KR101315676B1 - 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 장치 및 방법에 관한 것으로, 자세하게는 셔-트롭쉬 합성 반응을 이용한 합성석유를 생산하는 반응 공정에 있어서, 반응물 합성가스 생산을 위해 스팀 메탄 개질 반응기를 이용하여 원료인 천연가스로부터 합성가스로 개질시킨 후에, 생성된 합성가스를 직접 피셔-트롭쉬 합성 반응기에 공급하지 않고 다단 열교환을 시킨 후 압력 변동 흡착 분리장치를 통해 H2/CO의 몰비가 2 : 1인 합성가스와 고순도 H2로 분리하여, 합성가스는 피셔-트롭쉬 합성 반응기에 공급하여 합성석유를 생산하고, 고순도 수소는 연료전지를 이용한 전기발생 장치에 공급하여 전기를 발생토록 한 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 장치 및 방법{Apparatus for simultaneous production of synthetic oil and electricity using Fischer-Tropsch synthesis reactor unit and Fuel Cell unit and method thereof}
본 발명은 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 장치 및 방법에 관한 것으로, 자세하게는 스팀 메탄 개질(Steam Methane Reforming; SMR) 반응 공정에서 얻어지는 합성가스(H2/CO)를 압력 변동 흡착(Pressure Swing Adsorption) 분리 공정을 통해 피셔-트롭쉬 합성 반응을 위한 원료로 공급하여 합성석유를 생산함과 동시에 피셔-트롭쉬 합성 반응의 원료로 공급되지 않는 여분의 고순도 수소는 연료 전지로 공급하여 전기를 생성토록 하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
산업 전반에 걸쳐서 사용되는 석유 자원이 고갈됨에 따라 추가적인 석유자원을 확보하기 위한 천연가스나 석탄 등의 화석 연료를 이용한 합성석유의 생산방법이 광범위하게 연구되고 있다.
합성석유 제조를 위한 다양한 방법 중 하나로 간접액화법인 피셔-트롭쉬 합성 방법이 있는데, 이는 공급된 합성가스를 액화하여 가솔린, 디젤, 왁스 등의 액상 생성물을 생산하는 방법이다. 다만, 이러한 피셔-트롭쉬 합성 방법의 최대 난관은 피셔-트롭쉬 합성 반응 공정에서 나타나는 심한 발열 반응으로 인해 반응 온도 조절이 매우 어려우며, 더욱이 반응기 내의 온도 조절이 어려움이 있어서 생산 단가를 낮추기 어려워 경제성이 높지 않다는 것이다.
이 때문에 피셔-트롭쉬 합성 반응을 일으키는 반응기와 여기에 투입되는 촉매 구조체에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다.
일반적으로 일산화탄소와 수소로 이루어진 합성가스로부터 액체 연료를 생산하는 피셔-트롭쉬 합성 반응은 기존에는 주로 분말 촉매와 구형 또는 펠릿 형태로 이루어진 입자 촉매를 이용하는 슬러리 반응기나 고정층 반응기 기술이 사용되고 있다.
종래 코발트 촉매를 이용하는 피셔-트롭쉬 합성 반응의 선행 기술로는 미국 특허 제 4605680에는 감마-알루미나와 이타-알루미나 등에 지지되고 그룹 ⅢB 또는 ⅣB 금속 산화물로 활성화된 코발트 촉매 제조에 관한 기술이 있고, 미국 특허 제 4717702에는 유기 용매로 이루어진 함침 용액을 이용하여, 코발트 입자의 분산성이 높고 입자 크기가 작은 코발트 촉매 제조에 관한 기술이 나타나 있다.
또한 미국 특허 제 6130184에는 촉매 전구체와 담지체 전구체 변형을 통한 고활성 코발트 촉매개발에 관한 예가 있으며, 제 6537945와 제 6740621에는 각각 열안정성과 내마모성이 향상된 촉매 개발에 관한 기술이 나타나 있다.
최근 미국 특허 제 7984180에는 마이크로채널 반응기에 코발트 촉매를 사용하여 효과적인 반응열 제어에 관한 기술이 보고되고 있다.
이하에서는 상기 피셔-트롭쉬 합성 반응기를 이용하여 합성석유를 생산하는 전체 공정을 설명한다.
일반적으로 천연가스로부터 스팀 메탄 개질 반응기와 Fischer-Tropsch 합성 반응기를 이용하여 합성석유를 얻기 위해서는 스팀 메탄 개질 (Steam Methane Reforming) 반응 공정에서 얻어지는 합성가스(H2/CO의 몰비는 3 이상)를 이용하여 Fischer-Tropsch 합성 반응의 반응물로서 적절한 합성가스(H2/CO의 몰비는 2)로의 전환 공정이 필요한데, 여기에는 아래와 같이 다양한 방법이 있다.
즉, 1) 공기에서 분리된 산소를 이용하여 합성가스(H2/CO의 몰비는 1)를 제조하는 부분 산화(Partial Oxidation, POX) 반응 공정과 병합하는 방법과,
2) SMR에서 얻어지는 과도한(excess) 수소를 분리하여 반응열 공급에 이용하기 위해 연소에 사용하거나, 제조된 합성석유의 정유 공정(refinery)에 사용하는 방법과,
3) 최근 CO2를 이용하여 합성가스 (H2/CO의 몰비는 1)를 제조하는 건식 메탄 개질(Dry Methane Reforming) 반응 공정과 병합하는 방법과 같은 3가지 방법이 대표적이다.
도 3은 종래 피셔-트롭쉬 합성에 의한 합성석유 생산방법 중 한 실시예에 따른 생산 방법을 보인 공정도이다. 도시된 공정은 합성가스 (H2/CO의 몰비는 1)를 제조하는 부분 산화(Partial Oxidation, POX) 반응 공정과 병합하는 방법을 나타내고 있는데, 공급된 천연가스를 스팀 메탄 개질(Steam Methane Reforming, SMR) 반응 공정을 통해 H2/CO의 몰비가 3 : 1인 합성가스를 생성하고, 동시에 이와 별도의 공정으로 부분 산화(Partial Oxidation, POX) 반응을 통해 H2/CO의 몰비가 1 : 1인 합성가스를 생산한 후, 상기 스팀 메탄 개질기를 통해 얻어지는 H2/CO의 몰비가 3 : 1인 합성가스와 병합하여 H2/CO의 몰비가 2 : 1(4 : 2)의 몰비를 가진 피셔-트롭쉬 합성 반응에 적합한 합성가스를 생산하여 피셔-트롭쉬 합성 반응기에 공급하여 반응시킨 후, 이후 공정에서 양질의 합성석유를 생산하는 공정이다.
하지만 이와 같은 종래의 피셔-트롭쉬 합성 반응에 의한 합성석유 생산방법은 일반적인 방법이긴 하지만 반응물 합성가스 생산을 위해 두 가지의 반응 공정이 필요하며, 이에 따라서 장치 투자비 증가와 반응기 운전 복잡하다는 문제점이 있어 왔다.
도 4는 종래 피셔-트롭쉬 합성에 의한 합성석유 생산방법 중 다른 실시예에 따른 생산 방법을 보인 공정도이다. 도 4에 도시된 공정은 도 3에 개시된 합성석유 생산시의 문제점을 해결한 방법으로 하나의 반응공정과 하나의 분리공정을 이용하여 합성가스를 생성 후 피셔-트롭쉬 합성 반응기에 공급하여 합성석유를 생산하는 방법이다.
즉, 공급된 천연가스를 스팀 메탄 개질 반응 공정을 통해 H2/CO의 몰비가 3 : 1 이상인 합성가스를 생성 후, 과도한(excess) 수소는 분리하여 반응열 공급을 위한 연소에 사용하고, H2/CO의 몰비가 2 : 1의 합성가스를 피셔-트롭쉬 합성 반응기로 공급하여 피셔-트롭쉬 합성 반응기를 통해 액화시킨 후 합성석유를 생산하는 공정이다.
하지만 상기와 같은 반응 공정은 스팀 메탄 개질 반응기에서 생산되는 합성가스를 구성하는 H2/CO의 몰비가 3 : 1 이상인 관계로 필연적으로 반응에 사용되지 않은 수소가 발생하게 되며, 이에 대한 마땅한 처리 공정이 없어 단순히 스팀 메탄 개질 반응기를 가열하는 원료로만 사용하였다.
상기한 바와 같이 종래의 피셔-트롭쉬 합성 반응에 의한 합성석유 생산공정은 피셔-트롭쉬 합성 반응이 일어나는 합성가스 비인 H2/CO의 몰비가 2 : 1을 맞추기 위해서 2개의 서로 다른 원료를 2개의 장치를 이용하여 합성가스를 생산하거나, 아니면 H2/CO의 몰비가 3 : 1인 합성가스를 생산하고 과도한 수소는 분리하여 단순히 반응기를 가열하는 원료로만 사용함으로 인해 스팀 메탄 개질 반응기에서 생산된 다량의 고순도 수소를 효율적으로 사용하지 못한다는 문제점이 있다.
더욱이 상기에서는 편의상 피셔-트롭쉬 합성 반응기 자체에 대해서는 설명하지 않았지만, 피셔-트롭쉬 합성 반응시 공급되는 합성가스의 온도가 너무 낮으면 피셔-트롭쉬 합성 반응이 잘 일어나지 않고 너무 높으면 가솔린, 디젤, 왁스 등의 액체 석유연료 대신에 다량의 메탄과 이산화탄소가 생성되기 때문에 피셔-트롭쉬 합성 반응이 원활히 일어나게 하기 위해서는 공급되는 가스의 온도와 반응기 내에서의 온도 조절과 압력 조절이 매우 중요한데, 상기 방법들은 이러한 피셔-트롭쉬 합성 반응에 사용되는 에너지 효율 측면에 도움이 되질 않고 그 자체의 장비 추가 문제와 연료 수득 문제 그리고 비효율적인 합성가스 공급문제가 있어 전체적인 피셔-트롭쉬 합성 반응에 의한 합성석유 생산 공정의 생산단가를 높이는 문제점을 가지고 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 피셔-트롭쉬 합성 반응을 이용한 합성석유를 생산하는 반응 공정에 있어서, 반응물 합성가스 생산을 위해 스팀 메탄 개질 반응기를 이용하여 원료인 천연가스로부터 합성가스로 개질시킨 후에, 생성된 합성가스를 직접 피셔-트롭쉬 합성 반응기에 공급하지 않고 다단 열교환을 시킨 후 압력 변동 흡착 분리장치를 통해 H2/CO의 몰비가 2 : 1인 합성가스와 고순도 H2로 분리하여, 합성가스는 피셔-트롭쉬 합성 반응기에 공급하여 합성석유를 생산하고, 고순도 수소는 연료전지를 이용한 전기발생 장치에 공급하여 전기를 발생토록 한 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
또한 본 발명의 다른 목적은 스팀 메탄 개질 반응기를 통해 합성가스로 개질된 고온의 합성가스를 합성가스 분리를 위한 후단의 압력 변동 흡착 분리장치에 직접 공급하지 않고 순환과정을 거치면서 순차적으로 연료전지에 사용되는 수소 및 피셔-트롭쉬 합성 반응기에 공급되는 합성가스 그리고 스팀 메탄 개질기에 공급되는 원료 천연가스를 가열시킨 후, 합성가스의 온도를 낮추어 흡착 효율이 좋은 온도로 압력 변동 흡착 분리장치에 공급시켜 합성석유 생산시의 필요한 에너지 효율을 높인 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료 전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 공급된 천연가스(CH4)를 개질하여 H2/CO의 몰비가 3 : 1 이상인 합성가스를 생산하는 스팀 메탄 개질기와;
상기 스팀 메탄 개질기에서 생성된 고온의 합성가스를 다단 열교환 시켜 낮아진 온도로 압력 변동 흡착 분리장치로 공급하도록 제1, 2 열교환기가 구비된 열교환 공급배관과;
상기 열교환 공급배관에서 공급받은 합성가스를 H2/CO의 몰비가 2 : 1인 합성가스와 고순도 수소(H2)로 분리 후, 각각 합성가스 공급배관 및 고순도 수소 공급배관으로 분리 공급하는 압력 변동 흡착 분리장치와;
상기 압력 변동 흡착 분리장치에서 공급받은 H2/CO의 몰비가 2 : 1인 합성가스를 이용하여 액화시켜 합성석유를 생산하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와;
상기 압력 변동 흡착 분리장치에서 공급받은 고순도 수소를 원료로 전기를 발생시키는 연료전지 전기 발생 장치와;
상기 스팀 메탄 개질기에 공급되는 원료 메탄을 열교환시켜 승온 공급하도록 제3 열교환기가 구비된 메탄 열교환 공급배관;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 장치를 제공함으로써 달성된다.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 열교환 공급배관은 연료전지 전기발생장치로 공급되는 고순도 수소 공급배관과 열교환하여 압력 변동 흡착 분리장치에서 분리 정제되어 연료전지로 공급되는 고순도 수소를 가열하는 제 1 열교환기와, 합성석유를 제조하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기에 공급되는 합성가스 공급배관과 열교환하여 압력 변동 흡착 분리장치에서 분리 정제된 H2/CO의 몰비가 2 : 1인 합성가스를 가열하는 제 2 열교환기를 경유시켜 스팀 메탄 개질기의 생성물 합성가스를 낮아진 온도로 압력 변동 흡착 분리장치로 공급하도록 구성될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 메탄 열교환 공급배관은 상기 스팀 메탄 개질기에 공급되는 원료 메탄을 열교환 공급배관과 열교환하는 제 3열교환기로 열교환시켜 승온 공급하도록 구성될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 제 1 열교환기는 600~800 ℃로 공급된 합성가스가 연료전지에 공급되는 고순도 수소를 600 ℃ 이상으로 승온시키게 구성될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 제 1 열교환기는 코일형으로 구성되어 고순도 수소 공급배관의 직경에 따라 접촉되는 코일수나 면적을 조절하여 구성될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 제 2 열교환기는 제 1 열교환기를 거친 합성가스가 피셔-트롭쉬 합성 반응기에 공급되는 합성가스를 200 ~ 250 ℃로 승온시키게 구성될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 제 2 열교환기는 코일형으로 구성되어 합성가스 공급배관의 직경에 따라 접촉되는 코일수나 면적을 조절하여 구성될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 제 3 열교환기는 제 2 열교환기를 거친 합성가스 온도를 100 ℃ 이하로 하강시킴과 동시에, 공급하는 메탄의 온도를 승온시키게 구성될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 제 3 열교환기는 코일형으로 구성되어 열교환 공급배관의 직경에 따라 접촉되는 코일수나 면적을 조절하여 구성될 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 압력 변동 흡착 분리장치는 제올라이트, 활성탄, 알루미나 중에서 선택된 어느 하나 이상의 흡착제로 충전된 2 ~ 12개 정도의 흡착탑으로 구성되어, 흡착 - 향류 감압 - 병류 감압 - 퍼지 - 가압의 스텝 구성으로 이루어지게 구성할 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 스팀 메탄 개질기에 공급되는 스팀과 메탄의 반응물 유속은 반응물 공간속도가 2,500 ~ 8,700 h-l일 수 있다.
또한 본 발명은 다른 실시양태로,
a) 공급된 천연가스(CH4)를 스팀 메탄 개질기로 개질하여 H2/CO의 몰비가 3 : 1 이상인 합성가스를 생산하는 단계와;
b) 제1, 2 열교환기가 구비된 열교환 공급배관을 통해 상기 스팀 메탄 개질기에서 생성된 고온의 합성가스를 다단 열교환시켜 낮아진 온도로 압력 변동 흡착 분리장치로 공급하는 단계와;
c) 상기 열교환 공급배관에서 공급받은 합성가스를 압력 변동 흡착 분리장치를 이용하여 H2/CO의 몰비가 2 : 1인 합성가스와 고순도 수소(H2)로 분리 후, 각각 피셔-트롭쉬 합성 반응기 및 연료전지 전기 발생 장치로 공급하는 단계와;
d) 상기 압력 변동 흡착 분리장치에서 공급받은 H2/CO의 몰비가 2 : 1인 합성가스를 피셔-트롭쉬 합성 반응기로 액화시켜 합성석유를 생산하는 단계와;
e) 상기 압력 변동 흡착 분리장치에서 공급받은 고순도 수소를 원료로하여 연료전지 전기 발생 장치가 전기를 발생시키는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 방법을 제공함으로써 달성된다.
본 발명은 바람직한 실시예로, f) 상기 b) 단계후 상기 스팀 메탄 개질기에 공급되는 원료 메탄을 제3 열교환기가 구비된 메탄 열교환 공급배관을 통해 열교환시켜 승온 공급하는 단계;를 더 포함하여 구성할 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 b)단계는 상기 열교환 공급배관에 설치된 제 1 열교환기를 통해 연료전지 전기발생장치로 공급되는 고순도 수소 공급배관과 열교환하여 압력 변동 흡착 분리장치에서 분리 정제되어 연료전지로 공급되는 고순도 수소를 가열하는 제 1 열교환 단계와;
상기 열교환 공급배관에 설치된 제 2 열교환기를 통해 합성석유를 제조하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기에 공급되는 합성가스 공급배관과 열교환하여 압력 변동 흡착 분리장치에서 분리 정제된 H2/CO의 몰비가 2 : 1인 합성가스를 가열하는 제 2 열교환 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 제 1열교환 단계는 제 1 열교환기를 통해 600 ~ 800 ℃로 공급된 고온의 합성가스가 연료전지 전기 발생 장치에 공급되는 고순도 수소를 600 ℃ 이상으로 승온시키는 단계일 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 제 1 열교환기는 코일형으로 구성되어 연료전지 전기 발생 장치와 연결된 고순도 수소 공급배관의 직경에 따라 접촉되는 코일수나 면적을 조절하여 구성할 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 제 2 열교환 단계는 제 2 열교환기를 통해 제 1 열교환기를 거친 합성가스가 피셔-트롭쉬 합성 반응기에 공급되는 합성가스를 200 ~ 250 ℃로 승온시키는 단계일 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 제 2 열교환기는 코일형으로 구성되어 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연결된 합성가스 공급배관의 직경에 따라 접촉되는 코일수나 면적을 조절하여 구성할 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 f)단계는 상기 제 3 열교환기가 제 2 열교환기를 거친 합성가스 온도를 100 ℃ 이하로 하강시킴과 동시에, 공급하는 메탄의 온도를 승온시키는 제 3 열교환 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 제 3 열교환기는 코일형으로 구성되어 열교환 공급배관의 직경에 따라 접촉되는 코일수나 면적을 조절하여 구성할 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 c)단계에서 압력 변동 흡착 분리장치는 제올라이트, 활성탄, 알루미나 중에서 선택된 어느 하나 이상의 흡착제로 충전된 2 ~ 12개 정도의 흡착탑으로 구성되어, 흡착 - 향류 감압 - 병류 감압 - 퍼지 - 가압의 스텝 단계를 거치도록 구성할 수 있다.
본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 a) 단계의 스팀 메탄 개질기에 공급되는 스팀과 메탄의 반응물 유속은 반응물 공간속도가 2,500 ~ 8,700 h-l일 수 있다.
상기와 같이 본 발명은 피셔-트롭쉬 합성 반응을 이용해 합성석유 생산시 반응물 합성가스를 얻기 위해 원료로 천연가스를 사용하여 스팀 메탄 개질 반응기를 통해 합성가스로 개질시킴으로써 종래 석탄을 사용함에 따른 공해 발생문제를 해결하였다는 장점과,
또한 스팀 메탄 개질 반응기에서 생성된 합성가스를 직접 피셔-트롭쉬 합성 반응기에 공급하지 않고 다단 열교환을 시킨 후 압력 변동 흡착 분리장치를 통해 H2/CO의 몰비가 2 : 1인 합성가스를 피셔-트롭쉬 합성 반응기에 공급하는 구성으로서 스팀 메탄 개질 반응기와 압력 변동 흡착 분리장치, 그리고 피셔-트롭쉬 합성 반응기로 이루어진 원료 천연가스로부터 합성석유를 생산하는 전체 공정에 대한 열효율을 높이고, 피셔-트롭쉬 합성 반응 공정에 적합한 반응물 합성가스(H2/CO=2:1)를 효율적으로 제조하였다는 장점과,
또한 스팀 메탄 개질 반응기에서 생산되는 고온의 합성가스를 이용하여 연료전지에 공급되는 고순도 수소의 가열, 피셔-트롭쉬 합성 반응기에 들어가는 합성가스 (H2/CO=2:1)의 가열, 스팀 메탄 개질기에 공급되는 원료 천연가스의 가열을 거친 후 합성가스의 분리 정제를 위한 압력 변동 흡착 분리공정에 가장 적합한 온도로 합성가스의 온도를 조절하는 시스템을 제공함으로써 합성석유가스 생산 시스템 전체의 에너지 효율을 높였다는 장점과,
또한 압력 변동 흡착 분리장치에서 생산된 고순도 수소를 단순히 SMR 반응기를 가열하는 연료로 사용하지 않고 연료전지를 이용하여 전기를 생산함으로써 에너지 생산 효율을 극대화 하였다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 석유와 전기의 동시 생산을 위한 개략적인 장치 구성도이고,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 석유와 전기의 동시 생산단계를 보인 흐름도이고,
도 3은 종래 피셔-트롭쉬 합성에 의한 석유 생산방법 중 한 실시예에 따른 생산 방법을 보인 공정도이고,
도 4는 종래 피셔-트롭쉬 합성에 의한 석유 생산방법 중 다른 실시예에 따른 생산 방법을 보인 공정도이다.
이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 한 실시 예에 따른 석유와 전기의 동시 생산을 위한 개략적인 장치 구성도이다. 도시된 바와 같이 구성된 본 발명은 공급된 천연가스(CH4)를 개질하여 H2/CO의 몰비가 3 : 1 이상인 합성가스를 생산하는 스팀 메탄 개질기(1)와;
상기 스팀 메탄 개질기(1)에서 생성된 고온의 합성가스를 연료전지 전기발생장치로 공급되는 고순도 수소 공급배관(31)과 열교환하여 압력 변동 흡착 분리장치에서 분리 정제되어 연료전지로 공급되는 고순도 수소를 가열하는 제 1 열교환기(21)와, 합성석유를 제조하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기(4)에 공급되는 합성가스 공급배관(32)과 열교환하여 압력 변동 흡착 분리장치에서 분리 정제된 H2/CO의 몰비가 2 : 1인 합성가스를 가열하는 제 2 열교환기(22)를 경유시켜 스팀 메탄 개질기의 생성물 합성가스를 낮아진 온도로 압력 변동 흡착 분리장치(3)로 공급하는 열교환 공급배관(2)과;
상기 열교환 공급배관(2)에서 공급받은 합성가스를 H2/CO의 몰비가 2 : 1인 합성가스와 고순도 수소(H2)로 분리 후, 각각 합성가스 공급배관(32) 및 고순도 수소 공급배관(31)으로 공급하는 압력 변동 흡착 분리장치(3)와;
상기 압력 변동 흡착 분리장치(3)에서 공급받은 H2/CO의 몰비가 2 : 1인 합성가스를 이용하여 액화시켜 합성석유를 생산하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기(4)와;
상기 압력 변동 흡착 분리장치(3)에서 공급받은 고순도 수소를 원료로 전기를 발생시키는 연료전지 전기 발생 장치(5)와;
상기 스팀 메탄 개질기(1)에 공급되는 원료 메탄을 상기 열교환 공급배관(2)과 열교환하는 제 3열교환기(61)로 열교환시켜 승온 공급하는 메탄 열교환 공급배관(6);을 포함하여 구성된다.
상기와 같이 구성됨으로써 본 발명은 피셔-트롭쉬 합성 반응에 공급되는 합성가스가 별도의 가스화기 또는 부분산화 반응기 없이도 H2/CO의 몰비가 2 : 1인 합성가스를 공급할 수 있게 된다.
상기 스팀 메탄 개질기(1)의 가열은 별도의 천연가스 보일러에 의해 800 ℃ 이상으로 가열된다. 이로 인해 니켈계 촉매의 활성점 위에서 고온의 스팀에 의해 메탄가스의 개질반응이 일어나서 H2/CO의 몰비가 3 : 1 이상의 합성가스가 생성된다. 또한 스팀에 의한 개질 반응은 심한 흡열 반응으로서 반응이 일어난 후의 합성가스 온도는 600 ~ 800 ℃의 고온 가스이다. 이와 같은 고온은 개질반응에 의해 상승된 온도이다.
반응 후 생성물 합성가스의 반응기 출구 온도는 반응기 내부 온도와 거의 동일하며, 600 ℃ 미만의 낮은 반응 온도에서는 반응물 메탄의 스팀 메탄 개질 반응에 의한 전환율이 80% 이하로 높지 않아 미반응 메탄이 많아서 바람직하지 않고, 800 ℃ 보다 큰 높은 반응 온도에서는 니켈계 촉매의 활성점 위에 탄소 침적에 의한 촉매 비활성화와 고온 반응에 의한 반응기 내구성에 있어서 바람직하지 않다.
또한 공급되는 스팀과 메탄의 반응물 유속은 반응물 공간속도가 2,500 ~ 8,700 h-l가 바람직하며 2,500 h-1 미만의 반응물 공간속도 하에서는 반응물 공급 속도가 매우 낮아 동일한 합성가스 생산량을 기준으로 반응기 규모가 커지는 단점이 있으며, 8,700 h-1 보다 큰 반응물 공간속도 하에서는 반응물 공급 속도가 너무 높아 미반응 메탄이 많이 나타나는 단점이 있다.
상기 제 1 열교환기(21)는 600 ~ 800 ℃로 생성된 합성가스가 연료전지에 공급되는 고순도 수소를 600 ℃ 이상 승온시키게 고순도 수소 공급배관(31)의 직경에 따라 접촉되는 코일수나 면적을 조절하여 구성된 열교환기이다. 연료전지에 공급되는 고순도 수소의 온도가 600 ℃ 미만에서는 열교환기를 통한 고순도 수소의 가열 효과가 연료전지 내부의 화학 반응에서 크게 나타나지 않으며, 특히 600 ℃ 미만 저온 수소의 고온 연료전지 내의 공급은 연료전지 스택의 열 충격 (thermal shock)을 일으켜 스택 안정성에 있어서 바람직하지 않다.
상기 제 2 열교환기(22)는 제 1 열교환기를 거친 합성가스가 피셔-트롭쉬 합성 반응기에 공급되는 합성가스를 200 ~ 250℃로 승온시키게 합성가스 공급배관(32)의 직경에 따라 접촉되는 코일수나 면적을 조절하여 구성된 열교환기이다.
피셔-트롭쉬 합성 반응기에 공급되는 합성가스의 온도는 200 ~ 250 ℃의 온도가 바람직하며, 합성가스의 온도가 200℃ 미만에서는 피셔-트롭쉬 합성 반응이 진행되지 않아 합성석유가 생산되지 않으며 250 ℃ 보다 큰 온도에서는 반응 생성물로서 주로 메탄이 생산되고 반응 온도가 급격이 상승하여 촉매 활성점 표면에 코킹 현상이 일어나 결국 반응이 중단된다.
상기 제 3 열교환기(61)는 제 2 열교환기(22)를 거친 합성가스 온도를 100 ℃ 이하로 하강시킴과 동시에, 공급하는 메탄의 온도를 승온시키기 위해 열교환 공급배관(2)의 직경에 따라 접촉되는 코일수나 면적을 조절하여 구성된 열교환기이다.
제 3 열교환기를 거쳐 압력 변동 흡착 분리장치에 공급되는 합성가스의 온도는 100 ℃ 이하가 바람직하며, 그 이상의 온도에서는 압력 변동 흡착 분리장치 내에서의 가스 흡착 거동에 대한 선택성이 감소하여, 스팀 메탄 개질 반응기에서 얻어지는 반응 생성물로부터 고순도 수소와 합성가스(H2/CO=2)의 선택적 분리가 어렵다.
상기 압력 변동 흡착 분리장치(Pressure Swing Adsorption unit, 3)에서 생성된 H2/CO의 몰비가 2 : 1인 합성가스는 합성가스 공급배관(32)을 통해 피셔-트롭쉬 합성 반응기로 공급되고, 고순도 수소는 고순도 수소 공급배관(31)을 통해 연료전지 전기 발생 장치(5)로 연결된다.
상기 압력 변동 흡착 분리장치(Pressure Swing Adsorption unit, 3)를 이용한 압력 변동 흡착 분리 공정은 고정층의 흡착탑을 사용하여 혼합 가스를 고압에서 흡착시키고, 그 후에 흡착탑의 압력을 낮춤으로써 혼합 가스로부터 불순물이 탈착 제거된 후 고순도 가스를 회수한다.
스팀 메탄 개질 반응의 생성물인 다량의 수소(H2)와 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2)와 미량의 미반응 메탄(CH4)으로 이루어진 혼합 가스에서는 이산화탄소와 메탄에 비해서 수소와 일산화탄소 성분은 흡착탑에서 상대적으로 적게 흡착되는데, 이와 같이 이산화탄소와 메탄을 흡착탑에서 흡착한 후 탈착 제거함으로써 고순도 수소와 H2/CO의 몰비가 2 : 1의 합성가스를 얻을 수 있다.
이러한 압력 변동 흡착 분리장치에서 행해지는 압력 변동 흡착 분리 공정은 흡착제의 종류 및 흡착탑의 갯수, 그리고 여러 가지 흡착 공정 스텝(Step)으로 수많은 공정을 구성할 수 있는데, 특히 고순도 수소와 합성가스(H2/CO의 몰비는 2 : 1) 생산을 위한 압력 변동 흡착 분리 공정에서는 제올라이트(Zeolite), 활성탄(Activated Carbon), 알루미나(Alumina) 등의 흡착제로 충전된 2 ~ 12 개 정도의 흡착탑을 이용하여 흡착(Adsorption) - 향류 감압(Cocurrent Depressurisation) - 병류 감압(Countercurrent Depressurisation) - 퍼지(Purge) - 가압(Repressurization) 등의 압력 변동 흡착 분리 공정의 스텝 구성이 바람직하다.
상기 피셔-트롭쉬 합성 반응기는 공급된 합성가스를 액화하여 가솔린, 디젤, 왁스 등의 액상 생성물 즉, 합성석유를 생산하게 된다.
상기 연료전지 전기 발생 장치(5)는 용융 탄산염형 연료전지(MCFC, Molten Carbonate Fuel Cell) 또는 고체 산화물형 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)를 사용한다. 바람직하게는 고체 산화물형 연료전지(SOFC, Solid Oxide Fuel Cell)를 사용하는데 이 고체 산화물형 연료전지(SOFC)는 열효율이 높고, 장기적 안정성이 뛰어나며, 귀금속을 사용하지 않기 때문에 가격이 저렴하다는 특징이 있다.
여기에 사용되는 일산화탄소는 미도시된 공급라인을 통해 공급된다.
참고로 전기 생산 반응을 설명하면 다음과 같다.
먼저 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지인 경우, 용융 탄산염형 연료전지에서 합성가스인 수소와 일산화탄소를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 생산하는 과정을 나타내는 반응식은 다음과 같다.
연료극 : H2 + CO3 -2 → H2O + CO2 + 2e-
CO + CO3 -2 → 2CO2 + 2e-
CO + H2O → H2 + CO2
공기극 : 0.5O2 + CO2 + 2e- → CO3 -2
연료전지의 전체 반응 : H2 + 0.5O2 + CO2 → H2O + CO2
여기에서, 수소와 함께 연료전지로 공급되는 일산화탄소는, 연료극에서 물과 반응하여 수소를 생산하는 반응에 사용된다. 이때 발생된 이산화탄소는 공기극으로 보내어져서 공기극에서 삼산화탄소를 생성하는 반응에 사용된다. 즉, 연료전지가 용융 탄산염형 연료전지인 경우에는, 전기를 생산하는 과정에서 발생하는 이산화탄소가 외부로 배출되지 않고 연료전지 내부에서 순환된다.
또한, 연료전지가 고체 산화물형 연료전지인 경우, 고체 산화물형 연료전지에서 합성가스인 수소와 일산화탄소를 전기화학적으로 반응시켜서 전기를 생산하는 과정을 나타내는 반응식은 다음과 같다.
연료극 : H2 + O-2 → H2O + 2e-
CO + O-2 → CO2 + 2e-
CO + H2O → H2 + CO2
공기극 : 0.5O2 + 2e- → O-2
연료전지의 전체 반응 : H2 + 0.5O2 → H2O
여기에서, 수소와 함께 연료전지로 공급되는 일산화탄소는, 연료극에서 물과 반응하여 수소를 생산하는 반응에 사용된다. 이때 발생된 이산화탄소는 별도의 장치에 의해 처리되어야 한다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 석유와 전기의 동시 생산단계를 보인 흐름도로 본 발명의 다른 실시양태인 석유와 전기의 동시 생산 방법에 대한 흐름도를 도시하고 있다.
도시된 바와 같이 본 발명의 한 실시예에 따른 석유와 전기의 동시 생산 방법은,
a) 공급된 천연가스(CH4)를 스팀 메탄 개질기(1)로 개질하여 H2/CO의 몰비가 3 : 1 이상인 합성가스를 생산하는 단계(S100)와;
b) 제1, 2 열교환기가 구비된 열교환 공급배관(2)을 통해 상기 스팀 메탄 개질기(1)에서 생성된 고온의 합성가스를 다단 열교환시켜 낮아진 온도로 압력 변동 흡착 분리장치(3)로 공급하는 단계(S200)와;
c) 상기 열교환 공급배관(2)에서 공급받은 합성가스를 압력 변동 흡착 분리장치(3)를 이용하여 H2/CO의 몰비가 2 : 1인 합성가스와 고순도 수소(H2)로 분리 후, 각각 피셔-트롭쉬 합성 반응기(4) 및 연료전지 전기 발생 장치(5)로 공급하는 단계(S300)와;
d) 상기 압력 변동 흡착 분리장치(3)에서 공급받은 H2/CO의 몰비가 2 : 1인 합성가스를 피셔-트롭쉬 합성 반응기(4)로 액화시켜 합성석유를 생산하는 단계(S400)와;
e) 상기 압력 변동 흡착 분리장치(3)에서 공급받은 고순도 수소를 원료로하여 연료전지 전기 발생 장치(5)가 전기를 발생시키는 단계(S500);를 포함하여 구성된다.
또한 본 발명은 f) 상기 b) 단계후 상기 스팀 메탄 개질기(1)에 공급되는 원료 메탄을 제3 열교환기가 구비된 메탄 열교환 공급배관(6)을 통해 열교환시켜 승온 공급하는 단계(S600);를 더 포함하여 구성될 수 있다.
이와 같은 f) 단계를 구비하면 원료 메탄의 온도를 승온하는 에너지가 저감되고, 압력 변동 흡착 분리장치(3)에 공급되는 합성가스의 온도를 하강시킬수 있어 경제적인 생산을 구성할 수 있게 된다. 이때 제 3 열교환기(61)가 제 2 열교환기(22)를 거친 합성가스 온도를 100 ℃ 이하로 하강시킴과 동시에, 공급하는 메탄의 온도를 승온시키는 제 3 열교환 단계를 포함하는데, 이를 위해 한 실시예로 구성한 제 3 열교환기(61)의 형태는 코일형으로 구성되어 열교환 공급배관(2)의 직경에 따라 접촉되는 코일수나 면적을 조절하여 필요로 하는 온도에 맞추어 열교환하게 구성하였다.
상기 a) 단계의 스팀 메탄 개질기(1)에 공급되는 스팀과 메탄의 반응물 유속은 반응물 공간속도가 2,500 ~ 8,700 h-l으로 하였다. 그이유는 2,500 h-1 미만의 반응물 공간속도 하에서는 반응물 공급 속도가 매우 낮아 동일한 합성가스 생산량을 기준으로 반응기 규모가 커지는 단점이 있으며, 8,700 h-1 보다 큰 반응물 공간속도 하에서는 반응물 공급 속도가 너무 높아 미반응 메탄이 많이 나타나는 단점이 있기 때문이다.
또한 상기 b)단계는,
열교환 공급배관(2)에 설치된 제 1 열교환기(21)를 통해 연료전지 전기발생장치로 공급되는 고순도 수소 공급배관(31)과 열교환하여 압력 변동 흡착 분리장치에서 분리 정제되어 연료전지로 공급되는 고순도 수소를 가열하는 제 1 열교환 단계와;
열교환 공급배관(2)에 설치된 제 2 열교환기(22)를 통해 합성석유를 제조하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기(4)에 공급되는 합성가스 공급배관(32)과 열교환하여 압력 변동 흡착 분리장치에서 분리 정제된 H2/CO의 몰비가 2 : 1인 합성가스를 가열하는 제 2 열교환 단계를 포함하여 구성된다. 이와 같은 다단 열교환 단계를 거침으로써 별도의 냉각수단없이 상기 스팀 메탄 개질기(1)에서 생성된 고온의 합성가스가 압력 변동 흡착 분리장치(3)에 최적 상태의 온도로 공급되게 된다.
마찬가지로 열교환되는 연료전지 전기발생장치 및 피셔-트롭쉬 합성 반응기도 별도의 승온 장치 없이 최적 상태의 온도상태로 연료를 공급받게 된다.
또한 제 1열교환 단계는 제 1 열교환기를 통해 600 ~ 800 ℃로 공급된 고온의 합성가스가 연료전지 전기 발생 장치(5)에 공급되는 고순도 수소를 600 ℃ 이상으로 승온시키는 단계인데, 이를 위해 한 실시예로 구성한 제 1 열교환기의 형태는 코일형으로 구성되어 연료전지 전기 발생 장치(5)와 연결된 고순도 수소 공급배관(31)의 직경에 따라 접촉되는 코일수나 면적을 조절하여 필요로 하는 온도에 맞추어 열교환하게 구성하였다.
또한 제 2 열교환 단계는 제 2 열교환기(22)를 통해 제 1 열교환기를 거친 합성가스가 피셔-트롭쉬 합성 반응기에 공급되는 합성가스를 200 ~ 250 ℃로 승온시키는 단계인데, 이를 위해 한 실시예로 구성한 제 2 열교환기의 형태는 코일형으로 구성되어 피셔-트롭쉬 합성 반응기(4)와 연결된 합성가스 공급배관(32)의 직경에 따라 접촉되는 코일수나 면적을 조절하여 필요로 하는 온도에 맞추어 열교환하게 구성하였다.
또한 상기 c)단계에서 압력 변동 흡착 분리장치(3)는 제올라이트, 활성탄, 알루미나 중에서 선택된 어느 하나 이상의 흡착제로 충전된 2 ~ 12개 정도의 흡착탑으로 구성되어, 흡착 - 향류 감압 - 병류 감압 - 퍼지 - 가압의 스텝 단계를 거치도록 구성하였다. 즉, 압력 변동 흡착 분리장치에서 행해지는 압력 변동 흡착 분리 공정은 흡착제의 종류 및 흡착탑의 갯수, 그리고 여러 가지 흡착 공정 스텝(Step)으로 수많은 공정을 구성할 수 있는데, 특히 고순도 수소와 합성가스(H2/CO의 몰비는 2 : 1) 생산을 위한 압력 변동 흡착 분리 공정에서는 제올라이트(Zeolite), 활성탄(Activated Carbon), 알루미나(Alumina) 등의 흡착제로 충전된 2 ~ 12 개 정도의 흡착탑을 이용하여 흡착(Adsorption) - 향류 감압(Cocurrent Depressurisation) - 병류 감압(Countercurrent Depressurisation) - 퍼지(Purge) - 가압(Repressurization) 등의 압력 변동 흡착 분리 공정의 스텝 구성이 바람직하다.
상기와 같은 본 발명의 단계를 거치면 피셔-트롭쉬 합성 반응기는 공급된 합성가스를 액화하여 가솔린, 디젤, 왁스 등의 액상 생성물 즉, 합성석유를 생산하게 된다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(1) : 스팀 메탄 개질기
(2) : 열교환 공급배관
(3) : 압력 변동 흡착 분리장치
(4) : 피셔-트롭쉬 합성 반응기
(5) : 연료전지 전기 발생 장치
(6) : 메탄 열교환 공급배관
(21) : 제 1 열교환기
(22) : 제 2 열교환기
(31) : 고순도 수소 공급배관
(32) : 합성가스 공급배관
(61) : 제 3 열교환기

Claims (22)

  1. 공급된 천연가스(CH4)를 개질하여 H2/CO의 몰비가 3 : 1 이상인 합성가스를 생산하는 스팀 메탄 개질기와;
    상기 스팀 메탄 개질기에서 생성된 고온의 합성가스를 다단 열교환 시켜 낮아진 온도로 압력 변동 흡착 분리장치로 공급하도록 제1, 2 열교환기가 구비된 열교환 공급배관과;
    상기 열교환 공급배관에서 공급받은 합성가스를 H2/CO의 몰비가 2 : 1인 합성가스와 고순도 수소(H2)로 분리 후, 각각 합성가스 공급배관 및 고순도 수소 공급배관으로 공급하는 압력 변동 흡착 분리장치와;
    상기 압력 변동 흡착 분리장치에서 공급받은 H2/CO의 몰비가 2 : 1인 합성가스를 이용하여 액화시켜 합성석유를 생산하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와;
    상기 압력 변동 흡착 분리장치에서 공급받은 고순도 수소를 원료로 전기를 발생시키는 연료전지 전기 발생 장치와;
    상기 스팀 메탄 개질기에 공급되는 원료 메탄을 열교환시켜 승온 공급하도록 제 3 열교환기가 구비된 메탄 열교환 공급배관;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 장치.
  2. 청구항 1에 있어서
    상기 열교환 공급배관은 연료전지 전기발생장치로 공급되는 고순도 수소 공급배관과 열교환하여 압력 변동 흡착 분리장치에서 분리 정제되어 연료전지로 공급되는 고순도 수소를 가열하는 제 1 열교환기와, 합성석유를 제조하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기에 공급되는 합성가스 공급배관과 열교환하여 압력 변동 흡착 분리장치에서 분리 정제된 H2/CO의 몰비가 2 : 1인 합성가스를 가열하는 제 2 열교환기를 경유시켜 스팀 메탄 개질기의 생성물 합성가스를 낮아진 온도로 압력 변동 흡착 분리장치로 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 장치.
  3. 청구항 1에 있어서
    상기 메탄 열교환 공급배관은 상기 스팀 메탄 개질기에 공급되는 원료 메탄을 열교환 공급배관과 열교환하는 제 3 열교환기로 열교환시켜 승온 공급하도록 구성된 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 1 열교환기는 600 ~ 800 ℃로 공급된 고온의 합성가스가 연료전지에 공급되는 고순도 수소를 600 ℃ 이상으로 승온시키게 구성된 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제 1 열교환기는 코일형으로 구성되어 고순도 수소 공급배관의 직경에 따라 접촉되는 코일수나 면적을 조절하여 구성된 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 제 2 열교환기는 제 1 열교환기를 거친 합성가스가 피셔-트롭쉬 합성 반응기에 공급되는 합성가스를 200 ~ 250 ℃로 승온시키게 구성된 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제 2 열교환기는 코일형으로 구성되어 합성가스 공급배관의 직경에 따라 접촉되는 코일수나 면적을 조절하여 구성된 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 장치.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 3 열교환기는 제 2 열교환기를 거친 합성가스 온도를 100 ℃ 이하로 하강시킴과 동시에, 공급하는 메탄의 온도를 승온시키게 구성된 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제 3 열교환기는 코일형으로 구성되어 열교환 공급배관의 직경에 따라 접촉되는 코일수나 면적을 조절하여 구성된 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 압력 변동 흡착 분리장치는 제올라이트, 활성탄, 알루미나 중에서 선택된 어느 하나 이상의 흡착제로 충전된 2 ~ 12개 정도의 흡착탑으로 구성되어, 흡착 - 향류 감압 - 병류 감압 - 퍼지 - 가압의 스텝 구성으로 이루어지게 구성한 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 스팀 메탄 개질기에 공급되는 스팀과 메탄의 반응물 유속은 반응물 공간속도가 2,500 ~ 8,700 h-l인 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 장치.
  12. a) 공급된 천연가스(CH4)를 스팀 메탄 개질기로 개질하여 H2/CO의 몰비가 3 : 1 이상인 합성가스를 생산하는 단계와;
    b) 제1, 2 열교환기가 구비된 열교환 공급배관을 통해 상기 스팀 메탄 개질기에서 생성된 고온의 합성가스를 다단 열교환시켜 낮아진 온도로 압력 변동 흡착 분리장치로 공급하는 단계와;
    c) 상기 열교환 공급배관에서 공급받은 합성가스를 압력 변동 흡착 분리장치를 이용하여 H2/CO의 몰비가 2 : 1인 합성가스와 고순도 수소(H2)로 분리 후, 각각 피셔-트롭쉬 합성 반응기 및 연료전지 전기 발생 장치로 공급하는 단계와;
    d) 상기 압력 변동 흡착 분리장치에서 공급받은 H2/CO의 몰비가 2 : 1인 합성가스를 피셔-트롭쉬 합성 반응기로 액화시켜 합성석유를 생산하는 단계와;
    e) 상기 압력 변동 흡착 분리장치에서 공급받은 고순도 수소를 원료로하여 연료전지 전기 발생 장치가 전기를 발생시키는 단계;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    f) 상기 b) 단계후 상기 스팀 메탄 개질기에 공급되는 원료 메탄을 제 3 열교환기가 구비된 메탄 열교환 공급배관을 통해 열교환시켜 승온 공급하는 단계;를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 b)단계는,
    상기 열교환 공급배관에 설치된 제 1 열교환기를 통해 연료전지 전기발생장치로 공급되는 고순도 수소 공급배관과 열교환하여 압력 변동 흡착 분리장치에서 분리 정제되어 연료전지로 공급되는 고순도 수소를 가열하는 제 1 열교환 단계와;
    상기 열교환 공급배관에 설치된 제 2 열교환기를 통해 합성석유를 제조하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기에 공급되는 합성가스 공급배관과 열교환하여 압력 변동 흡착 분리장치에서 분리 정제된 H2/CO의 몰비가 2 : 1인 합성가스를 가열하는 제 2 열교환 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제 1열교환 단계는 제 1 열교환기를 통해 600 ~ 800 ℃로 공급된 고온의 합성가스가 연료전지 전기 발생 장치에 공급되는 고순도 수소를 600 ℃ 이상으로 승온시키는 단계인 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제 1 열교환기는 코일형으로 구성되어 연료전지 전기 발생 장치와 연결된 고순도 수소 공급배관의 직경에 따라 접촉되는 코일수나 면적을 조절하여 구성된 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 방법.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 제 2 열교환 단계는 제 2 열교환기를 통해 제 1 열교환기를 거친 합성가스가 피셔-트롭쉬 합성 반응기에 공급되는 합성가스를 200 ~ 250 ℃로 승온시키는 단계인 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 방법.
  18. 청구항 17에 있어서,
    상기 제 2 열교환기는 코일형으로 구성되어 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연결된 합성가스 공급배관의 직경에 따라 접촉되는 코일수나 면적을 조절하여 구성된 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 방법.
  19. 청구항 13에 있어서,
    상기 f)단계는 상기 제 3 열교환기가 제 2 열교환기를 거친 합성가스 온도를 100 ℃ 이하로 하강시킴과 동시에, 공급하는 메탄의 온도를 승온시키는 제 3 열교환 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 방법.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상기 제 3 열교환기는 코일형으로 구성되어 열교환 공급배관의 직경에 따라 접촉되는 코일수나 면적을 조절하여 구성된 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 방법.
  21. 청구항 12에 있어서,
    상기 c)단계에서 압력 변동 흡착 분리장치는 제올라이트, 활성탄, 알루미나 중에서 선택된 어느 하나 이상의 흡착제로 충전된 2 ~ 12개 정도의 흡착탑으로 구성되어, 흡착 - 향류 감압 - 병류 감압 - 퍼지 - 가압의 스텝 단계를 거치도록 구성한 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 방법.
  22. 청구항 12에 있어서,
    상기 a) 단계의 스팀 메탄 개질기에 공급되는 스팀과 메탄의 반응물 유속은 반응물 공간속도가 2,500 ~ 8,700 h-l인 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 합성 반응기와 연료전지를 이용한 합성석유와 전기의 동시 생산 방법.















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