KR20110015148A - 가스화 합성가스를 이용하는 다단 유동층 수성가스 반응장치 및 이를 이용한 수소생산방법 - Google Patents

가스화 합성가스를 이용하는 다단 유동층 수성가스 반응장치 및 이를 이용한 수소생산방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스화 합성가스를 이용하는 다단 유동층 수성가스 반응장치 및 이를 이용한 수소 생산방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 석탄, 중질잔사유, 글리세린 등의 중질 탄소원의 가스화를 통해서 생산되는 고농도의 일산화탄소를 함유하고 있는 합성가스를 촉매 존재 하에 물과 반응시켜 수소를 생산하는 다단 유동층 수성가스 반응장치 및 이를 이용한 수소 생산 기술에 대한 것이다. 즉, 900-1,600℃ 사이의 온도에서 부분산화 및 증기 가스화 반응을 통해서 발생된 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 황화수소, 일산화수소 등이 혼합되어 있는 합성가스 중에 포함된 30-70%의 일산화탄소를 증기와 저온 및 고온의 촉매가 내포되어 있는 다단 유동층 수성가스 반응장치를 이용하여 저온촉매 및 고온촉매의 혼합없이 수소로의 전환이 이루어지도록 하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
다단 유동층, 수성가스, 열교환기, 저온촉매, 고온촉매

Description

가스화 합성가스를 이용하는 다단 유동층 수성가스 반응장치 및 이를 이용한 수소생산방법{Multi fluidized bed water-gas shift reactor and the hydrogen production method by using syngas from waste gasification}
본 발명은 가스화 합성가스를 이용하는 다단 유동층 수성가스 반응장치 및 이를 이용한 수소 생산방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 석탄, 중질잔사유, 글리세린 등의 중질 탄소원의 가스화를 통해서 생산되는 고농도의 일산화탄소를 함유하고 있는 합성가스를 촉매 존재하에 물과 반응시켜 수소를 생산하는 다단 유동층 수성가스 반응장치 및 이를 이용한 수소 생산 기술에 대한 것이다. 즉, 900-1,600℃ 사이의 온도에서 부분산화 및 증기 가스화 반응을 통해서 발생된 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 황화수소, 일산화수소 등이 혼합되어 있는 합성가스 중에 포함된 30-70%의 일산화탄소를 증기와 저온 및 고온의 촉매가 내포되어 있는 다단 유동층 수성가스 반응장치를 이용하여 저온촉매 및 고온촉매의 혼합없이 수소로의 전환이 이루어지도록 하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
석탄, 석유, 천연가스와 같은 화석연료들의 연소를 통한 에너지 전환은 지구온난화를 비롯한 환경 문제를 야기시키고 있어 연소가 아닌 청정 에너지 전환 기술의 적용이 점차 구체화되고 있다.
특히 미래의 에너지 자원으로써 높은 가치를 인정받고 있는 수소를 생산할 수 있으며 지구 온난화를 유발하는 이산화탄소를 저렴한 비용으로 처리할 수 있다는 장점으로 인해서 분류층, 유동층, 고정층 가스화 공정들이 다양하게 개발되고 있다.
다양한 탄화수소 물질들을 이용하는 가스화 공정은 청정연료로 대표되는 수소를 생산할 수 있지만 사용하는 연료원, 가스화제, 반응기 타입, 운전 조건 등에 따라서 수소 함량이 10-40% 밖에 되지 않는다. 이와 같이 일반적으로 가스화 공정에서 생산되는 합성가스는 대부분 일산화탄소를 수소보다 더 많이 포함하고 있다.
따라서 연료전지 자동차, 수소 엔진, 고효율 수소 복합 발전과 같은 신기술의 적용을 위해서는 합성가스 내의 대부분을 차지하고 있는 일산화탄소를 수소 전환시켜야 한다. 또한 가스화 공정의 장점인 저렴한 이산화탄소 분리를 위해서도 합성가스 내의 일산화탄소를 수소 전환시켜 최종적으로 수소와 이산화탄소만으로 구성된 고농도 수소 흐름을 만들어야 한다.
통상적으로 일산화탄소를 수소로 전환하기 위해서는 천연가스 개질 공정에서 이용하고 있는 고정층 수성가스 반응기를 이용하나 30-70%에 이르는 가스화 공정의 합성가스 내에 포함된 일산화탄소 조건에서는 이용하기 힘들다.
이는 지금까지 수성가스 반응과 관련된 대부분의 개발이 금속 위에 세라믹이 담지된 형태의 수성가스 전환 촉매 및 그 제조방법(특허등록 제0462286호)과 같이 수성가스 반응기에 대한 개선보다는 촉매에 대한 개발이 주를 이루기 때문이다.
다른 방법으로는 열에너지를 이용하여 수성가스를 발생하게 하여 소각하는 방법(특허등록 제0834298호)이 있다. 이는 수소 생산이 아닌 연소하기 위한 전공정으로 적용하고 있어 수소 전환율이 낮다.
또한 최근 출원된 폐기물 가스화 공정에서 나오는 30-50% 일산화탄소를 대상으로 함과 동시에 기존의 고정층/유동층 방식을 동시에 구현함과 동시에 2단 구성도 가능하다. 그러나 기포 유동층 공정의 이용에 따른 촉매의 손실을 연속적으로 주입하지 않으며 증기 주입만으로 온도 제어를 하기 때문에 효율이 낮을 것으로 예상된다.
따라서, 에너지원으로써 사용되는 수소의 생산효율을 증가시키기 위해서는 기존의 30-50%를 포함하는 30~70%까지의 일산화탄소를 수소로 전환시켜 수소생산량을 증대시키는 장치 및 방법에 대한 개발이 필요하다.
이에 본 발명에 따른 가스화 합성가스를 이용하는 다단 유동층 수성가스 반응장치 및 이를 이용한 수소생산방법은,
석탄, 원유 코크스, 중질잔사유, 글리세린 등과 같은 탄화수소 물질들의 분유층, 유동층, 고정층 가스화 공정을 통해 생산된 합성가스에 포함되어 있는 30~70%의 일산화탄소를 수소로 전환하도록 한 것이다.
특히 본 발명은 다단 유동층 수성가스 반응장치의 반응기를 상하로 분리하되 하부챔버에는 고온 상태에서 촉매에 의해 수소전환이 이루어지도록 하고, 상부챔버에는 저온에서 촉매에 의한 수소전환이 이루어지도록 하는 등 하나의 반응기에 저온 및 고온 촉매를 모두 사용하여 합성가스로부터의 수소전환이 이루어지도록 한 수성가스 반응장치 및 이를 이용한 수소 생산방법의 제공을 목적으로 한다.
상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 가스화 합성가스를 이용하는 다단 유동층 수성가스 반응장치는,
중단에 격벽을 설치하여 상하부로 챔버가 구획된 가스반응조를 통해 고농도의 일산화탄소를 함유하고 있는 가스화 합성가스를 촉매와 반응시켜 수소로 전환시키는 다단 유동층 수성가스반응장치에 있어서, 상기 격벽으로 구획된 하부챔버로, 다공판에 의해 내부공간이 고온에서 일산화탄소를 수소로 전환시키는 고온촉매가 적층되는 상부반응공간과 혼합가스와 스팀을 공급받는 하부혼합공간으로 구획하고, 상기 하부혼합공간에는 합성가스공급관과 스팀공급관을 각각 연통시켜 예열기로 가열된 합성가스와 스팀을 유입받아 상부반응공간으로 분산공급하도록 하는 고온촉매반응챔버와; 상기 격벽으로 구획된 상부챔버로, 저온촉매가 적층되고 상단연통된 저온반응가스배출관을 통해 반응으로 개질된 가스를 배출하도록 하는 저온촉매반응챔버와; 상기 고온촉매반응챔버의 상부와 연통된 고온반응가스배출관으로 고온반응으로 개질된 가스를 공급받아 고-기 분리가 이루어져 분리된 기체성분인 고온반응가스는 고온반응가스유입관을 통해 저온촉매반응챔버의 하측으로 공급되도록 하고, 분리된 고체성분인 촉매는 촉매순환관을 통해 고온촉매반응챔버로 재공급되거나 외부로 배출되도록 하는 사이클론;을 포함하여 구성된다.
또한, 상기 장치를 이용한 수소생산방법은,
하부혼합공간과 상부반응공간으로 구획된 고온촉매반응챔버와 상기 고온촉매반응챔버의 상부의 일체로 형성되는 저온촉매반응챔버를 포함하여 구성되고, 사이클론에 의해 고온촉매반응챔버의 반응가스를 저온촉매반응챔버로 공급하고, 상기 두 챔버의 내부 상측에는 각각 제1열교환기와 제2열교환기가 장착되어 반응가스의 열을 회수하도록 하는 다단 유동층 수성가스 반응장치를 이용한 수소생산방법에 있어서, 고온촉매가 적층된 고온촉매반응챔버의 하부혼합공간으로 혼합가스와 스팀을 공급하는 가스공급단계와; 상기 공급된 혼합가스 및 스팀은 다공판을 통해 고온촉 매반응챔버의 상부반응공간에 분산공급되어 300~450℃의 고온에서 고온촉매에 의해 수소전환하는 고온반응단계와; 상기 단계에서의 고온반응가스를 사이클론으로 불순물을 분리하여 순수 고온반응가스만 저온촉매반응챔버로 공급하는 고온반응가스이송단계와; 상기 사이클론으로 이송된 가스를 200~250℃의 저온에서 저온촉매에 의해 수소전환하는 저온반응단계와; 상기 단계에서의 수소비중이 증가된 저온반응가스를 배출하는 배출단계;를 포함하여 이루어진다.
이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 가스화 합성가스를 이용하는 다단 유동층 수성가스 반응장치 및 이를 이용한 수소생산방법은,
석탄, 중질잔사유, 글리세린 등의 중질 탄소원의 가스화를 통해서 생산되는 고농도의 일산화탄소를 함유하고 있는 합성가스를 촉매 존재하에 물과 반응시켜 수소가 생산되도록 한다.
즉, 900-1,600℃ 사이의 온도에서 부분산화 및 증기 가스화 반응을 통해서 발생된 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 황화수소, 일산화수소 등이 혼합되어 있는 합성가스 중에 포함된 30-70%의 일산화탄소를 증기와 저온 및 고온의 촉매가 내포되어 있는 다단 유동층 수성가스 반응장치를 이용하여 수소로의 전환이 이루어지도록 한 것이다.
특히, 다단 유동층 수성가스 반응장치는 고온촉매반응챔버와 저온촉매반응챔버를 일체로 형성하고, 각각 다단 온도에서의 수소전환반응이 순차적으로 이루어지 도록 함으로써 수소전환율은 유지하면서도 설치면적은 대폭적으로 절감시킨 유용한 장치 및 방법의 제공이 가능하게 되었다.
이하, 본 발명에 따른 가스화 합성가스를 이용하는 다단 유동층 수성가스 반응장치 및 이를 이용한 수소생산방법을 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 다단 유동층 수성가스 반응장치(10)는 도 1을 참조한 바와같이 가스반응조(20)의 중단에 설치된 격벽(21)으로 내부챔버가 상하로 구획되어 구성된 고온촉매반응챔버(30) 및 저온촉매반응챔버(40)와, 상기 고온촉매반응챔버의 반응가스를 저온촉매반응챔버로 공급하는 사이클론(50)을 포함하여 구성된다.
상기 고온촉매반응챔버(30)는 가스반응조(20)의 하단에 위치하는 챔버로, 금속재질의 다공판(31)을 설치하여 내부공간을 상측의 상부반응공간(32)과 하측의 하부혼합공간(33)으로 구획한다.
상기 상부반응공간(32)에는 고온촉매가 적층되어 후술되는 혼합가스 유입시 유동이 이루어지도록 하고, 측면에는 촉매공급구(22)가 형성되어 마모에 의해 감소된 촉매를 보충할 수 있도록 하였다.
또한, 상기 하부혼합공간(33)에는 합성가스공급관(23)과 스팀공급관(24)이 연통되어 외부로부터 합성가스와 스팀을 공급받는다. 여기서 상기 합성가스는 가스화 또는 가스화용융공정으로부터 생산된 합성가스로 약 30~70%의 고농도 일산화탄소가 내포되어 있다. 이러한 합성가스공급관(23)과 스팀공급관(24)은 도시된 바와 같이 각각 설치되어 유입된 후 하부혼합공간(33)에서 혼합이 이루어진 다음 다공판(31)을 통해 상부반응공간(32)으로 분산되도록 하거나, 하나의 관을 통해 합성가스와 스팀이 혼합된 상태로 공급이 이루어지도록 할 수 있다.
이러한 합성가스 및 스팀은 하부혼합공간(33)으로 유입되기 이전에 각각 예열기(25)를 통해 일정온도 이상의 고온으로 가열하여 공급이 이루어지도록 함으로써 상부반응공간 특히 고온촉매의 유동층 구간의 온도가 300~450℃로 유지되도록 하는 것이다.
다음으로 상기 저온촉매반응챔버(40)는 하측으로부터 고온촉매반응챔버(30)에서 배출되는 고온반응가스를 유입받아 적재된 저온촉매에 의해 일산화탄소를 수소로 전환하는 개질반응이 이루어진다. 상기 저온촉매반응챔버에는 도시된 바와같이 고온반응가스를 저온촉매가 적재된 측면으로부터 직접 공급받아 반응이 이루어지도록 하거나, 고온촉매반응챔버와 같이 다공판에 의해 공간을 구획하는 형태로 제공될 수 있다.
상기 고온촉매반응챔버(30)의 고온반응가스를 저온촉매반응챔버(40)로 공급하는 사이클론(50)은, 고온반응가스배출관(34)을 통해 고온촉매반응챔버의 상측과 연통되어 있다. 상기 고온반응배출관으로 유입된 고온반응가스는 사이클론(50)에서 고-기 분리가 이루어져 순수 기체성분인 고온반응가스는 고온반응가스유입관(41)을 통해 저온촉매반응챔버(40) 하측으로 공급하고, 분리된 고체성분인 촉매는 촉매순 환관(51)을 통해 고온촉매반응챔버(30)로 재공급이 이루어지도록 할 수 있다.
그러나 이때 상기 고온촉매반응챔버(30) 내의 고온촉매는 반복되는 유동층 반응으로 고온촉매가 마모되거나 파손됨으로 사이클론(50)에 의해 분리된 대부분의 고체성분은 분말 또는 파손된 고온촉매분이다. 따라서, 이를 고온촉매반응챔버(30)로 재순환시키지 않고 배출되도록 함으로써 고온촉매반응챔버에는 상태가 양호한 고온촉매만 적재되도록 하여 개질반응의 효율을 증대시킬 수 있다.
아울러 상기 가스반응조(20)에는 열교환기(60,70)를 장착하여 반응가스의 온도를 낮추도록 할 수 있다.
도2에 도시된 바와같이 상기 고온촉매반응챔버 상부반응공간(32)에는 고온촉매 유동층 상부와 고온반응가스배출관(34) 사이에 제1열교환기(60)를 장착하여 고온반응가스의 열을 회수해 상대적으로 낮은 온도의 고온반응가스를 저온촉매반응챔버(40)로 공급되도록 한다.
이때 상기 제1열교환기(60)는 열교환매체로 물/스팀을 사용하여 고온반응가스로부터 열을 회수하여 상변화된 스팀을 외부의 응축기를 통해 방열한 후 다시 고온촉매반응챔버(30)로 공급하여 열교환이 이루어지도록 하거나, 도 3을 참조한 바와같이 열교환에 의해 상변화된 스팀을 스팀공급관(24)을 통해 고온촉매반응기의 하부혼합공간(33)으로 공급해 스팀발생원으로써 사용할 수 있다.
또한, 저온촉매반응챔버(40)의 상측에는 제2열교환기(70)를 장착하여 저온에서의 수소전환이 완료된 저온반응가스의 배출온도를 낮추도록 한다.
상기 저온촉매반응챔버(40)의 저온촉매도 반복적인 유동층반응에 의해 촉매가 마모 또는 파손에 의해 손실됨으로, 이를 보충하기 위해 저온촉매반응챔버의 측면에도 고온촉매반응챔버와 같이 촉매공급구(22)를 형성하여 저온촉매의 연속공급이 가능하도록 하고, 마모나 파손된 촉매는 보조사이클론(80)을 통해 회수하도록 할 수 있다.
도 4를 참조한 바와같이 상기 저온촉매반응챔버(40)의 상측 측면에는 단속밸브(431)를 구비한 보조배출관(43)으로 보조사이클론(80)과 연통설치한다. 이와같이 보조사이클론이 설치되면 저온촉매의 유동 과정에서 중량이 낮은 미분은 더 높게 부유하여 저온반응가스와 함께 보조사이클론으로 유입되어 분리제거가 이루어진다.
도 5를 참조한 바와같이 본 발명에 따른 가스화 합성가스를 이용하는 다단 유동층 수성가스 반응장치를 이용한 수소생산방법은, 고온촉매가 적층된 고온촉매반응챔버의 하부혼합공간으로 일산화탄소의 혼합비중이 30~70%로 높은 혼합가스와 스팀을 공급하는 가스공급단계(S1)가 먼저 수행된다. 상기 단계에서 공급된 혼합가스와 스팀은 하부혼합공간에서 혼합되어 상부반응공간으로 분산공급되거나, 미리 혼합된 상태에서 하부혼합공간을 통해 상부반응공간으로 공급되도록 할 수 있다. 이러한 혼합가스 및 스팀은 일정온도 이상의 고온을 유지시키기 위해 예열기를 통과시켜 가온이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
다음으로는 고온반응단계(S2)가 수행된다. 상기 단계에서는 다공판을 통해 공급되는 혼합가스 및 스팀이 고온촉매반응챔버의 상부반응공간에 적재된 고온촉매에 분사되어 고온촉매와 유입된 혼합가스 및 스팀과의 접촉면적을 증가시켜 300~450℃의 고온에서 수소전환이 이루어지는 단계이다.
상기 단계가 완료되면 고온반응가스이송단계(S3)가 이루어지며, 상기 이송단계에서는 고온반응이 이루어진 고온반응가스를 사이클론을 통과시켜 불순물을 제거한 다음 순수 고온반응가스만을 저온촉매반응챔버로 공급하는 단계이다.
여기서 상기 고온반응가스는 고온상태임으로 도 6을 참조한 바와같이 저온촉매가 적재된 저온촉매반응챔버로 공급되기 위해서는 이송단계 이전에 제1열교환단계(S6)가 먼저 수행된다. 상기 제1열교환단계에서는 고온촉매반응챔버에서의 고온반응이 이루어진 다음 배출도기 이전에 제1열교환기에 의해 열을 회수하여 상대적으로 낮은 온도 상태의 고온반응가스가 이송되도록 하는 것이다.
이때 상기 제1열교환단계에서는 열교환으로 상변이된 스팀을 고온촉매반응챔버의 하부혼합공간으로 공급하는 열교환스팀공급단계(S7)가 더 이루어지도록 함으로써 열손실을 방지하고 에너지사용을 절감시키도록 할 수 있다.
이와같이 저온촉매반응챔버로 공급된 고온반응가스는 약 200~250℃의 저온상태에서 유동되는 저온촉매와 접촉하여 잔여 일산화탄소가 수소로 전환되는 개질반응이 이루어지는 저온반응단계(S4)가 수행된다.
상기 저온반응이 완료된 저온반응가스도 높은 온도를 갖고 있으므로, 도 7을 참조한 바와같이 배출이전에 제2열교환단계(S8)를 수행하여 온도를 낮춘 다음 배출 단계(S5)가 수행된다.
또한, 상기 저온촉매반응챔버의 저온촉매도 유동화에 의해 마모됨으로 도 8을 참조한 바와같이 마모된 촉매분을 보조사이클론으로 제거하는 저온촉매분제거단계(S9)가 더 수행된다. 상기 단계에서는 저온촉매의 유동층이 일정높이 이하일 경우 마모된 저온촉매비중이 큰 상태임으로 저온반응가스배출관을 차단하고 단속밸브를 개방하여 저온촉매분이 포함된 저온반응가스를 보조사이클론을 통해 배출되게 함으로써 보조사이클론에서 저온촉매분 제거가 이루어지게 되는 것이다.
이하 실시예를 통해 본 발명을 설명한다.
실시예 1 - 촉매반응시스템을 이용한 고온 및 저온 수성가스전이반응
실험에 사용된 유동층 수성가스반응기는 내부직경 350 mm, 높이 1200 mm로 사용하였다.
반응기는 합성가스와 증기가 각각 반응기의 하부에서 주입되며 유동층 방식으로 제작되었다.
실험에 사용한 상용 촉매는 실험에 앞서 수소분위기에서 충분한 시간동안 활성화를 시켰다.
반응 후에 미 반응되는 증기는 냉각집진장치를 설치하여 포획하였으며, 주입되는 합성가스는 H2 : CO : CO2 = 2 : 2 : 1, H2O/CO = 2.5의 조성비에 따라 총 400 ~ 2490 sccm (수증기 포함)의 유랑으로 각각 주입되었다. 그 결과를 아래 표 1 에 나타내었다.
Figure 112009048322710-PAT00001
반응 시스템을 통하여 고온 및 저온 수성가스 전이반응을 조사하였으며, 그 결과를 도 9와 도 10에 나타내었다.
고온 수성가스 전이반응에 사용된 촉매 시스템은 30g의 촉매를 200μm크기의 입자 형태를 사용하였고 주입되는 합성가스가 400 ~ 2490 sccm으로 연속적으로 흐름이 유지되는 유동층식으로 수행하였다.
초기 주입되는 가스가 반응기에서 충분한 반응이 이루어지도록 각각의 주입량에서 약 1시간 동안의 반응을 유지하였으며, 반응 후 출구 가스 흐름을 마이크로 가스크로마토그래피를 통해서 실시간으로 분석하여 반응활성을 조사하였다.
도 9는 고온 상용촉매를 이용하여 573 K에서의 고온 수성가스전이반응에 대한 결과로서, 주입되는 가스량이 증가됨에 따라 CO 전환률의 변화를 확인할 수가 있었다.
특히 800 ~ 1200 sccm의 유량이 지속되는 경우 가장 우수한 CO 전환률이 나타나는 것으로 확인할 수 있었다. 고온 수성가스 반응에서는 CO가 90% 이상 전환됨을 알 수 있으며, 이후 저온 수성가스 반응기에 주입되어 원하는 농도 조건으로 배출된다.
동일한 가스 조건에서 저온 촉매를 이용한 수성가스 전이 반응 실험의 결과를 도 10에 나타내었다.
30g의 촉매를 200μm크기의 입자 형태를 사용하였으며 주입되는 합성가스는 유동층방식으로 400 ~ 2490 sccm으로 충분한 반응이 이루어지도록 각각의 주입량에서 1시간동안 유지하였다.
그림에서 보듯이 저온 수성가스 전이반응 역시 주입되는 가스량이 증가됨에 따라 CO 전환률의 변화를 확인할 수가 있었는데, 특히 고온수성가스 전이반응과 다르게 주입 가스량이 증가할수록 CO 전환률이 낮아짐을 확인할 수가 있었다.
이러한 결과로부터 수성가스 전이반응 시 유동층반응의 형태로 진행될 경우, 고정층 방식보다 많은 양의 가스를 처리할 수 있었으나 유량이 증가할수록 전환율이 조금씩 감소되어 적절한 운전 조건 제어가 필요함을 알 수 있다.
이와같이 본 실시예에서는 고온, 저온 촉매 공정을 단독, 또는 연속적으로 이용하여 최종 가스 내의 일산화탄소 조건을 제어할 수 있음을 확인하였다.
도 1 내지 도 4는 은 본 발명에 따른 다단 유동층 수성가스 반응장치의 실시예를 도시한 개략구성도.
도 5 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다단 유동층 수성가스 반응장치를 이용한 수소생산방법을 도시한 공정도.
도 9와 도 10은 본 발명에 따른 고온 및 저온 수성가스 전이반응 실험 데이터를 도시한 그래프.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 수성가스반응장치
20 : 가스반응조
21 : 격벽 22 : 촉매공급구
23 : 합성가스공급관 24 : 스팀공급관
25 : 예열기
30 : 고온촉매반응챔버
31 : 다공판 32 : 상부반응공간
33 : 하부반응공간 34 : 고온반응가스배출관
40 : 저온촉매반응챔버
41 : 고온반응가스유입관 42 : 저온반응가스배출관
43 : 보조배출관
431 : 단속밸브
50 : 사이클론
51 : 촉매순환관
60 : 제1열교환기
61 : 회류관
70 : 제2열교환기
80 : 보조사이클론

Claims (9)

  1. 중단에 격벽(21)을 설치하여 상하부로 챔버가 구획된 가스반응조(20)를 통해 고농도의 일산화탄소를 함유하고 있는 가스화 합성가스를 촉매와 반응시켜 수소로 전환시키는 다단 유동층 수성가스반응장치(10)에 있어서,
    상기 격벽(21)으로 구획된 하부챔버로, 다공판(31)에 의해 내부공간을 고온에서 일산화탄소를 수소로 전환시키는 고온촉매가 적층되는 상부반응공간(32)과 혼합가스와 스팀을 공급받는 하부혼합공간(33)으로 구획하고, 상기 하부혼합공간에는 합성가스공급관(23)과 스팀공급관(24)을 각각 연통시켜 예열기(25)로 가열된 합성가스와 스팀을 유입받아 상부반응공간으로 분산공급하도록 하는 고온촉매반응챔버(30)와;
    상기 격벽으로 구획된 상부챔버로, 저온촉매가 적층되고 상측에 연통설치된 저온반응가스배출관(42)을 통해 반응으로 개질된 가스를 배출하도록 하는 저온촉매반응챔버(40)와;
    상기 고온촉매반응챔버(30)의 상부와 연통된 고온반응가스배출관(34)으로 고온반응으로 개질된 가스를 공급받아 고-기 분리가 이루어져 분리된 기체성분인 고온반응가스는 고온반응가스유입관(41)을 통해 저온촉매반응챔버(40)의 하측으로 공급되도록 하고, 분리된 고체성분인 촉매는 촉매순환관(51)을 통해 고온촉매반응챔버로 재공급되거나 외부로 배출되도록 하는 사이클론(50);을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 가스화 합성가스를 이용하는 다단 유동층 수성가스 반응장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고온촉매반응챔버(30)의 상부반응공간(32)과 저온촉매반응챔버(40)에는 배출되는 반응가스의 온도를 낮추기 위해 제1열교환기(60) 및 제2열교환기(70)가 각각 설치됨을 특징으로 하는 가스화 합성가스를 이용하는 다단 유동층 수성가스 반응장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 저온촉매반응챔버(40)의 상부에는 단속밸브(431)가 설치된 보조배출관(43)을 연통설치하고, 상기 보조배출관(43)의 일측단부에는 보조사이클론(80)을 장착하여, 반복된 유동층 반응에 의해 마모된 촉매분을 회수하여 배출되도록 한 것을 특징으로 하는 가스화 합성가스를 이용하는 다단 유동층 수성가스 반응장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1열교환기(60)에서 열교환으로 발생된 스팀은 회류관(61)을 통해 고온촉매반응챔버의 하부혼합공간(33)으로 공급하도록 한 것을 특징으로 하는 가스화 합성가스를 이용하는 다단 유동층 수성가스 반응장치.
  5. 하부혼합공간과 상부반응공간으로 구획된 고온촉매반응챔버와 상기 고온촉매반응챔버의 상부의 일체로 형성되는 저온촉매반응챔버를 포함하여 구성되고, 사이 클론에 의해 고온촉매반응챔버의 반응가스를 저온촉매반응챔버로 공급하고, 상기 두 챔버의 내부 상측에는 각각 제1열교환기와 제2열교환기가 장착되어 반응가스의 열을 회수하도록 하는 다단 유동층 수성가스 반응장치를 이용한 수소생산방법에 있어서,
    고온촉매가 적층된 고온촉매반응챔버의 하부혼합공간으로 혼합가스와 스팀을 공급하는 가스공급단계(S1)와;
    상기 공급된 혼합가스 및 스팀은 다공판을 통해 고온촉매반응챔버의 상부반응공간에 분산공급되어 300~450℃의 고온에서 고온촉매에 의해 수소전환하는 고온반응단계(S2)와;
    상기 단계에서의 고온반응가스를 사이클론으로 불순물을 분리하여 순수 고온반응가스만 저온촉매반응챔버로 공급하는 고온반응가스이송단계(S3)와;
    상기 사이클론으로 이송된 가스를 200~250℃의 저온에서 저온촉매에 의해 수소전환하는 저온반응단계(S4)와;
    상기 단계에서의 수소비중이 증가된 저온반응가스를 배출하는 배출단계(S5);를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 가스화 합성가스를 이용하는 다단 유동층 수성가스 반응장치를 이용한 수소생산방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고온반응단계(S2) 다음으로는 반응이 완료된 고온반응가스의 열을 열교환기에 의해 회수하여 이송이 이루어지도록 하는 제1열교환단계(S6)가 더 이루어짐 을 특징으로 하는 가스화 합성가스를 이용하는 다단 유동층 수성가스 반응장치를 이용한 수소생산방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1열교환단계(S6)의 열교환기체로 사용된 스팀은 고온촉매반응챔버의 하부혼합공간으로 공급하는 열교환스팀공급단계(S7)가 더 이루어짐을 특징으로 하는 가스화 합성가스를 이용하는 다단 유동층 수성가스 반응장치를 이용한 수소생산방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 저온반응단계(S4)에는 반응이 완료된 저온반응가스의 열을 열교환기에 의해 회수하여 배출이 이루어지도록 하는 제2열교환단계(S8)가 더 이루어짐을 특징으로 하는 가스화 합성가스를 이용하는 다단 유동층 수성가스 반응장치를 이용한 수소생산방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 저온반응단계(S4)에는 단속밸브가 설치된 보조배출관과 연통되는 보조사이클론의 고-기 분리반응에 의해 반복 저온반응으로 마모된 저온촉매분을 제거하도록 하는 저온촉매분제거단계(S9)가 더 이루어짐을 특징으로 하는 가스화 합성가스를 이용하는 다단 유동층 수성가스 반응장치를 이용한 수소생산방법.
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