KR101450343B1 - 수소 생성을 위한 이중 압력 하이브리드 유황 분해방법 - Google Patents

수소 생성을 위한 이중 압력 하이브리드 유황 분해방법 Download PDF

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Abstract

다중 압력 하이브리드 유황 공정(2)은 1 MPa 내지 9 MPa의 압력으로 동작하여 기체 H2SO4를 형성하는 예열기/기화기 반응기(20)로 액체 H2SO4를 제공하는 적어도 하나의 전해조(16)를 포함하고, 이때, 기체 H2SO4는 7 MPa 내지 9 MPa의 압력에서 동작하는 분해 반응기(12)로 보내지며, 분해된 H2SO4가 바람직하게 0.1 MPa 내지 7 MPa의 압력에서 동작하는 적어도 하나의 스크러버부(14) 및 적어도 하나의 전해조(16) 모두로 보내지며, 여기서 연동된 랜킨 싸이클 전력 변환부(50)가 전기를 공급한다.
유황 공정, 이중 압력 하이브리드 유황 공정, 랜킨 싸이클, 전해조, 예열기/기화부

Description

수소 생성을 위한 이중 압력 하이브리드 유황 분해방법{HYBRID SULFUR DECOMPOSITION METHOD FOR HYDROGEN GENERATION PROCESS WITH DUAL PRESSURE MULTI STAGE ELECTROLYSIS}
본 출원은 2006년 7월 17일 출원된 가출원 제 60/831,332호의 우선권을 주장한다.
유황 싸이클(sulfur cycle)은 고온 가열원으로부터 고온의 열 에너지를 사용하여, 수소를 생성할 수 있는 일련의 열화학적 공정이다. 도 1의 웨스팅하우스 유황 공정(WSP: HyS 또는 하이브리드 유황 공정(Hybrid Sulfur Process)으로도 알려짐) 및 도 2의 유황 요오드(S/I) 공정은 그러한 범주에 있는 2 가지의 공정이다. 고온 가열원은 고온기체냉각원자로(High-Temperature Gas-Cooled Nuclear Reator; HTGR) 또는 천연가스 사용 연소기와 같이, 약 800℃ 이상의, 사용을 위해 이용가능한 열을 생성하는 것을 말한다.
웨스팅하우스 유황 공정은 아황산으로부터 황산과 수소가 생성되는 저온의 전기화학적 단계에서 수소를 생성한다. 이러한 반응은 약 60℃에서, 약 500 ma/sq.cm의 전류 밀도로 0.17 볼트 내지 0.6 볼트에서 일어날 수 있다. 싸이클의 제 2 단계는 760℃ 이상에서의 황산의 고온 분해 단계이다. 웨스팅 하우스에 의한 상기 작업은 PBMR과 같은 HTGR과 연동하여 이러한 반응을 수행하기 위해 정의된 촉매와 공정 설계를 포함한다. 이러한 공정의 최종 단계는 실온에서 물속의 SO2를 흡수하여 SO2가 없는 O2의 흐름과 아황산을 형성하는 것이다. 이는 여기에 "표준 WSP"로 정의된 잘 알려진 공정이다.
(1) H2SO4 ↔ SO3 + H2O ↔ SO2 + 0.5O2 + H2O (760℃ 보다 큰 열 필요)
(2) SO2 + 2H2O + 0.5O2 ↔ H2SO3 + H2O + 0.5O2 (T<100℃); 및
(3) H2O + H2SO3 -> H2 + H2SO4 (약 100℃ 이하에서의 전해조)
요오드/유황 공정은 황산이 760℃ 이상에서 분해되어 상술한 바와 같이 이산화황을 형성하는 가역 반응으로 시작하며, 이후 이산화황이 요오드와 반응하여 HI를 형성한다. 이는 여기서 "표준 S/I"로 정의된 잘 알려진 공정이다.
(1) H2SO4 ↔ SO3 + H2O ↔ SO2 + 0.5O2 + H2O (760℃ 보다 큰 열 필요)
(2) I2 + SO2 + 2H2O + 0.5O2 + 초과 H2O ↔ 2HI + H2SO4 + 0.502 + 초과 H2O (약 100℃ 내지 200℃의 열이 발생됨); 및
(3) 2HI ↔ H2 + I2 (400℃ 보다 큰 열 필요)
양 공정에서의 공통 단계는:H2SO4 ↔ SO2 + H2O + 0.502 이다.
이러한 표준적인 WSP 및 표준적인 S/I 공정이 라호다(Lahoda) 등에 의한 미국 공개출원 US 2006/0002845 A1에 상세히 설명된다.
2003년 11월, 미국, 루이지애나, ANS(American Nuclear Society) 정기 겨울 총회 뉴올리언스, ANS 국제 학회지(American Nuclear Society Global Paper) #88017에 기재된 구슨(Goosen) 등의 "수소 생성을 위한 웨스팅 하우스 공정의 개선(Improvements in the Westinghouse Process for Hydrogen Production)"은 웨스팅하우스 유황 공정을 기술하며 유황 요오드 공정과 그것을 비교한다. 웨스팅하우스 공정의 경제성 역시 WSP 또는 S/I 공정에서의 약 800℃ 내지 900℃의 온도를 H2SO4 반응기로 전달하여 반응을 유도하기 위한, 페블 베드 모듈러 원자로(Pebble Bed Modular Reactor:PBMR)와 같은 고온기체냉각원자로(HTGR)와 통합되어 기술되어 있다.
H2SO4 분해 반응기 공정(표준 WPS 및 S/I 공정 모두에 공통인 공정 단계) 이후, HTGR의 1차 루프로부터의 뜨거운 기체는 잔존 에너지가 추출되는 한 세트의 가스 터빈으로 구성되는 전력 변환부(Power Conversion Unit:PCU)로 보내진다. 그러나, H2SO4 분해에 필요한 고품질의 열을 추출한 이후, 기체의 온도는 더 이상 바람직하게 브레이톤 싸이클(Brayton Cycle) 가스 터빈을 고효율로 충분히 활용할 만큼 높지 않다.
황산이 이산화황, 수증기 및 산소로 분해되는 공정의 일부(도 1의 도면부호(12))는 대개 고온에서 이루어진다. 공급된 스팀에 비해 분해 반응기의 생성 스팀의 더 낮은 응축 온도로 인해, 예열기/기화부(도 1의 도면부호(20))의 SO2/H2O/O2 출구는 상대적으로 높은 온도, 대개는 9 MPa에서 260℃로 유지되어야만 한다("psi"에서 1 MPa = 145 파운드/sq.). 그 결과, 예열기에 회수될 수 있는 열의 양이 제한된다. SO2/O2/H2O 스팀은 SO2 스크러버(도 1의 도면부호(14)로 일반적으로 도시됨)에 유입되기 전에 약 90℃로 최종 냉각되어야만 해서, 이러한 냉각 듀티는 상당한 에너지의 손실을 나타낸다.
예열기/기화부(도 1의 도면부호(20))는 또한 취급되는 물질에 있어서 심각한 문제를 내포한다.
기화됨에 따라, 물이 먼저 끊어 오르고, 이러한 스팀은 예열기에서 최고 온도에 이를 때, 약 30중량% 내지 50중량%의 상대적으로 묽은 H2SO4 용액에서 80중량% 내지 95중량%의 H2SO4 농축액으로 변한다. 요구되는 온도(200℃ 내지 700℃)에서 작용할 수 있는 물질이 있지만, 매우 고가이다.
공정에서의 또 다른 비효율성은 공급되는 H2SO4 함께 유입하는 물의 증발과 응축이다. 황산 공급은 대개 30중량% 내지 50중량%이어서, 상당량의 물이 단지 응축되고 재순환되기 위해서 예열되고 증발된다. 이러한 물의 증발열은 또 다른 잠재적 에너지 페널티를 나타낸다. 분해 공정은 일반적으로 촉매의 존재에 의해 도움받으며, 분해 공정에 대한 공급에서의 임의의 물은 분해 촉매의 수명을 현저하게 감소시킬 수 있다.
냉각 이후, SO2/O2/H2O 스팀은 SO2가 물로 흡수되어 아황산을 만들 때까지(H2O + SO2 ↔H2SO3), SO2 스크러버 및 O2 회수기(도 1에 도면부호(14)로 도시됨)로 보내진다. 그런 후에 아황산은 수상 전기분해 셀(aqueous phase electrolysis cell)(도 1의 도면부호(16))에 공급되고, 여기서 아황산이 황산으로 산화되어 수소 생성물을 발생시킨다(2H2O + SO2 ↔ H2 + H2SO4). 전기분해 단계 동안 효율적으로 작업하기 위해서, SO2는 물에 용해된 상태로 유지되어야만 한다. 이산화황은 제한된 수용성을 가진다. 압력을 증가시키는 것은 스크러버 용액에 흡수될 수 있는 SO2의 양을 증가시키며, O2 생성물에서 SO2의 레벨을 감소시키며, 제공되어야만 하는 메이크업 SO2의 양을 감소시킨다. 그러나, 압력을 증가시키는 것은 공정 장비, 특히 전기분해부를 포함하는 용기의 비용 역시 증가시킨다.
따라서, 저비용의 스틸이 사용될 수 있도록 동작 온도 및 압력을 감소시키고, 효율성을 증가시킬 필요가 지속적으로 존재한다. 본 발명의 주된 목적은 저온과 저압을 사용하고 고효율성을 가지는 시스템을 제공하는 것이다.
H2SO4 기화부, 7 MPa 내지 9 MPa의 압력에서 동작하는 분리 분해 반응기, 0.1 MPa 내지 7 MPa의 압력에서 동작하여 동일한 압력에서 H2를 생성하는 전해조에 SO2 를 공급하는, O2 역시 발생시키는 생성물 냉각기 및 SO2 회수 공정을 포함하는 이중 압력 시스템을 사용하는 하이브리드 유황 공정을 제공함으로써, 위에 언급된 요구가 충족되며 목적이 달성된다.
본 발명에 따른 이중 압력 하이브리드 유황 공정은: (a) 기화된 기체 H2SO4를 제공하는데 효과적인 온도와 1 MPa 내지 9 MPa의 압력에서 동작하는 H2SO4 기화기 반응기로 H2SO4 액체를 제공하는 전해조를 포함하고, 기화된 기체 H2SO4은 7 MPa 내지 9 MPa의 압력에서 동작하는 분해 반응기에서 기체 H2O, SO2 및 O2로 분해되며, 그 기체는 적어도 하나의 전해조와 동작하는 적어도 하나의 SO2 스크러버부에 보내지며, 여기서 전해조로의 입력 전기는 수소 기체 및 H2SO4 액체의 생성을 초래하고, 여기서 SO2 스크러버부 및 전해조 모두는 0.1 MPa 내지 7 MPa의 압력에서 동작하는, 웨스팅하우스 유황 공정(Westinghouse Sulfur Process) 및 유황 요오드 공정(Sulfur Iodine Process)으로 구성되는 그룹으로부터 선택된, 유황 싸이클; (b) 적어도 하나의 전해조로 전기를 공급하는 랜킨 싸이클 전력 변환부; 및 (c) 랜킨 싸이클부 및 유황 싸이클로 유체 열을 공급하는, 원자로와 가스 사용 연소기로 구성되는 그룹으로부터 선택된 열원을 포함한다.
본 발명에 따라, 기체 H2SO4는 7 MPa 내지 9 MPa의 압력으로 동작하는 분해 반응기에서 기체 H2O, SO2 및 O2로 분해되며, 0.1 MPa 내지 7 MPa의 압력에서 동작하고 동일한 압력에서 H2를 생성하는 전해조에 SO2를 공급하며 O2 역시 발생시키는 SO2 회수 공정을 포함하는 이중 압력 하이브리드 유황 공정이 제공된다.
이러한 본 발명의 이점에 의해, 저온과 저압에서 사용되며 고효율성을 가지는 개선된 유황 공정이 제공된다.
본 발명의 설명에 앞서 도 1 및 도 2를 참조하여 종래 기술에 대해 기술한다. 도 1은 900 psi 이하에서 동작하는 표준 WSP 공정(2)을 도시한다. 도 2에서, 표준 S/I 공정(4)은 900 psi 이하에서 동작하는 것으로 도시된다. 도 1에서, 약 760℃ 내지 1000℃의 열 에너지가 산소 발생기/황산 분해 반응기(12)로 보내져 도시된 반응을 제공하고, H2O, SO2 및 O2를 산소 복구기/SO2 스크러버부(14)로 통과시키고, 여기서 H2O와 SO2는 D.C. 전기(18)로 전기가 통하는 전해조(16)로 보내져, H2(도면부호(6)로 도시됨)와 H2SO4를 제공하고, 그리고 여기서 후자는 열 에너지(22)에 의해 예열기/기화기(20)에서 기화되어, 기화된 H2SO4를 도시된 바와 같이, 산소 발생기/황산 분해 반응기(12)에 공급한다.
도 2에 도시된 바와 같이, S/I 대 온도의 반응을 개략적으로 나타낸 사쿠리(Sakuri) 2000 공정에서, 황산(26)을 기화기(28)에서 기화시킨 후, 약 760℃ 내지 810℃의 분해 반응기(30)에 보내서 O2를 생성하고, O2, H2O 및 SO2를 요오드 반응기(32)에 통과시켜 HI를 생성하여 초과 I2 분리기(36)를 통해 통과시킨 후, 제 2 분해 반응기(34)에서 분해하여 H2(도면부호(6)로 도시됨)를 제공한다. 분해 반응기(34)는 분젠 반응기로도 알려진 요오드 반응기(32)에 주요원 I2(도면부호(38)로 도시됨)를 제공한다.
약 1450 psi(10.0 MPa)의 고압에서 전체 WSP 또는 S/I 싸이클을 동작시킴으로써, 에너지 효율이 낮은 냉각 시스템 또는 초과 물을 사용하지 않고, 20℃ 내지 75℃의 온도에서 부재(14)의 시스템으로부터 SO2가 제거될 수 있다. 자세한 내용은 미국 특허공개 공보 제2006/0002843 A1호(라호다 등)에 개시되어 있다.
함께 고려할 때, 과제해결 수단의 말미에서 제기된 대부분의 문제를 해결하는, 다양한 개선안이 제안되었다. 최우선은 바람직하게는 전기 발생용 스팀 기반 랜킨 싸이클을 사용하는 통합된 공정을 사용하는 것이다. 이러한 독특한 접근이 도 3에 도시된다.
고온 가열원용으로, 가스 터빈을 사용하는 브레이톤(Brayton) 싸이클이 고온의 뜨거운 가스원과 터빈 사이의 중간 유체로서 스팀을 사용하는 랜킨 싸이클보다 더 효율적이다. 그러나, 뜨거운 가스원의 온도가 약 750℃로 감소함에 따라, 랜킨 싸이클이 브레이톤 싸이클보다 더 효율적이게 된다. 이는 처음에 H2SO4를 분해하기 위해 고온 가열원을 사용하는 경우이다. 결과 온도는 약 750℃이고 브레이톤보다 랜킨이 더 효율적이게 된다.
SO2/O2/H2O 혼합물을 H2SO4 반응기(12)의 출구 온도로부터 부재(14)에서 또는 그 이전에, 90℃로 냉각시키는 것은 상당한 열 듀티에 달하게 한다(아래의 표 1 참조):
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Figure 112013033052315-pat00005
SO2/O2/H2O 혼합물로부터의 열이 수냉각된 열 교환기/SO2 스크러버부(도 1의 도면부호(14))를 사용하여 냉각된다면, 랜킨 싸이클 전력 변환부(도 3에 도시됨)로의 급수를 예열하기 위해 뜨거운 SO2/O2/H2O 스팀을 사용하는 것에 의해, 열은 유용하게 사용될 수 있다. 그러나, 유용하게 사용될 수 있는 열의 양은 SO2/O2/H2O 스팀의 입구 온도와 랜킨 싸이클의 비등점에 좌우된다. 이러한 스팀의 온도는 결국 분해 반응기 및 랜킨 싸이클 보일러에서의 압력에 좌우된다. 계산에 의하면, 18 MPa 랜킨 싸이클 PCU에 있어서, 분해 반응기(도 1의 도면부호(12))의 압력이 7 MPa 내지 9 MPa 아래라면, 급수 예열에 유용하게 사용될 수 있는 에너지의 퍼센트는 100% 보다 현저하게 더 낮다.
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실제 랜킨 싸이클은 비효율성을 수반한다. 도 4의 T-S 표는 실제 싸이클을 도시한다. (1') 내지 (1)로서 도시된 경로는 보일러의 고압으로 복귀하는 동작 유체의 펌핑을 나타낸다.
(1) 내지 (2)로서 도시된 경로는 SO2/O2/H2O 스팀에 의해 수행되는 보일러 급수의 예열을 나타낸다. (2) 내지 (3)에 도시된 경로는 분해 반응기의 출구로부터의 뜨거운 He에 의한 물의 비등을 나타낸다. 수증기가 터빈 블레이드를 부식시킬 것이기 때문에, 증기는 일반적으로 조건(4)으로 과열된다. 팽창은 일부 비효율성을 가질 수 있어서 단열되거나 가역적이지 않고, 그래서 팽창 단계는 엔트로피가 약간 증가하는 것으로 경로 (4) 내지 (5)에 도시된다. 열 교환기의 생략된 부분이 단계 (5) 내지 (5')에서와 같이, 터빈을 벗어나는 증기는 증기로부터 민감한 열을 제거하도록 포화될 수 없다. 좀 더 자세한 내용은 평형 열역학(Equilibrium Thermodynamics, James Coull and Edward Stuart, John Wiley & Sons, 1964, pages 344-346)에 기술되어 있다.
중요한 것은, 본 발명의 독창적인 공정으로서 이중-압력 시스템이 제안된다는 것이다. 분해 반응기(도 1의 도면부호(12))는 7 MPa 내지 9 MPa에서 동작되며, 이때 본질적으로 모든 SOx 냉각 듀티는 PCU-랜킨 싸이클-급수 예열로서 복구될 수 있다. SO2 스크러빙-전기분해 공정(도 1의 부재(14-16))의 비용을 실질적으로 감소시키기 위하여, 시스템의 이러한 부분(도 1의 부재(14, 16))의 압력이 7 MPa 내지 9 MPa의 분해 반응기(12) 압력 이하로 감소된다. 그러나 하이브리드 유황 공정(도 1의 도면부호(14-16))의 저압 측면은 여전히 전해조로의 공급 용액에서 분해 반응기(12)에서 생성된 SO2를 흡수할 만큼 충분히 높은 압력을 유지해야만 한다. 그렇지 않으면, SO2의 초과량은 O2 생성물과 함께 손실되며, 아래의 표 2에 도시된 바와 같은 문제를 발생시킨다:
Figure 112013033052315-pat00006
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이러한 문제를 해결하기 위하여, 다단계의 SO2 흡수/전기분해 공정이 도 6에 도시된 바와 같이, 바람직한 실시예로서 제안된다. O2 레벨에서 원하는 SO2를 생성하도록 가능한 많은 단계-복수의 바람직하게 병렬의 단계가 필요하고 사용될 수 있음에도, 도면은 3개의 병렬의 SO2 흡수기-흡수/전기분해 단계(14',14',14'/16',16',16')를 갖는 시스템을 도시한다. 이러한 중요한 접근에서, SO2는 여러 단계에서 흡수되어 H2SO4로 전기분해된다. 그러므로 각각의 전기분해 단계를 벗어난 황산은 SO2 감손되어, 산이 캐스케이드에서 다음의 흡수 단계를 위한 스크러빙 액으로서 효율적으로 사용될 수 있도록 한다. 이러한 접근은 O2로 손실되는 SO2 를 극적으로 감소시키는 한편, 여전히 분해 반응기에 요구되는 것보다 현저하게 더 낮은 압력에서 동작한다(상술된 내용과 표 1 참조). 그러므로 실제적 관점에서, 본 접근은 압력을 낮추는 것에 의해 전기분해 영역에서 장치의 비용을 실질적으로 낮춰서, 전체 공정을 더 상업적으로 실행가능하도록 한다.
이제 도 3을 참조하여, 열 에너지 손실이 최소화되는 PCU-하이브리드 유황 시스템을 나타내는 도면이 도시된다. 여기서 PBMR로서 여기에 도시된 원자로 혹은 가스 사용 연소기(40)는 유체 열(42), 즉, 950℃의 He을 제 1 중간열 교환기(44)로 보내고, 여기서 열(46)을 도 1 또는 도 2에 도시된 바와 같은 하이브리드 유황 공정, 즉, WSP(2)로 통과시키고 그리고 또한 약 776℃에서, 열(48)을 랜킨 싸이클 PCU(50)로 통과시킨다. WSP(2)로부터의 임의의 유체 열(52)이 제 1 중간 열 교환기(44)로 다시 보내진다. 랜킨 싸이클(50)로부터의 전력(54)은 WSP(2)에서 부재(16)로서 도 1에 도시된 전해조에 동력을 공급하기 위해 사용된다. 랜킨 싸이클은 에너지 데이터로서 He 온도를 포함하는 완전한 세부사항으로 모두 도 3에 도시된 바와 같이, 냉각된 유체 열(56)을 PBMR(40)로 다시 보낸다.
본 발명에서, 예를 들면, 도 1에 일반적으로 도시된 바와 같은 하이브리드 유황 공정, 즉, WSP는: (1) 전해조(16)를 포함하고, 전해조는 기화된 기체 H2SO4를 제공하는데 효과적인 온도와 1 MPa 내지 9 MPa의 압력에서 동작하는, 도 1에 도시된, H2SO4 예열기/기화기/분해 반응기(20)로 H2SO4 액체를 제공하고, 기화된 기체 H2SO4는 열원(10)-열 에너지를 사용하여 760℃ 이상의 온도에서 동작하는 황산 분해 반응기(12)로 보내지며, 여기서 도 6에 도시된 바와 같이, H2O, SO2 및 O2를 포함하는 분해된 H2SO4가 복수의 전해조(16')와 병렬로 동작되는 복수의 SO2 스크러버부(14')로 보내지며, 전해조로의 입력 전기는 수소 기체의 생성을 초래하고, 여기서 SO2 스크러버부 및 전해조 모두는 0.1 MPa 내지 7 MPa의 압력에서 동작하며, 따라서 이중 압력 시스템을 제공하는, 유황 싸이클, 바람직하게, 웨스팅 하우스 유황 공정(2); (2) 유황 싸이클 및 복수의 전해조에 전기를 공급하는, 랜킨 싸이클 전력 변환부(50); 및 (3) 랜킨 싸이클부(50) 및 유황 싸이클로 유체 열을 공급하는 가스 사용 연소기 및 원자로로 구성되는 그룹으로부터 선택된 열원(40)을 포함한다. 열원은 바람직하게는 원자로이다.
이제 도 5를 참조하면서, 도 5는 어떻게 뜨거운 SO2/O2/H2O 스트림으로부터의 열이 랜킨 싸이클(역시 도 3의 도면부호(50)로 도시됨)의 동작으로 통합되는지를 도시한다. 그것은 또한 어떻게 분해 반응기를 빠져나오는 기체로부터의 열이 도시된 급수펌프로부터의 급수를 스팀으로 가열하도록 사용되는지를 나타낸다. 도 5는 과열 및 재가열을 갖는 2 단계의 랜킨 터빈 싸이클을 나타낸다는 점을 유의한다. 본 발명에는 적합한 과열 및 재가열 단계 갖는 다수의 스팀 터빈 단계가 필요한 만큼 사용될 수 있는 한편, 여전히 본 발명의 범주에 포함된다. 도 5에서, 도면 부호(60)는 다단계의 SO2 흡수기로 보내질 차가운 SO2/O2/H2O를 도시하며, 도면 부호(62)는 분해 반응기의 출구로부터의 뜨거운 SO2/O2/H2O를 도시한다.
또 다른 개선은 분해 반응기 공급 시스템을 위해 직접 접촉 열교환기 및 H2SO4 농축기를 사용하는 것이다. 종래의 열 교환기는 매우 큰 열 교환 영역을 요구해서 매우 고가의 그리고 다수의 부품으로 구성된 장비를 필요로 했다. 간접 열 교환기의 사용은 내부 온도 핀치, 즉, 예열기의 양 측면 상에서 발생하는 상 변화로 인해, 고온 측면의 유체 온도가 저온 측면의 온도에 근접하는 열 교환기에서의 포인트에 의해 제한된다. 여기서, 공정은 분해 반응기(도 1에 도면부호(12)로 도시됨)를 위해 고농축(80% 내지 95%)된 H2SO4 공급 스트림을 생성하며(초과 물을 증발시키기 위한 에너지 듀티를 현저하게 감소시키며), 분해 반응기의 생성 및 공급 사이에서 에너지를 효율적으로 교환한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 조합 부재로서, H2SO4 농축기/기화기/예열기(도 1의 도면부호(20))가 물리적으로 분해 반응기(도 1의 도면부호(12)) 위에 위치되면, 그러한 조합은 반응기로의 액체 공급이 반응기를 벗어나는 생성물보다 훨씬 조밀하기 때문에, 분해 반응기에 공급할 펌프에 대한 필요를 제거한다. 도 7은 중력 관계에 있어서 분해 반응기 위의 직접 접촉 농축기의 하나의 잠재적인 배열을 구체적으로 도시한 것이다.
최종적인 설계 특성에서, 리싸이클 황산은 흡수/전기분해부에 대해서 대기압으로 압력이 감소된다. 이는, 산(acid) 저장 탱크의 비용을 감소시키고, 용해된 O2 및 감소된 SO2가 산으로부터 기체 배출(off-gas)되는 것을 허용하여, 분해 반응기 공급의 부식성을 감소시키고 공급으로부터의 초과 생성물을 제거함으로써, H2SO4의 SO2/O2/H2O로의 변환을 개선한다.
본 발명의 바람직한 실시예를 기술하면서, 본 발명이 부가된 청구항의 범위 내에서 다르게 구현될 수도 있다는 것이 이해되어야만 한다.
본 발명의 더 나은 이해를 위해서, 첨부된 도면과 관련해서 이루어진 다음의 설명에 대한 참조가 이루어질 수 있고 여기서:
도 1은 웨스팅하우스 유황 공정의 종래 기술의 블럭도이고,
도 2는 유황 요오드 공정의 종래 기술의 블럭도이며,
본 발명을 가장 잘 설명하는, 도 3은 랜킨 싸이클 및 수소 생성을 사용하는 하이브리드 유황 공정의 통합된 흐름도의 일 실시예이고,
도 4는 실제 랜킨 싸이클의 동작을 도시하며,
도 5는 열 에너지 손실을 최소화하기 위한 PCU 및 하이브리드 유황 시스템의 상호연결을 도시하는 블럭도이고,
도 6은 병렬인 다단계의 SO2 흡수기 전해조 시스템을 도시하는 블럭도이며, 그리고
도 7은 통합된 H2SO4 농축기 및 H2S 분해 반응기이다.
<주요 참조 부호에 대한 설명>
12: 분해 반응기
14: SO2 스크러버
16: 전해조
20: 예열기/기화부
40: PBMR
44: 중간 열 교환기
50: PCU(랜킨 싸이클)

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 원자로 또는 천연가스 공급 연소기로부터의 열을 이용해 H2SO4를 H2O,SO2 및 O2로 분해하는 수소 생성을 위한 이중 압력 하이브리드 유황 분해방법으로서, 상기 분해방법은:
    (a) 전해조가 H2SO4 기화기 반응기에 H2SO4 액체를 제공하고, 상기 H2SO4 기화기 반응기는 특정 온도와 특정 압력에서 동작하고 기화된 기체 H2SO4를 제공하도록 구성되며, 상기 기화된 기체 H2SO4은 7 MPa 내지 9 MPa의 압력으로 동작하는 분해 반응기에서 기체 H2O, SO2 및 O2로 분해되는, 웨스팅하우스 유황 공정(Westinghouse Sulfur Process) 및 유황 요오드 공정(Sulfur Iodine Process)으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 유황 싸이클 이용 단계;
    (b) 상기 기체 H2O, SO2 및 O2를 복수개의 상기 전해조와 동작하는 복수개의 SO2 스크러버부로 전달하여 O2 스트림을 제거하는 단계;
    (c) 상기 복수개의 전해조에 전기를 입력하여 수소 기체 및 H2SO4 액체를 생성하고, 복수개의 상기 SO2 스크러버부 및 복수개의 상기 전해조는 0.1 MPa 내지 7 MPa의 압력에서 동작하는 단계;
    (d) 랜킨 싸이클 전력 변환부를 이용해 복수개의 상기 전해조에 전기를 공급하는 단계; 및
    (e) 원자로 및 가스 사용 연소기로 구성되는 그룹으로부터 선택된 열원을 이용해 상기 랜킨 싸이클 전력 변환부 및 상기 유황 싸이클에 유체 열을 공급하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 분해 반응기는 상기 SO2 스크러버부 및 상기 전해조보다 더 높은 압력조건에서 동작하는 것을 특징으로 하는 이중 압력 하이브리드 유황 분해 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    열 교환기 및 H2SO4 기화기의 조합은 인입 액체인 황 함유 액체를 예열하여, 80% 내지 95% H2SO4로 농축하고, 상기 H2SO4 를 상기 분해 반응기에 공급하도록 사용되는 것을 특징으로 하는 이중 압력 하이브리드 유황 분해 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 H2SO4 기화기 반응기는 상기 분해 반응기 위에 위치하여, 농축된 기체 H2SO4를 농축된 기체 H2SO4의 중력 흐름에 의해 상기 분해 반응기에 공급하고, 펌프가 배제되는 것을 특징으로 하는 이중 압력 하이브리드 유황 분해 방법.
  5. 제 2 항에 있어서,
    복수개의 상기 SO2 스크러버부 및 상기 전해조는 상기 O2 스트림에 포함된 SO2의 손실을 저감하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이중 압력 하이브리드 유황 분해 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    SO2는 다단계의 SO2 흡수 및 전기분해 공정을 통해 H2SO4로 흡수 및 전기분해되고, 이에 의해 각각의 전해조에서 전기분해되는 산(acid)이 SO2 감손되어, 상기 산(acid)이 다음 SO2 흡수 단계를 위한 스크러빙 액체로서 효율적으로 사용되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 이중 압력 하이브리드 유황 분해 방법.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 랜킨 싸이클 전력 변환부는 스팀을 기반으로 하고, 상기 랜킨 싸이클 전력 변환부에 의해 냉각된 유체 열이 역으로 상기 열원에 공급되는 것을 특징으로 하는 이중 압력 하이브리드 유황 분해 방법.
  8. 제 2 항에 있어서,
    상기 분해 반응기는 연관된 상기 랜킨 싸이클 전력 변환부의 효율을 증가시키도록 750℃ 내지 760℃에서 동작되는 것을 특징으로 하는 이중 압력 하이브리드 유황 분해 방법.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 열원은 원자로이고, 상기 유황 싸이클은 웨스팅하우스 유황 공정인 것을 특징으로 하는 이중 압력 하이브리드 유황 분해 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 원자로로부터의 유체 열은 열 교환기로 먼저 보내지고, 이후 상기 랜킨 싸이클 전력 변환부로 보내지는 것을 특징으로 하는 이중 압력 하이브리드 유황 분해 방법.
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