(19) 대한민국특허청 (KR) (12) 등록특허공보 (B1) (45) 공고일자 2014년04월21일 (11) 등록번호 10-1379377 (24) 등록일자 2014년03월24일 (51) 국제특허분류 (Int. Cl.) C01B 3/26 (2006.01) B01D 53/54 (2006.01) B01J 19/24 (2006.01) (21) 출원번호 10-2012-0122681 (22) 출원일자 2012 년 10 월 31 일 심사청구일자 (56) 선행기술조사문헌 WO2011061764 A1 KR101067509 B1 2012 년 10 월 31 일 Sh. S. Itkulova 외 2 인, Bull. Korean Chem. Soc. 2005, Vol. 26, No. 12, pp2017-2020. (73) 특허권자 한국기계연구원 대전광역시유성구가정북로 156 ( 장동 ) 한국에너지기술연구원 대전광역시유성구가정로 152( 장동 ) 한국화학연구원 대전광역시유성구가정로 141 ( 장동 ) (72) 발명자 이규호 대전유성구어은로 57, 137 동 308 호 ( 어은동, 한빛아파트 ) 안국영 대전유성구계룡로 92, 101 동 1502 호 ( 봉명동, 유성 CJ 나인파크 ) ( 뒷면에계속 ) (74) 대리인 특허법인이룸전체청구항수 : 총 21 항심사관 : 박함용 (54) 발명의명칭순산소연소와신재생에너지를이용한공전해및촉매전환공정을연계한융합형이산화탄소전환시스템 (57) 요약 본발명은이산화탄소전환시스템에관한것으로, 보다상세하게는공기중산소를분리하는 ITM(Ion Transfer Membrane), ITM 에서분리된산소를산화제로사용하여연소시키는순산소연소기, 순산소연소반응을통하여생성된고농도의이산화탄소를합성가스 (CO, H 2 ) 로변환시켜주는개질기, 열과전기에너지를가하여이산화탄소와수 증기를합성가스와산소로전환해주는공전해기, 그리고합성가스를메탄올또는케톤또는카보네이트등으로변환시켜주는합성기등으로구성된순산소연소와신재생에너지를이용한공전해및촉매전환공정을연계한융합형이산화탄소전환시스템에관한것이다. 대표도 - 1 -
(72) 발명자 강상규 충북청주시흥덕구사직대로 30 번길 20, ( 복대동 ) 이영덕 대전유성구배울 2 로 42, 504 동 502 호 ( 관평동, 신동아파밀리에 ) 장태선 대전유성구어은로 57, 122 동 502 호 ( 어은동, 한빛아파트 ) 남승은 대전유성구엑스포로 123 번길 65-38, 201 동 401 호 ( 도룡동, 스마트시티주상복합아파트 ) 유지행 대전서구도안동로 177, 102 동 1404 호 ( 도안동, 도안신도시수목토아파트 ) 주종훈 충북청원군오송읍오송생명 5 로 201, 201 동 1005 호 ( 오송마을휴먼시아 2 단지 ) - 2 -
특허청구의범위청구항 1 공기중산소를분리하는이온전도성멤브레인 ; 상기이온전도성멤브레인에서분리된산소를산화제로사용하여연소시키는순산소연소기 ; 상기순산소연소기의순산소연소반응을통하여생성된이산화탄소와외부에서공급되는메탄가스를드라이개질반응하여일산화탄소와수소로전환시켜주는드라이-리포머 (Dry-Reformer); 열과전기에너지를가하여상기순산소연소기의순산소연소반응을통하여생성된이산화탄소와수증기를일산화탄소, 수소, 및산소로전환해주는공전해기 ; 를포함하는이산화탄소전환시스템. 청구항 2 제 1 항에있어서, 상기드라이-리포머또는상기공전해기에서생성된일산화탄소와수소를메탄올, 케톤또는카보네이트등으로변환시켜주는합성기 ; 를더포함하는것을특징으로하는이산화탄소전환시스템. 청구항 3 제 1 항에있어서, 상기공전해기에서생성된산소와상기이온전도성멤브레인에서분리된산소를혼합하는혼합기를더포함하고, 상기혼합기에서순산소연소기로산소를공급해주는것을특징으로하는이산화탄소전환시스템. 청구항 4 공기중산소를분리하는이온전도성멤브레인 ; 상기이온전도성멤브레인에서분리된산소를산화제로사용하여연소시키는순산소연소기 ; 상기순산소연소기의순산소연소반응을통하여생성된이산화탄소와수증기, 외부에서공급되는메탄가스, 상기이온전도성멤브레인에서분리된산소를삼중개질반응하여일산화탄소와수소로전환시켜주는트리-리포머 (Tri-Reformer); 열과전기에너지를가하여상기순산소연소기의순산소연소반응을통하여생성된이산화탄소와수증기를일산화탄소, 수소, 및산소로전환해주는공전해기 ; 를포함하는이산화탄소전환시스템. 청구항 5 제 4 항에있어서, 상기트리-리포머또는상기공전해기에서생성된일산화탄소와수소를메탄올, 케톤또는카보네이트등으로변환시켜주는합성기 ; 를더포함하는것을특징으로하는이산화탄소전환시스템. 청구항 6 제 4 항에있어서, 상기공전해기에서생성된산소와상기이온전도성멤브레인에서분리된산소를혼합하는혼합기 ; 상기혼합기에서순산소연소기또는트리-리포머로산소를공급해주기위한삼방밸브 ; 를더포함하는것을특징으로하는이산화탄소전환시스템. 청구항 7 제 1 항내지제 6 항중어느하나의항에있어서, 상기순산소연소기에서배출되는배기가스를이용하여터빈을돌리고, 상기터빈에연결된발전기를통해서전 - 3 -
기를생산하는것을특징으로하는이산화탄소전환시스템. 청구항 8 제 1 항내지제 6 항중어느하나의항에있어서, 상기순산소연소기의후단에제 1 열교환기를달아서순환되는흐름을승온시켜주는것을특징으로하는이산화탄소전환시스템. 청구항 9 제 7 항에있어서, 상기터빈을통과한배기가스에서수증기를분리하여상기순산소연소기로공급해주는것을특징으로하는이산화탄소전환시스템. 청구항 10 제 4 항내지제 6 항중어느하나의항에있어서, 상기순산소연소기에서배출되는배기가스에서수증기를분리하여상기트리-리포머및상기순산소연소기에공급해주는것을특징으로하는이산화탄소전환시스템. 청구항 11 제 10 항에있어서, 상기트리-리포머및상기순산소연소기로공급되는수증기의유량을조절해주는삼방밸브가더구비되는것을특징으로하는이산화탄소전환시스템. 청구항 12 공기중산소를분리하는이온전도성멤브레인 ; 순산소연소기의외벽에드라이-리포머를배치시킨통합반응기 ; 열과전기에너지를가하여상기순산소연소기의순산소연소반응을통하여생성된이산화탄소와수증기를일산화탄소, 수소, 및산소로전환해주는공전해기 ; 를포함하며, 상기통합반응기의순산소연소기에서는상기이온전도성멤브레인에서분리된산소를산화제로사용하여연소반응이일어나고, 상기통합반응기의드라이-리포머에서는상기순산소연소기의순산소연소반응을통하여생성된이산화탄소와외부에서공급되는메탄가스를드라이개질반응하여일산화탄소와수소로전환시켜주는것을특징으로하는이산화탄소전환시스템. 청구항 13 제 12 항에있어서, 상기드라이-리포머또는상기공전해기에서생성된일산화탄소와수소를메탄올, 케톤또는카보네이트등으로변환시켜주는합성기 ; 를포함하는것을특징으로하는이산화탄소전환시스템. 청구항 14 제 12 항에있어서, 상기공전해기에서생성된산소와상기이온전도성멤브레인에서분리된산소를혼합하는혼합기를더포함하고, 상기혼합기에서순산소연소기로산소를공급해주는것을특징으로하는이산화탄소전환시스템. 청구항 15 공기중산소를분리하는이온전도성멤브레인 ; - 4 -
순산소연소기의외벽에트리-리포머를배치시킨통합반응기 ; 열과전기에너지를가하여상기순산소연소기의순산소연소반응을통하여생성된이산화탄소와수증기를일산화탄소, 수소, 및산소로전환해주는공전해기 ; 를포함하며, 상기통합반응기의순산소연소기에서는상기이온전도성멤브레인에서분리된산소를산화제로사용하여연소반응이일어나고, 상기통합반응기의트리-리포머에서는상기순산소연소기의순산소연소반응을통하여생성된이산화탄소와수증기, 외부에서공급되는메탄가스, 상기이온전도성멤브레인에서분리된산소를삼중개질반응하여일산화탄소와수소로전환시켜주는것을특징으로하는이산화탄소전환시스템. 청구항 16 청구항 15 항에있어서, 상기트리-리포머또는상기공전해기에서생성된일산화탄소와수소를메탄올, 케톤또는카보네이트등으로변환시켜주는합성기 ; 를포함하는것을특징으로하는이산화탄소전환시스템. 청구항 17 청구항 15 항에있어서, 상기공전해기에서생성된산소와상기이온전도성멤브레인에서분리된산소를혼합하는혼합기 ; 상기혼합기에서순산소연소기또는트리-리포머로산소를공급해주기위한삼방밸브 ; 를더포함하는것을특징으로하는이산화탄소전환시스템. 청구항 18 제 12 항내지제 17 항중어느하나의항에있어서, 상기순산소연소기에서배출되는배기가스를이용하여터빈을돌리고, 상기터빈에연결된발전기를통해서전기를생산하는것을특징으로하는이산화탄소전환시스템. 청구항 19 제 12 항내지제 14 항중어느하나의항에있어서, 상기순산소연소기에서배출되는배기가스에서수증기를분리하여상기순산소연소기로공급해주며, 상기수증기의유량을조절하기위해서삼방밸브를더구비하는것을특징으로하는이산화탄소전환시스템. 청구항 20 제 15 항내지제 17 항중어느하나의항에있어서, 상기순산소연소기에서배출되는배기가스에서수증기를분리하여상기트리-리포머및상기순산소연소기에공급해주는것을특징으로하는이산화탄소전환시스템. 청구항 21 제 20 항에있어서, 상기트리-리포머및상기순산소연소기로공급되는수증기의유량을조절해주는삼방밸브가더구비되는것을특징으로하는이산화탄소전환시스템. 명세서 [0001] 기술분야 본발명은이산화탄소전환시스템에관한것으로, 보다상세하게는공기중산소를분리하는 ITM(Ion Transfer Membrane), ITM 에서분리된산소를산화제로사용하여연소시키는순산소연소기, 순산소연소반응을통하여생성 - 5 -
된고농도의이산화탄소를합성가스 (CO, H 2 ) 로변환시켜주는개질기, 열과전기에너지를가하여이산화탄소와수증기를합성가스와산소로전환해주는공전해기, 그리고합성가스를메탄올또는케톤또는카보네이트등으로변환시켜주는합성기등으로구성된순산소연소와신재생에너지를이용한공전해및촉매전환공정을연계한융합형이산화탄소전환시스템에관한것이다. [0002] [0003] [0004] [0005] 배경기술순산소연소기술은공기중의질소및다른성분을제거하지않고연소기에주입되는기존의공기연소방식에서공기중에약 79% 를점하는질소분을제거한순산소를기존의연소용공기대신주입하여연소시킨후이산화탄소의포집을쉽게하는순산소연소기술이다. 순산소연소를채택하여이산화탄소를회수하는기술에서는산화제를공기대신순도 95% 이상의고농도산소를이용하여연소시켜열을발생시킨다. 순산소연소를통해서발생하는배기가스의대부분은이산화탄소와수증기로구성되어있으며, 발생되는배기가스의약 70~80% 를다시연소실로재순환시켜최종적으로배기가시의이산화탄소농도를 80% 이상으로농축시킬수있다. 배출되는배기가스의주성분가운데수증기를응축시킬경우, 거의전량의이산화탄소를회수할수있으며, 회수된이산화탄소를저장시켜서이산화탄소와대기오염물질의무배출을구현하는기술이다. 이산화탄소전환시스템은상기언급한바와같이고농도의이산화탄소를포집하는시스템이다. 하지만순산소연소를하기위해서는고농도의산소가필요하며이때공기분리기 (ASU, Air Seperation Unit) 를사용하여공기중산소를분리하면많은에너지가소모되어전체시스템효율이낮아지는단점이있다. 또한, 종래의시스템에서는순산소연소를거쳐나온고농도의이산화탄소를포집및수송하여저장하는데활용하여그효용가치가떨어지는문제점이있다. 또한, 종래의순산소연소기는산화제로산소를이용하는것으로공기를이용하였을때에비하여단일화염온도가높아연소기외벽의손상을가져오므로연소온도를감소시키기위하여수증기 (Steam) 를유입시켰다. 이경우수증기를생성시키기위한열원이있어야할뿐만아니라수증기를구동시키기위한별도의 Pump Work도소모되는문제점이있다. 발명의내용 [0006] 해결하려는과제본발명은상기와같은문제점을해결하기위하여제안된것으로, 공기중산소를분리하는 ITM, ITM에서분리된산소를산화제로사용하여연소시키는순산소연소기, 순산소연소반응을통하여생성된고농도의이산화탄소를합성가스 (CO, H 2 ) 로변환시켜주는개질기, 열과전기에너지를가하여이산화탄소와수증기를합성가스로전환 해주는공전해기, 그리고합성가스를메탄올등으로변환시켜주는합성기등으로구성된순산소연소와신재생 에너지를이용한공전해및촉매전환공정을연계한융합형이산화탄소전환시스템을제공하는것이다. [0007] [0008] 또한, 포집된이산화탄소를새로운연료나유용한화합물로전환시키는이산화탄소전환시스템을제공하는것이다. 또한, 순산소연소기의외벽에개질기를통합한통합반응기를제공함으로써순산소연소기의수명증대및개질반응의전환율을향상시킬수있는이산화탄소전환시스템을제공하는것이다. [0009] 과제의해결수단상기와같은목적을달성하기위하여본발명은공기중산소를분리하는이온전도성멤브레인 ; 상기이온전도성멤브레인에서분리된산소를산화제로사용하여연소시키는순산소연소기 ; 상기순산소연소기의순산소연소반응을통하여생성된이산화탄소와외부에서공급되는메탄가스를드라이개질반응하여일산화탄소와수소로전환시켜주는드라이-리포머 (Dry-Reformer); 열과전기에너지를가하여상기순산소연소기의순산소연소반응을통하여생성된이산화탄소와수증기를일산화탄소, 수소, 및산소로전환해주는공전해기 ; 를포함하는이산화탄 - 6 -
소전환시스템을제공한다. [0010] [0011] [0012] [0013] [0014] [0015] [0016] [0017] [0018] [0019] [0020] [0021] [0022] [0023] [0024] 또한, 상기드라이-리포머또는상기공전해기에서생성된일산화탄소와수소를메탄올, 케톤또는카보네이트등으로변환시켜주는합성기 ; 를더포함하는것을특징으로한다. 또한, 상기공전해기에서생성된산소와상기이온전도성멤브레인에서분리된산소를혼합하는혼합기를더포함하고, 상기혼합기에서순산소연소기로산소를공급해주는것을특징으로한다. 또한, 본발명은공기중산소를분리하는이온전도성멤브레인 ; 상기이온전도성멤브레인에서분리된산소를산화제로사용하여연소시키는순산소연소기 ; 상기순산소연소기의순산소연소반응을통하여생성된이산화탄소와수증기, 외부에서공급되는메탄가스, 상기이온전도성멤브레인에서분리된산소를삼중개질반응하여일산화탄소와수소로전환시켜주는트리-리포머 (Tri-Reformer); 열과전기에너지를가하여상기순산소연소기의순산소연소반응을통하여생성된이산화탄소와수증기를일산화탄소, 수소, 및산소로전환해주는공전해기 ; 를포함하는이산화탄소전환시스템을제공한다. 또한, 상기트리-리포머또는상기공전해기에서생성된일산화탄소와수소를메탄올, 케톤또는카보네이트등으로변환시켜주는합성기 ; 를더포함하는것을특징으로한다. 또한, 상기공전해기에서생성된산소와상기이온전도성멤브레인에서분리된산소를혼합하는혼합기 ; 상기혼합기에서순산소연소기또는트리-리포머로산소를공급해주기위한삼방밸브 ; 를더포함하는것을특징으로한다. 또한, 상기순산소연소기에서배출되는배기가스를이용하여터빈을돌리고, 상기터빈에연결된발전기를통해서전기를생산하는것을특징으로한다. 또한, 상기순산소연소기의후단에제 1 열교환기를달아서순환되는흐름을승온시켜주는것을특징으로한다. 또한, 상기터빈을통과한배기가스에서수증기를분리하여상기순산소연소기로공급해주는것을특징으로한다. 또한, 상기순산소연소기에서배출되는배기가스에서수증기를분리하여상기트리-리포머및상기순산소연소기에공급해주는것을특징으로한다. 또한, 상기트리-리포머및상기순산소연소기로공급되는수증기의유량을조절해주는삼방밸브가더구비되는것을특징으로한다. 또한, 본발명은공기중산소를분리하는이온전도성멤브레인 ; 순산소연소기의외벽에드라이-리포머를배치시킨통합반응기 ; 열과전기에너지를가하여상기순산소연소기의순산소연소반응을통하여생성된이산화탄소와수증기를일산화탄소, 수소, 및산소로전환해주는공전해기 ; 를포함하며, 상기통합반응기의순산소연소기에서는상기이온전도성멤브레인에서분리된산소를산화제로사용하여연소반응이일어나고, 상기통합반응기의드라이-리포머에서는상기순산소연소기의순산소연소반응을통하여생성된이산화탄소와외부에서공급되는메탄가스를드라이개질반응하여일산화탄소와수소로전환시켜주는것을특징으로하는이산화탄소전환시스템을제공한다. 또한, 상기드라이-리포머또는상기공전해기에서생성된일산화탄소와수소를메탄올, 케톤또는카보네이트등으로변환시켜주는합성기 ; 를더포함하는것을특징으로한다. 또한, 상기공전해기에서생성된산소와상기이온전도성멤브레인에서분리된산소를혼합하는혼합기를더포함하고, 상기혼합기에서순산소연소기로산소를공급해주는것을특징으로한다. 또한, 본발명은공기중산소를분리하는이온전도성멤브레인 ; 순산소연소기의외벽에트리-리포머를배치시킨통합반응기 ; 열과전기에너지를가하여상기순산소연소기의순산소연소반응을통하여생성된이산화탄소와수증기를일산화탄소, 수소, 및산소로전환해주는공전해기 ; 를포함하며, 상기통합반응기의순산소연소기에서는상기이온전도성멤브레인에서분리된산소를산화제로사용하여연소반응이일어나고, 상기통합반응기의트리-리포머에서는상기순산소연소기의순산소연소반응을통하여생성된이산화탄소와수증기, 외부에서공급되는메탄가스, 상기이온전도성멤브레인에서분리된산소를삼중개질반응하여일산화탄소와수소로전환시켜주는것을특징으로하는이산화탄소전환시스템을제공한다. 또한, 상기트리-리포머또는상기공전해기에서생성된일산화탄소와수소를메탄올, 케톤또는카보네이트등 - 7 -
으로변환시켜주는합성기 ; 를더포함하는것을특징으로한다. [0025] [0026] [0027] [0028] [0029] 또한, 상기공전해기에서생성된산소와상기이온전도성멤브레인에서분리된산소를혼합하는혼합기 ; 상기혼합기에서순산소연소기또는트리-리포머로산소를공급해주기위한삼방밸브 ; 를더포함하는것을특징으로한다. 또한, 상기순산소연소기에서배출되는배기가스를이용하여터빈을돌리고, 상기터빈에연결된발전기를통해서전기를생산하는것을특징으로한다. 또한, 상기순산소연소기에서배출되는배기가스에서수증기를분리하여상기순산소연소기로공급해주며, 상기수증기의유량을조절하기위해서삼방밸브를더구비하는것을특징으로한다. 또한, 상기순산소연소기에서배출되는배기가스에서수증기를분리하여상기트리-리포머및상기순산소연소기에공급해주는것을특징으로한다. 또한, 상기트리-리포머및상기순산소연소기로공급되는수증기의유량을조절해주는삼방밸브가더구비되는것을특징으로한다. [0030] [0031] [0032] [0033] [0034] 발명의효과본발명에따른이산화탄소전환시스템에따르면산소생산측면에서 ITM을사용하여공기중산소를분리하는 ASU에비하여산소생산비가절감되어시스템효율의향상시키는효과가있다. 개질기로부터변환된합성가스를부가적인공정을거쳐메탄올이나케톤, 카보네이트등과같은새로운연료나유용한화합물질로전환및합성을할수있어다양한용도로의활용이가능하다는장점이있다. 본발명에따른이산화탄소전환시스템에서순산소연소기의외벽에트리-리포머또는드라이-리포머를통합하여제작함으로써, 순산소연소기의외벽에손실이되는열을트리-리포머또는드라이-리포머로전달시킬수있어수증기의유입이불필요해지거나그양을줄일수있게되어수증기생성및구동을위한에너지소모가적어지는효과가있다. 또한, 트리-리포머또는드라이-리포머에공급되는열전달율도향상시켜서합성가스전환율을향상시킬수있는효과도있다. 또한, 심야전력이나신재생에너지로부터나오는잉여전력및열에너지를이용하여합성가스를새로운연료나유용한화합물질로전환및합성을할수있어다양한용도로의활용이가능하다는장점이있다. [0035] 도면의간단한설명 도 1 은종래의 ASU 를이용한순산소연소시스템의개략도이다. 도 2 내지 5 는본발명에따른순순산소연소와신재생에너지를이용한공전해및촉매전환공정을연계한융합 형이산화탄소전환시스템의개략도이다. [0036] [0037] [0038] 발명을실시하기위한구체적인내용이하에서는첨부한도면을참조하여본발명에의한순산소연소와신재생에너지를이용한공전해및촉매전환공정을연계한융합형이산화탄소전환시스템의바람직한실시예들을자세히설명한다. 우선각도면의구성요소들에참조부호를부가함에있어서, 동일한구성요소들에대해서는비록다른도면상에표시되더라도가능한한동일한부호를가지도록하고있음에유의해야한다. 또한, 본발명을설명함에있어, 관련된공지구성또는기능에대한구체적인설명이본발명의요지를흐릴수있다고판단되는경우에는그상세한설명은생략한다. 도 1은종래의 ASU를이용한순산소연소시스템을나타낸것으로, 상기시스템은크게순산소연소기 (1), ASU(2), 터빈 (3), 열교환기 (4), 히터 (5), 송풍기 (6), 발전기 (7) 로구성된다. 순산소연소기 (1) 에서는분리된산소를산화제로사용하여연소반응이일어나며, 순산소연소기 (1) 에서배출되는 - 8 -
배기가스는주성분이이산화탄소와수증기가된다. 상기배기가스를이용하여터빈 (3) 을구동시키고상기터빈 (3) 과동일축에연결된발전기 (7) 에서전기를생산하게된다. [0039] [0040] [0041] 터빈 (3) 을통과한배기가스는히터 (5) 에의해서이산화탄소와수증기로분리가되고, 분리된수증기는송풍기 (7) 에의해열교환기 (4) 로보내진다. 열교환기 (4) 를통과한고온의수증기는다시순산소연소기 (1) 로재순환되는과정을거친다. 상술한종래시스템은유입되는공기중산소를분리시켜주는 ASU(2) 를이용하는데, 산소를분리하는과정에서에너지가소모되어전체시스템효율이떨어지는문제점이있다. 또한, 순산소연소반응에공기대신산소를산화제로사용해서단일화염온도가높아서순산소연소기 (1) 로수증기를공급해줘야하는문제가있고, 순산소연소기 (1) 의내구성이떨어지는문제가있다. [0042] [0043] [0044] 도 2는본발명에따른제 1 실시예의시스템구성도를나타낸것이다. [ 실시예 1] 실시예 1은크게, 공기중산소를분리하는 ITM(20), ITM(20) 에서분리된산소를산화제로사용하여연소시키는순산소연소기 (10), 순산소연소반응을통하여생성된고농도의이산화탄소를합성가스 (CO, H 2 ) 로변환시켜주는드 라이 - 리포머 (15), 열과전기에너지를가하여이산화탄소와수증기를합성가스와산소로전환해주는공전해기 (60), 그리고합성가스를메탄올등으로변환시켜주는합성기 (50) 등으로구성된다. [0045] ITM(20) 에서의산소분리의반응온도는약 850, 작동압력은약 1 bar 이며공급되는공기의온도를별도의열 교환기를통과시켜승온시키거나 ITM(20) 의외부에히터 (21) 를설치하는방법을사용할수있다. [0046] 순산소연소반응은상기식 (1) 과같은반응을하는데순산소연소기 (10) 에외부로부터공급되는천연가스 (CH 4 ) 와 ITM(20) 에서분리된산소, 순산소연소기 (10) 의배기가스로부터분리되어순환되는수증기 (H 2 0) 가투입되어서연 소반응을하게되면이산화탄소와수증기가배기가스로생성된다. [0047] [0048] [0049] [0050] [0051] [0052] 배출된배기가스는제 1 열교환기 (11) 를거쳐서터빈 (12) 을구동시키고, 상기터빈 (12) 과동일축에연결된발전기 (13) 가전기를생산하게된다. 터빈 (12) 을통과한배기가스는삼방밸브 (61) 에서제 2 열교환기 (30) 로가는흐름과공전해기 (60) 로가는흐름으로분기된다. 우선, 제 2 열교환기 (30) 를통과하고, 상기제 2 열교환기 (30) 를통과한배기가스흐름은히터 (31) 에의해서이산화탄소와수증기로분리된다. 상기분리된이산화탄소는상기제 1 열교환기 (11) 에서승온되어드라이-리포머 (15) 로공급된다. 또한, 상기분리된수증기는송풍기 (32) 에의해서제 2 열교환기 (30) 로보내지고, 제 2 열교환기 (30) 에서승온되어순산소연소기 (10) 로공급된다. 순산소연소기 (10) 로공급되는수증기의양을조절하기위해서삼방밸브 (34) 를달수도있다. 상기삼방밸브 (34) 에서순산소연소기 (10) 로유입되는수증기의양을조절하여시스템효율을조절하는기능을한다. 다음으로, 공전해기 (60) 로가는흐름은배기가스중의이산화탄소와수증기가함께전해하여합성가스와산소로전환되는공전해 (Coelectrolysis) 공정을거친다. 공전해공정은열과전기에너지를가하여합성가스와산소로전환해주는공정을말한다. 상기기술된바와같이공전해공정에는열및전기에너지가필요하므로심야전력이나신재생에너지로부터나오는잉여전력및열에너지를이용할수도있다. 심야전력을이용하는경우, 주간에는드라이개질반응또는삼중개질반응과같은촉매화학공정으로만이산화탄소를전화시키며, 야간에잉여전력이발생할때, 잉여전력의양에해당하는만큼이산화탄소와수증기를공전해기 (60) 로공급하여합성가스와산소를생산하게된다. 풍력, 태양력등신재생에너지로부터나오는전력도심야전력을이용하는방법과동일한방법으로공전해공정을할수있다. 이와같이공전해기 (60) 를이용한다면버려지는전력을이용할수있으며, 생성물로합성가스외에도산소가부가적으로생산되어 ITM(20) 에서생산되어야하는산소의양도줄일수있어상대적으로 ITM(20) 에서소모되는에너지도감소시킬수있다. 공전해기 (60) 에서생산되는산소는혼합기 (62) 에서, ITM(20) 에서분리된산소와혼합되어서순산소연소기 (10) 로 - 9 -
공급된다. [0053] [0054] 드라이-리포머 (15) 는작동온도가약 700, 작동압력이 1bar이며, 공급되는이산화탄소는상기언급한바와같이순산소연소기 (10) 에서배출되는배기가스중에서이산화탄소를분리시켜서순환시킨후제 1 열교환기 (11) 에서승온시켜서상기드라이-리포머 (15) 로공급한다. 본실시예에서는식 (2) 와같은드라이개질반응 (Dry-Reforming) 이일어난다. [0055] [0056] [0057] 상기식 (2) 와같은드라이개질반응은 1몰의메탄과 1몰의이산화탄소를공급받아서개질반응후에 2몰의일산화탄소와 2몰의수소를생성하는반응이다. 드라이-리포머 (15) 는외부에서천연가스와순산소연소반응에서생성되는이산화탄소를이용하여일산화탄소와수소를생성한다. 드라이-리포머 (15) 또는공전해기 (60) 에서생성된일산화탄소와수소는합성기 (50) 를거쳐서메탄올 (Methanol) 또는케톤 (Ketone) 또는카보네이트 (Carbonate) 등과같은새로운연료나유용한화학물질로전환및합성될수있다. 합성기 (50) 는드라이-리포머 (15) 또는공전해기 (60) 의후단에설치될수있다. [0058] [0059] [0060] 도 3은본발명에따른제 2 실시예의시스템구성도를나타낸것이다. [ 실시예 2] 실시예 2는크게, 공기중산소를분리하는 ITM(20), ITM(20) 에서분리된산소를산화제로사용하여연소시키는순산소연소기 (10), 순산소연소반응을통하여생성된고농도의이산화탄소와수증기, 외부로부터공급되는천연가스, ITM(20) 에서분리된산소를합성가스 (CO, H 2 ) 로변환시켜주는트리-리포머 (16), 열과전기에너지를가하 여이산화탄소와수증기를합성가스와산소로전환해주는공전해기 (60), 그리고합성가스를메탄올등으로변환 시켜주는합성기 (50) 등으로구성된다. [0061] 실시예 1 과는달리실시예 2 에서는삼중개질반응 (Tri-Reforming) 을하는경우인데, 삼중개질반응은식 (3) 과 같은반응식을나타낸다. [0062] [0063] [0064] [0065] [0066] [0067] [0068] 삼중개질반응은이산화탄소와천연가스만유입시켜주는드라이개질반응과는달리부가적으로산소와수증기를유입시켜줘야만한다. 따라서, 산소를유입시켜주기위해서 ITM(20) 에서분리된산소는삼방밸브 (35) 에의해서순산소연소기 (10) 또는트리-리포머 (16) 로유입될수있게조절된다. 순산소연소기 (10) 에서식 (1) 과같은순산소연소반응을하고배출되는배기가스는제 1 열교환기 (11) 로이동한다. 상기제 1 열교환기 (11) 를통과한배기가스는터빈 (12) 을구동시키고, 상기터빈 (12) 과동일축으로연결된발전기 (13) 에서전기를생산하게된다. 상기터빈 (12) 을통과한배기가스는삼방밸브 (61) 에서제 2 열교환기 (30) 로가는흐름과공전해기 (60) 로가는흐름으로분기된다. 우선, 제 2 열교환기 (30) 를통과하고, 상기제 2 열교환기 (30) 를통과한배기가스흐름은히터 (31) 에의해서이산화탄소와수증기로분리된다. 분리된수증기는송풍기 (32) 에의해서제 2 열교환기 (30) 로유입되고, 여기서승온된후삼방밸브 (34) 에서순산소연소기 (10) 방향또는트리-리포머 (16) 방향으로흐름이조절된다. 상기삼방밸브 (34) 에서트리-리포머 (16) 방향으로흐르는흐름은다시혼합기 (14) 로유입되는데, 상기혼합기 (14) 는상기히터 (31) 에서분리된이산화탄소와혼합되어서제 1 열교환기 (11) 에서승온된후트리-리포머 (16) 로공급된다. 트리-리포머 (16) 는작동온도가약 800~900, 작동압력이 5bar으로실시예 1에서언급한드라이-리포머 (15) 보다도높은온도와압력에서작동이되는바, 제 1 열교환기 (11) 에서수증기및이산화탄소가충분히승온된후트리-리포머 (16) 로공급되어야한다. 다음으로, 공전해기 (60) 로가는흐름은배기가스중의이산화탄소와수증기가함께전해하여합성가스와산소로 - 10 -
전환되는공전해 (Coelectrolysis) 공정을거친다. [0069] [0070] [0071] 공전해기 (60) 에서생산되는산소는혼합기 (62) 에서, ITM(20) 에서분리된산소와혼합되고, 삼방밸브 (35) 에의해서순산소연소기 (10) 또는트리-리포머 (16) 로공급된다. ITM(20) 에서분리된산소의온도는트리리포밍의반응온도인 850 에대략적으로부합하여열교환기를거치지않고공급될수있다. 트리-리포머 (16) 또는공전해기 (60) 에서생성된일산화탄소와수소는합성기 (50) 를거쳐서메탄올 (Methanol) 또는케톤 (Ketone) 또는카보네이트 (Carbonate) 등과같은새로운연료나유용한화학물질로전환및합성될수있다. [0072] [0073] [0074] 도 4는본발명에따른제 3 실시예의시스템구성도를나타낸것이다. [ 실시예 3] 실시예 3은크게, 공기중산소를분리하는 ITM(20), 순산소연소기 (10) 의외벽에순산소연소반응을통하여생성된고농도의이산화탄소를합성가스 (CO, H 2 ) 로변환시켜주는드라이-리포머 (41) 를배치시킨통합반응기 (40), 열 과전기에너지를가하여이산화탄소와수증기를합성가스와산소로전환해주는공전해기 (60), 그리고합성가스 를메탄올등으로변환시켜주는합성기 (50) 등으로구성된다. [0075] [0076] [0077] [0078] [0079] [0080] [0081] [0082] [0083] 종래의순산소연소기는산소를산화제로이용하여단일화염온도가높아연소기의외벽손상을가져오므로이를막기위해서수증기를유입시켜연소온도를낮추는형태로반응을진행시켰다. 이경우수증기를생성시키기위한열원이있어야할뿐만아니라수증기를구동시키기위한별도의펌프동력이필요하게되어시스템구성이복잡해지고, 전체적인시스템효율이떨어지는문제가있었다. 이에본실시예 3에서는원통형의순산소연소기 (10) 의외벽에드라이-리포머 (41) 를통합하여통합반응기 (40) 를본시스템에도입하였다. 이를통해서순산소연소기 (10) 에서생성되는열이드라이-리포머 (41) 전달되어순산소연소기 (10) 의단열화염온도를낮춰줄수있어기존의순산소연소기에비해서유입되는수증기의양이줄어들어수증기를생성시키기위한열및펌프의소모동력을감소시킬수있으며, 시스템의구성을간략하게할수도있다. 순산소연소기 (10) 에서는식 (1) 과같은반응후에배기가스로이산화탄소와수증기 ( 또는산소 ) 를배출한다. 배출된배기가스는터빈 (12) 을구동시키고, 터빈 (12) 과동일축에연결된발전기 (13) 에서전기를생산한다. 터빈 (12) 을통과한배기가스는삼방밸브 (61) 의의해서공전해기 (60) 로가는흐름과제 2 열교환기 (30) 로가는흐름으로분기된다. 우선, 제 2 열교환기 (30) 로가는흐름은제 2 열교환기 (30) 를통과하고, 히터 (31) 에의해서이산화탄소와수증기로분리된다. 분리된수증기는송풍기 (32) 에의해서다시제 2 열교환기 (30) 로유입되고, 승온된후다시순산소연소기 (10) 로순환된다. 순산소연소기 (10) 로유입되기전에삼방밸브 (34) 에서유량을조절할수도있다. 분리된이산화탄소는드라이-리포머 (41) 로공급되는데, 공급된이산화탄소와외부에서유입되는천연가스가식 (2) 의드라이개질반응을통해서합성가스 ( 일산화탄소, 수소 ) 를생성한다. 다음으로, 공전해기 (60) 로가는흐름은배기가스중의이산화탄소와수증기가함께전해하여합성가스와산소로전환되는공전해 (Coelectrolysis) 공정을거친다. 공전해기 (60) 에서생산되는산소는혼합기 (62) 에서, ITM(20) 에서분리된산소와혼합되어서순산소연소기 (10) 로공급된다. 드라이-리포머 (41) 또는공전해기 (60) 에서생성된일산화탄소와수소는합성기 (50) 를거쳐서메탄올 (Methanol) 또는케톤 (Ketone) 또는카보네이트 (Carbonate) 등과같은새로운연료나유용한화학물질로전환및합성될수있다. 순산소연소기 (10) 와드라이-리포머 (41) 를통합시킨통합반응기 (40) 의도입으로시스템의구성이더간단해지는효과를얻을수있다. - 11 -
[0084] [0085] [0086] [0087] [0088] [0089] [0090] [0091] [0092] [0093] [0094] [0095] 도 5는본발명에따른제 4 실시예의시스템구성도를나타낸것이다. [ 실시예 4] 실시예 4은크게, 공기중산소를분리하는 ITM(20), 순산소연소기 (10) 의외벽에트리-리포머 (42) 를배치시킨통합반응기 (40), 열과전기에너지를가하여이산화탄소와수증기를합성가스와산소로전환해주는공전해기 (60), 그리고합성가스를메탄올등으로변환시켜주는합성기 (50) 등으로구성된다. ITM(20) 에서분리된산소는삼방밸브 (22) 에의해서순산소연소기 (10) 또는트리-리포머 (42) 로공급된다. ITM(20) 에서분리된산소를산화제로순산소연소기 (10) 에서순산소연소반응을하고이산화탄소와수증기 ( 또는산소 ) 를배기가스로배출한다. 배출된배기가스는터빈 (12) 을구동시키고상기터빈 (12) 과동일축에있는발전기 (13) 에의해서전기를생산할수도있다. 상기터빈 (12) 을통과한배기가스는삼방밸브 (61) 에서제 2 열교환기 (30) 로가는흐름과공전해기 (60) 로가는흐름으로분기된다. 우선, 제 2 열교환기 (30) 를통과하고, 상기제 2 열교환기 (30) 를통과한배기가스흐름은히터 (31) 에의해서이산화탄소와수증기로분리된다. 분리된이산화탄소는트리-리포머 (42) 로공급되어서식 (3) 에나타난삼중개질반응을하게된다. 분리된수증기는송풍기 (32) 에의해서다시제 1 열교환기 (30) 로유입되고, 제 1 열교환기 (30) 에서승온된수증기는트리-리포머 (42) 또는순산소연소기 (10) 방향으로흐르게된다. 상기흐름을조절하는삼방밸브 (34) 가더구비될수도있다. 다음으로, 공전해기 (60) 로가는흐름은배기가스중의이산화탄소와수증기가함께전해하여합성가스와산소로전환되는공전해 (Coelectrolysis) 공정을거친다. 공전해기 (60) 에서생산되는산소는혼합기 (62) 에서, ITM(20) 에서분리된산소와혼합되고, 삼방밸브 (35) 에의해서순산소연소기 (10) 또는트리-리포머 (42) 로공급된다. 트리-리포머 (42) 에서는삼중개질반응이일어나는데, 외부에서공급받는천연가스와히터 (31) 에서분리된이산화탄소, 제 1 열교환기를통과한수증기, ITM(20) 에서분리된산소를공급받아서개질반응이이루어진다. 실시예 3에서나타난드라이개질반응과달리삼중개질반응은수증기와산소의공급이부가적으로필요하여본시스템과같이흐름을구성하였다. 트리-리포머 (42) 또는공전해기 (60) 에서생성된일산화탄소와수소는합성기 (50) 를거쳐서메탄올 (Methanol) 또는케톤 (Ketone) 또는카보네이트 (Carbonate) 등과같은새로운연료나유용한화학물질로전환및합성될수있다. [0096] 이상의설명은본발명의기술사상을예시적으로설명한것에불과한것으로서, 본발명이속하는기술분야에서통상의지식을가진자라면본발명의본질적인특성에서벗어나지않는범위에서다양한수정및변형이가능할것이다. 따라서, 본발명에개시된실시예들은본발명의기술사상을한정하기위한것이아니라설명하기위한것이고, 이러한실시예에의하여본발명의기술사상의범위가한정되는것은아니다. 본발명의보호범위는아래청구범위에의하여해석되어야하며, 그와동등한범위내에있는모든기술사상은본발명의권리범위에포함되는것으로해석되어야할것이다. [0097] 부호의설명 1: 순산소연소기 2: ASU 3: 터빈 4: 열교환기 5: 히터 6: 송풍기 7: 발전기 10: 순산소연소기 11: 제 1 열교환기 12: 터빈 - 12 -
13: 발전기 14: 혼합기 15: 드라이-리포머 16: 트리-리포머 20: ITM 21: 히터 22: 삼방밸브 30: 제 2 열교환기 31: 히터 32: 송풍기 34: 삼방밸브 35: 삼방밸브 40: 통합반응기 41: 드라이-리포머 42: 트리-리포머 50: 합성기 60: 공전해기 61: 삼방밸브 62: 혼합기 도면 도면 1-13 -
도면 2-14 -
도면 3-15 -
도면 4-16 -
도면 5-17 -