KR101192946B1 - 수소 정제장치의 재생방법 - Google Patents

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Abstract

흡착제가 채워진 복수 개의 베드(BED)에 개질기에서 생산된 수소를 주입하여 상기 수소를 정제하는 단계; 상기 복수 개의 베드를 모니터링하여 상기 복수 개의 베드 중에 잔여 부산물이 기준치 이상 존재하는 일부 베드를 오염베드로 검출하는 단계; 상기 오염베드에 상기 개질기에서 생산된 수소의 주입을 차단하고, 재생용 가스를 주입하는 단계; 및 상기 오염베드를 통과한 재생용 가스를 벤트하여 배출하는 단계를 포함하는 수소 정제장치의 재생방법에 따르면, 정제공정을 중단하지 않고 베드의 부산물을 제거할 수 있어 비용상 시간상 유리하며 베드를 반영구적으로 사용할 수 있다.

Description

수소 정제장치의 재생방법{reformation method of hydrogen purification devices}
본 발명은 정제공정을 중단하지 않고 베드의 부산물을 제거할 수 있는 수소 정제장치의 재생방법에 관한 것이다.
에너지, 정련 및 석유화학산업 분야에서 수소 생산은 매우 중요하다. 수소는 예를 들어, 연료 전지용 연료 및 가스 터빈 내 연소에 의한 에너지 생산용으로 사용될 수 있다. 수소는 암모니아 생산뿐만 아니라, 다양한 정련 및 석유화학 공정에서 반응물로도 사용된다.
수소는 대부분 다양한 기원(천연가스, 석유 컷, 바이오매스 등)의 탄화수소 함유 공급물로부터 생산된다. 이러한 공급물을 이용하는 주요 수소 생산 공정은 스트림 개질(reforming), 가스화(gasfication), 부분 산화 및 자동열분해 개질이다. 이러한 모든 방법은 대부분 수소, 일산화탄소(CO) 및 이산화탄소(CO2) 뿐만 아니라, 메탄(CH4) 및 중질 탄화수소, 그리고 공기가 전환 공정에 사용되는 경우, 초기에 공기중에 존재하는 질소 및 아르곤 또는 임의의 다른 분자를 함유하는 합성 가스를 생산할 수 있다. 그러므로 수소는 사용 전에 정제되어야만 한다.
수소를 정제하는 여러 기술, 예컨대 화학 용매(예를 들어, 아민계열) 또는 물리 용매에 의한 흡착을 통한 분리, 압력 변동 흡착(Pressure swing adsorption: PSA)에 의한 분리 또는 멤브레인 분리와 같은 기술이 종래 분야에 알려져 있다.
아민을 이용하는 흡착 방법은 부산물, 특히 질소, 아르곤, 일산화탄소 및 메탄과 같은 분자 모두를 제거하지는 못한다.
멤브레인을 이용하는 수소 정제 방법의 성능은 사용되는 멤브레인 재료에 의해 상당히 좌우된다. 혼합 금속(예를 들어, 팔라듐 합금) 및 산화물은 PSA에 의해 생산되는 수소의 것과 유사한 정도의 최종 수소 중 CO 함량을 얻게 한다. 현재 이러한 멤브레인은 매우 고가이며, 매우 높은 온도(350℃ 초과)에서만 작동할 수 있어, 총 수소 생산 비용을 상당히 증가시킨다. 따라서 PSA가 고순도의 수소를 생산하는데 일반적으로 이용된다.
본 발명은 정제공정을 중단하지 않고 베드의 부산물을 제거할 수 있는 수소 정제장치의 재생방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 수소 정제장치의 재생방법에 따르면, 흡착제가 채워진 복수 개의 베드(BED)에 개질기에서 생산된 수소를 주입하여 상기 수소를 정제하는 단계; 상기 복수 개의 베드를 모니터링하여 상기 복수 개의 베드 중에 잔여 부산물이 기준치 이상 존재하는 일부 베드를 오염베드로 검출하는 단계; 상기 오염베드에 상기 개질기에서 생산된 수소의 주입을 차단하고, 재생용 가스를 주입하는 단계; 및 상기 오염베드를 통과한 재생용 가스를 벤트하여 배출하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 오염베드로 검출하는 단계는, 상기 베드의 온도 변화를 모니터링하여 상기 베드의 잔여부산물이 기준치 이상 존재하는 지 여부를 판단하는 것을 특징으로 한다.
또한, 흡착제는 활성탄소 또는 지올라이트를 포함할 수 있다.
상기 재생용 가스는 정제된 수소를 이용할 수 있으며, 특히 상기 정제된 수소는 상기 베드를 통과하여 정제된 수소를 이용할 수 있다.
또한, 상기 오염베드를 통과한 수소는 버너에서 연소하여 연료로 사용할 수 있다.
본 발명의 수소 정제장치의 재생방법에 따르면, 정제공정을 중단하지 않고 베드의 부산물을 제거할 수 있어 비용상 시간상 유리하며 베드를 반영구적으로 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 수소 정제장치의 재생방법을 나타낸 순서도.
도 2는 본 발명의 수소 정제장치의 재생방법에 이용되는 수소 정제장치 및 재생장치를 나타낸 구성도.
도 1은 본 발명의 수소 정제장치의 재생방법을 나타낸 순서도이고, 도 2는 본 발명의 수소 정제장치의 재생방법에 이용되는 수소 정제장치 및 재생장치를 나타낸 구성도로서, 도 2를 참조하면 개질기(10), 베드(21,22,23), 재생용 가스 홀더(40), 제어부(50) 및 밸브(11,12,13,31,32,33,41,42,43,51,52,53)가 도시되어 있다.
도 1의 순서도를 기준 중심으로 도 2의 구성을 참조하여 본 발명의 수소 정제장치의 재생방법에 대해 구체적으로 살펴보도록 한다.
먼저, 흡착제가 채워진 복수 개의 베드(21,22,23)에 개질기(10)에서 생산된 수소를 주입하여 수소를 정제한다(S100).
개질기(10)는 탄화수소를 분해하여 수소를 생산하는 장치이다. 수소는 물의 전기분해, 탄화수소 연료의 개질, 바이오매스 가스화 그리고 화학공장의 부산물을 통하여 생산될 수 있으나, 기술 및 경제성 문제 때문에 일반적으로 탄화수소 연료의 수증기를 개질하여 수소를 생산한다.
개질기(10)에 이용되는 탄화수소 연료로는 천연가스가 큰 비중을 차지하고 있으며, 천연가스는 메탄을 주 성분으로 하므로 메탄을 분해하면 탄산가스와 수소가 생성된다.
이렇게 생성된 수소는 CO, CO2, CH4, N2, O2 및 H2O 등 부산물이 존재하므로 정제장치를 통해 제거된다. 부산물을 제거하기 위해 흡착제를 이용할 수 있다.
베드(21,22,23)는 내부에 흡착제가 채워진 용기로서, 정제장치 중 하나인 PSA(Pressure Swing Adsorption: 압축변동흡착기)의 주요 구성이다. 베드(21,22,23) 내부의 흡착제에 개질기(10)에서 생산된 수소를 통과시켜 수소 이외의 부산물을 제거하고 정제된 수소는 수소탱크로 이동한다.
복수 개의 베드(21,22,23)를 사용하는 경우 하나의 베드(21)에 문제가 생겨 교체해야하는 경우, 다른 베드(22,23)를 이용하여 정제공정을 지속할 수 있으므로, 공정이 중단되는 것을 방지하여 공정중단으로 인한 비용 및 시간의 손실을 최소화 할 수 있다.
베드에 채워지는 흡착제는 부산물과 잘 결합할 수 있는 흡착성 물질을 이용하며 그 대표적인 예로 활성탄소 또는 지올라이트 등이 이용될 수 있다.
다음으로, 상기 복수 개의 베드(21,22,23)를 모니터링한다(S200). 베드(21,22,23)의 흡착제는 지속적으로 부산물을 흡착하므로 부산물이 베드(21,22,23) 내에 누적정도가 심해지면 정제의 효율이 저하되므로, 교체 또는 재생 시기를 결정하기 위해 부산물이 어느 정도 누적되었는지 점검한다.
점검 방법의 하나로서, 베드(21,22,23)의 온도변화를 모니터링하는 방법을 들 수 있다. 정제공정 중 베드(21,22,23)의 온도가 상승하는데 정제 효율이 떨어지면, 즉 부산물의 농축정도가 심해지면 온도의 상승 폭이 작아지게 되므로 온도변화를 지속적으로 모니터링함으로써, 베드(21,22,23)의 오염정도를 점검할 수 있다.
복수 개의 베드(21,22,23) 중에 잔여 부산물이 기준치 이상 존재하는 일부 베드를 오염베드(21, 이하, 편의상 도 2의 도면번호 21의 베드를 오염베드(21)로 검출된 베드라고 가정하고 설명하도록 한다)로 검출한다(S300).
베드(21,22,23)의 부산물이 일정수준 이상 누적되어 교체시기를 결정하는 기준을 설정하여 그 기준치 이상 부산물이 누적된 베드를 재생공정을 거쳐야할 오염베드(21)로 검출한다.
예를 들어 온도 변화를 모니터링 하는 경우에는 온도 변화의 기울기가 어느 수준 이하로 저하되면 기준치 이상 부산물이 존재하는 것으로 판단하고 재생 공정을 진행한다.
도 2의 제어부는 각 베드(21,22,23)로 부터 오염정도를 측정할 수 있는 데이터(상술한 실시예에 의하면 온도 정보)를 수신하여 모니터링한다. 이때, 제어부는 기 설정된 기준치와 비교하여 오염베드(21)를 추출하고 오염베드(21)를 재생하기 위한 일련의 작업을 수행하기 위해 오염베드(21)와 연결된 벨브(11,21,31,41)의 개폐를 제어한다.
다음으로, 오염베드(21)에 상기 개질기(10)에서 생산된 수소의 주입을 차단하고, 재생용 가스를 주입한다(S400). 오염베드(21)는 정제 작업을 중단하고 대신에 오염베드(21)의 재생을 위해 재생용 가스를 주입한다. 비활성 기체가 오염베드(21)에 투입되면 오염베드(21)에 흡착된 부산물이 재생용 가스와 함께 배출이 되므로 오염(21)베드는 다시 활용 가능하게 된다.
즉 이때 제어부(50)는 벨브(11)을 폐쇄하여 개질기(10)로부터 수소를 차단하고, 밸브(31)을 폐쇄하여 수소탱크와의 연결을 차단하고, 대신에 재생용 가스 홀더(40)와 연결된 파이프의 밸브(41)를 개방한다.
도 2를 참조하면 재생용 가스 홀더(40)가 있는데 재생공정을 위해 오염베드(21)에 주입하는 비활성 기체를 저장하는 장소이다.
이러한 재생용 가스의 예로서, 정제된 수소를 들 수 있다. 즉, 오염물질을 거의 포함하지 않은 수소를 의미하며, 부산물이 누적되지 않고 정상적으로 정제작업을 수행하는 베드(22,23)를 통과하여 정제된 수소를 이용할 수 있다. 이때, 도 2에 도시된 바와 같이 베드(22,23)에서 정제되어 배출된 수소 중 일부를 재생용 가스 홀더(40)에 저장하여 재생공정을 위해 일부 비축해 둘 수 있다. 또한 부산물이 누적되지 않고 정상적으로 정제작업을 수행하는 베드(22,23)로부터 직접 오염베드(21)로 정제된 수소를 공급할 수도 있다.
이렇게 공급된 수소는 오염베드(21)에 누적된 부산물과 함께 오염베드(21)를 빠져나오며 이 수소는 수소탱크에 저장하지 않고 벤트하여 배출한다(S500). 이렇게 배출된 수소는 버너에서 연소하여 연료로 사용할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10: 개질기
11,12,13,31,32,33,41,42,43,51,52,53: 밸브
21,22,23: 베드 40: 재생용 가스 홀더
50: 제어부

Claims (6)

  1. 흡착제가 채워진 복수 개의 베드에 개질기에서 생산된 수소를 주입하여 상기 수소를 정제하는 단계;
    상기 정제된 수소의 일부를 재생용 가스 홀더에 저장하는 단계;
    상기 복수 개의 베드를 모니터링하여 상기 복수 개의 베드 중에 잔여 부산물이 기준치 이상 존재하는 베드를 오염베드로 검출하는 단계;
    상기 오염베드에 상기 개질기에서 생산된 수소의 주입을 차단하고, 상기 재생용 가스 홀더에 저장된 정제된 재생용 수소 가스 및 비활성 기체를 주입하는 단계; 및
    상기 오염베드를 통과한 재생용 가스를 벤트하여 배출하는 단계를 포함하는 수소 정제장치의 재생방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 오염베드로 검출하는 단계는,
    상기 베드의 온도 변화를 모니터링하여 상기 베드의 잔여부산물이 기준치 이상 존재하는 지 여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 수소 정제장치의 재생방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 흡착제는 활성탄소 또는 지올라이트(Zeolite)인 것을 특징으로 하는 수소 정제장치의 재생방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 재생용 가스는 정제된 수소인 것을 특징으로 하는 수소 정제장치의 재생방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 정제된 수소는
    상기 베드를 통과하여 정제된 수소인 것을 특징으로 하는 수소 정제장치의 재생방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 오염베드를 통과한 수소는 버너에서 연소하여 연료로 사용하는 것을 특징으로 하는 수소 정제장치의 재생방법.
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