KR101347195B1 - 전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소 건조시 전 유량(Full stream)을 사용하여 생산 공정과 재생 및 냉각 공정을 운영하는 방식의 흡착식 수소 정제 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 생산과 재생을 위해 유량을 분리하던 방식을 배제하고, 라인으로 유입되는 유량 전부를 생산(수분 흡착)과 재생(수분 탈착) 공정에 사용하는 새로운 형태의 수소 건조 방식을 구현함으로써, 전체적인 시스템의 레이아웃을 단순화할 수 있고, 경제적으로 또 효율적으로 시스템을 운용할 수 있는 전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템을 제공한다.

Description

전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템{Absorption type hydrogen purifying system using full stream operation}
본 발명은 전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전 유량(Full stream)을 사용하여 생산 공정과 재생 및 냉각 공정을 운영하는 방식의 흡착식 수소 정제 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 수소를 생산하기 위한 방법에는 전기분해, 탄화수소 연료의 부분 산화법, 오토서멀법, 수증기 개질법 등이 이용되고 있으며, 이 중에서 수증기 개질법이 큰 생산 용량과 우수한 생산 수율 등의 장점으로 가장 광범위하게 사용되고 있다.
그러나, 수증기 개질법에 의하여 생산되는 수소에는 이물질이나 증기 등의 수분이 포함되어 있으며, 따라서 저순도의 수소를 고순도의 수소로 정제하기 위하여 수소 건조 공정을 거쳐야 한다.
예를 들면, 수소 생산 설비에서 만들어진 수소에는 얻고자하는 수소 이외에 다른 불순물 가스가 포함되어 있으며, 특히 수증기 형태의 수분을 포함하고 있다.
이러한 수분을 제거하기 위해서는 주로 냉각기를 이용하게 되나, 이 경우에 가스의 순도를 99.5% 밖에 향상시킬 수 없게 되고, 이러한 점을 고려하여 물리, 화학적 방법을 이용하는 경우에는 수소의 순도를 향상시킬 수는 있으나, 장치의 대형화, 구조의 복잡성 및 부가 장치에서의 에너지 소비라는 문제점이 발생하게 된다.
이러한 점을 고려하여 흡착식으로 수소 속에 포함되어 있는 수분을 건조하는 시스템이 일부 제시되어 있으나, 현재 제시되어 있는 시스템들은 생산과 재생을 위해 오리피스 분배수단을 사용하여 유량을 분리하는 방식을 채택하고 있는 관계로 각 공정으로 유량의 분배가 부정확하게 일어나게 되는 등 공정의 효율성이 떨어지는 단점이 있다.
또한, 수소의 유동을 제어하기 위한 밸브류 등의 구성품 갯수가 많아짐은 물론 제어대상이 많아지게 되면서 시스템이 전체적으로 복잡해지고 제어에 어려움이 있는 등 시스템의 운영이 효율적이지 못한 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 생산과 재생을 위해 유량을 분리하던 방식을 배제하고, 라인으로 유입되는 유량 전부를 생산(수분 흡착)과 재생(수분 탈착) 공정에 사용하는 새로운 형태의 수소 건조 방식을 구현함으로써, 전체적인 시스템의 레이아웃을 단순화할 수 있고, 경제적으로 또 효율적으로 시스템을 운용할 수 있는 전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템은 다음과 같은 특징이 있다.
상기 전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템은 흡착제가 내장되어 있고 각각의 히터를 가지는 제1타워 및 제2타워와, 수소공급설비측으로부터 공급되는 수소의 흐름을 위한 메인라인과 이 메인라인상에 설치되는 제1세퍼레이터와, 상기 제1타워 및 제2타워의 상단측과 라인을 구성하면서 메인라인과 연결되는 제1밸브장치 및 제1타워 및 제2타워의 하단측과 라인을 구성하는 제2밸브장치와, 상기 제2밸브장치에서 분기된 후에 재차 합류하는 라인으로서 쿨러와 제2세퍼레이터가 설치되어 있는 유도라인 및 상기 제1밸브장치에서 분기되어 공정으로 연장되는 건조수소 공급라인을 포함하는 구조로 이루어진다.
따라서, 상기 전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템은 수소공급설비측으로부터 유입되는 수소 유량 전부를 생산과 재생 공정에 사용하는 방식으로 운전되므로서, 시스템 단순화 및 수소 건조 효율 향상 등의 효과를 얻을 수 있는 특징이 있다.
여기서, 상기 전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템의 제1밸브장치 및 제2밸브장치는 4개의 2-웨이 밸브를 조합한 형태로서, 각 2-웨이 밸브의 ON/OFF 상태에 따라 공기의 흐름방향을 적절히 전환시킬 수 있는 구조로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템의 제1타워와 제2타워는 서로의 역할을 바꾸어가면서 재생 공정과 생산 공정을 순차적으로 수행할 수 있는 방식으로 운전되도록 하는 것이 바람직하며, 이러한 운전방식에 있어 생산 공정시 타워의 Bottom-up 방식으로 수소의 유동이 이루어지도록 하고, 재생(가열 및 냉각) 공정시 타워의 Top-down 방식으로 공기의 유동이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명에서 제공하는 전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템은 다음과 같은 장점이 있다.
첫째, 재생을 위한 오리피스 분배기나 밸브류 등이 없어지므로 구조가 간단해진다.
둘째, 분기된 수소가 재생을 마친 후에 퍼지되지 않으므로 경제적이다.
셋째, 재생 후 토출된 수소가 생산에 재유입되는 구조이므로 유동경로가 단순해진다.
넷째, 재생을 위한 분기가 없기 때문에 유량 변동이 없고, 차압손실이 적게 발생된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템을 나타내는 개략도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템에서 재생(가열 및 냉각) 및 생산 공정시 수소 흐름의 일 예를 나타내는 개략도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템에서 재생(가열 및 냉각) 및 생산 공정시 수소 흐름을 다른 예를 나타내는 개략도
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템을 나타내는 개략도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 상기 전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템은 수소공급설비에 공급되는 수소의 전체 유량을 수분 흡착을 위한 생산 공정 및 수분 탈착을 위한 재생(가열 및 냉각) 공정에 사용하는 시스템, 즉 단일 경로를 가지는 넌 퍼지(Non-purge) 방식의 수소 정제 시스템으로서, 메인라인의 단일 경로를 통해 생산과 재생 공정을 수행함으로써, 시스템 구조 단순화를 도모할 수 있고, 시스템 운영의 효율성을 높일 수 있는 시스템으로 이루어진다.
이를 위하여, 소정의 흡착제, 예를 들면 몰레큐라 시브 등과 같은 흡착제가 충전되어 있는 제1타워(11a) 및 제2타워(11b)와 각 타워로 수소를 공급하기 위한 수소공급설비(18)가 마련되고, 상기 수소공급설비(18)측으로부터 공급되는 수소 유량 전부를 각 타워로 진행시키기 위한 라인으로서 메인라인(12)이 마련된다.
또한, 상기 제1타워(11a)와 제2타워(11b)에는 재생 공정시 타워 내 온도를 재생에 필요한 온도로 상승시키기 위한 수단으로 제1히터(10a)와 제2히터(10b)가 각각 내장되는 구조로 설치된다.
그리고, 상기 메인라인(12)은 수소공급설비(18)로부터 연장되어 후술하는 제1밸브장치(14a)측으로 연결되고, 이때의 메인라인(12)상에는 수소 속에 포함되어 있는 수분을 분리하기 위한 제1세퍼레이터(13a)가 설치된다.
여기서, 상기 제1세퍼레이터(13a)는 수소 속에 포함되어 있는 수분을 분리하기 위한 것으로서, 보통 사이클론 타입을 사용하며 사용 목적에 따라 추가적으로 디미스터를 설치하여 적용할 수 있게 된다.
또한, 상기 히터(10a,10b)는 재생 공정이 이루어지는 타워의 온도를 높여주는 수단으로서, 수소 자체만으로의 부족한 열량을 공급해주게 되며, 히터(10a,10b)의 ON시 타워를 통과하는 수소는 약 150∼200℃ 정도의 온도까지 상승되어 흡착제로부터 수분을 탈착시켜줄 수 있게 된다.
물론, 이때의 히터(10a,10b)는 가열 재생 공정시 ON 상태를 유지하지만, 냉각 재생 공정시 및 생산 공정시에는 OFF 상태가 된다.
한편, 2개의 타워를 운영하는 시스템에서 각각의 타워를 적절히 교대로 가동하기 위하여, 수소 유로를 각 공정 상태 및 타워 가동 상태에 맞게 전환시켜주기 위한 수단으로 제1밸브장치(14a)와 제2밸브장치(14b)가 마련된다.
상기 밸브장치는 4개의 밸브, 예를 들면 4개의 2-웨이 밸브를 조합한 형태로서, 각 밸브의 ON/OFF 상태에 따라 수소의 흐름방향이 적절히 전환될 수 있게 된다.
예를 들면, 4개의 밸브 중 2개씩 교대로 ON 작동상태 및 OFF 작동상태를 유지하면서 수소의 흐름을 적절히 전환시켜줄 수 있게 된다.
즉, 제1타워(11a)는 생산 공정, 제2타워(11b)는 재생(가열 및 냉각) 공정을 수행하는 경우, 제1밸브장치(14a)에서는 2개의 밸브(14a-1, 14a-4)가 ON 작동 및 나머지 2개의 밸브(14a-2,14a-3)가 OFF 작동되면서 제1타워(11a)의 상부로부터 나오는 수소가 제1밸브장치(14a)로 들어오는 동시에 제1밸브장치(14a)로부터 나가는 수소가 제2타워(11b)의 상부로 들어가게 된다.
그리고, 제2밸브장치(14b)에서도 2개의 밸브(14b-1, 14b-4)가 ON 작동 및 나머지 2개의 밸브(14b-2,14b-3)가 OFF 작동되면서 제2타워(11b)의 하부로부터 나오는 수소가 제2밸브장치(14b)로 들어오는 동시에 제2밸브장치(14b)로부터 나가는 수소가 제1타워(11a)의 하부로 들어가게 된다.
한편, 제1타워(11a)는 재생(가열 및 냉각) 공정, 제2타워(11b)는 생산 공정을 수행하는 경우, 제1밸브장치(14a)에서는 2개의 밸브(14a-2, 14a-3)가 ON 작동 및 나머지 2개의 밸브(14a-1,14a-4)가 OFF 작동되면서 제2타워(11b)의 상부로부터 나오는 수소가 제1밸브장치(14a)로 들어오는 동시에 제1밸브장치(14a)로부터 나가는 수소가 제1타워(11a)의 상부로 들어가게 된다.
그리고, 제2밸브장치(14b)에서도 2개의 밸브(14b-2, 14b-3)가 ON 작동 및 나머지 2개의 밸브(14b-1,14b-4)가 OFF 작동되면서 제1타워(10a)의 하부로부터 나오는 수소가 제2밸브장치(14b)로 들어오는 동시에 제2밸브장치(14b)로부터 나가는 수소가 제2타워(10b)의 하부로 들어가게 된다.
그리고, 각 밸브장치에는 수소가 들어오고 나가는 4개의 라인이 각각 연결되고, 이렇게 연결되는 각 라인을 통해 밸브장치 라인 내로 들어온 수소가 방향이 전환되어 나갈 수 있게 된다.
이러한 제1밸브장치(14a)는 제1타워(11a) 및 제2타워(11b)의 상단측과 라인을 구성하면서 메인라인(12)과 연결되고, 제2밸브장치(14b)는 제1타워(11a) 및 제2타워(11b)의 하단측과 라인을 구성하게 된다.
예를 들면, 상기 제1타워(11a) 및 제2타워(11b)의 상단측으로부터 연장되는 2개의 라인은 제1밸브장치(14a)에 각각 연결되고, 제1타워(11a) 및 제2타워(11b)의 하단측으로부터 연장되는 2개의 라인은 제2밸브장치(14b)에 각각 연결된다.
이러한 제1밸브장치(14a) 및 제2밸브장치(14b)와 연계하여 라인을 구성하고 있는 제1타워(11a)와 제2타워(11b)에서는 소정 방식의 수소 유동이 이루어지게 된다.
예를 들면, 제1타워(11a) 및 제2타워(11b)에서 생산 공정이 이루어지는 상태에서는 수소의 흐름이 Bottom-up 방식으로 이루어지게 된다.
즉, 타워 하부에서 수소가 유입되어 건조 후 타워 상부로 배출될 수 있게 된다.
그리고, 제1타워(11a) 및 제2타워(11b)에서 재생 및 냉각 공정이 이루어지는 상태에서는 수소의 흐름이 Top-down 방식으로 이루어지게 된다.
즉, 타워 상부에서 수소가 유입되어 재생이나 냉각 후 타워 하부로 배출될 수 있게 된다.
특히, 상기 제2밸브장치(14b)에는 재생(가열 및 냉각) 공정을 마친 수소를 냉각시켜주고 또 수분을 분리시켜주는 수단으로 유도라인(16)이 연결된다.
상기 유도라인(16)은 제2밸브장치(14b)에서 분기된 후에 재차 합류하는 라인구성의 형태를 가지게 되며, 이때의 유도라인(16)에는 쿨러(15)와 제2세퍼레이터(13b)가 차례로 설치된다.
여기서, 상기 쿨러(15)는 타워에서 재생(가열 및 냉각)을 마친 고온 상태의 수소를 약 40℃ 이하로 냉각시켜주게 되고, 상기 제2세퍼레이터(13b)는 쿨러(15)를 거쳐 냉각된 수소 속에 포함되어 있는 수분을 분리해주게 된다.
그리고, 상기 제1밸브장치(14a)에서 분기되어 사용처의 각 공정으로 연장되는 건조수소 공급라인(17)이 마련되고, 이때의 라인을 통해 공급되는 건조공기는 발전기 등의 각 사용처로 보내져 쓰일 수 있게 된다.
따라서, 이와 같이 구성되는 전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템에 대한 운전상태를 살펴보면 다음과 같다.
상기 전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템은 수소공급설비로부터 유입되는 수소 유량 전부를 생산과 재생(가열 및 냉각) 공정에 사용하는 방식으로 운전된다.
즉, 본 발명의 시스템에서는 라인의 분기없이 하나의 단일 경로로 이루어진 메인 라인 및 각 밸브장치의 라인을 통해 흐르는 수소 유량 전부를 재생 공정과 생산 공정을 위한 각 타워로 공급하여 각 공정을 연계적으로 수행할 수 있게 된다.
이를 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템에서 재생(가열 및 냉각) 및 생산 공정시 수소 흐름의 일 예를 나타내는 개략도이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 여기서는 제1타워(11a)에서는 생산 공정이 이루어지고, 제2타워(12b)에서는 재생(가열 및 냉각) 공정이 이루어지는 운전상태를 보여주며, 이때의 제1타워(11a)의 히터(10a)는 OFF 상태, 제2타워(11b)의 히터(10b)는 ON 상태로 설정된다.
그리고, 건조 수소의 생산은 Buttom-up 방식을 이용하게 되는 동시에 재생(가열 및 냉각) 공정시 공기의 유동 방식은 Top-down 방식으로 이루어지게 된다.
먼저, 수소공급설비(18)로부터 유입되는 수소 전체 유량은 메인라인(12)을 따라 진행되고, 계속해서 제1밸브장치(14a)를 경유한 후에 제2타워(11b)의 상부를 통해 유입된다.
다음, 상기 제2타워(11b)로 유입된 수소는 히터(10b)의 작동에 의해 약 150∼200℃ 정도의 온도로 상승되어 있는 분위기에서 그 내부에 충전되어 있는 흡착제의 수분을 탈착시키게 되고, 계속해서 제2타워(11b)의 하부를 통해 빠져나가게 된다.
다음, 제2타워(11b)를 빠져나온 수소는 제2밸브장치(14b)에서 방향전환이 이루어지면서 유도라인(16)을 경유하게 되고, 이렇게 유도라인(16)을 경유하는 동안에 쿨러(15) 및 제2세퍼레이터(13b)에 의해 냉각 및 수분 분리가 이루어지게 된다.
다음, 소정의 온도, 예를 들면 약 40℃ 이하로 내려가고 또 수분이 분리된 수소는 제2밸브장치(14b)를 거쳐 제1타워(11a)의 하부로부터 유입되고, 이곳에서 흡착제와 접촉하면서 수분이 완전히 제거되어 건조한 수소로 바뀌게 된다.
다음, 제1타워(11a)의 상부를 통해 빠져나온 건조한 수소는 제1밸브장치(14a)를 통과한 후에 건조공기 공급라인(17)을 거쳐 각종 사용처로 보내지게 된다.
한편, 상기 제2타워(11b)에 대한 재생(가열) 공정이 종료되면 흡착제 및 타워의 온도를 내려주기 위해 히터(10b)를 OFF시킨 상태에서 위의 과정을 반복하면서 재생(냉각) 공정 및 생산 공정을 수행하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템에서 재생(가열 및 냉각) 및 생산 공정시 수소 흐름을 다른 예를 나타내는 개략도이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 여기서는 제1타워(11a)에서는 재생(가열 및 냉각) 공정이 이루어지고, 제2타워(11b)에서는 생산 공정이 이루어지는 운전상태를 보여준다.
즉, 제2타워(11b)에 대한 재생(가열 및 냉각) 공정이 종료되면 제1타워(11a)와 임무를 교대하는 방식으로 제2타워(11b)는 건조 수소를 생산하는 공정을 수행하게 된다.
그리고, 상기 제1타워(11a)의 히터(10a)는 ON 상태, 제2타워(11b)의 히터(10b)는 OFF 상태로 설정된다.
먼저, 수소공급설비(18)로부터 유입되는 수소 유량 전부는 메인라인(12)을 따라 진행되고, 계속해서 제1밸브장치(14a)를 경유한 후에 제1타워(11a)의 상부를 통해 유입된다.
다음, 상기 제1타워(11a)로 유입된 수소는 히터(10a)의 작동에 의해 약 120∼250℃ 정도의 온도로 상승되어 있는 분위기에서 그 내부에 충전되어 있는 흡착제의 수분을 탈착시키게 되고, 계속해서 제1타워(11a)의 하부를 통해 빠져나가게 된다.
다음, 제1타워(11a)를 빠져나온 수소는 제2밸브장치(14b)에서 방향전환이 이루어지면서 유도라인(16)을 경유하게 되고, 이렇게 유도라인(16)을 경유하는 동안에 쿨러(15) 및 제2세퍼레이터(13b)에 의해 냉각 및 수분 분리가 이루어지게 된다.
다음, 소정의 온도, 예를 들면 약 40℃ 이하로 내려가고 또 수분이 분리된 수소는 제2밸브장치(14b)를 거쳐 제2타워(11b)의 하부로부터 유입되고, 이곳에서 흡착제와 접촉하면서 수분이 완전히 제거되어 건조한 수소로 바뀌게 된다.
다음, 제2타워(11b)의 상부를 통해 빠져나온 건조한 수소는 제1밸브장치(14a)를 통과한 후에 건조공기 공급라인(17)을 거쳐 각종 사용처로 보내지게 된다.
그리고, 상기 제1타워(11a)에 대한 재생(가열) 공정이 종료되면 흡착제 및 타워의 온도를 내려주기 위해 히터(10a)를 OFF시킨 상태에서 위의 과정을 반복하면서 재생(냉각) 공정 및 생산 공정을 수행하게 된다.
이와 같이, 본 발명에서는 수소공급설비로부터 유입되는 수소 유량 전부를 단일 경로를 통해 유동시키면서 재생(가열 및 냉각) 공정과 생산 공정을 연계적으로 수행하는 전 유량(Full stream) 방식의 넌 퍼지 구조 및 단일 경로 구조를 가지는 흡착식 수소 정제 시스템을 구축함으로써, 시스템 전체 구조를 단순화할 수 있고, 결국 건조 수소 생산과 관련한 시스템 운영의 효율성을 향상시킬 수 있다.
10a,10b : 히터 11a : 제1타워
11b : 제2타워 12 : 메인라인
13a : 제1세퍼레이터 13b : 제2세퍼레이터
14a : 제1밸브장치 14b : 제2밸브장치
15 : 쿨러 16 : 유도라인
17 : 건조수소 공급라인 18 : 수소공급설비

Claims (4)

  1. 흡착제가 내장되어 있고 각각의 히터(10a,10b)를 가지는 제1타워(11a) 및 제2타워(11b);
    수소공급설비측으로부터 공급되는 수소의 흐름을 위한 메인라인(12)과 이 메인라인(12)상에 설치되는 제1세퍼레이터(13a);
    상기 제1타워(11a) 및 제2타워(11b)의 상단측과 라인을 구성하면서 메인라인(12)과 연결되는 제1밸브장치(14a) 및 제1타워(14a) 및 제2타워(11b)의 하단측과 라인을 구성하는 제2밸브장치(14b);
    상기 제2밸브장치(14b)에서 분기된 후에 재차 합류하는 라인으로서 쿨러(15)와 제2세퍼레이터(13b)가 설치되어 있는 유도라인(16) 및 상기 제1밸브장치(14a)에서 분기되어 공정으로 연장되는 건조수소 공급라인(17);
    을 포함하며, 수소공급설비측으로부터 유입되는 수소 유량 전부를 생산과 재생 공정에 사용하는 방식으로 운전되는 것을 특징으로 하는 전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1밸브장치(14a) 및 제2밸브장치(14b)는 4개의 2-웨이 밸브를 조합한 형태로서, 각 2-웨이 밸브의 ON/OFF 상태에 따라 공기의 흐름방향을 적절히 전환시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1타워(11a)와 제2타워(11b)는 서로의 역할을 바꾸어가면서 재생 공정과 생산 공정을 순차적으로 수행할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    생산 공정시 타워의 Bottom-up 방식으로 수소의 유동이 이루어지게 되고, 재생(가열 및 냉각) 공정시 타워의 Top-down 방식으로 공기의 유동이 이루어지게 되는 것을 특징으로 하는 전 유량 운전방식의 흡착식 수소 정제 시스템.
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