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KR102471954B1 - Hydrocarbon pyrolysis apparatus and operation method thereof - Google Patents

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KR102471954B1
KR102471954B1 KR1020200157711A KR20200157711A KR102471954B1 KR 102471954 B1 KR102471954 B1 KR 102471954B1 KR 1020200157711 A KR1020200157711 A KR 1020200157711A KR 20200157711 A KR20200157711 A KR 20200157711A KR 102471954 B1 KR102471954 B1 KR 102471954B1
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Abstract

본 발명은 촉매 활성 저하를 해결한 탄화수소 열분해 수소 생산 장치 및 수소 생산 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응기 내부의 중앙에 이젝터를 구비하여 가스 분사 노즐을 통해 이젝터로 공급되는 탄화수소 가스와 압력차에 의해 이젝터로 유입되는 반응기 하단의 미반응 탄화수소 및 수소를 혼합하고 예비 가열한 후 온도가 상대적으로 높고 균일한 반응기의 가장자리에 구비된 촉매에서 반응을 시킴으로써 탄화수소의 열분해 반응성이 향상될 뿐만 아니라 탄화수소 가스에 수소가 혼합된 상태에서 촉매에서 열분해가 이뤄지도록 함으로써 촉매의 활성이 저하되는 것을 방지하여 수소의 생산성을 향상시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrocarbon pyrolysis hydrogen production device and a hydrogen production method that solve the deterioration of catalyst activity, and more particularly, to a hydrocarbon gas supplied to the ejector through a gas injection nozzle by providing an ejector in the center of the reactor and to a pressure difference After mixing and preheating the unreacted hydrocarbon and hydrogen at the bottom of the reactor introduced into the ejector by the ejector, the reaction is performed at the catalyst provided at the edge of the reactor where the temperature is relatively high and uniform. The present invention relates to a technology capable of improving hydrogen productivity by preventing deterioration of catalyst activity by allowing thermal decomposition to occur in a catalyst in a state in which hydrogen is mixed.

Description

촉매 활성 저하를 해결한 탄화수소 열분해 수소 생산 장치 및 수소 생산 방법{HYDROCARBON PYROLYSIS APPARATUS AND OPERATION METHOD THEREOF}Hydrocarbon pyrolysis hydrogen production device and hydrogen production method solving catalyst activity degradation {HYDROCARBON PYROLYSIS APPARATUS AND OPERATION METHOD THEREOF}

본 발명은 촉매 활성 저하를 해결한 탄화수소 열분해 수소 생산 장치 및 수소 생산 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응기 내부의 중앙에 이젝터를 구비하여 반응기 하단에서 탄화수소 가스와 함께 고농도의 수소를 이젝터로 유입시키면서 반응을 수행함으로써 탄화수소의 열분해 반응성이 향상될 뿐만 아니라 촉매로 공급되는 수소에 의해 촉매의 활성이 저하되는 것을 방지하여 수소의 생산성을 향상시킬 수 있는 기술에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrocarbon pyrolysis hydrogen production device and a hydrogen production method that solve the deterioration of catalyst activity, and more particularly, an ejector is provided in the center of the reactor so that high concentration hydrogen together with hydrocarbon gas is introduced into the ejector at the bottom of the reactor. The present invention relates to a technology capable of improving hydrogen productivity by preventing the deterioration of catalyst activity by hydrogen supplied to the catalyst as well as improving the pyrolysis reactivity of hydrocarbons by performing the reaction.

수소는 화학제품의 원료 및 화학공장의 공정가스로 널리 사용되고 있으며, 최근에는 미래의 에너지기술인 연료 전지의 원료로서 그 수요가 증대되고 있다. 또한, 현재 인류가 당면하고 있는 환경문제 및 화석연료의 가격상승이나 고갈의 문제점을 해결할 수 있는 가장 유력하고 유일한 대안으로 평가되고 있으며, 특히 21세기에는 지구온난화와 대기오염의 대비 및 에너지 안보와 자급 차원에서 수소의 제조, 저장 및 이용에 관한 연구가 전 세계적으로 활발하게 진행되고 있다.Hydrogen is widely used as a raw material for chemical products and a process gas for chemical plants, and recently, its demand as a raw material for fuel cells, which is a future energy technology, is increasing. In addition, it is evaluated as the most powerful and only alternative to solve the problems of environmental problems and fossil fuel price increase or depletion that mankind is currently facing. At this level, research on the production, storage and use of hydrogen is being actively conducted all over the world.

수소는 궁극적으로 재생 가능한 에너지원으로부터 제조되는 것이 이산화탄소도 발생시키지 않고 바람직한 것으로 평가되고 있으나, 현재로서는 석탄이나 천연가스로부터 제조되는 것이 가장 경제적이며 이산화탄소 배출을 상당부분 줄일 수 있다.Hydrogen is ultimately evaluated as being preferable to be produced from renewable energy sources without generating carbon dioxide, but at present, hydrogen produced from coal or natural gas is the most economical and can significantly reduce carbon dioxide emissions.

탄화수소로부터 수소를 대량으로 생산하는 방법으로는, 천연가스의 수증기 개질법, 탄화수소의 부분산화법 등이 공지되어 있으나, 기존의 방법들은 많은 양의 이산화탄소가 동시에 생성되기 때문에 지구온난화와 같은 환경문제를 유발하는 문제점이 있다.As methods for producing hydrogen in large quantities from hydrocarbons, steam reforming of natural gas, partial oxidation of hydrocarbons, etc. are known, but existing methods cause environmental problems such as global warming because a large amount of carbon dioxide is simultaneously produced. There is a problem.

다른 방법으로는, 연구가 많이 진행되어 노르웨이를 비롯한 일부 국가에서 상업화 단계에 있는 플라즈마 분해법을 들 수 있다. 그러나, 플라즈마 분해법은 전력이 많이 소요되기 때문에 경제성이 없으며, 전력 생산에 이산화탄소의 방출이 불가피하므로 환경적인 문제가 제기될 수 있다.As another method, there is a plasma decomposition method that has been extensively researched and is in the commercialization stage in some countries including Norway. However, since the plasma decomposition method consumes a lot of power, it is not economically viable, and since carbon dioxide is unavoidably emitted in power generation, environmental problems may be raised.

또 다른 방법으로는, 천연가스, 중질유, 콜타르(coal tar) 등을 고온 열분해하여 카본블랙과 수소를 생산하는 공정을 들 수 있다. 그러나, 이 방법은 1400 ℃ 이상의 매우 높은 반응온도를 필요로 하며, 생성되는 카본의 침적으로 인하여 2개의 반응기를 주기적으로 사용하는 번거로움이 있는 반-연속식 공정이다.As another method, a process of producing carbon black and hydrogen by thermally decomposing natural gas, heavy oil, coal tar, and the like at a high temperature may be mentioned. However, this method requires a very high reaction temperature of 1400° C. or more, and is a cumbersome semi-continuous process in which two reactors are periodically used due to the deposition of the produced carbon.

또 다른 방법으로는, 탄화수소의 직접 분해 시 필요로 하는 높은 반응온도를 낮추기 위한 방법으로 금속촉매를 사용하는 촉매분해법을 들 수 있다. 그러나, 촉매분해반응의 과정에서 생성되는 카본이 촉매에 증착되어 촉매의 활성을 저하시키는 문제점이 발생하여, 활성이 저하된 촉매를 재생하기 위하여 고온에서 공기 또는 수증기를 이용하여 촉매를 재생하는 공정이 추가로 요구되며, 이러한 재생과정에서 온실가스인 이산화탄소가 발생하는 문제점이 있다. Another method is a catalytic decomposition method using a metal catalyst as a method for lowering the high reaction temperature required for direct decomposition of hydrocarbons. However, there is a problem in that carbon generated in the course of the catalyst decomposition reaction is deposited on the catalyst and the activity of the catalyst is lowered, so a process of regenerating the catalyst using air or steam at a high temperature to regenerate the catalyst with reduced activity is required. It is additionally required, and there is a problem in that carbon dioxide, which is a greenhouse gas, is generated in this regeneration process.

또한, 상기와 같은 촉매분해법은 반응기 내부의 온도가 균일하지 못하여 탄화수소의 열분해 반응성이 저하되는 문제점이 있다. 즉, 반응기의 가장자리 부분은 온도가 상대적으로 높고 균일한 반면 반응기의 중심 부분은 복사, 전도 등을 통한 열전달이 상대적으로 어렵기 때문에 반응기의 가장자리에 비해 상대적으로 온도가 낮아 반응기의 중심부분에서는 탄화수소의 열분해 반응의 활성이 낮아지게 되는 문제점이 있다.In addition, the catalytic decomposition method as described above has a problem in that the temperature inside the reactor is not uniform, so that the thermal decomposition reactivity of hydrocarbons is lowered. That is, the temperature of the edge of the reactor is relatively high and uniform, while the center of the reactor is relatively difficult to transfer heat through radiation and conduction, so the temperature is relatively low compared to the edge of the reactor. There is a problem that the activity of the thermal decomposition reaction is lowered.

한편, 탄화수소 열분해 장치에 관한 종래기술로는 대한민국등록특허 제10-0886148호가 있다.On the other hand, there is a Korean Patent Registration No. 10-0886148 as a prior art related to a hydrocarbon pyrolysis device.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 반응기 내부의 중앙에 이젝터를 구비하여 탄화수소 가스와 함께 수소를 유입시켜 열분해 반응을 수행하게 되므로 촉매의 활성이 저하되는 것을 방지하여 수소의 생산성을 향상시킬 수 있는 촉매 활성 저하를 해결한 탄화수소 열분해 수소 생산 장치 및 수소 생산 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention is to solve the above-mentioned problems, by providing an ejector in the center of the reactor to introduce hydrogen together with hydrocarbon gas to perform a pyrolysis reaction, thereby preventing the catalyst from deteriorating and improving the productivity of hydrogen. An object of the present invention is to provide a hydrocarbon pyrolysis hydrogen production device and a hydrogen production method that solve the possible catalyst activity decrease.

본 발명이 해결하려는 과제는 전술한 과제로 제한되지 아니하며, 언급되지 아니한 또 다른 기술적 과제들은 후술할 내용으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problem to be solved by the present invention is not limited to the above problem, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치는 탄화수소 가스를 수소와 탄소로 분해하는 반응기; 및 상기 반응기의 내부에 구비되는 이젝터;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus according to the present invention for achieving the above object includes a reactor for decomposing hydrocarbon gas into hydrogen and carbon; and an ejector provided inside the reactor.

이때, 상기 이젝터는 상기 반응기의 내부 중앙에 위치하고, 상기 촉매는 상기 이젝터와 상기 반응기의 내벽 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다.At this time, the ejector is located at the inner center of the reactor, and the catalyst is characterized in that it is located between the ejector and the inner wall of the reactor.

또한, 상기 수소 생산 장치는, 상기 반응기에서 분해된 수소를 회수하고 미반응 탄화수소를 상기 반응기로 재공급하기 위해 마련되는 순환 배관;을 더 포함하며, 상기 순환 배관은 상기 반응기의 상단에 연결되는 것을 특징으로 한다.In addition, the hydrogen production device further includes a circulation pipe provided to recover hydrogen decomposed in the reactor and resupply unreacted hydrocarbons to the reactor, wherein the circulation pipe is connected to the upper end of the reactor. to be characterized

또한, 상기 이젝터의 입구는 상기 촉매보다 아래쪽에 위치하고, 상기 이젝터의 출구는 상기 촉매보다 위쪽에 위치하는 것을 특징으로 한다.In addition, the inlet of the ejector is located below the catalyst, and the outlet of the ejector is located above the catalyst.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치의 수소 생산 방법은 고압의 탄화수소 가스를 이젝터의 챔버에 분사하는 단계; 상기 이젝터 하단으로 고농도의 수소가 유입되어 상기 탄화수소 가스에 혼합되는 단계; 및 상기 이젝터의 확산부를 통해 혼합가스가 상기 반응기의 상단부로 분사된 후 하강하면서 촉매의 존재 하에 분해되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the hydrogen production method of the hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus according to the present invention for achieving the above object comprises the steps of injecting high-pressure hydrocarbon gas into the chamber of the ejector; Step of introducing high-concentration hydrogen into the lower end of the ejector and mixing with the hydrocarbon gas; and dissolving the mixed gas in the presence of a catalyst while descending after the mixed gas is injected into the upper end of the reactor through the diffusion part of the ejector.

이때, 상기 이젝터를 통과하는 가스는 상기 이젝터 내에서 상승하면서 예비 가열되는 것을 특징으로 한다.At this time, the gas passing through the ejector is preheated while rising in the ejector.

본 발명에 따른 촉매 활성 저하를 해결한 탄화수소 열분해 수소 생산 장치 및 수소 생산 방법은 반응기 내부의 중앙에 이젝터를 구비하여 탄화수소 가스와 반응과정을 통해 생성된 수소를 함께 공급하기 때문에 촉매의 활성이 저하되는 것을 지연시킬 수 있다.Hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus and hydrogen production method that solves the deterioration of catalyst activity according to the present invention have an ejector in the center of the reactor to supply hydrocarbon gas and hydrogen generated through the reaction process together, so that the activity of the catalyst is reduced. can delay

또한 반응기의 이젝터의 외측 둘레의 공간에 촉매가 배치됨으로써 온도가 상대적으로 높고 균일한 반응기의 가장자리 영역에서 열분해 반응이 이루어지게 되어 반응온도의 균일화를 달성할 수 있다.In addition, since the catalyst is disposed in the space around the outer circumference of the ejector of the reactor, the thermal decomposition reaction is performed in the edge region of the reactor where the temperature is relatively high and uniform, so that the reaction temperature can be uniform.

또한, 촉매를 거치면서 분해되지 않은 미반응 탄화수소를 이젝터를 통해 유입시켜 반응기 내부 상단으로 다시 재순환시켜 반응과정에 투입하기 때문에 미반응 탄화수소가 버려지지 않게되어 경제적이다. In addition, since unreacted hydrocarbons that have not been decomposed through the catalyst are introduced through an ejector and recycled back to the top of the reactor, unreacted hydrocarbons are not discarded and thus are economical.

또한, 미반응 탄화수소가 순환배관을 통해 반응기로 재 유입되는 유입구와 이젝터의 확산부를 서로 일정 간격 이격된 상태로 마주보도록 형성함으로써 순환배관을 통해 반응기에 유입되는 미반응 탄화수소 가스가 이젝터의 확산부를 통해 분사되는 혼합 가스에 혼합된 후 촉매로 유동할 수 있도록 하여 반응기 내부 가스의 혼합성 및 유동성을 향상시킬 수 있다.In addition, the inlet through which unreacted hydrocarbons are re-introduced into the reactor through the circulation pipe and the diffuser of the ejector are formed to face each other at a predetermined interval, so that the unreacted hydrocarbon gas flowing into the reactor through the circulation pipe passes through the diffuser of the ejector. Mixability and fluidity of the gas inside the reactor can be improved by allowing the gas to flow into the catalyst after being mixed with the injected mixed gas.

또한, 탄화수소 가스 공급 배관을 통해 반응기로 공급되는 탄화수소 가스와 연소실에서 배출되는 연소 배기가스를 열교환기를 통해 열교환시켜 탄화수소 가스를 예비 가열함으로써 가스 분사 노즐의 탄화수소 가스 분사속도를 높여 이젝터의 챔버 및 혼합부의 압력을 더욱 낮춤으로써 이젝터 주변과의 압력차를 보다 크게 하여 반응기 하단의 미반응 탄화수소 및 고농도 수소의 재순환 유량을 증가시킬 수 있다. 이에 따라, 촉매의 활성이 저하되는 것을 저지하는 효과가 향상될 뿐만 아니라 보다 많은 미반응 탄화수소가 반응기 내에서 바로 재순환 되어 촉매를 통해 재 반응함으로써 수소의 생산성을 향상시킬 수 있다.In addition, the hydrocarbon gas supplied to the reactor through the hydrocarbon gas supply pipe and the combustion exhaust gas discharged from the combustion chamber are heat-exchanged through a heat exchanger to preheat the hydrocarbon gas, thereby increasing the hydrocarbon gas injection speed of the gas injection nozzle to the chamber and mixing part of the ejector. By further lowering the pressure, the pressure difference with the surroundings of the ejector can be increased to increase the recirculation flow rate of unreacted hydrocarbons and high-concentration hydrogen at the bottom of the reactor. Accordingly, the effect of preventing the catalyst from being lowered is improved, and more unreacted hydrocarbons are directly recycled in the reactor and re-reacted through the catalyst, thereby improving hydrogen productivity.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치에서 반응기의 내부 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치에서 반응기의 외부 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치의 전체 구성을 도시한 개략도이다.
1 is a diagram showing the internal structure of a reactor in a hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 2 is a view showing the external structure of the reactor in the hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.
Figure 3 is a schematic diagram showing the overall configuration of a hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.

본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 더 구체적으로 설명하되, 이미 주지되어진 기술적 부분에 대해서는 설명의 간결함을 위해 생략하거나 압축하기로 한다.A preferred embodiment of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings, but the already well-known technical parts will be omitted or compressed for conciseness of description.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치에서 반응기의 내부 구조를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치에서 반응기의 외부 구조를 도시한 도면이고, 도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치의 전체 구성을 도시한 개략도이다.1 is a view showing the internal structure of a reactor in a hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 2 shows the external structure of a reactor in a hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus according to a preferred embodiment of the present invention Figure 3 is a schematic diagram showing the overall configuration of a hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus according to a preferred embodiment of the present invention.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치는 탄화수소 가스 공급 제어 밸브(100), 탈황장치(120), 압축기(130), 열교환기(140), 반응기(200), 이젝터(240), 탄소회수장치(300), 수소분리기(400), 퍼지밸브(800), 버퍼탱크(500) 및 재순환 블로어(600)를 포함하여 형성되며, 도면에는 도시되지 않았지만 탄화수소 열분해 수소 생산 장치의 전체구성을 제어하기 위한 제어기(미도시)가 별도로 구비된다.1 to 3, the hydrocarbon pyrolysis hydrogen production device according to a preferred embodiment of the present invention includes a hydrocarbon gas supply control valve 100, a desulfurization device 120, a compressor 130, and a heat exchanger 140 , Reactor 200, ejector 240, carbon recovery device 300, hydrogen separator 400, purge valve 800, buffer tank 500 and recirculation blower 600, and is formed including, as shown in the drawing Although not shown, a controller (not shown) for controlling the entire configuration of the hydrocarbon pyrolysis hydrogen production device is provided separately.

탄화수소 가스 공급 제어 밸브(100)는 탄화수소 가스 공급 배관(110)을 통해 공급되는 탄화수소 가스의 공급 및 차단을 제어한다.The hydrocarbon gas supply control valve 100 controls the supply and blocking of hydrocarbon gas supplied through the hydrocarbon gas supply pipe 110 .

탈황장치(120)는 공급되는 탄화수소 가스에 포함된 황을 제거하기 위해 마련된다.The desulfurization device 120 is provided to remove sulfur contained in the supplied hydrocarbon gas.

압축기(130)는 탄화수소 가스를 고압으로 압축시키기 위해 마련된다.Compressor 130 is provided to compress hydrocarbon gas to high pressure.

열교환기(140)는 탄화수소 가스 공급 배관(110)을 통해 유입된 탄화수소 가스와 연소 배기 가스 유입 배관(141)을 통해 연소실(210)로부터 열교환기(140)로 유입된 연소 배기 가스를 서로 열교환시켜 탄화수소 가스를 예열하는 역할을 하며, 열교환을 마친 연소 배기 가스는 연소 배기 가스 배출 배관(142)을 통해 배출된다.The heat exchanger 140 exchanges heat between the hydrocarbon gas introduced through the hydrocarbon gas supply pipe 110 and the combustion exhaust gas introduced into the heat exchanger 140 from the combustion chamber 210 through the combustion exhaust gas inlet pipe 141. It serves to preheat the hydrocarbon gas, and the combustion exhaust gas after heat exchange is discharged through the combustion exhaust gas discharge pipe 142.

상기와 같이 열교환기(140)를 통해 탄화수소 가스를 예열하여 가스의 온도를 높인 후 가스 분사 노즐(150)로 공급함으로써 가스 분사 노즐(150)의 가스 분사 속도도 높일 수 있다.As described above, the gas injection speed of the gas injection nozzle 150 may be increased by preheating the hydrocarbon gas through the heat exchanger 140 to increase the temperature of the gas and then supplying the gas to the gas injection nozzle 150 .

즉, 상기와 같이 본 발명에서는 압축기(130)와 열교환기(140)를 통해 탄화수소 가스를 압축하고 예열하여 고온 고압의 탄화수소 가스를 가스 분사 노즐(150)로 공급함으로써 가스 분사 노즐(150)의 가스 분사 속도를 높일 수 있으며, 열교환기(140)를 통해 탄화수소 가스의 온도가 상승함에 따라 가스 분사 노즐(150) 내부의 온도가 상승하게 되고, 이에 따라 노즐의 음속이 증가(노즐의 음속 a =

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RT,
Figure 112020125626389-pat00002
: 비열비, R : 가스 상수, T : 절대 온도, 즉 노즐의 음속 a는 노즐 내부의 절대 온도 T에 비례하여 상승함하게 되며, 가스 분사 노즐(150)의 끝단에서의 가스 분사 속도는 음속과 동일한 속도가 되기 때문에 열교환기(140)를 통해 탄화수소 가스를 예열함으로써 가스 분사 노즐(150)의 분사 속도를 최대로 높일 수 있는 것(노즐의 유체 분사 속도는 음속을 넘어설 수 없음)이다.That is, as described above, in the present invention, the hydrocarbon gas is compressed and preheated through the compressor 130 and the heat exchanger 140, and the high-temperature and high-pressure hydrocarbon gas is supplied to the gas injection nozzle 150 so that the gas of the gas injection nozzle 150 is supplied. The injection speed can be increased, and as the temperature of the hydrocarbon gas increases through the heat exchanger 140, the temperature inside the gas injection nozzle 150 rises, and accordingly, the sound speed of the nozzle increases (the sound speed of the nozzle a =
Figure 112020125626389-pat00001
RT,
Figure 112020125626389-pat00002
: specific heat ratio, R: gas constant, T: absolute temperature, that is, the sound speed a of the nozzle rises in proportion to the absolute temperature T inside the nozzle, and the gas ejection speed at the end of the gas injection nozzle 150 is Since the speed is the same, the injection speed of the gas injection nozzle 150 can be increased to the maximum by preheating the hydrocarbon gas through the heat exchanger 140 (the fluid injection speed of the nozzle cannot exceed the speed of sound).

반응기(200)는 탄화수소 가스를 기체상태의 수소와 고체 상태의 탄소로 분해하기 위해 마련되며, 반응기(200)의 내부 온도를 반응 온도로 높이기 위한 연소실(210)과 전기히터(220)가 반응기(200)의 외측 둘레를 감싸도록 형성되고, 반응기(200)의 내측 가장자리에는 담지체에 담지된 촉매(250)가 구비된다. 이에 따라 반응기(200)로 공급된 탄화수소 가스는 촉매(250)의 존재 하에 흡열반응을 통하여 기체상태의 수소와 고체 상태의 탄소로 분해된다. 이때, 본 발명에서는 필요에 따라 반응기(200)에 연소실(210) 또는 전기히터(220)를 선택적으로 설치하는 것도 가능하다.The reactor 200 is provided to decompose hydrocarbon gas into gaseous hydrogen and solid carbon, and a combustion chamber 210 and an electric heater 220 for increasing the internal temperature of the reactor 200 to the reaction temperature are provided in the reactor ( 200), and the catalyst 250 supported on the carrier is provided at the inner edge of the reactor 200. Accordingly, the hydrocarbon gas supplied to the reactor 200 is decomposed into gaseous hydrogen and solid carbon through an endothermic reaction in the presence of the catalyst 250 . At this time, in the present invention, it is also possible to selectively install the combustion chamber 210 or the electric heater 220 in the reactor 200 as needed.

담지체는 다수의 촉매(250)를 담지할 수 있도록 높은 다공성을 가지고 조건에 따라 촉매(250)에 증착한 고체 상태의 탄소가 중력과 유동에 의해 아래로 떨어질 수 있도록 설계되며, 촉매(250)는 니켈, 철, 탄소, 백금족 금속(PGM) 등의 불균일 촉매가 사용된다.The support has high porosity so as to support a plurality of catalysts 250 and is designed so that solid-state carbon deposited on the catalyst 250 can fall downward by gravity and flow depending on conditions, and the catalyst 250 uses a heterogeneous catalyst such as nickel, iron, carbon or platinum group metal (PGM).

또한, 탄화수소 가스는 메탄, 프로판, 부탄, 액화석유가스(LPG ; Liquified Petroleum Gas), 액화천연가스(LNG ; Liquified Natural Gas), 메탄올, 에탄올 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.In addition, the hydrocarbon gas may be used alone or in combination with methane, propane, butane, liquefied petroleum gas (LPG), liquefied natural gas (LNG), methanol, ethanol, and the like.

또한, 연소실(210)에는 공기 주입 배관(211)을 통해 연소에 필요한 공기가 공급되며 공기 주입 배관(211)에는 오리피스(212)가 구비되어 연소실(210)로 공급되는 공기의 유량을 조절하고, 연소실(210)에서 생성된 연소 배기 가스는 연소 배기 가스 유입 배관(141)을 통해 열교환기(140)로 유입되어 탄화수소 가스를 예열한 후 연소 배기 가스 배출 배관(142)을 통해 배출된다.In addition, air necessary for combustion is supplied to the combustion chamber 210 through an air injection pipe 211, and an orifice 212 is provided in the air injection pipe 211 to adjust the flow rate of air supplied to the combustion chamber 210, The combustion exhaust gas generated in the combustion chamber 210 flows into the heat exchanger 140 through the combustion exhaust gas inlet pipe 141, preheats the hydrocarbon gas, and then is discharged through the combustion exhaust gas outlet pipe 142.

한편, 반응기(200)의 내부 중심부에는 이젝터(240)가 구비된다. 이러한 이젝터(240)는 가스 분사 노즐(150)을 통해 분사된 탄화수소 가스가 유입되는 챔버(241)와 내경이 급격히 감소되는 혼합부(242)와 내경이 급격히 증가하는 확산부(243)로 구성된다.Meanwhile, an ejector 240 is provided at the inner center of the reactor 200 . The ejector 240 is composed of a chamber 241 into which the hydrocarbon gas injected through the gas injection nozzle 150 is introduced, a mixing section 242 whose inner diameter rapidly decreases, and a diffusion section 243 whose inner diameter rapidly increases. .

상기와 같이 구성된 이젝터(240)에 의해 가스 분사 노즐(150)에서 고속으로 분사된 탄화수소 가스가 이젝터(240)의 챔버(241)를 거쳐 내경이 급격히 감소하는 혼합부(242)로 이동하면서 속도가 급격히 증가함에 따라 압력이 급격하게 감소하면서 이젝터(240)의 챔버(241) 및 혼합부(242)의 압력을 급격하게 감소시키게 된다. 이에 따라 이젝터(240)의 챔버(241) 및 혼합부(242)와 챔버(241) 주변(반응기(200)의 하단부) 사이에 큰 압력차가 발생하게 되면서 반응기(200)의 하단에 존재하는 미반응 탄화수소 및 반응과정을 통해 생성된 수소가 이젝터(240)의 챔버(241)로 유입되어 공급된 탄화수소 가스와 혼합되어 혼합가스를 형성한다. 이후, 혼합가스는 이젝터(240)의 확산부(243)를 거쳐 반응기(200)의 상단부로 상승한 후 이젝터(240)의 외측 둘레 공간을 따라 다시 하강하면서 촉매(250)의 존재 하에 열분해 반응이 이루어진 후 반응기(200)의 하단으로 이동하게 된다.The hydrocarbon gas ejected at high speed from the gas injection nozzle 150 by the ejector 240 configured as described above passes through the chamber 241 of the ejector 240 and moves to the mixing section 242 where the inner diameter rapidly decreases, increasing the speed. As the pressure increases rapidly, the pressure rapidly decreases and the pressure in the chamber 241 and the mixing unit 242 of the ejector 240 is rapidly reduced. As a result, a large pressure difference is generated between the chamber 241 and mixing unit 242 of the ejector 240 and the surroundings of the chamber 241 (the lower end of the reactor 200), resulting in unreacted Hydrocarbon and hydrogen generated through the reaction process are introduced into the chamber 241 of the ejector 240 and mixed with the supplied hydrocarbon gas to form a mixed gas. Thereafter, the mixed gas rises to the top of the reactor 200 through the diffusion part 243 of the ejector 240 and then descends again along the outer circumferential space of the ejector 240, whereby a thermal decomposition reaction takes place in the presence of the catalyst 250. After that, it moves to the bottom of the reactor 200.

이에 따라, "이젝터(240)로 공급되는 탄화수소 가스와 압력차에 의해 이젝터(240)로 유입되는 반응기(200) 하단의 미반응 탄화수소 및 수소"는 서로 혼합된 후 이젝터(240)의 내부를 이동하면서 예비 가열되어 온도가 높아지고 반응기(200)의 중앙에 위치하는 이젝터(240) 외측의 둘레 공간에 배치된 촉매(250)에서 열분해 반응을 함으로써 반응 온도의 균일화를 얻을 수 있고 따라서 탄화수소의 열분해 반응성을 향상시켜 수소의 생산성을 높일 수 있다.Accordingly, "the hydrocarbon gas supplied to the ejector 240 and the unreacted hydrocarbon and hydrogen at the bottom of the reactor 200 flowing into the ejector 240 by the pressure difference" are mixed with each other and then moved inside the ejector 240. While being preheated to increase the temperature, the reaction temperature can be uniformed by performing a thermal decomposition reaction in the catalyst 250 disposed in the outer circumferential space of the ejector 240 located in the center of the reactor 200, thereby reducing the thermal decomposition reactivity of hydrocarbons. It can improve the productivity of hydrogen.

또한, 촉매(250)를 거치면서 분해되지 않은 미반응 탄화수소가 다시 이젝터(240)로 유입된 후 반응기(200)의 촉매로 재순환됨으로써 미반응 탄화수소를 다시 반응에 참여시켜 열분해시킬 수 있다.In addition, unreacted hydrocarbons that have not been decomposed while passing through the catalyst 250 are introduced into the ejector 240 and then recycled to the catalyst of the reactor 200 so that the unreacted hydrocarbons can participate in the reaction again and be thermally decomposed.

또한, 반응기(200) 하단에서 반응과정을 통해 생성된 고농도의 수소를 이젝터(240)를 통해 재유입시켜 탄화수소 가스와 혼합된 상태에서 촉매(250)로 공급함으로써 촉매(250)의 활성이 저하되는 것을 방지하거나 지연시킬 수 있다. 반응기(200)의 촉매(250)에 공급되는 탄화수소 가스에 수소를 첨가할 경우 수소가 촉매(250)의 안정성을 향상시켜 촉매(250)의 열화를 지연시키는 것은 아래 논문에서 확인되고 있는 공지의 사실이다. (논문 참조 : Jiaofei Wang, Lijun Jin, Yang Li, Mingyi Wang, Haoquan Hu, "Effect of hydrogen additive on methane decomposition to hydrogen and carbon over activated carbon catalyst", International Journal of Hydrogen Energy, Volume 43, Issue 37, 13 September 2018, Pages 17611-17619)In addition, the high concentration hydrogen generated through the reaction process at the bottom of the reactor 200 is re-introduced through the ejector 240 and supplied to the catalyst 250 in a mixed state with hydrocarbon gas, thereby reducing the activity of the catalyst 250 can be prevented or delayed. When hydrogen is added to the hydrocarbon gas supplied to the catalyst 250 of the reactor 200, it is a known fact confirmed in the paper below that hydrogen improves the stability of the catalyst 250 and delays the deterioration of the catalyst 250. to be. (See the paper: Jiaofei Wang, Lijun Jin, Yang Li, Mingyi Wang, Haoquan Hu, "Effect of hydrogen additive on methane decomposition to hydrogen and carbon over activated carbon catalyst", International Journal of Hydrogen Energy, Volume 43, Issue 37, 13 September 2018, Pages 17611-17619)

한편, 본 실시예에서는 가스 분사 노즐(150)이 이젝터(240)와는 별도로 형성된 것으로 기재하였으나, 가스 분사 노즐(150)을 이젝터(240)에 일체로 형성하는 것도 가능하다.Meanwhile, although the gas injection nozzle 150 is described as being formed separately from the ejector 240 in this embodiment, it is also possible to integrally form the gas injection nozzle 150 with the ejector 240.

본 발명에서는 상술한 바와 같이 압축기(130)와 열교환기(140)를 통해 예열된 고압의 탄화수소 가스를 가스 분사 노즐(150)로 공급해주어 가스의 분사 속도를 최대한 증가시킴에 따라 분사된 탄화수소 가스가 이젝터(240)의 혼합부(242)에서 속도가 더욱 급격하게 상승하면서 챔버(241) 및 혼합부(242)의 압력을 더 크게 떨어뜨리게 되고, 이로 인해 이젝터(240)의 챔버(241) 및 혼합부(242)와 챔버(241) 주변(반응기(200)의 하단부)의 압력차가 더욱 커지게 되어 반응기(200) 하단의 미반응 탄화수소가 이젝터(240)의 챔버(241)로 더욱 많이 유입되어 재순환 유량이 증가된다. 이에 따라, 보다 많은 미반응 탄화수소가 반응기(200) 내에서 바로 재순환 되어 촉매(250)를 통해 재 반응함으로써 수소의 생산성을 향상시킬 수 있다.In the present invention, as described above, the high-pressure hydrocarbon gas preheated through the compressor 130 and the heat exchanger 140 is supplied to the gas injection nozzle 150 to increase the gas injection speed to the maximum, so that the injected hydrocarbon gas As the speed in the mixing section 242 of the ejector 240 rises more rapidly, the pressure in the chamber 241 and the mixing section 242 drops more significantly, thereby causing the chamber 241 and the mixing section of the ejector 240 to The pressure difference between the part 242 and the surroundings of the chamber 241 (the lower part of the reactor 200) becomes larger, so that more unreacted hydrocarbons at the lower part of the reactor 200 flow into the chamber 241 of the ejector 240 and are recycled. flow is increased. Accordingly, more unreacted hydrocarbons are immediately recycled in the reactor 200 and re-reacted through the catalyst 250, thereby improving hydrogen productivity.

탄소회수장치(300)는 촉매(250)에 증착된 고체 상태의 탄소가 하강하면 이를 회수하여 외부로 배출하기 위해 마련되며, 내측에는 탄소필터(미도시)가 구비된다.The carbon recovery device 300 is provided to recover carbon deposited on the catalyst 250 in a solid state when it falls and discharge it to the outside, and a carbon filter (not shown) is provided inside.

수소분리기(400)는 수소와 미반응 탄화수소가 혼합된 혼합 가스에서 수소를 분리하여 수소 배출 배관(410)을 통해 외부로 배출하는 역할을 한다.The hydrogen separator 400 serves to separate hydrogen from a mixed gas of hydrogen and unreacted hydrocarbons and discharge it to the outside through a hydrogen discharge pipe 410.

퍼지밸브(800)는 일정 주기로 개방되어 수소분리기(400)를 거치면서 수소가 분리되고 남은 미반응 탄화수소를 연소가스 유입 배관(810)을 통해 연소실(210)로 유입시키는 역할을 하며, 이에 따라 퍼지밸브(800)에 의해 연소실(210)에 열원이 주기적으로 공급된다.The purge valve 800 is opened at regular intervals and hydrogen is separated through the hydrogen separator 400 and serves to introduce remaining unreacted hydrocarbons into the combustion chamber 210 through the combustion gas inlet pipe 810, thereby purging A heat source is periodically supplied to the combustion chamber 210 by the valve 800 .

버퍼 탱크(500)는 순환 배관(610)을 통해 반응기(200)로 재순환 되는 미반응 탄화수소의 압력을 일정하게 유지하는 역할을 한다.The buffer tank 500 serves to maintain a constant pressure of unreacted hydrocarbons recycled to the reactor 200 through the circulation pipe 610.

재순환 블로어(600)는 미반응 탄화수소를 순환 배관(610)을 통해 반응기(200)로 재순환 시키는 역할을 한다. 이때, 본 발명에서는 미반응 탄화수소가 순환 배관(610)을 통해 반응기(200)로 유입되는 유입구(611)와 이젝터(240)의 확산부(243)를 서로 일정 간격 이격된 상태로 마주보도록 형성함으로써 순환 배관(610)을 통해 반응기(200)에 유입되는 미반응 탄화수소가 이젝터(240)의 확산부(243)를 통해 분사되는 혼합 가스에 혼합된 후 촉매(250)로 유동할 수 있도록 하여 반응기 내부 가스의 혼합성 및 유동성을 향상시킬 수 있다.The recirculation blower 600 serves to recirculate unreacted hydrocarbons to the reactor 200 through the circulation pipe 610. At this time, in the present invention, the inlet 611 through which the unreacted hydrocarbon flows into the reactor 200 through the circulation pipe 610 and the diffusion part 243 of the ejector 240 are formed to face each other at a predetermined interval, After the unreacted hydrocarbon flowing into the reactor 200 through the circulation pipe 610 is mixed with the mixed gas injected through the diffusion part 243 of the ejector 240, it can flow to the catalyst 250 so that the inside of the reactor Mixability and fluidity of gas can be improved.

한편, 본 발명에서는 필요에 따라 질소 퍼지를 위한 질소가스 공급부(700), 유량제어기(720) 및 질소가스 공급 배관(710)을 필요에 따라 선택적으로 설치하는 것도 가능하다.Meanwhile, in the present invention, it is also possible to selectively install the nitrogen gas supply unit 700, the flow controller 720, and the nitrogen gas supply pipe 710 for nitrogen purge as needed.

이하에서는 상기와 같은 구성의 본 발명에 따른 탄화수소 열분해 수소 생산 장치의 수소 생산 방법에 대해 구체적으로 설명하도록 한다.Hereinafter, a hydrogen production method of the hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus according to the present invention having the above configuration will be described in detail.

탄화수소 가스 공급 제어 밸브(100)에 의해 탄화수소 가스 공급 배관(110)에 공급된 탄화수소 가스는 탈황장치(120)를 거치면서 황이 제거되고, 압축기(130)와 열교환기(140)를 통해 압축되고 예열되어 고온 고압의 상태로 가스 분사 노즐(150)을 통해 이젝터(240)의 챔버(241)에 분사된다.The hydrocarbon gas supplied to the hydrocarbon gas supply pipe 110 by the hydrocarbon gas supply control valve 100 passes through the desulfurization device 120 to remove sulfur, and is compressed and preheated through the compressor 130 and the heat exchanger 140. and is injected into the chamber 241 of the ejector 240 through the gas injection nozzle 150 in a high-temperature and high-pressure state.

이젝터(240)의 챔버(241)에 분사된 탄화수소 가스는 내경이 급격히 감소하는 혼합부(242)로 이동하면서 속도가 급격히 증가함에 따라 압력이 급격하게 감소하면서 이젝터(240)의 챔버(241) 및 혼합부(242)의 압력을 급격하게 감소시키게 된다. 이에 따라 이젝터(240)의 챔버(241) 및 혼합부(242)와 챔버(241) 주변(반응기(200)의 하단부) 사이에 큰 압력차가 발생하게 되면서 반응기(200)의 하단에 존재하는 미반응 탄화수소 및 열반응과정에서 생성된 수소가 압력차에 의해 이젝터(240)의 챔버(241)로 유입되어 탄화수소 가스에 혼합된다.The hydrocarbon gas injected into the chamber 241 of the ejector 240 moves to the mixing section 242 where the inner diameter rapidly decreases, and as the speed increases rapidly, the pressure rapidly decreases and the chamber 241 and The pressure of the mixing unit 242 is rapidly reduced. As a result, a large pressure difference is generated between the chamber 241 and mixing unit 242 of the ejector 240 and the surroundings of the chamber 241 (the lower end of the reactor 200), resulting in unreacted Hydrogen generated during the hydrocarbon and thermal reaction flows into the chamber 241 of the ejector 240 by a pressure difference and is mixed with the hydrocarbon gas.

이후, 혼합가스가 확산부(243)로 유입되면서 속도가 급격히 하강하고 압력이 급격히 높아지면서 반응기(200)의 상단부로 분사된 후 하강하면서 촉매(250)의 존재 하에 흡열반응을 통해 분해되어 반응기(200)의 하단으로 이동하게 된다.Thereafter, as the mixed gas flows into the diffusion unit 243, the speed rapidly decreases and the pressure rapidly increases, and is injected to the upper end of the reactor 200, and then decomposed through an endothermic reaction in the presence of the catalyst 250 while descending to the reactor ( 200) to the bottom.

상기와 같이 본 발명에서는 이젝터(240)로 공급되는 탄화수소 가스와 압력차에 의해 이젝터(240)로 유입되는 반응기(200) 하단의 미반응 탄화수소 및 고농도의 수소가 서로 혼합된 후 상승하면서 예비 가열된 상태에서 온도가 상대적으로 높고 균일한 반응기(200)의 가장자리에 구비된 촉매(250)에서 열분해 반응을 함으로써 탄화수소의 열분해 반응성을 향상시켜 수소의 생산성을 높일 수 있다. 즉, 본 발명에서는 탄화수소 가스가 반응기(200)에 공급되면서 바로 촉매(250)와 반응하지 않고 이젝터(240)를 통해 반응기(200)의 상단으로 이동한 후 다시 하강하면서 촉매(250)와 반응하기 때문에 촉매(250)와 반응하기 전에 이젝터(240)의 내측에서 상승하면서 예비 가열이 이루어진 후 촉매(250)와 반응하게 되는 것이다.As described above, in the present invention, the hydrocarbon gas supplied to the ejector 240 and the unreacted hydrocarbon at the bottom of the reactor 200 flowing into the ejector 240 by the pressure difference and high concentration hydrogen are mixed with each other, and then preheated while rising. By performing a thermal decomposition reaction in the catalyst 250 provided at the edge of the reactor 200 where the temperature is relatively high and uniform in the state, the productivity of hydrogen can be increased by improving the thermal decomposition reactivity of hydrocarbons. That is, in the present invention, while the hydrocarbon gas is supplied to the reactor 200, it does not immediately react with the catalyst 250, but moves to the top of the reactor 200 through the ejector 240 and reacts with the catalyst 250 while descending again. Therefore, before reacting with the catalyst 250, it is preheated while ascending inside the ejector 240, and then reacts with the catalyst 250.

또한, 촉매(250)를 거치면서 분해되지 않은 미반응 탄화수소를 이젝터(240)를 통해 유입시켜 반응기(200) 내부 상단으로 다시 재순환시킴으로써 미반응 탄화수소가 반응기(200) 내에서 바로 재순환 되어 촉매(250)를 통해 분해될 수 있다.In addition, unreacted hydrocarbons that have not been decomposed while passing through the catalyst 250 are introduced through the ejector 240 and recycled back to the top inside the reactor 200, so that the unreacted hydrocarbons are directly recycled in the reactor 200 and the catalyst 250 ) can be decomposed.

또한, 반응과정을 통해 생성된 수소가 반응기(200)의 하부에서 이젝터(240)를 통해 유입되어 탄화수소 가스와 혼합된 상태에서 촉매(250)로 공급되므로 촉매(250)의 활성이 저하되는 것을 지연시킬 수 있다. In addition, hydrogen generated through the reaction process is introduced from the bottom of the reactor 200 through the ejector 240 and supplied to the catalyst 250 in a mixed state with hydrocarbon gas, delaying the deterioration of the activity of the catalyst 250. can make it

이때, 본 발명에서는 상술한 바와 같이 압축기(130)와 열교환기(140)를 통해 고온 고압의 탄화수소 가스를 가스 분사 노즐(150)로 공급하여 가스 분사 노즐(150)의 분사 속도를 최대치로 상승시킴에 따라 분사된 탄화수소 가스가 이젝터(240)의 혼합부(242)에서 속도가 더욱 급격하게 상승하면서 챔버(241) 및 혼합부(242)의 압력을 더 크게 떨어드리게 되고, 이로 인해 이젝터(240)의 챔버(241) 및 혼합부(242)와 챔버(241) 주변(반응기(200)의 하단부)의 압력차가 더욱 커지게 되어 반응기(200) 하단의 미반응 탄화수소 및 고농도의 수소가 이젝터(240)의 챔버(241)로 더욱 많이 유입되어 재순환 유량이 증가하게 된다. 이에 따라, 재순환 유량이 증가됨에 따라 촉매(250)의 활성이 저하되는 것을 저지하는 효과가 향상될 뿐만 아니라 보다 많은 미반응 탄화수소가 반응기(200) 내에서 바로 재순환 되어 촉매(250)를 통해 재 반응함으로써 수소의 생산성을 향상시킬 수 있다.At this time, in the present invention, as described above, the high-temperature and high-pressure hydrocarbon gas is supplied to the gas injection nozzle 150 through the compressor 130 and the heat exchanger 140 to increase the injection speed of the gas injection nozzle 150 to the maximum value. As the velocity of the injected hydrocarbon gas increases more rapidly in the mixing section 242 of the ejector 240, the pressure in the chamber 241 and the mixing section 242 drops more significantly, thereby causing the ejector 240 The pressure difference between the chamber 241 and the mixing unit 242 and the surroundings of the chamber 241 (the lower end of the reactor 200) becomes larger, so that unreacted hydrocarbons and high-concentration hydrogen at the bottom of the reactor 200 are removed from the ejector 240. More of the flow is introduced into the chamber 241 of the recirculation flow rate is increased. Accordingly, as the recirculation flow rate increases, the effect of preventing the catalyst 250 from decreasing in activity is improved, and more unreacted hydrocarbons are directly recycled in the reactor 200 and re-reacted through the catalyst 250. By doing so, the productivity of hydrogen can be improved.

한편, 촉매(250)에 의해 분해되어 반응기(200)의 하단으로 이동한 미반응 탄화수소와 수소 중 일부는 다시 이젝터(240)에 유입되어 반응기(200) 내부에서 재순환하고 나머지는 고체 상태의 탄소와 함께 순환 배관(610)을 통해 유동하여 고체 상태의 탄소는 탄소회수장치(300)로 회수되고 수소와 미반응 탄화수소가 혼합된 혼합 기체는 탄소회수장치(300)을 통과하여 수소분리기(400)로 유입된다.On the other hand, some of the unreacted hydrocarbons and hydrogen decomposed by the catalyst 250 and moved to the bottom of the reactor 200 are introduced into the ejector 240 and recycled inside the reactor 200, and the rest is solid carbon and hydrogen. The carbon in the solid state flows through the circulation pipe 610 together and is recovered to the carbon recovery device 300, and the mixed gas of hydrogen and unreacted hydrocarbons passes through the carbon recovery device 300 to the hydrogen separator 400. is introduced

수소분리기(400)에서 수소가 분리되어 수소 배출 배관(410)을 통해 배출되고 미반응 탄화수소는 버퍼탱크(500) 및 재순환 블로어(600)에 의해 순환 배관(610)을 거쳐 다시 반응기(200)로 공급된다.Hydrogen is separated in the hydrogen separator 400 and discharged through the hydrogen discharge pipe 410, and unreacted hydrocarbons are returned to the reactor 200 through the circulation pipe 610 by the buffer tank 500 and the recirculation blower 600 are supplied

반응기(200) 상단의 유입구(611)를 통해 유입된 미반응 탄화수소는 이젝터(240)의 확산부(243)를 통해 토출되는 혼합 가스에 혼합된 후 촉매(250)를 거쳐 반응기(200)의 하단으로 유동한다.Unreacted hydrocarbons introduced through the inlet 611 at the top of the reactor 200 are mixed with the mixed gas discharged through the diffusion part 243 of the ejector 240, and then pass through the catalyst 250 to the bottom of the reactor 200. flow with

이상과 같은 본 발명에 따른 촉매 활성 저하를 해결한 탄화수소 열분해 수소 생산 장치 및 수소 생산 방법은 반응기 내부의 중앙에 이젝터를 구비하여 이젝터로 유입되는 반응기 하단의 미반응 탄화수소 및 수소를 혼합하고 예비 가열한 후 온도가 상대적으로 높고 균일한 반응기의 가장자리에 구비된 촉매에서 열분해 반응을 시킴으로써 탄화수소의 열분해 반응성을 향상시켜 수소의 생산성을 높일 수 있다.Hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus and hydrogen production method, which solves the catalyst activity decrease according to the present invention as described above, have an ejector in the center of the reactor, mix unreacted hydrocarbon and hydrogen at the bottom of the reactor flowing into the ejector, and preheat Hydrogen productivity can be increased by improving the pyrolysis reactivity of hydrocarbons by performing a pyrolysis reaction in a catalyst provided at the edge of a reactor having a relatively high and uniform post-temperature.

또한, 촉매를 거치면서 분해되지 않은 미반응 탄화수소를 이젝터를 통해 유입시켜 반응기 내부 상단으로 다시 재순환시킴으로써 미반응 탄화수소가 반응기 내에서 바로 재순환 되어 촉매를 통해 분해될 수 있다.In addition, unreacted hydrocarbons that have not been decomposed while passing through the catalyst are introduced through an ejector and recycled back to the top inside the reactor, whereby the unreacted hydrocarbons can be directly recycled in the reactor and decomposed through the catalyst.

또한, 반응기 하단에 이미 존재하고 있는 높은 농도의 수소가 이젝터를 통해 유입되어 반응부에 공급됨으로써 촉매의 활성이 저하되는 것을 방지하거나 지연시킬 수 있다.In addition, a high concentration of hydrogen already present at the bottom of the reactor is introduced through an ejector and supplied to the reaction unit, thereby preventing or delaying the deterioration of catalyst activity.

또한, 미반응 탄화수소가 순환배관을 통해 반응기로 재 유입되는 유입구와 이젝터의 확산부를 서로 일정 간격 이격된 상태로 마주보도록 형성함으로써 순환배관을 통해 반응기에 유입되는 미반응 탄화수소 가스가 이젝터의 확산부를 통해 분사되는 혼합 가스에 혼합된 후 촉매로 유동할 수 있도록 하여 반응기 내부 가스의 혼합성 및 유동성을 향상시킬 수 있다.In addition, the inlet through which unreacted hydrocarbons are re-introduced into the reactor through the circulation pipe and the diffuser of the ejector are formed to face each other at a predetermined interval, so that the unreacted hydrocarbon gas flowing into the reactor through the circulation pipe passes through the diffuser of the ejector. Mixability and fluidity of the gas inside the reactor can be improved by allowing the gas to flow into the catalyst after being mixed with the injected mixed gas.

또한, 탄화수소 가스 공급 배관을 통해 반응기로 공급되는 탄화수소 가스와 연소실에서 배출되는 연소 배기가스를 열교환기를 통해 열교환시켜 탄화수소 가스를 예비 가열함으로써 수소 생산 효율이 향상되고, 반응기 하단의 수소를 이젝터를 통해 재순환시켜 촉매로 공급함으로써 촉매의 활성이 저하되는 것을 방지하거나 지연시키는 효과가 있으며, 미반응 탄화수소가 반응기 내에서 바로 재순환 되어 촉매를 통해 재 반응함으로써 수소의 생산성을 향상시킬 수 있다.In addition, the hydrocarbon gas supplied to the reactor through the hydrocarbon gas supply pipe and the combustion exhaust gas discharged from the combustion chamber are heat exchanged through a heat exchanger to preheat the hydrocarbon gas, thereby improving hydrogen production efficiency and recirculating hydrogen at the bottom of the reactor through an ejector. By supplying it to the catalyst, it has the effect of preventing or delaying the deterioration of the catalyst's activity, and the productivity of hydrogen can be improved by re-reacting through the catalyst by directly recycling unreacted hydrocarbons in the reactor.

위에서 설명한 바와 같이 본 발명에 대한 구체적인 설명은 첨부된 도면을 참조한 실시예에 의해서 이루어졌지만, 상술한 실시예는 본 발명의 바람직한 예를 들어 설명하였을 뿐이기 때문에, 본 발명이 상기의 실시예에만 국한되는 것으로 이해되어져서는 아니 되며, 본 발명의 권리범위는 후술하는 청구범위 및 그 등가개념으로 이해되어져야 할 것이다.As described above, the detailed description of the present invention has been made by the embodiments with reference to the accompanying drawings, but since the above-described embodiments have only been described as preferred examples of the present invention, the present invention is limited to the above embodiments. It should not be understood that it is, and the scope of the present invention should be understood as the following claims and their equivalent concepts.

100 : 탄화수소 가스 공급 제어 밸브
110 : 탄화수소 가스 공급 배관
120 : 탈황장치
130 : 압축기
140 : 열교환기
141 : 연소 배기 가스 유입 배관
142 : 연소 배기 가스 배출 배관
150 : 가스 분사 노즐
200 : 반응기
210 : 연소실
211 : 공기 주입 배관
212 : 오리피스
220 : 전기히터
240 : 이젝터
241 : 챔버
242 : 혼합부
243 : 확산부
250 : 촉매
300 : 탄소 회수 장치
400 : 수소분리기
410 : 수소 배출 배관
500 : 버퍼탱크
600 : 재순환 블로어
610 : 순환배관
611 : 유입구
700 : 질소가스 공급부
710 : 질소가스 공급 배관
720 : 유량제어기
800 : 퍼지 밸브
810 : 연소가스 유입 배관
100: hydrocarbon gas supply control valve
110: hydrocarbon gas supply pipe
120: desulfurization device
130: compressor
140: heat exchanger
141: Combustion exhaust gas inlet pipe
142: combustion exhaust gas discharge piping
150: gas injection nozzle
200: reactor
210: combustion chamber
211: air injection pipe
212: Orifice
220: electric heater
240: ejector
241: chamber
242: mixing section
243: diffusion unit
250: Catalyst
300: carbon recovery device
400: hydrogen separator
410: hydrogen discharge pipe
500: buffer tank
600: recirculation blower
610: circulation piping
611: inlet
700: nitrogen gas supply unit
710: nitrogen gas supply pipe
720: flow controller
800: purge valve
810: Combustion gas inflow pipe

Claims (6)

탄화수소 가스를 수소와 탄소로 분해하는 반응기;
상기 반응기의 내부 중앙에 구비되는 이젝터;
상기 이젝터와 상기 반응기의 내벽 사이에 구비되는 촉매; 및
상기 반응기에서 분해된 수소를 회수하고 미반응 탄화수소를 상기 반응기로 재공급하기 위해 마련되며 상기 반응기의 상단에 연결되는 순환 배관;을 포함하며,
상기 이젝터는,
가스 분사 노즐을 통해 분사된 탄화수소 가스가 유입되는 챔버;
상기 챔버의 상단부에 위치하며 내경이 급격히 감소되는 혼합부;
상기 혼합부의 상단부에 위치하며 내경이 급격히 증가하는 확산부;로 구성되고,
상기 이젝터의 입구는 상기 촉매보다 아래쪽에 위치하고, 상기 이젝터의 출구는 상기 촉매보다 위쪽에 위치하며,
상기 가스 분사 노즐을 통해 분사되어 상기 챔버로 유입된 탄화수소 가스가 내경이 급격히 감소하는 상기 혼합부로 이동하면서 상기 이젝터의 상기 챔버 및 상기 혼합부와 상기 반응기의 하단 사이에 압력차를 발생시켜 상기 반응기의 하단에 존재하는 미반응 탄화수소 및 반응과정을 통해 생성된 수소가 상기 이젝터의 상기 챔버로 유입되어 상기 가스 분사 노즐을 통해 공급된 탄화수소 가스와 혼합되어 제1혼합가스를 형성하고,
상기 제1혼합가스가 상기 이젝터의 상기 확산부를 거쳐 상기 반응기의 상단으로 상승한 다음 상기 순환 배관을 통해 상기 반응기의 상단으로 유입되는 미반응 탄화수소와 재차 혼합되어 제2혼합가스를 형성하며,
상기 제2혼합가스가 상기 이젝터의 외측 둘레 공간에 형성된 상기 촉매를 따라 다시 상기 반응기의 하단으로 하강하면서 상기 제2혼합가스에 포함된 미반응 탄화수소가 상기 촉매와 재반응됨과 동시에 상기 제2혼합가스에 포함된 수소가 상기 촉매에 공급되어 상기 촉매의 활성이 저하되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해 수소 생산 장치.
a reactor that decomposes hydrocarbon gas into hydrogen and carbon;
an ejector provided at the inner center of the reactor;
a catalyst provided between the ejector and the inner wall of the reactor; and
A circulation pipe provided to recover hydrogen decomposed in the reactor and resupply unreacted hydrocarbons to the reactor and connected to the upper end of the reactor; includes,
The ejector,
a chamber into which the hydrocarbon gas injected through the gas injection nozzle is introduced;
a mixing unit located at an upper end of the chamber and having a rapidly reduced inner diameter;
It is located at the upper end of the mixing section and has a rapidly increasing inner diameter; and a diffusion section.
The inlet of the ejector is located below the catalyst, and the outlet of the ejector is located above the catalyst,
While the hydrocarbon gas injected through the gas injection nozzle and introduced into the chamber moves to the mixing section where the inner diameter rapidly decreases, a pressure difference is generated between the chamber of the ejector, the mixing section, and the lower end of the reactor, thereby generating the reactor. Unreacted hydrocarbons present at the bottom and hydrogen generated through the reaction process are introduced into the chamber of the ejector and mixed with hydrocarbon gas supplied through the gas injection nozzle to form a first mixed gas,
The first mixed gas rises to the upper end of the reactor through the diffusion part of the ejector and is mixed again with unreacted hydrocarbons flowing into the upper end of the reactor through the circulation pipe to form a second mixed gas;
As the second mixed gas descends to the bottom of the reactor again along the catalyst formed in the outer circumferential space of the ejector, the unreacted hydrocarbons included in the second mixed gas are re-reacted with the catalyst, and at the same time, the second mixed gas Hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus, characterized in that the hydrogen contained in is supplied to the catalyst to prevent the activity of the catalyst from deteriorating.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 가스 분사 노즐을 통해 고압의 탄화수소 가스를 반응기의 내부 중앙에 구비되는 이젝터의 챔버에 분사하는 단계;
상기 이젝터의 상기 챔버로 유입된 탄화수소 가스가 내경이 급격히 감소하는 상기 이젝터의 혼합부로 이동하면서 상기 이젝터의 상기 챔버 및 상기 혼합부와 상기 반응기의 하단 사이에 큰 압력차를 발생시켜 상기 반응기의 하단에 존재하는 미반응 탄화수소 및 반응과정을 통해 생성된 수소가 상기 이젝터의 상기 챔버로 유입되어 상기 가스 분사 노즐을 통해 분사된 탄화수소 가스에 혼합되어 제1혼합가스가 형성되는 단계;
상기 이젝터의 확산부를 통해 상기 제1혼합가스가 상기 반응기의 상단으로 분사된 후 순환 배관을 통해 상기 반응기의 상단으로 유입되는 미반응 탄화수소와 재차 혼합되어 제2혼합가스가 형성되는 단계; 및
상기 제2혼합가스가 상기 이젝터의 외측 둘레 공간에 형성된 촉매를 따라 다시 상기 반응기의 하단으로 하강하면서 상기 제2혼합가스에 포함된 미반응 탄화수소가 상기 촉매와 재반응됨과 동시에 상기 제2혼합가스에 포함된 수소가 상기 촉매에 공급되어 상기 촉매의 활성이 저하되는 것을 방지하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해 수소 생산 장치의 수소 생산 방법.
injecting high-pressure hydrocarbon gas through a gas injection nozzle into an ejector chamber provided at the center of the reactor;
While the hydrocarbon gas introduced into the chamber of the ejector moves to the mixing section of the ejector whose inner diameter rapidly decreases, a large pressure difference is generated between the chamber and the mixing section of the ejector and the lower end of the reactor so that the lower end of the reactor forming a first mixed gas by mixing existing unreacted hydrocarbons and hydrogen generated through the reaction process into the chamber of the ejector and mixing with the hydrocarbon gas injected through the gas injection nozzle;
forming a second mixed gas by injecting the first mixed gas into an upper end of the reactor through a diffusion part of the ejector and mixing again with unreacted hydrocarbons flowing into the upper end of the reactor through a circulation pipe; and
As the second mixed gas descends to the lower end of the reactor again along the catalyst formed in the outer circumferential space of the ejector, the unreacted hydrocarbons included in the second mixed gas are re-reacted with the catalyst and simultaneously added to the second mixed gas. Hydrogen production method of a hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus comprising the; step of preventing the contained hydrogen is supplied to the catalyst to reduce the activity of the catalyst.
제5항에 있어서,
상기 이젝터를 통과하는 가스는 상기 이젝터 내에서 상승하면서 예비 가열되는 것을 특징으로 하는 탄화수소 열분해 수소 생산 장치의 수소 생산 방법.
According to claim 5,
Hydrogen production method of hydrocarbon pyrolysis hydrogen production apparatus, characterized in that the gas passing through the ejector is preheated while rising in the ejector.
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