KR20230116121A - 가연성 폐플라스틱을 이용한 수소생산 방법 및 이를 구현하는 수소 생산 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가연성 폐플라스틱을 이용한 수소 생산 방법 및 이를 구현하는 수소 생산 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 폐플라스틱을 원료로 하여 수소를 생산함으로써 환경 오염을 저감할 수 있고, 이산화탄소/일산화탄소를 이용한 개질로서 탄소 배출량을 저감하며 수소를 생산할 수 있는 수소 생산 방법 및 이를 구현하는 수소 생산 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 가연성 폐플라스틱을 이용한 수소 생산 방법 및 이를 구현하는 수소 생산 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 폐플라스틱을 원료로 하여 수소를 생산함으로써 환경 오염을 저감할 수 있고, 이산화탄소/일산화탄소를 이용한 개질로서 탄소 배출량을 저감하며 수소를 생산할 수 있는 수소 생산 방법 및 이를 구현하는 수소 생산 시스템에 관한 것이다.
인류의 문명 발전에 의하여 이산화탄소로 대표되는 온실가스의 배출량은 산업 혁명 이후 급격히 증가하였고, 이는 대기의 온실 효과를 강화시켜 점차 지구 평균 온도가 상승하였고, 기후 변화를 야기하였다.
이러한 기후 변화로 인하여 지구 곳곳에서 겪어 보지 못한 자연 재해로 인명과 재산의 손실을 겪는 사례가 급증하고 있다. 이에 각국은 탄소 배출을 감축하기 위한 논의와 협력을 긴밀히 수행해 나가고 있으며, 그 결과로 온실 가스 배출 감축 협약인 교토 의정서가 1997년 발효되었고, 이를 대체하는 파리 협약이 2021년에 체결되었다.
종래 인류의 문명은 대부분 화석 연료의 연소에 의하여 대부분의 동력을 얻고 있었다. 발전을 위하여 석탄 또는 석유를 때는 화력 발전기를 가동하였으며, 용광로는 화석연료를 태워 철광석을 슬래그로 만들고 있으며, 항공기, 선박, 대부분의 자동차는 화석 연료를 태움으로써 축을 돌리는 동력을 얻어 운행하였다. 이들 모두는 탄소 배출의 주 원인이며, 감축하기 위한 노력이 집중되는 분야이다.
주요 자동차 제조사들은 승용차, 버스, 트럭, 건설기계 등의 자동차는 최근에 가솔린 또는 디젤 연료를 연소시키는 내연기관에 대한 연구 개발을 차례대로 중단하고 있으며, 탄소 배출을 저감할 수 있는 전기차 또는 수소차로의 개발 역량을 집중시키고 있다. 특히, 개인용 승용차 분야에서는 전기차(electric vehicle)가 기술적으로 앞서고 우세적인 차세대 자동차로 각광받고 있지만, 트럭, 버스 등 장거리 운행 및 큰 힘과 에너지를 필요로 하는 차량에 있어서는 다량의 에너지를 단기간에 충전하기 어려운 전기차의 특성상 수소 차량이 더욱 효과적인 친환경 차로 주목받고 있다.
이에 따라서 새로운 에너지원으로서 수소를 얻는 방법 또한 중요해지고 있으나, 자연계에서 수소 분자의 형태로 얻어질 수 있는 수소는 극소량이며, 수소는 주로 물의 전기 분해 또는 탄화수소를 개질하여 얻을 수 있다.
화석 연료의 또다른 쓰임새는 다양한 석유 화학 제품, 특히 플라스틱의 제조이다. 플라스틱은 다양한 물성을 구현할 수 있고 가공이 용이하며 저렴하게 생산할 수 있다는 점에서 현대 문명의 상징이 된 소재 중 하나이다.
그러나, 플라스틱의 최대 단점은 자연 분해되는 데 오랜 시간이 걸리기 때문에 매년 대량으로 발생하는 플라스틱 폐기물은 환경오염의 주된 원인 중 한 부분을 차지하고 있다. 따라서, 플라스틱 쓰레기 배출량을 저감하는 기술 또한 인류의 주된 관심사 중 하나로 자리잡게 되었다.
본 발명은 상술한 기술적인 문제점을 해결하기 위하여 연구 수행되어 개발된 것으로서, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 탄화수소를 개질하여 수소를 생산하는 방법으로서 플라스틱 폐기물 및 이산화탄소의 배출량을 크게 저감할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 해결 과제는 이러한 수소 생산 방법을 구현할 수 있는 생산 장치 내지 시스템을 제공하는 것이다.
상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 1) 가연성 폐플라스틱을 열분해하여 기체부(gas stream) 및 부생유(liquid stream)로 변환하는 열분해 단계;
2) 상기 부생유로부터 경질 나프타를 추출하는 분리 단계;
3) 상기 경질 나프타를 스팀(steam) 및 이산화탄소로 개질하여 수소를 생산하는 단계; 를 포함하는 수소 생산 방법을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 1) 단계의 열분해는 200℃ 내지 350℃의 온도로 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 3) 단계는,
3-1) 상기 경질 나프타를 개질하기에 앞서 황(sulfur) 및 염소(chlorine) 성분을 제거하는 전처리 단계; 및
3-2) 상기 황 및 염소 성분이 제거된 경질 나프타를 스팀 및 이산화탄소로 개질하여 수소를 생산하는 개질 단계;로 이루어지는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 3-2) 개질 단계는,
3-2a) 상기 황 및 염소 성분이 제거된 경질 나프타 내 포함된 탄화수소 분자를 메탄(methane)으로 분해하는 분해 단계; 및
3-2b) 메탄을 스팀(steam) 및 이산화탄소와 개질 반응시켜 일산화탄소(carbon monoxide) 및 수소를 생성하는 개질 반응 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 3-2b) 단계 이후에,
3-2c) 상기 3-2b) 단계에서 발생된 일산화탄소를 스팀과 개질 반응시켜 이산화탄소 및 수소를 생성하는 CO-전환 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 수소 생산 방법은 상기 3) 단계 이후에
4) 생산된 수소의 순도를 향상시키는 정제 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 가연성 폐플라스틱은 폴리에틸렌(PP), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 비닐, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 폴리염화비닐(PVC) 중에서 선택된 하나 이상의 폐기물일 수 있다.
본 발명은 또한 상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여 가연성 폐플라스틱을 열분해하는 열분해 반응 유닛;
상기 열분해된 가연성 폐플라스틱으로부터 경질 나프타를 분별 증류하는 증류 유닛;
상기 분별 증류된 경질 나프타를 스팀 및 이산화탄소와 개질 반응시켜 수소를 발생시키는 개질 반응 유닛; 및
상기 개질 반응으로부터 발생한 수소를 포집하고 정제하는 정제 유닛;
을 포함하는 수소 생산 시스템을 제공한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 개질 반응 유닛은 상기 경질 나프타를 스팀(steam)과 개질 반응시키는 제1 개질 반응 유닛 및 상기 스팀과 반응한 경질 나프타를 이산화탄소와 개질 반응시키는 제2 개질 반응 유닛을 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 제2 개질 반응 유닛은 복수 개의 유닛이 병렬적으로 연결된 것일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 개질 반응 유닛은 상기 제1 개질 반응 유닛 및 제2 개질 반응 유닛으로부터 발생한 일산화탄소를 물(water)과 반응하여 이산화탄소 및 수소를 생성하는 CO-전환 반응 유닛을 더 포함하는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 수소 생산 방법은 가연성 폐플라스틱을 원료로 사용하여 수소를 생산하는 바, 탄소 배출량도 저감할 수 있으면서 동시에 폐플라스틱을 재활용함으로써 폐기물의 발생량 또한 저감할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 폐플라스틱을 활용한 수소 생산 방법의 각 단계를 개략적으로 도식화한 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 폐플라스틱으로부터 열분해되어 얻어진 경질 나프타로부터 황 및 염소 성분을 제거하고 메탄으로 분해하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 천연 가스를 개질하여 수소를 합성하는 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수소 생산 시스템에서 탄화 수소를 스팀 및 이산화탄소로 개질하여 수소를 생성하는 개질 반응을 수행하는 반응로 사진이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수소 생산 시스템에서 스팀 및 이산화탄소에 의하여 탄화 수소를 개질하는 반응로 내의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수소 생산 시스템의 전체 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 폐플라스틱으로부터 열분해되어 얻어진 경질 나프타로부터 황 및 염소 성분을 제거하고 메탄으로 분해하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 천연 가스를 개질하여 수소를 합성하는 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수소 생산 시스템에서 탄화 수소를 스팀 및 이산화탄소로 개질하여 수소를 생성하는 개질 반응을 수행하는 반응로 사진이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수소 생산 시스템에서 스팀 및 이산화탄소에 의하여 탄화 수소를 개질하는 반응로 내의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 수소 생산 시스템의 전체 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 구성 및 효과에 대하여 상세하게 설명하기에 앞서 본 명세서에서 사용된 용어의 의미를 분명하게 정의한다.
이하, 첨부된 도면 및 실시예를 참고하여 본 발명의 구성 및 효과에 대하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
상술한 바와, 같이 기후 변화 및 환경 오염에 대처하기 위하여 친환경적인 에너지를 개발하기 위한 선행 연구들이 수행되어 왔으며, 차세대 친환경 에너지로 각광받는 에너지 중 하나인 수소 에너지는 자연 상태에서 얻을 수 있는 수소가 극히 소량에 불과하므로 이를 얻을 수 있는 방법에 대한 연구가 많이 진행되어 왔으나, 이 또한 물의 전기 분해 또는 탄화수소의 개질 반응에 의하여 얻어지는 바, 화석 연료의 소모가 필요한 실정이었다.
이에, 본 발명의 발명자들은 보다 더 에너지 소비량을 절감하면서도 우수한 수율로서 수소를 생산하기 위하여 연구에 매진한 결과 본 발명에 따른 수소 생산 방법 및 이를 구현하는 수소 생산 시스템을 도출하였다.
본 발명은 1) 가연성 폐플라스틱을 열분해하여 기체부(gas stream) 및 부생유(liquid stream)로 변환하는 열분해 단계;
2) 상기 부생유를 분별 증류하여 경질 나프타를 추출하는 분별 증류 단계;
3) 상기 경질 나프타를 스팀(steam) 및 이산화탄소로 개질하여 수소를 생산하는 단계; 를 포함하는 수소 생산 방법을 제공한다.
본 발명은 탄화 수소를 개질하여 수소를 얻는 데 있어, 상기 탄화 수소를 얻는 원료로서 가연성 폐플라스틱을 사용함으로써, 폐플라스틱을 재활용하여 에너지를 얻을 수 있으며, 이는 폐기물 소각에 따른 탄소(이산화탄소) 배출을 저감할 수 있고, 매립에 따른 매립지 요구량 또한 저감될 수 있으므로 환경 오염의 억제에 기여할 수 있다.
이하에서는 각 단계 및 단계별 공정이 수행되는 유닛 별로 상세히 설명한다.
1) 가연성 폐플라스틱 열분해
본 발명은 가연성 폐플라스틱을 열분해하여 수소 생산의 원료가 되는 탄화수소를 얻는다. 상기 탄화수소는 나프타를 의미하며, 바람직하게는 경질 나프타를 의미한다.
경질 나프타란 원유의 분별 증류탑에서 얻어지는 나프타 중 끓는점 100℃ 이하의 영역에서 증류되는 나프타 영역의 탄화수소를 의미한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 가연성 폐플라스틱은 바람직하게는 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 비닐, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 및 폴리염화비닐(PVC) 중에서 선택된 하나 이상의 폐기물일 수 있다. 상기 나열된 계열의 플라스틱이 높은 휘발분과 낮은회분 함량은 열분해 공정에서 액체 오일 수율에 영향을 미치는 특성으로 인하여 수소화 공정에 적합하다. 좀 더 바람직하게는 상기 가연성 폐플라스틱은 PE,PP,PS 및 비닐 폐기물 중 선택된 하나 이상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 1) 단계의 열분해는 200℃ 내지 350℃의 온도로 수행되는 것일 수 있다.
열분해의 온도는 폐플라스틱의 종류에 따라서 달라질 수 있는 것이며, 만일 200℃ 미만의 온도로 열분해를 수행하는 경우, 열분해가 느리고 제대로 수행되지 않을 수 있다.
또한, 350℃ 이상의 고온으로 열분해하는 경우, 가연성 폐플라스틱이 연소하게 될 수 있고, 분해 생성물로 기체부(gas stream)가 많이 생성되므로 탄소의 배출량이 증가하게 되는 단점이 있다.
또한, 상기 가연성 폐플라스틱의 열분해 공정은 0.3 barr 내지 1.2 barr, 바람직하게는 0.4 barr 내지 0.8 barr, 가장 바람직하게는 0.5 barr의 압력 하에서 수행될 수 있다.
가연성 폐플라스틱의 열분해는 열분해 유닛 내에서 수행된다. 열분해 유닛은 바람직하게는 탄소강 소재의 원통 회전 연소로일 수 있다.
2) 경질 나프타 분리
상기 1) 단계에서 가연성 폐플라스틱을 열분해한 결과 기체부(gas stream) 및 부생유(liquid stream)를 얻을 수 있는데, 그 중에서 부생유는 분자량이 상이한 다양한 탄화수소가 혼합된 혼합물 형태로 얻어진다.
그 중에서 본 발명에서는 개질하여 수소를 얻을 수 있도록 상대적으로 저분자량의 탄화수소, 즉 나프타, 특히 끓는점 100℃ 이하의 경질 나프타를 분리하여 탄화수소 개질 공정에 제공한다.
탄화수소의 분리는 바람직하게는 분별 증류에 의하여 수행될 수 있다.
분별 증류는 증류탑에서 수행될 수 있으며, 분류된 경질 나프타는 탄소 수 1개 내지 6개의 저분자량 탄화수소, 특히 포화 탄화수소를 다량 함유하고 있으므로 개질에 의하여 수소를 생산하는 반응의 수율이 높고 반응이 빠른 장점이 있다.
분별 증류의 방식은 원유의 정제를 위하여 분별 증류하는 당업계의 일반적인 방법과 동일하게 할 수 있다.
즉, 상기 부생유 중 경질 나프타를 분리하는 분리 단계를 수행하는 분리 유닛은 분별 증류탑일 수 있다.
3) 탄화수소 개질
상기 분리 단계에서 경질 나프타가 분리된 후, 분리된 경질 나프타 내에 포함되어 있는 탄화수소를 개질하여 수소를 얻는 탄화수소 개질 공정을 수행한다.
탄화수소 개질 공정은 바람직하게는 상기 경질 나프타에 포함된 탄화수소를 보다 저분자량의 탄화수소로 분해하는 단계, 탄화수소를 스팀(steam, H2O) 및 이산화탄소로 개질하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 개질하는 단계로부터 일산화탄소(carbon monoxide, CO)가 부산물로서 형성되는데, 바람직하게는 상기 일산화탄소를 개질하여 수소를 추가 수득하는 CO-전환 단계를 추가적으로 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 3) 단계는
3-1) 상기 경질 나프타를 개질하기에 앞서 황(sulfur) 및 염소(chlorine) 성분을 제거하는 전처리 단계; 및
3-2) 상기 황 및 염소 성분이 제거된 경질 나프타를 스팀 및 이산화탄소로 개질하여 수소를 생산하는 개질 단계;로 이루어지는 것일 수 있다.
바람직하게 상기 전처리 단계 및 개질 단계는 각각 촉매 존재 하에서 수행되는 반응일 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 3-2) 개질 단계는,
3-2a) 상기 황 및 염소 성분이 제거된 경질 나프타 내 포함된 탄화수소 분자를 메탄(methane)으로 분해하는 분해 단계; 및
3-2b) 메탄을 스팀(steam) 및 이산화탄소와 개질 반응시켜 일산화탄소(carbon monoxide) 및 수소를 생성하는 개질 반응 단계;를 포함하는 것일 수 있다.
탄화수소의 분자당 탄소 수가 적을수록 CnHm에서 m/n이 커지게 되므로, 스팀 및 이산화탄소에 의한 개질로 얻을 수 있는 수소의 상대적인 양이 많아지고, 탄화수소 개질에 의한 수소 생산법의 수율이 우수해진다.
상기 탄소 개질 반응은 대략적으로 하기 반응식 1 또는 반응식 2와 같은 반응에 의하여 이루어진다.
[반응식 1]
.
[반응식 2]
.
상기 반응식 1 및 반응식 2는 탄화수소가 스팀, 즉 수증기와 반응하여 일산화탄소와 수소를 생성하는 반응의 반응식이다. 바람직하게는 상기 m과 n은 각각 1과 4일 수 있으나, 상기 3-2a)의 분해 단계의 분해 반응이 충분히 수행되지 않을 수 있으므로 m은 2 이상일 수도 있다. 바람직하게는 n은 2m+2이다. 즉 포화 탄화수소이다.
바람직하게는 상기 탄소 개질 반응은 상기 탄화수소의 분해 단계에 의하여 분해된 메탄이 주 반응을 일으키게 되므로 하기와 같은 반응식을 갖는다.
[반응식 3]
,
[반응식 4]
.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 3-2b) 단계 이후에,
3-2c) 상기 3-2b) 단계에서 발생된 일산화탄소를 스팀과 개질 반응시켜 이산화탄소 및 수소를 생성하는 CO-전환 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 CO-전환 단계를 통하여 추가적으로 수소를 얻을 수 있으며, 상기 스팀에 의한 개질 반응이 흡열(endothermic) 반응인 데 반하여, CO-전환 반응은 발열(exothermic) 반응이므로 탄화수소 개질을 위하여 투입되는 에너지를 절감할 수 있으며, 추가적인 수율 상승을 꾀할 수 있다. CO-전환 단계는 하기의 반응식 5에 의하여 일산화탄소가 스팀(H2O)과 반응하여 이산화탄소 및 수소를 생산한다.
[반응식 5]
.
상기 개질 반응 중 스팀과의 반응 및 이산화탄소와의 반응은 동시에 수행되는 것이 아니라 스팀과 경질 나프타를 먼저 반응시키고 이어서 이산화탄소와의 반응을 수행하는 것일 수 있다. 이산화탄소와의 반응은 하기 반응식 6과 같은 반응으로 수행될 수 있다.
[반응식 6]
.
본 발명의 바람직한 일실시예에 있어서, 상기 개질 반응 및 CO-전환 반응은 촉매 존재 하 수행될 수 있다. 촉매는 바람직하게는 데코킹 촉매(decoking catalyst)일 수 있으며, 반응 조건에 따라서 달라질 수 있는 것이다.
촉매는 바람직하게는 실린더 형태일 수 있다.
또한, 상기 스팀 및 이산화탄소에 의한 개질 반응은 바람직하게는 15 atm 내지 30 atm의 압력 하에서 수행될 수 있다.
또한, 상기 스팀 및 이산화탄소에 의한 개질 반응은 바람직하게는 700℃ 내지 1,500℃의 온도 하에서 수행할 수 있다.
상기 개질 반응은 개질 반응 유닛에서 수행될 수 있고, 상기 개질 반응 유닛은 바람직하게는 상기 경질 나프타를 스팀과 개질 반응시키는 제1 개질 반응 유닛, 경질 나프타를 이산화탄소와 개질 반응시키는 제2 개질 반응 유닛을 모두 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 개질 반응 유닛과 제2 개질 반응 유닛은 바람직하게는 직렬로 연결되어 있을 수 있다. 즉, 상기 2) 단계에서 분리된 경질 나프타는 상기 제1 개질 반응 유닛에서 제2 개질 반응 유닛 순서로 흐르게 되며, 상기 제1 개질 반응 유닛에는 상기 경질 나프타의 흐름이 유입 및 유출되는 부분 외에도 각각 스팀과 이산화탄소가 유입되는 유입구를 별도로 가질 수 있다.
따라서, 상기 2) 단계에서 분리된 경질 나프타는 상기 제1 개질 반응 유닛으로 유입되고, 동시에 상기 제1 개질 반응 유닛에 스팀이 함께 유입되어 촉매와 함께 반응이 수행되어 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소가 발생하고, 추가적인 반응을 위하여 상기 제2 개질 반응 유닛으로 미반응된 경질 나프타가 유입되고, 다시 상기 제2 개질 반응 유닛으로 이산화탄소 또한 함께 유입되어 촉매와 함께 2차적으로 개질 반응이 수행될 수 있다.
이 때, 상기 제2 개질 반응 유닛은 바람직하게는 복수 개의 유닛이 병렬적으로 연결되어 있을 수 있다. 따라서 촉매와의 접촉 면적을 향상시킬 수 있으므로 반응 속도를 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 CO-전환 반응은 CO-전환 반응 유닛에서 수행될 수 있다. 즉, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 수소 생산 시스템은 상기 개질 반응 유닛에 연결된 CO-전환 반응 유닛을 더 포함할 수 있다. 상기 CO-전환 반응 유닛은 상기 제2 개질 반응 유닛에 직렬 연결되어 있을 수 있다. 즉, 제1 개질 반응 유닛 및 제2 개질 반응 유닛에서 개질 반응에 의하여 생성된 일산화탄소를 CO-전환 반응에 의하여 이산화탄소 및 수소로 전환하는 반응을 수행한다.
4) 수소 정제
본 발명의 바람직한 일 실시예에 있어서, 상기 수소 생산 방법은 상기 3) 단계 이후에,
4) 생산된 수소의 순도를 향상시키는 정제 단계;를 더 포함할 수 있다.
수소 충전소 등 연료로서 수소를 사용하기 위하여서는 고순도의 수소가 필요하다. 따라서, 상기의 개질 반응에 의하여 생성된 수소는 본 정제 단계에 의하여 99.99% 이상의 순도로 정제된다.
수소 정제는 바람직하게는 선택적 흡착(adsorption) 과정에 의하여 수행될 수 있다. 흡착 공정은 예컨대 분자 체(molecular sieve)에 의하여 수행될 수 있다.
바람직하게는 상기 수소 정제 단계는 5 atm 이상의 압력에서 수행될 수 있다. 더욱 바람직하게는 5 atm 내지 20 atm의 압력에서 수행될 수 있다. 5 atm 미만의 압력 조건일 경우, 흡착이 충분히 이루어지지 않아 고순도의 정제가 어려울 수 있으며, 20 atm 이상으로 할 경우에는 공정 비용이 증가하게 되므로 수소 생산 외의 다른 영역에서 탄소 배출이 증가하게 될 수 있다.
수소 정제는 또한 200℃ 이상, 바람직하게는 200℃ 내지 500℃의 온도에서 수행될 수 있다.
상기 수소 정제 단계는 또한, 수소 정제 유닛에서 수행될 수 있다. 수소 정제 유닛은 상기 개질 반응 유닛, 제2 개질 반응 유닛 또는 CO-전환 반응 유닛과 직렬로 연결되어, 개질 반응 또는 CO-전환 반응으로부터 수득된 수소가 포집되고 정제될수 있도록 구성된다.
Claims (11)
1) 가연성 폐플라스틱을 열분해하여 기체부(gas stream) 및 부생유(liquid stream)로 변환하는 열분해 단계;
2) 상기 부생유로부터 경질 나프타를 추출하는 분리 단계;
3) 상기 경질 나프타를 스팀(steam) 및 이산화탄소로 개질하여 수소를 생산하는 단계;
를 포함하는 수소 생산 방법.
2) 상기 부생유로부터 경질 나프타를 추출하는 분리 단계;
3) 상기 경질 나프타를 스팀(steam) 및 이산화탄소로 개질하여 수소를 생산하는 단계;
를 포함하는 수소 생산 방법.
제1항에 있어서,
상기 1) 단계의 열분해는 200℃ 내지 350℃의 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는 수소 생산 방법.
상기 1) 단계의 열분해는 200℃ 내지 350℃의 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는 수소 생산 방법.
제1항에 있어서,
상기 3) 단계는,
3-1) 상기 경질 나프타를 개질하기에 앞서 황(sulfur) 및 염소(chlorine) 성분을 제거하는 전처리 단계; 및
3-2) 상기 황 및 염소 성분이 제거된 경질 나프타를 스팀 및 이산화탄소로 개질하여 수소를 생산하는 개질 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소 생산 방법.
상기 3) 단계는,
3-1) 상기 경질 나프타를 개질하기에 앞서 황(sulfur) 및 염소(chlorine) 성분을 제거하는 전처리 단계; 및
3-2) 상기 황 및 염소 성분이 제거된 경질 나프타를 스팀 및 이산화탄소로 개질하여 수소를 생산하는 개질 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 수소 생산 방법.
제3항에 있어서,
상기 3-2) 개질 단계는,
3-2a) 상기 황 및 염소 성분이 제거된 경질 나프타 내 포함된 탄소 수 2 내지 6의 탄화수소 분자를 메탄(methane)으로 분해하는 분해 단계;
3-2b) 메탄을 스팀(steam) 및 이산화탄소와 개질 반응시켜 일산화탄소(carbon monoxide) 및 수소를 생성하는 개질 반응 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 방법.
상기 3-2) 개질 단계는,
3-2a) 상기 황 및 염소 성분이 제거된 경질 나프타 내 포함된 탄소 수 2 내지 6의 탄화수소 분자를 메탄(methane)으로 분해하는 분해 단계;
3-2b) 메탄을 스팀(steam) 및 이산화탄소와 개질 반응시켜 일산화탄소(carbon monoxide) 및 수소를 생성하는 개질 반응 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 방법.
제4항에 있어서,
상기 3-2b) 단계 이후에,
3-2c) 상기 3-2b) 단계에서 발생된 일산화탄소를 스팀과 개질 반응시켜 이산화탄소 및 수소를 생성하는 CO-전환 반응 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 방법.
상기 3-2b) 단계 이후에,
3-2c) 상기 3-2b) 단계에서 발생된 일산화탄소를 스팀과 개질 반응시켜 이산화탄소 및 수소를 생성하는 CO-전환 반응 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 방법.
제1항에 있어서,
상기 수소 생산 방법은 상기 3) 단계 이후에
4) 생산된 수소의 순도를 향상시키는 정제 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 방법.
상기 수소 생산 방법은 상기 3) 단계 이후에
4) 생산된 수소의 순도를 향상시키는 정제 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 방법.
제1항에 있어서,
상기 가연성 폐플라스틱은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 비닐, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 폴리염화비닐(PVC) 중에서 선택된 하나 이상의 폐기물인 것을 특징으로 하는 수소 생산 방법.
상기 가연성 폐플라스틱은 폴리에틸렌(PE), 폴리프로필렌(PP), 폴리스티렌(PS), 비닐, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET) 및 폴리염화비닐(PVC) 중에서 선택된 하나 이상의 폐기물인 것을 특징으로 하는 수소 생산 방법.
가연성 폐플라스틱을 열분해하는 열분해 반응 유닛;
상기 열분해된 가연성 폐플라스틱으로부터 경질 나프타를 분리하는 분리 유닛;
상기 분별 증류된 경질 나프타를 스팀 및 이산화탄소와 개질 반응시켜 수소를 발생시키는 개질 반응 유닛; 및
상기 개질 반응으로부터 발생한 수소를 포집하고 정제하는 정제 유닛;
을 포함하는 수소 생산 시스템.
상기 열분해된 가연성 폐플라스틱으로부터 경질 나프타를 분리하는 분리 유닛;
상기 분별 증류된 경질 나프타를 스팀 및 이산화탄소와 개질 반응시켜 수소를 발생시키는 개질 반응 유닛; 및
상기 개질 반응으로부터 발생한 수소를 포집하고 정제하는 정제 유닛;
을 포함하는 수소 생산 시스템.
제8항에 있어서,
상기 개질 반응 유닛은 상기 경질 나프타를 스팀(steam)과 개질 반응시키는 제1 개질 반응 유닛 및 상기 스팀과 반응한 경질 나프타를 이산화탄소와 개질 반응시키는 제2 개질 반응 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
상기 개질 반응 유닛은 상기 경질 나프타를 스팀(steam)과 개질 반응시키는 제1 개질 반응 유닛 및 상기 스팀과 반응한 경질 나프타를 이산화탄소와 개질 반응시키는 제2 개질 반응 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
제9항에 있어서,
상기 제2 개질 반응 유닛은 복수 개의 유닛이 병렬적으로 연결된 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
상기 제2 개질 반응 유닛은 복수 개의 유닛이 병렬적으로 연결된 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
제9항에 있어서,
상기 개질 반응 유닛은 상기 제1 개질 반응 유닛 및 제2 개질 반응 유닛으로부터 발생한 일산화탄소를 물(water)과 반응하여 이산화탄소 및 수소를 생성하는 CO-전환 반응 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
상기 개질 반응 유닛은 상기 제1 개질 반응 유닛 및 제2 개질 반응 유닛으로부터 발생한 일산화탄소를 물(water)과 반응하여 이산화탄소 및 수소를 생성하는 CO-전환 반응 유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산 시스템.
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|---|---|---|---|
| KR1020220012135A KR20230116121A (ko) | 2022-01-27 | 2022-01-27 | 가연성 폐플라스틱을 이용한 수소생산 방법 및 이를 구현하는 수소 생산 시스템 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220012135A KR20230116121A (ko) | 2022-01-27 | 2022-01-27 | 가연성 폐플라스틱을 이용한 수소생산 방법 및 이를 구현하는 수소 생산 시스템 |
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|---|---|
| KR20230116121A true KR20230116121A (ko) | 2023-08-04 |
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|---|---|---|---|
| KR1020220012135A KR20230116121A (ko) | 2022-01-27 | 2022-01-27 | 가연성 폐플라스틱을 이용한 수소생산 방법 및 이를 구현하는 수소 생산 시스템 |
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Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| KR102168018B1 (ko) | 2019-04-04 | 2020-10-21 | 한국에너지기술연구원 | 메탄화 기능이 추가된 연료개질기와 연계된 연료전지 시스템 |
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2022
- 2022-01-27 KR KR1020220012135A patent/KR20230116121A/ko not_active Application Discontinuation
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102168018B1 (ko) | 2019-04-04 | 2020-10-21 | 한국에너지기술연구원 | 메탄화 기능이 추가된 연료개질기와 연계된 연료전지 시스템 |
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