KR102254409B1 - Hydrogen production apparatus using flare gas and hydrogen production method using this apparatus - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 플레어 시스템의 FGRU(Flare Gas Recovery Unit)에 의해 전달되는 플레어 가스에서 유해 성분을 걸러내는 유해 성분 처리부; 상기 유해 성분 처리부에 의해 유해 성분이 걸러진 플레어 가스에서 수소와 메탄을 분리하는 제1분리부; 상기 제1분리부에서 분리된 메탄을 개질 시키는 개질부; 상기 개질부에서 개질된 합성 가스에서 수소와 그 외 가스를 분리하는 제2분리부; 및 상기 제1분리부와 상기 제2분리부에서 분리된 수소가 저장되는 저장부;를 특징으로 한다.The present invention, a harmful component processing unit for filtering out harmful components from the flare gas transmitted by the flare gas recovery unit (FGRU) of the flare system; A first separation unit for separating hydrogen and methane from the flare gas in which the harmful components have been filtered out by the harmful component processing unit; A reforming unit for reforming the methane separated in the first separation unit; A second separation unit for separating hydrogen and other gases from the synthesis gas reformed in the reforming unit; And a storage unit for storing the hydrogen separated by the first separation unit and the second separation unit.
Description
본 발명은 플레어 가스를 이용한 수소 생산장치 및 이 장치에 의한 수소 생산방법에 관한 것으로서, 상세하게는, 정유공장이나 석유화학공장에서 발생되는 폐가스인 플레어 가스에서 수소를 선별하고 저장할 수 있도록 구성된 플레어 가스를 이용한 수소 생산장치 및 이 장치에 의한 수소 생산방법에 관한 것이다.The present invention relates to a hydrogen production apparatus using a flare gas and a hydrogen production method using the apparatus, and in detail, a flare gas configured to select and store hydrogen from flare gas, which is waste gas generated in an oil refinery or a petrochemical plant. It relates to a hydrogen production device using the and a hydrogen production method by the device.
현재 전 세계적으로 소비되는 에너지는 대부분이 화석원료인 석유 및 석탄으로 이루어지며, 특히 자동차의 경우 휘발유 또는 경유와 같은 유류를 이용하는 것이 전부라고 해도 무방할 정도이다.Currently, most of the energy consumed around the world consists of petroleum and coal, which are fossil raw materials, and in the case of automobiles, it is safe to say that it is all about using oil such as gasoline or diesel.
하지만 석유와 같은 화석연료는 그 매장량에 한계가 있으며, 또한 에너지를 얻기 위하여 연소시킬 때 발생하는 각종 가스, 분진 및 연소 후 잔여물질은 환경오염의 주범이 되고 있으며, 요즘 가장 이슈가 되고 있는 지구온난화의 주범이라고 할 수 있다.However, fossil fuels such as petroleum have a limit in their reserves, and various gases, dusts, and residual substances after combustion that are generated when burning to obtain energy are the main causes of environmental pollution, and global warming, which is the most important issue these days. It can be said to be the main culprit.
이러한 상황을 타개할 수 있는 대체에너지로는 수소와 같은 청정에너지원과 수력, 풍력, 태양열과 같은 자연에너지를 들 수 있으며, 특히 자동차의 에너지원으로는 그 효율성과 출력을 감안하면 수소를 이용한 연료전지가 가장 바람직한 동력원으로 기대되고 있다.Alternative energies that can overcome this situation include clean energy sources such as hydrogen and natural energy such as hydropower, wind power, and solar heat. Especially, fuel using hydrogen considering its efficiency and output as an energy source for automobiles. Batteries are expected to be the most desirable power source.
예를 들어, 최근에는 이런 연료전지를 이용한 수소연료전지 자동차가 개발되고 있으며, 수소연료전지 자동차는 압축된 수소를 연료로서 사용하기 때문에 가솔린을 공급하는 주유소와 같은 형태의 압축수소를 공급하는 수소 스테이션이 수소연료전지 자동차의 상용화를 위해 개발되고 있는 실정이다.For example, in recent years, hydrogen fuel cell vehicles using such fuel cells have been developed, and since hydrogen fuel cell vehicles use compressed hydrogen as fuel, a hydrogen station that supplies compressed hydrogen in the same form as a gas station that supplies gasoline. The situation is being developed for the commercialization of this hydrogen fuel cell vehicle.
한편, 플레어 가스란 정유공장이나 석유화학공장 등에서 발생되는 폐가스로서, 휘발성 및 가연성을 가지고 있는 가스를 의미하는데, 이러한 지속적, 대용량으로 발생하는 플레어 가스를 관리하고, 처리하여 배출하기 위해, 플레어 가스가 유동되는 다수의 관로(파이프), 방출 가스나 액체 등을 포집하는 플레어 헤더, 플레어 헤더로부터 전달된 액체를 가스와 분리 포집하는 녹아웃 드럼, 소각탑으로서 파일럿 버너, 점화 장치 등을 포함하여 구성되어 플레어 가스를 연소시키며 방출하는 플레어 스택, 플레어 스택으로부터 역류된 화염으로 인해 사고가 일어나는 것을 방지하기 위한 실 드럼 등을 포함하여 구성된 플레어 시스템이 마련된다.On the other hand, flare gas is a waste gas generated from refineries or petrochemical plants, and refers to a gas that has volatile and flammable properties. In order to manage, treat, and discharge flare gas generated continuously and in large quantities, flare gas is Flare consists of a number of flowing pipes (pipes), a flare header that collects discharged gas or liquid, a knockout drum that separates and collects the liquid delivered from the flare header from the gas, and a pilot burner and an ignition device as an incineration tower. A flare system comprising a flare stack for burning and discharging gas, a seal drum for preventing an accident due to a flame flowing back from the flare stack, and the like is provided.
따라서, 플레어 가스는 플레어 스택이라는 배출 및 폐가스 처리 장치를 통하여 외부로 배출된다. 즉, 플레어 가스는 파이프를 통하여 플레어 스택으로 전달되며, 이 플레어 스택에서 연소되어 대기중으로 배출될 수 있다.Accordingly, the flare gas is discharged to the outside through a discharge and waste gas treatment apparatus called a flare stack. That is, the flare gas is delivered to the flare stack through a pipe, and may be burned in the flare stack and discharged into the atmosphere.
하지만, 위와 같은 플레어 시스템에서 방출되는 가스의 방출량은 실로 어마어마하며 그에 따른 비용손실도 매우 크다고 할 수 있다. 예컨대, 전 세계 CO2 방출량의 1.4%가 플레어 시스템으로 부터 방출되고 있고(GGFR, Golbal Gas Flaring Reduction Partnership 발표자료), EU 가스 사용량의 30%가 Flaring으로 소모되고 있으며, 연간 360million ton의 CO2가 방출된다.However, the amount of gas emitted from the flare system as described above is truly enormous, and the cost loss is very large. For example, 1.4% of global CO 2 emissions are emitted from the flare system and (GGFR, Golbal Gas Flaring Reduction Partnership Presentations), and 30% of EU gas consumption has been consumed as Flaring, the annual 360million ton CO 2 is Is released.
또한, 일반적인 국내의 정유, 석유화학공장에서는 연간 대당 30~40억원의 플레어 시스템의 유지 비용이 소요되고 있으며, 플레어 가스 방출량에 따른 비용손실도 연간 수십억원에 이른다. 참고로, 플레어 가스의 방출에 따른 손실이 큼에도 불구하고, 많은 정유, 석유화학공장에서 이 사항을 실감하지 못하고 있는데, 그 이유는 다양한 성분으로 이루어진 플레어 가스의 유량을 정확하게 측정할 수 없기 때문이다.In addition, in general domestic oil refineries and petrochemical plants, the cost of maintaining a flare system of 3 to 4 billion won per year is incurred, and the cost loss according to the amount of flare gas emission amounts to billions of billions per year. For reference, despite the large loss due to the release of flare gas, many refineries and petrochemical plants do not realize this, because the flow rate of flare gas composed of various components cannot be accurately measured. .
이에 따라, 플레어 시스템에는 플레어 가스를 재활용하기 위한 FGRU(Flare Gas Recovery Unit) 설비가 적용될 수 있다. 이 FGRU 설비는, 플레어 가스가 플레어 스택으로 이송되기 이전에 플레어 가스를 포집해서 활용 가능한 가스로 리사이클(recycle) 시킬 수 있으며, 환경 보호적인 측면과 플레어 시스템의 운전비를 절감하는 측면에서, 그리고, 가스 방출량에 따른 비용손실을 줄일 수 이다는 점에서 매우 유용하다고 할 수 있다.Accordingly, a flare gas recovery unit (FGRU) facility for recycling flare gas may be applied to the flare system. This FGRU facility can collect flare gas before it is transferred to the flare stack and recycle it into usable gas, in terms of environmental protection and in terms of reducing the operating cost of the flare system, and gas. It can be said that it is very useful in that it can reduce the cost loss according to the amount of emission.
본 출원인은, 폐가스인 플레어 가스의 방출량을 줄임과 동시에 FGRU에서 포집된 플레어 가스를 이용하여 최근에 청정 에너지원으로 각광을 받고 있는 수소를 생산할 수 있는 방안을 모색하였다.The applicant of the present invention sought a way to reduce the emission of flare gas, which is a waste gas, and to produce hydrogen, which has recently been in the spotlight as a clean energy source, by using the flare gas collected in FGRU.
그러나, 천연가스가 아닌 플레어 가스를 이용하여 수소를 생산할 시에는, 정유공장이나 석유화학공장에서 발생되는 가스의 배출량과 성분이 실시간으로 변동됨에 따라서 수소를 생산하기 위해 공급되는 스팀(steam)이나 버너로 공급되어야 할 연료량을 최적의 량으로 산출 및 제어하는 것이 어렵고, 또한, 플레어 가스의 성분과 유량에 따른 수소 생산량을 정확하게 모니터링 하는 것이 어려워 플레어 가스의 유량에 따른 수소 생산량의 상관관계를 정확하게 파악할 수 없는 문제점이 있다.However, when hydrogen is produced using flare gas other than natural gas, steam or burners supplied to produce hydrogen are changed in real time as the amount and composition of the gas generated in oil refineries or petrochemical plants fluctuate in real time. It is difficult to calculate and control the amount of fuel to be supplied to the optimal amount, and it is difficult to accurately monitor the hydrogen production amount according to the components and flow rate of the flare gas. There is no problem.
따라서, 본 출원인은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명을 개발하게 되었으며, 이와 관련된 선행기술문헌으로는, 대한민국 공개특허 제10-2011-0077659호의 '수소 충전 스테이션 및 이의 제어 방법'이 있다.Accordingly, the present applicant has developed the present invention in order to solve the above problems, and as a related prior art document, there is a'hydrogen charging station and a control method thereof' of Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2011-0077659.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, FGRU에서 포집된 플레어 가스를 이용하여 수소를 생산하고, 이에 따른, 플레어 가스의 배출량도 줄일 수 있는 수소 생산장치 및 이 장치에 의한 수소 생산방법을 제공하는데 목적이 있다.In order to solve the above problems, the present invention provides a hydrogen production apparatus capable of producing hydrogen using flare gas collected in an FGRU, thereby reducing the amount of flare gas discharge, and a hydrogen production method using the apparatus. There is a purpose to provide.
또한, 본 발명은, 플레어 가스의 유량을 정확하게 산출하기 위한 측정수단을 제공하여, 수소를 생산하기 위한 공정설비로 공급되는 스팀량이나 연료량을 정확하게 파악하고 제어할 수 있는 수소 생산장치 및 이 장치에 의한 수소 생산방법을 제공하는데 목적이 있다.In addition, the present invention provides a measuring means for accurately calculating the flow rate of the flare gas, the hydrogen production device capable of accurately grasping and controlling the amount of steam or fuel supplied to the process equipment for producing hydrogen, and It aims to provide a method for producing hydrogen.
또한, 본 발명은, 플레어 가스의 유량에 따른 수소 생산량의 상관관계를 높은 정확도로 분석하여, 수소 충전소(수소 스테이션)와 같이 수소를 필요로 하는 각종 설비나 저장소에 수소를 적기에 효율적으로 공급 및 운반할 수 있는 수소 생산장치 및 이 장치에 의한 수소 생산방법을 제공하는데 목적이 있다.In addition, the present invention analyzes the correlation of the hydrogen production amount according to the flow rate of the flare gas with high accuracy, and efficiently supplies hydrogen to various facilities or reservoirs that require hydrogen such as a hydrogen charging station (hydrogen station) in a timely manner and An object of the present invention is to provide a transportable hydrogen production device and a hydrogen production method using the device.
본 발명은, 플레어 시스템의 FGRU(Flare Gas Recovery Unit)에 의해 공급되는 플레어 가스에서 유해 성분을 걸러내는 유해 성분 처리부; 상기 유해 성분 처리부에 의해 유해 성분이 걸러진 플레어 가스에서 수소와 메탄을 분리하는 제1분리부; 상기 제1분리부에서 분리된 메탄을 개질 시키는 스팀 리포머(Steam Reformer); 상기 스팀 리포머에서 생성된 합성 가스에서 수소와 그 외 가스를 분리하는 제2분리부; 및 상기 제1분리부와 상기 제2분리부에서 분리된 수소가 저장되는 저장부;를 포함할 수 있다.The present invention, a harmful component processing unit for filtering out harmful components from the flare gas supplied by the flare gas recovery unit (FGRU) of the flare system; A first separation unit for separating hydrogen and methane from the flare gas in which the harmful components have been filtered out by the harmful component processing unit; A steam reformer for reforming the methane separated in the first separation unit; A second separation unit for separating hydrogen and other gases from the synthesis gas generated by the steam reformer; And a storage unit for storing the hydrogen separated by the first separation unit and the second separation unit.
또한, 상기 스팀 리포머에 의한 개질 반응을 최적으로 유지하는 제어부;를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 FGRU에서 상기 제1분리부로 공급되는 플레어 가스의 유량과 상기 제1분리부에서 상기 스팀 리포머로 공급되는 메탄의 유량을 기초로하여 상기 스팀 리포머로 공급되는 스팀과 연료를 제어할 수 있다.In addition, a control unit for optimally maintaining a reforming reaction by the steam reformer; wherein the control unit includes a flow rate of the flare gas supplied from the FGRU to the first separation unit and the flow rate of the flare gas supplied from the FGRU to the steam reformer. Steam and fuel supplied to the steam reformer may be controlled based on the flow rate of methane.
또한, 상기 제어부는, 상기 스팀 리포머로 공급될 스팀량을 산출하는 스팀량 산출부; 및 상기 스팀 리포머로 공급될 연료량을 산출하는 연료량 산출부;를 포함하며, 상기 스팀량 산출부 및 상기 연료량 산출부는, 상기 FGRU에서 상기 제1분리부로 플레어 가스를 안내하는 유동관에 마련되어 플레어 가스의 유량을 측정하는 제1측정부로부터 플레어 가스의 유량을 전달받고, 상기 제1분리부에서 상기 스팀 리포머로 메탄을 안내하는 유동관에 마련되어 메탄의 유량을 측정하는 제2측정부로부터 메탄의 유량을 전달받을 수 있다.In addition, the control unit may include: a steam amount calculator configured to calculate an amount of steam to be supplied to the steam reformer; And a fuel amount calculating unit for calculating an amount of fuel to be supplied to the steam reformer, wherein the steam amount calculating unit and the fuel amount calculating unit are provided in a flow pipe for guiding the flare gas from the FGRU to the first separating unit to determine the flow rate of the flare gas. The flow rate of the flare gas is transmitted from the first measuring unit to be measured, and the flow rate of methane can be received from the second measuring unit that measures the flow rate of methane provided in a flow pipe that guides methane from the first separation unit to the steam reformer. have.
또한, 상기 스팀량 산출부는, 상기 제1측정부와 상기 제2측정부에서 제공하는 유량값을 기초로하여 메탄을 개질시키기 위해 최소한으로 요구되는 스팀량을 산출하고 이 산출값을 스팀 공급부로 전달할 수 있다.In addition, the steam amount calculation unit may calculate a minimum amount of steam required for reforming methane based on the flow rate values provided by the first measurement unit and the second measurement unit, and transfer the calculated value to the steam supply unit. .
또한, 상기 연료량 산출부는, 상기 제1측정부와 상기 제2측정부에서 제공하는 유량값을 기초로하여, 상기 스팀 리포머가 메탄을 개질시기 위한 최소한의 온도를 가지도록하는 연료량을 산출하고 이 산출값을 연료 공급부로 전달할 수 있다.In addition, the fuel amount calculation unit calculates an amount of fuel that allows the steam reformer to have a minimum temperature for reforming methane based on the flow rate values provided by the first measurement unit and the second measurement unit. The value can be passed on to the fuel supply.
또한, 상기 제어부는, 상기 제1측정부에서 측정된 플레어 가스의 유량과 상기 제2측정부에서 측정된 플레어 가스의 유량을 기초로하여 플레어 가스의 유량에 따른 메탄 생성량의 상관관계를 분석 및 수집하여 상기 스팀 리포머의 운전 조건을 제어하는 분석부를 더 포함할 수 있다.In addition, the control unit analyzes and collects a correlation between the amount of methane produced according to the flow rate of the flare gas based on the flow rate of the flare gas measured by the first measurement unit and the flow rate of the flare gas measured by the second measurement unit. Thus, it may further include an analysis unit for controlling the operating conditions of the steam reformer.
또한, 상기 분석부는, 상기 제1분리부에서 상기 저장부로 수소를 안내하는 유동관에 마련되어 수소의 유량을 측정하는 제3측정부로부터 수소의 유량을 전달받고, 상기 제2분리부에서 상기 저장부로 수소를 안내하는 유동관에 마련되어 수소의 유량을 측정하는 제4측정부로부터 수소의 유량을 전달받아 플레어 가스의 유량에 따른 수소 생산량의 상관관계를 분석할 수 있다.In addition, the analysis unit receives the flow rate of hydrogen from a third measurement unit that is provided in a flow pipe that guides hydrogen from the first separation unit to the storage unit and measures the flow rate of hydrogen, and receives hydrogen from the second separation unit to the storage unit. It is possible to analyze the correlation of the hydrogen production amount according to the flow rate of the flare gas by receiving the flow rate of hydrogen from the fourth measuring unit that is provided in the flow pipe guiding the flow rate of hydrogen.
또한, 상기 제1측정부는, 상기 유동관으로 길이방향 하단부위가 삽입되는 측정 프로브; 상기 측정 프로브와 연결된 상태로 플레어 가스의 속도를 측정하는 속도 측정부; 상기 측정 프로브와 연결된 상태로 플레어 가스의 밀도를 측정하는 밀도 측정부; 및 상기 속도 측정부와 상기 밀도 측정부에 의해 측정된 값을 기초로 플레어 가스의 유량을 산출하고, 그 산출된 유량을 저장 및 분석하는 유량 분석부;를 포함할 수 있다.In addition, the first measuring unit may include a measuring probe into which a lower end portion in the longitudinal direction is inserted into the flow tube; A speed measuring unit that measures the speed of the flare gas while being connected to the measuring probe; A density measuring unit configured to measure the density of the flare gas while being connected to the measuring probe; And a flow rate analysis unit that calculates the flow rate of the flare gas based on the values measured by the speed measurement unit and the density measurement unit, and stores and analyzes the calculated flow rate.
또한, 상기 속도 측정부는, 상기 측정 프로브에 형성된 제1압력구에 길이방향 일단이 연통 가능하게 연결되는 제1배관; 상기 측정 프로브에 형성된 제2압력구에 길이방향 일단이 연통 가능하게 연결되는 제2배관; 및 상기 제1배관의 길이방향 타단 및 상기 제2배관의 길이방향 타단과 연통 가능하게 연결되며, 상기 제1배관에서 발생되는 압력과 상기 제2배관에서 발생되는 압력의 차압을 이용하여 플레어 가스의 속도를 측정하는 제1센서부;를 포함할 수 있다.In addition, the speed measuring unit may include a first pipe having one end connected to the first pressure port formed on the measuring probe so as to communicate with one end in the length direction; A second pipe having one end connected to the second pressure port formed in the measurement probe so as to communicate with each other; And the other end in the longitudinal direction of the first pipe and the other end in the longitudinal direction of the second pipe. It may include; a first sensor unit for measuring the speed.
또한, 상기 제1센서부는, 플레어 가스의 유동방향과 마주하는 방향에 배치된 상기 제1압력구를 통하여 측정된 전압과 플레어 가스의 유동방향과 등을 지고 배치된 상기 제2압력구를 통하여 측정된 정압을 이용하여 동압을 산출한 뒤, 이 산출된 동압값을 상기 유량 분석부로 전달할 수 있다.In addition, the first sensor unit, the voltage measured through the first pressure port disposed in a direction facing the flow direction of the flare gas and the second pressure port disposed with the flow direction of the flare gas, etc. After calculating the dynamic pressure using the static pressure, the calculated dynamic pressure value may be transferred to the flow rate analysis unit.
또한, 상기 밀도 측정부는, 상기 측정 프로브에 형성된 가스 유입구에 길이방향 일단이 연통 가능하게 연결되는 제3배관; 상기 측정 프로브의 둘레면에 형성된 가스 배출구에 길이방항 일단이 연통 가능하게 연결되는 제4배관; 및 상기 제3배관의 길이방향 타단 및 상기 제4배관의 길이방향 타단과 연통 가능하게 연결되며, 상기 제3배관을 통하여 유입되는 플레어 가스의 밀도를 측정하는 제2센서부;를 포함할 수 있다.In addition, the density measurement unit may include a third pipe having one end connected to the gas inlet formed in the measurement probe so as to be communicated with each other in a longitudinal direction; A fourth pipe having a lengthwise end connected to the gas outlet formed on the circumferential surface of the measuring probe so as to communicate with each other; And a second sensor unit connected to the other end in the longitudinal direction of the third pipe and the other end in the longitudinal direction of the fourth pipe in communication with each other, and measuring the density of the flare gas introduced through the third pipe. .
또한, 본 발명은, 플레어 가스를 이용한 수소 생산방법으로서, 플레어 시스템의 FGRU(Flare Gas Recovery Unit)에 의해 공급되는 플레어 가스에서 유해 성분을 걸러내는 필터링 단계; 상기 필터링 단계에 의해 유해 성분이 걸러진 플레어 가스에서 수소와 메탄을 분리하는 제1 분리단계; 상기 제1 분리단계에서 분리된 메탄을 개질 시키는 개질단계; 및 상기 개질단계에서 생성된 합성 가스에서 수소와 그 외 가스를 분리하는 제2 분리단계;를 포함할 수 있다.In addition, the present invention, as a hydrogen production method using a flare gas, filtering step of filtering out harmful components from the flare gas supplied by the flare gas recovery unit (FGRU) of the flare system; A first separation step of separating hydrogen and methane from the flare gas from which harmful components have been filtered out by the filtering step; A reforming step of reforming the methane separated in the first separation step; And a second separation step of separating hydrogen and other gases from the synthesis gas generated in the reforming step.
또한, 상기 FGRU(Flare Gas Recovery Unit)에 의해 공급되는 플레어 가스의 유량과 상기 제1분리단계에서 분리된 메탄의 유량을 측정하는 측정단계;를 더 포함할 수 있다.In addition, a measuring step of measuring the flow rate of the flare gas supplied by the flare gas recovery unit (FGRU) and the flow rate of methane separated in the first separation step; may further include.
또한, 상기 측정단계에서 측정된 플레어 가스의 유량과 메탄의 유량을 기초로 상기 개질단계에서 사용되는 스팀량과 연료량을 제어하는 제어단계;를 더 포함할 수 있다.In addition, it may further include a control step of controlling the amount of steam and the amount of fuel used in the reforming step based on the flow rate of flare gas and the flow rate of methane measured in the measuring step.
본 발명에 따른 플레어 가스를 이용한 수소 생산장치 및 수소 생산방법은, 플레어 가스의 유량에 따른 메탄 생성량과 수소 생산량을 바탕으로 스팀 리포머로 공급되는 스팀량과 연료량을 제어할 수 있는 구성을 가지므로, 스팀 리포머에 의한 개질 반응을 최적으로 유지하기 위한 에너지만 사용되게 하여 에너지 비용과 수소 생산에 따른 비용을 절감할 수 있다.The hydrogen production apparatus and the hydrogen production method using flare gas according to the present invention have a configuration capable of controlling the amount of steam and the amount of fuel supplied to the steam reformer based on the amount of methane produced and the amount of hydrogen produced according to the flow rate of the flare gas. It is possible to reduce the energy cost and the cost of hydrogen production by using only energy for optimally maintaining the reforming reaction by the reformer.
또한, 본 발명에 따른 플레어 가스를 이용한 수소 생산장치 및 수소 생산방법은, 시간에 대한 유량과 성분이 불규칙한 플레어 가스로 수소를 생산할 수 있는 구성을 가지므로, 대기중으로 배출되는 폐가스의 양을 줄여 환경오염을 최소화할 수 있다.In addition, the hydrogen production apparatus and the hydrogen production method using flare gas according to the present invention have a configuration capable of producing hydrogen from a flare gas having an irregular flow rate and component over time, so that the amount of waste gas discharged to the atmosphere is reduced, and the environment Pollution can be minimized.
또한, 본 발명에 따른 플레어 가스를 이용한 수소 생산장치 및 수소 생산방법은, 고온의 스팀과 고온의 온도조건으로 운전되는 스팀 리포머의 운전 상태를 플레어 가스에서 생선된 메탄량을 바탕으로 제어할 수 있으므로, 스팀 리포머에서 스팀과 연료가 낭비되는 것을 최소화하여 에너지 사용에 따른 비용을 절감할 수 있다.In addition, the hydrogen production apparatus and the hydrogen production method using flare gas according to the present invention can control the operation state of the steam reformer operated under high-temperature steam and high-temperature conditions based on the amount of methane produced in the flare gas. , It is possible to reduce the cost of energy use by minimizing the waste of steam and fuel in the steam reformer.
또한, 본 발명에 따른 플레어 가스를 이용한 수소 생산장치 및 수소 생산방법은, 플레어 가스의 유량에 따른 수소 생산량을 실시간으로 측정하여 수소를 필요로 하는 수소 사용처로 수소를 알맞은 시기에 운반 및 공급할 수 있다.In addition, the hydrogen production apparatus and the hydrogen production method using flare gas according to the present invention can measure the hydrogen production amount according to the flow rate of the flare gas in real time to transport and supply hydrogen to a hydrogen use place that requires hydrogen at an appropriate time. .
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산장치의 구성을 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부의 세부 구성을 보여주는 블럭도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1측정부의 전체적인 구성을 보여주는 도면.
도 4는 도 3에 도시된 측정 프로브의 A영역을 확대한 사시도.
도 5는 도 3에 도시된 측정 프로브의 A영역을 측면에서 바라본 단면도.
도 6은 도 3에 도시된 케이스의 내부에 마련된 제1센서부와 제2센서부를 보여주는 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산방법의 순서도.1 is a view showing the configuration of a hydrogen production apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram showing a detailed configuration of a control unit according to an embodiment of the present invention.
3 is a view showing the overall configuration of a first measurement unit according to an embodiment of the present invention.
4 is an enlarged perspective view of a region A of the measurement probe shown in FIG. 3.
5 is a cross-sectional view of a region A of the measurement probe shown in FIG. 3 as viewed from the side.
6 is a view showing a first sensor unit and a second sensor unit provided inside the case shown in Fig. 3;
7 is a flow chart of a hydrogen production method according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.Advantages and features of the present invention, and a method of achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail together with the accompanying drawings.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in a variety of different forms, only these embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention, and common knowledge in the technical field to which the present invention pertains. It is provided to completely inform the scope of the invention to those who have, and the invention is only defined by the scope of the claims.
이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 플레어 가스를 이용한 수소 생산장치 및 이 장치에 의한 수소 생산방법이 상세하게 설명된다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 발명의 요지를 0모호하지 않게 하기 위하여 생략된다.Hereinafter, an apparatus for producing hydrogen using flare gas and a method for producing hydrogen using the apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 7. In describing the present invention, detailed descriptions of related known functions or configurations are omitted so as not to obscure the subject matter of the invention.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산장치(100)는, 플레어 시스템의 FGRU(Flare Gas Recovery Unit, 110)에 의해 공급되는 플레어 가스에서 유해 성분을 걸러내는 유해 성분 처리부(120)와, 상기 유해 성분 처리부(120)에 의해 유해 성분이 걸러진 플레어 가스에서 수소와 메탄을 분리하는 제1분리부(130)와, 상기 제1분리부(130)에서 분리된 메탄을 개질 시키는 스팀 리포머(Steam Reformer, 140)와, 상기 스팀 리포머(140)에서 생성된 합성 가스에서 수소와 그 외 가스를 분리하는 제2분리부(150) 및 상기 제1분리부(130)와 상기 제2분리부(150)에서 분리된 수소가 저장되는 저장부(160);를 크게 포함할 수 있다.1 and 2, the
먼저, 플레어 시스템의 FGRU(Flare Gas Recovery Unit, 110)는, 본 발명의 명세서 배경기술 항목에서 언급한 바와 같이, 플레어링(flaring)되는 가스를 포집해서 재사용할 수 있도록 하기 위한 설비라 할 수 있다.First, the flare gas recovery unit (FGRU) 110 of the flare system, as mentioned in the background of the specification of the present invention, can be said to be a facility for collecting and reusing flaring gas. .
FGRU(110)는 플레어의 불꽃이 높은 곳에서는 어디든지 사용될 수 있으며, 플레어 가스가 플레어 스택으로 이동되기 이전에 포집하여 유해 성분 처리부로 전달할 수 있다.The
상기 유해 성분 처리부(120)는, 플레어 가스에 포함된 유해 성분을 처리하는 구성요소로서, 플레어 가스에 포함된 황 성분을 제거하는 공지의 탈황기로 구현될 수 있다. 유해 성분 처리부(120)가 탈황기로 구현되었을 경우에는 플레어 가스에 포함된 메탄의 황 성분을 제거하는 것을 의미한다. The harmful
이러한 유해 성분 처리부(120)는, 제1유동관(P1)을 통하여 FGRU(110)로부터 플레어 가스를 전달받을 수 있다.The harmful
그리고, 유해 성분 처리부(120)에서 유해 성분이 제거된 플레어 가스는 제2유동관(P2)을 통하여 제1분리부(130)로 이동될 수 있다. In addition, the flare gas from which the harmful component has been removed by the harmful
상기 제1분리부(130)는, 가스가 고압 하에서 고체 표면에 흡착되는 성질을 이용한 공지의 압력 스윙 흡착기(Pressure swing adsorption, PSA)로 구현될 수 있다. 이러한 제1분리부(130)에서 수소와 메탄이 생성될 수 있다.The
제1분리부(130)에서 분리된 수소는 제3유동관(P3)을 통하여 상기 저장부(160)로 이동되고, 제1분리부(130)에서 분리된 메탄은 제4유동관(P4)을 통하여 상기 스팀 리포머(140)로 이동될 수 있다.Hydrogen separated by the
스팀 리포머(140)는, 고온에서 메탄을 스팀(수증기)과 반응시켜 합성가스로 개질시키는 구성요소라 할 수 있다. 즉, 섭씨 900도~1200도 온도 조건을 가지는 개질기에서 니켈과 같은 촉매하에 메탄과 고온의 스팀을 반응시켜 수소와 일산화탄소의 혼합가스인 합성가스로 전환시키는 역할을 한다.The
참고로, 위와 같은 스팀 리포머(140)를 이용한 수증기 개질방식은 화학공업분야에서 오래전부터 사용해온 공지의 기술이므로, 본 명세서 상에서는 발명의 요지가 모호해지지 않도록 그 구체적인 설명을 생략한다.For reference, since the steam reforming method using the
그리고, 스팀 리포머(140)에 의해 개질된 합성가스는 도시되지 않은 공지의 수성 전환 반응기(미도시)를 경유 한채 상기 제2분리부(150)로 이동될 수 있다. 이 수성 전환 반응기는 합성가스에 포함된 일산화탄소에 수증기를 반응시켜 수소를 생성하는 역할을 한다. 즉, 합성가스를 이산화탄소와 수소로 전환 시킨다고 할 수 있다.In addition, the syngas reformed by the
상기 제2분리부(150)는, 스팀 리포머(140)에서 개질된 합성가스에서 수소와 기타 가스를 분리시키는 구성요소라 할 수 있다. 즉, 수성 전환 반응기를 통해 생성된 이산화탄소와 수소를 분리 시키는 역할을 수행할 수 있다. 제2분리부(150)도 가스가 고압 하에서 고체 표면에 흡착되는 성질을 이용한 공지의 압력 스윙 흡착기(Pressure swing adsorption, PSA)로 구현될 수 있다.The
그리고, 제2분리부(150)에서 분리된 수소는 제5유동관(P5)을 통해 상기 저장부(160)로 이동될 수 있다.In addition, the hydrogen separated by the
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산장치(100)는, 스팀 리포머에 의한 개질 반응을 최적으로 유지하는 제어부(200)를 더 포함할 수 있다.On the other hand, the
위와 같은 제어부(200)는, FGRU(110)에서 제1분리부(130)로 공급되는 플레어 가스의 유량과 제1분리부(130)에서 스팀 리포머(140)로 공급되는 메탄의 유량을 기초로하여 스팀 리포머(140)로 공급되는 스팀량과 연료량을 제어하고, 더불어, 스팀 리포머(140)의 운전 상태도 제어하는 역할을 한다.The
따라서, 제어부(200)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 스팀 리포머(140)로 공급될 스팀량을 산출하는 스팀량 산출부(210) 및 스팀 리포머(140)로 공급될 연료량을 산출하는 연료량 산출부(220)를 포함할 수 있디.Accordingly, the
스팀량 산출부(210)는, FGRU(110)에서 제1분리부(130)로 플레어 가스를 안내하는 제1유동관(P1)에 마련되어 플레어 가스의 유량을 측정하는 제1측정부(M1)로부터 플레어 가스의 유량을 전달받을 수 있다. 아울러, 스팀량 산출부(210)는 제1분리부(130)에서 스팀 리포머(140)로 메탄을 안내하는 제4유동관(P4)에 마련되어 메탄의 유량을 측정하는 제2측정부(M2)로부터 메탄의 유량을 전달받을 수 있다.The steam
위와 같은, 스팀량 산출부(210)는, 제1측정부(M1)와 제2측정부(M2)에서 제공하는 유량값을 기초로하여 메탄을 개질시키기 위해 최소한으로 요구되는 스팀량을 산출하고 이 산출값을 스팀 공급부(141)로 전달할 수 있다. 그러면, 스팀 공급부(141)는, 스팀량 산출부(210)에서 산출된 산출값을 기초로하여 스팀 리포머(140)로 공급된 메탄을 개질시키는데 요구되는 최적의 스팀량만 스팀 리포머(140)로 공급할 수 있다. As described above, the steam
이에 따라, 스팀량 산출부(210)는, 스팀 리포머(140)로 공급되는 메탄의 유량 대비 필요 이상의 스팀이 스팀 리포머(140)로 공급되는 것을 방지하고, 더불어, 스팀 공급부(141)에서 고온의 스팀을 형성하는데 사용되는 에너지도 줄일 수 있다.Accordingly, the steam
FGRU(110)에서 공급되는 플레어 가스는 천연가스와는 다르게 시간에 대한 유량의 변동성이 불규칙하고 더불어 성분도 달라지는 특징이 있다. 따라서, 실시간으로 변동되는 플레어 가스의 유량과 그 성분에 따른 메탄 분리량을 정확하게 파악하고 그에 상응하는 스팀량을 스팀 리포머(140)로 공급하는 것이 매우 중요하다고 할 수 있다. 만약, 천연가스에서 수소를 생성하는 방식과 같이 위와 같은 사항을 전혀 고려하지 않고 스팀 리포머(140)로 일정량의 스팀을 지속적으로 공급하게되면, 메탄을 개질시키는데 사용되는 스팀이 스팀 리포머(140)에 필요 이상으로 공급되어 결과적으로 막대한 에너지가 손실될 뿐만 아니라 수소 생성에 대한 비용도 상승된다.Unlike natural gas, the flare gas supplied from the
연료량 산출부(220)도, FGRU(110)에서 제1분리부(130)로 플레어 가스를 안내하는 제1유동관(P1)에 마련되어 플레어 가스의 유량을 측정하는 제1측정부(M1)로부터 플레어 가스의 유량을 전달받을 수 있다. 아울러, 연료량 산출부(220)는 제1분리부(130)에서 스팀 리포머(140)로 메탄을 안내하는 제4유동관(P4)에 마련되어 메탄의 유량을 측정하는 제2측정부(M2)로부터 메탄의 유량을 전달받을 수 있다.The fuel
위와 같은, 연료량 산출부(220)는, 제1측정부(M1)와 제2측정부(M2)에서 제공하는 유량값을 기초로하여, 스팀 리포머(140)가 메탄을 개질하기 위한 최소한의 온도를 가지도록하는 연료량을 산출하고 이 산출값을 연료 공급부(141)로 전달할 수 있다. 그러면, 연료 공급부(141)는, 연료량 산출부(220)에서 산출된 산출값을 기초로하여 스팀 리포머(140)로 공급되는 메탄을 개질시키는데 요구되는 최적의 연료량만 스팀 리포머(140)로 공급할 수 있다.As described above, the fuel
좀더 구체적으로 설명하면, 연료량 산출부(220)는, 스팀 리포머(140)의 개질기가 메탄을 개질시키기 위한 온도 조건을 가지도록 버너와 같은 가열수단에 의해 가열되는데 있어서, 스팀 리포머(140)로 공급되는 메탄의 유량에 상응되는 최적의 온도 조건을 형성하고 유지하도록 연료 공급부(142)에서 가열수단으로 공급되는 연료량을 산출할 수 있다.More specifically, the fuel
이에 따라, 연료량 산출부(220)는, 스팀 리포머(140)로 공급되는 메탄의 유량 대비 필요 이상의 연료가 스팀 리포머(140)로 공급되어, 스팀 리포머(140)가 필요 이상의 온도를 형성한 채 일정시간 동안 유지되는 현상을 사전에 방지하여 수소를 생산하는데 필요한 에너지를 절감할 수 있다,Accordingly, the fuel
참고로, 스팀 리포머(140)는, 널리 알려진 바와 같이, 고농도의 수소를 생성할 수 있는 장점이 있다. 하지만, 메탄을 개질시키는데 있어서 고온의 스팀이 요구되고 더불어 개질 온도 조건이 매우 높기 때문에 에너지 사용량이 많은 단점이 있으며, 특히, 정지 상태에서 정상 상태(개질 온도 조건에 도달하기 위한 시간)로 가동되기 위한 시간이 매우 오래걸린다는 단점이 있다.For reference, the
따라서, 실시간으로 변동되는 플레어 가스의 유량과 그 성분에 따른 메탄 분리량을 정확하게 파악하고 그에 상응하는 연료량을 스팀 리포머(140)로 공급하는 것이 매우 중요하다고 할 수 있다. 만약, 천연가스에서 수소를 생성하는 방식과 같이 위와 같은 사항을 전혀 고려하지 않고 스팀 리포머(140)로 일정한 연료를 지속적으로 공급한다면, 메탄을 개질시키는데 사용되는 연료가 스팀 리포머(140)에 필요 이상으로 공급되어 결과적으로 막대한 에너지가 손실될 뿐만 아니라 수소 생성에 대한 비용도 상승된다.Therefore, it can be said that it is very important to accurately grasp the flow rate of the flare gas fluctuating in real time and the amount of methane separation according to its components, and to supply the corresponding fuel amount to the
상기 스팀량 산출부(210)와 상기 연료량 산출부(220)는, 제2측정부(M2)에서 측정된 메탄의 유량만을 기초로하여 각각 스팀량과 연료량을 산출할 수도 있으나, 제1측정부(M1)에서 측정된 플레어 가스의 유량도 기초로 하여 각각 스팀 리포머(140)로 공급될 스팀량과 연료량을 산출하는 것이 바람직하다.The steam
왜냐하면, 스팀 리포머(140)로 공급되는 메탄은 FGRU(110)에서 공급되는 플레어 가스 상에서 분리 생성되기 때문에, 플레어 가스의 유량에 따른 메탄 생성량의 상관관계를 분석하고 그에 따른 데이터를 지속적으로 수집하여 스팀 리포머(140)를 효율적으로 운전하는데 활용할 수 있기 때문이다. 즉, 시간에 따른 유량과 성분의 변동성이 큰 플레어 가스의 특성에 대응하여 스팀 리포머(140)의 운전 조건을 수시로 전환시키는 과정은 에너지 사용량을 늘릴 뿐만 아니라 정상 상태로 가동되기 위한 시간적 소모도 큰 문제점이 발생되는데 이러한 문제점을 해결하기 위해서다.Because the methane supplied to the
예를 들어, 스팀량 산출부(210)와 연료량 산출부(220)는, 제1측정부(M1)에 의해 측정된 플레어 가스의 유량을 기초로 하여 스팀 리포머(140)로 공급될 수 있는 메탄의 최대 유량을 예측하고, 이에 따른, 스팀 리포머(140)로 공급될 스팀량과 연료량을 각각 1차적으로 예측하여 산출할 수 있다.For example, the steam
그러면, 스팀 공급부(141)는 제1측정부(M1)에 의해 플레어 가스의 유량이 측정된 시점에서부터 고온의 스팀을 생성하는 작동과정을 수행할 수 있다. 이때, 스팀 공급부(141)에서 생성되는 스팀량은 실질적으로 스팀 리포머(140)에 공급된 메탄을 개질하는데 최소한으로 요구되는 스팀량을 충족한다고 할 수 있다.Then, the
더불어, 연료 공급부(141)는 제1측정부(M1)에 의해 플레어 가스의 유량이 측정된 시점에서부터 스팀 리포머(140)의 가열수단으로 연료를 공급하여 개질기를 미리 가열할 수 있다. 마찬가지로, 연료 공급부(142)에서 스팀 리포머(140)로 공급되는 연료량은 실질적으로 스팀 리포머(140)에 공급된 메탄이 개질될 수 있는 온도를 형성하는데 사용되는 최소 연료량을 충족한다고 할 수 있다. 즉, 메탄이 스팀 리포머(140)로 공급되기 이전에 스팀 리포머(140)가 이미 개질 온도 조건을 형성하도록 하여 메탄이 스팀 리포머(140)로 공급되는 시점부터 즉각적으로 개질될 수 있도록 한다.In addition, the
만약, 스팀량 산출부(210)와 연료량 산출부(220)가 제2측정부(M2)에 의해 측정된 메탄의 유량만을 기초로 하여 스팀 리포머(140)로 공급될 스팀량과 연료량을 각각 산출하게 되면, 스팀 공급부(141)와 연료 공급부(142)는 스팀 리포머(140)로 메탄이 공급되는 시점에서부터 고온의 스팀을 생성하는 작동과정과 가열수단에 연료를 공급하여 개질기를 가열시키는 작동과정을 각각 수행하기 때문에 스팀 리포머(140)가 정상 상태로 도달하기 위한 시간이 오래 걸리고, 그에 따른 에너지도 낭비되는 문제점이 발생된다.If the steam
따라서, 스팀량 산출부(210)와 연료량 산출부(220)는 제1측정부(M1)에서 측정된 플레어 가스의 유량과 제2측정부(M2)에서 측정된 메탄의 유량을 기초로 스팀 리포머(140)로 공급될 스팀량과 연료량을 각각 산출하는 것이 바람직하다.Accordingly, the steam
또한, 제어부(200)는, 스팀 리포머(140)의 운전 여부를 판단하는 작동부(230)를 더 포함할 수 있다. In addition, the
작동부(230)는, 제1측정부(M1)에서 측정된 플레어 가스의 유량과 제2측정부(M2)에서 측정된 메탄의 유량을 기초로 스팀 리포머(140)에 ON/OFF 신호를 인가할 수 있다. 이러한 작동부(230)는 플레어 가스에서 생성되는 메탄의 유량이 기 설정치 이하여서 스팀 리포머(140)의 운전에 따른 에너지 소비량 대비 수소의 생산 효율성이 낮다고 판단될 경우 스팀 리포머(140)의 운전을 정지시키는 OFF신호를 스팀 리포머(140)로 인가할 수 있고, 반대로, 플레어 가스에서 생성되는 메탄의 유량이 기 설정치 이상일 경우에는 스팀 리포머(140)를 가동시키는 ON신호를 스팀 리포머(140)로 인가할 수 있다. 이러한 작동부(230)는 스팀 리포머(140)에 스팀을 공급하는 스팀 공급부(141)와 연료를 공급하는 연료 공급부(142)를 제어할 수 있음은 물론이다.The
그리고, 제어부(200)는, 제1측정부(M1)에서 측정된 플레어 가스의 유량과 제2측정부(M2)에서 측정된 메탄의 유량 및 상기 저장부(160)에 저장되는 수소량을 기초로하여 플레어 가스의 유량에 따른 수소 생산량의 상관관계를 분석하는 분석부(240)를 더 포함할 수 있다.And, the
이러한 분석부(240)는, 앞에서 언급한 플레어 가스의 유량에 따른 메탄 생성량의 상관관계를 분석하고, 그에 따른 데이터를 지속적으로 수집하여 스팀 리포머(140)가 효율적으로 운전되도록 하는 구성요소라 할 수 있으며, 작동부(230)로 수집 및 분석한 데이타를 전달할 수 있다.This
그러면, 작동부(230)는, 분석부(240)에서 제공한 데이터를 기반으로, 스팀 공급부(141)와 연료 공급부(142)를 제어하여 스팀 리포머(140)의 운전 상태를 효율적으로 제어할 수 있다.Then, the
또한, 분석부(240)는, 플레어 가스의 유량에 따른 메탄 생성량의 상관관계를 분석할 뿐만 아니라 전술한 바와 같이, 플레어 가스의 유량에 따른 수소 생산량의 상관관계를 분석할 수도 있다. 이에 따라, 분석부(240)는, 제1분리부(130)에서 저장부(160)로 수소를 안내하는 제3유동관(P3)에 마련되어 수소의 유량을 측정하는 제3측정부(M3)로부터 수소의 유량을 전달받을 수 있고, 더불어, 제2분리부(150)에서 저장부(160)로 수소를 안내하는 제5유동관(P5)에 마련되어 수소의 유량을 측정하는 제4측정부(M4)로부터 수소의 유량을 전달받을 수 있다,In addition, the
결론적으로, 분석부(240)는 제1측정부(M1) 내지 제4측정부(4)에서 각각 유량을 기초로 하여 플레어 가스의 유량에 따른 메탄 생성량과 수소 생산량의 상관관계를 분석하고 그 데이터를 작동부(230)로 제공하여 스팀 리포머(140)의 효율적인 운전을 도모하여 에너지를 절감하고, 더불어, 저장부(160)에 저장된 수소가 수소 스테이션과 같은 수소 사용처로 적기에 공급 또는 운반되도록 할 수 있다.In conclusion, the
참고로, 국내의 수소 생산의 대부분은 화학공정 등에서 부산물로 나오는 부생수소인데, 이 부생수소는 대부분 회수하여 공정에 재사용되며 극히 일부만이 파이프라인이나 튜브 트레일러에 일정압력으로 압축되어 유통되고 있다. 그러나, 수소는 단위 부피당 무게가 가장 가벼운 기체이기 때문에 튜브 트레일러 1개의 모듈로는 약200kg의 수소의 저장/운송만이 가능하다. 이로 인해 부생수소가 생산되고 있는 지역 외에는 운송료 부담으로 인해 실제 수소판매가격이 비싼 문제점이 발생한다.For reference, most of domestic hydrogen production is by-product hydrogen produced as a by-product in chemical processes, etc., and most of this by-product hydrogen is recovered and reused in the process, and only a small portion is compressed and distributed in pipelines or tube trailers at a certain pressure. However, since hydrogen is the lightest gas in weight per unit volume, only about 200kg of hydrogen can be stored/transported with one module of a tube trailer. As a result, there is a problem that the actual hydrogen sales price is high due to the burden of transportation charges outside the regions where by-product hydrogen is produced.
따라서, 플레어 가스의 유량을 기초로하여 저장부(160)에 저장되는 수소량을 실시간으로 산출하는 것이 수소의 운반 및 공급비용을 절감하는 측면에서 매우 중요하다고 할 수 있다. 즉, 저장부(160)에 저장된 수소를 수소 사용처로 운반 가능한 시기 또는 공급 가능한 시기를 정확하게 파악하기 위해서는 플레어 가스의 유량에 따른 제1분리부(130)에서 저장부(160)로 유동되는 수소의 유량과 제2분리부(150)에서 저장부(160)로 유동되는 수소의 유량을 기초로하여 저장부(160)에 저장된 수소량을 파악하는 것이 중요한데 이와 같은 사항을 분석부(240)에서 수행할 수 있다.Therefore, it can be said that calculating the amount of hydrogen stored in the
정리하면, 상기와 같이 구성된 제어부(200)는, 플레어 가스의 유량에 따른 메탄 생성량을 기초로 스팀 리포머(140)에 공급되는 스팀과 연료를 제어할 수 있고, 또한, 플레어 가스의 유량에 따른 메탄 생성량과 수소 생산량의 상관관계를 분석하여 스팀 리포머(140)의 운전 상태를 에너지를 절감하는 방향으로 제어할 수 있다.In summary, the
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산장치(100)의 제어부(200), 플레어 가스의 유량을 측정하는 제1측정부(M1)와, 메탄의 유량을 측정하는 제2측정부(M3)와, 수소의 유량을 측정하는 제3측정부(M3) 및 제4측정부(M4)를 필수적으로 구비하여야 한다.Accordingly, the
위와 같은 제1측정부(M1) 내지 제4측정부(M4)는, 제어부(200)로 정확한 유량값을 전달하여, 수소 생산장치(100)의 각종 구성들이 에너지를 절감하면서 수소를 효율적으로 생산할 수 있도록 하는 중요한 역할을 한다.The first measurement unit (M1) to the fourth measurement unit (M4) as described above, by transmitting an accurate flow rate value to the
그리고, 제1측정부(M1) 내지 제4측정부(M4)에 의해 측정된 유량은 수소 생산장치(100)의 각종 구성들을 서로 연결하는 다수개의 유동관의 압력 변동 등을 파악하는 데이터로 활용되어 수소 생산장치(100)의 구조적 안정성 및 수소 생산 효율을 향상시킬 수도 있다.And, the flow rate measured by the first measurement unit (M1) to the fourth measurement unit (M4) is used as data to grasp pressure fluctuations of a plurality of flow pipes that connect various components of the
따라서, 제1측정부(M1) 내지 제4측정부(M4)는 가스의 유량을 정확하게 측정하는 것이 바람직하다.Therefore, it is preferable that the first to fourth measuring units M1 to M4 accurately measure the flow rate of the gas.
그런데, 기존의 유량 측정기로는 유동의 물리적 조건과 조성이 불균일한 플레어 가스의 유량을 정확하게 측정할 수 없다. However, it is not possible to accurately measure the flow rate of a flare gas in which the physical condition and composition of the flow is non-uniform with a conventional flow meter.
예컨대, 써멀 매스 타입(thermal mass type)의 유량계를 이용하여 플레어 가스의 유량을 측정하였으나, 써멀 매스 타입의 유량계는 가스 조성 값이 일정한, 유동의 물리적 조건이 거의 균일하게 유지되는 상황에서 비교적 정확하게 유량을 측정할 수 있는 장치로서, 플레어 가스와 같이 다양한 공정에서 발생되는 불균일한 플레어 가스의 조성을 정확하게 파악하지 못하는 관계로 인하여 유량값의 정확도가 낮은 문제점이 있다. 또한, 통상 저속/저압을 가지는 플레어 가스의 유량을 측정하는 것은 유동 구현이 실질적으로 힘들기 때문에 유량계의 켈리브레이션(calibration) 보정작업이 어려운 문제점이 있다.For example, a thermal mass type flow meter was used to measure the flow rate of flare gas, but a thermal mass type flow meter was relatively accurate in a situation where the gas composition value was constant and the physical condition of the flow was almost uniformly maintained. As a device capable of measuring, there is a problem in that the accuracy of the flow rate value is low due to a relationship in which the composition of non-uniform flare gas generated in various processes such as flare gas cannot be accurately identified. In addition, measuring the flow rate of the flare gas having a low speed/low pressure generally has a problem in that it is difficult to perform a calibration correction operation of the flow meter because it is practically difficult to implement the flow.
따라서, 플레어 가스의 유량을 측정하는 제1측정부(M1)는, 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제1유동관(P1)으로 길이방향 하단부위가 삽입되는 측정 프로브(310); 상기 측정 프로브(310)와 연결된 상태로 플레어 가스의 속도를 측정하는 속도 측정부(320); 상기 측정 프로브(310)와 연결된 상태로 플레어 가스의 밀도를 측정하는 밀도 측정부(330); 및 상기 속도 측정부(320)와 상기 밀도 측정부(330)에 의해 측정된 값을 기초로 플레어 가스의 유량을 산출하고, 그 산출된 유량을 저장 및 분석하는 유량 분석부(340);를 포함할 수 있다.Thus, the first measuring unit (M1) for measuring the flow rate of the flare gas, as shown in Figs. 3 to 6, the
먼저, 측정 프로브(310)는, 내부에 공간부가 형성된 직선형태의 수직 바의 형태를 가질 수 있다. 즉, 측정 프로브(310)는, 수직봉의 형태를 가지며, 제1유동관(P)에 형성된 관통공을 통하여 제1유동관(P)의 내부로 그 하단부가 삽입될 수 있다.First, the
측정 프로브(310)의 상단부에는 후술할 속도 측정부(320)의 제1센서부(323)와 밀도 측정부(330)의 제2센서부(333)가 내장되는 케이스(C)가 마련되며, 이 케이스(C)를 포함한 측정 프로브(310)의 상단 부위는 제1유동관(P1)의 외부에 배치되는 구성요소라 할 수 있다.A case C in which the
즉, 측정 프로브(310)의 하단 부위가 제1유동관(P1)의 내부로 삽입되면, 케이스(C)를 포함한 측정 프로브(310)의 상단 부위는 제1유동관(P1)의 상부에 배치된다.That is, when the lower portion of the
그리고, 측정 프로브(310)의 하단은 실질적으로 플레어 가스의 유량을 측정하는 부분이라 할 수 있으며, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 플레어 가스의 유동방향(A)과 마주하게 배치되는 원호 형상의 라운드면(311); 상기 라운드면(311)의 배면측에서 소정의 길이를 가진 채 마련되는 면취부(312); 및 상기 면취부(312)를 구획하며, 상기 라운드면(311)의 폭방향 양단을 서로 연결하는 수직면(313);을 포함할 수 있다.In addition, the lower end of the
다시 말해, 전체적으로 원형의 단면을 가지는 수직봉 형태의 측정 프로브(310) 중에서 그 하단부위는 측면에서 바라보았을 때, 'ㄷ'로 절개된 형태를 가질 수 있다.In other words, the lower portion of the vertical rod-shaped
라운드면(311)은 반원의 곡률을 가진 채로 플레어 가스의 유동방향(A)과 마주하게 배치될 수 있다. 즉, 측정 프로브(310)의 하단이 제1유동관(P1)의 내부로 삽입되면, 라운드면(311)은 플레어 가스의 유동방향(A)과 마주하게 배치되는 부위라 할 수 있다.The
한편, 라운드면(311)에는 플레어 가스의 속도를 측정하기 위한 제1압력구(311a)가 형성될 수 있으며, 이 제1압력구(311a)는 라운드면(311)의 길이방향 및 폭방향 중단 부위에 배치될 수 있다.Meanwhile, a
또한, 라운드면(311)에는 플레어 가스의 밀도를 측정하기 위한 가스 유입구(311b)가 마련될 수 있으며, 이 가스 유입구(311b)는 제1압력구(311a)의 형성위치에 간섭되지 않는 위치상에 마련될 수 있다.In addition, a
면취부(312)는, 전술한 바와 같이, 라운드면(311)의 폭방향 양단을 서로 연결하는 수직면(313)과, 상기 수직면(313)의 상단 및 하단에서 각각 수평방향으로 연장된 수평면(314)에 의해 구획될 수 있다.As described above, the
상기 수직면(313)에는 플레어 가스의 속도를 측정하기 위한 제2압력구(313a)가 형성될 수 있으며, 이 제2압력구(313a)는 수직면(313)의 길이방향 및 폭방향의 중단 부위에 배치될 수 있다.A
여기서, 라운드면(311)에 형성된 제1압력구(311a)는, 측정 프로브(310)가 제1유동관(P1)으로 삽입된 지점의 전압을 측정하기 위한 구멍이라 할 수 있고, 반대로, 수직면(313)에 형성된 제2압력구(313a)는 측정 프로브(310)가 제1유동관(P)으로 삽입된 지점의 정압을 측정하기 위한 구멍이라 할 수 있다.Here, the
위와 같이, 플레어 가스의 유동방향(A)과 마주하는 라운드면(311)에 제1압력구(311a)를 마련하고, 라운드면(311)과 반대되는 수직면(313)에 제2압력구(313a)를 형성시키는 이유는, 플레어 가스와 라운드면(311)이 서로 접촉될 시에 발생되는 와류(vortex)가 수직면(313)이 배치된 방향으로 유동되어 제2압력구(313a)로 유입되는 것을 방지하기 위함이다.As above, the
즉, 라운드면(311)과 접촉된 후 유동되는 플레어 가스가 수직면(313) 방향으로 유동되는 것을 방지하여 제2압력구(313a)에서 정확한 정압을 측정할 수 있도록 하기 위함이다.That is, the purpose is to prevent the flare gas flowing after being in contact with the
따라서, 제1압력구(311a)는 플레어 가스를 양 방향으로 분기시키는 라운드면(311)에 형성되는 것이 바람직하고, 제2압력구(313a)는, 라운드면(311)에 의해 분기되어 유동되는 플레어 가스에 영향을 받지 않는 수직면(313)에 형성되는 것이 바람직하다.Therefore, the
여기서, 라운드면(311)은, 위에서 바라보았을 때, 180도의 중심각을 가지는 호의 형태, 즉, 반원의 형태를 가지는 것이 바람직하다. 만약, 상기 라운드면(311)이 180도 이상의 중심각을 가지는 호의 형태를 가지게 된다면, 라운드면(311)과 접촉된 플레어 가스가 수직면(313)이 배치된 면취부(312) 측으로 유입되어 수직면(313) 상에서 측정되는 정압의 정확도가 떨어지는 문제점이 있다.Here, the
반대로, 라운드면(311)이 180도 이하의 중심각을 가지는 호의 형태를 가지게 된다면, 라운드면(311)과 접촉된 플레어 가스가 수직면(313)의 바깥방향으로 유동되어 수직면(313) 상에서 측정되는 정압의 정확도가 높아질 수 있다.Conversely, if the
한편, 면취부(312)가 형성되지 않은 측정 프로브(310)의 하단 부위에는 가스 배출구(311c)가 마련되며, 이 가스 배출구(311c)는 후술할 밀도 측정부(330)의 제4배관(332)과 연결될 수 있다.Meanwhile, a
속도 측정부(320)는, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 라운드면(311)에 형성된 제1압력구(311a)에 길이방향 일단이 연통 가능하게 연결되는 제1배관(321); 상기 수직면(313)에 형성된 제2압력구(313a)에 길이방향 일단이 연통 가능하게 연결되는 제2배관(322); 및 상기 제1배관(321)의 길이방향 타단 및 상기 제2배관(322)의 길이방향 타단과 연통 가능하게 연결되며, 상기 제1배관(321)에서 발생되는 압력과 상기 제2배관(322)에서 발생되는 압력의 차압을 이용하여 플레어 가스의 속도를 측정하는 제1센서부(323);를 포함할 수 있다.The
제1배관(321)과 제2배관(322)은, 상기 측정 프로브(310)의 내부에서 상기 측정 프로브(310)의 길이방향을 따라 마련될 수 있다.The
제1배관(321)의 길이방향 일단, 즉, 하단은 전술한 바와 같이 제1압력구(311a)와 연통 가능하게 연결되고, 길이방향 타단, 즉 상단은 제1센서부(323)와 연결될 수 있다.One end in the longitudinal direction of the
그리고, 상기 제2배관(322)의 길이방향 일단, 즉, 하단은 전술한 바와 같이 상기 제2압력구(313a)와 연통 가능하게 연결되고, 길이방향 타단, 즉 상단은 제1센서부(323)와 연결될 수 있다.In addition, one end in the longitudinal direction of the
제1센서부(323)는, 공지의 차압센서라 할 수 있으며, 제1배관(321)에서 발생되는 압력과 제2배관(322)에서 발생되는 압력의 차압(동압)을 산출하고, 그 산출된 값을 이용하여 플레어 가스의 속도를 산출할 수 있다.The
그리고, 제1센서부(323)에서 산출된 플에어 가스의 속도는 유량 분석부(340)로 전달될 수 있다.In addition, the velocity of the flare gas calculated by the
상기 밀도 측정부(330)는, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 라운드면(311)에 형성된 가스 유입구(311b)에 길이방향 일단이 연통 가능하게 연결되는 제3배관(331); 상기 면취부(312)가 배치되지 않은 상기 측정 프로브(310)의 둘레면에 형성된 가스 배출구(311c)에 길이방항 일단이 연통 가능하게 연결되는 제4배관(332); 상기 제3배관(331)의 길이방향 타단 및 상기 제4배관(332)의 길이방향 타단과 연통 가능하게 연결되며, 상기 제3배관(331)을 통하여 유입되는 플레어 가스의 밀도를 측정하는 제2센서부(333);를 포함할 수 있다.The
제3배관(331)과 제4배관(332)도, 상기 측정 프로브(310)의 내부에서 상기 측정 프로브(310)의 길이방향을 따라 마련될 수 있다.The
제3배관(331)의 길이방향 일단, 즉, 하단은, 전술한 바와 같이 가스 유입구(311b)와 연통가능하게 연결되고, 길이방향 타단, 즉, 상단은 제2센서부(333)와 연결될 수 있다.One end in the longitudinal direction of the
제4배관(332)의 길이방향 일단, 즉, 하단은, 전술한 바와 같이 가스 배출구(311c)와 연통 가능하게 연결되고, 길이방향 타단, 즉, 상단은 상기 제2센서부(333)와 연결될 수 있다.One end in the longitudinal direction of the
따라서, 상기 가스 유입구(111b)로 유입된 플레어 가스는 제3배관(131)을 통해 제2센서부(333)로 전달될 수 있으며, 제2센서부(333)를 경유한 플레어 가스는 제4배관(332)을 통해 가스 배출구(311c)로 배출될 수 있다.Accordingly, the flare gas introduced through the gas inlet 111b may be delivered to the
여기서, 가스 배출구(311c)로 통해 배출되는 플레어 가스가 수직면(313)에 형성된 제2압력구(313a)로 유입되지 않도록, 가스 배출구(311c)는 수직면(313)의 상부에 배치된 측정 프로브(310)의 둘레면 부위에 마련되는 것이 바람직하다.Here, so that the flare gas discharged through the
제2센서부(333)는, 플레어 가스를 매질로 하여 진동되는 공지의 수정 진동식 가스 센서(quartz oscillator gas sensor)라 할 수 있으며, 플레어 가스의 밀도를 측정하고 그 측정값을 상기 유량 분석부(340)로 전달할 수 있다.The
상기 유량 분석부(340)는, 배터리부(B)로부터 전력을 공급받을 수 있으며, 그 전력을 상기 제1센서부(323) 및 제2센서부(333)로 전달할 수도 있다.The flow
위와 같이 유량 분석부(340)는, 전술한 바와 같이, 제1센서부(323)와 제2센서부(333)로부터 측정된 데이터 값을 전달받아 플레어 가스의 유량을 산출하고 저장하며, 또한, 그 데이터 값을 분석할 수 있다.As described above, the
위와 같이 구성된 제1측정부(M1)는, 플레어 가스의 유속에 따른 난류/층류에 영향을 받지 않는 압력산출 방식으로 플레어 가스의 속도를 측정하고, 그 속도값을 이용하여 플레어 가스의 유량을 산출할 수 있으므로, 유동관 내 유체의 유량측정 정확도를 향상시킬 수 있고, 더불어, 저속/저유량을 가지는 플레어 가스의 유량도 정확하게 측정할 수 있다.The first measuring unit M1 configured as above measures the velocity of the flare gas in a pressure calculation method that is not affected by turbulence/laminar flow according to the flow velocity of the flare gas, and calculates the flow rate of the flare gas using the velocity value. Therefore, the flow rate measurement accuracy of the fluid in the flow pipe can be improved, and in addition, the flow rate of the flare gas having a low/low flow rate can be accurately measured.
따라서, 제어부(200)는 위와 같이 구성된 제1측정부(M1)로부터 높은 정확도로 측정된 플레어 가스의 유량을 전달받아 스팀 리포머(140)를 제어하는 데 활용할 수 있다.Accordingly, the
이하, 도 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 플레어 가스를 이용한 수소 생산방법이 간략히 설명된다.Hereinafter, a method of producing hydrogen using a flare gas according to an embodiment of the present invention will be briefly described with reference to FIG. 7.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산방법은, 플레어 시스템의 FGRU(110)에 의해 공급되는 플레어 가스에서 유해 성분을 걸러내는 필터링 단계(S100); 상기 필터링 단계(S100)에 의해 유해 성분이 걸러진 플레어 가스에서 수소와 메탄을 분리하는 제1 분리단계(S200); 상기 제1 분리단계(S200)에서 분리된 메탄을 개질 시키는 개질단계(S300); 및 상기 개질단계(S300)에서 생성된 합성 가스에서 수소와 그 외 가스를 분리하는 제2 분리단계(S400);를 포함할 수 있다.As shown in Figure 7, the hydrogen production method according to an embodiment of the present invention, filtering step (S100) of filtering out harmful components from the flare gas supplied by the FGRU (110) of the flare system; A first separation step (S200) of separating hydrogen and methane from the flare gas in which harmful components have been filtered out by the filtering step (S100); A reforming step (S300) of reforming the methane separated in the first separation step (S200); And a second separation step (S400) of separating hydrogen and other gases from the synthesis gas generated in the reforming step (S300).
먼저, 상기 필터링 단계(S100)는, 상기 유해 성분 처리부(120)에 의해 수행될 수 있다. 이 단계에서는 플레어 가스에 포함된 황(S) 성분이 걸러질 수 있다.First, the filtering step (S100) may be performed by the harmful
상기 제1 분리단계(S200)는, 상기 제1분리부(130)에 의해 수행될 수 있으며, 황 성분이 제거된 플레어 가스에서 수소와 메탄을 분리하는 단계라 할 수 있다. 이 단계에서 분리된 수소는 상기 저장부(160)로 이동되어 저장될 수 있다.The first separation step S200 may be performed by the
상기 개질단계(S300)는, 상기 스팀 리포머(140)에 의해 수행될 수 있다. 이 단계는 제1 분리단계(S200)에서 분리된 메탄을 스팀(수증기)과 반응시켜 합성가스로 개질 시키는 단계라 할 수 있다. 그리고, 개질된 합성가스는 수성 전환 반응을 통해 수소를 생성할 수 있다.The reforming step S300 may be performed by the
상기 제2 분리단계(S400)는, 개질단계(S300)에서 개질된 합성가스에서 수소와 기타 가스(이산화탄소)를 분리하는 단계라 할 수 있으며, 상기 제2분리부(150)에 의해 수행될 수 있다. 그리고, 이 단계에서 분리된 수소는 상기 저장부(160)로 이동되어 저장될 수 있다.The second separation step (S400) may be referred to as a step of separating hydrogen and other gases (carbon dioxide) from the synthesis gas reformed in the reforming step (S300), and may be performed by the
위와 같은 단계를 가지는 수소 생산방법은, FGRU(110)에 의해 공급되는 플레어 가스의 유량과 상기 제1분리단계(S200)에서 분리된 메탄의 유량을 측정하는 측정단계(S50);를 더 포함할 수 있다.The hydrogen production method having the above steps includes a measuring step (S50) of measuring the flow rate of the flare gas supplied by the
측정단계(S50)는 필터링 단계(S100)이전에 실시되어 플레어 가스의 유량을 측정할 수 있고, 또한, 제1 분리단계(S200) 이후와 개질단계(S300) 이전에 실시되어 메탄의 유량을 측정할 수 있다. 측정단계(S50)는 전술한 제1측정부(M1)와 제2측정부(M2)에 의해 수행될 수 있다.The measuring step (S50) is carried out before the filtering step (S100) to measure the flow rate of the flare gas, and is also carried out after the first separation step (S200) and before the reforming step (S300) to measure the flow rate of methane. can do. The measuring step S50 may be performed by the above-described first and second measuring units M1 and M2.
그리거, 측정단계(S50)에서 측정된 플레어 가스의 유량과 메탄의 유량을 기초로 상기 개질단계(S300)에서 사용되는 스팀량과 연료량을 제어하는 제어단계(250);를 더 포함할 수 있다.Further, a control step 250 of controlling the amount of steam and the amount of fuel used in the reforming step S300 based on the flow rate of the flare gas and the flow rate of methane measured in the measuring step S50 may be further included.
제어단계(S250)는, 상기 제어부(200)에 의해 수행될 수 있으며, 스팀 리포머(140)로 공급된 메탄을 개질시키는데 요구되는 최적의 스팀량과 연료량이 산출될 수 있으며, 이 산출값을 바탕으로 스팀 리포머(140)의 운전 상태를 제어할 수 있다.The control step (S250) may be performed by the
지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.Although the specific embodiments according to the present invention have been described so far, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허 청구의 범위뿐 아니라 이 특허 청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be defined by being limited to the described embodiments, and should be defined not only by the claims to be described later, but also by the claims and their equivalents.
100 : 수소 생산장치 110 : FGRU
120 : 유해 성분 처리부 130 : 제1분리부
140 : 스팀 리포머 141 : 스팀 공급부
142 : 연료 공급부 150 : 제2분리부
160 : 저장부 200 : 제어부
210 : 스팀량 산출부 220 : 연료량 산출부
230 : 작동부 240 : 분석부
M1 : 제1측정부 M2 : 제2측정부
M3 : 제3측정부 M4 : 제4측정부 100: hydrogen production device 110: FGRU
120: hazardous component processing unit 130: first separation unit
140: steam reformer 141: steam supply
142: fuel supply unit 150: second separation unit
160: storage unit 200: control unit
210: steam amount calculation unit 220: fuel amount calculation unit
230: operation unit 240: analysis unit
M1: first measurement unit M2: second measurement unit
M3: third measurement unit M4: fourth measurement unit
Claims (14)
상기 유해 성분 처리부에 의해 유해 성분이 걸러진 플레어 가스에서 수소와 메탄을 분리하는 제1분리부;
상기 제1분리부에서 분리된 메탄을 개질 시키는 스팀 리포머(Steam Reformer);
상기 스팀 리포머에서 생성된 합성 가스에서 수소와 그 외 가스를 분리하는 제2분리부; 및
상기 제1분리부와 상기 제2분리부에서 분리된 수소가 저장되는 저장부;를 포함하며,
상기 스팀 리포머에 의한 개질 반응을 최적으로 유지하는 제어부;를 포함하며,
상기 제어부는,
상기 FGRU에서 상기 제1분리부로 공급되는 플레어 가스의 유량과 상기 제1분리부에서 상기 스팀 리포머로 공급되는 메탄의 유량을 기초로하여 상기 스팀 리포머로 공급되는 스팀과 연료를 제어하고,
상기 제어부는,
상기 스팀 리포머로 공급될 스팀량을 산출하는 스팀량 산출부; 및
상기 스팀 리포머로 공급될 연료량을 산출하는 연료량 산출부;를 포함하며,
상기 스팀량 산출부 및 상기 연료량 산출부는,
상기 FGRU에서 상기 제1분리부로 플레어 가스를 안내하는 유동관에 마련되어 플레어 가스의 유량을 측정하는 제1측정부로부터 플레어 가스의 유량을 전달받고,
상기 제1분리부에서 상기 스팀 리포머로 메탄을 안내하는 유동관에 마련되어 메탄의 유량을 측정하는 제2측정부로부터 메탄의 유량을 전달받고,
상기 스팀량 산출부는,
상기 제1측정부와 상기 제2측정부에서 제공하는 유량값을 기초로하여 메탄을 개질시키기 위해 최소한으로 요구되는 스팀량을 산출하고 이 산출값을 스팀 공급부로 전달하고,
상기 연료량 산출부는,
상기 제1측정부와 상기 제2측정부에서 제공하는 유량값을 기초로하여, 상기 스팀 리포머가 메탄을 개질시기 위한 최소한의 온도를 가지도록하는 연료량을 산출하고 이 산출값을 연료 공급부로 전달하고,
상기 제어부는,
상기 제1측정부에서 측정된 플레어 가스의 유량과 상기 제2측정부에서 측정된 플레어 가스의 유량을 기초로하여 플레어 가스의 유량에 따른 메탄 생성량의 상관관계를 분석 및 수집하여 상기 스팀 리포머의 운전 조건을 제어하는 분석부를 더 포함하며,
상기 스팀 공급부는, 상기 제1측정부에 의해 플레어 가스의 유량이 측정되는 시점에서부터 스팀을 생성하고 그 생성된 스팀을 상기 스팀 리포머로 공급하며,
상기 연료 공급부는, 상기 제1측정부에 의해 플레어 가스의 유량이 측정되는 시점에서부터 상기 스팀 리포머의 가열수단으로 연료를 공급하여 개질기를 미리 가열하는 것을 특징으로 하는 수소 생산장치.
A hazardous component processing unit that filters harmful components from the flare gas supplied by the flare gas recovery unit (FGRU) of the flare system;
A first separation unit for separating hydrogen and methane from the flare gas in which the harmful components are filtered by the harmful component processing unit;
A steam reformer for reforming the methane separated in the first separation unit;
A second separation unit for separating hydrogen and other gases from the synthesis gas generated by the steam reformer; And
Includes; a storage unit for storing the hydrogen separated by the first separation unit and the second separation unit,
Includes; a control unit for optimally maintaining the reforming reaction by the steam reformer,
The control unit,
Controlling steam and fuel supplied to the steam reformer based on a flow rate of flare gas supplied from the FGRU to the first separation unit and a flow rate of methane supplied to the steam reformer from the first separation unit,
The control unit,
A steam amount calculator configured to calculate an amount of steam to be supplied to the steam reformer; And
Includes; a fuel amount calculating unit for calculating the amount of fuel to be supplied to the steam reformer,
The steam amount calculation unit and the fuel amount calculation unit,
It is provided in a flow pipe that guides the flare gas from the FGRU to the first separation unit and receives the flow rate of the flare gas from the first measuring unit that measures the flow rate of the flare gas,
A flow rate of methane is received from a second measuring unit provided in a flow pipe that guides methane from the first separation unit to the steam reformer and measures the flow rate of methane,
The steam amount calculation unit,
Based on the flow rate values provided by the first measurement unit and the second measurement unit, a minimum amount of steam required for reforming methane is calculated, and the calculated value is transferred to the steam supply unit,
The fuel amount calculation unit,
Based on the flow rate values provided by the first measurement unit and the second measurement unit, the amount of fuel for the steam reformer to have a minimum temperature for reforming methane is calculated, and the calculated value is transferred to the fuel supply unit. ,
The control unit,
Based on the flow rate of the flare gas measured by the first measurement unit and the flow rate of the flare gas measured by the second measurement unit, the steam reformer is operated by analyzing and collecting the correlation between the amount of methane produced according to the flow rate of the flare gas. Further comprising an analysis unit for controlling the condition,
The steam supply unit generates steam from a point when the flow rate of the flare gas is measured by the first measurement unit and supplies the generated steam to the steam reformer,
Wherein the fuel supply unit heats the reformer in advance by supplying fuel to the heating means of the steam reformer from the point when the flow rate of the flare gas is measured by the first measurement unit.
상기 분석부는,
상기 제1분리부에서 상기 저장부로 수소를 안내하는 유동관에 마련되어 수소의 유량을 측정하는 제3측정부로부터 수소의 유량을 전달받고, 상기 제2분리부에서 상기 저장부로 수소를 안내하는 유동관에 마련되어 수소의 유량을 측정하는 제4측정부로부터 수소의 유량을 전달받아 플레어 가스의 유량에 따른 수소 생산량의 상관관계를 분석하는 것을 특징으로 하는 수소 생산장치.
The method of claim 1,
The analysis unit,
It is provided in a flow pipe that guides hydrogen from the first separation unit to the storage unit, receives the flow rate of hydrogen from a third measuring unit that measures the flow rate of hydrogen, and is provided in a flow tube that guides hydrogen from the second separation unit to the storage unit. Hydrogen production apparatus, characterized in that for analyzing the correlation of the hydrogen production amount according to the flow rate of the flare gas by receiving the flow rate of hydrogen from the fourth measuring unit measuring the flow rate of hydrogen.
상기 제1측정부는,
상기 유동관으로 길이방향 하단부위가 삽입되는 측정 프로브;
상기 측정 프로브와 연결된 상태로 플레어 가스의 속도를 측정하는 속도 측정부;
상기 측정 프로브와 연결된 상태로 플레어 가스의 밀도를 측정하는 밀도 측정부; 및
상기 속도 측정부와 상기 밀도 측정부에 의해 측정된 값을 기초로 플레어 가스의 유량을 산출하고, 그 산출된 유량을 저장 및 분석하는 유량 분석부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산장치.
The method of claim 1,
The first measuring unit,
A measurement probe into which the lower end portion in the longitudinal direction is inserted into the flow tube;
A speed measuring unit that measures the speed of the flare gas while being connected to the measuring probe;
A density measuring unit configured to measure the density of the flare gas while being connected to the measuring probe; And
And a flow rate analysis unit that calculates the flow rate of the flare gas based on the values measured by the speed measurement unit and the density measurement unit, and stores and analyzes the calculated flow rate.
상기 속도 측정부는,
상기 측정 프로브에 형성된 제1압력구에 길이방향 일단이 연통 가능하게 연결되는 제1배관;
상기 측정 프로브에 형성된 제2압력구에 길이방향 일단이 연통 가능하게 연결되는 제2배관; 및
상기 제1배관의 길이방향 타단 및 상기 제2배관의 길이방향 타단과 연통 가능하게 연결되며, 상기 제1배관에서 발생되는 압력과 상기 제2배관에서 발생되는 압력의 차압을 이용하여 플레어 가스의 속도를 측정하는 제1센서부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산장치.
The method of claim 8,
The speed measuring unit,
A first pipe having one end connected to the first pressure port formed in the measurement probe so as to communicate with each other;
A second pipe having one end connected to the second pressure port formed in the measurement probe so as to communicate with each other; And
It is connected in communication with the other longitudinal end of the first pipe and the other longitudinal end of the second pipe, and the speed of the flare gas using a pressure difference between the pressure generated in the first pipe and the pressure generated in the second pipe Hydrogen production apparatus comprising a; a first sensor unit for measuring the.
상기 제1센서부는,
플레어 가스의 유동방향과 마주하는 방향에 배치된 상기 제1압력구를 통하여 측정된 전압과 플레어 가스의 유동방향과 등을 지고 배치된 상기 제2압력구를 통하여 측정된 정압을 이용하여 동압을 산출한 뒤, 이 산출된 동압값을 상기 유량 분석부로 전달하는 것을 특징으로 하는 수소 생산장치.
The method of claim 9,
The first sensor unit,
The dynamic pressure is calculated by using the voltage measured through the first pressure port arranged in a direction facing the flow direction of the flare gas and the static pressure measured through the second pressure port arranged with the flow direction of the flare gas and the like. Then, the hydrogen production apparatus, characterized in that transmitting the calculated dynamic pressure value to the flow rate analysis unit.
상기 밀도 측정부는,
상기 측정 프로브에 형성된 가스 유입구에 길이방향 일단이 연통 가능하게 연결되는 제3배관;
상기 측정 프로브의 둘레면에 형성된 가스 배출구에 길이방항 일단이 연통 가능하게 연결되는 제4배관; 및
상기 제3배관의 길이방향 타단 및 상기 제4배관의 길이방향 타단과 연통 가능하게 연결되며, 상기 제3배관을 통하여 유입되는 플레어 가스의 밀도를 측정하는 제2센서부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산장치.
The method of claim 9,
The density measuring unit,
A third pipe having one end connected to the gas inlet port formed in the measurement probe so as to communicate with each other;
A fourth pipe having a lengthwise end connected to the gas outlet formed on the circumferential surface of the measuring probe so as to communicate with each other; And
And a second sensor unit connected in communication with the other end in the longitudinal direction of the third pipe and the other end in the longitudinal direction of the fourth pipe, and measuring the density of the flare gas introduced through the third pipe. Hydrogen production equipment.
플레어 시스템의 FGRU(Flare Gas Recovery Unit)에 의해 공급되는 플레어 가스에서 유해 성분을 걸러내는 필터링 단계;
상기 필터링 단계에 의해 유해 성분이 걸러진 플레어 가스에서 수소와 메탄을 분리하는 제1 분리단계;
상기 제1 분리단계에서 분리된 메탄을 개질 시키는 개질단계; 및
상기 개질단계에서 생성된 합성 가스에서 수소와 그 외 가스를 분리하는 제2 분리단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산방법.
As a hydrogen production method by the hydrogen production device according to claim 1,
A filtering step of filtering out harmful components from the flare gas supplied by the flare gas recovery unit (FGRU) of the flare system;
A first separation step of separating hydrogen and methane from the flare gas from which harmful components have been filtered out by the filtering step;
A reforming step of reforming the methane separated in the first separation step; And
And a second separation step of separating hydrogen and other gases from the synthesis gas generated in the reforming step.
상기 FGRU(Flare Gas Recovery Unit)에 의해 공급되는 플레어 가스의 유량과 상기 제1분리단계에서 분리된 메탄의 유량을 측정하는 측정단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산방법.
The method of claim 12,
A method of producing hydrogen further comprising a; measuring step of measuring the flow rate of the flare gas supplied by the FGRU (Flare Gas Recovery Unit) and the flow rate of the methane separated in the first separation step.
상기 측정단계에서 측정된 플레어 가스의 유량과 메탄의 유량을 기초로 상기 개질단계에서 사용되는 스팀량과 연료량을 제어하는 제어단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 생산방법.The method of claim 13,
And a control step of controlling the amount of steam and the amount of fuel used in the reforming step based on the flow rate of flare gas and the flow rate of methane measured in the measuring step.
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US11859298B2 (en) | 2022-02-07 | 2024-01-02 | Cummins Power Generation Inc. | Waste powered hydrogen production system and method |
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