KR20230100287A - 저전력 고주파 유도가열을 활용한 금속 모노리스 촉매 반응기 기반 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템 및 방법 - Google Patents

저전력 고주파 유도가열을 활용한 금속 모노리스 촉매 반응기 기반 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20230100287A
KR20230100287A KR1020210190026A KR20210190026A KR20230100287A KR 20230100287 A KR20230100287 A KR 20230100287A KR 1020210190026 A KR1020210190026 A KR 1020210190026A KR 20210190026 A KR20210190026 A KR 20210190026A KR 20230100287 A KR20230100287 A KR 20230100287A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
induction heating
ammonia
power
low
frequency induction
Prior art date
Application number
KR1020210190026A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102669573B1 (ko
Inventor
임동하
최재형
이철호
Original Assignee
한국생산기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국생산기술연구원 filed Critical 한국생산기술연구원
Priority to KR1020210190026A priority Critical patent/KR102669573B1/ko
Publication of KR20230100287A publication Critical patent/KR20230100287A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102669573B1 publication Critical patent/KR102669573B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/342—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents with the aid of electrical means, electromagnetic or mechanical vibrations, or particle radiations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/001—Controlling catalytic processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/008—Details of the reactor or of the particulate material; Processes to increase or to retard the rate of reaction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/0285—Heating or cooling the reactor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/04—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of inorganic compounds, e.g. ammonia
    • C01B3/047—Decomposition of ammonia
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts
    • C01B3/40—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts characterised by the catalyst
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00389—Controlling the temperature using electric heating or cooling elements
    • B01J2208/00407—Controlling the temperature using electric heating or cooling elements outside the reactor bed
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • C01B2203/0227—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step containing a catalytic reforming step
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Exhaust Gas After Treatment (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)

Abstract

본 발명은 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기를 이용하여 수소와 암모니아 혼합가스를 생산하며 이를 혼소 버너 및 혼소 보일러로 공급하여 열원을 생산하거나 혼소 가스터빈 및 혼소 엔진에 공급하여 동력원을 생산하는 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템에 관한 것으로, 본 발명의 실시예들에 따른 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기를 이용한 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템은, 공정상에서 온실가스인 이산화탄소를 전혀 배출하지 않은 암모니아 기반 그린수소 생산기술로 새로운 무탄소 기반 에너지 산업의 시장 개척이 가능하다.

Description

저전력 고주파 유도가열을 활용한 금속 모노리스 촉매 반응기 기반 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템 및 방법{ZERO-CARBON EMISSION ENERGY PRODUCTION SYSTEM AND METHOD BASED ON METALLIC MONOLITH CATALYTIC REACTOR USING LOW-POWER HIGH-FREQUENCY INDUCTION HEATING}
본 발명은 저전력 고주파 유도가열을 활용한 금속 모노리스 촉매 반응기 기반 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저전력 고주파 유도가열을 활용한 금속 모노리스 촉매 반응기를 이용하여 수소와 암모니아 혼합가스를 생산하며, 이를 혼소 버너 및 혼소 보일러로 공급하여 열원을 생산하거나 혼소 가스터빈 및 혼소 엔진에 공급하여 동력원을 생산하는 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근 화석연료 사용에 의한 지구온난화 및 기후변화대응 문제를 해결하기 위한 친환경 미래 에너지원으로 지속 가능한 탄소중립 에너지를 찾기 위해 전 세계적으로 개발 및 실증연구에 부단한 노력을 기울이고 있다.
특히, 수소 에너지는 무한정, 무공해, 무소음이라는 장점을 갖기 때문에 친환경 에너지원으로서 주목 받고 있으며, 연소 시 온실가스인 CO2 및 NOx, SOx, PM 등의 대기오염물질의 배출이 전혀 없이 수분만 배출하는 친환경 에너지원으로 각광받고 있는 에너지원이다.
수소는 다양한 원료로부터 쉽게 제조하여 다양한 형태로 저장이 가능하기 때문에 기존 에너지원에 비해 활용도가 매우 높다. 또한, 수소와 일산화탄소의 일정 비에 따른 합성가스(Syngas)로부터 부가적인 화학반응을 통해 다양한 기초화학제품 및 연료유 생산도 가능한 장점을 가지고 있다. 현재 대부분의 수소는 정유, 석유화학 및 전자산업 등에서 주로 사용되고 있으나, 향후 연료전지자동차, 연료전지발전 등 친환경 에너지원으로 많이 사용될 것으로 판단된다.
수소에너지 밸류체인에 있어 핵심적인 기술은 크게 다양한 원료로부터 수소를 생산하는 기술, 운반 및 취급이 용이하도록 수소를 저장하는 기술, 수소를 이용하여 전력을 생산하는 기술, 수소에 대한 안전성을 확보하는 기술 등으로 분류될 수 있으며, 각 핵심 공정 분야별로 많은 연구개발이 진행되고 있다.
그러나 수소는 상온에서 기체상태로 존재하기 때문에 대량저장 및 대량수송을 위하여 고압기체저장, 액화저장, 고체저장, 물질전환저장 등에 의한 저장기술 방식을 사용해야 한다. 특히 고압 및 극저온 조건에서 고압가스 및 액상으로 압축해 운반해야하기 때문에 대량저장 및 수송하는데 높은 기술력이 요구되며, 이로 인한 수소 공급 단가가 높아지는 문제가 발생한다. 이러한 문제를 극복하기 위하여 물질전환저장의 화합물 형태의 수소캐리어가 관심을 받고 있으며, 대표적으로 암모니아, 메탄올, 톨루엔, 수소화합물 등이 있고, 이들은 액상으로 존재하기 때문에 대량저장 및 수송이 용이하여 쉽게 다룰 수 있는 장점을 가진다.
최근 가장 주목받고 있는 암모니아는 액상수소, 액상유기수소운반체 등의 수소저장·운송 매개방식들에 비해 상온에서도 높은 수소저장 용량(체적수소밀도: 10.7 kg-H2/100L, 질량비: 17.8 wt%)과 높은 에너지 밀도(약 4 kWh/kg)를 가지고 있고, 장기 안정성이 확보되어 있어 기존 인프라 활용이 가능한 암모니아가 파이프라인, 선박, 수소전환 등 비용측면에서 가장 적합한 수소저장 운반체로 평가 받고 있어 그 관심도가 점점 더 높아지고 있다.
한편 수소를 암모니아로 전환하여 저장하는 기술은 현재 상용화 단계에 있지만, 저장된 암모니아를 다시 수소로 전환하는 기술은 아직까지 연구개발 단계에 머무르고 있는 실정이다. 암모니아 분해 수소생산 시스템에는 크게 암모니아 분해 촉매기술, 미반응 암모니아 분리기술, 고순도 수소 분리기술로 구분할 수 있으며, 각각의 기술들은 아직까지 상용화를 위한 연구개발 단계에 머무르고 있는 수준이다.
특히 암모니아 분해공정에 적용되는 촉매 반응온도는 600 ℃ 이상으로 높기 때문에 보다 낮은 온도에서 분해반응을 하는 촉매 및 반응시스템 개발이 필요하며, 최근 기술의 유용성으로 인하여 연구가 활발히 진행되고 있는 상황이다.
기존 암모니아 분해 촉매 및 반응시스템 경우, 암모니아를 분해 반응온도를 공급하기 위하여 액화천연가스(Liquified natural gas, LNG) 또는 액화석유가스(Liquified petroleum gas, LPG)를 연소하여 700 ℃ 이상의 열원을 공급하였으나, 이는 LNG 또는 LPG 연소로 인하여 다량의 이산화탄소를 배출하는 문제점을 여전히 가지고 있어 탄소중립의 친환경적 시스템으로 볼 수 없다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 열량 공급원으로 암모니아를 활용하고자 하였으며, 열량 공급원으로 암모니아(5,350 kcal/kg)는 천연가스(12,000 kcal/kg)와 액화석유가스(11,080 kcal/kg)에 비해 열량이 현저하게 낮기 때문에 단독 열원으로 직접 사용하기에는 어려움이 있다. 따라서 CO2를 배출하지 않는 고열량 탄소배출 제로형 기반의 열원 및 동력원을 공급하기 위한 수소와 암모니아 혼합가스를 생산하는 친환경 촉매 반응 시스템 및 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템이 필요한 실정이다.
한국등록특허 제10-1737235호(다종연료 혼소버너) 한국등록특허 제10-1182291호(유도가열장치가 결합된 셀룰로오스 탄화체를 이용한 촉매반응장치)
이에 본 발명은 상기와 같은 제반 사항을 고려하여 제안된 것으로, 저전력 고주파 유도가열을 활용한 금속모노리스 촉매 반응기를 통해 암모니아를 분해하여 수소와 암모니아 혼합가스를 생산하며, 이를 혼소 버너 및 혼소 보일러로 공급하여 열원을 생산하거나 혼소 가스터빈 및 혼소 엔진에 공급하여 동력원을 생산하는 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따른 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기를 이용한 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템은 암모니아를 공급하는 암모니아 공급부,금속 재질로 이루어지는 반응기 본체부를 둘러싸며 저전력 고주파 유도가열을 발생시키는 유도가열 코일부 및 가스가 관통하며 표면에 암모니아 분해 촉매를 포함하는 하나 이상의 관통공이 형성되어 있으며, 외측부터 중심부까지 금속 재질로 이루어져 상기 유도가열 코일부에 의해 상기 외측부터 중심부까지 연속적으로 저전력 고주파 유도가열이 발생되도록 하는 금속지지체를 포함하고 상기 암모니아 공급부로부터 공급받은 암모니아를 수소와 암모니아 혼합가스로 전환하는 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기 및 상기 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기로부터 수소와 암모니아 혼합가스를 전달받아 열원 또는 동력원을 생산하는 운전부를 포함한다.
여기서 상기 운전부는 열원을 생산하는 혼소 버너 열원 시스템이다.
또는 상기 운전부는 열원을 생산하는 혼소 보일러 열원 시스템이다.
또는 상기 운전부는 동력원을 생산하는 혼소 가스터빈 발전 시스템이다.
또는 상기 운전부는 동력원을 생산하는 혼소 엔진 발전 시스템이다.
그리고 상기 운전부에서 생성되는 증기는 액화 암모니아를 기상 암모니아로 전환하는 열교환기로 공급된다.
다음으로 본 발명에 따른 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기를 이용한 탄소배출 제로형 에너지 생산 방법은 암모니아 공급단계, 내부가 금속 재질로 이루어지며 외부가 유도가열 코일부로 둘러싸인 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기를 통해 상기 암모니아를 수소 및 암모니아 혼합가스로 생성하는 저전력 고주파 유도가열 암모니아 분해 단계 및 상기 수소 및 암모니아 혼합가스를 혼소 버너 열원 시스템, 혼소 보일러 열원 시스템, 혼소 가스터빈 발전 시스템 또는 혼소 엔진 발전 시스템으로 공급하는 운전 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예들에 따른 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기를 이용한 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템은, 공정상에서 온실가스인 이산화탄소를 전혀 배출하지 않은 암모니아 기반 그린수소 생산기술로 새로운 무탄소 기반 에너지 산업의 시장 개척이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기를 이용한 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템을 도시한 공정도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템 적용되는 화학촉매 반응기 열원 공급용 혼소 버너 시스템을 도시한 그림이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템 적용되는 발전용 보일러 열원 공급용 암모니아 혼소 보일러 시스템을 도시한 그림이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 탄소배출 제로형 암모니아 분해 촉매 반응기가 연계된 동력 생산용 혼소 가스터빈 발전 시스템을 도시한 그림이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 탄소배출 제로형 암모니아 분해 촉매 반응기가 연계된 혼소 엔진 발전 시스템을 도시한 그림이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템에 적용되는 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기의 사시도이다.
본 발명에 따른 실시예에 대하여 구체적으로 설명하기 전에, 본 발명은 이하의 상세한 설명 또는 첨부 도면에 도시된 구성에 한정되지 않으며 다양한 방식으로 사용되거나 수행될 수 있다.
또한, 본 명세서에 사용되는 표현이나 용어는, 단지 설명을 위한 것이며, 한정을 위한 것으로 간주되어서는 안 된다는 것을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에 사용되는, "장착된", "설치된", "접속된", "연결된", "지지된", "결합된" 등의 표현은, 다른 것을 나타내는 것으로 지시하거나 한정하고 있지 않은 한, 직접적인 그리고 간접적인 장착, 설치, 접속, 연결, 지지, 및 결합을 모두 포함하는 광범위한 표현으로 사용되고 있다. "접속된", "연결된", "결합된"이라고 하는 표현은, 물리적인 또는 기계적인 접속, 연결 또는 결합에 한정되지 않는다.
그리고 본 명세서에서, 상부, 하부, 하향, 상향, 후방, 바닥, 전방, 후부 등과 같이 방향을 나타내는 용어는 도면을 설명하기 위해 사용되고 있지만, 이러한 용어는, 편의를 위해 도면에 대해 상대적인 방향(정상적으로 봤을 때)을 나타내는 것이다. 이러한 방향을 나타내는 용어는, 어떠한 형태로든 본 발명을 그 문자대로 한정하거나 제한하는 것으로 받아들여져서는 안 된다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 "제1", "제2", "제3" 등의 용어는, 단지 설명을 위한 것이며, 상대적인 중요도를 의미하는 것으로 고려되어서는 안 된다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조로 하여 자세히 설명하기로 한다.
도 1는 본 발명의 실시예에 따른 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기(300)를 이용한 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템(100)이다.
본 발명의 실시예에 따른 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템(100)은 암모니아 공급부(200), 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기(300) 및 운전부(400, 500, 600, 700)를 포함한다.
먼저 암모니아 공급부(200)는 도 1에 도시된 바와 같이 액화 암모니아부(220), 열교환기(222) 및 기상 암모니아부(224)를 포함한다.
액화 암모니아부(220)는 액화 상태의 암모니아를 저장 및 공급하기 위한 장치이다. 상기 액화 암모니아부(220)의 액화 암모니아는 열교환기(222)를 거쳐 기상 상태의 암모니아로 전환된다. 상기 기상 암모니아(224)는 기상 암모니아 공급라인(210)을 통해 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기(300)로 공급된다.
열교환기(222)에서의 액화 암모니아(220)의 기상 암모니아(224) 전환은 별도의 열원을 이용할 수 있으나 바람직하기로는 운전부(400, 500, 600, 700)에서 발생되는 증기를 열교환기(222)로 공급하여 암모니아 기화열로 이용하는 것이 바람직하다.
이를 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 운전부(400, 500, 600, 700)와 열교환기(222)는 열회수 라인(420)이 구비된다.
기상 암모니아부(224)에서 생성된 가스 형태의 암모니아는 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기(300)를 통과하며 수소 및 암모니아 혼합가스로 생성된다.
저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기(300)에 대해서는 아래에서 자세히 설명하기로 한다.
이와 같이 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기(300)에서 생성된 수소 및 암모니아 혼합가스는 운전부(400, 500, 600, 700)로 공급되어 열원 또는 동력원을 생성한다.
운전부(400, 500, 600, 700)는 도 2내지 도 5에 도시된 바와 같이 혼소 버너 열원 시스템(400), 혼소 보일러 열원 시스템(500), 혼소 엔진 발전 시스템(600) 및 혼소 가스터빈 발전 시스템(700)으로 실시 가능하다.
먼저 열원을 생성하는 운전부(400, 500)의 실시예로는 혼소 버너(410) 및 혼소 보일러(510)가 바람직하다. 그리고 동력원을 생성하는 운전부(600, 700)의 실시예로는 혼소 엔진(610) 및 혼소 가스터빈(710)이 바람직하다.
도 2에 도시된 바와 같이 혼소 버너(410)를 통해 열원을 생성하는 경우 산소와 질소만 생성되며 이산화탄소가 생성되지 않는 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템을 구현할 수 있다.
다만, 혼소 버너(410) 및 혼소 보일러(510), 혼소 엔진(610), 혼소 가스터빈(710)에서 공정 조건에 따라 발생된 열적 질소산화물(Thermal NOx)은 SCR 촉매 반응기(230)에서 질소와 물로 전환될 수 있다.
혼소 버너 열원 시스템(400)을 통해 촉매 반응기 열원을 공급하는 경우 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기(300)에서 암모니아 전환율이 바람직하게는 15 내지 50%이며, 혼합가스 조성은 저위발열량 기준 암모니아 30 내지 75%로 구성된다.
도 3에 도시된 바와 같이 혼소 보일러 열원 시스템(500)을 통해 열원을 생성하는 경우 산소와 질소만 생성되며 이산화탄소가 생성되지 않는 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템을 구현할 수 있다.
혼소 보일러 열원 시스템(500)을 통해 열원을 생성하는 경우 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기(300)에서 암모니아 전환율이 바람직하게는 25 내지 65%이며, 혼합가스 조성은 저위발열량 기준 암모니아 20 내지 60%로 구성된다.
도 4에 도시된 바와 같이 혼소 가스터빈 발전 시스템(600)을 통해 동력을 생성하는 경우 산소와 질소만 생성되며 이산화탄소가 생성되지 않는 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템을 구현할 수 있다.
혼소 가스터빈 발전 시스템(600)을 통해 동력원을 생성하는 경우 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기(300)에서 암모니아 전환율이 바람직하게는 55 내지 80%이며, 혼합가스 조성은 저위발열량 기준 암모니아 10 내지 30%로 구성된다.
도 5에 도시된 바와 같이 혼소 엔진 발전 시스템(700)을 통해 동력을 생성하는 경우 산소와 질소만 생성되며 이산화탄소가 생성되지 않는 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템을 구현할 수 있다.
혼소 엔진 발전 시스템(700)을 통해 동력원을 생성하는 경우 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기(300)에서 암모니아 전환율이 바람직하게는 75~95%이며, 혼합가스 조성은 저위발열량 기준 암모니아 2 내지 15%로 구성된다.
혼소 버너(410) 및 혼소 엔진(710)은 한국 등록특허 제10-1737235호(다종연료 혼소버너)를 비롯하여 다수의 문헌에서 그 기술이 개시되어 있어 자세한 설명은 생략하기로 한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템(100)에 포함되는 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기(300)(이하 "촉매 반응기"로 칭한다.) 구조도이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 촉매 반응기(300)에 대하여 설명하면, 촉매 반응기(300)는 반응기 본체부(310), 금속지지체(332) 및 유도가열 코일부(320)를 포함한다.
먼저 반응기 본체부(310)은 금속(Metal)을 사용하는 것이 바람직하며, 조건에 따라 세라믹(Ceramic), 석영(Quartz), 유리(Glass) 등의 사용도 가능하다.
그리고 금속지지체(332)는 내부를 유동하는 암모니아 분해반응에 의하여 수소가 생산된다.
이를 위해 금속지지체(332) 표면에는 촉매반응을 효과적으로 활성화하기 위한 암모니아 분해 촉매(334)가 코팅된다.
암모니아 분해 촉매(334)는 루테늄(Ru)과 니켈(Ni), 코발트(Co)의 활성금속 중 적어도 하나 이상을 포함하는 암모니아 분해 촉매인 것이 바람직하며, 암모니아 분해 촉매 분말, 바인더, 분산제, 결합제 등을 포함하는 촉매 슬러리를 코팅한 후 분당 5도 승온을 통해 150도 내지 650도 내에서 2시간 내지 6시간 건조하여 암모니아 분해 촉매가 금속지지체(332) 표면에 형성되도록 할 수 있다.
그리고 암모니아 분해 촉매(334)는 계층구조의 암모니아 분해 촉매를 금속지지체(332) 표면에 얇고 균일하게 코팅하여 줌으로써 비표면적 증대와 물질전달 능력이 향상된 암모니아 분해 개질촉매에 의해 금속지지체 내 표면에 균일한 온도분포로 일정하고 안정적인 촉매 반응 활성을 나타낼 수 있다.
다음으로는 금속지지체(332)는 상부에서 하부로 또는 하부에서 상부로 기상 암모니아가 원활하게 관통할 수 있도록 허니컴(Honeycomb), 콜게이트(Corrugate), 플레이트(Plate) 형태의 금속지지체(332)로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고 금속지지체(332)는 오스테나이트계, 페라이트계 및 마르텐사이트계 중 어느 하나의 결정구조를 가지는 스테인리스 스틸(Stainless steel)인 것이 바람직하다.
이는 상기와 같은 결정구조를 가지고 있으면 열전달이 우수하고, 암모니아 분해 촉매(334) 코팅 시 부착 성능이 우수하기 때문이다. 그리고 다른 금속 재질에 비해 생산단가가 저렴하며 금속지지체(332) 가공이 용이하기 때문이다.
또한 금속지지체(332)가 내측에 구비될 수 있도록 내부에 공간부를 구비하는 원형, 사각형 등의 중공 형상으로 구성된다.
그리고 반응기 본체부(310) 내측에는 금속지지체(332)가 슬라이딩 삽입 및 안착할 수 있는 슬라이딩 홈(도시하지 않음) 및 안착부(도시하지 않음)가 구비될 수 있다.
그러나 사용자의 선택에 따라서는 반응기 본체부(310)와 금속지지체(332)를 일체형으로 형성할 수 있다. 이와 같이 일체형으로 형성되면 전체가 열전달이 우수한 금속 재질 일체형으로 이루어지기 때문에 열전달 효과가 더욱 향상될 수 있다.
그리고 반응기 본체부(310)와 금속지지체(332)의 형상은 도 2에 도시된 바와 같이 원형(A) 또는 사각(B) 등 사용자가 자유롭게 실시 가능하며 높이 방향을 따라 직경이나 형상이 달라지도록 구성하여 줄 수 있다.
다음으로, 유도가열 코일부(320)는, 스프링 형태로 반응기 본체부(310)의 외측을 둘러싸며 교류 전원이 인가되면 반응기 본체부(310) 및 금속지지체(332)에 저전력 고주파 유도가열이 발생되도록 한다.
이와 같은 촉매 반응기(300)에서의 상기 반응가스의 내부 유동에 대하여 설명하면, 상기 반응가스인 기화 암모니아는 촉매 반응기(300) 상부에 마련되는 가스 인입관을 통해서 상하부가 서로 연결된 복수의 관통 유로 형상의 금속지지체(332) 내부로 인입된다.
상기 복수의 관통 유로 형상의 금속금속지지체(332)는 외측부터 내측까지 열전달 및 저전력 고주파 유도가열을 통한 직접 열생산 효율을 향상시키기 위하여 연속적으로 동일 재질의 금속으로 이루어지는 일체형으로 이루어지는 것이 바람직하다.
이후 상기 반응가스는 상기 관통 유로를 통과하며 상기 관통 유로 표면에 코팅된 암모니아 분해 촉매와 접촉하고 열을 전달받아 촉매반응을 통해 수소 및 암모니아 혼합가스로 생산된다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄소배출 제로형 에너지 생산 방법은 암모니아 공급 단계, 내부가 금속 재질로 이루어지며 외부가 유도가열 코일부로 둘러싸인 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기를 통해 상기 암모니아를 수소 및 암모니아 혼합가스로 생성하는 저전력 고주파 유도가열 암모니아 분해 촉매 반응 단계 및 상기 수소 및 암모니아 혼합가스를 혼소 버너 및 혼소 보일러로 공급하여 열원을 생산하거나 혼소 가스터빈 및 혼소 엔진에 공급하여 동력원을 생산하는 운전 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템 및 탄소배출 제로형 에너지 생산 방법은 이와 같은 구성을 통하여 새로운 무탄소 기반 에너지 산업의 시장 개척 및 수소산업 활성화에 따른 에너지, 환경, 뿌리기술 등 연관 전후방 산업의 신시장 개척이 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
100: 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템 200: 암모니아 공급부
210: 기상 암모니아 공급 라인 220: 액화 암모니아부 222: 열교환기 224: 기상 암모니아부
230: SCR 촉매 반응기
300: 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기 310: 반응기 본체부 320: 유도가열 코일부
332: 금속지지체 334: 암모니아 분해촉매 350: 혼합가스 공급관
352: 에어 공급관 400: 혼소 버너 열원 시스템 410: 혼소 버너
420: 열회수 라인
500: 혼소 보일러 열원 시스템
600: 혼소 가스터빈 발전 시스템 700: 혼소 엔진 발전 시스템

Claims (7)

  1. 암모니아를 공급하는 암모니아 공급부(200);
    금속 재질로 이루어지는 반응기 본체부(310)를 둘러싸며 저전력 고주파 유도가열을 발생시키는 유도가열 코일부(320) 및 가스가 관통하며 표면에 암모니아 분해 촉매를 포함하는 하나 이상의 관통공(334)이 형성되어 있으며, 외측부터 중심부까지 금속 재질로 이루어져 상기 유도가열 코일부(320)에 의해 상기 외측부터 중심부까지 연속적으로 저전력 고주파 유도가열이 발생되도록 하는 금속지지체(332)를 포함하고 상기 암모니아 공급부로부터 공급받은 암모니아를 수소와 암모니아 혼합가스로 전환하는 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매반응기(300); 및
    상기 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기(300)로부터 수소와 암모니아 혼합가스를 전달받아 열원 또는 동력원을 생산하는 운전부(400, 500, 600, 700);를 포함하는 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기(300)를 이용한 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템(100).
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 운전부는 열원을 생산하는 혼소 버너 열원 시스템(400);인 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기(300)를 이용한 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템(100).
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 운전부는 열원을 생산하는 혼소 보일러 열원 시스템(500);인 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기(300)를 이용한 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템(100).
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 운전부는 동력원을 생산하는 혼소 가스터빈 발전 시스템(600);인 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기(300)를 이용한 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템(100).
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 운전부는 동력원을 생산하는 혼소 엔진 발전 시스템(700);인 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기(300)를 이용한 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템(100).
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 운전부에서 생성되는 증기는 액화 암모니아(220)를 기상 암모니아(224)로 전환하는 열교환기(222)로 공급되는; 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기(300)를 이용한 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템(100).
  7. 암모니아 공급단계;
    내부가 금속 재질로 이루어지며 외부가 유도가열 코일부(320)로 둘러싸인 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기(300)를 통해 상기 암모니아(200)를 수소 및 암모니아 혼합가스로 생성하는 저전력 고주파 유도가열 암모니아 분해 단계; 및
    상기 수소 및 암모니아 혼합가스를 혼소 버너 열원 시스템(400), 혼소 보일러 열원 시스템(500), 혼소 가스터빈 발전 시스템(600) 또는 혼소 엔진 발전 시스템(700)으로 공급하는 운전 단계;를 포함하는 저전력 고주파 유도가열 금속 모노리스 촉매 반응기(300)를 이용한 탄소배출 제로형 에너지 생산 방법(100).
KR1020210190026A 2021-12-28 2021-12-28 저전력 고주파 유도가열을 활용한 금속 모노리스 촉매 반응기 기반 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템 KR102669573B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210190026A KR102669573B1 (ko) 2021-12-28 2021-12-28 저전력 고주파 유도가열을 활용한 금속 모노리스 촉매 반응기 기반 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210190026A KR102669573B1 (ko) 2021-12-28 2021-12-28 저전력 고주파 유도가열을 활용한 금속 모노리스 촉매 반응기 기반 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20230100287A true KR20230100287A (ko) 2023-07-05
KR102669573B1 KR102669573B1 (ko) 2024-05-28

Family

ID=87158674

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210190026A KR102669573B1 (ko) 2021-12-28 2021-12-28 저전력 고주파 유도가열을 활용한 금속 모노리스 촉매 반응기 기반 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102669573B1 (ko)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011168486A (ja) * 2005-04-18 2011-09-01 Intelligent Energy Inc アンモニアに基づく水素発生装置及びその使用方法
KR101182291B1 (ko) 2010-08-26 2012-09-12 한국에너지기술연구원 유도가열장치가 결합된 셀룰로오스 탄화체를 이용한 촉매반응장치
KR101737235B1 (ko) 2015-12-16 2017-05-18 황명수 다종연료 혼소버너
KR20190138237A (ko) * 2018-06-04 2019-12-12 한국과학기술연구원 암모니아 기반 고효율 수소 및 전력 생산 장치 및 방법
KR102063414B1 (ko) * 2019-06-19 2020-01-07 주식회사 디에이티신소재 탄화수소 개질용 전이 금속 촉매를 이용한 인덕션 가열 방식의 탄화수소 개질기
JP2020112280A (ja) * 2019-01-08 2020-07-27 一般財団法人電力中央研究所 アンモニアを混焼できるボイラ装置及び火力発電設備
KR20210007791A (ko) * 2019-07-11 2021-01-20 한국조선해양 주식회사 연료전지 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011168486A (ja) * 2005-04-18 2011-09-01 Intelligent Energy Inc アンモニアに基づく水素発生装置及びその使用方法
KR101182291B1 (ko) 2010-08-26 2012-09-12 한국에너지기술연구원 유도가열장치가 결합된 셀룰로오스 탄화체를 이용한 촉매반응장치
KR101737235B1 (ko) 2015-12-16 2017-05-18 황명수 다종연료 혼소버너
KR20190138237A (ko) * 2018-06-04 2019-12-12 한국과학기술연구원 암모니아 기반 고효율 수소 및 전력 생산 장치 및 방법
JP2020112280A (ja) * 2019-01-08 2020-07-27 一般財団法人電力中央研究所 アンモニアを混焼できるボイラ装置及び火力発電設備
KR102063414B1 (ko) * 2019-06-19 2020-01-07 주식회사 디에이티신소재 탄화수소 개질용 전이 금속 촉매를 이용한 인덕션 가열 방식의 탄화수소 개질기
KR20210007791A (ko) * 2019-07-11 2021-01-20 한국조선해양 주식회사 연료전지 시스템 및 이를 포함하는 해양 구조물

Also Published As

Publication number Publication date
KR102669573B1 (ko) 2024-05-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Banerjee et al. Developments and applications of porous medium combustion: A recent review
CN110890572A (zh) 一种基于油类燃料的固体氧化物燃料电池发电***
Sherif et al. Towards a hydrogen economy
Ogden Review of small stationary reformers for hydrogen production
KR102428962B1 (ko) 고효율 복합 소재를 구비한 초경량 수소 생산 반응기
US7849691B2 (en) Steam methane reforming with LNG regasification terminal for LNG vaporization
KR101422825B1 (ko) 개질가스 발생 장치
US7207323B1 (en) Catalytic core reactor for thermochemical heat recovery
Muhammed et al. Hydrogen production, transportation, utilization, and storage: Recent advances towards sustainable energy
CN101624178B (zh) 一种重整制氢***
Banu et al. Review on COx-free hydrogen from methane cracking: Catalysts, solar energy integration and applications
US10876472B1 (en) Spark-ignited internal combustion engine modified for multi-fuel operation
US20100254865A1 (en) Hydrogen generating apparatus using steam reforming reaction
Song et al. Thermodynamic analysis of fossil fuels reforming for fuel cell application
Balat Hydrogen in fueled systems and the significance of hydrogen in vehicular transportation
JP2002173301A (ja) 水素エネルギー発生システム
Badakhsh et al. Autothermal recirculating reactor (ARR) with Cu-BN composite as a stable reactor material for sustainable hydrogen release from ammonia
JP2017197399A (ja) 炭素循環利用システム
KR102669573B1 (ko) 저전력 고주파 유도가열을 활용한 금속 모노리스 촉매 반응기 기반 탄소배출 제로형 에너지 생산 시스템
US11273425B2 (en) Dehydrogenation chemical reactor
CN101274745B (zh) 使用结构化的催化填料产生合成气的方法
KR102346725B1 (ko) 신에너지 전력 계통 연계 촉매가 코팅된 금속 구조체 모듈 일체형 고주파 유도가열 촉매 반응기 및 이를 활용한 이동식 콤팩트 수소생산 시스템
Mirkarimi et al. Review of methane cracking over carbon-based catalyst for energy and fuels
CN216512854U (zh) 含高烷烃类有机物的可燃气热等离子体改良***
Singh Salient futures of hydrogen production for energy, its challenges, and applications-An overview

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant