KR102925189B1 - Apparatus for producing hydrogen and method using the same - Google Patents
Apparatus for producing hydrogen and method using the sameInfo
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Abstract
수소 생산 장치는 입력 가스가 제공되어 POX(partial oxidation) 반응이 수행되는 POX 반응로, NTP(non-thermal plasma) 반응이 수행되는 배출되는 NTP 반응로, 상기 POX 반응로와 상기 NTP 반응로 사이에 배치되고, 멤브레인 분리가 수행되는 멤브레인 분리기, 및 상기 POX 반응로와 상기 NTP 반응로 사이에 배치되고, 상기 NTP 반응로의 NTP로 인한 높은 열이 상기 POX 반응로로 미치는 영향을 줄이는 복사 실드를 포함한다. A hydrogen production device includes a POX reactor in which an input gas is supplied and a POX (partial oxidation) reaction is performed, an NTP reactor in which an NTP (non-thermal plasma) reaction is performed, a membrane separator disposed between the POX reactor and the NTP reactor and in which membrane separation is performed, and a radiation shield disposed between the POX reactor and the NTP reactor and in which the high heat of the NTP reactor is reduced in influence on the POX reactor.
Description
본 명세서는 수소 생산에 관한 것으로, 보다 상세하게는 낮은 온실가스 방출을 갖는 수소를 생산하는 방법 및 장치에 관한 것이다.This specification relates to hydrogen production, and more particularly to a method and apparatus for producing hydrogen with low greenhouse gas emissions.
온실가스 배출과 지구온난화 문제로 인하여 화석연료를 대체할 수 있는 신재생에너지 개발 및 확산의 필요성이 증가하고 있다. 수소는 청정에너지 소스의 하나로 고려되고 있다. 수소는 화석연료, 바이오매스 및 물 등 다양한 형태로 존재한다. 수소를 연료로 사용하기 위해서는 경제적인 방법뿐만 아니라 환경에 미치는 영향을 최소화하는 방법으로 생산하는 것이 중요하다. Due to greenhouse gas emissions and global warming, there is a growing need to develop and expand renewable energy sources that can replace fossil fuels. Hydrogen is considered one such clean energy source. Hydrogen exists in various forms, including fossil fuels, biomass, and water. To use hydrogen as a fuel, it is crucial to produce it in a way that is not only economical but also minimizes its environmental impact.
수소생산방법에는 전통적 방법인 화석연료 개질반응을 통한 생산과 재생가능한 방법인 바이오매스 및 물을 이용한 생산으로 나뉜다. 화석연료를 이용한 수소생산은 습윤개질반응, 자열개질반응, 부분산화반응 및 가스화반응 등 열화학적 방법으로 가능하다. Hydrogen production methods can be divided into traditional methods using fossil fuel reforming and renewable methods using biomass and water. Hydrogen production from fossil fuels can be achieved through thermochemical methods such as wet reforming, autothermal reforming, partial oxidation, and gasification.
수소를 생산하는 공정 동안 이산화탄소가 생성된다. 이산화탄소는 대표적인 온실가스 중 하나로, 배출을 최소화하는 것이 필요하다. 또한, 주로 메탄으로 구성 되어있는 천연가스의 추출, 운송 및 사용 또한 탄소 오염의 주요 원인인데, 이는 온실가스로서의 메탄이 이산화탄소보다 영향력이 10배 정도 더 크기 때문이다. Carbon dioxide is produced during the hydrogen production process. Carbon dioxide is a major greenhouse gas, and its emissions must be minimized. Furthermore, the extraction, transportation, and use of natural gas, which is primarily composed of methane, is a major source of carbon pollution, as methane is approximately ten times more potent as a greenhouse gas than carbon dioxide.
본 명세서는 낮은 온실가스 배출을 갖는 수소 생산 방법 및 장치를 제공한다. The present disclosure provides a method and device for producing hydrogen with low greenhouse gas emissions.
일 양태에서, 수소 생산 장치는 외관을 형성하는 외부 튜브, 상기 외부 튜브 내 배치되고, 입력 가스가 제공되어 POX(partial oxidation) 반응이 수행되는 POX 반응로, 상기 외부 튜브 내 배치되고, NTP(non-thermal plasma) 반응이 수행되는 배출되는 NTP 반응로, 상기 외부 튜브 내 상기 POX 반응로와 상기 NTP 반응로 사이에 배치되고, 멤브레인 분리가 수행되는 멤브레인 분리기, 및 상기 외부 튜브 내 상기 POX 반응로와 상기 NTP 반응로 사이에 배치되고, 상기 NTP 반응로의 NTP로 인한 높은 열이 상기 POX 반응로로 미치는 영향을 줄이는 복사 실드를 포함한다.In one aspect, a hydrogen production device includes an outer tube forming an exterior, a POX reactor disposed within the outer tube and in which an input gas is supplied to perform a POX (partial oxidation) reaction, a discharged NTP reactor disposed within the outer tube and in which a NTP (non-thermal plasma) reaction is performed, a membrane separator disposed between the POX reactor and the NTP reactor within the outer tube and in which membrane separation is performed, and a radiation shield disposed between the POX reactor and the NTP reactor within the outer tube and in which the high heat caused by the NTP of the NTP reactor is reduced influencing the POX reactor.
상기 입력 가스는 메탄 및 공기를 포함하고, 상기 POX 반응로는 상기 POX 반응에서 상기 메탄 및 상기 공기로부터 수소와 일산화탄소가 혼합된 합성 가스를 생산하고, 상기 멤브레인 분리기는 통해 상기 합성 가스내 수소와 일산화탄소를 분리하고, 분리된 수소를 상기 외부 튜브 외부로 배출하고, 상기 분리된 일산화탄소는 상기 NTP 반송로에서 상기 NTP 반응에 의해 아산화탄소(carbon suboxide) 및 이산화탄소를 갖는 상기 잔류물로 변환된다.The input gas includes methane and air, the POX reactor produces a synthesis gas mixed with hydrogen and carbon monoxide from the methane and the air in the POX reaction, the membrane separator separates hydrogen and carbon monoxide in the synthesis gas, discharges the separated hydrogen to the outside of the outer tube, and the separated carbon monoxide is converted into the residue having carbon suboxide and carbon dioxide by the NTP reaction in the NTP return path.
다른 양태에서, 수소 생산 장치는 외관을 형성하는 외부 튜브, 상기 외부 튜브 내 배치되고, 입력 가스가 제공되어 POX(partial oxidation) 반응이 수행되는 POX 반응로, 상기 외부 튜브 내 배치되고, NTP(non-thermal plasma) 반응이 수행되는 배출되는 NTP 반응로, 상기 외부 튜브 내 상기 POX 반응로와 상기 NTP 반응로 사이에 배치되고, 멤브레인 분리가 수행되는 멤브레인 분리기, 및 상기 외부 튜브 내 상기 POX 반응로와 상기 NTP 반응로 사이에 배치되고, 상기 NTP 반응로의 NTP로 인한 높은 열이 상기 POX 반응로로 미치는 영향을 줄이는 복사 실드를 포함한다.In another aspect, a hydrogen production device includes an outer tube forming an exterior, a POX reactor disposed within the outer tube and in which an input gas is supplied to perform a POX (partial oxidation) reaction, a discharged NTP reactor disposed within the outer tube and in which a NTP (non-thermal plasma) reaction is performed, a membrane separator disposed between the POX reactor and the NTP reactor within the outer tube and in which membrane separation is performed, and a radiation shield disposed between the POX reactor and the NTP reactor within the outer tube and in which the high heat due to the NTP of the NTP reactor is reduced influencing the POX reactor.
상기 입력 가스는 메탄 및 공기를 포함하고, 상기 POX 반응로는 상기 POX 반응에서 상기 메탄 및 상기 공기로부터 수소와 일산화탄소가 혼합된 합성 가스를 생산하고, 상기 멤브레인 분리기는 통해 상기 합성 가스내 수소와 일산화탄소를 분리하고, 분리된 수소를 상기 외부 튜브 외부로 배출하고, 상기 분리된 일산화탄소는 상기 NTP 반송로에서 상기 NTP 반응에 의해 아산화탄소(carbon suboxide) 및 이산화탄소를 갖는 상기 잔류물로 변환된다.The input gas includes methane and air, the POX reactor produces a synthesis gas mixed with hydrogen and carbon monoxide from the methane and the air in the POX reaction, the membrane separator separates hydrogen and carbon monoxide in the synthesis gas, discharges the separated hydrogen to the outside of the outer tube, and the separated carbon monoxide is converted into the residue having carbon suboxide and carbon dioxide by the NTP reaction in the NTP return path.
상기 POX 반응로는 내부 튜브, 상기 내부 튜브에 포함되는 제2 중앙 튜브, 및 상기 NTP 반응로를 관통하여 상기 제2 중앙 튜브 내측으로 연장되는 제1 중앙 튜브를 포함한다. 상기 제1 중앙 튜브에 제공되는 입력가스는 제2 중앙 튜브 내부, 상기 내부 튜브 내부, 상기 외부 튜브 내부의 순으로 순차적으로 흐fms다 상기 제2 중앙 튜브와 내부 튜브 사이에는 POX 촉매가 배치되어, 상기 입력가스에 대한 POX 반응이 수행된다.The POX reactor comprises an inner tube, a second central tube included in the inner tube, and a first central tube extending into the second central tube through the NTP reactor. An input gas provided to the first central tube sequentially flows into the second central tube, the inner tube, and the outer tube. A POX catalyst is disposed between the second central tube and the inner tube, so that a POX reaction is performed on the input gas.
또 다른 양태에서, 수소 생산 방법은 메탄 및 공기를 반응로로 제공하는 단계, 상기 반응로에서 POX (partial oxidation) 촉매의 존재하에 촉매 POX 반응에 의해 상기 메탄 및 상기 공기를 수소와 일산화탄소의 혼합물인 합성가스(syngas)로 변환하되, 상기 메탄 및 상기 공기는 450℃와 550℃ 범위의 온도로 가열되는 단계, 및 상기 반응로에서 상기 합성 가스로부터 멤브레인 분리를 통해 수소와 일산화탄소로 분리시키는 단계, 및 상기 반응로에서 상기 분리된 일산화탄소를 NTP(non-thermal plasma)의 존재하에 아산화탄소(carbon suboxide) 및 이산화탄소로 변환하는 단계를 포함한다. In another aspect, a method for producing hydrogen comprises the steps of providing methane and air to a reactor, converting the methane and the air into a syngas, which is a mixture of hydrogen and carbon monoxide, by a catalytic partial oxidation (POX) reaction in the presence of a POX catalyst in the reactor, wherein the methane and the air are heated to a temperature in the range of 450° C. and 550° C., separating hydrogen and carbon monoxide from the syngas in the reactor through membrane separation, and converting the separated carbon monoxide into carbon suboxide and carbon dioxide in the reactor in the presence of a non-thermal plasma (NTP).
수소를 생산하는 동안 발생할 수 있는 온실가스 배출을 크게 줄일 수 있다. 수소를 생산함과 동시에 유용한 고체화된 탄소 화합물을 얻을 수 있다. This can significantly reduce greenhouse gas emissions that may occur during hydrogen production. By simultaneously producing hydrogen and obtaining useful solid carbon compounds,
도 1은 플라즈마의 종류와 각각의 전자 온도 및 전자 수 밀도를 나타낸다.
도 2는 플라즈마 내에서 다양한 종들의 평형 온도 상에서 압력의 영향을 나타낸다.
도 3은 원하는 여기된 종을 생성하기 위해 최적화될 수 있는 플라즈마 매개변수를 보여준다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소를 생산하는 방법을 나타낸 개략도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소를 생산하는 장치를 나타낸 개략도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소를 생산하는 장치를 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소를 생산하는 장치를 나타낸 개략도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소를 생산하는 방법을 나타낸 개략도이다. Figure 1 shows the types of plasma and their respective electron temperatures and electron density.
Figure 2 shows the effect of pressure on the equilibrium temperatures of various species in a plasma.
Figure 3 shows plasma parameters that can be optimized to produce the desired excited species.
Figure 4 is a schematic diagram showing a method for producing hydrogen according to one embodiment of the present invention.
Figure 5 is a schematic diagram showing a device for producing hydrogen according to one embodiment of the present invention.
Figure 6 is a schematic diagram showing a device for producing hydrogen according to another embodiment of the present invention.
Figure 7 is a schematic diagram showing a device for producing hydrogen according to another embodiment of the present invention.
Figure 8 is a schematic diagram showing a method for producing hydrogen according to another embodiment of the present invention.
"플라즈마"라는 용어는 일반적으로 이온화된 기체상을 나타내며 집합적으로 유사한 방식으로 움직이는 하전 및 중성 입자의 준중성 가스(quasi-neutral gas)로 정의된다. "준중성"은 플라즈마 내의 거시적 부피 내에서 순전하(net charge)가 없음을 나타낸다. 그러나 마이크로스케일에서는 전하 불균형이 존재할 수 있다. 확실히, 소위 "Debye sphere"보다 큰 플라즈마 볼륨 내에서 대략적인 전하 중성, 즉 음전하와 양전하를 띤 종의 수의 동일성이 존재해야 한다. 예를 들어, 10 Torr의 압력과 100볼트/센티미터의 전계 강도에서 수소 글로우 방전(hydrogen glow discharge) 내의 전자 밀도는 센티미터 입방체당 약 3 Х 1010 전자다. 플라즈마 내 준중성성에 대한 요구 사항은 이온 밀도도 센티미터 입방체당 3 Х 1010이 되는 것을 필요로 한다. 이것은 방전에서 수소의 수 밀도가 약 3 Х 1017 분자/cm3이기 때문에 약 10-7 의 이온화 정도를 나타낸다.The term "plasma" generally refers to an ionized gas phase and is defined as a quasi-neutral gas of charged and neutral particles that collectively move in a similar manner. "Quasi-neutral" indicates the absence of net charge within the macroscopic volume of the plasma. However, charge imbalances can exist at the microscale. Certainly, approximate charge neutrality, i.e., an equality of the numbers of negatively and positively charged species, must exist within a plasma volume larger than the so-called "Debye sphere." For example, the electron density in a hydrogen glow discharge at a pressure of 10 Torr and a field strength of 100 volts/centimeter is about 3 x 10 10 electrons per centimeter cubed. The requirement for quasi-neutrality in a plasma also requires that the ion density be 3 x 10 10 per centimeter cubed. This indicates an ionization degree of about 10 -7 , since the number density of hydrogen in the discharge is about 3 Х 10 17 molecules/cm 3 .
구성 요소가 가스 입자 간의 단거리 상호 작용(예: 분자간 충돌)에 의해서만 영향을 받는 중성 가스와 달리 플라즈마의 원거리 부분은 플라즈마의 다른 부분에 영향을 줄 수 있다. 이 속성은 플라즈마 내의 먼 위치에서 방출되는 전자기장이 그 안의 전하 캐리어에 영향을 줄 수 있기 때문이다.Unlike a neutral gas, whose components are affected only by short-range interactions between gas particles (e.g., intermolecular collisions), distant parts of a plasma can influence other parts of the plasma. This property is because electromagnetic fields emitted from distant locations within the plasma can influence charge carriers within it.
플라즈마는 고농도의 이온화된 입자를 생성할 수 있도록 적절한 크기의 에너지원(일반적으로 전기장)에 의해 유지된다. 전기장에서 하전 입자의 이동은 다음 방정식에 의해 결정된다:Plasma is maintained by an energy source (typically an electric field) of appropriate size to generate a high concentration of ionized particles. The movement of charged particles in an electric field is governed by the following equation:
여기서, v 는 입자의 속도, v ° = d v /dt, t는 시간, q는 입자의 전하, m은 입자의 질량, E 는 전기장, B 는 자기장이다. 이 방정식은 더 가벼운 입자가 동일한 환경에서 더 무거운 입자보다 훨씬 더 높은 정도로 가속된다는 것을 의미한다. 예를 들어, 질량이 me인 전자와 질량이 대략 1836me인 양성자의 경우, 전자는 주어진 단위 시간 동안 전기장에 노출될 때 양성자(수소 이온)보다 훨씬 더 빠른 속도에 도달한다. 전자의 온도가 더 무거운 입자의 온도보다 훨씬 더 높을 수 있는 저압 플라즈마 내에서 이러한 상황은 플라즈마 내에서 비평형 상태를 발생시킨다.Here, v is the velocity of the particle, v ° = d v /d t , t is time, q is the charge of the particle, m is the mass of the particle, E is the electric field, and B is the magnetic field. This equation means that lighter particles will accelerate to a much higher degree than heavier particles in the same environment. For example, for an electron with a mass of me and a proton with a mass of approximately 1836 me , the electron will reach a much higher velocity than the proton (hydrogen ion) when exposed to an electric field for a given unit time. In a low-pressure plasma, where the temperature of the electron can be much higher than that of the heavier particles, this situation creates a non-equilibrium condition in the plasma.
일반적으로 플라즈마 방전 유형은 평형(고온) 플라즈마(equilibrium (thermal) plasmas) 또는 비평형 플라즈마(non-equilibrium plasmas)의 두가지 범주로 나눌 수 있다. 평형 플라즈마는 아크 방전과 플라즈마 토치를 포함하는 반면 비평형 방전은 넓은 범위의 플라즈마를 포함하며, 크게 감소된 전기장(전기장 E를 가스 밀도 N으로 나눈 값)과 적용된 필드가 변경되기 전에 평형을 이루는 가스 종의 내부 에너지(회전, 진동 및 전자)를 방지하는 짧은 타임 스케일(또는 고주파수)로 특징된다. 감소된 전기장(E/N)은 전자 에너지를 다루는 요인을 제어하여 플라즈마 에너지를 나타내며, 이는 전자와 주변 가스 간의 상호 작용 특성을 차례로 결정한다.Generally, plasma discharge types can be divided into two categories: equilibrium (thermal) plasmas and non-equilibrium plasmas. Equilibrium plasmas include arc discharges and plasma torches, whereas non-equilibrium discharges include a wide range of plasmas and are characterized by a greatly reduced electric field (the electric field E divided by the gas density N) and a short time scale (or high frequency) that prevents the internal energies (rotational, vibrational, and electrons) of the gas species from reaching equilibrium before the applied field is changed. The reduced electric field (E/N) governs the factors governing the electron energies, which in turn determine the characteristics of the interaction between the electrons and the surrounding gas, thereby representing the plasma energy.
도 1은 플라즈마의 종류와 각각의 전자 온도 및 전자 수 밀도를 나타낸다.Figure 1 shows the types of plasma and their respective electron temperatures and electron density.
비평형 플라즈마는 코로나 방전, 글로우 방전, 스파크 방전, 글라이딩 아크 방전, 유전체 장벽 방전(DBD(dielectric barrier discharges)) 등의 형태를 취할 수 있다. 각 유형은 플라즈마 특성에 큰 영향을 미치는 다양한 전극 구성과 함께 사용될 수 있다. 주요 전극 특징은 방전 갭 거리, 전극의 기하학(방전 영역의 국부화를 결정함) 및 구성 재료를 포함한다. 또한, 방전 유형에 영향을 미치는 가스 매개변수는 압력, 온도, 가스 내의 특정 원자 및/또는 분자의 내부 에너지 구성 및 유속/속도이다.Non-equilibrium plasmas can take the form of corona discharges, glow discharges, spark discharges, gliding arc discharges, and dielectric barrier discharges (DBDs). Each type can be used with different electrode configurations, which significantly influence plasma characteristics. Key electrode characteristics include the discharge gap distance, electrode geometry (which determines the localization of the discharge region), and constituent materials. Gas parameters that also influence the discharge type include pressure, temperature, the internal energy composition of specific atoms and/or molecules within the gas, and the flow rate/velocity.
평형 및 비평형 반응 환경의 맥락에서 플라즈마 방전의 고유한 특성이 고려되어야 한다. 이러한 고려 사항은 플라즈마 및 시스 물리학(sheath physics) 내에서 탄성 및 비탄성 충돌의 역할을 포함한다. 비평형 플라즈마의 전자는 이온보다 훨씬 더 이동성이 높기 때문에(더 높은 온도, 더 낮은 질량) 결과적으로 높은 플럭스(flux)를 달성한다. 따라서 플라즈마와 접촉하는 물질은 일반적으로 플라즈마 전위와 관련하여 음전하를 띠게 된다. 시스의 물리학은 플라즈마와 접촉하는 물질에 인접한 중성이 아닌 층의 구조를 나타낸다.The unique properties of plasma discharges must be considered in the context of equilibrium and non-equilibrium reaction environments. These considerations include the role of elastic and inelastic collisions within plasma and sheath physics. Electrons in non-equilibrium plasmas are much more mobile (higher temperature, lower mass) than ions, resulting in high fluxes. Consequently, materials in contact with the plasma typically acquire a negative charge relative to the plasma potential. Sheath physics describes the structure of a non-neutral layer adjacent to the material in contact with the plasma.
플라즈마 내의 입자(예: 이온, 전자, 라디칼 및 분자)는 충돌을 통해 서로 상호 작용한다. 한 입자가 다른 입자와 충돌하면, 충돌하는 입자 중 하나의 반응(reaction) 또는 여기(excitation )가 발생하거나 두 입자 사이의 에너지 또는 운동량 교환을 유발할 수 있다. 비평형 조건에서 플라즈마 내의 전자는 더 무거운 종(species)보다 훨씬 빠르게 움직인다. 이와 같이 전자는 정지해 있는 것으로 가정할 수 있는 무거운 종과의 충돌에서 입사종(incident species)으로 간주될 수 있다.Particles within a plasma (e.g., ions, electrons, radicals, and molecules) interact with each other through collisions. When one particle collides with another, it can trigger a reaction or excitation of one of the colliding particles, or it can trigger an exchange of energy or momentum between the two particles. Under non-equilibrium conditions, electrons within a plasma move much faster than heavier species. Therefore, electrons can be considered incident species in collisions with heavier species that are assumed to be stationary.
단위 측면적과 두께가 Δx인 플라즈마 내의 직사각형 체적에 전자가 입사할 때, 전자가 타겟 입자(예: 수소 분자) 중 하나와 충돌할 확률은 타겟 입자가 덮는 면적의 비율에 따라 달라진다. 일반적으로 주어진 충돌에 대한 단면적은 단단한 구체 충돌의 경우처럼 단순히 투영된 영역이 아니다. 입자가 정전기 쿨롱력(electrostatic Coulombic force)과 같은 다른 수단에 의해 상호 작용하는 경우 충돌 단면적이 상당히 다를 수 있다. 충돌 단면적은 또한 입사 및 목표 입자의 상대 속도에 따라 달라진다. 다음 표는 몇 가지 가능한 상호작용 가능성과 해당 단면적에 관한 것이다. When an electron is incident on a rectangular volume within a plasma with unit lateral area and thickness Δx, the probability that the electron will collide with one of the target particles (e.g., a hydrogen molecule) depends on the proportion of the area covered by the target particle. In general, the cross-section for a given collision is not simply the projected area, as is the case for a hard sphere collision. The collision cross-section can be quite different if the particles interact by other means, such as electrostatic Coulombic forces. The collision cross-section also depends on the relative velocities of the incident and target particles. The following table lists some possible interaction possibilities and their corresponding cross-sections.
다음 식은 감소된 전기장 E/nh에 대한 전자 Te와 무거운 입자(heavy particles )의 온도 간의 평형 의존성을 나타낸다:The following equation describes the equilibrium dependence between the temperature of electrons T e and heavy particles on the reduced electric field E/n h :
여기서, ΔT는 전자와 무거운 입자 사이의 온도 차이를 나타낸다. 낮은 압력(낮은 수 밀도 nh)에서는 ΔT가 커서 전자가 무거운 입자보다 훨씬 더 뜨겁다. 대조적으로, 높은 압력(고농도 nh)에서는 ΔT가 작아서 전자와 무거운 입자가 열평형 상태에 있게 된다. 따라서, 위 식은 도 2에 표시된 일반적인 동작을 설명한다. Here, ΔT represents the temperature difference between the electrons and the heavier particles. At low pressures (low number density n h ), ΔT is large, so the electrons are much hotter than the heavier particles. In contrast, at high pressures (high concentration n h ), ΔT is small, so the electrons and the heavier particles are in thermal equilibrium. Therefore, the above equation describes the general behavior shown in Figure 2.
도 2는 플라즈마 내에서 다양한 종들의 평형 온도 상에서 압력의 영향을 나타낸다. 이것은 저압 플라즈마에 존재하는 비평형 거동의 물리적 기초, 즉, 플라즈마 방전 내의 전자가 무거운 입자의 온도에 비해 어떻게 그렇게 높은 온도에 있을 수 있는지를 나타낸다.Figure 2 illustrates the effect of pressure on the equilibrium temperatures of various species within a plasma. This illustrates the physical basis of the nonequilibrium behavior present in low-pressure plasmas, namely, how electrons within a plasma discharge can be at such high temperatures compared to the temperatures of heavier particles.
비평형 플라즈마 내에서 전자는 전기장에 의해 중이온보다 더 크게 여기된다. 전자와 무거운 입자 사이의 에너지 교환은 질량의 큰 차이로 인해 상대적으로 비효율적이며, 비평형 플라즈마 내의 전자는 무거운 입자보다 더 높은 온도를 갖는다. 반면 무거운 입자(즉, 이온, 원자, 분자 등)와 전자는 증가된 압력과 감소된 전기장 강도에서 열 평형에 접근한다. 비평형 플라즈마 내에서 전자가 도달하는 더 높은 온도는 이러한 플라즈마 방전에 새로운 특성을 부여한다. 예를 들어, 플라즈마 내의 고온의 전자는 원자 라디칼 또는 진동으로 여기된 분자(비탄성 충돌을 통해)와 같은 높은 농도의 여기된 종을 생성하여 플라즈마 내에서 높은 수준의 화학적 활성을 일으킬 수 있다.In non-equilibrium plasmas, electrons are more excited by electric fields than heavy ions. Energy exchange between electrons and heavy particles is relatively inefficient due to the large difference in mass, and electrons in non-equilibrium plasmas have a higher temperature than heavy particles. Conversely, heavy particles (i.e., ions, atoms, molecules, etc.) and electrons approach thermal equilibrium under increased pressure and reduced electric field strength. The higher temperatures reached by electrons in non-equilibrium plasmas impart novel properties to these plasma discharges. For example, the high-temperature electrons in the plasma can generate high concentrations of excited species, such as atomic radicals or vibrationally excited molecules (via inelastic collisions), leading to a high level of chemical activity within the plasma.
무거운 입자가 훨씬 낮은 온도에 있기 때문에 환경에 대한 열 손실은 무시할 수 있다. 이것은 높은 화학적 활성이 달성되지만 환경에 대한 열손실이 매우 높은 고온(평형) 플라즈마의 상황과 대조된다. 이와 같이, 고온 플라즈마는 종종 역반응을 방지하기 위해 반응 생성물의 빠른 급랭 및 허용을 위한 광범위한 냉각을 필요로 한다. 비평형 플라즈마는 높은 반응성과 높은 열 효율을 동시에 제공하여 이러한 제한을 줄인다.Because the heavy particles are at a much lower temperature, heat loss to the environment is negligible. This contrasts with the situation in high-temperature (equilibrium) plasmas, where high chemical activity is achieved but heat loss to the environment is very high. Therefore, high-temperature plasmas often require extensive cooling to rapidly quench and allow reaction products to be cooled to prevent back reactions. Non-equilibrium plasmas reduce these limitations by simultaneously offering high reactivity and high thermal efficiency.
마지막으로, 비평형 플라즈마의 많은 특이한 특성 중에는 생산된 반응 경로 및 대응하는 반응 생성물에 대한 비평형 환경의 영향이 있다. 예를 들어, 아산화탄소 중합체는 메탄의 부분 산화(POX(partial oxidation)) 동안 비평형 플라즈마에서 형성될 수 있다. 이러한 종(species)은 고온(평형) 플라즈마 내에서는 메탄 POX의 반응 생성물에 존재하는 것으로 관찰되지 않았다.Finally, among the many unusual properties of nonequilibrium plasmas is the influence of the nonequilibrium environment on the reaction pathways and corresponding reaction products produced. For example, carbon dioxide polymers can be formed in nonequilibrium plasmas during partial oxidation (POX) of methane. These species have not been observed in the reaction products of methane POX in high-temperature (equilibrium) plasmas.
플라즈마 내의 여기된 종(예: 이온, 라디칼 또는 진동/회전 여기된 분자)은 전자가 저에너지 무거운 종(즉, 바닥 상태 또는 준안정 원자 또는 분자)과 비탄성적으로 충돌할 때 생성된다. 예를 들어 전자와 수소 분자의 충돌은 다음 반응을 통해 두개의 수소 원자를 생성할 수 있다.Excited species (e.g., ions, radicals, or vibrationally/rotationally excited molecules) within a plasma are created when electrons collide inelastically with lower-energy, heavier species (e.g., ground-state or metastable atoms or molecules). For example, the collision of an electron with a hydrogen molecule can produce two hydrogen atoms through the following reaction:
여기서, 빠른 전자의 운동 에너지는 수소 분자의 해리를 두개의 수소 원자의 더 높은 에너지 상태로 유도한다. 이 반응은 입사 전자와 표적 수소 분자 사이의 충돌로 시각화할 수 있다. 일반적으로 이와 같은 비탄성 충돌의 단면은 입사 전자와 표적 분자의 상대 속도에 따라 달라진다. 이 상대 속도는 차례로 플라즈마 방전의 매개변수, 특히 감소된 전기장 E/nh에 따라 달라진다. 플라즈마 작동 매개변수의 선택은 특정 프로세스의 에너지 효율성에 상당한 영향을 미칩니다. 20V에서 100V Torr-1 cm-1로 이동하는 것은 탄성 충돌을 통해 전자에서 무거운 종으로 전달되는 에너지 비율을 6배 이상 변경시킨다.Here, the kinetic energy of the fast electrons drives the dissociation of hydrogen molecules into higher-energy states of two hydrogen atoms. This reaction can be visualized as a collision between the incident electron and the target hydrogen molecule. The cross-section of such an inelastic collision generally depends on the relative velocity of the incident electron and the target molecule. This relative velocity, in turn, depends on the parameters of the plasma discharge, particularly the reduced electric field E/n h . The choice of plasma operating parameters significantly affects the energy efficiency of a particular process. Moving from 20 V to 100 V Torr-1 cm-1 changes the proportion of energy transferred from electrons to heavier species through elastic collisions by more than a factor of six.
도 3은 원하는 여기된 종을 생성하기 위해 최적화될 수 있는 플라즈마 매개변수를 보여준다. 예를 들어, 수소 플라즈마 내에서 발생하는 해리 효율을 최대화하기 위해(원자 수소를 생성하기 위해), 두 가지 기여하는 해리 메커니즘이 주어지면 30~50 V Torr-1 cm-1 범위에서 작동하는 것이 유리할 것이다.Figure 3 illustrates plasma parameters that can be optimized to generate the desired excited species. For example, to maximize the dissociation efficiency occurring in a hydrogen plasma (to produce atomic hydrogen), given the two contributing dissociation mechanisms, operating in the 30–50 V Torr-1 cm-1 range would be advantageous.
이온화는 입사 전자가 대상 입자에서 다른 전자를 두드리는 비탄성 충돌의 특정 경우이다. 전기적으로 가속된 전자는 중성 종을 이온화하여 더 많은 전자를 생성한다. 이 도터 전자(daughter electrons)는 추가 이온화 등을 유도할 수 있을 때까지 자체적으로 가속된다. 이 가속 과정은 플라즈마를 정의하는 상당한 정도의 이온화를 발생시킨다.Ionization is a specific case of inelastic collisions where an incident electron knocks out another electron from a target particle. Electrically accelerated electrons ionize neutral species, creating more electrons. These daughter electrons are then accelerated until they can induce further ionization. This acceleration process generates the significant degree of ionization that defines plasma.
앞에서 설명한 것처럼 전자는 이온보다 평균 속도가 더 빠르다. 따라서 주어진 (중성) 표면은 이온보다 더 높은 전자 플럭스를 경험할 것이다. 이것은 고체에 대한 음전하의 순 플럭스가 있기 때문에 플라즈마 내에 배치된 접지되지 않은 고체에 음전위가 발생하는 결과를 낳는다. 이 전위의 크기가 커지면 에너지가 낮은 전자를 밀어내고 이온을 끌어당기는 작용을 하여 고체에 더 작은 크기의 음의 전류를 발생시켜 고체의 전위를 0에 가깝게 만든다. 궁극적으로 이 과정은 평형에 도달하고 정상 상태의 전위가 설정된다. 접지되지 않은 고체의 경우 이 전위를 부동 전위(floating potential)라고 한다. 일반적인 플라즈마의 경우 부동 전위는 벌크 플라즈마의 전위보다 10~30볼트만큼 낮을 수 있다. 부동 전위는 일반적으로 두께가 몇 Debye 길이인 시스(sheath)를 가로질러 벌크 플라즈마 전위로 전환된다.As previously explained, electrons have a higher average velocity than ions. Therefore, a given (neutral) surface will experience a higher electron flux than ions. This results in a negative potential in an ungrounded solid placed within the plasma, as there is a net negative charge flux toward the solid. As this potential increases, it acts to repel lower-energy electrons and attract ions, generating a smaller negative current in the solid, bringing its potential closer to zero. Ultimately, this process reaches equilibrium and establishes a steady-state potential. For an ungrounded solid, this potential is called the floating potential. In typical plasmas, the floating potential can be 10–30 volts lower than the bulk plasma potential. The floating potential is transferred to the bulk plasma potential across a sheath, typically a few Debye lengths thick.
접지된 고체 또는 부동 전위와 다른 전위로 바이어스된 고체는 순 전류를 끌어들인다. Langmuir 프로브라는 장치를 사용하여 바이어스 전압의 함수로 수집된 전류의 크기를 정량화하면 전자 온도 Te 및 플라즈마 내 이온화된 종의 농도를 포함한 여러 플라즈마 매개변수를 결정할 수 있다. 음전위는 표면을 향해 이온을 가속하려는 의도로 고체에도 적용될 수 있다. 이러한 고도로 가속된 이온이 고체 표면에 미치는 영향이 고체 표면에서 발생하는 화학 반응이다.A solid biased to a potential different from that of a grounded or floating solid attracts a net current. By quantifying the magnitude of this current as a function of bias voltage using a device called a Langmuir probe, several plasma parameters, including the electron temperature Te and the concentration of ionized species within the plasma, can be determined. A negative potential can also be applied to a solid with the intention of accelerating ions toward the surface. The effect of these highly accelerated ions on the solid surface is a chemical reaction that occurs at the solid surface.
APLTP(Atmospheric-pressure low-temperature plasma)는 대부분의 작동 조건에서 비평형 상태에서 작동한다. APLTP의 주요 특징 중 하나는 특성 전자 에너지 범위가 수 eV에서 10 eV인 반면 무거운 입자 온도는 실온 부근에서 전자 온도와 비슷하지만 일반적으로 낮은 수준까지 다양하다는 것이다. 이것은 전자와 무거운 입자(예: 분자, 원자 및 이온) 사이의 물리적인 상당한 질량 차이 때문이다. 비평형 APLTP에는 다음과 같은 세 가지 유형이 있다. (i) NEQ(Non-electrical-equilibrium): 플라즈마 영역에 도전성 또는 비전도성 물체가 삽입되면 물체 표면과 플라즈마 영역 사이에 준전하 중성 조건에서 벗어난 시스가 발생하고 전체 전위 강하의 대부분이 이 NEQ 영역에서 발생한다. (ii) NLTE(Non-local-thermodynamic-equilibrium): 플라즈마의 무거운 입자에 대한 전자의 낮은 질량 비율(예: 아르곤의 경우 10-5)은 전자와 무거운 입자 사이의 불충분한 탄성 에너지 교환으로 이어진다. (iii) NLCE(Non-local-chemical-equilibrium): 평균 전자 온도가 수십 전자 볼트(eV)의 비탄성 충돌 에너지 임계값보다 낮은 수 전자 볼트(eV) 주변이므로, 차가운 가스와 상호 작용할 때 여기 및 이온화 속도가 특히 크게 감소한다. Atmospheric-pressure low-temperature plasmas (APLTPs) operate in a non-equilibrium state under most operating conditions. One of the key characteristics of APLTPs is that the characteristic electron energies range from a few electron volts (eV) to tens of electron volts (eV), while the heavy particle temperatures range from near room temperature to near, but typically lower than, the electron temperatures. This is due to the significant physical mass difference between electrons and heavy particles (e.g., molecules, atoms, and ions). There are three types of non-equilibrium APLTPs: (i) Non-electrical-equilibrium (NEQ): When a conductive or non-conductive object is inserted into the plasma region, a sheath deviates from the quasi-charge neutral condition between the object surface and the plasma region, and most of the overall potential drop occurs in this NEQ region. (ii) Non-local-thermodynamic-equilibrium (NLTE): The low mass ratio of electrons to heavy particles in the plasma (e.g., 10-5 for argon) leads to insufficient elastic energy exchange between the electrons and heavy particles. (iii) Non-local-chemical-equilibrium (NLCE): Since the average electron temperature is around a few electron volts (eV), which is lower than the inelastic collision energy threshold of tens of electron volts (eV), the excitation and ionization rates are particularly greatly reduced when interacting with cold gases.
아산화탄소(Carbon suboxide, C3O2)은 탄소 산화물로서 일련의 이중 결합(O=C=C=C=O)형태의 특수구조를 가지고 있어 쿠물린(Cumulene)으로 간주된다. 일반적인 알케인(Alkane) 또는 알켄(Alkene)과 달리 쿠물린은 알케인(Alkyne)에 비해 강성이 있다. 아산화탄소의 독특한 구조와 강성은 분자 나노기술(molecular nanotechnology)에 적합하다. 아산화탄소의 강성은 내부 탄소 원자(intramural carbon atoms)가 두개의 이중결합을 가지고 있기 때문에 가능하다. 이러한 탄소 원자의 SP- 혼성화(sp-hybridization)는 서로 수직인 두개의 π 결합을 형성하게 된다. 이 결합 과정을 통해 탄소사슬의 선형 기하학이 강화된다. 일산화탄소에 간단한 방전을 가하면 아산화탄소를 형성할 수 있다.Carbon suboxide (C 3 O 2 ) is a carbon oxide with a special structure consisting of a series of double bonds (O=C=C=C=O), and is considered a cumulene. Unlike common alkanes or alkenes, cumulenes are more rigid than alkanes. The unique structure and rigidity of carbon suboxide make it suitable for molecular nanotechnology. This rigidity is possible because the intramural carbon atoms have two double bonds. The sp -hybridization of these carbon atoms forms two π bonds that are perpendicular to each other. This bonding process strengthens the linear geometry of the carbon chain. Carbon suboxide can be formed by applying a simple electric discharge to carbon monoxide.
아산화탄소는 "Tricarbon dioxide"라고도 알려지며, 이 산화물은 산화 상태(oxidation state) +4/3의 탄소를 포함한다. CO또는 CO2의 산화 상태 대비 낮은 산화 상태를 가지고 있어 아산화탄소라고 불린다. Carbon dioxide, also known as "tricarbon dioxide," contains carbon in the oxidation state +4/3. It is called carbon dioxide because it has a lower oxidation state than CO or CO 2 .
3개의 탄소 원자가 결합되어 있는 분자 특성상 3개의 탄소 원자를 포함한 유기산을 탈수하는 방법이 제시된다. 아산화탄소는 말론산 무수물(anhydride of malonic acid) (HOOC-CH2-COOH) 이므로, 아산화탄소를 제조하는 방법 중 하나는 다음과 같이 P4O10와 같은 강력한 탈수제를 사용하여 해당 산을 탈수시키는 것이다. Due to the molecular nature of three carbon atoms bonded together, a method for dehydrating organic acids containing three carbon atoms is proposed. Since carbon dioxide is the anhydride of malonic acid (HOOC-CH 2 -COOH), one method for producing carbon dioxide is to dehydrate the acid using a strong dehydrating agent such as P 4 O 10 as follows.
C3O2 와 물의 반응은 말론산(malonic acid)을 생성한다. 아산화탄소는 저온에서는 안정적이지만 쉽게 연소되고 가열 시 중합된다. The reaction of C 3 O 2 with water produces malonic acid. Carbon dioxide is stable at low temperatures, but it burns easily and polymerizes when heated.
탄소가 과도한 공기나 산소와 함께 연소되면 CO2가 발생한다. 그러나 산소 공급이 제한되면 독성이 강한 CO가 형성된다. 기타 탄소 산화물이 더 높은 CO 또는 CO2는 간접적인 방법으로도 형성할 수 있다. 예를 들어, 아산화탄소는 3탄소 디카르복실산(dicarboxylic acid)인 말론산의 탈수로 생성되고, 이 세 가지 산화물의 루이스 구조는 아래와 같은 다중 구조를 나타낸다:When carbon is burned with excess air or oxygen, it produces CO2 . However, if the oxygen supply is limited, highly toxic CO is formed. Other carbon oxides, which have higher CO or CO2 concentrations, can also be formed indirectly. For example, carbon dioxide is produced by the dehydration of malonic acid, a three-carbon dicarboxylic acid, and the Lewis structures of these three oxides are shown below:
실온에서 일산화탄소는 무색, 무취, 무미 기체이며 끓는점은 -192°C이고 녹는점은 -205°C이다. CO의 극한 독성은 헤모글로빈 분자의 철 이온과 결합하는 특성에서 발생하는데 이러한 특성상 CO흡입 시 혈액의 산소운반능력이 현저히 저하되어 산소결핍상태가 된다.At room temperature, carbon monoxide is a colorless, odorless, and tasteless gas with a boiling point of -192°C and a melting point of -205°C. The extreme toxicity of CO arises from its ability to bind to iron ions in hemoglobin molecules. This property significantly reduces the oxygen-carrying capacity of the blood when inhaled, resulting in hypoxia.
일산화탄소는 중요한 산업 연료로 쓰이고;Carbon monoxide is used as an important industrial fuel;
야금학의 환원제로도 쓰이며;It is also used as a reducing agent in metallurgy;
중요한 유기 화합물의 제조용 반응물질로 쓰인다.It is used as a reactant for the production of important organic compounds.
이산화탄소는 무색, 무취의 기체이다. 대기압에서 냉각되면 응고되어 드라이아이스가 되고 대기압과 -78℃의 온도에서 승화한다. CO2의 세 가지 물리적 상태는 모두 유용하다. 매년 생산되는 양의 절반 이상은 고체 CO2 형태로 냉매로서 사용되고 액체 CO2는 연무질(Aerosol)의 추진체로 사용되며 기체 CO2는 탄산음료에 주로 사용된다.Carbon dioxide is a colorless, odorless gas. When cooled to atmospheric pressure, it solidifies into dry ice and sublimates at atmospheric pressure and a temperature of -78°C. All three physical states of CO2 are useful. More than half of the annual production is in the solid form of CO2 , which is used as a refrigerant; liquid CO2 is used as a propellant in aerosols; and gaseous CO2 is primarily used in carbonated beverages.
상당한 양의 CO2가 제조에 사용되며 이는 미국 화학물질 생산 기준(중량 기준) 상위 13위에 해당한다:Significant amounts of CO2 are used in its manufacture, which ranks it among the top 13 chemical producers in the United States (by weight):
철 촉매 CO2 수소화 반응으로부터 지방족 탄화수소의 형성은 다음과 같이 진행되는 것으로 알려져 있다. 첫째, 역수성 가스 전환 반응(RWGS(reverse water-gas shift reaction))을 통해 CO2가 CO로 전환된다.The formation of aliphatic hydrocarbons from iron-catalyzed CO2 hydrogenation is known to proceed as follows: First, CO2 is converted to CO through the reverse water-gas shift reaction (RWGS).
그런 다음 Fischer-Tropsch 반응을 통해 탄화수소 사슬이 생성된다.Then, hydrocarbon chains are formed through the Fischer-Tropsch reaction.
그러나 Fe/Fe3O4 나노촉매가 존재하는 경우, 일련의 반응으로 방향족 생성물(aromatic products)이 형성된다. 두 CO 분자 사이의 반응은 촉매 표면에 탄소 레이다운(carbon laydown)을 발생시키고 Boudouard 반응을 통해 CO2를 형성한다.However, in the presence of Fe/Fe 3 O 4 nanocatalysts, a series of reactions lead to the formation of aromatic products. The reaction between two CO molecules generates carbon laydown on the catalyst surface, which then forms CO 2 through the Boudouard reaction.
특정한 반응 조건하에서, 두 개의 CO 분자가 촉매에 새로 침착된 탄소와 단계적으로 반응하여 아산화탄소(C3O2)를 생성한다.Under specific reaction conditions, two CO molecules react stepwise with newly deposited carbon on the catalyst to produce carbon dioxide (C 3 O 2 ).
C3O2는 준안정성(metastable)이며 400°C 이상의 온도에서 빠른 중합을 겪는다. 특정 조건에서 C3O2는 폴리머를 형성하는 대신 H2에 의해 H2C3O2로 환원되기도 한다.C 3 O 2 is metastable and undergoes rapid polymerization at temperatures above 400°C. Under certain conditions, C 3 O 2 can be reduced by H 2 to H 2 C 3 O 2 instead of forming a polymer.
일산화이탄소(C2O)는 2개의 탄소 원자와 1개의 산소 원자를 포함하는 선형분자이다. 분자 고유의 단순성 때문에 다양한 영역에서 관심을 받고 있다. 하지만 높은 반응도로 인해 일반환경에는 적합하지 않다. 일산화탄소는 아산화탄소의 광분해 생성물이다.Carbon monoxide (C 2 O) is a linear molecule containing two carbon atoms and one oxygen atom. Its inherent simplicity has attracted interest in a variety of fields. However, its high reactivity makes it unsuitable for general environments. Carbon monoxide is a product of the photolysis of carbon dioxide.
유기금속화학에서의 케테닐리덴(Ketenyliden)은 [OC2Co3(CO)9]+와 같은 금속 카보닐 클러스터(metal carbonyl clusters)에서 관찰되는 리간드(Ligand)이다. 케테닐리덴은 일산화탄소와 수소를 탄화수소 연료로 변환하는 Fischer-Tropsch 공정의 연쇄 성장 메커니즘의 매개체로 제안된다.In organometallic chemistry, ketenylidene is a ligand observed in metal carbonyl clusters such as [OC 2 Co 3 (CO) 9 ] + . Ketenylidene is proposed to be a mediator of the chain growth mechanism of the Fischer–Tropsch process, which converts carbon monoxide and hydrogen into hydrocarbon fuels.
본 명세서는 유해 및 온실 가스를 대기로 방출하지 않고 천연 가스(사워 가스(sour gas)/하위 품질 천연 가스 포함)를 고순도 수소 가스로 변환시키는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 명세서는 탄소 등 온실가스를 고체화된 폴리머로 전환하여 격리하고, 유일한 생성물 기체인 수소를 우선적으로 생산하는 방법에 관한 것이다.This disclosure relates to a method for converting natural gas (including sour gas/lower-quality natural gas) into high-purity hydrogen gas without releasing hazardous and greenhouse gases into the atmosphere. More specifically, this disclosure relates to a method for sequestering greenhouse gases, such as carbon, by converting them into a solidified polymer, and preferentially producing hydrogen as the sole product gas.
천연 가스뿐만 아니라 매립 가스, 소화 가스, 바이오 합성 가스와 같은 재생 가능한 메탄 및 탄화수소 공급원을 공기 및/또는 산소 가스와 반응시켜 에너지를 생산하면 다양한 탄소 및 황 함유 제품이 생성된다. 예로서는 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO), 이산화황(SO2), 황화수소(H2S), 이황화탄소(CS2), 아황화탄소(C3S2) 및 황화카보닐(COS) 등이 있다.Renewable methane and hydrocarbon sources, such as natural gas, landfill gas, digester gas, and biosyngas, react with air and/or oxygen gas to produce energy, producing a variety of carbon- and sulfur-containing products. Examples include carbon dioxide (CO 2 ), carbon monoxide (CO), sulfur dioxide (SO 2 ), hydrogen sulfide (H 2 S), carbon disulfide (CS 2 ), carbon dioxide (C 3 S 2 ), and carbonyl sulfide (COS).
일산화탄소가 생성되는 방법 중 하나는 흑연(자연적으로 발생하는 탄소 원소 형태 중 하나)을 제한된 양의 산소가 있는 상태에서 가열 또는 연소하는 방법이다. 증기와 적열 코크스를 반응시키면 수소 가스(H2)와 함께 일산화탄소를 생성한다. 코크스는 석탄을 태울 때 생기는 불순 탄소 잔류물이다. 이 CO와 H2의 혼합물을 수성 가스 또는 합성 가스라고 하며 산업 연료 또는 유기 합성을 위한 공급 원료로 사용된다. 실험실에서는 포름산(HCOOH) 또는 옥살산(H2C2O4)을 진한 황산(H2SO4)으로 가열하여 일산화탄소를 만든다. 황산은 포름산 또는 옥살산에서 물(H2O)을 제거 및 흡수한다. 다음 반응식과 같이 일산화탄소는 산소와 쉽게 연소되어 CO2를 생성한다. One way carbon monoxide is produced is by heating or burning graphite (a naturally occurring form of elemental carbon) in the presence of a limited amount of oxygen. The reaction between steam and red-hot coke produces carbon monoxide along with hydrogen gas (H 2 ). Coke is the impure carbon residue left over from burning coal. This mixture of CO and H 2 is called water gas or synthesis gas and is used as an industrial fuel or as a feedstock for organic synthesis. In the laboratory, carbon monoxide is produced by heating formic acid (HCOOH) or oxalic acid (H 2 C 2 O 4 ) with concentrated sulfuric acid (H 2 SO 4 ). The sulfuric acid removes and absorbs water (H 2 O) from the formic or oxalic acid. Carbon monoxide readily burns with oxygen to produce CO 2 , as shown in the following reaction:
일산화탄소는 기체 연료로 유용하다. 또한, 일산화탄소는 고온에서 산화구리(CuO)와 산화철(Fe2O3)와 같은 금속 산화물을 원소 금속으로 환원시키는 특성을 가지므로 야금학적 환원제로도 유용하다. Carbon monoxide is useful as a gaseous fuel. It is also useful as a metallurgical reducing agent, as it reduces metal oxides such as copper oxide (CuO) and iron oxide (Fe 2 O 3 ) to their elemental metals at high temperatures.
이산화탄소는 과량의 산소가 있는 상태에서 모든 형태의 탄소 또는 거의 모든 탄소 화합물이 연소될 때 생성된다. 지구의 대기에는 부피 기준으로 약 0.04%의 이산화탄소가 포함되어 있으며 거대한 CO2 저장소 역할을 한다. 대기 중 이산화탄소 함량은 주로 화석 연료의 연소로 인해 증가하고 있다. 소위 온실 효과(greenhouse effect)는 대기의 이산화탄소와 수증기 증가로 인해 발생한다. 이러한 가스는 태양의 가시광선이 지구 표면으로 침투하도록 하여 흡수되어 적외선으로 재방사된다. 이 더 긴 파장의 복사는 CO2와 물에 흡수되어 우주로 다시 빠져나갈 수 없다. 대기의 열 증가로 인해 지구의 평균 온도가 2℃~3℃ 증가할 수 있다. 이 변화는 환경에 치명적인 영향을 미치고 기후, 해수면 및 농업에 커다란 영향을 미친다.Carbon dioxide is produced when any form of carbon or nearly any carbon compound is burned in the presence of excess oxygen. The Earth's atmosphere contains about 0.04% carbon dioxide by volume and acts as a vast reservoir of CO2 . The atmospheric carbon dioxide content is increasing primarily due to the combustion of fossil fuels. The so-called greenhouse effect is caused by the increase in atmospheric carbon dioxide and water vapor. These gases allow visible light from the Sun to penetrate the Earth's surface, where it is absorbed and re-radiated as infrared radiation. This longer-wavelength radiation is absorbed by CO2 and water and cannot escape back into space. This increase in atmospheric heat could increase the Earth's average temperature by 2 to 3 degrees Celsius. This change would have devastating environmental consequences, significantly affecting climate, sea levels, and agriculture.
아산화탄소(C3O2)는 140-150°C의 진공에서 말론산 CH2(COOH)2과 P4O10 의 탈수에 의해 생성되는 누액성 악취 가스이며 일련의 이중 결합(O=C=C=C=O)형태의 특수구조를 가진 선형 대칭 분자이다. 25℃에서는 색조가 강한 불안정한 고체 화합물로 중합되지만 -78℃에서 안정한 분자이다. 중합된 아산화탄소(PCS; Polymerized carbon suboxide)는 일반적으로 PCS 내 탄소 대 산소 비율이 일정하지 않아 가변 성분을 갖는 물질로 간주된다.Carbon dioxide (C 3 O 2 ) is a volatile, malodorous gas produced by the dehydration of malonic acid CH 2 (COOH) 2 and P 4 O 10 in vacuum at 140-150°C. It is a linear, symmetrical molecule with a special structure consisting of a series of double bonds (O=C=C=C=O). It polymerizes into an unstable, strongly colored solid compound at 25°C, but is a stable molecule at -78°C. Polymerized carbon suboxide (PCS) is generally considered to be a substance with a variable composition because the carbon to oxygen ratio within the PCS is not constant.
C3O2는 자외선의 영향으로 반응성이 매우 높은 분자인 C2O로 분해된다. 아산화탄소는 말론산의 무수산으로서 물과 서서히 반응하며 말론산을 생성한다.C 3 O 2 decomposes into C 2 O, a highly reactive molecule, under the influence of ultraviolet light. Carbon dioxide is the anhydride of malonic acid and slowly reacts with water to produce malonic acid.
모든 탄화수소 연료에서 수소 성분만을 사용하고 탄소를 고체 폐기물 또는 원료로 유지하는 방법이 제안된 바 있다. 이 방법의 큰 문제점은 사용 가능한 탄화수소 화학 에너지 중 작은 부분만 실제로 활용된다는 것이다. 예를 들어, 해당 방법의 최상의 시나리오인 화학식 (14)와 화학식 (15)에서는 화학식 (16)과 같이 전체 메탄 산화에서 생성된 에너지와 비교시 사용 가능한 에너지의 약 절반만 실제로 전환되어 활용 가능하다. Methods have been proposed that utilize only the hydrogen component of all hydrocarbon fuels, retaining the carbon as solid waste or raw material. A major drawback of this approach is that only a small portion of the available hydrocarbon chemical energy is actually utilized. For example, in the best-case scenarios of these methods, formulas (14) and (15), only about half of the available energy is actually converted and utilized, compared to the energy generated from complete methane oxidation, as shown in formula (16).
아산화물 고분자는 비옥한 토양의 유기 성분인 부식산과 화학적 및 열역학적으로 비슷한 안정된 구조를 가져 토양 개량제로 사용할 수 있다. 순 탄소 배출량을 줄이기 위해 일반적으로 바이오매스를 연료로 사용하지만 최근 발표에 따르면 농경지를 사용함으로써 토양에 저장된 탄소가 방출되므로 바이오매스 연료의 이점을 상쇄시킬 수 있다. 아산화물 폴리머를 농업용 토양으로 재활용하면 토양의 탄소 손실을 완화할 수 있을 뿐만 아니라 탄소 격리(현재 탄소 톤당 80달러 이상)의 경제적 이점을 얻을 수 있다.Oxide polymers possess a stable structure chemically and thermodynamically similar to humic acid, an organic component of fertile soil, making them suitable for use as soil conditioners. While biomass is commonly used as fuel to reduce net carbon emissions, recent research suggests that using agricultural land releases carbon stored in the soil, potentially offsetting the benefits of biomass fuels. Recycling oxide polymers into agricultural soils not only mitigates soil carbon loss but also offers the economic benefits of carbon sequestration (currently worth over $80 per ton of carbon).
이산화탄소 배출의 잠재적인 환경 영향을 방지하기 위해 탄화수소 연료로부터 배출되는 에너지의 사용을 늘리고 이산화탄소 배출을 감소시킬 필요가 있다. 고체 형태의 다양한 탄소 제품의 생산은 탄소산화물 생산을 감소시켜 대기 오염을 감소시킬 뿐만 아니라 온실가스 상승을 늦출 수 있다.To mitigate the potential environmental impact of carbon dioxide emissions, it is necessary to increase energy use from hydrocarbon fuels and reduce carbon dioxide emissions. The production of various solid carbon products can reduce carbon oxide production, thereby reducing air pollution and slowing the rise of greenhouse gases.
연료 변환 및 H2 생성을 위한 비열 플라즈마의 적용은 플라즈마가 에너지원이 아니라 라디칼과 충전 및 여기 입자의 비평형 발생기로 사용되기 때문에 특히 효과적이다. 플라즈마 생성 활성 입자는 이 과정을 자극하고 전체 공정 에너지의 극히 일부(몇 퍼센트 수준)만 기여한다. The application of non-thermal plasmas for fuel conversion and H2 production is particularly effective because the plasma is used not as an energy source, but as a non-equilibrium generator of radicals, charged particles, and excited particles. The plasma-generated energetic particles stimulate this process and contribute only a small fraction (a few percent) of the total process energy.
부분 산화 과정의 고에너지 효율 플라즈마 촉매 작용은 대부분 비열 방출과 관련이 있지만, 이 기술의 산업적 적용은 대개 상대적으로 높은 합성가스(syngas)의 생산성과 적용 방출의 상대적으로 높은 출력을 필요로 한다. 글라이딩 아크의 방전은 상대적으로 높은 전력 수준에서도 평형을 유지하고 대부분 열을 유지하므로 이에 매우 적합하다. 특히 수율 및 에너지 효율과 관련하여, 합성가스 생산을 위한 CH4 부분 산화 공정은 역 소용돌이 흐름(reverse vortex flow)의 대기압에서 안정화된 비평형 글라이딩 아크 방전(non-equilibrium gliding arc discharge)을 사용하는 것이 효과적인 것으로 나타났다. 이 영역에서 흐름 패턴은 비평형 글라이딩 아크의 움직임과 플라즈마의 중심 영역에서의 효과적인 열 및 질량 교환에 필요한 높은 가스 속도를 제공한다.High-energy efficiency plasma catalysis in partial oxidation processes is largely associated with specific heat release, but industrial applications of this technology typically require relatively high syngas productivity and high output power of the applied discharge. Gliding arc discharges are well suited for this purpose, as they maintain equilibrium and retain most of the heat even at relatively high power levels. Specifically, with respect to yield and energy efficiency, the CH 4 partial oxidation process for syngas production has been shown to be effective using a non-equilibrium gliding arc discharge stabilized at atmospheric pressure in a reverse vortex flow. In this region, the flow pattern provides the high gas velocities necessary for non-equilibrium gliding arc motion and efficient heat and mass exchange in the central region of the plasma.
플라즈마 매개변수 및 혼합물 조성을 제어하여 미반응에서 완전히 반응된 CH4/O2/희석제 혼합물로의 연속 전환이 가능하다. 이러한 연속적인 전이는 전자적으로 여기된 종, 이온 및 원자의 혼합물을 생성하는 전자 충돌 반응에 의해 발생하며, 이들 모두는 대부분 O 및 H 원자와 OH 라디칼을 형성하면서 빠르게 급냉된다. 이러한 라디칼은 CH4 및 중간체와 반응하며 온도에 따라 혼합물의 점화 또는 연료(CH4)의 부분 산화를 유발할 수 있다. 플라즈마의 감소된 전기장(E/N)의 전력과 크기가 전체 변환에 영향을 미치는 반면, 생성물 조성은 저온(300-700K)에서 산화 반응의 화학적 동역학에 의해 크게 제어된다.A continuous conversion from unreacted to fully reacted CH 4 /O 2 /diluent mixture is possible by controlling plasma parameters and mixture composition. This continuous transition is driven by electron collision reactions that generate a mixture of electronically excited species, ions, and atoms, all of which rapidly quench to form predominantly O and H atoms and OH radicals. These radicals react with CH 4 and intermediates and, depending on the temperature, can lead to ignition of the mixture or partial oxidation of the fuel (CH 4 ). While the power and size of the reduced electric field (E/N) of the plasma influence the overall conversion, the product composition is largely controlled by the chemical kinetics of the oxidation reaction at low temperatures (300-700 K).
반응 분자의 혼합물을 포함하는 불활성 기체로 전파되는 약한 충격파 앞에서 약하게 이온화되고 방사되는 플라즈마의 형성은 비평형 상태를 달성하는 또 다른 방법이다. 이러한 환경에서 H2S가 풍부한 천연 가스(사워 가스)의 도입은 H2S/CH4의 즉각적인 해리와 황과 탄소 원자의 과포화 증기의 형성을 야기하며, 이어서 아산화황과 C3O2 클러스터의 빠른 형성이 뒤따른다. 이 과정에서 강한 에너지가 방출되면 비평형 여기와 이온화가 일어난다.Another way to achieve nonequilibrium conditions is the formation of a weakly ionized and radiative plasma in the presence of a weak shock wave propagating through an inert gas containing a mixture of reactive molecules. In this environment, the introduction of H 2 S-rich natural gas (sour gas) causes the immediate dissociation of H 2 S/CH 4 and the formation of a supersaturated vapor of sulfur and carbon atoms, followed by the rapid formation of sulfur dioxide and C 3 O 2 clusters. The strong energy released during this process leads to nonequilibrium excitation and ionization.
CO의 자외선, 전기 방전 및 마이크로웨이브 방사선 분해에 대한 이전 연구에 따르면, CO가 분해되어 CO2와 탄소질 고체(carbonaceous solid)를 생성된다는 것이 입증되었다. 20°C에서 형성된 고체의 평균 실험 조성은 식 (CxOy)n에서 x/y = 1.45±0.07의 비율로 표시된다. 표기를 단순화하기 위해 이 고체는 이후에 (C3O2)라고 합니다. 또한 C에서 C2O, C3O2로 C3O2가 축적된다는 증거가 있다. 이 메커니즘은 CO의 광화학에서 우세한 것으로 나타났다. 또한, C 원자와 C2O 사이의 반응은 헬륨 + CO 혼합물의 복사 중에 관찰되는 C2 고압 밴드의 여기를 설명하기 위해 제안되었다.Previous studies on the ultraviolet, electrical discharge, and microwave radiolysis of CO have demonstrated that CO decomposes to form CO 2 and a carbonaceous solid. The average experimental composition of the solid formed at 20°C is given by the equation (C x O y ) n with the ratio x/y = 1.45±0.07. To simplify notation, this solid is hereafter referred to as (C 3 O 2 ). There is also evidence that C 3 O 2 accumulates from C to C 2 O to C 3 O 2 . This mechanism has been shown to dominate the photochemistry of CO. Furthermore, the reaction between C atoms and C 2 O has been proposed to explain the excitation of the C 2 high-pressure band observed during radiation of helium + CO mixtures.
C3O2의 광분해에 대한 이전 연구에서, C 원자가 이중 결합에 삽입된 올레핀과 같은 다양한 탄화수소 가스와 반응하는 종이 주로 생성되는 것으로 나타났다. 이 종은 라디칼 C2O인 것으로 보인다. 빠른 흐름 시스템에서의 저압 작업에 의하면, C3O2가 빠른 반응으로 O 원자와 반응하여 CO와 CO2를 생성물로 생성하는 것으로 나타난다. 또한, ~9 eV만큼 높게 여기된 CO의 화학 발광(chemiluminescence)이 관찰된다. 이 높은 에너지는 C2O와 O 원자의 반응에서 비롯된 것으로 가정된다.Previous studies on the photolysis of C 3 O 2 have shown that the primary species produced is the radical C 2 O, which reacts with various hydrocarbon gases, such as olefins, in which C atoms are inserted into double bonds. This species appears to be the radical C 2 O. Low-pressure operation in a fast-flow system has shown that C 3 O 2 rapidly reacts with O atoms to produce CO and CO 2 as products. In addition, chemiluminescence of CO excited as high as ~9 eV has been observed. This high energy is assumed to originate from the reaction of C 2 O with O atoms.
위의 모든 예에서 라디칼 C2O는 C3O2의 빌딩 블록이나 광분해 또는 화학적 C3O2 분해의 반응성 중간체로서 중요한 역할을 한다. In all the above examples, the radical C 2 O plays an important role as a building block of C 3 O 2 or as a reactive intermediate in photolysis or chemical C 3 O 2 decomposition.
CO에 대한 방전 작용에 의해 아산화탄소가 형성될 수 있다. 아산화물 형성에 관한 다음 반응을 고려하자. Carbon dioxide can be formed by the discharge action on CO. Consider the following reaction for the formation of carbon dioxide.
아산화물이 질소 분위기에서 가열되면 다음 식과 같이 또다른 갈색 산화물이 형성된다.When the suboxide is heated in a nitrogen atmosphere, another brown oxide is formed as shown in the following equation.
CO는 오존 발생기에서 다음 분해 반응과 같이 분해될 수 있다.CO can be decomposed in an ozone generator as follows:
또는, 250c/s(초당 주기) 및 20,000V/cm의 교류 전기장을 이용하여 CO는 다음 식과 같이 분해될 수 있다. Alternatively, using an AC electric field of 250 c/s (cycles per second) and 20,000 V/cm, CO can be decomposed as follows:
알루미늄과 철 전극을 모두 사용하여, 글로우 방전에서 CO가 CO2와 아산화탄소를 생성할 수 있다. 다음 식과 같이, CO는 음극선관에서 생성된 고속 전자를 이용하여 분해될 수 있다.Using both aluminum and iron electrodes, CO can be produced from a glow discharge to CO2 and carbon dioxide. CO can be decomposed using high-speed electrons generated from a cathode ray tube, as shown in the following equation.
수증기가 존재할 때 침전물이 형성되지 않는다. 라돈 방출을 사용하여 CO가 탄소와 산소로 분해될 수 있다. 다음 식은 α입자에 의한 CO 분해를 나타낸다. Precipitation does not occur in the presence of water vapor. Radon emission can be used to decompose CO into carbon and oxygen. The following equation represents the decomposition of CO by α particles.
얻어진 침전물은 물, 산 또는 알칼리에 녹지 않지만 진한 질산이나 진한 수산화칼륨에서는 서서히 사라진다. CO와 O2의 화학량론적 혼합물은 CO2만 제공하며 둘 중 하나가 과도해도 반응 속도에 영향을 미치지 않는다.The resulting precipitate is insoluble in water, acids, or alkalis, but slowly disappears in concentrated nitric acid or concentrated potassium hydroxide. A stoichiometric mixture of CO and O 2 only provides CO 2 , and an excess of either does not affect the reaction rate.
이하 본 명세서의 실시예들에 의하면, 낮은 온실가스 방출을 갖는 수소를 생산하는 방법 및 이를 이용한 장치들이 개시된다. According to the embodiments of the present specification, a method for producing hydrogen with low greenhouse gas emissions and devices using the same are disclosed.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소를 생산하는 방법을 나타낸 개략도이다. Figure 4 is a schematic diagram showing a method for producing hydrogen according to one embodiment of the present invention.
입력가스(feeding gas)는 메탄가스(또는 천연가스), 공기(또는 산소 또는 질소가 고갈된 공기) 및 수증기(steam)를 포함할 수 있다. 입력 가스는 다음과 같은 POX 반응을 통해 수소와 일산화탄소로 변환된다. The feeding gas may include methane (or natural gas), air (or air depleted of oxygen or nitrogen), and steam. The feeding gas is converted into hydrogen and carbon monoxide through the following POX reaction:
위 화학식 내용을 하나의 식로 나타내면 다음과 같다.If the chemical formula above is expressed as a single equation, it is as follows.
입력가스는 촉매 POX(catalytic partial oxidation)에서 수소와 일산화탄소를 갖는 합성가스(syngas)로 변환될 수 있다. 메탄과 공기는 400℃ 내지 1200℃ (바람직하게는, 450℃ 내지 550℃) 범위내의 온도로 가열될 수 있다. The input gas can be converted into syngas containing hydrogen and carbon monoxide by catalytic partial oxidation (POX). Methane and air can be heated to a temperature in the range of 400°C to 1200°C (preferably 450°C to 550°C).
촉매 POX는 지원되는 전이 금속 또는 Ni 및/또는 Pd와 같은 이들의 조합을 기반으로 하는 촉매를 사용하는 POX 일 수 있다. 촉매 지원은 높은 표면적 탄소(high surface area carbons), 금속 산화물(metal oxides), 페로브스카이트(perovskites) 등을 포함할 수 있다.The catalytic POX may be a POX using a catalyst based on a supported transition metal or a combination thereof, such as Ni and/or Pd. The catalytic support may include high surface area carbons, metal oxides, perovskites, etc.
수소와 일산화탄소를 갖는 합성가스로부터 멤브레인 분리(Membrane separation)을 통해 수소와 일산화탄소로 분리된다. 멤브레인 분리 공정은 멤브레인을 사용하여 원하지 않는 물질은 걸러내고 다른 물질은 멤브레인을 통과시켜 원하는 물질을 분리하는 공정이다. 수소는 통과하지만 다른 가스는 통과할 수 없는 멤브레인이 사용된다.Hydrogen and carbon monoxide are separated from synthesis gas through membrane separation. The membrane separation process uses a membrane to filter out unwanted substances and allow other substances to pass through, separating the desired substances. The membrane used is one that allows hydrogen to pass through but not other gases.
일산화탄소는 NTP의 존재하에 다음과 같이 C02와 C3O2로 변환된다.Carbon monoxide is converted to C0 2 and C 3 O 2 in the presence of NTP as follows:
C3O2는 증기 상태일 수 있지만, 빠르게 중합되어 (C3O2)n을 형성할 수 있다. C3O2는 차가운 표면을 만나면 응결되므로, 차가운 사이클론 분리기를 통해 추출할 수 있다. C 3 O 2 may be in a vapor state, but it can rapidly polymerize to form (C 3 O 2 ) n . C 3 O 2 condenses when it encounters a cold surface, so it can be extracted through a cold cyclone separator.
CO2는 적절한 반응기의 존재 하에서 다음과 같이 RWGS 반응을 통해 수소와 함께 환원되어 CO로 변환되어 다시 멤브레인 분리 공정으로 들어간다. CO2 is reduced with hydrogen through the RWGS reaction in the presence of a suitable reactor as follows, and is converted into CO, which is then fed back into the membrane separation process.
본 실시예에 따른 수소 생산 방법에 의하면, 수소를 생산하는 도중에 일산화탄소 또는 이산화탄소를 대부분 포집할 수 있으며, 부산물로 고체화된 탄소 화합물을 직접 얻어낼 수 있다. 수소가 탄화수소 공급원에서 방출되는 동시에 고체화된 아산화탄소의 형성에 의해 기체 탄소 산화물의 생성이 감소된다. 특히, 고체화된 아산화탄소는 비료(예, 토양개량제) 등으로 사용될 수 있어 별도의 저장이나 처리가 필요하지 않다. According to the hydrogen production method according to the present embodiment, most carbon monoxide or carbon dioxide can be captured during hydrogen production, and solidified carbon compounds can be directly obtained as byproducts. As hydrogen is released from a hydrocarbon source, the formation of solidified carbon dioxide simultaneously reduces the production of gaseous carbon oxides. In particular, solidified carbon dioxide can be used as fertilizer (e.g., as a soil conditioner) and does not require separate storage or processing.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소를 생산하는 장치를 나타낸 개략도이다. 이 장치는 도 4의 실시예에 따른 수소 생산 방법을 구현한 일 예일 수 있다.FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a device for producing hydrogen according to one embodiment of the present invention. This device may be an example of implementing the hydrogen production method according to the embodiment of FIG. 4.
수소 생산 장치(500)는 입력 가스를 제공받아 수소를 생산하는 반응로로써, 외관을 형성하는 외부 튜브(outer tube, 510)와 외부 튜브(510)내에 배치되는 내부 튜브(inner tubde, 520)를 포함한다. The hydrogen production device (500) is a reactor that receives input gas and produces hydrogen, and includes an outer tube (510) forming an outer appearance and an inner tube (520) placed within the outer tube (510).
내부 튜브(520)의 상단과 하단에는 실런트(sealant, 515)가 배치되어 내부 튜브(520)를 밀폐한다. 실런트(515)는 에폭시(epoxy) 재질로 만들어질 수 있다. 내부 튜브(520)에는 하나 또는 그 이상의 가스 홀(525)이 형성되어, 내부 튜브(520) 내의 가스가 외부 튜브(510) 내부로 흘러갈수 있도록 한다.A sealant (515) is placed at the top and bottom of the inner tube (520) to seal the inner tube (520). The sealant (515) may be made of an epoxy material. One or more gas holes (525) are formed in the inner tube (520) to allow gas within the inner tube (520) to flow into the outer tube (510).
입력가스는 메탄가스(또는 천연가스), 공기(또는 산소 또는 질소가 고갈된 공기) 및 수증기(steam)를 포함할 수 있다. 입력가스는 내부 튜브(520)에 배치되는 중앙 내부 튜브(530)를 통해 POX 반응로로 들어간다. 중앙 내부 튜브(530)는 알류미나(alumina), 실리카(silica), 지르코니아(zirconia) 등의 세라믹 소재로 만들어질 수 있다.The input gas may include methane gas (or natural gas), air (or air depleted of oxygen or nitrogen), and steam. The input gas enters the POX reactor through a central inner tube (530) disposed in the inner tube (520). The central inner tube (530) may be made of a ceramic material such as alumina, silica, or zirconia.
중앙 내부 튜브(530)에는 입력가스를 적어도 45O℃의 온도로 가열할 수 있는 발열체(heating element,535)가 배치된다. 중앙 내부 튜브(530) 외부로 중앙 외부 튜브(540)가 배치된다. 중앙 내부 튜브(530)와 중앙 외부 튜브(540) 사이에 POX 촉매(560)가 방사상으로 균일하게 배치될 수 있다. 중앙 외부 튜브(540)는 다공성 알류미나 튜브(porous alumina tube) 일 수 있다.A heating element (535) capable of heating the input gas to a temperature of at least 450°C is disposed in the central inner tube (530). A central outer tube (540) is disposed outside the central inner tube (530). A POX catalyst (560) may be radially and uniformly disposed between the central inner tube (530) and the central outer tube (540). The central outer tube (540) may be a porous alumina tube.
중앙 외부 튜브(540)와 내부 튜브(520) 사이에는 멤브레인 분리기(550)가 배치된다. 멤브레인 분리기(550)는 수소만을 선택적으로 통과시키는 멤브레인 분리 공정을 수행하고, 다공성 중공 섬유 접촉기 어셈블리(porous hollow-fiber contactor assembly)를 포함할 수 있다, 멤브레인으로써 중공 섬유 접촉기(hollow-fiber contactor)는 수소에 대한 높은 투과성을 가진 재료들로부터 선택될 수 있다. A membrane separator (550) is disposed between the central outer tube (540) and the inner tube (520). The membrane separator (550) performs a membrane separation process that selectively passes only hydrogen, and may include a porous hollow-fiber contactor assembly. As a membrane, the hollow-fiber contactor may be selected from materials having high permeability to hydrogen.
내부 튜브(520)의 외부 표면에 제1 전극(580)이 배치되고, 외부 튜브(510)의 내부 표면에는 제2 전극(585)가 배치되어 DBD(dielectric barrier discharge) NTP 반응로가 형성된다. 상기 제1 전극(580)과 상기 제2 전극(585)은 서로 마주보도록 배치되고, 2개 전극 중 하나는 고전압 전극이고, 나머지는 그라운드 전극이다. 제1 전극(580)과 제2 전극(585) 사이의 갭에 NTP가 형성될 수 있다. 제1 전극(580)과 제2 전극(585) 사이의 갭에는 세라믹 울(ceramic wool, 570)이 배치될 수 있다. 세라믹 울(570)은 NTP 촉매로 사용할 수 있지만, 단열재 또는 고온 내성 다공성 플러그/스토퍼로도 사용될 수 있다.A first electrode (580) is disposed on the outer surface of the inner tube (520), and a second electrode (585) is disposed on the inner surface of the outer tube (510), thereby forming a dielectric barrier discharge (DBD) NTP reactor. The first electrode (580) and the second electrode (585) are disposed to face each other, and one of the two electrodes is a high voltage electrode and the other is a ground electrode. An NTP may be formed in a gap between the first electrode (580) and the second electrode (585). Ceramic wool (570) may be disposed in the gap between the first electrode (580) and the second electrode (585). The ceramic wool (570) may be used as an NTP catalyst, but may also be used as an insulator or a high temperature resistant porous plug/stopper.
수소 생산 장치(500)는 POX 반응로와 NTP 반응로를 포함할 수 있다. 외부 튜브(510)와 내부 튜브(410) 사이에 NTP 반응로가 배치되고, 내부 튜브(420) 내부에 POX 반응로 및 멤브레인 분리가 배치된다. 입력 가스는 내부 튜브(420)로 먼저 유입되고, POX 반응을 통해 수소와 일산화탄소가 생성된다. 생성된 수소는 배출되고, 생성된 일산화탄소는 NTP 반응을 통해 아산화탄소 및 이산화탄소로 변환된다.The hydrogen production device (500) may include a POX reactor and an NTP reactor. The NTP reactor is positioned between the outer tube (510) and the inner tube (410), and the POX reactor and membrane separator are positioned inside the inner tube (420). The input gas first flows into the inner tube (420), and hydrogen and carbon monoxide are generated through the POX reaction. The generated hydrogen is discharged, and the generated carbon monoxide is converted into carbon dioxide and carbon dioxide through the NTP reaction.
수소 생산 장치(500) 내에서 동작은 다음과 같다.The operation within the hydrogen production device (500) is as follows.
질소가 고갈된 공기(또는 산소), 수증기와 혼합된 메탄(또는 천연가스)를 갖는 입력 가스가 중앙 내부 튜브(530)를 따라 수소 생산 장치(500)로 들어간다. 입력 가스는 발열체(535)를 통해 400℃ 내지 1200℃ (바람직하게는, 450℃ 내지 550℃) 범위내의 온도로 가열될 수 있다. An input gas containing nitrogen-depleted air (or oxygen) and methane (or natural gas) mixed with water vapor enters a hydrogen production device (500) along a central inner tube (530). The input gas can be heated to a temperature in the range of 400°C to 1200°C (preferably, 450°C to 550°C) via a heating element (535).
가열된 메탄과 공기는 중앙 내부 튜브(530)과 중앙 외부 튜브(540) 사이의 POX 촉매(560)를 통과하면서 화학식 23과 같은 POX 반응을 통해 수소와 일산화탄소로 변환된다. Heated methane and air are converted into hydrogen and carbon monoxide through the POX reaction as shown in Chemical Formula 23 as they pass through the POX catalyst (560) between the central inner tube (530) and the central outer tube (540).
풍부한 수소를 갖는 합성 가스는 멤브레인 분리기(550)를 거치면서, 수소와 잔류가스로 분리된다. 분리된 수소(또는 수소가 풍부한 가스)는 수소 생산 장치(500) 외부로 추출된다. The synthesis gas rich in hydrogen is separated into hydrogen and residual gas through a membrane separator (550). The separated hydrogen (or hydrogen-rich gas) is extracted outside the hydrogen production device (500).
잔류 가스(수소가 고갈된 가스, 질소 포함 가능)는 내부 튜브(520)에 형성된 가스홀(525)을 통해 NTP 반응로로 유입된다. 제1 전극(580)과 제2 전극(585) 사이에 형성된 NTP의 존재하에 화학식 25에 나타난 바와 같이 일산화탄소는 C02와 C3O2로 변환된다. 수증기, 질소 등은 퍼지 가스(purge gas)로 사용될 수 있으며, 이는 수소와 함께 수소 생산 장치(500) 외부로 추출될 수 있다The residual gas (hydrogen-depleted gas, possibly including nitrogen) is introduced into the NTP reactor through a gas hole (525) formed in the inner tube (520). In the presence of the NTP formed between the first electrode (580) and the second electrode (585), carbon monoxide is converted into C0 2 and C 3 O 2 as shown in Chemical Formula 25. Water vapor, nitrogen, etc. can be used as a purge gas, which can be extracted outside the hydrogen production device (500) together with hydrogen.
C2O3 및 C02를 포함하는 잔류물(residue)은 수소와 별도로 수소 생산 장치(500) 외부로 추출될 수 있다. 잔류물로부터 사이클론 분리기(cyclone separator)를 통해 상기 잔류물로부터 C2O3 중합 고체(polymerized solid)가 추출될 수 있다. 적절한 RWGS 촉매의 존재 하에서 RWGS 반응로에서 C02가 처리될 수 있다. 이 반응은 별도의 반응로에서 처리될 수 있다. RWGS 반응으로부터의 출력(effluent)은 주로 H2O와 CO를 포함하고, H2O는 POX 반응으로 공급되고, CO는 NTP 반응으로 공급될 수 있다.The residue containing C 2 O 3 and C0 2 can be extracted outside the hydrogen production device (500) separately from the hydrogen. A polymerized solid of C 2 O 3 can be extracted from the residue through a cyclone separator. C0 2 can be processed in the RWGS reactor in the presence of a suitable RWGS catalyst. This reaction can be processed in a separate reactor. The effluent from the RWGS reaction mainly contains H 2 O and CO, and the H 2 O can be supplied to the POX reaction and the CO can be supplied to the NTP reaction.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소를 생산하는 장치를 나타낸 개략도이다. 이 장치는 도 4의 실시예에 따른 수소 생산 방법을 구현한 다른 예일 수 있다.FIG. 6 is a schematic diagram illustrating a device for producing hydrogen according to another embodiment of the present invention. This device may be another example of implementing the hydrogen production method according to the embodiment of FIG. 4.
수소 생산 장치(700)는 입력 가스를 제공받아 수소를 생산하는 반응로로써, 외관을 형성하는 외부 튜브(710)를 포함한다. 외부 튜브(710)는 입력 가스가 제공되어 POX 반응 및 멤브레인 분리가 수행되는 제1 반응로와 NTP 반응이 수행되고 잔류물이 배출되는 제2 반응로를 포함한다. 제1 반응로와 제2 반응로 사이에는 복사 실드(radiation shield, 790)가 배치되어 제2 반응로의 NTP로 인한 높은 열이 제1 반응로로 미치는 영향을 줄인다. 복사 실드는 높은 유전율(high dielectric constant)을 갖는 재료로 만들어질 수 있다.A hydrogen production device (700) is a reactor that receives an input gas to produce hydrogen, and includes an outer tube (710) that forms an exterior. The outer tube (710) includes a first reactor in which an input gas is supplied to perform a POX reaction and membrane separation, and a second reactor in which an NTP reaction is performed and a residue is discharged. A radiation shield (790) is arranged between the first reactor and the second reactor to reduce the influence of high heat from the NTP of the second reactor on the first reactor. The radiation shield may be made of a material having a high dielectric constant.
제1 반응로는 내부 튜브(740)를 포함한다. 내부 튜브(740)는 다공성 알류미나 튜브(porous alumina tube) 일 수 있다. 내부 튜브(740)의 내부에는 POX 촉매(760)가 채워지고, 내부 튜브(740)의 내부 표면 근처에 멤브레인(750)이 배치된다. 멤브레인(750)은 수소만을 선택적으로 통과시키는 멤브레인 분리 공정을 수행한다. 멤브레인으로써 얇은 팔라듐(Pd) 합금(Pd alloy film)이 사용될 수 있다. 팔라튬 합금은 은(silver)을 포함할 수 있다. 팔라듐 합금은 내부 튜브(740)의 내부 표면에 부착될 수 있다. 내부 튜브(740)의 외측에는 입력 가스를 가열하는 발열체(heating element, 535)가 배치된다. 내부 튜브(740)의 일측에는 입력 가스가 입력되는 주입구(inlet)가 배치되고, 내부 튜브(740)의 다른 일측에는 잔류가스가 배출되는 배출구(outlet)이 배치된다. 또한, 내부 튜브(740)의 멤브레인(750)을 통과해 내부 튜브(750) 외측으로 흘러나온 수소가 배출되는 배출구가 외부 튜브(710)에 형성될 수 있다. 멤브레인(750)을 통과한 수소가 내부 튜브(740) 외부로 배출되는 방향과 멤블레인(750)을 통하지 못한 잔류 가스가 내부 튜브(740) 외부로 배출되는 방향은 반대일 수 있다.The first reactor includes an inner tube (740). The inner tube (740) may be a porous alumina tube. A POX catalyst (760) is filled inside the inner tube (740), and a membrane (750) is disposed near the inner surface of the inner tube (740). The membrane (750) performs a membrane separation process that selectively passes only hydrogen. A thin palladium (Pd) alloy film may be used as the membrane. The palladium alloy may include silver. The palladium alloy may be attached to the inner surface of the inner tube (740). A heating element (535) for heating an input gas is disposed on the outside of the inner tube (740). An inlet for inputting an input gas is arranged on one side of the inner tube (740), and an outlet for discharging residual gas is arranged on the other side of the inner tube (740). In addition, an outlet for discharging hydrogen that has passed through the membrane (750) of the inner tube (740) and flowed outward from the inner tube (750) may be formed on the outer tube (710). The direction in which hydrogen that has passed through the membrane (750) is discharged outward from the inner tube (740) and the direction in which residual gas that has not passed through the membrane (750) is discharged outward from the inner tube (740) may be opposite.
제2 반응로에는 제1 전극(780)과 제2 전극(785)를 통해 DBD NTP 반응로가 형성된다. 제1 전극(780)는 외부 튜브(710)의 내부에 배치되고, 외부 튜브(710)의 내부 표면에 제2 전극(785)이 배치될 수 있다. 상기 제1 전극(780)과 상기 제2 전극(785)은 서로 마주보도록 배치되고, 2개 전극 중 하나는 고전압 전극이고, 나머지는 그라운드 전극이다. 제1 전극(780)과 제2 전극(785) 사이의 갭에 NTP가 형성될 수 있다. In the second reactor, a DBD NTP reactor is formed through a first electrode (780) and a second electrode (785). The first electrode (780) may be disposed inside an outer tube (710), and the second electrode (785) may be disposed on the inner surface of the outer tube (710). The first electrode (780) and the second electrode (785) may be disposed to face each other, and one of the two electrodes may be a high-voltage electrode, and the other may be a ground electrode. An NTP may be formed in the gap between the first electrode (780) and the second electrode (785).
수소 생산 장치(700) 내에서 동작은 다음과 같다.The operation within the hydrogen production device (700) is as follows.
공기(또는 산소), 수증기 메탄(또는 천연가스)를 갖는 입력 가스가 내부 튜브(740)의 유입구를 통해 수소 생산 장치(700)의 제1 반응로로 들어간다. 입력 가스는 발열체(735)를 통해 400℃ 내지 1200℃ (바람직하게는, 450℃ 내지 550℃) 범위내의 온도로 가열될 수 있다. An input gas containing air (or oxygen), steam methane (or natural gas) enters the first reactor of the hydrogen production device (700) through the inlet of the inner tube (740). The input gas can be heated to a temperature in the range of 400°C to 1200°C (preferably, 450°C to 550°C) through a heating element (735).
가열된 메탄과 공기는 POX 촉매(760)를 통과하면서 화학식 23과 같은 POX 반응을 통해 수소와 일산화탄소로 변환된다. 합성 가스는 변환된 수소와 일산화탄소를 포함한다. Heated methane and air pass through a POX catalyst (760) and are converted into hydrogen and carbon monoxide through the POX reaction of Chemical Formula 23. The synthesis gas contains the converted hydrogen and carbon monoxide.
합성 가스 내 수소는 멤브레인(750)를 통과해 외부 튜브(710) 외부로 배출된다. 잔류 가스(수소가 고갈된 가스, 질소 포함 가능)는 내부 튜브(740)의 배출구를 통해 제2 반응로(즉, NTP 반응로)로 유입된다. 제1 전극(780)과 제2 전극(785) 사이에 형성된 NTP의 존재하에 화학식 25에 나타난 바와 같이 일산화탄소는 C02와 C3O2로 변환된다. Hydrogen in the synthesis gas passes through the membrane (750) and is discharged outside the outer tube (710). The residual gas (hydrogen-depleted gas, possibly including nitrogen) flows into the second reactor (i.e., NTP reactor) through the outlet of the inner tube (740). In the presence of the NTP formed between the first electrode (780) and the second electrode (785), carbon monoxide is converted into C0 2 and C 3 O 2 as shown in Chemical Formula 25.
C2O3 및 C02를 포함하는 잔류물(residue)은 수소 생산 장치(700) 외부로 추출될 수 있다. 잔류물로부터 사이클론 분리기(cyclone separator)를 통해 상기 잔류물로부터 C2O3 중합 고체(polymerized solid)가 추출될 수 있고, 적절한 RWGS 촉매의 존재 하에서 RWGS을 통해 C02가 처리될 수 있다. 별도의 반응로에서 처리될 수 있다. RWGS 반응으로부터의 출력(effluent)은 주로 H2O와 CO를 포함하고, CO는 NTP 반응으로 공급될 수 있다.The residue containing C 2 O 3 and C0 2 can be extracted outside the hydrogen production device (700). The C 2 O 3 polymerized solid can be extracted from the residue through a cyclone separator, and the C0 2 can be processed through RWGS in the presence of a suitable RWGS catalyst. It can be processed in a separate reactor. The effluent from the RWGS reaction mainly contains H 2 O and CO, and the CO can be supplied to the NTP reaction.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수소를 생산하는 장치를 나타낸 개략도이다. 이 장치는 도 4의 실시예에 따른 수소 생산 방법을 구현한 또 다른 예일 수 있다.FIG. 7 is a schematic diagram illustrating a device for producing hydrogen according to another embodiment of the present invention. This device may be another example of implementing the hydrogen production method according to the embodiment of FIG. 4.
수소 생산 장치(800)는 외관을 형성하는 외부 튜브(810)를 포함한다. 외부 튜브(710)는 입력 가스가 제공되어 POX 반응이 수행되는 제1 반응로(또는 POX 반응로)와 NTP 반응이 수행되고 잔류물이 배출되는 제2 반응로(또는 NTP 반응로)를 포함한다. 제1 반응로와 제2 반응로 사이에는 멤브레인 분리가 수행되는 멤브레인 분리기(850) 및 복사열 차단을 위한 복사 실드(890)가 배치된다. 멤브레인 분리기(850)은 수소만을 선택적으로 통과시키는 멤브레인 분리 공정을 수행한다. 복사 실드(890)는 제2 반응로에서 NTP로 인한 높은 열이 제1 반응로로 미치는 영향을 줄인다. 복사 실드는 높은 유전율(high dielectric constant)을 갖는 재료로 만들어질 수 있다.A hydrogen production device (800) includes an outer tube (810) forming an exterior. The outer tube (710) includes a first reactor (or POX reactor) in which an input gas is supplied and a POX reaction is performed, and a second reactor (or NTP reactor) in which an NTP reaction is performed and a residue is discharged. A membrane separator (850) in which membrane separation is performed and a radiation shield (890) for blocking radiation heat are disposed between the first reactor and the second reactor. The membrane separator (850) performs a membrane separation process that selectively passes only hydrogen. The radiation shield (890) reduces the influence of high heat caused by the NTP in the second reactor on the first reactor. The radiation shield may be made of a material having a high dielectric constant.
제1 반응로는 내부 튜브(820), 제1 중앙 튜브(830), 제2 중앙 튜브(840)을 포함한다. 내부 튜브(820)의 내측에 제2 중앙 튜브(840)가 배치되고, 제2 중앙 튜브(840)의 내측에 제1 중앙 튜브(830)가 배치되어, 입력가스는 제1 중앙 튜브(830)에서 제2 중앙 튜브(840) 내부로, 제2 중앙 튜브(840)에서 내부 튜브(820) 내부로, 내부 튜브(820)에서 외부 튜브(810) 내부로 순차적으로 흐른다. 제1 반응로에는 입력 가스를 가열하는 발열체(835)가 배치된다. 발열체(835)는 내부 튜브(820), 제1 중앙 튜브(830) 및 제2 중앙 튜브(840) 중 어느 하나에 배치될 수 있다. 제2 중앙 튜브(840)와 내부 튜브(820) 사이에는 POX 촉매(860)가 배치된다. The first reactor includes an inner tube (820), a first central tube (830), and a second central tube (840). The second central tube (840) is disposed inside the inner tube (820), and the first central tube (830) is disposed inside the second central tube (840), so that the input gas sequentially flows from the first central tube (830) into the second central tube (840), from the second central tube (840) into the inner tube (820), and from the inner tube (820) into the outer tube (810). A heating element (835) for heating the input gas is disposed in the first reactor. The heating element (835) may be disposed in any one of the inner tube (820), the first central tube (830), and the second central tube (840). A POX catalyst (860) is placed between the second central tube (840) and the inner tube (820).
제2 반응로에는 제1 전극(880)과 제2 전극(885)를 통해 DBD NTP 반응로가 형성된다. 제1 전극(880)는 외부 튜브(810)의 내부에 배치되고, 외부 튜브(810)의 내부 표면에 제2 전극(885)이 배치될 수 있다. 제1 전극(880)과 제2 전극(885) 사이의 갭에 NTP가 형성될 수 있다. In the second reactor, a DBD NTP reactor is formed through a first electrode (880) and a second electrode (885). The first electrode (880) may be placed inside an outer tube (810), and the second electrode (885) may be placed on the inner surface of the outer tube (810). An NTP may be formed in the gap between the first electrode (880) and the second electrode (885).
수소 생산 장치(800) 내에서 동작은 다음과 같다.The operation within the hydrogen production device (800) is as follows.
공기(또는 산소), 수증기와 메탄(또는 천연가스)를 갖는 입력 가스가 제1 중앙 튜브(830)의 유입구를 통해 수소 생산 장치(800)의 제1 반응로로 들어간다. 입력 가스는 발열체(835)를 통해 400℃ 내지 1200℃ (바람직하게는, 450℃ 내지 550℃) 범위내의 온도로 가열될 수 있다. An input gas containing air (or oxygen), water vapor, and methane (or natural gas) enters a first reactor of a hydrogen production device (800) through an inlet of a first central tube (830). The input gas can be heated to a temperature in the range of 400°C to 1200°C (preferably, 450°C to 550°C) through a heating element (835).
가열된 메탄과 공기는 POX 촉매(860)를 통과하면서 화학식 23과 같은 POX 반응을 통해 수소와 일산화탄소로 변환된다. Heated methane and air pass through a POX catalyst (860) and are converted into hydrogen and carbon monoxide through a POX reaction as shown in Chemical Formula 23.
수소는 멤브레인(850)를 통과해 외부 튜브(810) 외부로 배출된다. 잔류 가스(일산화탄소가 풍부한 가스)는 제2 반응로(즉, NTP 반응로)로 유입된다. 제1 전극(880)과 제2 전극(885) 사이에 형성된 NTP의 존재하에 화학식 25에 나타난 바와 같이 일산화탄소는 C02와 C3O2로 변환된다. Hydrogen passes through the membrane (850) and is discharged outside the outer tube (810). The residual gas (carbon monoxide-rich gas) flows into the second reactor (i.e., NTP reactor). In the presence of NTP formed between the first electrode (880) and the second electrode (885), carbon monoxide is converted into C0 2 and C 3 O 2 as shown in Chemical Formula 25.
C2O3 및 C02를 포함하는 잔류물(residue)은 수소 생산 장치(800) 외부로 추출될 수 있다. 잔류물로부터 사이클론 분리기(cyclone separator)를 통해 상기 잔류물로부터 C2O3 중합 고체(polymerized solid)가 추출될 수 있고, 적절한 RWGS 촉매의 존재 하에서 RWGS을 통해 C02가 처리될 수 있다. The residue containing C 2 O 3 and C0 2 can be extracted outside the hydrogen production device (800). A polymerized solid of C 2 O 3 can be extracted from the residue through a cyclone separator, and the C0 2 can be processed through RWGS in the presence of a suitable RWGS catalyst.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수소를 생산하는 방법을 나타낸 개략도이다. 도 4의 방법과 비교하여, 이 방법은 수증기가 공급되지 않는 경우에 관한 것이다. 당업자는 이 방법을 도 5, 도 6 및 도 7의 실시예에 따른 수소 생산 장치에 용이하게 적용할 수 있을 것이다.Figure 8 is a schematic diagram illustrating a method for producing hydrogen according to another embodiment of the present invention. Compared to the method of Figure 4, this method relates to a case where steam is not supplied. Those skilled in the art will be able to easily apply this method to the hydrogen production devices according to the embodiments of Figures 5, 6, and 7.
입력가스(feeding gas)는 메탄가스(또는 천연가스) 및 공기(또는 산소 또는 질소가 고갈된 공기)를 포함할 수 있다. 입력 가스는 다음과 같은 POX 반응을 통해 수소와 일산화탄소로 변환된다. The input gas may include methane (or natural gas) and air (or air depleted of oxygen or nitrogen). The input gas is converted into hydrogen and carbon monoxide through the following POX reaction:
입력가스는 촉매 POX에서 수소와 일산화탄소를 갖는 합성가스(syngas)로 변환될 수 있다. 메탄과 공기는 400℃ 내지 1200℃ (바람직하게는, 450℃ 내지 550℃) 범위내의 온도로 가열될 수 있다. The input gas can be converted into synthesis gas (syngas) containing hydrogen and carbon monoxide in a catalytic POX. Methane and air can be heated to a temperature in the range of 400°C to 1200°C (preferably, 450°C to 550°C).
촉매 POX는 지원되는 전이 금속 또는 Ni 및/또는 Pd와 같은 이들의 조합을 기반으로 하는 촉매를 사용하는 POX 일 수 있다. 촉매 지원은 높은 표면적 탄소, 금속 산화물, 페로브스카이트(perovskites) 등을 포함할 수 있다.The catalytic POX may be a POX using a catalyst based on a supported transition metal or a combination thereof, such as Ni and/or Pd. The catalytic support may include high surface area carbon, metal oxides, perovskites, etc.
수소와 일산화탄소를 갖는 합성가스로부터 멤브레인 분리(Membrane separation)을 통해 수소와 일산화탄소로 분리된다. 멤브레인 분리 공정은 멤브레인을 사용하여 원하지 않는 물질은 걸러내고 다른 물질은 멤브레인을 통과시켜 용액의 성분을 분리하는 공정이다. 수소는 통과하지만 다른 가스는 통과할 수 없는 멤브레인이 사용된다.Hydrogen and carbon monoxide are separated from synthesis gas through membrane separation. The membrane separation process separates the components of a solution by filtering out unwanted substances and allowing other substances to pass through the membrane. A membrane that allows hydrogen to pass through but not other gases is used.
일산화탄소는 NTP의 존재하에 C02와 C3O2로 변환된다. C3O2는 증기 상태일 수 있지만, 빠르게 중합되어 (C3O2)n을 형성할 수 있다. C3O2는 차가운 표면을 만나면 응결되므로, 차가운 사이클론 분리기를 통해 추출할 수 있다. CO2는 적절한 반응기의 존재 하에서 RWGS 반응을 통해 수소와 함께 환원되어 CO로 변환되어 다시 멤브레인 분리 공정으로 들어간다.Carbon monoxide is converted to C0 2 and C 3 O 2 in the presence of NTP. C 3 O 2 may be in a vapor state, but it can rapidly polymerize to form (C 3 O 2 ) n . C 3 O 2 condenses when it encounters a cold surface, so it can be extracted through a cold cyclone separator. CO 2 is reduced with hydrogen through the RWGS reaction in the presence of a suitable reactor to CO 2 , which is then fed back into the membrane separation process.
Claims (6)
외관을 형성하는 외부 튜브;
상기 외부 튜브 내 배치되고, 입력 가스가 제공되어 POX(partial oxidation) 반응이 수행되는 POX 반응로;
상기 외부 튜브 내 배치되고, NTP(non-thermal plasma) 반응이 수행되는 배출되는 NTP 반응로;
상기 외부 튜브 내 상기 POX 반응로와 상기 NTP 반응로 사이에 배치되고, 멤브레인 분리가 수행되는 멤브레인 분리기; 및
상기 외부 튜브 내 상기 POX 반응로와 상기 NTP 반응로 사이에 배치되고, 상기 NTP 반응로의 NTP로 인한 높은 열이 상기 POX 반응로로 미치는 영향을 줄이는 복사 실드를 포함하되,
상기 입력 가스는 메탄 및 공기를 포함하고,
상기 POX 반응로는 상기 POX 반응에서 상기 메탄 및 상기 공기로부터 수소와 일산화탄소가 혼합된 합성 가스를 생산하고,
상기 멤브레인 분리기는 통해 상기 합성 가스내 수소와 일산화탄소를 분리하고, 분리된 수소를 상기 외부 튜브 외부로 배출하고,
상기 분리된 일산화탄소는 상기 NTP 반송로에서 상기 NTP 반응에 의해 아산화탄소(carbon suboxide) 및 이산화탄소를 갖는 상기 잔류물로 변환되는 것을 특징으로 하는 수소 생산 장치. In the hydrogen production device,
The outer tube forming the exterior;
A POX reactor arranged within the outer tube and in which an input gas is supplied to perform a POX (partial oxidation) reaction;
An NTP reactor disposed within the above outer tube and in which an NTP (non-thermal plasma) reaction is performed;
A membrane separator disposed between the POX reactor and the NTP reactor within the outer tube, wherein membrane separation is performed; and
A radiation shield is disposed between the POX reactor and the NTP reactor within the external tube, and reduces the influence of the high heat caused by the NTP of the NTP reactor on the POX reactor.
The above input gas contains methane and air,
The above POX reactor produces a synthesis gas mixed with hydrogen and carbon monoxide from the methane and the air in the above POX reaction,
The above membrane separator separates hydrogen and carbon monoxide in the synthesis gas, and discharges the separated hydrogen to the outside of the outer tube.
A hydrogen production device characterized in that the separated carbon monoxide is converted into the residue having carbon suboxide and carbon dioxide by the NTP reaction in the NTP return path.
상기 메탄 및 상기 공기는 상기 POX 반응을 위해 450℃와 550℃ 범위의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 수소 생산 장치.In the first paragraph,
A hydrogen production device characterized in that the methane and the air are heated to a temperature in the range of 450°C and 550°C for the POX reaction.
상기 POX 반응로는 내부 튜브, 상기 내부 튜브에 포함되는 제2 중앙 튜브, 및 상기 NTP 반응로를 관통하여 상기 제2 중앙 튜브 내측으로 연장되는 제1 중앙 튜브를 포함하고,
상기 제1 중앙 튜브에 제공되는 입력가스는 제2 중앙 튜브 내부, 상기 내부 튜브 내부, 상기 외부 튜브 내부의 순으로 순차적으로 흐르는 것을 특징으로 하는 수소 생산 장치.In the first paragraph,
The POX reactor comprises an inner tube, a second central tube included in the inner tube, and a first central tube extending inside the second central tube through the NTP reactor,
A hydrogen production device characterized in that the input gas provided to the first central tube sequentially flows in the order of the inside of the second central tube, the inside of the inner tube, and the inside of the outer tube.
외관을 형성하는 외부 튜브;
상기 외부 튜브 내 배치되고, 입력 가스가 제공되어 POX(partial oxidation) 반응이 수행되는 POX 반응로;
상기 외부 튜브 내 배치되고, NTP(non-thermal plasma) 반응이 수행되는 배출되는 NTP 반응로;
상기 외부 튜브 내 상기 POX 반응로와 상기 NTP 반응로 사이에 배치되고, 멤브레인 분리가 수행되는 멤브레인 분리기; 및
상기 외부 튜브 내 상기 POX 반응로와 상기 NTP 반응로 사이에 배치되고, 상기 NTP 반응로의 NTP로 인한 높은 열이 상기 POX 반응로로 미치는 영향을 줄이는 복사 실드를 포함하되,
상기 입력 가스는 메탄 및 공기를 포함하고,
상기 POX 반응로는 상기 POX 반응에서 상기 메탄 및 상기 공기로부터 수소와 일산화탄소가 혼합된 합성 가스를 생산하고,
상기 멤브레인 분리기는 통해 상기 합성 가스내 수소와 일산화탄소를 분리하고, 분리된 수소를 상기 외부 튜브 외부로 배출하고,
상기 분리된 일산화탄소는 상기 NTP 반송로에서 상기 NTP 반응에 의해 아산화탄소(carbon suboxide) 및 이산화탄소를 갖는 상기 잔류물로 변환되고,
상기 POX 반응로는 내부 튜브, 상기 내부 튜브에 포함되는 제2 중앙 튜브, 및 상기 NTP 반응로를 관통하여 상기 제2 중앙 튜브 내측으로 연장되는 제1 중앙 튜브를 포함하고,
상기 제1 중앙 튜브에 제공되는 입력가스는 제2 중앙 튜브 내부, 상기 내부 튜브 내부, 상기 외부 튜브 내부의 순으로 순차적으로 흐르고,
상기 제2 중앙 튜브와 내부 튜브 사이에는 POX 촉매가 배치되어, 상기 입력가스에 대한 POX 반응이 수행되는 것을 특징으로 하는 수소 생산 장치.In the hydrogen production device,
The outer tube forming the exterior;
A POX reactor arranged within the outer tube and in which an input gas is supplied to perform a POX (partial oxidation) reaction;
An NTP reactor disposed within the above outer tube and in which an NTP (non-thermal plasma) reaction is performed;
A membrane separator disposed between the POX reactor and the NTP reactor within the outer tube, wherein membrane separation is performed; and
A radiation shield is disposed between the POX reactor and the NTP reactor within the external tube, and reduces the influence of the high heat caused by the NTP of the NTP reactor on the POX reactor.
The above input gas contains methane and air,
The above POX reactor produces a synthesis gas mixed with hydrogen and carbon monoxide from the methane and the air in the above POX reaction,
The above membrane separator separates hydrogen and carbon monoxide in the synthesis gas, and discharges the separated hydrogen to the outside of the outer tube.
The separated carbon monoxide is converted into the residue having carbon suboxide and carbon dioxide by the NTP reaction in the NTP return path,
The POX reactor comprises an inner tube, a second central tube included in the inner tube, and a first central tube extending inside the second central tube through the NTP reactor,
The input gas provided to the first central tube flows sequentially in the order of the inside of the second central tube, the inside of the inner tube, and the inside of the outer tube.
A hydrogen production device characterized in that a POX catalyst is arranged between the second central tube and the inner tube, so that a POX reaction is performed on the input gas.
상기 메탄 및 상기 공기는 상기 POX 반응을 위해 450℃와 550℃ 범위의 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 수소 생산 장치.In paragraph 4,
A hydrogen production device characterized in that the methane and the air are heated to a temperature in the range of 450°C and 550°C for the POX reaction.
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