KR102618758B1 - 암모니아 크래킹을 이용한 수소 생산 설비 및 수소 생산 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 고온 열원 장치와, 상기 고온 열원 장치로 유입되어, 상기 고온 열원 장치와 열교환하여 온도가 상승되어 배출되는 제1작동유체와, 상기 고온 열원 장치에서 배출되는 상기 제1작동유체가 유입된 후, 온도가 하강되어 다시 상기 고온 열원 장치로 배출되는 제1열교환기와, 상기 제1열교환기로 유입되어 상기 제1작동유체와 열교환하여 온도가 상승되어 배출되는 제2작동유체와, 암모니아가 유입되며, 상기 암모니아 분해 촉매가 구비된 반응기와, 상기 제1열교환기로부터 배출된 상기 제2작동유체를 이용하여 상기 반응기에 열을 공급하는 열공급기를 포함하며, 상기 반응기에서는 상기 유입된 암모니아가 상기 촉매 및 상기 열공급기로부터 공급된 열에 의하여 수소 가스와 질소 가스로 크래킹된 후, 상기 반응기로부터 배출되는 암모니아 크래킹을 이용한 수소 생산 설비를 제공한다.
따라서, 본 발명에서는, 고온 열원 장치로부터 전달된 열원을 이용하여 반응기에 열에너지를 공급하기 때문에, 전기 사용량이 감소되고, 암모니아의 불필요한 연료원으로서의 사용이 배제되기 때문에, 수소 생산 원가가 절감된다.
따라서, 본 발명에서는, 고온 열원 장치로부터 전달된 열원을 이용하여 반응기에 열에너지를 공급하기 때문에, 전기 사용량이 감소되고, 암모니아의 불필요한 연료원으로서의 사용이 배제되기 때문에, 수소 생산 원가가 절감된다.
Description
본 발명은 암모니아 크래킹을 이용한 수소 생산 설비 및 수소 생산 방법에 관한 것이며, 보다 상세하게는 전기 사용량이 감소되며 수소 생산량이 증가함으로써 수소 생산 원가가 절감되는 암모니아 크래킹을 이용한 수소 생산 설비 및 수소 생산 방법에 대한 것이다.
화석 연료 사용에 따른 지구 온난화 문제를 해결하기 위하여, 신규 에너지원으로서 수소를 활용하는 연구개발이 활발하게 진행되고 있다.
수소를 생산하는 방법 중의 하나는 암모니아를 촉매를 활용하여 크래킹하는 것이다. 하지만, 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 공정은 흡열 과정이기 때문에, 고온의 열에너지가 필요하다.
도 1에 일반적인 암모니아 크래킹을 이용한 수소 생산 설비의 구성도가 개시되어 있다.
도 1을 참조하면, 촉매가 들어있는 반응로(40)가 전기히터(30)에 의하여 800~900℃로 가열된다. 상기 촉매 반응로(40)에 암모니아 열교환기(50)를 거친 암모니아가 공급되어, 질소와 수소의 혼합가스로 크래킹된다. 상기 혼합가스에서 수소가 분리되어 저장된다.
하지만, 상기 반응로(40)를 가열하기 위해 전기히터(30)가 사용되기 때문에, 운영비가 많이 들고, 대용량하기 어려운 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, 암모니아 일부를 연소시켜 반응로를 가열하는 방법이 모색되고 있으나, 이 경우에는 연료로 사용되는 암모니아만큼 수소 생산량이 줄어드는 단점이 있다.
본 발명의 목적은, 전기 사용량이 감소되며 수소 생산량이 증가함으로써 수소 생산 원가가 절감되는 암모니아 크래킹을 이용한 수소 생산 설비 및 수소 생산 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명은, 고온 열원 장치와, 상기 고온 열원 장치로 유입되어, 상기 고온 열원 장치와 열교환하여 온도가 상승되어 배출되는 제1작동유체와, 상기 고온 열원 장치에서 배출되는 상기 제1작동유체가 유입된 후, 온도가 하강되어 다시 상기 고온 열원 장치로 배출되는 제1열교환기와, 상기 제1열교환기로 유입되어 상기 제1작동유체와 열교환하여 온도가 상승되어 배출되는 제2작동유체와, 암모니아가 유입되며, 상기 암모니아 분해 촉매가 구비된 반응기와, 상기 제1열교환기로부터 배출된 상기 제2작동유체를 이용하여 상기 반응기에 열을 공급하는 열공급기를 포함하며, 상기 반응기에서는 상기 유입된 암모니아가 상기 촉매 및 상기 열공급기로부터 공급된 열에 의하여 수소 가스와 질소 가스로 크래킹된 후, 상기 반응기로부터 배출되는 암모니아 크래킹을 이용한 수소 생산 설비를 제공한다.
본 발명에 있어서, 상기 수소 생산 설비는, 상기 반응기로 유입되는 상기 암모니아가, 상기 반응기로부터 배출되는 상기 수소 가스 및 상기 질소 가스와 열교환하여, 상기 암모니아를 예열하는 제2열교환기를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 고온 열원 장치는 원자로 형식을 가지는 초고온 가스로이며, 상기 제1작동유체는 상기 초고온 가스로의 냉각제인 헬륨 가스일 수 있다. 이 때, 상기 제1열교환기로 유입되는 상기 제1작동유체의 온도는 930℃ 이상일 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 제2작동 유체는 스팀이고, 상기 제2작동 유체의 온도는 800℃ 내지 900℃일 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 열공급기는 압력 용기이며, 상기 반응기는 상기 압력 용기 내에 배치될 수 있다. 이 때, 상기 압력 용기의 상부에는 상기 제2작동유체가 유입되는 유입구가 형성되고 있고, 하부에는 상기 제2작동유체가 배출되는 배출구가 형성되어 있으며, 상기 유입구로 유입된 상기 제2작동유체는 상기 반응기를 둘러싸면서 열을 공급한 후, 상기 배출구를 통하여 배출될 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 반응기에서 배출되는 상기 수소 가스 및 상기 질소 가스의 온도는 800℃ 내지 900℃일 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 열공급기에서 온도가 하강한 스팀은 상기 제1열교환기로 재유입될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 본 발명은, 원자로 형식을 가지는 초고온 가스로를 포함하는 고온 열원 장치와, 상기 고온 열원 장치로 유입되어, 상기 고온 열원 장치와 열교환하여 온도가 상승되어 배출되는 헬륨 가스와, 상기 고온 열원 장치에서 배출되는 상기 헬륨 가스가 유입된 후, 온도가 하강되어 다시 상기 고온 열원 장치로 배출되는 제1열교환기와, 상기 제1열교환기로 유입되어 상기 제1작동유체와 열교환하여 온도가 상승되어 배출되는 스팀과, 암모니아가 유입되며, 상기 암모니아 분해 촉매가 구비된 반응기와, 상기 반응기가 내부에 배치되며, 상기 제1열교환기로부터 배출된 상기 스팀을 이용하여 상기 반응기에 열을 공급하는 열공급기를 포함하며, 상기 반응기에서는 상기 유입된 암모니아가 상기 촉매 및 상기 열공급기로부터 공급된 열에 의하여 수소 가스와 질소 가스로 크래킹된 후, 상기 반응기로부터 배출되는 암모니아 크래킹을 이용한 수소 생산 설비를 제공한다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 본 발명은, 고온 열원 장치를 이용하여 제1작동유체의 온도를 상승시키는 단계와, 상기 온도가 상승된 상기 제1작동유체와 제2작동유체를 열교환하여, 상기 제2작동유체의 온도를 상승시키는 단계와, 암모니아 분해 촉매가 구비된 반응기에 암모니아를 공급하고, 상기 반응기를 상기 온도가 상승된 제2작동유체로 열을 공급하여, 상기 공급된 암모니아가 상기 촉매 및 상기 공급된 열에 의하여 수소 가스와 질소 가스로 크래킹된 후, 상기 반응기로부터 배출되는 단계를 포함하는 암모니아 크래킹을 이용한 수소를 생산하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 암모니아 크래킹을 이용한 수소 생산 설비 및 수소 생산 방법에는, 고온 열원 장치로부터 전달된 열원을 이용하여 반응기에 열에너지를 공급하기 때문에, 전기 사용량이 감소되고, 암모니아의 불필요한 연료원으로서의 사용이 배제되기 때문에, 수소 생산 원가가 절감된다.
도 1은 일반적인 암모니아를 이용한 수소 생산 설비의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수소 생산 설비의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 열공급기 및 반응기의 구조를 보여주는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 수소 생산 설비의 구성을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 열공급기 및 반응기의 구조를 보여주는 구성도이다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 생산 설비(100)는, 고온 열원 장치(110), 제1열교환기(120), 반응기(140), 열공급기(130) 및 제2열교환기(150)를 포함한다.
상기 고온 열원 장치(110)는 원자로 형식을 가지는 초고온 가스로이다. 상기 초고온 가스로(110)는, 기존 3세대 원자로의 안정성을 10배 이상 증가시킨 4세대 원자로 형식이다. 상기 초고온 가스로(110)에서는 감속재로 흑연이 사용되며, 냉각제로 헬륨 가스가 사용된다. 특히, 헬륨 가스의 온도가 고온으로 상승될 수 있으며 이를 이용하여 전력 및 스팀생산 가능한 장점을 가진다.
제1작동유체는 상기 초고온 가스로(110)의 냉각제로 사용되는 헬륨 가스이다. 상기 제1작동유체는 상기 초고온 가스로(110)에서 온도가 상승되어 배출된다. 상기 제1작동유체로는 헬륨 가스 이외에 다른 물질도 이용 가능하다.
상기 배출되는 상기 제1작동유체의 온도는 930℃ 이상(또는 950℃ 이상)이다. 상기 배출된 제1작동유체는 상기 제1열교환기(120)에서 열교환된 후, 다시 상기 초고온 가스로(120)로 순환된다. 즉, 상기 제1작동유체는 상기 초고온 가스로(110)와 상기 제1열교환기(120)를 순환하는 폐순환 유동 구조를 가진다.
제2작동유체가 상기 제1열교환기(120)로 유입되어, 상기 제1작동유체와 열교환한다. 상기 제2작동유체는 스팀이 이용되지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.
상기 제1열교환기(120)에서 배출되는 상기 제2작동유체의 온도는 800℃ 내지 900℃로 매우 높다. 이렇게 고온이 된 상기 제2작동유체는 열공급기(130)로 공급된다.
상기 열공급기(130)는 압력 용기이며, 상기 열공급기(130) 내에는 상기 반응기(140)가 배치되어 있다. 도 3을 참조하면, 상기 압력 용기(130)의 상부에는 상기 제2작동유체가 유입되는 유입구(131)가 형성되고 있고, 하부에는 상기 제2작동유체가 배출되는 배출구(132)가 형성되어 있다. 상기 유입구(131)로 유입된 상기 제2작동유체는 상기 압력 용기(130)의 상부에서 하부로 유동하는 동안 상기 반응기(140)를 둘러싸면서 열을 공급한 후, 상기 배출구(132)를 통하여 배출된다. 상기 제2작동유체는 상기 열공급기(130)와 상기 제1열교환기(120)를 순환하는 폐순환 유동 구조를 가진다.
외부로부터 암모니아(가스 상태 또는 액체 상태 모두 가능)가 저장탱크 또는 파이프라인을 통하여 상기 반응기(140)로 공급된다. 상기 암모니아는 상기 촉매 및 상기 열공급기(130)로부터 공급된 열에 의하여 수소 가스와 질소 가스로 크래킹된 후, 외부로 배출된다.
상기 외부로부터 유입되는 암모니아는 상기 제2열교환기(150)를 거치면서 예열된다. 즉, 상기 반응기(140)에서 배출되는 수소 가스와 질소 가스가 상기 제2열교환기(150)에서 상기 유입되는 암모니아를 예열한다.
도 4를 참조하여, 상기 수소 생산 설비에서 암모니아를 이용하여 수소를 생산하는 공정은 다음과 같다.
먼저, 상기 고온 열원 장치(110)를 이용하여 상기 제1작동유체의 온도를 상승시킨다(S110 단계). 그 후, 상기 온도가 상승된 상기 제1작동유체와 상기 제2작동유체를 열교환하여, 상기 제2작동유체의 온도를 상승시킨다(S120 단계).
상기 반응기(140)에 암모니아를 공급하고, 상기 반응기(140)를 상기 온도가 상승된 제2작동유체로 열을 공급한다. 상기 촉매 및 상기 공급된 열에 의하여 상기 공급된 암모니아를 크래킹한다(S130 단계).
상기 크래킹 공정에 의하여, 상기 암모니아는 상기 반응기 내에서 상부로 유동하면서 수소 가스와 질소 가스로 분해된 후, 상기 반응기의 상부 측면으로부터 배출된다(S140 단계).
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 수소 생산 설비 110: 고온 열원 장치
120: 제1열교환기 130: 열공급기
140: 반응기 150: 제2열교환기
120: 제1열교환기 130: 열공급기
140: 반응기 150: 제2열교환기
Claims (12)
- 고온 열원 장치;
상기 고온 열원 장치로 유입되어, 상기 고온 열원 장치와 열교환하여 온도가 상승되어 배출되는 제1작동유체;
상기 고온 열원 장치에서 배출되는 상기 제1작동유체가 유입된 후, 온도가 하강되어 다시 상기 고온 열원 장치로 배출되는 제1열교환기;
상기 제1열교환기로 유입되어 상기 제1작동유체와 열교환하여 온도가 상승되어 배출되는 제2작동유체;
암모니아가 유입되며, 상기 암모니아 분해 촉매가 구비된 반응기; 및
상기 제1열교환기로부터 배출된 상기 제2작동유체를 이용하여 상기 반응기에 열을 공급하는 열공급기를 포함하며,
상기 반응기에서는 상기 유입된 암모니아가 상기 촉매 및 상기 열공급기로부터 공급된 열에 의하여 수소 가스와 질소 가스로 크래킹된 후, 상기 반응기로부터 배출되고,
상기 반응기로 유입되는 상기 암모니아가, 상기 반응기로부터 배출되는 상기 수소 가스 및 상기 질소 가스와 열교환하여, 상기 암모니아를 예열하는 제2열교환기를 더 포함하고,
상기 열공급기는 압력 용기이며, 상기 반응기는 상기 압력 용기 내에 배치되고,
상기 압력 용기의 상부에는 상기 제2작동유체가 유입되는 유입구가 형성되고 있고, 하부에는 상기 제2작동유체가 배출되는 배출구가 형성되어 있으며,
상기 유입구로 유입된 상기 제2작동유체는 상기 압력 용기의 상부에서 하부로 유동하는 동안 상기 반응기를 둘러싸면서 열을 공급한 후, 상기 배출구를 통하여 배출되고,
상기 반응기의 하부 측면로 유입된 상기 암모니아는 상기 반응기의 상부로 유동하면서 수소 가스 및 질소 가스로 크래킹된 후 상기 반응기의 상부 측면으로 배출되고,
상기 열공급기에서 온도가 하강한 상기 제2작동유체는 상기 제1열교환기로 재유입되는,
암모니아 크래킹을 이용한 수소 생산 설비. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 고온 열원 장치는 원자로 형식을 가지는 초고온 가스로이며,
상기 제1작동유체는 상기 초고온 가스로의 냉각제인 헬륨 가스인 암모니아 크래킹을 이용한 수소 생산 설비. - 청구항 3에 있어서,
상기 제1열교환기로 유입되는 상기 제1작동유체의 온도는 930℃ 이상인 암모니아 크래킹을 이용한 수소 생산 설비. - 청구항 1에 있어서,
상기 제2작동 유체는 스팀인 암모니아 크래킹을 이용한 수소 생산 설비. - 청구항 5에 있어서,
상기 제2작동 유체의 온도는 800℃ 내지 900℃인 암모니아 크래킹을 이용한 수소 생산 설비. - 삭제
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상기 반응기에서 배출되는 상기 수소 가스 및 상기 질소 가스의 온도는 800℃ 내지 900℃인 암모니아 크래킹을 이용한 수소 생산 설비. - 삭제
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Applications Claiming Priority (1)
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| KR1020210181317A KR102618758B1 (ko) | 2021-12-17 | 2021-12-17 | 암모니아 크래킹을 이용한 수소 생산 설비 및 수소 생산 방법 |
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2021
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