KR101447334B1

KR101447334B1 - 탈황 장치

Info

Publication number: KR101447334B1
Application number: KR1020120151301A
Authority: KR
Inventors: 신철주; 이현수; 김기선
Original assignee: 포스코에너지 주식회사
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2014-10-06
Also published as: KR20140081491A

Abstract

본 발명에 따른 탈황 장치는, 탈황 촉매가 내부에 구비되는 반응기, 반응기로 연료를 공급하는 공급관, 및 반응기로부터 연료를 배출하는 배출관을 포함하며, 여기서 탈황 촉매는 연료가 유입되는 유입단과 연료가 유출되는 유출단을 가지고, 공급관은 연료를 반응기의 내부로 분사하는 분사구를 가지며, 분사구는 유입단에서 유출단을 향하는 기준 방향으로부터 기준 방향의 반대 방향으로 소정 각도만큼 기울어진다.

Description

탈황 장치 {DESULFURIZER}

본 발명은 탈황 장치에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 탈황 촉매가 구비되는 반응기를 콤팩트하게 만들 수 있는 탈황 장치에 관한 것이다.

연료전지는 화학에너지를 전기화학반응에 의해 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다. 다시 말해, 연료전지는 연료극에서의 수소산화반응과 공기극에서의 산소환원반응을 통해 화학에너지를 전기에너지로 직접 변환하는 장치이다. 이와 같이 전기에너지(즉, 전기)를 생산하는 연료전지 시스템은 크게 연료전지 스택(stack), MBOP(Mechanical Balance of Plant), EBOP(Electrical Balance of Plant)를 포함한다. 여기서 연료전지 스택은 전기화학반응으로 전기를 생산하는 구성이고, MBOP는 연료전지 스택으로 수소와 공기를 공급하는 구성이며, EBOP는 연료전지 스택에서 생산한 직류전기를 교류전기로 변환하여 필요한 곳으로 공급하는 구성이다.

그런데 연료전지 스택에서 전기화학반응으로 전기를 생산하려면 연료전지 스택의 연료극으로 수소를, 그리고 연료전지 스택의 공기극으로 공기(산소)를 공급할 필요가 있다. 이와 같이 수소와 공기를 공급받아 전기에너지(즉, 전기)를 생산하는 연료전지는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell)가 대표적이다.

도 2를 참조하여 이하에서 용융탄산염 연료전지와 같은 고온형 연료전지에 대해 상술한다. 연료전지(10)의 연료극(11)으로 공급되는 수소는 일반적으로 메탄(CH₄)과 같은 탄화수소를 개질하여 얻는다. (탄화수소는 일반적으로 천연가스나 LPG와 같은 연료전지용 연료에 의해 공급된다.) 이와 같이 탄화수소를 수소로 개질하는 개질 반응은 물을 필요로 하는 반응이다. 그러나 액상의 물은 개질 촉매에 손상을 줄 수 있다. 따라서 개질 반응에는 기상의 물이 공급되어야 한다.

이와 같이 기상의 물을 공급하기 위해 일반적으로 가습 열교환기(미도시)가 사용된다. 가습 열교환기는 물을 공급받은 다음에 이를 공기극으로부터 배기되는 공기극 배기가스와 열교환을 시켜 액상의 물을 기상의 물로 기화시킨다. 이와 같이 가습 열교환기는 공기극 배기가스와의 열교환을 통해 액상의 물을 기상의 물로 기화시킨다. 이와 같이 생성된 기상의 물은 연료와 혼합된다. 이와 같이 기상의 물로 가습된 연료는 전개질기(pre-reformer)나 내부개질기(internal reformer)를 통해 수소로 개질된다.

연료극(11)에 수소를 공급하는 것과 동일하게 공기극(12)에는 공기(산소)를 공급한다. 이와 같은 공기는 대기 중에서 얻을 수 있다. 그런데 공기는 공기극(12)으로 공급되기 전에 적당한 온도로 가열되는 것이 바람직하다. 이와 같은 가열을 위해 촉매 연소기(20)가 사용된다. 촉매 연소기(20)는 연료극(11)으로부터 배기되는 연료극 배기가스를 이용하여 공기를 가열한다. 모든 연료(수소)가 연료극(11)에서 반응을 하는 것은 아니다. 즉, 연료극 배기가스는 반응을 하지 않은 채로 배출되는 연료를 일부 포함한다. 촉매 연소기(20)는 이와 같은 연료를 이용하여 공기를 가열한다.

한편, 천연가스는 일반적으로 냄새가 나지 않기 때문에 안전을 위해 냄새가 나도록 부취제를 포함한다. 이와 같은 부취제는 일반적으로 황(또는 황화합물)을 포함한다. 그런데 황(또는 황화합물)은 개질 촉매에 손상을 줄 수 있으므로 개질 전에 천연가스와 같은 연료 중의 황을 제거할 필요가 있다. 이와 같이 황(또는 황화합물)을 제거하기 위해 일반적으로 탈황 장치가 사용된다.

탈황 장치는 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 탈황 촉매(20)가 구비되는 반응기(10)를 포함한다. 이와 같은 반응기(10)로 공급관(30)을 통해 천연가스와 같은 연료를 공급한다. 그런데 종래의 탈황 장치는 연료가 공급관(30)을 통해 탈황 촉매(20)로 공급되는 방향과 연료가 탈황 촉매(20)를 따라 흐르는 방향이 서로 동일하다. 예를 들어, 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 연료는 공급관(30)을 통해 상측에서 하측으로 공급된 다음에 상측에서 하측으로 탈황 촉매(20)를 따라 흐른다.

그러나 이와 같이 연료가 공급되면 연료가 바로 탈황 촉매(20)로 유입되기 때문에 탈황 촉매(20)의 상측 측부(D)는 거의 반응에 참여하지 못한다. 이에 따라 종래에는 탈황 촉매(또는 반응기)를 크게 만들 수밖에 없었다. 즉, 종래에는 탈황 촉매의 상측 측부와 같이 반응에 참여하지 못하는 부분을 보상하기 위해 탈황 촉매(또는 반응기)를 크게 만들 수밖에 없었다.

따라서 본 발명은 위와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 과제는 탈황 촉매가 구비되는 반응기를 콤팩트하게 만들 수 있는 탈황 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 탈황 장치는, 연료를 공급하는 공급관의 분사구가 탈황 촉매의 유입단에서 탈황 촉매의 유출단을 향하는 기준 방향으로부터 기준 방향의 반대 방향으로 소정 각도만큼 기울어지기 때문에, 연료가 충분히 확산된 다음에 탈황 촉매의 유입단으로 유입될 수 있어 탈황 촉매를 구비하는 반응기를 콤팩트하게 만들 수 있다는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탈황 장치를 도시하고 있는 단면도
도 2는 일반적인 연료전지 시스템을 도시하고 있는 블록도
도 3은 종래기술에 따른 탈황 장치를 도시하고 있는 단면도

이하에서는 첨부의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명이 이하의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에 따른 탈황 장치는 연료 중의 황을 제거하는 장치에 적용될 수 있으며, 특히 연료전지의 개질기(전개질기나 내부개질기)로 공급될 연료로부터 사전에 황을 제거하는 장치에 적용될 수 있다. 이하에서 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 탈황 장치를 상술한다. 여기서 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탈황 장치를 도시하고 있는 단면도이다.

도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 탈황 장치는 기본적으로 탈황 장치의 동체(shell)를 이루는 반응기(110)를 포함한다. 이와 같은 반응기(110)는 내부에 탈황 촉매(120)를 구비한다. 탈황 촉매(120)는 연료와 반응하여 연료에 포함된 황(황화합물)을 제거한다.

참고로, 탈황 장치는 일반적으로 상온흡착 방식이나 수첨탈황 방식을 통해 황을 제거한다. 상온흡착 방식은 상온에서 황을 제거하는 방식을 말하고, 수첨탈황 방식은 황을 수소와 반응시켜 황을 제거하는 방식을 말한다.

여기서 상온흡착 방식은 상온에서 탈황이 이루어지기 때문에 가열 장치를 별도로 구비할 필요가 없다는 장점이 있으나, 황의 제거 성능이 낮고 촉매의 교체 주기가 짧다는 단점이 있다. 이에 반해 수첨탈황 방식은 황의 제거 성능이 높고 촉매의 교체 주기가 길다는 장점이 있으나, 고온에서 탈황이 이루어지기 때문에 가열 장치를 별도로 구비할 필요가 있다는 단점이 있다.

한편, 반응기(110)는 공급관(130)을 통해 연료를 공급받는다. 이와 같이 반응기(110)로 연료를 공급하기 위해 공급관(130)은 반응기(110)의 내부로 연료를 분사하는 분사구(131)를 구비한다. 여기서 분사구(131)는 단순히 일종의 구멍일 수 있다. 이때 분사구(131)는 필요에 따라 원형, 삼각형 또는 사각형의 구멍일 수 있다. 또는 분사구(131)는 일종의 노즐일 수 있다.

이와 같이 분사구(131)에 의해 공급된 연료는 반응기(110)의 내부에서 탈황 촉매(120)와 반응한다. 이와 같은 반응 후에 연료는 배출관(140)을 통해 반응기(110)로부터 외부로 배출된다. 참고로, 공급관(130)이나 배출관(140)은 반응기(110)와 일체로 형성될 수도 있고 별개로 형성될 수도 있다.

그런데 탈황 촉매(120)는 연료가 유입되는 유입단(121)과 연료가 유출되는 유출단(122)을 가진다. 여기서 유입단(121)은 탈황 촉매(120)가 시작되는 부분으로, 그리고 유출단(122)은 탈황 촉매(120)가 끝나는 부분으로 설명될 수 있다. 즉, 도 1을 기준으로 유입단(121)은 탈황 촉매(120)의 상단으로, 그리고 유출단(122)은 탈황 촉매(120)의 하단으로 설명될 수 있다.

다시 말해, 연료는 탈황 촉매(120)의 유입단(121)을 통해 탈황 촉매(120)로 유입되고, 탈황 촉매(120)의 유출단(122)을 통해 탈황 촉매(120)로부터 유출된다. 이에 따라 연료는 대체적으로 탈황 촉매(120)의 유입단(121)에서 탈황 촉매(120)의 유출단(122)을 향하는 방향(이하, 기준 방향이라 한다)으로 흐른다.

예를 들어, 도 1을 기준으로 연료는 탈황 촉매(120)에서 대체적으로 상측에서 하측을 향하는 방향으로 흐른다. 참고로, 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 유입단(121)과 유출단(122)은 일반적으로 반응기(110)의 길이 방향에 수직한 방향(도 1을 기준으로 좌우 방향)에 평행하므로 기준 방향(N)은 일반적으로 반응기(110)의 길이 방향에 대응한다.

그런데 연료가 분사되는 분사구(131)는 기준 방향(N)으로부터 기준 방향의 반대 방향(R)으로 소정 각도만큼 기울어진다. 즉, 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 연료가 분사되는 분사구(131)는 기준 방향(N)으로부터 기준 방향의 반대 방향(R)으로 θ만큼 기울어진다.

이와 같이 분사구(131)가 θ만큼 기울어지면, 연료가 분사구(131)를 통해 탈황 촉매(120)로 분사되는 방향(결국, 분사구가 향하는 방향)과 연료가 탈황 촉매(120)를 따라 흐르는 방향(결국, 기준 방향)이 서로 달라진다. 이와 같이 연료가 분사되는 방향과 연료가 흐르는 방향이 서로 달라지면 연료가 충분히 확산된 다음에 탈황 촉매(120)의 유입단(121)으로 유입될 수 있다.

즉, 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 분사구(131)로부터 분사된 연료는 양측으로 충분히 확산된 다음에 탈황 촉매(120)의 유입단(121)으로 유입된다. 이와 같이 연료가 충분히 확산된 다음에 탈황 촉매(120)의 유입단(121)으로 유입되면 탈황 촉매(120)의 대부분에서 반응이 일어날 수 있다. 즉, 종래에 반응이 거의 일어나지 않던 유입단(121)의 양단 부분에서도 활발하게 반응이 일어날 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 따른 탈황 장치는 공급관(130)의 분사구(131)가 기준 방향(N)으로부터 기준 방향의 반대 방향(R)으로 소정 각도만큼 기울어지기 때문에 연료가 충분히 확산된 다음에 탈황 촉매(120)의 유입단(121)으로 유입될 수 있다. 이에 따라 본 실시예에 따른 탈황 장치는 반응이 일어나지 않는 데드 에어리어(dead area)를 줄일 수 있으며, 이의 결과로 반응 촉매(또는 반응기)를 상대적으로 콤팩트하게 만들 수 있다.

참고로, 도 1은 기준 방향(N)으로부터 기준 방향의 반대 방향(R)으로 90도만큼 기울어진 분사구(131)를 예시하고 있다. 이와 같이 분사구(131)가 90도만큼 기울어지면 연료의 확산에 보다 유리하다는 장점이 있다. 즉, 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 분사구(131)가 90도만큼 기울어지면 연료가 수평 방향으로 넓게 확산될 수 있다. 다만, 분사구(131)가 90도보다 크게 기울어지면 연료가 분사구(131)로부터 원활하게 분사되지 않을 수도 있다.

그리고 본 실시예에 따른 탈황 장치는 분사구(131)가 다공성 물질을 포함할 수도 있다. 이와 같이 분사구(131)가 다공성 물질을 포함하면 연료가 다공성 물질의 수많은 구멍을 통과하며 분사구(131)로부터 분사되기 때문에 연료가 보다 넓게 확산될 수 있다는 장점이 있다.

또한 본 실시예에 따른 탈황 장치는 공급관(130)이 반응기(110)의 상측으로 연료를 공급하고 배출관(140)이 반응기(110)의 하측으로부터 연료를 배출할 수 있다. 즉, 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 본 실시예에 따른 탈황 장치는 반응기(110)의 상측에 공급관(130)이 구비될 수 있고 반응기(110)의 하측에 공급관(130)이 구비될 수 있다.

천연가스와 같은 연료는 공기보다 가볍다. 따라서 하측에서 천연가스와 같은 연료가 공급되면 천연가스와 같은 연료가 넓게 확산되기 어렵다. 그러나 도 1에서 도시하고 있는 것과 같이 연료를 상측에서 하측으로 공급하면 연료가 공기보다 가볍다고 하더라도 보다 넓게 확산될 수 있다는 장점이 있다.

110: 반응기 120: 탈황 촉매
121: 유입단 122: 유출단
130: 공급관 131: 분사구
140: 배출관

Claims

탈황 촉매가 내부에 구비되는 반응기, 상기 반응기로 연료를 공급하는 공급관, 및 상기 반응기로부터 연료를 배출하는 배출관을 포함하며,
상기 탈황 촉매는 상기 연료가 유입되는 유입단과 상기 연료가 유출되는 유출단을 가지고, 상기 공급관은 상기 연료를 상기 반응기의 내부로 분사하는 분사구를 가지며, 상기 분사구는 상기 유입단에서 상기 유출단을 향하는 기준 방향으로부터 상기 기준 방향의 반대 방향으로 소정 각도만큼 기울어지고, 또한 상기 분사구는 상기 연료를 확산시키기 위해 다공성 물질을 구비하는 것을 특징으로 하는 탈황 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 분사구는 상기 기준 방향으로부터 상기 기준 방향의 반대 방향으로 90도만큼 기울어진 것을 특징으로 하는 탈황 장치.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 공급관은 상기 반응기의 상측으로 연료를 공급하고, 상기 배출관은 상기 반응기의 하측으로부터 연료를 배출하는 것을 특징으로 하는 탈황 장치.
삭제