KR20020077284A - 열복합 발전소 및 그의 운전 방법 - Google Patents

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KR20020077284A
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Abstract

본 발명은 통합된 가스 생산 시스템을 가지는 열복합 발전소를 제공한다. 열복합 발전소는 탄화수소와 수증기의 혼합물을 수소와 일산화탄소를 함유하는 개질 가스 유니트으로 바꾸는 가스 버너로 가열되는 스팀 개질기를 함유한다. 발전소는 개질 가스 유니트에서 일산화 탄소를 제거하기 위한 몇단계가 있는 반응기 시스템을 더 가진다. 발전소는 또한 개질 가스 유니트 및 개질 가스에 함유된 수소를 연료전지에서 산소와 촉매 반응하여 생산하며, 여기서 개질 가스 유니트은 연료 전지 유니트의양극에 공급되고, 양극 폐가스는 가스 파이프를 통해서 스팀 개질기의 가스 버너로 이용되는 연료 전지 유니트로부터의 열에너지를 제거하기 위해서 열교환기를 함유한다. 발명의 한 실시예에 따라서, 개질 가스 유니트으로부터 일산화 탄소를 제거하기 위한 반응기 시스템, 저온시프트 반응기 및 하류 메탄화 반응기 및 저온시프트 반응기의 입구 온도까지 스팀 개질기를 떠나는 개질가스 유니트을 냉각하기 위한 열교환기가 스팀 개질기와 저온 시프트 반응기 사이의 개질 가스 유니트에 위치한다. 이 열복합 발전소는 스팀 개질기의 가스버너에서 양극 폐가스를 태울때 가스 버너에서 불꽃이 이온화 검출기를 이용하여 감시되도록 하게 하는 미개질 탄화수소 5 에서 10 vol.% 를 포함한다.

Description

열복합 발전소 및 그의 운전 방법{A COMBINED HEAT AND POWER PLANT AND A RPOCESS FOR THE OPERATION THEREOF}
본 발명은 통합된 가스 생산 시스템을 가지는 열복합 발전소의 분야에 관한 것이다. 본 발명의 열복합 발전소는 안전하고 효과적으로 열과 전기에너지를 생산한다.
일반적으로, 화력발전소에 관련된 문제는 유해 가스인, 일산화탄소를 비-유해 수준까지 효율적으로 감소시키는 능력이다. 연료전지는 전기 에너지를 생산하기 전에 세 개의 반응이 일어난다.
연료전지 유니트를 작동시키는데 필요한 수소는 하류(downstream) 가스 제조 시스템에서 탄화수소를 재생하여 수득될 수 있다. 수소를 생산하기 위한 탄화수소의 스팀 재생은 알려진 공정이다. 식(1)에 따라, 재생 가스는 수소 및 일산화탄소를 함유하여 형성된다. 식(1)에서, 에탄은 탄화수소의 예로서 사용된다.
스팀 개질
CH4+ H2O-> 3H2+ CO (1)
일반적으로, 식(1)에 다른 스팀 개질은 최적량의 메탄이 반응하도록 수행된다. 이것은 스팀 재생에서 700~800℃사이의 높은 작업온도를 필요로한다.
개질 가스에 함유된 일산화탄소는 연료전지에서 음극 촉매를 위한 강 촉매 부분이기 때문에, 그것은 가능한한 많이 제거되야만 한다. 그러므로, 일반적으로 개질 가스에 함유된 일산화탄소는 식(2)에 따라 수소 및 이산화탄소를 제공하도록 물과 반응된다.
수증기 시프트 반응
CO + H2O -> H2+ CO2(2)
두 개의 시프트 반응은 가능한한 많은 일산화탄소를 반응시키기 위해 자주 사용된다. 고온 시프트 반응은 350~450℃사이의 온도에서 발생하고 저온 시프트 반응은 180~250℃ 사이의 온도에서 발생한다. 시프트 반응기로 유입하기 전에 상응하는 작업 온도까지 개질 가스를 냉각시키는 것은 열교환기f로 달성된다. 열교환기에 의해 개질 가스로부터 추출된 열은 빌딩을 난방하기 위해 사용될 수 있다.
그러나, 시프트 반응기를 사용할 때, 개질 가스에서의 일산화탄소의 농도는 특정 반응 온도에 관련된 평형 농도까지만 감소될 수 있다. 이 농도는 180~250℃ 범위의 작업 온도의 저온 시프트 반응에 있어서 약 0.5부피%이다. 이 일산화탄소의 농도는 너무 높아 더 감소되야만 하고, 가능하다면 100부피ppm 또는 보다 우수하게 50부피ppm까지 감소되야 한다. 적절한 촉매상에서 일산화탄소의 이산화탄소로의 선택적 산화가 이러한 목적을 위해 사용된다. 또한, 선택적 산화는 차별 산화라고도 칭하며 PROX라 줄여 말한다. PROX가 지닌 문제는 불충분한 선택성으로 인해, 특정 일부 수소도 물로 산화되어서 연료전지를 위한 연료 가스로서 더 이상 사용할 수 없다는 가능성을 갖고 있는 것이다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 메탄(메탄화)을 제공하도록 식(3)에 따라 개질 가스에서 일산화탄소를 수소와 반응시키는 대안의 가능성이 있다. 일산화탄소의 메탄화는 차별 산화와 본질적으로 다른 수소의 소비에 관련한다.
메탄화
3H2+ CO -> CH4+ H2O (3)
통합된 가스 생산 시스템을 지닌 연료전지는 전기적 동력 및 열을 빌딩에 공급하기 위해 사용된다. 본 발명의 내용에서 그러한 시스템을 열복합 발전소라 칭한다.
연료전지를 위한 연료 가스에 함유된 수소는 연료전지의 음극에서 충분히 반응되지 않는다. 연료전지에 공급된 수소의 약 20부피%는 음극 폐기 가스와 함께 연료전지 유니트를 떠난다. 사용된 초기 에너지 캐리어의 가장 효율적인 사용은 예를 들어, 천연가스와 같이, 연료전지로부터 음극 폐기 가스에 비반응된 수소가 스팀 개질기를 그것의 작업 온도까지 가열하는 가스 버너에서 일반적으로 연소되는 것이다.
가스 버너 또는 스팀 개질기를 작동시키기 위해 필요한 가스의 양을 측정하기 위해, 가스 제어기는 예측된 조건에 따라 가스 유동을 측정하고 제어하는데 사용된다.
가스 버너는 안전 규칙을 준수한다. 가스 버너 등은 버너 불꽃의 모너터링에 의해 만약에 버너 불꽃이 소멸한다면 연료 가스 공급의 신속한 긴급 중지를 보장해야 한다. 이온 검출기가 버너 가스 불꽃을 모니터 하는데 사용되지만, 문제없는 작업을 위해, 공급되는 연료에 최소량의 탄화수소를 필요로한다. 순수 수소로 버너를 작동시킬 때, 검출기를 효율적으로 작업시키기 충분하지 않은 이온이 불꽃에서 생산된다. 종래 기술로부터 알려진 상기 기술된 타입의 유니트에서 스팀 개질기의 가스 버너의 음극 폐기 가스는 버너를 모니터할 때의 상당한 문제들을 제공한다.
전술에 기초하여, 종래 기술에서 알려진 열복합 발전소보다 비용 효율적이고 실질적으로 간단한 열복합 발전소의 필요가 있다. 또한, 상기에 언급된 안전 규칙이 관찰되는 방법으로 작업될 수 있는 열복합 발전소의 필요성이 있다.
한 가지 실시에서, 본 발명은: a) 개질 가스 스트림, 일산화탄소 및 수소를 함유하는 가스 스트림을 생성하는 가스 버너로 가열된 스팀 개질기; b) 저온 시프트 반응기 및 개질 가스 스트림으로부터 일산화탄소를 감소시키기 위한 스팀 개질기의 메탄화 반응기 하류; c) 스팀 개질기 및 시프트 반응기 사이에 위치한, 스팀 개질기로부터 생성된 개질 가스 스트림을 냉각할 수 있는 제 1 열교환기; d) 저온 시프트 반응기로부터 개질 가스의 온도를 연료전지 유니트를 위한 적절한 작업 온도가지 낮출수 있는 저온 시프트 반응기의 제 2 열교환기 하류; 및 e) 연료전지에서 산소를 지닌 개질 가스에 함유된 수소의 촉매 반응으로 전기 에너지를 생산하기에 충분한 작업 온도를 지닌 제 2 열교환기의 연료전지 유니트 하류을 포함하는 통합된 가스 생산 시스템을 지닌 열복합 발전소를 제공한다.
바람직한 실시예에서, 본 발명은: a) 천연 가스 및 수증기의 혼합물을 스팀 개질기에서 부분적으로 개질하여 수소, 일산화탄소 및 메탄-함유 개질 가스로 전환시키는 단계; b) 열교환기에서 개질 가스를 냉각시키는 단계; c) 개질 가스의 일산화탄소 함량을 0.5부피% 이하로 감소시키도록 저온 시프트 반응기에서 개질 가스를 처리하는 단계; d) 메탄화 반응기에서 개질 가스의 일산화탄소를 100부피ppm의 잔류 농도까지 더 감소시키는 단계 및 e) 더 감소된 일산화탄소 가스를 연료전지 유니트를 위한 작업 온도가지 냉각시키는 단계를 포함하는 통합된 가스 생산 시스템을 지닌 열복합 발전소를 작동시키기 위한 공정을 제공한다.
그 외의 이점 및 실시예를 지닌 본 발명의 보다 나은 이해를 위해, 참고로 실시예와 관련된 하기의 설명이 만들어지고 그것의 범위는 첨부된 청구항으로 설명된다.
본 발명의 바람직한 실시예는 예시 및 설명을 위해 선택되지만, 본 발명의 범위를 제한하지는 않는다. 본 발명의 특정 양태의 바람직한 실시예는 첨부한 도 1~4에서 나타나고, 각각의 도면은 열복합 발전소를 위한 다른 공정을 나타낸다:
도 1은 메탄화 반응기를 저온 시프트(shift) 반응기와 동일한 온도 범위에서 작동시키는 열복합 발전소를 나타낸다. 메탄화 반응기를 빠져나가는 개질의 온도는 열교환기에 의해 연료전지(fuel cell)의 온도까지 낮춰진다.
도 2는 부가적인 열교환기가 보다 저온 시프트 반응기 및 메탄화 반응기 사이에 위치된 열복합 발전소를 나타낸다.
도 3은 저온 시프트 반응기 및 메탄화 반응기가 동일한 하우징 내에서 순차적으로 위치된 열복합 발전소를 나타낸다.
도 4는 스팀 개질의 버너가 열복합 발전소를 가동할 때조차 외부 천연 가스 공급없이 작동하는 도 1의 다양한 열복합 발전소를 나타낸다.
본 발명은 바람직한 실시예와 관련하여 게시된다. 이러한 실시예는 본 발명의 이해에 조력하도록 제공되며, 어떤 방식으로든지 본 발명을 제한하도록 의도되지 않고, 그렇게 해석되지 않아야 한다. 본 설명을 판독할 때에, 당업자에게 명백할 수 있는 모든 대안, 변용 및 동일 사항은 본 발명의 사상과 범위내에 포함된다.
본 설명은 열복합 발전소와 그것의 공정에 대한 기초 자료가 아니며, 당업자에게 공지된 기본 개념은 상세하게 기술되지 않았다.
본 발명에 따른 열복합 발전소는 스팀 개질기의 개질 가스 유니트으로부터 일산화탄소를 제거하도록 저온 시프트 반응기와 하류 메탄화 반응기를 사용하는데, 여기에서 개질 가스를 냉각시키고 열에너지를 제거시키기 위한 열교환기는 스팀 개질기와 저온 시프트 반응기 사이에 위치된다. 결과적으로, 본 발명에 따른 배열은 선행기술로부터 공지된 발전소보다 실질적으로 더 간단하고 더욱 비용이 효율적인 방식으로 구성된다. 메탄화 반응기는 100 vol.ppm. 이하의 요구 잔여 농도만큼 개질 가스로부터 잔여 일산화탄소를 제거하는 역할을 한다. 메탄화 반응기는 많은비용 및 일산화탄소의 선택적인 산화를 위한 공기 공급의 정밀한 제어를 요구하는 통상적으로 사용되는 PROX 반응기보다 건조하는데 있어서 실질적으로 더 단순하고 좀더 간단히 작동될 수 있다.
본 발명에 따른 열복합 발전소는 충분한 고농도의 메탄이 개질 가스에 함유되어서, 또한 양극 폐 가스에서, 스팀 개질기의 가스 버너의 연소중에 이온화 생성물의 충분한 생성물을 확보함으로써 화염의 발생이 이온화 감지기의 조력으로 신뢰할 수 있게 감지될 수 있는 방식으로 작동된다. 약 500 내지 750 ℃ 범위의 스팀 개질기에서의 작업 온도가 이것을 위해 요구된다. 이러한 경우에 스팀 개질기로부터 개질 발생은 약 5 내지 10 vol.%의 메탄 함량을 가진다.
따라서 본 발명에 따른 공정은 스팀 개질 공정을 위해 500 ℃ 내지 750 ℃의 약간만 유리한 온도 범위를 실제로 사용한다. 그러나, 스팀 개질기의 저온 작업 온도는 개질시에 일산화탄소 농도가 감소함으로써 통상적인 고온 시프트 단계가 요구되지 않고 열복합 발전소는 더 작은 전체적 크기를 갖는다. 스팀 개질기의 더 저온 최대 온도로 인해, 열절연이 덜 요구되고 개질기에 공급되는 화력은 더 낮은 값으로 설정될 수 있다. 추가로, 시프트 단계 수 감소의 결과로서, 또한 본 발명에 따른 열복합 발전소내 압력 손실은 전체적으로 감소되고, 이것은 발전소의 효율에서 플러스 효과를 갖는다.
또한, 개질시에 일산화탄소의 농도를 낮추는 메탄화 반응을 이용함에 따라, 공지된 열복합 유닛에 사용되는 다른 통상적인 PROX 단계의 조력에 의한, 가스에 대한 고-정화 단계의 제거로 잔여 일산화탄소를 이산화탄소로 변화하게 한다. 이산화탄소는 연료전지에 관하여 비활성이고 추가적으로 제공되는 탄화수소 가스와 대조적으로, 공정의 잔여물에 대해 더 사용되지 않는 가스인 반면에, 상기된 바와 같은, 탄화수소 가스는 가스 버너의 연소를 위해 매우 적합하다. 추가적인 것은, PROX 단계가, 적절한 제어 장비와 함께, 외부 공기의 계량된 공급을 요구한다는 사실이다.
본 발명이 통상적으로 게시되었지만, 동일 사항은, 도해에 의해 제공되고 특정된 본 발명을 한정하도록 의도되지 않는, 하기의 참조를 통해 좀더 확실히 인지될 수 있다.
발명의 실시예들은 도 1 내지 4를 사용하여 더 상세히 도시되어 있다. 상기 도면들은 발명에 따른 열복합 발전소(combined heat and power plant)(1)에 대한 4가지 상이한 실시예들을 나타낸다. 상기 열복합 발전소(1)는 버너(3)의 도움으로 가열되는 스팀 개질기(2)를 포함한다. 상기 버너는 초기 단계에 천연 가스로 작동되며, 정상 상태동안은 주로 양극(anode) 폐가스로 작동된다. 상기 버너로부터 나오는 폐가스는 주위로 방출된다. 스팀 개질기에는 천연 가스를 개질시키기 위해서 천연 가스와 스팀이 공급된다.
개질 가스로부터 일산화탄소를 제거하기 위해서, 약 180℃ 내지 250℃의 온도에서 작동되는 저온 시프트 반응기(5)를 경유하여 통과된다. Cu/Zn 시프트 촉매가 상기 시프트 반응기에서 촉매로서 사용되는 것이 바람직하다.
개질 가스는 약 650℃의 온도로 스팀 개질기로부터 나오며 따라서 상기 시프트 반응기(5)로 도입되기 이전에 가열 교환기(4)의 도움으로 시프트 반응기의 흡입온도로 냉각되어야 한다. 상기 열 교환기(4)에 의해 상기 개질 가스로부터 추출된 열 에너지는 중앙 난방 목적용으로 이용될 수 있다.
상기 시프트 반응기를 나온 이후, 개질 가스는 약 180℃ 내지 250℃의 시프트 반응기의 배출 온도의 평형 농도에 상응하는 일산화탄소의 농도를 여전히 함유한다. 상기 온도에서, 이는 0.5체적% 미만이다. 발명의 일실시예에 따라, 메탄화 반응기(6)의 메탄화 반응은 일산화탄소 농도를 더 감소시키기 위해서 사용된다. 예를 들면, 루테늄 촉매는 메탄화 촉매로서 적합하다.
메탄화 반응기(6)를 나오는 개질 가스는 전기 에너지의 생산에 따라 연료 전지의 산소와 반응한다. 상기 산소는 연료 전지의 캐소드측에 공급되는 공기에 함유된다. 상기 개질 가스에 함유되는 수소의 약 80체적%는 양극에서 산화된다. 나머지 20체적%는 메탄, 질소, 이산화탄소 및 수증기와 같은 연료 전지에서 전기 에너지의 생산에 참여하지 않는 개질 가스의 성분과 함께 양극 폐가스로 연료 전지를 나온다.
메탄화 반응은 개질 가스의 수소 함유량을 사용하여 처리하지만, 대체로 우선 산화(PROX)보다 수행하기에 더 간단하다. 부가적으로 생산되는 메탄은 연료 전지에서 나온 양극 폐가스로서 스팀 개질기의 버너로 공급되며 연소 공기의 도입과 함께 연소된다.
도 1 내지 3에 도시된 공정 방식은 개질 온도가 약 60℃ 내지 80℃의 연료 전지의 작동 온도로 냉각되는 방법과 상이하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 열복합 발전소의 구조를 나타낸다. 여기서, 메탄화 반응기(6)는 저온 시프트 반응기(5)와 같은 동일한 온도 범위에서 작동한다. 따라서, 메탄화 반응기를 나오는 개질 가스의 온도는 열 교환기(7)를 사용하는 연료 전지의 작동 온도로 낮춰져야 한다. 개질 가스로부터 추출되는 열 에너지는 중앙 난방용으로 또는 온수의 생산을 위해 다시 사용된다.
도 2는 본 발명의 열복합 발전소의 또 다른 구조를 나타낸다. 이러한 공정 방식에 따라, 메탄화 반응기(6)는 연료 전지에 대한 온도 범위내에서 작동된다. 따라서, 이 경우에, 부가적인 열 교환기(7)는 저온 시프트 반응기(5)와 메탄화 반응기(6) 사이에 위치되어야 한다.
도 3은 본 발명에 따른 열복합 발전소의 또 다른 실시예를 나타낸다. 이 경우에, 저온 시프트 반응기와 메탄화 반응기는 차례대로 단일 하우징내에 위치된다. 이 실시예는 열복합 발전소에 대해 아주 소형 구조를 가능하게한다.
도 1 내지 3의 공정 변동에 관계없이, 상기 열복합 발전소는 다음과 같이 작동된다: 천연 가스는 대체로 메탄을 포함하는 주 에너지 운반체로서 사용된다. 천연 가스와 수증기의 혼합물은 스팀 개질기에서 부분적으로 개질시킴으로써 수소, 일산화탄소 및 메탄을 포함하는 개질 가스로 변화된다. 상기 열 교환기에서 냉각시킨 이후, 이 개질 가스는 개질 가스의 일산화탄소 함유량을 0.5체적%미만으로 감소시키기 위해 저온 시프트 반응기에서 처리된다. 결국, 개질 가스에서 일산화탄소의 잔류 농도는 메탄 반응기에서 100체적.ppm 미만의 잔류 농도로 감소된다. 결과적인 생성 가스는 연료 전지의 작동 온도로 냉각된 이후 연료 가스로서 연료 전지로 공급된다. 연료 전지로부터 나오는 양극 폐가스는 그후 스팀 개질기에서 가스 버너용의 연료로서 사용된다.
천연 가스/수증기 혼합물의 부분적 개질은, 개질 가스가 여전히 메탄의 적어도 5내지 10체적%를 포함하도록, 증기 개질기의 작동 온도를 조정함으로써 바람직하게 수행된다. 이런 메탄 농도는 약 500과 750℃ 사이의 값까지 증기 개질기의 작동 온도를 적절히 하강시킴으로써 제공될 수 있다. 부분적 개질 때문에, 개질 가스내 일산화탄소의 농도는 완전 개질의 경우에서 보다 낮아서, 하류 저온 시프트 반응기가 0.5체적% 이하까지 개질 가스내 일산화탄소의 농도를 낮추기에 충분하다. 천연 가스/수증기 혼합물의 완전 개질의 경우에, 개질(개질)은 약 10체적%의 일산화탄소를 포함한다. 본 발명에 따라 부분적으로만 개질된 가스 혼합물은 5체적% 이하의 일산화탄소를 포함한다.
제안된 공정에 따라, 증기 개질기에 가스 버너용 연로가스로서 리턴된 양극 폐가스는 이온화 검출기(ionisation detector)를 사용하여 화염의 존재가 명백하게 지시되도록 충분히 많은 양의 메탄을 포함한다.
공정은 양극 폐가스를 증기 개질기내 버너에 리턴시키는데 기인한 자가-안정(self-stabilising) 또는 자가-조절(self-regulating) 방식으로 작동될 수 있다. 너무 높은 버너 온도 때문에 개질의 효율이 상승하여 개질(개질)내 메탄 농도가 감소된다면, 보다 작은 메탄이 양극 폐가스의 버너에 리턴되고 이것은 가열 용량의 감소를 초래하여 개질의 효율 감소를 초래한다. 역으로, 개질의 메탄 농도가 저온 개질 온도 때문에 증가된다면, 양극 폐가스내 보다 높은 메탄 농도는 버너의 가열 용량의 증가를 유발하여 개질 공정의 확대를 유발시킨다. 그래서, 공정은시스템의 상응하는 댐핑으로 인해 안정한 작동점을 가정한 공정을 초래하는 음의 피드백 효과를 가진다. 이런 공정 변형의 장점은 고유한 자기-조정 효과 때문에, 버너가 천연가스를 공급받아야할 필요가 없고 별개의 가스 제어기가 이를 위해 요구되지 않는다는 사실이다.
제안된 공정은 열복합 발전소의 연속 작동을 기술하고 있다. 발전소를 시동할 때, 증기 개질기내 가스 버너가 초기에 외부 천연 가스 및 연소 공기로 작동된다. 발전소의 작동온도에 도달한 이후에만, 상기 발전소의 작동온도는 가스버너에 대한 천연 가스의 외부 공급을 종결시킬 수 있고, 가스 버너는 연료 전지 유닛으로부터의 양극 폐가스만을 가지고 작동된다. 시동단계 동안, 이온화 검출기를 통한 버너 안전의 모니터링은 외부 천연 가스를 사용한 버너의 작동에 의해 보증된다. 그러나, 양극 폐가스만을 사용한 버너의 작동은, 기술된 공정관리로 인해 양극 폐가스가 메탄의 충분한 농도를 포함하기 때문에, 또한 본질적으로 안전하다.
본 발명에 따른 공정의 이런 특징은, 증기 개질기의 버너가 열복합 발전소를 시동할 때조차도 전혀 외부의 천연가스 공급 없이 작동되게 할 수 있다. 이런 특정의 바람직한 변형체가 도1에 도시된 공정 기법에 대해 도4에 도시되어 있다. 그러나, 도2 및 도3의 실시예들도 이런 방식으로 작동될 수 있다. 실온으로부터 증기 개질기에 대한 시동 동안, 천연 가스는 초기에 불변 개질기를 통과하고 양극 폐가스와 함께 버너에 복귀된다. 증기 개질기의 온도가 증가함에 따라, 개질(개질)의 메탄 농도가 수소에 편승하여 감소되고 버너의 가열용량은 안정 작동 상태가 달성될 때까지 감소된다.
본 발명은 특정 실시예와 관련하여 기술되었지만, 더 수정할 수 있고 이 출원은 일반적으로 본 발명의 원리들에 따르고, 본 발명이 관련된 기술분야내에서 공지되거나 또는 통상적인 실행범위로 되고, 인용된 필수적인 특징들에 적용될 수 있으며, 첨부된 청구항의 범위에 따르는 것과 같은 본 발명의 기술로부터의 이탈을 포함하는 본 발명의 임의의 변형, 사용 또는 개작을 포함하도록 의도됨을 인지해야 한다.
본 발명은 열 및 전기 에너지의 생산을 위한 통합된 가스 생산 시스템을 지닌 열복합 발전소 및 공정을 제공한다.

Claims (15)

  1. 통합된 가스 생산 시스템을 가지는 열복합 발전소에 있어서,
    a. 스팀 개질기, 여기서 스팀 개질기는 개질 가스유니트을 생성하는 가스 버너로 가열되고, 가스유니트는 일산화탄소와 수소를 함유하며;
    b. 저온 시프트 반응기 및 개질 가스 유니트에서 일산화 탄소를 감소시키기 위한 스팀 개질기의 하류 메탄화 반응기;
    c. 스팀 개질기에서 생성된 개질 가스 유니트의 냉각이 가능한, 개질 가스 유니트스팀 개질기와 시프트 반응기 사이에 위치한 1 차 열교환기;
    d. 저온 시프트 반응기로부터의 개질 가스 온도를 연료 전지 유니트의 적절한 운전 온도까지 낮출 수 있는, 저온 시프트 반응기 하류의 2 차 열교환기;및
    e. 개질 가스에 함유된 수소와 연료전지안의 산소를 촉매 반응시켜 전기에너지를 생산하기에 충분한 운전온도의 2 차 열교환기 하류의 연료 전지 유니트
    를 포함하는 통합된 가스 생산 시스템을 가지는 열복합 발전소.
  2. 제 1 항에 있어서, 스팀개질기는 탄화수소와 수증기 혼합물을 수소와 일산화 탄소를 함유하는 개질 가스 스트림으로 변환시키는 열복합 발전소.
  3. 제 1 항에 있어서, 개질 가스 유니트은 스팀개질기는 연료전지 유니트의 양극으로 공급되고, 연료 전지 유니트에서 생성된 양극 폐가스가 가스 파이프에 의해서 연료로서 가스버너에 공급되는 열복합 발전소.
  4. 제 1 항에 있어서, 열복합 발전소는 천연가스를 사용하는 열복합 발전소.
  5. 제 1 항에 있어서, 저온시프트 반응기는 Cu/ZnO 시프트 촉매를 구비하는 열복합 발전소.
  6. 제 1 항에 있어서, 메탄화 반응기는 루테늄-함유 촉매를 구비하는 열복합 발전소.
  7. 통합된 가스 생산 시스템을 가지는 열복합 발전소 운전 방법에 있어서,
    a. 천연가스와 수증기를 수소, 일산화 탄소 및 스팀 개질기에서의 부분 개질에 의한 메탄-함유 개질 가스로의 변환;
    b. 열교환기에서 개질 가스의 냉각;
    c. 개질 가스를 저온 시프트 반응기에서 처리하여 개질 가스의 일산화탄소 함량을 0.5 vol.% 이하로 감소시키는 것;
    d. 메탄화 반응기에서 100 vol.ppm 이하의 잔류 농도까지 일산화탄소를 더 감소시키는 것;및
    e. 더 감소된 일산화 탄소 가스를 연료 전지 유니트 운전 온도까지 냉각
    을 포함하는 통합된 가스 생산 시스템을 가지는 열복합 발전소 운전 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 연료 전지 유니트로부터의 폐가스가 스팀 개질기에서 가스버너용 연료로 공급되는 열복합 발전소 운전방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 스팀 개질기는 이온화 감지기로 감시되는 가스버너로 가열되는 열복합 발전소 운전방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 스팀 개질기에 있어서 혼합물의 부분 개질이 스팀 개질기의 온도를 조절하는 것에 의해 제어되고, 개질 가스는 적어도 5 에서 10 vol.% 메탄을 함유하는 열복합 발전소 운전방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 저온 시프트 반응기는 약 180 에서 250 ℃ 사이에서 운전되는 열복합 발전소 운전방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 메탄화 반응기는 저온 시프트 반응기와 같은 온도에서 작동하고, 그리고 메탄화 반응기의 개질된 하류온도는 연료 전지 유니트의 작동온도인, 약 60 ℃ 에서 90 ℃ 까지 낮아지는 열복합 발전소 운전방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 저온 시프트 반응기 및 메탄화 반응기는 단일한 하우징안에 연속적으로 위치되는 열복합 발전소 운전방법.
  14. 제 11 항에 있어서, 메탄화 반응기는 연료 전지 유닌트의 운전온도에서 운전되고, 개질물의 온도가 메탄화 반응기로 진입전에 연료전지 유니트의 온도까지 낮아지는 열복합 발전소 운전방법.
  15. 제 7 항에 있어서, 공정은 자가-제어 방법에 의해서 작동되는 열복합 발전소 운전방법.
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Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3863774B2 (ja) * 2001-12-19 2006-12-27 三洋電機株式会社 燃料電池システム
EP1458044A1 (en) * 2003-02-20 2004-09-15 SANYO ELECTRIC Co., Ltd. Fuel cell system
DE10324315A1 (de) * 2003-05-27 2004-12-16 Siemens Building Technologies Ag Verfahren zur Überwachung der Qualität eines von einem Reformer für den Betrieb von Brennstoffzellen gelieferten Gasgemisches
AT413008B (de) * 2004-02-12 2005-09-26 Avl List Gmbh Vorrichtung und verfahren zur kühlung heisser prozessgase
DE102004013337A1 (de) * 2004-03-17 2005-10-13 Viessmann Werke Gmbh & Co Kg Brennstoffzellenanlage und Verfahren zum Betrieb dieser Anlage
DE102005001290A1 (de) * 2005-01-11 2006-07-20 Basf Ag Vorrichtung und Verfahren zur Entfernung von Kohlenmonoxid aus einem wasserstoffhaltigen Gasstrom
DE102005010935A1 (de) * 2005-03-09 2006-09-14 Webasto Ag Reformer, Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
JP5234401B2 (ja) 2007-12-06 2013-07-10 日産自動車株式会社 固体電解質型燃料電池システム
KR101199134B1 (ko) * 2010-05-17 2012-11-09 삼성에스디아이 주식회사 선택적 산화반응장치 및 이를 포함하는 연료전지 시스템
JP5853137B2 (ja) * 2010-08-25 2016-02-09 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 水素精製装置およびそれを用いた燃料電池システム
CN107359361B (zh) * 2017-08-24 2023-04-07 中海石油气电集团有限责任公司 一种天然气制氢及与质子交换膜燃料电池集成热电冷三联供的撬装式集成装置及方法

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3488171A (en) * 1965-06-04 1970-01-06 Inst Gas Technology Reforming and selective methanation of hydrocarbons to generate hydrogen
US3438759A (en) * 1965-12-03 1969-04-15 Cons Natural Gas Svc Gas reformer and control means
US3539395A (en) * 1966-02-25 1970-11-10 Gen Electric System and process for the indirect electrochemical combination of air and a reformable fuel
US3615217A (en) * 1966-06-27 1971-10-26 Catalysts & Chemicals Inc Low temperature copper-zinc shift reaction catalysts and methods for their preparation
US3615164A (en) * 1968-01-10 1971-10-26 Bernard S Baker Process for selective removal by methanation of carbon monoxide from a mixture of gases containing carbon dioxide
US3615850A (en) * 1969-03-10 1971-10-26 Gen Electric System and process employing a reformable fuel to generate electrical energy
DE4005468A1 (de) * 1990-02-21 1991-08-22 Linde Ag Verfahren zum betrieb von hochtemperatur-brennstoffzellen
CN1168168C (zh) * 1996-07-02 2004-09-22 松下电工株式会社 燃料电池发电系统
US5997594A (en) * 1996-10-30 1999-12-07 Northwest Power Systems, Llc Steam reformer with internal hydrogen purification
US6562088B2 (en) * 1998-09-09 2003-05-13 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Method for operating a hydrogen generating apparatus
DE19908905C2 (de) * 1999-03-02 2003-03-20 Daimler Chrysler Ag Brennstoffzellensystem mit zugeordneter Wasserstofferzeugungsanlage
JP2000256003A (ja) * 1999-03-08 2000-09-19 Osaka Gas Co Ltd 水素リッチガス中のｃｏ除去方法
US6190623B1 (en) * 1999-06-18 2001-02-20 Uop Llc Apparatus for providing a pure hydrogen stream for use with fuel cells
US6190523B1 (en) * 1999-07-20 2001-02-20 Basf Corporation Electrocoat coating composition and process for electrocoating a substrate

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CA2379942C (en) 2010-07-20

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