KR102419495B1 - Hydrogen production apparatus - Google Patents

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KR102419495B1
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노용규
서배승
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주식회사 제로시스
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Abstract

The purpose of the present invention is to provide a hydrogen production device that can simplify the process and equipment used for pyrolysis reactions without air and oxygen, lower maintenance costs, improve pyrolysis reaction performance, and effectively recover hydrogen and carbon. To this end, the present invention comprises: a reaction unit for pyrolyzing hydrocarbon gas introduced into a reaction space to produce reaction products including hydrogen gas and carbon particles; a gas supply unit for supplying hydrocarbon gas into the reaction space; a carbon recovery unit which is disposed downstream of the gas supply unit, and which recovers carbon particles generated in the reaction space and discharges the carbon particles together with the hydrocarbon gas transported from the gas supply unit; and a carbon separation unit which is disposed downstream of the carbon recovery unit, and which separates carbon particles from the carbon particle-containing hydrocarbon gas transported from the carbon recovery unit and supplies the reaction space with the hydrocarbon gas from which the carbon particles are separated.

Description

수소 생산 장치{HYDROGEN PRODUCTION APPARATUS}Hydrogen production device {HYDROGEN PRODUCTION APPARATUS}

본 발명은 수소 생산 장치에 관한 것으로, 상세하게는 공정 및 장치의 간소화와 유지 비용을 절감할 수 있으면서 열촉매 반응의 성능을 높일 수 있고, 수소 및 탄소를 효과적으로 회수할 수 있는 수소 생산 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen production apparatus, and more particularly, to a hydrogen production apparatus capable of simplification of processes and equipment and reducing maintenance costs while increasing the performance of a thermal catalytic reaction and effectively recovering hydrogen and carbon will be.

수소는 화학제품의 원료 및 화학공정의 공정가스로 널리 사용되고 있으며, 최근에는 수소 연료전지차, 건물용 연료전지, 파워투가스(Power to Gas) 등의 활용으로 난방 및 전력 생산에도 널리 사용되기 시작하였다. 뿐만 아니라, 최근의 환경문제 및 화석연료의 가격상승이나 고갈의 문제점을 해결할 수 있는 대안으로 평가되고 있으며, 특히 지구온난화와 대기오염의 대비 차원에서 수소의 제조, 저장 및 이용에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다.Hydrogen is widely used as a raw material for chemical products and as a process gas for chemical processes. . In addition, it is evaluated as an alternative to solve recent environmental problems and problems of rising or depleting fossil fuel prices. is in progress

수소는 기본적으로 이산화탄소를 발생시키지 않는 측면에서는 재생 가능한 에너지원으로부터 제조되는 것이 바람직하다. 그러나, 현재로서는 석탄이나 천연가스로부터 제조되는 것이 경제적이며 이산화탄소를 상당 부분 제거하므로 화석연료의 청정화에도 기여하고 있다.Hydrogen is preferably produced from a renewable energy source in terms of not generating carbon dioxide. However, at present, it is economical to manufacture from coal or natural gas, and since it removes a significant portion of carbon dioxide, it also contributes to the purification of fossil fuels.

탄화수소로부터 수소를 생산하는 방법으로는, 수증기 개질법, 부분 산화법 등이 공지되어 있으나, 이러한 기존 방법들은 많은 양의 이산화탄소가 동시에 생성되기 때문에 지구온난화와 같은 환경 문제를 유발하는 문제점이 있다.As a method for producing hydrogen from hydrocarbons, steam reforming method, partial oxidation method, etc. are known, but these existing methods have a problem of causing environmental problems such as global warming because a large amount of carbon dioxide is simultaneously generated.

탄화수소로부터 수소를 생산하는 다른 방법으로는, 천연가스나 중질유 등을 고온 환경에서 열분해하여 탄소와 수소를 동시에 생산하여 이산화탄소 배출을 크게 줄일 수 있는 공정이 있다. 그러나, 이 방법은 1200도 이상의 매우 높은 반응온도가 요구되며, 생성되는 탄소의 침적으로 인하여 연속적인 공정이 수행될 수 없는 문제점이 있다.As another method of producing hydrogen from hydrocarbons, there is a process capable of significantly reducing carbon dioxide emissions by pyrolyzing natural gas or heavy oil in a high-temperature environment to produce carbon and hydrogen at the same time. However, this method requires a very high reaction temperature of 1200 degrees or more, and there is a problem in that a continuous process cannot be performed due to the deposition of the generated carbon.

이를 위해 탄화수소의 열분해 시 요구되는 높은 반응온도를 낮추기 위한 방법으로 촉매 분해법이 있다. 그러나, 촉매 분해 반응에서 생성되는 탄소가 촉매의 활성을 저하시키기 때문에, 촉매를 재생하기 위하여 고온에서 공기나 수증기를 이용하여 촉매를 재생하는 공정이 추가로 요구되는 문제점이 있으며, 이러한 재생 과정에서 이산화탄소의 발생이 더욱 증대되는 문제점이 있다.For this purpose, there is a catalytic cracking method as a method for lowering the high reaction temperature required for thermal cracking of hydrocarbons. However, since carbon generated in the catalytic decomposition reaction lowers the activity of the catalyst, there is a problem in that a process of regenerating the catalyst using air or water vapor at a high temperature is additionally required to regenerate the catalyst, and in this regeneration process, carbon dioxide There is a problem that the occurrence of is further increased.

또한, 촉매 열분해 과정에서 생성된 탄소입자가 서로 엉겨붙어 반응 촉매나 열교환기의 튜브 등에 달라붙어 스케일을 형성하여 반응 성능을 떨어뜨리는 문제가 있고, 탄소 회수 과정에서 탄소와 함께 반응 촉매가 함께 배출되어 유실되는 문제가 있다. 이에 따라, 촉매 재생을 위해 반응을 일시적으로 멈춰야 하므로 연속된 반응이 불가하여 수소 및 탄소의 수율을 떨어뜨리는 문제가 있다.In addition, there is a problem in that the carbon particles generated in the catalytic thermal decomposition process are agglomerated with each other and adhere to the reaction catalyst or tube of the heat exchanger to form scale, thereby reducing the reaction performance. There is a problem with loss. Accordingly, since the reaction has to be temporarily stopped for catalyst regeneration, a continuous reaction is not possible, so there is a problem in that the yield of hydrogen and carbon is lowered.

따라서, 공정 및 장치를 간소화하면서 반응 성능을 높이고, 수소 및 탄소의 회수율을 높일 수 있는 새로운 구조의 장치가 요구된다.Accordingly, there is a need for a device having a new structure capable of increasing the reaction performance and the recovery rate of hydrogen and carbon while simplifying the process and the device.

대한민국 등록특허공보 제1353719호 (2014.02.11.공고)Republic of Korea Patent Publication No. 1353719 (2014.02.11. Announcement)

상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 과제는 공기나 산소를 사용하지 않는 열분해 반응 공정 및 장치의 간소화와 유지 비용을 절감할 수 있으면서 열분해 반응의 성능을 높이고, 수소 및 탄소를 효과적으로 회수할 수 있는 수소 생산 장치를 제공함에 있다.An object of the present invention to solve the above problems is to improve the performance of the pyrolysis reaction while reducing the simplification and maintenance cost of the pyrolysis reaction process and apparatus that does not use air or oxygen, and to effectively recover hydrogen and carbon. To provide a hydrogen production device.

또한, 본 발명의 과제는 열분해 반응 시 생성되는 고온의 미세 탄소를 효과적으로 냉각 및 분리할 수 있는 수소 생산 장치를 제공함에 있다.In addition, an object of the present invention is to provide a hydrogen production device capable of effectively cooling and separating high-temperature fine carbon generated during the thermal decomposition reaction.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 수소 생산 장치는, 반응공간으로 유입된 탄화수소가스를 열분해하여 수소가스 및 탄소입자를 포함한 반응생성물을 생성하는 반응부; 상기 반응공간으로 탄화수소가스를 공급하기 위한 가스공급부; 상기 가스공급부의 하류에 배치되며, 상기 반응공간에서 생성된 탄소입자를 회수하여 상기 가스공급부로부터 이송되는 탄화수소가스와 함께 배출하는 탄소회수부; 및 상기 탄소회수부의 하류에서 상기 반응부의 전단에 연결되며, 상기 탄소회수부로부터 이송되는 탄소입자가 포함된 탄화수소가스로부터 탄소입자를 분리하고, 탄소입자가 분리된 탄화수소가스가 상기 반응공간으로 공급되도록 하는 탄소분리부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Hydrogen production apparatus according to an embodiment of the present invention for solving the above problems, a reaction unit for generating a reaction product including hydrogen gas and carbon particles by thermal decomposition of hydrocarbon gas introduced into a reaction space; a gas supply unit for supplying hydrocarbon gas to the reaction space; a carbon recovery unit disposed downstream of the gas supply unit, recovering carbon particles generated in the reaction space and discharging the carbon particles together with the hydrocarbon gas transferred from the gas supply unit; and connected to the front end of the reaction unit downstream of the carbon recovery unit, separates carbon particles from the hydrocarbon gas containing carbon particles transferred from the carbon recovery unit, and the hydrocarbon gas from which the carbon particles are separated is supplied to the reaction space It is characterized in that it comprises a; carbon separation unit.

본 실시예에 따른 수소 생산 장치에 있어서, 상기 탄소회수부는, 상기 반응공간에 존재하는 탄소입자가 흡입되도록 상기 가스공급부로부터 공급되는 탄화수소가스의 이송압력을 변화시켜 상기 반응공간의 내부압력보다 낮은 내부압력을 형성하는 유동조절부를 포함할 수 있다.In the hydrogen production apparatus according to this embodiment, the carbon recovery unit changes the conveying pressure of the hydrocarbon gas supplied from the gas supply unit so that the carbon particles present in the reaction space are sucked, so that the internal pressure is lower than the internal pressure of the reaction space. It may include a flow control unit to form a pressure.

본 실시예에 따른 수소 생산 장치에 있어서, 상기 탄소분리부는, 상기 탄소회수부로부터 이송되는 탄화수소가스의 사이클론 유동을 유도하여 탄화수소가스에 포함된 탄소입자를 분리하는 사이클론 챔버를 포함할 수 있다.In the hydrogen production apparatus according to this embodiment, the carbon separation unit may include a cyclone chamber for separating carbon particles contained in the hydrocarbon gas by inducing a cyclone flow of the hydrocarbon gas transferred from the carbon recovery unit.

본 실시예에 따른 수소 생산 장치에 있어서, 상기 반응부는, 상기 반응공간을 형성하는 반응챔버와, 상기 반응공간의 일부분에 채워지는 촉매부와, 상기 반응챔버를 감싸도록 배치되며, 상기 반응공간을 가열하기 위한 히터를 가지는 퍼니스부를 포함할 수 있다.In the hydrogen production apparatus according to this embodiment, the reaction part is disposed to surround the reaction chamber, the reaction chamber forming the reaction space, the catalyst part filled in a part of the reaction space, and the reaction chamber, It may include a furnace unit having a heater for heating.

본 실시예에 따른 수소 생산 장치에 있어서, 상기 촉매부는, 상기 반응공간의 하부영역에 일정 높이로 채워지며, 설정된 온도영역에서 액체 상태를 유지하는 액체금속촉매를 포함할 수 있다.In the hydrogen production apparatus according to this embodiment, the catalyst unit may include a liquid metal catalyst that is filled in a lower region of the reaction space to a predetermined height and maintains a liquid state in a set temperature region.

이때, 상기 반응부는, 상기 탄소분리부로부터 이송되는 탄화수소가스를 상기 촉매부에 공급하기 위하여, 상기 반응공간의 하부영역으로 연장하여 배치되는 가스이송관을 더 포함할 수 있다.In this case, the reaction unit may further include a gas transfer pipe extending to a lower region of the reaction space in order to supply the hydrocarbon gas transferred from the carbon separation unit to the catalyst unit.

본 실시예에 따른 수소 생산 장치에 있어서, 상기 촉매부는, 상기 반응공간의 중간영역에 일정 높이로 채워지는 고체촉매를 포함할 수도 있다.In the hydrogen production apparatus according to this embodiment, the catalyst unit may include a solid catalyst filled to a predetermined height in the middle region of the reaction space.

이때, 상기 반응부는, 상기 탄소분리부에서 배출되는 배출물을 상기 반응공간의 내부로 안내하는 유입부를 더 포함할 수 있고, 상기 유입부를 통하여 상기 반응공간으로 유입되는 상기 배출물 중 탄소는 상기 반응공간에서의 촉매 반응을 활성화할 수 있다.In this case, the reaction unit may further include an inlet for guiding the discharge discharged from the carbon separation unit into the reaction space, and carbon among the discharge flowing into the reaction space through the inlet is in the reaction space. can activate the catalytic reaction of

본 발명에 따르면, 탄소회수부 및 탄소분리부를 거치는 단계적인 탄소 회수 공정을 통하여, 탄소입자 및 수소의 회수율을 크게 높일 수 있다.According to the present invention, through a step-by-step carbon recovery process through the carbon recovery unit and the carbon separation unit, the recovery rate of carbon particles and hydrogen can be greatly increased.

본 발명에 따르면, 가스공급에서 공급되는 탄화수소가스의 이송압력을 이용하여 반응부에서 생성된 탄소입자의 회수를 위한 흡입력을 형성하므로, 공정 및 장치를 간소화할 수 있고, 유지비용을 크게 줄일 수 있다.According to the present invention, by using the transport pressure of the hydrocarbon gas supplied from the gas supply to form a suction force for the recovery of the carbon particles generated in the reaction unit, it is possible to simplify the process and equipment, it is possible to significantly reduce the maintenance cost. .

본 발명에 따르면, 탄소회수부 및 탄소분리부를 통하여 반응부로 공급되는 탄화수소가스 및 반응부에서 회수되는 탄소입자 간의 열전달을 도모함으로써, 탄소입자 및 수소의 회수율을 더욱 높일 수 있고, 열분해 반응 성능을 크게 높일 수 있다.According to the present invention, by promoting heat transfer between the hydrocarbon gas supplied to the reaction unit through the carbon recovery unit and the carbon separation unit and the carbon particles recovered from the reaction unit, the recovery rate of carbon particles and hydrogen can be further increased, and the pyrolysis reaction performance is greatly improved can be raised

본 발명에 따르면, 반응부에서 생성된 탄소입자의 회수 과정에서 탄소입자와 반응 촉매 간의 오염을 최소함으로써, 반응 촉매의 유실 없이 탄소입자룰 효과적으로 회수할 수 있고, 회수된 탄소의 정제 공정을 간소화할 수 있을 뿐만 아니라, 촉매 재생 공정이 불필요하여 연속적인 반응 공정이 수행될 수 있다.According to the present invention, by minimizing contamination between the carbon particles and the reaction catalyst in the process of recovering the carbon particles generated in the reaction unit, the carbon particles can be effectively recovered without loss of the reaction catalyst, and the purification process of the recovered carbon can be simplified. In addition, a continuous reaction process may be performed because the catalyst regeneration process is unnecessary.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 수소 생산 장치를 나타낸 예시도이다.
도 2는 도 1의 탄소회수부를 설명하기 위한 예시도이다.
도 3은 도 1의 탄소분리부를 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 수소 생산 장치의 반응부를 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 수소 생산 장치의 반응부를 나타낸 예시도이다.1 is an exemplary view showing a hydrogen production apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an exemplary view for explaining the carbon recovery unit of FIG. 1 .
FIG. 3 is an exemplary view for explaining the carbon separation unit of FIG. 1 .
4 is an exemplary view showing the reaction unit of the hydrogen production apparatus according to the second embodiment of the present invention.
5 is an exemplary view showing the reaction unit of the hydrogen production apparatus according to the third embodiment of the present invention.

이하 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용될 수 있으며 이에 따른 부가적인 설명은 생략될 수 있다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention in which the above-described problems to be solved can be specifically realized will be described with reference to the accompanying drawings. In describing the present embodiments, the same names and reference numerals may be used for the same components, and an additional description thereof may be omitted.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 수소 생산 장치를 나타낸 예시도이다.1 is an exemplary view showing a hydrogen production apparatus according to a first embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 수소 생산 장치는 반응부(100), 가스공급부(200), 탄소회수부(300), 탄소분리부(400)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1 , the hydrogen production apparatus according to the present embodiment may include a reaction unit 100 , a gas supply unit 200 , a carbon recovery unit 300 , and a carbon separation unit 400 .

반응부(100)는 외부에서 공급되는 탄화수소가스를 열분해하여 수소가스 및 탄소입자를 포함하는 반응생성물을 생성할 수 있다.The reaction unit 100 may pyrolyze hydrocarbon gas supplied from the outside to generate a reaction product including hydrogen gas and carbon particles.

탄화수소가스로는 탄화수소를 포함하는 천연가스(NG), 액화천연가스(LNG), 나프타(Naphtha) 등이 사용될 수 있다. 이러한 탄화수소가스는 반응부(100)에서의 열분해 과정을 통하여 수소 및 탄소가 분리될 수 있다.As the hydrocarbon gas, natural gas (NG) containing hydrocarbons, liquefied natural gas (LNG), naphtha, etc. may be used. Hydrogen and carbon may be separated from this hydrocarbon gas through a pyrolysis process in the reaction unit 100 .

반응부(100)는 촉매 열분해 반응기가 사용될 수 있으며, 실시예에 따른 반응부(100)는 반응챔버(110), 촉매부(120), 퍼니스(Furnace)부(130)를 포함할 수 있다.The reaction unit 100 may be a catalytic pyrolysis reactor, and the reaction unit 100 according to an embodiment may include a reaction chamber 110 , a catalyst unit 120 , and a furnace unit 130 .

반응챔버(110)는 내부에 수직방향으로 연장 형성되는 반응공간을 가질 수 있다.The reaction chamber 110 may have a reaction space extending in the vertical direction therein.

촉매부(120)는 반응공간의 일부분에 채워질 수 있으며, 반응공간의 하부영역에 일정 높이로 채워질 수 있다.The catalyst unit 120 may be filled in a portion of the reaction space, and may be filled in a lower region of the reaction space to a predetermined height.

촉매부(120)는 설정된 온도영역에서 액체 상태를 유지하는 액체금속(Molten metal)촉매(121)를 포함할 수 있다.The catalyst unit 120 may include a molten metal catalyst 121 that maintains a liquid state in a set temperature range.

액체금속촉매(121)로는 비교적 녹는점이 낮은 금속(예를 들면, Bi, Sn, In, Ga, Pb)에 촉매 특성을 갖는 금속(예를 들면, Pt, Ni, Fe, Co, Cu)을 녹여 응용한 합금촉매가 사용될 수 있다.As the liquid metal catalyst 121, a metal having a catalytic property (eg, Pt, Ni, Fe, Co, Cu) is dissolved in a metal (eg, Bi, Sn, In, Ga, Pb) having a relatively low melting point. An applied alloy catalyst may be used.

액체금속촉매(121)는 퍼니스부(130)에 의하여 미리 설정된 온도로 가열됨에 따라 용융되면서 액체 상태를 유지할 수 있다.The liquid metal catalyst 121 may maintain a liquid state while being melted as it is heated to a preset temperature by the furnace unit 130 .

촉매부(120)는 다공성 세라믹 멤브레인과 같은 다공성 담지체를 더 포함할 수 있다. 다공성 담지체가 가지는 기공의 크기는 파우더 형태의 액체금속촉매(121)를 채웠을 때 하부로 새지 않을 정도의 크기를 가질 수 있다.The catalyst unit 120 may further include a porous support such as a porous ceramic membrane. The size of the pores of the porous carrier may have a size such that it does not leak downward when the liquid metal catalyst 121 in powder form is filled.

예컨대, 반응부(100)의 셋업 과정에서 반응공간에 다공성 담지체를 설치하고, 이후 파우더 형태의 액체금속촉매(121)를 채운 상태에서 퍼니스부(130)를 이용하여 반응공간을 가열하면 액체금속촉매(121)는 용융될 수 있다.For example, when a porous carrier is installed in the reaction space in the setup process of the reaction unit 100 and then the reaction space is heated using the furnace unit 130 in a state filled with the liquid metal catalyst 121 in powder form, liquid metal The catalyst 121 may be melted.

퍼니스부(130)는 반응챔버(110)를 감싸도록 배치되는 단열부(131)와, 단열부(131)에 설치되어 반응공간을 가열하는 히터(132)를 가질 수 있다. 이에 따라, 전력공급기로부터 전력을 공급받은 히터(132)는 반응공간 내에 채워진 액체금속촉매(121)를 가열할 수 있다. 히터(132)로는 반응챔버(110)를 거쳐 액체금속촉매(121)를 직접 가열하거나, 전자기 유도 기전력을 발생하여 반응챔버(110) 내의 액체금속촉매(121)를 유도 가열하는 등 다양한 종류의 가열 방식이 사용될 수 있다.The furnace unit 130 may include a heat insulating unit 131 disposed to surround the reaction chamber 110 , and a heater 132 installed in the heat insulating unit 131 to heat the reaction space. Accordingly, the heater 132 supplied with power from the power supply can heat the liquid metal catalyst 121 filled in the reaction space. As the heater 132, various types of heating, such as direct heating of the liquid metal catalyst 121 through the reaction chamber 110, or induction heating of the liquid metal catalyst 121 in the reaction chamber 110 by generating electromagnetic induced electromotive force method can be used.

실시예에 따른 반응부(100)는 가스이송관(150)을 더 포함할 수 있다.The reaction unit 100 according to the embodiment may further include a gas transfer pipe 150 .

가스이송관(150)은 일단부가 반응부(100)의 상단부에 결합되어 탄화수소가스 공급라인(S1)과 연결되고, 타단부는 반응공간의 하부영역으로 연장 배치되어 촉매부(120)에 삽입될 수 있다. 이에 따라, 탄소분리부(400)로부터 이송되는 탄화수소가스는 가스이송관(150)을 통하여 촉매부(120)의 하부영역에 직접 공급될 수 있다.One end of the gas transfer pipe 150 is coupled to the upper end of the reaction unit 100 to be connected to the hydrocarbon gas supply line S1 , and the other end is extended to the lower region of the reaction space and inserted into the catalyst unit 120 . have. Accordingly, the hydrocarbon gas transferred from the carbon separation unit 400 may be directly supplied to the lower region of the catalyst unit 120 through the gas transfer pipe 150 .

이렇게 촉매부(120)의 하부영역에 공급된 탄화수소가스는 열분해 반응에 의해 수소가스 및 탄소입자를 포함하는 반응생성물이 생성되며, 이러한 열분해 반응 과정에서 수소가스뿐만 아니라 밀도가 낮은 탄소입자는 부력에 의하여 촉매부(120)의 상부면에 쌓이게 된다.In this way, the hydrocarbon gas supplied to the lower region of the catalyst unit 120 generates a reaction product including hydrogen gas and carbon particles by a thermal decomposition reaction. Thus, it is accumulated on the upper surface of the catalyst part 120 .

촉매부(120)의 상부면에 쌓인 탄소입자는 제1탄소입자 회수라인(S2)을 통하여 탄소회수부(300)로 이송될 수 있다. 또한, 반응공간의 상부영역에 존재하는 수소가스는 수소가스 회수라인(S4)을 통하여 후처리 공정으로 공급되거나 사용처로 직접 공급될 수 있다.The carbon particles accumulated on the upper surface of the catalyst unit 120 may be transferred to the carbon recovery unit 300 through the first carbon particle recovery line S2 . In addition, the hydrogen gas present in the upper region of the reaction space may be supplied to the post-treatment process through the hydrogen gas recovery line S4 or may be directly supplied to the place of use.

액체금속촉매(121)의 상부에 탄소입자가 쌓이게 되므로, 열분해 반응 과정에서 액체금속촉매(121) 및 탄소입자 간의 점착 등의 영향을 최소화할 수 있고, 이에 따라, 촉매 재생 공정을 최소화하여 공정의 연속 운전이 가능하고, 액체금속촉매(121)의 상부에 쌓인 탄소입자의 회수를 용이하게 수행할 수 있다. 또한, 탄소입자의 회수 과정에서 반응 촉매가 함께 유실되는 문제를 예방할 수 있다.Since carbon particles are accumulated on the upper portion of the liquid metal catalyst 121, it is possible to minimize the effect of adhesion between the liquid metal catalyst 121 and the carbon particles in the pyrolysis reaction process, and accordingly, the catalyst regeneration process is minimized to minimize the process. Continuous operation is possible, and the carbon particles accumulated on the upper portion of the liquid metal catalyst 121 can be easily recovered. In addition, it is possible to prevent the problem that the reaction catalyst is lost together in the process of recovering the carbon particles.

가스공급부(200)는 반응부(100)의 반응공간으로 탄화수소가스를 공급할 수 있으며, 가스공급부(200)에 의하여 탄화수소가스는 탄화수소가스 공급라인(S1)을 따라 설정된 이송압력으로 이송될 수 있다.The gas supply unit 200 may supply hydrocarbon gas to the reaction space of the reaction unit 100 , and the hydrocarbon gas may be transported by the gas supply unit 200 at a set transport pressure along the hydrocarbon gas supply line S1 .

이때, 가스공급부(200)에 연결되는 탄화수소가스 공급라인(S1)은 반응부(100)의 상단부에 연결될 수 있고, 탄화수소가스는 반응부(100)의 반응공간의 상부영역으로 공급될 수 있다.At this time, the hydrocarbon gas supply line S1 connected to the gas supply unit 200 may be connected to the upper end of the reaction unit 100 , and the hydrocarbon gas may be supplied to the upper region of the reaction space of the reaction unit 100 .

또한, 탄소회수부(300)에 연결되는 제1탄소입자 회수라인(S2)은 탄소입자가 쌓이는 촉매부(120)의 상부 영역에 연결될 수 있고, 촉매부(120)의 상부에 쌓인 탄소입자는 탄소회수부(300)의 흡입력에 의하여 반응공간에서 외부로 배출될 수 있다.In addition, the first carbon particle recovery line S2 connected to the carbon recovery part 300 may be connected to the upper region of the catalyst part 120 where carbon particles are accumulated, and the carbon particles accumulated on the upper part of the catalyst part 120 are It may be discharged from the reaction space to the outside by the suction force of the carbon recovery unit 300 .

또한, 반응부(100)의 상단부에는 수소가스 회수라인(S4)이 연결될 수 있고, 열분해 반응 과정에서 반응공간의 상부영역으로 이동된 수소가스는 수소가스 회수라인(S4)을 통하여 후처리 공정으로 공급되거나 사용처로 직접 공급될 수 있다.In addition, a hydrogen gas recovery line (S4) may be connected to the upper end of the reaction unit 100, and the hydrogen gas moved to the upper region of the reaction space during the pyrolysis reaction is transferred to the post-treatment process through the hydrogen gas recovery line (S4). It may be supplied or supplied directly to the point of use.

한편, 도시되진 않았지만, 반응부(100)는 필터(미도시)를 더 포함할 수 있다. 필터는 탄소입자가 쌓이는 반응공간의 상부영역에 배치될 수 있다. 구체적으로, 필터는 탄소입자가 쌓이는 촉매부(120)의 상부면에서 상측으로 이격하여 배치될 수 있고, 수소가스 회수라인(S4)에 인접하게 배치될 수 있다. 이에 따라, 반응공간의 상부영역에 존재하는 수소가스는 필터를 통과한 다음 수소가스 회수라인(S4)을 통하여 외부로 배출될 수 있고, 탄소입자가 수소가스와 함께 수소가스 회수라인(S4)으로 배출되는 것을 차단할 수 있다.Meanwhile, although not shown, the reaction unit 100 may further include a filter (not shown). The filter may be disposed in an upper region of the reaction space where carbon particles are accumulated. Specifically, the filter may be disposed to be spaced upward from the upper surface of the catalyst unit 120 where carbon particles are accumulated, and may be disposed adjacent to the hydrogen gas recovery line S4. Accordingly, the hydrogen gas present in the upper region of the reaction space can be discharged to the outside through the hydrogen gas recovery line (S4) after passing through the filter, and the carbon particles are transferred to the hydrogen gas recovery line (S4) together with the hydrogen gas. emission can be blocked.

도 2는 도 1의 탄소회수부를 설명하기 위한 예시도이다.FIG. 2 is an exemplary view for explaining the carbon recovery unit of FIG. 1 .

도 2를 추가 참조하며, 탄소회수부(300)는 탄화수소가스 공급라인(S1) 상에서 가스공급부(200)의 하류에 배치되며, 탄소회수부(300)는 제1탄소입자 회수라인(S2)을 통하여 반응부(100)의 반응공간과 연결될 수 있다.2, the carbon recovery unit 300 is disposed downstream of the gas supply unit 200 on the hydrocarbon gas supply line (S1), and the carbon recovery unit 300 is a first carbon particle recovery line (S2) It can be connected to the reaction space of the reaction unit 100 through the.

탄소회수부(300)는 반응공간에서 생성된 탄소입자를 회수하여 가스공급부(200)로부터 이송되는 탄화수소가스와 함께 배출할 수 있다.The carbon recovery unit 300 may recover the carbon particles generated in the reaction space and discharge it together with the hydrocarbon gas transferred from the gas supply unit 200 .

탄소회수부(300)는 탄화수소가스 공급라인(S1)을 따라 이송되는 탄화수소가스의 이송압력을 변화시켜 반응공간의 내부압력보다 낮은 내부압력을 형성하는 유동조절부(310)를 포함할 수 있다.The carbon recovery unit 300 may include a flow control unit 310 that changes the conveying pressure of the hydrocarbon gas conveyed along the hydrocarbon gas supply line S1 to form an internal pressure lower than the internal pressure of the reaction space.

탄소회수부(300)는 유동조절부(310)에 의하여 내부압력이 반응공간의 내부압력보다 낮게 형성되므로, 반응공간에 존재하는 탄소입자는 탄소입자 회수라인(S2)을 통하여 탄소회수부(300)로 흡입될 수 있다.Since the internal pressure of the carbon recovery unit 300 is lower than the internal pressure of the reaction space by the flow control unit 310, the carbon particles present in the reaction space are transferred to the carbon recovery unit 300 through the carbon particle recovery line S2. ) can be inhaled.

구체적으로, 유동조절부(310)는 탄화수소가스 공급라인(S1)에 설치되는 파이프 구조를 가질 수 있다.Specifically, the flow control unit 310 may have a pipe structure installed in the hydrocarbon gas supply line (S1).

유동조절부(310)는 일단부에 가스공급부(200)에서 공급되는 탄화수소가스가 유입되는 제1가스유입구(311)가 형성될 수 있다. 이때, 제1가스유입구(311)는 유동방향에 대해 단면적이 감소하는 노즐 구조를 가질 수 있고, 이에 따라, 탄화수소가스는 노즐 구조의 제1가스유입구(311)를 통과하는 과정에서 속도가 증가될 수 있다.A first gas inlet 311 through which the hydrocarbon gas supplied from the gas supply unit 200 is introduced may be formed at one end of the flow control unit 310 . At this time, the first gas inlet 311 may have a nozzle structure in which the cross-sectional area decreases with respect to the flow direction, and accordingly, the speed of the hydrocarbon gas is increased while passing through the first gas inlet 311 of the nozzle structure can

또한, 유동조절부(310)는 타단부에 탄소분리부(400) 측으로 탄화수소가스를 공급하기 위한 제1가스배출구(312)가 형성될 수 있다.In addition, the flow control unit 310 may be formed with a first gas outlet 312 for supplying hydrocarbon gas toward the carbon separation unit 400 at the other end.

또한, 유동조절부(310)는 반응부(100)의 반응공간에 존재하는 탄소입자를 내부로 유입하기 위해 제1탄소입자 회수라인(S2)과 연결되는 탄소흡입구(313)가 형성될 수 있다. 이때, 탄소흡입구(313)는 유동조절부(310)의 유동방향에 대해 분기관 구조를 가진다. 즉, 탄소흡입구(313)는 제1가스유입구(311)의 하류에 배치될 수 있고, 제1가스유입구(311)를 통과하는 유동방향에 교차하는 방향으로 형성될 수 있다.In addition, the flow control unit 310 may have a carbon inlet 313 connected to the first carbon particle recovery line S2 to introduce carbon particles existing in the reaction space of the reaction unit 100 to the inside. . In this case, the carbon inlet 313 has a branch pipe structure with respect to the flow direction of the flow control unit 310 . That is, the carbon inlet 313 may be disposed downstream of the first gas inlet 311 , and may be formed in a direction crossing the flow direction passing through the first gas inlet 311 .

또한, 유동조절부(310)는 제1가스유입구(311) 및 제1가스배출구(312)를 연결하도록 유동방향으로 연장 형성되는 단면축소부(314), 단면유지부(315) 및 단면확대부(316)를 가질 수 있다.In addition, the flow control unit 310 includes a reduced cross-section 314, a cross-section maintaining portion 315, and a cross-sectional enlarged portion extending in the flow direction to connect the first gas inlet 311 and the first gas outlet 312. (316).

단면축소부(314)는 유동방향에 대해 단면적이 점차 감소되게 형성될 수 있다.The reduced cross-sectional area 314 may be formed such that the cross-sectional area is gradually reduced with respect to the flow direction.

단면유지부(315)는 유동방향에 대해 단면축소부(314)에서 연장 형성되며, 일정한 단면적을 유지할 수 있다.The cross-section maintaining part 315 is formed to extend from the cross-sectional reduction part 314 with respect to the flow direction, and can maintain a constant cross-sectional area.

단면확대부(316)는 유동방향에 대해 단면유지부(315)에서 연장 형성되며, 유동방향에 대해 단면적이 점차 확대되게 형성될 수 있다.The cross-sectional enlarged part 316 is formed to extend from the cross-section maintaining part 315 with respect to the flow direction, and may be formed to have a gradually enlarged cross-sectional area with respect to the flow direction.

탄화수소가스는 노즐 구조의 제1가스유입구(311), 단면축소부(314) 및 단면유지부(315)를 순차적으로 통과하는 과정에서 압력에너지가 운동에너지로 변화되면서 속도가 증가되고 압력이 감소될 수 있다. 그리고, 단면유지부(315)를 지나 단면확대부(316)를 통과하는 과정에서는 운동에너지가 압력에너지로 다시 변화되면서 속도는 감소하고 압력이 증가될 수 있다.In the process of sequentially passing the hydrocarbon gas through the first gas inlet 311, the cross-section reduction part 314, and the cross-section maintaining part 315 of the nozzle structure, the pressure energy is changed to kinetic energy, so that the speed is increased and the pressure is reduced. can And, in the process of passing through the cross-section holding part 315 and the cross-section enlarged part 316 , the kinetic energy is changed back to the pressure energy, the speed may decrease and the pressure may increase.

이와 같이, 유동조절부(310)의 제1가스유입구(311), 단면축소부(314) 및 단면유지부(315)를 통과하는 탄화수소가스의 압력이 감소되므로, 제1가스유입구(311)와 단면축소부(314)의 사이에는 부압영역(310a)이 형성될 수 있다. 즉, 유동조절부(310)에 의하여 부압영역(310a)에는 반응공간의 내부압력보다 낮은 압력이 발생되므로, 반응부(100)의 반응공간에 존재하는 탄소입자를 흡입하는 흡입력이 생성될 수 있다.In this way, since the pressure of the hydrocarbon gas passing through the first gas inlet 311, the cross-section reduction portion 314 and the cross-section maintaining portion 315 of the flow control unit 310 is reduced, the first gas inlet 311 and A negative pressure region 310a may be formed between the reduced cross-section portions 314 . That is, since a pressure lower than the internal pressure of the reaction space is generated in the negative pressure region 310a by the flow control unit 310 , a suction force for sucking the carbon particles present in the reaction space of the reaction unit 100 can be generated. .

또한, 유동조절부(310)를 통과한 후 제1가스배출구(312)를 통해서는 탄화수소가스 및 탄소입자가 함께 배출될 수 있고, 이후 탄소입자가 포함된 탄화수소가스는 탄소분리부(400)로 공급될 수 있다.In addition, the hydrocarbon gas and carbon particles may be discharged together through the first gas outlet 312 after passing through the flow control unit 310 , and then the hydrocarbon gas containing the carbon particles is discharged to the carbon separation unit 400 . can be supplied.

한편, 탄소회수부(300)에서 회수되는 탄소입자는 반응부(100)에서의 열분해 과정에서 이루어지는 흡열 반응에 의하여 온열에너지를 가진다. 이에 따라, 탄소회수부(300)를 통과하는 중 탄화수소가스 및 탄소입자가 함께 배출되는 과정에서 탄화수소가스 및 탄소입자 간의 열전달이 이루어질 수 있다. 즉, 가스공급부(200)에서 공급되는 탄화수소가스의 냉열에너지에 의하여 탄소입자는 예냉될 수 있고, 탄소입자의 온열에너지에 의하여 탄화수소가스는 예열될 수 있다.On the other hand, the carbon particles recovered in the carbon recovery unit 300 have thermal energy due to an endothermic reaction performed in the thermal decomposition process in the reaction unit 100 . Accordingly, heat transfer between the hydrocarbon gas and the carbon particles may be achieved in the process in which the hydrocarbon gas and the carbon particles are discharged together while passing through the carbon recovery unit 300 . That is, the carbon particles may be pre-cooled by the cooling energy of the hydrocarbon gas supplied from the gas supply unit 200 , and the hydrocarbon gas may be preheated by the thermal energy of the carbon particles.

탄소회수부(300)에서 배출되는 탄소입자가 예냉되면, 하류에 배치된 탄소분리부(400)를 통과하는 과정에서 미립화된 탄소들이 서로 뭉쳐지면서 입자화가 가속화되므로, 탄소입자의 회수율을 더욱 높일 수 있게 된다. 또한, 반응부(100)에서 생성된 탄소를 냉각하기 위한 별도의 열교환기가 배제될 수 있어 공정 및 장치가 간소화될 수 있고, 유지 비용이 절감될 수 있다.When the carbon particles discharged from the carbon recovery unit 300 are pre-cooled, in the process of passing through the carbon separation unit 400 disposed downstream, the atomization of carbon is agglomerated with each other and particle formation is accelerated, so the recovery rate of carbon particles can be further increased. there will be In addition, since a separate heat exchanger for cooling the carbon generated in the reaction unit 100 may be excluded, the process and apparatus may be simplified, and maintenance costs may be reduced.

탄소회수부(300)에서 배출되는 탄화수소가스가 예열되면, 하류에 배치된 반응부(100)의 입구온도가 상승되어 반응부(100)의 반응 성능을 더욱 높일 수 있게 된다. 또한, 탄소회수부(300)에 의하여 탄소입자의 회수와 동시에 반응부(100)로 공급되는 탄화수소가스를 예열할 수 있으므로, 탄화수소가스를 예열하기 위한 별도의 열교환기가 배제될 수 있어 공정 및 장치가 간소화될 수 있고, 유지 비용이 절감될 수 있다.When the hydrocarbon gas discharged from the carbon recovery unit 300 is preheated, the inlet temperature of the reaction unit 100 disposed downstream is increased to further increase the reaction performance of the reaction unit 100 . In addition, since the hydrocarbon gas supplied to the reaction unit 100 can be preheated at the same time as the carbon particles are recovered by the carbon recovery unit 300, a separate heat exchanger for preheating the hydrocarbon gas can be excluded, so that the process and apparatus It can be simplified, and the maintenance cost can be reduced.

도 3은 도 1의 탄소분리부를 설명하기 위한 예시도이다.FIG. 3 is an exemplary view for explaining the carbon separation unit of FIG. 1 .

도 3을 추가 참조하며, 탄소분리부(400)는 탄화수소가스 공급라인(S1) 상에서 탄소회수부(300)의 하류에 배치될 수 있으며, 반응부(100)의 전단에 연결될 수 있다. 탄소회수부(300)로부터 이송되는 탄소입자가 포함된 탄화수소가스로부터 탄소입자를 분리하고, 탄소입자가 분리된 탄화수소가스는 반응부(100)의 반응공간으로 공급할 수 있다.3 , the carbon separation unit 400 may be disposed downstream of the carbon recovery unit 300 on the hydrocarbon gas supply line S1 , and may be connected to the front end of the reaction unit 100 . The carbon particles are separated from the hydrocarbon gas containing carbon particles transferred from the carbon recovery unit 300 , and the hydrocarbon gas from which the carbon particles are separated may be supplied to the reaction space of the reaction unit 100 .

탄소분리부(400)는 탄소회수부(300)로부터 이송되는 탄화수소가스의 사이클론 유동을 유도하여 탄화수소가스에 포함된 탄소입자를 분리하는 사이클론 챔버(410)를 포함할 수 있다.The carbon separation unit 400 may include a cyclone chamber 410 for separating carbon particles contained in the hydrocarbon gas by inducing a cyclone flow of the hydrocarbon gas transferred from the carbon recovery unit 300 .

실시예에 따른 사이클론 챔버(410)는 탄소회수부(300)에서 공급되는 탄소입자가 포함된 탄화수소가스가 유입되는 제2가스유입구(411)가 형성될 수 있고, 제2가스유입구(411)는 사이클론 챔버(410)의 중심에서 편심된 일측에 배치될 수 있다.In the cyclone chamber 410 according to the embodiment, a second gas inlet 411 through which hydrocarbon gas containing carbon particles supplied from the carbon recovery unit 300 is introduced may be formed, and the second gas inlet 411 is It may be disposed on one side eccentric from the center of the cyclone chamber 410 .

또한, 사이클론 챔버(410)는 상단부에 탄화수소가스가 배출되는 제2가스배출구(412)가 형성될 수 있고, 제2가스배출구(412)로 배출되는 탄화수소가스는 반응부(100)의 반응공간으로 공급될 수 있다.In addition, the cyclone chamber 410 may have a second gas outlet 412 through which hydrocarbon gas is discharged at the upper end thereof, and the hydrocarbon gas discharged through the second gas outlet 412 is a reaction space of the reaction unit 100 . can be supplied.

또한, 사이클론 챔버(410)는 하단부에 탄소입자가 배출되는 탄소배출구(413)이 형성될 수 있다. 탄소배출구(413)에서 배출되는 탄소입자는 제2탄소입자 회수라인(S3)를 통하여 회수될 수 있다. 제2탄소입자 회수라인(S3)를 통하여 회수되는 탄소입자는 필터링 등 후처리 공정으로 이송될 수 있고, 이후 다양한 사용처에 사용될 수 있다.In addition, the cyclone chamber 410 may be formed with a carbon discharge port 413 through which carbon particles are discharged at the lower end. The carbon particles discharged from the carbon outlet 413 may be recovered through the second carbon particle recovery line S3. The carbon particles recovered through the second carbon particle recovery line S3 may be transferred to a post-treatment process such as filtering, and then used for various uses.

제2가스유입구(411)를 통하여 사이클론 챔버(410)의 내부로 유입되는 탄화수소가스는 사이클론 챔버(410)의 내부공간의 중심축을 기준으로 선회하면서 서서히 하강하는 사이클론 유동이 발생될 수 있다. 이러한 사이클론 유동에 의하여 상대적으로 가벼운 탄화수소가스는 사이클론 챔버(410)의 내부공간에서 상측으로 유동하여 제2가스배출구(412)를 통하여 배출될 수 있고, 상대적으로 무거운 탄소입자는 사이클론 챔버(410)의 내부공간에서 하측으로 유동하여 탄소배출구(413)를 통하여 배출될 수 있다.The hydrocarbon gas flowing into the interior of the cyclone chamber 410 through the second gas inlet 411 may generate a cyclone flow that slowly descends while turning based on the central axis of the inner space of the cyclone chamber 410 . By this cyclone flow, the relatively light hydrocarbon gas flows upward in the inner space of the cyclone chamber 410 and can be discharged through the second gas outlet 412, and the relatively heavy carbon particles are of the cyclone chamber 410. It may flow downward in the inner space and be discharged through the carbon discharge port 413 .

도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 수소 생산 장치의 반응부를 나타낸 예시도이다.4 is an exemplary view showing the reaction unit of the hydrogen production apparatus according to the second embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 반응부(100) 역시 촉매 열분해 반응기가 사용될 수 있으며, 반응챔버(110), 촉매부(120), 퍼니스부(130)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 4 , the reaction unit 100 according to the present embodiment may also be a catalytic pyrolysis reactor, and may include a reaction chamber 110 , a catalyst unit 120 , and a furnace unit 130 .

본 실시예에 따른 반응부(110)의 반응챔버(110) 및 퍼니스부(130)의 구성은 제1실시예에 따른 반응챔버(110) 및 퍼니스부(130)의 구성과 동일하게 구성될 수 있고, 다만, 본 실시예에 따른 촉매부(120)의 구성에서 제1실시예에 따른 촉매부(120)와 차이점을 가진다.The structures of the reaction chamber 110 and the furnace unit 130 of the reaction unit 110 according to the present embodiment may be the same as those of the reaction chamber 110 and the furnace unit 130 according to the first embodiment. However, there is a difference from the catalyst unit 120 according to the first embodiment in the configuration of the catalyst unit 120 according to the present embodiment.

본 실시예에 따른 촉매부(120)는 액체금속촉매(121)의 상부에 일정 높이로 채워지며, 설정된 온도영역에서 액체 상태를 유지하는 용융염층(122)을 더 포함할 수 있다.The catalyst unit 120 according to the present embodiment may further include a molten salt layer 122 that is filled on the upper portion of the liquid metal catalyst 121 to a predetermined height and maintains a liquid state in a set temperature region.

용융염층(122)는 액체금속촉매(121)보다는 밀도가 낮고, 탄소입자보다는 밀도가 높으며, 탄소입자가 쉽게 점착되지 않는 물성을 가지면 좋다. 이를 위한 용융염으로는 NaBr이 사용될 수 있다.The molten salt layer 122 may have a lower density than the liquid metal catalyst 121, a higher density than carbon particles, and have physical properties to which carbon particles do not easily adhere. NaBr may be used as a molten salt for this purpose.

NaBr는 용해도가 높기 때문에, 만일 탄소입자와 함께 회수되더라도 간단한 정제 공정을 거쳐 탄소입자를 쉽게 정제할 수 있다.Since NaBr has high solubility, even if it is recovered together with the carbon particles, the carbon particles can be easily purified through a simple purification process.

또한, 용융염층(122)은 상부에 쌓인 탄소입자를 액체금속촉매(121)로부터 이격시킬 수 있기 때문에, 액체금속촉매(121)에 대한 탄소입자의 오염을 줄일 수 있고, 반응 촉매의 유실 없이 탄소입자의 회수율을 크게 높일 수 있다.In addition, since the molten salt layer 122 can separate the carbon particles accumulated thereon from the liquid metal catalyst 121, it is possible to reduce contamination of the carbon particles with the liquid metal catalyst 121, and carbon particles without loss of the reaction catalyst The recovery rate of particles can be greatly increased.

한편, 본 실시예에 따른 촉매부(120)는 액체금속촉매(121)와 용융염층(122) 사이에서 일정 높이를 유지하는 비드층을 더 포함할 수도 있다.Meanwhile, the catalyst unit 120 according to the present embodiment may further include a bead layer maintaining a predetermined height between the liquid metal catalyst 121 and the molten salt layer 122 .

비드층은 액체금속촉매(121)보다는 밀도가 낮고 용용염층(122)보다는 밀도가 높은 물성을 가질 수 있고, 이에 따라, 비드층은 액체금속촉매(121)와 용융염층(122) 이에 배치될 수 있다. 이러한 비드층으로는 지르코니아 등의 세라믹이 사용될 수 있다.The bead layer may have a lower density than the liquid metal catalyst 121 and higher density than the molten salt layer 122. Accordingly, the bead layer may be disposed between the liquid metal catalyst 121 and the molten salt layer 122. have. Ceramics such as zirconia may be used as the bead layer.

도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 수소 생산 장치의 반응부를 나타낸 예시도이다.5 is an exemplary view showing the reaction unit of the hydrogen production apparatus according to the third embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 반응부(100) 역시 촉매 열분해 반응기가 사용될 수 있으며, 반응챔버(110), 촉매부(120), 퍼니스부(130)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5 , the reaction unit 100 according to this embodiment may also be a catalytic pyrolysis reactor, and may include a reaction chamber 110 , a catalyst unit 120 , and a furnace unit 130 .

본 실시예에 따른 반응부(100)의 반응챔버(110) 및 퍼니스부(130)의 구성은 제1실시예 및 제2실시예에 따른 반응챔버(110) 및 퍼니스부(130)의 구성과 거의 동일하게 구성될 수 있고, 본 실시예에 따른 촉매부(120)의 구성에서 전술한 제1실시예 및 제2실시예에 따른 촉매부(120)와 차이점을 가진다.The configuration of the reaction chamber 110 and the furnace unit 130 of the reaction unit 100 according to the present embodiment is the same as that of the reaction chamber 110 and the furnace unit 130 according to the first and second embodiments. It may be configured almost the same, and has a difference from the catalyst unit 120 according to the first and second embodiments described above in the configuration of the catalyst unit 120 according to the present embodiment.

본 실시예에 따른 촉매부(120)는 반응공간의 일부분에 채워질 수 있으며, 반응공간의 중간영역에 일정 높이로 채워지는 고체촉매(123)를 포함할 수 있다.The catalyst unit 120 according to this embodiment may be filled in a portion of the reaction space, and may include a solid catalyst 123 filled to a predetermined height in the middle region of the reaction space.

고체촉매(123)로는 금속(예를 들면, Pt, Fe, Ni, Co, Cu, Cu-Ni alloy), 금속촉매와 산화물 담지체(예를 들면, Fe/Al2O3, Ni/Al2O3, Fe/MgO, Ni/SiO2), 카본 등이 사용될 수 있다.The solid catalyst 123 includes a metal (eg, Pt, Fe, Ni, Co, Cu, Cu-Ni alloy), a metal catalyst and an oxide carrier (eg, Fe/Al2O3, Ni/Al2O3, Fe/MgO). , Ni/SiO2), carbon, etc. may be used.

고체촉매(123)를 포함하는 촉매부(120)를 사용할 경우, 반응부(100)는 탄소분리부(400)에서 배출되는 배출물을 반응부(100)의 반응공간의 내부로 안내하기 위한 유입부(151)를 더 포함할 수 있다.When the catalyst unit 120 including the solid catalyst 123 is used, the reaction unit 100 is an inlet for guiding the exhaust discharged from the carbon separation unit 400 into the reaction space of the reaction unit 100 . (151) may be further included.

유입부(151)는 반응부(100)의 상단부에 결합되어 탄화수소가스 공급라인(S1)과 연결될 수 있고, 이에 따라, 탄소분리부(400)로부터 이송되는 탄화수소가스는 유입부(151)를 통하여 촉매부(120)의 상부영역인 반응부(100)의 반응공간의 상부영역에 공급될 수 있다.The inlet unit 151 may be coupled to the upper end of the reaction unit 100 and connected to the hydrocarbon gas supply line S1 , and accordingly, the hydrocarbon gas transferred from the carbon separation unit 400 is transferred through the inlet unit 151 . It may be supplied to an upper region of the reaction space of the reaction unit 100 that is an upper region of the catalyst unit 120 .

또한, 고체촉매(123)는 다공성 구조를 가질 수 있고, 반응공간의 상부영역으로 공급된 탄화수소가스는 다공성의 고체촉매(123)를 통과하면서 열분해 반응에 의해 수소가스 및 탄소입자로 분리될 수 있다. 이렇게 생성된 수소가스 및 탄소입자는 유동 및 중력에 의해 반응공간의 바닥에 떨어져 쌓일 수 있다.In addition, the solid catalyst 123 may have a porous structure, and the hydrocarbon gas supplied to the upper region of the reaction space may be separated into hydrogen gas and carbon particles by a thermal decomposition reaction while passing through the porous solid catalyst 123 . . The hydrogen gas and carbon particles thus generated may fall and accumulate on the bottom of the reaction space by flow and gravity.

이때, 탄소분리부(400)에서 배출되는 배출물에 포함된 탄소는 반응공간의 고체촉매(123)를 통과하는 과정에서 열분해 촉매 반응을 활성화시킬 수도 있다.At this time, the carbon contained in the exhaust discharged from the carbon separation unit 400 may activate the pyrolysis catalytic reaction in the process of passing through the solid catalyst 123 of the reaction space.

반응공간의 하부영역에 쌓인 탄소입자는 제2탄소입자 회수라인(S2)을 통하여 탄소회수부(300)로 이송될 수 있고, 반응공간의 하부영역에 존재하는 수소가스는 수소가스 회수라인(S4)을 통하여 후처리 공정으로 공급되거나 사용처로 직접 공급될 수 있다.The carbon particles accumulated in the lower region of the reaction space may be transferred to the carbon recovery unit 300 through the second carbon particle recovery line S2, and hydrogen gas existing in the lower region of the reaction space may be transferred to the hydrogen gas recovery line S4. ) through the post-treatment process or can be directly supplied to the place of use.

한편, 고체촉매(123)를 포함하는 촉매부(120)를 사용할 경우, 반응부(100)는 필터(미도시)를 더 포함할 수 있다. 필터는 탄소입자가 쌓이는 반응부(100)의 바닥에 설치될 수 있으며, 필터는 수소가스 회수라인(S4)으로 수소가스가 배출될 시 탄소입자가 수소가스와 함께 수소가스 회수라인(S4)으로 배출되는 것을 차단할 수 있다.Meanwhile, when the catalyst unit 120 including the solid catalyst 123 is used, the reaction unit 100 may further include a filter (not shown). The filter may be installed at the bottom of the reaction unit 100 where carbon particles are accumulated, and the filter is a hydrogen gas recovery line (S4) when the hydrogen gas is discharged to the hydrogen gas recovery line (S4) together with the carbon particles. emission can be blocked.

이상에서와 같이, 본 발명에 따른 수소 생산 장치는 탄소회수부(300) 및 탄소분리부(400)를 거치는 단계적인 탄소 회수 공정을 통하여, 탄소입자 및 수소의 회수율을 크게 높일 수 있다.As described above, the hydrogen production apparatus according to the present invention can greatly increase the recovery rate of carbon particles and hydrogen through the carbon recovery process step-by-step through the carbon recovery unit 300 and the carbon separation unit 400 .

또한, 본 발명에 따른 수소 생산 장치는 가스공급부(200)에서 이송되는 탄화수소가스의 이송압력을 이용하여 반응부(100)에서 생성된 탄소입자의 회수를 위한 흡입력을 형성할 수 있음으로, 회수 공정 및 장치를 간소화할 수 있고, 유지비용을 크게 줄일 수 있다.In addition, the hydrogen production apparatus according to the present invention can form a suction force for recovering the carbon particles generated in the reaction unit 100 by using the transfer pressure of the hydrocarbon gas transferred from the gas supply unit 200, the recovery process And the device can be simplified, and the maintenance cost can be greatly reduced.

또한, 본 발명에 따른 수소 생산 장치는 탄소회수부(300) 및 탄소분리부(400)를 통하여 반응부(100)로 공급되는 탄화수소가스 및 반응부(100)에서 회수되는 탄소입자 간의 열전달을 도모함으로써, 탄소입자 및 수소의 회수율을 더욱 높일 수 있고, 반응 성능을 크게 높일 수 있다.In addition, the hydrogen production apparatus according to the present invention promotes heat transfer between the hydrocarbon gas supplied to the reaction unit 100 through the carbon recovery unit 300 and the carbon separation unit 400 and the carbon particles recovered from the reaction unit 100 . By doing so, the recovery rate of carbon particles and hydrogen can be further increased, and the reaction performance can be greatly improved.

또한, 본 발명에 따른 수소 생산 장치는 반응부(100)에서 생성된 탄소입자의 회수 과정에서 탄소입자와 반응 촉매 간의 오염을 최소함으로써, 탄소입자의 회수율을 높이고 정제 공정을 간소화할 수 있을 뿐만 아니라, 촉매 재생 공정이 불필요하여 연속적인 반응 공정이 수행될 수 있다. 이로써, 수소 및 탄소의 수율을 크게 높일 수 있다.In addition, the hydrogen production apparatus according to the present invention minimizes contamination between the carbon particles and the reaction catalyst in the process of recovering the carbon particles generated in the reaction unit 100, thereby increasing the recovery rate of carbon particles and simplifying the purification process. , the catalyst regeneration process is unnecessary, so that a continuous reaction process can be performed. Thereby, the yield of hydrogen and carbon can be greatly increased.

상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.Although the preferred embodiment of the present invention has been described with reference to the drawings as described above, those skilled in the art may vary the present invention in various ways without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the claims below. may be modified or changed.

100: 반응부
200: 가스공급부
300: 탄소회수부
400: 탄소분리부100: reaction unit
200: gas supply unit
300: carbon recovery unit
400: carbon separation unit

Claims (8)

반응공간으로 유입된 탄화수소가스를 열분해하여 수소가스 및 탄소입자를 포함한 반응생성물을 생성하는 반응부;
상기 반응공간으로 탄화수소가스를 공급하기 위한 가스공급부;
상기 가스공급부의 하류에 배치되며, 상기 반응공간에서 생성된 탄소입자를 회수하여 상기 가스공급부로부터 이송되는 탄화수소가스와 함께 배출하는 탄소회수부; 및
상기 탄소회수부의 하류에서 상기 반응부의 전단에 연결되며, 상기 탄소회수부로부터 이송되는 탄소입자가 포함된 탄화수소가스로부터 탄소입자를 분리하고, 탄소입자가 분리된 탄화수소가스가 상기 반응공간으로 공급되도록 하는 탄소분리부;를 포함하고,
상기 탄소회수부는 유동방향에 대해 단면적이 변화되고 상기 가스공급부로부터 이송되는 탄화수소가스와 상기 반응공간에서 배출되는 탄소입자 간의 열전달 공간을 제공하는 유동조절부를 포함하며, 상기 유동조절부는 상기 가스공급부로부터 공급되는 탄화수소가스의 이송압력을 변화시켜 상기 반응공간의 내부압력보다 낮은 내부압력을 형성하여 상기 반응공간에 존재하는 탄소입자가 상기 탄소회수부 측으로 흡입되도록 한 것을 특징으로 하는 수소 생산 장치.a reaction unit that thermally decomposes hydrocarbon gas introduced into the reaction space to generate a reaction product including hydrogen gas and carbon particles;
a gas supply unit for supplying hydrocarbon gas to the reaction space;
a carbon recovery unit disposed downstream of the gas supply unit, recovering carbon particles generated in the reaction space and discharging the carbon particles together with the hydrocarbon gas transferred from the gas supply unit; and
It is connected to the front end of the reaction unit downstream of the carbon recovery unit, separates carbon particles from the hydrocarbon gas containing carbon particles transferred from the carbon recovery unit, and the hydrocarbon gas from which the carbon particles are separated is supplied to the reaction space Including a carbon separation unit;
The carbon recovery unit includes a flow control unit having a cross-sectional area changed in a flow direction and providing a heat transfer space between the hydrocarbon gas transferred from the gas supply unit and carbon particles discharged from the reaction space, and the flow control unit is supplied from the gas supply unit. Hydrogen production apparatus, characterized in that by changing the transport pressure of the hydrocarbon gas to be formed to form an internal pressure lower than the internal pressure of the reaction space so that the carbon particles present in the reaction space are sucked toward the carbon recovery unit. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 탄소분리부는,
상기 탄소회수부로부터 이송되는 탄화수소가스의 사이클론 유동을 유도하여 탄화수소가스에 포함된 탄소입자를 분리하는 사이클론 챔버를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 장치.The method of claim 1,
The carbon separation unit,
Hydrogen production apparatus comprising a cyclone chamber for separating carbon particles contained in the hydrocarbon gas by inducing a cyclone flow of the hydrocarbon gas transferred from the carbon recovery unit. 제1항에 있어서,
상기 반응부는,
상기 반응공간을 형성하는 반응챔버와,
상기 반응공간의 일부분에 채워지는 촉매부와,
상기 반응챔버를 감싸도록 배치되며, 상기 반응공간을 가열하기 위한 히터를 가지는 퍼니스부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 장치.According to claim 1,
The reaction unit,
a reaction chamber forming the reaction space;
a catalyst part filled in a part of the reaction space;
and a furnace part disposed to surround the reaction chamber and having a heater for heating the reaction space. 제4항에 있어서,
상기 촉매부는,
상기 반응공간의 하부영역에 일정 높이로 채워지며, 설정된 온도영역에서 액체 상태를 유지하는 액체금속촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 장치.5. The method of claim 4,
The catalyst unit,
Hydrogen production apparatus comprising a liquid metal catalyst that is filled in the lower region of the reaction space to a certain height and maintains a liquid state in a set temperature region. 제5항에 있어서,
상기 반응부는,
상기 탄소분리부로부터 이송되는 탄화수소가스를 상기 촉매부에 공급하기 위하여, 상기 반응공간의 하부영역으로 연장하여 배치되는 가스이송관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 장치.6. The method of claim 5,
The reaction unit,
Hydrogen production apparatus according to claim 1, further comprising a gas transfer pipe extending to a lower region of the reaction space in order to supply the hydrocarbon gas transferred from the carbon separation unit to the catalyst unit. 제4항에 있어서,
상기 촉매부는,
상기 반응공간의 중간영역에 일정 높이로 채워지는 고체촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 장치.5. The method of claim 4,
The catalyst unit,
Hydrogen production apparatus comprising a solid catalyst filled to a predetermined height in the middle region of the reaction space. 제7항에 있어서,
상기 반응부는,
상기 탄소분리부에서 배출되는 배출물을 상기 반응공간의 내부로 안내하는 유입부를 더 포함하고,
상기 유입부를 통하여 상기 반응공간으로 유입되는 상기 배출물 중 탄소는 상기 반응공간에서의 촉매 반응을 활성화하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 장치.8. The method of claim 7,
The reaction unit,
Further comprising an inlet for guiding the exhaust discharged from the carbon separation unit to the inside of the reaction space,
Hydrogen production apparatus, characterized in that the carbon in the discharge flowing into the reaction space through the inlet to activate the catalytic reaction in the reaction space.
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