KR102741449B1 - Carbon manufacturing apparatus using plasma and carbon manufacturing method using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 탄화수소를 분해하여 다양한 종류의 기능성 탄소를 제조할 수 있는 플라즈마를 이용한 탄소 제조 장치 및 플라즈마를 이용한 탄소 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 탄소 제조 장치는 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 생성기, 상기 플라즈마 생성기와 연결되며 탄화수소의 분해 공간을 제공하는 반응관을 포함하는 분해 반응기, 및 상기 플라즈마에 의하여 분해된 탄소를 포집하는 탄소 포집기를 포함할 수 있다.The present invention provides a carbon manufacturing device using plasma capable of manufacturing various types of functional carbon by decomposing hydrocarbons, and a carbon manufacturing method using plasma.
A carbon production device using plasma according to one embodiment of the present invention may include a plasma generator that generates plasma, a decomposition reactor that is connected to the plasma generator and includes a reaction tube that provides a space for decomposing hydrocarbons, and a carbon collector that captures carbon decomposed by the plasma.
Description
본 발명은 플라즈마를 이용하여 탄소 제조 장치 및 플라즈마를 이용한 탄소 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마로 탄화수소 기체를 분해하여 탄소를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a device for producing carbon using plasma and a method for producing carbon using plasma, and more specifically, to a device and method for producing carbon by decomposing hydrocarbon gas using plasma.
알려진 바에 따르면, 플라즈마로 고온의 반응을 유도하거나 고온의 환경을 만들어 주기 위해, 아크 플라즈마(Arc Plasma), 마이크로웨이브 플라즈마(Microwave Plasma), 용량결합 플라즈마(Capacitively Coupled Plasma) 및 유도 결합 플라즈마(Inductively Coupled Plasma) 등의 기술이 사용된다. 이 기술들은 각 기술에 따른 장점과 단점 및 플라즈마 발생을 위한 반응기에서 구조적인 차이점을 가진다.As is known, technologies such as arc plasma, microwave plasma, capacitively coupled plasma, and inductively coupled plasma are used to induce high-temperature reactions or create high-temperature environments using plasma. These technologies have their own advantages and disadvantages and structural differences in the reactor for plasma generation.
종래에는 탄화수소를 열분해하기 위해서 전기로(Furnace) 등을 이용한 열분해 반응기(Pyrolysis reactor), 촉매까지 더한 열-촉매 하이브리드 반응기(Thermal-catalytic hybrid reactor) 등이 사용되었다.In the past, pyrolysis reactors using electric furnaces, etc., and thermal-catalytic hybrid reactors with added catalysts were used to thermally decompose hydrocarbons.
이러한 종래의 열분해 반응기는 반응기 및 반응기 내 모든 물질의 평형 온도를 올리는 방식으로 반응 온도 환경을 조성하기 때문에 1000 K 이상의 반응 온도 환경을 조성하기 위해서 많은 시간과 전력 등의 에너지가 소모되는 문제가 있다. These conventional pyrolysis reactors create a reaction temperature environment by raising the equilibrium temperature of the reactor and all substances within the reactor, so there is a problem in that a lot of time and energy such as electricity are consumed to create a reaction temperature environment of 1000 K or higher.
또한, 온도가 이미 평형 상태이기 때문에 반응기 내 다양한 온도 환경을 조성할 수 없고 한 조건의 반응 온도 환경만 조성되므로 이로 인하여 다양한 종류의 기능성 탄소를 동시에 제조하기가 매우 어려운 문제가 있다.In addition, since the temperature is already at equilibrium, it is impossible to create various temperature environments within the reactor and only one reaction temperature environment is created, which makes it very difficult to simultaneously produce various types of functional carbon.
또한, 촉매를 이용하는 경우, 더 높은 효율로 탄화수소를 분해할 수 있지만 생성된 고체 탄소가 촉매에 쌓이는 현상으로 인해 촉매의 기능이 저하되고 일정 시간 후 촉매를 재생시키거나 교체해야 하는 문제가 있다.In addition, when using a catalyst, hydrocarbons can be decomposed with higher efficiency, but there is a problem that the function of the catalyst deteriorates due to the phenomenon in which the generated solid carbon accumulates on the catalyst, and the catalyst must be regenerated or replaced after a certain period of time.
본 발명은 탄화수소를 분해하여 다양한 종류의 기능성 탄소를 제조할 수 있는 플라즈마를 이용한 탄소 제조 장치 및 플라즈마를 이용한 탄소 제조 방법을 제공한다.The present invention provides a carbon manufacturing device using plasma capable of manufacturing various types of functional carbon by decomposing hydrocarbons, and a carbon manufacturing method using plasma.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 탄소 제조 장치는 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 생성기, 상기 플라즈마 생성기와 연결되며 탄화수소의 분해 공간을 제공하는 반응관을 포함하는 분해 반응기, 및 상기 플라즈마에 의하여 분해된 탄소를 포집하는 탄소 포집기를 포함할 수 있다.A carbon production device using plasma according to one embodiment of the present invention may include a plasma generator that generates plasma, a decomposition reactor that is connected to the plasma generator and includes a reaction tube that provides a space for decomposing hydrocarbons, and a carbon collector that captures carbon decomposed by the plasma.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 분해 반응기는 플라즈마 영역에서 발생된 전자와 탄화수소의 충돌을 유발하여 상기 탄화수소를 수소와 탄소로 분리할 수 있다.The decomposition reactor according to one embodiment of the present invention can separate the hydrocarbon into hydrogen and carbon by causing a collision between electrons generated in a plasma region and the hydrocarbon.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 플라즈마 생성기는 상기 반응관의 길이방향으로 플라즈마를 분사할 수 있다.The plasma generator according to one embodiment of the present invention can inject plasma in the longitudinal direction of the reaction tube.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 탄소 포집기는 상기 반응관과 연결되며 상기 반응관의 길이방향으로 이어진 포집관과 상기 포집관 내부에 설치된 전기 집진장치를 포함하고, 상기 전기 집진장치는 상기 포집관의 길이방향으로 이어져 형성될 수 있다.The carbon capture device according to one embodiment of the present invention includes a capture tube connected to the reaction tube and extending in the longitudinal direction of the reaction tube, and an electric dust collector installed inside the capture tube, and the electric dust collector can be formed extending in the longitudinal direction of the capture tube.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 전기 집진장치에는 상기 전기 집진장치의 길이방향으로 이격된 복수의 포집 돌기들이 형성될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a plurality of collecting protrusions spaced apart in the longitudinal direction of the electric dust collector may be formed in the electric dust collector.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 탄소 포집기는 상기 반응관과 연결되며 상기 반응관의 길이방향으로 이어진 포집관과 상기 포집관 내부에 설치된 냉각장치를 포함하고, 상기 냉각장치는 상기 포집관의 길이방향으로 이어져 형성될 수 있다.The carbon capture device according to one embodiment of the present invention includes a capture tube connected to the reaction tube and extending in the longitudinal direction of the reaction tube and a cooling device installed inside the capture tube, and the cooling device can be formed extending in the longitudinal direction of the capture tube.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 냉각장치는 상기 냉각장치의 길이방향으로 하류측에 배치된 냉각부재를 포함할 수 있다.The cooling device according to one embodiment of the present invention may include a cooling member arranged on a downstream side in the longitudinal direction of the cooling device.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 냉각장치는 길이방향으로 이격 배치된 복수의 냉각부재를 포함하고, 하류측에 배치된 상기 냉각부재의 온도는 상류측에 배치된 상기 냉각부재의 온도보다 더 낮을 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the cooling device includes a plurality of cooling members spaced apart in the longitudinal direction, and the temperature of the cooling member arranged on the downstream side may be lower than the temperature of the cooling member arranged on the upstream side.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 탄소 포집기는 상기 반응관과 연결되며 상기 반응관의 길이방향으로 이어진 포집관과 상기 포집관을 감싸는 포집 커버관을 포함하고, 고체탄소는 상기 포집관의 내면에 포집될 수 있다.The carbon capture device according to one embodiment of the present invention is connected to the reaction tube and includes a capture tube extending in the longitudinal direction of the reaction tube and a capture cover tube surrounding the capture tube, and solid carbon can be captured on the inner surface of the capture tube.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 탄소 포집기는 상기 반응관과 연결되어 상기 분해 반응기에서 생성된 분해가스가 유입되는 유입구가 형성된 포집 하우징과 상기 포집 하우징의 높이방향으로 이어지며 상기 포집 하우징의 상단에서 하부로 돌출된 배출관을 포함하며, 상기 유입구는 상기 포집 하우징의 중심에 대하여 편심된 방향으로 상기 분해가스를 유입시킬 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the carbon capture device comprises a capture housing having an inlet formed therein, which is connected to the reaction tube and into which a decomposition gas generated in the decomposition reactor is introduced, and a discharge pipe extending in the height direction of the capture housing and protruding downward from the upper end of the capture housing, wherein the inlet can introduce the decomposition gas in a direction eccentric with respect to the center of the capture housing.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 포집 하우징에는 상기 포집 하우징을 냉각시키는 냉각부재가 설치될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, a cooling member for cooling the capturing housing may be installed in the capturing housing.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 탄소 제조 방법은, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 생성 단계, 상기 플라즈마를 이용하여 공급된 탄화수소 기체를 분해시켜서 분해가스를 생성하는 탄화수소 분해 단계, 및 상기 분해가스에 포함된 탄소를 포집하는 탄소 포집 단계를 포함할 수 있다.A method for producing carbon using plasma according to one embodiment of the present invention may include a plasma generation step for generating plasma, a hydrocarbon decomposition step for decomposing supplied hydrocarbon gas using the plasma to generate a decomposition gas, and a carbon capture step for capturing carbon included in the decomposition gas.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 탄화수소 분해 단계는 탄화수소를 플라즈마가 형성된 영역 1/100초 이상 체류시킬 수 있다.The hydrocarbon decomposition step according to one embodiment of the present invention can cause hydrocarbons to remain in a region where plasma is formed for 1/100 second or longer.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 탄화수소 분해 단계는 플라즈마 영역에서 발생된 전자와 탄화수소의 충돌을 유발하여 상기 탄화수소를 수소와 탄소로 분리할 수 있다.The hydrocarbon decomposition step according to one embodiment of the present invention can separate the hydrocarbon into hydrogen and carbon by causing a collision between electrons generated in a plasma region and the hydrocarbon.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 탄소 포집 단계는 상기 분해가스의 유동방향으로 이어진 전기 집진장치를 이용하여 탄소를 포집할 수 있다.The carbon capture step according to one embodiment of the present invention can capture carbon using an electric precipitator connected in the flow direction of the decomposition gas.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 탄소 포집 단계는 상기 분해가스의 유동방향으로 이어지되 냉각장치를 이용하여 탄소를 포집하되, 상기 냉각장치는 상기 분해가스의 유동방향으로 이어지며, 상기 냉각장치는 길이방향으로 서로 다른 온도 구배를 갖도록 이루어질 수 있다.The carbon capture step according to one embodiment of the present invention captures carbon using a cooling device connected in the flow direction of the decomposition gas, wherein the cooling device is connected in the flow direction of the decomposition gas, and the cooling device can be configured to have different temperature gradients in the longitudinal direction.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 탄소 포집 단계는 분해가스가 이동하는 통로를 제공하는 포집관과 포집관을 감싸는 포집 커버관을 이용하여 탄소를 포집할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the carbon capture step can capture carbon using a capture tube that provides a passage through which a decomposition gas moves and a capture cover tube that surrounds the capture tube.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 탄소 포집 단계는 포집 하우징 내부로 분해가스를 유입시켜서 선회류를 유도하고 탄소를 포집 하우징의 내벽에 침착시키며, 기체는 포집 하우징의 상단에서 하부로 돌출된 배출관을 통해서 배출시키되, 상기 포집 하우징을 냉각시키면서 탄소를 포집할 수 있따.The carbon capture step according to one embodiment of the present invention induces a circulating flow by introducing a decomposition gas into the capture housing to deposit carbon on the inner wall of the capture housing, and discharges the gas through a discharge pipe protruding downward from the top of the capture housing, thereby capturing carbon while cooling the capture housing.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 탄소 제조 방법은, 탄화수소 기체의 공급을 중단하고, 공기 또는 이산화탄소를 공급한 상태에서 플라즈마를 생성하여 고체탄소를 일산화탄소 또는 이산화탄소로 전환하는 잔여 탄소 제거 단계를 더 포함할 수 있다.A method for producing carbon using plasma according to one embodiment of the present invention may further include a residual carbon removal step of generating plasma while stopping the supply of hydrocarbon gas and supplying air or carbon dioxide to convert solid carbon into carbon monoxide or carbon dioxide.
본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 탄소 제조 방법은, 탄화수소 기체의 공급을 중단하고, 수소 기체를 공급한 상태에서 플라즈마를 생성하여 고체탄소를 탄화수소 기체로 전환하는 잔여 탄소 제거 단계를 더 포함할 수 있다.A method for producing carbon using plasma according to one embodiment of the present invention may further include a residual carbon removal step of generating plasma while stopping the supply of hydrocarbon gas and supplying hydrogen gas to convert solid carbon into hydrocarbon gas.
상기한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 탄소 제조 장치 및 탄소 제조 방법은 플라즈마를 이용하여 탄화수소를 분해하므로 플라즈마 영역의 다양한 온도 분포로 인하여 다양한 종류의 기능성 탄소를 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 탄소 포집기를 이용하여 기능성 탄소를 포집할 수 있다.As described above, the carbon production device and carbon production method according to one embodiment of the present invention decompose hydrocarbons using plasma, and thus, various types of functional carbon can be produced due to various temperature distributions in the plasma region, and the functional carbon can be captured using a carbon collector.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소 제조 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예의 변형예에 따른 탄소 제조 장치를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소 제조 장치를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예의 변형예에 따른 탄소 제조 장치를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 탄소 제조 장치를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예의 변형예에 따른 탄소 제조 장치를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 탄소 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 탄소 제조 장치를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예의 일 변형예에 따른 탄소 제조 장치를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 탄소 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.FIG. 1 is a drawing illustrating a carbon manufacturing device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a drawing illustrating a carbon manufacturing device according to a modified example of the first embodiment of the present invention.
Figure 3 is a flowchart for explaining a carbon manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a drawing illustrating a carbon manufacturing device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a drawing illustrating a carbon manufacturing device according to a modified example of the second embodiment of the present invention.
Figure 6 is a flowchart for explaining a carbon manufacturing method according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a drawing illustrating a carbon manufacturing device according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a drawing illustrating a carbon manufacturing device according to a modified example of the third embodiment of the present invention.
Figure 9 is a flowchart for explaining a carbon manufacturing method according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a drawing illustrating a carbon manufacturing device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a drawing illustrating a carbon manufacturing device according to a modified example of the fourth embodiment of the present invention.
Figure 12 is a flowchart for explaining a carbon manufacturing method according to the fourth embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention can be modified in various ways and has various embodiments, and specific embodiments are illustrated and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, but should be understood to include all modifications, equivalents, or substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '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 terminology used herein is only used to describe specific embodiments and is not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly indicates otherwise. In the present invention, it should be understood that the terms "comprise" or "have" and the like are intended to specify that a feature, number, step, operation, component, part or combination thereof described in the specification is present, but do not exclude in advance the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. At this time, it should be noted that the same components in the attached drawings are indicated by the same symbols as much as possible. In addition, detailed descriptions of well-known functions and configurations that may obscure the gist of the present invention will be omitted. For the same reason, some components in the attached drawings are exaggerated, omitted, or schematically illustrated.
이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 탄소 제조 장치에 대해서 설명한다. Below, a carbon manufacturing device using plasma according to the first embodiment of the present invention is described.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소 제조 장치를 도시한 도면이다.FIG. 1 is a drawing illustrating a carbon manufacturing device according to a first embodiment of the present invention.
도 1을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 탄소 제조 장치(101)는 플라즈마 생성기(120), 분해 반응기(110), 탄소 포집기(130)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 탄소 제조 장치(101)는 탄화수소 기체를 플라즈마로 가열 분해하여 고체 탄소와 수소 가스를 제조하는 장치이다.Referring to FIG. 1, a carbon production device (101) according to the present embodiment may include a plasma generator (120), a decomposition reactor (110), and a carbon capture device (130). The carbon production device (101) according to the present embodiment is a device that heats and decomposes hydrocarbon gas with plasma to produce solid carbon and hydrogen gas.
플라즈마 생성기(120)는 아크 방전 플라즈마 발생 장치, 유도 결합 플라즈마 발생 장치, 마이크로웨이브 플라즈마 발생 장치 등으로 이루어질 수 있으며, 열플라즈마를 생성하여 플라즈마를 플라즈마 생성기(120)의 길이방향으로 분사한다. 이에 따라 분해 반응기(110)의 내부에는 플라즈마가 위치하는 플라즈마 영역(121)이 형성될 수 있다.The plasma generator (120) may be composed of an arc discharge plasma generator, an inductively coupled plasma generator, a microwave plasma generator, etc., and generates thermal plasma and sprays the plasma in the longitudinal direction of the plasma generator (120). Accordingly, a plasma region (121) in which plasma is located may be formed inside the decomposition reactor (110).
분해 반응기(110)는 탄화소수가 이동하는 통로 및 탄화수소의 분해 공간을 형성하는 반응관(115)과 탄화수소 기체가 유입되는 유입부(112)를 포함할 수 있다. 유입부(112)는 반응관(115)의 길이방향 단부에 형성되거나, 별도의 관으로 이루어져서 반응관(115) 내부로 삽입될 수 있다.The decomposition reactor (110) may include a reaction tube (115) that forms a passage through which hydrocarbons move and a decomposition space for hydrocarbons, and an inlet (112) through which hydrocarbon gas is introduced. The inlet (112) may be formed at a longitudinal end of the reaction tube (115), or may be formed as a separate tube and inserted into the inside of the reaction tube (115).
분해 반응기(110)는 플라즈마를 이용하여 탄화수소 기체를 가열하여 고체탄소와 수소가스로 분해한다. 특히, 분해 반응기(110)는 아래의 화학식 1과 같이 플라즈마 영역(121)에서 발생된 전자와 탄화수소의 충돌을 유발하여 탄화수소를 수소와 탄소로 분해한다. 분해 반응기(110)는 수소와 입자상의 고체탄소를 포함하는 분해가스(125)를 생성할 수 있다.The decomposition reactor (110) uses plasma to heat hydrocarbon gas and decomposes it into solid carbon and hydrogen gas. In particular, the decomposition reactor (110) causes collisions between electrons generated in the plasma region (121) and hydrocarbons as shown in the chemical formula 1 below to decompose hydrocarbons into hydrogen and carbon. The decomposition reactor (110) can generate a decomposition gas (125) containing hydrogen and solid carbon particles.
[화학식 1][Chemical Formula 1]
CxHy + e → mC(s) + nH2(g) + eC x H y + e → mC(s) + nH 2 (g) + e
탄화수소 기체는 플라즈마 영역에서 1/100초 이상 체류할 수 있으며, 탄화수소 기체가 플라즈마 영역의 어느 위치를 통과하느냐 따라 탄화수소 기체의 가열 온도가 상이하게 된다. 탄화수소 기체로 메탄가스가 사용될 때, 메탄이 2500K 이상으로 가열되면 메탄이 고부가 가치의 탄소로 전환될 수 있다. Hydrocarbon gas can remain in the plasma region for more than 1/100 seconds, and the heating temperature of the hydrocarbon gas varies depending on where in the plasma region the hydrocarbon gas passes. When methane gas is used as the hydrocarbon gas, methane can be converted into high value-added carbon when heated to over 2500K.
한편, 탄화수소 기체가 1/100초 이상 플라즈마 영역에 체류하면 메탄가스의 탄소 전환율이 상승하며, 메탄가스가 1/100초 보다 더 작은 시간동안 플라즈마 영역에 체류하면 에탄, 에틸렌, 아세틸렌 등의 원치 않는 반응 부산물의 양이 증가하는 문제가 있다. 반응관(115)의 단면적을 감소시킬수록 탄소의 선택도가 증가하며, 반응관(115)의 단면적이 증가할수록 탄소의 선택도가 감소할 수 있다.Meanwhile, if the hydrocarbon gas remains in the plasma region for more than 1/100 second, the carbon conversion rate of methane gas increases, and if the methane gas remains in the plasma region for less than 1/100 second, there is a problem that the amount of unwanted reaction byproducts such as ethane, ethylene, and acetylene increases. As the cross-sectional area of the reaction tube (115) decreases, the selectivity of carbon increases, and as the cross-sectional area of the reaction tube (115) increases, the selectivity of carbon may decrease.
탄소 포집기(130)는 분해가스(125)에 포함된 고체탄소 입자를 포집한다. 탄소 포집기(130)는 반응관(115)과 연결되며 반응관(115)의 길이방향으로 이어진 포집관(131)과 포집관(131) 내부에 설치된 전기 집진장치(132)를 포함할 수 있다. The carbon capture device (130) captures solid carbon particles contained in the decomposition gas (125). The carbon capture device (130) is connected to the reaction tube (115) and may include a capture tube (131) extending in the longitudinal direction of the reaction tube (115) and an electric dust collector (132) installed inside the capture tube (131).
포집관(131)은 반응관(115)과 연결되며, 분해 반응기(110)에서 생성된 분해가스가 포집관(131)으로 유입된다. 포집관(131)은 원통 형상의 파이프로 이루어질 수 있으며, 반응관(115)과 일체로 형성되거나, 반응관(115)에 착탈 가능하게 결합될 수 있다.The collection tube (131) is connected to the reaction tube (115), and the decomposition gas generated in the decomposition reactor (110) flows into the collection tube (131). The collection tube (131) may be formed as a cylindrical pipe, and may be formed integrally with the reaction tube (115) or detachably connected to the reaction tube (115).
전기 집진장치(132)는 포집관(131)의 길이방향으로 이어져 형성되며, 포집관(131) 내부에 삽입된다. 전기 집진장치(132)는 고전압이 인가된 방전극과 접지된 집진극을 포함할 수 있다. 또한 전기 집진장치(132)의 외주면에는 탄소가 포집되는 복수의 포집 돌기(134)가 형성될 수 있으며, 포집 돌기(134)들은 전기 집진장치(132)의 길이방향으로 이격 배치될 수 있다. 또한, 포집 돌기(134)는 전기 집진장치(132)의 둘레 방향으로 이어져 형성될 수 있다.The electric dust collector (132) is formed by extending along the length of the collection tube (131) and is inserted into the inside of the collection tube (131). The electric dust collector (132) may include a discharge electrode to which a high voltage is applied and a grounded dust collector electrode. In addition, a plurality of collection protrusions (134) for collecting carbon may be formed on the outer surface of the electric dust collector (132), and the collection protrusions (134) may be spaced apart from each other in the length direction of the electric dust collector (132). In addition, the collection protrusions (134) may be formed by extending along the circumference of the electric dust collector (132).
전기 집진장치는 냉각되어 분해가스(125)의 유동 방향을 기준으로 하류측으로 갈수록 전기 집진장치(132)의 온도가 낮아지므로 전기 집진장치(132)는 길이방향으로 온도가 서로 상이하게 형성된다. 즉, 전기 집진장치(132)의 상류측은 비교적 높은 온도를 갖고, 전기 집진장치(132)의 하류측은 비교적 낮은 온도를 갖는다. 또한, 도 2에 도시된 바와 같이 전기 집진장치의 길이방향으로 보다 큰 온도 차이를 형성하기 위해서 전기 집진장치(132)의 후방(하류측)에는 전기 집진장치(132)를 냉각시키는 냉각부재(137)가 설치될 수도 있다. Since the electric precipitator is cooled and the temperature of the electric precipitator (132) decreases toward the downstream side based on the flow direction of the decomposition gas (125), the temperature of the electric precipitator (132) is formed differently in the longitudinal direction. That is, the upstream side of the electric precipitator (132) has a relatively high temperature, and the downstream side of the electric precipitator (132) has a relatively low temperature. In addition, as illustrated in FIG. 2, a cooling member (137) for cooling the electric precipitator (132) may be installed at the rear (downstream side) of the electric precipitator (132) in order to form a larger temperature difference in the longitudinal direction of the electric precipitator.
이와 같이 전기 집진장치(132)의 길이방향으로 온도 구배가 형성되면 전기 집진장치(132)의 길이방향으로 서로 다른 종류의 고체탄소가 포집될 수 있다. 여기서 기능성 탄소는 흑연, 탄소나노튜브, 그래핀 등을 포함할 수 있다. 한편, 전기 집진장치(132)에 고체탄소의 포집이 완료된 경우에는 전기 집진장치(132)를 포집관에서 분리하여 포집 돌기에 포집된 탄소를 회수할 수 있다. In this way, when a temperature gradient is formed in the longitudinal direction of the electric precipitator (132), different types of solid carbon can be captured in the longitudinal direction of the electric precipitator (132). Here, the functional carbon can include graphite, carbon nanotubes, graphene, etc. Meanwhile, when the capture of solid carbon in the electric precipitator (132) is completed, the electric precipitator (132) can be separated from the collection tube and the carbon captured in the collection protrusions can be recovered.
이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소 제조 방법에 대해서 설명한다. Below, a method for producing carbon according to the first embodiment of the present invention is described.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 탄소 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.Figure 3 is a flowchart for explaining a carbon manufacturing method according to the first embodiment of the present invention.
도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면, 본 제1 실시예에 따른 탄소 제조 방법은 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 생성 단계(S101), 플라즈마를 이용하여 탄화수소를 분해시켜서 분해가스(125)를 생성하는 탄화수소 분해 단계(S102), 분해가스(125)에 포함된 탄소를 포집하는 탄소 포집 단계(S103), 분해 반응기(110) 내부에 침착된 고체탄소를 기체로 전환하는 잔여 탄소 제거 단계(S104)를 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 1 to 3, the carbon manufacturing method according to the first embodiment of the present invention may include a plasma generation step (S101) of generating plasma, a hydrocarbon decomposition step (S102) of decomposing hydrocarbons using plasma to generate a decomposition gas (125), a carbon capture step (S103) of capturing carbon included in the decomposition gas (125), and a residual carbon removal step (S104) of converting solid carbon deposited inside a decomposition reactor (110) into gas.
플라즈마 생성 단계(S101)는 아크 방전 방식, 유도 결합 방식, 마이크로웨이브 방식 등으로 플라즈마를 생성한다. 플라즈마 생성 단계(S101)는 열플라즈마를 생성하여 플라즈마를 분해 반응기(110)의 길이방향으로 분사할 수 있다.The plasma generation step (S101) generates plasma using an arc discharge method, an inductive coupling method, a microwave method, etc. The plasma generation step (S101) can generate thermal plasma and spray the plasma in the longitudinal direction of the decomposition reactor (110).
탄화수소 분해 단계(S102)는 플라즈마 영역(121)에서 발생된 전자와 탄화수소의 충돌을 유발하여 탄화수소를 수소와 탄소로 분리할 수 있다. 탄화수소 분해 단계(S102)는 탄화수소기체를 2500K 내지 4000K로 가열할 수 있으며, 탄화수소 분해 단계(S102)에서 탄화수소 기체는 플라즈마 영역에서 1/100초 이상 체류할 수 있다. 탄화수소 분해 단계(S102)에서 탄화수소 기체는 온도가 상이한 플라즈마 영역에서 서로 다른 온도로 가열되어 서로 다른 기능성 탄소로 분해될 수 있다.The hydrocarbon decomposition step (S102) can cause collisions between electrons generated in the plasma region (121) and hydrocarbons to separate the hydrocarbons into hydrogen and carbon. The hydrocarbon decomposition step (S102) can heat the hydrocarbon gas to 2500 K to 4000 K, and in the hydrocarbon decomposition step (S102), the hydrocarbon gas can remain in the plasma region for 1/100 second or more. In the hydrocarbon decomposition step (S102), the hydrocarbon gas can be heated to different temperatures in plasma regions having different temperatures and decomposed into different functional carbons.
탄소 포집 단계(S103)는 분해가스(125)의 유동방향으로 이어진 전기 집진장치(132)를 이용하여 탄소를 포집하되, 전기 집진장치(132)가 길이방향으로 서로 다른 온도를 갖도록 제어하여 전기 집진장치(132)의 길이방향으로 서로 다른 종류의 탄소를 포집할 수 있다. 또한, 탄소 포집 단계(S103)는 냉각부재(137)를 이용하여 전기 집진장치(132)를 냉각하면서 탄소를 포집할 수 있다.The carbon capture step (S103) captures carbon using an electric precipitator (132) connected in the direction of flow of the decomposition gas (125), and the electric precipitator (132) is controlled to have different temperatures in the longitudinal direction so that different types of carbon can be captured in the longitudinal direction of the electric precipitator (132). In addition, the carbon capture step (S103) can capture carbon while cooling the electric precipitator (132) using a cooling member (137).
잔여 탄소 제거 단계(S104)는 탄화수소 기체의 공급을 중단하고, 공기 또는 이산화탄소를 공급한 상태에서 플라즈마를 생성하여 고체탄소를 일산화탄소 또는 이산화탄소로 전환하는 잔여 탄소를 제거한다. 반응관(115) 및 포집관(131)의 내부에는 고체탄소 입자들이 침착될 수 있는데, 이러한 고체탄소 입자들은 주기적으로 제거해야 한다. 탄화수소 기체의 공급을 중단하고, 공기 또는 이산화탄소를 공급하는 상태에서 플라즈마를 생성하면 고체탄소가 고온으로 가열된 공기 또는 이산화탄소 중에 포함된 산소와 반응하여 일산화탄소 또는 이산화탄소 기체로 전환될 수 있다.The residual carbon removal step (S104) removes the residual carbon by stopping the supply of hydrocarbon gas and generating plasma while supplying air or carbon dioxide to convert solid carbon into carbon monoxide or carbon dioxide. Solid carbon particles may be deposited inside the reaction tube (115) and the collection tube (131), and these solid carbon particles must be removed periodically. When the supply of hydrocarbon gas is stopped and plasma is generated while supplying air or carbon dioxide, the solid carbon can react with oxygen contained in the air or carbon dioxide heated to a high temperature and be converted into carbon monoxide or carbon dioxide gas.
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소 제조 장치에 대해서 설명한다. 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소 제조 장치를 도시한 도면이다.Hereinafter, a carbon manufacturing device according to a second embodiment of the present invention will be described. Fig. 4 is a drawing illustrating a carbon manufacturing device according to a second embodiment of the present invention.
도 4를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 탄소 제조 장치(102)는 플라즈마 생성기(120), 분해 반응기(110), 탄소 포집기(140)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 탄소 제조 장치(102)는 탄소 포집기(140)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 탄소 제조 장치와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다. Referring to FIG. 4, the carbon production device (102) according to the present embodiment may include a plasma generator (120), a decomposition reactor (110), and a carbon capturer (140). The carbon production device (102) according to the present embodiment has the same structure as the carbon production device according to the first embodiment described above, except for the carbon capturer (140), so a duplicate description of the same configuration is omitted.
본 실시예에 따른 탄소 포집기(140)는 분해가스에 포함된 고체탄소를 포집한다. 탄소 포집기(140)는 반응관(115)과 연결되며 반응관(115)의 길이방향으로 이어진 포집관(141)과 포집관(141) 내부에 설치된 냉각장치(142)를 포함할 수 있다. The carbon capture device (140) according to the present embodiment captures solid carbon contained in the decomposition gas. The carbon capture device (140) is connected to the reaction tube (115) and may include a capture tube (141) extending in the longitudinal direction of the reaction tube (115) and a cooling device (142) installed inside the capture tube (141).
포집관(141)은 반응관(115)과 연결되며, 분해 반응기(110)에서 생성된 분해가스가 포집관(141)으로 유입된다. 포집관(141)은 원통 형상의 파이프로 이루어질 수 있으며, 반응관(115)과 일체로 형성되거나, 반응관(115)에 착탈 가능하게 결합될 수 있다.The collection tube (141) is connected to the reaction tube (115), and the decomposition gas generated in the decomposition reactor (110) flows into the collection tube (141). The collection tube (141) may be formed as a cylindrical pipe, and may be formed integrally with the reaction tube (115) or detachably connected to the reaction tube (115).
냉각장치(142)는 포집관(141)의 길이방향으로 이어져 형성되며, 포집관(141) 내부에 삽입된다. 냉각장치(142)는 내부에 삽입되며 냉각장치의 온도를 감소시키는 냉각부재(143)를 포함할 수 있다. 냉각부재(143)는 냉매가 이동하는 관으로 이루어지거나, 열을 흡수하여 외부로 배출하는 장치로 이루어질 수 있다. 냉각부재(143)는 냉각장치(142)의 하류측(분해가스의 유동방향을 기준으로 함)에 배치될 수 있다. 이에 따라 냉각장치(142)의 하류측은 냉각장치(142)의 상류측에 비하여 더 낮은 온도를 갖고, 냉각장치(142)는 하류측으로 갈수록 온도가 점진적으로 감소할 수 있다.The cooling device (142) is formed by extending along the length of the collecting tube (141) and is inserted into the inside of the collecting tube (141). The cooling device (142) may include a cooling member (143) that is inserted inside and reduces the temperature of the cooling device. The cooling member (143) may be formed as a pipe through which a refrigerant moves or as a device that absorbs heat and discharges it to the outside. The cooling member (143) may be arranged on the downstream side of the cooling device (142) (based on the flow direction of the decomposition gas). Accordingly, the downstream side of the cooling device (142) has a lower temperature than the upstream side of the cooling device (142), and the temperature of the cooling device (142) may gradually decrease as it goes downstream.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이 냉각장치(142)는 복수의 냉각부재(143)를 포함하고, 냉각부재(143)는 냉각장치의 길이방향으로 이격 배치될 수 있다. 또한, 각각의 냉각부재(143)는 서로 다른 온도로 제어되며, 하류측에 배치된 냉각부재(143)는 상류측에 배치된 냉각부재(143)보다 더 작은 온도를 갖도록 제어될 수 있다.In addition, as illustrated in FIG. 5, the cooling device (142) includes a plurality of cooling members (143), and the cooling members (143) may be spaced apart from each other in the longitudinal direction of the cooling device. In addition, each cooling member (143) may be controlled to a different temperature, and the cooling member (143) disposed on the downstream side may be controlled to have a lower temperature than the cooling member (143) disposed on the upstream side.
이와 같이 냉각장치(142)의 길이방향으로 온도 구배가 형성되면 열영동 증착에 의하여 냉각장치(142)의 길이방향으로 서로 다른 종류의 고체탄소가 포집될 수 있다.When a temperature gradient is formed in the longitudinal direction of the cooling device (142) in this way, different types of solid carbon can be captured in the longitudinal direction of the cooling device (142) by thermophoretic deposition.
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소 제조 방법에 대해서 설명한다. Below, a carbon manufacturing method according to a second embodiment of the present invention is described.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 탄소 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.Figure 6 is a flowchart for explaining a carbon manufacturing method according to the second embodiment of the present invention.
도 4 내지 도 6을 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 탄소 제조 방법은 플라즈마 생성 단계(S201), 탄화수소 분해 단계(S202), 탄소 포집 단계(S203), 및 잔여 탄소 제거 단계(S204)를 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 4 to 6, the carbon manufacturing method according to the second embodiment may include a plasma generation step (S201), a hydrocarbon decomposition step (S202), a carbon capture step (S203), and a residual carbon removal step (S204).
본 실시예에 따른 탄소 제조 방법은 탄소 포집 단계(S203) 및 잔여 탄소 제거 단계(S204)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 탄소 제조 방법과 동일한 과정으로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.The carbon manufacturing method according to the present embodiment is composed of the same process as the carbon manufacturing method according to the first embodiment described above, except for the carbon capture step (S203) and the residual carbon removal step (S204), so a duplicate description of the same configuration is omitted.
탄소 포집 단계(S203)는 분해가스의 유동방향으로 이어진 냉각장치(142)를 이용하여 탄소를 포집하되, 냉각장치(142)가 길이방향으로 서로 다른 온도를 갖도록 제어하여 냉각장치(142)의 길이방향으로 서로 다른 종류의 탄소를 포집할 수 있다.The carbon capture step (S203) captures carbon using a cooling device (142) connected in the flow direction of the decomposition gas, and controls the cooling device (142) to have different temperatures in the longitudinal direction so that different types of carbon can be captured in the longitudinal direction of the cooling device (142).
한편, 잔여 탄소 제거 단계(S204)는 탄화수소 기체의 공급을 중단하고, 수소를 공급한 상태에서 플라즈마를 생성하여 고체탄소를 수소와 반응시켜서 탄화수소로 전환하여 잔여 탄소를 제거한다. Meanwhile, the residual carbon removal step (S204) stops the supply of hydrocarbon gas, generates plasma while supplying hydrogen, causes solid carbon to react with hydrogen, converts it into hydrocarbon, and removes the residual carbon.
잔여 탄소 제거 단계(S204)에서 탄화수소 기체의 공급을 중단하고, 수소를 공급하여 플라즈마를 생성하면 고체탄소가 고온으로 가열된 수소와 반응하여 메탄 등의 탄화수소 기체로 전환될 수 있다. 이때 생성된 탄화수소 기체는 다시 탄화수소 분해 단계(S202)로 공급되어 기능성 탄소의 제작에 사용될 수 있다.In the residual carbon removal step (S204), when the supply of hydrocarbon gas is stopped and hydrogen is supplied to generate plasma, the solid carbon can react with the hydrogen heated to a high temperature and be converted into a hydrocarbon gas such as methane. The hydrocarbon gas generated at this time can be supplied again to the hydrocarbon decomposition step (S202) and used to produce functional carbon.
이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 탄소 제조 장치에 대해서 설명한다. 도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 탄소 제조 장치를 도시한 도면이다.Below, a carbon manufacturing device according to a third embodiment of the present invention will be described. Fig. 7 is a drawing illustrating a carbon manufacturing device according to a third embodiment of the present invention.
도 7을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 탄소 제조 장치(103)는 플라즈마 생성기(180), 분해 반응기(110), 탄소 포집기(150)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 7, the carbon production device (103) according to the present embodiment may include a plasma generator (180), a decomposition reactor (110), and a carbon capture device (150).
플라즈마 생성기(180)는 유도 결합 플라즈마 발생 장치, 마이크로웨이브 플라즈마 발생 장치 등으로 이루어질 수 있으며, 열플라즈마를 생성하여 분사할 수 있다. 플라즈마 생성기(180)는 반응관(115)의 선단에 결합되어 반응관 플라즈마를 분해 반응기의 길이방향으로 분사한다. 이에 따라 분해 반응기(110)의 내부에는 플라즈마가 위치하는 플라즈마 영역(121)이 형성될 수 있다. The plasma generator (180) may be composed of an inductively coupled plasma generator, a microwave plasma generator, etc., and may generate and inject thermal plasma. The plasma generator (180) is coupled to the tip of the reaction tube (115) and injects the reaction tube plasma in the longitudinal direction of the decomposition reactor. Accordingly, a plasma region (121) in which plasma is located may be formed inside the decomposition reactor (110).
분해 반응기(110)는 탄화소수가 이동하는 통로를 형성하는 반응관(115)과 탄화수소를 반응관 내부로 유입시키는 유입부(118)를 포함할 수 있다. 유입부(118)는 관으로 이루어지며 반응관(115) 내부로 삽입될 수 있다. 또한 분해 반응기(110)는 반응관(115)을 감싸는 반응 커버관(116)을 더 포함할 수 있다.The decomposition reactor (110) may include a reaction tube (115) forming a passage through which hydrocarbons move and an inlet (118) for introducing hydrocarbons into the reaction tube. The inlet (118) is formed of a tube and may be inserted into the reaction tube (115). In addition, the decomposition reactor (110) may further include a reaction cover tube (116) surrounding the reaction tube (115).
탄소 포집기(150)는 분해가스에 포함된 고체탄소를 포집한다. 탄소 포집기(150)는 반응관(115)과 연결되며 반응관(115)의 길이방향으로 이어진 포집관(151)과 포집관(151)을 감싸는 포집 커버관(152)을 포함할 수 있다.A carbon capture device (150) captures solid carbon contained in a decomposition gas. The carbon capture device (150) is connected to a reaction tube (115) and may include a capture tube (151) extending in the longitudinal direction of the reaction tube (115) and a capture cover tube (152) surrounding the capture tube (151).
포집관(151)은 반응관(115)과 연결되며, 분해 반응기(110)에서 생성된 분해가스가 포집관(151)으로 유입된다. 포집관(151)은 원통 형상의 파이프로 이루어질 수 있으며, 반응관(115)과 일체로 형성되거나, 반응관(115)에 착탈 가능하게 결합될 수 있다. 포집 커버관(152)은 반응 커버관(116)과 연결될 수 있다.The collection tube (151) is connected to the reaction tube (115), and the decomposition gas generated in the decomposition reactor (110) flows into the collection tube (151). The collection tube (151) may be formed as a cylindrical pipe, and may be formed integrally with the reaction tube (115) or detachably connected to the reaction tube (115). The collection cover tube (152) may be connected to the reaction cover tube (116).
포집관(151)의 내측 벽면에 탄소가 포집될 수 있는데, 포집관(151)은 하류측으로 갈수록 냉각되므로 포집관(151)에 온도 구배가 발생하여 포집관(151)의 내측 벽면의 길이방향을 따라 서로 다른 종류의 탄소가 포집될 수 있다. 또한 도 8에 도시된 바와 같이, 포집관(151)에는 포집관(151)의 길이방향으로 복수의 냉각부재(153)가 이격 배치될 수 있다. 또한, 각각의 냉각부재(153)는 서로 다른 온도로 제어되며, 하류측에 배치된 냉각부재(153)는 상류측에 배치된 냉각부재(153)보다 더 작은 온도를 갖도록 제어될 수 있다. 탄소의 포집이 완료되면 포집관(151)을 분리하여 탄소를 수거할 수 있다.Carbon can be captured on the inner wall of the collection tube (151), and since the collection tube (151) is cooled toward the downstream side, a temperature gradient occurs in the collection tube (151), so that different types of carbon can be captured along the longitudinal direction of the inner wall of the collection tube (151). In addition, as illustrated in FIG. 8, a plurality of cooling members (153) can be spaced apart and arranged in the longitudinal direction of the collection tube (151). In addition, each cooling member (153) can be controlled to a different temperature, and the cooling member (153) arranged on the downstream side can be controlled to have a lower temperature than the cooling member (153) arranged on the upstream side. When the capture of carbon is completed, the collection tube (151) can be separated to collect the carbon.
이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 탄소 제조 방법에 대해서 설명한다. Below, a carbon manufacturing method according to a third embodiment of the present invention is described.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 탄소 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.Figure 9 is a flowchart for explaining a carbon manufacturing method according to a third embodiment of the present invention.
도 7 내지 도 9를 참조하여 설명하면, 본 제3 실시예에 따른 탄소 제조 방법은 플라즈마 생성 단계(S301), 탄화수소 분해 단계(S302), 탄소 포집 단계(S303)를 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 7 to 9, the carbon manufacturing method according to the third embodiment may include a plasma generation step (S301), a hydrocarbon decomposition step (S302), and a carbon capture step (S303).
플라즈마 생성 단계(S301)는 유도 결합 방식 또는 마이크로웨이브 방식 등으로 플라즈마를 생성할 수 있다. 플라즈마 생성 단계(S301)는 열플라즈마를 생성하여 플라즈마를 분해 반응기의 길이방향으로 분사할 수 있다.The plasma generation step (S301) can generate plasma using an inductive coupling method or a microwave method. The plasma generation step (S301) can generate thermal plasma and spray the plasma in the longitudinal direction of the decomposition reactor.
탄화수소 분해 단계(S302)는 플라즈마 영역(121)에서 발생된 전자와 탄화수소의 충돌을 유발하여 탄화수소를 수소와 탄소로 분리할 수 있다. 탄화수소 분해 단계(S302)에서 탄화수소 기체는 온도가 상이한 플라즈마 영역에서 서로 다른 온도로 가열되어 서로 다른 기능성 탄소로 분해될 수 있다.The hydrocarbon decomposition step (S302) can cause collisions between electrons generated in the plasma region (121) and hydrocarbons to separate the hydrocarbons into hydrogen and carbon. In the hydrocarbon decomposition step (S302), hydrocarbon gas can be heated to different temperatures in plasma regions with different temperatures to be decomposed into different functional carbons.
탄소 포집 단계(S303)는 탄소를 포집하는데, 탄소는 포집관(151)의 내측 벽면에 포집되며 포집관(151)이 길이방향으로 서로 다른 온도를 갖도록 제어되어 포집관(151)의 길이방향으로 서로 다른 종류의 탄소를 포집할 수 있다. 포집관(151)의 내벽면에 탄소가 침착되면 포집관(151)을 포집 커버관(152)에서 분리하여 탄소를 수거할 수 있다. 또한, 탄소 포집 단계(S303)는 냉각부재(153)를 이용하여 포집관(151)을 냉각하면서 탄소를 포집할 수 있다.The carbon capture step (S303) captures carbon, and the carbon is captured on the inner wall surface of the capture tube (151). The capture tube (151) is controlled to have different temperatures in the longitudinal direction, so that different types of carbon can be captured in the longitudinal direction of the capture tube (151). When carbon is deposited on the inner wall surface of the capture tube (151), the capture tube (151) can be separated from the capture cover tube (152) to collect the carbon. In addition, the carbon capture step (S303) can capture carbon while cooling the capture tube (151) using a cooling member (153).
이하에서는 본 발명의 제4 실시예에 따른 탄소 제조 장치에 대해서 설명한다. 도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 탄소 제조 장치를 도시한 도면이다.Hereinafter, a carbon manufacturing device according to a fourth embodiment of the present invention will be described. Fig. 10 is a drawing illustrating a carbon manufacturing device according to a fourth embodiment of the present invention.
도 10을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 탄소 제조 장치(104)는 플라즈마 생성기(120), 분해 반응기(110), 탄소 포집기(160)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 탄소 제조 장치(104)는 탄소 포집기(160)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 탄소 제조 장치와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다. Referring to FIG. 10, the carbon production device (104) according to the present embodiment may include a plasma generator (120), a decomposition reactor (110), and a carbon capturer (160). The carbon production device (104) according to the present embodiment has the same structure as the carbon production device according to the first embodiment described above, except for the carbon capturer (160), so a duplicate description of the same configuration is omitted.
본 실시예에 따른 탄소 포집기(160)는 포집 하우징(161)과 배출관(165)을 포함할 수 있다. 포집 하우징(161)은 사이클론 구조로 이루어지며, 원통부와 원통부의 하부에 형성된 원뿔부를 포함할 수 있다. 또한 포집 하우징(161)의 하단에는 탄소 분말의 배출을 위한 포집 배출구(162)가 형성될 수 있다.The carbon capture device (160) according to the present embodiment may include a capture housing (161) and a discharge pipe (165). The capture housing (161) may be formed in a cyclone structure and may include a cylindrical portion and a conical portion formed at the bottom of the cylindrical portion. In addition, a capture discharge port (162) for discharging carbon powder may be formed at the bottom of the capture housing (161).
포집 하우징(161)에는 반응관(115)과 연결되며 분해 반응기(110)에서 생성된 분해가스가 유입되는 유입구(164)가 형성된다. 유입구(164)는 포집 하우징(161)의 중심에 대하여 편심된 방향으로 분해가스를 유입시킬 수 있다. 한편, 배출관(165)은 포집 하우징(161)의 높이방향으로 이어지며 포집 하우징(161)의 상단에서 하부로 돌출된다.The capture housing (161) is connected to the reaction tube (115) and has an inlet (164) formed into which the decomposition gas generated in the decomposition reactor (110) flows in. The inlet (164) can flow in the decomposition gas in an eccentric direction with respect to the center of the capture housing (161). Meanwhile, the discharge pipe (165) extends in the height direction of the capture housing (161) and protrudes downward from the top of the capture housing (161).
이에 따라 유입구(164)를 통해서 유입되는 분해가스는 선회류를 형성하며, 무게가 무거운 고체탄소는 원심력에 의하여 포집 하우징(161)의 벽면에 침착되거나, 하부로 이동할 수 있다. 또한, 상대적으로 가벼운 기체는 위로 상승하여 배출관(165)을 통해서 외부로 배출될 수 있다.Accordingly, the decomposition gas flowing in through the inlet (164) forms a swirling flow, and the heavy solid carbon can be deposited on the wall surface of the capture housing (161) or moved downward by centrifugal force. In addition, the relatively light gas can rise upward and be discharged to the outside through the discharge pipe (165).
도 11에 도시된 바와 같이 포집 하우징(161)에는 포집 하우징(161)을 냉각시키는 냉각부재(167)가 설치될 수 있으며, 포집 하우징(161)이 냉각되면 열영동 효과에 의하여 고체 탄소를 보다 효과적으로 포집할 수 있다. 냉각부재(167)는 냉매가 이동하는 관을 포함하거나, 냉매가 저장된 챔버를 포함할 수 있다. 또한, 배출관(165)의 하단에는 탄소 분말을 거르는 필터(168)가 설치될 수 있다. 배출관(165)에 필터(167)가 설치되면, 배출관(165)을 통해서 배출되는 미세한 입자들을 걸러낼 수 있다.As illustrated in FIG. 11, a cooling member (167) for cooling the capturing housing (161) may be installed in the capturing housing (161), and when the capturing housing (161) is cooled, solid carbon can be captured more effectively by the thermophoretic effect. The cooling member (167) may include a pipe through which a refrigerant moves, or a chamber in which a refrigerant is stored. In addition, a filter (168) for filtering carbon powder may be installed at the bottom of the discharge pipe (165). When the filter (167) is installed in the discharge pipe (165), fine particles discharged through the discharge pipe (165) can be filtered out.
이하에서는 본 발명의 제4 실시예에 따른 탄소 제조 방법에 대해서 설명한다. Below, a carbon manufacturing method according to the fourth embodiment of the present invention is described.
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 탄소 제조 방법을 설명하기 위한 순서도이다.Figure 12 is a flowchart for explaining a carbon manufacturing method according to the fourth embodiment of the present invention.
도 10 내지 도 12를 참조하여 설명하면, 본 제4 실시예에 따른 탄소 제조 방법은 플라즈마 생성 단계(S401), 탄화수소 분해 단계(S402), 탄소 포집 단계(S403)를 포함할 수 있다. 본 실시예에 따른 탄소 제조 방법은 탄소 포집 단계(S403)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 탄소 제조 방법과 동일한 과정으로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.Referring to FIGS. 10 to 12, the carbon manufacturing method according to the fourth embodiment may include a plasma generation step (S401), a hydrocarbon decomposition step (S402), and a carbon capture step (S403). The carbon manufacturing method according to the present embodiment is composed of the same process as the carbon manufacturing method according to the first embodiment described above, except for the carbon capture step (S403), and therefore, a duplicate description of the same components is omitted.
탄소 포집 단계(S403)는 포집 하우징(161)의 내부로 분해가스를 유입시켜서 선회류를 유도하고 탄소를 포집 하우징(161)의 내벽에 침착시키며, 기체는 포집 하우징(161)의 상단에서 하부로 돌출된 배출관(165)을 통해서 배출시킬 수 있다. The carbon capture step (S403) induces a circulating flow by introducing a decomposition gas into the interior of the capture housing (161) and deposits carbon on the inner wall of the capture housing (161), and the gas can be discharged through a discharge pipe (165) protruding downward from the top of the capture housing (161).
또한, 탄소 포집 단계(S403)는 냉각부재(167)를 이용하여 포집 하우징(161)을 냉각하면서 열영동 효과에 의하여 고체 탄소를 포집할 수 있다. 또한, 탄소 포집 단계(S403)는 배출관(165)에 설치된 필터(168)를 이용하여 입자를 걸러낼 수 있다.In addition, the carbon capture step (S403) can capture solid carbon by the thermophoretic effect while cooling the capture housing (161) using a cooling member (167). In addition, the carbon capture step (S403) can filter out particles using a filter (168) installed in the discharge pipe (165).
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.Above, one embodiment of the present invention has been described, but those skilled in the art will be able to modify and change the present invention in various ways by adding, changing, deleting or adding components, etc., within the scope that does not depart from the spirit of the present invention described in the claims, and this will also be considered to be included within the scope of the rights of the present invention.
101, 102, 103, 104: 탄소 제조 장치 110: 분해 반응기
112: 유입부 115: 반응관
116: 반응 커버관 120, 180: 플라즈마 생성기
121: 플라즈마 영역 130, 140, 150, 160: 탄소 포집기
131, 141, 151: 포집관 132: 전기 집진장치
134: 포집 돌기 137: 143, 153, 167: 냉각부재
142: 냉각장치 152: 포집 커버관
161: 포집 하우징 162: 포집 배출구
164: 유입구 165: 배출관
168: 필터101, 102, 103, 104: Carbon production device 110: Decomposition reactor
112: Inlet 115: Reaction tube
116:
121:
131, 141, 151: Collection tube 132: Electric precipitator
134: Capturing protrusion 137: 143, 153, 167: Cooling member
142: Cooling device 152: Capturing cover tube
161: Capture housing 162: Capture outlet
164: Inlet 165: Outlet
168: Filter
Claims (20)
상기 플라즈마 생성기와 연결되며 탄화수소의 분해 공간을 제공하는 반응관을 포함하는 분해 반응기; 및
상기 플라즈마에 의하여 분해된 탄소를 포집하는 탄소 포집기;
를 포함하며,
상기 탄소 포집기는 상기 반응관과 연결되며 상기 반응관의 길이방향으로 이어진 포집관과 상기 포집관 내부에 설치된 냉각장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 탄소 제조 장치.A plasma generator that generates plasma;
A decomposition reactor including a reaction tube connected to the plasma generator and providing a space for decomposition of hydrocarbons; and
A carbon capture device that captures carbon decomposed by the plasma;
Including,
A carbon production device using plasma, characterized in that the carbon capture device is connected to the reaction tube and includes a capture tube extending in the longitudinal direction of the reaction tube and a cooling device installed inside the capture tube.
상기 분해 반응기는 플라즈마 영역에서 발생된 전자와 탄화수소의 충돌을 유발하여 상기 탄화수소를 수소와 탄소로 분리하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 탄소 제조 장치.In the first paragraph,
The above decomposition reactor is a carbon production device using plasma, characterized in that it causes collisions between electrons generated in a plasma region and hydrocarbons to separate the hydrocarbons into hydrogen and carbon.
상기 플라즈마 생성기는 상기 반응관의 길이방향으로 플라즈마를 분사하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 탄소 제조 장치.In the first paragraph,
A carbon manufacturing device using plasma, characterized in that the plasma generator injects plasma in the longitudinal direction of the reaction tube.
상기 탄소 포집기는 상기 반응관과 연결되며 상기 반응관의 길이방향으로 이어진 포집관과 상기 포집관 내부에 설치된 전기 집진장치를 포함하고, 상기 전기 집진장치는 상기 포집관의 길이방향으로 이어져 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 탄소 제조 장치.In the first paragraph,
A carbon production device using plasma, characterized in that the carbon capture device is connected to the reaction tube and includes a capture tube extending in the longitudinal direction of the reaction tube and an electric precipitator installed inside the capture tube, and the electric precipitator is formed extending in the longitudinal direction of the capture tube.
상기 플라즈마 생성기와 연결되며 탄화수소의 분해 공간을 제공하는 반응관을 포함하는 분해 반응기; 및
상기 플라즈마에 의하여 분해된 탄소를 포집하는 탄소 포집기;
를 포함하며,
상기 탄소 포집기는 상기 반응관과 연결되며 상기 반응관의 길이방향으로 이어진 포집관과 상기 포집관 내부에 설치된 전기 집진장치를 포함하고, 상기 전기 집진장치는 상기 포집관의 길이방향으로 이어져 형성되고,
상기 전기 집진장치에는 상기 전기 집진장치의 길이방향으로 이격된 복수의 포집 돌기들이 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 탄소 제조 장치.A plasma generator that generates plasma;
A decomposition reactor including a reaction tube connected to the plasma generator and providing a space for decomposition of hydrocarbons; and
A carbon capture device that captures carbon decomposed by the plasma;
Including,
The above carbon capture device is connected to the reaction tube and includes a capture tube extending in the longitudinal direction of the reaction tube and an electric precipitator installed inside the capture tube, and the electric precipitator is formed extending in the longitudinal direction of the capture tube,
A carbon manufacturing device using plasma, characterized in that a plurality of collecting protrusions spaced apart in the longitudinal direction of the electric precipitator are formed on the electric precipitator.
상기 냉각장치는 상기 포집관의 길이방향으로 이어져 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 탄소 제조 장치.In the first paragraph,
A carbon manufacturing device using plasma, characterized in that the cooling device is formed by extending along the length of the collecting tube.
상기 냉각장치는 상기 냉각장치의 길이방향으로 하류측에 배치된 냉각부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 탄소 제조 장치.In the first paragraph,
A carbon manufacturing device using plasma, characterized in that the cooling device includes a cooling member arranged on the downstream side in the longitudinal direction of the cooling device.
상기 냉각장치는 길이방향으로 이격 배치된 복수의 냉각부재를 포함하고, 하류측에 배치된 상기 냉각부재의 온도는 상류측에 배치된 상기 냉각부재의 온도보다 더 낮은 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 탄소 제조 장치.In the first paragraph,
A carbon manufacturing device using plasma, wherein the cooling device includes a plurality of cooling members spaced apart in the longitudinal direction, and the temperature of the cooling member arranged on the downstream side is lower than the temperature of the cooling member arranged on the upstream side.
상기 탄소 포집기는 상기 반응관과 연결되며 상기 반응관의 길이방향으로 이어진 포집관과 상기 포집관을 감싸는 포집 커버관을 포함하고, 고체탄소는 상기 포집관의 내면에 포집되는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 탄소 제조 장치.In the first paragraph,
A carbon production device using plasma, characterized in that the carbon capture device is connected to the reaction tube and includes a capture tube extending in the longitudinal direction of the reaction tube and a capture cover tube surrounding the capture tube, and the solid carbon is captured on the inner surface of the capture tube.
상기 플라즈마 생성기와 연결되며 탄화수소의 분해 공간을 제공하는 반응관을 포함하는 분해 반응기; 및
상기 플라즈마에 의하여 분해된 탄소를 포집하는 탄소 포집기;
를 포함하며,
상기 탄소 포집기는 상기 반응관과 연결되어 상기 분해 반응기에서 생성된 분해가스가 유입되는 유입구가 형성된 포집 하우징과 상기 포집 하우징의 높이방향으로 이어지며 상기 포집 하우징의 상단에서 하부로 돌출된 배출관을 포함하며, 상기 유입구는 상기 포집 하우징의 중심에 대하여 편심된 방향으로 상기 분해가스를 유입시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 탄소 제조 장치.A plasma generator that generates plasma;
A decomposition reactor including a reaction tube connected to the plasma generator and providing a space for decomposition of hydrocarbons; and
A carbon capture device that captures carbon decomposed by the plasma;
Including,
The carbon capture device comprises a capture housing having an inlet formed therein, which is connected to the reaction tube and into which a decomposition gas generated in the decomposition reactor flows, and an exhaust pipe extending in the height direction of the capture housing and protruding downward from the top of the capture housing, wherein the inlet flows the decomposition gas in an eccentric direction with respect to the center of the capture housing, and is a carbon production device using plasma.
상기 포집 하우징에는 상기 포집 하우징을 냉각시키는 냉각부재가 설치된 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 탄소 제조 장치.In Article 10,
A carbon manufacturing device using plasma, characterized in that a cooling member for cooling the capturing housing is installed in the capturing housing.
상기 플라즈마를 이용하여 공급된 탄화수소 기체를 분해시켜서 분해가스를 생성하는 탄화수소 분해 단계; 및
상기 분해가스에 포함된 탄소를 포집하는 탄소 포집 단계;
를 포함하며,
상기 탄소 포집 단계는 상기 분해가스의 유동방향으로 이어진 냉각장치를 이용하여 탄소를 포집하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 탄소 제조 방법.Plasma generation step that generates plasma;
A hydrocarbon decomposition step for generating a decomposition gas by decomposing the supplied hydrocarbon gas using the above plasma; and
A carbon capture step for capturing carbon contained in the above decomposition gas;
Including,
A method for producing carbon using plasma, characterized in that the carbon capture step captures carbon using a cooling device connected in the flow direction of the decomposition gas.
상기 탄화수소 분해 단계는 탄화수소를 플라즈마가 형성된 영역 1/100초 이상 체류시키는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 탄소 제조 방법.In Article 12,
A method for producing carbon using plasma, characterized in that the hydrocarbon decomposition step comprises allowing hydrocarbon to remain in a region where plasma is formed for 1/100 second or longer.
상기 탄화수소 분해 단계는 플라즈마 영역에서 발생된 전자와 탄화수소의 충돌을 유발하여 상기 탄화수소를 수소와 탄소로 분리하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 탄소 제조 방법.In Article 12,
A method for producing carbon using plasma, characterized in that the hydrocarbon decomposition step causes a collision between electrons generated in a plasma region and hydrocarbons to separate the hydrocarbons into hydrogen and carbon.
상기 탄소 포집 단계는 상기 분해가스의 유동방향으로 이어진 전기 집진장치를 이용하여 탄소를 포집하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 탄소 제조 방법.In Article 12,
A method for producing carbon using plasma, characterized in that the carbon capture step captures carbon using an electric precipitator connected in the flow direction of the decomposition gas.
상기 냉각장치는 상기 분해가스의 유동방향으로 이어지며, 상기 냉각장치는 길이방향으로 서로 다른 온도 구배를 갖는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 탄소 제조 방법.In Article 12,
A method for producing carbon using plasma, wherein the cooling device is connected in the flow direction of the decomposition gas, and the cooling device has different temperature gradients in the longitudinal direction.
상기 탄소 포집 단계는 분해가스가 이동하는 통로를 제공하는 포집관과 포집관을 감싸는 포집 커버관을 이용하여 탄소를 포집하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 탄소 제조 방법.In Article 12,
The above carbon capture step is a method for producing carbon using plasma, characterized in that carbon is captured using a capture tube that provides a passage through which decomposition gas moves and a capture cover tube that surrounds the capture tube.
상기 탄소 포집 단계는 포집 하우징 내부로 분해가스를 유입시켜서 선회류를 유도하고 탄소를 포집 하우징의 내벽에 침착시키며, 기체는 포집 하우징의 상단에서 하부로 돌출된 배출관을 통해서 배출시키되, 상기 포집 하우징을 냉각시키면서 탄소를 포집하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 탄소 제조 방법.In Article 12,
The above carbon capture step is a method for manufacturing carbon using plasma, characterized in that the carbon is captured by introducing a decomposition gas into the inside of the capture housing to induce a circulating flow and depositing carbon on the inner wall of the capture housing, and discharging the gas through an exhaust pipe protruding from the top to the bottom of the capture housing, while cooling the capture housing.
탄화수소 기체의 공급을 중단하고, 공기 또는 이산화탄소를 공급한 상태에서 플라즈마를 생성하여 고체탄소를 일산화탄소 또는 이산화탄소로 전환하는 잔여 탄소 제거 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 탄소 제조 방법.In Article 12,
A method for producing carbon using plasma, characterized in that it further includes a residual carbon removal step of generating plasma while stopping the supply of hydrocarbon gas and supplying air or carbon dioxide to convert solid carbon into carbon monoxide or carbon dioxide.
탄화수소 기체의 공급을 중단하고, 수소 기체를 공급한 상태에서 플라즈마를 생성하여 고체탄소를 탄화수소 기체로 전환하는 잔여 탄소 제거 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 탄소 제조 방법.
In Article 12,
A method for producing carbon using plasma, characterized in that it further includes a step of removing residual carbon by generating plasma while stopping the supply of hydrocarbon gas and supplying hydrogen gas to convert solid carbon into hydrocarbon gas.
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