WO2026019103A1 - 플라즈마를 이용한 암모니아 분해 시스템 및 이를 이용한 암모니아 분해 방법 - Google Patents

플라즈마를 이용한 암모니아 분해 시스템 및 이를 이용한 암모니아 분해 방법

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Definitions

  • the present invention relates to an ammonia decomposition system using plasma for reforming and decomposing ammonia and an ammonia decomposition method using the same.
  • a catalyst for decomposition.
  • a temperature of 400 to 500°C is required, while a non-precious metal catalyst requires a temperature of 500 to 600°C or higher.
  • the temperature of the catalytic reactor is raised by a heater or burner.
  • a considerable amount of time is required for the catalyst to reach its decomposition temperature. Consequently, a significant warm-up time is required for the ammonia decomposition system to operate stably.
  • One aspect of the present invention provides an ammonia decomposition system and an ammonia decomposition method using plasma that can shorten the start-up period and rapidly heat a decomposition catalyst.
  • An ammonia decomposition system comprises a decomposition device for decomposing ammonia, including a catalytic reactor including a decomposition catalyst and a heating member for heating the catalytic reactor, a plasma reforming device disposed upstream of the decomposition device for reforming ammonia and supplying heat to the decomposition device, and a reforming gas supply pipe connecting the plasma reforming device and the decomposition device and supplying reformed gas generated in the plasma reforming device to the catalytic reactor or the heating member, wherein the plasma reforming device can thermally decompose ammonia using plasma.
  • the above plasma reforming device can generate any one plasma selected from the group consisting of direct current arc plasma, alternating current arc plasma, microwave plasma, high-frequency inductively coupled plasma, dielectric barrier discharge (DBD) plasma, pulse plasma, and glow discharge plasma.
  • any one plasma selected from the group consisting of direct current arc plasma, alternating current arc plasma, microwave plasma, high-frequency inductively coupled plasma, dielectric barrier discharge (DBD) plasma, pulse plasma, and glow discharge plasma.
  • Ammonia can be supplied as a discharge gas to the above plasma reforming device.
  • An ammonia decomposition system may further include a temperature measuring unit for measuring the temperature of the catalytic reactor and a control unit for controlling power supplied to the plasma reforming device based on information transmitted from the temperature measuring unit.
  • the above control unit can supply power to the plasma reforming device only when the temperature of the catalytic reactor is below a preset reference temperature.
  • the above heating element may be formed of an electric heater that generates heat using electricity.
  • the above heating element is composed of a fuel burner that burns fuel, the reforming gas supply pipe supplies reforming gas generated in the plasma reforming device to the heating element, and the heating element can supply heat to the catalytic reactor by burning the reforming gas.
  • the above heating element includes a plasma burner that generates heat using plasma, and the plasma burner can expand the combustible range of reformed gas and fuel and stabilize the flame through plasma generation.
  • An ammonia decomposition system may further include a hydrogen separator for separating hydrogen from decomposition gas discharged from the decomposition device, a circulation supply pipe for supplying byproduct gas or some high-purity hydrogen discharged from the hydrogen separator to the heating element, and a bypass supply pipe for supplying ammonia to the decomposition device by bypassing the plasma reforming device.
  • the above plasma reforming device includes a grounded housing having an internal space, and a discharge electrode inserted into the housing and charged with a discharge voltage, and the housing may include a discharge section where the discharge electrode is located, a reaction section where plasma is formed and located downstream of the discharge section, and a variable tube connecting the discharge section and the reaction section, the inner diameter of which gradually decreases as it goes downstream.
  • the above plasma reforming device can generate any one plasma selected from the group consisting of direct current arc plasma, alternating current arc plasma, microwave plasma, high-frequency inductively coupled plasma, dielectric barrier discharge plasma, pulse plasma, and glow discharge plasma.
  • An ammonia decomposition method may include a plasma reforming step of reforming ammonia using plasma, a reformed gas transfer step of transferring reformed gas generated in the plasma reforming step to a decomposition device, and a catalytic decomposition step of decomposing ammonia into hydrogen and nitrogen using a catalyst in the decomposition device.
  • the above plasma reforming step can reform ammonia by supplying power to the plasma reforming device only when the temperature of the catalytic reactor installed in the decomposition device is below a preset reference temperature.
  • the ammonia decomposition method according to one embodiment of the present invention may further include a hydrogen separation step for separating hydrogen from the decomposition gas generated in the catalytic decomposition step.
  • the above plasma reforming step can supply ammonia as a discharge gas and decompose some or all of the supplied ammonia to generate high-temperature plasma.
  • the above decomposition device includes a catalytic reactor including a decomposition catalyst and a heating element that supplies heat to the catalytic reactor, and the catalytic decomposition step can generate high-temperature combustion gas by burning a portion of the reformed gas in the heating element and transfer the heat of the combustion gas to the catalytic reactor.
  • the above heating element includes a plasma burner that generates heat using plasma, and the catalytic decomposition step can expand the combustible range of the reformed gas and fuel and stabilize the flame using the plasma burner.
  • An ammonia decomposition system includes a plasma reforming device and a reforming gas supply pipe, so that a catalytic reactor can be quickly heated using reforming gas heated in the plasma reforming device.
  • FIG. 1 is a drawing illustrating an ammonia decomposition system according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a drawing illustrating an ammonia decomposition system according to a modified example of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a drawing illustrating an ammonia decomposition system according to another modified example of the first embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a graph showing the power supplied to a plasma reforming device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a drawing illustrating a plasma reforming device of an ammonia decomposition system according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a drawing illustrating an ammonia decomposition system according to a third embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a flowchart for explaining an ammonia decomposition method according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 1 is a drawing illustrating an ammonia decomposition system according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a drawing illustrating an ammonia decomposition system according to a modified example of the first embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a drawing illustrating an ammonia decomposition system according to another modified example of the first embodiment of the present invention.
  • the ammonia decomposition system (100) may include a plasma reforming device (110), a decomposition device (120), a hydrogen separator (140), and a control unit (150).
  • the ammonia decomposition system (100) is a system that decomposes ammonia using a catalyst and heat to extract hydrogen.
  • the plasma reforming device (110) generates plasma to reform ammonia, and hydrogen, nitrogen, and unreacted ammonia can be generated through the decomposition of ammonia.
  • the degree of decomposition of ammonia can be controlled by adjusting the power applied to the plasma reforming device (110).
  • the plasma reforming device (110) can generate any one plasma selected from the group consisting of direct current arc plasma, alternating current arc plasma, microwave plasma, high-frequency inductively coupled plasma, dielectric barrier discharge (DBD) plasma, pulse plasma, and glow discharge plasma.
  • the plasma reforming device (110) can generate not only high-temperature plasma but also low-temperature plasma.
  • Ammonia is supplied as a discharge gas to the plasma reforming device (110), and the ammonia can be decomposed into ions by an arc, high frequency, etc. to form plasma.
  • An ammonia supply pipe (L11) for supplying ammonia may be connected to the plasma reforming device (110).
  • the ammonia supply pipe (L11) may supply ammonia in a gaseous state to the plasma reforming device (110).
  • a reforming gas supply pipe (L12) that supplies reforming gas generated in the plasma reforming device (110) to the decomposition device (120) may be connected to the plasma reforming device (110).
  • the reforming gas supply pipe (L12) may be connected to a catalytic reactor (121) or a heating element (123).
  • the reforming gas supply pipe (L12) may be branched and connected to both the catalytic reactor (121) and the heating element (123).
  • a direct supply pipe (L15) for supplying reformed gas to a hydrogen separator (140) may be installed in the plasma reforming device (110).
  • the reformed gas may be supplied directly to the hydrogen separator (140) by bypassing the decomposition device (120) through the direct supply pipe (L15).
  • the decomposition device (120) may include a catalytic reactor (121) and a heating element (123).
  • the catalytic reactor (121) includes a plurality of decomposition catalysts, which may be formed of a precious metal catalyst or a non-precious metal catalyst.
  • the decomposition catalyst may be formed in the form of beads or cartridges.
  • the decomposition catalyst may include a support and a catalyst layer coated on the support, and various structures and materials that decompose ammonia may be applied.
  • the catalytic reactor (121) decomposes reformed gas or ammonia to produce decomposition gas, and the decomposition gas can be delivered to a hydrogen separator (140) through a decomposition gas transfer pipe (L16).
  • the decomposition gas can contain hydrogen, nitrogen, and unreacted ammonia.
  • the heating element (123) supplies heat to the catalytic reactor (121) and may be formed of an electric heater.
  • the heating element (123) may generate heat by electric resistance heating or by induction heating.
  • a reforming gas supply pipe (L12) that supplies reforming gas generated in a plasma reforming device (110) to the catalytic reactor (121) may be connected to the catalytic reactor (121).
  • the reforming gas heated in the plasma reforming device (110) can heat the catalyst to a high temperature.
  • the heating element (123) may be configured as a burner that generates heat by burning fuel.
  • a reformed gas supply pipe (L12) is connected to the heating element (123) to supply reformed gas to the heating element (123).
  • reformed gas supply pipe (L12) is connected to the heating element (123)
  • reformed gas containing hydrogen, nitrogen, and ammonia can be stably combusted in the heating element (123) to supply heat to the catalytic reactor (121).
  • the reformed gas supply pipe (L12) is connected to the catalytic reactor (121) and the heating element (123), and some of the reformed gas is supplied to the heating element (123) and combusted, and the remaining reformed gas is supplied to the catalytic reactor (121) and can be decomposed after heating the catalyst.
  • the hydrogen separator (140) receives the decomposition gas from the decomposition device (120) and separates hydrogen, byproduct gas, and unreacted ammonia.
  • the hydrogen separator (140) can separate hydrogen using the pressure swing adsorption (PSA) method, and can also separate hydrogen using a hydrogen separation membrane.
  • PSA pressure swing adsorption
  • the hydrogen separator (140) can be configured in various structures, and the present invention is not limited thereto.
  • the hydrogen separated in the hydrogen separator (140) can be transferred to a storage through a pipe or supplied to a consumer. Meanwhile, the by-product gas separated in the hydrogen separator (140) and some of the separated hydrogen can be supplied to a heating element (123) formed of a burner.
  • a circulation supply pipe (L13) is installed between the hydrogen separator (140) and the heating element (123), and the circulation supply pipe (L13) transfers the by-product gas discharged from the hydrogen separator (140) to the heating element (123).
  • a bypass supply pipe (L14) is installed in the decomposition device (120) to supply ammonia to the decomposition device (120) by bypassing the plasma reforming device (110).
  • the bypass supply pipe (L14) connects the ammonia supply pipe (L11) and the decomposition device (120), and the bypass supply pipe (L14) can supply ammonia to the catalytic reactor (121) or to the catalytic reactor (121) and the heating element (123).
  • a temperature sensor (125) that measures the temperature inside the catalytic reactor (121) may be installed in the catalytic reactor (121). Temperature information measured by the temperature sensor (125) is transmitted to the control unit (150), and the control unit (150) controls the valves based on the information transmitted from the temperature sensor.
  • a first valve (161) may be installed in the ammonia supply pipe (L11), and a second valve (162) may be installed in the bypass supply pipe (L14).
  • the control unit (150) can open the first valve (161) to supply reformed ammonia having a high temperature to the catalytic reactor (121) and the heating element (123) through the plasma reforming device (110). Meanwhile, when the temperature of the catalytic reactor (121) is higher than or equal to a preset reference temperature, the control unit (150) can adjust the first valve (161) to reduce the flow rate of ammonia supplied to the plasma reforming device (100) and adjust the second valve (162) to supply more ammonia to the decomposition device (120).
  • the reference temperature varies depending on the decomposition catalyst used, and can be 400°C to 600°C at which ammonia is sufficiently decomposed.
  • the control unit (150) can open the first valve (161) and supply high power to the plasma reformer (110). Meanwhile, when the temperature of the catalytic reactor (121) is heated to a temperature higher than the reference temperature, the control unit (150) can reduce the supply of ammonia through the first valve (161) and also reduce the power supply to the plasma reformer (110). In addition, when the temperature of the catalytic reactor (121) becomes lower than the reference temperature during operation, the first valve (161) can be opened and the power of the plasma reformer (110) can be increased to produce hydrogen through high-temperature reformed ammonia and increase the temperature of the catalytic reactor (121).
  • a third valve (163) may be installed in the reforming gas supply pipe (L12), and a fourth valve (164) may be installed in the direct supply pipe (L15).
  • a concentration sensor (115) for measuring the concentration of hydrogen contained in the reforming gas generated in the plasma reforming device (110) is installed in the plasma reforming device (110), and the control unit (150) may control the opening and closing of the third valve (163) and the fourth valve (164) based on the information transmitted from the concentration sensor (115).
  • the control unit (150) opens the third valve (163) and closes the fourth valve (164) to supply the reformed gas to the decomposition device (120). Meanwhile, when the concentration of hydrogen contained in the reformed gas is higher than or equal to a preset reference concentration, the control unit (150) closes the third valve (163) and opens the fourth valve (164) to supply the reformed gas to the hydrogen separator (140).
  • FIG. 5 is a drawing illustrating a plasma reforming device of an ammonia decomposition system according to a second embodiment of the present invention.
  • the ammonia decomposition system according to the second embodiment has the same structure as the ammonia decomposition system according to the first embodiment described above, except for the plasma reforming device (110), so a duplicate description of the same configuration is omitted.
  • the plasma reforming device (110) according to the second embodiment may be configured as an arc plasma device that generates plasma using an arc.
  • the present invention is not limited thereto, and the plasma reforming device may be configured in various structures.
  • a plasma reforming device (110) may include a housing (10) having an internal space and a discharge electrode (20) inserted into the housing (10).
  • the plasma reforming device (110) generates plasma using an arc (AC) and reforms ammonia fuel by supplying it to an area where plasma is formed.
  • AC arc
  • the housing (10) is formed in a tubular shape with an internal space and can be grounded.
  • the housing (10) can include a discharge section (12) where a discharge electrode (20) is positioned and a reaction section (13) located downstream of the discharge section (12) where plasma is formed.
  • the reaction section (13) has an inner diameter smaller than that of the discharge section (12), and a variable tube (15) whose inner diameter gradually decreases as it goes downstream can be positioned between the discharge section (12) and the reaction section (13).
  • the discharge electrode (20) is inserted into the housing (10) and can extend in the longitudinal direction of the housing (10).
  • the discharge electrode (20) can be charged with a preset discharge voltage, and a direct current or alternating current power source can be connected to the discharge electrode (20).
  • a supply member (16) is formed in the discharge unit (12) to supply discharge gas containing ammonia, and the supply member (16) can inject air and oxygen together with ammonia into the inside of the housing.
  • the supply member (16) can inject gas in an eccentric direction with respect to the center of the housing (10) to form a swirl. Accordingly, the arc (AC) can rotate.
  • the supply member (16) is located on the outside of the discharge electrode (20) and can inject gas to the outer surface of the discharge electrode (20), and the discharge gas can move while rotating along the outer surface of the discharge electrode.
  • An arc (AC) is formed between a discharge electrode (20) and a housing (10).
  • the first arc point (P1) may be located at the tip of the discharge electrode (20), and the second arc point (P2) may be located at the part where the variable tube (15) and the reaction section (13) are connected.
  • a high-temperature plasma region (PA1) is formed in the reaction section.
  • FIG. 6 is a drawing illustrating an ammonia decomposition system according to a third embodiment of the present invention.
  • the ammonia decomposition system according to the third embodiment has the same structure as the ammonia decomposition system according to the first embodiment described above, except for the heating element (126), so a duplicate description of the same configuration is omitted.
  • the heating element (126) may include a plasma burner that generates heat by burning fuel.
  • the heating element (126) may be connected to a reformed gas supply pipe (L12) to receive reformed gas from the reformed gas supply pipe (L12), and may be connected to a circulation supply pipe (L13) to receive by-product gas discharged from the hydrogen separator (140) and some hydrogen from the circulation supply pipe (L13).
  • a plasma burner can generate arc plasma, and may be configured as a gliding arc plasma device.
  • the present invention is not limited thereto, and the plasma burner may be configured as a device that generates various types of high-temperature plasma.
  • the plasma burner can be operated using air and external fuel.
  • the plasma burner is connected to a reformed gas supply pipe (L12) to receive reformed gas from the reformed gas supply pipe (L12), and is connected to a circulation supply pipe (L13) to receive by-product gas discharged from the hydrogen separator (140) and some hydrogen from the circulation supply pipe (L13).
  • Plasma burners can extend the combustible range of reformed gases and fuels and stabilize flames.
  • Figure 7 is a flowchart for explaining an ammonia decomposition method according to embodiments of the present invention.
  • the ammonia decomposition method may include a plasma reforming step (S101), a reformed gas transfer step (S102), a catalytic decomposition step (S103), and a hydrogen separation step (S104).
  • the plasma reforming step (S101) uses plasma to thermally decompose ammonia and generate a reformed gas.
  • the plasma reforming step (S101) can generate any one plasma selected from the group consisting of direct current arc plasma, alternating current arc plasma, microwave plasma, high-frequency inductively coupled plasma, dielectric barrier discharge (DBD) plasma, pulse plasma, and glow discharge plasma.
  • the plasma reforming step (S101) can generate not only high-temperature plasma but also low-temperature plasma.
  • the plasma reforming step (S101) can reform ammonia by supplying power to the plasma reforming device (110) only when the temperature of the catalytic reactor (121) installed in the decomposition device (120) is below a preset reference temperature.
  • the plasma reforming step (S101) can generate plasma by supplying ammonia as a discharge gas and decomposing and ionizing the ammonia.
  • the reforming gas delivery step (S102) supplies the reforming gas generated in the plasma reforming device (110) to the decomposition device (120) using the reforming gas supply pipe (L12).
  • the catalytic decomposition step (S103) can decompose the reformed gas supplied in the plasma reforming step (S101) in a catalytic reactor (121) to produce a decomposition gas containing hydrogen and nitrogen.
  • the catalytic decomposition step (S103) generates high-temperature combustion gas by burning the reformed gas supplied in the plasma reforming step (S101) in a heating element (123) and supplies the combustion gas to a catalytic reactor (121). Separate ammonia may also be supplied to the catalytic reactor (121).
  • the catalytic decomposition step (S103) may be configured to combust a portion of the reformed gas supplied from the plasma reforming step (S101) and containing hydrogen, nitrogen, and un-decomposed ammonia in a heating element (123) to generate high-temperature combustion gas, and supply the combustion heat to the catalytic reactor (121) through a heat exchange method, or supply the combustion gas directly to the catalytic reactor (121).
  • the catalytic decomposition step (S103) may also supply a portion of the reformed gas to the catalytic reactor (121).
  • the catalytic decomposition step (S103) transfers reformed gas from the plasma reforming device (110) to the fuel burner through the reformed gas supply pipe (L12), supplies by-product gas and some hydrogen to the fuel burner through the circulation supply pipe (L13), combusts them to generate heat, and transfers the generated heat to the catalytic reactor (121).
  • the catalytic decomposition step (S103) can expand the combustible range of the reformed gas and fuel and stabilize the flame by delivering the reformed gas to the plasma burner from the plasma reforming device (110) through the reformed gas supply pipe (L12) and supplying the by-product gas and some hydrogen to the plasma burner through the circulation supply pipe (L13).
  • the hydrogen separation step (S104) separates hydrogen contained in the decomposition gas generated in the decomposition device (120), and hydrogen can be separated in various ways, such as a pressure swing adsorption method.
  • the hydrogen separation step (S104) separates hydrogen from the decomposition gas and can transfer the remaining byproduct gas and some of the hydrogen to the heating element (123).
  • Fuel reforming system 110 Plasma reforming device
  • Heating element 125 Temperature sensor

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 분해 시스템은, 분해촉매를 포함하는 촉매 반응기와 상기 촉매 반응기를 가열하는 가열부재를 포함하여 암모니아를 분해하는 분해장치, 상기 분해장치의 상류에 배치되어 암모니아를 개질하는 플라즈마 개질장치, 및 상기 플라즈마 개질장치와 상기 분해장치 사이를 연결하며, 상기 플라즈마 개질장치에서 발생된 개질가스를 상기 촉매 반응기 및 상기 가열부재 중 적어도 하나로 공급하는 개질가스 공급관을 포함하고, 상기 플라즈마 개질장치는 플라즈마를 이용하여 암모니아를 열분해할 수 있다.

Description

플라즈마를 이용한 암모니아 분해 시스템 및 이를 이용한 암모니아 분해 방법
본 발명은 암모니아를 개질하고 분해하는 플라즈마를 이용한 암모니아 분해 시스템 및 이를 이용한 암모니아 분해 방법에 관한 것이다.
암모니아 분해 반응은 흡열반응(△H = 46.2 kJ/mol)으로서 많은 열량이 필요하고 이 반응은 매우 높은 온도에서 일어나므로 촉매를 사용하며 분해하는 것이 일반적이다. 루테늄과 같은 귀금속 촉매를 사용하는 경우에는 400℃~500℃의 온도 조건이 필요하며, 비귀금속 촉매의 경우에는 500℃~600℃ 이상의 온도 조건이 필요하다.
암모니아 분해 장치에서 촉매 반응기의 온도는 히터나 버너에 의해 승온 되며 초기 시스템 가동 시에는 촉매가 분해 가능 온도에 도달하기까지 상당한 시간이 필요하다. 이에 따라 암모니아 분해 시스템이 안정적으로 가동하기 위해서는 상당한 워밍업 시간이 발생한다.
잦은 시동과 정기 기동이 필요하거나, 부하조건이 수시로 변동되는 환경, 안정적인 시스템에서도 빠른 기동을 통한 시스템 활용성을 높이기 위해서는 빠른 시간 내에 촉매를 가열하는 기술이 필요하다.
본 발명의 일 측면은 시동 기간을 단축시키고 분해 촉매를 신속하게 가열할 수 있는 플라즈마를 이용한 암모니아 분해 시스템 및 암모니아 분해 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 분해 시스템은, 분해촉매를 포함하는 촉매 반응기와 상기 촉매 반응기를 가열하는 가열부재를 포함하여 암모니아를 분해하는 분해장치, 상기 분해장치의 상류에 배치되어 암모니아를 개질하고, 상기 분해장치에 열을 공급하는 플라즈마 개질장치, 및 상기 플라즈마 개질장치와 상기 분해장치 사이를 연결하며, 상기 플라즈마 개질장치에서 발생된 개질가스를 상기 촉매 반응기 또는 상기 가열부재로 공급하는 개질가스 공급관을 포함하고, 상기 플라즈마 개질장치는 플라즈마를 이용하여 암모니아를 열분해할 수 있다.
상기 플라즈마 개질장치는 직류 아크 플라즈마, 교류 아크 플라즈마, 마이크로 웨이브 플라즈마, 고주파 유도 결합 플라즈마, 유전체 장벽 방전(DBD) 플라즈마, 펄스 플라즈마, 글로우 방전 플라즈마로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 플라즈마를 생성할 수 있다.
상기 플라즈마 개질장치에는 방전가스로서 암모니아가 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 분해 시스템은, 상기 촉매 반응기의 온도를 측정하는 온도 측정부와 상기 온도 측정부에서 전달된 정보를 바탕으로 상기 플라즈마 개질장치에 공급되는 전력을 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 촉매 반응기의 온도가 기 설정된 기준 온도 이하인 경우에만 상기 플라즈마 개질장치에 전력을 공급할 수 있다.
상기 가열부재는 전기를 이용하여 열을 발생시키는 전기 히터로 이루어질 수 있다.
상기 가열부재는 연료를 연소하는 연료 버너로 이루어지고, 상기 개질가스 공급관은 상기 플라즈마 개질장치에서 발생된 개질가스를 상기 가열부재로 공급하고, 상기 가열부재는 상기 개질가스를 연소하여 상기 촉매 반응기에 열을 공급할 수 있다.
상기 가열부재는 플라즈마를 이용하여 열을 발생시키는 플라즈마 버너를 포함하고, 상기 플라즈마 버너는 플라즈마 발생을 통해 개질가스 및 연료의 가연범위를 확장하고 화염을 안정화시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 분해 시스템은, 상기 분해장치에서 배출된 분해가스에서 수소를 분리하는 수소 분리기와, 상기 수소 분리기에서 배출된 부생가스 또는 일부 고순도의 수소를 상기 가열부재로 공급하는 순환 공급관과, 상기 플라즈마 개질장치를 바이패스하여 상기 분해장치로 암모니아를 공급하는 바이패스 공급관을 더 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 개질장치는 내부 공간을 갖고 접지된 하우징과, 상기 하우징 내부에 삽입되며 방전 전압으로 대전된 방전극을 포함하고, 상기 하우징은 상기 방전극이 위치하는 방전부와 상기 방전부의 하류에 위치하며 플라즈마가 형성되는 반응부와 상기 방전부와 상기 반응부를 연결하며 하류로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하는 가변관을 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 개질장치는 직류 아크 플라즈마, 교류 아크 플라즈마, 마이크로 웨이브 플라즈마, 고주파 유도 결합 플라즈마, 유전체 장벽 방전 플라즈마, 펄스 플라즈마, 글로우 방전 플라즈마로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 플라즈마를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 분해 방법은, 플라즈마를 이용하여 암모니아를 개질하는 플라즈마 개질 단계, 상기 플라즈마 개질 단계에서 발생된 개질가스를 분해장치로 전달하는 개질가스 전달 단계, 및 분해장치에서 촉매를 이용하여 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 촉매 분해 단계를 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 개질 단계는 상기 분해장치에 설치된 촉매 반응기의 온도가 기 설정된 기준 온도 이하인 경우에만 플라즈마 개질장치에 전력을 공급하여 암모니아를 개질할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 분해 방법은, 상기 촉매 분해 단계에서 생성된 분해가스에서 수소를 분리하는 수소 분리 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 플라즈마 개질 단계는 방전가스로서 암모니아를 공급하고 공급된 암모니아의 일부 또는 전부를 분해하여 고온의 플라즈마를 생성할 수 있다.
상기 분해장치는 분해촉매를 포함하는 촉매 반응기와 상기 촉매 반응기에 열을 공급하는 가열부재를 포함하고, 상기 촉매 분해 단계는 상기 개질가스의 일부를 상기 가열부재에서 연소하여 고온의 연소가스를 생성하고 연소가스의 열을 상기 촉매 반응기로 전달할 수 있다.
상기 가열부재는 플라즈마를 이용하여 열을 발생시키는 플라즈마 버너를 포함하고, 상기 촉매 분해 단계는 상기 플라즈마 버너를 이용하여 개질가스 및 연료의 가연범위를 확장하고 화염을 안정화시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 분해 시스템은 플라즈마 개질장치와 개질가스 공급관을 포함하므로 플라즈마 개질장치에서 가열된 개질가스를 이용하여 촉매 반응기를 신속하게 가열할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 암모니아 분해 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예의 일 변형예에 따른 암모니아 분해 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예의 다른 변형예에 따른 암모니아 분해 시스템을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마 개질장치에 공급되는 전력을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 분해 시스템의 플라즈마 개질장치를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 암모니아 분해 시스템을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 암모니아 분해 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 암모니아 분해 시스템에 대해서 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 암모니아 분해 시스템을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예의 일 변형예에 따른 암모니아 분해 시스템을 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 제1 실시예의 다른 변형예에 따른 암모니아 분해 시스템을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면, 본 제1 실시예에 따른 암모니아 분해 시스템(100)은 플라즈마 개질장치(110), 분해장치(120), 수소 분리기(140), 제어부(150)를 포함할 수 있다.
암모니아 분해 시스템(100)은 암모니아를 촉매 및 열을 이용하여 분해하여 수소를 추출하는 시스템이다.
플라즈마 개질장치(110)는 플라즈마를 생성하여 암모니아를 개질하며, 암모니아의 분해에 의하여 수소, 질소, 미반응 암모니아가 생성될 수 있다. 플라즈마 개질장치(110)에 인가되는 전력의 조절에 의하여 암모니아의 분해 정도가 제어될 수 있다.
플라즈마 개질장치(110)는 직류 아크 플라즈마, 교류 아크 플라즈마, 마이크로 웨이브 플라즈마, 고주파 유도 결합 플라즈마, 유전체 장벽 방전(DBD: Dielectric Barrier Discharge) 플라즈마, 펄스 플라즈마, 글로우 방전 플라즈마로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 플라즈마를 생성할 수 있다. 또한, 플라즈마 개질장치(110)는 고온 플라즈마를 생성할 수 있을 뿐만 아니라 저온 플라즈마를 생성할 수도 있다.
플라즈마 개질장치(110)에는 방전가스로서 암모니아가 공급되며, 암모니아는 아크, 고주파 등에 의하여 이온으로 분해되어 플라즈마를 형성할 수 있다.
플라즈마 개질장치(110)에는 암모니아를 공급하는 암모니아 공급관(L11)이 연결될 수 있다. 암모니아 공급관(L11)은 기체 상태의 암모니아를 플라즈마 개질장치(110)로 공급할 수 있다.
한편, 플라즈마 개질장치(110)와 분해장치(120)에는 플라즈마 개질장치(110)에서 발생된 개질가스를 분해장치(120)로 공급하는 개질가스 공급관(L12)이 연결될 수 있다. 개질가스 공급관(L12)은 촉매 반응기(121) 또는 가열부재(123)에 연결될 수 있다. 개질가스 공급관(L12)은 분기되어 촉매 반응기(121)와 가열부재(123) 모두에 연결될 수도 있다.
또한, 플라즈마 개질장치(110)에는 개질가스를 수소 분리기(140)로 공급하는 직접 공급관(L15)이 설치될 수 있다. 플라즈마 개질장치(110)에서 암모니아가 충분히 분해된 경우에는 직접 공급관(L15)을 통해서 개질가스가 분해장치(120)를 바이패스하고 수소 분리기(140)로 직접 공급될 수 있다.
분해장치(120)는 촉매 반응기(121)와 가열부재(123)를 포함할 수 있다. 촉매 반응기(121)는 복수의 분해 촉매를 포함하며, 분해 촉매는 귀금속 촉매 또는 비귀금속 촉매로 이루어질 수 있다. 분해 촉매는 비드 형태 또는 카트리지 형태로 이루어질 수도 있다. 분해 촉매는 지지체와 지지체에 코팅된 촉매층을 포함할 수 있으며, 암모니아를 분해하는 다양한 구조, 다양한 물질이 적용될 수 있다.
촉매 반응기(121)는 개질가스 또는 암모니아를 분해하여 분해가스를 생성하며, 분해가스는 분해가스 이송관(L16)을 통해서 수소 분리기(140)로 전달될 수 있다. 분해가스는 수소, 질소, 미반응 암모니아를 포함할 수 있다.
가열부재(123)는 촉매 반응기(121)에 열을 공급하며, 전기 히터로 이루어질 수 있다. 가열부재(123)는 전기 저항 가열로 열을 발생시키거나 유도 가열로 열을 발생시킬 수 있다. 촉매 반응기(121)에는 플라즈마 개질장치(110)에서 발생된 개질가스를 촉매 반응기(121)로 공급하는 개질가스 공급관(L12)이 연결될 수 있다. 플라즈마 개질장치(110)에서 가열된 개질가스는 촉매를 높은 온도로 가열할 수 있다.
또한, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 가열부재(123)는 연료를 연소하여 열을 발생시키는 버너로 이루어질 수도 있다. 이 경우, 개질가스 공급관(L12)은 가열부재(123)로 연결되어 가열부재(123)에 개질가스를 공급할 수 있다. 가열부재(123)에 개질가스 공급관(L12)이 연결되면 가열부재(123)에서 수소, 질소, 암모니아를 포함하는 개질가스가 안정적으로 연소되어 촉매 반응기(121)에 열이 공급될 수 있다.
또한, 개질가스 공급관(L12)은 촉매 반응기(121)와 가열부재(123)에 연결되고, 일부의 개질가스는 가열부재(123)로 공급되어 연소되며, 나머지 개질가스는 촉매 반응기(121)로 공급되어 촉매를 가열한 후에 분해될 수 있다.
수소 분리기(140)는 분해장치(120)에서 분해가스를 공급받아 수소와 부생가스 및 미반응 암모니아를 분리한다. 수소 분리기(140)는 압력 스윙 흡착(PSA: Pressure Swing Adsorption) 방식으로 수소를 분리할 수 있으며, 수소 분리막을 이용하여 분리할 수도 있다. 수소 분리기(140)는 다양한 구조로 이루어질 수 있으며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
수소 분리기(140)에서 분리된 수소는 배관을 통해서 저장소로 이동하거나 소비지에 공급될 수 있다. 한편, 수소 분리기(140)에서 분리된 부생가스와 분리된 일부의 수소는 버너로 이루어진 가열부재(123)에 공급될 수 있다. 수소 분리기(140)와 가열부재(123) 사이에는 순환 공급관(L13)이 설치되며, 순환 공급관(L13)은 수소 분리기(140)에서 배출된 부생가스를 가열부재(123)로 전달한다.
한편, 분해장치(120)에는 플라즈마 개질장치(110)를 바이패스하여 분해장치(120)로 암모니아를 공급하는 바이패스 공급관(L14)이 설치된다. 바이패스 공급관(L14)은 암모니아 공급관(L11)과 분해장치(120)를 연결하며, 바이패스 공급관(L14)은 촉매 반응기(121)로 암모니아를 공급하거나, 촉매 반응기(121)와 가열부재(123)에 암모니아를 공급할 수 있다.
촉매 반응기(121)에는 촉매 반응기(121) 내부의 온도를 측정하는 온도 센서(125)가 설치될 수 있다. 온도 센서(125)에서 측정된 온도 정보는 제어부(150)로 전달되며, 제어부(150)는 온도 센서에서 전달된 정보를 바탕으로 밸브들을 제어한다. 암모니아 공급관(L11)에는 제1 밸브(161)가 설치되고, 바이패스 공급관(L14)에는 제2 밸브(162)가 설치될 수 있다.
제어부(150)는 촉매 반응기(121)의 온도가 기 설정된 기준 온도 이하인 경우에는 제1 밸브(161)를 개방하여 플라즈마 개질장치(110)를 통해 온도가 높은 개질된 암모니아를 촉매 반응기(121) 및 가열부재(123)으로 공급할 수 있다. 한편, 촉매 반응기(121)의 온도가 기 설정된 기준 온도 이상인 경우에는 제어부(150)는 제1 밸브(161)를 조절하여 플라즈마 개질장치(100)로 공급되는 암모니아의 유량을 줄이고, 제2 밸브(162)를 조절하여 더 많은 암모니아를 분해장치(120)로 공급할 수 있다. 여기서 기준 온도는 사용되는 분해촉매에 따라 다르며, 암모니아가 충분히 분해되는 400℃~600℃로 이루어질 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 시동 초기에 촉매 반응기(121)의 온도가 기준 온도보다 낮은 경우, 제어부(150)는 제1 밸브(161)를 개방하고 플라즈마 개질장치(110)에 높은 전력을 공급할 수 있다. 한편, 촉매 반응기(121)의 온도가 기준 온도 이상으로 가열된 경우, 제어부(150)는 제1 밸브(161) 통해 암모니아 공급을 줄이며, 플라즈마 개질장치(110)에 전력 공급 또한 줄일 수 있다. 또한, 운전 중에 촉매 반응기(121)의 온도가 기준 온도보다 낮아지는 경우에는 제1 밸브(161)를 개방하고 플라즈마 개질장치(110)의 전력 도한 높여 고온의 개질 암모니아를 통해 수소 생산 및 촉매 반응기(121) 온도를 높일 수 있다.
개질가스 공급관(L12)에는 제3 밸브(163)가 설치되고, 직접 공급관(L15)에는 제4 밸브(164)가 설치될 수 있다. 플라즈마 개질장치(110)에는 플라즈마 개질장치(110)에서 생성된 개질가스 중에 포함된 수소의 농도를 측정하는 농도 센서(115)가 설치되며, 제어부(150)는 농도 센서(115)에서 전달된 정보를 바탕으로 제3 밸브(163) 및 제4 밸브(164)의 개폐를 제어할 수 있다.
개질가스에 포함된 수소의 농도가 기 설정된 기준 농도 이하인 경우, 제어부(150)는 제3 밸브(163)를 개방하고, 제4 밸브(164)를 닫아서 개질가스를 분해장치(120)로 공급한다. 한편, 개질가스에 포함된 수소의 농도가 기 설정된 기준 농도 이상인 경우, 제어부(150)는 제3 밸브(163)를 닫고, 제4 밸브(164)를 개방하여 개질가스를 수소 분리기(140)로 공급할 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 분해 시스템의 플라즈마 개질장치를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 암모니아 분해 시스템은 플라즈마 개질장치(110)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 암모니아 분해 시스템과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
본 제2 실시예에 따른 플라즈마 개질장치(110)는 아크를 이용하여 플라즈마를 생성하는 아크 플라즈마 장치로 이루어질 수 있다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 플라즈마 개질장치는 다양한 구조로 이루어질 수 있다.
본 실시예에 따른 플라즈마 개질장치(110)는 내부 공간을 갖는 하우징(10)과 하우징(10) 내부에 삽입된 방전극(20)을 포함할 수 있다. 플라즈마 개질장치(110)는 아크(AC)를 이용하여 플라즈마를 생성하고, 플라즈마가 형성된 영역으로 공급된 암모니아 연료를 공급하여 개질한다.
하우징(10)은 내부 공간을 갖는 관 형상으로 이루어지며, 접지될 수 있다. 하우징(10)은 방전극(20)이 위치하는 방전부(12)와 방전부(12)의 하류에 위치하며 플라즈마가 형성되는 반응부(13)를 포함할 수 있다. 반응부(13)는 방전부(12)보다 더 작은 내경을 가지며, 방전부(12)와 반응부(13) 사이에는 하류로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하는 가변관(15)이 위치할 수 있다.
방전극(20)은 하우징(10) 내부에 삽입되며 하우징(10)의 길이방향으로 이어질 수 있다. 방전극(20)은 기 설정된 방전 전압으로 대전될 수 있으며, 방전극(20)에는 직류 또는 교류 전원이 연결될 수 있다.
하우징(10)에서 방전부(12)에는 암모니아를 포함하는 방전가스가 공급되는 공급부재(16)가 형성되며, 공급부재(16)는 암모니아와 함께 공기 및 산소를 하우징 내부로 분사할 수 있다. 공급부재(16)는 하우징(10)의 중심에 대하여 편심된 방향으로 가스를 분사하여 스월(swirl)을 형성할 수 있다. 이에 따라 아크(AC)가 회전할 수 있다. 공급부재(16)는 방전극(20)의 외측에 위치하여 방전극(20)의 외주면으로 가스를 분사할 수 있으며 방전가스는 방전극의 외주면을 따라 회전하면서 이동할 수 있다.
아크(AC)는 방전극(20)과 하우징(10) 사이에 형성되는데, 제1 아크점(P1)은 방전극(20)의 선단에 위치하고, 제2 아크점(P2)은 가변관(15)과 반응부(13)가 연결되는 부분에 위치할 수 있다. 그리고 반응부에는 고온의 플라즈마 영역(PA1)이 형성된다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 암모니아 분해 시스템을 도시한 도면이다.
도 6을 참조하여 설명하면, 본 제3 실시예에 따른 암모니아 분해 시스템은 가열부재(126)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 암모니아 분해 시스템과 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.
가열부재(126)는 연료를 연소하여 열을 발생시키는 플라즈마 버너를 포함할 수 있다. 가열부재(126)는 개질가스 공급관(L12)과 연결되어 개질가스 공급관(L12)에서 개질가스를 공급받을 수 있으며, 순환 공급관(L13)과 연결되어 순환 공급관(L13)으로부터 수소 분리기(140)에서 배출된 부생가스와 일부 수소를 공급받을 수 있다.
플라즈마 버너는 아크 플라즈마를 발생시킬 수 있으며, 특히 글라이딩 아크 플라즈마 장치로 이루어질 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 플라즈마 버너는 다양한 형태의 고온 플라즈마를 발생시키는 장치로 이루어질 수 있다.
플라즈마 버너는 공기와 외부연료를 통해 작동될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 플라즈마 버너는 개질가스 공급관(L12)과 연결되어 개질가스 공급관(L12)에서 개질가스를 공급받을 수 있으며, 순환 공급관(L13)과 연결되어 순환 공급관(L13)으로부터 수소 분리기(140)에서 배출된 부생가스와 일부 수소를 공급받을 수 있다.
플라즈마 버너는 개질가스 및 연료의 가연범위를 확장하고 화염을 안정화시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 실시예들에 따른 암모니아 분해 방법에 대해서 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 암모니아 분해 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 1 내지 도 6을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 암모니아 분해 방법은 플라즈마 개질 단계(S101), 개질가스 전달 단계(S102), 촉매 분해 단계(S103), 수소 분리 단계(S104)를 포함할 수 있다.
플라즈마 개질 단계(S101)는 플라즈마를 이용하여 암모니아를 열분해하고 개질가스를 생성한다. 플라즈마 개질 단계(S101)는 직류 아크 플라즈마, 교류 아크 플라즈마, 마이크로 웨이브 플라즈마, 고주파 유도 결합 플라즈마, 유전체 장벽 방전(DBD) 플라즈마, 펄스 플라즈마, 글로우 방전 플라즈마로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 플라즈마를 생성할 수 있다. 플라즈마 개질 단계(S101)는 고온 플라즈마를 생성할 수 있을 뿐만 아니라 저온 플라즈마를 생성할 수도 있다.
플라즈마 개질 단계(S101)는 분해장치(120)에 설치된 촉매 반응기(121)의 온도가 기 설정된 기준 온도 이하인 경우에만 플라즈마 개질장치(110)에 전력을 공급하여 암모니아를 개질할 수 있다. 또한, 플라즈마 개질 단계(S101)는 방전가스로서 암모니아를 공급하고 암모니아를 분해하고 이온화하여 플라즈마를 생성할 수 있다.
개질가스 전달 단계(S102)는 개질가스 공급관(L12)을 이용하여 플라즈마 개질장치(110)에서 생성된 개질가스를 분해장치(120)로 공급한다.
촉매 분해 단계(S103)는 플라즈마 개질 단계(S101)에서 공급된 개질가스를 촉매 반응기(121)에서 분해하여 수소와 질소를 포함하는 분해가스를 생성할 수 있다.
또한 촉매 분해 단계(S103)는 플라즈마 개질 단계(S101)에서 공급된 개질가스를 가열부재(123)에서 연소하여 고온의 연소가스를 생성하고 연소가스를 촉매 반응기(121)로 공급하며, 촉매 반응기(121)에는 별도의 암모니아를 공급할 수도 있다.
또한, 촉매 분해 단계(S103)는 플라즈마 개질 단계(S101)에서 공급되며 수소, 질소, 미분해 암모니아를 포함하는 개질가스의 일부를 가열부재(123)에서 연소하여 고온의 연소가스를 생성하고 연소열을 열교환 방식을 통해 촉매 반응기(121)로 공급하거나 연소가스를 직접 촉매 반응기(121)로 공급할 수 있다. 또한, 촉매 분해 단계(S103)는 촉매 반응기(121)에도 일부의 개질가스를 공급할 수 있다.
촉매 분해 단계(S103)는 개질가스 공급관(L12)을 통해서 플라즈마 개질장치(110)에서 개질가스를 연료 버너로 전달하고, 순환 공급관(L13)을 통해서 부생가스와 일부 수소를 연료 버너로 공급하여 이들을 연소하여 열을 발생시키고 발생된 열을 촉매 반응기(121)로 전달할 수 있다.
또한, 촉매 분해 단계(S103)는 개질가스 공급관(L12)을 통해서 플라즈마 개질장치(110)에서 개질가스를 플라즈마 버너로 전달하고, 순환 공급관(L13)을 통해서 부생가스와 일부 수소를 플라즈마 버너로 공급하여 개질가스 및 연료의 가연범위를 확장하고 화염을 안정화시킬 수 있다.
수소 분리 단계(S104)는 분해장치(120)에서 생성된 분해가스에 포함된 수소를 분리하며 압력 스윙 흡착 방식 등 다양한 방식으로 수소를 분리할 수 있다. 수소 분리 단계(S104)는 분해가스에서 수소를 분리하고 남은 부생가스 및 일부 소수를 가열부재(123)로 전달할 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
(부호의 설명)
100: 연료 개질 시스템 110: 플라즈마 개질장치
120: 분해장치 121: 촉매 반응기
123, 126: 가열부재 125: 온도 센서
140: 수소 분리기 10: 하우징
20: 방전극

Claims (16)

  1. 분해촉매를 포함하는 촉매 반응기와 상기 촉매 반응기를 가열하는 가열부재를 포함하여 암모니아를 분해하는 분해장치;
    상기 분해장치의 상류에 배치되어 암모니아를 개질하고, 상기 분해장치에 열을 공급하는 플라즈마 개질장치; 및
    상기 플라즈마 개질장치와 상기 분해장치 사이를 연결하며, 상기 플라즈마 개질장치에서 발생된 개질가스를 상기 촉매 반응기 및 상기 가열부재 중 적어도 하나로 공급하는 개질가스 공급관;을 포함하고,
    상기 플라즈마 개질장치는 플라즈마를 이용하여 암모니아를 열분해하는 플라즈마를 이용한 암모니아 분해 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 개질장치는 직류 아크 플라즈마, 교류 아크 플라즈마, 마이크로 웨이브 플라즈마, 고주파 유도 결합 플라즈마, 유전체 장벽 방전 플라즈마, 펄스 플라즈마, 글로우 방전 플라즈마로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 플라즈마를 생성하는 플라즈마를 이용한 암모니아 분해 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 개질장치에는 방전가스로서 암모니아가 공급되는 플라즈마를 이용한 암모니아 분해 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 촉매 반응기의 온도를 측정하는 온도 측정부와 상기 온도 측정부에서 전달된 정보를 바탕으로 상기 플라즈마 개질장치에 공급되는 전력을 제어하는 제어부를 더 포함하는 플라즈마를 이용한 암모니아 분해 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 촉매 반응기의 온도가 기 설정된 기준 온도 이하인 경우에 상기 플라즈마 개질장치에 전력을 공급하는 플라즈마를 이용한 암모니아 분해 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 가열부재는 전기를 이용하여 열을 발생시키는 전기 히터를 포함하는 플라즈마를 이용한 암모니아 분해 시스템.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 가열부재는 연료를 연소하는 연료 버너를 포함하고,
    상기 개질가스 공급관은 상기 플라즈마 개질장치에서 발생된 개질가스를 상기 가열부재로 공급하고,
    상기 가열부재는 상기 개질가스를 연소하여 상기 촉매 반응기에 열을 공급하는 플라즈마를 이용한 암모니아 분해 시스템.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 가열부재는 플라즈마를 이용하여 열을 발생시키는 플라즈마 버너를 포함하고,
    상기 플라즈마 버너는 플라즈마 발생을 통해 개질가스 및 연료의 가연범위를 확장하고 화염을 안정화시키는 플라즈마를 이용한 암모니아 분해 시스템.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 분해장치에서 배출된 분해가스에서 수소를 분리하는 수소 분리기,
    상기 수소 분리기에서 배출된 부생가스 또는 일부의 수소를 상기 가열부재로 공급하는 순환 공급관, 및
    상기 플라즈마 개질장치를 바이패스하여 상기 분해장치로 암모니아를 공급하는 바이패스 공급관을 더 포함하는 플라즈마를 이용한 암모니아 분해 시스템.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 플라즈마 개질장치는, 내부 공간을 갖고 접지된 하우징, 및 상기 하우징 내부에 삽입되며 방전 전압으로 대전된 방전극을 포함하고,
    상기 하우징은, 상기 방전극이 위치하는 방전부, 상기 방전부의 하류에 위치하며 플라즈마가 형성되는 반응부, 및 상기 방전부와 상기 반응부를 연결하며 하류로 갈수록 내경이 점진적으로 감소하는 가변관을 포함하는 플라즈마를 이용한 암모니아 분해 시스템.
  11. 플라즈마를 이용하여 암모니아를 개질하는 플라즈마 개질 단계;
    상기 플라즈마 개질 단계에서 발생된 개질가스를 분해장치로 전달하는 개질가스 전달 단계; 및
    분해장치에서 촉매를 이용하여 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 촉매 분해 단계;를 포함하는 암모니아 분해 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 플라즈마 개질 단계는 상기 분해장치에 설치된 촉매 반응기의 온도가 기 설정된 기준 온도 이하인 경우에 플라즈마 개질장치에 전력을 공급하여 암모니아를 개질하는 암모니아 분해 방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 촉매 분해 단계에서 생성된 분해가스에서 수소를 분리하는 수소 분리 단계를 더 포함하는 암모니아 분해 방법.
  14. 제11 항에 있어서,
    상기 플라즈마 개질 단계는 방전가스로서 암모니아를 공급하고 공급된 암모니아의 일부 또는 전부를 분해하여 플라즈마를 생성하는 암모니아 분해 방법.
  15. 제11 항에 있어서,
    상기 분해장치는 분해촉매를 포함하는 촉매 반응기와 상기 촉매 반응기에 열을 공급하는 가열부재를 포함하고,
    상기 촉매 분해 단계는 상기 개질가스의 일부를 상기 가열부재에서 연소하여 고온의 연소가스를 생성하고 연소가스의 열을 상기 촉매 반응기로 전달하는 것을 암모니아 분해 방법.
  16. 제15 항에 있어서,
    상기 가열부재는 플라즈마를 이용하여 열을 발생시키는 플라즈마 버너를 포함하고,
    상기 촉매 분해 단계는 상기 플라즈마 버너를 이용하여 개질가스 및 연료의 가연범위를 확장하고 화염을 안정화시키는 암모니아 분해 방법.
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