KR20060018195A - Carbon Dioxide Reforming of Methane Using Electromagnetic Plasma Torch - Google Patents
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Abstract
개시된 본 발명은 전자파 플라즈마 토치를 이용하여 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 합성하기 위한 메탄(CH4)의 이산화탄소(CO2) 개질 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일정 부피비의 메탄과 이산화탄소를 1기압 전자파 플라즈마 토치 속으로 통과시켜 메탄과 이산화탄소를 분해하고 플라즈마 화학반응을 통하여 수소와 일산화탄소를 합성하는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.The present invention relates to a carbon dioxide (CO 2 ) reforming method of methane (CH 4 ) for synthesizing hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO) using an electromagnetic plasma torch, and more specifically, in a certain volume ratio of methane and It is an object of the present invention to provide a method of decomposing methane and carbon dioxide by passing carbon dioxide into a 1 atm electromagnetic plasma torch and synthesizing hydrogen and carbon monoxide through a plasma chemical reaction.
그리고 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 통상의 2.45 ㎓ 전자파를 발진하는 마그네트론(10); 마그네트론(10)에 전원을 공급하는 전원공급장치(20); 마그네트론(10)으로 반사되는 반사파를 완전히 흡수하여 마그네트론(10)을 보호하는 한편, 마그네트론(10)에서 발진된 전자파를 출력하는 순환기(30); 입사파와 반사파의 크기를 모니터링 하는 한편 순환기(30)를 통해 전달된 전자파를 출력하는 방향성 결합기(40); 방향성 결합기(40)로부터 입력되는 전자파에 대해 임피던스 매칭시키는 3-스터브 튜너(50); 3-스터브 튜너(50)를 통해 전달된 전자파와 외부로부터 주입되는 와류가스에 의해 플라즈마가 생성되고 플라즈마 개질반응이 일어나는 반응기(80); 반응기(80) 내에 플라즈마를 안정화하는 와류가스와 플라즈마 개질반응에 필요한 원료가스를 주입하는 가스공급부(60); 반응기(80)로부터 합성된 가스들이 수집되는 가스 수집부(70)를 포함한다.And the present invention to achieve the above object is a magnetron 10 for oscillating a typical 2.45 GHz electromagnetic wave; A power supply device 20 for supplying power to the magnetron 10; A circulator 30 which completely absorbs the reflected waves reflected by the magnetron 10 to protect the magnetron 10 and outputs electromagnetic waves oscillated from the magnetron 10; A directional coupler 40 for monitoring the magnitudes of incident and reflected waves and outputting electromagnetic waves transmitted through the circulator 30; A 3-stub tuner 50 for impedance matching against electromagnetic waves input from the directional coupler 40; A reactor 80 in which a plasma is generated by the electromagnetic wave transmitted through the 3-stub tuner 50 and the vortex gas injected from the outside, and the plasma reforming reaction occurs; A gas supply unit 60 for injecting vortex gas stabilizing the plasma into the reactor 80 and source gas required for the plasma reforming reaction; And a gas collector 70 in which the gases synthesized from the reactor 80 are collected.
플라즈마, 전자파, 메탄, 이산화탄소, 수소Plasma, electromagnetic waves, methane, carbon dioxide, hydrogen
Description
다음에 상세히 기술할 설명은 나열된 도식들을 참조함으로서 본 발명을 더욱 쉽게 이해할 수 있다.DETAILED DESCRIPTION The following detailed description may make the invention easier to understand by reference to the listed schemes.
도 1은 본 발명에 따른 전자파 플라즈마 토치를 이용한 메탄의 이산화탄소 개질 장치 구성을 예시한 구성 블록도,1 is a block diagram illustrating a configuration of a carbon dioxide reforming apparatus of methane using an electromagnetic plasma torch according to the present invention;
도 2는 도 1의 참조 숫자 100으로 표시된 반응기의 단면도,2 is a cross-sectional view of the reactor indicated by
도 3은 플라즈마 발생 전과 후의 메탄과 이산화탄소 량을 적외선 분광기(FTIR)기로 측정한 적외선 분광기 스펙트럼,3 is an infrared spectrometer spectrum of measuring the amount of methane and carbon dioxide before and after plasma generation using an infrared spectrometer (FTIR);
도 4는 플라즈마 발생 전과 후의 메탄과 이산화탄소 및 합성가스를 가스 크로마토그래피(Gas Chromatography)로 측정한 그래프이다.4 is a graph of methane, carbon dioxide, and synthesis gas measured before and after plasma generation by gas chromatography (Gas Chromatography).
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명><Explanation of code about main part of drawing>
10: 마그네트론 64: 와류가스 주입구10: magnetron 64: vortex gas inlet
66: 원료가스 주입구 74: 합성가스 수집용기66: source gas inlet 74: syngas collection container
80: 반응기 82: 테이퍼진 도파관80: reactor 82: tapered waveguide
88: 방전관88: discharge tube
본 발명은 전자파 플라즈마 토치를 이용하여 수소(H2)를 합성하기 위한 메탄(CH4)의 이산화탄소(CO2) 개질 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a carbon dioxide (CO 2 ) reforming method of methane (CH 4 ) for synthesizing hydrogen (H 2 ) using an electromagnetic plasma torch.
더욱 상세하게는 일정 부피비의 메탄과 이산화탄소를 1기압 전자파 플라즈마 토치 속으로 통과시켜 메탄과 이산화탄소를 분해하고 플라즈마 화학반응을 통하여 수소와 일산화탄소를 합성하는 방법에 관한 것이다.More specifically, the present invention relates to a method of decomposing methane and carbon dioxide by passing methane and carbon dioxide in a constant volume ratio into a 1 atm electromagnetic plasma torch, and synthesizing hydrogen and carbon monoxide through plasma chemical reactions.
지구온난화에 영향을 미치는 기체들을 온실가스라 하며 이러한 기체로는 이산화탄소, 메탄, 냉매제로 사용되는 플로린 계 화합물 등이 있다. 특히 이산화탄소는 지구온실효과에의 기여도가 약 55% 이상을 차지하는 것으로 알려져 있다. 이런 이산화탄소는 지구로부터 재방출되는 복사선의 열을 흡수함으로써 지구의 온도를 상승시키는 주된 온실가스이다.Gases that affect global warming are called greenhouse gases. These gases include carbon dioxide, methane, and florine compounds used as refrigerants. In particular, carbon dioxide is known to contribute about 55% or more to the global greenhouse effect. This carbon dioxide is the main greenhouse gas that raises the temperature of the earth by absorbing the heat of radiation re-emitted from the earth.
온실가스의 자원화라는 측면에서 이산화탄소와 메탄의 개질반응은 석유화학 공업에서 가장 중요한 원료가 되는 수소와 일산화탄소(CO)를 생산한다는 점에서 많은 연구가 진행되어 오고 있다. 수소 제조에서 가장 많이 사용되는 방법은 메탄가스나 메탄올과 같은 탄화수소 계통의 화합물을 열화학 반응을 이용한 스팀 개질방법으로 수소를 제조하는 방법이다. 이러한 개질 방법은 800 ℃ 근처의 고온에서 행해질 수 있다. 그러나 이 개질반응은 흡열반응이고 또한 800 ℃ 근처의 고온을 유지하여야 하는데 이를 위해서는 반응기의 단열이 철저히 이루어져야 한다.Much research has been conducted in that the reforming reaction of carbon dioxide and methane produces hydrogen and carbon monoxide (CO), which are the most important raw materials in the petrochemical industry. The most widely used method for producing hydrogen is a method for producing hydrogen by steam reforming of a hydrocarbon compound such as methane gas or methanol using a thermochemical reaction. This modification can be done at high temperatures near 800 ° C. However, this reforming reaction is endothermic and must maintain a high temperature near 800 ° C. For this purpose, the reactor must be thoroughly insulated.
이와 같이 열화학반응을 통한 개질 반응으로 수소를 제조하는 방법은 고온에서 진행되며 또한 흡열반응이므로 반응기의 단열, 생성가스의 냉각을 위한 열교환, 가스의 공급, 압력조정 등에 필요한 여러 보조 장치의 장착 때문에 반응기 시스템의 크기가 거대해지는 단점이 있으며, 특히 개질 반응장치가 수송차량에 탑재될 경우에는 이 단점이 두드러지게 된다.As described above, the method for producing hydrogen by reforming reaction through thermochemical reaction is performed at high temperature and is endothermic, so the reactor is installed due to the installation of various auxiliary devices necessary for thermal insulation of the reactor, heat exchange for cooling the generated gas, gas supply, pressure adjustment, and the like. The disadvantage is that the size of the system is huge, especially when the reforming reactor is mounted on a transport vehicle.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 열화학반응 대신 전자파 방전을 이용한 플라즈마 반응으로 이산화탄소와 메탄의 원료가스를 개질하여 수소와 일산화탄소를 제조하는 방법을 제공함에 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide a method for producing hydrogen and carbon monoxide by reforming the source gas of carbon dioxide and methane by a plasma reaction using an electromagnetic discharge instead of a thermochemical reaction. .
또한 본 발명의 다른 목적은 전자파 방전을 이용한 플라즈마 반응을 통하여 회수 분리된 이산화탄소를 일산화탄소로 전환하여 제거하는 데에 있다.In addition, another object of the present invention is to convert and remove the carbon dioxide recovered and recovered by the plasma reaction using the electromagnetic discharge to carbon monoxide.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는 통상의 2.45 ㎓ 전자파를 발진하는 마그네트론; 마그네트론에 전원을 공급하는 전원공급장치; 마그네트론으로 반사되는 반사파를 완전히 흡수하여 마그네트론을 보호하는 한편, 마그네트론에서 발진된 전자파를 출력하는 순환기; 입사파와 반사파의 크기를 모니터링 하는 한편 순환기를 통해 전달된 전자파를 출력하는 방향성 결합기; 방향성 결합기로부터 입력되는 전자파에 대해 임피던스 매칭시키는 3-스터브 튜너; 3-스터브 튜너를 통해 전달된 전자파와 외부로부터 주입되는 와류가스에 의해 플라즈마가 생성되고 플라즈마 개질반응이 일어나는 반응기; 반응기 내에 플라즈마를 안정화하는 와류가스와 플라즈마 개질반응에 필요한 원료가스를 주입하는 가스공급부; 반응기로부터 합성된 가스들이 수집되는 가스 수집부를 포함한다.One embodiment of the present invention for achieving the above object is a magnetron for oscillating a typical 2.45 GHz electromagnetic wave; A power supply for supplying power to the magnetron; A circulator that completely absorbs the reflected waves reflected by the magnetron to protect the magnetron, and outputs electromagnetic waves oscillated from the magnetron; A directional coupler for monitoring the magnitude of incident and reflected waves and outputting electromagnetic waves transmitted through the circulator; A 3-stub tuner for impedance matching against electromagnetic waves input from the directional coupler; A reactor in which plasma is generated by the electromagnetic waves transmitted through the 3-stub tuner and vortex gas injected from the outside, and a plasma reforming reaction occurs; A gas supply unit for injecting a vortex gas stabilizing the plasma into the reactor and a source gas necessary for the plasma reforming reaction; And a gas collector in which the synthesized gases from the reactor are collected.
또한 본 발명의 다른 실시예는 전자파 에너지를 전장으로 변환하고 이 전장에 플라즈마 형성 가스 및 원료가스를 노출시켜 플라즈마를 형성하여 수소를 제조하는 방법에 있어서, 마그네트론에서 발진된 전자파는 통상의 순환기, 방향성 결합기, 3-스터브 튜너를 통해 도파관으로 전송하는 제 1과정; 상기 도파관의 종단으로부터 관내 파장이 1/4 떨어진 위치에 도파관을 수직 관통해 설치된 방전관 내에 전장을 유도하는 제 2과정; 플라즈마 가스 또는 플라즈마 안정화 가스로 이용되는 와류가스를 상기 방전관 내로 주입하는 제 3과정; 상기 와류가스와 상기 전장이 점화장치에 의해 1기압 플라즈마가 형성되도록 하는 제 4과정, 수소 및 일산화탄소 합성에 사용되는 원료가스를 상기 플라즈마로 유도하는 제 5과정; 합성된 수소 및 일산화탄소를 수집하는 제 6과정으로 이루어진다.In addition, another embodiment of the present invention is a method for producing hydrogen by converting electromagnetic energy into an electric field and exposing the plasma forming gas and source gas to the electric field to produce hydrogen, the electromagnetic wave oscillated in the magnetron is a conventional circulator, directional Transmitting to the waveguide through a coupler, a 3-stub tuner; A second step of inducing an electric field in a discharge tube installed by vertically penetrating the waveguide at a position in which a wavelength within the tube is 1/4 from the end of the waveguide; A third step of injecting a vortex gas used as a plasma gas or a plasma stabilizing gas into the discharge tube; A fourth step of forming a one-atmosphere plasma by the vortex gas and the electric field by an ignition device, and a fifth step of inducing a source gas used for hydrogen and carbon monoxide synthesis into the plasma; The sixth process collects the synthesized hydrogen and carbon monoxide.
이 하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
본 발명이 기본이 되는 것은 도 1의 블록도에서 (100)으로 표시된 부분이다. 도 1에서 전원공급장치(20)는 전자파를 발진하는 마그네트론(10)에 전력을 공급하고 마그네트론(10)에서 발진된 전자파는 순환기(30)를 지나 방향성 결합기(40)로 전송된다. 상기 순환기(30)는 마그네트론(10)으로 반사되는 반사파를 완전히 흡수하여 마그네트론(10)을 보호하는 한편, 마그네트론(10)에서 발진된 전자파를 상기 방향성 결합기(40)로 전달한다. 방향성 결합기(40)는 입사파와 반사파의 크기를 모니터링 하는 한편 상기 순환기(30)를 통해 전달된 전자파를 출력하며 3-스터브튜너(50)는 상기 방향성 결합기(40)로부터 입력되는 전자파에 대해 임피던스 매칭시키켜 전자파 에너지 전달을 최대로 해준다. 상기 3-스터브 튜너(50)를 통해 전달된 전자파와 가스공급부로부터 주입되는 와류가스 및 점화장치에 의해 플라즈마가 발생되게 된다. 반응기 내에 생성된 플라즈마로 상기 가스공급부(60)로부터 수소와 일산화탄소를 합성하기 위한 원료가스가 주입되고 플라즈마 화학반응을 통해 생성된 합성가스는 가스수집부(70)로 들어가게 된다.The basis of the present invention is the portion indicated by (100) in the block diagram of FIG. In FIG. 1, the
도 2는 도 1에서 (100)으로 표시한 부분의 단면도이다. 도 1에서 3-스터브 튜너(50)를 통해 출력된 전자파(86)는 도파관(82)을 통해 방전관(88)으로 유입되며 상기 방전관(88)은 석영 및 알루미나와 같은 유전체로 구성된다. 상기 방전관(88)은 도파관(82)의 종단으로부터 관내 파장의 1/4 떨어진 위치에 도파관(82)을 수직관통해 설치되어져 있다. 방전관(88)은 스테인레스 스틸 및 황동과 같은 금속 재질로 구성된 홀더(62)에 장착되며 홀더(62)에는 와류가스주입구(64)와 원료가스주입구(66)가 설치되어 있다. 상기 와류가스주입구(64)는 단일 또는 복수개로 구성될 수 있으며 와류가스주입구(64)를 통해 주입된 와류가스는 방전관(88) 내에 생성된 플라즈마(84)를 안정화시키는 동시에 고온의 플라즈마에 의한 방전관(88)의 손상을 막아준다. 원료가스주입구(66)를 통해 주입되는 원료가스는 상기 플라즈마(84) 불꽃의 중심을 통과할 수 있도록 유도관을 통해 주입된다. 원료가스로서 이산화탄소와 메탄은 혼합이 잘 이루어지도록, 도 2에서 나타나있지 않지만, 가스 혼합기를 걸쳐 원료가스주입구(66)로 들어가게 된다. 방전관(88) 내의 플라즈마(84)에 의해 분해되고 합성된 가스들은 수집용기(74)에서 수집된다.2 is a cross-sectional view of the portion denoted by (100) in FIG. In FIG. 1, the
이하 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 단, 본 발명의 범위가 하기 실시예만으로 한정되는 것은 아니다.The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the scope of the present invention is not limited only to the following Examples.
<실험예><Experimental example>
도 3과 4는 본 발명을 이용한 실험을 실시한 결과를 제시하고 있다. 사용된 장치는 도2와 같다. 와류가스로는 아르곤이 사용되었으며 분당 7 리터가 주입되었다. 반응기 내를 비활성 분위기로 만들기 위해 10 분정도 흘려준 후, 각각 60 sccm(standard cubic centimeter per minute) 메탄과 이산화탄소가 원료가스주입구로 주입되었다. 이 때 전자파 플라즈마 토치의 출구에서 플라즈마 발생 전의 가스를 샘플링하여 적외선 분광기와 가스 크로마토그래피를 이용하여 이산화탄소와 메탄 가스의 량을 측정하였다. 도 3은 메탄과 이산화탄소의 전환율을 확인하기 위한 적외선 분광기 데이터이다. 도 3에서 수평선은 파수를 나타내고 수직선은 가스의 투과량(%)을 나타낸다. 수평선에 파수(cm-1) 3000과 1300 영역 대는 메탄을 대표하는 분광선이며 2364 영역 대는 이산화탄소를 대표하는 분광선이다. 플라즈마 발생 후 적외선 분광선의 변화를 보면, 1 ㎾의 전자파 플라즈마 토치에서 메탄과 이산화탄소가 거의 99% 이상 분해된 것을 확인할 수 있으며, 이 때 2100 cm-1 영역 대의 일산화탄소가 생성된 것을 확인할 수 있다. 도 4의 실험조건은 도 3과 같으며 수소 합성 유무를 확인하기 위한 가스 크로마토그래피 스펙트럼을 보여주고 있다. 도 4 에서 수평선은 샘플된 가스를 가스 크로마토그래피에 주입된 후 검출기에서 각각의 가스가 검출될 때 까지 걸린 시간이며 체류시간으로 나타내고 수직선은 각각의 검출된 가스의 량을 나타낸다. 플라즈마 발생 전, 3.19와 9.1 분에서 이산화탄소와 메탄이 각각 검출되었으며, 플라즈마 발생 후에는 1.84 분에서 수소, 4.8 분에서는 에틸렌(C2H4), 9.75분에서는 일산화탄소가 검출되었음을 확인할 수 있다.3 and 4 show the results of the experiment using the present invention. The apparatus used is shown in FIG. Argon was used as the vortex gas and 7 liters per minute were injected. After 10 minutes of flow to make the reactor inert, 60 sccm (standard cubic centimeter per minute) of methane and carbon dioxide were injected into the feed gas inlet, respectively. At this time, the gas before plasma generation was sampled at the exit of the electromagnetic plasma torch, and the amounts of carbon dioxide and methane gas were measured using an infrared spectrometer and gas chromatography. 3 is infrared spectroscopy data for confirming the conversion of methane and carbon dioxide. In FIG. 3, the horizontal line represents the wave number and the vertical line represents the gas permeation rate (%). The bands of wavenumbers (cm -1 ) 3000 and 1300 on the horizon are representative spectra of methane and the 2364 bands are representative of carbon dioxide. When the infrared spectroscopy changes after the plasma generation, it can be seen that almost 99% of methane and carbon dioxide are decomposed in the 1 GHz electromagnetic plasma torch, and carbon monoxide in the 2100 cm −1 region is produced. Experimental conditions of FIG. 4 are the same as those of FIG. 3, and show gas chromatography spectra to confirm the presence or absence of hydrogen synthesis. In FIG. 4, the horizontal line represents the time taken until each gas is detected at the detector after the sampled gas is injected into the gas chromatography, and is represented as a retention time, and the vertical line represents the amount of each detected gas. Carbon dioxide and methane were detected at 3.19 and 9.1 minutes before plasma generation, hydrogen at 1.84 minutes, ethylene (C 2 H 4 ) at 4.8 minutes, and carbon monoxide at 9.75 minutes after plasma generation.
상기한 바와 같이 본 발명에 의하면 수소를 열화학적인 방법에 의존하지 않고 1기압 전자파 플라즈마 토치를 이용한 플라즈마 화학반응 방법에 의하여 메탄과 이산화탄소를 개질하여 간편하게 합성할 수 있을 뿐만 아니라, 합성된 수소와 일산화탄소는 석유화학 공업에서 유용하게 사용될 수 있을 것이라 기대한다.As described above, according to the present invention, hydrogen can be easily synthesized by reforming methane and carbon dioxide by a plasma chemical reaction method using a 1-atm electromagnetic plasma torch, without relying on a thermochemical method. It is expected to be useful in the petrochemical industry.
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