KR102621148B1 - Thermochemical redox cycle combined with biomass gasification process for hydrogen production - Google Patents

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Abstract

본원은 상단 사이클 공정 및 하단 사이클 공정을 통해 수소를 생성하는, 수소 이중 생성 공정 및 이를 구동하는 수소 이중 생성 장치에 관한 것이다.The present application relates to a hydrogen dual generation process that generates hydrogen through an upper cycle process and a lower cycle process, and a hydrogen dual generation device that drives the same.

Description

바이오매스 가스화 공정과 결합된 수소 생성 열화학적 레독스 사이클 {THERMOCHEMICAL REDOX CYCLE COMBINED WITH BIOMASS GASIFICATION PROCESS FOR HYDROGEN PRODUCTION}Hydrogen generation thermochemical redox cycle combined with biomass gasification process {THERMOCHEMICAL REDOX CYCLE COMBINED WITH BIOMASS GASIFICATION PROCESS FOR HYDROGEN PRODUCTION}

본원은 상단 사이클 공정 및 하단 사이클 공정을 통하여 수소를 생성하는, 수소 이중 생성 공정 및 이를 구동하는 수소 이중 생성 장치에 관한 것이다.The present application relates to a hydrogen dual generation process that generates hydrogen through an upper cycle process and a lower cycle process, and a hydrogen dual generation device that drives the same.

두 가지 메가 트렌드가 현대 사회에서 온실 가스 감축을 주도하고 있다. 첫 번째 트렌드는 그리드 재생에너지화(renewablization)이다. 태양광 발전(PV)은 2008년 ~$4/W에서 2019년 $0.2/W로 하락한 태양광 모듈 가격의 급격한 하락으로 인하여 이제 미국에서 가장 저렴한 발전 방법 중 하나가 되었다. 두 번째 트렌드는 차량 전동화로서, 2019년 전 세계 배터리 전기차의 대수는 479만 대에 달했으며, 앞으로 빠르게 증가할 것으로 예상된다. 이는 주로 리튬 이온 배터리 가격이 2010년 $1,183/kWh에서 2019년 $156/kWh로 지속적으로 하락했기 때문이다.Two mega trends are driving greenhouse gas reductions in modern society. The first trend is grid renewal. Photovoltaic power (PV) is now one of the cheapest methods of power generation in the U.S. due to the rapid decline in solar module prices, which fell from ~$4/W in 2008 to $0.2/W in 2019. The second trend is vehicle electrification. In 2019, the number of battery electric vehicles worldwide reached 4.79 million and is expected to increase rapidly in the future. This is mainly due to the continued decline in lithium-ion battery prices from $1,183/kWh in 2010 to $156/kWh in 2019.

그러나 어떤 분야들은 이러한 두 가지 주요 노력으로 온실가스 배출을 줄이기 어렵다. 예를 들어, 2014년 모든 화석 연료 및 산업적인 소스로부터 전 세계 CO2 배출량의 5%를 배출한 항공 또는 해운 부문은 이동 거리가 길고 제한된 공간으로 인해 고에너지 밀도 화학 연료가 필요하다. 2014년 모든 화석 연료 및 산업 자원에서 전 세계 CO2 배출량의 9%를 생산한 철 및 시멘트 산업도 열 공급뿐만 아니라 환원제를 제공하기 위해 많은 양의 화학 연료가 필요하다.However, some sectors find it difficult to reduce greenhouse gas emissions with these two major efforts. For example, the aviation or shipping sectors, which produced 5% of global CO2 emissions from all fossil fuel and industrial sources in 2014, require high energy density chemical fuels due to long travel distances and limited space. The iron and cement industries, which produced 9% of global CO2 emissions from all fossil fuels and industrial sources in 2014, also require large amounts of chemical fuels to provide reducing agents as well as heat supply.

수소는 선박의 디젤이나 제강의 석탄과 같은 이러한 부문의 기존 화학 연료를 직접 대체할 수 있기 때문에 이러한 부문에서 온실 가스 배출을 획기적으로 줄이는 핵심 구성 요소로 간주되었다. 또한 기반 시설의 변경 없이 이러한 부문에서 활용하기 위해 제트 연료와 같은 고급 탄화수소로 추가 처리될 수 있다. 그러나 수소는 다른 1차 에너지원에서 생산되어야 하는 전기와 같은 2차 에너지원이므로, 전 과정 온실 가스 배출량은 생산 경로에 크게 의존한다.Hydrogen has been seen as a key component in dramatically reducing greenhouse gas emissions from these sectors because it can directly replace existing chemical fuels in these sectors, such as diesel in ships or coal in steelmaking. It can also be further processed into advanced hydrocarbons, such as jet fuel, for utilization in these sectors without changes to infrastructure. However, since hydrogen is a secondary energy source like electricity that must be produced from another primary energy source, greenhouse gas emissions throughout the entire process are highly dependent on the production route.

수소 생산에 가장 자주 사용되는 기술은 증기 메탄 개질이며, 이 경로의 수소 생산 비용은 ~$2/kg-H2로 비교적 저렴하지만 공급 원료에 탄소가 있기 때문에 불가피하게 이산화탄소 배출이 발생한다. 또 다른 대표적인 경로는 물 분해이며, 이 경로는 물에 탄소가 전혀 포함되어 있지 않아 바람직하지만, 물 분해 반응이 흡열성이 높아 많은 에너지 투입이 필요하다.The most frequently used technology for hydrogen production is steam methane reforming. The cost of hydrogen production through this route is relatively inexpensive at ~$2/kg-H 2 , but carbon dioxide emissions are unavoidable due to the presence of carbon in the feedstock. Another representative route is water decomposition. This route is desirable because the water does not contain any carbon, but the water decomposition reaction is highly endothermic and requires a lot of energy input.

상술한 문제들을 해결하기 위해 열화학적 레독스 사이클이 제안되었다. 추가 반응물을 가짐으로써 물 분해 반응을 산소 및 수소 발생 반응으로 분해할 수 있으며 필요한 온도도 낮출 수 있으며, 지금까지 열화학적 산화환원 순환에서 상기 추가 반응물에 대해 금속 산화물(MOx)이 연구되었다. 특히, 비화학량론적 산소 환원을 통해 격자에 산소 결손을 갖는 금속 산화물은 상변화가 없고 사이클링에 좋은 생성물 분리가 용이하기 때문에 본 기술에서 주로 사용되어 왔다. 금속 산화물의 산소 발생 반응과 수소 발생 반응은 각각 식 (3)과 (4)와 같이 나타낼 수 있다.A thermochemical redox cycle was proposed to solve the above-mentioned problems. By having additional reactants, the water splitting reaction can be decomposed into oxygen and hydrogen evolution reactions and the required temperature can also be lowered. So far, metal oxides (MO x ) have been studied as the additional reactants in thermochemical redox cycles. In particular, metal oxides with oxygen vacancies in the lattice through non-stoichiometric oxygen reduction have been mainly used in this technology because they do not undergo phase change and are easy to separate products that are good for cycling. The oxygen evolution reaction and hydrogen evolution reaction of metal oxide can be expressed as equations (3) and (4), respectively.

산소 환원량(δ)은 열역학적 평형에 의해 결정되며, 온도가 높고 산소 압력이 낮을수록 산소 환원량이 커진다. 따라서 환원 반응은 δ 를 증가시키기 위해 더 높은 온도 및 더 낮은 산소 압력에서 수행되고 산화 반응은 더 낮은 온도 및 더 높은 산소 압력에서 수행되어 δ 를 감소시킨다. 이 기술에 사용되는 대표적인 물질(benchmark material)인 Ceria(CeO8)의 경우, 일반적으로 1 mbar의 산소압 및 1,500℃, 및 상압(ambient pressure) 및 900℃의 조건에서 각각 환원 및 산화 반응을 수행한다.The amount of oxygen reduction (δ) is determined by thermodynamic equilibrium, and the higher the temperature and the lower the oxygen pressure, the greater the amount of oxygen reduction. Therefore, the reduction reaction is performed at higher temperature and lower oxygen pressure to increase δ, and the oxidation reaction is performed at lower temperature and higher oxygen pressure to decrease δ. In the case of Ceria (CeO 8 ), a benchmark material used in this technology, reduction and oxidation reactions are generally performed under conditions of 1 mbar of oxygen pressure and 1,500°C, and ambient pressure and 900°C, respectively. do.

열화학적 레독스 사이클의 온도는 직접 열분해의 온도보다 훨씬 낮지만 여전히 고온이므로 금속 산화물에 고온의 열을 공급해야 하여, 다양한 재생 가능한 열원 중 집광 태양열이 가장 많이 연구되었다. 헬리오스탯(heliostat)에 의해 집중된 태양광은 반응기에 도달하여 반응기 내의 금속산화물에 흡수된다. 금속 산화물은 환원 반응, 온도 감소, 산화 반응, 및 온도 상승의 4단계로 구성된 열화학적 산화환원 사이클을 수행한다 (도 1): 첫째, 고온, 저산소압에서 흡열 환원 반응으로 금속산화물이 환원되어 산소를 방출한다. 둘째, 환원된 금속 산화물의 온도는 환원 온도에서 산화 온도로 낮아진다. 셋째, 환원된 금속산화물은 물과 반응하여 재산화되고 발열 산화 반응을 통해 수소를 생성한다. 넷째, 금속 산화물의 온도를 산화 온도에서 환원 온도로 상승시켜 첫 번째 단계를 반복할 준비를 한다. 집광된 태양 에너지는 환원 반응과 온도 상승 단계에서 활용된다.Although the temperature of the thermochemical redox cycle is much lower than that of direct pyrolysis, it is still high, so high-temperature heat must be supplied to the metal oxide. Therefore, among various renewable heat sources, concentrated solar heat has been studied the most. The sunlight concentrated by the heliostat reaches the reactor and is absorbed by the metal oxide in the reactor. Metal oxides undergo a thermochemical redox cycle consisting of four stages: reduction reaction, temperature decrease, oxidation reaction, and temperature increase (Figure 1): First, the metal oxide is reduced through an endothermic reduction reaction at high temperature and low oxygen pressure to produce oxygen. emits. Second, the temperature of the reduced metal oxide is lowered from the reduction temperature to the oxidation temperature. Third, the reduced metal oxide reacts with water to be reoxidized and generates hydrogen through an exothermic oxidation reaction. Fourth, prepare to repeat the first step by raising the temperature of the metal oxide from the oxidation temperature to the reduction temperature. The concentrated solar energy is utilized in the reduction reaction and temperature rise steps.

그러나, 세리아(ceria)를 사용한 실험적 증명 실험에서 하루에 수행할 수 있는 사이클의 횟수가 6 내지 8로 한정되며, 효율도 약 5 내지6%로 그리 높지 않은 것으로 나타났다. However, experimental verification tests using ceria showed that the number of cycles that can be performed per day is limited to 6 to 8, and the efficiency is not very high at about 5 to 6%.

J.W. Kim et al., "Thermochemical cycles for hydrogen production from water", Journal of Energy Engineering, vol. 15, No. 2, pp. 107~117, 2006.J.W. Kim et al., “Thermochemical cycles for hydrogen production from water”, Journal of Energy Engineering, vol. 15, No. 2, pp. 107~117, 2006.

본원은 열화학적 레독스 사이클 공정에 하단 사이클 공정이 결합된 수소 이중 생성 공정 및 수소 이중 생성 장치를 제공하고자 한다.The present application seeks to provide a hydrogen dual generation process and a hydrogen dual generation device in which a bottom cycle process is combined with a thermochemical redox cycle process.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.However, the problem to be solved by the present application is not limited to the problems mentioned above, and other problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the description below.

본원의 제 1 측면은, 열화학적 레독스 사이클을 포함하는 상단 사이클 공정; 및 상기 상단 사이클에서 발생하는 폐열 및 순산소를 사용하는 하단 사이클 공정을 포함하며, 상기 상단 사이클 공정 및 상기 하단 사이클 공정은 모두 수소를 생성하는 것인, 수소 이중 생성 공정을 제공한다.A first aspect of the present disclosure is a top cycle process comprising a thermochemical redox cycle; and a bottom cycle process using waste heat and pure oxygen generated in the top cycle, wherein both the top cycle process and the bottom cycle process generate hydrogen.

본원의 제 2 측면은, 열화학적 레독스 사이클 공정을 구동하는 상단 사이클 장치; 및 상기 상단 사이클 장치에서 발생하는 폐열 및 순산소를 사용하는 하단 사이클 장치를 포함하며, 상기 상단 사이클 장치 및 상기 하단 사이클 장치는 모두 수소를 생성하는 것인, 본원의 제 1 측면에 따른 수소 이중 생성 공정을 구동하는 수소 이중 생성 장치를 제공한다.A second aspect of the present application includes an upper cycle device that drives a thermochemical redox cycle process; and a lower cycle device using waste heat and pure oxygen generated in the upper cycle device, wherein both the upper cycle device and the lower cycle device generate hydrogen. Provided is a dual hydrogen production device that drives the process.

본원의 시스템에서 상단 사이클 공정에서 생성된 순수한 산소와 폐열은 버려지지 않고 하단 사이클 공정으로 전달된다. 전달된 폐열은 매우 높은 온도의 고품질이고 상단 및 하단 사이클 공정에서 복합적으로 수소를 생성하는 바, 본원의 수소 이중 생성 공정의 수소 생산성은 높은 경제성이 있다.In our system, pure oxygen and waste heat generated in the upper cycle process are not discarded but are transferred to the lower cycle process. The transferred waste heat is of high quality at a very high temperature and produces hydrogen in combination in the top and bottom cycle processes, so the hydrogen productivity of the hydrogen dual production process of the present invention is highly economical.

바이오매스는 태양 에너지를 받아 유기물을 합성하는 생물 유기체이며 동물, 나무, 짚, 숯 등을 포함한다. 외부에서 하단 사이클 공정으로 공급되는 바이오매스의 종류는 한 종에 국한되지 않고 범위가 넓다. 상기 하단 사이클 공정의 바이오매스 원료의 제한이 없는 바, 원료 수급 문제를 받지 않고 다양한 장소, 지역에서 사용될 수 있는 이점이 있다.Biomass is a biological organism that synthesizes organic matter by receiving solar energy and includes animals, wood, straw, charcoal, etc. The type of biomass supplied from outside to the bottom cycle process is not limited to one species but has a wide range. Since there are no restrictions on the biomass raw materials for the bottom cycle process, there is an advantage that it can be used in various places and regions without facing problems with raw material supply and demand.

도 1은, 집광 태양열 조사를 사용하는 열화학적 레독스 사이클의 모식도이다.
도 2는, 고체 열 회수 효율에 따른 열화학적 레독스 사이클 공정의 효율을 나타낸 그래프이다.
도 3은, 하단 사이클 공정이 없는 종래의 열화학적 레독스 사이클과 하단 사이클 공정을 추가한 열화학적 레독스 사이클의 개략도이다.
도 4는, 수소 이중 생성 장치의 개략도이다.
도 5는, 시스템 시뮬레이션의 알고리즘을 나타낸 도면이다.
Figure 1 is a schematic diagram of a thermochemical redox cycle using concentrated solar irradiation.
Figure 2 is a graph showing the efficiency of the thermochemical redox cycle process according to solid heat recovery efficiency.
Figure 3 is a schematic diagram of a conventional thermochemical redox cycle without a bottom cycle process and a thermochemical redox cycle with the addition of a bottom cycle process.
Figure 4 is a schematic diagram of a double hydrogen production device.
Figure 5 is a diagram showing the algorithm of system simulation.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구현예 및 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. Hereinafter, with reference to the attached drawings, implementation examples and embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present application may be implemented in various different forms and is not limited to the implementation examples and examples described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals throughout the specification.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. Throughout this specification, when a part is said to be “connected” to another part, this includes not only the case where it is “directly connected,” but also the case where it is “electrically connected” with another element in between. do.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.Throughout this specification, when a member is said to be located “on” another member, this includes not only the case where the member is in contact with the other member, but also the case where another member exists between the two members.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Throughout the specification of the present application, when a part “includes” a certain element, this means that it may further include other elements rather than excluding other elements, unless specifically stated to the contrary.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.As used herein, the terms “about,” “substantially,” and the like are used to mean at or close to a numerical value when manufacturing and material tolerances inherent in the stated meaning are presented, and to aid understanding of the present application. It is used to prevent unscrupulous infringers from unfairly exploiting disclosures in which precise or absolute figures are mentioned.

본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 “~ 하는 단계” 또는 “~의 단계”는 “~를 위한 단계”를 의미하지 않는다.The terms “step of” or “step of” as used throughout the specification herein do not mean “step for.”

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.Throughout this specification, the term "combination(s) thereof" included in the Markushi format expression means a mixture or combination of one or more selected from the group consisting of the components described in the Markushi format expression, It means containing one or more selected from the group consisting of the above components.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.Throughout this specification, description of “A and/or B” means “A or B, or A and B.”

이하, 본원의 구현예를 상세히 설명하였으나, 본원이 이에 제한되지 않을 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present application have been described in detail, but the present application may not be limited thereto.

본원의 제 1 측면은, 열화학적 레독스 사이클을 포함하는 상단 사이클 공정; 및 상기 상단 사이클에서 발생하는 폐열 및 순산소를 사용하는 하단 사이클 공정을 포함하며, 상기 상단 사이클 공정 및 상기 하단 사이클 공정은 모두 수소를 생성하는 것인, 수소 이중 생성 공정을 제공한다.A first aspect of the present disclosure is a top cycle process comprising a thermochemical redox cycle; and a bottom cycle process using waste heat and pure oxygen generated in the top cycle, wherein both the top cycle process and the bottom cycle process generate hydrogen.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하단 사이클 공정은 수소를 생성하는 바이오매스 가스화 공정을 포함하는 것일 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하단 사이클 공정은 약 800℃ 내지 약 1000℃에서 흡열반응으로 구동되는 공정을 포함하는 것일 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하단 사이클 공정은 약 800℃ 내지 약 1000℃에서 흡열반응으로 구동되는 바이오매스 가스화 공정을 포함하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 폐열은 상단 사이클 공정의 구동에 의해 발생하는 것으로, 약 800℃ 내지 약 1000℃에서 구동되는 하단 사이클 공정에서 재사용되므로, 본원은 수소 이중 생성의 효율성과 경제성을 가질 수 있다.In one embodiment of the present application, the bottom cycle process may include a biomass gasification process that generates hydrogen. In one embodiment of the present application, the bottom cycle process may include a process driven by an endothermic reaction at about 800°C to about 1000°C. In one embodiment of the present application, the bottom cycle process may include a biomass gasification process driven by an endothermic reaction at about 800°C to about 1000°C. Specifically, the waste heat is generated by the operation of the upper cycle process and is reused in the lower cycle process operated at about 800°C to about 1000°C, so the present invention can have the efficiency and economic feasibility of dual hydrogen production.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 상단 사이클 공정은 금속산화물의 산화-환원 반응에 따른 열화학적 레독스 사이클 공정일 수 있다. In one embodiment of the present application, the top cycle process may be a thermochemical redox cycle process according to the oxidation-reduction reaction of metal oxide.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 상단 사이클 공정은 재생 열원을 기반으로 구동되는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 예를 들어, 상기 재생 열원은 태양열, 바이오가스 기반 열원, 폐가스 기반 열원, 및 폐열에서 선택되는 하나 이상을 사용하는 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the upper cycle process may be driven based on a regenerative heat source, but may not be limited thereto. For example, the renewable heat source may use one or more selected from solar heat, biogas-based heat source, waste gas-based heat source, and waste heat.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하단 사이클 공정은 상기 폐열을 이용한 바이오매스 가스화 공정, 수성가스 전환(WGS) 공정, 및 압력 변동 흡착 공정(PSA)을 포함하는 것일 수 있다. 여기서, 상기 바이오매스 가스화 공정, 수성가스 전환 공정, 및 압력 변동 흡착 공정은 일련의 순서대로 수행되는 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, the bottom cycle process may include a biomass gasification process using the waste heat, a water gas conversion (WGS) process, and a pressure swing adsorption process (PSA). Here, the biomass gasification process, water gas conversion process, and pressure swing adsorption process may be performed in a series of sequences.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하단 사이클 공정은 상기 바이오매스 가스화 공정과 상기 수성가스 전환 공정 사이에 냉각 공정을 추가 포함하는 것일 수 있다.In one embodiment of the present application, the bottom cycle process may further include a cooling process between the biomass gasification process and the water gas conversion process.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 상단 사이클 공정은 상기 상단 사이클 공정에서 생성되는 폐열을 저장하는 열 에너지 저장 공정을 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. In one embodiment of the present application, the upper cycle process may further include a thermal energy storage process for storing waste heat generated in the upper cycle process, but may not be limited thereto.

도 4를 참조하면, 본원의 수소 이중 생성 공정의 개략적인 설계를 확인할 수 있다. 본원의 일 구현예에 있어서, 상기 상단 사이클 공정이 약 0.1 mol/s 내지 약 10 mol/s의 유속으로 수소를 생성할 때, 상기 하단 사이클 공정에 약 1 mol/s 내지 약 15 mol/s의 유속으로 바이오매스가 외부 공급되면 상기 하단 사이클 공정은 약 1 mol/s 내지 약 20 mol/s의 유속으로 수소를 생성할 수 있다. 본원의 일례로서, 상기 상단 사이클 공정이 약 1 mol/s의 유속으로 수소를 생성할 때, 상기 하단 사이클 공정에 약 9.16 mol/s의 유속으로 바이오매스가 외부 공급되면 상기 하단 사이클 공정은 약 14.617 mol/s의 유속으로 수소를 생성할 수 있다. 이는 상단 사이클 공정의 수소 생산량의 약 14 배가 넘는 양으로, 본원의 수소 이중 생성 공정은 다량의 수소와 공정의 경제성이 인정되는 매우 고효율의 공정임을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 4, a schematic design of the dual hydrogen production process of the present application can be confirmed. In one embodiment of the present application, when the top cycle process produces hydrogen at a flow rate of about 0.1 mol/s to about 10 mol/s, the bottom cycle process produces hydrogen at a flow rate of about 1 mol/s to about 15 mol/s. When biomass is externally supplied at a flow rate, the bottom cycle process can generate hydrogen at a flow rate of about 1 mol/s to about 20 mol/s. As an example of the present application, when the upper cycle process produces hydrogen at a flow rate of about 1 mol/s and biomass is externally supplied to the lower cycle process at a flow rate of about 9.16 mol/s, the lower cycle process produces about 14.617 mol/s. Hydrogen can be produced at a flow rate of mol/s. This is approximately 14 times more than the hydrogen production amount of the upper cycle process, and it can be confirmed that our dual hydrogen production process is a very highly efficient process that requires a large amount of hydrogen and is recognized for its economic feasibility.

본원의 제 2 측면은, 열화학적 레독스 사이클 공정을 구동하는 상단 사이클 장치; 및 상기 상단 사이클 장치에서 발생하는 폐열 및 순산소를 사용하는 하단 사이클 장치를 포함하며, 상기 상단 사이클 장치 및 상기 하단 사이클 장치는 모두 수소를 생성하는 것인, 제 1 측면에 따른 수소 이중 생성 공정을 구동하는, 수소 이중 생성 장치를 제공한다.A second aspect of the present application includes an upper cycle device that drives a thermochemical redox cycle process; and a lower cycle device using waste heat and pure oxygen generated in the upper cycle device, wherein both the upper cycle device and the lower cycle device generate hydrogen. Provided is a dual hydrogen production device that operates.

본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.Detailed description of parts overlapping with the first aspect of the present application has been omitted, but the description of the first aspect of the present application can be applied equally even if the description is omitted in the second aspect of the present application.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 상단 사이클 장치는 열화학적 레독스 반응기를 하나 이상 포함하는 것일 수 있다. 여기서, 상기 열화학적 레독스 반응기는 열원으로부터 열을 받아 흡열 환원 반응을 진행하여 MOx-δox를 MOx-δrd로 변환하고, 고체 반응기의 온도를 상승시킨다.In one embodiment of the present application, the top cycle device may include one or more thermochemical redox reactors. Here, the thermochemical redox reactor receives heat from a heat source and performs an endothermic reduction reaction to convert MO x-δox into MO x-δrd and increase the temperature of the solid reactor.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 상단 사이클 장치에서 생성되는 폐열을 저장하는 열 에너지 저장 장치를 추가 포함하는 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, a thermal energy storage device that stores waste heat generated in the upper cycle device may be further included.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 상단 사이클 장치는 열 회수 장치를 추가 포함하는 것일 수 있으나, 이에 제한되지 않을 수 있다. 여기서, 상기 열 회수 장치는 열 교환기일 수 있으며, 상기 열 교환기는 하나 이상 또는 둘 이상 포함될 수 있다. In one embodiment of the present application, the upper cycle device may further include a heat recovery device, but may not be limited thereto. Here, the heat recovery device may be a heat exchanger, and the heat exchanger may include one or more heat exchangers.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 상단 사이클 장치는 하나 이상의 펌프를 추가 포함할 수 있으며, 이는 워터 펌프 및/또는 진공 펌프일 수 있다. In one embodiment of the present application, the upper cycle device may further include one or more pumps, which may be water pumps and/or vacuum pumps.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하단 사이클 장치는 바이오매스 가스화를 수행하는 가스 발생 장치를 포함하는 것일 수 있다. 여기서, 상기 가스 발생 장치는 상기 상단 사이클 장치로부터 폐열 및 순산소를 공급받아 바이오매스와 수증기를 반응시키는 장치일 수 있다. In one embodiment of the present application, the bottom cycle device may include a gas generating device that performs biomass gasification. Here, the gas generating device may be a device that reacts biomass and water vapor by receiving waste heat and pure oxygen from the upper cycle device.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 하단 사이클 장치는 수성가스 전환 반응기 및 압력 변동 흡착 용기를 추가 포함하는 것일 수 있다. 여기서, 상기 수성가스 전환 반응기는 일산화탄소와 수증기를 반응시켜 수소와 이산화탄소로 변환하는 반응을 수행하는 장치로서, 상기 바이오매스의 가스화에 의해 생성되는 일산화탄소와 수증기를 반응시킨다. 여기서, 상기 압력 변동 흡착 용기는 혼합 가스로부터 고순도의 수소를 정제하는 장치이다. In one embodiment of the present application, the bottom cycle device may further include a water gas conversion reactor and a pressure fluctuation adsorption vessel. Here, the water gas conversion reactor is a device that performs a reaction to convert carbon monoxide and water vapor into hydrogen and carbon dioxide, and reacts carbon monoxide and water vapor generated by gasification of biomass. Here, the pressure swing adsorption vessel is a device that purifies high purity hydrogen from mixed gas.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 가스 발생 장치와 수성가스 전환 반응기 사이에 냉각 장치를 추가 포함하는 것일 수 있다. In one embodiment of the present application, a cooling device may be further included between the gas generating device and the water gas conversion reactor.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 수소 이중 생성 장치는 상기 열화학적 레독스 반응기를 포함하는 상기 상단 사이클 장치; 및 상기 가스 발생 장치, 상기 수성가스 전환 반응기, 및 압력 변동 흡착 용기를 포함하는 상기 하단 사이클 장치를 포함할 수 있다. 본원의 일례로서, 상기 상단 사이클 장치는, 상기 열화학적 레독스 반응기, 상기 열 에너지 저장 장치, 및/또는 고체 열 회수 장치를 포함할 수 있거나, 또는 상기 열화학적 레독스 반응기, 상기 열 에너지 저장 장치 및 고체 열 회수 장치로 구성될 수 있다. 본원의 일례로서, 상기 하단 사이클 장치는 상기 가스 발생 장치, 상기 수성가스 전환 반응기, 및 압력 변동 흡착 용기로 구성될 수 있다. In one embodiment of the present application, the hydrogen double production device includes the upper cycle device including the thermochemical redox reactor; And it may include the bottom cycle device including the gas generating device, the water gas conversion reactor, and the pressure swing adsorption vessel. As an example herein, the top cycle device may include the thermochemical redox reactor, the thermal energy storage device, and/or the solid heat recovery device, or the thermochemical redox reactor, the thermal energy storage device and a solid heat recovery device. As an example of the present application, the bottom cycle device may be composed of the gas generating device, the water gas shift reactor, and the pressure swing adsorption vessel.

이하, 본원에 대하여 실시예를 이용하여 좀더 구체적으로 설명하지만, 하기 실시예는 본원의 이해를 돕기 위하여 예시하는 것일 뿐, 본원의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present application will be described in more detail using examples. However, the following examples are merely illustrative to aid understanding of the present application, and the content of the present application is not limited to the following examples.

[실시예][Example]

1. 본원의 주요 설계1. Main design of the hospital

δ의 값은 일반적으로 작으므로, 단위량의 수소를 생산하기 위해서는 많은 양의 금속 산화물이 필요하다. 세리아(ceria)의 경우 일반적인 환원 조건인 1500℃및 1 mbar의 산소 압력에서 δ(oxygen vacancies; 산소 결손)는 0.0221 이며, 이는 수소 1 몰을 생산하는 데 약 45 몰의 세리아가 사용되어야 함을 의미한다. 질량 기준으로 1 g의 수소를 생산하는 데 3,894 g의 세리아가 필요하다. 이는 도 1의 네 번째 단계인 승온 단계에 많은 에너지를 공급해야 하기 때문에 본 기술의 낮은 효율의 주요 원인으로 여겨져 왔다. 산화가 일반적인 세리아 산화 조건인 대기압 및 900℃에서 진행된다고 가정하면, 산화 온도에서 환원 온도까지 세리아의 온도를 증가시키기 위한 열량, 도 1의

Figure 112021130170010-pat00003
hsolid(고체 열; solid heat)는 2,263 kJ/mol-H2로 계산할 수 있다. 도 1에서 세리아의
Figure 112021130170010-pat00004
hrd (환원열; heat of reduction)는 466 kJ/mol-H2이다. 수소의 고위 발열량 (higher heating value; HHVH2)인 286 kJ/mol-H2에 비해 가열 및 환원에 필요한 에너지의 양이 훨씬 더 많아 시스템의 효율이 낮으며, 열-화학적 효율(thermal-to-chemical efficiency; ηth)은 하기 식 (5)로부터 10.5%로 계산될 수 있다.Since the value of δ is generally small, a large amount of metal oxide is required to produce a unit amount of hydrogen. In the case of ceria, δ (oxygen vacancies) is 0.0221 under typical reducing conditions of 1500°C and 1 mbar of oxygen pressure, which means that about 45 moles of ceria must be used to produce 1 mole of hydrogen. do. On a mass basis, 3,894 g of ceria is required to produce 1 g of hydrogen. This has been considered the main cause of the low efficiency of this technology because a lot of energy must be supplied to the fourth step, the heating step in Figure 1. Assuming that oxidation proceeds at atmospheric pressure and 900°C, which are common ceria oxidation conditions, the amount of heat required to increase the temperature of ceria from the oxidation temperature to the reduction temperature, in Figure 1
Figure 112021130170010-pat00003
h solid (solid heat) can be calculated as 2,263 kJ/mol-H 2 . In Figure 1, the ceria
Figure 112021130170010-pat00004
h rd (heat of reduction) is 466 kJ/mol-H 2 . Compared to the higher heating value (HHV H2 ) of hydrogen, which is 286 kJ/mol-H 2 , the amount of energy required for heating and reduction is much higher, so the efficiency of the system is low, and the thermal-to-chemical efficiency (thermal-to-chemical efficiency) is low. Chemical efficiency; η th ) can be calculated as 10.5% from equation (5) below.

이는 반응기의 모든 물질이 세리아로 구성된 이상적인 경우이다. 실제로 단열용 알루미나 또는 반응기 외피용 합금과 같은 다른 물질도 있기 때문에 이러한 다른 물질들은 열화학적 산화환원 사이클동안 불가피하게 가열 및 냉각되는데, 이는

Figure 112021130170010-pat00006
hsolid의 크기가 더 커지는 것을 의미한다. 상기 다른 재료의 열용량 (heat capacity)이 세리아의 열용량과 같을 때
Figure 112021130170010-pat00007
hsolid는 4,526 kJ/mol-H2가 되고 효율은 5.7%가 된다.This is the ideal case where all material in the reactor consists of ceria. In fact, because there are other materials such as alumina for insulation or alloys for the reactor shell, these other materials are inevitably heated and cooled during the thermochemical redox cycle, which causes
Figure 112021130170010-pat00006
This means that the size of h solid becomes larger. When the heat capacity of the other materials is equal to that of ceria
Figure 112021130170010-pat00007
h solid becomes 4,526 kJ/mol-H 2 and the efficiency becomes 5.7%.

이러한 문제를 해결하기 위해 고체 열 회수(recuperation)를 가능하게 하는 새로운 반응기 설계를 개발하기 위해 많은 연구가 수행되었다. 다양한 반응기 설계가 제안되었으며 일반적으로 온도 감소 단계 동안 손실되는 큰 고체 열을 회복하고, 상기 고체 열을 온도 증가 단계에서 활용하고자 한다. 다만, 본 발명에 서는 반응기가 좋은 고체 열 회수 효율을 가질 수 있다고 단순히 가정하였으며, 고 효율을 달성하기에 충분한 고체 열 회수에 관하여 분석하였다. To solve these problems, much research has been conducted to develop new reactor designs that enable solid heat recovery. Various reactor designs have been proposed, generally seeking to recover the large solid heat lost during the temperature reduction phase and utilize this solid heat in the temperature increase phase. However, in the present invention, it was simply assumed that the reactor could have good solid heat recovery efficiency, and solid heat recovery sufficient to achieve high efficiency was analyzed.

이에, 도 2는 고체 열 회수 효율, εsolid에 따른 고체 열 회수형 반응기의 효율을 나타낸다. 상기 열-화학적 효율은 하기 식 (6)과 같이 계산될 수 있다:Accordingly, Figure 2 shows the solid heat recovery efficiency, the efficiency of the solid heat recovery type reactor according to ε solid . The thermo-chemical efficiency can be calculated as the following equation (6):

도 2에 나타낸 바와 같이, 고체 열 회수 효율이 증가할수록 열-화학적 효율이 증가한다. 그러나 예를 들어 0.7정도의 양호한 고체 열 회수 효율이 있더라도 시스템 효율은 여전히 약 15%에 가까우며, 이는 투입 에너지의 80% 이상이 손실된다는 것을 의미한다. 더 중요한 것은 상기 에너지가 고품질 열이며, 이는 상기 시스템의 최저 온도는, 세리아의 경우, 800℃내지 900℃로 여전히 매우 높기 때문이다. As shown in Figure 2, as solid heat recovery efficiency increases, thermo-chemical efficiency increases. However, even with a good solid heat recovery efficiency of, say, 0.7, the system efficiency is still close to about 15%, which means that more than 80% of the input energy is lost. More importantly, the energy is high-quality heat, since the minimum temperature of the system is still very high, 800 to 900° C. for ceria.

상기 고품질 폐열을 활용하고 수소 생산량을 높이기 위해 본 발명에서는 열화학적 레독스 사이클 공정에 하단 사이클 공정을 추가하는 아이디어를 제안하며, 도 3은 아이디어 개략도를 나타낸다. 이론적으로 산화 온도 근처에서 작동하는 모든 흡열 프로세스는 하단 사이클로 사용할 수 있다. 예를 들어 대표적인 하단 사이클은 랜킨 사이클 또는 초임계 CO2 브레이튼 사이클과 같은 발전 사이클이다.In order to utilize the high-quality waste heat and increase hydrogen production, the present invention proposes the idea of adding a bottom cycle process to the thermochemical redox cycle process, and Figure 3 shows a schematic diagram of the idea. In theory, any endothermic process operating near the oxidation temperature can be used as a bottom cycle. For example, representative bottom cycles are power generation cycles such as the Rankine cycle or the supercritical CO 2 Brayton cycle.

이러한 조합의 또 다른 좋은 측면은 상단 열화학적 레독스 사이클 공정이 산소와 수소를 생성한다는 것이며, 이는 상기 순수한 산소가 하단 사이클 공정에서 바이오매스 가스화와 같은 연료 생산 공정의 공급원료로도 활용될 수 있다.Another good aspect of this combination is that the top thermochemical redox cycle process produces oxygen and hydrogen, which pure oxygen can also be utilized as a feedstock for fuel production processes such as biomass gasification in the bottom cycle process. .

바이오매스를 이용하는 하단 사이클 공정은 수성가스 전환 공정과 압력 변동 흡착 공정을 포함하기 때문에 양질의 수소를 추출할 수 있다. 하기에서는 상기 하단 사이클 공정의 세부 설계를 제안하고 수소 이중 생성 공정의 성능을 분석하기 위한 시뮬레이션 모델을 구성하였다. The bottom cycle process using biomass includes a water gas conversion process and a pressure swing adsorption process, so high-quality hydrogen can be extracted. In the following, the detailed design of the bottom cycle process is proposed and a simulation model is constructed to analyze the performance of the hydrogen dual production process.

2. 수소 이중 생성 장치2. Hydrogen dual generation device

도 4는 본원에서 제안한 수소 이중 생성 장치의 개략도를 보여준다. 열화학적 레독스 상단 사이클 공정은 열원에서 열을 받아 물에서 수소와 산소를 생성하고 폐열은 상단 사이클 공정에서 하단 사이클 공정으로 전달된다. Figure 4 shows a schematic diagram of the hydrogen dual production device proposed herein. The thermochemical redox upper cycle process receives heat from a heat source to generate hydrogen and oxygen from water, and waste heat is transferred from the upper cycle process to the lower cycle process.

상단 사이클 공정은 열화학적 레독스 반응기, 고체 열 회수 부품 및 가스 컨디셔닝 구성 요소로 구성되며, 상술한 바와 같이, 본 발명자는 여러 개의 열화학적 레독스 반응기와 이들 사이의 열 전달을 통해 고체 열 회수를 달성했으며, 또한 이 기술의 벤치마크 물질인 세리아를 금속 산화물로 사용하는 것으로 가정하였다. 여기서, 가스 컨디셔닝 부품은 열화학적 레독스 사이클 공정의 배기 가스에 포함된 열을 회수하며 가스 열 회수에는 두 개의 열 교환기(heat exchanger)가 사용된다. 이 부분에는 진공 펌프가 포함되어 환원 반응기에 적절한 압력 조건을 제공한다. 또한, 물을 공급하기 위해 워터 펌프가 사용되며 물을 응축시켜 배기 가스에서 수소를 추출하는 콘덴서가 사용된다.The top cycle process consists of a thermochemical redox reactor, a solid-state heat recovery component and a gas conditioning component. As described above, the inventors achieve solid-state heat recovery through multiple thermochemical redox reactors and heat transfer between them. It was also assumed that ceria, the benchmark material for this technology, was used as the metal oxide. Here, the gas conditioning component recovers the heat contained in the exhaust gas of the thermochemical redox cycle process, and two heat exchangers are used for gas heat recovery. This part contains a vacuum pump to provide appropriate pressure conditions to the reduction reactor. Additionally, a water pump is used to supply water and a condenser is used to condense the water and extract hydrogen from the exhaust gas.

하단 사이클 공정은 상단 사이클 공정으로부터 폐열을 받는다. 하단 사이클 공정의 가스 생성 장치에는 외부에서 공급되는 바이오매스와 상단 사이클 공정으로부터 생성된 순수한 산소와 고온의 폐열이 전달되어 바이오매스의 가스화가 일어난다. 이렇게 생성된 800℃의 고온의 가스는 냉각기(cooler)로 이동된다. 이후 냉각된 가스는 350℃의 온도 조건에서 수성가스 전환이 일어나고 20 bar, 25℃ 조건 하에 압력 변동 흡착 공정을 거쳐 정제된 수소가 추출된다. The bottom cycle process receives waste heat from the top cycle process. Biomass supplied externally, pure oxygen and high-temperature waste heat generated from the upper cycle process are transferred to the gas generating device in the lower cycle process, and gasification of biomass occurs. The high temperature gas of 800℃ generated in this way is moved to the cooler. Afterwards, the cooled gas is converted into water gas at a temperature of 350℃, and purified hydrogen is extracted through a pressure fluctuation adsorption process under 20 bar and 25℃ conditions.

시스템 작동의 입력 매개변수는 반응기 관련 매개변수, 재료 관련 매개변수 및 시스템 관련 매개변수의 세 가지 범주로 분류할 수 있다.The input parameters for system operation can be classified into three categories: reactor-related parameters, material-related parameters, and system-related parameters.

반응기의 경우, 세 가지 매개변수인 εsolid, Cfactor (반응기의 열용량 요소, heat capacity factor of reactor) 및 HL factor (반응기의 열 손실 요소, heat loss factor of reactor)가 고려되며, 각 파라미터의 정의는 하기 식 (7) 내지 식 (9)와 같다: For the reactor, three parameters are considered: ε solid , C factor (heat capacity factor of reactor), and HL factor (heat loss factor of reactor), and the definition of each parameter is is equivalent to the following equations (7) to (9):

재료의 경우, 하기 5가지 매개변수가 고려된다:For materials, the following five parameters are considered:

Trd (환원 온도); T rd (reduction temperature);

δrd (환원 후 산소 결손); δ rd (oxygen vacancy after reduction);

cp (열용량); c p (heat capacity);

Figure 112021130170010-pat00012
hrd (금속 산화물의 환원 엔탈피); 및
Figure 112021130170010-pat00012
h rd (enthalpy of reduction of metal oxide); and

Figure 112021130170010-pat00013
(반응에 사용되는 물의 과잉량,):
Figure 112021130170010-pat00013
(excess amount of water used in the reaction,):

시스템의 경우, 전체 시스템에서 열교환기 및 터보 기계류의 성능을 분석하기 위해 두 개의 매개변수 εHEX 및 ηisen이 고려되며, εHEX는 열교환기 효율 이고 ηisen은 등엔트로피 효율이다.For the system, two parameters ε HEX and η isen are considered to analyze the performance of heat exchangers and turbomachinery in the overall system, where ε HEX is the heat exchanger efficiency and η isen is the isentropic efficiency.

3. 시뮬레이션3. Simulation

각 시스템 구성요소는 0차원 시뮬레이션 모델로 모델링되며, 시스템 구성요소의 시뮬레이션 모델을 통합하여 전체 시스템 시뮬레이션 모델을 구성한다. MATLAB 및 Cantera 열역학 도구는 시뮬레이션 모델을 구성하는데 사용되었다Each system component is modeled as a zero-dimensional simulation model, and the simulation models of the system components are integrated to form an overall system simulation model. MATLAB and Cantera thermodynamic tools were used to construct the simulation model.

3.1 방법론3.1 Methodology

3.1.1 각 구성요소의 시뮬레이션 모델3.1.1 Simulation model of each component

열화학적 레독스 반응기Thermochemical redox reactor

열화학적 레독스 반응기는 세리아의 열역학적 데이터와 고체 열 회수 효과를 기반으로 모델링되었다. 열화학적 레독스 반응기는 열원으로부터 열을 받아 흡열 환원 반응을 진행하여 CeO2-δox를 CeO2-δrd로 변환하고, 고체 반응기의 온도를 상승시킨다. 따라서 상기 두 단계에 필요한 열량은 하기 식 (11) 내지 식 (13)과 같이 계산할 수 있다. 열원으로부터 투입 열은 반응기로부터 주변으로 의 열 손실을 고려하여 식 (14)와 같이 계산된다 [q: 열 (intensive), δ: 산소 결손, qsolid, unrecup; 열 회수 없는 고체 열, T: 온도, cactive: 금속 산화물의 열 용량, rd: 환원(reduction), ox: 산화(oxidation)].The thermochemical redox reactor was modeled based on the thermodynamic data of ceria and the solid heat recovery effect. The thermochemical redox reactor receives heat from a heat source and performs an endothermic reduction reaction to convert CeO 2-δox into CeO 2-δrd and increase the temperature of the solid reactor. Therefore, the amount of heat required for the above two steps can be calculated as shown in Equations (11) to (13) below. The heat input from the heat source is calculated as equation (14) considering the heat loss from the reactor to the surroundings [q: heat (intensive), δ: oxygen vacancy, q solid, unrecup ; solid heat without heat recovery, T: temperature, c active : heat capacity of metal oxide, rd: reduction, ox: oxidation].

여기서, 환원 반응열(Δhrd)은, 세리아의 경우, 하기 식 (15)와 같이 계산할 수 있는 산소 결손 δ의 함수이다. 온도 및 압력에 따른 산소 결손량은 열역학적 평형 데이터를 기반으로 도출된 하기 식 16을 이용하여 계산할 수 있다. 고체 열은 고체 열 회수 효율 εsolid, 하기 식 (17)에 나타난 바와 같이 온도에 의존하는 세리아의 열용량, 및 단열재와 같은 다른 불활성 물질의 열용량을 고려한 계수 Cfactor에 기초하여 계산되었다.Here, the heat of reduction reaction (Δh rd ), in the case of ceria, is a function of oxygen vacancy δ that can be calculated as in the following equation (15). The amount of oxygen deficiency according to temperature and pressure can be calculated using Equation 16 below, derived based on thermodynamic equilibrium data. Solid heat was calculated based on the solid heat recovery efficiency ε solid , the heat capacity of ceria, which depends on temperature as shown in equation (17) below, and the coefficient C factor , which takes into account the heat capacity of other inert materials such as insulation.

한편, 상단 사이클 장치로부터 하단 사이클 장치로 전달되는 열은 발열 산화 반응의 엔탈피 및 고체 열 회수 후의 고체 반응기에 남아있는 열의 합이다. 상기 열의 양은 하기 식 (18) 및 식 (19)와 같이 나타낼 수 있다. Meanwhile, the heat transferred from the upper cycle device to the lower cycle device is the sum of the enthalpy of the exothermic oxidation reaction and the heat remaining in the solid reactor after solid heat recovery. The amount of heat can be expressed as equations (18) and (19) below.

상기 반응기의 배기 가스인 도 1의 스트림 11 및 8의 온도는 환원 반응 및 산화 반응의 온도와 각각 동일하다고 가정하였다. It was assumed that the temperatures of streams 11 and 8 in FIG. 1, which are the exhaust gases of the reactor, were the same as the temperatures of the reduction reaction and the oxidation reaction, respectively.

열 교환기 (heat exchanger)heat exchanger

상기 장치에는 2개의 열 교환기(HEX-R, HEX-O)가 있다. 각 열 교환기는 역류 열 교환기로 모델링되었으며, 상기 모델은 교환된 열량을 계산하기 위해 열 교환기 효율성 εHEX을 사용한다. 열 교환기 시뮬레이션 모델에 사용된 방정식은 다음과 같다.The device has two heat exchangers (HEX-R, HEX-O). Each heat exchanger is modeled as a countercurrent heat exchanger, and the model uses the heat exchanger efficiency ε HEX to calculate the amount of heat exchanged. The equations used in the heat exchanger simulation model are as follows:

펌프 (pump)pump

펌프는 등 엔트로피 효율, ηisen을 기반으로 유사하게 모델링되었다. 시스템에는 2개의 펌프(워터 펌프, 진공 펌프) 가 있다. 이 중 워터 펌프의 에너지 소비는 일반적으로 가스를 사용하는 펌프보다 훨씬 작기 때문에 무시되었다. 시뮬레이션 모델에 사용된 방정식은 다음과 같다.The pump was similarly modeled based on the isentropic efficiency, η isen . The system has two pumps (water pump and vacuum pump). Among these, the energy consumption of water pumps was generally ignored because it is much smaller than that of gas-powered pumps. The equations used in the simulation model are as follows.

가스 발생 장치(gasifier)gas generator

가스 발생 장치는 바이오매스를 가스화해 일산화탄소와 수소를 주성분으로 하는 합성가스를 생성하도록 모델링 되었다. 상단 사이클 장치로부터 폐열뿐만 아니라 순산소를 공급받아 바이오매스와 수증기를 함께 반응을 진행시킨다. 여기서, 생성물의 양은 열역학적 평형 데이터를 기반으로 도출된 식 (26)을 이용하여 계산할 수 있다.The gas generation device was modeled to gasify biomass to produce synthesis gas mainly composed of carbon monoxide and hydrogen. It receives not only waste heat but also pure oxygen from the upper cycle device to proceed with the reaction of biomass and water vapor. Here, the amount of product can be calculated using equation (26) derived based on thermodynamic equilibrium data.

이 경우, 가스화 반응식 (27)은 아래와 같다.In this case, the gasification reaction equation (27) is as follows.

가스화 반응은 850℃정도의 온도에서 이루어지기 때문에, 가스화 연료의 가스화가 충분히 이루어질 수 있으며 반응 후 생기는 숯(C)의 양은 충분히 무시될 수 있다고 가정하였다.Since the gasification reaction takes place at a temperature of about 850°C, it was assumed that sufficient gasification of the gasification fuel could be achieved and that the amount of charcoal (C) generated after the reaction could be sufficiently ignored.

수성가스 전환 반응기(water gas shift reactor)water gas shift reactor

수성가스화 반응이란 일산화탄소와 수증기를 반응시켜 수소와 이산화탄소로 변환하는 반응으로서, 반응기 시뮬레이션 모델에 사용된 화학식 (28)은 다음과 같다.The water gasification reaction is a reaction that converts carbon monoxide and water vapor into hydrogen and carbon dioxide. The chemical formula (28) used in the reactor simulation model is as follows.

바이오매스의 가스화로부터 획득된 일산화탄소, 및 스팀이 공급되며 350℃에서 작동된다. It is supplied with carbon monoxide obtained from the gasification of biomass, and steam, and operates at 350°C.

압력변동 흡착 용기(pressure swing absorption)Pressure swing absorption vessel

압력변동 흡착 용기는 혼합 가스로부터 고순도의 수소를 정제하도록 모델링되었다. 여기서, 수소 순환양을 하기 식 (29)와 같이 계산된다. 은 수소의 몰유량, 은 90%의 값을 가지는 순환비를 의미한다.A pressure swing adsorption vessel was modeled to purify high purity hydrogen from mixed gas. Here, the amount of hydrogen circulation is calculated as shown in equation (29) below. is the molar flow rate of hydrogen, means the circulation ratio with a value of 90%.

기타 요소들 (콘덴서 및 가스생성장치)Other elements (condenser and gas generator)

상단 사이클 장치의 콘덴서는 가스의 모든 증기가 물로 응축되는 것이며 콘덴서에서는 에너지 소비가 없다고 가정하였다. 하단 사이클 장치의 가스 발생 장치는 상단 사이클 장치로부터 폐열을 받는다. In the condenser of the upper cycle device, it was assumed that all vapors of the gas were condensed into water and that there was no energy consumption in the condenser. The gas generating unit of the lower cycle unit receives waste heat from the upper cycle unit.

3.1.2 시스템 시뮬레이션의 알고리즘3.1.2 Algorithm of system simulation

도 5는 상술한 구성요소의 시뮬레이션 모델과 입력 매개변수를 기반으로 정상 상태 시스템 시뮬레이션(steady-state system simulation) 결과를 계산하는 알고리즘을 보여준다. 상단 및 하단 사이클 공정에서의 각 수소 생산은 상기 알고리즘에서 계산된다. Figure 5 shows an algorithm for calculating steady-state system simulation results based on the simulation model of the above-described components and input parameters. The respective hydrogen production in the top and bottom cycle processes is calculated in the above algorithm.

3.2 결과3.2 Results

하기 표 1 은 입력 매개변수는 시스템의 일반적인 작동 조건을 나타내기 위해 선택되었다. 하기에서는 시스템 운영 결과를 분석하였다.In Table 1 below, the input parameters were chosen to represent the typical operating conditions of the system. In the following, the system operation results are analyzed.

입력 파라미터input parameters value 반응기reactor εsolid ε solid 0.70.7 Cfactor C factor 22 HLfactor HL factor 0.10.1 물질
(material)
matter
(material)
Trd T rd 1500℃1500℃
δrd δ rd 0.02210.0221 Cactive C active cceria c ceria Δhrd Δh rd Δhrd,ceria Δh rd,ceria ββ 33 시스템system εHEX εHEX 0.850.85 ηisen η isen 0.880.88

3.3 하단 사이클 공정 시뮬레이션 결과하기 표 2는 상단 사이클 공정에서 전달된 폐열과 순수한 산소를 이용하여 하단 사이클 공정의 바이오매스 가스화 (Biomass Gasification) 를 진행했을 때 생성된 수소의 양을 나타낸다. 외부에서 공급된 바이오매스와 선택적 환원 촉매를 이용하여 수증기와 함께 가스화기에서 반응을 진행시켰다. 그 후 냉각 공정, 수성가스 전환 공정, 압력 변동 흡착 공정의 일련의 순서로 반응을 진행시킨 결과, 상단 사이클 공정에서 1 mol/s 의 유속으로 수소가 생성될 때 하단 사이클 공정에서는 14.617 mol/s 의 유속으로 수소가 생성되었다.3.3 Bottom cycle process simulation results Table 2 shows the amount of hydrogen generated when biomass gasification of the bottom cycle process was performed using waste heat and pure oxygen transferred from the top cycle process. The reaction was carried out in a gasifier with water vapor using externally supplied biomass and a selective reduction catalyst. After that, the reaction was carried out in a series of cooling process, water gas conversion process, and pressure fluctuation adsorption process. As a result, when hydrogen was produced at a flow rate of 1 mol/s in the upper cycle process, it was produced at a flow rate of 14.617 mol/s in the lower cycle process. Hydrogen was produced at the flow rate.

상단 사이클 공정에서 전달된 폐열
(Waste heat from toping cycle)
Waste heat transferred from upper cycle processes
(Waste heat from topping cycle)
1.4312e3 kW1.4312e 3 kW
SCR(Steam-to-Carbon ratio)Steam-to-carbon ratio (SCR) 1.341.34 바이오매스 몰 유속(Biomass mole flow rate)Biomass mole flow rate 9.16 mol/s9.16mol/s 수소 생성(H2 production)Hydrogen production (H 2 production) 14.617 mol/s14.617 mol/s

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수도 있다.The description of the present application described above is for illustrative purposes, and those skilled in the art will understand that the present application can be easily modified into other specific forms without changing its technical idea or essential features. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive. For example, each component described as single may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may also be implemented in a combined form.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위, 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present application is indicated by the claims described below rather than the detailed description above, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present application. .

Claims (13)

열화학적 레독스 사이클을 포함하는 상단 사이클 공정; 및
상기 상단 사이클에서 발생하는 폐열 및 순산소를 사용하는 하단 사이클 공정을 포함하며,
상기 상단 사이클 공정 및 상기 하단 사이클 공정은 모두 수소를 생성하는 것인,
수소 이중 생성 공정으로서,
상기 상단 사이클은 금속산화물의 산화-환원 반응에 따른 열화학적 레독스 사이클 공정인 것이고,
상기 하단 사이클 공정은 상기 폐열을 이용한 바이오매스 가스화 공정, 수성가스 전환 공정, 및 압력 변동 흡착 공정을 포함하는 것인,
수소 이중 생성 공정.
Top cycle process including thermochemical redox cycle; and
It includes a bottom cycle process using waste heat and pure oxygen generated in the top cycle,
The upper cycle process and the lower cycle process both produce hydrogen,
As a hydrogen double production process,
The top cycle is a thermochemical redox cycle process according to the oxidation-reduction reaction of metal oxide,
The bottom cycle process includes a biomass gasification process using the waste heat, a water gas conversion process, and a pressure swing adsorption process,
Hydrogen dual production process.
삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 상단 사이클 공정은 재생 열원을 기반으로 구동되는 것인, 수소 이중 생성 공정.
According to claim 1,
The upper cycle process is a hydrogen dual production process that is driven based on a regenerative heat source.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 하단 사이클 공정의 바이오매스 가스화 공정과 수성가스 전환 공정 사이에 냉각 공정을 추가 포함하는, 수소 이중 생성 공정.
According to claim 1,
A dual hydrogen production process, further comprising a cooling process between the biomass gasification process and the water gas conversion process of the bottom cycle process.
제 1 항에 있어서,
상기 상단 사이클 공정은 상기 상단 사이클 공정에서 생성되는 폐열을 저장하는 열 에너지 저장 공정을 추가 포함하는 것인, 수소 이중 생성 공정.
According to claim 1,
The upper cycle process further includes a thermal energy storage process for storing waste heat generated in the upper cycle process.
열화학적 레독스 사이클 공정을 구동하는 상단 사이클 장치; 및
상기 상단 사이클 장치에서 발생하는 폐열 및 순산소를 사용하는 하단 사이클 장치를 포함하며,
상기 상단 사이클 장치 및 상기 하단 사이클 장치는 모두 수소를 생성하는 것인,
제 1 항, 제 4 항, 제 6 항 및 제 7 항 중 어느 한 항에 따른 수소 이중 생성 공정을 구동하는, 수소 이중 생성 장치.
an upper cycle unit driving a thermochemical redox cycle process; and
It includes a lower cycle device that uses waste heat and pure oxygen generated from the upper cycle device,
The upper cycle device and the lower cycle device both produce hydrogen,
A hydrogen double production device that drives the hydrogen double production process according to any one of claims 1, 4, 6, and 7.
제 8 항에 있어서,
상기 상단 사이클 장치는 열화학적 레독스 반응기를 포함하는 것인, 수소 이중 생성 장치.
According to claim 8,
The upper cycle device includes a thermochemical redox reactor.
제 8 항에 있어서,
상기 상단 사이클 장치에서 생성되는 폐열을 저장하는 열 에너지 저장 장치를 추가 포함하는, 수소 이중 생성 장치.
According to claim 8,
A dual hydrogen generation device further comprising a thermal energy storage device for storing waste heat generated in the upper cycle device.
제 8 항에 있어서,
상기 하단 사이클 장치는 바이오매스 가스화를 수행하는 가스 발생 장치를 포함하는 것인, 수소 이중 생성 장치.
According to claim 8,
Wherein the bottom cycle device includes a gas generating device that performs biomass gasification.
제 11 항에 있어서,
상기 하단 사이클 장치는 수성가스 전환 반응기 및 압력 변동 흡착 용기를 추가 포함하는 것인, 수소 이중 생성 장치.
According to claim 11,
The bottom cycle device further includes a water gas conversion reactor and a pressure swing adsorption vessel.
제 12 항에 있어서,
상기 가스 발생 장치와 수성가스 전환 반응기 사이에 냉각 장치를 추가 포함하는, 수소 이중 생성 장치.
According to claim 12,
A dual hydrogen generation device, further comprising a cooling device between the gas generation device and the water gas conversion reactor.
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