KR102401601B1 - Heat management system and method of methanol steam reforming plant - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 메탄올 수증기 개질 플랜트의 시동 및 운전을 위한 열 관리 제어 시스템 및 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a thermal management control system and control method for starting and operating a methanol steam reforming plant.
핵추진 잠수함을 제외한 일반적인 재래식 잠수함은 잠항 시 2차전지에 저장된 전력을 주에너지원으로 사용하여 추진한다. 만약 2차전지가 방전되면 함내 탑재된 디젤 발전기로 2차전지를 충전해야만 한다. 디젤 발전기의 구동을 위해서는 대기 중의 산소가 필요하므로 잠수함은 수면 위 혹은 근처까지 부상해야 한다. 잠수함이 작전 중 2차전지를 충전하는 행위는 적 감시망에 의해 잠수함의 위치를 노출시킬 수 있다. 이러한 이유로 잠수함 선진국에서는 공기 의존도를 낮추고, 잠수함의 잠항시간을 증가시키기 위하여 공기불요추진(air independent propulsion, AIP) 체계를 개발하여 재래식 잠수함에 적용하고 있다. 특히 연료전지 시스템은 다른 AIP 체계 비해 상대적으로 에너지 변환 효율이 높고(50~60%), 운용 중 동적 요소가 없어 정숙하므로 독일, 한국 등을 포함한 대부분의 국가에서 채택하고 있다.Conventional submarines, except for nuclear-powered submarines, are propelled by using the electricity stored in the secondary battery as the main energy source when submerged. If the secondary battery is discharged, the secondary battery must be charged with the onboard diesel generator. Since the diesel generator requires oxygen from the atmosphere, the submarine must float above or near the surface. Charging the secondary battery during operation by a submarine may expose the submarine's location to enemy surveillance networks. For this reason, advanced submarine countries have developed and applied an air independent propulsion (AIP) system to conventional submarines in order to reduce air dependence and increase the submergence time of submarines. In particular, the fuel cell system has relatively high energy conversion efficiency (50-60%) compared to other AIP systems, and is quiet due to the absence of dynamic elements during operation, so it is adopted in most countries including Germany and Korea.
연료전지는 전해질 종류 및 작동온도에 따라 크게 5가지 종류로 구분할 수 있다. 그 중 고분자 전해질형 연료전지 타입을 탑재한 잠수함의 경우에는 잠항시간을 증가시키기 위하여 고순도 수소를 효과적으로 저장/공급할 수 있어야 한다. 기존의 잠수함은 금속수소저장합금(metal hydride)에 고순도 수소를 충전/방출하는 방식을 사용한다. 금속수소저장합금은 상대적으로 단위 부피당 수소저장밀도가 높고 상대적으로 저압으로 저장할 수 있다는 장점이 있다. 하지만 금속수소저장합금 방식은 군수지원의 어려움과 과도한 무게 증가로 인하여 차세대 잠수함용 AIP 체계용 수소공급 방식으로서는 한계가 있다. 이런 이유로 독일 및 스페인에서는 금속수소저장합금 대신에 연료개질을 통한 수소공급 방식을 연구하고 있다. 연료개질 방식은 군수지원이 용이하고, 잠항시간의 증가로 인한 시스템 부피/무게 증가폭을 감소할 수 있어 금속수소저장합금의 문제점을 극복할 수 있다.Fuel cells can be broadly classified into five types according to electrolyte types and operating temperatures. Among them, in the case of a submarine equipped with a polymer electrolyte fuel cell type, it must be able to effectively store/supply high-purity hydrogen in order to increase the submersible time. Existing submarines use a method of charging/discharging high-purity hydrogen to a metal hydride. The metallic hydrogen storage alloy has an advantage in that it has a relatively high hydrogen storage density per unit volume and can be stored at a relatively low pressure. However, the metal hydrogen storage alloy method has limitations as a hydrogen supply method for the AIP system for next-generation submarines due to difficulties in logistics support and excessive weight increase. For this reason, Germany and Spain are researching a hydrogen supply method through fuel reforming instead of metal hydrogen storage alloy. The fuel reforming method can overcome the problems of metal-hydrogen storage alloys because it is easy to support logistics and can reduce the increase in system volume/weight due to an increase in submergence time.
잠수함용 연료개질 플랜트는 기존의 가정용/발전용 연료개질 플랜트와 기본적인 원리는 동일하다. 도 1에서 참조되는 바와 같이, 잠수함용 연료개질플랜트는 크게 수소생성유닛(HGU, hydrogen generation unit), 수소정제유닛(HPU, hydrogen purification unit), 열관리유닛(HMU, heat management unit)으로 구성된다.The fuel reforming plant for submarines has the same basic principle as the existing fuel reforming plant for home/power generation. 1, the fuel reforming plant for submarines is largely composed of a hydrogen generation unit (HGU, hydrogen generation unit), a hydrogen purification unit (HPU, hydrogen purification unit), and a heat management unit (HMU, heat management unit).
일반적으로 연료개질 플랜트에서는 연료와 물만 공급하여 수소(H2)를 생산하는 "수증기 개질 방식"을 사용한다. 수증기 개질 방식은 흡열반응이므로 외부에서 열을 지속적으로 공급해야 한다. 따라서 수증기 개질 방식의 연료개질 플랜트에서는 열 공급을 위한 다단연소기(multi-stage burner)가 필요하다.In general, a fuel reforming plant uses a "steam reforming method" that produces hydrogen (H 2 ) by supplying only fuel and water. Since the steam reforming method is an endothermic reaction, heat must be continuously supplied from the outside. Therefore, a multi-stage burner for supplying heat is required in a steam reforming fuel reforming plant.
다단연소기는 내부에 연소촉매가 존재한다. 일반적으로 연소촉매가 연소를 시작하기 위해서는 일정 수준 이상의 온도까지 가열되어야 한다. 이것을 연소촉매의 시동온도라고 하는데, 보통 연료와 산화제의 종류에 따라 시동온도가 달라질 수 있다. 예를 들어 가솔린+공기의 경우, 연소촉매가 연소를 시작할 수 있는 온도는 약 200~300도이다. 연소촉매가 발열반응을 시작하면 많은 양의 열을 생산할 수 있다. 이러한 고온의 연소 기체를 이용하여 후단에 위치하는 나머지 연소촉매 및 열매체를 목표온도까지 가열시킬 수 있다. 따라서 연료 개질 플랜트를 빠르게 시동하기 위해서는 다단연소기의 연소 촉매 온도를 빠르게 상승시킨 다음 연소반응을 시작하도록 설계하는 것이 가장 중요하다.The multi-stage combustor has a combustion catalyst inside. In general, in order for the combustion catalyst to start combustion, it must be heated to a temperature above a certain level. This is called the starting temperature of the combustion catalyst. Usually, the starting temperature may vary depending on the type of fuel and oxidizer. For example, in the case of gasoline + air, the temperature at which the combustion catalyst can start combustion is about 200 to 300 degrees. When the combustion catalyst starts an exothermic reaction, a large amount of heat can be produced. Using this high-temperature combustion gas, the remaining combustion catalyst and heating medium located at the rear end can be heated to a target temperature. Therefore, in order to start the fuel reforming plant quickly, it is most important to design the combustion reaction after rapidly increasing the combustion catalyst temperature of the multi-stage combustor.
연소 촉매 온도를 상승시키기 위한 가장 일반적인 방법은 연소촉매의 일부분을 전기히터를 사용하여 가열하는 것이다. 하지만 이러한 방식은 전기가 통하는 전기히터가 케이스를 뚫고 내부로 삽입되어야 하는 단점이 있다(구조가 복잡해진다). 특히 잠수함용 연료개질기는 고압에서 운전해야 하므로, 상기와 같은 전기히터 관통 방식은 적합하지 않다.The most common method for raising the combustion catalyst temperature is to heat a portion of the combustion catalyst using an electric heater. However, this method has a disadvantage in that an electric heater through which electricity passes must be inserted through the case (the structure becomes complicated). In particular, since the fuel reformer for submarines must be operated at high pressure, the electric heater penetration method as described above is not suitable.
두 번째 방법은 점화 플러그를 사용하여 반응물+공기 혼합물을 점화시킨 후, 그 열로 연소촉매를 가열시킬 수 있다. 하지만 점화플러그 방식은 soot가 발생할 가능성이 높고, 불완전 연소가스가 발생되며, 내부 삽입형 전기히터와 동일하게 연소기 구조가 복잡하다. 또한 점화플러그가 케이스를 관통해야 하고, 점화 시 불완전 연소 가스가 발생하면 밀폐된 잠수함에서는 처리가 난해하다.In the second method, the reactant + air mixture is ignited using a spark plug, and then the combustion catalyst can be heated with the heat. However, the spark plug method is highly likely to cause soot, generates incomplete combustion gas, and has a complex combustor structure similar to the internally inserted electric heater. In addition, the spark plug must pass through the case, and incomplete combustion gas is generated during ignition, which is difficult to handle in a sealed submarine.
또 다른 시동 방법으로는 연소촉매를 둘러싸고 있는 금속케이스 외벽에 전기히터(전기밴드)를 감는 것이다. 즉, 금속케이스를 사이에 두고 간접적으로 연소촉매를 가열하는 방식이다. 하지만 이러한 방법은 상대적으로 연소촉매 온도를 상승시키는데 많은 시간이 필요하다.Another starting method is to wind an electric heater (electric band) on the outer wall of the metal case surrounding the combustion catalyst. That is, it is a method of indirectly heating the combustion catalyst with a metal case interposed therebetween. However, this method requires a lot of time to relatively increase the combustion catalyst temperature.
추가적으로 수소와 산소의 연소를 이용하여 연소촉매를 가열하는 방식이다. 이 방식에 대한 설명은 특허 등록번호 제10-2188389호와 제10-2269268호에 자세히 설명되어 있다.In addition, it is a method of heating the combustion catalyst by using the combustion of hydrogen and oxygen. A description of this method is described in detail in Patent Registration Nos. 10-2188389 and 10-2269268.
다단연소기가 시동이 되면 간접가열방식으로 수소생성유닛에 열을 가열할 수 있다. 간접가열방식에 대한 설명은 특허 등록번호 제10-1783218호에 자세히 설명되어 있다. 수소생성유닛이 목표온도에 도달하면 메탄올(MeOH)과 물(H2O)을 수소생성유닛에 공급하여 연료개질 반응을 일으킬 수 있다. 수소생성유닛에 의해 생성된 개질가스(수소, 이산화탄소, 수증기, 일산화탄소로 구성)는 수소정제유닛을 거쳐 고순도 수소(H2)로 정제된 후, 연료전지로 공급된다. 수소정제유닛을 통과하지 못한 잔여가스(residue gas)는 다시 다단연소기로 보내져 연소를 하게 된다.When the multi-stage combustor is started, heat can be heated in the hydrogen generating unit by an indirect heating method. The description of the indirect heating method is described in detail in Patent Registration No. 10-1783218. When the hydrogen generating unit reaches the target temperature, methanol (MeOH) and water (H 2 O) may be supplied to the hydrogen generating unit to cause a fuel reforming reaction. The reformed gas (consisting of hydrogen, carbon dioxide, water vapor, and carbon monoxide) generated by the hydrogen generating unit is purified into high-purity hydrogen (H 2 ) through a hydrogen refining unit, and then supplied to the fuel cell. The residual gas that has not passed through the hydrogen purification unit is sent back to the multi-stage combustor for combustion.
플랜트 초기 시동 시, 메탄올과 산소(O2)를 다단연소기로 공급하여 열을 생성한다.(완전 cool down 상태에서 연소촉매를 승온시키기 위해서는 수소와 산소를 이용한다. 연소촉매가 온도가 상승한 이후에는 메탄올과 산소로 연소한다.)At the initial plant start-up, methanol and oxygen (O 2 ) are supplied to the multi-stage combustor to generate heat. (Hydrogen and oxygen are used to raise the temperature of the combustion catalyst in a completely cool down state. After the temperature of the combustion catalyst rises, methanol and oxygen.)
다단연소기 내 연소촉매에 의해 생성된 고온의 연소가스는 다단연소기 내 열교환기를 통해 열전달매체(heat transfer medium, HTM)과 열교환한다. HTM은 펌프에 의해서 열회로를 순환한다. 열교환을 통해 온도가 상승한 HTM은 수소생성유닛으로 이동하여 수소생성유닛을 승온시킨다.The high-temperature combustion gas generated by the combustion catalyst in the multi-stage combustor exchanges heat with a heat transfer medium (HTM) through the heat exchanger in the multi-stage combustor. The HTM circulates the heat circuit by means of a pump. The HTM, whose temperature has risen through heat exchange, moves to the hydrogen generating unit to raise the temperature of the hydrogen generating unit.
이때, 수소생성유닛의 승온속도를 상승시키기 위해서는 고온의 연소가스와 HTM 사이의 열전달 속도를 상승시키는 것이 유리하다. 이를 위하여 열교환기의 열전달 면적을 상승시키고 다단연소기의 연소량을 증가시킨다.At this time, in order to increase the temperature increase rate of the hydrogen generating unit, it is advantageous to increase the heat transfer rate between the high temperature combustion gas and the HTM. To this end, the heat transfer area of the heat exchanger is increased and the combustion amount of the multi-stage combustor is increased.
열교환기는 일반적으로 hot side와 cold side로 구분된다. hot side와 cold side의 열교환량은 hot side의 입구온도 cold side의 입구온도의 차이가 클수록 유리하다. 뿐만 아니라 hot side와 cold side의 입구온도가 동일하다 하더라도 유체의 유량이 증가할수록 유리하다.The heat exchanger is generally divided into a hot side and a cold side. The amount of heat exchange between the hot side and the cold side is advantageous as the difference between the inlet temperature of the hot side and the inlet temperature of the cold side is larger. In addition, even if the inlet temperature of the hot side and the cold side are the same, it is advantageous as the flow rate of the fluid increases.
다단연소기는 산소 공급량을 제어하여 연소가스의 온도는 쉽게 높일 수 있지만, 과도하게 높아진 연소가스는 주변 재료의 열적 내구성을 감소시킬 수 있다. 열교환량을 증가시키기 위하여 연소기로 유입되는 유량을 증가시키는 것도 가능하지만, 잠수함용 연소기의 경우 자동차의 내연기관과는 달리 연소기내 유량을 증가시키는 것이 어렵다.(자동차의 경우 exhaust gas recirculation(EGR) 밸브를 통해 연소가스를 실린더 내의 재순환시켜 연소 온도를 떨어뜨린다.)The multi-stage combustor can easily increase the temperature of combustion gas by controlling the amount of oxygen supplied, but excessively elevated combustion gas can reduce the thermal durability of surrounding materials. It is possible to increase the flow rate flowing into the combustor in order to increase the amount of heat exchange, but in the case of a submarine combustor, it is difficult to increase the flow rate in the combustor unlike the internal combustion engine of a vehicle. It reduces the combustion temperature by recirculating the combustion gas in the cylinder.)
연소기 유량을 증가시키는 것은 연소를 통해 온도를 상승시켜야 하는 대상 기체의 절대적인 Cp(열용량) 증가를 의미한다. (유량이 증가하면, 연소를 통해 획득한 열로 가열해야 하는 기체의 양이 증가한다.). 반대로 말하자만 유량이 연소기 내로 공급되는 유량이 증가할수록 연소가스의 온도는 감소하게 되고, 산소를 더 공급하여 더 많은 연소반응을 일으킬 수 있다. 이에 대한 설명은 특허 등록번호 10-2019184에 자세히 설명되어 있다. (또한 EGR 원리에서도 찾아볼 수 있다.)Increasing the combustor flow rate means increasing the absolute Cp (heat capacity) of the target gas to be heated through combustion. (As the flow rate increases, the amount of gas that must be heated with the heat gained through combustion increases). Conversely, as the flow rate supplied into the combustor increases, the temperature of the combustion gas decreases, and more oxygen can be supplied to cause more combustion reactions. A description of this is described in detail in Patent Registration No. 10-2019184. (It can also be found in the EGR principle.)
즉, 기존 기술을 그대로 적용하면(메탄올과 산소만의 연소) 다단연소기를 통해 수소생성유닛의 온도를 상승시킬 수 있지만, 승온 속도가 느리다. 특허 등록번호 10-2019184에서는 연소되는 유량을 증가시키기 위하여 메탄올+산소와 함께 물을 공급해야 한다고 제시하고 있다. 하지만, 액적상태의 물을 그대로 연소기내에 공급할 수는 없다. (분무를 통해 공급할 수 있지만, 연소기 내부로 직접 분무하는 것은 좋은 방법이 아니다. 물을 기화시켜 공급하는 것이 유리하다). 물을 기화시키기 위해서는 또 다른 장치와 에너지가 필요하다. 특허 등록번호 10-2019184에서는 구체적인 물공급 방식에 대해서는 언급하고 있지 않다.That is, if the existing technology is applied as it is (combustion of methanol and oxygen only), the temperature of the hydrogen generating unit can be increased through the multi-stage combustor, but the temperature increase rate is slow. Patent Registration No. 10-2019184 suggests that water should be supplied along with methanol + oxygen in order to increase the combustion flow rate. However, water in the form of droplets cannot be directly supplied into the combustor. (Spraying can be done, but spraying directly into the combustor is not a good method. It is advantageous to supply by vaporizing water). Another device and energy is needed to vaporize the water. Patent Registration No. 10-2019184 does not mention a specific water supply method.
이상의 배경기술에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 돕기 위한 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.Matters described in the above background art are intended to help the understanding of the background of the invention, and may include matters that are not already known to those of ordinary skill in the art to which this technology belongs.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 본 발명은 다단연소기에 공급되는 유체 유량을 증가시키고, 결국 더 많은 산소를 연소시켜 연소가스와 HTM의 열교환량을 증가시킴으로써, 수소생성유닛의 승온 속도를 향상시키기 위한 메탄올 수증기 개질 플랜트의 열 관리 시스템 및 열 관리 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.The present invention has been devised to solve the above problems, and the present invention increases the flow rate of the fluid supplied to the multi-stage combustor, and eventually burns more oxygen to increase the amount of heat exchange between the combustion gas and HTM, thereby increasing the temperature of the hydrogen generating unit An object of the present invention is to provide a thermal management system and a thermal management method of a methanol steam reforming plant for improving the speed.
본 발명의 일 관점에 의한 메탄올 수증기 개질 플랜트의 열 관리 시스템은, 공급받은 메탄올과 물을 반응시켜 개질가스로 전환하는 수소생성유닛 및 상기 수소생성유닛에 필요한 열을 공급하는 열관리 유닛을 포함하며, 상기 수소생성유닛으로부터의 상기 개질가스 및 미반응 메탄올을 상기 열관리 유닛으로 공급하는 것을 특징으로 한다.A heat management system for a methanol steam reforming plant according to an aspect of the present invention includes a hydrogen generating unit that reacts supplied methanol with water to convert it into reformed gas, and a heat management unit that supplies heat required to the hydrogen generating unit, The reformed gas and unreacted methanol from the hydrogen generating unit are supplied to the thermal management unit.
그리고, 상기 열관리 유닛은, 공급받은 메탄올과 산소를 연소시켜 연소가스를 생성하는 연소기 및 상기 수소생성유닛을 순환하는 열매체가 상기 연소가스와 열교환하는 열교환기를 포함한다.In addition, the thermal management unit includes a combustor for generating combustion gas by burning the supplied methanol and oxygen, and a heat exchanger in which a heat medium circulating in the hydrogen generating unit exchanges heat with the combustion gas.
여기서, 상기 수소생성유닛은 Cu/Zn 촉매를 포함하는 것을 특징으로 한다.Here, the hydrogen generating unit is characterized in that it includes a Cu/Zn catalyst.
또한, 상기 수소생성유닛 후단에 구비되어, 복수 개의 유로 중 선택적으로 유로를 설정하는 셀렉터를 더 포함하며, 상기 셀렉터로부터 상기 열관리 유닛으로의 유로를 통해 상기 개질가스 및 미반응 메탄올이 상기 열관리 유닛으로 공급되는 것을 특징으로 한다.In addition, it is provided at the rear end of the hydrogen generating unit and further includes a selector for selectively setting a flow path among a plurality of flow paths, and the reformed gas and unreacted methanol are supplied to the thermal management unit through a flow path from the selector to the thermal management unit. characterized in that it is supplied.
그리고, 상기 셀렉터와 연결되며, 상기 개질가스로부터 수소를 정제하여 연료 전지에 공급하는 수소정제유닛을 더 포함할 수 있다.And, it may further include a hydrogen purification unit connected to the selector, purifying hydrogen from the reformed gas and supplying it to the fuel cell.
또한, 상기 셀렉터와 연결되며, 상기 개질가스 수소와 일산화탄소(CO)를 반응시켜 메탄(CH4)으로 변환시키는 메탄 생성기를 더 포함할 수 있다.In addition, it is connected to the selector, by reacting the reformed gas hydrogen with carbon monoxide (CO) may further include a methane generator for converting into methane (CH 4 ).
그리고, 상기 수소생성유닛의 온도에 따라 상기 셀렉터에 의한 유로 선택을 제어하는 개질기 제어 유닛을 더 포함할 수 있다.And, it may further include a reformer control unit for controlling the flow path selection by the selector according to the temperature of the hydrogen generating unit.
여기서, 상기 개질기 제어 유닛은 상기 수소생성유닛의 온도가 150도 이상 200도 이하의 특정 온도에서 상기 셀렉터를 제어하여 상기 열관리 유닛으로 유로가 선택되도록 하는 것을 특징으로 한다.Here, the reformer control unit controls the selector at a specific temperature of 150 degrees or more and 200 degrees or less of the hydrogen generating unit to select a flow path to the thermal management unit.
나아가, 상기 개질기 제어 유닛은 상기 수소생성유닛의 온도가 250도에 도달하면, 상기 셀렉터를 제어하여 상기 수소정제유닛으로 유로가 선택되도록 하는 것을 특징으로 한다.Furthermore, when the temperature of the hydrogen generating unit reaches 250 degrees, the reformer control unit controls the selector to select a flow path to the hydrogen purification unit.
본 발명의 일 관점에 의한 메탄올 수증기 개질 플랜트의 열 관리 방법은, 상기 연소기에 메탄올과 산소를 공급하는 단계, 상기 수소생성유닛에 메탄올과 물을 공급하는 단계 및 상기 수소생성유닛으로부터의 상기 개질가스 및 미반응 메탄올을 상기 열관리 유닛으로 공급하는 단계를 포함한다.A method for thermal management of a methanol steam reforming plant according to an aspect of the present invention includes the steps of supplying methanol and oxygen to the combustor, supplying methanol and water to the hydrogen generating unit, and the reformed gas from the hydrogen generating unit and supplying unreacted methanol to the thermal management unit.
그리고, 상기 수소생성유닛에 메탄올과 물을 공급하는 단계 및 상기 개질가스 및 미반응 메탄올을 상기 열관리 유닛으로 공급하는 단계는, 상기 수소생성유닛의 온도를 모니터링하여, 상기 수소생성유닛의 온도가 150도 이상 200도 이하의 특정 온도에서 수행하는 것을 특징으로 한다.In addition, the supplying of methanol and water to the hydrogen generating unit and the supplying of the reformed gas and unreacted methanol to the thermal management unit include monitoring the temperature of the hydrogen generating unit, so that the temperature of the hydrogen generating unit is 150 It is characterized in that it is carried out at a specific temperature of not less than 200 degrees Celsius.
여기서, 상기 수소생성유닛에 메탄올과 물을 공급하는 단계 및 상기 개질가스 및 미반응 메탄올을 상기 열관리 유닛으로 공급하는 단계 이후, 상기 수소생성유닛에 산소를 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.Here, after supplying methanol and water to the hydrogen generating unit and supplying the reformed gas and unreacted methanol to the thermal management unit, the method may further include supplying oxygen to the hydrogen generating unit.
또한, 상기 수소생성유닛의 온도를 모니터링하여 상기 수소생성유닛의 온도가 250에 도달하면, 상기 수소생성유닛으로부터의 상기 개질 가스를 상기 수소생성유닛 후단에 구비되어 상기 개질가스로부터 수소를 정제하는 수소정제유닛으로 공급하는 단계를 더 포함한다.In addition, when the temperature of the hydrogen generating unit reaches 250 by monitoring the temperature of the hydrogen generating unit, the reformed gas from the hydrogen generating unit is provided at the rear end of the hydrogen generating unit to purify hydrogen from the reformed gas. It further comprises the step of supplying to the purification unit.
여기서, 상기 수소생성유닛은 Cu/Zn 촉매를 포함하는 것을 특징으로 한다.Here, the hydrogen generating unit is characterized in that it includes a Cu/Zn catalyst.
그리고, 상기 수소정제유닛에 의해 정제되지 않은 잔여수소는 상기 연소기에 공급되며, 상기 잔여수소의 양에 따라 상기 연소기에 공급하는 메탄올과 산소의 양을 조절하는 것을 특징으로 한다.And, residual hydrogen not purified by the hydrogen purification unit is supplied to the combustor, and the amount of methanol and oxygen supplied to the combustor is adjusted according to the amount of the residual hydrogen.
또한, 상기 개질가스의 일산화탄소(CO) 농도가 10ppm 이상인 경우, 상기 수소생성유닛으로부터의 상기 개질 가스를 상기 수소생성유닛 후단에 구비되며 상기 개질 가스에 포함된 수소와 일산화탄소를 반응시켜 메탄으로 변환시키는 메탄 생성기로 공급하는 단계를 더 포함할 수 있다.In addition, when the carbon monoxide (CO) concentration of the reformed gas is 10 ppm or more, the reformed gas from the hydrogen generating unit is provided at the rear end of the hydrogen generating unit, and hydrogen and carbon monoxide contained in the reformed gas are reacted to convert to methane It may further comprise the step of supplying to the methane generator.
본 발명의 메탄올 수증기 개질 플랜트의 열 관리 시스템 및 열 관리 방법에 의하면, 시동 단계 및 온도에 따라 선택적으로 미개질 가스가 열관리유닛에 재공급되게 함으로써 연소량을 증가시켜 연료개질 플랜트의 승온 속도를 향상시킬 수가 있다.According to the thermal management system and thermal management method of a methanol steam reforming plant of the present invention, it is possible to increase the combustion amount by selectively re-supplying unreformed gas to the thermal management unit according to the starting stage and temperature, thereby improving the temperature increase rate of the fuel reforming plant. can be
도 1은 메탄올 수증기 개질 플랜트를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 메탄올 수증기 개질 플랜트의 열 관리 시스템을 도시한 것이다.1 schematically shows a methanol steam reforming plant.
Figure 2 shows the thermal management system of the methanol steam reforming plant of the present invention.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.In order to fully understand the present invention, the operational advantages of the present invention, and the objects achieved by the practice of the present invention, reference should be made to the accompanying drawings illustrating preferred embodiments of the present invention and the contents described in the accompanying drawings.
본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 기술이나 반복적인 설명은 그 설명을 줄이거나 생략하기로 한다.In describing preferred embodiments of the present invention, well-known techniques or repetitive descriptions that may unnecessarily obscure the gist of the present invention will be reduced or omitted.
도 1은 메탄올 수증기 개질 플랜트를 개략적으로 도시한 것이고, 도 2는 본 발명의 메탄올 수증기 개질 플랜트의 열 관리 시스템을 도시한 것이다.1 schematically shows a methanol steam reforming plant, and FIG. 2 shows a thermal management system of the methanol steam reforming plant of the present invention.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 메탄올 수증기 개질 플랜트의 열 관리 시스템 및 열 관리 방법을 설명하기로 한다.Hereinafter, a thermal management system and a thermal management method of a methanol steam reforming plant according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2 .
잠수함용 메탄올 수증기 개질 플랜트는 수소생성유닛(HGU), 수소정제유닛(HPU), 열관리 유닛(HMU), 개질기 제어 유닛(RCU, reformer control unit)으로 구성된다. 수소생성유닛은 공급받은 메탄올(MeOH)과 수증기(H2O)를 반응시켜 H2, CO, CO2, H2O로 전환하는 연료 개질기 또는 메탄올 개질기(Methanol Reformer)일 수 있다.The methanol steam reforming plant for submarines is composed of a hydrogen generation unit (HGU), a hydrogen purification unit (HPU), a heat management unit (HMU), and a reformer control unit (RCU). The hydrogen generating unit may be a fuel reformer or a methanol reformer that reacts the supplied methanol (MeOH) with water vapor (H 2 O) to convert it to H 2 , CO, CO 2 , and H 2 O.
수소정제유닛은 수소생성유닛에서 생성되는 H2, CO, CO2, H2O에서 고순도 H2로 정제시켜 연료 전지(Fuel Cell)로 공급하기 위한 것으로서, Pd 필터(Palladium filter)일 수 있다.The hydrogen purification unit is for supplying high-purity H 2 from H 2 , CO, CO 2 , and H 2 O generated in the hydrogen generating unit to a fuel cell, and may be a Pd filter (Palladium filter).
열관리 유닛은 다단연소기(Burner)를 포함하여, 수소생성유닛 및 기타 구성품에 필요한 열을 공급시켜 준다.The thermal management unit supplies the necessary heat to the hydrogen generating unit and other components, including the burner.
개질기 제어유닛은 메탄올 수증기 개질 플랜트 제어를 수행한다.The reformer control unit performs methanol steam reforming plant control.
메탄올 수증기 개질 플랜트를 운전하기 위해서는 가장 먼저 열관리 유닛에 포함되어 있는 다단연소기를 시동해야 한다. 다단연소기가 시동되면 열이 생산될 수 있고, 그 열로 수소생성유닛을 가열하여 개질 반응을 일으킬 수 있게 된다. 다단연소기 내부에는 연소촉매가 포함되어 있다. 일반적으로 연소촉매는 Pt 계열의 촉매를 사용한다.In order to operate the methanol steam reforming plant, the multi-stage combustor included in the thermal management unit must first be started. When the multi-stage combustor is started, heat can be produced, and a reforming reaction can occur by heating the hydrogen generating unit with the heat. A combustion catalyst is included in the multi-stage combustor. In general, the combustion catalyst uses a Pt-based catalyst.
다단연소기는 공급받은 메탄올과 산소를 연소시켜 고온의 연소가스를 획득할 수 있다. (수소와 산소의 연소를 통한 연소촉매 승온과정에 대한 설명은 생략한다). 연소가스는 다단연소기 내 포함되어 있는 열교환기를 통해 열매체(HTM, Heat Transfer Medium)와 열교환한다. HTM은 펌프에 의해서 열회로를 순환한다.The multi-stage combustor can obtain high-temperature combustion gas by burning the supplied methanol and oxygen. (The description of the combustion catalyst temperature raising process through the combustion of hydrogen and oxygen will be omitted). The combustion gas exchanges heat with a heat medium (HTM, Heat Transfer Medium) through the heat exchanger included in the multi-stage combustor. The HTM circulates the heat circuit by means of a pump.
특히 본 발명은 메탄올 연소기를 운전하여 수소생성유닛을 가열하는 과정에서 메탄올을 직접 다단연소기의 연소실로 투입하는 대신, 수소생성유닛에서 생성된 개질가스를 (전량) 연소기에 투입하여 승온시간 단축을 도모하며, 이를 위해 수소생성유닛과 수소정제유닛 간에는 개질가스를 선택적으로 공급하기 위한 셀렉터(10, Selector)가 구비된다. In particular, in the present invention, instead of directly injecting methanol into the combustion chamber of the multi-stage combustor in the process of heating the hydrogen generating unit by operating the methanol combustor, the reformed gas generated in the hydrogen generating unit (the whole amount) is put into the combustor to shorten the temperature increase time. To this end, a selector (10, Selector) for selectively supplying reformed gas is provided between the hydrogen generating unit and the hydrogen purification unit.
이하, 본 발명의 메탄올 수증기 개질플랜트의 운전 순서를 통해 열 관리 시스템 및 방법을 보다 구체적으로 설명한다.Hereinafter, the thermal management system and method will be described in more detail through the operation sequence of the methanol steam reforming plant of the present invention.
(1) 펌프를 운전하여 열매체를 순환시킨다.(1) Operate the pump to circulate the heating medium.
(2) B-수소(burner용 수소)와 B-산소(burner용 산소)를 다단연소기에 투입하여 연소촉매의 온도를 상승시킨다. 연소촉매는 상온이라 할지라도 수소의 높은 반응성으로 연소를 시작할 수 있다.(2) B-hydrogen (hydrogen for burner) and B-oxygen (oxygen for burner) are introduced into the multi-stage combustor to increase the temperature of the combustion catalyst. The combustion catalyst can start combustion with high reactivity of hydrogen even at room temperature.
(3) 연소촉매의 온도가 상승하면 B-메탄올(burner용 메탄올)과 B-산소를 연소기에 투입한다. 이때 B-수소 공급은 천천히 차단한다. B-메탄올을 기화시키기 위해서는 전기히터를 사용할 수도 있다. 이때 수소생성유닛에서는 P-질소를 공급할 수 있다. P-질소(process용 질소)는 수소생성유닛을 통과하면서 온도가 상승하고, 고온의 질소는 수소생성유닛 후단에 위치한 주요 구성품들의 온도를 상승시킨다. 이와 함께 질소는 튜브 내에 존재하는 불필요한 가스를 외부로 배출시켜 준다.(3) When the temperature of the combustion catalyst rises, B-methanol (methanol for burner) and B-oxygen are injected into the combustor. At this time, the B-hydrogen supply is cut off slowly. An electric heater may be used to vaporize B-methanol. At this time, the hydrogen generating unit may supply P-nitrogen. The temperature of P-nitrogen (nitrogen for process) rises as it passes through the hydrogen generating unit, and the high temperature nitrogen raises the temperature of major components located at the rear end of the hydrogen generating unit. In addition, nitrogen exhausts unnecessary gas existing in the tube to the outside.
(4) 열매체 및 수소생성유닛의 온도를 모니터링한다. 수소생성유닛의 온도가 특정 온도에 도달하면 P-메탄올(process용 메탄올)과 P-물(process용 물)을 수소생성유닛에 공급한다. 여기서 특정온도는 약 150~200도이다. 실험을 통해 Cu/Zn 촉매는 150~200도 부근에서 메탄올 전환율이 50% 미만 수준이다. 즉, 공급된 메탄올 중 50%만 개질반응에 참여하여 개질가스(수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 수증기)로 전환되고, 나머지 50%는 메탄올 그대로 Cu/Zn 촉매를 통과한다.(4) Monitor the temperature of the heating medium and the hydrogen generating unit. When the temperature of the hydrogen generating unit reaches a specific temperature, P-methanol (methanol for process) and P-water (water for process) are supplied to the hydrogen generating unit. Here, the specific temperature is about 150-200 degrees. Through experiments, the Cu/Zn catalyst has a methanol conversion rate of less than 50% in the vicinity of 150-200 degrees Celsius. That is, only 50% of the supplied methanol participates in the reforming reaction and is converted into reformed gas (hydrogen, carbon monoxide, carbon dioxide, water vapor), and the remaining 50% passes through the Cu/Zn catalyst as it is methanol.
이때 개질기 제어 유닛은 수소생성유닛 후단에 배치된 셀렉터(10)를 제어하여, 셀렉터(10) 후단 경로를 다단연소기 측으로 설정함으로써 수소생성유닛을 통과한 개질가스 및 메탄올을 다단연소기로 공급한다. 즉, 수소생성유닛에서 생성된 개질가스와 미반응 메탄올은 전량 연소기로 이동한다. 이때 중요한 것은 P-메탄올 공급량이 증가하는 것만큼 B-메탄올 공급량을 감소하는 것이다. 왜냐하면, 연소기에 과도한 연료가 공급되지 않게 제어하기 위해서이다.At this time, the reformer control unit controls the
'B-메탄올' 대신 '수소생성유닛에 의해 개질된 개질가스+잔여 메탄올'이 연소기로 공급되면 다음의 장점이 있다.If 'reformed gas + residual methanol reformed by the hydrogen generating unit' is supplied to the combustor instead of 'B-methanol', there are advantages as follows.
- 개질가스 내에 수소가 포함되어 있기 때문에 촉매 연소가 보다 안정적이다.- Catalytic combustion is more stable because hydrogen is included in the reformed gas.
- 메탄올 개질을 위해 '메탄올+물'이 수소생성유닛으로 공급되고, 개질된 이후 더 많아진 유량이 연소기로 공급되기 때문에 산소를 더 태울 수가 있다. (즉, 연소기에 물을 공급한 효과가 나타난다)- For methanol reforming, 'methanol + water' is supplied to the hydrogen generating unit, and more oxygen can be burned because a greater flow rate after reforming is supplied to the combustor. (that is, the effect of supplying water to the combustor appears)
- 연소기는 산소가 더 태워지고, 유량도 더 증가하였기 때문에 열교환기를 통해 열매체와 더 많이 열교환할 수 있다. 즉, 열매체의 승온속도가 증가한다.- Since the combustor burns more oxygen and increases the flow rate, it can exchange more heat with the heating medium through the heat exchanger. That is, the temperature increase rate of the heating medium increases.
(5) 열매체 및 열매체에 의해 승온된 수소생성유닛의 온도가 지속적으로 상승하여 250도 이상까지 도달하면 셀렉터(10)는 유로를 수소정제유닛 방향으로 전환시킨다. 이때 250도로 설정한 이유는 250도 이상에서 Cu/Zn 촉매의 메탄올 전환율이 100%에 달하기 때문이다. 즉, 수소생성유닛에 공급된 P-메탄올은 모두 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 수증기 형태로 전환된다. 수소정제유닛은 개질가스 중 수소를 정제하여 고순도 수소를 생산하고, 정제에 참여하지 못한 일부 수소 및 이산화탄소, 일산화탄소, 수증기(Residue gas)는 다시 연소기로 보낸다.(5) When the temperature of the heating medium and the hydrogen generating unit heated by the heating medium continuously rises and reaches 250 degrees or more, the
(5-1) 만약 더 낮은 열매체 및 수소생성유닛 온도에서 개질 반응을 일으키기 위해서는 수소생성유닛에 메탄올+물 뿐만 아니라 산소를 공급할 수 있다. 산소는 액체산소탱크나 과산화수소로부터 획득할 수 있다. 즉, 메탄올 수증기 개질 반응에 산소를 공급하여 더 낮은 온도에서 수증기 개질 반응을 일으킬 수 있다.(5-1) If the reforming reaction takes place at a lower heating medium and hydrogen generating unit temperature, not only methanol + water but also oxygen can be supplied to the hydrogen generating unit. Oxygen can be obtained from liquid oxygen tanks or hydrogen peroxide. That is, oxygen may be supplied to the methanol steam reforming reaction to cause the steam reforming reaction at a lower temperature.
(6) 셀렉터(10)가 유로를 수소정제유닛으로 선택하였다 하더라도 수소정제유닛이 곧바로 100% 작동하여 수소생성유닛에서 생산된 개질가스에서 고순도 수소를 획득하는 것은 아니다. 즉, 수소정제유닛은 주어진 조건에 따라 수소 통과량이 결정된다. 셀렉터(10)의 전환 초기 시점에는 소량의 수소만 필터링 되다가 수소정제유닛의 온도 및 압력이 증가하면서 걸러지는 수소량이 증가한다. 수소정제유닛에서 생산되는 고순도 수소량이 증가된다는 것은 그만큼 연소기로 공급되는 연료량이 감소한다는 것을 의미한다.(6) Even if the
(7) 정상상태에 도달한 이후부터는 다단연소기가 열매체와 수소생성유닛의 온도를 상승시키는 것이 아니라 일정 온도로 유지만 하면 된다. 즉, 연소기는 더 적은 열량만 생산하면 된다. 따라서 수소정제유닛에서 걸려지지 못한 잔여수소는 연소기에서 일산화탄소, 이산화탄소, 수증기 함께 산소와 연소를 하는 것만으로 열매체의 온도를 유지할 수 없다. 따라서 MFM을 통해 생산되는 고순도 수소량을 바탕으로 부족한 열량을 계산하여 추가적으로 B-메탄올을 연소기로 공급하도록 제어한다. 이때 Transient 구간에서 연소기가 과도한 온도 상승이 되지 않도록 산소량은 제어한다.(7) After reaching the steady state, the multi-stage combustor does not increase the temperature of the heating medium and the hydrogen generating unit, but only maintains it at a constant temperature. That is, the combustor only needs to produce less heat. Therefore, the residual hydrogen that is not caught in the hydrogen purification unit cannot maintain the temperature of the heating medium only by burning with oxygen together with carbon monoxide, carbon dioxide, and water vapor in the combustor. Therefore, the insufficient amount of heat is calculated based on the amount of high-purity hydrogen produced through MFM and additionally B-methanol is controlled to be supplied to the combustor. At this time, the amount of oxygen is controlled so that the combustor does not increase the temperature excessively in the transient section.
(8) 만약 수소정제유닛 이상 현상 발생 시(CO 농도 10 ppm 이상 검출 시), 셀렉터(10)는 유로를 메탄 생성기(methanation)로 선택하여 개질 반응으로 생성되는 수소와 CO를 반응시켜 CH4로 변환한다. 이를 통해 연료전지 모듈이 CO에 의해 피독되는 것을 방지할 수 있다.(8) If an abnormality occurs in the hydrogen purification unit (when the CO concentration is more than 10 ppm), the
이상과 같이 본 발명의 메탄올 수증기 개질 플랜트의 열 관리 시스템 및 열 관리 방법은 수소생성유닛 후단에 3 방향의 유로를 선택적으로 설정하는 셀렉터를 구비하여, 시동 초기에 개질가스 및 미반응 메탄올이 열관리유닛으로 공급되게 하여 열매체의 승온속도를 증가시킬 수가 있다.As described above, the thermal management system and thermal management method of the methanol steam reforming plant of the present invention include a selector for selectively setting flow paths in three directions at the rear end of the hydrogen generating unit, so that reformed gas and unreacted methanol are transferred to the thermal management unit at the initial stage of startup. It is possible to increase the temperature increase rate of the heating medium by supplying
이상과 같은 본 발명은 예시된 도면을 참조하여 설명되었지만, 기재된 실시 예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형될 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정 예 또는 변형 예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이며, 본 발명의 권리범위는 첨부된 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.The present invention as described above has been described with reference to the illustrated drawings, but it is not limited to the described embodiments, and it is common knowledge in the art that various modifications and variations can be made without departing from the spirit and scope of the present invention. It is self-evident to those who have Accordingly, such modifications or variations should be said to belong to the claims of the present invention, and the scope of the present invention should be interpreted based on the appended claims.
Methanol Reformer : 연료 개질기
Burner : 다단 연소기
Methanation : 메탄 생성기
Palladium filter : 팔라듐 필터
Fuel Cell : 연료 전지
10 : 셀렉터Methanol Reformer: Fuel reformer
Burner : Multi-stage burner
Methanation: Methane Generator
Palladium filter : Palladium filter
Fuel Cell: fuel cell
10 : selector
Claims (16)
상기 수소생성유닛에 필요한 열을 공급하는 열관리 유닛;
상기 개질가스로부터 수소를 정제하여 연료 전지에 공급하는 수소정제유닛;
상기 수소생성유닛과 상기 수소정제유닛 간에 구비되어, 복수 개의 유로 중 선택적으로 유로를 설정하는 셀렉터; 및
상기 수소생성유닛의 온도에 따라 상기 셀렉터에 의한 유로 선택을 제어하는 개질기 제어 유닛을 포함하며,
상기 열관리 유닛은,
공급받은 메탄올과 산소를 연소시켜 연소가스를 생성하는 연소기; 및
상기 수소생성유닛을 순환하는 열매체가 상기 연소가스와 열교환하는 열교환기를 포함하고,
상기 개질기 제어 유닛은 상기 수소생성유닛의 온도가 특정 온도 미만인 경우, 상기 셀렉터를 제어하여 상기 수소생성유닛을 통과한 상기 개질가스 및 미반응 메탄올 전량을 상기 연소기로 공급하는 것을 특징으로 하는,
메탄올 수증기 개질 플랜트의 열 관리 시스템.a hydrogen generating unit converting the supplied methanol and water into reformed gas;
a thermal management unit supplying heat necessary to the hydrogen generating unit;
a hydrogen purification unit purifying hydrogen from the reformed gas and supplying it to a fuel cell;
a selector provided between the hydrogen generating unit and the hydrogen purification unit to selectively set a flow path among a plurality of flow paths; and
a reformer control unit for controlling flow path selection by the selector according to the temperature of the hydrogen generating unit;
The thermal management unit,
a combustor for generating combustion gas by burning the supplied methanol and oxygen; and
A heat medium circulating in the hydrogen generating unit includes a heat exchanger for exchanging heat with the combustion gas,
When the temperature of the hydrogen generating unit is lower than a specific temperature, the reformer control unit controls the selector to supply the entire amount of the reformed gas and unreacted methanol that have passed through the hydrogen generating unit to the combustor,
Thermal management system of methanol steam reforming plant.
상기 수소생성유닛은 Cu/Zn 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는,
메탄올 수증기 개질 플랜트의 열 관리 시스템.The method according to claim 1,
The hydrogen generating unit is characterized in that it comprises a Cu / Zn catalyst,
Thermal management system of methanol steam reforming plant.
상기 셀렉터와 연결되며, 상기 개질가스 수소와 일산화탄소(CO)를 반응시켜 메탄(CH4)으로 변환시키는 메탄 생성기를 더 포함하는,
메탄올 수증기 개질 플랜트의 열 관리 시스템.The method according to claim 1,
Further comprising a methane generator connected to the selector and converting the reformed gas hydrogen and carbon monoxide (CO) into methane (CH 4 )
Thermal management system of methanol steam reforming plant.
상기 개질기 제어 유닛은 상기 수소생성유닛의 온도가 150도 이상 200도 이하의 특정 온도에서 상기 셀렉터를 제어하여 상기 열관리 유닛으로 유로가 선택되도록 하는 것을 특징으로 하는,
메탄올 수증기 개질 플랜트의 열 관리 시스템.The method according to claim 1,
The reformer control unit controls the selector at a specific temperature where the temperature of the hydrogen generating unit is 150 degrees or more and 200 degrees or less, characterized in that the flow path is selected as the thermal management unit,
Thermal management system of methanol steam reforming plant.
상기 개질기 제어 유닛은 상기 수소생성유닛의 온도가 250도에 도달하면, 상기 셀렉터를 제어하여 상기 수소정제유닛으로 유로가 선택되도록 하는 것을 특징으로 하는,
메탄올 수증기 개질 플랜트의 열 관리 시스템.9. The method of claim 8,
When the temperature of the hydrogen generating unit reaches 250 degrees, the reformer control unit controls the selector to select a flow path to the hydrogen purification unit,
Thermal management system of methanol steam reforming plant.
상기 연소기에 메탄올과 산소를 공급하는 단계;
상기 수소생성유닛에 메탄올과 물을 공급하는 단계; 및
상기 수소생성유닛의 온도를 모니터링하여, 상기 수소생성유닛의 온도가 특정 온도 미만인 경우, 상기 수소생성유닛으로부터의 상기 개질가스 및 미반응 메탄올을 상기 연소기로 공급하는 단계를 포함하는,
메탄올 수증기 개질 플랜트의 열 관리 방법.A method for thermal management of the thermal management system of the methanol steam reforming plant of claim 1, comprising:
supplying methanol and oxygen to the combustor;
supplying methanol and water to the hydrogen generating unit; and
Monitoring the temperature of the hydrogen generating unit, when the temperature of the hydrogen generating unit is less than a specific temperature, comprising the step of supplying the reformed gas and unreacted methanol from the hydrogen generating unit to the combustor,
Method of thermal management of methanol steam reforming plant.
상기 수소생성유닛에 메탄올과 물을 공급하는 단계 및 상기 개질가스 및 미반응 메탄올을 상기 연소기로 공급하는 단계는,
상기 수소생성유닛의 온도를 모니터링하여, 상기 수소생성유닛의 온도가 150도 이상 200도 이하의 특정 온도에서 수행하는 것을 특징으로 하는,
메탄올 수증기 개질 플랜트의 열 관리 방법.11. The method of claim 10,
The steps of supplying methanol and water to the hydrogen generating unit and supplying the reformed gas and unreacted methanol to the combustor include,
By monitoring the temperature of the hydrogen generating unit, characterized in that the temperature of the hydrogen generating unit is performed at a specific temperature of 150 degrees or more and 200 degrees or less,
Method of thermal management of methanol steam reforming plant.
상기 수소생성유닛에 메탄올과 물을 공급하는 단계 및 상기 개질가스 및 미반응 메탄올을 상기 연소기로 공급하는 단계 이후, 상기 수소생성유닛에 산소를 공급하는 단계를 더 포함하는,
메탄올 수증기 개질 플랜트의 열 관리 방법.12. The method of claim 11,
After supplying methanol and water to the hydrogen generating unit and supplying the reformed gas and unreacted methanol to the combustor, further comprising the step of supplying oxygen to the hydrogen generating unit
Method of thermal management of methanol steam reforming plant.
상기 수소생성유닛의 온도를 모니터링하여 상기 수소생성유닛의 온도가 250도에 도달하면, 상기 수소생성유닛으로부터의 상기 개질 가스를 상기 수소정제유닛으로 공급하는 단계를 더 포함하는,
메탄올 수증기 개질 플랜트의 열 관리 방법.12. The method of claim 11,
Further comprising the step of monitoring the temperature of the hydrogen generating unit and supplying the reformed gas from the hydrogen generating unit to the hydrogen purification unit when the temperature of the hydrogen generating unit reaches 250 degrees,
Method of thermal management of methanol steam reforming plant.
상기 수소생성유닛은 Cu/Zn 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는,
메탄올 수증기 개질 플랜트의 열 관리 방법.14. The method of claim 13,
The hydrogen generating unit is characterized in that it comprises a Cu / Zn catalyst,
Method of thermal management of methanol steam reforming plant.
상기 수소정제유닛에 의해 정제되지 않은 잔여수소는 상기 연소기에 공급되며,
상기 잔여수소의 양에 따라 상기 연소기에 공급하는 메탄올과 산소의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는,
메탄올 수증기 개질 플랜트의 열 관리 방법.14. The method of claim 13,
Residual hydrogen not purified by the hydrogen purification unit is supplied to the combustor,
Characterized in that the amount of methanol and oxygen supplied to the combustor is adjusted according to the amount of the residual hydrogen,
Method of thermal management of methanol steam reforming plant.
상기 개질가스의 일산화탄소(CO) 농도가 10ppm 이상인 경우, 상기 수소생성유닛으로부터의 상기 개질 가스를 상기 셀렉터 후단에 구비되며 상기 개질 가스에 포함된 수소와 일산화탄소를 반응시켜 메탄으로 변환시키는 메탄 생성기로 공급하는 단계를 더 포함하는,
메탄올 수증기 개질 플랜트의 열 관리 방법.14. The method of claim 13,
When the carbon monoxide (CO) concentration of the reformed gas is 10 ppm or more, the reformed gas from the hydrogen generating unit is provided at the rear end of the selector and is supplied to a methane generator that reacts hydrogen and carbon monoxide contained in the reformed gas to convert it into methane further comprising the step of
Method of thermal management of methanol steam reforming plant.
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Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002106308A (en) * | 2000-09-29 | 2002-04-10 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Method of recovering heat, utilizing heat, and generating power by using chemical energy |
| JP2003243018A (en) * | 2002-02-15 | 2003-08-29 | Babcock Hitachi Kk | Hydrogen manufacturing equipment and its operation method |
| WO2015029543A1 (en) * | 2013-08-26 | 2015-03-05 | 住友精化株式会社 | Hydrogen production method |
| KR102019184B1 (en) | 2019-06-20 | 2019-09-06 | 국방과학연구소 | A fuel reforming system comprising a plurality of combustion unitsd and operation method thereof |
| KR102188389B1 (en) | 2020-06-24 | 2020-12-08 | 국방과학연구소 | Method for Multistage combustor combustion catalyst starting of Fuel Reforming Plant |
| KR102269268B1 (en) | 2020-12-08 | 2021-06-25 | 국방과학연구소 | Burning system comprising multi-stage burner apparatus using catalyst and control method thereof |
-
2021
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002106308A (en) * | 2000-09-29 | 2002-04-10 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Method of recovering heat, utilizing heat, and generating power by using chemical energy |
| JP2003243018A (en) * | 2002-02-15 | 2003-08-29 | Babcock Hitachi Kk | Hydrogen manufacturing equipment and its operation method |
| WO2015029543A1 (en) * | 2013-08-26 | 2015-03-05 | 住友精化株式会社 | Hydrogen production method |
| KR102019184B1 (en) | 2019-06-20 | 2019-09-06 | 국방과학연구소 | A fuel reforming system comprising a plurality of combustion unitsd and operation method thereof |
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