KR102315763B1 - 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 수소 충전소용 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템은 수소 저장체인 액상의 암모니아를 분해하여 발생하는 반응 생성물 중 미분해 암모니아를 흡착 및 분리하여 제거하고, 수소를 정제함으로써 고품위의 수소 생산 및 공급이 가능하다.
특히, 본 발명의 분해 및 수소 생산 시스템은 상기 암모니아의 상변화 및 촉매 분해 반응 온도까지의 승온 과정에서 요구되는 열에너지를 고온의 반응 생성물 가스, 연소 가스 그리고 열교환으로 인해 승온된 냉각수로부터 공급함으로써 열에너지 효율을 극대화할 수 있다.
결과적으로, 수소 저장체인 액상의 암모니아를 분해함으로써 99.97% 이상의 순도를 갖는 고순도의 수소를 생산할 수 있는 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템을 제공할 수 있어 청정 에너지원인 상기 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템으로부터 생산된 수소는 차세대 운송수단인 수소 자동차에 공급됨으로써 화석연료로부터 야기되는 지구온난화 및 대기오염 등의 문제점을 해결할 수 있을 것으로 기대된다.
특히, 본 발명의 분해 및 수소 생산 시스템은 상기 암모니아의 상변화 및 촉매 분해 반응 온도까지의 승온 과정에서 요구되는 열에너지를 고온의 반응 생성물 가스, 연소 가스 그리고 열교환으로 인해 승온된 냉각수로부터 공급함으로써 열에너지 효율을 극대화할 수 있다.
결과적으로, 수소 저장체인 액상의 암모니아를 분해함으로써 99.97% 이상의 순도를 갖는 고순도의 수소를 생산할 수 있는 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템을 제공할 수 있어 청정 에너지원인 상기 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템으로부터 생산된 수소는 차세대 운송수단인 수소 자동차에 공급됨으로써 화석연료로부터 야기되는 지구온난화 및 대기오염 등의 문제점을 해결할 수 있을 것으로 기대된다.
Description
본 발명은 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소 생산 원료인 암모니아를 가열하여 분해 반응을 수행하고, 상기 분해 반응의 생성물로부터 미분해 암모니아 및 질소를 흡착 및 제거함으로써 정제된 수소를 생산하는 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템에 관한 것이다.
종래 주요 에너지원인 화석연료를 사용함으로써 발생하는 이산화탄소는 전세계적인 지구온난화를 비롯한 이상 기후변화를 야기하고 있다. 뿐만 아니라 상기 화석연료는 지리학적으로 특정 지역에 매장량이 한정되어 있는 부존자원이라는 점에서 지속적인 사용이 불가하고, 사회ㆍ경제적인 이슈에 따라 가격변동성이 크고, 공급망이 불안정해지는 등의 문제점을 가지고 있다. 이에 상기 화석연료에 의존하고 있는 에너지 시스템을 탈피하고, 신규 에너지원으로써 수소를 활용하고자 연구개발이 진행되고 있다.
수소는 수소 원자 두 개가 공유 결합된 수소 분자(H2)로써 온실가스와 미세먼지를 배출하는 화석연료와 달리 이산화탄소의 배출이 전혀 없고, 물이 부산물로써 배출되는 이상적인 청정 에너지원이다. 상기 수소를 활용하려는 방안으로써 자동차 연료원으로 활용하는 방안이 이미 상용화로 진행되고 있으며, 안정적인 수소 공급을 위하여 수소 생산 기술에 관한 연구가 진행 중이다.
수소를 이용하는 장치에 있어서 수소를 공급하기 위해서는 별도로 설치된 수소 저장 장치 (수소 공급 장치)로부터 수소가 필요할 때마다 수소를 공급받는 방식을 사용할 수 있다. 대표적인 예로는 압축수소저장 및 액화수소저장 방법이 있다.
이외에, 수소를 저장하고 발생시키는 물질을 수소 이용 장치에 탑재하여, 해당 물질을 반응 시켜 수소를 발생시키고, 이를 공급하는 방식을 사용할 수 있다. 이 방식에는 예컨대, 금속수소화물(metal hydride) 이용 방법, 흡착, 탈착/탄소 (absorbents/carbon) 이용 방법, 화학적 수소저장 방법(chemical hydrogen storage) 등이 제안되고 있으며, 암모니아 보레인, 실란 화합물, 개미산 등과 같은 다양한 화학수소화물을 이용한 수소저장 기술이 연구되고 있다. 구체적으로 수소가 저장될 수 있는 물질(A)에 수소를 로딩하여 수소가 저장된 물질(B)을 형성하며, 이러한 수소 로딩 작업은 일반적으로 초대기압 압력(superatmospheric pressure) 하에 촉매 수소화 반응을 실시하는 형태를 취한다.
이와 같이 수소 로딩 작업으로 생성된 수소가 로딩된 물질(B)에서 탈수소 반응을 통하여 방출된 수소는 연료 전지 또는 연소 엔진 등의 에너지 공급원으로 사용될 수 있으며, 수소를 방출한 물질(A)는 다시 초대기압하에서 촉매 수소화 반응에 의해 수소를 재로딩 할 수 있다.
수소를 효율적으로 저장하고 운송하는 방법 중의 하나는 암모니아를 수소 공급원으로 사용하는 것이다. 암모니아가 수소와 질소로 분해하는 공정은 흡열 과정이기 때문에 생성물을 얻기 위해서는 에너지가 필요하다.
아래 식 1에 나타낸 암모니아를 이용한 촉매 분해 흡열 반응은 반응물인 암모니아에 열에너지를 공급하여 분해 반응을 진행하면 반응 생성물로서 수소 및 질소가 발생한다.
[식 1]
상기 암모니아는 1 m3 당 120 kg의 수소를 저장할 수 있고, 자연발화 온도가 651 ℃로 높아 화재 위험성이 아주 낮다는 점에서 효율적인 수소 운반체가 될 수 있다. 게다가, 산업적인 용도로 암모니아가 사용되어 왔기 때문에 기존 암모니아 인프라를 활용할 수 있다는 경제적 이점도 있어 암모니아 분해를 통한 수소 생산 방식이 현실적인 방안으로 주목받고 있다.
종래 암모니아 분해를 통한 수소 생산과 관련된 선행특허로서 한국등록특허 제10-0964852호(2010.06.24.공고)는 암모니아계 수소 발생 장치 및 이 장치의 사용 방법에 관하여 개시하고 있다. 보다 상세하게는, 수소 발생 장치로써 암모니아 분해를 위한 반응기, 잔류 암모니아를 흡착하기 위한 흡착제 공급원, 수소 정제를 위한 수소 정화기를 포함한다.
또한, 일본공개특허 제2020-075841호(2020.05.21.공개)는 수소 가스 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액체 암모니아를 가열해 암모니아 가스를 생성하는 기화기, 연료가스를 연소시킴으로써 상기 기화기에서 생성된 암모니아 가스를 가열해 질소 및 수소 가스로 분해하는 주열분해기, 상기 주열분해기에서 분해 생성된 질소 가스 및 수소 가스를 포함하는 분해 생성 가스를 냉각하는 냉각기 및 냉각된 분해 생성 가스에서 수소 가스를 분리하는 분리기를 포함한다.
그러나, 암모니아의 분해에는 높은 열이 필요하기 때문에, 시스템에 공급되는 열에너지를 경감시킬 필요가 있으며, 시스템의 구성을 컴팩트하면서도 높은 효율을 가질 수 있도록 시스템을 개선할 여지가 여전하다.
본 발명의 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템 그리고 공정은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 암모니아 분해 반응부, 반응 생성물 냉각부, 암모니아 흡착 분리부, 수소 정제부를 포함하는 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템은 액상 암모니아 공급부로부터 공급되는 암모니아를 분해한 후, 분해 결과 발생하는 반응 생성물 중 미분해 암모니아는 흡착 및 분리하여 제거하고, 수소는 고순도로 정제함으로써 고품위의 수소 공급이 가능한 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템 그리고 공정에 관한 기술을 제공하고자 한다.
특히, 상기 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템 그리고 공정은 고온의 반응 생성물, 연소가스 및 상기 고온의 반응 생성물 또는 연소가스와의 열교환으로 승온된 냉각수의 열에너지를 액상 암모니아의 기화 또는 기화된 암모니아의 예열을 위한 열원으로 활용함으로써 에너지 효율이 향상된 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템 그리고 공정에 관한 기술을 제공하고자 한다.
본 발명은 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템으로서, 액상 암모니아를 저장 및 공급하는 액상 암모니아 공급부; 암모니아의 분해 반응으로부터 생성된 반응 생성물을 배출하는 암모니아 분해 반응부; 상기 암모니아 분해 반응부로부터 배출된 반응 생성물을 냉각하여 감온된 반응 생성물을 배출하는 반응 생성물 냉각부; 상기 암모니아 분해 반응부로부터 배출된 연소 가스를 냉각하여 감온된 연소 가스를 배출하는 연소가스 냉각부; 상기 감온된 반응 생성물에 대하여 흡착 및 탈착 공정이 교차 수행됨으로써 미분해 암모니아가 흡착 및 제거된 제1 흡착 생성물을 배출하는 암모니아 흡착 분리부; 상기 제1 흡착 생성물에 대하여 흡착 및 탈착 공정이 교차 수행됨으로써 상기 제1 흡착 생성물내 질소를 흡착함으로써 수소가 포함된 제2 흡착 생성물을 배출하는 수소 정제부; 및 상기 수소가 포함된 제2 흡착 생성물을 저장하는 정제 수소 저장부; 를 포함하고, 상기 암모니아 분해 반응부는 액상 암모니아 증발기, 기상 암모니아 예열기 및 암모니아 분해 반응기를 포함하는 것으로서, 상기 액상 암모니아 증발기는 액상 암모니아 저장부로부터 이송된 액상 암모니아를 기화시켜 기상 암모니아를 배출하고, 상기 기상 암모니아 예열기는 상기 액상 암모니아 증발기로부터 배출된 기상 암모니아를 예열하여 예열된 암모니아를 배출하며, 상기 암모니아 분해 반응기는 암모니아 분해 촉매가 적층된 반응관 다발 및 상기 반응관 다발을 가열하는 가스 버너를 포함하여 상기 기상 암모니아 예열기로부터 배출된 예열된 암모니아를 상기 반응관 다발 내에서 촉매 분해 반응시킨 후 반응 생성물을 배출하고, 상기 반응관 다발로부터 배출된 반응 생성물은 상기 액상 암모니아 증발기로 유입되어 액상 암모니아와 열교환 후 반응 생성물 냉각부로 배출되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 액상 암모니아 증발기는 액상의 암모니아를 온도 변화 없이 기상의 암모니아로 상변환만 일으키는 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 암모니아 가스 예열기내 기상 암모니아의 예열은 상기 암모니아 분해 반응기내 가스 버너에서 배출되는 연소가스로부터 열을 공급받음으로써 발생하고, 열을 공급한 상기 연소가스는 연소가스를 냉각하는 연소가스 냉각부에서 냉각수 또는 액상 암모니아 증발기의 열교환기에서 생성된 상온의 기상 암모니아와 열교환한 후 배출될 수 있으며, 상기 암모니아 가스 예열기에서 예열된 암모니아는 온도 180 내지 450 ℃로 예열될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 암모니아 분해 반응기내 촉매 분해 반응 온도는 500 내지 750 ℃일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 반응 생성물 냉각부는 냉각수 또는 액상 암모니아 증발기의 열 교환기에서 생성된 상온의 기상 암모니아를 사용하여 암모니아 분해 반응기로부터 생성된 반응 생성물을 냉각시키고, 상기 냉각된 반응 생성물은 온도 60 ℃ 이하, 압력 1 내지 10 bara 인 것을 특징으로 한다.
상기 암모니아 흡착 분리부는 암모니아 흡착 반응기 및 상기 암모니아 흡착 반응기에 충진된 암모니아 선택적 흡착제를 포함하는 것으로써, 상기 암모니아 선택적 흡착제는 온도 30 내지 70 ℃, 압력 1 내지 10 bara 의 흡착 조건에서 암모니아를 흡착하며, 400 내지 550 ℃, 압력 0.1 내지 2 bara 의 탈착 조건에서 탈착 가스 공급 하에 흡착되어 있던 미분해 암모니아를 탈착하며, 상기 탈착 가스는 암모니아 분해 반응부 내 가스 버너로부터 배출되는 연소가스 또는 수소 정제부로부터 배출되는 질소가스일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 실시예로써, 본 발명의 암모니아 분해 및 수소 생산 공정은 (a) 암모니아를 암모니아 분해 반응부에 공급하고, 공급된 암모니아의 분해 반응을 통해 생성되는 반응 생성물을 배출하는 암모니아 분해 반응 단계; (b) 상기 반응 생성물을 반응 생성물 냉각부로 공급하고, 공급된 반응 생성물을 감온시켜 감온된 반응 생성물을 배출하는 반응 생성물 감온 단계; (c) 상기 감온된 반응 생성물을 암모니아 흡착 분리부로 공급하고, 상기 감온된 반응 생성물로부터 흡착 및 탈착 공정이 교차 수행됨으로써 미분해 암모니아가 흡착 및 제거된 제1 흡착 생성물을 배출하는 암모니아 흡착 분리 단계; 및 (d) 상기 제1 흡착 생성물을 수소 정제부로 공급하고, 상기 제1 흡착 생성물로부터 흡착 및 탈착 공정이 교차 수행됨으로써 선택적으로 질소를 흡착하여 수소가 포함된 제2 흡착 생성물을 배출하는 수소 정제 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 수소 충전소용 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템은 수소 저장체인 액상의 암모니아를 분해하여 발생하는 반응 생성물 중 미분해 암모니아를 흡착 및 분리하여 제거하고, 수소를 정제함으로써 고품위의 수소 생산 및 공급이 가능하다.
특히, 본 발명의 분해 및 수소 생산 시스템은 상기 암모니아의 상변화 및 촉매 분해 반응 온도까지의 승온 과정에서 요구되는 열에너지를 고온의 반응 생성물 가스, 연소 가스 및 열교환으로 인해 승온된 냉각수로부터 공급함으로써 열에너지 효율을 극대화할 수 있다.
또한, 본 발명의 액상 암모니아 증발기는 온도의 변화없이 액상의 암모니아를 기상으로 상변환만 시켜주는 열교환기를 사용함으로써, 종래 단일의 열교환기에서 암모니아의 상변화와 승온까지 하던 방식에 비하여 증발기의 효율을 높일 수 있다.
결과적으로, 수소 저장체인 액상의 암모니아를 분해함으로써 99.97% 이상의 순도를 갖는 고순도의 수소를 생산할 수 있는 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템을 제공할 수 있어 청정 에너지원인 상기 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템으로부터 생산된 수소는 차세대 운송수단인 수소 자동차에 공급됨으로써 화석연료로부터 야기되는 지구온난화 및 대기오염 등의 문제점을 해결할 수 있을 것으로 기대된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예로써 열교환을 마친 냉각수를 이용하여 액상 암모니아 증발기에 열 에너지를 공급하는 과정을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예로써 열교환을 마친 냉각수를 이용하여 액상 암모니아 증발기에 열 에너지를 공급하는 과정을 도시한 도면이다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.
본 명세서에 기재된 "구비한다", "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재함을 지칭하는 것이고, 언급되지 않은 다른 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재하거나 부가될 수 있는 가능성을 배제하지 않는다.
본 발명의 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템은 수소 저장체인 액상 암모니아를 촉매 분해 흡열 반응을 통해서 수소, 질소 및 미반응 암모니아를 포함하는 반응 생성물로 생성하고, 암모니아 선택적 흡착제를 이용하여 반응 생성물로부터 미분해 암모니아를 제거하며, 압력변동흡착법(PSA)을 이용하여 고순도의 수소를 생산하는 시스템이다.
본 발명의 일 예로써 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템은 액상 암모니아를 저장 및 공급하는 액상 암모니아 공급부(100); 암모니아의 분해 반응으로부터 생성된 반응 생성물을 배출하는 암모니아 분해 반응부(200); 상기 암모니아 분해 반응부(200)로부터 배출된 반응 생성물을 냉각하여 감온된 반응 생성물을 배출하는 반응 생성물 냉각부(300); 상기 암모니아 분해 반응부(200)로부터 배출된 연소 가스를 냉각하여 감온된 연소가스를 배출하는 연소가스 냉각부(310); 상기 감온된 반응 생성물에 대하여 흡착 및 탈착 공정이 교차 수행됨으로써 미분해 암모니아가 흡착 및 제거된 제1 흡착 생성물을 배출하는 암모니아 흡착 분리부(400); 상기 제1 흡착 생성물에 대하여 흡착 및 탈착 공정이 교차 수행됨으로써 상기 제1 흡착 생성물내 질소를 흡착하여 수소가 포함된 제2 흡착 생성물을 배출하는 수소 정제부(500); 및 상기 수소가 포함된 제2 흡착 생성물을 저장하는 정제 수소 저장부(600);를 포함하고, 상기 암모니아 분해 반응부(200)는 액상 암모니아 증발기(210), 기상 암모니아 예열기(220) 및 암모니아 분해 반응기(230)를 포함하는 것으로써, 상기 액상 암모니아 증발기(210)는 액상 암모니아 저장부(100)로부터 이송된 액상 암모니아를 기화시켜 기상 암모니아를 배출하고, 상기 기상 암모니아 예열기(220)는 상기 액상 암모니아 증발기(210)로부터 배출된 기상 암모니아를 예열하여 예열된 암모니아를 배출하며, 상기 암모니아 분해 반응기(230)는 암모니아 분해 촉매가 적층된 반응관 다발(231) 및 상기 반응관 다발을 가열하는 가스 버너(232)를 포함하여 상기 기상 암모니아 예열기(220)로부터 배출된 예열된 암모니아를 상기 반응관 다발(231) 내에서 촉매 분해 반응시킨 후 반응 생성물을 배출하고, 상기 반응관 다발(231)로부터 배출된 반응 생성물은 상기 액상 암모니아 증발기(210)로 유입되어 액상 암모니아와 열교환 후 반응 생성물 냉각부(300)로 배출되는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템의 구성도이다.
상기 액상 암모니아 공급부(100)는 수소 저장체인 액상 암모니아를 저장하고, 저장된 액상 암모니아를 배출하여 암모니아 분해 반응부(200)내 액상 암모니아 증발기(210)로 공급한다.
상기 액상 암모니아 공급부내 액상 암모니아를 저장하는 방식은 특별하게 제한되는 것은 아니며, 대기압에서 -33 ℃(-29 ℉)미만에서 저장하는 저온 저장 방식 또는 -33 ℃ 이상에서 액체 상태로 저장하는 비저온 저장 방식을 사용할 수 있다. 또한, 온도 30 내지 40 ℃, 압력 16 bara의 조건에서 액상 암모니아를 저장할 수 있고, 약 20 bara 정도로 압력을 증가시키면 별도의 저온단열처리를 하지 않아도 상온 액체로 수송 및 저장이 가능하나, 바람직하게는, 온도 -33 내지 30 ℃, 압력 10 내지 15 bara의 조건에서 액상 암모니아를 저장할 수 있다.
상기 액상 암모니아 공급부(100)는 일 실시예로는 저장 탱크 시설 또는 탱크로리와 같은 운송수단이 사용될 수 있다. 본 발명의 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템의 수소 저장체로써 사용되는 암모니아는 액상 수소 보다 수소 저장능이 우수할 뿐만 아니라 종래 산업용으로 사용되어 온 암모니아 저장 및 운송에 관한 기술과 인프라를 활용할 수 있어 공급이 용이하다는 이점이 있다.
상기 암모니아 분해 반응부(200)는 액상 암모니아 증발기(210), 기상 암모니아 예열기(220) 및 암모니아 분해 반응기(230)를 포함하는 것으로써, 암모니아를 촉매 분해 가능한 압력 및 온도로 가압
가온한 다음, 촉매를 이용하여 기상 암모니아를 분해시켜 질소, 수소 및 미분해 암모니아를 포함하는 반응 생성물을 배출한다.
상기 액상 암모니아 증발기(210)는 암모니아 저장부(100)로부터 이송된 액상 암모니아를 기화시켜 기상 암모니아를 기상 암모니아 예열기(220)로 배출한다. 상기 액상 암모니아 증발기(210)는 액상 암모니아를 기화시키기 위한 기화잠열을 제공하며, 상기 기화잠열은 암모니아 분해 반응기(230)내 반응관 다발(232)로부터 배출되는 고온의 반응 생성물에 포함된 열에너지로부터 공급된다. 상기 기화된 기상 암모니아는 온도 20 내지 30 ℃, 압력 7 내지 10 bara이다.
본 발명의 일 예시로서, 상기 액상 암모니아 증발기(210)는 2 이상의 열 교환기를 구비하고, 상기 2 이상의 열교환기는 액상 암모니아를 완전히 기화하여 상온의 기상 암모니아를 생성하고, 생성된 상온의 기상 암모니아를 승온한 후 배출한다.
상세하게는, 상기 열교환기가 제1 및 제2 열교환기로 구성되는 경우에 제1 열교환기(미도시)는 암모니아 분해 반응기(230)로부터 배출된 고온의 반응 생성물과 액상 암모니아 공급부(100)로부터 공급된 액상 암모니아가 유입되어, 서로 열교환된다. 이때, 상기 제1열교환기에서는 액상의 암모니아가 기상으로 변환하는 정도의 열교환만이 일어나도록 한다. 즉, 제1열교화기로 유입된 액상의 암모니아는 고온의 반응 생성물로부터 잠열에 해당되는 열을 제공받아 온도 변화 없이 기상으로의 상변화만 진행되어 상온의 기상 암모니아로 전환된 후 제2 열교환기로 배출된다.
후단에 구비되는 제2 열교환기(미도시)로는 제1 열교환기에서 열교환 후 배출되는 반응 생성물과 상기 상온의 기상 암모니아가 각각 다른 경로로 유입된다. 상기 반응 생성물은 상온의 기상 암모니아에 열에너지를 다시 제공한 후 감온되어 반응 생성물 냉각부(300)로 배출되고, 상기 기상 암모니아는 승온 또는 예열되어 기상 암모니아 가열기(220)로 배출된다.
이렇게 액상 암모니아 증발기(210)가 2 이상의 열 교환기를 구비하고, 하나의 열교환기는 액상 암모니아가 온도의 변화없이 기상으로 상 변환만 일어나도록 구성하고, 이어 후단의 열교환기에서 모두 기상으로 전환된 암모니아가 승온되도록 하는 단계적 열교환을 수행함으로써, 종래 단일 열교환기로만 구성된 증발기의 불완전 기화 및 낮은 열 효율 문제점을 해결할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 예시로서, 상기 액상 암모니아 증발기(210)는 온도 변화 없이 액상 암모니아가 기상으로 상변화만 일어나도록 하는 단일 열교환기를 구비하고, 상기 열교환기에서 생성된 상온의 기상 암모니아는 후단의 반응 생성물 냉각부(300) 또는 연소가스 냉각부(310)에 열교환 유체로 제공되어 승온 또는 예열된 후 기상 암모니아 가열기(220)로 유입되도록 할 수 있다. 이 경우의 상기 액상 암모니아 증발기(210)는 액상 암모니아의 완전 기화를 수행하는 단일 열 교환기만을 구비하여도, 생성된 기상 암모니아의 승온 또는 예열은 반응 생성물 또는 연소 가스의 폐열을 공급받아 수행될 수 있어 에너지 효율을 향상 및 열교환 설비를 줄일 수 있는 이점이 있다.
상기 기상 암모니아 예열기(220)는 액상 암모니아 증발기(210)로부터 배출된 기상 암모니아를 예열하여 예열된 암모니아를 암모니아 분해 반응기(230)내 반응관 다발(232)로 배출한다. 상기 기상 암모니아 예열기(220)는 기상 암모니아를 예열하기 위한 열에너지를 제공하며, 상기 열에너지는 암모니아 분해 반응기(230)로부터 배출되는 연소가스의 폐열로부터 공급된다.
상기 암모니아 분해 반응기(230)는 암모니아 분해 촉매가 적층된 반응관 다발(232) 및 상기 반응관 다발을 가열하는 가스 버너(231)를 포함하여 상기 기상 암모니아 예열기(220)로부터 배출된 예열된 암모니아를 상기 반응관 다발(232) 내에서 촉매 분해 반응시킨 후 반응 생성물을 액상 암모니아 증발기(210)로 배출한다.
상기 가스 버너(231)는 예열된 암모니아를 암모니아 촉매 분해에 필요한 온도까지 가열하기 위해 열원을 연소하여 반응관 다발(232)에 열에너지를 공급한다. 상기 열원의 일 예시로는 메탄 및 액화 석유 가스를 포함하는 탄화수소 원료, 수소 및 암모니아 중 하나 이상이 사용될 수 있으며, 바람직하게는 초기 열원으로써 메탄 가스 및 액화 석유 가스를 포함하는 탄화수소 원료를 사용할 수 있고, 암모니아 점화 온도인 651 ℃ 이상이 되면 암모니아를 사용할 수 있다. 상기 수소 및/또는 암모니아는 암모니아 분리 흡착부(300)의 탈착 단계로부터 회수되는 미분해 암모니아 및 미량의 수소이거나 액상 암모니아 증발기(210)에서 기화된 기상 암모니아일 수 있다.
상기 반응관 다발(232)은 내측에 암모니아 분해 촉매가 적층되어 있어 상기 반응관 다발(232)의 내측을 통과하는 암모니아가 분해됨으로써 생성된 반응 생성물을 액상 암모니아 증발기(210)로 배출한다.
상기 반응관 다발(232)은 다발을 구성하는 반응관의 크기, 형상, 배치 형태에 제한되는 것은 아니나, 바람직한 일 예시로는 암모니아 분해 반응부의 하우징(미도시) 일측 및 이의 반대측을 가로지르는 둘 이상의 직선형 반응관(미도시)들이 나란하게 위치하면서 소정의 간격으로 이격된 형태일 수 있으며, 보다 바람직한 일 예시로는 가스 버너(231)로부터 공급되는 열에너지 효율을 극대화하기 위해 상기 직선형 반응관 대신 가열부(가열로)와 반응부로 구분된 형식으로 변형하여 사용할 수 있다.
상기 반응관 다발(232)에 적층된 암모니아 분해 촉매는 공지된 암모니아 분해 촉매를 사용할 수 있으며, 바람직하게는 Ni, Pt, Pd, La 및 Ru 에서 선택된 하나 이상의 원소 또는 상기 원소를 포함하는 산화물이 Ce, Si, La, Ti, Mg 및 Zr에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 금속 산화물 지지체에 담지된 것이 사용될 수 있다. 또한, 상기 원소 또는 상기 원소를 포함하는 산화물은 금속 산화물 지지체 전체 중량 100 wt% 대비 0.1 내지 10 wt% 비율로 담지될 수 있다.
암모니아 분해 촉매로써 Ni/Pt, Ni/Pd, Ni/La2O3 및 Ni/Ru 중에서 선택되는 금속 혼합물이 Ce, Si, La, Ti, Mg 및 Zr에서 선택된 하나 이상의 금속을 포함하는 금속 산화물 지지체에 담지된 것이 암모니아 분해율이 높으므로 보다 바람직하게 사용될 수 있다.
상기 암모니아 분해 촉매의 일 예시로써 지지체 상에 금속을 포함하는 코팅층이 추가적으로 형성된 암모니아 분해 촉매를 사용할 수 있으며, 상기 코팅층이 형성된 암모니아 분해 촉매는 촉매 담지량 및 내구성이 향상되어 암모니아 분해율을 향상시킬 수 있고, 촉매 교체 주기를 연장시킬 수 있다.
상기 암모니아 분해 촉매를 이용한 예열된 암모니아의 분해 반응 온도는 사용하는 암모니아 분해 촉매의 종류에 따라 상이할 수 있으며, 바람직하게는 500 내지 750 ℃이다. 상기 온도가 500 ℃ 미만인 경우에는 분해효율이 떨어지며, 온도가 높으면 분해 반응효율을 놓일 수 있으나 750 ℃ 이상의 높은 반응 온도에서 금속 구조체 기판과 촉매층의 박리현상을 방지하며, 촉매수명을 늘리기 위해 금속 구조체 코팅기법(한국에너지기술연구원 특허 10-2018-0134456)을 사용한다.
암모니아 분해 반응 후 반응관 다발(232)로부터 배출되는 고온의 반응 생성물은 이에 포함된 미분해 암모니아를 흡착 및 제거하는 암모니아 흡착 분리부(400)로 유입되어야 하지만 흡착 효율을 높이기 위해서는 상기 암모니아 흡착 분리부(400)로의 유입 전에 감온되어야 할 필요가 있다. 통상적으로 고온의 반응 생성물을 감온시키기 위한 방법으로는 열교환기를 채택하여 반응 생성물의 열에너지를 제거할 수 있다. 하지만, 전공정에서 암모니아의 상변화 및 분해 반응이 에너지가 요구되는 흡열 반응이라는 점을 고려하면 고온의 반응 생성물 및 연소 가스의 열에너지 일부를 열교환을 통해 제거하는 것이 아닌 상기 흡열 반응 등이 발생하는 공정에 재투입함으로써 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템의 열에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 암모니아 분해 반응기(230)내 반응관 다발(232)로부터 배출된 반응 생성물은 상기 액상 암모니아 증발기(210)로 유입되어 액상 암모니아와 열교환 후 반응 생성물 냉각부(300)로 배출되는 것을 특징으로 한다. 고온의 반응 생성물의 열에너지를 액상 암모니아의 기화잠열 열원으로 공급함으로써 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템의 에너지 효율을 향상시키는 효과가 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템의 구성도이다.
본 발명의 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템의 에너지 효율을 더욱 향상시키고자 상기 기상 암모니아 예열기(220)내 기상 암모니아의 예열은 상기 암모니아 분해 반응기(230)의 가스 버너(231)에서 배출되는 고온의 연소 가스로부터 열을 공급받음으로써 발생하고, 열을 공급한 상기 연소 가스는 암모니아 분해 반응기(230)로부터 배출되어 연소가스를 냉각하는 연소가스 냉각부(310)에서 냉각수와 열교환한 후 배출되는 것을 특징으로 한다. 전술한 대로 고온의 반응 생성물을 액상 암모니아의 기화잠열 열원으로 제공한 바와 같이, 고온의 연소 가스가 갖는 폐열을 기상 암모니아 예열기(220)내 기상 암모니아를 승온시키는 열원으로 사용함으로써 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템의 에너지 효율을 더욱 향상시키는 효과가 있다.
상기 반응 생성물 냉각부(300) 또는 연소가스 냉각부(310)는 각각 열교환기로써 유체와의 열교환을 통해 암모니아 증발기(210)로부터 배출되는 반응 생성물 또는 암모니아 예열기(220)로부터 배출되는 연소 가스를 냉각하여 냉각된 반응 생성물 또는 냉각된 연소 가스를 배출한다.
상기 열교환기의 종류는 비제한적으로 원통다관형, 이중관형, 평판형, 코일형 등의 공지된 열교환기를 사용할 수 있다. 또한, 상기 유체의 종류는 공지된 냉매가 사용될 수 있고, 바람직하게는 냉각수가 사용될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 반응 생성물 냉각부(300)에서 배출되는 냉각된 반응 생성물은 온도 60 ℃ 이하, 압력 1 내지 10 bara 이며, 바람직하게는 온도 20 내지 50 ℃ 이하이다. 상기 반응 생성물의 온도가 60 ℃를 초과하게 되면, 후공정의 암모니아 흡착 분리부(400)에 의한 암모니아 흡착 단계에서 암모니아 흡착 효율이 감소한다.
상기 연소가스 냉각부(310)에서 배출되는 냉각된 연소가스의 온도는 바람직하게는 환경법 상으로 준수되어야 하는 배출 가스의 온도인 150 ℃ 이하이다.
상기 반응 생성물 냉각부(300) 또는 연소가스 냉각부(310)에서 사용되는 유체는 냉각수 또는 상기 액상 암모니아 증발기(210)의 열교환기에서 생성된 상온의 기상 암모니아일 수 있다. 도 1 내지 도 3에 나타낸 냉각수(CWS, CWR)는 액상 암모니아 증발기(210)로부터 공급되는 상온의 기상 암모니아로 대체될 수 있는 것이다.
상기 유체가 냉각수인 경우의 열교환은 별도로 구비된 공급 라인을 통해 공급되는 냉각수(CWS, Cold Water Supply)와 반응 생성물 및 연소 가스 사이에서 발생하며, 열교환을 마친 냉각수(CWR, Cold Water Return)는 별도로 구비된 배출 라인을 통해 배출된 후 물 냉각기(미도시)에 의해 냉각된 다음 냉각수 저장탱크에 저장될 수 있다. 그러나, 암모니아 증발기(210)로부터 배출되는 상기 반응 생성물은 온도가 약 250 ℃이며 암모니아 예열기(220)로부터 배출되는 상기 연소 가스는 온도가 약 400 ℃ 이므로, 열교환을 마친 냉각수(CWR)가 흡수한 열에너지를 재활용할 여지가 있다.
상기 유체가 상온의 기상 암모니아인 경우의 열교환은 액상 암모니아 증발기(210)를 통해 공급된 상온의 기상 암모니아와 반응 생성물 또는 연소가스 사이에서 발생하며, 열교환을 마친 기상 암모니아는 승온 또는 예열된 후 기상 암모니아 가열기(220)로 배출될 수 있다. 이 경우, 반응 생성물 또는 연소 가스의 폐열을 기상 암모니아의 승온 또는 예열 열원으로 활용할 수 있어 에너지 효율을 높일 수 있다는 이점이 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예로써 열교환을 마친 냉각수를 이용하여 액상 암모니아 증발기에 열 에너지를 공급하는 과정을 도시한 도면이다.
상기 공급된 냉각수(CWS 1, CWS 2)가 유입된 반응 생성물 냉각부(300) 또는 연소가스 냉각부(310)에서 열교환을 마친 냉각수(CWR 1, CWR 2)는 상기 액상 암모니아 증발기(210)로 유입된다. 유입된 냉각수(CWR 1, CWR 2)는 열교환 과정에서 흡수한 열에너지가 액상 암모니아의 기화 열원으로 제공되어 감온된 냉각수(CWS 1', CWS 2')로 전환되고, 감온된 냉각수(CWS 1', CWS 2')는 각각 반응 생성물 냉각부(300) 또는 연소가스 냉각부(310)로 유입 배출되는 것을 특징으로 한다. 냉각수를 매개로 하여 반응 생성물과 연소 가스가 갖는 잔여 열에너지를 기상 암모니아 예열기(220)내 기상 암모니아를 승온시키는 열원으로 사용함으로써 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템의 에너지 효율을 배가시키는 효과가 있다.
상기 암모니아 흡착 분리부(400)는 감온된 반응 생성물에 대하여 암모니아 흡착반응기(미도시)내 흡착 및 탈착 공정이 교차 수행됨으로써 미분해 암모니아가 흡착 및 제거된 제1 흡착 생성물을 배출한다.
상기 암모니아 흡착 분리부(400)의 흡착분리 기술은 암모니아 선택적 흡착제가 채택된 압력온도변동 흡착법이고, 상기 압력온도변동 흡착법은 흡착, 탈착, 냉각세정 및 재가압으로 구분되는 4단계가 교차 수행된다.
상기 흡착 단계는 암모니아 선택적 흡착제에 의해 반응 생성물내 포함된 미분해 암모니아가 흡착 및 제거되어 제1 흡착 생성물이 생성되고, 상기 제1 흡착 생성물은 수소 정제부(500)로 배출되는 단계로써 암모니아 흡착반응기의 운전압력이 높을수록, 온도가 낮을수록 흡착율이 높다. 특히, 흡착단계는 흡착하고자 인입되는 가스의 온도가 25 내지 40 ℃의 조건을 충족하는 것이 중요하므로 고온의 반응 생성물은 최종적으로 반응 생성물 냉각부(300)에 의해 냉각되어 암모니아 흡착 분리부(400)로 인입된다.
상기 암모니아 흡착 분리부(400)는 암모니아 흡착 반응기 및 상기 암모니아 흡착 반응기 내부에 충진된 암모니아 선택적 흡착제를 포함하여 미분해 암모니아를 흡착하고, 상기 암모니아 선택적 흡착제는 A타입, X타입, Y타입, ZSM-5, L타입 중 선택되는 하나 이상의 알루미노실리케이트에 수소 이온, 칼슘 이온, 나트륨 이온 및 포타슘 이온 중 선택되는 하나 이상의 금속 이온이 담지된 것을 사용할 수 있다.
상기 암모니아 선택적 흡착제는 온도 20~70 ℃, 압력 1 내지 10 bara의 흡착 조건에서 반응 생성물내 미분해 암모니아를 선택적으로 흡착한다.
상기 탈착 단계는 상기 흡착 단계에서 암모니아 선택적 흡착제에 의해 흡착된 미분해 암모니아가 탈착되는 단계로써 암모니아 흡착반응기의 운전압력이 낮을수록, 온도가 높을수록 탈착율은 증가한다.
상기 암모니아 선택적 흡착제는 온도 300 내지 500 ℃, 압력 0.1 내지 2 bara 의 탈착 조건에서 탈착 가스 공급 하에 흡착된 미분해 암모니아를 탈착한다.
상기 탈착 가스의 일 예시로써 암모니아 분해 반응기(230)로부터 배출된 후 기상 암모니아 예열기(220)를 경유한 일부의 연소가스를 사용할 수 있다. 상기 연소 가스는 기상 암모니아 예열기(220)에서 열교환을 마친 것으로써 온도가 약 400 ℃ 이므로 암모니아 탈착 가스로 활용하기에 적합하다.
또한. 상기 탈착 가스의 다른 일 예시로써 수소 정제부(500)내 질소 흡착 반응기(미도시)의 탈착 단계에서 흡착제로부터 탈착되어 배출되는 질소 가스를 사용할 수 있다. 상기 질소 가스는 연소가스 냉각부(310)로 유입되어 연소 가스와 열교환한 후, 연소 가스에 포함된 폐열에 의해 탈착 온도인 약 400 ℃로 승온된 것으로써 암모니아 탈착 가스로 활용될 수 있다.
상기 탈착 단계에서 탈착된 미분해 암모니아는 가스 버너(231)로 유입되어 암모니아 촉매 분해 반응의 열원으로 사용될 수 있다.
상기 냉각세정 단계는 탈착 단계 이후 다시 흡착 단계를 수행하기 위하여 암모니아 흡착 반응기 내부의 온도를 감온시키는 단계로써 수소 정제부(500)내 질소 흡착 반응기(미도시)의 탈착 단계로부터 생성 및 배출되는 질소 가스가 암모니아 흡착 반응기로 유입되어 상온 수준으로 냉각할 수 있다.
재가압 단계는 냉각세정 단계 이후 혼합가스 투입을 통해 상기 암모니아 선택적 흡착제 간의 압력을 균등화하는 단계로써 흡착제 간의 압력이 균등화되면 암모니아 흡착 분리 공정의 첫 단계인 흡착 단계가 다시 수행된다.
암모니아 흡착 분리부(400)는 바람직하게는 독립적으로 구성되고 동작하는 4개 이상의 흡착 반응기를 구비하여 상기 흡착, 탈착, 냉각세정 및 재가압 단계가 교차 수행됨으로써 연속적으로 미분해 암모니아 흡탈착 및 흡착제 재생이 가능하도록 운전할 수 있다.
상기 수소 정제부(500)는 상기 암모니아 흡착 분리부(400)로부터 배출되어 미분해 암모니아가 흡착 및 제거된 제1 흡착 생성물이 수소 정제부(500)로 유입되고, 상기 제1 흡착 생성물에 대하여 질소 흡착반응기(미도시)내 흡착 및 탈착 공정이 교차 수행됨으로써 상기 제1 흡착 생성물내 질소를 흡착함으로써 수소가 포함된 제2 흡착 생성물을 정제 수소 저장부(600)로 배출한다.
상기 수소 정제부(500)의 흡착분리 기술은 질소 선택적 흡착제가 채택된 압력변동 흡착법이고, 상기 압력변동 흡착법은 흡착, 감압, 재생 및 재가압으로 구분되는 4단계가 교차 수행된다.
질소의 흡착 단계는 질소 선택적 흡착제에 의해 제1 흡착 생성물내 포함된 질소가 흡착 및 제거되어 수소가 포함된 제2 흡착 생성물이 배출되는 단계로써 질소 흡착반응기의 운전압력을 높일수록 질소 및 불순물의 흡착율이 증가하고, 수소 회수율이 향상된다.
상기 수소 정제부(500)는 질소 흡착반응기 및 상기 질소 흡착 반응기에 충진된 질소 선택적 흡착제를 포함하는 것으로써, 상기 질소 선택적 흡착제는 A타입, X타입, Y타입, ZSM-5, L타입 중 선택되는 하나 이상의 알루미노실리케이트에 수소 이온, 칼슘 이온, 나트륨 이온 및 포타슘 이온 중 선택되는 하나 이상의 금속 이온이 담지된 것을 사용할 수 있다.
상기 질소 선택적 흡착제는 압력 1 내지 20 bara의 흡착 조건에서 제1 흡착 생성물내 질소를 선택적으로 흡착한다. 상기 질소의 흡착 조건의 압력이 1 bara 미만인 경우에는 질소의 흡착이 불충분한 문제점이 있다.
질소의 탈착 단계는 상기 흡착 단계에서 질소 선택적 흡착제에 의해 흡착된 질소가 탈착되어 질소가스 저장부(700)로 배출되는 단계로써 탈착율은 질소 흡착반응기의 압력이 낮을수록 높다.
상기 질소 선택적 흡착제는 압력 0.1 내지 2 bara 의 탈착 조건에서 탈착 가스 공급 하에 흡착된 질소를 탈착한다. 상기 압력이 2 bara 를 초과하는 경우에는 탈착율이 감소하는 문제점이 있다.
상기 탈착 가스는 암모니아 분리 흡착부(400)의 탈착 단계에서 사용되는 것과 동일한 것을 사용할 수 있으나 이에 제한되지는 않는다.
상기 탈착 단계에서 탈착된 질소 가스는 질소 가스 저장부(700)에 저장되거나 암모니아 분리 흡착부(400)의 암모니아 탈착 단계에 공급되어 탈착 가스로 사용될 수 있다.
상기 재생 단계 및 재가압 단계는 암모니아 분리 흡착부(400)의 냉각세정 단계 및 재가압 단계에서 전술한 바와 같이 수행될 수 있고, 최종적으로 수소 정제부(500)로부터 고순도로 정제된 수소를 수득할 수 있으며, 상기 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템으로부터 생성되는 수소의 순도는 99.97% 이상이다.
상기 정제 수소 저장부(600)는 수소 정제부(500)로부터 수득된 정제 수소가 저장되는 것으로서 상기 정제 수소를 발전원, 에너지원 및 공정가스 등에 활용하는 수소 연료 전지, 수소 연료 전지가 내장된 자동차, 가스 운반 탱크로리 등에 공급할 수 있다.
상기 질소 가스 저장부(700)는 수소 정제부(500)의 탈착 단계에서 수득된 질소 가스가 저장되는 것으로써 상기 질소 가스를 암모니아 흡착 분리부(400) 및/또는 수소 정제부(500)의 탈착 가스로써 공급할 수 있다.
본 발명은 다른 관점에서, (a) 암모니아를 암모니아 분해 반응부에 공급하고, 공급된 암모니아의 분해 반응을 통해 생성되는 반응 생성물을 배출하는 암모니아 분해 반응 단계; (b) 상기 반응 생성물을 반응 생성물 냉각부로 공급하고, 공급된 반응 생성물을 냉각시켜 감온된 반응 생성물을 배출하는 반응 생성물 감온 단계; (c) 상기 감온된 반응 생성물을 암모니아 흡착 분리부로 공급하고, 상기 감온된 반응 생성물로부터 흡착 및 탈착 공정이 교차 수행됨으로써 미분해 암모니아가 흡착 및 제거된 제1 흡착 생성물을 배출하는 암모니아 흡착 분리 단계; 및 (d) 상기 제1 흡착 생성물을 수소 정제부로 공급하고, 상기 제1 흡착 생성물로부터 흡착 및 탈착 공정이 교차 수행됨으로써 선택적으로 질소를 흡착함으로써 수소가 포함된 제2 흡착 생성물을 배출하는 수소 정제 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아 분해 및 수소 생산 공정에 관한 것이다.
상기 본 발명에 따른 암모니아 분해 및 수소 생산 공정은 이와 대응하는 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템에서 언급한 바와 같으므로 통상의 기술자는 상기 공정을 명확하게 이해할 수 있을 것인 바, 이하 설명의 중복을 피하기 위해 생략하기로 한다.
이상으로 본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술에 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
10: 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템
100: 액상 암모니아 공급부
200: 암모니아 분해 반응부
210: 액상 암모니아 증발기
220: 기상 암모니아 예열기
230: 암모니아 분해 반응기
231: 반응관 다발
232: 가스 버너
240: 탄화수소 공급부
250: 공기 공급부
300: 반응 생성물 냉각부
310: 연소가스 냉각부
400: 암모니아 흡착 분리부
500: 수소 정제부
600: 정제 수소 저장부
700: 질소 가스 저장부
100: 액상 암모니아 공급부
200: 암모니아 분해 반응부
210: 액상 암모니아 증발기
220: 기상 암모니아 예열기
230: 암모니아 분해 반응기
231: 반응관 다발
232: 가스 버너
240: 탄화수소 공급부
250: 공기 공급부
300: 반응 생성물 냉각부
310: 연소가스 냉각부
400: 암모니아 흡착 분리부
500: 수소 정제부
600: 정제 수소 저장부
700: 질소 가스 저장부
Claims (9)
- 암모니아 분해를 통한 수소 생산 시스템으로서,
액상 암모니아를 저장 및 공급하는 액상 암모니아 공급부;
암모니아의 분해 반응으로부터 생성된 반응 생성물을 배출하는 암모니아 분해 반응부;
상기 암모니아 분해 반응부로부터 배출된 반응 생성물을 냉각하여 감온된 반응 생성물을 배출하는 반응 생성물 냉각부;
상기 암모니아 분해 반응부로부터 배출된 연소 가스를 냉각하여 감온된 연소 가스를 배출하는 연소가스 냉각부;
상기 감온된 반응 생성물에 대하여 흡착 및 탈착 공정이 교차 수행됨으로써 미분해 암모니아가 흡착 및 제거된 제1 흡착 생성물을 배출하는 암모니아 흡착 분리부;
상기 제1 흡착 생성물에 대하여 흡착 및 탈착 공정이 교차 수행됨으로써 상기 제1 흡착 생성물내 질소를 흡착함으로써 수소가 포함된 제2 흡착 생성물을 배출하는 수소 정제부; 및
상기 수소가 포함된 제2 흡착 생성물을 저장하는 정제 수소 저장부;를 포함하고,
상기 암모니아 분해 반응부는 액상 암모니아 증발기, 기상 암모니아 예열기 및 암모니아 분해 반응기를 포함하는 것으로써,
상기 액상 암모니아 증발기는 액상 암모니아 저장부로부터 이송된 액상 암모니아를 기화시켜 기상 암모니아를 배출하고,
상기 기상 암모니아 예열기는 상기 액상 암모니아 증발기로부터 배출된 기상 암모니아를 예열하여 예열된 암모니아를 배출하며,
상기 암모니아 분해 반응기는 암모니아 분해 촉매가 적층된 반응관 다발 및 상기 반응관 다발을 가열하는 가스 버너를 포함하여 상기 기상 암모니아 예열기로부터 배출된 예열된 암모니아를 상기 반응관 다발 내에서 촉매 분해 반응시킨 후 반응 생성물을 배출하고,
상기 반응관 다발로부터 배출된 반응 생성물은 상기 액상 암모니아 증발기로 유입되어 액상 암모니아와 열교환 후 반응 생성물 냉각부로 배출되고,
상기 액상 암모니아 증발기는 제1 및 제2 열교환기의 두 개의 열교환기로 구성되고, 상기 제1 열교환기에서는 암모니아 분해 반응기로부터 배출된 고온의 반응 생성물과 액상 암모니아 공급부로부터 공급된 액상 암모니아가 유입되어 서로 열교환되며,
제1 열교환기로 유입된 액상의 암모니아는 고온의 반응 생성물로부터 잠열에 해당되는 열을 제공받아 온도 변화 없이 기상으로의 상변화만 진행되어 상온의 기상 암모니아로 전환된 후 제2 열교환기로 배출되고,
상기 제2 열교환기에서는 제1 열교환기에서 열교환 후 배출되는 반응 생성물과 상기 제1 열교환기에서부터 유입된 상온의 기상 암모니아가 승온되어 상기 기상 암모니아 예열기로 배출되는 것을 특징으로 하는 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 암모니아 가스 예열기에서 예열된 암모니아는 온도 180 내지 450 ℃로 예열되는 것을 특징으로 하는 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 암모니아 분해 반응기내 촉매 분해 반응 온도는 500 내지 750 ℃인 것을 특징으로 하는 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 반응 생성물 냉각부는 냉각수 또는 액상 암모니아 증발기의 열교환기에서 생성된 상온의 기상 암모니아를 사용하여 암모니아 분해 반응기로부터 생성된 반응 생성물을 냉각시키고, 상기 냉각된 반응 생성물은 온도 60 ℃ 이하, 압력 1 내지 10 bara 인 것을 특징으로 하는 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 암모니아 흡착 분리부는 암모니아 흡착 반응기 및 상기 암모니아 흡착 반응기에 충진된 암모니아 선택적 흡착제를 포함하는 것으로써,
상기 암모니아 선택적 흡착제는 온도 20~70 ℃, 압력 1 내지 10 bara의 흡착 조건에서 반응 생성물내 미분해 암모니아를 선택적으로 흡착하는 것을 특징으로 하는 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 암모니아 흡착 분리부는 암모니아 흡착 반응기 및 상기 암모니아 흡착 반응기에 충진된 암모니아 선택적 흡착제를 포함하는 것으로써,
상기 암모니아 선택적 흡착제는 온도 300 내지 500 ℃, 압력 0.1 내지 2 bara 의 탈착 조건에서 탈착 가스 공급 하에 흡착되어 있던 미분해 암모니아를 탈착하며,
상기 탈착 가스는 암모니아 분해 반응기내 가스 버너로부터 배출되는 연소가스 또는 수소 정제부로부터 배출되는 질소가스인 것을 특징으로 하는 암모니아 분해 및 수소 생산 시스템.
- 삭제
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|---|---|
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Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102482521B1 (ko) * | 2021-12-21 | 2022-12-29 | 주식회사 씨이에스 | 암모니아 분해관의 내·외측에서 동시 가열하는 암모니아 분해 반응기 |
| KR20230083367A (ko) * | 2021-12-02 | 2023-06-12 | 한화오션 주식회사 | 선박의 암모니아 분해 시스템 및 방법 |
| KR20230092177A (ko) * | 2021-12-17 | 2023-06-26 | 현대건설(주) | 암모니아 크래킹을 이용한 수소 생산 설비 및 수소 생산 방법 |
| WO2023128071A1 (ko) | 2021-12-31 | 2023-07-06 | 한국에너지기술연구원 | 암모니아 분해가스로부터 수소 정제용 압력변동흡착장치 및 이를 이용한 수소 정제 방법 |
| US11697108B2 (en) | 2021-06-11 | 2023-07-11 | Amogy Inc. | Systems and methods for processing ammonia |
| KR20230106782A (ko) | 2022-01-06 | 2023-07-14 | (주)원익머트리얼즈 | 주 가스 및 불순물을 포함하는 원료 가스로부터 불순물의 효율적인 분리를 위한 psa 시스템, 및 이의 운전 방법 |
| US11724245B2 (en) | 2021-08-13 | 2023-08-15 | Amogy Inc. | Integrated heat exchanger reactors for renewable fuel delivery systems |
| US11764381B2 (en) | 2021-08-17 | 2023-09-19 | Amogy Inc. | Systems and methods for processing hydrogen |
| US11795055B1 (en) | 2022-10-21 | 2023-10-24 | Amogy Inc. | Systems and methods for processing ammonia |
| US11834334B1 (en) | 2022-10-06 | 2023-12-05 | Amogy Inc. | Systems and methods of processing ammonia |
| US11834985B2 (en) | 2021-05-14 | 2023-12-05 | Amogy Inc. | Systems and methods for processing ammonia |
| KR20240002266A (ko) | 2022-06-28 | 2024-01-05 | (주) 세라컴 | 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치 |
| KR20240002267A (ko) | 2022-06-28 | 2024-01-05 | (주) 세라컴 | 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치 |
| US11866328B1 (en) | 2022-10-21 | 2024-01-09 | Amogy Inc. | Systems and methods for processing ammonia |
| KR20240010242A (ko) | 2022-07-15 | 2024-01-23 | 주식회사 하이드로켐 | 암모니아 제거용 촉매 및 이를 이용한 암모니아 기반 수소 생산 방법 |
| KR20240029614A (ko) | 2022-08-25 | 2024-03-06 | 포항공과대학교 산학협력단 | 선택적 암모니아산화반응을 활용한 암모니아 제거용 촉매물질 |
| US12000333B2 (en) | 2022-08-16 | 2024-06-04 | AMOGY, Inc. | Systems and methods for processing ammonia |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20080016805A (ko) * | 2005-04-18 | 2008-02-22 | 인텔리전트 에너지, 인크. | 암모니아계 수소 발생 장치 및 이 장치의 사용 방법 |
| JP2018116982A (ja) * | 2017-01-16 | 2018-07-26 | 富士通株式会社 | 電子機器 |
| KR20200049995A (ko) * | 2018-10-30 | 2020-05-11 | 삼성중공업 주식회사 | 부유식 수소공급장치 |
| JP2020075841A (ja) | 2018-11-09 | 2020-05-21 | 好朗 岩井 | 水素ガス製造装置 |
| JP2020147478A (ja) * | 2019-03-15 | 2020-09-17 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | アンモニア分解設備、これを備えるガスタービンプラント、アンモニア分解方法 |
-
2020
- 2020-11-05 KR KR1020200146765A patent/KR102315763B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20080016805A (ko) * | 2005-04-18 | 2008-02-22 | 인텔리전트 에너지, 인크. | 암모니아계 수소 발생 장치 및 이 장치의 사용 방법 |
| KR100964852B1 (ko) | 2005-04-18 | 2010-06-24 | 인텔리전트 에너지, 인크. | 암모니아계 수소 발생 장치 및 이 장치의 사용 방법 |
| JP2018116982A (ja) * | 2017-01-16 | 2018-07-26 | 富士通株式会社 | 電子機器 |
| KR20200049995A (ko) * | 2018-10-30 | 2020-05-11 | 삼성중공업 주식회사 | 부유식 수소공급장치 |
| JP2020075841A (ja) | 2018-11-09 | 2020-05-21 | 好朗 岩井 | 水素ガス製造装置 |
| JP2020147478A (ja) * | 2019-03-15 | 2020-09-17 | 三菱日立パワーシステムズ株式会社 | アンモニア分解設備、これを備えるガスタービンプラント、アンモニア分解方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| JPWO2018116982 A1 |
Cited By (27)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11834985B2 (en) | 2021-05-14 | 2023-12-05 | Amogy Inc. | Systems and methods for processing ammonia |
| US11994061B2 (en) | 2021-05-14 | 2024-05-28 | Amogy Inc. | Methods for reforming ammonia |
| US11994062B2 (en) | 2021-05-14 | 2024-05-28 | AMOGY, Inc. | Systems and methods for processing ammonia |
| US11697108B2 (en) | 2021-06-11 | 2023-07-11 | Amogy Inc. | Systems and methods for processing ammonia |
| US11724245B2 (en) | 2021-08-13 | 2023-08-15 | Amogy Inc. | Integrated heat exchanger reactors for renewable fuel delivery systems |
| US11843149B2 (en) | 2021-08-17 | 2023-12-12 | Amogy Inc. | Systems and methods for processing hydrogen |
| US11764381B2 (en) | 2021-08-17 | 2023-09-19 | Amogy Inc. | Systems and methods for processing hydrogen |
| US11769893B2 (en) | 2021-08-17 | 2023-09-26 | Amogy Inc. | Systems and methods for processing hydrogen |
| KR20230083367A (ko) * | 2021-12-02 | 2023-06-12 | 한화오션 주식회사 | 선박의 암모니아 분해 시스템 및 방법 |
| KR102664944B1 (ko) | 2021-12-02 | 2024-05-13 | 한화오션 주식회사 | 선박의 암모니아 분해 시스템 및 방법 |
| KR20230092177A (ko) * | 2021-12-17 | 2023-06-26 | 현대건설(주) | 암모니아 크래킹을 이용한 수소 생산 설비 및 수소 생산 방법 |
| KR102618758B1 (ko) * | 2021-12-17 | 2023-12-27 | 현대건설(주) | 암모니아 크래킹을 이용한 수소 생산 설비 및 수소 생산 방법 |
| KR102482521B1 (ko) * | 2021-12-21 | 2022-12-29 | 주식회사 씨이에스 | 암모니아 분해관의 내·외측에서 동시 가열하는 암모니아 분해 반응기 |
| KR20230103092A (ko) | 2021-12-31 | 2023-07-07 | 한국에너지기술연구원 | 암모니아 분해가스로부터 수소 정제용 압력변동흡착장치 및 이를 이용한 수소 정제 방법 |
| WO2023128071A1 (ko) | 2021-12-31 | 2023-07-06 | 한국에너지기술연구원 | 암모니아 분해가스로부터 수소 정제용 압력변동흡착장치 및 이를 이용한 수소 정제 방법 |
| KR20230106782A (ko) | 2022-01-06 | 2023-07-14 | (주)원익머트리얼즈 | 주 가스 및 불순물을 포함하는 원료 가스로부터 불순물의 효율적인 분리를 위한 psa 시스템, 및 이의 운전 방법 |
| KR20240002266A (ko) | 2022-06-28 | 2024-01-05 | (주) 세라컴 | 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치 |
| KR20240002267A (ko) | 2022-06-28 | 2024-01-05 | (주) 세라컴 | 암모니아분해촉매를 이용한 수소발생장치 |
| KR20240010242A (ko) | 2022-07-15 | 2024-01-23 | 주식회사 하이드로켐 | 암모니아 제거용 촉매 및 이를 이용한 암모니아 기반 수소 생산 방법 |
| US12000333B2 (en) | 2022-08-16 | 2024-06-04 | AMOGY, Inc. | Systems and methods for processing ammonia |
| KR20240029614A (ko) | 2022-08-25 | 2024-03-06 | 포항공과대학교 산학협력단 | 선택적 암모니아산화반응을 활용한 암모니아 제거용 촉매물질 |
| US11912574B1 (en) | 2022-10-06 | 2024-02-27 | Amogy Inc. | Methods for reforming ammonia |
| US11975968B2 (en) | 2022-10-06 | 2024-05-07 | AMOGY, Inc. | Systems and methods of processing ammonia |
| US11840447B1 (en) | 2022-10-06 | 2023-12-12 | Amogy Inc. | Systems and methods of processing ammonia |
| US11834334B1 (en) | 2022-10-06 | 2023-12-05 | Amogy Inc. | Systems and methods of processing ammonia |
| US11866328B1 (en) | 2022-10-21 | 2024-01-09 | Amogy Inc. | Systems and methods for processing ammonia |
| US11795055B1 (en) | 2022-10-21 | 2023-10-24 | Amogy Inc. | Systems and methods for processing ammonia |
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