KR102008423B1 - Methane pyrolysis solar reactor and method for producing hydrogen and carbon black using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a methane pyrolysis solar reactor and a method for producing hydrogen and/or carbon black using the same. According to the present invention, the methane pyrolysis solar reactor comprises: a CH_4 and H_2O injection unit for injecting CH_4 containing gas and water into a gas-liquid atomizing nozzle of a steam injector; and a reaction unit having a porous reaction bed through which carbon particle fluid flows through pores connected to each other, and decomposing CH_4 provided from the injection unit into hydrogen gas and carbon black by concentrated solar heat, wherein steam provided from the CH_4 and H_2O injection unit is heated by the solar heat concentrated in the reaction unit, and then the porous reaction bed is coated and dispersed into the carbon particle fluid to suppress carbon deposition on the porous reaction bed.

Description

메탄 열분해 태양열 반응기 및 이를 이용한 수소 및 카본블랙 제조 방법 {Methane pyrolysis solar reactor and method for producing hydrogen and carbon black using the same}Methane pyrolysis solar reactor and method for producing hydrogen and carbon black using the same}

본 발명은 메탄 열분해 태양열 반응기 및 이를 이용한 수소 및/또는 카본블랙 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a methane pyrolysis solar reactor and a method for producing hydrogen and / or carbon black using the same.

온실가스, 특히 메탄 및 이산화탄소의 방출이 세계 기후 변화를 야기하고 있다. 특히, 화석연료 사용, 매립지에서의 폐기물 배출, 축산 사업, 바이오매스 증가 등에 따라 메탄의 발생이 증가하고 있다. 메탄은 전 세계적으로 연간 3억 7천만 톤(2010년 기준) 가효량이 대기 중으로 배출되고 있으며 같은 농도의 이산화탄소에 비해 21배 정도 온실가스 효과를 가지므로 메탄의 기후변화에 대응하기 위한 기술 개발이 요구된다. Emissions of greenhouse gases, especially methane and carbon dioxide, are causing global climate change. In particular, the generation of methane is increasing due to the use of fossil fuels, landfill discharges, livestock projects, and biomass growth. Methane is emitted around 370 million tonnes (2010) of globally effective annually and has 21 times the greenhouse gas effect compared to carbon dioxide at the same concentration. Therefore, development of technologies to cope with climate change of methane is required. do.

메탄은 탄화수소 물질 중에서 수소 대 탄소비가 가장 크기 때문에, 다른 여러 수소제조 원료에 비해 청정하다는 장점이 있다. 메탄 활용기술은 도시가스, 발전, 자동차 연료, 메탄올 액체연료, 수소 제조 분야 등에 적용될 수 있다. 포집, 정제된 메탄을 기준으로 하며, 향후 저농도 미활용 메탄 직접 전환 기술이 개발될 경우 시장 규모는 보다 확대될 수 있다.Since methane has the largest hydrogen-to-carbon ratio among hydrocarbon materials, it has the advantage of being clean compared to many other hydrogen-producing raw materials. Methane utilization technology can be applied to city gas, power generation, automotive fuel, methanol liquid fuel and hydrogen production. Based on captured and purified methane, the market could be further expanded if low concentrations of unutilized methane direct conversion technologies are developed.

수소는 가장 가볍고 풍부한 원소로서 자원이 무한하고 청결한 에너지이다. 수소제조기술은 크게 3가지로 분류된다. 첫째, 메탄수증기 개질법, 중유의 부분산화법, 천연가스의 촉매분해 등의 탄화수소 물질을 근간으로 하는 방법, 둘째, 열화학, 전기화학적 물분해 등의 비탄화수소를 근간으로 하는 방법, 셋째, 위의 두 가지 형태를 합친 형태들이 있다. 이중 천연가스로부터 수소를 제조하는 방법은 수소 제조시 많은 양의 이산화탄소를 발생시킨다는 문제를 안고 있다. Hydrogen is the lightest and most abundant element, with infinite resources and clean energy. Hydrogen production technology is classified into three categories. First, a method based on hydrocarbon materials such as methane steam reforming, partial oxidation of heavy oil, and catalytic decomposition of natural gas, and second, a method based on non-hydrocarbon such as thermochemistry and electrochemical water decomposition, and third, the above two There are forms that combine the forms. The method of producing hydrogen from natural gas has a problem that generates a large amount of carbon dioxide when producing hydrogen.

카본 블랙은 고무, 플라스틱, 페인트 그리고 잉크 내에 첨가물로서 사용되며, 기계적, 전기적 그리고 광학적 특성을 원하는 성질로 바꾸어주는 효과가 있다. 특히 카본 블랙은 고무를 강화시키는 능력이 있어서, 타이어나 산업용 호스와 같은 고무제품의 강화에도 사용된다. 또한, 카본블랙은 이차전지 전극소재, 촉매 담체 등과 같은 고부가가치 재료로 사용될 수 있다. 보통 중유의 불완전 연소에서 발생하는 검은 연기로부터 탄소입자를 분리시켜 제조하는데 평균적으로 카본블랙 1톤당 2.4톤의 이산화탄소를 배출시킨다. 스팀 메탄 개질 공정은 수소 1톤당 약 8톤의 이산화탄소를 방출한다.Carbon black is used as an additive in rubber, plastics, paints and inks and has the effect of converting mechanical, electrical and optical properties to desired properties. Carbon black, in particular, has the ability to reinforce rubber, which is also used to reinforce rubber products such as tires and industrial hoses. In addition, carbon black may be used as a high value-added material such as a secondary battery electrode material, a catalyst carrier, and the like. It is usually produced by separating carbon particles from black smoke from incomplete combustion of heavy oil, and on average emits 2.4 tons of carbon dioxide per tonne of carbon black. The steam methane reforming process releases about 8 tonnes of carbon dioxide per tonne of hydrogen.

이러한 환경문제를 해결하기 위한 방법의 하나로, 메탄가스의 열분해법은 CH4를 고온에서 분해시켜 수소와 탄소로 전환시키는 기술이다. 메탄가스 열분해법의 가장 큰 장점은 이산화탄소의 발생 없이 수소와 탄소를 만드는 것이다. 기존의 수소 제조기술과 비교하여 수소를 대량으로 제조할 수 있으며 동시에 부산물로써 배출되는 고순도의 탄소를 활용할 수 있다는 장점을 갖고 있다. 또한, 메탄가스 열분해법에 의해 제조된 수소는 이산화탄소 발생원에서 회수된 이산화탄소와 반응시켜 내연 기관의 연료로 사용되어 메탄올을 생산하는 기술과 효과적으로 연계될 수 있으며, 청정발전 기술인 연료전지의 수소 공급원으로 활용될 수 있다는 장점을 갖고 있다. As one of methods for solving such environmental problems, pyrolysis of methane gas is a technique of decomposing CH 4 at high temperature and converting it into hydrogen and carbon. The biggest advantage of methane pyrolysis is the production of hydrogen and carbon without the generation of carbon dioxide. Compared with the existing hydrogen production technology, hydrogen can be produced in large quantities, and at the same time, it can utilize high-purity carbon emitted as a by-product. In addition, hydrogen produced by the methane gas pyrolysis method can be used as a fuel for the internal combustion engine by reacting with carbon dioxide recovered from the carbon dioxide source can be effectively linked to the production of methanol, and used as a hydrogen supply source of fuel cells as a clean power generation technology. It has the advantage that it can be.

한편, 메탄의 건조 개질로도 알려져 있는, 니켈, 귀금속 및 혼합된 산화물-기반 촉매들에서 메탄의 이산화탄소 개질은 온실가스인 CO2를 유용한 화학물질로 효과적으로 전환시킬 수 있다. 니켈 촉매는 고온 노출시 금속소결되어 촉매활성이 저하된다. 이에, 낮은 가격, 고온 내성 및 무-황 독성과 같은 이점을 갖는 탄소질 촉매가 금속-기반 촉매의 대체제로서 관심을 받고 있다.On the other hand, carbon dioxide reforming of methane in nickel, noble metal and mixed oxide-based catalysts, also known as dry reforming of methane, can effectively convert greenhouse gases CO 2 into useful chemicals. Nickel catalysts sinter metal when exposed to high temperatures, resulting in reduced catalytic activity. Accordingly, carbonaceous catalysts with advantages such as low cost, high temperature resistance and sulfur-free toxicity are of interest as replacements for metal-based catalysts.

한편, 메탄은 매우 안전한 화학물질로 이를 전환하기 위해서는 고온의 열원이 필요하며, 이때 온실가스 저감 측면에서 신재생 에너지원이 필요하다. 태양에너지 기술은 태양으로부터 오는 복사에너지를 흡수하여 열에너지로 변화시키는 기술로써 무공해, 무한정, 무가격 청정에너지원이다. 따라서, 신재생에너지원을 이용하여 메탄의 고부가가치 자원화 기술은 지구온난화를 해결할 수 있는 기술이자 온실가스 자원화기술이다. On the other hand, methane is a very safe chemical material, a high temperature heat source is required to convert it, and a renewable energy source is required in view of greenhouse gas reduction. Solar energy technology is a technology that absorbs radiant energy from the sun and converts it into thermal energy. It is a pollution-free, infinite, priceless clean energy source. Therefore, high value-added resources of methane using renewable energy sources are technologies that can solve global warming and greenhouse gas resources.

그러나, 메탄가스 고온 열분해법을 이용하여 메탄으로부터 수소와 탄소 생성시 열분해탄소(pyrocarbon)가 반응관 내벽에 생성되며 그 위에 탄소가 퇴적되는 폐색(plugging) 현상이 발생한다.However, when hydrogen and carbon are generated from methane using methane high temperature pyrolysis, pyrocarbon is formed on the inner wall of the reaction tube, and plugging occurs.

자연에너지인 태양열을 효율적으로 이용하기 위해서는 메탄 분해 시 촉매반응을 통하여 반응온도를 낮춰야 한다. 촉매 도입 시 반응온도를 1400~1500K 까지 낮출 수는 있지만 메탄 분해 시 생성되는 카본이 촉매 표면에 침척되는 현상으로 촉매가 쉽게 비활성화가 되는 것으로 보고되고 있다. 카본계 촉매 도입 시 반응온도 1473K에서 초기 메탄 전환율이 90% 이상을 유지하다 반응시간 1500초만에 무촉매 반응과 같이 전환율이 45%까지 급속하게 저하되는 것으로 보고되고 있다. 따라서, 1400~1500K의 낮은 반응온도에서 카본 침척에 내성을 갖는 고전환율 촉매 및 반응시스템의 개발이 필요하다.In order to use solar energy as a natural energy efficiently, the reaction temperature must be lowered through catalytic reaction during methane decomposition. Although the reaction temperature can be lowered to 1400 ~ 1500K when the catalyst is introduced, it is reported that the catalyst is easily deactivated due to the infiltration of carbon generated during methane decomposition onto the catalyst surface. When the carbon-based catalyst is introduced, the initial methane conversion is maintained at 90% or more at a reaction temperature of 1473K. It is reported that the conversion rate rapidly decreases to 45% as in the non-catalytic reaction in 1500 seconds. Therefore, there is a need for the development of high conversion catalysts and reaction systems that are resistant to carbon precipitation at low reaction temperatures of 1400-1500K.

본 발명은 태양광을 집열하여 반응기 내부의 온도를 1000도까지 올리고 여기에 바이오가스(주성분 CH4)를 분사시켜 카본블랙(C)과 수소(H2)를 생산하는 반응기에, 분무 노즐(atomizing nozzle)이 장착된 스팀 인젝터(steam injector)를 통하여 바이오가스와 함께 물을 스팀으로 분사하여, 메탄 열분해 다공성 반응층 및/또는 촉매층에 탄소침적을 억제시키고자 한다. The present invention collects sunlight and raises the temperature inside the reactor to 1000 degrees, and sprays a biogas (main component CH 4 ) to the reactor to produce carbon black (C) and hydrogen (H 2 ), atomizing nozzles (atomizing) Water is injected into the steam together with the biogas through a steam injector equipped with a nozzle to suppress carbon deposition in the methane pyrolysis porous reaction layer and / or catalyst layer.

본 발명의 제1양태는 스팀 인젝터(steam injector)의 기액 분무 노즐(gas-liquid atomizing nozzle)에 CH4 함유 가스 및 물을 주입시키는 CH4 및 H2O 분사부; 및 서로 연결된 기공들을 통해 탄소입자 유체가 흐를 수 있는 다공성 반응 층(bed)을 구비하고 집광된 태양열에 의해 상기 분사부에서 제공되는 CH4을 수소가스와 탄소입자(carbon black)로 분해시키는 반응부를 구비하되, CH4 및 H2O 분사부에서 제공되는 스팀(steam)이 반응부에서 집광된 태양열에 의해 가열된 후 다공성 반응 층을 코팅하고 탄소입자 유체 사이로 분산되어 다공성 반응 층에 탄소 침적을 억제하는 것인, 메탄 열분해 태양열 반응기를 제공한다.A first aspect of the invention provides a CH 4 and H 2 O injector for injecting CH 4 containing gas and water into a gas-liquid atomizing nozzle of a steam injector; And a porous reaction bed through which carbon particle fluid flows through the pores connected to each other, and a reaction part that decomposes CH 4 provided from the injection part into hydrogen gas and carbon particles by carbon light collected by concentrated solar heat. Steam provided from the CH 4 and H 2 O injection unit is heated by solar heat collected in the reaction unit and then coated on the porous reaction layer and dispersed between the carbon particle fluid to suppress carbon deposition on the porous reaction layer. To provide a methane pyrolysis solar reactor.

본 발명의 제2양태는 기액 분무 노즐(gas-liquid atomizing nozzle)이 장착된 스팀 인젝터(steam injector)에 CH4 함유 가스 및 물을 주입시키는 제1단계; 및 집광된 태양열에 의해 메탄을 수소가스와 탄소입자(carbon black)로 분해시키는 다공성 반응 층(bed)에 상기 스팀 인젝터를 통해 CH4 및 스팀을 분사시키면서 메탄 열분해시키는 제2단계를 포함하되, 스팀 인젝터에서 분사되는 스팀(steam)이 집광된 태양열에 의해 가열된 후 다공성 반응 층을 코팅하고 탄소입자 유체 사이로 분산되어 다공성 반응 층에 탄소 침적이 억제되는 것이 특징인 수소, 카본블랙 또는 둘다를 제조하는 방법을 제공한다.The second aspect of the present invention comprises the steps of injecting CH 4 containing gas and water into a steam injector equipped with a gas-liquid atomizing nozzle; And a second step of pyrolyzing methane while injecting CH 4 and steam through the steam injector into a porous reaction bed for decomposing methane into hydrogen gas and carbon black by condensed solar heat. Steam injected from the injector is heated by condensed solar heat and then coats the porous reaction layer and is dispersed between the carbon particle fluids to produce hydrogen, carbon black or both characterized by suppressing carbon deposition in the porous reaction layer. Provide a method.

이하, 본 발명을 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

메탄을 높은 온도(1170 - 1620 K)로 가열하면 메탄 (CH4)은 하기 반응식 1과 같이 분해된다.When methane is heated to a high temperature (1170-1620 K), methane (CH 4 ) is decomposed as in Scheme 1 below.

[반응식 1]Scheme 1

CH4 → C + 2H2 ΔHo = 74.6 kJ/molCH 4 → C + 2H 2 ΔH o = 74.6 kJ / mol

메탄의 직접분해법은 전혀 이산화탄소를 발생하지 않으며, 주요한 생성물로 수소 생산과 부산물로 고순도의 탄소(Carbon black)를 얻을 수 있다는 큰 장점이다. 탄소는 미래에 이용될 목적으로 저장되거나, 2차 전지의 전극, 촉매, 담체 등 고부가가치 재료로 또는 고무 및 전기 첨가제로서 사용될 수 있다.The direct decomposition of methane does not generate carbon dioxide at all, and it is a major advantage that high-purity carbon (carbon black) can be obtained as a main product of hydrogen production and by-products. Carbon can be stored for future use, or used as a high value added material such as electrodes, catalysts, carriers, etc. of secondary batteries or as rubber and electrical additives.

자연에너지를 이용한 바이오메탄 에너지화 기술은 하기 반응식 2과 같다. Biomethane energyification using natural energy is shown in Scheme 2 below.

[반응식 2]Scheme 2

CH4 + CO2 → 2H2 + 2CO, ΔHo = 247 kJ/molCH 4 + CO 2 → 2H 2 + 2CO, ΔH o = 247 kJ / mol

바이오 가스는 메탄(~50%)과 이산화탄소(~50%)를 함유하고, 이때 CO2는 발열량을 떨어뜨린다.Biogas contains methane (~ 50%) and carbon dioxide (~ 50%), where CO 2 reduces the calorific value.

바이오메탄과 CO2가 동시에 공급되어 개질되는 반응식 2의 경우, 기존 바이오메탄 발전시스템의 메탄 발열량(-74.6 kJ/mol) 대비 고부가가치의 합성 가스 생산으로 CH4 1 mol당 247 kJ의 추가 발전 효과가 기대된다.In the case of Scheme 2, where biomethane and CO 2 are simultaneously supplied and reformed, 247 kJ per mol of CH 4 is generated due to the production of high value-added syngas compared to methane calorific value (-74.6 kJ / mol) of the existing biomethane power generation system Is expected.

바이오메탄과 CO2를 분리하고 순수한 메탄이 열분해되는 반응식 1의 경우 기존 스팀 메탄 개질 공정 대비 수소 1kg생산 당 277 MJ의 에너지가 절약되고 14kg CO2 배출이 회피되는 효과가 있다.Reaction 1, in which biomethane and CO 2 are separated and pure methane is pyrolyzed, saves 277 MJ of energy per kilogram of hydrogen and avoids 14kg CO 2 emissions compared to the existing steam methane reforming process.

메탄의 열분해시 메탄의 전환율을 높이기 위해서는 높은 온도와 낮은 압력에서 유리하며 반응은 흡열반응이다. In order to increase the conversion of methane during pyrolysis of methane, it is advantageous at high temperature and low pressure, and the reaction is endothermic.

이론적으로는 상압 조건하에서 반응온도 1070K 정도에서 수소의 평형조성이 97 % 이상에 달하지만 실제 반응조건에서는 활성화 에너지의 장벽을 넘어야 하므로 반응온도가 이보다 훨씬 높아져야 하고, 또는 체류시간이 더욱 길어져야 한다.Theoretically, the equilibrium of hydrogen reaches more than 97% at the reaction temperature of about 1070K under atmospheric pressure, but in actual reaction conditions, the reaction temperature must be much higher than this, or the residence time should be longer.

촉매 없이 메탄의 열분해가 가능하나, 촉매를 사용하는 경우 열분해 반응온도를 낮출 수 있다. 촉매는 일반적으로 Ni-Mo/Alumina를 사용하며, 일부 촉매는 성능시험에서 아주 우수하여 전환율은 거의 100%로 알려져 있다. Pyrolysis of methane is possible without a catalyst, but the use of a catalyst can lower the temperature of the pyrolysis reaction. Catalysts generally use Ni-Mo / Alumina, and some catalysts are very good in performance tests, and the conversion is known to be almost 100%.

본 발명에 따른 메탄 열분해 태양열 반응기는 기액 분무 노즐(gas-liquid atomizing nozzle)이 장착된 스팀 인젝터(steam injector)가 설치된 CH4 및 H2O 분사부; 및 집광된 태양열에 의해 CH4을 수소가스와 탄소입자(carbon black)로 분해시키는 반응부를 구비한다.The methane pyrolysis solar reactor according to the present invention includes a CH 4 and H 2 O injector equipped with a steam injector equipped with a gas-liquid atomizing nozzle; And a reaction part for decomposing CH 4 into hydrogen gas and carbon particles by the collected solar heat.

본 발명의 메탄 열분해 태양열 반응기에 연동될 수 있는 태양광 집열 장치의 일례가 도 1에 도시되어 있으며, 이에 대한 설명은 한국 등록특허 10-1008500에 기재되어 있으며, 본 명세서에 통합된다.An example of a solar heat collecting device that can be linked to the methane pyrolysis solar reactor of the present invention is shown in FIG. 1, the description of which is described in Korean Patent No. 10-1008500, which is incorporated herein.

본 발명의 메탄 열분해 태양열 반응기의 일구체예의 분해사시도는 도 2에, 상기 반응기 내 유체 흐름을 도시한 모식도는 도 3에 도시되어 있다. 본 발명의 메탄 열분해 태양열 반응기는 메탄 전환율이 80%이상일 수 있다.An exploded perspective view of one embodiment of the methane pyrolysis solar reactor of the present invention is shown in Figure 2, a schematic diagram showing the fluid flow in the reactor is shown in FIG. The methane pyrolysis solar reactor of the present invention may have a methane conversion of 80% or more.

본 발명의 메탄 열분해 태양열 반응기에 장착되는 기액 분무 노즐(gas-liquid atomizing nozzle)이 구비된 스팀 인젝터(steam injector)의 일구체예 및 다공성 반응층의 일구체예는 도 4에 도시되어 있으며, 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄 열분해 태양열 반응기의 설계도가 도시되어 있다.One embodiment of a steam injector equipped with a gas-liquid atomizing nozzle mounted on a methane pyrolysis solar reactor of the present invention and one embodiment of a porous reaction layer are shown in FIG. 4. A schematic of a methane pyrolysis solar reactor according to one embodiment of the invention is shown.

본 발명에 따라 집광된 태양열에 의해 CH4을 수소가스와 탄소입자(carbon black)로 분해시키는 반응부는 서로 연결된 기공들을 통해 탄소입자 유체가 흐를 수 있는 다공성 반응 층(bed)을 구비한다. 본 발명에서 다공성 반응 층은 촉매 없는 다공성 층이거나 촉매가 적용된 다공성 층일 수 있다. 비제한적인 예로, 다공성 반응 층은 Ceria coated zirconia foam device일 수 있다. 또한, 다공성 반응 층은 균일한 온도 구배를 발휘할 수 있다.According to the present invention, the reaction part that decomposes CH 4 into hydrogen gas and carbon particles by the concentrated solar heat includes a porous reaction bed through which carbon particle fluid can flow through pores connected to each other. In the present invention, the porous reaction layer may be a catalyst free porous layer or a catalyst applied porous layer. As a non-limiting example, the porous reaction layer may be a Ceria coated zirconia foam device. In addition, the porous reaction layer can exhibit a uniform temperature gradient.

다공성 반응 층은 집광된 태양열 및 CH4 함유 반응물을 수용할 수 있는 용기 형태일 수 있으며, 이의 내부 공간에 스팀 인젝터를 통해 CH4 및 스팀 함유 유체가 분사될 수 있고 태양열이 집광될 수 있으므로, CH4 및 스팀 함유 유체는 메탄 열분해 온도 또는 그 이상까지 집광된 태양열에 의해 가열될 수 있다. 이로 인해 다공성 반응 층에서 메탄은 수소가스와 탄소입자(carbon black)로 열분해 및/또는 수증기 개질 반응이 일어날 수 있다. The porous reaction layer may be in the form of a container capable of receiving the concentrated solar and CH 4 containing reactants, and the CH 4 and steam containing fluids may be injected through the steam injector into the interior space thereof and the solar heat may be collected, 4 and the steam containing fluid may be heated by solar heat concentrated to methane pyrolysis temperature or higher. As a result, methane in the porous reaction layer may undergo pyrolysis and / or steam reforming reaction into hydrogen gas and carbon black.

일례로, 다공성 반응 층은 수직 단면이 사다리꼴인 절두된 원뿔 형상(Truncated conical shape)일 수 있다(도 3 및 도 5).In one example, the porous reaction layer may be a truncated conical shape having a vertical cross section of a trapezoid (Figures 3 and 5).

본 발명의 메탄 열분해 태양열 반응기는 이의 표면에서 열쇼크(thermal shock)를 감소하는 타원체 석영 윈도우(Quartz window)를 다공성 반응 층의 상류에 더 구비할 수 있다(도 2 ~ 도 5).The methane pyrolysis solar reactor of the present invention may further include an ellipsoid quartz window upstream of the porous reaction layer that reduces thermal shock at its surface (FIGS. 2-5).

메탄 열분해의 주요 가스 생성물들은 H2, C2H6, C2H4, C2H2 그리고 C3H6이다. 코크란 메탄 열분해 동안 생성된 탄화수소 물질 및/또는 열분해탄소(pyrocarbon)를 말하며, 코크는 열분해하는 동안 기상으로 반응기 벽면에 퇴적된다.The main gas products of methane pyrolysis are H 2 , C 2 H 6 , C 2 H 4 , C 2 H 2 and C 3 H 6 . Cochran refers to hydrocarbon material and / or pyrocarbon produced during methane pyrolysis, where coke is deposited on the reactor wall in the gas phase during pyrolysis.

따라서, 수소가스와 탄소입자(carbon black)를 생성하는 메탄의 열분해 반응은 다공성 반응층의 기공 및/또는 촉매에 탄소침적이 발생하여, 기공이 폐쇄되고/되거나 대부분의 촉매는 탄소퇴적에 의해 활성이 저하되어 촉매 수명이 짧아지는 단점이 있다. Therefore, pyrolysis of hydrogen gas and methane to produce carbon particles causes carbon deposition in the pores and / or catalysts of the porous reaction layer, resulting in pore closure and / or most catalysts being activated by carbon deposition. This lowers the disadvantage of shortening the catalyst life.

유입 메탄양이 증가함에 따라 수소생산량은 계속 증가하나, 메탄 유량이 많을수록 생성되는 탄소의 양이 많아지게 되므로 유량이 적을 때보다 더 빨리 반응기를 막아버리는 결과를 초래하게 된다. 즉 volume reaction이 아닌 surface reaction에 의해 반응기 벽에 다량의 pyrocarbon이 형성되어 반응기를 막는 현상이 일어난다. 따라서, 메탄가스의 고온열분해에 의해 대량생산하기 위해서는 surface reaction을 효과적으로 막을 수 있는 반응기의 개발이 필요하다.Hydrogen production continues to increase as the amount of inflow methane increases, but the higher the methane flow rate, the greater the amount of carbon produced, which results in clogging the reactor sooner than at low flow rates. In other words, a large amount of pyrocarbon is formed on the wall of the reactor by the surface reaction rather than the volume reaction, thereby blocking the reactor. Therefore, in order to mass-produce by high temperature pyrolysis of methane gas, it is necessary to develop a reactor that can effectively prevent surface reaction.

이를 위해, 본 발명에 따라 집광된 태양열을 통해 다공성 반응 층의 온도를 메탄 열분해 온도 이상으로 가열하는 메탄 열분해 태양열 반응기는, 기액 분무 노즐(gas-liquid atomizing nozzle)이 장착된 스팀 인젝터(steam injector)를 통해 CH4 뿐만 아니라 스팀(steam) 액적으로 H2O 를 다공성 반응 층에 분사하고, 집광된 태양열에 의해 CH4 는 열분해되고 스팀 액적은 가열된 후, 가열된 스팀 액적이 다공성 반응 층을 코팅하고 탄소입자 유체 사이로 분산되어 다공성 반응 층에 탄소 침적을 억제시키는 것이 특징이다.To this end, the methane pyrolysis solar reactor for heating the temperature of the porous reaction layer above the methane pyrolysis temperature through the concentrated solar heat according to the present invention, a steam injector equipped with a gas-liquid atomizing nozzle (steam injector) H 2 O is injected into the porous reaction layer not only as CH 4 but also as steam droplets, and by condensed solar heat, CH 4 is pyrolyzed and the steam droplets are heated, and then the heated steam droplets coat the porous reaction layer. And is dispersed between the carbon particle fluids to inhibit carbon deposition in the porous reaction layer.

본 발명의 CH4 및 H2O 분사부는 스팀 인젝터의 기액 분무 노즐에 CH4 함유 가스 주입부 및 물 주입부가 연결되어 있을 수 있다(도 7). The CH 4 and H 2 O injectors of the present invention may be connected to the gas injector and the CH 4 containing water injector to the gas-liquid spray nozzle of the steam injector (FIG. 7).

본 발명에서 CH4 및 H2O 분사부는 스팀 인젝터의 구조를 가지며, 기액 분무 노즐을 통해 CH4 함유 가스에 의해 물을 스팀으로 분무시킬 수 있다(도 7). 이때, CH4 함유 가스는 압축된 가스일 수 있다.In the present invention, the CH 4 and H 2 O injection unit has a structure of a steam injector, and water may be sprayed into steam by the CH 4 containing gas through a gas-liquid spray nozzle (FIG. 7). In this case, the CH 4 containing gas may be a compressed gas.

스팀 인젝터(steam injector)의 부품 및 작동원리는 도 6 및 도 7에 도시되어 있다. 본 발명에서 스팀 인젝터는 스팀을 in-situ로 생성시킬 수 있는 장치로, 통상 liquid air atomizing nozzle(도 6)로 알려진 기액 분무 노즐(gas-liquid atomizing nozzle)이 장착된 것이다. 본 발명의 스팀 인젝터에서는 liquid air atomizing nozzle와 동일한 작용원리(도 7)가 적용된 것으로 liquid로 물이 air 대신 CH4 함유 가스가 사용되는 것이다. 따라서, liquid air atomizing nozzle를 그대로 또는 설계 변경하여, 본 발명의 스팀 인젝터 내 기액 분무 노즐로 사용할 수 있다.Parts and operating principles of the steam injector are shown in FIGS. 6 and 7. In the present invention, the steam injector is a device capable of generating steam in-situ, and is equipped with a gas-liquid atomizing nozzle, commonly known as a liquid air atomizing nozzle (FIG. 6). In the steam injector of the present invention, the same principle of operation as that of the liquid air atomizing nozzle (FIG. 7) is applied, in which a water containing CH 4 instead of air is used as the liquid. Therefore, the liquid air atomizing nozzle can be used as it is or as a design change and used as a gas-liquid spray nozzle in the steam injector of this invention.

기액 분무 노즐은 기체와 액체의 충돌을 이용하여 원자화(atomization)된 스프레이를 제공할 수 있다(도 7). 공기 원자화 어셈블리(air atomizing assembly)에 해당하는 기액 분무 노즐은 압축 기체를 사용하여 유체를 운반하고 스프레이된 유체를 원자화하여 최상의 액적 크기로 제공할 수 있다. 기액 분무 노즐의 설계변경을 통해 특정 분사 및 흐름 패턴으로 가스와 혼합하여 액체를 미세 분무할 수 있다. 예컨대, 도 8에 예시된 바와 같은 노즐 캡(cap)의 디자인에 따라 미세 분무 스프레이, 미스트 또는 안개를 형성할 수 있으며, 다양한 스프레이 패턴이 가능하다. 또한, 다양한 기체 및 액체 혼합 유형이 가능하다. 따라서, 본 발명은 기액 분무 노즐을 통해 CH4 함유 가스와 함께 스팀의 유속, 액적 크기, 분무 분포 및 적용 범위(flow rate, drop size, spray distribution and coverage)를 미세 조정할 수 있다.The gas-liquid spray nozzles can provide atomized sprays using collisions of gas and liquid (FIG. 7). Gas-liquid spray nozzles, which correspond to air atomizing assemblies, can use compressed gas to transport fluid and atomize the sprayed fluid to provide the best droplet size. The design changes of the gas-liquid spray nozzles allow for fine spraying of liquids by mixing with gases in specific spray and flow patterns. For example, according to the design of the nozzle cap as illustrated in FIG. 8, fine spray spray, mist or mist may be formed, and various spray patterns are possible. In addition, various gas and liquid mixing types are possible. Thus, the present invention allows fine adjustment of the flow rate, droplet size, spray distribution and coverage of steam with a CH 4 containing gas through a gas-liquid spray nozzle.

CH4 함유 가스 및 물을 기액 분무 노즐에 주입시키면 물을 스팀으로 in-situ로 생성시키면서 CH4 함유 운반 가스에 스팀 액적이 분산되어 다공성 반응층에 분사되고, 집광된 태양열에 의해 가열된다. 이어서 CH4가 열분해되어 수소가스와 탄소입자가 형성되고, 유속을 갖는 고온의 스팀이 다공성 반응 층을 코팅하고 탄소입자 유체 사이로 분산되어 다공성 반응 층의 기공에 코크 형성(Coke formation) 및 탄소 침적(carbon deposition)을 억제하거나 탄소 침적을 제거할 수 있다.When the CH 4 containing gas and water are injected into the gas-liquid spray nozzle, steam droplets are dispersed in the CH 4 containing carrier gas while the water is produced in-situ as steam, sprayed onto the porous reaction layer, and heated by the concentrated solar heat. Subsequently, CH 4 is thermally decomposed to form hydrogen gas and carbon particles, and hot steam having a flow rate coats the porous reaction layer and is dispersed between the carbon particle fluids, thereby forming coke formation and carbon deposition in the pores of the porous reaction layer. carbon deposition) can be suppressed or carbon deposits can be removed.

따라서, 본 발명은 CH4 및 H2O 분사부에 주입되는 물의 사용량을 조절하여, CH4 및 H2O 분사부에서 제공되는 스팀(steam)이 집광된 태양열에 의해 가열된 후 다공성 반응 층을 코팅하고 탄소입자 유체 사이로 분산되어 다공성 반응 층에 탄소 침적을 억제할 수 있다.Accordingly, the present invention CH 4 and by controlling the water amount to be injected into the H 2 O injection assembly, CH 4 and H 2 O injection assembly porous reaction layer after the steam (steam) is heated by the focused solar heat provided by the The coating can be dispersed between the carbon particle fluid to inhibit carbon deposition in the porous reaction layer.

스팀 인젝터를 통해 분사된 CH4 함유 가스와 스팀 함유 유체는 시계방향 또는 반시계방향으로 소용돌이 효과(Swirl effect)를 발휘하면서 다공성 반응 층에 반응물로 공급되고, 이로 인해 난류 유동(Turbulent flow)에 의해 열전달을 증가시킬 수 있다.The CH 4 -containing gas and the steam-containing fluid injected through the steam injector are supplied as reactants to the porous reaction layer while exhibiting a swirl effect in a clockwise or counterclockwise direction, thereby providing turbulent flow. Can increase heat transfer.

본 발명은 다공성 반응 층의 기공에 Coke formation 억제 및 carbon deposition 최소화하도록 스팀 인젝터를 통해 CH4 함유 가스와 스팀을 다공성 반응 층에 반응물로 공급한다.The present invention supplies CH 4 containing gas and steam to the porous reaction layer as a reactant through a steam injector to suppress coke formation and minimize carbon deposition in the pores of the porous reaction layer.

본 발명에서 CH4는 천연가스 또는 바이오메탄으로부터 공급될 수 있다. 예컨대 CH4 함유 가스는 천연가스 또는 바이오가스일 수 있다. 바이오가스는 유기물의 혐기소화에 의해 생산되는데, 유기물에 함유된 CHO 성분들이 CH4 와 CO2를 주성분으로 하는 가스로 전환된다. 따라서, 본 발명에서 CH4 함유 가스는 CO2 를 더 포함할 수 있다.In the present invention, CH 4 may be supplied from natural gas or biomethane. For example, the CH 4 containing gas may be natural gas or biogas. Biogas is produced by anaerobic digestion of organics, where the CHO components contained in organics are converted to gases containing CH 4 and CO 2 as main components. Therefore, in the present invention, the CH 4 containing gas may further include CO 2 .

메탄 열분해의 주요 생성물인 탄소입자와 가스 생성물을 분리하기 위해, 메탄 열분해 태양열 반응기는 배출부(outlet port)에 연결된 탄소입자 포집부를 더 구비할 수 있으며, 탄소입자와 가스를 분리하는 필터가 구비된 탄소 포집기 (carbon trap) 및 이의 후단에 선택적으로 싸이클론 (cyclone)으로 구성될 수 있다. In order to separate carbon particles and gas products, which are the main products of methane pyrolysis, the methane pyrolysis solar reactor may further include a carbon particle collecting unit connected to an outlet port and provided with a filter separating carbon particles and gas. It may consist of a carbon trap and optionally a cyclone at its rear end.

탄소 포집기는 탄소 입자의 생성 유무 및 생성량을 육안으로 확인할 수 있도록 내부가 투명한 Pyrex 재질로 제작할 수 있다. 메탄 열분해시 생성된 대부분의 탄소 입자는 일차적으로 탄소입자 포집기에서 포집되어지고, 탄소입자 포집기에서 포집되지 않고 가스와 함께 나오는 미세한 탄소입자는 싸이클론에서 완전히 포집될 수 있다. 탄소입자 포집부로부터 배출되는 물질은 수소가스와 미 반응 메탄가스이다.The carbon collector can be made of Pyrex material with a transparent interior to visually check whether carbon particles are produced and the amount produced. Most of the carbon particles produced during methane pyrolysis are first collected in the carbon particle collector, and fine carbon particles which come out with the gas without being collected in the carbon particle collector can be completely collected in the cyclone. The substances emitted from the carbon particle collection are hydrogen gas and unreacted methane gas.

가스 배출부에서는 탄소입자 포집기와 싸이클론을 통과하면서 탄소입자가 완전히 제거된 배출가스를 dry gas meter에서 유량이 적산된 후 외부로 배출될 수 있다.In the gas discharge part, the exhaust gas from which carbon particles are completely removed while passing through the carbon particle collector and the cyclone may be discharged to the outside after the flow rate is accumulated in a dry gas meter.

본 발명은 스팀 인젝터를 통해 CH4 함유 가스 및 스팀(H2O)을 다공성 반응 층에 반응물을 공급하므로, 수증기 개질 부반응(Additional hydrogen production by steam reforming side reaction)을 통해 추가로 수소를 더 생산할 수 있다.Since the present invention supplies reactants with CH 4 containing gas and steam (H 2 O) through the steam injector to the porous reaction layer, it is possible to further produce additional hydrogen through additional hydrogen production by steam reforming side reaction. have.

또한, 본 발명에 따라 수소 및/또는 카본블랙을 제조하는 방법은 In addition, the method for producing hydrogen and / or carbon black according to the present invention

기액 분무 노즐(gas-liquid atomizing nozzle)이 장착된 스팀 인젝터(steam injector)에 CH4 함유 가스 및 물을 주입시키는 제1단계; 및Injecting CH 4 containing gas and water into a steam injector equipped with a gas-liquid atomizing nozzle; And

집광된 태양열에 의해 메탄을 수소가스와 탄소입자(carbon black)로 분해시키는 다공성 반응 층(bed)에 상기 스팀 인젝터를 통해 CH4 및 스팀을 분사시키면서 메탄 열분해시키는 제2단계를 포함한다. And a second step of pyrolyzing methane while injecting CH 4 and steam through the steam injector into a porous reaction bed that decomposes methane into hydrogen gas and carbon black by condensed solar heat.

단계들은 전술한 본 발명의 메탄 열분해 태양열 반응기에서 수행될 수 있다. The steps can be performed in the methane pyrolysis solar reactor of the present invention described above.

이때, 스팀 인젝터에서 분사되는 스팀(steam)이 집광된 태양열에 의해 가열된 후 다공성 반응 층을 코팅하고 탄소입자 유체 사이로 분산되어 다공성 반응 층에 탄소 침적이 억제될 수 있다.At this time, the steam injected from the steam injector is heated by the concentrated solar heat, and then the porous reaction layer is coated and dispersed between the carbon particle fluids so that carbon deposition on the porous reaction layer can be suppressed.

본 발명의 방법 및 장치를 생활폐기물 매립장을 포함하여 다양한 규모의 매립지에 활용하면, 매립지의 메탄을 처리할 수 있으며 이에 따른 온실가스 저감 뿐만 아니라, 신재생에너지 확보, 폐기물에너지를 생산, 대용량 배출권 확보 및 이산화탄소 감축이 가능하다.When the method and apparatus of the present invention are utilized in landfills of various sizes including domestic waste landfills, it is possible to process methane of landfills, thereby reducing greenhouse gas emissions, securing renewable energy, producing waste energy, and securing large-capacity emission rights. And carbon dioxide reduction is possible.

대용량 수소 제조 기술이 개발되고 있으나, 화석연료의 개질 혹은 가스화를 통해 수소를 제조하는 기술은 에너지 소비가 높아 다량의 이산화탄소를 배출시키는 단점이 있다. 반면 본 발명은 자연 에너지인 태양에너지를 이용하여 수소를 제조하며, 사용하는 공급가스로 바이오 가스를 이용하기 때문에 온실가스를 줄이면서 수소를 경제적으로 생산할 수 있다.Although a large-capacity hydrogen production technology is being developed, a technology for producing hydrogen through reforming or gasification of fossil fuel has a disadvantage in that a large amount of carbon dioxide is emitted due to high energy consumption. On the other hand, the present invention manufactures hydrogen using solar energy, which is natural energy, and uses biogas as a supply gas to be used, so that hydrogen can be economically produced while reducing greenhouse gases.

또한, 본 발명의 방법 및 장치를 사용하면, 태양열을 이용한 바이오메탄 고부가가치화가 가능하다.In addition, using the method and apparatus of the present invention, it is possible to add high value of biomethane using solar heat.

또한, CH4 및 H2O 분사부로 기액 분무 노즐가 장착된 스팀 인젝터(steam injector)를 사용함으로써, 메탄 열분해 태양열 반응기에서의 Coke formation 억제 및 carbon deposition 최소화할 수 있다.In addition, by using a steam injector equipped with a gas-liquid spray nozzle as the CH 4 and H 2 O injection unit, it is possible to minimize coke formation inhibition and carbon deposition in a methane pyrolysis solar reactor.

도 1은 본 발명의 메탄 열분해 태양열 반응기에 연동될 수 있는 태양광 집열 장치의 일례이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄 열분해 태양열 반응기의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄 열분해 태양열 반응기 내 유체 흐름을 도시한 모식도이다.
도 4는 본 발명의 메탄 열분해 태양열 반응기에 장착되는 기액 분무 노즐(gas-liquid atomizing nozzle)이 구비된 스팀 인젝터(steam injector)의 일구체예 및 다공성 반응층의 일구체예에 해당하는 각 모듈들의 사진이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄 열분해 태양열 반응기의 설계도이다.
도 6은 liquid air atomizing nozzle이 장착된 스팀 인젝터의 내부 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 스팀 인젝터에 주입되는 CH4 함유 가스 및 물이 CH4 및 스팀으로 분사되는 작동원리를 도시한 것이다.
도 8은 시판중인 Air Atomizing Nozzles의 다양한 Cap 을 예시한 사진이다.1 is an example of a solar heat collecting device that can be linked to the methane pyrolysis solar reactor of the present invention.
2 is an exploded perspective view of a methane pyrolysis solar reactor according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a schematic diagram showing the fluid flow in the methane pyrolysis solar reactor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 shows one embodiment of a steam injector equipped with a gas-liquid atomizing nozzle mounted on a methane pyrolysis solar reactor of the present invention and one embodiment of a porous reaction layer. It is a photograph.
5 is a schematic diagram of a methane pyrolysis solar reactor according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating an internal structure of a steam injector equipped with a liquid air atomizing nozzle.
FIG. 7 illustrates an operation principle in which CH 4 containing gas and water injected into a steam injector are injected into CH 4 and steam.
8 is a photograph illustrating various caps of commercially available air atomizing nozzles.

본 발명의 전형적인 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Exemplary embodiments of the invention are described with reference to the accompanying drawings. These examples are only for illustrating the present invention more specifically, but the scope of the present invention is not limited by these examples.

본 발명의 일 실시예에 따른 메탄 열분해 태양열 반응기의 분해 사시도가 도 2에 도시되어 있다. 반응기(1) 내부에는 용기 형태의 다공성 반응 층(3)이 위치한다. 예를 들어 상기 다공성 반응 층(3)은 일체형으로 내부가 비어 있는 절두된 원뿔 형상일 수 있다. 따라서, 길이방향 축을 기준으로 다공성 반응 층의 수직 단면(3)은 사다리꼴 그릇 모양일 수 있다(도 5).An exploded perspective view of a methane pyrolysis solar reactor according to one embodiment of the present invention is shown in FIG. 2. Inside the reactor 1 a porous reaction layer 3 in the form of a vessel is located. For example, the porous reaction layer 3 may be a truncated cone shape having a hollow interior. Thus, the vertical cross section 3 of the porous reaction layer about the longitudinal axis may be trapezoidal bowl shaped (FIG. 5).

본 발명의 메탄 열분해 태양열 반응기는 선택적으로 다공성 반응 층(3)의 상류, 즉 다공성 반응 층(3)의 원뿔 밑면(3d에 해당)으로부터 이격된 위치에 타원형 쿼츠 윈도우(4)를 포함할 수 있다. 상기 쿼츠 윈도우(4)는 다공성 반응 층의 상류에서 열 쇼크를 감소시키는 역할을 한다. 또한 선택적으로 다공성 반응 층(3) 및 반응기(1) 내벽 사이에 인코넬 장치 홀더(2)가 위치하여, 다공성 반응 층과 반응기 내벽을 서로 이격시켜 탄소입자를 비롯한 생성물 가스를 포집하여 배출부(7)를 통해 메탄 열분해 태양열 반응기 밖으로 배출시킬 수 있다. 다공성 반응 층의 하류, 즉 다공성 반응 층의 절두된 부분(3a에 해당)에 인접하여, 다공성 반응 층의 원뿔 축과 나란한 방향으로, 반응기에 가스 배출부(7)가 연결될 수 있다.The methane pyrolysis solar reactor of the present invention may optionally comprise an elliptical quartz window 4 upstream of the porous reaction layer 3, ie at a position spaced apart from the bottom of the cone of the porous reaction layer 3 (corresponding to 3d). . The quartz window 4 serves to reduce heat shock upstream of the porous reaction layer. In addition, the Inconel device holder 2 may be selectively positioned between the porous reaction layer 3 and the inner wall of the reactor 1 to space the porous reaction layer and the inner wall of the reactor from each other to collect product gases including carbon particles, thereby discharging the discharge portion 7. ) Can be discharged out of the methane pyrolysis solar reactor. A gas outlet 7 can be connected to the reactor downstream of the porous reaction layer, ie adjacent to the truncated portion (corresponding to 3a) of the porous reaction layer, in a direction parallel to the conical axis of the porous reaction layer.

본 발명의 일 실시예에 따른 메탄 열분해 태양열 반응기 내에서의 유체 흐름이 도 3에 도시되어 있다. 다공성 반응 층의 밑면(3d에 해당)과 인접한 공간에 복수(예컨대, 4개)의 유입 포트(5), 즉 기액 분무 노즐이 장착된 스팀 인젝터(5)가 연결되어 있으며, 각 스팀 인젝터는 유입 라인(6)을 통해 가스 및 물을 공급받는다. 스팀 인젝터(8)는 하나 또는 복수 개 구비될 수 있으며, 이의 갯수에 제한되지 않는다.A fluid flow in a methane pyrolysis solar reactor according to one embodiment of the present invention is shown in FIG. 3. In the space adjacent to the bottom (corresponding to 3d) of the porous reaction layer is connected a plurality of (eg four) inlet ports 5, i.e. steam injectors 5 equipped with gas-liquid spray nozzles, each of which injects Gas and water are supplied via line 6. Steam injector 8 may be provided with one or a plurality, it is not limited to the number thereof.

각 스팀 인젝터(5)를 통해 CH4 및 스팀 함유 유체를 다공성 반응 층(3)에 분사시킬 때, 시계방향 또는 반시계방향으로 유동하면서 소용돌이 효과를 발휘시킬 수 있다. 수직 단면이 사다리꼴인 다공성 반응 층(3)의 내부 공간에서 분사된 CH4 및 스팀 함유 유체는 집광된 태양열에 의해 메탄 열분해 온도 이상으로 가열되고, 이로 인해 메탄은 수소가스와 탄소입자(carbon black)로 열분해 및/또는 수증기 개질 반응이 일어날 수 있다. 다공성 반응 층의 다공성 폼(foam)을 거쳐 메탄의 열분해 및/또는 수증기 개질 반응의 생성물이 다공성 반응 층의 밖으로 빠져나간다. 이와 같이 다공성 반응 층을 통과한 생성물은 반응기 내벽 쪽으로 포집되고, 배출부(7)를 통해 배출된다. 이러한 일련의 유동이 도 3에 화살표로 표시된다.When injecting CH 4 and steam-containing fluids into the porous reaction layer 3 through each steam injector 5, the vortex effect can be exerted while flowing clockwise or counterclockwise. CH 4 and steam-containing fluids injected in the interior space of the trapezoidal porous reaction layer 3 with a vertical cross section are heated above the methane pyrolysis temperature by condensed solar heat, whereby the methane is hydrogen gas and carbon black. Pyrolysis and / or steam reforming reactions may occur. The product of pyrolysis and / or steam reforming of methane is drawn out of the porous reaction layer via the porous foam of the porous reaction layer. The product passing through the porous reaction layer is collected toward the inner wall of the reactor and discharged through the discharge part 7. This series of flows is indicated by arrows in FIG. 3.

일 실시예에서, 도 3 및 도 4과 같이 반응기 내 스팀 인젝터(8)가 위치할 수 있다. 구체적으로, 다공성 반응 층(3)에 CH4 함유 가스 및 스팀을 공급하기 위하여 스팀 인젝터(5)의 CH4 함유 가스 및 스팀 분사 배출구가, 반응물이 진입하는 다공성 반응 층(3)의 내벽에 인접하여 위치하여, 다공성 반응 층(3)의 내벽 및 기공 안으로 스팀을 공급할 수 있다. CH4 및 H2O 분사부에서 제공되는 스팀(steam)이 반응부에서 집광된 태양열에 의해 가열된 후 다공성 반응 층을 코팅하고 탄소입자 유체 사이로 분산되어 다공성 반응 층에 탄소 침적을 억제할 수 있다. 이로인해 탄소입자 유체가 다공성 반응 층(bed) 내 서로 연결된 기공들을 통해 흐를 수 있어 반응 층 내부면에서 외부면으로 배출될 수 있을 뿐만 아니라, 촉매층의 탄소 침적에 의한 비활성화를 막을 수 있다. 즉, 스팀 인젝터(8)로부터 배출된 고온, 고속의 스팀 액적은 다공성 반응 층의 탄소 침적을 억제하거나, 탄소 침적을 제거함으로써, 촉매 활성 저하를 막고 가스의 유동을 원활히 유지한다. In one embodiment, the steam injector 8 in the reactor may be located as shown in FIGS. 3 and 4. Specifically, the porous reaction layer (3) is CH 4 containing gas and the steam outlet of the steam injector (5) to supply the CH 4 containing gas and steam, adjacent to the inner wall of the porous reaction layer (3) for the reactants from entering In order to supply steam into the inner wall and the pores of the porous reaction layer 3. Steam provided in the CH 4 and H 2 O jets may be heated by solar heat condensed in the reaction zone and then coat the porous reaction layer and disperse between the carbon particle fluids to inhibit carbon deposition in the porous reaction layer. . This allows the carbon particle fluid to flow through the interconnected pores in the porous reaction bed, not only to be discharged from the inner surface of the reaction layer to the outer surface, but also to prevent deactivation by carbon deposition of the catalyst layer. That is, the high temperature, high speed steam droplets discharged from the steam injector 8 suppresses carbon deposition in the porous reaction layer or removes carbon deposition, thereby preventing catalyst activity deterioration and maintaining a smooth flow of gas.

도면에는 도시되어 있지 아니하나, 다공성 반응 층을 구비한 반응부의 하단(downstream)에 탄소입자 포집부를 구비하여 필터를 통해 탄소입자와 수소 함유 생성물 가스를 분리할 수 있다.Although not shown in the drawings, a carbon particle collecting part may be provided at a lower portion of the reaction part having a porous reaction layer to separate the carbon particles and the hydrogen-containing product gas through a filter.

본 명세서는 본 출원의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자이면 충분히 인식하고 유추할 수 있는 내용은 그 상세한 기재를 생략하였으며, 본 명세서에 기재된 구체적인 예시들 이외에 본 출원의 기술적 사상이나 필수적 구성을 변경하지 않는 범위 내에서 보다 다양한 변형이 가능하다. 따라서 본 출원은 본 명세서에서 구체적으로 설명하고 예시한 것과 다른 방식으로 실시될 수 있으며, 이는 본 출원의 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자이면 이해할 수 있는 사항이다.In the present specification, those skilled in the art of the present application can be sufficiently recognized and inferred in detail that the detailed description is omitted, and in addition to the specific examples described herein, the technical spirit or essential configuration of the present application is changed. Many more variations are possible without departing. Thus, the present application may be practiced in a manner different from that specifically described and illustrated herein, which will be understood by those skilled in the art.

Claims (13)

스팀 인젝터(steam injector)의 기액 분무 노즐(gas-liquid atomizing nozzle)에 CH4 함유 가스 및 물을 주입시키는 CH4 및 H2O 분사부; 및 서로 연결된 기공들을 통해 탄소입자 유체가 흐를 수 있는 다공성 반응 층(bed)을 구비하고 집광된 태양열에 의해 상기 분사부에서 제공되는 CH4을 수소가스와 탄소입자(carbon black)로 분해시키는 반응부를 구비하되,
CH4 및 H2O 분사부에서 제공되는 스팀(steam)이 반응부에서 집광된 태양열에 의해 가열된 후 다공성 반응 층을 코팅하고 탄소입자 유체 사이로 분산되어 다공성 반응 층에 탄소 침적을 억제하는 것인 메탄 열분해 태양열 반응기로서,
스팀 인젝터를 통해 CH4 및 H2O 분사부에서 분사된 반응물 유체가 시계방향 또는 반시계방향으로 소용돌이 효과(Swirl effect)를 발휘하면서 다공성 반응 층에 반응물을 공급하고, 이로 인해 난류 유동(Turbulent flow)에 의해 열전달을 증가시키는 것인, 메탄 열분해 태양열 반응기.A CH 4 and H 2 O injector for injecting CH 4 containing gas and water into a gas-liquid atomizing nozzle of a steam injector; And a porous reaction bed through which carbon particle fluid flows through the pores connected to each other, and a reaction part that decomposes CH 4 provided from the injection part into hydrogen gas and carbon particles by carbon light collected by concentrated solar heat. But
The steam provided in the CH 4 and H 2 O jets is heated by solar heat condensed in the reaction zone and then coats the porous reaction layer and is dispersed between the carbon particle fluids to inhibit carbon deposition in the porous reaction layer. Methane pyrolysis solar reactor,
The reactant fluid injected from the CH 4 and H 2 O injection via the steam injector supplies the reactants to the porous reaction bed with a swirl effect in a clockwise or counterclockwise direction, thereby providing turbulent flow. Methane pyrolysis solar reactor, to increase heat transfer. 제1항에 있어서, CH4 함유 가스는 CO2 를 더 포함하는 것인, 메탄 열분해 태양열 반응기.The methane pyrolysis solar reactor of claim 1, wherein the CH 4 containing gas further comprises CO 2 . 제1항에 있어서, CH4 함유 가스는 유기물의 혐기소화에 의해 생산되는 CH4 및 CO2 함유 바이오가스인 것인, 메탄 열분해 태양열 반응기.The methane pyrolysis solar reactor of claim 1, wherein the CH 4 containing gas is a CH 4 and CO 2 containing biogas produced by anaerobic digestion of organics. 제1항에 있어서, 다공성 반응 층을 구비한 반응부의 하단(downstream)에 필터를 통해 탄소입자와 가스를 분리하는 탄소입자 포집부를 더 구비한 것인, 메탄 열분해 태양열 반응기.The methane pyrolysis solar reactor according to claim 1, further comprising a carbon particle collecting part for separating carbon particles and gas through a filter at a lower portion of the reaction part having a porous reaction layer. 삭제delete 제1항에 있어서, 다공성 반응 층은 균일한 온도 구배를 발휘할 수 있는 것인 메탄 열분해 태양열 반응기.The methane pyrolysis solar reactor of claim 1, wherein the porous reaction layer can exhibit a uniform temperature gradient. 제1항에 있어서, 다공성 반응 층은 절두된 원뿔 형상(Truncated conical shape)인 것인 메탄 열분해 태양열 반응기.The methane pyrolysis solar reactor of claim 1, wherein the porous reaction layer is of truncated conical shape. ◈청구항 8은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈Claim 8 has been abandoned upon payment of a set-up fee. 제1항에 있어서, 다공성 반응 층은 촉매 없는 다공성 층이거나 촉매가 적용된 다공성 층인 것인 메탄 열분해 태양열 반응기.The methane pyrolysis solar reactor of claim 1, wherein the porous reaction layer is a catalyst free porous layer or a catalyst applied porous layer. 제1항에 있어서, 이의 표면에서 열쇼크(thermal shock)를 감소하는 석영 윈도우(Quartz window)를 다공성 반응 층의 상류(upstream)에 더 구비한 것인 메탄 열분해 태양열 반응기.The methane pyrolysis solar reactor of claim 1, further comprising a quartz window that reduces thermal shock at its surface upstream of the porous reaction layer. 제1항에 있어서, 집광된 태양열을 통해 다공성 반응 층의 온도를 메탄 열분해 온도 이상으로 가열하는 것인 메탄 열분해 태양열 반응기.The methane pyrolysis solar reactor of claim 1, wherein the concentrated solar heat is used to heat the temperature of the porous reaction layer above the methane pyrolysis temperature. 제1항에 있어서, CH4 및 H2O 분사부로부터 CH4 및 스팀을 반응부에 제공하여 집광된 태양열을 통해 가열시키고 다공성 반응 층에서 수증기 개질 부반응을 통해 추가로 수소를 더 생산하는 것인 메탄 열분해 태양열 반응기.The process of claim 1, wherein CH 4 and steam from the CH 4 and H 2 O jets are provided to the reaction section to heat through concentrated solar heat and further produce hydrogen through steam reforming side reactions in the porous reaction bed. Methane pyrolysis solar reactor. 기액 분무 노즐(gas-liquid atomizing nozzle)이 장착된 스팀 인젝터(steam injector)에 CH4 함유 가스 및 물을 주입시키는 제1단계; 및
집광된 태양열에 의해 메탄을 수소가스와 탄소입자(carbon black)로 분해시키는 다공성 반응 층(bed)에 상기 스팀 인젝터를 통해 CH4 및 스팀을 분사시키면서 메탄 열분해시키는 제2단계를 포함하되,
스팀 인젝터에서 분사되는 스팀(steam)이 집광된 태양열에 의해 가열된 후 다공성 반응 층을 코팅하고 탄소입자 유체 사이로 분산되어 다공성 반응 층에 탄소 침적이 억제되는 것이며,
스팀 인젝터를 통해 CH4 및 H2O 분사부에서 분사된 반응물 유체가 시계방향 또는 반시계방향으로 소용돌이 효과(Swirl effect)를 발휘하면서 다공성 반응 층에 반응물을 공급하고, 이로 인해 난류 유동(Turbulent flow)에 의해 열전달을 증가시키는 것이 특징인 수소, 카본블랙 또는 둘다를 제조하는 방법.Injecting CH 4 containing gas and water into a steam injector equipped with a gas-liquid atomizing nozzle; And
And a second step of pyrolyzing methane while injecting CH 4 and steam through the steam injector into a porous reaction bed that decomposes methane into hydrogen gas and carbon black by concentrated solar heat.
Steam injected from the steam injector is heated by condensed solar heat and then coats the porous reaction layer and is dispersed between the carbon particle fluids to suppress carbon deposition in the porous reaction layer,
The reactant fluid injected from the CH 4 and H 2 O injection via the steam injector supplies the reactants to the porous reaction bed with a swirl effect in a clockwise or counterclockwise direction, thereby providing turbulent flow. Method for producing hydrogen, carbon black or both characterized by an increase in heat transfer. ◈청구항 13은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈Claim 13 was abandoned upon payment of a set-up fee. 제12항에 있어서, 제1항 내지 제4항 및 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 메탄 열분해 태양열 반응기를 이용하는 것인 수소, 카본블랙 또는 둘다를 제조하는 방법.The process for producing hydrogen, carbon black or both according to claim 12, wherein the methane pyrolysis solar reactor according to any one of claims 1 to 4 and 6 to 11 is used.
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