KR20160149609A - 연료개질용 탈황기 - Google Patents

Abstract

연료개질용 탈황기로서,
상기 탈황기의 길이 대비 직경(L/D)가 10 내지 14인 것을 특징으로 하는 연료개질용 탈황기가 제공된다.

Description

연료개질용 탈황기{Desulfurizer for fue refoming}

본 발명은 연료개질용 탈황기에 관한 것으로, 내부에 촉매가 충진되는 탈황기의 구조를 최적화하여 연료로부터 잔류하는 황을 최소화시키는 연료개질용 탈황기에 관한 것이다.

연료전지 (Fuel cell)는 메탄올, 에탄올, 천연가스와 같은 탄화수소 계열의 물질 내에 함유되어 있는 수소와 산소의 화학 에너지를 직접 전기 에너지로 변환시키는 발전 시스템이다.

상기와 같은 연료전지는 기본적으로 시스템을 구성하기 위해 스택 (stack), 연료처리장치 (FP: fuel processor), 연료탱크, 연료 펌프 등을 구비한다. 스택은 연료 전지의 본체를 형성하며, 막-전극 접합체 (MEA: membrane electrodeassembly)와 세퍼레이터 (separator, 또는 biopolar plate)로 이루어진 단위 셀이 수 내지 수십 개로 적층된 구조를 가진다. 연료 펌프는 연료 탱크 내의 연료를 연료처리장치로 공급하며 연료처리장치는 연료를 개질 및 정화하여 수소를 발생시키고 그 수소를 스택으로 공급한다. 스택에서는 상기 수소를 받아 산소와 전기화학적으로 반응시켜 전기에너지를 발생시킨다.

연료처리장치의 개질기 (reformer), 수성가스 전환기 (water-gas shift reactor) 등에서는 리포밍 촉매와 쉬프트 촉매를 이용하여 연료전지용 연료가스를 개질하고 일산화탄소를 제거하게 되는데, 상기 연료가스는 황 화합물을 함유하는 반면, 상기 촉매들과 막-전극 접합체의 애노드 촉매는 황 화합물에 의해 피독되기 쉽다.

일반적으로, 황 화합물을 제거하는 방법으로는 수첨탈황 (HDS: hydrodesulfurization) 공정을 이용하거나 흡착제를 이용

할 수 있으며, 상기 수첨탈황 공정은 신뢰할 수 있는 공정이지만, 300 내지 400℃의 고온을 필요로 하고, 운전이 복잡하여 소규모 장치보다는 대규모의 플랜트에 응용되는 것이다. 따라서, 연료전지용 연료가스에서 상기한 TBM, THT 등의 황화합물을 제거하는 방법으로는 흡착제를 이용하는 방법이 더 적절한데, 흡착제를 이용하는 방법은 활성 탄소, 금속 산화물, 또는 제올라이트 등으로 되며, 활성화된 흡착제에 연료 가스를 통과시켜서 황 화합물을 제거하는 방법 등이 알려져 있다.

하지만, 이러한 흡착제를 이용한 탈황기에서, 유입되는 연료가스의 유량과 배압, 그리고 흡착제 효율간의 복잡한 관계가, 탈황기의 구성에 따라 제어되는 기술을 아직까지 개시되지 못한 상황이다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 흡착제를 이용한 탈황기에서 최적 비율을 설계하여 탈황 성능을 향상시키고자 하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 연료개질용 탈황기로서, 상기 탈황기의 길이 대비 직경(L/D)가 10 내지 14인 것을 특징으로 하는 연료개질용 탈황기를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 탈황기 내에는 흡착제가 충진되어 있으며, 상기 흡착제는 펠렛 형태로 상기 탈황기 내부 전체 체척 중 85 내지 90% 충진되어 있다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 탈황기로 유입되는 유체는 액체연료이며, 상기 탈황기 내로 유입되는 유체의 차압은 3bar 이하이다.

본 발명은 또한 상술한 탈황기; 및 상기 탈황기로 유입되는 액체연료를 가열하기 위한 예열기를 포함하며, 상기 탈황기는 직렬연결된 단위 탈황기를 적어도 2 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 연료개질용 탈황 시스템을 제공한다.

본 발명은 흡착제가 내부에 충진되는 탈황기가 길이 대비 직경의 비율(길이/직경, L/D)을 최적화하여, 탈황 성능을 향상시킨다. 더 나아가, 예열기로 액체연료를 가열한 후, 본 발명에 따른 탈황기를 복수 개 직렬연결하여 용량 증가에도 불구하고, 탈황기 내의 온도 구배를 최소화하여, 탈황 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 탈황기의 단면도이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 30kw 탈황기에서 길이 대비 직경을 달리하여 실험한 실험 결과이다.
도 3은 탈황기의 길이 대비 직경을 달리한 탈황기의 내부 대비 직경을 달리한 경우 발생하는 배압과 탈황 처리시의 온도 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탈황기의 모식도이다.
도 5는 복수 개의 단위 탈황기를 직렬 연결한 탈황기의 사시도이다.

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.

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.

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. 또한, 본원 명세서 전체에서, "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"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.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는, A 및 B"를 의미한다.

본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여, 흡착제가 내부에 충진되는 탈황기의 최적 길이 대비 직경(길이/직경, L/D) 비율을 설계하였다. 특히 액체 연료의 경우 유입된 후 배출됨에 따라 발생하는 액체의 압력차가 적정수준(3 bar) 이하로 유지되는 경우, 탈황 성능이 향상되며, 이를 위한 반응기 구조를 설계한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 탈황기는 길이 대비 직경(L/D)가 10 내지 14이다. 10 이하인 경우, 배압이 충분한 수준으로 낮으나, 액체 연료의 유로가 과도하게 짧아 충분한 탈황 성능이 나타나지 않는다. 반대로 14 이상인 경우 유로는 충분한 수준으로 확보되나 배압이 3bar 이상이 되어 유속이 과도하게 증가하여, 탈황기의 기계적 내구성에 영향을 주고, 아울러 탈황 성능도 떨어진다.

본 명세서에서 상기 길이 대비 직경은 흡착제가 채워진 부분에서의 길이 대비 직경을 의미한다.

도 1은 본 발명의 탈황기의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 탈황기(100)의 아래쪽(101)에서 위쪽(102)으로 연료인 디젤(200)을 흘려보냈다. 이때 상기 디젤의 유입온도는 섭씨 250도로 하였다. 이후 디젤을 탈황기 내로 흘려보내다가 디젤이 배출되기 시작하면 BPR(back pressure regulator-역압력조절기*디젤이 배출되기 직전 후단에 달려있음)을 통해 약 8.6bar에서 10bar정도 압력을 가해준다. 이후 디젤 배출은 일시 정지한 후, 다시 디젤배출을 재개하여 이를 수득한 후, 황 함량을 분석하였다. 본 발명의 일 실시예에서 상기 흡착제(300)는 TDA에서 제공하는 SulfaTrap^TM-D1 흡착제였으나, 본 발명의 범위는 이에 제한되지 않는다. 또한 상기 흡착제는 탈황기 내부 전체 제적의 85 내지 90%이었다.

도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 30kw 탈황기에서 길이 대비 직경을 달리하여 실험한 실험 결과이다.

도 2를 참조하면, 탈황기의 길이 대비 직경이 3인 경우 4ppm의 황 성분이 나타나고 있으나, 10인 경우, 0.8 수준으로 감소하며, 14인 경우, 0.5 수준으로 떨어진다. 하지만, 16인 경우에는 다시 0.9ppm 수준으로 황 성분이 증가하게 된다. 이는 L/D가 16인 경우, 비록 흡착제의 양은 증가하나, 액체 연료의 과도하게 증가하는 유속으로 인하여 탈황 성능이 떨어지는 것을 의미한다. 따라서, 상기 실험 결과를 통하여 흡착제 기반 탈황기의 길이 대비 지경 비율은 10 내지 14가 적절하다는 것을 알 수 있다.

도 3은 탈황기의 길이 대비 직경을 달리한 탈황기의 내부 대비 직경을 달리한 경우 발생하는 배압과 탈황 처리시의 온도 프로파일을 나타낸다. 좌측부터 길이 대비 직경이 3, 10, 14 및 16인 경우를 나타낸다.

도 3을 참조하면, 3 내지 14의 경우 배압이 1.5 내지 2bar 수준이나, 16의 경우 3 내지 3.32 bar까지 배압이 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 배압이 3 이상 증가하면 연료의 유속은 증가하게 되며, 그 결과 실질적인 흡착제의 황 흡착효율이 현저히 떨어지게 된다. 더 나아가, 내부 온도 또한 길이 대비 직경이 16인 경우 섭씨 280도 수준으로 상승하는 것을 알 수 있다.

따라서, 탈황기의 길이 대비 직경은 10 내지 14로 설계하는 것이, 탈황 성능, 내부 온도 유지, 충분한 접촉 시간 확보 등의 관점에서 유리하다.

본 발명의 또 다른 일 실시예는 상술한 탈황기의 길이 대비 직경의 수치와 함께 유입되는 디젤을 가열하기 위한 예열기(Preheater)를 제공한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탈황기의 모식도이고, 도 5는 복수 개의 단위 탈황기를 직렬 연결한 탈황기의 사시도이다.

도 4 및 5를 참조하면, 상기 탈황 시스템은 길이 대비 직경이 10 내지 14인 탈황기(100)가 복수 개 포함하며, 상기 탈황기는 직렬연결되어 있다. 이때 탈황기로 유입되는 디젤을 섭씨 200 내지 250도로 가열하기 위한 히터인 예열기(110)가 구비된다. 즉, 본 발명은 길이 대비 직경이 10 내지 14인 탈황기의 용량이 증가하는 경우 상기 수치 범위를 만족하는 탈황기를 직렬연결하여 직용량을 증가시킨다.

이때, 유입되는 디젤의 온도가 너무 낮은 경우 길어지는 유로 등으로 인하여 온도가 탈황기 내에서 충분히 올라가지 못하여 탈황 효율이 떨어지는 문제가 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 탈황 시스템은, 상기 탈황기로 유입되는 디젤을 섭씨 200 내지 250도로 가열하기 위한 별도의 예열기를 더 포함한다.

본 발명의 일 실시예에서, 상기 예열기로 디젤을 가열시킨 경우 황 농도는 0.3ppm 수준이었으나. 예열기로 가열하지 않은 경우, 황 농도는 2 내지 4ppm 수준이었다. 즉, 상술한 길이 대비 직경 비율을 만족하는 경우에도 용량 증가에 따라 직경이 과도하게 커지게 되면 내부의 온도구배가 크게 발생하는데, 이러한 온도 구배의 문제를 해결하기 위하여, 예열기로 디젤을 섭씨 200 내지 250도로 가열하여 온도 구배 문제를 해결하였다.

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 수 있다.

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.

Claims (5)

1. 연료개질용 탈황기로서,
   상기 탈황기의 길이 대비 직경(L/D)가 10 내지 14인 것을 특징으로 하는 연료개질용 탈황기.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 탈황기 내에는 흡착제가 충진되어 있는 것을 특징으로 하는 연료개질용 탈황기.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 흡착제는 펠렛 형태로 상기 탈황기 내부 전체 체척 중 85 내지 90% 충진되어 있는 것을 특징으로 하는 연료개질용 탈황기.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 탈황기로 유입되는 유체는 액체연료이며, 상기 탈황기 내로 유입되는 유체의 차압은 3bar 이하인 것을 특징으로 하는 연료개질용 탈황기.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 따른 탈황기; 및
   상기 탈황기로 유입되는 액체연료를 가열하기 위한 예열기를 포함하며,
   상기 탈황기는 직렬연결된 단위 탈황기를 적어도 2 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 연료개질용 탈황 시스템.
   
   
   

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