해와 탄화수소의 분해를 진행하여 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성하는 열분해 반응부; 및
    상기 열분해 반응부에 연결되어 물과 분리된 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 합성하여 암모니아(NH3)를 생성하는 합성촉매부
    를 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열분해 반응부에는 추가 공급구가 구비되고,
    상기 추가 공급구로 탄화수소 또는 수소를 더 공급하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 분해 반응부와 상기 합성촉매부 사이의 상기 열분해 반응부에 내장되어 상기 플라즈마 분해 반응부에서 배출되는 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2), 수소(H2)의 배출가스를 냉각하여 상기 합성촉매의 촉매 반응에 적합한 온도로 제어하는 열교환부
    를 더 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열교환부는
    입구로 공급되는 저온의 물로 상기 내부공간의 열을 흡수하여 상기 플라즈마 분해 반응부에 공급하는 물공급부에 출구로 연결되는
    수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 촉매합성부의 후류(downstream)에 배치되어 합성된 암모니아(NH3)를 회수하는 암모니아 회수부, 및
    상기 암모니아 회수부를 경유한 배출가스에서 수소와 질소를 분리하는 가스분리부
    를 더 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 분해 반응부는,
    전기적으로 접지되고 내부에 방전공간을 형성하고 끝에 좁아진 통로의 토출구를 구비하는 하우징,
    상기 하우징의 일측에 장착되어 고전압에 연결되어 상기 방전공간에 플라즈마 방전을 일으키는 고전압전극,
    상기 고전압전극의 일측으로 상기 방전가스를 공급하는 방전가스 공급구,
    상기 고전압전극의 전방에서 상기 플라즈마에 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부, 및
    상기 토출구에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 상기 열분해 반응부의 연장부에 연결되어 상기 방전공간에서 생성된 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 상기 연장부로 흘러내리는 확장부분
    을 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 물공급부는
    물을 분사하는 물분사 노즐 또는 스팀을 공급하는 스팀공급구를 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 물분사 노즐은
    상기 방전공간의 길이 방향의 중간에서 상기 하우징에 설치되어 물을 상기 플라즈마 방전의 플라즈마 아크 도중에 분사하는
    수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  9. 제2항에 있어서,
    상기 열분해 반응부의 하방에 구비되어 상기 플라즈마 분해 반응부에서 생성된 솔리드 카본과 수소(H2) 중 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 저류하여 카본 배출구로 배출하는 회수조를 더 포함하며,
    상기 합성촉매부는
    상기 열분해 반응부의 하단 측방에 구비되는 토출구에 연결되는, 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 분해 반응부는,
    전기적으로 접지되고 내부에 방전공간을 형성하고 끝에 토출구를 구비하는 하우징,
    상기 하우징의 일측에 장착되어 고전압에 연결되어 상기 방전공간에 플라즈마 방전을 일으키는 고전압전극,
    상기 고전압전극의 일측으로 상기 방전가스를 공급하는 방전가스 공급구,
    상기 방전공간에서 통로가 좁아진 부분, 및 상기 좁아진 부분에 연결되고 끝에 상기 토출구를 구비하는 연결부, 및
    상기 좁아진 부분의 끝에서 상기 연결부에 설치되어 물을 상기 플라즈마 방전의 플라즈마 아크 끝에 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부, 및
    상기 토출구에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 상기 열분해 반응부의 연장부에 연결되어 상기 방전공간에서 생성된 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 상기 연장부로 흘러내리는 확장부분
    을 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  11. 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 분해 반응부는,
    전기적으로 접지되고 내부에 방전공간을 형성하고 끝에 좁아진 통로의 토출구를 구비하는 하우징,
    상기 하우징의 일측에 장착되어 고전압에 연결되어 상기 방전공간에 플라즈마 방전을 일으키는 고전압전극,
    상기 고전압전극의 일측으로 상기 방전가스를 공급하는 방전가스 공급구,
    상기 고전압전극에 형성되어 상기 플라즈마 방전의 플라즈마 아크 외곽으로 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부, 및
    상기 토출구에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 상기 열분해 반응부의 연장부에 연결되어 상기 방전공간에서 생성된 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 상기 연장부로 흘러내리는 확장부분
    을 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  12. 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 분해 반응부는,
    전기적으로 접지되고 내부에 방전공간을 형성하고 끝에 좁아진 통로의 토출구를 구비하는 하우징,
    상기 하우징의 일측에 장착되어 고전압에 연결되어 상기 방전공간에 플라즈마 방전을 일으키는 고전압전극,
    상기 고전압전극의 일측으로 상기 방전가스를 공급하는 방전가스 공급구,
    상기 고전압전극에 형성되어 상기 플라즈마 방전의 플라즈마 아크 전방으로 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부, 및
    상기 토출구에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 상기 열분해 반응부의 연장부에 연결되어 상기 방전공간에서 생성된 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 상기 연장부로 흘러내리는 확장부분
    을 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 물공급부는 물분사 노즐을 포함하고,
    상기 물분사 노즐의 팁은 상기 고전압전극의 내부로 인입되어 위치되는
    수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  14. 제6항에 있어서,
    상기 토출구는
    수축-확장(converging-diverging) 구조의 노즐로 구성되어,
    플라즈마, 질소가스 플라즈마에 물을 분사하여 생성된 생성물이 상기 토출구를 통해 배출되면서 냉각되는
    수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  15. 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 분해 반응부는,
    내부에 방전공간을 형성하고 끝에 좁아진 통로의 토출구를 구비하는 유도결합 유전체 튜브,
    상기 유도결합 유전체 튜브의 외주에 구비되어 방전공간에 유도결합플라즈마 방전을 일으키는 방전코일,
    상기 유도결합 유전체 튜브의 일측으로 탄화수소 기체와 질소가스(N2)를 포함하는 방전가스를 공급하는 방전가스 공급구,
    상기 방전공간의 유도결합플라즈마에 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부, 및
    상기 토출구에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 상기 열분해 반응부의 연장부에 연결되어 상기 방전공간에서 생성된 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 상기 연장부로 흘러내리는 확장부분
    을 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 물공급부는
    물을 분사하는 물분사 노즐을 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 물공급부는
    스팀을 공급하는 스팀공급구를 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 물공급부는
    상기 유도결합 유전체 튜브의 길이 방향 일측에 구비되어, 상기 방전공간의 상기 유도결합플라즈마에 물을 공급하는
    수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  19. 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 분해 반응부는,
    내부에 방전공간을 형성하고 끝에 좁아진 통로의 토출구를 구비하는 유도결합 유전체 튜브,
    상기 유도결합 유전체 튜브의 외주에 구비되어 방전공간에 유도결합플라즈마 방전을 일으키는 방전코일,
    상기 유도결합 유전체 튜브의 일측으로 탄화수소 기체와 질소가스(N2)를 포함하는 방전가스를 공급하는 방전가스 공급구,
    상기 유도결합 유전체 튜브의 길이 방향에서 상기 방전코일의 전방에 구비되어, 상기 방전공간의 유도결합플라즈마에 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부, 및
    상기 토출구에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 상기 열분해 반응부의 연장부에 연결되어 상기 방전공간에서 생성된 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 상기 연장부로 흘러내리는 확장부분
    을 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  20. 제2항에 있어서,
    상기 플라즈마 분해 반응부는,
    내부에 방전공간을 형성하고 끝에 좁아진 토출구를 구비하는 하우징,
    상기 하우징의 외부에 구비되어 방전공간에 마이크로 웨이브 플라즈마를 발생시키는 마이크로 웨이브 가이드,
    상기 하우징의 일측으로 상기 방전가스를 공급하는 방전가스 공급구,
    상기 방전공간의 상기 플라즈마에 물을 공급하여, 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)를 반응시켜 일산화질소(NO)를 생성케 하여 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 상기 토출구로 배출되게 하는 물공급부, 및
    상기 토출구에 연결되어 통로가 넓어지고 넓어진 상태로 상기 열분해 반응부의 연장부에 연결되어 상기 방전공간에서 생성된 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 상기 연장부로 흘러내리는 확장부분
    을 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 물공급부는
    물을 분사하는 물분사 노즐 또는 스팀을 공급하는 스팀공급구를 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  22. 제20항에 있어서,
    상기 물공급부는
    상기 하우징의 길이 방향 일측에 구비되어, 상기 방전공간의 상기 플라즈마에 물을 공급하는
    수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  23. 제2항에 있어서,
    상기 열분해 반응부에 연결되어, 상기 플라즈마 분해 반응부 및 상기 물분해 방응부에서 생성된 솔리드 카본과 수소(H2) 중 상기 솔리드 카본을 공급된 물과 함께 저류하여 카본 배출구로 배출하는 회수조;
    를 더 포함하며,
    상기 합성촉매부는
    상기 플라즈마 분해 반응부의 연결부에 구비되는 토출구에 연결되는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  24. 제2항에 있어서,
    상기 열분해 반응부의 토출구와 상기 합성촉매부 사이에 구비되는 열교환부;를 더 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  25. 제2항에 있어서,
    상기 열분해 반응부의 토출구의 상측에서 상기 열분해 반응부의 내측에 구비되는 열교환부;를 더 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  26. 제2항에 있어서,
    상기 열분해 반응부와 회수조는
    서로의 사이에 통로가 좁아지는 축소부분과 넓어지는 제2확장부분, 및 축소부분과 제2확장부분을 좁아진 제2연결부로 연결되며,
    상기 합성촉매부는
    상기 제2연결부에 구비되는 토출구에 연결되는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  27. 탄화수소 기체와 수소 중 어느 하나와 질소가스를 포함하는 방전가스로 발생한 플라즈마에 물을 공급하여 질소(N2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 수소(H2)의 배출가스를 배출하고, 탄화수소의 분해 과정에서 얻은 솔리드 카본과 수소(H2)를 1차로 배출하는 제10단계;
    상기 제10단계에 이어서 물분해와 탄화수소의 분해를 진행하여 얻은 솔리드 카본과 수소(H2)를 2차로 배출하는 제20단계; 및
    상기 제10단계 및 상기 제20단계의 생성물인 질소(N2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 수소(H2)의 배출가스를 배출 합성촉매에 공급하여 암모니아를 합성하고 합성된 암모니아를 배출하는 제30단계
    를 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 제20단계는
    추가 공급구로 탄화수소 또는 수소를 더 공급하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 제20단계는
    생성물을 암모니아 합성을 위한 상기 합성촉매에 공급하기 위해, 촉매 반응에 적절한 온도 조건으로 열교환 하는 제21단계
    를 더 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법.
  30. 제28항에 있어서,
    상기 제30단계는
    암모니아 합성 후 합성된 상온에서 액상인 암모니아(NH3)를 나머지 기체와 분리하여 회수하는 제31단계
    를 더 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 제30단계는
    상기 제31단계에 이어서 나머지 배출가스에서 수소와 질소를 분리하는 제32단계
    를 더 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법.
  32. 제28항에 있어서,
    상기 제10단계는
    방전가스로 플라즈마를 발생하여 상기 플라즈마에서 제공되는 높은 에너지로 물을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하고, 탄화수소의 분해 과정에서 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성하는 제1단계,
    상기 제1단계에서 분해된 산소가 플라즈마 발생 과정에서 생성된 질소(N2)와 반응하여 일산화질소(NO) 또는 이산화질소(NO2)를 생성하는 제2단계, 및
    상기 제2단계에서 생성된 일산화질소(NO) 또는 이산화질소(NO2)와 상기 제1단계에서 생성된 수소(H2)를 주 생성물로 하여 배출하고 상기 솔리드 카본을 물과 함께 배출하는 제3단계
    를 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 제1단계는
    물분해 과정에서 발생되는 플라즈마 온도를 1000~2000K 범위의 웜플라즈마(warm plasma) 형태로 발생시키는
    수방전을 이용한 암모니아생성 방법.
  34. 제33항에 있어서,
    상기 제2단계는
    상기 제1단계를 통해서 물분해 과정에서 생성된 모든 산소가 질소와 반응하게 되어, 기상의 생성물을 반응하지 않는 질소(N2), 수소(H2), 일산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)로 구성하는
    수방전을 이용한 암모니아 생성 방법.
  35. 제34항에 있어서,
    상기 제3단계는
    상기 제2단계 이후 플라즈마가 고온의 반응대로부터 좁아지는 배출구를 통하여 제트 형태로 배출되면서,
    상기 제2단계 생성물이 상기 배출구를 통과하는 과정에서 빠르게 온도를 저하시켜 일산화질소(NO)가 이산화질소(NO2)로 산화되는 반응을 억제하여, 일산화질소(NO)의 선택도를 높이는
    수방전을 이용한 암모니아 생성 방법.
  36. 제34항에 있어서,
    상기 제3단계는
    상기 제2단계 이후 플라즈마가 고온의 반응대로부터 좁아지는 배출구에 구비되는 열교환부를 통과하는 과정에서 빠르게 온도를 저하시켜 일산화질소(NO)가 이산화질소(NO2)로 산화되는 반응을 억제하여, 일산화질소(NO)의 선택도를 높이는
    수방전을 이용한 암모니아 생성 방법.
  37. 질소가스(N2)를 방전가스로 발생한 플라즈마에 물을 공급하여 물로부터 수소(H2)와 산소(O2)를 생성하고 산소(O2)를 질소(N2)와 반응시켜 일산화질소(NO)와 이산화질소(NO2)를 생성하는 플라즈마 분해 반응부;
    상기 플라즈마 분해 반응부의 하방에 연결되어 추가 공급구로 탄화수소 또는 수소를 더 공급하여 물분해와 탄화수소의 분해를 진행하여 솔리드 카본과 수소(H2)를 생성하는 열분해 반응부; 및
    상기 열분해 반응부에 연결되어 물과 분리된 수소(H2)와 일산화질소(NO)를 합성하여 암모니아(NH3)를 생성하는 합성촉매부
    를 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 장치.
  38. 질소가스를 방전가스로 발생한 플라즈마에 물을 공급하여 질소(N2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 수소(H2)의 배출가스를 배출하는 제10단계;
    상기 제10단계에 이어서 탄화수소 또는 수소를 더 공급하여 물분해와 탄화수소의 분해를 진행하여 얻은 솔리드 카본과 수소(H2)를 배출하는 제20단계; 및
    상기 제10단계 및 상기 제20단계의 생성물인 질소(N2), 일산화질소(NO), 이산화질소(NO2) 및 수소(H2)의 배출가스를 배출 합성촉매에 공급하여 암모니아를 합성하고 합성된 암모니아를 배출하는 제30단계
    를 포함하는 수방전을 이용한 암모니아 생성 방법.
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