KR20100111898A - 다단유동층 고순도 수소생산 장치 - Google Patents

다단유동층 고순도 수소생산 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다단유동층 고순도 수소생산 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 여러 개의 가스분산판에 의해 내부공간을 수직으로 다수로 구획하고 각 구획된 공간에 촉매와 CO2흡수제를 번갈아 충전시킨 다단유동층을 형성한 수소생산반응기와 고체분사관을 적용한 재생반응기로 구성하고, 상기 CO2흡수제가 충전된 상하층간의 공간에는 하강이송관을 설치하여 CO2흡수제가 하강이송관을 따라 최상부 CO2흡수제층에서부터 순차적으로 하강하면서 반응에서 생성된 CO2를 흡수제거하도록 하고, 최하부 CO2흡수제층의 CO2흡수제는 재생반응기로 공급하여 재생한 후 수소생산반응기의 최상부 CO2흡수제층에 공급하도록 한 것이다.
다단유동층, 수소생산반응기, 재생반응기, 하강이송관, 고체분사관

Description

다단유동층 고순도 수소생산 장치{High Purity Hydrogen Generation Apparatus with Multi-stage Fluidized Bed}
본 발명은 다단유동층 고순도 수소생산 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 여러 개의 가스분산판에 의해 내부공간을 수직으로 다수로 구획하고 각 구획된 공간에 촉매와 CO2흡수제를 번갈아 충전시킨 다단유동층을 형성한 수소생산반응기와 고체분사관을 적용한 재생반응기로 구성하고, 상기 CO2흡수제가 충전된 상하층간의 공간에는 하강이송관을 설치하여 CO2흡수제가 하강이송관을 따라 최상부 CO2흡수제층에서부터 순차적으로 하강하면서 반응에서 생성된 CO2를 흡수제거하도록 하고, 최하부 CO2흡수제층의 CO2흡수제는 재생반응기로 공급하여 재생한 후 수소생산반응기의 최상부 CO2흡수제층에 공급하도록 한 것이다.
따라서, 촉매는 수소생산반응에 참여하면서 재생반응기로의 순환을 억제해 순환이동에 의한 마모손실과 촉매활성저하를 방지할 수 있다. 또한, 기존발명에서 사용한 고체이동기를 제거하기 때문에 수소주입을 위한 펌프와 고체이동량을 조절 하기 위한 스라이드밸브가 필요없으며, 반응기의 수가 줄어들어 설치면적을 줄일 수 있게 한 것이다.
화석연료의 고갈을 대비하여 청정연료로 수소를 이용하고자 하는 연구가 활발하게 이루어지고 있으며, 수소 경제사회를 위한 인프라 구축과 연료전지 버스, 발전용 연료전지 및 수소 제조저장 등 폭넓은 연구가 수행되고 있다.
이러한 수소생산은 화석연료로부터 수취하는 방법이 주로 연구되고 있으며, 화석연료인 탄화수소를 물과 반응시켜 이산화탄소와 수소를 생산하고 발생된 이산화탄소를 분리하여 수소를 수취하는 수증기 개질기술이 적용되고 있다.
이와 같이 화석연료로부터 수소를 생산하는 과정에는 이산화탄소가 발생되며, 발생된 이산화탄소의 분리정도에 따라 수취되는 수소의 순도가 달라진다. 따라서, 수소생산과정에는 이산화탄소를 분리하는 방법이 매우 중요하다 할 것이다. 종래에 이산화탄소를 분리하는 방법으로는 수소분리막을 이용하는 방법(특허출원 2007-0078584)과, 압력스윙흡착에 의한 방법(특허출원 1991-0020454)등이 제시되고 있다.
특히 대한민국 등록특허 제0733038호(2007.06.21 등록)에는 고순도의 수소를 생산하는 방법으로 개질촉매와 흡수제가 충전되어 개질반응이 이루어지는 혼성반응기와, 상기 혼성반응기에서 이산화탄소가 흡수된 흡수제에서 이산화탄소를 분리시키는 재생반응기와, 상기 재생반응기에서 혼성반응기로 개질촉매 및 재생된 흡수제를 이동시키기 위한 고체이동기를 포함한 장치에 의한 생산방법을 제시하였다. 즉, 고체의 이산화탄소 흡수제를 재생하는 과정으로 통해 연속적인 수소생산이 가능하 도록 한 것이다.
상기 3개의 장치로 이루어진 장치에서의 수소생산과정을 설명하면 다음과 같다. 화석연료인 메탄으로부터의 수소 생산은 개질촉매 존재하에 물과 반응이 이루어지는 조건에서 반응식 1의 수성가스 생산반응 및 반응식 2의 수성가스화 반응이 함께 이루어지는 과정에 의해 수소의 생산이 이루어지며, 총괄적으로는 반응식 3과 같은 반응이 일어난다.
[반응식 1] CH4 + H2O → CO + 3H2
[반응식 2] CO + H2O → CO2 + H2
[반응식 3] CH4 + 2H2O → CO2 + 4 H2
개질이 이루어지는 반응기에는 개질촉매와 함께 CO2 흡수제 또는 흡착제를 충전시켜 생성된 CO2를 고체입자 내에 흡수/흡착한다. CO2 흡수제로 금속산화물(MO)을 사용한 경우를 예로 들면 다음의 반응식 4와 같다.
[반응식 4] CO2 + MO →MCO3
상기 반응식 3과 반응식 4의 반응이 동시에 일어나면, 다음의 반응식 5와 같은 반응이 일어나며, 이와 같이 기체중의 CO2를 고체입자에 고정화하면 기체중의 CO2 분압이 감소하므로 르-샤틀리에의 원리에 의해 반응식 5의 정반응(수소생산)이 우세해져 수소 수율을 높일 수 있으므로 고순도의 수소 수취가 가능하다.
[반응식 5] CH4 + 2H2O + MO → 4 H2 + MCO3
또한, CO2를 흡수한 흡수제는 반응식 6과 같은 재생반응에 의해 CO2를 배출하고 원래의 금속산화물 형태로 환원된다.
[반응식 6] MCO3 → MO + CO2
따라서, 종래 건은 상기 과정을 반복함으로써 CO2 흡수제를 연속적으로 사용함은 물론 고순도의 수소를 얻을 수 있도록 하고 있다.
또한, 상기 종래 건은 수소생산을 위한 연료로 탄화수소(천연가스, 가솔린, 나프타, 석탄 등)를 고려하였으나, 석탄, 바이오매스, 탄화수소화합물 등으로부터 생산된 합성가스(CO, CO2, CH4, H2, H2O의 혼합물)에 포함된 CO는 수성가스화반응 촉매가 존재하는 조건에서 반응식 2와 같은 수성가스화반응(water gas shift reaction)에 의해 수소로 전환될 수 있으며, 생성된 CO2는 반응식 4와 같이 CO2 흡수제를 함께 반응시키면 생성된 CO2가 고체흡수제에 고정되므로 르-샤틀리에의 원리에 의해 반응식 2의 정반응(수소생산)이 우세해져 수소 수율을 높일 수 있어 고순도의 수소를 얻을 수 있다.
즉, 종래 건은 혼성반응기에서 반응식 5의 개질 및 CO2 흡수반응이 함께 발생되고, 재생반응기에서 CO2 흡수제의 재생이 일어나며, 고체이동기를 통해 개질촉매와 CO2 흡수제의 이송이 이루어지도록 하여 CO2 흡수제의 추가 충전 없이 연속적 인 반응에 의해 고순도의 수소를 수취하도록 한 것이다.
그러나 종래건은 CO2 흡수-재생을 목적으로 반복적으로 순환되는 CO2 흡수제 이외에 혼성반응기에만 필요로 하는 개질촉매가 함께 순환되는 문제점이 있다. 이와 같이 개질촉매가 순환되면 순환되는 량만큼 혼성반응기에서 반응에 참여하는 개질촉매의 양이 적기 때문에 원활한 반응이 이루어지도록 하기 위해서는 개질촉매의 충전량을 증가시켜야 한다.
또한, 개질촉매가 재생반응기로 순환되면 촉매와 촉매, 촉매와 CO2 흡수제, 촉매와 장치 벽 사이의 충돌에 의해 입자마모에 의한 손실이 증가하며 고온에서 조업되는 재생반응기에 도입되면서 열충격에 의한 촉매 활성 저하가 일어날 수 있는 문제점이 있다.
아울러 혼성반응기, 재생반응기, 고체이동기의 3개 반응기로 구성되어 있어 공정이 복잡하고 고체이동기의 기체로 수소를 사용하므로 수소의 주입을 위한 펌프가 추가로 필요로 하며, 혼성반응기와 재생반응기 사이 및/또는 재생반응기와 고체이동기 사이에 고체이동량 조절을 위해 슬라이드 밸브 필요로 함으로 장치비용을 증대와 설치면적이 증가되는 단점이 있다.
따라서 상기 문제점을 해소하기 위한 본 발명은 다단유동층 및 고체분사노즐을 적용하여 수소생산반응기와 재생반응기의 2개 반응기로 구성된 간단한 구조의 공정을 개발하면서 개질촉매(또는 수성가스화촉매)는 수소생산반응기 내에 체류하고, CO2 흡수제만 수소생산반응기와 재생반응기 사이를 순환하는 장치의 제공을 목적으로 한다.
상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다단유동층 고순도 수소생산 장치는,
연료와 수증기를 반응시켜 수소를 생산하고, 수소생산과정에서 발생된 혼합가스에서 CO2를 흡수한 CO2흡수제는 재생과정을 통해 반복 사용되도록 하는 수소생산장치에 있어서, 수직설치된 통체의 챔버로 내부의 하측에 설치된 가스분산판에 의해 챔버를 하부 도입실과 상부 반응실로 구획하고, 상기 도입실에는 연료공급관과 스팀공급관을 연통설치하고, 상기 상부 반응실에는 가스분산판을 다수 설치하여 반응실을 수직으로 다층 구획하고, 구획된 다층반응실은 최상층으로부터 CO2흡수제가 충전된 CO2흡수제층과 촉매가 충전된 촉매층을 순차적으로 적층되도록 형성하고, 적층된 상하 CO2흡수제층 간에는 각각 하강이송관을 설치하여 상부 CO2흡수제층의 CO2흡수제를 하부 CO2흡수제층으로 공급하고, 챔버 상단에는 수소배출구가 형성된 수소생산반응기와; 상기 수소생산반응기의 최하단 CO2흡수제층으로부터 CO2흡수제를 공급받아 유동화에 의한 CO2흡수제의 재생반응이 이루어지도록 하고, 재생된 CO2흡수제는 챔버 내부에 수직으로 관통설치되고 내부에 고체분사가스가 분사되는 고체 분사관의 고체유입구로 유입되어 수소생산반응기의 최상부 CO2흡수제층으로 공급하고, 챔버 상단에는 유동화가스를 배출하는 유동화가스배출구가 형성된 재생반응기;를 포함하여 구성된다.
이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 다단유동층 고순도 수소생산 장치는,
여러 개의 가스분산판에 의해 내부공간을 수직으로 다수로 구획하고 각 구획된 공간에 촉매와 CO2흡수제를 번갈아 충전시킨 다단유동층을 형성한 수소생산반응기와 고체분사관을 적용한 재생반응기로 구성하고, 상기 CO2흡수제가 충전된 상하층간의 공간에는 하강이송관을 설치하여 CO2흡수제가 하강이송관을 따라 최상부 CO2흡수제층에서부터 순차적으로 하강하면서 반응에서 생성된 CO2를 흡수제거하도록 하고, 최하부 CO2흡수제층의 CO2흡수제는 재생반응기로 공급하여 재생한 후 수소생산반응기의 최상부 CO2흡수제층에 공급하도록 한 것이다.
따라서, 촉매는 수소생산반응에 참여하면서 재생반응기로의 순환을 억제해 순환이동에 의한 마모손실과 촉매활성저하를 방지할 수 있다. 또한, 고체이동기를 제거하기 때문에 수소주입을 위한 펌프와 고체이동량을 조절하기 위한 스라이드밸브가 필요 없으며, 반응기의 수가 줄어들어 설치면적을 줄일 수 있게 한 유용한 장 치의 제공이 가능하게 된 것이다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1a에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 다단유동층 고순도 수소생산 장치(10)는 수소생산반응기(20)와 재생반응기(30)를 포함하여 구성된다.
상기 수소생산반응기(20)는 수직으로 설치된 통체의 챔버이며, 챔버 내부의 하측에는 가스분산판(23)에 의해 하부의 도입실(21)과 상부의 반응실(22)로 구획된다. 상기 가스분사판은 가스만 통과가 이루어지도록 미세통공을 갖는 판체로 형성하여 상부에 충전되는 고체물질이 하부층으로 떨어지는 것을 방지하도록 하는 것이 바람직하다.
상기 도입실(21)에는 하부 연료공급관과 스팀공급관이 연통설치되고, 상기 두 관으로 공급된 연료과 스팀은 도입실에서 혼합 및 예열이 이루어지며, 가스분사관을 통해 반응실로 분산 공급된다. 여기서 수소생산반응기로 공급되는 연료의 예로는 탄화수소와 합성가스이고, 연료와 스팀이 각각 별도의 관으로 공급되거나 하나의 관을 통한 공급이 이루어지도록 할 수 있다.
다음으로 상기 반응실(22)은 도입실과 반응실을 구획하는 가스분산판(23)과 동일/유사한 가스분산판(231)이 다수 설치되어 반응실을 다수의 층으로 구획한다. 도면에서는 반응실에 설치되는 가스분산판(231)을 6개로 하여 설치된 가스분산판에 의해 구획된 공간에 CO2흡수제와 촉매를 번갈아 충전시킴으로써 수소생성과정과 CO2제거과정이 반복적으로 이루어지도록 한다. 상기 반응실에 설치되는 가스분산판은 도시된 개수 이외에 반응의 정도에 따라 추가로 더 설치하거나 덜 설치하는 등 조절이 가능하도록 할 수 있다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 도시된 실시예에서는 가스분산판(231)에 의해 구획된 최상층으로부터 하부방향으로 제1CO2흡수제층(24a), 제1촉매층(25a), 제2CO2흡수제층(24b), 제2촉매층(25b), 제3CO2흡수제층(24c), 제3촉매층(25c), 제4CO2흡수제층(24d)이 형성되고, 상기 제4CO2흡수제층 하부에는 도입실(21)이 위치한다. 따라서, 도입실로 공급된 연료와 스팀의 혼합가스는 가스분산판(23)에 의해 분산되어 제4CO2흡수제층(24d)으로 공급되며, 제4CO2흡수제층에서는 반응에 의해 생성된 CO2를 CO2흡수제에 흡수 제거한다. CO2가 제거된 가스는 제3촉매층(25c)에 공급되어 수소생산반응을 촉진시키고, 여기서 발생되는 CO2는 제3CO2흡수제층(24c)에서 흡수제거하는 과정이 반복적으로 이루어지도록 하여 수소생산과 CO2제거가 효율적으로 이루어지도록 한다.
이러한 과정에서 상기 각 CO2흡수제층(24a~24d)에 충전된 CO2흡수제는 CO2흡수에 한계가 있으므로, 어느 정도 CO2흡수가 완료되면 재생반응기(30)로 공급하여 흡수된 CO2를 분리하는 재생과정을 수행하게 한다.
따라서, 본 발명에 따른 수소생산반응기(20)에는 각 층에 적층된 CO2흡수제를 재생반응기(30)로 순환시키기 위해 하강이송관(26)이 더 설치된다. 상기 하강이송관은 인접한 상하 CO2흡수제층 간에 연통설치되어 상부의 CO2흡수제층에 충전된 CO2흡수제를 하부의 CO2흡수제층으로 이송되도록 한다.
상기 하강이송관은 수소생산반응기 내에 위치하거나, 수소반응기 외부에 위치하도록 하는 등 다양한 방법에 의해 설계가 가능하다.
상기 하강이송관(26)이 수소생산반응기(20) 내에 설치된 경우에는 하강이송관의 상단은 상부 CO2흡수제층의 저면에서 상부로 돌출형성하고, 하강이송관의 하단은 하부 CO2흡수제층의 저면과 이격되도록 설치된다. 여기서 상기 동일한 CO2흡수제층에 위치하는 일측 하강이송관의 하단은 타측 하강이송관의 상단보다 낮게 위치하도록 하여 상부로부터 하강 투입된 CO2흡수제가 일정시간 CO2흡수반응이 이루어진 후 하부의 CO2흡수제층으로 공급되도록 한다.
도 1a에 도시된 바와같이 하강이송관(26)은 제1CO2흡수제층(24a)과 제2CO2흡수제층(24b), 제2CO2흡수제층(24b)과 제3CO2흡수제층(24c), 제3CO2흡수제층(24c)과 제4CO2흡수제층(24d)을 각각 연통시킨 제1 내지 제3하강이송관(26a~26c)으로 구성된 다. 여기서 도 1b를 참조한 바와 같이 상기 제2CO2흡수제층(24b)에는 제1하강이송관(26a)의 하단(262)과 제2하강이송관(26b)의 상단(261)이 각각 위치한다.
상기 제1하강이송관 하단(262)과 제2하강이송관 상단(261)의 높이 차에 따라 CO2흡수제층에서의 CO2흡수제가 머무르는 시간을 달리 할 수 있다. 예컨대 제1하강이송관의 하단(262)이 제2하강이송관의 상단(261)보다 높거나 같을 경우 제1하강이송관(26a)으로 공급된 CO2흡수제가 제2CO2흡수제층(24b)에서 오래 반응이 이루어진 CO2흡수제보다 먼저 제2하강이송관(26b)을 통해 배출이 이루어짐으로 CO2흡수제에 의한 CO2흡수가 잘 이루어지지 않는 단점이 있다. 따라서, 도시된 바와 같이 제1하강이송관의 하단(262)이 제2하강이송관의 상단(261)보다 낮게 위치시켜 제1하강이송관(26a)의 하단이 CO2흡수제에 일부 잠기게 함으로써 두 단차를 이동하는 과정에서 CO2흡수 반응이 이루어지도록 한다. 또한, 유입되는 CO2흡수제보다 CO2흡수반응이 이루어진 CO2흡수제가 먼저 제2하강이송관(26b)을 통해 배출되도록 함으로써 CO2제거 효율을 증대시킬 수 있다.
한편, 상기 하강이송관(27)이 수소생산반응기 외부에 설치된 경우에는 도 2에 도시된 바와같이 상기 하강이송관의 상단과 하단은 각각 상하부 CO2흡수제층의 저면에서 상부로 이격된 위치에 연통되도록 설치한다. 상기 각 하강이송관의 상 단(271)과 하단(272)의 위치는 도 1a 및 도 1b를 참조하여 상술한 바와같이 동일한 CO2흡수제층에 위치하는 일측 하강이송관(27)의 하단은 타측 하강이송관의 상단보다 낮은 위치에 연통되도록 하여 상부로부터 하강 투입된 CO2흡수제가 일정시간 CO2흡수 반응이 이루어진 후 하부의 CO2흡수제층으로 공급되도록 한다. 이 때 상기 수소생산반응기(20)와 외부에 설치되는 하강이송관(27)의 기울어진 각도는 CO2흡수제의 안식각을 고려하여 CO2흡수제가 하강이송관에 쌓이지 않는 각도로 형성하는 것이 바람직하다.
이와 같은 하강이송관이 설치된 구조에서 상기 최하단에 위치하는 제4CO2흡수제층(24d)에는 상부의 각 CO2흡수제층(24a~24c)을 통해 공급된 CO2흡수제가 적재되며, 거의 포화상태로 CO2가 흡수되어 있다. 따라서, 최하부에 있는 CO2흡수제층에는 일측에 배출관을 연통설치하여 포화상태의 CO2흡수제를 재생반응기(30)로 공급해 재생과정을 수행하도록 한다.
아울러 상기 수소생산반응기(20)의 상단에는 반응에 의해 생성된 수소가스를 배출하기 위한 수소배출구(28)가 형성된다. 상기 수소배출구를 통해 배출되는 수소는 제1사이클론(40)을 통과하도록 하여 배출된 가스에 포함되는 미세고체입자를 완전 제거하도록 한다. 또한, 제1사이클론을 통과한 가스성분은 응축기(50)를 더 통 과하도록 하여 미반응된 스팀을 응축시켜 분리하게 함으로써 고순도의 수소가스의 수취가 가능하도록 한다.
다음으로 상기 재생반응기(30)는 상기 수소생산반응기(20)의 최하단 CO2흡수제층(24d)으로부터 CO2흡수제를 공급받아 유동화에 의한 CO2흡수제의 재생반응이 이루어지도록 한다. 상기 재생된 CO2흡수제는 챔버내부에 수직으로 관통설치된 고체분사관(31)에 의해 수소생산반응기의 최상부인 제1CO2흡수제층(24a)으로 공급한다. 이 때 상기 고체분사관(31)은 내부에 고체분사가스가 유입되며, CO2흡수제의 유동층 내에 고체유입구(311)가 형성되어 재생반응이 수행된 CO2흡수제는 고체유입구 내부로 유입되어 수소생산반응기(20)로의 이송이 이루어지도록 한다. 이러한 고체분사관의 상세한 구조는 본 출원인에 의해 출원된 특허출원 2009-0018502(2009.3.4 출원)에 기재되어 있으므로, 본 발명에서는 그 기술을 생략한다.
상기 재생반응기(30) 챔버의 상단에는 유동화가스를 배출하는 유동화가스배출구(32)가 형성되어 CO2흡수제를 유동화사킨 유동화가스가 배출되도록 한다. 상기 배출되는 유동화가스는 사이클론을 통과시켜 미세 CO2흡수제를 완전 제거하여 가스성분만 배출이 이루어지도록 한다. 아울러 상기 유동화가스로 스팀을 사용할 경우 유동화가스배출구(32)를 통해 배출되는 가스성분은 스팀과 CO2이므로 응축기(51)를 더 설치함으로써 스팀을 응축제거해 고도로 농축된 CO2의 수취가 가능하여 제품화할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제3실시예를 도시한 다단유동층 고순도 수소생산장치의 개략도이다. 도시된 바와 같이 재생반응기(30)의 고체분사관(31)과 수소생산반응기(20) 사이에는 제2사이클론(41)을 개제하여 고체분사가스가 분리된 CO2흡수제를 수소생산반응기의 최상부 CO2흡수제층(24)으로 공급하게 할 수 있다. 상기 제2사이클론이 설치되지 않으면 고체분사가스가 수소생산반응기로 공급됨으로 수소생산반응기에서 생산된 수소와 혼합이 이루어져 수소의 순도를 저하시키게 된다. 따라서, 제2사이클론(41)을 개재하여 고체이송가스가 제거된 CO2흡수제만을 수소생산반응기로 투입되도록 하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 제4실시예를 도시한 개략도이다. 도시된 바와 같이 재생반응기의 일측에 CO2흡수제 배출관(241)과 투입관(242)을 연통시키고, 수소생산반응기의 각 촉매층에도 촉매배출관(251)과 촉매투입관(252)을 연통시켜 반응성이 저하된 CO2흡수제나 촉매를 교체할 수 있도록 하였다. 이 때 상기 각 투입관(242,252)은 재생반응기 또는 각 촉매층의 상부에 연통되고, 각 배출관(241,251)은 하부에 연통되도록 함은 물론 투입관과 배출관의 연통위치를 서로 대향되도록 하여 CO2흡수제나 촉매의 교체가 이루어지도록 하는 것이 바람직하다. 또한, 미도시 되었지만 상기 각 투입관과 배출관에는 밸브를 장착하여 CO2흡수제나 촉매의 투입과 배출 조절이 용이하게 이루어지도록 할 수 있다.
한편, 상기 서술한 예는, 본 발명을 설명하고자하는 예일 뿐이다. 따라서 본 발명이 속하는 기술분야의 통상적인 전문가가 본 상세한 설명을 참조하여 부분변경 사용한 것도 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연한 것이다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제1실시예에 따른 다단유동층 고순도 수소생산 장치를 도시한 공정도 및 요부확대도.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 다단유동층 고순도 수소생산 장치를 도시한 공정도.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 다단유동층 고순도 수소생산 장치를 도시한 공정도.
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 다단유동층 고순도 수소생산 장치를 도시한 공정도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 수소생산장치
20 : 수소생산반응기
21 : 도입실 22 : 반응실
23,231 : 가스분산판 24 : CO2흡수제층
24a ~ 24d : 제1~4CO2흡수제층 25 : 촉매층
25a ~ 25c : 제1 ~3 촉매층 26,27 : 하강이송관
26a ~ 26c : 제1~3하강이송관 28 : 수소배출구
241 : CO2흡수제 배출관 242 : CO2흡수제 투입관
251 : 촉매 배출관 252 : 촉매투입관
261,271 : 상단 262,272 : 하단
30 : 재생반응기
31 : 고체분사관 32 : 유동화가스배출구
311 : 고체유입구
40 : 제1사이클론
41 : 제2사이클론
50,51 : 응축기

Claims (6)

  1. 연료와 수증기를 반응시켜 수소를 생산하고, 수소생산과정에서 발생된 혼합가스에서 CO2를 흡수한 CO2흡수제는 재생과정을 통해 반복 사용되도록 하는 수소생산장치에 있어서,
    수직설치된 통체의 챔버로 내부의 하측에 설치된 가스분산판(23)에 의해 챔버를 하부 도입실(21)과 상부 반응실(22)로 구획하고, 상기 도입실에는 연료공급관과 스팀공급관을 연통설치하고, 상기 상부 반응실에는 가스분산판(231)을 다수 설치하여 반응실을 수직으로 다층 구획하고, 구획된 다층반응실은 최상층으로부터 CO2흡수제가 충전된 CO2흡수제층(24)과 촉매가 충전된 촉매층(25)을 순차적으로 적층되도록 형성하고, 적층된 상하 CO2흡수제층 간에는 각각 하강이송관(26,27)을 설치하여 상부 CO2흡수제층의 CO2흡수제를 하부 CO2흡수제층으로 공급하고, 챔버 상단에는 수소배출구(28)가 형성된 수소생산반응기(20)와;
    상기 수소생산반응기의 최하단 CO2흡수제층으로부터 CO2흡수제를 공급받아 유동화에 의한 CO2흡수제의 재생반응이 이루어지도록 하고, 재생된 CO2흡수제는 챔버내부에 수직으로 관통설치되고 내부에 고체분사가스가 분사되는 고체분사관(31)의 고체유입구(311)로 유입되어 수소생산반응기의 최상부 CO2흡수제층으로 공급하고, 챔버 상단에는 유동화가스를 배출하는 유동화가스배출구(32)가 형성된 재생반 응기(30);를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 다단유동층 고순도 수소생산 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 수소생산반응기(20)의 수소배출구(28)로 배출되는 가스를 유입하여 기체와 고체를 분리하는 제1사이클론(40)과;
    상기 제1사이클론을 통과한 기체성분을 응축시켜 미반응된 스팀을 응축분리하는 응축기(50);가 더 장착되는 것을 특징으로 하는 다단유동층 고순도 수소생산 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하강이송관(26)은 수소생산반응기(20) 내에 설치하고, 상기 하강이송관의 상단은 상부 CO2흡수제층의 저면에서 상부로 돌출형성하고, 하강이송관의 하단은 하부 CO2흡수제층의 저면과 이격되도록 설치되데,
    상기 동일한 CO2흡수제층(24)에 위치하는 일측 하강이송관의 하단은 타측 하강이송관의 상단보다 낮게 위치하도록 하여 상부로부터 하강 투입된 CO2흡수제가 일정시간 CO2흡수반응이 이루어진 후 하부의 CO2흡수제층으로 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 다단유동층 고순도 수소생산 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하강이송관(27)은 수소생산반응기(20) 외부에 설치하고, 상기 하강이송관의 상단과 하단은 각각 상하부 CO2흡수제층의 저면에서 상부로 이격된 위치에 연통되도록 설치되데,
    상기 동일한 CO2흡수제층(24)에 위치하는 일측 하강이송관의 하단은 타측 하강이송관의 상단보다 낮은 위치에 연통되도록 하여 상부로부터 하강 투입된 CO2흡수제가 일정시간 CO2흡수반응이 이루어진 후 하부의 CO2흡수제층으로 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 다단유동층 고순도 수소생산 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 재생반응기(30)의 고체분사관(31) 상단과 수소생산반응기(20) 사이에는 제2사이클론(41)을 개재하여 고체성분인 재생된 CO2흡수제와 고체분사가스를 분리하여 재생된 CO2흡수제만 수소생산반응기의 최상부 CO2흡수제층(24)에 공급되도록 한 것을 특징으로 하는 다단유동층 고순도 수소생산 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    재생반응기(30)의 일측에는 CO2흡수제 배출관(241)과 투입관(242)을 연통시켜 반응성이 저하된 CO2흡수제의 교체가 이루어지도록 하고,
    상기 수소생산반응기(20)의 각 촉매층(25)에는 상부에 촉매투입관(252)을 연통시키고 하부에 촉매배출관(251)을 연통시켜 반응성이 저하된 촉매를 교체하도록 한 것을 특징으로 하는 다단유동층 고순도 수소생산 장치.
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