KR101149502B1 - 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리장치 및 처리방법 - Google Patents

선박에 장착된 황화수소 광분해 처리장치 및 처리방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리장치 및 처리방법에 관한 것으로서, 황화수소 속에 포함되어 있는 수소 성분을 광 촉매 반응을 통해 추출할 수 있도록 선박에 광반응기장치가 복수개 설치되는 수소추출부와, 수소추출부로부터 추출된 수소를 저장하는 수소저장탱크와, 수소저장탱크에 저장된 수소를 연료로 이용하여 발전하는 연료전지를 포함한다. 따라서 본 발명에 의하면 액화천연가스 생산과정 중 발생되는 황화수소를 광촉매 반응시켜 수소를 발생시키고, 발생된 수소를 이용하여 연료전지를 구동시켜 전기를 획득하여 전기가 요구되는 부가장비들을 구동시킴으로써, 원유 및 천연가스의 시추/생산 시 발생하는 황화수소 가스를 활용하여 연료비 절감의 효과가 있다. 또 연료전지를 이용하는 발전 과정 중 발생하는 증기 형태의 열원을 이용하여 부가 장비들을 운용할 수 있는 효과를 가진다.
Figure R1020090122947
선박, 광분해, 황화수소, 수소, 연료전지

Description

선박에 장착된 황화수소 광분해 처리장치 및 처리방법{PHOTOCATALYTIC DECOMPOSITION OF HYDROGEN SULFIDE FOR SHIP INSTALLED APPARATUS AND ITS METHOD}
본 발명은 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리장치 및 처리방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액화천연가스를 운반하는 가스운반선과 같은 선박, 또는 해상 위에 부유한 상태로 가스를 채굴, 저장, 액화 및 기화시키는 종합설비를 갖춘 부유식 또는 고정식 가스처리 설비들에서 천연가스 생산 과정 중 발생되는 황화수소(H2S)를 광촉매 반응을 통하여 황화수소 속에 포함되어 있는 수소 성분을 추출하고, 추출된 수소를 이용하여 연료전지를 구동시켜 전기를 획득하고자 하는 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리장치 및 처리방법에 관한 것이다.
일반적으로 천연가스 저장 및 생산설비선(FPSO:Floating Production, Storage and Offloading)의 경우, 저장탱크를 갖춘 거대한 선박 위에 천연가스 처 리공장이 얹어진 형태의 선박을 의미한다. 즉, 선박은 심해의 천연가스를 추출하여 선상에 장착된 액화장치 등의 시설을 거쳐 액화천연가스를 생성하고, 선저의 저장탱크에 저장했다가 운반선을 통해 이송하는 일련의 과정을 수행하게 된다.
그런데, 천연가스 생산 과정에서 황화수소(H2S)가스가 발생된다. 황화수소의 경우 부식성이 강하고 인체에 치명적인 독성을 가져 이를 무해한 물질로 처리하는 것이 필수적이다.
따라서 천연가스 저장 및 생산설비선에도 이러한 황화수소를 제거하기 위한 시스템이 장착되어야만 한다. 황화수소의 양이 적을 경우에는 이를 저장하여 육상으로 운반하는 방법이 고려될 수도 있으나, 황화 수소의 양이 증가될 경우, 이러한 저장 및 운반 보다는 해상에서 직접 처리 하는 방법을 사용하는 것이 효과적일 수 있다. 황화수소를 처리하는 가장 대표적인 공정으로는 클라우스 공정(Claus process)을 들 수 있다. 클라우스 공정의 경우, 우선 황화수소의 일부를 산화시켜 이산화황으로 만들고, 생성된 이산화황과 미반응 황화수소를 클라우스 촉매하의 반응기에서 250~300°도의 온도에서 반응시켜 물과 황을 생성하게 된다.
클라우스 공정에서 생성된 황은 회수되고, 미반응 황화수소 및 이산화황은 소각로에서 소각 처리된다.
이와 같은 클라우스 공정은 상당한 에너지를 요구하게 되고, 황화수소 속에 포함되어 있는 수소는 화학 반응을 거쳐 물의 형태로 전환되어 버려지게 된다.
그러나, 근래에 황화수소 속에 포함되어 있는 수소 성분을 광촉매 반응을 통 하여 추출하는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 그 일례로 가시광선을 이용한 광촉매 반응으로 황화수소로부터 수소를 생산하는 방법이 개시되어 있으므로, 클라우스 공정에서 황화수소 속에 포함되어 있는 수소를 그냥 버리기에는 아까우며, 더욱이 수소는 3세대 연료전지로 불리는 고체산화물 연료전지(SOFC)의 연료로 사용될 수 있다. 특히, 고체산화물 연료전지는 1000-700℃에서 작동되기 때문에 연료전지 가운데 가장 효율이 높고 공해요인이 적은 장점을 가진다. 또한, 고온에서 작동되기 때문에 가스터빈, 증기터빈과 결합한 MW급 용량의 복합발전이 가능하며, 70% 이상의 전기효율을 얻을 수 있다. 수소를 사용한 경우 연료전지의 효율을 더욱 증가 시킬 수 있으므로 황화수소로부터 버려지는 수소를 추출하고 연료전지의 연료로 사용할 수 있는 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로, 그 목적은 액화천연가스 생산과정 중 발생되는 황화수소를 광촉매 반응시켜 수소를 발생시키고, 발생된 수소를 이용하여 연료전지를 구동시켜 전기를 획득하여 전기가 요구되는 부가장비들을 구동시킬 수 있도록 한 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리장치 및 처리방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 황화수소 속에 포함되어 있는 수소 성분을 광 촉매 반응을 통해 추출할 수 있도록 선박에 광반응기장치가 복수개 설치되는 수소추출부와, 수소추출부로부터 추출된 수소를 저장하는 수소저장탱크와, 수소저장탱크에 저장된 수소를 연료로 이용하여 발전하는 연료전지를 포함하는 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리장치를 제공된다.
그리고 각 광반응기장치의 하측으로는 바닥으로 향하는 태양광을 반사시켜서 각 광반응기장치에 제공하도록 집광판과, 태양광을 집열할 수 있는 집열장치와, 집열장치를 이용하여 추가적인 발전을 수행하는 열전소자를 더 포함할 수 있다.
그리고 광반응기 장치 각각에는 투입되는 가스의 유량을 조절하기 위하여 황화수소공급부로부터 이어지는 공급라인 상에 유량조절기를 더 포함할 수 있다.
그리고 선박의 항해 위치 또는 태양의 방향에 무관하게 광반응기 장치에 지속적으로 태양광을 제공하도록 광반응기 장치의 설치 위치에 따라 선박에 반사판이 설치될 수 있다.
그리고 수소저장탱크의 전단에는 연료전지에서 요구되는 압력으로 투입되도록 기설정 압력으로 압축하는 가스압축기를 더 포함할 수 있다.
그리고 연료전지는 고체산화물 연료전지(SOFC) 또는 용융탄산염 연료전지(MCFC)일 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 광반응기 장치가 복수개 설치되는 수소추출부로부터 황화수소 속에 포함되어 있는 수소 성분을 광 촉매 반응을 통해 추출하고, 수소추출부로부터 추출된 수소를 수소저장탱크에 저장하며, 수소저장탱크에 저장된 수 소를 연료로 이용하여 연료전지를 발전하여 추진 기관이나 부가장비들을 구동시키는 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리방법을 제공된다.
그리고 수소저장탱크에 추출된 수소를 저장하기에 앞서 상기 연료전지에서 요구되는 압력으로 투입되도록 가스압축기에서 기설정 압력으로 압축하는 과정을 더 포함할 수 있다.
발전과정에서 발생되는 고온의 증기를 이용하여 가스 터빈, 혹은 증기 터빈을 이용한 추가 발전을 통하여 발전 효율을 높이는 방법뿐만 아니라, 연료전지의 발전 과정 중 발생되는 증기의 열을 회수하고, 고온의 증기를 전기분해 하여 생성된 수소와 산소를 다시 연료전지의 연료로 사용하거나, 전기 분해된 고온의 공기를 이용하여 발라스트 탱크의 결빙을 방지하게 될 수 있다.
본 발명의 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리장치 및 처리방법에 의하면, 액화천연가스 생산과정 중 발생되는 황화수소를 광촉매 반응시켜 수소를 발생시키고, 발생된 수소를 이용하여 연료전지를 구동시켜 전기를 획득하여 전기가 요구되는 부가장비들을 구동시킴으로써, 원유 및 천연가스의 시추/생산 시 발생하는 황화수소 가스를 활용하여 연료비 절감의 효과가 있다. 또 연료전지를 이용하는 발전 과정 중 발생하는 증기 형태의 열원을 이용하여 부가 장비들을 운용할 수 있는 효과를 가진다.
이하 본 발명의 일 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 더욱 상세히 설명하기로 하지만, 이는 예시에 불과한 것이며, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리장치에서 광분해장치의 개략적인 구성도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리방법의 흐름도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 실시형태의 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리장치는, 크게 황화수소 속에 포함된 수소 성분을 추출할 수 있는 수소추출부(110)와, 수소추출부(110)로부터 추출된 수소를 저장하는 수소저장탱크(130)와, 수소저장탱크(130)의 수소를 연료로 사용하는 연료전지(140)를 포함할 수 있다.
여기서 선박(100)으로는 천연가스 저장 및 생산설비선(FPSO:Floating Production, Storage and Offloading)일 수 있다.
그리고 수소추출부(110)는, 황화수소공급부(111)로부터 액화천연가스 생산 과정 중 발생되는 황화수소를 제공받아 황화수소 속에 포함되어 있는 수소 성분을 광 촉매 반응을 통해 추출할 수 있는 광반응기 장치(113)가 선박(100)의 선상에 복수개 설치될 수 있다.
도 2에 도시된 것과 같이 광반응기 장치(113)는 광필터, 교반기, 램프, 적외광필터 및 광반응기로 구성될 수 있으며, 광반응기 장치(113)의 각각에는 그 하측 에 집광판(113-1)이 설치될 수 있다. 집광판(113-1)은 버려진 태양광을 바닥에서 반사시켜 광반응기 장치(113)에 제공함으로써 효율적인 수소 생산을 가능하게 한다.
이러한 집광판(113-1)은 광반응기 장치(113)의 길이를 따라 태양광을 모을 수 있는 오목한 반원의 파이프 형상으로 이루어질 수 있다.
또한, 각 광반응기 장치(113)에는 근접하여 태양광을 집열할 수 있는 집열장치(113-2)가 설치되고, 이 집열장치(113-2)를 이용하여 추가적인 발전을 수행하는 열전소자(113-3)를 더 포함할 수 있다.
또, 각각의 광반응기 장치(113)에는 황화수소공급부(111)로부터 이어져서 분기되는 공급라인(112)상에 황화수소공급부(111)로부터 투입되는 가스의 유량을 조절하기 위한 유량조절기(112a)를 더 포함될 수 있다.
덧붙여, 각 광반응기 장치(113)에 선박의 항해 위치 또는 태양의 방향에 무관하게 낮시간 동안에 지속적으로 태양광을 제공하도록 반사판(102)이 설치될 수 있다.
이러한 반사판(102)의 설치로 하여 광반응기 장치(113)을 선박(100)의 데크 뿐만 아니라 음영 지역인 외벽에도 설치가 가능할 수 있다.
그리고 이들 각 광반응기 장치(113)에는 추출된 수소를 한 곳으로 이송하기 위한 수소이송라인(114)이 연결 설치되고, 수소이송라인(114)은 수소추출부(110)로부터 추출된 수소를 수소저장탱크(130)에 저장하게 된다.
수소저장탱크(130)는 선저에 설치될 수 있다.
한편, 수소저장탱크(130)의 전단에는 연료전지(140)로의 투입이 용이하도록 10bar 이하로 압축하는 가스압축기(120)를 더 포함할 수 있다.
그리고 수소저장탱크(130)에 저장된 수소를 연료로 이용하여 발전하는 연료전지(140)는 고체산화물 연료전지(SOFC) 또는 용융탄산염 연료전지(MCFC)일 수 있다.
연료전지(140)의 발전을 통하여 선박(100)에서 요구되는 고효율의 추진 발전력을 생성하거나 전기를 요구하는 기타 부가장비(150)를 구동시킬 수 있다. 또한, 연료전지(140))의 발전 과정 중 발생되는 고온의 증기를 이용하여 가스 터빈, 혹은 증기 터빈을 이용한 추가 발전을 통하여 발전 효율을 높이는 방법뿐만 아니라, 증기의 열을 회수하고, 고온의 증기를 전기분해 하여 생성된 수소와 산소를 다시 연료전지(140)의 연료로 사용하거나, 전기 분해된 고온의 공기를 발라스트 탱크(160)의 발라스트 수 결빙을 방지할 수 있다.
이와 같은 구조로 이루어진 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리방법의 작용은 다음과 같이 이루어진다.
도 3을 참고하여 설명하면, 크게는 광반응기 장치가 복수개 설치되는 수소추출부로부터 황화수소 속에 포함되어 있는 수소 성분을 광 촉매 반응을 통해 추출하는 과정(200)과, 수소추출부로부터 추출된 수소를 수소저장탱크에 저장하는 과정(220)과, 수소저장탱크에 저장된 수소를 연료로 이용하여 연료전지를 발전하여 추진 구동력이나 부가장비들을 구동시키는 과정(230)을 포함할 수 있다.
따라서 각 과정별로 좀 더 자세히 설명하면, 황화수소로부터 수소를 추출하 는 과정(200)에서는 액화천연가스 생산 과정 중 발생되는 황화수소를 황화수소공급부(111)로부터 공급라인(112)을 통해 제공받으며, 각 광반응기 장치(113)에 분배되어 공급되는 가스의 유량을 유량조절기(112a)에서 조절하게 된다.
각 광반응기 장치(113)에서는 반사판(102)을 통해 지속적인 태양광을 제공받게 되며, 아울러 바닥면에 설치된 집광판(113-1)으로 버려지는 태양광을 반사로 재활용하여 황화수소 속에 포함되어 있는 수소 성분을 광 촉매 반응을 통해 추출함에 있어 효율성을 높일 수 있다.
즉, 상온에서 황화수소를 일정 시간 동안에 걸쳐 치환한 후, 황화수소를 일정 속도로 연속해서 광반응기에 투입과 동시에 교반기에서 교반하면서 램프 및 광필터로 조성된 광을 조사하여 광반응을 수행하여 수소를 추출하게 된다.
더 나아가 각 광반응기 장치(113)에 근접 설치된 집열장치(113-2)에서는 태양광을 집열하고, 이 집열로 온도 상승된 작동 유체를 이용하여 고온부에 연결된 열전소자(113-3)로 별도로 추가적인 발전을 하여 전력 사용에 이용할 수 있다.
이와 같이 추출된 수소는 하나의 수소이송라인(114)을 통해 이송되며, 가스압축기(120)에서 연료전지(140)로의 투입을 용이하게 하기 위하여 10bar 이하로 압축되어 수소저장탱크(130)에 저장되는 과정(210)을 더 거치게 된다.
그리고 수소저장탱크(130)에 저장된 수소를 연료로 이용하여 연료전지(140)를 발전하여 추진 구동력이나 부가장비(150)들을 구동시키는 과정(230)이 이루어질 수 있다.
여기서 고체산화물 연료전지(SOFC) 또는 용융탄산염 연료전지(MCFC)일 수 있 는 연료전지(140))의 경우 작동 온도가 대략 600℃ 이상이므로 전기 발생 이외의 부산물로 나타나는 증기형태의 열원을 이용하여 다시 연료전지(140)의 연료로 사용하거나 극지방 운행시 발라스트 수의 결빙을 방지할 수 있다.
즉, 연료전지(140))에서 발생하는 증기를 전기 분해할 경우 상온의 물을 전기 분해하는 경우에 비하여 전기 분해 효율이 올라가게 되며, 전기 분해된 수소 및 산소를 다시 연료전지(140)의 연료로 사용할 수 있는 과정(250)을 가질 수 있어 수소와 산소의 재사용을 통해 더 높은 발전 효율을 획득할 수 있다.
또한, 극지방을 운행하는 선박(100)의 경우 발라스트 탱크(160)내의 발라스트 수의 결빙을 방지하기 위한 장치가 필요하나, 연료전지(140)의 전기 분해된 이후의 고온 건조한 공기를 이용하는 과정(260)을 통해 효과적으로 발라스트 수의 결빙을 방지할 수 있다.
그러므로 상술한 바에 따르면, 액화천연가스 생산과정 중 발생되는 황화수소를 광촉매 반응시켜 수소를 발생시키고, 발생된 수소를 이용하여 연료전지를 구동시켜 전기를 획득하여 전기가 요구되는 부가장비들을 구동시킬 수 있다.
이상 본 발명에 따른 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리장치 및 처리방법의 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 용이하게 변경할 수 있으며, 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리장치의 구성도이고,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리장치에서 광분해장치의 개략적인 구성도이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리방법의 흐름도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 선박 102 : 반사판
110 : 수소추출부 111 : 황화수소공급부
112 : 공급라인 112a : 유량조절기
113 : 광반응기 장치 113-1 : 집광판
113-2 : 집열장치 113-3 : 열전소자
114 : 수소이송라인 120 : 가스압축기
130 : 수소저장탱크 140 : 연료전지
150 : 부가장비 160 : 발라스트 탱크

Claims (10)

  1. 황화수소 속에 포함되어 있는 수소 성분을 광 촉매 반응을 통해 추출할 수 있도록 선박에 광반응기장치가 복수개 설치되는 수소추출부와,
    상기 수소추출부로부터 추출된 수소를 저장하는 수소저장탱크와,
    상기 수소저장탱크에 저장된 수소를 연료로 이용하여 발전하는 연료전지를 포함하는 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리장치에 있어서,
    상기 각 광반응기 장치에는 근접하여 태양광을 집열할 수 있는 집열장치와,
    상기 집열장치를 이용하여 추가적인 발전을 수행하는 열전소자를 더 포함하는 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각 광반응기장치의 하측으로는 바닥으로 향하는 태양광을 반사시켜서 상기 각 광반응기장치에 제공하도록 집광판이 포함되는 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광반응기 장치 각각에는 투입되는 가스의 유량을 조절하기 위하여 황화수소공급부로부터 이어지는 공급라인 상에 유량조절기를 더 포함하는 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    선박의 항해 위치 또는 태양의 방향에 무관하게 상기 광반응기 장치에 지속적으로 태양광을 제공하도록 상기 광반응기 장치의 설치 위치에 따라 상기 선박에 반사판이 설치되는 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 수소저장탱크의 전단에는 상기 연료전지에서 요구되는 압력으로 투입되도록 기설정 압력으로 압축하는 가스압축기를 더 포함하는 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 연료전지는 고체산화물 연료전지(SOFC) 또는 용융탄산염 연료전지(MCFC)인 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리장치.
  8. 광반응기 장치가 복수개 설치되는 수소추출부로부터 황화수소 속에 포함되어 있는 수소 성분을 광 촉매 반응을 통해 추출하고,
    상기 수소추출부로부터 추출된 수소를 수소저장탱크에 저장하며,
    상기 수소저장탱크에 저장된 수소를 연료로 이용하여 연료전지를 발전하여 추진 기관이나 부가장비들을 구동시키는 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리방법에 있어서,
    상기 연료전지의 발전 과정 중 발생되는 증기의 열을 회수하고, 고온의 증기를 전기분해 하여 생성된 수소와 산소를 다시 상기 연료전지의 연료로 사용하거나, 전기 분해된 고온의 공기를 이용하여 발라스트 수의 결빙을 방지하게 되는 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 수소저장탱크에 추출된 수소를 저장하기에 앞서 상기 연료전지에서 요구되는 압력으로 투입되도록 가스압축기에서 기설정 압력으로 압축하는 과정을 더 포함하는 선박에 장착된 황화수소 광분해 처리방법.
  10. 삭제
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