KR20210097476A

KR20210097476A - 메탄 생성 장치 및 이의 제어 방법

Info

Publication number: KR20210097476A
Application number: KR1020200011230A
Authority: KR
Inventors: 김수현; 유영돈; 최광순
Original assignee: 고등기술연구원연구조합
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2021-08-09
Also published as: KR102334163B1

Abstract

본 발명은 메탄 생성 장치 및 이의 제어 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따르면, 수소와 이산화탄소를 포함하는 원료가스를 공급받아서 메탄을 생성하고, 상기 원료가스로부터 메탄을 생성하는 반응을 위한 촉매가 내부에 충진된 촉매 튜브가 내부에 제공되는 제1 반응기, 상기 제1 반응기와 연결되어 냉매를 공급하는 냉매 공급 탱크, 상기 제1 반응기와 상기 냉매 공급 탱크를 연결하는 냉매 공급 라인 상에 제공되는 유량 조절 밸브, 상기 냉매 공급 탱크에 연결되어 상기 냉매 공급 탱크 내에서 상기 냉매가 증발되어 발생된 기체를 상기 냉매 공급 탱크의 외부로 배출하는 기체 배출 라인 상에 제공되는 압력 조절 밸브, 상기 제1 반응기의 후단에 제공되고, 상기 원료가스가 상기 촉매와 반응하여 생성된 메탄을 포함하는 1차 전환가스의 온도를 측정하는 온도 센서, 및 상기 온도 센서에서 측정된 온도에 따라 상기 유량 조절 밸브 및 상기 압력 조절 밸브를 제어하는 제어부를 포함하는, 메탄 생성 장치 및 이를 제어하는 방법이 제공될 수 있다.

Description

메탄 생성 장치 및 이의 제어 방법{METHANE PROCUDING APPARATUS AND CONTROLLING METHOD THEREOF}

본 발명은 메탄 생성 장치 및 이의 제어 방법에 대한 것이다.

천연가스는 발전용, 난방용 및 자동차 등의 연료용으로서 가장 청정한 연료로 분류되고 있으며, 그로 인하여 이용가치가 크다. 그러나 자연적으로 얻어지는 천연가스는 한정되어 있기 때문에, 천연가스를 합성하는 공정은 부가가치가 높은 산업이 되고 있다.

한편, 최근에는 지구 온난화 기체로 주목받고 있는 이산화탄소를 제거하거나 재활용을 목적으로 이산화탄소를 이용하는 다양한 합성방법에 대한 연구가 주목받고 있다. 특히, 이러한 기술은 이산화탄소 제거에 따른 지구 온난화 감소와 친환경 기술에 대한 기여가 가능하다는 점에서 각광받고 있는 추세이다.

이러한 견지에서, 일산화탄소(CO, Carbon Monoxide) 또는 이산화탄소(CO₂, Carbon Dioxide)와 수소를 혼합하여 메탄(CH4, Methane)과 같은 탄화수소(Hydrocarbon) 화합물을 합성함으로써, 탄소 배출로 인한 환경 문제를 저감하면서도 친환경 에너지인 천연가스를 생산할 수 있는 기술이 주목받고 있으며, 그러한 기술의 하나로서 재생에너지로부터 수소를 생산하고, 이렇게 생산된 수소를 이산화탄소와 합성하여 메탄을 생성하는 기술이 있다.

수소와 이산화탄소를 이용하여 메탄 가스를 생성하는 공정의 주요 반응식 및 반응열은 다음과 같다.

CO₂+4H₂→ CH₄+2H₂O(반응열: 165 kJ/mol)

이렇게 이산화탄소와 수소를 합성하여 메탄으로 전환시키는 반응은 통상적으로 니켈(Ni)계 촉매를 사용하며, 발열반응이 수반되므로, 반응열의 효과적인 추출 및 제어가 공정의 수율 향상에 있어서 가장 중요한 요소이다. 일반적으로 메탄 생성 반응에서 반응열을 제어하기 위해 1차 또는 2차 반응기 후단에서 배출되는 전환 가스 중 일부를 재순환 압축기(recycle compressor)를 사용하여 1차 반응기 유입 측으로 재순환하여 1차 반응기에서의 반응열을 제어하거나, 복수의 반응기를 직렬로 연계하여 각각의 반응기에 분기된 유입가스를 공급하는 방법이 적용된다. 이러한 종래의 반응열 제어를 하기 위한 메탄 생성 시스템의 일 예가 도 1에 도시된다.

그러나 이러한 종래의 방식은 재순환 시스템, 합성가스 분기 시스템 등으로 구성되어 시스템 구성이 복잡하다는 문제가 있다.

또한, 제어를 위한 구성이 복잡하고 비효율적이어서 발열 반응에서의 반응 온도를 실시간으로 효율적으로 제어하기가 어렵다는 문제가 있다.

본 발명의 실시예들은 상술한 종래의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 시스템 구성이 단순하고 직관적이며, 발열 반응에서의 반응 온도를 실시간으로 효율적으로 제어할 수 있는 메탄 생성 장치 및 이의 제어 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 수소와 이산화탄소를 포함하는 원료가스를 공급받아서 메탄을 생성하고, 상기 원료가스로부터 메탄을 생성하는 반응을 위한 촉매가 내부에 충진된 촉매 튜브가 내부에 제공되는 제1 반응기; 상기 제1 반응기와 연결되어 냉매를 공급하는 냉매 공급 탱크; 상기 제1 반응기와 상기 냉매 공급 탱크를 연결하는 냉매 공급 라인 상에 제공되는 유량 조절 밸브; 상기 냉매 공급 탱크에 연결되어 상기 냉매 공급 탱크 내에서 상기 냉매가 증발되어 발생된 기체를 상기 냉매 공급 탱크의 외부로 배출하는 기체 배출 라인 상에 제공되는 압력 조절 밸브; 상기 제1 반응기의 후단에 제공되고, 상기 원료가스가 상기 촉매와 반응하여 생성된 메탄을 포함하는 1차 전환가스의 온도를 측정하는 온도 센서; 및 상기 온도 센서에서 측정된 온도에 따라 상기 유량 조절 밸브 및 상기 압력 조절 밸브를 제어하는 제어부를 포함하는, 메탄 생성 장치가 제공될 수 있다.

또한, 상기 제1 반응기는, 상기 제1 반응기의 내부를 상부 챔버와 냉각 챔버로 구분하는 상부 격판; 및 상기 제1 반응기의 내부를 상기 냉각 챔버와 하부 챔버로 구분하는 하부 격판을 더 포함하고, 상기 촉매 튜브의 양 단이 상기 상부 격판과 상기 하부 격판에 각각 연결되고, 상기 상부 챔버 측으로 투입되는 상기 원료가스가 상기 촉매 튜브를 통과하면서 상기 촉매 튜브 내에 충진된 촉매와 접촉되어 반응을 일으키면서 메탄을 생성하고, 상기 1차 전환가스가 상기 하부 챔버 측으로 배출되는, 메탄 생성 장치가 제공될 수 있다.

또한, 상기 제1 반응기 내에서 상기 냉매가 상기 촉매 튜브와 열교환 후 다시 상기 냉매 공급 탱크로 회수되기 위한 냉매 회수 라인이 상기 제1 반응기와 상기 냉매 공급 탱크 사이에서 연결되고, 상기 냉매 공급 라인과 상기 냉매 회수 라인은 상기 냉각 챔버와 연결되는, 메탄 생성 장치가 제공될 수 있다.

또한, 상기 제1 반응기에서 상기 원료가스가 상기 촉매와 반응하여 생성된 메탄을 포함하는 1차 전환가스를 전달받아서 메탄 생성 반응을 일으키는 제2 반응기를 더 포함하는, 메탄 생성 장치가 제공될 수 있다.

또한, 상기 제1 반응기와 연결된 1차 전환가스 공급 라인과 연결되어 상기 1차 전환가스를 전달받아서 냉각시키는 제1 냉각기; 및 상기 제2 반응기와 연결된 2차 전환가스 공급 라인과 연결되어 상기 제2 반응기로부터 배출되는 2차 전환가스를 전달받아서 냉각시키는 제2 냉각기를 더 포함하는, 메탄 생성 장치가 제공될 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 상기 온도 센서에서 측정된 온도가 기 설정된 온도보다 높을 경우 상기 압력 조절 밸브의 개도량이 증가되도록 제어하고, 상기 온도 센서에서 측정된 온도가 기 설정된 온도보다 낮을 경우 상기 압력 조절 밸브의 개도량이 감소되도록 제어하는, 메탄 생성 장치가 제공될 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 상기 온도 센서에서 측정된 온도가 기 설정된 온도보다 높을 경우 상기 유량 조절 밸브의 개도량을 증가시켜서 상기 제1 반응기 내에서의 상기 냉매의 수위가 높아지도록 제어하고, 상기 온도 센서에서 측정된 온도가 기 설정된 온도보다 낮을 경우 상기 유량 조절 밸브의 개도량을 감소시켜서 상기 제1 반응기 내에서의 상기 냉매의 수위가 낮아지도록 제어하는, 메탄 생성 장치가 제공될 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 운전 초기에 메탄 생성 반응을 촉진시기 위해 상기 유량 조절 밸브의 개도량을 소정량 이하로 제한하여 상기 제1 반응기 내의 상기 냉매의 수위가 낮아지도록 제어하고, 상기 온도 센서에서 측정된 온도가 기 설정된 온도보다 높을 경우 상기 유량 조절 밸브의 개도량을 완전 개방하여 상기 냉매가 상기 냉각 챔버 내에서 자유순환되도록 제어하는, 메탄 생성 장치가 제공될 수 있다.

또한, 상기 제어부는, 상기 제1 반응기 내에서 메탄 생성 반응이 진행되어 상기 온도 센서에서 측정되는 온도가 점차 증가하는 경우, 이에 비례하여 상기 유량 조절 밸브의 개도량이 점차 증가되도록 제어하는, 메탄 생성 장치가 제공될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 메탄 생성 장치를 제어하는 방법에 있어서, 상기 메탄 생성 장치의 제1 반응기에 수소와 이산화탄소를 포함하는 원료가스를 공급하는 단계; 상기 제1 반응기에서 상기 원료가스가 촉매와 반응하여 생성된 메탄을 포함하는 1차 전환가스의 온도를 측정하는 단계; 및 상기 1차 전환가스의 온도에 따라 상기 제1 반응기에 냉매를 공급하는 냉매 공급 탱크로부터 배출되는 기체의 압력을 조절하는 압력 조절 밸브의 개도량을 제어하는 단계를 포함하고, 상기 개도량을 제어하는 단계에서, 상기 1차 전환가스의 온도가 기 설정된 온도보다 높을 경우, 상기 압력 조절 밸브의 개도량이 증가되도록 제어하고, 상기 1차 전환가스의 온도가 기 설정된 온도보다 낮을 경우 상기 압력 조절 밸브의 개도량이 감소되도록 제어하는, 메탄 생성 장치의 제어 방법이 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 메탄 생성 장치를 제어하는 방법에 있어서, 상기 메탄 생성 장치의 제1 반응기에 수소와 이산화탄소를 포함하는 원료가스를 공급하는 단계; 상기 제1 반응기에서 상기 원료가스가 촉매와 반응하여 생성된 메탄을 포함하는 1차 전환가스의 온도를 측정하는 단계; 및 상기 1차 전환가스의 온도에 따라 상기 제1 반응기로 공급되는 냉매의 유량을 조절하는 유량 조절 밸브의 개도량을 제어하는 단계를 포함하고, 상기 개도량을 제어하는 단계에서, 상기 1차 전환가스의 온도가 기 설정된 온도보다 높을 경우, 상기 유량 조절 밸브의 개도량을 증가시켜서 상기 제1 반응기 내에서의 상기 냉매의 수위가 높아지도록 제어하고, 상기 1차 전환가스의 온도가 기 설정된 온도보다 낮을 경우 상기 유량 조절 밸브의 개도량을 감소시켜서 상기 제1 반응기 내에서의 상기 냉매의 수위가 낮아지도록 제어하는, 메탄 생성 장치의 제어 방법이 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 메탄 생성 장치를 제어하는 방법에 있어서, 상기 메탄 생성 장치의 제1 반응기에 수소와 이산화탄소를 포함하는 원료가스를 공급하는 단계; 상기 제1 반응기에서 상기 원료가스가 촉매와 반응하여 생성된 메탄을 포함하는 1차 전환가스의 온도를 측정하는 단계; 및 상기 1차 전환가스의 온도에 따라 상기 제1 반응기로 공급되는 냉매의 유량을 조절하는 유량 조절 밸브의 개도량을 제어하는 단계를 포함하고, 상기 개도량을 제어하는 단계에서, 운전 초기에 메탄 생성 반응을 촉진시기 위해 상기 유량 조절 밸브의 개도량을 소정량 이하로 제한하여 상기 제1 반응기 내의 상기 냉매의 수위가 낮아지도록 제어하고, 상기 온도 센서에서 측정된 온도가 기 설정된 온도보다 높을 경우 상기 유량 조절 밸브의 개도량을 완전 개방하여 상기 냉매가 상기 냉각 챔버 내에서 자유순환되도록 제어하는, 메탄 생성 장치의 제어 방법이 제공될 수 있다.

또한, 상기 개도량을 제어하는 단계에서, 상기 제1 반응기 내에서 메탄 생성 반응이 진행되어 상기 1차 전환가스의 온도가 점차 증가하는 경우, 이에 비례하여 상기 유량 조절 밸브의 개도량이 점차 증가되도록 제어하는, 메탄 생성 장치의 제어 방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 시스템 구성이 단순하고 직관적이며, 발열 반응에서의 반응 온도를 실시간으로 효율적으로 제어할 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 종래의 메탄 생성 시스템의 계통도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄 생성 장치의 계통도이다.
도 3은 도 2의 각 밸브를 제어하기 위한 제어부를 도시한 계통도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄 생성 장치의 제어 방법을 설명하는 플로우 차트이다.

이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

아울러 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '결합', '고정', '접촉'된다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 결합, 고정, 접촉될 수도 있지만 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것은 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.

또한, 본 명세서에서 일 측, 타 측 등의 표현은 도면에 도시를 기준으로 설명한 것이며 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있음을 미리 밝혀둔다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.

또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

명세서에서 사용되는 '포함하는'의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄 생성 장치 및 이의 제어 방법의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.

도 2 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 메탄 생성 장치 (1)는 수소와 이산화탄소로부터 메탄이 주성분인 가스를 수득하기 위해 제공된다. 이때 수소와 이산화탄소를 이용하여 메탄 가스를 생성하는 공정의 주요 반응식 및 반응열은 다음과 같다.

CO₂+4H₂→ CH₄+2H₂O(반응열: 165 kJ/mol)

위와 같이 수소와 이산화탄소를 합성하여 메탄 가스를 얻는 반응은 강한 발열을 수반하는 발열 반응에 해당되고, 반응시의 압력이 증가할수록, 그리고 온도가 낮을수록 메탄 수율이 높아지는 반응에 해당된다. 따라서, 이러한 반응시 발생되는 반응열을 적절히 제어하여 적절한 반응 온도 범위를 유지하는 것은 메탄 수율을 높이는데 있어서 매우 중요하다.

메탄 생성 반응시 촉매가 사용되는데, 이때 사용되는 촉매로는 일 예로 니켈(Ni) 계열의 촉매가 사용될 수 있다. 촉매의 활성을 안정적으로 장기간 유지하기 위해서는 메탄 생성을 위한 반응기의 최저 온도는 250℃ 이상, 최고 온도는 사용되는 촉매에 따라 상이하지만 일반적으로 낮게 유지할수록 유리하다.

수소와 이산화탄소로부터 메탄으로의 전환률을 높게 유지하면서 안정적으로 장기간 사용하기 위해, 메탄 생성 장치 (1)는 제1 반응기(10)와 제2 반응기(20)를 포함하는 2차 반응 시스템으로 구성될 수 있다.

제1 반응기(10)는 수소와 이산화탄소를 포함하는 원료가스를 공급받아서 메탄을 생성한다. 이를 위해, 원료가스 공급부(11)가 제1 반응기(10)에 연결될 수 있으며, 원료가스 공급부(11)와 제1 반응기(10)는 원료가스 공급 라인(12)을 통해 연결될 수 있다. 또한, 원료가스로부터 메탄을 생성하는 반응을 위한 촉매가 내부에 충진된 촉매 튜브(100)가 제1 반응기(10)의 내부에 제공될 수 있다.

이러한 제1 반응기(10)는 내부에 중공을 갖는 쉘 형상으로 구비되어, 쉘의 내부에 복수의 촉매 튜브(100)가 배치되는 구조를 가질 수 있다. 이때, 촉매 튜브(100)는 내부에 메탄 생성 반응시 사용되는 촉매가 충진된 상태로 제공될 수 있다. 또한, 촉매 튜브(100)는 양 단이 개구된 파이프 형상으로 제공될 수 있다.

또한, 제1 반응기(10)의 내부 공간은 상부 챔버(130), 하부 챔버(140) 및 냉각 챔버(150)로 구획될 수 있으며, 이를 위해 제1 반응기(10)의 내부에는 상부 격판(110)과 하부 격판(120)이 제공될 수 있다. 상부 격판(110)은 제1 반응기(10)의 내부를 상부 챔버(130)와 냉각 챔버(150)로 구분하고, 하부 격판(120)은 제1 반응기(10)의 내부를 냉각 챔버(150)와 하부 챔버(140)로 구분하도록 제공될 수 있다. 이때, 제1 반응기(10)의 상부 챔버(130)에는 원료가스 공급 라인(12)이 연결되고, 하부 챔버(140)에는 1차 전환가스 공급 라인(13)이 연결될 수 있다.

또한, 촉매 튜브(100)의 양 단이 상부 격판(110)과 하부 격판(120)에 각각 연결될 수 있으며, 촉매 튜브(100)의 양 단에 형성된 개구가 연통되는 복수의 구멍이 상부 격판(110)과 하부 격판(120)에 각각 형성될 수 있다. 이에 따라, 원료가스 공급부(11)로부터 원료가스 공급 라인(12)을 통해 상부 챔버(130) 측으로 원료가스가 투입될 수 있다. 이렇게 투입된 원료가스는 촉매 튜브(100)를 통과하면서 촉매 튜브(100) 내에 충진된 촉매와 접촉되어 반응을 일으키면서 메탄을 생성할 수 있다. 이렇게 촉매 튜브(100)를 통과하면서 생성된 메탄을 포함하는 1차 전환가스가 하부 챔버(140) 측으로 1차 전환가스 공급 라인(13)을 통해 배출될 수 있다.

또한, 제1 반응기(10)의 냉각 챔버(150)에는 냉매 공급 라인(14)과 냉매 회수 라인(18)이 연결될 수 있다. 이때, 냉매 공급 라인(14)은 냉각 챔버(150)의 하부에 연결되고, 냉매 회수 라인(18)은 냉각 챔버(150)의 상부에 연결될 수 있다. 또한, 냉매 공급 라인(14)은 냉매 공급 탱크(30)와 연결되어 냉매 공급 탱크(30)에 저장된 냉매가 냉각 챔버(150)로 전달될 수 있도록 안내한다. 이때, 냉매 공급 탱크(30)에 저장되는 냉매는 일 예로 냉각수일 수 있다.

또한, 냉매 공급 라인(14) 상에는 유량 조절 밸브(16)가 제공될 수 있으며, 냉매 공급 라인(14)을 통해 공급되는 냉매의 유량을 조절함으로써 냉각 챔버(150) 내의 냉매 수위를 조절하는데 이용될 수 있다. 이러한 유량 조절 밸브(16)는 후술할 제어부(70)에 의해 그 개도량이 제어될 수 있다.

한편, 냉매 공급 탱크(30)에 저장되어 냉매 공급 라인(14)을 통해 공급되는 냉매는 액상일 수 있으며, 냉각 챔버(150) 내에 충진되어 촉매 튜브(100)와 접촉될 수 있다. 촉매 튜브(100) 내에서 일어나는 메탄 생성 반응에 의해 발생되는 반응열은 냉각 챔버(150) 내에 충진된 냉매로 전달되며, 냉매의 온도를 높임과 동시에 촉매 튜브(100)의 온도는 반응열에 의해 과도하게 높아지지 않고, 메탄 수율을 극대화할 수 있는 적정 온도 범위 내로 유지될 수 있다.

또한, 냉매 회수 라인(18)은 냉매 공급 탱크(30)와 연결될 수 있으며, 냉매 공급 라인(14)이 냉매 공급 탱크(30)의 하부에 연결되고, 냉매 회수 라인(18)은 냉매 공급 탱크(30)의 상부에 연결될 수 있다. 또한, 제1 반응기(10) 내에서 촉매 튜브(100)와 열교환된 냉매의 일부는 기화될 수 있으며, 일 예로 포화증기의 형태로 기화될 수 있다. 이렇게 기화된 냉매는 냉매 회수 라인(18)을 통해 냉매 공급 탱크(30)로 회수될 수 있다. 이렇게 회수된 냉매는 다시 액화되어 냉각 챔버(150)로 재공급되거나, 냉매 공급 탱크(30)와 연결된 기체 배출 라인(34)을 통해 외부로 배출될 수 있다.

이때, 기체 배출 라인(34) 상에는 압력 조절 밸브(36)가 제공될 수 있으며, 기체 배출 라인(34)을 통해 배출되는 기체의 유량을 조절함으로써 냉매 공급 탱크(30) 내의 압력을 조절하는데 이용될 수 있다. 이러한 압력 조절 밸브(36)는 후술할 제어부(70)에 의해 그 개도량이 제어될 수 있다.

또한, 냉매 공급 탱크(30)에는 냉매 보충 라인(32)이 연결될 수 있으며, 냉매 보충 라인(32)은 도시하지 않은 냉매 공급처와 연결될 수 있다. 예를 들어, 이러한 냉매 공급처는 수도 계통일 수 있다.

한편, 제1 반응기(10)의 하부 챔버(140)에는 1차 전환가스 공급 라인(13)이 연결될 수 있으며, 촉매 튜브(100)를 거쳐서 생성된 메탄을 포함하는 1차 전환가스가 1차 전환가스 공급 라인(13)을 통해 제1 반응기(10)로부터 배출될 수 있다. 또한, 제1 반응기(10)의 후단에는 온도 센서(160)가 제공될 수 있으며, 이러한 온도 센서(160)는 1차 전환가스 공급 라인(13)을 통해 배출되는 1차 전환가스의 온도를 측정하기 위해 제공될 수 있다. 다만, 이는 일 예에 불과하며, 온도 센서(160)는 제1 반응기(10) 내부의 촉매 튜브(100)와 직접적으로 연결되어 반응 온도를 측정하도록 변형되어 실시되는 것도 가능하다. 또한, 온도 센서(160)는 후술할 제어부(70)와 연결되어 실시간으로 또는 일정 시간 간격으로 측정되는 온도를 제어부(70)로 송신할 수 있다.

1차 전환가스 공급 라인(13)은 제1 냉각기(40)와 연결될 수 있다. 이에 따라, 1차 전환가스 공급 라인(13)을 따라 1차 전환가스가 제1 반응기(10)로부터 제1 냉각기(40)로 전달될 수 있다. 이렇게 제1 냉각기(40)로 전달된 1차 전환가스는 냉각된 후 제2 반응기(20)로 전달될 수 있다. 이때, 제1 반응기(10)에서 배출되는 1차 전환가스의 온도는 일 예로 300 내지 350℃ 정도일 수 있으며, 1차 전환가스가 제1 냉각기(40)를 거치면서 250 내지 300℃ 정도까지 냉각될 수 있다.

이를 위해, 제1 냉각기(40)에는 제1 냉매 투입 라인(410)과 제1 냉매 배출 라인(420)이 연결될 수 있으며, 제1 냉매 투입 라인(410)을 통해 투입되는 냉매는 일 예로 냉각수일 수 있다. 또한, 제1 냉매 투입 라인(410)과 제1 냉매 배출 라인(420) 상에는 냉매의 유동을 제어하기 위한 밸브 부재와 펌프 부재 등이 필요에 따라 구비될 수 있다.

또한, 제1 냉각기(40)에서 1차 전환가스가 냉각되는 과정에서, 1차 전환가스의 일부가 응축될 수 있으며, 이렇게 발생되는 응축물은 응축물 배출 라인(42)을 통해 외부로 배출될 수 있다.

제1 냉각기(40)에서 냉각된 1차 전환가스는 냉각된 1차 전환가스 공급 라인(44)을 통해 제2 반응기(20)로 전달될 수 있다. 이를 위해, 냉각된 1차 전환가스 공급 라인(44)이 제1 냉각기(40)와 제2 반응기(20)에 연결될 수 있다. 제2 반응기(20)로 전달된 1차 전환가스는 추가적으로 메탄 생성 반응을 일으켜서 메탄 순도가 높아질 수 있다. 이를 위해, 제2 반응기(20) 내부에는 메탄 생성 반응을 위해 필요한 촉매가 충진될 수 있으며, 이러한 촉매는 일 예로 니켈 계열의 촉매일 수 있다.

제1 반응기(10)를 통해 배출되는 1차 전환가스에는 일부 미 전환된 수소와 이산화탄소가 포함되어 있으며, 이들 미 전환가스를 메탄으로 완전히 전환시키기 위하여 제2 반응기(20)에서 2차적으로 메탄 생성 반응이 이루어질 수 있다. 이때, 제2 반응기(20)는 제1 반응기(10)에서 원료가스에 함유된 대부분의 수소와 이산화탄소가 메탄으로 이미 전환된 상태에서, 일부 미 전환된 수소와 이산화탄소만을 보충적으로 메탄으로 전환하기 위한 것이므로, 메탄 생성시 발생되는 반응열이 크지 않게 된다. 이에 따라, 제2 반응기(20)는 제1 반응기(10)와 같이 자체적으로 냉각을 할 수 있는 구조가 아닌 단열 반응기 형태로 구비될 수 있다. 다만, 이는 일 예에 불과하며, 제2 반응기(20) 또한 제1 반응기(10)와 마찬가지로 냉각을 위한 구성이 추가로 구비되는 것이 가능하다.

제2 반응기(20)에서 2차적으로 메탄 생성 반응을 거쳐 배출되는 2차 전환가스는 2차 전환가스 공급 라인(22)을 통해 제2 냉각기(50)로 전달될 수 있다. 이렇게 제2 냉각기(50)로 전달된 2차 전환가스는 일 예로 상온까지 냉각될 수 있다. 이를 위해, 제2 냉각기(50)에는 제2 냉매 투입 라인(510)과 제2 냉매 배출 라인(520)이 연결될 수 있으며, 제2 냉매 투입 라인(510)을 통해 투입되는 냉매는 일 예로 냉각수일 수 있다. 또한, 제2 냉매 투입 라인(510)과 제2 냉매 배출 라인(520) 상에는 냉매의 유동을 제어하기 위한 밸브 부재와 펌프 부재 등이 필요에 따라 구비될 수 있다.

제2 냉각기(50)에서 냉각된 2차 전환가스는 냉각된 2차 전환가스 공급 라인(52)을 통해 기액분리기(60)로 전달될 수 있다. 이를 위해, 냉각된 2차 전환가스 공급 라인(52)이 제2 냉각기(50)와 기액분리기(60)에 연결될 수 있다. 기액분리기(60)로 전달된 2차 전환가스는 기액 분리되어 최종적으로 생성가스가 생성될 수 있다. 이렇게 최종 생성된 생성가스는 순도 98% 이상의 메탄 성분을 가진 천연가스로서, 생성가스 배출 라인(62)을 통해 배출될 수 있으며, 도시하지 않은 천연가스 저장 탱크 등에 저장되어 천연가스의 사용처로 공급될 수 있다. 또한, 기액분리기(60)에서 분리된 액체는 액체 배출 라인(64)을 통해 배출될 수 있다.

한편, 제어부(70)는 온도 센서(160)를 통해 측정된 반응 온도에 따라 유량 조절 밸브(16) 및 압력 조절 밸브(36)를 제어하도록 제공될 수 있다. 이러한 제어부(70)는 예컨대 소형 내장형 컴퓨터로 이루어질 수 있고, 프로그램, 메모리, CPU로 이루어지는 데이터 처리부 등을 구비할 수 있다. 이러한 프로그램은, 온도 센서(160)로부터 신호를 받아서 이를 토대로 유량 조절 밸브(16)와 압력 조절 밸브(36)의 개도량 제어를 위한 알고리즘을 포함할 수 있다. 또한, 이러한 프로그램은, 컴퓨터 기억 매체 예컨대 플렉시블 디스크, 컴팩트 디스크, 하드 디스크, MO(광자기 디스크) 등의 메모리에 저장되어서 제어부(70)에 인스톨될 수 있다.

구체적으로, 제어부(70)는 온도 센서(160)에서 측정된 온도가 기 설정된 온도보다 높을 경우 압력 조절 밸브(36)의 개도량이 증가되도록 제어하고, 온도 센서(160)에서 측정된 온도가 기 설정된 온도보다 낮을 경우 압력 조절 밸브(36)의 개도량이 감소되도록 제어할 수 있다. 또한, 제어부(70)는 온도 센서(160)에서 측정된 온도가 기 설정된 온도보다 높을 경우 유량 조절 밸브(16)의 개도량을 증가시켜서 제1 반응기(10) 내에서의 냉매의 수위가 높아지도록 제어하고, 온도 센서(160)에서 측정된 온도가 기 설정된 온도보다 낮을 경우 유량 조절 밸브(16)의 개도량을 감소시켜서 제1 반응기(10) 내에서의 냉매의 수위가 낮아지도록 제어할 수 있다.

또는, 제어부(70)는 메탄 생성 장치(1)의 운전 초기에 메탄 생성 반응을 촉진시기 위해 유량 조절 밸브(16)의 개도량을 소정량 이하로 제한하여 제1 반응기(10) 내의 냉매의 수위가 낮아지도록 제어하고, 온도 센서(160)에서 측정된 온도가 기 설정된 온도보다 높을 경우 유량 조절 밸브(16)의 개도량을 완전 개방하여 냉매가 냉각 챔버(150) 내에서 자유 순환되도록 제어할 수 있다. 이때, 제어부(70)는 제1 반응기(10) 내에서 메탄 생성 반응이 진행되어 온도 센서(160)에서 측정되는 온도가 점차 증가하는 경우, 이에 비례하여 유량 조절 밸브(16)의 개도량이 점차 증가되도록 제어할 수 있다.

이와 같이, 제어부(70)는 온도 센서(160)를 통해 측정되는 제1 반응기(10)의 반응 온도를 제어하기 위해 유량 조절 밸브(16)와 압력 조절 밸브(36)의 개도량을 적절히 조절할 수 있으며, 유량 조절 밸브(16)와 압력 조절 밸브(36)중 어느 하나만을 제어하거나, 둘 모두를 제어하여 제1 반응기(10)의 반응 온도를 조절하는 것이 가능하다.

이하에서는, 상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 실시예에 따른 메탄 생성 장치(1)의 작용 및 효과에 대하려 설명한다.

도 4를 참조하면, 메탄 생성 장치(1)를 이용하여 메탄을 생성하기 위해, 먼저 제1 반응기(10)에 수소와 이산화탄소를 포함하는 원료가스가 공급될 수 있다(S10). 이렇게 공급된 원료가스는 제1 반응기(10) 내의 촉매 튜브(100)를 통과하면서 촉매 튜브(100) 내에 충진된 촉매와 반응하여 메탄을 생성할 수 있다. 이렇게 생성된 메탄을 포함하는 1차 전환가스의 온도를 측정할 수 있다(S20). 이때, 1차 전환가스 공급 라인(13) 상에 제공되는 온도 센서(160)를 통해 1차 전환가스의 온도가 측정될 수 있다.

이를 통해 측정된 1차 전환가스의 온도는 촉매 튜브(100) 내의 반응 온도를 산출하는데 사용될 수 있으며, 온도 센서(160)에서 측정된 온도 신호가 제어부(70)로 전달되어 제어부(70) 내에서 반응 온도가 산출될 수 있다. 다만, 이는 일 예에 불과하며, 온도 센서(160)에서 자체적으로 1차 전환가스의 온도를 반응 온도로 변환한 후에 변환된 온도를 제어부(70)로 전달하도록 구성되는 것도 가능하다.

제어부(70)는 온도 센서(160)로부터 수신한 온도 신호를 기반으로 압력 조절 밸브(36) 및/또는 유량 조절 밸브(16)의 개도량을 제어할 수 있다(S30). 이때, 제어부(70)를 통해 수행되는 개도량의 제어 매커니즘은 상술한 바와 같다.

이러한 반응 온도의 제어를 통해, 제1 반응기(10) 내에서의 반응 온도를 저온으로 효과적으로 유지할 수 있으므로, 촉매 튜브(100) 내의 촉매의 소결(sintering) 방지, 탄소 침착 방지 등을 통해 촉매의 활성 유지와 수명 연장이 가능하다.

또한, 수소와 이산화탄소로부터 메탄으로 전환하는 반응은 온도가 낮을수록 메탄 수율이 높은 반응이기 때문에, 제1 반응기(10) 내의 온도를 저온으로 유지하면 수소와 이산화탄소로부터 메탄으로의 전환률을 높일 수 있으므로, 제1 반응기(10) 출구에서의 메탄 농도가 높아짐에 따라 제2 반응기(20)를 소형화하는 것이 가능하고, 제1 반응기(10) 내에서 대부분의 수소와 이산화탄소가 메탄으로 전환되므로, 제2 반응기(20)는 별도의 냉각 구조가 필요 없는 단열 반응기로서 구비될 수 있어 구조가 단순해질 수 있다. 이는 설비 투자 비용의 절감으로 이어질 수 있다.

또한, 반응열의 제어를 위한 재순환 시스템, 공급가스 분리 공급 시스템 등이 필요하지 않아 메탄 생성 장치(1)의 운전이 종래보다 더 효율적으로 이루어질 수 있다는 효과가 달성될 수 있다.

이상 본 발명의 실시예들을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.

1: 메탄 생성 장치 10: 제1 반응기
100: 촉매 튜브 110: 상부 격판
120: 하부 격판 130: 상부 챔버
140: 하부 챔버 150: 냉각 챔버
160: 온도 센서 11: 원료가스 공급부
12: 원료가스 공급 라인 13: 1차 전환가스 공급 라인
14: 냉매 공급 라인 16: 유량 조절 밸브
18: 냉매 회수 라인 20: 제2 반응기
22: 2차 전환가스 공급 라인 30: 냉매 공급 탱크
32: 냉매 보충 라인 34: 기체 배출 라인
36: 압력 조절 밸브 40: 제1 냉각기
410: 제1 냉매 투입 라인 420: 제1 냉매 배출 라인
42: 응축물 배출 라인 44: 냉각된 1차 전환가스 공급 라인
50: 제2 냉각기 510: 제2 냉매 투입 라인
520: 제2 냉매 배출 라인 52: 냉각된 2차 전환가스 공급 라인
60: 기액분리기 62: 생성가스 배출 라인
64: 액체 배출 라인 70: 제어부

Claims

수소와 이산화탄소를 포함하는 원료가스를 공급받아서 메탄을 생성하고, 상기 원료가스로부터 메탄을 생성하는 반응을 위한 촉매가 내부에 충진된 촉매 튜브가 내부에 제공되는 제1 반응기;
상기 제1 반응기와 연결되어 냉매를 공급하는 냉매 공급 탱크;
상기 제1 반응기와 상기 냉매 공급 탱크를 연결하는 냉매 공급 라인 상에 제공되는 유량 조절 밸브;
상기 냉매 공급 탱크에 연결되어 상기 냉매 공급 탱크 내에서 상기 냉매가 증발되어 발생된 기체를 상기 냉매 공급 탱크의 외부로 배출하는 기체 배출 라인 상에 제공되는 압력 조절 밸브;
상기 제1 반응기의 후단에 제공되고, 상기 원료가스가 상기 촉매와 반응하여 생성된 메탄을 포함하는 1차 전환가스의 온도를 측정하는 온도 센서; 및
상기 온도 센서에서 측정된 온도에 따라 상기 유량 조절 밸브 및 상기 압력 조절 밸브를 제어하는 제어부를 포함하는,
메탄 생성 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 반응기는,
상기 제1 반응기의 내부를 상부 챔버와 냉각 챔버로 구분하는 상부 격판; 및
상기 제1 반응기의 내부를 상기 냉각 챔버와 하부 챔버로 구분하는 하부 격판을 더 포함하고,
상기 촉매 튜브의 양 단이 상기 상부 격판과 상기 하부 격판에 각각 연결되고,
상기 상부 챔버 측으로 투입되는 상기 원료가스가 상기 촉매 튜브를 통과하면서 상기 촉매 튜브 내에 충진된 촉매와 접촉되어 반응을 일으키면서 메탄을 생성하고,
상기 1차 전환가스가 상기 하부 챔버 측으로 배출되는,
메탄 생성 장치.
제2 항에 있어서,
상기 제1 반응기 내에서 상기 냉매가 상기 촉매 튜브와 열교환 후 다시 상기 냉매 공급 탱크로 회수되기 위한 냉매 회수 라인이 상기 제1 반응기와 상기 냉매 공급 탱크 사이에서 연결되고,
상기 냉매 공급 라인과 상기 냉매 회수 라인은 상기 냉각 챔버와 연결되는,
메탄 생성 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 반응기에서 상기 원료가스가 상기 촉매와 반응하여 생성된 메탄을 포함하는 1차 전환가스를 전달받아서 메탄 생성 반응을 일으키는 제2 반응기를 더 포함하는,
메탄 생성 장치.
제4 항에 있어서,
상기 제1 반응기와 연결된 1차 전환가스 공급 라인과 연결되어 상기 1차 전환가스를 전달받아서 냉각시키는 제1 냉각기; 및
상기 제2 반응기와 연결된 2차 전환가스 공급 라인과 연결되어 상기 제2 반응기로부터 배출되는 2차 전환가스를 전달받아서 냉각시키는 제2 냉각기를 더 포함하는,
메탄 생성 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 온도 센서에서 측정된 온도가 기 설정된 온도보다 높을 경우 상기 압력 조절 밸브의 개도량이 증가되도록 제어하고,
상기 온도 센서에서 측정된 온도가 기 설정된 온도보다 낮을 경우 상기 압력 조절 밸브의 개도량이 감소되도록 제어하는,
메탄 생성 장치.
제1 항 또는 제6 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 온도 센서에서 측정된 온도가 기 설정된 온도보다 높을 경우 상기 유량 조절 밸브의 개도량을 증가시켜서 상기 제1 반응기 내에서의 상기 냉매의 수위가 높아지도록 제어하고,
상기 온도 센서에서 측정된 온도가 기 설정된 온도보다 낮을 경우 상기 유량 조절 밸브의 개도량을 감소시켜서 상기 제1 반응기 내에서의 상기 냉매의 수위가 낮아지도록 제어하는,
메탄 생성 장치.
제1 항 또는 제6 항에 있어서,
상기 제어부는,
운전 초기에 메탄 생성 반응을 촉진시기 위해 상기 유량 조절 밸브의 개도량을 소정량 이하로 제한하여 상기 제1 반응기 내의 상기 냉매의 수위가 낮아지도록 제어하고,
상기 온도 센서에서 측정된 온도가 기 설정된 온도보다 높을 경우 상기 유량 조절 밸브의 개도량을 완전 개방하여 상기 냉매가 상기 냉각 챔버 내에서 자유순환되도록 제어하는,
메탄 생성 장치.
제8 항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 제1 반응기 내에서 메탄 생성 반응이 진행되어 상기 온도 센서에서 측정되는 온도가 점차 증가하는 경우, 이에 비례하여 상기 유량 조절 밸브의 개도량이 점차 증가되도록 제어하는,
메탄 생성 장치.
메탄 생성 장치를 제어하는 방법에 있어서,
상기 메탄 생성 장치의 제1 반응기에 수소와 이산화탄소를 포함하는 원료가스를 공급하는 단계;
상기 제1 반응기에서 상기 원료가스가 촉매와 반응하여 생성된 메탄을 포함하는 1차 전환가스의 온도를 측정하는 단계; 및
상기 1차 전환가스의 온도에 따라 상기 제1 반응기에 냉매를 공급하는 냉매 공급 탱크로부터 배출되는 기체의 압력을 조절하는 압력 조절 밸브의 개도량을 제어하는 단계를 포함하고,
상기 개도량을 제어하는 단계에서,
상기 1차 전환가스의 온도가 기 설정된 온도보다 높을 경우, 상기 압력 조절 밸브의 개도량이 증가되도록 제어하고,
상기 1차 전환가스의 온도가 기 설정된 온도보다 낮을 경우 상기 압력 조절 밸브의 개도량이 감소되도록 제어하는,
메탄 생성 장치의 제어 방법.
메탄 생성 장치를 제어하는 방법에 있어서,
상기 메탄 생성 장치의 제1 반응기에 수소와 이산화탄소를 포함하는 원료가스를 공급하는 단계;
상기 제1 반응기에서 상기 원료가스가 촉매와 반응하여 생성된 메탄을 포함하는 1차 전환가스의 온도를 측정하는 단계; 및
상기 1차 전환가스의 온도에 따라 상기 제1 반응기로 공급되는 냉매의 유량을 조절하는 유량 조절 밸브의 개도량을 제어하는 단계를 포함하고,
상기 개도량을 제어하는 단계에서,
상기 1차 전환가스의 온도가 기 설정된 온도보다 높을 경우, 상기 유량 조절 밸브의 개도량을 증가시켜서 상기 제1 반응기 내에서의 상기 냉매의 수위가 높아지도록 제어하고,
상기 1차 전환가스의 온도가 기 설정된 온도보다 낮을 경우 상기 유량 조절 밸브의 개도량을 감소시켜서 상기 제1 반응기 내에서의 상기 냉매의 수위가 낮아지도록 제어하는,
메탄 생성 장치의 제어 방법.
메탄 생성 장치를 제어하는 방법에 있어서,
상기 메탄 생성 장치의 제1 반응기에 수소와 이산화탄소를 포함하는 원료가스를 공급하는 단계;
상기 제1 반응기에서 상기 원료가스가 촉매와 반응하여 생성된 메탄을 포함하는 1차 전환가스의 온도를 측정하는 단계; 및
상기 1차 전환가스의 온도에 따라 상기 제1 반응기로 공급되는 냉매의 유량을 조절하는 유량 조절 밸브의 개도량을 제어하는 단계를 포함하고,
상기 개도량을 제어하는 단계에서,
운전 초기에 메탄 생성 반응을 촉진시기 위해 상기 유량 조절 밸브의 개도량을 소정량 이하로 제한하여 상기 제1 반응기 내의 상기 냉매의 수위가 낮아지도록 제어하고,
상기 온도 센서에서 측정된 온도가 기 설정된 온도보다 높을 경우 상기 유량 조절 밸브의 개도량을 완전 개방하여 상기 냉매가 상기 냉각 챔버 내에서 자유순환되도록 제어하는,
메탄 생성 장치의 제어 방법.
제12 항에 있어서,
상기 개도량을 제어하는 단계에서,
상기 제1 반응기 내에서 메탄 생성 반응이 진행되어 상기 1차 전환가스의 온도가 점차 증가하는 경우, 이에 비례하여 상기 유량 조절 밸브의 개도량이 점차 증가되도록 제어하는,
메탄 생성 장치의 제어 방법.