KR101851457B1 - 개질 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 개질 시스템에 관한 것으로, 제3열교환기 이전 부분과 제1열교환기를 연결하는 바이패스라인을 설치하여 제2열교환기로 유입되는 물 양을 조절하고, 제2열교환기로의 물 공급라인(습증기 라인)에서 밸브를 제거하여 습증기 유동에 의한 압력 변동을 방지함으로써 전환반응기 입구의 온도 및 유량을 공급 조건에 맞는 범위로 일정하게 유지할 수 있다.

Description

개질 시스템{REFORMING SYSTEM}
본 발명은 개질 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 천연가스를 이용하여 수소를 생산하는 개질 시스템에 관한 것이다.
수소는 연소 시 극소량의 질소와 물만 생성될 뿐 화석 연료처럼 공해물질을 발생시키지 않기 때문에 미래 청정 에너지원으로 각광받고 있다.
또한, 수소는 직접 연소시켜 열에너지를 이용할 수 있을 뿐만 아니라 연료전지 시스템의 연료로도 이용되며, 반도체, 식품, 비료 부분 등 산업 전반에 다양하게 사용되고 있어서 사용량이 크게 증가 추세에 있다.
수소는 산과 금속의 화학반응이나 물의 전기분해에 의해 얻을 수 있으나 매장량이 풍부한 천연가스를 개질하여 생산하는 방법도 많이 사용되고 있다.
천연가스를 이용하여 수소를 생산하는 개질 시스템은 도 1과 같이, 개질반응기(10)와 전환반응기(20) 및 복수의 열교환기(30,40,50)를 포함한다. 개질반응기(10)에는 개질반응에 필요한 열을 공급하기 위해 버너(60)가 구비된다.
상기 개질반응기(10)는 천연가스를 수증기와 반응시켜 1차 합성가스를 만들고, 상기 전환반응기(20)는 1차 합성가스를 수증기와 반응시켜 일산화탄소를 수소로 변환시키는 역할을 한다.
상기 열교환기(30,40,50)들은 개질반응기(10)와 전환반응기(20)의 폐열을 흡수하여 이들에 공급되는 천연가스나 1차 합성가스의 온도를 반응에 적합한 온도로 예열해 주며, 이에 의해 전환 효율이 향상된다.
한편, 전환반응기(20)내 촉매의 활성화 상태를 유지하여 일산화탄소 전환 및 수소 생성 성능을 최적 상태로 유지하기 위해서는 1차 합성가스의 공급온도 즉, 전환반응기(20)의 입구온도를 일정 온도(예: 350℃)로 유지하는 것이 매우 중요하다.
전환반응기(20)의 입구온도 유지에는 제2열교환기(40)에서 1차 합성가스와 열교환하는 물(20% 습증기 포함)의 유량 제어가 중요하다.
따라서, 제2열교환기(40)의 물 공급라인을 제1열교환기(30)로 연결하는 바이패스라인(70)을 구성하고, 제2열교환기(40)의 물 공급라인과 바이패스라인(70)의 분기 부분에 밸브(80)를 설치하여 제2열교환기(40)로 공급되는 물의 유량을 제어하였다.
그런데, 상기 제2열교환기(40)의 물 공급라인에 설치된 밸브(80)는 그 개도 상태에 따라 오리피스와 같은 작용을 한다. 배관내 습증기 유속은 액상의 물보다 30배 이상의 속도를 가지는 바, 습증기가 밸브(80)를 고속으로 빠져 나가면 밸브(80) 후방에 저압이 발생하고 밸브(80) 이전의 액상 물에 물결이 발생하여 순간적으로 밸브(80)의 통로를 막는 현상이 발생한다. 따라서 밸브(80) 전후에 압력 변동이 크게 발생하고 물결에 의한 밸브 개폐 현상 반복에 의해 제2열교환기(40)의 물 공급라인의 유량 변동이 심화됨으로써 제2열교환기(40)로 공급되는 물의 유량을 일정하게 유지할 수 없게 된다. 이에 따라 제2열교환기(40)를 경유하는 1차 합성가스의 열교환량에 편차가 발생하므로 전환반응기(20)의 입구 온도를 일정하게 유지할 수 없게 되어 전환반응기(20)의 성능이 저하되고 결국 일산화탄소의 전환 반응이 잘 일어나지 않게 되는 문제점이 있었다.
또한, 상기 밸브(80)에서 유발되는 압력 변동은 연결된 배관을 통해 시스템 전체의 압력에 영향을 미치고, 이에 개질반응기 및 각 열교환기의 입구 및 출구의 유량 및 온도 변화를 초래하여 시스템의 운전 안정성과 수소 제조 성능에 악영향을 미쳤다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 전환반응기의 입구온도를 일정하게 유지함으로써 전환반응기의 성능을 향상시킬 수 있으며, 시스템 전반에 걸쳐 압력 및 유량을 안정화시킴으로써 전반적인 시스템 운전 성능을 향상시킬 수 있도록 된 개질 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 천연가스를 수증기 개질하여 수소가 함유된 1차 합성가스를 생성하는 개질반응기와, 상기 1차 합성가스를 수성가스 전환반응을 통해 수소 함량이 증가된 2차 합성가스를 생성하는 전환반응기와, 상기 개질반응기의 물 공급라인에 배치되고 개질반응기에 구비된 버너의 연소 배기가스와 천연가스 및 물(습증기 포함)이 열교환되는 제1열교환기와, 상기 물 공급라인에서 제1열교환기의 전방에 배치되고 개질반응기에서 배출된 1차 합성가스와 물(습증기 포함)이 열교환되는 제2열교환기와, 상기 물 공급라인에서 제2열교환기의 전방에 배치되고 전환반응기에서 배출된 2차 합성가스와 시스템 외부로부터 공급된 물(물 100%)이 열교환되는 제3열교환기 및 상기 물 공급라인에서 제3열교환기 이전 부분과 상기 제1열교환기를 직접 연결하는 바이패스라인을 포함한다.
또한 본 발명은 상기 바이패스라인에 물 유량을 조절하는 밸브가 설치된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 제3열교환기의 2차 합성가스 배출라인에 압력스윙흡착법에 의해 일산화탄소와 불순물을 더 제거하여 고순도의 수소가스를 생성하는 PSA장치가 연결된 것을 특징으로 한다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면, 제2열교환기로 공급되는 물의 유량이 일정하게 유지되어 전환반응기의 입구온도를 일정하게 유지할 수 있게 되며, 이에 따라 전환반응기의 반응 효율이 향상됨으로써 일산화탄소량 감소 및 수소 제조 성능이 향상된다.
또한, 제2열교환기의 물 공급라인에 압력변동이 발생하지 않게 됨으로써 시스템 전반에 압력 변동과 그에 따른 유량 변동이 초래되지 않으므로 시스템의 전반적인 운전 성능이 향상되어, 시스템 효율이 향상되고 고순도의 수소를 생산할 수 있게 되는 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 개질 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 개질 시스템의 구성도.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 개질 시스템의 구성도로서, 종래 기술과 동일한 부분에는 동일한 도면부호를 표시하여 설명한다.
본 발명에 따른 개질 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이, 개질반응기(10)와 전환반응기(20) 및 복수의 열교환기(30,40,50)를 포함한다.
강한 흡열반응이 이루어지는 개질반응기(10)에는 반응에 필요한 열을 공급하기 위하여 버너(60)가 구비된다. 버너(60)는 개질 대상 가스와 동일 가스인 천연가스를 연소의 연료로 사용할 수 있다.
개질반응기(reformer)(10)에서는 황 성분이 제거된 천연가스와 수증기가 촉매 작용 하에 수증기 개질 반응을 일으켜 1차 합성가스가 생성된다.
천연가스(메탄 함유 가스)의 수증기 개질 반응은, CH4 + H2O + Q(Heat) → 3H2 + CO 이다.(흡열반응)
전환반응기(WGS ; Water Gas Shift reactor)(20)에서는 수성가스 전환 반응을 통해 1차 합성가스로부터 일산화탄소가 전환되고 수소가 생성되어 1차 합성가스에 비해 수소 함량이 더욱 높은 2차 합성가스가 생성된다.
수성가스 전환 반응은, CO + H2O = CO2 + H2 + Q(Heat) 이다.(발열반응)
이때 개질반응과 수성가스 전환반응에 필요한 전체 수증기 양은 천연가스 양에 대해 일정 비율로 조절되어야 하며, 이는 시스템 성능과 밀접한 관계를 갖는다.
전환반응기(20) 이후에는 압력스윙흡착 방식에 의해 일산화탄소를 포함한 불순물을 제거하여 수소가스의 순도를 높이기 위해 PSA(Pressure swing adsorption)장치(110)를 둘 수 있다.
열교환기(30,40,50)들은 상기 장치들에 천연가스, 물(100% 물 또는 습증기를 포함한 물), 1차 합성가스, 2차 합성가스가 이동할 때 이들을 상호 열교환 시킴으로써 각 장치로 유입되는 물 및 가스의 온도조건을 만족시키고, 개질 시스템의 에너지 효율을 향상시킨다.
도시된 바와 같이, 개질반응기(10)내 버너(60)의 연소가스 즉, 배기가스 배출라인은 제1열교환기(30)를 경유하여 대기중으로 개방되거나 다른 폐열 이용 장치로 연결된다.
물 공급라인은 제3열교환기(50), 제2열교환기(40), 제1열교환기(30)를 통해 개질반응기(10)로 연결되며, 이에 외부에서 공급되는 물이 제3열교환기(50), 제2열교환기(40), 제1열교환기(30)를 순차적으로 경유하여 개질반응기(10)로 공급된다. 물은 상기 열교환기들을 지나면서 상이 변화한다. 제3열교환기(50)와 제2열교환기(40) 사이는 20% 습증기를 포함한 물 공급라인이고, 제2열교환기(40)와 제1열교환기(30)의 사이는 25% 습증기를 포함한 물 공급라인이며, 제1열교환기(30)와 개질반응기(10)의 사이는 과열증기 및 천연가스 공급라인이다.
개질반응기(10)에서 생성된 합성가스가 배출되는 합성가스 배출라인은 제2열교환기(40)와 전환반응기(20) 및 제3열교환기(50)를 순차적으로 경유하여 이후의 PSA장치(110)로 연결된다.
합성가스 배출라인 중 개질반응기(10)에서 전환반응기(20)까지의 라인은 1차 합성가스 배출라인이고, 전환반응기(20) 이후는 2차 합성가스 배출라인이다.
특히, 본 발명은 상기 물 공급라인에 있어서, 제3열교환기(50)의 입구 이전 부분과 제1열교환기(30)를 연결하는 바이패스라인(90)을 포함한다.
상기와 같은 배관 라인 구성에 의하여, 버너(60)의 연소 배기가스는 제1열교환기(30)을 경유하여 배출된다.
또한, 개질반응기(10)에서 배출된 1차 합성가스는 제2열교환기(40)를 거쳐 전환반응기(20)로 유입되고, 전환반응기(20)에서 배출된 2차 합성가스는 제3열교환기(50)를 거쳐 PSA장치(110)로 공급된다.
시스템 외부에서 공급되는 물은 제3열교환기(50)와 제2열교환기(40) 및 제1열교환기(30)를 순차적으로 경유한 후 개질반응기(10)로 공급된다. 또한 물의 일부(습증기가 포함되지 않은 100% 물)는 상기 바이패스라인(90)을 통해 제3열교환기(50)와 제2열교환기(40)를 거치지 않고 바로 제1열교환기(30)로 공급된다.
따라서, 외부에서 공급되는 물은 제3열교환기(50)를 경유하면서 전환반응기(20)에서 배출되는 2차 합성가스와의 열교환을 통해 가열되어 습증기(20%)를 포함하게 되고, 이어 제2열교환기(40)를 지나면서 개질반응기(10)에서 배출되는 1차 합성가스에 의해 가열되어 습증기(25%) 함량이 증가된 후 제1열교환기(30)를 통과하면서 고온의 배기가스에 의해 가열되어 과열증기 상태로 개질반응기(10)로 공급된다.
외부에서 공급되는 천연가스는 제1열교환기(30)를 통과하면서 배기가스로부터 열을 흡수하여 개질반응에 적합한 온도로 승온되며, 상기 과열증기와 혼합되어 개질반응기(10)로 공급된다.
개질반응기(10)에서 배출된 1차 합성가스(570℃)는 제2열교환기(40)를 통과하면서 물(20% 습증기 포함)과 열교환하여 물을 가열하고 자신은 냉각되어 전환반응기(20)로 공급된다.
전환반응기(20)에서 배출된 2차 합성가스(380℃)는 제3열교환기(50)를 지나면서 물을 가열하고 자신은 더욱 냉각된 후 PSA장치(110)로 공급된다.
한편, 외부로부터 공급되는 물(물 100%)의 일부는 바이패스라인(90)을 통해 제1열교환기(30)로 직접 공급되고, 제2열교환기(40)에서 배출된 습증기를 포함한 물 및 천연가스와 혼합되며, 배기가스로부터 열을 흡수하여 과열증기가 된다. 이 과열증기는 전술한 바와 같이 가열된 천연가스와 혼합되어 개질반응기(10)로 공급된다.
상기와 같이 본 발명은 제2열교환기(40)의 물 공급라인(20% 습증기 포함)에 밸브가 존재하지 않으므로 밸브 부분에서 습증기를 포함한 물이 밸브의 통로를 반복적으로 개폐하는 현상이 발생하지 않게 되어 배관내 압력 변동이 발생하지 않는다. 이에 따라 물을 일정한 유량으로 안정되게 제2열교환기(40)로 공급할 수 있게 된다.
따라서, 제2열교환기(40)는 1차 합성가스에 대해 안정적이고 일정한 냉각 성능을 발휘하게 되며, 이에 개질반응기(10)의 운전이 의도한 대로 정상 제어되어 제2열교환기(40) 입구에서 1차 합성가스의 유량과 온도 조건이 만족되면 1차 합성가스가 제2열교환기(40)에서의 열교환 과정을 거쳐 전환반응기(20) 입구에서의 온도조건(350℃ ~ 400℃)을 용이하게 만족할 수 있게 된다.
따라서, 전환반응기(20)의 수성가스 전환반응이 활발하게 이루어져 수소 생성량이 증가되고 일산화탄소의 농도가 감소된다.
한편, 상기와 같이 바이패스라인(90)을 통해 직접 제1열교환기(30)로 공급되는 물(물 100%)은 제3열교환기(50)를 거친 습증기를 포함한 물에 비해 상대적으로 온도가 낮으므로 그 공급 유량 조절이 용이하며, 이에 제3열교환기(50)를 통해 제2열교환기(40)쪽으로 공급되는 물의 양을 정밀하게 제어할 수 있어 전술한 바와 같이 전환반응기(20)의 입구온도를 일정하게 유지하는 것이 보다 용이해진다. 이를 위해 상기 바이패스라인(90)의 중간에 밸브(100)가 설치될 수 있다.
상기 바이패스라인(90)에는 습증기 없이 물만 흐르므로 습증기를 포함한 물이 밸브를 통과할 때 발생하는 압력 및 유량 변동 현상이 발생하지 않는다. 따라서 시스템 전체의 압력과 유량을 안정적으로 유지하는데 문제를 발생시키지 않는다.
한편, 상기와 같이 제2열교환기(40)의 물 공급라인(20% 습증기 포함)에 밸브가 존재하지 않음으로써 전술한 바와 같이 해당 라인에 압력변동이 발생하지 않고, 이는 전환반응기(20) 입구의 온도와 유량뿐만 아니라 개질반응기(10)와 각 열교환기(30,40,50)의 입/출구 온도와 유량 제어를 용이하게 하여 개질 시스템 전체의 운전 제어를 정확하게 실시할 수 있게 된다. 따라서, 시스템 효율 및 성능이 향상되어 보다 양질의 수소를 생산할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10 : 개질반응기 20 : 전환반응기
30 : 제1열교환기 40 : 제2열교환기
50 : 제3열교환기 60 : 버너
90 : 바이패스라인 100 : 밸브
110 : PSA장치

Claims (3)

  1. 천연가스를 수증기 개질하여 수소가 함유된 1차 합성가스를 생성하는 개질반응기와;
    상기 1차 합성가스를 수성가스 전환반응을 통해 수소 함량이 증가된 2차 합성가스를 생성하는 전환반응기와;
    상기 개질반응기의 물 공급라인에 배치되고, 개질반응기에 구비된 버너의 연소 배기가스와 천연가스 및 물(습증기 포함)이 열교환되는 제1열교환기와;
    상기 물 공급라인에서 제1열교환기의 전방에 배치되고, 개질반응기에서 배출된 1차 합성가스와 물(습증기 포함)이 열교환되는 제2열교환기와;
    상기 물 공급라인에서 제2열교환기의 전방에 배치되고, 전환반응기에서 배출된 2차 합성가스와 시스템 외부로부터 공급된 물(물 100%)이 열교환되는 제3열교환기 및;
    상기 물 공급라인에서 제3열교환기 이전 부분과 상기 제1열교환기를 직접 연결하는 바이패스라인을 포함하고,
    상기 바이패스라인에 물 유량을 조절하는 밸브가 설치된 것을 특징으로 하는 개질 시스템.

  2. 삭제
  3. 삭제
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