KR101494796B1 - System and method for transforming synthesis gas - Google Patents

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박수남
구재회
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Abstract

The present invention relates to a system and a method for transforming synthesis gas that can control, without restriction, the composition of gas generated in the transforming reaction of water gas while increasing thermal efficiency. According to an embodiment of the present invention, the system for transforming synthesis gas comprises: a catalytic reactor for changing the composition ratio of CO and H_2 of synthesis gas by making the synthesis gas including CO and H_2 react with steam generated by a steam generator; a steam control valve for controlling the flow of steam coming into the catalytic reactor; a heat exchanger for making generated gas generated by reaction in the catalytic reactor exchange heat with the synthesis gas; a heater for heating the synthesis gas discharged after exchanging heat with the generated gas in the heat exchanger; a cooler for cooling the generated gas discharged after exchanging heat with the synthesis gas in the heat exchanger; a separator for liquefying and separating steam contained in the generated gas cooled in the cooler; a control valve for adjusting the flow of the synthesis gas coming into the heat exchanger; and a control part for controlling the calorific value of the heater, the openness of the control valve and the openness of the steam control valve.

Description

합성가스의 전환 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR TRANSFORMING SYNTHESIS GAS} TECHNICAL FIELD The present invention relates to a system and a method for converting a syngas,

본 발명은 합성가스의 전환 시스템 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a syngas conversion system and method.

가스화는 탄소가 주성분인 연료를 산소, 증기 등과 같은 산화제와 반응시켜서 CO, H2가 주성분인 합성가스로 전환하는 기술로써, 전환된 합성가스는 또다시 정제 및 전환 공정을 거쳐서 원유를 대체할 수 있는 새로운 원료원으로 이용될 수 있다.Gasification is a technology that converts carbon-based fuel into oxidizing agent such as oxygen, steam, etc., and converts it into syngas mainly composed of CO and H 2. The converted syngas can be further refined and converted into crude oil Can be used as a new raw material source.

이러한 가스화 기술 중 가장 많이 응용되고 있는 기술은 석탄가스화를 기반으로 한 전력생산 방법은 가스화를 통해 얻어진 합성가스를 연소시켜 가스터빈을 구동하고, 배출되는 고온의 연소가스를 이용하여 증기를 얻어 증기 터빈을 구동하는 석탄가스화복합발전(IGCC, Integrated Gasification Combined Cycle)이다. Among these technologies, the most widely applied technology is a coal gasification-based power generation method, in which a syngas obtained through gasification is burned to drive a gas turbine, a steam is taken using a high-temperature combustion gas to be discharged, (IGCC, Integrated Gasification Combined Cycle).

또 다른 합성가스의 응용 기술 분야는 CO와 H2를 적절한 촉매 하에서 합성하여 액체연료나 화학원료를 제조하는 기술 분야가 있다. 이 중 현재 상용화된 기술로는 메탄올, DME, Fisher-Tropsh 등의 제조를 통해 액체연료를 제조하는 방법과, 합성천연가스(SNG, Synthesis natural Gas), 수소(H2), 암모니아(NH3) 등의 제조를 통해 가스연료를 제조하는 방법이 있다.Another application field of synthesis gas is the technology field of manufacturing liquid fuel or chemical raw materials by synthesizing CO and H 2 under appropriate catalyst. Synthesis natural gas (SNG), hydrogen (H 2 ), ammonia (NH 3 ), and natural gas (LNG) are produced through the production of methanol, DME and Fisher- And the like.

합성가스로부터 이러한 원료물질을 얻는 주요 반응식은 다음과 같다.The main reaction schemes for obtaining such raw materials from syngas are as follows.

- SNG: CO+3H2→CH4+H2O (Ni계 촉매 사용, 20∼30기압, 300∼700℃ 조건)- SNG: CO + 3H 2 → CH 4 + H 2 O (using Ni catalyst, 20 to 30 atm, 300 to 700 ° C)

- Methanol: CO+2H2→CH3OH (Cu/ZnO계 촉매 사용, 30∼80기압, 200∼300℃ 조건)- Methanol: CO + 2H 2 → CH 3 OH (using Cu / ZnO catalyst, 30 ~ 80 atm, 200 ~ 300 ℃)

- DME: 3CO+3H2→CH3OCH3+CO2 (Cu/ZnO/γ-Al2O3계 촉매 사용, 50∼60기압, 240∼270℃ 조건)- DME: 3CO + 3H 2 → CH 3 OCH 3 + CO 2 (using Cu / ZnO / γ-Al 2 O 3 catalyst, 50 to 60 atm, 240 to 270 ° C)

- Fisher-Tropsh: nCO+2nH2→(-CH2-)n+nH2O (Co, Fe계 촉매 사용, 10∼50기압, 180∼250℃ or 330∼550℃ 조건)- Fisher-Tropsh: nCO + 2nH 2 → (-CH 2 -) n + nH 2 O (using Co and Fe catalyst, 10 to 50 atm, 180 to 250 ° C or 330 to 550 ° C)

위와 같이, 가스화된 합성가스로부터 원료물질을 생성하기 위해서는 CO와 H2 조성비가 1:1∼1:3 이어야 한다. 즉, 수소의 비율이 일산화탄소의 비율보다 높아야 한다. 하지만, 가스화기에서 발생하는 합성가스의 CO와 H2 성분은 약 1:0.5∼1:1 범위로서 수소가 더 낮은 비율을 가지므로, 수소의 비율을 높여주어야 한다. 이를 위해 수성가스 전환반응을 이용하는데, 이러한 수성가스 전환반응은 기본적으로 촉매를 이용한 반응으로서, 반응식은 아래와 같다.As described above, in order to produce the raw material from the gasified synthesis gas, the composition ratio of CO and H 2 should be 1: 1 to 1: 3. That is, the proportion of hydrogen should be higher than the proportion of carbon monoxide. However, the CO and H 2 components of the syngas produced in the gasifier are in the range of about 1: 0.5 to 1: 1, and since the hydrogen has a lower ratio, the proportion of hydrogen must be increased. For this purpose, a water gas conversion reaction is used. This water gas conversion reaction is basically a reaction using a catalyst, and the reaction formula is as follows.

- 수성가스 전환반응: CO+H2O↔CO2+H2 ΔH = - 41.2kJ/mol- Water gas conversion reaction: CO + H 2 O ↔CO 2 + H 2 ΔH = - 41.2 kJ / mol

한편, 특허문헌에 제시된 종래의 기술들은 이러한 수성가스 전환반응을 이용하여 합성가스의 조성을 변화시킬 때, 촉매 반응기의 위치별 밸브에 의해 합성가스 성분을 조절하거나(특허문헌 1), 합성가스 성분 조절을 위해 보조연료를 공급하여(특허문헌 2) 합성가스의 조성비를 원하는 대로 제어한다. Meanwhile, the conventional technologies disclosed in the patent documents are based on the above-mentioned conventional technologies, in which when the composition of the synthesis gas is changed using such a water gas conversion reaction, the synthesis gas component is controlled by a valve for each position of the catalyst reactor (Patent Document 1) (Patent Document 2), the composition ratio of the synthesis gas is controlled as desired.

그러나, 특허문헌 1에 따른 종래의 기술은 촉매 반응기에 장착된 밸브의 수량에 따라 합성가스 비율을 조절할 수 있는 범위가 제한될 수 있다는 문제가 있고, 특허문헌 2에 따른 종래의 기술은 합성가스의 전환 공정의 후단에 보조 연료를 투입함으로써, 보조 연료를 별도로 공급할 필요가 있으므로 에너지 효율의 측면에서 좋지 못하다는 단점이 있다.However, the conventional technology according to Patent Document 1 has a problem that the range in which the synthesis gas ratio can be controlled can be limited depending on the quantity of the valves installed in the catalytic reactor. The conventional technology according to Patent Document 2, There is a disadvantage in that it is necessary to separately supply the auxiliary fuel by injecting the auxiliary fuel into the latter stage of the conversion process, which is not preferable in terms of energy efficiency.

또한, 특허문헌 1 및 2를 포함하는 종래기술은 촉매 반응기에서 발생하는 반응열을 이용하지 않고, 반응기 내부를 냉각하거나 반응 후 생성된 가스를 냉각하여 반응열을 폐기하므로, 폐열을 활용하지 못하여 열 효율이 높지 않다는 단점이 있다.In the prior arts including Patent Documents 1 and 2, since the reaction heat is discarded by cooling the inside of the reactor or by cooling the gas produced after the reaction without using the reaction heat generated in the catalytic reactor, There is a disadvantage that it is not high.

한국등록특허 제10-0969654호Korean Patent No. 10-0969654 한국공개특허 제2013-0015808호Korea Patent Publication No. 2013-0015808

본 발명의 실시예들은 상술한 바와 같은 종래 기술들의 문제점에 착안하여 발명된 것으로서, 촉매 반응기의 반응열을 폐기하지 않고 활용하여 열 효율을 높이면서, 수성가스 전환반응에 의해 생성되는 가스의 조성을 제어함에 있어서 제약이 없이 원하는 비율대로 조절할 수 있는 합성가스의 전환 시스템을 제공하고자 한다.Embodiments of the present invention have been made in view of the problems of the prior art as described above, and the present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to control the composition of a gas produced by a water gas conversion reaction So that the synthesis gas can be regulated at a desired ratio without restriction.

본 발명의 일 측면에 따르면, CO와 H2를 포함하는 합성가스와 스팀 발생기에 의해 발생된 스팀을 반응시켜서 상기 합성가스의 CO와 H2의 조성비를 변화시키는 촉매 반응기; 상기 촉매 반응기로 유입되는 스팀의 유량을 제어하는 스팀 제어밸브; 상기 촉매 반응기에서의 반응에 의해 생성된 생성가스와 상기 합성가스를 열 교환 시키는 열교환기; 상기 열교환기에서 상기 생성가스와 열 교환 후 배출되는 상기 합성가스를 가열하는 히터; 상기 열교환기에서 상기 합성가스와 열 교환 후 배출되는 상기 생성가스를 냉각하는 냉각기; 상기 냉각기에서 냉각된 상기 생성가스에 함유된 스팀을 액화하여 분리시키는 분리기; 상기 열교환기로 유입되는 상기 합성가스의 유량을 조절하는 합성가스 제어밸브; 및 상기 히터의 발열량, 상기 합성가스 제어밸브의 개도량 및 상기 스팀 제어밸브의 개도량을 제어하는 제어부를 포함하는 합성가스의 전환 시스템이 제공될 수 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a catalytic reactor for reacting a synthesis gas containing CO and H 2 with steam generated by a steam generator to change a composition ratio of CO and H 2 of the synthesis gas; A steam control valve for controlling a flow rate of steam flowing into the catalytic reactor; A heat exchanger for heat-exchanging the syngas produced by the reaction in the catalytic reactor; A heater for heating the syngas discharged from the heat exchanger after heat exchange with the product gas; A cooler for cooling the produced gas discharged from the heat exchanger after heat exchange with the syngas; A separator for liquefying and separating steam contained in the product gas cooled in the cooler; A syngas control valve for regulating a flow rate of the synthesis gas flowing into the heat exchanger; And a controller for controlling the heating amount of the heater, the opening amount of the syngas control valve, and the opening amount of the steam control valve.

또한, 상기 촉매 반응기로 유입되는 상기 합성가스와 스팀의 혼합가스의 온도를 측정하는 혼합가스 온도계; 및 상기 촉매 반응기의 반응 온도를 측정하는 반응기 온도계를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 히터의 발열량, 상기 합성가스 제어밸브의 개도량 및 상기 스팀 제어밸브의 개도량을 제어하여 상기 촉매 반응기의 반응 온도를 조절하는 합성가스의 전환 시스템이 제공될 수 있다.A mixed gas thermometer for measuring the temperature of the mixed gas of the synthesis gas and steam introduced into the catalytic reactor; And a reactor thermometer for measuring a reaction temperature of the catalytic reactor, wherein the controller controls the heating amount of the heater, the opening amount of the syngas control valve, and the opening amount of the steam control valve, A syngas switching system for controlling the temperature can be provided.

또한, 상기 열교환기로 유입되는 상기 합성가스의 조성을 분석하는 합성가스 조성분석기; 상기 열교환기로 유입되는 상기 합성가스의 유량을 측정하는 합성가스 유량측정기; 상기 분리기에서 스팀이 제거된 상기 생성가스의 조성을 분석하는 생성가스 조성분석기; 및 상기 분리기에서 스팀이 제거된 상기 생성가스의 유량을 측정하는 생성가스 유량측정기를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 합성가스 유량측정기 및 상기 생성가스 유량측정기에서 측정된 유량과, 상기 합성가스 조성분석기 및 상기 생성가스 조성분석기에서 분석된 조성을 통해 CO 전환율을 산출하고, 상기 합성가스를 원료물질 생산에 적합한 조성으로 개질하기 위해 필요한 CO 전환율 목표값과 상기 산출된 CO 전환율을 비교하여 차이값을 산출하고, 상기 촉매 반응기의 반응 온도를 조절하여 산출된 차이값을 보상하는 합성가스의 전환 시스템이 제공될 수 있다.A synthesis gas composition analyzer for analyzing a composition of the synthesis gas flowing into the heat exchanger; A syngas flow meter for measuring a flow rate of the synthesis gas flowing into the heat exchanger; A product gas composition analyzer for analyzing the composition of the product gas from which steam has been removed from the separator; And a product gas flow meter for measuring a flow rate of the product gas from which the steam has been removed in the separator, wherein the control unit controls the flow rate measured by the synthesis gas flow meter and the product gas flow meter, The CO conversion rate is calculated through the analyzer and the composition analyzed by the product gas composition analyzer and the calculated CO conversion rate is compared with the CO conversion rate required to modify the synthesis gas to a composition suitable for producing the raw material, And a syngas switching system for compensating the calculated difference value by adjusting the reaction temperature of the catalytic reactor.

또한, 상기 합성가스 중 적어도 일부가 상기 열교환기 및 상기 촉매 반응기를 우회하도록 제공되는 바이패스라인; 및 상기 바이패스라인의 유량을 제어하고, 상기 제어부에 의해 개도량이 제어되는 바이패스 밸브를 더 포함하는 합성가스의 전환 시스템이 제공될 수 있다.A bypass line through which at least a portion of the syngas is provided to bypass the heat exchanger and the catalytic reactor; And a bypass valve controlling the flow rate of the bypass line and controlling the opening amount by the control unit.

또한, 상기 냉각기에서 상기 생성가스를 냉각시키고 배출되는 냉각수를 상기 스팀 발생기로 회수하는 회수라인; 및 상기 분리기에서 액화된 스팀을 상기 스팀 발생기로 반송하는 상기 반송라인을 더 포함하는 합성가스의 전환 시스템이 제공될 수 있다.A recovery line for cooling the generated gas in the cooler and recovering the discharged cooling water to the steam generator; And a return line for returning the liquefied steam to the steam generator in the separator.

또한, 상기 촉매 반응기로 유입되는 상기 합성가스와 스팀의 혼합가스는 매니폴드로부터 복수 개로 분기되는 개별 라인을 통해 상기 촉매 반응기의 내부 공간에 분산되어 공급되는 합성가스의 전환 시스템이 제공될 수 있다.Also, a syngas switching system may be provided wherein the mixed gas of the syngas and steam introduced into the catalytic reactor is dispersed in the internal space of the catalytic reactor through separate lines branched from the manifold.

또한, 상기 촉매 반응기에서 일어나는 반응은 수성가스 전환반응인 합성가스의 전환 시스템이 제공될 수 있다.Further, the reaction occurring in the catalytic reactor may be a conversion system of a syngas, which is a water gas conversion reaction.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 외부에서 합성가스의 전환 시스템으로 합성된 CO 및 H2를 포함하는 합성가스가 공급되는 단계; 공급된 상기 합성가스와 스팀을 혼합하는 단계; 상기 합성가스와 스팀이 혼합된 혼합가스를 촉매가 충진된 촉매 반응기에서 반응시켜서 생성가스로 개질하는 단계; 상기 합성가스가 스팀과 혼합되기 전에, 상기 생성가스와 상기 합성가스를 열교환기에서 열 교환 시키는 단계; 열 교환 후 배출되는 상기 생성가스를 냉각하는 단계; 및 냉각된 상기 생성가스에서 스팀을 액화시켜 제거하는 단계를 포함하는 합성가스의 전환 방법이 제공될 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a process for producing a syngas, comprising: supplying a synthesis gas containing CO and H 2 synthesized with a syngas conversion system externally; Mixing the supplied syngas with steam; Reacting the mixed gas in which the synthesis gas and the steam are mixed in a catalytic reactor filled with a catalyst to reform it into a product gas; Exchanging the product gas and the syngas in a heat exchanger before the synthesis gas is mixed with steam; Cooling the product gas discharged after heat exchange; And liquefying and removing steam from the cooled product gas may be provided.

또한, 상기 합성가스 중 일부는 상기 스팀과 혼합하지 않고 상기 촉매 반응기 및 상기 열교환기를 우회시켜서, 상기 생성가스와 합류시켜 개질가스를 생성하고, 상기 우회하는 합성가스의 유량을 제어하여, 상기 개질가스의 조성을 조절하는 합성가스의 전환 방법이 제공될 수 있다.In addition, some of the syngas bypasses the catalytic reactor and the heat exchanger without mixing with the steam to generate a reformed gas by merging with the generated gas, and controls the flow rate of the bypassed synthesis gas, A method of converting a syngas to control the composition of the syngas can be provided.

또한, 상기 열 교환 시키는 단계에서 열 교환된 상기 합성가스를 히터로 가열한 후, 상기 혼합하는 단계에서 스팀과 혼합시키고, 상기 히터의 발열량, 상기 합성가스의 유량 및 스팀의 유량을 제어하여 상기 촉매 반응기의 반응 온도를 조절하는 합성가스의 전환 방법이 제공될 수 있다.The syngas heat-exchanged in the heat exchange step is heated by a heater, mixed with steam in the mixing step, and the heating amount of the heater, the flow rate of the synthesis gas, and the flow rate of steam are controlled, A method of converting a syngas to regulate the reaction temperature of the reactor can be provided.

또한, 상기 열교환기로 유입되는 상기 합성가스의 유량을 측정하는 단계; 상기 합성가스의 조성을 분석하는 단계; 스팀이 제거된 상기 생성가스의 유량을 측정하는 단계; 및 스팀이 제거된 상기 생성가스의 조성을 측정하는 단계를 더 포함하고, 상기 합성가스 및 상기 생성가스의 측정 유량과 분석된 조성을 통해 CO 전환율을 산출하고, 상기 합성가스를 원료물질 생산에 적합한 조성으로 개질하기 위해 필요한 CO 전환율 목표값과 상기 산출된 CO 전환율을 비교하여 차이값을 산출하고, 상기 개질하는 단계에서 반응하는 온도를 조절하여 산출된 차이값을 보상하는 합성가스의 전환 방법이 제공될 수 있다.Measuring a flow rate of the synthesis gas flowing into the heat exchanger; Analyzing the composition of the synthesis gas; Measuring a flow rate of the generated gas from which steam has been removed; And measuring the composition of the product gas from which steam has been removed, wherein the CO conversion rate is calculated through the measured flow rate of the synthesis gas and the product gas and the analyzed composition, and the synthesis gas is mixed with a composition suitable for producing a raw material There is provided a method of converting a syngas to compensate a calculated difference value by calculating a difference value by comparing the CO conversion target value required for reforming with the calculated CO conversion rate and adjusting the temperature to be reacted in the modifying step have.

본 발명의 실시예들에 따르면, 촉매 반응기의 반응열을 재활용하여 합성가스의 온도를 높이는데 사용할 수 있으므로, 열 효율이 높아진다는 효과가 있다. According to the embodiments of the present invention, since the reaction heat of the catalytic reactor can be recycled and used to raise the temperature of the syngas, there is an effect that the thermal efficiency is increased.

또한, 촉매 반응기의 반응 온도를 조절하여 수성가스 전환반응의 전환율을 제어함으로써, 합성가스의 조성비를 조절할 수 있으므로, 조성비의 제어 범위가 종래보다 넓어진다는 효과가 있다.Further, since the composition ratio of the synthesis gas can be controlled by controlling the reaction temperature of the catalytic reactor to control the conversion rate of the water gas conversion reaction, there is an effect that the control range of the composition ratio is wider than in the prior art.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성가스의 전환 시스템을 도시한 개념도이다.
도 2는 도 1의 합성가스의 전환 시스템의 제어 블록도이다.
도 3은 도 1의 촉매 반응기에서 일어나는 수성가스 전환반응의 반응온도에 따른 CO의 전환율의 변화를 실험한 결과를 보여주는 그래프이다.
1 is a conceptual diagram showing a conversion system of syngas according to an embodiment of the present invention.
Fig. 2 is a control block diagram of the syngas switching system of Fig. 1; Fig.
FIG. 3 is a graph showing the results of experiments on the conversion of CO conversion according to the reaction temperature of the water gas shift reaction in the catalytic reactor of FIG. 1.

이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성가스의 전환 시스템을 도시한 개념도이고, 도 2는 도 1의 합성가스의 전환 시스템의 제어 블록도이다.FIG. 1 is a conceptual view showing a conversion system of a synthesis gas according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a control block diagram of a conversion system of the synthesis gas of FIG. 1.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시에 따른 합성가스의 전환 시스템(10)은 합성가스와 스팀을 반응시켜서 합성가스의 조성비를 변화시키는 촉매 반응기(100), 촉매 반응기(100)에서의 반응에 의해 생성된 생성가스와 합성가스를 열 교환 시키는 열교환기(200), 열교환기(200)에서 합성가스와 열 교환 후 배출되는 생성가스를 냉각하는 냉각기(300) 및 시스템의 공정을 제어하는 제어부(400)를 포함할 수 있다.1 and 2, a syngas conversion system 10 according to one embodiment of the present invention includes a catalytic reactor 100, a catalytic reactor 100, A cooler 300 for cooling the synthesis gas and the product gas discharged after heat exchange in the heat exchanger 200, and a process of the system And a control unit 400 for controlling the control unit 400.

본 실시예에서, 합성가스는 탄소가 주성분인 연료를 산소, 증기 등과 같은 산화제와 반응시켜서 생성되는 가스로서, CO와 H2가 주성분인 가스일 수 있다. 이러한 합성가스는 촉매 반응기(100)를 거쳐서 조성비가 적절하게 조절된 상태로 각종 연료 제조에 사용되는 원료물질을 얻기 위한 전환 공정에 투입될 수 있다.In this embodiment, the synthesis gas is a gas produced by reacting carbon-based fuel with an oxidizing agent such as oxygen, steam or the like, and may be a gas mainly composed of CO and H 2 . The synthesis gas can be supplied to the conversion process for obtaining raw materials used in the production of various fuels in a state where the composition ratio is appropriately controlled via the catalytic reactor 100.

촉매 반응기(100)는 내부에 촉매 반응에 사용되는 촉매가 충진된 반응로일 수 있으며, 충진되는 촉매로는 일 예로 Fe계 촉매가 사용될 수 있다. 그러나, 이는 일 예에 불과하고, 반응에 사용되는 촉매는 수성가스 전환반응에 사용될 수 있는 촉매라면 어느 것이든 사용될 수 있다. 촉매 반응기(100)는 스팀과 합성가스가 혼합된 혼합가스를 공급받아서 반응이 일어나도록 구성될 수 있고, 이때 내부에 충진된 촉매가 사용될 수 있다. The catalytic reactor 100 may be a reactor filled with a catalyst used for the catalytic reaction, and an Fe-based catalyst may be used as the catalyst to be filled. However, this is merely an example, and the catalyst used in the reaction may be any catalyst that can be used for the water gas conversion reaction. The catalytic reactor 100 may be configured to receive a mixed gas containing steam and a syngas to cause a reaction, and a catalyst packed therein may be used.

촉매 반응기(100)에 공급되는 스팀과 합성가스의 혼합가스는 촉매 반응기(100)의 각 부분에 분산되게 공급될 수 있다. 이를 위해, 촉매 반응기(100)는 혼합기(130)와 연결된 매니폴드(134)에서부터 복수 개로 분기되는 개별 라인(136)과 연결될 수 있다. 혼합가스는 매니폴드(134)를 거쳐서 개별 라인(136)을 통해 촉매 반응기(100)의 내부 공간의 여러 부분에 분산되어 골고루 공급될 수 있다. 이로써, 발열 반응인 수성가스 전환반응에 의해 촉매 반응기(100)의 내부에서 국부적으로 온도가 높아져서, 내부의 촉매들 중 일부가 반응 한계 온도 이상으로 높아지게 되어 활성을 잃고 촉매 역할을 더 이상 못하게 되는 문제를 방지할 수 있다.The mixed gas of the steam and the syngas supplied to the catalytic reactor 100 may be dispersedly supplied to each part of the catalytic reactor 100. To this end, the catalytic reactor 100 may be connected to a separate line 136 that branches off from the manifold 134 connected to the mixer 130. The mixed gas can be uniformly distributed over various portions of the internal space of the catalytic reactor 100 via the individual line 136 via the manifold 134. [ As a result, due to the water gas conversion reaction, which is an exothermic reaction, the temperature locally increases inside the catalytic reactor 100, and some of the internal catalysts become higher than the reaction limit temperature, Can be prevented.

촉매 반응기(100)에는 반응 온도를 측정하는 반응기 온도계(102)가 제공될 수 있고, 촉매 반응기(100)의 전단에는 공정수 공급부(110), 스팀 발생기(120) 및 혼합기(130)가 제공될 수 있다.The catalytic reactor 100 may be provided with a reactor thermometer 102 for measuring the reaction temperature and a process water supply unit 110, a steam generator 120, and a mixer 130 are provided at the front end of the catalytic reactor 100 .

공정수 공급부(110)는 외부로부터 물을 공급받아서 이를 저장하는 저장 탱크(미도시) 및 저장된 물을 공정수로서 스팀 발생기(120)로 공급하기 위한 펌프와 밸브(미도시) 등을 포함할 수 있다. 공정수 공급부(110)로부터 공급되는 공정수는 스팀 발생기(120)로 공급되어, 스팀이 생산될 수 있다.The process water supply unit 110 may include a storage tank (not shown) for receiving and storing water from the outside and a pump and a valve (not shown) for supplying the stored water to the steam generator 120 as process water. have. The process water supplied from the process water supply unit 110 is supplied to the steam generator 120 so that steam can be produced.

스팀 발생기(120)는 공정수에 열을 공급하여 스팀을 생산하는 장치로서, 다른 형식의 에너지(예: 전기 에너지)를 열 에너지로 전환하는 장치(예: 전열기)일 수도 있고, 고온의 열 매체와 공정수를 열 교환시키는 열 교환기의 일종일 수도 있다. 스팀 발생기(120)의 후단에는 스팀의 유량을 측정하는 스팀 유량 측정기(122) 및 스팀의 유량을 제어하는 스팀 제어밸브(124)가 배치될 수 있고, 스팀 유량 측정기(122)와 스팀 제어밸브(124)를 통과한 스팀은 혼합기(130)로 제공되어 합성가스와 혼합될 수 있다.The steam generator 120 is an apparatus for supplying steam to the process water to produce steam. The steam generator 120 may be an apparatus (for example, a heater) for converting energy from other types of energy (for example, electric energy) into heat energy And a heat exchanger for exchanging heat between the process water and the process water. A steam flow meter 122 for measuring the flow rate of steam and a steam control valve 124 for controlling the flow rate of steam may be disposed at a rear end of the steam generator 120. The steam flow meter 122 and the steam control valve 124 may be provided to the mixer 130 and mixed with the syngas.

혼합기(130)는 두 가스를 혼합하기 위한 일반적인 구성을 갖는 장치일 수 있다. 혼합기(130)로 합성가스와 스팀이 제공되어 혼합될 수 있고, 혼합기(130)에서 혼합된 혼합가스는 혼합가스 온도계(132)를 거쳐서 촉매 반응기(100)로 공급되어 수성가스 전환반응이 일어날 수 있다.The mixer 130 may be a device having a general configuration for mixing the two gases. The synthesis gas and the steam may be mixed and supplied to the mixer 130 and the mixed gas mixed in the mixer 130 may be supplied to the catalytic reactor 100 through the mixed gas thermometer 132 to perform a water gas conversion reaction have.

한편, 촉매 반응기(100)에서 수성가스 전환반응이 일어난 후에 배출되는 생성가스는 열교환기(200)로 공급되어 합성가스와 열 교환이 일어날 수 있다. 이를 위해, 열교환기(200)의 전단에는 합성가스 공급부(210)와 분배기(220)가 제공될 수 있다.Meanwhile, the product gas discharged after the water gas conversion reaction in the catalytic reactor 100 is supplied to the heat exchanger 200, and heat exchange with the syngas can occur. For this purpose, a syngas supply unit 210 and a distributor 220 may be provided at the front end of the heat exchanger 200.

합성가스 공급부(210)는 별도로 제공되는 가스화기(미도시)에서 탄소가 주성분인 연료가 산화제와 반응하여 생성된 합성가스를 공급받아서, 이를 분배기(220)로 공급할 수 있다. 이를 위해, 합성가스 공급부(210)는 합성가스를 저장하는 가스 저장 탱크(미도시) 및 가스 펌프(미도시)와 밸브(미도시)를 포함할 수 있다. The syngas supply unit 210 can supply the synthesis gas generated by the reaction of the carbon-based fuel with the oxidant in the separately provided gasifier (not shown) and supply it to the distributor 220. To this end, the syngas supply unit 210 may include a gas storage tank (not shown) and a gas pump (not shown) and a valve (not shown) for storing syngas.

합성가스 공급부(210)에서 공급되는 합성가스는 합성가스의 조성을 분석하는 합성가스 조성분석기(212)를 거쳐서 분배기(220)로 제공될 수 있다. 분배기(220)는 공급받은 합성가스를 두 라인으로 분배하는 장치일 수 있고, 일 예로, 3-way 밸브일 수 있다. 분배기(220)는 열교환기(200)와 연결된 라인과, 열교환기(200)를 우회하는 바이패스라인(226)으로 합성가스를 분기할 수 있다.The syngas supplied from the syngas supply unit 210 may be supplied to the distributor 220 via a syngas composition analyzer 212 for analyzing the composition of the syngas. The distributor 220 may be a device for distributing the supplied synthesis gas to two lines, for example, a three-way valve. The distributor 220 may divide the synthesis gas into a line connected to the heat exchanger 200 and a bypass line 226 bypassing the heat exchanger 200.

분배기(220)에서 열교환기(200)로 보내지는 합성가스는 유량을 측정하는 합성가스 유량측정기(222)와 유량을 제어하는 합성가스 제어밸브(224)를 거쳐서 열교환기(200)로 공급될 수 있다. 열교환기(200)로 공급된 합성가스는 촉매 반응기(100)로부터 배출되는 생성가스와 열 교환을 하여 온도가 높아지고, 열 교환 후 히터(230)에 의해 한층 더 가열된 후 혼합기(130)로 제공될 수 있다. 혼합기(130)에 제공된 합성가스는 앞서 설명한 바와 같이 스팀과 혼합되어 촉매 반응기(100)로 공급될 수 있다. The synthesis gas sent from the distributor 220 to the heat exchanger 200 can be supplied to the heat exchanger 200 via the synthesis gas flow meter 222 for measuring the flow rate and the synthesis gas control valve 224 for controlling the flow rate have. The syngas supplied to the heat exchanger 200 is heat-exchanged with the product gas discharged from the catalytic reactor 100 to increase the temperature. After heat exchange, the syngas is further heated by the heater 230 and supplied to the mixer 130 . The syngas supplied to the mixer 130 may be mixed with steam and supplied to the catalytic reactor 100 as described above.

또한, 바이패스라인(226)을 통해 바이패스되는 합성가스는 바이패스 밸브(228)에 의해 유량이 제어될 수 있고, 후술할 분리기(320)로부터 배출된 합성가스와 합류하여 원료물질을 합성하기 위한 전환 반응로(Conversion reactor)로 제공될 수 있다.The syngas bypassed through the bypass line 226 can be controlled in flow rate by the bypass valve 228 and merged with the synthesis gas discharged from the separator 320 to be described later to synthesize the raw material And can be provided as a conversion reactor for the < / RTI >

한편, 열교환기(200)에서 열 교환 후 배출되는 생성가스는 냉각기(300)로 전달되어 냉각될 수 있다. 냉각기(300)는 생성가스를 냉각수로 냉각하는 열교환기의 일종일 수 있고, 냉각수를 공급하는 냉각수 공급부(310)와 연결될 수 있다. 이를 위해, 냉각수 공급부(310)는 냉각수를 외부로부터 공급받아서 저장하는 냉각수 저장 탱크(미도시), 냉각수를 이송하는 펌프(미도시) 및 유량을 제어하는 밸브(미도시)를 포함할 수 있다.The generated gas discharged from the heat exchanger 200 after heat exchange may be transferred to the cooler 300 and cooled. The cooler 300 may be one of a heat exchanger for cooling generated gas to coolant, and may be connected to a coolant supply part 310 for supplying coolant. To this end, the cooling water supply unit 310 may include a cooling water storage tank (not shown) for receiving and storing cooling water from the outside, a pump (not shown) for transferring the cooling water, and a valve (not shown) for controlling the flow rate.

냉각기(300)를 통과하면서 생성가스와 열 교환 후 온도가 높아진 냉각수는 공정수 공급부(110)와 스팀 발생기(120) 사이에 연결된 회수라인(312)을 통해 회수되어, 스팀 발생기(120)에서 스팀으로 전환될 수 있다. 그러나, 이는 일 예에 불과하고, 냉각기(300)로부터 냉각수가 회수되지 않고 배출되는 것도 가능하다.Cooling water having passed through the cooler 300 and having a high temperature after heat exchange with the generated gas is recovered through a recovery line 312 connected between the process water supply unit 110 and the steam generator 120, . ≪ / RTI > However, this is merely an example, and it is also possible that the coolant is discharged from the cooler 300 without being recovered.

냉각기(300)의 후단에는 생성가스에 함유된 스팀을 액화하여 분리하는 분리기(320)가 제공될 수 있으며, 분리기(320)에 의해 액화된 스팀은 반송라인(322)을 통해 회수라인(312)으로 합류하여 스팀 발생기(120)로 공급될 수 있다. The separator 320 may be provided at the rear end of the cooler 300 to separate and separate the steam contained in the generated gas. The steam liquefied by the separator 320 may be supplied to the recovery line 312 through the return line 322, And may be supplied to the steam generator 120.

분리기(320)를 통해 스팀이 분리된 생성가스는 조성을 분석하는 생성가스 조성분석기(324) 및 유량을 측정하는 생성가스 유량측정기(326)를 거쳐서 바이패스라인(226)을 통해 전달된 합성가스와 합류할 수 있다. 이렇게 생성가스와 바이패스라인(226)을 거친 합성가스가 혼합된 가스는 최종적으로 합성가스의 조성을 소망하는 조성으로 개질한 가스이므로, 개질가스라고 정의하겠다. 이러한 개질가스의 조성이 올바르게 조절되었는지 확인하기 위해, 생성가스와 바이패스라인(226)을 거친 합성가스가 합류하는 지점의 후단에 개질가스 조성분석기(328)가 제공될 수 있다. The product gas from which the steam is separated through the separator 320 is passed through a bypass line 226 through a product gas composition analyzer 324 for analyzing the composition and a product gas flow meter 326 for measuring the flow rate, You can join. The gas in which the product gas and the synthesis gas passing through the bypass line 226 are mixed is a reformed gas because the synthesis gas is finally modified to have a desired composition. The reformed gas composition analyzer 328 may be provided at the rear end of the point where the synthesis gas passing through the bypass line 226 and the synthesis gas are merged to check whether the composition of the reformed gas is properly adjusted.

조성 분석 결과 개질가스의 조성이 원료물질을 생산하는데 적합한 조성으로 개질되었다면, 개질가스는 상술한 전환 반응기로 전달될 수 있다.If the composition analysis shows that the composition of the reformed gas has been modified to a composition suitable for producing the raw material, the reformed gas can be transferred to the above-described conversion reactor.

한편, 제어부(400)는 상술한 스팀 유량 측정기(122), 합성가스 조성분석기(212), 합성가스 유량측정기(222), 생성가스 조성분석기(324), 생성가스 유량측정기(326), 혼합가스 온도계(132) 및 반응기 온도계(102)로부터 측정 또는 분석된 값들을 전달받고, 이를 토대로 스팀 제어밸브(124), 합성가스 제어밸브(224), 바이패스 밸브(228) 및 히터(230)의 동작을 제어하도록 구성될 수 있다. 이를 위해, 제어부(400)는 예컨대 소형 내장형 컴퓨터로 이루어질 수 있고, 프로그램, 메모리, CPU로 이루어지는 데이터 처리부 등을 구비할 수 있다. 상기 프로그램은, 스팀 유량 측정기(122), 합성가스 조성분석기(212), 합성가스 유량측정기(222), 생성가스 조성분석기(324), 생성가스 유량측정기(326), 혼합가스 온도계(132) 및 반응기 온도계(102)로부터 측정 또는 분석된 값들을 토대로 스팀 제어밸브(124), 합성가스 제어밸브(224) 및 바이패스 밸브(228)의 개도량 제어 및 히터(230)의 발열량 제어를 위한 알고리즘을 포함할 수 있다. 상기 프로그램은, 컴퓨터 기억 매체 예컨대 플렉시블 디스크, 컴팩트 디스크, 하드 디스크, MO(광자기 디스크) 등의 메모리부에 저장되어서 제어부(400)에 인스톨될 수 있다. The control unit 400 includes the steam flow meter 122, the synthesis gas composition analyzer 212, the synthesis gas flow meter 222, the product gas composition analyzer 324, the product gas flow meter 326, The syngas control valve 224, the bypass valve 228, and the heater 230, based on the values measured or analyzed from the thermometer 132 and the reactor thermometer 102. The operation of the steam control valve 124, As shown in FIG. For this, the control unit 400 may be a small built-in computer, for example, and may include a program, a memory, and a data processing unit including a CPU. The program includes a steam flow meter 122, a syngas composition analyzer 212, a syngas flow meter 222, a product gas composition analyzer 324, a product gas flow meter 326, a mixed gas thermometer 132, An algorithm for controlling the open amount of the steam control valve 124, the syngas control valve 224 and the bypass valve 228 and the calorific value of the heater 230 based on the values measured or analyzed from the reactor thermometer 102 . The program may be stored in a memory unit such as a computer storage medium, such as a flexible disk, a compact disk, a hard disk, or an MO (magneto optical disk), and installed in the control unit 400.

이하에서는 상술한 바와 같은 구성을 갖는 본 실시예에 따른 합성가스의 전환 시스템(10)의 작용 및 효과에 대하여 도 3을 참조하여 설명하겠다. 도 3은 도 1의 촉매 반응기에서 일어나는 수성가스 전환반응의 반응온도에 따른 CO의 전환율의 변화를 실험한 결과를 보여주는 그래프이다.Hereinafter, the operation and effect of the syngas switching system 10 according to the present embodiment having the above-described structure will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a graph showing the results of experiments on the conversion of CO conversion according to the reaction temperature of the water gas shift reaction in the catalytic reactor of FIG. 1.

도 3을 참조하면, 외부의 가스화기에서 합성된 합성가스가 합성가스 공급부(210)로 공급될 수 있다. 합성가스 공급부(210)는 합성가스를 열교환기(200)로 공급할 수 있는데, 이 때, 공급되는 합성가스는 합성가스 조성분석기(212)를 지나면서 합성가스의 조성이 분석될 수 있으며, 합성가스에 함유된 가스 조성 중에서도 특히, 합성가스에 함유된 CO와 H2의 조성비가 분석될 수 있다. 합성가스 공급부(210)에 의해 공급되는 합성가스의 CO와 H2의 조성비는 일반적으로 1:0.5~1 정도 수준으로 H2의 비율이 CO의 비율보다 낮다. 그러나, 합성가스를 이용하여 원료물질을 생산하기 위해서는 H2의 비율이 CO의 비율보다 높게 할 필요가 있으므로, 수성가스 전환반응을 통해 합성가스의 조성비를 수정할 필요가 있다.Referring to FIG. 3, the syngas synthesized in the external gasifier may be supplied to the synthesis gas supply unit 210. The syngas supply unit 210 may supply the synthesis gas to the heat exchanger 200. At this time, the supplied synthesis gas may be analyzed through the synthesis gas composition analyzer 212 to analyze the composition of the synthesis gas, The composition ratio of CO and H 2 contained in the synthesis gas can be analyzed in particular. The composition ratio of CO and H 2 in the synthesis gas supplied by the synthesis gas supply unit 210 is generally about 1: 0.5 to 1, and the ratio of H 2 is lower than that of CO. However, in order to produce the raw material using the synthesis gas, it is necessary to make the ratio of H2 higher than the ratio of CO, so it is necessary to modify the composition ratio of the synthesis gas through the water gas conversion reaction.

합성가스 조성분석기(212)에 의해 조성이 분석된 후, 합성가스는 분배기(220)로 공급되고, 그 중 일부는 열교환기(200)를 거쳐 촉매 반응기(100)로 공급되어 수성가스 전환반응에 참여하게 되고, 나머지는 바이패스라인(226)을 통과하게 된다. 이때, 분배기(220)에서 각 라인으로 분배되는 유량은 각 라인에 배치된 제어밸브(224, 228)의 개도량을 제어함으로써 조절될 수 있다. 이를 위해, 열교환기(200)로 공급되는 합성가스의 유량을 측정하는 합성가스 유량측정기(222)의 측정값이 제어부(400)로 피드백 되어 제어밸브(224, 228)의 개도량 제어에 사용될 수 있다.After the composition is analyzed by the synthesis gas composition analyzer 212, the synthesis gas is supplied to the distributor 220, and a part of the synthesis gas is supplied to the catalytic reactor 100 via the heat exchanger 200, And the remainder passes through the bypass line 226. At this time, the flow rate distributed to each line in the distributor 220 can be adjusted by controlling the opening amount of the control valves 224 and 228 disposed in each line. The measured value of the syngas flow meter 222 for measuring the flow rate of the synthesis gas supplied to the heat exchanger 200 may be fed back to the control unit 400 to be used for controlling the opening amount of the control valves 224 and 228 have.

열교환기(200)로 유입된 합성가스는 촉매 반응기(100)에서 생성된 생성가스로부터 열을 전달받아서 온도가 높아지고, 열 교환 후 다시 히터(230)에 의해 가열되어 온도가 설정된 후에 혼합기(130)로 공급되어 스팀과 혼합될 수 있다. 이때, 히터(230)의 발열량은 제어부(400)에 의해 제어될 수 있고, 혼합기(130) 후단의 혼합가스 온도계(132)에서 측정되는 온도를 실시간으로 모니터링하여 히터(230)의 발열량을 제어할 수 있다.The syngas introduced into the heat exchanger 200 receives heat from the product gas generated in the catalytic reactor 100 and is heated by the heater 230 after the heat exchange, To be mixed with the steam. At this time, the calorific value of the heater 230 can be controlled by the controller 400, and the calorific value of the heater 230 can be controlled by monitoring the temperature measured in the mixed gas thermometer 132 at the rear stage of the mixer 130 in real time .

한편, 공정수 공급부(110)에서 공급되는 공정수는 냉각기(300)로부터 회수라인(312)을 거쳐 전달되는 냉각수와, 분리기(320)로부터 반송라인(322)을 거쳐 전달되는 액화된 스팀과 합류하여 스팀 발생기(120)로 유입될 수 있다. 스팀 발생기(120)는 유입된 물을 가열하여 스팀으로 상 변화시켜서 혼합기(130)로 전달할 수 있다. 이때, 스팀 발생기(120)에서 발생된 스팀의 유량은 스팀 유량 측정기(122)에 의해 측정될 수 있고, 스팀 제어밸브(124)에 의해 스팀의 공급 유량이 조절될 수 있다. 스팀 유량 측정기(122)에서 측정되는 스팀의 유량은 스팀 제어밸브(124)의 개도량을 피드백 제어 하기 위해 사용될 수 있으며, 개도량에 따라 변화되는 스팀의 유량이 다시 제어부(400)로 피드백 되어 개도량이 제어될 수 있다.Meanwhile, the process water supplied from the process water supply unit 110 is supplied to the cooling water from the cooler 300 through the recovery line 312, the liquefied steam delivered from the separator 320 through the return line 322, And may be introduced into the steam generator 120. The steam generator 120 may heat the inflowed water to change the steam into steam, and may transfer the steam to the mixer 130. At this time, the flow rate of the steam generated in the steam generator 120 can be measured by the steam flow meter 122, and the supply flow rate of the steam can be adjusted by the steam control valve 124. The flow rate of the steam measured by the steam flow meter 122 can be used to feedback control the opening amount of the steam control valve 124. The flow rate of the steam, which is changed according to the opening amount, is fed back to the controller 400, Amount can be controlled.

혼합기(130)에서 스팀과 합성가스가 혼합된 혼합가스는 촉매 반응기(100)로 전달되어 촉매와 만나서 수성가스 전환반응이 일어날 수 있다. 이때, 촉매 반응기(100)의 내부 공간의 각 부분에 균일하게 혼합가스가 투입되도록 분산되게 촉매 반응기(100)에 연결된 복수 개의 개별 라인(136)이 혼합기(130)와 연결된 매니폴드(134)로부터 분기하도록 구성될 수 있다. 이에 따라, 촉매 반응기(100) 내부로 혼합가스가 균일하게 분산되어 공급될 수 있다. The mixed gas in which the steam and the syngas are mixed in the mixer 130 is transferred to the catalytic reactor 100 and may be contacted with the catalyst to cause a water gas conversion reaction. At this time, a plurality of individual lines 136 connected to the catalytic reactor 100 are dispersed from the manifold 134 connected to the mixer 130 such that the mixed gas is uniformly injected into each portion of the internal space of the catalytic reactor 100 Branch. Accordingly, the mixed gas can be uniformly dispersed and supplied into the catalytic reactor 100.

이로써, 촉매 반응기(100)의 내부에서 국부적으로 반응이 일어나는 문제를 방지하고, 촉매 반응기(100) 내부 공간 전체에 걸쳐서 반응이 진행될 수 있다.As a result, it is possible to prevent the local reaction from occurring inside the catalytic reactor 100, and the reaction can proceed throughout the interior space of the catalytic reactor 100.

촉매 반응기(100)에서 일어나는 수성가스 전환반응은 발열 반응으로서, 합성가스에 포함된 일산화탄소(CO)와 스팀(H2O)을 반응시켜서 이산화탄소(CO-2)와 수소(H2)를 생성하는 반응이다. 상기 수성가스 전환반응은 반응온도에 따라 전환효율이 결정되며, Fe계 촉매가 사용되는 경우에는 300~450℃의 범위 내에서 온도가 조절됨에 따라 전환효율이 결정될 수 있다. 다시 말해서, 촉매 반응기(100) 내의 반응 온도를 조절함으로써, CO가 CO2로 전환되면서 H2가 발생되는 비율(CO 전환율)이 제어될 수 있다. The water gas conversion reaction occurring in the catalytic reactor 100 is an exothermic reaction in which carbon monoxide (CO) and steam (H 2 O) contained in the syngas are reacted to generate carbon dioxide (CO 2 ) and hydrogen (H 2 ) Reaction. The conversion efficiency of the aqueous gas conversion reaction is determined according to the reaction temperature. When the Fe-based catalyst is used, the conversion efficiency can be determined by controlling the temperature within the range of 300 to 450 ° C. In other words, by controlling the reaction temperature in the catalytic reactor 100, the rate at which H 2 is generated (CO conversion) as CO is converted to CO 2 can be controlled.

구체적으로, 도 3의 그래프로 알 수 있듯이, 반응 온도가 300~450℃인 구간에서 반응 온도가 높아질수록 CO 전환율도 함께 높아진다. 촉매 반응기(100)에 투입되는 혼합가스의 온도를 조절함으로써 반응 온도를 간접적으로 조절할 수 있으므로, CO 전환율 또한 조절할 수 있다.Specifically, as can be seen from the graph of FIG. 3, the higher the reaction temperature in the reaction temperature range of 300 to 450 ° C., the higher the CO conversion rate. Since the reaction temperature can be indirectly controlled by controlling the temperature of the mixed gas introduced into the catalytic reactor 100, the CO conversion rate can also be controlled.

촉매 반응기(100)의 반응 온도는 반응기 온도계(102)에 의해 측정되어 제어부(400)로 피드백 될 수 있고, 피드백 된 반응 온도를 맞추기 위해 혼합가스의 온도를 조절할 수 있다. 혼합가스의 온도 조절은 히터(230)의 발열량 조절, 합성가스의 유량 조절 및 스팀의 유량 조절을 통해 가능하며, 이때 상술한 바와 같이 혼합가스 온도계(132)에서 측정된 온도를 피드백하여 제어할 수 있다.The reaction temperature of the catalytic reactor 100 may be measured by the reactor thermometer 102 and fed back to the controller 400 and the temperature of the mixed gas may be adjusted to match the feedback reaction temperature. The temperature of the mixed gas can be controlled by adjusting the calorific value of the heater 230, controlling the flow rate of the syngas, and controlling the flow rate of the steam. At this time, have.

촉매 반응기(100) 내의 반응을 통해 생성되는 생성가스는 발열 반응인 수성가스 전환반응을 거쳐 생성된 가스이므로 촉매 반응기(100)에 투입된 혼합가스보다 온도가 높은 상태이며, 이러한 고온의 생성가스는 열교환기(200)로 투입되어 합성가스와 열 교환될 수 있다. 이와 같이, 합성가스가 히터(230)에 의해 가열되기 전에 열교환기(200)에서 먼저 고온의 생성가스와 열 교환을 시켜서 합성가스의 온도를 높일 수 있으므로, 히터(230)를 이용해서 합성가스를 필요한 만큼 가열하는 데 소요되는 에너지를 절약할 수 있다. 다시 말해서, 촉매 반응기(100)에서 일어나는 반응에 의한 폐열이 다시 회수되어 사용되므로, 열효율이 좋아진다는 효과가 달성될 수 있다.Since the product gas generated through the reaction in the catalytic reactor 100 is a gas generated through an aqueous gas conversion reaction, which is an exothermic reaction, the temperature of the product gas is higher than that of the mixed gas introduced into the catalytic reactor 100, Can be introduced into the unit 200 and heat-exchanged with the syngas. As described above, since the synthesis gas is first heat-exchanged with the high-temperature production gas in the heat exchanger 200 before the synthesis gas is heated by the heater 230, the temperature of the synthesis gas can be increased, It saves the energy required to heat up as much as necessary. In other words, since the waste heat generated by the reaction occurring in the catalytic reactor 100 is recovered and used, the effect of improving the thermal efficiency can be achieved.

열교환기(200)에서 합성가스에 열을 빼앗긴 생성가스는 다시 냉각기(300)로 전달되어 냉각수에 의해 냉각될 수 있다. 냉각기(300)로 전달된 생성가스는 후단의 분리기(320)에서 생성가스에 함유된 스팀이 잘 분리될 수 있는 온도까지 냉각되어 분리기(320)로 전달될 수 있다.The generated gas, which has been desorbed from the syngas in the heat exchanger 200, is further transferred to the cooler 300 and can be cooled by the coolant. The generated gas delivered to the cooler 300 may be cooled to a temperature at which the steam contained in the product gas can be separated by the separator 320 at the subsequent stage and may be delivered to the separator 320.

분리기(320)는 전달된 생성가스에 함유된 스팀을 액화시켜서 분리시킬 수 있고, 이를 위해 도시하지 않은 냉각 장치를 포함할 수 있다. 스팀이 분리된 생성가스는 생성가스 조성분석기(324)를 지나면서 조성비 분석이 이루어지고, 생성가스 유량측정기(326)를 지나면서 조성비가 분석될 수 있다. 생성가스 조성분석기(324)와 생성가스 유량측정기(326)에서 수집된 수치들은 제어부(400)로 전달된다.The separator 320 may separate the steam contained in the generated product gas by liquefying it, and may include a cooling device (not shown) for this purpose. The product gas from which the steam is separated passes through the product gas composition analyzer 324, and the composition ratio is analyzed. The composition ratio can be analyzed after passing through the product gas flow meter 326. The values collected by the generated gas composition analyzer 324 and the generated gas flow meter 326 are transmitted to the controller 400. [

제어부(400)는 합성가스 조성분석기(212), 합성가스 유량측정기(222), 생성가스 조성분석기(324) 및 생성가스 유량측정기(326)로부터 수집한 정보들을 토대로 CO 전환율을 산출할 수 있다. 여기서, CO 전환율은 아래의 식에 의해 도출될 수 있다.The control unit 400 may calculate the CO conversion rate based on the information collected from the synthesis gas composition analyzer 212, the synthesis gas flow meter 222, the product gas composition analyzer 324, and the product gas flow meter 326. Here, the CO conversion rate can be derived by the following equation.

Figure 112014079611339-pat00001
Figure 112014079611339-pat00001

상기 식에서 합성가스의 CO 몰유량은 합성가스 조성분석기(212)에서 분석된 CO의 조성비와 합성가스 유량측정기(222)에서 측정된 유량을 통해 구할 수 있고, 생성가스의 CO 몰유량은 생성가스 조성분석기(324)에서 분석된 CO의 조성비와 생성가스 유량측정기(326)에서 측정된 유량을 통해 구할 수 있다.The CO molar flow rate of the syngas in the above equation can be obtained through the composition ratio of CO analyzed by the synthesis gas composition analyzer 212 and the flow rate measured by the syngas flow meter 222, The composition ratio of CO analyzed in the analyzer 324 and the flow rate measured in the product gas flow meter 326.

또한, 제어부(400)는 합성가스 공급부(210)로부터 공급되는 합성가스의 조성을 원료물질 생산에 적합한 조성으로 개질하기 위해 필요한 CO 전환율 목표값을 구할 수 있으며, 산출된 CO 전환율을 상기 CO 전환율 목표값과 비교하여 차이값을 산출할 수 있다. 산출된 차이값을 보상하기 위해 히터(230)의 발열량, 합성가스의 유량 및 스팀의 유량 제어를 통해 촉매 반응기(100)의 반응 온도를 제어하여 CO 전환율을 조절할 수 있다.Further, the control unit 400 can obtain the CO conversion target value required for modifying the composition of the synthesis gas supplied from the synthesis gas supply unit 210 to a composition suitable for the production of the raw material. The control unit 400 converts the calculated CO conversion rate into the CO conversion target value The difference value can be calculated. In order to compensate the calculated difference value, the CO conversion rate can be controlled by controlling the reaction temperature of the catalytic reactor 100 through controlling the calorific value of the heater 230, the flow rate of the syngas, and the flow rate of the steam.

한편, 개질가스 조성분석기(328)에서 조성을 분석한 결과 소망하는 H2의 조성비보다 개질가스의 H2의 조성비가 더 높은 경우에는, 바이패스라인(226)을 통해서 생성가스와 합류하는 합성가스의 유량을 증가시킴으로써 최종적으로 개질가스의 H2 조성비를 낮출 수 있다. 바이패스라인(226)을 흐르는 합성가스는 촉매 반응기(100)를 우회하여 수성가스 전환반응을 거치지 않으므로 H2의 조성비가 작다. 따라서, 바이패스라인(226)을 흐르는 합성가스의 유량이 높아지면, 합성가스가 생성가스와 혼합되면서 개질가스의 H2의 조성비를 낮추는 결과가 된다.On the other hand, the reformed gas when the composition analyzer 328, the higher the composition analysis result of the composition ratio of H 2 in the desired H 2 reformed gas than the composition ratio of the In, the synthesis gas flows together with the product gas through the bypass line 226, The H 2 composition ratio of the reformed gas can be finally reduced by increasing the flow rate. Since the synthesis gas flowing through the bypass line 226 bypasses the catalytic reactor 100 and does not undergo a water gas conversion reaction, the composition ratio of H 2 is small. Therefore, when the flow rate of the synthesis gas flowing through the bypass line 226 is increased, the synthesis gas is mixed with the product gas, resulting in lowering the H 2 composition ratio of the reformed gas.

이러한 과정을 거쳐서 합성가스를 소망하는 조성으로 개질하는 것이 가능하며, 개질된 합성가스는 시스템 후단의 전환 반응기로 전달되어 원료물질로 전환될 수 있다.Through this process, it is possible to modify the synthesis gas to a desired composition, and the modified synthesis gas can be transferred to the conversion reactor at the downstream stage of the system and converted into the raw material.

상술한 바와 같은 합성가스의 전환 시스템(10)에 따르면, 촉매 반응기(100)의 반응열을 재활용하여 반응에 필요한 합성가스의 온도를 높이는데 사용할 수 있으므로, 전체 시스템의 열 효율이 높아진다는 효과가 있다. 또한, 촉매 반응기(100)의 반응 온도를 제어하여 수성가스 전환반응의 CO 전환율을 제어함으로써, 합성가스의 조성비를 조절할 수 있으므로, 조성비의 제어 범위가 종래보다 넓어지고, 안정적이고 효율적인 조성비 제어가 가능하다는 장점이 있다.According to the above-described synthesis gas switching system 10, since the reaction heat of the catalytic reactor 100 can be used to increase the temperature of the synthesis gas required for the reaction, the thermal efficiency of the entire system is increased . Further, since the composition ratio of the synthesis gas can be controlled by controlling the reaction temperature of the catalytic reactor 100 and controlling the CO conversion of the water gas conversion reaction, the control range of the composition ratio is wider than in the past, and stable and efficient composition ratio control is possible .

이상 본 발명의 실시예들에 따른 합성가스의 전환 시스템의 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.While the present invention has been described in connection with certain exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the specific embodiments thereof except as defined in the appended claims. . Skilled artisans may implement a pattern of features that are not described in a combinatorial and / or permutational manner with the disclosed embodiments, but this is not to depart from the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications may be readily made without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims.

10: 합성가스의 전환 시스템 100: 촉매 반응기
102: 반응기 온도계 110: 공정수 공급부
120: 스팀 발생기 122: 스팀 유량측정기
124: 스팀 제어밸브 130: 혼합기
132: 혼합가스 온도계 134: 매니폴드
136: 개별 라인 200: 열교환기
210: 합성가스 공급부 212: 합성가스 조성분석기
220: 분배기 222: 합성가스 유량측정기
224: 합성가스 제어밸브 226: 바이패스라인
228: 바이패스 밸브 230: 히터
300: 냉각기 310: 냉각수 공급부
312: 회수라인 320: 분리기
322: 반송라인 324: 생성가스 조성분석기
326: 생성가스 유량측정기 328: 개질가스 조성분석기
400: 제어부
10: Synthetic gas conversion system 100: Catalytic reactor
102: Reactor thermometer 110: Process water supply unit
120: Steam generator 122: Steam flow meter
124: Steam control valve 130: Mixer
132: mixed gas thermometer 134: manifold
136: individual line 200: heat exchanger
210: Synthetic gas supply unit 212: Synthetic gas composition analyzer
220: Dispenser 222: Syngas flow meter
224: Synthetic gas control valve 226: Bypass line
228: Bypass valve 230: Heater
300: cooler 310: cooling water supply part
312: recovery line 320: separator
322: Return line 324: Produced gas composition analyzer
326: Generated gas flow meter 328: Reformed gas composition analyzer
400:

Claims (11)

CO와 H2를 포함하는 합성가스와 스팀 발생기에 의해 발생된 스팀을 반응시켜서 상기 합성가스의 CO와 H2의 조성비를 변화시키는 촉매 반응기;
상기 촉매 반응기로 유입되는 스팀의 유량을 제어하는 스팀 제어밸브;
상기 촉매 반응기에서의 반응에 의해 생성된 생성가스와 상기 합성가스를 열 교환 시키는 열교환기;
상기 열교환기에서 상기 생성가스와 열 교환 후 배출되는 상기 합성가스를 가열하는 히터;
상기 열교환기에서 상기 합성가스와 열 교환 후 배출되는 상기 생성가스를 냉각하는 냉각기;
상기 냉각기에서 냉각된 상기 생성가스에 함유된 스팀을 액화하여 분리시키는 분리기;
상기 열교환기로 유입되는 상기 합성가스의 유량을 조절하는 합성가스 제어밸브;
상기 히터의 발열량, 상기 합성가스 제어밸브의 개도량 및 상기 스팀 제어밸브의 개도량을 제어하는 제어부;
상기 촉매 반응기로 유입되는 상기 합성가스와 스팀의 혼합가스의 온도를 측정하는 혼합가스 온도계;
상기 촉매 반응기의 반응 온도를 측정하는 반응기 온도계;
상기 열교환기로 유입되는 상기 합성가스의 조성을 분석하는 합성가스 조성분석기;
상기 열교환기로 유입되는 상기 합성가스의 유량을 측정하는 합성가스 유량측정기;
상기 분리기에서 스팀이 제거된 상기 생성가스의 조성을 분석하는 생성가스 조성분석기; 및
상기 분리기에서 스팀이 제거된 상기 생성가스의 유량을 측정하는 생성가스 유량측정기를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 히터의 발열량, 상기 합성가스 제어밸브의 개도량 및 상기 스팀 제어밸브의 개도량을 제어하여 상기 촉매 반응기의 반응 온도를 조절하고,
상기 합성가스 유량측정기 및 상기 생성가스 유량측정기에서 측정된 유량과, 상기 합성가스 조성분석기 및 상기 생성가스 조성분석기에서 분석된 조성을 통해 CO 전환율을 산출하고,
상기 합성가스를 원료물질 생산에 적합한 조성으로 개질하기 위해 필요한 CO 전환율 목표값과 상기 산출된 CO 전환율을 비교하여 차이값을 산출하고,
상기 촉매 반응기의 반응 온도를 조절하여 산출된 차이값을 보상하는 합성가스의 전환 시스템.
A catalytic reactor for reacting a synthesis gas containing CO and H 2 with steam generated by a steam generator to change a composition ratio of CO and H 2 of the synthesis gas;
A steam control valve for controlling a flow rate of steam flowing into the catalytic reactor;
A heat exchanger for heat-exchanging the syngas produced by the reaction in the catalytic reactor;
A heater for heating the syngas discharged from the heat exchanger after heat exchange with the product gas;
A cooler for cooling the produced gas discharged from the heat exchanger after heat exchange with the syngas;
A separator for liquefying and separating steam contained in the product gas cooled in the cooler;
A syngas control valve for regulating a flow rate of the synthesis gas flowing into the heat exchanger;
A control unit for controlling a heating amount of the heater, an opening amount of the syngas control valve, and an opening amount of the steam control valve;
A mixed gas thermometer for measuring the temperature of the mixed gas of the synthesis gas and the steam introduced into the catalytic reactor;
A reactor thermometer for measuring a reaction temperature of the catalytic reactor;
A synthesis gas composition analyzer for analyzing a composition of the synthesis gas flowing into the heat exchanger;
A syngas flow meter for measuring a flow rate of the synthesis gas flowing into the heat exchanger;
A product gas composition analyzer for analyzing the composition of the product gas from which steam has been removed from the separator; And
And a product gas flow meter for measuring the flow rate of the product gas from which steam has been removed in the separator,
Wherein,
Controlling a reaction temperature of the catalytic reactor by controlling a heating amount of the heater, an opening amount of the syngas control valve, and an opening amount of the steam control valve,
The CO conversion rate is calculated through the flow rate measured by the syngas flow meter and the product gas flow meter and the composition analyzed by the synthesis gas composition analyzer and the product gas composition analyzer,
Calculating a difference value by comparing the CO conversion target value required for modifying the synthesis gas to a composition suitable for producing the raw material and the calculated CO conversion rate,
And the difference value is calculated by adjusting the reaction temperature of the catalytic reactor.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 합성가스 중 적어도 일부가 상기 열교환기 및 상기 촉매 반응기를 우회하도록 제공되는 바이패스라인; 및
상기 바이패스라인의 유량을 제어하고, 상기 제어부에 의해 개도량이 제어되는 바이패스 밸브를 더 포함하는 합성가스의 전환 시스템.
The method according to claim 1,
A bypass line through which at least a portion of the synthesis gas is provided to bypass the heat exchanger and the catalytic reactor; And
Further comprising a bypass valve for controlling a flow rate of the bypass line and controlling an opening amount by the control unit.
제 1 항에 있어서,
상기 냉각기에서 상기 생성가스를 냉각시키고 배출되는 냉각수를 상기 스팀 발생기로 회수하는 회수라인; 및
상기 분리기에서 액화된 스팀을 상기 스팀 발생기로 반송하는 반송라인을 더 포함하는 합성가스의 전환 시스템.
The method according to claim 1,
A recovery line for cooling the generated gas in the cooler and recovering the discharged cooling water to the steam generator; And
And a return line for returning the liquefied steam to the steam generator in the separator.
제 1 항에 있어서,
상기 촉매 반응기로 유입되는 상기 합성가스와 스팀의 혼합가스는 매니폴드로부터 복수 개로 분기되는 개별 라인을 통해 상기 촉매 반응기의 내부 공간에 분산되어 공급되는 합성가스의 전환 시스템.
The method according to claim 1,
Wherein the mixed gas of the synthesis gas and the steam introduced into the catalytic reactor is dispersed and supplied to the inner space of the catalytic reactor through separate lines branched from the manifold.
제 1 항 및 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 촉매 반응기에서 일어나는 반응은 수성가스 전환반응인 합성가스의 전환 시스템.
7. The method according to any one of claims 1 and 4 to 6,
Wherein the reaction occurring in the catalytic reactor is a water gas conversion reaction.
외부에서 합성가스의 전환 시스템으로 합성된 CO 및 H2를 포함하는 합성가스가 공급되는 단계;
공급된 상기 합성가스와 스팀을 혼합하는 단계;
상기 합성가스와 스팀이 혼합된 혼합가스를 촉매가 충진된 촉매 반응기에서 반응시켜서 생성가스로 개질하는 단계;
상기 합성가스가 스팀과 혼합되기 전에, 상기 생성가스와 상기 합성가스를 열교환기에서 열 교환 시키는 단계;
열 교환 후 배출되는 상기 생성가스를 냉각하는 단계;
냉각된 상기 생성가스에서 스팀을 액화시켜 제거하는 단계;
상기 열교환기로 유입되는 상기 합성가스의 유량을 측정하는 단계;
상기 합성가스의 조성을 분석하는 단계;
스팀이 제거된 상기 생성가스의 유량을 측정하는 단계; 및
스팀이 제거된 상기 생성가스의 조성을 측정하는 단계를 포함하고,
상기 열 교환 시키는 단계에서 열 교환된 상기 합성가스를 히터로 가열한 후, 상기 혼합하는 단계에서 스팀과 혼합시키고,
상기 히터의 발열량, 상기 합성가스의 유량 및 스팀의 유량을 제어하여 상기 촉매 반응기의 반응 온도를 조절하고,
상기 합성가스 및 상기 생성가스의 측정 유량과 분석된 조성을 통해 CO 전환율을 산출하고,
상기 합성가스를 원료물질 생산에 적합한 조성으로 개질하기 위해 필요한 CO 전환율 목표값과 상기 산출된 CO 전환율을 비교하여 차이값을 산출하고,
상기 개질하는 단계에서 반응하는 온도를 조절하여 산출된 차이값을 보상하는 합성가스의 전환 방법.
A synthesis gas containing CO and H 2 synthesized by a conversion system of synthesis gas from outside is supplied;
Mixing the supplied syngas with steam;
Reacting the mixed gas in which the synthesis gas and the steam are mixed in a catalytic reactor filled with a catalyst to reform it into a product gas;
Exchanging the product gas and the syngas in a heat exchanger before the synthesis gas is mixed with steam;
Cooling the product gas discharged after heat exchange;
Liquefying and removing steam from the cooled product gas;
Measuring a flow rate of the synthesis gas flowing into the heat exchanger;
Analyzing the composition of the synthesis gas;
Measuring a flow rate of the generated gas from which steam has been removed; And
Measuring the composition of the product gas from which steam has been removed,
Exchanging the heat-exchanged synthesis gas with the heater in the heat exchange step, mixing the steam with the steam in the mixing step,
Controlling a reaction temperature of the catalytic reactor by controlling a heating value of the heater, a flow rate of the syngas, and a flow rate of steam,
A CO conversion rate is calculated through the measured flow rate of the synthesis gas and the generation gas and the analyzed composition,
Calculating a difference value by comparing the CO conversion target value required for modifying the synthesis gas to a composition suitable for producing the raw material and the calculated CO conversion rate,
And adjusting the temperature at which the reaction is performed in the reforming step to compensate the calculated difference value.
제 8 항에 있어서,
상기 합성가스 중 일부는 상기 스팀과 혼합하지 않고 상기 촉매 반응기 및 상기 열교환기를 우회시켜서, 상기 생성가스와 합류시켜 개질가스를 생성하고,
상기 우회하는 합성가스의 유량을 제어하여, 상기 개질가스의 조성을 조절하는 합성가스의 전환 방법.
9. The method of claim 8,
A part of the syngas bypasses the catalytic reactor and the heat exchanger without mixing with the steam to join with the product gas to generate a reformed gas,
And controlling the flow rate of the bypassing syngas to control the composition of the reformed gas.
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