KR20220023494A - Solar fuel production system based on plasma-matrix burner partial oxidation reformer - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄화수소계인 화석연료 또는 바이오가스 등을 청정가스인 수소과농가스(hydrogen-rich gas)로 효율적으로 전환하고, 이를 고체산화물연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) 등에 활용하여 전기와 열에너지를 생산할 수 있도록 하는 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템 에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 탄화수소계 화석연료나 바이오가스를 포함하는 처리대상가스, 및 연소용 가스를 공급받아 플라즈마 연소기와 매트릭스 버너를 통해 개질하여 수소과농가스(hydrogen-rich gas)를 생성하도록 구성되는 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기; 상기 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기에 필요 전력을 공급하는 전력 공급 장치부; 상기 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개 질기에서 생성된 청정가스를 공급받아 전기와 열에너지를 생산하도록 구성되는 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 연료전지스택; 및 상기 플라즈마-매트릭스 버너 부분 산화 개질기와 전력 공급 장치부 및 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 연료전지 스택의 작동 상황을 모니터링하고, 제어하도록 구성되는 모니터링-제어 장치부;을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템이 제공된다. The present invention efficiently converts hydrocarbon-based fossil fuel or biogas into hydrogen-rich gas, a clean gas, and utilizes this in a solid oxide fuel cell (SOFC) to generate electricity and thermal energy. It relates to a solar fuel production system based on a plasma-matrix burner partial oxidation reformer that enables production. According to the present invention, a plasma configured to generate hydrogen-rich gas by receiving a treatment target gas containing hydrocarbon-based fossil fuel or biogas, and a combustion gas, and reforming it through a plasma burner and a matrix burner - matrix burner partial oxidation reformer; a power supply unit supplying necessary power to the plasma-matrix burner partial oxidation reformer; a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell stack configured to receive the clean gas generated from the plasma-matrix burner partial oxidation reformer to produce electricity and thermal energy; and a monitoring-control unit configured to monitor and control the operation status of the plasma-matrix burner partial oxidation reformer, the power supply unit, and the solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell stack. Plasma comprising a - A solar fuel production system based on a matrix burner partial oxidation reformer is provided.
Description
본 발명은 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄화수소계인 화석연료 또는 바이오가스 등을 청정가스인 수소과농가스(hydrogen-rich gas)로 효율적으로 전환하고, 이를 고체산화물연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) 등에 활용하여 전기와 열에너지를 생산할 수 있도록 하는 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a solar fuel production system based on a plasma-matrix burner partial oxidation reformer, and more particularly, to efficiently convert hydrocarbon-based fossil fuels or biogas into clean gas, hydrogen-rich gas, , It relates to a solar fuel production system based on a plasma-matrix burner partial oxidation reformer that can produce electricity and thermal energy by utilizing it in a solid oxide fuel cell (SOFC), etc.
메탄은 천연가스의 주성분이고, 쉐일가스(shale gas), 코크오븐가스(coke oven gas), 바이오매스 또는 석탄 가스화 가스에도 포함되어 있다. 또한, 화석연료의 사용과 바이오가스 생산 과정에서 기후변화 주요 원인물질인 이산화탄소가 발생된다.Methane is a major component of natural gas and is also included in shale gas, coke oven gas, biomass or coal gasification gas. In addition, carbon dioxide, a major cause of climate change, is generated during the use of fossil fuels and biogas production.
온실가스인 메탄과 이산화탄소를 유용한 에너지로 전환하는 기술은 기존의 촉매 적용 열적 전환(thermal conversion)과 그 외 대체 기술로 전기화학(electro-chemical), 태양 열화학(solar thermochemical), 광-화학(photo-chemical), 바이오-화학(bio-chemical)적 전환이 있다.The technology to convert methane and carbon dioxide, which are greenhouse gases, into useful energy is the existing catalytic thermal conversion and other alternative technologies, such as electro-chemical, solar thermochemical, and photo-chemical -chemical) and bio-chemical conversion.
이 중 열적 전환과 전기화학적 전환기술이 일부 실용화 되어 현장에 적용되어 있고 그 외에는 실험실적 규모의 기초연구나 파일롯 규모의 실증연구가 진행되고 있다.Among them, some of the thermal conversion and electrochemical conversion technologies have been put to practical use and applied to the field.
열적전환기술 방법으로는 수증기 개질법(Steam reforming), CO2 개질법(CO2 reforming), 그리고 부분산화 개질법(Partial oxidation reforming)이 있다.Thermal conversion technology methods include steam reforming, CO 2 reforming , and partial oxidation reforming.
수증기 개질법은 이미 산업적으로 적용된 방법이지만 메탄 건식개질(dry reforming)이 상대적으로 더 매력적으로 인식되고 있다. 이는 건식개질이 주요 온실가스인 이산화탄소의 배출 저감이 가능하고 좀더 효율적인 에너지 전환이 가능하기 때문이다. 부분산화 개질은 수증기 개질과 CO2 개질 반응과 달리 발열반응이므로 에너지 소모가 적다.Steam reforming has already been applied industrially, but methane dry reforming is relatively more attractive. This is because dry reforming can reduce the emission of carbon dioxide, a major greenhouse gas, and enable more efficient energy conversion. Unlike steam reforming and CO 2 reforming, partial oxidation reforming is an exothermic reaction, so energy consumption is low.
전기화학(electro-chemical)적 방법 중의 하나는 플라즈마 개질법(Plasma reforming)이 있으며 이는 새로운 형태(novel approach)의 개질 기술로 많은 잠재력을 가지고 있다고 알려져 있다. 플라즈마는 고온플라즈마(thermal plasma)와 저온플라즈마(non-thermal plasma: NTP)가 있다. 고온 플라즈마는 고온이 형성되어 전환효율이 높으나 에너지 비용이 많이 소요되는 문제점을 가지고 있다. 저온플라즈마는 저온과 저압의 마일드 조건(mild condition)에서 운전이 가능하므로 에너지 비용이 기존의 열적전환 방식에 비해 저감이 가능하기 때문에 메탄과 이산화탄소 전환을 위한 유망기술 중 하나이다.One of the electro-chemical methods is plasma reforming, which is known to have a lot of potential as a novel approach reforming technology. Plasma includes a high temperature plasma (thermal plasma) and a low temperature plasma (non-thermal plasma: NTP). High-temperature plasma has a high conversion efficiency due to the formation of high temperature, but has a problem in that it requires a lot of energy cost. Since low-temperature plasma can be operated under mild conditions of low temperature and low pressure, energy cost can be reduced compared to the conventional thermal conversion method, so it is one of the promising technologies for methane and carbon dioxide conversion.
현재 상용화 되어 사용되고 있는 자열개질(auto-thermal reforming)은 촉매 부분산화개질에 수증기 개질 또는 이산화탄소 개질 방식이 결합된 형태이다. 이 경우 대용량 수소생산이 가능한 장점이 있으나 촉매피독, 수증기 생산 비용 등의 문제가 있다. 이를 해결하기 위해서는 더 진보된 새로운 기술의 개발이 필요한 실정이다.Auto-thermal reforming, which is currently commercialized and used, is a combination of catalytic partial oxidation reforming and steam reforming or carbon dioxide reforming. In this case, although large-capacity hydrogen production is possible, there are problems such as catalyst poisoning and water vapor production cost. In order to solve this problem, it is necessary to develop a more advanced new technology.
따라서, 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 탄화수소계인 화석연료 또는 바이오가스 등을 청정가스인 수소과농가스(hydrogen-rich gas)로 효율적으로 전환하고, 이를 고체산화물연료전지(SOFC: Solid Oxide Fuel Cell) 등에 활용하여 전기와 열에너지를 생산할 수 있도록 하는 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention for solving the above-mentioned problems of the prior art efficiently converts hydrocarbon-based fossil fuel or biogas into hydrogen-rich gas, which is a clean gas, and this is a solid oxide fuel cell (SOFC: It aims to provide a solar fuel production system based on a plasma-matrix burner partial oxidation reformer that can be used in Solid Oxide Fuel Cell) to produce electricity and thermal energy.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The problems to be solved of the present invention are not limited to those mentioned above, and other problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 탄화수소계 화석연료나 바이오가스를 포함하는 처리대상가스, 및 연소용 가스를 공급받아 플라즈마 연소기와 매트릭스 버너를 통해 개질하여 수소과농가스(hydrogen-rich gas)를 생성하도록 구성되는 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기; 상기 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기에 필요 전력을 공급하는 전력 공급 장치부; 상기 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기에서 생성된 청정가스를 공급받아 전기와 열에너지를 생산하도록 구성되는 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 연료전지스택; 및 상기 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기와 전력 공급 장치부 및 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 연료전지 스택의 작동 상황을 모니터링하고, 제어하도록 구성되는 모니터링-제어 장치부;을 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템이 제공된다.According to one aspect of the present invention for achieving the above objects and other features of the present invention, a process target gas containing hydrocarbon-based fossil fuel or biogas, and a gas for combustion are supplied and reformed through a plasma combustor and a matrix burner a plasma-matrix burner partial oxidation reformer configured to generate hydrogen-rich gas; a power supply unit supplying necessary power to the plasma-matrix burner partial oxidation reformer; a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell stack configured to receive the clean gas generated from the plasma-matrix burner partial oxidation reformer to produce electricity and thermal energy; and a monitoring-control unit configured to monitor and control the operation status of the plasma-matrix burner partial oxidation reformer, the power supply unit, and the solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell stack. Plasma comprising a - A solar fuel production system based on a matrix burner partial oxidation reformer is provided.
본 발명에 있어서, 상기 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기는, 장치 바디; 상기 장치 바디의 하부에 구비되어 공급되는 처리대상가스를 1차 부분산화시키도록 구성되는 플라즈마 연소기; 및 상기 플라즈마 연소기의 상부 측에 구비되어 그 플라즈마 연소기에서 부분산화되어 나오는 처리가스를 2차 부분산화하도록 구성되는 매트릭스 버너;를 포함하는 것이 바람직하다.In the present invention, the plasma-matrix burner partial oxidation reformer comprises: an apparatus body; a plasma combustor provided at a lower portion of the apparatus body and configured to primary partial oxidation of the supplied gas to be treated; and a matrix burner provided on the upper side of the plasma combustor and configured to secondary partial oxidize the process gas partially oxidized from the plasma combustor.
본 발명에 있어서, 상기 플라즈마 연소기는, 3상 플라즈마 방전이 이루어지도록 3개의 전극이 지지체에 의해 둘레방향으로 120°의 간격을 갖고 설치되며, 전극 상단부에 연소용 공기가 분출되는 노즐이 구성되며, 상기 장치 바디와 지지체는 절연 재질로 형성될 수 있다.In the present invention, in the plasma combustor, three electrodes are installed with an interval of 120° in the circumferential direction by a support so that a three-phase plasma discharge is made, and a nozzle from which combustion air is ejected is configured at the upper end of the electrode, The device body and the support may be formed of an insulating material.
본 발명에 있어서, 상기 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기는, 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기에서 생성되어 나오는 생성가스의 일부를 그 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기의 입구 측으로 순환시켜 처리대상가스 및 연소용 공기 중 적어도 하나와 혼합되도록 하는 일부 생성가스 재순환 관로;를 더 포함할 수 있다.In the present invention, the plasma-matrix burner partial oxidation reformer circulates a part of the gas generated from the plasma-matrix burner partial oxidation reformer toward the inlet side of the plasma-matrix burner partial oxidation reformer to circulate a gas to be treated and for combustion. It may further include; some product gas recirculation pipe to be mixed with at least one of the air.
본 발명에 있어서, 상기 전력 공급 장치부는, 태양광 모듈 및 상용 전력망이 병용되는 전력 공급 장치부로 구성될 수 있다.In the present invention, the power supply unit may be configured as a power supply unit in which a solar module and a commercial power grid are used together.
본 발명에 있어서, 상기 모니터링-제어 장치부는, 상기 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기로 공급되는 총 가스공급량이 18L/min ~ 22L/min가 되도록 제어하며, O2/C비가 0.9~.1.1가 되도록 제어하는 것이 바람직하다.In the present invention, the monitoring-control device unit controls the total gas supply amount supplied to the plasma-matrix burner partial oxidation reformer to be 18L/min ~ 22L/min, and the O 2 /C ratio is 0.9 ~.1.1 It is desirable to control
본 발명에 따른 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템에 의하면 다음과 같은 효과를 제공한다.According to the plasma-matrix burner partial oxidation reformer-based solar fuel production system according to the present invention, the following effects are provided.
첫째, 본 발명은 온실가스인 메탄과 이산화탄소가 주성분인 매립장 매립가스, 폐수처리장 소화조 부생가스, 음식물 쓰레기 처리 혐기 반응기 등에서 발생되는 바이오가스(biogas), 바이오 매스, 도시 폐기물 등의 가스화 가스, 가스 화석연료 등을 다양한 발생원을 대상으로 고품위 수소과농의 가스를 생산할 수 있는 효과가 있다.First, the present invention is a gasification gas such as biogas, biomass, municipal waste, etc. generated in landfill gas, wastewater treatment plant digester by-product gas, food waste treatment anaerobic reactor, etc., in which methane and carbon dioxide, which are greenhouse gases, are the main components, gasification gas, gas fossil It has the effect of producing high-quality hydrogen-rich gas from various sources such as fuel.
둘째, 본 발명은 플라즈마와 축열버너의 장점이 융합되어 구성됨으로써 기존의 촉매가격 문제해결 뿐만 아니라 장치의 컴팩트화, 수초의 빠른 시동 및 응답시간, 고분자 탄화수소를 포함한 다양한 종류의 생성가스를 적용할 수있고, 개질 시 자체 내부반응열을 사용하며, 넓은 범위의 유량과 가스성상에 대해 최적운전상태 유지 등을 도모할 수 있으며, 이에 따라 정상운전 소요시간과 개질기 효율에 대한 기존 문제점을 해결할 수 있는 효과가 있다.Second, the present invention is configured by fusion of the advantages of plasma and thermal storage burner, so that not only the problem of the existing catalyst price is solved, but also the compactness of the device, quick start-up and response time of several seconds, and various types of generated gases including polymer hydrocarbons can be applied. In addition, it uses its own internal reaction heat during reforming, and it is possible to maintain the optimum operating state for a wide range of flow rates and gas properties, and thus, it is possible to solve the existing problems with the normal operation time and reformer efficiency. there is.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.Effects of the present invention are not limited to those mentioned above, and other solutions not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템을 도식화하여 나타내는 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템을 구성하는 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템의 주요 구성부인 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기에 대하여 특성 검츨을 위하여 설계하고 시제작한 실험장치의 구성을 도식화하여 나타내는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 O2/C비의 효과 결과를 확인하기 위한 그래프로서, 도 4a는 CH4전환을 나타내는 그래프이며, 도 4b는 가스 생성량, H2/CO, H2 선택도 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 총가스공급량의 영향 결과를 확인하기 위한 그래프로서, 도 5a는 CH4전환을 나타내는 그래프이며, 도 5b는 가스 생성량, H2/CO, H2 선택도 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 CO2:CH4비의 특성 결과를 확인하기 위한 것으로, 도 6의 (a)는 CH4 전환을 나타내는 그래프이고, 도 6의 (b)는 가스 생성량, H2/CO, H2 선택도 간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 CH4:CO2비 변화에 따른 생성가스 농도, H2/CO, H2 선택도를 나타내는 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 재순환률의 특성 결과를 확인하기 위한 것으로, 도 8a는 CH4 전환을 나타내는 그래프이고, 도 8b는 가스 생성량, H2/CO, H2 선택도를 나타내는 그래프이다.1 is a configuration diagram schematically illustrating a solar fuel production system based on a plasma-matrix burner partial oxidation reformer according to the present invention.
2 is a diagram showing the configuration of a plasma-matrix burner partial oxidation reformer constituting a solar fuel production system based on a plasma-matrix burner partial oxidation reformer according to the present invention.
3 is a schematic diagram showing the configuration of an experimental device designed and manufactured for characteristic detection of a plasma-matrix burner partial oxidation reformer, which is a main component of a plasma-matrix burner partial oxidation reformer-based solar fuel production system according to the present invention; am.
4a and 4b are graphs for confirming the result of the effect of the O 2 /C ratio, FIG. 4a is a graph showing CH 4 conversion, and FIG. 4b is the gas production amount, H 2 /CO, the relationship between the H 2 selectivity It is a graph representing
5A and 5B are graphs for confirming the effect of the total gas supply amount, FIG. 5A is a graph showing CH 4 conversion, and FIG. 5B is a graph showing the relationship between the gas production amount, H 2 /CO, and H 2 selectivity am.
6 is to confirm the characteristic result of CO 2 :CH 4 ratio, (a) of FIG. 6 is a graph showing CH 4 conversion, (b) of FIG. 6 is gas production amount, H 2 /CO, H 2 It is a graph showing the relationship between selectivity.
7 is a graph showing the concentration of generated gas, H 2 /CO, and H 2 selectivity according to CH 4 :CO 2 ratio change.
8A and 8B are for confirming the characteristic result of the recycle rate, FIG. 8A is a graph showing CH 4 conversion, and FIG. 8B is a graph showing the gas production amount, H 2 /CO, and H 2 selectivity.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다. Additional objects, features and advantages of the present invention may be more clearly understood from the following detailed description and accompanying drawings.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Prior to the detailed description of the present invention, the present invention can make various changes and can have various embodiments, and the examples described below and shown in the drawings are not intended to limit the present invention to specific embodiments. No, it should be understood to include all modifications, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.When an element is referred to as being “connected” or “connected” to another element, it is understood that it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in between. it should be On the other hand, when it is said that a certain element is "directly connected" or "directly connected" to another element, it should be understood that the other element does not exist in the middle.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present specification, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, but one or more other features It should be understood that this does not preclude the existence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In addition, terms such as "...unit", "...unit", "...module", etc. described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which includes hardware or software or hardware and It can be implemented by a combination of software.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, in the description with reference to the accompanying drawings, the same components are given the same reference numerals regardless of the reference numerals, and the overlapping description thereof will be omitted. In describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known technology may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템에 대하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, a solar fuel production system based on a plasma-matrix burner partial oxidation reformer according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 따른 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템을 도식화하여 나타내는 구성도이며, 도 2는 본 발명에 따른 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템을 구성하는 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기의 구성을 나타내는 도면이다.1 is a schematic diagram showing a solar fuel production system based on a plasma-matrix burner partial oxidation reformer according to the present invention, and FIG. 2 is a plasma-matrix burner partial oxidation reformer-based solar fuel production system according to the present invention. It is a diagram showing the configuration of a plasma-matrix burner partial oxidation reformer.
본 발명에 따른 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템은, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 연소용 가스(공기)와 탄화수소계 화석연료, 바이오가스 등을 포함하는 처리대상가스를 공급받아 플라즈마 연소기(120)와 매트릭스 버너(130)를 통해 개질 또는 부분산화하여 청정가스(수소과농가스(hydrogen-rich gas))를 생성하도록 구성되는 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기(100); 상기 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기(100)에 필요 전력을 공급하는 전력 공급 장치부(200); 상기 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기(100)에서 생성된 청정가스를 공급받아 전기와 열에너지를 생산하도록 구성되는 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 연료전지스택(300); 및 상기 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기(100)와 전력 공급 장치부(200) 및 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 연료전지 스택(300)의 작동 상황을 모니터링하고, 제어하도록 구성되는 모니터링-제어 장치부(400);을 포함한다.Plasma-matrix burner partial oxidation reformer-based solar fuel production system according to the present invention, as shown in FIGS. 1 and 2, a gas for processing including combustion gas (air), hydrocarbon-based fossil fuel, biogas, etc. Plasma-matrix burner
상기 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기(100)는, 도 2에 잘 나타낸 바와 같이, 소정 형상으로 이루어지는 장치 바디(110)와, 상기 장치 바디(110)의 하부에 구비되어 공급되는 처리대상가스를 1차 부분산화시키도록 구성되는 플라즈마 연소기(120), 및 상기 플라즈마 연소기(120)의 상부 측에 구비되어 상기 플라즈마 연소기(120)에서 1차 부분산화되어 나오는 처리가스를 평면 화염(flat flame)으로 2차 부분산화 시키도록 구성되는 매트릭스 버너(130)를 포함한다.The plasma-matrix burner
상기 장치 바디(110)는 절연 재질, 바람직하게는 세라믹 재질로 이루어진다. 이때 상기 장치 바디(110)는 아래에서 설명될 지지체(122)에 대한 절연성이 확보되는 경우, 스테리인레스 재질로 형성될 수 있다.The
상기 플라즈마 연소기(120)는, 3상 플라즈마 방전이 이루어지도록 3개의 나이프형 전극(121)이 절연 재질(바람직하게는 세라믹 재질)의 지지체(122)에 지지되어 구비되며, 전극(121)의 상단에는 노즐이 구성되어 연소용 가스(공기)가 분출되도록 구성된다.The plasma combustor 120 is provided with three knife-shaped
상기 지지체(122)는 장치 바디(110)의 둘레방향으로 120°의 간격을 설치되며, 이에 따라 3개의 전극(121)이 지지 구성되며, 상기 모니터링-제어 장치부(400)에서는 3개의 전극(121)에서 3상 플라즈마 방전이 이루어지도록 제어하게 된다.The
또한, 상기 노즐은 분사가스가 플라즈마 방전 칼럼 내에 위치되도록 하며, 그 노즐의 내경은 전극(121)의 간격보다 작게 구성된다.In addition, the nozzle allows the injection gas to be located in the plasma discharge column, and the inner diameter of the nozzle is configured to be smaller than the interval between the
이와 같은 플라즈마 연소기(120)는 3개의 전극 상단의 노즐 측에서 처리대상가스와 공기가 혼합되어 부분산화(개질)를 일으킨다.In such a plasma combustor 120, the gas to be treated and air are mixed at the nozzle side of the top of the three electrodes to cause partial oxidation (reformation).
이러한 플라즈마 연소기(120)에서 행해지는 부분산화는 플라즈마 발생으로 인해 반응성이 우수한 원자, 이온, 전자 등이 다량 발생되어 반응성이 뛰어나, 유입되는 처리가스의 안정된 연소를 가능하게 하고, 이에 따라 전환 반응이 우수하여 기존 버너에서 부분산화 개질보다 우수한 특성을 가게 된다.The partial oxidation performed in the plasma combustor 120 generates a large amount of highly reactive atoms, ions, electrons, etc. due to plasma generation, and thus has excellent reactivity, enabling stable combustion of the incoming process gas, and thus the conversion reaction Because it is excellent, it has better characteristics than partial oxidation reforming in the existing burner.
상기 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기(100)에는 처리할 처리대상가스와 연소용 공기를 공급할 수 있는 장치부들이 연결된다.The plasma-matrix burner
여기서, 상기 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기(100)의 가스-공기 유입 측에는 그 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기(100)로 공급되는 처리대상가스와 연소용 공기, 및/또는 일부 생성가스 재순환 관로(140)를 통해 재순환되는 생성가스(개질가스)를 믹싱하는 가스 믹서(예를 들면, 오리피스 가스 믹서)가 구성될 수 있다.Here, on the gas-air inlet side of the plasma-matrix burner
계속해서, 상기 매트릭스 버너(130)는 평면화염(flat flame)을 형성하는 2단 축열식 매트릭스 버너로 구성된다.Subsequently, the
이러한 매트릭스 버너(130)는 상기 플라즈마 연소기(120)에서 부분산화되어 나오는 처리가스를 추가적으로 부분산화 개질시켜 개질 전환 효율을 증가시키게 된다.The
또한, 본 발명에 따른 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템은, 상기 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기(100)에서 생성된 처리가스의 일부를 그 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기(100)의 입구 측으로 순환시켜 처리대상가스 및/또는 연소용 공기와 혼합되도록 하는 일부 생성가스 재순환 관로(140)를 더 포함할 수 있다.In addition, in the solar fuel production system based on the plasma-matrix burner partial oxidation reformer according to the present invention, a portion of the process gas generated in the plasma-matrix burner
상기 일부 생성가스 재순환 관로(140)는 오리피스 믹서가 구성되어 생성된 처리가스(개질가스)의 일부가 자연 재순환되면서 공기와 혼합되어 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기(100)로 공급되도록 할 수 있다.The part of the generated
한편, 본 발명은 상기 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기(100)에서 생성되어 나오는 생성가스는 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 연료전지스택(300)으로 공급되게 된다.Meanwhile, in the present invention, the generated gas generated from the plasma-matrix burner
상기 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기(100)와 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 연료전지스택(300) 간의 공급 라인에는, 생성가스를 펌핑하기 위한 펌프와, 생성가스 중의 분술물(예를 들면, 그을음(soot))을 제거하기 위한 필터 모듈과, 상기 필터 모듈을 거쳐 나오는 처리가스를 냉각시켜 수분을 응축하도록 구성되는 냉각기를 포함하여 구성될 수 있다.In the supply line between the plasma-matrix burner
다음으로, 상기 전력 공급 장치부(200)는 태양광 모듈 및/또는 상용 전력망에 연결되는 상용 전력망 장치부로 구성될 수 있다. 바람직하게, 상기 전력 공급 장치부(200)는 1차적으로 태양광 모듈로부터 발전되어 나오는 태양광 전력을 기본적으로 이용하며, 필요 시(예를 들면, 필요 전력이 부족할 시) 상용용 전력망을 이용하도록 구성되는 것이 바람직하다.Next, the
상기 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 연료전지스택(300)는 공지의 것을 채용할 수 있으므로, 설명의 간략화를 위하여 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.Since the SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)
상기 모니터링-제어 장치부(400)는 전체 장치부들의 제어 상황을 실시간 모니터링할 뿐만 아니라, 처리할 처리대상가스의 총 가스공급량을 제어하여 공급하고, 연소용 공기를 제어하여 공급하며, 상기 전력 공급 장치부(200)의 공급 전력을 제어하는 것을 포함한다.The monitoring-
구체적으로, 상기 모니터링-제어 장치부(400)는 총 가스 공급량(처리대상가스와 연소용 공기의 총 공급량)이 18L/min ~ 22L/min가 되도록 제어, 바람직하게는 20L/min가 되도록 제어하고, O2/C비(처리대상가스와 연소용 공기에서 O2/C비)가 0.9~.1.1가 되도록 제어, 바람직하게는 1.0이 되도록 제어하며, 그리고 공급 전력이 0.80kW~0.85kW, 바람직하게는 0.83kW로 제어하도록 이루어진다.Specifically, the monitoring-
한편, 본 발명의 발명자는 본 발명의 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템을 통해 생성되는 가스의 주요 특성을 검증하기 위하여, 주요 구성부인 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기(100)를 시제작하여 실험을 실시하였으며, 이하 실험에 대하여 설명한다.On the other hand, the inventor of the present invention has a plasma-matrix burner
본 발명의 발명자는, 메탄 공급 시 O2/C, 총 가스 공급량, 개질가스 재순환에 대한 전환 특성을 파악하였고, 아울러 온실가스인 CO2의 추가 특성을 파악하고자 CH4/CO2비에 대한 혼합개질 특성을 규명하였으며, 이러한 변수별 전환성능을 근거로 하여 각 경우에 대한 최적 전환 운전 조건을 확인하였으며, 아래 실험 장치의 구성 및 과정과 결과 또한 본 발명의 특허청구범위를 뒷받침하는 내용이다.The inventor of the present invention identified the conversion characteristics for O 2 /C, total gas supply, and reformed gas recirculation when methane is supplied, and in addition, CH 4 /CO 2 mixture to the ratio in order to understand additional characteristics of the greenhouse gas CO 2 The reforming characteristics were identified, and the optimal conversion operating conditions for each case were identified based on the conversion performance for each variable.
실험 장치experimental setup
도 3은 본 발명에 따른 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템의 주요 구성부인 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기에 대하여 특성 검츨을 위하여 설계하고 시제작한 실험장치의 구성을 도식화하여 나타내는 도면이다.3 is a schematic diagram showing the configuration of an experimental device designed and manufactured for characteristic detection of a plasma-matrix burner partial oxidation reformer, which is a main component of a plasma-matrix burner partial oxidation reformer-based solar fuel production system according to the present invention; am.
실험장치는 크게 플라즈마-매트릭스 버너 개질기(Plasma-Matrix Burner Reformer: 이하 "PBR"로 약칭함), 전원공급장치(Power Supply Equipment), 가스-공기 공급라인(Gas-Air Feed Line), 측정 및 분석라인(Measuring & Analysis Line)으로 구성하였다.Experimental equipment is largely a plasma-matrix burner reformer (hereinafter abbreviated as "PBR"), power supply equipment (Power Supply Equipment), gas-air supply line (Gas-Air Feed Line), measurement and analysis It was composed of a line (Measuring & Analysis Line).
플라즈마-매트릭스 버너 개질기에서 플라즈마 연소기는 3상 글라이딩 아크 플라즈마가 발생되는 형식으로 칼날 형태(폭 25mm, 높이 127mm, 두께 2mm)로 된 3개 전극을 지지체에 각각 120°로 배치하였으며, 전극 간격은 4mm로 유지하였다. 지지체는 전극과의 절연을 위해 세라믹으로 제작되었다. 장치 바디는 세라믹 재질로 된 관(직경 100mm, 길이 155mm)으로 제작하였다. 가스분사 노즐(내경 3mm)은 전극상부 중심에 위치한 상태에서 지지체에 고정하여 구성하였다.In the plasma-matrix burner reformer, the plasma burner generates three-phase gliding arc plasma. Three electrodes in the form of blades (width 25mm, height 127mm, thickness 2mm) were placed on the support at 120° each, and the electrode spacing was 4mm. was maintained as The support was made of ceramic to insulate it from the electrode. The device body was made of a ceramic tube (diameter 100mm, length 155mm). The gas injection nozzle (inner diameter 3mm) was fixed to the support in a state located at the center of the upper electrode.
매트릭스 버너는 플라즈마 연소기의 상부에 직경이 78mm인 원형 매트릭스(두께 2.5mm) 금속파이버가 2단으로 45mm와 75mm위치에 각각 설치하여 구성하였으며, 플라즈마 버너의 후단부로부터 입구로 일부 생성가스 재순환 관로가 연결된 구조로 하였다.The matrix burner was constructed by installing two tiers of circular matrix (thickness 2.5mm) metal fibers with a diameter of 78mm on top of the plasma burner at 45mm and 75mm positions, respectively. connected structure.
전원공급장치는 전기를 공급하는 파워서플라이(Model: UAP-15K1A, Unicon tech., Korea)와 전기적 특성을 측정하는 전압 프루브(Model P6015, Tektronix, USA), 전류 프루브(Model: A6303, Tektronix, USA), 전류 증폭기(amplifier) (Model TM502A, Tektronix, USA) 그리고 오실로스코프(Model TDS-3052, Tektronix, USA)로 구성하였다.The power supply is a power supply (Model: UAP-15K1A, Unicon tech., Korea) that supplies electricity, a voltage probe (Model P6015, Tektronix, USA) that measures electrical characteristics, and a current probe (Model: A6303, Tektronix, USA) ), a current amplifier (Model TM502A, Tektronix, USA) and an oscilloscope (Model TDS-3052, Tektronix, USA).
파워서플라이(power supply)는 3상 교류를 최대 15kW(전압: 15kV, 교류전류: 1A)까지 가능한 것을 채용하였다.As a power supply, a three-phase AC capable of up to 15kW (voltage: 15kV, AC current: 1A) was adopted.
가스-공기 공급라인에서 공급 가스는 메탄과 이산화탄소 실린더에서 각각 공급되도록 하였으며. 공기 공급은 압축기에서 압축된 공기(7kgf/cm2)로 공급되어 유체의 맥동(fluctuation)을 방지하여 균일한 압을 유지하기 위해 서지탱그(surge tank) 그리고 응축수분을 제거하기 위해 워터트랩을 통과한 후 공급되록 구성하였다. 처리대상가스와 연소용 공기는 각각 MFC(Mass flow controller)에 의해 유량이 조절되도록 하였다.In the gas-air supply line, the feed gas was supplied from methane and carbon dioxide cylinders, respectively. The air supply is supplied as compressed air (7kg f /cm 2 ) from the compressor to prevent pulsation of the fluid to maintain a uniform pressure, and a surge tank and a water trap to remove condensed water It was configured to be supplied after passing through. The flow rates of the gas to be treated and the air for combustion were controlled by MFC (Mass flow controller), respectively.
측정 및 분석라인은 PBR 전단부에 유입가스 측정을 위한 샘플링 포트(S0)를 설치하였고, 플라즈마 연소기의 후단과 매트릭스 버너의 후단부에서 전환된 처리가스를 포집하도록 각각 샘플링 포트(S1, S2)를 설치하였다. PBR에서 전환된 생성가스는 검뎅(soot)를 제거하기 위해 석면(glass wool)을 거친 후 가스를 냉각시켜 수분을 응축시키기 위해 -20 ℃로 작동되는 냉각기(Model: JELO TECH HC-30, USA)를 거쳐 흡입펌프(Model: N-820.3FT 18 KNF, Switzerland)를 통해 샘플링 하였다. 그리고 샘플링된 가스는 분석장비인 GC-TCD(Model CP-4900, Varian, Netherland)에서 주요 가스인 CO2, CH4, H2, CO 등을 분석하였으며, PBR내의 가스 온도는 열전대(k-type, 직경 0.3mm)와 데이터 로거(Model: FLUKE 2625A HYDRA, Japan)를 통해 측정하였다.In the measurement and analysis line, a sampling port (S 0 ) for measuring the inflow gas was installed at the front end of the PBR, and the sampling ports (S 1 , S 2 ) was installed. The product gas converted from PBR goes through asbestos (glass wool) to remove soot, and then a cooler operated at -20 ℃ to condense moisture by cooling the gas (Model: JELO TECH HC-30, USA) It was sampled through a suction pump (Model: N-820.3
실험 방법experimental method
메탄과 이산화탄소의 개질 특성에 영향을 미치는 요소에 대해 결과를 검증하기 위하여 각 변수별 실험 범위를 아래의 표 1(변수별 실험범위 및 기준 조건)과 같이 하였다. 기준 조건(reference condition)은 각 실험 변수의 기준이 되는 조건이다.In order to verify the results on factors affecting the reforming characteristics of methane and carbon dioxide, the experimental ranges for each variable are shown in Table 1 (experimental ranges and reference conditions for each variable) below. A reference condition is a condition that serves as a reference for each experimental variable.
실험 방법은 메탄 또는 메탄-이산화탄소가 공급되며 부분 산화를 위한 일정 공기비에 맞게 연소용 공기가 벤츄리 가스 혼합기에서 혼합된 후 PBR로 공급되도록 하였다. 재순환 실험의 경우 재순환관 밸브를 열고 실험을 진행하였으며, 플라즈마 공급 전력은 0.75 kW로 일정하게 공급하였다.In the experimental method, methane or methane-carbon dioxide was supplied, and the combustion air was mixed in a venturi gas mixer according to a certain air ratio for partial oxidation and then supplied to the PBR. In the case of the recirculation experiment, the recirculation tube valve was opened and the experiment was conducted, and the plasma supply power was constantly supplied at 0.75 kW.
생성가스 분석은 GC(CP-4900, Varian, Netherland)를 이용하였으며, Molecular Sieve 5A capillary column(Model MS 5A, Varian, Netherland)에서 H2, CO, O2, N2, CH4를 분석하고 PoraPLOT Q capillary column(Model PPQ, Varian, Netherland)으로 CO2, C2H4, C2H2, C2H6 및 C3H8을 분석하였다.GC (CP-4900, Varian, Netherland) was used for product gas analysis, and H 2 , CO, O 2 , N 2 , CH 4 were analyzed in Molecular Sieve 5A capillary column (Model MS 5A, Varian, Netherland) and PoraPLOT CO 2 , C 2 H 4 , C 2 H 2 , C 2 H 6 and C 3 H 8 were analyzed using a Q capillary column (Model PPQ, Varian, Netherland).
여기 에서, [PG]input는 주입된 CH4,CO2의 유량(L/min), [PG]output는 배출된 CH4, CO2의 유량(L /min)이다.Here, [PG] input is the flow rate of CH 4 and CO 2 injected (L/min), and [PG] output is the flow rate of CH 4 and CO 2 discharged (L/min).
생성가스의 수소 선택도(H2 selectivity)와 H2/CO비는 아래 식(2)와 식(3)에 의해 구해졌다.The hydrogen selectivity (H 2 selectivity) and H 2 /CO ratio of the product gas were obtained by the following formulas (2) and (3).
식 (2) Equation (2)
실험 결과 Experiment result
① 메탄 개질① Methane reforming
본 실험에서는 메탄과 이산화탄소 개질에 영향을 미치는 주요 영향인자인 O2 /C비, 전체 가스공급량, CO2:CH4비, 개질가스 재순환에 대해 변수별 연구를 수행 하였으며, 그 결과는 다음과 같다.In this experiment, the main influencing factors affecting the reforming of methane and carbon dioxide were O 2 /C ratio, total gas supply, CO 2 :CH 4 ratio, and reformed gas recirculation by variable. The results are as follows. .
1. O2/C비 영향 (Effect of O2/C molarratio) 1. Effect of O 2 / C molarratio
도 4a 및 도 4b는 O 2/C비의 효과 결과를 확인하기 위한 그래프로서, 도 4a는 CH 4전환을 나타내는 그래프이며, 도 4b는 가스 생성량, H2/CO, H2 선 택도 간의 관계를 나타내는 그래프이다.4A and 4B are graphs for confirming the effect of the O 2 /C ratio, and FIG. 4A is a graph showing CH 4 conversion, and FIG. 4B is a relationship between gas production, H 2 /CO, and H 2 selectivity. is a graph representing
도 4a 및 도 4b에서는 메탄만 공급하고 전체 가스공급량을 20L/min으로 하며, O2 /C비를 0.4~1.0까지 변화시켰을 때 개질특성을 나타낸 것이다.4A and 4B show reforming characteristics when only methane is supplied, the total gas supply amount is 20 L/min, and the O 2 /C ratio is changed from 0.4 to 1.0.
도 4a에 나타낸 바와 같이, CH4 전환은 플라즈마 연소기만 운전(plasma combustor only)되었을 때와 플라즈마-매트릭스 버너 연계된 상태로 운전(combined plasma-matrix burner)된 두 경우 모두 O2/C비가 증가됨에 따라 증가되었다. 그리고 모든 O2/C비에서 CH4 전환이 플라즈마 연소기(Plasma Combustor: S1 )에서 보다 매트릭스 버너(Matrix Burner: S2)에서 증 가된 값을 가졌다.As shown in Figure 4a, CH 4 conversion is when only the plasma combustor is operated (plasma combustor only) and the plasma-matrix burner is operated in a linked state (combined plasma-matrix burner) in both cases O 2 /C ratio is increased increased accordingly. And CH 4 conversion at all O 2 /C ratios had an increased value in the matrix burner (Matrix Burner: S 2 ) than in the plasma combustor (S 1 ).
플라즈마 연소(plasma assisted combustion)는 플라즈마 발생으로 인해 반응성이 우수한 원자, 이온, 전자 등이 다량 발생되어 반응성이 우수하며, 이러한 특성은 플라즈마 연소기에서 유입되는 처리가스의 안정된 연소가 가능하고 전환반응이 우수해지므로 기존 버너에서 부분산화 개질보다 더 우수한 특성을 가질 수 있었다. 이와 같은 특성을 가지는 플라즈마 연소는 다양하고 복잡한 여러 반응이 존재하지만, 메탄 크래킹 반응(반응식 1)과 부분산화 개질반응(반응식 2) 그리고 탄소 산화반응(반응식 3)이 진행되어 고품위 생성가스 H2, CO로 전환된다. 그리고 O2/C가 증가될수록 부분산화 개질반응이 활성화되어 CH4전환이 O2 /C비가 0.4일 때 30%이고 1.0일 때 56%로 증가되었다.Plasma assisted combustion generates a large amount of highly reactive atoms, ions, and electrons due to plasma generation and has excellent reactivity. Therefore, it was possible to have better characteristics than partial oxidation reforming in the existing burner. Plasma combustion with such characteristics has various and complex reactions, but methane cracking reaction (Reaction Equation 1), partial oxidation reforming reaction (Reaction Equation 2), and carbon oxidation reaction (Reaction Equation 3) proceed to produce high-quality gas H 2 , converted to CO. And as O 2 /C increased, the partial oxidation reforming reaction was activated, and the CH 4 conversion was increased to 30% when the O 2 /C ratio was 0.4 and to 56% when the ratio was 1.0.
CH 4→ C + 2H2 △H298=+75kJ/mol (반응식 1)CH4→ C + 2H2 ΔH298=+75 kJ/mol (Scheme 1)
CH 4+1/2O2 → CO + 2H2 △H298=-38kJ/mol (반응식 2)CH 4 +1/2O 2 → CO + 2H 2 ΔH 298 =-38 kJ/mol (Scheme 2)
C + 1/2O2 → CO △H298=-110kJ/mol (반응식 3)C + 1/2O 2 → CO ΔH 298 =-110 kJ/mol (Scheme 3)
매트릭스 버너는 복사차폐 축열식 버너로 1차 플라즈마 연소기에서 생성된 혼합가스가 2차 평면 화염(flat flame)이 유지된 상태에서 개질반응이 진행된다. 즉, 매트릭스 버너는 1차 플라즈마 연소기에 의해 유입되는 반응 및 미반응 가스와 전자, 이온, 활성기가 다양한 복합 개질반응 등이 진행된다. 이로 인해 매트릭스 버너의 후단에서의 메탄전환은 O2/C비가 0.4일 때 37%이고, 1.0일 때 61%로 플라즈마 연소기의 후단부 보다 증가되었다. 그 증가율은 O2/C가 0.4일 때 18%이고 O2/C가 1.0일 때 8%로 증가되었으며, 0.4인 경우가 증가 폭이 컸다. 이 는 O2/C가 1.0인 경우 플라즈마 연소기에서 공기량이 충분한 상태에서 1차 개질반응이 적극적으로 이루어지기 때문이다. 또한 상대적으로 1차 개질가스가 매트릭스 버너로 유입시 잔류산소 가 많아 이미 생성된 H2, CO 가스가 2차 매트릭스 버너에서 산화반응(반응식 (4) 및 (5))이 우월하여 다소 소멸되기 때문으로 확인되었다.The matrix burner is a radiation shielding regenerative burner, and the reforming reaction proceeds while the mixed gas generated in the primary plasma burner is maintained in a secondary flat flame. That is, the matrix burner undergoes a reaction introduced by the primary plasma combustor and a complex reforming reaction with various unreacted gases, electrons, ions, and active groups. Due to this, the methane conversion at the rear end of the matrix burner was 37% when the O 2 /C ratio was 0.4, and was increased to 61% when the ratio was 1.0, compared to the rear end of the plasma burner. The increase rate was 18% when O 2 /C was 0.4 and increased to 8% when O 2 /C was 1.0, and the increase was large in the case of 0.4. This is because, when O 2 /C is 1.0, the primary reforming reaction is actively carried out in the plasma combustor with a sufficient amount of air. Also, when the primary reformed gas flows into the matrix burner, there is a lot of residual oxygen, so the already generated H 2 , CO gas is somewhat extinguished because the oxidation reaction (reaction equations (4) and (5)) is superior to the secondary matrix burner. was confirmed as
PBR의 경우 전반적으로 매트릭스 버너 개질보다 상대적으로 플라즈마 연소기 개질에 의해 대부분의 메탄이 전환되는 것을 알 수 있다.In the case of PBR, it can be seen that, overall, most of the methane is converted by plasma burner reforming rather than matrix burner reforming.
H2 + 1/2O2 → H2O △H 298=-285.8kJ/mol (반응식 4)H 2 + 1/2O 2 → H 2 O ΔH 298 =-285.8 kJ/mol (Scheme 4)
CO + 1/2O2 → CO2 △H 298=-283kJ/mol (반응식 5)CO + 1/2O 2 → CO 2 ΔH 298 =-283 kJ/mol (Scheme 5)
도 4b는 생성가스 농도, H2/CO, H2 선택도를 나타낸 것이다. 생성가스의 경우 O2/C비가 증가됨에 따라 플라즈마 연소기와 매트릭스 버너 모두 H2, THCs는 점차적으로 감소되었고 CO는 증가되었다. 그리고 H2/CO비와 H2선택도 역시 O2 /C가 증가됨에 따라 감소됨을 확인하였다.Figure 4b shows the product gas concentration, H 2 /CO, H 2 Selectivity. In the case of product gas, as the O 2 /C ratio increased, H 2 , THCs in both the plasma burner and the matrix burner were gradually decreased and CO increased. And it was confirmed that the H 2 /CO ratio and H 2 selectivity were also decreased as O 2 /C was increased.
2. 전체 가스공급량 영향(Effect of total gas feed rate)2. Effect of total gas feed rate
도 5a 및 도 5b는 전체 가스공급량의 영향 결과를 확인하기 위한 그래프로서, 도 5a는 CH4전환을 나타내는 그래프이며, 도 5b는 가스 생성량, H2/CO, H2 선택도 간 의 관계를 나타내는 그래프이다.5a and 5b are graphs for confirming the effect of the total gas supply amount, FIG. 5a is a graph showing CH 4 conversion, and FIG. 5b is a gas production amount, H 2 /CO, showing the relationship between H 2 selectivity It is a graph.
도 5a 및 도 5b는 O2/C비를 1.0으로 하고 전체 가스공급 량을 20~60L/min으로 변화를 주었을 때 메탄전환 특성을 나타낸 것이 다.5a and 5b show the methane conversion characteristics when the O 2 /C ratio is set to 1.0 and the total gas supply amount is changed to 20 to 60 L/min.
도 5a는 CH4 전환을 나타낸 것으로 전체 가스공급량이 증가됨에 따라 플라즈마 연소기와 매트릭스 버너의 후단부에서 모두 감소되었다. 이는 전체 가스공급량 이 증가됨에 플라즈마 연소기에서 플라즈마 방전 컬럼 내에서 체류시간 감소로 인 해 플라즈마 전환반응의 확보가 어렵고 매트릭스 버너에서의 추가 개질반응 기회가 적어지기 때문이다.FIG. 5a shows CH 4 conversion, and as the total gas supply amount was increased, both the plasma combustor and the matrix burner were reduced at the rear end. This is because, as the total gas supply is increased, it is difficult to secure the plasma conversion reaction due to a decrease in the residence time in the plasma discharge column in the plasma burner, and the opportunity for additional reforming reaction in the matrix burner is reduced.
그리고 전체 가스공급량 변화에 관계없이 모든 경우에 대해 플라즈마 버너에 서 주로 CH4전환이 이루어 진 후 매트릭스 버너에서 일부 추가적으로 진행되어 그 값이 다소 증가되었다. 그 증가 정도는 전체 가스공급량이 20L/min 플라즈마 연소기에서의 CH4 전환은 53%이고, 매트릭스 버너는 60%로 12% 증가되었고, 60L/min에서 매트릭스 버너에서의 CH4 전환은 34%이고 매트릭스 버너는 48%로 29%증가 되었다.And, regardless of the change in the total gas supply, in all cases, CH 4 conversion was mainly performed in the plasma burner, and then some additional progress was made in the matrix burner, and the value slightly increased. The degree of increase was that the total gas supply was 53% CH 4 conversion in the plasma burner at 20 L/min, 12% increase in the matrix burner to 60%, and the CH 4 conversion in the matrix burner at 60 L/min was 34%, and the matrix burner was 34%. Burner increased by 29% to 48%.
이와 같이 매트릭스 연소기에서의 CH4 전환은 전체 가스공급유량이 증감됨에 따라 상대적으로 CH4 전환의 증가율 편차가 큼을 확인하였고, 이는 유량이 20L/min 에서 60L/min으로 증가될 경우, 플라즈마 연소기 CH4 전환 감소가 19%이고 매트릭스 버너에서 12%인 것에서도 알 수 있듯이 복사 차폐 형태의 매트릭스 버너에서 체류 시간 영향보다 플라즈마 연소기의 플라즈마 방전영역에서 보다 충분한 체류시간 확 보가 어렵기 때문이다.As such, it was confirmed that the CH 4 conversion in the matrix combustor has a relatively large variation in the increase rate of the CH 4 conversion as the total gas supply flow rate is increased or decreased. As can be seen from the conversion reduction of 19% and 12% in the matrix burner, it is more difficult to secure a sufficient residence time in the plasma discharge region of the plasma combustor than the effect of the residence time in the radiation shielding type matrix burner.
도 5b는 생성가스의 농도, H2/CO, H2 선택도를 나타 낸 것이다. 생성가스 중 H2, CO의 농도는 이미 예측된 바와 같이 전체가스 공급량이 증가됨에 따라 PBR 내에서 개질반응의 체류시간 확보가 감소되어 그 농도가 감소되었다. H2/CO비와 H2선택도가 감소되었는데 이는 수소전환 반응에 상대적으로 큰 영향을 미치는 플라즈마 연소기의 방전영역의 역할이 감소되어졌기 때문으로 확인되었다.Figure 5b shows the concentration of the product gas, H 2 /CO, H 2 Selectivity. As previously predicted, the concentration of H 2 and CO in the generated gas decreased as the retention time of the reforming reaction in the PBR was reduced as the total gas supply was increased. The H 2 /CO ratio and H 2 selectivity were decreased, which was confirmed because the role of the discharge region of the plasma combustor, which had a relatively large effect on the hydrogen conversion reaction, was reduced.
② 건식개질 (dry reforming)② dry reforming
바이오가스는 도시 슬러지, 음식물 쓰레기, 축사 분뇨, 매립장 등의 혐기소 화에서 발생되는 혼합가스이다. 이들의 가스성분은 45-75% CH4, 25-55% CO2, 0- 25 N2, 0.01-5% O2 그리고 H2S, NH3가 소량 함유되어 있다. 이와 같이 바이오가스는 생 성 발생원에 따라 메탄과 이산화탄소의 비율이 달라지고 그 외 다양한 성분들이 함께 함유되어 있다. 본 실험에서는 다양한 발생원에서 발생되는 바이오가스에 대해 본 발명의 PBR이 적용 가능한 성능을 가지고 있음을 확인하고자 메탄과 이산화탄소 구성비에 대해 실험을 수행하였다.Biogas is a mixed gas generated from anaerobic digestion of municipal sludge, food waste, livestock manure, and landfills. These gas components contain small amounts of 45-75% CH 4 , 25-55% CO 2 , 0-25 N 2 , 0.01-5% O 2 and H 2 S, NH 3 . As such, biogas has different ratios of methane and carbon dioxide depending on the source of generation and contains various other components. In this experiment, in order to confirm that the PBR of the present invention has the applicable performance for biogas generated from various sources, an experiment was performed on the composition ratio of methane and carbon dioxide.
도 6은 CO2:CH4비의 특성 결과를 확인하기 위한 것으로, 도 6의 (a)는 CH4 전환을 나타내는 그래프이고, 도 6의 (b)는 가스 생성량, H2/CO, H2 선택도 간의 관계 를 나타내는 그래프이다.6 is to confirm the characteristic result of CO 2 :CH 4 ratio, (a) of FIG. 6 is a graph showing CH 4 conversion, (b) of FIG. 6 is gas production amount, H 2 /CO, H 2 It is a graph showing the relationship between selectivity.
도 6은 전체 가스공급량을 20L/min와 O2/C비를 1.0으로 일정하게 유지한 상태에서 CH4:CO2비를 7:3, 6:4, 5:5으로 변화를 주었을 때 개질 전환특성을 나타낸 것이다.6 shows the reforming conversion characteristics when the CH 4 :
도 6의 (a)는 CH4 전환을 나타낸 것으로 CH4:CO2비가 7:3에서 5:5로 이산화탄소의 비율이 증가될수록 CH4 전환이 플라즈마 연소기는 53%에서 45%로 감소되었고, 매트릭스 버너 역시 57%에서 49%로 점차적으로 감소되었다. 이는 이미 언급된 메탄 크래킹 반응(반응식 1)과 부분산화 개질반응(반응식 2) 그리고 탄소 산화반응(반응식 3)이 메탄의 양이 감소되면 CH4 전환이 감소되기 때문이다.6 (a) shows CH 4 conversion, CH 4 :CO 2 ratio from 7:3 to 5:5 As the ratio of carbon dioxide increased, the CH 4 conversion was reduced from 53% to 45% in the plasma combustor, and the matrix Burners were also gradually reduced from 57% to 49%. This is because the CH 4 conversion is reduced when the amount of methane is reduced in the previously mentioned methane cracking reaction (Scheme 1), partial oxidation reforming reaction (Scheme 2), and carbon oxidation reaction (Scheme 3).
도 6의 (b)는 CO2 전환을 나타낸 것으로 전환 패턴은 CH4 전환과 유사하나 전환율은 상대적으로 적다. CH4:CO2비가 7:3에서 5:5로 변화됨에 따라 CO2 전환은 플라즈마 연소기는 22%에서 11%로 11%감소되었고, 메 트릭스 버너 역시 23%에서 16%로 7% 감소되었다. 이는 PBR의 플라즈마 연소기와 매트릭스 버너 모두에서 CO2 크래킹 또는 건식개질 (반응식 (6))에 의해 개질이 이루어지는데 이 반응이 바이오가스 중 CO2농도가 커질수록 감소되기 때문으로 확인되었다.6 (b) shows the conversion of CO 2 and the conversion pattern is similar to that of CH 4 conversion, but the conversion rate is relatively small. As the CH 4 :CO 2 ratio was changed from 7:3 to 5:5, the CO 2 conversion was reduced by 11% from 22% to 11% for the plasma burner, and 7% for the matrix burner from 23% to 16%. This was confirmed because reforming is performed by CO 2 cracking or dry reforming (reaction equation (6)) in both plasma burner and matrix burner of PBR, and this reaction decreases as the concentration of CO 2 in biogas increases.
CH4 + CO2 → 2CO + 2H2 △H298=+260.5kJ/mol (반응식 (6))CH 4 + CO 2 → 2CO + 2H 2 ΔH 298 =+260.5 kJ/mol (Scheme (6))
도 7은 CH 4:CO2비 변화에 따른 생성가스 농도, H2/CO, H2 선택도를 나타내는 그래프이다.7 is a graph showing the concentration of generated gas, H 2 /CO, and H 2 selectivity according to CH 4 :CO 2 ratio change.
바이오가스 중 이산화탄소 농도가 증가 될수록 생성가스 중 H2의 농도는 플라즈마 연소기와 매트릭스 버너 모두에서 감소되었다. 그러나 CO의 농도는 플라즈마 연소기에서는 H2와 같이 감소되었으나 매트릭스 버너에서는 증가되었다. 이는 메탄 의 분해반응(반응식 (1))에 의해 생성된 탄소의 산화반응(반응식 (3))에 의해 CO가 증가되었기 때문이다. 이로 인해 H2/CO비와 H2 선택도 역시 감소되었다.As the concentration of carbon dioxide in the biogas increased, the concentration of H 2 in the product gas decreased in both the plasma burner and the matrix burner. However, the concentration of CO decreased with H 2 in the plasma burner but increased in the matrix burner. This is because CO was increased by the oxidation reaction of carbon produced by the decomposition reaction of methane (reaction formula (1)) (reaction formula (3)). Due to this, the H 2 /CO ratio and H 2 selectivity were also reduced.
③ 개질가스 재순환 (reformed gas recirculation)③ reformed gas recirculation
도 8a 및 도 8b는 재순환율의 특성 결과를 확인하기 위 한 것으로, 도 8a는 CH4 전환을 나타내는 그래프이고, 도 8b는 가스 생성량, H2/CO, H2 선택도를 나타내는 그래프이다.8a and 8b are for confirming the characteristic result of the recycle rate, FIG. 8a is a graph showing CH 4 conversion, and FIG. 8b is a graph showing the gas production amount, H 2 /CO, and H 2 selectivity.
도 8a 및 도 8b는 메탄개질의 기준 조건인 전체 가스공급량을 20 L/min으로 하고, O2/C비를 1.0으로 한 상태에서 개질가스의 일부를 재순환한 경우 개질특성을 나타내는 그래프이다.8A and 8B are graphs showing reforming characteristics when a portion of the reformed gas is recycled in a state where the total gas supply amount, which is the reference condition for methane reforming, is 20 L/min, and the O 2 /C ratio is 1.0.
도 8a는 CH4 전환을 나타낸 것으로 재순환 하지 않았을 때는 64%이 고 재순환하였을 경우는 54%로 그 값이 감소되었다. 이는 CH4 전환이 감소되었다기 보다는 재순환가스 중 포함된 미 전환된 CH4가 출구농도에서 더 측정되기 때문이다.Figure 8a shows the CH 4 conversion, which was reduced to 64% when not recycled and to 54% when recycled. This is because the unconverted CH 4 contained in the recycle gas is more measured at the outlet concentration rather than the reduced CH 4 conversion.
이는 도 8b에 나타낸 개질가스 H2 와 CO의 농도에서 확인 되듯이 재순환 하지 않았을 때 각각의 농도가 9%, 8%인데 재순환시 11%와 19%로 증가된 것을 보면 알 수 있다. 그리고 H2/CO비와 H2선택도도 각각 1.13%, 39%에서 1.25%, 54%로 증가되었다.This can be seen from the fact that the concentrations of the reformed gas H 2 and CO shown in FIG. 8b were 9% and 8%, respectively, when not recirculated, but increased to 11% and 19% at the time of recirculation, as confirmed by the concentrations of CO and
이상에서 알 수 있는 바와 같이 개질가스 재순환 시 가연가스인 수소와 일산화탄소 생성량이 다소 증가되었으며 특히 상대적으로 수소 증가가 크기 때문에 H2/CO비 특히 수소선택도가 개선되어 양질의 고품이 가스 생산이 가능함을 확인하였다.As can be seen from the above, the amount of hydrogen and carbon monoxide, which are combustible gases, increased slightly during reformed gas recirculation. In particular, since the hydrogen increase is relatively large, the H 2 /CO ratio, especially the hydrogen selectivity, is improved, so that high-quality gas can be produced. was confirmed.
상기한 바와 같은 변수별 연구를 통해 PBR의 메탄 부분산화 개질 시 최적운전 조건과 그 결과는 다음의 표 2(최적 운전 조건 및 그 결과값)>와 같다. O2/C비가 1.0이고 전체 가스공급량이 20L/min일 때 메탄전환은 64%이고 H2 선택도는 39%이고 H2/CO비는 1.13이었다.The optimal operating conditions and results for methane partial oxidation reforming of PBR through the study by variable as described above are shown in Table 2 (optimal operating conditions and their results)>. When the O 2 /C ratio was 1.0 and the total gas supply rate was 20 L/min, the methane conversion was 64%, the H 2 selectivity was 39%, and the H 2 /CO ratio was 1.13.
1)생성가스농도는 N2, O2를 제외한 상태농도; 2) HCs는 총 탄화수소(C2H2, C2H4, C2H6)의 양임 1) The concentration of the generated gas is the state concentration except for N 2 , O 2 ; 2) HCs is the amount of total hydrocarbons (C 2 H 2 , C 2 H 4 , C 2 H 6 )
현재 개발되어 실용화되어 이용되고 있는 것은 촉매 자열개질 방식으로 촉매 비용과 내구성 문제 그리고 촉매 활성온도 유지를 위한 경제성 문제가 있다. 본 발명은 상기한 실험 결과로부터도 알 수 있듯이 상기에 언급된 문제를 해결할 수 있으며, 특히 주거용열병합시스템(RPG: Residential Power Generator)용 연료전지인 고체산화물형연료전지(SOFC)에 적용할 수 있다.What is currently being developed and put into practical use is a catalyst autothermal reforming method, which has problems with catalyst cost and durability, and economic feasibility for maintaining the catalyst active temperature. As can be seen from the above experimental results, the present invention can solve the above-mentioned problems, and in particular can be applied to a solid oxide fuel cell (SOFC), which is a fuel cell for a residential power generator (RPG). .
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템에 의하면, 온실가스인 메탄과 이산화탄소가 주성분인 매립장 매립가스, 폐수처리장 소화조 부생가스, 음식물 쓰레기 처리 혐기 반응기 등에서 발생되는 바이오가스(biogas), 바이오 매스, 도시 폐기물 등의 가스화 가스, 가스 화석연료 등을 다양한 발생원을 대상으로 고품위 수소과농의 가스를 생산할 수 있는 이점이 있다.According to the solar fuel production system based on the plasma-matrix burner partial oxidation reformer according to the present invention as described above, landfill gas containing methane and carbon dioxide as main components, wastewater treatment plant by-product gas, food waste treatment anaerobic reactor, etc. There is an advantage in that it is possible to produce high-quality hydrogen-rich gas from various sources such as biogas, biomass, gasified gas such as municipal waste, and gas fossil fuel.
또한, 본 발명에 의하면, 플라즈마와 축열버너의 장점이 융합되어 구성됨으로써 기존의 촉매가격 문제해결 뿐만 아니라 장치의 컴팩트화, 수초의 빠른 시동 및 응답시간, 고분자 탄화수소를 포함한 다양한 종류의 생성가스를 적용할 수있고, 개질 시 자체 내부반응열을 사용하며, 넓은 범위의 유량과 가스성상에 대해 최적운전상태 유지 등을 도모할 수 있으며, 이에 따라 정상운전 소요시간과 개질기 효율에 대한 기존 문제점을 해결할 수 있는 이점이 있다.In addition, according to the present invention, the advantages of plasma and thermal storage burner are fused to solve the existing catalyst price problem, as well as device compactness, quick start-up and response time of several seconds, and various types of generated gases including polymer hydrocarbons are applied. In the case of reforming, it uses its own internal reaction heat, and it is possible to maintain the optimum operating state for a wide range of flow rates and gas properties, and accordingly, it is possible to solve the existing problems with the normal operation time and reformer efficiency. There is an advantage.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시 예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The embodiments described in this specification and the accompanying drawings are merely illustrative of some of the technical ideas included in the present invention. Therefore, since the embodiments disclosed in the present specification are for explanation rather than limitation of the technical spirit of the present invention, it is obvious that the scope of the technical spirit of the present invention is not limited by these embodiments. Modifications and specific embodiments that can be easily inferred by those skilled in the art within the scope of the technical spirit included in the specification and drawings of the present invention should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
100: 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기
110: 장치 바디
120: 플라즈마 연소기
121: 전극
122: 지지체
130: 매트릭스 버너
140: 일부 생성가스 재순환 관로
200: 전력 공급 장치부
300: SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 연료전지스택
400: 모니터링-제어 장치부100: plasma-matrix burner partial oxidation reformer
110: device body
120: plasma burner
121: electrode
122: support
130: matrix burner
140: some product gas recirculation pipe
200: power supply unit
300: SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) fuel cell stack
400: monitoring-control unit unit
Claims (6)
상기 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기에 필요 전력을 공급하는 전력 공급 장치부;
상기 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기에서 생성된 청정가스를 공급받아 전기와 열에너지를 생산하도록 구성되는 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 연료전지스택; 및
상기 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기와 전력 공급 장치부 및 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell) 연료전지 스택의 작동 상황을 모니터링하고, 제어하도록 구성되는 모니터링-제어 장치부;을 포함하는 것을 특징으로 하는
플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템.
Plasma-matrix burner partial oxidation configured to receive a gas to be treated including hydrocarbon-based fossil fuel or biogas, and a gas for combustion, and reform it through a plasma burner and a matrix burner to generate a hydrogen-rich gas reformer;
a power supply unit supplying necessary power to the plasma-matrix burner partial oxidation reformer;
a solid oxide fuel cell (SOFC) fuel cell stack configured to receive the clean gas generated from the plasma-matrix burner partial oxidation reformer to produce electricity and thermal energy; and
The plasma-matrix burner partial oxidation reformer, the power supply unit, and a monitoring-control unit configured to monitor and control the operation status of the SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) fuel cell stack;
A solar fuel production system based on a plasma-matrix burner partial oxidation reformer.
상기 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기는,
장치 바디;
상기 장치 바디의 하부에 구비되어 공급되는 처리대상가스를 1차 부분산화시키도록 구성되는 플라즈마 연소기; 및
상기 플라즈마 연소기의 상부 측에 구비되어 그 플라즈마 연소기에서 부분산화되어 나오는 처리가스를 2차 부분산화하도록 구성되는 매트릭스 버너;를 포함하는 것을 특징으로 하는
플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템.
According to claim 1,
The plasma-matrix burner partial oxidation reformer,
device body;
a plasma combustor provided at a lower portion of the apparatus body and configured to primary partial oxidation of the supplied gas to be treated; and
and a matrix burner provided on the upper side of the plasma combustor and configured to secondary partial oxidation of the process gas partially oxidized from the plasma combustor.
A solar fuel production system based on a plasma-matrix burner partial oxidation reformer.
상기 플라즈마 연소기는, 3상 플라즈마 방전이 이루어지도록 3개의 전극이 지지체에 의해 둘레방향으로 120°의 간격을 갖고 설치되며, 전극 상단부에 연소용 공기가 분출되는 노즐이 구성되며,
상기 장치 바디와 지지체는 절연 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는
플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템.
3. The method of claim 2,
In the plasma combustor, three electrodes are installed with an interval of 120° in the circumferential direction by a support so that a three-phase plasma discharge is made, and a nozzle from which combustion air is ejected is configured at the upper end of the electrode,
The device body and the support body, characterized in that formed of an insulating material
A solar fuel production system based on a plasma-matrix burner partial oxidation reformer.
상기 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기는,
플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기에서 생성되어 나오는 생성가스의 일부를 그 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기의 입구 측으로 순환시켜 처리대상가스 및 연소용 공기 중 적어도 하나와 혼합되도록 하는 일부 생성가스 재순환 관로;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는
플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템.
According to claim 1,
The plasma-matrix burner partial oxidation reformer,
Part of the generated gas generated from the plasma-matrix burner partial oxidation reformer is circulated to the inlet side of the plasma-matrix burner partial oxidation reformer to be mixed with at least one of the gas to be treated and the combustion air; characterized in that it further comprises
A solar fuel production system based on a plasma-matrix burner partial oxidation reformer.
상기 전력 공급 장치부는,
태양광 모듈 및 상용 전력망이 병용되는 전력 공급 장치부로 구성되는 것을 특징으로 하는
플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템.
According to claim 1,
The power supply unit,
Characterized in that it consists of a power supply unit in which a solar module and a commercial power grid are used together.
A solar fuel production system based on a plasma-matrix burner partial oxidation reformer.
상기 모니터링-제어 장치부는,
상기 플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기로 공급되는 총 가스공급량이 18L/min ~ 22L/min가 되도록 제어하며, O2/C비가 0.9~.1.1가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는
플라즈마-매트릭스 버너 부분산화 개질기 기반의 태양연료 생산 시스템.According to claim 1,
The monitoring-control device unit,
Controlled so that the total gas supply amount supplied to the plasma-matrix burner partial oxidation reformer is 18L/min ~ 22L/min, and the O 2 /C ratio is controlled to be 0.9 ~.1.1
A solar fuel production system based on a plasma-matrix burner partial oxidation reformer.
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