KR20160128486A

KR20160128486A - 수소 제조 장치

Info

Publication number: KR20160128486A
Application number: KR1020150059454A
Authority: KR
Inventors: 이영철; 한정옥; 이중성; 김용철; 조영아; 김형태; 김상민
Original assignee: 한국가스공사
Priority date: 2015-04-28
Filing date: 2015-04-28
Publication date: 2016-11-08
Also published as: KR101695160B1

Abstract

본 발명은 수소 제조 장치에 관한 것으로, 케이스(610)의 내부에 보일러(620)와 제1 내지 제4열교환기(630,640,650,660)를 구비한 열교환 장치(600)를 포함한다. 상기 보일러(620)와 제1 내지 제4열교환기(630,640,650,660)에서 외부에서 공급되는 천연가스와 물이 개질기(100)로부터 발생한 합성가스 및 연소가스와 열교환하여 적정 온도로 승온된 후 개질기(100)로 공급된다. 열교환기의 집적으로 열손실이 감소하여 수소 제조 장치의 에너지 효율이 향상된다.

Description

수소 제조 장치{hydrogen producing apparatus}

본 발명은 수소 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 천연가스로부터 수소가스를 제조하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 천연가스를 이용하여 수소를 제조하는 수소 제조 장치는 개질기, 전환반응기, PSA(Pressure swing adsorption)장치 및 열교환 장치를 포함한다.

개질기에서는 탈황된 천연가스와 수증기가 버너 가열 및 촉매 작용에 의해 개질반응을 일으켜 1차 합성가스가 생성된다.

전환반응기에서는 수성전이반응을 통해 일산화탄소를 제거하여 수소 함량이 더욱 높은 2차 합성가스가 생성된다.

합성가스2는 PSA장치로 공급되어 압력스윙흡착 공정에 의해 일산화탄소를 포함한 불순물을 제거하여 고순도의 수소가스를 생산한다.

열교환 장치는 상기 장치들로 천연가스, 물 또는 스팀(DI-Water), 1차합성가스, 2차합성가스가 이동할 때 이들을 상호 열교환 시킴으로써 각 장치로 유입되는 유체의 온도조건을 만족시키고, 수소제조장치의 에너지 효율을 향상시킨다.

상기와 같이 수증기 개질 반응을 이용하여 메탄 함유 가스로부터 수소가스를 제조하는 수소 제조 장치의 일 예가 대한민국 등록특허 제10-1403883호(2014.05.29.)에 개시되어 있다.

한편, 종래 수소 제조 장치는 열교환 장치의 열교환 효율이 떨어져서 각 유체의 반응기 입구 온도 조건을 충족시키지 못하는 경우가 많았다. 특히, 개질기로 공급되는 천연가스와 수증기의 온도가 충분히 상승되지 못하여 개질기의 반응 성능이 저하되고, 이를 만회하기 위해 버너에서 사용되는 연료량이 증가하는 문제점이 있었다.

또한, 열교환 장치를 이루는 각 열교환기들이 서로 분산 배치되어 있어서, 수소제조장치의 설치 면적이 증가하고, 연결 배관량이 증가하므로 열 손실량이 증가하며, 점검 및 보수가 불편하다는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 다수의 열교환기를 하나의 케이스 내에 인접 설치하여 유체간 열교환 효율이 향상되고, 장치의 크기가 감소되며, 점검 및 보수가 편리해지는 수소 제조 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 천연가스를 수증기 개질반응을 통해 수소가 함유된 1차합성가스를 생성하는 개질기와, 상기 1차합성가스를 수성전이반응을 통해 수소 함량이 증가된 2차합성가스를 생성하는 전환반응기와, 상기 2차합성가스를 압력스윙흡착법을 통해 일산화탄소와 불순물을 더 제거하여 고순도의 수소가스를 생성하는 PSA장치와, 상기 개질기에 천연가스를 공급하는 천연가스 공급부와, 상기 개질기에 수증기를 공급하기 위한 물 공급부 및 상기 천연가스와 물을 개질기와 전환반응기에서 배출되는 연소가스와 1차합성가스 및 2차합성가스와 열교환시켜 개질기의 입구 온도 조건을 만족시키도록 가열하는 열교환 장치를 포함한다.

상기 열교환 장치는 케이스와, 케이스의 내부 일측에 설치되는 보일러 및 케이스의 내부에서 상기 보일러의 측부에 설치되는 제1열교환기, 제2열교환기, 제3열교환기, 제4열교환기를 포함한다.

상기 케이스는 내측면에 단열재가 설치된다.

상기 케이스는 측면 중 일부가 개방될 수 있다.

상기 보일러는 하부에 1차합성가스 유입부, 1차합성가스 배출부, 연소가스 유입부, 연소가스 배출부가 형성되고, 이들의 상부에 물이 채워지는 탱크부가 형성되며, 1차합성가스 유입부와 1차합성가스 배출부가 1차합성가스관으로 연결되고, 연소가스 유입부와 연소가스 배출부가 연소가스관으로 연결되며, 1차합성가스관과 연소가스관은 역U자 형상으로서 탱크부의 내부에 설치되고, 1차합성가스관을 흐르는 1차합성가스와 연소가스관을 흐르는 연소가스에 의해 탱크부의 물이 가열되어 수증기가 생성되며, 수증기는 탱크부 상부에 연결된 파이프를 통해 개질기로 공급되는 것을 특징으로 한다.

상기 보일러의 1차합성가스 배출부에서 배출된 1차합성가스가 파이프를 통해 전환반응기로 공급되고, 전환반응기에서 배출되는 2차합성가스가 파이프를 통해 2차열교환기의 쉘사이드부 입구로 공급되며, 2차열교환기의 쉘사이드부 출구에서 배출된 2차합성가스가 파이프를 통해 3차열교환기의 쉘사이드부 입구로 공급되고, 3차열교환기의 쉘사이드부 출구에서 배출된 2차합성가스가 파이프를 통해 PSA장치의 입구로 공급되는 것을 특징으로 한다.

상기 보일러의 연소가스 배출부에 제1열교환기의 튜브사이드부를 이루는 튜브들의 일단이 직접 연결되어 연소가스 배출부에서 배출되는 연소가스가 제1열교환기의 튜브사이드부로 직접 유입되고, 제1열교환기의 튜브사이드부 출구에서 배출되는 연소가스가 파이프를 통해 제4열교환기의 튜브사이드 입구로 공급되고, 제4열교환기의 튜브사이드 출구에서 배출되는 연소가스는 파이프를 통해 대기중으로 배출되는 것을 특징으로 한다.

상기 물 공급부의 출구에서 배출된 물이 제1열교환기의 쉘사이드부 입구로 공급되어 물이 연소가스에 의해 1차 가열되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1열교환기의 쉘사이드부 출구에서 배출된 물이 파이프를 통해 제2열교환기의 튜브사이드부 입구로 공급되어 물이 2차합성가스에 의해 2차로 가열되고, 제2열열교환기의 튜브사이드부 출구에서 배출된 물이 파이프를 통해 보일러의 탱크부로 공급되는 것을 특징으로 한다.

상기 천연가스 공급부의 출구에서 배출된 천연가스가 파이프를 통해 제4열교환기의 쉘사이드부 입구로 공급되어 천연가스가 연소가스에 의해 1차 가열되고, 제4열교환기의 쉘사이드부 출구에서 배출된 천연가스가 파이프를 통해 제3열교환기의 튜브사이드부 입구로 공급되어 천연가스가 2차합성가스에 의해 2차 가열되며, 제3열교환기의 튜브사이드부 출구에서 배출된 천연가스가 파이프를 통해 개질기로 공급되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 내지 제4열교환기들 중 3개가 하나의 열을 이루며 상하로 적층되고, 나머지 1개가 다른 열을 이루되 케이스의 바닥판에 설치될 수 있다.

상기 제1 내지 제4열교환기들 중 3개가 하나의 열을 이루며 상하로 적층되고, 나머지 1개가 다른 열을 이루되, 케이스의 바닥판에 서포트프레임이 설치되고, 상기 나머지 1개의 열교환기는 상기 서포트프레임의 상부에 설치될 수 있다.

상기 제1 내지 제4열교환기들 중 2개가 하나의 열을 이루며 상하로 적층되고, 나머지 2개가 다른 열을 이루면서 상하로 적층될 수 있다.

상기 제1 내지 제4열교환기들은 직사각형 관체 형상으로 형성되어 적층시 상측 열교환기의 하면과 하측 열교환기의 상면이 평면 상태로 직접 접촉하여 상호 지지한다.

이상 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면, 열교환 장치의 열교환 효율이 향상되어 각 반응기의 입구 온도 조건을 충족시킬 수 있게 되므로, 반응 효율이 향상되어 수소가스의 수율 및 순도가 향상된다. 특히, 개질기로 공급되는 천연가스와 수증기의 온도가 충분히 상승됨으로써 개질 반응이 원활히 이루어질 뿐만 아니라 개질기 버너의 연료 사용량이 감소되는 효과가 있다.

또한, 열교환 장치를 이루는 각 열교환기들이 하나의 케이스 내에 집적 설치되므로 수소제조장치의 설치 면적이 감소되고, 연결 배관량이 감소되므로 열 손실량이 감소되며, 점검 및 보수가 간편해지는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 수소제조장치의 구성도.
도 2는 수소제조장치의 일 구성인 열교환 장치의 확대도.
도 3은 열교환 장치를 구성하는 개별 열교환기들의 설치 상태 예시도.
도 4는 개별 열교환기들이 사각관 형상인 경우의 설치 상태 예시도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수소 제조 장치는 천연가스를 수증기 개질반응(CH4 + H20 = CO + 3H2 + 49.7Kcal/mol)을 통해 수소가 함유된 1차합성가스(G1)를 생성하는 개질기(100)와, 1차합성가스(G1)를 수성전이반응(CO + H2O = CO2 + H2 - 10Kcal/mol)을 통해 수소 함량이 증가된 2차합성가스(G2)를 생성하는 전환반응기(200)와, 2차합성가스(G2)를 압력스윙흡착법을 통해 일산화탄소(CO)와 불순물을 더 제거하여 고순도의 수소가스를 생성하는 PSA(Pressure Swing Adsorption)장치(300)와, 개질기(100)에 천연가스를 공급하는 천연가스 공급부(400)와, 개질기(100)에 수증기를 공급하기 위한 물 공급부(500) 및 상기 천연가스와 물을 개질기(100)와 전환반응기(200)에서 배출되는 연소가스와 1차합성가스 및 2차합성가스와 열교환시켜 개질기(100)의 입구 온도 조건을 만족시키도록 가열하는 열교환 장치(600)를 포함한다.

개질기(100)는 버너(110)를 구비하며, 버너(110)의 연료로서 천연가스를 공급받는다. 또한, 개질기(100)는 촉매가 담지된 개질반응부로 천연가스와 수증기를 함께 공급받는다. 개질반응부로 공급되는 천연가스는 수소가스 제조의 원료가 된다.

전환반응기(200) 역시 내부에 반응 촉매가 구비되며, 촉매 활성화를 위한 전열히터(미도시)를 구비한다. 전환반응기(200)는 개질기(100)로부터 배출된 1차합성가스(G1)를 공급받아 수성전이반응을 통해 일산화탄소의 함량을 낮추어 수소 함량이 증가된 2차합성가스(G2)를 생성한다.

PSA장치(300)는 내부에 흡착물질을 구비하여 고압조건하에서 물질간 흡착성의 차이에 의해 2차합성가스(G2) 중의 일산화탄소 및 그 외 불순물을 흡착 제거하여 보다 고순도의 수소가스를 생성한다.

천연가스 공급부(400)는 천연가스로부터 황 성분을 제거하는 탈황설비와, 탈황된 천연가스를 보관하는 탱크 및 공급유량과 공급압력을 제어하기 위한 밸브류를 포함한다.

물 공급부(400)에서 공급되는 물은 이온이 제거된 탈이온수(Deionized water)로서 상수를 이온교환수지에 통과시켜 이온을 제거함으로써 제조한다. 물 공급부(400) 역시 보관 탱크, 공급유량과 공급압력을 제어하기 위한 밸브류를 포함한다.

상기 열교환 장치(600)는 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 케이스(610)와 , 케이스(610)의 내부에 설치되는 보일러(620) 및 복수의 열교환기(630,640,650,660)를 포함한다.

케이스(610)는 직육면체 형상으로서, 상면과 1개 이상의 측면이 개방될 수 있도록 각각의 면에 도어가 구비되거나, 또는 측면을 구성하는 판재 자체가 탈착될 수 있도록 되어 있다.

또한, 케이스(610)는 내부와 외부를 단열할 수 있도록 내측면에 단열재(미도시)를 구비할 수 있다. 따라서, 케이스(610) 내부의 열이 외부로 잘 발산되지 않게 된다.

보일러(620)는 케이스(610) 내부의 일측에 직립 상태로 설치된다. 보일러(620)의 하부에는 1차합성가스 유입부(621), 1차합성가스 배출부(622), 연소가스 유입부(623), 연소가스 배출부(624)가 형성되고, 이들의 상부 공간 즉, 탱크부에는 물이 채워진다. 1차합성가스 유입부(621), 1차합성가스 배출부(622), 연소가스 유입부(623), 연소가스 배출부(624)는 서로 독립된 공간이다.

탱크부에는 역U자 형상의 1차합성가스관(625)과 연소가스완(626)이 설치된다. 1차합성가스관(625)은 연소가스완(626)보다 내측에 위치하여 1차합성가스 유입부(621)과 1차합성가스 배출부(622)를 연결하고, 연소가스완(626)은 1차합성가스관(625)보다 외측에 위치하여 연소가스 유입부(623)와 연소가스 배출부(624)를 연결한다. 1차합성가스관(625)과 연소가스완(626)은 각각 다수의 관으로 이루어진 관다발일 수 있다.

물은 1차합성가스관(625) 연소가스완(626)이 잠겨질 정도로 채워지고, 물이 채워지지 않은 탱크부 상측의 빈 공간은 물이 증발하여 수증기가 채워지는 공간으로 활용된다.

케이스(610)의 타측 공간에는 열교환기(630,640,650,660)들이 설치된다. 이 열교환기(630,640,650,660)들은 쉘(shell) & 튜브(tube)형 열교환기이다.

쉘 & 튜브형 열교환기는 대체로 원통형으로 이루어져 있으며, 다수의 튜브로 연결된 양측 튜브사이드부와, 양측 튜브사이드부와는 배플로 구획되어 독립된 공간을 형성하는 쉘사이드부로 이루어진다. 다수의 튜브들은 쉘사이드부를 경유하여 양측 튜브사이드부를 연결하는 구조로 설치된다. 쉘사이드부와 튜브사이드부에는 각각 입구와 출구가 구비된다.

상기 복수의 열교환기(630,640,650,660)는 제1열교환기(630), 제2열교환기(640), 제3열교환기(650) 및 제4열교환기(660)이다.

이들 제1열교환기(630), 제2열교환기(640), 제3열교환기(650) 및 제4열교환기(660)는 도 2와 같이 전체가 상하 일렬로 적층되거나, 도 3과 같이 그 외 다양한 배치 구조로 설치될 수 있다.

제1열교환기(630)는 보일러(620)의 일측 하단에 직접 연결되는 구조로 설치되고, 케이스(610)의 바닥판(611; 도 3 참조)에 장착된다. 제1열교환기(630)의 경우 튜브들이 보일러(620)의 연소가스 배출부(624)에 직접 연결되기 때문에 일측 튜브사이드부가 제거된 형태를 가진다. 즉, 제1열교환기(630)는 연소가스 배출부(624)를 유입측 튜브사이드부로 공유한다.

제1열교환기(630)의 상부에 제2열교환기(640)가 설치되고, 제2열교환기(640)의 상부에 제3열교환기(650)가 설치되며, 제3열교환기(650)의 상부에 제4열교환기(660)가 설치될 수 있다.

각각의 열교환기 사이에는 마운팅부재(670)가 구비되어 하부 열교환기에 대한 상부 열교환기의 지지 및 고정 작용을 수행한다. 마운팅부재(670)에 관해서는 추후 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.

개질기(100)의 1차합성가스 배출구는 보일러(620)의 1차합성가스 유입부(621)와 파이프(P1)로 연결된다.

보일러(200)의 1차합성가스 배출부(622)는 전환반응기(200)의 입구와 파이프(P2)로 연결된다.

전환반응기(200)의 출구는 제2열교환기(640)의 쉘사이드부 입구와 파이프(P3)로 연결된다.

제2열교환기(640)의 쉘사이드부 출구는 제3열교환기(650)의 쉘사이드부 입구와 파이프(P4)로 연결된다.

제3열교환기(650)의 쉘사이드부 출구는 PSA장치(300)의 입구와 파이프(P5)로 연결된다.

개질기(100)의 연소가스 배출구는 보일러(620)의 연소가스 유입부(623)와 파이프(P6)로 연결된다.

보일러(620)의 연소가스 배출부(624)는 제1열교환기(630)의 튜브 일측에 직접 연결된다.

제1열교환기(630)의 튜브사이드부 출구는 제4열교환기(660)의 튜브사이드부 입구와 파이프(P7)로 연결된다.

제4열교환기(660)의 튜브사이드부 출구에는 파이프(P8)가 연결되며, 이 파이프(P8)는 열교환 장치(600)의 케이스(610)를 관통하여 대기 중으로 연통된다.

물 공급부(500)의 출구는 제1열교환기(630)의 쉘사이드부 입구와 파이프(P9)로 연결된다.

제1열교환기(630)의 쉘사이드부 출구는 제2열교환기(640)의 튜브사이드부 입구와 파이프(P10)로 연결된다.

제2열교환기(640)의 튜브사이드부 출구는 보일러(620)의 탱크부 입구와 파이프(P11)로 연결된다.

보일러(620)의 탱크부 출구에는 열교환 장치(600)의 케이스(610)를 관통하여 외부로 연장되는 파이프(P12)가 연결된다.

천연가스 공급부(400)의 출구는 제4열교환기(660)의 쉘사이드부 입구와 파이프(P13)로 연결된다.

제4열교환기(660)의 쉘사이드부 출구는 제3열교환기(650)의 튜브사이드부 입구와 파이프(P14)로 연결된다.

제3열교환기(650)의 튜브사이드부 출구는 열교환 장치(600)의 케이스(610)를 관통하여 개질기(100)의 천연가스 입구와 파이프(P15)로 연결된다.

보일러(620)의 탱크부 출구에 연결된 상기 파이프(P12)는 개질기(100)의 천연가스 입구에 연결되는 상기 파이프(P15)에 연결된다.

한편, 상기와 같은 배관 연결 구조를 그대로 유지하면서 상기 제1 내지 제4 열교환기(630,640,650,660)들은 도 3에 도시된 바와 같이, 다양한 구조로 배치될 수 있다.

도 3의 (a)는 제1열교환기(630)가 케이스(610)의 바닥판(611) 일측에 장착되고, 제1열교환기(630)의 상부에 제2열교환기(640)가 장착되며, 제2열교환기(640)의 상부에 제3열교환기(650)가 장착되는 한편, 제4열교환기(660)는 상기 바닥판(611)의 제1열교환기 (630) 측부에 장착되는 구조이다.

도 3의 (b)는 제1열교환기(630)의 상부에 제2열교환기(640)가 장착되고, 제2열교환기(640)의 상부에 제3열교환기(650)가 장착되며, 바닥판(611)의 제1열교환기(630) 측부에 서포트프레임(680)이 설치되고, 서포트프레임(680)의 상부에 제4열교환기(660)이 설치되는 구조이다. 서포트프레임(680)에 의해 제4열교환기(660)의 높이가 상승되어 제2열교환기(640)의 측부에 배치된다.

도 3의 (c)는 각 열에 2개씩의 열교환기가 적층된 구조로서, 제1열교환기(630)의 상부에 제2열교환기(640)가 장착되고, 바닥판(611)의 제1열교환기(630) 측부에 제4열교환기(660)가 장착되며, 제4열교환기(660)의 상부에 제3열교환기(650)가 장착되는 구조이다.

상기한 열교환기 배치 구조에 있어서, 열교환기의 장착은 마운팅부재(670)를 매개로 이루어진다. 마운팅부재(670)는 상측 열교환기의 하부에 고정된 상부마운팅플레이트(671)와, 하측 열교환기의 상부(바닥판에 설치되는 열교환기의 경우에는 바닥판의 상면)에 고정된 하부마운팅플레이트(672)와, 상부마운팅플레이트(671)과 하부마운팅플레이트(672)의 양단에 관통 체결되는 볼트(673)를 포함한다.

상부마운팅플레이트(671)과 하부마운팅플레이트(672)는 해당 열교환기 또는 바닥에 볼팅 또는 용접 등의 방법으로 고정된다. 양측 볼트(673)의 하단에는 너트가 체결됨은 물론이다.

상부마운팅플레이트(671)과 하부마운팅플레이트(672)는 서로 직접 맞대어지는 상태로 볼트(673)에 의해 연결될 수 있고, 또는 양자의 사이에 필요에 따라 서포트블럭(674)이 개재되어 상측 열교환기와 하측 열교환기(또는 바닥판) 사이의 거리 및 공간를 확보할 수 있다. 이 거리 및 공간은 관로를 구성하는 파이프들의 설치 공간을 확보하는데 이용될 수 있다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 열교환기(630,640,650,660)들이 4각 관체 형상으로 형성될 수 있다. 이 경우 마운팅부재(670')의 구성으로서 마운팅플레이트를 적용하지 않고 열교환기 각 열교환기의 상면과 하면이 평면으로 이루어져 열교환기의 적층시 안정성이 향상되므로 열교환기의 양측면에 수평으로 돌출된 마운팅플랜지를 적용할 수 있다. 즉, 상측 열교환기의 하단 양측면에 상부마운팅플랜지(671')가 형성되고, 하측 열교환기의 상단 양측면에 하부마운팅플랜지(672')가 형성되며, 이들 상부마운팅플랜지(671')와 하부마운팅플랜지(672')가 볼트(673')를 매개로 연결되는 것이다. 이때 상측 열교환기와 하측 열교환기의 사이에 지지블럭(미도시)을 개재하여 열교환기와 열교환기의 사이 또는 열교환기와 바닥판(611)의 사이에 필요한 거리 및 공간을 확보할 수 있음은 물론이다.

도 4의 (a),(b),(c)는 각각 도 3의 (a),(b),(c)와 비교할 때 단지 열교환기의 형태(원형관과 사각관)만 다를 뿐 열교환기의 배치 구조는 동일하므로 배치구조에 대한 설명은 반복하지 않는다.

이제 본 발명의 작용 및 효과를 설명한다.

개질기(100)에서 생성된 1차합성가스(G1)는 파이프(P1)를 통해 보일러(620)의 1차합성가스 유입부(621)로 유입되어 1차합성가스관(625)을 경유한 뒤 1차합성가스 배출부(622)를 통해 배출된다.

또한, 개질기(100)에서 배출된 연소가스는 파이프(P6)를 통해 보일러(620)의 연소가스 유입부(623)로 유입되어 연소가스완(626)을 경유하고 연소가스 배출부(624)로 배출된다.

상기 1차합성가스와 연소가스는 모두 500℃ 이상의 온도를 가진다. 따라서, 1차합성가스관(625)과 연소가스완(626)을 통과하면서 보일러(620) 탱크부에 채워진 물을 가열하여 수증기를 생성한다. 생성된 수증기는 보일러(620) 상부에 연결된 파이프(12)를 통해 배출되어 개질기(100)쪽으로 공급된다.

상기 1차합성가스 배출부(622)에서 배출된 1차합성가스(300℃~350℃)는 파이프(P2)를 통해 전환반응기(200)로 공급되어 수성전이반응에 의해 수소 함량이 증가된 2차합성가스(G2)를 생성한다.

전환반응기(200)에서 배출된 2차합성가스(G2)(350℃~450℃)는 파이프(P3)를 통해 제2열교환기(640)의 쉘사이드부 입구로 유입된다.

제2열교환기(640)의 쉘사이드부 출구에서 배출된 2차합성가스는 파이프(P4)를 통해 제3열교환기(650)의 쉘사이드부 입구로 유입되고, 제3열교환기(650)의 쉘사이드부 출구에서 배출된 2차합성가스는 파이프(P5)를 통해 PSA장치(300)로 공급된 후, 압력스윙흡착반응에 의해 고순도 수소가스로 전환된다.

보일러(620)의 연소가스 배출부(624)에서 배출된 연소가스(100℃~200℃)는 제1열교환기(630)의 튜브사이드부로 직접 유입된다. 제1열교환기(630)의 튜브사이드부 출구로 배출된 연소가스(50℃~100℃)는 파이프(P7)를 통해 제4열교환기(660)의 튜브사이드부 입구로 공급된다. 제4열교환기(660)의 튜브사이드부 출구로 배출된 연소가스는 파이프(P8)를 통해 대기중으로 배출된다.

물 공급부(500)의 출구에서 배출되는 물(상온, 약 25℃)은 파이프(P9)를 통해 제1열교환기(630)의 쉘사이드부 입구로 공급되고, 제1열교환기(630)의 쉘사이드부 출구에서 배출된 물은 파이프(P10)를 통해 제2열교환기(640)의 튜브사이드부 입구로 공급된다.

제2열교환기(640)의 튜브사이드부 출구에서 배출된 물은 파이프(P11)를 통해 보일러(620)의 탱크부로 공급된다. 보일러(620)의 탱크부에서 생성된 수증기는 전술한 바와 같이 파이프(P12)를 통해 개질기(100)쪽으로 공급된다.

천연가스 공급부(400)의 출구에서 배출된 천연가스(상온, 약 25℃)는 파이프(P13)를 통해 제4열교환기(660)의 쉘사이드부 입구로 유입된다. 제4열교환기(660)의 쉘사이드부 출구에서 배출된 천연가스는 파이프(P14)를 통해 제3열교환기(650)의 튜브사이드부 입구로 유입되고, 제3열교환기(650)의 튜브사이드부 출구에서 배출된 천연가스는 파이프(P15)를 통해 개질기(100)의 개질반응부 입구로 공급된다. 이때 천연가스가 공급되는 상기 파이프(P15)에는 보일러(620)에서 수증기가 배출되는 상기 파이프(P12)가 합류된다. 따라서, 개질기의 개질반응부 입구에는 천연가스와 수증기가 혼합되어 공급된다.

상기와 같은 유체(1차합성가스, 2차합성가스, 연소가스, 천연가스, 물(수증기)) 흐름에 의해 상기 열교환기(630,640,650,660)들에서는 다음과 같은 열교환이 이루어진다.

제1열교환기(630)에서는 튜브사이드부를 흐르는 연소가스가 물 공급부(500)로부터 유입되어 쉘사이드부를 흐르는 물을 가열하여 1차 승온시킨다.

제2열교환기(640)에서는 튜브사이드부를 흐르는 물이 쉘사이드부를 흐르는 2차합성가스에 의해 2차로 승온되고, 이후 보일러(620)의 탱크부로 공급된다.

제3열교환기(650)에서는 튜브사이드부를 흐르는 천연가스가 쉘사이드부를 흐르는 2차합성가스에 의해 승온되어 2차로 가열된 후, 개질기(100)쪽으로 공급된다.

제4열교환기(660)에서는 튜브사이드부를 흐르는 연소가스가 쉘사이드부를 흐르는 천연가스를 1차로 가열하여 승온시킨다. 1차 가열된 천연가스는 전술한 바와 같이, 제3열교환기(650)의 튜브사이드부를 흐르면서 2차합성가스에 의해 2차 가열된다.

상기와 같이, 물 공급부(500)에서 공급되는 상온의 물은 제1열교환기(630)에서 연소가스에 의해 1차 가열되고, 제2열교환기(640)에서 2차합성가스에 의해 2차 가열되며, 보일러(620)에서 1차합성가스관(625)과 연소가스완(626)을 흐르는 고온의 1차합성가스와 연소가스에 의해 3차 가열되어 수증기가 된다.

상기와 같이, 제1열교환기(630)와 제2열교환기(640)에서 충분한 온도로 상승한 상태에서 보일러(620)의 탱크부로 공급되므로 보일러(620)에서 1차합성가스관(625)과 연소가스완(626)으로부터 보다 작은 양의 열을 흡수하고도 원활하게 기화하여 수증기로 전환될 수 있다. 이때 배출되는 수증기의 온도는 약 180℃ 수준으로서 개질기(100)로의 공급 조건을 충분히 만족한다.

또한, 천연가스 공급부(400)에서 공급되는 상온의 천연가스는 제4열교환기(660)에서 연소가스에 의해 1차 승온되고, 제3열교환기(650)에서 2차합성가스에 의해 2차 승온된 후, 개질기(100)쪽으로 공급된다. 따라서, 천연가스 역시 충분히 승온된 상태에서 개질기(100)로 공급될 수 있게 된다.

이와 같이 개질기(100)로 공급되는 천연가스와 물이 충분한 온도로 승온되어 공급됨으로써 개질기(100)에서의 개질반응이 보다 신속하고 활발하게 이루어짐으로써 수소 생성량이 증가하는 효과가 있다. 또한, 개질기(100)를 정상상태로 운전하기 위해 버너(110)로 투입되는 천연가스량을 감소시킬 수 있게 됨으로써 버너(110)의 연료 사용량이 감소되는 효과가 있다. 따라서, 수소 제조 장치 전체적으로 에너지 효율이 향상되는 효과가 있다.

한편, 상기 보일러(620) 및 제1 내지 제4 열교환기(630,640,650,660)는 단열재를 구비한 케이스(610)의 내부에 설치되어 외부에 대해 단열된다. 따라서, 보일러(620) 및 제1 내지 제4 열교환기(630,640,650,660)와, 이들을 연결하는 다수의 파이프(P1 내지 P15)들로부터 대기중으로 발산되는 열이 감소됨으로써 열 손실량이 감소하여 수소 제조 장치의 에너지 효율이 향상된다.

더욱이, 상기 제1 내지 제4 열교환기(630,640,650,660)들이 케이스(610)의 내부에 집적되기 때문에 각각의 열교환기들을 연결하는 파이프들의 길이가 크게 감소되므로 파이프를 통한 열 손실량이 대폭 감소되며, 이에 열교환 장치(600)에 의한 천연가스와 물의 열교환 성능이 크게 향상되고, 수소 제조 장치 전체적인 관점에서도 에너지 효율이 향상되는 효과가 있다.

또한, 상기 케이스(610)는 필요에 따라 측면이 개방될 수 있는 구조로 이루어져 있고, 케이스(610)의 내부에 상기와 같이 보일러(620)와 제1 내지 제4열교환기(630,640,650,660)들이 집적되어 있기 때문에 이들의 정비 점검 및 고장 수리가 용이하다.

상기 제1 내지 제4 열교환기(630,640,650,660)들은 도 3에 예시한 바와 같이 다양한 방식으로 배치될 수 있다. 이와 같이 다수의 열교환기가 상하방향으로 적층됨으로써 열교환기 설치 면적을 크게 감소시킬 수 있게 된다. 이는 열교환 장치(600)의 크기를 감소시키고, 결과적으로 수소 제조 장치의 크기를 감소시키는 효과가 있다.

또한, 일부 열교환기를 주 적층열과 다른 열에 배치함으로써 열교환기 간의 연결 파이프 배치를 보다 효율적으로 실시할 수 있다. 예들 들어 도 3 (a)와 같이 주적층열로부터 제4열교환기(660)를 분리하여 제1열교환기(630)의 측부에 설치한 경우, 제1열교환기(630)와 제4열교환기(660)를 연결하는 파이프(P7)의 길이를 크게 감소시킬 수 있게 된다.

또한, 도 3 (b)와 같이, 서포트프레임(680)을 이용하여 제4열교환기(660)를 제2열교환기(640)와 같은 높이에 설치했을 경우, 제4열교환기(660)의 위치 이동에 따른 제4열교환기(660)과 제3열교환기(650)를 연결하는 파이프(P14)의 길이 증가량을 최소화하면서 상기 파이프(P7)의 길이를 감소시킬 수 있게 된다.

또한, 도 3 (c)와 같이, 제1열교환기(630)의 상부에 제2열교환기(640)를 적층하고, 제1열교환기(630)의 측부에 다른 열을 이루도록 제4열교환기(660)를 설치하고, 제4열교환기(660)의 상부에 제3열교환기(650)을 적층할 수도 있다. 이 경우 모든 열교환기들이 서로 상하, 좌우 및 대각 방향으로 근접 거리에 위치하게 됨으로써 상호간에 연결되는 파이프들의 길이를 감소시킬 수 있게 된다.

상기와 같이 제1 내지 제4 열교환기(630,640,650,660)들의 배치를 다양하게 변경하여 이들을 서로 연결하는 파이프의 길이를 감소시킬 수 있음은 물론, 파이프의 레이아웃도 보다 간결하게 구성할 수 있다. 따라서, 수소 제조 장치의 에너지 효율이 향상되며, 구성이 간결해지는 효과가 있다.

한편, 제1 내지 제4 열교환기(630,640,650,660)들을 사각관체 형상으로 제작하면, 열교환기 적층시 열교환기의 상면과 하면이 서로 밀착되어 지지되므로 열교환기의 적층 안정성이 향상되고, 마운팅부재(670')의 구성을 간단히 할 수 있게 되는 효과가 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

100 : 개질기 110 : 버너
200 : 전환반응기 300 : PSA장치
400 : 천연가스 공급부 500 : 물 공급부
600 : 열교환 장치 610 : 케이스
620 : 보일러 621 : 1차합성가스 유입부
622 : 1차합성가스 배출부 623 : 연소가스 유입부
624 : 연소가스 배출부 625 : 1차합성가스관
626 : 연소가스완 630 : 제1열교환기
640 : 제2열교환기 650 : 제3열교환기
660 : 제4열교환기 670, 670' : 마운팅부재
680 : 서포트프레임 P1 ~ P15 : 파이프

Claims

천연가스를 수증기 개질반응을 통해 수소가 함유된 1차합성가스(G1)를 생성하는 개질기(100)와;
상기 1차합성가스(G1)를 수성전이반응을 통해 수소 함량이 증가된 2차합성가스(G2)를 생성하는 전환반응기(200)와;
상기 2차합성가스(G2)를 압력스윙흡착법을 통해 일산화탄소(CO)와 불순물을 더 제거하여 고순도의 수소가스를 생성하는 PSA장치(300)와;
상기 개질기(100)에 천연가스를 공급하는 천연가스 공급부(400)와;
상기 개질기(100)에 수증기를 공급하기 위한 물 공급부(500); 및
상기 천연가스와 물을 개질기(100)와 전환반응기(200)에서 배출되는 연소가스와 1차합성가스 및 2차합성가스와 열교환시켜 개질기(100)의 입구 온도 조건을 만족시키도록 가열하는 열교환 장치(600);
를 포함하는 수소 제조 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 열교환 장치(600)는 케이스(610)와, 케이스(610)의 내부 일측에 설치되는 보일러(620) 및 케이스(610)의 내부에서 상기 보일러(620)의 측부에 설치되는 제1열교환기(630), 제2열교환기(640), 제3열교환기(650), 제4열교환기(660)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소 제조 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 케이스(610)는 내측면에 단열재를 구비한 것을 특징으로 하는 수소 제조 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 케이스(610)는 측면 중 일부가 개방될 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 수소 제조 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 보일러(620)는 하부에 1차합성가스 유입부(621), 1차합성가스 배출부(622), 연소가스 유입부(623), 연소가스 배출부(624)가 형성되고, 이들의 상부에 물이 채워지는 탱크부가 형성되며, 1차합성가스 유입부(621)와 1차합성가스 배출부(622)가 1차합성가스관(625)으로 연결되고, 연소가스 유입부(623)와 연소가스 배출부(624)가 연소가스완(625)으로 연결되며, 1차합성가스관(625)과 연소가스완(626)은 역U자 형상으로서 탱크부의 내부에 설치되고, 1차합성가스관(625)을 흐르는 1차합성가스와 연소가스완(626)을 흐르는 연소가스에 의해 탱크부의 물이 가열되어 수증기가 생성되며, 수증기는 탱크부 상부에 연결된 파이프(P12)를 통해 개질기(100)로 공급되도록 된 것을 특징으로 하는 수소 제조 장치.
청구항 5에 있어서,
상기 보일러(620)의 1차합성가스 배출부(622)에서 배출된 1차합성가스가 파이프(P2)를 통해 전환반응기(200)로 공급되고, 전환반응기(200)에서 배출되는 2차합성가스가 파이프(P3)를 통해 2차열교환기(640)의 쉘사이드부 입구로 공급되며, 2차열교환기(640)의 쉘사이드부 출구에서 배출된 2차합성가스가 파이프(P4)를 통해 3차열교환기(650)의 쉘사이드부 입구로 공급되고, 3차열교환기(650)의 쉘사이드부 출구에서 배출된 2차합성가스가 파이프(P5)를 통해 PSA장치(300)의 입구로 공급되는 것을 특징으로 하는 수소 제조 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 보일러(620)의 연소가스 배출부(624)에 제1열교환기(630)의 튜브사이드부를 이루는 튜브들의 일단이 직접 연결되어 연소가스 배출부(624)에서 배출되는 연소가스가 제1열교환기(630)의 튜브사이드부로 직접 유입되고, 제1열교환기(630)의 튜브사이드부 출구에서 배출되는 연소가스가 파이프(P7)를 통해 제4열교환기(660)의 튜브사이드 입구로 공급되고, 제4열교환기(660)의 튜브사이드 출구에서 배출되는 연소가스는 파이프(P8)을 통해 대기중으로 배출되는 것을 특징으로 하는 수소 제조 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 물 공급부(500)의 출구에서 배출된 물이 제1열교환기(630)의 쉘사이드부 입구로 공급되어 물이 연소가스에 의해 1차 가열되는 것을 특징으로 하는 수소 제조 장치.
청구항 8에 있어서,
상기 제1열교환기(630)의 쉘사이드부 출구에서 배출된 물이 파이프(P10)를 통해 제2열교환기(640)의 튜브사이드부 입구로 공급되어 물이 2차합성가스에 의해 2차로 가열되고, 제2열열교환기(640)의 튜브사이드부 출구에서 배출된 물이 파이프(P11)을 통해 보일러(620)의 탱크부로 공급되는 것을 특징으로 하는 수소 제조 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 천연가스 공급부(400)의 출구에서 배출된 천연가스가 파이프(P13)를 통해 제4열교환기(660)의 쉘사이드부 입구로 공급되어 천연가스가 연소가스에 의해 1차 가열되고, 제4열교환기(660)의 쉘사이드부 출구에서 배출된 천연가스가 파이프(P14)를 통해 제3열교환기(650)의 튜브사이드부 입구로 공급되어 천연가스가 2차합성가스에 의해 2차 가열되며, 제3열교환기(650)의 튜브사이드부 출구에서 배출된 천연가스가 파이프(P15)를 통해 개질기(100)로 공급되는 것을 특징으로 하는 수소 제조 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 제1 내지 제4열교환기(630,640,650,660)들 중 3개가 하나의 열을 이루며 상하로 적층되고, 나머지 1개가 다른 열을 이루되 케이스(610)의 바닥판(611)에 설치되는 것을 특징으로 하는 수소 제조 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 제1 내지 제4열교환기(630,640,650,660)들 중 3개가 하나의 열을 이루며 상하로 적층되고, 나머지 1개가 다른 열을 이루되, 케이스(610)의 바닥판(611)에 서포트프레임(680)이 설치되고, 상기 나머지 1개의 열교환기는 상기 서포트프레임(680)의 상부에 설치되는 것을 특징으로 하는 수소 제조 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 제1 내지 제4열교환기(630,640,650,660)들 중 2개가 하나의 열을 이루며 상하로 적층되고, 나머지 2개가 다른 열을 이루면서 상하로 적층된 것을 특징으로 하는 수소 제조 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 제1 내지 제4열교환기(630,640,650,660)들은 직사각형 관체 형상으로 형성되어 적층시 상측 열교환기의 하면과 하측 열교환기의 상면이 평면 상태로 직접 접촉하여 상호 지지하도록 된 것을 특징으로 하는 수소 제조 장치.