KR102230130B1 - Co-electrolysis system and co- electrolysis method using the same - Google Patents

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Abstract

공전해 시스템 및 이를 이용한 공전해 방법이 소개된다.
이 중에서 공전해 시스템은 이산화탄소 공급을 위한 이산화탄소 공급모듈과, 이산화탄소 공급모듈에서 공급된 이산화가스를 가열시키는 이산화탄소 가열기와, 수소가 주성분인 개질 가스를 공급하는 개질기와, 이산화탄소 및 개질 가스를 혼합하여 피드가스를 제공하는 혼합기와, 혼합기에서 배출된 피드가스를 가열시키는 피드가스 가열기와, 공기 공급을 위한 공기 공급유닛과, 공급유닛에서 공급된 공기를 가열시키는 공기 가열기와, 가열된 공기 및 피드가스를 전기분해하여 수소가 주성분인 합성가스 및 일산화탄소를 생성하는 공전해 스택을 포함할 수 있다.An orbiting system and an orbiting method using the same are introduced.
Among these, the electrolytic system is a carbon dioxide supply module for supplying carbon dioxide, a carbon dioxide heater that heats the dioxide gas supplied from the carbon dioxide supply module, a reformer supplying a reformed gas containing hydrogen as a main component, and a mixture of carbon dioxide and reformed gas to feed it. A mixer that provides gas, a feed gas heater that heats the feed gas discharged from the mixer, an air supply unit for air supply, an air heater that heats the air supplied from the supply unit, and heated air and feed gas. It may include an orthogonal electrolysis stack that generates syngas and carbon monoxide mainly composed of hydrogen by electrolysis.

Description

공전해 시스템 및 이를 이용한 공전해 방법{CO-ELECTROLYSIS SYSTEM AND CO- ELECTROLYSIS METHOD USING THE SAME}An orbital electrolysis system and a method of orbital electrolysis using the same {CO-ELECTROLYSIS SYSTEM AND CO- ELECTROLYSIS METHOD USING THE SAME}

본 발명은 공전해 시스템 및 이를 이용한 공전해 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an orbiting system and a method of orbiting using the same.

일반적으로, 고온전해반응을 통해 합성가스를 제조하는 경우, 캐소드에 이산화탄소와 증기(스팀)를 애노드에 공기를 주입하고, 고온을 유지하면서 전기를 가해주면 전기 분해 반응에 의해 합성가스(Syngas)를 생산할 수 있다. In general, when syngas is produced through a high-temperature electrolysis reaction, carbon dioxide and steam (steam) are injected into the cathode and air is injected into the anode, and when electricity is applied while maintaining a high temperature, syngas is generated by the electrolysis reaction. Can be produced.

고온전해반응을 통해 합성가스를 제조하는 기술은, 반응과 분리 공정을 효과적으로 결합해 공정을 단순화하며 반응 효율을 높이고, 처리량을 대량으로 하여 운전을 효율적으로 하는 특징이 있으나, 이 기술은 주로 귀금속 전극 중심의 한정된 연구만 진행되어 왔다.The technology for producing syngas through high-temperature electrolytic reaction is characterized in that it effectively combines the reaction and separation process to simplify the process, increase the reaction efficiency, and increase the throughput for efficient operation, but this technology is mainly used for precious metal electrodes. Only limited research has been conducted.

그리고 국/내외 출원된 특허의 대부분은 CO2와 H2O를 동시에 분해시키는 고체 산화물 전기분해 셀 또는 스택에 관련된 것이 대부분이고, 실제 이를 활용하여 전체적인 시스템을 구성하는 방법에 대한 부분은 미진한 상태이다. And most of the patents filed at home and abroad are related to solid oxide electrolysis cells or stacks that decompose CO 2 and H 2 O at the same time. .

특히, 고온전해반응을 통해 합성가스를 제조하는 공전해 시스템은, 고온에서 운전되기 때문에 고체 산화물 전기분해 스택을 보호하기 위하여 기동 시 정상 운전 조건까지 온도 상승 과정과 정지 시 온도 하강 과정이 중요하며 안정적으로 진행되어야 하는데, 종래 공전해 시스템의 경우, 고온전해반응 시스템의 전/후단과 연계되어 있는 공정 라인이 매우 많고 이들을 모두 동시에 조절해야 하므로, 안정적인 기동 및 정지 절차가 매우 어려울 수 있다.In particular, since the electrolytic system that produces syngas through high-temperature electrolysis is operated at high temperatures, the process of increasing the temperature up to the normal operating conditions during startup and the process of decreasing the temperature when stopping are important and stable in order to protect the solid oxide electrolysis stack. In the case of a conventional idle electrolysis system, since there are very many process lines connected to the front/rear end of the high temperature electrolysis reaction system and all of them must be controlled at the same time, a stable start and stop procedure may be very difficult.

또한, 종래 공전해 시스템의 경우, 적용이 가능한 수준의 고체 산화물 전기분해 스택의 용량 규모를 매우 크게 상회하는 규모로 구성됨에 따라, 실제로 운전되는 측면을 고려한 공정 구성이 되어 있지 않다.In addition, in the case of the conventional electrolysis system, since it is configured at a scale that exceeds the capacity scale of the solid oxide electrolysis stack at an applicable level, there is no process configuration considering the aspect of actual operation.

국내 등록특허공보 10-1734299호 (2017.05.02. 등록)Korean Patent Publication No. 10-1734299 (registered on May 02, 2017)

본 발명의 실시예들은 이산화탄소 배출 사업장으로부터 포집된 이산화탄소를 효과적으로 일산화탄소 및 물로 전기분해시킬 수 있는 공전해 시스템 및 이를 이용한 공전해 방법을 제공하고자 한다.Embodiments of the present invention are intended to provide an orbital system capable of effectively electrolyzing carbon dioxide collected from a carbon dioxide emission business site into carbon monoxide and water, and an orbital electrolysis method using the same.

본 발명의 일 측면에 따른 공전해 시스템은, 이산화탄소 공급을 위한 이산화탄소 공급모듈; 상기 이산화탄소 공급모듈에서 공급된 상기 이산화가스를 가열시키는 이산화탄소 가열기; 수소가 주성분인 개질 가스를 공급하는 개질기; 상기 이산화탄소 및 상기 개질 가스를 혼합하여 피드가스를 제공하는 혼합기; 상기 혼합기에서 배출된 상기 피드가스를 가열시키는 피드가스 가열기; 공기 공급을 위한 공기 공급유닛; 상기 공기 공급유닛에서 공급된 상기 공기를 가열시키는 공기 가열기; 및 가열된 상기 공기 및 상기 피드가스를 전기분해하여 수소가 주성분인 합성가스 및 일산화탄소를 생성하는 공전해 스택;을 포함할 수 있다.An orthogonal electrolysis system according to an aspect of the present invention includes a carbon dioxide supply module for supplying carbon dioxide; A carbon dioxide heater for heating the dioxide gas supplied from the carbon dioxide supply module; A reformer supplying a reforming gas containing hydrogen as a main component; A mixer for providing a feed gas by mixing the carbon dioxide and the reforming gas; A feed gas heater for heating the feed gas discharged from the mixer; An air supply unit for supplying air; An air heater for heating the air supplied from the air supply unit; And an orbital stack for generating syngas and carbon monoxide containing hydrogen as a main component by electrolyzing the heated air and the feed gas.

이때, 본 발명은 상기 이산화탄소 공급모듈에서 공급된 이산화탄소로부터 황화합물을 제거하는 황화합물 제거유닛을 더 포함할 수 있다.In this case, the present invention may further include a sulfur compound removal unit for removing sulfur compounds from carbon dioxide supplied from the carbon dioxide supply module.

또한, 본 발명은 상기 개질기에 연료가스를 제공하는 연료가스 공급유닛; 및 상기 개질기에 증기를 공급하는 증기 공급유닛을 더 포함할 수 있다.In addition, the present invention is a fuel gas supply unit for providing a fuel gas to the reformer; And a steam supply unit supplying steam to the reformer.

또한, 상기 이산화탄소 공급모듈은 이산화탄소 배출 설비에서 배출된 이산화탄소를 분리 농축하는 이산화탄소 분리 농축유닛; 및 상기 이산화탄소 분리 농축유닛을 통해 분리 농축된 이산화탄소를 기 설정된 압력으로 가압하는 부스터를 포함할 수 있다.In addition, the carbon dioxide supply module includes a carbon dioxide separation and concentration unit for separating and concentrating carbon dioxide discharged from a carbon dioxide emission facility; And a booster for pressurizing the carbon dioxide separated and concentrated through the carbon dioxide separation and concentration unit to a preset pressure.

또한, 상기 공전해 스택은 상기 이산화탄소의 분해를 위한 역수성가스전환 반응이 이루어지는 캐소드를 포함할 수 있다.In addition, the orthogonal electrolysis stack may include a cathode in which an inverse water gas conversion reaction for decomposing the carbon dioxide is performed.

또한, 상기 이산화탄소 가열기는 상기 공전해 스택에서 배출된 고온의 합성가스와 상기 이산화탄소 공급모듈에서 배출된 이산화탄소의 열교환을 통해 상기 이산화탄소를 가열하는 제 1 열교환기를 포함할 수 있다.In addition, the carbon dioxide heater may include a first heat exchanger that heats the carbon dioxide through heat exchange between the high-temperature synthesis gas discharged from the orthogonal electrolysis stack and carbon dioxide discharged from the carbon dioxide supply module.

또한, 상기 피드가스 가열기는 상기 개질기에서 배출된 고온의 연소가스와 상기 혼합기에서 배출된 피드가스의 열교환을 통해 상기 피드가스를 가열하는 제 2 열교환기를 포함할 수 있다.In addition, the feed gas heater may include a second heat exchanger that heats the feed gas through heat exchange between the high-temperature combustion gas discharged from the reformer and the feed gas discharged from the mixer.

또한, 상기 공기 가열기는 상기 공전해 스택에서 배출된 고온의 합성가스와 상기 공기 공급유닛에서 공급된 공기의 열교환을 통해 상기 공기를 가열하는 제 3 열교환기; 및 상기 개질기에서 배출된 고온의 연소가스와 상기 제 3 열교환기에서 배출된 공기의 열교환을 통해 상기 공기를 가열하는 제 4 열교환기를 포함할 수 있다.In addition, the air heater includes a third heat exchanger for heating the air through heat exchange between the high-temperature synthetic gas discharged from the orthogonal electrolytic stack and the air supplied from the air supply unit; And a fourth heat exchanger that heats the air through heat exchange between the high-temperature combustion gas discharged from the reformer and the air discharged from the third heat exchanger.

본 발명의 다른 측면에 따른 공전해 시스템을 이용한 공전해 방법은, 시키는 단계는, 수소가 주성분인 개질 가스, 이산화탄소 및 공기를 공급하는 가스 공급단계; 상기 개질 가스, 이산화탄소 및 공기를 기 설정된 온도로 가열하는 가스 가열단계; 상기 이산화탄소 및 상기 개질 가스를 혼합하여 피드가스를 제공하는 가스 혼합단계; 및 가열된 상기 공기 및 상기 피드가스를 전기분해하여 수소가 주성분인 합성가스와 일산화탄소를 생성하는 공전해 단계를 포함할 수 있다.An orthogonal electrolysis method using an orthogonal electrolysis system according to another aspect of the present invention includes: a gas supply step of supplying a reformed gas, carbon dioxide, and air having hydrogen as a main component; A gas heating step of heating the reformed gas, carbon dioxide, and air to a preset temperature; A gas mixing step of mixing the carbon dioxide and the reforming gas to provide a feed gas; And an orbital electrolysis step of electrolyzing the heated air and the feed gas to generate syngas and carbon monoxide containing hydrogen as a main component.

이때, 본 발명은 상기 가스 공급단계 이후, 상기 이산화탄소로부터 황화합물을 제거하는 황화합물 제거단계를 더 포함할 수 있다.In this case, the present invention may further include a sulfur compound removing step of removing the sulfur compound from the carbon dioxide after the gas supply step.

또한, 상기 가스 공급단계는 상기 이산화탄소를 분리 농축한 후, 분리 농축된 이산화탄소를 상기 기 설정된 압력으로 가압할 수 있다.In addition, in the gas supply step, after separating and concentrating the carbon dioxide, the separated and concentrated carbon dioxide may be pressurized at the preset pressure.

또한, 상기 공전해 단계는 상기 이산화탄소의 분해를 위한 역수성가스전환 반응을 진행할 수 있다.In addition, the orthogonal electrolysis step may perform an inverse water gas conversion reaction for decomposing the carbon dioxide.

또한, 상기 가스 가열단계는 상기 공전해 단계에서 배출된 고온의 합성가스와 상기 이산화탄소를 열교환하여 상기 이산화탄소를 가열하는 제 1 열교환 단계; 및 상기 개질기에서 배출된 고온의 연소가스와 상기 가스 혼합 단계에서 배출된 피드가스를 열교환하여 상기 피드가스를 가열하는 제 2 열교환 단계를 포함할 수 있다.In addition, the gas heating step may include: a first heat exchange step of heat-exchanging the carbon dioxide with the high-temperature synthetic gas discharged from the electrolysis step to heat the carbon dioxide; And a second heat exchange step of heat-exchanging the high-temperature combustion gas discharged from the reformer with the feed gas discharged in the gas mixing step to heat the feed gas.

또한, 상기 가스 가열단계는 상기 공전해 단계에서 배출된 고온의 합성가스와 상기 공기를 열교환하여 상기 공기를 가열하는 제 3 열교환 단계; 및 개질기에서 배출된 고온의 연소가스와 상기 제 3 열교환기 단계를 통해 배출된 공기를 열교환하여 상기 공기를 가열하는 제 4 열교환 단계를 포함할 수 있다.In addition, the gas heating step includes a third heat exchange step of heat-exchanging the air with the high-temperature synthetic gas discharged in the orthogonal electrolysis step to heat the air; And a fourth heat exchange step of heat-exchanging the high-temperature combustion gas discharged from the reformer with the air discharged through the third heat exchanger step to heat the air.

본 발명의 실시예들은 연료가스를 개질하여 수소를 포함한 개질가스를 생성하여 공급하고, 이산화탄소가 주성분인 피드가스 및 생성가스 간의 유기적인 열교환을 진행함으로써, 이산화탄소에 대한 전기분해가 원활하게 진행될 수 있다는 이점이 있다.Embodiments of the present invention show that by reforming the fuel gas to generate and supply a reformed gas including hydrogen, and to conduct organic heat exchange between the feed gas and the product gas, which is a main component of carbon dioxide, electrolysis of carbon dioxide can proceed smoothly. There is an advantage.

또한, 본 발명의 실시예들은 초기 기동 시 독자적으로 피드가스 및 공기를 최소량으로 공급하는 조건에서, 개질기의 버너를 점화하여 기동운전이 가능하고, 버너 점화로 생성된 연소가스의 열원을 가지고 초기 예열 및 증기를 발생시킬 수 있으며, 초기 기동 이후에 연료가스의 공급량 조절을 이용한 버너의 운전 부하, 각 피드가스와 공기의 개별적인 유량 조절을 통한 운전 온도 상승 및 조절이 가능하므로 매우 안정적인 기동운전이 가능하다는 이점이 있다.In addition, the embodiments of the present invention are capable of starting operation by igniting the burner of the reformer under the condition that the feed gas and air are independently supplied at the minimum amount during initial startup, and the initial preheating with the heat source of the combustion gas generated by the burner ignition And steam, and it is possible to increase and control the operating temperature through individual flow control of each feed gas and air, and the operating load of the burner by adjusting the supply amount of fuel gas after the initial start-up. There is an advantage.

또한, 본 발명의 실시예들은 고체산화물 공전해 스택의 캐소드에 공급되는 피드가스와 애노드에 공급되는 공기의 가열 및 열교환 방법을 가능한 분리하여 구성하여 서로 간에 간섭이 되지 않도록 구성함으로써, 각각 개별적으로 유량 및 온도를 제어하면서 기동 및 운전정지가 가능하다는 이점이 있다. In addition, the embodiments of the present invention are configured to separate the feed gas supplied to the cathode of the solid oxide orbital stack and the heating and heat exchange method of the air supplied to the anode so that they do not interfere with each other, respectively, And there is an advantage that it is possible to start and stop the operation while controlling the temperature.

또한, 본 발명의 실시예들은 피드가스와 공기의 열교환 방법이 분리되어 있으므로, 개발된 시스템의 영향을 최소화 하면서 공전해 운전에 필요한 열원을 제철/제강 산업, 발전플랜트에서의 직접 공급하여 이용하도록 구성하기가 수월해지므로 향후 개발 시스템을 산업체에 연계시켜 적용하는 경우 합성가스 생산비용 절감이나 효율을 쉽게 높일 수 있다는 이점이 있다.In addition, in the embodiments of the present invention, since the heat exchange method of feed gas and air is separated, the heat source required for idle operation is directly supplied and used in the steel/steel industry and power plant while minimizing the effect of the developed system. Since the following becomes easier, there is an advantage that syngas production cost can be reduced or efficiency can be easily increased when the future development system is applied in connection with an industry.

또한, 본 발명의 실시예들은 연료가스를 이용하여 이산화탄소(CO2)와 증기(H2O)가 동시에 전기분해가 원활하게 진행되는데 필요한 수소를 생산(개질)하여 사용이 가능하도록 구성함으로써, 전/후단에 연계되는 공정과 관계없이 자체 구성만으로 공전해 시스템 운전을 통한 합성가스 생산이 가능해 지며, 단독으로 구성할 수 있는 시스템의 용량을 쉽게 증/감시켜 다양한 규격의 제품을 개발할 수 있다는 이점이 있다.In addition, embodiments of the present invention are configured so that carbon dioxide (CO 2 ) and steam (H 2 O) can be used by producing (reforming) hydrogen necessary for smooth electrolysis at the same time using fuel gas. /Regardless of the process connected to the rear stage, syngas production is possible through the operation of the static electrolysis system only with its own configuration, and the advantage of being able to develop products of various standards by easily increasing/decreasing the capacity of the system that can be configured alone is possible. have.

또한, 본 발명의 실시예들은 시스템에서의 운전 및 공급조건(이산화탄소 공급 유량, 증기 공급 유량, 개질용 연료가스 공급 유량 등)을 변화시켜 생성되는 합성가스의 조성의 비율을 쉽게 조절할 수 있고, 이는 후단에 연계되는 합성가스 이용 공정에 필요한 합성 가스의 조성에 따라 다양한 공정에 개발한 시스템을 적용할 수 있다는 이점이 있다. In addition, embodiments of the present invention can easily adjust the ratio of the composition of the generated syngas by changing the operating and supply conditions (carbon dioxide supply flow rate, steam supply flow rate, reforming fuel gas supply flow rate, etc.) in the system, which There is an advantage that the developed system can be applied to various processes according to the composition of the syngas required for the syngas utilization process linked to the downstream.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 공전해 시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 공전해 시스템을 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 공전해 시스템을 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 공전해 시스템을 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 공전해 시스템을 이용한 공전해 방법을 도시한 순서도이다.1 is a block diagram showing an orbiting system according to a first embodiment of the present invention.
2 is a block diagram showing an orbiting system according to a second embodiment of the present invention.
3 is a block diagram showing an orbiting system according to a third embodiment of the present invention.
4 is a block diagram showing an orbiting system according to a fourth embodiment of the present invention.
5 is a flowchart illustrating an orbital solution method using an orbital solution system according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 작용에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 측면(aspects) 중 하나이며, 하기의 설명은 본 발명에 대한 상세한 기술의 일부를 이룰 수 있다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성 또는 기능에 관한 구체적인 설명은 본 발명을 명료하게 하기 위해 생략할 수 있다.Hereinafter, a configuration and operation according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following description is one of the many aspects of the invention that are claimable, and the following description may form part of the detailed description of the invention. However, in describing the present invention, detailed descriptions of known configurations or functions may be omitted to clarify the present invention.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예들을 포함할 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 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.Since the present invention can make various changes and include various embodiments, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, it should be understood to include all changes, equivalents, or substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

그리고 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. In addition, terms including ordinal numbers such as first and second may be used to describe various elements, but the corresponding elements are not limited by these terms. These terms are only used for the purpose of distinguishing one component from another. When an element is referred to as being'connected' or'connected' to another element, it is understood that it may be directly connected or connected to the other element, but other elements may exist in the middle. It should be. The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise.

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 공전해 시스템을 도시한 구성도이다.1 is a block diagram showing an orbiting system according to a first embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 공전해 시스템(10)은, 이산화탄소 공급모듈(100), 이산화탄소 가열기(210), 개질기(300), 혼합기(400), 피드가스 가열기(230), 공기 공급유닛(600), 공기 가열기(220) 및 공전해 스택(700)을 포함할 수 있다.As shown in FIG. 1, the electrolytic system 10 according to the first embodiment of the present invention includes a carbon dioxide supply module 100, a carbon dioxide heater 210, a reformer 300, a mixer 400, and a feed gas. A heater 230, an air supply unit 600, an air heater 220, and an electrolytic stack 700 may be included.

구체적으로, 이산화탄소 공급모듈(100)은 이산화탄소 배출설비(130 : CO2 배출 사업장)로부터 배출된 이산화탄소(CO2)를 분리/농축하여 일정 압력으로 가압함으로써, 고압의 고농도 이산화탄소를 제공할 수 있다. Specifically, the carbon dioxide supply module 100 may provide high-pressure, high-concentration carbon dioxide by separating/concentrating the carbon dioxide (CO 2 ) discharged from the carbon dioxide emission facility 130: a CO 2 emission business site and pressurizing it at a predetermined pressure.

이러한 이산화탄소 공급모듈(100)은 다양한 공정에서 발생하는 이산화탄소를 이산화탄소 배출설비(130)로부터 제공받아 90% 이상의 고농도 이산화탄소를 분리/농축하는 이산화탄소 분리 농축유닛(110)과, 이산화탄소 분리 농축유닛(110)을 통해 분리/농축된 고농도 이산화탄소를 가압/압축하는 부스터(120: 압축기)를 포함할 수 있다. 부스터(120)에서 압축된 이산화탄소는 황화합물 제거유닛(800)으로 이동될 수 있다. The carbon dioxide supply module 100 receives carbon dioxide generated in various processes from the carbon dioxide emission facility 130 and separates/concentrates high-concentration carbon dioxide of 90% or more, and a carbon dioxide separation and concentration unit 110 and a carbon dioxide separation and concentration unit 110 A booster 120 (compressor) for pressurizing/compressing the high-concentration carbon dioxide separated/concentrated through may be included. The carbon dioxide compressed by the booster 120 may be transferred to the sulfur compound removal unit 800.

여기서, 황화합물 제거유닛(800)은 이산화탄소 공급모듈(100)에서 공급된 고농도 이산화탄소를 포함한 가스로부터 황화합물을 제거할 수 있다. 부스터(120)를 통해 압축된 고농도 이산화탄소를 포함하는 가스에는 황화합물이 포함되어 있을 수 있기 때문이다. 이 황화합물 제거유닛(800)은 공전해 스택(700)의 운전에 영향을 주지 않을 정도의 최소 농도(예를 들면, 1ppm 미만)까지 황화합물을 고농도 이산화탄소를 포함한 가스로부터 제거할 수 있다.Here, the sulfur compound removal unit 800 may remove the sulfur compound from the gas including high-concentration carbon dioxide supplied from the carbon dioxide supply module 100. This is because the gas containing high concentration carbon dioxide compressed through the booster 120 may contain a sulfur compound. The sulfur compound removal unit 800 may remove the sulfur compound from the gas including high concentration carbon dioxide to a minimum concentration (eg, less than 1 ppm) that does not affect the operation of the orthogonal electrolytic stack 700.

이 황화합물 제거유닛(800)은 황화합물의 종류, 농도 및 운전 조건 등에 따라 다양한 방식을 적용하여 구성될 수 있다. 또한, 황화합물 제거유닛(800)은 이산화탄소 분리 농축유닛(110)의 운전 방법에 따라 부스터(120) 또는 이산화탄소 분리 농축유닛(110)의 공정 앞에 놓여 운전될 수 있다. 이산화탄소 포집설비와 연계되는 경우, 황화합물 제거설비는 본발명의 시스템에서 선택적으로 제외될 수도 있음은 물론이다. The sulfur compound removal unit 800 may be configured by applying various methods according to the type, concentration, and operating conditions of the sulfur compound. In addition, the sulfur compound removal unit 800 may be operated by placing it in front of the process of the booster 120 or the carbon dioxide separation and concentration unit 110 according to the operating method of the carbon dioxide separation and concentration unit 110. It goes without saying that when the carbon dioxide capture facility is connected, the sulfur compound removal facility may be selectively excluded from the system of the present invention.

이산화탄소 가열기(210)는 황화합물 제거유닛(800)을 통해 황화합물이 제거된 고농도 이산화탄소를 1차 가열할 수 있다. 이산화탄소 가열기(210)는 고농도 이산화탄소를 일정 온도로 가열하기 위한 다양한 가열수단을 포함할 수 있다. 이때, 이산화탄소 가열기(210)에 의해 1차 가열된 고농도 이산화탄소의 온도는 550~700℃ 정도일 수 있다. The carbon dioxide heater 210 may first heat the high-concentration carbon dioxide from which the sulfur compound is removed through the sulfur compound removal unit 800. The carbon dioxide heater 210 may include various heating means for heating high-concentration carbon dioxide to a predetermined temperature. In this case, the temperature of the high-concentration carbon dioxide that is first heated by the carbon dioxide heater 210 may be about 550 to 700°C.

개질기(300)는 증기 공급유닛(920)으로부터 공급받은 증기를 이용하여 연료가스 공급유닛(910)으로부터 공급받은 연료가스를 증기개질(Steam Reforming)할 수 있다. 여기서, 증기 공급유닛(920)은 물 공급설비(921)로부터 물을 공급받고, 공급받은 물을 연수기(922), 물 공급펌프(923) 및 증기 발생기(924)를 통해 개질기(300)의 개질 반응에 필요한 증기를 생성할 수 있다.The reformer 300 may perform steam reforming of the fuel gas supplied from the fuel gas supply unit 910 using the steam supplied from the steam supply unit 920. Here, the steam supply unit 920 is supplied with water from the water supply facility 921, and the supplied water is reformed of the reformer 300 through a water softener 922, a water supply pump 923, and a steam generator 924. It can generate the vapor required for the reaction.

본 실시예에서, 개질기(300)는 초기 기동 시 독자적으로 피드가스 및 공기를 최소량으로 공급하는 조건에서, 개질기(300)의 버너(301)를 점화하여 기동운전이 가능하고, 버너(301)의 점화로 생성된 연소가스의 열원을 가지고 초기 예열 및 증기를 발생시킬 수 있으며, 초기 기동 이후에 연료가스의 공급량 조절을 이용한 버너(301)의 운전 부하, 각 피드가스와 공기의 개별적인 유량 조절을 통한 운전 온도 상승 및 조절이 가능하므로 매우 안정적인 기동운전이 가능하다.In this embodiment, the reformer 300 is capable of starting operation by igniting the burner 301 of the reformer 300 under conditions that independently supply feed gas and air in a minimum amount during initial startup, and the burner 301 With the heat source of the combustion gas generated by ignition, it is possible to generate initial preheating and steam, and after the initial start-up, the operating load of the burner 301 by adjusting the supply amount of fuel gas, and the individual flow rate of each feed gas and air. Since the operating temperature can be increased and adjusted, very stable start-up operation is possible.

특히, 개질기(300)에서는 연료가스를 이용하여 이산화탄소(CO2)와 증기(H2O)가 동시에 전기분해가 원활하게 진행되는데, 필요한 수소를 생산(개질)하여 사용이 가능하도록 구성됨으로써, 전/후단에 연계되는 공정과 관계없이 자체 구성만으로 공전해 시스템 운전을 통한 합성가스 생산이 가능해 지며, 단독으로 구성할 수 있는 시스템의 용량을 쉽게 증감시켜 다양한 규격의 제품이 개발될 수 있다.In particular, in the reformer 300, the electrolysis of carbon dioxide (CO 2 ) and steam (H 2 O) simultaneously proceeds smoothly using fuel gas, and it is configured to produce (reform) and use the necessary hydrogen. / Regardless of the process connected to the rear stage, syngas production is possible through operation of the static electrolysis system only with its own configuration, and products of various standards can be developed by easily increasing or decreasing the capacity of the system that can be configured alone.

이 개질기(300)에서 사용되는 연료가스는, 천연가스, 바이오가스, 연계 공정 off-gas 등과 같이 다양한 가스일 수 있다. 연료가스는 개질기(300)의 증기개질을 위해 공급되는 개질용 피드가스와, 개질기(300)의 버너(301)에 공급되는 가열버너용 피드가스로 나누어질 수 있다. 개질기(300)를 통해 개질된 가스는 수소(H2)가 주성분인 가스로, 혼합기(400)에 공급되어 혼합기(400) 내 고농도 이산화탄소와 혼합될 수 있다.The fuel gas used in the reformer 300 may be a variety of gases such as natural gas, biogas, and off-gas associated process. The fuel gas may be divided into a reforming feed gas supplied for steam reforming of the reformer 300 and a heating burner feed gas supplied to the burner 301 of the reformer 300. The gas reformed through the reformer 300 is a gas whose main component is hydrogen (H 2 ), and is supplied to the mixer 400 to be mixed with the high concentration carbon dioxide in the mixer 400.

혼합기(400)는 수소가 주성분인 개질가스를 개질기(300)로부터 공급받고, 1차 가열된 고농도 이산화탄소를 이산화탄소 가열기(210)로부터 공급받아, 이들 개질가스와 고농도 이산화탄소를 혼합시킬 수 있다. 혼합기(400)에서 혼합된 피드가스(공급가스)는 피드가스 가열기(230)에서 2차 가열된 후, 공전해 스택(700)으로 공급될 수 있다. 이때, 피드가스 가열기(230)에 의해 2차 가열된 피드가스 온도는 750~850℃ 정도일 수 있다. The mixer 400 receives a reformed gas containing hydrogen as a main component from the reformer 300, and receives the firstly heated high-concentration carbon dioxide from the carbon dioxide heater 210, and mixes the reformed gas with the high-concentration carbon dioxide. The feed gas (supply gas) mixed in the mixer 400 may be secondarily heated in the feed gas heater 230 and then supplied to the idle stack 700. In this case, the temperature of the feed gas that is secondarily heated by the feed gas heater 230 may be about 750 to 850°C.

공기 공급유닛(600)은 공전해 스택(700)의 전환 반응에 필요한 공기를 공전해 스택(700)에 공급할 수 있다. 공기 공급유닛(600)에서 공급된 공기는, 공기 가열기(220)를 통해 가열된 후, 공전해 스택(700)으로 공급될 수 있다. The air supply unit 600 may orbitally supply air required for the conversion reaction of the orbital stack 700 to the stack 700. The air supplied from the air supply unit 600 may be heated through the air heater 220 and then supplied to the idle stack 700.

여기서, 공기 가열기(220)는 공기 공급유닛(600)의 공기를 700~800℃ 정도의 온도가 되도록 1차 가열하고, 1차 가열된 공기를 750~850℃ 정도의 온도가 되도록 2차 가열할 수 있다. Here, the air heater 220 first heats the air of the air supply unit 600 to a temperature of about 700 to 800°C, and secondly heats the first heated air to a temperature of about 750 to 850°C. I can.

공전해 스택(700)은 공기 가열기(220)를 통해 가열된 공기와, 피드가스 가열기(230)를 통해 가열된 피드가스를 전기분해하여 일산화탄소와 수소가 주성분인 합성가스를 생성할 수 있다. The electrolytic stack 700 may electrolyze the air heated through the air heater 220 and the feed gas heated through the feed gas heater 230 to generate a synthetic gas containing carbon monoxide and hydrogen as the main components.

예컨대, 공전해 스택(700)은 피드가스를 캐소드(710: Cathode)를 통과시켜, 일산화탄소(CO)와 수소(H2)가 주성분인 합성가스로 전환시킬 수 있다. 이때, 공전해 스택(700)에서 발생하는 산소는 고체산화물 공전해 셀 내부의 분리막을 통과하여 애노드(720: Anode) 방향으로 이동하게 된다. 공전해 스택(700)의 캐소드(710) 및 애노드(720)에서 진행되는 전환 반응은 아래의 식 1 및 식 2와 같다. For example, the electrolytic stack 700 may pass a feed gas through a cathode 710 to convert the feed gas into a syngas containing carbon monoxide (CO) and hydrogen (H 2 ) as main components. At this time, oxygen generated from the orbital stack 700 passes through the separation membrane inside the solid oxide orbital cell and moves in the direction of the anode 720. The conversion reactions proceeding in the cathode 710 and the anode 720 of the orthogonal electrolytic stack 700 are as shown in Equations 1 and 2 below.

[식 1][Equation 1]

캐소드(Cathode)에서의 반응식 : H2O + 2e- → H2 + O2- Reaction at the cathode (Cathode): H 2 O + 2e - → H 2 + O 2-

CO2 + 2e- → CO + O2- CO 2 + 2e - → CO + O 2-

[식 2] [Equation 2]

애노드(Anode)에서의 반응식 : 2O2- → O2 + 4e- Reaction at the anode (Anode): 2O 2- → O 2 + 4e -

특히, 공전해 스택(700)의 캐소드(710)에서는 전기화학반응과 함께 열화학반응이 동시에 일어나게 되는데, 그 중에서 중요한 반응은 역수성가스전환(RWGS: Reverse Water Gas Shift)반응이다. 이 역수성가스전환 반응은 아래의 식 3과 같다.In particular, the electrochemical reaction and the thermochemical reaction occur simultaneously in the cathode 710 of the orthogonal electrolysis stack 700, and an important reaction among them is a reverse water gas shift (RWGS) reaction. This reverse water gas conversion reaction is shown in Equation 3 below.

[식 3][Equation 3]

역수성가스 반응식 : CO2 + H2 → CO + H2OReverse water gas reaction formula: CO 2 + H 2 → CO + H 2 O

공전해 스택(700)은 캐소드(710)에 공급되는 피드가스와 애노드(720)에 공급되는 공기의 가열 및 열교환 방법을 가능한 분리하여 서로 간에 간섭이 되지 않도록 구성함으로써, 각각 개별적으로 유량 및 온도를 제어하면서 기동 및 운전정지가 가능하다.The idle stack 700 separates the heating and heat exchange methods of the feed gas supplied to the cathode 710 and the air supplied to the anode 720 as possible so that they do not interfere with each other, so that the flow rate and temperature are individually controlled. It is possible to start and stop operation while controlling.

도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 공전해 시스템을 도시한 구성도이다.2 is a block diagram showing an orbiting system according to a second embodiment of the present invention.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 공전해 시스템(10)에서는, 개질기(300)에서 배출된 고온의 연소가스를 피드가스 가열기(230), 공기 가열기(220) 및 증기 발생기(924)의 열원으로 사용할 수 있다.As shown in FIG. 2, in the idle system 10 according to the second embodiment of the present invention, the high-temperature combustion gas discharged from the reformer 300 is fed to a feed gas heater 230, an air heater 220, and It can be used as a heat source of the steam generator 924.

예컨대, 피드가스 가열기(230)는 개질기(300)에서 배출된 고온의 연소가스와 혼합기(400)에서 배출된 이산화탄소의 열교환을 통해 이산화탄소를 가열시킬 수 있는 제 2 열교환기(202)를 포함할 수 있다. 그리고 공기 가열기(220)는 개질기(300)에서 배출된 고온의 연소가스와 공기의 열교환을 통해 공기를 가열하는 제 4 열교환기(204)를 포함할 수 있다. 또한, 증기 발생기(924)는 개질기(300)에서 배출되는 연소가스를 열원으로 활용하여 증기를 발생시킬 수 있다. 증기 발생기(924)를 통과한 고온의 연소가스는 연돌(930)을 통해 외부로 배출될 수 있다.For example, the feed gas heater 230 may include a second heat exchanger 202 capable of heating carbon dioxide through heat exchange between the high-temperature combustion gas discharged from the reformer 300 and carbon dioxide discharged from the mixer 400. have. In addition, the air heater 220 may include a fourth heat exchanger 204 that heats air through heat exchange between the high-temperature combustion gas discharged from the reformer 300 and air. In addition, the steam generator 924 may generate steam by utilizing the combustion gas discharged from the reformer 300 as a heat source. The high-temperature combustion gas that has passed through the steam generator 924 may be discharged to the outside through the flue 930.

도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 공전해 시스템을 도시한 구성도이다.3 is a block diagram showing an orbiting system according to a third embodiment of the present invention.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 공전해 시스템(10)의 경우, 피드가스 가열기(230), 공기 가열기(220), 이산화탄소 가열기(210) 및 증기 공급유닛의 증기 발생기의 열원으로, 개질기(300)에서 배출된 고온의 연소가스와, 공전해 스택(700)에서 배출된 고온의 합성가스를 이용할 수 있다.As shown in FIG. 3, in the case of the idle system 10 according to the third embodiment of the present invention, the feed gas heater 230, the air heater 220, the carbon dioxide heater 210, and the steam of the steam supply unit As the heat source of the generator, a high-temperature combustion gas discharged from the reformer 300 and a high-temperature synthesis gas discharged from the idle stack 700 may be used.

이때, 이산화탄소 가열기(210)는 공전해 스택(700)에서 배출된 고온의 합성가스와 이산화탄소 공급모듈(100)에서 배출된 이산화탄소의 열교환을 통해 이산화탄소를 가열하는 제 1 열교환기(201)를 포함할 수 있다. 제 1 열교환기(201)에서는 공전해 스택(700)에서 배출되는 고온의 산소부화[Oxygen Enrichment]된 공기와 열교환이 이루어짐으로써, 이산화탄소가 1차 가열될 수 있다. 이때, 제 1 열교환기(201)에서 열교환된 고온의 합성가스는 후단 설비(950)의 운전 요구 조건에 따라 촉매반응기, 응축기, 가스 압축기 등의 부대설비(940)로 이동될 수 있다.At this time, the carbon dioxide heater 210 includes a first heat exchanger 201 that heats carbon dioxide through heat exchange between the high-temperature synthetic gas discharged from the electrolysis stack 700 and the carbon dioxide discharged from the carbon dioxide supply module 100. I can. In the first heat exchanger 201, heat exchange with high-temperature oxygen-enriched air discharged from the idle stack 700 is performed, so that carbon dioxide may be first heated. At this time, the high-temperature syngas heat-exchanged in the first heat exchanger 201 may be moved to an auxiliary facility 940 such as a catalytic reactor, a condenser, or a gas compressor according to an operation requirement of the downstream facility 950.

그리고, 상술한 제 2 실시예의 내용과 동일하게, 피드가스 가열기(230)는 제 2 열교환기(202)를 포함할 수 있고, 공기 가열기(220)는 제 4 열교환기(204)를 포함할 수 있으며, 증기 발생기(924)는 개질기(300)에서 배출되는 연소가스를 열원으로 활용하여 증기를 발생시킬 수 있다. And, similar to the contents of the second embodiment described above, the feed gas heater 230 may include a second heat exchanger 202, and the air heater 220 may include a fourth heat exchanger 204. In addition, the steam generator 924 may generate steam by utilizing the combustion gas discharged from the reformer 300 as a heat source.

도 4는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 공전해 시스템을 도시한 구성도이다.4 is a block diagram showing an orbiting system according to a fourth embodiment of the present invention.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 공전해 시스템(10)에서는, 공기 공급유닛(600)에서 공급된 공기를 가열하기 위해, 공기 가열기(220)는 공전해 스택(700)에서 배출된 고온의 합성가스를 이용하여 공기를 가열하는 제 3 열교환기(203)를 포함할 수 있다. As shown in Figure 4, in the idle system 10 according to the fourth embodiment of the present invention, in order to heat the air supplied from the air supply unit 600, the air heater 220 is an idle stack ( It may include a third heat exchanger 203 for heating air using the high-temperature syngas discharged from 700).

예컨대, 이산화탄소가 공전해 스택(700)의 애노드(720)를 통과하면, 공전해 스택(700)의 내부에서 산소(O2)가 더해져 배출되는데, 배출된 산소부화 공기는 제 3 열교환기(203)에서 공기를 1차 가열하는데 활용될 수 있다. 열교환된 산소부화 공기는 개질기(300)의 버너(301)로 공급되어 산화제로 사용될 수 있다.For example, when carbon dioxide passes through the anode 720 of the orbital stack 700, oxygen (O 2 ) is added and discharged from the interior of the orbital stack 700, and the discharged oxygen-enriched air is discharged from the third heat exchanger 203 ) Can be used for primary heating of air. The heat exchanged oxygen-enriched air may be supplied to the burner 301 of the reformer 300 and used as an oxidizing agent.

그리고 피드가스 가열기(230), 공기 가열기(220), 이산화탄소 가열기(210) 및 증기 공급유닛의 증기 발생기의 열원으로는, 상술한 제 3 실시예의 내용과 동일하게, 피드가스 가열기(230)는 제 2 열교환기(202)를 포함할 수 있고, 공기 가열기(220)는 제 4 열교환기(204)를 포함할 수 있으며, 증기 발생기는 개질기(300)에서 배출되는 연소가스를 열원으로 활용하여 증기를 발생시킬 수 있다.And as the heat source of the feed gas heater 230, the air heater 220, the carbon dioxide heater 210, and the steam generator of the steam supply unit, the feed gas heater 230 is the same as the contents of the third embodiment described above. 2 may include a heat exchanger 202, the air heater 220 may include a fourth heat exchanger 204, and the steam generator utilizes the combustion gas discharged from the reformer 300 as a heat source to generate steam. Can occur.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 공전해 시스템을 이용한 공전해 방법을 도시한 순서도이다.5 is a flowchart illustrating an orbital solution method using an orbital solution system according to an embodiment of the present invention.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 측면에 따른 공전해 시스템을 이용한 공전해 방법(20)은, 가스 공급단계(S100), 가스 가열단계(S200), 가스 혼합단계(S300) 및 공전해 단계(S400)를 포함할 수 있다. As shown in FIG. 5, the method 20 of electrolysis using an orthogonal electrolysis system according to another aspect of the present invention includes a gas supply step (S100), a gas heating step (S200), a gas mixing step (S300), and a revolution. It may include a solution step (S400).

가스 공급단계(S100)는 수소가 주성분인 개질 가스, 이산화탄소 및 공기를 시스템에 공급할 수 있다. 여기서, 수소가 주성분인 개질 가스는 개질기를 통해 공급될 수 있고, 개질기에서 개질된 가스는 혼합기에 공급되어 고농도 이산화탄소와 혼합될 수 있다. 그리고 스택의 전환 반응에 필요한 공기는 공기 공급유닛을 통해 공급될 수 있다.In the gas supply step S100, a reformed gas, carbon dioxide, and air whose main components are hydrogen may be supplied to the system. Here, the reformed gas containing hydrogen as a main component may be supplied through a reformer, and the reformed gas in the reformer may be supplied to a mixer to be mixed with high concentration carbon dioxide. In addition, air required for the conversion reaction of the stack may be supplied through an air supply unit.

아울러, 이산화탄소는 이산화탄소 분리 농축유닛을 통해 분리/농축된 후, 부스터에 의해 일정 압력으로 가압될 수 있다. 이때, 이산화탄소에 포함된 황화합물은 황화합물 유닛을 통해 제거될 수 있다.In addition, carbon dioxide may be separated/concentrated through a carbon dioxide separation and concentration unit, and then pressurized at a predetermined pressure by a booster. In this case, the sulfur compound contained in carbon dioxide may be removed through the sulfur compound unit.

가스 가열단계(S200)는 개질 가스, 이산화탄소 및 공기를 기 설정된 온도로 가열할 수 있다. The gas heating step S200 may heat the reformed gas, carbon dioxide, and air to a preset temperature.

이러한 가스 가열단계(S200)는 공전해 단계에서 배출된 고온의 합성가스와 이산화탄소와의 열교환을 통해 이산화탄소를 가열하는 제 1 열교환 단계와, 개질기에서 배출된 고온의 연소가스와의 열교환을 통해 피드가스를 가열하는 제 2 열교환 단계와, 공전해 단계에서 배출된 고온의 합성가스와의 열교환을 통해 공기를 가열하는 제 3 열교환 단계와, 개질기에서 배출된 고온의 연소가스의 열교환을 통해 공기를 가열하는 제 4 열교환 단계를 포함할 수 있다.The gas heating step (S200) includes a first heat exchange step of heating carbon dioxide through heat exchange between the high-temperature synthetic gas discharged from the regeneration step and carbon dioxide, and the feed gas through heat exchange with the high-temperature combustion gas discharged from the reformer. A second heat exchange step for heating the air, and a third heat exchange step for heating air through heat exchange with the high-temperature syngas discharged from the orbital step, and a third heat exchange step for heating air through heat exchange of the high-temperature combustion gas discharged from the reformer. It may include a fourth heat exchange step.

가스 혼합단계(S300)는 이산화탄소 및 개질 가스를 혼합기에서 혼합하여 피드가스(공급가스)를 제공할 수 있다. 예컨대, 혼합기는 수소가 주성분인 개질가스를 개질기로부터 공급받고, 1차 가열된 고농도 이산화탄소를 이산화탄소 가열기로부터 공급받아, 이들 개질가스와 고농도 이산화탄소를 혼합시킬 수 있다In the gas mixing step S300, a feed gas (supply gas) may be provided by mixing carbon dioxide and a reformed gas in a mixer. For example, the mixer may receive a reformed gas containing hydrogen as a main component from a reformer, and receive a high concentration of carbon dioxide, which is first heated, from a carbon dioxide heater, and mix these reformed gases with high concentration carbon dioxide.

공전해 단계(S400)는 가스 혼합단계에서 혼합된 피드가스와, 공기 가열단계에서 가열된 공기를 공급받아, 공전해 스택에서 이들을 전기분해함으로써, 수소가 주성분인 합성가스와 일산화탄소를 생성할 수 있다. 이를 위해, 공전해 스택의 캐소드에서 전기화학반응과 함께 열화학반응이 동시에 진행될 수 있다.In the revolutionary electrolysis step (S400), the feed gas mixed in the gas mixing step and the air heated in the air heating step are supplied and electrolyzed in the orbital stack, thereby generating syngas and carbon monoxide, which are mainly components of hydrogen . To this end, the electrochemical reaction and the thermochemical reaction may simultaneously proceed at the cathode of the orbiting stack.

상술한 바와 같이, 본 실시예는 피드가스와 공기의 열교환 방법이 분리되어 있으므로, 개발된 시스템의 영향을 최소화 하면서 공전해 운전에 필요한 열원을 제철/제강 산업, 발전플랜트에서의 직접 공급하여 이용하도록 구성하기가 수월해지므로 향후 개발 시스템을 산업체에 연계시켜 적용하는 경우 합성가스 생산비용 절감이나 효율을 쉽게 높일 수 있고, 시스템에서의 운전 및 공급조건(이산화탄소 공급 유량, 증기 공급 유량, 개질용 연료가스 공급 유량 등)을 변화시켜 생성되는 합성가스의 조성의 비율을 쉽게 조절할 수 있고, 이는 후단에 연계되는 합성가스 이용 공정에 필요한 합성 가스의 조성에 따라 다양한 공정에 개발한 시스템을 적용할 수 있다는 등의 우수한 장점을 갖는다.As described above, in this embodiment, since the heat exchange method of feed gas and air is separated, the heat source required for idle operation can be directly supplied and used in the steel/steel industry and power plant while minimizing the effect of the developed system. Since it is easy to configure, it is possible to reduce synthesis gas production cost or increase efficiency easily if the system developed in the future is connected to an industry, and operation and supply conditions in the system (carbon dioxide supply flow rate, steam supply flow rate, reforming fuel gas supply It is possible to easily adjust the ratio of the composition of the generated syngas by changing the flow rate, etc., and this means that the developed system can be applied to various processes according to the composition of the syngas required for the syngas utilization process linked to the downstream. It has an excellent advantage.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안 되며, 이러한 변형된 실시예는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the accompanying drawings, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features. You will be able to understand. For example, a person skilled in the art may change the material, size, etc. of each component according to the field of application, or combine or substitute embodiments to implement it in a form not clearly disclosed in the embodiments of the present invention, but this is also the present invention. It does not go beyond the scope of. Therefore, the embodiments described above are illustrative in all respects and should not be understood as limiting, and it should be said that such modified embodiments are included in the technical idea described in the claims of the present invention.

100 :이산화탄소 공급모듈 210 :이산화탄소 가열기
220 :공기 가열기 400 :피드가스 가열기
300 :개질기 400 :혼합기
600 :공기 공급유닛 700 :공전해 스택
800 :황화합물 제거유닛100: carbon dioxide supply module 210: carbon dioxide heater
220: air heater 400: feed gas heater
300: reformer 400: mixer
600: air supply unit 700: static electrolytic stack
800: Sulfur compound removal unit

Claims (14)

이산화탄소 공급을 위한 이산화탄소 공급모듈;
상기 이산화탄소 공급모듈에서 공급된 상기 이산화탄소를 가열시키는 이산화탄소 가열기;
수소가 주성분인 개질 가스를 공급하는 개질기;
상기 이산화탄소 및 상기 개질 가스를 혼합하여 피드가스를 제공하는 혼합기;
상기 혼합기에서 배출된 상기 피드가스를 가열시키는 피드가스 가열기;
공기 공급을 위한 공기 공급유닛;
상기 공기 공급유닛에서 공급된 상기 공기를 가열시키는 공기 가열기; 및
가열된 상기 공기 및 상기 피드가스를 전기분해하여 수소가 주성분인 합성가스 및 일산화탄소를 생성하는 공전해 스택;을 포함하고,
상기 이산화탄소 공급모듈은
이산화탄소 배출 설비에서 배출된 이산화탄소를 분리 농축하는 이산화탄소 분리 농축유닛과, 상기 이산화탄소 분리 농축유닛을 통해 분리 농축된 이산화탄소를 기 설정된 압력으로 가압하는 부스터를 포함하고,
상기 이산화탄소 가열기는
상기 공전해 스택에서 배출된 고온의 합성가스와 상기 이산화탄소 공급모듈에서 배출된 이산화탄소의 열교환을 통해 상기 이산화탄소를 가열하는 제 1 열교환기를 포함하고,
상기 피드가스 가열기는
상기 개질기에서 배출된 고온의 연소가스와 상기 혼합기에서 배출된 피드가스의 열교환을 통해 상기 피드가스를 가열하는 제 2 열교환기를 포함하며,
상기 공기 가열기는
상기 공전해 스택에서 배출된 고온의 합성가스와 상기 공기 공급유닛에서 공급된 공기의 열교환을 통해 상기 공기를 가열하는 제 3 열교환기와, 상기 개질기에서 배출된 고온의 연소가스와 상기 제 3 열교환기에서 배출된 공기의 열교환을 통해 상기 공기를 가열하는 제 4 열교환기를 포함하는,
공전해 시스템.A carbon dioxide supply module for supplying carbon dioxide;
A carbon dioxide heater for heating the carbon dioxide supplied from the carbon dioxide supply module;
A reformer supplying a reforming gas containing hydrogen as a main component;
A mixer for providing a feed gas by mixing the carbon dioxide and the reforming gas;
A feed gas heater for heating the feed gas discharged from the mixer;
An air supply unit for supplying air;
An air heater for heating the air supplied from the air supply unit; And
Including; an orthogonal electrolysis stack for electrolyzing the heated air and the feed gas to generate syngas and carbon monoxide containing hydrogen as a main component,
The carbon dioxide supply module
A carbon dioxide separation and concentration unit for separating and concentrating the carbon dioxide discharged from the carbon dioxide emission facility, and a booster for pressurizing the carbon dioxide separated and concentrated through the carbon dioxide separation and concentration unit to a preset pressure,
The carbon dioxide heater
A first heat exchanger for heating the carbon dioxide through heat exchange between the high-temperature synthetic gas discharged from the orthogonal electrolysis stack and the carbon dioxide discharged from the carbon dioxide supply module,
The feed gas heater
And a second heat exchanger for heating the feed gas through heat exchange between the high-temperature combustion gas discharged from the reformer and the feed gas discharged from the mixer,
The air heater
In the third heat exchanger for heating the air through heat exchange between the high-temperature synthetic gas discharged from the electrolytic stack and the air supplied from the air supply unit, the high-temperature combustion gas discharged from the reformer and the third heat exchanger Including a fourth heat exchanger for heating the air through heat exchange of the discharged air,
Orbital system. 제 1 항에 있어서,
상기 이산화탄소 공급모듈에서 공급된 이산화탄소로부터 황화합물을 제거하는 황화합물 제거유닛을 더 포함하는,
공전해 시스템.The method of claim 1,
Further comprising a sulfur compound removal unit for removing sulfur compounds from the carbon dioxide supplied from the carbon dioxide supply module,
Orbital system. 제 1 항에 있어서,
상기 개질기에 연료가스를 제공하는 연료가스 공급유닛; 및
상기 개질기에 증기를 공급하는 증기 공급유닛을 더 포함하는,
공전해 시스템.The method of claim 1,
A fuel gas supply unit providing fuel gas to the reformer; And
Further comprising a steam supply unit for supplying steam to the reformer,
Orbital system. 제 2 항에 있어서,
상기 황화합물 제거유닛은
상기 이산화탄소 분리 농축유닛의 운전 방법에 따라 상기 부스터 또는 상기 이산화탄소 분리 농축유닛의 공정 앞에 놓여 운전 가능한,
공전해 시스템.The method of claim 2,
The sulfur compound removal unit
Depending on the operating method of the carbon dioxide separation and concentration unit, the booster or the carbon dioxide separation and concentration unit can be operated by placing it in front of the process,
Orbital system. 제 1 항에 있어서,
상기 공전해 스택은
상기 이산화탄소의 분해를 위한 역수성가스전환 반응이 이루어지는 캐소드를 포함하는,
공전해 시스템.The method of claim 1,
The orbital stack is
Including a cathode in which the reverse water gas conversion reaction for decomposition of the carbon dioxide is performed,
Orbital system. 제 3 항에 있어서,
상기 연료가스는
상기 개질기의 증기개질을 위해 공급되는 개질용 피드가스와, 상기 개질기의 버너에 공급되는 가열버너용 피드가스를 포함하는,
공전해 시스템.The method of claim 3,
The fuel gas is
Including a feed gas for reforming supplied for steam reforming of the reformer and a feed gas for a heating burner supplied to the burner of the reformer,
Orbital system. 삭제delete 삭제delete 수소가 주성분인 개질 가스, 이산화탄소 및 공기를 공급하는 가스 공급단계;
상기 개질 가스, 이산화탄소 및 공기를 기 설정된 온도로 가열하는 가스 가열단계;
상기 이산화탄소 및 상기 개질 가스를 혼합하여 피드가스를 제공하는 가스 혼합단계; 및
가열된 상기 공기 및 상기 피드가스를 전기분해하여 수소가 주성분인 합성가스와 일산화탄소를 생성하는 공전해 단계를 포함하고,
상기 가스 공급단계는
상기 이산화탄소를 분리 농축한 후, 분리 농축된 이산화탄소를 상기 기 설정된 압력으로 가압하고,
상기 가스 가열단계는
상기 공전해 단계에서 배출된 고온의 합성가스와 상기 이산화탄소를 열교환하여 상기 이산화탄소를 가열하는 제 1 열교환 단계와, 개질기에서 배출된 고온의 연소가스와 상기 가스 혼합 단계에서 배출된 피드가스를 열교환하여 상기 피드가스를 가열하는 제 2 열교환 단계와, 상기 공전해 단계에서 배출된 고온의 합성가스와 상기 공기를 열교환하여 상기 공기를 가열하는 제 3 열교환 단계와, 개질기에서 배출된 고온의 연소가스와 상기 제 3 열교환기 단계를 통해 배출된 공기를 열교환하여 상기 공기를 가열하는 제 4 열교환 단계를 포함하는,
공전해 시스템을 이용한 공전해 방법.A gas supply step of supplying hydrogen-based reformed gas, carbon dioxide, and air;
A gas heating step of heating the reformed gas, carbon dioxide, and air to a preset temperature;
A gas mixing step of mixing the carbon dioxide and the reforming gas to provide a feed gas; And
An orbital electrolysis step of electrolyzing the heated air and the feed gas to generate syngas and carbon monoxide containing hydrogen as a main component,
The gas supply step
After separating and concentrating the carbon dioxide, the separated and concentrated carbon dioxide is pressurized to the preset pressure,
The gas heating step
A first heat exchange step of heat-exchanging the high-temperature synthetic gas discharged in the orbital electrolysis step with the carbon dioxide to heat the carbon dioxide, and heat exchange between the high-temperature combustion gas discharged from the reformer and the feed gas discharged in the gas mixing step. A second heat exchange step of heating the feed gas, a third heat exchange step of heat-exchanging the air with the high-temperature synthesis gas discharged from the orthogonal electrolysis step, and a third heat exchange step of heating the air, and the high-temperature combustion gas discharged from the reformer and the third heat exchanger. Including a fourth heat exchange step of heat-exchanging the air discharged through the 3 heat exchanger step to heat the air,
Orbital dissolution method using the orbital dissolution system. 제 9 항에 있어서,
상기 가스 공급단계 이후, 상기 이산화탄소로부터 황화합물을 제거하는 황화합물 제거단계를 더 포함하는,
공전해 시스템을 이용한 공전해 방법.The method of claim 9,
After the gas supply step, further comprising a sulfur compound removal step of removing the sulfur compound from the carbon dioxide,
Orbital dissolution method using the orbital dissolution system. 제 9 항에 있어서,
상기 가스 공급단계는
상기 이산화탄소를 분리 농축한 후, 분리 농축된 이산화탄소를 상기 기 설정된 압력으로 가압하는,
공전해 시스템을 이용한 공전해 방법.The method of claim 9,
The gas supply step
After separating and concentrating the carbon dioxide, pressurizing the separated and concentrated carbon dioxide at the preset pressure,
Orbital dissolution method using the orbital dissolution system. 제 9 항에 있어서,
상기 공전해 단계는
상기 이산화탄소의 분해를 위한 역수성가스전환 반응을 진행하는,
공전해 시스템을 이용한 공전해 방법.The method of claim 9,
The orbital step is
To proceed with a reverse water gas conversion reaction for decomposition of the carbon dioxide,
Orbital dissolution method using the orbital dissolution system. 삭제delete 삭제delete
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