KR102399818B1 - High Concentration Hydrogen-Methane Gas Generation Reactor System by Hydrothermal Gasification(HTG) and Electromethanogenesis Cell(EMC) Technology - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 촉매를 사용하여 비교적 저온에서(300 내지 450℃) 수열가스화 반응이 가능하게 함으로써 바이오매스로부터 수소와 메탄을 생산하면서, 수열가스화 반응에서 부산물로 생산되는 이산화탄소를 전기메탄화셀(EMC) 반응에 의하여 메탄으로 합성시킴으로써 고농도의 수소-메탄 합성 가스 생산을 가능하게 해주는 반응로 시스템에 관한 것이다.The present invention uses a catalyst to enable hydrothermal gasification at a relatively low temperature (300 to 450° C.) to produce hydrogen and methane from biomass, while electromethanization cell (EMC) reaction of carbon dioxide produced as a by-product in hydrothermal gasification It relates to a reactor system that enables the production of high-concentration hydrogen-methane synthesis gas by synthesizing it with methane.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 발명과 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.The content described below merely provides background information related to the present invention and does not constitute the prior art.
일상생활에서 발생하는 다양한 종류의 바이오매스나 유기성 폐기물에 대한 친환경적인 처리 및 에너지화에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.A lot of research on eco-friendly treatment and energy conversion of various types of biomass or organic waste generated in daily life is being conducted.
바이오매스라 함은 본래 광합성 작용으로 생성되는 모든 식물 자원을 말하는 데, 그중에서 목질계 바이오매스는 각종 목재 및 부산물, 폐목재, 미활용산림바이오매스를 의미하며, 기타 유기성 폐기물은, 버섯배지, 채소, 과일 등 농업 폐기물; 해초, 미역 등 수산 폐기물; 정원 폐기물 등 생활 폐기물; 등을 의미한다.Biomass refers to all plant resources originally generated by photosynthesis. Among them, lignocellulosic biomass refers to various types of wood, by-products, waste wood, and unused forest biomass, and other organic wastes include mushroom medium, vegetables , agricultural waste such as fruits; aquatic waste such as seaweed and seaweed; household waste, such as garden waste; means etc.
본 발명에서는 상기 목질계 바이오매스 폐기물에 기타 유기성 폐기물을 포함시켜 폐목질계 바이오매스라고 지칭하기로 한다.In the present invention, other organic wastes are included in the lignocellulosic biomass waste to be referred to as waste lignocellulosic biomass.
이러한 폐목질계 바이오매스를 활용하기 위한 다양한 방법들이 시도되고 있는데, 가장 대표적인 것은 에너지화 하는 기술 및 연료화 하는 기술이다.Various methods have been tried to utilize such waste wood-based biomass, and the most representative ones are energy conversion technology and fuel conversion technology.
이러한 기술에는, 소각을 통한 에너지 회수 기술, 건조 혹은 습식 수열탄화를 통한 연료화 기술, 저온/고온 열분해, 혐기성 소화조, 그리고 수열가스화 반응을 통한 가스 연료 생산 기술 등이 있다.These technologies include energy recovery technology through incineration, fuel conversion technology through dry or wet hydrothermal carbonization, low/high temperature pyrolysis, anaerobic digester, and gas fuel production technology through hydrothermal gasification reaction.
열분해 기술은, 생성된 가스를 직접 연소하는 방법으로 많이 활용되고 있으나, 연소 후에도 여전히 챠콜 같은 잔재물이 남고 수분이 많은 유기성 폐기물은 우선 건조를 해야 기술 적용이 가능하다는 문제점이 있다.Although the pyrolysis technology is widely used as a method of directly burning the generated gas, there is a problem in that the organic waste with a lot of moisture and residues such as charcoal still remains after combustion, and the technology must be dried first.
혐기성 소화조 기술은, 메탄을 생산해서 가스 엔진의 연료로 활용하거나 전기 생산 등에 활용할 수 있으나, 가스 생산 기간이 짧게는 몇 주에서 길게는 한 달 이상 걸리는 문제점이 있다.Anaerobic digester technology can produce methane and use it as a fuel for a gas engine or use it for electricity production, but there is a problem in that the gas production period is short from a few weeks to a long one month or more.
수열가스화 반응 기술은, 임계 이상의 조건 (374℃ 이상), 즉 초임계수 상태에서 수소를 생산할 수 있는 기술로서 향후 상용화를 위해 많은 연구가 필요한 기초 연구 단계이다. 그동안 수열탄화 기술을 이용한 고형 연료화 연구는 많이 진행되고 상용화 단계까지 이르렀으나 수열액화 혹은 수열가스화 기술은 지극히 기초적인 실험실 수준에 머무르고 있어 그 적용이 어려운 문제점이 있다.Hydrothermal gasification reaction technology is a basic research stage that requires a lot of research for commercialization in the future as a technology capable of producing hydrogen under critical conditions (374° C. or higher), that is, in a supercritical water state. In the meantime, research on solid fuel conversion using hydrothermal carbonization technology has progressed a lot and has reached the commercialization stage, but hydrothermal liquefaction or hydrothermal gasification technology remains at the very basic laboratory level, so it is difficult to apply it.
한편, 수소는 생산하는 방식에 따라 천연가스를 개질하는 개질 수소와 정유공장의 부산물로 생성되는 부생 수소로 대변되는 그레이 수소, 그레이 수소의 생산 중에 나오는 이산화탄소를 포집 및 저장해서 온실 가스를 줄여주는 블루 수소, 재생에너지 전력으로 수전해를 통해 생산하는 그린 수소로 나누어진다.On the other hand, according to the production method, gray hydrogen, which is represented by reformed hydrogen that reforms natural gas and by-product hydrogen produced as a by-product of an oil refinery, is blue, which reduces greenhouse gas by capturing and storing carbon dioxide emitted during the production of gray hydrogen. Hydrogen is divided into green hydrogen produced through water electrolysis as renewable energy power.
이중 그린 수소가 가장 친환경적이지만 수전해 기술 자체가 높은 비용을 요구하고 있는 문제점이 있다. 그레이 수소 중 부생 수소 생산 방법은 당장 적용이 가능한 수소 생산 방법이지만, 수소 1톤 생산에 10톤의 이산화탄소를 배출하는 대단히 반환경적인 기술이라는 문제점이 있다. Among them, green hydrogen is the most environmentally friendly, but the water electrolysis technology itself has a problem that requires a high cost. The by-product hydrogen production method among gray hydrogen is a hydrogen production method that can be applied immediately, but it has a problem of being a very eco-friendly technology that emits 10 tons of carbon dioxide for 1 ton of hydrogen production.
현재 수소 생산 방법 중 가장 보편적으로 사용하는 방법은 개질 수소 방식이다. 개질 수소는 대부분 메탄(CH4)의 C1-chemistry부터 개질(리포밍)을 통한 수소생산을 하는데 수증기 촉매 개질, 촉매 및 무촉매 부분산화, 이산화탄소 개질, 열분해 등의 기술이 있으며 그중에서 생산량이나 경제성 측면에서 수증기 촉매 개질이 가장 일반적으로 사용되고 있다.Currently, the most commonly used method of hydrogen production is the reformed hydrogen method. Most of the reformed hydrogen produces hydrogen through reforming (reforming) from C1-chemistry of methane (CH4), and there are technologies such as steam catalytic reforming, catalytic and non-catalytic partial oxidation, carbon dioxide reforming, and thermal decomposition. Steam catalytic reforming is the most commonly used in
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 폐목질계 바이오매스에서 가스화를 위해 기존의 열분해 기술이 할 수 없었던 습식 공정으로, 그리고 혐기성 소화조 보다 훨씬 짧은 시간인 1 내지 2시간 내에, 고체 촉매를 사용하여 기존의 수열가스화처럼 높은 초초임계 상태로 올리지 않고 300℃ 내지 450℃의 초임계 상태에서 메탄과 수소를 생산할 수 있는 수열가스화(HTG) 시스템을 제공하기 위한 것이다.The problem to be solved by the present invention is a wet process that conventional pyrolysis technology could not do for gasification from waste wood-based biomass, and within 1 to 2 hours, which is much shorter than an anaerobic digester, using a solid catalyst. It is to provide a hydrothermal gasification (HTG) system capable of producing methane and hydrogen in a supercritical state of 300° C. to 450° C. without raising it to a high supercritical state like hydrothermal gasification of.
기존의 수열가스화 반응의 700 내지 800℃의 초초임계에서만 가능했던 문제점을 해결하기 위하여, 고체 촉매를 사용하고 고체 촉매와 반응물이 충분히 반응할 수 있도록 혼합시킴으로써 수열가스화 반응 온도를 450℃ 이하로 낮춰줄 수 있는 고체 촉매를 적용하는 수열가스화(HTG) 시스템을 제공하기 위한 것이다.In order to solve the problem that was only possible at the supercritical temperature of 700 to 800 ° C of the existing hydrothermal gasification reaction, by using a solid catalyst and mixing the solid catalyst and reactants to sufficiently react, the hydrothermal gasification reaction temperature can be lowered to 450 ° C or less. It is to provide a hydrothermal gasification (HTG) system to which a solid catalyst is applied.
또한 수열가스화(HTG) 반응에 의해 생산되는 가스의 거의 50% 정도가 부산물인 이산화탄소(CO2)이므로 이를 연소 가능한 바이오가스인 메탄으로 합성해야 하는 문제점을 해결하기 위하여, 수열가스화(HTG) 시스템에 에너지 소비가 적으면서도 이산화탄소의 대부분을 메탄으로 바꾸어 줄 수 있는 전기메탄화셀(EMC)을 결합시키면서 이와 동시에 1시간 이내의 빠른 반응시간을 갖는 수열가스화 반응에 비하여 반응시간이 느린 전기메탄화셀(EMC)의 메탄화 반응을 빠르게 할 수 있는 개량된 전기메탄화셀(EMC) 시스템을 제공하기 위한 것이다.In addition, since approximately 50% of the gas produced by the hydrothermal gasification (HTG) reaction is carbon dioxide (CO 2 ) as a by-product, in order to solve the problem of synthesizing it into methane, which is a combustible biogas, in the hydrothermal gasification (HTG) system Electro-methanization cell (EMC), which consumes less energy and combines an electromethanization cell (EMC) that can convert most of carbon dioxide into methane, and at the same time has a slow reaction time compared to hydrothermal gasification, which has a fast reaction time of less than 1 hour It is to provide an improved electromethanization cell (EMC) system that can speed up the methanation reaction of
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명을 통해 달성한 수열가스화(HTG) 및 전기메탄화셀(EMC) 기술을 활용한 고농도 수소-메탄 가스 생산 반응로 시스템은, 크게 보아 4개의 시스템으로 구성되어 있다.In order to achieve the above object, the high-concentration hydrogen-methane gas production reactor system utilizing the hydrothermal gasification (HTG) and electro-methanization cell (EMC) technology achieved through the present invention is largely composed of four systems.
즉, 첫째, 수열가스화(HTG: Hydrothermal Gasification) 시스템, 둘째, 가스분리 멤브레인 시스템, 셋째, 전기메탄화셀(EMC: Electromethanegenesis Cell) 시스템, 넷째, 수소-메탄 혼합가스 저장조 시스템으로 구성되어 있다. That is, first, it is composed of a hydrothermal gasification (HTG) system, second, a gas separation membrane system, third, an electromethanegenesis cell (EMC) system, and fourth, a hydrogen-methane mixed gas storage system.
먼저, 수열가스화(HTG) 시스템은, 수열가스화 본체부; 상기 수열가스화 본체부로 폐목질계 바이오매스를 공급하는 원료공급부; 상기 수열가스화 본체부 내측에 설치된 회전형 분사노즐을 통해 산화제를 공급하는 산화제 공급부; 및 제어부;를 포함하는 것이다. 더욱 자세하게는, 수열가스화(HTG) 시스템은, 폐목질계 바이오매스를 0.5mm 이하 크기로 분쇄하는 분쇄기, 원료 공급 컨베이어, 물 공급장치를 비롯한 전처리 공급장치, 그리고 수열가스화(HTG) 반응로에 에너지를 공급하기 위한 증기보일러 혹은 열선같은 에너지 공급장치, 분쇄된 원료를 물과 잘 혼합하여 80 내지 90% 함수율을 유지한 채 400 내지 450℃로 최대 1시간 가온 가압하는 고체 촉매가 장착된 수열가스화(HTG) 반응로와 그리고 반응 후 남은 바이오차(biochar)를 거두는 저장조로 구성되어 있다.First, a hydrothermal gasification (HTG) system includes a hydrothermal gasification body; a raw material supply unit for supplying waste wood-based biomass to the hydrothermal gasification body; an oxidizing agent supply unit for supplying an oxidizing agent through a rotary injection nozzle installed inside the hydrothermal gasification body; and a control unit. More specifically, the hydrothermal gasification (HTG) system is a pulverizer that pulverizes waste wood-based biomass to a size of 0.5 mm or less, a raw material supply conveyor, a pretreatment supply device including a water supply device, and energy to a hydrothermal gasification (HTG) reactor. Hydrothermal gasification with a solid catalyst equipped with an energy supply device such as a steam boiler or hot wire to supply It consists of a HTG) reactor and a storage tank that collects the remaining biochar after the reaction.
둘째, 가스 분리 멤브레인 시스템은, 수열가스화 시스템에서 생성된 수소, 메탄, 이산화탄소 등의 혼합가스를 받아서 이산화탄소만 선택적으로 분리해서 전기메탄화셀(EMC) 시스템으로 공급하고 수소와 메탄 혼합가스는 수소-메탄 혼합가스 저장조 시스템으로 보내는 것으로서, 가스 분리 멤브레인은 수열가스화(HTG) 반응을 통해 생성된 수소, 메탄, 이산화탄소, 그리고 일산화탄소를 비롯한 소량의 기타 가스들을 열교환기를 통해 온도를 낮춰주고 그중에서 이산화탄소를 분리해서 소형 펌프를 통해서 전기메탄화셀(EMC)로 보낸다. 이때 고분자 멤브레인을 주로 이용하고 수소와 메탄의 혼합가스는 별도의 저장장치에 함께 저장해둔다.Second, the gas separation membrane system receives a mixed gas such as hydrogen, methane, and carbon dioxide generated in the hydrothermal gasification system, selectively separates only carbon dioxide, and supplies it to the electromethanization cell (EMC) system, and the hydrogen and methane mixed gas is hydrogen-methane As sent to the mixed gas storage system, the gas separation membrane lowers the temperature of hydrogen, methane, carbon dioxide, and carbon monoxide and other small amounts of other gases produced through the hydrothermal gasification (HTG) reaction through a heat exchanger, and separates carbon dioxide from it to make it smaller. It is pumped through the electromethanization cell (EMC). In this case, a polymer membrane is mainly used, and the mixed gas of hydrogen and methane is stored together in a separate storage device.
셋째, 전기메탄화셀(EMC) 시스템은, 가스분리 멤브레인 시스템에서 공급받은 이산화탄소를 메탄으로 변환시켜서 상기 수소-메탄 혼합가스 저장조 시스템으로 보내는 것으로서, 비생물성산화전극(Abiotic Anode)과 생물환원전극(Biocathode) 및 외부전기공급장치를 구비한 것이다. 전기메탄화셀(EMC)은 우선 물로 채우는데 크게 전기분해에 의해 물에서 수소 양이온(H+)을 생산해내는 비생물성산화전극(Abiotic Anode)과 산소공급을 차단한 채 미생물을 넣어 일종의 촉매제로 사용하여 비생물성산화전극(Abiotic Anode)에서 생성된 수소 양이온(H+)과 외부에서 공급된 전자(e-)를 결합하여 수소로 만들고 이 수소를 생성가스 분리 멤브레인에서 공급된 이산화탄소와 결합시켜서 메탄으로 변환시키는 생물환원전극(Biocathode), 그리고 이 전극들 사이에서 수소 양이온(H+)만 비생물성산화전극(Abiotic Anode)에서 생물환원전극(Biocathode)으로 통과시켜주는 수소이온선택적분리막(PEM : Proton Exchange Membrane), 그리고 외부에서 낮은 전압으로 전류를 공급하는 전류 공급장치로 구성되어 있다. 전기메탄화셀(EMC)에서 환원된 메탄 가스는 가스분리 멤브레인에 연결된 수소-메탄 혼합가스 저장조에 저장한다. 상기 전기메탄화셀에서 생성된 산소와 물을 각각 수열가스화 반응로의 산화제/유동화제 및 바이오환원전극의 반응액으로 사용할 수 있다. 전기메탄화셀(EMC)의 반응시간은 보통 24시간 이상 걸려서 반응시간이 1시간 이내인 수열가스화(HTG) 반응로에서 생성되는 가스를 받기에 적당하지 않으므로 여러 개의 전기메탄화셀(EMC) 스택(stack)을 쌓아 분리 가스 멤브레인과 병렬로 연결한다.Third, the electromethanization cell (EMC) system converts the carbon dioxide supplied from the gas separation membrane system into methane and sends it to the hydrogen-methane mixed gas storage system. An abiotic anode and a bioreduction electrode ( Biocathode) and an external electricity supply device. The electromethanization cell (EMC) is first filled with water. The abiotic anode, which produces hydrogen cations (H+) from water by electrolysis, and microorganisms while blocking the oxygen supply are used as a kind of catalyst. Hydrogen cations (H+) generated at the abiotic anode are combined with electrons (e-) supplied from the outside to make hydrogen, and this hydrogen is combined with carbon dioxide supplied from the product gas separation membrane to convert it to methane a biocathode, and a hydrogen ion selective separation membrane (PEM: Proton Exchange Membrane) that allows only hydrogen cations (H+) to pass from the abiotic anode to the biocathode between these electrodes. ), and a current supply that supplies current at a low voltage from the outside. The methane gas reduced in the electromethanization cell (EMC) is stored in a hydrogen-methane mixed gas storage tank connected to a gas separation membrane. Oxygen and water generated in the electromethanization cell may be used as an oxidizing agent/fluidizing agent in a hydrothermal gasification reactor and a reaction solution in a bioreduction electrode, respectively. The reaction time of an electromethanization cell (EMC) is usually more than 24 hours, which is not suitable for receiving the gas generated in a hydrothermal gasification (HTG) reactor with a reaction time of less than 1 hour. ) and connect in parallel with the separation gas membrane.
필요에 따라 수열가스화(HTG)의 온도와 압력을 조정하는 제어부, 가스 분리 멤브레인 후단 가스 공급 펌프 제어부, 전기메탄화셀(EMC) 전류공급장치 제어부, 전기메탄화셀(EMC) 스택(stack)을 제어하는 제어부 등이 설치된다.A control unit that adjusts the temperature and pressure of hydrothermal gasification (HTG) as needed, a gas supply pump control unit after the gas separation membrane, an electromethanization cell (EMC) current supply unit control unit, an electromethanization cell (EMC) stack A control unit is installed.
상기 원료공급부에서 공급되는 폐목질계 바이오매스는, 각종 목재 및 부산물, 폐목재, 미활용산림바이오매스 등 목질계 바이오매스 폐기물을 포함하는 것이다. 그리고, 편의상 폐목질계 바이오매스는, 버섯배지, 채소, 과일 등 농업 폐기물; 해초, 미역 등 수산 폐기물; 정원 폐기물 등 생활 폐기물;을 포함하는 유기성 폐기물을 포함하는 것으로 한다.The waste wood-based biomass supplied from the raw material supply unit includes wood-based biomass wastes such as various types of wood and by-products, waste wood, and unused forest biomass. And, for convenience, the waste wood-based biomass is agricultural waste such as mushroom medium, vegetables, and fruits; aquatic waste such as seaweed and seaweed; Household waste such as garden waste; shall include organic waste including;
상기 수열가스화(HTG: Hydrothermal Gasification) 반응영역은 열역학 상평형에서 초임계수(400℃ 내지 450℃)를 활용하는 것을 특징으로 한다. 니켈(Ni) 촉매 등을 활용한 가스화 공정은 아래와 같다.The hydrothermal gasification (HTG) reaction region is characterized by utilizing supercritical water (400° C. to 450° C.) in thermodynamic phase equilibrium. The gasification process using a nickel (Ni) catalyst, etc. is as follows.
셀룰로즈 ---(분해)--> 수용성액화물 --(가스화/Ni)--> 가스(H2 + CO2) Cellulose ---(decomposition)--> aqueous liquid --(gasification/Ni)--> gas (H 2 + CO 2 )
--(메탄화/Ni)--> 가스(CH4 + CO2)--(Methanation/Ni)--> Gas (CH 4 + CO 2 )
상기 메탄균(methane bacteria) 등 박테리아와 외부 전기 공급에 의한 전기분해 반응을 이용하는 전기메탄화셀(EMC) 반응을 통한 이산화탄소의 메탄화 반응은 아래와 같다.The methanation reaction of carbon dioxide through the electromethanization cell (EMC) reaction using the electrolysis reaction by external electricity supply with bacteria such as methane bacteria is as follows.
Abiotic Anode: 4H2O <--> 8H+ + 2O2 Abiotic Anode: 4H 2 O <--> 8H + + 2O 2
미생물: 8H+ + 8e- <--> 4H2 Microorganism: 8H+ + 8e-<--> 4H2
Biocathode: CO2 + 8H+ + 8e- <--> CH4 + 2H2O Biocathode: CO 2 + 8H + + 8e - <--> CH 4 + 2H 2 O
본 발명의 실시예에서, 폐목질계 바이오매스로부터 생산되는 수소(35%)와 메탄(55%) 혼합 가스는 복합화력발전소에서 사용하는 LNG와 혼합하여 사용할 수 있으며, 이 혼합 가스는 신재생에너지 의무할당제(RPS: Renewable Portfolio Standard)에 의한 신재생에너지 의무 사용 비율이 2023년까지 10%로 높아지고 그 이후에도 지속적으로 높아지는 추세에 따라 기존의 화석연료를 근간으로 하는 LNG 연료를 줄임과 동시에 RPS 규정 또한 충족시키는 효과를 나타내는 것이다.In an embodiment of the present invention, a mixed gas of hydrogen (35%) and methane (55%) produced from waste wood-based biomass may be mixed with LNG used in a combined cycle power plant, and this mixed gas is renewable energy As the mandatory use of renewable energy according to the Renewable Portfolio Standard (RPS) will increase to 10% by 2023 and continue to rise thereafter, the LNG fuel based on the existing fossil fuel will be reduced and the RPS regulation will also be applied. It shows a satisfying effect.
또한, 폐목질계 바이오매스 등의 폐자원을 활용하여 수소 및 메탄을 생산할 수 있는 효과를 나타낼 뿐 아니라, 추가로 이산화탄소를 공급하여 이를 메탄화함으로써 그린 수소에 가까운 친환경 수소 및 메탄 생산 방법을 제공하는 효과를 나타내는 것이다.In addition, it exhibits the effect of producing hydrogen and methane by using waste resources such as waste wood-based biomass, and provides an eco-friendly hydrogen and methane production method close to green hydrogen by supplying additional carbon dioxide and methanating it. to indicate the effect.
그리고, 본 발명을 통해 단 몇 시간이면 폐목질계 바이오매스가 처리되는 수열가스화(HTG) 및 전기메탄화셀(EMC) 기술을 활용한 고농도 수소-메탄 가스 생산 반응로 시스템은, 현재 폐목질계 바이오매스를 처리하는데 수 주일씩 시간이 필요한 혐기성 소화조를 대체할 수 있는 효과를 제공하는 것이다.In addition, the high-concentration hydrogen-methane gas production reactor system using hydrothermal gasification (HTG) and electromethanization cell (EMC) technology, in which waste wood-based biomass is treated in just a few hours through the present invention, is currently It is to provide an effect that can replace the anaerobic digester that takes several weeks to process the mass.
또한, 수소 생산에만 목적을 두는 경우에는 메탄과 함께 생산되는 이산화탄소(CO2)를 함께 반응시켜 합성가스화 함으로써 메탄과 일산화탄소를 이용한 Water-Gas Shift 방식의 추가 수소 생산이 가능하게 되는 효과를 나타내는 것으로서, 이렇게 생산된 수소는 산업용으로 사용이 가능할 뿐 아니라, PSA(Pressure Swing Adsorption) 장치 등을 통해 고순도의 수소 생산이 가능하게 되는 효과를 나타내는 것이다.In addition, if the purpose is only to produce hydrogen, carbon dioxide (CO 2 ) produced together with methane is reacted to form synthesis gas, thereby enabling additional hydrogen production in the Water-Gas Shift method using methane and carbon monoxide. The hydrogen produced in this way can be used not only for industrial purposes, but also has the effect of enabling the production of high-purity hydrogen through a PSA (Pressure Swing Adsorption) device.
그리고, 본 발명에서 수소의 원료가 되는 폐목질계 바이오매스는 처리비용을 오히려 받을 수 있어서 수소 생산비용을 크게 낮출 수 있는 효과를 나타내는 것인바, 구체적으로는 현재 가장 흔한 수소 생산 방식인 천연가스를 개질해서 사용하는 스팀 개질 방식은 총 수소 생산비가 kg당 8,000원 정도인 것인데 비하여 본 발명에서 제안하는 수열가스화(HTG) 및 전기메탄화셀(EMC) 기술을 활용한 고농도 수소-메탄 가스 생산 반응로 시스템을 이용한 폐목질계 바이오매스로부터의 수소생산은 생산 단가를 1000원/kg 정도로 낮출 수 있는 결정적인 계기를 제공하는 효과를 나타내는 것이다.And, in the present invention, the waste wood-based biomass, which is a raw material for hydrogen, can rather receive a treatment cost, thereby exhibiting the effect of significantly lowering the hydrogen production cost. Specifically, natural gas, the most common hydrogen production method at present In the steam reforming method used for reforming, the total hydrogen production cost is about 8,000 won per kg, but the high-concentration hydrogen-methane gas production reactor system using the hydrothermal gasification (HTG) and electromethanization cell (EMC) technologies proposed in the present invention Hydrogen production from waste lignocellulosic biomass using
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수열가스화(HTG) 및 전기메탄화셀(EMC) 기술을 활용한 고농도 수소-메탄 가스 생산 반응로 시스템의 전체 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수열가스화(HTG) 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 수열가스화(HTG) 본체부의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 전기메탄화셀(EMC) 시스템의 구성도이다.1 is an overall configuration diagram of a high-concentration hydrogen-methane gas production reactor system using hydrothermal gasification (HTG) and electromethanization cell (EMC) technology according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram of a hydrothermal gasification (HTG) system according to an embodiment of the present invention.
3 is a block diagram of a hydrothermal gasification (HTG) body according to an embodiment of the present invention.
4 is a block diagram of an electromethanization cell (EMC) system according to an embodiment of the present invention.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them. However, the present invention may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part "includes" a certain element, it means that other elements may be further included, rather than excluding other elements, unless otherwise stated.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수열가스화(HTG) 및 전기메탄화셀(EMC) 기술을 활용한 고농도 수소-메탄 가스 생산 반응로 시스템은 폐목질계 바이오매스를 원료로 이용하는 것으로서, 수열가스화(HTG) 시스템(100)과, 가스분리 멤브레인 시스템(200)과, 전기메탄화셀(EMC) 시스템(300) 및 수소-메탄 혼합가스 저장조 시스템(400)을 포함하는 것이다.1, the high-concentration hydrogen-methane gas production reactor system using hydrothermal gasification (HTG) and electromethanization cell (EMC) technology according to an embodiment of the present invention uses waste wood-based biomass as a raw material, It will include a hydrothermal gasification (HTG)
아래에서 더욱 자세하게 설명한다.It will be described in more detail below.
첫째, 상기 수열가스화(HTG) 시스템(100)은, 폐목질계 바이오매스를 외부에너지(전기에너지나 또는 스팀) 공급을 받아 수열가스화(HTG)할 수 있는 시스템으로서 수소(H2) 30 내지 35%, 메탄(CH4) (10 내지 15%), 이산화탄소(CO2) 40 내지 45%를 생산하며, 최종 반응 후 바이오차(biochar)가 수열가스화(HTG) 시스템(100)에서 배출된다.First, the hydrothermal gasification (HTG)
둘째, 상기 가스 분리 멤브레인 시스템(200)은, 상기 수열가스화(HTG) 시스템(100)에서 생성된 수소, 메탄, 이산화탄소 등의 혼합가스를 받아서 이산화탄소만 선택적으로 분리해서 전기메탄화셀(EMC) 시스템(300)으로 공급하고 수소와 메탄 혼합가스는 수소-메탄 혼합가스 저장조 시스템(400)으로 보내 저장한다.Second, the gas
셋째, 상기 전기메탄화셀(EMC) 시스템(300)은, 상기 가스분리 멤브레인 시스템(200)에서 공급받은 이산화탄소를 메탄으로 변환시켜서 상기 수소-메탄 혼합가스 저장조 시스템(400)으로 보내는 것으로서 비생물성산화전극(Abiotic Anode)(34)과 생물환원전극(Biocathode)(33), 및 전기공급장치(35)를 포함하는 것으로서, 외부에서 전기 에너지를 공급하여 한꺼번에 40-45%의 이산화탄소를 35-40% 메탄으로 바꾸어주는 전기메탄화셀(EMC)(31)은 많은 양의 이산화탄소를 한꺼번에 처리할 수 있도록 병렬형 스택으로 구성되어 있고 생산된 메탄은 수소-메탄 혼합가스 저장조 시스템(400)으로 보낸다. Third, the electromethanization cell (EMC)
도 2와 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 수열가스화(HTG) 시스템은, 폐목질계 바이오매스를 원료로 이용하고 내부에 수열가스화를 하는 반응기 본체부(110)를 구비하는 수열가스화 반응기 시스템으로서, 반응로(11) 내부에서 원료를 혼합해줄 교반기(14), 원료 공급부와 연결된 원료투입구(16), 반응 후 남은 바이오차(biochar)를 배출하는 바이오차배출구(13), 생성된 가스를 멤브레인(200)으로 보내주는 합성가스배출구(20), 고체촉매(21)를 반응로에 남기고 합성가스만 배출시켜주는 테이퍼형태로 만들어진 가스배출판(22), 불필요한 가스를 뽑아주는 잔여가스배출구(18), 그 외 온도 측정을 위한 Thermocouple(17), 압력계(15), 안전밸브(19), 그리고 반응기에 열을 공급할 열선(12)으로 구성되어 있는 본체부(110); 2 and 3 , a hydrothermal gasification (HTG) system according to an embodiment of the present invention is a hydrothermal gasification system including a
상기 수열가스화를 하는 반응로(11)로 폐목질계 바이오매스를 정량 공급하여 수열가스화 반응을 수행하기 위한 원료공급부(120);a raw
상기 본체부(110) 하단에 설치된 회전형 분사노즐 (23)을 통해 산화제(스팀)를 공급하여 수열액화된 폐목질계 바이오매스의 가스화 활성반응을 유도하기 위한 산화제 공급부(150);An oxidizing
상기 본체부(110)의 반응로(11)로 공급되는 산화제(수증기)의 압력 및 유속을 조절하기 위하여 벤트 라인(Vent line)에 조절밸브를 설치한 것을 특징으로 한다.It is characterized in that a control valve is installed in a vent line to control the pressure and flow rate of the oxidizer (water vapor) supplied to the
상기 반응로(11)으로 공급되는 고형원료와 수열가스화 과정에서 수열액화 및 가스화의 성능향상을 위해 일반적인 층 물질을 대체하여 발열반응을 유도하는 촉매(21)를 층 물질로 이용하여 프리베드에 채우고 운영하는 것을 특징으로 한다.In order to improve the performance of hydrothermal liquefaction and gasification in the process of hydrothermal liquefaction and gasification with the solid raw material supplied to the
상기 본체부(110)의 내부 반응 온도를 제어하기 위하여 자켓타입 열선(12)을 통해 열을 공급하는 반응기 외부에 구비되는 히터(130)를 포함한다.A
필요에 따라 제어부(140)를 더 포함하고, 상기 원료공급부(120)와 산화제공급부(150), 그리고 히터(130)의 구동을 제어한다. 또한 본체부(110)의 교반기(14)의 구동을 제어하고 Thermocouple(17)과 온도계(15)의 데이터를 표시하고 저장한다.It further includes a
원료공급부는 스크류 및 피더에 의해 원료를 공급하고, 원료는 고온의 수증기와 본체부(110)의 반응로(11)에서 만나 폐목질계 바이오매스의 탄소화합물들을 크래킹하여 수소와 메탄 등을 생성된다.The raw material supply unit supplies the raw material by means of a screw and a feeder, and the raw material meets high-temperature steam and the
여기서, 반응기 수열가스화(HTG) 본체부(110)의 수열가스화(HTG) 반응로(11)에서는 폐목질계 바이오매스 등을 내부의 고온의 스팀으로 수열액화 및 가스화 시키고, 수열가스화 중에 생성된 가스가 수열가스화(HTG) 반응로(11)에서 테이퍼 형태의 작은 관으로 만들어져 고체촉매의 통과를 저지하고 합성가스만 통과시킬 수 있는 가스배출판(22)을 통해 수소-메탄 혼합가스 저장조 시스템(400)으로 빠져나간다.Here, in the hydrothermal gasification (HTG)
본 발명의 실시예에서는 수열가스화(HTG) 본체부(110)의 수열가스화(HTG) 반응로(11)에서 수열액화 및 가스화 되어 생성된 수열가스와 짧은 시간에 촉매 화학 반응이 일어날 수 있는데, 온도 및 압력이 하강되지 않는 조건에서 산화제(스팀) 공급부(150)를 통해, 생성된 수소와 메탄 그리고 이산화탄소 가스의 산화반응의 크기를 조절할 수 있도록 하였다. In an embodiment of the present invention, a catalytic chemical reaction may occur in a short time with the hydrothermal gas produced by hydrothermal liquefaction and gasification in the hydrothermal gasification (HTG)
이를 위해, 상기 수열가스화(HTG) 본체부(110)에서 발열반응을 유도하는 촉매는 나트륨, 텅스텐, 코발트, 몰리브덴, 니켈로 이루어진 군에서 선택된 하나 또는 이들의 혼합물인 것이고, 일례로 1.35 내지 3.45중량%의 Na, 1.24 내지 2.73중량%의 Ni을 혼합한 것을 들 수 있으며, 조촉매를 더욱 포함할 수 있다. 여기서 촉매는 정제되어 수소와 메탄가스 제조 및 생성을 가능하게 한다.To this end, the catalyst for inducing an exothermic reaction in the hydrothermal gasification (HTG)
수열가스화(HTG) 시스템(100)에서 생성된 가스 중에서 이산화탄소(CO2)를 분리해내는 가스분리 멤브레인 시스템(200)은 DDR 타입 제올라이트 같이 CO2/CH4 선택도가 100을 상회하고 상대적으로 저항을 덜 받아 투과도가 빠른 것으로 한다.The gas
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기메탄화셀(EMC) 시스템(300)은, 가스분리 멤브레인 시스템(200)을 통해 걸러진 이산화탄소를 미량의 전기에너지와 메탄균(methane bacteria)(36)을 이용해서 메탄으로 바꾸어 주는 셀 형태의 전기메탄화셀(EMC)(31) 시스템으로서,Referring to FIG. 4 , the electromethanization cell (EMC)
물로 채워져 있는 전기메탄화셀(EMC)(31)은, 크게 전기분해에 의해 물에서 수소 양이온(H+)을 생산해내는 비생물성산화전극(Abiotic Anode)(34);과 비생물성산화전극(Abiotic Anode)(34)에서 생성된 수소 양이온(H+)과 외부에서 공급된 전자(e-)를 결합하여 수소로 만들고, 공급된 이산화탄소와 결합시켜서 메탄으로 바꾸어주는 생물환원전극(Biocathode)(33);과 그리고 이 둘 사이에서 수소 양이온(H+)만 Anode에서 Cathode로 통과시켜주는 수소이온선택적분리막(PEM : Proton Exchange Membrane)(32); 및 외부에서 낮은 전압으로 전기를 공급하는 전기공급장치(35);로 구성되어 있다. The electromethanization cell (EMC) 31 filled with water is largely composed of an
비생물성산화전극(Abiotic Anode)(34)은 4몰의 물을 물투입구(40)로 받아서 전기분해를 일으켜서 수소 양이온(H+)을 생산하여 멤브레인(32)으로 보내고 산소(O2) 2몰을 산소배출구(41)를 통해 배출한다. 이때 비생물성산화전극(Abiotic Anode)(34)은 흑연(graphite) 같은 탄소계열 재료로 구성된다.The
양이온교환멤브레인(PEM:Proton Exchange Membrane)(32)은 Anode(34)와 Biocathode (33) 사이에서 수소 양이온(H+)만 선택적으로 통과시켜주는 분리막 역할을 하며 fluoropolymer 재질로 구성, 이온 교환 기능으로 사용된다. The cation exchange membrane (PEM: Proton Exchange Membrane) (32) serves as a separator that selectively passes only hydrogen cations (H+) between the anode (34) and the biocathode (33). It is made of a fluoropolymer material and used as an ion exchange function do.
생물환원전극(Biocathode)(33)은 산소공급을 차단한 채 메탄균(methane bacteria) 같은 박테리아(36)를 넣어 일종의 촉매제로 사용하여 멤브레인(32)을 통과한 수소양이온(H+)을 외부전기공급장치(35)에서 공급된 전자(e-)와 결합, 수소(H2)로 바꾸어 주고 이산화탄소를 통과시켜주는 가스분리 멤브레인 시스템(200)에서 이산화탄소공급관(37)으로 공급된 1몰의 이산화탄소와 결합하여 물(H2O) 2몰과 메탄(CH4) 1몰을 각각 물배출관(39)와 메탄배기관(38)을 통해 배출한다. EMC에서 환원된 메탄 가스는 가스분리 멤브레인 시스템(200)에 연결된 수소-메탄 혼합가스 저장조 시스템(400)에 저장한다. 생물환원전극(Biocathode)은 흑연(graphite) 같은 탄소계열을 사용한다.The
EMC의 반응시간은 보통 24시간 이상 걸려서 1시간만 걸리는 HTG반응로에서 생성되는 가스를 받아 처리하기에 적당하지 않으므로, 수열가스화 시스템에서 빠르게 생성되는 수소, 메탄, 이산화탄소 등의 혼합가스를 빠르게 처리하여 수소, 메탄 혼합가스를 생산할 수 있도록 여러 개의 전기메탄화셀을 병렬로 연결한 전기메탄화셀 스택을 구비한다.EMC reaction time usually takes more than 24 hours, so it is not suitable to receive and process the gas generated from the HTG reactor, which takes only 1 hour. An electric methanation cell stack in which several electric methanation cells are connected in parallel to produce hydrogen and methane mixed gas is provided.
또한 전기분해를 가능하게 해주는 전기공급장치(35)를 통해 1V 이하의 소량의 전기 공급을 통해 전자가 비생물성산화전극(Abiotic Anode)에서 생물환원전극(Biocathode)(33)으로 흐르게 된다,In addition, electrons flow from the abiotic anode to the
필요에 따라 수열가스화를 위한 제어부(140)를 가스분리 멤브레인 시스템(200)과 전기메탄화셀(EMC) 시스템(300)에 연결하여, 멤브레인의 소형 펌프, 전기메탄화셀(EMC) 시스템의 외부 전기공급장치(35), 기타 전기메탄화셀(EMC) 시스템(300)의 주변장치의 구동을 제어한다.If necessary, the
이러한 구성을 가진 본 발명의 실시예에 따른 수열가스화(HTG) 시스템 및 전기메탄화셀(EMC) 시스템의 동작을 설명하면 다음과 같다.The operation of the hydrothermal gasification (HTG) system and the electromethanization cell (EMC) system according to an embodiment of the present invention having such a configuration will be described as follows.
먼저 수열가스화(HTG) 본체부(110)의 수열가스화(HTG) 반응로(11)에 촉매로 층 물질을 채운 상태에서, 원료공급부(120)에서 0.5mm 이하로 잘게 분쇄된 원료를 수열가스화(HTG) 반응로(11)에 공급한다.First, in a state in which the hydrothermal gasification (HTG)
이후, 상기 수열가스화(HTG) 반응로(11) 하단에 설치된 산화제(스팀)공급 회전형분사노즐(23)을 통해 산화제(스팀)를 공급하고 교반기(14)로 연료를 교반하며 동시에 외부 히터(130)에 연결된 자켓타입 열선(12)을 통해 열이 공급된다. 수열가스화(HTG) 반응로(11)의 온도가 스팀과 열선에서 공급되는 열원으로 300-350℃까지 오르면 안에 채워져 있는 원료와 스팀에 의해 먼저 수열액화 과정을 거친다.Thereafter, the oxidizing agent (steam) is supplied through the oxidizing agent (steam) supply rotary injection nozzle 23 installed at the bottom of the hydrothermal gasification (HTG)
수열가스화(HTG) 반응로(11)에서 수열액화 과정이 순조롭게 진행되고, 내부 온도를 400-450℃까지 올리면 흡열반응인 가스화 반응에 필요한 열이 공급되어, 스팀과 흡열반응을 일으켜 수소가 최대 35%, 메탄가스가 최대 10%까지 생성하게 된다. In the hydrothermal gasification (HTG)
여기서, 합성 가스는 상부에서 가스배출판(22)의 미세구멍을 통하여 멤브레인(200)으로 이동하게 되고, 최대 1-2시간 이내에 반응이 완료되면 잔여가스를 잔여가스 배출구(18)를 통해 배출한 후 반응 후 남은 고형물과 액체를 바이오차(biochar) 배출구(13)를 통해 배출하게 된다.Here, the synthesis gas moves from the upper part to the
또한, 반응로에 채우는 원료의 양과 스팀형태로 가열의 목적과 더불어 유동화를 위해 공급되는 산화제의 양과 공급 속도는 제어부(140)를 통해 조절할 수 있으며 목표로 하는 온도와 압력에 도달했을 때는 교반기(14)를 통해 계속 원료의 유동을 유지한다.In addition, the amount of raw material to be filled in the reactor and the purpose of heating in the form of steam as well as the amount and supply speed of the oxidizing agent supplied for fluidization can be adjusted through the
이상 수열가스화(HTG) 시스템(100)에서 생성된 혼합가스는 수소(H2) 30 내지 35%, 메탄(CH4) 10 내지 15%, 이산화탄소(CO2) 40 내지 45%의 비율로 구성되어 있으며, 이 혼합가스는 열교환기 등을 통과해 온도를 낮춘 후 DDR 타입의 제올라이트 멤브레인을 포함하는 가스분리 멤브레인 시스템(200)으로 보내지고 그곳에서 CO2를 분리해서 전기메탄화셀(300)로 보내지며 남은 수소와 메탄은 혼합가스저장조(400)로 보내진다. 이때 수열가스화 반응로(11)에 남아있는 가스의 압력을 이용해서 가스가 이동하게 된다. DDR 타입 제올라이트멤브레인을 통해서 공급된 이산화탄소는 이미 메탄화 공정을 위해 준비된 전기메탄화셀(EMC) 시스템(300)으로 소형펌프에 의해 이동하게 된다,The mixed gas generated in the above hydrothermal gasification (HTG)
전기메탄화셀(EMC)(31)의 비생물성산화전극(Abiotic Anode)(34) 방은 투입구(40)로 공급된 순수한 물 또는 전해질로 미리 채워져 있으며 생물환원전극(Biocathode)(33) 방은 순수한 물 또는 미생물 배양액으로 재워져 있고 무산소 상태에서 메탄균(methane bacteria)(36) 등 미생물을 포함하고 있다. The abiotic anode (34) room of the electromethanization cell (EMC) (31) is pre-filled with pure water or electrolyte supplied to the inlet (40), and the biocathode (33) room is It is marinated in pure water or a microbial culture medium and contains microorganisms such as methane bacteria (36) under anaerobic conditions.
전기공급장치(35)를 통해 1V 이하의 소량의 전류를 공급시켜주면 전자(e-)가 비생물성산화전극(Abiotic Anode)(34)에서 생물환원전극(Biocathode)(33)으로 흐르게 되고 이때 전기분해가 일어나면서 Anode(34)에서 생성된 수소양이온(H+)이 수소이온선택적투과막(PEM)(32)을 통과하여 생물환원전극(Biocathode)(33)에서 수소(H2)가 생성되고 멤브레인(200)에서 걸러져서 이산화탄소 유입구를 통해 들어온 이산화탄소(CO2)와 만나 메탄(CH4)이 형성된다, 이때 메탄화율은 약 1 ml/일cm2 이다.When a small amount of current of 1V or less is supplied through the
이때 생성된 메탄은 메탄배기관(38)을 통해 수소-메탄 혼합가스 저장조 시스템(400)에 모여지게 되고 생성된 물은 물배출관(39)를 통해 버려지거나 생물환원전극(Biocathode)(33) 방으로 재순환하게 된다. 한편, 비생물성산화전극(Abiotic Anode)(34)에서 만들어진 산소(O2)는 배출구를 통해 버려지거나 HTG 반응로(11)의 산화제(스팀)공급 회전형분사노즐(23)에 물려서 반응로의 산화반응을 도울 수도 있다. At this time, the generated methane is collected in the hydrogen-methane mixed
본 발명의 시스템에서는 다양한 폐목질계 바이오매스가 종류에 관계없이 사용이 가능하며 최종적으로 생산되는 수소(H2)는 30 내지 35%, 메탄(CH4)은 45 내지 55%, 이산화탄소(CO2)는 2 내지 5%이다.In the system of the present invention, various waste wood-based biomass can be used regardless of the type, and finally produced hydrogen (H 2 ) is 30 to 35%, methane (CH 4 ) is 45 to 55%, carbon dioxide (CO 2 ) ) is 2 to 5%.
개시된 기술의 일 실시예에 따른 수열가스화(HTG)-전기메탄화셀(EMC) 반응기 시스템은 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 개시된 기술의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.Hydrothermal gasification (HTG)-electromethanization cell (EMC) reactor system according to an embodiment of the disclosed technology has been described with reference to the embodiment shown in the drawings for better understanding, but this is only exemplary, and is common in the art It will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Accordingly, the true technical protection scope of the disclosed technology should be defined by the appended claims.
100 : 수열가스화(HTG) 시스템
200 : 가스분리 멤브레인 시스템
300 : 전기메탄화셀(EMC) 시스템
400 : 수소-메탄 혼합가스 저장조 시스템
110 : 수열가스화(HTG) 본체부
120 : 원료공급부
130. 히터
140 : 제어부
150 : 산화제(스팀) 공급부
11 : 수열가스화(HTG) 반응로
12 : 자켓타입 열선
13 : 바이오차(biochar) 배출구
14 : 교반기
15 : 압력계
16 : 원료투입구
17 : 열전대(thermocouple)
18 : 잔여가스 배출구
19. 안전밸브
20 : 가스배출구
21 : 고체촉매
22 : 가스배출판
23 : 산화제(스팀)공급 회전형분사노즐
31 : 전기메탄화셀(EMC)
32 : 수소이온선택적분리막(PEM)
33 : 생물환원전극(Biocathode)
34 : 비생물성산화전극(Abiotic Anode)
35 : 전기공급장치
36 : 메탄균(methane bacteria)
37 : 이산화탄소공급관
38 : 메탄배기관
39 : 물배출관
40 : 물투입관
41 : 산소배기관100: Hydrothermal gasification (HTG) system
200: gas separation membrane system
300: electric methanation cell (EMC) system
400: hydrogen-methane mixed gas storage system
110: Hydrothermal gasification (HTG) body part
120: raw material supply unit
130. Heater
140: control unit
150: oxidizing agent (steam) supply unit
11: Hydrothermal gasification (HTG) reactor
12: jacket type heated wire
13: biochar outlet
14: agitator
15: pressure gauge
16: raw material input port
17: thermocouple
18: residual gas outlet
19. Safety valve
20: gas outlet
21: solid catalyst
22: gas exhaust plate
23: Oxidizing agent (steam) supply rotary type injection nozzle
31: electric methanation cell (EMC)
32: hydrogen ion selective separation membrane (PEM)
33: Biocathode
34: Abiotic Anode
35: electricity supply device
36: methane bacteria
37: carbon dioxide supply pipe
38: methane exhaust pipe
39: water discharge pipe
40: water inlet pipe
41: oxygen exhaust pipe
Claims (12)
상기 수열가스화(HTG) 시스템은,
발열반응을 유도하는 촉매로 1.35 내지 3.45중량%의 Na, 1.24 내지 2.73중량%의 Ni을 혼합한 것이고, 조촉매를 더욱 포함하는 수열가스화 본체부;
상기 수열가스화 본체부로 폐목질계 바이오매스를 공급하는 원료공급부;
상기 수열가스화 본체부 내측에 설치된 회전형 분사노즐을 통해 산화제를 공급하는 산화제 공급부; 및 제어부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수열가스화(HTG) 및 전기메탄화셀(EMC) 기술을 활용한 고농도 수소-메탄 가스 생산 반응로 시스템.
A hydrothermal gasification (HTG) system using waste wood-based biomass as a raw material and hydrothermal gasification of the biomass to produce a gas containing carbon dioxide, methane and hydrogen, a gas separation membrane system for separating carbon dioxide from the gas; Hydrothermal gasification (HTG) and electromethanization cell (EMC) technology, including an electromethanization cell (EMC) system for converting the separated carbon dioxide into methane, and a hydrogen-methane mixed gas storage system for mixing and storing the hydrogen and the methane In the high-concentration hydrogen-methane gas production reactor system using
The hydrothermal gasification (HTG) system,
Hydrothermal gasification body part comprising 1.35 to 3.45 wt% of Na and 1.24 to 2.73 wt% of Ni as a catalyst for inducing an exothermic reaction, and further comprising a cocatalyst;
a raw material supply unit for supplying waste wood-based biomass to the hydrothermal gasification body;
an oxidizing agent supply unit for supplying an oxidizing agent through a rotary injection nozzle installed inside the hydrothermal gasification body; and a control unit; a high-concentration hydrogen-methane gas production reactor system using hydrothermal gasification (HTG) and electro-methanization cell (EMC) technology, comprising: a.
상기 수열가스화 시스템에서 생성된 수소, 메탄, 이산화탄소 등의 혼합가스를 받아서 이산화탄소만 선택적으로 분리해서 전기메탄화셀(EMC) 시스템으로 공급하고 수소와 메탄 혼합가스는 수소-메탄 혼합가스 저장조 시스템으로 보내는 것을 특징으로 하는 수열가스화(HTG) 및 전기메탄화셀(EMC) 기술을 활용한 고농도 수소-메탄 가스 생산 반응로 시스템.
According to claim 1, wherein the gas separation membrane system,
Receive a mixed gas of hydrogen, methane, carbon dioxide, etc. generated in the hydrothermal gasification system, selectively separate only carbon dioxide, supply it to an electromethanization cell (EMC) system, and send the hydrogen and methane mixed gas to a hydrogen-methane mixed gas storage system A high-concentration hydrogen-methane gas production reactor system using hydrothermal gasification (HTG) and electromethanization cell (EMC) technology.
상기 가스분리 멤브레인 시스템에서 공급받은 이산화탄소를 메탄으로 변환시켜서 상기 수소-메탄 혼합가스 저장조 시스템으로 보내는 것으로서 비생물성산화전극(Abiotic Anode)과 생물환원전극(Biocathode), 및 외부전기공급장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 수열가스화(HTG) 및 전기메탄화셀(EMC) 기술을 활용한 고농도 수소-메탄 가스 생산 반응로 시스템.
According to claim 1, wherein the electromethanization cell (EMC) system,
Converting carbon dioxide supplied from the gas separation membrane system into methane and sending it to the hydrogen-methane mixed gas storage system, including an abiotic anode and a biocathode, and an external electricity supply device High-concentration hydrogen-methane gas production reactor system using hydrothermal gasification (HTG) and electromethanization cell (EMC) technology, characterized in that.
상기 수열가스화 본체부로 공급되는 공기 및 산화제의 압력 및 유속을 조절하기 위하여 벤트 라인(Vent line)에 조절밸브를 설치한 것을 특징으로 하는 수열가스화(HTG) 및 전기메탄화셀(EMC) 기술을 활용한 고농도 수소-메탄 가스 생산 반응로 시스템.
According to claim 1, wherein the hydrothermal gasification (HTG) system,
Hydrothermal gasification (HTG) and electromethanization cell (EMC) technology, characterized in that a control valve is installed in a vent line to control the pressure and flow rate of air and oxidizer supplied to the hydrothermal gasification body part High-concentration hydrogen-methane gas production reactor system.
상기 산화제 공급부의 상기 분사노즐이 연장되어 수열가스화 본체부의 내측 하부에 회전형 분사방식으로 형성되어 유동층이 생기도록 설치되는 것을 특징으로 하는 수열가스화(HTG) 및 전기메탄화셀(EMC) 기술을 활용한 고농도 수소-메탄 가스 생산 반응로 시스템.
According to claim 1, wherein the hydrothermal gasification (HTG) system,
Hydrothermal gasification (HTG) and electromethanization cell (EMC) technology, characterized in that the injection nozzle of the oxidizing agent supply part is extended and formed in a rotational injection method on the inner lower part of the hydrothermal gasification body to create a fluidized bed. High-concentration hydrogen-methane gas production reactor system.
수열가스화(HTG) 시스템에서 생성된 수소, 메탄, 이산화탄소 등 혼합 가스들을 열교환기를 통해 온도를 낮춰주고 그 중에서 이산화탄소를 분리해서 소형 펌프를 통해서 전기메탄화셀(EMC)로 이송하는 것을 특징으로 하는 수열가스화(HTG) 및 전기메탄화셀(EMC) 기술을 활용한 고농도 수소-메탄 가스 생산 반응로 시스템.
The method of claim 3, wherein the gas separation membrane system comprises:
Hydrothermal gasification (HTG) characterized in that the temperature of mixed gases such as hydrogen, methane, and carbon dioxide generated in the hydrothermal gasification (HTG) system is lowered through a heat exchanger, and carbon dioxide is separated from it and transferred to an electromethanization cell (EMC) through a small pump ( High-concentration hydrogen-methane gas production reactor system using HTG) and electromethanization cell (EMC) technology.
상기 생물환원전극(Biocathode)에 메탄균을 투입하여 첨착시킴으로써 수소이온의 수소화 과정을 용이하게 하여 이산화탄소의 메탄화를 촉진시키는 것을 특징으로 하는 수열가스화(HTG) 및 전기메탄화셀(EMC) 기술을 활용한 고농도 수소-메탄 가스 생산 반응로 시스템.
5. The method of claim 4, wherein the electromethanization cell (EMC) system comprises:
Utilize hydrothermal gasification (HTG) and electromethanization cell (EMC) technology, which facilitates the hydrogenation process of hydrogen ions and promotes methanation of carbon dioxide by injecting and attaching methane bacteria to the biocathode A high-concentration hydrogen-methane gas production reactor system.
상기 수열가스화 시스템에서 빠르게 생성되는 수소, 메탄, 이산화탄소 등의 혼합가스를 빠르게 처리하여 수소, 메탄 혼합가스를 생산할 수 있도록 여러 개의 전기메탄화셀을 병렬로 연결한 전기메탄화셀 스택을 구비하는 것을 특징으로 하는 수열가스화(HTG) 및 전기메탄화셀(EMC) 기술을 활용한 고농도 수소-메탄 가스 생산 반응로 시스템.
5. The method of claim 4, wherein the electromethanization cell (EMC) system comprises:
An electric methanation cell stack in which several electric methanation cells are connected in parallel to produce a hydrogen and methane mixed gas by rapidly processing a mixed gas such as hydrogen, methane, and carbon dioxide, which are rapidly generated in the hydrothermal gasification system, characterized in that High-concentration hydrogen-methane gas production reactor system using hydrothermal gasification (HTG) and electromethanization cell (EMC) technology.
상기 전기메탄화셀에서 생성된 산소와 물을 각각 수열가스화 반응로의 산화제/유동화제 및 바이오환원전극의 반응액으로 사용하는 것을 특징으로 하는 수열가스화(HTG) 및 전기메탄화셀(EMC) 기술을 활용한 고농도 수소-메탄 가스 생산 반응로 시스템.The method of claim 1,
Hydrothermal gasification (HTG) and electromethanization cell (EMC) technology, characterized in that oxygen and water generated in the electromethanization cell are used as an oxidizer/fluidizer of a hydrothermal gasification reactor and a reaction solution of a bioreduction electrode, respectively A high-concentration hydrogen-methane gas production reactor system.
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